JP3668069B2

JP3668069B2 - 燃料電池用液体燃料収容容器および燃料電池

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Publication number: JP3668069B2
Application number: JP26721199A
Authority: JP
Inventors: 麻紀米津; 雅弘高下; 裕康角野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 1999-09-21
Publication date: 2005-07-06
Anticipated expiration: 2019-09-21
Also published as: US6506513B1; US7147950B2; US20030082421A1; JP2001093551A; EP1087455A2; EP1087455A3

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に係り、特に小型化に適した液体燃料電池およびこれに用いられる液体燃料収容容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体燃料電池としては、燃料気化供給型や毛管力を利用したものなど種々のタイプが知られている。
【０００３】
従来の燃料気化供給型の燃料電池は、高濃度の燃料を直接用いることができるため燃料部のコンパクト化に関しては有利である。しかしながら、システムが複雑であるので、そのままの構成では小型化が困難であるという問題を有している。一方、毛管力を利用した従来の液体燃料電池は、構成上は小型化に適するものの、燃料極に燃料が直接液体状態で供給されるために、低濃度の燃料を使わざるを得ない。したがって、結果的に燃料部の容積が大きくなり小型化が困難である。
【０００４】
また、燃料電池の出力を安定して取り出すためには、燃料を安定して供給することが要求される。特に、液体の燃料を供給する場合には、本体側に比べて液体燃料を収容している貯液部側が負圧状態となると、液体燃料をさらに取り出すことができなくなり、本体側での発電出力が低下してしまう。一方、貯液部側の圧力が著しく高くなった場合には、必要以上の液体燃料が本体側に供給され、本体内部が過剰の液体燃料で満たされるなどによって部材を著しく劣化してしまう。あるいは、貯液部内部の圧力が著しく上昇すると、液体燃料収容容器が破裂するなどのおそれがあり危険である。これまでに開示されているいずれの小型燃料電池においても、その液体燃料収容容器に圧力調整機構が備わっておらず、安定的に出力を取り出せないという問題を避けることができなかった。
【０００５】
さらに、ポータブル機器に適用する場合には上述したような小型化、安定出力確保に加え、燃料電池本体の設置方向に自由度が要求される。すなわち、いかなる設置方向においても、安定して液体燃料が供給されることが求められている。このことは、燃料電池を小型電源として実用化するうえでの極めて大きな障害となっている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来の燃料電池における上述したような問題点を解決し、小型機器の電源として有用な小型燃料電池を提供するために行われたものであり、液体燃料の供給システムを簡素化するとともに、液体燃料を安定して供給することができ、出力の安定した信頼性の高い燃料電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、燃料電池本体に供給される液体燃料を収容する液体燃料収容容器であって、圧力調整機構によりこの容器内の圧力を一定に保ちつつ、常に過不足ない量で前記液体燃料を液体導出部から外部に放出可能であり、前記液体導出部まで前記液体燃料を導くための液体吸収材料と、前記燃料電池本体から発生した気体を、この収容容器に導入するための気体通路とを内部に具備することを特徴とする燃料電池用液体燃料収容容器を提供する。
【０００８】
また本発明は、電解質板が燃料極と酸化剤極との間に挟持されてなる起電部を有する単電池を備えた燃料電池本体と、前記燃料電池本体に供給するための液体燃料を収容し、前記燃料電池本体に接続された液体燃料収容容器とを具備し、前記燃料電池本体は、前記液体燃料が毛管力で前記単電池に導入され、この液体燃料が前記単電池内で気化して前記燃料極に供給されることにより発電し、前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料を常に過不足ない量で液体導出部から導出して、前記単電池に供給するための圧力調整機構を有し、前記液体導出部まで前記液体燃料を導くための液体吸収材料と、前記燃料電池本体から発生した気体を、この収容容器に導入するための気体通路とを内部に具備することを特徴とする燃料電池を提供する。
さらに本発明は、燃料電池本体に供給される液体燃料を収容する液体燃料収容容器であって、圧力調整機構としてのバネ状貯液部からなる液体燃料保持容器を内部に具備し、前記圧力調整機構によりこの容器内の圧力を一定に保ち、前記液体燃料は、前記貯液部自体の作用によって常に過不足ない量で液体導出部から外部に放出可能であることを特徴とする燃料電池用液体燃料収容容器を提供する。
またさらに本発明は、電解質板が燃料極と酸化剤極との間に挟持されてなる起電部を有する単電池を備えた燃料電池本体と、前記燃料電池本体に供給するための液体燃料を収容し、前記燃料電池本体に接続された液体燃料収容容器とを具備し、前記燃料電池本体は、前記液体燃料が毛管力で前記単電池に導入され、この液体燃料が前記単電池内で気化して前記燃料極に供給されることにより発電し、前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料を常に過不足ない量で液体導出部から導出して、前記単電池に供給するための圧力調整機構としてバネ状貯液部からなる液体燃料保持容器を内部に具備し、前記液体燃料は、前記貯液部自体の作用によって前記液体放出部から押し出されることを特徴とする燃料電池を提供する。
