(57)【要約】【課題】液体燃料を用いた燃料電池において、カバープレートによる膜電極接合体と燃料収容部との固定力を長期間にわたって維持する。【解決手段】燃料電池１は、燃料極、空気極および電解質膜を有する燃料電池セル（膜電極接合体）２と、開口部３ａを介して燃料極に液体燃料を供給する燃料収容部３とを具備する。カバープレート１７の周縁部を燃料電池セル２の端面や燃料収容部３の壁面に沿って折り曲げつつかしめることによって、燃料電池セル２は燃料収容部３に固定されている。燃料収容部３にはカバープレート１７の周縁部をかしめた際のかしめ受け部となる弾性部材２０が設けられており、これによりかしめ力の緩みを防止している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極と対向する面に設けられた開口部を介して液体燃料を前記燃料極に供給する燃料収容部と、
前記膜電極接合体の前記空気極側から取り付けられたカバープレートであって、前記膜電極接合体の端面および前記燃料収容部の壁面に沿って折り曲げつつかしめた周縁部で、前記膜電極接合体と前記燃料収容部とを挟み込んで固定するカバープレートと、
前記燃料収容部に設けられ、前記カバープレートの周縁部をかしめた際のかしめ受け部となる弾性部材と
を具備す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、
前記弾性部材は樹脂製弾性部材であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池において、
前記カバープレートの前記周縁部は複数の爪部を備え、かつ前記燃料収容部は前記複数の爪部に対応する複数の前記弾性部材を備え、前記複数の爪部を前記燃料収容部の壁面に沿って折り曲げつつかしめると共に、前記複数の爪部の先端をそれぞれ前記複数の弾性部材で受けることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体と前記燃料収容部とは同一矩形の平面形状を有し、前記複数の爪部は前記矩形の少なくとも対向する二辺に相当する部分に設けられていると共に、前記対向する二辺を少なくとも挟み込むように折り曲げられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記弾性部材は前記燃料収容部の壁面に埋め込まれていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記弾性部材は硬質ゴムからなることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の前記燃料極と前記燃料収容部との間に配置され、前記燃料収容部から気化した前記液体燃料の気化成分を通過させる気液分離膜を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の前記空気極上に順に配置された保湿層および表面層を具備し、前記カバープレートは前記表面層上から取り付けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項１ないし請求項８のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記液体燃料はメタノール燃料であ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】
本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【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長時間充電なしで使用可能とするために、これら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。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することができるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：direct methanol fuel cell）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、携帯機器用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。これらのうち、パッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。
【０００４】
内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣでは、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（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が適用されている（例えば特許文献１参照）。膜電極接合体と燃料収容部との固定方法としては、これらをカバープレートで挟み込んで固定することが試みられている。例えば、膜電極接合体の空気極側から金属材料からなるカバープレートを取り付けると共に、カバープレートの周縁部を膜電極接合体の端面および燃料収容部の壁面に沿って折り曲げつつかしめることによって、膜電極接合体と燃料収容部とを挟み込んで固定する。
【０００５】
ところで、パッシブ型ＤＭＦＣの膜電極接合体（燃料電池セル）は発電動作時に膨張と収縮を繰り返すため、この膜電極接合体の膨張収縮の繰り返しに基づいてカバープレートの周縁部のかしめ部が緩むおそれがある。カバープレートによるかしめ部が緩んで膜電極接合体と燃料収容部との固定力が低下すると、これらの接触部から燃料リークが発生したり、また燃料リークが発生しないまでも発電特性が劣化する等、ＤＭＦＣの信頼性や特性等を低下させる要因となる。
