JP2011040210A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料の漏れがなく、燃料の供給が途絶えることのない、信頼性の高い燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、起電部６と、燃料分配機構１５と、ポンプ７とを備えている。起電部６は、アノード２１、カソード２４、及び電解質膜２７を含んだ膜電極接合体１０を有する。燃料分配機構１５は、燃料排出面５１Ｓを持ち、燃料排出面と対向した側が開口し、内面側に起電部６を収容した容器５０、並びに燃料排出面の一部を開口して設けられた燃料排出口５４及び容器の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口５６ｂを連通するように容器に形成された細管５７ｃを有している。ポンプ７は、容器５０の外面に取付けられ、燃料取入口５６ｂに直に連結され、燃料取入口５６ｂに燃料を送る。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の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、携帯用電子機器を、充電なしで長時間使用可能とするものである。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、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化ができれば携帯電子機器の長時間の作動に極めて有利なシステムといえる。

特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望である。

ＤＭＦＣの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプで燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣ、液体燃料をセル内で気化させる内部気化型ＤＭＦＣ等が知られている。このうち、液体供給型ＤＭＦＣでは、燃料電池セルと燃料収容部とを管を介して接続する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料電池セル及び燃料収容部間にポンプを設け、燃料電池セル及びポンプ、並びに燃料収容部及びポンプを管で連結する技術が開示されている。

特開２００８−２３５２４３号公報

上記燃料電池は、ポンプにより必要時に燃料を送液することができるため、燃料供給量の制御性を高めることができる。しかしながら、燃料の漏れが生じないよう燃料電池セル及びポンプを管で連結できない場合がある。また、燃料の漏れが生じないよう連結できたとしても、燃料電池に加わる振動や衝撃等により、管が外れたり、連結部等に緩みや破損が生じる等、何らかの原因で、燃料が漏れてしまう恐れがある。さらに、管が潰れることにより、燃料の供給が途絶える恐れがある。

このため、燃料が漏れることのない、また、燃料の供給が途絶えることのない、信頼性の高い燃料電池が求められている
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、信頼性の高い燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る燃料電池は、
アノード、カソード、並びに前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、
前記アノードと対向した燃料排出面を持ち、前記燃料排出面と対向した側が開口し、内面側に前記起電部を収容した容器、並びに前記燃料排出面の一部を開口して設けられた燃料排出口及び前記容器の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口を連通するように前記容器に形成された細管を有した燃料分配機構と、
前記容器の外面に取付けられ、前記燃料取入口に直に連結され、前記燃料取入口に燃料を送るポンプと、を備えていることを特徴としている。

この発明によれば、信頼性の高い燃料電池を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の燃料電池モジュールを示す断面図である。 上記燃料電池を示す他の断面図である。 上記燃料電池の膜電極接合体の一部の断面を概略的に示す斜視図である。 上記膜電極接合体を示す平面図である。 上記燃料電池モジュールを示す斜視図であり、容器の外面に取付けられたポンプ、バルブ及び制御部を示す図である。 上記バルブを示す断面図である。 上記ポンプを示す断面図である。

以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態に係る燃料電池について詳細に説明する。この実施の形態において、直接メタノール型の燃料電池について説明する。
図１及び図２に示すように、燃料電池は、燃料電池モジュール１と、燃料を収容するとともに燃料を燃料電池モジュール１に与える燃料供給源２とを備えている。燃料電池モジュール１は、燃料電池本体５と、ポンプ７と、バルブ８と、制御部９とを備えている。なお、図１は、燃料電池モジュール１のポンプ７及び制御部９を含めた断面図、図２は燃料電池モジュール１のポンプ７、制御部９及びバルブ８を含めた図１の異なる箇所の断面図である。

燃料電池本体５は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０を有する起電部６と、集電体１１と、アノード支持板１２と、燃料供給部１３と、保湿板１８と、カバープレート１９とを備えている。

