(57)【要約】【課題】優れた剛性を有し、しかも、出力を安定化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】燃料極と、空気極と、燃料極と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２と、  膜電極接合体の燃料極側に配置され、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燃料極に供給する燃料供給機構３と、  膜電極接合体を支持する支持部材４１及びカバー部材１８と、  燃料供給機構上に配置された膜電極接合体を含む面状部材の積層体ＳＴＢを貫通し、この積層体を支持部材及びカバー部材とともに結束する挟持ピン５０と、  を備えたことを特徴とする。【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供給機構と、
前記膜電極接合体を支持する支持体と、
前記燃料供給機構上に配置された前記膜電極接合体を含む面状部材の積層体を貫通し、この積層体を前記支持体とともに結束する挟持ピンと、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記支持体は、前記膜電極接合体の前記空気極側に配置された第１支持部材と、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た第２支持部材と、を有し、
前記挟持ピンは、前記第１支持部材及び前記第２支持部材とともにこれらの間に配置された積層体を結束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】
前記第１支持部材は、前記膜電極接合体を前記燃料供給機構とともに覆うカバー部材であり、主面から折り曲げられた側面により前記燃料供給機構に固定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】
前記積層体及び前記支持体は、同軸的に形成されかつ前記挟持ピンのピン径よりも大きな径の貫通穴を有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５】
前記膜電極接合体において、前記電解質膜は、隣接する燃料極間及び隣接する空気極間に挟持ピンが貫通する貫通穴を有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６】
前記挟持ピンは、その一端にピン径より大きな頭部を有するとともに、その他端が割れている割ピンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記挟持ピンは、前記頭部を前記燃料供給機構側に向けて配置されたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記支持体は、前記挟持ピンの頭部を収容する凹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９】
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に記載の燃料電池。
【請求項１０】
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９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、燃料電池に係り、特に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（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）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１参照）。
【０００５】
一方で、パッシブ型ＤＭＦＣにおいて、膜電極接合体（あるいは電極膜構造体）と燃料収容部とを接合する構造としては、これらをカバープレートによって挟み込むことが試みられている。例えば、燃料収容部のフランジ部に膜電極接合体を重ね、膜電極接合体の空気極側から金属製のカバープレートを取り付けるとともにカバープレートの周縁部を膜電極接合体の外周、フランジ部の外周及び背面周縁部に沿って折り曲げ、膜電極接合体及びフランジ部をカバープレートの周縁部で挟みつけることにより、燃料収容部を膜電極接合体に対して固定する構造が提案されている（例えば特許文献２参照）。
【０００６】
ところで、パッシブ型ＤＭＦＣの膜電極接合体は、発電動作時に膨張と収縮を繰り返す。このため、このような膜電極接合体の膨張・収縮の繰り返しに基づいて、カバープレートを燃料収容部に固定している周縁部のかしめ部（爪部）が緩むおそれがある。また、燃料電池の構造としては小型化及び軽量化を両立させるために、膜電極接合体を挟持する役目を持つカバープレートなどは薄肉化されている。このため、カバープレートの周縁部を膜電極接合体の端面及び燃料収容部の壁面に沿って折り曲げつつかしめるだけでは、燃料電池の中央付近を十分に押さえつつ挟持することが困難となる場合がある。しかも、膜電極接合体自身の厚みにばらつきが生じたり、燃料極や空気極と集電体との面接触にばらつきが発生したりすることもあり得る。この結果、接触抵抗が大きくばらつくなどして安定して出力が得られなくなるおそれがある。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】国際公開第２００６／１２０９６６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】
【０００７】
一般に、燃料電池は、内部抵抗が大きく、大電流を取り出そうとすると電位の低下が生じるため、実用化のためには内部抵抗の低減が重要である。燃料電池の内部抵抗は、燃料極及び空気極でのそれぞれの反応抵抗や電解質膜で生じる抵抗が主であるが、膜電極接合体から電気（電流）を取り出すための集電体と膜電極接合体との接触抵抗も重要な要素となる。
【０００８】
特に、小型携帯機器用途では、燃料電池の厚さを薄く保つために、膜電極接合体と集電体とを強い力で密着させるための厚い板状部材などの機構をさらに別途追加することは難しい。このため、集電体には金箔のような接触抵抗が小さい材料で形成されたものを使用し、集電体によって膜電極接合体を挟み込み、このような膜電極接合体をカバープレートと燃料収容部との間で挟持している。これにより、集電体が膜電極接合体の燃料極及び空気極と面接触し、これによって導通をとっている。
【０００９】
しかしながら、上述したように、カバープレートを燃料収容部に固定している周縁部の緩みやカバープレートの薄肉化などによって、燃料電池の全体にわたって（特に中央付近）を均一且つ適度な力で押さえつつ挟持することが困難となる場合には、ＤＭＦＣ構成部品相互の密着度が低下し、接触抵抗が安定せず、出力が不安定となるおそれがある。
