(57)【要約】【課題】燃料の利用率を高く制御することが可能であり、クロスリークによる燃料の損失を抑制するとともに、アノード側の触媒層全体に均一な濃度の燃料を供給することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】（ａ）触媒層を有するアノード１１、触媒層を有するカソード１３およびアノード１１の触媒層とカソード１３の触媒層との間に介在する電解質１２から構成される発電部１、ならびに（ｂ）アノード１１の触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部１０を有する燃料電池において、発電に消費された燃料量Ａと、アノード１１の触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００で求められる燃料利用率Ｒを５０％以上とした。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有し、
発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００
で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である燃料電池。
【請求項２】
前記燃料利用率Ｒが、８０％以上である請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
有機物燃料を燃料として用いる請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記有機物燃料が、メタノールまたはエタノールである請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料供給部は、燃料を前記アノードに直接噴霧する噴射手段を有する請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】
前記噴射手段は、圧電素子と燃料噴射ノズルとを備える請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料供給部が、液体燃料を収容する燃料容器、前記アノードと接触する、液体燃料を薄めるための貯水部、および前記燃料容器と前記貯水部とを連絡する燃料輸送部から構成され、前記燃料輸送部が、毛細管現象により、液体燃料を前記貯水部へ輸送する請求項１記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料輸送部が、液体で膨潤可能な材料から構成され、前記燃料輸送部は、さらに、前記材料の一部を圧迫して液体燃料の輸送を制御する制御弁を有する請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料供給部が、液体燃料を収容する燃料容器、前記アノードと接触する、液体燃料を薄めるための貯水部、前記燃料容器と前記貯水部とを連絡する燃料輸送部および前記燃料容器から前記貯水部へ液体燃料を輸送するためのポンプから構成される請求項１記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記貯水部が、その内部の水と液体燃料とを撹拌する撹拌手段を有する請求項７または９記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料供給部は、発電量に応じて前記アノードの触媒層近傍に供給する燃料量を調整する手段を有する請求項１記載の燃料電池。
【請求項１２】
携帯機器用電源として用いる請求項１記載の燃料電池。
【請求項１３】
燃料電池および二次電源からなる電源システムであって、前記二次電源は、電力を外部へ供給し、前記燃料電池は、前記二次電源の電力消費量に応じて前記二次電源へ電力を供給し、
前記燃料電池は、（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有し、
発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である電源システム。
【請求項１４】
