JP2006173127A - 直接液体燃料電池用の燃料供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的ポンプを使用せずに燃料タンクから、燃料ミキサーまたは燃料電池スタックのアノード部へ液体燃料を移送することが可能であり、かつ、液体燃料を気体状態に変換して供給することが可能な、直接液体燃料電池用の燃料供給装置を提供する。
【解決手段】直接液体燃料電池用の燃料供給装置２００は、複数のプレート２１０、２２０が重なって形成されたプレートスタックを備え、前記プレートスタックは、液体燃料が入る取入れ口と、取入れ口からの上記液体燃料に下端が連結されるように形成された複数のマイクロチャンネルと、マイクロチャンネルの上端と連通されてマイクロチャンネルで蒸発したガス燃料を排出させる排出口と、を備え、プレートスタックの上部の外周で、マイクロチャンネルの上端に位置する部分に、マイクロチャンネル内の液体燃料を加熱するヒータ２４０とを設置する。
【選択図】図４

Description

本発明は，直接液体燃料電池に使われる液体燃料を供給する燃料供給システムに関する。

直接液体燃料電池は，メタノール，エタノールなどの有機化合物燃料と酸化剤である酸素との電気化学反応により電気を生成する発電装置であり，エネルギー密度および電力密度が非常に高く，メタノールなど液体燃料を直接使用するために，燃料改質器などの周辺装置が必要なく，燃料の保存および供給が容易であるという長所を持っている。

直接液体燃料電池は，図１に示すように，アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在されている構造を持つ。各アノード電極２およびカソード電極３の構造は，燃料の供給および拡散のための燃料拡散層２２，３２と，燃料の酸化または還元反応が起きる触媒層２１，３１，そして電極支持体２３，３３を備える。電極反応のための触媒は，低温でも優れた特性を持つ白金のような貴金属触媒が使用され，反応副生成物である一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するために，ルテニウム，ロジウム，オスミウム，ニッケルのような遷移金属の合金触媒が使われる。電極支持体は，炭素紙，炭素織物などが使われ，燃料の供給および反応生成物の排出が容易になるように，撥水処理して使用する。電解質膜１は，厚さが５０〜２００μｍの高分子膜であって，水分を含有してイオン伝導性を持つ水素イオン交換膜である。

直接液体燃料電池のうち，メタノールおよび水を混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池の電極反応は，燃料が酸化されるアノード反応と，水素イオンおよび酸素の還元によるカソード反応とで構成され，反応式は次の通りである。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻（アノード反応）・・・（反応式１）

３／２ Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ（カソード反応）・・・（反応式２）

ＣＨ_３ＯＨ＋３／２ Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２（総括反応）・・・（反応式３）

酸化反応（反応式１）が起きるアノード電極２では，メタノールと水との反応によって二酸化炭素，水素イオンおよび電子が生成され，生成された水素イオンは電解質膜１を通じてカソード電極３に伝えられる。還元反応（反応式２）が起きるカソード電極３では，水素イオンと外部回路を通じて伝えられた電子，そして酸素との反応により水が生成される。したがって，直接メタノール燃料電池の総括反応（反応式３）は，メタノールと酸素とが反応して水と二酸化炭素とを生成する反応となる。このとき，メタノール１モルが酸素と反応して２モルの水が生成される。

このときに使われる液体燃料は，純粋なメタノールではなく，システム内部で発生するか，あるいは既に保存されている水と混合して使われねばならない。高濃度燃料を使用する場合，電解質膜（水素イオン交換膜）での燃料のクロスオーバー（燃料がイオン交換膜を通過する現象）による発電性能の劣化が大きいために，一般的に０．５〜２Ｍ（２〜８ｖｏｌ％）の低濃度メタノールに希釈して使用する。しかし，低濃度のメタノールを燃料タンクに保存して使用する場合，高濃度燃料に比べ，同じ燃料保存体積でメタノールが占める比率が低いために，燃料の単位容積に対する出力可能なエネルギー量が顕著に減る。したがって，上記エネルギー量を増加させるために，高濃度または純粋なメタノールを保存する燃料タンクを備えた燃料電池システムが必要である。

特許文献１には，図２のように，高濃度のメタノールと水とを別途に保存し，それを混合器で混合した後，燃料電池スタックに供給する方式が開示されている。

図２を参照すれば，スタック４の内部カソード側に還元反応のための空気が供給され，また，カソードで使われて残った空気は再び外部に排出される。このとき，反応副産物としての水は回収されて水タンク６に送られる。燃料タンク７には，高濃度または純粋メタノールが保存される。

