JP4678108B2

JP4678108B2 - 直接ジメチルエーテル形燃料電池

Info

Publication number: JP4678108B2
Application number: JP2001273838A
Authority: JP
Inventors: 良一奥山; 昌司元井
Original assignee: GS Yuasa International Ltd
Current assignee: GS Yuasa International Ltd
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2011-04-27
Anticipated expiration: 2021-09-10
Also published as: JP2003086218A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は直接ジメチルエーテル形燃料電池に関するもので、さらに詳しく言えば、燃料としてのジメチルエーテルを直接供給して発電を行うことができる、小型、ポータブル用途に適した直接ジメチルエーテル形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、そのエネルギー変換効率が高く、クリーンな電源となり得ることから、自動車等の移動体電源、住宅用電源等の分散形電源、小型携帯機器等の携帯用電源として、種々の検討が進められている。
【０００３】
これらの用途のうち、携帯用電源に燃料電池を用いることについては、特開平６−１８８００８号公報や特開２００１−１０２０６９号公報にあるように、構造が簡素で、小型化、軽量化が可能で、燃料の供給が容易であるといった特徴を持っている直接メタノール形燃料電池が注目されてきた。
【０００４】
この直接メタノール形燃料電池は、燃料としての水とメタノールを、液体のまま直接電池に供給して発電することが可能であることから、固体高分子形燃料電池において必要であった、燃料をガス化、改質するといった前処理が不要になり、また、燃料のメタノールと水を直接電池に供給しているため、固体高分子形燃料電池で問題となっていた、電解質膜の乾燥による電池特性の低下といった問題も発生しないという利点がある。さらに、構造を簡素化する試みとして、燃料を毛細管力で供給することによって燃料ポンプを不要にすることや空気を酸素の自己拡散によって供給することが検討されてきた。
【０００５】
しかしながら、直接メタノール形燃料電池は、このような多くの利点があるにもかかわらず、その燃料に用いるメタノールは毒性があることから、直接人体に接触する可能性の高い携帯用電源としては安全性の問題が未解決であった。
【０００６】
これに対し、特開平１１−１４４７５１号公報に記載がある、燃料にジメチルエーテルを用いた直接ジメチルエーテル形燃料電池は、ジメチルエーテルがメタノールに比較して毒性が低く、エネルギー密度がメタノールに比較して約１．３倍であるということで注目されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記した特開平１１−１４４７５１号公報に記載された直接ジメチルエーテル形燃料電池は、燃料としてのジメチルエーテルが常温（２５℃）、大気圧下では気体であるため、このジメチルエーテルに混合して供給する水も水蒸気の状態でジメチルエーテルに混合して負極に供給する必要があり、前記公報によれば、正極で発生した水（ガス）を負極にリサイクルする機構を設けたり、負極に燃料を供給する系に水蒸気供給装置を設ける提案がなされている。ところが、このようなリサイクルする機構を設けたり、水蒸気供給装置を設けると、直接ジメチルエーテル形燃料電池の構成が複雑になり、直接メタノール形燃料電池では問題にならなかった新たな問題が生じるに至った。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するために、ジメチルエーテルは常温（２５℃）における飽和蒸気圧が比較的低い６．１気圧であること、簡便な圧力容器内で液体の状態で保管が可能であること、フロンに代わるスプレー用噴射剤としての利用が進んでいることに着目してなされたもので、請求項１記載の発明は、プロトン導電性の高分子電解質よりなる電解質を介して負極と正極とを配し、前記負極に燃料としての気体のジメチルエーテルおよび霧状の水を供給し、前記正極に酸化剤ガスとしての空気を供給するように構成されたセルスタックを発電部として備えた直接ジメチルエーテル形燃料電池において、前記負極に供給するためのジメチルエーテルおよび水をともに収納した加圧容器を備え、該加圧容器がジメチルエーテルの飽和蒸気圧まで加圧されたことを特徴とする。
【０００９】
上記した請求項１記載の発明によれば、負極に供給するためのジメチルエーテルおよび水を加圧容器内に液体の状態で収納することができるとともに、ジメチルエーテルの蒸気圧によって水を負極に供給することができるので、水を供給するための特別な機構を必要としない、構成が簡素な直接ジメチルエーテル形燃料電池を得ることができる。
【００１０】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の直接ジメチルエーテル形燃料電池において、加圧容器が発電部を収容した電池ケース内に収納されていることを特徴とする。
【００１１】
上記した請求項２記載の発明によれば、小型化、軽量化が可能な直接ジメチルエーテル形燃料電池を得ることができる。
【００１２】
また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の直接ジメチルエーテル形燃料電池において、加圧容器がスプレー缶状であり、前記発電部に対して着脱自在に構成されていることを特徴とする。
【００１３】
