JP4664714B2 - 燃料電池ユニットおよび燃料電池ユニット集合体並びに電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池ユニットおよび燃料電池ユニット集合体並びに電子機器に関する。

近年、携帯端末等の電源として、直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）などの燃料電池の開発が盛んである。燃料電池は、電解質膜をアノード（燃料極）およびカソード（空気極）で挟んでなる膜電極接合体（膜電極複合体、Membrane Electrode Assembly: ＭＥＡ）を有している。そして、ＭＥＡから効率的に電気エネルギーを取り出すため、ＭＥＡは一対の集電板に挟持されている。

例えば、特許文献１に示されるように、ＭＥＡを積層した燃料電池スタックの場合、燃料電池スタックの両外側に締結プレートをそれぞれ設け、この締結プレートの四隅を締結ボルトで締結することによって、ＭＥＡを一対の集電板で挟んでいる。
特開平９−９２３２３号公報（段落番号００１４〜００１７、図１）

しかしながら、特許文献１に記載のように締結プレートの四隅を締結ボルトで締結すると、図１５に示すように、ＭＥＡ１０２を挟む一対の集電板１０３、１０４の四隅近傍に、最も大きな挟持力（締め付け荷重）が作用し、この四隅近傍から遠ざかるに伴って、その挟持力が小さくなる。すなわち、ＭＥＡ１０２は、集電板１０３、１０４に挟まれるものの、その挟持力は、集電板１０３、１０４の各辺の中間位置や、ＭＥＡ１０２の中央位置で小さくなる分布となる。そして、ＭＥＡ１０２の中央位置での挟持力が一定値を下回ると、ＭＥＡ１０２と集電板１０３、１０４との間に隙間が形成され、メタノール水溶液（液体燃料）が漏れてしまい、燃料電池の出力が低下する場合がある。

そこで、本発明は、膜電極接合体と集電板とが好適に密着し、液体燃料が漏れにくい燃料電池ユニットおよび燃料電池ユニット集合体並びにこれらを備えた電子機器を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、液体燃料が供給されることで発電する燃料電池ユニットであって、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の一対の集電板と、前記液体燃料が貯溜される液体燃料貯溜空間を有する燃料タンクと、前記集電板を前記膜電極接合体の配置領域内で挟持する挟持手段と、を備えたことを特徴とする燃料電池ユニットである。

ここで、「膜電極接合体の配置領域内」とは、膜電極接合体の外縁の内側を意味する。したがって、挟持手段による挟持位置は、膜電極接合体の外縁の内側であれば、例えば、後記する第１参考形態で記載するように、膜電極接合体の貫通孔に相当する部分であってもよいとする。
また、後記する第７参考形態で記載するように、複数の膜電極接合体が面方向に配置する場合には、面方向に配置した複数の膜電極接合体の外縁の内側であればよいとする。

このような燃料電池ユニットによれば、一対の集電板で膜電極接合体を挟み、挟持手段によって、集電板を膜電極接合体の配置領域内で挟持することにより、膜電極接合体の中央位置などにおいて、膜電極接合体と各集電板とは好適に密着する。これにより、液体燃料が膜電極接合体と集電板との間から漏れにくくなると共に、膜電極接合体で発生した電位差に基づいて、電気エネルギーを取り出すことができる。

本発明によれば、膜電極接合体と集電板とが好適に密着し、液体燃料が漏れにくい燃料電池ユニットおよび燃料電池ユニット集合体並びにこれらを備えた電子機器を提供することができる。

≪本発明の概念≫
まず、本発明の実施形態の説明に先立って、図１を参照して、本発明の概念について説明する。図１は、本発明の概念を模式的に示す斜視図である。
図１に示すように、本発明は、ＭＥＡ２を、一対の集電板３、集電板４で挟持する際に、ＭＥＡ２の配置領域内で最大挟持力となるように挟持することを特徴とする。なお、図１は、円盤状のＭＥＡ２の両面側に、ＭＥＡ２より若干大きい円盤状の集電板３、４をＭＥＡ２と同一の中心軸線Ｘ１上に配置し、集電板３、４をＭＥＡ２の配置領域の中心位置（ＭＥＡ２の中心を通る位置）で挟持する場合を示している。

以下、このような本発明の概念を利用した実施形態について、図面を適宜参照して説明する。なお、実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。

≪第１参考形態≫
第１参考形態に係るＤＭＦＣユニット（燃料電池ユニット）について、図２から図４を参照して説明する。参照する図面において、図２は、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットの斜視図である。図３は、図２に示すＤＭＦＣユニットのＸ−Ｘ線断面図である。図４は、図２に示すＤＭＦＣユニットの分解斜視図である。

≪ＤＭＦＣユニットの構成≫
図２に示すように、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１は、その外形が略円柱体である。ＤＭＦＣユニットＵ１は、アノード１１Ｂにメタノール水溶液（液体燃料）が、カソード１１Ｃに酸素が供給されることで発電する直接メタノール型燃料電池である。このようなＤＭＦＣユニットＵ１は、例えば、ノートパソコンなどの携帯端末の外部電源として使用される。そして、図２に加えて、図３および図４に示すように、ＤＭＦＣユニットＵ１は、ＭＥＡモジュール１０と、燃料タンク２０と、挟持手段４０とを主に備えている。