携帯機器用電源システムとして用いる請求項１３記載の電源システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、主に携帯機器に用いられる燃料電池に関し、特に、液体燃料を直接アノードに供給する燃料供給部を備える燃料電池およびその燃料電池を含む電源システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、携帯機器用の電源には、リチウムイオン電池やニッケル水素電池などの二次電池が用いられている。しかし、携帯機器の急速な普及により、さらに長時間使用することが可能な電源が求められている。
【０００３】
そこで、近年、発電部および燃料を供給する燃料供給部を備える小型化された燃料電池が、携帯機器用の電源として注目されている。一般に燃料電池の発電部は、燃料と、大気中の酸素との酸化還元反応を利用して行われる。小型の燃料電池には、燃料として、メタノールやエタノールなどの液体燃料が用いられる。これらの燃料は、直接または改質器で改質してから発電部へ供給される。燃料を直接発電部へ供給する燃料電池は、燃料を改質する工程が不要であることから、燃料供給部の重量と容積が軽減され、携帯機器に備えるには非常に好適である。
【０００４】
液体燃料を直接発電部へ供給する燃料供給部として、従来は、ポンプが用いられており、非常に細い流路内にガスを循環させることも提案されている（例えば、特許文献１、２参照。）。また、毛細管現象を利用して液体燃料の供給を行うものもある（例えば、特許文献３参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特表平１０−５０７５７２号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０８４１９号公報
【特許文献３】
特開昭５９−６６０６６号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１または２に記載の燃料電池のように、ポンプを用いて液体燃料をアノードの触媒層へ供給する場合、触媒層に必要以上の燃料が供給されて、余分な燃料が消費されずにカソードへ移動する、クロスリークの問題が発生する。この問題を低減するには、液体燃料を溶媒で薄める必要がある。しかし、液体燃料を溶媒で薄めた燃料溶液を、アノードと隣接して設けられた燃料流路に循環させるとき、流路の入口側と出口側とで燃料溶液の濃度が異なるという問題もある。出口側でも一定の発電を維持するためには、燃料の利用率を通常５〜１０％程度に抑える必要がある。このように燃料の利用率を抑制するには、発電に使用する量よりも多くの燃料を発電部に供給する必要があり、結局、クロスリークの問題が生じる。
【０００７】
特許文献２に記載の燃料電池のように、導入されたガスの流速を速くするために、非常に細い流路内にガスを循環させる場合、ガスを輸送するための圧力の損失が大きくなる。そこでポンプの送液力を確保するために、大きな電力のポンプを使用しなければならない。また、圧力の損失が大きくなると、燃料電池からの燃料漏れを抑制するための高度なシール技術が必要である。
【０００８】
特許文献３に記載の燃料電池のように、毛細管現象を利用して、アノードの触媒層へ液体燃料を供給する場合にも、必要以上の燃料が発電部のアノードに供給されることから、反応で消費されなかった燃料が、クロスリークによって失われる。
【０００９】
さらに、特許文献１〜３に記載の燃料電池では、燃料流路の入口側と出口側とで燃料の供給量が異なるため、発電部全体で均一な反応が行われないという問題がある。反応が不均一になると、燃料電池の負荷によっては転極などの問題が起こる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、燃料の利用率を高く制御することを可能にするものであり、クロスリークによる燃料の損失を抑制するとともに、アノード側の触媒層全体に均一に燃料を供給することが可能な燃料電池を提供する。また、本発明は、負荷変動に対応した電力の供給が可能な燃料電池を含む電源システムを提供する。
【００１１】
すなわち、本発明は、（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有し、発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である燃料電池に関する。前記燃料利用率Ｒは、８０％以上でもよい。燃料には、メタノールまたはエタノールなどの有機物燃料を用いることができる。
