JP2006059778A - 燃料電池、その燃料供給システム及び燃料電池を使用する電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】ポンプのような補機の消費電力を低減させ、しかも高電力機器に対応できる燃料電池およびその燃料供給システムを提供する。
【解決手段】
液体燃料を使用する燃料電池において、液体燃料を保持し、発電部100の燃料極となるアノード２に近接して毛管力により液体燃料を供給する多孔質部材６Ａと、燃料タンク２０内の液体燃料をアノード２に供給するポンプ１３とを備える。低発電時には、ポンプ１３が停止状態で多孔質部材６Ａの毛管力によりアノード２に燃料が供給される。高発電時には、ポンプ１３が駆動して該ポンプと多孔質部材の毛管力により前記アノードに燃料が供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は電気化学的に電気エネルギーを生成する燃料電池、その燃料供給システム及び燃料電池を使用する電子機器（例えば、携帯型電話器、個人情報端末、ノート型パソコン、携帯用カメラなどの携帯型電子機器）に関する。

燃料電池は少なくとも固体又は液体の電解質、及び所望の電気化学反応を誘起する二個の電極（アノード及びカソード）から構成され、その燃料が持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに高効率で変換する発電機である。

燃料には化石燃料或いは水などから化学変換された水素、通常の環境で液体或いは溶液であるメタノール、アルカリハイドライドやヒドラジン又は加圧液化ガスであるジメチルエーテルが用いられ、酸化剤ガスには空気又は酸素ガスが用いられる。

燃料はアノードにおいて電気化学的に酸化され、カソードでは酸素が還元されて、両電極間には電気的なポテンシャルの差が生じる。このときに外部回路として負荷が両極間にかけられると電解質中にイオンの移動が生起し外部負荷には電気エネルギーが取り出される。このために各種の燃料電池は、火力機器大体の大型発電システム、小型分散型コージェネレーションシステムやエンジン発電機大体の電気自動車電源としての期待は高く、実用化開発が活発に展開されている。

燃料電池においては、アノードに燃料を逐次供給する必要がある。この燃料供給は、ポンプなどの補機を用いているが、補機による消費電力を極力抑えるために、ポンプレスが検討されてきた。

その解決手段として、燃料として液体燃料を使用し、下記の特許文献１に示すように、燃料電池の使用対象機器である携帯型情報機器の上部に燃料タンクを設置し、液体燃料の重力を利用した自然落下による燃料供給方法や、特許文献２〜５に示すように、多孔体の持つ毛管力による燃料供給方法が提案されている。

特開２００２−４９４４０号公報 特開昭５９−６６０６６号公報 特開平６−１８８００８号公報 特開２００１−１０２０６９号公報 特開２００３−６８３２５号公報

しかしながら、電子機器搭載を考えた場合、前者は、機体を傾けて使用する場合がある携帯型情報機器には、全方向に対応することができない。

また、後者は、全方向に対応可能であるが、多孔体の持つ毛管力だけでは、液体供給能力が乏しいため、高発電に対応できず、対象が比較的低電力の機器に限られ、機器の融通が利かない。高電力の機器に対応しうる考えとして、電極面積を大きくすることが考えられるが、電池全体が大型化してしまう。

本発明の課題は、ポンプのような補機の消費電力を低減させ、しかも高電力機器に対応できる燃料電池およびその燃料供給システムを提供することにある。

本発明は、基本的には、液体燃料に電気化学的に反応して電気を生成する発電部を有する燃料電池の燃料供給システムを、次のように構成する。

一つは、液体燃料を保持し、前記発電部の燃料極となるアノードに近接して毛管力により液体燃料を供給する多孔質部材と、
燃料タンク内の液体燃料を前記アノードに供給するポンプと、を備え、
低発電時には、前記ポンプが停止状態で前記多孔質部材の毛管力により前記アノードに燃料が供給され、高発電時には、前記ポンプが駆動して該ポンプと前記多孔質部材の毛管力により前記アノードに燃料が供給されるようにした。

また、そのような燃料供給システムに使用できる燃料電池として、燃料供給用の溝或いはスルーホールを有する多孔質部材を発電部の燃料極となるアノードに近接して配置した燃料電池を提案する。

さらに、前記燃料電池は、液体燃料が供給されるアノード、酸化剤ガスが供給されるカソード、前記アノードおよびカソードの間に介在する電解質膜を含む単電池を複数積層した積層型の燃料電池であり、単電池間に介在するセパレータを有し、このセパレータは、アノード側に向いた面が前記燃料供給用の溝を有する多孔質部材となる多孔質層、カソード側に向いた面が空気供給溝を有する非多孔質層を形成している燃料電池を提案する。