＜ＭＥＡモジュール＞
ＭＥＡモジュール１０は、その外形が円盤状であり、ＭＥＡ１１と、一対の集電板１２（アノード集電板）、集電板１３（カソード集電板）とを主に備えており、これらがモジュール化されたものである。

［ＭＥＡ］
ＭＥＡ１１は、その外形が薄型の円盤状である。したがって、第１参考形態に係る「ＭＥＡの配置領域」は円形であり、その外縁は円状である。ＭＥＡ１１は、その中心軸線上に貫通孔１１ａ（図４参照）を有している。そして、貫通孔１１ａには、後記するねじ棒４２が通されている。
このようなＭＥＡ１１は、円盤状の電解質膜１１Ａと、円盤状のアノード１１Ｂ（燃料極）と、円盤状のカソード１１Ｃ（空気極）とから構成されている。そして、ＭＥＡ１１は、電解質膜１１Ａを、アノード１１Ｂとカソード１１Ｃとで挟むことによって構成されている。
なお、電解質膜１１Ａ、アノード１１Ｂ、カソード１１Ｃは同一の中心軸線上に配置している。電解質膜１１Ａ、アノード１１Ｂ、カソード１１Ｃは、その中心軸線上に貫通孔をそれぞれ有しており、これらが重ねられることで、貫通孔１１ａは構成されている。また、リング状のシール部材Ｓ１がアノード１１Ｂの外縁に沿って、リング状のシール部材Ｓ２がアノード１１Ｂの内縁に沿って、それぞれ設けられてシール性が高められており、メタノール水溶液が外部に漏れないようになっている。これと同様に、シール部材Ｓ１、Ｓ２が、カソード１１Ｃの外縁、内縁に沿って設けられている。

電解質膜１１Ａは、アノード１１Ｂで生成したプロトン（Ｈ⁺）を選択的にカソード１１Ｃに輸送するための膜である。このような電解質膜１１Ａとしては、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）等からなる膜から適宜に選択して使用することができる。なかでも、電解質膜１１Ａとして、含フッ素カーボンスルホン酸基を有するイオン交換樹脂からなる膜を選択することが好ましく、具体的には、米国デュポン社製のナフィオン（登録商標）が挙げられる。

アノード１１Ｂは、ガス拡散電極とも称される電極であり、燃料であるメタノールを酸化して電子とプロトンを生成するものである。このようなアノード１１Ｂは、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロスなど導電性部材の電解質膜１１Ａ側の面に、触媒として、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）の微粒子、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの遷移金属と白金との合金あるいは酸化物などの微粒子が担持されたものが使用される。

カソード１１Ｃは、ガス拡散電極とも称される電極であり、アノード１１Ｂから外部回路を経由して移動してきた電子と、アノード１１Ｂで生成した後に電解質膜１１Ａ中を移動してカソード１１Ｃに到達したプロトンとを反応させて水を生成させるものである。このようなカソード１１Ｃは、アノード１１Ｂと同様、例えば、カーボンペーパの電解質膜１１Ａ側の面に、白金などの触媒を担持したものが使用される。

［集電板］
集電板１２、集電板１３は、ＭＥＡ１１で発生した電位差に基づいて、電気エネルギーを効率的に取り出すための板であり（図４参照）、導電性および耐食性を有する材料（例えばチタンなどの金属）から形成されている。また、集電板１２、１３は所定の厚さ（例えば、０．０５〜０．２ｍｍ）を有しており、所定の剛性を有している。さらに、集電板１２、１３の外形は円盤状であり、その中心軸線上に貫通孔１２ａ、１３ａを有している。そして、貫通孔１２ａ、１３ａには、後記するねじ棒４２が通されている。

集電板１２はＭＥＡ１１のアノード１１Ｂ側に、集電板１３はＭＥＡ１１のカソード１１Ｃ側に配置している。そして、挟持手段４０によって、集電板１２と集電板１３とでＭＥＡ１１を挟んでおり、集電板１２はアノード１１Ｂに、集電板１３はカソード１１Ｃにそれぞれ密着している。

集電板１２には、周方向および径方向に、複数の燃料流通孔１２ｂが形成されている（図４参照）。そして、燃料タンク２０内のメタノール水溶液が、燃料流通孔１２ｂを通って、アノード１１Ｂに供給されるようになっている。また、集電板１２には、出力端子となるマイナス端子１２ｄが取り付けられている。さらに、集電板１２の表面のうち、アノード１１Ｂに接触しない部分には、樹脂製の絶縁被膜（図示しない）が形成されており、不要な短絡が防止されている。

集電板１３には、周方向および径方向に、複数の空気流通孔１３ｂが形成されている（図４参照）。そして、ＤＭＦＣユニットＵ１の外部の酸素を含む空気が、空気流通孔１３ｂを通って、カソード１１Ｃに供給されるようになっている。さらに、集電板１３の表面のうち、カソード１１Ｃに接触しない部分には、樹脂製の絶縁被膜（図示しない）が形成されており、不要な短絡が防止されている。

＜燃料タンク＞
燃料タンク２０は、薄型の有底円筒体を呈し、周壁２１および底壁２２を有しており（図３、図４参照）、その内部にメタノール水溶液が一時的に貯溜される燃料室２０ａ（液体燃料貯溜空間）を有している。そして、燃料タンク２０は、ＭＥＡモジュール１０のアノード１１Ｂ側（図３の下側）に配置している。つまり、燃料タンク２０のＭＥＡモジュール１０側（図３の上側）は開口している。