【００１０】
また、反応に伴うガス発生などで膜電極接合体の形状が変化した場合には、膜電極接合体と集電体の間に微小の隙間が形成され、著しい接触抵抗の増大を生じてしまうことがある。このような場合には、十分な出力が得られなくなるおそれがある。
【００１１】
この発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、十分な出力を安定して得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】
【００１２】
この発明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供給機構と、
前記膜電極接合体を支持する支持体と、
前記燃料供給機構上に配置された前記膜電極接合体を含む面状部材の積層体を貫通し、この積層体を前記支持体とともに結束する挟持ピンと、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、十分な出力を安定して得ることを可能にした燃料電池を提供することができる。
【００１４】
すなわち、燃料供給機構上に膜電極接合体等の面状部材の積層体が配置された構成において、これらの積層体を支持体とともに貫通する挟持ピンによって結束したことにより、積層体を支持体に沿うようにしかも広範囲にわたって適度に加圧しつつ保持することが可能となる。このため、ＤＭＦＣ構成部品相互の密着度の低下を抑制することができる。また、挟持ピンによりＤＭＦＣ構成部品相互の位置決めも容易且つ高精度となり、ＤＭＦＣ構成部品相互の位置ずれを抑制することができる。これにより、出力を安定化させることが可能となる。
【００１５】
また、膜電極接合体を挟持ピンが貫通しているため、この貫通穴を介して、膜電極接合体の燃料極での反応に伴って発生するガスを外部に放出することが可能となる。このため、発生したガスによる膜電極接合体の変形や微小な隙間の形成が抑制され、接触抵抗の増大を抑制することが可能となる。したがって、安定して十分な出力を得ることが可能となる。また、燃料電池自体の膨張を抑制することも可能であり、外観上にも優れ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】
【００１６】
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。
【００１７】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。なお、この実施の形態においては、燃料電池１として、内部気化方式のパッシブ型について説明するが、この方式に限定されるものではない。
【００１８】
燃料電池１は、燃料電池１の起電部を構成する膜電極接合体２を備えている。すなわち、燃料電池１において、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とを備えて構成されている。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、例えば多孔質基材で構成されている。
【００２２】
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等が用いられる。
【００２３】
なお、図１及び図２においては、膜電極接合体２は、同一の電解質膜１７上に４個のアノード１３及びカソード１６を対向して形成し、それらを直接に電気的に接続した４直ＭＥＡ構造のものを示しているが、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず、単体で構成しても良いし、他の構造であっても良い。
【００２４】
電解質膜１７のアノード側及びカソード側には、それぞれゴム製のＯリングなどのシール材１９が配置されており、これらによって膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
【００２５】
燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２に対して燃料Ｆを供給する燃料供給機構３を備えている。この燃料供給機構３は、燃料Ｆを収容する燃料収容部３０を備えている。この燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード（燃料極）１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するものである。膜電極接合体２は、たとえば矩形の平面形状を有し、燃料収容部３０も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３と対向する面に設けられた開口部３０Ａを有している。すなわち、燃料収容部３０は、その上面全面が開口された箱状容器となっている。このような燃料収容部３０の内部には、膜電極接合体２に対応した液体燃料Ｆを収容している。
【００２６】
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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、膜電極接合体２に応じた液体燃料が使用される。
【００２７】
燃料収容部３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。燃料収容部３０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によって形成されることが望ましい。また、このような透明樹脂は、耐メタノール性などを有していることが好ましい。なお、燃料収容部３０は、全体を透明樹脂で形成しても良いし、その一部を透明樹脂で形成しても良い。
【００２８】
上述した透明樹脂としては、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などが挙げられる。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などのオレフィン系樹脂などで構成した燃料収容部３０を除外するものではない。
【００２９】
燃料収容部３０の開口部３０Ａと膜電極接合体２との間には、気液分離膜４が設置されている。この気液分離膜４は、燃料収容部３０の開口部３０Ａを塞ぐように配置され、液体燃料Ｆの気化成分を透過するとともに液体燃料を透過させない膜によって形成されている。これにより、燃料収容部３０内で気化した液体燃料Ｆの気化成分は、燃料収容部３０の開口部３０Ａ及び気液分離膜４を介して膜電極接合体２のアノード（燃料極）１３に供給される。
【００３０】
