JP3442688B2

JP3442688B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP3442688B2
Application number: JP16263099A
Authority: JP
Inventors: 師浩富松; 秀行大図; 芳浩赤坂; 一浩安田; 雅弘高下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2003-09-02
Anticipated expiration: 2019-06-09
Also published as: JP2000353533A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、特に小
型化に適した燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、単独の発電装置としては効
率がいいことから最近注目されている。燃料電池は、燃
料としてガスを使用するリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩
型燃料電池、固体電解質型燃料電池、アルカリ性電解液
型燃料電池等と、燃料として液体を使用するメタノール
燃料電池、ヒドラジン燃料電池等とに大別される。これ
らの燃料電池は、主に電力用発電機や大型機器を動かす
ための動力源を対象にしているため、ガスや液体の燃
料、あるいは酸化剤ガスを電池内に導入するためのコン
プレッサやポンプ等が必要であり、システムとして複雑
であるばかりでなく、これらの導入のために電力を消費
する。

【０００３】一方、社会的な動向として、ＯＡ機器、オ
ーディオ機器、無線機器等の各種機器は、半導体技術の
発達と共に小型化され、さらにポータブル性が要求され
ている。このような要求を満足するための電源として
は、手軽な一次電池や二次電池等が使用されている。し
かし、一次電池や二次電池は、機能上使用時間に制限が
あり、このような電池を用いたOA機器等では当然使用時
間が限定される。一次電池を使用した場合、電池の放電
が終った後に、電池を交換してＯＡ機器等を動かすこと
はできるものの、その重量に対して使用時間が短く、ポ
ータブルな機器には不向きである。また、二次電池では
放電が終ると充電できる半面、充電のために電源が必要
で使用場所が制限されるのみならず、充電に時間がかか
るという欠点がある。このように、各種小型機器を長時
間作動させるには、従来の一次電池や二次電池の延長で
は対応が難しく、より長時間の作動に向いた電池が要求
されている。

【０００４】このような問題の一つの解決策として、上
述したような燃料電池がある。燃料電池は、燃料と酸化
剤を供給するだけで発電することができるという利点を
有するだけでなく、燃料のみを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ため、小型化ができれば
消費電力が小さいＯＡ機器等の小型機器の作動に極めて
有利なシステムといえる。

【０００５】燃料電池は、酸化剤として空気が使用でき
るため、酸化剤の観点からは使用場所や使用時間等に制
限を受けることはないが、燃料としてガスを使用する場
合は、ＯＡ機器等の消費電力が小さいとはいえ、ガスの
密度を考えると発電に要するガスの体積は大きく、電池
の小型化には不向きである。これに対して、液体燃料は
ガスに比べると密度が高く、小型機器用燃料電池の燃料
としては圧倒的に有利である。従って、液体燃料を用い
た燃料電池が小型化できれば、従来にない長時間作動が
可能な小型装置用の電源が実現できる。このような小型
装置用電源を実現する上での障害は、前述したように、
従来の液体燃料を用いたシステムでは、液体燃料を電池
本体に送り込むためにポンプやブロワ等が必要であるた
め、システムとしては複雑で、このままの構造では小型
化することが困難なことにある。

【０００６】液体燃料としてメタノールを用いたメタノ
ール燃料電池を例として説明する。メタノール燃料電池
は電池本体への燃料供給方法によって、液体燃料をその
まま電池本体に供給する液体供給型と、気化させたメタ
ノールを電池本体に供給する気化供給型とに大別され
る。

【０００７】液体供給型のシステムでは、液体燃料をメ
タノールタンクと電池本体の間でポンプで圧送して循環
させる。このため、電池本体の他に必ずポンプが必要と
なり、装置の小型化に適さない。また、電極反応が液体
燃料との間で行われるため、メタノールを気化して電極
反応を行った場合に比べ低活性化し性能が低くなるとい
う問題が生じる。さらに、パーフルオロスルホン酸（商
品名：Nafion Du Pont社製）などのプロトン導電性固体
高分子膜などを電解質として用いた場合、メタノール等
の液体有機燃料が酸化剤極側に透過してしまうクロスオ
ーバーの問題も生じる。

【０００８】気化供給型の場合、従来メタノールタンク
からポンプで送られてきた液体燃料を一度気化し、気化
された燃料をブロワで電池本体に供給する方法が知られ
ている。しかしながら、この方法においても気化器など
の補器を別途設ける必要があり、装置の大型化を招くと
いう問題が生じる。