図１、図２、図３及び図４に示すように、膜電極接合体１０は、燃料極としてのアノード２１と、アノード２１に所定の隙間を置いて対向配置された空気極としてのカソード２４と、アノード２１及びカソード２４間に挟持された電解質膜２７とを有している。燃料供給源２は、管部６３と、燃料６２を収容するとともに管部６３により燃料供給部１３の燃料分配機構１５に燃料を供給する燃料収容部６１と、を備えている。

この実施の形態の燃料電池では、燃料分配機構１５から膜電極接合体１０に供給された燃料６２は発電反応に消費されてしまい、その後に循環して燃料分配機構１５あるいは燃料収容部６１に戻されることはない。このタイプの燃料電池は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なる方式であり、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７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ため、この方式の燃料電池はいわばセミパッシブ型と呼ぶことができる。

この実施の形態において、膜電極接合体１０は矩形状の発電領域Ｒ１を有している。発電領域Ｒ１は、発電に有効な有効領域Ｒ２と、有効領域Ｒ２を囲んだ非有効領域Ｒ３とを有している。有効領域Ｒ２は、矩形状であり、長軸を有している。また、膜電極接合体１０は１つの発電素子２０を有している。発電素子２０は、矩形状であり、長軸を有し、有効領域Ｒ２に重なっている。

アノード２１は、アノード触媒層２２と、アノード触媒層２２に積層されたアノードガス拡散層２３とを有している。カソード２４は、カソード触媒層２５と、カソード触媒層２５に積層されたカソードガス拡散層２６とを有している。

アノード触媒層２２は、アノードガス拡散層２３を介して供給される燃料を酸化させ燃料から電子とプロトンとを取り出すものである。カソード触媒層２５は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層２２において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものである。

アノード触媒層２２やカソード触媒層２５に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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２２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２５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。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２７はプロトン導電膜である。電解質膜２７は、アノード触媒層２２において発生したプロトンをカソード触媒層２５に輸送するためのものである。電解質膜２７は、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能なプロトン伝導性の材料で形成されている。

電解質膜２７を形成する材料としては、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、プロトン伝導性の材料はこれらに限られるものではない。

アノードガス拡散層２３は、アノード触媒層２２に燃料を均一に供給する役割を果たし、アノード触媒層２２の集電機能を有している。カソードガス拡散層２６は、カソード触媒層２５に酸化剤を均一に供給する役割を果たし、カソード触媒層２５の集電機能を有している。アノードガス拡散層２３及びカソードガス拡散層２６は多孔質基材で構成されている。

図１及び図２に示すように、集電体１１は、アノード集電体３１及びカソード集電体３４を有している。アノード集電体３１及びカソード集電体３４は、例えば、金、ニッケル等の金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）又は箔体、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をそれぞれ使用することができる。

燃料電池本体５内の膜電極接合体１０は、絶縁性のＯリング（シール材）３８、３９によって液密にシールされている。これらのＯリング３８、３９によって燃料電池本体５の内部に種々のスペースや間隙が形成されている。

アノード集電体３１は、発電素子２０に対応し長軸を有する矩形状に形成され、複数の燃料通過孔を有している。カソード集電体３４は、発電素子２０に対応し長軸を有する矩形状に形成され、複数の通気孔を有している。これらアノード集電体３１およびカソード集電体３４により、膜電極接合体１０を構成する発電素子２０が接続される。

Ｏリング３８、３９は、絶縁材料として、例えばゴムで形成されている。Ｏリング３８は、アノード集電体３１の外周を囲むよう枠状に形成されている。Ｏリング３９は、カソード集電体３４の外周を囲むよう枠状に形成されている。

上記したように、膜電極接合体１０及びアノード集電体３１が組合さることで、燃料の気化成分は、アノード集電体３１の燃料通過孔（図示せず）を通ってアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給される。このため、燃料電池本体５は、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給するように形成されている。

