(57)【要約】【課題】膜電極接合体の中央と周辺との間で生じる温度および出力の差が解消され、寿命および電池全体の出力が向上した信頼性に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極１１２、空気極１１３、および前記燃料極１１２と前記空気極１１３とに挟持された電解質膜１１１を有する膜電極接合体１１と、前記燃料極１１２に燃料を供給する燃料供給部２と、前記燃料供給部２の下部に位置する均熱手段３とを備える燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する膜電極接合体と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記燃料供給部の下部に位置する均熱手段と
を備える燃料電池。
【請求項２】
前記均熱手段がヒートパイプであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記膜電極接合体が、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の前記燃料極と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極のそれぞれと対向するよう間隔をおいて配置された複数の前記空気極より構成されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ヒートパイプが、前記燃料極および空気極の長手方向に対して並行に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ヒートパイプが、前記燃料極および空気極の長手方向に対して直交に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ヒートパイプが、前記燃料極および空気極の中央から周囲に向けて放射状に配置されることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料供給部が、流路を介して燃料タンクに繋がっていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料供給部が、燃料を貯蔵するためのタンクを含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノートパソコンや携帯電話などのモバイル機器の電源として、小型の燃料電池の使用が注目されている。従来の二次電池では、充電のために一定時間コンセントにつなぐ必要があるが、燃料電池であれば供給用の燃料を補充するだけで使用可能となるため、モバイル機器の電源として非常に適している。
【０００３】
このようなモバイル機器向けの燃料電池としては、特に直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が有望視されている。ＤＭＦＣの液体燃料の供給方式としては、内部気化型等のパッシブ方式のほか、ポンプやバルブにより燃料供給を制御するアクティブ方式が存在する。モバイル機器の電源として燃料電池を実用化する場合、小型化および安全性の向上とともに、高エネルギー密度化の実現が求められている。
【０００４】
特許文献１には、ヒートパイプを備えた冷却装置を積層型の燃料電池に介装することによって、起電部品の高温部の熱量を除去して起電部品面内の温度分布を均一にする燃料電池が記載されている。
【０００５】
特許文献２には、燃料電池スタックを貫通して締結する複数のスタック締結部品のうち少なくとも１つがヒートパイプを内蔵することによって、電池内部で発生した過剰な熱量を燃料電池セル外に放出し又は燃料タンクに伝達する燃料電池が記載されている。
【特許文献１】特開平５−１２１０８３号公報
【特許文献２】特開２００８−１０１５８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、燃料電池は電極での電池反応の進行と共に発熱する。この発熱は、電池反応および構成部材の耐久性等、様々な面で燃料電池に影響する。本発明者は、このような電池反応の進行に伴う温度上昇は、燃料電池の中央部においてより高いことに着目した。またさらに、本発明者は、燃料極と空気極との対を複数備えた膜電極接合体を用いた場合、中央に位置する電極対の出力の方が、周辺に位置する電極対の出力に比べて高いことに着目した。
【０００７】
膜電極接合体の中央と周辺との間で生じる温度および出力の差は、電極の寿命に差を生じさせ、また、電池全体の出力の低下を生じさせると考えられる。
【０００８】