【０００９】また、燃料電池は通常複数の単電池を積層
したスタックの形で実用されるが、ポンプやブロワで燃
料を圧送すると積層方向で燃料の配流に不均一が生じ、
スタックを構成する単電池の性能がばらつく問題があ
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の従来の
燃料電池における上記課題を解決し、小型機器の電源と
して有用な小型燃料電池を提供するために行われたもの
で、液体燃料の供給システムを簡易化すると共に、簡素
な構造で気化された燃料を燃料極に供給することによっ
て、高性能を維持した上で小型化することを可能にした
燃料電池を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、電解
質板を挟んで燃料極及び酸化剤極が設けられ、起電を行
う起電部を有する単電池を具備し、燃料として液体燃料
を用いる燃料電池において、供給された液体燃料を浸透
させ、浸透した液体燃料を気化させた後この気化させた
燃料を、その表面に形成された穴を介して前記燃料極に
供給する燃料浸透部材とを備えて成ることを特徴とする
燃料電池である。

【００１２】このような構成とすることで、燃料極での
電池反応を気化した燃料との反応とすることができ、高
活性の反応を可能とし、かつ、パーフルオロスルホン酸
（商品名：Nafion Du Pont社製）などのプロトン導電性
固体高分子膜等を電解質として用い、かつ燃料としてメ
タノール等の液体有機燃料を用いた場合に問題となるメ
タノールクロスオーバーも抑制できる。

【００１３】さらに、電池反応で生じる反応熱を利用し
て液体燃料を気化させるため、気化器などの補器を必ず
しも必要とせず、装置の小型化が可能となる。

【００１４】本願第２の発明は、電解質板を挟んで燃料
極及び酸化剤極が設けられ、起電を行う起電部を有する
単電池を具備し、燃料として液体燃料を用いる燃料電池
において、供給された液体燃料を浸透させ、気化させて
前記燃料極に供給する燃料浸透部材とを備え、前記燃料
浸透部材は、前記燃料極上に設けられ穴を有する第１の
平板と、この第１の平板に所定の隙間をおいて設けられ
た第２の平板とから成り、前記隙間に浸透した前記液体
燃料を浸透させ、浸透した液体燃料を気化させた後この
気化させた燃料を前記第１の平板に設けられた穴から前
記燃料極に供給することを特徴とする燃料電池である。

【００１５】本願第３の発明は、電解質板を挟んで燃料
極及び酸化剤極が設けられ、起電を行う起電部を有する
単電池を具備し、燃料として液体燃料を用いる燃料電池
において、前記燃料極の、前記電解質板の設けられた側
と反対の側に設けられ、供給された前記液体燃料を浸透
させると共にこの浸透した液体燃料が前記燃料極に浸透
することを防止する処置を前記燃料極との界面に施した
燃料浸透部材とを備え、この燃料浸透部材は、前記液体
燃料を気化させこの気化させた燃料を前記燃料極に供給
する穴を有することを特徴とする燃料電池である。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１７】図１は、参考例の燃料電池の要部構成を示
す断面図である。

【００１８】同図において、電解質板１は燃料極（アノ
ード）２と酸化剤極（カソード）３とにより挟持され対
向配置されている。これら電解質板１、燃料極２および
酸化剤極３によって起電部４が構成されている。ここ
で、燃料極２および酸化剤極３は、燃料や酸化剤ガスを
流通させると共に電子を通すように、導電性の多孔質体
で形成されている。

【００１９】この参考例の燃料電池においては、液体燃
料を保持する機能をもつ燃料保持部と、燃料保持部に保
持される液体燃料が気化した気体燃料を燃料極２に導く
ための燃料気化部７が具備され、電池反応によって生じ
る反応熱が伝わる位置に液体燃料保持部を配置してい
る。このとき反応熱により４０℃程度以上に加熱される
位置に燃料保持部を近接させることが望ましい。

【００２０】図１においては、燃料保持部として機能す
る燃料浸透部材６を、起電部４上に層状に設けられた燃
料気化部７を介して積層することで、燃料保持部と燃料
極とが近接した単電池とすることを可能としている。ま
た、この単電池をセパレ一タ５を介して複数積層するこ
とにより、電池本体となるスタック９を構成している。
セパレータ５の酸化剤極３と接する面には、酸化剤ガス
を流すための酸化剤ガス供給溝８を連続溝として設けて
いる。

