(57)【要約】【課題】  外気が乾燥している場合でも、プロトン伝導性膜の湿潤状態を適切な状態に保つことができる固体高分子型燃料電池や直接型メタノール燃料電池を提供する。さらに、直接型メタノール燃料電池の場合には、燃料の無駄をも抑制する。【解決手段】  （１）燃料極、（２）空気極、（３）燃料極と空気極との間に挟持されたプロトン伝導性膜、ならびに（４）空気極への空気取入れ口に設けられた開閉可能な扉からなる、燃料電池。【選択図】図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（１）燃料極、
（２）空気極、
（３）前記燃料極と前記空気極との間に挟持されたプロトン伝導性膜、ならびに
（４）前記空気極への空気取入れ口に設けられた開閉可能な扉
からなる、燃料電池。
【請求項２】
前記開閉可能な扉の開度を、燃料電池の出力密度および電流密度の少なくとも一方に応じて制御する制御手段をさらに備える、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記制御手段が、前記プロトン伝導性膜のプロトン伝導性を一定範囲に維持するように、前記開閉可能な扉の開度を制御する請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記制御手段が、前記プロトン伝導性膜における燃料の透過量を一定範囲に維持するように、前記開閉可能な扉の開度を制御する請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記開閉可能な扉が、平行に配列する旋回可能な複数の羽板からなるよろい戸である、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記開閉可能な扉が、複数の引き戸からなる、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記複数の羽板または前記複数の引き戸の各々において、その縁部に、クロロプレンゴムおよびフッ素ゴムよりなる群から選択される少なくとも１種からなるパッキンが配置されている、請求項５または６に記載の燃料電池。
【請求項８】
請求項１に記載の燃料電池を搭載した携帯型電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器用の電源としての燃料電池に関し、より具体的には、空気を送るためのポンプ等といった補機を持たない空気呼吸型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やノート型パーソナルコンピュータ（以下、ノートパソコンと略す）といった携帯型電子機器において、軽量化、小型化が要求されるとともに長時間の使用が要求されている。このため、軽量および小型であって、かつ、エネルギー密度の高い電源が求められている。エネルギー密度が高いリチウムイオン二次電池が、そのような電源として現在普及しているが、このほかにも、電気化学反応により発電を行う燃料電池も注目されている。中でも、パーフルオロカーボンスルホン酸膜といった高分子膜をプロトン伝導性膜とし、水素ガスを燃料とする固体高分子型燃料電池（以下、ＰＥＦＣと略す）や、メタノール水溶液を燃料とする直接型メタノール燃料電池（以下、ＤＭＦＣと略す）は、リチウムイオン二次電池よりも高いエネルギー密度が実現可能な電源として期待されている。
【０００３】
空気極で酸素を消費して発電を行う燃料電池である、上記ＰＥＦＣやＤＭＦＣは、空気を送るためのポンプ等といった補機を用いない空気呼吸型の燃料電池でも、４８ｍＷ／ｃｍ2程度の最大出力密度で発電を行うことができる（特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−３１７７４５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような燃料電池において、高出力での発電中は、多くの酸素が空気極へ到達できるように、大きな空気取入れ口が必要である。特許文献１に記載される燃料電池の空気の取入れ口は、常時開放状態となっており、高出力運転に適した構造となっている。しかし、電子機器の電源として燃料電池を用いる場合、高出力運転だけでなく、休止や低出力運転といった運転状態が生じる。特許文献１に記載される燃料電池では、空気の取入れ口の開度を調節できないために、以下のような問題が生じる。
【０００５】
プロトン伝導性は、プロトン伝導性膜の湿潤状態に大きく依存する。高出力運転中は空気極で水が生成するため、プロトン伝導性膜を湿潤した状態に維持することができる。しかし、外気が乾燥している場合に、休止状態や低出力運転状態で空気取入れ口が全開のままであると、プロトン伝導性膜が乾燥して、プロトン伝導性が低下する。このため、次の起動時および運転中に内部抵抗が増大し、出力が低下してしまうことがある。
