(57)【要約】【課題】安定した高出力を得ることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】  アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソードの上方に空間を形成するとともに、前記空間から前記カソードに向けて空気を供給する開口部が形成されたカバー部材と、前記空間を密閉し、前記空間内において前記カソードに供給される空気の圧力を陽圧に維持する加圧機構と、を備えたことを特徴とする燃料電池。【選択図】      図１
2012124085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソードの上方に空間を形成するとともに、前記空間から前記カソードに向けて空気を供給する開口部が形成されたカバー部材と、
前記空間を密閉し、前記空間内において前記カソードに供給される空気の圧力を陽圧に維持する加圧機構と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記加圧機構は、前記空間に向けて空気を導入する空気導入機構と、前記空間から空気を排出する空気排出機構と、を含み、前記空気導入機構及び前記空気排出機構により前記空間内の圧力を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記空気導入機構は前記カバー部材に形成された空気導入穴に接続され、前記空気排出機構は前記カバー部材に形成された空気排出穴に接続されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料供給機構の背面側に形成されるとともに前記空間に連通し、前記空間に導入する前の空気を前記アノード側の熱により予熱する予熱室を備え、
前記加圧機構は、前記予熱室に向けて空気を導入する空気導入機構と、前記空間から空気を排出する空気排出機構と、を含み、前記空気導入機構及び前記空気排出機構により前記空間内の圧力を調整することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記予熱室と前記空間とは、マニホールドを介して接続されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記空気導入機構は前記予熱室に形成された空気導入穴に接続され、前記空気排出機構は前記カバー部材に形成された空気排出穴に接続されたことを特徴とする請求項４または５に記載の燃料電池。
【請求項７】
アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給手段と、
前記膜電極接合体の前記カソードを密閉する空間内の空気の圧力を陽圧に維持する加圧手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
さらに、前記空間に導入する前の空気を前記アノード側の熱により予熱する予熱手段を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これらの携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされており、一部で市販が始まっている。このような燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して長時間発電可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。
【０００３】
特に、メタノール（メチルアルコール）を燃料として用いる、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下ＤＭＦＣと称する）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料として用いており、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、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから、小型の携帯用電子機器の電源として有望視されている。
【０００４】
ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方法としては、低濃度の燃料を循環させる希釈循環系のＤＭＦＣと、高濃度の燃料を非循環で供給する高濃度非循環系のＤＭＦＣとに分類される。希釈循環型のＤＭＦＣは、燃料濃度が低いことから、高出力が得やすいという特徴があるが、燃料タンク、循環系に用いるポンプ以外に、濃度検出や液面検出などの検出システム、冷却や希釈燃料を調整し貯蔵するタンクが必要となり、小型化、特に薄型の構造にするのが困難であるという課題がある。一方、高濃度非循環系型のＤＭＦＣは、希釈循環型で必要となる多くの補器や部品を削減でき、さらに発電要素を平面に直列接続する平面配列構造をとるため容易に薄型構造をとることができ、携帯用小型機器に搭載する場合などに適する構造がとれる。
【０００５】
しかしながら、このような高濃度非循環型のＤＭＦＣにおいては、空気の取り込みにはカソード面を開口することにより、対流により自然に取り込む方式をとるが、開口面をふさがれ閉塞の発生による出力低下や、外気の状態変化による出力の不安定さが生じるおそれがある。
【０００６】
また、特に携帯機器に搭載する場合には、高温の加熱部が露出しないように加熱部をカバーし、且つ空気の取り込みを過不足なく行う必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１８４１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本実施形態の目的は、安定した高出力を得ることが可能な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】
【０００９】
本実施形態によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給手段と、前記膜電極接合体の前記カソードを密閉する空間内の空気の圧力を陽圧に維持する加圧手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１０】
