燃料電池
【課題】燃料極側および酸化剤極側からの排出ガスを効率よく排気できると共に小型化と体積当たりの出力密度の向上とを図れる燃料電池を提供する。
【解決手段】この燃料電池では、単セル１５−１,１５−２…の領域外に設ける排出流路２１は、単セル１５−１の酸化剤極１２からの排出ガスと、単セル１５−２の燃料極１１からの排出ガスとを合流させて排出する。つまり、単セル１５−１の酸化剤極１２と単セル１５−２の燃料極１１とで１つの排出流路２１を共用している。このため、酸化剤極１２から排出されるガスの流れを利用して、燃料極１１側から排出されるガスを効率的に排気することができる。
【解決手段】この燃料電池では、単セル１５−１,１５−２…の領域外に設ける排出流路２１は、単セル１５−１の酸化剤極１２からの排出ガスと、単セル１５−２の燃料極１１からの排出ガスとを合流させて排出する。つまり、単セル１５−１の酸化剤極１２と単セル１５−２の燃料極１１とで１つの排出流路２１を共用している。このため、酸化剤極１２から排出されるガスの流れを利用して、燃料極１１側から排出されるガスを効率的に排気することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料が供給される燃料電池に関し、特に小型化に適した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を供給すれば発電する発電装置である。通常、酸化剤には空気が使用できるため、燃料を交換することで連続して発電することができる。このため、燃料電池は、定置用電源のみでなく携帯用電源としても非常に注目されている。
【０００３】
通常、定置用の燃料電池などでは、燃料に水素あるいは水素を含有するガスが使用されるが、携帯用電源としては、同じ大きさの容器に貯蔵した燃料でより長時間発電できることが利点となる。よって、燃料としては、体積当たりのエネルギー密度の高い液体燃料の方が有利となる。
【０００４】
なお、改質器でもって液体燃料から水素を生成して発電に用いることもできるが、燃料電池のシステム全体が複雑になるため、小型化には液体燃料を直接供給する方が容易と考えられている。
【０００５】
従来、燃料を直接供給する燃料電池としては、例えば、メタノールと水の混合物を燃料に用いる直接型メタノール燃料電池が開示されている(特許文献１(特表平１１−５１０３１１号公報)、特許文献２(特開平６−１８８００８号公報))。
【０００６】
代表的な直接型メタノール燃料電池について、図６を参照しながら説明する。
【０００７】
図６に示すように、ハウジング１１６内に燃料極１０３と酸化剤極１０２と電解質膜１０１を備えた直接型メタノール燃料電池では、燃料タンク(図示せず)からメタノールと水の混合された燃料が、供給ポンプなどの供給手段によって、まず、燃料導入路１０８に供給される。この燃料導入路１０８に供給された燃料は矢印１１０で示す方向に向かって、セパレータ１０５に形成された燃料極室１０６に供給される。燃料極室１０６内に供給された燃料は、燃料極１０３内に浸透して反応し、プロトン(水素イオン)と電子、それに二酸化炭素を生成する。通常、燃料極１０３としては多孔質材が用いられており、電解質膜１０１との界面近位の触媒が担持された層で燃料極１０３の反応が起こっている。
【０００８】
燃料極１０３で生成されたプロトンは、燃料極１０３から電解質膜１０１を透過して酸化剤極１０２に移動し、電子は燃料極１０３から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極１０２に流れる。この電子が電池の出力として使用される。一方、二酸化炭素は、燃料極１０３から燃料極室１０６を通して未反応の燃料とともに排出される。
【０００９】
また、セパレータ１０５に形成された酸化剤極室１０４へは、矢印１１１で示す方向に酸素が供給され、酸化剤極室１０４から酸化剤極１０２内に酸素が拡散し、燃料極１０３から拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は通常水蒸気となって酸化剤室１０４から未反応の酸素とともに、矢印１１２で示す方向に出口側から排出される。この例では酸化剤として酸素が使用されているが、酸素濃度は低くなるが空気を使用することもできる。
【００１０】
上記従来の直接型メタノール燃料電池では、図６に示すように、セパレーター１０５で燃料極室１０６と酸化剤極室１０４が分離されているため、燃料極室１０６から排出する二酸化炭素と、酸化剤極室１０４から排気するガスとは別々に排出しなければならない。したがって、ポンプ等の排気手段が、酸化剤極室１０４,燃料極室１０６のそれぞれに必要となって、小型化の障害となる。また、二酸化炭素排気側(燃料極室１０６側)のポンプなどの強制的な排気手段をなくすと、二酸化炭素の排気効率が低下し、出力の低下の要因となる。
【特許文献１】特表平１１−５１０３１１号公報
【特許文献２】特開平６−１８８００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、この発明の課題は、燃料極側および酸化剤極側からの排出ガスを効率よく排気できると共に小型化と体積当たりの出力密度の向上とを図れる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】
【００１２】
上記課題を解決するため、この発明の燃料電池は、積層された複数の単セルを備え、上記単セルは、
液体燃料が供給される燃料室と、
上記燃料室に隣接すると共に上記燃料室から上記液体燃料が供給され、かつ、上記液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
上記燃料極に対向するように配置されると共に上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給される酸化剤室と、
上記酸化剤室に隣接すると共に上記酸化剤室から酸化剤が供給され、かつ、上記電解質膜に対向するように配置されると共に上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
さらに、上記複数の単セルのうちの１つの単セルの燃料極で発生してこの燃料極に隣接する燃料室内に排出されるガスを、上記１つの単セルに隣接する他の単セルの酸化剤極で発生してこの酸化剤極に隣接する酸化剤室に排出されるガスに合流させて、上記積層された複数の単セルから排出することを特徴としている。
【００１３】
この発明によれば、燃料極側から排出されるガスを酸化剤極から排出されるガスと同じ排気系で排出できる。さらに、酸化剤極から排出されるガスの流れを利用して、燃料極側から排出されるガスを効率的に排気することができる。したがって、この発明によれば、小型化と体積当たりの出力密度の向上とを実現できる。
【００１４】
また、一実施形態の燃料電池は、上記１つの単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを合流させて排出する合流排出構造を備える。
【００１５】
この実施形態の燃料電池によれば、液体燃料や酸化剤の供給側に供給部を設ける場合に比べて、上記合流排出構造により、各単セルに排出ガスの安定した流れを実現する排出流路を形成でき、燃料室内に導かれた排出ガスを燃料室から効率よく排出できる。
【００１６】
また、一実施形態の燃料電池は、上記複数の単セルのうちの隣接する２つの単セルは、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室とが隣り合うように配置されている。
【００１７】
この実施形態の燃料電池によれば、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室とが隣り合っているので、単セルの積層による厚さの増大を最小限に抑えることができる。つまり、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室とが隣り合っていない場合には、燃料室と酸化剤室から排出されるガスを合流して排出のための流路等を接続することにより、積層による厚さの増大を抑制し難い。
【００１８】
また、一実施形態の燃料電池は、上記一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室との間に、上記一方の単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他方の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを排出口へ導くための予備排気室を備える。
【００１９】
この実施形態の燃料電池によれば、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室との間に予備排気室が存在することで、燃料極からの排ガスが酸化剤室へ拡散していくことを防ぎ、酸化剤極での発電に寄与しない反応を抑制できる。
【００２０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記予備排気室は、上記予備排気室に排出されるガスが上記一方の単セルの燃料室に流入することを抑制する逆流抑制部を備える。
【００２１】
この実施形態の燃料電池によれば、逆流抑制部は、他方の単セルの酸化剤室からの未反応の酸化剤が一方の単セルの燃料極室に混入することを抑制するので、燃料極での発電に寄与しない反応によって燃料が消費されることを抑制できる。また、一方の単セルの燃料室から予備排気室に排出されたガスが同じ燃料室に逆流することを抑制できる。
【００２２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記予備排気室は、上記予備排気室に排出されたガスが上記他方の単セルの酸化剤室に流入することを抑制する逆流抑制部を備える。
【００２３】
この実施形態の燃料電池によれば、逆流抑制部は、一方の単セルの燃料極側から排出された未反応の燃料や中間生成物が他方の単セルの酸化剤室に流入することを抑制する。したがって、酸化剤極での発電に寄与しない反応で燃料が消費されることを抑制できる。また、酸化剤室から予備排気室に排出されたガスが同じ酸化剤室に逆流することを抑制できる。
【００２４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記１つの単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを合流させて排出する合流排出構造を備え、上記合流排出構造は、上記予備排気室に配置されている。
【００２５】
この実施形態の燃料電池によれば、予備排気室に配置した合流排出構造は、他の単セルの酸化剤室から排出されるガスの流れを利用して、一方の単セルの燃料極側からの排出ガスを効率よく排出できる。
【００２６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記他の単セルの酸化剤室に配置されると共に上記酸化剤室内のガスが酸化剤供給側へ逆流することを抑制する逆流抑制部を備える。
【００２７】
この実施形態の燃料電池によれば、他の単セルの酸化剤室に配置された逆流抑制部が、酸化剤室内のガスが酸化剤供給側へ逆流することを抑制するので、酸化剤室内のガスを予備排気室側へ効率よく排出できる。
【００２８】
また、一実施形態の燃料電池は、上記合流排出構造は、周辺部と中央部が上記予備排気室の所定箇所に固定されたダイヤフラム型ポンプである。
【００２９】
この実施形態の燃料電池によれば、合流排出構造をダイヤフラム型ポンプとしたので、単セル間の狭いスペースを有効に活用して、燃料および酸化剤と排出ガスの吸排気を行うことができる。
【００３０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、上記中央部付近に形成された排出口を有し、上記周辺部から吸気し、上記中央部付近に形成された排出口から排出する。
【００３１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記ダイヤフラム型ポンプは、周辺部から吸気すると共に中央部付近から排気するので、一端から吸気して他端から排気する場合に比べて、流路長を短くできることから、吸排気効率を高くすることができる。
【００３２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、吸気時には上記排出口を閉じる一方、排出時には上記排出口の開口を広げる弁機構を有する。
【００３３】
この実施形態の燃料電池によれば、合流排出構造としてのダイヤフラム型ポンプは、吸排気動作に連動して弁機構による弁操作を同時に行うことができるので、吸排気効率を高めることができる。
【００３４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、駆動部として静電アクチュエータを備える。
【００３５】
この実施形態の燃料電池によれば、静電アクチュエータは、単セル間の狭いスペース内でもダイヤフラム型ポンプを駆動可能であり、単セル毎にポンプを形成した場合にも駆動系による電力の損失を小さく抑えることができる。
【００３６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸化剤室または上記予備排気室の少なくとも一方は、上記酸化剤室に排出されるガスに含まれる水分を結露させて貯める結露部を備える。
【００３７】
この実施形態の燃料電池によれば、排出ガスに含まれる水分を結露部に結露させて貯めるので、結露部から水分を回収できるようになる。なお、この結露部を、酸化剤室または予備排気室の壁面とした場合には、この壁面で結露水を回収できる。よって、燃料電池が使用される向きに依存することなく、結露水を効率的に回収できる。
【００３８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記結露部は上記酸化剤室または上記予備排気室の少なくとも一方の壁面に形成され、上記壁面に形成された結露部に貯めた結露水を上記燃料室に導く導入通路を有する。
【００３９】
この実施形態の燃料電池によれば、単セルの外部に結露水を回収するための流路を引き回すことなく、上記壁面に形成された結露部から最寄りの燃料極室へ結露水を供給できる。
【００４０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記積層される単セルが有する燃料極および酸化剤極は、四角形の四隅をカットした形状である。
【００４１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記四角形の四隅に、積層方向に貫通する燃料供給通路あるいは酸化剤供給通路を配置できるので、コンパクト化を図れる。また、合流排出構造としてダイヤフラム型ポンプを備える場合には、燃料極および酸化剤極が四角形の四隅をカットした形状であることにより、ダイヤフラムをより円形に近づけることができ、ダイヤフラムによるポンプ効率を向上できる。また、複数の単セルの積層方向と直交する方向に単セルを並べる場合にも、上記四角形の四隅に、積層方向に貫通する燃料供給通路あるいは酸化剤供給通路を配置できるので、この直交する方向に隣接する単セルと単セルとの間の隙間を単セルが矩形である場合に比べて小さくできる。よって、実装密度を高めることができる。