【０００６】
ＤＭＦＣの場合は、更に、燃料のメタノール水溶液がプロトン伝導性膜中を燃料極から空気極に透過する現象であるクロスリークを生じてしまう。クロスリークしたメタノールは、空気極に酸素があれば反応し、水と二酸化炭素になる。このメタノール水溶液のクロスリークの駆動力の１つとしては、燃料極と空気極との間のメタノールの濃度勾配が挙げられる。
空気取入れ口の開度が調節できないと、空気極に酸素が供給され続けることになる。これにより、メタノール水溶液が空気極側での反応により消費されて、空気極でのメタノールの濃度が薄くなる。このため、メタノール水溶液が燃料極から空気極に常にクロスリークすることになる。このメタノール水溶液のクロスリークは、燃料極と空気極との濃度差がほぼゼロになるまで続く。
【０００７】
空気取入れ口の開度を調節できない場合でも、燃料電池を高出力で運転すれば、クロスリークし、空気極側で反応するメタノールの量は、発電で消費されるメタノール量と比較して少なくなる。しかしながら、燃料電池が休止状態や低出力運転状態にある場合には、クロスリークし空気極側で反応するメタノールの量は、発電で消費するメタノール量と比較して相対的に多くなる。従って、電力へ変換できる燃料の量が減少する。
【０００８】
そこで、本発明は、プロトン伝導性膜の湿潤状態を適切な状態に保ち、さらに、燃料の無駄を抑制することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、（１）燃料極、（２）空気極、（３）燃料極と空気極との間に挟持されたプロトン伝導性膜、ならびに（４）空気極への空気取入れ口に設けられた開閉可能な扉（もしくはゲート）からなる燃料電池に関する。これにより、プロトン伝導性膜におけるプロトン伝導性を制御でき、さらに、ＤＭＦＣの場合には、燃料のクロスリークを一定範囲に制御することもできる。
【００１０】
上記燃料電池において、前記開閉可能な扉の開度を、燃料電池の出力密度および電流密度の少なくとも一方に応じて制御する制御手段をさらに備えることが好ましい。これにより、プロトン伝導性の制御性とクロスリークの制御性を向上することができる。
【００１１】
上記燃料電池において、開閉可能な扉が、平行に配列した旋回可能な複数の羽板からなるよろい戸であることが好ましい。また、開閉可能な扉を、複数の引き戸から構成してもよい。これにより、簡易な構成で扉の開度の制御を行うことができる。
また、上記複数の羽板の各々において、その縁部に、クロロプレンゴムおよびフッ素ゴムよりなる群から選択される少なくとも１種からなるパッキンが配置されていることがさらに好ましい。これにより、扉のシール性を向上することができる。
【００１２】
また、本発明は、上記のような燃料電池を搭載した携帯型電子機器に関する。本発明にかかる燃料電池を用いることにより、出力の安定化と燃料の高利用率が達成されるので、携帯型電子機器の信頼性を向上することができ、また、携帯型電子機器の長時間にわたる使用を可能にする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池が休止状態および低出力運転状態において、プロトン伝導性膜のプロトン伝導性を高い状態に保つことができるので、次の起動時および運転中に出力低下を抑制できる。さらに、休止状態および低出力運転状態における燃料の無駄な消費を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
実施の形態１
以下に、本発明の燃料電池を、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の一実施形態にかかる燃料電池を装着したノートパソコンの斜視図を示す。また、図２に、本発明の一実施形態にかかる燃料電池の発電部の概略構成図を示す。
本実施形態において、燃料電池は、燃料極、空気極、および燃料極と空気極との間に挟持されたプロトン伝導性膜からなる膜電極複合体を備える発電部、ならびに空気極と外部とを連通する開口に設けられた開閉可能な扉（もしくはゲート）からなる。
【００１５】
図２に示されるように、燃料電池の発電部２０は、燃料極３０、空気極３１、ならびに燃料極３０と空気極３１との間に挟持されたプロトン伝導性膜２３からなる膜電極接合体を備える。上記燃料極３０は、触媒層２１と拡散層２４からなり、拡散層２４は、多孔質カーボンシートからなる。また、上記空気極３１は、触媒層２２と拡散層２７からなり、拡散層２７は、撥水性を有する多孔質カーボンシートからなる。
