JP2008066200A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 出力の低下を防ぎ一定以上の出力を維持することの可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 カソード５３の表面５３ａには不純物である微粒子１０１が付着することがある。カソードの表面に微粒子１０１が付着すると、カソード５３の表面５３ａで化学反応の起こるサイトが減少するため、発電のための反応効率が下がる。カソード５３に燃料を供給すると、カソード５３の表面に吸着した不純物が反応して不活性な物質に変化したり、不純物自身の分子運動が活発になることで、カソード５３の表面から離脱する。カソード５３の表面から不純物が除去され清浄化されると、発電のための化学反応の起こるサイトが増え、出力を回復させることができる。
【選択図】 図６

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池の出力を維持する方法に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易である。ＤＭＦＣは発電の際に排出される未使用燃料を再度発電のために使用することができるため、小型で長時間運転が求められる電子機器の電源として適している。

ＤＭＦＣにおいて、スタックのカソード側では空気を取り込んで発電のための化学反応を行うため、空気中の不純物の影響を受けやすい。特許文献１には、空気取入口、空気取入口から送気ポンプまでの吸気流路、送気ポンプの吐出口から燃料電池発電部の空気供給口までの送気流路のうち、少なくとも一箇所に集塵フィルタを設けた燃料電池装置が記載されている。集塵フィルタにより燃料電池装置の発電部に供給される空気から塵埃が除去されるため、塵埃が空気流路や電解質膜に付着することにより生じる発電性能の低下や電池寿命の低下を抑制することができる。
特開２００６−８５９７１号公報

しかし、上記の方式の場合、集塵フィルタでは拾いきれない小さな塵等の混入を防ぐことはできないという問題があった。そのため、カソードの表面に付着した塵等の不純物により反応面積が減少し出力が低下してしまうことがある。

そこで本発明は、出力の低下を防ぎ一定以上の出力を維持することの可能な燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、液体燃料を収容する燃料タンクと、 アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う発電部と、前記燃料タンクから前記アノードに液体燃料を供給する第１の燃料供給手段と、前記カソードに酸素を供給する酸素供給手段と、前記液体燃料を、前記燃料タンクから前記カソードに供給する第２の燃料供給手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、出力の低下を防ぎ一定以上の出力を維持することの可能な燃料電池を提供することができる。

以下本発明に係る実施の形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図である。図２は燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図である。燃料電池１は例えばノート型コンピュータ１０の外部電源として用いられる。この燃料電池１はダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）である。メタノールと水を混合した予混合液を燃料とし、この予混合液を空気中の酸素と電解質膜で化学反応させることによって発電させる。このＤＭＦＣは、水素を燃料に用いる燃料電池よりも取り扱いが容易で、装置全体を小型にまとめることができる。

燃料電池１は、略直方体に形成された本体１１と、本体１１の底に沿って平坦に延出した載置部１２とを有している。本体１１の壁部には多数の通気孔１１ａが形成されている。本体１１の内部には後述する発電部が納められている。本体１１の一部は、カバー１１ｂとして取り外せるように形成されている。本体１１のカバー１１ｂを取り外した部分には後述する燃料タンクが入れられている。

載置部１２は、ノート型コンピュータ１０の後部とドッキングできるように形成されている。載置部１２の内部には、後述する制御部が設けられている。制御部は発電部の動作を制御する。載置部１２の上面には、ノート型コンピュータ１０を連結するロック機構１３と、燃料電池１から電力をノート型コンピュータ１０に供給するためのコネクタ１４とが設けられている。ロック機構１３は、載置部１２上の３箇所に配置されており、それぞれ位置決め突起１３ａとフック１３ｂとを備える。ノート型コンピュータ１０の後部底面には、ロック機構１３に連結される係合孔、およびコネクタ１４に接続されるソケットが設けられている。

ノート型コンピュータ１０が載置部１２に押し当てられると、ロック機構１３がノート型コンピュータ１０の係合孔に挿入される。フック１３ｂによって載置部１２にノート型コンピュータ１０が保持される。その結果、ノート型コンピュータ１０のソケットがコネクタ１４と電気的に接続される。この状態で、本体１１に設けられたスイッチがオンにされると、燃料電池１は、発電を開始する。

載置部１２は、さらにイジェクトボタン１５を備える。このイジェクトボタン１５を押すと、ロック機構１３のフック１３２が解除され、ノート型コンピュータ１０を燃料電池１から取り外すことができるようになる。