また、前記燃料電池は、液体燃料を収容する燃料室の少なくとも一面に、液体燃料が供給されるアノード、酸化剤ガスが供給されるカソード、前記アノードおよびカソードに間に介在する電解質膜を含む単電池を、１以上配置した平面型燃料電池であり、前記燃料室に前記燃料供給用の溝或いはスルーホールを有する多孔質部材が配置されている燃料電池を提案する。

さらに、もう一つの燃料電池の燃料供給システムとして、次のようなものを提案する。

すなわち、燃料極となるアノードに近接した位置で液体燃料を保持し、該燃料を前記アノードに供給する燃料保持部と、
燃料タンク内の液体燃料を前記燃料保持部に供給するポンプと、を備え、
前記燃料保持部内を液体燃料で充分満たしておいて、この状態でポンプを駆動させずに燃料電池を使用し、燃料電池の使用に伴って、液体燃料の濃度或いは量が所定値よりも減少すると前記ポンプを駆動する燃料電池の燃料供給システム。

上記構成によれば、燃料電池の供給システムにおいて、ポンプ使用の条件を制限して高発電対応を可能にするために、補機の消費電力を低減させることができる。

以下に本発明の実施形態を説明する。

図１は、本発明の一実施例に係る燃料電池の供給システムの概要図、図２は、そのシステムに使用される積層型（スタック型）燃料電池の基本構成を示す分解斜視図である。

図１の燃料電池１０は、液体燃料として例えばメタノール水溶液を使用するダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）である。先ず、燃料供給システムの説明に先立ち、この燃料電池の構成を図２により説明する。

固体高分子膜を用いた燃料電池は、一般的に、固体電解質の両面に、多孔質の電極触媒を担持した電極（アノード及びカソード）を接合した平板状の膜/電極接合体（MEA: Membrane Electrode Assembly）と、導電性のセパレータを備える。これらのユニット（単セル）として、複数の単セルを積層して燃料電池スタックが構成される。

具体的には、図２に示すように、固体高分子電解質１の両面にアノード（燃料極）２及びカソード（空気極）３を接合したMEA100、アノード拡散層４、カソード拡散層５、セパレータ６によって単セル１０´を構成し、単セル１０´を複数積層することによって燃料電池いわゆるスタック（積層電池）１０が形成される。スタック１０の出力電圧は単電池の積層数で、出力電流は、MEA100を形成する電極の面積によって決められる。

固体電解質膜１には、水素イオン導電性材料を用いると、大気中の炭酸ガスの影響を受けることなく安定な燃料電池を実現できる。このような材料としてポリパーフルオロスチレンスルフォン酸、パーフルオロカーボン系スルフォン酸などに代表されるスルフォン酸化したフッ素系ポリマーやポリスチレンスルフォン酸、スルフォン酸化ポリエーテルスルフォン類、スルフォン酸化ポリエーテルエーテルケトン類などの炭化水素系ポリマーをスルフォン化した材料或いは炭化水素系ポリマーをアルキルスルフォン酸化した材料を用いることができる。これらの材料を電解質膜として用いれば一般に燃料電池を80℃以下の温度で作動することができる。又、タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂若しくはスルフォン酸化樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで作動する燃料電池とすることもできる。特にスルフォン酸化されたポリエーテルスルフォン類、ポリエーテルエーテルスルフォン類或いは水素イオン導電性無機物を用いた複合電解質類は、ポリパーフルオロカーボンスルフォン酸類に比較して燃料のメタノール透過性の低い膜として好ましい。いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると燃料の発電利用率が高くなるため、本発明の効果であるコンパクト化及び長時間発電をより高いレベルで達成することができる。

ここで、発電部を構成するアノード触媒としては、例えば、炭素系粉末担体に白金とルテニウムの混合金属或いは白金/ルテニウム合金の微粒子を分散担持したものが使用される。カソード触媒としては、炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものが使用される。これらの触媒材料は、容易に製造、利用できる。

触媒の主成分である白金の炭素粉末に対する担持量は、一般的には50ｗｔ％以下が好ましく、活性の高い触媒或いは炭素担体上への分散の改善によっては30ｗｔ％以下でも高い性能の電極を形成することが可能である。

電極中の白金量は、アノード２では0.5〜5ｍｇ/cm²、カソード３では0.1〜2mg/cm²が好ましい。しかしながら本発明による燃料電池のアノード及びカソードの触媒は通常の直接形メタノール燃料電池に用いられるものであれば、特定の触媒組成に制限されるものではなく用いることができ、性能の高い触媒ほど触媒量を削減でき電源システムの低コスト化に有効である。