【００１６】
燃料極側の拡散層２４の上には、カーボンセパレータ２５が積層されており、カーボンセパレータ２５には、その拡散層２４と接する側に、燃料が流れる複数の溝２６が形成されている。
また、空気極側の拡散層２７の上には、金属シート２８が積層されており、金属シート２８には、空気が通る複数の孔２９が形成されている。
【００１７】
上記触媒層２１および２２は、触媒を担持したカーボンからなり、ここで、触媒およびカーボンとしては、当該分野で公知のものを用いることができる。また、多孔質カーボンシートおよびプロトン伝導性膜としては、当該分野で公知のものを用いることができる。
ただし、本発明の燃料電池は、燃料として、水素ガスを用いてもよいし、メタノール水溶液を用いてもよいので、用いる燃料の種類によって、燃料極等を選択する必要がある。
【００１８】
次に、空気極への空気取入れ口に設けられた開閉可能な扉について、説明する。
この開閉可能な扉は、空気極と外部とを連通する開口に設けられており、図１に示されるように、ルーバーやブラインドと呼ばれる、複数の一定幅の羽板１４を平行に旋回可能に取り付けたよろい戸１３からなる。ここで、羽板１４は、左右方向に開くように配置されている。
【００１９】
図１に示されるノートパソコン１０の蓋部分１１内には、図２に示される発電部を有する燃料電池が設置されている。このとき、燃料極がディスプレイ１２側に配置され、空気極が蓋部分１１の背面側に配置されている。なお、ノートパソコンの本体部１５上には、キーボード等が搭載されている。
【００２０】
次に、図３に、図１のＩ−Ｉ線での断面図を示す。ここで、図３（ａ）は、よろい戸が閉じている状態を示し、図３（ｂ）は、よろい戸が全開の状態を示している。
複数の羽板１４は、平行に、かつ軸３２の周りに旋回可能であるように配置されている。
羽板１４が閉じられた状態では、羽板１４は、他の羽板と重なり、その重なった部分には、パッキン３３が配置されている。ここで、パッキンとしては、クロロプレンゴムおよびフッ素ゴムからなる群から選択される少なくとも１種からなるゴムを用いることが好ましい。これにより、よろい戸が閉じているときのシール性を向上することができる。
【００２１】
本発明においては、燃料電池の出力状態に応じて、上記よろい戸１３の開度が調節される。つまり、燃料電池が休止状態にある場合には、よろい戸１３は閉じられ、運転出力が上昇するにつれて、よろい戸１３の開度が大きくなる。そして、最大出力で運転されている状態で、その開度が最大になる。
【００２２】
つまり、燃料電池が休止状態にある場合には、上記羽板は、図３（ａ）に示されるように、閉じた状態にある。燃料電池の出力が上昇するにつれて、羽板１４が軸３２の周りで旋回して、ノートパソコンのディスプレイの背面に対する羽板１４の角度が徐々に大きくなる。これにより、よろい戸の開度が増加する。燃料電池が最大出力で運転している状態では、図３（ｂ）に示されるように、羽板の角度が前記背面に対して９０°となり、よろい戸の開度が最大となる。
【００２３】
上記のように、燃料電池が高出力状態で運転されている場合には、空気極で水が生成するため、プロトン伝導性膜を湿潤した状態に維持することができる。しかし、外気が乾燥している場合に、休止状態や低出力運転状態で空気取入れ口の開度が調節できないと、プロトン伝導性膜が乾燥して、プロトン伝導性が低下する。本発明においては、上記のように、空気極と外部とを連通する開口によろい戸のような開閉可能な扉が設けられており、休止状態では、その扉が閉じられ、また、低出力運転状態では、扉の開度が小さくなる。これにより、プロトン伝導性膜と外気との接触が低減されるので、空気極での水の生成量が少ない休止状態や低出力運転状態であっても、プロトン伝導性膜を湿潤した状態に維持することが可能となる。
【００２４】
特に、メタノール水溶液を燃料とする従来のＤＭＦＣでは、休止状態や低出力運転状態で、クロスリークし空気極側で反応するメタノールの量は、発電で消費するメタノール量と比較して相対的に多くなり、電力へ変換できる燃料の量が減少する。しかしながら、本発明により、休止状態や低出力運転状態では、開閉可能な扉の開度を小さくすることができるために、空気極に供給される酸素の量が制限されることになる。これにより、クロスリークして空気極側で反応するメタノールの量を低減することができる。従って、燃料であるメタノールを無駄に消費することを防ぐことが可能になる。
【００２５】
次に、開閉可能な扉の開度の制御方法について説明する。
扉の開度の制御は、燃料電池の出力密度および電流密度の少なくとも一方に応じて、扉の開度を制御する制御手段によって行われる。例えば、この制御手段として、ノートパソコンに組み込まれた電源制御ユニットを用いることができる。
