(57)【要約】【課題】  新規な構造の燃料電池を提供する。【解決手段】  カソード電極３と、アノード電極５と、カソード電極３およびアノード電極５を絶縁するための電解質膜４と、カソード電極３、アノード電極５および電解質膜４を支持するための中空支持体２と、中空支持体２の内部に酸素を供給するための酸素供給手段とを備えた発電部１がメタノール水溶液中に浸漬され、発電部１の内側で酸素とカソード電極３とが接触し、発電部１の外側でメタノール水溶液とアノード電極５とが接触している。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードと、アノードと、前記カソードおよびアノードを絶縁するための電解質膜と、前記カソード、アノードおよび電解質膜を支持するための中空の支持体と、前記中空の支持体の内部に酸素を供給するための酸素供給手段とを備えた発電部を有し、前記発電部が液体燃料中に浸漬された燃料電池であって、
前記発電部の内部で前記酸素と前記カソードとが接触し、前記発電部の外部で前記液体燃料と前記アノードとが接触していることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記液体燃料は、メタノールと水とからなるメタノール水溶液であって、
前記発電部の内部で電気化学反応により生成した水を前記発電部の内部から外部へ排出し、排出された水の一部を前記メタノール水溶液へ連続的または間欠的に循環するための排出循環手段を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、
前記メタノール水溶液より高い濃度の高濃度メタノール水溶液を補給するための補給手段を有し、
前記排水循環手段で循環された水によって低い濃度となった前記メタノール水溶液に、前記高濃度メタノール水溶液を補給して、前記メタノール水溶液が一定濃度に調整されることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記酸素供給手段は、塵埃を除去するためのフィルタまたは酸素富化膜を配置して、前記酸素を取り入れることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池において、
前記酸素供給手段は、前記酸素が前記液体燃料の熱で暖められて前記中空の支持体内に供給され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、燃料電池に関し、特に、メタノールなどの有機燃料を供給して発電する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーから直接電気エネルギーを得る電池であり、例えば、メタノールと水（純水）とからなるメタノール水溶液を燃料とした直接形メタノール燃料電池（以下、ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cellという）が知られている。
【０００３】
特開平９−１６１８２２号公報では、電解質膜（電解質）を挟んでアノード（アノード電極）とカソード（カソード電極）とが対設された発電部（燃料電池構造体、セル）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スタック型の燃料電池が開示されている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、特開２００２−３４３３７８号公報では、発電部の内側にはアノード、外側にはカソード、アノードとカソードとの間には電解質膜が配置された中空支持体構造の燃料電池であって、発電部の外部に存在する酸素を含む気体が、カソード電極と接触する自然吸気型の燃料電池が開示されている（特許文献２参照）。
【特許文献１】特開平９−１６１８２２号公報
【特許文献２】特開２００２−３４３３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
例えば、メタノール水溶液を燃料とする燃料電池、すなわちＤＭＦＣでは、以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。
【０００６】
アノード電極側では供給されたメタノール水溶液が（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオン（プロトン）と電子に解離する。
