JP2009289535A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料の供給の安定性を維持するとともに、小型化をさらに促進することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体と、燃料供給機構と、燃料タンクと、を備えた燃料電池であって、前記燃料タンクは、外部から液体燃料が注入される注入口23と、注入された液体燃料を前記燃料供給機構に吐出する吐出口24とを有するタンク筐体21と、前記タンク筐体と前記燃料供給機構との間に設けられ、前記タンク筐体から前記燃料供給機構への液体燃料の供給流量を調整する流量調整弁27と、前記タンク筐体の中に収容され、前記注入口および吐出口にそれぞれ連通する開口を有する袋状の弾性体からなり、前記注入口を介して液体燃料が注入されたときに内圧の上昇により弾性的に膨張し、前記流量調整弁を開けたときの内外の圧力差により弾性的に収縮して液体燃料を送り出す弾性内袋25と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯機器の動作に有効な燃料電池に係り、特に小型の燃料電池に関する。

近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯機器においては、使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。

このような二次電池への要求に対して、例えば、リチウムイオン二次電池が開発されてきた。また、携帯電子機器のオペレーション時間は、さらに増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池では、材料の観点からも構造の観点からもエネルギ密度の向上はほぼ限界にきており、更なる要求に対応できなくなりつつある。

このような状況のもと、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、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（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れた利点を有すると考えられている。

ＤＭＦＣにおいては、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。このような構成で発電を進めるために、ＤＭＦＣにはメタノールを供給するためのポンプや空気を送り込むためのブロワなどが補器として備えられ、システムとして複雑な形態をもつようになる。このため、このような構造のＤＭＦＣでは小型化することが難しい。

そこで、メタノールをポンプで供給するのではなく、燃料タンクと発電素子との間にメタノールの分子を通す膜を設け、メタノールを透過させる代わりに、燃料タンクを発電素子の近傍まで近づけることでさらに小型化する努力が続けられている。

しかし、燃料電池が小型化するに伴い燃料の供給流量にばらつきを生じて不安定になる傾向があり、燃料供給に対するより高い安定性が求められるようになってきている。

例えば特許文献１には、液体燃料貯留バッグに捻りを加えてバッグを収縮させることにより内圧を高めて液体燃料を外部に押し出す加圧機構を設けることにより、液体燃料供給時における燃料押し出しのための圧力差を燃料残量にかかわらず少なくし、容器の容量に占める燃料貯留容量を多く確保するようにした燃料電池が記載されている。

また、特許文献２には、燃料カートリッジをハードケースからなる外部容器と高収縮性の内部容器との二重構造にすることにより、燃料容器の交換に時間がかかっても出力を安定に維持し、圧力調整機構を設けることなく液体燃料を安定に供給できるようにした燃料電池が記載されている。
特開２００７−１６４６号公報 特開２００５−７１７１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載された燃料電池においては、加圧機構の駆動部分に部品の損耗や消耗を生じるため、液体燃料を長期間連続に安定的に供給することが難しいという問題点がある。

また、特許文献２に記載された燃料電池では、外付けの付属部品である燃料カートリッジの小型化には寄与するが、燃料電池本体そのものを小型化するものではない。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、液体燃料の供給の安定性を維持しつつ、燃料電池本体の小型化をさらに促進することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に挟持された電解質膜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に配置された燃料供給機構と、前記燃料供給機構に液体燃料を供給する燃料タンクと、を備えた燃料電池であって、前記燃料タンクは、外部から液体燃料が注入される注入口と、注入された液体燃料を前記燃料供給機構に吐出する吐出口とを有するタンク筐体と、前記タンク筐体と前記燃料供給機構との間に設けられ、前記タンク筐体から前記燃料供給機構への前記液体燃料の供給流量を調整する流量調整弁と、前記タンク筐体の中に収容され、前記注入口および前記吐出口にそれぞれ連通する開口を有する袋状の弾性体からなり、前記注入口を介して前記液体燃料が注入されたときに内圧の上昇により弾性的に膨張し、前記流量調整弁を開けたときの内外の圧力差により弾性的に収縮して前記液体燃料を送り出す弾性内袋と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、自然力を利用した極めてシンプルな構造により液体燃料を長期間にわたり安定に供給することができる。また、ポンプなどの補器を不要にすることができるので、燃料電池本体そのものの小型化をさらに促進することができる。本発明により提供される燃料電池は、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯機器に内蔵される小型の電源として好適な電源となる。

