(57)【要約】【課題】液体燃料の漏れを防止し、燃料の利用効率を向上することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、前記燃料供給機構と前記アノードとの間に配置され、開孔が形成されたフィルム部材と、前記フィルム部材の前記燃料供給機構に向かい合う下面の周縁部に一体的に形成されるとともに一連の枠状に形成され前記燃料供給機構に密着した下面シール部材と、を有するアノードフィルムと、前記アノードフィルムの前記フィルム部材に形成された開孔を塞ぐ気液分離膜と、を備えたことを特徴とする燃料電池。【選択図】      図２
2011034924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構と前記アノードとの間に配置され、開孔が形成されたフィルム部材と、前記フィルム部材の前記燃料供給機構に向かい合う下面の周縁部に一体的に形成されるとともに一連の枠状に形成され前記燃料供給機構に密着した下面シール部材と、を有するアノードフィルムと、
前記アノードフィルムの前記フィルム部材に形成された開孔を塞ぐ気液分離膜と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノードフィルムは、前記フィルム部材の前記アノードに向かい合う上面の周縁部に一体的に形成されるとともに一連の枠状に形成された上面シール部材を有し、
前記上面シール部材は、前記下面シール部材の直上に位置す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】
さらに、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソードを露出する開口が形成された枠状の基材と、前記基材上に一連の枠状に形成されたシール部材と、を有する枠体シールを備え、
前記シール部材は、前記上面シール部材の直上に位置し、前記上面シール部材との間で前記膜電極接合体の前記電解質膜を挟持することを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
さらに、前記燃料供給機構と前記アノードフィルムとの間に拡散シートを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料供給機構は、枠状に形成された受台を有する容器と、前記容器の前記受台の内側に配置されるとともに前記アノードに向けて燃料を排出する燃料排出口が形成された燃料分配板と、を有し、
前記アノードフィルムの前記下面シール部材は、前記受台に密着したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノードフィルムの前記フィルム部材に形成された開孔は、前記燃料分配板に形成された燃料排出口の直上に位置することを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノードフィルムの前記フィルム部材は、ポリフェニルサルファイド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマーのいずれかによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記下面シール部材は、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素系ゴムのいずれかによって形成された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】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を充電なしで長時間使用可能とするために、これらの携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。このような燃料電池は、燃料と空気（特に酸素）を供給するだけで発電することができ、燃料を補給することにより連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化により携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。
【０００３】
特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を、箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献３】特開２００６−０８５９５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明の目的は、液体燃料の漏れを防止し、燃料の利用効率を向上することが可能な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】
【０００７】
この発明の一態様によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構と前記アノードとの間に配置され、開孔が形成されたフィルム部材と、前記フィルム部材の前記燃料供給機構に向かい合う下面の周縁部に一体的に形成されるとともに一連の枠状に形成され前記燃料供給機構に密着した下面シール部材と、を有するアノードフィルムと、
前記アノードフィルムの前記フィルム部材に形成された開孔を塞ぐ気液分離膜と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、液体燃料の漏れを防止し、燃料の利用効率を向上することが可能な燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池を第１方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。
