燃料電池
【課題】長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】アノード１３と、カソード１６と、アノードとカソードとの間に挟持された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２と、
アノードに接触するアノード集電部４１と、カソードに接触するカソード集電部４２と、カソード集電部から延出した延出電極４２Ｅと、を有する集電体４０と、
延出電極とアノード集電部との間に挟持された絶縁膜ＩＳと、
膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料供給機構３と、
を備えたことを特徴とする。
【解決手段】アノード１３と、カソード１６と、アノードとカソードとの間に挟持された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２と、
アノードに接触するアノード集電部４１と、カソードに接触するカソード集電部４２と、カソード集電部から延出した延出電極４２Ｅと、を有する集電体４０と、
延出電極とアノード集電部との間に挟持された絶縁膜ＩＳと、
膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料供給機構３と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に係り、特に膜電極接合体の電極に接触して集電する集電体を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させてアノードに供給する内部気化型等のパッシブ方式などが知られている。
【０００４】
ＤＭＦＣは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えている。アノード及びカソードは、それぞれガス拡散層及び触媒層を有しており、それぞれの触媒層で電解質膜に接している。
【０００５】
このようなＤＭＦＣでは、アノードに燃料としてのメタノールを導入すると、メタノールはガス拡散層を介して触媒層に達する。このアノードの触媒層では、その触媒作用によりプロトン、電子および二酸化炭素が生成される。プロトンは、プロトン伝導性を有する高分子バインダーの作用により触媒層から電解質膜に移動し、さらに、カソード側の触媒層へと移動する。一方、カソードに空気を導入すると、空気はガス拡散層を介して触媒層に達する。そして、このカソードの触媒層では、空気中の酸素とアノード側から移動してきたプロトンとアノードから外部回路を通じて供給される電子とが反応して水を生成するとともに、外部回路を通る電子によって電力が供給される。
【０００６】
ところで、燃料電池では、１個の単電池から得られる電力及び電圧は小さいため、それらを電気的に直列に接続して、大電力及び高電圧を得ている。例えば、特許文献１によれば、隣り合う燃料極または酸化剤極の少なくとも一方を互いに向かい合わせ、絶縁性の流路板の両主面に、燃料極を向かい合わせた場合は燃料室を、酸化剤極を向かい合わせた場合には酸化剤室をそれぞれ構成するモノポーラ型積層燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２９４０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料としてメタノールを用いた発電反応では、カソードで生成された水を効率よくアノード側に供給し、アノード側での触媒作用に利用することが望まれる。しかしながら、発電反応によってカソード側での温度上昇により、生成した水が蒸発してしまい、アノード側に供給すべき水が不足してしまうことがある。この場合、出力の低下を招くおそれがある。
【０００８】
この発明の目的は、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能な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】
【０００９】
この発明の第１態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノードに接触するアノード集電部と、前記カソードに接触するカソード集電部と、前記カソード集電部から延出した延出電極と、を有する集電体と、
前記延出電極と前記アノード集電部との間に挟持された絶縁膜と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この発明の第２態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノードに接触するアノード集電部と、前記カソードに接触するカソード集電部と、前記アノード集電部から延出した延出電極と、を有する集電体と、
前記延出電極と前記カソード集電部との間に挟持された絶縁膜と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００１２】
すなわち、第１態様によれば、集電体は、カソード集電部から延出した延出電極がアノード集電部との間で絶縁膜を挟持して構成されている。また、第２態様によれば、集電体は、アノード集電部から延出した延出電極がカソード集電部との間で絶縁膜を挟持して構成されている。
【００１３】
このため、カソード集電部とアノード集電部とが絶縁膜により電気的に絶縁されるとともに、膜電極接合体のカソードで発生した熱を集電体によりアノード側に放熱することが可能となる。つまり、カソードで発生した熱は、カソード集電部、延出電極、及び、アノード集電部を介してアノードに導かれる。
【００１４】
これにより、カソードの放熱効率を向上することができ、カソードで生成した水の過剰な蒸発を抑制することが可能となる。このため、適度な水を安定してアノードに供給することが可能となる。一方で、アノードが適度に温められるため、燃料の気化を促進することが可能となる。したがって、アノードでの発電反応を効率よく生起させることが可能となり、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。
【００１６】
《第１実施形態》
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の主要部を概略的に示す断面図である。
【００１７】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、液体燃料を収容する燃料収容部４とから主として構成されている。
【００１８】
すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。
【００１９】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。
【００２０】
ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００２１】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００２２】
