(57)【要約】本発明の課題は、アルコール燃料を用いる固体高分子型燃料電池において、簡素な構造で燃料供給制御が行え、優れた発電特性及び保管特性を実現できる燃料電池を提供することにある。本発明の燃料電池は、燃料極（８＋９）及び酸素極（１１＋１２）並びにこれらに挟持された固体高分子電解質膜（１０）を少なくとも備えた発電部（２）と、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部（１）とを有する燃料電池であり、該発電部が、開口部（６ｂ）を有する第一の開口部材（６ａ）を該燃料極側に備え、該燃料貯蔵部が、開口部（５ｂ）を有する第二の開口部材（５ａ）を備え、該燃料貯蔵部を収容する収容部を備え、該収容部は該発電部に対して脱着可能な状態で該燃料貯蔵部を収容し、該第一の開口部材の開口部と、該第二の開口部材の開口部が連通可能な位置にあることを特徴とする。
2008143020.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び酸素極並びにこれらに挟持された固体電解質膜を少なくとも備えた発電部と、
前記発電部に連結可能に設けられ、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
を有し、
該発電部が、開口部を有する第一の開口部材を該燃料極側に備え、
該燃料貯蔵部が、開口部を有する第二の開口部材を備え、
該第一の開口部材の開口部と、該第二の開口部材の開口部を連通可能に構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第二の開口部材を備える前記燃料貯蔵部が、前記発電部の第一の開口部材の前記開口部を備える面に対して、平行方向に相対移動可能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】
前記第一の開口部材の開口部が、前記第二の開口部材の開口部より小さいことを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発電部に設けられ、該燃料貯蔵部を収容する収容部を備え、
該収容部は該発電部に対して脱着可能な状態で該燃料貯蔵部を収容することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記収容部は、前記燃料貯蔵部を反転させ収納することが可能であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第一の開口部材及び前記第二の開口部材の全面又は開口部のみに気液分離膜を有することを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第一の開口部材の前記気液分離膜が、前記燃料極側から順に親水性材料層、撥水性材料層の２層構造であることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記親水性材料層が、固体高分子電解質バインダーを前記燃料極の集電部に埋め込んでキャストしたものであり、該集電部を兼ねた構造であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
開口部を有する第一の開口部材を備える燃料極、酸素極及びこれらに挟持された固体電解質膜を備える発電部と、燃料を貯蔵し、かつ開口部を有する第二の開口部材を備える燃料貯蔵部とを有し、該第二の開口部材を備える燃料貯蔵部が該発電部に対して着脱及び相対移動が可能な構造とした燃料電池の、燃料供給量制御方法であって、
該第一の開口部材に対して、該第二の開口部材を有する燃料貯蔵部が相対的に移動し、
該第一の開口部材の開口部と該第二の開口部材の開口部が連通する開口面積を変化させることにより、該燃料極への燃料供給量を制御することを特徴とする、燃料電池の燃料供給量制御方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は固体高分子型燃料電池及び燃料供給方法に関する。
アルコール燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源として研究開発が活発に進められている。
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した構造の電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えている。液体燃料を直接燃料極に供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれ、供給された液体燃料を燃料極に担持された触媒上で分解して陽イオン、電子及び中間生成物を生成させる。さらにこのタイプの燃料電池は、生成した陽イオンは固体高分子電解質膜を透過して酸素極側に移動し、生成した電子は外部負荷を経て酸素極側に移動し、これらが酸素極で空気中の酸素と反応して発電する。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという。）では、下式１で表される反応が燃料極で起こり、下式２で表される反応が酸素極で起こる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−・・１
