(57)【要約】【課題】薄型、小型軽量であって、かつ高い出力が安定的に発揮される燃料電池を提供する。また、燃料電池の出力を簡便に安定させる、燃料電池の駆動方法を提供する。【解決手段】燃料電池１００において、燃料極１０２に燃料流路を設ける。燃料流路の一端を燃料供給ライン４３５の一端に、他端を燃料戻りライン４３７の一端に接続する。燃料供給ライン４３５および燃料戻りライン４３７の他端を、燃料容器４２５に接続する。そして、燃料流路から燃料戻りライン４３７を介して燃料容器４２５に至る経路内に、燃料１２４が密閉された構成とする。【選択図】　　　　図１
2004127672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極を備える燃料電池本体と、液体燃料を貯蔵する燃料容器とを有し、前記燃料容器から前記燃料極に供給された前記液体燃料の一部が、前記燃料極で発生した気体とともに前記燃料容器に回収されるように構成されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料極を備える燃料電池本体と、液体燃料を貯蔵する燃料容器と、前記燃料極と前記燃料容器とを接続する燃料供給流路および燃料回収流路とを有し、前記燃料容器から前記燃料極に供給された前記液体燃料の一部が、前記燃料極で発生した気体とともに前記燃料容器に回収されるように構成されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、前記燃料極から前記燃料回収流路を経由して前記燃料容器に至る経路が密閉されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２または３に記載の燃料電池において、前記燃料容器から前記燃料供給流路、前記燃料回収流路および前記燃料極を経由して前記燃料容器に戻る経路が、密閉系循環経路であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池において、前記燃料極に設けられた、前記燃料供給流路および前記燃料回収流路に連通する燃料流路をさらに有することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池において、前記燃料極に集電体が設けられ、前記集電体に前記燃料流路が形成されたことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池において、前記燃料容器に放圧部材が設けられたことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
燃料極を備える燃料電池本体と、液体燃料を貯蔵する燃料容器とを有する燃料電池の駆動方法であって、燃料極で生成した気体を前記燃料極に供給された液体燃料の一部とともに燃料容器に回収し、前記燃料容器に回収された気体の圧力によって前記燃料極に前記液体燃料を供給することを特徴とする燃料電池の駆動方法。
【請求項９】
燃料極を備える燃料電池本体と、液体燃料を貯蔵する燃料容器と、前記燃料極と前記燃料容器とを接続する燃料供給流路および燃料回収流路とを有する燃料電池の駆動方法であって、燃料極で生成した気体を、前記燃料極に供給された液体燃料の一部とともに前記燃料回収流路を経由して燃料容器に回収し、前記燃料容器に回収された気体の圧力によって、前記燃料供給流路を経由して前記燃料極に前記液体燃料を供給することを特徴とする燃料電池の駆動方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載の燃料電池の駆動方法において、前記燃料容器の内圧を、前記燃料容器に設けられた放圧部材によって制御することを特徴とする燃料電池の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池および燃料電池の駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体電解質型燃料電池は、パーフルオロスルフォン酸膜等の固体電解質膜を電解質とし、この膜の両面に燃料極および酸化剤極を接合して構成され、燃料極に水素やメタノール、酸化剤極に酸素を供給して電気化学反応により発電する装置である。各電極で生じる電気化学反応は、燃料極では、メタノールを用いた場合、
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋ＣＯ２＋６ｅ−　　［１］
であり、また、酸化剤極では、
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ　　　　［２］
