(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極が対設された燃料電池構造体と、
前記燃料電池構造体を挟持するセパレータと、
を備え、
前記セパレータは、前記アノード側電極に接触する面側に重力方向に対して平行でかつメタノールが直接流されるメタノール供給用流体通路が形成されたアノード側要素部材と、
前記カソード側電極に接触する面側に前記メタノール供給用流体通路とは反対方向に向かう酸化剤ガス供給用流体通路が形成されたカソード側要素部材と、
を有するとともに、
前記セパレータの上端縁部および下端縁部には、メタノール供給連通孔、メタノール排出連通孔、酸化剤ガス供給連通孔および酸化剤ガス排出連通孔が、それぞれ前記メタノール供給用流体通路と前記酸化剤ガス供給用流体通路の上方または下方に位置し、かつ前記セパレータの積層方向に貫通して形成されることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、前記メタノール供給用流体通路は、前記メタノールが直接反重力方向に向かって流されるように構成されることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス供給用流体通路は、前記メタノール供給用流体通路と平行に形成され、かつ酸化剤ガスが重力方向に沿って流されるように構成されることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池において、前記酸化剤ガス供給用流体通路は、蛇行構造を有することを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池において、前記燃料電池構造体を前記セパレータで挟持する単位セルを複数積層するとともに、
隣り合う単位セル間には、冷却媒体が前記メタノールと同一方向に流される冷却媒体供給用流体通路が形成されることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解質を挟んでアノード側電極とカソード側電極が対設された燃料電池構造体と、前記燃料電池構造体を挟持するセパレータとを備え、燃料としてメタノール水溶液が直接供給される直接メタノール型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電極とカソード側電極とを対設した燃料電池構造体をセパレータによって挟持して複数積層することにより構成された燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつある。
【０００３】
この種の燃料電池として、メタノール水溶液を液体のまま直接アノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（空気）をカソード側電極に供給することにより、前記メタノール水溶液が水と反応して水素イオンが得られ、この水素イオンが固体高分子電解質膜内を移動することによって外部に電気エネルギが得られるように構成された直接メタノール型燃料電池が知られている。
【０００４】
上記の直接メタノール型燃料電池は、例えば、特開平５−１７４８５６号公報に開示されている構成を有している。これを、図１１を参照して説明すると、メタノール遮断膜１の両側にメタノール極２と空気極３が配置され、これらの間に電解液４が充填されて直接メタノール型燃料電池が構成されている。そこで、メタノール極２側にメタノール水溶液が供給される一方、空気極３側に空気（酸素）が供給されることにより、発電が行われる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記の従来技術では、燃料であるメタノール水溶液と酸化剤ガスである空気とが、メタノール極２と空気極３に対して同一方向に流動されている。このため、燃料電池内において、メタノール水溶液および空気の入口側５ａの温度よりも出口側５ｂの温度の方が高くなってしまう。メタノール極２および空気極３で発熱反応によって生じた熱や接触抵抗等に起因する熱が、入口側５ａから出口側５ｂに向かって流れるメタノール水溶液やガスと熱交換され、メタノール極２や空気極３自体が出口側５ｂで最も加熱されるからである。これにより、メタノール極２および空気極３により得られる電圧に分布が発生してしまい、出力電圧が不安定なものになるという問題が指摘されている。
