JP2008171608A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】酸化剤の供給と未反応酸化剤および反応生成物の排出とを効率的に行う。
【解決手段】酸化剤室１５には、酸化剤極１２に酸化剤を供給するための酸化剤供給路１７と、酸化剤極１２からの未反応酸化剤および反応生成物を排出するための酸化剤排出路１８とを、互いに独立して設ける。そして、酸化剤としての空気を圧縮機によって加圧して酸化剤供給路１７に供給する。こうすることによって、酸化剤を効率的に酸化剤極１２に供給することができると共に、酸化剤極１２において生成された反応生成物および未反応酸化剤を効率的に排出することができる。その結果、燃料電池の発電効率を増大させ、高出力化を実現できる。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応によって発生した電力を取り出す発電システムであり、燃料と酸化剤とを供給し続けることによって連続的に発電することが可能な発電システムである。燃料電池は、従来の熱機関を用いる発電システムと異なり、熱エネルギーを経ずに電気エネルギーを効率的に取り出すことが可能である。そのため、従来の発電システムに比べて発電効率が高く、様々な用途への応用が考えられている。

近年、特にモバイル電源用の発電システムとして、直接型メタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ)と呼ばれる燃料電池が注目されている。これは、燃料としてメタノールを用い、酸化剤として空気を用いた発電システムであり、他の燃料電池に比べて単位体積当たりのエネルギー密度の高さやシステムの単純さの点で優れているために、小型で大容量の次世代のモバイル電源として期待が高まっている。

例えば、メタノールと水との混合物を燃料として供給する直接型メタノール燃料電池として、特表平１１‐５１０３１１号公報(特許文献１)に開示された直接型メタノール供給式燃料電池、および、特開平６‐１８８００８号公報(特許文献２)に開示された燃料電池がある。

以下、代表的な直接型メタノール燃料電池の構造について説明する。

図８は、従来の代表的な直接型メタノール燃料電池の構造である。図８に示す直接型メタノール燃料電池においては、メタノールあるいはメタノールと水との混合液を燃料としている。上記燃料が、供給ポンプ等の供給手段によって、燃料タンク(図示せず)から燃料導入路１に供給される。そして、燃料導入路１に供給された燃料は矢印２で示す方向に向かって流れ、セパレータ３に形成された燃料室４に供給される。燃料室４に供給された燃料は、燃料極５内に浸透して反応し、二酸化炭素と水素イオンと電子とを生成する。その場合の反応はＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻と表わされる。通常、燃料極５として触媒を含んだ多孔質材が用いられており、電解質膜６との界面近位で上記反応が起こっている。

上記反応で生成された水素イオンは、上記燃料極５から電解質膜６を透過して酸化剤極７に移動する。また、電子は、燃料極５から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極７に流れる。この電子の流れが電池の出力として使用されるのである。一方、二酸化炭素は、燃料極５から燃料室４を通って未反応の燃料と共に排出される。

さらに、上記セパレータ３に形成された酸化剤室８へは、矢印９で示す方向に空気が供給される。そして、この供給された空気中の酸素が酸化剤室８から酸化剤極７内に拡散して、燃料極５から透過してきたプロトンと反応して水を生成する。この反応は３/２Ｏ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ₂Ｏと表わされる。生成された水は、通常水蒸気となって、酸化剤極７から酸化剤室８を通って矢印１０で示す方向に流れて排出される。また、未反応の酸素を含んだ空気も同様に酸化剤極７から酸化剤室８を通って排出される。

しかしながら、上記従来の直接型メタノール燃料電池においては、出力の向上に対して以下のような問題がある。

すなわち、具体的には、上記従来の直接型メタノール燃料電池では、酸化剤室８を水蒸気等の反応生成物の排出路と酸化剤としての空気の供給路として共用し、然も酸化剤極７への酸素の供給は酸化剤室８からの拡散によって行っている。そのため、酸素の供給量を上げるためには、酸化剤室８に強い圧力を加える必要がある。しかしながら、酸化剤室８に強い圧力を加えると、酸化剤極７において発生した反応生成物が酸化剤室８に排出され難くなるため、出力の向上が困難であるという問題がある。

また、上記従来の直接型メタノール燃料電池においては、酸化剤極７での反応によって生成された反応生成物は、酸化剤極７からの拡散によって酸化剤室８に排出される。そのため、排出効率が十分とは言えず、酸化剤極７の内部に残留した反応生成物のために、反応面積が減少して反応量を低下させてしまうという問題がある。さらに、酸化剤室８内に反応性生物が残留し、酸化剤極７への酸化剤供給効率が落ちるため、出力の向上が困難であるという問題がある。
特表平１１‐５１０３１１号公報 特開平６‐１８８００８号公報