本発明に係る燃料電池は、燃料タンクが、外部から液体燃料が注入される注入口と、注入された液体燃料を燃料供給機構に吐出する吐出口とを有する剛性のタンク筐体と、タンク筐体と燃料供給機構との間に設けられ、タンク筐体から燃料供給機構への液体燃料の供給流量を調整する流量調整弁と、タンク筐体のなかに収容され、注入口および吐出口にそれぞれ連通する開口を有する袋状の弾性体からなり、注入口を介して液体燃料が注入されたときに内圧の上昇により弾性的に膨張し、流量調整弁を開けたときの内外の圧力差により弾性的に収縮して液体燃料を送り出す弾性内袋と、を備えている。

本発明において、タンク筐体の材料は、耐エタノール性を有するポリエーテルエーテルケトン（PEEK：ヴィクトレックス社商標）あるいはポリエチレンテレフタレート（PET）のようなプラスチックが好ましい。タンク筐体２１を金属製とする場合は、金属イオンが燃料のエタノール溶液中に溶け出さないようにするために内面を樹脂コーティングする必要がある。

また、弾性内袋の材料は、耐メタノール性を有するフッ素系樹脂またはゴム系樹脂からなることが好ましい。フッ素系樹脂としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などを用いることができる。

耐メタノール性の高いゴム系樹脂として、エチレンプロピレン系ゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）、ビニルメチルシリコーンゴム（ＶＭＱ、ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ、ＦＥＰＭ、ＦＦＫＭ）などを挙げることができるが、このうち特にオレフィン系ゴムであるエチレンプロピレン系ゴムのＥＰＤＭを用いることが好ましい。但し、他の耐メタノール性の高いゴム材料を用いても、本発明の主旨を損ねるものではない。エチレンプロピレン系ゴムには、エチレンとプロピレンの共重合体からなるエチレンプロピレンゴム(EPM)と、エチレンとプロピレン及び架橋用ジエンモノマーとの三元共重合体からなるエチレンプロピレンゴム(EPDM)との２種類があるが、本発明では弾性内袋として後者のＥＰＤＭが最も適している。ＥＰＤＭは、正式名称をエチレンプロピレンジエン三元共重合体（Ethylene-Propylene-Diene Methylene linkage）といい、非共役ジエンモノマーである第３の成分を共重合することで硫黄架橋（加硫）が可能なため工業的に広く使用されている材料である。ＥＰＤＭの耐オゾン性と耐熱老化性は、ブチルゴム（IIＲ）よりも若干優れており、耐候性、耐寒性、耐極性、溶剤性、耐無機薬品性にも優れている。さらに、ＥＰＤＭはブチルゴム（IIＲ）に比べてはるかに反発弾性が良いので、自動車用ゴム製品、工業用ゴム製品、建築用ゴム製品などに使用され、その用途は広い。また、ＥＰＤＭは電気的性能に関してもブチルゴム（IIＲ）より優れているため、高圧ゴム電線や高圧ゴムケーブルなどにも使用されている。なお、ＥＰＤＭは、スチレンブタジエンゴム（SBR）およびブタジエンゴム（BR）に次いで第３位の生産量を誇る汎用の合成ゴムであるため入手しやすく、比重が市販されているゴムのなかで最も小さい。さらに、ＥＰＤＭは、一般のウェザーメーターによる試験において２０００時間を経過しても、屋外に７年間暴露した後であってもその変退色は肉眼では確認することができない。さらに、ＥＰＤＭは、従来から物性上最も優れるカーボン配合ゴムに匹敵する特性を有する。このようにＥＰＤＭは本発明の弾性内袋の材料として最も適した材料であるといえる。

