(57)【要約】【課題】燃料の過剰供給及び異常発熱を抑制し、信頼性を向上することを可能にした燃料電池を提供すること。【解決手段】  燃料極と、空気極と、燃料極と空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体２と、  膜電極接合体２の燃料極側に配置され、燃料極に対して燃料を供給する燃料供給部３１と、  液体燃料Ｆを収容するとともに、燃料供給部３１と流路４を介して接続された燃料収容部３０と、  流路４に設けられた燃料供給ポンプＰと、  燃料供給部３１からの燃料供給による酸化反応に伴った温度を測定する温度測定部５０と、  温度測定部５０からの出力に基づいて燃料供給ポンプＰの動作を制御するコントローラ５と、を具備することを特徴とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に対して燃料を供給する燃料供給部と、
液体燃料を収容するとともに、前記燃料供給部と流路を介して接続された燃料収容部と、
前記流路に設けられた燃料供給ポンプと、
前記燃料供給部からの燃料供給による酸化反応に伴った温度を測定する温度測定部と、
前記温度測定部からの出力に基づいて前記燃料供給ポンプの動作を制御するコントローラと、
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料供給部は、前記膜電極接合体と並列に前記温度測定部に燃料を供給するように構成され、
前記温度測定部は、前記燃料供給部からの燃料供給による酸化反応を生起する反応部と、前記反応部の温度を検知する温度検知部と、を備えて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料供給部は、前記流路に接続され燃料が注入される燃料注入口と、この燃料注入口から注入された燃料を前記燃料極に供給する燃料供給口と、を有し、
前記温度測定部は、前記膜電極接合体のうちの前記燃料供給口に対向する反応部の温度を検知する温度検知部を備えて構成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
さらに、前記燃料供給部の前記燃料供給口と前記膜電極接合体との間に配置された少なくとも１つの多孔体と、前記多孔体と前記膜電極接合体との間に配置された支持部材と、を備え、
前記多孔体及び前記支持部材は、前記燃料供給口に対向する開口部を有することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記膜電極接合体に供給される液体燃料は、メタノール燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記メタノール燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコン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いる。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、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１及び２参照）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
【０００５】
一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（特許文献３〜５参照）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。ただし、流路からの液体燃料の供給構造によっては、燃料電池セルに対する燃料の供給状態が不均一になり、燃料電池の出力が低下するおそれがある。例えば、溝状の流路に沿って液体燃料を流す場合、流路を液体燃料が流れるにつれて順次燃料が消費されていくため、流路出口側では燃料濃度が減少する。このため、燃料電池セルの流路出口に近い部分では発電反応が低下し、その結果として出力の低下を招いてしまう。
【０００６】
また、特許文献３には、燃料収容部から流路に設けたポンプにより液体燃料を供給する構成が開示されている。特許文献４には、ポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることが開示されている。特許文献５には、電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが開示されている。燃料の循環構造を適用した燃料電池では、ポンプが有効であるものの、パッシブ型ＤＭＦＣのように燃料を循環させない場合には単にポンプを適用しても燃料消費量が増大するだけで、燃料電池セル全体での均一な発電反応を生起することは難しい。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特開２００６−３１８７１２号公報
【特許文献３】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献４】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献５】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、燃料の過剰供給及び異常発熱を抑制し、信頼性を向上することを可能にした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】
【０００８】
この発明の態様による燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に対して燃料を供給する燃料供給部と、
液体燃料を収容するとともに、前記燃料供給部と流路を介して接続された燃料収容部と、
前記流路に設けられた燃料供給ポンプと、
前記燃料供給部からの燃料供給による酸化反応に伴った温度を測定する温度測定部と、
前記温度測定部からの出力に基づいて前記燃料供給ポンプの動作を制御するコントローラと、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、燃料の過剰供給及び異常発熱を抑制し、信頼性を向上することを可能にした燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
【００１１】
図１に示すように、燃料電池１は、燃料電池１の起電部を構成する膜電極接合体２を備えている。すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。
【００１２】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１３】
