(57)【要約】【課題】出力特性に優れると共に、過度な発熱が抑制されて取り扱いも容易な燃料電池を提供すること。【解決手段】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、前記膜電極接合体の前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構とを有する燃料電池において、前記空気極側の最外面から前記空気極までの熱抵抗を前記燃料極側の最外面から前記燃料極までの熱抵抗よりも小さくする。【選択図】図１
2008210548.tif 000002
【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、前記膜電極接合体の前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構とを有する燃料電池において、
前記空気極側の最外面から前記空気極までの熱抵抗が前記燃料極側の最外面から前記燃料極までの熱抵抗よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記空気極側の最外面から前記空気極までの熱抵抗が前記燃料極側の最外面から前記燃料極までの熱抵抗の７０％以下であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記熱抵抗は前記膜電極接合体の主面に垂直な方向の熱貫流に対する熱抵抗であることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
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３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記メタノール燃料はメタノール濃度が８０％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４記載の燃料電池。
【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が検討されている（特許文献２〜４参照）。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。
【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
【特許文献４】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】
【０００５】
ところで、ＤＭＦＣにおける発電反応で発生する電圧は理論計算では１．２Vとなるが、実用的な運転条件では０．３〜０．５Ｖ程度まで低下する。燃料電池の発電反応で発生する電力を増加させるには、触媒反応を円滑に行わせることによって電圧低下を抑制すると共に、燃料電池セル全面で有効に発電を行わせることが重要となる。
【０００６】
触媒の改良に関しては、燃料電池の機能発見以降多くの研究者・技術者の精力的な研究が行われているが、白金系以外の有望な触媒は見出されていないのが実情である。ただし、白金系の触媒を使用した場合であっても、反応温度を上げることで反応活性が改善され、また触媒近傍での物質移動も円滑となることから、電圧の改善が認められる。
【０００７】
触媒の反応温度を高める手法としては、例えば燃料電池全体を断熱体で覆うことや、燃料を過剰に供給し、燃料がアノード反応を経ることなく直接カソードへと流れるいわゆるメタノールクロスオーバー現象に付随して発生する熱を利用することが考えられる。しかし、単にこのような手法を適用しただけでは発電される電圧が増加し、電力密度が上がるにつれて発生する熱量が増加し続け、その熱設計が極めて困難となる。また、メタノールクロスオーバー現象を利用する手法ではカソードの温度が高温になりすぎ、生成した水の蒸散が多くなることから、電解質膜の乾燥による性能低下という弊害も顕在化する。
【０００８】
また、燃料と空気とを強制供給するアクティブ型の燃料電池においては、燃料や空気を熱交換器やヒーターによって加熱して供給することで反応温度を上げることが行われている。しかし、このような手法については発電電圧の増加が可能となるものの、装置が複雑で大掛かりなものとなり、主として定置用途の大型燃料電池への適用に制限される。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、出力特性に優れると共に、過度な発熱が抑制されて取り扱いも容易な燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の燃料電池は、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、この膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、膜電極接合体の燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構とを有するものであって、空気極側の最外面から空気極までの熱抵抗が燃料極側の最外面から燃料極までの熱抵抗よりも小さいことを特徴としている。