【００２１】積層された状態の燃料浸透部材６に燃料を
供給する手段として、スタック９の少なくとも１つの側
面に液体燃料タンクと接続された燃料導入路１０を形成
している。なお、燃料導入路１０は、必ずしも必要なも
のではなく、液体燃料タンク内の燃料が後述する燃料浸
透部に供給され得る機構になっていればよい。上記液体
燃料導入路１０内に導入された液体燃料は、スタック９
の側面から燃料浸透部材に供給され、さらに燃料気化部
７で気化されて燃料極２に供給される。この際、燃料保
持部を毛管現象を示す部材で構成することにより、補器
を用いずに毛管力で液体燃料を浸透させ燃料浸透部材６
に供給することができる。そのためには、液体燃料導入
路１０内に導入された液体燃料が、燃料浸透部材端面に
直接接触するような構成とされる。

【００２２】なお、図１のように単電池を積層してスタ
ック９を構成する場合は、上記セパレータ5、燃料浸透
部材６あるいは燃料気化部７に導電性材料を用いること
で、発生した電子を伝導する集電板として機能させるこ
とも可能である。

【００２３】さらに必要に応じて、燃料極２や酸化剤極
３と電解質板１との間に、層状、島状、あるいは粒状等
の触媒層を形成することもあるが、このような触媒層の
有無に制約を受けるものではない。また、燃料極２や酸
化剤極３自体を触媒電極としてもよい。前記触媒電極
は、触媒層単独でもよいが、導電性のペーパーやクロス
等の支持体の上に触媒層を形成したような多層構造を持
つものでもよい。

【００２４】上述したように、この参考例におけるセパ
レータ５は、酸化剤ガスを流すチャンネルとしての機能
を併せ持たせることができる。このように、セパレータ
とチャンネルの両方の機能を有する部品５（以下、チャ
ンネル兼用セパレータと記す）を用いることにより、よ
り部品点数を削減することができ、小型化をより一層図
ることが可能となる。なお、上記セパレータ５に代えて
通常のチャンネルを用いることも可能である。

【００２５】燃料貯蔵タンクから液体燃料導入路１０に
液体燃料を供給する方法としては、燃料貯蔵タンクの液
体燃料を自然落下させて、液体燃料導入路１０に導入す
る方法がある。この方法は、スタック９の上面より高い
位置に燃料貯蔵タンクを設けなければならないという構
造上の制約を除けば、液体燃料導入路１０に確実に液体
燃料を導入することができる。他の方法としては、液体
燃料導入路１０の毛管力で、燃料貯蔵タンクから液体燃
料を引き込む方法が挙げられる。この方法によれば、燃
料貯蔵タンクと液体燃料導入路１０との接続点、つまり
液体燃料導入路１０に設けられた燃料入口の位置を、ス
タック９の上面より高くする必要がなくなり、例えば上
記自然落下法と組み合せると、燃料タンクの設置場所を
自在に設定することができるという利点がある。

【００２６】但し、毛管力で液体燃料導入路１０に導入
された液体燃料を、引き続き円滑に毛管力で燃料浸透部
材６に供給するためには、液体燃料導入路１０の毛管力
より燃料浸透部材６への毛管力のほうが大きくなるよう
に設定することが重要である。なお、液体燃料導入路１
０の数は、スタック９の側面に沿って1つに限定される
ものではなく、他方のスタック側面にも液体燃料導入路
１０を形成することも可能である。

【００２７】また、上述したような燃料貯蔵タンクは、
電池本体から着脱可能とすることかできる。これによ
り、燃料貯蔵タンクを交換することで、電池の作動を継
続して長時間行うことが可能となる。また、燃料貯蔵タ
ンクから液体燃料導入路１０への液体燃料の供給は、上
述したような自然落下や、タンク内の内圧等で液体燃料
を押し出すような構成としてもよいし、また液体燃料導
入路１０の毛管力で燃料を引き出すような構成とするこ
ともできる。

【００２８】上述したような方法によって、液体燃料導
入路１０内に導入された液体燃料は、燃料浸透部材６に
供給されが、燃料保持部の形態としては、液体燃料浸透
部材に限らず、液体燃料をその内部に保持し、気化した
燃料のみを燃料気化部７を通して燃料極２に供給するよ
うな機能を有していれば特に限定されるものではなく、
例えば、液体燃料の通路を有し、その燃料気化部７との
界面に気液分離膜を具備したようなものでもよい。