アノード触媒層１１は、電解質膜１７上に配置されている。アノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に積層されている。このアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たす。カソード触媒層１４は、電解質膜１７上に配置されている。カソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に積層されている。このカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たす。これらのアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーや炭素繊維などの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。
【００２３】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００２４】
膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００２５】
上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。
【００２６】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００２７】
燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。
【００２８】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。
【００２９】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。
【００３０】
細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。
【００３１】
燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００３２】
さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
【００３３】
膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。
【００３４】
燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
【００３５】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材を配置しても良い。
【００３６】
また、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体を配置しても良い。
【００３７】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。
【００３８】
さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。
【００３９】
この実施の形態の燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００４０】
ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。
【００４１】
ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００４２】
なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。
【００４３】
また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
【００４４】
また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
【００４５】
この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。
【００４６】
すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
【００４７】
上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００４８】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体４０を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体４０を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００４９】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2 → ３Ｈ2Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００５０】
ところで、この第１実施形態の燃料電池は、図１及び図２に示したように、膜電極接合体２のアノード１３に接触するアノード集電部４１と、カソード１６に接触するカソード集電部４２と、カソード集電部４２から延出した延出電極４２Ｅと、を有する集電体４０を備えている。これらの集電部及び延出電極は、導電性及び熱伝導性に優れた材料によって形成されている。例えば、アノード集電部４１及びカソード集電部４２は、膜電極接合体２に接触する表面が金（Ａｕ）によって形成されている。
【００５１】
ここに示した例では、カソード集電部４２及び延出電極４２Ｅは、一体的に形成されている。このため、延出電極４２Ｅは、カソード集電部４２と同一材料によって形成されている。なお、アノード集電部４１と、カソード集電部４２及び延出電極４２Ｅとは、別体である。
【００５２】
アノード集電部４１は、アノード１３と略同等のサイズに形成されている。カソード集電部４２は、カソード１６と略同等のサイズに形成されている。延出電極４２Ｅは、アノード集電部４１と略同等のサイズに形成されている。この延出電極４２Ｅは、カソード集電部４２がカソード１６（特に、カソードガス拡散層１５）に接触するように配置された状態で、アノード１３（特に、アノードガス拡散層１２）に接触しているアノード集電部４１に重なるように配置される。
【００５３】
このように、アノード集電部４１と延出電極４２Ｅとが重なったとき、アノード集電部４１とカソード集電部４２との電気的な絶縁を確保するために、延出電極４２Ｅとアノード集電部４１との間に絶縁膜ＩＳが挟持されている。この絶縁膜ＩＳは、電気的絶縁性を有するものであれば良く、さらには、熱伝導性が比較的高いものであることが望ましい。なお、絶縁膜ＩＳを形成するための材料として、熱伝導性が高い材料でなくても、熱伝導可能な程度に薄い厚みで十分な電気的絶縁性を確保できる材料であれば適用可能である。この実施形態においては、絶縁膜ＩＳは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）によって形成されている。
