JP2009016244A - 燃料電池および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した電力供給を維持しつつ、薄型化を実現することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１は、発電部１０と、燃料タンク１１と、燃料供給部（ポンプ）１２と、燃料気化部１３とを備えている。発電部１０は、接合体１９をセルプレート１５とセルプレート２１とにより挟み込んだ構成となっている。接合体１９は、電解質膜１７を間にしてアノード電極１６とカソード電極１８とが対向配置されたものである。特に、燃料供給部１２と燃料気化部１３とは、一体的に設けられ、これらに埋設されたノズル部１４によって接続されている。燃料タンク１１に収容された燃料は、燃料供給部１２によって発電部１０の状態に応じて汲み上げられたのち、燃料気化部１３により気化され、発電部１０側へ供給される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料と酸化剤との化学反応を利用して発電を行う燃料電池、およびそのような燃料電池を内蔵する電子機器に関する。

近年、一次電池や二次電池とは異なる新たなスタイルを提案できる電気化学デバイスとして、燃料と酸化剤との化学反応により発電を行う燃料電池が注目されている。この燃料電池は、アノード電極（燃料電極）とカソード電極（酸素電極）との間に電解質が配置されてなり、アノード電極側には燃料、カソード電極側には酸化剤が供給される。これにより、燃料のもつ化学エネルギーが電気エネルギーに効率良く変換される。燃料電池では、燃料と酸化剤との化学反応を利用して発電が行われるため、酸化剤として空気中の酸素を供給すると共に、燃料を外部から補給し続けることで、継続的に電力を取り出すことが可能である。

燃料電池としては、既に、さまざまな種類のものが提案または試作されており、一部は実用化されている。中でも、プロトン伝導性高分子膜を電解質とする高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell）は、電解液を用いず、３０℃〜１３０℃程度の比較的低い温度で動作するため、薄型化が可能で、携帯型電子機器用電源として最適である。

また、その燃料としては、水素やメタノールなど、種々の材料を用いることができる。その中で、メタノールなどの液体燃料は、気体に比べて密度が高く貯蔵しやすいため、小型の電子機器に内蔵される燃料電池の燃料として有望視されている。特に、ＰＥＦＣのアノード電極にメタノールを直接供給して反応させるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）は、燃料から水素を取り出すための改質器を必要としないため、小型化、薄型化に有利となる。

このようなＤＭＦＣでは、アノード電極へメタノールを供給する方法として、液体供給型と気化供給型が提案されている。このうち、液体供給型は液体燃料（メタノール水溶液）を、そのままアノード電極へ供給するものであるが、直接液体燃料がアノード電極に触れているために、メタノールがアノード電極側からカソード電極側へ電解質膜中を通り抜けてしまうメタノールクロスオーバーが起こり易くなる。特に高濃度メタノールを使用すると電圧低下を引き起こし、著しくメタノールの利用効率が低下してしまう。このような場合、燃料濃度を下げないと効率良く反応を進めることができないが、燃料濃度を下げてしまうと、エネルギー密度が低下するばかりでなく、過剰な水がカソード電極に到達し、フラッディング現象がより起こり易くなる。また、メタノール溶液に接するアノード電極上では酸化反応により二酸化炭素（ＣＯ₂）が発生するため、この二酸化炭素の気泡が電極上に付着し、メタノール溶液の供給が阻害される。よって、出力が低下したり不安定になってしまう。

これに対し、気化供給型では、両極の水分濃度の平衡により、カソード電極で生成する水をアノード電極側へ逆拡散させ、アノード電極で消費される水を補給することが可能である。このため、高濃度のメタノール水溶液が使用可能となり、また自己加湿によって電解質膜中の水分を保持することができるため、電解質膜において発電に必要なプロトン伝導性が維持される。よって、メタノールの利用効率が向上し、高いエネルギー密度を維持することができる。これまでにも、気化型の燃料供給方法として、燃料タンク内の燃料を自然気化させる方法や、毛管力を利用する方法（例えば、特許文献１，２）などが提案されている。あるいは、液体燃料を貯蔵タンクから汲み上げて発電側へ供給するためのポンプ（燃料供給部）と、この燃料供給部によって供給された液体燃料を気化させる燃料気化部とを設ける技術も提案されている。
特許第３４１３１１１号公報 特開平６−１８８００８号公報

