JP2008077934A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】カバー部材により膜電極接合体等の全面が燃料収容部へと均一に押し付けられ、信頼性、発電特性に優れた燃料電池を提供すること。
【解決手段】燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、前記カバー部材うち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体が接合され、かつ、前記積層体は、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されているもの。
【選択図】図２

Description

本発明はパッシブ型やアクティブ型等の液体燃料を用いた燃料電池に関する。

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でき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。

直接メタノール型燃料電池（DMFC：direct methanol fuel cell）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、携帯機器用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、また燃料タンク等の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。これらのうち、パッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。

内部気化型等のパッシブ型ＤＭＦＣとして、例えば樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に、燃料極、電解質膜および空気極からなる膜電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）等が配置された構造のものが知られている（例えば特許文献１参照）。
国際公開第2005/112172号パンフレット（例えば、図１参照。）

ところで、上記したようなＤＭＦＣについては、燃料収容部上に膜電極接合体等をカバー部材によって包み込むようにして一体的に固定することが検討されている。このようなカバー部材としては、例えば膜電極接合体等の上面を覆う板状のカバー本体と、このカバー本体の周縁部分に略直角に設けられ、膜電極接合体の側面を覆うカバー側面とからなり、外観が略箱状のものが挙げられる。そして、膜電極接合体等は主としてその上面を覆う板状のカバー本体によって燃料収容部へと押し付けられている。

しかしながら、このようなカバー本体については、膜電極接合体等側とは反対側である外側に凸状に湾曲することがある。すなわち、カバー部材は、ステンレス板等を用い、そのステンレス板等の中央部分に対して周縁部分を略直角に折り曲げることにより製造される。そして、このようなステンレス板等の中央部分に対する周縁部分の折り曲げの際等に、中央部分、すなわちカバー本体に外側への凸状の湾曲が発生する。

このように板状のカバー本体に外側への凸状の湾曲が発生していると、膜電極接合体等の全面を燃料収容部へと均一に押し付けることができず、燃料リークが発生したり、また燃料リークが発生しないまでも発電特性が低下したりし、ＤＭＦＣの信頼性や特性が低下する。

また、携帯用電子機器の電源として用いられるＤＭＦＣには薄型化が求められているが、このようなＤＭＦＣの薄型化に伴い、その表面積は大きくなる傾向にある。このような表面積の大きいＤＭＦＣについては、カバー部材の大型化に伴い、カバー本体に外側への凸状の湾曲が発生しやすい。このため、表面積の大きいＤＭＦＣについては、カバー本体による膜電極接合体等の均一な押し付けがより一層難しく、ＤＭＦＣの信頼性や特性が低下しやすい。

また、従来のＤＭＦＣによると、メタノールがＤＭＦＣ外部に漏洩することを防止するために、燃料収容部からアノード触媒層に至る経路はほぼ気密に形成されている。そして、アノード触媒層におけるメタノール等の燃料の分解反応によって炭酸ガス（ＣＯ_２）が生成し、その生成量は発電量の増加に伴って増加する。

さらに、カソード触媒層においては改質した燃料成分を空気によって酸化する発熱反応が進行するために、ＤＭＦＣ内部における液体燃料の気化が促進され、さらには気化燃料が発熱によってさらに膨張する。そのために、上記炭酸ガスと気化燃料によってＤＭＦＣ内のガス圧力（内圧）が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し、強度が比較的に小さい表面層（カバー本体）にガス圧力が集中して表面層を変形させたり、大きな撓みを発生させたりする。この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して、電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする結果、電池出力が低下してしまう問題点があった。

本発明は上記したような課題を解決するためになされたものであって、カバー部材、特にカバー本体によって膜電極接合体等が燃料収容部へと適切に押し付けられ、信頼性や特性に優れた燃料電池を提供することを目的とし、特に電池反応の進行に伴って生じる構成部品の変形や密着不良による電池出力特性の低下が少ない燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、前記カバー部材のうち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体が接合され、かつ、前記積層体は、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されていることを特徴とする。

