(57)【要約】      （修正有）【課題】シンプルな構造で、軽量化及び小型化のニーズに対応できる燃料電池及びその燃料供給モジュールを提供する。【解決手段】燃料供給モジュール２０は、多層構造であり、それに簡単な流路設計を組み合わせることにより、燃料が供給流路２２１から進入し、反応エリア２１１に送られて反応し、反応後の廃棄物あるいは燃料は排出流路２２２から排出あるいは回収されて再利用されるようになっている。構造が簡単であることで、大量生産がしやすく、複数の燃料電池を組み立てて操作電圧を高くする時、例えば反応エリア２１１と膜電極接合体を追加してそれぞれ連結するだけで、燃料電池のモジュール化が可能である。【選択図】図２
2007242621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池に用いられ、
反応エリアを有する第一基板と、
供給流路及び排出流路を有し、前記供給流路と前記排出流路が前記反応エリアに通じている第二基板と、
前記第一基板と前記第二基板の間に設置され、第一穴及び第二穴を有し、前記供給流路及び前記反応エリアは前記第一穴を介して通じ、前記排出流路及び前記反応エリアは前記第二穴を介して通じるセパレーターとを備えることを特徴とする、燃料供給モジュール。
【請求項２】
前記第二基板はさらに収納エリアを備えて、前記収納エリアは前記供給流路に連結され、前記収納エリアは空洞部分あるいは燃料貯蔵槽であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料供給モジュール。
【請求項３】
燃料を押し動かすための作動素子をさらに備え、前記作動素子は前記反応エリアあるいは前記供給流路に隣接して設置されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料供給モジュール。
【請求項４】
前記作動素子は圧電素子あるいはマイクロポンプを備えることを特徴とする、請求項３に記載の燃料供給モジュール。
【請求項５】
前記供給流路の少なくとも一部分の口径は内側に向かって徐々に縮小していることを特徴とする、請求項１に記載の燃料供給モジュール。
【請求項６】
さらに少なくとも１個のセンサーを備え、前記センサーは前記セパレーターあるいは前記排出流路の少なくとも１つの側に設置され、前記センサーは温度センサー、濃度センサーあるいは圧力センサーであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料供給モジュール。
【請求項７】
前記センサーはさらに信号伝達回路を備えることで、燃料の温度、濃度あるいは圧力をフィードバックしてコントロールすることを特徴とする、請求項６に記載の燃料供給モジュール。
【請求項８】
前記反応エリアは通路あるいは空洞部分であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料供給モジュール。
【請求項９】
前記第一基板、前記第二基板あるいは前記セパレーターの材質は、セラミックあるいは低温焼成積層セラミックであることを特徴とする、請求項１に記載の燃料供給モジュール。
【請求項１０】
第一基板、第二基板及びセパレーターを備え、前記第一基板は反応エリアを有し、前記第二基板は供給流路及び排出流路を有し、前記供給流路及び前記排出流路は前記反応エリアに通じ、前記セパレーターは前記第一基板と前記第二基板の間に設置されて、第一穴及び第二穴を有し、前記供給流路及び前記反応エリアは前記第一穴を介して通じ、前記排出流路及び前記反応エリアは第二穴を介して通じる燃料供給モジュールを備え、
少なくとも１個の膜電極接合体が前記燃料供給モジュールに連結することを特徴とする、燃料電池。
【請求項１１】
前記膜電極接合体は、第一電極、薄膜及び第二電極を備えて、前記第一電極、前記薄膜及び前記第二電極が順に組み合わさって形成され、このうち、前記薄膜は陽子交換膜であることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１２】
さらに収納エリアを備え、前記収納エリアは前記供給流路に連結されることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１３】
燃料を押し出すための作動素子をさらに備え、前記作動素子は前記収納エリアあるいは前記供給流路に隣接して設置されることを特徴とする、請求項１２に記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記作動素子は圧電素子あるいはマイクロポンプであることを特徴とする、請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記供給流路の少なくとも一部分の口径は内側に向かって徐々に縮小していることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１６】
