JP2008078102A - 燃料電池および燃料電池の燃料供給方法 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のセルへの燃料の加圧供給機構を小型化し、電池出力を向上することができる燃料電池、該燃料電池への燃料供給方法を提供することである。
【解決手段】
空気極と燃料極とが電解質膜を挟んで対峙し、空気極側を空気極プレートで燃料極側を燃料極プレートで狭持してなる燃料電池を有し、前記空気極プレート或いは燃料極プレートの何れか一方に、又は双方に、燃料タンクが接続され、燃料タンクに貯蔵の燃料に圧力を付与する気体を封入した燃料加圧用気体流路が設けられていることを特徴とする。前記加圧用気体流路に封入した気体を、燃料電池の発熱で加熱膨張させることで燃料タンクに貯蔵の燃料に圧力を印加し、該燃料を燃料電池に供給する。
【選択図】 図７

Description

本発明は燃料電池、特にダイレクトメタノール燃料電池、および該ダイレクトメタノール燃料電池における燃料供給方法に関するものである。

近年の情報化社会の到来とともに、パーソナルコンピュータ等の電子機器で扱う情報量が飛躍的に増大し、それに伴い、電子機器の消費電力も著しく増加してきた。特に、携帯型の電子機器では、処理能力の増加に伴って消費電力の増加が問題となっている。
このような状況の中で、エネルギー密度が大きい燃料電池を電子機器の電源として用いることにより、携帯型の電子機器の連続使用期間が大幅に向上することが期待されている。

燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用するダイレクトメタノール燃料電池（以下ＤＭＦＣと云うこともある）が開発されている。

特に、ＤＭＦＣでは、メタノール水溶液から電子を得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができ、携帯型の電子機器へ適用することの利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
ＤＭＦＣには２つのタイプが提案されている。その１つは補器を用いたアクティブ型であり、２つ目は補器を用いないパッシブ型である。アクティブ型は補器等を用いるため電力消費が大きくなり、大型となるが発電する電力量は大きくなる（高い出力が得られる）。一方パッシブ型は補器類がないため高い出力は期待できないが小型化することができる。
ＤＭＦＣのこれら２つのタイプは、該燃料電池の使用場所（機器）、使用方法等々により使い分けられている。

ＤＭＦＣにおいて、電力を消費することなく加圧してセルに燃料を供給できれば負荷へ供給できる電力量を増加できる。そのため、燃料の加圧供給方法につき幾つかの提案がなされている。
燃料の加圧供給方法につき、特許文献１には、燃料を供給するカートリッジ内に吸水性材料を充填し、カソードで生成された水を前記吸水材料に供給することにより膨潤させ、膨潤した吸水材料で隔壁を介して燃料に圧力を加える構成が提案されている。
また、特許文献２には、燃料タンク内を移動可能な仕切り板で区画し、加圧部にカソードからの水とガスを含む排出物を供給し、加圧部に供給され蓄積される排出物によって仕切り板が燃料部を加圧して燃料を吐出する構成が提案されている。

特開２００３−９２１２８号公報 特開２００５−３２７０２号公報

しかしながら、前記特許文献１に開示されている吸収性材料を用いる方法では、吸水性材料を収納する体積が必要となって電池全体が大型化し、特許文献２に開示の排出物を用いる方法では燃料への加圧力が弱く、加圧力を大きくするためには加圧部分の面積を大きくする必要があり、電池全体が大きくなる等の問題点が指摘される。

本発明の目的は、従来の問題点を解消し、燃料電池セルへの燃料の加圧供給機構を小型化し、電池出力を向上することができる燃料電池、及び該燃料電池への燃料供給方法を提供することである。

本発明の燃料電池は、空気極と燃料極とが電解質膜を挟んで対峙し、空気極側を空気極プレートで燃料極側を燃料極プレートで狭持してなる燃料電池において、前記空気極プレート或いは燃料極プレートの何れか一方に、又は双方に、燃料タンクが接続され、燃料タンクに貯蔵の燃料に圧力を付与する気体を封入した燃料加圧用気体流路が設けられていることを特徴とする。
前記加圧用気体流路は、その一端が燃料タンクに接続され、他端が電磁弁に接続されるように構成することが好ましい。
また、前記加圧用気体流路は、電磁弁を介して燃料タンクに接続する構成とすることも効果的である。
ここで、加圧気体流路は、その一端が燃料タンクに、他端が電磁弁に接続されていれば良く、両者の間に気体透過膜や補器類などを追加しても良い。

