(57)【要約】【課題】燃料電池の発電出力の制御を安定に行える燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極１３、空気極１６、および燃料極１３と空気極１６とに挟持された電解質膜１７を有する膜電極接合体２を有し、膜電極接合体２の燃料極１３へ燃料を供給する形態が燃料非循環型であり、膜電極接合体２へ供給される燃料を制御する手段が具備されたる燃料電池１であって、膜電極接合体２を収容したる発電部容器８は、母材となる樹脂より熱導電性に優れる絶縁性材料フィラーを含む樹脂であることを特徴とする燃料電池１。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する膜電極接合体を有し、
前記膜電極接合体の前記燃料極へ燃料を供給する形態が燃料非循環型であり、前記膜電極接合体へ供給される燃料を制御する手段が具備されたる燃料電池であって、
前記膜電極接合体を収容したる発電部容器は、母材となる樹脂より熱導電性に優れる絶縁性材料フィラーを含む樹脂であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記膜電極接合体を複数有し、複数の前記膜電極接合体が平面に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記膜電極接合体へ燃料を供給するための燃料移送手段をさらに具備したことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記発電部容器を構成する樹脂に含まれるフィラーは、前記母材となる樹脂に対する含有量が１０％以上、５０％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項３いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記発電部容器を構成する樹脂に含まれるフィラーは、シリカ、アルミナ、ジルコニア、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミのから選択されるセラミックスであって、
前記母材となる樹脂は、主としてＰＰＳ、ＰＥＥＫ、ＬＣＰ、ＰＢＴ、ＰＥＴ、ＰＰ、ＰＥのから選択される樹脂であることを特徴とする請求項１乃至請求項４いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
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請求項１乃至請求項５いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
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６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とを供給するだけで発電することができるとともに、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なる。
【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。
【０００４】
ＤＭＦＣの一つの燃料供給方法としては、燃料収容部と膜電極接合体を気液分離膜、または微細孔を有する多孔膜を介して接続し、燃料収容部に収容されたる液体燃料を適宜膜電極接合体へ気体または液体として供給する。供給されたる燃料は膜電極接合体にて、発電反応に供され、供給されたる燃料を過不足なく電力へ変換する、いわゆるパッシブ型呼ばれる方式がある。
【０００５】
また、他の燃料供給方法としては、膜電極接合体を内包した燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続するアクティブ型と呼ばれる方法がある（特許文献１〜２参照）。
【０００６】
この方法では、燃料収容部に収容されたる燃料は燃料電池セルへ直接供給されるが、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。
【０００７】
また、アクティブ型の燃料供給を強制的に行う方式として、特許文献２では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給する方式が開示されている。特許文献２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。このようなアクティブ型においては、ポンプを採用することにより、引例に記載の燃料を循環させる構造を有した燃料電池では、燃料供給量を意図的に制御することが可能となり有効である。
【特許文献１】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献２】特開２００６−０８５９５２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、パッシブ型ＤＭＦＣのように燃料を循環させない構造に単にポンプを適用しても、燃料電池セルでの制御がアクティブ型ほど容易には行えないため、制御、構造によっては燃料の無駄を生じ、燃料消費量が増大する場合があった。
【０００９】
また、通常の燃料循環型の燃料電池おいては、その発電出力を主として律しているものは、供給されたる燃料量であるため、出力の制御、安定性改善を容易になしえる。しかし上述の燃料非循環型のパッシブ型、アクティブ型またはそれらの中間に位置するセミパッシブ型の燃料電池においては、発電反応に伴って発生する熱のため、発電出力を制御する目的において、燃料供給量を制御しても、その時点での温度の影響を強く受けるため、出力が所望の値に制御できない現象が観察される場合があった。更に詳しくは、燃料極近傍の温度も燃料供給量とあわせて制御することが安定的な出力制御には必須となる。
