WO2006075595A1

WO2006075595A1 - 燃料電池

Info

Publication number: WO2006075595A1
Application number: PCT/JP2006/300182
Authority: WO
Inventors: Takashi Shimoyamada; Nobuyasu Negishi; Hirofumi Kan
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 2005-01-11
Filing date: 2006-01-11
Publication date: 2006-07-20
Also published as: TWI303116B; KR20070087011A; US20080124600A1; TW200631229A; CA2592628A1; JPWO2006075595A1; EP1837940A1

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）はアノード触媒層（４）及び燃料極集電体（６）から構成され、空気極（３）はカソード触媒層（５）及び空気極集電体（７）から構成される。燃料極集電体（６）の背面には、ケーシング（１０ａ）と燃料保持膜（８）の間に燃料タンク１１が構成される。燃料タンク（１１）の内部は、燃料極（２）へ供給される液体燃料の均等化を図るために、隔壁により複数の区画に分けられている。燃料タンク（１１）内の液体燃料（メタノール）は、燃料保持膜（８）に吸収されて保持されるとともに、燃料保持膜８の中を通って分散されて燃料極（２）の各部に到達する。

Description

明細書

燃料電池

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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。このため燃料電池は、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である。

[0003] 直接メタノール型燃料電池（DMFC； direct methanol fuel cell)では、エネルギー密度の高レ、メタノールを燃料として使用し、また、触媒層及び固体電解質膜を用いてメタノールから直接的に電流を取り出している。このため、直接メタノール型燃料電池は、改質器が不要で、小型化が可能であり、且つ、燃料の取り扱レ、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視されている。

[0004] DMFCの燃料の供給方式として、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。

[0005] 特開 2004— 319430号公報には、液体供給型 DMFCの例が記載されている。この燃料電池は、複数の起電部より構成され、各起電部に燃料ポンプ力ら偏りなく燃料を供給するために、還流型の燃料流路が設けられている。

[0006] 特開 2000— 106201号公報に、内部気化型 DMFCの例が記載されている。この内部気化型 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。この文献では、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、メタノーノレと水の双方がガスの状態で燃料極に供給される。このようなメタノール水溶液を燃料として用レ、る燃料電池は、メタノールと水の気化速度の間の相違に起因して、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目的で、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。

[0007] それに加えて、主にモパイル機器で使用される小型燃料電池として、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。そのような燃料電池では、使用時の姿勢を一つに限定することは、その使用の態様を考慮すれば困難である。例えば、持ち運び自由な小型の音楽再生機器では、衣服のポケットや手荷物の中で使用される場合が多ぐ機器そのものの姿勢を限定することができず、従って、その中で使用される燃料電池の姿勢についても同様である。このため、液体燃料を使用するパッシブ型燃料電池をモパイル機器で使用する場合、どのようにして燃料電池の燃料極に均等に液体燃料を供給するかが、重要な技術的課題となる。燃料極に均等に液体燃料が供給されない場合、出力の低下などの不具合が生じる。更に、そのような状態が長く続くと、固体電解質膜内でのプロトンの経路に偏りが生じ、あるいは、固体電解質膜が部分的に乾燥することなどにより、電池の寿命が短くなる恐れがある。

発明の開示

[0008] 本発明は、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レ、パッシブ型燃料電池における、以上のような問題点に鑑み成されたものである。本発明の目的は、ノッシブ型燃料電池において、使用時の姿勢を一つに限定することが困難な場合にも、燃料極へ供給される液体燃料の場所的な偏りを抑え、それによつて、出力特性の向上及び電池寿命の増大を図ることにある。

[0009] 本発明の一つの実施態様による燃料電池は、

液体燃料の燃料成分を、燃料タンクから燃料極に供給する燃料電池であって、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、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、力ソード触媒層を有する空気極と、燃料極を間に挟んで固体電解質膜の反対側に設けられ、液体燃料を貯える燃料タンクと、を備え、

