JP2010211958A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料タンクに収容された液体燃料をポンプで供給する燃料電池において、少量の液体燃料の安定的に供給することを可能にする。
【解決手段】燃料電池は、膜電極接合体を備える起電部と、液体燃料Ｆを収容する燃料タンク５と、膜電極接合体の燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを具備する。燃料供給機構は、燃料供給部と、燃料タンク５と燃料供給部との間に介在され、燃料タンク５内の液体燃料Ｆを燃料供給部に送液する燃料供給ポンプ２５とを備える。燃料タンク５は空気を貯蔵するバッファタンク３１を内蔵する。バッファタンク３１はその内部に貯蔵された空気を燃料供給ポンプ５の起動時に燃料タンク５内に放出するように構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。

直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源や充電器として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。

パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備える起電部を、燃料収容部上に配置した構造が適用されている。このような構造では電池出力の制御性を高めることが難しいことから、ＤＭＦＣの起電部に燃料を供給する燃料供給部と液体燃料を収容する燃料タンクとを流路を介して接続したり、さらに燃料供給部と燃料タンクとを接続する流路にポンプ（燃料供給ポンプ）を設置し、このポンプで燃料供給部に液体燃料を供給することが検討されている（特許文献１〜２参照）。

非循環式の燃料供給機構を適用した燃料電池においては、燃料供給ポンプの動作時に送液量に相当する空気を外部から燃料タンク内に取り込むことによって、燃料タンクの内圧を一定に保つ必要がある。これは燃料タンク内が負圧になると燃料供給ポンプによる液体燃料の吸込み効率が低下し、また場合によっては送液ができなくなるためである。燃料タンク内への外部空気の取り込みは、例えば燃料タンクに圧力調整弁を設置することで実施される。燃料タンク内が減圧した際に圧力調整弁を開放して外部空気を取り込むことによって、燃料供給ポンプによる送液量を安定に保つことができる。

燃料電池を携帯用電子機器の電源や充電器として用いる場合、燃料電池の小型化に伴って液体燃料の供給量自体も少量となることから、燃料供給ポンプには少量の液体燃料を安定して送液することが可能な動作圧力が低い小型のポンプが用いられる。しかしながら、圧力調整弁では小型ポンプの低動作圧力で生じる燃料タンク内の負圧を安定的に解消することができない。すなわち、圧力調整弁では小型ポンプの低動作圧力に対応させて燃料タンクの内圧を安定化させることが難しい。このため、燃料供給ポンプによる液体燃料の安定供給が損なわれ、また場合によっては送液自体が不可能になる。

特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報

本発明の目的は、燃料タンクに収容された液体燃料をポンプで供給するにあたって、液体燃料の送液量が少量となるような場合においても、液体燃料を安定的に供給することを可能にした燃料電池を提供することにある。

本発明の態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と；液体燃料を収容する燃料タンクと；前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料タンクと前記燃料供給部との間に介在され、前記燃料タンク内の前記液体燃料を前記燃料供給部に送液する燃料供給ポンプとを備える燃料供給機構と；を具備し、前記燃料タンクは空気を貯蔵するバッファタンクを内蔵し、前記バッファタンクはその内部に貯蔵された空気を前記燃料供給ポンプの起動時に前記燃料タンク内に放出するように構成されていることを特徴としている。

本発明の態様に係る燃料電池によれば、燃料タンクに空気を貯蔵するバッファタンクを内蔵し、このバッファタンク内部の空気を燃料供給ポンプの起動時に燃料タンク内に放出しているため、燃料供給ポンプによる液体燃料の供給を安定化することができる。

本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。 図１に示す燃料電池の燃料タンクを拡大して示す図である。 図１に示す燃料電池の燃料供給部の一例を示す斜視図である。 図３に示す燃料供給部の平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える起電部２と、起電部２に燃料を供給する燃料供給部３を備える燃料供給機構４と、液体燃料を収容する燃料タンク５とから主として構成されている。

起電部２は、アノード触媒層６とアノードガス拡散層７とを有するアノード（燃料極）８と、カソード触媒層９とカソードガス拡散層１０とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１１と、アノード触媒層６とカソード触媒層９とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１２とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）１３を備えている。

アノード触媒層６やカソード触媒層９に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層６にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層９にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料等の導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

アノード触媒層６に積層されるアノードガス拡散層７は、アノード触媒層６に燃料を均一に供給すると同時に、アノード触媒層６の集電機能を有するものである。カソード触媒層９に積層されるカソードガス拡散層１０は、カソード触媒層９に酸化剤を均一に供給すると同時に、カソード触媒層９の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層７やカソードガス拡散層１０は、燃料や空気を流通させることが可能な導電性の多孔質基材、例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等のカーボン多孔質基材で構成される。

