JP2004342511A

JP2004342511A - 液体燃料形燃料電池

Info

Publication number: JP2004342511A
Application number: JP2003139134A
Authority: JP
Inventors: Ryoichi Okuyama; 良一奥山; Eiichi Nomura; 栄一野村
Original assignee: Yuasa Corp; Yuasa Battery Corp
Current assignee: Yuasa Corp
Priority date: 2003-05-16
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2004-12-02

Abstract

【構成】直接メタノール形燃料電池のセルスタック４の積層方向を電池の長手方向とし、セルスタック４の上下に燃料タンク６，排燃料タンク８を配置し、セルスタック４の空気供給孔１２と連通する孔１６，１８を設ける。燃料タンク６とＭＥＡの燃料極や、空気極と排燃料タンク８とを毛細管体で接続する。
【効果】空気極への空気の供給や燃料極への燃料の供給が容易になる。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタノール、エタノール、イソプロパノール、ブタノール、ジメチルエーテルなどの燃料を水と混合して、燃料極に直接供給するようにした、液体燃料形燃料電池に関する。本発明は、特に液体燃料形燃料電池への燃料や空気の供給に関する。
【０００２】
【従来技術】
【非特許文献１】燃料電池開発最前線日経ＢＰ社２００１年６月発行６４〜７０頁
直接メタノール形燃料電池では、１〜１０ｗｔ％程度のメタノール／水混合燃料を用い、メタノールを水素に改質せずに、直接燃料電池に供給する（非特許文献１）。直接メタノール燃料電池は改質器を要しないため、構造が簡単で軽量であり、特に小形の直接メタノール形燃料電池は、携帯電話、ビデオカメラ、ノート型パーソナルコンピュータ等の携帯用電子機器等の電源として有望である。しかしながら従来の液体燃料形燃料電池の構造は、送液ポンプで燃料や排燃料を供給あるいは排出し、ブロアで空気を供給するものが多かった。そしてこのような構造では、携帯用電子機器などの電源にするには不向きである。
【０００３】
【発明の課題】
この発明の課題は、小形でかつ空気や燃料の供給が容易な液体燃料形燃料電池を提供することにある（請求項１〜８）。
請求項２の発明での追加の課題は、液体燃料形燃料電池をコンパクトで取り扱いやすい構造とすることにある。
請求項３の発明での追加の課題は、空気の供給をさらに容易にすることにある。
請求項４の発明での追加の課題は、空気の供給を増加して出力密度を増すことにある。
請求項５の発明での追加の課題は、液体燃料形燃料電池からの空気の排出を損ねずに、燃料や排燃料が漏れ出すことを防止することにある。
請求項６の発明での追加の課題は、燃料の供給や排燃料の排出をさらに容易にすることにある。
請求項７の発明での追加の課題は、燃料の補給や排燃料の廃棄をユーザが簡単に行えるようにすることにある。
請求項８の発明での追加の課題は、電池構造を共通にしながら、低圧から高圧までの種々の電圧を取り出せるようにすることにある。
【０００４】
【発明の構成と作用効果】
この発明は、燃料極と空気極とを設けたプロトン導電体膜を、セパレータを介して積層してセルスタックとし、燃料極に水性の液体燃料を供給し、空気極に空気を供給して発電する、液体燃料形燃料電池において、セルスタックの上面または下面の少なくとも一方に、燃料タンクと排燃料タンクとを配設し、かつセルスタックの上下方向に沿って燃料タンクから燃料極への燃料供給路とセルスタック内の空気流路とを設けたことを特徴とする（請求項１）。セルスタックは例えば長方形状とし、好ましくは長方形の長尺方向に積層する。このようにすると、空気の流通方向も燃料や排燃料の流通方向も基本的に上下方向となり、短い距離で空気や燃料／排燃料の物質移動を行うことができる。
【０００５】
好ましくは、前記燃料タンクおよび前記排燃料タンクを、前記セルスタックと平面視でほぼ同形とする（請求項２）。このようにすると液体燃料形燃料電池の形状は、セルスタックを上下に延長したものになり、全体としてコンパクトになる。例えばセルスタックが長方形などの板状であれば、同じ平面形状のまま、板厚を増したものになる。
【０００６】
