JP2010251317A - 燃料電池、燃料電池システムおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】生成した二酸化炭素を除去しつつ、安価な手段でアノード電極の劣化を抑えることが可能な燃料電池ならびにこれを備えた燃料電池システムおよび電子機器を提供する。
【解決手段】アノード側板状部材２０のアノード電極に対向する面に、溝２２（第１の溝２２１および第２の溝２２２）を設ける。第１の溝２２１はアノード電極に対向する領域内に、第２の溝２２２は第１の溝２２１から分岐してアノード側板状部材２０の側面の出口２２２Ａまで形成する。燃料Ｆの電気化学反応により生成した二酸化炭素は、溝２２を経由して排出される。溝２２はアノード側板状部材２０を貫通していないので、未利用の燃料Ｆは必ずアノード電極面上を経由するため、燃料Ｆは十分に消費され、未反応のまま系外に排出されることが抑えられる。また、溝２２内に弁２３を設けることにより、発電停止中の燃料気化室４２への空気の侵入が抑えられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタノール等と酸素との反応により発電を行う燃料電池並びにこれを備えた燃料電池システムおよび電子機器に関する。

携帯用パーソナルコンピュータ等の小型電子機器の電源として、燃料電池の適用が検討されている。燃料電池の燃料としては、エネルギー密度の高い液体燃料（例えばメタノール）を用いることが望ましい。

燃料は、希釈した液体燃料としてアノード電極に供給される場合もあるが、希釈せず、気化した燃料をアノード電極に供給する気化型の燃料電池も検討されている（例えば、特許文献１，２参照）。特許文献１では、気化した燃料はいったん気化燃料収容室に収容されたのち、アノード電極に供給されるようになっている。また、気化燃料収容室の側壁には、アノード電極において生成した炭酸ガスを含む生成ガスを電池外に排出するための排気孔が設けられている。

特開２００７−８０６５８号公報 特開２００６−８５９３１号公報

しかしながら、排気孔が気化燃料収容室に設けられた特許文献１では未反応の燃料が排出されてしまい、発電効率が低下するおそれがあった。また、気化燃料収容室の側壁に設けられた排気孔は直接外部に開口しているため、燃料電池の発電停止中に排気孔から気化燃料収容室へ外気が侵入し、アノード電極が燃料電池の再起動時に外気に含まれる酸素によって劣化するおそれがあった。

これに対して、特許文献２には、保管時におけるセル内への外気の侵入を防止する手段として燃料電池本体を還元性雰囲気または不活性雰囲気に保たれた密閉容器に収納する方法が開示されている。しかしながら、この特許文献２の方法では、燃料電池本体を密閉容器に収納することにより部品点数の増加および装置の大型化を招くため、コストが増加してしまうことになる。

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、生成した二酸化炭素を除去しつつ、安価な手段でアノード電極の劣化を抑えることが可能な燃料電池並びにこれを備えた燃料電池システムおよび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、カソード電極およびアノード電極の間に電解質を有する発電部と、発電部のアノード電極側に設けられたアノード側板状部材と、燃料気化室と、アノード板状部材に形成され、アノード電極と燃料気化室とを連通させる貫通孔と、発電部において発生した二酸化炭素をアノード板状部材または燃料気化室の各側面に導く二酸化炭素排出部と、二酸化炭素排出部に設けられた弁とを備えるようにしたものである。

本発明の燃料電池システムは、上記本発明の燃料電池と、発電部において発生した電圧が、発電停止状態において、予め設定された電圧値以下となった場合に、発電部へ燃料を供給するように制御する制御部とを備えたものである。

本発明による電子機器は、上記本発明の燃料電池を備えたものである。

本発明の燃料電池、燃料電池システムおよび電子機器では、燃料の電気化学反応により発電部において生成した二酸化炭素は、弁を内蔵した二酸化炭素排出部を経由してアノード板状部材または燃料気化室の各側面に導かれたのち外部に排出される。また、発電停止後に二酸化炭素排出路を経由しての外気の侵入が抑制される。

特に、本発明の燃料電池システムでは、発電停止状態において、発電部において発生した電圧を検出し、この検出した電圧が所定の電圧値以下となった場合には燃料電極へ燃料を供給する。これにより、外気の侵入が抑制される。

本発明の燃料電池、燃料電池システムまたは電子機器によれば、アノード電極または燃料気化室の各側面に二酸化炭素排出部を設けると共に、この二酸化炭素排出部内に弁を設けるようにしたので、燃料の電気化学反応により生成した二酸化炭素を、二酸化炭素排出部を経由して外気の侵入を抑制しつつ外部へ排出させることができる。これによりアノード電極の劣化を抑制することが可能となる。