このような燃料電池については、前記積層体が複数接合され、かつ、前記複数の積層体には前記複数の金属材を構成する金属材料の組み合わせが異なるものが存在していることが好ましい。

本発明の他の燃料電池は、燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、前記カバー部材のうち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には前記カバー本体とは異なる熱膨張率を有する単層の金属板が接合され、かつ、前記カバー本体と前記金属板とは、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されていることを特徴とする。

このような燃料電池については、前記金属板が複数接合され、かつ、前記複数の金属板には熱膨張率が異なるものが存在していることが好ましい。

本発明によれば、カバー本体の少なくとも一方の主面に熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体を接合すると共に、この積層体は膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されるようにすることで、燃料電池の動作時の発熱によりカバー本体を膜電極接合体側へと変形させることができ、これにより膜電極接合体の全面を均一に押し付けることができる。このため、本発明によれば、特に電池反応の進行に伴って生じる燃料リークの発生、さらには構成部品の変形や密着不良（例えば膜電極接合体と集電体との接触不良）による発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れた燃料電池とすることができる。

また、本発明によれば、カバー本体の少なくとも一方の主面にこのカバー本体とは異なる熱膨張率を有する単層の金属板を接合すると共に、これらカバー本体と金属板とは膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されるようにすることで、燃料電池の動作時の発熱によりカバー本体を膜電極接合体側へと変形させることができ、これにより膜電極接合体の全面を均一に押し付けることができる。このため、本発明によれば、特に電池反応の進行に伴って生じる燃料リークの発生、さらには構成部品の変形や密着不良（例えば膜電極接合体と集電体との接触不良）による発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れた燃料電池とすることができる。

以下、本発明の燃料電池について、パッシブ型ＤＭＦＣを例に挙げて説明する。以下、まずパッシブ型ＤＭＦＣの全体構造について説明する。図１は、パッシブ型ＤＭＦＣ１の外観を示す外観図である。また、図２は、図１に示すパッシブ型ＤＭＦＣ１のＡ−Ａ線断面を示す断面図である。

図２に示すように、このパッシブ型ＤＭＦＣ１は内部気化方式を適用したものであり、起電部を構成する燃料電池セルとも呼ばれる膜電極接合体２と、この膜電極接合体２に液体燃料（メタノール燃料等）Ｆを供給する燃料収容部３と、これら膜電極接合体２と燃料収容部３との間に介在された気液分離膜（気液分離層）４とから主として構成されている。

膜電極接合体２は、アノード触媒層５とアノードガス拡散層６とを有するアノード（燃料極）と、カソード触媒層７とカソードガス拡散層８とを有するカソード（空気極／酸化剤極）と、アノード触媒層５とカソード触媒層７とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜９とを有するものである。

アノード触媒層５およびカソード触媒層７に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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５にはメタノールや一酸化炭素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７には白金やＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。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。

電解質膜９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９はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層５に積層されるアノードガス拡散層６は、アノード触媒層５に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層５の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層７に積層されるカソードガス拡散層８は、カソード触媒層７に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層７の集電体も兼ねている。

アノードガス拡散層６にはアノード導電層１０が積層され、カソードガス拡散層８にはカソード導電層１１が積層されている。これら導電層１０、１１は、例えば金のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等で構成される。なお、電解質膜９とアノード導電層１０およびカソード導電層１１との間には、それぞれゴム製のＯリング１２、１３が介在されており、これらによって膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

上述した膜電極接合体２のアノード（燃料極）側には、燃料収容部３が配置されている。膜電極接合体２は例えば矩形の平面形状を有し、燃料収容部３も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部３は膜電極接合体２のアノードと対向する面に開口部３ａが設けられた形状を有している。すなわち、燃料収容部３は上面全面が開口された箱状容器で構成されている。このような燃料収容部３の内部には、液体燃料Ｆとしてメタノール燃料等が収容されている。

