(57)【要約】【課題】  発電停止して放置されたときにＭＥＡが乾燥して再発電時の起動遅れや発電不可になることを防止する構造を備えた燃料電池を提供する。【解決手段】  スタック１から使用済み燃料を排出する燃料排出管路２５の少なくとも１箇所に燃料流路８の最上部より高い位置となる流出防止管部２５ａを形成する。発電を停止して燃料供給が停止された状態でも燃料流路８から燃料が流出しないので、ＭＥＡは燃料に濡れた状態に維持され、乾燥による再発電時の起動遅れや発電不可になることを防止することができる。【選択図】  図６ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルによりスタックを構成し、各セルに燃料供給して発電に供された後の使用済み燃料を燃料排出口から外部に排出する燃料電池であって、前記スタックが発電姿勢にあるとき、前記燃料排出口に接続された燃料排出配管の少なくとも１箇所に、前記スタック内部に形成された燃料流路より高い位置となる燃料流出防止管部が形成されてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
複数のセルによりスタックを構成し、各セルに燃料供給して発電に供された後の使用済み燃料を燃料排出口から外部に排出する燃料電池であって、前記燃料排出口に接続された燃料排出配管に、少なくとも１箇所が前記スタックの姿勢状態にかかわらずスタック内部に形成された燃料流路より高い位置になる燃料流出防止管部が形成されてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
燃料流出防止管部の直後に、使用済み燃料を燃焼浄化させる燃料浄化器が接続され、燃料浄化器から出た配管は屈曲させることなく排出口に直結した直管部に形成されてなる請求項１又は２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯電子機器などの電源として好適な比較的小型の燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、基本的に電解質層を挟んで燃料極と空気極とを配置して構成され、燃料極に水素を、空気極に酸素を送給することによって電気化学的反応により直流電流を発生させる。この電気を発生させる最小単位であるセルの起電力は小さいので、燃料電池を電源とする機器が要求する電圧を得るためには複数のセルを直列接続する必要があり、複数のセルを積層したスタックの形態に構成される。
【０００３】
前記スタックを構成する各セルに燃料を送給する方式として、従来はスタックを構成する複数のセルに直列的に燃料供給し、スタックから排出された燃料を再び供給する燃料循環方式と、複数のセルに並列的に燃料供給し、スタックから排出された燃料を循環させない燃料非循環方式とがある。燃料循環方式では供給方向の下流側に至るほど燃料濃度が低下し、再供給する燃料の濃度も低下しているため、燃料濃度調整器などの補機を付設する必要がある。この燃料循環方式を適用した燃料電池において、下流側で燃料濃度が低下することを防ぐために、下流側の燃料流路の断面積を大きくして燃料の流量を増加させ、セル毎の電流密度分布の均一化を図ったものが知られている（特許文献１参照）。
【０００４】
一方、燃料非循環方式は各セルに発電に寄与する量だけの燃料を精度よく供給する方式で、燃料循環方式では不可欠な燃料濃度調整器などの補機が不要になるメリットがあるので、燃料電池の小型化に有効な方式となる。
【特許文献１】特開２００２−２６０７１０号公報（第４〜７頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）のように燃料として液体を使用する燃料電池においては、セパレータの間に挟まれた膜・電極接合体（以下、ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）は燃料で充分に濡れている必要がある。発電時には燃料が供給されるので濡れた状態に維持されているが、発電を停止して放置された場合に燃料流路に供給されていた燃料は燃料排出管路を通って外部に排出され、ＭＥＡが乾燥してしまうと、次に発電開始したときＭＥＡが燃料で濡れるまでに時間がかかって起動時間が長くなってしまう問題点があった。また、ＭＥＡの乾燥が更に進行してしまった場合には、発電不可能に陥る可能性がある。
