JP3123725U - 小型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】パッシブ型のダイレクトメタノール型燃料電池などのアルコール燃料型の燃料電池を提供し、小型化したアルコール燃料型の燃料電池を提供する。
【解決方法】中心部から放射状に延在した枝状部を有し、前記中心部から前記枝上部の先端部に向けてアルコールを供給するように構成されてなる、全体として星型を呈するアルコール供給装置を含むようにして、パッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池を構成する。
【選択図】図１

Description

本考案は、燃料電池に関する。その中の高分子電解質型の燃料電池に関し、さらにダイレクトメタノール型燃料電池に関し、特には、パッシブ型のダイレクトメタノール型燃料電池に関する。また、特には、小型で、可搬型の燃料電池に関する。

現在、燃料電池は次の４種類に大別されている。すなわち、大電力用に適した固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）、環境に有利な、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、実用化が進んでいるりん酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、移動用に適した高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）である。なかでも、小形に出来、比較的安全な燃料であるアルコールまたはアルコール燃料を用いる高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）に属するダイレクトメタノール型燃料電池が注目を集め、パーソナルコンピュータ用、携帯電話、携帯機器用の小形燃料電池用として開発が進んでいる。

このダイレクトメタノール型燃料電池の動作原理は、積層形のスタック構造の場合、空気極側から、１）酸化還元電極触媒を担持した電極層、２）団体高分子電解質層、３）メタノール酸化触媒を担持した電極層からなり、メタノール酸化触媒を担持した電極層が、メタノール極側となる。

物質収支面から捉えると、メタノール極側にメタノールと水とが供給され、空気極側からは、空気すなわち酵素が供給される。生成される物質は、メタノール極側では二酸化炭素、空気極側では水である。

一方、電気化学側面から捉えると、メタノール極側から供給されたメタノールは、水の存在下で酸化され、二酸化炭素、水素イオン及び電子が発生する。前記水素イオンは、高分子電解質を透過して空気極側に移動し、酸素が還元されて、水素イオン及び電子と結合して水を生成し、このときに、負荷としての外部回路を電子すなわち電流が流れて、上記ダイレクトメタノール型燃料電池は、起電装置たる電池としての機能を果たす事になる。

また、上記ダイレクトメタノール型燃料電池を、燃料供給システムの面から分類すると、燃料供給ポンプを持つアクティブ型のダイレクトメタノール型燃料電池と、ポンプを持たないパッシブ型のダイレクトメタノール型燃料電池に分類することができる。

現在、検討されているダイレクトメタノール型燃料電池は、先の１）、２）、３）、の単位電池を多数積重ねた形のスタック形の燃料電池が多く検討されており、その場合、単位電池の各単位間にセパレータと呼ばれる酸素供給、水の取出し、メタノール及び水の供給、炭酸ガスの取出し、さらには、電流の取出しを行うための溝を有する導電性隔璧を設置することが要求される。

一方で燃料電池の小型化が要求されているが、この小型化の要求を満足するには、前記セパレータに設けられた溝内にメタノールを強制注入しなければならない。このため、従来においては、小型燃料電池を製造するに際しては必然的にアクティブ型のダイレクトメタノール形燃料電池システムを採用せざるを得なかった。アクティブ型の燃料電池システムは、上述したようにアルコール供給用のポンプを使用しなければならないため、必然的にシステム全体が大型化してしまうという問題があった。さらに、現状では、MEMSと呼ばれるMicroelectronic Machine Systemの方法で小型ポンプの開発が進められているが、高価であり、実用には至っていない。

したがって、アルコール燃料型燃料電池システムの小型化には、ポンプを必要としないパッシブ型の燃料電池の開発が望まれるが、従来においては、ポンプを用いることなくアルコールを供給し、また、空気、炭酸ガス、水等をスムーズに供給及び取り出す方法が確立されておらず、上述したようなパッシブ型のアルコール燃料型燃料電池を実現するには至っていない。

なお、上記した、燃料電池に関する技術内容は、以下の成書に詳しい。
「燃料電池のすべて」池田宏之助書 日本実業出版社 「燃料電池の技術」電気学会・燃料電池発電次世代システム技術調査専門委員会 オーム社出版局

本考案は、パッシブ型のダイレクトメタノール型燃料電池などのアルコール燃料型の燃料電池を提供し、小型化したアルコール燃料型の燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成すべく、本考案は、
中心部から放射状に延在した枝状部を有し、前記中心部から前記枝上部の先端部に向けてアルコールを供給するように構成されてなる、全体として星型を呈するアルコール供給装置を具えることを特徴とする、パッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池に関する。

本考案者らは、上記目的を達成すべく鋭意検討を実施した。その結果、上述したようなアルコール供給装置を準備し、その中心部に例えば繊維あるいは多孔質の材料からなるアルコール拡散部を配置し、毛細管現象などによってアルコール水溶液を吸い上げるようにし、次いで、同じく繊維あるいは多孔質の材料からなるアルコール拡散層を配置し、前述のようにして吸い上げたアルコール水溶液を前記中心部から放射状に延在した枝状部内に配置する。

