JP2010182507A

JP2010182507A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2010182507A
Application number: JP2009024101A
Authority: JP
Inventors: Yoichi Sakate; 洋一坂手; Nobuyasu Negishi; 信保根岸
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2010-08-19

Abstract

【課題】十分な出力を安定して得ることを可能にした燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の多角形状の膜電極接合体と、膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて供給する燃料を導入するための燃料導入口を少なくとも一辺に有する多角形状の燃料供給機構と、膜電極接合体のカソード側に配置されたカバープレートと、燃料導入口を有する辺とは異なる辺において引き出された電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【選択図】図１

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。

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（特に酸素）を供給するだけで発電することができ、燃料を補給することにより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、燃料電池は、小型化により携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。

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（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：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。

例えば、特許文献１によれば、燃料収容部のフランジ部に膜電極接合体を重ね、膜電極接合体の空気極側から金属製のカバープレートを取り付けるとともにカバープレートの周縁部を膜電極接合体の外周、フランジ部の外周及び背面周縁部に沿って折り曲げ、膜電極接合体及びフランジ部をカバープレートの周縁部で挟みつけることにより、燃料収容部を膜電極接合体に対して固定する構造が提案されている。

燃料収容部とカバープレートとを締結する締結部を全周にわたって均等に設置することが困難な場合には、膜電極接合体を全体にわたって均一且つ適度な力で挟持することが困難となる。このため、ＤＭＦＣ構成部品の相互の密着度が低下して十分な出力が得られなくなるおそれがある。

国際公開第２００６／１２０９６６号パンフレット

この発明の目的は、十分な出力を安定して得ることを可能にした燃料電池を提供することにある。

この発明の一態様によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の多角形状の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて供給する燃料を導入するための燃料導入口を少なくとも一辺に有する多角形状の燃料供給機構と、
前記膜電極接合体のカソード側に配置されたカバープレートと、
前記燃料導入口を有する辺とは異なる辺において引き出された電気端子と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。

この発明によれば、十分な出力を安定して得ることを可能にした燃料電池を提供することができる。

図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。図２は、図１に示した燃料電池を第１方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。図３は、図１に示した燃料電池を第２方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な燃料供給部を構成する容器の外観を示す斜視図である。図５は、図１に示した燃料電池に適用可能な集電体の構成を概略的に示す平面図である。図６は、実施例の燃料電池をカソード側から見た平面図である。図７は、比較例の燃料電池をカソード側から見た平面図である。図８は、実施例及び比較例に適用される膜電極接合体の概略平面図である。図９は、実施例及び比較例に適用される膜電極接合体の各単セルの相対出力の測定結果を示す図である。図１０は、実施例及び比較例の燃料電池の時間の経過に伴う出力の変化の測定結果を示す図である。

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池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（ＤＭＦＣ）１のカソード側の外観を示す平面図である。

この燃料電池１は、矩形平板状に形成されている。図１に示す平面図では、燃料電池１は、長方形状であり、第１方向Ｘに沿って延びた一対の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延びた一対の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２と、を有している。

また、燃料電池１のカソード側の表面には、カバープレート２１が配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。このカバープレート２１には、主として酸化剤である空気の取り込みを可能とする複数の開口部２１Ａが形成されている。

図２は、図１に示した燃料電池１を第１方向Ｘに沿って切断した断面を示す図であり、図３は、図１に示した燃料電池１を第２方向Ｙに沿って切断した断面を示す図である。

燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２、及び、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３を備えている。

すなわち、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とが積層されたアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とが積層されたカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード１３のアノード触媒層１１とカソード１６のカソード触媒層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。この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。

この実施の形態においては、図３に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７における一方の面１７Ａの上に間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂの上においてアノード１３のそれぞれと間隔をおいて配置された複数のカソード１６とを有している。

これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルを構成している。ここでは、単セルのそれぞれは、同一平面上において、第１方向Ｘに沿って延在し、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。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。

ここに示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａの上に配置された４個のアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｂに配置された４個のカソード１６１〜１６４と、を有している。アノード１３１とカソード１６１とがそれぞれ対向するように配置されており、１組の単セルを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とがそれぞれ対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とがそれぞれ対向するように配置されており、４組の単セルが同一平面上に配列されている。各単セルは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。