本発明はこのような問題を解決することを課題とする。すなわち、本発明の目的は、膜電極接合体の中央と周辺との間で生じる温度および出力の差が解消され、寿命および電池全体の出力が向上した信頼性に優れた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によると、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する膜電極接合体と、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、前記燃料供給部の下部に位置する均熱手段とを備える燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、膜電極接合体の中央と周辺との間で生じる温度および出力の差が解消され、寿命および全体的出力が向上した燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明による一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。本発明による燃料電池は、発電部１、燃料供給部２および均熱手段３を含む。更に、必要に応じて、箱状容器４、カバープレート５、燃料タンク６および流路７を含む構成とすることができる。
【００１３】
さらに、本発明による燃料電池は、燃料供給など一部にポンプ等を用いて、セミパッシブと称される型の燃料電池とすることもできる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料タンク６から発電部１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タンク６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。
【００１４】
本発明による燃料電池は、図１に示されるように、均熱手段３を含んだ燃料電池である。本発明者は、上記の温度の差および出力の差は互いに関連すると予想した。膜電極接合体で発生した熱は下部に存在する燃料供給部に伝えられるが、より熱が発生する中央部ほど、燃料供給部の温度も高まると予想される。そのため、燃料供給部の中央部ほど燃料の気化が促進し、膜電極接合体の中央部ほどより多くの燃料が供給される結果、中央部ほど電池反応が促進されて出力が高まると予想した。従って、燃料供給部の中央部と周辺部との間における温度差を均一化することで、出力の差を解消することができ、結果として寿命および電池全体の出力が向上した信頼性に優れた燃料電池が得られると考えた。均熱手段３は、このような均一化を達成するために設けられるものである。
【００１５】
本発明の燃料電池において、均熱手段３は燃料供給部２の下部に設けられる。好ましくは、均熱手段３は燃料供給部２に接触した状態で設けられる。図1においては、均熱手段３は箱状容器４の底部空間に間隔をおいて配置されているが、この構成に限らず箱状容器底部に埋設あるいは燃料供給部２の底部に移設されても良い。
【００１６】
均熱手段３は熱伝導性に優れた素材のものを使用することができるが、特にヒートパイプを使用することが好ましい。ヒートパイプとは、一般に、金属性の管状の容器内を真空とし、少量封入された作動液の蒸発および濃縮の相変化によって熱を輸送するものである。具体的には、ヒートパイプが加熱されると、内部の作動液である液体が蒸発して気化し、このとき潜熱（気化熱）として熱が取り込まれ低温部へ高速に移動し、低温部で冷却されて液体に戻り熱を放出（凝縮潜熱による熱放出）するものである。
【００１７】
本発明による燃料電池において、ヒートパイプは、中央部で発生した熱を周辺部に伝達させるのに適した位置に配置される。例として、図２に示されるように、ヒートパイプ３１は膜電極接合体１１の長手方向に並行に配置される。図２は、本発明による燃料電池の１例を上面から見たものである。この図において、燃料電池は、複数の開口５１を有したカバープレート５で上面が覆われている。また、内部に存在するヒートパイプ３１が破線によって表されている。図２のＸ−Ｘ線における断面図が図１に対応する。また、別の例として、図４に示されるように、ヒートパイプ３１は膜電極接合体１１の長手方向に直交に配置される。図４では、図２と同様に、内部に存在するヒートパイプ３１が破線で表され、図４のＹ−Ｙ線における断面図が図３に対応している。さらに、その他の例として、図５に示されるように、ヒートパイプ３１は中央から周囲に向けて放射状に配置される。本発明による燃料電池では、図２、図４および図５に示されるヒートパイプ３１の配置に限定されない。図２、図４及び図５に示されるよりも、多くのヒートパイプ３１を使用することが可能であり、また、中央部と周辺部との間の熱の均一化を可能とする配置であればこれら以外の配置とすることも可能である。
【００１８】
次に燃料供給部２について説明する。本発明による燃料電池において、燃料供給部２は発電部１の下部に配置される。燃料供給部２は、従来の燃料電池において使用されるものであってよい。
【００１９】
好ましくは、図１または図３に示されるように、液体燃料６１を備えた燃料タンク６が流路７を通じて接続された構成とすることができる。この燃料電池では、燃料供給部２は、発電体１の燃料極１１２側に燃料を供給するための供給口２１および供給口２１に燃料を供給するための細管２２を有する。液体燃料６１は、燃料タンク６１から流路７を通って燃料供給部２に送られ、細管２２を通って各供給口２１から燃料極１１２に供給される。その際、均熱手段３によって燃料供給部２における温度差が解消され、気化した燃料の供給量は膜電極接合体の中央部と周辺部とで均一化される。
【００２０】
あるいは、図６に示されるように、燃料を貯蔵するためのタンクを内部に備えた構成とすることができる。すなわち、燃料供給部２が、液体燃料６１を貯蔵する内部タンク２３を備えた構成とすることができる。この燃料電池において、液体燃料６１は、内部タンク２３から直接供給口２１を通って燃料極１１２に供給される。その際、均熱手段３によって燃料供給部２における温度差が解消され、気化した燃料の供給量は膜電極接合体の中央部と周辺部とで均一化される。