【００１２】
前記燃料供給部は、燃料を前記アノードに直接噴霧する噴射手段を有することが好ましい。前記噴射手段としては、圧電素子と燃料噴射ノズルとを備えるもの、あるいは、圧縮ガスと燃料噴射ノズルとを備えるものなどがある。
【００１３】
前記燃料供給部は、例えば液体燃料を収容する燃料容器、前記アノードと接触する、液体燃料を薄めるための貯水部、および前記燃料容器と前記貯水部とを連絡する燃料輸送部から構成される。前記燃料輸送部は、毛細管現象により、液体燃料を前記貯水部へ輸送できるものであることが好ましい。例えば、前記燃料輸送部は、液体で膨潤可能な材料から構成され、さらに、前記材料の一部を圧迫して液体燃料の輸送を制御する制御弁を備えてもよい。
【００１４】
また、別の燃料供給部は、液体燃料を収容する燃料容器、前記アノードと接触する、液体燃料を薄めるための貯水部、前記燃料容器と前記貯水部とを連絡する燃料輸送部および前記燃料容器から前記貯水部へ液体燃料を輸送するためのポンプから構成される。
【００１５】
前記貯水部は、その内部の水と液体燃料とを撹拌する撹拌手段を有してもよい。また、前記燃料供給部は、発電量に応じて前記アノードの触媒層近傍に供給する燃料量を調整する手段を有してもよい。
このように構成された燃料電池は、携帯機器用電源として用いることができる。
【００１６】
また、本発明は、燃料電池および二次電源からなる電源システムであって、前記二次電源は、電力を外部へ供給し、前記燃料電池は、前記二次電源の電力消費量に応じて前記二次電源へ電力を供給し、前記燃料電池は、（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有し、発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式：Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である電源システムに関する。このように構成された電源システムは、携帯機器用電源システムとして用いることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
本発明の（ａ）触媒層を有するアノード、触媒層を有するカソード、および前記アノードの触媒層とカソードの触媒層との間に介在する電解質から構成される発電部、ならびに（ｂ）前記アノードの触媒層近傍に燃料を供給する燃料供給部を有する燃料電池は、発電に消費された燃料量Ａと、前記アノードの触媒層近傍に供給された燃料量Ｂとの関係式、
Ｒ（％）＝（Ａ／Ｂ）×１００          （１）
で求められる燃料利用率Ｒが、５０％以上である点に特徴を有する。
【００１８】
燃料電池は、燃料のエネルギー密度が高いため、携帯機器用の電源として一般に用いられるリチウムイオン電池を、エネルギー密度の点でしのぐものと期待される。ところが、燃料利用率が５０％未満の燃料電池では、リチウムイオン電池と競合することが困難になる。リチウムイオン電池に対抗しうる燃料電池を得るためには、燃料利用率を５０％以上に設定する必要がある。燃料を有効に利用してより大きなエネルギー密度を得るという観点からは、燃料利用率を８０％以上に設定することが望ましい。
【００１９】
また、アノードへの燃料の供給量は、燃料電池での発電量に応じて変化させることが望まれる。携帯機器などの機器が要求する電力は、常に一定ではないため、燃料利用率を一定以上とするためには、負荷変動に応じて燃料の供給量を調整する必要があるからである。
以下、燃料利用率を５０％以上に高めることが可能な燃料電池の実施形態について説明する。
【００２０】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の一例の概略図である。
本実施形態の燃料電池は、発電部１および燃料供給部１０からなる。発電部１は、プロトン伝導性電解質膜１２の両面に、それぞれ触媒層を含むアノード１１およびカソード１３を有している。燃料供給部１０は、燃料容器１４、噴射装置１６および導入管１５からなる。燃料容器１４は、液体燃料を原液あるいは水溶液の状態で収容する。噴射装置１６は、必要な量の燃料をアノード１１に直接噴霧する。導入管１５は、燃料容器１４から噴射装置１６へ液体燃料を供給する。液体燃料は、有機物燃料であることが好ましく、特に、メタノール、エタノールなどを用いることができる。