電解質膜１７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パーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００１４】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１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１１の集電体としての機能も兼ね備えている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体としての機能も兼ね備えている。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えば多孔質基材で構成されている。
【００１５】
アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これらの導電層としては、例えば金（Ａｕ）のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。
【００１６】
なお、図２及び図３に示した例においては、膜電極接合体２は、同一の電解質膜１７上に４個のアノード１３及び４個のカソード１６をそれぞれ対向して形成し、それらを電気的に直列に接続したＭＥＡ構造のものを示しているが、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず、単体で構成しても良いし、他の構造であっても良い。
【００１７】
電解質膜１７のアノード側及びカソード側には、それぞれゴム製のＯリングなどのシール材１９が配置されており、これらによって膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
【００１８】
燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２に対して燃料Ｆを供給する燃料供給機構３を備えている。この燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード（燃料極）１３に対して燃料を供給するものである。この燃料供給機構３は、燃料供給部３１と、燃料供給部３１に供給される液体燃料Ｆを収容する燃料収容部３０を備えている。
【００１９】
燃料収容部３０は、膜電極接合体２に対応した液体燃料Ｆを収容しており、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。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、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料Ｆが使用される。
【００２０】
このような燃料収容部３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。また、燃料収容部３０は、液体燃料Ｆの残量を外部から目視することが可能なように透明樹脂によって形成されることが望ましい。また、このような透明樹脂は、耐メタノール性などを有していることが好ましい。なお、燃料収容部３０は、全体を透明樹脂で形成しても良いし、その一部を透明樹脂で形成しても良い。
【００２１】
上述した透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホンなどが挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂などのオレフィン系樹脂などで構成した燃料収容部３０を除外するものではない。
【００２２】
燃料供給部３１は、燃料収容部３０に収容された液体燃料Ｆが注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料Ｆやその気化成分を供給する燃料供給口３３と、燃料注入口３２と燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。ここで示した燃料供給部３１の例では、燃料注入口３２及び燃料供給口３３は、それぞれ１箇所である。
【００２３】
燃料供給部３１と燃料収容部３０とは、配管のような液体燃料Ｆの流路４を介して接続されている。つまり、流路４と燃料注入口３２とが接続されており、燃料供給部３１には、燃料収容部３０から流路４を介して液体燃料Ｆが導入される。流路４は、燃料供給部３１や燃料収容部３０と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部３１と燃料収容部３０とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。
【００２４】
燃料収容部３０から燃料供給部３１への液体燃料Ｆの導入は、例えば燃料供給ポンプＰを用いて行われる。この燃料供給ポンプＰは、流路４の途中に挿入されている。燃料供給ポンプＰは、液体燃料Ｆを循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部３０から燃料供給部３１に液体燃料Ｆを送液するものである。このような燃料供給ポンプＰの動作（ＯＮ／ＯＦＦのスイッチング）は、コントローラ５により制御され、必要時に液体燃料Ｆを送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
【００２５】
燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された液体燃料Ｆは、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部３０に戻されることはない。この実施の形態の燃料電池１は、液体燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、この燃料電池１は、液体燃料Ｆの供給に燃料供給ポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、ここで説明する燃料電池１は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される方式を適用している。
【００２６】
燃料供給ポンプＰ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という観点から、ロータリーポンプ（ロータリーベーンポンプ）、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００２７】
