JP2007265662A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池において、小電力用途向けの極めて低コストで小型の燃料電池を実現する。
【解決手段】 略円筒体形状の燃料電池ケース１０の中にＭＥＡ２が配設されている。ＭＥＡ２は、空気極２２が大気に露出しており、燃料極２１の極面がメタノール水溶液貯留部２４の内部の底面を構成している。燃料極２１で生成された二酸化炭素は、燃料極２１からメタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中へ直接放出され、メタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中を上昇し、メタノール水溶液貯留部２４内の圧力が所定圧力以上になると、蓋体１３が押し上げられて開き、メタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中に発生した二酸化炭素は、小孔１２から開口部１３を経由して外部へと排出される。
【選択図】図２

Description

本発明は、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol
Fuel Cell）を備えた燃料電池に関する。

メタノール水溶液から直接プロトンを取り出すことにより発電を行う構成を有する直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）を利用した燃料電池が公知である（例えば、特許文献１を参照）。この直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池は、水素タンクや改質器を必要とする固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）を利用した燃料電池より小型化及び軽量化が可能であることから、特に携帯電話、ノートパソコン又は小型プリンタ等のモバイル機器における次世代の電源として期待されつつ研究開発がなされている。

特開２００５−３０２５１９号公報

しかしながら、従来の直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池の開発は、携帯電話やノートパソコン等のリチウムイオン電池パック等の代替電源として、これらのモバイル機器を大型化させることなく、さらに長時間駆動可能とするために、単位面積当たりの発電効率の向上に主眼がおかれているのが現状であった。そのため、従来の直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池は、システム構成が複雑で小型化及び低コスト化が困難であった。

本発明は、このような状況に鑑み成されたものであり、その課題は、直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池において、小電力用途向けの極めて低コストで小型の燃料電池を実現することにある。

上記課題を達成するため、本発明の第１の態様は、空気極面が大気に露出した状態で配設される直接型メタノール燃料電池の膜電極接合体と、メタノール水溶液が前記膜電極接合体の燃料極面に直接供給されるように一部が前記燃料極面で構成されるメタノール水溶液貯留部と、前記燃料極面から前記メタノール水溶液貯留部内に発生する二酸化炭素を前記メタノール水溶液貯留部内から外部に排出するための二酸化炭素排出手段とを備え、前記二酸化炭素排出手段は、前記メタノール水溶液貯留部内から外部に連通する唯一の連通路を構成する前記メタノール水溶液貯留部の上部に形成された小孔を介して前記メタノール水溶液貯留部内の二酸化炭素が外部へ排出される構成を有している、ことを特徴とした燃料電池である。

直接型メタノール燃料電池の膜電極接合体においては、発電に際して、大気中の酸素が供給される空気極では、水（Ｈ_２Ｏ）が生成され、メタノール水溶液貯留部のメタノール水溶液が直接供給される燃料極では、二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。空気極で生成された水は、そのまま大気中に自然蒸発する。一方、燃料極で生成された二酸化炭素は、燃料極からメタノール水溶液貯留部内へ直接放出される。メタノール水溶液貯留部内のメタノール水溶液中に放出された二酸化炭素は、気体であるためメタノール水溶液中を上昇してメタノール水溶液貯留部の上部に移動するので、メタノール水溶液貯留部の上部に形成された小孔を介して外部へ排出される。この小孔は、メタノール水溶液貯留部内から外部に連通する唯一の連通路であるため、振動等によって小孔からメタノール水溶液貯留部内のメタノール水溶液が外部へ流出する虞は、ほとんど生じない。したがって、この小穴からは、膜電極接合体の燃料極からメタノール水溶液貯留部内に直接放出された二酸化炭素だけが外部へ排出される。

これにより、本発明の第１の態様に記載の燃料電池によれば、上述したような極めてシンプルな構成の燃料電池を実現することができるので、直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池において、小電力用途向けの極めて低コストで小型の燃料電池を実現することができるという作用効果が得られる。

本発明の第２の態様は、空気極面が大気に露出した状態で配設される直接型メタノール燃料電池の膜電極接合体と、メタノール水溶液が前記膜電極接合体の燃料極面に直接供給されるように一部が前記燃料極面で構成されるメタノール水溶液貯留部と、前記燃料極面から前記メタノール水溶液貯留部内に発生する二酸化炭素を前記メタノール水溶液貯留部内から外部に排出するための二酸化炭素排出手段とを備え、前記二酸化炭素排出手段は、二酸化炭素に対する気体透過性及びメタノール水溶液に対する液体不透過性を有する膜を経由して、前記メタノール水溶液貯留部内に発生する二酸化炭素が外部に排出される構成を有している、ことを特徴とした燃料電池である。