【００５４】
このように、第１実施形態においては、カソード集電部４２及び延出電極４２Ｅは、膜電極接合体２、アノード集電部４１及び絶縁膜ＩＳを挟み込むように配置されている。そして、延出電極４２Ｅ及びアノード集電部４１は、膜電極接合体２のアノード１３と燃料供給機構３との間で絶縁膜ＩＳを挟持している。
【００５５】
アノード集電部４１、延出電極４２Ｅ、及び、絶縁膜ＩＳは、燃料供給機構３から供給された燃料のアノード１３への導入を促進するために複数の開口ＡＰを有している。また、カソード集電部４２は、カバープレート２１の開口部２１Ａから取り込んだ空気のカソード１６への導入を促進するために複数の開口ＡＰを有している。
【００５６】
このような第１実施形態によれば、膜電極接合体２のカソード１６で発生した熱は、集電体４０のカソード集電部４２から延出電極４２Ｅを経由してアノード集電部４１からアノード１３に導かれる。これにより、カソード１６の放熱効率を向上することができ、カソード１６で生成した水の過剰な蒸発を抑制することが可能となる。このため、適度な水を安定してアノード１３に供給することが可能となる。一方で、カソード１６の熱がアノード１３に伝わってアノード１３が適度に温められるため、燃料供給機構３から供給される液体燃料の気化を促進することが可能となる。したがって、アノード１３での発電反応を効率よく生起させることが可能となり、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能となる。
【００５７】
《第２実施形態》
第２実施形態の燃料電池は、図３及び図４に示したように、膜電極接合体２のアノード１３に接触するアノード集電部４１と、カソード１６に接触するカソード集電部４２と、アノード集電部４１から延出した延出電極４１Ｅと、を有する集電体４０を備えている。なお、第１実施形態と同一構成については、同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５８】
ここに示した例では、アノード集電部４１及び延出電極４１Ｅは、一体的に形成されている。このため、延出電極４１Ｅは、アノード集電部４１と同一材料によって形成されている。なお、アノード集電部４１及び延出電極４１Ｅと、カソード集電部４２とは、別体である。
【００５９】
延出電極４１Ｅは、アノード集電部４１がアノード１３に接触するように配置された状態で、カソード１６に接触しているカソード集電部４２に重なるように配置される。このように、カソード集電部４２と延出電極４１Ｅとが重なったとき、アノード集電部４１とカソード集電部４２との電気的な絶縁を確保するために、延出電極４１Ｅとカソード集電部４２との間に絶縁膜ＩＳが挟持されている。
【００６０】
この第２実施形態においては、アノード集電部４１及び延出電極４１Ｅは、膜電極接合体２、カソード集電部４２及び絶縁膜ＩＳを挟み込むように配置されている。そして、延出電極４１Ｅ及びカソード集電部４２は、膜電極接合体２のカソード１６と板状体２０との間で絶縁膜ＩＳを挟持している。
【００６１】
このような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
《変形例》
この変形例は、上述した第１実施形態及び第２実施形態に適用可能である。
【００６３】
すなわち、変形例においては、図５及び図６に示すように、膜電極接合体２は、同一の電解質膜１７における一方の面１７Ａ上に配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂ上に配置された複数のカソード１６とを有しており、各アノード１３と各カソード１６とが電解質膜１７を介して対向している。つまり、アノード１３とカソード１６との各組は、単セルＣを構成し、それぞれが電解質膜１７の平面上において、分離されて配置されている。
【００６４】
ここに示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａ上に配置された４個のアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｂに配置された４個のカソード１６１〜１６４と、を有している。アノード１３１とカソード１６１とがそれぞれ対向するように配置されており、１組の単セルＣを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とがそれぞれ対向するように配置されており、４組の単セルＣが同一平面上に配列されている。
【００６５】
燃料電池１は、これらのアノード１３とカソード１６との各組を電気的に直列に接続する集電体４０を備えている。
【００６６】
すなわち、図７に示すように、集電体４０を備えた絶縁性のベースフィルムＢＦは、膜電極接合体２の外形寸法の概ね３倍の面積を有しており、膜電極接合体２における単セルＣの並び方向とは直交する方向に延出している。このようなベースフィルムＢＦは、図中の位置Ｂ１及びＢ２で３つに折り曲げることによって膜電極接合体２を挟持するものである。
【００６７】
ベースフィルムＢＦは、電気的に絶縁性を有することはもちろんのこと、使用する燃料や、発電反応によって生成される生成物に対する耐腐食性を有する材料によって形成されていることが望ましく、例えばポリプロピレン（ＰＰ）によって形成されている。
【００６８】
集電体４０は、複数のアノード集電部４１と、複数のカソード集電部４２とを有している。また、図７に示した例は、第１実施形態の変形例に相当し、集電体４０は、各カソード集電部４２から延出した延出電極４２Ｅを有している。これらのアノード集電部４１、カソード集電部４２、及び、延出電極４２Ｅは、ベースフィルムＢＦ上における同一面上に配置されている。
【００６９】
アノード集電部４１は、アノード１３のそれぞれに対応して設けられ、膜電極接合体２に含まれるアノード１３と同数個備えられている。また、カソード集電部４２は、カソード１６のそれぞれに対応して設けられ、膜電極接合体２に含まれるカソード１６と同数個備えられている。
【００７０】
図７に示した例では、集電体４０は、４個のアノード集電部４１１〜４１４、４個のカソード集電部４２１〜４２４、及び、４個の延出電極４２１Ｅ〜４２４Ｅを有している。アノード集電部４１１はアノード１３１に対応して配置され、同様に、アノード集電部４１２はアノード１３２に対応して配置され、アノード集電部４１３はアノード１３３に対応して配置され、アノード集電部４１４はアノード１３４に対応して配置される。カソード集電部４２１はカソード１６１に対応して配置され、同様に、カソード集電部４２２はカソード１６２に対応して配置され、カソード集電部４２３はカソード１６３に対応して配置され、カソード集電部４２４はカソード１６４に対応して配置される。
【００７１】