しかしながら、タンクからの自然気化や毛管力により燃料を供給した場合は、発電の状態や機器の必要電力に応じて燃料供給量を変化させることができず、また、起動や停止に時間を要するため、安定した電力供給ができないという問題があった。そこで、タンクからの自然気化や毛管力を用いずに、ポンプなどの燃料供給部を用いて燃料を供給するようにすれば、発電部の状態に応じて燃料を供給することができるようになる。ところが、燃料供給部と燃料気化部とを備えた構成では、これらの間にシリコンチューブなどの配管（ジョイント部）が設けられる。そのため、このジョイント部によって電池全体の厚みが大きくなってしまうという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、安定した電力供給を維持しつつ、薄型化を実現することが可能な燃料電池およびこれを内蔵した電子機器を提供することにある。

本発明による燃料電池は、電解質膜を間にして一対の電極が対向配置された発電部と、液体燃料を収容する燃料タンクと、燃料タンクから発電部側へ液体燃料を供給すると共に、その供給量が調節可能となっている燃料供給部と、燃料供給部によって供給された液体燃料を気化させる燃料気化部とを備え、燃料供給部と燃料気化部とは一体的に設けられているものである。

本発明による電子機器は、上記のような構成を有する燃料電池を備えたものである。

本発明による燃料電池および電子機器では、燃料供給部により、燃料タンクから発電部側へ供給される燃料量が調節可能となっているため、自然気化や毛管力によって燃料を供給する場合と異なり、例えば、発電の状態や機器の必要電力に応じて燃料供給量を変化させ、所望のタイミングで起動、停止させることができる。また、燃料供給部と燃料気化部とが一体的に設けられていることにより、従来のような燃料供給部と燃料気化部との間に設けられていた配管などのジョイント部が不要となる。

本発明の燃料電池および電子機器によれば、燃料供給部によって発電部側へ供給する燃料量が調節可能となっていると共に、この燃料供給部と燃料気化部とを一体的に設けるようにしたので、安定した電力供給が可能になると共に、燃料供給部と燃料気化部との間に配管などのジョイント部が設けられた従来のものに比べ、全体の厚みが薄くなる。よって、安定した電力供給を維持しつつ、薄型化を実現することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池１の断面構成を表すものである。図２は、燃料電池１の平面構成を表すものである。ただし、図１は、図２のＡ−Ａ線における断面構成に対応している。この燃料電池１は、液体燃料、例えばメタノールを直接供給して反応させるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）であり、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器や、ノート型ＰＣ（Personal Computer ）などの電子機器に用いられるものである。

燃料電池１は、発電部１０と、燃料タンク１１と、燃料供給部１２と、燃料気化部１３とを備えている。発電部１０は、接合体１９を一対のセルプレート１５，２１により挟み込んで構成されたものである。発電部１０のセルプレート１５の側には、燃料タンク１１と、燃料供給部１２と、燃料気化部１３とが設けられている。特に、燃料供給部１２と燃料気化部１３とは一体的に設けられている。すなわち、燃料供給部１２と燃料気化部１３とは、その厚み方向に隙間なく積層されている。このような構成により、燃料タンク１１に収容された燃料が、燃料供給部１２および燃料気化部１３により発電部１０側へ供給され、発電に利用されるようになっている。

まず、発電部１０の接合体１９の構成について説明する。接合体１９は、図２に示したように、例えば面内方向に３×２の配列で計６つ配置されている。また、これら６つの接合体１９は、図示しない集電体構造により、例えば符号Ｐ１で示したように、互いに電気的に直列接続されている。各接合体１９は、電解質膜１７を間にして、アノード電極（燃料電極）１６とカソード電極（酸素電極）１８とが対向配置された構成となっている。この接合体１９は、セルプレート１５，２１の間に挟み込まれ、例えばガスケット（図示せず）によりシールされている。なお、図１では、電解質膜１７は複数の接合体１９の間で共通の層となっているが、接合体１９ごとに設けられていてもよい。

