(57)【要約】【課題】燃料収容部内の圧力に応じて確実に開口部を開状態または閉状態にすることができる燃料収容部の内圧調整装置およびこの燃料収容部の内圧調整装置を備えた燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】内圧調整装置８０は、燃料収容部４１に形成された燃料収容部４１の内部と外部とを連通させる貫通口８１の周囲の燃料収容部４１の内壁面に構成された弁座８２と、燃料収容部４１の内部側から弁座８２に当接し、貫通口８１を閉鎖可能な弁体８３と、弁座８２側に設けられ、弁体８３と弁座８２との間に磁力による吸着力を作用させる磁場形成部材８４と、弁体８３を介して弁座８２に対向する位置に設けられ、燃料収容部４１内の圧力が所定の圧力まで低下し、磁場形成部材８４の吸着力に抗して弁体８３が弁座８２から離れて燃料収容部４１の内部側へ移動する際に弁体８３を支持する弁体支持部材８５とを備える。【選択図】図２
2010153306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を収容する燃料収容部に備えられ、前記燃料収容部内の圧力に応じて、前記燃料収容部の内部と外部とが連通された開状態、または前記燃料収容部の内部と外部とが遮断された閉状態とする開閉機構を備える燃料収容部の内圧調整装置であって、
前記燃料収容部に形成された前記燃料収容部の内部と外部とを連通させる貫通口の周囲の前記燃料収容部の内壁面に構成された弁座と、
前記燃料収容部の内部側から前記弁座に当接し、前記貫通口を閉鎖可能な少なくとも一部が磁性材料からなる弁体と、
前記弁座側に設けられ、前記弁体と前記弁座との間に磁力による吸着力を作用させる磁場形成部材と、
前記弁体を介して前記弁座に対向する位置に設けられ、前記燃料収容部内の圧力が所定の圧力まで低下し、前記磁場形成部材の吸着力に抗して前記弁体が前記弁座から離れて前記燃料収容部の内部側へ移動する際に、前記弁体を支持する弁体支持部材と
を具備することを特徴とする燃料収容部の内圧調整装置。
【請求項２】
前記弁体の一方の表面または前記弁座に設けられ、前記貫通口を閉鎖する際、前記弁体と前記弁座との隙間を封止するシール部材をさらに具備することを特徴とする請求項１記載の燃料収容部の内圧調整装置。
【請求項３】
前記弁体が、燃料に対して耐性を有する樹脂材料で被覆されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料収容部の内圧調整装置。
【請求項４】
前記弁体支持部材が、燃料に対して耐性を有する樹脂材料、または基材を燃料に対して耐性を有する樹脂材料で被覆した材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料収容部の内圧調整装置。
【請求項５】
前記シール部材が、燃料に対して耐性を有するエラストマ材料で構成されていることを特徴とする請求項２記載の燃料収容部の内圧調整装置。
【請求項６】
前記弁体支持部材が設けられた位置よりも前記燃料収容部の内部側の前記貫通口の端部が、液体と気体とを分離して気体のみを透過させる気液分離膜で覆われていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料収容部の内圧調整装置。
【請求項７】
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、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、燃料を収容する燃料収容部を有し、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
を具備する燃料電池であって、
前記燃料収容部が、請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料収容部の内圧調整装置を備えていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、燃料収容部の内圧を調整する内圧調整装置およびこの燃料収容部の内圧調整装置を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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なる。
【０００３】
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や、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（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
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、例えばアノード（燃料極）、電解質膜およびカソード（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。
【０００５】
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（例えば、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。特許文献４には、燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給する燃料電池が記載され、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燃料電池が記載されている。
