燃料電池システムおよび電子機器
【課題】気化燃料の過剰供給あるいは供給不足を避けることができ、高出力で安定した発電を行うことができる燃料電池システムおよびこれを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】気化室３０Ａ内に、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝える伝熱部として、突起４１を設ける。突起４１の先端と、内側部材３１の内壁面との間には隙間Ｇを設け、この隙間Ｇにおいて、燃料供給経路２４の先端から供給される液体燃料に効率的に熱を伝えて気化させる。突起４１を内側部材３１の内壁面に、燃料供給経路２４の先端部の近傍に接触させることにより、突起４１を介して内側部材３１に発電部１０の熱を伝え、内側部材３１を介して液体燃料に熱を伝えて気化させるようにしてもよい。こうすれば、突起４１の位置によって加熱したい領域を限定したり、突起４１の大きさによって、液体燃料に伝えられる熱の量を制御することも可能である。
【解決手段】気化室３０Ａ内に、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝える伝熱部として、突起４１を設ける。突起４１の先端と、内側部材３１の内壁面との間には隙間Ｇを設け、この隙間Ｇにおいて、燃料供給経路２４の先端から供給される液体燃料に効率的に熱を伝えて気化させる。突起４１を内側部材３１の内壁面に、燃料供給経路２４の先端部の近傍に接触させることにより、突起４１を介して内側部材３１に発電部１０の熱を伝え、内側部材３１を介して液体燃料に熱を伝えて気化させるようにしてもよい。こうすれば、突起４１の位置によって加熱したい領域を限定したり、突起４１の大きさによって、液体燃料に伝えられる熱の量を制御することも可能である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびこれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノード電極（燃料電極）とカソード電極（酸素電極）との間に電解質が配置された構成を有し、アノード電極には燃料、カソード電極には酸化剤がそれぞれ供給される。このとき、燃料が酸化剤によって酸化される酸化還元反応が起こり、燃料がもっていた化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【０００３】
このような燃料電池は、燃料および酸化剤を供給し続けることで継続的に発電可能であり、従来の一次電池または二次電池とは異なる新たな携帯型電子機器用電源として期待されている。すなわち、燃料電池は、燃料と酸化剤との化学反応を利用して発電を行うものでありから、酸化剤として空気中の酸素を用い、燃料を外部から補給し続けることによって、故障しない限り電源として使い続けることが可能である。よって、小型化された燃料電池は、携帯型電子機器に適した充電不要の高エネルギー密度電源となりうる。
【０００４】
既に、さまざまな種類の燃料電池が提案または試作され、一部は実用化されている。これらの燃料電池は、用いられる電解質によって大きく特性が変化するので、電解質の種類に基づいて種々に分類されている。これらのうち、プロトン伝導性高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）は、電解液が不要であり、３０℃〜１３０℃程度の比較的低い温度で動作するので、小型化が可能で、携帯型電子機器用電源として最適であると考えられている。
【０００５】
燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の材料を用いることができる。その中で、メタノールなどの液体燃料は、気体に比べて密度が高く、貯蔵しやすいので、携帯型電子機器用の燃料電池の燃料として有望視されている。特に、ＰＥＦＣのアノード電極にメタノールを直接供給して反応させるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）は、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易である。
【０００６】
ＤＭＦＣでは、燃料のメタノールは、アノード電極の触媒層で化１のように二酸化炭素に酸化される。
【０００７】
（化１）
アノード電極：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ-
【０００８】
このとき生じた水素イオンは、アノード電極とカソード電極との間に設けられた電解質膜を通ってカソード電極へ移動し、カソード電極の触媒層で化２のように酸素と反応して水を生成する。
【０００９】
（化２）
カソード電極：６Ｈ+ ＋（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- ＋→３Ｈ2 Ｏ
【００１０】
ＤＭＦＣ全体で起こる反応は、化１および化２を合わせた化３で表される。
【００１１】
（化３）
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【００１２】
ＤＭＦＣのアノード電極へメタノールを供給する方法としては、液体供給型および気体供給型が提案されている。液体供給型は、液体燃料をそのままポンプなどを用いてアノード電極に供給する方法である。その際、ＤＭＦＣでは、アノード電極での電極反応（化１）によって水が消費されるので、アノード電極にメタノール水溶液を供給し、失われる水を補給する場合が多い。
【００１３】
しかしながら、この方式は、メタノールがアノード電極側からカソード電極側へ電解質膜を通り抜けてしまうメタノールクロスオーバーが起こりやすく、メタノールの利用効率が低下してしまい、燃料濃度を下げないと効率よく反応が進まない。燃料濃度を下げるとエネルギー密度が低下するばかりでなく、過剰な水がカソード電極に到達し、フラッディング現象を起こしてしまう。
【００１４】
また、この方式では、アノード電極での電極反応（化１）で発生した二酸化炭素がアノード電極に付着し、メタノールのアノード電極への供給を妨げるので、出力の低下または不安定性の原因となっていた。
【００１５】
一方、気化供給型は、液相部−気相部間に気液分離膜を設置し、メタノールを気体の状態でアノード電極に供給するものである。この方式では、カソード電極で生成する水（化２）をアノード電極側へ逆拡散させ、カソード電極上での水の滞留を防止し、アノード電極での電極反応（化１）で消費される水を補給することが可能である。よって、高濃度のメタノールを使用可能であると共に、自己加湿によって電解質膜の水分を維持し、電解質膜に高いプロトン伝導性を発揮させることができる。また、アノード電極で発生する二酸化炭素も、気泡にはならず、排出しやすい。
【００１６】
気化供給型のＤＭＦＣにおいては、性能を最大限発揮させるためには、燃料電池よりなる発電部に対して、発電に十分な量の気化した燃料を連続的かつ均一に供給することが望ましい。液体燃料を気化させるためには、発電部で発生する反応熱を用いることができ、また、気液分離膜を多孔質体とすることにより液体燃料への伝熱を促進することもできる（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特開２００１−１５１３０号公報
【特許文献２】特開２００６−２２１９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、環境温度の影響、または発電部の発電状態の影響などにより伝熱が過剰となる可能性があった。その場合には、過剰な伝熱により気体燃料が過剰に発電部に供給されてしまい、クロスオーバーが増大したり、発電部の温度が過上昇したりして、発電効率が低下してしまうという問題が生じていた。
【００１８】
ちなみに、燃料電池における反応必要量分の燃料を供給することにより、燃料電池の発電効率を上げることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。ただし、この従来技術では、燃料気化部への入熱は、装置からの輻射と気化室内自然対流に依存していたので、燃料気化部または液体燃料への伝熱が不足するおそれがあり、改善の余地があった。
【００１９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、気化燃料の過剰供給あるいは供給不足を避けることができ、高出力で安定した発電を行うことができる燃料電池システムおよびこれを用いた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明による燃料電池システムは、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の構成要件を備えることにより適切な量の気化燃料を発電部に供給し、高出力化および発電安定化を実現するようにしたものである。
（Ａ） アノード電極およびカソード電極の間に電解質を備えた発電部
（Ｂ） 発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を供給する燃料供給制御部