【０００６】
本発明は、この種の問題を解決するものであり、燃料電池構造体に部分的な温度変化が発生することがなく、安定した出力電圧を確実に得ることが可能な直接メタノール型燃料電池を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、本発明は、アノード側要素部材に形成された重力方向に対して平行なメタノール水溶液供給用流体通路に沿ってメタノール水溶液が直接供給される一方、カソード側要素部材に形成されかつ前記メタノール供給用流体通路とは反対方向に向かう酸化剤ガス供給用流体通路に沿って酸化剤ガスが供給される。このため、燃料であるメタノール水溶液と酸化剤ガスとが、燃料電池構造体内で逆方向に流れてこの燃料電池構造体内での温度分布を可及的に少なくすることができ、前記燃料電池構造体から安定した出力電圧を得ることが可能になる。
【０００８】
また、メタノール水溶液は、メタノール水溶液供給用流体通路に沿って直接反重力方向に向かって流される。これにより、メタノールと水との反応時に発生する炭酸ガスは、上方に向かって円滑に排出される。
【０００９】
さらに、酸化剤ガス供給用流体通路は、メタノール水溶液供給用流体通路と平行に形成される他、蛇行構造を有する。これにより、反応生成水を容易かつ確実に除去することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池１０の縦断面図であり、図２は、前記直接メタノール型燃料電池１０の分解斜視説明図である。
【００１１】
この直接メタノール型燃料電池１０は、固体高分子電解質膜１２を挟んでカソード側電極１４とアノード側電極１６を対設した燃料電池構造体１８と、前記燃料電池構造体１８を挟持するセパレータ２０とを備える。燃料電池構造体１８とセパレータ２０は、一対のエンドプレート２２ａ、２２ｂおよび４本のタイロッド２４により一体的に固定される。
【００１２】
図３に示すように、電解質膜１２の上部側には、酸化剤ガス導入用孔部１２ａと、冷却水排出用孔部１２ｂと、未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素ガスを排出する燃料排出用孔部１２ｃとが設けられる。電解質膜１２の下部側には、酸化剤ガス排出用孔部１２ｄと、冷却水導入用孔部１２ｅと、メタノールと水の混合液を導入する燃料導入用孔部１２ｆとが設けられる。
【００１３】
燃料電池構造体１８の両側には、第１ガスケット３０と第２ガスケット３２とが配設される。第１ガスケット３０は、アノード側電極１６を収容するための大きな開口部３４を有し、第２ガスケット３２は、カソード側電極１４を収容するための大きな開口部３６を有する。図４に示すように、第１および第２ガスケット３０、３２は、酸化剤ガス導入用孔部３０ａ、３２ａと、冷却水排出用孔部３０ｂ、３２ｂと、燃料排出用孔部３０ｃ、３２ｃとをそれぞれ上部側に設けるとともに、酸化剤ガス排出用孔部３０ｄ、３２ｄと、冷却水導入用孔部３０ｅ、３２ｅと、燃料導入用孔部３０ｆ、３２ｆとをそれぞれ下部側に設ける。
【００１４】
セパレータ２０は、第１マニホールド板４２と、この第１マニホールド板４２に当接する第１面圧発生板４４と、前記第１面圧発生板４４と第２面圧発生板４６との間で挟持されるセパレータ本体４８と、前記第２面圧発生板４６に当接する第２マニホールド板５０とを基本的に備えている。
【００１５】
図５に示すように、第１マニホールド板４２は、矩形状の平板で構成され、その右上隅角部に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給用凹部４２ａが設けられ、それに隣接して冷却水を排出するための冷却水排出用孔部４２ｂが設けられる。第１マニホールド板４２の左上隅角部には、未反応メタノール水溶液および生成された二酸化炭素ガスを排出する燃料排出用孔部４２ｃが設けられるとともに、この第１マニホールド板４２の左下隅角部には、酸化剤ガス排出用凹部４２ｄが設けられ、この酸化剤ガス排出用凹部４２ｄから右下隅角部に向かって冷却水導入用孔部４２ｅとメタノールと水を導入する燃料導入用孔部４２ｆとが順次設けられる。酸化剤ガス供給用凹部４２ａと酸化剤ガス排出用凹部４２ｄとは、後述する酸化剤ガス用整流板８０を収納する開口部４５によって連通状態にある。
【００１６】
