JPWO2006101071A1

JPWO2006101071A1 - 燃料電池

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Publication number: JPWO2006101071A1
Application number: JP2007509266A
Authority: JP
Inventors: 勇一吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-03-24
Filing date: 2006-03-20
Publication date: 2008-09-04
Also published as: TWI322527B; KR100909520B1; WO2006101071A1; CN101147291A; TW200644322A; EP1863112A4; US7722973B2; KR20070104667A; EP1863112A1; US20090011304A1

Abstract

電極膜構造体は、高分子材からなる固体電解質膜１と、その両側に積層された燃料極２及び空気極３から構成される。燃料極２の背面には多孔質膜８が取り付けられ、燃料極２側のケーシング１６と多孔質膜８の間に燃料タンク１２が形成されている。燃料タンク１２内には保液シート１４が充填されている。空気極３の背面には空気室１３が形成され、空気室１３内には保湿シート１５が充填されている。空気極３側のケーシング１７には多数の吸気孔２１が設けられ、更に、空気極側のケーシング１７の外側の表面にはフィン２２が形成されている。

Description

本発明は、燃料極で触媒を用いて液体燃料から分離された水素イオンを用いて、発電を行う燃料電池に係り、特に、燃料極へ液体燃料を供給するためにポンプなどの能動的な移送手段を使用しない燃料電池に係る。

近年、ノートパソコンや携帯電話などの各種の携帯用電子機器を、長時間充電無しで使用可能にすることを目的として、これらの携帯用機器の電源に燃料電池を用いる試みが各所で進められている。燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電が行われ、燃料のみを補給すれば、連続して長時間発電することができるという特徴を有しているので、小型化が実現されれば、携帯用機器の電源として極めて有利なシステムと言える。

特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；ｄｉｒｅｃｔｍｅｔｈａｎｏｌｆｕｅｌｃｅｌｌ）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから触媒層及び固体電解質膜を用いて電流を直接取り出すので、改質器が不要で、小型化が可能であり、且つ、燃料の取り扱いも水素ガスに比べて容易なことから、小型の携帯用機器用の電源として有望である。

ＤＭＦＣの燃料の供給方式としては、液体燃料を気化させてブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣ、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣ、更に、送り込まれた液体燃料を燃料電池の内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型ＤＭＦＣなどが知られている。

例えば、特開２０００−１０６２０１号公報に記載されているように、内部気化型ＤＭＦＣは、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を拡散させるための燃料気化層とを備え、気化された液体燃料が、燃料気化層から燃料極に供給される。上記文献では、液体燃料として、メタノールと水が１：１のモル比で混合されたメタノール水溶液が使用され、メタノールと水の双方がガスの状態で燃料極に供給される。メタノール水溶液を燃料として用いるこのような燃料電池に関しては、メタノールと水の気化速度の相違に起因して、十分な出力特性を得ることが難しいと言う問題がある。そこで、燃料電池の出力特性の向上及び一層の小型化を図るべく、純メタノールを燃料に用いる燃料電池の開発が進められている。

また、主にモバイル機器で使用される小型の燃料電池として、燃料極へ液体燃料を供給するために、燃料ポンプなどの能動的な移送手段を使用しないパッシブ型燃料電池が開発されている。燃料電池をモバイル機器で使用する場合、ファンなどの強制的な冷却手段を採用することが困難であるので、水素と酸素の結合により発生した熱を、自然空冷によって燃料電池の外に放出しなければならない。仮に、熱の放出が不十分で燃料電池の温度が上昇し過ぎた場合には、メタノール等の液体燃料が燃料極から空気極へ通過する、いわゆるクロスオーバーの増大により発電効率が低下し、電池の寿命が減少し、更には、モバイル機器本体の性能に影響を及ぼし、あるいは、モバイル機器の携帯性を損なう。

本発明は、以上のような、燃料極へ液体燃料を供給するためにポンプなどの能動的な移送手段を使用しない燃料電池における問題点に鑑み成されたものである。本発明の目的は、燃料電池において、熱の放出能力を増大させることにより燃料電池の温度上昇を抑え、それによって、出力特性の向上や電池寿命の増大を図ることにある。

