(57)【要約】【課題】小型でシンプルな構造を有し、かつ燃料の供給および外部からの空気の取入れが確実で、十分な出力が安定して得られる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１は、液体燃料Ｆを収容した筒状の燃料タンク２と、その側面に沿って配設された起電部３と、起電部３の外側に空気を取り入れる機構とを備える。起電部３は、燃料極４ａと空気極４ｂおよびこれらに挟持された電解質膜４ｃから成るＭＥＡ４を有する単セルの複数が、燃料極４ａが内側になるように燃料タンク２の側面に沿って配設され電気的に接続された構造を有する。【選択図】図１
2009016192.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を収容した筒状の燃料タンクと、
燃料極と空気極および該燃料極と空気極に挟持された電解質膜から成る膜電極接合体を有する単セルの複数が、前記燃料極が内側になるように前記燃料タンクの側面に沿って配設され電気的に接続された起電部と、
燃料タンクから、前記起電部の各単セルの前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構と、
前記起電部の外側である前記空気極側に空気を取り入れる空気取入れ機構と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記起電部は、前記燃料タンクの側面の全面に亘って環状に配設された複数の単セルを有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】
さらに、前記起電部の各単セルの燃料極側に配置された気液分離層を有す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】
前記燃料タンクは、前記起電部の内側に着脱自在に装着されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料供給機構は、前記燃料タンクと前記起電部の前記燃料極側とを接続する燃料流路と、前記燃料タンクから前記燃料流路への燃料流出口を開放する機構を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料タンクは、前記燃料流出口を閉塞するボール状の栓体を有し、該燃料タンクが所定の部位に装着されたとき、前記栓体が押動されて前記燃料流出口が開放されるように構成されることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料タンクは、内部に収容された液体燃料の気化成分を放出して内圧を調整する安全弁を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料タンクは、内部に液体燃料を注入するための燃料注入口を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項９】
請求項１乃至８のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記液体燃料はメタノール燃料であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用するために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。そのため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうちで内部気化型等のパッシブ方式は、ＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
そして、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）から成る単セル（単電池）一つでは、実用的に十分な電力を得ることができないことが多いため、複数の単セルを１枚の電解質膜の平面内に所定の間隔をおいて配置し、電気的に接続した構造の燃料電池が知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００６】
しかし、このようなフラット形状の燃料電池では、所望の発電電力を得るには発電部の面積が大きくなり、全体の形状が箱形あるいは平板状に限定されるため、使用態様が限られるという問題があった。
【０００７】
また、このようなフラット形状ではなく、全体の形状が円筒形状の燃料電池として、１枚の固体電解質基板を介して対向するアノード層とカソード層とにより複数の燃料電池セルを形成し、これらの燃料電池セルを円筒状に配置し、かつ各アノード層とカソード層とを直列に接続した構造の燃料電池が提案されている（例えば、特許文献４参照）。
【０００８】
しかし、特許文献３に記載された燃料電池は、アノード層にメタンなどの燃料ガスを供給し、火炎の熱により動作温度に保持して発電を行うタイプの燃料電池であり、ＤＭＦＣでは、小型でシンプルな構造を有しかつ燃料の供給および外部からの空気の取入れが安定して確実に得られる構造のものは、未だ知られていないのが現状である。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−１５７６３号公報
【特許文献３】特開２００７−２６８７３号公報
【特許文献４】特開２００５−３５３５７１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、小型でシンプルな構造を有し、かつ燃料の供給および外部からの空気の取入れが確実で、十分な出力が安定して得られる燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様に係る燃料電池は、液体燃料を収容した筒状の燃料タンクと、燃料極と空気極および該燃料極と空気極に挟持された電解質膜から成る膜電極接合体を有する単セルの複数が、前記燃料極が内側になるように前記燃料タンクの側面に沿って配設され電気的に接続された起電部と、燃料タンクから、前記起電部の各単セルの前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構と、前記起電部の外側である前記空気極側に空気を取り入れる空気取入れ機構とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の一態様に係る燃料電池によれば、液体燃料を収容する燃料タンクの外側面を取り囲むように、複数の単セルが例えば環状等に配設され電気的に接続された起電部が配置され、この起電部の外周側に空気取入れ機構が設けられているので、各部の配置がコンパクトで容積的な利用率が向上しており、かつ空気取入れ面積が十分に確保され安定した高い出力が得られる。