燃料電池
【課題】安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 電解質膜をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、複数の開口部が形成されるとともに前記膜電極接合体のカソード側に配置され前記燃料供給機構との間に前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を有する燃料電池本体と、複数の貫通孔が形成され、前記燃料電池本体のカソード側の少なくとも一部を覆うとともに前記カバープレートから離間した放熱体と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【解決手段】 電解質膜をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、複数の開口部が形成されるとともに前記膜電極接合体のカソード側に配置され前記燃料供給機構との間に前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を有する燃料電池本体と、複数の貫通孔が形成され、前記燃料電池本体のカソード側の少なくとも一部を覆うとともに前記カバープレートから離間した放熱体と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【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しない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とを供給するだけで発電することができ、燃料を補給することにより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、特許文献１によれば、高温域で作動する燃料電池において、燃料電池を収納する機器の筐体が高温になることを防止する目的で、燃料電池を覆う断熱体の外表面を伝熱体で覆う技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２によれば、酸化剤導入口を有するカバーの外面及び内面のうち少なくともいずれかに積層され且つ酸化剤導入口と対向する箇所に開口部を有する第１の断熱性部材を具備した燃料電池が開示されている。また、この特許文献２によれば、上記の第１の断熱性部材に加えて、カソード集電部及びアノード集電部に積層され且つガス透過孔を有する第２の断熱性部材を具備した燃料電池も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２０２６１１号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０８６４３２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池として、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。
【０００７】
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燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００８】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣは、例えばアノード（燃料極）、カソード（空気極）、及び、電解質膜を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えて構成されている。
【０００９】
このような膜電極接合体のアノード側に燃料を供給するとともにカソード側に空気（特に酸素）を供給することにより、アノード側及びカソード側で発電反応が生ずる。特に、カソード側の反応においては、熱を生じる。また、アノードに供給された燃料のうち、未反応分が電解質膜を透過してカソード側に達する、いわゆるクロスオーバー現象が生じるが、そのクロスオーバーによってカソード側に達した燃料の少なくとも一部は、カソード側において空気と燃焼反応を生じ、その燃焼反応によっても熱を生じる。
【００１０】
これら反応によって生じた熱は、外気に放熱することになるが、この放熱量が反応によって生じる発熱量に比べて少なければＤＭＦＣの温度は上昇し続け、放熱量が反応によって生じる発熱量に比べて多すぎればＤＭＦＣの温度は低下してしまう。
【００１１】
ここで、ＤＭＦＣの構成が一定であっても、外気の温度やＤＭＦＣに当たる風の強さ（風速）等の外部条件によって、ＤＭＦＣから外気への放熱量は変動することが問題となる。仮に、外気の温度が高い場合や風速が小さい場合などの放熱が行われにくい条件において最適の放熱量が得られるように設計した場合には、外気の温度が低い場合や風速が大きい場合などの放熱が行われやすい条件においては放熱量が過大となる。その場合、放熱量に見合うだけの燃料をＤＭＦＣに供給することになるが、アノード側に大量の燃料が供給されるため、上記のクロスオーバーする燃料の量もまた多くなり、結果としてＤＭＦＣの出力は低下してしまう。
【００１２】
逆に、放熱が行われやすい条件において最適の放熱量が得られるように設計した場合には、放熱が行われにくい条件においては放熱量が過少となり、ＤＭＦＣへの燃料供給量は少なくなるよう制御される。このため、アノード側において反応を生じる量も減少し、結果としてＤＭＦＣの出力は低下することになる。
【００１３】
この発明の目的は、安定して高い出力を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】
【００１４】
この発明の一態様によれば、
電解質膜をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、複数の開口部が形成されるとともに前記膜電極接合体のカソード側に配置され前記燃料供給機構との間に前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を有する燃料電池本体と、
複数の貫通孔が形成され、前記燃料電池本体のカソード側の少なくとも一部を覆うとともに前記カバープレートから離間した放熱体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態における燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池本体を備えた燃料電池を第１方向Ｘに沿って切断した断面を概略的に示す図である。
【図３】図３は、他の実施形態における燃料電池本体を備えた燃料電池の概略断面図である。
【図４】図４は、性能評価を行った際の出力密度の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池（ＤＭＦＣ）本体０のカソード側の外観を示す平面図である。
【００１９】
この燃料電池本体０は、略矩形平板状に形成されている。図１に示した平面図では、燃料電池本体０は、長方形状であり、第１方向Ｘに沿って延びた一対の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延びた一対の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２と、を有している。
【００２０】
燃料電池本体０は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２を備えている。この膜電極接合体２は、略矩形状に形成されている。この膜電極接合体２は、その詳細な構造については後に説明するが、ここでは複数、たとえば４つの単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を備えている。単セルＣＬ１乃至ＣＬ４のそれぞれは、同一平面上において、第１方向Ｘに沿って延在した略長方形状であり、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。
【００２１】
膜電極接合体２のカソード側に位置する燃料電池本体０の表面には、カバープレート２１が配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。このカバープレート２１には、主として酸化剤である空気、特に酸素の取り込みを可能とする複数の開口部２１Ｈが形成されている。
【００２２】
なお、膜電極接合体２のアノード側には、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構（図示しない）が配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構との間に膜電極接合体２を保持した状態で、燃料電池１の各長辺Ｌ１及びＬ２、及び、各短辺Ｓ１及びＳ２において燃料供給機構に締結されている。
【００２３】
図２は、図１に示した燃料電池本体０を備えた燃料電池１を第１方向Ｘに沿って切断した断面を概略的に示す図である。
【００２４】
燃料電池本体０は、膜電極接合体２を備えている。膜電極接合体２は、アノード（燃料極）１３と、カソード（空気極あるいは酸化剤極）１６と、アノード１３とカソード１６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。アノード１３は、アノード触媒層１１と、このアノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２とを有している。アノード触媒層１１は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに積層されている。カソード１６は、カソード触媒層１４と、このカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５とを有している。カソード触媒層１４は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに積層されている。
【００２５】
図１に示した各単セルＣＬ１乃至ＣＬ４は、電解質膜１７を挟んで対向するアノード１３及びカソード１６によって構成されている。つまり、図１に示した４つの単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を備えた膜電極接合体２では、詳述しない４つのアノード１３が単一の電解質膜１７における一方の面１７Ａの上において第２方向Ｙに間隔をおいて配置され、また、４つのカソード１６が電解質膜１７における他方の面１７Ｃの上において第２方向Ｙに間隔をおいて配置されている。
【００２６】
このような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。集電体１８は、ベース絶縁層ＢＦ、ベース絶縁層ＢＦの上に配置されたアノード集電部１８Ａ、及び、ベース絶縁層ＢＦのアノード集電部１８Ａが配置された同一面上に配置されたカソード集電部１８Ｃを有している。
【００２７】
アノード集電部１８Ａ及びカソード集電部１８Ｃは、例えば、金、銅、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用して形成可能であり、さらには、グラファイト（黒鉛）などの炭素質材料を使用して形成しても良い。
【００２８】
図２に示した例では、アノード集電部１８Ａは、アノードガス拡散層１２に積層されている。このアノード集電部１８Ａには、アノード１３に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部１８ＡＨが形成されている。また、カソード集電部１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に積層されている。このカソード集電部１８Ｃには、カソード１６に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部１８ＣＨが形成されている。このような構成の集電体１８は、図１に示したような膜電極接合体２に備えられた複数の単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を電気的に直列に接続している。
【００２９】
