JP2006210109A

JP2006210109A - 燃料電池

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Publication number: JP2006210109A
Application number: JP2005019871A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Yanagihara; 豪柳原; Yuji Nobemoto; 祐司延本; Nobuhisa Ishida; 暢久石田
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2005-01-27
Filing date: 2005-01-27
Publication date: 2006-08-10

Abstract

【課題】燃料電池の酸素極に発生する生成水等の液体を、燃料電池の小型化を妨げることなく、簡易に酸素極から除去する。燃料電池を搭載するデバイスの姿勢や向きに拘らず生成水等を除去する。
【解決手段】電解質膜１１をアノード（燃料極）１２とカソード（酸素極）１３で挟んだ電池本体のアノード２に燃料供給用セパレータ１４を設けるとともにカソード３に空気供給用セパレータ１５を設けた燃料電池１。空気供給用セパレータ１５には、カソード１３に臨む空気取り込み用空間１５１が複数分散形成されているとともに、各空間１５１に連通させて、外部から空気を供給する空気供給孔１５２と、空間１５１からカソードで発生する液体を回収する液体回収路１５３とが隣り合わせて形成する。液体回収路１５３は回収液体を予め定めた場所（例えば燃料供給用セパレータ１４）へ導くための導出路１５０、１５０ａに連通している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体を有する燃料電池に関する。

ユビキタス社会の幕開けとともに電池の長寿命化に対する要求が高まってきている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、重量（容積）あたりのエネルギー密度の高さから従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池が注目されている。

燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドなどの大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話機、各種携帯情報端末（ＰＤＡ）機器等）向けの燃料電池として適していると言えるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目されており、盛んに研究されている。

ＤＭＦＣ型燃料電池を採用した燃料電池システムは燃料供給の方法により二つのタイプに分類される。一つはアクティブ型と呼ばれるもので、電池への燃料供給をポンプにより行うタイプであり、もう一つはパッシブ型と呼ばれるもので、ポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。

ここでＤＭＦＣの反応式を示す。
燃料極（アノード）側での反応：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺
酸素極（カソード）側での反応：(3/2) Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ
全反応：ＣＨ₃ＯＨ＋(3/2) Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ

この反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応し、ＣＯ₂と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ₂は外部に排出され、電子は外部回路を通って酸素極（空気極）に、プロトンは電界質層を通って酸素極（空気極）にそれぞれ別ルートで送られ、そこで反応し、水分子３個を生成する。全反応としてはＣＯ₂と２分子のＨ₂Ｏを生成する。

また、上記反応式によればメタノールと水は燃料極において等モルで反応するが、実際に燃料極に供給される燃料液には、通常、濃度が３〜５％と低濃度のメタノール水溶液が用いられる。その理由は、メタノールが燃料極で上記の反応を起こさないまま電解質膜を透過して空気極へ到達してしまうというクロスオーバーという現象を防ぐためである。クロスオーバー現象は燃料中のメタノール濃度が高いほど起こりやすい。このようなクロースオーバー現象が発生すると、ＤＭＦＣの二つの極（燃料極及び酸素極）のうち燃料極で起こるべきメタノールの反応が酸素極でも起こり、燃料の無駄と酸素極側の電位低下による電池効率の著しい低下が起こる。従って、通常は、水で希釈した上記の低濃度のメタノール水溶液が用いられる。

このように燃料にアルコールを採用する燃料電池に供給される燃料液には、高濃度燃料液を希釈液で希釈した低濃度燃料液が採用されるのであるが、この場合、予めアルコール濃度を所定濃度まで希釈した溶液を燃料液収容容器に貯蔵し、ポンプを用いて燃料電池に供給する方法も考えられるが、発電時は常に燃料液を供給し続ける必要があるため燃料液がすぐに消費され、頻繁に燃料液収容容器を交換するか、該容器に燃料液を補給しなければならない。

燃料液収容容器を大きくすれば容器交換頻度や該容器への燃料液補給頻度は少なくなるが、小型化を目的とした携帯用の燃料電池システムには不向きである。
この点、例えば、特開２００３−１３２９２４号公報や、特開２００４−１５２５６１号公報は、酸素極から発生する水を回収し、高濃度のアルコールと混合してアルコール濃度を希釈し、燃料電池に供給する方法を提案している。

また、ＤＭＦＣ型燃料電池に限らず、燃料電池においては、酸素極側に電池の電気化学反応により水が生成されるものがあり、ＤＭＦＣでは、酸素極側に水が生成されるとともに、場合によっては、燃料極側から電解質膜を通って酸素極側へ液が移動してくることもある。

いずれにしても、水等の液体は、酸素極から速やかに排除しないと、酸素極に十分な酸化剤ガス（通常は空気）を供給できなくなって発電効率が低下したり、酸素極における触媒層の電池反応に寄与し得る面積が低下して出力低下を招く。