【００２１】
また、燃料供給部２は、上記したものに限られない。特に、図１および図６のように箱状容器４と燃料供給部２とが独立した構成ではなく、これらが一体化した構成であってもよい。そのような一体化した構成をとる場合であっても、均熱手段３は燃料供給部２の下部に配置される。
【００２２】
液体燃料６１としては、各種濃度のメタノール水溶液または純メタノール等のメタノール燃料を使用できる。しかしながら、その他の燃料を使用することも可能であり、例えば、エタノール水溶液または純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液または純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液または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、その他の燃料を使用することができる。
【００２３】
また、液体燃料６１が接触する燃料供給部２、燃料タンク６および流路７の素材としては、耐メタノール性を有するものを使用することが好ましい。例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）、ＣＯＣ（シクロオレフィンコポリマー）または燃料への金属イオンの溶出を防止するために表面処理などで対策しておけば金属材料を素材として使用することができる。特に、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）を用いることが好ましい。
【００２４】
本発明による燃料電池において、図１に示されるように、発電部１は膜電極接合体１１および集電体１２を含む。さらに、必要に応じて、Ｏリング、多孔体および保湿板（何れも図示せず）を発電部１に設けることができる。
【００２５】
膜電極接合体１１は、燃料極１１２、空気極１１３、および燃料極１１２と空気極１１３とに挟持された電解質膜１１１から成る。本発明による燃料電池では、１つの電解質膜１１１が１対の燃料極１１２および空気極１１３に挟持される膜電極接合体１１を使用してもよいが、好ましくは、１つの電解質膜１１１が複数対の燃料極１１２および空気極１１３に挟持される膜電極接合体１１であって、対となる電極は、互いに電解質膜１１１を介して平面対称の位置に配置されたものを使用してよい。すなわち、本発明の燃料電池は、膜電極接合体１１が、電解質膜１１１の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極１１２と、電解質膜１１１の他方の面に燃料極１１１のそれぞれと対向するよう間隔をおいて配置された複数の空気極１１３より構成されることを特徴とする燃料電池であってよい。より好ましくは、図１、図３および図６において断面図として示されるように、４対の電極を有した膜電極接合体１１が使用される。本発明による燃料電池では、複数の膜電極接合体１１を縦に積層させたものではなく、１枚の電解質膜１１１による膜電極接合体１１を使用した燃料電池であることが好ましい。
【００２６】
燃料極１１２および空気極１１３はそれぞれ、電角質膜１１１に接する触媒層と集電体１２に接する拡散層とから成る（共に図示せず）。触媒層に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等白金族元素の単体、およびこれら白金族元素を含有する合金等が挙げられる。燃料極１１２の触媒層には、メタノールおよび一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−Ｒｕ合金またはＰｔ−Ｍｏ合金等を用いることが好ましい。空気極１１３の触媒層には、ＰｔまたはＰｔ−Ｎｉ合金等を用いることが好ましい。しかしながら、これらの触媒に限定されず、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、または無担持触媒を用いてもよい。拡散層は、燃料または酸化剤をそれぞれ燃料極１１２または空気極１１３に均一に供給する役割を果たし、拡散層は多孔質基材で構成される。電解質膜１１１はプロトン伝導性材料から成り、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といったフッ素系樹脂（商品名ナフィオン（デュポン社製）または商品名フレミオン（旭硝子社製）等）または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またはリンタングステン酸等の無機系材料からなる。
【００２７】
集電体１２は、燃料極１１２および空気極１１３に接触しており、電池反応により生じる電子を効率よく伝達するために設けられる。燃料極１１２に接する集電体１２は、燃料極１１２で生じる電子を集め、導線を介して外部に電子を送る。空気極１１３に接する集電体１２は、導線を介して外部から電子を受け取り、空気極１１３に分散して効率の良い水生成反応に寄与する。膜電極接合体１１が、上述のように複数対の電極を有したものである場合、集電体１２もそれに対応した形態をとる。すなわち、１つの電極に対し１つの集電体が接触して設けられ、複数存在する電極の対が直列に接続されるように集電体同士が導電性の部材によって繋げられる。本発明による燃料電池のための集電体１２は当該分野において既知のものを使用することができる。