例えば、アノード集電体３１と、燃料供給部１３との間に、任意に図示しない気液分離膜を設けることにより、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給することができる。ここで、Ｏリング（シール材）３８は、膜電極接合体１０からの燃料の漏れを防止する機能を有している。

酸化剤としての空気は、カバープレート１９の通気孔（図示せず）を通り、カソード集電体３４の通気孔（図示せず）を通ってカソードガス拡散層２６及びカソード触媒層２５に供給される。ここで、Ｏリング（シール材）３９は、膜電極接合体１０からの酸化剤の漏れを防止する機能を有している。

なお、この実施の形態において、膜電極接合体１０は、電解質膜２７上に１個のアノード２１及び１個のカソード２４をそれぞれ対向して形成したＭＥＡ構造のものを示しているが、膜電極接合体１０の構造は、この例に限らず、他の構造であっても良い。例えば、膜電極接合体１０の構造は、同一の電解質膜２７上に４個のアノード２１及び４個のカソード２４をそれぞれ対向して形成し、それらが電気的に直列に接続される構造であっても良い。

アノード支持板１２は、矩形板状に形成されている。アノード支持板１２は、アノード２１及び燃料供給部１３間に挟持されている。なお、アノード支持板１２は、必要に応じて設けられていれば良い。

アノード支持板１２は、膜電極接合体１０、より詳しくはアノード２１に燃料を通過させる複数の燃料通過孔（図示せず）を有している。燃料通過孔は、マトリクス状に設けられている。上述したアノード支持板１２には、燃料として液体燃料６２の気化成分が供給される。

ここで、液体燃料６２としては、液体のメタノール等のメタノール燃料、又はメタノール水溶液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が挙げられる。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。液体燃料６２の気化成分とは、液体燃料６２として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料６２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ガスを意味する。

燃料供給部１３は、燃料分配機構１５と、燃料拡散部１６とを備えている。燃料分配機構１５は、アノード２１に対して電解質膜２７の反対側に配置されている。燃料拡散部１６は、アノード２１及び燃料分配機構１５間に配置されている。

燃料分配機構１５は、容器５０と、容器５０に形成された細管５７ａ、５７ｂ、５７ｃとを有している。容器５０は、底壁５１と、底壁５１の外縁に設けられた周壁５２とを有している。底壁５１及び周壁５２は一体に形成されている。底壁５１は、アノード２１と対向した燃料排出面５１Ｓを持っている。容器５０は、燃料排出面５１Ｓと対向した側が開口している。容器５０は、内面側に起電部６等を収容している。

細管５７ａは、容器５０の外面の一部を開口して設けられた燃料注入口５３及び燃料吐出口５５ａを連通するように容器５０に形成されている。ここでは、燃料注入口５３は周壁５２に設けられ、燃料吐出口５５ａは底壁５１に設けられている。

細管５７ｂは、容器５０の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口５５ｂ及び燃料吐出口５６ａを連通するように容器５０に形成されている。ここでは、燃料取入口５５ｂ及び燃料吐出口５６ａは底壁５１に設けられている。

細管５７ｃは、燃料排出面５１Ｓの一部を開口して設けられた燃料排出口５４及び容器５０の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口５６ｂを連通するように容器５０に形成されている。ここでは、燃料取入口５６ｂは底壁５１に設けられている。燃料排出口５４は、複数個所に設けられているが、数、位置、サイズ等は種々変形可能である。燃料排出口５４は、１個所にのみ設けられていてもよい。

液体燃料６２は、燃料注入口５３から注入される。燃料注入口５３に注入された液体燃料６２は、細管５７ａ、細管５７ｂ及び細管５７ｃ等を経由して燃料排出口５４に導かれる。燃料排出口５４からは、液体燃料６２又はその気化成分が排出される。この実施の形態においては、燃料排出口５４からは液体燃料６２が排出される。

燃料拡散部１６は、アノード２１及び燃料分配機構１５間に配置されている。燃料拡散部１６は、燃料分配機構１５から供給される液体燃料６２をより拡散してアノード２１に排出するものである。なお、燃料拡散部１６は必要に応じて設けられている。