図３は燃料電池の発電システムの系統図である。図４は発電部のセル構造を模式的に示した図である。燃料電池１は、発電部２０と、燃料電池１の動作を制御する制御部２１とを備えている。制御部２１は発電部２０の制御を行う他、ノート型コンピュータ１０との通信を行う通信制御部としての機能を有する。発電部２０は本体１１内に設けられており、制御部２１は載置部１２内に設けられている。

発電部２０は、発電を行うための中心となるスタック２２を有する他、燃料となるメタノールを収納する燃料カートリッジ２３を備えている。スタック２２は、化学反応によって発電を行う発電部として機能する。燃料カートリッジ２３には高濃度のメタノールが封入されている。燃料カートリッジ２３は、燃料を消費した時には容易に交換できるよう、着脱可能となっている。

発電部２０は燃料、その他の流体を流す液体流路と、空気、その他の気体を流す気体流路と、を備えている。液体流路には、燃料カートリッジ２３の出力部に配管接続された燃料ポンプ２４、燃料ポンプ２４の出力部に配管を介して接続された混合タンク２５、混合タンク２５の出力部に接続された送液ポンプ２６が設けられる。送液ポンプ２６の出力部は配管９１を介してスタック２２のアノード（燃料極）２７に接続される。配管９１は、混合タンク２５からスタック２２にメタノール水溶液を送出するための流路を規定している。

混合タンク２５には気液分離膜２５ａが設けられる。発電反応に伴って生成され、混合タンク２５へ還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、配管９４ａを介して湿った空気とともに最終的には排気口５８から外部へ排気される。気液分離膜２５ａを通して空気中に飛沫したメタノール及び空気は、排気フィルタ６０を通過することで回収除去される。

送液ポンプ２６とスタック２２との間で、配管９１にはイオンフィルタ２８が設けられている。混合タンク２５の出力部は、送液ポンプ２６、イオンフィルタ２８を介してアノード（燃料極）２７に接続されている。イオンフィルタ２８は例えば金属イオン吸着物質を用いて実現され、配管９１を介して混合タンク２５からスタック２２に向けて送出されるメタノール水溶液中に含まれる金属イオンを吸着することにより、メタノール水溶液から金属イオンを除去する。

アノード２７の出力部は配管９２を介して混合タンク２５の入力部に接続されている。配管９２は、スタック２２のアノード２７から排出される排出流体、つまり化学反応で用いられなかった未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素、を混合タンク２５に戻す流路を規定している。配管９２には放熱フィン２９が取り付けられている。放熱フィン２９は、アノード２７から排出されるメタノール水溶液を冷却するアノード冷却部として機能する。放熱フィン２９の近傍には冷却ファン３０が取り付けられている。アノード２７から排出されるメタノール水溶液の温度は例えば６０℃以上である。このメタノール水溶液の温度は、放熱フィン２９を通過することにより、例えば４５℃〜５０℃程度にまで低下される。上述した燃料カートリッジ２３、燃料ポンプ２４、混合タンク２５、送液ポンプ２６は、スタック２２に燃料を供給する燃料供給部を構成している。

一方、気体流路には、吸気口５０、送気ポンプ５１が設けられる。送気バルブ５２が配置された配管９３を介して、送気ポンプ５１がスタック２２のカソード（空気極）５３に接続される。配管９４ａ、９４ｂを介して、凝縮器５４がカソード５３の出力部に接続される。また、混合タンク２５の出力部は、混合タンクバルブ５９が配置された配管９４ａを介して凝縮器５４に接続されている。凝縮器５４は排気バルブ５７を介して排気口５８に接続される。凝縮器５４と排気バルブ５７は配管９６、９８を介して接続され、凝縮器５４と排気バルブ５７との間には排気フィルタ６０と温度センサ６１が設けられる。

凝縮器５４は、カソード５３の出力部から排出される排出流体（水蒸気、水）を冷却するカソード冷却部として機能する。凝縮器５４には図示しないフィンが備えられ、水蒸気を効果的に凝縮する。凝縮器５４に対向して冷却ファン５５が配設されている。凝縮器５４による冷却により、水蒸気は凝固され、またカソード５３の出力部から排出される水の温度も低下される。これにより、水回収タンク５６から配管９６を介して流れる水の温度は４５℃〜５０℃程度となる。