膜電極接合体２は、電解質膜１７の一方の面１７Ａと集電体１８との間及び電解質膜１７の他方の面１７Ｃと集電体１８との間にそれぞれ挟持されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされている。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。なお、膜電極接合体２において、電解質膜１７のうち、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４にともに接しておらず、かつシール部材１９によって囲まれた内側に相当する位置に、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。
【００３０】
膜電極接合体２のカソード１６の側において、集電体１８とカバープレート２１との間には、通気性を有する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、カバープレート２１の開口部２１Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４へ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。このような板状体２０は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成される。
【００３１】
膜電極接合体２のアノード１３の側には、燃料供給機構３が配置されている。つまり、膜電極接合体２は、アノード１３の側に配置された燃料供給機構３とカソード１６の側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。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。このような燃料供給機構３は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部４に流路５を介して接続されている。
【００３２】
流路５は、配管などで構成されている。流路５は、燃料供給機構３や燃料収容部４と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給機構３と燃料収容部４とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給機構３は、流路等を介して燃料収容部４と連通されていればよい。
【００３３】
燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路５を介して燃料供給機構３まで落下させて送液することができる。また、流路５に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３まで送液してもよい。さらに、流路５の一部にポンプ６を介在させて、燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３まで強制的に送液してもよい。
【００３４】
なお、適用されるポンプ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から燃料供給機構３に向けて液体燃料Ｆを送液する燃料供給ポンプである。燃料供給機構３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。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Ｆ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なものが好ましい。
【００３５】
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２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。
【００３６】
また、燃料供給機構３において、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。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。
【００３７】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆ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Ｆ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Ｆ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Ｆ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Ｆが収容される。
【００３８】
以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００３９】
燃料供給機構３は、箱状に形成された容器３０、及び、膜電極接合体２のアノード１３の面方向（つまり、図中のＸ−Ｙ平面内の方向）に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料分配板３１を備えている。容器３０は、流路５が接続される図示しない燃料導入口を有している。このような容器３０を形成する樹脂材料としては、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）などが挙げられる。また、この容器３０は、樹脂材料に代えてステンレス（ＳＵＳ）や金属クラッド材などの金属材料を用いて形成することも可能である。
【００４０】
燃料分配板３１は、容器３０の内側に形成された凹部に配置されている。この燃料分配板３１は、平板状に形成されている。このような燃料分配板３１には、複数の燃料排出口３３が形成されている。このような燃料分配板３１は、容器３０の燃料導入口から供給された液体燃料をアノード１３に向けて燃料排出口３３から排出する。このような燃料分配板３１は、液体燃料やその気化成分を透過させない材料によって形成され、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリイミド系樹脂などの各種樹脂材料を用いて形成されている。
【００４１】
なお、この燃料分配板３１は、たとえば、液体燃料とその気化成分とを分離し、気化成分を膜電極接合体２に向けて透過させる気液分離膜で構成しても良い。この気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが適用可能である。
【００４２】
上述した燃料電池本体０においては、燃料収容部４から流路５を介して燃料分配板３１に導入された液体燃料Ｆは、液体成分のまま、もしくは液体成分と気体成分とが混在する状態で、燃料分配板３１の燃料排出口３３から排出される。排出された燃料は、集電体１８のアノード集電部１８Ａを介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。
【００４３】
アノード１３に供給された燃料の気体成分は、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。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。
【００４４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体１８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１８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。
【００４５】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2 → ３Ｈ2Ｏ …（２）
上述した燃料電池本体０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。
【００４６】
本実施形態の燃料電池１は、図２に示すように、燃料電池本体０のカソード１６の側の少なくとも一部を覆う放熱体４０を備えている。この放熱体４０は、カバープレート２１の上方に位置し、カバープレート２１から離間している。このような放熱体４０には、複数の貫通孔４０Ｈが形成されている。これらの貫通孔４０Ｈのそれぞれは、カバープレート２１の開口部２１Ｈの直上に位置している。貫通孔４０Ｈの個数は、開口部２１Ｈの個数と同数であるが、特にこの例に限らない。このような放熱体４０に貫通孔４０Ｈが形成されたことにより、燃料電池本体０のカソード１６の側に発電反応に必要な酸素を取り込むことが可能である。
【００４７】
上述した放熱体４０としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率の高い材料によって形成されることが望ましい。具体的には、放熱体４０としては、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属、または、ステンレスなどのこれらの金属の合金などが適用可能である。また、放熱体４０としては、グラファイト（黒鉛）等の炭素質材料も使用可能である。
【００４８】
放熱体４０としては、熱伝導率が高く、かつ肉厚が薄くても強度が高いという点からは、金属材料を適用することが最も望ましい。特に、銅（２０℃における熱伝導率３７０Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（２０℃における熱伝導率２０４Ｗ／ｍＫ）、タングステン（２０℃における熱伝導率１９８Ｗ／ｍＫ）は比較的熱伝導率が高いために好ましい。本実施形態において、放熱体４０として適用可能な材料は、１０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料である。好ましくは、５０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有する材料である。なお、ここで説明した熱伝導率は、レーザーフラッシュ法によって測定したものである。
【００４９】
より好ましくは、放熱体４０は、その表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）される。外気への放熱性を高めるためには、特に、放熱体４０の表面が黒色アルマイト処理されることが好ましい。
【００５０】
放熱体４０として金属材料を用いた場合、カソード１６で生成した水や、大気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸化、腐食を生じる可能性がある。それを防ぐために、放熱体４０としては、ステンレス等の腐食しにくい材料を用いるか、または、放熱体４０の表面に、金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、炭素質の物質や、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の気化成分に溶解しない塗料で塗装する等しても良い。
【００５１】
上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これらの樹脂やゴムは、金属材料に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできるだけ薄くするのが望ましい。
【００５２】
図２に示した例では、カバープレート２１と放熱体４０とを離間させるために、カバープレート２１の表面（板状体２０と接する面とは反対側の面）２１Ａと放熱体４０の背面４０Ａとの間にスペーサ５０が配置している。このようなスペーサ５０は、カバープレート２１の開口部２１Ｈが形成された領域あるいは放熱体４０の貫通孔４０が形成された領域の外側に配置されている。このスペーサ５０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの絶縁体によって形成された矩形枠状の板状体である。
【００５３】
これにより、カバープレート２１と放熱体４０との間には空気層５１が形成される。この空気層５１のＺ方向に沿った厚み、つまり、カバープレート２１の表面２１Ａと放熱体４０の背面４０Ａとの間の間隔は、図中のＸ−Ｙ平面内のいずれの場所においても略同一である。