メタノール燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等が用いられる。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く、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３には膜電極接合体２に対応した液体燃料Ｆが収容される。

燃料収容部３には、例えば樹脂製容器が用いられる。燃料収容部３は液体燃料Ｆの残量を外部から目視することが可能なように、透明樹脂で構成することが好ましい。燃料収容部３を構成する透明樹脂は、耐メタノール性等を有していることが好ましい。燃料収容部３は全体を透明樹脂で形成してもよいし、その一部を透明樹脂で形成してもよい。

上記した透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、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、ポリフェニルサルホン等が挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等のオレフィン系樹脂等で構成した燃料収容部３を除外するものではない。

燃料収容部３の開口部３ａと膜電極接合体２との間には、気液分離膜４が設置されている。気液分離膜４は、液体燃料（メタノール燃料等）Ｆの気化成分のみを透過し、液体成分は透過させないものである。燃料収容部３内で気化した液体燃料Ｆの気化成分は、燃料収容部３の開口部３ａおよび気液分離膜４を介して膜電極接合体２のアノード（燃料極）に供給される。

気液分離膜４の構成材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素樹脂が挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、例えば液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気、純メタノールを使用した場合にはメタノールの気化成分を意味する。

膜電極接合体２のカソード導電層１１上には保湿層１５が積層されており、さらにその上には表面層１６が積層されている。表面層１６は酸化剤である空気の取入れ量を調整する機能を有し、複数の空気導入口１７が設けられている。表面層１６による空気の取入れ量は空気導入口１７の個数や大きさ等で調整される。

保湿層１５はカソード触媒層７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役割を果たすと共に、カソードガス拡散層８に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層７への酸化剤の均一拡散を促進する機能を有している。保湿層１５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等が挙げられる。

燃料収容部３は上述したように矩形の平面形状を有するものであって、その上に燃料収容部３と同一の平面形状を有する気液分離膜４、膜電極接合体２、保湿層１５、表面層１６が順に積層されている。これら膜電極接合体２等は、カバー部材２０によって覆われている。

カバー部材２０は、膜電極接合体２等の上面（空気極側）を覆う板状のカバー本体２１と、その周縁部分に略直角に設けられ、膜電極接合体２等の側面を覆うカバー側面２２とから主としてなり、外観が略箱状のものである。

カバー本体２１には、表面層１６に形成された空気導入口１７と対応する部分に開口部２３が設けられており、これにより酸化剤の取り入れ並びにカソード触媒層７への拡散が行われる。また、このカバー本体２１によって膜電極接合体２等が燃料収容部３へと押し付けられている。

カバー側面２２の端部には、燃料収容部３へ固定するための爪部２４が設けられている。一方、燃料収容部３には、その側面３ｓに底面３ｂ側に開口する凹部（溝部）３ｍが設けられている。そして、この燃料収容部３の凹部３ｍ内にカバー部材２０の爪部２４が折り返されることによって、カバー部材２０は燃料収容部３に固定されている。

次に、本発明の主要部であるカバー部材２０についてさらに詳細に説明する。なお、以下の説明では、パッシブ型ＤＭＦＣ１の内部へ向かう側を内側、外部へ向かう側を外側として説明する。

図１、２に示すカバー部材２０は、そのカバー本体２１の外側主面２１ｅに熱膨張率の異なる２層の金属材層３１、３２からなる積層体３０が接合されると共に、２層の金属材層３１、３２については内側である金属材層３１が外側である金属材層３２よりも熱膨張率が大きいものとされている。

このようなものによれば、パッシブ型ＤＭＦＣ１の発電時の発熱により、積層体３０はその金属材層３１と金属材層３２との熱膨張率の差により、熱膨張率の大きい内側の金属材層３１側にその長手方向の中心部が変形する。そして、このような積層体３０が接合されたカバー本体２１についても、積層体３０の内側への変形に伴い、内側へと変形する。