【特許文献１】国際公開第2005/112172号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、カバープレートによる膜電極接合体と燃料収容部との固定力を長期間にわたって安定して維持することを可能にした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】
本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極と対向する面に設けられた開口部を介して液体燃料を前記燃料極に供給する燃料収容部と、前記膜電極接合体の前記空気極側から取り付けられたカバープレートであって、前記膜電極接合体の端面および前記燃料収容部の壁面に沿って折り曲げつつかしめた周縁部で、前記膜電極接合体と前記燃料収容部とを挟み込んで固定するカバープレートと、前記燃料収容部に設けられ、前記カバープレートの周縁部をかしめた際のかしめ受け部となる弾性部材とを具備することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の態様に係る燃料電池は、カバープレートの周縁部をかしめた際のかしめ受け部となる弾性部材を燃料収容部に設けているため、膜電極接合体の膨張収縮によるかしめ部への影響を弾性部材により緩和してかしめ力を維持することができ、これによりカバープレートによる膜電極接合体と燃料収容部との固定力を長期間にわたって安定して維持することが可能となる。従って、燃料電池の信頼性や特性安定性等を高めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。
【００１０】
図１は本発明の燃料電池をパッシブ型ＤＭＦＣに適用した実施形態の構成を示す断面図、図２はその下面図、図３はその一部を拡大して示す断面図である。これらの図に示すパッシブ型ＤＭＦＣ１は内部気化方式を適用したものであり、起電部を構成する燃料電池セル２と、この燃料電池セル２に液体燃料（メタノール燃料等）Ｆを供給する燃料収容部３と、これら燃料電池セル２と燃料収容部３との間に介在された気液分離膜４とから主として構成されている。
【００１１】
燃料電池セル２は、アノード触媒層５とアノードガス拡散層６とを有するアノード（燃料極）と、カソード触媒層７とカソードガス拡散層８とを有するカソード（空気極／酸化剤極）と、アノード触媒層５とカソード触媒層７とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜９とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有している。
【００１２】
アノード触媒層５およびカソード触媒層７に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層５にはメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層７には白金やＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１３】
電解質膜９を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜９はこれらに限られるものではない。
【００１４】
アノード触媒層５に積層されるアノードガス拡散層６は、アノード触媒層５に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層５の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層７に積層されるカソードガス拡散層８は、カソード触媒層７に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層７の集電体も兼ねている。
【００１５】
アノードガス拡散層６にはアノード導電層１０が積層され、カソードガス拡散層８にはカソード導電層１１が積層されている。これら導電層１０、１１は、例えば金のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等で構成される。なお、電解質膜９とアノード導電層１０およびカソード導電層１１との間には、それぞれゴム製のＯリング１２、１３が介在されており、これらによって燃料電池セル（膜電極接合体）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
【００１６】
上述した燃料電池セル２のアノード（燃料極）側には、燃料収容部３が配置されている。燃料電池セル２は例えば矩形の平面形状を有している。燃料収容部３も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部３は燃料電池セル２のアノードと対向する面に開口部３ａが設けられた容器形状を有している。すなわち、燃料収容部３は上面全面が開口された箱状容器で構成されている。このような燃料収容部３の内部には、液体燃料Ｆとしてメタノール燃料等が収容されている。
【００１７】
メタノール燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等が用いられる。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く、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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部３には燃料電池セル２に対応した液体燃料Ｆが収容される。
【００１８】