【００２９】更に、毛管力により燃料浸透部材６に液体
燃料を供給する場合、燃料浸透部材６の形態は、液体燃
料を毛管力で浸透し得るものであれば特に限定されるも
のではなく、粒子やフィラーからなる多孔質体や、抄紙
法等で製造した不織布、繊維を織った織布等の他に、ガ
ラスやプラスチック等の板と板との間に形成された狭い
隙間等も用いることができる。

【００３０】以下に、燃料浸透部材６として多孔質体を
用いた場合について説明する。液体燃料を燃料浸透部材
６側に引き込むための毛管力としては、まず燃料浸透部
材６となる多孔質体自体の毛管力が挙げられる。このよ
うな毛管力を利用する場合、多孔質体である燃料浸透部
材６の孔を連結させた、いわゆる連続孔とし、その孔径
を制御すると共に、液体燃料導入路１０側の燃料浸透部
材６側面から少なくとも他の一面まで連続した連通孔と
することにより、液体燃料を横方向でも円滑に毛管力で
供給することが可能となる。

【００３１】燃料浸透部材６となる多孔質体の孔径等
は、液体燃料導入路１０内の液体燃料を引き込み得るも
のであればよく、特に限定されるものではないが、液体
燃料導入路１０の毛管力を考慮した上で、０．０１〜１
５０μｍ程度とすることが好ましい。また、多孔質体に
おける孔の連続性の指標となる孔の体積は、２０〜９０
％程度とすることが好ましい。孔径を０．０１μmより
小さくすると、燃料浸透部材６内部の液体燃料の浸透速
度が遅くなるのでスムーズな燃料供給ができなくなり、
また１５０μｍを超えると毛管力が低下してしまう。ま
た、孔の体積が２０％未満となると連続孔の量が減り、
閉鎖された孔が増えるため、毛管力を十分に得ることが
できなくなる。逆に、孔の体積が９０％を超えると、連
続孔の量は増加するものの、強度的に弱くなると共に製
造が困難となる。実用的には、孔径は０．５〜１００μ
ｍの範囲、また孔の体積は３０〜７５％の範囲とするこ
とが望ましい。

【００３２】液体燃料を燃料浸透部材６側に引き込むた
めの毛管力としては、上述した燃料浸透部材６となる多
孔質体自体の毛管力に限らない。図２は参考例の燃料電
池の変形例を示すものであるが、例えば図２に示すよう
に、チャンネル兼用セパレータ５の燃料浸透部材６と接
する面に、液体燃料供給溝１１を設け、この液体燃料供
給溝１１の毛管力を利用して液体燃料を燃料浸透部材６
側に引き込むよう構成することも可能である。この場
合、液体燃料導入路１０は、少なくとも液体燃料供給溝
１１の開放端部と液体燃料が直接接するように設けるも
のとする。また、液体燃料供給溝１１の毛管力と燃料浸
透部材６となる多孔質体自体の毛管力とを併用すること
も可能である。

【００３３】前記液体燃料供給溝１１の形状は、毛管力
が発揮できれば特に制約を受けるものではないが、少な
くとも溝１１による毛管力を燃料浸透部材６の毛管力よ
り小さくする必要がある。もし溝１１の毛管力が燃料浸
透部材６のそれより大きいと、液体燃料導入路１０中の
液体燃料は、液体燃料供給溝１１内には供給されるもの
の、燃料浸透部材６には供給することができなくなる。

【００３４】また、上記液体燃料供給溝１１は、液体燃
料導入路１０からその毛管力で液体燃料を引き込むもの
であるため、前述したように、燃料貯蔵タンクから液体
燃料導入路１０にその毛管力で液体燃料を導入する場合
には、液体燃料導入路１０の毛管力より液体燃料供給溝
１１の毛管力のほうが大きくなるように設定する。この
ように、液体燃料供給溝１１の形状は、燃料浸透部材６
となる多孔質体や液体燃料導入路１０の形状を考慮した
上で設定するものとする。

【００３５】このように、チャンネル兼用セパレータ５
に例えば水平方向に延びる液体燃料供給溝１１を設ける
ことによって、燃料極２の端部全面から液体燃料が燃料
浸透部材６に供給されると共に、溝１１を通して燃料浸
透部材６の横方向にも同時に燃料を供給できるため、液
体燃料導入路１０内の液体燃料を、より一層円滑に燃料
浸透部材６に供給することが可能となる。