【００１１】
本発明の燃料電池においては、空気極側の最外面から空気極までの熱抵抗が燃料極側の最外面から燃料極までの熱抵抗の７０％以下であることが好ましい。このような熱抵抗は膜電極接合体の主面に垂直な方向の熱貫流に対する熱抵抗であることが好ましい。
【００１２】
本発明の燃料電池に用いられる燃料としてはメタノール燃料が好適に用いられ、特にメタノール濃度が８０％以上のメタノール水溶液または純メタノールが好適に用いられる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、空気極側の最外面から空気極までの熱抵抗を燃料極側の最外面から燃料極までの熱抵抗よりも小さいものとすることで、出力特性に優れると共に、過度な発熱が抑制され、取り扱いも容易な燃料電池とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明について詳細に説明する。図１は本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、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に燃料を供給するための燃料供給機構３と、燃料電池セル２のアノード１３側全体を覆うように設けられた断熱体４とから主として構成されている。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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およ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。
【００１９】
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。電解質膜１７と燃料分配機構３（ここでは燃料収容部６）およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、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。
【００２０】
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。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層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共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。
【００２１】
燃料供給機構３は、液体燃料が収容される燃料収容部６から構成されている。燃料収容部６は燃料電池セル２のアノード１３側に配置され、アノード１３側に開口部が設けられた略箱状のものであり、その開口部には液体燃料の気化成分のみを透過させ、液体成分は透過させにくい気液分離膜９が配置されている。
【００２２】
燃料収容部６には、燃料電池セル２に対応した液体燃料が収容される。液体燃料としては、メタノール燃料が好ましく、特にメタノール濃度が８０％以上のメタノール水溶液または純メタノールが好適に用いられる。なお、液体燃料としては、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、燃料収容部６には燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容される。
【００２３】
気液分離膜９は、液体燃料に対して不活性で溶解しない材料からなるシート状のものであり、具体的には、シリコーンゴム薄膜、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（例えば、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）微多孔膜などが用いられる。
【００２４】
断熱体４は、例えば燃料電池セル２のアノード１３側全体を覆うように設けられており、具体的には電解質膜１７、アノード１３および燃料供給機構３としての燃料収容部６を覆うように設けられている。この第１の実施形態の燃料電池１では、燃料電池セル２のアノード１３側全体に断熱体４が設けられていることで、カソード１６側の最外面からカソード１６までの熱抵抗（以下、単にカソード側熱抵抗と呼ぶ。）がアノード１３側の最外面からアノード１３までの熱抵抗（以下、単にアノード側熱抵抗と呼ぶ。）よりも小さくなるように構成されている。
【００２５】
ここで、図１に示される燃料電池１については、カバープレート１８の表面がカソード１６側の最外面となっている。従って、カソード側熱抵抗はカバープレート１８からカソード１６（カソード触媒層１４、カソードガス拡散層１５）までの熱抵抗である。また、断熱体４の底部４ａの表面がアノード１３側の最外面となっている。従って、アノード側熱抵抗は断熱体４の底部４ａの表面からアノード１３（アノード触媒層１１、アノードガス拡散層１２）までの熱抵抗である。なお、カソード側熱抵抗にはカソード１６（カソード触媒層１４、カソードガス拡散層１５）自身の熱抵抗も含まれ、同様に、アノード側熱抵抗についてもアノード１３（アノード触媒層１１、アノードガス拡散層１２）自身の熱抵抗が含まれる。
