(57)【要約】【課題】発電休止時のカソードへの燃料透過を抑制することが可能な燃料電池及び電源システムを提供する。【解決手段】カソード２と、アノード３と、液体燃料が収容された燃料室５と、前記燃料室５の前記液体燃料の蒸気を選択的に透過させる気液分離層７と、前記気液分離層７と前記アノード３との間に配置され、前記液体燃料の蒸気の透過量を制御する絞り機構８とを具備することを特徴とする燃料電池。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、
アノードと、
液体燃料が収容された燃料室と、
前記燃料室の前記液体燃料の蒸気を選択的に透過させる気液分離層と、
前記気液分離層と前記アノードとの間に配置され、前記液体燃料の蒸気の透過量を制御する絞り機構と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記絞り機構は、燃料透過孔が開口された固定板と、前記燃料透過孔と対向する位置に開口部が形成され、前記固定板に対して平行移動することにより前記燃料透過孔の開口面積を制御する可動板とを具備することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記固定板の前記燃料透過孔の開口面積は５０％以下であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記可動板の駆動手段は、前記可動板に形成された磁性体と、前記磁性体と対向する電磁石とを具備することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記可動板の駆動手段は、モータと、前記モータの軸に配置された歯車と、前記可動板に形成され、前記歯車と噛み合わされる歯を有する可動棒とを具備することを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
電荷貯蔵機構と、
前記電荷貯蔵機構に電荷を供給する請求項１〜５いずれか１項記載の燃料電池と、
前記電荷貯蔵機構の残存電荷量に応じて前記燃料電池の前記絞り機構の動作を制御する制御機構と
を具備することを特徴とする電源システム。
【請求項７】
前記電荷貯蔵機構は二次電池であることを特徴とする請求項６記載の電源システム。
【請求項８】
前記制御機構は、前記電荷貯蔵機構の残存電荷量が設定値以下の際に前記絞り機構を開放し、前記残存電荷量が前記設定値を超える際に前記絞り機構を閉鎖する制御信号を前記燃料電池に送信することを特徴とする請求項６または７記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池と、この燃料電池を備えた電源システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化が出来れば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；direct methanol fuel cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、改質器も不要なことから小型化が可能であり、燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望である。
【０００３】
ＤＭＦＣの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣなどがある。しかしながら、これらの燃料供給方法では、前記のようにメタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロアが補器として必要となり、システムとして複雑な形態となる他、小型化が難しくなる欠点を有する。
【０００４】
一方、特許文献１に示すような内部気化型ＤＭＦＣがもう一つの燃料供給方法として知られている。この内部気化型ＤＭＦＣは、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を拡散させるための燃料気化層とを備えるもので、気化した液体燃料が燃料気化層からアノードに供給される。特許文献１では、液体燃料としてメタノールと水が１：１のモル比で混合されたメタノール水溶液が使用され、メタノールと水の双方を気化ガスの形でアノードに供給している。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に示す内部気化型ＤＭＦＣでは、気化反応により燃料供給がなされているため、燃料供給量の制御が難しく、発電休止時のメタノールクロスオーバ抑制に課題がある。
【特許文献１】特許公報第３４１３１１１号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、発電休止時のカソードへの燃料透過を抑制することが可能な燃料電池及び電源システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る燃料電池は、カソードと、