電解質膜１７は、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ₃ Ｈ）を有するプロトン伝導材料により構成されている。プロトン伝導材料としては、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料（例えば、デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリイミドスルホン酸などの炭化水素系プロトン伝導材料、またはフラーレン系プロトン伝導材料などが挙げられる。

アノード電極１６およびカソード電極１８は、例えば、カーボンペーパーなどよりなるガス拡散基材に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックなどの担持体をポリパーフルオロアルキルスルホン酸系プロトン伝導材料などに分散させたものにより構成されている。アノード電極１６には、セルプレート１５に設けられた開口１５０を介してメタノールなどを含む液体燃料が気体として供給されるようになっている。また、カソード電極１８は、セルプレート２１に設けられた開口２１０を介して外部と連通しており、自然換気あるいは空気供給ポンプ（図示せず）により空気すなわち酸素が供給されるようになっている。

燃料タンク１１は、発電に必要な液体燃料、例えばメタノール水溶液を収容するためのものであり、燃料タンク１１内には、燃料供給部１２を構成する流路１２ｃ（後述）の吸引口が設けられている。

燃料供給部１２は、燃料タンク１１に収容された液体燃料を汲み上げて、発電部１０側へ供給（輸送）するポンプとして機能するものであり、燃料の供給量を調節することができるようになっている。この燃料供給部１２は、例えば圧電体１２ａと、この圧電体１２ａを支持するための圧電体支持樹脂部１２ｂと、燃料タンク１１からノズル部１４までを接続する配管としての流路１２ｃとを有している。圧電体１２ａは、例えば圧電素子と、この圧電素子上に形成されたポンプ室としての隔膜（いずれも図示せず）とを有してなり、ダイヤフラム式で燃料を汲み上げる構造となっている。具体的には、圧電素子は、電圧が印加されることにより伸縮するが、圧電体支持樹脂部１２ｂにより剛性の高い燃料気化部１３のプレート（後述）によって固定されているため、上下方向に振動することとなる。これにより、圧電素子の上部に形成された隔膜が振動し、この隔膜によって囲まれる空間（ポンプ室）の内部では体積変化が生じる。また、圧電体支持樹脂部１２ｂ内に形成されている流路１２ｃには逆止弁が設けられている（後述）ため、燃料タンク１１から燃料気化部１３への一方向に燃料が輸送されるようになっている。

圧電体支持樹脂部１２ｂとしては、例えばシクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）やポリエチレン、ポリプロピレンなど、メタノールに対する耐性の高い樹脂材料を用いることができる。なお、圧電体１２ａ付近の圧電体支持樹脂部１２ｂ内に形成されている流路１２ｃには、図示しない逆止弁が設けられている。また、圧電体１２ａは、圧電素子に限らず、例えば電磁ポンプ、電気浸透流ポンプなどの他の素子を用いて、燃料を汲み上げるようにすることも可能である。この燃料供給部１２は、例えば０．５ｍｍ〜１．５ｍｍの厚みで構成されている。

燃料気化部１３は、燃料供給部１２によって供給された燃料を気化させると共に、燃料供給部１２（圧電素子）を支持するためのプレートとしても機能するようになっている。この燃料気化部１３は、例えばステンレス鋼、アルミニウムなどを含む金属や合金、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）などの剛性の高い樹脂材料よりなるプレート上に、燃料の拡散を促進するための拡散部（図示せず）が設けられたものである。拡散部としては、アルミナ、シリカ、酸化チタンなどの無機多孔質材料や樹脂多孔質材料を用いることができる。この燃料気化部１３は、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの厚みで構成されている。但し、燃料気化部１３はＳＵＳプレートによって構成されていることが好ましい。これにより、燃料供給部１２の厚みを増大させることなく効率的な燃料供給が可能となるため、薄型化に有利となる。

ノズル部１４は、燃料供給部１２の流路１２ｃによって輸送される燃料の噴出口であり、燃料気化部１３の表面に設けられた拡散部に向けて、燃料を噴出するようになっている。これにより、燃料気化部１３へ輸送された燃料が拡散気化され、発電部１０に向けて供給される。このノズル部１４は、例えば直径０．１ｍｍ〜０．５ｍｍの口径を有している。