【００２６】
このようにカソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗よりも小さくされることで、発電に伴って熱が生成した場合、アノード１３側については生成した熱が保温され、カソード１６側については生成した熱が放熱される。この結果、アノード１３側は触媒反応に適した温度に速やかに上昇し、短時間で燃料電池出力が増加・安定化すると共に、その出力電圧も触媒近傍が高い温度に維持されることから従来のものよりも高くなる。さらに、出力電力の増加のみならず、燃料利用効率の改善にもつながることから、省エネルギーの観点からも効果的である。
【００２７】
また、カソード１６側は放熱によって発電出力に対して比較的低温に維持されるため、生成した熱に起因する過大な水蒸散、およびそれに起因する電解質膜１７の乾燥による性能低下も大幅に抑制される。
【００２８】
なお、カソード側熱抵抗およびアノード側熱抵抗は、具体的には膜電極接合体２の主面に垂直な方向の熱貫流に対する熱抵抗であることが好ましい。このようなカソード側熱抵抗およびアノード側熱抵抗について、カソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗よりも小さくされることで、上記したような効果をより一層得やすくなる。
【００２９】
また、特にカソード側熱抵抗はアノード側熱抵抗の７０％以下となっていることが好ましい。少なくともカソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗よりも小さくされていれば出力電力の改善が見られるが、カソード側熱抵抗をアノード側熱抵抗の７０％以下とすることで、例えば２００ｍＷ以上といった高出力を安定的に得ることも可能となる。
【００３０】
断熱体４を構成する断熱材としては、例えば発泡ポリスチレン、ウレタンフォーム、グラスウール等の建築用断熱材として使用される各種断熱材が適用可能である。断熱体４の厚さは、カソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗より小さくなるように、好ましくはカソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗の７０％以下となるように適宜調整することが好ましい。
【００３１】
アノード側熱抵抗およびカソード側熱抵抗の測定は以下のようにして行うことができる。図２、３は図１に示される燃料電池１の熱抵抗の測定方法を模式的に示したものであり、図２はアノード側熱抵抗の測定方法を示したものであり、図３はカソード側熱抵抗の測定方法を示したものである。
【００３２】
まず、図２に示されるように、アノード側熱抵抗を測定する際には、図１に示される測定対象である燃料電池１のうち電解質膜１７よりもアノード１３側の構成部材のみからなるアノード側測定用部材１ａを用意する。アノード側測定用部材１ａのカソード側には電源２０に接続された発熱体２１を設置し、この発熱体２１の周辺を十分に高い熱抵抗を有する断熱体２２で覆う。
【００３３】
その後、電源２０から発熱体２１に一定の電力を通電することで発熱させ、アノード１３に設置した熱電対（図示せず）と最外面である断熱体４の底部４ａの表面に設置した熱電対（図示せず）とで温度変化を測定する。温度変化が無くなり、温度が一定となったときの温度を読み取り、そのときのアノード１３の温度をＴＡ、最外面である底部４ａの表面の温度をＴＡＡとする。また、発熱体２１に印加された電力をＰ（Ｗ）とする。これらから、下記式によりアノード側熱抵抗（ＲＡ）を算出する。
ＲＡ＝（ＴＡ−ＴＡＡ）／Ｐ  ［℃／Ｗ］
【００３４】
カソード側熱抵抗についても同様にして求めることができる。すなわち、図３に示されるように、図１に示される測定対象である燃料電池１のうち電解質膜１７よりもカソード１６側の構成部材のみからなるカソード側測定用部材１ｂを用意する。カソード側測定用部材１ｂのアノード側には電源２０に接続された発熱体２１を設置し、この発熱体２１の周辺を十分に高い熱抵抗を有する断熱体２２で覆う。
【００３５】
その後、電源２０から発熱体２１に一定の電力を通電することで発熱させ、カソード１６に設置した熱電対（図示せず）と最外面であるカバープレート１８の表面に設置した熱電対（図示せず）とで温度変化を測定する。温度変化が無くなり、温度が一定となったときの温度を読み取り、そのときのカソード１６の温度をＴＣ、最外面であるカバープレート１８の温度をＴＣＣとする。また、発熱体２１に印加された電力をＰ（Ｗ）とする。これらから、下記式によりカソード側熱抵抗（ＲＣ）を算出する。
ＲＣ＝（ＴＣ−ＴＣＣ）／Ｐ  ［℃／Ｗ］
【００３６】
本発明では、このようにして得られるアノード側熱抵抗（ＲＡ）およびカソード側熱抵抗（ＲＣ）について、上記したようにＲＣ＜ＲＡが満たされていればよく、ＲＣ≦ＲＡ×０．７が満たされていればより好ましい。
【００３７】