【図３】図３は、図２に示した燃料電池の燃料供給機構における容器及び燃料分配板を膜電極接合体が重なる上面から見た上面図である。
【図４】図４は、図２に示した燃料電池に適用可能なアノードフィルムの構造を概略的に示す斜視図である。
【図５】図５は、図２に示した燃料電池に適用可能な枠体シールの構造を概略的に示す平面図である。
【図６】図６は、本実施形態における燃料電池の主要な構成を概略的に示す分解斜視図である。
【図７】図７は、本実施形態におけるアノードフィルムによるシール性能を説明するための図である。
【図８】図８は、比較例におけるアノードフィルムによるシール性能を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池（ＤＭＦＣ）１のカソード側の外観を示す平面図である。
【００１２】
この燃料電池１は、略矩形平板状に形成されている。図１に示した平面図では、燃料電池１は、長方形状であり、第１方向Ｘに沿って延びた一対の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延びた一対の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２と、を有している。
【００１３】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２を備えている。この膜電極接合体２は、略矩形状に形成されている。この膜電極接合体２は、その詳細な構造については後に説明するが、ここでは複数、たとえば４つの単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を備えている。単セルＣＬ１乃至ＣＬ４のそれぞれは、同一平面上において、第１方向Ｘに沿って延在した略長方形状であり、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。
【００１４】
膜電極接合体２のカソード側における燃料電池１の表面には、カバープレート２１が配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。このカバープレート２１には、主として酸化剤である空気、特に酸素の取り込みを可能とする複数の開口部２１Ｈが形成されている。
【００１５】
なお、膜電極接合体２のアノード側には、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構（図示しない）が配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構との間に膜電極接合体２を保持した状態で、燃料電池１の各長辺Ｌ１及びＬ２、及び、各短辺Ｓ１及びＳ２において燃料供給機構に締結されている。
【００１６】
図２は、図１に示した燃料電池１を第１方向Ｘに沿って切断した断面を示す図である。
【００１７】
燃料電池１の膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とが積層されたアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とが積層されたカソード（空気極あるいは酸化剤極）１６と、アノード１３のアノード触媒層１１とカソード１６のカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７と、を備えて構成されている。
【００１８】
図１に示した各単セルＣＬ１乃至ＣＬ４は、電解質膜１７を挟んで対向するアノード１３及びカソード１６によって構成されている。つまり、図１に示した４つの単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を備えた膜電極接合体２では、詳述しない４つのアノード１３が単一の電解質膜１７における一方の面１７Ａの上において第２方向Ｙに間隔をおいて配置され、また、４つのカソード１６が電解質膜１７における他方の面１７Ｃの上において第２方向Ｙに間隔をおいて配置されている。
【００１９】
このような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。集電体１８は、ベース絶縁層ＢＦ、ベース絶縁層ＢＦの上に配置されたアノード集電部１８Ａ、及び、ベース絶縁層ＢＦのアノード集電部Ａが配置された同一面上に配置されたカソード集電部１８Ｃを有している。
【００２０】
ベース絶縁層ＢＦは、例えばポリイミド（ＰＩ）によって形成されている。アノード集電部１８Ａ及びカソード集電部１８Ｃは、例えば、金、銅、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用して形成可能であり、さらには、金属材料などからなる導体層を被覆層によって被覆しても良い。被覆層は、導電性を有するとともに導体層の腐食を抑制する材料、例えば炭素を含有した樹脂組成物などによって形成可能である。
【００２１】
図２に示した例では、アノード集電部１８Ａは、アノードガス拡散層１２に積層されている。このアノード集電部１８Ａには、アノード１３に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部１８ＡＨが形成されている。また、カソード集電部１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に積層されている。このカソード集電部１８Ｃには、カソード１６に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部１８ＣＨが形成されている。このような構成の集電体１８は、図１に示したような膜電極接合体２に備えられた複数の単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を電気的に直列に接続している。
