JP2001093551A - 燃料電池用液体燃料収容容器および燃料電池 - Google Patents

燃料電池用液体燃料収容容器および燃料電池

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 液体燃料の供給システムを簡素化するととも
に、液体燃料を安定して供給することができ、出力の安
定した信頼性の高い燃料電池を提供する。 【解決手段】 電解質板が燃料極と酸化剤極との間に挟
持されてなる起電部を有する単電池を備えた燃料電池本
体（２）と、前記燃料電池本体に供給するための液体燃
料を収容し、前記燃料電池本体に接続された液体燃料収
容容器（１）とを具備する燃料電池である。前記燃料電
池本体は、前記液体燃料が毛管力で前記単電池に導入さ
れ、この液体燃料が前記単電池内で気化して前記燃料極
に供給されることにより発電し、前記液体燃料収容容器
は、前記液体燃料を常に過不足ない量で液体導出部から
導出して、前記単電池に供給するための圧力調整機構
（６）を有することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に係り、
特に小型化に適した液体燃料電池およびこれに用いられ
る液体燃料収容容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】液体燃料電池としては、燃料気化供給型
や毛管力を利用したものなど種々のタイプが知られてい
る。
【０００３】従来の燃料気化供給型の燃料電池は、高濃
度の燃料を直接用いることができるため燃料部のコンパ
クト化に関しては有利である。しかしながら、システム
が複雑であるので、そのままの構成では小型化が困難で
あるという問題を有している。一方、毛管力を利用した
従来の液体燃料電池は、構成上は小型化に適するもの
の、燃料極に燃料が直接液体状態で供給されるために、
低濃度の燃料を使わざるを得ない。したがって、結果的
に燃料部の容積が大きくなり小型化が困難である。
【０００４】また、燃料電池の出力を安定して取り出す
ためには、燃料を安定して供給することが要求される。
特に、液体の燃料を供給する場合には、本体側に比べて
液体燃料を収容している貯液部側が負圧状態となると、
液体燃料をさらに取り出すことができなくなり、本体側
での発電出力が低下してしまう。一方、貯液部側の圧力
が著しく高くなった場合には、必要以上の液体燃料が本
体側に供給され、本体内部が過剰の液体燃料で満たされ
るなどによって部材を著しく劣化してしまう。あるい
は、貯液部内部の圧力が著しく上昇すると、液体燃料収
容容器が破裂するなどのおそれがあり危険である。これ
までに開示されているいずれの小型燃料電池において
も、その液体燃料収容容器に圧力調整機構が備わってお
らず、安定的に出力を取り出せないという問題を避ける
ことができなかった。
【０００５】さらに、ポータブル機器に適用する場合に
は上述したような小型化、安定出力確保に加え、燃料電
池本体の設置方向に自由度が要求される。すなわち、い
かなる設置方向においても、安定して液体燃料が供給さ
れることが求められている。このことは、燃料電池を小
型電源として実用化するうえでの極めて大きな障害とな
っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の燃料
電池における上述したような問題点を解決し、小型機器
の電源として有用な小型燃料電池を提供するために行わ
れたものであり、液体燃料の供給システムを簡素化する
とともに、液体燃料を安定して供給することができ、出
力の安定した信頼性の高い燃料電池を提供することにあ
る。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、液体燃料を収容する液体燃料収容容器で
あって、圧力調整機構によりこの容器内の圧力を一定に
保ちつつ、常に過不足ない量で前記液体燃料を液体導出
部から外部に放出可能であることを特徴とする燃料電池
用液体燃料収容容器を提供する。
【０００８】また本発明は、電解質板が燃料極と酸化剤
極との間に挟持されてなる起電部を有する単電池を備え
た燃料電池本体と、前記燃料電池本体に供給するための
液体燃料を収容し、前記燃料電池本体に接続された液体
燃料収容容器とを具備し、前記燃料電池本体は、前記液
体燃料が毛管力で前記単電池に導入され、この液体燃料
が前記単電池内で気化して前記燃料極に供給されること
により発電し、前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料
を常に過不足ない量で液体導出部から導出して、前記単
電池に供給するための圧力調整機構を有することを特徴
とする燃料電池を提供する。
【０００９】以下、図面を参照して本発明を詳細に説明
する。
【００１０】図１は、本発明の燃料電池用液体燃料収容
容器を用いた燃料電池の要部構成を示す概略図である。
なお、図１で示す燃料電池は、本発明の燃料電池用液体
燃料収容容器を用いた燃料電池の一例であり、配置関係
や部材の大小関係等についてはこの限りではない。
【００１１】図１に示す燃料電池は、基本的には、液体
燃料収容容器１、スタック本体２、および収容容器１か
らスタック本体２へ液体燃料を導入する導入管３により
構成される。通常は、酸化剤ガスを供給するためのファ
ンなどの送吸気機構（図示せず）も設けられる。図示す
るスタック本体２は、燃料極、酸化剤極およびこれら両
極に狭持された電解質板を有する起電部を持つ単電池
が、複数積層されたスタックを含む構造である。単電池
は、積層せずに単層で用いることもできる。図２には、
この単電池の構成の一例を表す。図示するように、気化
板ａ、アノードｂ、電解質膜ｃ、カソードｄ、ガスチャ
ネルｅ、およびセパレータｆが、２枚の液体浸透板ｇの
間に配置されて、単電池が構成されている。
【００１２】導入管３は、毛管現象が働く程度の細管で
