【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は有機溶媒と水を主成分とする液体燃料と空気中の酸素などの酸化剤ガスを発電ユニットに直接供給して発電する液体燃料直接供給形燃料電池システムに関するもので、さらに詳しく言えば、重力によって液体燃料を供給し、自然拡散によって酸化剤ガスを導入するようにし、システムの簡素化と構成の多様化に寄与できるようにした液体燃料直接供給形燃料電池システムに関するものである。 【０００２】 【従来の技術】近年、環境問題や資源問題への対策が重要になってきており、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発になってきている。 このような燃料電池のなかで、有機溶媒と水を主成分とする液体燃料、特にメタノールを用い、それを改質、ガス化することなく直接発電に利用する直接メタノール形燃料電池は、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易であるということから、小型携帯用電源やコンピュータ用電源等の小型電源として有望である。 【０００３】このような液体燃料直接供給形燃料電池は、電解質の両側に正極および負極を接合したものを、
負極に液体燃料を供給するための負極側セパレータと正極に酸化剤ガスを供給するための正極側セパレータとで挟持した単電池セルまたはこの単電池セルを複数個積層したセルスタックが発電ユニットとして設けられたものであり、直接メタノール形燃料電池では、負極側に、液体燃料としての濃度が３％程度のメタノール水溶液を供給し、正極側に、酸化剤ガスとしての空気中の酸素を供給すると、負極側では電気化学反応で二酸化炭素が生成し、正極側では電気化学反応で水が生成して、外部に起電力を得ることができる。 また、直接メタノール形燃料電池以外にも、エタノール、イソプロピルアルコール、
ブタノール、ジメチルエーテル、エチレングリコール等の各種有機溶媒を液体燃料とする液体燃料直接供給形燃料電池も検討されている。 【０００４】上記した液体燃料直接供給形燃料電池、そのなかでも直接メタノール形燃料電池は種々の電源としての応用が期待されているため、良好な発電性能とともに、長期間安定して作動するという長寿命が求められていて、その電解質にはデュポン社のナフィオン（登録商標）に代表されるような、プロトン導電性の固体高分子膜が用いられる。 このようなプロトン導電性の固体高分子膜は、テフロン（登録商標）のような主鎖骨格にスルホン基等のイオン結合性の強い官能基を有する側鎖が結合した構造になっており、このスルホン基等の先端にプロトン（水素イオン）が結合し、このプロトンが移動することによって電荷が運ばれて起電力を生じる機能を備えている。 【０００５】従来の直接メタノール形燃料電池は、液体燃料を貯蔵する液体燃料タンクが発電ユニットに一体化されてシステムにされており、これを、酸化剤ガスとしての酸素を大気の自然拡散または自然対流によって発電ユニットに供給する構成にしたり、液体燃料を毛細管力によって発電ユニットに供給する構成にして、駆動音の少ない静かな発電機であるという特徴とシンプルでコンパクトであるという特徴が生かせるようにしていた。 また、その出力を増大させるため、駆動音が少ないという特徴を犠牲にして液体燃料を外部動力によって供給することも行われていた。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】ところが、上述した、
液体燃料を貯蔵する液体燃料タンクを発電ユニットに一体化した燃料電池システムでは、放電容量が液体燃料タンクの容量によって制約されるため、燃料電池システム自体を大きくしなければ、放電容量を大きくしたり、出力特性を向上させるといった、構成の多様化に対応できないという問題があった。 【０００７】また、上述した如く、発電ユニットに液体燃料を貯蔵する液体燃料タンクを一体化しているため、
その形状を任意に定めたり、それを設置する設置場所を任意に定めることができないという問題があった。 【０００８】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため、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一対の負極と正極とを配し、前記負極に液体燃料が供給され、前記正極に酸化剤ガスが供給されるように構成された単電池セルまたはこの単電池セルを複数個積層したセルスタックからなる発電ユニットをハウジングに収納した燃料電池本体と、前記発電ユニットに供給する液体燃料を貯蔵する液体燃料タンクと、前記発電ユニットの電気化学反応によって生成した反応生成物と未反応液体燃料を回収する廃液回収タンクとからなり、前記燃料電池本体より高い位置に液体燃料タンクを位置させ、前記燃料電池本体より低い位置に廃液回収タンクを位置させたことを特徴とする液体燃料直接供給形燃料電池システムであり、これにより、