従って、図２に示すようなパッシブ型ＤＭＦＣ１において、例えば非発電時にカバー本体２１が外側へと凸状に湾曲しており、その内側の膜電極接合体２等の全面が均一に押し付けられていなかったとしても、発電時にはカバー本体２１が上記したように変形することでほぼ平面状となるため、この平面状のカバー本体２１によってその内側の膜電極接合体２等の全面が均一に押し付けられる。このため、燃料リークの発生や発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れたパッシブ型ＤＭＦＣ１とすることができる。

積層体３０を接合する主面は、図１、２に示されるようなカバー本体２１の外側主面２１ｅに限られるものではなく、図３に示すようにカバー本体２１の内側主面２１ｉであってもよい。このようなものについても、内側である金属材層３１を外側である金属材層３２よりも熱膨張率が高いものとする。このようにすることで、外側主面２１ｅに積層体３０を接合した場合と同様、発電時にはカバー本体２１が上記したように内側に変形してほぼ平面状となり、この平面状のカバー本体２１によってその内側の膜電極接合体２等の全面が均一に押し付けられる。このため、燃料リークの発生や発電特性の低下を抑制し、信頼性に優れたパッシブ型ＤＭＦＣ１とすることができる。

なお、積層体３０を接合する主面は、図１、２または図３に示されるようにカバー本体２１の外側主面２１ｅまたは内側主面２１ｉの少なくとも一方であればよいが、外側主面２１ｅおよび内側主面２１ｉの両面としてもよい。また、積層体３０は、例えば図４、５に示すように外側主面２１ｅや内側主面２１ｉの主面上に接合してもよいし、例えば図６、７に示すように外側主面２１ｅや内側主面２１ｉの内部に埋設するようにして接合してもよい。

積層体３０の配置は、例えば図１に示すように２本の積層体３０を平行にする例が挙げられるが、必ずしもこのようなものに限られるものではなく、例えば図８に示すように１本の積層体３０のみを配置してもよい。また、積層体３０を配置する方向についても必ずしも限られるものではなく、例えば図９に示すようにカバー本体２１の長辺方向に平行となるように配置してもよい。

積層体３０を複数配置する場合、必ずしも全てを平行に配置する必要はなく、積層体３０ごとに配置する方向を変更してもよい。例えば図１０に示すように、カバー本体２１の短辺方向に平行となるように２本の積層体３０を配置し、さらにこれらに垂直となるように２本の積層体３０を配置してもよい。このようにすることで、例えばカバー本体２１のうち湾曲が大きい主面中心部を中心として適切に変形させることができる。

１または２以上の積層体３０を配置する場合、積層体３０の長さおよび幅は個々に変更することができる。なお、積層体３０の長さ（長手方向）については、必ずしも限定されるものではないが、例えば図８に示すように、積層体３０の長さをＬｓ、この長さ方向におけるカバー本体２１の対向する２辺間の距離をＬｃとした場合、積層体３０の長さＬｓは、Ｌｃ／２以上とすることが好ましい。積層体３０の長さＬｓがこのような長さであれば、カバー本体２１を容易に変形させることができる。

また、１または２以上の積層体３０を配置する場合、カバー本体２１の主面中心部に対して１または２以上の積層体３０が対称となるように配置することが好ましい。このような配置とすることで、カバー本体２１のうち湾曲が大きい主面中心部を中心として適切に変形させることができる。

以上、積層体３０の配置について、カバー本体２１の外側主面２１ｅに配置する例を挙げて説明したが、内側主面２１ｉに配置する場合についても何ら変わるものではなく、外側主面２１ｅと同様にして配置することができる。

積層体３０における内側の金属材層３１、外側の金属材層３２の金属材料としては、内側の金属材層３１が外側の金属材層３２よりも熱膨張率が高くなるような金属材料の組み合わせであればよく、例えばＺｎ−Ｃｕ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｏ−Ｆｅ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ／Ｃｒ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｎ／Ｎｉ−Ｆｅ（内側の金属材層３１／外側の金属材層３２）が挙げられる。このような金属材料の組み合わせについては、パッシブ型ＤＭＦＣ１が使用される温度環境や発電時の発熱等を考慮し、適宜選択して用いることが好ましい。