このように、膜電極接合体２は多角形状（ここで示した例では矩形状）を有している。

集電体１８のアノード集電体Ａ１はアノード１３１のアノードガス拡散層１２に積層され、同様に、アノード集電体Ａ２はアノード１３２のアノードガス拡散層１２に積層され、アノード集電体Ａ３はアノード１３３のアノードガス拡散層１２に積層され、アノード集電体Ａ４はアノード１３４のアノードガス拡散層１２に積層されている。

集電体１８のカソード集電体Ｃはカソード１６１のカソードガス拡散層１５に積層され、同様に、カソード集電体Ｃ２はカソード１６２のカソードガス拡散層１５に積層され、カソード集電体Ｃ３はカソード１６３のカソードガス拡散層１５に積層され、カソード集電体Ｃ４はカソード１６４の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いる。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、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。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。

上述した膜電極接合体２のアノード１３側には、燃料供給機構３が配置されている。つまり、膜電極接合体２は、アノード側に配置された燃料供給機構３とカソード側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。

燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。

燃料供給機構３は、向かい合う膜電極接合体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３Ｘを備えている。この燃料供給部３Ｘは、箱状に形成された容器３０及び容器３０の底面３５に配置された燃料分配板３１を備えている。このような燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。

容器３０については、後に詳細に説明するが、燃料を導入するための燃料導入口３０Ａが多角形状（ここで示した例では矩形状）の容器の側壁３６Ａの一辺に形成されている。この燃料導入口３０Ａは、燃料収容部４に繋がる流路５に接続されている。

燃料分配板３１は、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と各燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料注入口３２は、燃料導入口３０Ａと直接接続されているが、他の燃料通路を介して接続されていても良い。の燃料排出口３３は、膜電極接合体２のアノード１３に対向している。

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、燃料供給機構３において、燃料収容部４に繋がる流路５、あるいは、燃料導入口３０Ａと燃料注入口３２との間の燃料通路には、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３Ｘ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３Ｘ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。

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なものが好ましい。

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。

また、燃料供給機構３において、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。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。

上述したように、燃料供給部３Ｘから排出された燃料は、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の電極全体に均一に燃料を供給し、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。

図４は、燃料供給部３Ｘを構成する容器３０の外観を示す斜視図である。容器３０は、第１方向Ｘに長い長方形状の底面３５と、この底面３５の四方から立ち上がった側壁３６Ａ乃至３６Ｄと、を有している。より具体的には、側壁３６Ａは、燃料電池１の短辺Ｓ１に沿って延在している。側壁３６Ｂは、燃料電池１の短辺Ｓ２に沿って延在している。側壁３６Ｃは、燃料電池１の長辺Ｌ１に沿って延在している。側壁３６Ｄは、燃料電池１の長辺Ｌ２に沿って延在している。これらの側壁３６Ａ乃至３６Ｄの高さは、実質的に同一である。

側壁３６Ａの側面には、燃料導入口３０Ａが形成されている。また、側壁３６Ａには、高さ方向に貫通した複数の貫通孔Ｈ１が形成されている。これらの貫通孔Ｈ１は、燃料導入口３０Ａを避けて形成されている。図４に示した例では、燃料導入口３０Ａは、側壁３６Ａの側面のほぼ中央（つまり、短辺Ｓ１の中点付近）に形成されている。また、この側壁３６Ａには、６個の貫通孔Ｈ１が形成されている。燃料導入口３０Ａには、図１などに示したように、燃料収容部に繋がる流路５が接続される。

側壁３６Ａに向かい合う側壁３６Ｂには、凹部３７が形成されている。この凹部３７は、カバープレート２１などが重なる側壁３６Ｂの上面から側壁の高さ方向に窪んでいる。また、側壁３６Ｂには、高さ方向に貫通した複数の貫通孔Ｈ２が形成されている。これらの貫通孔Ｈ２は、凹部３７を避けて形成されている。

図４に示した例では、凹部３７は、側壁３６Ｂの両端部付近の２箇所に形成されている。また、この側壁３６Ｂには、６個の貫通孔Ｈ２が形成されている。これらの凹部３７からは、図１に示したように、容器３０に収容した膜電極接合体２あるいは膜電極接合体２を挟持する集電体１８などから種々の電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２を引き出すことが可能である。