６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ  ・・・・２
ここで実際に上記反応式を用いた燃料電池を安定して動作させるには、メタノールなどのアルコール燃料を発電部であるＭＥＡの燃料極に発電に必要な量を定常的に供給することが必要となる。従来、アルコール燃料を発電部であるＭＥＡに供給する手段として、液体燃料を貯蔵したタンクを燃料電池本体に内蔵もしくは外部にカートリッジとして取り付けて液体燃料を直接供給する方法が広く用いられている。
例えば、特開２００４−７１２６２号公報（特許文献１）では燃料カートリッジから送液ポンプを用いて発電部と一体化した燃料貯蔵層に液体燃料を送り、発電部であるＭＥＡの燃料極に供給する燃料電池が開示されている。
特開２００６−４９０３２号公報（特許文献２）では、起電部で生成された生成水及び副生成物を回収する回収タンクを設けた燃料電池システムが開示されている。
特表２００５−５２４９５２号公報（特許文献３）では有孔多孔質構造体を有する着脱式のカートリッジを用いて発電部と燃料カートリッジ部とを分離する手法が提案されており、上記のような回収機構を必要とせず簡素な構造で燃料供給が行えるとしている。
特開２００６−１９１６２号公報（特許文献４）では、ガス透過性の異なる領域を有する複数のガス拡散層を積層し、重なり状態を変化させてガス拡散層のガス透過性を変化させる技術が開示されている。
特表２００４−５２９４６０号公報（特許文献５）では、燃料電池反応が生じる電池表面の大きさを、反応媒質を供給する通路の多孔板を移動することにより調節し、低負荷域で高い効率を得ることを目的とする燃料電池を開示している。
特開２００６−２６９１２６号公報（特許文献６）では、燃料を均一に供給するため、燃料極側から疎水性多孔膜、高分子膨潤膜、気液分離膜の３層を重ねた燃料電池が開示されている。
【発明の開示】
【０００２】
特許文献１や２では、ポンプが必要であり、またＭＥＡを組み込んだスタック部分が特殊なコネクタ形状となる等、複雑な構造となってしまう。
特許文献３では発電部に送る燃料供給量は全く制御できない。また、常に燃料が燃料極に供給されている構造となるため、保管時などにおいて液体燃料が発電部にまばらに残る可能性が高い。このような状態は燃料極に局所的な電池を形成することになり、発電部を劣化させる可能性がある。さらに着脱の際の液漏れについては記載されていない。
特許文献４は、反応生成物である水分を排出するための機構であり、燃料供給量を制御するための機構ではなく、燃料の供給部分については記載がない。
特許文献５では、燃料の供給部の開口面積を変化させることは開示されているが、気液分離膜や燃料貯蔵部分との関係は記載がなく、構造が複雑になる可能性がある。
特許文献６では、燃料供給量の調節はできず、３層もの構造が必要となる。
本発明の主な目的は、簡素な構造で発電部への安定した燃料供給を実現する方法及び、これを用いた燃料電池を提供することである。すなわち、従来技術よりも簡易な構造で利便性を大幅に改善できるだけでなく、燃料供給量を制御して安定した発電特性及び保管特性を実現することである。
本発明の第１の視点によれば、燃料極及び酸素極並びにこれらに挟持された固体電解質膜を少なくとも備えた発電部と、前記発電部に連結可能に設けられ、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、を有し、該発電部が、開口部を有する第一の開口部材を該燃料極側に備え、該燃料貯蔵部が、開口部を有する第二の開口部材を備え、該第一の開口部材の開口部と、該第二の開口部材の開口部を連通可能に構成したことを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明の他の視点によれば、開口部を有する第一の開口部材を備える燃料極、酸素極及びこれらに挟持された固体電解質膜を備える発電部と、燃料を貯蔵し、かつ開口部を有する第二の開口部材を備える燃料貯蔵部とを有し、該第二の開口部材を備える燃料貯蔵部が該発電部に対して着脱及び相対移動が可能な構造とした燃料電池の、燃料供給量制御方法が提供され、該第一の開口部材に対して、該第二の開口部材を有する燃料貯蔵部が相対的に移動し、該第一の開口部材の開口部と該第二の開口部材の開口部が連通する開口面積を変化させることにより、該燃料極への燃料供給量を制御することができる。
