JP2009016312A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高い出力を安定して得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】燃料極と、空気極と、燃料極と空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体２と、
膜電極接合体２を挟持する集電体２０と、
膜電極接合体２の空気極側において、集電体２０と対向するように配置され、空気導入孔１８Ａを有するカバー部材１８と、を備え、
カバー部材１８は、膜電極接合体側に配置され第１空気導入孔１８１Ａを有する第１カバー体１８１と、第１カバー体１８１の上に積層され第１空気導入孔とは異なる形状の第２空気導入孔１８２Ａを有する第２カバー体１８２と、を有することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。

直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。

これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１及び２参照）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。

一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（特許文献３〜５参照）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。ただし、流路からの液体燃料の供給構造によっては、燃料電池セルに対する燃料の供給状態が不均一になり、燃料電池の出力が低下するおそれがある。例えば、溝状の流路に沿って液体燃料を流す場合、流路を液体燃料が流れるにつれて順次燃料が消費されていくため、流路出口側では燃料濃度が減少する。このため、燃料電池セルの流路出口に近い部分では発電反応が低下し、その結果として出力の低下を招いてしまう。

また、特許文献３には、燃料収容部から流路に設けたポンプにより液体燃料を供給する構成が開示されている。特許文献４には、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることが開示されている。特許文献５には、電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが開示されている。燃料の循環構造を適用した燃料電池では、ポンプが有効であるものの、パッシブ型ＤＭＦＣのように燃料を循環させない場合には単にポンプを適用しても燃料消費量が増大するだけで、燃料電池セル全体での均一な発電反応を生起することは難しい。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特開２００６−３１８７１２号公報 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

燃料電池は、内部抵抗が大きく、大電流を取り出そうとすると電位の低下が生じる。このため、実用化のためには内部抵抗の低減が重要である。内部抵抗は、アノード及びカソードでのそれぞれの反応抵抗や、電解質膜で生じる抵抗が主であるが、電極から電気を取り出すための集電体の抵抗も重要な要素となる。

特に、小型携帯機器用途では、燃料電池の厚さを薄く保つために、電極と集電体とを強い力で密着する機構をもつことができない。このため、集電体は、金箔のような柔軟で接触抵抗が小さい材料で形成し、各電極と平面接触させることにより導通をとっている。しかしながら、単なる平面接触による導通では、接触抵抗が安定せず、たとえば反応に伴うガス発生などにより電極にかかる応力が変化した場合には著しい接触抵抗の増大を生ずるおそれがある。

この発明の目的は、上述した課題に鑑みなされたものであって、高い出力を安定して得ることが可能な燃料電池を提供することにある。

この発明の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持する集電体と、
前記膜電極接合体の前記空気極側において、前記集電体と対向するように配置され、空気導入孔を有するカバー部材と、を備え、
前記カバー部材は、前記膜電極接合体側に配置され第１空気導入孔を有する第１カバー体と、前記第１カバー体の上に積層され第１空気導入孔とは異なる形状の第２空気導入孔を有する第２カバー体と、を有することを特徴とする。

この発明によれば、高い出力を安定して得ることが可能な燃料電池を提供することができる。

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。なお、この実施の形態においては、燃料電池１として、内部気化方式のパッシブ型について説明するが、この方式に限定されるものではない。

図１に示すように、燃料電池１は、燃料電池１の起電部を構成する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）２を備えている。すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たす。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たす。これらのアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えば多孔質の炭素素材よりなる薄膜機材によって構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などによって構成されている。

電解質膜１７のアノード側及びカソード側には、それぞれゴム製のＯリングなどのシール材１９が配置されており、これらによって膜電極接合体２からの燃料漏れを防止している。

この実施の形態においては、膜電極接合体２は、同一の電解質膜１７における一方の面１７Ａ上に配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂ上に配置された複数のカソード１６とを有しており、各アノード１３と各カソード１６とが電解質膜１７を介して対向している。つまり、単一のＭＥＡを構成するアノード１３とカソード１６との各組が同一平面上に複数個配列されている。