形成することができる。あるいは導入管３は、液体燃料
の導入を補助する目的で、液体燃料を浸透させる多孔質
な材料で満たされていてもよい。このような液体浸透材
料としては、例えば、ポリウレタン、ポリエステル、セ
ルロース、フェノール系樹脂などのスポンジ等の多孔質
材等を用いることができる。
【００１３】図示するように本発明の燃料電池において
は、液体燃料収容容器１は接続部４で導入管３に接続さ
れており、この接続部は密閉されていることが望まれ
る。接続部の密閉が不十分の場合には、液体燃料が揮発
するおそれがあるからである。なお、本発明の燃料電池
において用いられ得る液体燃料としては、メタノール、
エタノール、プロパノールなどのアルコール類やジエチ
ルエーテルなどのエーテル類、ヒドラジンなどが挙げら
れ、特にメタノールは水との混合溶液として用いられ
る。この混合溶液の成分が揮発して液体燃料の組成比が
ずれた場合には、種々の不都合が生じるので、燃料の揮
発は極力防止することが望ましい。したがって、容器１
と導入管３との接続部４は、常圧でアルコールの揮発を
防止できる程度の密閉力を有していることが好ましい。
具体的には、液体燃料を液体として、あるいは蒸発した
燃料成分の飽和蒸気圧の密閉が可能であることが望まれ
る。
【００１４】導入管３から本体２に導入される液体燃料
は、スタック内部の各単電池に均等に安定して供給する
ために、レシーバー５と呼ばれる一種の液体燃料保持材
に導かれる。さらに液体燃料は、このレシーバー５から
液体燃料浸透部材を経て各単電池へ供給され、燃料極の
手前に設けられた気化部で液体燃料が気化した後、燃料
極に導入される。
【００１５】このような本発明の燃料電池においては、
液体燃料を毛管力でセル内に導入するため、燃料供給の
ためのポンプ等の駆動部を必要としない。電池内に導入
された液体燃料は、燃料気化層にて電池反応の反応熱を
利用して気化されるため、燃料気化器等の補器を必要と
しない。また、燃料気化層内の気体燃料は、ほぼ飽和状
態に保たれるので、電池反応による燃料気化層中の気体
燃料の消費分だけ燃料浸透層から液体燃料が気化し、さ
らに気化分だけ液体燃料が毛管力によってセル内に導入
される。
【００１６】さらに、燃料供給量は燃料消費量に連動し
ているため、本発明の燃料電池においては、未反応で電
池の外に排出される燃料はほとんどなく、従来の液体燃
料電池のように、燃料出口側の処理系を必要としない。
すなわち、本発明の燃料電池は、ポンプやブロワ、燃料
気化器、凝縮器等の補器を特に用いることなく液体燃料
を円滑に供給することができるので、小型化を図ること
が可能となる。
【００１７】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器１に
は、液体燃料を安定して前記燃料気化層に供給するため
に、その内部の圧力を調整できる機構が設けられてい
る。液体燃料を安定して燃料気化層に供給するために
は、気化層での消費量に応じて、滞りなく液体燃料収容
容器１から液体燃料が流出する機構が必要である。例え
ば、収容容器からの液体燃料の流出にともなって容器外
部から大気等を取り込む負圧対策機構である。これによ
って、容器内部が本体側より負圧にならないように制御
することができる。より具体的には、図１に示されるよ
うに、収容容器１の上部側面の所定の領域に細孔６を設
けることによって、負圧対策機構とすることができる。
細孔６は１つに限らず、必要に応じて複数個設けてもよ
い。また、細孔の大きさは特に限定されないが、液体燃
料の過剰な蒸発を防ぐことを考慮すると０．２〜５ｍｍ
程度とすることが好ましい。
【００１８】こうした細孔６には、除去可能な膜が設け
られていてもよい。また、図３に示すように、細孔６に
ふた９を設けることもできる。使用者が必要に応じてそ
の膜あるいはふた９を除去することによって、細孔６を
露出させ、容器１内に大気を導入することができる。
【００１９】あるいは、選択透過性の膜を細孔６に設け
ることもできる。ここでの選択透過性の膜は、液体燃料
成分の気化物の透過率は低く、一方、大気などの気体の
透過率は比較的高いものが好ましく用いられる。選択透
過性の膜としては、例えば、フッ素系ＦＥＰ樹脂等が挙
げられる。選択透過性の膜の膜厚は、使用する液体燃料
の種類や成分、飽和蒸気圧等に応じて適宜選択すること
ができるが、通常１０〜１０００ミクロン程度である。
【００２０】また本発明においては、燃料電池本体２側
で発生したガス成分を積極的に液体燃料収容容器１側に
導入することによって、負圧対策を図ることもできる。
例えば、図４に示されるように、液体燃料を供給するた
めの液体燃料浸透材８と、本体側で発生したガスを燃料
収容容器内に導くためのガス導入細管１１とを組み合わ
せて容器１中に配置することができる。ガス導入細管１
１は、液体燃料浸透材８の内部に、その長手方向にわた
って配置してもよい。すなわち、液体燃料を伝達するた
めの燃料浸透部材８を外側に設け、本体２側で発生した
ガスを燃料収容容器１に導くためのガス導入細管１１を
その内側に配置した二重構造とすることができる。しか
しながら、こうした構造に限定されず、液体燃料を供給
するための液体燃料浸透材８と、本体側で発生したガス
を燃料収容容器内に導くためのガス導入細管１１とを任
意の手法により組み合わせて、容器１内に設けることが
できる。
【００２１】図４（ａ）には、液体燃料収容容器１が導
入管３に接続された状態を示しており、液体燃料浸透材
８およびガス導入細管１１は、本体２（図示せず）に達
している。容器１を導入管３に接続しない場合には、図
４（ｂ）に示されるようにふた１０で覆うことによっ
て、容器１内に収容されている液体燃料７の揮発を防止
することができる。
【００２２】なお、液体燃料収容容器１内の気体部分の
圧力が、その温度などにより著しく上昇した場合には、
圧力上昇とともに液体燃料収容容器から本体２側へ液体