膜電極接合体の燃料極で生成された二酸化炭素は、燃料極からメタノール水溶液貯留部内のメタノール水溶液中に直接放出され、二酸化炭素に対する気体透過性を有する膜を経由して外部に排出される。この膜は、二酸化炭素に対する気体透過性とともにメタノール水溶液に対する液体不透過性も有しているので、メタノール水溶液貯留部内のメタノール水溶液が外部に漏れることはない。したがって、膜電極接合体の燃料極からメタノール水溶液貯留部内のメタノール水溶液中に直接放出された二酸化炭素だけが、この膜を透過して外部へ排出される。

これにより、本発明の第２の態様に記載の燃料電池によれば、上述したような極めてシンプルな構成の燃料電池を実現することができるので、直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池において、小電力用途向けの極めて低コストで小型の燃料電池を実現することができるという作用効果が得られる。

本発明の第３の態様は、前述した第１の態様又は第２の態様において、前記燃料極面は、前記メタノール水溶液貯留部の内部の底面を構成している、ことを特徴とした燃料電池である。
このように、メタノール水溶液貯留部の底面部分を膜電極接合体の燃料極面で構成することによって、メタノール水溶液貯留部内のメタノール水溶液をそのまま直接燃料極へ供給することができる。

本発明の第４の態様は、前述した第１の態様〜第３の態様のいずれかにおいて、前記二酸化炭素排出手段は、前記メタノール水溶液貯留部の内部からメタノール飽和蒸気圧より高い所定圧力が作用している間のみ外部への二酸化炭素排出路が構成されるように配設された開閉弁を有している、ことを特徴とした燃料電池である。

膜電極接合体の燃料極からメタノール水溶液貯留部内に放出される二酸化炭素によって、メタノール水溶液貯留部の内部の圧力が上昇する。そして、メタノール水溶液貯留部の内部の圧力が所定圧力以上になると、開閉弁が開いてメタノール水溶液貯留部内から外部への二酸化炭素排出路が構成される。このような構成の開閉弁機構によって、本発明の第４の態様に記載の燃料電池は、メタノール水溶液貯留部の内部の圧力をメタノール水溶液の飽和蒸気圧より高い所定圧力に維持することができる。このように、メタノール水溶液貯留部の内部の圧力を高めることによって、メタノール水溶液貯留部の底部を構成している膜電極接合体の燃料極に、より高い圧力でメタノール水溶液貯留部内のメタノール水溶液を加圧供給することができる。したがって、膜電極接合体の燃料極における化学反応効率が向上し、それによって、直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池における発電効率を向上させることができる。

これにより、本発明の第４の態様に記載の燃料電池によれば、前述した第１の態様〜第３の態様のいずれかに記載の極めて低コストで小型の燃料電池において、発電効率をより向上させることができるという作用効果が得られる。
また、開閉弁が閉じた状態では、外部への二酸化炭素排出路が構成されないので、二酸化炭素排出路を介してメタノール水溶液貯留部内のメタノール水溶液が気化して減少する虞をより低減させることができる。

本発明の第５の態様は、前述した第４の態様において、前記開閉弁と前記メタノール水溶液貯留部との間には、前記燃料極から前記メタノール水溶液貯留部内へ発生した二酸化炭素が充満するとともに前記開閉弁が開いている間のみ外部と連通する空間部が設けられている、ことを特徴とした燃料電池である。
メタノール水溶液貯留部と開閉弁との間に設けられた空間部は、膜電極接合体の燃料極からメタノール水溶液貯留部内へ発生した二酸化炭素が充満するとともに、開閉弁が開いている間、外部と連通する。したがって、メタノール水溶液貯留部のメタノール水溶液は、この空間部に充満した二酸化炭素によって所定圧力（開閉弁の開弁圧）未満の圧力で膜電極接合体の燃料極へ加圧供給されることになる。このような空間部を設けることによって、開閉弁の開閉に伴うメタノール水溶液の供給圧力の変動を低減させることができるので、燃料極における化学反応が安定し、直接型メタノール燃料電池を利用した燃料電池の出力電圧変動を低減させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る「燃料電池」の第１実施例における外観斜視図であり、図２は、その断面図である。
本発明に係る燃料電池１００は、略円筒体形状の燃料電池ケース１０の中に直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）のＭＥＡ（膜電極接合体）２が配設されている。この燃料電池ケース１０は、直径が約４ｍｍ、高さが約２０ｍｍ、板厚が約０．１ｍｍのステンレス製の円筒形状を有する部材である。尚、この燃料電池ケース１０は、特にこの形状及び大きさに限定されるものではなく、燃料電池１００で必要な電力供給能力に応じて、ＭＥＡ２の大きさとともに適宜決定されるものである。また、燃料電池ケース１０の材質は、特にステンレスに限定されるものではなく、メタノール水溶液に対する耐性を有する素材であれば、どのようなもので形成しても良い。

