燃料電池及び燃料電池装置
【課題】 不純物質がアノード空間内へ進入しても発電領域のばらつきが少なく、高い発電性能を維持することの出来る薄型の発電セルを備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一面に備えられたアノード側触媒体と、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給する供給部材と、前記供給部材と前記アノード側触媒体との間に設けられ、前記燃料を拡散する拡散部とを備える燃料電池において、前記供給部材は、前記アノード側触媒体の面方向に広がるように備えられたアノード流路と、前記燃料の供給により前記拡散部から押し退けられた気体を収容する収容部とを有し、前記アノード流路は、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給するためのアノード連通孔を有し、前記アノード流路と前記収容部とは、前記拡散部の面方向に沿って備えられる。
【解決手段】 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一面に備えられたアノード側触媒体と、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給する供給部材と、前記供給部材と前記アノード側触媒体との間に設けられ、前記燃料を拡散する拡散部とを備える燃料電池において、前記供給部材は、前記アノード側触媒体の面方向に広がるように備えられたアノード流路と、前記燃料の供給により前記拡散部から押し退けられた気体を収容する収容部とを有し、前記アノード流路は、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給するためのアノード連通孔を有し、前記アノード流路と前記収容部とは、前記拡散部の面方向に沿って備えられる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池及び燃料貯蔵源を備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在燃料電池には多数の方式が存在するが、電子機器に用いられる燃料電池は、そのシステムの小型化・簡素化が容易である事から固体高分子形燃料電池の適用が有望である。固体高分子形燃料電池は、アノード極とカソード極と両極に挟持された固体高分子電解質膜とから成る単電池によって構成され、アノード極側にメタノールや水素等の燃料を供給し、カソード極側に酸化剤気体、例えば酸素や空気を供給し、これらの電気化学反応により電力を発生する。
【０００３】
ここで発電領域に対して面方向のどの場所に対してもばらつき無く均等に燃料を供給する必要がある。燃料が十分に供給されていない箇所では拡散過電圧により抵抗が高くなり、十分な発電力を取り出せない可能性がある。また燃料が十分供給されていない箇所は拡散過電圧により、その箇所のみ発熱が多くなってしまい、燃料電池全体の発電性能を劣化させるといった可能性もある。
【０００４】
この課題に対し、発電領域全体に燃料を供給できるように燃料流路が枝状に分割している流路を持つ層を新たに設ける事で、発電領域全体に供給される燃料の濃度ばらつきを低減する技術がある（例えば特許文献1参照）。特許文献１に係る発電セルは、膜電極接合体や導電層を含む発電セル部材を挟み込む板部とバックカバーから構成され、バックカバーには燃料供給板を有している。燃料供給板は燃料供給源から燃料注入口を通して供給された燃料が、燃料供給板の全体に行き渡るように配置された管部を通り、管部と繋がる燃料排出口へと移動する。燃料排出口は発電領域の全体にそれぞれが均等に離間して配置されており、排出口から供給された燃料がアノード極の発電領域全体にばらつき無く広がる。
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１に係る発電セルは発電領域内の燃料濃度のばらつきは低減されているが、燃料供給板が新たな構成要素として別に備えられている為に、発電セルの厚みが増大してしまう。
【０００６】
またアノード極に対する燃料の供給方式は、大別してフロー方式とデッドエンド方式に分類される。デッドエンド方式は発電中に燃料気体を燃料電池外部へと排出せず、発電で消費した燃料気体の量だけアノード極に燃料を供給する方式である。
【０００７】
このような固体高分子形燃料電池システムの発電において、アノード極内の流路にカソード極側から電解質膜を介し、空気などの燃料気体以外の気体(不純気体)が侵入してくる。また燃料電池の発電反応ではカソード極側で水が生成されるが、生成水は電解質膜を通してアノード極内部へと浸透する。ここでデッドエンド方式においてはこれらの不純物質は燃料電池外部へと排出されず、アノード極内に蓄積する。
【０００８】
このようにデッドエンド方式の発電セルにおいて長時間の発電を持続する為には、触媒層付近からの不純物質の除去をする必要がある。ここでアノード極にスペースを設け、不純物質をスペースに移動させることが容易に考えられるが、この方法だとスペースの容積だけアノード極の厚みが増大してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２１８０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、不純物質がアノード空間内へ進入しても発電領域のばらつきが少なく、高い発電性能を維持することの出来る薄型の発電セルを備えた燃料電池を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の燃料電池の第１の特徴は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一面に備えられたアノード側触媒体と、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給する供給部材と、前記供給部材と前記アノード側触媒体との間に設けられ、前記燃料を拡散する拡散部とを備える燃料電池において、前記供給部材は、前記アノード側触媒体の面方向に広がるように備えられたアノード流路と、前記燃料の供給により前記拡散部から押し退けられた気体を収容する収容部とを有し、前記アノード流路は、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給するためのアノード連通孔を有し、前記アノード流路と前記収容部とは、前記拡散部の面方向に沿って備えられることを要旨とする。
【００１２】
かかる特徴によれば、カソード側から不純物質が固体高分子電解質膜を通してアノード側へと侵入した場合、拡散部に存在する不純物質は収容部へと移動する事が出来、また燃料はアノード側触媒体の面方向に広がるように備えられたアノード流路中を移動する事によって発電領域全体に広がるので、発電領域内の燃料濃度のばらつきを低減出来る。
【００１３】
さらに収容部とアノード流路は拡散部の面方向に沿って備えられるので、発電セルの薄型化が可能となる。この結果、薄型の発電セルでアノード流路は純物質のアノード空間内へ進入が生じても発電領域内のばらつきが少なく、高い発電性能を維持することが可能となる。
【００１４】
また本発明の燃料電池の第２の特徴は、第１の特徴の燃料電池において、前記アノード連通孔は、前記拡散部に面して設けられていることを要旨とする。
かかる特徴によれば、アノード連通孔が拡散部に面して配置されている為に、燃料が拡散部へと供給され易くなり、アノード触媒層付近に存在する不純物質を除去する能力を高める事ができる。
【００１５】
また本発明の燃料電池の第３の特徴は、第１または第２の特徴の燃料電池において、前記アノード流路と前記収容部とは、基板上にあり、前記基板は、前記拡散部に対して突出した複数の凸部分と、隣り合う前記凸部分により構成される凹部分とを有し、前記凸部分は、前記アノード流路であり、前記凹部分は、前記収容部であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、複数のアノード流路を配置しても収容部の容積を大きく確保できるので、燃料電池の発電領域の大きさに係らず、収容部とアノード流路を同一層に有する燃料電池構造が実現可能となる。
【００１６】
また本発明の燃料電池の第４の特徴は、第１から第３のいずれかの燃料電池において、前記アノード流路と前記収容部とは、同一基板から形成されることを要旨とする。
かかる特徴によれば、アノード流路と収容部は同一基板から形成される為、より少ない部材数で本発明の燃料電池構造を実現する事が可能となる。
【００１７】