そこで、この発明の課題は、酸化剤の供給と未反応酸化剤および反応生成物の排出とを効率的に行うことによって出力を増大できる燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の燃料電池は、
燃料が供給されると共に、上記燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、
酸化剤が供給されると共に、上記酸化剤と上記陽イオンとを反応させる酸化剤極と、
上記燃料極と上記酸化剤極とに挟まれて配置されると共に、上記燃料極で生成された上記陽イオンを上記酸化剤極側に透過させる電解質膜と、
上記燃料極に隣接して配置されると共に、上記燃料極に燃料を供給するための燃料室と、
上記酸化剤極に隣接して配置されると共に、上記酸化剤極に酸化剤を供給するための第１流路と上記酸化剤極から未反応酸化剤および反応生成物を排出するための第２流路とを有する酸化剤室と
を備え、
上記酸化剤室における上記第１流路と上記第２流路とは、互いに独立して配置されている
ことを特徴としている。

上記構成によれば、上記酸化剤室には、上記酸化剤極に酸化剤を供給するための上記第１流路と、上記酸化剤極から未反応酸化剤および反応生成物を排出するための上記第２流路とが、互いに独立して設けられている。したがって、上記第１流路と上記第２流路とに圧力差が生じ、上記第１流路から供給された酸化剤は、上述した従来の直接型メタノール燃料電池に比して効率的に上記酸化剤極内に供給される。さらに、上記酸化剤極内で生成された反応生成物および未反応酸化剤が、供給されてくる酸化剤に邪魔されることなく、上記圧力差によって上記第２流路から効率的に排出され易くなる。

また、１実施の形態の燃料電池では、
上記酸化剤極は、上記酸化剤室に接する第１側面と上記電解質膜に接する第２側面とを有すると共に、上記第１側面に沿って延在して上記第１流路から供給された上記酸化剤を拡散させる拡散層と、上記第２側面に沿って延在して触媒を含有する電極層と、を含んでおり、
上記第１流路と上記第２流路とは上記酸化剤極の上記拡散層を介して接続されている。

この実施の形態によれば、上記第１流路と上記第２流路との間には上記拡散層が介設されているので、上記第１流路から上記第２流路へ上記拡散層を通した局所的な流れが生ずる。したがって、上記酸化剤極から排出される反応生成物および未反応酸化剤を、上記局所的な流れに沿って効率的に第２流路に流すことができる。

また、１実施の形態の燃料電池では、
上記第１流路は、
末端を有する複数の分枝を有しており、
少なくとも上記各分枝は、末端ほど細くなる形状を有している。

この実施の形態によれば、酸化剤を供給するための上記第１流路は、末端ほど細くなっている分枝を有している。したがって、上記第１流路の酸化剤供給口に生じた圧力を、効果的に各分枝の末端まで到達させることができる。その結果、上記分枝の高さおよび幅が一定である場合に比して、上記酸化剤供給口に印加された圧力を上記第１流路全体に効果的に伝えることができ、上記第１流路の全体から上記酸化剤極に効率的に酸化剤を供給することができる。

また、１実施の形態の燃料電池では、
上記第２流路は、
末端を有する複数の分枝を有しており、
少なくとも上記各分枝は、末端ほど細くなる形状を有している。

この実施の形態によれば、未反応酸化剤および反応生成物を排出するための上記第２流路は、末端ほど細くなっている分枝を有している。つまり、酸化剤排出口に向かって流路が太くなる構造になっている。したがって、上記酸化剤極から排出された上記未反応酸化剤および上記反応生成物を、効果的に上記酸化剤排出口まで流すことができる。これにより、上記酸化剤排出口付近での圧力が極端に高まるのを抑えることができ、上記各分枝の全体に上記酸化剤極から効率的に未反応酸化剤および反応生成物を排出することができるのである。

また、１実施の形態の燃料電池では、
上記第１流路および上記第２流路は、
末端を有する複数の分枝を有しており、
少なくとも上記各分枝は、末端ほど細くなる形状を有している。

この実施の形態によれば、上記酸化剤極に酸化剤を供給するための上記第１流路と、上記酸化剤極から未反応酸化剤および反応生成物を排出するための上記第２流路とは、末端ほど細くなっている分枝を有している。したがって、上記第１流路においては、流路全体に効率的に圧力を伝えることができる一方、上記第２流路においては、酸化剤排出口付近での圧力の極端な増加を防ぐことができる。これにより、上記第１流路と上記第２流路との間の圧力差の均一性を、上記酸化剤室の全面で高めることができる。したがって、酸化剤の効率的供給と未反応酸化剤および反応生成物の効率的排出とを、上記酸化剤極の全体において均一性よく行うことができる。

また、１実施の形態の燃料電池では、
上記第２流路は、上記酸化剤極の拡散層を介して接続される上記第１流路までの距離が略等しくなるように、上記第１流路に沿って配置されている。

この実施の形態によれば、上記第２流路に上記酸化剤極の拡散層を介して接続されている上記第１流路と上記第２流路との距離が略等しくなっている。したがって、酸化剤の効率的供給と未反応酸化剤および反応生成物の効率的排出とを、酸化剤極の全体において均一性よく行うことができる。

