(57)【要約】【課題】複数の発電セルを直列に積層させたスタックを備える燃料電池において、スタックに液体燃料を強制循環させるための機構を装備する必要のない燃料電池を提供する。【解決手段】片面に液体燃料(L)が供給されその反対面に酸素が供給されると液体燃料(L)が酸化して膜厚方向に電位差を生じる膜電極接合体(31)と、液体燃料(L)を供給する燃料路(43)が片面に設けられ酸素を供給するガス流路(44)がその反対面に設けられるとともに導電性を有するセパレータ(40)と、が交互に積層してなるスタック(30)を備える燃料電池(11)において、スタック(30)の天地方向上側に開口する燃料路(43)の燃料導入口(45)に液体燃料(L)を貯留させる燃料貯留部材(50)が、備わることを特徴とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
片面に液体燃料が供給されその反対面に酸素が供給されると前記液体燃料が酸化して膜厚方向に電位差を生じる膜電極接合体と、
前記液体燃料を供給する燃料路が片面に設けられ前記酸素を供給するガス流路がその反対面に設けられるとともに導電性を有するセパレータと、が交互に積層してなるスタックを備える燃料電池において、
前記スタックの天地方向上側に開口する前記燃料路の燃料導入口に前記液体燃料を貯留させる燃料貯留部材が、備わることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記燃料貯留部材は、
深絞形状の容体であって、その周縁が前記燃料導入口の群の複数の開口を包囲するように配置され、発電により生成した生成ガスを排出する排気手段が、接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の燃料電池において、
前記セパレータに、複数設けられている前記燃料導入口から延びる前記燃料路が、互いに連通するように設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項２に記載の燃料電池において、
前記燃料路は、前記スタックの天地方向下側にも開口を有し、
この開口に通じる前記液体燃料を保持する燃料保持部材が、備わることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池において、前記燃料貯留部材は、
前記液体燃料を補給する燃料補給手段と、前記液体燃料の濃度を計測する濃度センサと、前記液体燃料の液量を計測する液量センサと、が接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項４に記載の燃料電池において、前記燃料保持部材は、
前記液体燃料を補給する燃料補給手段と、前記液体燃料の濃度を計測する濃度センサと、前記液体燃料の液量を計測する液量センサと、が接続されていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を供給して発電させる燃料電池に関し、特に、複数の発電セルを直列に積層させたスタックを備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、液体燃料としてメタノールを使用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）の実用化に向けての研究が盛んである。
このような、液体燃料を使用する燃料電池の型式として、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と、その両面に液体燃料及び酸素を供給するセパレータとを組み合わせた発電セルが、その膜厚方向に積層してなるスタックを、発電源とするものが知られている。
そのようなスタックを備える公知の燃料電池として、液体燃料を、強制的に循環させる機構（ポンプ等）によってスタックに供給するとともに生成ガスを排気する型式のものが知られている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−１０７７８６号公報（図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、前記した公知技術においては、液体燃料を強制的に循環させるための機構（ポンプ等）を備えるために、燃料電池を構成する部品点数が多く、コンパクト化、軽量化及び製造コスト低減を達成させることが困難であるといった問題が存在した。
また、前記した液体燃料の強制循環機構とスタックとを相互に結ぶ配管系等の存在により、その具備する相当の熱容量のために、液体燃料と外気との望まない熱交換作用をもたらす場合があった。この場合、特に寒冷環境下における使用において、起動直後のスタックの温度上昇が抑制されて、燃料電池を短時間で活性化させることが困難であるといった問題が存在した。