である。この反応を起こすために両電極は触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体より構成されている。
【０００３】
この構成において燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極に供給されたメタノールは、電極中の細孔を通過して触媒に達し、触媒によりメタノールが分解されて、上記反応式［１］の反応で電子と水素イオンが生成される。水素イオンは電極中の電解質及び両電極間の固体電解質膜を通って酸化剤極に達し、酸化剤極に供給された酸素と外部回路より流れ込む電子と反応して上記反応式［２］のように水を生じる。一方、メタノールより放出された電子は電極中の触媒担体および電極基体を通って外部回路へ導き出され、外部回路より酸化剤極に流れ込む。この結果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が流れ電力が取り出される。
【０００４】
このように、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができ、携帯型の電子機器へ適用することの利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。
【０００５】
ところが、従来のダイレクトメタノール型燃料電池においては、上記反応式［１］で生成した二酸化炭素、または反応式［１］の中間生成物である一酸化炭素が燃料極電極中の細孔に溜まり燃料の供給を阻害するため、発電効率が低下したり、有効な触媒の表面を減少させて出力の低下が生じる。このため、電極表面に泡状に吸着した気体の排出の措置が必要である。
【０００６】
電極表面に泡状に吸着した気体を排出する方法として、燃料極の触媒層と、固体高分子電解質膜との界面部分に液体燃料を供給するための流路溝を形成し、この溝を流れる液体燃料中に気体を拡散させ、電池外部に排出するという方法が提案されている（特許文献１）。
【０００７】
しかし、特許文献１に記載の方法では、燃料を送液ポンプによって供給することにより、燃料極中に発生した気泡を電極から取り除いていたため、携帯型の電子機器への適用が困難であるという課題を有していた。なぜなら、たとえば携帯電話用電源など、携帯型の電子機器に適用する場合、電源の容積が小さく、また、利用可能な電力に制限があるため、比較的大型で消費電力の大きいポンプを機器内に設けて燃料の送液を行うことが困難だからである。
【０００８】
一方、ポンプなどを用いずに液体燃料を供給する方法として、液体燃料を燃料収容容器から毛管力によってセル内に導入し、これを気化して燃料極に供給する方法が提案されている（特許文献２）。
【０００９】
しかし、特許文献２に記載の方法では、燃料電池本体において発生したガスを燃料収容容器内に導くためのガス導入細管を設けることができるものの、ガスが燃料極から外圧等によって排出される構成になっていないため、ガスの除去効果が十分ではなかった。さらに、燃料収容容器に導かれるガスは、燃料収容容器が負圧とならないためのものであるため、燃料収容容器から燃料電池本体への燃料の供給力も不十分であり、高い出力を安定的に発揮させることが困難であった。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５６号公報
【特許文献２】
特開２００１−９３５５１号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、薄型、小型軽量であって、かつ高い出力が安定的に発揮される燃料電池を提供することを目的とする。本発明の別の目的は、燃料電池の出力を簡便に安定させる、燃料電池の駆動方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、燃料極を備える燃料電池本体と、液体燃料を貯蔵する燃料容器とを有し、前記燃料容器から前記燃料極に供給された前記液体燃料の一部が、前記燃料極で発生した気体とともに前記燃料容器に回収されるように構成されたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１３】
本発明に係る燃料電池によれば、燃料極における電気化学反応により生じた二酸化炭素等の気体を、未使用の液体燃料などの一部の液体燃料とともに燃料容器へ排出することができる。こうすることにより、燃料極に付着した気泡を効率よく除去することができるため、燃料極における触媒の利用効率を向上させることができる。よって、燃料電池の出力を向上させることができる。
【００１４】