この点、特開２００３−２０３６６８号公報は、生成水吸収材を内部に有する筐体を燃料電池に外部から接続することで生成水を回収し、該筐体を燃料電池から外して吸収材から吸引、乾燥等により水を排出することを開示している。

特開２００３−２９７４０１号公報は、ＤＭＦＣ型燃料電池のカソード側に外部から接続した容器にカソード側における生成水等を回収し、該容器内液体を電池のアノード側に接続した燃料収容容器へ送ることを開示している。
特開２００４−１６５００２号公報は、燃料電池のカソードで発生した水を電池外部へ導出する吸水性シートを電池に設けることを開示している。

特開２００４−２４１３６３号公報は、燃料電池のカソード電極に対して設けたセパレータに酸化剤ガスとしての空気を供給する空気供給溝を形成し、該空気供給溝に対して給水部材を配置して生成水をこれに毛細管現象を利用して回収させ、該吸水部材に回収した水を保水部材に蓄積させることを開示している。

特開２０００−１４９９６６号公報は、燃料電池のカソードに対向するプレート（セパレータ）における酸化剤ガス流路に対し延設流路を設け、該延設流路に水接触角の点で選択された部材を配置することで水を排出できるようにすることを開示している。
特開２０００−３０６５９５号公報は、燃料電池の空気極に送風機やブロワーから加湿器を介して空気を供給し、空気極で用いられた空気を凝縮器及び気液分離器を介して排出する場合において、送風機やブロワーから加湿器や凝縮器を迂回するバイパスに空気を流すことで圧力損失を低減させ、それにより風量を大きくして、空気極に生成する水を押し流すことを開示している。

また、生成水等を回収するものではないが、特開２００１−１３５３２４号公報は、燃料電池のセパレータにおける酸化剤ガスの流路が生成水等で閉塞されると、それにより上昇するガス圧で、該閉塞された部分を避けてガスが流れるバイパスを提供する可動式弁手段を組み込むことを開示している。

特開２００３−１３２９２４号公報特開２００４−１５２５６１号公報特開２００３−２０３６６８号公報特開２００３−２９７４０１号公報特開２００４−１６５００２号公報特開２００４−２４１３６３号公報特開２０００−１４９９６６号公報特開２０００−３０６５９５号公報特開２００１−１３５３２４号公報

そこで本発明は、燃料電池の酸素極に発生する生成水等の液体を、従来とは異なる手段で、しかも、燃料電池の小型化を妨げることなく、簡易に酸素極から除去でき、ひいては、それだけ燃料電池の性能を維持して、長時間使用においても安定した発電が可能である燃料電池を提供することを第１の課題とする。

また、本発明は、第１の課題を解決するとともに、燃料電池の酸素極に発生する生成水等の液体を、燃料電池を搭載するパーソナルコンピュータ等のデバイスの姿勢や向きに拘らず除去でき、生成水等がデバイスの向きや姿勢により意図しない場所へ散乱する等の事態発生を抑制できる燃料電池を提供することを課題とする。

本発明は前記第１の課題を解決するため、
電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料供給用セパレータを設けるとともに該酸素極に空気供給用セパレータを設けた燃料電池であり、該空気供給用セパレータには、該酸素極に臨む空気取り込み用空間が複数分散形成されているとともに、該各空気取り込み用空間に連通させて、外部から空気を供給するための空気供給孔と、該空気取り込み用空間から前記酸素極側で発生する液体を回収する液体回収路とが隣り合わせて形成されている燃料電池を提供する。

この燃料電池は、燃料供給用セパレータにおいて燃料極に燃料が供給されるとともに空気供給用セパレータにおいて酸素極に酸化剤ガスとしての空気が供給されることで発電する。この発電において酸素極で水が生成するが、酸素極で発生する水等の液体は、空気供給用セパレータにおける酸素極に臨んだ空気取り込み用空間に溜まろうとする。

しかし、空気取り込み用空間に連通する空気供給孔から該空気取り込み用空間へ、例えば、自然に発生した風の流れにより供給される空気や、或いは空気供給孔に空気を供給するように設けられた送風機等から供給される空気により、該液体は、空気供給孔に隣り合って形成された液体回収路の方へ押しやられ、該液体回収路にて回収することができる。

かかる液体回収路による液体の回収は、空気供給孔から供給される空気圧、液体回収路による毛細管力、或いは、液体回収路に連通接続されるポンプ等のうちの一つ、或いは二つ以上の組み合わせにより可能である。

かかる空気取り込み用空間、空気供給孔及び液体回収路は、燃料電池の酸素極に対する空気供給用セパレータにコンパクトに、燃料電池の小型化を妨げることなく形成でき、これらにより酸素極への空気供給を妨げることなく、しかも、簡易に酸素極に発生する生成水等の液体を除去でき、ひいては、それだけ燃料電池の性能を維持して、長時間使用においても安定した発電が可能となる。