（発明の効果）
このような簡素な機構により、燃料の形態によらず燃料貯蔵部から燃料極への燃料供給量を容易に制御することが可能となり、小型軽量化して発電特性を大幅に向上することができる。また、燃料貯蔵部と発電部に気液分離膜を用いることにより、燃料貯蔵部を発電部から安全に脱着することが可能であるとともに、保管特性、起動特性をさらに改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
図１は本発明の１つの実施形態における固体高分子型燃料電池の燃料供給方法を示す断面図であって、（ａ）は細孔板の開口率１００％の場合の断面図であり、（ｂ）は細孔板の開口率０％の場合の断面図である。
図２は本発明の１つの実施形態における固体高分子型燃料電池の燃料供給方法を示す平面図であって、（ａ）は開口率１００％の場合の細孔板の位置関係を示す平面図であり、（ｂ）は開口率０％の場合の細孔板の位置関係を示す平面図である。
図３は着脱式の燃料貯蔵部及びこれに対応した発電部の構成図を示したものであって、（ａ）は燃料貯蔵部が着脱可能な燃料電池の発電部の縦断面図であり、（ｂ）は燃料貯蔵部が着脱可能な燃料電池の発電部の横断面図である。
図４は燃料貯蔵部の断面図であって、（ａ）は燃料貯蔵部の縦断面図であり、（ｂ）は横断面図であり、（ｃ）は燃料貯蔵部を発電部に装着する状態を示す縦断面図である。
図５は実施例３の発電試験結果であり、（ａ）は開口率５０％における実施例３の発電試験結果、（ｂ）は開口率１００％における実施例３の発電試験結果である。
図６は実施例１、４、５の比較試験結果である。
【符号の説明】
【０００４】
１  燃料貯蔵部
２  発電部
２ａ  収容部
３  フレーム
４  燃料保持部
５ａ  細孔板（燃料貯蔵部側）
５ｂ  開口部（燃料貯蔵部側）
６ａ  細孔板（発電部側）
６ｂ  発電部側（発電部側）
７  シール材
８  燃料極集電部
９  燃料極触媒層
１０  固体高分子電解質膜
１１  酸素極触媒層
１２  酸素極集電部
２０  多孔質膜（燃料貯蔵部側の気液分離膜）
２１  多孔質膜（発電部側の気液分離膜）
２２  収容部フレーム
２３  燃料貯蔵部挿入空間
２４  ＭＥＡ保持板（兼酸素極空気取入口）
２５  シール材
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池について図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の１つの実施形態における固体高分子型燃料電池の燃料供給方法を示す断面図である。また、図３は着脱式の燃料貯蔵部及びこれに対応した発電部の構成図を示したものである。なお、本発明は、これらの図面及び以下で説明する実施形態に限定されるものではない。
本発明に係る固体高分子型燃料電池は、図１の（ａ）に示すように、固体高分子電解質膜１０と、その面上に接して配された燃料極触媒層９と酸素極触媒層１１とで挟持して構成されるＭＥＡ（電解質膜−電極接合体；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有し、それを酸素極集電部１２と燃料極集電部８が挟んで発電部２を構成する構造である。そして燃料極集電部８と、これに相対する燃料貯蔵部１とに細孔板５ａ（第２の開口部材）及び細孔板６ａ（第１の開口部材）が取り付けられた構造をもっている。
燃料貯蔵部１は、発電部２に対して連結可能に設けられ、相対的に移動可能なように構成されている。
細孔板５ａと細孔板６ａは、開口部５ｂ、６ｂをそれぞれ有しており、細孔板５ａと細孔板６ａを、図１の（ａ）及び図１の（ｂ）に示したように燃料貯蔵部１の発電部２との位置を相対的に移動させることで、相対する細孔板５ａと細孔板６ａにおける開口部５ｂ、及び６ｂの重なりを変化させることができる。
例えば、図１の（ａ）は２つの細孔板の開口部５ｂ及び６ｂが完全に重なっており、燃料貯蔵部１から燃料極（８＋９）に燃料を供給するための細孔板の実効的な開口率は１００％となる。一方、図１の（ｂ）の場合、２枚の細孔板が有する開口部分の重なりはゼロとなり、燃料を透過する細孔板の実効的な開口率は０％となる。さらに図１の（ａ）の状態から図１の（ｂ）の状態にする途中では実効的な開口率は１００％から０％まで連続的に変化することになる。このように燃料貯蔵部１と発電部２は、開口部５ｂと６ｂが連通可能に構成されているため、燃料貯蔵部１と燃料極とに取り付けた細孔板の開口部が重なる部分を変えることで、燃料貯蔵部１から燃料極への燃料供給量を制御することができる。開口部分以外から燃料が漏洩しないように２枚の細孔板の間の空間はできるだけ小さくするのが望ましい。