アノードと、
液体燃料が収容された燃料室と、
前記燃料室の前記液体燃料の蒸気を選択的に透過させる気液分離層と、
前記気液分離層と前記アノードとの間に配置され、前記液体燃料の蒸気の透過量を制御する絞り機構と
を具備することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係る電源システムは、電荷貯蔵機構と、前記電荷貯蔵機構に電荷を供給する燃料電池と、前記電荷貯蔵機構の残存電荷量に応じて前記燃料電池の前記絞り機構の動作を制御する制御機構とを具備し、
前記燃料電池は、カソードと、アノードと、液体燃料が収容された燃料室と、前記燃料室の前記液体燃料の蒸気を選択的に透過させる気液分離層と、前記気液分離層と前記アノードとの間に配置され、前記液体燃料の蒸気の透過量を制御する絞り機構とを具備することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、発電休止時のカソードへの燃料透過を抑制することが可能な燃料電池及び電源システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１１】
（第一の実施形態）
図１は本発明の第一の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の絞り機構が開放されている状態を模式的に示した断面図で、図２は、図１の直接型メタノール燃料電池の絞り機構が閉塞されている状態を模式的に示した断面図で、図３は、絞り機構とアノードとの位置関係を示した模式図である。
【００１２】
図１に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１は、カソード２（例えば酸化剤極）と、アノード３（例えば燃料極）と、カソード２とアノード３の間に配置される固体電解質膜４とを備えるものである。カソード２は、カソードガス拡散層２ａと、カソードガス拡散層２ａに積層されたカソード触媒層２ｂとを含む。一方、アノード３は、アノードガス拡散層３ａと、アノードガス拡散層３ａに積層されたアノード触媒層３ｂとを含む。
【００１３】
カソードガス拡散層２ａは、カソード触媒層２ｂに酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、カソード触媒層２ｂの集電体も兼ねている。また、カソードガス拡散層３ａは、アノード触媒層３ｂに燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層３ｂの集電体も兼ねている。カソードガス拡散層２ａ及びカソードガス拡散層３ａとしては、例えば、カーボンペーパなどを挙げることができる。
【００１４】
カソード触媒層２ｂ及びアノード触媒層３ｂに含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。アノード触媒には、メタノールなどの液体燃料や一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、カソード触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものでは無い。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。
【００１５】
固体電解質膜４に含有されるプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂（例えば、スルホン酸基を有するポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン）、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定される物ではない。
【００１６】
膜電極接合体１の下方には、燃料室として液体燃料タンク５が配置されている。液体燃料タンク５内には、液体燃料６が収容されている。液体燃料６としては、例えば、純メタノール、メタノール水溶液等を挙げることができる。液体燃料のメタノール濃度は６４重量％以上、１００重量％以下が好ましい。メタノール濃度のさらに好ましい範囲は６５重量％以上、１００重量％以下である。なお、液体燃料タンク５に収容する液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。
【００１７】
液体燃料タンク５の開口部の上方には、気液分離層としての気液分離膜７が配置されている。気液分離膜７は、液体燃料の蒸気を選択的に透過させることにより、液体燃料の蒸気と液体成分とを分離する機能を有する。気液分離膜７としては、例えばシリコーンゴムシートを挙げることができる。
【００１８】