【０００９】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
【００１０】
図１は、本発明の燃料電池用液体燃料収容容器を用いた燃料電池の要部構成を示す概略図である。なお、図１で示す燃料電池は、本発明の燃料電池用液体燃料収容容器を用いた燃料電池の一例であり、配置関係や部材の大小関係等についてはこの限りではない。
【００１１】
図１に示す燃料電池は、基本的には、液体燃料収容容器１、スタック本体２、および収容容器１からスタック本体２へ液体燃料を導入する導入管３により構成される。通常は、酸化剤ガスを供給するためのファンなどの送吸気機構（図示せず）も設けられる。図示するスタック本体２は、燃料極、酸化剤極およびこれら両極に狭持された電解質板を有する起電部を持つ単電池が、複数積層されたスタックを含む構造である。単電池は、積層せずに単層で用いることもできる。図２には、この単電池の構成の一例を表す。図示するように、気化板ａ、アノードｂ、電解質膜ｃ、カソードｄ、ガスチャネルｅ、およびセパレータｆが、２枚の液体浸透板ｇの間に配置されて、単電池が構成されている。
【００１２】
導入管３は、毛管現象が働く程度の細管で形成することができる。あるいは導入管３は、液体燃料の導入を補助する目的で、液体燃料を浸透させる多孔質な材料で満たされていてもよい。このような液体浸透材料としては、例えば、ポリウレタン、ポリエステル、セルロース、フェノール系樹脂などのスポンジ等の多孔質材等を用いることができる。
【００１３】
図示するように本発明の燃料電池においては、液体燃料収容容器１は接続部４で導入管３に接続されており、この接続部は密閉されていることが望まれる。接続部の密閉が不十分の場合には、液体燃料が揮発するおそれがあるからである。なお、本発明の燃料電池において用いられ得る液体燃料としては、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコール類やジエチルエーテルなどのエーテル類、ヒドラジンなどが挙げられ、特にメタノールは水との混合溶液として用いられる。この混合溶液の成分が揮発して液体燃料の組成比がずれた場合には、種々の不都合が生じるので、燃料の揮発は極力防止することが望ましい。したがって、容器１と導入管３との接続部４は、常圧でアルコールの揮発を防止できる程度の密閉力を有していることが好ましい。具体的には、液体燃料を液体として、あるいは蒸発した燃料成分の飽和蒸気圧の密閉が可能であることが望まれる。
【００１４】
導入管３から本体２に導入される液体燃料は、スタック内部の各単電池に均等に安定して供給するために、レシーバー５と呼ばれる一種の液体燃料保持材に導かれる。さらに液体燃料は、このレシーバー５から液体燃料浸透部材を経て各単電池へ供給され、燃料極の手前に設けられた気化部で液体燃料が気化した後、燃料極に導入される。
【００１５】
このような本発明の燃料電池においては、液体燃料を毛管力でセル内に導入するため、燃料供給のためのポンプ等の駆動部を必要としない。電池内に導入された液体燃料は、燃料気化層にて電池反応の反応熱を利用して気化されるため、燃料気化器等の補器を必要としない。また、燃料気化層内の気体燃料は、ほぼ飽和状態に保たれるので、電池反応による燃料気化層中の気体燃料の消費分だけ燃料浸透層から液体燃料が気化し、さらに気化分だけ液体燃料が毛管力によってセル内に導入される。
【００１６】
さらに、燃料供給量は燃料消費量に連動しているため、本発明の燃料電池においては、未反応で電池の外に排出される燃料はほとんどなく、従来の液体燃料電池のように、燃料出口側の処理系を必要としない。すなわち、本発明の燃料電池は、ポンプやブロワ、燃料気化器、凝縮器等の補器を特に用いることなく液体燃料を円滑に供給することができるので、小型化を図ることが可能となる。
【００１７】
本発明の燃料電池用液体燃料収容容器１には、液体燃料を安定して前記燃料気化層に供給するために、その内部の圧力を調整できる機構が設けられている。液体燃料を安定して燃料気化層に供給するためには、気化層での消費量に応じて、滞りなく液体燃料収容容器１から液体燃料が流出する機構が必要である。例えば、収容容器からの液体燃料の流出にともなって容器外部から大気等を取り込む負圧対策機構である。これによって、容器内部が本体側より負圧にならないように制御することができる。より具体的には、図１に示されるように、収容容器１の上部側面の所定の領域に細孔６を設けることによって、負圧対策機構とすることができる。細孔６は１つに限らず、必要に応じて複数個設けてもよい。また、細孔の大きさは特に限定されないが、液体燃料の過剰な蒸発を防ぐことを考慮すると０．２〜５ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００１８】
こうした細孔６には、除去可能な膜が設けられていてもよい。また、図３に示すように、細孔６にふた９を設けることもできる。使用者が必要に応じてその膜あるいはふた９を除去することによって、細孔６を露出させ、容器１内に大気を導入することができる。
【００１９】
あるいは、選択透過性の膜を細孔６に設けることもできる。ここでの選択透過性の膜は、液体燃料成分の気化物の透過率は低く、一方、大気などの気体の透過率は比較的高いものが好ましく用いられる。選択透過性の膜としては、例えば、フッ素系ＦＥＰ樹脂等が挙げられる。選択透過性の膜の膜厚は、使用する液体燃料の種類や成分、飽和蒸気圧等に応じて適宜選択することができるが、通常１０〜１０００ミクロン程度である。
【００２０】
