JP5082291B2 - 燃料電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料として液体燃料が使用され、電解質膜を燃料極と空気極とで挟んだ燃料電池と、該液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料供給路を燃料極側セパレータと前記燃料極とで形成する燃料電池装置に関する。

近年の情報化社会の到来とともに、パーソナルコンピュータ等の電子機器で扱う情報量が飛躍的に増大し、それに伴い、電子機器の消費電力も著しく増加してきた。特に、携帯型の電子機器では、処理能力の増加に伴って消費電力の増加が問題となっている。現在、このような携帯型の電子機器では、一般的にリチウムイオン電池が電源として用いられているが、リチウムイオン電池のエネルギー密度は理論的な限界に近づいている。そのため、携帯型の電子機器の連続使用期間を延ばすために、ＣＰＵの駆動周波数を抑えて消費電力を低減しなければならないという制限があった。

このような状況の中で、リチウムイオン電池に変えて、エネルギー密度が大きく、熱交換率の高い燃料電池を電子機器の電源として用いることにより、携帯型の電子機器の連続使用期間が大幅に向上することが期待されている。

燃料電池の中でも特に（１）構造が簡単、（２）水素スタンドなどの大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、（３）低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話器等）向けの燃料電池として適していると言える直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）が注目されており、盛んに研究されている。

ＤＭＦＣ型燃料電池を採用した燃料電池装置は燃料供給の方法により二つのタイプに分類される。一つはアクティブ型と呼ばれるもので、電池への燃料供給をポンプにより行うタイプであり、もう一つはパッシブ型と呼ばれるもので、ポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。

ここでＤＭＦＣの反応式を示す。

燃料極側での反応：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺
空気極側での反応：（３／２）Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ
全反応 ：ＣＨ₃ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ
上記燃料極側での反応式によれば、メタノールと水は等モルで反応し、ＣＯ₂と２分子のＨ₂Ｏを生成する。ところが実際に燃料極に供給される燃料には通常濃度が３〜５％と低濃度のメタノール水溶液が用いられる。その理由は、メタノールが燃料極で上記の反応を起こさないまま電解質膜を透過して空気極へ到達してしまうクロスオーバーという現象を防ぐためである。クロスオーバー現象は燃料中のメタノール濃度が高いほど起こりやすい。このようなクロースオーバー現象が発生すると、ＤＭＦＣの二つの極（燃料極及び空気極）のうち燃料極で起こるべきメタノールの反応が空気極でも起こり、燃料の無駄と空気極側の電位低下による電池効率の著しい低下が起こる。従って、通常上記の低濃度のメタノール水溶液が用いられる。

このようにＤＭＦＣでは燃料極へ低濃度メタノール水溶液を供給するのであるが、前記のアクティブ型燃料電池装置では、空気極側で生成される水及び燃料極側からの移動液を回収してこの回収液で高濃度メタノール水溶液を希釈しながら燃料極に供給する燃料希釈循環形のシステムを構築することが可能である。

一例として図１の発電システムを示すことができる。図１のシステムでは、通電されるべき負荷Ｌが燃料電池Ｃに接続されており、電池の外部に燃料タンクｔ１、回収タンクｔ２及びミキサー（混合タンク）ＭＸが設けられていて、これらは配管により燃料電池Ｃに接続されている。燃料電池Ｃの空気極側で生成される水及び燃料極側からの移動液はポンプＰＭ３で回収タンクｔ２へ回収される。発電にあたっては、燃料タンクｔ１からポンプＰＭ１で高濃度メタノール水溶液を、回収タンクｔ２からポンプＰＭ２で水を含む希釈用液を、それぞれミキサーＭＸへ供給し、そこでそれらを混合することで高濃度メタノール水溶液を希釈しつつ、該希釈されたメタノール水溶液を電池の燃料極へ供給する。燃料極へ供給された燃料のうち過剰分は回収タンクｔ２へ回収される。

燃料極へ供給する燃料中のメタノール濃度を適正化するために、ミキサーＭＸから燃料電池Ｃへ向かう燃料のメタノール濃度を濃度検出センサＤＳで検出し、この検出値に基づいてコントローラＣＯＮＴがポンプＰＭ１、ＰＭ２の動作をコントロールしている。これによりミキサーＭＸへ供給する高濃度メタノール水溶液の量と希釈液の量の割合を調整することが可能となる。また、負荷を検知することによって希釈濃度、供給量、供給時間をコントロールすることも可能である。