上記した請求項３記載の発明によれば、加圧容器内に、ジメチルエーテルの量に対応した水を必要量だけ、ともに収納しておくことができるので、携帯用に適した直接ジメチルエーテル形燃料電池を得ることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、その実施の形態に基づいて説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施の形態に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池１００の一例を示した模式図で、プロトン導電性の高分子電解質よりなる電解質を介して負極と正極とを配し、前記負極に燃料としてのジメチルエーテルおよび水を供給し、前記正極に酸化剤ガスとしての空気を供給するように構成されたセルスタックを発電部１０として備えている。負極にジメチルエーテルおよび水を供給し、正極に空気を供給する構成としては、図５および図６の一部切り欠き斜視図に示したように、第１の流路溝４ａと第２の流路溝４ｂとを有するセパレータユニット４の、第１の流路溝４ａに負極２を対向させ、第２の流路溝４ｂに正極３を対向させ、この負極２と正極３との間に、プロトン導電性固体電解質よりなる電解質１を介在させて複数個積層してセルスタックとしたものがある。そして、図１に示したように、このセルスタックの負極２に供給するためのジメチルエーテルおよび水をともに収納した加圧容器２０を備えている。
【００１６】
前記セパレータユニット４は、図５および図６に示したように、その第１の流路溝４ａに白金、ルテニウム等の貴金属と炭素よりなる負極２を対向させ、その第２の流路溝４ｂに白金等の貴金属と炭素からなる正極３を対向させている。そして、ナフィオン（登録商標）などのプロトン導電性固体電解質よりなる電解質１を負極２と正極３との間に介在させて複数個積層してセルスタックとし、このセルスタックを発電部１０とし、ジメチルエーテルおよび水を燃料流入口４ｃから流入させ、第１の流路溝４ａを流して燃料流出口４ｄから流出させるとともに、空気を第２の流路溝４ｂに流して発電を行う。なお、本発明に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池に用いるセルスタックは、セパレータユニット４と負極２との間に吸水性ゲルなどからなる多孔性の水分保持層を設けることができる。この水分保持層によって加圧容器２０から供給されるジメチルエーテルおよび水を均一に負極２に供給できる。
【００１７】
なお、図５および図６に示したセルスタックでは、一つのセパレータユニット４の両面に第１の流路溝４ａと第２の流路溝４ｂとを形成しているが、第１の流路溝４ａを有する負極側セパレータと第２の流路溝４ｂを有する正極側セパレータとを別々に準備し、互いに接合してもよい。
【００１８】
図５または図６に示した単セルは、第１の流路溝４ａと第２の流路溝４ｂとは互いに直交しているが、平行していてもよい。
【００１９】
また、負極２に燃料としてのジメチルエーテルおよび水を供給し、正極３に酸化剤ガスとしての空気を供給するように構成されたセルスタックを発電部１０として備えたものであれば、上記以外の構造のものであってもよい。
【００２０】
上記した直接ジメチルエーテル形燃料電池は、そのブロック図が図２に示したようなものである。すなわち、図２に示したように、燃料電池１００に対し、燃料としてのジメチルエーテルが水とともに収納された加圧容器２０は、燃料電池１００内に発電部１０とともに収容されており、酸化剤ガスとしての空気は、図１の空気取入口４０を通じて、直接、セパレータユニット４の流路溝４ｂから正極３に空気中の酸素が自己拡散によって供給される構造になっている。従って、酸化剤ガスとしての空気を供給するポンプ２００が用いられ、加圧容器２０ａには燃料としてのジメチルエーテルのみが収納され、水を収納した水タンク２１ａと、この水タンク２１ａからの水を水蒸気にする水蒸気供給装置２２ａとが別に設けられた、図７のブロック図に示したような従来の直接ジメチルエーテル燃料電池に対して構成を簡素化することができるとともに、小型化、軽量化を図ることができるとともに、ポンプ２００や水蒸気供給装置２２ａを駆動するための電力も不要にすることができるため、その分だけ変換効率を高くすることができる。
【００２１】
なお、図４は、本発明の他の実施の形態に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池のブロック図を示している。この実施の形態に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池は、酸化剤ガスとしての空気を前記発電部１０に供給するためのポンプ２００のみを燃料電池１００と別に設けたことを特徴としており、ポンプ２００を駆動するための電力を必要とし、その分だけ変換効率が低下することになるものの、図２のブロック図のものより高出力を得ることができる。
【００２２】
上記した各実施の形態では、加圧容器２０をスプレー缶状にし、前記発電部１０に対して着脱自在に構成されたカセット状のものにすれば、ジメチルエーテルとそれに対応した必要量の水を、あらかじめ収納しておくことができ、携帯に適した直接ジメチルエーテル形燃料電池を得ることができる。
【００２３】
また、上記したスプレー缶状の加圧容器２０は、図１の模式図に示したようなものであれば、燃料電池１００の側面に取替部１０１を設け、この取替部１０１を開閉することにより、図３のように加圧容器２０と発電部１０との接続部３０を着脱して取り替えられるようにするのがよい。
【００２４】
従って、加圧容器２０の取り替えを簡便に行うことができ、加圧容器２０も安価なものを用いることによって、そのランニングコストの低減にも寄与することが可能である。
【００２５】
上記した直接ジメチルエーテル燃料電池は、負極２および正極３において以下のような反応が進行して、負極２においては二酸化炭素が生成して、水素イオンと電子とが放出され、正極３においては水素イオンと電子が酸素と結合して水を生成し、外部回路に電気エネルギーを取り出すことができる。
【００２６】
【化１】