さらに少なくとも１個のセンサーを備え、前記センサーは前記セパレーターあるいは前記排出流路の少なくとも１つの側に設置され、前記センサーは温度センサー、濃度センサーあるいは圧力センサーであることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記センサーはさらに信号伝達回路を備えることで、燃料の温度、濃度あるいは圧力をフィードバックしてコントロールすることを特徴とする、請求項１６に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記反応エリアは通路あるいは空洞部分であることを特徴とする、請求項１０に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記第一基板、前記第二基板あるいは前記セパレーターの材質は、セラミックあるいは低温焼成積層セラミックであることを特徴とする、請求項１０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、燃料電池及びその燃料供給モジュールに関し、特に燃料電池に応用される燃料供給モジュール等に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、化学を利用して直接電気エネルギーに変換できる発電装置である。燃料電池は、従来の発電方式に比べ、低汚染、低ノイズに加え、エネルギー変換効率が高い等の優れた点がある。さらに、燃料電池は、直接燃料を酸化させて電気エネルギーを発生させるため、その放電電流は燃料の供給量に応じて増加、増大する。さらに、燃料を供給し続けさえすれば、中断することなく発電が可能である。したがって、電力不足、充電の必要等の問題がなく、クリーンなエネルギーとして将来性が期待されている。
【０００３】
現在発展中の燃料電池は、電解質の種類によって、アルカリ型燃料電池（AFC）、リン酸型燃料電池（PAFC）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）、固体酸化物型燃料電池（SOFC）及び陽子交換膜型燃料電池（PEMFC）等に分けられる。
【０００４】
以下に、図１を参照しながら、陽子交換膜型燃料電池を例に説明する。従来の燃料電池１は、ベース１０、少なくとも１個の膜電極接合体（Membrane-Electrode Assembly, MEA）１１、供給流路１２、及び排出流路１３を備える。そのうち、膜電極接合体１１は、第一電極１１１、陽子交換膜（proton exchange membrane, PEM）１１２及び第二電極１１３を備え、それらがベース１０の表面に順に形成される。供給流路１２と排出流路１３はベース１０内に設置され、それぞれ膜電極接合体１１に通じている。陽子交換膜型燃料電池の直接メタノール燃料電池（direct methanol fuel cell, DMFC）を例にとると、メタノール燃料は、供給流路１２から供給され、第一電極１１１で酸化反応して、水素イオン（H+）、電子（e-）及び二酸化炭素（CO2）を発生させる。水素イオンは陽子交換膜１１２を経て第二電極１１３に送られる。電子は第一電極１１１に連結する外部回路を経て移動し、負荷がかかり電気が発生してから、第二電極１１３送られる。そして、第二電極１１３に供給された酸素（O2）は、第二電極１１３で水素イオン及び電子と還元反応して水となる。そして、二酸化炭素等の廃棄物は排出流路１３から排出される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
操作電圧を高めるために、一般には複数の燃料電池をつないで燃料電池モジュールを形成している。そのつなぎ方によって、スタック型（stacked）と平面型（panel）がある。しかしながら、従来の構造は複雑であり、組み立て及び大量生産が困難である上、重量及び厚さも大きなものになるため、軽量化及び小型化した製品に応用することができないという問題がある。
【０００６】
本発明は、シンプルな構造で、軽量化及び小型化のニーズに対応できる燃料電池及びその燃料供給モジュールを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するため、本発明に係る燃料供給モジュールは燃料電池に用いられる。本発明の燃料供給モジュールは、第一基板、第二基板及びセパレーターを備える。第一基板は反応エリアを有する。第二基板は供給流路及び排出流路を有し、この供給流路と排出流路は反応エリアに通じている。セパレーターは第一基板と第二基板の間に設置され、第一穴及び第二穴を有する。供給流路及び反応エリアは第一穴を介して通じ、排出流路及び反応エリアは第二穴を介して通じる。