【００１０】
しかし、発電に伴って発生した熱の影響を低減するため、放熱ファンによる空冷やヒートパイプによる熱移送による放熱を行うことは、燃料電池の小型携帯電子機器への提供を考慮した場合、主としてその大きさの制約のため実施できない場合があった。
【００１１】
本発明は上記の問題点に鑑みて成されたものであって、燃料非循環型燃料電池において、温度制御のために特殊な機構等を用いることなく、燃料電池の発電出力の制御を安定に行える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】
本発明の態様に係る燃料電池は、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する膜電極接合体を有し、前記膜電極接合体の前記燃料極へ燃料を供給する形態が燃料非循環型であり、前記膜電極接合体へ供給される燃料を制御する手段が具備されたる燃料電池であって、前記膜電極接合体を収容したる発電部容器は、母材となる樹脂より熱導電性に優れる絶縁性材料フィラーを含む樹脂であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料非循環型燃料電池において、温度制御のために特殊な機構等を用いることなく、燃料電池の発電出力の制御を安定に行うことをなしえる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】
【００１４】
以下、本発明を一実施形態に係る燃料電池について、図面を参照して以下に説明する。図１は第１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１に示すように、燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、液体燃料６を収容した燃料収容部４と、燃料収容部４から供給された燃料を膜電極接合体２へ供給する気液分離膜７と、気液分離膜７および膜電極接合体２を収容した発電部容器８と、燃料を収容した燃料収容部４と、この膜電極接合体２と燃料収容部４と結ぶ流路５と、流路５の途中に配設され燃料遮断機構３４、を備えている。
【００１５】
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とを有している。
【００１６】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４を構成する触媒としては、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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
本発明においては、前記膜電極接合体２を複数有し、複数の前記膜電極接合体が平面に配置されている構成の燃料電池において好適である。
【００２１】
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３３が積層される。これら導電層３３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。
【００２２】
電解質膜１７と気液分離膜７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。
【００２３】
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（図示せず）や表面層（図示せず）が配置される。
【００２４】
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。
【００２５】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に対応した液体燃料６が収容されている。液体燃料６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。
【００２６】
なお、液体燃料６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６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４には膜電極接合体２に応じた液体燃料６が収容される。
【００２７】
本実施の形態においては、膜電極接合体２のアノード（燃料極）１３側には、気液分離膜７が配置されている。燃料収容部４より流路５を経由して供給された燃料６は気液分離膜７を通じて、その気化成分がアノード１３に供給される。
【００２８】
本実施形態に係る燃料電池では、気液分離膜７としては、シリコーンゴムの薄膜やナフィオン膜（ＤｕＰｏｎｔ社登録商標）のような、燃料の液体成分は透過しないが、気体成分を透過する特性を有した材料からなる膜であればその種類を問わない。
【００２９】
また、気液分離膜７に代えて、極微量の液体成分を透過する微細孔が穿孔されたる膜を使用することも可能である。代表的な材料としてはＰＴＦＥの薄膜に引っ張り力をかけて作成された微多孔フィルムを挙げることができる。
【００３０】
気液分離膜７を透過してきた燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、液体燃料６はアノードガス拡散層１２で拡散されて、アノード触媒層１１に供給される。例えば、液体燃料６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。
【００３１】
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。
