JP2009064771A - 燃料カートリッジ、これを備えた直接メタノール型燃料電池及び燃料カートリッジを用いる直接メタノール型燃料電池のパージ方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧縮貯蔵された燃料を用いて液状の燃料を供給しながら液状燃料の使用後に圧縮貯蔵された燃料も用いることができる燃料カートリッジを提供する。
【解決手段】本発明はポンプを用いずに燃料電池本体のアノードに２種の燃料を直接供給できる燃料カートリッジ、これを備える直接メタノール型燃料電池及び前記燃料カートリッジを用いる直接メタノール型燃料電池のパージ方法に関し、本発明の燃料カートリッジは流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部とを含み、前記第２燃料の圧力により前記第１燃料が前記第１開口部に放出され構造を備える。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、ポンプを用いずに燃料電池本体のアノードに２種の燃料を直接供給できる燃料カートリッジ、これを備えた直接メタノール型燃料電池及び前記燃料カートリッジを用いる直接メタノール型燃料電池のパージ方法に関する。

燃料電池は無公害の電力供給装置であって、次世代のクリーンエネルギー発電システムの１つとして脚光を浴びている。燃料電池を用いた発電システムは大型建物の自己発電機、電気自動車の電源、移動電源などとして用いられることができ、天然ガス、都市ガス、ナフタ、メタノール、廃棄物ガスなど多様な燃料を用いることができるという長所がある。燃料電池は、根本的に同じ原理により作動し、用いられる電解質によって溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ)、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ)、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ)、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ)、アルカリ形燃料電池（ＡＦＣ)などに区分される。

前述した燃料電池のうち、固体高分子形燃料電池は用いられる燃料によって固体高分子膜形燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ ｏｒ ｐｒｏｔｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、ＰＥＭＦＣ)と直接メタノール型燃料電池（ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ、ＤＭＦＣ)とに区分される。固体高分子膜形燃料電池は、固体高分子を電解質として用いるため、電解質による腐食や蒸発の危険がなく、単位面積当たりに高い電流密度を得ることができる。更に、他の種類の燃料電池に比べて出力特性に遥かに優れ、作動温度が低いため、自動車などに電力を供給するための移動用電源、住宅や公共建物などに電力を供給するための分散用電源、及び電子機器などに電力を供給するための小型電源として、その研究が活発に進められている。そして、直接メタノール型燃料電池は、燃料改質器を用いずにメタノールのような液状燃料を直接用い、１００℃未満の作動温度で運転されるため、携帯用や小型電源として適合しているという長所がある。

直接メタノール型燃料電池は通常、単位電池とセパレータとを積層したスタック構造の燃料電池本体と、この燃料電池本体に燃料を供給する燃料カートリッジを含む。単位電池は高分子電解質膜とこの電解質膜の両面に接合されるアノード電極及びカソード電極で構成され、アノード電極に供給される燃料とカソード電極に供給される酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを発生させる、いわゆる膜電極接合体（ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ)と呼ばれる。セパレータは、バイポーラプレート又はカレントコレクタとも呼ばれ、内部に設けられた流動流路を介してアノード電極に燃料を供給し、カソード電極に酸化剤を供給し、併せてアノード電極及びカソード電極で発生する電気を集電する役割をする。

しかしながら、従来の大半の直接メタノール型燃料電池は、燃料カートリッジに貯蔵された燃料を燃料電池本体に供給するためにポンプを用いるため、搭載された燃料ポンプによってシステムの体積が増加し、騷音が大きくなり、エネルギー効率が低下するという短所がある。

また、従来の直接メタノール型燃料電池システムは、長時間の運転時に燃料電池本体のアノードで発生した二酸化炭素が累積して燃料の供給が妨げられ、燃料の供給が不足してしまうという問題が発生し得る。更に、燃料電池本体のカソードでは燃料電池の作動中に発生する水の氾濫によって空気の供給が妨げられるという問題が発生し得る。このような従来の直接メタノール型燃料電池システムは、長時間の作動時にアノードの二酸化炭素の累積とカソードの水の氾濫によってアノードの触媒及びカソードの担持体が速く劣化する原因となる。従って、従来の直接メタノール型燃料電池システムでは、アノードの二酸化炭素の累積を解消し、カソードの水の氾濫を解消できる適切な方策が要求されている。
日本公開特許２００５−１６６３０１ 日本公開特許２００５−３４７２６７ 日本公開特許２００１−０８５０３８

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであって、その目的は、圧縮貯蔵された燃料を用いて液状の燃料を供給しながら液状燃料の使用後に圧縮貯蔵された燃料も用いることができる燃料カートリッジを提供することにある。

本発明の他の目的は、燃料ポンプを用いずに２種の燃料を用いることができる直接メタノール型燃料電池を提供することにある。

本発明の更に他の目的は、前述した燃料カートリッジを用いることで、燃料電池本体のアノードにおける二酸化炭素の累積を解消し、カソードにおける水の氾濫を解消できる直接メタノール型燃料電池のパージ方法を提供することにある。

前記技術的課題を達成するための本発明の一側面によれば、流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部とを含み、第２燃料の圧力により第１燃料が第１開口部に放出される燃料カートリッジが提供される。

好ましくは、前記燃料カートリッジは第１貯蔵部を第１容器として、第２貯蔵部を第２容器としてそれぞれ設け、第１容器と第２容器との結合時に自動的に開度が開放される一対の連結部を更に備えることができる。