また本発明の燃料電池の第５の要旨は、第１または第２の燃料電池において、前記供給部材は、前記拡散部の面に対して平行に設けられている筒であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、筒状の供給部材を備える事により簡便にアノード流路と収容部を同一の層に形成する事が可能である為、本発明の燃料電池の組立を簡易化することが可能である。
【００１８】
また本発明の燃料電池の第６の要旨は、第１から第５のいずれかの燃料電池において、前記拡散部は、燃料を流通する燃料流通孔を複数有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、燃料が発電セルの厚み方向に移動する事が出来る燃料流通孔を拡散部が設ける事により、触媒層近傍への燃料の供給能力と、不純物質の収容部への移動性を向上することが出来る。
【００１９】
また本発明の燃料電池の第７の要旨は、第６の燃料電池において、前記アノード連通孔は、複数の前記燃料流通孔の少なくとも一部と重なるように配置されていることを要旨とする。
かかる特徴によれば、燃料流通孔がアノード連通孔と一部重なりあう為、触媒層近傍への燃料の供給能力をより確実に向上させる事が可能となる。
【００２０】
また本発明の燃料電池の第８の要旨は、第１から第７いずれかの燃料電池において、前記アノード連通孔の面積は、前記アノード流路の流通方向に垂直な断面積よりも小さいことを要旨とする。
かかる特徴によれば、アノード流路の断面積がアノード連通孔の断面積よりも小さい為に、燃料はアノード連通孔から触媒層近傍へ供給されるよりもアノード流路中を移動しやすい。そのため、発電領域全体への燃料供給のばらつきをより軽減する事が可能である。
【００２１】
また本発明の燃料電池の第９の要旨は、第１から第８いずれかの燃料電池において、複数の前記アノード流路のそれぞれを連通する支流路を備え、前記支流路の流通方向に垂直な断面積は、前記アノード流路の流通方向に垂直な断面積以上であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、複数のアノード流路の断面積が支流路の断面積よりも小さい為に、燃料はそれぞれのアノード流路に行き渡るよりも、支流路中を移動しやすい。そのため支流路の燃料濃度が均一になるため、発電領域全体への燃料供給のばらつきをより軽減する事が可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、不純物質がアノード空間内へ進入しても発電領域のばらつきが少なく、高い発電性能を維持することの出来る薄型の発電セルを備えた燃料電池を提供する事が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る燃料電池装置の全体の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池の分解斜視図である。
【図３】実施の形態１における燃料電池の断面図である。
【図４】実施の形態２における燃料電池の断面図である。
【図５】供給部材の具体例の斜視図である。
【図６】その他の供給部材の具体例の斜視図である。
【図７】その他の供給部材を搭載した燃料電池の分解斜視図である。
【図８】実施の形態３における、支流路を有する供給部材の斜視図である。
【図９】複数の支流路を有する供給部材の斜視図である。
【図１０】実施の形態４における燃料電池の断面図である。
【図１１】本発明を用いない通常の閉鎖系の燃料電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
図１から図３に基づいて本発明の実施の形態１における燃料電池装置を説明する。
【００２５】
図１には本発明の一実施例に係る燃料電池装置全体の概略構成図を示してある。図１に示すように、燃料電池装置１は発電セルから構成される燃料電池２と、燃料電池２の発電反応に必要とされる燃料を貯蔵する燃料部３と、燃料部３に内蔵された燃料を燃料電池へと供給する為の燃料供給手段４と、発電した電力を制御する制御回路５から構成される。
【００２６】
燃料電池２に使用される燃料は水素・メタノール・エタノール・ボロハイドライド水溶液等であり、即ち燃料部３はこれらの燃料を貯蔵している。また燃料そのものを貯蔵していなくても、燃料の前駆体となる物質を貯蔵していても良い。この場合、燃料部３では発電反応時に燃料部３の内部で前駆体を化学的に反応させる事により燃料を生成する。燃料供給手段４は前述のように燃料を燃料電池２へ移動させる流路である。またこの他に燃料の供給をより円滑かつ確実に行う為に、燃料供給手段４にはポンプやバルブ等の補機が備えられていても良い。ここで燃料部３は内蔵する燃料を全て消耗した後に新しい燃料部３と交換する事で連続した発電が可能になるよう、カートリッジ方式になっている事が好ましい。
【００２７】
制御回路５は燃料電池２の発電で得られた電力を昇高圧や電流量の制御等の他、二次電池を備える事による蓄電機能を備えるものがある。制御回路にて制御された電力は、燃料電池装置１と接続された使用機器６に使用される。
【００２８】
図２には本発明の燃料電池の分解図を示す。図２に示すように、燃料電池２は固体高分子電解質膜１１と、固体高分子膜１１の両側に備えられた拡散部１３と、拡散部１３を有しアノード極をチャンバー構造にするアノード体１４と、カソード側拡散部１３を固定し空間を有するカソード体１５と、アノード体に収容されアノード体１４内に備えられアノード側拡散部に沿って配置される供給部材２０と、それら全ての部材を両側から挟みこむ支持体１６から構成される。
【００２９】
支持体１６は締結手段１７を備えており、締結手段は２つの支持体を圧縮する方向へと荷重をかけており、挟み込まれる部材は支持体１６によって圧縮力を与えられる。締結手段１７の具体例はボルト、金属バンド、リベット等が挙げられるが、支持体１６に対して圧縮応力を保持できる手段であれば上記例には限らない。
【００３０】
アノード体１４には燃料供給手段４から供給された燃料をアノード極内へと取り入れる燃料供給口１４１が備えられている。燃料供給口１４１からアノード極内部へ流入した燃料は供給部材２０に備えられたアノード流路入口２１を通して後述するアノード流路２２に供給される。
【００３１】
またカソード体１５は後述するカソード側の触媒層１２に空気中の酸素を与えるべく外部空間とつながっている。図２では側面のうち２面に開口を設ける事で酸素の流通を行っているが、開口はどの面に備えられていても良い。また酸素の供給をより確実に行う為に、酸素供給手段として送風ファンやポンプなどを用いても良い。
【００３２】
図３は図２の燃料電池２を組みたて、点線と破線で示す平面で断面をとった断面図である。以降図３を用いて本発明の発電セルの構造について詳細に説明する。固体高分子電解質膜１１の両側表面には触媒層１２が備えられている。触媒層１２は白金、ルテニウム、コバルトに代表される触媒が担持されたカーボン粒子が全面に塗布された層である。アノード極側の触媒層１２へと到達した燃料は触媒上でプロトンと電子へと変わる。プロトンは固体高分子電解質膜１１中を通してカソード極側の触媒層１２へと運搬され、カソード極側の触媒層１２に供給された酸素と外部回路を移動してきた電子と結合し水を生成する。なお触媒の例を上に挙げたが、燃料電池２の発電反応においてプロトンを生成できるものであれば触媒の種類はこれには限らない。
【００３３】
触媒層１２の固体高分子電解質膜１１と対面する側には拡散部１３が設けられている。拡散部１３は導電性を有し電極として機能する事、流体を透過し触媒層１２への燃料の供給が可能である事、の２つの機能を有する。そのため主として用いられるのはカーボンの焼結体や繊維状のGDLであり、GDLが触媒層１２と全面で接触する事により電極として作用する。またGDLは金属材料等の導電性材料と比較すると面方向の抵抗が高い。その為、触媒層１２で発生した電子を有効に取り出す為に、GDLの触媒層１２と対面する側に金属やカーボン等の剛性を有する多孔体の導電材料で形成された集電板を備えて、支持体１６の圧縮力をGDLに伝えても良い。上述のような拡散部１３から発電部２の外部へと導線をひき、制御回路５へと電力を伝える。
【００３４】
アノード側の触媒層１２に高濃度の燃料を供給をする為、燃料を燃料電池２の外部へ漏洩させない為に、アノード体１４は内部の空間と燃料電池２の外部空間とは隔絶されている必要がある。その為にアノード体は上述した燃料を透過しない固体材料のアクリル等に代表される樹脂材、ＳＵＳやアルミ等に代表される金属、グラファイト等のカーボン樹脂によって形成される。拡散部１３と導電性材料で形成されたアノード体１４を接触させてアノード体１４をアノード極とする事により、導線の配置を簡便にする事が出来る事から、アノード体１４は導電性材料により形成される事が望ましい。