燃料タンク２０とＭＥＡモジュール１０との間には、リング状のシール部材Ｓ３が設けられている。これにより、メタノール水溶液が、燃料タンク２０とＭＥＡモジュール１０との隙間から、外部に漏れないようになっている。

燃料タンク２０の周壁２１には、燃料室２０ａと外部とを連通する連通孔２１ａが形成されている。そして、連通孔２１ａを燃料室２０ａ側から塞ぐように、二酸化炭素透過膜３１が固定されている。このような二酸化炭素透過膜３１としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレンを基材とした多孔質膜（例えば、ジャパンゴアテックス株式会社製のＮＷラミネート膜）などを使用することができる。

したがって、ＤＭＦＣユニットＵ１が発電した際に、アノード１１Ｂで発生した二酸化炭素が、二酸化炭素透過膜３１を透過して、ＤＭＦＣユニットＵ１の外部に排出されるようになっている。これにより、二酸化炭素が燃料室２０ａ内に残留せず、メタノール水溶液がアノード１１Ｂに良好に供給され、ＤＭＦＣユニットＵ１が出力を低下させずに継続して発電するようになっている。

燃料タンク２０の底壁２２には、その中心軸線上に貫通孔２２ａが形成されている。そして、貫通孔２２ａには、後記するねじ棒４２が通されている。

また、燃料タンク２０には、燃料取込パイプ２４が固定されている。燃料取込パイプ２４は、メタノール水溶液が封入された燃料カートリッジ（図示しない）に接続する部分である。そして、メタノール水溶液が、燃料カートリッジから燃料取込パイプ２４を経由して、燃料室２０ａに供給されるようになっている。

＜挟持手段＞
挟持手段４０は、ＭＥＡモジュール１０を挟む手段である。挟持手段４０による挟持位置は、ＭＥＡ１１の配置領域内であるＭＥＡ１１の中心軸線上に設定されている。このような挟持手段４０は、燃料室２０ａに配置されたスペーサ４１（軸部材）と、スペーサ４１の上面に固定されたねじ棒４２（軸部材）と、スペーサ４１の下面に固定されたねじ棒４２と、各ねじ棒４２のねじ溝に螺合するフランジ付のナット４３、４３（螺合部材）とを備えて構成されている。

スペーサ４１は、その外形が略円柱体を呈し、各ねじ棒４２に各ナット４３が螺合した際に、ＭＥＡモジュール１０と底壁２２との間隔を所定の長さに確保し、燃料室２０ａの高さ空間を確保するための部材である。スペーサ４１の高さＨ１は、燃料室２０ａの深さＤ１より若干短い程度に設定されている。スペーサ４１の上下には、リング状のシール部材Ｓ４、Ｓ４がそれぞれ設けられており、スペーサ４１と集電板１２との間、スペーサ４１と底壁２２との間から、メタノール水溶液が外部に漏れないようになっている。

スペーサ４１の上面に固定されたねじ棒４２は、貫通孔１２ａ、貫通孔１１ａ、貫通孔１３ａを通って、集電板１３の上面側に突出している。ここで、前記したように、貫通孔１１ａがＭＥＡ１１の中心軸線上に形成されているため、ねじ棒４２はＭＥＡ１１の配置領域に対して、配置領域の中心を通る法線方向に配置していることになる。
一方、スペーサ４１の下面に固定されたねじ棒４２は、貫通孔２２ａを通って、底壁２２の下側に突出している。

したがって、ＤＭＦＣユニットＵ１の上側において、ナット４３をねじ棒４２に所定に螺合させることにより、スペーサ４１とナット４３とが、ＭＥＡモジュール１０を挟持するようになっている。このようにＭＥＡモジュール１０が挟持されると、剛性を有する集電板１２と集電板１３とが、ＭＥＡ１１を挟持するようになっている。また、このように挟持されることで、シール部材Ｓ１、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ２、Ｓ４が押し潰され、良好にシールされるようになっている。

ここで、ねじ棒４２が、前記したように、ＭＥＡ１１の配置領域に対して、その中心を通る法線方向に配置していることにより、集電板１２および集電板１３によって、ＭＥＡ１１が挟持される挟持力の分布は、その径方向外側に向かって若干小さくなるものの、周方向では等しくなっている（図１参照）。これにより、アノード１１Ｂ側の集電板１２とアノード１１Ｂとの密着性、カソード１１Ｃ側の集電板１３とカソード１１Ｃとの密着性は、従来と比較して飛躍的に高まっている。また、ＭＥＡ１１の中心側において、ＭＥＡ１１と集電板１２、１３とは良好に密着しており、メタノール水溶液が漏れないようになっている。

一方、ＤＭＦＣユニットＵ１の下側において、ナット４３をねじ棒４２に所定に螺合させることにより、スペーサ４１とナット４３とが、燃料タンク２０の底壁２２を挟持し、シール部材Ｓ４が所定に押し潰され、シールされるようになっている。
また、上側のナット４３、下側のナット４３が共に螺合されることで、シール部材Ｓ３が押し潰されて、シールされるようになっている。

