JP2007134236A

JP2007134236A - 燃料電池用燃料貯留体

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Publication number: JP2007134236A
Application number: JP2005327834A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Osada; 隆博長田; Toshifumi Kamiya; 俊史神谷
Original assignee: Mitsubishi Pencil Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Pencil Co Ltd
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-05-31

Abstract

【課題】毛管力を利用して液体燃料を燃料電池本体の電極に供給するパッシブ型の燃料電池において、液体燃料の燃料貯留性、排出性に優れる燃料電池用燃料貯留体を提供する。
【解決手段】液体燃料を貯留する毛管力を有する燃料貯留部材１０と、該燃料貯留部材１０を収容する容器２０とを備えた燃料電池用燃料貯留体であって、上記燃料貯留部材１０が、１〜１５デニールの合成樹脂繊維の単独又は混合を収束させた収束体から構成されると共に、上記合成樹脂繊維の巻縮率が５〜３０％であり、かつ、収束体の気孔率が６０〜９５％であることを特徴とする燃料電池用燃料貯留体Ａ。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話、ノート型パソコン、ＰＤＡ、デジタルカメラ及び電子手帳などの携帯用電子機器の電源として用いられる燃料電池用燃料貯留体に関し、更に詳しくは、毛管力を利用して液体燃料を燃料電池本体の電極に供給するパッシブ型の燃料電池において、液体燃料の燃料貯留性、排出性に優れる燃料電池用燃料貯留体に関する。

一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池セル内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり種々の形式のものが開発されている。

近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に、メタノールと水を含む液体燃料を直接供給するだけで発電できる燃料電池が注目されてきている（例えば、特許文献１及び２参照）。
これらの中でも、液体燃料の供給に毛管力を利用したパッシブ方式の各液体燃料電池等が知られている（例えば、特許文献３〜９参照）。
これらの各特許文献に記載されるパッシブ方式の燃料電池は、燃料タンクから液体燃料を毛管力で燃料極に供給するため、液体燃料を圧送するためのポンプや電磁弁を必要としないなど小型化に際してメリットがある。

しかしながら、このような単に燃料貯留体に設けられた、多孔体及び／又は繊維束体の毛管力だけを利用した燃料供給システムの燃料電池は、構成上は小型化に適するものの、燃料貯留体での液体燃料の燃料貯留性、並びに、燃料貯留体から液体燃料をいかに効率よく排出するかが課題となっている。特に、液体燃料の供給を毛管力に頼るパッシブ方式の燃料供給方式では、燃料を効率よく排出しないと、発電効率に悪影響を及ぼすなどの課題がある。
特開平５−２５８７６０号公報（特許請求の範囲、実施例等）特開平５−３０７９７０号公報（特許請求の範囲、実施例等）特開昭５９−６６０６６号公報（特許請求の範囲、実施例等）特開平６−１８８００８号公報（特許請求の範囲、実施例等）特開２００３−２２９１５８号公報（特許請求の範囲、実施例等）特開２００３−２９９９４６号公報（特許請求の範囲、実施例等）特開２００３−３４０２７３号公報（特許請求の範囲、実施例等）特開２００３−３６８６６号公報（特許請求の範囲、実施例等）特開２００３−１０９６３３号公報（特許請求の範囲、図１等）