前記燃料タンクは、燃料極を一方の壁面にして形成される複数の区画によって構成されている。

[0010] このように、燃料タンクの内部を複数の区画に分けることによって、燃料電池の使用時の姿勢 (従って、燃料極及び燃料タンクの姿勢)が水平でない場合にも、液体燃料が燃料タンクの中で一箇所に集まることなぐ各区画に分散して保持されるようにすることが可能になる。このようにして、燃料タンク内での液体燃料の場所的な偏りが抑えられることにより、出力の低下や電池寿命の低下を防ぐことができる。

[0011] 好ましくは、前記燃料極の前記燃料タンクに向力う側の面に、液体燃料を吸収し且つ分散させて前記燃料極に到達させる燃料保持膜を積層する。このように、燃料極に燃料保持膜を取り付けることによって、前記燃料極へ供給される液体燃料の量の均等化を更に進めることができる。

[0012] 好ましくは、前記複数の区画は、 1つの共通の燃料注液孔から同時に燃料を注入できるように構成される。

[0013] 更に、好ましくは、前記複数の区画の各々は、各区画を仕切る隔壁に設けられた開口部を介して他の少なくとも一つの区画と互いにつなげられるように構成される。

[0014] このように、複数の区画を互いにつなげることによって、燃料電池の姿勢の変化に伴レ、、液体燃料の全量が移動しない程度の範囲で、複数の区画の相互間での燃料の移動を可能にする。これにより、各区画内に保持されている液体燃料の残量の均等化を図ることができる。

[0015] 本発明のもう一つの実施態様による燃料電池は、

液体燃料の燃料成分を、燃料タンクから燃料極に供給する燃料電池であって、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、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、

前記燃料タンクは、燃料極に対して平行な面内で折れ曲がる流路によって構成されている。

[0016] このように、燃料タンクを折れ曲がる流路により構成することによって、燃料電池の使用時等の姿勢 (従って、燃料極及び燃料タンクの姿勢)が水平でない場合にも、液体燃料が燃料タンクの中で一箇所に集まることなぐ流路内の複数の箇所に分散して保持されるようにすることが可能になる。このようにして、燃料タンク内での液体燃料の場所的な偏りが抑えられることにより、出力の低下や電池寿命の低下を防ぐことができる。

[0017] 好ましくは、前記燃料極の前記燃料タンクに向力う側の面に、液体燃料を吸収し且つ分散させて前記燃料極に到達させる燃料保持膜を積層する。このように、燃料極に燃料保持膜を取り付けることによって、前記燃料極へ供給される液体燃料の量の均等化を更に進めることができる。

[0018] 好ましくは、前記燃料タンクを、燃料極に対して平行な面内で複数回折れ曲がる複数の流路によって構成する。

[0019] 好ましくは、前記流路を、液体燃料の入口から末端に行くに従って、その断面積が次第に、即ち、断続的にあるいは連続的に拡大するように構成する。

[0020] 本発明の燃料電池によれば、燃料極へ供給される液体燃料の場所的な偏りを抑え

、それによつて、出力特性の向上や電池寿命の増大を図ることができる。

図面の簡単な説明

[0021] [図 1]図 1は、本発明による燃料電池の一実施形態を示す断面図である。

[図 2]図 2は、図 1に示した燃料電池における燃料タンクのレイアウトを示す図である。

[図 3]図 3は、本発明の燃料電池における燃料タンクのレイアウトの例を示す図である [図 4]図 4は、本発明の燃料電池における燃料タンクのレイアウトの他の例を示す図である。