液体燃料を重力によって燃料電池本体に供給することができるので、液体燃料を供給するための外部動力源を不要にすることができる。 【０００９】また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の液体燃料直接供給形燃料電池システムにおいて、燃料電池本体は酸化剤ガスを発電ユニットに導入するための酸化剤ガス導入用ファンが、さらにハウジングに設けられていることを特徴とする液体燃料直接供給形燃料電池システムであり、これにより、酸化剤ガスを確実に発電ユニットに導入することができる。 【００１０】また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の液体燃料直接供給形燃料電池システムにおいて、燃料電池本体は反応生成物と未反応液体燃料を回収するためのトレイが、さらに発電ユニットに設けられていることを特徴とする液体燃料直接供給形燃料電池システムであり、これにより、反応生成物と未反応液体燃料を確実に廃液回収タンクに回収することができる。 【００１１】また、請求項４記載の発明は、請求項１〜
３の少なくとも一項記載の液体燃料直接供給形燃料電池システムにおいて、廃液回収タンクに回収された廃液を液体燃料タンクに移送する移送手段が設けられていることを特徴とする液体燃料直接供給形燃料電池システムであり、これにより、廃液を有効に再利用することができる。 【００１２】また、請求項５記載の発明は、請求項１〜
４の少なくとも一項記載の液体燃料直接供給形燃料電池システムにおいて、廃液回収タンク内の液体燃料の濃度を所定値に制御する濃度制御手段が、さらに廃液回収タンクに設けられていることを特徴とする液体燃料直接供給形燃料電池システムであり、これにより、廃液を適正な濃度に制御して再利用することができる。 【００１３】 【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。 【００１４】図１は、本発明の実施の形態に係る液体燃料直接供給形燃料電池システムの構成を示したものである。 【００１５】図１に示した液体燃料直接供給形燃料電池システムの特徴は、単電池セルを複数個積層したセルスタックからなる発電ユニット１０１をハウジング１０２
に収納した燃料電池本体１００と、前記発電ユニット１
０１に供給する液体燃料を貯蔵する液体燃料タンク２０
０と、前記発電ユニット１０１の電気化学反応によって生成した反応生成物と未反応液体燃料を回収する廃液回収タンク３００とからなり、前記燃料電池本体１００より高い位置に液体燃料タンク２００を位置させ、前記燃料電池本体１００より低い位置に廃液回収タンク３００
を位置させたことである。 【００１６】前記セルスタックを構成する単電池セルは、図２に示したように、プロトン導電性の高分子電解質よりなる電解質１１を介して一対の負極１２と正極１
３とを配し、前記負極１２に液体燃料を供給するために、負極１２に対向する面に溝部を設けるとともにこの溝部に液体燃料を供給するためのマニホールド１４ａ、
１４ｂを設けた負極側セパレータ１４と、前記正極１３
に酸化剤ガスを供給するために、正極１３に対向する面に溝部１５ａを設けるとともにこの溝部１５ａに酸化剤ガスとしての酸素を大気の自然拡散または自然対流によって供給できるようにした正極側セパレータ１５とを配している。 【００１７】そして、図１に示したように、前記単電池セルを複数個積層してセルスタックとし、このセルスタックに液体燃料を供給するための液体燃料供給口１０１
ａと負極側の電気化学反応に寄与した液体燃料とそれによって生成した反応生成物を取り出すための反応生成物排出口１０１ｂとを設けて発電ユニット１０１を構成し、酸化剤ガスとしての酸素を大気の自然拡散または自然対流によって各単電池セルの上方から正極側セパレータ１５の溝部１５ａを介して正極に供給し、液体燃料としてのメタノールを液体燃料供給口１０１ａから各単電池セルの負極側セパレータ１４の一つのマニホールド１
４ａを介して負極に供給すると、負極側の電気化学反応では二酸化炭素が生成し、正極側の電気化学反応では水が生成して、外部に起電力が得られ、前記二酸化炭素は負極側の電気化学反応に寄与した液体燃料とともに各単電池セルの負極側セパレータ１４の他のマニホールド１
４ｂを介して反応生成物排出口１０１ｂから排出され、
前記水は正極側セパレータ１５の溝部１５ａを通過して発電ユニット１０１の下方から排出される。 【００１８】前記二酸化炭素と負極側の電気化学反応に寄与しなかった液体燃料とは反応生成物排出口１０１ｂ