この際、前記枝状部の先端部に適宜触媒層を形成し、空気（酸素）を供給するようにしておくと、前記枝状部の先端部において前記アルコール（水溶液）と前記酸素との電気化学反応が生じ、発電作用を生ぜしめることができる。したがって、上記アルコール供給装置を用いることにより、アルコールなどを強制注入するためのポンプを必要としない、パッシブ型のアルコール燃料型燃料電池を提供することができる。

また、アルコール供給装置の枝状部の先端部に適宜触媒層を設けることによって発電作用を生ぜしめることができるので、前記燃料電池の大きさは前記アルコール供給装置の大きさに依存し、その大きさによって決定されるようになる。したがって、このようにして得たアルコール燃料型の燃料電池は十分な小型化を図ることができるとともに、前記アルコール供給装置を小型化すれば、さらなる小型化を達成することができる。

以上説明したように、本考案によれば、パッシブ型のダイレクトメタノール型燃料電池などのアルコール燃料型の燃料電池を提供し、小型化したアルコール燃料型の燃料電池を提供することができる。

以下、本考案のその他の特徴及び利点について、考案を実施するための最良の形態に基づいて詳細に説明する。

図１及び図２は、本考案のパッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池の一例を示す構成図である。なお、図1においては、本考案の小型燃料電池の中心構成要素であるアルコール供給装置部分を平面的に示しており、図２は、図１に示すアルコール供給装置部分を含む燃料電池の全体構成の断面図である。

図1及び図２に示す小型燃料電池１において、アルコール供給装置１０は、中心部１１と、この中心部１１から放射状に延在した枝状部１２を有し、全体として星型を呈している。中心部１１内にはアルコール拡散部１１が設けられており、枝状部１２内にはアルコール拡散層１３が設けられている。また、アルコール拡散層１３の表面には第1の触媒層１４が形成されるとともに、枝状部１２の内壁部分には第1の触媒層１４と対向するようにして第２の触媒層１５が形成され、第1の触媒層１３と第２の触媒層１４との間には、高分子電解質１６が充填されている。また、アルコール拡散部１１の下端は容器１８内に入れられたアルコール水溶液１８Aに浸漬されている。

アルコール拡散部１１は、繊維あるいは多孔質の材料から構成され、毛細管現象により容器１８内の原料となるアルコール水溶液１８Aを吸い上げる。アルコール拡散部１１は、電気化学反応による発電機能に影響を与えないような材料、具体的には、紙製の棒や筒、プラスチック不織布製の棒や筒、カーボン繊維製の棒や筒、セラミック多孔質の棒や筒などを例示することができる。

アルコール拡散層１３は、同じく繊維あるいは多孔質の材料から構成され、毛細管現象によりアルコール拡散部１１で吸い上げたアルコール水溶液１８Aを、同じく毛細管現象により枝状部１２の先端部まで供給できるように構成されている。アルコール拡散層１３も、アルコール拡散部１１と同じく、電気化学反応による発電機能に影響を与えないような材料である、紙製の棒や筒、プラスチック不織布製の棒や筒、カーボン繊維製の棒や筒、セラミック多孔質の棒や筒などから構成することができる。

第1の触媒層１４は、例えば酸化促進触媒を含み、アルコール拡散層１３を介して供給されたアルコールを酸化して二酸化炭素及び水素イオン、電子を発生させる。第1の触媒層１４は、例えば白金−ルテニウムを担持した炭素粉末から構成することができる。

第２の触媒層１５は、例えば還元促進触媒を含み、小型燃料電池（アルコール供給装置）１０の枝状部１２に外部より供給された空気（酸素）を還元し、第１の触媒層１４でアルコール分解により生成した水素イオンなどと電気化学反応を生ぜしめて、起電力を生ぜしめる。前記電気化学反応においては、還元された酸素が水素イオン及び電子と結合して水を生成する。第２の触媒層１５は、例えば白金を担持させた炭素粉末から構成することができる。

高分子電解質１６は、フッ素系や炭化水素ポリマー系の固体電解質から構成することができる。具体的には、ナフィオン膜から構成することができる。容器１８は、金属又はプラスチックから構成することができる。金属から構成する場合は、内部のアルコール水溶液が見えるように、プラスチック製の透過窓を設けることが好ましい。プラスチックから構成する場合は、端子となる金属板を外面上に取り付けるつけることが好ましい。

また、アルコール水溶液１８Aの濃度は５％〜７５％程度が好ましく、さらには５％〜５０％程度が好ましい。

図３及び図４は、本考案のパッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池の他の例を示す構成図である。なお、図３においては、上記同様に、本考案の小型燃料電池の中心構成要素であるアルコール供給装置部分を平面的に示しており、図４は、図３に示すアルコール供給装置部分を含む燃料電池の全体構成の断面図である。また、図1及び図２と同様の構成要素に対しては同じ参照数字を用いている。