本発明によれば、燃料極を備える燃料電池本体と、液体燃料を貯蔵する燃料容器と、前記燃料極と前記燃料容器とを接続する燃料供給流路および燃料回収流路とを有し、前記燃料容器から前記燃料極に供給された前記液体燃料の一部が、前記燃料極で発生した気体とともに前記燃料容器に回収されるように構成されたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１５】
本発明に係る燃料電池においては、燃料極における電気化学反応により生じた二酸化炭素等の気体が、未使用の液体燃料などの一部の液体燃料とともに燃料回収流路へと排出され、燃料容器に回収される。こうすることによって、燃料極に付着した気泡を効率よく除去することができるため、燃料極における触媒の利用効率を向上させることができる。よって、燃料電池の出力を向上させることができる。
【００１６】
本発明の燃料電池において、前記燃料極から前記燃料回収流路を経由して前記燃料容器に至る経路が密閉されている構成とすることができる。こうすれば、燃料極に付着した気泡を、液体燃料の一部とともにより一層効率よく燃料容器へ排出することができるため、燃料極における触媒の利用効率を向上させることができる。よって、燃料電池の出力を向上させることができる。
【００１７】
本発明の燃料電池において、前記燃料容器から前記燃料供給流路、前記燃料回収流路および前記燃料極を経由して前記燃料容器に戻る経路が、密閉系循環経路である構成とすることができる。
【００１８】
本発明に係る燃料電池は、燃料容器から燃料極に供給される燃料のうち、未使用のものが再び燃料極に導入される循環式の構成となっており、循環経路中に燃料が密閉されている。したがって、燃料極における電気化学反応により生じた二酸化炭素等の気体を、未使用の燃料とともに燃料容器へ排出することができる。こうすることによって、燃料極に付着した気泡を効率よく除去することができるため、燃料極における触媒の利用効率を向上させることができる。よって、燃料電池の出力を向上させることができる。さらに、液体燃料の通過経路が密閉されているため、燃料極から燃料容器へと回収された気体により、燃料容器の内圧が上昇する。この内圧により、燃料容器中の燃料を、燃料極へと圧出することができる。こうすることにより、ポンプ等の駆動手段が不要となる。したがって、燃料電池をより小型軽量化することができる。また駆動手段に用いるのに必要な電力が不要となるため、省電力化することができる。
【００１９】
本発明の燃料電池において、前記燃料極に設けられた、前記燃料供給流路および前記燃料回収流路に連通する燃料流路をさらに有する構成とすることができる。
【００２０】
こうすることにより、燃料供給流路から燃料極に供給された燃料が、燃料極を流れ、燃料回収流路へと排出される際に、燃料極において発生した気体をより効率よく排出することができる。したがって、燃料極の触媒利用効率をより一層高めることができる。なお、燃料極内を液体燃料が流れる構成であって、流れとともに気体を除去することができる構成であれば、燃料極に設ける燃料流路の位置、形状に特に制限はない。たとえば、前記燃料極に集電体が設けられ、前記集電体に前記燃料流路が形成された構成とすることができる。こうすれば、燃料極全体に効率よく燃料を供給することができるとともに、燃料流路の密閉性を確保し、気体の排出を効率よく行うことができる。
【００２１】
本発明の燃料電池において、前記燃料容器に放圧部材が設けられた構成とすることができる。
【００２２】
こうすることにより、燃料容器の内圧が過度に上昇し、燃料容器および燃料電池に損傷をもたらす危険性を回避することができる。したがって、燃料容器の内圧を、燃料の圧出に十分でかつ安全性の高い内圧に調節することができる。
【００２３】
本発明によれば、燃料極を備える燃料電池本体と、液体燃料を貯蔵する燃料容器とを有する燃料電池の駆動方法であって、燃料極で生成した気体を前記燃料極に供給された液体燃料の一部とともに燃料容器に回収し、前記燃料容器に回収された気体の圧力によって前記燃料極に前記液体燃料を供給することを特徴とする燃料電池の駆動方法が提供される。
【００２４】
本発明に係る燃料電池の駆動方法によれば、燃料極における電気化学反応により生じた二酸化炭素等の気体が、未使用の液体燃料などの一部の液体燃料とともに燃料容器へ排出される。このようにすれば、燃料極に付着した気泡を効率よく除去することができるため、燃料極における触媒の利用効率を向上させることができる。よって、燃料電池の出力を向上させ、安定させることができる。さらに、液体燃料の通過経路が密閉されているため、燃料極から燃料容器へと回収された気体により、燃料容器の内圧が上昇する。この内圧により、燃料容器中の燃料を、燃料極へと圧出することができる。こうすることにより、ポンプ等の駆動手段を用いずに燃料電池を運転することができる。したがって、燃料電池をより小型軽量化することができる。また駆動手段に用いるのに必要な電力が不要となるため、省電力化することができる。
