JP2010015820A - 直接メタノール形燃料電池システム及びこれを用いた携帯用電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】温度環境によるメタノールガス放出速度の変動が少ない直接メタノール形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】１は燃料カートリッジであり、２はこの燃料カートリッジ１の両側に配置された燃料電池セルとしてのＭＥＡであり、このＭＥＡ２は、燃料極側が燃料カートリッジ１となっていて、ＭＥＡ２の燃料極側には可動式ゲート３が配置されることにより、両者が仕切られている。燃料カートリッジ１は、内部にメタノール燃料としての固体状メタノールが充填されており、複数の孔（図示せず）が形成されていて、固体状メタノールからメタノールが気化して気体状メタノールが放出される。また、ＭＥＡは、図示しない電源供給回路に連通している。これら燃料カートリッジ１、燃料電池セル２及び可動式ゲート３が、それぞれケーシング４内に収納されることで、燃料電池システムを構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、直接メタノール形燃料電池システムに関し、特に燃料供給が安定しており携帯用電子機器に好適な直接メタノール形燃料電池システムに関する。また、本発明は、この燃料電池システムを用いた携帯用電子機器に関する。

固体高分子電解質型燃料電池は、パーフルオロスルホン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合して構成され、アノードに水素やメタノール、カソードに酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。このうち、メタノールを燃料とする固体高分子電解質型燃料電池は、「直接（ダイレクト）メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）」と呼ばれ、下記の反応式により発電が行われる。

アノード：ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋ ＋ ＣＯ_２ ＋ ６ｅ⁻ …［１］
カソード：３／２Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …［２］
この反応を起こすために、両電極は、触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。

このような直接メタノール形燃料電池において、アノードに供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、この触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式［１］の反応で電子と水素イオンとを生成する。水素イオンは、アノード中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通ってカソードに達し、カソードに供給された酸素及び外部回路より流れ込む電子と反応して、上記反応式［２］のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子は、アノード中の触媒担体を通って外部回路へ導き出され、外部回路よりカソードに流れ込む。この結果、外部回路ではアノードからカソードへ向かって電子が流れ電力が取り出される。

このメタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池は、作動温度が低く、大掛りな補機が必要ないこと等から携帯用電子機器用の小型電源として有用であり、近年、携帯用コンピューターや携帯電話等の次世代電源として開発が活発化してきている。

その一方で、燃料に使用するメタノールは液体であるために漏れやすく、またメタノール自体の可燃性及び毒性が懸念されており、安全に使用するための対策が課題となっている。さらに、液体燃料を使用することによる短所として、液体燃料中に溶解した不純物が燃料電池セルに供給されることによる燃料電池の性能劣化、液体燃料成分であるメタノールが燃料電池セルの電解質膜を浸透して空気極に達してしまうクロスオーバー現象等が挙げられる。特に、クロスオーバーが発生すると燃料の単位容積あたりの発電効率が低下するばかりでなく、空気極での酸化過程でホルムアルデヒド、ギ酸、ギ酸メチル等の有害物質が生成してしまうため、これを解決することがＤＭＦＣの実用化の大きな課題となっている。

近年開発が進められているＤＭＦＣシステムとしては、燃料の体積密度を向上させるために、より高濃度のメタノールを適用する方法が主流であるが、燃料濃度が高くなるほどクロスオーバーの問題はより深刻になる。そこで、セルに使用される電解質膜等の素材の改良を進めることでクロスオーバーの低減を図ることが検討されているが、いまだ十分なレベルに達しておらず、このことがＤＭＦＣの商品化への大きな障壁となっている。

このようなメタノールの安全性等の課題に対し、分子状化合物を形成することによりメタノールを固形化し、漏れにくくするとともに可燃性を大きく低減した「固体状メタノール燃料」について本出願人は種々提案した（特許文献１〜３参照）。

このような固体状メタノールから燃料となるメタノールを取り出すには、固体状メタノールに水を供給してメタノール溶液を燃料として放出する（水供給方式）か、固体状メタノールからメタノールを揮発させる（気化方式）かすることが考えられる。