【０００６】
ポンプを用いて燃料収容部から液体燃料を燃料電池セルに供給する際、燃料収容部が密閉されていると、液体燃料の減少により燃料収容部内の圧力が低下する。このように燃料収容部内の圧力が低下すると、燃料電池セル側がほぼ大気圧となっているため、ポンプの実質的な送液能力が低下し、これにより燃料電池セルへの適切な燃料供給が困難となる。そのため、燃料収容部内の圧力に応じて、燃料収容部の外部から内部へ空気を導入し、燃料収容部内の圧力を調整する必要がある。
【０００７】
燃料収容部内の圧力を調整する内圧調整装置として、例えばダックビル弁などが使用される。このダックビル弁は、スリット状の開閉部を有し、この開閉部が燃料収容部内の圧力によって開閉する構造を有している。また、ダックビル弁は、例えば、燃料配管に設けられる逆止弁として使用されることもある（例えば、特許文献６参照。）。
【特許文献１】特許第３４１３１１１号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献３】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献４】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献５】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【特許文献６】特開２００２−２９５７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記した従来の圧力調整機構として機能するダックビル弁において、例えば、燃料収容部に収容される液体燃料が接触することで、部材に含まれている離型剤等が溶出し、この溶出した離型剤等が付着することにより開閉部が粘着することがあった。そして、開閉部が粘着すると、開閉部が開状態となる圧力に達しても開状態とならないことがあった。開閉部が開状態とならない場合、燃料収容部の内圧が過度に低下し、ポンプの実質的な送液能力が低下し、燃料電池セルへの適切な燃料供給が困難となる。また、ダックビル弁では、開状態となる圧力が初期の圧力に対して微差である場合、シール性能を確保することが難しかった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、燃料収容部内の圧力に応じて確実に開口部を開状態または閉状態にすることができる燃料収容部の内圧調整装置、およびこの燃料収容部の内圧調整装置を備えた燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、燃料を収容する燃料収容部に備えられ、前記燃料収容部内の圧力に応じて、前記燃料収容部の内部と外部とが連通された開状態、または前記燃料収容部の内部と外部とが遮断された閉状態とする開閉機構を備える燃料収容部の内圧調整装置であって、前記燃料収容部に形成された前記燃料収容部の内部と外部とを連通させる貫通口の周囲の前記燃料収容部の内壁面に構成された弁座と、前記燃料収容部の内部側から前記弁座に当接し、前記貫通口を閉鎖可能な少なくとも一部が磁性材料からなる弁体と、前記弁座側に設けられ、前記弁体と前記弁座との間に磁力による吸着力を作用させる磁場形成部材と、前記弁体を介して前記弁座に対向する位置に設けられ、前記燃料収容部内の圧力が所定の圧力まで低下し、前記磁場形成部材の吸着力に抗して前記弁体が前記弁座から離れて前記燃料収容部の内部側へ移動する際に、前記弁体を支持する弁体支持部材とを具備することを特徴とする燃料収容部の内圧調整装置が提供される。
【００１１】
また、本発明の一態様によれば、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、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、燃料を収容する燃料収容部を有し、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、を具備する燃料電池であって、前記燃料収容部が、上記した燃料収容部の内圧調整装置を備えていることを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る燃料収容部の内圧調整装置、およびこの燃料収容部の内圧調整装置を備えた燃料電池によれば、燃料収容部内の圧力に応じて確実に開口部を開状態または閉状態にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１４】
図１は、本発明に係る一実施形態の燃料電池１の構成を示す断面図である。
図１に示すように、燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル１０と、この燃料電池セル１０のアノード（燃料極）１３側およびカソード（空気極）１６側にそれぞれ設けられたアノード導電層１８、カソード導電層１９と、このアノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１を有する燃料分配層３０と、この燃料分配層３０の燃料電池セル１０側とは異なる側に配置され、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０と、カソード導電層１９に積層された保湿層５０と、この保湿層５０に積層された、複数の空気導入口６１を有する表面カバー６０とを備える。また、燃料供給機構４０は、燃料収容部４１と、燃料供給部本体４２と、流路４４と、ポンプ９０とを主に備える。さらに、燃料収容部４１には、内圧調整装置８０が設けられている。