【００２５】
本発明によれば、燃料極を備える燃料電池本体と、液体燃料を貯蔵する燃料容器と、前記燃料極と前記燃料容器とを接続する燃料供給流路および燃料回収流路とを有する燃料電池の駆動方法であって、燃料極で生成した気体を、前記燃料極に供給された液体燃料の一部とともに前記燃料回収流路を経由して燃料容器に回収し、前記燃料容器に回収された気体の圧力によって、前記燃料供給流路を経由して前記燃料極に前記液体燃料を供給することを特徴とする燃料電池の駆動方法が提供される。
【００２６】
本発明に係る燃料電池の駆動方法によれば、燃料極における電気化学反応により生じた二酸化炭素等の気体が、未使用の液体燃料などの一部の液体燃料とともに燃料回収流路へと排出され、燃料容器に回収される。こうすることによって、燃料極に付着した気泡を効率よく除去することができるため、燃料極における触媒の利用効率を向上させることができる。よって、燃料電池の出力を向上させ、安定させることができる。さらに、液体燃料の通過経路が密閉されているため、燃料極から燃料容器へと回収された気体により、燃料容器の内圧が上昇する。この内圧により、燃料容器中の燃料を、燃料供給流路を経由して燃料極へと圧出することができる。こうすることにより、ポンプ等の駆動手段を用いずに燃料電池を運転することができる。したがって、燃料電池をより小型軽量化することができる。また駆動手段に用いるのに必要な電力が不要となるため、省電力化することができる。
【００２７】
本発明の燃料電池の駆動方法において、前記燃料容器の内圧を、前記燃料容器に設けられた放圧部材によって制御する構成とすることができる。
【００２８】
このようにすれば、燃料極から発生する気体の増加により燃料容器の内圧が過度に上昇し、燃料容器や燃料電池本体に損傷をもたらす危険性を回避することができる。したがって、燃料容器の内圧を、燃料の圧出に十分でかつ安全性の高い内圧に制御することができるため、燃料電池を安全に運転し、かつ高い出力を発揮させることができる。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の具体的構成について図面を参照しながら説明する。
【００３０】
図１は本実施形態に係る燃料電池１００の構造を模式的に表した断面図である。また、図２は、図１における燃料極１０２のＡ−Ａ’方向の断面図である。触媒電極−固体電解質膜接合体１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８、固体電解質膜１１４から構成される。燃料極と酸化剤極とをあわせて触媒電極と呼ぶ。燃料極１０２は基体１０４および触媒層１０６から構成される。酸化剤極１０８は基体１１０および触媒層１１２から構成される。単数または複数の触媒電極−固体電解質膜接合体１０１が、燃料極側集電体１２０および酸化剤極側集電体１２２を介して電気的に接続される。
【００３１】
燃料電池を携帯機器へ応用する場合、出力が大きく、安定であるという基本的な性能に加えて、燃料電池が小型で薄く、かつ、軽量であるということが必要とされる。そこで、図１の燃料電池においては、以下の構成が採用されている。すなわち、燃料容器４２５と燃料極側集電体１２０との間には、燃料供給ライン４３５および燃料戻りライン４３７が設けられている。燃料極側集電体１２０には、燃料流路４３３が形成されており、燃料流路４３３の一端と燃料供給ライン４３５の一端とが接続され、燃料流路の他端と燃料戻りライン４３７の一端が接続されている。
【００３２】
燃料極側集電体１２０には、たとえばカーボンや金属などを用いることができる。燃料極側集電体１２０への燃料流路４３３の形成方法に特に制限はないが、たとえば燃料極側集電体１２０を板状に成形する際に同時に形成する方法や、板状の材料に機械加工により形成する方法等を挙げることができる。
【００３３】
以上のように構成された燃料電池１００において、各触媒電極−固体電解質膜接合体１０１の燃料極１０２には、燃料極側集電体１２０を介して燃料１２４が供給される。また、触媒電極−固体電解質膜接合体１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤極側集電体１２２を介して酸化剤１２６が供給される。燃料１２４としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、水溶液とすることができる。酸化剤１２６としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガス等を供給してもよい。