燃料収容部３には、例えば樹脂製容器が用いられる。燃料収容部３は液体燃料Ｆの残量を外部から目視することが可能なように、透明樹脂で構成することが好ましい。燃料収容部３を構成する透明樹脂は、耐メタノール性等を有していることが好ましい。燃料収容部３は全体を透明樹脂で形成してもよいし、その一部を透明樹脂で形成してもよい。
【００１９】
燃料収容部３を構成する透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、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、ポリフェニルサルホン等の耐メタノール性を有する樹脂を使用することが好ましい。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等のオレフィン系樹脂等で構成した燃料収容部３を除外するものではない。
【００２０】
燃料収容部３の開口部３ａと燃料電池セル２との間には、気液分離膜４が設置されている。気液分離膜４は、液体燃料（メタノール燃料等）Ｆの気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離膜である。燃料収容部３内で気化した液体燃料Ｆの気化成分は、燃料収容部３の開口部３ａおよび気液分離膜４を介して燃料電池セル２のアノード（燃料極）に供給される。
【００２１】
気液分離膜４の構成材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素樹脂が挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、例えば液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気、純メタノールを使用した場合にはメタノールの気化成分を意味する。
【００２２】
燃料電池セル２のカソード導電層１１上には保湿層１４が積層されており、さらにその上には表面層１５が積層されている。表面層１５は酸化剤である空気の取入れ量を調整する機能を果たすものであり、複数の空気導入口１６を有している。表面層１５による空気の取入れ量は空気導入口１６の個数や大きさ等で調整される。
【００２３】
保湿層１４はカソード触媒層７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役割を果たすと共に、カソードガス拡散層８に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層７への酸化剤の均一拡散を促進する機能を有するものである。保湿層１４は例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としてはポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体等が挙げられる。
【００２４】
燃料収容部３は上述したように矩形の平面形状を有し、その上に燃料収容部３と同一の平面形状を有する気液分離膜４、燃料電池セル２、保湿層１４、表面層１５が順に積層されている。そして、燃料収容部３上に燃料電池セル２等を積層した構造体に対して、燃料電池セル２のカソード（空気極）側からカバープレート１７が取り付けられており、このカバープレート１７で燃料電池セル２等を燃料収容部３に固定している。
【００２５】
カバープレート１７は保湿層１４や表面層１５を含む燃料電池１の構成要素全体を覆うように取り付けられており、燃料電池１全体がカバープレート１７で保持されている。カバープレート１７は例えばステンレスのような金属材料で形成されている。カバープレート１７には表面層１５に形成された空気導入口１６と対応する部分に開口が設けられており、これにより酸化剤の取り入れ並びにカソード触媒層７への拡散を可能としている。
【００２６】
カバープレート１７は、燃料収容部３上に積層された燃料電池セル２等を覆うカバー本体１８とその周縁部に設けられた複数の爪部１９とを有している。カバープレート１７のカバー本体１８は燃料電池セル２等と同様な矩形状の内形状を有し、この内形状に基づいて燃料電池セル２等を覆っている。カバー本体１８の各周縁部、すなわち燃料電池セル２等の矩形平面の四辺に相当する部分には、それぞれ爪部１９が設けられている。
【００２７】
カバープレート１７の周縁部に設けられた複数の爪部１９は、燃料電池セル２等の端面および燃料収容部３の壁面に沿って折り曲げられつつかしめられており、これによって燃料電池セル２等と燃料収容部３とを挟み込んで固定している。すなわち、複数の爪部１９を折り曲げつつかしめて構成要素全体を挟み込むことによって、燃料収容部３上に気液分離膜４、燃料電池セル２、保湿層１５および表面層１６の積層物を固定している。
【００２８】
カバープレート１７の各周縁部に設けられた爪部１９は、燃料電池セル２等の矩形平面の四辺を挟み込むように折り曲げられている。爪部１９は矩形状のカバー本体１８の対向する二辺に設け、このような爪部１９で燃料電池セル２等の対向する二辺を挟み込むようにしてもよい。爪部１９は燃料電池セル２等の対向する二辺を少なくとも挟み込むものであればよく、これによりカバープレート１７による締付け力を得ることができる。
【００２９】
カバープレート１７で燃料電池セル２や燃料収容部３等を挟み込むにあたって、爪部１９が例えば樹脂製の燃料収容部３と直接接触した場合、燃料電池セル（膜電極接合体）２の発電動作に伴う膨張・収縮（例えば0.5〜1mm程度）の繰り返しで爪部１９によるかしめ力が緩むおそれがある。そこで、この実施形態の燃料電池１においては、カバープレート１７の爪部１９をかしめた際のかしめ受け部となる弾性部材２０を燃料収容部３に設けており、これにより爪部１９のかしめ力の緩みを防止している。
【００３０】