これらのメタノール取出手段のうち気化方式は、水供給方式のように水タンク、ポンプ等の水供給機構が必要でないため、シンプルな装置構造とすることができ、また、メタノールの排出量の制御が容易であるという利点を有する。

そこで、この気化方式をさらに発展させたＤＭＦＣとして本出願人は、固体状メタノールを充填した燃料カートリッジの開口面に近接して、燃料電池セルを、燃料極側を向けて平面的に配置することで、固体状メタノールから気化したメタノールにより直接発電を行うＤＭＦＣシステムを種々提案した（特許文献４〜７等）。
特開２００６−０４０６２９号公報 特開２００５−３２５２５４号公報 国際公開第２００５／０６２４１０号パンフレット 特開２００８−９７９７９号公報 特開２００８−９７９８０号公報 特開２００８−９７９８１号公報 特開２００８−９７９８２号公報

特許文献４〜７に開示されているように、固体状メタノールからメタノールを気化させて燃料とするＤＭＦＣは、携帯機器用の電源として好適であるが、携帯機器は様々な場所に持ち出されて使用されるためＤＭＦＣの発電時の温度環境も様々である。これに対し、固体状メタノールからのメタノールガス放出速度はある程度一定ではあるものの温度による影響は受ける。すなわち、温度が高いほど放出速度は大きくなる傾向がある。

温度が高く燃料放出速度が大きすぎるとアノードの燃料濃度が高くなり、メタノールのクロスオーバーが増加することがある。このクロスオーバーが増加すると発電出力が低下するだけでなく、燃料利用効率が低下するため好ましくない。

一方、温度が低く燃料放出速度が小さすぎるとアノードの燃料濃度が不足し、発電出力が低下してしまう。

しかしながら、燃料電池の発電出力はどのような温度環境でも安定していることが望ましく、メタノール放出速度の温度依存性を少なくする必要がある。一方、燃料電池による発電を行っていない時にメタノールが供給され続けると、前述したクロスオーバーによって無駄な燃料が消費されてしまうため、メタノールガスの供給を停止できることが望ましい。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、温度環境によるメタノールガス放出速度の変動が少ない直接メタノール形燃料電池システムを提供することを目的とする。また、本発明は、燃料電池による発電を行っていない時にメタノールガスの供給を停止することが可能な直接メタノール形燃料電池システムを提供することを目的とする。さらに本発明は、上記直接メタノール形燃料電池システムを備えた携帯用電子機器を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、第一に本発明は、直接メタノール形燃料電池セルと、内部にメタノール燃料を内蔵し前記直接メタノール形燃料電池セルに気体状のメタノールを供給する燃料カートリッジと、前記燃料電池セル及び前記燃料カートリッジを収容するケーシングとを有する直接メタノール形燃料電池システムにおいて、前記ケーシング内において、前記直接メタノール形燃料電池セルと前記燃料カートリッジとの間に、仕切りとして可動式ゲートが設けられていることを特徴とする直接メタノール形燃料電池システムを提供する（請求項１）。

上記発明（請求項１）によれば、可動式ゲートを開閉してその開度を調整することにより、燃料カートリッジから気化した気体状のメタノールの直接メタノール形燃料電池セルへの供給速度を制御することができる。したがって、温度が低く燃料カートリッジからの気体状のメタノールの放出速度が小さいときには、可動式ゲートの開度を大きくする一方、温度が高く燃料カートリッジからの気体状のメタノールの放出速度が大きいときには、可動式ゲートの開度を小さくすることで、直接メタノール形燃料電池セルへのメタノールの供給速度の変動を小さくすることができる。

上記発明（請求項１）においては、前記可動式ゲートが、形状記憶材料からなる開閉部材を備えており、前記開閉部材が、その温度変化により前記可動式ゲートを開閉するのが好ましい（請求項２）。

上記発明（請求項２）によれば、形状記憶合金製の開閉部材が温度変化に伴い変形することで、温度変化に応じて可動式ゲートの開度を調整することができる。これにより、電力を用いることなく可動式ゲートの開度の調節を行うことができる。