アノード拡散層４、カソード拡散層５は、MEA100の支持、電極への燃料、外気（酸化剤）などの供給、ならびに電極で生成された成分の拡散や、電極とセパレータの接触抵抗を低減する役割を持つものである。カソード拡散層５は炭素繊維不織布や織布又はこの布を予めポリテトラフルオロエチレンの水性分散液（テフロンデイスパージョンＤ−１：ダイキン工業製；「テフロン」はデュポン社の登録商標）に浸漬後、８０〜１２０℃で乾燥及び２５０〜３７０℃で焼成して撥水化した上で、その一方の面に炭素粉末、例えば、電極触媒に用いたものと同じ炭素粉末にポリテトラフルオロエチレンの水性分散液を所定量加えてペースト状にしたものを塗布し、８０〜１２０℃で乾燥及び２５０〜３７０℃で焼成して撥水層を形成する。カソード拡散層は、上記撥水層をカソード面に接触するように積層される。カソード電極層及び拡散層からの発電に伴う水生成物の排出に関しては、拡散層に担持するポリテトラフルオロエチレンの添加量、分散度や焼成温度の選択によって望ましい条件が決定される。

アノード拡散層は炭素繊維不織布や織布で構成される。この拡散層はアノード近傍の水溶液燃料中から発生してくる炭酸ガスを排出させるために、多孔質な拡散層の表面を強く親水化しておくことは有効で、例えば酸化チタンや含水酸化チタンなどを分散担持した拡散層は好ましい。

いずれの場合にも、上記した実施例に限定されることは無く、例えば、拡散層上に予め電極層を形成した後に電解質膜と接合する方法や、電解質膜に予め電極層を形成したMEAに上記したそれぞれの拡散層を接合し、更に、ガスケットと一体化したものを用いることも可能である。

スタック型燃料電池の構成材であるセパレータ６は、アノード側に向いた面が燃料供給溝１１を有する多孔質部材（多孔質層）６Ａ、カソード側に向いた面が空気供給溝１２を有する非多孔質層（緻密層）６Ｂを形成している。

セパレータ６を構成する多孔質層６Ａ、非多孔質層６Ｂは、貼り合わせよりなる。多孔質層６Ａは毛管作用を示す材料で形成される。

多孔質層６Ａは、メタノール水溶液との接触角が小さく、電気化学的に不活性で耐食性のある材料であれば良く、粉末或いは繊維状のものを用いるとよい。例えば、SUS，チタン，炭素材料、アルミナ，シリカ，シリカアルミナ，チタン／ニッケルなどの無機質紛をベースにした焼結金属合金などで形成され、好ましくは例えば厚さ０．５ｍｍ〜２ｍｍ程度、孔径が１ｍｍ以下、空隙率が５０〜８０％であれば良い。また孔径は、一つの多孔質層の中で揃っている必要はなく、例えば孔径０．２ｍｍと０．５ｍｍが混在するというように二種類もしくは三種類あるいはそれ以上の種類の孔径が混在していても良い。

非多孔質層６Ｂは、炭素材料と樹脂のコンポジットを焼成、黒鉛化したものや、黒鉛材料と樹脂をモールドして成形したものが用いられる。又、炭素材料に替えて燃料電池の発電環境下でも導電性及び耐食性を示すステンレススチール、チタン、タンタルなどの金属或いはこれらの金属で他の金属、例えば炭素鋼、銅、アルミニウムなどの金属を被覆したクラッド材料などを用いて流体流路をプレス加工し、マニホールドを打ち抜き加工したものを用いることができる。

多孔質層６Ａに形成される燃料供給用の溝１１は、圧損を考慮すると、幅０．５〜１ｍｍ程度，深さ０．３〜２ｍｍ程度が好ましい。幅がこれよりも狭いと圧損が大きくなり、これより広いと電極への面圧不足になる可能性がある。また、深さがこれより深いと電極への燃料供給が不必要に多くなる（＝ポンプ動力が不必要にかかる）ばかりでなく、多孔質層の厚さが増し、装置全体の大形化の原因になる。非多孔質層６Ｂに形成される空気供給溝１２についても、その溝幅、深さは同様に設定される。

スタック（積層電池）１０には、燃料供給溝１１に液体燃料を通すための燃料導入路７Ａおよび燃料戻り流路７Ｂと、空気供給溝１２に空気を通すための空気導入路８Ａおよび空気排出路８Ｂとが形成される。