【００３６】なお、上記した参考例では、チャンネル兼
用セパレータ５に酸化剤ガス供給溝８と液体燃料供給溝
１１の両方を形成したものについて説明したが、燃料浸
透部材６および酸化剤極３に対して個々にチャンネルを
設置してもよい。このような場合には、両チャンネル間
にガスを透過させない導電性板を設置したり、少なくと
も一方のチャンネルの面の孔を塞ぐ等によって、液体燃
料と酸化剤ガスとの分離を図るようにする。ただし、部
品点数の削減、ひいてはより一層の小形化を可能とする
ためには、チャンネルを兼用することが好ましい。

【００３７】上述した各参考例においては、チャンネル
兼用セパレータ５を介して起電部４、燃料浸透部材６、
燃料気化部７を積層したスタック９を有する燃料電池に
ついて説明した。しかし、燃料電池においてセパレータ
やチャンネルは必ずしも必要なものではない。図３は、
参考例に係る燃料電池の変形例を示す概略断面図であ
る。例えば、図３に示すように、起電部４、燃料浸透部
材６、燃料気化部７を、直接複数積層してスタック１２
を構成することも可能である。この際、酸化剤ガス供給
溝８は、例えば図３に示したように、酸化剤極３の燃料
浸透部材６と接する面に連続溝として形成する。

【００３８】また、上述したように燃料極２と酸化剤極
３とが直接接するような構成とする場合には、燃料浸透
部材６から酸化剤極３に液体燃料が引き込まれることを
防止することが望まれる。酸化剤極３に液体燃料が引き
込まれると、酸化剤ガスが流れにくくなり、電池反応を
阻害することになるためである。上記した酸化剤極３へ
の液体燃料の侵入を防止する方法としては、基本的には
酸化剤極３となる多孔質体の孔径を、液体燃料を毛管現
象で引き込まないような大きさに制御すればよい。ただ
し、適用する機器によっては、上記孔径を毛管現象で液
体燃料を引き込むような大きさにしなければならない場
合がある。そのような場合には、燃料浸透部材６となる
多孔質体の酸化剤極３側の面の孔を塞げばよい。

【００３９】但し、酸化剤極３に酸化剤ガス供給溝８を
設ける場合、酸化剤極３の溝８を除く燃料浸透部材６側
の面の孔を塞いでもよいが、液体燃料が酸化剤ガス供給
溝８の側面を通して酸化剤極３に侵入するおそれがあ
り、この場合は酸化剤極３の燃料浸透部材６との接触面
および酸化剤ガス供給溝８の側面の孔を塞ぐことが好ま
しい。

【００４０】このようにして電池内に導入された液体燃
料は、燃料気化部７で気化されて燃料極２に到達する。
このためには、燃料浸透部材６の毛管力より燃料気化部
７の毛管力の方が小さくなるように設定することが重要
である。もし燃料気化部７の毛管力の方が燃料浸透部材
６のそれより大きいと、燃料浸透部材６中の液体燃料は
気化せずに液体状態で燃料気化部７に浸透し、液体燃料
が燃料極２に供給されることになる。

【００４１】燃料気化部７に求められる条件は、燃料浸
透部材６中の液体燃料が気化した気体が拡散する空間が
あり、燃料浸透部材６中の液体燃料に燃料電池による反
応熱が伝わる位置に配置することであり、単電池を積層
してスタックを構成する場合は更に電子導電性が求めら
れる。以上の条件が満たされていればその形態は特に限
定されない。例えば、導電性が求められなければ単に燃
料保持部と燃料極との間に空間を設けるだけでもよく、
また導電性多孔体や導電性のメッシュを燃料極２と燃料
浸透部材６との間に積層したり、導電性のワイヤーや繊
維、粒子などを柱として燃料極２と燃料保持部との間に
挟持して微空間を形成したりすることも可能である。

【００４２】また、液体燃料が気化する燃料保持部と燃
料気化部の界面が、起電部から１ｃｍ以内、好ましくは
５ｍｍ以内の距離となるような形状に燃料気化部を設定
することで、燃料電池の反応熱を液体燃料の気化に有効
に利用することができる。さらに前述のように燃料極２
と燃料保持部との間に適当なものを挟持することで反応
熱を液体燃料に有効に伝えることが可能となる。

【００４３】燃料気化部７を多孔質体で形成する場合、
先にも述べたようにその細孔径等は、燃料浸透部材６中
の液体燃料を引き込まず、気化した燃料が拡散し得るも
のであればよく、特に限定されるものではないが、燃料
浸透部材６の毛管力を考慮した上で、5μm以上とするこ
とが好ましい。また、多孔質体の孔の体積は２０〜９０
％程度とすることが好ましい。