【００５４】
なお、このような空気層５１を形成するためには、スペーサ５０を省略してもよく、例えば、放熱体４０が燃料電池１の筐体の一部であったり、この筐体に支持されていたり、あるいは、燃料電池１を搭載した電子機器に放熱体４０が支持されていたりする場合には、スペーサ５０を介することなくカバープレート２１と放熱体４０との間に空気層５１を形成可能である。
【００５５】
このような構成の燃料電池１において、カバープレート２１から放熱体４０への熱伝導は主に、両者が接触した部分での直接の伝熱ではなく、輻射または空気等の気体の対流によって行われる。本実施形態によれば、外気の温度が高い場合や風速が小さい場合などの放熱が行われにくい条件においては、カバープレート２１と放熱体４０とが密着して直接の伝熱によって熱伝導する場合とほぼ同じ放熱量が得られる。従って、放熱体４０を設けることによって燃料電池本体０からの放熱が促進され、放熱体４０から外気への放熱量が増加し、それに見合う量の燃料が供給されるので、燃料電池本体０の出力が向上する。
【００５６】
一方、外気の温度が低い場合や風速が大きい場合などの放熱が行われやすい条件においては、放熱体４０から外気への放熱量は増加するが、カバープレート２１から放熱体４０への熱伝導量は、放熱体４０から外気への放熱量ほどには増加しない。このため、放熱体４０の表面温度は低下するが、燃料電池本体０からの放熱量が過大となることは防止でき、燃料供給量の過剰な増加によって生じるクロスオーバーの増加等に伴う燃料電池の出力低下を抑制することが可能となる。
【００５７】
また、カバープレート２１の表面温度と外気温との差がＡ（℃）のときの、カバープレート２１の表面温度と放熱体４０の表面温度との間の温度差をＢ（℃）としたときに、０．０５＜Ｂ／Ａ＜０．３であることが望ましい。すなわち、Ｂ／Ａ≦０．０５のときは、カバープレート２１から放熱体４０への熱伝導が、直接の伝熱と同程度に行われていることを示し、放熱が行われやすい条件の下では燃料供給量の過剰な増加等によって生じる燃料電池の出力低下を抑制することが難しくなる。また、Ｂ／Ａ≧０．３のときは、カバープレート２１から放熱体４０への熱伝導が余り行われていないことを示し、放熱が行われにくい条件の下では放熱量の減少によって生じる燃料電池の出力低下を抑制することが難しくなる。
【００５８】
更に、カバープレート２１の表面２１Ａから放熱体４０の外表面４０Ｂまでの間の距離をＣ（ｍｍ）としたときに、Ｂ／Ｃ＞２（℃／ｍｍ）であることが望ましい。カソード触媒層１４で反応によって生じた水蒸気の少なくとも一部は、カバープレート２１に設けられた開口部２１を通り、更に放熱体４０に設けられた貫通孔４０Ｈに達するが、Ｂ／Ｃ＞２（℃／ｍｍ）であるときには、カバープレート２１と放熱体４０との間に大きな温度勾配が生じていることを示し、カバープレート２１と放熱体４０との間の水蒸気分圧の勾配も大きくなるため、放熱体４０に設けられた貫通孔４０Ｈを通して外気に放散される水蒸気の量が減少する。即ち、膜電極接合体２に含まれる水の量が増加することになり、この膜電極接合体２に含まれる水がクロスオーバーの増加を抑制する機能を果たして、燃料電池本体０の出力低下を抑制することが可能となる。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【００６０】
次に、本実施形態で採用可能な燃料電池１のバリエーションについて説明する。なお、図２に示した例と同一の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。
【００６１】
図３は、他の実施形態における燃料電池本体０を備えた燃料電池１の概略断面図である。
【００６２】
ここに示した例では、図２に示した例と比較して、カバープレート２１と放熱体４０と離間させるために、カバープレート２１と放熱体４０との間に通気性を有する断熱体６０を配置した点で相違している。断熱体６０は、カバープレート２１の表面２１Ａに接するとともに、放熱体４０の背面４０Ａにも接している。このような断熱体６０は、カバープレート２１の開口部２１Ｈ及び放熱体４０の貫通孔４０に重なっているが、通気性を有しているため、燃料電池本体０への発電反応に必要な外気（特に酸素）の取り込みを阻害することはない。
【００６３】
この断熱体６０は、例えば、多孔質ポリエチレン膜などの絶縁体によって形成されている。また、この断熱体６０のＺ方向に沿った厚みは、図中のＸ−Ｙ平面内のいずれの場所においても略同一である。なお、本実施形態において、断熱体６０として適用可能な材料は、２Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する材料である。より好ましくは、０．５Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導性を有する材料である。
【００６４】
図３に示した例においても、図２に示した例と同様の効果が得られる。
【００６５】
本実施形態において、カバープレート２１の表面２１Ａと放熱体４０の背面４０Ａとの間の間隔は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが望ましい。カバープレート２１と放熱体４０との間に０．１ｍｍ未満の一定の間隔を形成することは困難であり、間隔のバラツキが生ずると、放熱性のバラツキを生むことになり、望ましくない。カバープレート２１と放熱体４０との間に３．０ｍｍを越える場合には、燃料電池本体０から放熱体４０への熱伝導性が低下し、放熱性のバラツキを生むことになり、望ましくない。
【００６６】
《性能評価》
（実施例１）
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（５５．５ｍｍ×８．７ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【００６７】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１４を得た。
【００６８】
なお、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、同一形状かつ同一の大きさであり、厚さも等しく、それぞれのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４も同一形状かつ同一の大きさである。
【００６９】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を、４つのアノードガス拡散層１２および４つのカソードガス拡散層１５が、それぞれの長手方向が略平行で、その間隔が１．２ｍｍとなるように並んで配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態で、ホットプレスを施すことにより、膜電極接合体２を得た。
【００７０】
このように作成した膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持され、アノードガス拡散層１２とアノード集電部１８Ａとが対向するとともに、カソードガス拡散層１５とカソード集電部１８Ｃとが対向している。すなわち、カソード集電部１８Ｃとして、カソードガス拡散層１５の上に金箔を積層した。また、アノード集電部１８Ａとして、アノードガス拡散層１２の上に金箔を積層した。これらのアノード集電部１８Ａ及びカソード集電部１８Ｃは、上記した４対のアノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが電気的に直列に接続されるように形成されている。なお、アノード集電部１８Ａには、燃料分配板３１の燃料排出口３３に対応した位置に開口が形成されている。また、カソード集電部１８Ｃには、カバープレート２１の開口部２１Ｈに対応した位置に開口が形成されている。
【００７１】
膜電極接合体２の電解質膜１７と集電体１８との間には、アノード側及びカソード側の双方について、シール部材１９として、それぞれ幅が２ｍｍのゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【００７２】
カソード集電部１８Ｃの上には、板状体２０として、厚さが０．７５ｍｍであり、透気度が３．０秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ Ｐ ８１１７：２００９に規定の測定方法による）であり、透湿度が３０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ Ｌ １０９９：２００６ Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ５９．５ｍｍ、幅４２．４ｍｍの長方形に切り、積層した。外気からカソード１６に供給される空気は、この板状体２０を透過することとなる。
【００７３】
この板状体２０の上には、カバープレート２１として、外形が６４．５ｍｍ×４４．５ｍｍの長方形であり、厚さが０．３ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を積層した。このカバープレート２１には、５．６ｍｍ×２．８ｍｍの長方形の６４個の開口部２１Ｈが均等に形成されている。
【００７４】
このようにして燃料電池本体０を形成した。
【００７５】
放熱体４０としては、厚さが０．５ｍｍであり、外形が１００ｍｍ×５６ｍｍの長方形のアルミニウム板を適用し、断面が図２に示す形になるように折り曲げた。この放熱体４０には、カバープレート２１に形成した開口部２１と同一形状かつ同一の大きさである貫通孔４０Ｈが６４個形成されている。このような放熱体４０は、貫通孔４０Ｈが開口部２１の直上に位置するように配置される。
【００７６】
カバープレート２１と放熱体４０との間には、厚さ０．５ｍｍであり、外形が矩形枠状のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）板をスペーサ５０として挟み、カバープレート２１と放熱体４０との間隔が０．５ｍｍとなるように固定した。
【００７７】
このようにして形成した燃料電池１について、図２に示したように、カバープレート２１の中央部における表面２１Ａの温度を測定する熱電対ＴＭ１と、放熱体４０の中央部における外表面４０Ｂの温度を測定する熱電対ＴＭ２とを取り付け、データーロガーによって、熱電対ＴＭ１と熱電対ＴＭ２とで測定される温度の値を記録した。
【００７８】
（実施例２）
カバープレート２１と放熱体４０との間に配置するスペーサ５０の厚さを０．１ｍｍとして、カバープレート２１と放熱体４０との間隔を０．１ｍｍとした以外は、実施例１と同様である。
【００７９】
（実施例３）
カバープレート２１と放熱体４０との間に、断熱体６０として、厚さ０．５ｍｍであり、気孔率が２６％の多孔質ポリエチレン膜を挿入し、カバープレート２１と断熱体６０、断熱体６０と放熱体４０とが相互に密着するようにした以外は、実施例１と同様である。
【００８０】
（比較例１）
実施例１で説明した燃料電池１において、放熱体４０を設けない以外は、実施例１と同様である。
【００８１】
（比較例２）
実施例１で説明した燃料電池１において、スペーサ５０を挿入せず、放熱体４０をカバープレート２１に密着させた以外は、実施例１と同様である。
【００８２】
（比較例３）
実施例１で説明した燃料電池１において、カバープレート２１と放熱体４０との間に挿入するスペーサ５０の厚さが３ｍｍであり、カバープレート２１と放熱体４０との間隔を３ｍｍとした以外は、実施例１と同様である。
【００８３】
上述した実施例１乃至３及び比較例１乃至３の各燃料電池１について、性能評価を行った。
【００８４】
まず、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記したように作成した各燃料電池１に、純度９９．９重量％の純メタノールを供給した。ここで、カバープレート２１の中央部の表面２１Ａに取り付けた熱電対ＴＭ１で測定した温度が４５℃で一定になるように、純メタノールの供給量を制御した。
【００８５】
そして、定電圧電源を接続して、燃料電池１の出力電圧が直列に接続した４対の単セルの中の１対あたり０．３５Ｖで一定になるように、燃料電池１に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池１から得られる出力密度を計測した。
