(57)【要約】【課題】  アノード側電極に燃料をムラ無く一様に供給することができ、燃料の利用効率や発電効率を向上させることのできる燃料電池を提供すること。【解決手段】  アノード側電極６とカソード側電極７とによって電解質膜５が挟まれて構成されるセルと、このセル内に燃料を供給するための燃料供給溝１６を有するセパレータ４とを備える燃料電池において、前記燃料供給溝１６に、この燃料供給溝１６に沿って延在し、内部２３に前記燃料が流される管状燃料通路１８が設置されており、この管状燃料通路１８は、前記燃料が流されると前記燃料を外部に流出させる微細孔を備えることを特徴とする。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側電極とカソード側電極とによって電解質膜が挟まれて構成されるセルと、このセル内に燃料を供給するための燃料供給溝を有するセパレータとを備える燃料電池において、
前記燃料供給溝に、この燃料供給溝に沿って延在し、内部に前記燃料が流される管状燃料通路が設けられており、この管状燃料通路は、前記燃料が流されると前記燃料を外部に流出させる微細孔を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記管状燃料通路が多孔材質からな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】
前記管状燃料通路の内部に、前記管状燃料通路に沿って延在し、前記管状燃料通路の外部への燃料の流出量を調整するための透過膜が設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記透過膜の横断面形状が円形であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料が、ジメチルエーテルであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セルがセパレータによって挟持されて構成される燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やエネルギー問題の高まりに伴って、種々の燃料電池が使用されてきている。これら燃料電池の中には、アノード側電極とカソード側電極とによって電解質膜が挟まれて構成されるセルと、このセルを挟持するセパレータとを備えたものが周知となっている（例えば、特許文献１参照。）。そして、アノード側電極に例えば水素を有する燃料を供給し、カソード側電極に酸素を有する酸化剤を供給することによって、電気化学的な反応により発電が行われるようになっている。
【０００３】
この種の燃料電池としては、アノード側電極に燃料を供給するための燃料供給溝がセパレータに形成されたものが知られている。この燃料供給溝に燃料を流すことによって、アノード側電極に燃料が供給される。
【特許文献１】特表２００２−５０５５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような燃料電池によると、燃料供給のための所定の圧力をかけて燃料供給溝に燃料を流すと、燃料供給溝とアノード側電極との隙間から燃料が漏れ易く、アノード側電極の全面にわたって均一に燃料を供給するのが困難になるという問題がある。また、燃料が均一に供給されないため、燃料の無駄が多くなるだけでなく、発電を円滑に行うのが困難になってしまう。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、アノード側電極に燃料をムラ無く一様に供給することができ、燃料の利用効率や発電効率を向上させることのできる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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、アノード側電極とカソード側電極とによって電解質膜が挟まれて構成されるセルと、このセル内に燃料を供給するための燃料供給溝を有するセパレータとを備える燃料電池において、前記燃料供給溝に、この燃料供給溝に沿って延在し、内部に前記燃料が流される管状燃料通路が設置されており、この管状燃料通路は、前記燃料が流されると前記燃料を外部に流出させる微細孔を備えることを特徴とする。
【０００７】
この発明に係る燃料電池においては、燃料供給溝に設置された管状燃料通路に燃料が流され、このとき、管状燃料通路は微細孔を備えることから、燃料がその微細孔から微量ずつ流出する。そして、この流出した燃料が燃料供給溝からアノード側電極へと供給される。
これにより、燃料供給溝とアノード側電極との隙間から燃料を漏らすことなく、アノード側電極に燃料を一様に送り込むことができる。
なお、ここで管状とは、燃料通路の横断面形状を規定するものではなく、円形の他、楕円形や矩形などその横断面形状は問わない。
【０００８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載の燃料電池において、前記管状燃料通路が多孔材質からなることを特徴とする。
この発明に係る燃料電池においては、管状燃料通路が多孔材質からなり、それら多くの微細孔から燃料が流出する。
これにより、簡易かつ確実に燃料を外部に流出させることができ、アノード側電極に燃料をムラ無くスムーズに供給することができる。
【０００９】