燃料拡散部１６は、シート状に形成されている。燃料拡散部１６は、燃料排出面５１Ｓ上に配置されている。上記したように、燃料拡散部１６によって燃料が一層拡散された後、燃料拡散部１６からアノード２１に燃料（燃料ガス）が供給される。

燃料排出口５４から排出される液体燃料６２は、面方向に拡散された後、アノード２１に供給される。このため、液体燃料６２の供給量を平均化することができ、液体燃料６２を方向や位置に拘わりなく、アノード２１に均等に拡散させることができる。このため、膜電極接合体１０における発電反応の均一性を高めることができる。

すなわち、アノード２１の面内における燃料の分布が平準化され、膜電極接合体１０での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。従って、燃料電池の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体１０で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させないパッシブ型燃料電池の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。

保湿板１８は、膜電極接合体１０の外側に位置し、カソードガス拡散層２６に対向配置されている。この保湿板１８は、カソード触媒層２５で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソードガス拡散層２６に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層２５への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿板１８は、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。この実施の形態において、保湿板１８は発泡ポリエチレンシートである。

カバープレート１９は、保湿板１８に対してカソード集電体３４の反対側に位置している。カバープレート１９は、外観が略箱状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート１９は、酸化剤である空気を取入れるための複数の通気孔を有している。通気孔は、例えばマトリクス状に設けられている。

上述した燃料拡散部１６、アノード支持板１２、膜電極接合体１０、アノード集電体３１、カソード集電体３４及び保湿板１８は、それぞれの側面が周壁５２によって覆われている。カバープレート１９は、例えば周縁から外側に延出した複数の延出部を有しており、これら延出部が容器５０の外面にかしめ加工あるいはねじ止めされている。上記のように燃料電池本体５が形成されている。

図１、図２、図５及び図７に示すように、ポンプ７は、容器５０の外面に取付けられている。この実施の形態において、ポンプ７は、圧電型のポンプである。ポンプ７は、底壁５１の燃料排出面５１Ｓとは反対側の面に取付けられている。ポンプ７は、ねじ７１にてねじ止めされることにより底壁５１に固定されている。ポンプ７は、燃料吐出口５６ａ及び燃料取入口５６ｂにそれぞれ直に連結されている。

ここでは、燃料吐出口５６ａ及び燃料取入口５６ｂをそれぞれ囲むように、底壁５１の外面側に枠状の溝部が形成されている。溝部には、それぞれＯリング７２が配置されている。Ｏリング７２は、底壁５１及びポンプ７間に介在されているため、燃料吐出口５６ａ及びポンプ７間、並びに燃料取入口５６ｂ及びポンプ７間をそれぞれ液密に連結することができる。

ポンプ７は、燃料吐出口５６ａから導入される液体燃料６２を燃料取入口５６ｂに送液するものである。ポンプ７は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料取入口５６ｂに液体燃料６２を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ７で必要時に液体燃料６２を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。

ポンプ７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６２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、上記圧電型のポンプを使用することが好ましが、その他、ロータリーポンプ（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もできる。

ロータリー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。

ポンプ７は、必要時動作させて燃料供給部１３に液体燃料６２を供給する。このように、ポンプ７で燃料供給部１３に液体燃料６２を送液する場合においても、燃料供給部１３は有効に機能するため、膜電極接合体１０に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。

図１、図２、図５及び図６に示すように、バルブ８は、容器５０の外面に取付けられている。この実施の形態において、バルブ８は、遮断バルブである。バルブ８は、底壁５１の燃料排出面５１Ｓとは反対側の面に取付けられている。バルブ８は、バルブ８を底壁５１に押さえつける押さえ枠８０をねじ８１にてねじ止めされることにより底壁５１に固定されている。バルブ８は、燃料吐出口５５ａ及び燃料取入口５５ｂにそれぞれ直に連結されている。