集電体４０は、アノード集電部４１に接続された出力端子４６及びカソード集電部４２に接続された出力端子４７を備えている。すなわち、集電体４０において、互いに最も離れた位置に配置されたアノード集電部４１１及びカソード集電部４２４には、それぞれ集電した電子を取り出す出力端子４６及び４７が接続されている。
【００７２】
出力端子を有していないアノード集電部４１及びカソード集電部４２は、それぞれ連結部４８によって電気的に接続されている。図７に示した例では、アノード集電部４１２とカソード集電部４２１とが連結部４８１によって接続され、同様に、アノード集電部４１３とカソード集電部４２２とが連結部４８２によって接続され、アノード集電部４１４とカソード集電部４２３とが連結部４８３によって接続されている。
【００７３】
上述したような構造の集電体４０を３つ折りにした内側空間には、図８に示すように、膜電極接合体２が収容されている。すなわち、各アノード集電部４１は対応するアノード１３と接触して電気的に接続され、また、各カソード集電部４２は対応するカソード１６と接触して電気的に接続されるとともに、各延出電極４２Ｅとアノード集電部４１との間には絶縁膜ＩＳが介在されている。なお、図８に示した通り、延出電極４２Ｅとアノード集電部４１との間には元々ベースフィルムＢＦが介在しており、ベースフィルムＢＦの絶縁性が十分であれば絶縁膜ＩＳを省略しても良い。
【００７４】
なお、ベースフィルムＢＦ及び集電体４０は、図７に示したように、アノード集電部及びカソード集電部に相当する部分に複数の開口ＡＰを有し、また、絶縁膜ＩＳも図９に示すように延出電極４２Ｅと重なる部分に複数の開口ＡＰを有することが望ましい。
【００７５】
図８に示したような集電体４０によって包まれた膜電極接合体２は、燃料供給機構３及び板状体２０の間に挟持され、カバープレート２１によってカバーされ、燃料電池を構成する。
【００７６】
このように、同一平面上で互いに分離して配置された複数の単セルを電気的に直列に接続する集電体構成において、各単セルのカソード１６の放熱効率を向上することができ、また、アノード１３を適度に温めることができる。このため、発電反応を効率よく生起させることが可能となり、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能となる。
【００７７】
《効果の検証》
第１実施形態に相当する構成の燃料電池を実施例１とし、第２実施形態に相当する構成の燃料電池を実施例２とし、延出電極をもたない集電体を適用した構成の燃料電池を比較例とし、それぞれ運転時間に対する初期出力の維持率を測定したところ、図１０に示すような結果が得られた。実施例１及び実施例２では比較的長期にわたって初期出力を維持できているのに対して、比較例では、急激な出力低下の傾向が見られた。
【００７８】
上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【００７９】
さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【００８０】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、この発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池の構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図３】図３は、この発明の第２実施形態に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図４】図４は、図３に示した燃料電池の構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図５】図５は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の外観を概略的に示す平面図である。
【図６】図６は、図５に示した膜電極接合体をＶＩ−ＶＩ線に沿って切断したときの斜視図である。
【図７】図７は、この発明の変形例に適用可能な集電体の構成を概略的に示す平面図である。
【図８】図８は、この発明の変形例に係る燃料電池の膜電極接合体及び集電体の構成を概略的に示す断面図である。
【図９】図９は、この発明の変形例に適用可能な絶縁膜の構成を概略的に示す平面図である。
【図１０】図１０は、各実施例と比較例との出力維持率の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１…燃料電池 ２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構 ４…燃料収容部
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １３…アノード（燃料極）
１４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １６…カソード（空気極）
１７…電解質膜 １９…シール部材
２０…板状体（保湿層） ２１…カバープレート
４０…集電体 ４１…アノード集電部 ４１Ｅ…延出電極 ４２…カソード集電部 ４２Ｅ…延出電極
ＩＳ…絶縁膜
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に係り、特に膜電極接合体の電極に接触して集電する集電体を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させてアノードに供給する内部気化型等のパッシブ方式などが知られている。
【０００４】
ＤＭＦＣは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えている。アノード及びカソードは、それぞれガス拡散層及び触媒層を有しており、それぞれの触媒層で電解質膜に接している。
【０００５】
このようなＤＭＦＣでは、アノードに燃料としてのメタノールを導入すると、メタノールはガス拡散層を介して触媒層に達する。このアノードの触媒層では、その触媒作用によりプロトン、電子および二酸化炭素が生成される。プロトンは、プロトン伝導性を有する高分子バインダーの作用により触媒層から電解質膜に移動し、さらに、カソード側の触媒層へと移動する。一方、カソードに空気を導入すると、空気はガス拡散層を介して触媒層に達する。そして、このカソードの触媒層では、空気中の酸素とアノード側から移動してきたプロトンとアノードから外部回路を通じて供給される電子とが反応して水を生成するとともに、外部回路を通る電子によって電力が供給される。
【０００６】
ところで、燃料電池では、１個の単電池から得られる電力及び電圧は小さいため、それらを電気的に直列に接続して、大電力及び高電圧を得ている。例えば、特許文献１によれば、隣り合う燃料極または酸化剤極の少なくとも一方を互いに向かい合わせ、絶縁性の流路板の両主面に、燃料極を向かい合わせた場合は燃料室を、酸化剤極を向かい合わせた場合には酸化剤室をそれぞれ構成するモノポーラ型積層燃料電池が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−２９４０６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料としてメタノールを用いた発電反応では、カソードで生成された水を効率よくアノード側に供給し、アノード側での触媒作用に利用することが望まれる。しかしながら、発電反応によってカソード側での温度上昇により、生成した水が蒸発してしまい、アノード側に供給すべき水が不足してしまうことがある。この場合、出力の低下を招くおそれがある。
