(57)【要約】      （修正有）【課題】電池反応の進行に伴ってアノード触媒層から発生する炭酸ガスや気化燃料による内圧上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等で生じる構成部品の変形や密着不良による電池出力特性の低下が少ない燃料電池の収容構造を提供する。【解決手段】液体燃料タンク９と、アノード触媒層３と、燃料気化層１０と、カソード触媒層２と、プロトン伝導性膜６と、上記カソード触媒層２に供給する空気を導入する空気導入口１４を備えた表面層１５とを具備する燃料電池Ｂと、上記燃料電池Ｂを収容する収容空間１６を備えた電子機器の筐体１７と、上記収容空間１６を閉止する蓋体１８とを配設した燃料電池Ｂの収容構造において、上記燃料電池Ｂの表面層１５を押圧する弾性体２０を上記表面層１５と蓋体１８との間に介装したことを特徴とする燃料電池Ｂの収容構造である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を貯留する液体燃料タンクと、液体燃料を改質するアノード触媒層と、液体燃料の気化成分を前記アノード触媒層に供給するための燃料気化層と、改質した燃料成分を空気によって酸化するカソード触媒層と、上記アノード触媒層とカソード触媒層との間に配置され液体燃料の改質によって生成したプロトンをカソード触媒層側に拡散させるプロトン伝導性膜と、上記カソード触媒層に供給する空気を導入する空気導入口を備えた表面層とを具備する燃料電池と、上記燃料電池を収容する収容空間を備えた電子機器の筐体と、上記収容空間を閉止する蓋体とを配設した燃料電池の収容構造において、上記燃料電池の表面層を押圧する弾性体を上記表面層と蓋体との間に介装したことを特徴とする燃料電池の収容構造。
【請求項２】
前記弾性体はゴムから構成され、このゴムの厚さは表面層の中央部に対向する位置において最大であり、中央部から周辺方向に向かう位置において徐々に厚さが減少するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の収容構造。
【請求項３】
前記弾性体は弾性力が異なる複数のばねから構成され、表面層の中央部に対向する位置に弾性力が最大であるばねを配置する一方、中央部から周辺方向に向かう位置においては徐々に弾性力を相対的に減少させたばねを配置するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池の収容構造。
【請求項４】
前記カソード触媒層に供給する空気を導入するために表面層に形成した空気導入口の中心軸と一致する中心軸を有する空気導入口を前記蓋体および弾性体にも形成したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池の収容構造。
【請求項５】
前記請求項１乃至４のいずれかに記載した燃料電池の収容構造を備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を気化させた気化燃料をアノード触媒層に供給する方式による燃料電池を電子機器筐体に収容する燃料電池の収容構造に係り、特に電池反応の進行に伴ってアノード触媒層から発生する炭酸ガスや反応熱によって増加する気化燃料による内圧上昇、温度上昇による構成部材強度の低下等で生じる構成部品の変形や密着不良による電池出力特性の低下が少ない燃料電池の収容構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯用音楽再生機等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型電子機器用の電源に使用することが試行されている。燃料電池は、燃料と酸化剤としての空気等を供給するだけで発電することが可能であり、燃料のみを補充・交換すれば長時間連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化が実現すれば上記携帯電子機器の作動操作に極めて有利なシステムとなる。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；direct methanol fuel cell）は、エネルギー密度が高いメタノールを燃料として使用し、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、燃料の取り扱いも爆発の危険が高い水素ガス燃料と比較して安全で容易なことから小型機器用電源として有望である。
【０００３】
上記ＤＭＦＣにおける燃料の供給方法としては、液体燃料を気化した後にブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に直接に送り込む液体供給型ＤＭＦＣと、更には特許文献１に示すような内部気化型ＤＭＦＣ等が知られている。
【０００４】
特許文献１に示す内部気化型ＤＭＦＣは、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を拡散させるための燃料気化層とを備えるもので、気化した液体燃料が燃料気化層から燃料極（アノード）に供給される。特許文献１では、メタノールと水とが１：１のモル比で混合されたメタノール水溶液が液体燃料として使用され、メタノールおよび水の双方を気化ガスの形で燃料極側に供給している。
【０００５】