側壁３６Ｃ及び側壁３６Ｄは、側壁３６Ａ及び側壁３６Ｂよりも小さな幅に形成され、貫通孔は形成されていない。

このような容器３０は、例えば樹脂材料を用いて成型することによって形成されている。

上述したような容器３０を備えた燃料供給機構３は、先に説明したカバープレート２１との間に膜電極接合体２を保持した状態でカバープレート２１と締結される。このとき、電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２は、燃料導入口３０Ａを有する短辺Ｓ１と対向する短辺Ｓ２において燃料供給機構３とカバープレート２１との間から引き出されている。

より具体的には、カバープレート２１は、容器３０の各側壁３６Ａ乃至３６Ｄの上に載置され、容器３０の側壁３６Ｂにおいては、凹部３７とカバープレート２１との間に隙間が形成され、電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２を引き出すことが可能となる。

このように、燃料導入口３０Ａと電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２とは、燃料電池１の同一辺ではなく、互いに異なる辺に分離して設置されている。これにより、燃料電池１の各辺において、燃料供給機構３とカバープレート２１とを締結するための十分なスペースを確保することができる。また、燃料電池１の各辺において、燃料供給機構３とカバープレート２１とを締結する締結部のレイアウトに余裕が生じ、締結部を均等に設置することができ、また、締結部の数を増やすことも可能となる。

したがって、締結部の最適配置が可能となる。このように、締結部をバランス良く配置することにより、燃料電池１を構成する部材に対してＸ−Ｙ面内で均等に且つ適度に加圧することが可能となり、発電出力の高出力化及び安定化が可能となる。また、締結部の配置の適正化により、強度の向上が可能となるとともに、締結後の寸法の安定化が可能となる。さらに、組み立て性が向上し、また、製造歩留まりを向上できる。

上述した例のように、電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２が引き出された辺は、燃料導入口３０Ａを有する辺と向かい合う場合に締結部分の配置を含めてバランス的に最も優れており、好ましい。しかしながら、このような例に限らず、電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２は、燃料導入口３０Ａを有する短辺Ｓ１とは異なる辺（つまり、短辺Ｓ２以外に長辺Ｌ１や長辺Ｌ２）から引き出されていれば良い。このような配置についても同様の効果が得られる。

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、ネジ止め、リベット継手などの手法により締結されている。

燃料導入口３０Ａを有する短辺Ｓ１、及び、電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２が引き出された短辺Ｓ２では、それぞれ燃料供給機構３とカバープレート２１とが締結されている。上述した例では、短辺Ｓ１に沿った容器３０の側壁３６Ａには貫通孔Ｈ１が形成され、また、短辺Ｓ２に沿った側壁３６Ｂには貫通孔Ｈ２が形成されている。このような例では、燃料供給機構３とカバープレート２１とは、短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２において貫通孔Ｈ１及びＨ２を利用して、ネジ止めまたはリベット継手により締結されている。

また、カバープレート２１は、上述した２辺のみならず、４辺で締結されている。すなわち、燃料電池１の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２では、燃料供給機構３とカバープレート２１とは、カシメにより締結されている。つまり、燃料供給機構３の上に膜電極接合体２を重ね、膜電極接合体２のカソード側に取り付けたカバープレート２１の周縁部を膜電極接合体２の外周、容器３０の第３側壁３６Ｃ及び第４側壁３６Ｄに沿って折り曲げ、さらに、容器３０の背面側に折り曲げる。これにより、膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１とで挟持されている。

このように、燃料電池１の短辺ではネジ止めまたはリベット継手により締結し、燃料電池１の長辺ではカシメにより締結することにより、カバープレート２１の膜電極接合体２から離間する方向への浮きが抑制され、また、ネジなどの別部材の部品点数低減、組立作業の効率改善が可能となる。

なお、燃料供給機構３とカバープレート２１とは、短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２においてカシメにより締結されても良いし、また、長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２においてネジ止めまたはリベット継手により締結されても良い。

燃料電池１の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２における締結部の数は、同一であることが望ましい。図１に示した例では、図中の「＋」で示した部分が締結部に相当する。短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２における締結部の数はともに６個である。これにより、膜電極接合体２を加圧する力の分布を面内で均等にすることが可能となる。

さらに、燃料電池１の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２における締結部の位置は、対称であることが望ましい。つまり、図１に示した例において、燃料電池１の第１方向Ｘの中点で直交する第２方向Ｙに沿った中心線Ｏに対して、短辺Ｓ１における締結部が短辺Ｓ２における締結部と略線対称な位置であることが望ましい。これにより、締結のバランスが向上し、より均等な圧力で膜電極接合体２を加圧することが可能となる。