（Ｃ） アノード電極に隣接して配置され、燃料供給制御部からの液体燃料が供給される気化室を有する燃料気化部
（Ｄ） 気化室内に形成され、気化室に供給された液体燃料に発電部で発生した熱を伝える伝熱部
【００２１】
ここに「化学量論的燃料消費量に基づく量」とは、化学量論的燃料消費量に基づいて算出された量をいい、必ずしも化学量論的燃料消費量と等しくなければならないわけではない。例えば（化学量論的燃料消費量）×１．５程度とすることも可能である。
【００２２】
本発明の燃料電池システムでは、燃料供給制御部から、発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料が、アノード電極に隣接して配置された燃料気化部の気化室に供給される。気化室内には伝熱部が形成されているので、この伝熱部により、発電部で発生した熱が液体燃料に伝えられる。よって、過剰な伝熱により気化燃料が過剰に供給されたり、逆に伝熱不足により気化燃料の供給が不足したりすることがなく、適切な量の液体燃料が確実に気化して発電部に供給される。
【００２３】
本発明による電子機器は、燃料電池システムを備えたものであって、燃料電池システムが、上記本発明の燃料電池システムにより構成されているものである。
【００２４】
本発明の電子機器では、上記本発明による高出力で安定発電可能な燃料電池システムを備えているので、消費電力の増大を伴う多機能化・高性能化にも対応可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料供給制御部により、発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を気化室に供給すると共に、この気化室内に、気化室に供給された液体燃料に発電部で発生した熱を伝える伝熱部を設けるようにしたので、燃料の過剰供給や供給不足などを避けることができる。よって、高い出力を得ると共に発電の安定性を向上させることができ、消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器にも好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを有する電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話，ノート型ＰＣ（Personal Computer ）等の携帯型電子機器であり、燃料電池システム１と、この燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。燃料電池システム１は、例えば、発電部１０と、燃料供給制御部２０と、燃料気化部３０とを有している。
【００２８】
図２は、発電部１０および燃料気化部３０の一例を表したものである。発電部１０は、例えば、アノード電極１１およびカソード電極１２の間に電解質膜１３を備えたＤＭＦＣである。アノード電極１１およびカソード電極１２は、カーボンクロス等の表面に、白金（Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕ）等を含む触媒層を形成し、裏面にチタン（Ｔｉ）メッシュ等の集電体を設けたものである。電解質膜１３は、例えば、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂膜により構成されている。アノード電極１１，カソード電極１２および電解質膜１３はガスケット（図示せず）により固定されている。
【００２９】
発電部１０のカソード電極１２の外側には、外装部材１４が設けられている。外装部材１４は、例えば、厚みが２．０ｍｍであり、チタン（Ｔｉ）板または耐酸性金属板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４には、空気すなわち酸素を通過させる貫通孔が設けられており、この貫通孔を介してカソード電極１２に空気すなわち酸素が供給されるようになっている。
【００３０】
図１に示した燃料供給制御部２０は、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を供給するものであり、例えば、燃料タンク２１と、燃料ポンプ２２と、制御部２３と、燃料供給経路２４とを備えている。制御部２３は、発電部１０の発電状態を制御し、同時に燃料ポンプ２２の燃料供給量を制御するものである。
【００３１】
図２に示した燃料気化部３０は、発電部１０のアノード電極１１に隣接して配置され、燃料供給制御部２０からの液体燃料が供給される気化室３０Ａを有している。詳細には、燃料気化部３０は、アノード電極１１に接して配置された内側部材３１と、内側部材３１に対向配置された外側部材３２とを有しており、これら内側部材３１と外側部材３２とで囲まれた内部空間が、気化室３０Ａとなっている。気化室３０Ａの高さＤは、例えば１ｍｍ以内、具体的には０．５ｍｍ程度である。
【００３２】
内側部材３１および外側部材３２は、例えば、ステンレス鋼，アルミニウム（Ａｌ）あるいはチタン（Ｔｉ）など、熱伝導性が高く、耐腐食性に優れた材料により構成されている。内側部材３１には、気化した燃料を通過させる貫通孔が設けられている。気化室３０Ａは、フッ素系ゴムまたはシリコーンゴム等のシール剤３３により外部とはシールされている。シール剤３３は予め外側部材３２と一体構造とされていてもよいし、外側部材３２とは別の部材であってもよい。
【００３３】
なお、図２では、内側部材３１が平板状であり、外側部材３２が気化室３０Ａの五面（図２の断面図ではそのうち三面を示している。）を囲む凹構造とされている場合を表しているが、外側部材３２は、必ずしも一体の凹構造である必要はなく、平板状の部材に枠を組み付けることにより凹構造を形成したものであってもよい。
【００３４】
気化室３０Ａ内には、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝える伝熱部として、突起４１が設けられている。これにより、この燃料電池システム１では、気化燃料の過剰供給あるいは供給不足を回避し、高出力で安定した発電を行うことができるようになっている。
【００３５】
突起４１は、外側部材３２の内壁面から内側部材３１の内壁面に向けて形成されており、突起４１内に燃料供給経路２４の先端部が形成されている。突起４１の先端と、内側部材３１の内壁面との間には隙間Ｇが設けられており、この隙間Ｇにおいて、燃料供給経路２４の先端から供給される液体燃料に効率的に熱を伝えて気化させることができるようになっている。隙間Ｇは、例えば、１ｍｍ以内、具体的には０．５ｍｍ程度とすることが望ましい。より高い効果が得られるからである。
【００３６】
このように気化室３０Ａ内の一部に突起４１を設けることには、気化室３０Ａの高さＤそのものを小さくするのに比べて、気化による燃料の体積増加を吸収することができるという利点もある。
【００３７】
なお、突起４１は、図３に示したように、内側部材３１の内壁面から外側部材３２の内壁面に向けて形成されていてもよい。この場合、突起４１の先端は、燃料供給経路２４の先端の開口に正対するように配置されていることが望ましい。また、突起４１の先端と、内側部材３１の内壁面との間には、図２と同様に、隙間Ｇが設けられていることが望ましい。これにより、隙間Ｇにおいて、燃料供給経路２４の先端から供給される液体燃料に効率的に熱を伝えて気化させることができるからである。隙間Ｇは、図２と同様に、例えば、１ｍｍ以内、具体的には０．５ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００３８】
この燃料電池システム１は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００３９】
まず、上述した材料よりなる電解質膜１３を、上述した材料よりなるアノード電極１１およびカソード電極１２の間に挟んで熱圧着することにより、電解質膜１３にアノード電極１１およびカソード電極１２を接合し、発電部１０を形成する。カソード電極１２の外側には、上述した材料よりなる外装部材１４を配置する。
【００４０】
次いで、上述した材料よりなる内側部材３１および外側部材３２を用意し、内側部材３１または外側部材３２のいずれかに、図２または図３に示したような突起４１を形成する。この内側部材３１および外側部材３２を組み合わせてシール剤３３で封止することにより、気化室３０Ａを有する燃料気化部３０を形成すると共に、気化室３０Ａ内に突起４１を形成する。この燃料気化部３０を、アノード電極１１に隣接して配置する。
【００４１】
次いで、発電部１０および燃料気化部３０を、上述した燃料タンク２１，燃料ポンプ２２，制御部２３および燃料供給経路２４よりなる燃料供給制御部２０と、外部回路２とを有するシステムに組み込み、燃料供給経路２４の先端部を気化室３０Ａに接続する。以上により、図１に示した電池システム１が完成する。
【００４２】
この燃料電池システム１では、アノード電極１１に燃料であるメタノールが供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質膜１３を通ってカソード電極１２に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。アノード電極１１、カソード電極１２および発電部１０全体で起こる反応は、化４で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーが電気エネルギーに変換されて、発電部１０から電流が取り出され、外部回路２が駆動される。