請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載の燃料電池において、前記管状燃料通路の内部に、前記管状燃料通路に沿って延在し、前記管状燃料通路の外部への燃料の流出量を調整するための透過膜が設けられていることを特徴とする。
この発明に係る燃料電池においては、管状燃料通路に所定の圧力をかけて燃料を流すと、透過膜に圧力がかかるとともに、その透過膜から超微量の燃料が透過していく。このときの透過した燃料の圧力は透過膜を透過することにより減少する。そして、透過した燃料が管状燃料通路の微細孔から外部に微量づつ流出していく。
これにより、高い供給圧力をかけても管状燃料通路の上流付近で多くの燃料が流出してしまうことなく、上流から下流にわたって燃料を均一に流出させることができる。
【００１０】
請求項４に係る発明は、請求項３に記載の燃料電池において、前記透過膜の横断面形状が円形であることを特徴とする。
この発明に係る燃料電池においては、透過膜の横断面形状が円形であるため、所定の圧力をかけて透過膜内に燃料を流すと、透過膜内に加わる応力が曲部的に集中することなく、均一に分散される。そのため、透過膜によって、高い燃料圧力を保持することができる。また、透過膜の内外で大きな圧力差がある場合でも、管状燃料通路によってその力を受けることができるため、高い燃料圧力を保持することができる。
なお、円形とは、燃料供給圧を加える前か後かを問わない。すなわち、燃料供給圧を加える前は透過膜の横断面形状が円形でなくても、燃料供給圧を加えることにより円形になる場合も含まれる。
【００１１】
請求項５に係る発明は、請求項１から請求項４のいずれか一つに記載の燃料電池において、前記燃料が、ジメチルエーテルであることを特徴とする。
この発明に係る燃料電池においては、アノード側電極にジメチルエーテルが供給される。
ジメチルエーテルは、液化ガスの状態で運搬される燃料であり、直接型燃料電池の燃料として利用可能である。そしてその圧力は２０℃で５気圧である。液化ガス状態にあるジメチルエーテルを管状燃料通路に直接導入すれば、燃料圧力や燃料濃度を調節する必要はなく、燃料を送るためのポンプも不要である。
本発明においては、燃料としてジメチルエーテルを使用することにより、付属機器を必要としない簡略な燃料電池システムを構成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、アノード側電極に燃料をムラ無く円滑に行き渡らせることができ、燃料の利用効率や発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
（実施例１）
以下、本発明の実施例における燃料電池について、図面を参照して説明する。
この燃料電池１は、例えばメタノールを燃料とするものであり、発電を行うための単位セル（セル）２を備えている。そして、燃料電池１はこの単位セル２がセパレータ４により挟持されて構成されている。この燃料電池１は、単位セル２が１個から構成されるものであってもよいが、通常、充分な出力を得るために、単位セル２を重ねてそれらが一つのパッケージとして使用される。このパッケージが符号３に示すスタックと呼ばれるものである。
【００１４】
単位セル２は、イオン導電性を有する電解質膜５を備えており、この電解質膜５がアノード側電極部６とカソード側電極部７とに挟まれて構成されている。
電解質膜５としては、例えば、パーフルオロスルホン酸、スルホン化ポリイミド、スルホン化芳香族ポリエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレン、酸性基含有ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリフェニール、リン酸ドープ高分子材などが用いられる。
【００１５】
アノード側電極部６は、図２に示すように、電気化学的反応を起こさせるためのアノード側触媒層８を備えており、このアノード側触媒層８は、電解質膜５の一面に連接されている。そして、アノード側触媒層８は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどからなる電極基質の片方の面に、電極触媒が付着されて構成されるものである。このアノード側触媒層８の厚さは、５〜２０μｍの範囲にあることが好ましい。
さらに、アノード側触媒層８には、多孔質カーボンペーパーなどから構成されるアノード側拡散層９が連接されている。アノード側拡散層９は、カーボンペーパーやカーボン布などからなり、セパレータ４を介して供給された燃料を浸透拡散させてアノード側触媒層８全体に燃料を行き渡らせるようにするためのものである。
【００１６】
一方、カソード側電極部７はカソード側触媒層１２を備えており、カソード側触媒層１２は電解質膜５の他面に連接されている。このカソード側触媒層１２にはさらにカソード側拡散層１３が連接されている。
これらカソード側触媒層１２およびカソード側拡散層１３は、アノード側触媒層８およびアノード側拡散層９と同様の構成である。なお、カソード側拡散層１３は、供給された酸化剤ガスを取り込み、それら酸化剤ガスを拡散させてカソード側触媒層１２の全体に酸素を行き渡らせるようになっている。
【００１７】