このような特許文献１に示す内部気化型ＤＭＦＣによると、十分に高い出力特性を得られなかった。水はメタノールに比べて蒸気圧が低く、水の気化速度はメタノールの気化速度に比べて遅いため、メタノールも水も気化によって燃料極に供給しようとすると、メタノール供給量に対する水の相対的な供給量が不足する。その結果、メタノールを内部改質する反応の反応抵抗が高くなるため、十分な出力特性を得られなくなるのである。
【特許文献１】特許第３４１３１１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
また、上記特許文献１に示す従来の内部気化型ＤＭＦＣによると、メタノールが電池外部に漏洩することを防止するために、液体燃料タンクからアノード触媒層に至る経路はほぼ気密に形成されている。そして、アノード触媒層におけるメタノール等の燃料の分解反応によって炭酸ガス（ＣＯ２）が生成し、その生成量は発電量の増加に伴って増加する。
【０００７】
さらに、カソード触媒層においては改質した燃料成分を空気によって酸化する発熱反応が進行するために、電池内部における液体燃料の気化が促進され、さらには気化燃料が発熱によってさらに膨張する。そのために、上記炭酸ガスと気化燃料によって燃料電池内のガス圧力（内圧）が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し、強度が比較的に小さい表面層（電池カバー部）にガス圧力が集中して表面層を変形させたり、大きな撓みを発生させたりする。この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して、電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする結果、電池出力が低下してしまう問題点があった。
【０００８】
本発明の目的は、液体燃料の気化成分をアノード触媒層に供給する方式を有する小型燃料電池の出力特性を安定化向上させることにあり、特に電池反応の進行に伴ってアノード触媒層から発生する炭酸ガスや気化燃料による内圧上昇で生じる構成部品の変形や密着不良による電池出力特性の低下が少ない燃料電池の収容構造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】
上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池の収容構造は、液体燃料を貯留する液体燃料タンクと、液体燃料を改質するアノード触媒層と、液体燃料の気化成分を前記アノード触媒層に供給するための燃料気化層と、改質した燃料成分を空気によって酸化するカソード触媒層と、上記アノード触媒層とカソード触媒層との間に配置され液体燃料の改質によって生成したプロトンをカソード触媒層側に拡散させるプロトン伝導性膜と、上記カソード触媒層に供給する空気を導入する空気導入口を備えた表面層とを具備する燃料電池と、上記燃料電池を収容する収容空間を備えた電子機器の筐体と、上記収容空間を閉止する蓋体とを配設した燃料電池の収容構造において、上記燃料電池の表面層を押圧する弾性体を上記表面層と蓋体との間に介装したことを特徴とする。
【００１０】
また上記燃料電池の収容構造において、前記弾性体はゴムから構成され、このゴムの厚さは表面層の中央部に対向する位置において最大であり、中央部から周辺方向に向かう位置において徐々に厚さが減少するように構成されていることが好ましい。
【００１１】
さらに上記燃料電池の収容構造において、前記弾性体は弾性力が異なる複数のばねから構成され、表面層の中央部に対向する位置に弾性力が最大であるばねを配置する一方、中央部から周辺方向に向かう位置においては徐々に弾性力を相対的に減少させたばねを配置するように構成されていることが好ましい。
【００１２】
また上記燃料電池の収容構造において、前記カソード触媒層に供給する空気を導入するために表面層に形成した空気導入口の中心軸と一致する中心軸を有する空気導入口を前記蓋体および弾性体にも形成することが好ましい。
【００１３】
さらに、本発明に係る電子機器は、上記のように構成した燃料電池の収容構造を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る燃料電池の収容構造によれば、燃料電池の表面層を押圧する弾性体が表面層と蓋体との間に介装されているために、電池反応の進行に伴ってアノード触媒層から発生する炭酸ガスや気化燃料によって燃料電池内のガス圧力（内圧）が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し表面層（電池カバー部）にガス圧力が集中した場合においても、表面層（電池カバー部）が効果的に押圧され変形や撓みを発生することが無い。したがって、この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする恐れが少なく、安定した出力特性を備えた燃料電池を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、液体燃料の気化成分をアノード触媒層に供給するための燃料気化層を具備した燃料電池を電子機器の筐体に収容する場合において、筐体を閉止する蓋体の剛性を利用して燃料電池を拘束することにより燃料電池の構成部品の変形や撓みを効果的に抑制できるという知見を得た。特に燃料電池の表面層と筐体の蓋体との間に表面層を押圧する弾性体を介装することにより、電池構成部品が変形した場合においても電池構成部品相互の密着度が低下することが無く、電極部での集電機能や電池内部における物質移動が良好に維持される結果、安定した出力特性を備える燃料電池が実現するという知見が得られた。