ＭＥＡ２は、燃料極（アノード極）２１、空気極（カソード極）２２及びＰＥＭ（高分子電解質膜）２３で構成され、空気極２２の極面が大気に露出した状態で燃料電池ケース１０に配設されている。ＰＥＭ２３は、より具体的には、ＰＥＭ２３と燃料極（アノード極）２１と間にはアノード触媒層（図示せず）が配設されており、ＰＥＭ２３と空気極（カソード極）２２との間にはカソード触媒層（図示せず）が配設されている。燃料電池１００は、−極としての燃料極２１及び＋極としての空気極２２から電力を取り出すことができる。

燃料電池ケース１０には、メタノール水溶液が流路を介さずＭＥＡ２の燃料極２１の極面に直接供給されるように一部が燃料極２１の極面で構成されたメタノール水溶液貯留部２４が形成されている。より具体的には、ＭＥＡ２の燃料極２１の極面が、図示の如くメタノール水溶液貯留部２４の内部の底面を構成している。ＭＥＡ２においては、発電に際して、大気中の酸素が供給される空気極２２では、以下の化学反応によって水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ
空気極２２で生成された水は、そのまま大気中に自然蒸発する。

一方、メタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液が直接供給される燃料極２１では、以下の化学反応によって二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。尚、燃料としてのメタノール水溶液は、一般的には、重量比３％前後の濃度のメタノール水溶液が使用される。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋ＣＯ_２
メタノール水溶液貯留部２４の上部の仕切り部１１には、「二酸化炭素排出手段」を構成する小孔１２が形成されている。この小孔１２は、燃料極２１の極面からメタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中に発生する二酸化炭素をメタノール水溶液貯留部２４内から外部に排出するための孔である。燃料極２１で生成された二酸化炭素は、燃料極２１からメタノール水溶液貯留部２４内のメタノール水溶液中に直接放出され、気体であるためメタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中を上昇してメタノール水溶液貯留部２４の上部の仕切り部１１に移動し、仕切り部１１に形成された小孔１２を介して外部へ排出される。この小孔１２は、メタノール水溶液貯留部２４内から外部に連通する唯一の連通路であるため、振動等によって小孔１２からメタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液が外部へ流出する虞は、ほとんど生じない。したがって、ＭＥＡ２の燃料極２１からメタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中に直接放出された二酸化炭素だけがこの小穴１２を経由して外部へ排出されることとなる。

燃料電池ケース１０の上側には、開口部１４が形成されているとともに、「開閉弁」を構成する蓋体１３が開口部１４を開閉可能に配設されている。この蓋体１３は、メタノール水溶液貯留部２４側からメタノール飽和蒸気圧より高い所定圧力が作用している間のみ外部への二酸化炭素排出路が構成されるように配設されている。より具体的には、開口部１４を開閉可能に配設された円板状の蓋体１３は、図示していない板ばね等の付勢手段によって、開口部１４を閉じる方向へ付勢されており、その付勢力がメタノール水溶液貯留部２４内のメタノール飽和蒸気圧より強い付勢力に設定されている。或いは、開口部１４を覆うように弾性を有する薄板状の部材を蓋体１３として配設して「開閉弁」を構成しても良い。

メタノール水溶液貯留部２４の内部は、ＭＥＡ２の燃料極２１からメタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中に放出される二酸化炭素によって圧力が上昇する。そして、メタノール水溶液貯留部２４内の圧力が前記所定圧力以上になると、メタノール水溶液貯留部２４内の圧力によって、蓋体１３が符号Ａで示した方向へ押し上げられて開く。メタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中に発生した二酸化炭素は、符号Ｂで示したように、小孔１２から開口部１３を経由して外部へと排出される。

このような構成の「開閉弁」機構によってメタノール水溶液貯留部２４内の圧力をメタノール水溶液の飽和蒸気圧より高い所定圧力に維持することができる。それによって、メタノール水溶液貯留部２４の底部を構成しているＭＥＡ２の燃料極２１に、より高い圧力でメタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液を加圧供給することができるので、ＭＥＡ２の燃料極２１における化学反応効率が向上し、ＭＥＡ２における発電効率を向上させることができる。また、蓋体１３が閉じた状態では、外部への二酸化炭素排出路が構成されないので、小孔１２及び開口部１４を介してメタノール水溶液貯留部２４内のメタノール水溶液が気化して減少する虞をより低減させることもできる。

また、開口部１４及び蓋体１３で構成された「開閉弁」とメタノール水溶液貯留部２４の上部の仕切り部１１との間には、メタノール水溶液貯留部２４内に発生した二酸化炭素が充満するとともに、蓋体１３が開いている間のみ開口部１４を介して外部と連通するように構成された空間部１５が設けられている。この空間部１５を設けることによって、蓋体１３の開閉に伴うメタノール水溶液の燃料極２１に対する供給圧力の変動を低減させることができるので、燃料極２１における化学反応が安定し、ＭＥＡ２の出力電圧変動を低減させることができる。