【００２１】
図２は、同燃料電池の噴射装置の一例を概念的に示す斜視図である。噴射装置１６のアノード１１と対向する面には、噴霧素子２１が配置されている。噴霧素子２１には、圧電素子と燃料噴射ノズルからなるものや、圧縮ガスと燃料噴射ノズルからなるものを用いることができる。圧電素子は、インクジェットプリンタなどで用いられているものと同様のものを使用することができ、電圧や周波数などを調整して、液体燃料の噴射量を容易に精度よく調節することができる。インクジェットプリンタなどに用いられる圧電素子は、非常に小型であるため、噴射装置１６の一面に複数の噴霧素子２１を形成し、各噴霧素子２１に圧電素子と燃料噴射ノズルを設けることができる。圧電素子は、液体燃料を狙ったところへ噴射することができるので、アノード１１全体に均一に燃料を供給できる。
アノード１１またはカソード１３の触媒層に、燃料や酸化剤を拡散させるためのカーボンペーパーや集電のための金属メッシュなどが接合されている場合、燃料は、カーボンペーパーや金属メッシュなどの上から触媒層へ噴射される。
【００２２】
また、圧電素子を用いずに、燃料噴射ノズルから、圧縮ガスとともに液体燃料を噴射させるようにしてもよい。圧縮ガスを用いる場合、ガス圧力や噴霧時間などで液体燃料の量を決定でき、かつ一個のノズルでも広範囲に燃料を噴霧可能である。もちろん圧縮ガスを用いる場合にも、噴霧素子２１を図２に示すように噴射装置１６の一面に複数形成し、各噴霧素子２１から圧縮ガスとともに液体燃料を噴射させてもよい。
【００２３】
上述のような燃料電池は、噴射装置１６から、アノード１１全面に燃料を均一に噴霧できるため、アノード１１全面で均一な反応を行わせることができる。また、噴射装置１６から発電に必要な量だけの燃料をアノード１１に供給可能なため、余分な燃料がアノード１１に供給されることがない。従って、電解質膜１２を余分な燃料が透過することによる、クロスリークの問題を大幅に改善することができる。また、燃料利用率を５０％以上さらには、８０％以上に達成することができるので、携帯機器用の電源として好適である。
【００２４】
圧電素子や圧縮ガスを用いた噴射装置１６は、それ自体が液体燃料の供給を停止させる弁の役割も有する。従って、発電部１に負荷がかからず燃料電池が発電を行わないときは、燃料の供給を停止できるため、燃料の損失を招くこともない。さらに、発電に必要な量だけの燃料をアノード１１に供給可能なため、燃料容器１４内の液体燃料を高濃度のまま収容してもよく、高濃度の液体燃料を直接アノード１１に噴霧したりすることができる。
【００２５】
本実施形態の燃料電池は、燃料を循環させるための流路を必要としないため、大きな電力を有するポンプを使用して、流路に燃料を循環させる必要もない。従って、圧力の損失も小さく、燃料漏れの虞れも低減される。
噴射装置１６は、噴霧素子２１の設置場所を自由に変更することができるので、設置場所を調節して、アノード１１全面に均一に燃料を供給することができる。また、逆にアノード１１の任意の場所に燃料を多く、もしくは少なく供給することもできる。このような調整により、アノード１１の一部分だけで燃料が不足することによる転極の問題を低減することができる。
【００２６】
実施の形態２
図３は、本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の一例の概略図である。
本実施形態の燃料電池は、発電部１および燃料供給部２０からなる。燃料供給部２０は、燃料容器１４、貯水部３２および導入管３１からなる。燃料容器１４は、液体燃料を原液あるいは水溶液の状態で収容している。貯水部３２は、液体燃料を薄めるための水を含んでおり、アノード１１の片面と接合している。貯水部３２の接合面には、カーボンペーパーなどの拡散層が形成されており、液体燃料をアノード１１の全面に均一に浸透させている。また、有機物燃料がアノード１１で反応したときに、ＣＯ２ガスを発生することから、貯水部３２には、発生したＣＯ２ガスを排気する排気弁３３を設けている。導入管３１は、液体により膨潤可能な材料からなり、その内部に例えば多孔質体などを充填させることができる。液体燃料は導入管３１の毛細管現象により、燃料容器１４から貯水部３２へ輸送される。その他の構成については、図１と同様である。
【００２７】
