JP4882240B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、一般に燃料電池の技術分野に関し、特に有機燃料を使用する燃料電池に関する。

近年、ノートパソコン、パーソナルディジタルアシスタント（ＰＤＡ）、携帯電話をはじめとしたポータブル機器の高性能化及び多機能化は著しい。装置の軽量小型化や長時間オペレーションを可能にするため、従来のＮｉ-Ｃｄ電池やニッケル水素電池等に代わって、高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が広く普及してきている。また、昨今の高度情報通信網の普及による携帯機器の情報通信機能強化やオペレーション時間の増加などから、電池には一層の高容量化が切望され、新規の高容量駆動電源として、昨今、リチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待される燃料電池に注目が集まっている。

燃料電池は、概して、りん酸型、固体電解質型、溶融炭酸塩型、高分子固体電解質型などに分類され、携帯用小型燃料電池には室温付近での動作に有利な高分子固体電解質型燃料電池が適している。高分子固体電解質型の中でもダイレクトメタノール型燃料電池は、燃料として有機燃料から改質された水素を供給することなく、直接電極上にメタノール（ＣＨ_３ＯＨ）などの有機燃料を供給することでエネルギー密度を向上させることができ、装置の軽量小型に適している。

図１に示されるように、ダイレクトメタノール方式では、燃料極側にメタノール水溶液が供給され、燃料極に含まれる触媒によりメタノール水溶液からプロトン（Ｈ^＋）と二酸化炭素（ＣＯ_２）が生成される。触媒には、例えばカーボン（Ｃ）に、白金（Ｐｔ）及びルテニウム（Ｒｕ）の合金が付いたものが使用されてもよい。プロトンは高分子固体電解質膜中を透過し、空気極側で、酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極及び空気極を外部回路に接続する（負荷に接続する）ことで電力が取り出せる。生成された水は空気極から系外へ放出される。この種の従来の燃料電池については、例えば特許文献１，２に記載されている。
特開２００３−２２３９２１号公報 特開２００３−２９７４０１号公報

しかし、このような燃料電池の発電システムでは、いくらかのメタノールが、分解されずに高分子固体電解質膜を通過し、空気極側で酸素と反応し、発熱するという問題がある（このような減少は、メタノールのクロスオーバとして知られている。）。即ち、燃料（メタノール等）が負荷への電力供給に寄与せずに消費されてしまうのである。従って、燃料電池に負荷が接続されていなかったとしても、いくらかの燃料が無駄に消費されてしまう問題がある。高分子電解質膜の材料を適切に選択することで、メタノールのクロスオーバを軽減することも研究されているが、クロスオーバを申し分なく抑制するには至っていないようである。

図２は、燃料の無駄な供給を停止することのできる従来例を示す。概略断面図で示される図示の燃料電池では、発電部２１の燃料供給部２３に燃料カートリッジ２５が接続されている。燃料カートリッジ２５及び燃料供給部２３は、金属や樹脂のような材料から構成される。燃料カートリッジ２５にはカートリッジ側コネクタが設けられ、燃料供給部２３にも供給側コネクタが設けられ、それらのコネクタは必要に応じて接続及び分離することができる。燃料カートリッジ２５は必要に応じて交換される。図２は、双方のコネクタが接続されている様子に加えて、円内に、それらが分離された様子を示す。各コネクタは、可動ロッドと、可動ロッドに一部に設けられたフランジと、可動ロッドを包囲するコイルバネとを有する。フランジは、燃料封止弁として機能する。

燃料カートリッジに蓄えられているメタノール液は、カートリッジ側コネクタに供給される。燃料カートリッジ２５が燃料供給部２３に取り付けられていない場合は、円内に別途示されているように、バネの弾性力によって、フランジが燃料の流路を塞ぐ。これにより、燃料の供給は停止される。燃料カートリッジ２５が燃料供給部２３に取り付けられると、各コネクタの外部に突出した可動ロッドの先端が接触し、互いに押圧することで、バネが縮み、フランジもコネクタの奥に押し込まれる。これにより、流路が開通し、燃料が、各コネクタを通じて発電部２１に流れる。そして、説明済みの化学反応が起こることで、負荷に電力が与えられる。

しかしながら、このようなコネクタを利用して燃料の漏洩を防止する機構は、その構造自体が複雑であり、コストの増加を招いてしまうという問題点がある。また、発電部をＯＦＦにする度に燃料カートリッジを切り離す必要があるので、機構が大掛かりになるだけでなく操作する手間も多くなる。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、有機燃料を電極に直接供給する燃料電池において、燃料の消費効率を向上させることである。

一実施例による燃料電池は、
燃料極及び空気極の間に固体電解質膜を挟む発電部と、
燃料極に有機燃料液を供給し、少なくとも一部が管状の弾性部材により形成されている供給路と、
前記有機燃料液の供給量を調整する調整部と
を備え、前記調整部は、ネジ山を有する回動部材と、該ネジ山に応じた溝を有するネジ受け部材と、前記発電部及び負荷の間の電気的な接続を開閉するスイッチとを有し、前記管状の弾性部材を前記回動部材により押圧することで、前記有機燃料液の供給量を減らし、前記回動部材の回転軸方向における進退が、前記スイッチの開閉に連動している、燃料電池である。