前記液体回収路は、代表例として、前記空気供給孔から空気を供給することで、前記酸素極側で発生する液体を該酸素極から遠ざかる一方向に回収する通路を挙げることができる。

前記空気取り込み用空間、空気供給孔、液体回収路のそれぞれの断面形状は、空気供給孔及び液体回収路が隣り合って空気取り込み空間に連通し、該空気供給孔から空気取り込み用空間を介して酸素極へ空気を供給でき、該空気取り込み用空間から液体回収路へ液体を回収できるのであれば、様々に選択決定できる。例えば、空気取り込み用空間については、円形、四角形、６角形等の多角形、楕円形、長円形等に形成できる。

空気供給孔と液体回収路とを隣り合って形成する態様として、前記空気取り込み用空間の断面形状に応じて断面形状が円形、多角形、楕円形、長円形等になるように形成した空気供給孔の外側に液体回収路が隣り合って連続環状に或いは非連続環状に（間欠部を有する環状、例えば半円形を二つ向かい合わせた間欠環状に）形成される場合や、前記空気取り込み用空間の断面形状に応じて断面形状が円形、多角形、楕円形、長円形等になるように形成した液体回収路の外側に空気供給孔が隣り合って環状に或いは非環状に形成される場合等、様々の態様が考えられる。

寸方関係の観点からすると、例えば、空気供給孔が空気取り込み用空間よりも小断面積に形成され、液体回収路が、該空気取り込み用空間のうち該空気供給孔より外側の空間部に連通している場合を挙げることができる。
この場合、空気取り込み用空間の中心、空気供給孔の中心及び液体回収路に囲まれる領域の中心を一致させて、空気取り込み用空間に溜まろうとする生成水等を、液体回収路の空気取り込み用空間への開口部の全体から回収できにようにしてもよい。

また、例えば、酸素極が電界質膜に触媒層、拡散層及び集電体（電極）をこの順序で重ねて形成されている場合において、該集電体に空気供給用セパレータの一部を兼ねさせ、前記空気取り込み用空間は、該集電体に孔を分散形成して提供してもよい。
前記空気供給孔及び液体回収路は、空気供給及び液体回収の円滑化や、空気供給孔及び液体回収路の形成を容易にする等のために、前記酸素極表面を含む面（例えば、酸素極における拡散層が集電体を兼ねている場合はその表面、上記のように拡散層に集電体を重ねてある場合は、該集電体表面を含む面）に対し垂直に形成してもよい。

前記の液体回収路により回収される液体が、燃料電池の姿勢や向き、或いは燃料電池を搭載したパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等のデバイスの姿勢や向きによって、意図しない、好ましくない場所等に散乱することを抑制するため、前記液体回収路は、回収液体を予め定めた場所へ導くための導出路に連通させ、回収液体を該場所に集めることができる。

かかる予め定めた場所としては、回収液体収容専用の容器等であってもよいが、燃料電池が、燃料として高濃度燃料液を希釈用液で希釈した希釈燃料を用いる燃料電池である場合、前記導出路は、例えば、燃料供給用セパレータ（例えば、その燃料供給口部或いはそれに臨む領域）や、該希釈用液の収容容器へ前記回収液体を導くものとしてもよい。

いずれにしても、回収液体の導出路は、液導出のためのポンプを含んでいてもよい。また、回収液に含まれる気泡を分離除去する気液分離器を含んでいてもよい。
かかる液体導出路は、燃料電池に形成してもよい。また、かかるポンプや気液分離器も燃料電池に一体的に形成してもよい。

以上説明したように本発明によると、燃料電池の酸素極に発生する生成水等の液体を、従来とは異なる手段で、しかも、燃料電池の小型化を妨げることなく、簡易に酸素極から除去でき、ひいては、それだけ燃料電池の性能を維持して、長時間使用においても安定した発電が可能である燃料電池を提供することができる。

また、本発明によると、かかる燃料電池であって、燃料電池の酸素極に発生する生成水等の液体を、燃料電池を搭載するパーソナルコンピュータ等のデバイスの姿勢や向きに拘らず除去でき、生成水等がデバイスの向きや姿勢により意図しない場所へ散乱する等の事態発生を抑制できる燃料電池を提供することができる。

図１は本発明に係る燃料電池の１例を含む燃料電池システムを示している。
図１の燃料電池システムＡは、燃料電池としてダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）１を採用しており、この電池１に燃料液供給部Ｆから燃料液を供給して発電させることができる。

電池１は、電解質膜１１の両面にアノード（燃料極）１２とカソード（換言すれば、酸素極或いは空気極）１３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)構造のもので、アノード１２には燃料供給用セパレータ１４を貼り合わせてあり、カソード１３には空気供給用セパレータ１５を貼り合わせてある。

