JPWO2007139059A1 - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

セル構造体と、セル構造体のカソード側に空気を供給するための空気導入孔が開口する主面を有する保護カバーと、を具備する燃料電池であって、保護カバーの主面に内蔵され、発電反応によりカソード側で発生する熱エネルギを吸収・蓄積・放出する蓄熱剤とを有する。

Description

本発明は、携帯機器の動作に有効な平面配置の燃料電池に関する。

近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。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、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、小型化が出来れば携帯電子機器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燃料電池（DMFC；Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、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ことから、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器に最適な電源としてその実用化が期待されている。

例えば特開２００４−０１４１４８号公報および国際公開番号２００５／１１２１７２ Ａ１公報は、プロトン導電性の固体電解質膜と、アノード触媒層およびアノードガス拡散層を有し、燃料と水から電荷とプロトンを生成するアノードと、カソード触媒層およびカソードガス拡散層を有し、プロトンと酸素から水を生成するカソードとで形成される膜電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）を単位セルとして有し、単位セル周辺に液体燃料タンクを備え、単数または複数の単位セルを保護カバーで覆った直接メタノール燃料電池を開示している。

ＤＭＦＣのカソード側では触媒の存在下で燃料のメタノールと酸素とを反応させるが、この反応は水と二酸化炭素を生成する燃焼反応（発熱反応）であるため、その反応熱が保護カバーの内部に蓄積され、図８に特性線Ｃで示すように発電初期にセルの温度が急激に上昇する。その後、時間の経過とともに放熱が進行して徐々にセル温度が降下するが、セル温度の低下に伴って特性線Ｄに示すように発電出力も低下する。このようにＤＭＦＣにおいては、発電開始からの経過時間に応じて出力にばらつきを生じるという課題がある。

また、発電初期のセル温度の急激な上昇により、ＤＭＦＣの保護カバーの表面温度が約６０℃を超える可能性もあり、周辺部材への熱的影響も懸念され、ひいては出力特性が低下するという問題がある。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、発電初期の急激な昇温を有効に防ぐことができ、発電初期から後期までにわたり出力の経時的なばらつきを抑えることができる燃料電池を提供する。

本発明者らは、燃料電池の昇温、特に保護カバーの表面温度の上昇を抑え、かつ出力の経時的なばらつきを抑える技術について鋭意研究した結果、以下に述べる本発明を完成させた。

本発明に係る燃料電池は、カソード触媒層とアノード触媒層との間にプロトン伝導膜を配置してなる膜電極接合体を有するセル構造体と、このセル構造体のカソード側に空気を供給するための空気導入孔が開口する主面を有する保護カバーと、を具備する燃料電池であって、前記保護カバーの主面に内蔵され、発電反応によりカソード側で発生する熱エネルギを吸収・蓄積・放出する蓄熱剤と、を具備することを特徴とする。

空気導入孔は、保護カバー主面の中央部で疎になるように空気導入孔の相互間距離が長く、保護カバー主面の周辺部で密になるように空気導入孔の相互間距離が短く配置されていることが好ましい（図５Ａ）。発電初期にカソード側で発熱した熱エネルギがセル構造体の中央部に集中するので、保護カバーの中央部において空気導入孔と空気導入孔との相互間距離を長くして空気導入孔を疎に設ける（空気導入孔の開口数を減らす）と、中央部で蓄熱剤の量が増えるため、中央部の熱容量を周辺部の熱容量よりも大きくでき、保護カバー全体の温度均一性を向上させることができる。

蓄熱剤は、保護カバー主面の中央部で容量が最大であり、保護カバー主面の中央部から周辺部に向けて容量が漸次減少するような容量分布をもつことが好ましい（図６）。発熱した熱エネルギはセル構造体の中央部で大きく、これに近接対面する保護カバーは周辺部よりも中央部のほうがより多くの熱エネルギを受けるので、これに対応して蓄熱剤の熱容量を中央部で大きく、周辺部で小さくし、保護カバー全体の温度均一性を向上させることができる。