好ましくは、燃料タンクおよび排燃料タンクに、前記セルスタック内の空気流路と連通するように、貫通孔状もしくは溝状の空気流路を設け（請求項３）、特に好ましくは燃料タンクと排燃料タンクとに貫通孔状の空気流路を設ける。このようにすると溝や孔をセルスタックの空気流路と連通させて、簡単に空気を供給排出できる。
【０００７】
特に好ましくは、セルスタックへの空気供給用のマイクロファンを設ける（請求項４）。このようにすると、空気極への空気供給量を増して、電池の出力密度を増すことができる。
【０００８】
好ましくは、液体燃料形燃料電池の少なくとも下面側を、撥水性多孔質材料で覆う（請求項５）。下面側を空気を通過させて空気の供給や排出に用いながら、燃料や排燃料が漏れ出しても、電池から外に漏れるのを防止できる。
【０００９】
また好ましくは、前記燃料供給路とセルスタックから排燃料タンクへの空気流路とに、毛細管体を配設して、燃料の供給と排燃料の排出とを行う（請求項６）。このようにすると、毛細管現象を用いて簡単に燃料の供給や排燃料の排出ができる。
【００１０】
好ましくは、前記燃料タンクに燃料供給用のカセットを着脱自在にすると共に、排燃料タンクに排燃料回収用のカセットとを着脱自在にする（請求項７）。このようにすると、一般ユーザが燃料を補給したり排燃料を排出するのが容易になる。
【００１１】
また好ましくは、セルスタックを複数のブロックに分割して、ブロック間を並列に接続する（請求項８）。そして並列接続の仕方を変えると、共通の電池構造で低圧から高圧までの種々の用途に対応できる。
【００１２】
燃料の種類はメタノール水が好ましいが、エタノール水、イソプロパノール水、ブタノール水、ジメチルエーテル水などでも良く、その濃度は公知技術に従って適宜に定めればよい。またプロトン導電体膜や空気極、燃料極等の電池構成部材の材料や構造は公知であり、適宜に定めればよい。
【００１３】
【実施例】
図１〜図８に、実施例とその変形とを示す。これらの図において、２は燃料電池本体で、４はセルスタックであり、６は燃料タンク、８は排燃料タンクである。セルスタック４，燃料タンク６，排燃料タンク８はいずれも例えば直方体状で、平面視でほぼ同じ形状をしている。セルスタック４では、ＭＥＡ（膜電極複合体）１０を複数直列に積層し、この積層方向がセルスタック４の長手方向となっている。１２はセルスタック４に設けた空気供給孔で、図１の上下方向に貫通し、１３〜１５は炭素やステンレスなどを用いたセパレータで、１６は燃料タンク６を貫通する空気供給孔、１８は排燃料タンク８を貫通する空気供給孔である。１９は燃料カートリッジを挿入するためのカートリッジ挿入孔で、２０は排燃料回収用のカートリッジを挿入するためのカートリッジ挿入孔である。
【００１４】
図２に、セルスタック４と燃料タンク６，並びに排燃料タンク８の関係を拡大して示す。切断方向は図１のＩＩ−ＩＩ方向で、切断面に含まれるセパレータを１４ａ，１４ｂとして図１に示す。ＭＥＡ１０には、固体高分子を用いたプロトン導電体膜２２を設けると共に、その一面に燃料極２３を設け、他面に空気極２４を設けて、通気性と導電性のある炭素シート２５，２６で積層する。セパレータ１４などには、溝２８を設けて、燃料タンク６からメタノール水などの燃料を毛細管現象により燃料極２３へと供給する毛細管体３０を収容する。なお溝２８の下端に接するように、燃料タンク６に毛細管体３０を通すための孔３３を設ける。また溝２８の上端に、燃料極２３で発生したＣＯ２を排出するためのＣＯ２排出孔２９を設ける。なおＣＯ２排出孔２９は小孔に限らず、溝などでも良い。
【００１５】
セルスタック４の空気供給孔１２から排燃料タンク８へと、毛細管体３１を配置し、空気極２４で生成した水を排燃料タンク８へと、毛細管現象により廃棄できるようにする。３４は排燃料タンク８に設けた孔で、この部分を毛細管体３１を通過させる。セルスタック４の空気供給孔１２は、タンク６，８の空気供給孔１６，１８と上下方向に連通しており、例えば図示しないマイクロファンにより、図の上から下へと空気を送気する。なお空気供給孔１２と空気供給孔１６，１８を総称して空気流路３２と呼ぶ。実施例ではマイクロファンによる強制通気を用いたが、ＭＥＡ１０での発熱による対流を利用し、空気流路３２を下から上へと空気が流れるようにしても良い。
【００１６】
図３に、変形例の排燃料タンク９を示す。３６はカートリッジ挿入孔２０から挿入された排燃料吸収用のカートリッジで、３８は溝で、図１の空気供給孔１８に代わるものであり、燃料タンク６の空気供給孔１６を介して、セルスタック４の空気供給孔１２と連通している。このため図３の排燃料タンク９での空気流通方向は紙面に垂直で、図２の排燃料タンク８では上下方向（鉛直方向）となる。図３の左側に、溝３８並びに毛細管体用の孔３４を拡大して示す。
【００１７】
