JP2010055815A - 燃料カートリッジ、燃料電池および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】製造コストを抑えつつ、長期間の使用による発電性能の低下を抑制することが可能な燃料カートリッジ提供する。
【解決手段】燃料電池１は、発電部１０と、燃料タンク１１および燃料気化部１２からなる燃料カートリッジ２とを備えている。発電部１０は、接合体１８をセルプレート１４とセルプレート２1とにより挟み込んだ構成となっている。接合体１８は、電解質膜１６を間にしてアノード電極１５とカソード電極１７とが対向配置されたものである。燃料カートリッジ２は発電部１０に対して、着脱自在であるため、燃料カートリッジ２の交換時に燃料気化部１２が交換できる。よって、不純物の蒸発残差を定期的に取り除くことが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池用の燃料を収容する燃料カートリッジおよびこれを備えた燃料電池、ならびにそのような燃料電池を備えた電子機器に関する。

燃料電池は、アノード電極（燃料電極）とカソード電極（酸素電極）との間に電解質が配置された構成を有し、アノード電極には燃料、カソード電極には酸化剤がそれぞれ供給される。このとき、燃料が酸化剤によって酸化される酸化還元反応が起こり、燃料がもっていた化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。

このような燃料電池は、燃料および酸化剤を供給し続けることで継続的に発電可能であり、従来の一次電池または二次電池とは異なる新たな携帯型電子機器用電源として期待されている。すなわち、燃料電池は、燃料と酸化剤との化学反応を利用して発電を行うものであるから、酸化剤として空気中の酸素を用い、燃料を外部から補給し続けることによって、故障しない限り電源として使い続けることが可能である。よって、小型化された燃料電池は、携帯型電子機器に適した充電不要の高エネルギー密度電源となりうる。

燃料電池としては、既に、さまざまな種類のものが提案または試作されており、一部は実用化されている。中でも、プロトン伝導性高分子膜を電解質とする高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell）は、電解液を用いず、３０℃〜１３０℃程度の比較的低い温度で動作するため、薄型化が可能で、携帯型電子機器用電源として最適である。

また、その燃料としては、水素やメタノールなど、種々の材料を用いることができる。その中で、メタノールなどの液体燃料は、気体に比べて密度が高く貯蔵しやすいため、小型の電子機器に内蔵される燃料電池の燃料として有望視されている。特に、ＰＥＦＣのアノード電極にメタノールを直接供給して反応させるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）は、燃料から水素を取り出すための改質器を必要としないため、小型化、薄型化に有利となる。

このようなＤＭＦＣでは、アノード電極へメタノールを供給する方法として、液体供給型と気化供給型とが提案されている。このうち、液体供給型は液体燃料（メタノール水溶液）を、そのままアノード電極へ供給するものであるが、直接液体燃料がアノード電極に触れているために、メタノールがアノード電極側からカソード電極側へ電解質膜中を通り抜けてしまうメタノールクロスオーバーが起こり易くなる。特に高濃度メタノールを使用すると電圧低下を引き起こし、著しくメタノールの利用効率が低下してしまう。このような場合、燃料濃度を下げないと効率良く反応を進めることができないが、燃料濃度を下げてしまうと、エネルギー密度が低下するばかりでなく、過剰な水がカソード電極に到達し、フラッディング現象がより起こり易くなる。また、メタノール溶液に接するアノード電極上では酸化反応により二酸化炭素（ＣＯ₂）が発生するため、この二酸化炭素の気泡が電極上に付着し、メタノール溶液の供給が阻害される。よって、出力が低下したり不安定になってしまう。

これに対し、気化供給型では、両極の水分濃度の平衡により、カソード電極で生成する水をアノード電極側へ逆拡散させ、アノード電極で消費される水を補給することが可能である。このため、高濃度のメタノール水溶液が使用可能となり、また自己加湿によって電解質膜中の水分を保持することができるため、電解質膜において発電に必要なプロトン伝導性が維持される。よって、メタノールの利用効率が向上し、高いエネルギー密度を維持することができる。このような気化供給型の燃料電池としては、例えば、特許文献1〜３に記載されたものが挙げられる。
特開２００６−３１３７００号公報 特開２００６−３１３７０１号公報 特開２００６−３１３７０２号公報