特に、本発明の燃料電池システムによれば、発電停止状態において、発電部において発生した電圧が所定の電圧値以下となった場合に燃料電極へ燃料を供給するようにしたので、不活性ガスや水を注入するための新たな機構を別途設けることなく、燃料電極側に溜まった酸素を排除して酸素分圧の上昇を抑制することができる。よって、発電停止中のアノード電極の劣化を効果的に抑制することが可能となる。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。 図１に示した燃料電池の構成を分解して表す斜視図である。 図１に示したアノード側板状部材の構成を表す平面図である。 図３に示したアノード側板状部材の一部を拡大して表す平面図である。 図４の変形例を表す平面図である。 弁の形状を表す斜視図である。 図１に示したカソード側板状部材の構成を表す平面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表す機能ブロック図である。 発電中における燃料供給について説明するための概念図である。 停止中における燃料供給について説明するための概念図である。 参考例および比較例に係る停止中の電圧の変化を表す特性図である。 図５の他の変形例を表す平面図である。 図５の更に他の変形例を表す平面図である。 図５の更に他の変形例を表す平面図である。 図５の更に他の変形例を表す平面図である。 図５の更に他の変形例を表す平面図である。 本発明の適用例を表す斜視図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、説明は以下の順序で行う。
［第１の実施の形態］
（１）燃料電池の全体構成
（２）燃料電池の製造方法
［第２の実施の形態（本発明の燃料電池を備えた燃料電池システムの例）］
（１）燃料電池システムの構成
（２）燃料電池システムの動作
［実施例］
［変形例（貫通孔および溝の変形例）］
［適用例］

［第１の実施の形態］
（燃料電池の全体構成）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の断面構成を表したものであり、図２は図１に示した燃料電池を分解して表したものである。燃料電池１は、例えば、携帯電話，ノート型ＰＣ（Personal Computer）等の携帯型電子機器の電源として用いられるもの
であり、発電部１０の両側に、アノード側板状部材２０およびカソード側板状部材３０を備えている。

発電部１０は、メタノールと酸素との反応により発電を行う直接メタノール型の燃料電池である。この発電部１０は、一つまたは複数（図２では、例えば六個）の単位セル１０Ａ〜１０Ｆを含むものである。単位セル１０Ａ〜１０Ｆはそれぞれカソード電極（酸素電極）１１およびアノード電極（燃料電極）１２の間に電解質膜１３を有している。単位セル１０Ａ〜１０Ｆは、面内方向に例えば３行×２列に配置されると共に、接続部材（図示せず）により電気的に直列に接続された平面積層構造とされている。単位セル１０Ａ〜１０Ｆ間の隙間は、フッ素ゴム，ＰＰ（ポリプロピレン）などの耐アルコール性の高い材料よりなるシール材１４により封止されている。

カソード電極１１およびアノード電極１２は、カーボンペーパーなどよりなる集電体に、微細多孔質層（ＭＰＬ；Micro Porous Layer）と、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層とを形成したものであり、その平面形状は、例えば四辺形となっている。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である。集電体と微細多孔質層との間（微細多孔質層の外側）には、必要に応じて、ガス拡散層（ＧＤＬ；Gas Diffusion Layer ）が設けられていてもよい。なお、カソード電極１１には図示しない空気供給ポンプが接続されていてもよいし、接続部材（図示せず）に設けられた開口（図示せず）を介して外部と連通し、自然換気により空気すなわち酸素が供給されるようになっていてもよい。

電解質膜１３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。

アノード側板状部材２０およびカソード側板状部材３０は、発電部１０のアノード電極１２側およびカソード電極１１側にそれぞれ設けられ、例えば厚み１ｍｍ程度のアルミニウム板またはステンレス鋼板により構成されている。発電部１０とカソード側板状部材３０との間には、湿分保持のため、例えば、ポリエチレン等の多孔質膜１５が設けられている。発電部１０とアノード側板状部材２０との間には、例えば、多孔質フッ素樹脂およびポリエステルよりなる気液分離膜１６が設けられている。

アノード側板状部材２０の外側には、燃料Ｆとして例えばメタノールが供給される燃料供給部４０が配設されている。燃料供給部４０には、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆに対応する位置に、燃料タンク（図示せず）からの燃料Ｆが供給される燃料供給孔４１が形成されている。燃料供給部４０およびアノード側板状部材２０の間には、燃料Ｆを気化させるための燃料気化室４２が設けられている。

燃料気化室４２の隙間Ｇは、例えば０．５ｍｍ以上であることが好ましい。燃料Ｆが気化した際の体積膨張を吸収すると共に、燃料Ｆの均一拡散のためのスペースを確保することができるからである。ただし、隙間Ｇをあまり広くすると、発電部１０から燃料供給部４０への伝熱量が低下し、燃料Ｆの気化が円滑に行えなくなるので、隙間Ｇは例えば３ｍｍ以下であることが好ましい。

図３はアノード側板状部材２０をアノード電極１２に対向する面の側から見た平面構成を表したものである。図４はその一部を拡大して表したものである。アノード側板状部材２０は、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆのアノード電極１２に対応する六つの四辺形の領域に、貫通孔２１と、溝２２とを有している。

貫通孔２１は、燃料Ｆを流通させるためのものであり、アノード電極１２に対向する面から反対側の面に達し、燃料気化室４２に連通している。この貫通孔２１はアノード電極１２に対応する四辺形の領域の全体にわたって配置されている。これにより、アノード電極１２に対して燃料Ｆを均一に供給することができ、出力の向上が可能となる。貫通孔２１のアノード電極１２の面積に対する開口率は、例えば３０％以上とすることが望ましく、４０％以上とすればより好ましい。