実施例ではセルスタック４を上部に置き、その下部に燃料タンク６と排燃料タンク８を配置したが、いずれを上に配置するかの順序は変更できる。例えば図４の燃料電池本体４２では、燃料タンク６を上側に、セルスタック４を中間に、排燃料タンク８を下側に配置している。これ以外に、上から下への順序で、セルスタック４，排燃料タンク８，燃料タンク６などの順で配置しても良い。
【００１８】
実施例では空気の流路や、燃料や排燃料の流路が基本的に上下方向となり、燃料タンクや排燃料タンクとセルスタックとを短い距離で結ぶことができる。またセルスタックの空気供給孔を燃料タンクや排燃料タンクの空気供給孔や溝と連通させて、自然通気や強制通気などにより空気を供給できる。
【００１９】
メタノール水燃料は例えば１〜１０ｗｔ％程度のものを使用し、ここでは３ｗｔ％のものを使用する。図５に燃料供給用のカートリッジ３７の例を示すと、５０はケースで、５２はシールで、５４は燃料供給孔である。カートリッジ３７の内部には、毛細管体などの吸水体を配置して、メタノール水燃料を吸収させ、燃料供給孔５４から燃料が徐々に放出され、図１の燃料タンク６の内部全体に行き渡るようにする。そしてカートリッジ３７はカートリッジ挿入孔から前記燃料タンク６に着脱自在にし、燃料を補給する際に古いカートリッジを取り出して新しいカートリッジに交換する。また排燃料タンク８，９にも同様の排燃料用のカートリッジ３６を着脱自在にし、カートリッジ３６の内部に吸水性樹脂などを配置して、排燃料を吸収させる。
【００２０】
図６に、燃料電池本体２に対して、マイクロファン６６から強制送気するようにした直接メタノール形燃料電池６０の例を示す。６２はケーシングで、６３，６４はＰＴＦＥなどの撥水性のある多孔質膜で、液体の水を通さず、通気性のある膜や材質であればよい。図６では、セルスタック４の上側のマイクロファン６６から送気することにより空気を供給して、下側の多孔質膜６３から排気する。仮に燃料漏れや排液漏れが生じた場合でも、燃料電池６０の底面には撥水性の多孔質膜６３があるので、外にこれらのものが漏れ出すことがない。
【００２１】
図７の直接メタノール形燃料電池７０では、ケーシング７２に偏向板７４を設けて、撥水性多孔質膜７３を介して取り込んだ空気をマイクロファン６６で送気し、偏向板７４で気流を曲げて、空気供給孔１２へ導くようにする。燃料電池７０の底面に撥水性のある多孔質膜６３を配置する点は、図６の直接メタノール形燃料電池６０と同様で、図７の場合、図６よりも薄肉にできる利点がある。
【００２２】
燃料電池に必要な出力電圧には、３Ｖ〜１５Ｖ程度の種々のものが考えられる。単電池当たりの出力は０．４Ｖ程度の場合が多いので、単電池を複数積層して必要な電圧を得る。ここでセルスタック４の構造や形状などを、出力電圧が異なっても共通にするため、複数のセル群を並列に接続する。図８の場合、セルスタック４を例えば４つのセル群８２ａ〜８２ｄに分割し、セル群８２ａと８２ｂを直列に、セル群８２ｃと８２ｄを直列に接続し、全体としてはセルスタックを２つの並列なブロックに分割する。
【００２３】
このような並列接続を可能にするため、セルスタック４ではセル群とセル群とを絶縁して積層し、各セル群の正極と負極とに端子板を設けて、端子板と端子板とを適宜に配線して、所望の接続が得られるようにする。図８の８４は制御回路で、マイクロファン６６などを駆動する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例の直接メタノール形燃料電池の要部分解状態を示す斜視図
【図２】図１の直接メタノール形燃料電池の単電池相当の要部拡大断面図で、切断面は図１のＩＩ−ＩＩ方向である。
【図３】排燃料タンクの変形例を示す図
【図４】変形例の直接メタノール形燃料電池の要部斜視図
【図５】実施例で用いた燃料カートリッジの斜視図
【図６】実施例の直接メタノール形燃料電池の断面図
【図７】変形例の直接メタノール形燃料電池の断面図
【図８】実施例の直接メタノール形燃料電池の回路図
【符号の説明】
２，４２燃料電池本体
４セルスタック
６燃料タンク
８，９排燃料タンク
１０ＭＥＡ
１２空気供給孔
１３〜１５セパレータ
１６，１８空気供給孔
１９，２０カートリッジ挿入孔
２２プロトン導電体膜
２３燃料極
２４空気極
２５，２６炭素シート
２８，３８溝
２９ＣＯ２排出孔
３０，３１毛細管体
３２空気流路
３３，３４孔
３６，３７カートリッジ
５０ケース
５２シール
５４燃料供給孔
６０，７０直接メタノール形燃料電池
６２，７２ケーシング
６３，６４多孔質膜
６６マイクロファン
７４偏向板
８２ａ〜ｄセル群
８４制御回路