【００４３】
（化４）
アノード電極１０：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ-
カソード電極２０：６Ｈ+ ＋（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ
発電部１０全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【００４４】
発電部１０の運転中には、制御部２３により発電部１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、発電部１０の発電量と、それに応じた化学量論的燃料消費量に基づく燃料供給量が算出される。制御部２３は燃料ポンプ２２を制御し、燃料タンク２１から、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を、燃料供給経路２４を介して、気化室３０Ａに供給する。よって、環境温度の影響または発電部１０の発電状態の影響などにより伝熱が過剰になっても、気化燃料が過剰に供給されてしまうおそれはなくなる。従って、燃料過剰によるクロスオーバーが抑制され、発電部１０の温度が過上昇することなく、発電効率の低下が抑えられる。
【００４５】
また、気化室３０Ａ内には伝熱部として突起４１が形成されているので、この突起４１により、発電部１０で発生した熱が液体燃料に伝えられ、気化する。よって、伝熱不足により気化燃料の供給が不足するおそれがなくなり、適切な量の液体燃料が確実に気化して発電部１０に供給される。
【００４６】
更に、気化室３０Ａの温度が上がるので、燃料と水蒸気との分圧が上がり、電極反応に有利な状態が作られ、同時に発電部１０から効率的に熱が除去されて、電解質膜１３の乾燥による発電出力低下が抑えられる。
【００４７】
このように本実施の形態では、燃料供給制御部２０により、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を気化室３０Ａに供給すると共に、この気化室３０Ａ内に、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝える伝熱部として突起４１を設けるようにしたので、燃料の過剰供給や供給不足などを避けることができる。よって、高い出力を得ると共に発電の安定性を向上させることができ、消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器にも好適である。
【００４８】
更に、気化室３０Ａの温度を上げることができるので、燃料と水蒸気との分圧が上がり、電極反応に有利な状態を作ることができ、同時に発電部１０から効率的に熱を除去することが可能となるので、電解質膜１３の乾燥による発電出力低下を抑えることができる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
図４および図５は、本発明の第２の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態は、突起４１の先端が、図４では外側部材３２の内壁面、図５では内側部材３１の内壁面に接触していることを除いては、上記実施の形態と同様の構成を有し、同様にして製造することができる。
【００５０】
突起４１は、外側部材３２の内壁面または内側部材３１の内壁面に、燃料供給経路２４の先端部の近傍に接触している。これにより、本実施の形態では、突起４１を介して外側部材３２または内側部材３１に発電部１０の熱を伝え、外側部材３２または内側部材３１を介して、燃料供給経路２４から供給された液体燃料に熱を伝えて気化させることができる。また、突起４１の位置によって、外側部材３２または内側部材３１の加熱したい領域を限定することや、突起４１の大きさによって、液体燃料に伝えられる熱の量を制御することも可能である。更に、本実施の形態では、隙間Ｇの公差の制御が不要となるので、製造工程を容易にすることもできる。
【００５１】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態では、外側部材３２の内壁面に、気化室３０Ａに供給された液体燃料を拡散させる拡散シート５０が設けられている。これにより、本実施の形態では、燃料供給経路２４から供給された液体燃料を、拡散シート５０により平面方向に拡散させ、より効率的に、また均一に燃料を気化させることができる。
【００５２】
拡散シート５０は、例えば、燃料供給経路２４の出口または出口の近傍に設置されている。突起４１の先端は、拡散シート５０に接していてもよいし、拡散シート５０との間に隙間Ｇが設けられていてもよい。
【００５３】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態では、燃料気化部３０は外側部材３２のみを有している。すなわち、外側部材３２は、気化室３０Ａを間にしてアノード電極１１に対向配置され、突起４１の先端はアノード電極１１に接触している。これにより、本実施の形態では、内側部材３１を省略し、燃料気化部３０をより薄型化、小型化することが可能となっている。
【００５４】
なお、図８に示したように、突起４１の先端とアノード電極１１との間に、図２または図３に示したような隙間Ｇをあけるようにしてもよい。
【００５５】
また、図示しないが、本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様に、外側部材３２の内壁面に拡散シート５０を設けるようにしてもよい。
【００５６】
（第５の実施の形態）
図９は、本発明の第５の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態では、内側部材３１および外側部材３２が一体化されており、燃料気化部３０をより薄型化、小型化することが可能となっている。
【００５７】
なお、図示しないが、本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様に、外側部材３２の内壁面に拡散シート５０を設けるようにしてもよい。
【００５８】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第６の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態では、気化室３０Ａ内の一部に、伝熱部として、多孔質体または不織布により構成された拡散伝熱部材４２が設けられている。これにより、本実施の形態では、液体燃料と拡散伝熱部材４２との接触面積を増やし、液体燃料に熱を伝えやすくして、効率よく気化させることができる。また、拡散伝熱部材４２を気化室３０Ａ内の一部に設けることにより、気化した燃料の体積増加を吸収するスペースも確保することができる。
【００５９】
多孔質体としては、例えばニッケル，ステンレス鋼またはチタンなどの伝熱性の良い金属の発泡体または焼結体が好ましい。あるいは、気化室３０Ａの高さＤを１ｍｍ以内、例えば０．５ｍｍ程度とした場合には、樹脂などの比較的伝熱性の低い材料の多孔質体でもよい。
【００６０】
本実施の形態では、燃料供給経路２４から供給された液体燃料は、拡散伝熱部材４２内を拡散しながら熱を伝えられて、効率よく気化する。
【００６１】
なお、拡散伝熱部材４２は、図１１に示したように、気化室３０Ａ内全体に設けるようにしてもよい。このようにした場合にも、図１に示した燃料供給制御部２０により燃料供給量が適切に制御されているので、気化燃料の供給過剰のおそれはないからである。
【００６２】
また、図１２に示したように、外側部材３２の内壁面に拡散シート５０を設けるようにしてもよい。拡散シート５０により液体燃料の平面方向の拡散を促進することにより、更に効率的に、また均一に燃料を気化させることができる。
【実施例】
【００６３】
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００６４】
図１および図１２に示した発電部１０、燃料供給制御部２０および燃料気化部３０を有する燃料電池システム１を作製した。その際、外側部材３２の内壁面に拡散シート５０を設け、気化室３０Ａ内のほぼ全体に、ニッケル発泡体よりなる多孔質体の拡散伝熱部材４２を設けた。得られた燃料電池システム１について、時間経過に伴う出力および発電部１０の温度の変化を調べた。その結果を図１３に示す。このときの平均出力は３８０ｍＷであった。
【００６５】
本実施例に対する比較例１として、燃料供給制御部による燃料供給制御を実施しなかったこと、および、拡散シートおよび拡散伝熱部材を省いたことを除き、本実施例と同様にして燃料電池システムを作製した。この比較例１についても、時間経過に伴う出力および発電部の温度の変化を調べた。その結果を図１４に示す。このときの平均出力は２３０ｍＷであった。
【００６６】
（長時間発電特性）