本発明の燃料電池への燃料供給方法は、空気極と燃料極とが電解質膜を挟んで対峙し、両側をセパレータで狭持し、燃料電池セルを構成し、該セルを積層してスタックを構成する燃料電池に燃料を加圧供給する燃料供給方法において、前記セパレータに、燃料タンクに接続されている燃料加圧用気体流路が設けられ、該燃料加圧用気体流路に封入した気体を、燃料電池の発熱で加熱膨張させて燃料タンクに貯蔵の燃料に圧力を印加し、該燃料を前記電池セルに加圧供給することを特徴とする。

本発明は、燃料電池の電池セルへの燃料の加圧供給機構を小型化し、電池出力を向上することができる燃料電池、及び該燃料電池への燃料供給方法を提供することができる。

〔第一実施形態〕
第一実施形態はパッシブ型の燃料電池に関するもので、本発明を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図1はパッシブ型の燃料電池を示すもので、パッシブ型ＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール燃料電池）１０は、電解質膜９の両側に燃料極７と空気極８とが対峙して配置されている。
詳細を図１〜図６を参照しつつ説明する。

図１は本発明の一実施形態を示すもので、ＤＭＦＣ１０は、電解質膜９の両側に燃料極７と空気極８とが複数形成されている。なお、燃料極7と空気極8は、外周をガスケット６によりシールされている。
図１に示すように、燃料極７は燃料極プレート２により狭持されている。
図５（Ａ）に示すように、燃料極プレート２には燃料流路４が形成され、燃料供給口１２、生成ガス排出口１３が設けられている。
同様に、図１に示すように、空気極８は空気極プレート１により狭持されている。
図５（Ｂ）に示すように、空気極プレート１には空気取込部３が設けられている。
この空気極プレート１には、燃料を加圧する加圧用気体流路５が形成されている。該加圧用気体流路５は、後述する図６に示すように、空気極プレート１内に配置されている。
なお、本実施形態では空気極プレート１に加圧用気体流路５を設けたが、この加圧用気体流路は燃料極プレート２に設けても良く、また、電池容量によっては空気極の一部に設けても効果を発揮する。更に、電池が大型になれば空気極プレート１と燃料極プレート２の双方に設けることにより気体の供給圧力を大きくすることもできる。

図２、図３に燃料極７、空気極８、電解質膜９との位置関係と、燃料極７、空気極８との接続状態を示す。図示するように電解質膜９を挟んで燃料極７と空気極８とが配置され、隣接する燃料極７と空気極８とは接続用金具１１で直列に接続されている。図３に示すように隣接したセル相互を接続することでＤＭＦＣ１０の発電電圧を上げることができる。

図４は後述する図５、６に示す空気極プレート１、燃料極プレート２の切断位置を示すもので、ａ−ａ線は空気極プレート１の断面位置を示し、該断面を図５（Ｂ）に示している。また、ｂ−ｂ線は空気極プレート１を該空気極プレート１に設けた加圧用気体流路５の位置で切断した断面位置を示し、該断面を図６に示している。また、ｃ−ｃ線は燃料極プレート２の断面位置を示し、該断面を図５（Ａ）に示している。
空気極プレート１は絶縁体で形成されており、空気取込部３から大気中の空気を取り込む。
同様に、燃料極プレート２も絶縁体で形成されており、燃料が燃料極７全体に満遍なく行き渡るように燃料流路４が形成されている。また、燃料流路４の一方の端部には燃料供給口１２が開口し、他端には気体透過膜を有する生成ガス排出口１３が開口している。図示しない燃料液体は燃料供給口１２から供給され、電池反応で生成された二酸化炭素は他端に設けた気体透過膜を透過して排ガスのみが生成ガス排出口１３から廃棄される。

空気極プレート１に設けられた加圧用気体流路５は図４、６に示すように空気極プレート１の内部に設けられ、空気極プレート１のほぼ全面に形成されている。
前記加圧用気体流路５は図７に示すように、その一方の加圧用気体吸排気口１５が電磁弁１8に接続され、他方は燃料タンク１６の加圧用気体供給口１４に接続されている。なお、本実施形態では燃料タンク１６と加圧用気体供給口１４との間に気体透過膜１９を設けて、燃料（液体）が加圧用気体流路５に漏れないように構成している。なお、気体透過膜１９を設けずに、燃料タンク１６に移動式隔壁を設け、該隔壁の移動により燃料を加圧するように構成してもよい。