【００１６】
以下、本発明に係る燃料電池の収容構造の一実施形態である直接メタノール型燃料電池の収容構造について、添付図面を参照して説明する。
【００１７】
まず、第一の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の収容構造の構成例を示す模式的な断面図である。
【００１８】
図１に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１は、カソード触媒層２及びカソードガス拡散層４から成るカソード極と、アノード触媒層３及びアノードガス拡散層５から成るアノード極と、カソード触媒層２とアノード触媒層３の間に配置されるプロトン伝導性の電解質膜６とを備えるものである。
【００１９】
カソード触媒層２及びアノード触媒層３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。アノード触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、カソード触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。
【００２０】
プロトン伝導性電解質膜６を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
カソードガス拡散層４はカソード触媒層２の上面側に積層され、かつアノードガス拡散層５はアノード触媒層３の下面側に積層されている。カソードガス拡散層４はカソード触媒層２に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、カソード触媒層２の集電体も兼ねている。一方、アノードガス拡散層５はアノード触媒層３に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層３の集電体も兼ねている。カソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂは、それぞれ、カソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５と接している。カソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂには、例えば、金などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）をそれぞれ使用することが出来る。
【００２２】
矩形枠状のカソードシール材８ａは、カソード導電層７ａとプロトン伝導性電解質膜６との間に位置すると共に、カソード触媒層２及びカソードガス拡散層４の周囲を気密に囲んでいる。一方、矩形枠状のアノードシール材８ｂは、アノード導電層７ｂとプロトン伝導性電解質膜６との間に位置すると共に、アノード触媒層３及びアノードガス拡散層５の周囲を気密に囲んでいる。カソードシール材８ａ及びアノードシール材８ｂは、膜電極接合体１からの燃料漏れ及び酸化剤漏れを防止するためのオーリングである。
【００２３】
膜電極接合体１の下方には、液体燃料タンク９が配置されている。液体燃料タンク９内には、液体のメタノール等の液体燃料Ｌあるいはメタノール水溶液が収容されている。液体燃料タンク９の開口端には、燃料気化層１０として例えば、液体燃料の気化成分のみを透過させて、液体燃料を透過させない気液分離膜が液体燃料タンク９の開口部を覆うように配置されている。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合ガスを意味する。
【００２４】
気液分離膜（燃料気化層１０）とアノード導電層７ｂの間には、樹脂製のフレーム１１が積層されている。フレーム１１で囲まれた空間は、気液分離膜１０を拡散してきた気化燃料を一時的に収容しておく気化燃料収容室１２（いわゆる蒸気溜り）として機能する。この気化燃料収容室１２及び気液分離膜１０の透過メタノール量抑制効果により、一度に多量の気化燃料がアノード触媒層３に供給されるのを回避することができ、メタノールクロスオーバーの発生を抑えることが可能である。なお、フレーム１１は、矩形のフレームで、例えばＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）のような熱可塑性ポリエステル樹脂から形成される。
【００２５】
上記のような構成を有する燃料電池Ｂは、電子機器の筐体１７に設けられた収容空間１６内に収容される。上記燃料電池Ｂが収納された収容空間１６を閉止する蓋体１８が配設されており、上記燃料電池Ｂの表面層１５を押圧する弾性体２０が上記表面層１５と蓋体１８との間に介装されて燃料電池Ｂの収容構造が構成されている。
【００２６】
上記弾性体２０を構成する材料は、燃料電池の内圧上昇度合いによっても異なるが、弾性力に富むゴム材が好ましい。具体的なゴム材としては、シリコーンゴム（ＳＲ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ）、スチレンブタジエンゴム（ＳＢＲ）などが例示できる。
【００２７】
特に、電池の内圧上昇度合いが２ｋｇ／ｃｍ２以下である場合には、例えばヤング率が０．１〜１ＭＰａの範囲であるシリコーンゴム等が好適である一方、内圧上昇度合いが２ｋｇ／ｃｍ２を超える場合には、ヤング率が１ＭＰａを超えるフッ素ゴム等が好適である。また、電池使用環境を考慮して、上記弾性体２０を構成する材料は、耐溶性、耐酸性、耐湿性、耐熱性を有する材料であることが好ましい。