【００１５】
まず、本発明に係る一実施の形態の内圧調整装置８０について説明する。
【００１６】
図２は、本発明に係る一実施の形態の内圧調整装置８０の断面を示す図である。図３は、発明に係る一実施の形態の内圧調整装置８０を上方から見たときの平面図である。なお、図２に示された断面は、図３のＡ−Ａ断面に相当する。また、図２に示された状態は、燃料収容部４１の内部と外部との連通が閉鎖された閉状態である。
【００１７】
内圧調整装置８０は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部４１に備えられ、燃料収容部４１内の圧力に応じて、燃料収容部４１の内部と外部とが連通された開状態、または燃料収容部４１の内部と外部との連通が閉鎖された閉状態とする機能を備えている。
【００１８】
具体的には、内圧調整装置８０は、図２および図３に示すように、燃料収容部４１に形成された燃料収容部４１の内部と外部とを連通させる貫通口８１の周囲の燃料収容部４１の内壁面に構成された弁座８２と、燃料収容部４１の内部側から弁座８２に当接し、貫通口８１を閉鎖可能な弁体８３と、弁座８２側に設けられ、弁体８３と弁座８２との間に磁力による吸着力を作用させる磁場形成部材８４と、弁体８３を介して弁座８２に対向する位置に設けられ、燃料収容部４１内の圧力が所定の圧力まで低下し、磁場形成部材８４の吸着力に抗して弁体８３が弁座８２から離れて燃料収容部４１の内部側へ移動する際に、弁体８３を支持する弁体支持部材８５とを備える。
【００１９】
図２に示すように、燃料収容部４１の上壁４１ａに形成された貫通口８１は、燃料収容部４１の内部に向かう途中で、上壁４１ａの平面方向に拡大するように構成され、弁体８３、弁体支持部材８５などを収容する空間８６を形成している。燃料収容部４１は、使用する液体燃料Ｆによって溶解や変質を生じることがないように、使用する液体燃料Ｆ対して耐性を有する材料で構成され、特に耐メタノール性を有する材料で構成されることが好ましい。具体的には、例えば、燃料収容部４１は、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリメチルペンテン（ＴＰＸ）、ポリフェニルサルホン（ＰＰＳＵ）、ポリエーテルサルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）などの材料で構成される。
【００２０】
なお、燃料収容部４１を構成する材料として、例えば、カーボンなどの導電性を有する材料を上記した樹脂材料で被覆したものを使用してもよい。また、燃料収容部４１の外側から、上壁４１ａに形成された貫通口８１を覆うように、異物の混入を防ぐフィルタ（図示しない）を設けてもよい。このフィルタは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートのような気液分離機能を有する薄膜などで構成される。
【００２１】
弁座８２は、上記した空間８６を形成する上方側の壁面、換言すれば、空間８６を形成する燃料収容部４１の外部側の壁面で、かつ貫通口８１の周囲に構成される。なお、弁座８２となる壁面は、シール性を向上させるために、例えば鏡面処理が施されていることが好ましい。
【００２２】
弁体８３は、磁場形成部材８４によって磁力により吸着力を受ける材料で構成され、例えば、少なくとも一部が磁性材料からなる板状の部材で構成される。磁性材料としては、例えば保磁力が小さく、高い透磁率を有する金属材料あるいは非金属材料などで構成されることが好ましい。また、磁場形成部材８４によって磁力により吸着力を阻害しないように、弁体８３は、磁性材料の中でも、単位体積当たりの質量、すなわち密度が比較的小さな材料で構成されることが好ましい。具体的には、弁体８３は、例えば、ケイ素鋼、パーマロイなどの軟磁性材料などで構成される。また、弁体８３は、使用する液体燃料Ｆによって溶解や変質を生じることがないように、使用する液体燃料Ｆに対して耐性を有する材料、特に、耐メタノール性を有する材料で被覆されることが好ましい。被覆する材料として、例えば、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキル（ＰＦＡ）などのフッ素系樹脂、ポリオレフィンなどのオレフィン系樹脂などで構成することができる。また、弁体８３を上記した被覆材料で被覆する方法は、特に限定されるものではないが、例えば、弁体８３を、高温状態の被覆用樹脂に浸漬させるなどの方法によって被覆することができる。
【００２３】
また、貫通口８１を閉鎖する際に弁体８３と弁座８２との隙間を封止するシール部材８７を弁体８３の一方の表面に設けることが好ましい。なお、このシール部材８７を弁体８３の一方の表面に設ける代わりに、弁座８２の表面に設けてもよい。シール部材８７は、使用する液体燃料Ｆによって溶解や変質を生じることがないように、使用する液体燃料Ｆに対して耐性を有する材料、特に、耐メタノール性を有する材料で構成されることが好ましい。さらに、シール部材８７は、弁体８３と弁座８２との隙間を封止して密閉するために、弾性材料、例えばエラストマ材料などで構成されることが好ましい。具体的には、シール部材８７は、例えば、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、シリコーンゴム（ＶＭＱ）、フロロシリコーンゴム（ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、水素化ニトリルゴム（ＨＮＢＲ）などで構成される。