【００２２】
膜電極接合体２のカソード１６の側において、集電体１８とカバープレート２１との間には、通気性を有する絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カバープレート２１の開口部２１Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。このような板状体２０は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成される。
【００２３】
膜電極接合体２のアノード１３の側には、燃料供給機構３が配置されている。つまり、膜電極接合体２は、アノード１３の側に配置された燃料供給機構３とカソード１６の側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。このような燃料供給機構３は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部４に流路５を介して接続されている。
【００２４】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や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、その他の液体燃料Ｆであってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料Ｆが収容される。
【００２５】
以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００２６】
燃料供給機構３は、箱状に形成された容器３０、及び、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料分配板３１を備えている。容器３０は、流路５が接続される図示しない燃料導入口を有している。また、この容器３０は、受台３０Ｂを有している。この容器３０において、受台３０Ｂの内側は、凹部として形成されている。容器３０を形成する樹脂材料としては、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）などが挙げられる。また、この容器３０は、樹脂材料に代えてステンレス（ＳＵＳ）や金属クラッド材などの金属材料を用いて形成することも可能である。
【００２７】
燃料分配板３１は、容器３０の内側に形成された凹部に配置されている。この燃料分配板３１は、平板状であり、受台３０Ｂの高さ（あるいは凹部の深さ）と略同等の厚さに形成され、燃料分配板３１の上面は受台３０Ｂと略ツライチである。このような燃料分配板３１には、複数の燃料排出口３３が形成されている。このような燃料分配板３１は、容器３０の燃料導入口から供給された液体燃料をアノード１３に向けて燃料排出口３３から排出する。
【００２８】
図３は、燃料供給機構３の容器３０及び燃料分配板３１の上面図である。
【００２９】
容器３０の受台３０Ｂは、略矩形の枠状に形成されている。燃料分配板３１は、容器３０における受台３０Ｂの内側に収容されている。この燃料分配板３１は、第１方向Ｘに延びた略長方形状に形成されている。このような燃料分配板３１には、燃料注入口３２及び燃料排出口３３が形成されている。
【００３０】
燃料注入口３２は、例えば１箇所に形成されている。この燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａに連通している。燃料排出口３３は、複数、ここでは１２８個（１６×８）形成されている。これらの燃料排出口３３は、燃料注入口３２と流路３４を介して接続されている。この流路３４は、燃料分配板３１の容器３０と密着する面に形成された溝であっても良いし、燃料分配板３１の内部を通る管であっても良く、特に形態に制限はない。
【００３１】
図２に示した燃料電池１は、膜電極接合体２のアノード１３と燃料供給機構３との間に配置されたアノードフィルム４０を備えている。このアノードフィルム４０は、フィルム部材４１と、このフィルム部材４１の燃料供給機構３と向かい合う下面４１Ｌの周縁部に一体的に形成された下面シール部材４２と、フィルム部材４１のアノード１３と向かい合う上面４１Ｕの周縁部に一体的に形成された上面シール部材４３と、を有している。
【００３２】
フィルム部材４１は、例えば、５０μｍ〜２５０μｍの厚さに形成されている。このようなフィルム部材４１は、メタノールなどの燃料に対して十分な耐性を有する材料によって形成され、例えば、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、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）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）のいずれかによって形成されている。また、フィルム部材４１は、表面に耐酸性処理が施された金属板や、ガラス、シリコンなどを用いて形成しても良い。
【００３３】
このフィルム部材４１には、複数の開孔４１Ｈが形成されている。これらの開孔４１Ｈは、燃料分配板３１の燃料排出口３３と同数、例えば１２８個形成され、各開孔４１Ｈは、燃料排出口３３の直上に位置している。つまり、開孔４１Ｈ及び燃料排出口３３は、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに直交する第３方向Ｚに沿った同軸上に位置している。なお、開孔４１Ｈをさらに追加して、燃料排出口３３の直上とは異なる位置に形成しても良い。