また本発明においては、燃料電池本体２側で発生したガス成分を積極的に液体燃料収容容器１側に導入することによって、負圧対策を図ることもできる。例えば、図４に示されるように、液体燃料を供給するための液体燃料浸透材８と、本体側で発生したガスを燃料収容容器内に導くためのガス導入細管１１とを組み合わせて容器１中に配置することができる。ガス導入細管１１は、液体燃料浸透材８の内部に、その長手方向にわたって配置してもよい。すなわち、液体燃料を伝達するための燃料浸透部材８を外側に設け、本体２側で発生したガスを燃料収容容器１に導くためのガス導入細管１１をその内側に配置した二重構造とすることができる。しかしながら、こうした構造に限定されず、液体燃料を供給するための液体燃料浸透材８と、本体側で発生したガスを燃料収容容器内に導くためのガス導入細管１１とを任意の手法により組み合わせて、容器１内に設けることができる。
【００２１】
図４（ａ）には、液体燃料収容容器１が導入管３に接続された状態を示しており、液体燃料浸透材８およびガス導入細管１１は、本体２（図示せず）に達している。容器１を導入管３に接続しない場合には、図４（ｂ）に示されるようにふた１０で覆うことによって、容器１内に収容されている液体燃料７の揮発を防止することができる。
【００２２】
なお、液体燃料収容容器１内の気体部分の圧力が、その温度などにより著しく上昇した場合には、圧力上昇とともに液体燃料収容容器から本体２側へ液体燃料が過剰に供給されるおそれがある。さらに、液体燃料収容容器内部の圧力が上昇して、危険が生じるという不具合が発生する。このような不具合を防止するために、容器内の圧力が所定の値以上になった場合に、その圧力を逃がす機構を設けておくことが好ましい。例えば、図５に示すように、バネ１４とＯリング１３との作用によって可動な圧力リリース弁１５を液体燃料収容容器１の一部に設けることが考えられる。あるいは、一定の圧力以上で破裂する防護膜を設けることも、圧力の開放に有効な手法である。
【００２３】
上述したような負圧対策機構または加圧対策機構を設けることによって、容器内の圧力を調整することができる。
【００２４】
さらに、小型機器用の電源においては、燃料電池本体がいかなる方向で配置された場合でも、安定して燃料が供給されることが求められる。特に、液体状態の燃料を用いる場合には、その導入方法に工夫がなされていないと燃料の供給が停止するおそれがある。本発明の燃料電池においては、本体がいかなる方向で設置された場合でも、これに接続された液体燃料収容容器から液体燃料が滞りなく流出することが望まれる。
【００２５】
具体的には、図６に示すように、燃料導出部１２まで達するように、液体燃料を浸透しやすい部材（液体燃料浸透材）８を容器内部に配置する構造が挙げられる。図６（ａ）に示す容器においては、液体燃料浸透材８は、容器内の燃料導出部１２が設けられている側の面と、この面に対向する面とに設けられており、いずれの面においても、それぞれの面を覆うように液体燃料浸透材８が配置されている。２つの面に設けられた液体燃料浸透材８は、同様の液体燃料浸透材８により接続されている。このような配置で液体燃料浸透材８を容器１内に設けることによって、液体燃料浸透材８の少なくとも一部は常に液体燃料７と接することになる。したがって、収容容器１がいかなる上下方向で設置されても、液体導出部１２に液体燃料７を供給することができる。
【００２６】
また、図６（ｂ）に示す容器においては、容器の内壁のうちの対向する２つの面に、液体燃料浸透材８が設けられている。図６（ａ）の場合と同様に、いずれの面においても、それぞれの面を覆うように液体燃料浸透材８が配置されている。こうした２つの液体燃料浸透材８は、容器外壁に形成された大気取り入れ用の細孔６または燃料導出部１２とそれぞれ接触している。２つの液体燃焼浸透材８の少なくとも一部は、液体燃料７に常に接することになるので、いかなる上下方向で収容容器１が配置された場合であっても、燃料導出部１２に液体燃料７を供給することが可能となる。なお、図６（ｂ）に示した収容容器１の上下を反対に配置した場合には、大気取り込み用の細孔６と燃料導出部１２とは入れ替わって作用する。
【００２７】
また、収容容器内の液体燃料が、圧力機構によって常に液体導出部まで押し出される構造とすることもできる。こうした構造の容器の例を、図７に示す。図７（ａ）に示す容器においては、バネ１４によって燃料封入部材３０が移動する。それによって、燃料導出口１２から液体燃料７が押し出される。また、図７（ｂ）に示す容器においては、液体燃料７はバネ状貯液部１６内に収容され、この貯液部自体の作用によって燃料導出口１２から押し出される。
【００２８】
なお、液体燃料を押し出す応力としてバネなどの機械的圧力だけでなく、封入したガス圧を用いてもよい。使用するガスとしては、アルゴンや窒素などの不活性ガスが好ましいが特に限定されるものではない。
【００２９】
さらに、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すように、液体収容容器自体あるいは少なくとも液体燃料が収容されている貯液部のみを回転させる機構を設けることもできる。
【００３０】
図８（ａ）に示す容器１においては、液体燃料を導出する導入管３はフレキシブルな部材で構成されているので、燃料電池本体（図示せず）の設置向きに拘わらず、液体導出部１２が下方となるように容器１を設置することができる。
【００３１】
図８（ｂ）に示す容器１は球状であり、支持枠１７内に支持されている。容器１内の所定の個所にはおもり１９が設けられており、支持枠１７と容器１との間にはベアリング１８が配置されている。こうした構成とすることによって、燃料電池本体（図示せず）がいかなる方向で配置されても、貯液部は３６０°自由に回転して、燃料導出部１２は貯液部の下方に位置させることができる。
【００３２】
また、図８（ｃ）に示す容器は、重り１９の作用が設けられているので、液体導出部１２は必ず貯液部の下方に位置する。しかも、容器１内には液体燃料浸透材８が液体導出部１２に達して設けられているので、この液体燃料浸透材８に液体燃料が接している限り、液体燃料７を本体（図示せず）に供給することが可能となる。