ここでは、全てを図示しないが、燃料吐出口５５ａ及び燃料取入口５５ｂをそれぞれ囲むように、底壁５１の外面側に枠状の溝部が形成されている。溝部には、それぞれＯリング８２が配置されている。Ｏリング８２は、底壁５１及びバルブ８間に介在されているため、燃料吐出口５５ａ及びバルブ８間、並びに燃料取入口５５ｂ及びバルブ８間をそれぞれ液密に連結することができる。

バルブ８は、細管５７ｂを介してポンプ７に連結されている。バルブ８は、燃料吐出口５５ａから導入される液体燃料６２を燃料取入口５５ｂに送液するかどうか開閉を切替えるものである。バルブ８は、ポンプ７に与える液体燃料６２の量を制御するものである。

バルブ８は、燃料電池の安定性や信頼性を高めるものである。バルブ８は、燃料電池の未使用時にも不可避的に発生する微量な燃料の消費や上述したポンプ再運転時の吸い込み不良等を回避することも可能である。

図５に示すように、制御部９は、容器５０の外面に取付けられている。この実施の形態において、制御部９は、電力変換回路である。制御部９は、底壁５１の燃料排出面５１Ｓとは反対側の面に取付けられている。制御部９は、底壁５１に固定されている。制御部９は、配線９１によりポンプ７に電気的に接続されている。制御部９は、配線９２によりバルブ８に電気的に接続されている。制御部９は、ポンプ７の稼動、バルブ８の開閉を制御することにより、起電部６での発電量を調整するものである。
上記のように燃料電池モジュール１が形成されている。

図２に示すように、燃料供給源２は、燃料収容部６１を備えている。燃料収容部６１には液体燃料６２が収容されている。燃料収容部６１及び燃料注入口５３は管部６３で接続されている。このため、燃料排出面５１Ｓには、燃料収容部６１から、管部６３、細管５７ａ、バルブ８、細管５７ｂ、ポンプ７、細管５７ｃを介して液体燃料６２が導入される。上記のように燃料供給源２が形成されている。
以上のように、燃料電池モジュール１及び燃料供給源２を備えた燃料電池が形成されている。

次に、上記燃料電池による発電の仕組みについて説明する。
まず、制御部９の制御のもと、バルブ８を開状態に切替え、ポンプ７を稼動させ、燃料収容部６１から管部６３、細管５７ａ、バルブ８、細管５７ｂ、ポンプ７、細管５７ｃを介して燃料排出面５１Ｓに液体燃料６２を導入させる。液体燃料６２は燃料排出面５１Ｓ及び燃料拡散部１６によって拡散される。

なお、図示しないが、燃料供給部１３は、例えば、アノード集電体３１及び燃料拡散部１６間に設けられる気液分離膜を有していてもよい。これにより、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給することができる。

膜電極接合体１０内において、燃料はアノードガス拡散層２３にて拡散してアノード触媒層２２に供給される。液体燃料６２としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層２２で式（１）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２５で生成した水や電解質膜２７中の水をメタノールと反応させて式（１）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。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）
この反応で生成した電子（ｅ⁻）はアノード集電体３１に接続された端子（図示せず）から外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード集電体３４に接続された端子（図示せず）からカソード２４に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）は電解質膜２７を経てカソード２４に導かれる。カソード２４には酸化剤として空気が供給される。カソード２４に到達した電子（ｅ⁻）とプロトン（Ｈ^＋）は、カソード触媒層２５で空気中の酸素と式（２）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）Ｏ_２ → ３Ｈ_２Ｏ …（２）
上記したように、燃料電池による発電が行われる。

ここで、本願発明者等は、上記実施の形態の燃料電池を１０００個用意し、各燃料電池のポンプ７及び容器５０間に液体燃料６２の漏れが生じたかどうか調査した。調査したところ、全ての燃料電池において、液体燃料６２の漏れは無かった。