【００４４】図１の参考例では、燃料浸透部材６と燃料
気化部７を独立した部材で構成しているが、液体燃料が
各単電池内部に保持され、かつ電池の内部で気化される
ものであればこの構成に限定されるものではない。例え
ば、平均孔径を厚さ方向に沿って変化させた多孔質傾斜
材を用いる方法もある。この場合、平均孔径が大きい方
の面が燃料極２に接するように配置する。即ち、孔径が
小さい側が燃料浸透部材、孔径が大きい側が燃料気化部
として機能する。この場合、気化部の液体燃料保持部と
接する面は、燃料の種類、多孔質体の細孔径の分布具合
あるいは、液体燃料の圧力の度合いによって調整するこ
とが可能である。

【００４５】他にも、多孔質板の厚み方向に対して一方
の側を液体燃料との濡れ性が良い材料で、他方の側を濡
れ性が悪い材料で成形し、濡れ性が良い方を燃料浸透部
材、濡れ性が悪い方を燃料気化部として機能させる方法
もある。この場合、液体燃料との濡れ性が悪い面が燃料
極２に接するように配置する。

【００４６】図１では燃料気化部７が燃料浸透部材６と
燃料極２との間にある例を示したが、燃料気化部を燃料
浸透部材の一部に形成することもできる。以下に図面を
用いてその一例を示す。

【００４７】図４（ａ）は本発明の一実施例を示す断面
図、図４（ｂ）は（ａ）に用いる平板の平面図である。
上述の参考例と同じ番号は同じ部材を意味する。対向配
置された２枚の平板１５、１６の間に毛管現象が生じる
ような間隔を空けて薄い隙間１７を形成し、その隙間１
７に液体燃料を保持する。即ち、２枚の平板１５、１６
が液体浸透部材を形成している。

【００４８】ここで、２枚の平板のうち燃料極２と接す
る平板１６には、開口が設けられている。これにより、
平滑板１５、１６に挟まれる部分には液体燃料が保持さ
れるが、開口部においては、燃料極と平板１５との間に
挟まれる間隙１７が広くなるため液体燃料は保持され
ず、空間が形成される。隙間１７に保持された液体燃料
は、前記空間との界面において電池の反応熱で気化さ
れ、穴あき板１６の穴を通って燃料極２に供給される。
即ち、平板１５、１６が対向配置される部分（穴あき板
１６の穴の無い部分）が燃料浸透部材６として機能し、
燃料極２と平板１５で形成される間隙部分（穴あき板１
６の穴の部分）が燃料気化部７として機能する。この様
に、燃料浸透部６と燃料気化部７とを並列配置すること
によって電池の厚みを薄くする事が可能になる。

【００４９】この構造は、各単電池を平面上に配置して
電気的に直列接続するような平板型燃料電池に適してい
る。

【００５０】図４の燃料電池を用いた平板型燃料電池の
一実施例を図５に示す。

【００５１】単電池を直列に接続する場合には、第１の
単電池の酸化剤極と、第２の単電池の燃料極とを接続用
導電体１８により接続している。また、それぞれの燃料
浸透部材は平板１５、１６を共用しているため、燃料導
入路１０も共有させることが可能である。

【００５２】この場合、各単電池は接続用導電体１８を
用いて直列接続されるため、燃料浸透部材６及び燃料気
化部７を形成する平板１５、１６は電気導電性を持つ必
要はなく、通常のガラスやプラスチックを用いることが
できる。

【００５３】燃料気化部を燃料浸透部材の一部に形成す
る方法としては上記の方法に限られるものではなく、例
えば、図６に示すように燃料浸透部材６として多孔板を
用い、その燃料極２に接する一部に、燃料気化部７とし
ての空間を形成する方法や、その空間に燃料浸透部材６
を構成する多孔体より細孔径の大きな多孔板を埋め込む
方法もある。その際、燃料浸透部材６を構成する多孔体
と燃料極２の界面に、液体燃料が直接燃料浸透部材６か
ら燃料極２へ浸透しないような処置をする必要がある。
その方法としては、燃料浸透部材６の燃料極２との界面
の細孔を塞ぐ方法や、界面に液体燃料不透過膜を設ける
などの方法がある。

【００５４】

【実施例】次に、本発明の燃料電池の具体例およびその
評価結果について述べる。本発明の目的は簡素化かつ小
型化された燃料電池であるので、先にも述べたようにシ
ステムが極めて複雑で小型化が困難な従来型の燃料気化
供給型燃料電池は比較対象外とし、小型化の可能性があ
る液体供給型の液体燃料電池と比較する。