図２及び図３に示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａ上に配置された４個のアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｂに配置された４個のカソード１６１〜１６４と、を有している。アノード１３１とカソード１６１とがそれぞれ対向するように配置されており、１組のＭＥＡを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とがそれぞれ対向するように配置されており、４組のＭＥＡが同一平面上に配列されている。

燃料電池１は、これらのアノード１３とカソード１６との各組を電気的に直列に接続する集電体２０を備えている。

すなわち、図４及び図５に示すように、集電体２０は、膜電極接合体２の外形寸法の概ね２倍の面積を有しており、二つに折り曲げることによって膜電極接合体２を挟持するものである。この集電体２０は、複数の第１電極部２１と、複数の第２電極部２２とを有している。これらの第１電極部２１及び第２電極部２２は、支持体２３における同一面上に配置されている。支持体２３は、フレキシブルな絶縁材料によって形成されている。

第１電極部２１は、アノード１３のそれぞれに対応して設けられたものであり、膜電極接合体２に含まれるアノード１３と同数個備えられている。第２電極部２２は、カソード１６のそれぞれに対応して設けられたものであり、膜電極接合体２に含まれるカソード１６と同数個備えられている。

図４及び図５に示した例では、集電体２０は、４個の第１電極部２１１〜２１４、及び、４個の第２電極部２２１〜２２４を有している。第１電極部２１１はアノード１３１に対応し、同様に、第１電極部２１２はアノード１３２に対応し、第１電極部２１３はアノード１３３に対応し、第１電極部２１４はアノード１３４に対応する。第２電極部２２１はカソード１６１に対応し、同様に、第２電極部２２２はカソード１６２に対応し、第２電極部２２３はカソード１６３に対応し、第２電極部２２４はカソード１６４に対応する。

このような集電体２０において、第１電極部２１及び第２電極部２２は、それぞれ対応するアノード１３及びカソード１６の周縁に接触するような枠状に形成されても良いし（図４に示した例）、それぞれ対応するアノード１３及びカソード１６の略中央に直線的に接触するようなＩ字形状に形成されても良い（図５に示した例)。あるいは、第１電極部２１及び第２電極部２２は、図示しないが梯子状に形成されてもよい。いずれの例においても、第１電極部２１及び第２電極部２２は、アノード１３及びカソード１６の一部をそれぞれ集電体２０から露出し、アノード触媒層１１に燃料を供給するための燃料供給孔、及び、カソード触媒層１４に空気を供給するための空気流通孔を有している。

集電体２０において、互いに最も離れた位置に配置された第１電極部２１１及び第２電極部２２４は、それぞれ集電した電気を取り出す端子２６及び２７を有している。端子を有していない第１電極部２１及び第２電極部２２は、それぞれ連結部２８によって電気的に接続されている。図４及び図５に示した例では、第１電極部２１２と第２電極部２２１とが連結部２８１によって接続され、同様に、第１電極部２１３と第２電極部２２２とが連結部２８２によって接続され、第１電極部２１４と第２電極部２２３とが連結部２８３によって接続されている。

上述したような構造の集電体２０において、二つ折りにされた内側空間に膜電極接合体２が収容されている。すなわち、各第１電極部２１は対応するアノード１３と電気的に接続され、また、各第２電極部２２は対応するカソード１６と電気的に接続されるように、二つ折りされた集電体２０により膜電極接合体２が挟み込まれている。

燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２に対して燃料を供給する燃料供給機構３を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部３０を備えている。この燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するものである。膜電極接合体２は、たとえば矩形の平面形状を有し、燃料収容部３０も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３と対向する面に設けられた開口部３０Ａを有している。すなわち、燃料収容部３０は、その上面全面が開口された箱状容器となっている。このような燃料収容部３０の内部には、膜電極接合体２に対応した液体燃料Ｆを収容している。