上記発明（請求項１，２）においては、前記可動式ゲートの開閉度合いにより、前記直接メタノール形燃料電池セルへのメタノールの供給速度が調節可能となっているのが好ましい（請求項３）。

上記発明（請求項３）によれば、可動式ゲートの開度と直接メタノール形燃料電池セルへのメタノールの供給速度との関連性をあらかじめ測定しておくことで、開度の調整により燃料カートリッジから気化した気体状のメタノールの直接メタノール形燃料電池セルへの供給速度を任意の段階で制御することができる。

上記発明（請求項１〜３）においては、前記直接メタノール形燃料電池システムが、発電スイッチを有していて、前記可動式ゲートが、前記発電スイッチに連動しており、前記発電スイッチがオンの時には前記可動式ゲートが開成し、オフの時には前記可動式ゲートが閉鎖するのが好ましい（請求項４）。

上記発明（請求項４）によれば、燃料電池による発電を行っていない時には、可動式ゲートが閉鎖し、直接メタノール形燃料電池セルへのメタノールガスの供給を停止することができる一方、発電時には可動式ゲートが開成し、直接メタノール形燃料電池セルへメタノールガスを供給することができる。これにより電力を用いることなく可動式ゲートの開閉を行うことができる。

また、上記発明（請求項１〜４）においては、前記燃料カートリッジに内蔵されるメタノール燃料が、固体状のメタノールであるのが好ましい（請求項５）。

固体状のメタノールは、燃料電池セルへの燃料供給のロスを小さくすべく燃料カートリッジを燃料電池セルに近接して配置するのが好ましいため、上記発明（請求項５）のように固体状メタノールをメタノール燃料として用い、燃料カートリッジと燃料電池セルとの間隙に可動式ゲートを配置することで、可動式ゲートの開度による気体状のメタノールの供給速度を好適に制御することができる。

また、第二に本発明は、上記発明（請求項１〜５）に係る燃料電池システムを備えることを特徴とする携帯用電子機器を提供する（請求項６）。

上記発明（請求項６）によれば、温度環境によるメタノールガス放出速度の変動が少なく、燃料電池による発電を行っていない時にメタノールガスの供給を停止することが可能な直接メタノール形燃料電池システムを電源とする携帯用電子機器とすることができる。

本発明の燃料電池システムは、直接メタノール形燃料電池セルと燃料カートリッジとを可動式ゲートで仕切り、この可動式ゲートを開閉してその開度を調整することにより、燃料カートリッジから気化した気体状のメタノールの直接メタノール形燃料電池セルへの供給速度を制御することができる。これにより、温度環境によるメタノールガス供給速度の変動を少なくすることができるので、外気温による出力の変動が少ない直接メタノール形燃料電池システムとすることができる。また、燃料電池による発電を行っていない時には、可動式ゲートを閉鎖することでメタノールガスの供給を停止して、燃料の浪費を抑制した直接メタノール形燃料電池システムとすることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態による燃料電池システムを示す断面図である。

図１において、１は燃料カートリッジであり、２はこの燃料カートリッジ１の両側に配置された燃料電池セルとしてのＭＥＡである。燃料カートリッジ１は、内部にメタノール燃料としての固体状メタノールが充填されており、複数の孔（図示せず）が形成されていて、固体状メタノールからメタノールが気化して気体状メタノールが放出される。また、ＭＥＡ２は、燃料極側が燃料カートリッジ１となっていて、ＭＥＡ２の燃料極側には可動式ゲート３が配置されることにより、燃料カートリッジ１とＭＥＡ２とが仕切られている。このようなＭＥＡ２は、図示しない電源供給回路に連通している。これら燃料カートリッジ１、ＭＥＡ２及び可動式ゲート３が、それぞれケーシング４内に収納されて燃料電池システムを構成している。