アノード板状部材２０には発電中にアノード電極１２で発生した二酸化炭素を燃料電池１の外部へ排出させるための二酸化炭素排出部として溝２２が設けられている。この溝２２はアノード側板状部材２０のアノード電極１２に対向する面に、アノード電極１２に対応する領域内から側面の出口２２Ａまで形成されている。なお、この二酸化炭素排出部としての溝２２は、ここではアノード側板状部材２０のアノード電極１２に対抗する面に設けるようにしたが、アノード電極１２からアノード板状部材２０または燃料気化室４２の各側面に連通していればよい。但し、二酸化炭素の排出効率、未利用の燃料排出の抑制の観点からは、本実施の形態のようにアノード側板状部材２０のアノード電極１２に対抗する面に設けることが好ましい。

溝２２は第１の溝２２１と第２の溝２２２とから構成されている。第１の溝２２１は、アノード電極１２に対向する面のアノード電極１２に対応する領域内に設けられている。第２の溝２２２は、第１の溝２２１から分岐してアノード側板状部材２０の側面出口２２Ａまで設けられている。

第１の溝２２１は、図４に示したように、貫通孔２１に連通していてもよいし、図５に示したように、貫通孔２１に連通していなくてもよい。連通している場合には、生成した二酸化炭素は貫通孔２１を通って第１の溝２２１に排出される。一方、連通していない場合には、生成した二酸化炭素は、アノード電極１２の微細多孔質層（ＭＰＬ）またはガス拡散層（ＧＤＬ）を介して第１の溝２２１に排出される。微細多孔質層（ＭＰＬ）内の水分布等による圧力損失の変化の影響を受けないので、連通しているほうが望ましい。ただし、微細多孔質層（ＭＰＬ），ガス拡散層（ＧＤＬ）の最適化の結果、十分に圧力損失が低い場合には、連通させなくてもよい。

第１の溝２２１は、貫通孔２１に交差する方向に設けられていることが好ましい。具体的には、第１の溝２２１はアノード電極１２に対応する四辺形の領域の辺に沿って設けられ、貫通孔２１は第１の溝２２１に直交する方向に設けられていることが好ましい。気化した燃料Ｆおよび生成した二酸化炭素に、第１の溝２２１が設けられた辺へ、対辺からの流れを生じさせることができ、より効率的に二酸化炭素を除去する一方、燃料Ｆをアノード電極１２に供給することができるからである。

第１の溝２２１および第２の溝２２２は、アノード電極１２およびシール材１４で塞がれており、出口２２Ａにおいて大気開放されている。第２の溝２２２は、出口２２Ａの近傍に、圧力損失をつけるため、第１の溝２２１よりも断面積が小さいことが好ましい。これは、第１の溝２２１での流速を抑え、アノード電極１２表面における反応時間を稼ぐことができ、未反応の燃料Ｆの系外排出をより抑えることができるからである。また、複数の単位セル１０Ａ〜１０Ｆで発電部１０を構成する場合には、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆでの圧力損失を均一化することができ、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆへの燃料供給を均一に行うことができるからである。

溝２２には、燃料気化室４２の内圧を調整すると共に、発電停止時に外部からの外気の侵入を抑えるための弁２３が設けられている。弁２３の位置は特に問わないが、外気の侵入によるアノード電極１２の劣化は、例えば、気化した燃料と外気に含まれる酸素との燃焼反応によって起こる触媒の溶出が原因と考えられている。従って、アノード電極１２は外気と接触しない方が好ましいため、弁２３は第２の溝２２２内に設けることが好ましく、特に、出口２２Ａの近傍に設けることがより好ましい。また、弁２３は、例えば図６に示すように、例えばゴムなどの弾性を有する材料で作製された圧力調整弁２３１（図６（Ａ））や、逆止弁２３２（図６（Ｂ））などにより構成することが考えられる。弁２３は外気の進入を抑えることが目的であるため、圧力調整弁２３１は、大気圧より低い圧力でスリット２３１Ａが開かないもの、逆止弁２３２では外気侵入を防ぎつつ、セル内部の適切な圧力で開くものであればよい。従って、製造の容易さ、コスト面からは圧力調整弁２３１を、外部からの空気の遮断の観点からは逆止弁２３２を用いることが好ましい。

また、アノード側板状部材２０は、アノード電極１２に対向する面に、貫通孔２１を相互に連通させる補助溝２４を有していることが好ましい。気化した燃料Ｆを、より広くアノード電極１２面上に拡散、供給させることができ、より効率的に電気化学反応を起こさせることができるからである。

アノード側板状部材２０には、貫通孔２１，溝２２および補助溝２４のいずれも形成されていない部分が、一定割合以上（例えば、アノード電極１２の面積の２０％〜４０％程度）残されていることが好ましい。また、貫通孔２１，溝２２および補助溝２４などの開口部は、均一に分散して配置されている（まとまった開口部が設けられていない、すなわち、開口部の最大寸法がアノード電極１２の寸法の５分の１以下である）ことが好ましい。このようにすることにより、アノード側板状部材２０とアノード電極１２との接触面積を大きくして、アノード側板状部材２０による発電部１０への圧縮力を均一に確保することができる。よって、カソード電極１１あるいはアノード電極１２と電解質膜１３との界面抵抗、またはカソード電極１１あるいはアノード電極１２内のガス拡散層（ＧＤＬ）と微細多孔質層（ＭＰＬ）との界面抵抗、微細多孔質層（ＭＰＬ）と触媒層（いずれも図示せず）との界面抵抗の増加を抑えることができる。