本発明において、タンク筐体と弾性内袋は、円筒状、略球形状、角筒状など種々の形状とすることができる。これらのうち円筒状のタンク筐体と略紡錘状又は略球状の弾性内袋との組み合わせとすることが最も好ましい。このような形状の組み合わせにすると、製造コストを低減することができ、また保守点検が容易になるからである。

本発明において、流量調整弁は、電気駆動部を持たない逆止弁であることが好ましい。電気駆動部を持たない逆止弁を用いることにより周辺の配線や補器が不要になり、燃料電池がシンプルな構造となって小型化するという利点がある。このような流量調整弁として先細形状のゴム弁（ダッチバルブ）を用いることができる。

さらに、本発明の燃料電池は、圧力センサと制御手段を備えることができる。吐出口に取り付けた圧力センサにより弾性内袋の内圧を検出し、検出した圧力信号に基づいて制御手段が流量調整弁の開度を調整することができる。制御手段は、弾性内袋の弾性特性データ、とくに弾性内袋を膨張および収縮を繰り返したときの膨張・収縮サイクル特性データ（繰り返し回数と弾性特性の劣化との相関データ）および弾性内袋が膨張したときの内圧と温度と形状変化と膜厚変化との相関データなどを含むデータベースを備えている。データベースに格納されたこれらのデータは、実際に燃料タンクに弾性内袋を組み込んで実験する実証試験を行なって得られたものである。このような実証試験では弾性内袋の膨張と収縮を例えば数千回（2000〜4000回）繰り返して、収縮時に元の形状に戻らなくなる弾性特性の劣化の程度を測定する。この場合に、弾性特性の劣化は、形状の戻り率で評価するようにしてもよいし、収縮時に出力される圧力で評価するようにしてもよい。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための最良の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
図１を参照して本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池を説明する。

本実施形態の燃料電池１は、アノード触媒層２ａとアノードガス拡散層２ｂからなる燃料極４と、カソード触媒層３ａとカソードガス拡散層３ｂからなる空気極５と、アノード触媒層２ａとカソード触媒層３ａとの間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜６とを有する膜電極接合体（MEA：Membrane Electrode Assembly ）９を備えている。このMEA９の両面に集電体となる負極集電体７ａおよび正極集電体７ｂをそれぞれ配置すると燃料電池の起電部が形成される。本実施形態の例では負極集電体７ａと正極集電体７ｂを二つ折り構造の集電体７として一体に形成している。すなわち、内側にMEA９を挟み込むようにして折り返し構造集電体７の折り返し部７ｃをプレス加工機により１８０°折り曲げ、負極集電体７ａおよび正極集電体７ｂをMEA９の各面に接触させている。

アノード触媒層２ａおよびカソード触媒層３ａに含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、アノード触媒層２ａとして、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など、カソード触媒層３ａとして、白金やＰｔ−Ｎｉなどを用いることが好ましいが、これらに限られるわけではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。

電解質膜６を構成するプロトン伝導性膜材料としては、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）、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、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

アノード触媒層２ａに積層されるアノードガス拡散層２ｂは、アノード触媒層２ａ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２ａの集電体の機能も兼ね備えている。一方、カソード触媒層３ａに積層されるカソードガス拡散層３ｂは、カソード触媒層３ａ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３ａの集電体の機能も兼ね備えている。さらに、アノードガス拡散層２ｂには、負極集電体７ａが積層され、カソードガス拡散層３ｂには正極集電体７ｂが積層されている。負極集電体７ａおよび正極集電体７ｂは、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの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などをそれぞれ使用することができる。

電解質膜６と負極集電体７ａとの間、および電解質膜６と正極集電体７ｂとの間には、シール部材としてゴム製のＯリング８ａ，８ｂがそれぞれ設けられ、MEA９からの燃料の漏れ出しや酸化剤の漏れ出しを防止している。なお、負極集電体７ａには、疎水性の多孔膜（図示せず）が積層されていてもよい。