【００３５】
またアノード体１４と固体高分子電解質膜１１の界面には、アノード体内からの燃料の漏洩を防止する為に密閉手段１８が備えられている。本実施例密閉手段１８は図３のようにアノード体に形成された溝にシリコーンゴム・ブチルゴム・ニトリルゴム等に代表されるパッキンを備える事により密閉を実現している。ここで密閉手段１８のその他の例として接着剤や熱融着による密閉等が考えられるが、アノード極内部と外部の空間的遮断が実現できるのであればその手段は問わない。
【００３６】
アノード体１４の内部には供給部材２０が拡散部１３と接するように備えられている。供給部材２０はアノード極内を燃料部３から燃料が供給されるアノード流路２２と収容部２３の２つの空間に隔てている。２つの空間はアノード流路２２を形成する供給部材２０に備えられたアノード連通孔２４によって繋がっており、アノード流路２２に供給された燃料はアノード連通孔２４を通る事により触媒層１２の存在する収容部へと移動する。供給部材２０の形成方法の例は、層状の部材を積層させて拡散接合や接着剤により重複している箇所を密着させる方法や、切削加工により供給部材２０の壁面を形成した後に蓋を重ねて流路を形成する事が考えられるが、アノード流路２２と収容部２３の隔絶が形成できるのであれば工法は問わない。
【００３７】
ここで本発明の燃料電池の発電時の作用について説明する。
燃料電池２の発電反応に伴いカソード側の触媒層１２で生成された水の多くは空気中へと蒸発するが、一部は固体高分子電解質膜１１を通してアノード体１４の内部へと浸透する。またアノード体１４内部が燃料で満たされている状態では固体高分子電解質膜１１を隔てた外部気体との間で気体の分圧差が生じている事から、空気や窒素等の気体が固体高分子電解質膜１１を通してアノード体１４の内部に侵入してくる。これら水や空気や窒素等の燃料電池の発電反応に直接利用されない不純物質がアノード体１４の内部に蓄積する事により、アノード体１４の内部の燃料分圧は低下してくる。しかし不純物質は収容部２３に移動する事によりアノード側の触媒層１２の不純物質による窒息を防止する事ができる。
【００３８】
図１１は本発明を実施していない燃料電池の構成図である。本構造では燃料供給口１４１の近傍では純度の高い燃料が供給されるが、図中右側の燃料供給口１４１から遠い領域では不純物質が蓄積しやすくなり、いずれ不純物質による触媒層１２の窒息が生じてしまう。
【００３９】
一方本発明における燃料電池構造では、発電中には収容部２３側で水素が常に消費されている事から収容部２３側へはアノード連通孔２４を通してアノード流路２２から燃料が供給されており、不純物質はアノード流路２２へは移動しない。その為、アノード連通孔２４から収容部２３側へは常に高純度の燃料が供給される。またアノード流路は発電領域の面方向に広がるように備えられており、アノード連通孔２４も面方向に離間して備えられている。その為、複数のアノード連通孔２４から高純度の燃料が供給されるので、一部に不純物質が蓄積するという現象が生じにくく、発電領域全体の発電性能を高く維持する事が出来る。また供給部材２０によって収容部２３とアノード流路２２は同一の層に形成する事が出来る為、燃料電池の薄型化も達成する事が出来る。
【００４０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池２の断面図を図５に、供給部材２０の部品図を図６に、供給部材２０のその他の例１を図７、供給部材２０のその他の例２を搭載した燃料電池２の分解図を図８に示す。なお、本実施の形態１と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図５、図６を用いて本実施の形態２について説明する。
【００４１】
図５は本発明の実施の形態２における燃料電池２の断面図である。実施の形態２では供給部材２０が実施の形態１と異なる構造をしており、触媒層１２側に突起した蓋状の供給部材２０がアノード体１４の内部に複数配置されている。また供給部材２０は図６(a)に示すように矩形状の構造でも、図（b）に示すように半円形の構造でも良く、同一基板から作製されるのであればその形状は問わない。また供給部材２０の材質はアクリル等の樹脂や、ＳＵＳやアルミ等に代表される金属や、グラファイト等のカーボン材料等、アノード流路２２と収容部２３を隔絶でき剛性を有する物であれば良い。ただし供給部材２０はアノード体１４と拡散部１３の両方と接触している事から、アノード体１４を導電性材料で形成している場合には拡散部１３とアノード体１４の導通をより確実なものにする為に供給部材２０を導電性材料にする事が望ましい。このように基板状の供給部材２０によってアノード流路２２と収容部２３を形成する事で、燃料電池２の組立性が大きく向上する。
【００４２】
また供給部材２０においてアノード流路２２の断面積はアノード連通孔２４の断面積よりも大きい事が望ましい。燃料供給口１４１からアノード流路入口２１に入ってきた燃料はアノード流路２２中を通り、アノード流路入口２１に近い箇所にあるアノード連通孔２４ａへと到達する。ここでアノード連通孔２４ａの断面積は小さく、燃料は触媒層１２の存在する収容部２３側へと移動しにくい。その為燃料はアノード流路２２を通り、次のアノード連通孔２４ｂ方向へと移動しやすい状況になっている。アノード連通孔２４ｂにおいても同様の現象が生じ、燃料は次のアノード連通孔２４ｃへと容易に移動する事が出来る。アノード連通孔２４ｃはアノード流路２２の末端側に配置されており、燃料は末端まで到達すると行き場がなくなり、アノード連通孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃを通して収容部２３へと移動する。一方、アノード連通孔２４の断面積がアノード流路２４の断面積が大きい場合、アノード連通孔２４ａに到達した燃料はすぐに収容部側へと移動してしまう。その為アノード連通孔２４ａの近傍しか燃料は高濃度にならず、アノード連通孔２４ａから遠い位置にある末端側は燃料の濃度が低くなり、発電領域の中で発電性能のばらつきが生じてしまう。このようにアノード流路２２の断面積がアノード連通孔２４の断面積よりも大きい事で、発電領域内の発電性能のばらつきを抑制する事が出来る。なお、図５にはアノード連通孔２４が３つ配置された例を示しているが、もちろん２つ乃至４つ以上備えられていても上述した作用は生じる。
【００４３】
供給部材２０とアノード体１４の底面とに囲まれた空間がアノード流路２２となり図中手前側のアノード流路入口２１が燃料供給口１４１と接続される事によりアノード流路２２に燃料が供給される。実施の形態１では収容部２３は発電領域の外周部分にしか存在していなかった為に、アノード極の発電領域の中央部に侵入してきた不純物質が収容部２３へと確実に移動できない可能性があった。しかし実施の形態２では収容部２３は複数の供給部材２０の間に備えられており、発電領域の全面に渡ってバランスよく配置されているので、不純物質の収容部２３への移動をより確実に行う事が可能である。
【００４４】
またアノード連通孔２４は望ましくはその断面が拡散部１３に対して平行になるように配置されている。こうすることでアノード連通孔２４から拡散部１３へと厚み方向への移動距離が最短であり燃料が触媒層１２へ供給されやすい為、触媒層１２近傍の燃料濃度をより高く維持する事が出来る。更にアノード連通孔２４は供給部材２０の最高部に配置されている事が望ましい。供給部材２０は拡散部１３に沿って配置されているので、供給部材２０の頂点は拡散部１３に接している。その接触箇所にアノード連通孔２４が配置されているので、アノード流路２２から供給された燃料は確実に拡散部１３へと到達し、触媒層１２への燃料の拡散もより確実なものに出来る。
【００４５】
アノード体１４に供給部材２０が複数配置されており、隣り合うそれぞれの供給部材２０の間の空間が収容部２３となる。また供給部材２０はアノード体１４の側壁から離間して供えられる事により収容部２３ａを形成していてもよい。
【００４６】
また図６に供給部材２０のその他の例を示す。供給部材２０は３つのアノード流路２２を有し、３つのアノード流路２２は1枚の基板から形成されている。供給部材２０は板金加工によって形成された金属材料、曲げ加工や射出成形等によって形成される樹脂材等によって構成される。このようにはアノード流路２２が複数存在する場合においても供給部材２０は１つの部材によって構成されるので、燃料電池２の簡便な組立が可能である。
【００４７】