第１マニホールド板４２と第２マニホールド板５０とは、基本的には対称に構成されており、これを図６に示す。第２マニホールド板５０についてはその詳細な説明を省略するが、その上部側に酸化剤ガス供給用孔部５０ａと冷却水排出用孔部５０ｂと燃料排出用凹部５０ｃとが設けられる一方、その下部側に酸化剤ガス排出用孔部５０ｄと冷却水導入用孔部５０ｅと燃料導入用凹部５０ｆとが設けられる。燃料排出用凹部５０ｃと燃料導入用凹部５０ｆとは、後述するメタノール水溶液用整流板８２を収納する開口部５２によって連通状態にある。
【００１７】
図７に示すように、第１面圧発生板４４は、電子導電材で構成された平板または後述する酸化剤ガス用整流板８０と一体化、または同一材で加工製造されたものであり、その上部側には、第１マニホールド板４２の酸化剤ガス供給用凹部４２ａに連通する酸化剤ガス供給用連通孔４４ａと、冷却水排出用孔部４２ｂに連通する冷却水排出用連通孔４４ｂと、燃料排出用孔部４２ｃに連通する連通孔４４ｃとが設けられる。第１面圧発生板４４の下部側には、第１マニホールド板４２の酸化剤ガス排出用凹部４２ｄに連通する連通孔４４ｄと、冷却水導入用孔部４２ｅに連通する連通孔４４ｅと、燃料導入用孔部４２ｆに連通する連通孔４４ｆとが設けられる。
【００１８】
なお、第２面圧発生板４６は、上述した第１面圧発生板４４と実質的に同一構成であり、その詳細な説明を省略する。
【００１９】
図８には、第１マニホールド板４２と第２マニホールド板５０との間に挟持される第３のマニホールド板、すなわち、セパレータ本体４８が示されている。このセパレータ本体４８は、冷却水を供給して燃料電池構造体１８を冷却するためのものである。比較的厚めのセパレータ本体４８は、好ましくは導電性緻密材（中実体）で構成され、第１マニホールド板４２の酸化剤ガス供給用凹部４２ａ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ａと連通して酸化剤ガスを供給するための孔部４８ａをその右上隅角部に有する。第１マニホールド板４２の冷却水排出用孔部４２ｂ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｂに連通する冷却水排出用凹部４８ｂが前記孔部４８ａに隣接し、かつこのセパレータ本体４８の略中央上部に設けられるとともに、左上隅角部には第１マニホールド板４２の燃料排出用孔部４２ｃ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｃに連通する燃料排出用孔部４８ｃが設けられる。その左下隅角部には、第１マニホールド板４２の酸化剤ガス排出用凹部４２ｄ、第１面圧発生板４４の連通孔４４ｄに連通する酸化剤ガス排出用孔部４８ｄが設けられ、図８において、冷却水排出用凹部４８ｂの直下に冷却水導入用凹部４８ｅが設けられている。その右下隅角部には、燃料導入用孔部４８ｆが設けられる。冷却水排出用凹部４８ｂと冷却水導入用凹部４８ｅは、大きく画成された開口部６２によって連通状態にある。
【００２０】
セパレータ本体４８の開口部６２に冷却水整流板７０、７２が嵌合固定される。冷却水整流板７０、７２が互いに接合されると、セパレータ本体４８の厚さと略同じ厚さになる。冷却水整流板７０は、図２において、垂直方向へと延在する複数本の並列な溝７０ａを有し、同様に、冷却水整流板７２も平行な溝７２ａを複数本並設している。これらの冷却水整流板７０、７２を合わせると、溝７０ａ、７２ａはそれぞれ大きな冷却水整流用通路を互いに画成することになり、それぞれの冷却水整流用通路は、冷却水排出用凹部４８ｂおよび冷却水導入用凹部４８ｅと連通状態を確保する。
【００２１】
図１、図２および図９に示すように、第１マニホールド板４２の開口部４５に酸化剤ガス用整流板（カソード側要素部材）８０が嵌合される。酸化剤ガス用整流板８０の一面は平坦に構成され、他面には垂直方向へと延在する複数本の平行な溝（酸化剤ガス供給用流体通路）８０ａが形成される。この平行な溝８０ａによって酸化剤ガス供給用凹部４２ａと酸化剤ガス排出用凹部４２ｄとが連通するとともに、該溝８０ａに沿って酸化剤ガスが重力方向（図１および図９中、矢印Ａ方向参照）に流される。
【００２２】
第２マニホールド板５０の開口部５２にメタノール水溶液用整流板（アノード側要素部材）８２が嵌合される。メタノール水溶液用整流板８２の一面は平坦に構成され、他面には垂直方向へと延在する複数本の平行な溝（メタノール水溶液供給用流体通路）８２ａが形成されている。この平行な溝８２ａによって燃料排出用凹部５０ｃと燃料導入用凹部５０ｆとが連通するとともに、該溝８２ａに沿ってメタノールと水との混合液が反重力方向に流される（図１および図９中、矢印Ｂ方向参照）。