[図 5]図 5は、本発明の燃料電池における燃料タンクのレイアウトの更に他の例示す図である。

[図 6]図 6は、本発明の燃料電池における燃料タンクのレイアウトの更に他の例を示す図である。

[図 7]図 7は、比較例の燃料電池における燃料タンクのレイアウトを示す図である。

[図 8]図 8は、図 3に示した燃料タンクにおける隔壁の形状を示す斜視図である。

[図 9]図 9は、本発明による燃料電池の他の実施形態を示す断面図である。

[図 10]図 10は、図 9に示した燃料電池における燃料タンクのレイアウトを示す図である。

[図 11]図 11は、本発明の燃料電池における燃料タンクのレイアウトの例を示す図である。

[図 12]図 12は、本発明の燃料電池における燃料タンクのレイアウトの他の例を示す図である。

[図 13]図 13は、本発明の燃料電池における燃料タンクのレイアウトの更に他の例を示す図である。

発明を実施するための最良の形態

[0022] 図 1に、本発明による燃料電池の一実施形態（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、 11は燃料タンクを表す。

[0023] 発電部となる電極膜構造体（MEA : Membrane Electrode Assembly)は、高分子材力なる固体電解質膜 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 (力ソード極)から構成される。燃料極 2は、アノード触媒層 4及び燃料極集電体 6から構成される。空気極 3は、力ソード触媒層 5及び空気極集電体 7から構成される。

[0024] アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5には、触媒が塗布されたカーボンペーパーが使用される。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と接触するように熱圧着されている。触媒層は、例えば、次のようにして得られる。アノード触媒粒子あるいは力ソード触媒粒子を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルォロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水及びメトキシプロパノールを添加して、前記触媒担持カーボンブラックを分散させたペーストを調製する。このペーストを、力ソードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパーに塗布することにより、触媒層が得られる。

[0025] アノード触媒層 4の背面（固体電解質膜 1と反対側の面）には、電流を外部に取り出すために、燃料極集電体 6が積層されている。同様に、力ソード触媒層 5の背面（固体電解質膜 1と反対側の面）には、電流を外部に取り出すために、空気極集電体 7が積層されている。アノード触媒層 4への燃料の供給及び力ソード触媒層 5への空気の供給のために、燃料極集電体 6及び空気極集電体 7には多数の貫通孔が形成されている。アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5には、例えば、金メッキをした銅板が使用される。以上のようにして、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。

[0026] このような電極膜構造体は、ゴムシール 9を介してプラスチック製 (例えば、 PPS製）のケーシング 10a、 10bの間に挟み込まれ、例えばネジなどで固定されている。ゴムシール 9は、アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5から固体電解質膜 1がはみ出した部分に当たるように設置され、その部分でケーシング 10a、 10bの内部がシールされる。

[0027] 燃料極集電体 6の背面 (アノード触媒層 4と反対側の面）には、液体燃料を気化させるための気化膜 (気液分離膜）（図示せず)を介して、不織布からなる燃料保持膜 8 が更に取り付けられている。燃料極 2側のケーシング 10aと燃料保持膜 8の間に、燃料タンク 11が形成されている。燃料タンク 11の中の液体燃料 (メタノール）は、燃料保持膜 8に吸収され、その一部が燃料保持膜 8の中に一時的に保持されるとともに、燃料保持膜 8の中を通り、更に気化膜 (気液分離膜)を介して、液体燃料の気化成分が燃料極 2の各部に到達する。

[0028] なお、この明細書において、「燃料極を一方の壁面にして形成される」とは、燃料タンク 11と燃料極の間に他の層が配置される場合には、燃料タンクに最も近い層を壁面にすることも含まれる。

[0029] 燃料極 2側のケーシング 10aの側壁には、燃料タンク 11の中に液体燃料を補給するための燃料注入孔 12が設けられている。空気極 3側のケーシング 10bには、外部から空気を取り入れるように、多数の小孔が設けられている。

[0030] 図 2に、図 1に示した燃料電池の燃料タンク 11の平面図を示す。この例では、燃料タンク 11は、三つの区画 1 1a〜： l ieから構成されている。燃料注入孔 12は区画 11a に設けられ、区画 11 aと l ib及び区画 l ibと 11cは、それぞれ、隔壁に設けられた開口部を介して互いにつながってレ、る。