また、複数の積層体３０を接合する場合、複数の積層体３０の全てについてそれらを構成する金属材層３１、３２の金属材料の組み合わせを同じとする必要はなく、金属材料の組み合わせは異なるものとしてもよい。このように金属材層３１、３２の金属材料の組み合わせを異なるものとすることで、有効に変形する温度領域を変えることができる。そして、このような温度領域が異なる複数の積層体３０を配置することで、幅広い温度領域においてカバー本体２１を適切に変形させることができ、より信頼性に優れたパッシブ型ＤＭＦＣ１とすることができる。

上記したように温度領域が異なる複数の積層体３０を配置する場合、例えば図１０に示すようなものにおいて、カバー本体２１の短辺方向に平行に配置される２本の積層体３０と、これらに垂直に配置される２本の積層体３０とで異なるものとする例が挙げられるが、必ずしもこのようなものに限られるものではない。

また、図示しないが、積層体３０としては３層の金属材層からなるものとしてもよい。３層の金属材層の組み合わせとしては、内側の金属層から順に、例えばＮｉ−Ｃｒ−Ｆｅ／Ｚｒ−Ｃｕ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ／Ｎｉ−Ｃｕ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ／Ｎｉ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｃｒ−Ｆｅ／Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｎ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｃｕ−Ｎｉ−Ｍｎ／Ｃｕ／Ｎｉ−Ｆｅ、Ｎｉ−Ｍｎ−Ｆｅ／Ｃｕ／Ｎｉ−Ｆｅ等が挙げられる。このような３層の金属材層からなるものについても、２層の金属材層からなるものと同様にして用いることができる。

このような２層および３層構造の積層体としては、いわゆるバイメタル、トリメタルとして市販されているものを用いることもでき、これらはパッシブ型ＤＭＦＣ１が使用される温度環境や発電時の発熱等に合わせて適宜選択して用いることが好ましい。なお、このような積層体については、少なくとも金属材層の積層方向における内側半分の平均した熱膨張率が外側半分の平均した熱膨張率よりも大きくなっていればよい。また、このような積層体３０が接合されるカバー本体２１としては、一般にステンレス板等が用いられるが、必ずしもこのようなものに限定されるものではなく、積層体３０によって有効に変形させることができるものであればよい。

次に、本発明に用いられるカバー部材２０の他の例について説明する。図１１、１２に示すカバー部材２０は、カバー本体２１の外側主面２１ｅに単層の金属板４０が接合されると共に、内側となるカバー本体２１が外側となる金属板４０よりも熱膨張率が大きいものとされたものである。

このようなものによれば、パッシブ型ＤＭＦＣ１の発電時の発熱により、カバー本体２１と金属板４０との接合部分がそれらの熱膨張率の差により熱膨張率の大きい内側のカバー本体２１側へと変形する。従って、図１２に示すようなパッシブ型ＤＭＦＣ１において、例えば非発電時にカバー本体２１が外側に凸状に湾曲しており、その内側の膜電極接合体２等の全面が均一に押し付けられていなかったとしても、発電時にはカバー本体２１が上記したように変形してほぼ平面状となるため、この平面状のカバー本体２１によってその内側の膜電極接合体２等の全面が均一に押し付けられる。このため、燃料リークの発生や発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れたパッシブ型ＤＭＦＣ１とすることができる。

金属板４０を接合する主面は、図１１、１２に示されるようなカバー本体２１の外側主面２１ｅに限られるものではなく、図１３に示すようにカバー本体２１の内側主面２１ｉであってもよい。但し、このようなものについては、内側である金属板４０を外側であるカバー本体２１よりも熱膨張率が高いものとする。このようにすることで、外側主面２１ｅに積層体３０を接合した場合と同様、発電時にはカバー本体２１が上記したように内側に変形してほぼ平面状となり、この平面状のカバー本体２１によってその内側の膜電極接合体２等の全面が均一に押し付けられる。このため、燃料リークの発生や発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れたパッシブ型ＤＭＦＣ１とすることができる。