【０００６】
本発明が目的とするところは、燃料供給がなされない発電停止中においてもＭＥＡが燃料で濡れた状態に維持することを可能にす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】
【０００７】
上記目的を達成するための本願第１発明は、複数のセルによりスタックを構成し、各セルに燃料供給して発電に供された後の使用済み燃料を燃料排出口から外部に排出する燃料電池であって、前記スタックが発電姿勢にあるとき、前記燃料排出口に接続された燃料排出配管の少なくとも１箇所に、前記スタック内部に形成された燃料流路より高い位置となる燃料流出防止管部が形成されてなることを特徴とする。
【０００８】
上記構成によれば、発電を停止して燃料が供給されなくなった状態で放置されても、燃料排出管路に燃料流出間部が形成されていることにより、燃料流路に燃料が残ることになり、セルを構成するＭＥＡが乾燥することが防止され、乾燥によって次に発電開始するときの起動遅れが生じることや、過度な乾燥進行により発電不可能に陥ることが防止される。
【０００９】
また、本願第２発明は、複数のセルによりスタックを構成し、各セルに燃料供給して発電に供された後の使用済み燃料を燃料排出口から外部に排出する燃料電池であって、前記燃料排出口に接続された燃料排出配管に、少なくとも１箇所が前記スタックの姿勢状態にかかわらずスタック内部に形成された燃料流路より高い位置になる燃料流出防止管部が形成されてなることを特徴とする。
【００１０】
上記構成によれば、発電を停止して燃料が供給されなくなった状態で放置されても、燃料排出管路に燃料流出防止管部が形成されていることにより、燃料流路に燃料が残ることになり、セルを構成するＭＥＡの乾燥を防止することができる。携帯電子機器などに適用する燃料電池においては、発電停止された状態ではスタックの向きがどんな状態になるかわからないが、燃料排出配管にスタックの姿勢にかかわらず燃料流路より高い位置になる燃料流出防止管部を形成することにより上記目的が達成される。
【００１１】
上記各構成において、燃料流出防止管部の直後に、使用済み燃料を燃焼浄化させる燃料浄化器が接続され、燃料浄化器から出た配管は屈曲させることなく排出口に直結した直管部を形成することにより、燃料浄化器内に燃焼後の液体が溜まった状態で放置されることがなく、燃料浄化器の触媒の劣化を防止することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、燃料電池の発電を停止して燃料供給がない状態で放置されても燃料流路には燃料が残るので、放置状態においてＭＥＡが乾燥することがなく、乾燥によって次に発電開始するときの起動遅れが生じることや、過度な乾燥進行により発電不可能に陥ることが防止される。また、燃料流出防止管部を設けた燃料排出管路に燃料浄化器を設けても、その寿命低下を防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本実施形態に係る燃料電池は、直接メタノール形燃料電池として構成されたもので、燃料としてメタノールを直接セルに供給する。前記セルは、図２に示すように、電解質である高分子膜の一方面に燃料極、他方面に空気極を配したＭＥＡ６をシールゴム１０に取り付け、セパレータ４ａの空気流路９形成面に空気極を対面させ、セパレータ４ｂの燃料流路８形成面に向けて燃料極を対面させてセパレータ４ａ，４ｂの間に挟んで構成されている。図２においてはセパレータ４ａ，４ｂは、その空気流路９が形成された面を示しているが、他方面には図１に示すように燃料流路８が形成されている。
【００１４】
ここでは、８枚のセル３ａ〜３ｈを積層し、外観上では図３に示すようにセパレータ４ａ〜４ｉを積み重ねた状態になるセル積層体２に構成し、各セル３ａ〜３ｈを直列接続して所要の出力電圧が取り出せるように構成されている。
【００１５】
図１は、８個のセル３ａ〜３ｈを形成すると共に各セル３ａ〜３ｈの間の仕切り体をなす９枚のセパレータ４ａ〜４ｉに形成された燃料流路８及びそれに燃料供給する供給経路と、燃料流路８を流れて発電に供された後の使用済み燃料を排出する排出経路とを示している。