図１に示される燃料電池１における発電反応は以下のようにして行われる。まず、燃料収容部６に収容された液体燃料の気化成分が気液分離膜９を透過して燃料電池セル２のアノード１３に供給される。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（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。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …（１）
【００３８】
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（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。
６ｅ−＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３９】
この際、カソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗よりも小さくされているため、アノード１３については触媒反応に適した温度に速やかに上昇し、短時間で燃料電池出力が増加・安定化すると共に、そのときの出力電圧も従来に比べ高くなる。また、カソード１６については過度に高温となることが抑制されるため、生成した水が蒸散しにくく、またこれによって電解質膜１７も乾燥しにくくなり、性能低下が大幅に抑制される。
【００４０】
次に、本発明の燃料電池の他の実施形態について説明する。図４は本発明の燃料電池の第２の実施形態を示したものである。図４に示される燃料電池１は、図１に示される燃料電池１の燃料収容部６についても断熱体４から一体的に構成し、カソード側熱抵抗をアノード側熱抵抗よりも小さくしたものである。このように、燃料収容部６は断熱体４によって一体的に構成されたものであってもよく、またこのようにすることで燃料電池１の構成を簡素化することができ、製造性、信頼性を向上させることができる。例えば、燃料収容部６等の構成部材そのものを熱抵抗の大きな材料、例えば発泡ビーズを内部に含む樹脂等からなるものとすることで、カソード側熱抵抗をアノード側熱抵抗よりも小さくすることができる。
【００４１】
また、図５は本発明の燃料電池の第３の実施形態を示したものである。図５に示される燃料電池１は、図４に示される燃料電池１の断熱体４をカソード１６側の最外面となるカバープレート１８の側面部まで延長し、カソード側熱抵抗をアノード側熱抵抗よりも小さくしたものである。このように、カソード側熱抵抗をアノード側熱抵抗よりも小さくすることができる限りにおいて断熱体４はカソード１６側の最外面まで設けてもよく、またこのようにすることで燃料電池１の機械的強度を向上させることができ、信頼性の向上と共に、製造性の大幅な改善が可能となる。
【００４２】
なお、例えば図５に示されるような燃料電池１において、さらにカソード１６側の最外面であるカバープレート１８の表面上に断熱体４を設けることもできる。ただし、このような場合については、カソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗よりも小さくなるように断熱体４の厚さ等を適宜調整する必要がある。
【００４３】
図６は、本発明の燃料電池の第４の実施形態を示したものである。図６に示される第４の実施形態の燃料電池１は、燃料電池セル２のアノード１３側に燃料分配機構５を配置し、この燃料分配機構５に燃料収容部６からポンプ８によって流路７を通して液体燃料を送液するようにしたものである。ここで、燃料分配機構５、燃料収容部６、流路７およびポンプ８からなる部分が燃料供給機構３である。そして、この燃料電池１については、燃料電池セル２のアノード１３と燃料分配機構５とが断熱体４によって覆われていることで、カソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗よりも小さくなるように構成されている。
【００４４】
なお、このように燃料分配機構５と燃料収容部６とが分離して配置されるものについては、アノード側熱抵抗は燃料電池セル２と直接的に積層構造をなす部分についてのものとする。すなわち、図６に示される第４の実施形態の燃料電池１については、アノード１３側の最外面は断熱体４の底部４ａの表面であり、アノード側熱抵抗は断熱体４の底部４ａの表面からアノード１３（アノード触媒層１１、アノードガス拡散層１２）までの熱抵抗である。なお、図６に示される第４の実施形態の燃料電池１において、例えば断熱体４の底部４ａに燃料収容部６が接触して配置される場合には、アノード側熱抵抗にはこの燃料収容部６も含められる。
【００４５】
燃料分配機構５は、例えば図７に示すように液体燃料が流路７を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口５ａと、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口５ｂとを有する燃料分配板５ｃである。燃料分配板５ｃの内部には図６に示すように、燃料注入口５ａから導かれた液体燃料の通路となる空隙部５ｅが設けられている。複数の燃料排出口５ｂは燃料通路として機能する空隙部５ｅにそれぞれ直接接続されている。
【００４６】