【０００８】
この発明の目的は、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能な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】
【０００９】
この発明の第１態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノードに接触するアノード集電部と、前記カソードに接触するカソード集電部と、前記カソード集電部から延出した延出電極と、を有する集電体と、
前記延出電極と前記アノード集電部との間に挟持された絶縁膜と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えたことを特徴とする。
【００１０】
この発明の第２態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノードに接触するアノード集電部と、前記カソードに接触するカソード集電部と、前記アノード集電部から延出した延出電極と、を有する集電体と、
前記延出電極と前記カソード集電部との間に挟持された絶縁膜と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００１２】
すなわち、第１態様によれば、集電体は、カソード集電部から延出した延出電極がアノード集電部との間で絶縁膜を挟持して構成されている。また、第２態様によれば、集電体は、アノード集電部から延出した延出電極がカソード集電部との間で絶縁膜を挟持して構成されている。
【００１３】
このため、カソード集電部とアノード集電部とが絶縁膜により電気的に絶縁されるとともに、膜電極接合体のカソードで発生した熱を集電体によりアノード側に放熱することが可能となる。つまり、カソードで発生した熱は、カソード集電部、延出電極、及び、アノード集電部を介してアノードに導かれる。
【００１４】
これにより、カソードの放熱効率を向上することができ、カソードで生成した水の過剰な蒸発を抑制することが可能となる。このため、適度な水を安定してアノードに供給することが可能となる。一方で、アノードが適度に温められるため、燃料の気化を促進することが可能となる。したがって、アノードでの発電反応を効率よく生起させることが可能となり、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。
【００１６】
《第１実施形態》
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の主要部を概略的に示す断面図である。
【００１７】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、液体燃料を収容する燃料収容部４とから主として構成されている。
【００１８】
すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。
【００１９】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。
【００２０】
ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００２１】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００２２】
アノード触媒層１１は、電解質膜１７上に配置されている。アノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に積層されている。このアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たす。カソード触媒層１４は、電解質膜１７上に配置されている。カソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に積層されている。このカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たす。これらのアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーや炭素繊維などの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。
【００２３】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００２４】
膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００２５】
上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。
【００２６】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００２７】
燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。
【００２８】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。
【００２９】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。
【００３０】
細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。
【００３１】
燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００３２】
さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
【００３３】
膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。
【００３４】
燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
【００３５】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材を配置しても良い。
【００３６】
また、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体を配置しても良い。
【００３７】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料は、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。
【００３８】
さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。
【００３９】
この実施の形態の燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００４０】
ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。
【００４１】
ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００４２】
なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。
【００４３】
また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
【００４４】
また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
【００４５】
この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。
【００４６】
すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
【００４７】
上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００４８】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体４０を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体４０を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００４９】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2 → ３Ｈ2Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００５０】
ところで、この第１実施形態の燃料電池は、図１及び図２に示したように、膜電極接合体２のアノード１３に接触するアノード集電部４１と、カソード１６に接触するカソード集電部４２と、カソード集電部４２から延出した延出電極４２Ｅと、を有する集電体４０を備えている。これらの集電部及び延出電極は、導電性及び熱伝導性に優れた材料によって形成されている。例えば、アノード集電部４１及びカソード集電部４２は、膜電極接合体２に接触する表面が金（Ａｕ）によって形成されている。
【００５１】
ここに示した例では、カソード集電部４２及び延出電極４２Ｅは、一体的に形成されている。このため、延出電極４２Ｅは、カソード集電部４２と同一材料によって形成されている。なお、アノード集電部４１と、カソード集電部４２及び延出電極４２Ｅとは、別体である。
【００５２】
アノード集電部４１は、アノード１３と略同等のサイズに形成されている。カソード集電部４２は、カソード１６と略同等のサイズに形成されている。延出電極４２Ｅは、アノード集電部４１と略同等のサイズに形成されている。この延出電極４２Ｅは、カソード集電部４２がカソード１６（特に、カソードガス拡散層１５）に接触するように配置された状態で、アノード１３（特に、アノードガス拡散層１２）に接触しているアノード集電部４１に重なるように配置される。
【００５３】
このように、アノード集電部４１と延出電極４２Ｅとが重なったとき、アノード集電部４１とカソード集電部４２との電気的な絶縁を確保するために、延出電極４２Ｅとアノード集電部４１との間に絶縁膜ＩＳが挟持されている。この絶縁膜ＩＳは、電気的絶縁性を有するものであれば良く、さらには、熱伝導性が比較的高いものであることが望ましい。なお、絶縁膜ＩＳを形成するための材料として、熱伝導性が高い材料でなくても、熱伝導可能な程度に薄い厚みで十分な電気的絶縁性を確保できる材料であれば適用可能である。この実施形態においては、絶縁膜ＩＳは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）によって形成されている。
【００５４】
このように、第１実施形態においては、カソード集電部４２及び延出電極４２Ｅは、膜電極接合体２、アノード集電部４１及び絶縁膜ＩＳを挟み込むように配置されている。そして、延出電極４２Ｅ及びアノード集電部４１は、膜電極接合体２のアノード１３と燃料供給機構３との間で絶縁膜ＩＳを挟持している。
【００５５】
アノード集電部４１、延出電極４２Ｅ、及び、絶縁膜ＩＳは、燃料供給機構３から供給された燃料のアノード１３への導入を促進するために複数の開口ＡＰを有している。また、カソード集電部４２は、カバープレート２１の開口部２１Ａから取り込んだ空気のカソード１６への導入を促進するために複数の開口ＡＰを有している。
【００５６】
このような第１実施形態によれば、膜電極接合体２のカソード１６で発生した熱は、集電体４０のカソード集電部４２から延出電極４２Ｅを経由してアノード集電部４１からアノード１３に導かれる。これにより、カソード１６の放熱効率を向上することができ、カソード１６で生成した水の過剰な蒸発を抑制することが可能となる。このため、適度な水を安定してアノード１３に供給することが可能となる。一方で、カソード１６の熱がアノード１３に伝わってアノード１３が適度に温められるため、燃料供給機構３から供給される液体燃料の気化を促進することが可能となる。したがって、アノード１３での発電反応を効率よく生起させることが可能となり、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能となる。
【００５７】
《第２実施形態》
第２実施形態の燃料電池は、図３及び図４に示したように、膜電極接合体２のアノード１３に接触するアノード集電部４１と、カソード１６に接触するカソード集電部４２と、アノード集電部４１から延出した延出電極４１Ｅと、を有する集電体４０を備えている。なお、第１実施形態と同一構成については、同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５８】
ここに示した例では、アノード集電部４１及び延出電極４１Ｅは、一体的に形成されている。このため、延出電極４１Ｅは、アノード集電部４１と同一材料によって形成されている。なお、アノード集電部４１及び延出電極４１Ｅと、カソード集電部４２とは、別体である。
【００５９】
延出電極４１Ｅは、アノード集電部４１がアノード１３に接触するように配置された状態で、カソード１６に接触しているカソード集電部４２に重なるように配置される。このように、カソード集電部４２と延出電極４１Ｅとが重なったとき、アノード集電部４１とカソード集電部４２との電気的な絶縁を確保するために、延出電極４１Ｅとカソード集電部４２との間に絶縁膜ＩＳが挟持されている。
【００６０】
この第２実施形態においては、アノード集電部４１及び延出電極４１Ｅは、膜電極接合体２、カソード集電部４２及び絶縁膜ＩＳを挟み込むように配置されている。そして、延出電極４１Ｅ及びカソード集電部４２は、膜電極接合体２のカソード１６と板状体２０との間で絶縁膜ＩＳを挟持している。