≪ＤＭＦＣユニットの動作≫
次に、ＤＭＦＣユニットＵ１の動作について、図３を主に参照して説明する。

＜ＤＭＦＣユニット−アノード側＞
まず、ＤＭＦＣユニットＵ１のアノード１１Ｂ側について説明する。
メタノール水溶液（メタノール濃度は例えば１０質量％）が、外部の燃料カートリッジから、燃料取込パイプ２４を介して、燃料室２０ａに供給され、燃料室２０ａに一時的に貯溜される。次いで、燃料室２０ａのメタノール水溶液が、集電板１２の複数の燃料流通孔１２ｂを通って、ＭＥＡ１１のアノード１１Ｂに供給される。

メタノール水溶液が供給されたアノード１１Ｂでは、ＤＭＦＣユニットＵ１の出力端子（マイナス端子１２ｄ、プラス端子１３ｄ）に接続した電子機器（ノートパソコンなど）の電力要求に応じて、次の式（１）に示すように、担持された白金などの触媒存在下で、メタノールと水とが反応し、プロトン（Ｈ⁺）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、電子（ｅ^-）が生成する。次いで、プロトン（Ｈ⁺）は濃度勾配を駆動力として、電解質膜１１Ａ中をカソード１１Ｃに向かって移動する。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）

また、アノード１１Ｂで生成した二酸化炭素は、アノード１１Ｂから燃料流通孔１２ｂを通って、燃料室２０ａ内のメタノール水溶液に気泡として混入する。次いで、この二酸化炭素の気泡は、メタノール水溶液内を移動し、二酸化炭素透過膜３１を透過して、ＤＭＦＣユニットＵ１の外部に速やかに排出される。したがって、燃料室２０ａのメタノール水溶液中に二酸化炭素の気泡は残留しにくく、アノード１１Ｂに良好にメタノール水溶液が供給される。

＜ＤＭＦＣユニット−カソード側＞
次に、ＤＭＦＣユニットＵ１のカソード１１Ｃ側について説明する。
酸素を含む空気が、集電板１３の複数の空気流通孔１３ｂを通って、ＭＥＡ１１のカソード１１Ｃに供給される。カソード１１Ｃでは、酸素と、電解質膜１１Ａを移動してきたプロトン（Ｈ⁺）と、外部の電子機器を経由した電子（ｅ^-）とが反応し、次の式（２）に示すように、水が生成する。

Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ …（２）

このようなアノード１１Ｂ、カソード１１Ｃでの反応が連続的に起こることによって、ＤＭＦＣユニットＵ１が継続して発電する。
ここで、前記したように、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１では、アノード１１Ｂと集電板１２、カソード１１Ｃと集電板１３とが好適に密着しているため、ＭＥＡ１１で発生した電位差に基づいて、電気エネルギーを効率的に取り出すことができる。

≪第２参考形態≫
次に、第２参考形態に係るＤＭＦＣユニットについて、図５を参照して説明する。図５は、第２参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。

≪ＤＭＦＣユニットの構成≫
図５に示すように、第２参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ２は、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１（図３参照）と比較して、集電板１２Ａ、集電板１３Ａを備えると共に、集電板１３Ａの上側（外側）に挟持プレート１４を備えている。

＜集電板＞
集電板１２Ａ、集電板１３Ａの厚さは、第１参考形態に係る集電板１２、集電板１３（図３参照）の厚さよりも薄く、その剛性は低くなっている。これにより、集電板１２Ａは、アノード１１Ｂの表面の僅かな凹凸にも追従し、アノード１１Ｂに良好に密着するようになっている。同様に、集電板１３Ａは、カソード１１Ｃに密着するようになっている。
また、集電板１２Ａには、貫通孔１２Ａａと燃料流通孔１２Ａｂが形成されている。集電板１３Ａには、貫通孔１３Ａａと空気流通孔１３Ａｂとが形成されている。

＜挟持プレート＞
挟持プレート１４は、その外形が円盤状であり、その中心軸線上に貫通孔１４ａが形成されている。この貫通孔１４ａには、ねじ棒４２が通されている。また、挟持プレート１４には、集電板１３Ａの空気流通孔１３Ａｂに対応して、複数の空気流通孔１４ｂが形成されており、酸素を含む空気が空気流通孔１４ｂ、空気流通孔１３Ａｂを経由して、カソード１１Ｃに供給されるようになっている。

さらに、挟持プレート１４は、所定厚み（例えば０．２〜２．０ｍｍ）を有しており、所定の剛性を備えている。このような挟持プレート１４は、例えば、少なくとも表面が絶縁処理されたステンレス、アルミニウム、マグネシウム等の各合金や、耐食性を有する樹脂材などから形成される。
したがって、第１参考形態に比較して剛性の低い集電板１２Ａ、集電板１３Ａであっても、集電板１３Ａの上側から挟持プレート１４で挟持するため、集電板１２Ａとアノード１１Ｂ、集電板１３Ａとカソード１２Ｂとが、それぞれ好適に密着するようになっている。

≪第３参考形態≫
次に、第３参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ３について、図６を参照して説明する。図６は、第３参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。

≪ＤＭＦＣユニットの構成≫
図６に示すように、第３参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ３は、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１と比較して（図３参照）、引張コイルバネ４５を含む挟持手段を備えたことが特徴である。

＜挟持手段＞
第３参考形態に係る挟持手段は、スペーサ４４と、引張コイルバネ４５と、端板４６とを主に備えている。スペーサ４４は、スペーサ４１（図３参照）と同様に燃料室２０ａに配置されており、その上下面にシール部材Ｓ４、Ｓ４が設けられている。