また、上記実施例の燃料電池システム１について、長時間発電特性を調べた。その結果を図１５に示す。このときの平均出力は４１０ｍＷであった。
【００６７】
比較例２として、燃料供給制御部による燃料供給制御を実施したが、拡散シートおよび拡散伝熱部材を省いたことを除いては、比較例１と同様にして燃料電池システムを作製した。この比較例２についても、長時間発電特性を調べた。その結果を図１６に示す。このときの平均出力は３５０ｍＷであった。
【００６８】
図１３および図１４から分かるように、実施例と比較例１とを比べると、燃料供給制御部による燃料供給制御を行わず、拡散シートおよび拡散伝熱部材も設けなかった比較例１では、燃料供給が過剰となり、クロスオーバーが増大し、発電部の温度上昇が激しく、発電出力が急激に低下した。これに対して、燃料供給制御部２０による燃料供給制御を行いつつ、拡散シート５０および拡散伝熱部材４２により液体燃料への伝熱性を向上させた実施例では、時間が経過しても発電部１０の温度および発電特性のいずれも安定していた。また、本実施例によれば、比較例１に比べて約１．７倍の高い平均出力を得ることができた。
【００６９】
すなわち、燃料供給制御部２０により、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を気化室３０Ａに供給すると共に、気化室３０Ａ内に多孔質体の拡散伝熱部材４２および拡散シート５０を設けて、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝えるようにすれば、気化燃料の過剰供給を防ぎ、出力を高めると共に安定した発電を行うことができることが分かった。
【００７０】
また、図１５および図１６に示した長時間発電データから分かるように、実施例と比較例２とを比べると、燃料供給制御部による燃料供給制御は実施したが、拡散シートおよび拡散伝熱部材を設けなかった比較例２では、１４０００秒あたりから急激に出力が低下し、平均出力も低くなった。これは、比較例２では、拡散シートおよび拡散伝熱部材を設けなかったので、液体燃料に熱が十分に伝わらず、気化燃料の供給が不足したからであると考えられる。これに対して、燃料供給制御部２０による燃料供給制御を行いつつ、拡散シート５０および拡散伝熱部材４２により伝熱性を向上させた実施例では、継続的に安定した発電が行われ、平均出力も比較例２に比べて約１．２倍と高かった。
【００７１】
すなわち、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を気化室３０Ａに供給するようにした場合に、気化室３０Ａ内に多孔質体の拡散伝熱部材４２および拡散シート５０を設けて、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝えるようにすれば、気化燃料の供給不足を防ぎ、出力を高めると共に長時間にわたって継続的に安定した発電を行うことができることが分かった。
【００７２】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、発電部１０，燃料供給制御部２０，燃料気化部３０，突起４１および拡散伝熱部材４２の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。
【００７３】
また、例えば、上記実施の形態および実施例では、一つの発電部１０を有する場合について説明したが、本発明は、複数の発電部１０を縦方向（積層方向）または横方向（積層面内方向）に積層して燃料電池スタックを構成する場合にも適用することができる。特に、複数の発電部１０を横方向に積層した場合には、燃料気化部３０の面内温度分布または発電部１０からの伝熱の分布により燃料気化量に偏りが生じるおそれがある。しかし、本発明によれば、このような平板発電体の場合であっても、燃料気化部３０の気化室３０Ａ内に突起４１または拡散伝熱部材４２を設けることにより、適切な量の燃料を確実に気化させて発電部１０に供給することが可能となり、消費電力増大の原因となるヒータまたは霧化器などを不要とすることができる。
【００７４】
加えて、例えば、上記実施の形態および実施例において説明した各構成要素の材料および厚み、または発電部１０の発電条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の発電条件としてもよい。
【００７５】
加えてまた、例えば、液体燃料は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他の液体燃料でもよい。
【００７６】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、カソード電極２０への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを備えた電子機器の概略構成を表す図である。
【図２】図１に示した発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図３】図２に示した燃料気化部の他の例を表す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図５】図４の変形例を表す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図８】図７の変形例を表す図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図１１】図９の変形例を表す図である。
【図１２】図９の他の変形例を表す図である。
【図１３】実施例の結果を表す図である。
【図１４】比較例１の結果を表す図である。
【図１５】実施例の長時間発電特性を表す図である。
【図１６】比較例２の長時間発電特性を表す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…発電部、１１…アノード電極、１２…カソード電極、１３…電解質膜、１４…外装部材、２０…燃料供給制御部、３０…燃料気化部、３０Ａ…気化室、４１…突起、４２…拡散伝熱部材、５０…拡散シート
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムおよびこれを用いた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、アノード電極（燃料電極）とカソード電極（酸素電極）との間に電解質が配置された構成を有し、アノード電極には燃料、カソード電極には酸化剤がそれぞれ供給される。このとき、燃料が酸化剤によって酸化される酸化還元反応が起こり、燃料がもっていた化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。
【０００３】
このような燃料電池は、燃料および酸化剤を供給し続けることで継続的に発電可能であり、従来の一次電池または二次電池とは異なる新たな携帯型電子機器用電源として期待されている。すなわち、燃料電池は、燃料と酸化剤との化学反応を利用して発電を行うものでありから、酸化剤として空気中の酸素を用い、燃料を外部から補給し続けることによって、故障しない限り電源として使い続けることが可能である。よって、小型化された燃料電池は、携帯型電子機器に適した充電不要の高エネルギー密度電源となりうる。
【０００４】
既に、さまざまな種類の燃料電池が提案または試作され、一部は実用化されている。これらの燃料電池は、用いられる電解質によって大きく特性が変化するので、電解質の種類に基づいて種々に分類されている。これらのうち、プロトン伝導性高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）は、電解液が不要であり、３０℃〜１３０℃程度の比較的低い温度で動作するので、小型化が可能で、携帯型電子機器用電源として最適であると考えられている。
【０００５】
燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の材料を用いることができる。その中で、メタノールなどの液体燃料は、気体に比べて密度が高く、貯蔵しやすいので、携帯型電子機器用の燃料電池の燃料として有望視されている。特に、ＰＥＦＣのアノード電極にメタノールを直接供給して反応させるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）は、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易である。
【０００６】
ＤＭＦＣでは、燃料のメタノールは、アノード電極の触媒層で化１のように二酸化炭素に酸化される。
【０００７】
（化１）
アノード電極：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ-
【０００８】
このとき生じた水素イオンは、アノード電極とカソード電極との間に設けられた電解質膜を通ってカソード電極へ移動し、カソード電極の触媒層で化２のように酸素と反応して水を生成する。
【０００９】
（化２）
カソード電極：６Ｈ+ ＋（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- ＋→３Ｈ2 Ｏ