【００８６】
ここで、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。ここで説明した各実施例及び各比較例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。
【００８７】
ここで、燃料電池１に当たる風の風速（熱線式風速計で１分間以上連続して測定し、その測定時間で平均した値）が０．０２ｍ／ｓ以下となるように、燃料電池１を透明ポリエチレンシート製のカバーで覆った場合と、送風ファンを用いて風速０．０４ｍ／ｓの風が当たるようにした場合とのそれぞれで、カバープレート２１の表面２１Ａおよび放熱体４０の外表面４０Ｂの温度および燃料電池１の出力密度を測定した。
【００８８】
以上の測定結果を纏めて示したものが、図４である。なお、燃料電池１の出力密度を計測した結果は、比較例１の風速０．０２ｍ／ｓ以下の環境で測定したときの出力密度の値を１００とした相対値で示してある。
【００８９】
実施例１では、風速０．０２ｍ／ｓ以下のとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４２℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ１は３℃であり、Ｂ１／Ａ＝３／２０＝０．１５である。カバープレート２１の表面２１Ａと、放熱体４０の外表面４０Ｂとの間の距離Ｃは、両者の間の間隔０．５ｍｍと、放熱体４０の厚さ０．５ｍｍを足した１．０ｍｍであるため、温度勾配Ｂ１／Ｃ＝３（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１０７であった。
【００９０】
一方、実施例１において風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４０℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は５℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．２５であり、Ｂ２／Ｃ＝５（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１２５であった。
【００９１】
実施例２において、燃料電池１を実施例１と同条件下で発電させたとき、風速０．０２ｍ／ｓ以下のときの放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４３℃であったので、温度差Ｂ１は２℃であり、Ｂ１／Ａ＝０．１となる。また、カバープレート２１の表面２１Ａと、放熱体４０の外表面４０Ｂとの間の距離Ｃは、両者の間の間隔０．１ｍｍと、放熱体４０の厚さ０．５ｍｍを足した０．６ｍｍであるため、温度勾配Ｂ１／Ｃ＝３．３３（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１０８であった。
【００９２】
一方、実施例２において風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４１℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は４℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．２であり、Ｂ２／Ｃ＝６．６７（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１２３であった。
【００９３】
実施例３において、燃料電池１を実施例１と同条件下で発電させたとき、風速０．０２ｍ／ｓ以下のときの放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４２．５℃であったので、温度差Ｂ１は２．５℃であり、Ｂ１／Ａ＝０．１２５であり、Ｂ１／Ｃ＝２．５（℃／ｍｍ）となる。このときの燃料電池１の出力密度は、１０６であった。
【００９４】
一方、実施例３において風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４１．５℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は３．５℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．１７５であり、Ｂ２／Ｃ＝３．５（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１２２であった。
【００９５】
これに対して、比較例１の燃料電池１においては、放熱体４０が存在しないので、風速に関わらず温度差Ｂは０と見なすことができ、Ｂ／Ａ＝０となる。但し、カバープレート２１の表面２１Ａと放熱体４０の外表面との距離Ｃも０と見なされるので、温度勾配Ｂ／Ｃは算出することができない。風速０．０２ｍ／ｓ以下の条件での出力密度が１００であり、風速０．０４ｍ／ｓの条件での出力密度が１１３である。
【００９６】
比較例２において、燃料電池１を実施例１と同条件下で発電させたとき、風速０．０２ｍ／ｓ以下のときの放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４４．５℃であったので、温度差Ｂ１は０．５℃で、Ｂ１／Ａ＝０．０２５となる。また、カバープレート２１の表面２１Ａと、放熱体４０の外表面４０Ｂとの間の距離Ｃは、放熱体４０の厚さ０．５ｍｍに等しいため、温度勾配Ｂ１／Ｃ＝１（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１１０であった。
【００９７】
一方、比較例２において風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４４℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は１℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．０５であり、Ｂ２／Ｃ＝２（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１０５であった。
【００９８】
比較例３において、燃料電池１を実施例１と同条件下で発電させたとき、風速０．０２ｍ／ｓ以下のときの放熱体４０の外表面４０Ｂの温度は３８℃であったので、温度差Ｂ１は７℃であり、Ｂ１／Ａ＝０．３５となる。また、カバープレート２１の表面２１Ａと、放熱体４０の外表面４０Ｂとの間の距離Ｃは、両者の間の間隔３ｍｍと、放熱体４０の厚さ０．５ｍｍを足した３．５ｍｍであるため、温度勾配Ｂ１／Ｃ＝２（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１０１であった。
【００９９】
一方、比較例３において、風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が３４℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は１１℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．５５であり、Ｂ２／Ｃ＝３．１４（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１１１であった。
【０１００】
図４に示した結果より、０．０５＜Ｂ／Ａ＜０．３であってかつＢ／Ｃ＞２（℃／ｍｍ）を満たす実施例１〜３の燃料電池が、風速が０．０２ｍ／ｓ以下の場合であっても、風速が０．０４ｍ／ｓの場合であっても、どちらの条件においても高い出力密度が得られることが分かる。
【０１０１】
放熱体４０を設けない比較例１や、燃料電池本体０と放熱体４０との間に大きな間隔を設けた比較例３では、風速が０．０２ｍ／ｓ以下の場合と、風速が０．０４ｍ／ｓの場合のどちらの条件においても、実施例１〜３よりも低い出力密度となる。これは、燃料電池から放熱できる熱の絶対量が少なく、従って少量の燃料供給量でもカバープレート中央の温度が４５℃に維持されるので、その供給量に見合う発電反応しか行なわれないためである。
【０１０２】
一方、燃料電池と放熱体４０とを密着させた比較例２では、風速が０．０２ｍ／ｓ以下のときの出力密度は、実施例１〜３や比較例１，３よりも高い値である。しかし、風速が０．０４ｍ／ｓのときの出力密度は、実施例１〜３や比較例１，３よりも低い値となっている。これは、燃料電池本体０と放熱体４０とが密着しているため、燃料電池本体０から放熱体４０への熱伝導が過剰に行なわれ、燃料電池１から放熱できる熱の絶対量が多くなるためである。このため、カバープレート中央の温度を４５℃に維持するために多量の燃料が供給され、その供給量に見合う発電反応が行なわれる。但し、風速が０．０４ｍ／ｓの条件では、燃料電池から放熱される熱の絶対量が過大となり、従って大量の燃料が供給されるため、アノードから電解質膜を透過してカソードへクロスオーバーする燃料の量が増加するためと考えられる。
【０１０３】
以上説明したように、この実施の形態によれば、燃料電池１から外気への放熱の行われやすさの如何にかかわらず、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【０１０４】
上述した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分配板３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、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、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。
【０１０５】
さらに、上述した実施形態は、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。
【０１０６】
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、膜電極接合体に供給される燃料の全てが液体燃料Ｆの蒸気、全てが液体燃料Ｆ、または一部が液体状態で供給される液体燃料Ｆ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。
【符号の説明】
【０１０７】
１…燃料電池
２…膜電極接合体 １３…アノード １６…カソード １７…電解質膜
２１…カバープレート ２１Ｈ…開口部
３…燃料供給機構
４０…放熱体 ４０Ｈ…貫通孔
５０…スペーサ ５１…空気層
６０…断熱体
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【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しない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とを供給するだけで発電することができ、燃料を補給することにより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、特許文献１によれば、高温域で作動する燃料電池において、燃料電池を収納する機器の筐体が高温になることを防止する目的で、燃料電池を覆う断熱体の外表面を伝熱体で覆う技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２によれば、酸化剤導入口を有するカバーの外面及び内面のうち少なくともいずれかに積層され且つ酸化剤導入口と対向する箇所に開口部を有する第１の断熱性部材を具備した燃料電池が開示されている。また、この特許文献２によれば、上記の第１の断熱性部材に加えて、カソード集電部及びアノード集電部に積層され且つガス透過孔を有する第２の断熱性部材を具備した燃料電池も開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２０２６１１号公報
【特許文献２】国際公開第２００７／０８６４３２号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池として、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。