本発明の燃料電池は、
イオン伝導性を備えた固体電解質膜と、
固体電解質膜の一方の側に積層され、液体燃料の燃料成分が供給されるアノード触媒層を有する燃料極と、
固体電解質膜のもう一方の側に積層され、カソード触媒層を有する空気極と、
燃料極の背面側を覆うように設けられ、液体燃料が貯えられる燃料タンクを燃料極の背面との間に形成する燃料極側ケーシングと、
空気極の背面側を覆うように設けられ、空気を貯える空気室を空気極の背面との間に形成する空気極側ケーシングと、を備え、
空気極側ケーシングに、空気室内に空気を取り入れるための複数の吸気孔が設けられるとともに、空気極側ケーシングの外側の表面に、熱の放散を促進するためのフィンが形成されている。

本発明の燃料電池によれば、空気極において水素と酸素の結合によって発生した熱は、空気極から空気室内の空気あるいは充填物を介して空気極側ケーシングに伝達され、次いで、フィンの表面から周囲の空気に放散される。このように、空気極側ケーシングの外側の表面にフィンを設けることによって、周囲の空気に接する空気極側ケーシングの表面積を増大させて燃料電池から放熱される熱量を増大させ、燃料電池の温度上昇を抑えることができる。

例えば、前記フィンは、互いに平行に配置されたリブ状（筋状）の複数の凸部によって構成される。

その場合、好ましくは、前記複数の吸気孔は、互いに隣接する二つの凸部で挟まれた部分に形成される。このように吸気孔をフィンの間の谷間の部分に設けることにより、多数のフィンと排気孔を空気極側ケーシングに配置することができる。また、これによって、空気室から排出される空気の温度を十分に低下させた後に、燃料電池の外に出すことができる。あるいは、前記複数の吸気孔を、これらの凸部を貫通するように形成することもできる。

好ましくは、前記吸気孔には、空気極側ケーシングの外側に向かって断面積が変化するように、内壁面に段差または傾斜を付ける。これにより、周囲の空気に接する空気極側ケーシングの表面積を更に増大させることができる。

フィンの形態についての変形例として、フィンを、二次元的に配置されたピン状の複数の凸部によって構成することもできる。その場合、各吸気孔は、互いに隣接する２〜４個の凸部の間にそれぞれ形成される。あるいは、各吸気孔を、各凸部の中心を貫通するように形成することもできる。

更に、燃料極側ケーシングの外表部と空気極側ケーシング外表部とを高熱伝導性フィルムで接続することにより、燃料電池本体から放出される熱を空気極に伝達して集めることができる。これにより、アノード側の異常な温度上昇が抑制されてクロスオーバーが減少し、燃料電池出力を向上させることができる。

本発明の燃料電池によれば、空気室からの熱の放出能力が増大することによって燃料電池の温度上昇が抑えられ、それに伴い、燃料電池の出力特性の向上や寿命の増大が実現される。また、本発明の燃料電池によれば、燃料電池のケーシング及び排出空気の温度上昇が抑えられるので、燃料電池のモバイル機器への適用が可能になる。

図１は、本発明による燃料電池の概略構成の一例を示す断面図である。図２は、本発明による燃料電池の概略構成の他の例を示す断面図である。図３Ａは、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の一例を示す断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示された燃料電池の上面図である。図４Ａは、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示された燃料電池の上面図である。図５Ａは、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す部分断面図である。図５Ｂは、図５Ａに示された燃料電池の部分上面図である。図６Ａは、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す部分断面図である。図６Ｂは、図５Ａに示された燃料電池の部分上面図である。図７は、本発明による燃料電池のフィンの形態の他の例を示す斜視図である。図８Ａは、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す断面図である。図８Ｂは、図８Ａに示された燃料電池の上面図である。図９Ａは、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す断面図である。図９Ｂは、図９Ａに示された燃料電池の上面図である。図１０Ａは、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す断面図である。図１０Ｂは、図１０Ａに示された燃料電池の上面図である。

図１に、本発明に基づく燃料電池の概略構成の一例（断面図）を示す。図中、１は固体電解質膜、２は燃料極、３は空気極、１２は燃料タンク、１３は空気室、１６は燃料タンク側のケーシング、１７は空気室側のケーシング、２１は吸気孔、２２はフィンを表す。