【００１０】
ＤＭＦＣ全体で起こる反応は、化１および化２を合わせた化３で表される。
【００１１】
（化３）
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【００１２】
ＤＭＦＣのアノード電極へメタノールを供給する方法としては、液体供給型および気体供給型が提案されている。液体供給型は、液体燃料をそのままポンプなどを用いてアノード電極に供給する方法である。その際、ＤＭＦＣでは、アノード電極での電極反応（化１）によって水が消費されるので、アノード電極にメタノール水溶液を供給し、失われる水を補給する場合が多い。
【００１３】
しかしながら、この方式は、メタノールがアノード電極側からカソード電極側へ電解質膜を通り抜けてしまうメタノールクロスオーバーが起こりやすく、メタノールの利用効率が低下してしまい、燃料濃度を下げないと効率よく反応が進まない。燃料濃度を下げるとエネルギー密度が低下するばかりでなく、過剰な水がカソード電極に到達し、フラッディング現象を起こしてしまう。
【００１４】
また、この方式では、アノード電極での電極反応（化１）で発生した二酸化炭素がアノード電極に付着し、メタノールのアノード電極への供給を妨げるので、出力の低下または不安定性の原因となっていた。
【００１５】
一方、気化供給型は、液相部−気相部間に気液分離膜を設置し、メタノールを気体の状態でアノード電極に供給するものである。この方式では、カソード電極で生成する水（化２）をアノード電極側へ逆拡散させ、カソード電極上での水の滞留を防止し、アノード電極での電極反応（化１）で消費される水を補給することが可能である。よって、高濃度のメタノールを使用可能であると共に、自己加湿によって電解質膜の水分を維持し、電解質膜に高いプロトン伝導性を発揮させることができる。また、アノード電極で発生する二酸化炭素も、気泡にはならず、排出しやすい。
【００１６】
気化供給型のＤＭＦＣにおいては、性能を最大限発揮させるためには、燃料電池よりなる発電部に対して、発電に十分な量の気化した燃料を連続的かつ均一に供給することが望ましい。液体燃料を気化させるためには、発電部で発生する反応熱を用いることができ、また、気液分離膜を多孔質体とすることにより液体燃料への伝熱を促進することもできる（例えば、特許文献１参照。）
【特許文献１】特開２００１−１５１３０号公報
【特許文献２】特開２００６−２２１９４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、環境温度の影響、または発電部の発電状態の影響などにより伝熱が過剰となる可能性があった。その場合には、過剰な伝熱により気体燃料が過剰に発電部に供給されてしまい、クロスオーバーが増大したり、発電部の温度が過上昇したりして、発電効率が低下してしまうという問題が生じていた。
【００１８】
ちなみに、燃料電池における反応必要量分の燃料を供給することにより、燃料電池の発電効率を上げることが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。ただし、この従来技術では、燃料気化部への入熱は、装置からの輻射と気化室内自然対流に依存していたので、燃料気化部または液体燃料への伝熱が不足するおそれがあり、改善の余地があった。
【００１９】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、気化燃料の過剰供給あるいは供給不足を避けることができ、高出力で安定した発電を行うことができる燃料電池システムおよびこれを用いた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明による燃料電池システムは、以下の（Ａ）〜（Ｄ）の構成要件を備えることにより適切な量の気化燃料を発電部に供給し、高出力化および発電安定化を実現するようにしたものである。
（Ａ） アノード電極およびカソード電極の間に電解質を備えた発電部
（Ｂ） 発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を供給する燃料供給制御部
（Ｃ） アノード電極に隣接して配置され、燃料供給制御部からの液体燃料が供給される気化室を有する燃料気化部
（Ｄ） 気化室内に形成され、気化室に供給された液体燃料に発電部で発生した熱を伝える伝熱部
【００２１】
ここに「化学量論的燃料消費量に基づく量」とは、化学量論的燃料消費量に基づいて算出された量をいい、必ずしも化学量論的燃料消費量と等しくなければならないわけではない。例えば（化学量論的燃料消費量）×１．５程度とすることも可能である。
【００２２】
本発明の燃料電池システムでは、燃料供給制御部から、発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料が、アノード電極に隣接して配置された燃料気化部の気化室に供給される。気化室内には伝熱部が形成されているので、この伝熱部により、発電部で発生した熱が液体燃料に伝えられる。よって、過剰な伝熱により気化燃料が過剰に供給されたり、逆に伝熱不足により気化燃料の供給が不足したりすることがなく、適切な量の液体燃料が確実に気化して発電部に供給される。
【００２３】
本発明による電子機器は、燃料電池システムを備えたものであって、燃料電池システムが、上記本発明の燃料電池システムにより構成されているものである。
【００２４】
本発明の電子機器では、上記本発明による高出力で安定発電可能な燃料電池システムを備えているので、消費電力の増大を伴う多機能化・高性能化にも対応可能となる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料供給制御部により、発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を気化室に供給すると共に、この気化室内に、気化室に供給された液体燃料に発電部で発生した熱を伝える伝熱部を設けるようにしたので、燃料の過剰供給や供給不足などを避けることができる。よって、高い出力を得ると共に発電の安定性を向上させることができ、消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器にも好適である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２７】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを有する電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話，ノート型ＰＣ（Personal Computer ）等の携帯型電子機器であり、燃料電池システム１と、この燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。燃料電池システム１は、例えば、発電部１０と、燃料供給制御部２０と、燃料気化部３０とを有している。
【００２８】
図２は、発電部１０および燃料気化部３０の一例を表したものである。発電部１０は、例えば、アノード電極１１およびカソード電極１２の間に電解質膜１３を備えたＤＭＦＣである。アノード電極１１およびカソード電極１２は、カーボンクロス等の表面に、白金（Ｐｔ）またはルテニウム（Ｒｕ）等を含む触媒層を形成し、裏面にチタン（Ｔｉ）メッシュ等の集電体を設けたものである。電解質膜１３は、例えば、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂膜により構成されている。アノード電極１１，カソード電極１２および電解質膜１３はガスケット（図示せず）により固定されている。
【００２９】
発電部１０のカソード電極１２の外側には、外装部材１４が設けられている。外装部材１４は、例えば、厚みが２．０ｍｍであり、チタン（Ｔｉ）板または耐酸性金属板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４には、空気すなわち酸素を通過させる貫通孔が設けられており、この貫通孔を介してカソード電極１２に空気すなわち酸素が供給されるようになっている。
【００３０】
図１に示した燃料供給制御部２０は、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を供給するものであり、例えば、燃料タンク２１と、燃料ポンプ２２と、制御部２３と、燃料供給経路２４とを備えている。制御部２３は、発電部１０の発電状態を制御し、同時に燃料ポンプ２２の燃料供給量を制御するものである。
【００３１】
図２に示した燃料気化部３０は、発電部１０のアノード電極１１に隣接して配置され、燃料供給制御部２０からの液体燃料が供給される気化室３０Ａを有している。詳細には、燃料気化部３０は、アノード電極１１に接して配置された内側部材３１と、内側部材３１に対向配置された外側部材３２とを有しており、これら内側部材３１と外側部材３２とで囲まれた内部空間が、気化室３０Ａとなっている。気化室３０Ａの高さＤは、例えば１ｍｍ以内、具体的には０．５ｍｍ程度である。
【００３２】