また、発電部１０と燃料気化部１３との間には、発電部１０の外周部に封止層２２が設けられている。この封止層２２は、例えばシリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、テフロン（登録商標）などの樹脂材料により構成されている。これにより、発電部１０と燃料気化部１３との間には一定の空間が設けられ、この空間によって燃料気化部１３側から噴出する燃料が拡散され、発電部１０に対して均一に燃料が供給されるようになっている。

この燃料電池１は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、上述した材料よりなる電解質膜１７を、上述した材料よりなるアノード電極１６およびカソード電極１８の間に挟んで、例えば１３０℃、０．５ｋＮの圧力で１５分間熱圧着することにより、電解質膜１７にアノード電極１６およびカソード電極１８を接合し、接合体１９を形成する。

次いで、形成した接合体１９を、一対のセルプレート１５，２１間に、図示しないガスケットを介して挟み込み、例えばネジなどで締結したのち、図示しない集電体構造を設けることにより、複数の接合体１９が直列に接続された発電部１０を形成する。

一方、燃料供給部１２および燃料気化部１３を次のようにして一体的に形成する。まず、燃料気化部１３として、上述の材料等からなるプレートに、切削またはエッチングにより所望の口径の丸穴を空けることにより、ノズル部１４を形成する。続いて、このノズル部１４を形成したプレートの裏面側に、流路１２ｃを形成した圧電体支持樹脂部１２ｂによって圧電体１２ａを固定することにより燃料供給部１２を形成する。次いで、上記プレートの表面側に、上述の材料よりなる拡散部を接着する。なお、燃料気化部１３上に燃料を直接拡散させるため、プレートおよび拡散部のサイズは、燃料供給が必要とされる発電部１０のサイズに合わせて形成するとよい。また、プレートにノズル部１４を形成したのち、まずプレートの表面側に拡散部を形成してから、その裏面側に燃料供給部１２を形成するようにしてもよい。以上のようにして、燃料供給部１２および燃料気化部１３を一体的に形成する。

次に、一体的に形成された燃料供給部１２および燃料気化部１３の燃料気化部１３の側に、発電部１０を、封止層２２でシールすることにより接続する。なお、この封止層２２には、二酸化炭素が抜けるように一部に小さな穴を開けるなどの加工処理を施すようにするとよい。以上により、図１に示した燃料電池１を完成する。

この燃料電池装置１では、燃料タンク１１に収容される液体燃料が、燃料供給部１２によって汲み上げられ、流路１２ｃを通って燃料気化部１３に到達する。燃料気化部１３では、ノズル部１４によって液体燃料が噴出すると、その表面に設けられた拡散部によって広範囲に拡散される。これにより、液体燃料が自然気化される。このとき、気化速度は、拡散部の表面積によって決定される。従って、必要とされる発電量に応じて拡散部の表面積を設定することにより、発電部１０側への燃料供給量を調節することが可能である。このようにして気化された燃料が、ノズル部１４の噴出口より噴出することで、発電部１０のアノード電極１６に燃料が供給される。一方、発電部１０のカソード電極１８へは、自然換気あるいは図示しない空気供給ポンプによって空気（酸素）が供給される。すると、アノード電極１６では、式（１）に示した反応が起こり、水素イオンと電子とが生成される。この水素イオンは電解質膜１７を通ってカソード電極１８へ到達し、カソード電極１８では、式（２）に示した反応が起こり、水と二酸化炭素が生成される。よって、燃料電池１全体としては、式（３）に示した反応が生じ、発電が行われる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …………（１）
６Ｈ^＋＋(３／２)Ｏ₂＋６ｅ^-→ ３Ｈ₂Ｏ …………（２）
ＣＨ₃ＯＨ＋(３／２)Ｏ₂→ ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ …………（３）