本発明は、上記従来のパッシブ方式の燃料電池用燃料貯留体における課題等に鑑み、これを解消するためになされたものであり、燃料貯留体での液体燃料の燃料貯留性、液体燃料を燃料貯留体から燃料電池本体の電極に安定的に排出することができる燃料電池用燃料貯留体を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、液体燃料を貯留する毛管力を有する燃料貯留部材と、該燃料貯留部材を収容する容器とを備えた燃料電池用燃料貯留体において、上記燃料貯留部材を特定物性の合成樹脂繊維からなる収束体から構成すると共に、該合成樹脂繊維の巻縮率を特定の範囲とし、かつ、収束体の気孔率を特定の範囲とすることにより、上記目的の燃料電池用燃料貯留体が得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。
すなわち、本発明は、次の（１）〜（８）に存する。
（１）液体燃料を貯留する毛管力を有する燃料貯留部材と、該燃料貯留部材を収容する容器とを備えた燃料電池用燃料貯留体であって、上記燃料貯留部材が、１〜１５デニールの合成樹脂繊維の単独又は混合を収束させた収束体から構成されると共に、上記合成樹脂繊維の巻縮率が５〜３０％であり、かつ、収束体の気孔率が６０〜９５％であることを特徴とする燃料電池用燃料貯留体。
（２）合繊樹脂繊維がポリアセタール、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン、ポリオレフィン系樹脂、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル樹脂、ポリフェニレン樹脂からなる繊維の単独又は２種以上の組み合わせからなる上記（１）記載の燃料電池用燃料貯留体。
（３）合成樹脂繊維が、フィラメント又はスライバーの各単独、若しくは混合からなるものである上記（１）又は（２）記載の燃料電池用燃料貯留体。
（４）収束体の外周を溶融させた熱可塑性樹脂で被覆処理してなる上記（１）〜（３）の何れか一つに記載の燃料電池用燃料貯留体。
（５）被覆している熱可塑性樹脂の厚みが０．１〜２．０ｍｍである上記（４）に記載の燃料電池用燃料貯留体。
（６）収束体の外周を合成樹脂フィルムにて被覆処理してなる上記（１）〜（５）の何れか一つに記載の燃料電池用燃料貯留体。
（７）被覆している合成樹脂フィルムの厚みが０．０１〜０．５ｍｍである上記（６）に記載の燃料電池用燃料貯留体。
（８）液体燃料がメタノール濃度４０重量％以上のメタノール液である上記（１）〜（７）の何れか一つに記載のである燃料電池用燃料貯留体。

本発明によれば、液体燃料の貯留性に優れると共に、燃料貯留体から効率よく排出することができるので、燃料電池本体の電極に安定的に供給できると共に、液体燃料の供給効率及び発電効率の向上を更に発揮することができる燃料電池用燃料貯留体が提供される。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳しく説明する。
図１は、本発明の実施形態の一例を示す燃料電池用燃料貯留体を示すものである。
本発明の燃料電池用燃料貯留体Ａは、図１に示すように、液体燃料を貯留する毛管力を有する燃料貯留部材１０と、該燃料貯留部材１０を収容する容器２０とを備えたものである。なお、３０は、燃料供給用中継部材である。

本発明に用いる燃料貯留部材１０は、１〜１５デニールの合成樹脂繊維の単独又は混合を収束させた収束体から構成されるものである。
用いる合成樹脂繊維としては、例えば、ポリアセタール、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリウレタン、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル樹脂、ポリフェニレン樹脂などの１種又は２種以上の組合せからなる繊維が挙げられる。
好ましくは、コスト、製造性、更なる液体燃料の貯留性、排出性の向上の点、合繊樹脂繊維がポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアセタール、アクリル樹脂からなる繊維の単独又は２種以上の組み合わせからなるものが望ましい。
これらの繊維において、１５デニールを超える太い繊維を使用すると、繊維量を増やしても、液体燃料の保持力は増えず、結果として、燃料の搭載量が減ることとなり、一方、０．５デニール未満の繊維では、繊維自体の剛性が不足することとなり、毛管力を維持できないこととなる。

また、上記合成樹脂繊維は、巻縮率（クリンプ率）が５〜３０％であることが必要である。この巻縮率が５％未満であると、繊維収束体の反発力が弱すぎて、形状を保持できなくなり、一方、巻縮率が３０％を超えて大きいと、繊維収束体の反発力が強すぎ、収束させることが困難となる。なお、本発明の巻縮率は、３次元ランダムなクリンプの度合い（フィラメントとフィラメントの波形のピッチが重なり合うことがない繊維集合体としての嵩高性）をいい、クリンプフィラメントを０．１ｇｒ／ｄｅの荷重下で計測した長さＬ０、このフィラメントを０．００１ｇｒ／ｄｅの荷重下で計測した長さをＬとし、（１−Ｌ／Ｌ０）×１００％で求める値である。

用いる合成樹脂繊維は、フィラメント（長繊維）又はスライバー（短繊維）の各単独、若しくは混合からなるものが好ましい。合成樹脂繊維をフィラメント（長繊維）とすることで、燃料の保持力が安定し、また、スライバー（短繊維）とすることで、燃料の排出性を更に高めることができるものとなる。