【０００７】
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燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００８】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣは、例えばアノード（燃料極）、カソード（空気極）、及び、電解質膜を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えて構成されている。
【０００９】
このような膜電極接合体のアノード側に燃料を供給するとともにカソード側に空気（特に酸素）を供給することにより、アノード側及びカソード側で発電反応が生ずる。特に、カソード側の反応においては、熱を生じる。また、アノードに供給された燃料のうち、未反応分が電解質膜を透過してカソード側に達する、いわゆるクロスオーバー現象が生じるが、そのクロスオーバーによってカソード側に達した燃料の少なくとも一部は、カソード側において空気と燃焼反応を生じ、その燃焼反応によっても熱を生じる。
【００１０】
これら反応によって生じた熱は、外気に放熱することになるが、この放熱量が反応によって生じる発熱量に比べて少なければＤＭＦＣの温度は上昇し続け、放熱量が反応によって生じる発熱量に比べて多すぎればＤＭＦＣの温度は低下してしまう。
【００１１】
ここで、ＤＭＦＣの構成が一定であっても、外気の温度やＤＭＦＣに当たる風の強さ（風速）等の外部条件によって、ＤＭＦＣから外気への放熱量は変動することが問題となる。仮に、外気の温度が高い場合や風速が小さい場合などの放熱が行われにくい条件において最適の放熱量が得られるように設計した場合には、外気の温度が低い場合や風速が大きい場合などの放熱が行われやすい条件においては放熱量が過大となる。その場合、放熱量に見合うだけの燃料をＤＭＦＣに供給することになるが、アノード側に大量の燃料が供給されるため、上記のクロスオーバーする燃料の量もまた多くなり、結果としてＤＭＦＣの出力は低下してしまう。
【００１２】
逆に、放熱が行われやすい条件において最適の放熱量が得られるように設計した場合には、放熱が行われにくい条件においては放熱量が過少となり、ＤＭＦＣへの燃料供給量は少なくなるよう制御される。このため、アノード側において反応を生じる量も減少し、結果としてＤＭＦＣの出力は低下することになる。
【００１３】
この発明の目的は、安定して高い出力を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】
【００１４】
この発明の一態様によれば、
電解質膜をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、複数の開口部が形成されるとともに前記膜電極接合体のカソード側に配置され前記燃料供給機構との間に前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を有する燃料電池本体と、
複数の貫通孔が形成され、前記燃料電池本体のカソード側の少なくとも一部を覆うとともに前記カバープレートから離間した放熱体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１５】
この発明によれば、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態における燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池本体を備えた燃料電池を第１方向Ｘに沿って切断した断面を概略的に示す図である。
【図３】図３は、他の実施形態における燃料電池本体を備えた燃料電池の概略断面図である。
【図４】図４は、性能評価を行った際の出力密度の測定結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池（ＤＭＦＣ）本体０のカソード側の外観を示す平面図である。
【００１９】
この燃料電池本体０は、略矩形平板状に形成されている。図１に示した平面図では、燃料電池本体０は、長方形状であり、第１方向Ｘに沿って延びた一対の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延びた一対の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２と、を有している。
【００２０】
燃料電池本体０は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２を備えている。この膜電極接合体２は、略矩形状に形成されている。この膜電極接合体２は、その詳細な構造については後に説明するが、ここでは複数、たとえば４つの単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を備えている。単セルＣＬ１乃至ＣＬ４のそれぞれは、同一平面上において、第１方向Ｘに沿って延在した略長方形状であり、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。
【００２１】
膜電極接合体２のカソード側に位置する燃料電池本体０の表面には、カバープレート２１が配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。このカバープレート２１には、主として酸化剤である空気、特に酸素の取り込みを可能とする複数の開口部２１Ｈが形成されている。
【００２２】
なお、膜電極接合体２のアノード側には、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構（図示しない）が配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構との間に膜電極接合体２を保持した状態で、燃料電池１の各長辺Ｌ１及びＬ２、及び、各短辺Ｓ１及びＳ２において燃料供給機構に締結されている。
【００２３】
図２は、図１に示した燃料電池本体０を備えた燃料電池１を第１方向Ｘに沿って切断した断面を概略的に示す図である。
【００２４】
燃料電池本体０は、膜電極接合体２を備えている。膜電極接合体２は、アノード（燃料極）１３と、カソード（空気極あるいは酸化剤極）１６と、アノード１３とカソード１６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。アノード１３は、アノード触媒層１１と、このアノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２とを有している。アノード触媒層１１は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに積層されている。カソード１６は、カソード触媒層１４と、このカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５とを有している。カソード触媒層１４は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに積層されている。
【００２５】
図１に示した各単セルＣＬ１乃至ＣＬ４は、電解質膜１７を挟んで対向するアノード１３及びカソード１６によって構成されている。つまり、図１に示した４つの単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を備えた膜電極接合体２では、詳述しない４つのアノード１３が単一の電解質膜１７における一方の面１７Ａの上において第２方向Ｙに間隔をおいて配置され、また、４つのカソード１６が電解質膜１７における他方の面１７Ｃの上において第２方向Ｙに間隔をおいて配置されている。
【００２６】
このような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。集電体１８は、ベース絶縁層ＢＦ、ベース絶縁層ＢＦの上に配置されたアノード集電部１８Ａ、及び、ベース絶縁層ＢＦのアノード集電部１８Ａが配置された同一面上に配置されたカソード集電部１８Ｃを有している。
【００２７】
アノード集電部１８Ａ及びカソード集電部１８Ｃは、例えば、金、銅、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用して形成可能であり、さらには、グラファイト（黒鉛）などの炭素質材料を使用して形成しても良い。
【００２８】
図２に示した例では、アノード集電部１８Ａは、アノードガス拡散層１２に積層されている。このアノード集電部１８Ａには、アノード１３に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部１８ＡＨが形成されている。また、カソード集電部１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に積層されている。このカソード集電部１８Ｃには、カソード１６に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部１８ＣＨが形成されている。このような構成の集電体１８は、図１に示したような膜電極接合体２に備えられた複数の単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を電気的に直列に接続している。
【００２９】
膜電極接合体２は、電解質膜１７の一方の面１７Ａと集電体１８との間及び電解質膜１７の他方の面１７Ｃと集電体１８との間にそれぞれ挟持されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされている。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。なお、膜電極接合体２において、電解質膜１７のうち、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４にともに接しておらず、かつシール部材１９によって囲まれた内側に相当する位置に、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。
【００３０】
膜電極接合体２のカソード１６の側において、集電体１８とカバープレート２１との間には、通気性を有する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、カバープレート２１の開口部２１Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４へ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。このような板状体２０は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成される。
【００３１】
膜電極接合体２のアノード１３の側には、燃料供給機構３が配置されている。つまり、膜電極接合体２は、アノード１３の側に配置された燃料供給機構３とカソード１６の側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。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。このような燃料供給機構３は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部４に流路５を介して接続されている。
【００３２】
流路５は、配管などで構成されている。流路５は、燃料供給機構３や燃料収容部４と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給機構３と燃料収容部４とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給機構３は、流路等を介して燃料収容部４と連通されていればよい。
【００３３】
燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路５を介して燃料供給機構３まで落下させて送液することができる。また、流路５に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３まで送液してもよい。さらに、流路５の一部にポンプ６を介在させて、燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３まで強制的に送液してもよい。