燃料が過剰に供給されるおそれがある。さらに、液体燃
料収容容器内部の圧力が上昇して、危険が生じるという
不具合が発生する。このような不具合を防止するため
に、容器内の圧力が所定の値以上になった場合に、その
圧力を逃がす機構を設けておくことが好ましい。例え
ば、図５に示すように、バネ１４とＯリング１３との作
用によって可動な圧力リリース弁１５を液体燃料収容容
器１の一部に設けることが考えられる。あるいは、一定
の圧力以上で破裂する防護膜を設けることも、圧力の開
放に有効な手法である。
【００２３】上述したような負圧対策機構または加圧対
策機構を設けることによって、容器内の圧力を調整する
ことができる。
【００２４】さらに、小型機器用の電源においては、燃
料電池本体がいかなる方向で配置された場合でも、安定
して燃料が供給されることが求められる。特に、液体状
態の燃料を用いる場合には、その導入方法に工夫がなさ
れていないと燃料の供給が停止するおそれがある。本発
明の燃料電池においては、本体がいかなる方向で設置さ
れた場合でも、これに接続された液体燃料収容容器から
液体燃料が滞りなく流出することが望まれる。
【００２５】具体的には、図６に示すように、燃料導出
部１２まで達するように、液体燃料を浸透しやすい部材
（液体燃料浸透材）８を容器内部に配置する構造が挙げ
られる。図６（ａ）に示す容器においては、液体燃料浸
透材８は、容器内の燃料導出部１２が設けられている側
の面と、この面に対向する面とに設けられており、いず
れの面においても、それぞれの面を覆うように液体燃料
浸透材８が配置されている。２つの面に設けられた液体
燃料浸透材８は、同様の液体燃料浸透材８により接続さ
れている。このような配置で液体燃料浸透材８を容器１
内に設けることによって、液体燃料浸透材８の少なくと
も一部は常に液体燃料７と接することになる。したがっ
て、収容容器１がいかなる上下方向で設置されても、液
体導出部１２に液体燃料７を供給することができる。
【００２６】また、図６（ｂ）に示す容器においては、
容器の内壁のうちの対向する２つの面に、液体燃料浸透
材８が設けられている。図６（ａ）の場合と同様に、い
ずれの面においても、それぞれの面を覆うように液体燃
料浸透材８が配置されている。こうした２つの液体燃料
浸透材８は、容器外壁に形成された大気取り入れ用の細
孔６または燃料導出部１２とそれぞれ接触している。２
つの液体燃焼浸透材８の少なくとも一部は、液体燃料７
に常に接することになるので、いかなる上下方向で収容
容器１が配置された場合であっても、燃料導出部１２に
液体燃料７を供給することが可能となる。なお、図６
（ｂ）に示した収容容器１の上下を反対に配置した場合
には、大気取り込み用の細孔６と燃料導出部１２とは入
れ替わって作用する。
【００２７】また、収容容器内の液体燃料が、圧力機構
によって常に液体導出部まで押し出される構造とするこ
ともできる。こうした構造の容器の例を、図７に示す。
図７（ａ）に示す容器においては、バネ１４によって燃
料封入部材３０が移動する。それによって、燃料導出口
１２から液体燃料７が押し出される。また、図７（ｂ）
に示す容器においては、液体燃料７はバネ状貯液部１６
内に収容され、この貯液部自体の作用によって燃料導出
口１２から押し出される。
【００２８】なお、液体燃料を押し出す応力としてバネ
などの機械的圧力だけでなく、封入したガス圧を用いて
もよい。使用するガスとしては、アルゴンや窒素などの
不活性ガスが好ましいが特に限定されるものではない。
【００２９】さらに、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すよ
うに、液体収容容器自体あるいは少なくとも液体燃料が
収容されている貯液部のみを回転させる機構を設けるこ
ともできる。
【００３０】図８（ａ）に示す容器１においては、液体
燃料を導出する導入管３はフレキシブルな部材で構成さ
れているので、燃料電池本体（図示せず）の設置向きに
拘わらず、液体導出部１２が下方となるように容器１を
設置することができる。
【００３１】図８（ｂ）に示す容器１は球状であり、支
持枠１７内に支持されている。容器１内の所定の個所に
はおもり１９が設けられており、支持枠１７と容器１と
の間にはベアリング１８が配置されている。こうした構
成とすることによって、燃料電池本体（図示せず）がい
かなる方向で配置されても、貯液部は３６０°自由に回
転して、燃料導出部１２は貯液部の下方に位置させるこ
とができる。
【００３２】また、図８（ｃ）に示す容器は、重り１９
の作用が設けられているので、液体導出部１２は必ず貯
液部の下方に位置する。しかも、容器１内には液体燃料
浸透材８が液体導出部１２に達して設けられているの
で、この液体燃料浸透材８に液体燃料が接している限
り、液体燃料７を本体（図示せず）に供給することが可
能となる。
【００３３】このように、燃料電池本体の設置方向によ
らず安定して液体燃料を供給可能な液体燃料収容容器を
用いることによって、本発明の燃料電池は使用環境が制
約させることはなくなり、広い範囲に適用することが可
能となった。
【００３４】さらに、用いられる燃料が液体であること
を考慮すると、液体燃料収容容器と本体との接続部は、
液体燃料収容容器から本体へ液体燃料が供給される際
に、燃料が漏洩せず、安定して供給される構造であるこ
とが望まれる。特に着脱可能な液体燃料収容容器は、燃
料の蒸気圧が比較的高い場合には、保存状態で燃料が揮
散することのない構造であることが好ましい。
【００３５】図９には、こうした構造の容器の例を示
す。図９（ａ）には、容器１を導入管３に接続した状態
を表しており、液体燃料収容容器１内には、燃料の浸透
しやすい部材（液体燃料浸透材）８が液体燃料導出部ま
で形成されている。さらに、導入管３内部にも、同様の
燃料浸透材８が配置されている。液体燃料７は、導入管
３内の燃料浸透材８を経て、燃料電池本体のレシーバー
５に供給される。