蓄熱剤の融点は３０〜５０℃の範囲にあることが望ましい（表１）。蓄熱剤は、発電初期には発生した熱を吸収し（吸熱機能）、発電中期には吸収した熱を一時的に蓄え（蓄熱機能）、発電中期〜後期には蓄えた熱を放出する（放熱機能）諸機能を有するものである。蓄熱剤の融点が５０℃を超えると、保護カバー表面の最高到達温度に近い温度になるため、吸収した熱エネルギを直ぐに放出してしまい蓄熱期間が短くなるからである。一方、蓄熱剤の融点が３０℃を下回ると、室温においても固体から液体に状態変化してしまうため、発電で生じた熱エネルギを吸収できなくなるからである。

蓄熱剤には炭素数２０以上のパラフィン、チオ硫酸ナトリウム水和物、硫酸ナトリウム水和物などを用いることができる。しかし、炭素数１８以下のパラフィン、塩化カルシウム水和物などは融点が低すぎるため蓄熱剤として用いるには適していない。逆に、酢酸ナトリウム水和物などは融点が高すぎるため、これも蓄熱剤には不適である。

保護カバーは、蓄熱剤を収容する開口された収容部を有するカバー本体と、カバー本体の開口を覆って保護カバーの主面の一部を形成する蓋体とを有する構造体とすることができる。

さらに、前記保護カバーの前記カバー本体と前記蓋体との間に介装され、前記蓄熱剤が漏れ出さないようにするシール材を有することが好ましい。シール部材には、硬質から軟質までの各種のゴム系材料、樹脂系材料または金属材料を用いることができるが、このうちゴム系材料（例えばＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム））が最も適している。

保護カバーは、例えばかしめ加工によりセル構造体に一体的に取り付けられるかしめ部を有することができる。このかしめ部をセル構造体の周縁部にかしめ加工して保護カバーをセル構造体に固定する場合には、保護カバーの中央部を締め付けて押圧することができない。このため、セル構造体から保護カバーに熱が伝わると、保護カバーの中央部が凸状に熱膨張変形する。しかし、本発明では蓄熱剤を用いて保護カバーから強制的に熱を奪うため、保護カバーの熱膨張変形が抑制または防止される。

図１は燃料電池の概要を示す分解斜視図。 図２Ａは燃料電池をカソード（空気極）側から見て示す外観斜視図。 図２Ｂは燃料電池をアノード（燃料極）側から見て示す外観斜視図。 図３は燃料電池の内部透視断面図。 図４は本発明の実施形態の蓄熱剤を内蔵する保護カバーを示す断面図。 図５Ａは本発明の保護カバーの空気導入孔の位置を概略的に示す分解斜視図。 図５Ｂは従来の保護カバーの空気導入孔の位置を概略的に示す分解斜視図。 図６は他の実施形態の蓄熱剤を内蔵する保護カバーを示す断面図。 図７は実施例と比較例とを比べて本発明の蓄熱効果を示す特性線図。 図８は発電出力の温度依存性を示す特性線図。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
先ず、燃料電池の全体の概要について図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３を参照して説明する。燃料電池１は、発電部としてのセル構造体１０およびセル構造体１０のカソード側を覆う主面をもつ保護カバー２を備えている。セル構造体１０は、内部に平面配置され直列接続された複数の単位セルを有するものである。単位セルは、図３に示すように、プロトン伝導性の固体電解質膜１１、アノード触媒層１２およびカソード触媒層１３が一体化された膜電極接合体を備え、さらにアノードガス拡散層１４、カソードガス拡散層１５、正極リード（カソード集電体）１６ａおよび負極リード（アノード集電体）１６ｂを具備している。

燃料電池１の内部にはシール部材１８等によって種々のスペースや間隙が形成されている。それらのスペースや間隙のうち、例えばカソード側のスペースは保湿板２６として用いられ、アノード側のスペースは液体燃料収容室２７および気化室（図示せず）として用いられる。保湿板２６には好ましくは気孔率が例えば２０〜６０％の多孔性フィルムが用いられる。液体燃料収容室２７には液受入口２１に連通する燃料供給流路１９が適所に開口している。液受入口２１には例えばバイオネット式のカプラー２３が取り付けられ、このカプラー２３に図示しない燃料カートリッジのノズルが差し込まれ、液体燃料が液体燃料収容室２７に補給されるようになっている。

なお、液体燃料には、メタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料、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、ギ酸、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液が用いられる。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。

中でもメタノール燃料は、炭素数が１で反応の際に発生するのが炭酸ガスであると共に、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができるので好ましい。また、燃料は濃度１００％から数％までの範囲で種々の濃度のものを用いることができる。好ましくは、濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。従って、各実施形態は濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた燃料電池に適用することが好ましい。