ここでは、アノード１２は電解質膜１１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層された、カーボンペーパ等の拡散層を兼ねる電極からなる。カソード１３も、図２に示すように、電解質膜１１に接する同様の触媒層１３１とこれに積層された同様の、拡散層を兼ねる電極１３２からなっている。燃料供給用セパレータ１４は、燃料供給口部１４１及び燃料回収口部１４２を有しており、内部に電極１２に燃料液を分散供給する通路を有している。

セパレータ１４は、さらに、電池１の電気化学反応によりアノード１２側で発生する炭酸ガスを外部へ放出するための図示省略の通気孔を有している。通気孔はセパレータ１４内から外部への気体の通過は許すが、外への液体の通過を阻止するように、例えばフッソ系樹脂（例えばＰＴＦＥ）で撥水処理を施したものである。

空気供給用セパレータ１５は、図２に拡大して示すように、カソード１３の拡散層を兼ねる電極１３２に貼り合わされたプレート部分１５ａと該部分に貼り合わされたプレート部分１５ｂとからなっている。
プレート部分１５ａには、図３にも示すように、電極１３２の表面に臨む空気取り込み用空間１５１が複数分散形成されているとともに、各空気取り込み用空間１５１に連通させて、外部から空気を供給するための空気供給孔１５２と、空気取り込み用空間１５１からカソード側で発生する液体を回収する液体回収路１５３とが隣り合わせて形成されている。

ここでカソード側で発生する液体とは、電池の電気化学反応によるカソード側での生成水やアノード側から電解質膜１１を通過してカソード側へ移動してくることがある液である。

それには限定されないが、本例では、空気取り込み用空間１５１及び空気供給孔１５２はそれらの中心を一致させて断面形状円形に形成されおり、液体回収路１５３は、空気供給孔１５２と同心円状に空気供給孔１５２の外側に、断面形状が環状に形成されている。

空気供給孔１５２は、空気取り込み用空間１５１の径よりも小径に形成されており、液体回収路１５３は、空気取り込み用空間１５１のうち空気供給孔１５２より外側の段差空間部１５１ａに連通している。空気供給孔１５２及び液体回収路１５３はいずれもカソード１３表面（電極１３２表面）に垂直姿勢で形成されている。

また、プレート部分１５ａの外面には、図３にも示すように、回収液体の導出路１５０が溝状に２系統に形成されており、プレート部分１５ａの長手方向に沿って３列に形成された液体回収路１５３のうち、片方の外側列回収路１５３は、一方の導出路１５０に、他方の外側列回収路１５３は他方の導出路１５０に、中央列回収路１５３は両導出路１５０にそれぞれ連通している。各導出路１５０は、さらに導出路１５０ａに連通している。

これら導出路１５０、１５０ａのプレート部分１５ａの外側に向けられた開放面はプレート部分１５ｂにより閉じられている。
なお、導出路１５０はプレート部分１５ｂ側に形成し、これをプレート部分１５ａで閉じてもよい。このことも考慮して、図３においては、導出路１５０は破線で示してある（後述する図７の導出路１５０、図８の導出路１５０’、１５０”においても同じ）。

空気供給孔１５２を提供している環状壁の上端部１５２’は導出路１５０、１５０ａの、プレート部分１５ａの外側に向けられた開放面より上方へ突出しており、プレート部分１５ｂに設けた孔１５ｂ’が該突出部１５２’に嵌着している。
前記の各導出路１５０ａは、プレート部分１５ａから電池本体１を貫通して燃料供給用セパレータ１５内を通り、電池外部へ通じている。

燃料液供給部Ｆは、高濃度燃料液（本例では、略１００％濃度のメタノール）を収容する容器Ｃ１に接続された高濃度燃料液供給路Ｌ１を含んでいるとともに、希釈液（本例では水又は水を主成分とする液）を収容する容器Ｃ２に接続された希釈液供給路Ｌ２を含んでいる。

高濃度燃料液供給路Ｌ１には、その途中に、容器Ｃ１の高濃度燃料液を送り出すためのポンプＭＰ１を接続してあり、希釈液供給路Ｌ２には、その途中に、容器Ｃ２内の希釈液を送りだすポンプＭＰ２を接続してある。
供給路Ｌ１、Ｌ２は合流部Ｌ３で合流しており、該合流部Ｌ３からセパレータ１４の燃料供給口部１４１へ混合流路Ｌ４が延びている。

セパレータ１４の液回収口部１４２は、回収路Ｌ５で希釈液収容容器Ｃ２に連通している。回収路５は、アノード側で使用され、メタノール濃度が低下した余剰の燃料液等の液体を容器Ｃ２へ導くものである。