【０００７】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-（１）
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。
【０００８】
６Ｈ+＋３／２Ｏ2＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ（２）
従って発電に伴う全化学反応は（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、化学反応式はメタノールの燃焼と同じになる。
【０００９】
ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2→ＣＯ2＋３Ｈ2Ｏ（３）
しかしながら、この副生成物である炭酸ガスおよび水の処理について、以下のような問題があると考えられる。
【００１０】
ＤＭＦＣのアノード触媒として、例えば、Ｐｔ（白金）を用いた場合、メタノールとは以下の（４）式から（８）式の順で化学反応を示す。
【００１１】
Ｐｔ＋ＣＨ3ＯＨ→（Ｐｔ−ＣＨ2ＯＨ）＋Ｈ+＋ｅ-（４）
（Ｐｔ−ＣＨ2ＯＨ）→（Ｐｔ−ＣＨＯＨ）＋Ｈ+＋ｅ-（５）
（Ｐｔ−ＣＨＯＨ）→（Ｐｔ−ＣＯＨ）＋Ｈ+＋ｅ-（６）
（Ｐｔ−ＣＯＨ）→（Ｐｔ−ＣＯ）＋Ｈ+＋ｅ-（７）
（Ｐｔ−ＣＯ）＋Ｈ2Ｏ→Ｐｔ＋ＣＯ2＋２Ｈ+＋２ｅ-（８）
このように反応途中で生成する炭酸ガス、特に一酸化炭素により、アノード触媒である白金が被毒し、メタノールと反応する白金の面積が減少するため、ＤＭＦＣの性能を低下させる原因となっている。なお、アノード触媒に、ルテニウムを含む合金などを用いたとしても充分な対策になっていない。
【００１２】
また、ＤＭＦＣを寒冷地環境下で設置、保管していた場合には以下の問題があると考えられる。電解質膜として用いる固体高分子膜には、膜中に水が存在しているため、始動時においては、その膜中の水が氷結して始動が円滑に行えないといった問題がある。また、駆動停止後において、電気化学反応によって生成した水が充分に排水されず残った場合、装置内部に残った水が氷結して、再始動が円滑に行えないといった問題がある。特に、スタック型のＤＭＦＣでは、配管系統に残留した水が氷結して再始動が困難となる。
【００１３】
したがって、上記の問題を解決するための新規な構造を提供することは、重要であると考えられる。
【００１４】
本発明の目的は、新規な構造の燃料電池を提供することにある。
【００１５】
本発明の他の目的は、電気化学反応により生成した炭酸ガスを効果的に放出することができる燃料電池を提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、電気化学反応により生成した水を効果的に捕集し、排出または循環することができる燃料電池を提供することにある。
【００１７】
本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
【００１９】
本発明による燃料電池は、カソードと、アノードと、前記カソードおよびアノードを絶縁するための電解質膜と、前記カソード、アノードおよび電解質膜を支持するための中空の支持体と、前記中空の支持体に酸素を供給するための酸素供給手段とを備えた発電部とを有し、前記発電部が液体燃料中に浸漬された燃料電池であって、前記発電部の内部で前記酸素と前記カソードとが接触し、前記発電部の外部で前記液体燃料と前記アノードとが接触していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
【００２１】
電気化学反応により生成した炭酸ガスを効果的に外気（燃料電池の外部）へ放出することができ、また、電気化学反応により生成した水を効果的に捕集し、循環または排出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
【００２３】
（実施の形態１）
本実施の形態の燃料電池、例えばＤＭＦＣを図１〜図２を参照して説明する。図１は、ＤＭＦＣの発電部１の概略を示す断面図である。図２は、発電部１を備えたＤＭＦＣ６の概略を示す説明図である。
【００２４】
