JP2009158420A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】コストアップを抑制しつつ、燃料電池において必要な空間を確保することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】アノード１３とカソード１６とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体２と、
膜電極接合体２のアノード１３側を覆うように配置された第１ケース体ＣＳ１と、
膜電極接合体２のカソード１６側を覆うように配置された第２ケース体ＣＳ２と、を有し、
第１ケース体ＣＳ１及び第２ケース体ＣＳ２の少なくとも一方は、外方に向かって突出した形状を有することを特徴とする。
【選択図】 図６

Description

この発明は、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可能であ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。

例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）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、携帯用電子機器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、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を、箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている（例えば、特許文献２及び３参照）。

一方で、燃料タンクを構成する箱状容器のフランジ部と、カバープレートとの間に膜電極接合体を挟持する構造が提案されている（例えば、特許文献４参照）。これによれば、カバープレートにより箱状容器のフランジ部及び膜電極接合体を挟みつけることによって箱状容器を膜電極接合体に固定する手法（カシメ）が開示されている。

また、燃料室と膜電極接合体とをネジによる締め付け（ネジ止め）により一体化する構造も提案されている（例えば、特許文献５参照）。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 国際公開第２００６／１２０９６６号パンフレット 特開２００６−１７９４７０２号公報

カシメやネジ止めといった手法を適用した構造の場合、燃料電池全体としては、概ね均一な厚みとし、略直方体をなすように形成されている。

このような燃料電池において、例えば、燃料の気化及び拡散に必要となる燃料拡散室などの空間を確保するためには、別途に部材が必要であったり、空間を形成するための形状を製造する必要があったりするため、コストアップの要因となっている。

この発明の目的は、コストアップを抑制しつつ、燃料電池において必要な空間を確保することが可能な燃料電池を提供することにある。

この発明の態様による燃料電池は、
燃料極と空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側を覆うように配置された第１ケース体と、
前記膜電極接合体の前記空気極側を覆うように配置された第２ケース体と、を有し、
前記第１ケース体及び前記第２ケース体の少なくとも一方は、外方に向かって突出した形状を有することを特徴とする。

この発明によれば、膜電極接合体を収納する第１ケース体及び第２ケース体の少なくとも一方は、外方に向かって突出した形状を有するため、燃料電池において必要な空間を容易に確保することが可能となる。また、このような空間を形成するために、別途の部材が不要であり、コストアップを抑制することが可能となる。

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。

図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の主要部を概略的に示す断面図である。

燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、液体燃料を収容する燃料収容部４とから主として構成されている。

すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（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１１には、メタノールや一酸化炭素等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１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、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１７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１７は、これらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１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１１の集電機能を有するものである。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４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１４の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これらの導電層としては、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）のような導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。

なお、図２及び図３に示した例においては、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７を４個のアノード１３及び４個のカソード１６によってそれぞれ挟持し、これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせが単セルＣをなす構造のものを示している。ここでは、単セルＣのそれぞれは、電解質膜１７の平面内において、分離して配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。

上述したような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。この集電体１８は、特に、図２及び図３に示したような複数の単セルＣを有する膜電極接合体２において、各単セルＣを直列に電気的に接続するものである。

このような集電体１８は、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。アノード集電体１８Ａは、アノードガス拡散層１２に積層されている。また、カソード集電体１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に積層されている。

膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。

膜電極接合体２のカソード１６側には、任意に絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。図１に示した例では、板状体２０は、カソード集電体１８Ｃの上に配置されている。

この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４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とともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、カソードガス拡散層１５より熱伝導率が低い絶縁層あるいはそれに順ずる高抵抗の層であり、たと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などが挙げられる。

上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３と第２ケース体としてのカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、カソードを覆うように配置されており、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。

燃料供給機構３は、第１ケース体としてのアノードを覆うように配置された容器３０を備え、燃料収容部４と流路５を介して接続されている。すなわち、容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。