これらの繊維を収束させた繊維収束体の好ましい態様としては、１）図２（ａ）に示すように、合成樹脂繊維束１０ａの外周を溶融させたポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの熱可塑性樹脂１０ｂで被覆して一体成形した繊維収束体１０、２）図２（ｂ）に示すように、合成樹脂繊維束１０ａの外周をＰＥＴなどの合成樹脂フィルム１０ｃにて被覆した繊維収束体１０、３）図２（ｃ）に示すように、合成樹脂繊維束１０ａの外周をシート状の多孔質体１０ｄによって被覆した繊維収束体が挙げられる。
上記１）の被覆する熱可塑性樹脂の厚みとしては、薄いと強度不足となり、厚すぎると体積が大きくなる点から、０．１〜２．０ｍｍとすることが望ましく、上記２）の被覆する樹脂フィルムの厚みとしては、薄いと強度不足となり、厚すぎると体積が大きくなる点から、０．０１〜０．５ｍｍとすることが望ましい。

また、上記３）のシート状の多孔質体で被覆することで、燃料吸蔵体の側面も燃料流出路となり、燃料排出の速度を高めることができる。シート状の多孔質体としては、例えば、例えば、フェルト、スポンジ、または、樹脂粒子焼結体、樹脂繊維焼結体などの焼結体等から構成される毛管力を有する多孔質体や、天然繊維、獣毛繊維、ポリアセタール、アクリル樹脂、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル樹脂、ナイロンなどのポリアミド樹脂、ポリウレタン、ポリプロピレンやポリエチレンなどのポリオレフィン系樹脂、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル樹脂、ポリフェニレン樹脂などの１種又は２種以上の組合せからなる繊維を織ったもの、若しくは前記繊維の不織布からなるものが挙げられる。
シート状の多孔質体は、筒状の燃料吸蔵体の側面から燃料を排出できるものであればよく、合成樹脂フィルムや溶融樹脂による被覆であっても、側面に孔を開けることで、燃料貯留大側面に燃料排出路を設けたものであれば用いることができる。

この繊維収束体から構成される燃料貯留部材１０は、気孔率が６０〜９５％とすることが必要である。この気孔率が６０％未満であると、燃料貯留部材の体積に対し搭載できる燃料の量が少なくなり、一方、気孔率が９５％を超えて大きいと、繊維収束体自体の強度が低下し、形状を保持できなくなる。なお、燃料貯留部材の気孔率は、用いる繊維の種類、物性等、並びに、繊維収束法等の製造方法などを好適に組み合わせることにより調整できる。

上記燃料貯留部材１０を収容する容器２０としては、収容される液体燃料に対して保存安定性、耐久性、ガス不透過性（酸素ガス、窒素ガス等に対するガス不透過性）であるものから構成されることが好ましい。
容器２０の材質としては、例えば、アルミニウム、ステンレスなどの金属、合成樹脂、ガラスなどが挙げられるが、前記した液体燃料のガス不透過性、製造や組立時のコスト低減及び製造の容易性などから、好ましくは、上記各特性を有するポリプロピレン、ポリビニルアルコール、エチレン・ビニルアルコール共重合樹脂、ポリアクリルニトリル、ナイロン、セロハン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリ塩化ビニルなどの単独もしくは２種以上の樹脂を含む単層構造、２層以上の多層構造からものが挙げられる。多層構造の場合は、少なくとも１層が、前記した性能（ガス透過度）を持つ樹脂で構成されていれば、残りの層は通常の樹脂でも実使用上問題はない。このような多層構造の容器は、押出し成形、射出成形、共押出し成形などにより製造することができる。

用いることができる液体燃料としては、例えば、メタノールと水とからなるメタノール液が挙げられるが、燃料電極体において燃料として供給された化合物から効率良く水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）が得られるものであれば、液体燃料は特に限定されず、燃料電極体の構造などにもよるが、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、ショ糖水溶液などの液体燃料も用いることができ、コスト、気孔の容易化などの点から、メタノール液が好ましい。
また、これらの液体燃料の濃度は、燃料電池の構造、特性等により種々の濃度の液体燃料を用いることができ、例えば、１〜１００％濃度の液体燃料を用いることができる。

本発明において、メタノール液を用いる場合に、メタノール濃度が４０重量％以上となると、下記表１及び図４に示すように、表面張力が急激に低下する。そのため、液体燃料として、長時間発電できるようにメタノール濃度が４０重量％以上のものを用いた場合にあっても、本発明の上記物性となる燃料貯留体を用いることにより燃料を確実に貯留することができるものとなる。