本実施形態によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜が配置された膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソードの上方に空間を形成するとともに、前記空間から前記カソードに向けて空気を供給する開口部が形成されたカバー部材と、前記空間を密閉し、前記空間内において前記カソードに供給される空気の圧力を陽圧に維持する加圧機構と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１実施形態による燃料電池の構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、第２実施形態による燃料電池の構成を概略的に示す図である。
【図３】図３は、第１実施形態及び第２実施形態の燃料電池における出力密度の経時変化、及び、比較例の燃料電池における出力密度の経時変化の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１３】
図１は、第１実施形態による燃料電池１の構成を概略的に示す図である。
【００１４】
燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、燃料供給手段の一例に相当する燃料供給機構３０と、カバー部材４０と、加圧手段の一例に相当する加圧機構５０と、を備えている。
【００１５】
膜電極接合体１０は、アノード（燃料極）１３とカソード（空気極あるいは酸化剤極）１６との間に電解質膜１７が配置された構成である。アノード１３は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに複数個配置されている。このアノード１３は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに配置されたアノード触媒層１１と、このアノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２と、を有している。カソード１６は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに複数個配置されている。このカソード１６は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに配置されたカソード触媒層１４と、このカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５と、を有している。カソード触媒層１４は、電解質膜１７は、プロトン（水素イオン）伝導性を有する材料によって形成されている。
【００１６】
発電要素である１個のセルは、電解質膜１７を挟んで対向する１個のアノード１３と１個のカソード１６とによって構成されている。本実施形態の膜電極接合体１０は、複数個のセルが平面的に並んだ構成である。
【００１７】
このような膜電極接合体１０は、本実施形態においては集電体１８によって挟持されている。集電体１８は、ベース絶縁層ＢＦ、アノード集電部１８Ａ、及び、カソード集電部１８Ｃを有している。アノード集電部１８Ａは、ベース絶縁層ＢＦの上に配置されている。カソード集電部１８Ｃは、ベース絶縁層ＢＦの上に配置されている。図示した例では、これらのアノード集電部１８Ａ及びカソード集電部１８Ｃは、ベース絶縁層ＢＦの同一面上に配置されている。なお、集電体１８は、本実施形態のように、集電体１８を二つ折りにして膜電極接合体１０を挟持した構造となっているが、この構造に限られるものではない。
【００１８】
図示した例では、アノード集電部１８Ａは、アノードガス拡散層１２に積層されている。このアノード集電部１８Ａには、アノード１３に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部１８ＡＨが形成されている。また、カソード集電部１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に積層されている。このカソード集電部１８Ｃには、カソード１６に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部１８ＣＨが形成されている。
【００１９】
膜電極接合体１０は、電解質膜１７の一方の面１７Ａと集電体１８との間及び電解質膜１７の他方の面１７Ｃと集電体１８との間にそれぞれ挟持されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされている。これにより、膜電極接合体１０からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、膜電極接合体１０において、電解質膜１７には、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。このようなガス排出孔は、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４にともに接しておらず、且つ、シール部材１９によって囲まれた内側に相当する位置に形成されている。
【００２０】
燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３に向けて燃料を供給するものである。この燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３の側に配置されている。このような燃料供給機構３０は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部５に流路６を介して接続されている。
【００２１】
燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料Ｆであってもよい。いずれにしても、燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容される。
【００２２】