なお図６において供給部材２０は３つのアノード流路２２を有しているが、もちろんそれ以外の数のアノード流路が備えられていても本実施例は適用可能である。
【００４８】
図７は供給部材２０のその他の例を搭載した燃料電池２の分解図である。本例では供給部材２０は筒状となっており、複数の供給部材２０はアノード体１４の内部にそれぞれが離間して備えられる。また図７では供給部材２０は四角筒であるが、形状はこれには限らず円筒状であっても良い。本例においても図４に示した燃料電池２の構造と同等の効果が得られ、更に加工性の良い筒により供給部材２０を形成しているので低コストでの本発明の構造を有する燃料電池２の実現が可能となる。
【００４９】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における燃料電池２に係る供給部材２０の斜視図を図８に、その他の供給部材２０の斜視図を図９に示す。なお、本実施の形態１及び２と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図８を用いて本実施の形態２について説明する。
【００５０】
図８は複数のアノード流路２２を同一の基板で作製した供給部材２０である。実施の形態２で説明した燃料電池では、燃料供給口１４１はそれぞれのアノード流路２２に配されたアノード流路入口２１から供給される。一方実施の形態３の供給部材２０においては、1つの燃料供給口１４１から供給された燃料はアノード流路入口２１から複数のアノード流路２２と接続される支流路２５を通して各アノード流路２２へと供給される。ここで支流路２５の任意の断面Ｂの断面積はアノード流路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのそれぞれの任意の断面Ａにおける断面積よりも大きい。支流路２５へと供給された燃料はアノード流路入口２１から近い箇所にあるアノード流路２２ｂ及びアノード流路２２ｃへと到達する。ここで支流路２５と比較してアノード流路２２ｂ及びアノード流路２２ｃの断面積は小さく、燃料はアノード流路２２ｂ及び２２ｃに充満するよりも、支流路２５中を通り次のアノード流路２２ａ及び２２ｄへと移動しやすい。一方、アノード流路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの任意の断面Ａにおける断面積が支流路２５の任意の断面Ｂの断面積よりも大きい場合、アノード流路２２ａ及び２２ｂに到達した燃料はアノード流路２２ａ及び２２ｂ中に充満し収容部２３へと移動してしまい、それぞれのアノード連通孔２４から収容部２３へと移動する。その為アノード流路２２ａ及び２２ｂの近傍しか燃料は高濃度にならず、アノード流路入口２１から遠い位置にある末端側は燃料の濃度低くなり、発電領域の中で発電性能のばらつきが生じてしまう。このように支流路２５の断面積がアノード流路２２の断面積が大きい事で、発電領域内の発電性能のばらつきを抑制する事が出来る。なお、図８にはアノード流路２２が４つ配置された例を示しているが、もちろんそれ以外の個数のアノード流路２２が備えられていても上述した作用は生じる。
【００５１】
また図９に示すように支流路２５は複数備えられていても良い。本例では図８に示すようにアノード流路入口２１付近に備えられた支流路２５に加え、支流路２５と離間した箇所に支流路２５’が備えられている。支流路が複数備えられた燃料電池では、仮に支流路２５若しくはアノード流路２２の一部が水等の物質により遮断されて燃料の供給が阻害された場合に、アノード流路２２へと供給された燃料は支流路２５’を通してアノード流路２２の遮断箇所まで回りこむ。これによりアノード流路２２及び支流路２５の一部が遮断された場合にも、より確実に発電領域全体へと燃料を供給する事ができる。
【００５２】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における燃料電池２の断面図を図１０に示す。なお、本実施の形態１から３と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図１０を用いて本実施の形態２について説明する。
【００５３】
図１０は図４に記載の燃料電池２において拡散部がガス拡散層１３１と、厚み方向に燃料を流通させる事のできる複数の燃料流通孔１３３を有する集電板１３２から構成されている。燃料流通孔１３３は貫通孔であり、燃料電池２を組み立てた時にアノード連通孔２４と重なっている。また組立時に誤差が生じて燃料流通孔１３３とアノード連通孔２４は同一軸にはならないが、一部でも重なっていれば良い。その為に燃料流通孔１３３の径をアノード連通孔２４の径よりも大きくして確実に重なるようにしても良い。また逆に年アノード連通孔２４の径を燃料流通孔１３３の径よりも大きくしても同様の効果が見込まれる。このような構造の燃料電池２においては複数のアノード連通孔２４はそれぞれ燃料流通孔１３３と一部重なっている為、アノード連通孔２４から供給された燃料は確実に触媒層１２へと供給される。
【００５４】
また不純物の収容部２３への移動性を高める為に、燃料流通孔１３３はアノード連通孔２４と重ならない箇所、特に収容部２３の領域にさらに備えられていても良い。不純物は発電領域全体で生じる事から、収容部２３と重なる燃料流通孔１３３は発電領域に複数散らばるように備えられていると良い。燃料流通孔１３３を収容部２３と重なるように備える事で不純物の収容部２３への移動性を向上する事ができ、燃料電池２はより安定した発電を行う事が出来る。
【００５５】
以上、本発明の一例を説明したが、具体例を説明したに過ぎない。特に本発明を限定するものではなく、各部の具体的構成等は適宜変更可能である。また、各実施の形態及び変更例の作用効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、各実施の形態及び変更例に記載されたものに限定されるものではない。また明細書においては説明の便宜上、燃料電池は単一のセルによって構成されているが、本発明は支持体に挟持された発電セルを複数有する構造の燃料電池においても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、燃料電池及び燃料電池装置の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 燃料電池装置
２ 燃料電池
３ 燃料部
４ 燃料供給系
５ 制御回路
６ 使用機器
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散部
１４ アノード体
１５ カソード体
１６ 支持体
１７ 締結手段
２０ 供給部材
２１ アノード流路入口
２２ アノード流路
２３ 収容部
２４ アノード連通孔
２５ 支流路
１３１ ガス拡散層
１３２ 集電板
１３３ 燃料流通孔
１４１ 燃料供給口
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池及び燃料貯蔵源を備えた燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在燃料電池には多数の方式が存在するが、電子機器に用いられる燃料電池は、そのシステムの小型化・簡素化が容易である事から固体高分子形燃料電池の適用が有望である。固体高分子形燃料電池は、アノード極とカソード極と両極に挟持された固体高分子電解質膜とから成る単電池によって構成され、アノード極側にメタノールや水素等の燃料を供給し、カソード極側に酸化剤気体、例えば酸素や空気を供給し、これらの電気化学反応により電力を発生する。
【０００３】
ここで発電領域に対して面方向のどの場所に対してもばらつき無く均等に燃料を供給する必要がある。燃料が十分に供給されていない箇所では拡散過電圧により抵抗が高くなり、十分な発電力を取り出せない可能性がある。また燃料が十分供給されていない箇所は拡散過電圧により、その箇所のみ発熱が多くなってしまい、燃料電池全体の発電性能を劣化させるといった可能性もある。
【０００４】
この課題に対し、発電領域全体に燃料を供給できるように燃料流路が枝状に分割している流路を持つ層を新たに設ける事で、発電領域全体に供給される燃料の濃度ばらつきを低減する技術がある（例えば特許文献1参照）。特許文献１に係る発電セルは、膜電極接合体や導電層を含む発電セル部材を挟み込む板部とバックカバーから構成され、バックカバーには燃料供給板を有している。燃料供給板は燃料供給源から燃料注入口を通して供給された燃料が、燃料供給板の全体に行き渡るように配置された管部を通り、管部と繋がる燃料排出口へと移動する。燃料排出口は発電領域の全体にそれぞれが均等に離間して配置されており、排出口から供給された燃料がアノード極の発電領域全体にばらつき無く広がる。