また、前記のセパレータ１５からセパレータ１４側へ延びている液導出路１５０ａは気液分離器Ｆ１を介して液回収路Ｌ６にて希釈液収容容器Ｃ２へ配管接続されており、その途中にポンプＭＰ３が接続されている。気液分離器Ｆ１は液導出路１５０ａから出てくる液体から気体を分離、排出するためのものである。気液分離器Ｆ１は、気液を分離して気体を外部へ放出可能なものであればよく、例えば、それ自体知られている気液分離膜を利用した気液分離器を採用できる。

燃料供給部ＦにおけるポンプＭＰ１、ポンプＭＰ２及びポンプＭＰ３は、送液可能なものであればよいが、ここでは、基本構成が図４（Ａ）及び図４（Ｂ）に示すもので、図４（Ｃ）や図４（Ｄ）に示す駆動波形信号が印加されることで送液動作を行うマイクロポンプ（図２上「ＭＣ」と総称する。）である。

先ず、構成について説明すると、マイクロポンプＭＣは、液通路Ｌ１、Ｌ２或いはＬ６内に設定されたポンプ室ＰＣ、上流側液流路部分Ｌｉとポンプ室ＰＣとの間に形成された絞り流路ｆ１、下流側液流路部分Ｌｏとポンプ室ＰＣとの間に形成された絞り流路ｆ２、ポンプ室ＰＣに臨設されたダイアフラムＤＦ及び該ダイアフラムＤＦに貼設された、アクチュエータの１例である圧電素子ＰＺＴを含んでいる。絞り流路ｆ１とｆ２は断面積は略同じであるが、下流側流路ｆ２の方が上流側流路ｆ１より長い。

ポンプＭＣは、圧電素子ＰＺＴにパルス電圧を印加してポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動させることで、印加パルス電圧波形に応じてポンプ室ＰＣを収縮膨張させ、第１絞り流路ｆ１（又は第２絞り流路ｆ２）からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、第２絞り流路ｆ２（又は第１絞り流路ｆ１）からポンプ室内液体を吐出できる。

さらに説明すると、圧電素子ＰＺＴを駆動するパルス電圧として、例えば図４（Ｃ）に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示すパルス電圧波形を採用することで、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを急激に変形させてポンプ室ＰＣを急激に収縮させると、長い流路ｆ２では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路ｆ１では液体が乱流となり、流路ｆ１からの液体の流出が抑制される。これにより、流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出することができる。

また、図４（Ｃ）に示す印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを緩やかに復帰動作させてポンプ室ＰＣを緩やかに膨張させると、短い流路ｆ１からはポンプ室ＰＣ内へ液体が流入する一方、このとき流路ｆ１より流路抵抗が大きい長い流路ｆ２からの液体吐出が抑制される。これにより、流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引できる。
ポンプＭＰ１、ＭＰ２、ＭＰ３のそれぞれは、かかる基本構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。

なお、図４（Ｄ）に示す緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示すパルス電圧を印加すると、流路ｆ２からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、流路ｆ１からポンプ室内液体を吐出できるが、ここでは、図４（Ｃ）の波形を採用する。

図１の燃料電池システムＡにおいては、ポンプＭＰ１、ＭＰ２のそれぞれにおいて、上流側（容器Ｃ１、Ｃ２側）に流路ｆ１を下流側（電池１側）に流路ｆ２を配置することで、ポンプＭＰ１、ＭＰ２を交互に或いは同時に駆動して希釈された燃料液を電池１の燃料供給用セパレータ１４へ供給できる。

また、ポンプＭＰ３については、上流側（電池１側）に流路ｆ１を下流側（容器Ｃ２側）に流路ｆ２を配置することで、ポンプＭＰ３駆動して、前記の空気供給用セパレータ１５における液体回収路１５３に連通する導出路１５０及び１５０ａからカソード側で発生した生成水等を容器Ｃ２へ回収できる。

図５は、マイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２を交互に駆動して高濃度燃料液と希釈液とを交互に混合流路Ｌ４へ送り込む様子を例示しており、交互に送り込まれた高濃度燃料液と希釈液は混合流路を進む間に相互に拡散、混合して希釈された燃料液となり、セパレータ１４へ供給される。

マイクロポンプＭＰ１、ＭＰ２を同時に駆動して高濃度燃料液と希釈液と同時に混合流路Ｌ４へ送り込んでも、それら両液が混合流路を進む間に混合され、希釈された燃料液が得られる。
なお、マイクロポンプは、システムのコンパクト化のためにセパレータ１４や１５と一体的に形成してもよい。