前記燃料カートリッジは、第１貯蔵部及び前記第２貯蔵部を単一容器として設け、前記容器の内部に前記第１貯蔵部と前記第２貯蔵部とを分割する隔壁を備え、第１貯蔵部と第２貯蔵部とを連結するサブ配管を更に備えることができる。この場合、前記燃料カートリッジはサブ配管に結合され、サブ配管を通過する第２燃料の量又は圧力を調節するためのサブ弁を更に備えることができる。

本発明の他の側面によれば、流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部を備え、第２燃料の圧力により第１燃料が第１開口部に放出される燃料カートリッジと、燃料カートリッジからアノードに供給される第１燃料又は第２燃料とカソードに供給される酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池本体とを備える直接メタノール型燃料電池が提供される。

本発明の更に他の側面によれば、流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部を備え、第２燃料の圧力により第１燃料が第１開口部に放出される燃料カートリッジと、燃料電池本体から出る未反応燃料と水を燃料カートリッジに循環させて再利用するためのリサイクラが搭載された直接メタノール型燃料電池の作動中に燃料電池本体のアノードをパージする方法であって、燃料カートリッジの第１開口部を閉鎖する段階と、燃料電池本体のカソード流出口を閉鎖する段階と、第２燃料を放出する第２開口部を開放する段階とを含む直接メタノール型燃料電池のパージ方法が提供される。

また、本発明の他の側面によれば、流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部を備え、第２燃料の圧力により第１燃料が第１開口部に放出される燃料カートリッジ、及び燃料電池本体から出る未反応燃料と水を燃料カートリッジに循環させて再利用するためのリサイクラが搭載された直接メタノール型燃料電池の作動中に燃料電池本体のカソードをパージする方法であって、燃料カートリッジの第１開口部を閉鎖する段階と、未反応燃料と水の循環のためのリサイクラの排出部を閉鎖する段階と、燃料電池本体のカソード流出口の開度を開放状態から閉鎖状態に切り替える段階と、閉鎖されたカソード流出口を開放する段階とを含む直接メタノール型燃料電池のパージ方法が提供される。

本発明によれば、燃料ポンプを除去してシステムの小型化及び軽量化に寄与できるほか、燃料ポンプにより騷音を除去でき、単一メタノール燃料を用いる燃料電池よりもエネルギー密度を増加させることができるという効果を奏する。また、燃料カートリッジの交換に対する使用者の利便性を向上させることができる。

更に、本発明は２種の燃料が貯蔵された燃料カートリッジを用いる新たな構造の高効率の直接メタノール型燃料電池を提供できる。また、システムの作動中にアノードパージとカソードパージを容易に行える高信頼性の直接メタノール型燃料電池を提供できる。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。なお、本発明は多様な異なる実施形態で実現することができ、ここで説明する実施形態に限定するものではない。以下の実施形態は本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明の範囲内で当業者には十分に理解されるだろう。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジの概略図である。図１Ｂは、本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジの概略的な分解図である。

図１Ａ及び図１Ｂを参照すれば、燃料カートリッジ１０は、所定の陽圧に耐えられる第１容器１１ａ、及び所定の陽圧に耐えられる第２容器１１ｂを含む。

第１容器１１ａは、流体の出入のための第１開口部１２ａ及び第１連結部１２ｂを備える。第１容器１１ａは液状の第１燃料を貯蔵する第１貯蔵部として機能する。第１容器１１ａの第１開口部１２ａには第１開口部１２ａの開度を調節するための第１弁１７ａが設けられる。

第２容器１１ｂは、流体の出入のための第２開口部１２ｃ及び第２連結部１２ｄを備える。第２容器１１ｂは一定の圧力で充填される第２燃料を貯蔵するための第２貯蔵部として機能する。

本実施形態において、燃料カートリッジ１０の第１貯蔵部１３と第２貯蔵部１４は、図１Ｂに示すように、分離自在な第１容器１３と第２容器１４によりそれぞれ実現されている。第１燃料はメタノールを用いることが好ましく、第２燃料はジメチルエーテル（ｄｉｍｅｔｈｙｌｅｔｈｅｒ、ＤＭＥ)を用いることが好ましい。この場合、第２燃料は第２容器１１ｂに一定の圧力、例えば大気圧超過、８気圧以下の圧力で充填されることが好ましい。ジメチルエーテルを８気圧を超過した圧力で圧縮すれば、ジメチルエーテルは液化することができる。

第１容器１１ａ及び第２容器１１ｂは、第１燃料及び第２燃料に対する耐腐食性を有する高強度の部材で構成されることが好ましい。第１容器１１ａ及び第２容器１１ｂの材料としては、金属、合金、又は耐腐食性の物質がコーティングされた高強度のプラスチックなどが用いられることができる。

前記燃料カートリッジ１０は、第１容器１１ａと第２容器１１ｂとが結合されるとき、第１容器１１ａの第１連結部１２ｂと第２容器１１ｂの第２連結部１２ｄとが互いに嵌合される。第１連結部１２ｂと第２連結部１２ｄとが結合されると、これらの構造により開度が開放されて第２容器１１ｂに圧縮貯蔵された第２燃料により第１容器１１ａに貯蔵された第１燃料に一定の力が作用する。このとき、第１容器１１ａの第１開口部１２ａが開放されると、第２燃料の圧力によって第１容器１１ａに貯蔵された第１燃料が放出される。