内側部材３１および外側部材３２は、例えば、ステンレス鋼，アルミニウム（Ａｌ）あるいはチタン（Ｔｉ）など、熱伝導性が高く、耐腐食性に優れた材料により構成されている。内側部材３１には、気化した燃料を通過させる貫通孔が設けられている。気化室３０Ａは、フッ素系ゴムまたはシリコーンゴム等のシール剤３３により外部とはシールされている。シール剤３３は予め外側部材３２と一体構造とされていてもよいし、外側部材３２とは別の部材であってもよい。
【００３３】
なお、図２では、内側部材３１が平板状であり、外側部材３２が気化室３０Ａの五面（図２の断面図ではそのうち三面を示している。）を囲む凹構造とされている場合を表しているが、外側部材３２は、必ずしも一体の凹構造である必要はなく、平板状の部材に枠を組み付けることにより凹構造を形成したものであってもよい。
【００３４】
気化室３０Ａ内には、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝える伝熱部として、突起４１が設けられている。これにより、この燃料電池システム１では、気化燃料の過剰供給あるいは供給不足を回避し、高出力で安定した発電を行うことができるようになっている。
【００３５】
突起４１は、外側部材３２の内壁面から内側部材３１の内壁面に向けて形成されており、突起４１内に燃料供給経路２４の先端部が形成されている。突起４１の先端と、内側部材３１の内壁面との間には隙間Ｇが設けられており、この隙間Ｇにおいて、燃料供給経路２４の先端から供給される液体燃料に効率的に熱を伝えて気化させることができるようになっている。隙間Ｇは、例えば、１ｍｍ以内、具体的には０．５ｍｍ程度とすることが望ましい。より高い効果が得られるからである。
【００３６】
このように気化室３０Ａ内の一部に突起４１を設けることには、気化室３０Ａの高さＤそのものを小さくするのに比べて、気化による燃料の体積増加を吸収することができるという利点もある。
【００３７】
なお、突起４１は、図３に示したように、内側部材３１の内壁面から外側部材３２の内壁面に向けて形成されていてもよい。この場合、突起４１の先端は、燃料供給経路２４の先端の開口に正対するように配置されていることが望ましい。また、突起４１の先端と、内側部材３１の内壁面との間には、図２と同様に、隙間Ｇが設けられていることが望ましい。これにより、隙間Ｇにおいて、燃料供給経路２４の先端から供給される液体燃料に効率的に熱を伝えて気化させることができるからである。隙間Ｇは、図２と同様に、例えば、１ｍｍ以内、具体的には０．５ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００３８】
この燃料電池システム１は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００３９】
まず、上述した材料よりなる電解質膜１３を、上述した材料よりなるアノード電極１１およびカソード電極１２の間に挟んで熱圧着することにより、電解質膜１３にアノード電極１１およびカソード電極１２を接合し、発電部１０を形成する。カソード電極１２の外側には、上述した材料よりなる外装部材１４を配置する。
【００４０】
次いで、上述した材料よりなる内側部材３１および外側部材３２を用意し、内側部材３１または外側部材３２のいずれかに、図２または図３に示したような突起４１を形成する。この内側部材３１および外側部材３２を組み合わせてシール剤３３で封止することにより、気化室３０Ａを有する燃料気化部３０を形成すると共に、気化室３０Ａ内に突起４１を形成する。この燃料気化部３０を、アノード電極１１に隣接して配置する。
【００４１】
次いで、発電部１０および燃料気化部３０を、上述した燃料タンク２１，燃料ポンプ２２，制御部２３および燃料供給経路２４よりなる燃料供給制御部２０と、外部回路２とを有するシステムに組み込み、燃料供給経路２４の先端部を気化室３０Ａに接続する。以上により、図１に示した電池システム１が完成する。
【００４２】
この燃料電池システム１では、アノード電極１１に燃料であるメタノールが供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質膜１３を通ってカソード電極１２に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。アノード電極１１、カソード電極１２および発電部１０全体で起こる反応は、化４で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーが電気エネルギーに変換されて、発電部１０から電流が取り出され、外部回路２が駆動される。
【００４３】
（化４）
アノード電極１０：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６Ｈ+ ＋６ｅ-
カソード電極２０：６Ｈ+ ＋（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- →３Ｈ2 Ｏ
発電部１０全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
【００４４】
発電部１０の運転中には、制御部２３により発電部１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、発電部１０の発電量と、それに応じた化学量論的燃料消費量に基づく燃料供給量が算出される。制御部２３は燃料ポンプ２２を制御し、燃料タンク２１から、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を、燃料供給経路２４を介して、気化室３０Ａに供給する。よって、環境温度の影響または発電部１０の発電状態の影響などにより伝熱が過剰になっても、気化燃料が過剰に供給されてしまうおそれはなくなる。従って、燃料過剰によるクロスオーバーが抑制され、発電部１０の温度が過上昇することなく、発電効率の低下が抑えられる。
【００４５】
また、気化室３０Ａ内には伝熱部として突起４１が形成されているので、この突起４１により、発電部１０で発生した熱が液体燃料に伝えられ、気化する。よって、伝熱不足により気化燃料の供給が不足するおそれがなくなり、適切な量の液体燃料が確実に気化して発電部１０に供給される。
【００４６】
更に、気化室３０Ａの温度が上がるので、燃料と水蒸気との分圧が上がり、電極反応に有利な状態が作られ、同時に発電部１０から効率的に熱が除去されて、電解質膜１３の乾燥による発電出力低下が抑えられる。
【００４７】
このように本実施の形態では、燃料供給制御部２０により、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を気化室３０Ａに供給すると共に、この気化室３０Ａ内に、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝える伝熱部として突起４１を設けるようにしたので、燃料の過剰供給や供給不足などを避けることができる。よって、高い出力を得ると共に発電の安定性を向上させることができ、消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器にも好適である。
【００４８】
更に、気化室３０Ａの温度を上げることができるので、燃料と水蒸気との分圧が上がり、電極反応に有利な状態を作ることができ、同時に発電部１０から効率的に熱を除去することが可能となるので、電解質膜１３の乾燥による発電出力低下を抑えることができる。
【００４９】
（第２の実施の形態）
図４および図５は、本発明の第２の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態は、突起４１の先端が、図４では外側部材３２の内壁面、図５では内側部材３１の内壁面に接触していることを除いては、上記実施の形態と同様の構成を有し、同様にして製造することができる。
【００５０】
突起４１は、外側部材３２の内壁面または内側部材３１の内壁面に、燃料供給経路２４の先端部の近傍に接触している。これにより、本実施の形態では、突起４１を介して外側部材３２または内側部材３１に発電部１０の熱を伝え、外側部材３２または内側部材３１を介して、燃料供給経路２４から供給された液体燃料に熱を伝えて気化させることができる。また、突起４１の位置によって、外側部材３２または内側部材３１の加熱したい領域を限定することや、突起４１の大きさによって、液体燃料に伝えられる熱の量を制御することも可能である。更に、本実施の形態では、隙間Ｇの公差の制御が不要となるので、製造工程を容易にすることもできる。
【００５１】
（第３の実施の形態）
図６は、本発明の第３の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態では、外側部材３２の内壁面に、気化室３０Ａに供給された液体燃料を拡散させる拡散シート５０が設けられている。これにより、本実施の形態では、燃料供給経路２４から供給された液体燃料を、拡散シート５０により平面方向に拡散させ、より効率的に、また均一に燃料を気化させることができる。
【００５２】
拡散シート５０は、例えば、燃料供給経路２４の出口または出口の近傍に設置されている。突起４１の先端は、拡散シート５０に接していてもよいし、拡散シート５０との間に隙間Ｇが設けられていてもよい。
【００５３】
