(57)【要約】【課題】燃料電池の小型化等を損なうことなく、膜電極接合体に対する燃料の供給状態を均一化することによって、発電反応の効率化を図って出力を向上させることを可能にした燃料電池を提供すること。【解決手段】  膜電極接合体を有する燃料電池セル２と、膜電極接合体の燃料極側に配置され燃料極に対して燃料を供給する燃料供給機構３０と、膜電極接合体と燃料供給機構との間に配置され燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに膜電極接合体を燃料極側から支持する支持板４０と、を備え、支持板４０は、燃料供給機構に接するリブＲを備え、支持板と燃料供給機構との間に燃料供給機構から供給された燃料を拡散するための空間ＳＣを形成することを特徴とする。【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まれた電解質膜と、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、前記燃料極に対して燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体と前記燃料供給機構との間に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに、前記膜電極接合体を前記燃料極側から支持する支持板と、を備え、
前記支持板は、前記燃料供給機構に接するリブを備え、前記支持板と前記燃料供給機構との間に、前記燃料供給機構から供給された燃料を拡散するための空間を形成することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記リブは、前記支持板の外周に沿って配置された枠状の第１リブと、前記第１リブによって囲まれた内側に島状に配置された複数の第２リブと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１リブには、シール材が配置されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料供給機構は、燃料が注入される燃料注入口とこの燃料注入口から注入された燃料を前記燃料極に供給する燃料供給口とを有する燃料供給部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、さらに、前記燃料供給部の前記燃料供給口と前記支持板との間に配置された少なくとも１つの多孔体を備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、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、前記燃料極の複数個所に対して燃料を供給する燃料分配機構と、
前記膜電極接合体と前記燃料分配機構との間に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに、前記膜電極接合体を前記燃料極側から支持する支持板と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
前記支持板は、前記燃料分配機構に接するリブを備え、前記支持板と前記燃料分配機構との間に、前記燃料分配機構から供給された燃料を拡散するための空間を形成することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料分配機構は、燃料が注入される燃料注入口とこの燃料注入口から注入された燃料を前記燃料極に供給する複数の燃料供給口とを有する燃料供給部を備えたことを特徴とする請求項６または７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料分配機構は、さらに、前記燃料供給部の前記燃料供給口と前記支持板との間に配置された少なくとも１つの多孔体を備えたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
さらに、前記膜電極接合体の前記空気極に配置された外装ケースを備え、
前記支持板と前記カバープレートとの間で前記膜電極接合体を保持することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料は、メタノール燃料であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記メタノール燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１１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可能であ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（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の小型化に対して特に有利である。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（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提案されている（例えば特許文献１及び２参照）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
【０００５】
一方、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が検討されている（特許文献３〜５参照）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。ただし、流路からの液体燃料の供給構造によっては、燃料電池セルに対する燃料の供給状態が不均一になり、燃料電池の出力が低下するおそれがある。例えば、溝状の流路に沿って液体燃料を流す場合、流路を液体燃料が流れるにつれて順次燃料が消費されていくため、流路出口側では燃料濃度が減少する。このため、燃料電池セルの流路出口に近い部分では発電反応が低下し、その結果として出力の低下を招いてしまう。
【０００６】
また、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。特許文献４にはポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。特許文献５には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。燃料の循環構造を適用した燃料電池ではポンプが有効であるものの、パッシブ型ＤＭＦＣのように燃料を循環させない場合には単にポンプを適用しても燃料消費量が増大するだけで、燃料電池セル全体での均一な発電反応を生起することは難しい。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特開２００６−３１８７１２号公報