【０００５】
しかしながら、上述の特許文献１に係る発電セルは発電領域内の燃料濃度のばらつきは低減されているが、燃料供給板が新たな構成要素として別に備えられている為に、発電セルの厚みが増大してしまう。
【０００６】
またアノード極に対する燃料の供給方式は、大別してフロー方式とデッドエンド方式に分類される。デッドエンド方式は発電中に燃料気体を燃料電池外部へと排出せず、発電で消費した燃料気体の量だけアノード極に燃料を供給する方式である。
【０００７】
このような固体高分子形燃料電池システムの発電において、アノード極内の流路にカソード極側から電解質膜を介し、空気などの燃料気体以外の気体(不純気体)が侵入してくる。また燃料電池の発電反応ではカソード極側で水が生成されるが、生成水は電解質膜を通してアノード極内部へと浸透する。ここでデッドエンド方式においてはこれらの不純物質は燃料電池外部へと排出されず、アノード極内に蓄積する。
【０００８】
このようにデッドエンド方式の発電セルにおいて長時間の発電を持続する為には、触媒層付近からの不純物質の除去をする必要がある。ここでアノード極にスペースを設け、不純物質をスペースに移動させることが容易に考えられるが、この方法だとスペースの容積だけアノード極の厚みが増大してしまう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−２１８０４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
そこで、本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、不純物質がアノード空間内へ進入しても発電領域のばらつきが少なく、高い発電性能を維持することの出来る薄型の発電セルを備えた燃料電池を提供する事を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための本発明の燃料電池の第１の特徴は、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一面に備えられたアノード側触媒体と、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給する供給部材と、前記供給部材と前記アノード側触媒体との間に設けられ、前記燃料を拡散する拡散部とを備える燃料電池において、前記供給部材は、前記アノード側触媒体の面方向に広がるように備えられたアノード流路と、前記燃料の供給により前記拡散部から押し退けられた気体を収容する収容部とを有し、前記アノード流路は、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給するためのアノード連通孔を有し、前記アノード流路と前記収容部とは、前記拡散部の面方向に沿って備えられることを要旨とする。
【００１２】
かかる特徴によれば、カソード側から不純物質が固体高分子電解質膜を通してアノード側へと侵入した場合、拡散部に存在する不純物質は収容部へと移動する事が出来、また燃料はアノード側触媒体の面方向に広がるように備えられたアノード流路中を移動する事によって発電領域全体に広がるので、発電領域内の燃料濃度のばらつきを低減出来る。
【００１３】
さらに収容部とアノード流路は拡散部の面方向に沿って備えられるので、発電セルの薄型化が可能となる。この結果、薄型の発電セルでアノード流路は純物質のアノード空間内へ進入が生じても発電領域内のばらつきが少なく、高い発電性能を維持することが可能となる。
【００１４】
また本発明の燃料電池の第２の特徴は、第１の特徴の燃料電池において、前記アノード連通孔は、前記拡散部に面して設けられていることを要旨とする。
かかる特徴によれば、アノード連通孔が拡散部に面して配置されている為に、燃料が拡散部へと供給され易くなり、アノード触媒層付近に存在する不純物質を除去する能力を高める事ができる。
【００１５】
また本発明の燃料電池の第３の特徴は、第１または第２の特徴の燃料電池において、前記アノード流路と前記収容部とは、基板上にあり、前記基板は、前記拡散部に対して突出した複数の凸部分と、隣り合う前記凸部分により構成される凹部分とを有し、前記凸部分は、前記アノード流路であり、前記凹部分は、前記収容部であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、複数のアノード流路を配置しても収容部の容積を大きく確保できるので、燃料電池の発電領域の大きさに係らず、収容部とアノード流路を同一層に有する燃料電池構造が実現可能となる。
【００１６】
また本発明の燃料電池の第４の特徴は、第１から第３のいずれかの燃料電池において、前記アノード流路と前記収容部とは、同一基板から形成されることを要旨とする。
かかる特徴によれば、アノード流路と収容部は同一基板から形成される為、より少ない部材数で本発明の燃料電池構造を実現する事が可能となる。
【００１７】
また本発明の燃料電池の第５の要旨は、第１または第２の燃料電池において、前記供給部材は、前記拡散部の面に対して平行に設けられている筒であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、筒状の供給部材を備える事により簡便にアノード流路と収容部を同一の層に形成する事が可能である為、本発明の燃料電池の組立を簡易化することが可能である。
【００１８】
また本発明の燃料電池の第６の要旨は、第１から第５のいずれかの燃料電池において、前記拡散部は、燃料を流通する燃料流通孔を複数有することを要旨とする。
かかる特徴によれば、燃料が発電セルの厚み方向に移動する事が出来る燃料流通孔を拡散部が設ける事により、触媒層近傍への燃料の供給能力と、不純物質の収容部への移動性を向上することが出来る。
【００１９】
また本発明の燃料電池の第７の要旨は、第６の燃料電池において、前記アノード連通孔は、複数の前記燃料流通孔の少なくとも一部と重なるように配置されていることを要旨とする。
かかる特徴によれば、燃料流通孔がアノード連通孔と一部重なりあう為、触媒層近傍への燃料の供給能力をより確実に向上させる事が可能となる。
【００２０】
また本発明の燃料電池の第８の要旨は、第１から第７いずれかの燃料電池において、前記アノード連通孔の面積は、前記アノード流路の流通方向に垂直な断面積よりも小さいことを要旨とする。
かかる特徴によれば、アノード流路の断面積がアノード連通孔の断面積よりも小さい為に、燃料はアノード連通孔から触媒層近傍へ供給されるよりもアノード流路中を移動しやすい。そのため、発電領域全体への燃料供給のばらつきをより軽減する事が可能である。
【００２１】
また本発明の燃料電池の第９の要旨は、第１から第８いずれかの燃料電池において、複数の前記アノード流路のそれぞれを連通する支流路を備え、前記支流路の流通方向に垂直な断面積は、前記アノード流路の流通方向に垂直な断面積以上であることを要旨とする。
かかる特徴によれば、複数のアノード流路の断面積が支流路の断面積よりも小さい為に、燃料はそれぞれのアノード流路に行き渡るよりも、支流路中を移動しやすい。そのため支流路の燃料濃度が均一になるため、発電領域全体への燃料供給のばらつきをより軽減する事が可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、不純物質がアノード空間内へ進入しても発電領域のばらつきが少なく、高い発電性能を維持することの出来る薄型の発電セルを備えた燃料電池を提供する事が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明に係る燃料電池装置の全体の概略構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池の分解斜視図である。
【図３】実施の形態１における燃料電池の断面図である。
【図４】実施の形態２における燃料電池の断面図である。
【図５】供給部材の具体例の斜視図である。
【図６】その他の供給部材の具体例の斜視図である。
【図７】その他の供給部材を搭載した燃料電池の分解斜視図である。
【図８】実施の形態３における、支流路を有する供給部材の斜視図である。
【図９】複数の支流路を有する供給部材の斜視図である。
【図１０】実施の形態４における燃料電池の断面図である。
【図１１】本発明を用いない通常の閉鎖系の燃料電池の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
（実施の形態１）
図１から図３に基づいて本発明の実施の形態１における燃料電池装置を説明する。
【００２５】