【００２４】
磁場形成部材８４は、図３に示すように、例えば、燃料収容部４１の上壁４１ａの外壁面側で、かつ弁座８２が形成される面と対向する位置に形成された凹部に設置される。磁場形成部材８４は、電磁石を除く、固体の強磁性体で構成される。具体的には、磁場形成部材８４は、例えば、磁化された鉄、コバルト、ニッケル、カドニウムなどで構成される。さらに、磁場形成部材８４は、例えば、アルニコ磁石、フェライト磁石、ネオジム磁石などの永久磁石で構成される。
【００２５】
弁体支持部材８５は、上記した空間８６内の、弁体８３を介して弁座８２と対向する位置に設けられる。具体的には、弁体支持部材８５は、例えば、空間８６を形成する下方側の壁面、換言すれば空間８６を形成する燃料収容部４１の内部側の壁面に設置される。図３に示すように、弁体支持部材８５は、例えば、上記壁面の４か所に均等配分され、矩形形状に構成された弁体８３の４隅を支持できるように配置されている。すなわち、弁体８３が弁体支持部材８５に支持された状態においても、燃料収容部４１の内部と外部とが連通された開状態を維持することができるように構成されている。
【００２６】
ここで、内圧調整装置８０は、燃料収容部４１の上壁４１ａ、すなわち、液体燃料Ｆに対して重力方向の上方側となる壁に設けられることに限られるものではない。例えば、内圧調整装置８０を燃料収容部４１の側壁や底壁に設けてもよい。内圧調整装置８０を燃料収容部４１の側壁や底壁に設ける場合、液体燃料Ｆが空間８６内に流入するのを防止するため、貫通口８１の、燃料収容部４１の内部に貫通する貫通部、すなわち貫通口８１の、燃料収容部４１の内部側の端部は、燃料収容部４１の内側から、液体と気体とを分離し、気体のみを透過させる気液分離膜で覆われる。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが用いられる。なお、内圧調整装置８０を燃料収容部４１の底壁に設ける場合には、貫通口８１が閉塞しないように、例えば、底壁の周縁に、大気を取り込むための複数の穴やスリットが形成された、所定の幅を有するリング状の部材を取り付けてもよい。この場合には、貫通口８１の入口は、設置される面から上方に浮いた位置となるため、大気を流引することができる。上記したように、貫通口８１の貫通部を燃料収容部４１の内側から気液分離膜で覆うことで、燃料収容部４１の設置される体勢によらず、内圧調整装置８０の機能を発揮することができる。
【００２７】
次に、上記した内圧調整装置８０の動作について説明する。
【００２８】
図４および図５は、本発明に係る一実施の形態の内圧調整装置８０において、燃料収容部４１の内部と外部とが連通された開状態のときの内圧調整装置８０の断面を示す図である。
【００２９】
燃料収容部４１内の液体燃料Ｆが流出することで、燃料収容部４１内が大気圧に対して負圧になり、その際に弁体８３が負圧Ｐを受けるとすると、弁体８３に作用する、弁体８３を燃料収容部４１の内部側に引く力Ｆａは「Ｐ×Ｓ」となる。ここで、Ｓは、弁体８３の表面の面積である。また、磁場形成部材８４と弁体８３との間の磁気力をＦｂとすると、引く力Ｆａが磁気力Ｆｂを上回ると、弁体８３は、図２に示された弁座８２に接触した状態（閉状態）から、図４に示しめされた弁座８２から離れた状態（開状態）となる。すなわち、引く力Ｆａが磁気力Ｆｂを上回ると、燃料収容部４１の内部と外部とが連通された開状態となり、外部から燃料収容部４１内に大気が流入する。ここで、以下において、この閉状態から開状態の状態になるときの燃料収容部４１内の圧力を開弁圧という。なお、開弁圧は、大気圧に対して負圧である。このように、燃料収容部４１内の圧力が開弁圧に達すると、開状態となり、開弁圧の状態から解除される。
【００３０】
また、弁体８３に作用する、弁体８３を燃料収容部４１の内部側に引く力Ｆａと、磁気力Ｆｂとの差が大きい場合には、図５に示すように、弁体８３が弁体支持部材８５に接触する状態になることもある。このような状態においても、前述したように、燃料収容部４１の内部と外部とが連通された開状態となり、外部から燃料収容部４１内に大気が流入し、燃料収容部４１内の圧力が開弁圧の状態から解除される。
【００３１】
燃料収容部４１内に外部から大気が流入し、燃料収容部４１内の圧力が開弁圧の状態から解除されると、磁気力Ｆｂが弁体８３を引く力Ｆａよりも上回るため、弁体８３は、図２に示すように、再び、弁座８２に接触した状態（閉状態）となる。
【００３２】
ここで、開弁圧は、大気圧より低い圧力の中から任意に設定することができるが、好ましくは大気圧に対して５ｋＰａ程度低くなるときまでの任意の圧力とすることが好ましい。開弁圧をこの範囲に設定するのが好ましいのは、燃料収容部４１内の圧力が大気圧に対して５ｋＰａを超えるような低い圧力となると、ポンプ７０の実質的な送液能力が低下し、燃料電池セル１０への液体燃料Ｆの供給量を適切に調整することが困難となり、燃料電池１の出力特性の低下が顕著となるからである。
【００３３】
なお、上記した開弁圧のときに、弁体８３が弁座８２から離れるように設定するためには、例えば、弁体８３の表面の面積Ｓを調整することで対応することができる。また、燃料収容部４１の上壁４１ａに内圧調整装置８０を設ける場合、弁体８３の質量は小さいため、弁体８３にかかる重力は、弁体８３を引く力Ｆａや磁気力Ｆｂに比べて無視できる程度に小さい。そのため、上記説明では弁体８３にかかる重力は考慮していない。なお、弁体８３にかかる重力を考慮して、弁体８３の表面の面積Ｓを調整してもよい。