カソード側板状部材３０は、酸化剤としての空気（酸素）を通過させるため、カソード電極１１に対向する面から反対側の面に達する貫通孔３１を有している。図７は、カソード側板状部材３０を、カソード電極１１に対向する面の側から見た構成を表したものである。貫通孔３１は、カソード電極１１に対応する領域内に設けられており、その形状は、例えば多数の平行な長孔（スリット）であるが、必ずしもこれに限られるものではない。なお、図７では、カソード側板状部材３０の、カソード電極１１に対応する六つの四辺形の領域のうちの一つを表している。

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。

（燃料電池の製造方法）
まず、上述した材料よりなるカソード電極１１およびアノード電極１２の間に、上述した材料よりなる電解質膜１３を挟み、熱圧着により接合し、単位セル１０Ａ〜１０Ｆを形成する。

次いで、６個の単位セル１０Ａ〜１０Ｆを３行×２列に配置し、接続部材（図示せず）により電気的に直列に接続する。なお、電解質膜１３の周辺部には上述した材料よりなる封止材（図示せず）を設け、この封止材を接続部材１０１にネジ締めにより固定する。

続いて、上述した材料よりなるアノード側板状部材２０およびカソード側板状部材３０を用意し、例えばエンドミルなどによる加工により、カソード側板状部材３０には貫通孔３１、アノード側板状部材２０には貫通孔２１，第１の溝２２１，第２の溝２２２および補助溝２４を形成する。なお、量産の場合には、エッチングおよび拡散接合により、または射出成型などにより形成してもよい。

次に、アノード 側板状部材２０の第２の溝２３の任意の位置に弁を配置する。

そののち、連結された単位セル１０Ａ〜１０Ｆのカソード電極１１側にカソード側板状部材３０、アノード電極１２側にアノード側板状部材２０および燃料供給部４０を配置する。以上により、図１および図２に示した燃料電池１が完成する。

この燃料電池１では、アノード側板状部材２０の貫通孔２１を通して、各単位セル１０Ａ〜１０Ｆのアノード電極１２に燃料Ｆが供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質膜１３を通ってカソード電極１１に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。これにより、燃料Ｆすなわちメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換され、発電部１０から出力電流として取り出される。この出力電流および発電部１０による起電力は、外部の負荷（図示せず）に供給され、負荷が駆動される。

ここでは、アノード側板状部材２０のアノード電極１２に対向する面に第１の溝２２１および第２の溝２２２からなる溝２２が設けられている。第１の溝２２１はアノード電極１２に対応する領域内に、第２の溝２２２は第１の溝２２１から分岐して側面の出口２２Ａまで形成されているので、燃料Ｆの電気化学反応により生成した二酸化炭素は、第１の溝２２１と第２の溝２２２とを経由して排出される。よって、アノード電極１２付近の二酸化炭素濃度の上昇や内圧上昇が回避され、出力および発電効率の向上が可能となる。また、溝２２はアノード側板状部材２０を貫通していないので、溝２２内の未利用の燃料Ｆは必ずアノード電極１２面上を経由する。よって、燃料は十分に消費され、未反応のまま溝２２を経由して系外に排出されることが抑えられる。

更に、溝２２内、特に第２の溝２２２内に弁２３が設けられているので、発電中に生成した二酸化炭素が排出されることにより燃料気化室４２の内部圧力が下がる。また、発電停止後に燃料気化室４２内が負圧になることによる空気の侵入を抑えられる。

以上のように本実施の形態では、アノード側板状部材２０のアノード電極１２に対向する面に第１の溝２２１および第２の溝２２２からなる溝２２が設けられている。第１の溝２２１はアノード電極１２に対応する領域内に、第２の溝２２２は第１の溝２２１から分岐して側面の出口２２Ａまで形成するようにしたので、燃料Ｆの電気化学反応により生成した二酸化炭素は、第１の溝２２１と第２の溝２２２とを経由して排出される。よって、アノード電極１２付近の二酸化炭素濃度の上昇や内圧上昇が回避され、出力および発電効率の向上が可能となる。また、溝２２はアノード側板状部材２０を貫通していないので、溝２２内の未利用の燃料Ｆは必ずアノード電極１２面上を経由する。従って、二酸化炭素は第１の溝２２１および第２の溝２２２を経由して除去されると共に、溝２２内の未利用の燃料Ｆは必ずアノード電極１２面上を経由するため、未反応のまま系外に排出されることが抑えられ、出力を向上させることが可能となる。

更に、溝２２内、特に第２の溝２２２内に弁２３を設けるようにしたので、発電中に生成した二酸化炭素が排出されることで燃料気化室４２の内圧が下がる。また、発電停止後に燃料気化室４２内が負圧になることによる空気の侵入が抑えられる。これにより、燃料電池１を再起動した場合に、侵入した外気に含まれる酸素と気化した燃料との燃焼反応によって起こるＲｕ等の触媒の溶出によるアノード電極の劣化を抑制することが可能となり、発電部で発生する電圧の低下を抑制することができる。

また、密閉容器に燃料電池本体を収納する等の従来の技術と比較して、部品点数の増加が回避されるため、簡便で安価に発電停止後の燃料気化室４２への外気の侵入を抑えることが可能となる。また、燃料電池内部に外気の侵入を抑える弁２３を設けるようにしたので、装置の大型化を回避することができる。