図３及び図４に示す例では、燃料電池２を構成するアルコール供給装置１０が、空気吸入口２１Aを有する所定の金属容器２１内に収納されているとともに、アルコール供給装置１０の、アルコール拡散部１１及びアルコール拡散層１３においてスリット２２が形成されている点で、図1及び図２に示す燃料電池１と異なる。なお、アルコール拡散部１１は、金属容器２１に対してパッキン２３を介し、固定部材２４で強固に固定されており、これによってアルコール供給装置１０の全体が金属容器２１に対して安定的に取り付けられるように構成されている。

金属容器２１は容器１８と一体化され、燃料電池２のハンドリングなど取り扱い易さを向上させている。また、このような構成とすることによって、市販の一次電池及び二次電池などとの十分な形状互換性を有するようになる。さらに、アルコール拡散部１１及びアルコール拡散層１３にスリット２２を形成することによって、上述した電気化学反応で生じた二酸化炭素や水などを外部に容易に放出できるようになる。したがって、アルコール拡散部１１及びアルコール拡散層１３内に二酸化炭素などが充満することによる上記電気化学反応の低下を抑制することができ、長時間安定した電気化学反応の下、発電機能を長時間安定的に保持することができる。

なお、燃料電池２を構成するアルコール供給装置は、上記図1及び図２に関するものと同じである。また、発電機能も上述したような電気化学反応に基づいて行われる。しかしながら、原料となる空気（酸素）は金属容器２１の空気吸入口２１Aから供給され、電気化学反応で生じた二酸化炭素などは、アルコール拡散部１１及びアルコール拡散層１３に形成されたスリット２２を通じて効率良く外部に排出される。したがって、上記図1及び図２に示す燃料電池と比較して、長時間安定した発電機能を生ぜしめることができる。

空気吸入口２１Aの形は円形状であっても良いし、矩形状であっても良いし、形状については特に限定されるものではない。また、本例において、スリット２２は、アルコール拡散部１１及びアルコール拡散層１３の双方に設けているが、いずれか一方のみに設けるようにすることもできる。

また、容器１８及びアルコール水溶液１８Aも上記同様の条件で構成することができる。

なお、金属容器２１は、上述した電気化学反応（酸化還元反応）を阻害する金属イオンや、前記反応中に発生するガスによる腐食を受けないような金属材料から構成する。また、一般の金属材料に対して耐腐食用の樹脂を被覆したものを用いるようにすることもできる。

また、パッキン２３は、上述した固定の作用効果の他に、アルコール拡散部１１が吸収したアルコール水溶液を金属容器２１外へ漏洩しないようにする効果を有している。したがって、ガスシール性の高いゴムパッキンや柔軟性のプラスチックパッキンから構成することができる。

以上、本考案を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本考案は上記具体例に限定されるものではなく、本考案の範疇を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

例えば、上記具体例では、燃料電池のアルコール供給装置における枝状部の数を８個としたが、前記枝状部の数は必要に応じて任意の数とすることができる。原料である空気（酸素）との接触能を考慮すると、３個以上であることが好ましく、さらには６〜３２個であることが好ましく、特には８〜１６個であることが好ましい。

本考案のパッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池の一例を示す構成図である。 同じく、本考案のパッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池の一例を示す構成図である。 本考案のパッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池の他の例を示す構成図である。 同じく、本考案のパッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池の他の例を示す構成図である。

符号の説明

１、２ 燃料電池
１０ アルコール供給装置
１１ アルコール供給装置の中心部（アルコール拡散部）
１２ アルコール供給装置の枝状部
１３ アルコール拡散層
１４ 第１の触媒層
１５ 第２の触媒層
１６ 高分子電解質
１８ 容器
１８A アルコール水溶液
２１ 金属容器
２１A 空気吸入口
２２ スリット
２３ パッキン
２４ 固定部材

Claims (5)

1. 中心部から放射状に延在した枝状部を有し、前記中心部から前記枝上部の先端部に向けてアルコールを供給するように構成されてなる、全体として星型を呈するアルコール供給装置を具えることを特徴とする、パッシブ型のアルコール燃料型の小型燃料電池。
2. 前記アルコール供給装置の前記中心部はアルコール拡散部を構成するとともに、前記アルコール供給装置の前記枝状部内にはアルコール拡散層が設けられ、前記アルコール拡散部に供給されたアルコールが前記アルコール拡散層を介して前記枝状部の先端部に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の小型燃料電池。
3. 前記アルコール供給装置の、前記枝状部内に設けられた前記アルコール拡散層の表面には第1の触媒層が形成されるとともに、前記枝状部内の内壁部分には前記第１の触媒層と対向するようにして第２の触媒層が形成され、前記第１の触媒層と前記第２の触媒層との間には、高分子電解質が充填されていることを特徴とする、請求項２に記載の小型燃料電池。
4. 前記アルコール拡散部及び前記アルコール拡散層の少なくとも一方に対して、生成ガス放出用のスリットを設けたことを特徴とする、請求項２又は３に記載の小型燃料電池。
5. 前記小型燃料電池は、前記アルコール供給装置を収納する容器を具えており、前記容器内には、前記アルコール供給装置に対して酸素を供給するための空気取入口を設けたことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一に記載の小型燃料電池。

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