[0031] 燃料注入孔 12から注入された液体燃料は、区画 11aから、隔壁に設けられた開口部を経由して、区画 l lb、 11cに流れ込む。また、燃料電池の姿勢の変化及び各区画 11 a〜： 11 c内の液体燃料の残量のバランスなどの影響を受けて、液体燃料が区画 l la〜l lcの間で相互に移動する。その結果、燃料タンク 11内での液体燃料の場所的な偏りを抑えることができる。

[0032] このように、本発明による燃料電池では、燃料極 2への液体燃料の供給の均等化を図るベぐ燃料タンク 11が複数の区画に分割されている。図 3〜6に、燃料タンク 11 のレイアウトの他の例を示す。

[0033] 図 3に示した例では、燃料タンク 11は二つの区画 l ld、 l ieから構成されている。

燃料注入孔 12は、一方の区画 l idに設けられている。二つの区画 l ld、 l ieは、隔壁に設けられた開口部を介して互いにつながっている。液体燃料は、燃料注入孔 12 から一方の区画 1 Idに入り、上記の開口部を通って、もう一方の区画 1 l eに流れ込む。

[0034] 図 4に示した例では、図 3と同様に、燃料タンク 11は二つの区画 1 If、 l lgから構成されている。但し、燃料注入孔 12は二つの区画 1 If、 l lgの境界部に設けられ、液体燃料が燃料注入孔 12から直接、二つの区画 1 If、 l lgに補給されるように構成されている。二つの区画 1 If、 l lgは、燃料注入孔 12の正面に隣接する位置で隔壁に設けられた開口部を介して互いにつながってレ、る。

[0035] 図 5に示した例では、図 4と同様に、燃料タンク 11は二つの区画 l lh、 l liから構成されている。但し、燃料注入孔 12は、二つの区画 l lh、 l liの境界線上を通って燃料タンク 11の中央に至り、隔壁の中央に開口している。これによつて、液体燃料が、燃料注入孔 12から直接、二つの区画 l lh、 l liに補給されるように構成されている。二つの区画 l lh、 l liは、隔壁の中央に設けられた開口部を介して互いにつながっている。

[0036] 図 6に示した例では、燃料タンク 11は四つの区画 l lj、 l lk、 l lm、 l lnから構成されている。即ち、燃料タンク 11の内部は、縦方向及び横方向に区切る隔壁によって四つに分割されている。燃料注入孔 12は、二つの区画 l lj、 I lkの境界線上を通つて燃料タンク 11の中央に至り、上記隔壁の交点の近傍に開口している。これによつて、液体燃料を、燃料注入孔 12から直接、四つの区画 l lj、 l lk、 l lm、 l lnに補給すること力 Sできる。四つの区画 l lj、 I lk, l lm、 l lnは、上記隔壁の交点の近傍で隔壁に設けられた開口部を介して互いにつながっている。

[0037] なお、燃料注入孔は、ケーシングの側壁中央に限らず、側壁端部などその燃料電池に応じた位置に配置することもできる。

[0038] 燃料タンクを複数の区画に区切る隔壁は、燃料タンクと一体で形成することも、あるいは燃料タンクとは別に製作した後に燃料タンクと組み合せることも可能である。特に、液体燃料の移動を隔壁の開口部で効率的に行うため、あるいは製造容易性の観点などからは、燃料タンクと一体で形成することが好ましレ、。

[0039] 燃料タンクを複数の区画に区切る隔壁の開口部の形状、個数などは、その燃料電池に応じて適宜変更することが可能である。

[0040] 燃料タンクを複数の区画に区切る隔壁は、電極膜構造体が同一平面上に複数個配置されている場合には、それぞれの電極膜構造体間に配置することが好ましいが、その区画の構成によっては、電極膜構造体直下に配置しても良い。

[0041] 以上においては、アノード触媒層に供給される燃料成分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ぐ液体であつてもよく、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できる。