一般に、燃料電池を携帯機器用の電源として使用する場合、エネルギー密度が高くなければならず、燃料容器１４に収容されている液体燃料は高濃度でなければならない。しかし、燃料が高濃度のままアノード１１へ供給されると、クロスリークする量が増大し、燃料利用率の制御も困難となる。
本実施形態の燃料電池では、貯水部３２とアノード１１が接合しているので、貯水部３２に収容された低濃度の燃料溶液を、アノード１１の全面に均一に供給される。すなわち、燃料容器１４は燃料を原液のまま、あるいは高濃度の燃料溶液を収容しているにもかかわらず、アノード１１に必要量の燃料を全面にわたって均一に供給される。このようにアノード１１の全面に、均一に低濃度の燃料溶液を供給することにより、クロスリークの問題を大幅に改善できる。また、燃料利用率を５０％以上、さらには８０％以上に達成することができるので、携帯機器用の電源として好適である。
【００２８】
図４は、本実施の形態にかかる別の構成を有する燃料電池の一例の概略図である。燃料供給部３０は、燃料容器１４、貯水部４２および導入管３１からなる。貯水部４２は、排気弁３３と、さらに、内部に収容された液体を撹拌する撹拌装置４３を有する。導入管３１は、液体で膨潤可能な材料からなり、さらに、前記膨潤可能な材料の一部を圧迫して液体燃料の輸送を制御する制御弁４４を備える。その他の構成については図３と同様である。
【００２９】
図４に示すような燃料電池は、制御弁４４を用いて、導入管３１に充填された多孔質体を圧迫することにより、容易に液体燃料の輸送量を調整できる。従って、燃料利用率をさらに精度よく制御することができる。また、撹拌装置４３を設けたことにより、貯水部４２内の燃料濃度を短時間で均一化することができるとともに、アノード１１に、より均一な濃度の燃料を供給することが可能となる。
【００３０】
実施の形態３
図５は、本発明の実施の形態３にかかる燃料電池の一例の概略図である。
本実施形態の燃料電池は、発電部１および燃料供給部４０からなる。燃料供給部４０は、燃料容器１４、貯水部３２、導入管５１および燃料容器１４から貯水部３２へ液体燃料を輸送するポンプ５２からなる。その他の構成については、図３と同様である。
【００３１】
図５に示す燃料電池は、ポンプ５２を利用して、燃料容器１４から貯水部３２へ液体燃料を供給している。ポンプ５２の出力は、供給電力などにより、容易に制御できるため、液体燃料の輸送量も容易に制御できる。従って、燃料利用率を極めて精度よく調整することができる。貯水部３２には、内部に収容された液体を撹拌するための撹拌装置４３を設けてもよい。
【００３２】
実施の形態４
燃料電池を機器が要求する負荷の変動に追随可能とするためには、燃料電池と二次電源とを組み合わせた電源システムを構築することが有効である。二次電源には、コンデンサ、二次電池などを用いることができる。
【００３３】
図６は、本発明の実施の形態４にかかる電源システムの一例のブロック図である。
電源システム６０は、燃料電池６１、二次電源６２およびそれらの動作を制御する電力制御回路６３からなる。燃料電池６１には、既に説明したものを限定なく用いることができるが、例えば、図１、３、４または５に示した燃料電池を用いることが好ましい。二次電源６２には、例えばリチウムイオン電池などを用いることができる。
【００３４】
図７は、本実施の形態にかかる電力制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。ここでは、図５の燃料電池を備えた電源システムを例に取り、以下に電力制御回路６３の動作を説明する。
電力制御回路６３は、携帯電話などの外部の機器から電力の要求があると（ステップＳ１０１）、二次電源６２から電力を供給するように制御する（ステップＳ１０２）。次に、燃料電池６１の発電量を決定する（ステップＳ１０３）。燃料電池の発電量は、二次電源６２が外部の機器に供給することによって消費した電力量により決定される。
【００３５】
続いて、燃料利用率（Ｒ）を算出する式（１）に基づいて、ステップＳ１０３で決定された燃料電池６１の発電量（Ａ）から、アノード１１に供給する燃料量（Ｂ）を決定する（ステップＳ１０４）。詳しくは、燃料電池６１の発電量を式（１）のＡに代入し、予め設定されている燃料利用率を式（１）のＲに代入して、アノードに供給する燃料量であるＢを求めることができる。