絞り機構８は、気液分離膜７とアノード３との間に配置されている。絞り機構８は、アノードに供給される液体燃料蒸気量を制御するためのもので、気液分離膜７と対向配置される可動板９と、可動板９に積層された固定板１０とを備えるものである。固定板１０の大きさは、図３に示すように、アノード３の反応面積よりも大きい。また、固定板１０には、複数の矩形状をなす燃料透過孔１１が開口されている。図３では、燃料透過孔１１の形状を矩形にしたが、これに限定されず、例えば、矩形以外の多角形状（例えば、三角形、六角形など）、円形、楕円形等にすることができる。但し、燃料透過孔１１の開口面積を大きくするには、矩形状が有利である。燃料透過孔１１の開口面積は、５０％以下にすることが望ましい。開口面積が５０％を超えると、燃料透過孔１１を塞ぐために必要な可動板９の移動距離が多くなったり、可動板９の非開口領域で燃料透過孔１１を閉塞するのが困難になる可能性がある。燃料透過孔１１のサイズは、１〜２ｍｍ×３〜１０ｍｍ程度の大きさにすることができる。また、燃料透過孔１１のピッチ間隔は数ミリ程度にすることが望ましい。
【００１９】
矩形枠状のシール部材１２は、固体電解質膜４の下面周縁と気液分離膜７の上面周縁との間に配置され、固体電解質膜４と気液分離膜７との間をシールしている。ガス抜き孔１２ａは、シール部材１２の絞り機構８よりも上方の位置に開口されており、発電により生成する炭酸ガス等の排出ガスがここから排出される。
【００２０】
固定板１０は、アノードガス拡散層３ａと対向するように矩形枠状のシール部材１２に固定されている。可動板９には、固定板１０の燃料透過孔１１と対向する位置に開口部１３が形成されている。開口部１３の形状は燃料透過孔１１と異なっていても良いが、ほぼ同じであることが望ましい。可動板９は固定板１０の直下に配置されている。可動板９の側面からは、樹脂製の支持棒１４が水平方向に延び出ている。支持棒１４は、シール部材１２の横穴に水平移動が自在な状態に挿入され、先端付近が外部に引き出されている。例えば鉄から形成された磁性体ブロック１５は、支持棒１４の先端に固定されている。電磁石１６は、磁性体ブロック１５と所望距離を隔てて配置されている。スプリング支持板１７は、支持棒１４の下部周面に固定されている。スプリング１８は、一端がスプリング支持板１７に固定され、他端はフリーな状態にある。
【００２１】
上述したような構成の直接メタノール型燃料電池の動作を説明する。発電時には、図１に示すように、電磁石１６への電流供給を停止し、スプリング１８で支持板１７を水平方向に加圧することにより、可動板９を電磁石１６から離れる方向に水平移動させ、可動板９の開口部１３の位置を固定板１０の燃料透過孔１１の位置に合わせる。これにより、固定板１０の燃料透過孔１１が開放される。スプリング１８によって支持板１７を一定圧力で加圧することにより、開放状態が維持される。
【００２２】
気液分離膜７を拡散してきた液体燃料の蒸気は、可動板９の開口部１３及び固定板１０の燃料透過孔１１を通過した後、アノードガス拡散層３ａを拡散してアノード触媒層３ｂに供給される。アノード触媒層３ｂに供給された蒸気は、カソード触媒層２ｂに供給された酸化剤（例えば空気）と反応し、発電反応が生じる。
【００２３】
発電を停止する際には、図２に示すように、電磁石１６に通電し、磁性体ブロック１５を電磁石１６に吸引する。これにより、可動板９が電磁石１６に近づく方向に水平移動するため、可動板９の開口部１３の位置が固定板１０の燃料透過孔１１の位置からずれ、固定板１０の燃料透過孔１１が可動板９の非開口領域で塞がれる。その結果、アノード３への燃料供給が停止するため、発電が中断されると共に、発電休止時のカソード２への燃料透過（メタノールクロスオーバ）を抑制することができ、燃料の浪費を抑えることができる。また、絞り機構８の開閉が可動板９の水平移動によりなされるため、燃料電池の小型化を妨げることが少ない。
【００２４】
（第２の実施形態）
図４は本発明の第二の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の絞り機構が開放されている状態を模式的に示した断面図で、図５は、図４の直接型メタノール燃料電池の絞り機構が閉塞されている状態を模式的に示した断面図である。
【００２５】
図４及び図５では、図１と同様な部材については、同符号を付して説明を省略する。
【００２６】
第２の実施形態に係る燃料電池は、絞り機構８の駆動手段を変更した例である。図４に示すように、可動板９の側面からは樹脂製の可動棒１９が水平方向に延び出ている。可動棒１９は、シール材１２の横穴に水平移動が自在な状態で挿入され、先端付近が外部に引き出されている。可動棒１９の先端付近には、歯２０が設けられている。可動棒１９の歯２０に噛み合わされる歯車２１は、モータ（図示しない）の回転軸２２に取り付けられている。モータの回転により歯車２１が回転すると、この歯車２１と歯２０が噛み合っている可動棒１９が水平方向に移動する。これにより、可動板９が水平方向に移動し、固定板１０の燃料透過孔１１の開閉がなされる。
【００２７】