なお、金属板４０を接合する主面は、図１１、１２または図１３に示されるようにカバー本体２１の外側主面２１ｅまたは内側主面２１ｉの少なくとも一方であればよいが、外側主面２１ｅおよび内側主面２１ｉの両面としてもよい。このようにカバー本体２１の外側主面２１ｅおよび内側主面２１ｉに金属板４０を接合する場合、内側主面２１ｉに接合される金属板４０の熱膨張率を最も高くし、外側主面２１ｅに接合される金属板４０の熱膨張率を最も低くなるようにする。

カバー本体２１への金属板４０の接合は、上記したような熱膨張率の関係を満たす限り、基本的に先に説明した積層体３０と同様にして行うことができる。すなわち、カバー本体２１の厚さ方向における金属板４０の位置については、例えば図４、５に示される積層体３０と同様、外側主面２１ｅや内側主面２１ｉの主面上としてもよいし、例えば図６、７に示される積層体３０と同様、外側主面２１ｅや内側主面２１ｉの内部に埋設するものとしてもよい。

また、金属板４０の配置については、例えば図１１に示されるように２本の金属板４０を平行にするものの他に、例えば図８に示されるように１本の金属板４０のみを配置してもよい。また、金属板４０を配置する方向についても必ずしも限られるものではなく、例えば図９に示されるようにカバー本体２１の長辺方向に平行となるように配置してもよい。

金属板４０を複数配置する場合、必ずしも全てを平行に配置する必要はなく、金属板４０ごとに配置する方向を変更してもよい。例えば図１０に示すように、カバー本体２１の短辺方向に平行となるように２本の金属板４０を配置し、さらにこれらに垂直となるように２本の金属板４０を配置してもよい。このようにすることで、例えばカバー本体２１のうち湾曲が大きい主面中心部を中心として適切に変形させることができる。

１または２以上の金属板４０を配置する場合、金属板４０の長さおよび幅は個々に変更することができる。なお、金属板４０の長さ（長手方向）については、必ずしも限定されるものではないが、例えば図８に示されるように、金属板４０の長さをＬｍ、この長さ方向におけるカバー本体２１の対向する２辺間の距離をＬｃとした場合、金属板４０の長さＬｍは、Ｌｃ／２以上とすることが好ましい。金属板４０の長さＬｍがこのような長さであれば、カバー本体２１を容易に変形させることができる。

また、１または２以上の金属板４０を配置する場合、カバー本体２１の主面中心部に対して１または２以上の金属板４０が対称となるように配置することが好ましい。このような配置とすることで、カバー本体２１のうち湾曲が大きい主面中心部を中心として適切に変形させることができる。

以上、金属板４０の配置について、カバー本体２１の外側主面２１ｅに配置する例を挙げて説明したが、内側主面２１ｉに配置する場合についても何ら変わるものではなく、外側主面２１ｅと同様にして配置することができる。

カバー本体２１および金属板４０を構成する材料としては、互いの熱膨張率が異なっており、かつ、内側となるものの熱膨張率が外側となるものの熱膨張率よりも大きいものであれば必ずしも限定されるものではない。例えば、カバー本体２１としてはステンレス板等が用いられ、その外側に配置される金属板４０については当該ステンレス板等よりも熱膨張率が低いもの、またその内側に配置される金属板４０については当該ステンレス板等よりも熱膨張率が大きいものであればよい。