燃料電池１の外縁形に対応した形状を有する１対のフレーム１６，１９によってMEA９を含む積層体が挟持されている。また、フレーム１６の負極集電体側と反対側には、任意に気液分離膜１５が配置されている。この気液分離膜１２は、燃料の気化成分と液体成分とを分離し、さらに液体燃料を気化させるもので、具体的には、例えば、シリコーンゴムなどの材料で構成することができる。

フレーム１６には、気液分離膜１５側から燃料極４へ燃料を供給するための複数の燃料供給口（図示せず）が開口している。このフレーム１６と気液分離膜１５との間には流量制御スペースが形成されている。この流量制御スペースは例えば幅が約１〜３ｍｍの狭い間隙である。フレーム１６は、メタノールが通過する複数の燃料供給口を有し、この燃料供給口からMEA９にメタノールの気化成分を供給するとともに、MEA９自体を支える構造となっている。

これに対して他方側のフレーム１９は、MEA９の空気極５に空気を取り込むための複数の開口（図示せず）を有する通気フレームとして機能するものである。このフレーム１９は、MEA９に所定の押圧力を印加するためのカバーフレームとしての役割も備えている。

これらのフレーム１６，１９は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）あるいはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような樹脂で形成される。

また、起電部の下部には気液分離膜１５を介して燃料供給機構１０が取り付けられている。燃料供給機構１０は、MEA９の燃料極４に燃料を供給する燃料供給手段として機能するものであり、液体燃料が一時的に滞留あるいは燃料を燃料タンク２０からMEA９側へ供給するためのスペース１２をする燃料フレーム１１を備えている。燃料フレーム１１の燃料極側には複数の燃料供給口１４が開口している。燃料供給口１４は気液分離膜１５に連通し、適量の液体燃料が気液分離膜１５に供給されるように開口率が調整されている。なお、燃料供給機構１０から、気液分離膜１５の直下まで液体燃料を移送するために、多孔質体を用いる毛細管現象を利用するようにしてもよい。具体的には図示していないが、メタノール吸収性の良い不織布や繊維を固めた材料、紙系材料などが使用できる。

燃料供給機構１０には、燃料タンク２０より燃料を導入するための燃料導入口１３が連通している。燃料導入口１３には流量調整弁２７が取り付けられている。流量調整弁２７は、電気駆動部を持たないで、かつ逆流防止機能を有する逆止弁である。このような逆流防止機能を有する流量調整弁２７として、先細形状のゴム弁を用いることができる。

なお、燃料フレーム１１は、図１に示すようなスペース１２を有する構造でもよいが、さらに出力を改善するためには、燃料導入口１３と複数の燃料供給口１４とを細管で接続した燃料供給機構１０を用いることが好ましい。

この場合の燃料供給機構１０は、液体燃料が流入する少なくとも１個の燃料導入口１３と、液体燃料もしくはその気化成分を排出する複数個の燃料供給口１４とを有するウレーム１１を備えている。フレーム１１の内部には、液体燃料の通路として機能する細管が形成されている。細管の一端（始端部）には燃料導入１３が設けられている。細管は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管の各終端部に燃料供給口１４がそれぞれ設けられている。燃料導入口１３からフレーム１１に導入された液体燃料は、複数に分岐した細管を介して複数の燃料供給口１４にそれぞれ導かれる。この構成により、燃料導入口１３から燃料供給機構１０内に注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口１４に均等に分配することができる。従って、燃料電池セルの面内における発電反応の均一性を一層高めることが可能となる。