【００２６】
本実施形態において、上記電源制御ユニットは、開閉可能な扉の開度を調節するだけでなく、燃料電池の発電、ならびにその出力密度、電流密度等をも制御することが好ましい。これにより、燃料電池の出力密度、電流密度等にあわせて、扉の開度を制御することができる。
なお、前記電源制御ユニットは、二次電池、コンデンサ等の充電可能な電源を備えることが好ましい。これにより、燃料電池が作動していない状態においても、電源制御ユニット自体を作動させることが可能になる。
【００２７】
次に、開閉可能な扉がよろい戸である場合、よろい戸を構成する羽板を動かすための駆動部の一例を図４を参照しながら説明する。
図４に示される駆動部４０は、モーター４３、モーター４３の軸であるシャフト４４、シャフト４４に取り付けられたボールネジ４５からなる。また、羽板４１には、パッキン４２を取り付けられた側とは反対側の端部に、ボールネジ４５と係合する歯車４６が設けられている。この歯車４６は、例えば、軸受（図示せず）により、支持されている。
【００２８】
モーター４３の作動は、上記電源制御ユニットにより、制御されるようにすることができる。電源制御ユニットにより、モーター４３が作動されると、シャフト４４が回転し、それにより、シャフト４４に取り付けられたボールネジ４５も回転する。ボールネジ４５を回転させることにより、ボールネジ４５と係合した歯車４６が回転する。これにより、羽板のディスプレイの背面に対する角度が、図４に示されるように大きくなる。従って、モーターの作動時間、回転方向等を調節することにより、羽板の角度、つまりよろい戸の開度を調節することが可能となる。
【００２９】
なお、本実施形態では、図１に示されるように、羽板１４が左右に開く形態を示しているが、図５に示すように、羽板１４が上下に開く形態でも、同様の効果が得られる。ここで、図５は、本発明の別の実施形態にかかる燃料電池を装着したノートパソコンの斜視図である。
【００３０】
次に、燃料電池への燃料の供給について、説明する。
燃料は、燃料タンクから燃料電池へと供給される。このとき、燃料の供給速度、供給量等は、燃料電池の出力密度等に対応して、上記電源制御ユニットによって制御することが好ましい。
【００３１】
上記のように、燃料としては、水素ガスまたはメタノール水溶液が用いられる。特に、燃料が水素ガスである場合には、安全性や貯蔵できる水素ガスの量を向上させるために、水素ガスを吸蔵および放出可能な水素吸蔵合金を用いることが好ましい。水素吸蔵合金の例としては、ＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金（比重：４．５）が挙げられる。このＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金は、自重の２．０重量％の水素ガスを吸蔵できる。この水素吸蔵合金は、燃料タンクに収容される。
【００３２】
また、上記燃料タンクは、例えば、燃料タンクへの燃料の供給が可能なように、従来ノートパソコンの電池パックを入れている部分（例えば、本体部の内部、蓋部と本体部とのつなぎめ部分等）に配置されることが好ましい。
また、燃料を燃料タンクから燃料極へ供給するためのポンプを、燃料電池が有することが好ましい。このポンプも、電源制御ユニットによって制御することが好ましい。
【００３３】
また、燃料電池による発電は、ノートパソコンを作動させるだけでなく、上記電源制御ユニットが備える二次電池等を充電するために行われてもよい。さらに、パソコンの作動は、上記二次電池等を用いてもよいし、燃料電池からの電力を用いてもよい。さらには、二次電池と燃料電池の両方を、ノートパソコンの作動に用いてもよい。
【００３４】
また、燃料電池を用いて二次電池を充電する場合、二次電池の充電量が高くなるにつれて、燃料電池の発電の出力を低下させるようにしてもよい。
【００３５】
また、燃料電池の出力は、例えば、燃料が水素である場合には約０．５Ｖまで、燃料がメタノールである場合には約０．３Ｖまでは、電圧が下がるにつれて増大し、一方、電圧がそれよりも小さくなると、燃料電池の出力は低下する。従って、電源制御ユニットへ出力される電圧を変化させることにより、燃料電池の出力が制御される。
【００３６】
また、ノートパソコンを使い終え、終了処理を行った後に、燃料電池による発電により、電源制御ユニットに含まれる二次電池等を充電してもよい。この場合にも、上記と同様に、二次電池の充電量が高くなるにつれて、燃料電池の発電の出力を低下させるようにしてもよい。
【００３７】
実施の形態２