また、本発明の燃料カートリッジ１０は第２容器１１ｂに貯蔵される流体の温度を一定に維持するために、第２容器１１ｂに結合して設置される温度維持手段１８を更に含んで構成することができる。

温度維持手段１８は、第２容器１１ｂを冷却させる冷却装置や第２容器１１ｂを加熱する加熱装置、又はこれらの組み合わせ装置で実現することができる。温度維持手段１８が加熱装置で実現される場合、加熱装置は第２容器１１ｂの外表面に取り付けられ、電気エネルギーを熱エネルギーに変換して放出する発熱部１８ａ、及び発熱部１８ａに電気エネルギーを供給する電源部１８ｂで構成することができる。温度維持手段１８を用いれば、温度によって体積が一定に変化する気体の性質を用いて第２容器１１ｂに貯蔵された第２燃料の温度を所望の温度に制御でき、これにより、第２燃料の圧力による第１燃料の放出量を任意に調節することが可能である。もちろん、本発明の温度維持手段１８は第２容器１１ｂの少なくとも内部空間に延びる熱交換部を備えた熱交換装置や化学的冷却／発熱装置、又は廃熱を用いた熱交換装置などを適切に選択して用いることができる。

前述した構成によれば、燃料カートリッジ１０が直接メタノール型燃料電池システムに取り付けられるとき、即ち、第１開口部１２ａの開放時、第２容器１１ｂに圧縮貯蔵された第２燃料の圧力Ｆにより第１容器１１ａに貯蔵された液状の第１燃料を自動的に燃料電池本体に供給できる燃料カートリッジ１０を提供できる。併せて、第２容器１１ｂに結合されている温度維持手段１８を用いて第２燃料の温度を所望の温度に調節することで、第１燃料の放出量を任意に調節できる。

一方、前記燃料カートリッジ１０は第１容器１１ａ及び第２容器１１ｂを用いることなく、図３に示すように、単一容器１１を用いて実現できる。この場合、単一容器１１は内部空間を第１貯蔵部１３と第２貯蔵部１４とに分割するための隔壁１５を備えて構成することができる。そして、単一容器１１は第２貯蔵部１４に貯蔵された第２燃料の圧力により第１貯蔵部１３に貯蔵された第１燃料を放出するために、第１貯蔵部１３と第２貯蔵部１４とを連結するサブ配管１６と、サブ配管１６の開度を調節するためのサブ弁１６ａを備えて構成することができる。このような変形例によれば、サブ配管１６に結合されているサブ弁１６ａを用いることで、第１燃料の放出量を任意に調節することが可能である。

図２Ａ及び図２Ｂは、図１Ａの燃料カートリッジに採用可能な連結部の構造を説明するための図である。図２Ａは、図１Ａの第２容器１１ｂの連結部１２ｄが第１容器１１ａの連結部１２ｂに結合される前の状態を示し、図２Ｂは、第２容器１１ｂの連結部１２ｄが第１容器１１ａの連結部１２ｂに結合された後の状態を示す。

本実施形態の連結部１２ｄは、図１Ａの燃料カートリッジ１０の第１開口部１２ａや第２開口部１２ｃに適用可能である。

図２Ａ及び図２Ｂを参照すれば、本発明の燃料カートリッジに採用可能な連結部１２ｄは第２容器１１ｂに開口部を形成し、９０゜で屈曲されて延びる第１フレーム３０と、第１フレーム３０の中間部に結合され、第１フレーム３０に形成された開口部を閉鎖しながら、開口部の中心部に位置する貫通ホール３１ａを備える第２フレーム３１と、貫通ホール３１ａに中間部が嵌め込まれるダンベル状の第３フレーム３２、及び第２フレーム３１に対して第３フレーム３２が弾性力を有するように、これらの間に設けられる弾性部材３４を含む。

前述した連結部１２ｄの構成において、第１フレーム３０は図１Ａの燃料カートリッジ１０の第２容器１１ｂから一定の長さに延設される。第１フレーム３０の端部の一側には結合溝３０ａが設けられている。結合溝３０ａは、連結部１２ｄが他の連結部１２ｂ又は連結配管と締結されるとき、これらの間の結合を固定するための手段として用いることができる。第３フレーム３２はダンベル状の中間部に該当する胴体部３２ａと、この胴体部３２ａの一端に結合される頭部３３ａ、及び胴体部３２ａの他端に結合されるもう１つの頭部３３ｂを備える。胴体部３２ａは中空部を有し、中空部と連結される側面開口部３３ｃを備える。そして、他の頭部３３ｂは胴体部３２ａの中空部と連結される貫通ホール３３ｄを備える。第３フレーム３２の頭部３３ａは、第１フレーム３０により形成された開口部よりも小さな断面積又は直径を有する。弾性部材３４は、連結部１２ｄに結合されるもう１つの連結部１２ｂ又は連結配管からの力Ｆにより圧縮される。弾性部材３４は、第３フレーム３２の胴体部３２ａを取り囲むバネで実現することができる。