カソード側の保護カバー２の主面には複数の空気導入孔２４が所定ピッチ間隔ごとに開口し、保湿板２６にそれぞれ連通している。これらの空気導入孔２４は、外気が通過する開口を形成するが、外気の通過を阻害せずに、外部からカソードガス拡散層１５への微小あるいは針状の異物の浸入・接触を防止しうるような形状が工夫されている。

図４に示すように、保護カバー２は、発電初期に発生した過剰な熱エネルギを蓄熱するための蓄熱剤３を内包している。すなわち、保護カバー２のカバー本体２ｄには蓋体２ｃが被せられ、カバー本体２ｄの凹所と蓋体２ｃとの間に形成される密閉空間に蓄熱剤３が収容されている。カバー本体２ｄと蓋体２ｃとの間にはゴム系材料（例えば、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム））などの耐メタノール性を有するシール材４が挿入され、融解した液状の蓄熱剤３が保護カバー２から外部に漏れ出さないようにシールされている。

蓄熱剤３が保護カバー２内に内蔵されているため、単に保護カバー２の外部（カソードとの間）に配置されている場合と比べて、カソード側で発生する熱エネルギをまず保護カバー２の下部により一度平面方向に拡散して蓄熱剤３に蓄熱されるため、広い範囲にわたり蓄熱され、熱分布を均一とすることができる。

蓄熱剤３には炭素数２０以上のパラフィン、チオ硫酸ナトリウム水和物、硫酸ナトリウム水和物などを用いることができる。これらの蓄熱剤材料は、表１に示すように融点が３０〜５０℃の範囲にあり、保護カバー２の発電開始前の温度（室温）では固体であり、発電開始後の温度（約６０℃）では融解して液体となる。

保護カバー２の材料には、ステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金属材料を用いることが望ましいが、金属材料に限られることなく樹脂材料を用いることもでき、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの液体燃料で膨潤等を生じにくい硬質の樹脂を用いてもよい。

本実施の形態では、保護カバー２の板厚ｔ１を０．５ｍｍ、シール材４の厚みｔ２を０．２ｍｍ、蓄熱剤３の厚みｔ３を１．０ｍｍとした。なお、蓄熱剤３の厚みｔ３は０．８〜３．０ｍｍの範囲内で適宜変えることができる。

アノードガス拡散層１４から負極リード１６ｂに電子を取り出して、発電エネルギの効率良い利用を可能とするために、所定空間の気化室（図示せず）を形成している。気化室（図示せず）は液体燃料収容室２７に隣接して設けられ、両者の間は気液分離膜（図示せず）により仕切られている。なお、気液分離膜は、多数の細孔を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートからなり、液体燃料を遮断し、燃料ガスを透過させるものである。

液体燃料収容室２７は、アノード側保護カバーとしての筐体外装板２５および液体燃料供給フレームによって周囲を規定される所定容量のスペースからなり、このスペースの適所（例えば燃料タンクの側面）において液受入口２１が開口している。液受入口２１には例えばバイオネット式のカプラー２３が取り付けられ、燃料を補給するときを除いて、カプラー２３により燃料供給口２１が閉鎖されている。この燃料電池本体側のカプラー２３は別体の燃料カートリッジ側のカプラー（図示せず）が液密に係合され得るような形状に形成されている。例えば燃料カートリッジ側カプラーの溝（図示せず）を燃料電池本体側のカプラー２３の突起に係合させて案内しながら、燃料カートリッジ側カプラーを燃料本体側カプラー２３のなかに押し込むと、内蔵バルブが開いてカートリッジ側の流路が燃料電池本体側の流路に連通し、燃料カートリッジの内圧によって液体燃料（メタノール液など）が輸送チューブを通って液受入口から液体燃料収容室２７内に流入するようになっている。

液体燃料収容室２７内には液体燃料含浸層（図示せず）が収容されていてもよい。液体燃料含浸層には例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質オレフィン系樹脂等多硬質繊維や、連続気泡多孔質体樹脂を用いることが好ましい。液体燃料含浸層は、気液分離膜（図示せず）と燃料供給口２１が形成された液体燃料供給フレームとの間に配置され、燃料タンク内の液体燃料が減少した場合や燃料電池本体が傾斜して載置され燃料供給が偏った場合においても、気液分離膜に均質に燃料供給され、その結果、アノード触媒層１４に均質に気化された液体燃料を供給することが可能となる。ポリエステル繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより構成してもよく、スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる材料により構成する。本液体燃料含浸部は，本体の姿勢に関わらず適量の燃料を供給するのに有効である。