燃料注入口５ａから燃料分配板５ｃに導入された液体燃料は空隙部５ｅに入り、この燃料通路として機能する空隙部５ｅを介して複数の燃料排出口５ｂにそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口５ｂには、例えば液体燃料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体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池セル２のアノード１３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構５とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口５ｂからアノード１３の複数個所に向けて排出される。
【００４７】
燃料排出口５ｂの個数は１個以上であればよいが、燃料電池セル２の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ２の燃料排出口５ｂが存在するように形成することが好ましい。燃料排出口５ｂの個数が０．１個／ｃｍ２未満であると、燃料電池セル２に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口５ｂの個数を１０個／ｃｍ２を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。
【００４８】
ポンプ８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６から燃料分配機構５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８で必要時に液体燃料を送液することで、燃料供給量の制御性を高めることができる。また、このようなポンプ８を利用することで、各燃料排出口５ｂから均一に燃料を排出させ、高出力を安定して得ることができる。
【００４９】
燃料分配機構５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６に戻されることはない。このように、図６に示される燃料電池１については燃料を循環させないことから従来のアクティブ方式とは異なり、装置の小型化等を損なうものではない。また、図６に示される燃料電池１については液体燃料の供給にポンプ８を使用しており、図１、４、５に示される第１〜第３の実施形態の燃料電池１のような純パッシブ方式とも異なるため、例えばセミパッシブ方式と呼称されるものである。
【００５０】
ポンプ８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。
【００５１】
ポンプ８の送液能力は燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液能力が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ８の停止時間が長くなる。このため、燃料電池セル２への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ８と燃料分配機構５との間に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。
【００５２】
一方、ポンプ８の送液能力が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ８を使用することが好ましい。ポンプ８の送液能力は１０〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ８には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。
【００５３】
なお、燃料分配機構３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８に代えて燃料遮断バルブ（図示せず）を配置する構成とすることも可能である。この燃料遮断バルブは、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。
【００５４】
図８は、本発明の燃料電池の第５の実施形態を示したものである。図８に示される燃料電池１は、図６に示される燃料電池１の燃料分配機構５についても断熱体４から一体的に構成し、カソード側熱抵抗をアノード側熱抵抗よりも小さくしたものである。このように、燃料分配機構５は断熱体４から一体的に構成されたものであってもよく、またこのようにすることで燃料電池１の構成を簡素化することができ、製造性、信頼性を向上させることができる。
【００５５】
また、図９は、本発明の燃料電池の第６の実施形態を示したものである。図９に示される燃料電池１は、図８に示される燃料電池１の断熱体４をカソード１６側の最外面となるカバープレート１８の側面部まで延長して設け、カソード側熱抵抗をアノード側熱抵抗よりも小さくしたものである。このように、カソード側熱抵抗をアノード側熱抵抗よりも小さくすることができる限りにおいて断熱体４はカソード１６側の最外面まで設けてもよく、またこのようにすることで燃料電池１の機械的強度を向上させることができ、信頼性の向上と共に、製造性の大幅な改善が可能となる。