この燃料電池システムＡによると、各ポンプの圧電素子に図示省略のポンプ駆動回路により駆動信号を入力することで、ポンプＭＰ１により容器Ｃ１から高濃度燃料液を合流部Ｌ３へ送るとともに、ポンプＭＰ２により容器Ｃ２から希釈用液を合流部Ｌ３へ送り、これら液体をひき続き混合流路Ｌ４において混合し、かくして得られる希釈された燃料液（例えば約３％のメタノール水溶液）を燃料電池１に供給し、発電に供する一方、空気供給用セパレータ１５においてカソード１３に酸化剤ガスとしての空気が供給されることで、燃料電池１が発電し、負荷ＬＤに電力を供給できる。カソード１３側で発生した生成水等の液体を次に説明するように容器Ｃ２へ回収することができる。

ここで、空気供給用セパレータ１５についてさらに説明する。
セパレータ１５においては、図２に示すように、外部に連通した各空気供給孔１５２から、空気取り込み用空間１５１へ、さらに、カソード（酸素極）１３に空気が供給され、発電に供される。この空気供給は、自然に発生した風の流れによりなされるが、空気供給孔１５２に空気を供給するように送風機等の送風手段を設けてそれにより空気を供給してもよい。

発電においてカソード１３では水が生成し、また、アノード１２側から電界質膜１１を通ってカソード１３側へ液体が到来することもあり得るが、これらカソード１３側で発生する液体Ｗは、カソード１３に臨んだ空気取り込み用空間１５１に溜まろうとする。

しかし、空気取り込み用空間１５１へ空気供給孔１５２から供給される空気により、該液体Ｗは、空間１５１のうち空気供給孔１５２の外側にある、液体回収路１５３に連通した段差空間部１５１ａの方へ押しやられ、該液体回収路１５３、これに連通した導出路１５０、１５０ａにて回収することができる。

かかる液体の回収は、段差空間部１５１ａに溜まり、液体回収路１５３に接する液体Ｗを液体回収路１５３、さらには導出路１５０、１５０ａの毛細管力により、又は空気供給孔１５２から供給される空気圧により、又はこれら双方により、又はポンプＭＰ３の吸引力により、或いはこれらの２以上の組み合わせにより、液体回収路１５３から導出路１５０、１５０ａに回収され、さらに、気液分離器Ｆ１にて気体が分離放出されて、ポンプＭＰ３により容器Ｃ２に回収される。
なお、毛細管力を発生させたいときは、液体回収路１５３等を毛細管力発生可能な寸法に形成しておけばよい。

かかる空気取り込み用空間１５１、空気供給孔１５２、液体回収路１５３、導出路１５０、１５０ａは、燃料電池の小型化を妨げることなく形成でき、これらによりカソード１３への空気供給を妨げることなく、しかも、簡易にカソード１３に発生する生成水等の液体を除去でき、ひいては、それだけ燃料電池１の性能を維持して、長時間使用においても安定した発電が可能となる。

また、液体回収路１５３により回収される液体が、燃料電池１の姿勢や向き、或いは燃料電池１を搭載するパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等のデバイスの姿勢や向きによって、意図しない、好ましくない場所等に散乱することも抑制される。

以上説明した燃料電池では、空気供給用セパレータ１５で回収した生成水等の液体を容器Ｃ２へ回収するようにしたが、該液体を燃料供給用セパレータ１４に循環させて、例えば、図６に示す燃料電池システムＢにおけるように、セパレータ１４における燃料供給口部１４１に臨む領域１４３に循環させ、供給される燃料液に混合してもよい。

この場合も、液体回収路１５３により回収される液体が、燃料電池１の姿勢や向き、或いは燃料電池１を搭載するパーソナルコンピュータ、デジタルカメラ等のデバイスの姿勢や向きによって、意図しない、好ましくない場所等に散乱することを抑制できる。

また、図１、図６のいずれの燃料電池システムの場合であれ、空気供給用セパレータ１５のプレート部分１５ａに、空気供給孔１５２に隣り合って形成する液体回収路は、図３に示すような円形環状のものに限定されず、液体回収機能を発揮する限り様々に形成できる。例えば、図７に示すように、平面から見て半円形状を二つ対向させたような液体回収路（１５３’、１５３’）であってもよい。

また、例えば、図６の燃料電池システムＢにおける燃料電池のように、空気供給用セパレータ１５で回収した回収液体を燃料供給用セパレータ１４に循環させる場合には、燃料電池に回収液体から気泡を分離する気液分離器を設けてもよい。図７は、セパレータ１５に設けた気液分離器を例示している。すなわち、回収液の導出路１５０の導出路１５０ａに連通する部分に気泡Ａｉの通過を阻止する絞り流路１５４を設けるとともに、その手前に気泡溜め部１５５を形成して気液分離器としたものである。

絞り流路１５４により通過を阻止されて気泡溜め部１５５に溜まった気泡Ａｉは、例えば、該気泡溜め部１５５に設けた気泡放出孔１５６を閉じる図示省略の栓体を適宜着脱することで気泡を放出すればよい。