気化室（図示せず）は、スペーサと気液分離膜（図示せず）とによって周囲を規定されている。スペーサの上面において複数の気化燃料供給口が開口している。これらの気化燃料供給口は、負極リード１６ｂを貫通し、アノードガス拡散層１４の側にそれぞれ連通している。液体燃料収容室内の液体燃料の一部がガス化すると、その燃料ガス成分は気液分離膜を通って気化室に入り、さらに気化室から気化燃料供給口を通ってアノードガス拡散層１４の側に導入され、発電反応に寄与する。

燃料電池１の単位セルは、電解質膜１１、アノードおよびカソードを備えている。アノードとカソードは電解質膜１１を間に挟んで対向配置されている。アノードはアノード触媒層１２およびアノードガス拡散層１４を有する。

電解質膜１１は、アノード触媒層１２において発生したプロトンをカソード触媒層１３に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的には、デュポン社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、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、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂膜などプロトンを輸送可能な電解質膜１１を構成するようにしてもよい。

アノード触媒層１２は、ガス拡散層１４を介して供給される燃料を酸化して燃料から電子とプロトンとを取り出すものであり、アノード触媒層１２とガス拡散層１４とが積み重ねられた積層構造をなしている。アノード触媒層１２は、例えば、触媒を含む炭素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）などの遷移金属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。但し、触媒をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、一酸化炭素（ＣＯ）の吸着による触媒の不活性化を防止することができるので好ましい。

また、アノード触媒層１２は、電解質膜１１に用いられる電解質を含むほうがより望ましい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層１４は、例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などで構成されている。

なお、アノードガス拡散層１４の電解質膜１１とは反対側の面には集電体１６ｂが配置されており、この集電体１６ｂの端部より負極リードとして外方に延び出している。この集電体は、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、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などをそれぞれ使用することができる。

カソードはカソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１５を有する。カソード触媒層１３は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層１２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り、例えば上述のアノード触媒層１２及びガス拡散層１４と同様に構成されている。すなわち、カソードは、固体電解質膜１１の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなるカソード触媒層１２と多孔質の炭素材料よりなるカソードガス拡散層１５（ガス透過層）とが積み重ねられた積層構造をなしている。カソード触媒層１３に用いられる触媒はアノード触媒層１２のそれと同様であり、アノード触媒層１２が固体電解質膜１１に用いられる電解質を含む場合があることもアノード触媒層１２と同様である。なお、カソードガス拡散層１５の電解質膜１１とは反対側の面には集電体１６ａが配置されており、この集電体１６ａの端部より正極リードとして外方に延び出している。

図５Ａおよび図５Ｂにおいて、本発明の空気導入孔の配置を分かりやすく説明するため空気導入孔の数を実際よりも減らして示した便宜上の配置で説明する。

本実施形態の燃料電池１では、図５Ａに示すように、保護カバー２の中央部分に比べて外周部に空気導入孔２４を集中して配置している。このように保護カバー２の周辺部に空気導入孔２４を高密度に配置しているので、保護カバー２の内部に収容された蓄熱材３の熱容量を中央部で大きく、周辺部で小さくすることができる。発熱した熱エネルギはセル構造体の中央部で大きく、これに近接対面する保護カバー２は周辺部よりも中央部のほうがより多くの熱エネルギを受けるので、本構成により保護カバー２全体の温度均一性を向上させることができる。

これに対して、従来の燃料電池１００では、図５Ｂに示すように、保護カバー２に空気導入孔２４を等間隔で配置している。従来タイプの燃料電池では９つの空気導入孔２４の間隔に疎密がなく、空気導入孔２４と空気導入孔２４との間は等ピッチ間隔である。このため発電開始からある程度の時間が経過すると、保護カバー２の全体の温度が不均一になるとともに、カソード側の反応熱により保護カバーの中央部分が凸状に熱膨張変形していた。