燃料供給ポンプＰは、必要時に動作させて燃料収容部３０から燃料供給部３１に液体燃料Ｆを供給する。このように、燃料供給ポンプＰで燃料収容部３０から燃料供給部３１まで液体燃料を送液する場合においても、燃料供給部３１は有効に機能するため、膜電極接合体２に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。また、燃料供給部３１から膜電極接合体２への燃料供給が行われる構成であれば燃料供給ポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路４による液体燃料Ｆの供給を制御するために設けられるものである。
【００２８】
膜電極接合体２のカソード１６上には、保湿層２０が配置されているが省略しても良い。この保湿層２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソードガス拡散層１５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層１４への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿層２０は、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００２９】
また、この実施の形態において、燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２のカソード（空気極）１６側に配置されたカバー部材１８を備えている。このカバー部材１８は、外観が略箱状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバー部材１８は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口（空気導入孔）１８Ａを有している。開口１８Ａは、例えば略等間隔に形成されている。
【００３０】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材４１が配置されている。なお、このような支持部材４１は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては支持部材４１を適用することにより以下のような効果が得られる。
【００３１】
すなわち、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材４１を配置したことにより、燃料供給口３３から膜電極接合体２までの距離を確保することができる。このため、燃料供給口３３から供給された液体燃料Ｆの気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。これにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体２での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。
【００３２】
したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体２で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池１の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
【００３３】
また、支持部材４１により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材４１とカバー部材１８との間で膜電極接合体２を保持するため、膜電極接合体２の撓みなどの変形を抑制することができ、膜電極接合体２と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
【００３４】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体４２が配置されている。多孔体４２の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体４２として用いられる。このような多孔体４２は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。
【００３５】
なお、このような多孔体４２は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては、多孔体４２を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体４２を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部３１の燃料供給口３３から供給された液体燃料Ｆは、一旦多孔体４２に吸収され、多孔体４２の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体４２から支持部材４１を介してアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
【００３６】
上述したような構成の燃料電池１においては、以下のようなプロセスによって発電する。
【００３７】
すなわち、燃料注入口３２から燃料供給部３１に導入された液体燃料Ｆは、細管３４を経由して燃料供給口３３に導かれる。燃料供給口３３から供給された液体燃料Ｆは、多孔体４２及び支持部材４１を経て気化するとともに広範囲にわたって拡散する。これによって、膜電極接合体２のアノード１３には、支持部材４１を透過した液体燃料の気化成分が供給される。
【００３８】
膜電極接合体２内において、燃料の気化成分は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合には、アノード触媒層１１において、供給された気化成分により、下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
【００３９】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、水が供給されないため、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、上記した（１）式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００４０】
この内部改質反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。
【００４１】
一方、カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カバー部材１８に設けられた開口１８Ａから導入された空気は、保湿層２０及びカソードガス拡散層１５を通過し、カソード触媒層１４へと供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００４２】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００４３】