実際のスタック１０は、図３に示すようにMEA100（固体電解質１、アノード２、カソード３）、アノード拡散層４、カソード拡散層５、ガスケット３０、セパレータ６（多孔質層６Ａ，非多孔質層６Ｂ）を単電池とした積層電池よりなる。燃料供給溝１１は、燃料導入路７Ａから燃料戻り流路７Ｂに向けてＵターン通路が繰り返される形状をなす。空気供給溝１２も同様に、空気導入路８Ａから空気排出路８Ｂに向けてＵターン通路が繰り返される形状をなす。

図１に示すように、燃料導入路７Ａの入口７Ａ´は、送液ポンプ（燃料供給ポンプ）１３を介して液体燃料タンクであるメタノール水溶液タンク２０の送液口２０Ａに接続される。燃料戻り流路７Ｂの出口７Ｂ´は、メタノール水溶液タンク２０の液戻り口２０Ｂに接続される。

タンク２０内には、濃度管理されたメタノール水溶液が収容される（濃度管理については後述する）。ポンプ１３を駆動すると、タンク２０内のメタノール水溶液が燃料導入路７Ａ、燃料通路溝１１、燃料戻り流路７Ｂを介して循環し、その循環の過程でメタノール水溶液の一部がアノード拡散層４に浸み込んでアノード２に供給される。また、この燃料循環を介して多孔質層６Ａにも液体燃料が浸透し、蓄えられる。

ポンプ１３を駆動しない場合、アノード２には、多孔質層６Ａに蓄えられたメタノール水溶液が多孔質層６Ａの毛管力によって、アノード拡散層４を介して供給される。この場合の燃料供給量は、ポンプ駆動の場合に比べて低いが、低発電モードであれば対応可能である。

タンク２０中のメタノール水溶液の濃度は、メタノール濃度センサ２９で監視される。メタノール水溶液の使用に伴い、メタノール水溶液の濃度が設定よりも低下すると、或いは量が不足すると、燃料供給システムの制御装置１９の指示によりポンプ選択／駆動回路２４を介してポンプ１７，１８を駆動する。それによって、高濃度のメタノールを保管しているメタノールタンク１５中のメタノール及び水タンク１６中の純水が、メタノール水溶液タンク２０に補給される。このようなメタノールや純水の補給により、燃料電池内のメタノール水溶液の濃度を１０〜３０ｗｔ％の所定範囲内にコントロールしている。

スタック１０の空気導入路８Ａの入口８Ａ´は、空気供給ポンプ１４を介して空気源（大気）２５と接続され、空気排出路８Ｂの出口８Ｂ´は、気水分離器２１及び水回収パイプ２１Ａを介して水回収タンク１６接続される。ポンプ１４を駆動すると、空気が空気導入路８Ａ、空気通路溝１２、カソード拡散層５を介してカソード３に供給される。

ここで、メタノール水溶液を燃料とする燃料電池の原理について説明する。このタイプの燃料電池は、以下に示す電気化学反応により、メタノールの持っている化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する発電方式である。

アノード２では、供給されたメタノール水溶液が（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）
生成された水素イオンは、電解質膜１中をアノード２からカソード３側に移動し、カソード３でカソード拡散層５から拡散してきた空気中の酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。
６Ｈ^＋＋３／２Ｏ_２＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …（２）
従って発電に伴う全化学反応は、（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。
ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２ → ＣＯ_２＋３Ｈ_２Ｏ …（３）
上記発電動作によりアノード側で生じた炭酸ガスは、未反応メタノール水溶液と共に燃料戻り流路７Ｂを介してメタノール水溶液タンク２０に送られる。この炭酸ガスは、タンク２０に設けた気液分離孔（図示省略）を介して外部に放出される。

一方、カソード側で生成された水は、空気排出路８Ｂ´を通り、気液分離装置２１で空気と分離されて水タンク２０に回収される。気液分離された空気は、排気口２１Ｂを介して大気に放出される。

前記（１）式で発生した電子は、集電体（例えばアノード拡散層，カソード拡散層が兼ねる）を介して集電され、リチウムイオン二次電池（又はスーパーキャパシタ）２２に充電電流として供給されると共に、二次電池２２が満充電状態である時には、使用電子機器であるパーソナルコンピュータの制御回路２３、燃料電池の燃料供給システムの制御回路１９およびポンプ選択／駆動回路２４等に負荷電流として供給される。二次電池２２は、パーソナルコンピュータの起動時などの電源として用いられる。