【００３４】
下面シール部材４２及び上面シール部材４３は、フィルム部材４１の開孔４１Ｈが形成された領域よりも外側に形成されている。これらの下面シール部材４２及び上面シール部材４３は、メタノールなどの燃料に対して十分な耐性を有し、且つ、弾性変形しやすい材料によって形成され、例えば、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素系ゴムのいずれかによって形成されている。
【００３５】
下面シール部材４２は、燃料供給機構３に密着している。図２に示した例では、下面シール部材４２は、容器３０の受台３０Ｂに密着している。上面シール部材４３は、集電体１８もしくは膜電極接合体２のアノード１３よりも外側の電解質膜１７の一方の面１７Ａに接している。この上面シール部材４３は、下面シール部材４２の直上に位置している。つまり、下面シール部材４２及び上面シール部材４３は、第３方向Ｚに沿った同軸上に位置している。
【００３６】
図４は、アノードフィルム４０の斜視図である。
【００３７】
フィルム部材４１は、第１方向Ｘに延びた略長方形状に形成されている。このフィルム部材４１には、複数、ここでは１２８個（１６×８）の開孔４１Ｈが形成されている。フィルム部材４１に形成されたすべての開孔４１Ｈの総面積は、フィルム部材４１がアノード１３と向かい合う面積の１％〜７０％程度、望ましくは３％〜１０％の範囲内とすることがより好ましい。
【００３８】
フィルム部材４１の下面４１Ｌの側の下面シール部材４２、及び、フィルム部材４１の上面４１Ｕの側の上面シール部材４３は、それぞれ途中で途切れることなく形成されている。つまり、下面シール部材４２及び上面シール部材４３は、一連の略矩形の枠状に形成されている。
【００３９】
図２に示した燃料電池１は、アノードフィルム４０のフィルム部材４１に形成された開孔４１Ｈを塞ぐ気液分離膜５０を備えている。この気液分離膜５０は、集電体１８とフィルム部材４１との間に配置されている。また、この気液分離膜５０は、上面シール部材４３によって囲まれた内側に配置され、フィルム部材４１の上面に密着し、すべての開孔４１Ｈを塞いでいる。なお、図２に示した例では、気液分離膜５０は、フィルム部材４１の上面４１Ｕに配置したが、フィルム部材４１の下面４１Ｌに密着して、全ての開孔４１Ｈを塞いでも良い。
【００４０】
このような気液分離膜５０は、燃料供給機構３から供給された燃料の気体成分と液体成分とを分離し、気体成分を透過してアノード１３の側に供給するものである。この気液分離膜５０には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが適用可能である。
【００４１】
また、燃料電池１は、燃料供給機構３とアノードフィルム４０との間に拡散シート６０を備えている。この拡散シート６０は、図２に示した例では、燃料分配板３１の上に配置され、燃料分配板３１に形成されたすべての燃料排出口３３に重なっている。また、この拡散シート６０は、フィルム部材４１の下に配置され、フィルム部材４１に形成された全ての開孔４１Ｈに重なっている。このような拡散シート６０は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成される。
【００４２】
また、燃料電池１は、膜電極接合体２のカソード１６の側に配置された枠体シール７０を備えている。この枠体シール７０は、基材７１と、この基材７１の上に形成されたシール部材７２と、を有している。シール部材７２は、上面シール部材４３の直上に位置している。つまり、シール部材７２及び上面シール部材４３は、第３方向Ｚに沿った同軸上に位置している。このようなシール部材７２は、膜電極接合体２のカソード１６よりも外側の電解質膜１７の他方の面１７Ｂに接している。これにより、シール部材７２は、上面シール部材４３との間で膜電極接合体２の電解質膜１７を挟持している。
【００４３】
図５は、枠体シール７０の平面図である。
【００４４】
基材７１は、第１方向Ｘに延びた略長方形状に形成されている。この基材７１には、単一の開口７１Ｈが形成されている。この開口７１Ｈは、膜電極接合体２に形成されたすべてのカソード１６を露出するように略長方形状に形成されている。基材７１は、たとえばポリイミド（ＰＩ）によって形成されている。
【００４５】
シール部材７２は、基材７１の上に途中で途切れることなく形成されている。つまり、シール部材７２は、一連の略矩形の枠状に形成されている。このシール部材７２は、例えば、シリコーンゴム、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素系ゴムのいずれかによって形成されている。
【００４６】
図２に示したように、上面シール部材４３及びシール部材７２は、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側をそれぞれシールしている。これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００４７】
カバープレート２１は、図示を省略するが、カシメ、ネジ止め、リベット継手などの手法により容器３０に締結されている。
【００４８】