【００４２】
また、一実施形態の燃料電池では、平面状に配列された複数の単セルを備え、
上記単セルは、
液体燃料が供給されると共にこの液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
上記燃料極に対向するように配置されると共に上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されると共に上記電解質膜に対向するように配置され、上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
上記燃料極と電解質膜と酸化剤極は、それぞれ、隣接する上記単セルの間で連続していて一体になっている。
【００４３】
この実施形態の燃料電池によれば、平面状に配列された複数の単セルにおいて、上記燃料極と電解質膜と酸化剤極は、それぞれ、隣接する上記単セルの間で連続していて一体になっている。したがって、複数の単セルが、互いに別体の燃料極と電解質膜と酸化剤極を有する場合に比べて、部品数の削減と製造工数の大幅な削減を図れる。
【００４４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記平面状に配列された複数の単セルが１つの平面状セルをなし、積層された複数の上記平面状セルを備える。
【００４５】
この実施形態の燃料電池によれば、上記平面状セルの積層数によって、電池容量を設定できる。
【００４６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、吸気時には上記周辺部に形成される吸気口を広げる一方、排出時には上記吸気口を閉じる弁機構を有する。
【００４７】
この実施形態の燃料電池によれば、吸気口からの酸化剤吸気効率を向上させると共に、酸化剤室内のガスが吸気口へ逆流するのを防ぎ、酸化剤室から排出口へのガス排出効率を向上させることができる。
【００４８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、上記中央部付近に形成された排出口に設置されると共に上記酸化剤室から予備排気室に積層方向に延在している仕切り板または棒状構造部を有する。
【００４９】
この実施形態の燃料電池では、酸化剤室から排出口へのガスの流れがスムーズになり、酸化剤室からの排出効率が向上する。
【００５０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記静電アクチュエータは、上記酸化剤室および上記予備排気室に対して隔離されて通気しないように配置されている駆動電極を有する。
【００５１】
この実施形態の燃料電池では、酸化剤極の反応生成物として排出される水蒸気が駆動電極の存在する空間の雰囲気に混入してくることを防ぐことができ、静電アクチュエータの信頼性と耐久性を向上できる。
【発明の効果】
【００５２】
この発明によれば、燃料極側から排出されるガスを酸化剤極から排出されるガスと同じ排気系で排出でき、さらに、酸化剤極から排出されるガスの流れを利用して、燃料極側から排出されるガスを効率的に排気することができる。したがって、この発明によれば、小型化と体積当たりの出力密度の向上とを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５４】
(第１の実施の形態)
図１Ａ,図１Ｂ,図１Ｃを参照して、この発明の燃料電池の第１実施形態を説明する。図１Ａは図１ＣのII−II’断面図であり、図１Ｂは図１ＣのIII−III’断面図である。また、図１Ｃは図１Ａ,図１ＢのI−I’断面図である。図１Ａ〜図１Ｃに示すように、この第１実施形態の燃料電池は、積層された複数の単セル１５−１、１５−２、…を備える。各単セル１５−１、１５−２、…は、互いに略同様の構成であり、ハウジング４５内に収容されている。
【００５５】
単セル１５−１は、燃料極１１と、酸化剤極１２と、両電極１１,１２に挟持された電解質膜１０と、燃料極１１に隣接する燃料室１３と、酸化剤極１２に隣接する酸化剤室１４を備える。燃料極１１および酸化剤極１２の基体には、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属、多孔質シリコンなどの多孔質材を用いることができる。また、燃料極１１の触媒には、白金−ルテニウム合金など、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、酸化剤極１２にも、燃料極１１と同様の触媒を用いることができ、酸化剤極１２の材質と燃料極１１の材質とが同じであってもよい。電解質膜１０は、プロトン伝導性の耐熱耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わないが、ここでは、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン１１７(デュポン社製)(登録商標))を用いている。また、電解質膜１０は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
【００５６】
また、この実施形態では、燃料極１１に供給される液体燃料としては、メタノールと水を混合したものを用いている。なお、燃料はこれに限るものではなく、メタノールの代わりにエタノールやジメチルエーテルのような炭化水素系の有機燃料を使用することもできる。また、この実施形態では、酸化剤として酸素をもともと含んでいる空気をそのまま使用しているが、酸素そのものを使用することもできる。
【００５７】
図１Ａに示すように、燃料室１３は、セパレータ４１によって複数に区画されている。このセパレータ４１は、金属、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など燃料の透過性のない基板が使用可能であるが、ここでは微細加工を施したシリコン基板を用いている。図１Ａに示すように、セパレータ４１は、燃料極１１と気液分離膜１７とで挟持されている。この気液分離膜１７は、燃料室１３の燃料をほとんど透過しないが燃料極１１での生成ガスを透過する。ここでは、一例として、気液分離膜１７は平均孔径が０．１ミクロン以下の多孔質剤を用いている。この気液分離膜１７に対して所定の間隔を隔てて間板４３が配置されている。この間板４３と気液分離膜１７との間に予備排気室１８が形成されている。
【００５８】
一方、図１Ｃに示すように、酸化剤室１４は、セパレータ４２によって複数に区画されている。このセパレータ４２は、金属、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など酸化剤の透過性のない基板が使用可能であるが、ここでは微細加工を施したシリコン基板を用いている。また、図１Ａに示すように、単セル１５−１の酸化剤室１４に隣接する単セル１５−２の間板４３との間に排出流路２１が形成されている。また、間板４３は、予備排気室１８を排出流路２１に連通させる排出口２０を有する。
【００５９】
この実施形態では、図１Ａに示すように、各単セル１５−１,１５−２…の排出流路２１,２１…にハウジング４５を貫通して接続された排気路２２を有する。この排気路２２は排出部１６に接続されている。この排出部１６としては、ポンプまたはマイクロポンプ等が使用できるが、その方式はモーター式であってもダイヤフラム式であってもよい。
【００６０】
図１Ｃに示すように、各燃料室１３には、ハウジング４５を貫通する燃料供給路２８が接続されており、この燃料供給路２８は、例えば、マイクロポンプもしくはポンプ等で構成される燃料供給部２７に接続されている。この燃料供給部２７は燃料供給口２６に燃料タンク(図示せず)が接続され、この燃料タンクから液体燃料が供給される。なお、上記ポンプ等で構成される燃料供給部２７に替えて、多孔質材の毛管現象を利用して液体燃料を各燃料室１３に供給する構成を採用してもよい。
【００６１】
また、各燃料室１３は、図１Ｃに示すように、反応ガスをほとんど透過せず燃料のみを透過する気液分離膜２９を経由してハウジング４５を貫通する排気路３０に接続されている。この排気路３０は、未反応燃料を回収する回収部３１から回収路３２に導かれる。この回収部３１としては、例えば、ポンプまたはマイクロポンプを使用可能であるが、未反応燃料がほとんど排出されない場合や未反応燃料を回収する必要がない場合は回収部３１は必ずしも必要ではない。この場合は気液分離膜２９も省略できる。
【００６２】
この第１実施形態の燃料電池は、図１Ｃの燃料供給部２７から供給路２８を経由して燃料室１３に供給された燃料は、燃料極１１内に浸透し、触媒を含ませた電解質膜１０との界面付近で反応し、プロトンと電子、それに二酸化炭素を生成する。生成されたプロトンはそこから電解質膜１０を透過して酸化剤極１２に移動し、電子は燃料極１１から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極１２に流れる。また、生成した二酸化炭素は、燃料室１３から気液分離層１７を透過して燃料極用の予備排気室１８へ排出される。気液分離層１７では、燃料をほとんど透過せず、生成ガスのみが透過される。
【００６３】
一方、端板３５には酸化剤供給口２４が形成されており、図１Ａに示すように、この酸化剤供給口２４にはハウジング４５内を積層方向に延在する酸化剤供給通路１９が連なっている。そして、上記酸化剤供給口２４から酸化剤供給通路１９を経由して、各単セルの酸化剤室１４に空気が供給され、この空気は酸化剤室１４から酸化剤極１２内に拡散し、酸化剤極１２で燃料極１１から拡散してきたプロトンと酸素とが反応して水(水蒸気)を生成する。この生成した水(水蒸気)は、未反応の酸素と共に酸化剤室１４から排出流路２１を経由して、排出口２０からの二酸化炭素と合流してハウジング４５外の排気路２２に排気される。
【００６４】
ここで、排出口２０はエジェクタの機能を有する。つまり、単セル１５−１の酸化剤室１４から排出されるガス(例えば水蒸気,未反応の酸素)が排出流路２１を通って排気路２２に向かって排出方向に排出される。その際に、排出口２０の近傍に発生する負圧を利用して、燃料室１３から予備排気室１８に排出されるガス(例えば二酸化炭素)を排出流路２１内で排出方向に巻き込むように排出することができるので、燃料極１１側の排ガスも効率よく単セル領域から排気路２２に向かって排出できる。
【００６５】
また、この実施形態では、排出部１６を備えることで、各単セルの排出流路２１内に排出ガスの流れを安定に形成でき、同時に、排出口２０を通して燃料極１１側の予備排気室１８を減圧するように安定して作用させることができる。よって、この減圧による圧力差を利用して、燃料室１３内に導かれた排ガスを 気液分離膜１７を通過させて効率よく排出できる。
【００６６】
このように、この実施形態の燃料電池によれば、排気構造が燃料極１１,酸化剤極１２,電解質膜１０の反応が起こる界面領域を減少させないので、出力密度を低下させることがない。その上、排出ガスを排気路２２から排気できるので、排ガスの排気に関する損失が少なくて排出効率がよい。
【００６７】
さらに、単セル１５−１,１５−２…の領域外に設ける排出流路２１は、単セル１５−１の酸化剤極１２からの排出ガスと、単セル１５−２の燃料極１１からの排出ガスとを合流させて排出する。つまり、単セル１５−１の酸化剤極１２と単セル１５−２の燃料極１１とで１つの排出流路２１を共用している。そして、未反応ガスが排出される比率の高い酸化剤極１２側からの排ガスに比べて燃料極１１からの排ガスは発生量が極めて少ない。このため、単セル１５−１,１５−２…を積層してなる発電部の排出流路２１の存在による体積増もほとんどなく、体積あたりの発電出力密度の向上に寄与できる。
【００６８】
さらに、この実施形態では、複数個の単セル１５−１,１５−２…が積層されているが、隣接する単セル１５−１と単セル１５−２とは、単セル１５−１の酸化剤室１２と単セル１５−２の燃料室１３とが隣り合うように配置されている。これにより、図１Ａに示すように、単セル１５−２の燃料室１３に単セル１５−１の酸化剤室１４を最接近させることができるから、酸化剤極１２側の排出流路２１と燃料極１１側の予備排気室１８とを最短で接続可能となる。
【００６９】
さらに、最下端の単セル１５−１の燃料室１３に対しても他の単セル１５−２と同様に、予備排気室１８と間板４３と排出流路２１を設け、酸化剤極の代わりにエンド板３５を設ける。これにより、端の単セル１５−１も他の単セルと同様に燃料極１１側の排ガス排気が可能となるので、複数の単セルを積層する構造において、流路等の接続による積層厚さの増大を最小限に抑えることができる。
【００７０】
尚、上記実施形態では、図１Ａに示す排出部１６を備えたが、この排出部１６はなくてもよい。
【００７１】
(第２の実施の形態)
次に、図２を参照して、この発明の燃料電池の第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、前述の第１実施形態と同様に、積層された複数の単セル５５−１、５５−２、…を備える。各単セル５５−１、５５−２、…は、互いに略同様の構成であり、ハウジング７５内に収容されている。ハウジング７５はエンド板８９を有する。
【００７２】
単セル５５−１は、燃料極５１と、酸化剤極５２と、両電極５１,５２に挟持された電解質膜５０と、燃料極５１に隣接する燃料室５３と、酸化剤極５２に隣接する酸化剤室５４を備える。この第２実施形態の燃料極５１,酸化剤極５２,電解質膜５０は、前述の第１実施形態の燃料極１１,酸化剤極１２,電解質膜１０と同様の構成である。また、この第２実施形態の燃料極５１に供給される液体燃料は、前述の第１実施形態の燃料極１１に供給される液体燃料と同様であり、酸化剤極１２に供給される酸化剤も前述の第１実施形態と同様である。
【００７３】
また、燃料室５３を複数に区画するセパレータ７３は、前述の第１実施形態のセパレータ４１と同様の構成である。また、酸化剤室５４を複数に区画するセパレータ(図示せず)は、前述の第１実施形態のセパレータ４２と同様の構成である。また、燃料極５１とでセパレータ７３を挟む気液分離膜７７も、前述の第１実施形態の気液分離膜１７と同様の構成である。
【００７４】
単セル５５−２は、気液分離膜７７に隣接する予備室５８を有し、この予備室５８は間板７６で区画されている。この間板７６は中央が開口している。そして、この単セル５５−２の間板７６と、単セル５５−２に隣接する単セル５５−１の酸化剤極５２との間に予備排気室６１が形成されている。この予備排気室６１は、酸化剤室５４から排出されるガスと燃料室５３から排出されるガスを合流させて排出口６７に導く役割を有する。予備排気室６１と酸化剤室５４とはダイヤフラム６８と固定弁６９とで仕切られている。このダイヤフラム６８は周縁部６８Ｃがハウジング７５に固定されており、中央部が開口している。また、固定弁６９の中央部６９Ａは、図３Ｂに示すように、ダイヤフラム６８の中央部の開口６８Ａを横切るように延在している交差部６８Ｂに固定されている。この固定弁６９は、例えば間板７６に固定されて、予備排気室６１内での位置が固定されている。
【００７５】