電解質膜１２はプロトン伝導性材料で構成されている。電解質膜１２を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１２はこれらの材料に限られるものではない。

起電部２はＭＥＡ１３をアノード集電体１４とカソード集電体１５とで挟み込むことで構成されている。アノード集電体１４はアノードガス拡散層７と積層され、カソード集電体１５はカソードガス拡散層１０と積層される。集電体１４、１５は燃料や空気を流通させる貫通孔を有している。集電体１４、１５にはＡｕやＮｉ等の導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）や箔体、あるいはステンレス鋼のような導電性金属材料にＡｕ等の良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。起電部２はＯリング等のシール部材１６でシールされており、ＭＥＡ１３からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。

起電部２は燃料供給部３上に配置されている。燃料供給部３は、燃料拡散室１７を形成する容器１８と、容器１８内に配置された燃料拡散材１９とを有している。容器１８は上部が開口された箱状の形状を有している。このような容器１８の開口部側にＭＥＡ１３のアノード８が位置するように起電部２が配置されている。燃料拡散材１９は板状の多孔質材料等で形成されており、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン等からなる樹脂製多孔質板が用いられる。燃料供給部３はアノード８の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ、アノード８に燃料を供給するものである。

そして、燃料拡散材１９が配置された容器１８上に起電部２と保湿層２０とを積層し、さらにその上から例えばステンレス製のカバープレート２１を被せて全体を保持することによって、この実施形態の燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。保湿層２０はカソード触媒層９で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層９への空気の均一拡散を促進するものである。

カバープレート２１は空気取入れ用の開口部２２を有している。カソード（空気極）１１には開口部２２を介して自然吸気により空気が取り込まれる。なお、保湿層２０とカバープレート２１との間には必要に応じて表面層が配置される。表面層は空気の取入れ量を調整するものであって、自然吸気による空気の取入れ量に応じて個数や大きさが調整された複数の空気導入口を有するものである。

燃料拡散材１９は容器１８に設けられた燃料注入部２３と接している。燃料注入部２３は配管のような液体燃料の流路２４を介して燃料タンク５と接続されている。燃料タンク５にはＭＥＡ１３に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆには各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が用いられる。液体燃料Ｆはこれに限られるものではなく、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。

流路２４にはポンプ２５が介在されている。ポンプ２５は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料タンク５から燃料供給部３に液体燃料Ｆを送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３からＭＥＡ１３に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料タンク５に戻されることはない。燃料電池１は非循環式の燃料供給機構４を備えるものであり、従来のアクティブ方式とは異なるものである。液体燃料Ｆの供給にポンプ２５を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。燃料電池１はセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。

ポンプ２５の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。

ポンプ２５の送液能力は燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であるため、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲であることが好ましい。送液能力が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ２５の停止時間が長くなる。このため、ＭＥＡ１３への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。ポンプ２５の送液能力が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時（起動時）のように燃料の消費量が増える場合に供給能力不足を招くおそれがある。ポンプ２５の送液能力は１０〜２００μＬ／分の範囲であることがより好ましい。

燃料供給部３から放出された燃料はＭＥＡ１３のアノード（燃料極）８に供給される。ＭＥＡ１３内において、燃料はアノードガス拡散層７を拡散してアノード触媒層６に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層６では下記の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、例えばカソード触媒層９で生成した水や電解質膜１２中の水をメタノールと反応させて式（１）の内部改質反応を生起させる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）

この反応で生成した電子（ｅ^-）は集電体１４を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１５を経由してカソード（空気極）１１に導かれる。式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜１２を経てカソード１１に導かれる。カソード１１には酸化剤として空気が供給される。カソード１１に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層９で空気中の酸素と下記の式（２）にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …（２）

ところで、ポンプ２５を動作させて燃料タンク５内の液体燃料Ｆの送液を開始すると、燃料タンク５内に液体燃料Ｆの送液量に応じた負圧が発生する。そのままではポンプ２５による液体燃料Ｆの吸込み効率が低下したり、また場合によっては送液ができなくなるため、液体燃料Ｆの送液量に相当する空気を外部から取り込む必要がある。燃料タンク５内への外部空気の取り込みについては、例えば燃料タンク５に圧力調整弁を設置し、燃料タンク５内が減圧した際に圧力調整弁を開放して空気を取り込むことが考えられる。