本発明に係る燃料供給モジュールでは、第二基板はさらに収納エリアを備えて、収納エリアは供給流路に連結され、収納エリアは空洞部分あるいは燃料貯蔵槽であってもよい。
本発明に係る燃料供給モジュールでは、燃料を押し動かすための作動素子をさらに備え、作動素子は反応エリアあるいは供給流路に隣接して設置されてもよい。
本発明に係る燃料供給モジュールでは、作動素子は圧電素子あるいはマイクロポンプを備えてもよい。
本発明に係る燃料供給モジュールでは、供給流路の少なくとも一部分の口径は内側に向かって徐々に縮小していてもよい。
本発明に係る燃料供給モジュールでは、さらに少なくとも１個のセンサーを備え、センサーはセパレーターあるいは排出流路の少なくとも１つの側に設置され、センサーは温度センサー、濃度センサーあるいは圧力センサーであってもよい。
本発明に係る燃料供給モジュールでは、センサーはさらに信号伝達回路を備えることで、燃料の温度、濃度あるいは圧力をフィードバックしてコントロールするようにしてもよい。
本発明に係る燃料供給モジュールでは、反応エリアは通路あるいは空洞部分であってもよい。
本発明に係る燃料供給モジュールでは、第一基板、第二基板あるいはセパレーターの材質は、セラミックあるいは低温焼成積層セラミックであってもよい。
【０００８】
上述の課題を解決するため、本発明に係る燃料電池は、燃料供給モジュール及び少なくとも１個の膜電極接合体を備える。この燃料供給モジュールは第一基板、第二基板及びセパレーターを備える。第一基板は反応エリアを有する。第二基板は供給流路及び排出流路を有する。この供給流路及び排出流路は反応エリアと通じている。セパレーターは第一基板と第二基板の間に設置され、第一穴及び第二穴を有する。供給流路及び反応エリアは第一穴を介して通じている。排出流路及び反応エリアは第二穴を介して通じている。膜電極接合体は燃料供給モジュールに連結している。
本発明に係る燃料電池では、膜電極接合体は、第一電極、薄膜及び第二電極を備えて、第一電極、薄膜及び第二電極が順に組み合わさって形成され、このうち、薄膜は陽子交換膜であってもよい。
本発明に係る燃料電池では、さらに収納エリアを備え、収納エリアは供給流路に連結されてもよい。
本発明に係る燃料電池では、燃料を押し出すための作動素子をさらに備え、作動素子は収納エリアあるいは供給流路に隣接して設置されてもよい。
本発明に係る燃料電池では、作動素子は圧電素子あるいはマイクロポンプであってもよい。
本発明に係る燃料電池では、供給流路の少なくとも一部分の口径は内側に向かって徐々に縮小していてもよい。
本発明に係る燃料電池では、さらに少なくとも１個のセンサーを備え、センサーはセパレーターあるいは排出流路の少なくとも１つの側に設置され、センサーは温度センサー、濃度センサーあるいは圧力センサーであってもよい。
本発明に係る燃料電池では、センサーはさらに信号伝達回路を備えることで、燃料の温度、濃度あるいは圧力をフィードバックしてコントロールするようにしてもよい。
本発明に係る燃料電池では、反応エリアは通路あるいは空洞部分であってもよい。
本発明に係る燃料電池では、第一基板、第二基板あるいはセパレーターの材質は、セラミックあるいは低温焼成積層セラミックであってもよい。
【０００９】
本発明に係る燃料電池及びその燃料供給モジュールは、多層構造であり、それに簡単な流路設計を組み合わせることにより、燃料が供給流路から進入し、反応エリアに送られて反応し、反応後の廃棄物あるいは燃料は排出流路から排出あるいは回収されて再利用されるようになっている。従来の技術に比べ、本発明はその構造が簡単であることで、大量生産がしやすく、複数の燃料電池を組み立てて操作電圧を高くする時、例えば反応エリアと膜電極接合体を追加してそれぞれ連結するだけで、燃料電池のモジュール化が可能であるため、軽量化及び小型化のニーズにも対応することができ、燃料電池の応用範囲も拡大する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の燃料電池及びその燃料供給モジュールは、多層構造であり、それに簡単な流路設計を組み合わせることにより、燃料が供給流路から進入し、反応エリアに送られて反応し、反応後の廃棄物あるいは燃料は排出流路から排出あるいは回収されて再利用されるようになっている。したがって、従来の技術に比べ、本発明はその構造が簡単であることで、大量生産がしやすく、複数の燃料電池を組み立てて操作電圧を高くする時、例えば反応エリアと膜電極接合体を追加してそれぞれ連結するだけで、燃料電池のモジュール化が可能であるため、軽量化及び小型化のニーズにも対応することができ、燃料電池の応用範囲も拡大するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら、本発明の燃料電池及びその燃料供給モジュールの好適な実施例について説明する。
【００１２】