燃料導入口１３には導管２６の一端が接続され、燃料タンク２０から所定流量で所定圧力の液体燃料が供給されるようになっている。

燃料タンク２０について詳しく説明する。

燃料タンク２０は、タンク筐体２１、注入口２３、吐出口２４および弾性内袋２５を備えている。タンク筐体２１は、変形し難い剛性の圧力容器からなり、弾性内袋２５が膨張と収縮を繰り返すために必要な膨張収縮スペース２２を規定している。タンク筐体２１の容積は、弾性内袋２５が最大に膨張したときの容積よりも大きい。タンク筐体２１の形状は、円筒状、略球形状、角筒状など種々の形状とすることができるが、円筒状とすることが好ましい。このような円筒状のタンク筐体２１と略紡錘状又は略球状の弾性内袋２５との組み合わせとすることが好ましい。

液体燃料は、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールが好ましい。また、純メタノールの純度は、９５質量％以上１００質量％以下にすることが好ましい。また、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料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体を意味する。

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、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。

注入口２３および吐出口２４は、タンク筐体２１の両側壁に液密に取り付けられる部材の内部にそれぞれ形成された流路である。注入口２３を構成する部材は、タンク筐体２１の一方側の面に取り付けられ、かつ弾性内袋２５の一端がタンク筐体２１の内壁に固着され、かつ内部流路が弾性内袋２５内に連通している。注入口２３の構成部材はノーマルクローズ方式のカプラーを有する。この注入口カプラーに図示しない燃料カートリッジのノズルを差し込むと、流路が開通して燃料カートリッジから液体燃料が注入口２３を通って弾性内袋２５のなかに流入するようになっている。また、弾性内袋２５への燃料の注入充填が完了し、注入口２３から燃料カートリッジのノズルを引き抜くと、流路が遮断されるようになっている。

吐出口２４を構成する部材は、注入口２３の取り付け面と対向するタンク筐体２１の他方側の面に取り付けられ、かつ弾性内袋２５の一端がタンク筐体２１の内壁に固着され、かつ流路が弾性内袋２５内に連通している。吐出口２４の構成部材は導管２６の一端側にねじ込み又は嵌め合いによって接続されている。導管２６の他端側（燃料供給機構側）には流量調整弁としての逆止弁２７が取り付けられている。逆止弁２７は、下流側の燃料供給機構のスペース１２から上流側の燃料タンク２０への逆流を防止し、大気圧下では閉じた状態にあり、上流側から所定圧力を超える圧力が負荷されたときのみ開くノーマルクローズ方式のバルブである。

弾性内袋２５は、所望の形状と厚みをもつ袋状のエチレンプロピレンゴム(EPDM)からなり、最大限に膨張したときの容量が膨張収縮スペース２２の８０〜９０％程度を占めるようにつくられている。本実施形態では収縮時の弾性内袋２５の形状を紡錘形状とし、その紡錘の両端に注入口２３および吐出口２４の構成部材がそれぞれ取り付けられている。例えば収縮時の厚さが０．１ｍｍ、長径２０ｍｍ、短径１０ｍｍのエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）からなる弾性内袋２５を、燃料タンク２０の外郭となるタンク筐体２１のなかに設置した。

注入口２３／吐出口２４構成部材の弾性内袋２５への取り付けは、弾性内袋２５の一部を挟み込むようにして注入口２３／吐出口２４構成部材のリング部を弾性内袋２５に装着し、リング部で取り囲まれたゴム膜に穴を開け、リング部に弁座を固定し、さらに弁体を弁体に対して可動な状態に取り付ける。これにより所定圧力を超える圧力が負荷されたときのみに開くノーマルクローズ方式の注入口２３および吐出口２４が弾性内袋２５にそれぞれ装着される。

次に、上記燃料電池の動作について説明する。

燃料タンク２０の注入口２３に外付けの燃料カートリッジを接続し、燃料カートリッジから燃料タンク内の弾性内袋２５に液体燃料としてのメタノール溶液を注入する。燃料カートリッジの内圧は約０〜６００ｋＰａである。メタノール溶液の注入により弾性内袋２５が膨張し、内圧が上昇して弾性内袋２５自体が有する収縮性（弾性）により吐出圧力が発生する。弾性内袋２５の内圧が所定の圧力を超えると、吐出口２４の流路と逆止弁２７が開放され、燃料タンク２０から燃料供給機構のスペース１２にメタノール溶液が供給される。このとき逆止弁２７の機能によりメタノール溶液の供給流量が所望の流量に調整される。弾性内袋２５は、元の形状に戻るまではほぼ所定の圧力でメタノール溶液を吐出し続ける。