液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、膜電極接合体２に応じた液体燃料が使用される。

燃料収容部３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。燃料収容部３０は、液体燃料Ｆの残量を外部から目視することが可能なように透明樹脂によって形成されることが望ましい。また、このような透明樹脂は、耐メタノール性などを有していることが好ましい。なお、燃料収容部３０は、全体を透明樹脂で形成しても良いし、その一部を透明樹脂で形成しても良い。

上述した透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホンなどが挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂などのオレフィン系樹脂などで構成した燃料収容部３０を除外するものではない。

燃料収容部３０の開口部３０Ａと膜電極接合体２との間には、図１に示したように、気液分離膜４が設置されているが、省略してもよい。この気液分離膜４は、燃料収容部３０の開口部３０Ａを塞ぐように配置され、液体燃料Ｆの気化成分を透過するとともに液体燃料を透過させない膜によって形成されている。これにより、燃料収容部３０内で気化した液体燃料Ｆの気化成分は、燃料収容部３０の開口部３０Ａ及び気液分離膜４を介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。

このような気液分離膜４の構成材料としては、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂などが挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、例えば液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を適用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分とからなる混合気を意味し、液体燃料Ｆとして純メタノールを適用した場合には、メタノールの気化成分を意味する。

また、膜電極接合体２のアノード１３側に配置された支持部材を配置しても良い。配置される支持部材は、液体燃料Ｆの気化成分を透過可能な複数の開口を有し、高い剛性を持って膜電極接合体２を支持する機能を有している。

膜電極接合体２のカソード１６上には、保湿層５が配置されているが、省略しても良い。この保湿層５は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソードガス拡散層１５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層１４への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿層５は、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。

また、この実施の形態において、燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２のカソード（空気極）１６側において、集電体２０と対向するように配置されたカバー部材１８を備えている。図１に示した例では、カバー部材１８は、膜電極接合体２のカソード１６側に配置された保湿層５の上に配置されている。

このカバー部材１８は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）などの高い剛性を有する素材によって形成されている。また、カバー部材１８は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口すなわち空気導入孔１８Ａを有している。空気導入孔１８Ａは、例えば略等間隔に形成されている。

このようなカバー部材１８は、集電体２０に挟持された膜電極接合体２を覆うようにして燃料供給機構３の燃料収容部３０に固定されている。つまり、膜電極接合体２は、燃料収容部３０とカバー部材１８との間に配置されている。そして、集電体２０の第１電極部２１は、膜電極接合体２のアノード１３と燃料収容部３０との間に挟持されている。また、集電体２０の第２電極部２２は、膜電極接合体２のカソード１６とカバー部材１８との間に挟持されている。

上述したような構成の燃料電池１においては、以下のようなプロセスによって発電する。

すなわち、燃料収容部３０内のメタノール燃料などの液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２内において、液体燃料Ｆの気化成分は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１に供給された気化成分は、下記の（１）式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料収容部３０から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、上記した（１）式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

この内部改質反応で生成された電子（ｅ^-）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。

一方、カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、カバー部材１８に設けられた空気導入孔１８Ａから導入された空気は、カソードガス拡散層１５を通過し、カソード触媒層１４へと供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせると共に、膜電極接合体２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。

ところで、この発明の実施の形態に係る燃料電池１に適用されるカバー部材１８は、膜電極接合体２側に配置された第１カバー体（補強板）１８１と、第１カバー体１８１の上に積層された第２カバー体１８２と、を有している。第１カバー体１８１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の第１空気導入孔１８１Ａを有している。また、第２カバー体１８２も同様に、酸化剤である空気を取入れるための複数の第２空気導入孔１８２Ａを有している。