この際、燃料供給部１２では、供給される燃料量が調節可能となっていることで、供給量が調整されていない自然気化や毛管力を利用した発電と異なり、例えば発電の状態や機器の必要電力に応じて燃料供給量を変化させることができ、所望のタイミングで起動、停止させることが可能となる。

ここで、従来のように、燃料供給部１２および燃料気化部１３との間にジョイント部を設置する場合、このジョイント部によって全体の厚みが増加するという問題があった。これに対し、本実施の形態では、燃料供給部１２と燃料気化部１３とが一体的に設けられていることにより、従来のようなジョイント部が不要となりデッドスペースがなくなるため、全体の厚みを薄くすることができる。よって、本実施の形態では、安定した電力供給を維持しつつ、薄型化を実現することが可能となる。

さらに、ジョイント部を用いた従来の構成では、燃料供給部１２および燃料気化部１３との接続部分から燃料漏れが生じ易く、燃料の利用効率が低下して、電力供給が不安定となるという問題もある。これに対しても、燃料供給部１２と燃料気化部１３とが一体的に設けられていることで、燃料漏れが防止され、出力の安定化に有利となる。

また、図３には、この燃料電池１を適用したシステムの一例について示す。このシステムでは、燃料電池１の発電体１０の状態あるいは駆動機器１０３で必要とされる電力に応じて、制御部１０１によって燃料供給部１２が制御されることにより燃料が供給される。供給された燃料は、燃料気化部１３によって気化されたのち、発電部１０側へ輸送され、発電部１０において発電がなされる。このようにして発電部１０で発生した電力は、制御部１０１の制御によって、補助電源１０２に保持されるか、あるいは駆動機器１０３側へ出力されるようになっている。このようなシステムにより、最適な燃料量のフィードバックが可能となるため、電力供給の安定性や燃料の利用効率を向上させることができる。

次に、本発明の変形例について説明する。

（変形例１）
図４は、本発明の変形例１に係る燃料電池２の概略構成を表すものである。この燃料電池２は、燃料供給部２３と、燃料気化部１３に埋設されたノズル部２４との構成以外は、上記実施の形態で説明した燃料電池１と同一の構成を有している。よって、対応する構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

燃料供給部２３は、燃料タンク１１に収容された液体燃料を汲み上げて、発電部１０側へ供給（輸送）するポンプとして機能するものであり、燃料の供給量を調節することができるようになっている。この燃料供給部２３は、例えば圧電体１２ａと、圧電体支持樹脂部１２ｂと、圧電体支持プレート１２ｄと、流路１２ｅとを有している。圧電体支持プレート１２ｄは、圧電体１２ａを支持するために設けられるプレートであり、上述の燃料気化部１２を構成するプレートと同様の材料により構成されている。流路１２ｅは、燃料タンク１１から、圧電体１２ａおよび圧電体支持プレート１２ｄを経て、接合体１９に対応する領域ごとに分岐され、後述のノズル部２４に接続されるようになっている。

ノズル部２４は、燃料供給部２３の流路１２ｅによって輸送される燃料の噴出口であり、燃料気化部１３の表面に設けられた拡散部に向けて、燃料を噴出するようになっている。これにより、燃料供給部１２によって汲み上げられた燃料が燃料気化部１３へ輸送されると共に、燃料気化部１３によって気化された燃料が発電部１０に向けて噴出するようになっている。このノズル部２４は、接合体１９に対応する領域ごとに分岐した流路１２ｅに対応して複数設けられている。

また、次のようにして、上記のような構成を有する燃料供給部２３と燃料気化部１３とを一体的に形成する。まず、燃料供給部１３としてのプレートに対し、エッチングなどにより接合体１９ごとに分岐した流路パターン（ノズル部２４）を形成する。次いで、このプレートの裏面側に流路１２ｅを形成した圧電体支持プレート１２ｄを接着シートなどにより接着させ、この圧電体支持プレート１２ｄに対して、圧電体１２ａを圧電体支持樹脂部１２ｂによって固定する。一方、燃料気化部１３のプレートの表面側に拡散部を設けることにより、燃料供給部２３および燃料気化部１３を一体的に形成する。あるいは、燃料気化部１３、ノズル部２４、圧電体支持プレート１２ｄおよび流路１２ｅをエッチング加工と拡散接合技術などを用いて、一体部品として形成するようにしてもよい。