【００３６】このような構造の容器１を導入管３に接続
する前には、図４（ｂ）に示したようなふた１０で導出
部を覆って、容器内に収容されている液体燃料の揮発を
防止することができる。あるいは、開閉ふたを容器１の
導出部に設けることによって、液体燃料の揮発を防止し
てもよい。容器を図９（ａ）に示すように導入管に接続
する際には、導出部に設けられた容器のふたを取り外す
ことにより、あるいは導出部の開閉ふたを開くことによ
り、燃料浸透材８を露出させて導入管３に接続する。
【００３７】図９（ｂ）には、図９（ａ）における接続
部４の構造の一例を示す。収容容器１の導出部１２の周
囲には、筒状の流出口開閉用ふた３１が摺動可能に設け
られており、導入管３の内壁には浸透材接続パッド３２
が設けられている。このような収容容器１を導入管３に
接続する際には、流出口開閉用ふた３１が押し上げられ
て、容器１の導出部１２と導入管３の浸透材接続パッド
３２とが接触する。このように導出部１２と浸透材接続
パッド３２とが接触すると、毛細管現象により容器１側
から導入管３側へ液体燃料が導入される。
【００３８】また、液体燃料収容容器１が本体に接続さ
れたときのみに液体燃料７が流出するような構造の容器
とすることもできる。こうした容器と導入管との接続部
の例を図１０〜図１２に示す。
【００３９】図１０（ａ）に示す例においては、容器１
の導出部には、摺動可能な接続部３３とテーパー付き中
心軸２０とが設けられている。なお、図１０（ｂ）に
は、この流出部の平面図を表している。導入管３の内壁
には、突起２１が設けられており、容器１を導入管３内
に挿入した際には、この突起２１によって接続部３３が
上方へ押し上げられる。テーパー付き中心軸２０は上方
に向かってテーパーが形成されているので、接続部３３
が持ち上げられるにしたがって接続部３３の先端の細孔
が開放されて、液体燃料７が収容容器１から導入管３へ
流出する。
【００４０】図１０（ａ）に示した接続部は、図１１
（ａ）に示すように変更することもできる。図１１
（ａ）においては、容器１を導入管３に挿入した際に、
容器の接続部３３を押し上げるためのボス２２が、導入
管内部に設けられている。これ以外の構造は、図１０
（ａ）に示したものと同様である。なお、図１１（ｂ）
および図１１（ｃ）には、容器１の流出部および導入管
３の平面図をそれぞれ示している。図１１（ａ）に示し
た例においても、テーパー付き中心軸２０は上方に向か
ってテーパーが形成されているので、接続部３３が持ち
上げられるにしたがって接続部３３の先端の細孔が開放
されて、液体燃料７が収容容器１から導入管３へ流出す
る。
【００４１】さらに、図１２に示すような接続部も可能
である。図１２に示す例においては、容器１の流出部に
は、燃料流出制御用弁体２３がバネ１４により取り付け
られている。一方、導入管３内には、容器１が接続され
た際に、この弁体を押し上げるためのボス２２が設けら
れている。したがって、容器１を導入管３に接続した際
には、容器に設けられた弁体２３はボス２２により押し
上げられて流出孔が開放されて、液体燃料７が導入管３
へ供給される。
【００４２】このような手法を採用することによって、
液体燃料の保存性と接続時の燃料の安定供給とを両立す
る機構を収容容器の接続部に設けることができる。こう
した液体燃料収容容器を燃料電池本体に接続した場合に
は、信頼性の高い燃料電池が得られる。なお、図９
（ａ）から図１２において、液体燃料を密閉するための
Ｏリング１３は、接続部側あるいは本体側に設けられて
いてもよい。
【００４３】本発明の液体燃料収容容器は、図１３に示
すように本体の上部に配置することもできる。すなわ
ち、容器中に収容された液体燃料の液面が、燃料電池本
体の単電池を構成する電解質板の主面に直交する方向と
なるように、容器１と燃料電池本体２とが接続された構
造である。重力を利用して液体燃料を燃料電池本体２に
供給する場合には、このように本体上部に液体収容容器
１を設置することが好ましい。図示するように本体上部
に液体収容容器を設置する場合には、液体燃料が本体の
レシーバー５に直接導入されるように、容器１と本体２
とを接続することができる。
【００４４】また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、本体の側面に液体燃料収容容器を直接接続すること
も可能である。この場合には、容器中に収容された液体
燃料の液面は、燃料電池本体の単電池を構成する電解質
板の主面に平行な方向となるように、容器と本体とが接
続されているということができる。図示していないが、
本体の下部に液体燃料収容容器を設置してもよい。本体
の側面や下部に液体燃料収容容器を設置する場合には、
毛管力等を利用して液体燃料を本体側へ供給することが
できる。
【００４５】本発明の燃料電池を長時間作動させるため
には、液体燃料収容容器１は、着脱交換可能に接続され
ていることが好ましいが、接続後に導入管３または本体
２に固定して用いることもできる。導入管３または本体
２に収容容器１が固定されている場合には、図１５に示
すように、所定の場所に液体燃料補充用の細孔２７を設
けることが望ましい。これによって、図示するように液
体燃料補給器具２４を用いて、この細孔２７から液体燃
料を補給することが可能となる。
【００４６】着脱交換可能な容器の場合には容器を交換
することによって、また、液体燃料を補充可能な容器の
場合には燃料を補充することによって、小型であるにも
かかわらず燃料電池を長時間作動させることが可能とな
る。
【００４７】ただし、着脱可能な液体燃料収容容器は、
交換時期を確認できるように、外部から容器内の燃料の
残存量を視認できることが望まれる。同様に、液体燃料
を補充可能な構造の液体燃料収容容器もまた、燃料の補
充時期を確認できるよう、外部から容器内の燃料の残存
量を視認可能な構造とすることが好ましい。
【００４８】例えば、図１６（ａ）、（ｂ）に示すよう