一方、ＤＭＦＣの課題のひとつに、燃料極で反応により発生する炭酸ガスが、触媒層表面に滞留したり、燃料の供給流路中に滞留することで、燃料が触媒層で反応することを妨げたり、燃料が触媒層表面内で不均一に反応することがあげられる。これにより、反応効率、ひいては発電効率、そして出力密度を低下させることとなる。

この対応として、燃料液を多量に流すことで炭酸ガスを下流へと押流し燃料流路の出口や回収タンクに通気孔や気液分離部を設け除去する方法を行ってきた。しかし、炭酸ガスの気泡が通気孔や気液分離部に辿り着くまでの間、燃料拡散に悪影響を及ぼし、発電効率の低下がおきる。この発電効率の低下を補うため、燃料液をさらに多量に流す方法もあるが、ポンプ等の燃料供給補助機構での消費電力が増大するという問題が新たに発生する。

この課題解決のために特許文献１のようにメタノールを電極部分で気化させる技術が提案されている。また、特許文献２のようにメタノールを霧化させる技術も提案されている。一方、特許文献３では燃料極流路の燃料極と対向する面に気液分離膜を設け、発生ガスを排気するようにした構成のものが提案されている。
特開２０００−１０６２０１号公報 特開２００４−１５２４９０号公報 特開２００３−３１７７７３号公報

しかし、特許文献１では気化させるための熱量を与えなければならず全体のエネルギー収支から不利である。特許文献２では、超音波振動子が必要であり、装置が大きくなる。特許文献３においては、発生したガスの気泡が燃料流路を横断して排出されるため流路中や触媒層中に気泡がたまりやすく、燃料の移動を妨げ、出力密度が低下したり、燃料電池装置の姿勢により気泡に偏りができ、部分的な燃料供給不足が発生し、出力が低下するという問題がある。

本発明の目的は、電池の出力低下を防止し、小型化が可能な燃料電池装置を提供することである。

上記の本発明の目的は以下の手段によって達成することが出来る。
１．
電解質膜を燃料極と空気極とで挟んだ燃料電池と、前記燃料極に液体燃料を供給するための燃料極側セパレータと、を有する燃料電池装置において、前記燃料極側セパレータの前記燃料極側の面には、一定の間隔をおいて前記液体燃料を供給するための複数の燃料流路が設けられ、隣り合う前記複数の燃料流路の間には前記燃料極と接触する凸部が形成され、
前記燃料極側セパレータの前記凸部とは反対側に、前記燃料極で発生したガスを外部へ排出するための排出口が設けられ、前記燃料極側セパレータの内部には、前記凸部の前記燃料極との接触部と前記排出口を連結するように形成され、前記燃料極で発生したガスを前記排出口に排出する気液分離部が設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
２．
前記気液分離部が細孔で構成されていることを特徴とする１に記載の燃料電池装置。
３．
前記気液分離部が気液分離膜で構成されていることを特徴とする１に記載の燃料電池装置。
４．
前記気液分離部が撥水処理されていることを特徴とする１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池装置。
５．
前記気液分離部が導電処理されていることを特徴とする４に記載の燃料電池装置。
６．
前記排出口には、前記ガスを吸引する吸引機構が取り付けられていることを特徴とする１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池装置。
７．
前記液体燃料は、マイクロポンプによって送液されることを特徴とする１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池装置。
８．
前記マイクロポンプは、前記燃料極側セパレータを挟んで燃料極側と反対側の層の部材に配置され、前記マイクロポンプは、前記部材の面方向に配置された供給路に沿って前記液体燃料を送液することを特徴とする７に記載の燃料電池装置。
９．
前記マイクロポンプは、前記供給路に沿って配置される圧電素子によって駆動されることを特徴とする８に記載の燃料電池装置。

本発明によれば、燃料極で発生したガスを燃料電池装置内に滞留させることなく、円滑に装置外に排出することができ、燃料電池の出力の低下を防止することができる。また、本発明によれば、燃料電池装置の小型化が可能である。