図１及び図２に示すように、このような燃料電池システムにおいて、可動式ゲート３は、ケーシング４に固定部１１にて固定された固定スリット１２，１２と、この固定スリット１２と接触するようにして配置された２つの可動スリット１３，１３とを有する。この可動スリット１３には、固定スリット１２，１２と同幅及び同間隔で複数のスリットが形成されており、図示しないスライド溝に摺動可能に取り付けられている。可動スリット１３，１３の外端側は折返し部１３Ａとなっていて弾性部材としての圧縮コイルバネ１４，１４・・・によりケーシング４に固定されている一方、内端側は折返し部１３Ｂとなっていて開閉部材としての形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５，１５により２つの可動スリット１３，１３が連結されている。この形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５は、圧縮コイルバネ１４の付勢力により収縮し、高温時には形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５の回復力により伸張するものであり、２つの圧縮コイルバネ１４，１４の付勢力の合計よりも１つの形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５の回復力の方が大きいものである。なお、本実施形態において、圧縮コイルバネ１５は形状記憶合金製のものであるが、これに限定されるものではなく、例えば、形状記憶樹脂製等の形状記憶材料製のものであってもよい。

また、図３に示すようにケーシング４の上面側には、発電スイッチ１６が設けられており、この発電スイッチ１６がオンの時には、可動スリット１３はフリーの状態であり、可動スリット１３は形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５，１５によりその動きが制動されている一方、発電スイッチ１６がオフの時には、図４に示すように折返し部１３Ｂ，１３Ｂが発電スイッチ１６に連動した支持部材（図示せず）により支持され、可動スリット１３，１３が所定の間隔で固定される。

次に上述したような構成を有する本実施形態の直接メタノール形燃料電池システムについて、その作用を説明する。

まず、発電開始時には発電スイッチ１６は図４に示すようにオン（ＯＮ）の位置となっていて、可動スリット１３はフリーの状態であり、形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５によりその位置が決定される。すなわち、例えば３０℃以下、特に２０℃以下の低温時には、燃料カートリッジ１内の固体状メタノール自体からの気体状メタノールの放出速度は小さい状態であり、図５に示すように形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５は収縮限の状態となる。このとき固定スリット１２，１２と、可動スリット１３，１３とは両者のスリットの位置が一致し、両スリットにより形成される開口面積（開度）が最大となり、必要に応じて補助的に加熱してやることで燃料カートリッジ１内の固体状メタノールから気化した気体状メタノールは、そのままＭＥＡ２に供給され発電が行われるので、これを回路に供給すればよい。

次に、気温が高い時や発電による発熱により、例えば５０℃以上、特に６０℃以上の高温時には、燃料カートリッジ１内の固体状メタノールからの気体状メタノールの放出速度は大きい状態であり、このままではＭＥＡ２での発電量が大きくなるばかりか、機器も加熱されてしまう。しかしながら、図６に示すように、形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５が伸張することで固定スリット１２，１２と可動スリット１３，１３の両者のスリットの位置がずれて、両スリットにより形成される開口面積が減少する。これにより、燃料カートリッジ１内の固体状メタノールから気化した気体状メタノールのＭＥＡ２への供給速度が抑制され、温度も低下する。このように、温度による固体状メタノール自体からの気体状メタノールの放出速度の差異を、形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５の伸張度合いの変化により調節することで、ＭＥＡ２への気体状メタノールの供給速度をほぼ一定に維持することができる。

さらに、発電停止時には、発電スイッチ１６を図３に示すようにオフ（ＯＦＦ）の位置に回動させると、図７に示すように固定スリット１２，１２と可動スリット１３，１３との両者のスリットの重なりがなくなり、両スリットにより形成される開口面積がなくなることで、気体状メタノールのＭＥＡ２の燃料極への供給が停止する。これにより、無駄な燃料の消費を抑制することが可能となる。

上記本実施形態の燃料電池システムは、十分な気密性を有し、単位体積あたりの発電効率の良好であるので、携帯用電子機器用の電源として好適に用いることができる。

上述したような実施形態において、固体状メタノールとしては、メタノールの分子化合物、メタノールをポリマーとともに固体化又はゲル化したもの、及びメタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材に吸着等によりメタノールを保持させることで固体状としたもの等を用いることができる。特に、メタケイ酸アルミン酸マグネシウム等の無機材に吸着等によりメタノールを保持させることで固体状としたものは、メタノールのガス化量の温度依存性が大きく、経時的な変動が少ないので、加熱手段の温度を制御することで、ガス化メタノールの発生量をある程度調整できるため、メタノール溶液の濃度のコントロール性に優れていて好ましい。