次に、複数の引き戸からなる開閉可能な扉を有する場合について、図６および７を参照しながら説明する。ここで、図６は、本発明の別の実施形態にかかる燃料電池を装着したノートパソコンの斜視図であり、図７は、図６のＡ−Ｂ線での断面図を示す。
本実施形態において、開閉可能な扉は、図６および図７に示されるように、複数の引き戸６２と、ノートパソコン背面の筐体に開けられた複数の窓６３とからなる。また、上下に配置された窓と窓の間は、引き戸の幅と同程度の間隔が開けられており、窓の縦方向の幅は、引き戸の縦方向の幅よりも多少狭くなるようにされている。さらに、窓が引き戸によって閉じられた場合に、そのシール性を向上させるために、引き戸の窓枠に対向する面は、パッキン６４により縁取りされている。この場合にも、パッキンとしては、クロロプレンゴムおよびフッ素ゴムからなる群から選択される少なくとも１種からなるゴムを用いることが好ましい。
【００３８】
本実施形態においても、燃料電池が休止状態にある場合には、窓は引き戸によって閉じられている。燃料電池の出力が上昇するにつれて、引き戸が下向きにスライドされ、窓が開かれる。最大出力で運転される状態では、窓は完全に開かれる。この場合にも、引き戸のスライドによる窓の開閉は、電源制御ユニットによって、燃料電池の出力状態に応じて制御される。
【００３９】
また、引き戸のスライドは、例えば、図４に示されるような駆動部を用いて行うことができる。この場合、引き戸のディスプレイ側の面に横方向の溝を入れておき、この溝に、ボールネジを係合させ、ボールネジを回転させることにより、引き戸をスライドさせることが可能となる。
【００４０】
本実施形態のように、引き戸を用いて扉の開閉を行う場合には、上記よろい戸を用いる場合と比較して、窓と窓との間に引き戸を収納できるだけの幅を必要とするために、開口部分の占める面積が減少してしまう。しかし、よろい戸の場合とは異なり、外形サイズが変化しないので、例えば、ノートパソコンの背面に寸法の制約がある場合や、外形サイズが変化しないことを必要とする携帯型電子機器においては有効である。
【００４１】
実施の形態３
次に、よろい戸における羽板の駆動を、形状記憶合金で行う場合について、図８を参照しながら説明する。ここで、図８は、コイルバネならびに形状記憶合金コイルを用いる、よろい戸の駆動機構を示す概略図である。
【００４２】
本実施形態の場合、この駆動部は、固定具８３、シャフト８４、コイルバネ８５、第１のコイル８６、および第２のコイル８７からなる。
固定具８３は、例えば、開閉可能な扉の枠体に固定されている。固定具８３には、複数の羽板８１が、羽板の長さ方向の所定の位置で、回転可能に固定されている。
シャフト８４には、その長さ方向にわたって、複数の羽板８１の一方の端部が、回転可能に取り付けられている。さらに、シャフト８４の一端には、コイルバネ８５、第１のコイル８６、および第２のコイル８７の一端がそれぞれ取り付けられている。また、コイルバネ８５の他端は、扉の枠体に固定されている。
【００４３】
第１のコイル８６および第２のコイル８７は形状記憶合金からなり、さらに、螺旋状のコイル８６、８７の中空部分に、加熱のための棒状のヒーター（図示せず）が内蔵されている。このヒータにより、第１のコイル８６または第２のコイル８７が加熱されると、これらは伸長する。なお、第１のコイル８６と第２のコイル８７とは、図８に示されるように、それぞれ、直交する方向に配置されている。また、羽板８１のシャフト８４の取り付けられた側とは反対側の端部には、パッキン８２が配置されている。
【００４４】
燃料電池が休止状態にある場合には、図８（ａ）に示されるように、コイルバネ８５の張力により、よろい戸は閉じた状態になる。燃料電池が低出力運転状態にある場合には、第１のコイルの芯に内蔵されたヒータを作動させて、第１のコイルを加熱すると、第１のコイル８６が伸び、シャフト８４が移動する。このシャフト８４の移動により、羽板８１が回転し、図８（ｂ）に示されるように、よろい戸が所定の開度になる。燃料電池が高出力運転状態にある場合には、更に、第２のコイルの芯に内蔵されたヒータを作動させて、第２のコイルと加熱すると、第２のコイルが伸び、シャフト８４がさらに移動する。これにより、図８（ｃ）に示されるように、よろい戸の開度が最大となる。このような、ヒータによる第１のコイルまたは第２のコイルのヒータによる加熱は、例えば、燃料電池の出力密度等に対応して、電源制御ユニットによって制御される。
【００４５】
燃料電池の運転状態が、高出力運転状態から低出力運転状態に変化した場合には、第２のコイルの加熱を停止する。第２のコイルが自然に冷却されて、第２のコイルが縮み、シャフトが、今度は逆方向に移動するため、よろい戸の開度が減少する。さらに、第１のコイルの加熱を停止すると、第１のコイルが縮み、コイルバネの張力によって、休止位置に戻るため、よろい戸が閉じられる。このように、コイルバネと形状記憶合金からなるコイルとを用いる簡易な構成で、よろい戸の開閉が行うことが可能となる。