ポンプ２５の起動時においては、ポンプ２５から燃料タンク５までの流路２４に大気圧の空気が存在している。このような状態において、ポンプ２５は空気圧縮による運転モードとなり、動作圧力が最小値を示す。ポンプ２５の起動時においては、ポンプ２５から燃料タンク５までの流路２４の容量に相当する負圧が燃料タンク５内に発生する。この負圧を速やかに解消することができないと、燃料タンク５内がポンプ２５の動作圧力の上限に達し、液体燃料Ｆを送液することができなくなる。ポンプ２５の動作圧力は起動時に最小値となるため、ポンプ２５が送液不能な状態となりやすい。

燃料タンク５内への空気の取り込みを圧力調整弁のみで実施した場合、圧力調整弁はポンプ２５の起動時に発生する負圧に速やかに対応する必要がある。ここで、ポンプ２５には液体燃料Ｆの少量の送液量に対応した送液能力が求められることから、吐出量（吸込量）が微量の小型ポンプが用いられる。しかし、圧力調整弁では小型ポンプの低動作圧力で生じる負圧を安定的に解消することができない。すなわち、圧力調整弁では小型ポンプの低動作圧力に対応させて燃料タンク５の内圧を安定化させることが難しい。

そこで、この実施形態の燃料電池１においては、図２に示すように、燃料タンク５に空気を貯蔵するバッファタンク３１を内蔵している。バッファタンク３１は気液分離膜３２を介して燃料タンク５の内部と連通している。従って、バッファタンク３１はその内部に貯蔵された空気を燃料タンク５内に放出することが可能とされていると共に、燃料タンク５内の液体燃料Ｆがバッファタンク３１内に流入することを防止している。このような機構は気液分離膜３２に限られるものではなく、燃料タンク５とバッファタンク３１とを逆止弁を介して連通させることによっても実現可能である。

バッファタンク３１を内蔵する燃料タンク５には、ポンプ２５の流路２４の先端に設けられた燃料吸込み部３３が設置されている。燃料吸込み部３３は多孔質体等からなり、液体燃料Ｆ内に配置されている。ポンプ２５の動作前の状態において、燃料吸込み部３３は液体燃料Ｆ内に配置されているため、その内部には液体燃料Ｆが充填されているが、燃料タンク５からポンプ２５までの流路２４には大気圧の空気が存在している。

ポンプ２５の起動時においては、ポンプ２５から燃料タンク５までの流路２４内に存在する大気圧の空気を吸込むことになるため、この流路２４の容量に相当する燃料タンク５の負圧を速やかに解消する必要がある。このような点に対し、実施形態の燃料電池１ではポンプ２５を起動させて燃料タンク５内に負圧が生じると、この負圧に基づいてバッファタンク３１内に貯蔵された空気が燃料タンク５内に放出される。従って、燃料タンク５内の減圧レベルが下がった状態となりポンプ２５が送液不能となることが防止される。

バッファタンク３１にはポンプ２５の起動時に生じる負圧に対応する空気を貯蔵することが求められる。ポンプ２５の起動時にはポンプ２５から燃料タンク５までの流路２４内に存在する大気圧の空気が問題となる。このような状態において、所定の吸上げ圧力で燃料タンク５からポンプ２５まで確実に液体燃料Ｆを供給するためには、流路２４の容積に応じた空気の貯蔵量を有するバッファタンク３１が求められる。すなわち、ポンプ２５の吸上げ圧力に基づいてポンプ２５から燃料タンク５までの流路２４の容積に応じた空気の貯蔵量を有するバッファタンク３１を使用することによって、ポンプ２５の起動時に燃料タンク５からポンプ２５まで確実に液体燃料Ｆを送液することが可能となる。

ここで、ポンプ２５から燃料タンク５までの流路２４の容量をＶ１、大気圧をＰ１（約１００ｋＰａ）、ポンプ２５の吸上げ圧力をＰ２としたとき、圧力Ｐと体積Ｖの積は一定（ＰＶ＝一定）であるため、バッファタンクの容量Ｖ２が［Ｖ２≧Ｐ１・Ｖ１／Ｐ２］を満足することによって、ポンプ２５の起動時に燃料タンク５からポンプ２５まで確実に液体燃料Ｆを送液することができる。吸上げ圧力Ｐ２が５ｋＰａのポンプ２５を使用した場合、バッファタンクの容量Ｖ２がＶ２≧２０Ｖ１を満足すれば、燃料タンク５が１００％充填時においても液体燃料Ｆを吸上げることができる。