まず、ＤＭＦＣの発電部１の概略構造について説明する。図１に示すように、ＤＭＦＣの発電部１は、閉鎖型の中空支持体２の外側面にカソード電極３、電解質膜４およびアノード電極５の順でそれらを重ね合わせて形成される。なお、この発電部１に中空支持体２に酸素（酸素を含む気体）を供給するための酸素供給手段（例えば、中空支持体２外部から内部に延在した管によって、中空支持体の内部へ酸素を供給する）を備えた場合、この酸素供給手段により中空支持体２の内部に供給された酸素が、カソード電極３と接触することとなる。また、発電部１を液体燃料中に浸漬した場合、発電部１の外側で液体燃料とアノード電極５とが接触することとなる。
【００２５】
中空支持体２は、例えば円筒形状であり、その内部に供給された酸素がカソード電極３と接触するように、貫通孔網目状または貫通型多孔質壁面構造になっている。なお、本実施の形態では、発電部１を構成する中空支持体２は円筒型であるが、その形状は直方体型、円錐型、多角柱、多角錐、球型、あるいはその他の形状であっても発電部１の電極（カソード／アノード）面積が十分に取れる形状であれば特に制限はない。しかしながら発電部１を規定の容器（槽）に浸漬するには円筒型は、加工性、コンパクト性などの点で好ましい形状といえる。
【００２６】
中空支持体２の材料は、電気化学的に不活性であり、使用環境下での耐久性、薄型であっても十分な強度を持つ材料であることが好ましい。例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、塩化ビニル、ポリアクリル系樹脂その他のエンジニアリング樹脂やこれらを各種のフィラー等で強度補強した電気絶縁性の材料や生成した水の雰囲気で、耐食性に優れた炭素材料、ステンレス系鋼、或いは通常の鉄、ニッケル、銅、アルミニウム及びそれらの合金の表面を耐食化処理した電気導電性の材料をあげることができる。また、耐食性に劣る卑金属を上記の樹脂で被覆した絶縁性の材料を用いることも有効である。いずれにしても形状を支持する強度、耐食性と電気化学的に不活性な材料であれば特に限定されるものではない。
【００２７】
カソード電極３は、炭素系担体に触媒として白金微粒子を分散担持したものから形成される。また、アノード電極５は、炭素系粉末担体に触媒として白金とルテニウム或いは白金／ルテニウム合金の微粒子を分散担持したものから形成される。これらの触媒は容易に製造、利用できる材料である。なお、カソード電極３およびアノード電極５の触媒は、通常のＤＭＦＣに用いられるものであれば特に制限されるものではない。
【００２８】
電解質膜４は、例えば水素イオン導電性を示す固体高分子膜から形成される。このような材料としてポリパーフルオロスチレンスルフォン酸、パーフルオロカーボン系スルフォン酸などに代表されるスルフォン化したフッ素系ポリマーやポリスチレンスルフォン酸、スルフォン化ポリエーテルスルフォン類などの炭化水素系ポリマーをスルフォン化した材料を用いることができる。これらの材料を電解質膜４として用いれば一般に燃料電池を８０℃以下の温度で作動することができる。また、タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで作動する燃料電池とすることもできる。いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると燃料の発電利用率を高くすることができる。例えば、ナフィオン（登録商標）を用いることができる。
【００２９】
なお、これまでは、ＤＭＦＣの発電部１が、閉鎖型の中空支持体２の外側面にカソード電極３、電解質膜４およびアノード電極５の順でそれらを重ね合わせて形成した構造について説明したが、ＤＭＦＣの発電部１が、閉鎖型の中空支持体２の外側面ではなく、内側面にアノード電極５、電解質膜４およびカソード電極３の順でそれらを重ね合わせて形成した構造であってもよい。いずれにしても、発電部１の内部に存在する酸素と、発電部１の内側のカソード電極３とが接触し、発電部１の外部に存在する液体燃料と、発電部１の外側のアノード電極５とが接触する構造となっていれば良い。
【００３０】
ここで、図１に示すＤＭＦＣの発電部１の製造方法は、（ａ１）カソード触媒と電解質膜４と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを中空支持体２の多孔質部分に１０〜５０μｍ程度の一定厚さに塗布して、中空支持体２の外周上にカソード電極３を形成する工程、（ｂ１）予め揮発性有機溶媒に溶解した電解質溶液をカソード電極３の上に電解質膜４形成後の厚さが２０〜５０μｍ程度となるように塗布する工程、（ｃ１）アノード触媒と電解質膜４と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを電解質膜４の上に１０〜５０μｍ程度の一定厚さに塗布してアノード電極５を形成する工程とを有する。