【００３３】
このように、燃料電池本体の設置方向によらず安定して液体燃料を供給可能な液体燃料収容容器を用いることによって、本発明の燃料電池は使用環境が制約させることはなくなり、広い範囲に適用することが可能となった。
【００３４】
さらに、用いられる燃料が液体であることを考慮すると、液体燃料収容容器と本体との接続部は、液体燃料収容容器から本体へ液体燃料が供給される際に、燃料が漏洩せず、安定して供給される構造であることが望まれる。特に着脱可能な液体燃料収容容器は、燃料の蒸気圧が比較的高い場合には、保存状態で燃料が揮散することのない構造であることが好ましい。
【００３５】
図９には、こうした構造の容器の例を示す。図９（ａ）には、容器１を導入管３に接続した状態を表しており、液体燃料収容容器１内には、燃料の浸透しやすい部材（液体燃料浸透材）８が液体燃料導出部まで形成されている。さらに、導入管３内部にも、同様の燃料浸透材８が配置されている。液体燃料７は、導入管３内の燃料浸透材８を経て、燃料電池本体のレシーバー５に供給される。
【００３６】
このような構造の容器１を導入管３に接続する前には、図４（ｂ）に示したようなふた１０で導出部を覆って、容器内に収容されている液体燃料の揮発を防止することができる。あるいは、開閉ふたを容器１の導出部に設けることによって、液体燃料の揮発を防止してもよい。容器を図９（ａ）に示すように導入管に接続する際には、導出部に設けられた容器のふたを取り外すことにより、あるいは導出部の開閉ふたを開くことにより、燃料浸透材８を露出させて導入管３に接続する。
【００３７】
図９（ｂ）には、図９（ａ）における接続部４の構造の一例を示す。収容容器１の導出部１２の周囲には、筒状の流出口開閉用ふた３１が摺動可能に設けられており、導入管３の内壁には浸透材接続パッド３２が設けられている。このような収容容器１を導入管３に接続する際には、流出口開閉用ふた３１が押し上げられて、容器１の導出部１２と導入管３の浸透材接続パッド３２とが接触する。このように導出部１２と浸透材接続パッド３２とが接触すると、毛細管現象により容器１側から導入管３側へ液体燃料が導入される。
【００３８】
また、液体燃料収容容器１が本体に接続されたときのみに液体燃料７が流出するような構造の容器とすることもできる。こうした容器と導入管との接続部の例を図１０〜図１２に示す。
【００３９】
図１０（ａ）に示す例においては、容器１の導出部には、摺動可能な接続部３３とテーパー付き中心軸２０とが設けられている。なお、図１０（ｂ）には、この流出部の平面図を表している。導入管３の内壁には、突起２１が設けられており、容器１を導入管３内に挿入した際には、この突起２１によって接続部３３が上方へ押し上げられる。テーパー付き中心軸２０は上方に向かってテーパーが形成されているので、接続部３３が持ち上げられるにしたがって接続部３３の先端の細孔が開放されて、液体燃料７が収容容器１から導入管３へ流出する。
【００４０】
図１０（ａ）に示した接続部は、図１１（ａ）に示すように変更することもできる。図１１（ａ）においては、容器１を導入管３に挿入した際に、容器の接続部３３を押し上げるためのボス２２が、導入管内部に設けられている。これ以外の構造は、図１０（ａ）に示したものと同様である。なお、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）には、容器１の流出部および導入管３の平面図をそれぞれ示している。図１１（ａ）に示した例においても、テーパー付き中心軸２０は上方に向かってテーパーが形成されているので、接続部３３が持ち上げられるにしたがって接続部３３の先端の細孔が開放されて、液体燃料７が収容容器１から導入管３へ流出する。
【００４１】
さらに、図１２に示すような接続部も可能である。図１２に示す例においては、容器１の流出部には、燃料流出制御用弁体２３がバネ１４により取り付けられている。一方、導入管３内には、容器１が接続された際に、この弁体を押し上げるためのボス２２が設けられている。したがって、容器１を導入管３に接続した際には、容器に設けられた弁体２３はボス２２により押し上げられて流出孔が開放されて、液体燃料７が導入管３へ供給される。
【００４２】
このような手法を採用することによって、液体燃料の保存性と接続時の燃料の安定供給とを両立する機構を収容容器の接続部に設けることができる。こうした液体燃料収容容器を燃料電池本体に接続した場合には、信頼性の高い燃料電池が得られる。なお、図９（ａ）から図１２において、液体燃料を密閉するためのＯリング１３は、接続部側あるいは本体側に設けられていてもよい。
【００４３】
本発明の液体燃料収容容器は、図１３に示すように本体の上部に配置することもできる。すなわち、容器中に収容された液体燃料の液面が、燃料電池本体の単電池を構成する電解質板の主面に直交する方向となるように、容器１と燃料電池本体２とが接続された構造である。重力を利用して液体燃料を燃料電池本体２に供給する場合には、このように本体上部に液体収容容器１を設置することが好ましい。図示するように本体上部に液体収容容器を設置する場合には、液体燃料が本体のレシーバー５に直接導入されるように、容器１と本体２とを接続することができる。
【００４４】
また、図１４（ａ）、（ｂ）に示すように、本体の側面に液体燃料収容容器を直接接続することも可能である。この場合には、容器中に収容された液体燃料の液面は、燃料電池本体の単電池を構成する電解質板の主面に平行な方向となるように、容器と本体とが接続されているということができる。図示していないが、本体の下部に液体燃料収容容器を設置してもよい。本体の側面や下部に液体燃料収容容器を設置する場合には、毛管力等を利用して液体燃料を本体側へ供給することができる。
【００４５】