【００５６】
なお、例えば図９に示されるような燃料電池１において、さらにカソード１６側の最外面であるカバープレート１８の表面上に断熱体４を設けることもできる。ただし、このような場合については、カソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗よりも小さくなるように断熱体４の厚さ等を調整する必要がある。
【００５７】
以上、本発明について説明したが、本発明は上記実施形態そのものに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、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てもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００５８】
例えば、燃料電池本体の構成としてパッシブ型の燃料電池を例に挙げて説明したが、アクティブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。このようなものについても、上記した説明と同様の作用効果が得られる。また、膜電極接合体への燃料の供給は、液体燃料を全て蒸気として供給する他、一部については液体状態のまま供給してもよく、本発明はこのように一部が液体状態のまま供給されるものについても適用することができる。
【実施例】
【００５９】
次に、本発明について実施例を参照して詳細に説明する。
【００６０】
（実施例１、比較例１、２）
実施例１の燃料電池として、図１に示されるような燃料電池セルのアノード側および燃料供給機構である燃料収容部が断熱体によって覆われ、アノード側熱抵抗を１００とした場合にカソード側熱抵抗が３０となるものを作製した。一方、比較例１の燃料電池として、図１０に示すように、断熱体を設けなかったこと以外は実施例１の燃料電池と同様の構成とし、アノード側熱抵抗とカソード側熱抵抗とが同じであるものを作製した。また、比較例２の燃料電池として、図１１に示すように、カバープレートの開口を除く全面に断熱体を設け、アノード側熱抵抗を１００とした場合にカソード側熱抵抗が１３０となるものを作製した。
【００６１】
なお、実施例１、比較例１、２の燃料電池において、電解質膜はナフィオン１１２（デュポン社製）とし、アノードはアノードガス拡散層としてのカーボンペーパー上に白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とからなるアノード触媒層を形成したものとし、カソードはカソードガス拡散層としてのカーボンペーパー上に白金担持カーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とからなるカソード触媒層を形成したものとした。また、カバープレートはステンレス板（ＳＵＳ３０４）からなるものとし、燃料収容部はポリエチレンテレフタレートからなるものとし、気液分離膜は厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートとした。さらに、断熱体は厚さが１０ｍｍの発泡ポリスチレンとした。また、アノード側熱抵抗、カソード側熱抵抗の測定は、既に説明したような図２、３に示す方法により行った。
【００６２】
次に、実施例１、比較例１、２の燃料電池について、温度２５℃、相対湿度５０％の環境下、液体燃料として純メタノールを使用して発電を行わせ、カソード側の最外面に取り付けた熱電対によって温度を測定すると共に、出力を測定した。結果を図１２、１３に示す。
【００６３】
図１２から明らかなように、実施例１の燃料電池については発電開始後に急速に温度が立ち上がり、１時間後には５０℃程度に達し、その後は小幅な変動があるものの温度は安定することがわかる。なお、このデータを元データで仔細に観察すると、実際には発電開始から１０分程度でほぼ温度が安定することが確認された。
【００６４】
これに対し、比較例１の燃料電池では温度が安定するまでに２時間程度かかり、安定した後の温度は４３℃程度と実施例１の燃料電池よりも低い値となることがわかる。さらに比較例２の燃料電池１では、発電開始後に急速に温度が上がり、１時間後には６０℃程度に達するが、その後は急速に低下し、３５℃前後で安定することがわかる。
【００６５】
このような温度上昇に対応し、出力特性も図１３に示すように、実施例１の燃料電池では発電開始後に速やかに出力が増加し、最初の１時間で２５０ｍWに達することがわかる。なお、このデータを元データで仔細に観察すると、実際には発電開始から１０分程度で２５０ｍWに達することが確認された。これに対し、比較例１の燃料電池では温度が安定するまでに時間がかかり、またそのときの温度も低いことに対応し、発電開始から２時間程度かかって１６０ｍW程度に達し、その後も１６０ｍW程度を維持することがわかる。また、比較例２の燃料電池では発電開始後に急速に出力が増加し２４０ｍW程度に達するが、その後は急速に低下し、１０時間後には９０ｍW程度まで低下することがわかる。
【００６６】