また、１実施の形態の燃料電池では、
上記第１流路と上記第２流路とは、夫々櫛型形状を有しており、互いに噛み合うように配置されている。

この実施の形態によれば、単純な流路構造を用いて、上記第２流路に上記酸化剤極の拡散層を介して接続されている上記第１流路と上記第２流路との距離を略等しくすることができる。したがって、複雑な構造を用いることなく、酸化剤の効率的供給と未反応酸化剤および反応生成物の効率的排出とを、上記酸化剤極の全体において均一性よく行うことが可能な燃料電池を構成することができる。

以上より明らかなように、この発明の燃料電池は、酸化剤室に、酸化剤と陽イオンとを反応させる酸化剤極に上記酸化剤を供給するための第１流路と上記酸化剤極から未反応酸化剤および反応生成物を排出するための第２流路とを、互いに独立して設けたので、上記第１流路と上記第２流路とに圧力差を設けることによって、上記第１流路から供給された酸化剤を、効率的に上記酸化剤極内に供給することができる。さらに、上記酸化剤極内で生成された反応生成物および未反応酸化剤が、供給されてくる酸化剤に邪魔されることなく、上記圧力差によって上記第２流路から効率的に排出され易くなる。

また、上記第１流路を、末端ほど細くなっている分枝を有するように成せば、上記第１流路の酸化剤供給口に印加した圧力を、効果的に各分枝の末端まで到達させることができる。したがって、上記分枝の高さおよび幅が一定である場合に比して、上記第１流路内全体の圧力の均一性を高めることができ、上記各分枝の末端においても上記酸化剤極に効率的に酸化剤を供給することができる。

また、上記第２流路を末端ほど細くなっている分枝を有するように成せば、上記第２流路内の酸化剤排出口付近での酸化剤の流れをスムーズにすることができる。したがって、上記分枝の高さおよび幅が一定である場合に比して、上記酸化剤排出口付近での極端な圧力の増加を抑制することができ、上記各分枝の全体に上記酸化剤極から効率的に未反応酸化剤および反応生成物を排出することができる。

また、上記第１流路および第２流路の両方を、末端ほど細くなっている分枝を有するように成せば、上記第１流路の酸化剤供給口に印加された圧力を、効果的に各分枝の末端まで到達させることができると共に、上記第２流路内の酸化剤排出口付近での圧力の極端な増加を抑制することができる。したがって、上記分枝の高さおよび幅が一定である場合に比較して、上記第１流路と上記第２流路との間の圧力差の均一性を、上記酸化剤室の全面で高めることができ、酸化剤の効率的供給と未反応酸化剤および反応生成物の効率的排出とを、上記酸化剤極の全体において均一性よく行うことができる。

すなわち、この発明によれば、燃料と酸化剤との反応によって電力を発生する燃料電池の出力を増大させることができるという効果を奏する。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

・第１実施の形態
図１は、本実施の形態の燃料電池における基本構造を示す図である。ここで、図１(a),図１(c)および図１(d)は本燃料電池の縦断面図であり、図１(b)は本燃料電池の横断面図である。詳細に言えば、図１(a)は、図１(b)のＡ‐Ａ'矢視断面を含む断面図である。また、図１(b)は、図１(a)のＢ‐Ｂ'矢視断面、図１(c)のＣ‐Ｃ'矢視断面、図１(d)のＤ‐Ｄ'矢視断面を含む断面図である。また、図１(c)は、図１(b)のＥ‐Ｅ'矢視断面を含む断面図である。また、図１(d)は、図１(b)のＦ‐Ｆ'矢視断面を含む断面図である。

本実施の形態における燃料電池は、燃料と酸化剤との反応によって発生した電力を取り出す燃料電池である。本燃料電池は、図１(a)に示すように、燃料極１１と、酸化剤極１２と、両電極１１,１２に挟持された電解質膜１３と、燃料極１１に隣接する燃料室１４と、酸化剤極１２に隣接する酸化剤室１５と、を備えている。

上記燃料極１１および酸化剤極１２の基体としては、カーボンペーパー,カーボンの焼結体,ニッケル等の焼結金属,発泡金属,多孔質シリコン等の多孔質材の何れかを用いることができる。また、上記燃料極１１の触媒としては、白金とルテニウム合金,白金と金,白金とオスミウム,白金とロジウム等の合金を用いることができる。また、酸化剤極１２として、燃料極１１と同様の触媒を用いることができ、酸化剤極１２の材質と燃料極１１の材質とが同じであっても差し支えない。

上記電解質膜１３としては、プロトン伝導性の耐熱耐酸性を有する材料であれば有機材料および無機材料を問わないが、ここでは、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン１１７(デュポン社製)(登録商標))を用いている。また、電解質膜１３は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。