本発明の燃料電池を長時間作動させるためには、液体燃料収容容器１は、着脱交換可能に接続されていることが好ましいが、接続後に導入管３または本体２に固定して用いることもできる。導入管３または本体２に収容容器１が固定されている場合には、図１５に示すように、所定の場所に液体燃料補充用の細孔２７を設けることが望ましい。これによって、図示するように液体燃料補給器具２４を用いて、この細孔２７から液体燃料を補給することが可能となる。
【００４６】
着脱交換可能な容器の場合には容器を交換することによって、また、液体燃料を補充可能な容器の場合には燃料を補充することによって、小型であるにもかかわらず燃料電池を長時間作動させることが可能となる。
【００４７】
ただし、着脱可能な液体燃料収容容器は、交換時期を確認できるように、外部から容器内の燃料の残存量を視認できることが望まれる。同様に、液体燃料を補充可能な構造の液体燃料収容容器もまた、燃料の補充時期を確認できるよう、外部から容器内の燃料の残存量を視認可能な構造とすることが好ましい。
【００４８】
例えば、図１６（ａ）、（ｂ）に示すように、液体収容容器１自体を、透明または半透明の材料で構成して、内部に収容されている液体燃料の残存量を確認することができる。透明または半透明の材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、テフロンなどのフッ素系樹脂等を用いることができる。あるいは、図１７に示すように、容器１の所定の個所に液体燃料残存量確認用窓２５を設けることによって、内部に残存する液体燃料の量を確認することも可能である。
【００４９】
さらに、容器内の液体燃料残存量確認を容易にするために、燃料側に工夫を施すことも望ましい。具体的には、液体燃料の供給あるいは気化、反応の妨げにならない物質で、燃料を着色することが考えられる。こうした物質としては、例えば、有機・無機系染料等が挙げられる。あるいは、発泡スチロールのような液体燃料よりも比重の軽い固体を浮き材として液体燃料に添加してもよい。こうした浮き材２６は、図１８に示すように液体燃料の液面に常に位置しているので、図１６、図１７に示したような容器１と組み合わせることによって、液体燃料の残存量をより容易に確認することができる。液面を検知するために添加される物質は、固体に限定されるものではなく、液体燃料よりも比重の軽い着色された有機溶媒やオイルのような液体を用いてもよい。
【００５０】
以上のように、本発明の燃料電池用液体燃料収容容器を用いることによって、安定出力を確保し、信頼性の高い燃料電池が得られる。さらに、使用される燃料電池本体の設置の方向は何等制限されず、任意の方向で本体を配置しても、安定して液体燃料を供給することができる。このため、燃料電池の適用範囲を大きく広げることが可能となる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
以下、具体例を示して本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００５２】
（実施例１）
まず、燃料電池本体内部の単電池を、以下の手法により作製した。
【００５３】
カーボンクロス上にＰｔ−Ｒｕ系触媒層を塗布した３２ｍｍ×３２ｍｍの燃料極と、カーボンクロス上にＰｔブラック触媒層を塗布した３２ｍｍ×３２ｍｍの酸化剤極とを用意した。こうした燃料極および酸化剤極の触媒層が電解質膜と接するように、パーフルオロスルホン酸膜からなる電解質膜を挟持した。これらを、１２０℃で５分間、１００ｋｇ／ｃｍ²の圧力でホットプレスして接合し、起電部を作製した。
【００５４】
得られた起電部と、燃料気化層としてのカーボン多孔質板（平均孔径８５μｍ、気孔率７３％）と、燃料浸透層としてのカーボン多孔質板（平均孔径５μｍ、気孔率４０％）とを積層し、酸化剤ガス供給溝（深さ２ｍｍ、幅１ｍｍ）を設けた酸化剤極側ホルダーと燃料極側ホルダーとの間に配置して、反応面積１０ｃｍ²の単電池を作製した。こうした構成の単電池を１０個積層して、燃料電池本体を得た。
【００５５】
一方、液体燃料収容容器には、メタノールと水との１：１（モル比）混合液３５０ｍｌを液体燃料として収容した。この容器には、図１に示したような位置に直径約５ｍｍの細孔６を形成し、選択透過性の膜（フッ素系ＦＥＰ樹脂製、２５ミクロン厚）を配置して負圧対策機構を設けた。
【００５６】
こうした燃料電池用液体燃料収容容器を前述の液体燃料電池本体の接続部に、図１に示すようにセットした。この際、液体燃料収容容器１と導入管３との接続には、図９に示したような構造の接続部を用いた。したがって、液体燃料収容容器１内の液体燃料７は、導入管３、レシーバー５、および前述のカーボン多孔質板を経て、毛管力により燃料極側に供給される。
【００５７】
こうした構造の燃料電池を用い、酸化剤ガスとして１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガスチャンネルに流して、８０℃で発電を行った。
【００５８】
その結果、電圧５．１Ｖ、電流２８０ｍＡ／ｃｍ²の出力を取り出すことができ、この発電を１８時間継続して行った際にも、出力は低下することはなく安定していた。また、燃料電池稼働時のみならず、燃料容器の着脱時にも燃料（メタノール：水混合溶液）の漏出は全く起こらなかったため、信頼性の高い小型の燃料電池であることが確認された。
【００５９】
（比較例）
負圧対策の細孔を設けない液体燃料収容容器を用いた以外は、前述の実施例１と同様にして燃料電池を構成した。燃料電池本体の構成、本体と収容容器との接続法、燃料の供給法および用いた燃料は、いずれも実施例１の場合と同様である。
【００６０】
この燃料電池においては、酸化極に酸化剤ガスとして１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガスチャンネルに流し、前述の実施例１と同様に８０℃で発電試験を行った。
【００６１】