燃料として使われる水およびメタノールは別途のタンク６，７に保存され，水およびメタノールは，各ポンプ８，９により燃料ミキサー１０に供給される。さらに，燃料ミキサー１０で水とメタノールとが混合された後，スタック４のアノード側に送られる。

米国特許第６，３０３，２４４号明細書

しかし，従来の直接液体燃料電池は，燃料移送のための機械的な方式のポンプを必要とし，直接液体燃料電池の動作時にノイズが生じるという問題があるため，小型の携帯用電子機器に使用するのには適していない。また，携帯用燃料電池の場合，燃料移送量が非常に少なく，適切な大きさの能動型液体移送ポンプを選定し難いという問題があった。

そこで，本発明は，上記問題に鑑みてなされたものであり，本発明の目的とするところは，機械的ポンプを使用せずに燃料タンクから，燃料ミキサーまたは燃料電池スタックのアノード部へ液体燃料を移送することが可能であり，かつ，液体燃料を気体状態に変換して供給することが可能な，新規かつ改良された燃料供給装置を提供することにある。

上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，複数のプレートが層状に重なって形成されたプレートスタックを備え，上記プレートスタックは；液体燃料が供給される取入れ口と；上記取入れ口から供給された上記液体燃料に下端が連結され，毛管現象により上記液体燃料が上端まで充填されるように形成された細管状の複数のマイクロチャンネルと；上記マイクロチャンネルの上端と連通されて，上記マイクロチャンネルに充填された上記液体燃料の蒸発により生成されたガス燃料が排出される排出口と；を備え，上記プレートスタックの外周で，かつ，上記マイクロチャンネルの上端に位置する高さに，上記マイクロチャンネルに充填された上記液体燃料を加熱するヒータが設置されたことを特徴とする，直接液体燃料電池用の燃料供給装置が提供される。

上記プレートスタックは；外層を形成し，隣接する上記プレートとの接触面に上記複数のマイクロチャンネルが形成された二つの終端プレートと；上記終端プレート間に設置され，両面にそれぞれ上記複数のマイクロチャンネルが形成された少なくとも一つの両面プレートと；を備え，上記終端プレートには，上記取入れ口を形成する取入れ部，および上記排出口を形成する排出部が形成されており，上記両面プレートには，上記終端プレートの上記取入れ部に連結される取入れ部，および上記終端プレートの上記排出部に連結される排出部が形成されうる

上記終端プレートおよび上記両面プレートは，シリコンで製造されうる。

上記終端プレートおよび上記両面プレートは，高分子樹脂で製造されうる。

また，上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，液体燃料が供給される取入れ口と，上記液体燃料の蒸発により生成されたガス燃料が排出される排出口とが形成されたハウジングと；内部に無数の孔隙を有し，上記ハウジング内を満たすように配置され，上記取入れ口から供給された上記液体燃料を吸収して孔隙内に保存する多孔性物質と；上記ハウジングの外周に形成されて上記多孔性物質内に充填された上記液体燃料を加熱するヒータと；を備えることを特徴とする，直接液体燃料電池用の燃料供給装置が提供される。

適当な大きさの孔隙を有する上記多孔性物質は，内部で上記液体燃料を移送するマイクロチャンネルを形成し，上記多孔性物質と連接する上記取入れ口から供給された上記液体燃料を毛管現象によって上昇させ，上記多孔性物質の上端まで充填しうる。

上記排出口は，上記ハウジングの上部に形成され，上記排出口の下端よりも上部に位置する上記ハウジング内の空間は空洞であることが望ましい。

上記ヒータは，上記多孔性物質の上端に位置する高さで，かつ，上記ハウジングの外周に設置されうる。

上記多孔性物質は，スポンジであってもよい。

上記取入れ口は，上記ハウジングの上部に形成されていてもよく，上記液体燃料を注入するときに使用されうる。

以上説明したように，本発明によれば，機械的ポンプを使用せずとも毛細管力を利用して，液体燃料を燃料電池のアノード側または燃料ミキサーに移送できる。また，ヒータの温度を調節して供給流量を調節できる。