【０００４】
本発明は、前記した問題を解決することを課題とし、スタックに液体燃料を強制循環させる機構を装備することなく安定して発電することができる燃料電池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】
【０００５】
前記した課題を解決するために本発明は、片面に液体燃料が供給されその反対面に酸素が供給されると前記液体燃料が酸化して膜厚方向に電位差を生じる膜電極接合体と、前記液体燃料を供給する燃料路が片面に設けられ前記酸素を供給するガス流路がその反対面に設けられるとともに導電性を有するセパレータと、が交互に積層してなるスタックを備える燃料電池において、前記スタックの天地方向上側に開口する前記燃料路の燃料導入口に前記液体燃料を貯留させる燃料貯留部材が、備わることを手段とする。
【０００６】
このような手段から発明が構成されることにより、膜電極接合体に液体燃料を供給するとともに発電に伴って生成する生成ガス（二酸化炭素）を排出する燃料路は、その長手方向が略鉛直方向に沿って設けられることになる。これにより、この燃料路を介して液体燃料は、重力によって膜電極接合体の片面の隅々まで供給されるとともに、浮力によって上方移動する生成ガスの撹拌効果によってその濃度が均一化する。
そして、この生成ガスは、スタックの天地方向上側に開口する燃料導入口に向かって燃料路を上方移動し、さらに燃料貯留部材によって貯留している液体燃料の液面に浮上した後に排気されることになる。
【発明の効果】
【０００７】
このように、本発明の燃料電池によれば、公知技術ではポンプ等が果たすスタックに液体燃料を供給する役割を、代わりに重力が果たすことになるので、そのような強制循環機構を省略することができる。
これにより、構成が簡素化され、小型、軽量でかつ安価であるとともに、さらに熱容量が低減され、起動時に短時間で活性化させることができる燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
（第１実施形態）
以下、本発明の実施形態について図面を参照しつつ説明する。
図１の斜視図は、本発明に係る燃料電池の発電部２０の第１実施形態を示している。この発電部２０は、供給される液体燃料Ｌを消費して発電するスタック３０と、このスタック３０を構造的に支持する支持体６０と、供給する液体燃料Ｌをスタック３０の上部に貯留させる燃料貯留部材５０とを、含んで構成される。
このように構成される発電部２０は、液体燃料Ｌを化学反応させて電気エネルギーに変換し、端子３７ａ，３７ｃに接続される給電対象８０（図６参照）に仕事をさせるものである。
【０００９】
燃料貯留部材５０は、図２にその縦断面が示されているように、深絞形状の容体であって、その周縁が、スタック３０の天地方向上側に開口する燃料導入口４５の群の複数の開口を包囲するように配置されている。このようにして、燃料貯留部材５０は、燃料導入口４５からスタック３０の内部に略鉛直方向に延びる燃料路４３の全体に亘り、液体燃料Ｌを充填させる。
【００１０】
そして燃料貯留部材５０がその周縁でスタック３０に固定される界面部分には、例えばＥＰＤＭ等のゴム材料、接着剤、又はろう材によるシール部材５６が介在している。このシール部材５６によって、燃料貯留部材５０の内部に貯留する液体燃料Ｌは、外部への流出が抑制される。
【００１１】
この燃料貯留部材５０は、導電性を有するセパレータ４０を複数にわたって実質的に接触する場合もあることから、各発電セル間の電流リークパスにならないように、その材質あるいは少なくともその表面の材質が電気絶縁材により構成することが必要である。さらに、この材質は、液体燃料Ｌ（メタノール）及び電気化学反応により生じる熱に対して安定なもの、例えばポリプロピレン等の樹脂材により構成されることが望ましい。
【００１２】
燃料貯留部材５０には、その内部に液体燃料Ｌを補給するための燃料補給管５１が、燃料補給手段７０（図６参照）から接続されている。
この燃料補給手段７０は、同じく燃料貯留部材５０に接続されている濃度センサ５３及び液量センサ５４と連携して、燃料貯留部材５０の内部に適量が適切な濃度で貯留されるように液体燃料Ｌを制御しながら送液するものである。
この濃度センサ５３は、図２に発電部２０の縦断面が示されているように、燃料貯留部材５０の内部に貯留される液体燃料Ｌに浸漬してその濃度を計測するものである。そして、液量センサ５４は、液体燃料Ｌに浸漬し、その液量を計測するものである。
【００１３】
そして、送液された液体燃料Ｌは、スタック３０の内部において、供給された空気中の酸素と電気化学反応し、端子３７ａ，３７ｃから電力が出力される。また排気手段５２から外に向けて、この電気化学反応により生成し燃料貯留部材５０の内部に貯留した生成ガスが排出される。