その結果、発電開始当初は電圧４．８Ｖ、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ²を取り出すことができたが、時間の経過とともにその出力は低下した。８時間の運転後に取り出せた出力は、電圧３．１Ｖ、電流密度１２０ｍＡ／ｃｍ²であり、実施例１より著しく低い。
【００６２】
このように、負圧対策機構を設けない液体燃料収容容器を用いた比較例の燃料電池は信頼性の低いことが確認された。
【００６３】
（実施例２）
前述の実施例１と同様にして燃料電池本体を作製し、レシーバー５としてメタノールを浸透しやすい有機材料でレシーバー部を設けておいた。
【００６４】
燃料電池用液体燃料収容容器としては、図１３に示したような燃料電池本体２の上部に直接接続できるものを用意し、負圧対策用の細孔を２つ設けてキャップでふたをした。収容容器に設けた２つの細孔の位置は、容器の対角の位置とし、少なくとも一方からは外気を取り入れることができるようにした。さらに、収容容器内には、図１３に示したように液体燃料浸透材料８を配置して、本体の設置方向によらず液体燃料を供給するのを可能とした。こうした構成の容器を、図１３に示したように燃料電池本体２にセットした。この際、液体燃料収容容器１と電池本体２との接続には、図９（ａ）に示したような構造の接続部を用いた。
【００６５】
液体燃料収容容器内に、燃料としてメタノールと水の等モル混合溶液を２００ｍｌ収容し、液体燃料収容容器１内の液体燃料７は、浸透材料８、レシーバー５、および前述のカーボン多孔質板を経て、毛管力により液体燃料７を燃料極側に供給した。その際、容器上部の負圧対策用細孔のキャップ９を開いておいた。
【００６６】
こうした構造の燃料電池を用い、酸化剤ガスとして１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガスチャンネルに流して、７４℃で発電を行った。
【００６７】
その結果、電圧４．６Ｖ、電流２４０ｍＡ／ｃｍ²の出力を取り出すことができ、この発電を８時間継続して行った際にも、出力は低下することはなく安定していた。
【００６８】
さらに、燃料電池の発電中に、収容容器１の負圧対策用細孔６を一時的に閉じ、静かに上下を反転して、本体２が液体燃料収容容器１の上部となるよう配置を変更した。その後、他方の負圧対策用細孔６’を開放して、引き続き発電を行ったところ、３時間経過後も出力に大きな変化はみられなかった。このことから、本発明の燃料電池は、その配置に関わらず発電ができることがわかる。また、燃料電池稼働時のみならず、燃料容器の着脱時にも燃料（メタノール：水混合溶液）の漏出は全く起こらなかったため、信頼性の高い小型の燃料電池であることが確認された。
【００６９】
（実施例３）
前述の実施例１と同様にして燃料電池本体を作製した。
【００７０】
燃料電池用液体燃料収容容器としては、図１５に示したような補給ができるタイプのものを用意した。また、この容器はポリカーボネートにより構成した。容器に用いた材料は半透明であるので、図１６に関して説明したように、内部に収容されている液体燃料の状態を目視により確認することができる。
【００７１】
燃料としてはメタノールと水のモル比で１：１混合溶液を調製して、色素としての有機系染料で着色した。さらに、この液体燃料には、図１８に関して説明したような直径が約５ｍｍの発泡スチロール製の球を複数個加えた。こうして得られた燃料５０ｍｌを前述の液体燃料収容容器に収容し、燃料電池本体と接続した。この際、液体燃料収容容器１と導入管３との接続には、図９（ｂ）に示したような構造の接続部を用いた。したがって、液体燃料収容容器１内の液体燃料７は、浸透材料８、レシーバー５、および前述のカーボン多孔質板を経て、毛管力により燃料極側に供給される。
【００７２】
こうした構造の燃料電池を用い、燃料補給兼負圧対策細孔のキャップ９をはずした状態として、酸化剤ガスとしての１ａｔｍの空気を８０ｍｌ／ｍｉｎでガスチャンネルに流し、温度７５℃で発電試験を開始した。
【００７３】
その結果、電圧４．５Ｖ、電流密度２６０ｍＡ／ｃｍ²の出力を取り出すことができ、４時間の運転後も出力に大きな変化は認められなかった。このとき、外部から目視により液体燃料の消費が確認されたため、改めて燃料補給器具を用いてさらに５０ｍｌの燃料を容器に添加して、発電試験を継続した。さらに４時間の運転中も出力に大きな変化は認められず、液体燃料の漏洩などの不具合も全く起こらなかった。このため、信頼性の高い燃料電池として機能していることが確認された。
【００７４】
（実施例４）
前述の実施例１と同様にして燃料電池本体を作製した。
【００７５】
燃料電池用液体燃料収容容器としては、図３に示したような負圧対策機構を備えたものを用意し、この中に燃料としてのメタノールと水の等モル混合溶液２００ｍｌを収容した。
【００７６】
この燃料収容容器を燃料電池本体と接続して、図１に示したような燃料電池を作製した。
【００７７】
なお、図３に示されるように、液体燃料収容容器１中および導入管３中の液体吸収材８の内部には、本体側で発生したガスを導入できる細管１１を設けた。この細管１１の一方の端部は液体燃料収容容器１中に開いており、他方の端部は本体２側のアノード側で発生するＣＯ₂を回収するスペースに開いている。さらに、細管１１の途中に圧力調整用の弁を設けることによって、一定圧力以上ではこの弁からＣＯ₂が開放されるのを可能にした。
【００７８】
こうした構造の燃料電池を用い、カソード側には酸化剤ガスとして１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガスチャンネルに流して、温度６５℃で発電試験を開始した。
【００７９】
その結果、電圧５．１Ｖ、電流密度２７０ｍＡ／ｃｍ²の出力を取り出すことができた。１０時間の運転後にも出力に大きな変化は認められず、液体燃料が過不足なく安定して供給され、発電が行われていることが確認された。