引張コイルバネ４５は、貫通孔１２ａ、貫通孔１１ａ、貫通孔１３ａに遊挿されている。引張コイルバネ４５の下端はスペーサ４４に固定されており、引張コイルバネ４５の上端は端板４６に固定されている。なお、端板４６は、集電板１３の上面に係止されている。そして、引張コイルバネ４５の引張力（付勢力）によって、スペーサ４４と端板４６とが引っ張られ、ＭＥＡモジュール１０が挟持されるようになっている。

このようなＤＭＦＣユニットＵ３によれば、引張コイルバネ４５の引張力（付勢力）を利用して、ＭＥＡモジュール１０を挟持する構成としたことにより、ＤＭＦＣユニットＵ３の使用環境（例えば、温度や湿度）に基づいた各部材の寸法変化による挟持力の変化を、引張コイルバネ４５で緩和することができる。すなわち、ＤＭＦＣユニットＵ３の使用環境の変化に基づくＭＥＡモジュール１０の挟持力の変化を抑えることができる。

≪第４参考形態≫
次に、第４参考形態に係るＤＭＦＣユニットについて、図７を参照して説明する。図７は、第４参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。

≪ＤＭＦＣユニットの構成≫
図７に示すように、第４参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ４は、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１（図３参照）と比較して、スペーサ４１の代わりにスペーサ４７を備えている。スペーサ４７の高さＨ２は、スペーサ４１の高さＨ１よりも低く設定されている。

そして、各ナット４３が各ねじ棒４２に所定に螺合されて、ＭＥＡモジュール１０（ＭＥＡ１１）が燃料室２０ａ側に撓んだ状態となっている。これにより、ＭＥＡモジュール１０において、ＭＥＡ１１と、集電板１２、１３との挟持圧力（接触圧力）が、第１参考形態よりも大きくなり、ＭＥＡ１１と、集電板１２、集電板１３とは、さらに好適に密着している。なお、第４参考形態において、集電板１３が「燃料タンク２０に対して逆側の集電板」に相当する。

≪第１実施形態≫
次に、第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットについて、図８および図９を参照して説明する。図８は、第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。図９は、第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットの平断面図である。

≪ＤＭＦＣユニットの構成≫
図８、図９に示すように、第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットＵ５は、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１（図３参照）と比較して、二酸化炭素透過膜チューブ３２と、スペーサ４８（液体燃料流路部材）と、ねじ棒４９（液体燃料流路部材）とを備えたことを特徴とする。

＜二酸化炭素透過膜チューブ＞
二酸化炭素透過膜チューブ３２は、二酸化炭素透過膜３１がチューブ状に構成されたものである。二酸化炭素透過膜チューブ３２は、図９に示すように、平面視において環状で燃料室２０ａに配置されている。二酸化炭素透過膜チューブ３２の両端は、連通孔２１ａに挿通されたＴ字形のジョイント３３に接続している。そして、二酸化炭素透過膜チューブ３２の中空部は、ジョイント３３の中空部を介して、ＤＭＦＣユニットＵ５の外部に連通している。

したがって、アノード１１Ｂで発生した二酸化炭素が、二酸化炭素透過膜チューブ３２の周壁を透過して、その中空部に侵入し、二酸化炭素透過膜チューブ３２内、ジョイント３３内を通って、ＤＭＦＣユニットＵ５の外部に排出されるようになっている。すなわち、二酸化炭素が燃料室２０ａ内を長時間に亘って浮遊せず、速やかに排出されるようになっている。これにより、アノード１１Ｂに効率的にメタノール水溶液を供給可能となっている。

＜スペーサ＞
スペーサ４８は、軸方向（ＭＥＡ１１の法線方向）の第１液体燃料流路４８ａと、第１液体燃料流路４８ａと燃料室２０ａとを連通させる径方向の４つの第２液体燃料流路４８ｂとを有している。４つの第２液体燃料流路４８ｂは、周方向に９０度の間隔で放射状に形成されている（図９参照）。ただし、第２液体燃料流路４８ｂの数はこれに限定されない。

＜ねじ棒＞
ねじ棒４９は、軸方向（ＭＥＡ１１の法線方向）の第１液体燃料流路４９ａを有している。そして、ねじ棒４９の第１液体燃料流路４９ａと、スペーサ４８の第１液体燃料流路４８ａとは、連通している。

したがって、ねじ棒４９の第１液体燃料流路４９ａにメタノール水溶液を供給すると、メタノール水溶液が、第１液体燃料流路４９ａ、第１液体燃料流路４８ａ、第２液体燃料流路４８ｂを通って、燃料室２０ａに供給されるようになっている。よって、燃料タンク２０に燃料取込パイプ２４（図２参照）などの特別な配管を設ける必要はないため、ＤＭＦＣユニットＵ５は小型化される。また、４つの第２液体燃料流路４８ｂが放射状に配置されているため、燃料室２０ａに、メタノール水溶液を均等に供給することができる。

≪第５参考形態≫
次に、第５参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ６について、図１０を参照して説明する。図１０は、第５参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。

≪ＤＭＦＣユニットの構成≫
図１０に示すように、第５参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ６は、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１（図３参照）と比較して、燃料タンク２５と、もう一つのＭＥＡ１１（他の膜電極接合体）を含む他のＭＥＡモジュール１０を備えたことを特徴とする。また、ＤＭＦＣユニットＵ６は、第１実施形態に係るスペーサ４８およびねじ棒４９を備えている。