[0042] また、燃料タンク 11に収容される液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなぐ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、グリコール水溶液ゃ純グリコール等のダリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であつてもよい。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。 [0043] 次に、本発明に基づく燃料電池の性能を評価するために行われた試験の結果について説明する。なお、この試験では、固体電解質膜 1を 70mm角の正方形とし、ァノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5を 60mm角の正方形とした。従って、アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5は、各辺において 5mmの幅で固体電解質膜 1からはみ出す構造となる。また、燃料タンク 11は、 60mm角の大きさで、深さを 3mmとした。

[0044] (供試体 1)

先に図 3に示したレイアウトの燃料タンクを備えた燃料電池を作成した。図 8に隔壁の形状を示す。隔壁には、隔壁の反対側の区画との間で燃料の相互移動ができるように、その中央部に開口部が加工されている。この開口部は、長さが 5mm、高さが 1 . 5mmであって、燃料タンク 11の底側に高さ 1. 5mmの隔壁が残るように設計されている。

[0045] (供試体 2)

先に図 4に示したレイアウトの燃料タンクを備えた燃料電池を作成した。この例では、燃料の注入口の正面に当たる隔壁の端部に、燃料の相互移動のための開口部が、供試体 1の場合と同様な寸法で加工されている。

[0046] (供試体 3)

先に図 5に示したレイアウトの燃料タンクを備えた燃料電池を作成した。この例では、隔壁の燃料タンクの中央部に当たる部分に、燃料の相互移動のための開口部が、供試体 1の場合と同様な寸法で加工されている。

[0047] (供試体 4)

先に図 6に示したレイアウトの燃料タンクを備えた燃料電池を作成した。この例では

、隔壁の燃料タンクの中央部に当たる部分に、燃料の相互移動のための開口部が、供試体 1の場合と同様な寸法で加工されている。

[0048] (供試体 5)

比較のため、図 7に示すように、燃料タンクの内部が複数の区画に分割されていない燃料電池が作成された。

[0049] 図 3から 7に示した各形状の燃料タンクを備えた燃料電池をそれぞれ 50個ずつ作成して、以下のように評価試験を行った。 [0050] 最初に、平坦な台の上に燃料電池を水平に置き、初期の出力を測定した。このとき、燃料には 20質量％のメタノール水溶液を使用し、 1 Aの電流で放電したときの出力を初期出力とした。

[0051] 初期出力を確認後、燃料を燃料タンクの容積の約半分である 5cc注入し、 1Aの定電流放電を、電圧が 0. 2Vとなるまで実施した。このとき、燃料電池本体を 15度の角度に傾けた状態で固定して、発電を行った。但し、 50個の内の 25個は、燃料の入り口側から見て左側が低くなるように横向きに傾斜させ、残りの 25個は、燃料入り口の反対側の部分が低くなるよう縦向きに傾斜させた。電圧が 0. 2Vに低下した時点で放電を停止した。その後、燃料 5ccを再注入して、再度同じ条件の放電を、放電時間が積算値で 500時間となるまで繰り返した。

[0052] 積算値で 500時間の発電後、初期出力を確認した時と同様に、水平状態にて出力を確認した。各供試体の、初期出力に対する 500時間放電後の出力の割合 (平均値 )を表 1に示す。

[0053] 表 1. 500時間駆動後の出力維持率横向き縦向き供試体 1 76. 0% 86. 5%

供試体 2 88. 8% 77. 1%

供試体 3 92. 8% 77. 8%

供試体 4 93. 5% 92. 8%

供試体 5 76. 2% 75. 9% 表 1から分かるように、燃料タンクの内部が複数の区画に分割されてレ、なレ、供試体 5 (図 7)の 500時間放電後出力維持率は、傾斜の向きに関係なく約 76%であった。これに対して、 2等分となるように隔壁を設けた供試体 1〜3 (図 3〜5)では、隔壁に対して直角方向の傾きに対して効果が確認され、それぞれ、 500時間放電後の出力維持率が向上することが確認された。これは、供試体 5は、傾斜による燃料の移動が自由なため燃料分布に偏りが生じ、出力の低下が大きいのに対し、隔壁を設けることにより燃料の移動をある程度制限した供試体 1〜3では、燃料分布の偏りが比較的小さいため、供試体 5と比較して出力の低下が小さくなつたためと考えられる。