【００８０】
また、ＣＯ₂発生に起因して本体内部の圧力が一時的に高くなるという現象が認められたが、細管に設けた圧力開放弁が開いたため、内圧がそれ以上高くなることはなかった。液体燃料の漏洩などの不具合も全くなく、信頼性の高い燃料電池として機能していることが確認された。
【００８１】
（実施例５）
前述の実施例１と同様にして燃料電池本体を作製した。
【００８２】
一方、液体燃料収容容器１としては、図８（ｂ）に示したような回転可能な貯液部を有するものを用意した。この容器には、直径約３ｍｍの細孔を形成し、選択透過性を有するテフロン系ＦＥＰ膜（３０ミクロン厚）を配置して負圧対策機構を設けた。この燃料収容容器内に、液体燃料としてメタノールと水の等モル混合溶液を１５０ｍｌ収容し、フレキシブルな導入管により燃料電池本他と接続して燃料電池を得た。なお、ここで用いた導入管の内部には、液体燃料浸透材が配置されている。
【００８３】
こうした構成の燃料電池に毛管現象によりアノード側に液体燃料を供給し、カソード側には酸化剤ガスとして１ａｔｍの空気を９０ｍｌ／ｍｉｎでガスチャンネルに流して温度８０℃で発電試験を開始した。
【００８４】
その結果、電圧４．８Ｖ、電流密度３００ｍＡ／ｃｍ²の出力を取り出すことができ、約６時間の発電を行った際も出力は安定していた。また、運転途中で本体を約１５°傾けて発電試験を続けたところ、本体への燃料供給が滞ることはなく、安定して発電を行うことができた。
【００８５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、液体燃料の供給システムを簡素化するとともに、液体燃料を安定して供給することができ、出力の安定した信頼性の高い燃料電池が提供される。
【００８６】
本発明の燃料電池用液体燃料収容容器を用いることによって、ポンプやブロア等を用いることなく、簡素な構造で液体燃料を円滑に気化供給することができ、かつ、安定して高い出力を得ることができる。また、液体燃料収容容器に圧力調整機構を備えているので、燃料気化部に安定して液体燃料を供給することが可能となり、継続して発電を行っても出力変動が少ない信頼性の高い燃料電池が得られた。
【００８７】
しかも、本体の設置向きに拘わらず、液体燃料収容容器から継続して燃料を供給する構造も得られ、燃料電池の使用場所やその取り付け方法の自由度を大きく向上できる。さらに、液体燃料収容容器からの液体燃料の流出・停止は、液体燃料収容容器の着脱によって自動的に生じるために制御が簡便であると同時に、燃料の不要な流出・揮散を抑制することが可能となった。
【００８８】
このように、高性能とシステムの簡素化とを両立することが本発明により初めて可能となった。本発明により、従来困難とされていた小型を図るとともに稼働中には安定して液体燃料を供給できるのみならず、液体燃料が漏出しない信頼性の高い燃料電池が得られ、その工業的価値は絶大である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の一例の構成を表す概略図。
【図２】本発明の燃料電池における単電池の構成を表す断面図。
【図３】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の一例の構成を表す概略図。
【図４】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例の構成を表す概略図。
【図５】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例の構成を表す概略図。
【図６】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例の構成を表す概略図。
【図７】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例の構成を表す概略図。
【図８】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例の構成を表す概略図。
【図９】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例の構成を表す概略図。
【図１０】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器と導入管との接続部の構造の一例を表す概略図。
【図１１】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器と導入管との接続部の構造の他の例を表す概略図。
【図１２】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器と導入管との接続部の構造の他の例を表す概略図。
【図１３】本発明の燃料電池の他の例の構成を表す概略図。
【図１４】本発明の燃料電池の他の例の構成を表す概略図。
【図１５】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例を表す概略図。
【図１６】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例を表す概略図。
【図１７】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例を表す概略図。
【図１８】本発明の燃料電池用液体燃料収容容器の他の例を表す概略図。
【符号の説明】
１…液体燃料収容容器
２…スタック本体
３…導入管
４…接続部
５…レシーバー
６…細孔
７…液体燃料
８…液体燃料浸透材
９…ふた
１０…容器ふた
１１…ガス導入細管
１２…液体燃料流出孔
１３…Ｏリング
１４…バネ
１５…過圧防止弁
１６…液体燃料保持容器
１７…支持枠
１８…ベアリング
１９…おもり
２０…テーパー付き中心軸
２１…突起
２２…ボス
２３…弁体