【００３１】
また、別の製造方法では、電解質膜４のそれぞれの側にカソード電極３とアノード電極５を形成し、その電極上に電気的抵抗を下げるための網目状集電板を重ねたモジュールを別途作成する工程、そのモジュールを閉鎖型中空支持体２の外壁部分に貼り付ける工程とを有する。
【００３２】
また、ＤＭＦＣの発電部１が、閉鎖型の中空支持体２の外側面ではなく、内側面にアノード電極５、電解質膜４およびカソード電極３の順でそれらを重ね合わせて形成した発電部１の製造方法は、（ａ２）アノード触媒と電解質膜４と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを中空支持体２の多孔質部分に１０〜５０μｍ程度の一定厚さに塗布して、中空支持体２の内周上にアノード電極５を形成する工程、（ｂ２）予め揮発性有機溶媒に溶解した電解質溶液をアノード電極５の上に電解質膜４形成後の厚さが２０〜５０μｍ程度となるように塗布する工程、（ｃ２）カソード触媒と電解質膜４と同一物質を予め揮発性有機溶媒に溶解した溶液をバインダーとして混練してペースト状にしたものを電解質膜４の上に１０〜５０μｍ程度の一定厚さに塗布してカソード電極３を形成する工程とを有する。
【００３３】
いずれにしても、発電部１の内側から外側へカソード電極３、電解質膜４、アノード電極５が重ね合わせて接合され、カソード電極３と電解質膜４との間、およびアノード電極５と電解質膜４との間に、十分な反応界面を形成する方法であれば、製造方法に特別な制限はなく、新規な構造の燃料電池を製造することができる。
【００３４】
次に、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６の概略構造について説明する。図２に示すように、ＤＭＦＣ６は、中空支持体２の底部に水溜まり部７を加工形成した発電部１に酸素供給管８および水排出管９を配置し、槽１０内のメタノール水溶液中に発電部１を浸漬させた構造である。また、酸素供給管８には、フィルタ１１と空気ポンプ１２が設けられている。なお、図２において、発電部１を構成する中空支持体２、カソード電極３、電解質膜４およびアノード電極５は、図１を参照することができるため、図示していない。
【００３５】
上記水溜まり部７は、発電部１（中空支持体２）内部で電気化学反応により生成した水を溜めるために形成された部分である。また、酸素供給管８は、中空支持体２の内部に酸素を供給する酸素供給手段に用いられ、外気からフィルタ１１を通して空気ポンプ１２により吸気した酸素を含む気体を、中空支持体２の内部に供給するための管であり、その一端が発電部１（中空支持体２）の内部へ配置されている。
【００３６】
上記水排出管９は、水溜まり部７に溜まった水を発電部１外部に排出するための管であり、水溜まり部７が設けられている発電部１（中空支持体２）内部の底付近から発電部１外部へと延在して配置されている。
【００３７】
上記槽１０は、メタノール水溶液を貯蔵するための容器であり、その上部には、アノード電極５で生成された炭酸ガスを放出するための開口部１３が設けられている。すなわち、電気化学反応により生成した炭酸ガスを、効果的に外気へ放出するために、液体燃料は開放型の容器である槽１０に入れられている。
【００３８】
なお、中空支持体２内部に配置する酸素供給管８の一端は、中空支持体２内部の水排出管９の排出口より高い位置となるように設置することが良い。水溜まり部７に溜まった水を効率良く排出するため、また凍結時において酸素供給管８に水が入り中空支持体２に酸素を供給することができなくなることを防止するためである。
【００３９】
本実施の形態で示すＤＭＦＣ６は、アノード電極５に供給されたメタノール水溶液が前記（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオン（プロトン）と電子に解離する。この生成された水素イオンは電解質膜４中をアノード電極５からカソード電極３側に移動し、カソード電極３上で酸素とその電極上の電子と前記（２）式に従って反応して水を生成する。したがって、発電に伴う全化学反応は前記（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、メタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。