ステップＳ１０４で求めた量の燃料を燃料容器１４から貯水部３２へ供給するために、ポンプ５２の供給電力を制御する（ステップＳ１０５）。要求された量の燃料が貯水部３２からアノード１１へ供給されるのを待ち（ステップＳ１０６）、全ての燃料がアノード１１に供給された後に、発電を開始して、二次電源６２へ電力を供給する（ステップＳ１０７）。
【００３６】
このような電源システムによれば、以下のような理由により、負荷変動に追随しつつ、燃料利用率を一定値以上に保つことができる。
燃料電池の燃料利用率を一定値以上に保つためには、燃料電池の負荷変動に応じて、アノードに燃料を供給する必要がある。しかし、要求された量の燃料が全てアノードに到達するまでには、一定の時間を要する。つまり、負荷変動に応じてアノードへの燃料の輸送量を変更したとしても、負荷変動のタイミングに合わせて燃料電池の発電量を変動させることができない。一方、外部から要求された電力を、まず二次電源により供給し、二次電源が消費した電力を燃料電池から供給する場合には、負荷変動のタイミングに完全にあわせて燃料電池で発電を行う必要がない。
このように構成された電源システムは、負荷変動の大きな携帯機器に特に好適である。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００３８】
《実施例１》
実施の形態１に記載の燃料電池を作製した。
【００３９】
（１）発電部の作製
平均一次粒子径３０ｎｍの導電性カーボン粒子に、平均粒子径約３０Åの白金粒子を５０重量％担持したものを、カソード側の触媒担持粒子とした。また、平均一次粒子径３０ｎｍの導電性カーボン粒子に、平均粒子径約３０Åの白金粒子とルテニウム粒子とを、それぞれ２５重量％担持したものをアノード側の触媒担持粒子とした。
次に、それぞれの触媒担持粒子とプロトン伝導性電解質とを混合し、カソード側の触媒ペーストおよびアノード側の触媒ペーストを作製した。触媒ペースト中のカーボンおよびプロトン伝導性電解質の重量比は１：１に調整した。
【００４０】
プロトン伝導性電解質膜（ナフィオン１１７、デュポン社製）の両面に、それぞれカソード側の触媒ペーストおよびアノード側の触媒ペーストを印刷し、アノード側触媒層、カソード側触媒層を形成した。触媒量はアノードおよびカソードのそれぞれに対して、白金換算で２ｍｇ／ｃｍ２とした。触媒の印刷範囲は、２ｃｍ×２ｃｍの大きさとした。さらに、アノードおよびカソードを有する膜を、拡散層となるカーボンペーパー、および集電体となる金メッシュで挟み込んだ。こうして、燃料電池の発電部を作製した。
【００４１】
（２）燃料供給部の作製
図２に示すように、アノードに均一に燃料が供給されるように、アノードと対向する筐体の片面に、燃料を吐出させる噴霧素子２１を複数形成した。筐体の他方の面には、燃料を輸送する導入管１５と通じる開口部（図示せず）を形成した。噴霧素子２１の内部には、インクジェットプリンタなどで用いられるものと同様の圧電素子（図示せず）および圧電素子に通じる燃料噴射ノズル（図示せず）を設けた。
図１に示す燃料容器１４には、メタノールと水をモル比１：１で含む燃料溶液を収容した。燃料溶液は、導入管１５を通して噴射装置１６に供給した。噴射装置１６に供給された燃料溶液は、圧電素子の圧力により、燃料噴射ノズルからアノード１１へ噴射した。一方、カソード１３へはブロワを用いて大気を送風した。
【００４２】
《実施例２》
噴霧素子２１に圧電素子を設ける代わりに、圧縮ガスを用い、一般的なスプレー方式を利用して燃料噴射ノズルから圧縮ガスとともに燃料溶液を噴射させた。その他の構成については、実施例１と同様とした。
本実施例では、圧縮ガスを用いて燃料溶液を噴射したことから、燃料溶液をさらに細かく噴射することができた。ここでは圧縮ガスを用いたが、上記と同様の噴射が可能であれば、どのような噴射装置を用いても構わない。
【００４３】
《実施例３》
実施の形態２に記載の燃料電池を作製した。発電部１は実施例１と同様に作製した。
【００４４】
図４に示すように、燃料供給部３０の燃料容器１４と貯水部４２とを、多孔質体を充填した導入管３１を用いて連絡した。上記多孔質体には、綿を用いた。導入管３１には、多孔質体の一部を圧迫して燃料の輸送を制御する制御弁４４を設けた。貯水部４２には、内部で生成するＣＯ２ガスを排出するために、気液分離が可能なＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）膜からなる排気弁３３を設けた。さらに、アノード１１の側面と接合する貯水部４２の面には、カーボンペーパーなどの拡散層を形成した。そして、貯水部４２とアノード１１との接合部分から液漏れが生じないように、接合部分を接着材などでシールした。その他の構成については、実施例１と同様とした。