本実施例における燃料供給システムは、低発電時には、送液ポンプ１３が停止状態で、図４（ａ）の矢印４０に示すように、多孔質部材（多孔質層）６Ａの毛管力のみでアノードに燃料が供給される。この場合、多孔質部材６Ａに蓄えられた液体燃料がアノード拡散層４を介してアノード２に供給される。一方、高発電時には、送液ポンプ１３を駆動させて、図４（ｂ）の矢印４０，４１に示すように、ポンプ１３（燃料供給溝１１）と多孔質部材６Ａの毛管力により、アノード拡散層４を介してアノードに燃料が供給されるように設定している。なお、図４（ａ）（ｂ）では、多孔質部材６Ａとアノード拡散層４は、離れた状態で図示しているが、実際は面接触状態にある。低発電、高発電の判断要素については後述する。

図５に多孔質部材６Ａの毛管力のみでアノードに燃料を供給する場合と、毛管力６Ａとポンプ１３の駆動を併用してアノードに燃料を供給する場合の燃料電池の出力特性（性能）の実験例を示す。この図において、白抜きの△でプロットしたものが毛管力のみの出力電圧−出力電流特性を示し、黒塗りの菱形でプロットしたものが毛管力及びポンプ駆動の併用による出力電圧−出力電流特性を示す。この出力特性からも明らかなように、毛管力及びポンプ駆動（燃料供給溝１１付き）の併用の場合には、毛管力だけの場合に較べてアノードへのメタノール水溶液の供給量が多いので、性能的には毛管力だけの場合に較べて２倍の出力が出ることを確認した。

燃料電池の使用機器（例えばパーソナルコンピュータ）が低負荷状態（燃料電池の発電力も低発電で足りる場合）に、本燃料供給システムでは、低発電モードとなって送液ポンプ１３は停止状態になる。

この低発電モード、高発電モードを実行すべきか否かの目安としては、種々の態様が考えられる。

図６にポンプ駆動タイミングを燃料電池の出力電流又は出力電圧との関係で決定する例を示す。図６のグラフにおいて、横軸は、燃料電池１０の出力電流、縦軸は出力電圧であり、毛管力のみの燃料電池の出力特性と、毛管力と送液ポンプを併用した出力特性とを示している。図６のグラフ中に示す（１）は、燃料電池の負荷電流（出力電流）がＩ_１よりも小さければ低発電モードであるとして送液ポンプ１３を駆動せず、Ｉ_１以上であれば高発電モードであるとして送液ポンプ１３を駆動する制御例を示す。

一方、図６のグラフ中に示す（２）は、燃料電池１０および二次電池（蓄電池）２２の電圧が所定値Ｖ_１以上の時は低発電モードであるとして送液ポンプ１３を駆動せず、Ｖ_１よりも低下したときに高発電モードであるとして送液ポンプ１３を駆動する制御例を示す。

その他の例としては、（３）例えば使用機器（パーソナルコンピュータやモバイル）のCPUの可動状態から低発電モード，高発電モードを判定して送液ポンプ１３を制御する場合や、（４）使用機器の電源が入っているが操作が所定時間以上なされていない時、例えば所定時間以上キーボードが打たれない状態の時やその時に実行されるスクリーンセーバの状態にある時に、低発電モードと判定して送液ポンプ１３が停止し、スクリーンセーバが解除された時に高発電モードと判定して送液ポンプ１３が再駆動する場合などの例が考えられる。

図７に本発明の他の実施例に係る燃料供給システムの構成を示す。図７のシステムは、基本的には、図１と同様の構成をなすスタック１０を使用するものであり、相違する点は、スタック１０で生成された電力をDC-DCコンバータ２７で昇圧し、リチウムイオン二次電池又はスーパーキャパシタ２８を介して電子機器（パーソナルコンピュータ、モバイルなど）２６の制御回路２３、燃料供給システムの制御回路１９、ポンプ選択／駆動回路２４に供給する点にある。

本実施例において、二次電池２８から供給される電子機器の外部回路２３の負荷電流の状態などから、低発電モード、高発電モードが決定され、それに応じて多孔質部材６Ａの毛管力のみによるアノードへの燃料供給、毛管力と送液ポンプ１３によるアノードへの燃料供給が行われる。

上記実施例においては、スタック型の燃料電池に関する構成および燃料供給システムを説明したが、本発明は、平面型（パネル型）の燃料電池にも適用可能である。

図８〜図１３に、本発明におけるスタック１０の他の実施形態を示す。本例のスタック１０において、図３と同一符号は同一或いは共通する要素を示す。本例と図３のスタックの基本的構造は、共通するものであり、ここでは相違点のみを説明する。