【００４６】
従って、本実施形態においては、コイルバネと、形状記憶合金からなるコイルとを用いて、よろい戸の開度を、０％、５０％、および１００％というように、３段階で変化させることができる。例えば、電源制御ユニット内の二次電池の充電を、燃料電池を用いて行う場合、二次電池の充電量が９５％である場合には、燃料電池を休止させ、充電量が３０〜９５％である場合には、５０％の出力で発電を行い、充電量が３０％以下である場合には、１００％の出力で発電を行うようにする。このとき、燃料電池が休止状態にある場合には、よろい戸の開度０％とし、５０％の出力で発電を行う場合には、よろい戸の開度を５０％とし、１００％の出力で発電を行う場合には、よろい戸の開度を１００％とすることにより、燃料電池の出力に応じて、よろい戸の開度を調節でき、燃料電池を効率よく作動させることが可能となる。
【００４７】
また、本発明の燃料電池は、空気呼吸型であるため、空気強制供給型ほど出力密度を高くすることはできない。しかしながら、消費電力がある程度小さな携帯型電子機器において使用することは、十分可能である。このため、図９に示されるように、よろい戸９２からなる開閉可能な扉を備える燃料電池を携帯電話９１に搭載することもできる。
【００４８】
本発明を、以下の実施例に基づいて、詳細に説明する。
【実施例１】
【００４９】
本実施例では、燃料として水素ガスを用いる固体高分子型燃料電池を作製した。
まず、図２に示されるような発電部を、以下のように作製した。
プロトン伝導性膜（ナフィオン１１７膜：デュポン社製）の両面に、白金担持カーボンからなる触媒層を形成した。次に、一方の触媒層の上に、多孔質カーボンシートからなる拡散層を積層して、燃料極とした。次いで、他方の触媒層の上に、撥水性を有する多孔質カーボンシートからなる拡散層を積層して、空気極として、膜電極複合体（以後、ＭＥＡと略す）を作製した。ＭＥＡの燃料極の上に、一方の面に流路として溝を形成したカーボンセパレータを配置した。このとき、溝を形成した面が、多孔質カーボンシートに接するように、カーボンセパレータを配置した。
次いで、ＭＥＡの空気極の上に、複数の孔を開けた金属シートを配置して、図２に示されるような発電部を作製した。
【００５０】
次に、空気極側の金属シートの上に、図１に示されるような、よろい戸からなる開閉可能な扉を備える枠体を取り付けて、燃料電池を作製した。このとき、よろい戸を構成する羽板を、図４に示されるような駆動部を用いて駆動できるようにした。
【００５１】
上記のようにして得られた燃料電池を、図１に示されるように、ノートパソコンのディスプレイ背面に配置した。
【００５２】
燃料である水素ガスは、内容積５０ｃｃの燃料タンク内に入れた１１３ｇのＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金（比重：４．５）に吸蔵させた。なお、このＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金は、自重の２．０重量％の水素ガスを吸蔵できるため、ＴｉＣｒＶ系水素吸蔵合金１１３ｇでは、吸蔵できる水素ガスの量は、約２．３ｇであった。
【００５３】
次に、作製した燃料電池の出力密度と電流密度との関係を表すグラフを、図１０に示す。
図１０に示されるように、得られた燃料電池は、最大出力密度０．０５Ｗ／ｃｍ2で発電を行うことができた。従って、発電部の面積は、１４０ｃｍ2であるので、この燃料電池は、７Ｗの最大出力で発電を行うことができたことがわかる。なお、上記のように、約２．３ｇの水素ガスが燃料タンクにあるので、作製された燃料電池は、最大出力で発電を行う場合、燃料を外部から供給することなく、約３３Ｗｈの電力量を発電することができる。
【００５４】
なお、電圧制御を行うために、ＤＣ−ＤＣコンバータを通すので、燃料電池が１００％の出力（つまり、７Ｗの出力）で発電をした場合には、平均変換効率を９０％とすると、作製された燃料電池は、６．３Ｗを供給する能力を有した。
【００５５】
（発電試験）
気温２５℃、湿度２０％ＲＨの乾燥した環境において、上記のようにして得られた燃料電池（電池１）と、比較として空気取入れ口の開度が調節できない従来の燃料電池（比較電池１）を試験した。ここで、比較電池１の発電部は、電池１の発電部と同様なものを用いた。また、比較電池１の空気取入れ口の面積は、本発明の燃料電池のよろい戸の開度が最大のときの開口部の面積と同じにした。
２時間休止状態で放置し、その後発電を行ったときの、電池１（Ａ）および比較電池１（Ｂ）の電流密度−単セル電圧の関係を図１１に示す。