そして、シンプルな構造で全体の体積を極めて小さくすることができるので、使用態様の自由度が増大している。さらに、燃料タンクを着脱自在なカートリッジとすることで、燃料電池として使用したいときだけ、燃料タンクを挿入して所望の時間電力を供給（出力）するようにできるので、使用形態の自由度がさらに増大する。例えば、キーホルダのようにアクセサリー的に常時携帯し、必要に応じて電子機器の電源として使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。図１は本発明に係る燃料電池の一実施形態の構成を示す縦断面図であり、図２は、図１に示す燃料電池の燃料タンク装着前の状態を示す縦断面図である。また、図３は、図１に示す燃料電池の起電部の近傍を拡大して示す縦断面図であり、図４は起電部の横断面図である。
【００１３】
これらの図に示すように、実施形態の燃料電池１は、中央部に配置された液体燃料Ｆを収容する円筒形の燃料タンク２と、この燃料タンク２の外側に配置された起電部３を備えている。
【００１４】
起電部３は、燃料極（アノード）４ａと空気極（カソード）４ｂ、およびそれらの間に挟持された電解質膜４ｃから成る膜電極接合体（ＭＥＡ）４を有する単セルの複数を有している。そして、複数の単セルが、ＭＥＡ４のアノード４ａが内側になるようにして、燃料タンク２の側面に沿って環状あるいはリング状（円環状または断面多角形のリング状）に配置された構造を有している。なお、起電部３は、燃料タンク２の側面に沿って配設されていればよく、必ずしも燃料タンク２の側面全体に亘って配設されていなくてもよい。
【００１５】
各単セルは、ＭＥＡ４の電解質膜４ｃを共通にしており、この共通の電解質膜４ｃがリング状に成形され、その主面に沿って複数の単セルが配置された構造となっている。単セルごとに電解質膜４ｃを別々に設け、そのような単セルの複数を接続部材によりリング状に連結した構造としてもよい。
【００１６】
各単セルは、アノード触媒層とアノードガス拡散層を有するアノード４ａと、カソード触媒層とカソードガス拡散層を有するカソード４ｂ、およびアノード４ａの触媒層（アノード触媒層）とカソード４ｂの触媒層（カソード触媒層）とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜４ｃとから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）４を有している。
【００１７】
ここで、アノード触媒層やカソード触媒層に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。これらの触媒は、炭素材料等の導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１８】
電解質膜４ｃを構成す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パーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜４ｃはこれらに限られるものではない。
【００１９】
アノード触媒層に積層されるアノードガス拡散層は、アノード触媒層に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層の集電機能を有するものである。カソード触媒層に積層されるカソードガス拡散層は、カソード触媒層に酸化剤である空気を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層やカソードガス拡散層は、例えばカーボンペーパーのような導電性を有する多孔質基材で構成されている。
【００２０】
そして、ＭＥＡ４のアノードガス拡散層の上（内側）にはアノード集電体５が積層され、カソードガス拡散層の上（外側）にはカソード集電体６が積層されている。これらの集電体５、６は、燃料や酸化剤（空気）等を流通させる貫通孔を有しており、例えばＡｕのような導電性金属材料からなるメッシュや多孔質膜、薄膜等が用いられる。このようなアノード集電体５およびカソード集電体６を介して、複数の単セルは直列に接続されている。
【００２１】
カソード集電体６の外側には保湿層７が積層して配置され、さらにその外側は、酸化剤である空気を取入れるための多数の透孔８ａを有する円筒形状の外側ケース８により覆われている。保湿層７は、ＭＥＡ４のカソード（カソード触媒層）で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層への空気の均一拡散を促進するものである。
【００２２】
カソード集電体６と後述する気液分離層との間のＭＥＡ４の外周には、ゴム製等のシール材９が介在されており、ＭＥＡ４からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。また、カソード集電体６と外側ケース８との間にもシール材９が介在されている。
【００２３】
複数の単セルから成る起電部３の内側（アノード４ａ側）には、気液分離層１０が配設されており、燃料の拡散供給部が形成されている。気液分離層１０は、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料とを分離し、気化成分をＭＥＡ４のアノード４ａ側に透過させるものである。このような気液分離層１０は、シリコーンゴム、フッ素樹脂などの材料で構成され、押え板１１により固定されている。燃料をさらに均一に拡散・供給するために、気液分離層１０の上（後述する燃料流路側）に、多孔質体や不織布で構成される燃料吸上げ拡散部を設けることができる。
【００２４】
このような燃料の拡散供給部は、円筒状の外側ケース８の底部に形成された燃料流路１２を介して、中央部に配置された燃料タンク２と接続されている。燃料タンク２は、リング状の起電部３の内側に配設された内側ケース１３内に、着脱自在に装着されている
【００２５】