【００３４】
なお、適用されるポンプ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から燃料供給機構３に向けて液体燃料Ｆを送液する燃料供給ポンプである。燃料供給機構３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。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Ｆ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なものが好ましい。
【００３５】
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２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。
【００３６】
また、燃料供給機構３において、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。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。
【００３７】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆ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Ｆ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Ｆ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Ｆ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Ｆが収容される。
【００３８】
以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００３９】
燃料供給機構３は、箱状に形成された容器３０、及び、膜電極接合体２のアノード１３の面方向（つまり、図中のＸ−Ｙ平面内の方向）に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料分配板３１を備えている。容器３０は、流路５が接続される図示しない燃料導入口を有している。このような容器３０を形成する樹脂材料としては、例えばポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）などが挙げられる。また、この容器３０は、樹脂材料に代えてステンレス（ＳＵＳ）や金属クラッド材などの金属材料を用いて形成することも可能である。
【００４０】
燃料分配板３１は、容器３０の内側に形成された凹部に配置されている。この燃料分配板３１は、平板状に形成されている。このような燃料分配板３１には、複数の燃料排出口３３が形成されている。このような燃料分配板３１は、容器３０の燃料導入口から供給された液体燃料をアノード１３に向けて燃料排出口３３から排出する。このような燃料分配板３１は、液体燃料やその気化成分を透過させない材料によって形成され、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリイミド系樹脂などの各種樹脂材料を用いて形成されている。
【００４１】
なお、この燃料分配板３１は、たとえば、液体燃料とその気化成分とを分離し、気化成分を膜電極接合体２に向けて透過させる気液分離膜で構成しても良い。この気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが適用可能である。
【００４２】
上述した燃料電池本体０においては、燃料収容部４から流路５を介して燃料分配板３１に導入された液体燃料Ｆは、液体成分のまま、もしくは液体成分と気体成分とが混在する状態で、燃料分配板３１の燃料排出口３３から排出される。排出された燃料は、集電体１８のアノード集電部１８Ａを介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。
【００４３】
アノード１３に供給された燃料の気体成分は、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。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。
【００４４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体１８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１８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。
【００４５】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2 → ３Ｈ2Ｏ …（２）
上述した燃料電池本体０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。
【００４６】
本実施形態の燃料電池１は、図２に示すように、燃料電池本体０のカソード１６の側の少なくとも一部を覆う放熱体４０を備えている。この放熱体４０は、カバープレート２１の上方に位置し、カバープレート２１から離間している。このような放熱体４０には、複数の貫通孔４０Ｈが形成されている。これらの貫通孔４０Ｈのそれぞれは、カバープレート２１の開口部２１Ｈの直上に位置している。貫通孔４０Ｈの個数は、開口部２１Ｈの個数と同数であるが、特にこの例に限らない。このような放熱体４０に貫通孔４０Ｈが形成されたことにより、燃料電池本体０のカソード１６の側に発電反応に必要な酸素を取り込むことが可能である。
【００４７】
上述した放熱体４０としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率の高い材料によって形成されることが望ましい。具体的には、放熱体４０としては、熱伝導性に優れた銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属、または、ステンレスなどのこれらの金属の合金などが適用可能である。また、放熱体４０としては、グラファイト（黒鉛）等の炭素質材料も使用可能である。
【００４８】
放熱体４０としては、熱伝導率が高く、かつ肉厚が薄くても強度が高いという点からは、金属材料を適用することが最も望ましい。特に、銅（２０℃における熱伝導率３７０Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（２０℃における熱伝導率２０４Ｗ／ｍＫ）、タングステン（２０℃における熱伝導率１９８Ｗ／ｍＫ）は比較的熱伝導率が高いために好ましい。本実施形態において、放熱体４０として適用可能な材料は、１０Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導率を有する材料である。好ましくは、５０Ｗ／ｍＫ以上、より好ましくは２００Ｗ／ｍＫ以上の熱伝導性を有する材料である。なお、ここで説明した熱伝導率は、レーザーフラッシュ法によって測定したものである。
【００４９】
より好ましくは、放熱体４０は、その表面がアルマイト処理（陽極酸化処理）される。外気への放熱性を高めるためには、特に、放熱体４０の表面が黒色アルマイト処理されることが好ましい。
【００５０】
放熱体４０として金属材料を用いた場合、カソード１６で生成した水や、大気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸化、腐食を生じる可能性がある。それを防ぐために、放熱体４０としては、ステンレス等の腐食しにくい材料を用いるか、または、放熱体４０の表面に、金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、炭素質の物質や、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の気化成分に溶解しない塗料で塗装する等しても良い。
【００５１】
上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これらの樹脂やゴムは、金属材料に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできるだけ薄くするのが望ましい。
【００５２】
図２に示した例では、カバープレート２１と放熱体４０とを離間させるために、カバープレート２１の表面（板状体２０と接する面とは反対側の面）２１Ａと放熱体４０の背面４０Ａとの間にスペーサ５０が配置している。このようなスペーサ５０は、カバープレート２１の開口部２１Ｈが形成された領域あるいは放熱体４０の貫通孔４０が形成された領域の外側に配置されている。このスペーサ５０は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの絶縁体によって形成された矩形枠状の板状体である。
【００５３】
これにより、カバープレート２１と放熱体４０との間には空気層５１が形成される。この空気層５１のＺ方向に沿った厚み、つまり、カバープレート２１の表面２１Ａと放熱体４０の背面４０Ａとの間の間隔は、図中のＸ−Ｙ平面内のいずれの場所においても略同一である。
【００５４】
なお、このような空気層５１を形成するためには、スペーサ５０を省略してもよく、例えば、放熱体４０が燃料電池１の筐体の一部であったり、この筐体に支持されていたり、あるいは、燃料電池１を搭載した電子機器に放熱体４０が支持されていたりする場合には、スペーサ５０を介することなくカバープレート２１と放熱体４０との間に空気層５１を形成可能である。
【００５５】
このような構成の燃料電池１において、カバープレート２１から放熱体４０への熱伝導は主に、両者が接触した部分での直接の伝熱ではなく、輻射または空気等の気体の対流によって行われる。本実施形態によれば、外気の温度が高い場合や風速が小さい場合などの放熱が行われにくい条件においては、カバープレート２１と放熱体４０とが密着して直接の伝熱によって熱伝導する場合とほぼ同じ放熱量が得られる。従って、放熱体４０を設けることによって燃料電池本体０からの放熱が促進され、放熱体４０から外気への放熱量が増加し、それに見合う量の燃料が供給されるので、燃料電池本体０の出力が向上する。
【００５６】
一方、外気の温度が低い場合や風速が大きい場合などの放熱が行われやすい条件においては、放熱体４０から外気への放熱量は増加するが、カバープレート２１から放熱体４０への熱伝導量は、放熱体４０から外気への放熱量ほどには増加しない。このため、放熱体４０の表面温度は低下するが、燃料電池本体０からの放熱量が過大となることは防止でき、燃料供給量の過剰な増加によって生じるクロスオーバーの増加等に伴う燃料電池の出力低下を抑制することが可能となる。
【００５７】
また、カバープレート２１の表面温度と外気温との差がＡ（℃）のときの、カバープレート２１の表面温度と放熱体４０の表面温度との間の温度差をＢ（℃）としたときに、０．０５＜Ｂ／Ａ＜０．３であることが望ましい。すなわち、Ｂ／Ａ≦０．０５のときは、カバープレート２１から放熱体４０への熱伝導が、直接の伝熱と同程度に行われていることを示し、放熱が行われやすい条件の下では燃料供給量の過剰な増加等によって生じる燃料電池の出力低下を抑制することが難しくなる。また、Ｂ／Ａ≧０．３のときは、カバープレート２１から放熱体４０への熱伝導が余り行われていないことを示し、放熱が行われにくい条件の下では放熱量の減少によって生じる燃料電池の出力低下を抑制することが難しくなる。
【００５８】
更に、カバープレート２１の表面２１Ａから放熱体４０の外表面４０Ｂまでの間の距離をＣ（ｍｍ）としたときに、Ｂ／Ｃ＞２（℃／ｍｍ）であることが望ましい。カソード触媒層１４で反応によって生じた水蒸気の少なくとも一部は、カバープレート２１に設けられた開口部２１を通り、更に放熱体４０に設けられた貫通孔４０Ｈに達するが、Ｂ／Ｃ＞２（℃／ｍｍ）であるときには、カバープレート２１と放熱体４０との間に大きな温度勾配が生じていることを示し、カバープレート２１と放熱体４０との間の水蒸気分圧の勾配も大きくなるため、放熱体４０に設けられた貫通孔４０Ｈを通して外気に放散される水蒸気の量が減少する。即ち、膜電極接合体２に含まれる水の量が増加することになり、この膜電極接合体２に含まれる水がクロスオーバーの増加を抑制する機能を果たして、燃料電池本体０の出力低下を抑制することが可能となる。