セパレータ６のうち、燃料供給溝１１を有する多孔質層（アノード側セパレータ）６Ａと空気供給溝１２を有する非多孔質層（カソード側セパレータ）６Ｂとは、一方を他方に嵌め込み且つ接合している（図８、図９）。本例では、図１０に示すように、非多孔質層６Ｂに多孔質層６Ａの嵌め込み部（凹部）６０を形成している。なお、これとは逆に多孔質層６Ｂに非多孔質層６Ｂを嵌め込む凹部を設けてもよい。また、燃料供給溝１１及び空気供給溝１２は、それぞれ複数条（ここではそれぞれ２条）配設されている（図１１、図１２）。図１３は、セパレータ６の燃料供給溝１１及び空気供給溝１２を横断した断面図である。

図１４に、本発明の実施例において用いるパネル型電池の構成を示す。

図１４において、100はMEA、４はアノード拡散層、５はカソード拡散層、８０，８１，８３は集電板、８２はカソードスリット、９０は燃料タンク（燃料室）、９１はインターコネクタである。

MEA100の構成は、図１のものと同様であり、固体高分子電解質膜１の両面にアノード２及びカソード３を接合してなる。なお、本実施例では、アノード２及びカソード３については図示省略してある。

MEA１00は、燃料タンク９０の少なくとも一面（本実施例では両面）にそれぞれ複数並べて配置されている。各MEA100のアノードは、アノード拡散層4、集電板８０を介して燃料タンク９の水溶液燃料に面している。カソードは、カソード拡散層５、集電板８１、カソードスリット８２を介して大気側に面している。以上の構成により、単セル１０´が燃料タンク９０の両面に複数、例えば図１５に示すように各面に６個ずつ配設される（その数は限定されるものではない）。

アノード拡散層４の一面には、図１７に示すように片面に毛管力を有する突起４Ａが多数配設されている。この突起４Ａは、アノード拡散層４と同一材質である。一方、集電板８０には、多数の孔８０Ａが配設され、集電板８０とアノード拡散層４とは積層され、この状態で各孔８０Ａに突起４Ａが挿入される。この突起４Ａの毛管力およびアノード拡散層４を介して、燃料タンク９０内の液体燃料（メタノール水溶液）がアノード側に導かれる。

燃料タンク９０内には、メタノール水溶液に対して親和性が高く（濡れ性の高い）毛管作用により燃料吸い上げ機能を有する多孔質部材８４が充填される。この多孔質部材は、メタノール水溶液との接触角が小さく、電気化学的に不活性で耐食性のある材料であれば良く、粉末或いは繊維状のものを用いるとよい。例えば、ガラス、アルミナ、シリカアルミナ、シリカ、非黒鉛系炭素、綿、ウール、紙、絹、パルプなどの天然繊維やポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、塩化ビニル、ポリアクリル系樹脂その他のエンジニアリング樹脂繊維、吸水性高分子繊維などは充填密度が低くメタノール水溶液保持性に優れた好ましい材料である。

図１５に多孔質部材８４の一例を示す。多孔質部材８４は例えば直方体をなし、厚み方向の中間位置にメタノール水溶液を通すための複数の燃料通路（貫通孔）８５Ａが長手方向に向けて形成され、各燃料通路８５Ａとクロスする燃料通路（貫通孔）８５Ｂが複数形成されている。燃料通路８５Ｂは、多孔質部材８４の両面に開口し、燃料通路８５Ｂを通過するメタノール水溶液の一部が燃料通路８５Ａを介してMEA100のアノード側に供給される。

各MEA100のカソード面にカソード拡散層５が配置される。さらに、カソード拡散層５の外側が集電板８１およびカソードスリット８２を介して大気に面している。集電板８１は、多孔質或いはスリット状の導電部材により構成される。

酸化剤である空気は、カソードスリット８２，集電板８１およびカソード拡散層５を通してカソードに供給される。

各単位セル１０´は、集電板８０，８１，８３を介して直列に接続されており、（−）端子８３Ａ，（＋）端子８３Ｂを介して外部機器と接続可能にしている。

集電板８０，８１，８３は、生成水発生雰囲気での耐食性に優れた炭素材料、ステンレス系鋼、或いは通常の鉄、ニッケル、銅、アルミニウム及びそれらの合金よりなり、表面が電気的に絶縁されることが望ましい。電気的絶縁材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、塩化ビニル、ポリアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂その他のエンジニアリング樹脂や、これらを各種のフィラー等で強度補強した材料がある。