［第２の実施の形態］
（燃料電池システムの全体構成）
図８は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池システム（燃料電池システム１００）の全体構成を表すものである。燃料電池システム１００は、上記第１の実施の形態で説明した燃料電池１の発電により負荷１０１を駆動するか、あるいは二次電池１０５への充電を行うものである。燃料電池システム１００は、例えば燃料電池１、電流検出部１０３Ａ、電圧検出部１０３Ｂ、昇圧回路１０４、二次電池１０５および制御部１０２から構成されている。なお、第１の実施の形態と重複する部分についてはその説明を省略する。

燃料電池１は、発電部１０、燃料ポンプ１０６および燃料タンク１０７を含んで構成されている。燃料タンク１０７は、発電に必要な液体燃料（例えば、メタノールまたはメタノール水溶液）を貯蔵するものである。燃料ポンプ１０６は、燃料タンク１０７に貯蔵された液体燃料を汲み上げて、発電部１０側へ供給（輸送）するためのポンプであり、圧電体等により構成されている。この燃料ポンプ１０６の動作（液体燃料の供給動作）は、後述の制御部１０２によって制御されるようになっている。

電流検出部１０３Ａは、接続ラインＬ１Ｈ上において、発電部１のカソード電極側と接続点Ｐ１との間に配置されており、発電部１の発電電流Ｉ１を検出するものである。この電流検出部１０３Ａは、例えば抵抗器を含んで構成されている。なお、電流検出部１０３Ａは、接続ラインＬ１Ｌ上（発電部１０のアノード電極側と接続点Ｐ２との間）に配置されていてもよい。

電圧検出部１０３Ｂは、接続ラインＬ１Ｈ上の接続点Ｐ１と、接続ラインＬ１Ｌ上の接続点Ｐ２との間に配置されている。この電圧検出部５Ｂは、発電部１０から発生した電圧（発電中に発生する発電電圧Ｖ１および発電停止中に発生する電圧Ｖ３）を検出するものであり、例えば抵抗器を含んで構成されている。

昇圧回路１０４は、接続ラインＬ１Ｈと、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ３との間に配置されており、発電部１０の発電電圧Ｖ１（直流電圧）を昇圧して、直流電圧Ｖ２を生成する電圧変換部である。この昇圧回路１０４は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータにより構成されている。

二次電池１０５は、出力ラインＬＯ上の接続点Ｐ３と、接地ラインＬＧ（接続ラインＬ１Ｌ）上の接続点Ｐ４との間に配置されており、昇圧回路１０４により生成された直流電圧Ｖ２に基づいて蓄電を行うものである。二次電池１０５は例えばリチウムイオン電池等により構成されている。

制御部１０２は、発電部１０に向けて液体燃料を供給するように燃料ポンプ１０６を駆動するものである。本実施の形態では、この制御部１０２の制御により、発電中だけでなく、発電停止中においても液体燃料の供給がなされ、その発電停止中における燃料供給のタイミングは電圧Ｖ３に基づいて設定されるようになっている。制御部１０２は、例えばマイクロコンピュータなどにより構成されている。この制御部１０２の詳細動作については後述する。

（燃料電池システムの動作）
＜発電中の動作＞
燃料電池システム１００では、発電時には、燃料タンク１０７に貯蔵される液体燃料Ｆを、燃料ポンプ１０６により汲み上げ、燃料電池１へ供給する。燃料電池１では、液体燃料Ｆが燃料供給孔４１を通じて燃料気化室４２へ到達すると、この燃料気化室４２において液体燃料Ｆは自然気化される。気化した燃料は、アノード側板状部材２０の貫通孔２１および気液分離膜１６を順に通過して、発電部１０のアノード電極１２側へと供給される。

ここで、燃料ポンプ１０６は、制御部１０２の制御により、断続的に液体燃料Ｆを燃料
電池１へ供給する。即ち図９に示したように、燃料ポンプ１０６は、燃料供給量Ｆａ分の液体燃料Ｆを燃料供給周期Δｔに応じたタイミングで燃料電池１へ供給する。燃料供給量Ｆａは、燃料供給周期Δｔおよび燃料気化室４２の内積等に応じて、適宜調節されるものである。

一方、液体燃料Ｆ、即ちメタノールの化学エネルギーの一部は電気エネルギーに変換され、図示しない接続部材により集電されたのち、発電部１０から電流（発電電流Ｉ１）として取り出される。この発電電流Ｉ１に基づく発電電圧Ｖ１は、昇圧回路１０４によって昇圧（電圧変換）され、直流電圧Ｖ２となる。この直流電圧Ｖ２は、二次電池１０５または負荷（例えば、電子機器本体）１０１へ供給される。これにより、二次電池１０５への充電または負荷１０１の駆動が行われる。

ここで、発電によって生成した二酸化炭素はアノード側板状部材２０に設けた溝２２を経由して外部へ排出されるため、アノード電極１２付近の二酸化炭素濃度上昇や内圧上昇が回避され、出力および発電効率が向上する。また、第１の実施の形態で説明したように溝２２に弁２３が設けられているため、発電停止中にこの溝２２を経由した外気の侵入が抑えられる。