このような気液分離膜４の構成材料としては、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂などが挙げられる。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適用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分とからなる混合気を意味し、液体燃料Ｆとして純メタノールを適用した場合には、メタノールの気化成分を意味する。
【００３１】
膜電極接合体２のカソード１６上には、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、カソードガス拡散層１５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層１４への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿層２０は、たと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などが挙げられる。
【００３２】
また、この実施の形態において、燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２のカソード（空気極）１６側に配置されたカバー部材１８を備えている。このカバー部材１８は、気液分離膜４、膜電極接合体２、及び、保湿層２０を覆うようにして燃料収容部３０に固定されている。つまり、膜電極接合体２は、燃料収容部３０とカバー部材１８との間に配置されている。そして、このカバー部材１８は、膜電極接合体２を支持する支持体として機能する。
【００３３】
すなわち、このカバー部材１８は、膜電極接合体２のカソード側に対向するように配置される主面１８Ｐと、その周縁部に主面１８Ｐから略直角に折り曲げられ膜電極接合体２などの側面を覆う側面１８Ｓとから主として構成されているものであり、外観が略箱状のものである。このようなカバー部材１８は、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。
【００３４】
図１に示したように、カバー部材１８の主面１８Ｐは、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口（空気導入孔）１８Ａを有している。開口１８Ａは、例えば略等間隔に形成されている。側面１８Ｓの先端部は、さらに折り曲げられ、燃料収容部３０に係合している。これにより、カバー部材１８は、燃料収容部３０に固定されている。
【００３５】
さらに、この実施の形態において、燃料電池１は、膜電極接合体２と燃料供給機構３である燃料収容部３０との間（図１に示した例では、膜電極接合体２と気液分離膜４との間）に配置され膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持体として機能する支持部材４１を備えている。つまり、膜電極接合体２は、支持体であるカバー部材（第１支持部材）１８と支持部材（第２支持部材）４１との間に配置され保持されている。この支持部材４１は、膜電極接合体２と燃料収容部３０との間に配置された状態において、気液分離膜４を透過した燃料の気化成分を膜電極接合体２のアノード１３に供給するための開口部（図示せず）を有している。
【００３６】
そして、この実施の形態においては、燃料電池１は、燃料供給機構３上に配置された膜電極接合体２を含む面状部材の積層体を貫通しこの積層体ＳＴＢを支持体とともに結束する挟持ピン５０を備えている。このような挟持ピン５０は、積層体ＳＴＢ及び支持体を強く押さえ込みながら、挟持ピン５０の先端をたとえば折り曲げる、もしくは加圧や熱変形させて固定することで積層体ＳＴＢなどを強く密着させ固定することができる。
【００３７】
図１に示した例においては、積層体ＳＴＢは、膜電極接合体２のほかに、膜電極接合体２のカソード側に積層配置された保湿層２０を含んでいるが、そのほかに別途に設けられる集電体や表面層、多孔体などを含んでいても良い。また、図１に示した例において、支持体は、カバー部材１８及び支持部材４１である。つまり、図１に示した燃料電池１においては、積層体ＳＴＢは、挟持ピン５０によってカバー部材１８及び支持部材４１とともに結束されている。なお、積層体ＳＴＢと結束される支持体は、カバー部材１８及び支持部材４１の少なくとも一方であれば良く、このとき他方を省略しても良い。
【００３８】
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。
【００３９】
すなわち、燃料収容部３０内のメタノール燃料などの液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が気液分離膜４を透過して膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２内において、液体燃料Ｆの気化成分は、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。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１に供給された気化成分は、下記の（１）式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。
【００４０】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
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、燃料収容部３０から水蒸気が供給されないため、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、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。
【００４１】
この内部改質反応で生成された電子（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。
【００４２】
一方、カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、カバー部材１８に設けられた開口１８Ａから導入された空気は、保湿層２０及びカソードガス拡散層１５を通過し、カソード触媒層１４へと供給される。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。
【００４３】
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、膜電極接合体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。
【００４４】