本発明によれば、有機燃料を電極に直接供給する燃料電池において、燃料の消費効率を従来よりも簡便に向上させることができる。

本発明の一態様によれば、燃料極に有機燃料液を供給する供給路の少なくとも一部が、管状の弾性部材より成り、その管状の弾性部材を押圧することで、有機燃料液の供給が抑制される。調整部で弾性部材を適切に押圧することで、燃料の供給及び停止を簡易に制御することができる。燃料電池の不使用時に燃料の供給を止めることで、燃料が無駄に消費されることを防ぎ、燃料の使用効率を向上させることができる。有機燃料液は、例えばメタノール水溶液より成る。管状の弾性部材は、シリコーンゴムや、塩化ビニルから構成されてもよい。

本発明の一態様によれば、調整部は、ネジ山を有する回動部材と、該ネジ山に対応する溝を有するネジ受け部材とを有する。回動部材を回すことで、回動部材が軸方向に進み、その先端がフレキシブルチューブをつぶすことで、燃料の供給が止まる。本発明の一態様によれば、調整部が、押しボタンスイッチより成る。本発明によれば、様々な機械的な操作によって、燃料の供給量を適切に調整することができる。

本発明の一態様によれば、調整部は、管状の弾性部材を電磁力で押圧するソレノイド手段より成る。これにより、機械的な操作でなく、電磁作用を利用して、燃料の供給量を調整することができる。調整部は、機械的に、電気的に、磁気的に又はそれらの組み合わせにより様々に構成することができる。

本発明の一態様によれば、発電部及び負荷の間の電気経路に設けられたスイッチが、例えばソレノイド手段により、調整部の押圧動作に連動して切り替えられる。燃料電池のＯＮ／ＯＦＦ動作に連動して有機燃料の無駄な供給を止めることができ、燃料電池のＯＮ／ＯＦＦ動作の制御と、燃料の供給開始及び停止の制御とを一括して行える（両者を別々に行わずに済む。）。即ち、手間を増やさずに、燃料の使用効率を向上させることができる。

図３は、本発明の一実施例による燃料電池の概念図を示す。燃料電池は、図２の例と同様に、発電部２１と、燃料供給部２３と、燃料カートリッジ２５とを有する。本実施例では、発電部２１及び燃料供給部２３はフレキシブルチューブ３１により接続され、フレキシブルチューブ３１の途中に調整部３２が設けられている。

発電部２１は、図１に示されるような、燃料極と、空気極と、燃料極及び空気極の間に挟まれた固体電解質膜とを有する。空気極用に多数の空気穴が形成されている様子が図示されている。発電部２１自体の構成及び動作は、説明済みであるので、重複的な説明は省略される。

燃料カートリッジ２５は、メタノールのような有機燃料の水溶液を蓄えている。燃料供給部２３は、燃料カートリッジ２５からの燃料を発電部２１側に供給する。燃料カートリッジ２５及び燃料供給部２３の構成及び動作は、図２に関連して説明済みであるため、重複的な説明は省略される。

フレキシブルチューブ３１は、管状の弾性部材より成り、例えばシリコーンゴムや塩化ビニルのような材料から構成されてもよい。フレキシブルチューブ３１は、適切ないかなる弾性材料から構成されてもよいが、有機燃料液に溶解しない耐性を備える必要がある。

調整部３２は、必要に応じて、フレキシブルチューブ３１に外圧を加えることで、発電部２１への燃料液の供給量を減らす或いは供給を止める。調整部３２の具体的な機構には、様々なものが考えられる。

図４は、調整部３２の一例を示す。この例では、調整部３２は、ネジ山を有する回動部材と、そのネジ山に応じて設けられた溝を有するネジ受け部材とを有する。ネジ受け部材の一端はフレキシブルチューブ３１に接している。回動部材を回転軸の回りに（例えば右回りに）回すと、回動部材が軸方向に前進し、その先端がフレキシブルチューブに接する（図４（Ａ））。更に回動部材を回すと更に進み、回動部材の先端がフレキシブルチューブを押圧し、チューブ内の燃料の流れを少なくし、最終的には燃料の流れが止められる（図４（Ｂ））。回動部材を軸の回りに逆向きに（例えば左回りに）回すと、回動部材が後退し、先端部によるチューブの押圧が解除され、フレキシブルチューブの供給路が再び開通する（図４（Ａ））。このように、回動部材を適切に回転させることで、燃料の供給量を簡易に制御することができる。図示の例ではネジ山が１巻しか描かれていないが、ネジ山の数及びネジ山のピッチ（溝のピッチ）に様々な値が採用されてもよい。燃料の供給及び停止を制御する際に、回動部材の回転角を少なくする観点からは、溝のピッチを大きくすることが好ましい。例えば、１８０度回すだけで燃料の供給及び停止を制御できるように、ピッチを大きくとってもよい。