ところで、この実施の形態に係る燃料電池１においては、図１に示すように、燃料供給部３１からの燃料供給による酸化反応に伴った温度を測定する温度測定部５０が設けられている。
【００４４】
すなわち、上述したような構成の燃料電池１においては、燃料供給部３１により燃料供給口３３から液体燃料が供給されてから、液体燃料の拡散及び気化を促し、さらに膜電極接合体２において気化成分が供給されたことによる発電反応を生起するまでに要する時間が比較的長い。このため、コントローラ５による燃料供給ポンプＰ等の動作の制御を適正に行い、液体燃料の過剰供給を抑制し、しかも、燃料が膜電極接合体２に過剰に供給されたことによる発電反応に伴った膜電極接合体２の異常発熱を抑制することが要求される。
【００４５】
そこで、この実施の形態においては、燃料供給に対して温度変化の応答性が比較的良好な温度測定部５０を設け、この温度測定部５０からの出力に基づいてコントローラ５により燃料供給ポンプＰ等の動作を制御することにより燃料供給量の制御を行うものである。
【００４６】
より具体的には、燃料供給部３１は、燃料供給口３３とは異なる燃料分配口３５を備えている。この燃料分配口３５は、細管３４から分岐して、温度測定部５０に導かれている。このような構成により、燃料供給部３１は、膜電極接合体２と並列に温度測定部５０に液体燃料を供給することが可能となる。
【００４７】
温度測定部５０は、燃料供給部３１からの燃料供給による酸化反応を生起する反応部５１と、この反応部５１の温度を検知する温度検知部５２と、を備えて構成されている。
【００４８】
反応部５１は、燃料分配口３５に対向するように配置されている。この反応部５１は、発電反応に必要な最低限の部材によって構成されていれば良く、例えば液体燃料の気化成分及び酸素に接触して反応するように、電解質膜１７の同等部材１７Ａを、アノード触媒層１１の同等部材１１Ａとカソード触媒層１４の同等部材１４Ａとで挟持したような構造が適用可能である。また、反応部５１は、燃料分配口３５から供給された液体燃料の拡散を必要とすることなく液体燃料の気化成分により膜電極接合体２と同等の酸化反応を生起するようなサイズに形成されていることが望ましい。
【００４９】
温度検知部５２は、例えばサーミスタなどの温度検知機能を有した部材によって構成されている。この温度検知部５２は、反応部５１に接触するように配置され、図１に示した例では、カソード触媒層１４の同等部材１４Ａに接触している。カバー部材１８は、温度測定部５０の反応部５１に酸素が導入できるように、反応部５１に対向した開口（空気導入孔）１８Ａを有している。
【００５０】
このような構成によれば、燃料供給ポンプが作動して燃料収容部３０に収容されている液体燃料Ｆが流路４を介して燃料供給部３１に供給される。燃料供給部３１の燃料注入口３２から注入された液体燃料Ｆは、細管３４を経由して燃料供給口３３及び燃料分配口３５にそれぞれ供給される。
【００５１】
燃料供給口３３から供給された液体燃料Ｆは、多孔体４２及び支持部材４１を経て拡散及び気化し、膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２においては、アノード１３側から供給された液体燃料Ｆの気化成分により発電反応を生起し、反応に応じた電流が出力される。
【００５２】
一方、燃料分配口３５から供給された液体燃料Ｆは気化し、その気化成分が反応部５１に供給される。反応部５１においては、供給された気化成分により膜電極接合体２と同様の酸化反応を生起する。温度検知部５２は、反応部５１の温度を検知し、検知結果に対応した信号をコントローラ５に出力する。
【００５３】
コントローラ５は、温度検知部５２からの出力信号に基づいて、燃料供給ポンプＰの動作を制御する。すなわち、コントローラ５は、燃料供給ポンプＰを停止している状態で、反応部５１の温度が所定温度を下回ったとき、つまり、燃料供給部３１に供給されていた液体燃料Ｆの減少により発電反応が鈍化したときには、燃料供給ポンプＰを作動（ＯＮ）させる。また、コントローラ５は、燃料供給ポンプＰを作動させている状態で、反応部５１の温度が所定温度を上回ったとき、つまり、燃料供給部３１に供給された液体燃料Ｆの増大により発電反応が促進したときには、燃料供給ポンプＰを停止（ＯＦＦ）させる。
【００５４】
上述した構成によれば、燃料供給に対して温度変化の応答性が膜電極接合体２よりも良好な温度測定部５０からの出力に基づいてコントローラ５により燃料供給ポンプＰの動作を制御するため、所定温度を下回ってから温度上昇に転じるまでのタイムラグが小さくなるとともに、液体燃料Ｆの過剰供給及び過剰供給による異常発熱を抑制することが可能となる。
【００５５】
なお、燃料供給ポンプＰに代えて燃料遮断バルブを配置する構成を採用した場合には、この燃料遮断バルブの動作を制御することにより本発明の効果を得ることができる。
【００５６】
以下に、膜電極接合体２の温度を直接検知して燃料供給ポンプＰの動作を制御する場合（比較例）と、上述した温度測定部５０での温度を検知して燃料供給ポンプＰの動作を制御する場合とを比較する。
【００５７】
すなわち、比較例の場合には、燃料供給口３３から供給された液体燃料Ｆが実際に膜電極接合体２に供給されて発電反応に至るまでに長い時間を要する。このため、図４に示すように、所定の温度を下回ったタイミングで燃料供給ポンプＰをＯＮしても、すぐに膜電極接合体２の温度が上昇に転ずることはなく、タイムラグが長い。このため、膜電極接合体２が所定温度に達するまで燃料供給ポンプＰを作動させているため、液体燃料Ｆが多量に燃料供給部３１に供給されることになる。また、燃料供給部３１の液体燃料Ｆが「適量」を下回っても、すぐに膜電極接合体２の温度が所定温度を下回ることはないため、直ちに燃料供給ポンプＰを作動させて液体燃料Ｆを補充することもできない。したがって、比較例の場合には、膜電極接合体２の温度変化が大きく（温度の振れ幅が大きく）、また、燃料供給部３１の液体燃料Ｆの残量変化も大きい。このため、燃料電池１から得られる電流の出力が不安定となる。
【００５８】
これに対して、本実施形態の場合には、図５に示すように、所定の温度を下回ったタイミングで燃料供給ポンプＰをＯＮすると、すぐに膜電極接合体２の温度が上昇に転じ、比較例と比較してタイムラグが極めて短い。このため、膜電極接合体２が所定温度に達するまで燃料供給ポンプＰを作動させていても、略適量の液体燃料Ｆが燃料供給部３１に供給されることになる。また、燃料供給部３１の液体燃料Ｆが「適量」を下回っても、すぐに膜電極接合体２の温度が所定温度を下回るため、直ちに燃料供給ポンプＰを作動させて液体燃料Ｆを補充することにより、「適量」を容易に維持できる。したがって、本実施形態の場合には、比較例と比較して、膜電極接合体２の温度変化が小さく、また、燃料供給部３１の液体燃料Ｆの残量変化も小さい。このため、燃料電池１から得られる電流の出力が安定化する。