【００３４】
燃料容器４２５から燃料１２４が燃料供給ライン４３５を通じて燃料極側集電体１２０に供給されると、燃料１２４がメタノールの場合上記反応式［１］に示される反応が主として生じるため、二酸化炭素を主とする気体が発生する。発生した気体は、未消費の燃料１２４とともに、燃料流路４３３から燃料戻りライン４３７を通り、燃料容器４２５に導かれる。すると、燃料容器４２５の内圧は、燃料極１０２から導かれた気体によって上昇する。この内圧上昇により、燃料容器４２５から燃料１２４が燃料供給ライン４３５へと圧出される。
【００３５】
このように、燃料電池１００は、燃料極側集電体１２０に燃料流路４３３が形成され、燃料１２４の回収経路の密閉性に優れており、回収された燃料が再び燃料容器４２５から圧出される循環式の構成となっているため、ポンプ等の燃料送出部材を用いずに、燃料１２４を効率よく燃料極１０２に供給すると共に、燃料極１０２で生じた気体を速やかに除去することができる。したがって、小型でかつ出力安定性が高い。
【００３６】
たとえば、図１の電池はダイレクトメタノール型の燃料電池に好適に用いることができる。ダイレクトメタノール型の燃料電池に適用した場合、燃料極１０２で発生する二酸化炭素を主とする気体が効率よく燃料容器４２５に回収される。回収された気体によって燃料容器４２５の内圧が上昇すると、これが駆動力となって燃料容器４２５中のメタノール水溶液が燃料極１０２へと圧出される。
【００３７】
図３は、燃料電池１００の別の構成の一例を示す図である。また図４は、図３における燃料極１０２のＡ−Ａ’方向の断面図である。図３においては、基体１０４、基体１１０がそれぞれ燃料極側集電板４２１、酸化剤極側集電板４２３に接合された構成となっている。また燃料極１０２は、その外周部を燃料漏洩防止部材４４５によって被覆されており、密閉性が担保されている。燃料極側集電板４２１には、燃料供給ライン４３５および燃料戻りライン４３７が接続されており、燃料容器４２５から燃料１２４が供給される。燃料漏洩防止部材４４５には、たとえば金属薄膜フィルムまたは金属薄膜と熱融着性樹脂フィルムからなるラミネートフィルムなどを用いることができる。また、燃料極側集電板４２１、酸化剤極側集電板４２３には、たとえば導電性金属またはその合金の多孔質板やメッシュを用いることができる。燃料極１０２においては、燃料極側集電板４２１に接続された燃料極側端子４４７から電力を取り出すことができる。酸化剤極１０８にも同様に適宜酸化剤極側端子４４９を設けることができる。燃料電池１００をこのような構成とすることにより、より一層の薄型、小型軽量化が可能となる。
【００３８】
なお、図１または図３の燃料電池１００において、燃料供給ライン４３５または燃料戻りライン４３７に、燃料電池の搭載された機器の電源に連動する弁などのライン開閉部材を設置することができる。このようにすれば、たとえば機器の電源を切った際には燃料１２４の供給が遮断され、再び機器の電源を入れた際に燃料１２４の供給が再開される構成とすることができる。
【００３９】
燃料電池１００において、燃料容器４２５および燃料供給ライン４３５、燃料戻りライン４３７には、有機液体燃料に対する耐食性を有する材料を用いることができる。また、できるだけ軽量であることが好ましい。また、燃料容器４２５の外壁には、放圧部材４３９を設けることが好ましい。こうすることにより、燃料容器４２５の内圧が一定値、たとえば２気圧に達した際に、燃料容器４２５内部の気体を自動的に放出することができるため、燃料容器４２５の内圧を一定に保持することができる。放圧部材４３９としては、放圧弁、または、燃料極１０２で生成する気体の透過膜を用いることができる。たとえば燃料１２４にメタノールを用いる場合、二酸化炭素透過膜を設けることができる。燃料１２４の密閉性をさらに向上させるために、燃料極１０２の側面や、燃料１２４の循環経路の周囲を適宜シール材によりシールしてもよい。
【００４０】
また、燃料容器４２５への燃料１２４の供給は、たとえば注入により行うことができる。また、燃料の入ったカートリッジを用い、これを交換する構成とすることもできる。
【００４１】
なお、燃料電池１００の初期段階の起動方法としては、たとえば予備の電源を用いる方法が挙げられる。すなわち、機器に搭載された予備の電源により、小型の送液ポンプを駆動し、燃料極１０２に燃料１２４を供給することができる。小型の送液ポンプとしては、たとえばバイモルフ型圧電ポンプなど、小型の圧電ポンプを用いることができる。
【００４２】