しかしながら、弁２３、例えば圧力調整弁２３１は外気の侵入を完全に遮断するもので
はない。従って、アノード電極１２側の領域（ここでは、燃料気化室４２およびアノード側板状部材２０の貫通孔２１）において酸素分圧が上昇するため、完全にアノード電極１２の劣化を抑えることは難しい。そこで、アノード電極１２の劣化をより効果的に抑えるために本実施の形態では、発電停止状態において、以下のような燃料供給動作を行う。

＜発電停止中の動作＞発電停止状態において、燃料電池システム１００では、電圧検出部１０３Ｂが発電部１
０で発生した電圧（電圧Ｖ３）を検出し、この電圧Ｖ３に基づいて、燃料ポンプ１０６が燃料電池１へ所定量の液体燃料Ｆを供給する。

具体的には、燃料ポンプ１０６は、電圧Ｖ３が所定の電圧値以下となる毎に、液体燃料
Ｆを燃料電池１へ供給する。例えば図１０に示したように、電圧Ｖ３が所定の電圧値以下となるタイミングＴ１，Ｔ２，Ｔ３，…毎に、燃料供給量Ｆｂ分の液体燃料Ｆを燃料電池２へ供給する。この燃料供給量Ｆｂは、発電時における燃料供給量Ｆａに比べ極微量であり、溝２２の径や長さに応じて適宜設定されるものである。

燃料電池１では、上記のようにして燃料供給量Ｆｂ分の液体燃料Ｆが供給されると、燃
料供給孔４１を通じて液体燃料Ｆが燃料気化室４２へ到達し、気化される。この気化した燃料ガスにより内部圧力が上昇し、アノード電極１２の側に溜まった酸素が溝２２を通じて外部へ排出される。これにより、アノード電極１２の側の酸素分圧が低下する（電圧Ｖ３は上昇する）。

ここで、酸素分圧の上昇によりアノード電極１２の劣化を招くことは既に述べたが、こ
の酸素分圧と電圧Ｖ３との間には密接な関係がある。即ち酸素分圧が上昇（低下）すると、これに伴って電圧が低下（上昇）するという関係がある。

従って、酸素分圧が一定値以上とならないような電圧値（閾値）を予め設定しておき、
検出した電圧Ｖ３がこの電圧値以下となる場合に、液体燃料Ｆを供給することにより、酸素分圧の上昇が抑制される。

また、一旦低下した酸素分圧が、停止時間の経過と共に、再び上昇（電圧Ｖ３は低下）
する場合は、上記のような燃料供給動作が繰り返されるため、酸素分圧が一定値以上となることが抑制される。例えば停止時間が長い場合等には、電圧Ｖ３が所定の電圧値以下となる毎に、繰り返し液体燃料Ｆを供給するようにすればよい。

以上のように本実施の形態では、発電停止状態において、発電部１０で発生する電圧Ｖ３を検出し、この電圧Ｖ３が所定の電圧値以下となる毎に、燃料ポンプ１０６が燃料電池１のアノード電極１２の側へ液体燃料Ｆを供給する。従って、溝２２内への弁２３の設置と発電停止中に発電部１０で発生する電圧Ｖ３の値によってアノード電極１２側 へ液体
燃料Ｆを供給する燃料電池システムとを組み合わせることにより、発電停止中の外気の侵入をより効率的に抑えることが可能となる。これにより、第１の実施の形態と比べてアノード電極１２の劣化をより抑えることが可能となる。因みに、発電停止中の燃料供給によって、アノード電極１２や電解質１３の乾燥が抑制されることも劣化抑制に寄与していると考えられる。

更に、本発明の燃料電池１による具体的な実施例について説明する。

［実施例］
本実施例では、弁２３として十字に切れ目を入れたゴムシートをアノード側板状部材２０の側面の出口２３Ａに張り付けた燃料電池１を作製した。実施例に対する比較例１として、二酸化炭素排出口が開放している燃料電池を用いて発電停止１時間後の電圧Ｖ３を測定し、その結果を表１に示した。

すなわち、溝２２内に弁２３を設けることにより、発電停止中に燃料気化室４２の内部圧力の低下による外気の侵入が抑えられる共に、発電部１０で発生する電圧Ｖ３の低下を抑制できることがわかった。

次に、参考例として上記のような燃料電池システム１００を作成し、その効果について説明する。本参考例では、６つの単位セルを直列に接続した燃料電池１に対し、発電停止中において電圧Ｖ３が２．５Ｖ（単位セルあたり０．４１Ｖ）以下となったときに、液体燃料Ｆを燃料電池１へ供給した。燃料供給量Ｆｂは１０μｌとした。図１１はこのときの停止時間に対する電圧Ｖ３の変化と燃料供給のタイミング（Ｔ１，Ｔ２）について示している。なお、図１１には、参考例に対する比較例２として、発電停止中において燃料供給を行わなかった場合についても示す。なお、燃料供給による効果を明確にするために、ここでは弁２３は設けていない。