また、この実施の形態において、第１空気導入孔１８１Ａ及び第２空気導入孔１８２Ａは、互いに異なる形状となるように形成されている。つまり、これらの第１空気導入孔１８１Ａ及び第２空気導入孔１８２Ａは、第１カバー体１８１と第２カバー体１８２とを重ねたときに、それぞれの全部が互いに重なるのではなく、それぞれの一部が互いに重なり、保湿層５が外気と接触可能となるように連通する。

より具体的には、第１カバー体１８１及び第２カバー体１８２のうちの一方は、図６に示すように構成され、比較的大きな開口サイズの孔（粗目）を有している。また、第１カバー体１８１及び第２カバー体１８２のうちの他方は、図７に示すように構成され、比較的小さな開口サイズ（すなわち、図６に示した孔より小さな開口サイズ）の孔（細目）を有している。つまり、第１カバー体１８１が図６に示すように構成されている場合には、第２カバー体１８２は図７に示すように構成されており、第１空気導入孔１８１Ａは第２空気導入孔１８２Ａよりも大きな開口サイズとなる。また、第１カバー体１８１が図７に示すように構成されている場合には、第２カバー体１８２は図６に示すように構成されており、第１空気導入孔１８１Ａは第２空気導入孔１８２Ａよりも小さな開口サイズとなる。

このような第１カバー体１８１と第２カバー体１８２とを積層したとき、第１空気導入孔１８１Ａ及び第２空気導入孔１８２Ａのうち、一方の単一の孔が他方の複数の孔と重なる。つまり、第１カバー体１８１が図６に示すように構成され、第２カバー体１８２は図７に示すように構成されている場合には、第１カバー体１８１と第２カバー体１８２とを積層したとき、第２カバー体１８２側からみると、図８に示すように、単一の第１空気導入孔１８１Ａの一部が２つの第２空気導入孔１８２Ａから露出するように重なって連通している。また、第１カバー体１８１が図７に示すように構成され、第２カバー体１８２は図６に示すように構成されている場合には、第１カバー体１８１と第２カバー体１８２とを積層したとき、第２カバー体１８２側からみると、図９に示すように、２つの第１空気導入孔１８１Ａのそれぞれの一部が単一の第２空気導入孔１８２Ａから露出するように重なって連通している。

このような構成により、集電体２０における第１電極部２１及び第２電極部２２の膜電極接合体２への押さえ強度を増すことが可能となり、安定して膜電極接合体２と集電体２０との電気的接触を保持することができる。

また、第１カバー体１８１と第２カバー体１８２とを積層したときに、第１空気導入孔と第２空気導入孔とが同一形状の場合と比較して、カバー部材１８における見かけ上の空気導入孔１８Ａの面積（第１空気導入孔及び第２空気導入孔が重なる面積）が低減するため、膜電極接合体２のカソード１６側の発電反応で生成した水の保湿層５からの発散を抑制することが可能となる。このため、アノード１３側での発電反応において水を効率的に利用可能となる。

さらに、第１カバー体１８１と第２カバー体１８２とを積層したときに、第１空気導入孔１８１Ａと第２空気導入孔１８２Ａとは連通しているため、第１空気導入孔と第２空気導入孔とが同一形状の場合と比較しても、実質的な空気取り込み量は低減しない。このため、カソード側での発電反応で必要な酸素が不足することなく、効率的に利用可能となる。

これにより、膜電極接合体２に集電体２０を接触させることにより集電する燃料電池１において、接触抵抗が低く、しかも、高い出力を安定して得ることが可能となる。

また、上述した燃料電池１において、集電体２０として、図５に示したように、Ｉ字形状の第１電極部２１及び第２電極部２２を有するものを適用した場合、カバー部材１８においては、第１カバー体１８１及び第２カバー体１８２のうちの一方のカバー体は、集電体２０の第１電極部２１及び第２電極部２２の上に位置する押さえ部を有することが望ましい。