また、図５に示すように、燃料容器４２５を二室構造とし、燃料極１０２に燃料１２４を吸収させる燃料吸収材４５１を設けることにより、燃料１２４を燃料極１０２に吸収させて供給することもできる。燃料吸収材４５１に特に制限はないが、たとえばウレタン材などを用いることができる。
【００４３】
燃料電池１００において、固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；等が例示される。
【００４４】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む触媒層１０６および触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。基体１０４および基体１１０の表面は撥水処理してもよい。
【００４５】
燃料極１０２側の触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極１０８側の触媒層１１２の触媒としては、燃料極１０２側の触媒層１０６と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、触媒層１０６および触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。
【００４６】
触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）等）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。
【００４７】
触媒層１０６、触媒層１１２における固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体電解質膜１１４と同じ材料を用いることができるが、固体電解質膜１１４とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。
【００４８】
燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体１０４および基体１１０としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。また、基体１０４および基体１１０の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレン等の撥水剤を用いることができる。
【００４９】
次に、燃料電池１００の製造方法について説明する。燃料電池１００の製造方法に特に制限はないが、たとえば以下のようにして作製することができる。
【００５０】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、たとえば以下の方法で得ることができる。まず、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に触媒を担持させる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質の微粒子を溶媒に分散させ、ペースト状としたのち、撥水化処理を行った基体１０４または基体１１０に塗布する。基体１０４または１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷法等の方法を用いることができる。ペーストを塗布した後、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分で乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８が得られる。
【００５１】
たとえば固体電解質膜１１４を有機高分子材料で構成する場合、固体電解質膜１１４は、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
【００５２】
次に、固体電解質膜１１４を、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスすることにより、触媒電極−固体電解質膜接合体１０１を得る。このとき、触媒層１０６および触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする。たとえば固体電解質膜１１４や触媒層１０６、触媒層１１２中の固体電解質の微粒子を有機高分子で構成する場合、ホットプレスの条件は、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００℃〜２５０℃、圧力１ｋｇ／ｃｍ２〜１００ｋｇ／ｃｍ２、時間１０秒〜３００秒とする。
【００５３】