図１には本発明の一実施例に係る燃料電池装置全体の概略構成図を示してある。図１に示すように、燃料電池装置１は発電セルから構成される燃料電池２と、燃料電池２の発電反応に必要とされる燃料を貯蔵する燃料部３と、燃料部３に内蔵された燃料を燃料電池へと供給する為の燃料供給手段４と、発電した電力を制御する制御回路５から構成される。
【００２６】
燃料電池２に使用される燃料は水素・メタノール・エタノール・ボロハイドライド水溶液等であり、即ち燃料部３はこれらの燃料を貯蔵している。また燃料そのものを貯蔵していなくても、燃料の前駆体となる物質を貯蔵していても良い。この場合、燃料部３では発電反応時に燃料部３の内部で前駆体を化学的に反応させる事により燃料を生成する。燃料供給手段４は前述のように燃料を燃料電池２へ移動させる流路である。またこの他に燃料の供給をより円滑かつ確実に行う為に、燃料供給手段４にはポンプやバルブ等の補機が備えられていても良い。ここで燃料部３は内蔵する燃料を全て消耗した後に新しい燃料部３と交換する事で連続した発電が可能になるよう、カートリッジ方式になっている事が好ましい。
【００２７】
制御回路５は燃料電池２の発電で得られた電力を昇高圧や電流量の制御等の他、二次電池を備える事による蓄電機能を備えるものがある。制御回路にて制御された電力は、燃料電池装置１と接続された使用機器６に使用される。
【００２８】
図２には本発明の燃料電池の分解図を示す。図２に示すように、燃料電池２は固体高分子電解質膜１１と、固体高分子膜１１の両側に備えられた拡散部１３と、拡散部１３を有しアノード極をチャンバー構造にするアノード体１４と、カソード側拡散部１３を固定し空間を有するカソード体１５と、アノード体に収容されアノード体１４内に備えられアノード側拡散部に沿って配置される供給部材２０と、それら全ての部材を両側から挟みこむ支持体１６から構成される。
【００２９】
支持体１６は締結手段１７を備えており、締結手段は２つの支持体を圧縮する方向へと荷重をかけており、挟み込まれる部材は支持体１６によって圧縮力を与えられる。締結手段１７の具体例はボルト、金属バンド、リベット等が挙げられるが、支持体１６に対して圧縮応力を保持できる手段であれば上記例には限らない。
【００３０】
アノード体１４には燃料供給手段４から供給された燃料をアノード極内へと取り入れる燃料供給口１４１が備えられている。燃料供給口１４１からアノード極内部へ流入した燃料は供給部材２０に備えられたアノード流路入口２１を通して後述するアノード流路２２に供給される。
【００３１】
またカソード体１５は後述するカソード側の触媒層１２に空気中の酸素を与えるべく外部空間とつながっている。図２では側面のうち２面に開口を設ける事で酸素の流通を行っているが、開口はどの面に備えられていても良い。また酸素の供給をより確実に行う為に、酸素供給手段として送風ファンやポンプなどを用いても良い。
【００３２】
図３は図２の燃料電池２を組みたて、点線と破線で示す平面で断面をとった断面図である。以降図３を用いて本発明の発電セルの構造について詳細に説明する。固体高分子電解質膜１１の両側表面には触媒層１２が備えられている。触媒層１２は白金、ルテニウム、コバルトに代表される触媒が担持されたカーボン粒子が全面に塗布された層である。アノード極側の触媒層１２へと到達した燃料は触媒上でプロトンと電子へと変わる。プロトンは固体高分子電解質膜１１中を通してカソード極側の触媒層１２へと運搬され、カソード極側の触媒層１２に供給された酸素と外部回路を移動してきた電子と結合し水を生成する。なお触媒の例を上に挙げたが、燃料電池２の発電反応においてプロトンを生成できるものであれば触媒の種類はこれには限らない。
【００３３】
触媒層１２の固体高分子電解質膜１１と対面する側には拡散部１３が設けられている。拡散部１３は導電性を有し電極として機能する事、流体を透過し触媒層１２への燃料の供給が可能である事、の２つの機能を有する。そのため主として用いられるのはカーボンの焼結体や繊維状のGDLであり、GDLが触媒層１２と全面で接触する事により電極として作用する。またGDLは金属材料等の導電性材料と比較すると面方向の抵抗が高い。その為、触媒層１２で発生した電子を有効に取り出す為に、GDLの触媒層１２と対面する側に金属やカーボン等の剛性を有する多孔体の導電材料で形成された集電板を備えて、支持体１６の圧縮力をGDLに伝えても良い。上述のような拡散部１３から発電部２の外部へと導線をひき、制御回路５へと電力を伝える。
【００３４】
アノード側の触媒層１２に高濃度の燃料を供給をする為、燃料を燃料電池２の外部へ漏洩させない為に、アノード体１４は内部の空間と燃料電池２の外部空間とは隔絶されている必要がある。その為にアノード体は上述した燃料を透過しない固体材料のアクリル等に代表される樹脂材、ＳＵＳやアルミ等に代表される金属、グラファイト等のカーボン樹脂によって形成される。拡散部１３と導電性材料で形成されたアノード体１４を接触させてアノード体１４をアノード極とする事により、導線の配置を簡便にする事が出来る事から、アノード体１４は導電性材料により形成される事が望ましい。
【００３５】
またアノード体１４と固体高分子電解質膜１１の界面には、アノード体内からの燃料の漏洩を防止する為に密閉手段１８が備えられている。本実施例密閉手段１８は図３のようにアノード体に形成された溝にシリコーンゴム・ブチルゴム・ニトリルゴム等に代表されるパッキンを備える事により密閉を実現している。ここで密閉手段１８のその他の例として接着剤や熱融着による密閉等が考えられるが、アノード極内部と外部の空間的遮断が実現できるのであればその手段は問わない。
【００３６】
アノード体１４の内部には供給部材２０が拡散部１３と接するように備えられている。供給部材２０はアノード極内を燃料部３から燃料が供給されるアノード流路２２と収容部２３の２つの空間に隔てている。２つの空間はアノード流路２２を形成する供給部材２０に備えられたアノード連通孔２４によって繋がっており、アノード流路２２に供給された燃料はアノード連通孔２４を通る事により触媒層１２の存在する収容部へと移動する。供給部材２０の形成方法の例は、層状の部材を積層させて拡散接合や接着剤により重複している箇所を密着させる方法や、切削加工により供給部材２０の壁面を形成した後に蓋を重ねて流路を形成する事が考えられるが、アノード流路２２と収容部２３の隔絶が形成できるのであれば工法は問わない。
【００３７】
ここで本発明の燃料電池の発電時の作用について説明する。
燃料電池２の発電反応に伴いカソード側の触媒層１２で生成された水の多くは空気中へと蒸発するが、一部は固体高分子電解質膜１１を通してアノード体１４の内部へと浸透する。またアノード体１４内部が燃料で満たされている状態では固体高分子電解質膜１１を隔てた外部気体との間で気体の分圧差が生じている事から、空気や窒素等の気体が固体高分子電解質膜１１を通してアノード体１４の内部に侵入してくる。これら水や空気や窒素等の燃料電池の発電反応に直接利用されない不純物質がアノード体１４の内部に蓄積する事により、アノード体１４の内部の燃料分圧は低下してくる。しかし不純物質は収容部２３に移動する事によりアノード側の触媒層１２の不純物質による窒息を防止する事ができる。
【００３８】
図１１は本発明を実施していない燃料電池の構成図である。本構造では燃料供給口１４１の近傍では純度の高い燃料が供給されるが、図中右側の燃料供給口１４１から遠い領域では不純物質が蓄積しやすくなり、いずれ不純物質による触媒層１２の窒息が生じてしまう。
【００３９】
一方本発明における燃料電池構造では、発電中には収容部２３側で水素が常に消費されている事から収容部２３側へはアノード連通孔２４を通してアノード流路２２から燃料が供給されており、不純物質はアノード流路２２へは移動しない。その為、アノード連通孔２４から収容部２３側へは常に高純度の燃料が供給される。またアノード流路は発電領域の面方向に広がるように備えられており、アノード連通孔２４も面方向に離間して備えられている。その為、複数のアノード連通孔２４から高純度の燃料が供給されるので、一部に不純物質が蓄積するという現象が生じにくく、発電領域全体の発電性能を高く維持する事が出来る。また供給部材２０によって収容部２３とアノード流路２２は同一の層に形成する事が出来る為、燃料電池の薄型化も達成する事が出来る。
【００４０】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における燃料電池２の断面図を図５に、供給部材２０の部品図を図６に、供給部材２０のその他の例１を図７、供給部材２０のその他の例２を搭載した燃料電池２の分解図を図８に示す。なお、本実施の形態１と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図５、図６を用いて本実施の形態２について説明する。