【００３２】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …(1)
この反応で生成した電子（ｅ-）は集電層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（空気極）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。
【００３３】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …(2)
燃料遮断機構３４は出力の多寡に応じて、燃料収容部４からの燃料供給を制御し、出力が安定するように作用する。燃料遮断機構３４としては、その動作源により電磁バルブ、モータにより作動するバルブ、形状記憶合金と発熱体を併用したバルブ、圧電セラミックスを使用したバルブなどがあるが、制御が可能であればその動作原理は問わない。
【００３４】
また、バルブの動作形式から、通電時だけ流路が開放される常時閉型バルブ、逆に通電時だけ流路が閉止される常時開型バルブ、一度通電すると通電停止後もその状態を維持するラッチ機構つきバルブなどがあるが、制御が可能であればその動作形式は問わない。
【００３５】
液体燃料６として広く使われているメチルアルコールを使用した場合、上述した燃料電池の発電反応において、生起される電圧の熱理学的な理論値は１．２Ｖになる。それに対して、実際に外部に電力として取り出した場合の電圧は０．３〜０．５Ｖにまで低下してしまう。
【００３６】
つまり、出力として取り出す電圧が０．４Ｖだった場合、理論値との差０．８３Ｖはロスとなり、最終的には熱となって放散される。
【００３７】
電圧ロスの原因としては種々なものがあるが、メチルアルコールを燃料とするＤＭＦＣの場合、アノードでメチルアルコールからプロトンを取り出す際の活性化分極によるロスが大きな部分を占めていることが、最近の解析結果や、水素燃料型燃料電池との比較検討の結果明らかとなりつつある。
【００３８】
電圧のロス発生要因は、上述のアノード反応での活性化分極に起因するものの他、カソード反応の活性化分極に起因するもの、電子／プロトンが膜電極接合体２や集電層３３を通過する際の抵抗に起因するもの、さらには、燃料となるメチルアルコールや酸素が触媒に到達するまでの拡散抵抗に起因する拡散分極など、多くの因子が重なっている。
【００３９】
この電圧ロスに起因する発熱は単位面積当たりに取り出しうる電流値（電流密度）が増加するに従い、増加していく。近年の触媒微細化技術の発達、種々の膜電極接合体構成材料の特性改善、更には燃料電池運転制御方法の最適化などが進んだ結果、数年間とは比較にならないぐらい電流密度が上がってきている。
【００４０】
しかし、外部に取り出しうる電圧は、触媒の改良で若干の改善は見られるものの、顕著な改善は進んでいない。そのため、電流と電圧ロスの積として導出される単位面積当たりで発生する熱量は増加の一途をたどっている。
【００４１】
燃料電池の発熱は、上述の電圧ロスが主因であることから、電圧ロスの発生する箇所で同時に熱も発生する。具体的には、例えば、アノード１３、カソード１６の触媒近傍での発熱が増加している。
【００４２】
膜電極接合体２で生成した熱は、アノード１３およびカソード１６両面に拡散し、そこから外界へ放熱されていく。燃料循環型燃料電池においては、循環させている燃料が同時に熱の排出機能を担うことができるため大きな問題となっていないが、非循環型燃料電池においては熱伝導で外界へ放出させる必要があるため、近年の電流密度の高まりとともに、膜電極接合体２の温度が上昇し続けている。
【００４３】
膜電極接合体２の温度上昇は触媒反応を加速するという観点では好ましいものであるが、同時に電解質膜１７を通じて、未反応の燃料が透過するクロスオーバー現象の増大を招く要因となっている。
【００４４】
クロスオーバー現象でカソード１６へ透過した燃料は発電に寄与しないことから、燃料効率が著しく減少してしまう。また、クロスオーバーした燃料はカソード１６で反応して熱を放出することから、更なる温度上昇、クロスオーバー増大招く場合がある。
【００４５】
温度の上昇とともに最終的には電極近傍の水が枯渇し反応は収束するが、出力を安定させるべく燃料の供給を制御する場合、いわゆる正帰還となり、非常に安定性の悪い制御となる。
【００４６】
本願発明者らは、膜電極接合体２での発熱を抑制する手法に関して検討を加えてきた。その結果、放熱のための新たなる機構を導入することなく、膜電極接合体２を収容する発電部容器８を構成する部材を母材となる樹脂より熱導電性に優れた絶縁性フィラーを含有させることで、容易に改善することに成功した。さらに好ましくは、含有量を１０％以上５０％以下とするとよいことをあわせて見出した。
【００４７】
上述のとおり、燃料非循環型構造を有する燃料電池の場合、膜電極接合体２で発生する熱は、カソード面と、反応に供される液体燃料６および空気等の漏洩を防止するとともに構造的な強度を維持するために具備された発電部容器８とを介して外界に放熱されることになる。
【００４８】
電流密度が低い燃料電池においては、カソード面からの放熱と、発電部容器８を構成する樹脂材料を通じての放熱で十分な放熱量が得られた。しかし、近年の技術進展に伴う電流値の増大に伴い増加しつつある熱量を放熱するには、更なる放熱量の改善が必要である。
【００４９】
しかし、カソード面からの放熱はほぼ限界に達しており、これ以上の放熱のためにはカソードカバーへ大面積の放熱フィンを設置するといった、大幅な加工が必要となり、その実施には大いなる困難が伴った。
【００５０】
このことから、本願発明者らは発電部容器の熱抵抗を下げるため、発電部容器の材質を従来広く用いられてきた樹脂材から、熱伝導性に優れるフィラーを混入させた樹脂材へ変更すること試みた。