また、固定弁６９の環状部６９Ｂは、図２に示すように、ダイヤフラム６８の中央環状部６８Ｂに対して積層方向に対向していると共に、間板７６の中央環状部７６Ａに対して積層方向に対向している。この間板７６の中央環状部７６Ａと固定弁６９の環状部６９Ｂとの間の隙間が排出口(絞り)６０を構成している。この排出口６０は、燃料室５３内に排出されるガスを予備室５８から予備排気室６１に排出するための排出口である。一方、ダイヤフラム６８の中央環状部６８Ｂと固定弁６９の環状部６９Ｂとの間の隙間が排気口６６を構成している。この排気口６６は、酸化剤室５４内に排出されるガスを予備排気室６１に排気するための排気口である。酸化剤室５４は、ハウジング７５内を積層方向に延在する酸化剤吸気口６４に連通している。また、ダイヤフラム６８は、酸化剤吸気口６４の径方向内方に隣接する箇所に逆流防止部７８が形成されている。この逆流防止部７８は、酸化剤室５４の径方向外端から径方向内方に向かって所定寸法だけ延在しつつ積層方向の厚さが増加しているくさび状断面を有している。逆流防止部７８は、酸化剤室５４に導入された酸化剤が酸化剤吸気口６４に逆流することを防ぐ役目を果たす。
【００７６】
また、予備排気室６１は、ハウジング７５内を積層方向に延在する排出口６７に連通している。また、ダイヤフラム６８と固定弁６９はダイヤフラム型ポンプ８８を構成している。
【００７７】
この第２実施形態では、酸化剤室５４よりも下流側にあり圧力の低い予備排気室６１で、燃料極５１からの排出ガスを酸化剤室５４からの排出ガスに合流させるができる。このため、燃料極５１からの排ガスに燃料となりうるガス、例えば気化したメタノールや反応過程の中間生成物などが含まれていたとしても、酸化剤室５４へ拡散していくことを防ぎ、酸化剤極５４での発電に寄与しない反応を抑制することができる。
【００７８】
さらに、この第２実施形態では、予備排気室６１に形成された排出口６０は、絞りを構成し、予備排気室６１に排出されたガスが燃料室５３へ逆流するのを抑制する。この排出口６０は、酸化剤室５４から排出ガスが排気口６６を通って流れる方向にガスを排気するように形成されている。これにより、排出口６０近傍で酸化剤室５４から排気口６６へ排出されるガスの流れによって、排出口６０の出口付近に負圧が形成されて、燃料極５１側の予備室５８から予備排気室６１側への排出ガスの流れが形成される。よって、予備室５８から予備排気室６１に排出されたガスが燃料室５３へ逆流するのを抑制できる。これにより、酸化剤が燃料極室５３に混入するのを抑制し、発電に寄与しない反応により燃料が消費されることを抑制できる。
【００７９】
さらに、この実施形態では、予備排気室６１に形成された排気口６６は、酸化剤室５４から予備排気室６１に排出されたガスが酸化剤室５４へ逆流することを抑制する。すなわち、排気口６６は、予備排気室６１に連なる排気口６７に比べて狭く、排気口６６での流れの抵抗が大きくなるように構成されている。したがって、排気口６６の存在により、予備排気室６１に排出されたガスが酸化剤室５４に逆流し難くなり、燃料極５１側から排出された未反応の燃料や中間生成物が酸化剤室５４に流入し難くなる。よって、酸化剤極５２での発電に寄与しない反応を抑制でき、燃料消費量を抑制できる。
【００８０】
また、この第２実施形態では、図２に示すように、ダイヤフラム型のマイクロポンプ８８を備えている。このダイヤフラム型マイクロポンプ８８は、酸化剤室５４から予備排気室６１に排出されるガスと一緒に燃料室内５３から排出されるガスを排出するための合流排出部を構成している。このダイヤフラム型マイクロポンプ８８は、吸引時には、酸化剤の吸気口６４から酸化剤として空気を酸化剤室５４内に吸い込む一方、排気時には、排気口６６から酸化剤室５４内のガスを排出する。これにより、酸化剤室５４からの排出ガスの流れでもって、燃料極５１側からの排出ガスを酸化剤室５４からの排出ガスと共に効率よく排出できる。
【００８１】
図３Ａ,図３Ｂに示すように、この第２実施形態では、ダイヤフラム型マイクロポンプ８８を静電アクチュエータ８０で駆動されるダイヤフラム型ポンプ８８とした。静電アクチュエータ８０は、間板７６に固定された固定電極８２と、ダイヤフラム６８に固定された可動電極８１とを有する。この固定電極８２と可動電極８１は、予備排気室６１内で積層方向に対向するように配置されている。なお、図３Ａは図３ＢのＶ−Ｖ’断面を示し、図３Ｂは図３ＡのIＶ−IＶ’断面を示す。
【００８２】
ダイヤフラム型ポンプ８８は、静電アクチュエータ８０をオンすると固定電極８２が可動電極８１を吸引するので、ダイヤフラム６８は図２に破線で示すように、間板７６に向かって湾曲し、酸化剤室５４を拡張させる。これにより、酸化剤吸気口６４から酸化剤室５４に空気を吸引する。このとき、ダイヤフラム６８の中央環状部６８Ｂは固定弁６９の環状部６９Ｂに重なるように当接し、排出口６６を閉じるので、予備排気室６１から酸化剤室５４へのガスの逆流を防止できる。次に、静電アクチュエータ８０をオフにすると、ダイヤフラム６８はオン時の湾曲状態からの反動で図２に一点鎖線で示すように、酸化剤極５２に向かって湾曲し、酸化剤室５４内のガスを大きく開いた排気口６６から予備排気室６１に効率よく排気する。ダイヤフラム６８の湾曲により、排気口６６が大きく開くので、排気効率を向上できることとなる。さらに、このとき、図３Ｂに示すように、ダイヤフラム６８の中央部の交差部６８Ｂが固定弁６９の中央部６９Ａに固定されているので、ダイヤフラム６８は図２に一点鎖線で示すように可動電極８１が固定された領域が酸化剤極５２に最も近づくように湾曲する。このようなダイヤフラム６８の湾曲によって、酸化剤室５４から酸化剤吸気口６４への酸化剤の逆流を抑制しつつ、酸化剤室５４からの排出ガスを排気口６６を経由して予備排気室６１へ効率よく排出できる。
【００８３】
さらに、この実施形態では、上述したように、酸化剤室５４の吸気口６５に逆流防止部７８が配置されている。この逆流防止部７８は、ダイヤフラム型ポンプ８８による排気時に、酸化剤室５４から吸気口６４へのガスの逆流を抑制するので、酸化剤室５４から予備排気室６１へガスを効率よく排出できる。
【００８４】
また、この第２実施形態では、ダイヤフラム６８の周縁部６８Ｃがハウジング７５に固定されていて、中央環状部６８Ｂが固定弁６９に固定された合流排出部を構成するダイヤフラム型のマイクロポンプ８８を予備排気室６１内に配置した。これにより、単セル５５−１,５５−２間の予備排気室６１の狭いスペースを有効に活用した吸排気を行うことができる。また、合流排出部であるダイヤフラム型マイクロポンプ８８は、ダイヤフラム６８の周縁部６８Ｃから吸気すると共に中央の固定弁６９から排気するので、一方の端から吸気して他方の端から排気するポンプに比べて、流路長を短くできる。よって、ダイヤフラム型マイクロポンプ８８によれば、吸排気効率を高くすることができる。
【００８５】
また、この第２実施形態では、中央の排気部をなす排出口６０,排気口６６の箇所にマイクロ弁をなす固定弁６９を設けたので、吸排気動作に連動して弁操作を同時に行うことができ、吸排気効率を高めることができる。さらに、静電アクチュエータ８０でダイヤフラム型マイクロポンプ８８を駆動するので、単セル５５−１,５５−２間の予備排気室６１の狭いスペース内でもポンプ８８を駆動可能となる。しかも、静電アクチュエータ８０は、スペースが狭いほど低電圧で駆動できることから、各単セルにマイクロポンプ８８を配置した場合でも、駆動系による電力の損失を小さく抑えることができる。
【００８６】
なお、この第２実施形態において、図４に示すように、予備排気室６１、予備室５８、酸化剤室５４は、それぞれ、側壁近傍に結露部８５Ａ、８５Ｂ、８５Ｃを有してもよい。この結露部８５Ａ、８５Ｂ、８５Ｃは、流路８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃを有する。この結露部８５Ａ〜８５Ｃの流路８１Ａ〜８１Ｃは、内部の流路８２に連通し、さらに、ハウジング７５に形成された流路８３と流路８４に連通している。この流路８４は、燃料室５３に接続されている。この場合、排出ガスに含まれる水分を結露部８５Ａ〜８５Ｃに結露させて貯めるので、結露部８５Ａ〜８５Ｃから水分を回収できるようになる。また、この結露部８５Ａ〜８５Ｃを、酸化剤室５４、予備排気室６１の壁面に形成したので、この壁面で結露水を回収できる。よって、燃料電池が使用される向きに依存することなく、結露水を効率的に回収できる。また、上記流路８１Ａ〜８１Ｃ,流路８２,流路８３は、単セル５５−１,５５−２の外部に結露水を回収するための流路を引き回すことなく、上記壁面に形成された結露部８５Ａ〜８５Ｃから最寄りの燃料室５３へ結露水を供給できる。また、これらの流路８１Ａ〜８１Ｃ,流路８２,流路８３は毛管作用を利用しているので、結露水を効率よく回収できる。また、結露水を流路８１Ａ〜８１Ｃ,流路８２に案内するガイド溝を予備排気室６１、予備室５８、酸化剤室５４に形成してもよい。
【００８７】
予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の壁面は、発電反応が起こる電極(燃料極５１,酸化剤極５２)の周辺部に位置しているので、予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の中央付近に比べて温度が低い。よって、予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の壁面により、酸化剤室５４から水蒸気として排出された水を結露させて効率よく回収可能となる。なお、図３Ｂに示すように、ハウジング７５内を通る排出口６７および流路７７,７９(単セル５５−１,単セル５５−２の他の単セルの排出口)によって、予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の壁面は熱交換が行われ易いので、中央付近に比べて温度が低くなる。
【００８８】
また、例えば小型燃料電池の主な用途と考えられている携帯電話のようなモバイル機器では、傾斜した向きで機器が使用されることが多いので、燃料電池そのものもいろいろな向きに傾いた状態で使用されるケースが多くなる。したがって、上述のように、予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の周辺の壁面で結露水を回収することで、使用される向きに依存せず効率的に結露水を回収可能であることが好適となる。
【００８９】
さらに、この第２実施形態では、図３Ｂに示すように、積層される単セル５５−１,単セル５５−２…が有する燃料極５１および酸化剤極５２は四角形の四隅をカットした形状(８角形状)である。これにより、燃料極５１,酸化剤極５２の周辺に酸化剤供給路６４や燃料供給路などの積層方向に延在する流路を中央からほぼ等しい距離に対称性よく配置することができる。よって、燃料極５１,酸化剤極５２を四角形にする場合に比べて、燃料,酸化剤を燃料極５１,酸化剤極５２の全体に均一に供給しやすい。また、燃料極５１,酸化剤極５２が四角形の四隅をカットした形状であることにより、燃料極５１,酸化剤極５２が四角形である場合に比べて、ダイヤフラム６８を８角形状にして円形に近づけることができるので、ダイヤフラム型マイクロポンプ８８を低電圧で効率よく駆動させることができる。
【００９０】
また、カットされた四角形の四隅の部分のハウジング７５に、積層した他の単セル用流路や積層方向に断面の大きな流路を配置させて流路損失の低減を図ることもできる。このように、カットされた四角形の四隅の領域を有効に使用することで、複数の単セルの積層方向と直交する方向に単セルを並べる場合にも、上記四角形の四隅に、積層方向に貫通する燃料供給通路あるいは酸化剤供給通路を配置できるので、この直交する方向に隣接する単セルと単セルとの間の隙間を単セルが矩形である場合に比べて小さくできる。よって、電極面積を最大限に確保しつつ実装密度を高めることができる。また、上記四隅に、積層した単セルの電極間を接続する貫通配線を配置することもできる。
【００９１】
ところで、上に述べた如く、燃料電池の発電部を１層の単セルだけで構成するよりも、複数の単セルを積層した発電部を備えることで、燃料電池の床面積を減少させて、床面積当たりの発電出力密度を高めることができる。一方、複数の単セルを積層した発電部をできるだけ小さい体積で実現するためには、積層する単セル間に位置する電極用の燃料室および酸化剤室の流路を薄くせざるを得ない。これに対し、流路を薄くして断面を小さくすると流路の抵抗が大きくなり、供給系への負担(つまり供給系で消費する電力)が大きくなり、これが燃料電池の出力の損失となり結果として体積当たりの電池出力を高めることができなくなる。
【００９２】
ここで、典型的な一実施例として、図２、図３Ａ,図３Ｂに示したような第２実施形態の構成を有する一例を説明する。この一実施例では、電解質膜５０と燃料極５１と酸化剤極５２の合計の膜厚を約０．５ｍｍとし、燃料室５３から予備室５８までの厚さを０．２ｍｍとし、酸化剤室５４の厚さを０．２ｍｍとした。各層にマイクロポンプ８８を積層するためには、マイクロポンプの厚さも制約を受ける。したがって、マイクロポンプ８８の可動範囲、つまり吸排気能力が制約を受けることになる。たとえば、単セルを３層積層し、図３に示すようなマイクロポンプ８８を各層に配置した場合の一例を試算すると、マイクロポンプ８８によって、単セルの電極単位面積あたりの或る目標電池出力を達成するために必要な量の酸化剤(空気)を供給するためには、マイクロポンプ８８の可動部にヤング率の小さいＰＤＭＳ(ポリジメチルシロキサン)を用いて可動範囲を大きくしても、積層される単セルの１層あたりの電極の１辺を６ｍｍ以下にして、電極面積を抑える必要があることが分かった。この一実施例では、これ以上に電極面積を大きくすると、単位セル当たりに必要な量の酸化剤を供給するためには酸化剤の供給系に想定以上の負担がかかる。
このように、1層に例えば１辺６ｍｍ以下のセルを複数個配置して、それを複数積層することで、積層する単セル間に位置する電極用の燃料室および酸化剤室の流路を上記の実施例のごとく薄くしても、同じ床面積の１層を単セルで構成する場合にくらべ、単セル内への供給流路の長さ短くできるとともに、前述のとおり単セルの四隅に配置した貫通流路を利用することで、すべての各層のセルに対して、積層する単セル間の狭いスペースに配置される燃料や酸化剤の供給経路及び排出ガスに排出経路を短く構成することができる。これにより、酸化剤の供給系の負担を想定内に抑え、燃料電池の体積当たりの電池出力を高めることができる。
【００９３】
尚、この第２実施形態では、積層される単セル５５−１,単セル５５−２…が有する燃料極５１および酸化剤極５２を８角形状としたが、８角形以外の多角形状としてもよい。
【００９４】
(第３の実施の形態)
次に、図５を参照して、この発明の燃料電池の第３実施形態を説明する。図５は、この第３実施形態の燃料電池の３つの断面を部分的に重なった状態で示している。この３つの断面のうちの一番上に重なった状態で示されている断面は、前述の第２実施形態を示す図３Ｂに対応する断面である。また、この３つの断面のうちの一番下に重なった状態で示されている断面は、前述の第２実施形態を示す図２のＸ−Ｘ’断面に対応する断面である。
【００９５】
この第３実施形態は、平面状に配列された９つの単セルを備える。すなわち、この第３実施形態の燃料電池は、前述の第２実施形態の燃料電池が有する単セル５５−１の燃料極５１と同様の部分９１Ａを縦３列と横３列に平面状に配列して一体化した形状の１つの燃料極９１を有する。また、この第３実施形態の燃料電池は、第２実施形態の単セル５５−１の酸化剤極５２と同様の部分９２Ａを縦３列と横３列に平面状に配列して一体化した形状の１つの酸化剤極９２を有する。また、この第３実施形態の燃料電池は、単セル５５−１の電解質膜５０と同様の部分９３Ａを縦３列と横３列に平面状に配列して一体化した形状の１つの電解質膜９３とを有する。この１つの燃料極９１の各部分９１Ａと１つの酸化剤極９２の各部分９２Ａと１つの電解質膜９３の各部分９３Ａとは、燃料極５１,酸化剤極５２,電解質膜５０と同様に積層されている。