上記燃料室１４としては、金属,シリコン,ガラス,ニッケル等の燃料が透過しない材料を使用することができる。尚、本実施の形態においては、微細加工を施したガラス板を用いている。また、酸化剤室１５としては、金属,シリコン,ガラス,ニッケル等の酸化剤が透過しない材料を使用することができる。尚、本実施の形態においては、燃料室１４と同様に微細加工を施したガラス板を用いている。

また、本実施の形態においては、上記燃料極１１に供給される燃料としては、メタノールと水とを混合したものを用いている。尚、燃料はこれに限定されるものではなく、メタノールの代わりに、エタノールやブタンやジメチルエーテルのような炭化水素系の有機燃料、あるいは、水素ガスや水素を含む混合ガス等を、使用することもできる。さらに、本実施の形態においては、酸化剤極１２に供給される酸化剤として、酸素を元々含んでいる空気をそのまま使用している。しかしながら、酸化剤はこれに限るものではなく、酸素そのものを使用することもできる。

図１(a)に示すように、上記燃料室１４には、燃料極１１に燃料を供給するための燃料供給路１６を備えている。また、図１(b)に示すように、酸化剤室１５には、酸化剤極１２に酸化剤を供給するための酸化剤供給路１７と、酸化剤極１２からの未反応酸化剤および反応生成物を排出するための酸化剤排出路１８とを、互いに独立して備えている。

尚、図１(b)においては、上記酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８とは、夫々、平行に配列された複数の分枝を有する櫛状の形状を有すると共に、互いに噛み合うように配置されている。しかしながら、酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８との形状は上記櫛状に限定されるものではなく、二つの流路が分離されていればどの様な形状を有していても差し支えない。

上記燃料は、燃料タンク(図示せず)から供給ポンプ等を用いて、燃料供給口１９から燃料室１４内の燃料供給路１６に供給される。燃料供給路１６に供給された燃料は、図８に示すような従来の直接型メタノール燃料電池の場合と同様に、燃料極１１内に浸透して反応し、二酸化炭素と水素イオンと電子を生成する。この反応はＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻と表わされる。

上記反応によって生成された水素イオンは、燃料極１１から電解質膜１３を透過して酸化剤極１２に移動する。また、電子は、燃料極１１から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極１２に流れる。この電子の流れが電池の出力として使用される。また、二酸化炭素は、燃料極１１から燃料室１４内に排出され、未反応の燃料と共に燃料排出口２０から排出される。この燃料排出口２０から排出された二酸化炭素と未反応の燃料とは、上記燃料タンクに回収され、上記二酸化炭素のみがこの燃料タンクの排出ポートから排出される。但し、燃料排出口２０を設けず、燃料供給口１９が供給の機能と排出の機能とを共有する構成を取っても構わない。

一方、空気は、圧縮機(図示せず)等を用いて、酸化剤供給口２１から酸化剤室１５内の酸化剤供給路１７に供給される。そして、酸化剤供給路１７に供給された空気は、酸化剤排出路１８に直接流れることができないため、酸化剤極１２を経由して酸化剤排出路１８に流れる。こうすることにより、図８に示す従来の直接型メタノール燃料電池の場合とは異なり、局所的な圧力差によって酸化剤を酸化剤極１２内に送り込むことができるので、供給された酸化剤を効率的に酸化剤極１２に送り込むことが可能になるのである。

こうして、上記酸化剤極１２内に拡散した酸化剤は、燃料極１１から電解質膜１３を透過してきたプロトンおよび外部回路(図示せず)を経由して流れ込んだ電子と反応して水蒸気を生成する。この反応は３/２Ｏ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ₂Ｏと表わされる。

上記酸化剤供給路１７には酸化剤が圧縮機等によって供給されるので、酸化剤供給路１７内は酸化剤排出路１８に比べて圧力が高くなっている。そのため、酸化剤極１２内で生成した水蒸気と未反応酸化剤とは、酸化剤供給路１７に流れずに酸化剤排出路１８に流れることになり、酸化剤排出口２２から外部に排出されるのである。尚、上記未反応酸化剤と上記水蒸気とを外部に排出せずに回収し、上記未反応酸化剤と上記水蒸気との分離を行った後に、分離された酸化剤のみを再び上記圧縮機に送ることも可能である。

また、上記酸化剤供給路１７および酸化剤排出路１８の流路パターンは、図１に示すような櫛型に限るものではないが、酸化剤供給路１７の幅をあまり広くすると、酸化剤供給路１７の直下の酸化剤極１２内で生じた反応生成物の輸送距離が長くなりすぎる。また、酸化剤排出路１８の幅をあまり広くすると、酸化剤排出路１８までの未反応酸化剤の輸送距離が長くなる。したがって、酸化剤供給路１７および酸化剤排出路１８の幅は、５μmから２００μm程度が望ましい。本実施の形態においては、酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８との幅は共に１００μmにしている。