以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書および図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図３は，本実施形態による燃料供給装置が適用される直接液体燃料電池システムの概略的構成図である。図３を参照すれば，燃料電池スタック１１０の内部カソード側に還元反応のための空気が供給され，上記カソード側から反応副産物としての水が回収されて燃料ミキサー１２０に送られる。また，燃料タンク１１２には，高濃度または純粋メタノールが保存されており，燃料供給装置２００によって，必要量が蒸気状態に変換され，燃料ミキサー１２０に供給される。燃料ミキサー１２０で所定濃度に混合された液体燃料は，ポンプ１２２により燃料電池スタック１１０のアノード側に送られる。上記アノード側において未反応の燃料は，再び燃料ミキサー１２０に回収されうる。

図４は，本発明の第１実施形態にかかる燃料供給装置２００の斜視図であり，図５は，図４の分解斜視図であり，図６は，図４のＶＩ−ＶＩ線で切断した断面図である。

図４〜図６を共に参照すると，燃料供給装置２００は複数のプレートが積層されたプレートスタックで構成されている。上記プレートスタックは，外側に配置された互いに対向する終端プレート２１０と，上記終端プレート２１０間に配置された両面プレート２２０とからなっている。

二つの終端プレート２１０には，燃料タンク１１２から供給された液体燃料が取り込まれる取入れ部２１２と，ヒータ２４０によって蒸発させられてガス状態になったマイクロチャンネル２３０内のメタノールが外部に排出される排出部２１４とが形成されている。上記排出部２１４は，上記取入れ部２１２の形成された終端プレート２１０と，同じ終端プレート２１０または異なる終端プレート２１０に形成される。上記終端プレート２１０には，互いに対向する面に複数のマイクロチャンネル２３０が形成されている。また，上記両面プレート２２０には，それぞれ上記取入れ部２１２および排出部２１４にそれぞれ連結する，取入れ部２２２および排出部２２４が形成されており，かつ，上記取入れ部２２２および排出部２２４と連通する複数のマイクロチャンネル２３０が形成されている。

上記マイクロチャンネル２３０は，数十〜数百ミクロンの直径で形成される。上記終端プレート２１０のマイクロチャンネル２３０は，上記終端プレート２１０に取入れ部２１２が形成された場合には上記取入れ部２１２と，排出部２１４が形成された場合には排出部２１４とに連通して形成される。一方，上記終端プレート２１０に取入れ部２１２または排出部２１４が形成されない場合には，隣接する両面プレート２２０の取入れ部２２２または排出部２２４に上記終端プレート２１０面が露出される。この場合，上記終端プレート２１０に形成されるマイクロチャンネル２３０は，上記終端プレート２１０の露出された面上にも配置されるように長く形成される。上記取入れ部２１２，２２２は，液体燃料の取入れ口を形成し，上記排出部２１４，２２４は，ガス状態のメタノールを排出する排出口を形成する。

上記マイクロチャンネル２３０が形成されたプレートは，シリコン基板をもとに半導体工程で製造できる。

また，上記マイクロチャンネル２３０が形成されたプレートは，ポリエチレンのような高分子樹脂を，上記マイクロチャンネル２３０が形成された金型で圧出成形することもできる。このような高分子樹脂で製造された燃料供給装置は，フレキシブルなために設置が容易である。図４および図５に示した実施形態では，取入れ部２１２および排出部２１４が同じ終端プレートに形成されているが，必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち，必要に応じて取入れ部２１２および排出部２１４がそれぞれ相異なる終端プレートに形成されていてもよい。

ヒータ２４０は，上記プレートスタックの外周に接し，上記排出部２１４に連接したマイクロチャンネル２３０の上端に位置する高さに設置される。上記ヒータ２４０は，毛管現象によりマイクロチャンネル２３０の上端まで上昇してきたメタノールの液面部分を熱し，メタノールを蒸発させるためのものであり，電気的抵抗線で作ることができる。ヒータ２４０によって蒸発したメタノールは，排出部２２４，２１４を通じて外部に放出され，混合ミキサー１２０で冷却されつつ液体になる。上記蒸発と共にメタノールは，毛細管力によりマイクロチャンネル２３０の上部を満たす。このような燃料供給装置２００は，ヒータ２４０の温度が調節されることによりメタノール蒸発量が制御される。