Claims

燃料極と空気極とを設けたプロトン導電体膜を、セパレータを介して積層してセルスタックとし、燃料極に水性の液体燃料を供給し、空気極に空気を供給して発電する、液体燃料形燃料電池において、
セルスタックの上面または下面の少なくとも一方に、燃料タンクと排燃料タンクとを配設し、かつセルスタックの上下方向に沿って燃料タンクから燃料極への燃料供給路とセルスタック内の空気流路とを設けたことを特徴とする、液体燃料形燃料電池。
前記燃料タンクおよび前記排燃料タンクを、前記セルスタックと平面視でほぼ同形としたことを特徴とする、請求項１の液体燃料形燃料電池。
燃料タンクおよび排燃料タンクに、前記セルスタック内の空気流路と連通するように、貫通孔状もしくは溝状の空気流路を設けたことを特徴とする、請求項１または２の液体燃料形燃料電池。
セルスタックへの空気供給用のマイクロファンを設けたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの液体燃料形燃料電池。
液体燃料形燃料電池の少なくとも下面側を、撥水性多孔質材料で覆ったことを特徴とする、請求項１〜４のいずれかの液体燃料形燃料電池。
前記燃料供給路とセルスタックから排燃料タンクへの空気流路とに、毛細管体を配設して、燃料の供給と排燃料の排出とを行うようにしたことを特徴とする、請求項１〜５の液体燃料形燃料電池。
前記燃料タンクに燃料供給用のカセットを着脱自在にすると共に、排燃料タンクに排燃料回収用のカセットとを着脱自在にしたことを特徴とする、請求項１〜６の液体燃料形燃料電池。
セルスタックを複数のブロックに分割して、ブロック間を並列に接続したことを特徴とする、請求項１〜７のいずれかの液体燃料形燃料電池。