開口率を必ず０％にできるようにするため、細孔板の穴の位置及び形状は移動方向に対して不連続な開口部分を形成していなければならないが、これ以外は特に限定されない。また、１枚の細孔板そのものの開口率は５０％以下であることが望ましい。さらに、図１の（ａ）に示したように開口部分には同じ開口面積を規則的に設けることで、細孔板の平行移動に伴う開口率を連続的に変化させることが可能となる。
図２は、図１の実施形態の細孔板５ａと細孔板６ａの重なり具合を、理解を容易にするために平面的に並べて表わした図である。図２では、矩形の開口部５ｂ、６ｂが各３箇所不連続に、かつ規則的に設けられており、図２の（ａ）は図１の（ａ）の状態すなわち開口部が完全に重なる位置にある場合、図２の（ｂ）は図１の（ｂ）の状態すなわち開口部が完全に重ならない場合の平面図である。
細孔板に用いる材質は耐薬品性を有するプラスチック製品もしくは金属製品に耐薬品性の素材をコーティングしたものが望ましい。また、２枚の細孔板の密着性を高めるためにたわみがないように、剛性を有することが望ましい。
ここで、細孔板の開口部分に気液分離性を有する材料を用いて燃料を気化供給することで、本発明の燃料供給量制御をさらに効果的に利用することが可能となる。図３にこのような気化供給を用いた具体的な燃料電池の構成を示した。
図３を用いて着脱式の燃料貯蔵部及びこれに対応した発電部の構成および製造方法について、具体的に説明する。図３の（ａ）は、発電部２と収容部２ａの縦方向の縦断面図である。図３の（ｂ）はその横方向からみた横断面図である。まず、発電部２に用いる固体高分子電解質膜１０は特に限定されないが、後述の実施例でも使用する市販のものを用いることができる。この固体高分子電解質膜を両面から挟む燃料極及び酸素極は、いずれも、触媒を担持させた炭素粒子を含む触媒ペースト（触媒層９及び１１）を、多孔質基材（集電部８及び１２）に塗布して形成される。この多孔質基材には電気伝導性を有する金属メッシュあるいはカーボンクロスなどを用いることができる。このようにして用意した燃料極（８＋９）及び酸素極（１１＋１２）を、それぞれ触媒層側が固体高分子電解質膜１０側になるように配置して熱圧着することにより集電部を含むＭＥＡが形成される。
さらに、燃料極及び酸素極に用いる多孔質基材は集電の役割も果たせるように端部に電気を取り出せる電極端子部を設けてある。より簡易な構造を持たせるため多孔質基材で一体化するのが望ましい。なお、この電極端子部に触媒層は形成しない。
さらに、図３に示したようにＭＥＡを構成する固体高分子電解質膜１０は燃料極触媒層９と酸素極触媒層１１よりも大きめにして燃料極と酸素極とが短絡しないようにするのが望ましい。
次に、この電極部が重ならない固体高分子電解質膜部分には電極の厚み分のシール材２５を設ける。これによって燃料極と酸素極との短絡防止及び固体高分子電解質膜１０を通して燃料が透過するのを相当に抑制することができる。このシール材２５部分は後述するように燃料極のガス排出口としての役割やフレームと一体化する際の製造工程において必要となる。
このシール材２５に用いる材料はある程度の絶縁性とシール性を有していれば特に限定されないが、例えばシリコンゴム、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）製などの樹脂、高分子多孔質体などを用いることができる。
ここで、燃料極側に用いるシール材２５には反応過程で発生しＣＯ２ガスを外部に排出するため気液分離性を有する多孔質体を用いるのが望ましい。
ここで、本発明で用いるＭＥＡの形状は特に限定されないし、上記に説明したひとつのＭＥＡを何段にも直列に電気的に接合した発電スタックまたはＭＥＡを並列に並べた発電スタックにもそのまま用いることができる。
次に、上記の発電体（集電部を有するＭＥＡにシール材を付加したもの）を収容部フレーム２２上に細孔板６ａ及び気液分離性を有する多孔質膜２１を挟んで固定する。固定にはＭＥＡ保持板２４でネジ止めしてもよいし、枠部分を接着剤で封止してもよい。
ここで図３では多孔質膜２１として気液分離膜を細孔板６ａの全面に積層しているが、細孔板６ａの開口部分のみに気液分離膜を埋め込んだ形にしてもよい。細孔板６ａに用いる材質は化学的に安定したフッ素系樹脂などが望ましい。
この燃料供給部（細孔板６ａと多孔質膜（気液分離膜）２１を合わせた部分）の多孔質膜（気液分離膜）２１は、撥水性の多孔質体もしくは親水性の多孔質体を用いることが好ましく、さらには燃料貯蔵部側から撥水性材料、親水性材料の順番で積層した構造がより望ましい。このような構造にすることで発電部において発生した生成水が燃料貯蔵部側に逆流するのを低減することが可能となる。これは発生した水蒸気が一部結露して親水性部分に保持されて撥水性材料を通過できなくなるためと考えられる。
収容部２ａには一方向から燃料貯蔵部１が挿入できる燃料貯蔵部挿入空間２３が設けられている。