【００４０】
このように、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６は、前記特許文献１のようなスタック型のＤＭＦＣで必要となる燃料ポンプ等を必要とせず、その構成が容易であるため材料費および加工費を抑えることができる。燃料ポンプに関して、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６では、メタノール水溶液中に発電部１を浸漬させるため、燃料ポンプによる供給を必要としないで、アノード電極で燃料の酸化反応をさせることができる。
【００４１】
また、前記特許文献１のようなスタック型のＤＭＦＣでは、発電部と発電部とを接合するために両者の接合部をネジ止めしているが、電極面積が大きく、面圧が一定でないため接合部で燃料漏れが発生する問題がある。この点、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６は、このような接合部がないため、燃料漏れの発生を回避することができる。
【００４２】
また、前記特許文献２のような自然吸気型のＤＭＦＣでは、外気（酸素を含む気体）と発電部外周に配置されたカソード電極とが接触して、カソード電極へ酸素を供給しているため、電極が外部に露出している状態の構造である。この点、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６では、槽１０に入ったメタノール水溶液中に発電部１を浸漬させるため、電極が外部に露出せず高い信頼性を確保することができる。
【００４３】
また、前記特許文献１のようなスタック型のＤＭＦＣでは、大出力を得るために、発電部を直列接続するために積層構造となるが、十分な強度を確保するためには、大きな構造材が必要となる。この点、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６では、単にメタノール水溶液中に発電部１を直列接続するだけで、大出力を得ることができる。
【００４４】
また、前記特許文献２のような自然吸気型のＤＭＦＣでは、外部からの空気を効率良く吸気するため、発電部外部にフィルタを設けず、カソード電極に酸素を供給しているので、カソード電極が汚れる問題がある。この点、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６では、フィルタ１１を通して外部から酸素を含んだ気体（空気）を吸気し、空気ポンプ１２によってカソード電極３へ供給することができるので、塵埃を除去することができ、カソード電極３が汚れることを防止することができる。なお、フィルタ１１の代わりに、酸素富化膜を用いることで、カソード電極３の酸素濃度を上げて、より発電効率を向上することができる。
【００４５】
また、発電部１内部のカソード電極３に酸素供給管８からの酸素が供給され、電気的化学反応により水が生成した場合、その水は、中空支持体２の底部の水溜まり部７に溜まることとなる。このように、水溜まり部７を設けることで、生成した水を効果的に捕集することができる。また、中空支持体２の内部が酸素供給管８から供給される酸素を含む気体が閉じ込められるような閉鎖型の構造をしているため、上記捕集した水を、酸素を含む気体の圧力によって押し上げて水排出管９から効果的に中空支持体２の外部に排出することができる。このように、効果的に水が排出されるので、たとえ寒冷地環境下にＤＭＦＣ６が設置されていたとしても、氷結することを防止することができ、容易に再始動を行うことができる。なお、発電部１から排出した水を、単に排水するだけでなく、循環させて利用することもできる。
【００４６】
また、前記特許文献１のようなスタック型のＤＭＦＣでは、アノード電極に供給するための水や、カソード電極で生成した水を排水しなければ発電を停止することができない。また、前記特許文献２のような自然吸気型のＤＭＦＣでは、中空支持体内部に供給したメタノール水溶液が消費されるまで発電を停止することができない。この点、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６では、その始動において、酸素供給管８から、酸素が中空支持体２内部に供給されると、発電部１において電気化学反応が起こり、メタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電されることとなる。一方、ＤＭＦＣ６を停止する場合は、酸素供給管８から中空支持体２内部への酸素の供給を停止する。したがって、カソード電極３（中空支持体２内部）への酸素の供給の有無だけで、発電のオン／オフ制御が容易に行うことができる。