図７は，マイクロチャンネルの直径に応じて，メタノールが移送されてメニスカスを形成できる高さを示すグラフである。

下式（１）は，マイクロチャンネルの半径と毛細管力との関係を示す単純化された式である。

ここで，ΔＰは，界面での圧力差で燃料が移送される力の大きさ（つまり，毛細管力の強さ）を意味し，σは，表面張力であり，ｒは，マイクロチャンネルの半径である。燃料は，発生する圧力差が大きいほど上記マイクロチャンネルに沿って上昇する。マイクロチャンネルの直径と，上昇可能な液体燃料のメニスカスの高さ（つまり，移送距離）との関係は，図７のように表すことができる。このとき，上記メニスカスが形成されうる高さより上記マイクロチャンネルの高さが低い場合，上記メニスカスはその終端に形成されて停止する。上記メニスカスが形成される部分に熱を加えると，燃料は蒸発して放出され，燃料が損失されて一時的に界面は低下するが，毛細管力により所定の高さまで燃料が補充され，界面の高さは維持される。一般的に，マイクロチャンネルの半径が十分に小さくなると重力より毛細管力が優勢に作用するので，燃料移送装置のメニスカスの高さは，設置方向の影響をほとんど受けなくなる。

図８は，本発明の第２実施形態による燃料供給装置３００の断面図である。第１実施形態の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照番号を使用し，詳細な説明は省略する。

図８を参照すれば，燃料供給装置３００は，ハウジング３１０の内部に多孔性物質（例えば，スポンジ３２０）が満たされている。上記スポンジ３２０には孔隙が形成されており，上記孔隙にはメタノールが満たされうる。そして，ハウジング３１０の上部は空の空間３３０である。上記ハウジング３１０の外周で，上記空間３３０の下部には電気抵抗線からなるヒータ３４０が設置される。つまり，上記ヒータ３４０は，スポンジ３２０に燃料が充足された状態において，気液の境界面を加熱できる所に位置する。上記ヒータ３４０によりスポンジ３２０に満たされたメタノールを蒸発させて，液体状態のメタノールは気体状態に変換される。上記ハウジング３１０には，上記空間３３０に連結して，上記ヒータ３４０により気体状態に変換されたメタノールを外部に排出する排出口３１４が形成されている。さらに，上記ハウジング３１０には，外部の燃料タンク１１２と連結された燃料の取入れ口３１２が形成されている。また，別の燃料取入れ手段として，上記取入れ口３１２の代りに外部から燃料を注入する注入口３１６が，ハウジング３１０の上記空間３３０に連結するように形成されることも可能であり，このような取入手段をとる場合には，燃料タンク１１２を燃料電池システムから省略することも可能である。

上記スポンジ３２０の孔隙は互いに連結されてマイクロチャンネルを形成する。したがって，上記ヒータ３４０で気液の境界面に位置する部分のハウジング３１０を局部的に加熱すれば，メタノールは蒸発してガス状態になり，ハウジング３１０の上部の空間３３０に移動する。次いで，排出口３１４を通じて燃料ミキサー１２０に入る。一方，上記蒸発により減少したマイクロチャンネル内のメタノールは，毛細管力でスポンジ３２０の上端まで補充される。このような燃料供給装置３００は，ヒータ３４０の設定温度に応じてメタノール蒸発量が制御され，結果として，気化されたメタノールの排出量をコントロールすることが可能となる。

上記第１実施形態および上記第２実施形態にかかる燃料供給装置は，図３で示した直接液体燃料電池システムへの適用にのみ限られず，図９に示すような別の直接液体燃料電池システムに組み込むことも可能である。

図９は，本実施形態による燃料供給装置が適用される直接液体燃料電池システムの概略的構成図であり，図３の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照番号を使用し，詳細な説明は省略する。

図９を参照すれば，モノポーラプレートタイプの携帯用燃料電池１１０’の内部カソード側に還元反応のための空気が供給され，カソードから，反応副産物としての水は一部回収されてアノード側に送られる。一方，燃料タンク１１２には純粋メタノールが保存されており，必要量だけ燃料供給装置２００により蒸気状態に変換されて，アノードに供給される。反応中に生成された一部の水およびＣＯ_２は大気中に放出されうる。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば，本発明にかかる上記第１実施形態として，プレートスタックの各プレート上に溝渠を形成することによって液体燃料が移送されるマイクロチャンネルが形成される形態を示したが，本実施形態としては上記液体燃料の取入れ口と上記蒸発した燃料の排出口とが連通される毛細管が形成されていれば足り，内部に細管が形成された少なくとも一枚のプレートにより構成されていてもよい。また，図４〜図６において上記溝渠を矩形とする形態を示したが，横断面を半円形とする管状の構造等，多様な変形が可能である。さらに，隣接するプレート上に形成された上記各溝渠が結合して円筒形等のマイクロチャンネルを形成する形態も可能である。