このように、本変形例では、流路１２ｅが接合体１９に対応する領域ごとに分岐していることにより、燃料気化部１３によって気化された燃料は、分岐した流路１２ｅを通ってノズル部２４により、接合体１９ごとに分散して噴出されることとなる。よって、各接合体１９に対してより均一に燃料を供給することができるため、より安定した発電が可能となる。

（変形例２）
図５は、本発明の変形例２に係る燃料電池３の概略構成を表すものである。この燃料電池２は、燃料供給部２３と、ノズル部２４の構成と、封止部２２の代わりに熱伝導部３２が設けられていること以外は、上記実施の形態で説明した燃料電池１と同一の構成を有している。なお、燃料供給部２３およびノズル部２４の構成については上記変形例１で説明した燃料電池２と同様のものとなっている。よって、燃料電池１および燃料電池２と同一の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。

熱伝導部３２は、図１の燃料電池１で説明した封止層２２と同様の機能を有すると共に、熱伝導性の高い材料によって構成されている。例えば、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などの金属材料や伝熱シート、伝熱グリースなどが挙げられる。

ここで、一般に、発電部１０では発電により湿潤され温度が上昇する一方、燃料気化部１３では液体燃料の気化のために熱が奪われて温度が降下する。このため、長時間の発電動作により燃料気化部１３では結露が生じ、この影響で発電部１０に対して十分なメタノールを供給できず、また、水が系外に溢れ出てしまうという問題がある。そこで、これらを防ぐために、ヒータなどを搭載することで温度制御を行っている。ところが、このような構成では、電力を消費し、また薄型化や小型化に不利となる。

これに対し、本変形例では、発電部１０と燃料気化部１３とが、熱伝導性を有する熱伝導部３２によって接続されているので、発電部１０で発生した熱は、燃料気化部１３へ伝わりやすくなる。これにより、発電部１０の放熱が可能となると共に、燃料気化部１３に対して燃料の気化に必要な熱エネルギーを供給することが可能となる。よって、発電部１０と燃料気化部１３との間で温度差が生じにくくなり、燃料気化部１３での結露の発生を効果的に抑制することができる。

なお、本変形例では、上記変形例１で説明したような流路が接合体１９ごとに分岐したノズル部２４を用いた燃料電池２の構成に、さらに熱伝導部３２を設けたものを例に挙げて説明したが、勿論、図１に示したように流路の分岐していないノズル部１４を用いた燃料電池１の構成についても適用することが可能である。

次に、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１として、図１および図２に示した燃料電池１を作製した。但し、アノード電極１６およびカソード電極１８としては、寸法が１５ｍｍ×１５ｍｍのものを用いた。また、燃料供給部１２として、厚み０．７ｍｍのＳＵＳ圧電体支持樹脂部１２ｂ（圧電体１２ａを含む）、燃料気化部１３として、厚み０．３ｍｍのＳＵＳプレートを用い、ノズル部１４としては口径０．３ｍｍの噴出口を有するものを用いた。また、液体燃料としては試薬特級メタノール（和光純薬製）、燃料気化部１３上には、多孔質ＰＰシート２０μｍを形成した。なお、発電部１０としては、図２に示したように、６つの接合体１９が縦に２列、横に３列で平面配置され、これらの接合体１９が電気的に直列接続（コの字型に接続）されたものを用いた。

このようにして作製した実施例１の燃料電池１の全体の厚み（ｍｍ）を測定した。また、燃料供給部１２の燃料供給レートを約１５μ/分、駆動電圧を１．８Ｖの定電圧として、発電試験を行った。図８に、経過時間に対する発生電力の関係を示し、表１に、全体の厚み（ｍｍ）、１時間後の出力（ｍＷ）、３０時間後の出力（ｍＷ）、および３０時間後の出力維持率（％）について示す。