【００４７】
メタノール水溶液が入った槽１０の上部に開口部１３が設けられているため、メタノール水溶液中に浸漬された発電部１のアノード電極５で電気化学反応により発生する炭酸ガスを、発生と同時にメタノール水溶液中から外気に放出することができる。したがって、アノード触媒に例えば白金を用いたとしても、炭酸ガスによる白金の被毒を防止することができ、燃料電池の性能の低下を防止することができる。また、ＤＭＦＣ６の停止時において、炭酸ガスを放出するための開口部１３に、シャッター（弁）を取り付けることで燃料の自然蒸散を防止することができる。
【００４８】
また、本実施の形態で示すＤＭＦＣ６において、メタノール水溶液（液体燃料）の補給は、槽１０へ適宜投入するだけで良いため、液体燃料の量の管理が容易である。なお、槽１０が透明であれば、目視で量の判別をすることができる。
【００４９】
また、酸素供給管８から供給される酸素の圧力によって、中空支持体２内部から外部にも圧力が加わることとなるため、アノード電極５に供給されるメタノールの一部が、電解質膜４を透過してカソード電極３に到達する現象（クロスオーバー現象）を抑制できると考えることができる。したがって、クロスオーバー現象を抑制することができれば、ＤＭＦＣ６の出力および効率を向上することができる。
【００５０】
また、前記特許文献１のようなスタック型のＤＭＦＣより、本実施の形態で示したＤＭＦＣ６は液体燃料に発電部を浸漬させて発電する構造であるため、小型とすることができる。よって、発電機発動機、自動車の発電機等として利用することができる。なお、自動車の発電機として用いた場合、ＤＭＦＣ６で発生した熱を車内の暖房として利用することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
本実施の形態の燃料電池、例えばＤＭＦＣを、図３および図４を参照して説明する。図３および図４は、本実施の形態で示すＤＭＦＣ２１の概略を示す説明図である。本実施の形態は、前記実施の形態１で示したＤＭＦＣ６の発電部１に補液材２２ａ（図３参照）、２２ｂ（図４参照）を配置した点で前記実施の形態１と相違する。なお、本実施の形態の発電部１は、前記実施の形態１の発電部１とその構造などは同様であるため、その説明は省略する。
【００５２】
図３に示すように、メタノール水溶液が入った槽１０内で、発電部１を覆うように補液材２２ａが全体に配置されている。この補液材２２ａは、発電部１に備えられているアノード電極に常にメタノール水溶液が供給されるために配置される材料であり、例えば毛管力によって吸い上げる材料からなる。したがって、ＤＭＦＣ６が振動などにより傾いたとしても、補液材２２ａによって吸い上げられたメタノール水溶液がアノード電極へ供給されることとなり、ＤＭＦＣ２１の効率低下を防止することができる。また、ＤＭＦＣ２１を駆動することによって、メタノール水溶液が減り、その液位が下がったとしても、補液材２２ａを介してアノード電極へメタノール水溶液が供給されることとなり、ＤＭＦＣ２１の発電効率低下を防止することができる。
【００５３】
また、槽１０全体を補液材２２ａで満たすことにより、補液材２２ａを用いない場合よりも発電部１を安定させることができる。
【００５４】
次に図４に示すように、槽１０内を満たす補液材２２ａとは異なり、発電部１の外周面に厚さが薄い補液材２２ｂが配置されている。この補液材２２ｂは、補液材２２ａと同様に、アノード電極５面に常にメタノール水溶液が供給されるために配置される材料であり、例えば毛管力によって吸い上げる材料からなる。したがって、図４に示すように、メタノール水溶液の水面が傾き、カソード電極５が液面外に露出したとしても、補液材２２ｂを介してアノード電極５へメタノール水溶液が供給されることとなり、ＤＭＦＣ２１の効率低下を防止することができる。また、ＤＭＦＣ２１を駆動することによって、メタノール水溶液が減り、その液位が下がったとしても、補液材２２ｂを介してアノード電極５へメタノール水溶液が供給されることとなり、ＤＭＦＣ２１の発電効率低下を防止することができる。