【００９６】
また、この第３実施形態の９つの単セルは、それぞれ、前述の第２実施形態の燃料電池が有する酸化剤室５４,予備室５８,予備排気室６１,気液分離膜７７酸化剤室(図示せず),予備室(図示せず),予備排気室(図示せず),気液分離膜(図示せず)を有する。また、この第３実施形態の９つの単セルは、前述の第２実施形態の燃料電池が有するダイヤフラム型ポンプ８８と同様のダイヤフラム型ポンプ９５を有する。
【００９７】
また、この第３実施形態の燃料電池では、上記平面状に配列された９つの単セルを収容する１つのハウジング９６を有する。このハウジング９６は、前述の第２実施形態の燃料電池が有するハウジング７５のうちのエンド板８９からダイヤフラム型ポンプ８８までの部分９６Ａを縦３列と横３列に平面状に配列して一体化した形状をしている。
【００９８】
この第３実施形態の燃料電池によれば、平面状に配列された９つの単セルにおいて、燃料極９１と電解質膜９３と酸化剤極９２は、それぞれ、隣接する上記単セルの間で連続していて一体になっている。したがって、９つの単セルが、互いに別体の燃料極と電解質膜と酸化剤極を有する場合に比べて、部品数の削減と製造工数の大幅な削減を図れる。なお、上記平面状に配列された９つの単セルからなる平面状セルを、第２実施形態のように複数積層してもよい。
【００９９】
尚、上記第３実施形態では、平面状に配列された９つの単セルを備えたが、平面状に配列する単セルの個数は９つに限らないのは勿論である。また、縦列と横列とが同数でなくてもよいことは言うまでもない。
【０１００】
(第４の実施の形態)
次に、図７Ａ，図７Ｂを参照して、さらに好適な実施形態としての第４実施形態を説明する。図７Ａは図７ＢのＶIII−ＶIII’断面を示す断面図であり、図７Ｂは図７ＡのＶII−ＶII’断面を示す断面図である。この第４実施形態は、上述した第２実施形態の変形例に相当するので、第２実施形態と同じ部分には同じ符号を付して主として第２実施形態と異なる点を説明する。
【０１０１】
図７Ａ、図７Ｂに示すように、この第４実施形態では、ダイヤフラム型ポンプ１８８を備える。このダイヤフラム型ポンプ１８８は、ダイヤフラム１３８と、このダイヤフラム１３８と積層方向に所定間隔を隔てた間板１４６とを有し、ダイヤフラム１３８,間板１４６の中央部分はハウジング１４５の一部をなすスペーサ部１８４に固定されている。また、ダイヤフラム１３８,間板１４６の周縁部はハウジング１４５に固定されている。
【０１０２】
そして、ダイヤフラム１３８には可動電極１５１が固定され、間板１４６には駆動電極としての固定電極１５２が固定されている。この固定電極１５２と可動電極１５１が静電アクチュエータ１５０をなす。また、このダイヤフラム１３８は、酸化剤室５４の周辺に配置された吸気口１３５付近まで延在している。なお、図７Ｂにおいて、７７,７９は他の単セルの排出口をなす流路である。
【０１０３】
このダイヤフラム１３８は、静電アクチュエータがオンして固定電極１５２が可動電極１５１を吸引すると、図７Ａに点線で示すように、間板１４６に向かって湾曲していて、酸化剤室５４を拡張させた状態になっている。この状態では、酸化剤室５４の吸気口１３５が大きく開くので、酸化剤吸気口６４からの酸化剤吸気効率を向上できることになる。一方、上記静電アクチュエータがオフになると、ダイヤフラム１３８は上記湾曲状態の反動で、図７Ａに破線で示す状態のように酸化剤極５２に向かって湾曲し、酸化剤室５４を縮小させて、酸化剤室５４の吸気口１３５が閉じる。これにより、酸化剤室５４内のガスが酸化剤吸気口６４へ逆流することを防ぎ、酸化剤室５４の中央付近に配置された排出口である排気口１３６からのガス排出効率を向上できる。
【０１０４】
また、間板７６に固定された弁固定部１８２には、可ぎょう性を有する弁１３９が装着されている。この弁１３９は、酸化剤室５４が拡張する際には、酸化剤室側が減圧することにより開口部１３７が閉じ、予備排気室１６１側のガスが酸化剤室５４側に逆流するのを防ぐ。よって、酸化剤室５４の吸気効率を向上できる。一方、酸化剤室５４が縮小する際には、上記弁１３９は、酸化剤室５４側の圧力の上昇により、開口部１３７が大きく開き、排気効率を向上させることができる。
【０１０５】
さらに、排気口１３６には、酸化剤室５４から予備排気室６１へ積層方向に延在している棒状構造部１８３が設置されている。なお、上記棒状構造部１８３の替わりに仕切り板を設置してもよい。この棒状構造部１８３により、周辺から酸化剤室５３に流入したガスを中央の排気口１３６へスムーズに流すことが可能になる。よって、酸化剤室５４からの排出効率が向上する。なお、この棒状構造部１８３は、積層方向と垂直な平面による断面図である図８に示すように、排気口１３６を複数の領域に仕切る仕切り板１８３Ａを備えても良い。この仕切り板１８３Ａを備えることによって、排気口１３６でのガスの流れを整流できる。
【０１０６】
さらに、この実施形態では、図７Ａに示すように、ダイヤフラム型ポンプ１５８の静電アクチュエータ１５０が有する固定電極１５２と可動電極１５１は、間板１４６とダイヤフラム１３８によって、酸化剤室５４および予備排気室１６１に対して隔離されて通気しない構造になっている。これにより、酸化剤極５２の反応生成物として排出される水蒸気が、駆動電極である固定電極１５２,可動電極１５１間の雰囲気に混入してくることを防止でき、静電アクチュエータ１５０の信頼性と耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１Ａ】この発明の燃料電池の第１実施形態を示す断面図であり、図１ＣのII−II’断面図である。
【図１Ｂ】上記第１実施形態を示す断面図であり、図１ＣのIII−III’断面図である。
【図１Ｃ】上記第１実施形態を示す断面図であり、図１ＡのI−I’断面図である。
【図２】この発明の燃料電池の第２実施形態を示す断面図である。
【図３Ａ】上記第２実施形態が有するダイヤフラム型マイクロポンプ８８の断面図であり、図３ＢのＶ−Ｖ’断面図である。
【図３Ｂ】上記ダイヤフラム型マイクロポンプ８８の断面図であり、図３ＡのIＶ−IＶ’断面図である。
【図４】上記第２実施形態の変形例を示す部分断面図である。
【図５】この発明の燃料電池の第３実施形態を示す断面図である。
【図６】従来の燃料電池の構成を示す模式図である。
【図７Ａ】この発明の第４実施形態が備えるダイヤフラム型マイクロポンプ１８８の断面図であり、図７ＢのＶIII−ＶIII’断面図である。
【図７Ｂ】図７ＡのＶII−ＶII’断面図であり、上記ダイヤフラム型マイクロポンプ１８８の断面図である。
【図８】上記第４実施形態の排気口１３６内の棒状構造部１８３の仕切り板１８３Ａを示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０、５０、９３ 電解質膜
１１、５１、９１ 燃料極
１２、５２、９２ 酸化剤極
１３、５３ 燃料室
１４、５４ 酸化剤室
１５−１、１５−２、５５−１、５５−２ 単セル
１６ 排出部
１７、７７ 気液分離膜
１８、６１ 予備排気室
１９ 酸化剤供給通路
２０、６０、６７ 排出口
２１ 排出流路
２２ 排気路
２４ 酸化剤供給口
２６ 燃料供給口
２７ 燃料供給部
２８ 燃料供給路
２９ 気液分離膜
３０ 排気路
３１ 回収部
３２ 回収路
３５ 端板
４１、４２、７３ セパレータ
４３、７６ 間板
４５、７５ ハウジング
５８ 予備室
６４ 酸化剤吸気口
６６ 排気口
６８ ダイヤフラム
６９ 固定弁
７８ 逆流防止部
８０ 静電アクチュエータ
８１ 可動電極
８２ 固定電極
８５Ａ〜８５Ｃ 結露部
８８、９５ ダイヤフラム型マイクロポンプ
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料が供給される燃料電池に関し、特に小型化に適した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を供給すれば発電する発電装置である。通常、酸化剤には空気が使用できるため、燃料を交換することで連続して発電することができる。このため、燃料電池は、定置用電源のみでなく携帯用電源としても非常に注目されている。
【０００３】
通常、定置用の燃料電池などでは、燃料に水素あるいは水素を含有するガスが使用されるが、携帯用電源としては、同じ大きさの容器に貯蔵した燃料でより長時間発電できることが利点となる。よって、燃料としては、体積当たりのエネルギー密度の高い液体燃料の方が有利となる。
【０００４】
なお、改質器でもって液体燃料から水素を生成して発電に用いることもできるが、燃料電池のシステム全体が複雑になるため、小型化には液体燃料を直接供給する方が容易と考えられている。
【０００５】
従来、燃料を直接供給する燃料電池としては、例えば、メタノールと水の混合物を燃料に用いる直接型メタノール燃料電池が開示されている(特許文献１(特表平１１−５１０３１１号公報)、特許文献２(特開平６−１８８００８号公報))。
【０００６】
代表的な直接型メタノール燃料電池について、図６を参照しながら説明する。
【０００７】
図６に示すように、ハウジング１１６内に燃料極１０３と酸化剤極１０２と電解質膜１０１を備えた直接型メタノール燃料電池では、燃料タンク(図示せず)からメタノールと水の混合された燃料が、供給ポンプなどの供給手段によって、まず、燃料導入路１０８に供給される。この燃料導入路１０８に供給された燃料は矢印１１０で示す方向に向かって、セパレータ１０５に形成された燃料極室１０６に供給される。燃料極室１０６内に供給された燃料は、燃料極１０３内に浸透して反応し、プロトン(水素イオン)と電子、それに二酸化炭素を生成する。通常、燃料極１０３としては多孔質材が用いられており、電解質膜１０１との界面近位の触媒が担持された層で燃料極１０３の反応が起こっている。
【０００８】
燃料極１０３で生成されたプロトンは、燃料極１０３から電解質膜１０１を透過して酸化剤極１０２に移動し、電子は燃料極１０３から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極１０２に流れる。この電子が電池の出力として使用される。一方、二酸化炭素は、燃料極１０３から燃料極室１０６を通して未反応の燃料とともに排出される。
【０００９】
また、セパレータ１０５に形成された酸化剤極室１０４へは、矢印１１１で示す方向に酸素が供給され、酸化剤極室１０４から酸化剤極１０２内に酸素が拡散し、燃料極１０３から拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は通常水蒸気となって酸化剤室１０４から未反応の酸素とともに、矢印１１２で示す方向に出口側から排出される。この例では酸化剤として酸素が使用されているが、酸素濃度は低くなるが空気を使用することもできる。
【００１０】
上記従来の直接型メタノール燃料電池では、図６に示すように、セパレーター１０５で燃料極室１０６と酸化剤極室１０４が分離されているため、燃料極室１０６から排出する二酸化炭素と、酸化剤極室１０４から排気するガスとは別々に排出しなければならない。したがって、ポンプ等の排気手段が、酸化剤極室１０４,燃料極室１０６のそれぞれに必要となって、小型化の障害となる。また、二酸化炭素排気側(燃料極室１０６側)のポンプなどの強制的な排気手段をなくすと、二酸化炭素の排気効率が低下し、出力の低下の要因となる。
【特許文献１】特表平１１−５１０３１１号公報
【特許文献２】特開平６−１８８００８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、この発明の課題は、燃料極側および酸化剤極側からの排出ガスを効率よく排気できると共に小型化と体積当たりの出力密度の向上とを図れる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】
【００１２】
上記課題を解決するため、この発明の燃料電池は、積層された複数の単セルを備え、上記単セルは、
液体燃料が供給される燃料室と、
上記燃料室に隣接すると共に上記燃料室から上記液体燃料が供給され、かつ、上記液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
上記燃料極に対向するように配置されると共に上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給される酸化剤室と、
上記酸化剤室に隣接すると共に上記酸化剤室から酸化剤が供給され、かつ、上記電解質膜に対向するように配置されると共に上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
さらに、上記複数の単セルのうちの１つの単セルの燃料極で発生してこの燃料極に隣接する燃料室内に排出されるガスを、上記１つの単セルに隣接する他の単セルの酸化剤極で発生してこの酸化剤極に隣接する酸化剤室に排出されるガスに合流させて、上記積層された複数の単セルから排出することを特徴としている。
【００１３】
この発明によれば、燃料極側から排出されるガスを酸化剤極から排出されるガスと同じ排気系で排出できる。さらに、酸化剤極から排出されるガスの流れを利用して、燃料極側から排出されるガスを効率的に排気することができる。したがって、この発明によれば、小型化と体積当たりの出力密度の向上とを実現できる。
【００１４】
また、一実施形態の燃料電池は、上記１つの単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを合流させて排出する合流排出構造を備える。
【００１５】
この実施形態の燃料電池によれば、液体燃料や酸化剤の供給側に供給部を設ける場合に比べて、上記合流排出構造により、各単セルに排出ガスの安定した流れを実現する排出流路を形成でき、燃料室内に導かれた排出ガスを燃料室から効率よく排出できる。
【００１６】
また、一実施形態の燃料電池は、上記複数の単セルのうちの隣接する２つの単セルは、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室とが隣り合うように配置されている。
【００１７】
この実施形態の燃料電池によれば、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室とが隣り合っているので、単セルの積層による厚さの増大を最小限に抑えることができる。つまり、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室とが隣り合っていない場合には、燃料室と酸化剤室から排出されるガスを合流して排出のための流路等を接続することにより、積層による厚さの増大を抑制し難い。
【００１８】
また、一実施形態の燃料電池は、上記一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室との間に、上記一方の単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他方の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを排出口へ導くための予備排気室を備える。