発電部となる電極膜構造体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）は、高分子材からなる固体電解質膜１と、その両側に積層された燃料極２（アノード極）及び空気極３（カソード極）から構成される。燃料極２及び空気極３は、白金・ルテニウム合金触媒が塗布されたカーボンペーパーが使用され、カーボンペーパーの触媒の塗布された面が固体電解質膜１と接触する向きで熱圧着されている。このようにして、固体電解質膜１、燃料極２及び空気極３が一体化されて、電極膜構造体が構成されている。

燃料極２の背面（固体電解質膜１と反対側の面）には、多孔質膜８が取り付けられている。燃料極２側のケーシング１６と多孔質膜８の間に燃料タンク１２が形成されている。燃料極２側のケーシング１６の側壁には、燃料タンク１２の中に液体燃料（メタノール）を補給するための燃料注入孔１８が設けられている。燃料タンク１２内には保液シート１４が充填され、液体燃料は、保液シート１４に吸収された状態で燃料タンク１２内に貯えられる。液体燃料は、多孔質膜８の中を通って分散されて燃料極２の各部に到達する。

空気極３の背面（固体電解質膜１と反対側の面）には、空気室１３が形成されている。空気極３を常に湿潤な状態に保つため、空気室１３内には保湿シート１５が充填されている。空気極３側のケーシング１７には、外部から空気を取り入れるように、多数の吸気孔２１が設けられている。これに加えて、本発明に基づく燃料電池では、空気極３及び空気室１３内の温度上昇を抑える目的で、空気極側のケーシング１７の外側の表面に、多数のプレート状のフィン２２が形成されている。

このような燃料電池では、空気極３において水素と酸素の結合により発生した熱は、空気極３から空気室１３内の空気、湿分及び保湿シート１５を介して空気極側のケーシング１７に伝達され、同時に燃料極側２のケーシング１６からも空気極側のケーシング１７に伝達される。空気極側のケーシング１７に伝達された熱は、次いで、フィン２２の表面から周囲の空気に放散される。このようにフィン２２を設けることによって、周囲の空気に接する空気極側のケーシング１７の表面積を増大させ、燃料電池から放出される熱量を増大させることができる。

図２に、本発明に基づく燃料電池の概略構成の他の例（断面図）を示す。

図２に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）３１は、カソード触媒層３２及びカソードガス拡散層３４からなる空気極（カソード極）と、アノード触媒層３３及びアノードガス拡散層３５からなる燃料極（アノード極）と、カソード触媒層３２とアノード触媒層３３の間に配置されるプロトン伝導性の電解質膜３６とを備えている。

カソード触媒層３２及びアノード触媒層３３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。アノード触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、カソード触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。

プロトン伝導性電解質膜３６を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂（例えば、スルホン酸基を有するポリエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン）、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

カソード触媒層３２はカソードガス拡散層３４上に積層され、かつアノード触媒層３３はアノードガス拡散層３５上に積層されている。カソードガス拡散層３４はカソード触媒層３２に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、カソード触媒層３２の集電体も兼ねている。一方、アノードガス拡散層３５はアノード触媒層３３に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層３３の集電体も兼ねている。カソード導電層３７ａ及びアノード導電層３７ｂは、それぞれ、カソードガス拡散層３４及びアノードガス拡散層３５と接している。カソード導電層３７ａ及びアノード導電層３７ｂには、例えば、金などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）をそれぞれ使用することができる。

矩形枠状のカソードシール材３８ａは、カソード導電層３７ａとプロトン伝導性電解質膜３６との間に位置すると共に、カソード触媒層３２及びカソードガス拡散層３４の周囲を囲んでいる。一方、矩形枠状のアノードシール材３８ｂは、アノード導電層３７ｂとプロトン伝導性電解質膜３６との間に位置すると共に、アノード触媒層３３及びアノードガス拡散層３５の周囲を囲んでいる。カソードシール材３８ａ及びアノードシール材３８ｂは、膜電極接合体３１からの燃料漏れ及び酸化剤漏れを防止するためのオーリングである。

膜電極接合体３１の下方には、燃料極側のケーシング１６が配置され、アノード導電層３７ｂとケーシング１２の間に燃料タンク３９が設けられている。燃料タンク３９内には、液体のメタノールあるいはメタノール水溶液が収容されている。燃料タンク３９の開口端には、燃料気化層として、例えば、液体燃料の気化成分のみを透過させて液体燃料は透過できない気液分離膜４０が、燃料タンク３９の開口部を覆うように配置されている。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料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。