このような構成によれば、燃料供給機構３上に膜電極接合体２等の面状部材の積層体ＳＴＢが配置された構成において、これらの積層体ＳＴＢを支持体とともに貫通する挟持ピン５０によって結束したことにより、積層体ＳＴＢを支持体に沿うようにしかも広範囲（特に挟持ピンを中心とした範囲）にわたって適度に加圧しつつ保持することが可能となる。このため、ＤＭＦＣ構成部品相互の密着度の低下を抑制することができる。また、ＤＭＦＣ構成部品相互の位置決めも容易且つ高精度となり、構成部品相互の位置ずれを抑制することができる。これにより、出力を安定化させることが可能となる。
【００４５】
また、膜電極接合体２を挟持ピン５０が貫通しているため、この貫通穴を介して、膜電極接合体２のアノード１３での反応に伴って発生するガス（例えば二酸化炭素など）を外部に放出することが可能となる。このため、発生したガスによる膜電極接合体２の変形や微小な隙間の形成が抑制され、接触抵抗の増大を抑制することが可能となる。したがって、安定して十分な出力を得ることが可能となる。また、燃料電池自体の膨張を抑制することも可能であり、外観上にも優れた燃料電池を提供することができる。
【００４６】
上述した実施の形態において、積層体ＳＴＢ、カバー部材１８、及び、支持部材４１は、予め同軸的に形成されかつ挟持ピン５０のピン径よりも大きな径の貫通穴Ｈを有するように構成されても良い。このような構成によれば、燃料電池１を組み立てる際、挟持ピン５０を気液分離膜４上に垂直に立てた状態で固定し、この挟持ピン５０に対して予め当該位置に合わせて貫通穴Ｈを形成した支持部材４１、積層体ＳＴＢ、カバー部材１８を順次それぞれの貫通穴Ｈから貫通させて積層する。これにより、各部材の設定位置を規定することができるとともに相互の位置決めがなされ、また、相互の位置関係を適切に保持できる。このため、燃料電池１の正確な組み立てを容易に行うことが可能となり、組立作業の容易化を図ることが可能となる。
【００４７】
また、貫通穴Ｈの径を挟持ピン５０のピン径よりも大きく設定したことにより、製造マージンを確保できるとともに、挟持ピン５０が貫通した後であっても、アノード１３での反応に伴って発生したガスを外部に放出するためのガス抜き穴を確保することができる。
【００４８】
なお、積層体ＳＴＢに予め貫通穴を形成しておく必要はなく、貫通穴が形成されていない面状部材については、挟持ピンの先端を鋭角にしておくことで突き刺して積層することも可能である。
【００４９】
また、膜電極接合体２において、電解質膜１７は、隣接するアノード１３間及び隣接するカソード１６間に挟持ピン５０が貫通する貫通穴Ｈを有するような構成であっても良い。すなわち、図３に示すような構造の膜電極接合体２においては、それぞれ４個のアノード１３及びカソード１６が同一の電解質膜１７を介して対向している。挟持ピン５０が導電性を有していても、貫通穴Ｈが隣接するアノード１３間及び隣接するカソード１６間の電解質膜１７に形成されているため、挟持ピン５０が膜電極接合体２を貫通したときにアノード１３及びカソード１６に接触することはなく、電気的なショートを防止できる。
【００５０】
上述した実施の形態において、挟持ピン５０としては、例えばその一端にピン径より大きな頭部５０Ｈを有するとともに、その他端が割れている割ピンを適用可能である。このような挟持ピン５０を適用した場合には、積層体及び支持体を強く押さえ込みながら、挟持ピン５０の先端を押し広げるように折り曲げることによって、これらを強固に固定することができる。
【００５１】
また、このような構造の挟持ピン５０は、頭部５０Ｈを燃料供給機構３側に向けて配置されることが望ましい。つまり、挟持ピン５０は、頭部５０Ｈを気液分離膜４に向けてその他端側（つまり先端側）を上に向けた状態で略垂直に固定され、その後、順次他端側から各種面状部材を積層することにより、組立作業の容易化を図ることができる。
【００５２】
このとき、支持部材４１は、挟持ピン５０の頭部５０Ｈを収容する凹部４１Ａを備えていることが望ましい。これにより、支持部材４１自体の厚みを超えて挟持ピン５０の頭部５０Ｈが突出することがなく、燃料電池の厚みを薄く保つことが可能となる。
【００５３】
上述した実施の形態においては、膜電極接合体２のアノード側に燃料収容部３０を備えた内部気化型のような純パッシブ方式の燃料電池について説明したが、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部、及び、この燃料供給部に対して供給される燃料を収容する燃料収容部を備えたセミパッシブ型と称される方式の燃料電池についても同様の挟持ピンを用いた構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５４】
例えば、図４に示す例では、燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード（燃料極）１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部３１を備えている。また、この燃料供給機構３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、膜電極接合体２に対応した液体燃料を収容している。
【００５５】
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。
【００５６】
燃料供給部３１は、その底部に、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。
【００５７】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材４１が配置されている。
【００５８】
なお、このような支持部材４１は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては支持部材４１を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材４１を配置したことにより、燃料供給口３３から膜電極接合体２までの距離を確保することができる。このため、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。これにより、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、膜電極接合体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、膜電極接合体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。
【００５９】
また、支持部材４１により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材４１とカバー部材１８との間で膜電極接合体２を保持するため、膜電極接合体２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。