【００４１】
図５は本発明の実施の形態２における燃料電池２の断面図である。実施の形態２では供給部材２０が実施の形態１と異なる構造をしており、触媒層１２側に突起した蓋状の供給部材２０がアノード体１４の内部に複数配置されている。また供給部材２０は図６(a)に示すように矩形状の構造でも、図（b）に示すように半円形の構造でも良く、同一基板から作製されるのであればその形状は問わない。また供給部材２０の材質はアクリル等の樹脂や、ＳＵＳやアルミ等に代表される金属や、グラファイト等のカーボン材料等、アノード流路２２と収容部２３を隔絶でき剛性を有する物であれば良い。ただし供給部材２０はアノード体１４と拡散部１３の両方と接触している事から、アノード体１４を導電性材料で形成している場合には拡散部１３とアノード体１４の導通をより確実なものにする為に供給部材２０を導電性材料にする事が望ましい。このように基板状の供給部材２０によってアノード流路２２と収容部２３を形成する事で、燃料電池２の組立性が大きく向上する。
【００４２】
また供給部材２０においてアノード流路２２の断面積はアノード連通孔２４の断面積よりも大きい事が望ましい。燃料供給口１４１からアノード流路入口２１に入ってきた燃料はアノード流路２２中を通り、アノード流路入口２１に近い箇所にあるアノード連通孔２４ａへと到達する。ここでアノード連通孔２４ａの断面積は小さく、燃料は触媒層１２の存在する収容部２３側へと移動しにくい。その為燃料はアノード流路２２を通り、次のアノード連通孔２４ｂ方向へと移動しやすい状況になっている。アノード連通孔２４ｂにおいても同様の現象が生じ、燃料は次のアノード連通孔２４ｃへと容易に移動する事が出来る。アノード連通孔２４ｃはアノード流路２２の末端側に配置されており、燃料は末端まで到達すると行き場がなくなり、アノード連通孔２４ａ、２４ｂ、２４ｃを通して収容部２３へと移動する。一方、アノード連通孔２４の断面積がアノード流路２４の断面積が大きい場合、アノード連通孔２４ａに到達した燃料はすぐに収容部側へと移動してしまう。その為アノード連通孔２４ａの近傍しか燃料は高濃度にならず、アノード連通孔２４ａから遠い位置にある末端側は燃料の濃度が低くなり、発電領域の中で発電性能のばらつきが生じてしまう。このようにアノード流路２２の断面積がアノード連通孔２４の断面積よりも大きい事で、発電領域内の発電性能のばらつきを抑制する事が出来る。なお、図５にはアノード連通孔２４が３つ配置された例を示しているが、もちろん２つ乃至４つ以上備えられていても上述した作用は生じる。
【００４３】
供給部材２０とアノード体１４の底面とに囲まれた空間がアノード流路２２となり図中手前側のアノード流路入口２１が燃料供給口１４１と接続される事によりアノード流路２２に燃料が供給される。実施の形態１では収容部２３は発電領域の外周部分にしか存在していなかった為に、アノード極の発電領域の中央部に侵入してきた不純物質が収容部２３へと確実に移動できない可能性があった。しかし実施の形態２では収容部２３は複数の供給部材２０の間に備えられており、発電領域の全面に渡ってバランスよく配置されているので、不純物質の収容部２３への移動をより確実に行う事が可能である。
【００４４】
またアノード連通孔２４は望ましくはその断面が拡散部１３に対して平行になるように配置されている。こうすることでアノード連通孔２４から拡散部１３へと厚み方向への移動距離が最短であり燃料が触媒層１２へ供給されやすい為、触媒層１２近傍の燃料濃度をより高く維持する事が出来る。更にアノード連通孔２４は供給部材２０の最高部に配置されている事が望ましい。供給部材２０は拡散部１３に沿って配置されているので、供給部材２０の頂点は拡散部１３に接している。その接触箇所にアノード連通孔２４が配置されているので、アノード流路２２から供給された燃料は確実に拡散部１３へと到達し、触媒層１２への燃料の拡散もより確実なものに出来る。
【００４５】
アノード体１４に供給部材２０が複数配置されており、隣り合うそれぞれの供給部材２０の間の空間が収容部２３となる。また供給部材２０はアノード体１４の側壁から離間して供えられる事により収容部２３ａを形成していてもよい。
【００４６】
また図６に供給部材２０のその他の例を示す。供給部材２０は３つのアノード流路２２を有し、３つのアノード流路２２は1枚の基板から形成されている。供給部材２０は板金加工によって形成された金属材料、曲げ加工や射出成形等によって形成される樹脂材等によって構成される。このようにはアノード流路２２が複数存在する場合においても供給部材２０は１つの部材によって構成されるので、燃料電池２の簡便な組立が可能である。
【００４７】
なお図６において供給部材２０は３つのアノード流路２２を有しているが、もちろんそれ以外の数のアノード流路が備えられていても本実施例は適用可能である。
【００４８】
図７は供給部材２０のその他の例を搭載した燃料電池２の分解図である。本例では供給部材２０は筒状となっており、複数の供給部材２０はアノード体１４の内部にそれぞれが離間して備えられる。また図７では供給部材２０は四角筒であるが、形状はこれには限らず円筒状であっても良い。本例においても図４に示した燃料電池２の構造と同等の効果が得られ、更に加工性の良い筒により供給部材２０を形成しているので低コストでの本発明の構造を有する燃料電池２の実現が可能となる。
【００４９】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における燃料電池２に係る供給部材２０の斜視図を図８に、その他の供給部材２０の斜視図を図９に示す。なお、本実施の形態１及び２と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図８を用いて本実施の形態２について説明する。
【００５０】
図８は複数のアノード流路２２を同一の基板で作製した供給部材２０である。実施の形態２で説明した燃料電池では、燃料供給口１４１はそれぞれのアノード流路２２に配されたアノード流路入口２１から供給される。一方実施の形態３の供給部材２０においては、1つの燃料供給口１４１から供給された燃料はアノード流路入口２１から複数のアノード流路２２と接続される支流路２５を通して各アノード流路２２へと供給される。ここで支流路２５の任意の断面Ｂの断面積はアノード流路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄのそれぞれの任意の断面Ａにおける断面積よりも大きい。支流路２５へと供給された燃料はアノード流路入口２１から近い箇所にあるアノード流路２２ｂ及びアノード流路２２ｃへと到達する。ここで支流路２５と比較してアノード流路２２ｂ及びアノード流路２２ｃの断面積は小さく、燃料はアノード流路２２ｂ及び２２ｃに充満するよりも、支流路２５中を通り次のアノード流路２２ａ及び２２ｄへと移動しやすい。一方、アノード流路２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄの任意の断面Ａにおける断面積が支流路２５の任意の断面Ｂの断面積よりも大きい場合、アノード流路２２ａ及び２２ｂに到達した燃料はアノード流路２２ａ及び２２ｂ中に充満し収容部２３へと移動してしまい、それぞれのアノード連通孔２４から収容部２３へと移動する。その為アノード流路２２ａ及び２２ｂの近傍しか燃料は高濃度にならず、アノード流路入口２１から遠い位置にある末端側は燃料の濃度低くなり、発電領域の中で発電性能のばらつきが生じてしまう。このように支流路２５の断面積がアノード流路２２の断面積が大きい事で、発電領域内の発電性能のばらつきを抑制する事が出来る。なお、図８にはアノード流路２２が４つ配置された例を示しているが、もちろんそれ以外の個数のアノード流路２２が備えられていても上述した作用は生じる。
【００５１】
また図９に示すように支流路２５は複数備えられていても良い。本例では図８に示すようにアノード流路入口２１付近に備えられた支流路２５に加え、支流路２５と離間した箇所に支流路２５’が備えられている。支流路が複数備えられた燃料電池では、仮に支流路２５若しくはアノード流路２２の一部が水等の物質により遮断されて燃料の供給が阻害された場合に、アノード流路２２へと供給された燃料は支流路２５’を通してアノード流路２２の遮断箇所まで回りこむ。これによりアノード流路２２及び支流路２５の一部が遮断された場合にも、より確実に発電領域全体へと燃料を供給する事ができる。