燃料貯蔵部１の断面図を図４の（ａ）、図４の（ｂ）に示す。燃料貯蔵部１は、図４の（ａ）に示すように、フレーム３に気液分離性の多孔質膜２０及び細孔板５ａを積層させて封止し、燃料貯蔵部挿入空間２３に収まるような外寸法としたものである。これらの材質に関しては発電部２で用いたものと同等のものを用いることが望ましい。また、燃料が液体の場合には燃料が均一に分布するように燃料保持部４に親水性の多孔質体を入れることが望ましい。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）の断面の側面方向から見た断面図である。図４の（ｃ）は、燃料貯蔵部１を燃料貯蔵部挿入空間２３に挿入する様子を示す断面図である。
燃料貯蔵部１の気化供給部（細孔板５ａと多孔質膜（気液分離膜）２０を合わせた部分）の多孔質膜（気液分離膜）２０には気液分離性を有する多孔質体材料を用いることができ、このような材料としては例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などの撥水性多孔質膜やスチレン系材料をスルホン化処理した親水性のイオン交換膜などを用いることができるが、燃料貯蔵部１から気化供給部を透過して発電部２へ供給されるメタノールと水の供給割合がモル比で（メタノール／水）＞１であることが望ましい。
細孔板５ａ及び６ａにおいて、細孔板５ａの開口部５ｂを細孔板６ａの開口部６ｂよりも小さくしてもよい。このような構造では燃料極で発生した生成物が燃料貯蔵部１に逆流することを著しく低減することが可能となる。ここで細孔板５ａと６ａの開口部の比率は１．５〜３程度であることが望ましい。
燃料貯蔵部１と発電部２の気液分離のための多孔質膜２０、２１の燃料の透過性能については、開口率１００％の状態で両者を合わせて最大発電に必要な量以下であることが望ましい。
このように形成した発電部２と燃料貯蔵部１からは液体が直接外部に漏れないので、短時間であれば燃料貯蔵部１を発電部２から自由に脱着することが可能となる。ここで燃料貯蔵部１と発電部２とは容易に外れないように発電部２に設けた凹部分に燃料貯蔵部１の凸部分をはめ込む構造などを設けてもよい。
さらに、燃料貯蔵部１と発電部２との密着性を高めるためにＯリングなどのシールを発電部２のフレーム部に具備する事で密閉性を高めることが望ましい。これによって燃料貯蔵部１の挿入時における駆動特性及び保管特性をさらに高めることが可能となる。
また、燃料貯蔵部１を取り外して長時間に渡って放置した場合、気液分離膜から燃料が外部に漏洩する恐れがある。このため、取り外した際には燃料貯蔵部１の細孔板５ａにシールをすることが望ましい。ここでシール用材料には通気性の低い金属板、プラスチック板或いは高分子膜などが挙げられる。取り付けはネジや凹凸によって固定してもよいし、粘着性材料で簡易に取り付けてもよい。本実施形態では気液分離膜２０の上に細孔板５ａがあるために、これらのシール用材料が気液分離膜２０に直接触れることがなく、気液分離膜２０が損傷して性能が低下することを防ぐことができる。また、シール用材料が撓んで気密性が低下することを防ぐことができる。
また、発電部２も同様に乾燥を低減するために、外気を遮蔽することが望ましい。これは収容部２ａの挿入口又は細孔板６ａを通気性の低い金属板、プラスチック板或いは高分子膜などでシールしてもよいし、燃料貯蔵部挿入空間２３内に開口部を有さない燃料貯蔵部１と同じ寸法の直方体を挿入する方法などが挙げられる。
本発明では保管時において燃料貯蔵部１の気化供給部がない面（対向する反対側の面）を燃料極側に配するように取り付けることによって、密閉性を大幅に高めることが可能となる。
このように本発明では保管時用の特別な部材を用意する必要がないので、単に保管特性を高めるだけでなくユーザーの利便性を向上することができる。
【実施例】
【０００６】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池を実施例を用いて具体的に説明する。
（実施例１）
図３に示した構造を有する単セル燃料電池を以下の手順で作製した。先ず、炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を重量比で５５％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子１ｇにデュポン社製の５重量％ナフィオン溶液（商品名；ＤＥ５２１、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標、以下同じ）を適量加え、攪拌して、酸素極用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを金属製多孔質基材の上に１〜８ｍｇ／ｃｍ２の量で塗布した後、乾燥させて酸素極を作製した。ここで金属製多孔質基材にはＳＵＳ３１６Ｌ製の金属メッシュ（厚さ０．５ｍｍ、気孔率５０％）を用いた。また、金属メッシュの形状は４０ｍｍ×２０ｍｍの長方形の端面に長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍの電極端子部が設けてあり、この電極端子部以外の部分に触媒層が塗布されている。一方、白金微粒子に代えて粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子を用いた以外は上記酸素極用の触媒ペーストを得る条件と同じにして燃料極用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを用いた以外は上記酸素極の作製条件と同じ条件で、燃料極を作製した。