また、以上説明したいずれの燃料電池の場合でも、液体回収路（１５３、１５３’）から導出路１５０にポンプを用いて液体を回収除去するようにしてもよい。図８は、空気供給用セパレータ１５のプレート部分１５ａに２列に空気取り込み用空間１５１、空気供給孔１５２及び液体回収路１５３を設け、両列において互いに隣り合う液体回収路１５３ごとに導出路１５０’を介してマイクロポンプｍｐを設け、且つ、これらマイクロポンプｍｐを導出路１５０”で気液分離器Ｆ２を介して導出路１５０ａへ接続した構成を示している。

各マイクロポンプｍｐは、図４を参照して説明したマイクロポンプと基本構造を同じくするもので、セパレータ１５と一体的に形成することができる。
気液分離器Ｆ２は、図７を参照して説明した気液分離器と同様のものでよく、セパレータ１５に一体的に形成可能である。

図９は、空気供給用セパレータ１５の変形例を示している。図９に例示する燃料電池はカソード１３が、電界質膜１１に順次重ねられた触媒層１３１、拡散層１３３及びプレート状の集電体（電極）１３４からなっている。セパレータ１５は図２に示すと同様のプレート部分１５ａと、図２に示すプレート部分１５ｂに代わるプレート部分１５ｃを含んでいる。プレート部分１５ａは合成樹脂製であるが、プレート部分１５ｃはガラス製である。

このセパレータでは集電体１３４に断面円形の空気取り込み空間１５１を分散形成し、これに対して、プレーと部分１５ａに空気供給孔１５２及び液体回収路１５３、さらに導出路１５０等を形成してある。
ガラスプレート部分１５ｃは、図２に示すプレート部分１５ｂより厚い。また、そのため、空気供給孔１５２を提供している環状壁の突出部１５２’は図２に示す場合より長い。この突出部１５２’にガラスプレート部分１５ｃの孔１５ｃ’が嵌着している。
セパレータ１５はカソード１３に空気を供給する機能を有するものであるとの観点から、空気取り込み空間１５１を提供している集電体１３４は、セパレータ１５の一部を兼ねていると言える。

かかる図９のセパレータ１５を採用した場合も、燃料電池の小型化が妨げられることはなく、カソード１３に空気を供給し、カソード１３で発生する生成水等の液体を回収することができる。

また、いずれにしても、図１０に示すように、空気供給用セパレータ１５の空気供給孔１５２に対して、空気を強制的に供給するために、空気供給ポンプ、例えば、ダイヤフラムポンプのようにセパレータ１５に一体的に形成可能であることが好ましいポンプＤＰを設けてもよい。

図１１は、図６に示すものと同様に、カソード１３側で発生した液体を回収して燃料供給用セパレータ側へ循環させるタイプの、燃料電池１’をデジタルカメラＣＡに着脱可能に搭載した例を示している。カメラＣＡには、高濃度燃料液収容容器Ｃ１と希釈液収容容器Ｃ２を備えたカートリッジＣＴを着脱可能に搭載してある。図６に示すポンプＭＰ１、ＭＰ２は図４に示す基本構造を有するマイクロポンプとして燃料電池１’に一体化してある。使用した燃料液を容器Ｃ２に回収する通路Ｌ５は省略してある。

図１０に示す燃料電池１’は、カートリッジＣＴから燃料液を供給するとともに空気供給用セパレータ１５における空気供給孔１５２に外部より風の流れ等により自然に空気を供給して発電させ、カメラ動作に供することができる。また、カメラの姿勢や向きに関係なく、セパレータ１５で回収した生成水等の液体を周囲に散乱させることなく燃料供給用セパレータへ循環させることができる。
なお、カートリッジＣＴは、予め高濃度燃料液を希釈液で希釈した希釈燃料を収容したものでもよく、その場合、燃料供給用のポンプは一つで足りる。

図１１は、図１０に示すカメラＣＡにおいて、燃料電池１’の空気供給孔１５２に、カメラに搭載した送風機ＢＬにて空気供給できるカメラを例示している。

本発明は、燃料電池の酸素極に発生する生成水等の液体を、燃料電池の小型化を妨げることなく、簡易に酸素極から除去でき、ひいては、それだけ燃料電池の性能を維持して、長時間使用においても安定した発電が可能である燃料電池を提供することに利用できる。また、本発明は、燃料電池の酸素極に発生する生成水等の液体を、燃料電池を搭載するパーソナルコンピュータ、カメラ等のデバイスの姿勢や向きに拘らず除去でき、生成水等がデバイスの向きや姿勢により意図しない場所へ散乱する等の事態発生を抑制できる燃料電池を提供することに利用できる。