＜燃料タンク＞
燃料タンク２５は平面視でリング状を呈しており、その中空部が燃料室２５ａ（液体燃料貯溜空間）となっている。燃料タンク２５の周壁には、連通孔２５ｂが形成されており、これを塞ぐように二酸化炭素透過膜３１が固定されている。

＜ＭＥＡモジュール＞
２つのＭＥＡモジュール１０、１０は、そのアノード１１Ｂ側が対向しており、燃料タンク２５を挟んでいる。すなわち、ＭＥＡモジュール１０、１０（ＭＥＡ１１、１１）は、燃料タンク２５を共有しており、燃料室２５ａのメタノール水溶液が、両側のＭＥＡ１１の各アノード１１Ｂに供給されるようになっている。なお、ＭＥＡモジュール１０、１０で、燃料タンク２５を挟んだ状態は、ねじ棒４９に螺合したナット４３と、ねじ棒４２に螺合したナット４３によって維持されている。

このようなＤＭＦＣユニットＵ６によれば、ＭＥＡ１１を２つ備えたことにより、その出力は略２倍となる。また、ＭＥＡモジュール１０、１０で燃料タンク２５を挟み、燃料タンク２５を共有したことにより、ＭＥＡモジュール１０毎に燃料タンクを備えた場合と比較して、ＤＭＦＣユニットＵ６全体の厚さは薄くなる。

≪第６参考形態≫
次に、第６参考形態に係るＤＭＦＣパックＰ１（ＤＭＦＣユニット集合体）について、図１１を参照して説明する。図１１は、第６参考形態に係るＤＭＦＣパックの断面図である。

≪ＤＭＦＣパックの構成≫
図１１に示すように、ＤＭＦＣパックＰ１は、第５参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ６を３つ備えている。そして、この３つのＤＭＦＣユニットＵ６は、ねじ棒４９に螺合した連結ナット５１、５１によって、３段で連結されている。

上下に隣り合うＤＭＦＣユニットＵ６において、ねじ棒４９、４９の第１液体燃料流路４９ａ、４９ａは、連通している。なお、このように連通させるため、図１０におけるスペーサ４８の下側のねじ棒４２は、第１液体燃料流路４９ａを有するねじ棒４９に適宜に変更されている。
したがって、図１１の最上段のＤＭＦＣユニットＵ６の第１液体燃料流路４９ａにメタノール水溶液を供給すると、２段目、３段目のＤＭＦＣユニットＵ６にもメタノール水溶液が供給されるようになっている。

また、３つのＤＭＦＣユニットＵ６は、複数のジャンパ線Ｊ１によって、直列に接続されており、ＤＭＦＣパックＰ１の出力は高くなっている。

≪第７参考形態≫
次に、第７参考形態に係るＤＭＦＣユニットについて、図１２を参照して説明する。図１２は、第７参考形態に係るＤＭＦＣユニットの要部分解斜視図である。

≪ＤＭＦＣユニットの構成≫
図１２に示すように、第７参考形態に係るＤＭＦＣユニットは、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１（図４参照）と比較して、ＭＥＡモジュール６０と、一対の挟持プレート６４、６４を主に備えている。

＜ＭＥＡモジュール＞
ＭＥＡモジュール６０は、１／４円状の４つのＭＥＡ６１と、４つの集電板６２（アノード集電板）と、４つの集電板６３（カソード集電板）とを主に備えている。
４つのＭＥＡ６１は、同一面方向に配置しており、４つのＭＥＡ６１の配置領域の外縁は円形となっている。そして、各ＭＥＡ６１のアノード側（図１２の下側）に集電板６２、カソード側（図１２の上側）に集電板６３がそれぞれ配置されている。また、各集電板６２には複数の燃料流通孔６２ｂが形成されており、各集電板６３には複数の空気流通孔６３ｂが形成されている。

＜挟持プレート＞
一対の挟持プレート６４、６４は、円盤状を呈し、ＭＥＡモジュール６０の上下両外側に配置されている。
そして、挟持プレート６４、６４と、ＭＥＡモジュール６０とは、同一の軸線上に配置されており、ねじ棒４２がこれらを貫通するようになっている。次いで、貫通したねじ棒４２にナット４３が螺合することによって、一対の挟持プレート６４、６４がＭＥＡモジュール６０を挟むようになっている。すなわち、一対の挟持プレート６４、６４は、周方向に分割された４つの集電板６３と、ＭＥＡ６１と、集電板６２とをまとめて挟持するようになっている。

したがって、このようなＤＭＦＣユニットによれば、４つのＭＥＡ６１を備えることにより、その出力は高くなっている。なお、各ＭＥＡ６１の電気的接続方式は、直列であってもよいし、並列であってもよい。また、ここでは、４つのＭＥＡ６１に対応して、４つの集電板６２と、４つの集電板６３を備える場合としたが、４つのＭＥＡ６１を並列に接続する場合は、集電板６２、６３に代えて、集電板１２、１３（図４参照）を使用してＭＥＡモジュール６０を挟んでもよい。この場合、挟持プレート６４、６４は不要となる。

≪第８参考形態≫
次に、第８参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ７について、図１３を参照して説明する。図１３は、第８参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。

≪ＤＭＦＣユニットの構成≫
図１３に示すように、第８参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ７は、第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１と比較して、ＭＥＡモジュール７０と、挟持手段８０を主に備えたことを特徴とする。