次に、デュポン社製のナフィオン１１７からなる５０ｍｍ×３０ｍｍ×厚さ１８０μｍの膜を固体高分子電解質膜として用い、この膜の厚さ方向の一方の面に上記酸素極を金属メッシュが外側となる向きで配置し、他の面に上記燃料極を同様に配置してホットプレスした。これにより酸素極及び燃料極が固体高分子電解質膜に接合したＭＥＡを得た。
次にこのＭＥＡにおいて電解質膜の電極が接合されていない部分に枠状のシール材２５としてシリコンゴム（外寸法５０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、幅５ｍｍの矩形枠状）を酸素極側に、また同じ形状のＰＴＦＥ多孔質体（気孔率５０％）を燃料極側に取り付けた。
次いで、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂製の細孔板６ａ（３０ｍ×５０ｍｍ、開口部１５ｍ×５ｍｍ、３個）とＰＴＦＥ多孔質膜２１（３０ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５０μｍ、気孔率８０％）を用意して、コの字型の収容部フレーム２２（ＰＥＥＫ樹脂製、外寸法３０ｍ×５０ｍ×１５ｍｍ、肉厚３ｍｍ）に細孔板６ａ、ＰＴＦＥ多孔質膜２１、発電体（燃料極集電部８）の順番で積層して、これらを網目状のＰＥ（ポリエチレン）樹脂板（外寸４０ｍ×５０ｍｍ、開口率３０％）をＭＥＡ保持板２４としてシール材２５部分でネジ止めして一体化した。
次に燃料貯蔵部１としてＰＥＥＫ樹脂製のフレーム３（外寸法２４ｍｍ×５０ｍｍ×１２ｍｍ、肉厚２ｍｍ）を用意して、これにＰＴＦＥ多孔質膜２０（２４ｍｍ×５０ｍｍ、厚さ５０μｍ、気孔率８０％）とＰＥＥＫ製の細孔板５ａ（２４ｍ×５０ｍｍ、開口部１５ｍ×５ｍｍ、３個）に積層して枠部分をポリイミド系接着剤で熱圧着して一体化した。なお、燃料保持部４には気孔率９０％のウレタン製の発泡多孔質体をあらかじめ挿入してある。また、フレーム３にはφ２ｍｍのネジ穴（図３では図示せず）を２箇所設けて、ここから燃料を注入してネジ止めして封止できるようになっている。
また、燃料貯蔵部１を発電部２に挿入する際にはフレーム３の外部にシリコングリースを塗って隙間を埋めることにした。なお、このように発電部２に燃料貯蔵部１を挿入した時に両者の端面が一致する場合が開口率１００％に相当し、そこから５ｍｍ位置を移動させると開口率０％に相当する。
（実施例２）
実施例１において気液分離膜２０、２１を具備しない以外は同様な手順で作製した燃料電池を用意した。
（実施例３）
実施例１で作製した燃料電池セルを用いて定電流試験による発電試験を行った結果を図５に示す。燃料には３０体積％メタノール水溶液を用いて、これを燃料貯蔵部に充填して封止した。図５の（ａ）は開口率５０％において１Ａ及び２Ａの負荷電流で発電したもの、図５の（ｂ）は開口率１００％において１Ａ及び２Ａの負荷電流で発電したものである。アンペア数の横の数値は時間あたりの燃料消費量である。まず、負荷電流１Ａの結果をみると開口率５０％と開口率１００％とではセル電圧はほぼ同じであるが、燃料消費量は開口率５０％の方が少なくなっており、エネルギー容量は高くなった。一方、２Ａの電流を負荷した場合は開口率５０％ではセル電圧が時間とともに低下しているが、開口率１００％では安定したセル電圧が得られることがわかった。この結果から本発明の簡易な構造によって燃料供給量を発電量に合わせて制御することが可能になり、燃料利用効率及び発電安定性を最適化できることが実証できた。
（実施例４）
実施例１において、気液分離膜としてＰＴＦＥ多孔質膜（気孔率８０％）と、これと同じ大きさのナフィオン１１２膜（デュポン社製）とを燃料極側に取り付けた。その結果、図６に示すようにＰＴＦＥ多孔質膜のみを用いた場合に比べて発電時におけるセル電圧を高く維持することができた。これは発電部で生成した水が燃料貯蔵部など外部に排出されず、燃料極部で有効に消費されているためであると考えられる。
（実施例５）
また、上記実施例４のナフィオン１１２膜（デュポン社製）の代わりにナフィオンバインダー（デュポン社製）を燃料極集電部（ＳＵＳ３１６Ｌ製）に埋め込んでキャストしたもの（１３０℃で熱処理）を用いて同様に発電試験を行った。この場合はさらにセル電圧を高く維持することができた。この結果を図６に合わせて示す。これは燃料極集電部における燃料の拡散を抑制することによって、発電部で生成した水を燃料極部内でさらに有効利用しているためと考えられる。