前述した連結部１２ｄの作用を説明すれば、以下の通りである。

連結部１２ｄの第３フレーム３２に外部の力Ｆが加えらると、第３フレーム３２は図２Ｂに示すように、第２フレーム３１の貫通ホール３１ａの中に一定部分が押入されて位置する。このとき、第３フレーム３２の胴体部３２ａの側面開口部３３ｃは燃料カートリッジ１０の第２容器１１ｂの内部空間に露出する。従って、第２容器１１ｂの内部空間に圧縮貯蔵された第２燃料が第３フレーム３２の胴体部３２ａの側面開口部３３ｃ、胴体部３２ａの中空部、及び胴体部３２ａのもう１つの頭部３３ｂの貫通ホール３３ｄを順次通過して燃料カートリッジ１０の第１容器１１ａに貯蔵された液状の第１燃料に圧力を加え、第１容器１１ａに貯蔵された第１燃料は第１開口部１２ａを介して所定圧力で放出される。一方、連結部１２ｄの第３フレーム３２に加えられる外部の力Ｆが除去されると、第３フレーム３２は弾性部材３４の復元力により第２フレーム３１の貫通ホール３１ａを介して一定部分押入されて元の位置に戻る。このとき、第３フレーム３２の頭部３３ａは第２フレーム３１の貫通ホール３１ａを閉鎖して第２容器１１ｂに圧縮貯蔵された第２燃料の圧力が第１容器１１ａに貯蔵された第１燃料に到達しないように作用する。

本実施形態の連結部１２ｄを用いれば、燃料カートリッジの第１容器と第２容器との結合を容易にし、第１開口部や第２開口部と連結配管との結合を容易に行うことができ、これらの間の所望しない分離時に第１燃料又は第２燃料の漏れを防止できる。

図３は、本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジを備える直接メタノール型燃料電池の概略図である。

本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池は、燃料ポンプを用いることなく、燃料カートリッジ１０に貯蔵された２種の燃料が燃料電池本体２０に供給されるように構成され、併せて燃料電池システムの作動中に燃料電池本体２０のアノード及びカソードをパージできるように構成されることを主な特徴とする。

図３を参照すれば、直接メタノール型燃料電池は２種の燃料が貯蔵されている燃料カートリッジ１０、燃料カートリッジ１０を含むシステム全般の作動制御のための制御部１９、直接メタノール型燃料電池方式の燃料電池本体２０、及び燃料電池本体２０から出る未反応燃料と水を再利用するためのリサイクラ４０を含む。そして、直接メタノール型燃料電池は、燃料カートリッジ１０の第１開口部１２ａと第２開口部１２ｃを燃料電池本体２０のアノード流入口に連結するための配管２８を備える。

燃料カートリッジ１０は前述した本発明の燃料カートリッジである。燃料カートリッジ１０は第１開口部１２ａに結合される第１弁１７ａ、燃料カートリッジ１０の第２開口部１２ｃに結合される第２弁１７ｂ、及び第１燃料を貯蔵する第１貯蔵部１３と第２燃料を貯蔵する第２貯蔵部１４とを連結するサブ配管１６に結合されるサブ弁１６ａを含む。

ただし、本実施形態において、燃料カートリッジ１０はミキシングタンク４０ｂから移送される未反応燃料と水が流入するもう１つの流入口１２ｅと、流入した未反応燃料と水を案内する内部ガイド部１５ａを更に備える。内部ガイド部１５ａは、ミキシングタンク４０ｂから流入する未反応燃料と水が第１貯蔵部１３を介して第１燃料と共に燃料電池本体２０に供給されるように機能する隔壁で実現することができる。

制御部１９は、燃料カートリッジ１０の第１燃料及び第２燃料が同時に又は選択的に供給されるように、サブ弁１６ａ、第１弁１７ａ、及び第２弁１７ｂを制御する。また、制御部１９は各開度の開放又は閉鎖のために第１開閉手段１７ｃ、第２開閉手段１７ｄ、及び第３開閉手段１７ｅを制御する。更に、制御部１９は、燃料カートリッジ１０に温度維持手段が設けられる場合、温度維持手段が所望の状態で作動するように温度維持手段を制御したり、燃料電池本体２０の温度、出力を監視したり、システムの安定した作動のために、その他のシステムの各構成要素を全体的に制御できる。前記制御部１９は、フリップフロップを用いた論理回路やマイクロプロセッサで実現することができる。

燃料電池本体２０は、膜電極接合体（ＭＥＡ；２１）とセパレータ２２とが積層されたスタック構造を備える。膜電極接合体２１は、アノード、カソード、及びこれらのアノードとカソードとの間に位置する電解質膜からなる。アノードはアノード電極に、カソードはカソード電極に対応する。燃料電池本体２０のアノードは、燃料カートリッジ１０から燃料の供給を受け、カソードは空気ポンプなどの空気供給装置（図示せず）から空気の供給を受ける。

アノードとカソードは、電気化学的反応性、イオン伝導性、電子伝導性、燃料伝達性、副産物伝達性、界面安全性などに対する特性の向上のために触媒層と拡散層を含むように実現することができる。即ち、アノード電極は触媒層、微細気孔層及び支持層を含むことができる。同様に、カソード電極も触媒層、微細気孔層及び支持層を含むことができる。

アノード電極とカソード電極の触媒層は供給される燃料又は酸化剤が化学的に速く反応できるように反応促進剤としての役割をする。触媒層は白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金及び白金−Ｍ合金（ＭはＧａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎからなる群より選択される１種以上の転移金属)からなる群より選択される１種以上の金属触媒を含むことが好ましい。一方、触媒層は担持体に担持された白金、ルテニウム、オスミウム、白金−ルテニウム合金、白金−オスミウム合金、白金−パラジウム合金及び白金−Ｍ合金（ＭはＧａ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ及びＺｎからなる群より選択される１種以上の転移金属）からなる群より選択される１種以上の金属触媒を含むことができる。担持体は伝導性を有する物質であれば、何れもよいが、炭素担持体であることが好ましい。