【００３４】
また、例えば、燃料収容部４１の底壁に内圧調整装置８０を設ける場合、気液分離膜を介して内圧調整装置８０の上方に存在する液体燃料Ｆも考慮して弁体８３の表面の面積Ｓを調整することが好ましい。
【００３５】
また、内圧調整装置８０では、燃料収容部４１内の圧力が開弁圧に達するまでは、弁体８３が弁座８２に接触した状態（閉状態）となるため、内部から外部へ液体燃料Ｆが漏れることはない。一方、燃料収容部４１内の圧力が開弁圧に達し、弁体８３が弁座８２から離れた状態（開状態）となる場合でも、燃料収容部４１の内部に向かって外部から急激に大気が流入するため、燃料収容部４１内の液体燃料Ｆや液体燃料Ｆの気化成分が外部に漏れることはない。さらに、燃料収容部４１の内部に向かって外部から急激に大気が流入している間に、燃料収容部４１内の圧力が開弁圧から解除されると、再び、弁体８３が弁座８２に接触した状態（閉状態）となるため、開状態から閉状態となるときにおいても、内部から外部へ液体燃料Ｆが漏れることはない。
【００３６】
上記したように、本発明に係る一実施の形態の内圧調整装置８０によれば、燃料収容部４１内の圧力に応じて、弁体８３を移動して、燃料収容部４１の内部に収容されている液体燃料Ｆなどが外部に漏れることなく、確実に貫通口８１を開状態または閉状態にすることができる。これによって、燃料収容部４１内の圧力が大気圧に対して低下することで生じる、ポンプ７０の実質的な送液能力の低下を防止することができる。そのため、燃料電池セル１０への液体燃料Ｆの供給量を適切に調整することができ、燃料電池１の出力特性を維持することができる。
【００３７】
次に、燃料電池１の他の構成部分について説明する。
【００３８】
図１に示すように、燃料電池セル１０は、いわゆる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）であり、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）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）伝導性を有する電解質膜１７とから構成される。
【００３９】
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Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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として、例えば、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として、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ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。
【００４０】
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、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。電解質膜１７は、具体的には、ナフィオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）、アシプレックス（商品名、旭化成工業社製）等により構成される。なお、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く、例えば、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂獏などのプロトンを輸送可能な電解質膜で構成することができる。
【００４１】
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と同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。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と同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。また、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。
【００４２】
アノードガス拡散層１２の表面に積層されたアノード導電層１８、およびカソードガス拡散層１５の表面に積層されたカソード導電層１９は、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えば、メッシュなど）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などで構成される。これらの中でも、アノード導電層１８やカソード導電層１９は、燃料電池セル１０に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料電池セル１０に対向して設けられている燃料分配層３０の開口部３１からの燃料を燃料電池セル１０に導く。
【００４３】