【００６０】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体４２が配置されている。多孔体４２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４２として用いられる。このような多孔体４２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。
【００６１】
なお、このような多孔体４２は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては、多孔体４２を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体４２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４２に吸収され、多孔体４２の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体４２から支持部材４１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。
【００６２】
要するに、図４に示した例では、燃料電池１は、燃料供給機構３を構成する燃料供給部３１上に配置された多孔体４２、多孔体４２上に配置された支持部材４１、支持部材４１上に配置された膜電極接合体２、膜電極接合体２上に配置された保湿層２０を収容し、保湿層２０上に配置されたカバー部材１８によってこれらを保持している。
【００６３】
そして、図１に示した例と同様に、支持部材４１とカバー部材１８との間に配置された積層体ＳＴＢは、挟持ピン５０によってカバー部材１８及び支持部材４１とともに結束されている。このような構成であっても、図１に示した例と同様の効果が得られる。
【００６４】
図５に示した例では、燃料供給機構３を構成する燃料供給部３１は、その底部に、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複数の燃料供給口３３と、燃料注入口３２と各燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。
【００６５】
このような構成の燃料供給機構３においては、燃料注入口３２から燃料供給部３１内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料供給口３３にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料供給機構３を適用することによって、燃料注入口３２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３３に均等に分配することができる。したがって、膜電極接合体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。
【００６６】
さらに、燃料注入口３２と複数の燃料供給口３３とを細管３４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３４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３３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。
【００６７】
このような例の燃料電池１においても、図１に示した例と同様に、支持部材４１とカバー部材１８との間に配置された積層体ＳＴＢは、挟持ピン５０によってカバー部材１８及び支持部材４１とともに結束されている。このような構成であっても、図１に示した例と同様の効果が得られる。
【００６８】
以上説明したように、この実施の形態の燃料電池によれば、膜電極接合体を含む積層体を支持体によって挟持するのみならず、支持体とともに積層体を貫通する挟持ピンによって結束することにより、広範囲にわたって強固に固定することが可能となる。このため、膜電極接合体の膨張及び収縮の繰り返しに基づくカバー部材の周縁部のかしめ部の緩みを抑制することが可能となる。また、膜電極接合体に厚さばらつきがあっても、膜電極接合体と集電体とを均一な力で押し付けて接触させることができる。さらに、たとえば燃料電池の反応に伴うガス発生などで燃料電池に変形が生じた場合でも、膜電極接合体と集電体は挟持ピンで強く押えられているため、接触圧力が変化しにくいので、安定して低い接触抵抗を保持することができる。
【００６９】
また、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部あるいは燃料供給部上に支持部材を配置し、その支持部材に予め挟持ピンを立てて固定し、その挟持ピンに予め当該位置に併せて貫通穴を開けた膜電極接合体、集電体及びそのほかの面状部材を差し込むことにより、各部材の設定位置を規定することができるので、燃料電池の正確な組み立てを行うにも好ましい。
【００７０】
さらに、直接メタノール型燃料電池のアノード側では、二酸化炭素などのガスが発生するため、アノード側の圧力が高くなりすぎないように、発生する二酸化炭素などのガスをカソード側に放出することが必要になる。この実施の形態によれば、膜電極接合体などの積層体に設けられた貫通穴は、このガスを放出する用途にも利用できる。
【００７１】
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。
【００７２】
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】
【００７３】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。
【図４】図４は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００７４】
１…燃料電池  ２…膜電極接合体  ４…気液分離膜
１１…アノード触媒層  １２…アノードガス拡散層  １３…アノード
１４…カソード触媒層  １５…カソードガス拡散層  １６…カソード
１７…電解質膜
１８…カバー部材  １８Ｐ…主面  １８Ｓ…側面  １８Ａ…開口
１９…シール材  ２０…保湿層
３…燃料供給機構  ３０…燃料収容部  ３０Ａ…開口部  ３１…燃料供給部
４１…支持部材  ４１Ａ…凹部  ４２…多孔体
５０…挟持ピン  ５０Ｈ…頭部
Ｆ…燃料（液体燃料）  ＳＴＢ…積層体  Ｈ…貫通穴
【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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