保護カバー２，２５及び支柱２９は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、などの液体燃料で膨潤等を生じいくい硬質のプラスチックでつくることが望ましいが、耐食性に優れたコーティングを施せばステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金属材料でつくることも可能である。保護カバー２を金属材料とする場合は、同一電池容器内に配置されているそれぞれの負極同士が短絡しないように図示しない絶縁部材を負極相互間に挿入する必要がある。

（第２の実施の形態）
図６を参照して第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態が上記第１の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。

第２の実施形態では保護カバー２Ａに内包される蓄熱剤３の厚みをセル構造体の発熱部位に応じて変えている。すなわち、蓄熱剤３の厚みを保護カバー２Ａの中央部において最も厚くし、保護カバー２Ａの周辺部において漸次減少して薄くしている。これにより入熱量の大きい保護カバー中央部分では蓄熱容量が大きく、入熱量の小さい保護カバー周辺部分では蓄熱容量が小さくなり、全体として保護カバー２の熱バランスが良好になる。

本実施の形態では、保護カバー２の板厚ｔ１を０．５ｍｍ、シール材４の厚みｔ２を０．２ｍｍ、蓄熱剤３の最大厚みｔを１．０ｍｍとした。なお、蓄熱剤３の厚みの増減の程度はセル構造体１０の構成に応じて種々変えることができる。

保護カバー２Ａ内部の残りのスペースには断熱材５が充填されている。断熱材５は、内部からの熱を遮断するので、発電初期における保護カバーの異常昇温を防止する効果がある。また、断熱材５の存在により、発電中期〜後期において、蓄熱剤３に蓄熱した熱エネルギを徐々に放出させるので、出力を安定化させるという効果がある。

（実施例と比較例）
表１に種々の実施例および比較例の蓄熱剤の融点（℃）と融解熱（kJ/kg）をそれぞれ示す。パラフィンは、融点が室温より少し高い温度域にあり、ほどほどの融解熱量を示し、容易に入手でき、低価格であるなど種々の点で優れている。さらに、パラフィンは、万一外部に漏れ出した場合であっても、毒性がなく安全性が高いという優れた特性を有する。このようにパラフィンは本発明の蓄熱剤に最も適した材料の１つであるといえる。

実施例１のパラフィン（Ｃ₂₂Ｈ₄₆）は、融点（４４℃）が燃料電池の発電初期における過熱温度を下回り、しかも融解熱（１５７ｋＪ／ｋｇ）がほどほどの大きさであるため、十分な蓄熱量を保有させることができる。

実施例２のパラフィン（Ｃ₂₀Ｈ₄₂）は、実施例１より融点（３６．４℃）は低いが、融解熱（２４７ｋＪ／ｋｇ）が大きいので、発電初期において所望レベルの熱量を蓄熱しておき、その蓄熱した熱エネルギを発電中期〜後期において徐々に費消して燃料電池の温度低下を抑制し、出力の低下を防ぐことができる。

一方、比較例１のパラフィン（Ｃ₁₈Ｈ₃₈）は、融点（２８．２℃）が低く、室温に近いため、蓄熱した熱エネルギを発電中期〜後期に徐々に費消させることができず、所望の蓄熱効果を奏することができない。

パラフィンの他に、チオ硫酸ナトリウムや硫酸ナトリウムなどの種々の水和物を本発明の蓄熱剤に用いることができる。これらの水和物は、融点が室温より少し高い温度域にあり、ほどほどの融解熱量を示すので、本発明の蓄熱剤に用いるのに適している。

実施例３のチオ硫酸ナトリウム水和物（Ｎａ₂Ｓ₂Ｏ₃・５Ｈ₂Ｏ）は、融点（４８℃）が燃料電池の発電初期における過熱温度を下回り、しかも融解熱（１９７ｋＪ／ｋｇ）がほどほどの大きさであるため、十分な蓄熱量を保有させることができる。このチオ硫酸ナトリウム水和物と実施例１のパラフィン（Ｃ₂₂Ｈ₄₆）は、融点が室温（２３±１℃）よりほどほどに高いため蓄熱剤に適した材料であり、優れた蓄熱効果を得ることができる。

実施例４の硫酸ナトリウム水和物（Ｎａ₂ＳＯ₄・１０Ｈ₂Ｏ）は、実施例３より融点（３２．４℃）は低いが、融解熱（２５１ｋＪ／ｋｇ）が大きいので、発電初期において所望レベルの熱量を蓄熱しておき、その蓄熱した熱エネルギを発電中期〜後期において徐々に費消して燃料電池の温度低下を抑制し、出力の低下を防ぐことができる。