【００５５】参考例1 図７に参考例で用いた燃料電池の断面図を示す。

【００５６】以下に示す要領で作製した。まず、カーボ
ンクロス上にPt-Ru系触媒層を塗布した３２ｍｍ×３２
ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの燃料極２と、カーボンクロス上
にPtブラック触媒層を塗布した３２ｍｍ×３２ｍｍ、厚
さ０．５ｍｍの酸化剤極３とで、触媒層が電解質膜と接
するようにしてパーフルオロスルホン酸膜からなる４０
ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの電解質膜１を挟持し
た。これらを、１２０℃で５分間、１００ｋｇ／ｃｍ²
の圧力でホットプレスして接合し、起電部４を作製し
た。

【００５７】起電部４の燃料極２上に、燃料気化層７お
よび燃料浸透層６となる多孔質板を順次配置した。これ
を、起電部４の酸化剤極側に配置された酸化剤供給溝を
有する酸化剤極側ホルダー１３と燃料極側ホルダー１４
とからなるホルダー内部に組み込み、反応面積１０ｃｍ
²の単電池を作製した。

【００５８】前記燃料気化層７に用いた多孔質板は、平
均細孔径１００μｍ、３２ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ５ｍｍ
のカーボン多孔質板を用い、一部をホルダー外部に露出
させることで、電池反応によって発生するＣＯ₂を単電
池外部に放出できるようにしてある。

【００５９】前記燃料浸透層６に用いた多孔質板は、平
均細孔径２０μｍ、３２ｍｍ×４０ｍｍ、厚さ５ｍｍの
カーボン多孔質板を用い、一部をホルダー外部に突出さ
せ、突出部を液体燃料タンクに浸漬した。

【００６０】前記酸化剤側ホルダー１３に形成された酸
化剤供給溝は、深さ１ｍｍ、幅１ｍｍの溝を等間隔に複
数本形成してあり、酸化剤供給溝の一端から空気を導入
し、他端から反応生成物である水を排出させている。

【００６１】このようにして得た液体燃料電池に、液体
燃料としてメタノールと水の１：１（モル比）混合液を
燃料浸透層６の側面から毛管力で導入し、酸化剤ガスと
して１ａｔｍの空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガスチャン
ネル８に流して８０℃で発電を行った。この電池の電流
−電圧特性を図８に示す。

【００６２】比較例１従来型の液体供給型燃料電池（単電池）を、以下に示す
要領で作製した。まず、参考例１と同様にして起電部の
接合体を作製した。この起電部を、燃料極側を液体燃料
流路板、酸化剤極側を参考例１と同じガスチャンネルで
挟んで反応面積１０ｃｍ²の単電池を作製した。

【００６３】このようにして得た液体燃料電池に、液体
燃料としてメタノールと水の１：１（モル比）混合液を
１atm、３ｍｌ／ｍｉｎでポンプで循環させ、酸化剤ガ
スとして１気圧の空気を１００ｍｌ／ｍｉｎでガスチャ
ンネルに流して８０℃で発電を行った。この電池の電流
−電圧特性を図８に示す。

【００６４】図８から明らかなように、参考例１の液体
燃料電池においては５Ａ程度まで安定して出力が取り出
せるが、比較例１の液体燃料電池においては電流の増加
と共に速やかに出力が低下し、２Ａも電流が取れない。
比較例１の液体供給型燃料電池の性能が低い原因は、液
体燃料と燃料極との間の電極反応活性が低いことと、液
体メタノールが電解質膜を酸化剤極側に透過してしまう
メタノール・クロスオーバーが生じたことによる。これ
に対し、参考例１の燃料電池は、燃料極には気化した燃
料が供給されるため、電極反応活性が高く、メタノール
・クロスオーバーも生じにくい。このため、高負荷でも
安定して高い性能が得られる。

【００６５】参考例２参考例１と同様にして作製した単電池を５個積層し、そ
れぞれの燃料浸透部材の突出部を、１：１の混合比で作
られたメタノールと水の混合液が充填された燃料導入路
を介して接続した。

【００６６】酸化剤ガスとして１atmの空気を５００ｍ
ｌ／ｍｉｎでガスチャンネル８に流して８０℃で２Ａの
負荷をとって発電を行った。

【００６７】図９に、各単電池の出力の値を示す。

【００６８】比較例２燃料浸透部材を取り除き、燃料浸透部材に対応する位置
を空間とし、燃料導入路に気化した燃料を５００ｍｌ／
ｍｉｎ流入させたことを除き、参考例１と同様の実験を
行った。