さらに、上記酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８との間隔があまり広いと酸化剤の供給および反応生成物の排出の効率が低下する。一方、酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８との間隔があまり狭くなると、酸化剤室１５と酸化剤極１２との密着性が低下し、酸化剤は酸化極１２内の拡散層(図２参照)を透過せずに、酸化剤極１２と酸化剤室１５との界面の隙間を流れてしまうことになり、酸化剤の酸化剤極１２への供給効率が低下する。したがって、酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８との距離は、酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８との幅と略同程度が望ましい。本実施の形態においては、酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８との間隔は１００μmにしている。

すなわち、本実施の形態においては、上記第１流路を酸化剤供給路１７で構成し、上記第２流路を酸化剤排出路１８で構成するのである。

従来の直接型メタノール燃料電池においては、上述したごとく、酸化剤は、図８に示すように、酸化剤室８に供給され、濃度差による拡散によって酸化剤極７内に供給されている。そのため、酸化剤室８に供給された酸化剤のうちの一部しか酸化剤極７に流れ込むことができず、反応の効率化が困難であり、燃料電池の高出力化を行うことが困難である。

これに対して、本実施の形態においては、上記酸化剤室１５に供給された酸化剤の全てが酸化剤極１２へ強制的に送り込まれる。そのために、反応に充分な酸化剤を酸化剤極１２に供給することができ、酸化剤の不足が燃料電池の高出力化を妨げることはないのである。

また、本実施の形態に拠れば、上記酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８とは互いに独立して設けられると共に、両路１７,１８には圧力差が生ずる。そのために、酸化剤極１２で発生した反応生成物の多くは、酸化剤極１２に留まることなく酸化剤排出路１８に排出される。このように、反応生成物が酸化剤排出路１８に向けて効率的に流れることになり、酸化剤極７内での酸化剤の拡散が阻害され難い。そのため、供給された酸化剤が反応に利用される割合が高くなり、酸化剤の供給圧を低下することができ、圧縮機の負荷を抑えることが可能である。

さらに好ましい実施例においては、図２に示すように、酸化剤極１２は、酸化剤室１５に接する第１側面と電解質膜１３に接する第２側面とを有している。そして、酸化剤極１２を、上記第１側面に沿って延在する拡散層２５と、上記第２側面に沿って延在して触媒を含有する電極層２６とで構成して、酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８とを、酸化剤極１２の拡散層２５を介して接続するようにしている。

こうすることによって、上記酸化剤供給路１７から酸化剤極１２内に供給された酸化剤の全てが拡散層２５に流れ込み、拡散層２５内を拡散して、触媒を含有する電極層２６に浸透して行くことになる。そのため、図８に示す従来の直接型メタノール燃料電池のごとく酸化剤極への酸化剤の供給を拡散のみに拠っている場合に比して、供給された酸化剤を効率よく酸化剤極に供給することができるのである。

また、上記酸化剤極１２内での反応は、触媒を含有する電極層２６と電解質膜１３との界面付近で起こる。その場合、拡散層２５内には、酸化剤が拡散する流れあるいはその流れに沿った局所的な圧力勾配が存在するために、酸化剤極１２での反応によって生じた反応生成物を、効率よく酸化剤排出路１８に向かって移動させ、拡散層２５のうち酸化剤排出路１８に露出した領域２８から酸化剤排出路１８に排出させることができる。

また、上記酸化剤排出路１８を、酸化剤極１２の拡散層２５を介して接続される酸化剤供給路１７までの距離が等しくなるように、酸化剤供給路１７に沿って配置される。こうすることによって、酸化剤供給路１７の近傍に配置された酸化剤排出路１８と酸化剤供給路１７との間の圧力差の均一性を、酸化剤極１２全体で高めることができるため、酸化剤の効率的供給や未反応酸化剤および反応生成物の効率的排出を、酸化剤極１２全体で均一性よく行うことができる。

尚、本実施例において、上記拡散層２５に用いる多孔質材の孔径等は、酸化剤供給路１７からの酸化剤を拡散層２５内へ引き込み得る孔径であればよく、特に限定されるものではない。

以上のような上記酸化剤極１２の構成によって、より効率的に酸化剤極１２に酸化剤を供給することができ、燃料電池の高効率化を図ることが可能になるのである。

上述したように、本実施の形態においては、上記酸化剤室１５には、酸化剤極１２に酸化剤を供給する酸化剤供給路１７と、酸化剤極１２からの未反応酸化剤および反応生成物を排出する酸化剤排出路１８とを、互いに独立して設けている。したがって、酸化剤を効率的に酸化剤極１２に供給することができる。さらに、酸化剤極１２において生成された反応生成物および未反応酸化剤を、効率的に排出することができる。その結果、図８に示すような酸化剤の供給路と反応生成物の排出路とを共用する上記従来の直接型メタノール燃料電池と比較して、燃料電池の発電効率を増大させ、高出力化を実現することができるのである。