一方、比較例２の塩化カルシウム水和物（ＣａＣｌ₂・６Ｈ₂Ｏ）は、融点（２９．７℃）が低く、室温に近いため、蓄熱した熱エネルギを発電中期〜後期に徐々に費消させることができず、所望の蓄熱効果を奏することができない。

これとは逆に、比較例３の酢酸ナトリウム水和物（ＣＨ₃ＣＯＯＨ・３Ｈ₂Ｏ）は、融点（５８℃）が高く、燃料電池の発電初期における過熱温度に近いため、その全量が必ず液化するとは限らないので、所望の蓄熱効果を奏することができない。

図６に示すように、発熱量に応じて蓄熱剤３の量を変えるようにしてもよい。すなわち、発熱量の大きい電池中央部では蓄熱剤の厚みｔ４を厚くし、発熱量の小さい電池周辺部では蓄熱剤の厚みｔ４を薄くする。このように保護カバー２の部位ごとに蓄熱剤３の量を変えることにより、保護カバー２全体の温度均一性を実現することができる。

図７は、横軸に運転開始からの経過時間（hr）をとり、縦軸に燃料電池の保護カバー表面の温度（℃）をとって、実施例と比較例の燃料電池において保護カバー表面温度の経時変化をそれぞれ調べた結果を示す特性線図である。温度はデジタル表面温度計を用いて保護カバーの中央部において測定した。図中の特性線Ａは本発明に係る実施例１の結果を、特性線Ｂは比較例１の結果をそれぞれ示した。

図から明らかなように、蓄熱剤３を保護カバーに内包させることにより、起動時または燃料注入時にセル内部で急激な温度上昇を生じる場合であっても、保護カバー２の表面温度は４０℃以下を維持することができた。また、蓄熱剤３の蓄熱効果により、その後においても急激な温度低下が起こらず、発電出力の低下を有効に防ぐことができた。

本発明によれば、良好な電池性能が安定して得られるようになり、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器などの電源としてばらつきの少ない出力特性を得ることができる。また、本発明によれば、発電初期に保護カバーの表面が異常昇温しなくなるので、周辺部材への熱的影響が緩和され、ひいては出力特性を改善することができる。

なお、本発明は上記実施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できる。また、上記実施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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、上記した説明では、燃料電池の構成として膜電極接合体（ＭＥＡ）の下部に液体燃料収容室を有する構造で説明したが、燃料収容部から膜電極接合体への燃料の供給は流路を配して接続された構造であってもよい。また、燃料電池本体の構成としてパッシブ型の燃料電池を例に挙げて説明したが、アクティブ型の燃料電池、さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブと称される型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部からＭＥＡに供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部からＭＥＡへの燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。

また、ＭＥＡへ供給される液体燃料の蒸気においても、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。

Claims (8)

1. カソード触媒層とアノード触媒層との間にプロトン伝導膜を配置してなる膜電極接合体を有するセル構造体と、このセル構造体のカソード側に空気を供給するための空気導入孔が開口する主面を有する保護カバーと、を具備する燃料電池であって、
   前記保護カバーの主面に内蔵され、発電反応によりカソード側で発生する熱エネルギを吸収・蓄積・放出する蓄熱剤と、
   を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 前記空気導入孔は、前記保護カバー主面の中央部で疎になるように該空気導入孔の相互間距離が長く、前記保護カバー主面の周辺部で密になるように該空気導入孔の相互間距離が短く配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記蓄熱剤は、前記保護カバー主面の中央部で容量が最大であり、前記保護カバー主面の中央部から周辺部に向けて容量が漸次減少するような容量分布をもつことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記保護カバーは、前記蓄熱剤を収容する開口された収容部を有するカバー本体と、前記カバー本体の前記開口を覆って前記保護カバーの主面の一部を形成する蓋体とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記保護カバーの前記カバー本体と前記蓋体との間に介装され、前記蓄熱剤が漏れ出さないようにするシール材を有することを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記蓄熱剤は、融点が３０〜５０℃の範囲にあることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
7. 前記アノード触媒層に供給される液体燃料がメタノール燃料であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
8. 前記メタノール燃料はメタノール濃度が８０％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。

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