【００１９】
この実施形態の燃料電池によれば、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室との間に予備排気室が存在することで、燃料極からの排ガスが酸化剤室へ拡散していくことを防ぎ、酸化剤極での発電に寄与しない反応を抑制できる。
【００２０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記予備排気室は、上記予備排気室に排出されるガスが上記一方の単セルの燃料室に流入することを抑制する逆流抑制部を備える。
【００２１】
この実施形態の燃料電池によれば、逆流抑制部は、他方の単セルの酸化剤室からの未反応の酸化剤が一方の単セルの燃料極室に混入することを抑制するので、燃料極での発電に寄与しない反応によって燃料が消費されることを抑制できる。また、一方の単セルの燃料室から予備排気室に排出されたガスが同じ燃料室に逆流することを抑制できる。
【００２２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記予備排気室は、上記予備排気室に排出されたガスが上記他方の単セルの酸化剤室に流入することを抑制する逆流抑制部を備える。
【００２３】
この実施形態の燃料電池によれば、逆流抑制部は、一方の単セルの燃料極側から排出された未反応の燃料や中間生成物が他方の単セルの酸化剤室に流入することを抑制する。したがって、酸化剤極での発電に寄与しない反応で燃料が消費されることを抑制できる。また、酸化剤室から予備排気室に排出されたガスが同じ酸化剤室に逆流することを抑制できる。
【００２４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記１つの単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを合流させて排出する合流排出構造を備え、上記合流排出構造は、上記予備排気室に配置されている。
【００２５】
この実施形態の燃料電池によれば、予備排気室に配置した合流排出構造は、他の単セルの酸化剤室から排出されるガスの流れを利用して、一方の単セルの燃料極側からの排出ガスを効率よく排出できる。
【００２６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記他の単セルの酸化剤室に配置されると共に上記酸化剤室内のガスが酸化剤供給側へ逆流することを抑制する逆流抑制部を備える。
【００２７】
この実施形態の燃料電池によれば、他の単セルの酸化剤室に配置された逆流抑制部が、酸化剤室内のガスが酸化剤供給側へ逆流することを抑制するので、酸化剤室内のガスを予備排気室側へ効率よく排出できる。
【００２８】
また、一実施形態の燃料電池は、上記合流排出構造は、周辺部と中央部が上記予備排気室の所定箇所に固定されたダイヤフラム型ポンプである。
【００２９】
この実施形態の燃料電池によれば、合流排出構造をダイヤフラム型ポンプとしたので、単セル間の狭いスペースを有効に活用して、燃料および酸化剤と排出ガスの吸排気を行うことができる。
【００３０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、上記中央部付近に形成された排出口を有し、上記周辺部から吸気し、上記中央部付近に形成された排出口から排出する。
【００３１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記ダイヤフラム型ポンプは、周辺部から吸気すると共に中央部付近から排気するので、一端から吸気して他端から排気する場合に比べて、流路長を短くできることから、吸排気効率を高くすることができる。
【００３２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、吸気時には上記排出口を閉じる一方、排出時には上記排出口の開口を広げる弁機構を有する。
【００３３】
この実施形態の燃料電池によれば、合流排出構造としてのダイヤフラム型ポンプは、吸排気動作に連動して弁機構による弁操作を同時に行うことができるので、吸排気効率を高めることができる。
【００３４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、駆動部として静電アクチュエータを備える。
【００３５】
この実施形態の燃料電池によれば、静電アクチュエータは、単セル間の狭いスペース内でもダイヤフラム型ポンプを駆動可能であり、単セル毎にポンプを形成した場合にも駆動系による電力の損失を小さく抑えることができる。
【００３６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸化剤室または上記予備排気室の少なくとも一方は、上記酸化剤室に排出されるガスに含まれる水分を結露させて貯める結露部を備える。
【００３７】
この実施形態の燃料電池によれば、排出ガスに含まれる水分を結露部に結露させて貯めるので、結露部から水分を回収できるようになる。なお、この結露部を、酸化剤室または予備排気室の壁面とした場合には、この壁面で結露水を回収できる。よって、燃料電池が使用される向きに依存することなく、結露水を効率的に回収できる。
【００３８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記結露部は上記酸化剤室または上記予備排気室の少なくとも一方の壁面に形成され、上記壁面に形成された結露部に貯めた結露水を上記燃料室に導く導入通路を有する。
【００３９】
この実施形態の燃料電池によれば、単セルの外部に結露水を回収するための流路を引き回すことなく、上記壁面に形成された結露部から最寄りの燃料極室へ結露水を供給できる。
【００４０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記積層される単セルが有する燃料極および酸化剤極は、四角形の四隅をカットした形状である。
【００４１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記四角形の四隅に、積層方向に貫通する燃料供給通路あるいは酸化剤供給通路を配置できるので、コンパクト化を図れる。また、合流排出構造としてダイヤフラム型ポンプを備える場合には、燃料極および酸化剤極が四角形の四隅をカットした形状であることにより、ダイヤフラムをより円形に近づけることができ、ダイヤフラムによるポンプ効率を向上できる。また、複数の単セルの積層方向と直交する方向に単セルを並べる場合にも、上記四角形の四隅に、積層方向に貫通する燃料供給通路あるいは酸化剤供給通路を配置できるので、この直交する方向に隣接する単セルと単セルとの間の隙間を単セルが矩形である場合に比べて小さくできる。よって、実装密度を高めることができる。
【００４２】
また、一実施形態の燃料電池では、平面状に配列された複数の単セルを備え、
上記単セルは、
液体燃料が供給されると共にこの液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
上記燃料極に対向するように配置されると共に上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されると共に上記電解質膜に対向するように配置され、上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
上記燃料極と電解質膜と酸化剤極は、それぞれ、隣接する上記単セルの間で連続していて一体になっている。
【００４３】
この実施形態の燃料電池によれば、平面状に配列された複数の単セルにおいて、上記燃料極と電解質膜と酸化剤極は、それぞれ、隣接する上記単セルの間で連続していて一体になっている。したがって、複数の単セルが、互いに別体の燃料極と電解質膜と酸化剤極を有する場合に比べて、部品数の削減と製造工数の大幅な削減を図れる。
【００４４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記平面状に配列された複数の単セルが１つの平面状セルをなし、積層された複数の上記平面状セルを備える。
【００４５】
この実施形態の燃料電池によれば、上記平面状セルの積層数によって、電池容量を設定できる。
【００４６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、吸気時には上記周辺部に形成される吸気口を広げる一方、排出時には上記吸気口を閉じる弁機構を有する。
【００４７】
この実施形態の燃料電池によれば、吸気口からの酸化剤吸気効率を向上させると共に、酸化剤室内のガスが吸気口へ逆流するのを防ぎ、酸化剤室から排出口へのガス排出効率を向上させることができる。
【００４８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記ダイヤフラム型ポンプは、上記中央部付近に形成された排出口に設置されると共に上記酸化剤室から予備排気室に積層方向に延在している仕切り板または棒状構造部を有する。
【００４９】
この実施形態の燃料電池では、酸化剤室から排出口へのガスの流れがスムーズになり、酸化剤室からの排出効率が向上する。
【００５０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記静電アクチュエータは、上記酸化剤室および上記予備排気室に対して隔離されて通気しないように配置されている駆動電極を有する。
【００５１】
この実施形態の燃料電池では、酸化剤極の反応生成物として排出される水蒸気が駆動電極の存在する空間の雰囲気に混入してくることを防ぐことができ、静電アクチュエータの信頼性と耐久性を向上できる。
【発明の効果】
【００５２】
この発明によれば、燃料極側から排出されるガスを酸化剤極から排出されるガスと同じ排気系で排出でき、さらに、酸化剤極から排出されるガスの流れを利用して、燃料極側から排出されるガスを効率的に排気することができる。したがって、この発明によれば、小型化と体積当たりの出力密度の向上とを実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５３】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００５４】
(第１の実施の形態)
図１Ａ,図１Ｂ,図１Ｃを参照して、この発明の燃料電池の第１実施形態を説明する。図１Ａは図１ＣのII−II’断面図であり、図１Ｂは図１ＣのIII−III’断面図である。また、図１Ｃは図１Ａ,図１ＢのI−I’断面図である。図１Ａ〜図１Ｃに示すように、この第１実施形態の燃料電池は、積層された複数の単セル１５−１、１５−２、…を備える。各単セル１５−１、１５−２、…は、互いに略同様の構成であり、ハウジング４５内に収容されている。
【００５５】
単セル１５−１は、燃料極１１と、酸化剤極１２と、両電極１１,１２に挟持された電解質膜１０と、燃料極１１に隣接する燃料室１３と、酸化剤極１２に隣接する酸化剤室１４を備える。燃料極１１および酸化剤極１２の基体には、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属、多孔質シリコンなどの多孔質材を用いることができる。また、燃料極１１の触媒には、白金−ルテニウム合金など、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、酸化剤極１２にも、燃料極１１と同様の触媒を用いることができ、酸化剤極１２の材質と燃料極１１の材質とが同じであってもよい。電解質膜１０は、プロトン伝導性の耐熱耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わないが、ここでは、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン１１７(デュポン社製)(登録商標))を用いている。また、電解質膜１０は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
【００５６】
また、この実施形態では、燃料極１１に供給される液体燃料としては、メタノールと水を混合したものを用いている。なお、燃料はこれに限るものではなく、メタノールの代わりにエタノールやジメチルエーテルのような炭化水素系の有機燃料を使用することもできる。また、この実施形態では、酸化剤として酸素をもともと含んでいる空気をそのまま使用しているが、酸素そのものを使用することもできる。
【００５７】
図１Ａに示すように、燃料室１３は、セパレータ４１によって複数に区画されている。このセパレータ４１は、金属、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など燃料の透過性のない基板が使用可能であるが、ここでは微細加工を施したシリコン基板を用いている。図１Ａに示すように、セパレータ４１は、燃料極１１と気液分離膜１７とで挟持されている。この気液分離膜１７は、燃料室１３の燃料をほとんど透過しないが燃料極１１での生成ガスを透過する。ここでは、一例として、気液分離膜１７は平均孔径が０．１ミクロン以下の多孔質剤を用いている。この気液分離膜１７に対して所定の間隔を隔てて間板４３が配置されている。この間板４３と気液分離膜１７との間に予備排気室１８が形成されている。
【００５８】
一方、図１Ｃに示すように、酸化剤室１４は、セパレータ４２によって複数に区画されている。このセパレータ４２は、金属、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など酸化剤の透過性のない基板が使用可能であるが、ここでは微細加工を施したシリコン基板を用いている。また、図１Ａに示すように、単セル１５−１の酸化剤室１４に隣接する単セル１５−２の間板４３との間に排出流路２１が形成されている。また、間板４３は、予備排気室１８を排出流路２１に連通させる排出口２０を有する。
【００５９】
この実施形態では、図１Ａに示すように、各単セル１５−１,１５−２…の排出流路２１,２１…にハウジング４５を貫通して接続された排気路２２を有する。この排気路２２は排出部１６に接続されている。この排出部１６としては、ポンプまたはマイクロポンプ等が使用できるが、その方式はモーター式であってもダイヤフラム式であってもよい。
【００６０】
図１Ｃに示すように、各燃料室１３には、ハウジング４５を貫通する燃料供給路２８が接続されており、この燃料供給路２８は、例えば、マイクロポンプもしくはポンプ等で構成される燃料供給部２７に接続されている。この燃料供給部２７は燃料供給口２６に燃料タンク(図示せず)が接続され、この燃料タンクから液体燃料が供給される。なお、上記ポンプ等で構成される燃料供給部２７に替えて、多孔質材の毛管現象を利用して液体燃料を各燃料室１３に供給する構成を採用してもよい。
【００６１】
また、各燃料室１３は、図１Ｃに示すように、反応ガスをほとんど透過せず燃料のみを透過する気液分離膜２９を経由してハウジング４５を貫通する排気路３０に接続されている。この排気路３０は、未反応燃料を回収する回収部３１から回収路３２に導かれる。この回収部３１としては、例えば、ポンプまたはマイクロポンプを使用可能であるが、未反応燃料がほとんど排出されない場合や未反応燃料を回収する必要がない場合は回収部３１は必ずしも必要ではない。この場合は気液分離膜２９も省略できる。