（第４の実施の形態）
図７は、本発明の第４の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態では、燃料気化部３０は外側部材３２のみを有している。すなわち、外側部材３２は、気化室３０Ａを間にしてアノード電極１１に対向配置され、突起４１の先端はアノード電極１１に接触している。これにより、本実施の形態では、内側部材３１を省略し、燃料気化部３０をより薄型化、小型化することが可能となっている。
【００５４】
なお、図８に示したように、突起４１の先端とアノード電極１１との間に、図２または図３に示したような隙間Ｇをあけるようにしてもよい。
【００５５】
また、図示しないが、本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様に、外側部材３２の内壁面に拡散シート５０を設けるようにしてもよい。
【００５６】
（第５の実施の形態）
図９は、本発明の第５の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態では、内側部材３１および外側部材３２が一体化されており、燃料気化部３０をより薄型化、小型化することが可能となっている。
【００５７】
なお、図示しないが、本実施の形態においても、第３の実施の形態と同様に、外側部材３２の内壁面に拡散シート５０を設けるようにしてもよい。
【００５８】
（第６の実施の形態）
図１０は、本発明の第６の実施の形態に係る発電部１０および燃料気化部３０の構成を表したものである。本実施の形態では、気化室３０Ａ内の一部に、伝熱部として、多孔質体または不織布により構成された拡散伝熱部材４２が設けられている。これにより、本実施の形態では、液体燃料と拡散伝熱部材４２との接触面積を増やし、液体燃料に熱を伝えやすくして、効率よく気化させることができる。また、拡散伝熱部材４２を気化室３０Ａ内の一部に設けることにより、気化した燃料の体積増加を吸収するスペースも確保することができる。
【００５９】
多孔質体としては、例えばニッケル，ステンレス鋼またはチタンなどの伝熱性の良い金属の発泡体または焼結体が好ましい。あるいは、気化室３０Ａの高さＤを１ｍｍ以内、例えば０．５ｍｍ程度とした場合には、樹脂などの比較的伝熱性の低い材料の多孔質体でもよい。
【００６０】
本実施の形態では、燃料供給経路２４から供給された液体燃料は、拡散伝熱部材４２内を拡散しながら熱を伝えられて、効率よく気化する。
【００６１】
なお、拡散伝熱部材４２は、図１１に示したように、気化室３０Ａ内全体に設けるようにしてもよい。このようにした場合にも、図１に示した燃料供給制御部２０により燃料供給量が適切に制御されているので、気化燃料の供給過剰のおそれはないからである。
【００６２】
また、図１２に示したように、外側部材３２の内壁面に拡散シート５０を設けるようにしてもよい。拡散シート５０により液体燃料の平面方向の拡散を促進することにより、更に効率的に、また均一に燃料を気化させることができる。
【実施例】
【００６３】
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００６４】
図１および図１２に示した発電部１０、燃料供給制御部２０および燃料気化部３０を有する燃料電池システム１を作製した。その際、外側部材３２の内壁面に拡散シート５０を設け、気化室３０Ａ内のほぼ全体に、ニッケル発泡体よりなる多孔質体の拡散伝熱部材４２を設けた。得られた燃料電池システム１について、時間経過に伴う出力および発電部１０の温度の変化を調べた。その結果を図１３に示す。このときの平均出力は３８０ｍＷであった。
【００６５】
本実施例に対する比較例１として、燃料供給制御部による燃料供給制御を実施しなかったこと、および、拡散シートおよび拡散伝熱部材を省いたことを除き、本実施例と同様にして燃料電池システムを作製した。この比較例１についても、時間経過に伴う出力および発電部の温度の変化を調べた。その結果を図１４に示す。このときの平均出力は２３０ｍＷであった。
【００６６】
（長時間発電特性）
また、上記実施例の燃料電池システム１について、長時間発電特性を調べた。その結果を図１５に示す。このときの平均出力は４１０ｍＷであった。
【００６７】
比較例２として、燃料供給制御部による燃料供給制御を実施したが、拡散シートおよび拡散伝熱部材を省いたことを除いては、比較例１と同様にして燃料電池システムを作製した。この比較例２についても、長時間発電特性を調べた。その結果を図１６に示す。このときの平均出力は３５０ｍＷであった。
【００６８】
図１３および図１４から分かるように、実施例と比較例１とを比べると、燃料供給制御部による燃料供給制御を行わず、拡散シートおよび拡散伝熱部材も設けなかった比較例１では、燃料供給が過剰となり、クロスオーバーが増大し、発電部の温度上昇が激しく、発電出力が急激に低下した。これに対して、燃料供給制御部２０による燃料供給制御を行いつつ、拡散シート５０および拡散伝熱部材４２により液体燃料への伝熱性を向上させた実施例では、時間が経過しても発電部１０の温度および発電特性のいずれも安定していた。また、本実施例によれば、比較例１に比べて約１．７倍の高い平均出力を得ることができた。
【００６９】
すなわち、燃料供給制御部２０により、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を気化室３０Ａに供給すると共に、気化室３０Ａ内に多孔質体の拡散伝熱部材４２および拡散シート５０を設けて、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝えるようにすれば、気化燃料の過剰供給を防ぎ、出力を高めると共に安定した発電を行うことができることが分かった。
【００７０】
また、図１５および図１６に示した長時間発電データから分かるように、実施例と比較例２とを比べると、燃料供給制御部による燃料供給制御は実施したが、拡散シートおよび拡散伝熱部材を設けなかった比較例２では、１４０００秒あたりから急激に出力が低下し、平均出力も低くなった。これは、比較例２では、拡散シートおよび拡散伝熱部材を設けなかったので、液体燃料に熱が十分に伝わらず、気化燃料の供給が不足したからであると考えられる。これに対して、燃料供給制御部２０による燃料供給制御を行いつつ、拡散シート５０および拡散伝熱部材４２により伝熱性を向上させた実施例では、継続的に安定した発電が行われ、平均出力も比較例２に比べて約１．２倍と高かった。
【００７１】
すなわち、発電部１０の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を気化室３０Ａに供給するようにした場合に、気化室３０Ａ内に多孔質体の拡散伝熱部材４２および拡散シート５０を設けて、気化室３０Ａに供給された液体燃料に発電部１０で発生した熱を伝えるようにすれば、気化燃料の供給不足を防ぎ、出力を高めると共に長時間にわたって継続的に安定した発電を行うことができることが分かった。
【００７２】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、発電部１０，燃料供給制御部２０，燃料気化部３０，突起４１および拡散伝熱部材４２の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。
【００７３】
また、例えば、上記実施の形態および実施例では、一つの発電部１０を有する場合について説明したが、本発明は、複数の発電部１０を縦方向（積層方向）または横方向（積層面内方向）に積層して燃料電池スタックを構成する場合にも適用することができる。特に、複数の発電部１０を横方向に積層した場合には、燃料気化部３０の面内温度分布または発電部１０からの伝熱の分布により燃料気化量に偏りが生じるおそれがある。しかし、本発明によれば、このような平板発電体の場合であっても、燃料気化部３０の気化室３０Ａ内に突起４１または拡散伝熱部材４２を設けることにより、適切な量の燃料を確実に気化させて発電部１０に供給することが可能となり、消費電力増大の原因となるヒータまたは霧化器などを不要とすることができる。
【００７４】
加えて、例えば、上記実施の形態および実施例において説明した各構成要素の材料および厚み、または発電部１０の発電条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の発電条件としてもよい。
【００７５】
加えてまた、例えば、液体燃料は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他の液体燃料でもよい。
【００７６】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、カソード電極２０への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを備えた電子機器の概略構成を表す図である。
【図２】図１に示した発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図３】図２に示した燃料気化部の他の例を表す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図５】図４の変形例を表す図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図８】図７の変形例を表す図である。