【００５６】
図１１に示されるように、比較電池１は、電池１と比較して、同じ電流密度において単セル電圧が低下していた。これは、空気取入れ口の開度が調節できないために、プロトン伝導性膜が乾燥し、そのため、プロトン伝導性が低下し、内部抵抗が増大するためと考えられる。また、比較電池１は、発電を続けても、内部抵抗は改善しなかった。
一方、電池１は、高い出力で運転でき、運転中も内部抵抗が増大することなく安定して運転できた。従って、本発明により、プロトン伝導性膜を湿潤した状態に維持することができ、このため、プロトン伝導性を高く維持することができることがわかる。
【実施例２】
【００５７】
本実施例では、直接型メタノール燃料電池を作製した。
白金ルテニウム担持カーボンを触媒として含む燃料極、および白金担持カーボンを触媒として含む空気極を用いたこと以外、実施例１と同様にして、燃料電池を作製し、ノートパソコンに取り付けた。ここで、発電部の面積は、３２０ｃｍ2とした。
【００５８】
本実施例では、燃料である、約１０重量％（３ｍｏｌ／Ｌ）の濃度のメタノール水溶液は、内容積３３０ｃｃの燃料タンクに収容して用いた。
【００５９】
次に、作製した燃料電池の出力密度と電流密度との関係を表すグラフを、図１２に示す。
図１２に示されるように、得られた燃料電池は、最大出力密度０．０２２Ｗ／ｃｍ2で発電を行うことができた。また、発電部の面積は、３２０ｃｍ2であるので、この燃料電池は、約７Ｗの最大出力で発電を行うことができた。なお、上記のように、燃料タンクには、３３０ｃｃの燃料のメタノール水溶液を収容できるので、作製された燃料電池は、最大出力で発電を行う場合、燃料を外部から供給することなく、理論的には、約６０Ｗｈの電力量を発電することができる。ただし、ＤＭＦＣでは、メタノールがクロスリークした後、空気極で反応して消費されるため、発電される電力量は、理論値よりも小さくなる。また、メタノールの消費量は、燃料電池の作動状態によって異なるため、発電される電力量は、燃料電池の作動状態にも依存する。
【００６０】
なお、電圧制御を行うために、ＤＣ−ＤＣコンバータを通すので、燃料電池が１００％の出力（つまり、７Ｗの出力）で発電をした場合には、平均変換効率を９０％とすると、作製された燃料電池は、６．３Ｗを供給する能力を有した。
【００６１】
（発電試験）
気温２５℃、湿度２０％ＲＨの乾燥した環境において、上記のようにして得られた燃料電池（電池２）と、比較として空気取入れ口の開度が調節できない従来の燃料電池（比較電池２）を試験した。ここで、比較電池２の発電部は、電池２の発電部と同様なものを用いた。また、比較電池２の空気取入れ口の面積は、本発明の燃料電池のよろい戸の開度が最大のときの開口部の面積と同じにした。
２時間休止状態で放置し、その後発電を行ったときの、電池２（Ｃ）および比較電池２（Ｄ）の電流密度−単セル電圧の関係を図１３に示す。
【００６２】
図１３に示されるように、比較電池２は、電池２と比較して、同じ電流密度において単セル電圧が低下していた。これは、空気取入れ口の開度が調節できないために、プロトン伝導性膜が乾燥し、そのため、プロトン伝導性が低下し、内部抵抗が増大するためと考えられる。また、比較電池２は、発電を続けても、内部抵抗は改善しなかった。
更に、比較電池２において、発電前の２時間の休止中に、燃料極のカーボンセパレータの流路（体積２０ｃｃ）内に満たされていたメタノール水溶液の濃度を測定したところ、その濃度が０．１ｍｏｌ／Ｌまで低下していた。この結果、流路中の約９７％のメタノール（全体３３０ｃｃ中に含まれるメタノールの約６モル％）を無駄に消費していた。
【００６３】
一方、本発明の電池２は、高い出力で運転でき、運転中も内部抵抗が増大することなく安定して運転できた。つまり、電池１の場合と同様に、プロトン伝導性膜のプロトン伝導性が高く維持されていることがわかる。
更に、上記比較電池２と同様に測定を行ったところ、電池２の燃料の無駄な消費は、低減されていた。このことを、以下のようにして、より詳しく調べた。
【００６４】
（クロスリーク試験）
上記電池２、ならびに比較として、上記比較電池２および空気取入れ口の面積が比較電池２の場合の半分である従来の燃料電池（比較電池３）を用い、所定時間ごとに、それぞれ１００％発電、５０％発電、休止、１００％発電と変えて運転した。そのときの燃料極出口でのメタノール水溶液の流量・濃度を、３種の燃料電池の各々について測定し、クロスリークして空気極で酸素と反応したメタノール量を得た。なお、上記１００％発電とは、出力７Ｗでの発電を意味する。また、比較電池３の発電部は、電池２の発電部と同様なものを用いた。
【００６５】