【００５９】
図６に示すように、比較例においては、タイムラグが７０秒〜９０秒であり、また、温度の変化量は３℃程度である。そして、この比較例に係る燃料電池１から得られる電流の出力変化は、１２ｍＡ程度となった。これに対して、図７に示すように、本実施形態においては、タイムラグが３０秒程度であり、また、温度の変化量は３℃程度である。そして、この本実施形態に係る燃料電池１から得られる電流の出力変化は、８ｍＡ程度となった。すなわち、本実施形態によれば、比較例よりも燃料電池の出力が安定することが確認された。
【００６０】
次に、変形例について説明する。
【００６１】
この変形例においては、図８に示すように、燃料供給部３１は、燃料注入口３２と、この燃料注入口３２に細管３４を介して接続された燃料供給口３３と、を有しており、図１に示したような燃料分配口は備えていない。
【００６２】
温度測定部５０は、膜電極接合体２のうち、燃料供給口３２に対向する部分（つまり、燃料供給口３２に重なる部分）を反応部５１とし、この反応部５１の温度を検知する温度検知部５２を備えて構成されている。すなわち、反応部５１は、燃料供給口３２から供給された液体燃料Ｆが拡散することなく気化した後に直ちに供給される膜電極接合体２の一部分に相当する。温度検知部５２は、反応部５１に接触するように配置され、図１に示した例では、カソード１６に接触している。
【００６３】
図８に示した例では、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材４１及び多孔体４２が配置されているが、燃料供給口３３から供給された液体燃料Ｆの気化成分を直接反応部５１に供給するために、支持部材４１及び多孔体４２は、それぞれ燃料供給口３３と対向する開口部４１Ａ及び４２Ａを有していることが望ましい。これにより、反応部５１での燃料供給に対して温度変化の応答性をより高めることが可能となる。
【００６４】
カバー部材１８は、温度測定部５０の反応部５１に酸素を導入しやすくするために、反応部５１に対向した開口（空気導入孔）１８Ａを有している。また、図８に示した例では、膜電極接合体２とカバー部材１８との間に保湿層２０が配置されているが、開口１８Ａからの空気を反応部５１により導入しやすくするために、反応部５１に対向する開口部２０Ａを有することが望ましい。これにより、反応部５１での温度変化の応答性をより高めることが可能となる。
【００６５】
このような構成によれば、燃料供給ポンプが作動して燃料収容部３０に収容されている液体燃料Ｆが流路４を介して燃料供給部３１に供給される。燃料供給部３１の燃料注入口３２から注入された液体燃料Ｆは、細管３４を経由して燃料供給口３３に供給される。燃料供給口３３から供給された液体燃料Ｆは、多孔体４２及び支持部材４１を経て拡散及び気化し、膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２においては、アノード１３側から供給された液体燃料Ｆの気化成分により発電反応を生起し、反応に応じた電流が出力される。
【００６６】
一方、燃料供給口３３から供給された液体燃料Ｆの一部は気化し、その気化成分が多孔体４２の開口部４２Ａ及び支持部材４１の開口部４１Ａを経て膜電極接合体２の反応部５１に供給される。反応部５１においては、供給された気化成分により発電反応を生起する。温度検知部５２は、反応部５１の温度を検知し、検知結果に対応した信号をコントローラ５に出力する。コントローラ５は、温度検知部５２からの出力信号に基づいて、燃料供給ポンプＰの動作を制御する。
【００６７】
上述した変形例においても、所定温度を下回ってから温度上昇に転じるまでのタイムラグが小さくなるとともに、液体燃料Ｆの過剰供給及び過剰供給による異常発熱を抑制することが可能となる。特に、このような変形例は、図１に示した例とは異なり、膜電極接合体２を収容する部分とは別に温度測定部を設けるスペースを確保する必要がなく、小型化に有利である。
【００６８】
上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に適用することが好ましい。
【００６９】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【００７０】
例えば、図１に示した実施の形態及び図８に示した変形例において、温度測定部を設けて燃料供給を制御するための目安となる温度を測定したが、これとは別に膜電極接合体の温度を直接測定する温度測定部を設け、この出力を発電状態の監視や、異常発熱時の制御に利用しても良い。また、これらの２つの温度測定部からの出力により、温度上昇までのタイムラグを学習させて燃料供給時間を調整したり、２点の温度差から温度異常や接続不良などを検出したりするのに利用しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係るセミパッシブ方式の燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。
【図４】図４は、比較例における燃料供給ポンプのオン／オフ動作、発熱温度、及び、液体燃料の残量の関係を説明するための図である。
【図５】図５は、本実施形態における燃料供給ポンプのオン／オフ動作、発熱温度、及び、液体燃料の残量の関係を説明するための図である。
【図６】図６は、比較例における燃料供給ポンプのオン／オフ動作、発熱温度、及び、燃料電池からの出力の関係の一例を示す図である。
【図７】図７は、本実施形態における燃料供給ポンプのオン／オフ動作、発熱温度、及び、燃料電池からの出力の関係の一例を示す図である。
【図８】図８は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１…燃料電池  ２…膜電極接合体
１１…アノード触媒層  １２…アノードガス拡散層  １３…アノード
１４…カソード触媒層  １５…カソードガス拡散層  １６…カソード
１７…電解質膜
３…燃料供給機構  ４…流路  ５…コントローラ  ３０…燃料収容部  ３１…燃料供給部  ３２…燃料注入口  ３３…燃料供給口  ３４…細管  ３５…燃料分配口
Ｆ…液体燃料  Ｐ…燃料供給ポンプ
４１…支持部材  ４２…多孔体
５０…温度測定部  ５１…反応部  ５２…温度検知部
【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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