図２は、本発明の好適な実施例の燃料供給モジュールを示した図であり、図３は、本発明の他の好適な実施例の燃料供給モジュールを示した図であり、図４は、本発明のさらに他の好適な実施例の燃料供給モジュールを示した図であり、図５は、本発明の好適な実施例の燃料電池を示した図である。
図２、図３及び図４に示すように、本発明の好適な各実施例の燃料供給モジュール２０は、第一基板２１、第二基板２２及びセパレーター２３を備える。各実施例においては、燃料供給モジュール２０は燃料電池に用いられる。このうち、第一基板２１、第二基板２２あるいはセパレーター２３の材質はセラミックで、例えば、低温焼成積層セラミック（ＬＴＣＣ）であるが、特にこの限りではない。
【００１３】
第一基板２１は、反応エリア２１１を有する。さらに、この反応エリア２１１は通路（図２に示すとおり）あるいは空洞部分（図３及び図４に示すとおり）になっていて、このうち、通路の場合は蛇行させることもできるが、この限りではない。
【００１４】
第二基板２２は、供給流路２２１及び排出流路２２２を有する。この供給流路２２１は第一端２２１１と第二端２２１２を有し、排出流路２２２は第三端２２２１と第四端２２２２を有する。
【００１５】
セパレーター２３は、第一基板２１と第二基板２２の間に設置されていて、第一穴２３１及び第二穴２３２を有する。各実施例においては、第一穴２３１は供給流路２２１の第二端２２１２に対応して設置される。第二穴２３２は排出流路２２２の第三端２２２１に対応して設置される。さらに、この供給流路２２１の第一端２２１１は、燃料の入り口となり、この燃料は燃料入り口から供給流路２２１に進入した後、第一穴２３１を介して反応エリア２１１に供給される。そして、反応生成物は第二穴２３２を介して、排出流路２２２に送られて排出される。このうち、燃料は気体あるいは液体である。
【００１６】
各実施例の燃料供給モジュール２０は、さらに作動素子２４を備える。これは、供給流路２２１に隣接して、燃料を押し動かして一方向Ｄに流動させる。図２に示す実施例では、この作動素子２４は供給流路２２１の少なくとも１つの内側に設置される。このうち、作動素子２４は圧電素子を含むマイクロポンプであり、この圧電素子の「ひずみ」が「うねり」を起こすことにより、供給流路２２１の中の燃料を前に送る。
【００１７】
図３及び図４に示す実施例においては、第二基板２２は収納エリア２２３を備える。この収納エリア２２３は空洞になっていて燃料が貯蔵できるようになっていて、大量の燃料が進入しても収納できる。これらの実施例の供給流路２２１は、収納エリア２２３の側面に連結していて、燃料を押し出す作動素子２４は、収納エリア２２３の外側に設置されている。上述のように、作動素子２４は圧電素子であり、さらに、この圧電素子は薄膜式圧電素子である。この圧電素子の「ひずみ」が薄膜（diaphragm）のひずみを起こすことによって、収納エリア２２３内の圧力を変化させて、収納エリア２２３内の燃料を前に送るのである。また、排出流路２２２は収納エリア２２３に通じていることは、反応生成物を回収して再利用するのに便利である。
【００１８】
図２、図３及び図４に示すように、供給流路２２１の少なくとも一部分の口径は内側に徐々に縮小している。さらに詳しく説明すると、この供給流路２２１は、作動素子２４が設置されている位置の前後の部分の口径が燃料の流れる方向Ｄに向かって徐々に縮小していることで、燃料の流れる速度を速くしている。
【００１９】
各実施例の燃料供給モジュール２０は、さらに少なくとも１個のセンサー２５を備え、このセンサー２５は、セパレーター２３の上に設置される。また、センサー２５は排出流路２２２（図４に示す）の少なくとも１つの内側に設置される。ただし、これは例に過ぎず、この限りではない。センサー２５は供給流路２２１の少なくとも１つの内側に設置されることも可能である（図示はされない）。このセンサー２５は温度センサー、濃度センサーあるいは圧力センサーである。
【００２０】
また、本発明の実施例の燃料供給モジュール２０のセパレーター２３は、例えば図２及び図３に示すように、センサー２５に接続される信号伝達回路２５０を設置することも可能で、信号伝達回路２５０からフィードバック信号を出力して、温度、濃度あるいは圧力等をコントロールする。
【００２１】
また、図５に示すように、本発明の好適な実施例の燃料電池２は、燃料供給モジュール２０及び膜電極接合体３０を備える。
【００２２】
図５に示す実施例の燃料供給モジュール２０は、第一基板２１、第二基板２２及びセパレーター２３を備える。さらに、本実施例の燃料供給モジュール２０は、作動素子２４を備える。第二基板２２はさらに収納エリア２２３を有する。本実施例の第一基板２１、第二基板２２、セパレーター２３、作動素子２４及び収納エリア２２３の設置関係、構造特徴、材質及び機能特徴は、上述の素子と同様であるであるため、ここでは説明しない。
【００２３】