【特許文献３】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献４】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献５】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の目的は、燃料電池の小型化等を損なうことなく、膜電極接合体に対する燃料の供給状態を均一化することによって、発電反応の効率化を図って出力を向上させ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】
【０００８】
この発明の第１の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、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、前記燃料極に対して燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体と前記燃料供給機構との間に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに、前記膜電極接合体を前記燃料極側から支持する支持板と、を備え、
前記支持板は、前記燃料供給機構に接するリブを備え、前記支持板と前記燃料供給機構との間に、前記燃料供給機構から供給された燃料を拡散するための空間を形成することを特徴とする。
【０００９】
この発明の第２の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟まれた電解質膜と、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、前記燃料極の複数個所に対して燃料を供給する燃料分配機構と、
前記膜電極接合体と前記燃料分配機構との間に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための開口部を有するとともに、前記膜電極接合体を前記燃料極側から支持する支持板と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、燃料電池の小型化等を損なうことなく、膜電極接合体に対する燃料の供給状態を均一化することによって、発電反応の効率化を図って出力を向上させることを可能にした燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
まず、この実施の形態に係る燃料電池１の起電部を構成する燃料電池セル２について説明する。例えば、図１に示すような燃料電池１において、燃料電池セル２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層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とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。
【００１３】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（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１１にはメタノールや一酸化炭素等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１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。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。
【００１４】
電解質膜１７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１７はこれらに限られるものではない。
【００１５】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１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１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４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１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。
【００１６】
アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えば金（Ａｕ）のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる。
【００１７】
（第１実施形態）
次に、上述したような構成の燃料電池セル２を備えた燃料電池１の第１実施形態について説明する。
【００１８】
図１に示すように、燃料電池１は、燃料電池セル２と、この燃料電池セル２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給機構３０と、燃料電池セル２と燃料供給機構３０との間に配置され燃料電池セル２をアノード側から支持する支持板４０とから主として構成されている。
【００１９】
すなわち、燃料電池セル２は、支持板４０とカバープレート１８との間に保持されている。カバープレート１８は、酸化剤である空気を取入れるための開口１８Ａを有している。なお、図１に示した例では、カバープレート１８とカソード１６との間には、保湿層２０が配置されているが省略しても良い。この保湿層２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進する機能を有している。
【００２０】
電解質膜１７とカバープレート１８との間（図１に示した例では、電解質膜１７と保湿層２０との間）、及び、電解質膜１７と支持板４０との間には、それぞれゴム製のＯリングなどのシール材１９が介在しており、これらによって燃料電池セル２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
【００２１】
燃料供給機構３０は、燃料電池セル２のアノード（燃料極）１３側に配置されている。この燃料供給機構３０は、燃料供給部３１を備えている。また、この燃料供給機構３０は、燃料供給部３１に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、燃料電池セル２に対応した液体燃料を収容しており、液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。