【図９】本発明の第５の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図１０】本発明の第６の実施の形態に係る発電部および燃料気化部の構成を表す図である。
【図１１】図９の変形例を表す図である。
【図１２】図９の他の変形例を表す図である。
【図１３】実施例の結果を表す図である。
【図１４】比較例１の結果を表す図である。
【図１５】実施例の長時間発電特性を表す図である。
【図１６】比較例２の長時間発電特性を表す図である。
【符号の説明】
【００７８】
１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…発電部、１１…アノード電極、１２…カソード電極、１３…電解質膜、１４…外装部材、２０…燃料供給制御部、３０…燃料気化部、３０Ａ…気化室、４１…突起、４２…拡散伝熱部材、５０…拡散シート
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極およびカソード電極の間に電解質を備えた発電部と、
前記発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を供給する燃料供給制御部と、
前記アノード電極に隣接して配置され、前記燃料供給制御部からの液体燃料が供給される気化室を有する燃料気化部と、
前記気化室内に形成され、前記気化室に供給された液体燃料に前記発電部で発生した熱を伝える伝熱部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料気化部は、前記アノード電極に接して配置された内側部材と、前記気化室を間にして前記内側部材に対向配置された外側部材とを有し、
前記伝熱部は、前記内側部材の内壁面から前記外側部材の内壁面に向けて、または前記外側部材の内壁面から前記内側部材の内壁面に向けて形成された突起である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記突起の先端と前記外側部材の内壁面または前記内側部材の内壁面との間に、隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記突起の先端が、前記外側部材の内壁面または前記内側部材の内壁面に接触している
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記内側部材および前記外側部材は一体化されている
ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料気化部は、前記気化室を間にして前記アノード電極に対向配置された外側部材を有し、
前記伝熱部は、前記外側部材の内壁面から前記アノード電極に向けて形成された突起である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記突起の先端と前記アノード電極との間に、隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記突起の先端が前記アノード電極に接触している
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記外側部材の内壁面に、前記気化室に供給された液体燃料を拡散させる拡散シートが設けられている
ことを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記伝熱部は、前記気化室内の少なくとも一部に設けられると共に、多孔質体または不織布よりなる拡散伝熱部材である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記外側部材の内壁面に、前記気化室に供給された液体燃料を拡散させる拡散シートが設けられている
ことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池システムを備えた電子機器であって、
前記燃料電池システムは、
アノード電極およびカソード電極の間に電解質を備えた発電部と、
前記発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を供給する燃料供給制御部と、
前記アノード電極に隣接して配置され、前記燃料供給制御部からの液体燃料が供給される気化室を有する燃料気化部と、
前記気化室内に形成され、前記気化室に供給された液体燃料に前記発電部で発生した熱を伝える伝熱部と
を備えたことを特徴とする電子機器。
【請求項１】
アノード電極およびカソード電極の間に電解質を備えた発電部と、
前記発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を供給する燃料供給制御部と、
前記アノード電極に隣接して配置され、前記燃料供給制御部からの液体燃料が供給される気化室を有する燃料気化部と、
前記気化室内に形成され、前記気化室に供給された液体燃料に前記発電部で発生した熱を伝える伝熱部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料気化部は、前記アノード電極に接して配置された内側部材と、前記気化室を間にして前記内側部材に対向配置された外側部材とを有し、
前記伝熱部は、前記内側部材の内壁面から前記外側部材の内壁面に向けて、または前記外側部材の内壁面から前記内側部材の内壁面に向けて形成された突起である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記突起の先端と前記外側部材の内壁面または前記内側部材の内壁面との間に、隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記突起の先端が、前記外側部材の内壁面または前記内側部材の内壁面に接触している
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記内側部材および前記外側部材は一体化されている
ことを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記燃料気化部は、前記気化室を間にして前記アノード電極に対向配置された外側部材を有し、
前記伝熱部は、前記外側部材の内壁面から前記アノード電極に向けて形成された突起である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記突起の先端と前記アノード電極との間に、隙間が設けられている
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記突起の先端が前記アノード電極に接触している
ことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記外側部材の内壁面に、前記気化室に供給された液体燃料を拡散させる拡散シートが設けられている
ことを特徴とする請求項２ないし８のいずれか１項に記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記伝熱部は、前記気化室内の少なくとも一部に設けられると共に、多孔質体または不織布よりなる拡散伝熱部材である
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記外側部材の内壁面に、前記気化室に供給された液体燃料を拡散させる拡散シートが設けられている
ことを特徴とする請求項１０記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料電池システムを備えた電子機器であって、
前記燃料電池システムは、
アノード電極およびカソード電極の間に電解質を備えた発電部と、
前記発電部の発電量に応じた化学量論的燃料消費量に基づく量の液体燃料を供給する燃料供給制御部と、
前記アノード電極に隣接して配置され、前記燃料供給制御部からの液体燃料が供給される気化室を有する燃料気化部と、
前記気化室内に形成され、前記気化室に供給された液体燃料に前記発電部で発生した熱を伝える伝熱部と
を備えたことを特徴とする電子機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００９−８７７１３（Ｐ２００９−８７７１３Ａ）
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５５６９７（Ｐ２００７−２５５６９７）
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年４月２３日（２００９．４．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年９月２８日（２００７．９．２８）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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