また、前記セパレータ４は、緻密なカーボン板を加工した導電性を有する基板からなっており、供給された燃料や反応後の気体が外部に流出するのを防止するようになっている。さらに、図１に示すセパレータ４の一面４ａには、カソード側電極部７に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１５が設けられており、不図示の酸化剤タンクにより送られた酸化剤ガスが酸化剤ガス供給溝１５を通ってカソード側拡散層１３に供給されるようになっている。さらに、セパレータ４の他面４ｂには、アノード側電極部６に燃料を供給するための燃料供給溝１６が設けられている。
【００１８】
本実施例において、燃料供給溝１６には燃料の通路となる管状燃料通路１８が設けられている。この管状燃料通路１８は、その内壁の横断面形状が略円形をなして構成されるものであって、燃料供給溝１６に沿って、かつ燃料供給溝１６の略全長にわたって延在して設けられている。そして、この管状燃料通路１８の内部２３に不図示の燃料タンクから供給される燃料が流されるようになっている。また、管状燃料通路１８は多孔材質からなっており、図３に示すように、無数の微細孔２０が形成されている。管状燃料通路１８の材料としては、燃料によって劣化しない材料であって、アノード側触媒層８などを被毒したり、電解質膜５のプロトン伝導度を低下させたりする金属イオンやアルカリイオンなどを溶出しない材料が使用される。例えば、シリコーンやポリイミドなど、中空糸として使用される材料は、燃料透過性の高い管を容易に製造できる点で好適である。
【００１９】
次に、このように構成された本実施例における燃料電池１の作用について説明する。
アノード側拡散層９に、後述するように、管状燃料通路１８を介して燃料であるメタノール水溶液が供給されると、そのアノード側拡散層９の内部にそのメタノール水溶液が浸透していく。これら浸透したメタノール水溶液は、アノード側拡散層９によって拡散されて、アノード側触媒層８に供給される。このアノード触媒層８において、メタノールが水と反応することにより、二酸化炭素とイオン化された水素（水素イオン）と電子とが生じる（ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-）。なお、余った水は電解質膜５に浸透し、これによりアノード側拡散層９、アノード側触媒層８および電解質膜５が保湿される。
【００２０】
これら生成物質のうち、電子は、外部回路を通ってカソード側触媒層１２に電流として流れる。水素イオンは、電解質膜５を通ってカソード側触媒層１２に移動する。また、二酸化炭素は不図示の排出管路を通って排出される。カソード側触媒層１２には、酸化剤ガス供給溝１５およびカソード側拡散層１３を介して、酸化剤ガスが供給されており、この酸化剤ガス中の酸素と、アノード反応によって生じた水素イオンと電子とが反応して水が生成される（３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ）。そして、外部回路に流れた電子により生じた電流が直流電流として利用される。
【００２１】
ここで、燃料供給のための所定の圧力をかけて燃料供給溝１６に燃料を流すと、セパレータ４とアノード側拡散層９との隙間から燃料が漏れてしまい、アノード側拡散層９の全面に均一に燃料が行き渡らなくなるおそれがあるが、本実施例における燃料電池１においては、以下のようにして、均一にムラ無く燃料が供給される。
燃料供給溝１６に設けられた管状燃料通路１８の内部２３に所定の圧力で燃料を流す。すると、微細孔２０からその燃料が微量ずつ流出する。そして、その微量の燃料が燃料供給溝１６内からアノード側拡散層９に送られる。そのため、燃料供給溝１６の上流から下流まで燃料がアノード側拡散層９に一様に浸透する。
【００２２】
以上より、本実施例における燃料電池１においては、管状燃料通路１８に燃料を流すことにより、燃料供給溝１６とアノード側拡散層９との隙間から燃料を漏らすことなく、アノード側拡散層９の全面にムラ無く一様に燃料を送り込むことができる。そのため、燃料の利用効率や燃料電池１の発電効率を向上させることができ、良好な発電性能を得ることができる。
また、管状燃料通路１８は無数の微細孔を有する多孔材質からなっているため、簡易かつ確実に燃料を外部に流出させることができる。
さらに、管状燃料通路１８の内部２３に所定の圧力で燃料を流すと、管状燃料通路１８の内壁に半径方向外方を向く力が働くが、その横断面形状が略円形となっていることから、内壁に加わる応力を均一に分散させることができる。そのため、高い燃料供給圧力を保持し、圧力に耐えることができる。
【００２３】
また、メタノール燃料電池では、高い濃度のメタノールをアノード側電極部６に供給すると、メタノールが電解質膜５を介してカソード側電極部７へクロスオーバーして直接燃焼するため、燃料が無駄に消費されてしまう。これら無駄な消費を抑えるため、薄い濃度のメタノールをアノード側電極部６に供給する運転を行うのが一般的であるが、薄い濃度のメタノールを準備すると燃料タンクを大きくする必要がある。本実施例における燃料電池１においては、高濃度のメタノールを管状燃料通路１８に送り、微細孔２０を通してアノード側電極部６に蓄えられた水に溶解させ、溶解した低濃度のメタノールを発電によって消費する形になるので、メタノールのクロスオーバー量を減らすことができる。そのため、燃料タンクを小型化し、メタノールの利用効率をさらに向上させることができる。
【００２４】
（実施例２）
次に、本発明の第２の実施例について説明する。
図４は、本発明の第２の実施例を示したものである。
図４において、図１から図３に記載の構成要素と同一部分については同一符号を付し、その説明を省略する。
この実施例と上記第１の実施例とは基本的構成は同一であり、以下の点において異なるものとなっている。