ところで、燃料電池は、発電時にアノード電極において燃料の酸化反応が進行する。もし、アノードに供給される燃料に不純物が含まれていると、不純物の種類によっては酸化反応が阻害されたり、アノード電極の触媒そのものの劣化が促進される。すなわち、燃料に不純物が含まれていると、燃料電池の性能が低下してしまう。

ここで、燃料に不純物が含まれていた場合、気化供給型の燃料電池では、蒸留の理論に基づき、気化部材にて低蒸気圧の不純物（イオン性の不純物や、分子量の大きな可塑剤など）を取り除くことができる。しかしながら、長期間使い続けていると、不純物は蒸発残渣として気化部材に濃縮され、次第に、燃料供給そのものに異常をきたしてしまう。

そのため、従来の気化供給型の燃料電池では、不純物が溶出しない高価な材質を用いて燃料タンクや燃料流路などを作製し、さらに、高度に精製された純度の高い燃料を用いる必要があり、製造コストがかかるという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、気化供給型の燃料電池において、製造コストを抑えつつ、長期間の使用による発電性能の低下を抑制することが可能な燃料カートリッジ、燃料電池および電気機器を提供することにある。

本発明による燃料カートリッジは、燃料電池本体用の液体燃料を収容する燃料タンクと、燃料タンクから供給された液体燃料を気化する燃料気化部とを備え、燃料電池本体に対して着脱自在となっているものである。

本発明による燃料電池は、燃料電池本体と、燃料電池本体に対して着脱自在な上記燃料カートリッジとを備えたものである。

本発明による電子機器は、上記燃料電池を備えたものである。

本発明による燃料カートリッジ、燃料電池および電子機器では、燃料タンクおよび燃料気化部を有する燃料カートリッジが燃料電池本体に対して着脱自在であるため、燃料カートリッジの交換時に、燃料気化部が交換可能となる。これにより、燃料気化部における不純物の蒸発残差を定期的に取り除くことが可能となる。

本発明の燃料カートリッジ、燃料電池および電子機器によれば、燃料タンクおよび燃料気化部を有する燃料カートリッジが燃料電池本体に対して着脱自在であるようにしたので、燃料気化部における不純物の蒸発残差を定期的に取り除くことが可能となる。従って、燃料タンクや流路の材料として、不純物の溶出が起こりうる安価な材質を用いることができると共に、燃料にも精製度の低い燃料を用いることも可能となる。よって、気化供給型の燃料電池において、製造コストを抑えつつ、長期間の使用による発電性能の低下を抑制することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池１の断面構成を表すものである。図２は、燃料電池１の平面構成を表すものである。ただし、図１は、図２のＡ−Ａ線における断面構成に対応している。図３は、この燃料電池１の要部構成を斜視図で表したものである。また、図３中の筐体２４は、図１では省いてある。

この燃料電池１は、液体燃料、例えばメタノールを直接供給して反応させるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）であり、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器や、ノート型ＰＣ（Personal Computer ）などの電子機器に用いられるものである。

燃料電池１は、図１に示したように、発電部１０（燃料電池本体）と、燃料タンク１１とおよび燃料気化部１２からなる燃料カートリッジ２とを備えている。発電部１０は、接合体１８を一対のセルプレート１４，２１により挟み込んで構成されたものである。燃料カートリッジ２は、発電部１０のセルプレート１４の側に設けられている。

まず、発電部１０の接合体１８の構成について説明する。接合体１８は、図２に示したように、例えば面内方向に３×２の配列で計６つ配置されている。また、これら６つの接合体１８は、図示しない集電体構造により、例えば符号Ｐ１で示したように、互いに電気的に直列接続されている。各接合体１８は、電解質膜１６を間にして、アノード電極（燃料電極）１５とカソード電極（酸素電極）１７とが対向配置された構成となっている。この接合体１８は、セルプレート１４，２１の間に挟み込まれ、例えばガスケット（図示せず）によりシールされている。なお、図１では、電解質膜１６は複数の接合体１８の間で共通の層となっているが、接合体１８ごとに設けられていてもよい。