電池２、比較電池２および比較電池３について得られた結果を、それぞれ、図１４、図１５および図１６に示す。図１４〜１６においては、電流値と比較しやすいように、反応したメタノール量を電流密度に換算して示した（換算式：１ｇ／ｃｍ2・ｓｅｃ＝９６４８５×６／３２＝１８０９０Ａ／ｃｍ2）。
【００６６】
本発明の電池２の場合、図１４に示されるように、クロスリークして空気極で反応したメタノールの量は、電流密度に換算すると、それぞれ、休止状態ではゼロ、７Ｗ（１００％）発電の場合には０．０２Ａ／ｃｍ2、３．５Ｗ（５０％）発電の場合には０．０４Ａ／ｃｍ2であった。
【００６７】
一方、比較電池２の場合、図１５に示されるように、クロスリークして空気極で反応したメタノールの量は、電流密度に換算すると、それぞれ、休止状態では０．１２Ａ／ｃｍ2、７Ｗ発電の場合には０．０２Ａ／ｃｍ2、３．５Ｗ発電の場合には０．０９Ａ／ｃｍ2であった。
比較電池３の場合、図１６に示されるように、クロスリークして空気極で反応したメタノールの量は、電流密度に換算すると、それぞれ、休止状態では０．０９Ａ／ｃｍ2、７Ｗ発電の場合には０．０２Ａ／ｃｍ2、３．５Ｗ発電の場合には０．０７Ａ／ｃｍ2であった。
【００６８】
以上のように、クロスリークした後、空気極で酸素と反応するメタノールを、本発明では休止状態にゼロにすることができた。また、低出力で発電する場合にも、メタノールの無駄な消費を大きく低減することができた。従って、本発明により、燃料の無駄な消費を抑制することができることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の燃料電池は、軽量・小型の携帯型電子機器用電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】本発明の一実施形態にかかる燃料電池を装着したノートパソコンの斜視図を示す。
【図２】本発明の燃料電池の発電部を示す概略構成図である。
【図３】図１のＩ−Ｉ線での断面図を示す。
【図４】羽板を動かすための駆動部の一例を示す。
【図５】本発明の別の実施形態にかかる燃料電池を装着したノートパソコンの斜視図を示す。
【図６】本発明のさらに別の実施形態にかかる燃料電池を装着したノートパソコンの斜視図を示す。
【図７】図６のＡ−Ｂ線での断面図を示す。
【図８】コイルバネならびに形状記憶合金コイルを用いる、よろい戸の駆動機構を示す概略図である。
【図９】本発明の一実施形態にかかる燃料電池を装着した携帯電話の斜視図を示す。
【図１０】実施例１で用いた燃料電池の出力密度と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１１】乾燥した環境に２時間放置した後の単セルの電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１２】実施例２で用いた燃料電池の出力密度と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１３】乾燥した環境に２時間放置した後の単セルの電圧と電流密度との関係を示すグラフである。
【図１４】本発明にかかる燃料電池を、１００％発電、５０％発電、休止、１００％発電と変動させた場合に、空気極で酸素と反応したメタノール量を示すグラフである。
【図１５】所定の面積の空気取入れ口を有する従来の燃料電池を、１００％発電、５０％発電、休止、１００％発電と変動させた場合に、空気極で酸素と反応したメタノール量を示すグラフである。
【図１６】空気取入れ口の面積を小さくした従来の燃料電池を、１００％発電、５０％発電、休止、１００％発電と変動させた場合に、空気極で酸素と反応したメタノール量を示すグラフである。
【符号の説明】
【００７１】
１０  ノート型パーソナルコンピュータ
１１  蓋部
１２  ディスプレイ
１３、９２  よろい戸
１４、４１、８１  羽板
１５  本体部
２０  発電部
２１  燃料極側の触媒層
２２  空気極側の触媒層
２３  プロトン伝導性膜
２４  燃料極側の拡散層
２５  カーボンセパレータ
２６  溝
２７  空気極側の拡散層
２８  金属シート
２９  孔
３０  燃料極
３１  空気極
３２  軸
３３、４２、６４、８２  パッキン
４０  駆動部
４３  モーター
４４  シャフト
４５  ボールネジ
４６  歯車
６２  引き戸
６３  窓
８３  固定具
８４  シャフト
８５  コイルバネ
８６  第１のコイル
８７  第２のコイル
９１  携帯電話
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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