【００１６】
図１においては図示省略しているが、積層された下端のセパレータ４ａには、その上面の短手方向に空気流路９が列設形成され、このセパレータ４ａから上に積み重ねられるセパレータ４ｂ〜４ｉは、図１に示すように、下面の長手方向に折り返し形成した燃料流路８が形成され、上面の短手方向に空気流路９が列設形成されている。積層された上端のセパレータ４ｉには、その下面の長手方向に折り返し形成して燃料流路８が形成され、その反対面に空気流路９は形成されていない。
【００１７】
前記セル積層体２は、その両面に端板５ａ，５ｂを配して、その間で結束することにより、ＭＥＡ６の周囲はセパレータ４ａ〜４ｉによりシールゴム１０が挟圧されてＭＥＡ６は封止される。このＭＥＡ６の燃料極には燃料流路８から燃料が供給され、空気極には空気流路９から空気が供給されるので、燃料中の水素と空気中の酸素との電解質を介した反応により燃料極と空気極との間に起電力が発生する。
【００１８】
図４は、セル３ａに対応するセパレータ４ｂの燃料流路８に対する燃料供給経路及びセル３ｅに対応するセパレータ４ｆの燃料流路８に対する燃料供給経路の例を示すものである。この例に示すように、セル３ａ〜３ｈ毎に、下方に配置されたセパレータ４ａ〜４ｅに穿かれた燃料個別導入路１３ａ〜１３ｅから所定のセパレータ４ｂ〜４ｅに、上方に配置されたセパレータ４ｅ〜４ｉに穿かれた燃料個別導入路１３ｅ〜１３ｉから所定のセパレータ４ｅ〜４ｉに燃料を供給する。燃料個別導入路１３ａ〜１３ｈはそれぞれの供給先のセル３ａ〜３ｈに燃料供給する所定のセパレータ４ａ〜４ｉまで貫通しており、供給穴凹部２１に嵌め込まれたＯリング１８により燃料の流路外への流出を防いでいる。
【００１９】
図４に示すセル３ａ及びセル３ｅに対する燃料供給経路について、燃料の流れを説明する。セル３ａの場合には、燃料個別供給口１１ａに送給された燃料は、燃料個別供給路１２ａからセパレータ４ａを貫通する燃料個別導入穴１３ａを通ってセパレータ４ｂに形成された燃料導入口１４ｂに入り、セパレータ４ｂに形成された燃料個別案内流路１５ｂから燃料流路８の入り口である発電始端１６に導かれる。発電始端１６から燃料流路８に流れる燃料はセル３ａのＭＥＡ６の燃料極に供給されて発電に寄与し、燃料流路８の出口である発電終端１７に至って燃料排出穴１９に流れて端板５ａに設けられた燃料排出口２０から外部に排出される。
【００２０】
セル３ｅの場合には、燃料個別供給口１１ｅに送給された燃料は、燃料個別供給路１２ｅからセパレータ４ｉ，４ｈ，４ｇ，４ｆを貫通する燃料個別導入穴１３ｅを通ってセパレータ４ｆに形成された燃料個別導入口１４ｆに入り、セパレータ４ｆに形成された燃料個別案内流路１５ｆから燃料流路８の入り口である発電始端１６に導かれる。発電始端１６から燃料流路８に流れる燃料はセル３ｅのＭＥＡ６の燃料極に供給されて発電に寄与し、燃料流路８の出口である発電終端１７に至って燃料排出穴１９に流れて端板５ａに設けられた燃料排出口２０から外部に排出される。
【００２１】
セル３ａ〜３ｈについて同様の燃料供給がなされるが、燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈから各セル３ａ〜３ｈの発電始端１６までの流路長さは等距離になるように形成されている。即ち、燃料個別導入穴１３ａ〜１３ｈの長さと、図１に示す燃料個別導入口１４ｂ〜１４ｈから発電始端１６までセパレータ４ｂ〜４ｉに形成された燃料個別案内流路１５ｂ〜１５ｉの長さの合計距離は、各セル３ａ〜３ｈについて等しくなるように形成されている。従って、各燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈに送給された燃料は各セル３ａ〜３ｈの発電始端１６にほぼ同時に供給され、セル３ａ〜３ｈで同時に発電がなされ、8個のセル３ａ〜３ｈが直列接続されたスタック１の発電性能が安定してなされる。
【００２２】
各セパレータ４ｂ〜４ｉの燃料流路８を流れて燃料極に水素を供給した燃料は、図５に示すように、燃料流路８の発電終端１７から各セパレータ４ａ〜４ｉの積層方向に貫通する燃料排出穴１９を流下し、端板５ａに形成された燃料排出口２０から外部に排出される。前記燃料排出穴１９はセパレータ４ａ〜４ｈに穿かれた燃料排出穴１９の周囲に形成された排出穴凹部２２に嵌め込まれたＯリング２３により燃料の漏出防止が図られている。