すなわち、図１０に示した例では、膜電極接合体２を挟持する集電体２０は、Ｉ字形状の第１電極部２１及び第２電極部２２を有している。第１電極部２１はアノード１３に接触し、また、第２電極部２２はカソード１６に接触する。膜電極接合体２のアノード１３側には、支持部材４１が配置されている。この支持部材４１は、液体燃料Ｆの気化成分を透過する複数の開口４１Ａを有している。膜電極接合体２のカソード１６側には、カバー部材１８が配置されている。このカバー部材１８は、第１カバー体１８１及び第２カバー体１８２を有しており、これらが積層配置されている。

第１カバー体１８１は、図７に示したように、比較的小さな開口サイズの第１空気導入孔１８１Ａを有している。第２カバー体１８２は、図６に示したように、比較的大きな開口サイズの第２空気導入孔１８２Ａを有している。なお、説明を簡略化するために、保湿層は省略した。

また、第１カバー体１８１は、２つの隣接する第２空気導入孔１８１Ａの間に、集電体２０の第１電極部２１及び第２電極部２２の上に位置する押さえ部１８１Ｂを有している。すなわち、押さえ部１８１Ｂは、カバー部材１８により集電体２０を膜電極接合体２に押し付けたときに、第１電極部２１及び第２電極２２に重なって、それぞれアノード１３及びカソード１６に向かって第１電極部２１及び第２電極２２を押し付ける機能を有している。

これにより、集電体２０と膜電極接合体２との接触抵抗をさらに低減することが可能となり、より高い出力を安定して得ることが可能となる。

なお、第１カバー体１８１が図６に示したように比較的大きな開口サイズの第１空気導入孔１８１Ａを有し、また、第２カバー体１８２が図７に示したように比較的小さな開口サイズの第２空気導入孔１８２Ａを有している場合については、第２カバー体１８２が押さえ部を有することになり、このような構成のよっても図１０に示した場合と同様の効果が得られる。このような構成の場合について、燃料電池１の性能を確認したところ、平均出力は１６．３ｍＷ／ｃｍ^２であり、効率は１．１０Ｗｈ／ｇであり、運転中の抵抗値Ｉｍｐは５５０ｍΩであった。なお、第１カバー体１８１及び第２カバー体１８２がともに図６に示したように比較的大きな開口サイズの空気導入孔を有する構成の場合についても同様に、燃料電池の性能を確認したところ、平均出力は１５．８ｍＷ／ｃｍ^２であり、効率は０．９０Ｗｈ／ｇであり、運転中の抵抗値Ｉｍｐは５７０ｍΩであった。

上述した実施の形態においては、膜電極接合体２のアノード側に燃料収容部３０を備えた内部気化型のような純パッシブ方式の燃料電池について説明したが、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部、及び、この燃料供給部に対して供給される燃料を収容する燃料収容部を備えたセミパッシブ型と称される方式の燃料電池についても同様の構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。

例えば、図１１に示す例では、燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部３１を備えている。また、この燃料供給機構３は、燃料供給部３１に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、膜電極接合体２に対応した液体燃料を収容している。

燃料供給部３１と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部３１には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部３１や燃料収容部と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部３１と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。

セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部３１に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。

燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口３３と、燃料注入口３２と燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。ここで示した燃料供給部３１の例では、燃料注入口３２及び燃料供給口３３は、それぞれ１箇所である。

膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材４１が配置されている。

なお、このような支持部材４１は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては支持部材４１を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材４１を配置したことにより、燃料供給口３３から膜電極接合体２までの距離を確保することができる。このため、燃料供給口３３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。これにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体２での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体２で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池１の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。

また、支持部材４１により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材４１とカバー部材１８との間で膜電極接合体２を保持するため、膜電極接合体２の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。

膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、多孔体４２が配置されている。多孔体４２の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体４２として用いられる。このような多孔体４２は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体４２と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体４２とを組み合わせて適用しても良い。