カソードスリット８２は、発電に必要な空気をカソードに供給するもので、その開孔形状に特に限定は無く、矩形、円形、楕円形など任意の形状で、開孔率は２５％以上、好ましくは３０％以上である。

集電板８０，８１，８３は、耐食性を持った導電性板である。その材料は特に限定はないが、炭素板やステンレススチール、チタン、タンタルなどの金属系板或いはこれらの金属系材料と他の金属例えば、炭素鋼、ステンレススチール、銅、ニッケル等のクラッドなどの複合材料などを用いることができる。更に、金属系カレントコレクタにおいては、加工されたカレントコレクタの通電接触部に耐食性貴金属をメッキすることや、導電性炭素塗料などを塗布して実装時の接触抵抗を低減することは電池の出力密度向上と長期性能安定性の確保には有効である。

このようなパネル型燃料電池110の燃料供給システムの一例を図１６に示す。

図１６の燃料供給システムにおいて、既述した図１の燃料供給システムにおける符号と同一の符号は、同一或いは共通する要素を示す。この燃料供給システムにおける燃料供給タイミングは、図１と同様である。

平面型燃料電池110には、多孔質部材８４（図１５参照）に設けた燃料通路８５Ａの一端に隣接して燃料入口空間８７が設けられ、他端に隣接して燃料出口空間８８が設けられる。また、電池１００の側部には、燃料入口空間８７に通じる燃料入口８６と、燃料出口空間８８に通じる燃料出口８９とが設けられる。さらに、各MEA100のカソード側で形成される水は、電池本体の側部に設けたドレインスペース９０に導かれ、排水口９１及びドレインポンプ１４´、気液分離器２１、回収ポンプ２１Ａを介して水回収タンク１６に回収される。ドレインポンプ１４´は、燃料電池の発電動作時に常時駆動され、排水作用のほかにカソード側を強制通気させる機能をなす。ドレインポンプ１４´を使用せず、自然通気により空気をカソードに導くことも可能である。

本燃料供給システムにおいても、ポンプ制御により、低発電モード時には、多孔質部材８４の毛管力によりメタノール水溶液をアノードに供給し、高発電時には、多孔質部材８４の毛管力と送液ポンプ１３（燃料通路８５Ａ，８５Ｂ）によるメタノール水溶液の燃料供給を可能にする。

多孔質部材８４に設ける燃料通路構造については、図１５の例の他に、種々の形態が考えられる。例えば、図１８の（ａ）に示すように、多孔質部材８４の両面に複数の通路溝を形成するもの、同図（ｂ）に示すように、貫通孔８５Ｂを千鳥配置するもの、同図（ｃ）に示すように、多孔質部材８４の両面に複数のクロス溝を設ける態様などがある。

本発明の第１実施例に係る燃料電池及びその燃料供給システムの構成図。 第１実施例の燃料電池の基本構成を示す分解斜視図。 （ａ）は第１実施例の燃料電池の分解斜視図、（ｂ）はその一部のＡ−Ａ´断面図。 第１実施例のシステムにおける燃料供給動作原理を示す図。 第１実施例における燃料電池の出力特性を示す図。 第１実施例におけるポンプ動作タイミングを示す図。 本発明の第２実施例に係る燃料供給システムの構成図。 本発明に用いる積層型燃料電池の他の例を示す分解斜視図。 上記積層型燃料電池に用いるセパレータの斜視図。 上記積層型燃料電池に用いるセパレータの分解斜視図。 上記セパレータの一面を示す平面図。 上記セパレータのもう一面を示す平面図。 上記セパレータの燃料供給溝、空気供給溝を横断した断面図。 本発明の第３実施例に係る燃料電池の断面図。 第３実施例の燃料電池に使用する多孔質部材の斜視図。 第３実施例の燃料電池を使用する燃料供給システムの構成図。 第３実施例の燃料電池に用いるカソード拡散層と集電板８を一部省略して示す斜視図。 第３実施例の燃料電池に使用する多孔質部材の種々の形態を示す斜視図。

符号の説明

１…固体電解質、２…アノード、３…カソード、４…アノード拡散層、５…カソード拡散層、６…セパレータ、６Ａ…多孔質層（多孔質部材）、６Ｂ…非多孔質層、１０…燃料電池、１０´…単セル、１１…燃料通路溝、１２…空気通路溝、１３…送液ポンプ、１００…MEA。

Claims (12)