【００１４】
支持体６０は、図１に示されるように、一対の端板６１，６１が、スタック３０を両側から挟むとともに、その四隅において連結部材６２により相互に連結し固定されている。このようにして支持体６０は、発電部２０の構造の骨格を形成している。
【００１５】
スタック３０は、図２にその縦断面が示されているように、膜電極接合体３１と、セパレータ４０とが、その外周部分においてパッキン３５を挟んで交互に積層して構成されている。そして、交互に積層している界面において燃料路４３がその長手方向を略鉛直方向に沿わして設けられている。この燃料路４３は、上側の終端が、燃料導入口４５となって、燃料貯留部材５０の内側に開口し、下側の終端が閉塞している。
これにより、燃料貯留部材５０に貯留している液体燃料Ｌが、重力により各燃料路４３，４３…の内部に流入し充填されることになる。
【００１６】
そして、スタック３０には、電気化学反応に必要な酸素を供給するためのガス流路４４が、その長手方向が燃料路４３に略直交するように、スタック３０を側方から貫通するようにして設けられている。このガス流路４４には、一般的な送風器（図示せず）により、空気が送られ前記酸素を供給することになる。
【００１７】
また、スタック３０の積層構造の最外側に位置するセパレータにはそれぞれ集電板３７，３７が接している。この集電板３７，３７からは、前記した端子３７ａ，３７ｃが延出するとともに、さらなる外側面には前記した端板６１，６１が接触している。この端板６１，６１及び連結部材６２は、電気的に絶縁体であって、これによりスタック３０は、端子３７ａ，３７ｃの部分を除いて外部に対して電気的に絶縁されることになる。
【００１８】
膜電極接合体３１は、図３にスタック３０の部分分解斜視図が示されているように、電解質膜３２とその両面にアノード極３３ａ及びカソード極３３ｃが配置して構成されている。このように構成される膜電極接合体３１は、片面のアノード極３３ａに液体燃料Ｌが供給されその反対面のカソード極３３ｃに酸素が供給されると、電気化学反応により液体燃料Ｌが酸化してその膜厚方向に電位差を生じさせるものである。
膜電極接合体３１は、その両面を挟持するようにして配置されるセパレータ４０との組み合わせにより一つの発電セルを構成している。そしてこの発電セルを積層させたものがスタック３０となる。
【００１９】
ここで、液体燃料Ｌとしてメタノール水溶液を使用するＤＭＦＣにおいては、膜電極接合体３１において次式に示す電気化学反応が起きる。そして膜電極接合体３１のアノード極３３ａにおいて生成ガスとして二酸化炭素が、カソード極３３ｃにおいて生成物として水が発生する。
アノード極：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− …（１）
カソード極：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ            …（２）
全反応    ：ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ  …（３）
【００２０】
ここで、アノード極３３ａは、供給されるメタノール水溶液（液体燃料Ｌ）を酸化させて水素イオンと電子とを発生させるものであって、そのような反応を促進する触媒と、この触媒を担持する炭素粉末とを混合させた多孔質状のものである。なおアノード極３３ａはこのように多孔質状であることにより、前記反応が促進されるとともに、セパレータ４０のアノード面４１から供給される液体燃料Ｌを拡散して電解質膜３２の片面上に均一に供給する。
【００２１】
そして、電解質膜３２は、アノード極３３ａにおいて発生した水素イオンを反対面のカソード極３３ｃへ透過させるが、電子は透過させない機能を有するものである。電解質膜３２は、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂から構成され、具体的には、ナフィオン（登録商標）、アシプレックス（登録商標）等が挙げられる。
【００２２】
また、カソード極３３ｃは、電解質膜３２を透過した水素イオンを用いて、供給される酸素を還元させる機能を有するものであって、そのような反応を促進する触媒と、この触媒を担持する炭素粉末とを混合させた多孔質状のものである。なおカソード極３３ｃはこのように多孔質状であることにより、前記反応が促進されるとともに、セパレータ４０のカソード面４２から供給される液体燃料Ｌを拡散して電解質膜３２の反対面上に均一に供給する。
【００２３】