例えば、ポンプ２５から燃料タンク５までの流路２４に、内径が１ｍｍで長さが５０ｍｍの配管を使用した場合、流路２４の容量Ｖ１は４０μＬとなる。さらに、大気圧Ｐ１を１００ｋＰａ、ポンプ２５の吸上げ圧力Ｐ２を５ｋＰａとする。このような場合においては、バッファタンクが０．８ｍＬの容量Ｖ２（＝１００（ｋＰａ）×４０（μＬ）／５（ｋＰａ））を有していれば、燃料タンク５が１００％充填時においても、ポンプ２５の起動時に燃料タンク５からポンプ２５まで確実に送液することができる。

バッファタンクの容量Ｖ２が［Ｖ２＝Ｐ１・Ｖ１／Ｐ２］であれば、上記したようにポンプ２５の起動時に燃料タンク５からポンプ２５まで液体燃料Ｆを吸上げることができる。バッファタンクの容量Ｖ２はそれ以上であってもよいが、バッファタンクの容量Ｖ２をあまり大きくしすぎると、その分だけ燃料タンク５の容量（液体燃料Ｆの収容量）が減るために製品上好ましくない。

このように、燃料タンク５に空気を貯蔵するバッファタンク３１を内蔵し、さらにバッファタンク３１の内部に貯蔵された空気をポンプ２５の起動時に燃料タンク５内に放出させることによって、動作圧力が低い小型のポンプ２５を用いた場合においても、ポンプ２５の起動時に液体燃料Ｆを燃料タンク５からポンプ２５まで送液することができる。ポンプ２５に液体燃料Ｆが到達すると、ポンプ２５は起動時に比べて数倍の吸上げ圧力を発生させるため、その後は安定して液体燃料Ｆを送液することができる。

従って、起動時の動作圧力が低い小型のポンプ２５を用いた場合においても、燃料タンク５から燃料供給部３まで液体燃料Ｆを安定して送液することができる。すなわち、液体燃料Ｆを安定供給することで、出力特性やその安定性に優れる燃料電池１を提供することが可能となる。なお、ポンプ２５の継続動作に伴って燃料タンク５内に発生する負圧に関しては、燃料タンク５に圧力調整弁を付設して解消してもよい。この実施形態の燃料電池１において、燃料タンク５には圧力調整弁３４が付設されている。

なお、上述した実施形態の燃料電池１においては、燃料をアノード８の面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３として、燃料拡散室１７内に配置した燃料拡散材１９を適用しているが、燃料供給部３の構成はこれに限られるものではない。燃料供給部３は例えば図３および図４に示すように、燃料注入口４１と複数の燃料排出口４２とを細管４３のような燃料通路で接続した燃料分配板４４で構成することも可能である。

図３および図４に示す燃料供給部３は、液体燃料が流入する少なくとも１個の燃料注入口４１と、液体燃料もしくはその気化成分を排出する複数個の燃料排出口４２とを有する燃料分配板４４を備えている。燃料分配板４４の内部には、液体燃料の通路として機能する細管４３が形成されている。細管４３の一端（始端部）には燃料注入口４１が設けられている。細管４３は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管４３の各終端部に燃料排出口４２がそれぞれ設けられている。

本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。

１…燃料電池、２…起電部、３…燃料供給部、４…燃料供給機構、５…燃料タンク、６…アノード触媒層、７…アノードガス拡散層、８…アノード（燃料極）、９…カソード触媒層、１０…カソードガス拡散層、１１…カソード（空気極）、１２…電解質膜、１３…ＭＥＡ、１４，１５…集電体、２０…保湿層、２１…カパープレート、２４…流路、２５…ポンプ、３１…バッファタンク、３２…気液分離膜。

Claims (4)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と；
   液体燃料を収容する燃料タンクと；
   前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料タンクと前記燃料供給部との間に介在され、前記燃料タンク内の前記液体燃料を前記燃料供給部に送液する燃料供給ポンプとを備える燃料供給機構と；を具備し、
   前記燃料タンクは空気を貯蔵するバッファタンクを内蔵し、前記バッファタンクはその内部に貯蔵された前記空気を前記燃料供給ポンプの起動時に前記燃料タンク内に放出するように構成されていることを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記バッファタンクは前記燃料タンクの内部と気液分離膜または逆止弁を介して連通されていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池において、
   前記燃料供給部は前記燃料タンクと流路を介して接続されており、前記燃料供給ポンプは前記流路に設置されていることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、
   大気圧をＰ１、前記燃料供給ポンプの吸上げ圧力をＰ２、前記燃料供給ポンプから前記燃料タンクまでの前記流路の容量をＶ１としたとき、前記バッファタンクの容量Ｖ２は［Ｖ２≧Ｐ１・Ｖ１／Ｐ２］を満足することを特徴とする燃料電池。

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