【００６１】
このような第２実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【００６２】
《変形例》
この変形例は、上述した第１実施形態及び第２実施形態に適用可能である。
【００６３】
すなわち、変形例においては、図５及び図６に示すように、膜電極接合体２は、同一の電解質膜１７における一方の面１７Ａ上に配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂ上に配置された複数のカソード１６とを有しており、各アノード１３と各カソード１６とが電解質膜１７を介して対向している。つまり、アノード１３とカソード１６との各組は、単セルＣを構成し、それぞれが電解質膜１７の平面上において、分離されて配置されている。
【００６４】
ここに示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａ上に配置された４個のアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｂに配置された４個のカソード１６１〜１６４と、を有している。アノード１３１とカソード１６１とがそれぞれ対向するように配置されており、１組の単セルＣを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とがそれぞれ対向するように配置されており、４組の単セルＣが同一平面上に配列されている。
【００６５】
燃料電池１は、これらのアノード１３とカソード１６との各組を電気的に直列に接続する集電体４０を備えている。
【００６６】
すなわち、図７に示すように、集電体４０を備えた絶縁性のベースフィルムＢＦは、膜電極接合体２の外形寸法の概ね３倍の面積を有しており、膜電極接合体２における単セルＣの並び方向とは直交する方向に延出している。このようなベースフィルムＢＦは、図中の位置Ｂ１及びＢ２で３つに折り曲げることによって膜電極接合体２を挟持するものである。
【００６７】
ベースフィルムＢＦは、電気的に絶縁性を有することはもちろんのこと、使用する燃料や、発電反応によって生成される生成物に対する耐腐食性を有する材料によって形成されていることが望ましく、例えばポリプロピレン（ＰＰ）によって形成されている。
【００６８】
集電体４０は、複数のアノード集電部４１と、複数のカソード集電部４２とを有している。また、図７に示した例は、第１実施形態の変形例に相当し、集電体４０は、各カソード集電部４２から延出した延出電極４２Ｅを有している。これらのアノード集電部４１、カソード集電部４２、及び、延出電極４２Ｅは、ベースフィルムＢＦ上における同一面上に配置されている。
【００６９】
アノード集電部４１は、アノード１３のそれぞれに対応して設けられ、膜電極接合体２に含まれるアノード１３と同数個備えられている。また、カソード集電部４２は、カソード１６のそれぞれに対応して設けられ、膜電極接合体２に含まれるカソード１６と同数個備えられている。
【００７０】
図７に示した例では、集電体４０は、４個のアノード集電部４１１〜４１４、４個のカソード集電部４２１〜４２４、及び、４個の延出電極４２１Ｅ〜４２４Ｅを有している。アノード集電部４１１はアノード１３１に対応して配置され、同様に、アノード集電部４１２はアノード１３２に対応して配置され、アノード集電部４１３はアノード１３３に対応して配置され、アノード集電部４１４はアノード１３４に対応して配置される。カソード集電部４２１はカソード１６１に対応して配置され、同様に、カソード集電部４２２はカソード１６２に対応して配置され、カソード集電部４２３はカソード１６３に対応して配置され、カソード集電部４２４はカソード１６４に対応して配置される。
【００７１】
集電体４０は、アノード集電部４１に接続された出力端子４６及びカソード集電部４２に接続された出力端子４７を備えている。すなわち、集電体４０において、互いに最も離れた位置に配置されたアノード集電部４１１及びカソード集電部４２４には、それぞれ集電した電子を取り出す出力端子４６及び４７が接続されている。
【００７２】
出力端子を有していないアノード集電部４１及びカソード集電部４２は、それぞれ連結部４８によって電気的に接続されている。図７に示した例では、アノード集電部４１２とカソード集電部４２１とが連結部４８１によって接続され、同様に、アノード集電部４１３とカソード集電部４２２とが連結部４８２によって接続され、アノード集電部４１４とカソード集電部４２３とが連結部４８３によって接続されている。
【００７３】
上述したような構造の集電体４０を３つ折りにした内側空間には、図８に示すように、膜電極接合体２が収容されている。すなわち、各アノード集電部４１は対応するアノード１３と接触して電気的に接続され、また、各カソード集電部４２は対応するカソード１６と接触して電気的に接続されるとともに、各延出電極４２Ｅとアノード集電部４１との間には絶縁膜ＩＳが介在されている。なお、図８に示した通り、延出電極４２Ｅとアノード集電部４１との間には元々ベースフィルムＢＦが介在しており、ベースフィルムＢＦの絶縁性が十分であれば絶縁膜ＩＳを省略しても良い。
【００７４】
なお、ベースフィルムＢＦ及び集電体４０は、図７に示したように、アノード集電部及びカソード集電部に相当する部分に複数の開口ＡＰを有し、また、絶縁膜ＩＳも図９に示すように延出電極４２Ｅと重なる部分に複数の開口ＡＰを有することが望ましい。
【００７５】
図８に示したような集電体４０によって包まれた膜電極接合体２は、燃料供給機構３及び板状体２０の間に挟持され、カバープレート２１によってカバーされ、燃料電池を構成する。
【００７６】
このように、同一平面上で互いに分離して配置された複数の単セルを電気的に直列に接続する集電体構成において、各単セルのカソード１６の放熱効率を向上することができ、また、アノード１３を適度に温めることができる。このため、発電反応を効率よく生起させることが可能となり、長期にわたって高い出力を安定して得ることが可能となる。
【００７７】
《効果の検証》
第１実施形態に相当する構成の燃料電池を実施例１とし、第２実施形態に相当する構成の燃料電池を実施例２とし、延出電極をもたない集電体を適用した構成の燃料電池を比較例とし、それぞれ運転時間に対する初期出力の維持率を測定したところ、図１０に示すような結果が得られた。実施例１及び実施例２では比較的長期にわたって初期出力を維持できているのに対して、比較例では、急激な出力低下の傾向が見られた。
【００７８】
上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【００７９】
さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【００８０】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】図１は、この発明の第１実施形態に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池の構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図３】図３は、この発明の第２実施形態に係る燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。