パッキン３５，３５は、膜電極接合体３１とセパレータ４０との間でかつ外周部分に配置され、アノード極３３ａ及びカソード極３３ｃを包囲するように設けられている。このようにパッキン３５，３５が配置されていることにより、アノード極３３ａから液体燃料Ｌが外部に漏洩することが防止されるとともに、万が一漏洩してもこの液体燃料Ｌがカソード極３３ｃに浸入することを防止するものである。これにより、カソード極３３ｃの活性が低下して発電効率が低下することが防止される。
【００２４】
セパレータ４０は、その片面のアノード面４１が図４（ａ）に平面図として示されているように、液体燃料Ｌを供給する複数の燃料路４３が、このアノード面４１にその長手方向を略鉛直方向に沿わせて、複数条が並行して設けられている。
そして、この燃料路４３の上側の終端は、スタック３０の天地方向上側に開口する燃料導入口４５（適宜図２参照）となっている。また燃料路４３の下側の終端は、図４（ａ）に示されるように閉塞されているか、若しくは、図５に示されるように、隣接する燃料路４３が、互いに連通するように連通路４７が設けられていてもよい。
このような連通路４７により、燃料路４３が相互に連通していることにより、液体燃料Ｌが燃料路４３を相互間で移動することが可能になる。これにより、膜電極接合体３１に供給される液体燃料Ｌの面内に生じる濃度分布を小さくしたり、面内における生成ガスの発生を均一化し撹拌効果を全体に行き渡らせたりすることにより、面内に均一に電気化学反応を起させ発電の効率を向上させる効果をもたらす。
【００２５】
そして、セパレータ４０の反対面のカソード面４２は、図４（ｂ）に平面図として示されているように、酸素（空気）を供給するガス流路４４が、このカソード面４２に、その長手方向が燃料路４３と略直交するように設けられている。
このガス流路４４は、その両端において開口し、スタック３０（図１参照）の一方の側面から他方の側面に向けて貫通している。このガス流路４４への空気の供給は、図示しない送風器により、強制的に行うのが通常である。
【００２６】
また、セパレータ４０は、例えば炭素やチタンなどの耐食性材料を主材として緻密焼成して構成される導電性を有するものであって、膜電極接合体３１と交互に積層されることにより、発電セルが直列に接続されることになる。
【００２７】
次に図６に示される縦断面図を参照して、第１実施形態に係る燃料電池１１の動作説明を行う。
まず、濃度センサ５３、液量センサ５４の検出に基づき、燃料補給手段７０から液体燃料Ｌが燃料貯留部材５０の内部に導入される。この導入された液体燃料Ｌは、燃料路４３の内部に充填され、その液面が燃料導入口４５の上部に位置するまで満たされる。そして、充填された液体燃料Ｌは、膜電極接合体３１のアノード極３３ａ（図３参照）に供給される。
【００２８】
一方、ガス流路４４を空気が、図示しない送風器によって、図中紙面の垂直方向に通過する。すると、この空気中の酸素が、膜電極接合体３１のカソード極３３ｃ（図３参照）に供給される。
このように、膜電極接合体３１の両面に、液体燃料Ｌ及び酸素が供給されることによって、前記した式（３）の電気化学反応が生じ、液体燃料Ｌが酸化して発電セルは膜厚方向に電位差を生じる。
【００２９】
一方、この電気化学反応に伴い、アノード極３３ａ（図３参照）には二酸化炭素が生成ガスとして生じ、気泡となって浮力により燃料路４３を燃料貯留部材５０に向かって下から上へと移動する。この際、気泡の移動と引き換えに、燃料貯留部材５０に貯留している新鮮な液体燃料Ｌが燃料導入口４５から導入され、これが連続することにより燃料路４３に内部流動が生じ、撹拌効果が発揮される。この撹拌効果によって、液体燃料Ｌの濃度は均一化され、膜電極接合体３１は、全面にわたって均一に電気化学反応が起きる。なお燃料貯留部材５０に移動した生成ガスは排気手段５２を通じて外部へ放出される。
【００３０】
また、各発電セルの膜厚方向に生じた電位差は、直列に接続される各発電セル毎に加算されて、端子３７ａ，３７ｃから給電対象８０に向けて電力として出力されることになる。この燃料電池１１から出力される電力は、前記した生成ガスによる撹拌効果により高効率でかつ時間変動の少ない安定したものである。
この結果、燃料電池１１では、液体燃料Ｌを発電部２０で内部循環させる配管の省略が可能になるとともに、そのような循環を実行させるポンプ等も不要となる。さらに、そのような配管が存在することによる熱容量の増加も回避することができ、また配管を介して行われる外部との熱交換も抑制されるので、燃料電池１１は起動してから短時間で容易に活性化することになる。
【００３１】
なお、電気化学反応により消費され減少した液体燃料Ｌは、燃料補給手段７０から順次補給される。このときの、液体燃料Ｌの補給は、濃度センサ５３及び液量センサ５４の検出値に基づき、所定のシーケンスに基づき行われる。