このように構成される本実施形態の燃料電池用燃料貯留体Ａでは、燃料貯留部材を１〜１５デニールの合成樹脂繊維の単独又は混合を収束させた収束体から構成すると共に、合成樹脂繊維の巻縮率を５〜３０％とし、かつ、収束体の気孔率を６０〜９５％とすることにより、初めて、液体燃料の貯留性に優れると共に、燃料貯留体から効率よく排出することができ、これにより、燃料電池本体の電極に安定的に供給できると共に、液体燃料の供給効率及び発電効率の向上を更に発揮することができるものとなる。なお、上記各物性を充足しない燃料貯留部材では、本発明の効果を発揮できないものとなる。

また、このように構成される本実施形態の燃料電池用燃料貯留体Ａは、燃料電池本体の取付部に取付自在とすることにより、燃料電池の実施に供されることとなる。
図３（ａ）及び（ｂ）は、本発明の燃料電池用燃料貯留体Ａを用いた燃料電池の実施形態である。
この燃料電池Ｂは、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、平板状の燃料極、電解質膜、空気極より構成される平板状の燃料電池セル４０を内部に有すると共に、側面部にメッシュ構造の空気取り入れ口部５０ａを有する燃料電池本体５０と、該燃料電池本体５０の着脱部５１に取り付け自在となる本発明の燃料貯留体Ａと、該燃料貯留体Ａの液体燃料を燃料電池本体５０の電極（燃料電池セル）４０に供給せしめる燃料供給用中継部材３０と、上記燃料電池本体の電極４０で消費された廃燃料を回収供給部材５５、中継芯５６を介して回収する毛管力を有する廃燃料回収体５７を備えたカートリッジ型の廃燃料回収槽５８とを具備してなるものである。
この方式の液体燃料の供給は、カートリッジ型となる本発明の燃料貯留体Ａ内の燃料貯留体２０の端面に、燃料供給用中継部材３０を挿入し、中継部材３０及び燃料供給体４５を介して燃料電池本体５０内に備わる燃料電池セル４０の燃料極に液体燃料を供給するものである。

この方式の燃料電池においても、燃料貯留部材１０が１〜１５デニールの合成樹脂繊維の単独又は混合を収束させた収束体から構成されると共に、合成樹脂繊維の巻縮率が５〜３０％であり、かつ、収束体の気孔率が６０〜９５％に設定されているので、液体燃料の貯留性に優れ、燃料貯留体から効率よく液体燃料を燃料供給体４５に排出することができ、これにより、燃料電池本体５０の電極に安定的に供給できると共に、液体燃料の供給効率及び発電効率の向上を更に発揮することができるものとなる。

次に、実施例及び比較例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。

〔実施例１〜４及び比較例１〜４〕
下記構成の繊維収束体を作製した。
（実施例１、燃料貯留部材１）
外径：１０．６ｍｍ、高さ：３０ｍｍ
外皮：厚さ０．３ｍｍのポリエチレン外皮
繊維：ポリエチレンテレフタレート繊維（フィラメント）、１デニール、巻縮率１０％
繊維本数：３６，０００本
気孔率９５％

（実施例２、燃料貯留部材２）
外径：１０．６ｍｍ、高さ：３０ｍｍ
外皮：厚さ０．３ｍｍのポリエチレン外皮
繊維：ポリエチレンテレフタレート繊維（フィラメント）、４デニール、巻縮率１０％
繊維本数：１８，０００本
気孔率９０％

（実施例３、燃料貯留部材３）
外径：１０．６ｍｍ、高さ：３０ｍｍ
外皮：厚さ０．３ｍｍのポリエチレン外皮
繊維：ポリエチレンテレフタレート繊維（フィラメント）、１５デニール、巻縮率１０％
繊維本数：９，０００本
気孔率８１％

（実施例４、燃料貯留部材４）
縦横１０×１０ｃｍ、高さ３ｍｍの直方体
壁厚：１０ｍｍのポリプロピレン容器、内部容積：９×９×２８ｍｍ³
繊維：ポリエチレンテレフタレート繊維（フィラメント）、４デニール、巻縮率１０％
繊維本数：１８，０００本
気孔率９０％

（比較例１、燃料貯留部材４）
外径：１０．６ｍｍ、高さ：３０ｍｍ
外皮：厚さ０．３ｍｍのポリエチレン外皮
繊維：ポリエチレンテレフタレート繊維（フィラメント）、０．３デニール、巻縮率１０％
繊維本数：７２，０００本
気孔率９７％