次に本実施形態による燃料の加圧方法につき説明する。
図７に示すように、燃料を加圧用気体で加圧して、燃料タンク１６に設けた燃料供給口１２から燃料電池セルに供給するように構成されている。
燃料タンク１６に燃料が満タンのときは燃料の自重で燃料は電池本体に供給される。なお、供給圧力が自重のみで不足する場合は予め燃料タンク１６に加圧用気体を挿入し必要量の圧力を燃料に付与する。しかし、燃料電池を使用していくと燃料が消費され、自重のみでは、或いは初期の加圧のみでは供給圧力が不足してくる。
燃料電池が使用されると燃料極７、空気極8、電解質膜９（以下、総称してＭＥＡと云うこともある）での反応により燃料電池本体が発熱する。この発熱により空気極８に設けた加圧用気体流路５内に封入の気体が加熱されて膨張する。加圧用気体が加熱され膨張すると燃料タンク１６の加圧用気体供給口１４から膨張した気体が気体透過膜１９を透して燃料タンク１６内に進入し、燃料に膨張した空気の圧力がかかり、燃料を加圧する。加圧された燃料は燃料電池セルに送り出される。このように、燃料タンク１６が満タンのときには燃料は自重で、或いは初期圧力で供給圧力を維持し、電池反応で電池本体の発熱が生じると加圧用気体の熱膨張で燃料を加圧供給する。

本実施形態では、加圧用気体を供給する加圧用気体流路５に電磁弁１８を接続している。ＤＭＣＦ10の排熱により加圧用気体流路5内の空気が加熱され、膨張した空気は気体透過膜１９を介して燃料タンク１６内に極給される。一定時間経過後、電磁弁１８を開き空気を入れ替える。この時、加圧用気体流路5内の空気が加熱され常圧よりも高い場合があるが、一度加熱した空気が冷却され、常圧より低い場合もある。空気を充填後、再び空気を加熱する。これにより、持続的に燃料タンク内に空気を送り込み、燃料を加圧してＤＭＦＣ１０を運転することが可能となる。

上述したように、加圧用気体流路５は空気極プレート、或いは燃料極プレートに組み込まれているので加圧供給機構の概観が大きくなることはなく燃料を加圧でき、燃料電池の発熱で加圧用気体流路５内の気体が加熱され膨張するので燃料に適度な加圧力を印加することができ、圧力を適度な状態に維持するので、適度に加圧された燃料を電池セルに供給することができる。

〔第ニ実施形態〕
第ニ実施形態はアクティブ型の燃料電池に関するもので、本発明を図面を参照しつつ詳細に説明する。
図１０はアクティブ型の燃料電池を示すもので、アクティブ型ＤＭＦＣ（ダイレクトメタノール燃料電池）３０は、燃料電池セルを積層した燃料電池スタック３１と燃料部３２などの補器類からなり、燃料部３２から燃料（メタノール水溶液）が燃料電池スタック３１に供給される。燃料電池スタックの内部は、電解質膜の両側に燃料極と空気極とが対峙して配置され、両側がセパレータで狭持された構造になっており、これが積層されてスタックを構成している。

図８は燃料電池スタックの側面図、図９は図８のａ−ａ線断面図であり、図９に示すようにセパレータ内に加圧用気体流路３７が形成されている。本実施形態では加圧用気体流路３７には１つの気体出入口３８が設けられ、該出入口３８には図１０に示すように三方電磁弁３９が取り付けられている。
前記空気極プレート３６には図９に示すように加圧用気体流路３７が、セパレータ内に満遍なく張巡らされている。

図１０に示すように燃料電池スタックに設けた加圧用気体流路３７と燃料タンク４０の加圧部４３とは三方電磁弁３９を介して接続されている。図示するように燃料タンク４０内は移動式隔壁４１で燃料貯蔵部４２と燃料加圧部４３とに分離され、前記加圧部４３に加圧用気体流路３７に封入の気体が供給されるように接続されている。なお、電磁弁３９と燃料タンク４０との間には逆流防止弁４５が設けられ、燃料タンク４０内の加圧用気体が電池本体側に逆流するのを防止している。
セパレータに設けられた加圧用気体流路３７は図９に示すようにセパレータ内部に設けられ、セパレータのほぼ全面に加圧用気体流路３７が形成されている。

次に本実施形態による燃料の加圧方法につき説明する。
図１０に示すように、燃料を加圧用気体で加圧して、燃料をタンク４０から燃料電池スタック３１に供給するように構成されている。
燃料タンク４０に燃料が満タンのときは加圧用気体で加圧しなくても燃料の自重で燃料は電池本体に供給される。なお、供給圧力が不足する場合は予め加圧部４３に加圧用気体を挿入し必要量の初期圧力を燃料に付与する。このとき逆流防止弁４５が設置されているので三方電磁弁３９に圧力がかかることはない。燃料電池を使用していくと燃料が消費され、自重のみ、或いは予め付与した気体圧では供給圧力が不足してくる。
このように、燃料電池が使用されると燃料電池セルでの反応により燃料電池スタック３１が発熱する。この発熱によりセパレータに設けた加圧用気体流路３７内に封入の気体が加熱されて膨張する。加熱用気体が加熱され膨張すると燃料タンク４０の加圧部４３に膨張した気体が進入し、燃料に膨張した気体の圧力がかかり、燃料を加圧する。加圧された燃料は電池本体３１に送り出される。