（実施例６）
実施例３で行った発電試験後に燃料貯蔵部１を取り外したところ、発電部２には液体は殆ど残っておらず、着脱の際の液体漏れは起こらなかった。このように本発明を用いることで液漏れを起こさずに自由に燃料貯蔵部１と発電部２とを分離することができ、利便性が大幅に改善できることを実証できた。また、燃料電池の酸素極を上向き、下向き、横向きにした場合でも液漏れを起こさずに安定して発電を行うことができた。
（実施例７）
次に、実施例３で行った発電試験後に、燃料貯蔵部１を取り外して気化供給部を密閉したものと、しないものとで燃料濃度の減少率を比較した。ここで、気化供給部の密閉は細孔板５ａの上にシール用の粘着性ポリイミドテープ（厚さ１００μｍ、図３では図示せず）を貼ったものを用意した。ここで、本発明のように気液分離膜２０の上に細孔板５ａを配置することで、テープの粘着部が気液分離膜２０に直接ふれないことで気液分離膜２０を傷つけず、シール部分を面内に均一に創れるのでシール性を高めることが期待できる。また、粘着性がある限り繰り返し使用できる利点もある。このように用意した両者を発電後に１週間保管した後に燃料の残量と濃度を調べた。その結果、テープなしでは燃料は半分まで減少して水しか残っていなかった。一方、テープありでは燃料の残量及び濃度は殆ど変化しなかった。また、シールした燃料貯蔵部１はその後、繰り返し利用することができた。このように本発明の構造では燃料貯蔵部１を簡易に密閉することで繰り返し脱着して使用することができ、ユーザーの利便性を大幅に改善できることを実証できた。
（実施例８）
次に、実施例３で行った発電試験後に、燃料貯蔵部１を取り外して発電部２を密閉したものと、しないものとで保管特性を比較した。ここで、発電部２の密閉は（１）取り出し口に粘着性ポリイミドテープを貼り付けたもの、（２）燃料貯蔵部１と全く同じ寸法のＰＥＥＫ製の箱を挿入して密閉したものを用意した。これらを発電後に１週間保管した後に、再び発電して特性を調べた。その結果、（１）及び（２）のセル電圧は燃料貯蔵部１を挿入後３０分以内に初期特性まで回復した。一方、密閉しない場合は燃料貯蔵部１を挿入後、２時間で８０％までしか回復せず、最終的には９０％までしか回復しなかった。これはＭＥＡの保湿状態の違いによるものと考えられる。このように本発明の構造において発電部２を簡易に密閉することで発電起動特性を大幅に改善できることが実証できた。
（実施例９）
実施例７、８に記載した効果を同時に得るために発電後に燃料貯蔵部１を取り出し、燃料貯蔵部１を気化供給部が位置する面を反対側に向けて挿入して、１週間保管した。保管後、燃料貯蔵部１を取り出し、気化供給部が燃料極側を向くように挿入して再び発電した。その結果、保管後の起動特性は実施例８の（２）と同等の性能が得られた。また、保管後の燃料貯蔵部１の燃料残量及び濃度はほとんど変化しなかった。このように、本発明を用いることで特殊な構造を用いずに保管及び起動特性などを改善することが実証できた。
（実施例１０）
次に、実施例１で用いた発電セルを用いて発電を行い、細孔板の開口率を０％と１００％にした状態で１週間保管して、保管前後での発電特性の違いを比較検討した。ここで酸素極には酸素が混入しないように簡易なカバーで密閉した。このように保管した後に発電を行ったところ開口率０％で保管したものは駆動直後において保管前と比較して３０％程度のセル電圧の低下が生じたが、その後発電時間を増やしていくと保管前の９０％まで性能が回復した。また、保管後の燃料貯蔵部１内の燃料濃度及び貯蔵量はあまりかわっておらず、燃料が外部に漏れていないことも確認された。一方、開口率１００％で燃料を保管したものでは出力が大幅に低下しており、保管前の５０％までしか特性が回復しなかった。また、燃料貯蔵部１内の燃料及び燃料濃度は半分まで減少していた。発電セルを分解したところ燃料極及び酸素極に用いた金属集電（電極）部が変色しており、恐らく燃料濃度の不均一が生じることにより、部分電池が発生して特性が劣化したものと考えられる。このように本発明を用いる事で非発電（保管）状態において燃料極への燃料供給を遮断して、保管特性を大幅に改善できることを実証することができた。
（実施例１１）
また、実施例２で用意した燃料電池に関しても同様に保管試験を行ったところ、やはり開口率０％のものが１００％よりも特性を維持することができた。しかしながら、０％のものでも電極はわずかに変色しており、気液分離膜を用いた方がより保管特性に優れていた。
以上、本発明の固体高分子型燃料電池を実施例を用いて具体的に説明したが、本発明は実施例に限定されるものではない。
即ち、本発明の他の実施形態によれば、前記第二の開口部材を備える前記燃料貯蔵部が、前記発電部の第一の開口部材の開口部を備える面に対して、平行方向に相対移動可能であることが好ましい。