【００２３】
なお、第１マニホールド板４２と酸化剤ガス用整流板８０の厚さと、第２マニホールド板５０とメタノール水溶液用整流板８２の厚さは、実質的に同一である。
【００２４】
このように構成されるセパレータ本体４８は、第１面圧発生板４４、第２面圧発生板４６で挟持され、これらがさらに第１マニホールド板４２、第２マニホールド板５０で挟持される。第１マニホールド板４２には第２ガスケット３２が当接し、第２マニホールド板５０には第１ガスケット３０が当接し、それぞれのガスケット３０、３２の間に燃料電池構造体１８が挟持される。
【００２５】
図２に示す矢印方向に沿って説明すると、酸化剤ガス用整流板８０を組み込んだ第１マニホールド板４２、第２ガスケット３２、カソード側電極１４、電解質膜１２、アノード側電極１６、第１ガスケット３０、メタノール水溶液用整流板８２を組み込んだ第２マニホールド板５０、第２面圧発生板４６、整流板７０、７２を組み込んだセパレータ本体４８、第１面圧発生板４４の如く、これらの組を多数積層し、一方の積層端部をエンドプレート２２ａに当接させ、他方の積層端部をエンドプレート２２ｂに当接させ、このエンドプレート２２ａ、２２ｂがタイロッド２４により一体的に固定される。
【００２６】
このように構成される直接メタノール型燃料電池１０の動作について、以下に説明する。
【００２７】
図１に示すように、メタノールと水の混合液が、直接メタノール型燃料電池１０内の燃料通路、すなわち、セパレータ２０を構成する第１マニホールド板４２の燃料導入用孔部４２ｆ、燃料電池構造体１８の燃料導入用孔部３０ｆ、１２ｆおよび３２ｆ、第２マニホールド板５０の燃料導入用凹部５０ｆ等に導入される。この混合液は、第２マニホールド板５０の燃料導入用凹部５０ｆからメタノール水溶液用整流板８２の溝８２ａに沿って反重力方向に流される。これにより、アノード側電極１６には、燃料であるメタノールと水の混合液が供給される。
【００２８】
一方、酸化剤ガスである空気は、直接メタノール型燃料電池１０内の酸化剤ガス通路、すなわち、第１マニホールド板４２の酸化剤ガス供給用凹部４２ａ、燃料電池構造体１８の酸化剤ガス導入用孔部３０ａ、１２ａおよび３２ａを介して第２マニホールド板５０の酸化剤ガス供給用孔部５０ａに供給される。酸化剤ガス供給用凹部４２ａに供給された空気は、酸化剤ガス用整流板８０の溝８０ａに導入され、この溝８０ａに沿って重力方向に流通することにより、燃料電池構造体１８を構成するカソード側電極１４に供給される。なお、未反応の空気は、第１マニホールド板４２の酸化剤ガス排出用凹部４２ｄ等を介して直接メタノール型燃料電池１０の外部に排出される。
【００２９】
また、冷却水は、第１マニホールド板４２の冷却水導入用孔部４２ｅ、燃料電池構造体１８の冷却水導入用孔部３０ｅ、１２ｅおよび３２ｅ、第２マニホールド板５０の冷却水導入用孔部５０ｅからセパレータ本体４８の冷却水導入用凹部４８ｅに至り、この凹部４８ｅから冷却水整流板７０、７２の溝７０ａ、７２ａ間に導入される。そして、この冷却水は、溝７０ａ、７２ａの間を下方から上方に向かって流動する。
【００３０】
アノード側電極１６では、（１）式に示すように、メタノールと水とが反応して炭酸ガスと水素イオンが生成される。
【００３１】
ＣＨ３  ＯＨ＋Ｈ２  Ｏ  →  ＣＯ２  ＋６Ｈ＋  ＋６ｅ−        …（１）
上記の生成された水素イオンは、電解質膜１２をカソード側電極１４側に拡散移動し、このカソード側電極１４では、（２）式に示すように、空気中の酸素との外部回路を通って、また電子と反応して水が生成される。
【００３２】
６Ｈ＋  ＋３／２・Ｏ２  ＋６ｅ−    →  ３Ｈ２  Ｏ          …（２）
アノード側電極１６に供給されたメタノール水溶液の中、未反応メタノール水溶液は、生成された炭酸ガス（二酸化炭素ガス）と共に第２マニホールド板５０の燃料排出用凹部５０ｃに供給され、これに連通する連通孔４４ｃ、燃料排出用孔部４２ｃ、３２ｃ、１２ｃおよび３０ｃ等を通って直接メタノール型燃料電池１０の外部に導出される。
【００３３】