なお、このような多孔体４２は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては、多孔体４２を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体４２を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部３１の燃料供給口３３から供給された液体燃料は一旦多孔体４２に吸収され、多孔体４２の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体４２から支持部材４１を介してアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。

そして、図１に示した例と同様に、カバー部材１８として、膜電極接合体２側に配置され第１空気導入孔１８１Ａを有する第１カバー体１８１と、第１カバー体１８１の上に積層され第１空気導入孔１８１Ａとは異なる形状の第２空気導入孔１８２Ａを有する第２カバー体１８２とを備えた構成を適用することにより、図１に示した例と同様の効果が得られる。

図１２に示した例では、燃料供給機構３を構成する燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数の燃料供給口３３と、燃料注入口３２と各燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。

このような構成の燃料供給機構３においては、燃料注入口３２から燃料供給部３１内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料供給口３３にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料供給機構３を適用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口３３に均等に分配することができる。したがって、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。

さらに、燃料注入口３２と複数の燃料供給口３３とを細管３４で接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管３４の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口３３を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。

このような例の燃料電池１においても、図１に示した例と同様に、カバー部材１８として、膜電極接合体２側に配置され第１空気導入孔１８１Ａを有する第１カバー体１８１と、第１カバー体１８１の上に積層され第１空気導入孔１８１Ａとは異なる形状の第２空気導入孔１８２Ａを有する第２カバー体１８２とを備えた構成を適用することにより、図１に示した例と同様の効果が得られる。

上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に適用することが好ましい。

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。 図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の外観を概略的に示す平面図である。 図３は、図２に示した膜電極接合体をＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿って切断したときの斜視図である。 図４は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に適用可能な集電体の構造を概略的に示す平面図である。 図５は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に適用可能な集電体の他の構造を概略的に示す平面図である。 図６は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に適用可能なカバー体の構造を概略的に示す平面図である。 図７は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に適用可能なカバー体の構造を概略的に示す平面図である。 図８は、図６に示した第１カバー体の上に図７に示した第２カバー体を積層したとき状態を示す図である。 図９は、図７に示した第１カバー体の上に図６に示した第２カバー体を積層したとき状態を示す図である。 図１０は、膜電極接合体、集電体、及び、カバー部材の積層状態を説明するための斜視図である。 図１１は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。 図１２は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。

符号の説明

Ｆ…液体燃料 １…燃料電池 ２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構
４…気液分離膜 ５…保湿層
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １３…アノード
１４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １６…カソード
１７…電解質膜 ２０…集電体 ２１…第１電極部 ２２…第２電極部
４１…支持部材 ４２…多孔体
１８…カバー部材 １８Ａ…空気導入孔
１８１…第１カバー体 １８１Ａ…第１空気導入孔
１８２…第２カバー体 １８２Ａ…第２空気導入孔

Claims (7)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟持する集電体と、
   前記膜電極接合体の前記空気極側において、前記集電体と対向するように配置され、空気導入孔を有するカバー部材と、を備え、
   前記カバー部材は、前記膜電極接合体側に配置され第１空気導入孔を有する第１カバー体と、前記第１カバー体の上に積層され第１空気導入孔とは異なる形状の第２空気導入孔を有する第２カバー体と、を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１空気導入孔及び前記第２空気導入孔のうち、一方の孔の開口サイズは他方の孔よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１空気導入孔及び前記第２空気導入孔のうち、一方の単一の孔が他方の複数の孔と重なることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記集電体は、前記膜電極接合体における前記空気極及び前記燃料極の略中央に直線的に接触するようなＩ字形状の電極部を有し、
   前記第１カバー体及び前記第２カバー体のうちの一方のカバー体は、前記集電体の前記電極部の上に位置する押さえ部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記第１カバー体及び前記第２カバー体のうちの他方のカバー体の単一の孔は、一方のカバー体の前記押さえ部を挟んで対向する２つの孔に重なることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記膜電極接合体に供給される液体燃料は、メタノール燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記メタノール燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。

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