なお、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜１７とアノード導電層１８およびカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０が介在されており、これらによって燃料電池セル１０からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を備えた燃料電池２を示しているが、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。
【００４４】
保湿層５０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層５０は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。
【００４５】
表面カバー６０は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口６１の個数や大きさ等を変更することで行われる。表面カバー６０は、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属で構成することができるが、これに限定されるものではない。
【００４６】
燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に対応した液体燃料Ｆが収容されている。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。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として、例えば、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液などを用いてもよい。これらの液体燃料の中でも、メタノール水溶液は、炭素数が１で反応の際に発生するのが二酸化炭素であり、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができる。そのため、液体燃料としてメタノール水溶液を使用するのが好ましい。いずれにしても、燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に応じた液体燃料が収容される。
【００４７】
液体燃料Ｆは、燃料濃度が１００重量％から数重量％までの範囲で種々の濃度のものを用いることができるが、特にメタノール水溶液の場合は、燃料濃度が６０重量％以上のものを使用することが望ましい。その理由は、より少ない体積の燃料で発電することができるからである。
【００４８】
また、図１に示すように、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆは、流路４４の一部に介在されたポンプ７０によって燃料供給部４３まで強制的に送液される。
【００４９】
このポンプ７０は、燃料収容部４１から燃料供給部４３に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セル１０に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ７０を備えた燃料電池１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構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ７０の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。上記したようにポンプ７０を設ける場合、ポンプ７０は、制御手段（図示しない）と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部４３に供給される液体燃料Ｆの供給量が制御される。
【００５０】
ここで、ポンプ７０の送液量は、燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液量が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料Ｆの量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ７０の停止時間が長くなる。このため、燃料電池セル１０への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ７０の下流側に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。
【００５１】
一方、ポンプ７０の送液量が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ７０を使用することが好ましい。ポンプ７０の送液量は１０〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ７０には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。
【００５２】
燃料供給部本体４２は、供給された液体燃料Ｆを燃料分配層３０に対して均一に供給するために、液体燃料Ｆを平坦に分散させるための凹部からなる燃料供給部４３を備えている。この燃料供給部４３は、配管等で構成される、ポンプ７０を備えた液体燃料Ｆの流路４４を介して燃料収容部４１と接続されている。燃料供給部４３に導入された液体燃料Ｆおよび／またはこの液体燃料Ｆが気化した気化成分は、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０に供給される。