【００２８】
上記弾性体２０の厚さは平面方向で均一であっても良いが、弾性体の厚さを表面層の中央部に対向する位置において最大とし、中央部から周辺方向に向かう位置において徐々に厚さを減少するように厚さの分布を形成することにより、特にガス内圧が集中して作用しやすい中央部における押圧力を高めることができる。
【００２９】
具体的に上記弾性体２０の厚さは、電池容量によっても異なるが、表面層の中心付近に対向する位置で２〜１０ｍｍ程度とする一方、表面層の周辺付近に対向する位置で１〜５ｍｍ程度とすることが好ましい。
【００３０】
また、上記弾性体２０を構成する材料は、上記ゴムに限定されず、所定の弾性力（付勢力）を有するばねを使用することも可能である。
【００３１】
なお、本実施形態において上記弾性体２０はヤング率が０．３ＭＰａ（ポアソン比：０．５程度）であるシリコーンゴムから構成されており、このゴムの厚さは表面層１５の中央部に対向する位置において最大であり、中央部から周辺方向に向かう位置において徐々に厚さが連続的に減少するように構成されている。
【００３２】
また、本実施形態においては前記カソード触媒層２に供給する空気を導入するために表面層１５に形成した空気導入口１４の中心軸と一致する中心軸を有する空気導入口を前記蓋体１８および弾性体２０にも形成して構成される。この場合、表面層１５、蓋体１８および弾性体２０に中心軸が同一の空気導入口が形成されるため、カソード触媒層２側に円滑に空気が導入されるため、カソード触媒層２における電池反応を効率的に進行させることができる。
【００３３】
また、膜電極接合体１の上部に積層されたカソード導電層７ａ上には、保湿板１３が積層されている。酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口１４が複数個形成された表面層１５は、保湿板１３の上に積層されている。表面層１５は、膜電極接合体１を含むスタックを加圧してその密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属から形成される。保湿板１３は、カソード触媒層２において生成した水の蒸散を抑止する役割をなすと共に、カソードガス拡散層４に酸化剤を均一に導入することによりカソード触媒層２への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての役割も果たしている。
【００３４】
上述したような構成の第一の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池によれば、液体燃料タンク９内の液体燃料（例えばメタノール水溶液）が気化し、気化したメタノールと水が気液分離膜（燃料気化層）１０を拡散し、気化燃料収容室１２に一旦収容され、そこから徐々にアノードガス拡散層５を拡散してアノード触媒層３に供給され、以下の反応式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
【００３５】
［化１］
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−    ……（１）
【００３６】
また、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料気化層１０からの水の供給がないため、カソード触媒層２に混入したメタノールの酸化反応により生成した水やプロトン伝導性電解質膜６中の水分等がメタノールと反応して前述した（１）式の内部改質反応が生じるか、あるいは前述した（１）式によらない水不使用の反応機構で内部改質反応が生じる。
【００３７】
アノード触媒層３におけるメタノール等の燃料の分解反応によって生成した炭酸ガス（ＣＯ２）は、燃料気化層１０とアノード触媒層３との間に形成された気化燃料収容室１２に蓄積されるため、内圧が経時的に増加する。
【００３８】
上記の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）はプロトン伝導性電解質膜６を拡散してカソード触媒層３に到達する。一方、表面層１５の空気導入口１４から取り入れられた空気は、保湿板１３とカソードガス拡散層４を拡散してカソード触媒層２に供給される。カソード触媒層２では、下記（２）式に示す反応によって水が生成する、つまり発電反応が生じる。
【００３９】
［化２］
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    ……（２）
【００４０】
発電反応が進行すると、前述した（２）式の反応などによってカソード触媒層２中に生成した水が、カソードガス拡散層４内を拡散して保湿板１３に到達し、保湿板１３によって蒸散を阻害され、カソード触媒層２中の水分貯蔵量が増加する。このため、発電反応の進行に伴ってカソード触媒層２の水分保持量がアノード触媒層３の水分保持量よりも多い状態を作り出すことができる。その結果、浸透圧現象によって、カソード触媒層２に生成した水がプロトン伝導性電解質膜６を通過してアノード触媒層３に移動する反応が促進されるため、アノード触媒層への水供給速度を燃料気化層のみに頼っていた場合に比べて向上することができ、前述した（１）式に示すメタノールの内部改質反応を促すことができる。このため、出力密度を高くすることができると共に、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。