本発明は，直接液体燃料電池用の燃料供給装置に適用できる。

直接液体燃料電池の基本的な構造を示す断面図である。 従来の直接液体燃料電池の構成を示す図面である。 本実施形態にかかる燃料供給装置が適用される直接液体燃料電池システムの概略的構成図である。 本発明の第１実施形態にかかる燃料供給装置２００の斜視図である。 図４の分解斜視図である。 図４のＶＩ−ＶＩ線の断面図である。 マイクロチャンネルの直径に応じて燃料が移送されてメニスカスを形成できる高さを示すグラフである。 本発明の第２実施形態にかかる燃料供給装置３００の断面図である。 本実施形態にかかる燃料供給装置が適用される他の直接液体燃料電池システムの概略的構成図である。

符号の説明

２００，３００ 燃料供給装置
２１０ 終端プレート
２１２，２２２ 取入れ部
２１４，２２４ 排出部
２２０ 両面プレート
２４０，３４０ ヒータ
３１０ ハウジング
３２０ 多孔性物質

Claims (10)

1. 複数のプレートが層状に重なって形成されたプレートスタックを備え，
   前記プレートスタックは；
   液体燃料が供給される取入れ口と；
   前記取入れ口から供給された前記液体燃料に下端が連結されるように形成された細管状の複数のマイクロチャンネルと；
   前記マイクロチャンネルの上端と連通されて，前記マイクロチャンネルに充填された前記液体燃料の蒸発により生成されたガス燃料が排出される排出口と；
   を備え，
   前記プレートスタックの外周で，かつ，前記マイクロチャンネルの上端に位置する高さに，前記マイクロチャンネルに充填された前記液体燃料を加熱するヒータが設置されたことを特徴とする，直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
2. 前記プレートスタックは；
   外層を形成し，隣接する前記プレートとの接触面に前記複数のマイクロチャンネルが形成された二つの終端プレートと；
   前記終端プレート間に設置され，両面にそれぞれ前記複数のマイクロチャンネルが形成された少なくとも一つの両面プレートと；
   を備え，
   前記終端プレートには，前記取入れ口を形成する取入れ部，および前記排出口を形成する排出部が形成されており，
   前記両面プレートには，前記終端プレートの前記取入れ部に連結される取入れ部，および前記終端プレートの前記排出部に連結される排出部が形成されたことを特徴とする，請求項１に記載の直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
3. 前記終端プレートおよび前記両面プレートは，シリコンで製造されたことを特徴とする，請求項１に記載の直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
4. 前記終端プレートおよび前記両面プレートは，高分子樹脂で製造されたことを特徴とする，請求項１に記載の直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
5. 前記プレートの前記マイクロチャンネルは，圧出成形で形成されたことを特徴とする，請求項４に記載の直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
6. 液体燃料が供給される取入れ口と，前記液体燃料の蒸発により生成されたガス燃料が排出される排出口とが形成されたハウジングと；
   内部に無数の孔隙を有し，前記ハウジング内を満たすように配置され，前記取入れ口から供給された前記液体燃料を吸収して孔隙内に保存する多孔性物質と；
   前記ハウジングの外周に形成されて前記多孔性物質内に充填された前記液体燃料を加熱するヒータと；
   を備えることを特徴とする，直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
7. 前記排出口は，前記ハウジングの上部に形成され，
   前記排出口の下端より上部に位置する前記ハウジング内の空間は空洞であることを特徴とする，請求項６に記載の直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
8. 前記ヒータは，前記多孔性物質の上端に位置する高さで，かつ，前記ハウジングの外周に設置されたことを特徴とする，請求項７に記載の直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
9. 前記多孔性物質は，スポンジであることを特徴とする，請求項６に記載の直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
10. 前記取入れ口は，前記ハウジングの上部に形成され，前記液体燃料が注入されることを特徴とする，請求項９に記載の直接液体燃料電池用の燃料供給装置。
    
    
    
    
    

Images