【００５１】
図２に、耐メチルアルコール性、機械的安定性、耐熱性等の観点より選定されたＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド樹脂）へ、フィラーとしてアルミナを添加していった場合の熱伝導率を示す。
【００５２】
図２に示すように、アルミナフィラーの充填量を増やすほど、熱伝導性が改善することがわかる。この材料を用いて、図１に示す燃料電池１を構成して、その特性を評価した。
【００５３】
発電部容器８を構成する樹脂としては、使用される燃料に対する耐性を有し、実用上十分な機械的な強度があり、さらに樹脂からの溶出不純物が燃料電池発電性能に影響しないものであればＰＰＳに限らない。
【００５４】
ＰＰＳ以外で燃料電池の発電部容器８に適用可能な樹脂としては、ＰＰＳ以外に、例えば、ＰＥＥＫ（ヴィクトレックス社登録商標：ポリエーテルエーテルケトン樹脂）、ＬＣＰ（液晶ポリマー樹脂）、ＰＢＴ（ポリブチレンテレフタレート樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート樹脂）、ＰＰ（ポリプロピレン樹脂）、ＰＥ（ポリエチレン樹脂）などが望ましい。ただし、樹脂はこれらに限定されるものではなく、燃料電池で使用される燃料に応じて選定されればよい。また、これら樹脂同士、または他の樹脂との混合物であってもよい。
【００５５】
また、上記樹脂に熱伝導性改善のために充填されるフィラーとしては、アルミナに限定されるものではなく、母材に使用される樹脂より熱伝導性に優れ、電気絶縁性を有するものであれば使用できる。
【００５６】
金属系のフィラーは熱伝導性という観点では優れた特性を有しているが、燃料、ないしは燃料電池反応での副生成物と反応し燃料電池特性へ悪影響を及ぼす場合があることからセラミックスを用いることが望ましい。
【００５７】
具体的には、アルミナ以外に、例えば、シリカ、ジルコニア、窒化硼素、窒化珪素、窒化アルミから選定することが望ましい。
【００５８】
ただし、フィラーはこれらに限定されるものではなく、金属系であっても表面処理により燃料、ないしは燃料電池反応での副生成物との反応性を抑制したものであれば使用することは可能である。
【００５９】
フィラーの形状としては、球状、繊維状、板状、その他不定形のものがあるが、取り扱い容易性からは球状、繊維状が望ましい。熱伝導性の観点から設計された特殊形状のフィラーも使用可能である。
【００６０】
また、大きさとしては、平均粒径で数１０ｎｍ〜数ｍｍまでのものが入手可能であるが、本実施形態に係る燃料電池１おいて効率的に効果を発揮するのは、数１００ｎｍ〜数１０ｕｍの粒径範囲のものが望ましい。
【００６１】
発電部容器８を構成する部材としては、ＰＰＳを主とする樹脂を用い、アルミナの充填量を振ることで、熱伝導性が異なる発電部容器とした。この組み合わせを図６に示すようなアルミナ充填量である、実施例１乃至実施例３、および、比較例１乃至比較例３の発電部容器８を形成した。
【００６２】
これらの発電部容器８により図１の構成の燃料電池１とし、実際に発電試験を行った。このとき、アノード触媒１１には田中化学製のＰｔ−Ｒｕ系触媒をカーボン粉末に担持させたものを使用し、カソード触媒１４には同じく田中化学製のＰｔ触媒をカーボン粉末に担持させたものを使用した。
【００６３】
これら触媒をＤｕＰｏｎｔ製のナフィオン溶液によりインク化し、東レのカーボンペーパーに塗布・乾燥させて、アノード、カソード電極を形成した。次いでこれらの電極を３ｃｍ×４ｃｍに切り出し、ＤｕＰｏｎｔ製のＮａｆｉｏｎＮ１１２に熱圧着することで、膜電極接合体２を構成した。
【００６４】
このようにして作成された膜電極接合体２を上述の樹脂で形成された発電部容器８に０．１ｍｍ厚のシリコーンゴム膜を気液分離膜７として用いて組み込み、燃料電池とした。燃料としては９９．５％濃度のメチルアルコールを用い、流路５には内部にグラスファイバーを充填した内径１ｍｍのＰＴＦＥチューブを用いて燃料収容部４と発電部容器８を接続した。
【００６５】
液体燃料６を膜電極接合体２へ円滑に供給するために、燃料収容部４は発電部容器８より２０ｃｍ高い位置に設置し、グラスファーバーの毛細管現象とともに、重力により燃料が供給されるようにした。
【００６６】
また、流路４の途中に常時閉形式の電磁バルブを燃料遮断機構３４として設置し、燃料の供給を制御できるようにした。
【００６７】
運転は、カバープレート１８中央部に設置されたる熱電対により温度をモニターし、その測定値が低下傾向を示し始めると同時に、燃料遮断機構３４を制御することにより１回当たり１００μＬの燃料を供給することで行った。
【００６８】
こうすると、最初燃料を供給した後、供給とともに温度が上昇し始め、その後数回の燃料補給で、平衡温度に達する。温度は燃料補給にあわせて変動を示すため、その平均値を測定した。また出力も温度にあわせて変動するので、このときの平均値を出力とした。これらの関係を図３に示す。
【００６９】
図３に示すように、アルミナの充填量が増加するに従い、セル温度は低下する。これはアルミナ充填量が増加するに従って、図２に示すごとく樹脂の熱伝導性が増加し、膜電極接合体２で発生した熱がアノード１６側から外界へ放熱される分が増えたからである。このためカソードで測定される温度も低下したものと考えられる。
【００７０】
また、同時に表記した出力はアルミナ充填量が３０％で山を示す単一ピーク型の形状を示した。これは、１０％、２０％とアルミナ充填量を増やすにしたがって、アノード側から発電部容器８を介しての放熱が進み温度が下がった結果、供給された燃料のうちクロスオーバーでロスする分が減少し、発電に寄与する分が増加したためと考えている。
【００７１】