気液分離膜４０とアノード導電層３７ｂの間には、樹脂製のフレーム４１が積層されている。フレーム４１で囲まれた空間は、気液分離膜４０を拡散してきた気化燃料を一時的に収容しておく気化燃料収容室４２（いわゆる蒸気溜り）として機能する。この気化燃料収容室４２及び気液分離膜４０の透過メタノール量抑制効果により、一度に多量の気化燃料がアノード触媒層３３に供給されるのを回避することができ、メタノールクロスオーバーの発生を抑えることが可能である。なお、フレーム４１は、矩形のフレームで、例えばＰＥＴのような熱可塑性ポリエステル樹脂から形成される。

一方、膜電極接合体３１の上部に積層されたカソード導電層３７ａの背面側には空気室４３が形成されている。空気極（３２、３４）を常に湿潤な状態に保つため、空気室４３内には保湿シート４５が充填されている。空気極側のケーシング１７には、外部から空気を取り入れるように、多数の吸気孔２１が設けられている。これに加えて、空気極（３２、３４）及び空気室４３内の温度上昇を抑える目的で、空気極側のケーシング１７の外側の表面に、多数のプレート状のフィン２２が形成されている。

空気極側のケーシング１７は、膜電極接合体３１を含む積層構造を加圧してその密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属から形成される。保湿シート４５は、カソード触媒層３２において生成した水の蒸散を抑止する役割をなすと共に、カソードガス拡散層３４に酸化剤を均一に導入することによりカソード触媒層３２への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての役割も果たしている。

保湿シート４５は、メタノールに対して不活性で、耐溶解性のない絶縁材料から形成されていることが望ましい。このような絶縁材料としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィンを挙げることができる。

保湿シート４５は、ＪＩＳＰ−８１１７−１９９８で規定される透気度が５０秒／１００ｃｍ^３以下であることが望ましい。これは、透気度が５０秒／１００ｃｍ^３を超えると、吸気孔２１からカソードへの空気拡散が阻害されて高出力を得られない恐れがあるからである。透気度のさらに好ましい範囲は、１０秒／１００ｃｍ^３以下である。

保湿シート４５は、ＪＩＳＬ−１０９９−１９９３Ａ−１法で規定される透湿度が６０００ｇ／ｍ^２２４ｈ以下であることが望ましい。なお、上記透湿度の値は、ＪＩＳＬ−１０９９−１９９３Ａ−１法の測定方法で示されている通り、４０±２℃の温度の値である。透湿度が６０００ｇ／ｍ^２２４ｈを超えると、カソードからの水分蒸発量が多くなり、カソードからアノードへの水拡散を促進する効果を十分に得られない恐れがあるからである。また、透湿度を５００ｇ／ｍ^２２４ｈ未満にすると、過剰量の水がアノードへ供給されて高出力を得られない恐れがあることから、透湿度は、５００〜６０００ｇ／ｍ^２２４ｈの範囲にすることが望ましい。透湿度のさらに好ましい範囲は、１０００〜４０００ｇ／ｍ^２２４ｈである。

上述したような構成の第一の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池によれば、燃料タンク３９内の液体燃料（例えばメタノール水溶液）が気化し、気化したメタノールと水が気液分離膜４０を拡散し、気化燃料収容室４２に一旦収容され、そこから徐々にアノードガス拡散層３５を拡散してアノード触媒層３３に供給され、以下の反応式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （１）
また、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料気化層からの水の供給がないため、カソード触媒層３２に混入したメタノールの酸化反応により生成した水やプロトン伝導性電解質膜３６中の水分等がメタノールと反応して前述した（１）式の内部改質反応が生じるか、あるいは前述した（１）式によらない水不使用の反応機構で内部改質反応が生じる。

これら内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）はプロトン伝導性電解質膜３６を拡散してカソード触媒層３３に到達する。一方、ケーシング１７の吸気孔２１から取り入れられた空気は、保湿シート４５とカソードガス拡散層３４を拡散してカソード触媒層３２に供給される。カソード触媒層３２では、下記（２）式に示す反応によって水が生成する、つまり発電反応が生じる。