２４…液体燃料補給器具
２５…液体燃料残量確認窓
２６…浮き材
２７…液体燃料補充用細孔
３０…液体封入部材
３１…流出口開閉用ふた
３２…浸透材接続パッド
３３…接続部
ａ…気化板
ｂ…アノード
ｃ…電解質膜
ｄ…カソード
ｅ…ガスチャネル
ｆ…セパレータ
ｇ…液体浸透板

Claims

燃料電池本体に供給される液体燃料を収容する液体燃料収容容器であって、圧力調整機構によりこの容器内の圧力を一定に保ちつつ、常に過不足ない量で前記液体燃料を液体導出部から外部に放出可能であり、前記液体導出部まで前記液体燃料を導くための液体吸収材料と、前記燃料電池本体から発生した気体を、この収容容器に導入するための気体通路とを内部に具備することを特徴とする燃料電池用液体燃料収容容器。
前記液体導出部に接触して容器内壁に配置された液体吸収材料を具備し、この液体吸収材料の少なくとも一部は前記液体燃料と常に接していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用液体燃料収容容器。
前記液体導出部まで前記液体燃料を導く圧力機構を容器内に具備し、容器内の液体燃料は前記液体導出部と常に接していることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池用液体燃料収容容器。
前記圧力調整機構は加圧対策機構であり、この加圧対策機構は、容器に設けられた圧力開放弁であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池用液体燃料収容容器。
少なくとも一部が透明または半透明の材料により構成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池用液体燃料収容容器。
電解質板が燃料極と酸化剤極との間に挟持されてなる起電部を有する単電池を備えた燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に供給するための液体燃料を収容し、前記燃料電池本体に接続された液体燃料収容容器とを具備し、
前記燃料電池本体は、前記液体燃料が毛管力で前記単電池に導入され、この液体燃料が前記単電池内で気化して前記燃料極に供給されることにより発電し、
前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料を常に過不足ない量で液体導出部から導出して、前記単電池に供給するための圧力調整機構を有し、前記液体導出部まで前記液体燃料を導くための液体吸収材料と、前記燃料電池本体から発生した気体を、この収容容器に導入するための気体通路とを内部に具備することを特徴とする燃料電池。
前記液体燃料収容容器と前記燃料電池本体との接続部は、密閉されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
前記液体燃料収容容器は、内部に液体浸透材料を有する導入管を介して前記燃料電池本体に接続されていることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池。
前記燃料電池本体は、前記単電池に安定して前記液体燃料を供給するための液体燃料保持材を具備し、前記液体燃料収容容器は、この液体燃料保持材に前記液体燃料を直接供給するよう接続されていることを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池。
前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料の液面が、前記燃料電池本体の単電池を構成する電解質板の主面に直交する方向となるよう接続されていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料の液面が、前記燃料電池本体の単電池を構成する電解質板の主面に平行な方向となるよう接続されていることを特徴とする請求項６ないし９のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料が導出される燃料導出部に液体燃料を導くための第１の液体吸収材を内部に有し、前記収容容器が接続される接続部は、前記液体燃料を前記燃料電池本体に導入するための第２の液体吸収材を内部に有し、前記第１の液体吸収材と前記第２の液体吸収材とが接触して毛管現象により前記液体燃料が供給されることを特徴とする請求項６ないし１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料を導出するための液体導出孔が穿設された挿入筒と、開閉可能な可動式開閉弁とを有し、前記収容容器が接続される接続部は、前記可動式開閉弁を開放する手段を内部に有することを特徴とする請求項６ないし１１のいずれか１項に記載の燃料電池。
燃料電池本体に供給される液体燃料を収容する液体燃料収容容器であって、圧力調整機構としてのバネ状貯液部からなる液体燃料保持容器を内部に具備し、前記圧力調整機構によりこの容器内の圧力を一定に保ち、前記液体燃料は、前記貯液部自体の作用によって常に過不足ない量で液体導出部から外部に放出可能であることを特徴とする燃料電池用液体燃料収容容器。
電解質板が燃料極と酸化剤極との間に挟持されてなる起電部を有する単電池を備えた燃料電池本体と、
前記燃料電池本体に供給するための液体燃料を収容し、前記燃料電池本体に接続された液体燃料収容容器とを具備し、
前記燃料電池本体は、前記液体燃料が毛管力で前記単電池に導入され、この液体燃料が前記単電池内で気化して前記燃料極に供給されることにより発電し、
前記液体燃料収容容器は、前記液体燃料を常に過不足ない量で液体導出部から導出して、前記単電池に供給するための圧力調整機構としてバネ状貯液部からなる液体燃料保持容器を内部に具備し、前記液体燃料は、前記貯液部自体の作用によって前記液体放出部から押し出されることを特徴とする燃料電池。