また、上記酸化剤極１２を、上記酸化剤室１５に接する第１側面に沿って延在する酸化剤の拡散層２５と、電解質膜１３に接する第２側面に沿って延在して触媒を含有する電極層２６とで構成している。そして、酸化剤供給路１７と酸化剤排出路１８とを拡散層２５を介して接続すると共に、空気を圧縮機等によって酸化剤供給路に１７に供給するようにしている。したがって、酸化剤供給路１７から拡散層２５を経由して酸化剤排出路１８への酸化剤の流れが生じている。したがって、上記流れに従って、酸化剤極１２から排出される反応生成物および未反応酸化剤を、効率的に酸化剤排出路１８へ排出することができる。

また、上記酸化剤排出路１８を、酸化剤極１２の拡散層２５を介して接続される酸化剤供給路１７までの距離が等しくなるように、酸化剤供給路１７に沿って配置している。したがって、酸化剤の効率的供給および反応生成物の効率的排出を、酸化剤極１２全体で均一性よく行うことができるのである。

尚、本実施の形態においては、上記酸化剤極１２が拡散層２５と電極層２６とで構成されることを図２において説明している。しかしながら、このことは図１における酸化剤極１２においても同様である。

・第２実施の形態
図３は、本実施の形態の燃料電池の基本構造を示す図である。尚、図３は、上記第１実施の形態における図１(c)に相当する本燃料電池の縦断面図である。詳細に言えば、図３は、上記第１実施の形態における図１(b)のＥ‐Ｅ'矢視断面を含む断面図に相当する。

以下、本実施の形態について図３に従って説明する。尚、説明の便宜上、上記第１実施の形態と同じ部分には上記第１実施の形態と同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。

上記第１実施の形態においては、上記酸化室に上記酸化剤供給路と上記酸化剤排出路との２種類の流路を互いに独立して設けている。本実施の形態においては、さらに、上記酸化剤供給路の形状が末端ほど細くなっている。以下、具体的に説明する。

本実施の形態における燃料電池は、図３に示すように、流路の高さが上記分枝の末端ほど低くなっている酸化剤供給路３１を備えている。図３において、酸化剤供給路３１は、幅が１００μmであるのに対して、高さは、流速方向の長さ１００μm当たり１０μmの勾配で減少している。

このように、上記酸化剤供給路３１の高さが末端ほど低くなっているため、末端まで均一な高さの流路あるいは末端ほど高くなっている流路に比べて、酸化剤供給路３１の末端での圧力低下を小さくすることができる。そのため、圧縮機によって酸化剤供給口２１に加えられた圧力は、酸化剤供給路３１の入り口から末端にまで十分に伝えられる。したがって、酸化剤供給口２１に極端に高い圧力を加えることなく、酸化剤供給路３１全体に十分な圧力を安定的に伝えることができる。そのため、酸化剤供給路３１と酸化剤排出路１８(図１(b)参照)との間の圧力差の不均一性を抑え、より効率的に且つ均一に酸化剤を酸化剤極１２に供給することが可能になる。

すなわち、本実施の形態によれば、燃料電池のさらなる高効率化を図ることが可能になるのである。

尚、本実施の形態は、図４の構成によっても実現される。図４は、上記第１実施の形態における１(b)に相当する本燃料電池の横断面図である。詳細に言えば、図４は、上記第１実施の形態における図１(a)のＢ‐Ｂ'矢視断面、図１(c)のＣ‐Ｃ'矢視断面を含む断面図に相当する。尚、説明の便宜上、上記第１実施の形態と同じ部分には上記第１実施の形態と同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。

本変形例における燃料電池では、図４に示すように、流路の幅が上記分枝の末端ほど狭くなっている酸化剤供給路３２を備えている。図４においては、酸化剤供給路３２は、高さが１００μmであるのに対して、幅は、流速方向の長さ１００μm当たり末端へ向かうほど１０μm減少している。

図４に示す構成によっても、圧縮機によって酸化剤供給口２１に加えられた圧力を酸化剤供給路３２の入り口から末端まで十分に伝えることができる。したがって、図３に示す構成の場合と同様に、燃料電池のさらなる高効率化を図ることが可能になる。

以上のごとく、本実施の形態においては、上記酸化剤極１２に酸化剤を供給する酸化剤供給路３１,３２の形状を、末端になるほど細くしている。したがって、酸化剤供給路３１,３２の流路入り口に印加した圧力を、効果的に流路の末端まで到達させることが可能になる。すなわち、高さや幅が一定である流路と比較して、流路入り口と末端との圧力差を小さくすることができる。その結果、酸化剤供給路３１,３２の末端においても酸化剤極１２に効率的に酸化剤を送り込むことができるのである。

・第３実施の形態
図５は、本実施の形態の燃料電池の基本構造を示す図である。尚、図５は、上記第１実施の形態における図１(a)に相当する本燃料電池の縦断面図である。詳細に言えば、図３は、上記第１実施の形態における図１(b)のＡ‐Ａ'矢視断面を含む断面図に相当する。