この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、耐メタノール性などを有していることが好ましい。容器３０を形成する樹脂材料としては、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などが挙げられる。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などのオレフィン系樹脂などで構成した容器３０を除外するものではない。

燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。この実施の形態においては、燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａを備えた構成であるが、他の構成であっても良い。

すなわち、図４及び図５に示すように、燃料分配板３１Ａは、少なくとも１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。

図４及び図５に示した例では、燃料注入口３２は、１箇所にあり、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。

細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。細管３４は、例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。

燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。

さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。

また、燃料分散板３１Ａは、容器（第１ケース体）３０と一体化されたものであってもよい。

膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。

燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。

燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。

液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。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い。液体燃料は、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４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。

さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。

この実施の形態の燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。

ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。

ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。

また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。

また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。

この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。

すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。

上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７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させる。あるいは、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。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ^-）は、集電体１８を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１８を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。

ところで、図６乃至図８には、本発明のケースＣＳの構成例が示されている。すなわち、ケースＳＣは、膜電極接合体２のアノード１３側にアノード１３を覆うように配置された第１ケース体ＣＳ１（容器）と、膜電極接合体２のカソード１６側にカソード１６を覆うように配置された第２ケース体ＣＳ２（カバープレート）と、を有している。第１ケース体ＣＳ１及び第２ケース体ＣＳ２は、カシメ、ネジ止めなどの手法により接合されている。

特に、この実施の形態においては、第１ケース体ＣＳ１及び第２ケース体ＣＳ２の少なくとも一方は、外方に向かって突出した形状を有している。ここで、外方とは、ケースＣＳ内に収容している膜電極接合体２から離間する方向に相当する。

図６に示した例では、第２ケース体ＣＳ２のみが外方に向かって突出した形状を有している。第１ケース体ＣＳ１は、第２ケース体ＣＳ２を支持する支持面ＳＳを有している。第２ケース体ＣＳ２は、支持面ＳＳによって規定される平面Ｐ１より外方に向かって突出している。図７に示した例では、第１ケース体ＣＳ１のみが外方に向かって突出した形状を有している。図８に示した例では、第１ケース体ＣＳ１及び第２ケース体ＣＳ２の双方が外方に向かって突出した形状を有している。

つまり、燃料電池１が全体としては、目的に応じて局所的に厚みが異なる構造を有している。図６乃至図８に示した例では、燃料電池１の中央部の厚みが厚く、凸部を形成するとともに、固定に必要な強度を保持しうるレベルで、ネジ止め部やカシメ部などの端部が中央部より薄く形成されている。

非端部は、全て中央部に含まれ、端部は、その一部のみが中央部に比して厚みが異なっていても良い。中央部と端部との厚み差については、一例として、５％以上、絶対値的には０．１ｍｍ以上であることが望ましい。

また、燃料電池１において、凸部の形状としては、中央部から端部にかけてなだらかな傾斜を持つ形状、曲率を持つ形状、複数の曲率を組み合わせた形状、単に丸みを帯びた形状などの角を持たない形状でも良いし、特定の形状に限定されるものではない。

このような構成により、燃料電池１において必要な空間を容易に確保することが可能となる。例えば、図６に示した例においては、膜電極接合体２のカソード１６側に空間を確保することが可能となる。また、図７に示した例においては、膜電極接合体２のアノード１３側に空間を確保することが可能となる。さらに、図８に示した例においては、膜電極接合体２のアノード１３側及びカソード１６側の双方に空間を確保することが可能となる。

このように、別途の部材を必要とすることなく、燃料電池１において必要な空間を確保することができ、コストアップを抑制することが可能となる。

なお、図６乃至図８においては、本発明のケースＣＳは、膜電極接合体２のアノード１３側にアノード１３を覆うように配置された第１ケース体ＣＳ１と、膜電極接合体２のカソード１６側にカソード１６を覆うように配置された第２ケース体ＣＳ２とが接合した構成で説明したが、第１ケース体ＣＳ１と第２ケース体ＣＳ２は分離した状態であっても、本発明を適用することができる。さらには、第１ケース体ＣＳ１と第２ケース体ＣＳ２が一体化（ケースＣＳとして単体で構成）されたものであっても、本発明を適用することができる。