上述した電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２は、膜電極接合体２の温度を検出するセンサの端子、各単セルの出力をモニタする出力端子などであるが、ここでは、集電体１８に接続された電気端子の例についてより具体的に説明する。

図５は、集電体１８の形状を説明するための平面図である。集電体１８は、膜電極接合体２の外形寸法の概ね２倍の面積を有しており、膜電極接合体２における単セルの並び方向（つまり第２方向Ｙ）とは直交する第１方向Ｘに延出している。このような集電体１８は、図中の位置（折り曲げ線）Ｂに沿って２つに折り曲げられ、膜電極接合体２を挟持する。

アノード集電体Ａは、膜電極接合体２のアノード１３と同数個備えられている。また、カソード集電体Ｃは、膜電極接合体２のカソード１６と同数個備えられている。図５に示した例では、集電体１８は、４個のアノード集電体Ａ１乃至Ａ４及び４個のカソード集電体Ｃ１乃至Ｃ４を備えている。

アノード集電体Ａ１乃至Ａ４は、それぞれ第１方向Ｘに沿って延出し、また、アノード１３１乃至１３４に接触するようにアノードと同等の間隔で配置されている。カソード集電体Ｃ１乃至Ｃ４は、それぞれ第１方向Ｘに沿って延出し、また、カソード１６１乃至１６４に接触するようにカソードと同等の間隔で配置されている。

このようなアノード集電体Ａ及びカソード集電体Ｃは、複数の貫通孔Ｈを有している。アノード集電体Ａでは、貫通孔Ｈを介して燃料供給機構３から供給された燃料をアノード触媒層１１に供給することが可能となる。また、カソード集電体Ｃでは、貫通孔Ｈを介してカソード触媒層１４に酸素や水蒸気を供給するが可能となるとともに外部に二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体を排出することが可能となる。

集電体１８には、電気端子Ｔ１としてのアノード端子ＴＡ及び電気端子Ｔ２としてのカソード端子ＴＣが接続されている。アノード端子ＴＡは、アノード集電体Ａ１に接続されている。カソード端子ＴＣは、カソード集電体Ｃ４に接続されている。これらのアノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣは、それぞれ集電した電子を外部に取り出す出力端子として機能する。

アノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣに接続されていないアノード集電体Ａ及びカソード集電体Ｃは、それぞれ接続体Ｊによって電気的に接続されている。図５に示した例では、アノード集電体Ａ２及びカソード集電体Ｃ１は、接続体Ｊ１によって接続されている。同様に、アノード集電体Ａ３及びカソード集電体Ｃ２は、接続体Ｊ２によって接続され、アノード集電体Ａ４及びカソード集電体Ｃ３は、接続体Ｊ３によって接続されている。

このような集電体１８に接続されたアノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣは、例えば図４に示したように、２箇所の凹部３７からそれぞれ引き出される。

（実施例）
実施例として、図６に示すように、燃料電池１の短辺Ｓ１に沿った側壁３６Ａの中央付近に燃料導入口３０Ａを形成するとともに短辺Ｓ２に沿った側壁３６Ｂの２箇所に凹部３７を形成した容器３０を用意する。この容器３０の中に膜電極接合体を収容し、さらに、容器３０の各側壁３６の上にカバープレート２１を配置する。

このとき、容器３０のそれぞれの凹部３７とカバープレート２１との間の２箇所の隙間からそれぞれ電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２を引き出した。カバープレート２１と容器３０とは、短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２に沿って図中の「＋」で示した６箇所についてネジによってそれぞれ締結した。また、カバープレート２１と容器３０とは、長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２に沿ってカシメによって締結した。

比較例として、図７に示すように、燃料電池１の短辺Ｓ１に沿った側壁３６Ａの中央付近に燃料導入口３０Ａを形成するとともに、この燃料導入口３０Ａを挟んだ両側に凹部３７を形成した容器３０を用意する。この容器３０の中に膜電極接合体を収容し、さらに、容器３０の各側壁３６の上にカバープレートを配置する。

このとき、容器３０のそれぞれの凹部３７とカバープレート２１との間の２箇所の隙間からそれぞれ電気端子Ｔ１及び電気端子Ｔ２を引き出した。カバープレート２１と容器３０とは、短辺Ｓ１に沿って図中の「＋」で示した４箇所についてネジによって締結し、また、短辺Ｓ２に沿って図中の「＋」で示した６箇所についてネジによって締結した。また、カバープレート２１と容器３０とは、長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２に沿ってカシメによって締結した。