に、液体収容容器１自体を、透明または半透明の材料で
構成して、内部に収容されている液体燃料の残存量を確
認することができる。透明または半透明の材料として
は、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカー
ボネート、テフロンなどのフッ素系樹脂等を用いること
ができる。あるいは、図１７に示すように、容器１の所
定の個所に液体燃料残存量確認用窓２５を設けることに
よって、内部に残存する液体燃料の量を確認することも
可能である。
【００４９】さらに、容器内の液体燃料残存量確認を容
易にするために、燃料側に工夫を施すことも望ましい。
具体的には、液体燃料の供給あるいは気化、反応の妨げ
にならない物質で、燃料を着色することが考えられる。
こうした物質としては、例えば、有機・無機系染料等が
挙げられる。あるいは、発泡スチロールのような液体燃
料よりも比重の軽い固体を浮き材として液体燃料に添加
してもよい。こうした浮き材２６は、図１８に示すよう
に液体燃料の液面に常に位置しているので、図１６、図
１７に示したような容器１と組み合わせることによっ
て、液体燃料の残存量をより容易に確認することができ
る。液面を検知するために添加される物質は、固体に限
定されるものではなく、液体燃料よりも比重の軽い着色
された有機溶媒やオイルのような液体を用いてもよい。
【００５０】以上のように、本発明の燃料電池用液体燃
料収容容器を用いることによって、安定出力を確保し、
信頼性の高い燃料電池が得られる。さらに、使用される
燃料電池本体の設置の方向は何等制限されず、任意の方
向で本体を配置しても、安定して液体燃料を供給するこ
とができる。このため、燃料電池の適用範囲を大きく広
げることが可能となる。
【００５１】
【発明の実施の形態】以下、具体例を示して本発明をさ
らに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるも
のではない。
【００５２】（実施例１）まず、燃料電池本体内部の単
電池を、以下の手法により作製した。
【００５３】カーボンクロス上にＰｔ−Ｒｕ系触媒層を
塗布した３２ｍｍ×３２ｍｍの燃料極と、カーボンクロ
ス上にＰｔブラック触媒層を塗布した３２ｍｍ×３２ｍ
ｍの酸化剤極とを用意した。こうした燃料極および酸化
剤極の触媒層が電解質膜と接するように、パーフルオロ
スルホン酸膜からなる電解質膜を挟持した。これらを、
１２０℃で５分間、１００ｋｇ／ｃｍ2の圧力でホット
プレスして接合し、起電部を作製した。
【００５４】得られた起電部と、燃料気化層としてのカ
ーボン多孔質板（平均孔径８５μｍ、気孔率７３％）
と、燃料浸透層としてのカーボン多孔質板（平均孔径５
μｍ、気孔率４０％）とを積層し、酸化剤ガス供給溝
（深さ２ｍｍ、幅１ｍｍ）を設けた酸化剤極側ホルダー
と燃料極側ホルダーとの間に配置して、反応面積１０ｃ
ｍ 2の単電池を作製した。こうした構成の単電池を１０
個積層して、燃料電池本体を得た。
【００５５】一方、液体燃料収容容器には、メタノール
と水との１：１（モル比）混合液３５０ｍｌを液体燃料
として収容した。この容器には、図１に示したような位
置に直径約５ｍｍの細孔６を形成し、選択透過性の膜
（フッ素系ＦＥＰ樹脂製、２５ミクロン厚）を配置して
負圧対策機構を設けた。
【００５６】こうした燃料電池用液体燃料収容容器を前
述の液体燃料電池本体の接続部に、図１に示すようにセ
ットした。この際、液体燃料収容容器１と導入管３との
接続には、図９に示したような構造の接続部を用いた。
したがって、液体燃料収容容器１内の液体燃料７は、導
入管３、レシーバー５、および前述のカーボン多孔質板
を経て、毛管力により燃料極側に供給される。
【００５７】こうした構造の燃料電池を用い、酸化剤ガ
スとして１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガスチ
ャンネルに流して、８０℃で発電を行った。
【００５８】その結果、電圧５．１Ｖ、電流２８０ｍＡ
／ｃｍ2の出力を取り出すことができ、この発電を１８
時間継続して行った際にも、出力は低下することはなく
安定していた。また、燃料電池稼働時のみならず、燃料
容器の着脱時にも燃料（メタノール：水混合溶液）の漏
出は全く起こらなかったため、信頼性の高い小型の燃料
電池であることが確認された。
【００５９】（比較例）負圧対策の細孔を設けない液体
燃料収容容器を用いた以外は、前述の実施例１と同様に
して燃料電池を構成した。燃料電池本体の構成、本体と
収容容器との接続法、燃料の供給法および用いた燃料
は、いずれも実施例１の場合と同様である。
【００６０】この燃料電池においては、酸化極に酸化剤
ガスとして１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガス
チャンネルに流し、前述の実施例１と同様に８０℃で発
電試験を行った。
【００６１】その結果、発電開始当初は電圧４．８Ｖ、
電流密度３００ｍＡ／ｃｍ2を取り出すことができた
が、時間の経過とともにその出力は低下した。８時間の
運転後に取り出せた出力は、電圧３．１Ｖ、電流密度１
２０ｍＡ／ｃｍ2であり、実施例１より著しく低い。
【００６２】このように、負圧対策機構を設けない液体
燃料収容容器を用いた比較例の燃料電池は信頼性の低い
ことが確認された。
【００６３】（実施例２）前述の実施例１と同様にして
燃料電池本体を作製し、レシーバー５としてメタノール
を浸透しやすい有機材料でレシーバー部を設けておい
た。
【００６４】燃料電池用液体燃料収容容器としては、図
１３に示したような燃料電池本体２の上部に直接接続で
きるものを用意し、負圧対策用の細孔を２つ設けてキャ
ップでふたをした。収容容器に設けた２つの細孔の位置
は、容器の対角の位置とし、少なくとも一方からは外気
を取り入れることができるようにした。さらに、収容容