電解質膜１６は、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ₃ Ｈ）を有するプロトン伝導材料により構成されている。プロトン伝導材料としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料（例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリイミドスルホン酸などの炭化水素系プロトン伝導材料、またはフラーレン系プロトン伝導材料などが挙げられる。

アノード電極１５およびカソード電極１７は、例えば、カーボンペーパーなどよりなるガス拡散基材に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックなどの担持体をポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料などに分散させたものにより構成されている。アノード電極１５には、セルプレート１４に設けられた開口１４０を介してメタノールなどを含む液体燃料が気体として供給されるようになっている。また、カソード電極１７は、セルプレート２１に設けられた開口２１０を介して外部と連通しており、自然換気あるいは空気供給ポンプ（図示せず）により空気すなわち酸素が供給されるようになっている。

燃料タンク１１は、発電に必要な液体燃料２３、例えばメタノール水溶液を収容するためのものであり、燃料気化部１２へ一方向に燃料が輸送されるようになっている。

燃料気化部１２は、燃料タンク１１から供給された燃料を気化させる機能を持つ。この燃料気化部１２は、例えばステンレス鋼、アルミニウムなどを含む金属や合金、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などの剛性の高い樹脂材料よりなるプレート上に、燃料の拡散を促進するための拡散部（図示せず）が設けられたものである。拡散部としては、アルミナ、シリカ、酸化チタンなどの無機多孔質材料や樹脂多孔質材料を用いることができる。この燃料気化部１２は、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚みで構成されている。但し、燃料気化部１２はＳＵＳプレートによって構成されていることが好ましい。これにより、効率的な燃料供給が可能となるため、薄型化に有利となる。

ここで、これら燃料タンク１１および燃料気化部１２は、前述したように、燃料カートリッジ２内に設けられている。そしてこの燃料カートリッジ２は、図３に示したように、筐体２４に収容されると共に、発電部１０に対して着脱自在となっている。

ノズル部１３は、燃料タンク１１から供給される燃料の噴出口であり、燃料気化部１２の表面に設けられた拡散部に向けて、燃料を噴出するようになっている。これにより、燃料気化部１２へ輸送された燃料が拡散気化され、発電部１０に向けて供給される。このノズル部１３は、例えば直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの口径を有している。

また、発電部１０と燃料気化部１２との間には、発電部１０の外周部に封止層２１が設けられている。この封止層２１は、例えばシリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、テフロン（登録商標）などの樹脂材料により構成されている。これにより、発電部１０と燃料気化部１２との間には一定の空間が設けられ、この空間によって燃料気化部１２側から噴出する燃料が拡散され、発電部１０に対して均一に燃料が供給されるようになっている。

次に、本実施の形態の作用および効果について説明する。

この燃料電池１では、燃料タンク１１に収容される液体燃料が、燃料気化部１２に到達する。燃料気化部１２では、ノズル部１３によって液体燃料が噴出すると、その表面に設けられた拡散部によって広範囲に拡散される。これにより、液体燃料が自然気化される。このとき、気化速度は、拡散部の表面積によって決定される。従って、必要とされる発電量に応じて拡散部の表面積を設定することにより、発電部１０側への燃料供給量を調節することが可能である。このようにして気化された燃料が、ノズル部１３の噴出口より噴出することで、発電部１０のアノード電極１５に燃料が供給される。一方、発電部１０のカソード電極１７へは、自然換気あるいは図示しない空気供給ポンプによって空気（酸素）が供給される。すると、アノード電極１５では、式（１）に示した反応が起こり、水素イオンと電子とが生成される。この水素イオンは電解質膜１６を通ってカソード電極１７へ到達し、カソード電極１７では、式（２）に示した反応が起こり、水と二酸化炭素が生成される。よって、燃料電池１全体としては、式（３）に示した反応が生じ、発電が行われる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …………（１）
６Ｈ^＋＋(３／２)Ｏ₂＋６ｅ^-→ ３Ｈ₂Ｏ …………（２）
ＣＨ₃ＯＨ＋(３／２)Ｏ₂→ ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ …………（３）