アノード電極及びカソード電極の微細気孔層は各触媒層に燃料又は酸化剤が均一に分散して供給されるように作用し、特にカソード側の微細気孔層はカソード側の触媒層で生成された水を円滑に排出できるように作用する。前述した各微細気孔層は各支持層上にコーティングされた炭素層で実現することができる。また、各微細気孔層は黒鉛、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ)、フラーレン（Ｃ６０）、活性炭素、バルカン、ケッチェンブラック、カーボンブラック及び炭素ナノホーンからなる群より選択される１種以上の炭素物質を含むことができ、ポリ（パーフルオロスルホン酸)、ポリ（テトラフルオロエチレン）及びフロリネイティドエチレン−プロピレンからなる群より選択される１種以上のバインダを更に含むことができる。

アノード電極及びカソード電極の支持層は各触媒層を支持する役割をしながら、燃料、水、空気などの分散作用と、生成された電気の集電作用、及び各触媒層物質の消失を防止する作用をする。前述した支持層は、カーボン布、カーボンペーパのような炭素基材で実現することができる。

電解質膜は水素イオン伝導性高分子で製作可能であり、水素イオン伝導性高分子としては、フッ素系高分子、ケトン系高分子、ベンズイミダゾール系高分子、エステル系高分子、アミド系高分子、イミド系高分子、スルホン系高分子、スチレン系高分子、炭化水素高分子などが用いられ得る。水素イオン伝導性高分子の具体例としては、ポリ（パーフルオロスルホン酸）、ポリ（パーフルオロカルボキシル酸）、スルホン酸基を含むテトラフルオロエチレンとフルオロビニールエーテル共重合体、脱フッ素化された硫化ポリエーテルケトン、アリルケトン、ポリ（２,２'−（ｍ−フェニレン）−５、５'−バイベンズイミダゾール）（ｐｏｌｙ（２,２'−（ｍ−ｐｈｅｎｙｌｅｎｅ−５,５'−ｂｉｂｅｎｚｉｍｉｄａｚｏｌｅ、ポリ（２、５−ベンズイミダゾール）、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリフェニレンなどを用いることができるが、これに限定されるものではない。また、電解質膜は水素イオンの効果的な通過のために、０.１ｍｍ以下の厚さを有することが好ましい。

電解質膜の製造には溶媒を用いることができるが、この際に使用可能な溶媒としては、エタンオール、イソプロフィルアルコール、ｎ−プロフィールアルコール及びブチルアルコールのアルコール、水、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ)、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ)、及びＮ−メチルピロリドン（ＮＭＰ）からなる群より選択された単独及び２種以上の混合溶媒がある。

セパレータ２２はバイポーラプレートとも呼ばれ、膜電極接合体２１の両面に位置し、膜電極接合体２１と接する面に燃料の流動のための流路や酸化剤の流動のための流路を備える。前記セパレータ２２は、電気伝導性、密閉性、耐腐食性、堅固性に優れ、軽薄で、かつ加工性の良い材料で製作することが好ましい。セパレータ２２は、グラファイト、炭素、金属、炭素を伝導性物質として用いた炭素／高分子複合材、金属を伝導性物質として用いた金属／高分子複合材で製作することができる。高分子としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂を用いることができ、熱可塑性樹脂としては、ポリプロフィレン、ポリエチレン、ＰＶＤＦなどを用いることができ、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂及びビニールエステル系の樹脂を用いることができる。一方、金属を用いてセパレータを製造する場合、セパレータ２２は腐食によるセパレータの損傷と金属の解離による膜電極接合体２１の汚染を防止できるように耐食性に優れた物質が表面コーティングされた金属又は合金で製作されることが好ましい。

また、燃料電池本体２０は膜電極接合体２１とセパレータ２２の積層構造に一定の圧力を与えるためのエンド・プレート及び締結手段と、積層構造上で燃料と酸化剤を含む反応物と燃料電池の反応により生成された副産物の漏れを防止するためのガスケットなどを備えることができる。

リサイクラ４０は、燃料電池本体２０のカソード側から出る水蒸気を凝縮する凝縮器４０ａ、及びミキシングタンク４０ｂを含む。ミキシングタンク４０ｂは、燃料電池本体２０から出る未反応燃料を含む流体と凝縮器４０ａを介して流入する水を含む流体を貯蔵し、貯蔵された未反応燃料と水を燃料カートリッジ１０に供給する。本実施形態のリサイクラ４０は既存のリサイクラとは異なり、貯蔵された未反応燃料を燃料電池本体２０に直接供給せず、燃料カートリッジ１０を介して燃料電池本体２０に供給することを主な特徴の１つとして含む。