後に詳述するように、発電反応に伴って発電部２０のアノード２７側には二酸化炭素が生成され、カソード５３側には水（水蒸気）が生成される。アノード２７側で生じた二酸化炭素および化学反応に供されなかったメタノール溶液は、配管９２を通り放熱フィン２９で冷却された後、混合タンク２５に還流する。

混合タンク２５に還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、混合タンク２５から配管９４ａを通って、カソード５３からの配管９４ｂに合流される。二酸化炭素は、湿り空気とともに排気フィルタ６０に通される。二酸化炭素と湿り空気は排気バルブ５７を介して、最終的には排気口５８から外部へ排気される。気液分離膜２５ａを通して空気中に飛沫したメタノール及び空気は、排気フィルタ６０を通過することで回収除去される。

また、後述するようにカソード５３の表面に付着した不純物を除去するために、カソード５３にメタノール溶液が供給される。本実施形態では、燃料カートリッジ２３から配管９７を介してポンプ８０によりメタノール溶液を供給する方法を用いている。配管９７にはカソード５３へのメタノール供給を調節するためのバルブ８１が設けられている。カソード５３に供給するメタノールは気体で供給する方法を用いても良い。

次に、燃料電池１における発電部２０の発電メカニズムについて、燃料と空気（酸素）の流れに沿って説明する。図４に示すように、まず、燃料カートリッジ２３内の高濃度メタノールは、燃料ポンプ２４によって、混合タンク２５に供給される。混合タンク２５の内部で高濃度メタノールは、回収された水やアノード２７からの低濃度メタノール（発電反応の残余分）等と混合されて希釈され、低濃度メタノール水溶液が生成される。低濃度メタノール水溶液の濃度は発電効率の高い濃度、例えば３〜６％、を保てるように制御される。この濃度制御は、例えば、濃度センサ６２の検出結果を基に燃料電池１の制御部２１が、燃料ポンプ２４によって混合タンク２５に供給される高濃度メタノールの量を制御することによって実現される。または、混合タンク２５に環流する水の量を水回収ポンプ６３等で制御することによって実現できる。

混合タンク２５には、混合タンク２５内のメタノール水溶液の液量を検出する液量センサ６４や、温度を検出する温度センサ６５が設けられ、これらセンサの検出結果は制御部２１に送られて発電部２０の制御などに使用される。

混合タンク２５で希釈されたメタノール水溶液は送液ポンプ２６によって、配管９１を介してスタック２２へ圧送され、アノード２７に注入される。送液ポンプ２６からのメタノール水溶液はイオンフィルタ２８によって金属イオンが除去された後に、スタック２２のアノード２７に送られる。図４に示すように、アノード２７では、メタノールの酸化反応が行われることで電子が発生する。酸化反応で生成される水素イオン（Ｈ+）はスタック２２内の固体高分子電解質膜７０を透過してカソード５３に達する。

アノード２７で行われる酸化反応によって生成される二酸化炭素は、反応に供されなかったメタノール水溶液とともに再び混合タンク２５に環流する。この場合、アノード２７から排出されるメタノール水溶液は放熱フィン２９および冷却ファン３０によって冷却され、混合タンク２５に送られる。二酸化炭素は混合タンク２５内で気化し、混合タンクバルブ５９を介して、凝縮器５４へ向かい、最終的には排気バルブ５７を介して、排気口５８から外部へ排気される。

空気（酸素）は、空気供給部を構成する送気ポンプ５１により、吸気口５０から取り込まれ、加圧された後、送気バルブ５２から配管９３を介しスタック２２のカソード（空気極）５３に供給される。カソード５３では、酸素（Ｏ2）の還元反応が進行し、外部の負荷からの電子（ｅ-）と、アノード２７からの水素イオン（Ｈ+）と酸素（Ｏ2）とから水（Ｈ2Ｏ）が水蒸気として生成される。この水蒸気はカソード５３から排出され、凝縮器５４に入る。凝縮器５４では、冷却ファン５５によって水蒸気が冷却されて水（液体）となり、水回収タンク５６内に一時的に蓄積される。この回収された水は水回収ポンプ６３によって混合タンク２５へと環流し、高濃度メタノールを希釈する循環システムが構成される。