なお、図２に示した構成の燃料電池１において、流路５の途中にポンプ６を介在させて、燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料分配板３１に向けて強制的に送液してもよい。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料分配板３１に向けて液体燃料Ｆを送液する燃料供給ポンプである。燃料分配板３１から膜電極接合体２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収容部４に戻されることはない。ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能なものが好ましい。
【００４９】
この実施の形態の燃料電池１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。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図２に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００５０】
また、燃料供給機構３において、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。
【００５１】
上述した燃料電池１においては、燃料収容部４から流路５を介して燃料分配板３１に注入された液体燃料Ｆは、液体成分のまま、もしくは液体成分と気体成分とが混在する状態で、燃料分配板３１の燃料排出口３３から排出される。排出された燃料のうち、液体成分は、拡散シート６０に含浸されて拡散された後、アノードフィルム４０の開孔４１Ｈに浸入する。開孔４１Ｈは、気液分離膜５０によって塞がれているため、開孔４１Ｈに浸入した液体成分がアノード１３の側に透過することはない。また、アノードフィルム４０の周縁部は、下面シール部材４２が容器３０の受台３０Ｂに密着しているため、アノードフィルム４０の燃料供給機構３の側の空間がシールされる。このため、燃料の液体成分の外部への漏れが防止できる。
【００５２】
このようなアノードフィルム４０のよって形成されたシール空間で気化した燃料の気体成分は、アノードフィルム４０の開孔４１Ｈから気液分離膜５０を透過し、集電体１８のアノード集電部Ａを介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。
【００５３】
アノード１３に供給された燃料の気体成分は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式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。
【００５４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体１８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、集電体１８を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００５５】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００５６】
本実施形態における主要な構成について、図６の分解斜視図を参照して説明する。
【００５７】
燃料供給機構３においては、箱状の容器３０には、枠状の受台３０Ｂが形成されている。受台３０Ｂの内側には、燃料排出口３３が形成された燃料分配板３１が配置されている。アノードフィルム４０においては、フィルム部材４１の外形寸法は、燃料分配板３１よりも大きく、容器３０の中に収容した際に、フィルム部材４１の周縁部は、受台３０Ｂの上に延在している。フィルム部材４１の燃料分配板３１に向かい合う下面４１Ｌの周縁部には、下面シール部材４２が一体的に形成されている。この下面シール部材４２は、受台３０Ｂと同様の枠状に形成され、受台３０Ｂに密着している。フィルム部材４１に形成されたすべての開孔４１Ｈは、フィルム部材４１の上面４１Ｕに配置された気液分離膜５０によって塞がれている。
【００５８】
このような構成によれば、燃料供給機構３において、燃料排出口３３から燃料が排出された際、燃料の液体成分は、下面シール部材４２の内側で留まり、しかも、気液分離膜５０よりも膜電極接合体２の側に漏れることが無い。すなわち、下面シール部材４２は、フィルム部材４１と一体的であるため、フィルム部材４１と下面シール部材４２との間に液体成分が漏れるパスは形成されない。また、下面シール部材４２は、図示しないカバープレート２１と容器３０とが締結された際の押圧力によって弾性変形し、受台３０Ｂに密着しているため、受台３０Ｂと下面シール部材４２との間に液体成分が漏れるパスは形成されない。さらに、フィルム部材４１に形成された開孔４１Ｈは、フィルム部材４１の上面４１Ｕに密着した気液分離膜５０によって塞がれているため、フィルム部材４１の開孔４１Ｈから液体成分が漏れることもない。
【００５９】
つまり、膜電極接合体２よりも燃料供給機構３の側には、燃料の液体成分を閉じ込める密閉空間が形成され、この密閉空間で気化した気体成分のみが膜電極接合体２のアノード１３に供給される。したがって、燃料の利用効率を向上することが可能となる。
【００６０】
また、アノードフィルム４０のフィルム部材４１に形成された開孔４１Ｈは、燃料分配板３１に形成された燃料排出口３３の直上に位置している。このため、燃料供給機構３から供給された燃料のうちの気化成分が速やかに開孔４１Ｈ及び気液分離膜５０を透過して膜電極接合体２のアノードに供給される。したがって、燃料電池１による発電開始の指示を受けてから発電反応が開始するまでの起動時間の高速化が可能となる。
【００６１】