燃料供給機構のスペース１２内に導入されたメタノール溶液は図示しない多孔質部材により気液分離膜２５に送られ、一部が気化して気液分離膜２５を透過し、MEA９の燃料極４に供給される。燃料極４に供給された燃料は、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …式（１）
なお、液体燃料として、純メタノールを使用した場合には、燃料収容部１２からの水蒸気の供給がないため、空気極５で生成した水や電解質膜６中の水等がメタノールと上記した式（１）の内部改質反応を生じるか、または上記した式（１）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る。

内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜６を伝導し、カソード触媒層３ａに到達する。カバープレート１９の通気孔から取り入れられた空気は、保湿板、カソードガス拡散層３ｂを拡散して、カソード触媒層３ａに供給される。カソード触媒層３ａに供給された空気は、次の式（２）に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。

（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …式（２）
この反応によってカソード触媒層３ａ中に生成した水は、カソードガス拡散層３ｂを拡散して保湿板に到達し、一部の水は、保湿板上に設けられたカバープレート１９の通気孔から蒸散されるが、残りの水はカバープレート１９によって蒸散が阻害される。特に、式（２）の反応が進行すると、カバープレート２１によって蒸散が阻害される水量が増し、カソード触媒層３ａ中の水分貯蔵量が増加する。

本実施形態の直接メタノール型の燃料電池１によれば、電気駆動方式のポンプや遮断弁などの補器を用いることなく、自然力を利用した極めてシンプルな構造により液体燃料を長期間にわたり安定に供給することができる。実際に弾性内袋の収縮力によってメタノール溶液が燃料タンクから燃料供給機構に円滑に送られることを確認した。

また、ポンプなどの補器を不要にすることができるので、燃料電池本体そのものの小型化をさらに促進することができる。

（第２の実施の形態）
次に、図２〜図４を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。なお、本実施の形態が上記の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態の燃料電池１Ａは、上記実施形態の流量調整弁とは異なる駆動方式の流量調整弁２７Ａを有するとともに、さらに圧力センサ２８および制御部３０を備えている。流量調整弁２７Ａは電気的な駆動により開度を調整できる電磁弁である。圧力センサ２８は燃料タンク２０Ａの吐出口２４に取り付けられている。制御部３０は、圧力センサ２８から圧力検出信号を受け取り、これに基づいて流量調整弁２７Ａの開度を調整するための信号を電源装置（図示せず）に送るようになっている。すなわち、吐出口２４に取り付けた圧力センサ２８により弾性内袋２５の内圧を検出し、検出した圧力信号に基づいて制御部３０が流量調整弁２７Ａの開度を調整することができる。制御部３０は、弾性内袋２５の弾性特性データ、とくに弾性内袋２５を膨張および収縮を繰り返したときの膨張・収縮サイクル特性データ（繰り返し回数と弾性特性の劣化との相関データ）および弾性内袋２５が膨張したときの内圧と温度と形状変化と膜厚変化との相関データなどを含むデータベースを備えている。データベースに格納されたこれらのデータは、実際に燃料タンク２０Ａに弾性内袋２５を組み込んで実験する実証試験を行なって得られたものである。このような実証試験では弾性内袋２５の膨張と収縮を例えば数千回（2000〜4000回）繰り返して、収縮時に元の形状に戻らなくなる弾性特性の劣化の程度を測定する。この場合に、弾性内袋２５の弾性特性の劣化は、形状の戻り率で評価することもできるし、収縮時に出力される圧力で評価することもできる。