【００６２】
この第１実施形態の燃料電池は、図１Ｃの燃料供給部２７から供給路２８を経由して燃料室１３に供給された燃料は、燃料極１１内に浸透し、触媒を含ませた電解質膜１０との界面付近で反応し、プロトンと電子、それに二酸化炭素を生成する。生成されたプロトンはそこから電解質膜１０を透過して酸化剤極１２に移動し、電子は燃料極１１から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極１２に流れる。また、生成した二酸化炭素は、燃料室１３から気液分離層１７を透過して燃料極用の予備排気室１８へ排出される。気液分離層１７では、燃料をほとんど透過せず、生成ガスのみが透過される。
【００６３】
一方、端板３５には酸化剤供給口２４が形成されており、図１Ａに示すように、この酸化剤供給口２４にはハウジング４５内を積層方向に延在する酸化剤供給通路１９が連なっている。そして、上記酸化剤供給口２４から酸化剤供給通路１９を経由して、各単セルの酸化剤室１４に空気が供給され、この空気は酸化剤室１４から酸化剤極１２内に拡散し、酸化剤極１２で燃料極１１から拡散してきたプロトンと酸素とが反応して水(水蒸気)を生成する。この生成した水(水蒸気)は、未反応の酸素と共に酸化剤室１４から排出流路２１を経由して、排出口２０からの二酸化炭素と合流してハウジング４５外の排気路２２に排気される。
【００６４】
ここで、排出口２０はエジェクタの機能を有する。つまり、単セル１５−１の酸化剤室１４から排出されるガス(例えば水蒸気,未反応の酸素)が排出流路２１を通って排気路２２に向かって排出方向に排出される。その際に、排出口２０の近傍に発生する負圧を利用して、燃料室１３から予備排気室１８に排出されるガス(例えば二酸化炭素)を排出流路２１内で排出方向に巻き込むように排出することができるので、燃料極１１側の排ガスも効率よく単セル領域から排気路２２に向かって排出できる。
【００６５】
また、この実施形態では、排出部１６を備えることで、各単セルの排出流路２１内に排出ガスの流れを安定に形成でき、同時に、排出口２０を通して燃料極１１側の予備排気室１８を減圧するように安定して作用させることができる。よって、この減圧による圧力差を利用して、燃料室１３内に導かれた排ガスを 気液分離膜１７を通過させて効率よく排出できる。
【００６６】
このように、この実施形態の燃料電池によれば、排気構造が燃料極１１,酸化剤極１２,電解質膜１０の反応が起こる界面領域を減少させないので、出力密度を低下させることがない。その上、排出ガスを排気路２２から排気できるので、排ガスの排気に関する損失が少なくて排出効率がよい。
【００６７】
さらに、単セル１５−１,１５−２…の領域外に設ける排出流路２１は、単セル１５−１の酸化剤極１２からの排出ガスと、単セル１５−２の燃料極１１からの排出ガスとを合流させて排出する。つまり、単セル１５−１の酸化剤極１２と単セル１５−２の燃料極１１とで１つの排出流路２１を共用している。そして、未反応ガスが排出される比率の高い酸化剤極１２側からの排ガスに比べて燃料極１１からの排ガスは発生量が極めて少ない。このため、単セル１５−１,１５−２…を積層してなる発電部の排出流路２１の存在による体積増もほとんどなく、体積あたりの発電出力密度の向上に寄与できる。
【００６８】
さらに、この実施形態では、複数個の単セル１５−１,１５−２…が積層されているが、隣接する単セル１５−１と単セル１５−２とは、単セル１５−１の酸化剤室１２と単セル１５−２の燃料室１３とが隣り合うように配置されている。これにより、図１Ａに示すように、単セル１５−２の燃料室１３に単セル１５−１の酸化剤室１４を最接近させることができるから、酸化剤極１２側の排出流路２１と燃料極１１側の予備排気室１８とを最短で接続可能となる。
【００６９】
さらに、最下端の単セル１５−１の燃料室１３に対しても他の単セル１５−２と同様に、予備排気室１８と間板４３と排出流路２１を設け、酸化剤極の代わりにエンド板３５を設ける。これにより、端の単セル１５−１も他の単セルと同様に燃料極１１側の排ガス排気が可能となるので、複数の単セルを積層する構造において、流路等の接続による積層厚さの増大を最小限に抑えることができる。
【００７０】
尚、上記実施形態では、図１Ａに示す排出部１６を備えたが、この排出部１６はなくてもよい。
【００７１】
(第２の実施の形態)
次に、図２を参照して、この発明の燃料電池の第２実施形態を説明する。この第２実施形態は、前述の第１実施形態と同様に、積層された複数の単セル５５−１、５５−２、…を備える。各単セル５５−１、５５−２、…は、互いに略同様の構成であり、ハウジング７５内に収容されている。ハウジング７５はエンド板８９を有する。
【００７２】
単セル５５−１は、燃料極５１と、酸化剤極５２と、両電極５１,５２に挟持された電解質膜５０と、燃料極５１に隣接する燃料室５３と、酸化剤極５２に隣接する酸化剤室５４を備える。この第２実施形態の燃料極５１,酸化剤極５２,電解質膜５０は、前述の第１実施形態の燃料極１１,酸化剤極１２,電解質膜１０と同様の構成である。また、この第２実施形態の燃料極５１に供給される液体燃料は、前述の第１実施形態の燃料極１１に供給される液体燃料と同様であり、酸化剤極１２に供給される酸化剤も前述の第１実施形態と同様である。
【００７３】
また、燃料室５３を複数に区画するセパレータ７３は、前述の第１実施形態のセパレータ４１と同様の構成である。また、酸化剤室５４を複数に区画するセパレータ(図示せず)は、前述の第１実施形態のセパレータ４２と同様の構成である。また、燃料極５１とでセパレータ７３を挟む気液分離膜７７も、前述の第１実施形態の気液分離膜１７と同様の構成である。
【００７４】
単セル５５−２は、気液分離膜７７に隣接する予備室５８を有し、この予備室５８は間板７６で区画されている。この間板７６は中央が開口している。そして、この単セル５５−２の間板７６と、単セル５５−２に隣接する単セル５５−１の酸化剤極５２との間に予備排気室６１が形成されている。この予備排気室６１は、酸化剤室５４から排出されるガスと燃料室５３から排出されるガスを合流させて排出口６７に導く役割を有する。予備排気室６１と酸化剤室５４とはダイヤフラム６８と固定弁６９とで仕切られている。このダイヤフラム６８は周縁部６８Ｃがハウジング７５に固定されており、中央部が開口している。また、固定弁６９の中央部６９Ａは、図３Ｂに示すように、ダイヤフラム６８の中央部の開口６８Ａを横切るように延在している交差部６８Ｂに固定されている。この固定弁６９は、例えば間板７６に固定されて、予備排気室６１内での位置が固定されている。
【００７５】
また、固定弁６９の環状部６９Ｂは、図２に示すように、ダイヤフラム６８の中央環状部６８Ｂに対して積層方向に対向していると共に、間板７６の中央環状部７６Ａに対して積層方向に対向している。この間板７６の中央環状部７６Ａと固定弁６９の環状部６９Ｂとの間の隙間が排出口(絞り)６０を構成している。この排出口６０は、燃料室５３内に排出されるガスを予備室５８から予備排気室６１に排出するための排出口である。一方、ダイヤフラム６８の中央環状部６８Ｂと固定弁６９の環状部６９Ｂとの間の隙間が排気口６６を構成している。この排気口６６は、酸化剤室５４内に排出されるガスを予備排気室６１に排気するための排気口である。酸化剤室５４は、ハウジング７５内を積層方向に延在する酸化剤吸気口６４に連通している。また、ダイヤフラム６８は、酸化剤吸気口６４の径方向内方に隣接する箇所に逆流防止部７８が形成されている。この逆流防止部７８は、酸化剤室５４の径方向外端から径方向内方に向かって所定寸法だけ延在しつつ積層方向の厚さが増加しているくさび状断面を有している。逆流防止部７８は、酸化剤室５４に導入された酸化剤が酸化剤吸気口６４に逆流することを防ぐ役目を果たす。
【００７６】
また、予備排気室６１は、ハウジング７５内を積層方向に延在する排出口６７に連通している。また、ダイヤフラム６８と固定弁６９はダイヤフラム型ポンプ８８を構成している。
【００７７】
この第２実施形態では、酸化剤室５４よりも下流側にあり圧力の低い予備排気室６１で、燃料極５１からの排出ガスを酸化剤室５４からの排出ガスに合流させるができる。このため、燃料極５１からの排ガスに燃料となりうるガス、例えば気化したメタノールや反応過程の中間生成物などが含まれていたとしても、酸化剤室５４へ拡散していくことを防ぎ、酸化剤極５４での発電に寄与しない反応を抑制することができる。
【００７８】
さらに、この第２実施形態では、予備排気室６１に形成された排出口６０は、絞りを構成し、予備排気室６１に排出されたガスが燃料室５３へ逆流するのを抑制する。この排出口６０は、酸化剤室５４から排出ガスが排気口６６を通って流れる方向にガスを排気するように形成されている。これにより、排出口６０近傍で酸化剤室５４から排気口６６へ排出されるガスの流れによって、排出口６０の出口付近に負圧が形成されて、燃料極５１側の予備室５８から予備排気室６１側への排出ガスの流れが形成される。よって、予備室５８から予備排気室６１に排出されたガスが燃料室５３へ逆流するのを抑制できる。これにより、酸化剤が燃料極室５３に混入するのを抑制し、発電に寄与しない反応により燃料が消費されることを抑制できる。
【００７９】
さらに、この実施形態では、予備排気室６１に形成された排気口６６は、酸化剤室５４から予備排気室６１に排出されたガスが酸化剤室５４へ逆流することを抑制する。すなわち、排気口６６は、予備排気室６１に連なる排気口６７に比べて狭く、排気口６６での流れの抵抗が大きくなるように構成されている。したがって、排気口６６の存在により、予備排気室６１に排出されたガスが酸化剤室５４に逆流し難くなり、燃料極５１側から排出された未反応の燃料や中間生成物が酸化剤室５４に流入し難くなる。よって、酸化剤極５２での発電に寄与しない反応を抑制でき、燃料消費量を抑制できる。
【００８０】
また、この第２実施形態では、図２に示すように、ダイヤフラム型のマイクロポンプ８８を備えている。このダイヤフラム型マイクロポンプ８８は、酸化剤室５４から予備排気室６１に排出されるガスと一緒に燃料室内５３から排出されるガスを排出するための合流排出部を構成している。このダイヤフラム型マイクロポンプ８８は、吸引時には、酸化剤の吸気口６４から酸化剤として空気を酸化剤室５４内に吸い込む一方、排気時には、排気口６６から酸化剤室５４内のガスを排出する。これにより、酸化剤室５４からの排出ガスの流れでもって、燃料極５１側からの排出ガスを酸化剤室５４からの排出ガスと共に効率よく排出できる。
【００８１】
図３Ａ,図３Ｂに示すように、この第２実施形態では、ダイヤフラム型マイクロポンプ８８を静電アクチュエータ８０で駆動されるダイヤフラム型ポンプ８８とした。静電アクチュエータ８０は、間板７６に固定された固定電極８２と、ダイヤフラム６８に固定された可動電極８１とを有する。この固定電極８２と可動電極８１は、予備排気室６１内で積層方向に対向するように配置されている。なお、図３Ａは図３ＢのＶ−Ｖ’断面を示し、図３Ｂは図３ＡのIＶ−IＶ’断面を示す。
【００８２】
ダイヤフラム型ポンプ８８は、静電アクチュエータ８０をオンすると固定電極８２が可動電極８１を吸引するので、ダイヤフラム６８は図２に破線で示すように、間板７６に向かって湾曲し、酸化剤室５４を拡張させる。これにより、酸化剤吸気口６４から酸化剤室５４に空気を吸引する。このとき、ダイヤフラム６８の中央環状部６８Ｂは固定弁６９の環状部６９Ｂに重なるように当接し、排出口６６を閉じるので、予備排気室６１から酸化剤室５４へのガスの逆流を防止できる。次に、静電アクチュエータ８０をオフにすると、ダイヤフラム６８はオン時の湾曲状態からの反動で図２に一点鎖線で示すように、酸化剤極５２に向かって湾曲し、酸化剤室５４内のガスを大きく開いた排気口６６から予備排気室６１に効率よく排気する。ダイヤフラム６８の湾曲により、排気口６６が大きく開くので、排気効率を向上できることとなる。さらに、このとき、図３Ｂに示すように、ダイヤフラム６８の中央部の交差部６８Ｂが固定弁６９の中央部６９Ａに固定されているので、ダイヤフラム６８は図２に一点鎖線で示すように可動電極８１が固定された領域が酸化剤極５２に最も近づくように湾曲する。このようなダイヤフラム６８の湾曲によって、酸化剤室５４から酸化剤吸気口６４への酸化剤の逆流を抑制しつつ、酸化剤室５４からの排出ガスを排気口６６を経由して予備排気室６１へ効率よく排出できる。
【００８３】
さらに、この実施形態では、上述したように、酸化剤室５４の吸気口６５に逆流防止部７８が配置されている。この逆流防止部７８は、ダイヤフラム型ポンプ８８による排気時に、酸化剤室５４から吸気口６４へのガスの逆流を抑制するので、酸化剤室５４から予備排気室６１へガスを効率よく排出できる。
【００８４】
また、この第２実施形態では、ダイヤフラム６８の周縁部６８Ｃがハウジング７５に固定されていて、中央環状部６８Ｂが固定弁６９に固定された合流排出部を構成するダイヤフラム型のマイクロポンプ８８を予備排気室６１内に配置した。これにより、単セル５５−１,５５−２間の予備排気室６１の狭いスペースを有効に活用した吸排気を行うことができる。また、合流排出部であるダイヤフラム型マイクロポンプ８８は、ダイヤフラム６８の周縁部６８Ｃから吸気すると共に中央の固定弁６９から排気するので、一方の端から吸気して他方の端から排気するポンプに比べて、流路長を短くできる。よって、ダイヤフラム型マイクロポンプ８８によれば、吸排気効率を高くすることができる。
【００８５】
また、この第２実施形態では、中央の排気部をなす排出口６０,排気口６６の箇所にマイクロ弁をなす固定弁６９を設けたので、吸排気動作に連動して弁操作を同時に行うことができ、吸排気効率を高めることができる。さらに、静電アクチュエータ８０でダイヤフラム型マイクロポンプ８８を駆動するので、単セル５５−１,５５−２間の予備排気室６１の狭いスペース内でもポンプ８８を駆動可能となる。しかも、静電アクチュエータ８０は、スペースが狭いほど低電圧で駆動できることから、各単セルにマイクロポンプ８８を配置した場合でも、駆動系による電力の損失を小さく抑えることができる。
【００８６】
なお、この第２実施形態において、図４に示すように、予備排気室６１、予備室５８、酸化剤室５４は、それぞれ、側壁近傍に結露部８５Ａ、８５Ｂ、８５Ｃを有してもよい。この結露部８５Ａ、８５Ｂ、８５Ｃは、流路８１Ａ、８１Ｂ、８１Ｃを有する。この結露部８５Ａ〜８５Ｃの流路８１Ａ〜８１Ｃは、内部の流路８２に連通し、さらに、ハウジング７５に形成された流路８３と流路８４に連通している。この流路８４は、燃料室５３に接続されている。この場合、排出ガスに含まれる水分を結露部８５Ａ〜８５Ｃに結露させて貯めるので、結露部８５Ａ〜８５Ｃから水分を回収できるようになる。また、この結露部８５Ａ〜８５Ｃを、酸化剤室５４、予備排気室６１の壁面に形成したので、この壁面で結露水を回収できる。よって、燃料電池が使用される向きに依存することなく、結露水を効率的に回収できる。また、上記流路８１Ａ〜８１Ｃ,流路８２,流路８３は、単セル５５−１,５５−２の外部に結露水を回収するための流路を引き回すことなく、上記壁面に形成された結露部８５Ａ〜８５Ｃから最寄りの燃料室５３へ結露水を供給できる。また、これらの流路８１Ａ〜８１Ｃ,流路８２,流路８３は毛管作用を利用しているので、結露水を効率よく回収できる。また、結露水を流路８１Ａ〜８１Ｃ,流路８２に案内するガイド溝を予備排気室６１、予備室５８、酸化剤室５４に形成してもよい。