また、複数の金属板４０を接合する場合、複数の金属板４０の全てについて熱膨張率を同じとする必要はなく、熱膨張率を異なるものとしてもよい。このように金属板４０の熱膨張率を異なるものとすることで、カバー本体２１と金属板４０との接合部分が有効に変形する温度領域を変えることができる。そして、このような温度領域が異なる複数の接合部分を設けることで、幅広い温度領域においてカバー本体２１を適切に変形させることができ、より信頼性に優れたパッシブ型ＤＭＦＣ１とすることができる。

上記したような熱膨張率が異なる複数の金属板４０を配置する場合、例えば図１０に示されるものにおいて、カバー本体２１の短辺方向に平行に配置される２本の金属板４０と、これらに垂直に配置される２本の金属板４０とで異なるものとする例が挙げられるが、必ずしもこのようなものに限られるものではない。

次に、上記したようなパッシブ型ＤＭＦＣ１の発電動作について説明する。まず、燃料収容部３内のメタノール燃料等の液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が気液分離膜４を透過して膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２内において、メタノール燃料Ｆの気化成分はアノードガス拡散層６で拡散されてアノード触媒層５に供給される。アノード触媒層５に供給された気化成分は、下記の（１）式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）

なお、メタノール燃料Ｆとして純メタノールを使用した場合には、燃料収容部３から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層７で生成した水や電解質膜９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するか、あるいは上記した（１）式の内部改質反応によらず、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。

内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ^＋）は電解質膜９を伝導し、カソード触媒層７に到達する。表面層１６の空気導入口１７から取り入れられた空気（酸化剤）は、保湿層１５、カソード導電層１１、カソードガス拡散層８を拡散して、カソード触媒層７に供給される。カソード触媒層７に供給された空気は、次の（２）式に示した反応を生じさせる。この反応によって、水の生成を伴う発電反応が生じる。
（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …（２）

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く、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。

次に、パッシブ型ＤＭＦＣ１の製造方法について説明する。以下では、図１、２に示されるようなカバー部材２０に積層体３０が接合されたパッシブ型ＤＭＦＣ１について説明する。

まず、積層体３０が接合されたカバー部材２０は、以下のようにして製造することができる。なお、以下では、カバー部材の各部分と対応する部分について、カバー部材の符号と同一の符号を付して説明する。まず、図１４に示すようなステンレス板２０を用意する。このステンレス板２０はカバー部材２０となるものであって、カバー本体２１となる中央の矩形状部分２１と、その外側のカバー側面２２となる周辺部分２２とからなるものである。

このステンレス板２０には、矩形状部分２１の外側主面２１ｅにおける所定の位置に積層体３０を載置する。なお、積層体３０は予め製造されたものであり、異なる熱膨張率を有する金属板を接合することによって製造されたものである。そして、積層体３０が載置されたステンレス板２０は、一対の圧接ロール間に通過させることにより、ステンレス板２０に積層体３０を冷間圧接する。

その後、図１５に示すように、矩形状部分２１に孔あけ加工を施すことにより複数の開口部２３を形成すると共に、周辺部分２２を所定の形状に切断して爪部２４等を形成する。さらに、矩形状部分２１に対して折曲部２０ｃで周辺部分２２を略直角に折り曲げることによって、略箱状のカバー部材２０とすることができる。

一方、カバー部材２０を除く他の部材、すなわち膜電極接合体２、燃料収容部３、気液分離膜４、保湿層１５、表面層１６は、この種のパッシブ型ＤＭＦＣに一般に用いられているものを特に制限なく用いることができる。

そして、図１、２に示されるように、このような燃料収容部３上に、気液分離膜４、膜電極接合体２、保湿層１５、表面層１６を順に配置する。そして、表面層１６側からこれらを覆うようにしてカバー部材２０を被せ、その爪部２４を燃料収容部３の側面３ｓに設けられた凹部３ｍに折り返して固定する。このようにすることで、図１、２に示されるようなパッシブ型ＤＭＦＣ１を製造することができる。