本発明の他の実施形態によれば、前記第一の開口部材の開口部が、前記第二の開口部材の開口部より小さいことが好ましい。
本発明の他の実施形態によれば、前記発電部に設けられ、該燃料貯蔵部を収容する収容部を備え、該収容部は該発電部に対して脱着可能な状態で該燃料貯蔵部を収容するのが好ましい。
本発明の他の実施形態によれば、前記収容部は、前記燃料貯蔵部を反転させ収納することが可能であることが好ましい。ここで反転とは、燃料貯蔵部の気化供給部の面と対向する面を発電部側に向けることである。
本発明の他の実施形態によれば、前記第一の開口部材及び前記第二の開口部材の全面又は開口部のみに気液分離膜を有することが好ましい。
本発明の他の実施形態によれば、前記第一の開口部材の前記気液分離膜が、前記燃料極側から順に親水性材料層、撥水性材料層の２層構造であることが好ましい。
本発明の他の実施形態によれば、前記親水性材料層が、固体高分子電解質バインダーを前記燃料極の集電部に埋め込んでキャストしたものであり、該集電部を兼ねた構造であることが好ましい。
また、本出願は、２００７年５月１４日に出願された、日本国特許出願第２００７−１２８０４０号からの優先権を基礎として、その利益を主張するものであり、その開示はここに全体として参考文献として取り込む。
【図１】
2008143020.tif 000003
【図２】
2008143020.tif 000004
【図３】
2008143020.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【手続補正書】
【提出日】平成20年9月29日(2008.9.29)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極及び酸素極並びにこれらに挟持された固体電解質膜を少なくとも備えた発電部と、
前記発電部に連結可能に設けられ、燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
を有し、
該発電部が、開口部を有する第一の開口部材を該燃料極側に備え、
該燃料貯蔵部が、開口部を有する第二の開口部材を備え、
該第一の開口部材の開口部と、該第二の開口部材の開口部を連通可能に構成し、
前記第二の開口部材を備える前記燃料貯蔵部が、前記発電部の第一の開口部材の前記開口部を備える面に対して、平行方向に相対移動可能であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
（削除）
【請求項３】
前記第一の開口部材の開口部が、前記第二の開口部材の開口部より小さいことを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発電部に設けられ、該燃料貯蔵部を収容する収容部を備え、
該収容部は該発電部に対して脱着可能な状態で該燃料貯蔵部を収容することを特徴とする請求項１または３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記収容部は、前記燃料貯蔵部を反転させ収納することが可能であることを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記第一の開口部材及び前記第二の開口部材の全面又は開口部のみに気液分離膜を有することを特徴とする、請求項１、３、４、５のいずれか一に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記第一の開口部材の前記気液分離膜が、前記燃料極側から順に親水性材料層、撥水性材料層の２層構造であることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記親水性材料層が、固体高分子電解質バインダーを前記燃料極の集電部に埋め込んでキャストしたものであり、該集電部を兼ねた構造であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
開口部を有する第一の開口部材を備える燃料極、酸素極及びこれらに挟持された固体電解質膜を備える発電部と、燃料を貯蔵し、かつ開口部を有する第二の開口部材を備える燃料貯蔵部とを有し、該第二の開口部材を備える燃料貯蔵部が該発電部に対して着脱及び相対移動が可能な構造とした燃料電池の、燃料供給量制御方法であって、
該第一の開口部材に対して、該第二の開口部材を有する燃料貯蔵部が相対的に移動し、
該第一の開口部材の開口部と該第二の開口部材の開口部が連通する開口面積を変化させることにより、該燃料極への燃料供給量を制御することを特徴とする、燃料電池の燃料供給量制御方法。
【国際調査報告】
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