この原因としては、比較例１の燃料電池では断熱体が設けられていないため、特にアノード側の熱抵抗が十分でなく、発電に伴って生成した熱が速やかに放熱されて温度が上がらず、また温度が低いために触媒の活性が低く、出力が低位にとどまったものと推察される。
【００６７】
一方、比較例２の燃料電池では断熱体を略全面に施したものの、アノード側熱抵抗よりもカソード側熱抵抗が大きく、初期発電に伴って発生した熱により急速に温度が上がるが、放熱との均衡がとれないことから温度が上がりすぎ、燃料のメタノールが発電に寄与することなく直接カソードへ流れるメタノールクロスオーバー現象が顕在化し、結果として燃料電池の電圧が低下し、出力が低下したものと推察される。
【００６８】
また、これらの評価後、２４時間の休止を置いて再度燃料を充填し、発電を行わせて出力特性を評価したが、実施例１および比較例１の燃料電池では出力が再現したが、比較例２の燃料電池では出力が低位にとどまった。この原因調査のため、１KHｚにおける交流インピーダンスを測定したところ、実施例１および比較例１の燃料電池ともインピーダンス変化が±１０％以内に収まっていたのに対し、比較例２の燃料電池では初期の５倍以上にまでインピーダンスが増加していることが観察された。
【００６９】
一般に、インピーダンスの大幅な増加は電解質膜の乾燥や触媒層の剥離が原因の場合が多いことから、比較例２の燃料電池についても解体して電解質膜の乾燥や触媒層の剥離の調査を行った。その結果、比較例２の燃料電池については、電解質膜の含水率が初期の半分程度にまで低下していることが確認され、電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性の低下がインピーダンスの上昇を招き、発電時の電圧が低下したことが確認された。
【００７０】
（実施例２、３、比較例３、４、５）
実施例２の燃料電池として、図５に示されるように、燃料収容部を断熱体から一体的に構成すると共に、断熱体をカソード側の最外面であるカバープレートの側面部まで設け、アノード側熱抵抗を１００とした場合にカソード側熱抵抗が３０となるものを作製した。また、実施例３、比較例３〜５の燃料電池として、実施例２の燃料電池のカバープレート上にさらに断熱体を配置し、アノード側熱抵抗を１００とした場合にカソード側熱抵抗がそれぞれ７０、１００、１３０、２００となるものを作製した。なお、アノード側熱抵抗に対するカソード側熱抵抗の調整はカバープレート上に配置する断熱体の厚さを変化させることで行った。また、断熱体（燃料収容部を含む）以外の構成は実施例１の燃料電池と同様なものとした。
【００７１】
次に、実施例２、３、比較例３、４、５の燃料電池について、温度２５℃、相対湿度５０％の環境下、液体燃料として純メタノールを使用して発電を行わせ、発電開始から１０時間後の出力を測定した。結果を表１に示す。なお、表１におけるアノード側熱抵抗およびカソード側熱抵抗は、アノード側熱抵抗を１００としたときの相対値で示している。
【００７２】
【表１】
2008210548.tif 000003
【００７３】
表１から明らかなように、カソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗の７０％以下とされた実施例２、３の燃料電池は２００ｍＷ以上の高出力を維持できるが、カソード側熱抵抗がアノード側熱抵抗の７０％を超える比較例３〜５の燃料電池は出力が低下することがわかる。この結果から、カソード側熱抵抗はアノード側熱抵抗の７０％以下であることが好ましいことがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の燃料電池の第１の実施形態を示す断面図。
【図２】アノード側熱抵抗の測定方法を示す断面図。
【図３】カソード側熱抵抗の測定方法を示す断面図。
【図４】本発明の燃料電池の第２の実施形態を示す断面図。
【図５】本発明の燃料電池の第３の実施形態を示す断面図。
【図６】本発明の燃料電池の第４の実施形態を示す断面図。
【図７】燃料分配機構の一例を示す外観図。
【図８】本発明の燃料電池の第５の実施形態を示す断面図。
【図９】本発明の燃料電池の第６の実施形態を示す断面図。
【図１０】比較例１の燃料電池を示す断面図。
【図１１】比較例２の燃料電池を示す断面図。
【図１２】実施例および比較例の燃料電池についての発電開始後の経過時間とカソード側の最外面の温度との関係を示した図。
【図１３】実施例および比較例の燃料電池についての発電開始後の経過時間と出力との関係を示した図。
【符号の説明】
【００７５】
１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料供給機構、４…断熱体、５…燃料分配機構、６…燃料収容部、７…流路、８…ポンプ、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極／酸化剤極）、１７…プロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜
【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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