以下、本発明の実施の形態を説明する。

図２は本発明の一実施形態の燃料電池装置Ｃ１を利用した発電システムを示している。

燃料電池装置Ｃ１は、燃料電池３と、燃料電池３に積層固定された第１ポンプユニット１及び第２ポンプユニット２を含んでいる。

燃料電池３は、本例では直接メタノール形燃料電池（以下、「ＤＭＦＣ」と言うことがある。）であり、ここでは、電解質膜３１の両面に燃料極３２及び空気極３３を接合したＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）構造のものである。ＭＥＡは各種構造のものが知られているが、本例では電解質膜３１は電解質高分子膜〔例えばデュポン社製ナフィオン（パーフルオロスルホン酸膜）〕であり、燃料極３２は電解質膜３１に接する触媒層３２１（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層されたカーボンペーパ等の電極３２２からなり、空気極３３も電解質膜３１に接する同様の触媒層３３１とこれに積層された同様の電極３３２からなっている。

第１のポンプユニット１は、部材１１、１２、燃料極側セパレータ１３からなり、部材１１にはマイクロポンプＰ１、Ｐ２が取り付けられており、燃料カートリッジ４と連結されており、所定濃度の燃料を燃料極３２に供給する。燃料極側セパレータ１３は、燃料極３２に燃料を供給する燃料供給路を形成している。

第２ポンプユニット２は、部材２１，２２、２３からなり、部材２３にはマイクロポンプＰ３が取り付けられており、空気極３３で生成した水を希釈用として、ポンプユニット１に供給する。部材２１は、空気極３３側のセパレータと呼ばれ、空気極３３に空気を供給する通路が形成されている。

電極層３２２，３３２は燃料極或いは空気極に対向するポンプユニットの流路の形成部材（セパレータ）を導電材料で形成するか（ステンレススチールのエッチング、Ｎｉ電鋳等による形成）又は絶縁材料であれば、液体流路の形成面にスパッタリング法等の各種薄膜形成手段を利用して白金等で形成することもでき、この電極層と燃料極或いは空気極との接続には導電性接着剤を用いるか又はポンプユニットをフレーム等の構成材により加圧状態で保持してもよい。

図３は燃料電池装置Ｃ１を示しており、図３（Ａ）は該装置の平面図、図３（Ｂ）は該装置の側面図、図３（Ｃ）は該装置の底面図である。

また、図４（Ａ）は図３（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図４（Ｃ）は図３（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図４（Ｄ）は図３（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図、図４（Ｅ）は図３（Ｂ）のＥ−Ｅ線断面図、図４（Ｆ）は図３（Ｂ）のＦ−Ｆ線断面図である。

また、図５は、図３（Ｂ）のＧ−Ｇ線断面図を示す。

第１ポンプユニット１は、平坦な四角形状の部材１１、１２、燃料極側セパレータ１３を含んでいる。これら部材は平坦形状に積層されている。部材１１は、図３（Ａ）及び図４（Ａ）に示すように、下層の部材１２に対向する面にマイクロポンプＰ１を含む液体燃料供給路１１１、マイクロポンプＰ２を含む希釈用液供給路１１２、これら両供給路にそれぞれ連通する共通の液体混合路１１３を有している。液体燃料供給路１１１、希釈用液供給路１１２は下層部材１２へ向け開放された溝状のものであり、液体混合路１１３は下層部材１２へ向け開放された凹所状のものである。

液体混合路１１３はポンプＰ１、Ｐ２より下流側に形成されている。液体燃料供給路１１１においてポンプＰ１より上流側の端には液体燃料供給口１１４が貫通形成されており、希釈用液供給路１１２におけるポンプＰ２より上流側の端には希釈用液受入れ部１１５が形成されている。希釈用液受入れ部１１５も下層部材１２へ向け開放された凹所状のものである。

燃料極側セパレータ１３は、図４（Ｃ）に示すように、電池３の燃料極３２に対向する面に希釈液体燃料を該燃料極へ供給するための櫛状配列の溝状の複数本の希釈液燃料流路１３１を有しているとともに該複数本の希釈液燃料流路１３１に連通する共通の凹所状の希釈液燃料流路１３２を有している。希釈液燃料流路１３２から部材１２側へ貫通孔１３３が形成されている。