【図４】図４は、図３に示した燃料電池の構造を概略的に示す分解斜視図である。
【図５】図５は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の外観を概略的に示す平面図である。
【図６】図６は、図５に示した膜電極接合体をＶＩ−ＶＩ線に沿って切断したときの斜視図である。
【図７】図７は、この発明の変形例に適用可能な集電体の構成を概略的に示す平面図である。
【図８】図８は、この発明の変形例に係る燃料電池の膜電極接合体及び集電体の構成を概略的に示す断面図である。
【図９】図９は、この発明の変形例に適用可能な絶縁膜の構成を概略的に示す平面図である。
【図１０】図１０は、各実施例と比較例との出力維持率の測定結果を示す図である。
【符号の説明】
【００８２】
１…燃料電池 ２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構 ４…燃料収容部
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １３…アノード（燃料極）
１４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １６…カソード（空気極）
１７…電解質膜 １９…シール部材
２０…板状体（保湿層） ２１…カバープレート
４０…集電体 ４１…アノード集電部 ４１Ｅ…延出電極 ４２…カソード集電部 ４２Ｅ…延出電極
ＩＳ…絶縁膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノードに接触するアノード集電部と、前記カソードに接触するカソード集電部と、前記カソード集電部から延出した延出電極と、を有する集電体と、
前記延出電極と前記アノード集電部との間に挟持された絶縁膜と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記延出電極及び前記アノード集電部は、前記膜電極接合体の前記アノードと前記燃料供給機構との間で前記絶縁膜を挟持す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】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノードに接触するアノード集電部と、前記カソードに接触するカソード集電部と、前記アノード集電部から延出した延出電極と、を有する集電体と、
前記延出電極と前記カソード集電部との間に挟持された絶縁膜と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
さらに、前記燃料供給機構との間で前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、
前記カバープレートと前記膜電極接合体との間に配置された板状体と、を備え、
前記延出電極及び前記カソード集電部は、前記膜電極接合体の前記カソードと前記板状体との間で前記絶縁膜を挟持することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記集電体は、前記絶縁フィルムの同一の面上に、前記膜電極接合体における複数の前記アノードのそれぞれに接触する複数のアノード集電部と、複数の前記カソードのそれぞれに接触する複数のカソード集電部と、前記アノード集電部と前記カソード集電部とを連結する連結部と、を有することを特徴とする請求項１または３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノード集電部及び前記カソード集電部は、前記膜電極接合体に接触する表面が金（Ａｕ）によって形成されたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノードに接触するアノード集電部と、前記カソードに接触するカソード集電部と、前記カソード集電部から延出した延出電極と、を有する集電体と、
前記延出電極と前記アノード集電部との間に挟持された絶縁膜と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記延出電極及び前記アノード集電部は、前記膜電極接合体の前記アノードと前記燃料供給機構との間で前記絶縁膜を挟持す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】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記アノードに接触するアノード集電部と、前記カソードに接触するカソード集電部と、前記アノード集電部から延出した延出電極と、を有する集電体と、
前記延出電極と前記カソード集電部との間に挟持された絶縁膜と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
さらに、前記燃料供給機構との間で前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、
前記カバープレートと前記膜電極接合体との間に配置された板状体と、を備え、
前記延出電極及び前記カソード集電部は、前記膜電極接合体の前記カソードと前記板状体との間で前記絶縁膜を挟持することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記集電体は、前記絶縁フィルムの同一の面上に、前記膜電極接合体における複数の前記アノードのそれぞれに接触する複数のアノード集電部と、複数の前記カソードのそれぞれに接触する複数のカソード集電部と、前記アノード集電部と前記カソード集電部とを連結する連結部と、を有することを特徴とする請求項１または３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノード集電部及び前記カソード集電部は、前記膜電極接合体に接触する表面が金（Ａｕ）によって形成されたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−２９５４３９（Ｐ２００９−２９５４３９Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１４８３６５（Ｐ２００８−１４８３６５）
【出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１３３９）東芝電子エンジニアリング株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１３３９）東芝電子エンジニアリング株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
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