【００２８】
必要に応じて設けられるＯリングは、電解質膜１１１と集電体１２とに挟持され、燃料極１１２および空気極１１３を囲むように設けられる。Ｏリングは、発電部１からの燃料および酸化剤の流出を防ぐために設けられる。必要に応じて設けられる多孔体は、燃料極１１２側の集電体１２と燃料供給部２との間に設けられる。多孔体は、多孔質状態の樹脂フィルム等を材料としたものが使用され、燃料極１１２に対する燃料の供給の均一化に寄与する。必要に応じて設けられる保湿板は、空気極１１３側の集電体１２とカバープレート５の上面との間に設けられ、空気極１１３で発生する水の拡散の抑制、および空気極１１３への空気の均一な供給に寄与する。
【００２９】
次に、電池反応について説明する。燃料供給部２から放出された燃料は、発電部１の燃料極１１２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、燃料極１１２の触媒層において下記の式（１）に示されるメタノールの内部改質反応が生じる。  
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …（１）。
【００３０】
なお、純メタノールを使用した場合には、空気極１１３で生成される水および／または電解質膜１１１中の水をメタノールと反応させて式（１）の内部改質反応を生起させる。あるいは、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。
【００３１】
この反応で生成される電子（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、空気極１１３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１１１を経て空気極１１３に導かれる。空気極１１３には酸化剤として空気が供給される。空気極１１３に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、空気極１１３の触媒層で空気中の酸素と下記の式（２）に従って反応し、この反応に伴って水が生成する。  
６ｅ−＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）。
【００３２】
箱状容器４は、少なくとも発電部１、燃料供給部２および均熱手段３を収めるための空間を有する。箱状容器４は、燃料となるメタノール液との接触により膨潤等の劣化を生じにくい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））等の樹脂材料によって構成することが好ましい。
【００３３】
カバープレート５は、図１に示されるように、本発明による燃料電池の上部および側面の一部の外装となる部材である。カバープレート５は、締結手段を用いて箱状容器４に固定される。締結手段としてはネジ等を使用することができるが、好ましくはカバープレート５の端部が箱状容器４の底面等に向けて折り曲げられた構造（かしめ構造）によって固定される。カバープレート５には、必要に応じて、更なる構造を設けることができる。例えば、図２、図４および図５に示されるように、カバープレート５には、酸化剤である空気を取り入れるための開口５１を設けることが出来る。カバープレート５の素材としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂、またはステンレス（ＳＵＳ３０４）といった金属材料を使用できる。
【００３４】
本発明によって、膜電極接合体の中央と周辺との間で生じる温度および出力の差が解消され、寿命および電池全体の出力が向上した信頼性に優れた燃料電池が提供される。
【００３５】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、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てもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の断面図。
【図２】本発明の一実施形態に係る燃料電池を上面からみた図。
【図３】本発明の一実施形態に係る燃料電池の断面図。
【図４】本発明の一実施形態に係る燃料電池を上面からみた図。
【図５】本発明の一実施形態に係る燃料電池を上面からみた図。
【図６】本発明の一実施形態に係る燃料電池の断面図。
【符号の説明】
【００３７】
１…発電部、１１…膜電極接合体、１２…集電体、１１１…電角質膜、１１２…燃料極、１１３…空気極、２…燃料供給部、２１…供給口、２２…細管、２３…内部タンク、３…均熱手段、３１…ヒートパイプ、４…箱状容器、５…カバープレート、５１…開口、６…燃料タンク、６１…液体燃料、７…流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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