第一基板２１の反応エリア２１１は、耐蝕性の金属電極（図示はされない）が隣接して設置されている。例えば、金属電極は図３に示すように空洞の反応エリア２１１の周囲、あるいは、図２に示すように通路型の反応エリア２１１の通路の間に設置することが可能である。
【００２４】
膜電極接合体３０は、第一基板２１に載せられていて、さらに、燃料供給モジュール２０に連結される。この膜電極接合体３０は第一電極３１、薄膜３２及び第二電極３３を備え、それらが順に組み合わさって形成される。このうち、薄膜３２は陽子交換膜であり、本実施例においては、第一電極３１は陽極となって燃料の注入端となり、第二電極３３は陰極となって酸素注入端となる。
【００２５】
本発明の内容をより明確するため、以下に直接メタノール燃料電池を例に説明する。メタノール燃料は供給流路２２１の第一端２２１１から注入され、作動素子２４の作動によって押し出され、メタノール燃料がＤの方向に押されて前進する。そして、セパレーター２３の第一穴２３１を通過して、反応エリア２１１に進入する。膜電極接合体３０の第一電極３１は酸化反応を行い、水素イオン、電子及び二酸化炭素を発生させる。このうち、電子は金属電極によって導き出されて第二電極３３に送られる。水素イオンは薄膜３２を介して第二電極３３に送られる。水素イオンと電子は、第二電極３３に供給された酸素と第二電極３３で還元反応を起こして水となる。そして、反応後の燃料あるいは廃棄物（例えば、二酸化炭素）は、セパレーター２３の第二穴２３２から排出流路２２２に進入して、それぞれ回収されて再利用されるか、直接排出されるかする。このうち、供給流路２２１、排出流路２２２あるいはセパレーター２３に設置されたセンサー２５は、燃料の温度、濃度あるいは圧力を感知し、セパレーター２３の信号回路によって信号のフィードバックを行なってコントロールする。
【００２６】
高い操作電圧を得るために、本実施例の燃料電池２は、平面的あるいは立体的につながった燃料電池モジュールを形成する。ここで、容積の大きい収納エリア２２３は複数の反応エリア２１１に対応して設置されることにより、複数の膜電極接合体３０は、それぞれ反応エリア２１１に対応して設置されて、互いにつながった平面的な燃料電池モジュール構造が形成される。また、第一基板２１に順に膜電極接合体３０、分割板２３及び第二基板２２を重ねて、互いにつながった立体的な燃料電池モジュール構造が形成される。
【００２７】
上述のように、本発明の燃料電池及びその燃料供給モジュールは、多層構造であり、それに簡単な流路設計を組み合わせることにより、燃料が供給流路から進入し、反応エリアに送られて反応し、反応後の廃棄物あるいは燃料は排出流路から排出あるいは回収されて再利用されるようになっている。従来の技術に比べ、本発明はその構造が簡単であることで、大量生産がしやすく、複数の燃料電池を組み立てて操作電圧を高くする時は、例えば反応エリアを追加し、複数の膜電極接合体とそれぞれ連結するだけで、燃料電池のモジュール化が可能である。したがって、軽量化及び小型化のニーズにも対応することができ、燃料電池の応用範囲も拡大する。
【００２８】
以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更などがあっても、本発明に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】従来の燃料電池を示した図である。
【図２】本発明の好適な実施例の燃料供給モジュールを示した図である。
【図３】本発明の他の好適な実施例の燃料供給モジュールを示した図である。
【図４】本発明のさらに他の好適な実施例の燃料供給モジュールを示した図である。
【図５】本発明の好適な実施例の燃料電池を示した図である。
【符号の説明】
【００３０】
１、２        燃料電池
１０          ベース
１１、３０    膜電極接合体
１１１、３１  第一電極
１１２        陽子交換膜
１１３、３３  第二電極
１２、２２１  供給流路
１３、２２２  排出流路
２０          燃料供給モジュール
２１          第一基板
２１１        反応エリア
２２          第二基板
２２１１      第一端
２２１２      第二端
２２２１      第三端
２２２２      第四端
２２３        収納エリア
２３          セパレーター
２３１        第一穴
２３２        第二穴
２４          作動素子
２５          センサー
２５０        信号伝達回路
３２          薄膜
Ｄ            方向
【図１】
2007242621.tif 000003
【図２】
2007242621.tif 000004
【図３】
2007242621.tif 000005
【図４】
2007242621.tif 000006
【図５】
2007242621.tif 000007