また、本発明に係る気液分離部１３６が燃料極側セパレータ１３と燃料極３２との接触面に形成されている。この接触面に気液分離部１３６を設けることにより、燃料極３２側で発生したガスを希釈液燃料流路１３１を経ずに外部に放出することができる。

真ん中の部材１２には、図４（Ｂ）に示すように、部材１１の混合路１１３及び燃料極側セパレータ１３の貫通孔１３３に合致する位置に貫通孔１２１が形成されているとともに、部材１１の希釈用液受入れ部１１５及び燃料極側セパレータ１３の貫通孔１３５に合致する位置に貫通孔１２２が形成されている。

部材１２の貫通孔１２１及び燃料極側セパレータ１３の貫通孔１３３は、部材１１の混合路１１３から燃料極側セパレータ１３の希釈液体燃料通路１３１、１３２へ通じる貫通路１０を形成している（図３（Ｂ）参照）。

また、部材１２には、燃料極側セパレータ１３に形成された気液分離部１３６に対応した位置に凹所状の溝を合わせることにより排気口１３７を形成している。排気口１３７は、燃料極３２側で発生したガスを気液分離部１３６を通して装置外に排出するためのものである。

燃料極側セパレータ１３に形成された気液分離部１３６の拡大図を図４（Ｇ）に示す。気液分離部１３６は、複数の微細なガス流通孔ｈからなり、液体の通過を阻止するように撥水処理がガス流通孔ｈの周辺に施してある。

図５を用いて、気液分離部１３６についてさらに詳しく説明する。

気液分離部１３６は、燃料極３２と接触する燃料極側セパレータ１３の凸部１３８（以下リブと言う）に形成し、細孔ｈが多数開けられている。この細孔ｈは、部材１２の排気口１３７に通じており、排気口１３７から外部にガスを放出する。リブ１３８は、燃料極３２と接触しているため、燃料極３２で発生した炭酸ガスは、図５のＮのようにリブ１３８に設けられた気液分離部１３６の方に流れ、この気液分離部１３６の細孔ｈを通して排出され、部材１２に形成された凹部の溝を通じて外部に放出される。燃料極３２で発生したガスが気液分離部１３６を通して外部に放出される経路ができるため、希釈液燃料流路１３１部の下部で発生したガスも気液分離部１３６の方に引き寄せられ、排気口１３７から外部に放出される。このため希釈液燃料流路１３１中への炭酸ガスの混入が防止され、スムーズに燃料が流れることにより、電池の出力低下を抑制することができる。

気液分離部１３６は、液体が水のみではなくメタノールを含む為、高い撥水性が求められる。燃料極側セパレータ１３に濡れ性の悪い材質を用いてリブ１３８に細孔ｈを設けたものや、更に表面にフッ化物をコートすることで撥水作用を施したものが良い。気液分離部１３６の形成は、燃料極側セパレータ１３にＳｉ材を用いた場合、陽極化成を用いた方法や高密度プラズマエッチング等のディープエッチング法により形成することができる。また、アルミニウム材を用いた場合には陽極酸化法により形成することができる。

また、リブ１３８と燃料極３２との間に細孔ｈを開けた気液分離膜を設け、リブ１３８には気液分離機能のない大きめの穴を形成したものでも良い。気液分離膜の構成としてポリテトラフルオロエチレン樹脂に細孔ｈを設けたものや、更に表面にフッ化物をコートすることで撥水作用を施したものが良い。この細孔ｈの径は液体を通さず気体のみを通すような径にしなければならない。その際、液面と接する部分の撥水性能との関係もあるが、希釈液燃料流路１３１内の液圧にも関係する。撥水性能が低い程、また、液圧が高い程、孔径を小さくして、液体が透過しないようにする必要がある。また、孔径を小さくしすぎると気体も透過しにくくなるので、孔径を小さくし過ぎないように調整する必要がある。