【００８７】
予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の壁面は、発電反応が起こる電極(燃料極５１,酸化剤極５２)の周辺部に位置しているので、予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の中央付近に比べて温度が低い。よって、予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の壁面により、酸化剤室５４から水蒸気として排出された水を結露させて効率よく回収可能となる。なお、図３Ｂに示すように、ハウジング７５内を通る排出口６７および流路７７,７９(単セル５５−１,単セル５５−２の他の単セルの排出口)によって、予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の壁面は熱交換が行われ易いので、中央付近に比べて温度が低くなる。
【００８８】
また、例えば小型燃料電池の主な用途と考えられている携帯電話のようなモバイル機器では、傾斜した向きで機器が使用されることが多いので、燃料電池そのものもいろいろな向きに傾いた状態で使用されるケースが多くなる。したがって、上述のように、予備室５８,酸化剤室５４,予備排気室６１の周辺の壁面で結露水を回収することで、使用される向きに依存せず効率的に結露水を回収可能であることが好適となる。
【００８９】
さらに、この第２実施形態では、図３Ｂに示すように、積層される単セル５５−１,単セル５５−２…が有する燃料極５１および酸化剤極５２は四角形の四隅をカットした形状(８角形状)である。これにより、燃料極５１,酸化剤極５２の周辺に酸化剤供給路６４や燃料供給路などの積層方向に延在する流路を中央からほぼ等しい距離に対称性よく配置することができる。よって、燃料極５１,酸化剤極５２を四角形にする場合に比べて、燃料,酸化剤を燃料極５１,酸化剤極５２の全体に均一に供給しやすい。また、燃料極５１,酸化剤極５２が四角形の四隅をカットした形状であることにより、燃料極５１,酸化剤極５２が四角形である場合に比べて、ダイヤフラム６８を８角形状にして円形に近づけることができるので、ダイヤフラム型マイクロポンプ８８を低電圧で効率よく駆動させることができる。
【００９０】
また、カットされた四角形の四隅の部分のハウジング７５に、積層した他の単セル用流路や積層方向に断面の大きな流路を配置させて流路損失の低減を図ることもできる。このように、カットされた四角形の四隅の領域を有効に使用することで、複数の単セルの積層方向と直交する方向に単セルを並べる場合にも、上記四角形の四隅に、積層方向に貫通する燃料供給通路あるいは酸化剤供給通路を配置できるので、この直交する方向に隣接する単セルと単セルとの間の隙間を単セルが矩形である場合に比べて小さくできる。よって、電極面積を最大限に確保しつつ実装密度を高めることができる。また、上記四隅に、積層した単セルの電極間を接続する貫通配線を配置することもできる。
【００９１】
ところで、上に述べた如く、燃料電池の発電部を１層の単セルだけで構成するよりも、複数の単セルを積層した発電部を備えることで、燃料電池の床面積を減少させて、床面積当たりの発電出力密度を高めることができる。一方、複数の単セルを積層した発電部をできるだけ小さい体積で実現するためには、積層する単セル間に位置する電極用の燃料室および酸化剤室の流路を薄くせざるを得ない。これに対し、流路を薄くして断面を小さくすると流路の抵抗が大きくなり、供給系への負担(つまり供給系で消費する電力)が大きくなり、これが燃料電池の出力の損失となり結果として体積当たりの電池出力を高めることができなくなる。
【００９２】
ここで、典型的な一実施例として、図２、図３Ａ,図３Ｂに示したような第２実施形態の構成を有する一例を説明する。この一実施例では、電解質膜５０と燃料極５１と酸化剤極５２の合計の膜厚を約０．５ｍｍとし、燃料室５３から予備室５８までの厚さを０．２ｍｍとし、酸化剤室５４の厚さを０．２ｍｍとした。各層にマイクロポンプ８８を積層するためには、マイクロポンプの厚さも制約を受ける。したがって、マイクロポンプ８８の可動範囲、つまり吸排気能力が制約を受けることになる。たとえば、単セルを３層積層し、図３に示すようなマイクロポンプ８８を各層に配置した場合の一例を試算すると、マイクロポンプ８８によって、単セルの電極単位面積あたりの或る目標電池出力を達成するために必要な量の酸化剤(空気)を供給するためには、マイクロポンプ８８の可動部にヤング率の小さいＰＤＭＳ(ポリジメチルシロキサン)を用いて可動範囲を大きくしても、積層される単セルの１層あたりの電極の１辺を６ｍｍ以下にして、電極面積を抑える必要があることが分かった。この一実施例では、これ以上に電極面積を大きくすると、単位セル当たりに必要な量の酸化剤を供給するためには酸化剤の供給系に想定以上の負担がかかる。
このように、1層に例えば１辺６ｍｍ以下のセルを複数個配置して、それを複数積層することで、積層する単セル間に位置する電極用の燃料室および酸化剤室の流路を上記の実施例のごとく薄くしても、同じ床面積の１層を単セルで構成する場合にくらべ、単セル内への供給流路の長さ短くできるとともに、前述のとおり単セルの四隅に配置した貫通流路を利用することで、すべての各層のセルに対して、積層する単セル間の狭いスペースに配置される燃料や酸化剤の供給経路及び排出ガスに排出経路を短く構成することができる。これにより、酸化剤の供給系の負担を想定内に抑え、燃料電池の体積当たりの電池出力を高めることができる。
【００９３】
尚、この第２実施形態では、積層される単セル５５−１,単セル５５−２…が有する燃料極５１および酸化剤極５２を８角形状としたが、８角形以外の多角形状としてもよい。
【００９４】
(第３の実施の形態)
次に、図５を参照して、この発明の燃料電池の第３実施形態を説明する。図５は、この第３実施形態の燃料電池の３つの断面を部分的に重なった状態で示している。この３つの断面のうちの一番上に重なった状態で示されている断面は、前述の第２実施形態を示す図３Ｂに対応する断面である。また、この３つの断面のうちの一番下に重なった状態で示されている断面は、前述の第２実施形態を示す図２のＸ−Ｘ’断面に対応する断面である。
【００９５】
この第３実施形態は、平面状に配列された９つの単セルを備える。すなわち、この第３実施形態の燃料電池は、前述の第２実施形態の燃料電池が有する単セル５５−１の燃料極５１と同様の部分９１Ａを縦３列と横３列に平面状に配列して一体化した形状の１つの燃料極９１を有する。また、この第３実施形態の燃料電池は、第２実施形態の単セル５５−１の酸化剤極５２と同様の部分９２Ａを縦３列と横３列に平面状に配列して一体化した形状の１つの酸化剤極９２を有する。また、この第３実施形態の燃料電池は、単セル５５−１の電解質膜５０と同様の部分９３Ａを縦３列と横３列に平面状に配列して一体化した形状の１つの電解質膜９３とを有する。この１つの燃料極９１の各部分９１Ａと１つの酸化剤極９２の各部分９２Ａと１つの電解質膜９３の各部分９３Ａとは、燃料極５１,酸化剤極５２,電解質膜５０と同様に積層されている。
【００９６】
また、この第３実施形態の９つの単セルは、それぞれ、前述の第２実施形態の燃料電池が有する酸化剤室５４,予備室５８,予備排気室６１,気液分離膜７７酸化剤室(図示せず),予備室(図示せず),予備排気室(図示せず),気液分離膜(図示せず)を有する。また、この第３実施形態の９つの単セルは、前述の第２実施形態の燃料電池が有するダイヤフラム型ポンプ８８と同様のダイヤフラム型ポンプ９５を有する。
【００９７】
また、この第３実施形態の燃料電池では、上記平面状に配列された９つの単セルを収容する１つのハウジング９６を有する。このハウジング９６は、前述の第２実施形態の燃料電池が有するハウジング７５のうちのエンド板８９からダイヤフラム型ポンプ８８までの部分９６Ａを縦３列と横３列に平面状に配列して一体化した形状をしている。
【００９８】
この第３実施形態の燃料電池によれば、平面状に配列された９つの単セルにおいて、燃料極９１と電解質膜９３と酸化剤極９２は、それぞれ、隣接する上記単セルの間で連続していて一体になっている。したがって、９つの単セルが、互いに別体の燃料極と電解質膜と酸化剤極を有する場合に比べて、部品数の削減と製造工数の大幅な削減を図れる。なお、上記平面状に配列された９つの単セルからなる平面状セルを、第２実施形態のように複数積層してもよい。
【００９９】
尚、上記第３実施形態では、平面状に配列された９つの単セルを備えたが、平面状に配列する単セルの個数は９つに限らないのは勿論である。また、縦列と横列とが同数でなくてもよいことは言うまでもない。
【０１００】
(第４の実施の形態)
次に、図７Ａ，図７Ｂを参照して、さらに好適な実施形態としての第４実施形態を説明する。図７Ａは図７ＢのＶIII−ＶIII’断面を示す断面図であり、図７Ｂは図７ＡのＶII−ＶII’断面を示す断面図である。この第４実施形態は、上述した第２実施形態の変形例に相当するので、第２実施形態と同じ部分には同じ符号を付して主として第２実施形態と異なる点を説明する。
【０１０１】
図７Ａ、図７Ｂに示すように、この第４実施形態では、ダイヤフラム型ポンプ１８８を備える。このダイヤフラム型ポンプ１８８は、ダイヤフラム１３８と、このダイヤフラム１３８と積層方向に所定間隔を隔てた間板１４６とを有し、ダイヤフラム１３８,間板１４６の中央部分はハウジング１４５の一部をなすスペーサ部１８４に固定されている。また、ダイヤフラム１３８,間板１４６の周縁部はハウジング１４５に固定されている。
【０１０２】
そして、ダイヤフラム１３８には可動電極１５１が固定され、間板１４６には駆動電極としての固定電極１５２が固定されている。この固定電極１５２と可動電極１５１が静電アクチュエータ１５０をなす。また、このダイヤフラム１３８は、酸化剤室５４の周辺に配置された吸気口１３５付近まで延在している。なお、図７Ｂにおいて、７７,７９は他の単セルの排出口をなす流路である。
【０１０３】
このダイヤフラム１３８は、静電アクチュエータがオンして固定電極１５２が可動電極１５１を吸引すると、図７Ａに点線で示すように、間板１４６に向かって湾曲していて、酸化剤室５４を拡張させた状態になっている。この状態では、酸化剤室５４の吸気口１３５が大きく開くので、酸化剤吸気口６４からの酸化剤吸気効率を向上できることになる。一方、上記静電アクチュエータがオフになると、ダイヤフラム１３８は上記湾曲状態の反動で、図７Ａに破線で示す状態のように酸化剤極５２に向かって湾曲し、酸化剤室５４を縮小させて、酸化剤室５４の吸気口１３５が閉じる。これにより、酸化剤室５４内のガスが酸化剤吸気口６４へ逆流することを防ぎ、酸化剤室５４の中央付近に配置された排出口である排気口１３６からのガス排出効率を向上できる。
【０１０４】
また、間板７６に固定された弁固定部１８２には、可ぎょう性を有する弁１３９が装着されている。この弁１３９は、酸化剤室５４が拡張する際には、酸化剤室側が減圧することにより開口部１３７が閉じ、予備排気室１６１側のガスが酸化剤室５４側に逆流するのを防ぐ。よって、酸化剤室５４の吸気効率を向上できる。一方、酸化剤室５４が縮小する際には、上記弁１３９は、酸化剤室５４側の圧力の上昇により、開口部１３７が大きく開き、排気効率を向上させることができる。
【０１０５】
さらに、排気口１３６には、酸化剤室５４から予備排気室６１へ積層方向に延在している棒状構造部１８３が設置されている。なお、上記棒状構造部１８３の替わりに仕切り板を設置してもよい。この棒状構造部１８３により、周辺から酸化剤室５３に流入したガスを中央の排気口１３６へスムーズに流すことが可能になる。よって、酸化剤室５４からの排出効率が向上する。なお、この棒状構造部１８３は、積層方向と垂直な平面による断面図である図８に示すように、排気口１３６を複数の領域に仕切る仕切り板１８３Ａを備えても良い。この仕切り板１８３Ａを備えることによって、排気口１３６でのガスの流れを整流できる。
【０１０６】
さらに、この実施形態では、図７Ａに示すように、ダイヤフラム型ポンプ１５８の静電アクチュエータ１５０が有する固定電極１５２と可動電極１５１は、間板１４６とダイヤフラム１３８によって、酸化剤室５４および予備排気室１６１に対して隔離されて通気しない構造になっている。これにより、酸化剤極５２の反応生成物として排出される水蒸気が、駆動電極である固定電極１５２,可動電極１５１間の雰囲気に混入してくることを防止でき、静電アクチュエータ１５０の信頼性と耐久性を向上できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０７】
【図１Ａ】この発明の燃料電池の第１実施形態を示す断面図であり、図１ＣのII−II’断面図である。
【図１Ｂ】上記第１実施形態を示す断面図であり、図１ＣのIII−III’断面図である。
【図１Ｃ】上記第１実施形態を示す断面図であり、図１ＡのI−I’断面図である。
【図２】この発明の燃料電池の第２実施形態を示す断面図である。
【図３Ａ】上記第２実施形態が有するダイヤフラム型マイクロポンプ８８の断面図であり、図３ＢのＶ−Ｖ’断面図である。
【図３Ｂ】上記ダイヤフラム型マイクロポンプ８８の断面図であり、図３ＡのIＶ−IＶ’断面図である。
【図４】上記第２実施形態の変形例を示す部分断面図である。
【図５】この発明の燃料電池の第３実施形態を示す断面図である。
【図６】従来の燃料電池の構成を示す模式図である。
【図７Ａ】この発明の第４実施形態が備えるダイヤフラム型マイクロポンプ１８８の断面図であり、図７ＢのＶIII−ＶIII’断面図である。
【図７Ｂ】図７ＡのＶII−ＶII’断面図であり、上記ダイヤフラム型マイクロポンプ１８８の断面図である。
【図８】上記第４実施形態の排気口１３６内の棒状構造部１８３の仕切り板１８３Ａを示す断面図である。
【符号の説明】
【０１０８】
１０、５０、９３ 電解質膜
１１、５１、９１ 燃料極
１２、５２、９２ 酸化剤極
１３、５３ 燃料室
１４、５４ 酸化剤室
１５−１、１５−２、５５−１、５５−２ 単セル
１６ 排出部
１７、７７ 気液分離膜
１８、６１ 予備排気室
１９ 酸化剤供給通路
２０、６０、６７ 排出口
２１ 排出流路
２２ 排気路
２４ 酸化剤供給口
２６ 燃料供給口
２７ 燃料供給部
２８ 燃料供給路
２９ 気液分離膜
３０ 排気路
３１ 回収部
３２ 回収路
３５ 端板
４１、４２、７３ セパレータ
４３、７６ 間板
４５、７５ ハウジング
５８ 予備室
６４ 酸化剤吸気口
６６ 排気口
６８ ダイヤフラム
６９ 固定弁
７８ 逆流防止部
８０ 静電アクチュエータ
８１ 可動電極
８２ 固定電極
８５Ａ〜８５Ｃ 結露部
８８、９５ ダイヤフラム型マイクロポンプ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
積層された複数の単セルを備え、
上記単セルは、
液体燃料が供給される燃料室と、
上記燃料室に隣接すると共に上記燃料室から上記液体燃料が供給され、かつ、上記液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
上記燃料極に対向するように配置されると共に上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給される酸化剤室と、