アノード２７から配管９２を介して混合タンク２５に還流した二酸化炭素は、混合タンク２５内で気化する。気化した二酸化炭素は気液分離膜２５ａを通過して、混合タンク２５から配管９４ａを通る。混合タンク２５からの配管９４ａはカソード５３からの配管９４ｂと合流される。カソード反応で生じた湿り空気は配管９４ｂを通って凝縮器５４に通される。配管９４ａ、９４ｂを通る気体は、カソード反応で生じた湿り空気と、気液分離膜２５ａを通過した二酸化炭素と、を含むため高温多湿になっている。また、凝縮器５４で凝縮されずに残る湿り空気は、配管９６に導入される。スタック２２から排出する気体に含まれるメタノール成分を清浄化し、無害化し、放出しなくてはならないため、排気フィルタ６０をスタック２２より下流側に設けている。排気フィルタ６０で無害化された気体は排気口５８から燃料電池１の外に放出される。

図５はカソードに不純物が付着した状態を模式的に示す図である。前述のように、カソード５３の表面５３ａには不純物である微粒子１０１が付着することがある。カソードの表面に微粒子１０１が付着すると、カソード５３の表面５３ａで化学反応の起こるサイトが減少するため、発電のための反応効率が下がる。カソード５３側には、吸気口５０から導入された空気中の塵や揮発した有機溶剤を吸着除去させるために図示しない吸気フィルタが搭載されている。

しかし、吸気した空気中に含まれる有機溶剤等の微粒子は、吸気フィルタを透過してしまうことがある。吸気フィルタを通過した微粒子１０１が、カソード５３の表面５３ａに不純物として吸着してしまうと、不純物である微粒子１０１が化学反応の起こるサイトを占有する。微粒子１０１がカソード５３の表面５３ａに付着したため、正規の反応である酸素を水に還元する反応が阻害されると、燃料電池の出力が低下するという問題がある。したがって、出力低下を防ぐためには、カソード５３の表面５３ａに吸着した不純物を取り除くことが必要となる。

図６はカソードの構造の詳細を示す図である。カソード５３には化学反応層１１０とガス拡散層１１１とを含む。化学反応層１１０には例えば白金等が用いられる。ガス拡散層１１１にはカソード５３で化学反応するための酸素を透過させる物質が望まれ、例えば多孔質の炭素材料が用いられる。ガス拡散層１１１には多数の通気孔１１２が設けられ、通気孔１１２の内面には、化学反応を効率的に起こすため、白金等の触媒層１１２ａが設けられる。化学反応層１１０の表面１１０ａには白金粒子が密に分散している。

化学反応層１１０に分散している白金粒子の表面に不純物が付着すると発電のための反応効率が落ちる。熱を加える等の方法により化学反応層１１０の温度が上昇すると、不純物である微粒子１０１は酸素と反応して例えば二酸化炭素のような不活性な物質となる。微粒子１０１は不活性な物質となり、化学反応層１１０の表面から脱離する。また、化学反応層１１０の温度が上昇すると、微粒子１０１自身の分子運動が活発になり化学反応層１１０の表面から脱離する。微粒子１０１が化学反応層１１０に対し吸着することのできない化学状態となり、化学反応層１１０の表面１１０ａから離脱すると、化学反応層１１０は清浄化される。この化学反応層１１０の清浄化により、カソード５３において発電のための化学反応の起こるサイトが増え、反応効率が増える。化学反応層１１０が正常化されると、正規のカソード反応を促進させることなり、燃料電池１の出力が正常の状態にまで回復する。

この化学反応層１１０を高温化させる方法としては、例えば、化学反応の際に生じる反応熱を利用し、カソード５３のみを局部的に加熱する方法が有用となる。その方法としては、燃料カートリッジ２３中の燃料をカソード５３の化学反応層１１０に供給し、送気ポンプ５１から供給された酸素と混合させ、化学反応を起こさせる方法がある。カソード５３上で起こる化学反応の際に発生する反応熱を利用するのが好ましい。

カソード５３に酸素を供給する方法としては、送気ポンプ５１から供給する他に、例えば燃料カートリッジ２３から供給される液体燃料に、配管９７上であらかじめ酸素を混合しておく方法を採用することもできる。この方法を採用する時は、配管９７上に混合部８４を設け、燃料カートリッジ２３から供給される液体燃料に酸素を混合した上で、カソード５３に供給する。

発熱を伴う化学反応を効率的に起こすため、ガス拡散層１１１の通気孔１１２の内部に白金などの触媒層１１２ａが設けられる。ガス拡散層１１１の通気孔１１２の表面積が増える程、反応効率が上がるため、通気孔１１２は密に設けられるのが望ましい。