また、図示した例では、燃料収容部５と燃料供給機構３０との間の流路６には、ポンプ７が介在している。このポンプ７は、燃料収容部５に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３０まで強制的に送液するものであり、燃料を循環させる循環ポンプではない。燃料供給機構３０に供給された燃料は、膜電極接合体１０に向けて供給され、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部５に戻されることはない。ポンプ７の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能なものが好ましい。このようなポンプ７は、図示しない制御基板から送られた信号に基づいて作動し、膜電極接合体１０の温度を略一定に保つように制御されている。
【００２３】
本実施形態において適用される燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されたものであれば、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３０の一例について説明する。
【００２４】
すなわち、燃料供給機構３０は、箱状に形成された容器３１、及び、膜電極接合体１０のアノード１３の面方向（つまり、図中のＸ−Ｙ平面内の方向）に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料分配板３２を備えている。燃料分配板３２は、容器３１の内側に形成された凹部に配置されている。この燃料分配板３２は、平板状に形成されている。このような燃料分配板３２には、複数の燃料排出口３３が形成されている。このような燃料分配板３２は、燃料収容部５から容器３１の燃料導入口に供給された液体燃料をアノード１３に向けて燃料排出口３３から排出する。
【００２５】
また、この燃料供給機構３０は、燃料分配板３２と膜電極接合体１０のアノード１３との間に、液体燃料とその気化成分とを分離し気化成分を膜電極接合体１０に向けて透過させる気液分離膜、液体燃料を面方向に拡散させる拡散板、液体燃料の供給量を制御する絞り板などの各種フィルム部材３４が配置されている。
【００２６】
カバー部材４０は、膜電極接合体１０のカソード１６の側に配置されている。つまり、膜電極接合体１０は、燃料供給機構３０とカバー部材４０との間に保持されている。このようなカバー部材４０は、カソード１６の上方に空間ＳＰを形成するものである。以下に、カバー部材４０の一例について説明する。
【００２７】
すなわち、カバー部材４０は、押さえ部材４１と、この押さえ部材４１との間に空間ＳＰを形成する箱状の囲い部材４２と、を備えて構成されている。なお、ここでは、カバー部材４０は、押さえ部材４１と囲い部材４２とによって構成された例について説明するが、これらは一体化されたものであっても良いし、他の構成であっても良い。
【００２８】
押さえ部材４１は、例えば、板状に形成されている。押さえ部材４１には、複数の開口部４１Ｈが形成されている。これらの開口部４１Ｈは、いずれもカソード１６の上方に位置しており、空間ＳＰからカソード１６に向けて空気を供給するためのものである。
【００２９】
このような押さえ部材４１と集電体１８との間には、通気性を有する絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、押さえ部材４１の開口部４１Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。
【００３０】
囲い部材４２は、押さえ部材４１を囲むように配置されており、すべての開口部４１Ｈが囲い部材４２の内側に位置している。この囲い部材４２は、押さえ部材４１に接続されており、しかも、押さえ部材４１との間に隙間は形成されていない。このような囲い部材４２には、空気導入穴４２Ａ及び空気排出穴４２Ｂが形成されている。これらの空気導入穴４２Ａ及び空気排出穴４２Ｂは、１個以上形成されている。
【００３１】
加圧機構５０は、カバー部材４０によって形成された空間ＳＰを密閉し、カソード１６を密閉する密閉空間を形成するものである。しかも、この加圧機構５０は、カソード１６に供給される空間ＳＰ内の空気の圧力を陽圧（つまり、カバー部材４０の外側の圧力よりも高い状態）に維持するものである。
【００３２】
すなわち、加圧機構５０は、空間ＳＰに向けて空気を導入する空気導入機構５１と、空間ＳＰから空気を排出する空気排出機構５２と、を含む構成であり、これらの空気導入機構５１及び空気排出機構５２により空間ＳＰの内部の圧力を調整するものである。
【００３３】
空気導入機構５１は、囲い部材４２に形成された空気導入穴４２Ａに接続されている。このような空気導入機構５１は、空間ＳＰに強制的に空気を送り込んで空間ＳＰの内部における空気を加圧する機能を有する構成である。このような空気導入機構５１は、例えば、空気ポンプ（特に、必要な空気流量と圧力を供給できる圧電タイプのポンプなど）、ブロワなどによって構成されている。
【００３４】
空気排出機構５２は、囲い部材４２に形成された空気排出穴４２Ｂに接続されている。このような空気排出機構５２は、空気排出穴４２Ｂにおける排出圧力を調整し、空間ＳＰの内部を所望の圧力に調整する機能を有する構成である。また、この空気排出機構５２は、空間ＳＰの内部の圧力を陽圧に維持する機能を有する構成である。このような空気排出機構５２は、例えば、圧力調整弁、保圧弁などによって構成されている。
【００３５】
この第１実施形態において、加圧機構５０では、空気排出穴４２Ｂの側の圧損及び流量が１０ｍＡｑであり、空気の利用率が１０％以上になるように調整した。
【００３６】
このような第１実施形態によれば、膜電極接合体１０のカソード１６の側に空気を取り込むための開口部４１Ｈを囲み、カソード１６を密閉する空間ＳＰを形成し、空間ＳＰ内においてカソード１６に供給される空気の圧力を陽圧にしたことにより、カソード１６に供給される空気の偏流による空気供給の不均一性を抑制することが可能となる。これにより、膜電極接合体１０において、平面的に並べられた各セルに均一に空気を供給することが可能となる。
【００３７】