本実施形態で例示する燃料補給手段７０は、開閉器７２の開閉に基づき、燃料室７１に蓄積されている液体燃料Ｌが重力により、燃料貯留部材５０の内部に補給されるものを示しいる。
【００３２】
しかし、本発明に適用される燃料補給手段７０は、このような例に限定されるものでなく、燃料室７１内で圧力をかけて液体燃料Ｌを押し出すように構成したり、開閉器７２に代えて送液ポンプを採用したり、さらに、高濃度の液体燃料が封入された容器と希釈液が封入された容器とを具備して濃度を任意に可変した液体燃料Ｌを送出することができるように構成される場合もある。
【００３３】
さらに、本実施形態の燃料電池１１では、保管時（不使用時）であっても、膜電極接合体３１は、常時、液体燃料Ｌに浸漬された状態にあるので、電解質膜３２（図３参照）が乾燥そて特性が劣化する問題もない。
【００３４】
（第２実施形態）
次に図７に示される縦断面図を参照して、第２実施形態に係る燃料電池１２の説明を行う。なお、図７において図６と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
第２実施形態の燃料電池１２は、発電部２０’の天地方向下側にも燃料路４３’の開口４８を有している。そして燃料電池１２’は、この開口４８に通じる液体燃料Ｌを保持する燃料保持部材５５が、備わっている。
【００３５】
このように構成されることにより、第２実施形態の燃料電池１２は、液体燃料Ｌが、スタック３０の上側のみならず下側でも連通する。このため、スタック３０の温度分布がより低減するとともに、より高い撹拌効果が導き出されるので、各発電セルの発電が均一化し全体として発電の効率及び安定性が向上する。
【００３６】
（第３実施形態）
次に図８に示される縦断面図を参照し第３実施形態に係る燃料電池１３の説明を行う。なお、図８において図６及び図７と同一又は相当する部分は、同一符号で示し、すでにした記載を援用して、詳細な説明を省略する。
第３実施形態の燃料電池１３においては、液体燃料Ｌを補給する燃料補給手段７０は、発電部２０”の下側に位置する燃料保持部材５５に接続されている。そして、濃度センサ５３及び液量センサ５４も同様に、下側に位置する燃料保持部材５５に接続されている。
【００３７】
このように構成されることにより、第３実施形態の燃料電池１２”は、新規に導入される液体燃料Ｌは、スタック３０の下側から燃料路４３に進入し、生成ガスの気泡と同じ方向（燃料貯留部材５０に向かう方向（上方向））に移動する。このため、さらに、スタック３０の温度分布が低減するとともに、さらに高い撹拌効果が引き出されるので各発電セルの発電が均一化し全体として発電の効率及び安定性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る燃料電池の発電部の全体斜視図である。
【図２】第１実施形態に係る燃料電池の発電部の縦断面図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池に適用されるスタックの部分分解斜視図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池に適用されるセパレータの、（ａ）アノード面側、（ｂ）カソード面側を示す平面図である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池に適用されるセパレータのアノード面側の他の実施例を示す平面図である。
【図６】第１実施形態に係る燃料電池の全体を示す縦断面図である。
【図７】第２実施形態に係る燃料電池の全体を示す縦断面図である。
【図８】第３実施形態に係る燃料電池の全体を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１１，１２，１３  燃料電池
２０，２０’，２０”  発電部
３０    スタック
３１    膜電極接合体
４０    セパレータ
４３，４３’  燃料路
４４    ガス流路
４５    燃料導入口
４７    連通路
５０    燃料貯留部材
５１    燃料補給管
５２    排気手段
５３    濃度センサ
５４    液量センサ
５５    燃料保持部材
７０    燃料補給手段
Ｌ      液体燃料
【図１】
2009043551.tif 000003
【図２】
2009043551.tif 000004
【図３】
2009043551.tif 000005
【図４】
2009043551.tif 000006
【図５】
2009043551.tif 000007
【図６】
2009043551.tif 000008
【図７】
2009043551.tif 000009
【図８】
2009043551.tif 000010