（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ（２）
発電反応が進行すると、前述した（２）式の反応などによってカソード触媒層３２中に生成した水が、カソードガス拡散層３４内を拡散して保湿シート４５に到達し、保湿シート４５によって蒸散を阻害され、カソード触媒層３２中の水分貯蔵量が増加する。このため、発電反応の進行に伴ってカソード触媒層３２の水分保持量がアノード触媒層３３の水分保持量よりも多い状態を作り出すことができる。その結果、浸透圧現象によって、カソード触媒層３２に生成した水がプロトン伝導性電解質膜３６を通過してアノード触媒層３３に移動する反応が促進されるため、アノード触媒層への水供給速度を燃料気化層のみに頼っていた場合に比べて向上することができ、前述した（１）式に示すメタノールの内部改質反応を促すことができる。このため、出力密度を高くすることができると共に、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。

図３Ａ、Ｂに、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の一例を示す。図３Ａは断面図、図３Ｂは上面図である。なお、燃料電池の内部構造については、先に図１または図２に示したものと共通なので、この断面図においては省略されている。

この例では、フィン２２は、互いに平行に配置された矩形断面の複数のリブによって構成されている。吸気孔２１は、互いに隣接する二つの凸部で挟まれた各部分に、それぞれ複数個が一列に並べられて形成されている。

図４Ａ、Ｂに、本発明の燃料電池におけるフィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す。図４Ａは断面図、図４Ｂは上面図である。なお、燃料電池の内部構造については、先に図１または図２に示したものと共通なので、この断面図においては省略されている。

この例では、先の例と同様に、フィン２２ａは、互いに平行に配置された矩形断面の複数のリブによって構成されている。これに対して、吸気孔２１ａは、凸部２２ａの内部に凸部２２ａを貫通するように形成され、且つ、各凸部２２ａにそれぞれ複数個が一列に並べられて形成されている。

図５Ａ、Ｂに、フィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す。図５Ａは断面図（部分）、図５Ｂは上面図（部分）である。この例では、ケーシング１７の肉厚ｔは１〜５ｍｍ程度であり、これに対して、フィン２２の間隔ｐは５〜１０ｍｍ程度、フィンの厚さｑは０．３〜１ｍｍ程度、フィンの高さｈは５〜１０ｍｍ程度、吸気孔２１の径ｄは３〜８ｍｍ程度、吸気孔の間隔ｓは５〜１５ｍｍ程度である。

図６Ａ、Ｂに、フィン及び吸気孔の形状及び配置の他の例を示す。図６Ａは断面図（部分）、図６Ｂは上面図（部分）である。この例では、吸気孔２１の径が外側に向かって次第に拡大するように、吸気孔の内周面に傾斜が付けられている。ケーシング１７の外側の表面において、吸気孔２１の入口はフィン２１の根元に接している。

図７に、フィンの形状の他の例の斜視図を示す。この例では、空気極側のケーシング１７の外側の表面に、多数のピン型のフィン２４が形成されている。ピン型のフィンを採用することにより、製造コストは増大するが、フィンによる放熱性能がフィンの姿勢の影響を受けにくくなるで、設計の自由度が高まる。

図８Ａ、Ｂに、ピン型のフィンを採用した場合の吸気孔の配置の例を示す。図８Ａは断面図、図８Ｂは上面図である。この例では、吸気孔２３は、４本のフィン２４で取り囲まれた領域の中央にそれぞれ形成されている。図９Ａ、Ｂに、吸気孔の配置の他の例を示す。図９Ａは断面図、図９Ｂは上面図である。この例では、吸気孔２３ａは、２本のフィン２４ａの中間にそれぞれ形成されている。図１０Ａ、Ｂに、吸気孔の配置の他の例を示す。図１０Ａは断面図、図１０Ｂは上面図である。この例では、吸気孔２３ｂは、各フィン２４ｂの中心を貫通してそれぞれ形成されている。

なお、ピン型のフィンの断面形状は、これらの例に示した矩形の他に、丸、角、長円、板状、六角など、更には星形など異形のものも、採用可能である。

本発明の燃料電池において、フィンの材料は、熱伝導率が大きなものであれば良く、特定の材料に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム（Ａｌ）等の押出材、ダイカスト材、または板材からの加工材を使用することができる。好ましくは、更にその表面にアルマイト処理（陽極酸化処理）したものが使用される。放射率を上げるためには、特に、表面を黒色アルマイト処理をすることが好ましい。その他に、Ｃｕ（銅）、タングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）などの金属及びこれらの合金、及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）などのセラミックスを使用することもできる。