【００５５】
また、槽１０全体に補液材２２ａを配置した場合より、発電部１を覆う補液材２２ｂの厚さが薄いため、カソード電極で電気化学反応により生成した炭酸ガスをより効果的に放出することができる。
【００５６】
このように、本実施の形態で示したＤＭＦＣ２１のアノード電極を、メタノール水溶液を常に供給するための補液材２２ａまたは補液材２２ｂによって覆うことにより、その設置、配置等するに際し振動の激しい場所（自転車、自動二輪車、自動車など）でも配置等することができる。
【００５７】
（実施の形態３）
本実施の形態の燃料電池、例えばＤＭＦＣを、図５を参照して説明する。図５は、本実施の形態におけるＤＭＦＣ３１の概略を示す説明図である。
【００５８】
このＤＭＦＣ３１は、水たまり部７を備えた発電部１と、発電部１に酸素を供給するための酸素供給手段と、発電部１で電気化学反応により生成した水を排出または循環するための排出循環手段と、発電部１に燃料を供給するための燃料供給手段と、発電部１に供給される燃料の温度を上昇するための昇温手段とから構成される。なお、この発電部１および水たまり部７は、前記実施の形態１または２で示した発電部１および水たまり部７と同様であるため、その説明は省略する。
【００５９】
酸素供給手段は、酸素供給管３２と、フィルタ３３と、始動用の手動空気ポンプ３４と、電動空気ポンプ３５と、非常用の酸素排出管３６および酸素排出弁３７とを用いて、外部から発電部１を構成するカソード電極へ酸素を供給する。
【００６０】
発電部１に酸素を含んだ空気を外気から供給するための酸素供給管３２が、発電部１外部から内部へ延在して配置されている。この酸素供給管３２の外気側には、フィルタ３３が配置されており、酸素を含む気体がフィルタ３３を通過することで酸素を含む気体中の塵埃を除去することができる。
【００６１】
このフィルタ３３から発電部１の区間では、酸素供給管３２が分岐してそれぞれ始動用手動空気ポンプ３４、電動空気ポンプ３５が配置されている。フィルタ３３を通過した酸素を含む気体は、始動時には始動用手動空気ポンプ３４によって、また、駆動時には電動空気ポンプ３５によって、発電部１に酸素を含んだ気体が供給される。したがって、発電される前の始動時においては手動空気ポンプ３４により発電部１に酸素を含む気体を供給し、発電後においては電動空気ポンプ３５に切り替えるようにすることで、本実施の形態で示すＤＭＦＣ３１は、発電部１で発電される電力以外必要としない構成とすることができる。
【００６２】
始動用空気ポンプ３４または電動空気ポンプ３５と発電部１の区間では、酸素供給管３２の一部が、メタノール水溶液中に浸漬されるように配置され、例えば蛇管状の形をして配置される。このため、発電時の熱で暖められたメタノール水溶液中に浸漬された酸素供給管３２を、酸素を含む気体が通過するとき、酸素を含む気体も暖められて発電部１に供給されるので、発電効率を向上することができる。
【００６３】
また、発電部１には、発電部１内部から外部へ延在するように酸素排出管３６が配置され、その酸素排出管３６には酸素排出弁３７が配置されている。例えばＤＭＦＣ３１が寒冷地環境下で設置、保管されていた場合、発電停止後に残留した水が、発電部１内部や種々の管内で氷結し、酸素を含んだ気体を供給しても発電しなくなることがある。このような非常時においては、発電による熱などにより氷が溶解するまで、手動空気ポンプ３４により発電部１に酸素を含んだ気体を供給して発電を行うことができる。すなわち、その発電に関与しなかった酸素を含んだ気体を、酸素排出弁３７を開放して酸素排出管３６から排出することで、非常事態を回避することができる。
【００６４】
排出循環手段は、水排出管３８および分水器３９を用いて、発電部１で電気化学反応により生成した水を水溜まり部７で捕集してから、発電部１の外部に排出し、排出した水の一部を連続的にあるいは間欠的に液体燃料に循環する。
【００６５】
発電部１で電気化学反応により生成した水を発電部１の外部に排出するための水排出管３８が、発電部１内部の底付近から外部に延在するように配置されている。したがって、発電部１内部の底部付近に配置された水排出管３８の一端から、発電部１内部の底部に溜まった水が、発電部１内部に供給された酸素を含む気体の圧力によって、発電部１の外部へ排出される。
【００６６】