【００２２】
燃料供給部３１と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部３１には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部３１や燃料収容部と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部３１と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。
【００２３】
燃料収容部から燃料供給部３１への燃料の導入は、例えばポンプを用いて行われる。ポンプは、流路の途中に挿入されている。ポンプ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から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプで必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
【００２４】
燃料供給部３１から燃料電池セル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に戻されることはない。この実施の形態の燃料電池は、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、燃料電池は、液体燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される方式を適用している。
【００２５】
ポンプ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という観点から、ロータリーポンプ（ロータリーベーンポンプ）、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００２６】
ポンプは、必要時動作させて燃料収容部から燃料供給部３１に液体燃料を供給する。このように、ポンプで燃料収容部から燃料供給部３１まで液体燃料を送液する場合においても、燃料供給部３１は有効に機能するため、燃料電池セル２に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。また、燃料供給部３１から燃料電池セル２への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
【００２７】
燃料供給部３１は、図１及び図２に示すように、燃料収容部（図示せず）に収容された液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口３３と、燃料注入口３２と燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。ここで示した燃料供給部３１の例では、燃料注入口３２及び燃料供給口３３は、それぞれ１箇所である。このような構成の燃料供給部３１においては、燃料供給口３３が形成された面３５、すなわち支持板４０が配置される底面３５は、略平坦に形成されている。
【００２８】
支持板４０は、燃料電池セル２と燃料供給機構３０との間に配置された状態において、燃料供給機構３０から供給された燃料を燃料電池セル２のアノード１３に供給するための開口部ＡＰを有している。つまり、この開口部ＡＰは、支持板４０において、燃料供給機構３０側から燃料電池セル２側まで貫通する貫通孔である。
【００２９】
また、この支持板４０においては、燃料電池セル２側の表面４１は、図３に示すように略平坦に形成されている。一方で、支持板４０は、燃料供給機構３０側に、図４に示すように、リブＲを備えている。つまり、このようなリブＲは、燃料供給機構３０に対向する支持板４０の裏面４２から燃料供給機構３０側に向かって突出している。このため、燃料電池セル２と燃料供給機構３０との間に支持板４０を配置した際に、支持板４０のリブＲが燃料供給機構３０に接し、支持板４０と燃料供給機構３０との間に空間ＳＣが形成される。より具体的には、支持板４０は、その裏面４２が燃料供給部３１の底面３５に対向するように配置される。このとき、リブＲが底面３５に接することにより、底面３５と裏面４２との間に空間ＳＣが形成される。
【００３０】
このような構成により、燃料供給部３１の燃料供給口３３から供給された燃料を空間ＳＣ内で拡散させることが可能となる。特に、燃料供給部３１の底面３５に１箇所の燃料供給口３３を形成した構成であっても、空間ＳＣ内において、燃料供給口３３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。このため、燃料電池セル２の全面に向けて燃料を供給することが可能となり、燃料電池セル２に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。
【００３１】
上述したような構成の燃料電池１においては、以下のようなプロセスによって発電する。
【００３２】
すなわち、燃料注入口３２から燃料供給部３１に導入された液体燃料は、細管３４を経由して燃料供給口３３に導かれる。燃料供給口３３から供給された液体燃料は、支持板４０との間の空間ＳＣ内で気化するとともに広範囲にわたって拡散する。これによって、燃料電池セル２のアノード１３には、支持板４０の開口部ＡＰを透過した液体燃料の気化成分が供給される。
【００３３】
燃料電池セル２内において、燃料は、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。液体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。
【００３４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …(1)
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体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、カソード１６に導かれる。また、(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。
【００３５】
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共に、燃料電池セル２の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。
【００３６】