ミキシングタンク４０ｂは、燃料電池本体２０のアノード流出口に結合される第１流入口４１、燃料電池本体２０のカソード流出口に結合される第２流入口４２、二酸化炭素などの所望しないガスを排出するための排気部４３、及び内部に貯蔵された未反応燃料と水を燃料カートリッジ１０に放出するための排出部４４を備える。燃料電池本体２０のカソード流出口にはカソード流出口の開度を調節するための第１開閉手段１７ｃが設けられ、ミキシングタンク４０ｂの第２流入口４２の前端には凝縮器４０ａが結合され、ミキシングタンク４０ｂの排気部４３の開度を調節するための第２開閉手段１７ｄ、及びミキシングタンク４０ｂの排出部４４の開度を調節するための第３開閉手段１７ｅが設けられる。第１〜第３開閉手段１７c、１７ｄ、１７ｅは、単に開度を開放又は閉鎖できる装置であれば使用可能であり、既存の弁や多様な形態の開度遮断用装置が使用可能である。

凝縮器４０ａは、水などの液体を冷却剤として用いる水冷式冷却装置や強制的又は自然的な循環空気を冷却剤として用いる空冷式冷却装置を含む。一方、凝縮器４０ａは製作者の選択によってミキシングタンク４０ｂの第１流入口４１と第２流入口４２の前端に共に設置することができる。

前述した直接メタノール型燃料電池の作動過程を説明すれば、以下の通りである。

燃料電池本体２０に燃料を供給するために燃料電池システムに燃料カートリッジ１０が装着されると、制御部１９は燃料カートリッジ１０の第１弁１７ａを閉鎖し、第２弁１７ｂを開放して第２貯蔵部１４に貯蔵された気相の第２燃料が優先的に燃料電池本体２０に供給されるように作用する。液状の第１燃料に先立ち、気相の第２燃料を燃料電池本体２０に先に供給する理由は、第２燃料として用いられるジメチルエーテルが燃料電池の電気化学的な反応時に水を生成して、燃料電池本体２０の初期加湿を行えるからである。燃料電池本体２０におけるジメチルエーテルの電気化学的反応を表すと、以下の通りである。

〔反応式１〕
アノード：ＣＨ_３ＯＣＨ_３＋３Ｈ_２Ｏ→２ＣＯ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻
カソード:３Ｏ_２＋１２Ｈ^＋＋１２ｅ⁻→６Ｈ_２Ｏ
次に、制御部１９は第２弁１７ｂを閉鎖し、第１弁１７ａを開放して第１貯蔵部１３に貯蔵された液状の第１燃料が燃料電池本体２０に供給されるように機能する。液状の第１燃料がなくなった後、気相の第２燃料としてジメチルエーテルを燃料電池本体２０に連続的に供給することができる。第１燃料がメタノール水溶液の場合、燃料電池本体２０における電気化学的反応を表すと、以下の通りである。

〔反応式２〕
アノード：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻
カソード：Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ
前述した直接メタノール型燃料電池において、第１燃料として用いられるメタノールのエネルギー密度は重量（ｋｇ）当たり略５０４０kcalであり、第２燃料として用いられるジメチルエーテルのエネルギー密度は重量当たり略６９０３kcalである。従って、本発明の実施形態によれば、単一メタノール燃料を用いる既存の直接メタノール型燃料電池よりも出力密度を向上させることができる。また、ジメチルエーテルは燃料電池本体２０内でアノードから高分子電解質膜を通過してカソード側に流れるクロスオーバする流量がメタノールよりも少ないという利点もある。即ち、本発明によれば、直接メタノール型燃料電池の燃料効率を向上させることができる。また、気相のジメチルエーテルと液状のメタノールを交互に供給すれば、電解質膜に対する加湿がジメチルエーテルの燃料電池反応により生成された水により行われるので、液状の第１燃料として純粋メタノールを用いることも可能である。更に、液状の第１燃料と気相の第２燃料を用いるので、液状の第１燃料がなくなる時点を用いて燃料残量を容易に表示でき、気相の第２燃料がなくなる間に燃料カートリッジを交換するように交換時期に関する情報を提供することで、使用者の利便性を向上させることができる。

更に、前述した直接メタノール型燃料電池は、システムの作動中にアノードパージとカソードパージを行えるが、図面を参照して具体的に説明すれば、以下の通りである。

図４は、本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジを備える直接メタノール型燃料電池のアノードパージを示す順序図である。

図３及び図４を参照すれば、直接メタノール型燃料電池システムの作動中に、制御部１９は第１弁１７ａを制御して燃料カートリッジ１０の第１開口部１２ａを閉鎖する（Ｓ１１）。そして、制御部１９は第１開閉手段１７ｃを制御して燃料電池本体２０のカソード流出口を閉鎖する（Ｓ１２）。その後、制御部１９は第２弁１７ｂを制御して燃料カートリッジ２０の第２貯蔵部１４に圧縮貯蔵された第２燃料が燃料電池本体２０のアノードに供給されるように第２開口部１２ｃを開放する（Ｓ１３）。前記段階（Ｓ１３）と共に、制御部１９は第３開閉弁１７ｅを制御してミキシングタンク４０ｂに貯蔵された未反応燃料と水が燃料カートリッジ１０側に放出されるようにミキシングタンク４０ｂの放出部４４を開放する（Ｓ１４）。一方、制御部１９は必要時に前記段階（Ｓ１３）に先立ち、サブ弁１６ａを制御して燃料カートリッジ１０の第１貯蔵部１３と第２貯蔵部１４とを連結するサブ配管１６を閉鎖するように実現することができる（Ｓ１１）。