【００５９】
以上説明したように、本実施形態によれば、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【００６０】
次に、本実施形態で採用可能な燃料電池１のバリエーションについて説明する。なお、図２に示した例と同一の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。
【００６１】
図３は、他の実施形態における燃料電池本体０を備えた燃料電池１の概略断面図である。
【００６２】
ここに示した例では、図２に示した例と比較して、カバープレート２１と放熱体４０と離間させるために、カバープレート２１と放熱体４０との間に通気性を有する断熱体６０を配置した点で相違している。断熱体６０は、カバープレート２１の表面２１Ａに接するとともに、放熱体４０の背面４０Ａにも接している。このような断熱体６０は、カバープレート２１の開口部２１Ｈ及び放熱体４０の貫通孔４０に重なっているが、通気性を有しているため、燃料電池本体０への発電反応に必要な外気（特に酸素）の取り込みを阻害することはない。
【００６３】
この断熱体６０は、例えば、多孔質ポリエチレン膜などの絶縁体によって形成されている。また、この断熱体６０のＺ方向に沿った厚みは、図中のＸ−Ｙ平面内のいずれの場所においても略同一である。なお、本実施形態において、断熱体６０として適用可能な材料は、２Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導率を有する材料である。より好ましくは、０．５Ｗ／ｍＫ以下の熱伝導性を有する材料である。
【００６４】
図３に示した例においても、図２に示した例と同様の効果が得られる。
【００６５】
本実施形態において、カバープレート２１の表面２１Ａと放熱体４０の背面４０Ａとの間の間隔は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることが望ましい。カバープレート２１と放熱体４０との間に０．１ｍｍ未満の一定の間隔を形成することは困難であり、間隔のバラツキが生ずると、放熱性のバラツキを生むことになり、望ましくない。カバープレート２１と放熱体４０との間に３．０ｍｍを越える場合には、燃料電池本体０から放熱体４０への熱伝導性が低下し、放熱性のバラツキを生むことになり、望ましくない。
【００６６】
《性能評価》
（実施例１）
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（５５．５ｍｍ×８．７ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【００６７】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１４を得た。
【００６８】
なお、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、同一形状かつ同一の大きさであり、厚さも等しく、それぞれのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４も同一形状かつ同一の大きさである。
【００６９】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を、４つのアノードガス拡散層１２および４つのカソードガス拡散層１５が、それぞれの長手方向が略平行で、その間隔が１．２ｍｍとなるように並んで配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態で、ホットプレスを施すことにより、膜電極接合体２を得た。
【００７０】
このように作成した膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持され、アノードガス拡散層１２とアノード集電部１８Ａとが対向するとともに、カソードガス拡散層１５とカソード集電部１８Ｃとが対向している。すなわち、カソード集電部１８Ｃとして、カソードガス拡散層１５の上に金箔を積層した。また、アノード集電部１８Ａとして、アノードガス拡散層１２の上に金箔を積層した。これらのアノード集電部１８Ａ及びカソード集電部１８Ｃは、上記した４対のアノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが電気的に直列に接続されるように形成されている。なお、アノード集電部１８Ａには、燃料分配板３１の燃料排出口３３に対応した位置に開口が形成されている。また、カソード集電部１８Ｃには、カバープレート２１の開口部２１Ｈに対応した位置に開口が形成されている。
【００７１】
膜電極接合体２の電解質膜１７と集電体１８との間には、アノード側及びカソード側の双方について、シール部材１９として、それぞれ幅が２ｍｍのゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【００７２】
カソード集電部１８Ｃの上には、板状体２０として、厚さが０．７５ｍｍであり、透気度が３．０秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ Ｐ ８１１７：２００９に規定の測定方法による）であり、透湿度が３０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ Ｌ １０９９：２００６ Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ５９．５ｍｍ、幅４２．４ｍｍの長方形に切り、積層した。外気からカソード１６に供給される空気は、この板状体２０を透過することとなる。
【００７３】
この板状体２０の上には、カバープレート２１として、外形が６４．５ｍｍ×４４．５ｍｍの長方形であり、厚さが０．３ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を積層した。このカバープレート２１には、５．６ｍｍ×２．８ｍｍの長方形の６４個の開口部２１Ｈが均等に形成されている。
【００７４】
このようにして燃料電池本体０を形成した。
【００７５】
放熱体４０としては、厚さが０．５ｍｍであり、外形が１００ｍｍ×５６ｍｍの長方形のアルミニウム板を適用し、断面が図２に示す形になるように折り曲げた。この放熱体４０には、カバープレート２１に形成した開口部２１と同一形状かつ同一の大きさである貫通孔４０Ｈが６４個形成されている。このような放熱体４０は、貫通孔４０Ｈが開口部２１の直上に位置するように配置される。
【００７６】
カバープレート２１と放熱体４０との間には、厚さ０．５ｍｍであり、外形が矩形枠状のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）板をスペーサ５０として挟み、カバープレート２１と放熱体４０との間隔が０．５ｍｍとなるように固定した。
【００７７】
このようにして形成した燃料電池１について、図２に示したように、カバープレート２１の中央部における表面２１Ａの温度を測定する熱電対ＴＭ１と、放熱体４０の中央部における外表面４０Ｂの温度を測定する熱電対ＴＭ２とを取り付け、データーロガーによって、熱電対ＴＭ１と熱電対ＴＭ２とで測定される温度の値を記録した。
【００７８】
（実施例２）
カバープレート２１と放熱体４０との間に配置するスペーサ５０の厚さを０．１ｍｍとして、カバープレート２１と放熱体４０との間隔を０．１ｍｍとした以外は、実施例１と同様である。
【００７９】
（実施例３）
カバープレート２１と放熱体４０との間に、断熱体６０として、厚さ０．５ｍｍであり、気孔率が２６％の多孔質ポリエチレン膜を挿入し、カバープレート２１と断熱体６０、断熱体６０と放熱体４０とが相互に密着するようにした以外は、実施例１と同様である。
【００８０】
（比較例１）
実施例１で説明した燃料電池１において、放熱体４０を設けない以外は、実施例１と同様である。
【００８１】
（比較例２）
実施例１で説明した燃料電池１において、スペーサ５０を挿入せず、放熱体４０をカバープレート２１に密着させた以外は、実施例１と同様である。
【００８２】
（比較例３）
実施例１で説明した燃料電池１において、カバープレート２１と放熱体４０との間に挿入するスペーサ５０の厚さが３ｍｍであり、カバープレート２１と放熱体４０との間隔を３ｍｍとした以外は、実施例１と同様である。
【００８３】
上述した実施例１乃至３及び比較例１乃至３の各燃料電池１について、性能評価を行った。
【００８４】
まず、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記したように作成した各燃料電池１に、純度９９．９重量％の純メタノールを供給した。ここで、カバープレート２１の中央部の表面２１Ａに取り付けた熱電対ＴＭ１で測定した温度が４５℃で一定になるように、純メタノールの供給量を制御した。
【００８５】
そして、定電圧電源を接続して、燃料電池１の出力電圧が直列に接続した４対の単セルの中の１対あたり０．３５Ｖで一定になるように、燃料電池１に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池１から得られる出力密度を計測した。
【００８６】
ここで、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。ここで説明した各実施例及び各比較例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。
【００８７】
ここで、燃料電池１に当たる風の風速（熱線式風速計で１分間以上連続して測定し、その測定時間で平均した値）が０．０２ｍ／ｓ以下となるように、燃料電池１を透明ポリエチレンシート製のカバーで覆った場合と、送風ファンを用いて風速０．０４ｍ／ｓの風が当たるようにした場合とのそれぞれで、カバープレート２１の表面２１Ａおよび放熱体４０の外表面４０Ｂの温度および燃料電池１の出力密度を測定した。
【００８８】
以上の測定結果を纏めて示したものが、図４である。なお、燃料電池１の出力密度を計測した結果は、比較例１の風速０．０２ｍ／ｓ以下の環境で測定したときの出力密度の値を１００とした相対値で示してある。
【００８９】
実施例１では、風速０．０２ｍ／ｓ以下のとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４２℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ１は３℃であり、Ｂ１／Ａ＝３／２０＝０．１５である。カバープレート２１の表面２１Ａと、放熱体４０の外表面４０Ｂとの間の距離Ｃは、両者の間の間隔０．５ｍｍと、放熱体４０の厚さ０．５ｍｍを足した１．０ｍｍであるため、温度勾配Ｂ１／Ｃ＝３（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１０７であった。
【００９０】
一方、実施例１において風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４０℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は５℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．２５であり、Ｂ２／Ｃ＝５（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１２５であった。
【００９１】
実施例２において、燃料電池１を実施例１と同条件下で発電させたとき、風速０．０２ｍ／ｓ以下のときの放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４３℃であったので、温度差Ｂ１は２℃であり、Ｂ１／Ａ＝０．１となる。また、カバープレート２１の表面２１Ａと、放熱体４０の外表面４０Ｂとの間の距離Ｃは、両者の間の間隔０．１ｍｍと、放熱体４０の厚さ０．５ｍｍを足した０．６ｍｍであるため、温度勾配Ｂ１／Ｃ＝３．３３（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１０８であった。