また、燃料極側セパレータ１３を集電極として用いる場合がある。この場合燃料極側セパレータ１３は導電性である必要があるが、単に、気液分離部１３６の撥水性を高めるために絶縁性のフッ化物をコートすると、燃料極３２で発生した電荷を集電体としての燃料極側セパレータ１３で集電することができず、集電極として機能しなくなる。それで燃料極側セパレータ１３を集電極として用いる場合には、フッ化カーボンにより処理することで導電性を損なうことなく撥水性を持たせることができる。その他、細孔ｈの周りのみ撥水処理しそれ以外の部分で導通を取るようにしても良い。

また、燃料極３２の集電性を上げるためにカーボンペーパ等の電極３２２の表面にスパッタや蒸着によりさらに電極層を設けたり、燃料極３２と燃料極側セパレータ１３との間にメッシュ状の取り出し電極層を形成し、集電体としても良い。上記取り出し電極層の材質としては、触媒、電解質に影響を与えないＳＵＳ３０４などのステンレス鋼、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔなどやその複合材料を用いるのが良い。

細孔ｈはリブ１３８の中心に一列に穴が開いている形状でも良いが、多数の孔を設けるとよりガス排出効果があがるので、リブ１３８の大部分に細孔ｈを開けるのが良い。複数個の細孔ｈを設けた面で排出することで燃料極３２で発生したガスを広い範囲で均一に排出することができる。また、ガスの発生する部分と気液を分離し排出する部分とがより近くにあることで、希釈液燃料流路１３１へ溢れ出すガスがなくなり、更には希釈液燃料流路１３１中にある気体も取り込むことが容易となる。その結果、燃料極３２での反応が面内で均一化され、反応密度の向上、出力密度の向上につながる。

また、排出口１３７の先に吸引機構を設ける構成とすることもできる。吸引機構を設けることにより、ガスの排出能力が高まり、燃料極３２での反応が高出力密度である場合でも、発生したガスを速やかに排出することができるため高出力を維持することができる。近年は、電解質膜の性能が向上し、高濃度燃料液を用いてもクロスオーバーが発生しなくなってきているため、高濃度な燃料を使用することができ、出力密度も向上するが、その分、ガスの発生量も多くなる。この発生ガスの排出をスムーズに行うために、吸引機構を用いるのが良い。例えば、プロトンの水和による水移動を考えなければ、６０％メタノール水の場合、液量の４００倍の炭酸ガスが発生し、流路のほとんどが炭酸ガスで満たされるのでメタノール水がなかなか反応面に辿り着けない状態になるが、吸引することでスムーズな排気ができる。ガスの排出される流れに乗って、燃料が希釈液燃料流路１３１の下の反応部や更にリブ１３８下の反応部に移動し易くなり、出力密度が向上する。また、吸引機構を設けることでリブ１３８と燃料極３２とが吸引力で引き付け合い、その間の密着力が向上する。これは、セパレータ間のＭＥＡを加圧により狭持しない無加圧接続の場合特に効果が現れ、密着力が上がることでその間の接触抵抗が下がり高出力となる。更に吸引により減圧されることで液中に溶存している気体も気泡となり排出することができ、燃料自体の密度が上がり、反応効率が向上する。また、吸引力は気液分離部の構成とのバランスを考え設計する必要があり、吸引し過ぎると、燃料も排出することになる。燃料は通常加圧により送液されるが、この送液力と吸引力とのバランスを保つことで、燃料の無駄な排出を抑えることができ、また、燃料極への燃料の加圧が調整されるので、クロスオーバーも防止することができる。

希釈液燃料流路１３１の幅及びリブ１３８の幅は、特に限定するものではないが、約１０ｍｍ以下の幅、好ましくは３ｍｍ以下の幅が良い。希釈液燃料流路１３１の幅が１０ｍｍ以上になると希釈液燃料流路１３１の中央付近に対応した燃料極３２で発生したガスがリブ１３８の気液分離部１３６に到達しにくくなる。また、リブ１３８の幅が１０ｍｍ以上になるとリブ１３８の中央部に対応する燃料極３２への燃料の供給がされにくくなる。希釈液燃料流路１３１の幅が１０ｍｍ以下、好ましくは３ｍｍ以下の場合には、希釈液燃料流路１３１に対応した燃料極３２で発生したガスは、効率よくリブ１３８の気液分離部１３６に到達し、出力密度が低下せず安定した出力が得られる。