この水排出管３８には、発電部１内部から排出された水を分離するための分水器３９が配置されている。この分水器３９によって、分離された水の一部は、循環水として、メタノール水溶液が貯蔵されている槽４０に送られ、分離された水の残りは、ＤＭＦＣ３１の外部に排出される。したがって、発電によって生成した水を循環させ、最適な濃度のメタノール水溶液となるように、分水器３９によって水量を調整すれば、後述の高濃度メタノール水溶液と混合させることができる。
【００６７】
燃料供給手段は、メタノール水溶液を入れる槽４０と、このメタノール水溶液より高濃度のメタノール水溶液を入れる槽４１とを用いて、発電部１を構成するアノード電極に燃料を供給する。なお、この燃料供給手段は、槽４０のメタノール水溶液が発電等により減少した場合に、槽４１から槽４０へ高濃度のメタノール水溶液を補給する補給手段を有している。
【００６８】
図５に示すように、槽４０に貯蔵されたメタノール水溶液に発電部１が、浸漬されているため、発電部１のアノード電極とメタノール水溶液とが接触している。ここで、発電により槽４０のメタノール水溶液が減少すると、槽４１から高濃度メタノール水溶液が槽４０内に供給され、上記循環水と、最適なメタノール水溶液となるように混合することができる。なお、槽４０には、アノード電極で生成した炭酸ガスを排出するための開口部４２が設けられている。
【００６９】
昇温手段は、昇温具４３を用いて、メタノール水溶液の温度を上げる。この昇温具４３は、ＤＭＦＣ３１が寒冷地環境下で配置、保管されていた場合等、低温となっているメタノール水溶液が効率よく発電するために、メタノール水溶液の温度を上昇させるものである。したがって、昇温具４３が、電気的な昇温具、例えば温度制御可能な加熱ヒータであれば、メタノール水溶液が発電に最も適した温度（８０℃程度）に調整できるので、ＤＭＦＣ３１の発電効率を向上することができる。また昇温具４３は、加熱ヒータのように電力を必要としない化学的な昇温具、例えば酸化カルシウムと水との化学反応により熱を発生させるものでも良い。このような化学的昇温具は、電力が全くないような場所でＤＭＦＣ３１を始動させるために、メタノール水溶液などを暖める場合に特に有効である。
【００７０】
また、本実施の形態で示したＤＭＦＣ３１は、例えば非常用電源、僻地でのモニター／センサ用電源などに利用することができる。また、低温時の始動性が良いため、自動車の燃料電池にも利用することができる。
【００７１】
以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。
【００７２】
例えば、前記実施の形態で示した燃料電池は、新規な構造の燃料電池であるため、単体としての機能等について説明したが、発動発電機、自動車および自動二輪車、非常用電源、僻地でのモニター／センサ用電源などに幅広く用いることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
本発明は、燃料電池を製造する製造業に幅広く利用されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＤＭＦＣの発電部の概略を示す断面図である。
【図２】実施の形態１で示すＤＭＦＣの概略を示す説明図である。
【図３】本発明の実施の形態２におけるＤＭＦＣの概略を示す説明図である。
【図４】実施の形態２で示すＤＭＦＣの概略を示す説明図である。
【図５】本発明の実施の形態３におけるＤＭＦＣの概略を示す説明図である。
【符号の説明】
【００７５】
１  発電部
２  中空支持体
３  カソード電極
４  電解質膜
５  アノード電極
６  ＤＭＦＣ
７  水溜まり部
８  酸素供給管
９  水排出管
１０  槽
１１  フィルタ
１２  空気ポンプ
１３  開口部
２１  ＤＭＦＣ
２２ａ、２２ｂ  補液材
３１  ＤＭＦＣ
３２  酸素供給管
３３  フィルタ
３４  手動空気ポンプ
３５  電動空気ポンプ
３６  酸素排出管
３７  酸素排出弁
３８  水排出管
３９  分水器
４０  槽
４１  槽
４２  開口部
４３  昇温具
【図１】
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【図２】
2006032040.tif 000004
【図３】
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【図４】
2006032040.tif 000006
【図５】
2006032040.tif 000007