しかし、充填率が高すぎると、放熱が進みすぎ、アノード触媒１１、カソード触媒１４近傍の温度が下がり、電池反応速度が遅くなってしまい、その結果出力が低下したものと考えている。そのせいか、燃料の供給間隔も長くなってきている。
【００７２】
すなわち、上記の結果から、発電部容器８を構成する樹脂に含まれるフィラーは、その母材となる樹脂に対する含有量が１０％以上、５０％以下であることが望ましい。
【００７３】
上述のように、複数の膜電極接合体２が平面に配置されるとともに、該膜電極接合体２の燃料極１３へ燃料を供給する形態が燃料非循環型であり、膜電極接合部２を収容したる発電部容器８が母材となる樹脂より熱導電性に優れる絶縁性材料フィラーを含む樹脂であることにより、発電反応に伴って発生する熱の放散が速やかに行われるようになる。
【００７４】
したがって、本実施形態に係る燃料電池１によれば、主として燃料供給を制御することにより出力を制御する場合の特性が改善され、発電出力の安定した燃料電池を提供することが可能となる。
【００７５】
図１では気液分離膜７を用いた燃料電池構成を示したが、図４に別の実施形態を示す。この構成の燃料電池１では、図１に示した、気液分離膜７を用いたパッシブ型燃料電池と異なり、燃料収納部４と燃料分配機構３とを流路５により接続した構成としている。
【００７６】
燃料分配機構３は、少なくとも一つの燃料注入口２１と燃料注入口から燃料排出口２２とを接続する細管とから構成され、燃料注入口に供給された燃料が内部の細管により、均等に燃料排出口２２から排出されるように設計されている。
【００７７】
図４に示すような燃料電池１であっても、上述の図１に示す燃料電池と同様の効果が得られる。また。図４に示す燃料電池１では、細管により燃料が均一に配分されるため、特に電極面積が大きくなった場合に燃料電池１を傾けても重力の影響を受けて燃料分布が不均一となりにくく、出力が低下することを防ぐことができる。
【００７８】
さらに、図４に示す構成では一回あたりの燃料供給量が少ない場合であっても、燃料の分布均一性を維持しやすいという特徴がある。
【００７９】
燃料収容部４から燃料を燃料分配機構３へ送るためには、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４から燃料分配機構３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５を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部４から燃料分配機構３まで送液することができる。
【００８０】
更に強制的に燃料を移送する場合には図５に示すように燃料収容部４から燃料分配機構３への送液は行う燃料送液手段３１を用いても良い。燃料送液手段３１としては、ポンプを使用することができる。図５に示すように、ポンプを用いる場合であっても、上述の図１に示す燃料電池１と同様の効果が得られる。
【００８１】
なお、燃料移送手段３１と燃料遮断機構３４の配置は図５以外に、燃料収容部から燃料遮断機構３４、燃料移送手段３１の順番で配置しても機能的な支障はない。
【００８２】
また、ポンプとして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。
【００８３】
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。
【００８４】
上述した実施形態の液体燃料６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、燃料電池の燃料濃度が高いほど、燃料送液手段３１にて供給される燃料の制御を、よりきめ細かに実施することが好ましい。このため、各実施形態の燃料電池は、濃度が８０％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、従って、各実施形態は濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた燃料電池に適用することが好ましい。
【００８５】
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（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。
【００８６】
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】
【００８７】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の一構成例を示す断面図。
【図２】図１に示す燃料電池に用いたＰＰＳ樹脂の熱伝導率とアルミナ充填率の関係の一例を示す図。
【図３】図１に示す燃料電池で測定された温度と出力のアルミナ充填率との関係の一例を示す図。
【図４】本発明の別の実施形態に係る燃料電池の一構成例を示す断面図。
【図５】本発明のさらに別の実施形態に係る燃料電池の一構成例を示す断面図。
【図６】図１に示す燃料電池の実施例および比較例における発電部容器のアルミナ充填量を示した図。
【符号の説明】
【００８８】
１…燃料電池、２…膜電極接合体、３…燃料分配機構、４…燃料収容部、５…流路、６…液体燃料、７…気液分離膜、８…発電部容器、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）、１７…電解質膜、１８…カバープレート、１９…Ｏリング、２１…燃料注入口、２２…燃料排出口、３１…燃料移送手段、３３…集電層、３４…燃料遮断機構
【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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