このような構成の燃料電池によれば、発電時には、モータを左回転（図４の矢印方向）させることにより、可動棒１９を左方向に水平移動させる。可動棒１９の移動に伴い、可動板９も左方向に水平移動するため、可動板９の開口部１３の位置を固定板１０の燃料透過孔１１の位置に合わせることができる。これにより、固定板１０の燃料透過孔１１が開放される。
【００２８】
気液分離膜７を拡散してきた液体燃料の蒸気は、可動板９の開口部１３及び固定板１０の燃料透過孔１１を通過した後、アノードガス拡散層３ａを拡散してアノード触媒層３ｂに供給される。アノード触媒層３ｂに供給された蒸気は、カソード触媒層２ｂに供給された酸化剤（例えば空気）と反応し、発電反応が生じる。
【００２９】
発電を停止する際には、図５に示すように、モータを右回転（図５の矢印方向）させることにより、可動棒１９を右方向に水平移動させる。可動棒１９の移動に伴い、可動板９も右方向に水平移動するため、可動板９の開口部１３の位置が固定板１０の燃料透過孔１１の位置からずれ、固定板１０の燃料透過孔１１が可動板９の非開口領域で塞がれる。その結果、アノード３への燃料供給が停止するため、発電が中断されると共に、発電休止時のカソード２への燃料透過（メタノールクロスオーバ）を抑制することができ、燃料の浪費を抑えることができる。また、絞り機構８の開閉が可動板９の水平移動によりなされるため、燃料電池の小型化を妨げることが少ない。
【００３０】
前述した第一、第二の実施形態では、可動板９を気液分離膜７と対向させたが、可動板９と固定板１０の配置は逆にすることができ、固定板１０を気液分離膜７と対向させても良い。
【００３１】
可動板９、固定板１０、支持棒１４及び可動棒１９は、メタノールに対して安定な樹脂から形成することが望ましい。
【００３２】
（第三の実施形態）
この第三の実施形態は、第１の実施形態もしくは第２の実施形態に係る燃料電池を具備した電源システムである。
【００３３】
図６は、第三の実施形態に係る電源システムのブロック図である。電荷貯蔵機構３１は、外部負荷に電力を供給する役割を担う。電荷貯蔵機構３１には、キャパシタ、二次電池（例えば、ニッケル水素二次電池のようなアルカリ二次電池、リチウム二次電池のような非水電解質二次電池）が使用される。燃料電池３２は、電荷貯蔵機構３１に電荷を供給する役割を担う。燃料電池３２には、第１の実施形態もしくは第２の実施形態に係る燃料電池が使用される。制御機構３３は、電荷貯蔵機構３１の残存電気量（残存電荷量）をモニタし、電荷貯蔵機構３１の残存電気量に応じて燃料電池３２に制御信号を送信する。
【００３４】
電荷貯蔵機構３１の残存電気量が設定値以下の場合、制御機構３３は、燃料電池３２に絞り機構８を開放するように信号を送信する。これにより、絞り機構８が開放され、アノード３に燃料が供給されるため、燃料電池が発電し、電荷貯蔵機構３１に電荷が供給される。
【００３５】
電荷貯蔵機構３１の残存電気量が設定値を超えた場合、制御機構３３は、燃料電池３２に絞り機構８を閉塞するように信号を送信する。これにより、絞り機構８が閉塞し、アノード３への燃料供給が停止するため、燃料電池の発電が停止し、電荷貯蔵機構３１への電荷の供給が停止する。
【００３６】
このように電荷貯蔵機構３１への電荷供給に応じてアノード３への燃料供給を制御することができるため、燃料ロスを少なくすることができ、電源システムの効率を高めることができる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の絞り機構が開放されている状態を模式的に示した断面図。
【図２】図１の直接型メタノール燃料電池の絞り機構が閉塞されている状態を模式的に示した断面図。
【図３】絞り機構とアノードとの位置関係を示した模式図。
【図４】本発明の第二の実施形態に係る直接型メタノール燃料電池の絞り機構が開放されている状態を模式的に示した断面図。
【図５】図４の直接型メタノール燃料電池の絞り機構が閉塞されている状態を模式的に示した断面図。
【図６】第三の実施形態に係る電源システムのブロック図。
【符号の説明】
【００３９】
１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２…カソード、２ａ…カソードガス拡散層、２ｂ…カソード触媒層、３…アノード、３ａ…アノードガス拡散層、３ｂ…アノード触媒層、４…固体電解質膜、５…液体燃料タンク、６…液体燃料、７…気液分離層、８…絞り機構、９…可動板、１０…固定板、１１…燃料透過孔、１２…シール材、１３…開口部、１４…支持棒、１５…磁性体ブロック、１６…電磁石、１７…スプリング支持板、１８…スプリング、１９…可動棒、２０…歯、２１…歯車、２２…モータの回転軸、３１…電荷貯蔵機構、３２…燃料電池、３３…制御機構。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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