＜ＭＥＡモジュール＞
ＭＥＡモジュール７０は、ＭＥＡ７１と、集電板７２と、集電板７３とを備えており、ＭＥＡ７１の両面を集電板７２と集電板７３とで挟持することで構成されている。ＭＥＡ７１は、電解質膜７１Ａと、アノード７１Ｂと、カソード７１Ｃとを備えており、電解質膜７１Ａをアノード７１Ｂとカソード７１Ｃとで挟持することで構成されている。
ここで、ＭＥＡ７１、集電板７２および集電板７３は貫通孔を有しておらず、ＭＥＡ７１の電解質膜７１Ａの有効膜面積は、第１参考形態に係る電解質膜１１Ａの有効膜面積より大きくなっている。

＜挟持手段＞
挟持手段８０は、先端側（図１３の左側）が二股に分かれた挟持アーム８１と、ボルト８２、８２（軸部材）とを備えている。挟持アーム８１の各先端部８１Ａ（螺合部材）は円筒状であり、その内周面に雌ねじ溝が形成されており、これにボルト８２が螺合している。ボルト８２の軸線方向と、ＭＥＡ７１の法線方向とは一致しており、各ボルト８２のＭＥＡモジュール７０側には、安定して挟持するための当接部８２Ａがそれぞれ設けられている。そして、ボルト８２、８２を所定の方向に回転させると、当接部８２Ａ、８２Ａの間が狭くなり、図１３の上側の当接部８２Ａが集電板７３に、図１３の下側の当接部８２Ａが燃料タンク２６の底壁２７にそれぞれ当接し、その結果として、集電板７２と集電板７３とが、ＭＥＡ７１を挟むようになっている。
また、スペーサ５２が、燃料タンク２６内にボルト８２の軸線上で配置されており、燃料室２６ａの深さ方向の空間を所定に確保するようになっている。

したがって、このようなＤＭＦＣユニットＵ７によれば、ＭＥＡ７１の電解質膜７１Ａの有効膜面積が大きくなるため、その出力を高めることできる。

以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、実施形態と参考形態とを組み合わせてもよいし、適宜変更してもよい。

前記した第１参考形態では、ＤＭＦＣユニットＵ１が外部電源である場合について説明したが、その他に例えば、図１４に示すように、ＤＭＦＣユニットＵ１は、燃料カートリッジＣＲと共に、ノートパソコンＰＣに搭載された場合であってもよい。

前記した第１参考形態では、外形が円盤状のＭＥＡ１１を、外形が円盤状の集電板１２、１２で挟持するとしたが、ＭＥＡ、集電板の形状はこれに限定されず、例えば平面視で矩形を呈するものであってもよい。

前記した第２参考形態では、挟持プレート１４をカソード１１Ｃの集電板１３Ａの外側に設ける場合について説明したが、挟持プレート１４をアノード１１Ｂの集電板１２Ａの外側にも設ける構成としてもよい。また、挟持プレート１４は、集電板１２Ａ、１３Ａの少なくとも一方の外側に設ける構成としてもよい。

前記した第３参考形態では、引張コイルバネ４５を備え、この引張コイルバネ４５の引張力（付勢力）を利用して、ＭＥＡモジュール１０を挟持するとしたが、バネの種類はこれに限定されず、圧縮コイルバネ、皿バネなどであってもよい。

前記した第１実施形態では、二酸化炭素透過膜チューブ３２が燃料室２０ａに平面視で１重で配置されたとしたが、二酸化炭素透過膜チューブ３２の配置方式はこれに限定されず、その他に例えば、二酸化炭素透過膜チューブ３２が多重で配置されてもよい。

前記した第６参考形態では、３つのＤＭＦＣユニットＵ６を３段で構成する場合について説明したが、ＤＭＦＣユニットＵ６の段数は、これに限定されず、適宜変更自由である。
また、３段で連結されたＤＭＦＣユニットＵ６が、ジャンパ線Ｊ１で直列に接続された場合について説明したが、接続方式はこれに限定されず、並列であってもよい。さらに、１つのＤＭＦＣユニットＵ６内の２つのＭＥＡ１１、ＭＥＡ１１の接続方式は、直列であってもよいし、並列であってもよい。

本発明の概念を模式的に示す斜視図である。 第１参考形態に係るＤＭＦＣユニットの斜視図である。 図２に示すＤＭＦＣユニットのＸ−Ｘ線断面図である。 図２に示すＤＭＦＣユニットの分解斜視図である。 第２参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。 第３参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。 第４参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。 第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。 第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットの平断面図である。 第５参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。 第６参考形態に係るＤＭＦＣパックの断面図である。 第７参考形態に係るＤＭＦＣユニットの要部分解斜視図である。 第８参考形態に係るＤＭＦＣユニットの断面図である。 ＤＭＦＣユニットの他の実施形態に係る斜視図である。 従来のＭＥＡと集電板を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

Ｕ１ ＤＭＦＣユニット（燃料電池ユニット）
Ｐ１ ＤＭＦＣパック（燃料電池ユニット集合体）
１０ ＭＥＡモジュール
１１ ＭＥＡ
１２、１３ 集電板
１４ 挟持プレート
２０ 燃料タンク
２０ａ 燃料室（液体燃料貯溜空間）
３１ 二酸化炭素透過膜
３２ 二酸化炭素透過膜チューブ
４０ 挟持手段
４１ スペーサ（軸部材）
４２ ねじ棒（軸部材）
４３ ナット（螺合部材）
４８ スペーサ（液体燃料流路部材）
４８ａ 第１液体燃料流路
４８ｂ 第２液体燃料流路
４９ ねじ棒（液体燃料流路部材）
４９ａ 第１液体燃料流路