なお、比較例として、ポンプ７及び容器５０を管部で接続した燃料電池を１０００個用意し、各燃料電池の管部に液体燃料６２の漏れが生じたかどうか調査した。調査したところ、比較例の燃料電池において、１０００個中３０個で液体燃料６２の漏れがあった。

以上のように構成された燃料電池によれば、燃料電池は、燃料電池モジュール１及び燃料供給源２を備えている。燃料電池モジュール１は、起電部６と、燃料分配機構１５と、ポンプ７とを備えている。

起電部６は、アノード２１、カソード２４、及び電解質膜２７を含んだ膜電極接合体１０を有している。燃料分配機構１５は、燃料排出面５１Ｓを持ち、燃料排出面５１Ｓと対向した側が開口し、内面側に起電部６を収容した容器５０、並びに燃料排出面５１Ｓの一部を開口して設けられた燃料排出口５４及び容器５０の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口５６ｂを連通するように容器５０に形成された細管５７ｃを有している。ポンプ７は、容器５０の外面に取付けられ、燃料取入口５６ｂに直に連結され、燃料取入口５６ｂに燃料を送るものである。

ポンプ７は、燃料取入口５６ｂに直に連結されている。ポンプ７及び燃料取入口５６ｂ間に管部を介在させる構成ではない。このため、管部を介在させた場合に生じる液体燃料６２の漏れ等の問題を解消することができる。さらに、上記実施の形態の燃料電池は、管部を介在させた場合に比べ、ポンプ７から燃料取入口５６ｂへ送る際に液体燃料６２にかかる抵抗を抑制することができる。

ポンプ７及び燃料吐出口５６ａ間、バルブ８及び燃料吐出口５５ａ間、並びにバルブ８及び燃料取入口５５ｂ間においても、同様に管部を介在させる構成ではない。
このため、液体燃料６２が漏れることのない、また、液体燃料６２の供給が途絶えることのない、信頼性の高い燃料電池を得ることができる。さらに、タイムラグ無しに液体燃料６２の供給を行うことができる。

なお、比較例の燃料電池の管部の大型化を図ることで、信頼性の高い燃料電池を得ることができる。しかしながら、この場合、管部の大型化に起因し、機器の設計自由度の低下を招いてしまう。また、機器の設計変更を行う際、多くの機器の配置を検討する必要が生じ、設計工数の増大を招いてしまう。また、各種の機器を接続する配線類が太くならざるを得ず、配線の自由度が低下する他、機器の占有面積の増大を招いてしまう。上記のことから、管部の大型化を図ることは好ましくない。

ポンプ７は、容器５０の外面に取付けられている。このため、燃料電池の小型化を図ることができる。バルブ８及び制御部９も同様に容器５０の外面に取付けられている。このため、燃料電池の小型化を一層図ることができる。

ポンプ７、バルブ８及び制御部９は密集しているため、上述した配線９１、９２を短くすることができる。配線９１、９２が短い分、配線抵抗を抑制することができ、配線９１、９２での発熱量を抑制することができる。

燃料電池本体５、ポンプ７、バルブ８及び制御部９は、モジュールに組立てられ、燃料電池モジュール１を形成している。このため、燃料電池モジュール１として各種の製品に使用することができる。使用用途が増大する分、燃料電池モジュール１の量産化が可能となるため、製造コスト、ひいては製品コストの低減を図ることができる。

燃料電池モジュール１に不具合が生じた場合、燃料電池モジュール１を修理してもよいが、燃料電池モジュール１の交換にて対応することも可能となる。このため、燃料電池のメンテナンス性の向上を図ることができる。
上記のことから、信頼性の高い燃料電池を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのまま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可能である。また、上記実施の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。

例えば、ポンプ７、バルブ８及び制御部９を容器５０の外面に取付ける場合、底壁５１の外面に限らず、周壁５２の外面に取付けてもよい。
押さえ枠８０は樹脂で形成されていてもよく、バルブ８を容器５０に固定する際は、押さえ枠８０を容器５０に溶着させることで行ってもよい。ポンプ７においても、ねじ止めに限らず、図示しない樹脂製の押さえ枠を用いて容器５０に固定されていてもよい。
ポンプ７及びバルブ８は、容器５０に溶着させることで容器５０に固定されていてもよい。