【００４１】
一方、アノード触媒層３におけるメタノール等の燃料の分解反応によって生成した炭酸ガス（ＣＯ２）は、燃料気化層１０とアノード触媒層３との間に形成された気化燃料収容室１２に蓄積されるため、内圧が経時的に増加する。さらに、カソード触媒層２においては改質した燃料成分を空気によって酸化する発熱反応が進行するために、電池内部における液体燃料の気化が促進され、さらには気化燃料が発熱によってさらに膨張し、このガス圧が表面層を電池内部から外方向に向かって押し上げようとする。
【００４２】
しかしながら、本実施形態に係る燃料電池の収容構造によれば、燃料電池の表面層１５を押圧する弾性体２０が表面層１５と蓋体１８との間に介装されているために、電池反応の進行に伴ってアノード触媒層３から発生する炭酸ガスや気化燃料によって燃料電池内のガス圧力（内圧）が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し表面層（電池カバー部）１５にガス圧力が集中した場合においても、表面層１５が効果的に押圧され変形や撓みを発生することが無い。したがって、この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする恐れが少なく、安定した出力特性を備えた燃料電池を提供することが可能になる。
【００４３】
また、弾性体２０の厚さを表面層１５の中央部に対向する位置において最大とし、中央部から周辺方向に向かう位置において徐々に厚さを減少するように厚さの分布を形成するように構成しているために、特にガス内圧が集中して作用しやすい中央部における押圧力を高めることができる。
【００４４】
さらに、カソード触媒層２に供給する空気を導入するために表面層１５に形成した空気導入口１４の中心軸と一致する中心軸を有する空気導入口を前記蓋体１８および弾性体２０にも形成しているために、表面層１５、蓋体１８および弾性体２０に中心軸が同一の空気導入口が形成される結果、カソード触媒層２側に円滑に空気が導入され、カソード触媒層２における電池反応を効率的に進行させることができる。
【００４５】
また、液体燃料として濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液か、純メタノールを使用することによって、内部改質反応に、カソード触媒層２からアノード触媒層３に拡散してきた水がもっぱら使用されるようになり、アノード触媒層３への水供給が安定して進行するため、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低減することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料タンクの小型化を図ることも可能である。なお、純メタノールの純度は、９５重量％以上１００重量％以下にすることが望ましい。
【００４６】
次いで、本発明の第２の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の収容構造について説明する。
【００４７】
この第２の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の収容構造は、図２に示すように、前記弾性体２０としてシリコーンゴムの替わりに、弾性力が異なる複数のばね２０ａ、２０ｂ、２０ｃから構成したこと以外は、前述した第１の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の収容構造と同様な構造を有するものである。
【００４８】
また、上記第２の実施形態においては、弾性力が異なる複数のばね２０ａ、２０ｂ、２０ｃから弾性体が構成されるが、そのうち表面層１５の中央部に対向する位置に弾性力が最大であるばね２０ａを配置する一方、中央部から周辺方向に向かう位置においては徐々に弾性力を相対的に減少させたばね２０ｂ、２０ｃをそれぞれ配置するように構成されている。
【００４９】
上記第２の実施形態においても、前記第１の実施形態と同様な作用効果を奏することができる。すなわち、燃料電池の表面層１５を押圧するばね状の弾性体２０ａ、２０ｂ、２０ｃが表面層１５と蓋体１８との間に介装されているために、電池反応の進行に伴ってアノード触媒層３から発生する炭酸ガスや気化燃料によって燃料電池内のガス圧力（内圧）が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し表面層（電池カバー部）１５にガス圧力が集中した場合においても、表面層１５がばね状の弾性体２０ａ、２０ｂ、２０ｃによって効果的に押圧され変形や撓みを発生することが無い。したがって、この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする恐れが少なく、安定した出力特性を備えた燃料電池を提供することが可能になる。
【００５０】
また第２の実施形態においても、燃料タンクに収容される液体燃料Ｌとして、５０モル％以上のメタノール水溶液か、純メタノール（純度は９５重量％以上１００重量％以下にすることが望ましい）を使用する。このため、気液分離膜１０を拡散してアノード触媒層３に供給される水分量が減少もしくは皆無となる。一方、カソード触媒層２には、前述した（２）式に示す酸化反応等によって水が生成し、発電の進行と共に水の存在量が増加する。その結果、カソード触媒層２の水分保持量がアノード触媒層３の水分保持量よりも多い状態を形成することができるため、浸透圧現象によって、カソード触媒層２からアノード触媒層３への水の拡散を促進することができる。その結果、アノード触媒層３への水供給が促進され、かつ水供給が安定して行なわれるようになるため、前述した（１）式に示すメタノールの内部改質反応を促進することができ、出力密度と長期出力特性を向上させることが可能となる。また、液体燃料タンク９の小型化を図ることも可能になる。