上記第１実施の形態においては、上記酸化室に上記酸化剤供給路と上記酸化剤排出路との２種類の流路を互いに独立して設けている。本実施の形態においては、さらに、上記酸化剤排出路の形状が末端ほど細くなっている。以下、具体的に説明する。

本実施の形態における燃料電池は、図５に示すように、流路の高さが上記分枝の末端ほど低くなっている酸化剤排出路４１を備えている。図５において、酸化剤排出路４１は、幅が１００μmであるのに対して、高さは、流速方向の長さ１００μm当たり末端へ向かうほど１０μm減少している。

このように、上記酸化剤排出路４１の高さが末端ほど低くなっているため、末端まで均一な高さの流路あるいは末端ほど高くなっている流路に比べて、酸化剤排出口２２付近での流れがスムーズになり、酸化剤排出口２２付近での圧力の極端な増加を抑制することができる。したがって、酸化剤極１２から酸化剤排出路４１の流路全体に効率的に酸化剤を排出することが可能になる。

すなわち、本実施の形態によれば、燃料電池のさらなる高効率化を図ることが可能になるのである。

尚、本実施の形態は、図６の構成によっても実現される。図６は、上記第１実施の形態における１(b)に相当する本燃料電池の横断面図である。詳細に言えば、図６は、上記第１実施の形態における図１(a)のＢ‐Ｂ'矢視断面、図１(c)のＣ‐Ｃ'矢視断面を含む断面図に相当する。尚、説明の便宜上、上記第１実施の形態と同じ部分には上記第１実施の形態と同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。

本変形例における燃料電池では、図６に示すように、流路の幅が末端ほど狭くなっている酸化剤排出路４２を備えている。図６においては、酸化剤排出路４２は、高さが１００μmであるのに対して、幅は、流速方向の長さ１００μm当たり末端へ向かうほど１０μm減少している。

図６に示す構成によっても、上記酸化剤排出路４２内における酸化剤排出口２２付近での圧力の極端な増加を抑制することが可能である。したがって、図５に示す構成の場合と同様に、燃料電池のさらなる高効率化を図ることが可能になる。

以上のごとく、本実施の形態においては、酸化剤極１２から未反応酸化剤および反応生成物を排出する酸化剤排出路４１,４２の形状を、末端になるほど細くしている。したがって、酸化剤排出口２２付近での流れをスムーズにすることが可能になる。すなわち、高さや幅が一定である流路と比較して、酸化剤排出口２２付近での圧力の極端な増加を抑制することができる。その結果、酸化剤排出路４１,４２の流路全体に酸化剤極１２から効率的に未反応酸化剤および反応生成物を排出することができるのである。

・第４実施の形態
図７は、本実施の形態の燃料電池の基本構造を示す図である。尚、図７は、上記第１実施の形態における図１(b)に相当する本燃料電池の縦断面図である。詳細に言えば、図７は、上記第１実施の形態における図１(a)のＢ‐Ｂ'矢視断面、図１(c)のＣ‐Ｃ'矢視断面を含む断面図に相当する。尚、説明の便宜上、上記第１実施の形態と同じ部分には上記第１実施の形態と同じ番号を付して、詳細な説明は省略する。

上記第１実施の形態においては、上記酸化室に上記酸化剤供給路と上記酸化剤排出路との２種類の流路を互いに独立して設けている。本実施の形態においては、さらに、上記酸化剤供給路および上記酸化剤排出路の形状が末端ほど細くなっている。以下、具体的に説明する。

本実施の形態における燃料電池では、図７に示すように、流路の幅が末端ほど狭くなっている酸化剤供給路５１と、流路の幅が末端ほど狭くなっている酸化剤排出路５２と、を備えている。図７においては、酸化剤供給路５１および酸化剤排出路５２は、夫々高さが１００μmであるのに対して、幅は、流速方向の長さ１００μm当たり末端へ向かうほど１０μm減少している。

このように、上記酸化剤供給路５１の幅が末端ほど狭くなっているため、酸化剤供給路５１の末端での圧力低下を小さくすることができる。そのため、圧縮機によって酸化剤供給口２１に加えられた圧力は、酸化剤供給路５１の入り口から末端にまで十分に伝えられる。また、酸化剤排出路５２の幅が末端ほど狭くなっているため、従来に比べ、酸化剤排出口２２付近での流れをスムーズにすることができる。そのため、酸化剤排出口２２付近での圧力の極端な増加を抑えることができる。