燃料タンク２内には、前記単セルに対応した液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Ｆ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、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、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。燃料タンク２は、内部に液体燃料Ｆを注入するための燃料注入口（図示を省略。）を有することができる。
【００２６】
また燃料タンク２は、その底部に燃料流路１２への燃料流出口１４を有するとともに、この燃料流出口１４を閉塞するボール形の栓体１５ａを有している。そして、燃料タンク２が所定の部位に装着されたとき、この栓体１５ａが外側ケース８の底部に突出・形成された突き上げピン１６により押し上げられて外される結果、燃料流出口１４が開放されるようになっている。また、燃料タンク２の上部にはガス抜き用の孔１７が形成され、この孔１７に、燃料タンク２内に収容された液体燃料Ｆの気化成分を放出して内圧を調整する安全弁１８が装着されている。このような安全弁１８の設置により、異常環境下での燃料タンク２内の液体燃料Ｆの蒸気圧上昇による不具合を解消することができる。
【００２７】
なお、図２に示すように、燃料タンク２上部のガス抜き用の孔１７は、燃料タンク２が装着される前の状態では、ボール形の栓体１５ｂにより閉塞されており、安全弁１８は内側キャップ１９に固着されている。そして、燃料タンク２が内側ケース１３内の所定の位置に装着され、内側キャップ１９と外側キャップ２０がそれぞれ嵌め込まれたとき、この栓体１５ｂが内側キャップ１９に固着された安全弁１８によって押し下げられて外される。その結果、ガス抜き用の孔１７が開放されると同時に、この孔１７に安全弁１８が装着される。
【００２８】
燃料タンク２が所定の位置に装着されると、開放された燃料流出口１４から流出した液体燃料Ｆは、燃料流路１２を通り、燃料拡散供給部の気液分離層１０に達する。そして、この気液分離層１０を通ることにより、液体燃料Ｆの気化成分のみが起電部３を構成する各単セルのアノード４ａに供給される。
【００２９】
各単セルのＭＥＡ４内において、燃料はアノードガス拡散層を拡散してアノード触媒層に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層で生成した水や電解質膜中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ-  ………（１）
【００３０】
この反応で生成した電子（ｅ-）はアノード集電体５を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード４ｂに導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は電解質膜４ｃを経てカソードに導かれる。カソード４ｂには酸化剤として空気が供給される。カソード４ｂに到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  ………（２）
【００３１】
燃料拡散供給部とＭＥＡ４のアノード４ａとの間には、さらに多孔体（図示を省略。）を挿入することもできる。多孔体の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が用いられる。このような多孔体を配置することによって、アノード４ａに対する燃料供給量をより一層平均化することができる。
【００３２】
このように構成される本発明の実施形態の燃料電池によれば、中央部に配置された燃料タンク２の外周面を取り囲むように、複数の単セルがリング状に配設され電気的に接続された起電部３が配置され、この起電部３の外周側に空気取入れ機構が設けられているので、容積利用率が高くなっており、コンパクトな形状でありながら空気取入れ面積が十分に確保され、安定した高い出力を得ることができる。そして、シンプルな構造を有し超小型の燃料電池を実現することができるので、形状および使用態様の自由度が増大する。さらに、燃料タンク２が着脱自在なカートリッジ式となっているので、燃料電池として使用したいときだけ、燃料タンク２を挿入して所望の時間だけ電力を供給（出力）するようにできるので、使用形態の自由度がさらに増大する。例えば、キーホルダのようなアクセサリーとして常時携帯し、必要に応じて電子機器の電源として使用することができる。
【００３３】
図５は、実施形態の燃料電池１を、キーホルダのような携帯用アクセサリーとして使用する場合の形態を示す。図において、符号２１は携帯用電子機器等に取付けためのストラップ、２２は制御基板、２３は出力端子の挿入部、２４は基板固定カバーをそれぞれ示している。
【００３４】
上記実施形態では、断面が円形、すなわち円筒形状の燃料電池を意図した構成を説明したが、断面が多角形、すなわち多角柱形状の燃料電池であっても本発明を適用することができる。また本発明は、液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。さらに、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合せたり、また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する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る燃料電池の一実施形態の構成を示す縦断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の燃料タンク装着前の状態を示す縦断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池の起電部の近傍を拡大して示す縦断面図である。
【図４】図１に示す燃料電池における起電部の構成を示す横断面図である。
【図５】本発明の実施形態の燃料電池の使用携帯の一例を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３６】
１…燃料電池、２…燃料タンク、３…起電部、４…膜電極接合体（ＭＥＡ）、４ａ…アノード）、４ｂ…カソード、４ｃ…電解質膜、５…アノード集電体、６…カソード集電体、７…保湿層、８…外側ケース、１０…気液分離層、１２…燃料流路、１５ａ，１５ｂ…ボール形の栓体、１６…突き上げピン、１８…安全弁、２２…制御基板。
【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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