【００２５】
すなわち、本実施例における燃料電池１は、ジメチルエーテルを燃料とするものであり、管状燃料通路１８の内周面に、管状燃料通路１８の外部への燃料の流出量を調整するための透過膜２１が設けられたものである。
透過膜２１は、横断面形状が略円形をなして構成されるものであって、その外周面が管状燃料通路１８の内周面と接触するように設けられている。すなわち、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されている。また、透過膜２１は、管状燃料通路１８に沿って、かつ管状燃料通路１８の略全長にわたって延在して設けられている。そして、管状燃料通路１８に燃料を高圧ガスとして供給すると、透過膜２１にその供給圧力がかかり、さらに透過膜２１は燃料を超微量づつ透過させるようになっている。また、透過膜２１の材料としては、例えば、シリコーンやポリイミドなど、中空糸として使用されるものが用いられる。
【００２６】
このような構成のもと、管状燃料通路１８の内部２３にジメチルエーテルを高圧ガスとして供給すると、透過膜２１にその供給圧力がかかるため、透過膜２１は膨張しようとして応力がかかる。このとき、透過膜２１の横断面形状は略円形とされていることから、その応力は、曲部的に集中することなく均一に分散される。そして、供給された燃料は透過膜２１を超微量づつ透過し、これにより透過した燃料の圧力は減少する。そしてその透過した燃料は管状燃料通路１８の内周面に到達する。これら燃料は微細孔２０を通って微量ずつ外部に流出する。そして、燃料供給溝１６からアノード側拡散層９にガスが一様に行き渡る。
【００２７】
以上より、上記と同様の効果を奏することができるだけでなく、透過膜２１を透過させることにより、透過した燃料の圧力を減らすことができ、高い供給圧力をかけても管状燃料通路１８の上流付近で多くの燃料が流出してしまうことなく、上流から下流にわたって燃料を均一に流出させることができる。
また、透過膜２１により燃料の供給圧力が保持されるため、高い圧力を加えた状態で燃料を供給することができる。すなわち、メタノール燃料電池の場合はメタノールを常圧に近い圧力で供給するが、ジメチルエーテルを燃料とする場合は５ａｔ程度の内圧を加えた状態で供給する必要があるため、透過膜２１を設けることにより、このような種々の燃料に対応することができる。
【００２８】
また、透過膜２１の横断面形状が略円形とされ、透過膜２１に加わる応力が均一に分散されるため、高い圧力にも耐えることができる。そのため、高い供給圧力により燃料を流すことができる。
さらに、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されていることから、透過膜２１に加わった圧力を管状燃料通路１８でも受けることができ、より高い燃料圧力をかけることができる。同様に、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されていることから、透過膜２１の外周面と管状燃料通路１８の内周面との間で、ガスが滞留したり偏在したりすることなく、スムーズにガスを送ることができる。そのため燃料の利用効率を向上させることができる。
また、ジメチルエーテルを使用すると、管状燃料通路１８に高圧力ガス燃料を直接導入することができるため、液化ガス貯蔵タンクの元圧を利用して燃料供給を行うことができる。そのため、メタノールと比較して、燃料ポンプが不要となるため、システムを簡素化することができる。
【００２９】
なお、上記第１および第２の実施例においては、管状燃料通路１８の内壁の横断面形状を略円形としたが、これに限ることはなく、楕円形や矩形など適宜変更してもよい。但し、円形とした方が、高い圧力の燃料を保持することができる点で好ましいのは上述の通りである。
また、透過膜２１の横断面形状も、楕円形や矩形など適宜変更してもよい。但し、円形とした方が好ましいのは上述の通りである。
さらに、管状燃料通路１８が多孔材質からなるとしたが、これに限ることはなく、管状燃料通路１８の内から外に貫通する微細な貫通孔などを設けるようにしてもよい。
また、透過膜２１の外径を管状燃料通路１８の内径と略同一であるものとしたが、これに限ることはなく、適宜変更してもよい。但し、略同一であるとした方が高い圧力の燃料を保持することができる点で好ましいのは上述の通りである。
さらに、燃料をメタノールやジメチルエーテルとしたが、これに限ることはなく、水素などであってもよい。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施例を示す分解斜視図である。
【図２】図１の単位セルの構成を示す断面図である。
【図３】図１の管状燃料通路の横断面を示す断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池の第２の実施例の要部を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    燃料電池
２    単位セル（セル）
４    セパレータ
５    電解質膜
６    アノード側電極部
７    カソード側電極部
１６  燃料供給溝
１８  管状燃料通路
２０  微細孔
２１  透過膜
２３  内部
【図１】
2006120443.tif 000003
【図２】
2006120443.tif 000004
【図３】
2006120443.tif 000005
【図４】
2006120443.tif 000006