【００５１】
ここで、パーフルオロカーボン系のプロトン伝導性電解質膜６を使用した場合における燃料電池の最大出力とプロトン伝導性電解質膜６の厚さとの関係を調査した結果、高い出力特性を実現するためには、プロトン伝導性電解質膜６の厚さを１００μｍ以下にすることが望ましい。プロトン伝導性電解質膜６の厚さを１００μｍ以下にすることにより高出力が得られる理由は、カソード触媒層２からアノード触媒層３への水の拡散をさらに促すことが可能になるためである。但し、プロトン伝導性電解質膜６の厚さを１０μｍ未満にすると、電解質膜６の強度が低下する恐れがあることから、プロトン伝導性電解質膜６の厚さは１０〜１００μｍの範囲に設定することがより好ましい。より好ましくは、１０〜８０μｍの範囲である。
【実施例】
【００５２】
以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。
【００５３】
（実施例１）
＜アノード極の作製＞
アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが４５０μｍのアノード触媒層を有するアノード極を作製した。
【００５４】
＜カソード極の作製＞
カソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが４００μｍのカソード触媒層を有するカソード極を作製した。
【００５５】
アノード触媒層とカソード触媒層の間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【００５６】
保湿板として厚さが５００μｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７）で、透湿度が４０００ｇ／ｍ２２４ｈ（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  Ａ−１法）のポリエチレン製多孔質フィルムを用意した。
【００５７】
気化燃料収容室１２の側壁を構成するフレーム１１として、ＰＥＴ製で厚さが２５μｍである枠状のフレーム１１を用意した。また、気液分離膜１０を構成する部材として、厚さが１００μｍであるシリコ−ンゴム（ＳＲ）シートを用意した。
【００５８】
表面層１５として厚さが０．３ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）板に、開口率３０で空気導入口１４を穿設した電池カバーを用意した。
【００５９】
また、弾性体２０として、ヤング率が０．３ＭＰａ（ポアソン比：０．５）であるシリコーンゴム板を用意した。このゴム板の厚さは表面層１５の中央部に対向する位置において最大であり、中央部から周辺方向に向かう位置において徐々に厚さが連続的に減少するように表面層１５に当接する下面側が曲面状に形成されている。
【００６０】
また、本実施形態においては前記カソード触媒層２に供給する空気を導入するために表面層１５に形成した空気導入口１４の中心軸と一致する中心軸を有する空気導入口を前記弾性体２０にも形成している。
【００６１】
得られた表面層（電池カバー）１５、膜電極接合体１、保湿板１３、フレーム１１、気液分離膜１０を用いて前述した図１に示す構造を有する内部気化型の実施例１で使用する直接メタノール型燃料電池Ｂを組み立てた。この際、燃料タンク９には、純度が９９．９重量％の純メタノールを２ｍＬ収容した。
【００６２】
そして、上記燃料電池Ｂを収容する収容空間１６を備えた電子機器の筐体１７に燃料電池Ｂを収容した後に、上記収容空間１７を閉止する蓋体１８と燃料電池Ｂの表面層１５との間に、上記燃料電池Ｂの表面層１５を押圧する弾性体２０を介装することにより、実施例１に係る燃料電池の収容構造を構築した。なお、前記カソード触媒層２に供給する空気を導入するために表面層１５に形成した空気導入口１４の中心軸と一致する中心軸を有する空気導入口を上記蓋体１８にも形成している。
【００６３】
上記実施例１に係る燃料電池の収容構造によれば、燃料電池Ｂの表面層１５を押圧する弾性体２０が表面層１５と蓋体１８との間に介装されているために、電池反応の進行に伴ってアノード触媒層３から発生する炭酸ガスや気化燃料によって燃料電池内のガス圧力（内圧）が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し表面層（電池カバー部）１５にガス圧力が集中した場合においても、表面層１５が効果的に押圧され変形や撓みを発生することが無い。したがって、この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする恐れが少なく、安定した出力特性を備えた燃料電池を提供することが可能になった。
【００６４】
（実施例２）
実施例１のようなシリコーンゴムから成る弾性体２０を設けず、図２に示すように、前記弾性体２０としてシリコーンゴムの替わりに、弾性体として弾性力が異なる複数のばね２０ａ、２０ｂ、２０ｃから構成した点以外は、前述した実施例１に係る直接メタノール型燃料電池の収容構造と同様な構造を有するように処理して実施例２に係る燃料電池の収容構造を構築した。