このような点に対して、燃料電池セル２に対して燃料を供給する燃料供給口が１箇所の場合には、燃料供給口近傍の燃料濃度は発電に十分な濃度となるものの、燃料供給口３３から周辺に向かって離れるにつれて燃料濃度が急速に低下する。このため、燃料電池全体で見た場合の平均出力は、燃料の供給が少ない部分の影響を受けて低い値に留まってしまう。
【００３７】
燃料濃度を高めるための手段としては、液体燃料の供給量を増加させることが考えられる。しかし、単に液体燃料の供給量を増加させた場合、燃料供給口近傍の燃料濃度が上がりすぎて、燃料が反応することなく空気極へ流れてしまうクロスオーバーと呼ばれる現象が発生する。クロスオーバーは、燃費の低下、空気極での燃料の直接反応に伴う電圧低下、それによる出力低下等の原因となる。
【００３８】
また、燃料極に接する面に液体燃料が流れる溝を形成し、その部分に液体燃料を流すことも試みられており、大型の燃料電池では実用化されている。しかし、この手法では溝を液体燃料が流れるにつれて、反応により燃料が順次消費されるため、燃料濃度が減少して出力の低下を十分に抑制することができない。さらに、従来は燃料を高速で流すために循環ポンプが使用されているため、装置の大型化が避けられない。
【００３９】
この第１実施形態の燃料電池１においては、上述したように、燃料電池セル２と燃料供給口３３との間に燃料を拡散するための空間ＳＣを形成したことにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、燃料電池セル２での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、燃料電池セル２で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池１の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
【００４０】
また、この第１実施形態煮の燃料電池１においては、支持板４０により燃料電池セル２を支持するとともに、支持板４０とカバープレート１８との間で燃料電池セル２を保持するため、燃料電池セル２、特に膜電極接合体の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
【００４１】
上述した第１実施形態において、リブＲのより詳細な構造について説明する。すなわち、リブＲは、図４に示したように、支持板４０の外周に沿って配置された枠状の第１リブＲ１と、第１リブＲ１によって囲まれた内側に島状に配置された複数の第２リブＲ２と、を含んでいる。これらの第１リブＲ１及び第２リブＲ２は、裏面４２から同一の高さを有するように形成されており、燃料供給機構３０上に配置した際に、共に燃料供給機構３０に接する。
【００４２】
より具体的には、燃料供給部３１の底面３５に支持板４０を配置した際に、第１リブＲ１及び第２リブＲ２ともに底面３５に接するとともに、支持板４０の裏面４２は、底面３５から離間している。第２リブＲ２は裏面４２上に点在しているため、第１リブＲ１、底面３５、及び、裏面４２によって囲まれた空間ＳＣは、第２リブＲ２によって仕切られることがない。つまり、空間ＳＣは、燃料電池セル２に対応した単一の共通空間となる。このため、１箇所の燃料供給口３３から燃料を供給する構成であっても、燃料電池セル２に対して供給される燃料の供給量を均一化することが可能となる。
【００４３】
また、第１リブＲ１には、図４に示したように、シール材ＳＥが配置されている。このシール材ＳＥは、例えばゴム製であり、燃料供給機構３０に密着する。これにより、燃料漏れを防止することが可能となる。
【００４４】
次に、この第１実施形態の変形例について説明する。
【００４５】
この変形例においては、燃料供給機構３０は、図２に示したような燃料供給部３１に加えて、さらに、燃料供給部３１の燃料供給口３３と支持板４０との間に配置された少なくとも１つの多孔体を備えて構成されている。なお、他の構成は、上述した第１実施形態と同一であり、詳細な説明を省略する。
【００４６】
すなわち、図５に示すように、燃料供給機構３０は、燃料供給部３１と、燃料供給部３１の底面３５に配置された多孔体３６と、を備えている。多孔体３６の構成材料としては、各種樹脂あるいは繊維材料が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム、繊維材料等が多孔体３６として用いられる。このような多孔体３６の表面、つまり支持板４０に接する面は、略平坦に形成されている。
【００４７】
このような変形例においても、燃料供給機構３０側にリブＲを備えた支持板４０を適用することにより、燃料電池セル２と燃料供給機構３０との間に支持板４０を配置した際に、支持板４０のリブＲが燃料供給機構３０に接し、支持板４０と燃料供給機構３０との間に空間ＳＣが形成される。より具体的には、支持板４０は、その裏面４２が多孔体３６に対向するように配置される。このとき、リブＲが多孔体３６に接することにより、燃料供給機構３０の多孔体３６と支持板４０の裏面４２との間に空間ＳＣが形成される。
【００４８】
このような多孔体３６を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部３１の燃料供給口３３から供給された液体燃料は一旦多孔体３６に吸収され、多孔体３６の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体３６から空間ＳＣを介してアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
【００４９】
なお、多孔体３６は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。
【００５０】
上述した第１実施形態によれば、燃料電池は、燃料供給機構から供給された液体燃料を、燃料電池セルを支持する支持板と燃料供給機構との間の空間内で拡散させて、支持板の開口部から燃料電池セルに供給するため、膜電極接合体全体で効率的に発電反応を生起することができる。これによって、燃料電池の小型化等を損なうことなく、出力の向上を図ることが可能となる。
【００５１】
（第２実施形態）
次に、上述したような構成の燃料電池セル２を備えた燃料電池１の第２実施形態について説明する。
【００５２】
図６に示すように、第２実施形態に係る燃料電池１は、燃料電池セル２と、この燃料電池セル２のアノード１３の複数個所に対して燃料を供給する燃料分配機構５０と、燃料電池セル２と燃料分配機構５０との間に配置され燃料電池セル２をアノード側から支持する支持板６０とから主として構成されている。なお、第１実施形態と同一の構成については、同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５３】
燃料電池セル２は、支持板６０とカバープレート１８との間に保持されている。
【００５４】