に接続されたパイプ１０１ｄを通って廃液回収タンク３
００に回収され、前記水は発電ユニット１０１に設けたトレイ１０１ｃとパイプ１０１ｅを通って廃液回収タンク３００に回収されるようにし、正極側の電気化学反応に寄与しなかった空気はハウジング１０２の側面に設けた排気口１０２ａから外部に排出されるようにする。 【００１９】前記水の回収を円滑に行うために、正極側セパレータ１５の溝部１５ａに、少なくとも一端を重力方向に垂下させた、綿や紙のような毛細管体を配し、必要に応じて、この毛細管体の一部に、正極側の電気化学反応によって生じた副生成物を吸着する活性炭やゼオライトなどの吸着剤やこれらを分解する白金や金などの貴金属触媒、無機触媒、微生物触媒を担持しておいてもよい。 【００２０】また、前記ハウジング１０２には、大気の自然拡散または自然対流によって発電ユニット１０１に酸化剤ガスとしての酸素を円滑に導入し、燃料電池本体１００からの出力を安定化するための酸化剤ガス導入用ファン１０２ｂを設けてもよい。 【００２１】上記した実施の形態に係る液体燃料直接供給形燃料電池システムでは、廃液回収タンク３００に回収された廃液を液体燃料タンク２００に移送する移送手段としてのポンプ４００を、液体燃料タンク２００と廃液回収タンク３００との間に設けておき、廃液回収タンク３００に回収された廃液の量が多くなると、ポンプ４
００を駆動させて廃液を廃液回収タンク３００から液体燃料タンク２００に送出して、それを有効に再利用できるようにしている。 このポンプ４００は、廃液を廃液回収タンク３００から液体燃料タンク２００に送出する時に作動させるのであるから、常時作動させる必要はなく、これを作動させるのに要する電気エネルギーは必要最小限にできるとともに、騒音も作動時のみに限ることが可能になる。 【００２２】また、上記した実施の形態に係る液体燃料直接供給形燃料電池システムでは、廃液回収タンク３０
０内の液体燃料の濃度を所定値に制御する濃度制御手段としての予備液体燃料貯蔵タンク３０１を、廃液回収タンク３００に付設しておき、廃液回収タンク３００に回収された廃液を適正な濃度に制御して再利用できるようにしている。 【００２３】上記した実施の形態によれば、液体燃料タンク２００と廃液回収タンク３００の許容寸法に対応して発電ユニット１０１の容量を定めることが可能であり、発電ユニット１０１とハウジング１０２とからなる燃料電池本体１００に対して液体燃料タンク２００と廃液回収タンク３００の設置条件が許容される範囲内においてその設置場所を任意に定めたり、液体燃料タンク２
００と廃液回収タンク３００を種々の形状にすることができるので、多様なシステムの構成に寄与することができる。 【００２４】また、上記した実施の形態は、液体燃料にメタノールを用いる直接メタノール形燃料電池に基づいて説明したが、メタノールに代えてエタノール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテル、エチレングリコール、エチレングリコール等の各種有機溶媒を液体燃料に用いたものであってもよい。 【００２５】 【発明の効果】上記したように、本発明は、酸化剤ガスとしての空気を自然拡散または自然対流によって燃料電池本体に供給するシステムの簡素化に寄与することができるとともに、液体燃料タンクと廃液回収タンクの設置条件が許容される範囲内においてその設置場所を任意に定めたり、液体燃料タンクと廃液回収タンクを種々の形状にすることができるので、多様なシステムの構成に寄与することができる。 【００２６】また、酸化剤ガスとしての酸素を大気の自然拡散または自然対流によって供給する構成にし、液体燃料を重力によって供給し、反応生成物などを重力によって廃液回収タンクに回収するようにしているから、そのための外部動力源を不要にすることができるとともに、廃液回収タンクに回収した廃液を再利用するのに外部動力源を用いたとしても、その駆動音やそのための電気エネルギーは必要最小限にすることができるので、静かな発電機の構成に寄与することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施の形態に係る液体燃料直接供給形燃料電池システムの構成を示した図である。 【図２】本発明の液体燃料直接供給形燃料電池システムを構成する単電池セルの斜視図である。 【符号の説明】 １００ 燃料電池本体１０１ 発電ユニット１０２ ハウジング２００ 液体燃料タンク３００ 廃液回収タンク３０１ 予備液体燃料貯蔵タンク４００ ポンプ

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