次に、各例の具体的な構造について図９乃至図１１を参照して説明する。なお、これらの図においては、主要部のみを図示している。また、以下の説明においては、第１ケース体ＣＳ１は、燃料供給機構３に含まれ、ここでは、燃料分配板３１Ａが第１ケース体ＣＳ１に相当するものとする。また、カバープレート２１が第２ケース体ＣＳ２に相当するものとする。

図９は、図６に示した膜電極接合体２のカソード１６側に空間を確保する例に相当する。このような構造により、第２ケース体ＣＳ２と膜電極接合体２との間に空間が形成可能となる。

すなわち、図９に示した例では、カバープレート２１が第２ケース体ＣＳ２に相当し、板状体２０の表面が平面Ｐ１に相当する。そして、板状体２０とカバープレート２１との間、すなわちカバープレート２１の膜電極接合体２と対向する側には、ギャップＧ１が形成される。

このギャップＧ１は、燃料電池１において必要な空間として機能し、例えば、断熱層（熱障壁層）として機能する。すなわち、発電反応により温度上昇した膜電極接合体２が板状体２０を介してカバープレート２１に接触している場合、特に、カバープレート２１の熱伝導性が高い場合（例えば、金属などで形成されている場合）には、膜電極接合体２からの熱がカバープレート２１に伝わり、燃料電池１を搭載している外部機器などに悪影響を及ぼすおそれがある。これに対して、ギャップＧ１を有している場合には、膜電極接合体２からの熱が直接カバープレート２１に伝わりにくくなり、外部機器への熱による影響を軽減することが可能となる。

上述したギャップＧ１は、平面Ｐ１における支持面近傍の周辺部より平面Ｐ１における中央部において大きく形成されていることが望ましい。これにより、燃料電池１が全体としては、その中央部の厚みが厚く、凸部が形成される。このように、中央部に凸部を有する構造では、中央部の厚みは必要な空間に応じて可変であり、端部における厚みは、たとえネジ止めされたネジの頭部がカバープレート２１から突出していても、中央部と同等以下の厚みにすることが可能である。

図１０は、図７に示した膜電極接合体２のアノード１３側に空間を確保する例に相当する。図７に示したように、第１ケース体ＣＳ１は、その底面が基準となる平面Ｐ２より外方に向かって突出している。このような構造により、第１ケース体ＣＳ１と膜電極接合体２との間に空間が形成可能となる。

すなわち、図１０に示した例では、燃料分配板３１Ａが第１ケース体ＣＳ１に相当し、膜電極接合体２のアノード１３の表面が平面Ｐ２に相当する。そして、燃料分配板３１Ａは、膜電極接合体２との間、すなわち燃料分配板３１の膜電極接合体２と対向する側にギャップＧ２を形成するように外方に向かって突出している。ここに示した例では、ギャップＧ２は、アノード１３と燃料分配板３１Ａとの間に形成される。

このギャップＧ２は、燃料電池１において必要な空間として機能し、例えば、燃料拡散室として機能する。すなわち、図１を参照して説明したが、燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３から排出された燃料の気化を促進するとともに面方向への拡散を促進するために、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。

ギャップＧ２を有している場合には、別途の部材を必要とすることなくギャップＧ２が燃料拡散室として機能するため、コストアップを抑制することが可能となる。

上述したギャップＧ２は、膜電極接合体２における周辺部より中央部において大きく形成されていることが望ましい。これにより、燃料電池１が全体としては、その中央部の厚みが厚く、凸部が形成される。このように、中央部に凸部を有する構造では、中央部の厚みは必要な空間に応じて可変であり、端部における厚みは、たとえば第１ケース体ＣＳ１にカシメた第２ケース体の一部が第１ケース体ＣＳ１から突出していても、中央部と同等以下の厚みにすることが可能である。