【００４５】
《実施例４》
実施の形態３に記載の燃料電池を作製した。発電部１は、実施例１と同様に作製した。
【００４６】
実施例３で用いた導入管３１の代わりに、ポンプ５２を取り付けた導入管５１を用いたこと以外、実施例３と同様に燃料電池を作製した。ポンプ５２には、流量の調整が可能なマイクロチューブポンプ（ＭＰ−１０００、東京理化器械（株）製）を用いた。
【００４７】
《比較例１》
図８に比較例１の燃料電池の概略図を示す。
実施例１で作製したのと同様の発電部１のアノード１１に、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍの流路を形成した、厚さ４ｍｍのカーボンセパレータ７１を取り付けた。カソード１３には、無数の開口部を有するカーボン板７２を取り付けた。そして、これらを締結により固定して、発電部７０を完成した。
【００４８】
燃料供給部は、燃料容器１４、導入管７３、燃料回収管７４およびマイクロチューブポンプ５２（ＭＰ−１０００、東京理化器械（株）製）を用いて作製した。燃料容器１４とカーボンセパレータ７１の燃料流路入口Ａとを、ポンプ５２を取り付けた導入管７３を用いて連絡した。また、燃料容器１４とカーボンセパレータ７１の燃料流路出口Ｂとを、燃料回収管７４を用いて連絡した。燃料容器１４には、生成したＣＯ２ガスを排出するための気液分離が可能なＰＴＦＥ膜からなる排気弁７５を設けた。
【００４９】
まず、ポンプ５２を駆動し、燃料容器１４内の液体燃料を、導入管７３からセパレータ７１の燃料流路入口Ａに供給した。液体燃料は、セパレータ７１内の流路を通過後、セパレータ７１の燃料流路出口Ｂから排出させ、燃料回収管７４を通過させて、再び燃料容器１４に回収した。
【００５０】
《比較例２》
図９に比較例２の燃料電池の概略図を示す。発電部１は、実施例１と同様に作製した。
図９に示すように、アノード１１の全面と燃料容器１４とを、毛細管現象を起こす高分子材料からなる多孔質体を充填した導入管８１を用いて連絡した。
燃料容器１４内の液体燃料を、毛細管現象によって、アノード１１の下端部から上端部へ順次、供給した。
【００５１】
［評価］
実施例１〜４の燃料電池では、メタノールと水をモル比１：１で含む燃料溶液を用いて、発電を行うことができた。燃料の供給は、燃料利用率が５０％以上と８０％以上になるように調整して行った。その結果、いずれの燃料利用率に設定した場合でも、全ての燃料電池で、２００ｍＡ／ｃｍ２の電流域まで、満足のいく発電が可能であった。
【００５２】
一方、比較例１、２の燃料電池では、満足のいく発電を行うことができなかった。これは、実施例１〜４の燃料電池では、アノードの触媒層近傍に供給される燃料溶液のメタノール濃度を低くできることから、クロスリークするメタノール量が小さかったのに対し、比較例１、２の燃料電池では、メタノール濃度が高いまま燃料溶液がアノードへ供給されることから、クロスリークするメタノール量が非常に大きかったためと理解できる。そのため、比較例の燃料電池の燃料利用率は非常に小さかった。
【００５３】
そこで、比較例１、２の燃料電池を用い、燃料容器１４内の燃料溶液のメタノール濃度を０．１ｍｏｌ／ｌに調整して、再度、発電を行った。
【００５４】
その結果、比較例２の燃料電池では、１０ｍＡ／ｃｍ２までしか発電することができなかった。
一方、比較例１の燃料電池では、さらに燃料の流量が非常に大きくなるようにポンプ５２を駆動し、燃料利用率を５０％より小さくすることで、１００ｍＡ／ｃｍ２まで発電することができた。しかし、燃料利用率を５０％以上に設定すると、２０ｍＡ／ｃｍ２までしか発電することができなかった。
この原因として、比較例１、２の燃料電池では、燃料利用率を高めようとすると、燃料が供給されるアノード１１の入口付近と、燃料が流出される出口付近とで燃料溶液のメタノール濃度が大きく異なり、アノード１１側の触媒層に均一に燃料を供給できなくなることが考えられる。
【００５５】