前記分子化合物とは、単独で安定に存在することのできる化合物の２種類以上の化合物が水素結合やファンデルワールス力等に代表される、共有結合以外の比較的弱い相互作用によって結合した化合物であり、水化物、溶媒化物、付加化合物、包接化合物等が含まれる。このような分子化合物は、分子化合物を形成する化合物と燃料電池用燃料との接触反応により形成することができ、燃料電池用燃料を固体状の化合物に変化させることができ、比較的軽量で安定に燃料電池用燃料を貯蔵することができる。

分子化合物としては、ホスト化合物とメタノールとの接触反応によりメタノールを包接した包接化合物が挙げられる。

また、ポリマーとともに固体化したもの、又はジベンジリデン−Ｄ−ソルビトール等によりゲル化したものにおいては、その表面にコーティングを施すことで、メタノールの気化温度を調節したものも用いることができる。

このような固体状メタノールは、種々の形態で用いることができ、好ましい形態としては微粉状、粒子状、シート状等の形態を挙げることができる。

以上、本発明について上記実施形態に基づき説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施形態においては、固定スリット１２，１２に対して可動スリット１３，１３を動かすことで可動式ゲートを構成したが、これに限らず絞り機構などを用いて可動式ゲートを構成してもよい。

また、上記実施形態では、圧縮コイルバネ１４，１４にて外端側の折返し部１３Ａとケーシング４とを固定し、形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５にて可動スリット１３，１３の内端側の折返し部１３Ｂ同士を連結しているが、これに限定されるものではなく、形状記憶合金製の圧縮コイルバネ１５，１５にて外端側の折返し部１３Ａとケーシング４とを固定するとともに、圧縮コイルバネ１４にて可動スリット１３，１３の内端側の折返し部１３Ｂ同士を連結してもよい。

本発明の一実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムを示す断面図である。 同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの可動式ゲートを示す平面図である。 同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの発電スイッチ（オフ）を示す概略図である。 同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの発電スイッチ（オン）を示す概略図である。 同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの可動式ゲートの低温時の状態を示す平面図である。 同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの可動式ゲートの高温時の状態を示す平面図である。 同実施形態に係る直接メタノール形燃料電池システムの発電停止時における可動式ゲートの状態を示す平面図である。

符号の説明

１…燃料カートリッジ
２…ＭＥＡ（燃料電池セル）
３…可動式ゲート
４…ケーシング
１２…固定スリット
１３…可動スリット
１５…形状記憶合金製の圧縮コイルバネ（開閉部材）
１６…発電スイッチ

Claims (6)

1. 直接メタノール形燃料電池セルと、
   内部にメタノール燃料を内蔵し前記直接メタノール形燃料電池セルに気体状のメタノールを供給する燃料カートリッジと、
   前記燃料電池セル及び前記燃料カートリッジを収容するケーシングと
   を有する直接メタノール形燃料電池システムにおいて、
   前記ケーシング内において、前記直接メタノール形燃料電池セルと前記燃料カートリッジとの間に、仕切りとして可動式ゲートが設けられていることを特徴とする直接メタノール形燃料電池システム。
2. 前記可動式ゲートが、形状記憶材料からなる開閉部材を備えており、
   前記開閉部材が、温度変化により前記可動式ゲートを開閉することを特徴とする請求項１に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
3. 前記可動式ゲートの開閉度合いにより、前記直接メタノール形燃料電池セルへのメタノールの供給速度が調節可能となっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の直接メタノール形燃料電池システム。
4. 前記直接メタノール形燃料電池システムが、発電スイッチを有していて、
   前記可動式ゲートが、前記発電スイッチに連動しており、
   前記発電スイッチがオンの時には前記可動式ゲートが開成し、オフの時には前記可動式ゲートが閉鎖することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。
5. 前記燃料カートリッジに内蔵されるメタノール燃料が、固体状のメタノールであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システム。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の直接メタノール形燃料電池システムを備えることを特徴とする携帯用電子機器。

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