次に、図４を参照して本実施形態の燃料電池の動作について説明する。

圧力センサ２８によりタンク内圧としての弾性内袋２５の内圧を検出し、その検出信号を制御部３０に送る（工程Ｓ１）。制御部３０は、圧力検出信号が入力されると、メモリに格納されたデータベースから所定のプロセスデータ（過去の実績に基づく相関データと数式）を呼び出し、呼び出したプロセスデータと入力信号とに基づいて検出圧力が所定の圧力（例えば０〜１００ｋＰａ）の範囲にあるか否かを判断する（工程Ｓ２）。

制御部３０は、検出圧力が所定の許容圧力の範囲内に入っていると判断した場合は、流量調整弁２７Ａの開閉率をそのまま維持し、そのまま定常運転を継続する（工程Ｓ３）。

一方、検出圧力が所定の許容圧力の範囲から外れていると判断した場合は、制御部３０は開閉率データベースを参照し、その検出圧力に対応する開度を探し出し（工程Ｓ４）、それに応じて流量調整弁２７Ａに信号を送り、流量調整弁２７Ａの開度を調整する（工程Ｓ５）。これにより流量調整弁２７Ａを通過する燃料流量が減少又は増加して弾性内袋２５の内圧が所定圧力範囲内に戻るので、再び工程Ｓ１に戻ってタンク内圧を検出する。

本実施形態の直接メタノール型の燃料電池１Ａによれば、燃料タンク（弾性内袋）の内圧の変化に対して迅速に追随して対応することができる。

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、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てもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、燃料タンクと燃料供給機構の間、例えば導管部に燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、燃料タンクからの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。

また、MEAへ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池を模式的に示す内部透視断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池を模式的に示す内部透視断面図。 燃料の存在量に対応して膨張又は収縮する弾性内袋の変化を模式的に示す内部透視断面図。 第２の実施形態の燃料電池を動作させるときの制御フローチャート。

符号の説明

１，１Ａ…燃料電池、４…燃料極、５…空気極、６…電解質膜（プロトン伝導膜）、
７…折り返し構造集電体、７ａ…負極集電体、７ｂ…正極集電体、７ｃ…折り返し部、
８ａ，８ｂ…シール部材（Ｏリング）、９…膜電極接合体（MEA）、
１０…燃料供給機構、
１１…燃料フレーム、１２…スペース、１３…燃料導入口、１４…燃料供給口、
１５…気液分離膜、１６…フレーム、１７…シール部材（Ｏリング）、
１９…フレーム（カバーフレーム）、
２０…燃料タンク、
２１…タンク筐体、２２…膨張収縮スペース、２３…注入口、２４…吐出口、
２５…弾性内袋、２６…導管、２７，２７Ａ…流量調整弁、
２８…圧力センサ、３０…制御部。

Claims (5)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極との間に挟持された電解質膜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に配置された燃料供給機構と、前記燃料供給機構に液体燃料を供給する燃料タンクと、を備えた燃料電池であって、
   前記燃料タンクは、
   外部から液体燃料が注入される注入口と、注入された液体燃料を前記燃料供給機構に吐出する吐出口とを有するタンク筐体と、
   前記タンク筐体と前記燃料供給機構との間に設けられ、前記タンク筐体から前記燃料供給機構への前記液体燃料の供給流量を調整する流量調整弁と、
   前記タンク筐体の中に収容され、前記注入口および前記吐出口にそれぞれ連通する開口を有する袋状の弾性体からなり、前記注入口を介して前記液体燃料が注入されたときに内圧の上昇により弾性的に膨張し、前記流量調整弁を開けたときの内外の圧力差により弾性的に収縮して前記液体燃料を送り出す弾性内袋と、
   を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 前記弾性内袋は、耐メタノール性を有するフッ素系樹脂またはゴム系樹脂からなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記弾性内袋は、オレフィン系ゴムからなることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の燃料電池。
4. 前記流量調整弁は、電気駆動部を持たない逆止弁であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
5. 前記吐出口に取り付けられ、前記弾性内袋の内圧を検出する圧力センサと、前記圧力センサからの圧力検出信号に基づいて前記流量調整弁の開度を調整する制御手段と、をさらに有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。

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