前述したアノードパージ過程は、燃料電池システムの作動中に１０秒〜３０秒間行われることが好ましい。アノードパージを１０秒未満にすれば、アノードパージが所望する程度に行われない場合が発生することもあり、３０秒を超過して行えば、燃料電池本体２０の持続的な運転に悪影響を及ぼし得る。

前述した直接メタノール型燃料電池システムは、アノードパージ過程を完了した後に正常作動モードに戻す。正常作動モードは、第１貯蔵部１３に第１燃料が十分に残っている場合、第２弁１７ｂが閉鎖され、第１弁１７ａ及び第１〜第３開閉手段１７ｃ、１７ｄ、１７ｅが開放された状態で作動するモードを含むことができる。

前述したアノードパージを行えば、燃料電池システムの長時間作動時に燃料電池本体２０のアノードに累積されている二酸化炭素を強制的に排出できるため、二酸化炭素の累積による燃料の流動流路が塞がる現象を防止できる。もし、二酸化炭素が累積すれば、燃料供給の不足現象を誘発するだけでなく、アノード触媒の劣化を促進させて燃料電池の性能を低下させる。従って、本発明によれば、燃料電池の性能低下を防止しながら、システムに長時間の安定した運転環境を提供できる。

図５は、本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジを備える直接メタノール型燃料電池のカソードパージを示す順序図である。

図３及び図５を参照すれば、直接メタノール型燃料電池システムの作動中に、制御部１９は第１弁１７ａを制御して燃料カートリッジ１０の第１開口部１２ａを閉鎖する（Ｓ２１）。そして、制御部１９は第３開閉手段１７ｅを制御してミキシングタンク４０ｂの排出部４４を閉鎖する（Ｓ２２）。

次に、制御部１９は第１開閉手段１７ｃを制御して燃料電池本体２０のカソード流出口の開度を開放状態から閉鎖状態に切り替える（Ｓ２３）。そして、制御部１９は一定時間、例えば、１０秒〜３０秒の範囲で既に設定された任意の時間になったかを判断する（Ｓ２４）。前記段階（Ｓ２４）の判断結果、既に設定された時間になった場合、制御部１９は第１開閉手段１７を再び制御してカソード流出口を開放する（Ｓ２５）。また、制御部１９はカソードパージ過程を完了した後にシステムを正常作動モードに戻す（Ｓ２６）。

前記段階（Ｓ２４）において、カソード流出口を閉鎖する時間を１０秒未満に設定すれば、カソードパージが所望の程度に行われない場合があり、３０秒を超過して設定すれば、燃料電池本体２０の持続的な運転に悪影響を及ぼし得る。

前述したカソードパージを行えば、燃料電池システムの長時間作動時に燃料電池本体２０のカソード流動流路とカソード側のガス拡散層に溜まっている水分を除去することで、カソードで発生し得る水の氾濫を予防できる。もし、カソードに残っている水を適切に排出しなければ、カソードにおける酸化剤の不足現象を発生させるだけでなく、カソード担持体の劣化を促進させて燃料電池の性能を低下させる。従って、本発明は燃料電池性能の均一性を向上させ、燃料電池の性能低下を防止できる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術分野において通常の知識を有する者であれば、本発明の技術的思想の範囲から逸脱しない範囲内で様々な変更が可能であることが分かる。本発明の範囲は請求項とその均等物により限定される。

本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジの概略図である。 本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジの概略的な分解図である。 本発明の燃料カートリッジに採用可能な連結部の構造を説明するための断面図である。 本発明の燃料カートリッジに採用可能な連結部の構造を説明するための断面図である。 本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジを備える直接メタノール型燃料電池の概略的な構成図である。 本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジを備える直接メタノール型燃料電池のアノードパージを示す順序図である。 本発明の一実施形態に係る燃料カートリッジを備える直接メタノール型燃料電池のカソードパージを示す順序図である。

Claims (28)