上述した実施例及び比較例の燃料電池１について、それぞれの容器３０に収容される膜電極接合体２は、図８に示すように、単一の電解質膜１７に４つの単セルｃｅｌｌ１、ｃｅｌｌ２、ｃｅｌｌ３、及び、ｃｅｌｌ４を配置した構成である。この膜電極接合体２は、図３などに示したように、集電体１８によって挟持され、４つの単セルが電気的に直列に接続されている。

これらの実施例及び比較例の燃料電池１について、それぞれ燃料としてメタノールを供給して発電させた。実施例と比較例とで各単セルの出力を比較したところ、図９に示すような結果が得られた。ここでは、比較例の膜電極接合体において単セルｃｅｌｌ１の出力を１００としたとき、比較例の他の３つの単セル及び実施例の４つの単セルの相対出力を示している。

比較例においては、膜電極接合体２の両サイドの単セルｃｅｌｌ１及びｃｅｌｌ４についてはともに相対出力が１００であったが、これらの間の単セルｃｅｌｌ２の相対出力は９０であり、また、単セルｃｅｌｌ３の相対出力は７５であった。この結果から、比較例の構成においては、膜電極接合体の中央部の２つの単セルの出力が両サイドの単セルの出力と比較して低下する傾向が確認された。

一方、実施例においては、単セルｃｅｌｌ１の相対出力は１０５であり、単セルｃｅｌｌ２の相対出力は１１５であり、単セルｃｅｌｌ３の相対出力は１１０であり、単セルｃｅｌｌ４の相対出力は１１０であった。特に、実施例においては、短辺Ｓ１及びＳ２での締結力が向上したため、膜電極接合体の全ての単セルについて出力が向上し、しかも、４つの単セル間での出力のバラツキを低減できることが確認された。

これらの実施例及び比較例の燃料電池１について、連続して運転し、時間の経過に伴う燃料電池１の出力の変化を測定したところ、図１０に示すような結果が得られた。比較例の燃料電池１においては、単セル間の出力バラツキが大きいため、時間の経過にともなって出力が大きく低下する結果となった。これに対して、実施例の燃料電池１においては、比較例よりも出力低下の割合が小さく、長時間に亘って安定した出力が得られた。

以上説明したように、この実施の形態によれば、十分な出力を安定して得ることを可能にした燃料電池を提供できる。

上述した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３Ｘは、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、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、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。

１…燃料電池
２…膜電極接合体
３…燃料供給機構３Ｘ…燃料供給部
１３…アノード１６…カソード１７…電解質膜
１８…集電体Ａ…アノード集電体Ｃ…カソード集電体
Ｔ１…電気端子Ｔ２…電気端子
ＴＡ…アノード端子ＣＡ…カソード端子
２１…カバープレート
３０…容器３０Ａ…燃料導入口
３６Ａ乃至３６Ｄ…側壁３７…凹部

Claims

アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の多角形状の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて供給する燃料を導入するための燃料導入口を少なくとも一辺に有する多角形状の燃料供給機構と、
前記膜電極接合体のカソード側に配置されたカバープレートと、
前記燃料導入口を有する辺とは異なる辺において引き出された電気端子と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
さらに、前記膜電極接合体を挟持するとともに、前記アノードに接触するアノード集電体及び前記カソードに接触するカソード集電体を有する集電体を備え、
前記電気端子は、前記アノード集電体及び前記カソード集電体にそれぞれ接続されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記電気端子が引き出された第１辺は、前記燃料導入口を有する第２辺と向かい合っていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記燃料供給機構と前記カバープレートとは、前記第１辺と、前記第２辺とでそれぞれ締結されたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
前記電気端子は、前記燃料供給機構と前記カバープレートとの間から引き出されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
前記燃料供給機構と前記カバープレートとを締結する締結部の数は、前記第１辺に沿った数と、前記第２辺に沿った数とが同一であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
前記第１辺における締結部の位置は、前記第２辺における締結部の位置と対称であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
前記燃料供給機構は、箱状に形成された容器を備え、
前記燃料導入口は、前記容器の第１短辺に沿った第１側壁に形成され、
前記第１短辺に向かい合う第２短辺に沿った第２側壁には、前記電気端子を引き出すための凹部が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記カバープレートは、前記容器に対して、ネジ止め、リベット継手、カシメのいずれかの手法によって締結されたことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。