この場合、第１の実施形態では、メタノール水溶液用整流板８２の溝８２ａが重力方向に平行に形成されるとともに、酸化剤ガス用整流板８０の溝８０ａが、同様に重力方向に平行に形成される。そして、溝８２ａには、メタノール水溶液が反重力方向に流される一方、溝８０ａには、空気が重力方向に流される（図１参照）。
【００３４】
このため、燃料であるメタノール水溶液と酸化剤ガスである空気とが、燃料電池構造体１８内で逆方向にかつ対向して流れ、この燃料電池構造体１８全体での温度分布を可及的に少なくすることができる。従って、燃料電池構造体１８から安定した出力電圧を容易かつ確実に得ることが可能になるという効果が得られる。
【００３５】
さらに、メタノール水溶液は、メタノール水溶液用整流板８２の溝８２ａに沿って反重力方向に流される。これにより、（１）式に示すように、メタノール水溶液の反応時に発生する炭酸ガスは、上方に向かって円滑に排出され、この炭酸ガスが燃料電池構造体１８内に残留することがない。
【００３６】
次いで、本発明の第２の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池１００が、図１０に示されている。
【００３７】
この直接メタノール型燃料電池１００は、基本的には第１の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池１０と同様に構成されており、酸化剤ガス用整流板１０２が、前述した酸化剤ガス用整流板８０と異なる構造を有している。すなわち、酸化剤ガス用整流板１０２は、その一面が平坦であり、その他面に鉛直方向に向かって蛇行するラビリンス通路１０２ａを設けている。
【００３８】
このように構成される直接メタノール型燃料電池１００では、酸化剤ガス用整流板１０２に形成されたラビリンス通路１０２ａに沿って酸化剤ガス（空気）が重力方向に流される。このため、メタノール水溶液と酸化剤ガスとは、対向して反対方向に流動し、第１の実施形態と同様に燃料電池構造体１８全体で温度分布を可及的に少なくすることができる他、（２）式に示すように、酸化剤ガス用整流板１０２側で反応生成される水が、ラビリンス通路１０２ａに沿って円滑に除去されるという利点が得られる。
【００３９】
【発明の効果】
本発明に係る直接メタノール型燃料電池では、アノード側要素部材に形成された重力方向に対して平行なメタノール水溶液供給用流体通路に沿ってメタノール水溶液が直接供給される一方、カソード側要素部材に形成されかつ前記メタノール水溶液供給用流体通路とは反対方向に向かう酸化剤ガス供給用流体通路に沿って酸化剤ガスが供給される。このため、燃料であるメタノール水溶液と酸化剤ガスとが、燃料電池構造体内で逆方向に流れ、この燃料電池構造体全体の温度分布を可及的に少なくすることができる。従って、簡単な構成で、燃料電池構造体における出力電圧を安定化することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の縦断面説明図である。
【図２】図１に示す直接メタノール型燃料電池の分解斜視図である。
【図３】図２に示す固体高分子電解質膜と電極の正面図である。
【図４】図２に示すガスケットの正面図である。
【図５】図２に示す第１マニホールド板の正面図である。
【図６】図２に示す第２マニホールド板の正面図である。
【図７】図２に示す面圧発生板の正面図である。
【図８】図２に示すセパレータ本体の正面図である。
【図９】図２に示す整流板の斜視図である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の要部分解斜視説明図である。
【図１１】従来技術に係る直接メタノール型燃料電池の概略説明図である。
【符号の説明】
１０、１００…直接メタノール型燃料電池
１２…固体高分子電解質膜            １４…カソード側電極
１６…アノード側電極                １８…燃料電池構造体
２０…セパレータ                    ４２、５０…マニホールド板
４８…セパレータ本体                ７０、７２…冷却水整流板
８０、１０２…酸化剤ガス用整流板    ８０ａ、８２ａ…溝
８２…メタノール水溶液用整流板      １０２ａ…ラビリンス通路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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