Claims (14)

1. 液体燃料が供給されることで発電する燃料電池ユニットであって、
   膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体を挟む一対の集電板と、
   前記液体燃料が貯溜される液体燃料貯溜空間を有する燃料タンクと、
   前記一対の集電板を前記膜電極接合体の配置領域内で挟持する挟持手段と、
   前記燃料タンクの前記液体燃料貯溜空間に配置され、アノードで発生した二酸化炭素を透過し外部に排出するチューブ状の二酸化炭素透過膜チューブと、
   を備え、
   前記配置領域内は、前記膜電極接合体の外縁の内側であり、
   平面視における前記挟持手段による挟持位置は、前記膜電極接合体の外縁の内側であり、
   前記二酸化炭素透過膜チューブ内は外部と連通しており、二酸化炭素が前記二酸化炭素透過膜チューブ内を通って外部に排出される
   ことを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記挟持手段は、前記配置領域の略中央位置で挟持することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記配置領域の外縁は円状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池ユニット。
4. 前記一対の集電板の少なくとも一方の外側に挟持プレートを備え、
   前記挟持手段は、前記挟持プレートの外側から、当該挟持プレートを介して、前記一対の集電板を挟持する
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
5. 面方向に配置された複数の前記膜電極接合体と、
   前記複数の膜電極接合体に対応して、面方向に配置された複数の前記一対の集電板と、
   を備え、
   前記挟持プレートは、前記複数の一対の集電板の少なくとも一方の全体に対応した大きさであり、
   １つの前記挟持手段は、前記挟持プレートの外側から、当該挟持プレートを介して、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数の一対の集電板を挟持し、
   前記配置領域内は、面方向に配置された複数の膜電極接合体全体の外縁の内側であり、
   平面視における前記挟持手段による挟持位置は、面方向に配置された複数の膜電極接合体全体の外縁の内側である
   ことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池ユニット。
6. 面方向に配置された複数の前記膜電極接合体と、
   当該複数の膜電極接合体に対応して、面方向に配置された複数の前記一対の集電板と、
   当該複数の膜電極接合体および前記複数の一対の集電板を、外側からまとめて挟持する一対の挟持プレートと、
   を備え、
   前記挟持プレートは、前記複数の一対の集電板の全体に対応した大きさであり、
   １つの前記挟持手段は、前記一対の挟持プレートの外側から、当該一対の挟持プレートを介して、前記複数の膜電極接合体、および、前記複数の一対の集電板を挟持し、
   前記配置領域内は、面方向に配置された複数の膜電極接合体全体の外縁の内側であり、
   平面視における前記挟持手段による挟持位置は、面方向に配置された複数の膜電極接合体全体の外縁の内側である
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
7. 前記挟持手段は、
   前記膜電極接合体の法線方向に配置され、ねじ溝を有する軸部材と、
   前記ねじ溝に螺合する螺合部材と、
   を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
8. 前記挟持手段は、平面視で前記配置領域内に配置され、前記膜電極接合体の厚さ方向において付勢力を発生するバネを備え、
   前記挟持手段は、当該バネの付勢力を利用して、前記一対の集電板を前記厚さ方向において挟持することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
9. 前記燃料タンクは、有底円筒状であって、前記一対の集電板の一方の外側に配置されると共に、その前記一方側は開口し、その開口縁部は前記一方に当接しており、
   前記挟持手段は、
   前記燃料タンク内に配置されると共に前記燃料タンクの深さよりも短いスペーサと、
   前記スペーサとで前記膜電極接合体および前記一対の集電板を挟むように配置された第１ナットと、
   前記スペーサとで前記タンクの底壁を挟むように配置された第２ナットと、
   を備え、
   第１ねじ棒を介して締結された前記スペーサと前記第１ナットとが、前記一対の集電板を挟んでおり、
   第２ねじ棒を介して締結された前記スペーサと前記第２ナットとが、前記燃料タンクの底壁を挟んでおり、
   前記膜電極接合体および前記一対の集電板は、前記燃料タンク側内に撓んでいることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
10. 前記膜電極接合体とは別である他の膜電極接合体を備え、
    前記膜電極接合体と前記他の膜電極接合体は、前記燃料タンクを挟んで共有していることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
11. 前記挟持手段は、前記膜電極接合体の法線方向に配置され、前記法線方向の第１液体燃料流路と、当該第１液体燃料流路と前記液体燃料貯溜空間とを連通させる第２液体燃料流路と、を有する液体燃料流路部材を備えた
    ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット。
12. 前記液体燃料流路部材は、前記第２液体燃料流路を複数有し、当該複数の第２液体燃料流路は放射状に配置されていることを特徴とする請求項１１に記載の燃料電池ユニット。
13. 請求項１１または請求項１２に記載の燃料電池ユニットを複数備え、
    複数の燃料電池ユニットは複数段で配置しており、
    各燃料電池ユニットの前記第１液体燃料流路は連通していることを特徴とする燃料電池ユニット集合体。
14. 請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の燃料電池ユニット、または、請求項１３に記載の燃料電池ユニット集合体を搭載したことを特徴とする電子機器。

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