【００６５】
また、上記実施例２においては、弾性力が異なる複数のばね２０ａ、２０ｂ、２０ｃから弾性体が構成されるが、そのうち表面層１５の中央部に対向する位置に弾性力が最大であるばね２０ａを配置する一方、中央部から周辺方向に向かう位置においては徐々に弾性力を相対的に減少させたばね２０ｂ、２０ｃをそれぞれ配置するように構成されている。
【００６６】
上記実施例２においても、前記実施例１と同様な作用効果が得られる。すなわち、燃料電池Ｂの表面層１５を押圧するばね状の弾性体２０ａ、２０ｂ、２０ｃが表面層１５と蓋体１８との間に介装されているために、電池反応の進行に伴ってアノード触媒層３から発生する炭酸ガスや気化燃料によって燃料電池Ｂ内のガス圧力（内圧）が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し表面層１５にガス圧力が集中した場合においても、表面層１５がばね状の弾性体２０ａ、２０ｂ、２０ｃによって効果的に押圧され変形や撓みを発生することが無い。したがって、この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする恐れが少なく、安定した出力特性を備えた燃料電池を提供することが可能になった。
【００６７】
（比較例）
実施例１、２で使用した弾性体２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃを配置しない点以外は実施例１と同様の構造を有する比較例に係る燃料電池の収容構造を組み立てた。
【００６８】
こうして調製した実施例１および比較例に係る燃料電池の収容構造について、室温（２５℃）環境にて定格負荷で発電を数時間実施した後の定常運転条件下において、発電電流値と規格化された燃料電池電圧との関係を測定した。測定結果を図３に示す。
【００６９】
図３に示す結果から明らかなように、燃料電池Ｂの表面層１５を押圧する弾性体２０が表面層１５と蓋体１８との間に介装された実施例１に係る燃料電池Ｂの収容構造によれば、電池反応の進行に伴ってアノード触媒層３から発生する炭酸ガスや気化燃料によって燃料電池内のガス圧力（内圧）が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し表面層１５にガス圧力が集中した場合においても、表面層１５が弾性体２０によって効果的に押圧され変形や撓みを発生することが無い。したがって、この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする恐れが少なく、燃料電池の安定した出力特性が得られる。
【００７０】
これに対して、弾性体を配置しない比較例に係る燃料電池の収容構造においては、アノード圧力は経時的に上昇し、表面層が大きく変形し続けるために、この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して、電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする結果、電池出力が低下する傾向が再確認できた。
【００７１】
図３に示す実施例１と比較例との比較結果から明らかなように、燃料電池Ｂの表面層１５を押圧する弾性体２０を表面層１５と蓋体１８との間に介装することにより、表面層１５を含む各電池構成部品の撓みが減少し、燃料電池内部における物質移動および集電機能が改善され、実施例１では比較例より広い電池電流範囲において１０〜３０％も電池電圧を上昇させることができるという顕著な作用効果が確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】弾性体としてシリコーンゴムを用いた本発明の第１実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の収容構造例を示す模式的な断面図。
【図２】弾性体として複数のばねを用いた第２実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の収容構造例を示す模式的な断面図。
【図３】実施例１および比較例に係る燃料電池の収容構造において、定格負荷で発電を３０分間実施した後の定常運転条件下において、発電電流値と規格化された燃料電池電圧との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
【００７３】
１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２…カソード触媒層、３…アノード触媒層、４…カソードガス拡散層、５…アノードガス拡散層、６…プロトン伝導性電解質膜、７ａ…カソード導電層、７ｂ…アノード導電層、８ａ…カソードシール材、８ｂ…アノードシール材、９…液体燃料タンク、１０…燃料気化層（気液分離膜）、１１…フレーム（側壁）、１２…気化燃料収容室、１３…保湿板、１４…空気導入口、１５…表面層、１６…電池収容空間、１７…電子機器筐体、１８…蓋体、２０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ…弾性体（ゴム、ばね）、Ｂ…燃料電池、Ｌ…液体燃料。
【図１】
2007080628.tif 000003
【図２】
2007080628.tif 000004
【図３】
2007080628.tif 000005