次に、図５Ａ、Ｂ及び図６Ａ、Ｂに示された形状のフィンを用いた燃料電池の評価試験の結果について説明する。

第一の例として、図５Ａ、Ｂに示された形状及び配置のフィンを用いた燃料電池を製作した。この例では、ケーシングの肉厚ｔは２ｍｍ、フィンの間隔ｐは７ｍｍ、フィンの厚さｑは０．５ｍｍ、フィンの高さｈは１０ｍｍ、吸気孔の径ｄは５ｍｍ、吸気孔の間隔ｓは５ｍｍである。

第二の例として、図６Ａ、Ｂに示された形状及び配置のフィンを用いた燃料電池を製作した。この例では、ケーシングの肉厚ｔは２ｍｍ、フィンの間隔ｐは７ｍｍ、フィンの厚さｑは０．５ｍｍ、フィンの高さｈは１０ｍｍ、吸気孔の径ｄは５ｍｍ、吸気孔の間隔ｓは５ｍｍである。吸気孔の径が外側に向かって次第に拡大するように、吸気孔の内周面には、底部よりフィンに向けて傾斜が付けられている。

これらの図５Ａ、Ｂ及び図６Ａ、Ｂに示された形状及び配置のフィンを用いた燃料電池、及びフィンが無い従来型の燃料電池について、燃料電池の表面温度６０℃、環境温度２０℃で、放熱量を測定した。その結果、フィンが無い従来型の燃料電池の放熱量（相対値）を１．０とした場合に、図５Ａ、Ｂのフィンを用いた燃料電池の放熱量は１．２、図６Ａ、Ｂのフィンを用いた燃料電池の放熱量は１．１であった。このように、本発明の燃料電池は、従来の燃料電池に比べてその放熱性能が優れていることが確認された。放熱性能が優れているので、空気室からの熱の放出量が大きく、そのために燃料電池の温度上昇が抑えられ、結果として、燃料電池の出力特性の向上や寿命の増大が実現される。

なお、上記の説明においては、アノード触媒層に供給される燃料成分が、燃料が気化された気体である場合について説明したが、この燃料成分は、気体に限られるものではなく、液体であってもよく、その対象とする燃料電池の構成によって種々のものを使用することができる。また、燃料タンク内の液体燃料については、必ずしもメタノール燃料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であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた種々の濃度、種類のものを使用することができる。

Claims

燃料電池であって、
イオン伝導性を備えた固体電解質膜と、
固体電解質膜の一方の側に積層され、液体燃料の燃料成分が供給されるアノード触媒層を有する燃料極と、
固体電解質膜のもう一方の側に積層され、カソード触媒層を有する空気極と、
燃料極の背面側を覆うように設けられ、液体燃料が貯えられる燃料タンクを燃料極の背面との間に形成する燃料極側ケーシングと、
空気極の背面側を覆うように設けられ、空気を貯える空気室を空気極の背面との間に形成する空気極側ケーシングと、を備え、
空気極側ケーシングに、空気室内に空気を取り入れるための複数の吸気孔が設けられるとともに、空気極側ケーシングの外側の表面に、熱の放散を促進するためのフィンが形成されている燃料電池。
前記フィンは、互いに平行に配置されたリブ状の複数の凸部によって構成され、
前記複数の吸気孔は、互いに隣接する二つの凸部で挟まれた部分に形成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記フィンは、互いに平行に配置されたリブ状の複数の凸部によって構成され、
前記複数の吸気孔は、これらの凸部を貫通するように形成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記吸気孔は、空気極側ケーシングの外側に向かって断面積が変化するように、内壁面に段差または傾斜が付けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
前記フィンは、二次元的に配置されたピン状の複数の凸部によって構成され、
前記各吸気孔は、互いに隣接する凸部の間にそれぞれ形成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記フィンは、二次元的に配置されたピン状の複数の凸部によって構成され、
前記各吸気孔は、各凸部の中心を貫通するように形成されていること、を特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記燃料極側ケーシングの外表部と、前記空気極側ケーシング外表部とが、高熱伝導性フィルムで接続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。
前記アノード触媒層に供給される燃料成分は、液体または気体であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。