燃料電池セル２のアノード１３側に配置された燃料分配機構５０は、燃料供給部５１や図示しない燃料収容部などを備えている。この燃料供給部５１は、図６及び図７に示すように、燃料収容部（図示せず）に収容された液体燃料が流路を介して注入される少なくとも１箇所の燃料注入口５２と、燃料注入口５２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数個所の燃料供給口５３と、燃料注入口５２と燃料供給口５３のそれぞれとを繋ぐ細管５４と、を有している。すなわち、細管５４の一端（始端部）は、燃料注入口５２に対応する。また、細管５４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管５４の各終端部が燃料供給口５３にそれぞれ対応する。細管３４は、例えば内径が０．０５〜３ｍｍの貫通孔であることが好ましい。
【００５５】
このような構成の燃料分配機構５０においては、燃料注入口５２から燃料供給部５１内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管５４を介して複数の燃料供給口５３にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料分配機構５０を適用することによって、燃料注入口５２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口５３に均等に分配することができる。したがって、燃料電池セル２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００５６】
さらに、燃料注入口５２と複数の燃料供給口５３とを細管５４で接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管５４の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口５３を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。
【００５７】
また、このような構成の燃料供給部５１においては、燃料供給口５３が形成された面、すなわち支持板６０が配置される底面５５は、略平坦に形成されている。このような燃料分配機構５０を適用した燃料電池１によれば、液体燃料を拡散して供給することが可能であるため、燃料電池セル２と燃料供給機構３０との間に配置される支持板６０は、少なくとも燃料電池セル２を支持する機能を有するように構成されていればよい。
【００５８】
すなわち、この支持板６０は、燃料電池セル２と燃料分配機構５０との間に配置された状態において、図３及び図４に示した支持板４０と同様に燃料分配機構５０から供給された燃料を燃料電池セル２のアノード１３に供給するための開口部ＡＰを有している一方で、その裏面４２にリブＲを有していない。つまり、燃料分配機構５０によって燃料を拡散して供給することが可能であるため、支持板６０は、例えば図１に示した例のように１箇所の燃料供給口３３から供給された燃料を拡散させるための空間を形成する機能を有している必要はない。
【００５９】
このような第２実施形態の燃料電池１においても、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６０】
勿論、この第２実施形態においても、第１実施形態で適用したのと同一の支持板４０を適用可能である。すなわち、図８に示すように、第２実施形態の変形例１においては、燃料電池セル２と燃料分配機構５０との間に配置された支持板４０は、燃料電池セル２側の表面４１が略平坦に形成されている一方で、燃料分配機構５０側にリブＲを備えている。このため、支持板４０のリブＲが燃料分配機構５０に接し、支持板４０と燃料分配機構５０との間に空間ＳＣが形成される。より具体的には、支持板４０は、その裏面４２を燃料供給部５１の底面５５に向けて配置される。このとき、リブＲが底面５５に接することにより、底面５５と裏面４２との間に空間ＳＣが形成される。
【００６１】
このような構成により、燃料供給部５１の各燃料供給口５３から供給された燃料を空間ＳＣ内で拡散させることが可能となる。すなわち、空間ＳＣ内において、各燃料供給口５３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。このため、燃料電池セル２の全面に向けて燃料を供給することが可能となり、燃料電池セル２に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。
【００６２】
次に、この第２実施形態の他の変形例について説明する。
【００６３】
変形例２に係る燃料電池１は、図６に示した燃料電池１において、燃料分配機構５０を構成する燃料供給部５１の燃料供給口５３とリブを持たない支持板６０との間に配置された少なくとも１つの多孔体を備えている。すなわち、図９に示すように、燃料分配機構５０は、燃料供給部５１と、燃料供給部５１の底面５５に配置された多孔体５６と、を備えている。多孔体５６の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体として用いられる。このような多孔体５６の表面、つまり支持板６０に接する面は、略平坦に形成されている。
【００６４】
このような変形例２においては、複数の燃料供給口５３及び多孔体５６を備えた燃料分配機構５０を適用することによって、更なる燃料の拡散性を向上することが可能となり、燃料電池セル２に対する燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
【００６５】
変形例３に係る燃料電池１は、図８に示した燃料電池１において、燃料分配機構５０を構成する燃料供給部５１の燃料供給口５３とリブＲを有する支持板４０との間に配置された少なくとも１つの多孔体を備えている。すなわち、図１０に示すように、燃料分配機構５０は、燃料供給部５１と、燃料供給部５１の底面５５に配置された多孔体５６と、を備えている。
【００６６】
このような変形例３においては、複数の燃料供給口５３及び多孔体５６を備えた燃料分配機構５０を適用することによって、燃料電池セル２と燃料分配機構５０との間に支持板４０を配置した際に、支持板４０のリブＲが燃料分配機構５０に接し、支持板４０と燃料分配機構５０との間に空間ＳＣが形成される。より具体的には、支持板４０は、その裏面４２を多孔体５６に向けて配置される。このとき、リブＲが多孔体５６に接することにより、燃料分配機構５０の多孔体５６と支持板４０の裏面４２との間に空間ＳＣが形成される。
【００６７】
このため、更なる燃料の拡散性を向上することが可能となるのに加えて、空間ＳＣ内において、各燃料供給口５３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。このため、燃料電池セル２に対する燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