図１１に示したように、発電を停止すると、徐々に電圧Ｖ３が低下（酸素分圧は上昇）し始める。燃料供給を行わない比較例では、停止時間の経過に伴い、電圧Ｖ３が低下し続け、即ち酸素分圧が上昇し続けてしまい、発電部１０の劣化が生じる。これに対し、本実施例では、約７０分経過後に電圧Ｖ３が２．５Ｖに達したタイミング（Ｔ１）で、１０μｌの液体燃料Ｆを燃料電池２へ供給したため、電圧Ｖ３は一気に初期電圧近くまで上昇（酸素分圧は低下）する。この後、停止時間が経過するに従って、電圧Ｖ３は再び低下し始めるが、電圧Ｖ３が２．５Ｖに達したタイミング（Ｔ２）で、上記と同様にして燃料供給を行うことにより、電圧Ｖ３は初期電圧近くまで上昇する。このように、発電停止中の電圧Ｖ３を検出し、所定の電圧値（ここでは、２．５Ｖ）以下となる毎に液体燃料Ｆを供給すればよく、これにより酸素分圧の上昇を抑制することができる。また、起動および停止を１サイクルとして計７６サイクル後の劣化率について測定したところ、参考例では１７％、比較例２では３３％となった。但し、劣化率（％）は、以下の式（１）により算出し、初期出力としては出力が安定する５サイクル後の出力を用いた。
劣化率＝｛１−（７６サイクル後の出力／初期出力）｝×１００…（１）

以上の結果から、燃料電池１は溝２２に弁２３を設けると共に、上記燃料供給を制御する制御部を有するシステムを組み合わせることによって、発電停止中の外気の侵入をより効率的に抑えることが可能となると推察される。

［変形例］
なお、上記実施の形態では、アノード側板状部材２０が、アノード電極１２に対向する面に、貫通孔２１を相互に連通させる補助溝２４を有している場合について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、図１２に示したように、補助溝２４を設けないで、貫通孔２１および溝２２のみが設けられているようにしてもよい。

また、貫通孔２１および補助溝２４は、アノード電極１２に対応する四辺形の領域内ですべて同じ方向に形成されている必要はなく、貫通孔２１は、図１３に示したように、斜め方向に形成されていてもよい。図１３の場合、補助溝２４は貫通孔２１に直交するように形成され、溝２２はアノード電極１２に対応する四辺形の領域を囲むように形成されている。なお、図１３では、溝２２が貫通孔２１および補助溝２４に連通している場合を表しているが、必ずしも連通してなくてもよい。

更に、貫通孔２１および補助溝２４は、図１４に示したようにアノード電極１２に対応する四辺形の領域の中心２２１Ａを囲んで、放射状に配置されていてもよい。この場合、貫通孔２１と補助溝２４との連通する部分では互いに交差または直交していることが望ましい。そのため、補助溝２４は部分的に曲線または屈曲していてもよい。また、このような放射状配置の場合、第２の溝２２２は、アノード電極１２に対応する四辺形の領域の中心２２１Ａと、側面の出口２２２Ａとを連通させるように形成されていることが望ましい。更に、補助溝２４は、第１の溝２２１に連通しているようにしてもよい。

加えて、溝２２は、必ずしもアノード電極１２に対応する四辺形の領域の一辺のみに設けられている必要はない。例えば図１５に示したように、複数の貫通孔２１を囲んで設けられていてもよいし、図１６に示したように、貫通孔２１の周囲および間に設けられていてもよい。

（適用例）
図１７は、上記実施の形態で説明した燃料電池を備えた電子機器の外観を表したものである。この電子機器３００は、例えばノート型パーソナルコンピュータである機器本体３１０と、燃料電池３２０とを備えたポータブル電子機器であり、燃料電池３２０で発電される電気エネルギーにより機器本体３１０が駆動されるようになっている。

機器本体３１０は、例えば、文字等の入力操作のためのキーボード等を含む入力部３１１と、画像を表示する開閉可能な表示部３１２とを有している。なお、図１７では、表示部３１２を開いた状態を表している。燃料電池３２０は、機器本体３１０の後面に取り付けられている。

以上、第１および第２の実施の形態、実施例ならびに変形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、上記実施の形態等では、発電部１０，アノード側板状部材２０，カソード側板状部材３０および燃料供給部４０の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。

また、例えば、上記実施の形態等では、発電部１０が、複数の単位セル１０Ａ〜１０Ｆを横方向（積層面内方向）に積層した平板発電体である場合について説明したが、本発明は、発電部が一つの単位セルを有する場合、または、複数の単位セルを縦方向（積層方向）に積層して燃料電池スタックを構成する場合にも適用することができる。

更に、例えば、上記実施の形態等において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池の製造方法などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の製造方法としてもよい。例えば、本発明は、固体の電解質膜１３に代えて液状の電解質（電解液）を用いる場合にも適用可能である。

更に、上記実施の形態等では、負荷３の他に二次電池７を設け、発電部１０で発生した電圧（起電力）を負荷３の駆動あるいは二次電池１０５への充電に用いる構成を例に挙げて説明したが、これら両方が必ずしも設けられていなくともよい。即ち、負荷３のみあるいは二次電池１０５のみを備えた構成であってもよい。加えて、昇圧回路１０４についても、必ずしも設けられている必要はない。

加えて、上記実施の形態等では、液体燃料Ｆを燃料電池１へ供給した後に気化させ、この気化した燃料をアノード電極１２の側へ供給して発電を行う、所謂気化型の燃料電池を例に挙げて説明したが、本発明の発電部は気化型のものに限定されない。例えば、燃料タンクとして、燃料ガスを貯蔵したガスボンベ等を設け、このガスボンベから燃料ガスを直接発電部１０へ供給するようにしてもよい。