つまり、上記酸化剤供給路５１および酸化剤排出路５２の両流路において、夫々の圧力の均一性が高められる。その結果、酸化剤の流れの最上流側である酸化剤供給口２１付近と酸化剤排出路５２の末端付近との圧力差、および、酸化剤の流れの最下流側である酸化剤供給路５１の末端付近と酸化剤排出口２２付近との圧力差、の違いを少なくすることができる。したがって、酸化剤供給路５１と酸化剤排出路５２との間の圧力差の均一性を酸化剤室１５の全面で高くすることができ、酸化剤の効率的供給および未反応酸化剤および反応生成物の効率的排出を、酸化剤極１２の全体において均一性よく行うことができるのである。

以上のごとく、本実施の形態においては、上記酸化剤極１２に酸化剤を供給する酸化剤供給路５１の形状と、酸化剤極１２から未反応酸化剤および反応生成物を排出する酸化剤排出路５２の形状とを、末端になるほど細くしている。したがって、酸化剤供給路５１と酸化剤排出路５２との間の圧力差を、酸化剤室１５の面内において均一に保つことが可能になる。その結果、酸化剤の効率的供給と未反応酸化剤および反応生成物の効率的排出とを、酸化剤極１２の全体において均一性よく行うことができる。

尚、本実施の形態においては、上記酸化剤供給路５１の全体に亘って末端になるほど狭くしている。しかしながら、この発明は、これに限定されるものではなく、図４に示す上記第２実施の形態の場合のように、酸化剤供給路における上記分枝の部分のみを末端になるほど狭くしても差し支えない。

また、上記第３実施の形態および本実施の形態においては、上記酸化剤排出路４２,５２の全体に亘って末端になるほど狭くしている。しかしながら、この発明は、これに限定されるものではなく、酸化剤排出路における上記分枝の部分のみを末端になるほど狭くしても差し支えない。

本発明の燃料電池は、大きな出力を得ることができるため高出力の燃料電池として有用であり、携帯電子機器などに好適に利用することができる。

この発明の燃料電池における基本構造を示す図である。 図１における酸化剤極のさらに好ましい構造を示す図である。 図１とは異なる燃料電池の基本構造を示す図である。 図３における酸化剤供給路の図３とは異なる形状を示す図である。 図１および図３とは異なる燃料電池の基本構造を示す図である。 図５における酸化剤排出路の図５とは異なる形状を示す図である。 図１,図３および図５とは異なる燃料電池の基本構造を示す図である。 従来の直接型メタノール燃料電池の構造を示す図である。

符号の説明

１１…燃料極、
１２…酸化剤極、
１３…電解質膜、
１４…燃料室、
１５…酸化剤室、
１６…燃料供給路、
１７,３１,３２,５１…酸化剤供給路、
１８,４１,４２,５２…酸化剤排出路、
１９…燃料供給口、
２０…燃料排出口、
２１…酸化剤供給口、
２２…酸化剤排出口、
２５…拡散層、
２６…電極層、
２７,２８…拡散層中の領域。

Claims (7)

1. 燃料が供給されると共に、上記燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、
   酸化剤が供給されると共に、上記酸化剤と上記陽イオンとを反応させる酸化剤極と、
   上記燃料極と上記酸化剤極とに挟まれて配置されると共に、上記燃料極で生成された上記陽イオンを上記酸化剤極側に透過させる電解質膜と、
   上記燃料極に隣接して配置されると共に、上記燃料極に燃料を供給するための燃料室と、
   上記酸化剤極に隣接して配置されると共に、上記酸化剤極に酸化剤を供給するための第１流路と上記酸化剤極から未反応酸化剤および反応生成物を排出するための第２流路とを有する酸化剤室と
   を備え、
   上記酸化剤室における上記第１流路と上記第２流路とは、互いに独立して配置されている
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   上記酸化剤極は、上記酸化剤室に接する第１側面と上記電解質膜に接する第２側面とを有すると共に、上記第１側面に沿って延在して上記第１流路から供給された上記酸化剤を拡散させる拡散層と、上記第２側面に沿って延在して触媒を含有する電極層と、を含んでおり、
   上記第１流路と上記第２流路とは、上記酸化剤極の上記拡散層を介して接続されている
   ことを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１に記載の燃料電池において、
   上記第１流路は、
   末端を有する複数の分枝を有しており、
   少なくとも上記各分枝は、末端ほど細くなる形状を有している
   ことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１に記載の燃料電池において、
   上記第２流路は、
   末端を有する複数の分枝を有しており、
   少なくとも上記各分枝は、末端ほど細くなる形状を有している
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１に記載の燃料電池において、
   上記第１流路および上記第２流路は、
   末端を有する複数の分枝を有しており、
   少なくとも上記各分枝は、末端ほど細くなる形状を有している
   ことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項２に記載の燃料電池において、
   上記第２流路は、上記酸化剤極の拡散層を介して接続される上記第１流路までの距離が略等しくなるように、上記第１流路に沿って配置されている
   ことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項２に記載の燃料電池において、
   上記第１流路と上記第２流路とは、夫々櫛型形状を有しており、互いに噛み合うように配置されている
   ことを特徴とする燃料電池。

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