本発明に係る燃料電池の１例を用いた燃料電池システムの例を示す図である。図１に示す燃料電池における空気供給用セパレータの一部の拡大断面図である。図１に示す燃料電池における空気供給用セパレータの一部（外側プレート部分）を省略して示す平面図である。図４（Ａ）は燃料電池システムで採用可能のマイクロポンプ例の断面図であり、図４（Ｂ）は同マイクロポンプの平面図であり、図４（Ｃ）はマイクロポンプを正運転するときの駆動信号波形例を示しており、図４（Ｄ）はマイクロポンプを逆運転するときの駆動信号波形例を示している。二つのマイクロポンプで高濃度燃料液と希釈液とを交互に送液して希釈された燃料液を電池に供給する例を示す図である。本発明に係る燃料電池の他の例を用いた燃料電池システム例を示す図である。空気供給用セパレータにおける液体回収路の他の例及び空気供給用セパレータに組み込んだ気液分離器の例を示す図である。空気供給用セパレータのさらに他の例を示す平面図である。空気供給用セパレータのさらに他の例の一部の拡大断面図である。空気供給用セパレータのさらに他の例の一部の拡大断面図である。本発明に係る燃料電池の１例を搭載したデジタルカメラの１例を示す図である。図１１に示すカメラの変形例を示す図である。

符号の説明

Ａ、Ｂ燃料電池システムＭＣマイクロポンプ
１、１’ 燃料電池ＰＣポンプ室
１１電解質膜ｆ１、ｆ２絞り流路
１２アノード（燃料極）Ｌｉ上流側通路
１３カソード（酸素極）Ｌｏ下流側通路
１３１触媒層ＤＦダイアフラム
１３２電極を兼ねる拡散層ＰＺＴ圧電素子
１３３拡散層ＬＤ負荷
１３４集電体（電極）ＣＡデジタルカメラ
１４燃料供給用セパレータＣＴカートリッジ
１４１燃料液供給口部ＢＬ送風機
１４２燃料液回収口部
１４３燃料供給口部に臨む領域
１５空気供給用セパレータ
１５ａ、１５ｂ、１５ｃプレート部分
１５ｂ’、１５ｃ’ 外側プレート部分の孔
１５１空気取り込み用空間
１５１ａ空間１５１の段差空間部
１５２空気供給孔
１５２’ 空気供給孔を提供している環状壁の突出部
１５３、１５３’ 液体回収路
Ｗ生成水等の液体
１５０、１５０ａ、１５０’、１５０” 液体導出路
１５４絞り流路
１５５気泡溜め部
１５６気泡放出孔
Ａｉ気泡
Ｆ２気液分離器
ｍｐマイクロポンプ
ＤＰ空気供給ポンプ

Ｆ燃料液供給部
Ｃ１高濃度燃料液収容容器
Ｃ２希釈液収容容器
Ｌ１高濃度燃料液供給路
Ｌ２希釈液供給路
Ｌ３合流部
Ｌ４混合流路
Ｌ５液回収路
Ｌ６液回収路
ＭＰ１〜ＭＰ４マイクロポンプ
Ｆ１気液分離器

Claims

電解質膜を燃料極と酸素極で挟んだ電池本体の該燃料極に燃料供給用セパレータを設けるとともに該酸素極に空気供給用セパレータを設けた燃料電池であり、該空気供給用セパレータには、該酸素極に臨む空気取り込み用空間が複数分散形成されているとともに、該各空気取り込み用空間に連通させて、外部から空気を供給するための空気供給孔と、該空気取り込み用空間から前記酸素極側で発生する液体を回収する液体回収路とが隣り合わせて形成されていることを特徴とする燃料電池。
前記液体回収路は、前記空気供給孔から空気を供給することで、前記酸素極側で発生する液体を該酸素極から遠ざかる一方向に回収する通路である請求項１記載の燃料電池。
前記空気供給孔は前記空気取り込み用空間よりも小断面積に形成されており、前記液体回収路は、該空気取り込み用空間のうち該空気供給孔より外側の空間部に連通している請求項１又は２記載の燃料電池。
前記空気供給孔及び液体回収路は前記酸素極表面を含む面に対し垂直に形成されている請求項１、２又は３記載の燃料電池。
前記液体回収路は、回収液体を予め定めた場所へ導くための導出路に連通している請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。
燃料として高濃度燃料液を希釈用液で希釈した希釈燃料を用いる燃料電池であり、前記導出路は前記燃料供給用セパレータへ前記回収液体を導くためのものである請求項５記載の燃料電池。
前記回収液体の導出路は、液導出のためのポンプを含んでいる請求項５又は６記載の燃料電池。
前記回収液体の導出路は、回収液に含まれる気泡を分離除去する気液分離器を含んでいる請求項５、６又は７記載の燃料電池装置。