また、燃料タンク１１と、燃料気化部１２とからなる燃料カートリッジ２は、発電部１０に対して着脱自在となっているため、燃料カートリッジ２の交換時に燃料気化部１１を同時に交換できる。これにより、燃料気化部における不純物の蒸発残差を定期的に取り除くことが可能となる。

以上のように、本実施の形態では、燃料タンク１１と、燃料気化部１２とからなる燃料カートリッジ２が発電部１０に対して着脱自在であるため、燃料カートリッジ２の交換と同時に、液体燃料２３に含まれる不純物の蒸発残渣を定期的に取り除くことが可能となる。従って、燃料タンクや流路の材質として、不純物の溶出が起こりうる安価な材料を用いることができると共に、燃料にも精製度の低い燃料を用いることも可能となる。よって、気化供給型の燃料電池において、製造コストを抑えつつ、長期間の使用による発電性能の低下を抑制することが可能となる。

また、本実施の形態では、定期的に燃料気化部１２を交換することができるため、燃料タンクまたは流路の材質、或いは燃料に含まれる不純物による発電部の不均一な劣化が抑制される。従って、長期間の使用による発電性能の低下を抑制することが可能となる。

また、燃料カートリッジ２の交換時に、燃料タンク１１と共に燃料気化部１２を交換することができるため、ユーザーによる取り換えの手間を軽減することが可能となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態では、電解質膜１６，アノード電極１５およびカソード電極１７の構成について具体的に説明したが、他の構造または他の材料により構成するようにしてもよい。

また、上記実施の形態では、接合体１８を面内に３×２の配列で６つ設けた構成について説明したが、接合体１８の数や配置は、これに限定される訳ではない。また、これら６つの接合体１８を電気的に直列接続（コの字型に接続）した例を挙げて説明したが、これに限定されず、他の接続方法を用いてもよい。

また、上記実施の形態では、発電部１０と燃料気化部１３との間に、封止層２２が設けられた構成としているが、この封止層２２は設けられていなくてもよい。

また、上記実施の形態では、ＤＭＦＣを例に挙げて説明したが、これに限定されず、水素を燃料とした固体高分子型燃料電池，ダイレクトエタノール型燃料電池あるいはジメチルエーテル型燃料電池など、他の形態の燃料電池にも適用可能である。

また、本発明の燃料電池から取り出された電気エネルギーは、電子機器の電源として供される。このような電子機器としては、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、ノート型ＰＣ（Personal Computer）などが挙げられる。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の概略構成を表す断面図である。 図１に示した燃料電池の構成を表す平面図である。 図１に示した燃料カートリッジおよび燃料電池本体の要部構成を表す斜視図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…燃料カートリッジ、１０…発電部、１１…燃料タンク、１２…燃料気化部、１３…ノズル部、１４,２１…セルプレート、１５…アノード電極、１６…電解質膜、１７…カソード電極、１８…接合体、２２…封止層、２３…液体燃料。

Claims (3)

1. 燃料電池本体用の液体燃料を収容する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから供給された液体燃料を気化させる燃料気化部とを備え、
   前記燃料電池本体に対して着脱自在となっている
   燃料カートリッジ。
2. 燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体に対して着脱自在な燃料カートリッジとを備え、
   前記燃料カートリッジは、
   前記燃料電池本体用の液体燃料を収容する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから供給された液体燃料を気化させる燃料気化部と
   を有する燃料電池。
3. 燃料電池本体と、この燃料電池本体に対して着脱自在な燃料カートリッジとを有する燃料電池を備え、
   前記燃料カートリッジは、
   前記燃料電池本体用の液体燃料を収容する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから供給された液体燃料を気化させる燃料気化部と
   を有する電子機器。
   

Images