上記酸化剤室に隣接すると共に上記酸化剤室から酸化剤が供給され、かつ、上記電解質膜に対向するように配置されると共に上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
さらに、上記複数の単セルのうちの１つの単セルの燃料極で発生してこの燃料極に隣接する燃料室内に排出されるガスを、上記１つの単セルに隣接する他の単セルの酸化剤極で発生してこの酸化剤極に隣接する酸化剤室に排出されるガスに合流させて、上記積層された複数の単セルから排出す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、
上記１つの単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを合流させて排出する合流排出構造を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池において、
上記複数の単セルのうちの隣接する２つの単セルは、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室とが隣り合うように配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
上記一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室との間に、
上記一方の単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他方の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを排出口へ導くための予備排気室を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記予備排気室は、
上記予備排気室に排出されたガスが上記一方の単セルの燃料室に流入することを抑制する逆流抑制部を備え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、
上記予備排気室は、
上記予備排気室に排出されたガスが上記他方の単セルの酸化剤室に流入することを抑制する逆流抑制部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記１つの単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを合流させて排出する合流排出構造を備え、
上記合流排出構造は、上記予備排気室に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、
上記他の単セルの酸化剤室に配置されると共に上記酸化剤室内のガスが酸化剤供給側へ逆流することを抑制する逆流抑制部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池において、
上記合流排出構造は、
周辺部と中央部が上記予備排気室の所定箇所に固定されたダイヤフラム型ポンプであること特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、上記中央部付近に形成された排出口を有し、上記周辺部から吸気し、上記中央部付近に形成された排出口から排出することを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、
吸気時には上記排出口を閉じる一方、排出時には上記排出口の開口を広げる弁機構を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項９に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、
駆動部として静電アクチュエータを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記酸化剤室または上記予備排気室の少なくとも一方は、上記酸化剤室に排出されるガスに含まれる水分を結露させて貯める結露部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池において、
上記結露部は上記酸化剤室または上記予備排気室の少なくとも一方の壁面に形成され、
上記壁面に形成された結露部に貯めた結露水を上記燃料室に導く導入通路を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記積層される単セルが有する燃料極および酸化剤極は、四角形の四隅をカットした形状であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
平面状に配列された複数の単セルを備え、
上記単セルは、
液体燃料が供給されると共にこの液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
上記燃料極に対向するように配置されると共に上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されると共に上記電解質膜に対向するように配置され、上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
上記燃料極と電解質膜と酸化剤極は、それぞれ、隣接する上記単セルの間で連続していて一体になっていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求項１６に記載の燃料電池において、
上記平面状に配列された複数の単セルが１つの平面状セルをなし、
積層された複数の上記平面状セルを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１８】
請求項１０に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、
吸気時には上記周辺部に形成される吸気口を広げる一方、排出時には上記吸気口を閉じる弁機構を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
請求項１０に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、
上記中央部付近に形成された排出口に設置されると共に上記酸化剤室から予備排気室に積層方向に延在している仕切り板または棒状構造部を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
請求項１２に記載の燃料電池において、
上記静電アクチュエータは、
上記酸化剤室および上記予備排気室に対して隔離されて通気しないように配置されている駆動電極を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１】
積層された複数の単セルを備え、
上記単セルは、
液体燃料が供給される燃料室と、
上記燃料室に隣接すると共に上記燃料室から上記液体燃料が供給され、かつ、上記液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
上記燃料極に対向するように配置されると共に上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給される酸化剤室と、
上記酸化剤室に隣接すると共に上記酸化剤室から酸化剤が供給され、かつ、上記電解質膜に対向するように配置されると共に上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
さらに、上記複数の単セルのうちの１つの単セルの燃料極で発生してこの燃料極に隣接する燃料室内に排出されるガスを、上記１つの単セルに隣接する他の単セルの酸化剤極で発生してこの酸化剤極に隣接する酸化剤室に排出されるガスに合流させて、上記積層された複数の単セルから排出す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、
上記１つの単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを合流させて排出する合流排出構造を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池において、
上記複数の単セルのうちの隣接する２つの単セルは、一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室とが隣り合うように配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池において、
上記一方の単セルの燃料室と他方の単セルの酸化剤室との間に、
上記一方の単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他方の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを排出口へ導くための予備排気室を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４に記載の燃料電池において、
上記予備排気室は、
上記予備排気室に排出されたガスが上記一方の単セルの燃料室に流入することを抑制する逆流抑制部を備え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、
上記予備排気室は、
上記予備排気室に排出されたガスが上記他方の単セルの酸化剤室に流入することを抑制する逆流抑制部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項４乃至６のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記１つの単セルの燃料室から排出されるガスと、上記他の単セルの酸化剤室から排出されるガスとを合流させて排出する合流排出構造を備え、
上記合流排出構造は、上記予備排気室に配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、
上記他の単セルの酸化剤室に配置されると共に上記酸化剤室内のガスが酸化剤供給側へ逆流することを抑制する逆流抑制部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項７に記載の燃料電池において、
上記合流排出構造は、
周辺部と中央部が上記予備排気室の所定箇所に固定されたダイヤフラム型ポンプであること特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、上記中央部付近に形成された排出口を有し、上記周辺部から吸気し、上記中央部付近に形成された排出口から排出することを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、
吸気時には上記排出口を閉じる一方、排出時には上記排出口の開口を広げる弁機構を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項９に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、
駆動部として静電アクチュエータを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１乃至１２のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記酸化剤室または上記予備排気室の少なくとも一方は、上記酸化剤室に排出されるガスに含まれる水分を結露させて貯める結露部を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池において、
上記結露部は上記酸化剤室または上記予備排気室の少なくとも一方の壁面に形成され、
上記壁面に形成された結露部に貯めた結露水を上記燃料室に導く導入通路を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項１乃至１４のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記積層される単セルが有する燃料極および酸化剤極は、四角形の四隅をカットした形状であることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
平面状に配列された複数の単セルを備え、
上記単セルは、
液体燃料が供給されると共にこの液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
上記燃料極に対向するように配置されると共に上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されると共に上記電解質膜に対向するように配置され、上記電解質膜を透過した上記陽イオンと上記酸化剤とを反応させる酸化剤極とを有し、
上記燃料極と電解質膜と酸化剤極は、それぞれ、隣接する上記単セルの間で連続していて一体になっていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求項１６に記載の燃料電池において、
上記平面状に配列された複数の単セルが１つの平面状セルをなし、
積層された複数の上記平面状セルを備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項１８】
請求項１０に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、
吸気時には上記周辺部に形成される吸気口を広げる一方、排出時には上記吸気口を閉じる弁機構を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
請求項１０に記載の燃料電池において、
上記ダイヤフラム型ポンプは、
上記中央部付近に形成された排出口に設置されると共に上記酸化剤室から予備排気室に積層方向に延在している仕切り板または棒状構造部を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
請求項１２に記載の燃料電池において、
上記静電アクチュエータは、
上記酸化剤室および上記予備排気室に対して隔離されて通気しないように配置されている駆動電極を有することを特徴とする燃料電池。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【公開番号】特開２００７−２１４１１０（Ｐ２００７−２１４１１０Ａ）
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１８５６９（Ｐ２００６−３１８５６９）
【出願日】平成１８年１１月２７日（２００６．１１．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年８月２３日（２００７．８．２３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２７日（２００６．１１．２７）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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