【００２７】
【化２】

【００２８】
【発明の効果】
上記した如く、本発明は、直接ジメチルエーテル形燃料電池の燃料としてのジメチルエーテルおよび水を圧力容器内に収納し、ジメチルエーテルの持つ蒸気圧によって、水とともに負極に供給するようにしたものであるから、従来のような水蒸気供給装置を設ける必要がなく、小型で軽量化が可能であり、コンパクトな構成の直接ジメチルエーテル形燃料電池を得るのに寄与することができる。
【００２９】
また、あらかじめ圧力容器内に収納したジメチルエーテルの量に対し、必要な量の水を収納しておくことができるので、水タンクを設けたり、その水位を検出して外部から水を補充するといったことも必要でなくなり、この点においても、本発明は、コンパクトな構成の直接ジメチルエーテル形燃料電池を得るのに寄与する。
【００３０】
これにより、携帯電話やコンピューター用電源などの小型で、ポータブル用途に適した燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池の模式図である。
【図２】上記直接ジメチルエーテル形燃料電池のブロック図である。
【図３】本発明に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池の圧力容器の取付構造を示す図である。
【図４】本発明の他の実施の形態に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池のブロック図である。
【図５】本発明に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池に用いるセルスタックの構造を示す一部切り欠き斜視図である。
【図６】本発明に係る直接ジメチルエーテル形燃料電池に用いるセルスタックの他の構造を示す一部切り欠き斜視図である。
【図７】従来の直接ジメチルエーテル形燃料電池のブロック図である。
【符号の説明】
１電解質
２負極
３正極
４セパレータユニット
４ａ第１の流路溝
４ｂ第２の流路溝
５水分保持層
１０発電部
２０加圧容器
３０接続部
４０空気取入口

Claims

プロトン導電性の高分子電解質よりなる電解質を介して負極と正極とを配し、前記負極に燃料としての気体のジメチルエーテルおよび霧状の水を供給し、前記正極に酸化剤ガスとしての空気を供給するように構成されたセルスタックを発電部として備えた直接ジメチルエーテル形燃料電池において、前記負極に供給するためのジメチルエーテルおよび水をともに収納した加圧容器を備え、該加圧容器がジメチルエーテルの飽和蒸気圧まで加圧されたことを特徴とする直接ジメチルエーテル形燃料電池。
請求項１記載の直接ジメチルエーテル形燃料電池において、加圧容器が発電部を収容した電池ケース内に収納されていることを特徴とする直接ジメチルエーテル形燃料電池。
請求項１または２記載の直接ジメチルエーテル形燃料電池において、加圧容器がスプレー缶状であり、前記発電部に対して着脱自在に構成されていることを特徴とする直接ジメチルエーテル形燃料電池。