【００６９】図９に、本比較例に用いた燃料電池の各単
電池の出力の値を併記する。

【００７０】図９から明らかなように、参考例２では各
単電池において、略均一な出力が得られているのに対
し、比較例２では各単電池の出力にバラツキがあり、十
分な出力が得られていない単電池が存在することが分か
る。

【００７１】実施例においては、メタノールと水とから
なる混合液を液体燃料として用いたが、本発明における
液体燃料はこれに限られるものではなく、触媒などと接
触・反応させることで電解質に水素イオンを供給できる
ものであれば使用することが可能であり、例えばエタノ
ールなどのアルコール類や、ジメチルエーテル等のエー
テル類、ヒドラジンなどを含有する液体燃料なども使用
できる。

【００７２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
によれば、ポンプやブロア等を用いなくとも、簡素な構
造で液体燃料を円滑に気化供給することができる。これ
により、従来困難とされていた小型の燃料電池を提供す
ることが可能となる。

【００７３】また、複数の単電池に供給される燃料濃度
のバラツキを抑制することが可能となり、安定した発電
を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】参考例による燃料電池の要部構成を示す断面
図。

【図２】参考例の燃料電池の他の実施例の要部構成を示
す斜視図。

【図３】参考例によるセパレータを省いた燃料電池の要
部構成を示す断面図。

【図４】本発明の一実施例による燃料電池の他の要部構
成を示す断面図。

【図５】図４に示す燃料電池を用いた平板型燃料電池の
構成例を示す断面図。

【図６】本発明の一実施例による燃料電池の更に他の要
部構成を示す断面図。

【図７】参考例１に係わる燃料電池の断面図。

【図８】参考例１及び比較例１に係わる燃料電池の電流
−電圧特性図。

【図９】参考例および比較例における電池出力を示す
図。

【符号の説明】

１・・・電解質板２・・・燃料極３・・・酸化剤極４・・・起電部５・・・セパレータ６・・・燃料浸透部材７・・・燃料気化部８・・・酸化剤ガス供給溝９・・・スタック１０・・・液体燃料導入路１１・・・液体燃料供給溝１２・・・セパレータを用いないスタック１３・・・酸化剤極側ホルダー１４・・・燃料極側ホルダー１５・・・平板１６・・・開口を有する平板１７・・・隙間１８・・・接続用導電体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者安田一浩神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者高下雅弘神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (56)参考文献特開平４−14765（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−66066（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−132678（ＪＰ，Ａ) 特開平12−106201（ＪＰ，Ａ) 実開昭58−34286（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/02 - 8/24

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質板を挟んで燃料極及び酸化剤極が
設けられ、起電を行う起電部を有する単電池を具備し、
燃料として液体燃料を用いる燃料電池において、供給された液体燃料を浸透させ、浸透した液体燃料を気
化させた後この気化させた燃料を、その表面に形成され
た穴を介して前記燃料極に供給する燃料浸透部材とを備
えて成ることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】電解質板を挟んで燃料極及び酸化剤極が
設けられ、起電を行う起電部を有する単電池を具備し、
燃料として液体燃料を用いる燃料電池において、供給された液体燃料を浸透させ、気化させて前記燃料極
に供給する燃料浸透部材とを備え、前記燃料浸透部材は、前記燃料極上に設けられ穴を有す
る第１の平板と、この第１の平板に所定の隙間をおいて
設けられた第２の平板とから成り、前記隙間に浸透した前記液体燃料を浸透させ、浸透した
液体燃料を気化させた後この気化させた燃料を前記第１
の平板に設けられた穴から前記燃料極に供給することを
特徴とする燃料電池。
【請求項３】電解質板を挟んで燃料極及び酸化剤極が
設けられ、起電を行う起電部を有する単電池を具備し、
燃料として液体燃料を用いる燃料電池において、前記燃料極の、前記電解質板の設けられた側と反対の側
に設けられ、供給された前記液体燃料を浸透させると共
にこの浸透した液体燃料が前記燃料極に浸透することを
防止する処置を前記燃料極との界面に施した燃料浸透部
材とを備え、この燃料浸透部材は、前記液体燃料を気化させこの気化
させた燃料を前記燃料極に供給する穴を有することを特
徴とする燃料電池。