上述した実施の形態に於いて、容器５０は樹脂で形成されているが、これに限らず、金属製の容器５０を用い、又は、樹脂製の容器５０の外面に金属板等の金属部材を設けてもよく、この場合、金属製の容器５０又は金属部材にポンプ７及びバルブ８を溶着させてもよい。
押さえ枠８０は金属で形成されていてもよく、この場合、押さえ枠８０を、金属製の容器５０又は金属部材に溶着させてバルブ８を固定してもよい。ポンプ７においても、図示しない金属製の押さえ枠を金属製の容器５０又は金属部材に溶着させて固定されていてもよい。

制御部９によるポンプ７の制御は、例えば燃料電池の出力を参照して行うことが好ましい。燃料電池の出力は制御部９で検出され、この検出結果に基づいてポンプ７に制御信号が送られる。ポンプ７は制御部から送られる制御信号に基づいてオン／オフが制御される。ポンプ７の動作は燃料電池の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転状態情報等に基づいて制御することで、より安定した運転が達成できる。

ポンプ７の具体的な動作制御方法としては、例えば燃料電池からの出力が所定の規定値より高くなった場合にポンプ７を停止または送液量を低下させ、出力が規定値より低くなった場合にポンプ７の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。別の動作制御方法としては、燃料電池からの出力の変化率がプラスの場合にポンプ７の運転を停止または送液量を低下させ、出力の変化率がマイナスになった場合にポンプ７の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。

燃料収容部６１や管部６３に、燃料収容部６１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することが好ましい。バランスバルブは、例えば燃料収容部６１に設置されている。図示しないが、バランスバルブは、バルブ可動片と、燃料収容部６１内の圧力に応じてバルブ可動片を動作させるスプリングと、バルブ可動片をシールして閉状態とするシール部とを有している。

この発明は、直接メタノール型の燃料電池に限定されるものではなく、他の燃料電池に適用可能である。そして、液体燃料６２も、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６２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。

また、膜電極接合体１０へ供給される液体燃料においても、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。

１…燃料電池モジュール、２…燃料供給源、５…燃料電池本体、６…起電部、７…ポンプ、８…バルブ、９…制御部、１０…膜電極接合体、１５…燃料分配機構、２１…アノード、２４…カソード、２７…電解質膜、５０…容器、５１…底壁、５１Ｓ…燃料排出面、５２…周壁、５３…燃料注入口、５４…燃料排出口、５５ａ，５６ａ…燃料吐出口、５５ｂ，５６ｂ…燃料取入口、５７ａ，５７ｂ，５７ｃ…細管、６１…燃料収容部、６２…液体燃料。

Claims (6)

1. アノード、カソード、並びに前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、
   前記アノードと対向した燃料排出面を持ち、前記燃料排出面と対向した側が開口し、内面側に前記起電部を収容した容器、並びに前記燃料排出面の一部を開口して設けられた燃料排出口及び前記容器の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口を連通するように前記容器に形成された細管を有した燃料分配機構と、
   前記容器の外面に取付けられ、前記燃料取入口に直に連結され、前記燃料取入口に燃料を送るポンプと、を備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記容器の外面に取付けられ、前記ポンプに連結され、前記ポンプに与える燃料の量を制御するバルブをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記容器の外面に取付けられ、前記起電部での発電量を調整する制御部をさらに備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
4. 前記容器の外面は、前記燃料排出面とは反対側の面であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記燃料分配機構は、前記ポンプ及びバルブに連結され、前記容器に形成された他の細管を有していることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
6. 前記燃料を収容し、前記ポンプに連結された燃料収容部をさらに備えたことを特徴とする燃料電池。

Images