（実施例２）
実施例２として、図４に示した燃料電池２を作製した。但し、実施例２では、接合体１９ごとに設けられたノズル部２４の噴出口の口径を０．３ｍｍとし、燃料気化部１３および圧電体支持プレート１２ｄをエッチング加工と拡散接合技術とを組み合わせて一体化した厚み０．５ｍｍのＳＵＳプレートを用いたこと以外は、上記実施例１と同様の構成条件とした。

（実施例３）
実施例３として、図５に示した燃料電池３を作製した。但し、実施例３では、発電部１０と燃料気化部１３とを、厚み０．２ｍｍのアルミニウムからなる熱伝導部３２によって接合させたこと以外は、上記実施例１と同様の構成条件とした。このようにして作製した実施例２の燃料電池２および実施例３の燃料電池３について、上記実施例１と同様の条件で、厚みの測定および発電試験を行った。これら実施例２および実施例３の結果を、実施例１の結果と共に図８および表１に示す。

（比較例１）
実施例１〜３の比較例１として、図６に示した燃料電池１００を作製した。燃料電池１００は、燃料タンク１１０、多孔質体１１１、燃料気化部１１２、封止部１１３、および発電部１１９を備えており、発電部１１９は、ガスケット１１４、アノード電極１１５、電解質膜１１６、カソード電極１１７およびセルプレート１１８から構成されている。この燃料電池１００では、燃料タンク１１０に収容された液体燃料が多孔質体１１１の毛管力によって吸い上げられ、燃料気化部１１２によって気化されたのち、発電部１１９に供給されるようになっている。但し、燃料供給部１２の代わりに、ポリエステル系繊維を束ねた芯材よりなる多孔質体１１１を用いたこと以外は、上記実施例１と同様の構成（材料、厚み）とした。

このようにして作製した比較例１の燃料電池１００について、全体の厚みを測定し、発電試験を行った。これらの結果を、実施例１〜３の結果と共に図８および表１に示す。但し、燃料供給レートを調整しない（調整できない）こと以外は、上記実施例１と同様の条件で発電試験を行った。

（比較例２）
また、比較例２として、図７に示した燃料電池２００を作製した。燃料電池２００は、燃料タンク２１０、燃料供給部２１１、ジョイント部２１２、燃料気化部２１３、封止部２１４、および発電部２２０を備えており、発電部２２０は、ガスケット２１５、アノード電極２１６、電解質膜２１７、カソード電極２１８およびセルプレート２１９から構成されている。また、燃料供給部２１１と燃料気化部２１３とはジョイント部２１２を介して接続された構成、すなわち、燃料供給部２１１と燃料気化部２１３とが一体化されておらず、ジョイント部２１２の内部に設けられたノズル部２１２ａによって燃料の輸送が行われる。この燃料電池２００では、燃料タンク２１０に収容された液体燃料が燃料供給部２１１によって汲み上げられ、燃料気化部２１３によって気化されたのち、発電部２２０に供給されるようになっている。但し、厚み２ｍｍのジョイント部２１２によって燃料供給部２１１と燃料気化部２１３とが接続されていること以外は、上記実施例１と同様の構成（材料、厚み）とした。

このようにして作製した比較例２の燃料電池２００について、全体の厚みを測定し、上記実施例１と同様の条件で発電試験を行った。これらの結果を、実施例１〜３の結果と共に図８および表１に示す。

表１および図８に示したように、燃料の供給量を調節可能な燃料供給部を備えた実施例１では、多孔質体などの毛管力を利用した比較例１に比べて、出力される電力が高くなっていることがわかる。また、時間の経過に伴って、比較例１では出力が低下し、維持率も７９％と低くなっているのに対し、実施例１では、安定した電力供給が実現されており、維持率も９１％と高くなっている。

さらに、接合体ごとに燃料の流路を分岐させた実施例２や、発電部と燃料気化部との間に熱伝導部を設けた実施例３では、より高く安定した出力が得られていることがわかる。特に、実施例３では、出力維持率が９９％と非常に高くなっている。これは、通常、長時間の発電動作によって発電部の温度が上昇し結露が発生し易くなるが、実施例３では熱伝導部によって接続された発電部と燃料気化部との間で温度差が生じにくく、結露の発生が抑制されたためと考えられる。