図５は、調整部３２の一例を示す。この例では、調整部３２は、ある軸方向に進退可能であって磁性を有する可動スロットと、コイルと、バネとを有する。可動スロットにはフランジが設けられている。コイルに電流が流れていない状態では、バネの弾性力がフランジに作用することで、可動スロットの先端がフレキシブルチューブ３１に押圧される。このため、フレキシブルチューブ３１内の燃料の供給は止められる。コイルに電流が供給されると、コイルの近辺に磁場が発生し、その磁場に応答して、可動スロットが（図示の例では左側に）引き寄せられ、フランジがバネを押し縮め、可動スロットがフレキシブルチューブから離れる方向に動く。これにより、供給路の押圧が解除され、燃料の供給路が開通する。この例は、電磁作用で可動スロットを動かすので、先の例のようなネジの回転動作等を要しない。

図６は、本発明の一実施例による燃料電池の概略図を示す。説明済みの要素には、同一の参照番号が付され、重複的な説明は省略される。図６には、発電部２１に負荷６１が接続されている。発電部２１と負荷６１との間の電気経路の途中に、スイッチ６２が設けられている。スイッチ６２を開閉することで、負荷への電力供給及び電力の供給停止が制御される。本実施例では、調整部３２におけるフレキシブルチューブ３１への押圧動作は、スイッチ６２の開閉動作に連動している。より具体的には、調整部３２でフレキシブルチューブ３１が押圧され、燃料の供給が止められることと、スイッチ６２が開放されることとが連動している。図示の例では、電気的な制御線６３により、双方の動作内容が電気的に通知されるが、他の実施例では双方の動作を機械的に連動させる機構が設けられてもよい。調整部３２の動作とスイッチ６２の動作は、特定の一方（例えば、スイッチ６２）の制御動作が常に先に行われもよいし、そのような先後関係が設定されず、双方が単に連動するだけでもよい。

スイッチ６２の位置は、図６では調整部３２の外部に描かれているが、適切ないかなる場所に設けられてもよい。例えば、図７に示されるように、スイッチ６２が調整部３２内の押圧機構に隣接して設けられもよい。図７の例では、回動部材が進行すると、フレキシブルチューブ内の燃料の供給が抑制されることに加えて、進行するフランジによりスイッチ６２の状態が切り替わるように制御できる。このようなスイッチは、例えばマイクロスイッチで構成することができる。

以下、本発明により教示される手段を例示的に列挙する。

（付記１）
燃料極及び空気極の間に固体電解質膜を挟む発電部と、
燃料極に有機燃料液を供給する供給路と、
前記有機燃料液の供給量を調整する調整部と
を備え、前記供給路の少なくとも一部は、管状の弾性部材より成り、
前記調整部は、前記管状の弾性部材を押圧し、前記有機燃料液の供給量を減らす
ことを特徴とする燃料電池。

（付記２）
前記有機燃料液が、メタノールより成る
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。

（付記３）
前記調整部が、機械的又は電磁気的な力学作用を通じて、前記管状の弾性部材の押圧動作を行う
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。

（付記４）
前記調整部が、ネジ山を有する回動部材と、該ネジ山に対応する溝を有するネジ受け部材とを有する
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。

（付記５）
前記調整部が、前記管状の弾性部材を電磁力で押圧するソレノイド手段より成る
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。

（付記６）
前記調整部が、押しボタンスイッチより成る
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。

（付記７）
前記発電部及び負荷の間の電気経路に設けられたスイッチが、前記調整部の押圧動作に連動して切り替えられる
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。

（付記８）
前記管状の弾性部材が、シリコーンゴム又は塩化ビニルより成る
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。

燃料電池の動作原理を示す図である。 従来の燃料電池の部分概略図を示す。 本発明の一実施例による燃料電池の概念図を示す。 調整部の一例を示す図である。 調整部の一例を示す図である。 本発明の一実施例による燃料電池の概念図を示す。 スイッチを組み込んだ調整部の一例を示す図である。

符号の説明

２１ 発電部
２３ 燃料供給部
２５ 燃料カートリッジ
３１ フレキシブルチューブ
３２ 調整部
６１ 負荷
６２ ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
６３ 制御線

Claims (3)

1. 燃料極及び空気極の間に固体電解質膜を挟む発電部と、
   燃料極に有機燃料液を供給し、少なくとも一部が管状の弾性部材により形成されている供給路と、
   前記有機燃料液の供給量を調整する調整部と
   を備え、前記調整部は、ネジ山を有する回動部材と、該ネジ山に応じた溝を有するネジ受け部材と、前記発電部及び負荷の間の電気的な接続を開閉するスイッチとを有し、前記管状の弾性部材を前記回動部材により押圧することで、前記有機燃料液の供給量を減らし、前記回動部材の回転軸方向における進退が、前記スイッチの開閉に連動している、燃料電池。
2. 前記有機燃料液がメタノールを含む、請求項１記載の燃料電池。
3. 前記管状の弾性部材が、シリコーンゴム又は塩化ビニルにより形成されている、請求項１記載の燃料電池。

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