このようにステンレス板２０の中央の矩形状部分２１に対して周辺部分２２を折り曲げてカバー部材２０を製造した場合、そのカバー本体２１には外側に凸状の湾曲が発生する。しかしながら、上記したようにカバー本体２１に所定の積層体３０あるいは金属板４０を接合することで、発電時にはこのような凸状の湾曲を解消することができ、膜電極接合体２等の全面を均一に押し付けることができる。このため、パッシブ型ＤＭＦＣ１を信頼性に優れたものとすることができる。

以上、パッシブ型ＤＭＦＣ１の製造について、図１、２に示されるような積層体３０を有するパッシブ型ＤＭＦＣ１を例に挙げて説明したが、図１１、１２に示されるような金属板４０を設けるものについてもほぼ同様にして製造することができる。

また、上記製造例では、積層体３０の接合を冷間圧接により行ったが、接合方法は必ずしも限られるものではなく、例えばスポット溶接のような抵抗溶接により行ってもよい。また、上記製造例では、積層体３０の接合後に開口部２３、爪部２４等を形成したが、開口部２３、爪部２４等の形成後に積層体３０を接合するようにしてもよい。

さらに、上記パッシブ型ＤＭＦＣ１は燃料収容部３の側面３ｓに凹部３ｍが設けられ、その凹部３ｍにカバー部材２０の爪部２４が折り返されて固定されるものであったが、例えば図１６に示すように、燃料収容部３が凹部３ｍを有しないものであって、カバー部材２０の爪部２４が燃料収容部３の底部３ｂに直接折り返されて固定されるものであってもよい。

さらに、上記実施の形態ではパッシブ型ＤＭＦＣを例に説明を行ったが、パッシブ型に限らず膜電極接合体の空気極側にカバー部材を有する構造のものであれば、何らその燃料電池の方式について限定されるものではない。

本発明の燃料電池の一例を示す外観図。 図１に示す燃料電池のＡ−Ａ線断面を示す断面図。 本発明の燃料電池の他の例を示す断面図。 外側主面上に積層体が接合されたカバー本体を示す断面図。 内側主面上に積層体が接合されたカバー本体を示す断面図。 外側主面内に積層体が埋設されたカバー本体を示す断面図。 内側主面内に積層体が埋設されたカバー本体を示す断面図。 積層体［金属板］の配置例を示す断面図。 積層体［金属板］の配置例を示す断面図。 積層体［金属板］の配置例を示す断面図。 本発明の燃料電池の他の例を示す外観図。 図１１に示す燃料電池のＡ−Ａ線断面を示す断面図。 本発明の燃料電池の他の例を示す断面図。 カバー部材の製造方法を説明するための模式図。 カバー部材の製造方法を説明するための模式図。 本発明の燃料電池の他の例を示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池（パッシブ型ＤＭＦＣ）、２…膜電極接合体、３…燃料収容部（３ａ…開口部、３ｂ…底面、３ｍ…凹部（溝部）、３ｓ…側面）、４…気液分離膜、５…アノード触媒層、６…アノードガス拡散層、７…カソード触媒層、８…カソードガス拡散層、９…電解質膜、１０…アノード導電層、１１…カソード導電層、１２…リング、１５…保湿層、１６…表面層、１７…空気導入口、２０…カバー部材、２１…カバー本体（２１ｃ…折曲部、２１ｅ…外側主面、２１ｉ…内側主面）、２２…カバー側面、２３…開口部、２４…爪部、３０…積層体、３１…内側の金属材層、３２…外側の金属材層、４０…金属板

Claims (4)

1. 燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、
   前記カバー部材のうち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体が接合され、かつ、前記積層体は、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記積層体が複数接合され、かつ、前記複数の積層体には前記複数の金属材を構成する金属材料の組み合わせが異なるものが存在していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、
   前記カバー部材のうち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には前記カバー本体とは異なる熱膨張率を有する単層の金属板が接合され、かつ、前記カバー本体と前記金属板とは、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されていることを特徴とする燃料電池。
4. 前記金属板が複数接合され、かつ、前記複数の金属板には熱膨張率が異なるものが存在していることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。

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