1. 流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、
   流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部とを含み、
   前記第２燃料の圧力により前記第１燃料が前記第１開口部に放出される燃料カートリッジ。
2. 前記第１貯蔵部は第１容器として、前記第２貯蔵部は第２容器としてそれぞれ設けられ、前記第１容器と前記第２容器との結合時に自動的に開度が開放される一対の連結部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料カートリッジ。
3. 前記第１開口部に結合され、前記第１開口部の開度を調節するための第１弁を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料カートリッジ。
4. 前記第２開口部に結合され、前記第２開口部の開度を調節するための第２弁を更に備えることを特徴とする請求項３に記載の燃料カートリッジ。
5. 前記第１燃料及び前記第２燃料が同時に又は選択的に供給されるように前記第１弁及び前記第２弁を制御する制御部を更に備えることを特徴とする請求項４に記載の燃料カートリッジ。
6. 前記第２貯蔵部に結合され、前記第２燃料の温度を一定範囲に維持するための温度維持手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の燃料カートリッジ。
7. 前記第１貯蔵部及び前記第２貯蔵部は単一容器として設けられ、前記容器の内部には前記第１貯蔵部と前記第２貯蔵部とを分割する隔壁が設けられ、前記第１貯蔵部と前記第２貯蔵部とを連結するサブ配管を更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料カートリッジ。
8. 前記サブ配管に結合され、前記サブ配管を通過する前記第２燃料の量又は圧力を調節するためのサブ弁を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料カートリッジ。
9. 前記第１開口部に結合され、前記第１開口部の開度を調節するための第１弁を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の燃料カートリッジ。
10. 前記第２開口部に結合され、前記第２開口部の開度を調節するための第２弁を更に備えることを特徴とする請求項９に記載の燃料カートリッジ。
11. 前記第１燃料及び前記第２燃料が同時に又は選択的に供給されるように前記サブ弁、前記第１弁、及び前記第２弁を制御する制御部を更に備えることを特徴とする請求項１０に記載の燃料カートリッジ。
12. 前記第２貯蔵部に結合され、前記第２燃料の温度を一定範囲に維持するための温度維持手段を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の燃料カートリッジ。
13. 前記温度維持手段は前記第２貯蔵部を加熱する加熱装置を備えることを特徴とする請求項１２に記載の燃料カートリッジ。
14. 前記第１燃料はメタノールであり、前記第２燃料はジメチルエーテルであることを特徴とする請求項１に記載の燃料カートリッジ。
15. 流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部を備え、前記第２燃料の圧力により前記第１燃料が前記第１開口部に放出される燃料カートリッジと、
    前記燃料カートリッジからアノードに供給される前記第１燃料又は前記第２燃料とカソードに供給される酸化剤を電気化学的に反応させて電気エネルギーを生成する燃料電池本体とを備える直接メタノール型燃料電池。
16. 前記燃料カートリッジは請求項２〜１４の何れか一項に記載の燃料カートリッジであることを特徴とする請求項１５に記載の直接メタノール型燃料電池。
17. 前記燃料カートリッジの前記第１開口部及び前記第２開口部と前記燃料電池本体のアノード流入口を連結する配管を更に備えることを特徴とする請求項１５に記載の直接メタノール型燃料電池。
18. リサイクラを更に備え、前記リサイクラは、
    前記燃料電池本体のアノード流出口に結合される第１流入口と、
    前記燃料電池本体のカソード流出口に結合される第２流入口と、
    内部の二酸化炭素の排出のための排気部と、
    前記燃料電池本体から流入し貯蔵されている未反応燃料と水を前記燃料カートリッジに放出するための排出部とを備えることを特徴とする請求項１５に記載の直接メタノール型燃料電池。
19. 前記第２流入口の開度を調節するための第１開閉手段と、
    前記排気部に結合されている配管又は前記排気部に備えられている孔の開度を調節するための第２開閉手段と、
    前記排出部の開度を調節するための第３開閉手段とを更に備えることを特徴とする請求項１８に記載の直接メタノール型燃料電池。
20. 前記燃料カートリッジ、及び前記第１〜第３開閉手段を制御する制御部を更に備えることを特徴とする請求項１９に記載の直接メタノール型燃料電池。
21. 流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部を備え、前記第２燃料の圧力により前記第１燃料が前記第１開口部に放出される燃料カートリッジと、燃料電池本体から出る未反応燃料と水を前記燃料カートリッジに循環させて再利用するためのリサイクラが搭載された直接メタノール型燃料電池の作動中に前記燃料電池本体のアノードをパージする方法であって、
    前記燃料カートリッジの前記第１開口部を閉鎖する段階と、
    前記燃料電池本体のカソード流出口を閉鎖する段階と、
    前記第２燃料を放出する第２開口部を開放する段階とを含む直接メタノール型燃料電池のパージ方法。
22. 前記未反応燃料と前記水の循環のための前記リサイクラの排出部を開放状態に維持する段階を更に備えることを特徴とする請求項２１に記載の直接メタノール型燃料電池のパージ方法。
23. 前記第１貯蔵部と前記第２貯蔵部とを連結するサブ配管の開度を閉鎖する段階を更に含むことを特徴とする請求項２２に記載の直接メタノール型燃料電池のパージ方法。
24. 前記段階を１０秒〜３０秒間行った後、正常作動モードに戻る段階を更に含むことを特徴とする請求項２１に記載の直接メタノール型燃料電池のパージ方法。
25. 流体の出入のための第１開口部を備え、液状の第１燃料が貯蔵される第１貯蔵部と、流体の出入のための第２開口部を備え、第２燃料が一定の圧力で充填される第２貯蔵部を備え、前記第２燃料の圧力により前記第１燃料が前記第１開口部に放出される燃料カートリッジと、燃料電池本体から出る未反応燃料と水を前記燃料カートリッジに循環させて再利用するためのリサイクラが搭載された直接メタノール型燃料電池の作動中に前記燃料電池本体のカソードをパージする方法であって、
    前記燃料カートリッジの前記第１開口部を閉鎖する段階と、
    前記未反応燃料と前記水の循環のための前記リサイクラの排出部を閉鎖する段階と、
    前記燃料電池本体のカソード流出口の開度を開放状態から閉鎖状態に切り替える段階と、
    前記閉鎖されたカソードの流出口を開放する段階とを含む直接メタノール型燃料電池のパージ方法。
26. 前記カソード流出口の開度を開放状態から閉鎖状態に切り替える段階は１０秒〜３０秒間行われることを特徴とする請求項２５に記載の直接メタノール型燃料電池パージ方法。
27. 前記燃料カートリッジの前記第２開口部の開度を閉鎖状態に維持する段階を更に含むことを特徴とする請求項２６に記載の直接メタノール型燃料電池のパージ方法。
28. 前記各段階を行った後、正常作動モードに戻る段階を更に含むことを特徴とする請求項２７に記載の直接メタノール型燃料電池のパージ方法。

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