また、本実施形態によれば、アノードフィルム４０において、フィルム部材４１の上面４１Ｕの周縁部には、上面シール部材４３が一体的に形成されている。この上面シール部材４３は、下面シール部材４２と同様の枠状に形成され、下面シール部材４２の直上に位置している。このため、下面シール部材４２及び上面シール部材４３は、図示しないカバープレート２１と容器３０とが締結された際の押圧力によっていずれも第３方向Ｚに沿った同軸上で弾性変形し、軸外にずれることが無い。
【００６２】
図７には、この様子が模式的に図示されている。すなわち、フィルム部材４１を挟んで下面４１Ｌ及び上面４１Ｕにそれぞれ一体的に形成された下面シール部材４２及び上面シール部材４３は、第３方向Ｚに作用する押圧力が加わった際に、そのまま潰れるように変形する。これにより、下面シール部材４２は受台３０Ｂに密着するとともに、上面シール部材４３は膜電極接合体２の電解質膜１７に密着する。
【００６３】
さらに、上面シール部材４３との間で膜電極接合体２の電解質膜１７を挟む枠体シール７０のシール部材７２は、上面シール部材４３の直上に位置している。つまり、下面シール部材４２、上面シール部材４３、及び、シール部材７２は、第３方向Ｚに沿った同一軸上に位置している。このため、シール部材７２も同様に、第３方向Ｚに作用する押圧力が加わった際に、そのまま潰れるように変形する。これにより、シール部材７２は、電解質膜１７に密着する。
【００６４】
このため、下面シール部材４２によるシール性能に加え、上面シール部材４３及びシール部材７２による膜電極接合体２のシール性能も向上する。
【００６５】
なお、第３方向Ｚに沿って押圧力が作用した際に、下面シール部材４２、上面シール部材４３、及び、シール部材７２の変形を促進して密着性を高めるためには、受台３０Ｂが比較的硬い材質、例えばポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）などによって形成されていることが望ましい。
【００６６】
一方で、フィルム部材４１を挟んで下面シール部材４２及び上面シール部材４３がフィルム部材４１に一体的に形成されていなかった場合には、燃料の液体成分の漏れが確認された。
【００６７】
図８には、この様子が模式的に図示されている。すなわち、フィルム部材４１に一体的に形成されていない下面シール部材４２及び上面シール部材４３は、第３方向Ｚに作用する押圧力が加わった際に、そのまま潰れるというよりはむしろ押圧力が弱い部分に移動しやすい。このため、例えば、図示したように、上面シール部材４３は、下面シール部材４２の直上の位置からずれてしまうことがある。この場合、下面シール部材４２及び上面シール部材４３には十分な押圧力が作用しないため、変形も小さく、下面シール部材４２と受台３０Ｂとの密着性、あるいは、フィルム部材４１と下面シール部材４２との密着性が不十分となりやすい。このため、下面シール部材４２と受台３０Ｂとの間、あるいは、フィルム部材４１と下面シール部材４２との間に燃料の液体成分が漏れるパスが形成されてしまう。
【００６８】
図示していないが、同様に、上面シール部材４３及びシール部材７２についても、同様に、押圧力が作用した際に潰れにくく、移動しやすい。このため、上面シール部材４３及びシール部材７２と、電解質膜１７との密着性が不十分となり、膜電極接合体２のシール性能が不十分となるおそれがある。
【００６９】
この図８に示した例のように、下面シール部材４２がフィルム部材４１と一体的に形成されていない場合、燃料の液体成分の漏れを十分に防止することが困難であり、シール性能として不十分である。また、上面シール部材４３がフィルム部材４１と一体的に形成されていない場合にも、上記の通り、燃料の液体成分の漏れを十分に防止することが困難である。
【００７０】
以上説明したように、この実施の形態によれば、液体燃料の漏れを防止し、燃料の利用効率を向上することを可能にした燃料電池を提供できる。
【００７１】
上述した実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料分配板３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【００７２】
さらに、上述した実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【００７３】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、膜電極接合体に供給される燃料の全てが液体燃料Ｆの蒸気、全てが液体燃料Ｆ、または一部が液体状態で供給される液体燃料Ｆの蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また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たりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７４】
１…燃料電池
２…膜電極接合体
３…燃料供給機構
１３…アノード  １６…カソード  １７…電解質膜
２１…カバープレート
３０…容器  ３０Ｂ…受台
３１…燃料分配板  ３３…燃料排出口
４０…アノードフィルム
４１…フィルム部材  ４１Ｈ…開孔  ４２…下面シール部材  ４３…上面シール部材
５０…気液分離膜  ６０…拡散シート
７０…枠体シール  ７１…基材  ７２…シール部材
【図１】
2011034924.tif 000003
【図２】
2011034924.tif 000004
【図３】
2011034924.tif 000005
【図４】
2011034924.tif 000006
【図５】
2011034924.tif 000007
【図６】
2011034924.tif 000008
【図７】
2011034924.tif 000009
【図８】
2011034924.tif 000010