また、希釈液燃料流路１３１には、図４（Ｃ）に示すように希釈液燃料流路１３１中の燃料に含まれるガスを抜くためのガス抜き孔１３４を設けても良い。このガス抜き孔１３４により、もともと存在していた、もしくは液体中に溶存していたガスやリブ１３８の気液分離部１３６では排出し切れなかったガスで希釈液燃料流路１３１中に溢れ出たものを排出することができる構造となっている。

燃料極３２への燃料供給路として図３（Ｂ）に示すように貫通路１０を通して液体燃料が希釈液燃料流路１３１に供給されているが、貫通路１０を１カ所とせずに複数設け、複数の貫通路１０から希釈液燃料流路１３１に供給するようにしても良い。図６に燃料極側セパレータ１３の希釈液燃料流路１３１に対応した部分に多数の貫通孔１３９を開けた模式図を示す。この複数の貫通孔１３９を用いて希釈液燃料流路１３１の上面１４０の全面から液体燃料を供給するようにしても良い。このように希釈液燃料流路１３１の上面１４０の複数個所から液体燃料を供給することにより、液体燃料の流れが燃料極３２の表面に対し垂直な方向から流れ込むこととなり、より燃料極３２で発生したガスが希釈液燃料流路１３１中に排出されることがなく、リブ１３８の気液分離部１３６へと導かれ、また、面内の燃料濃度分布も均一化されて、効率よくガス排出がされると共に、発電効率が向上する。

また、本実施形態で説明した燃料極３２に供給される液体燃料の流れは、ポンプ１、２側から燃料極３２方向に向かう一方向の流れであるが、燃料極３２に供給される液体燃料の一部が循環されて、再度燃料極３２に供給される液体燃料循環型構造の液体燃料流路を形成しても良い。このような構造にすることで液体燃料流路中にガスが混入している場合でも滞留することが無いので、効率よく燃料極３２に液体燃料を供給することができ、発電効率の低下を防止することができる。

第２ポンプユニット２は、平坦な四角形状の部材２１、２２、２３を含んでいる。これら部材は平坦形状に積層されている。部材２１は、図４（Ｄ）に示すように、燃料電池３の空気極３３に対向する面に、燃料電池３における電気化学反応により生成される液体（ここでは水）及び燃料極３２側から電解質膜３１を通過してくる液体の通路、すなわち、櫛状に配列された溝状の複数本の通路２１１及び該通路に連通する共通の凹所状の通路２１２を有している。通路２１２から部材２２側へ貫通孔２１３が形成されている。さらに、各通路２１１を部材外部と連通させる溝状の空気取り入り孔２１４が形成されており、空気取り入り孔２１４の間には部材２２側へ貫通する貫通孔２１５が形成されている。

部材２３は、図３（Ｃ）及び図４（Ｆ）に示すように、部材２２に対向する面に、マイクロポンプＰ３を含む溝状の液体回収路２３１を有している。液体回収路２３１は燃料電池３における電気化学反応により生成される液体（ここでは水）及び燃料極３２側から電解質膜３１を通過してくる液体を回収するものである。液体回収路２３１のポンプＰ３より上流側の端には凹所状の液体受入れ部２３２が形成されており、ポンプＰ３より下流側の端には凹所状の液体排出部２３３が形成されている。

真ん中の部材２２には、図４（Ｅ）に示すように、部材２１の貫通孔２１３及び部材２３の液体受入れ部２３２に合致する位置に貫通孔２２１が形成されているとともに、部材２１の貫通孔２１５及び部材２３の液体排出部２３３に合致する位置に貫通孔２２２が形成されている。

部材２１の貫通孔２１３及び部材２２の貫通孔２２１は、部材２１の液体通路２１１、２１２から部材２３の液体回収路２３１の端部に位置する液体受入れ部２３２へ空気極３３側で生成される液体を供給する通路２０を形成している（図２、図３（Ｂ）参照）。