また、開口部４１Ｈから自然に空気を取り込む方式とは異なり、開口部４１Ｈが形成された押さえ部材４１が囲い部材４２によって囲まれており、押さえ部材４１と囲い部材４２とによって形成された空間ＳＰの空気がカソード１６に向けて供給されるため、開口部４１Ｈの閉塞による出力の低下が防止され、しかも、外気の状態変化にかかわらず、安定してカソード１６に空気を供給することが可能となる。
【００３８】
したがって、膜電極接合体１０において、発電反応が安定化し、安定した高出力を得ることが可能となる。このため、第１実施形態の燃料電池１は、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器などの電源としてバラツキの少ない出力特性を得ることが可能となる。
【００３９】
図２は、第２実施形態による燃料電池１の構成を概略的に示す図である。
【００４０】
この第２実施形態における燃料電池１は、燃料供給機構３０の背面側、つまり、膜電極接合体１０が配置される側とは反対側に予熱室６０を備えている点で、第１実施形態の燃料電池１とは相違している。なお、以下の説明では、第１実施形態と相違する点について詳述し、第１実施形態と同一構成については説明を省略する。
【００４１】
予熱室６０は、カソード１６に空気を供給する空間ＳＰと連通しており、空間ＳＰに導入する前の空気をアノード１３の側の熱により予熱するものである。このような予熱室６０は、例えば、燃料供給機構３０を構成する容器３１の背面を囲う第２囲い部材６２の内側に形成されている。このような第２囲い部材６２は、容器３１と一体に形成されても良いし、図示しない筐体の一部によって形成されていても良い。また、第２囲い部材６２には、第２空気導入穴６２Ａ及び第２空気排出穴６２Ｂが形成されている。これらの第２空気導入穴６２Ａ及び第２空気排出穴６２Ｂは、１個以上形成されている。
【００４２】
加圧機構５０は、カソード１６の側に形成された空間ＳＰ及びアノード１３の側に形成された予熱室６０を密閉し、互いに連通した空間ＳＰ及び予熱室６０からなる密閉空間を形成するものである。しかも、この加圧機構５０は、第１実施形態と同様に、カソード１６に供給される空間ＳＰ内の空気の圧力を陽圧に維持するものである。
【００４３】
加圧機構５０は、予熱室６０に向けて空気を導入する空気導入機構５１と、空間ＳＰから空気を排出する空気排出機構５２と、を含む構成であり、これらの空気導入機構５１及び空気排出機構５２により空間ＳＰの内部の圧力を調整している。空気導入機構５１は、第２囲い部材６２に形成された第２空気導入穴６２Ａに接続されている。空気排出機構５２は、囲い部材４２に形成された空気排出穴４２Ｂに接続されている。
【００４４】
予熱室６０と空間ＳＰとは、マニホールド７０を介して接続されている。すなわち、マニホールド７０の一端側７１は、第２囲い部材６２の第２空気排出穴６２Ｂに接続されている。また、マニホールド７０の他端側７２は、囲い部材４２の空気導入穴４２Ａに接続されている。
【００４５】
空気導入機構５１によって予熱室６０に導入された空気は、膜電極接合体１０の発電反応に伴って発熱したアノード側の熱により、空間ＳＰに導入される前に予め加熱される。このため、予熱室６０から空間ＳＰに導入された空気は、比較的高温（例えば、外気よりも高温）となる。これにより、カソード１６には、比較的高温の空気が供給され、特に外気温が低い場合に反応部の温度を適度な温度に保つことができる。
【００４６】
このような第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果が得られる。さらに、この第２実施形態によれば、アノード１３の側に予熱室６０を設けたことにより、カソード１６に供給される空気が空間ＳＰに導入される前に予熱される。このため、空間ＳＰ内においてカソード１６に供給される空気を陽圧にした構成において、カソード１６での反応温度の上昇に寄与する。また、予熱室６０は、燃料電池１の発熱部の熱を利用して導入された空気を予熱する構成であるため、発熱部を導入した空気によって冷却することも可能となる。さらに、燃料電池１の発熱部が露出しないため、安全性及び信頼性を向上することが可能となる。
【００４７】
次に、第１実施形態及び第２実施形態のそれぞれの燃料電池１について、出力密度の経時変化を測定した。ここでは、いずれの燃料電池１についても、膜電極接合体１０の表面温度を一定に保つ制御により、所定時間運転を行い、出力密度を測定した。なお、比較例として、第１実施形態の燃料電池１から空気排出機構５２を排除して空気排出穴４２Ｂを開放とした燃料電池１を用意し、空気排出穴４２Ｂでの圧損をつけず同様な制御により運転を行い、出力密度を測定した。
【００４８】
図３は、第１実施形態及び第２実施形態の燃料電池１における出力密度の経時変化、及び、比較例の燃料電池における出力密度の経時変化の測定結果を示す図である。
【００４９】
第１実施形態の燃料電池１によれば、出力密度が経時的に安定に推移していることが確認された。
【００５０】
第２実施形態の燃料電池１によれば、第１実施形態の燃料電池１よりも出力密度が向上し、しかも、経時的な安定性も維持できることが確認された。
【００５１】
比較例の燃料電池によれば、出力密度が上昇するまでに時間がかかり、また、最大でも第１実施形態の燃料電池ほどの出力密度は得られず、更に経時的に出力密度が低下することが確認された。
【００５２】
以上説明したように、本実施形態によれば、安定した高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００５３】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５４】
１…燃料電池
１０…膜電極接合体  １３…アノード  １６…カソード  １７…電解質膜
１８…集電体
３０…燃料供給機構
４０…カバー部材  ＳＰ…空間
４１…押さえ部材  ４１Ｈ…開口部
４２…囲い部材  ４２Ａ…空気導入穴  ４２Ｂ…空気排出穴
５０…加圧機構  ５１…空気導入機構  ５２…空気排出機構
６０…予熱室
６２…第２囲い部材  ６２Ａ…第２空気導入穴  ６２Ｂ…第２空気排出穴
７０…マニホールド
【図１】
2012124085.tif 000003
【図２】
2012124085.tif 000004
【図３】
2012124085.tif 000005