一方、表１に示したように、全体の厚みは、燃料供給部と燃料気化部との間にジョイント部を有する比較例２の燃料電池２００に比べて、燃料供給部と燃料気化部とが一体的に設けられた実施例１〜３では、厚みが２ｍｍ程度薄くなっていることがわかる。以上により、燃料供給部と燃料気化部とが一体的に設けられることにより、薄型で、安定した電力供給が可能な燃料電池が実現されることがわかる。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態では、電解質膜１７，アノード電極１６およびカソード電極１８の構成について具体的に説明したが、他の構造または他の材料により構成するようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、接合体１９を面内に３×２の配列で６つ設けた構成について説明したが、接合体１９の数や配置は、これに限定される訳ではない。また、これら６つの接合体１９を電気的に直列接続（コの字型に接続）した例を挙げて説明したが、これに限定されず、他の接続方法であっても本発明の効果は達成される。

また、上記実施の形態等では、燃料供給部１２としてプレート上に圧電体が設けられた構成を例に挙げて説明したが、このような構成に限定されず、発電部１０の状態に応じて燃料の供給量を調節可能なポンプとして機能する構成であれば、本発明の効果は達成される。

また、上記実施の形態等では、発電部１０と燃料気化部１３との間に、封止層２２あるいは熱伝導部３２を設けた構成としているが、この封止層２２、熱伝導部３２は設けられていなくてもよい。すなわち、発電部１０に対して燃料気化部１３および燃料供給部１２が一体的に設けられた構成であっても、本発明の効果は達成される。

また、上記実施の形態等では、ＤＭＦＣを例に挙げて説明したが、これに限定されず、水素を燃料とした固体高分子型燃料電池，ダイレクトエタノール型燃料電池あるいはジメチルエーテル型燃料電池など、他の形態の燃料電池にも適用可能である。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の概略構成を表す断面図である。 図１に示した燃料電池をセルプレート２１の側から見た構成を表す平面図である。 図１に示した燃料電池を適用したシステムの一例の全体構成を表す図である。 本発明の第１の変形例に係る燃料電池を表す断面図である。 本発明の第２の変形例に係る燃料電池を表す断面図である。 比較例１に係る燃料電池の概略構成を表す断面図である。 比較例２に係る燃料電池の概略構成を表す断面図である。 実施例および比較例について、経過時間に対する出力（電力）を表す特性図である。

符号の説明

１，２，３…燃料電池、１０…発電部、１１…燃料タンク、１２，２３…燃料供給部、１３…燃料気化部、１４，２４…ノズル部、１６…アノード電極、１７…電解質膜、１８…カソード電極、１９…接合体、１５，２１…セルプレート、２２…封止層。

Claims (7)

1. 電解質膜を間にして一対の電極が対向配置された発電部と、
   液体燃料を収容する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから前記発電部側へ前記液体燃料を供給すると共に、その供給量が調節可能となっている燃料供給部と、
   前記燃料供給部によって供給された液体燃料を気化させる燃料気化部とを備え、
   前記燃料供給部と前記燃料気化部とは一体的に設けられている
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料供給部は、圧電体を含むものである
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記発電部が複数配置してなり、これら発電部が電気的に直列接続されている
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記燃料供給部および前記燃料気化部から前記発電部側へ燃料を輸送するための流路を備え、
   前記流路は、前記複数の発電部ごとに設けられている
   ことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記燃料気化部と前記発電部側とを接続するための熱伝導部材を備えた
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
6. 前記燃料供給部の厚みと前記燃料気化部の厚みとの合計が２ｍｍ以内である
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
7. 燃料電池を内蔵する電子機器であって、
   前記燃料電池は、
   電解質膜を間にして一対の電極が対向配置された発電部と、
   液体燃料を収容する燃料タンクと、
   前記燃料タンクから前記発電部側へ前記液体燃料を供給すると共に、その供給量が調節可能となっている燃料供給部と、
   前記燃料供給部によって供給された液体燃料を気化させる燃料気化部とを備え、
   前記燃料供給部と前記燃料気化部とが一体的に設けられている
   ことを特徴とする電子機器。

Images