【００２３】
前記燃料排出口２０から排出される使用済み燃料は、燃料排出口２０に配管接続された燃料排出管路２５から外部に排出される。燃料排出管路２５は、図６に示すように、スタック２の下部から外に引き出された後、上向きに流路変更して管路の少なくとも１箇所が最上部に位置する燃料流路８、即ち、セパレータ４ｉに形成された燃料流路８より上に位置するように屈曲させた燃料流出防止管部２５ａ形成した後、管路端末を所定の排出箇所に開口させる。この燃料排出管路２５の構成により、発電を停止して燃料供給が停止された状態になっても各セパレータ３ｂ〜３ｉに形成された燃料流路８にある燃料は燃料流出防止管部２５ａが形成されていることにより排出されず、発電停止のまま長時間にわたって放置された場合でもＭＥＡ６は燃料に濡れた上体に維持され、次に起動させた際の起動遅れや発電不可に陥ることが防止できる。
【００２４】
本実施形態に示すような小型の燃料電池は、ノートパソコンなどの携帯電子機器の電源として適用することを目的としており、その場合に燃料電池は必ずしも水平状態とはならず、特に不使用時にはスタック１は上下左右のどの面が下に位置するか予測できない。従って、図６に示す燃料排出管路２５の構成では、燃料流路８から燃料が流れ出る状態が発生する。そこで、図７に示すように、燃料排出管路２５を引き回し配管することにより、端板５ａを下にした正規位置、即ち、図示（Ａ）面が上にあるときには、燃料流出防止管部２５ａが燃料流路８より上に存在するので、燃料流路８から燃料が流出してしまうことがない。また、（Ｂ）面が下になった状態では、燃料排出管路２５の端末部である燃料流出防止管部２５ｃが燃料流路８より上に存在するようになるので、燃料流路８から燃料が流出してしまうことがない。また、（Ｃ）面が下になった状態では、燃料排出管路２５の燃料流出防止管部２５ｂが燃料流路８より上に存在するようになるので、燃料流路８から燃料が流出してしまうことがない。また、（Ａ）面が下になった状態では、燃料排出管路２５の燃料流出防止管部２５ｂが燃料流路８より上に存在するようになるので、燃料が燃料流路８から流出してしまうことがない。
【００２５】
また、使用済み燃料には未燃焼の燃料成分が残っているので、燃料浄化器２６を通して排出することが望ましい。燃料浄化器２６は、図８に示すように、流出防止管部２５ａの直後に配設し、燃料浄化器２６を通過した液体が速やかに排出されるように、燃料浄化器２６から折り曲げることなく排出口に直結させた直管部２８を設ける。この構成により、燃料浄化器２６内に液体が溜まったまま放置されることがなく、燃料浄化器２６に使用されている触媒の延命を図り、燃料浄化器２６の長寿命化を図ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
以上の説明の通り本発明によれば、燃料電池の発電が停止されて放置された場合おいてもＭＥＡの乾燥を防ぐことができ、発電を再開したときの起動が速やかになされ、長寿命化を達成した燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施形態に係る燃料電池の燃料供給流路の構成を示す斜視図。
【図２】セルの構成を示す斜視図。
【図３】スタックの構成を示す斜視図。
【図４】セパレータに形成された燃料供給流路を示す断面図。
【図５】セパレータに形成された燃料排出流路を示す断面図。
【図６】燃料排出管路の第１の構成例を示す模式図。
【図７】燃料排出管路の第２の構成例を示す模式図。
【図８】燃料排出管路に燃料浄化器を設けた構成を示す模式図。
【符号の説明】
【００２８】
１  スタック
３ａ〜３ｈ  セル
４ａ〜４ｉ  セパレータ
５ａ，５ｂ  端板
８  燃料流路
９  空気流路
１１ａ〜１１ｈ  燃料個別供給口
１９  燃料排出穴
２０  燃料排出口
２５  燃料排出管路
２５ａ，２５ｂ  流出防止管部
２５ｃ  端末部
２６  燃料浄化器
２８  直管部
【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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