第１ポンプユニット１における部材１１の希釈用液受入れ部１１５、部材１２の貫通孔１２２及び燃料極側セパレータ１３の貫通孔１３５、燃料電池３の片側の端部に形成された貫通液体通路３４（図３（Ｂ）参照）、第２ポンプユニット２における部材２１の貫通孔２１５、部材２２の貫通孔２２２、部材２３の液体排出部２３３は、第２ポンプユニット２から、燃料電池３での電気化学反応により生成された水及び燃料極側からの移動液を希釈用液として第１ポンプユニット１へ供給する循環路３０を形成している（図２、図３（Ｂ）参照）。

第１ポンプユニット１のマイクロポンプＰ１、Ｐ２、第２ポンプユニット２のマイクロポンプＰ３の構造はいずれも図７に示す基本構造を有するものである。

すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路ｆ１、液体を吐出するための第２絞り流路ｆ２、該第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２間のポンプ室ＰＣ、ポンプ室ＰＣの可撓性壁（ダイアフラム）ＤＦに設置された圧電素子ＰＺＴを含むポンプである。

圧電素子ＰＺＴに交番電圧を印加してポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動させることでポンプ室ＰＣを収縮膨張させ、第１絞り流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、第２絞り流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出できる。

さらに説明すると、第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２は断面積が同じ又は略同じであるが、流路ｆ１より流路ｆ２は長く形成されている。圧電素子ＰＺＴを駆動する交番電圧として図７（Ｃ）に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示す交番電圧を用いる。

図７（Ａ）に示すように、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを急激に変形させてポンプ室ＰＣを急激に収縮させると、長い流路ｆ２では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路ｆ１では液体が乱流となり、流路ｆ１からの液体の流出が抑制される。これにより、流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出することができる。

図７（Ｂ）に示すように、印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを緩やかに復帰動作させてポンプ室ＰＣを緩やかに膨張させると、短い流路ｆ１からはポンプ室ＰＣ内へ液体が流入する一方、このとき流路ｆ１より流路抵抗が大きい長い流路ｆ２からの液体吐出が抑制される。これにより、流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引できる。

よって、所望の送液方向において上流側に流路ｆ１を下流側に流路ｆ２を配置することで所望方向に送液可能である。ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれは、かかる基本構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。図２〜図４において、ポンプＰ１の圧電素子はＰＺＴ１で、ポンプＰ２の圧電素子はＰＺＴ２で、ポンプＰ３の圧電素子はＰＺＴ３で示してある。

ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの送液能力は、各ポンプにおけるポンプ室容積、圧電素子の性能、第１、第２の絞り流路の断面積及び（又は）長さ、圧電素子への印加電圧等のうち１又は２以上を適宜選択決定することで所望のものにできる。

ここでは、液体燃料と希釈用液を所定の割合で混合して希釈できるようにポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの送液能力を定めてある。

なお、図７に基本構造を示すマイクロポンプは、図７（Ｆ）に示すように、圧電素子ＰＺＴに緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示す交番電圧を印加することで、図７（Ｄ）に示すように流路ｆ１からポンプ室内液体を吐出でき、図７（Ｅ）に示すように流路ｆ２から液体を吸引できるが、ここでは、図７（Ｃ）に示す駆動波形を採用している。

図２に示すように、第１ポンプユニット１の部材１１における液体燃料供給口１１４にはカートリッジタイプの燃料カートリッジ４が交換可能に接続される。

また、マイクロポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、それらの圧電素子に図７（Ｃ）の波形で交番電圧を印加できるポンプ駆動部５で駆動可能である。この時、マイクロポンプＰ１、Ｐ２の交番電界の駆動周波数は、１ｋＨｚ以上５０ｋＨｚ以下が好ましく、より好ましくは５ｋＨｚ以上４０ｋＨｚ以下である。

燃料電池装置Ｃ１によると、まず、第１ポンプユニット１に燃料カートリッジ４から液体燃料としてメタノール含有液（例えば高濃度メタノール水溶液）を供給するとともにポンプ駆動部５によりポンプＰ１〜Ｐ３の圧電素子ＰＺＴ１〜ＰＺＴ３にそれぞれ交番電圧を印加してそれらポンプを運転することで燃料電池３に燃料を供給する。これにより、燃料電池３で
ＣＨ₃ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂ →ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂Ｏ の反応を生じさせ、それにより発電させ、燃料電池３に接続した負荷Ｌに通電することができる。