また、図７に示した膜電極接合体２のアノード１３側に空間を確保する例の別の構成として、図１に示すような燃料分配板３１Ａが外方に向かって突出した構成ではなく、燃料分配板３１Ａを収容する容器３０が外方に向かって突出した構成であってもよい。

すなわち、容器３０は、燃料分配板３１Ａとの間、すなわち容器３０の膜電極接合体２と対向する側にギャップを形成するように外方に向かって突出している。

このギャップは、燃料電池１において必要な空間として機能し、例えば、断熱層（熱障壁層）として機能する。すなわち、燃料分配板３１Ａの過剰な温度低下を防ぐことができるため、燃料の蒸気圧が低下せず安定的な燃料供給ができ、出力の安定化に貢献する。

このギャップを有している場合には、別途の部材を必要とすることなくギャップが断熱層として機能するため、コストアップを抑制することが可能となる。

上述したギャップは、燃料分配板３１Ａにおける周辺部より中央部において大きく形成されていることが望ましい。これにより、燃料電池１が全体としては、その中央部の厚みが厚く、凸部が形成される。

図１１は、図８に示した膜電極接合体２のアノード１３側及びカソード１６側の双方に空間を確保する例に相当する。この図１１に示した例においては、図９及び図１０に示した双方の例の作用効果が得られる。

上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。

さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。 図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。 図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。 図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な燃料供給機構における燃料供給部の燃料分配板の構造を概略的に示す斜視図である。 図５は、図４に示した燃料分配板の平面図である。 図６は、膜電極接合体を収納するケースの構成例を説明するための図である。 図７は、膜電極接合体を収納するケースの他の構成例を説明するための図である。 図８は、膜電極接合体を収納するケースの他の構成例を説明するための図である。 図９は、図６に示した例の具体的な構造例を示す図である。 図１０は、図７に示した例の具体的な構造例を示す図である。 図１１は、図８に示した例の具体的な構造例を示す図である。

符号の説明

１…燃料電池 ２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １３…アノード
１４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １６…カソード
１７…電解質膜 １８…集電体 １９…シール材
２０…板状体（保湿層）
２１…カバープレート ２１Ａ…開口部
３…燃料供給機構 ３０…容器
３１…燃料供給部 ３１Ａ…燃料分配板 ３１Ｂ…燃料拡散室
４…燃料収容部 ５…流路 ６…ポンプ
ＣＳ…ケース ＣＳ１…第１ケース体 ＣＳ２…第２ケース体

Claims (9)

1. 燃料極と空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の前記燃料極側を覆うように配置された第１ケース体と、
   前記膜電極接合体の前記空気極側を覆うように配置された第２ケース体と、を有し、
   前記第１ケース体及び前記第２ケース体の少なくとも一方は、外方に向かって突出した形状を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記外方に向かって突出した形状を有する前記第１ケース体及び前記第２ケース体の少なくとも一方は、前記膜電極接合体と対向する側においてギャップを形成することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記ギャップは、前記膜電極接合体の周辺部より前記平面における中央部において大きく形成されたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記第１ケース体を含むとともに、燃料を前記膜電極接合体の前記燃料極に供給する燃料供給機構を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体の前記燃料極の面方向に燃料を分散させつつ供給する燃料供給部を備えたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記燃料供給部は、前記燃料収容部と流路を介して接続された燃料注入口と、前記燃料注入口と燃料通路を介して接続された複数の燃料排出口と、を有する燃料分配板を備えたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記燃料分散板は、前記第１ケース体と一体化されたものであることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記燃料分配板は、前記膜電極接合体との間にギャップを形成するように外方に向かって突出したことを特徴とする請求項６または請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１ないし請求項８いずれか１項に記載の燃料電池。

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