【００９２】
一方、実施例２において風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４１℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は４℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．２であり、Ｂ２／Ｃ＝６．６７（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１２３であった。
【００９３】
実施例３において、燃料電池１を実施例１と同条件下で発電させたとき、風速０．０２ｍ／ｓ以下のときの放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４２．５℃であったので、温度差Ｂ１は２．５℃であり、Ｂ１／Ａ＝０．１２５であり、Ｂ１／Ｃ＝２．５（℃／ｍｍ）となる。このときの燃料電池１の出力密度は、１０６であった。
【００９４】
一方、実施例３において風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４１．５℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は３．５℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．１７５であり、Ｂ２／Ｃ＝３．５（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１２２であった。
【００９５】
これに対して、比較例１の燃料電池１においては、放熱体４０が存在しないので、風速に関わらず温度差Ｂは０と見なすことができ、Ｂ／Ａ＝０となる。但し、カバープレート２１の表面２１Ａと放熱体４０の外表面との距離Ｃも０と見なされるので、温度勾配Ｂ／Ｃは算出することができない。風速０．０２ｍ／ｓ以下の条件での出力密度が１００であり、風速０．０４ｍ／ｓの条件での出力密度が１１３である。
【００９６】
比較例２において、燃料電池１を実施例１と同条件下で発電させたとき、風速０．０２ｍ／ｓ以下のときの放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４４．５℃であったので、温度差Ｂ１は０．５℃で、Ｂ１／Ａ＝０．０２５となる。また、カバープレート２１の表面２１Ａと、放熱体４０の外表面４０Ｂとの間の距離Ｃは、放熱体４０の厚さ０．５ｍｍに等しいため、温度勾配Ｂ１／Ｃ＝１（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１１０であった。
【００９７】
一方、比較例２において風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が４４℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は１℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．０５であり、Ｂ２／Ｃ＝２（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１０５であった。
【００９８】
比較例３において、燃料電池１を実施例１と同条件下で発電させたとき、風速０．０２ｍ／ｓ以下のときの放熱体４０の外表面４０Ｂの温度は３８℃であったので、温度差Ｂ１は７℃であり、Ｂ１／Ａ＝０．３５となる。また、カバープレート２１の表面２１Ａと、放熱体４０の外表面４０Ｂとの間の距離Ｃは、両者の間の間隔３ｍｍと、放熱体４０の厚さ０．５ｍｍを足した３．５ｍｍであるため、温度勾配Ｂ１／Ｃ＝２（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１０１であった。
【００９９】
一方、比較例３において、風速０．０４ｍ／ｓのとき、放熱体４０の外表面４０Ｂの温度が３４℃であったので、カバープレート２１と放熱体４０との間の温度差Ｂ２は１１℃であり、Ｂ２／Ａ＝０．５５であり、Ｂ２／Ｃ＝３．１４（℃／ｍｍ）である。このときの燃料電池１の出力密度は、１１１であった。
【０１００】
図４に示した結果より、０．０５＜Ｂ／Ａ＜０．３であってかつＢ／Ｃ＞２（℃／ｍｍ）を満たす実施例１〜３の燃料電池が、風速が０．０２ｍ／ｓ以下の場合であっても、風速が０．０４ｍ／ｓの場合であっても、どちらの条件においても高い出力密度が得られることが分かる。
【０１０１】
放熱体４０を設けない比較例１や、燃料電池本体０と放熱体４０との間に大きな間隔を設けた比較例３では、風速が０．０２ｍ／ｓ以下の場合と、風速が０．０４ｍ／ｓの場合のどちらの条件においても、実施例１〜３よりも低い出力密度となる。これは、燃料電池から放熱できる熱の絶対量が少なく、従って少量の燃料供給量でもカバープレート中央の温度が４５℃に維持されるので、その供給量に見合う発電反応しか行なわれないためである。
【０１０２】
一方、燃料電池と放熱体４０とを密着させた比較例２では、風速が０．０２ｍ／ｓ以下のときの出力密度は、実施例１〜３や比較例１，３よりも高い値である。しかし、風速が０．０４ｍ／ｓのときの出力密度は、実施例１〜３や比較例１，３よりも低い値となっている。これは、燃料電池本体０と放熱体４０とが密着しているため、燃料電池本体０から放熱体４０への熱伝導が過剰に行なわれ、燃料電池１から放熱できる熱の絶対量が多くなるためである。このため、カバープレート中央の温度を４５℃に維持するために多量の燃料が供給され、その供給量に見合う発電反応が行なわれる。但し、風速が０．０４ｍ／ｓの条件では、燃料電池から放熱される熱の絶対量が過大となり、従って大量の燃料が供給されるため、アノードから電解質膜を透過してカソードへクロスオーバーする燃料の量が増加するためと考えられる。
【０１０３】
以上説明したように、この実施の形態によれば、燃料電池１から外気への放熱の行われやすさの如何にかかわらず、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【０１０４】
上述した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分配板３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、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、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。
【０１０５】
さらに、上述した実施形態は、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。
【０１０６】
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、膜電極接合体に供給される燃料の全てが液体燃料Ｆの蒸気、全てが液体燃料Ｆ、または一部が液体状態で供給される液体燃料Ｆ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。
【符号の説明】
【０１０７】
１…燃料電池
２…膜電極接合体 １３…アノード １６…カソード １７…電解質膜
２１…カバープレート ２１Ｈ…開口部
３…燃料供給機構
４０…放熱体 ４０Ｈ…貫通孔
５０…スペーサ ５１…空気層
６０…断熱体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、複数の開口部が形成されるとともに前記膜電極接合体のカソード側に配置され前記燃料供給機構との間に前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を有する燃料電池本体と、
複数の貫通孔が形成され、前記燃料電池本体のカソード側の少なくとも一部を覆うとともに前記カバープレートから離間した放熱体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
さらに、前記カバープレートと前記放熱体との間に配置された通気性を有する断熱体、あるいは、前記カバープレートと前記放熱体との間に空気層を形成するためのスペーサを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カバープレートと前記放熱体との間隔は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下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４】
前記放熱体は、その表面が黒色アルマイト処理されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カバープレートの表面温度と外気温との差がＡ（℃）のときの、前記カバープレートと前記放熱体との間の温度差をＢ（℃）としたときに、０．０５＜Ｂ／Ａ＜０．３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６】
前記カバープレートと前記放熱体との間の温度差をＢ（℃）とし、前記カバープレートの表面と前記放熱体の外表面との間の間隔をＣ（ｍｍ）としたときに、Ｂ／Ｃ＞２（℃／ｍｍ）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】
電解質膜をアノードとカソードとで挟持した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、複数の開口部が形成されるとともに前記膜電極接合体のカソード側に配置され前記燃料供給機構との間に前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を有する燃料電池本体と、
複数の貫通孔が形成され、前記燃料電池本体のカソード側の少なくとも一部を覆うとともに前記カバープレートから離間した放熱体と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
さらに、前記カバープレートと前記放熱体との間に配置された通気性を有する断熱体、あるいは、前記カバープレートと前記放熱体との間に空気層を形成するためのスペーサを備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カバープレートと前記放熱体との間隔は、０．１ｍｍ以上３．０ｍｍ以下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４】
前記放熱体は、その表面が黒色アルマイト処理されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カバープレートの表面温度と外気温との差がＡ（℃）のときの、前記カバープレートと前記放熱体との間の温度差をＢ（℃）としたときに、０．０５＜Ｂ／Ａ＜０．３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６】
前記カバープレートと前記放熱体との間の温度差をＢ（℃）とし、前記カバープレートの表面と前記放熱体の外表面との間の間隔をＣ（ｍｍ）としたときに、Ｂ／Ｃ＞２（℃／ｍｍ）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２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１１−１１３８８３（Ｐ２０１１−１１３８８３Ａ）
【公開日】平成２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２７０６００（Ｐ２００９−２７０６００）
【出願日】平成２１年１１月２７日（２００９．１１．２７）
【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２３年６月９日（２０１１．６．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月２７日（２００９．１１．２７）
【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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