続いて、燃料電池３の電気化学反応により空気極３３側で生成される水と燃料極３２から空気極３３へ移動してくる移動液が希釈用液として第２ポンプユニット２により第１ポンプユニット１へ供給され始める。第１ポンプユニット１は、燃料カートリッジ４から供給されるメタノール含有液を第２ポンプユニット２から供給されてくる希釈用液で混合希釈し、希釈液体燃料として燃料電池３に供給する。これにより、燃料カートリッジ４に収容された原燃料をもって長時間発電させることができる。

以上説明した燃料電池装置Ｃ１は、燃料極側セパレータ１３と燃料極３２との接触する面において、燃料極側セパレータ１３のリブ１３８に気液分離部１３６を形成し、この気液分離部１３６を通して、燃料極３２で発生したガスを燃料電池装置の外に排出するようにしたので、燃料流路や触媒層中にガスを滞留させることがない。このため、燃料極３２への液体燃料の供給が十分に行われ、発電効率の低下を防止することができる。

また、本実施形態の燃料電池装置Ｃ１は、全体がコンパクトに薄型に形成されており、例えばカード状に形成することも可能であり、携帯機器等の電源として適するものである。

従来例としての燃料電池装置を用いた発電システムを示す図である。 本発明の一実施形態の燃料電池装置を利用した発電システムを示す図である。 本発明の一実施形態の燃料電池装置を示すもので、図３（Ａ）は該装置の平面図、図３（Ｂ）は該装置の側面図、図３（Ｃ）は該装置の底面図である。 図４（Ａ）は図３（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図４（Ｃ）は図３（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図４（Ｄ）は図３（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図、図４（Ｅ）は図３（Ｂ）のＥ−Ｅ線断面図、図４（Ｆ）は図３（Ｂ）のＦ−Ｆ線断面図であり、図４（Ｇ）は気液分離部の拡大図である。 図３（Ｂ）のＧ−Ｇ線断面図を示す。 燃料極側セパレータの燃料流路に対応した部分に多数の貫通孔を開けた模式図を示す。 マイクロポンプの１例の基本構造及び動作を示すもので、図７（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図７（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図７（Ｃ）はかかる液体の吐出動作、吸引動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。図７（Ｄ）は図７（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図７（Ｅ）は図７（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図７（Ｆ）はかかる反対動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。

符号の説明

Ｃ１ 燃料電池装置
３ 燃料電池
３１ 電解質膜
３２ 燃料極
１３１ 希釈液燃料流路
１３６ 気液分離部
１３７ 排気口
１３８ リブ
ｈ 細孔

Claims (9)

1. 電解質膜を燃料極と空気極とで挟んだ燃料電池と、前記燃料極に液体燃料を供給するための燃料極側セパレータと、を有する燃料電池装置において、
   前記燃料極側セパレータの前記燃料極側の面には、一定の間隔をおいて前記液体燃料を供給するための複数の燃料流路が設けられ、隣り合う前記複数の燃料流路の間には前記燃料極と接触する凸部が形成され、
   前記燃料極側セパレータの前記凸部とは反対側に、前記燃料極で発生したガスを外部へ排出するための排出口が設けられ、
   前記燃料極側セパレータの内部には、前記凸部の前記燃料極との接触部と前記排出口を連結するように形成され、前記燃料極で発生したガスを前記排出口に排出する気液分離部が設けられていることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記気液分離部が細孔で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記気液分離部が気液分離膜で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
4. 前記気液分離部が撥水処理されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池装置。
5. 前記気液分離部が導電処理されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池装置。
6. 前記排出口には、前記ガスを吸引する吸引機構が取り付けられていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の燃料電池装置。
7. 前記液体燃料は、マイクロポンプによって送液されることを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の燃料電池装置。
8. 前記マイクロポンプは、前記燃料極側セパレータを挟んで燃料極側と反対側の層の部材に配置され、
   前記マイクロポンプは、前記部材の面方向に配置された供給路に沿って前記液体燃料を送液することを特徴とする請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記マイクロポンプは、前記供給路に沿って配置される圧電素子によって駆動されることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池装置。

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