器内には、図１３に示したように液体燃料浸透材料８を
配置して、本体の設置方向によらず液体燃料を供給する
のを可能とした。こうした構成の容器を、図１３に示し
たように燃料電池本体２にセットした。この際、液体燃
料収容容器１と電池本体２との接続には、図９（ａ）に
示したような構造の接続部を用いた。
【００６５】液体燃料収容容器内に、燃料としてメタノ
ールと水の等モル混合溶液を２００ｍｌ収容し、液体燃
料収容容器１内の液体燃料７は、浸透材料８、レシーバ
ー５、および前述のカーボン多孔質板を経て、毛管力に
より液体燃料７を燃料極側に供給した。その際、容器上
部の負圧対策用細孔のキャップ９を開いておいた。
【００６６】こうした構造の燃料電池を用い、酸化剤ガ
スとして１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガスチ
ャンネルに流して、７４℃で発電を行った。
【００６７】その結果、電圧４．６Ｖ、電流２４０ｍＡ
／ｃｍ2の出力を取り出すことができ、この発電を８時
間継続して行った際にも、出力は低下することはなく安
定していた。
【００６８】さらに、燃料電池の発電中に、収容容器１
の負圧対策用細孔６を一時的に閉じ、静かに上下を反転
して、本体２が液体燃料収容容器１の上部となるよう配
置を変更した。その後、他方の負圧対策用細孔６’を開
放して、引き続き発電を行ったところ、３時間経過後も
出力に大きな変化はみられなかった。このことから、本
発明の燃料電池は、その配置に関わらず発電ができるこ
とがわかる。また、燃料電池稼働時のみならず、燃料容
器の着脱時にも燃料（メタノール：水混合溶液）の漏出
は全く起こらなかったため、信頼性の高い小型の燃料電
池であることが確認された。
【００６９】（実施例３）前述の実施例１と同様にして
燃料電池本体を作製した。
【００７０】燃料電池用液体燃料収容容器としては、図
１５に示したような補給ができるタイプのものを用意し
た。また、この容器はポリカーボネートにより構成し
た。容器に用いた材料は半透明であるので、図１６に関
して説明したように、内部に収容されている液体燃料の
状態を目視により確認することができる。
【００７１】燃料としてはメタノールと水のモル比で
１：１混合溶液を調製して、色素としての有機系染料で
着色した。さらに、この液体燃料には、図１８に関して
説明したような直径が約５ｍｍの発泡スチロール製の球
を複数個加えた。こうして得られた燃料５０ｍｌを前述
の液体燃料収容容器に収容し、燃料電池本体と接続し
た。この際、液体燃料収容容器１と導入管３との接続に
は、図９（ｂ）に示したような構造の接続部を用いた。
したがって、液体燃料収容容器１内の液体燃料７は、浸
透材料８、レシーバー５、および前述のカーボン多孔質
板を経て、毛管力により燃料極側に供給される。
【００７２】こうした構造の燃料電池を用い、燃料補給
兼負圧対策細孔のキャップ９をはずした状態として、酸
化剤ガスとしての１ａｔｍの空気を８０ｍｌ／ｍｉｎで
ガスチャンネルに流し、温度７５℃で発電試験を開始し
た。
【００７３】その結果、電圧４．５Ｖ、電流密度２６０
ｍＡ／ｃｍ2の出力を取り出すことができ、４時間の運
転後も出力に大きな変化は認められなかった。このと
き、外部から目視により液体燃料の消費が確認されたた
め、改めて燃料補給器具を用いてさらに５０ｍｌの燃料
を容器に添加して、発電試験を継続した。さらに４時間
の運転中も出力に大きな変化は認められず、液体燃料の
漏洩などの不具合も全く起こらなかった。このため、信
頼性の高い燃料電池として機能していることが確認され
た。
【００７４】（実施例４）前述の実施例１と同様にして
燃料電池本体を作製した。
【００７５】燃料電池用液体燃料収容容器としては、図
３に示したような負圧対策機構を備えたものを用意し、
この中に燃料としてのメタノールと水の等モル混合溶液
２００ｍｌを収容した。
【００７６】この燃料収容容器を燃料電池本体と接続し
て、図１に示したような燃料電池を作製した。
【００７７】なお、図３に示されるように、液体燃料収
容容器１中および導入管３中の液体吸収材８の内部に
は、本体側で発生したガスを導入できる細管１１を設け
た。この細管１１の一方の端部は液体燃料収容容器１中
に開いており、他方の端部は本体２側のアノード側で発
生するＣＯ2を回収するスペースに開いている。さら
に、細管１１の途中に圧力調整用の弁を設けることによ
って、一定圧力以上ではこの弁からＣＯ2が開放される
のを可能にした。
【００７８】こうした構造の燃料電池を用い、カソード
側には酸化剤ガスとして１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／
ｍｉｎでガスチャンネルに流して、温度６５℃で発電試
験を開始した。
【００７９】その結果、電圧５．１Ｖ、電流密度２７０
ｍＡ／ｃｍ2の出力を取り出すことができた。１０時間
の運転後にも出力に大きな変化は認められず、液体燃料
が過不足なく安定して供給され、発電が行われているこ
とが確認された。
【００８０】また、ＣＯ2発生に起因して本体内部の圧
力が一時的に高くなるという現象が認められたが、細管
に設けた圧力開放弁が開いたため、内圧がそれ以上高く
なることはなかった。液体燃料の漏洩などの不具合も全
くなく、信頼性の高い燃料電池として機能していること
が確認された。
【００８１】（実施例５）前述の実施例１と同様にして
燃料電池本体を作製した。
【００８２】一方、液体燃料収容容器１としては、図８
（ｂ）に示したような回転可能な貯液部を有するものを
用意した。この容器には、直径約３ｍｍの細孔を形成
し、選択透過性を有するテフロン系ＦＥＰ膜（３０ミク
ロン厚）を配置して負圧対策機構を設けた。この燃料収
容容器内に、液体燃料としてメタノールと水の等モル混
合溶液を１５０ｍｌ収容し、フレキシブルな導入管によ
り燃料電池本他と接続して燃料電池を得た。なお、ここ