このように、燃料タンク４０が満タンのときには燃料は自重、または予め加圧された状態で供給圧力を維持し、電池反応で電池本体に発熱が生じると加圧用気体の熱膨張で燃料を加圧する。
加圧用気体を供給する流路３７に設けた三方電磁弁３９は、通常時では、加圧用気体が逆流防止弁を介して燃料タンク内の加圧部に流れ込むようになっている。加圧用気体の圧力が燃料タンク内の圧力より高くなった場合のみ、加圧用気体が流れる。定期的に三方電磁弁を切り替え、加圧用空気配管内に外気を取り込む。
また、燃料タンク内の加圧部には圧力センサが配設されており、圧力を測定している。加圧部圧力の適正圧力を予め決めておき、測定圧力が適正範囲より大きい場合には、加圧用空気を大気開放する。

上述したように、加圧用気体流路３７は空気極プレート、燃料極プレートに組み込まれているので概観が大きくなることなく燃料を加圧でき、燃料電池の発熱で加圧用気体流路３７内の気体が加熱され膨張するので燃料に適度な加圧力を印加することができ、適度に加圧された燃料を電池本体３１に供給することができる。

燃料電池の内部構造を示す説明図である。 本発明の一実施形態における電極と電解質膜との位置関係を示す説明図である。 本発明の一実施形態における燃料極と空気極との接続状態を示す説明図である。 燃料電池の内部構造を示す説明図である。 本発明の一実施形態における燃料極(A)と電空気極(B)とを示す平面図である。 本発明の一実施形態における空気極に設けた加圧用気体流路の配置例を示す説明図である。 本発明の一実施形態における燃料電池の構造を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における燃料電池スタックの側面の形状を示す説明図である。 本発明の他の実施形態におけるセパレータに設けた加圧用気体流路の配置例を示す説明図である。 本発明の他の実施形態における燃料電池の構造を示す説明図である。

符号の説明

１ 空気極プレート
２ 燃料極プレート
３ 空気取込部
４ 燃料流路
５ 加圧用気体流路
６ ガスケット
７ 燃料極
８ 空気極
９ 電解質膜
１０ パッシブ型ＤＭＦＣ
１１ 接続用金具
１２ 燃料供給口
１３ 生成ガス排出口
１４ 加圧用気体供給口
１５ 加圧用気体吸排気口
１６ 燃料タンク
１８ 電磁弁
１９ 気体透過膜
３０ アクティブ型ＤＭＦＣ
３１ 燃料電池スタック
３２ 燃料部
３４ 空気供給部
３５ セパレータ
３７ 加圧用気体流路
３８ 気体出入口
３９ 三方電磁弁
４０ 燃料タンク
４１ 移動式隔壁
４２ 燃料貯蔵部
４３ 燃料加圧部
４５ 逆流防止弁

Claims (6)

1. 空気極と燃料極とが電解質膜を挟んで対峙し、空気極側を空気極プレートで燃料極側を燃料極プレートで狭持してなる燃料電池において、
   前記空気極プレート或いは燃料極プレートの何れか一方に、又は双方に、
   燃料タンクが接続され、燃料タンクに貯蔵の燃料に圧力を付与する気体を封入した燃料加圧用気体流路が設けられていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記加圧用気体流路は、その一端が燃料タンクに接続され、他端が電磁弁に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記加圧用気体流路は、電磁弁を介して燃料タンクに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 空気極と燃料極とが電解質膜を挟んで対峙し、両側をセパレータで狭持し、燃料電池セルを構成し、該セルを積層してスタックを構成する燃料電池に燃料を加圧供給する燃料供給方法において、
   前記セパレータに、燃料タンクに接続されている燃料加圧用気体流路が設けられ、
   該燃料加圧用気体流路に封入した気体を、燃料電池の発熱で加熱膨張させて燃料タンクに貯蔵の燃料に圧力を印加し、
   該燃料を前記電池セルに加圧供給することを特徴とする燃料電池の燃料供給方法。
5. 前記加圧用気体流路は、その一端が燃料タンクに接続され、他端が電磁弁に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料供給方法。
6. 前記加圧用気体流路は、電磁弁を介して燃料タンクに接続されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池の燃料供給方法。