また、上記実施の形態等では、液体燃料Ｆを貯蔵する燃料タンク１０７が燃料電池１に内蔵された構成を例に挙げて説明したが、この燃料タンク１０７が燃料電池１に外付けされた構成であってもよい。

更に、上記実施の形態等では、本発明のガス排出路として、アノード板状部材２０に設けられた溝２２を例に挙げて説明したが、このような溝に限らず、孔や配管等、外部と連通してガスが排出可能な構造となっていればよい。また、本発明のガス排出部は必ずしもアノード板状部材２０に設けられていなくともよく、例えば、燃料気化室４１の側壁に外部と連通する貫通孔を設けるようにしてもよい。

更にまた、上記実施の形態等では、燃料電池１、電流検出部１０３Ａ、電圧検出部１０３Ｂ、昇圧回路１０４、二次電池１０５および制御部１０２を備えた燃料電池システム１００を例に挙げて説明したが、本発明の燃料電池システムはこれに限定されない。例えば、これらのうち電流検出部１０３Ａ、電圧検出部１０３Ｂ、昇圧回路１０４および二次電池１０５については必ずしも備える必要はなく、ガス排出路を有する燃料電池に対し、発電停止中において発電部で発生する電圧に基づいて燃料を供給する制御が可能となっていればよい。

加えて、例えば、液体燃料は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他の液体燃料でもよい。

更にまた、本発明は、気化型だけでなく、液体燃料を供給する場合にも適用可能である。

１…燃料電池、１０…発電部、１０Ａ〜１０Ｆ…単位セル、１１…カソード電極、１２…アノード電極、１３…電解質膜、２０…アノード側板状部材、２１，３１…貫通孔、２２…溝、２２Ａ…出口、２２１…第１の溝、２２２…第２の溝、２３…弁、２４…補助溝、３０…カソード側板状部材、４０…燃料供給部、４１…燃料供給孔、４２…燃料気化室、１００…燃料電池システム、１０１…負荷、１０２…制御部、１０３Ａ…電流検出部、１０３Ｂ…電圧検出部、１０４…昇圧回路、１０５…二次電池、１０６…燃料ポンプ、１０７…燃料タンク、Ｆ…液体燃料、Ｖ１…発電電圧、Ｖ３…電圧。

Claims (14)

1. カソード電極およびアノード電極の間に電解質を有する発電部と、
   前記発電部のアノード電極側に設けられたアノード側板状部材と、
   燃料気化室と、
   前記アノード板状部材に形成され、前記アノード電極と前記燃料気化室とを連通させる貫通孔と、
   前記発電部において発生した二酸化炭素を前記アノード板状部材または前記燃料気化室の各側面に導く二酸化炭素排出部と、
   前記二酸化炭素排出部に設けられた弁と
   を備えた燃料電池。
2. 前記二酸化炭素排出部は、前記アノード側板状部材の前記アノード電極に対応する面に、前記アノード電極に対応する領域内から側面の出口まで形成された溝である、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記溝は、前記アノード電極に対応する領域内に形成された第１の溝と、前記第１の溝から分岐して前記出口まで形成された第２の溝とを有する、請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記弁は、前記第２の溝内に設けられている、請求項３記載の燃料電池。
5. 前記弁は、圧力調整弁である、請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記弁は、逆止弁である、請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記溝は、前記貫通孔に連通している、請求項２から６のうちいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記溝は、前記貫通孔に交差する方向に設けられている、請求項２から６のうちいずれか１項に記載の燃料電池。
9. 前記溝は、前記アノード電極に対応する領域の辺に沿って設けられ、
   前記貫通孔は、前記溝に直交する方向に設けられている、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記アノード側板状部材は、前記アノード電極に対向する面に、前記貫通孔を相互に連通させる補助溝を有する、請求項２から６のうちいずれか１項に記載の燃料電池。
11. 前記補助溝は、前記溝に連通している、請求項１０記載の燃料電池。
12. 前記アノード側板状部材の外側に、液体燃料が供給される燃料供給部と、前記燃料供給部および前記アノード側板状部材の間に形成された燃料気化室とを備えた、請求項２から６のうちいずれか１項に記載の燃料電池。
13. カソード電極およびアノード電極の間に電解質を有する発電部と、
    前記発電部のアノード電極側に設けられたアノード側板状部材と、
    燃料気化室と、
    前記アノード板状部材に形成され、前記アノード電極と前記燃料気化室とを連通させる貫通孔と、
    前記発電部において発生した二酸化炭素を前記アノード板状部材または前記燃料気化室の各側面に導く二酸化炭素排出部と、
    前記二酸化炭素排出部に設けられた弁と
    を備え、
    発電停止状態において、前記発電部において発生した電圧が予め設定された電圧値以下となった場合に、前記発電部へ燃料を供給する制御を行う制御部
    を有する燃料電池システム。
14. 燃料電池を備え、前記燃料電池は、
    カソード電極およびアノード電極の間に電解質を有する発電部と、
    前記発電部のアノード電極側に設けられたアノード側板状部材と、
    燃料気化室と、
    前記アノード板状部材に形成され、前記アノード電極と前記燃料気化室とを連通させる貫通孔と、
    前記発電部において発生した二酸化炭素を前記アノード板状部材または前記燃料気化室の各側面に導く二酸化炭素排出部と、
    前記二酸化炭素排出部に設けられた弁と
    を有する電子機器。

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