で用いた導入管の内部には、液体燃料浸透材が配置され
ている。
【００８３】こうした構成の燃料電池に毛管現象により
アノード側に液体燃料を供給し、カソード側には酸化剤
ガスとして１ａｔｍの空気を９０ｍｌ／ｍｉｎでガスチ
ャンネルに流して温度８０℃で発電試験を開始した。
【００８４】その結果、電圧４．８Ｖ、電流密度３００
ｍＡ／ｃｍ2の出力を取り出すことができ、約６時間の
発電を行った際も出力は安定していた。また、運転途中
で本体を約１５°傾けて発電試験を続けたところ、本体
への燃料供給が滞ることはなく、安定して発電を行うこ
とができた。
【００８５】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
液体燃料の供給システムを簡素化するとともに、液体燃
料を安定して供給することができ、出力の安定した信頼
性の高い燃料電池が提供される。
【００８６】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器を用
いることによって、ポンプやブロア等を用いることな
く、簡素な構造で液体燃料を円滑に気化供給することが
でき、かつ、安定して高い出力を得ることができる。ま
た、液体燃料収容容器に圧力調整機構を備えているの
で、燃料気化部に安定して液体燃料を供給することが可
能となり、継続して発電を行っても出力変動が少ない信
頼性の高い燃料電池が得られた。
【００８７】しかも、本体の設置向きに拘わらず、液体
燃料収容容器から継続して燃料を供給する構造も得ら
れ、燃料電池の使用場所やその取り付け方法の自由度を
大きく向上できる。さらに、液体燃料収容容器からの液
体燃料の流出・停止は、液体燃料収容容器の着脱によっ
て自動的に生じるために制御が簡便であると同時に、燃
料の不要な流出・揮散を抑制することが可能となった。
【００８８】このように、高性能とシステムの簡素化と
を両立することが本発明により初めて可能となった。本
発明により、従来困難とされていた小型を図るとともに
稼働中には安定して液体燃料を供給できるのみならず、
液体燃料が漏出しない信頼性の高い燃料電池が得られ、
その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の一例の構成を表す概略図。
【図２】本発明の燃料電池における単電池の構成を表す
断面図。
【図３】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の一例の
構成を表す概略図。
【図４】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例
の構成を表す概略図。
【図５】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例
の構成を表す概略図。
【図６】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例
の構成を表す概略図。
【図７】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例
の構成を表す概略図。
【図８】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例
の構成を表す概略図。
【図９】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例
の構成を表す概略図。
【図１０】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器と導入
管との接続部の構造の一例を表す概略図。
【図１１】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器と導入
管との接続部の構造の他の例を表す概略図。
【図１２】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器と導入
管との接続部の構造の他の例を表す概略図。
【図１３】本発明の燃料電池の他の例の構成を表す概略
図。
【図１４】本発明の燃料電池の他の例の構成を表す概略
図。
【図１５】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の
例を表す概略図。
【図１６】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の
例を表す概略図。
【図１７】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の
例を表す概略図。
【図１８】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の
例を表す概略図。
【符号の説明】
１…液体燃料収容容器 ２…スタック本体 ３…導入管 ４…接続部 ５…レシーバー ６…細孔 ７…液体燃料 ８…液体燃料浸透材 ９…ふた １０…容器ふた １１…ガス導入細管 １２…液体燃料流出孔 １３…Ｏリング １４…バネ １５…過圧防止弁 １６…液体燃料保持容器 １７…支持枠 １８…ベアリング １９…おもり ２０…テーパー付き中心軸 ２１…突起 ２２…ボス ２３…弁体 ２４…液体燃料補給器具 ２５…液体燃料残量確認窓 ２６…浮き材 ２７…液体燃料補充用細孔 ３０…液体封入部材 ３１…流出口開閉用ふた ３２…浸透材接続パッド ３３…接続部 ａ…気化板 ｂ…アノード ｃ…電解質膜 ｄ…カソード ｅ…ガスチャネル ｆ…セパレータ ｇ…液体浸透板
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 角野 裕康 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 Ｆターム(参考） 5H027 AA08