以上のようにして形成された触媒電極−固体電解質膜接合体１０１を単セル構造とし、燃料極側集電体１２０および酸化剤極側集電体１２２を介して積み重ねることにより、複数の単セル構造が直列に接続された燃料電池セルスタックとすることもできる。
【００５４】
以上により得られた燃料電池１００は、燃料極１０２において、触媒層１０６の表面に発生した二酸化炭素、一酸化炭素などの気泡が速やかに除去され、燃料極１０２の有効な表面積を維持されるとともに、燃料極１０２から除去され、燃料容器４２５に回収された気体の圧力によって燃料１２４が燃料極１０２に供給されるため、高出力が安定的に発揮され、かつ小型、軽量である。
【００５５】
本実施形態に係る燃料電池の用途は特に限定されないが、たとえば、携帯電話、ノートパソコン、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ　Ｄｉｇｉｔａｌ　Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等、携帯型の小型電気機器に適切に用いられる。
【００５６】
【実施例】
本実施例では、図１に示される構成の燃料電池１００を作製し、評価した。
【００５７】
（実施例１）
図１に示される構成の携帯電話用ダイレクトメ夕ノール型燃料電池を作製した。
【００５８】
まず、触媒電極用、すなわち燃料極１０２および酸化剤極１０８に用いる炭素系材料として、厚さ０．１９ｍｍのカーボンペーパー（東レ社製）を用いた。カーボンペーパー表面に、次のようにして触媒層を形成した。まず、固体高分子電解質としてアルドリッチ・ケミカル社製の５ｗｔ％ナフィオンアルコール溶液を選択し、固体高分子電解質量が０．１〜０．４ｍｇ／ｃｍ３となるようにｎ−酢酸ブチルと混合攪拌して固体高分子電解質のコロイド状分散液を調製した。燃料極の触媒には炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金−ルテニウム合金触媒を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用し、酸化剤極の触媒には、炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金触媒を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。触媒担持炭素微粒子を固体高分子電解質のコロイド状分散液に添加し、超音波分散器を用いてペースト状にした。このとき、固体高分子電解質と触媒の重量比が１：１になるように混合した。このペーストをカーボンペーパー上にスクリーン印刷法で２ｍｇ／ｃｍ２塗布した後、加熱乾燥して燃料電池用電極を作製した。この電極を、デュポン社製固体電解質膜ナフィオン１１２の両面に温度１３０℃、圧力１０ｋｇ／ｃｍ２でホットプレスして触媒電極−固体電解質膜接合体１０１を作製した。
【００５９】
次に、得られた触媒電極−固体電解質膜接合体１０１を、燃料極側集電体１２０および酸化剤極側集電体１２２で挟持し、ボルトとナットで締結した。ここで、燃料極側集電体１２０および酸化剤極側集電体１２２には、カーボンを用いた。また、燃料極側集電体１２０は、厚さ１ｍｍのカーボン板に、機械加工によって図２に示される燃料流路４３３を設けた。以上により、燃料電池本体が得られた。
【００６０】
得られた燃料電池本体に、燃料供給ライン４３５および燃料戻しライン４３７の一端を接続し、これらのラインの他端を、アルミニウム製の燃料容器４２５に接続した。また、アルミニウム製の燃料容器４２５の上部に、２．０２６５×１０５Ｐａで放圧するように設計された放圧弁を、放圧部材４３９として設置した。なお、燃料供給ライン４３５および燃料戻りライン４３７には内径１ｍｍのテフロン（登録商標）製チューブを用いた。
【００６１】
こうして得られた燃料電池１００の燃料容器４２５に、５ｖ／ｖ％メタノール水溶液を燃料１２４として注入した。そして、電流５００ｍＡの負荷条件で、燃料電池１００の電圧の時間変化を測定した。
【００６２】
その結果、２４時間の連続負荷試験において、出力電圧３．５Ｖに対する電圧変動は、０．２Ｖ以下となった。したがって、本実施例において燃料電池１００は安定な出力を示すことが確認された。また、このときの燃料容器４２５の内圧は、２×１０５Ｐａ付近で安定していることも確認された。
【００６３】
（実施例２）
本実施例においては、実施例１と同様にして燃料電池１００を作製し、評価した。ただし、本実施例においては、燃料極側集電体１２０を基体１０４として用いた。すなわち、カーボン製の集電体に図２に示す形状の燃料流路４３３を形成し、燃料流路４３３の設けられた表面に直接触媒層１０６を形成した。
【００６４】