図３は、本発明に係る「燃料電池」の第２実施例における外観斜視図であり、図４は、その断面図である。
第２実施例の燃料電池１００は、第１実施例の燃料電池１００の小孔１２が形成されている仕切り部材１１に換えて、膜１６がメタノール水溶液貯留部２４の上部に配設された構成を有している。この膜１６は、二酸化炭素に対する気体透過性及びメタノール水溶液に対する液体不透過性を有している。この気体透過性及び液体不透過性を有する膜は、例えば、液体の脱気をするための公知の脱気装置等に利用される気体透過膜で構成することが可能である。

ＭＥＡ２の燃料極２１で生成された二酸化炭素は、燃料極２１からメタノール水溶液貯留部２４内へ直接放出され、二酸化炭素に対する気体透過性を有する膜１６を経由して開口部１４から外部に排出される（符号Ｂ）。一方、メタノール水溶液貯留部２４内のメタノール水溶液は、二酸化炭素に対する気体透過性とともにメタノール水溶液に対する液体不透過性を有する膜１６によって、蓋体１３が開いたときに開口部１４から外部へ漏れ出ることが防止される。すなわち、ＭＥＡ２の燃料極２１からメタノール水溶液貯留部２４のメタノール水溶液中に直接放出された二酸化炭素だけが、この膜１６を透過して外部へ排出される。

このようにして、本発明に係る燃料電池１００によれば、第１実施例及び第２実施例に示したような極めてシンプルな構成によって、小電力用途向けの極めて低コストで小型の燃料電池を実現することができる。
尚、本発明は上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で、種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

本発明に係る「燃料電池」の第１実施例における外観斜視図である。 本発明に係る「燃料電池」の第１実施例における断面図である。 本発明に係る「燃料電池」の第２実施例における外観斜視図である。 本発明に係る「燃料電池」の第２実施例における断面図である。

符号の説明

２ ＭＥＡ（膜電極接合体）、１０ 燃料電池ケース、１１ 仕切り部、１２ 小孔、１３ 蓋体、１４ 開口部、１５ 空間部、１６ 膜（気体透過膜）、２１ 燃料極（アノード極）、２２ 空気極（カソード極）、２３ ＰＥＭ（高分子電解質膜）、２４ メタノール水溶液貯留部、１００ 燃料電池

Claims (5)

1. 空気極面が大気に露出した状態で配設される直接型メタノール燃料電池の膜電極接合体と、
   メタノール水溶液が前記膜電極接合体の燃料極面に直接供給されるように一部が前記燃料極面で構成されるメタノール水溶液貯留部と、
   前記燃料極面から前記メタノール水溶液貯留部内に発生する二酸化炭素を前記メタノール水溶液貯留部内から外部に排出するための二酸化炭素排出手段とを備え、
   前記二酸化炭素排出手段は、前記メタノール水溶液貯留部内から外部に連通する唯一の連通路を構成する前記メタノール水溶液貯留部の上部に形成された小孔を介して前記メタノール水溶液貯留部内の二酸化炭素が外部へ排出される構成を有している、ことを特徴とした燃料電池。
2. 空気極面が大気に露出した状態で配設される直接型メタノール燃料電池の膜電極接合体と、
   メタノール水溶液が前記膜電極接合体の燃料極面に直接供給されるように一部が前記燃料極面で構成されるメタノール水溶液貯留部と、
   前記燃料極面から前記メタノール水溶液貯留部内に発生する二酸化炭素を前記メタノール水溶液貯留部内から外部に排出するための二酸化炭素排出手段とを備え、
   前記二酸化炭素排出手段は、二酸化炭素に対する気体透過性及びメタノール水溶液に対する液体不透過性を有する膜を経由して、前記メタノール水溶液貯留部内に発生する二酸化炭素が外部に排出される構成を有している、ことを特徴とした燃料電池。
3. 請求項１又は２において、前記燃料極面は、前記メタノール水溶液貯留部の内部の底面を構成している、ことを特徴とした燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項において、前記二酸化炭素排出手段は、前記メタノール水溶液貯留部の内部からメタノール飽和蒸気圧より高い所定圧力が作用している間のみ外部への二酸化炭素排出路が構成されるように配設された開閉弁を有している、ことを特徴とした燃料電池。
5. 請求項４において、前記開閉弁と前記メタノール水溶液貯留部との間には、前記燃料極から前記メタノール水溶液貯留部内へ発生した二酸化炭素が充満するとともに前記開閉弁が開いている間のみ外部と連通する空間部が設けられている、ことを特徴とした燃料電池。

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