【００６８】
したがって、このような第２実施形態の変形例１乃至３のいずれの構成においても、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６９】
上述した第１実施形態及び第２実施形態において、液体燃料を燃料収容部から燃料供給部３１まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部から燃料供給部３１まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部から燃料供給部３１まで送液することができる。
【００７０】
さらに、燃料収容部から燃料供給部３１への送液はポンプで実施してもよい。この場合、例えば、燃料収容部と燃料供給部３１との間の流路の途中にポンプを挿入した構成が適用可能である。この場合のポンプは、燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプで必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
【００７１】
ポンプの種類は、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という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００７２】
また、このようなポンプを適用した場合、ポンプの動作を制御する制御回路を追加しても良い。すなわち、燃料供給用（送液用）のポンプの制御は、燃料電池１の出力を参照して行うことが好ましい。このため、燃料電池１の出力を制御回路で検出し、この検出結果に基づいて制御回路からポンプに制御信号が送られる。ポンプは、制御回路から送られた制御信号に基づいてオン／オフが制御される。ポンプの動作は、燃料電池１の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転状態情報等に基づいて制御することで、より安定した運転が達成できる。
【００７３】
さらに、燃料電池１としての安定性や信頼性を高めるために、ポンプと直列に燃料遮断バルブを配置しても良い。この場合、ポンプと燃料供給部３１との間の流路に燃料遮断バルブを挿入した構成が適用可能であるが、燃料遮断バルブはポンプと燃料供給部３１との間に設置しても機能上の支障はない。燃料遮断バルブとしては、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが使用される。燃料遮断バルブには、その大きさや駆動電力等の観点から、電磁石や圧電セラミックスを用いた電気駆動バルブを使用することが好ましい。さらに、燃料遮断バルブには、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブを使用することが好ましい。
【００７４】
また、燃料収容部や流路に燃料収容部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良い。
【００７５】
上述した第２実施形態によれば、燃料電池は、燃料分配機構によって分配供給された液体燃料を、燃料電池セルを支持する支持板の開口部から燃料電池セルに供給するため、膜電極接合体全体で効率的に発電反応を生起することができる。これによって、燃料電池の小型化等を損なうことなく、出力の向上を図ることが可能となる。
【００７６】
上述した各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。各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、各実施形態は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に適用することが好ましい。
【００７７】
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、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、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合せたり、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。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】図１は、この発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、第１実施形態の燃料電池に適用可能な燃料供給部の構造を示す斜視図である。
【図３】図３は、この発明の実施の形態に係る燃料電池に適用可能な支持板の表面の構造を示す斜視図である。
【図４】図４は、この発明の実施の形態に係る燃料電池に適用可能な支持板の裏面の構造を示す斜視図である。
【図５】図５は、第１実施形態の変形例に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図６】図６は、この発明の第２実施形態に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図７】図７は、第２実施形態の燃料電池に適用可能な燃料供給部の構造を示す斜視図である。
【図８】図８は、第２実施形態の変形例１に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図９】図９は、第２実施形態の変形例２に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図１０】図１０は、第２実施形態の変形例３に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００７９】
１…燃料電池  ２…燃料電池セル  １３…アノード  １６…カソード  １７…電解質膜  １８…カバープレート  ３０…燃料供給機構  ３１…燃料供給部  ３６…多孔体  ４０…支持板  ＡＰ…開口部  ＳＥ…シール材  Ｒ…リブ（Ｒ１…第１リブ、Ｒ２…第２リブ）  ＳＣ…空間  ５０…燃料分配機構  ６０…支持板
【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】
2008218046.tif 000008
【図７】
2008218046.tif 000009
【図８】
2008218046.tif 000010
【図９】
2008218046.tif 000011
【図１０】
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