得られた燃料電池１００を、実施例１と同様の条件で２４時間の連続負荷試験に供した。その結果、出力電圧３．５Ｖに対する電圧変動は、最大０．２５Ｖとなった。したがって、本実施例においても、燃料電池１００は安定な出力を示すことが確認された。また、このときの燃料容器４２５の内圧は、２×１０５Ｐａ付近で安定していることも確認された。
【００６５】
（比較例１）
本比較例においては、燃料極１０２に燃料流路４３３、燃料供給ライン４３５、および燃料回収ライン４３７を設けず、燃料容器４２５を燃料極１０２に直接接触させ、燃料を供給する燃料電池を作製した。燃料電池の作製は、実施例１と同様にして行った。
【００６６】
得られた燃料電池を、実施例１と同様の条件で２４時間の連続負荷試験に供した。その結果、出力電圧３．５Ｖに対する電圧変動は、最大２．５Ｖとなった。本比較例に係る燃料電池においては、燃料流路４３３、燃料供給ライン４３５、および燃料回収ライン４３７が設けられていないため、燃料極１０２で発生する二酸化炭素等の気体を除去することができず、出力の低下につながったものと考えられる。
【００６７】
（比較例２）
本比較例においては、燃料極１０２と燃料容器４２５との間に燃料戻りライン４３７を設けないこと以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
【００６８】
得られた燃料電池を、実施例１と同様の条件で２４時間の連続負荷試験に供した。その結果、本比較例においても、出力電圧３．５Ｖに対し、最大２．５Ｖの電圧変動が認められた。本比較例に係る燃料電池においては、燃料極１０２と燃料容器４２５との間に燃料戻りライン４３７が設けられていないため、燃料容器４２５から燃料１２４を安定的に燃料極１０２に供給することができないため、出力の低下が生じたものと考えられる。
【００６９】
（比較例３）
本比較例においては、燃料極１０２と燃料容器４２５との間に燃料戻りライン４３７を設けず、また、燃料容器４２５と触媒電極−固体電解質膜接合体１０１との間に消費電力１Ｗの送液ポンプを設けた構成の燃料電池を実施例１と同様にして作製した。
【００７０】
得られた燃料電池を、実施例１と同様の条件で２４時間の連続負荷試験に供した。その結果、出力電圧３．５Ｖに対する電圧変動は、０．２Ｖ以下となった。
【００７１】
以上の実施例および比較例より、本実施例に係る燃料電池においては、燃料極１０２と燃料容器４２５との間に燃料供給ライン４３５および燃料戻りライン４３７を設けることにより、燃料極１０２で生成した二酸化炭素等の気体によって燃料容器４２５の内部が自然に加圧され、送液ポンプを用いた場合と同様の出力の安定性が確保されていた。
【００７２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、燃料容器から燃料極に供給された液体燃料の一部が、燃料極で発生した気体とともに燃料容器に回収されることにより、薄型、小型軽量であって、かつ高い出力が安定的に発揮される燃料電池が実現される。また、本発明によれば、燃料極で生成した気体を燃料極に供給された液体燃料の一部とともに燃料容器に回収し、燃料容器に回収された気体の圧力によって燃料極に液体燃料を供給することにより、燃料電池の出力を簡便に安定させる、燃料電池の駆動方法が実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る燃料電池の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の燃料極側集電体の構成の一例を示す図である。
【図３】本発明に係る燃料電池の構成の一例を示す図である。
【図４】図３中に示される燃料極のＡ−Ａ’方向の断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１００　燃料電池
１０１　触媒電極−固体電解質膜接合体
１０２　燃料極
１０４　基体
１０６　触媒層
１０８　酸化剤極
１１０　基体
１１２　触媒層
１１４　固体電解質膜
１２０　燃料極側集電体
１２２　酸化剤極側集電体
１２４　燃料
１２６　酸化剤
４２１　燃料極側集電板
４２３　酸化剤極側集電板
４２５　燃料容器
４３３　燃料流路
４３５　燃料供給ライン
４３７　燃料戻りライン
４３９　放圧部材
４４５　燃料漏洩防止部材
４４７　燃料極側端子
４４９　酸化剤極側端子
４５１　燃料吸収材
【図１】
2004127672.tif 000003
【図２】
2004127672.tif 000004
【図３】
2004127672.tif 000005
【図４】
2004127672.tif 000006
【図５】
2004127672.tif 000007