例えば図３に示すように、燃料収容部３の外周面の底面近傍部分には爪部１９を受けるテラス状のフランジ部２１が設けられており、このフランジ部２１に弾性部材２０が埋め込まれている。弾性部材２０は複数の爪部１９に対応してフランジ部２１の複数箇所に埋め込まれている。弾性部材２０としては樹脂製弾性部材、特に硬質ゴムを用いることが好ましく、具体的にはJIS K6301で規定されるＨｓが40°以上である硬質の天然ゴムやスチレン・ブタジエンゴム等が挙げられる。なお、複数の弾性部材２０をテラス状のフランジ部２１に埋め込むことに代えて、フランジ部２１全体に板状の弾性部材２０を貼り付けるようにしてもよい。
【００３１】
カバープレート１７の爪部１９を燃料収容部３の壁面に沿って折り曲げてかしめるにあたって、複数の爪部１９はそれらの先端が弾性部材２０とそれぞれ接触した状態でかしめられることになる。従って、燃料電池セル２の膨張に伴って爪部１９のかしめ力を緩める方向に加わる力が弾性部材２０の弾性力で緩和されるため、爪部１９によるかしめ力の緩みが抑制される。すなわち、カバープレート１７による燃料電池セル２と燃料収容部３との固定力を長期間にわたって安定して維持することができる。これによって、燃料電池１の信頼性や特性安定性等を高めることが可能となる。
【００３２】
さらに、弾性部材２０は金属材料からなる硬質な爪部１９の先端等が燃料収容部３と直接接触することを防止するため、爪部１９の先端等で例えば樹脂製の燃料収容部３が傷付けられるおそれが減少する。従って、燃料収容部３の傷不良の発生、それに基づく歩留りの低下等も抑制することができる。燃料収容部３を上述した透明樹脂で形成した場合、透明樹脂はポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のエンジニアプラスチックに比べて機械的強度に劣るため、カバープレート１７の爪部１９との接触で傷が発生しやすい。このような場合においても、燃料収容部３に弾性部材２０を設けることによって、燃料収容部３の傷不良の発生を有効に抑制することが可能となる。
【００３３】
図３では弾性部材２０を燃料収容部３のフランジ部２１に埋め込んだ状態を示したが、弾性部材２０は図４に示すように燃料収容部３の外周面に設けた凹部（溝部）２２内に設置してもよい。すなわち、図４に示す燃料収容部３は外周面に爪部１９と係合する凹部（溝部）２２を有しており、この凹部２２内に弾性部材２０が配置されている。このように、爪部１９を凹部２２に沿ってかしめる場合においても、凹部２２内に弾性部材２０を配置することによって、爪部１９によるかしめ力の緩みを抑制することができる。従って、カバープレート１７による燃料電池セル２と燃料収容部３との固定力を長期間にわたって安定して維持することが可能となる。
【００３４】
上述した構成を有するパッシブ型ＤＭＦＣ１においては、燃料収容部３内のメタノール燃料等の液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が気液分離膜４を透過して燃料電池セル２に供給される。燃料電池セル２内において、メタノール燃料Ｆの気化成分はアノードガス拡散層６で拡散されてアノード触媒層５に供給される。アノード触媒層５に供給された気化成分は、下記の(1)式に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋6Ｈ+＋6ｅ-  …(1)
【００３５】
なお、メタノール燃料Ｆとして純メタノールを使用した場合には、燃料収容部３から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層７で生成した水や電解質膜９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するか、あるいは上記した(1)式の内部改質反応によらず、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。
【００３６】
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ+）は電解質膜９を伝導し、カソード触媒層７に到達する。表面層１６の空気導入口１７から取り入れられた空気（酸化剤）は、保湿層１５、カソード導電層１１、カソードガス拡散層８を拡散して、カソード触媒層７に供給される。カソード触媒層７に供給された空気は、次の(2)式に示す反応を生じさせる。この反応によって、水の生成を伴う発電反応が生じる。
（3/2）Ｏ2＋6Ｈ+＋6ｅ-  →  3Ｈ2Ｏ  …(2)
【００３７】
なお、本発明は燃料収容部に収容した液体燃料を燃料電池セルの燃料極に供給する燃料電池であればその方式や機構等に何等限定されるものではないが、特に小型化が進められているパッシブ型ＤＭＦＣに好適である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の下面図である。
【図３】図１に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図である。
【図４】図３に示す燃料電池の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…パッシブ型ＤＭＦＣ、２…燃料電池セル、３…燃料収容部、３ａ…開口部、４…気液分離膜、５…アノード触媒層、６…アノードガス拡散層、７…カソード触媒層、８…カソードガス拡散層、９…電解質膜、１４…保湿層、１５…表面層、１７…カバープレート、１９…爪部、２０…弾性部材、２１…フランジ部、２２…凹部。
【図１】
2008077936.tif 000003
【図２】
2008077936.tif 000004
【図３】
2008077936.tif 000005
【図４】
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