1. 液体燃料に電気化学的に反応して電気を生成する発電部を有する燃料電池において、燃料供給用の溝或いはスルーホールを有する多孔質部材を前記発電部の燃料極となるアノードに近接して配置したことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１において、前記燃料電池は、液体燃料が供給されるアノード、酸化剤ガスが供給されるカソード、前記アノードおよびカソードの間に介在する電解質膜を含む単電池を複数積層した積層型の燃料電池であり、単電池間に介在するセパレータを有し、このセパレータは、アノード側に向いた面が前記燃料供給用の溝を有する多孔質部材となる多孔質層、カソード側に向いた面が空気供給溝を有する非多孔質層を形成している燃料電池。
3. 請求項１において、前記燃料電池は、液体燃料を収容する燃料室の少なくとも一面に、液体燃料が供給されるアノード、酸化剤ガスが供給されるカソード、前記アノードおよびカソードに間に介在する電解質膜を含む単電池を、１以上配置した平面型燃料電池であり、前記燃料室に前記燃料供給用の溝或いはスルーホールを有する多孔質部材が配置されている燃料電池。
4. 液体燃料に電気化学的に反応して電気を生成する発電部を有する燃料電池の燃料供給システムにおいて、
   液体燃料を保持し、前記発電部の燃料極となるアノードに近接して毛管力により液体燃料を供給する多孔質部材と、
   燃料タンク内の液体燃料を前記アノードに供給するポンプと、を備え、
   低発電時には、前記ポンプが停止状態で前記多孔質部材の毛管力により前記アノードに燃料が供給され、高発電時には、前記ポンプが駆動して該ポンプと前記多孔質部材の毛管力により前記アノードに燃料が供給されるようにした燃料電池の燃料供給システム。
5. 請求項４において、前記多孔質部材は、前記アノードに向いた側の面に燃料供給用の溝或いはスルーホールが開口し、この溝或いはスルーホールを介して前記ポンプの液体燃料が前記アノードに供給されるように構成した燃料電池の燃料供給システム。
6. 請求項４において、前記燃料電池は、液体燃料が供給されるアノード、酸化剤ガスが供給されるカソード、前記アノードおよびカソードの間に介在する電解質膜を含む単電池を複数積層した積層型の燃料電池であり、単電池間に介在するセパレータを有し、
   このセパレータは、アノード側に向いた面が前記多孔質部材となる多孔質層、カソード側に向いた面が空気供給溝を有する非多孔質層を形成し、
   前記多孔質層の面に燃料供給用の溝が形成され、この溝に前記ポンプからの液体燃料が流通するように構成されている燃料電池の燃料供給システム。
7. 請求項４において、前記燃料電池は、液体燃料を収容する燃料室の少なくとも一面に、液体燃料が供給されるアノード、酸化剤ガスが供給されるカソード、前記アノードおよびカソードに間に介在する電解質膜を含む単電池を、１以上配置した平面型燃料電池であり、
   前記燃料室に前記燃料供給用の溝或いはスルーホールを有する多孔質部材が配置され、この溝或いはスルーホールに前記ポンプからの液体燃料が流通するように構成されている燃料電池の燃料供給システム。
8. 請求項４において、前記燃料電池の低発電時及び高発電時を燃料電池の出力電流或いは出力電圧より判定する燃料電池の燃料供給システム。
9. 請求項４において、前記燃料電池の低発電時及び高発電時を使用機器の負荷の大きさから判定する燃料電池の燃料供給システム。
10. キーボード、ディスプレイを有し、燃料電池を電源とする電子機器において、
    請求項４ないし９のいずれか１項記載の燃料供給システムを備えることを特徴とする燃料電池の燃料供給システム。
11. 請求項１０において、
    前記電子機器の電源が入っているが、その操作が所定時間以上行われない時或いはスクリーンセーバ状態にあるときには低発電と判定して、燃料電池のアノードへの燃料供給を多孔質部材のみで行い、前記操作が行われている状態或いはスクリーンセーバが解除されている状態にときには、高発電時であるとして、ポンプと多孔質部材の毛管力により前記アノードへの燃料が供給されるようにした電子機器。
12. 液体燃料に電気化学的に反応して電気を生成する発電部を有する燃料電池の燃料供給システムにおいて、
    前記発電部の燃料極となるアノードに近接した位置で液体燃料を保持し、該燃料を前記アノードに供給する燃料保持部と、
    燃料タンク内の液体燃料を前記燃料保持部に供給するポンプと、を備え、
    前記燃料保持部内を液体燃料で充分満たしておいて、この状態でポンプを駆動させずに燃料電池を使用し、燃料電池の使用に伴って、液体燃料の濃度或いは量が所定値よりも減少すると前記ポンプを駆動する燃料電池の燃料供給システム。
    

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