（比較例２、燃料貯留部材５）
外径：１０．６ｍｍ、高さ：３０ｍｍ
外皮：厚さ０．３ｍｍのポリエチレン外皮
繊維：ポリエチレンテレフタレート繊維（フィラメント）、３０デニール、巻縮率１０％
繊維本数：５，０００本
気孔率８０％

（比較例３、燃料貯留部材６）
外径：１０．６ｍｍ、高さ：３０ｍｍ
外皮：厚さ０．３ｍｍのポリエチレン外皮
繊維：ポリエチレンテレフタレート繊維（フィラメント）、４デニール、巻縮率１％
繊維本数：１８，０００本
気孔率９１％

（比較例４、燃料貯留部材７）
外径：１０．６ｍｍ、高さ：３０ｍｍ
外皮：厚さ０．３ｍｍのポリエチレン外皮
繊維：ポリエチレンテレフタレート繊維（フィラメント）、４デニール、巻縮率４５％
繊維本数：１８，０００本
気孔率８５％

上記で得られた燃料貯留部材を用いて、下記液体燃料を充填した。
得られた各燃料電池用燃料貯留部材について、下記各評価方法により、燃料の保持性、排出性について評価した。
これらの結果を下記表２に示す。

使用液体燃料：７０重量％メタノール水溶液、表面張力２９．１ｍＮ／ｍ（２５℃）、充填量２ｃｃ

（燃料の保持性の評価方法）
上記燃料を各燃料貯留部材に２ｃｃ充填後、５分間静置し、液体燃料が漏れ出さないかをどうかの燃料保持性を、下記評価基準で官能評価した。
評価基準：
○：液体燃料が漏れ出さない。
×：液体燃料が漏れ出す。

（燃料の排出性の評価方法）
上記燃料を各燃料貯留部材に２ｃｃ充填後、内径０．３ｍｍ、外径０．５ｍｍ、長さ２０ｍｍのステンレス製チューブを挿入し、ポンプにて０．２ｍｌ／ｍｉｎの速度で燃料を排出させ、燃料を充填した繊維収束体の重量変化から燃料の排出量を測定し、下記評価基準で評価した。
評価基準：
○：液体燃料の排出率が９０％以上であった。
×：液体燃料の排出率が９０％未満であった。

上記表１〜表３の結果から明らかなように、本発明範囲となる実施例１〜４は、本発明の範囲外となる比較例１〜４に較べて、液体燃料の保持性、排出性に優れていることが判明した。

本発明の実施形態の燃料電池用燃料貯留体を縦断面態様で示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の燃料貯留部材の好ましい態様を示す各断面図である。（ａ）及び（ｂ）は、本発明の燃料電池用燃料貯留体を用い燃料電池の実施形態を示す斜視図、分解斜視図である。液体燃料（メタノール）の濃度と表面張力の関係を示す特性図である。

符号の説明

Ａ燃料電池用燃料貯留体
１０燃料貯留部材
２０容器

Claims

液体燃料を貯留する毛管力を有する燃料貯留部材と、該燃料貯留部材を収容する容器とを備えた燃料電池用燃料貯留体であって、上記燃料貯留部材が、１〜１５デニールの合成樹脂繊維の単独又は混合を収束させた収束体から構成されると共に、上記合成樹脂繊維の巻縮率が５〜３０％であり、かつ、収束体の気孔率が６０〜９５％であることを特徴とする燃料電池用燃料貯留体。
合繊樹脂繊維がポリアセタール、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリウレタン、ポリオレフィン系樹脂、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル樹脂、ポリフェニレン樹脂からなる繊維の単独又は２種以上の組み合わせからなる請求項１記載の燃料電池用燃料貯留体。
合成樹脂繊維が、フィラメント又はスライバーの各単独、若しくは混合からなるものである請求項１又は２記載の燃料電池用燃料貯留体。
収束体の外周を溶融させた熱可塑性樹脂で被覆処理してなる請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池用燃料貯留体。
被覆している熱可塑性樹脂の厚みが０．１〜２．０ｍｍである請求項４に記載の燃料電池用燃料貯留体。
収束体の外周を合成樹脂フィルムにて被覆処理してなる請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池用燃料貯留体。
被覆している合成樹脂フィルムの厚みが０．０１〜０．５ｍｍである請求項６に記載の燃料電池用燃料貯留体。
液体燃料がメタノール濃度４０重量％以上のメタノール液である請求項１〜７の何れか一つに記載のである燃料電池用燃料貯留体。