【００５３】
燃料分配層３０は、例えば、複数の開口部３１が形成された平板で構成され、アノードガス拡散層１２と燃料供給部４３との間に挟持される。この燃料分配層３０は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。また、燃料分配層３０は、例えば、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を燃料電池セル１０側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが用いられる。ここで、燃料電池１において、燃料供給部４３に導入された液体燃料は、燃料分配層３０の複数の開口部３１からアノード（燃料極）１３の全面に対して供給される。このように、燃料分配層３０によって、アノード（燃料極）１３に供給される燃料供給量を均一化することが可能となる。
【００５４】
次に、上記した燃料電池１における作用について説明する。
【００５５】
燃料収容部４１から流路４４を介して燃料供給部４３に供給された液体燃料Ｆは、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０のアノードガス拡散層１２に供給される。アノードガス拡散層１２に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２で拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ-  …式（１）
【００５６】
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、メタノールは、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水と上記した式（１）の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
【００５７】
この反応で生成した電子（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（空気極）１６に導かれる。また、式（１）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（空気極）１６に導かれる。カソード（空気極）１６には酸化剤として空気が供給される。カソード（空気極）１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ-＋６Ｈ+  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
【００５８】
このように燃料電池１では、上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力が得られる。また、上記した内部改質反応が行われる際、燃料収容部４１内の圧力が低下し、開弁圧となると、内圧調整装置８０が作動し、燃料収容部４１の内部と外部とが連通された開状態とする。これによって、燃料収容部４１内の圧力が大気圧に対して低下することで生じる、ポンプ７０の実質的な送液能力の低下を防止することができ、燃料電池セル１０への液体燃料Ｆの供給量を適切に調整することができる。その結果、燃料電池１において、上記した高出力で安定した出力を維持することができる。
【００５９】
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、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。また、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する等、種々の変形が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明に係る一実施形態の燃料電池の構成を示す断面図。
【図２】本発明に係る一実施の形態の内圧調整装置の断面を示す図。
【図３】発明に係る一実施の形態の内圧調整装置を上方から見たときの平面図。
【図４】本発明に係る一実施の形態の内圧調整装置において、燃料収容部の内部と外部とが連通された開状態のときの内圧調整装置の断面を示す図。
【図５】本発明に係る一実施の形態の内圧調整装置において、燃料収容部の内部と外部とが連通された開状態のときの内圧調整装置の断面を示す図。
【符号の説明】
【００６１】
１…燃料電池、１０…燃料電池セル、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極）、１７…電解質膜、１８…アノード導電層、１９…カソード導電層、２０…Ｏリング、３０…燃料分配層、３１…開口部、４０…燃料供給機構、４１…燃料収容部、４１ａ…上壁、４２…燃料供給部本体、４３…燃料供給部、４４…流路、５０…保湿層、６０…表面カバー、６１…空気導入口、７０…ポンプ、８０…内圧調整装置、８１…貫通口、８２…弁座、８３…弁体、８４…磁性体、８５…弁体支持部材、８６…空間、８７…シール部材、９０…ポンプ、Ｆ…液体燃料。
【図１】
2010153306.tif 000003
【図２】
2010153306.tif 000004
【図３】
2010153306.tif 000005
【図４】
2010153306.tif 000006
【図５】
2010153306.tif 000007