【００５２】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における燃料電池２の断面図を図１０に示す。なお、本実施の形態１から３と同一の部分については同一の符号を付し、同様な構成、動作については説明を省略する。以下図１０を用いて本実施の形態２について説明する。
【００５３】
図１０は図４に記載の燃料電池２において拡散部がガス拡散層１３１と、厚み方向に燃料を流通させる事のできる複数の燃料流通孔１３３を有する集電板１３２から構成されている。燃料流通孔１３３は貫通孔であり、燃料電池２を組み立てた時にアノード連通孔２４と重なっている。また組立時に誤差が生じて燃料流通孔１３３とアノード連通孔２４は同一軸にはならないが、一部でも重なっていれば良い。その為に燃料流通孔１３３の径をアノード連通孔２４の径よりも大きくして確実に重なるようにしても良い。また逆に年アノード連通孔２４の径を燃料流通孔１３３の径よりも大きくしても同様の効果が見込まれる。このような構造の燃料電池２においては複数のアノード連通孔２４はそれぞれ燃料流通孔１３３と一部重なっている為、アノード連通孔２４から供給された燃料は確実に触媒層１２へと供給される。
【００５４】
また不純物の収容部２３への移動性を高める為に、燃料流通孔１３３はアノード連通孔２４と重ならない箇所、特に収容部２３の領域にさらに備えられていても良い。不純物は発電領域全体で生じる事から、収容部２３と重なる燃料流通孔１３３は発電領域に複数散らばるように備えられていると良い。燃料流通孔１３３を収容部２３と重なるように備える事で不純物の収容部２３への移動性を向上する事ができ、燃料電池２はより安定した発電を行う事が出来る。
【００５５】
以上、本発明の一例を説明したが、具体例を説明したに過ぎない。特に本発明を限定するものではなく、各部の具体的構成等は適宜変更可能である。また、各実施の形態及び変更例の作用効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、各実施の形態及び変更例に記載されたものに限定されるものではない。また明細書においては説明の便宜上、燃料電池は単一のセルによって構成されているが、本発明は支持体に挟持された発電セルを複数有する構造の燃料電池においても適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明は、燃料電池及び燃料電池装置の産業分野で利用することができる。
【符号の説明】
【００５７】
１ 燃料電池装置
２ 燃料電池
３ 燃料部
４ 燃料供給系
５ 制御回路
６ 使用機器
１１ 固体高分子電解質膜
１２ 触媒層
１３ 拡散部
１４ アノード体
１５ カソード体
１６ 支持体
１７ 締結手段
２０ 供給部材
２１ アノード流路入口
２２ アノード流路
２３ 収容部
２４ アノード連通孔
２５ 支流路
１３１ ガス拡散層
１３２ 集電板
１３３ 燃料流通孔
１４１ 燃料供給口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一面に備えられたアノード側触媒体と、
前記アノード側触媒体に対して燃料を供給する供給部材と、
前記供給部材と前記アノード側触媒体との間に設けられ、前記燃料を拡散する拡散部とを備える燃料電池において、
前記供給部材は、
前記アノード側触媒体の面方向に広がるように備えられたアノード流路と、
前記燃料の供給により前記拡散部から押し退けられた気体を収容する収容部とを有し、
前記アノード流路は、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給するためのアノード連通孔を有し、
前記アノード流路と前記収容部とは、前記拡散部の面方向に沿って備えられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノード連通孔は、前記拡散部に面して設けられてい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】
前記アノード流路と前記収容部とは、基板上にあり、
前記基板は、前記拡散部に対して突出した複数の凸部分と、隣り合う前記凸部分により構成される凹部分とを有し、
前記凸部分は、前記アノード流路であり、
前記凹部分は、前記収容部であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード流路と前記収容部とは、同一基板から形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記供給部材は、前記拡散部の面に対して平行に設けられている筒であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記拡散部は、燃料を流通する燃料流通孔を複数有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード連通孔は、複数の前記燃料流通孔の少なくとも一部と重なるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記アノード連通孔の面積は、前記アノード流路の流通方向に垂直な断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
複数の前記アノード流路のそれぞれを連通する支流路を備え、前記支流路の流通方向に垂直な断面積は、前記アノード流路の流通方向に垂直な断面積以上であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一面に備えられたアノード側触媒体と、
前記アノード側触媒体に対して燃料を供給する供給部材と、
前記供給部材と前記アノード側触媒体との間に設けられ、前記燃料を拡散する拡散部とを備える燃料電池において、
前記供給部材は、
前記アノード側触媒体の面方向に広がるように備えられたアノード流路と、
前記燃料の供給により前記拡散部から押し退けられた気体を収容する収容部とを有し、
前記アノード流路は、前記アノード側触媒体に対して燃料を供給するためのアノード連通孔を有し、
前記アノード流路と前記収容部とは、前記拡散部の面方向に沿って備えられることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノード連通孔は、前記拡散部に面して設けられてい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】
前記アノード流路と前記収容部とは、基板上にあり、
前記基板は、前記拡散部に対して突出した複数の凸部分と、隣り合う前記凸部分により構成される凹部分とを有し、
前記凸部分は、前記アノード流路であり、
前記凹部分は、前記収容部であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード流路と前記収容部とは、同一基板から形成されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記供給部材は、前記拡散部の面に対して平行に設けられている筒であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記拡散部は、燃料を流通する燃料流通孔を複数有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード連通孔は、複数の前記燃料流通孔の少なくとも一部と重なるように配置されていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記アノード連通孔の面積は、前記アノード流路の流通方向に垂直な断面積よりも小さいことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項９】
複数の前記アノード流路のそれぞれを連通する支流路を備え、前記支流路の流通方向に垂直な断面積は、前記アノード流路の流通方向に垂直な断面積以上であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−６４４１２（Ｐ２０１２−６４４１２Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０７０８８（Ｐ２０１０−２０７０８８）
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１５日（２０１０．９．１５）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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