以上のように、燃料利用率を高めようとすると、液体燃料が供給される入口付近と入口から最も離れた出口付近とで濃度差が大きくなり、入口から最も離れた所で燃料が不足することから、反応が不均一になって転極が起こる。このような燃料電池は、高電流密度の発電を行うことができない。一方、燃料が供給される入口付近から最も離れた所でも燃料が不足しないように、供給する燃料の濃度を高くすると、入口付近での濃度が過剰となり、クロスリークする量が大きくなる。つまり、燃料利用率の向上と転極の防止とは、トレードオフの関係にある。
【００５６】
また、比較例１の燃料電池では、燃料利用率を下げることで１００ｍＡ／ｃｍ２まで発電が可能であったが、この場合、燃料を送り出すためのポンプ５２は、セパレータ７１にかかる圧力の損失を補うために、実施例３の燃料電池の場合よりも多くの電力を必要とする。この余分な電力は、エネルギー密度を下げる要因となるため、このような燃料電池は携帯機器などに用いるには適さない。
圧力の損失が大きい場合には、発電部７０のシール性などにも配慮する必要がある。実際、比較例１の燃料電池には、発電後に液漏れが見られた。これは、カーボンセパレータ７１内の燃料に大きな圧力がかかるため、実施例３または４の燃料電池よりも気密性を保つことが難しいためと考えられる。
【００５７】
本発明の燃料電池では、燃料利用率を高く維持するために、アノードに均一に燃料を供給することに特徴があるため、アノードに供給する燃料の種類は特に限定されない。例えば、エタノールや、その他の有機物燃料であってもよく、それらは、原液でも、いかなる濃度の水溶液であっても構わない。
【００５８】
《実施例５》
図６に示すような電源システム６０を作製した。燃料電池６１として、図５に示す燃料電池を用いた。二次電源６２には、リチウムイオン電池を用いた。また、負荷を与える機器として、携帯電話を用いた。
携帯電話を使用している間、燃料電池のポンプ５２を制御することにより、燃料利用率を８０％以上に保つことが可能であった。また、このシステムにおいて、燃料電池に収容された燃料を使い切るまでは、リチウムイオン電池の容量に大きな変動はなかった。
【００５９】
このような電源システムは、リチウムイオン電池のみからなる電源よりも、高エネルギー密度を有することから、携帯機器用電源システムとして極めて有用である。
【００６０】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料の利用率を高く制御することが可能であり、クロスリークによる燃料の損失を制御するとともに、アノード側の触媒層全体に均一に燃料を供給することができる。また、二次電源と本発明の燃料電池とを備えた電源システムを構成することにより、携帯機器などの負荷変動の大きな機器に対応した電力の供給を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる燃料電池の一例の概略図である。
【図２】同燃料電池の噴射装置の一例を概念的に示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２にかかる燃料電池の一例の概略図である。
【図４】実施の形態２にかかる別の構成を有する燃料電池の一例の概略図である。
【図５】本発明の実施の形態３にかかる燃料電池の一例の概略図である。
【図６】本発明の実施の形態４にかかる電源システムの一例のブロック図である。
【図７】同電源システムの電力制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。
【図８】比較例１にかかる燃料電池の概略図である。
【図９】比較例２にかかる燃料電池の概略図である。
【符号の説明】
１、７０  発電部
１０、２０、３０、４０  燃料供給部
１１  アノード
１２  プロトン伝導性電解質膜
１３  カソード
１４  燃料容器
１５、３１、５１、７３、８１  導入管
１６  噴射装置
２１  噴霧素子
３２、４２  貯水部
３３、７５  排気弁
４３  撹拌装置
４４  制御弁
５２  ポンプ
６０  電源システム
７１  カーボンセパレータ
７２  カーボン板
７４  燃料回収管
【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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