燃料カートリッジよりカソード化学反応層に供給する燃料は液体成分であっても気体成分であっても良い。供給量の制御は配管９７に設けられたポンプ８０またはバルブ８１により行うことが可能である。供給量の制御はカソード部もしくはカソードから排出される部分の温度を測定し、目標とする温度に近づくように制御を行う。この時の温度は、スタック２２内の固体高分子電解質膜７０が特性変化を起こさない温度領域に制御される。

燃料電池の出力を回復させるために、カソード５３に燃料を供給するのはいつでも良いが、例えばある一定以上の出力低下があった時に行うのが望ましい。例えば一時間で５％出力が低下した時などである。カソード５３への燃料供給はスタック２２に対する負荷を切った状態で行うこととし、燃料カートリッジ２３から燃料をカソード５３に供給しつつ、所定量の空気を送り込む必要がある。

カソード５３に燃料を供給すると、カソード５３の表面に吸着した不純物が反応して不活性な物質に変化したり、不純物自身の分子運動が活発になることで、カソード５３の表面から離脱する。カソード５３の表面から不純物が除去され清浄化されると、発電のための化学反応の起こるサイトが増え、出力を回復させることができる。

本発明を実施した場合、出力の低下を防ぎ一定以上の出力を維持することの可能な燃料電池を提供することができる。上記ではＤＭＦＣ型の燃料電池を例に説明したが、その他に水素燃料を用いるものや液体燃料を用いる燃料改質型の燃料電池であっても良い。

本発明ではその主旨を逸脱しない範囲であれば、上記の実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。

本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。 燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図。 燃料電池の発電システムの系統図。 発電部のセル構造を模式的に示した図。 カソードに不純物が付着した状態を模式的に示す図。 カソードの構造の詳細を示す図。

符号の説明

１…燃料電池、１０…ノート型コンピュータ、２０…発電部、２１…制御部、２２…スタック、２３…燃料カートリッジ、２４…燃料ポンプ、２５…混合タンク、２６…送液ポンプ、２７…アノード、２８…イオンフィルタ、２９…放熱フィン、３０…冷却ファン、５０…吸気口、５１…送気ポンプ、５２…送気バルブ、５３…カソード、５４…凝縮器、５５…冷却ファン、５６…水回収タンク、５７…排気バルブ、５８…排気口、５９…混合タンクバルブ、６０…排気フィルタ、６１…温度センサ、６２…濃度センサ、６３…水回収ポンプ、６４…液量センサ、６５…温度センサ、７０…固体高分子電解質膜、８０…ポンプ、８１…バルブ、 １０１…微粒子、１１０…化学反応層、１１１…ガス拡散層、１１２…通気孔、１１２ａ…触媒層

Claims (7)

1. 液体燃料を収容する燃料タンクと、
   アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う発電部と、
   前記燃料タンクから前記アノードに液体燃料を供給する第１の燃料供給手段と、
   前記カソードに酸素を供給する酸素供給手段と、
   前記液体燃料を、前記燃料タンクから前記カソードに供給する第２の燃料供給手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池。
2. 前記カソードは、前記酸素供給手段により供給された酸素が化学反応する化学反応層と、
   前記化学反応層に積層して設けられ、通気孔を有する拡散層と
   を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記通気孔の内面には、前記液体燃料と前記酸素とが化学反応する触媒層を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記発電部の温度を測定する温度測定手段と、
   前記第２の燃料供給手段による前記カソードへの燃料供給を制御する制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、前記温度測定手段により測定された温度に基づいて、前記第２の燃料供給手段による前記カソードへの燃料供給を制御することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記第２の燃料供給手段は、前記燃料タンクから前記カソードに前記液体燃料が流れる配管と、
   前記配管に設けられたバルブと、を備え、
   前記制御手段は前記バルブの開閉を制御し、前記第２の燃料供給手段による前記カソードへの燃料供給を制御することを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 液体燃料を収容する燃料タンクと、
   アノードとカソードを有し、前記液体燃料と酸素を化学反応させて発電を行う発電部と、
   前記燃料タンクから前記アノードに液体燃料を供給する第１の燃料供給手段と、
   前記カソードに酸素を供給する酸素供給手段と、
   前記燃料タンクから前記カソードに前記液体燃料が流れる配管と、
   前記配管を介して前記燃料タンクから前記カソードに前記液体燃料を供給する第２の燃料供給手段と、を備えることを特徴とする燃料電池。
7. 前記配管上に設けられ、前記燃料カートリッジから供給される液体燃料に酸素を混合する混合部を備えることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
   

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