Claims (17)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 液体燃料を収容する液体燃料収容容器で
    あって、圧力調整機構によりこの容器内の圧力を一定に
    保ちつつ、常に過不足ない量で前記液体燃料を液体導出
    部から外部に放出可能であることを特徴とする燃料電池
    用液体燃料収容容器。
  2. 【請求項２】 前記圧力調整機構は、容器外壁の所定の
    領域に設けられた選択性透過膜であることを特徴とする
    請求項１に記載の燃料電池用液体燃料収容容器。
  3. 【請求項３】 前記圧力調整機構は、容器外壁の所定の
    領域に貫通して設けられた細孔であることを特徴とする
    請求項１に記載の燃料電池用液体燃料収容容器。
  4. 【請求項４】 前記液体導出部まで前記液体燃料を導く
    ための液体吸収材料と、前記容器外部で発生した気体
    を、この収容容器に導入するための気体通路とを内部に
    具備する請求項１に記載の燃料電池用液体燃料収容容
    器。
  5. 【請求項５】 前記液体導出部に接触して容器内壁に配
    置された液体吸収材料を具備し、この液体吸収材料の少
    なくとも一部は前記液体燃料と常に接していることを特
    徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料
    電池用液体燃料収容容器。
  6. 【請求項６】 前記液体導出部まで前記液体燃料を導く
    圧力機構を容器内に具備し、容器内の液体燃料は前記液
    体導出部と常に接していることを特徴とする請求項１な
    いし４のいずれか１項に記載の燃料電池用液体燃料収容
    容器。
  7. 【請求項７】 前記収容容器自体または液体燃料を収容
    する貯液部は、前記液体導出部の上方に前記液体燃料を
    常に存在させるための回転機構を具備することを特徴と
    する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池
    用液体燃料収容容器。
  8. 【請求項８】 前記圧力調整機構は加圧対策機構であ
    り、この加圧対策機構は、容器に設けられた圧力開放弁
    であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１
    項に記載の燃料電池用液体燃料収容容器。
  9. 【請求項９】 少なくとも一部が透明または半透明の材
    料により構成されていることを特徴とする請求項１ない
    し８のいずれか１項に記載の燃料電池用液体燃料収容容
    器。
  10. 【請求項１０】 電解質板が燃料極と酸化剤極との間に
    挟持されてなる起電部を有する単電池を備えた燃料電池
    本体と、 前記燃料電池本体に供給するための液体燃料を収容し、
    前記燃料電池本体に接続された液体燃料収容容器とを具
    備し、 前記燃料電池本体は、前記液体燃料が毛管力で前記単電
    池に導入され、この液体燃料が前記単電池内で気化して
    前記燃料極に供給されることにより発電し、 前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料を常に過不足な
    い量で液体導出部から導出して、前記単電池に供給する
    ための圧力調整機構を有することを特徴とする燃料電
    池。
  11. 【請求項１１】 前記液体燃料収容容器と前記燃料電池
    本体との接続部は、密閉されていることを特徴とする請
    求項１０に記載の燃料電池。
  12. 【請求項１２】 前記液体燃料収容容器は、内部に液体
    浸透材料を有する導入管を介して前記燃料電池本体に接
    続されていることを特徴とする請求項１０または１１に
    記載の燃料電池。
  13. 【請求項１３】 前記燃料電池本体は、前記単電池に安
    定して前記液体燃料を供給するための液体燃料保持材を
    具備し、前記液体燃料収容容器は、この液体燃料保持材
    に前記液体燃料を直接供給するよう接続されていること
    を特徴とする請求項１０または１１に記載の燃料電池。
  14. 【請求項１４】 前記液体燃料収容容器は、前記液体燃
    料の液面が、前記燃料電池本体の単電池を構成する電解
    質板の主面に直交する方向となるよう接続されているこ
    とを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
  15. 【請求項１５】 前記液体燃料収容容器は、前記液体燃
    料の液面が、前記燃料電池本体の単電池を構成する電解
    質板の主面に平行な方向となるよう接続されていること
    を特徴とする請求項１０ないし１３のいずれか１項に記
    載の燃料電池。
  16. 【請求項１６】 前記液体燃料収容容器は、前記液体燃
    料が導出される燃料導出部に液体燃料を導くための第１
    の液体吸収材を内部に有し、 前記収容容器が接続される接続部は、前記液体燃料を前
    記燃料電池本体に導入するための第２の液体吸収材を内
    部に有し、 前記第１の液体吸収材と前記第２の液体吸収材とが接触
    して毛管現象により前記液体燃料が供給されることを特
    徴とする請求項１０ないし１５のいずれか１項に記載の
    燃料電池。
  17. 【請求項１７】 前記液体燃料収容容器は、前記液体燃
    料を導出するための液体導出孔が穿設された挿入筒と、
    開閉可能な可動式開閉弁とを有し、 前記収容容器が接続される接続部は、前記可動式開閉弁
    を開放する手段を内部に有することをを特徴とする請求
    項１０ないし１５のいずれか１項に記載の燃料電池。
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