[0054] また、供試体 1と比較すると、供試体 2及び 3の方が出力低下が小さくなつている。これは、燃料を複数の燃料タンクに同時に注入することや、電極の中央付近に注入することにより、燃料分布の偏りがさらに小さくなり、出力の維持率が向上したと考えられる。更に、燃料タンクの内部を 4等分に分割した供試体 4では、 4分割にしたこと、さらには 4分割されることによりタンク中央付近から各区画への燃料の注入が行われるため燃料分布の偏りがさらに小さくなることにより、横方向及び縦方向のいずれの傾斜の場合にも、出力の低下が小さくなつた。

[0055] 図 9に、本発明による燃料電池の他の実施形態（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、 21は燃料タンクを表す。

[0056] 発電部となる電極膜構造体（MEA : Membrane Electrode Assembly)は、高分子材力なる固体電解質膜 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 (力ソード極)から構成される。燃料極 2は、アノード触媒層 4及び燃料極集電体 6から構成される。空気極 3は、力ソード触媒層 5及び空気極集電体 7から構成される。

[0057] アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5には、触媒が塗布されたカーボンペーパーが使用される。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と接触するように熱圧着されている。触媒層は、例えば、次のようにして得られる。アノード触媒粒子あるいは力ソード触媒粒子を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルォロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水及びメトキシプロパノールを添加して、前記触媒担持カーボンブラックを分散させたペーストを調製する。このペーストを、力ソードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパーに塗布することにより、触媒層が得られる。

[0058] アノード触媒層 4の背面（固体電解質膜 1と反対側の面）には、電流を外部に取り出すために、燃料極集電体 6が積層されている。同様に、力ソード触媒層 5の背面（固体電解質膜 1と反対側の面）には、電流を外部に取り出すために、空気極集電体 7が積層されている。アノード触媒層 4への燃料の供給及び力ソード触媒層 5への空気の供給のために、燃料極集電体 6及び空気極集電体 7には多数の貫通孔が形成されている。アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5には、例えば、金メッキをした銅板が使用される。以上のようにして、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。

[0059] このような電極膜構造体は、ゴムシール 9を介してプラスチック製 (例えば、 PPS製）のケーシング 10a、 10bの間に挟み込まれ、例えばネジなどで固定されている。ゴムシール 9は、アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5から固体電解質膜 1がはみ出した部分に当たるように設置され、その部分でケーシング 10a、 10bの内部がシールされる。

[0060] 燃料極集電体 6の背面（アノード触媒層 4と反対側の面）には、液体燃料を気化させるための気化膜 (気液分離膜）（図示せず)を介して、不織布からなる燃料保持膜 8 が更に取り付けられている。燃料極 2側のケーシング 10aと燃料保持膜 8の間に燃料タンク 21が形成されている。燃料タンク 21の中の液体燃料 (メタノール）は、燃料保持膜 8に吸収され、その一部が燃料保持膜 8の中に一時的に保持されるとともに、燃料保持膜 8の中を通り、更に気化膜 (気液分離膜)を介して液体燃料の気化成分が燃料極 2の各部に到達する。

[0061] なお、この明細書において、「燃料極を一方の壁面にして形成される」とは、燃料タンク 21と燃料極の間に他の層が配置される場合には、燃料タンクに最も近い層を壁面にすることも含まれる。

[0062] 燃料極 2側のケーシング 10aの側壁には、燃料タンク 21の中に液体燃料を補給するための燃料注入孔 22が設けられている。空気極 3側のケーシング 10bには、外部から空気を取り入れるように、多数の小孔が設けられている。

[0063] 図 10に、本発明に基づく燃料電池の燃料タンク 21の平面図の一例を示す。この例では、燃料タンク 21は、二つの流路 21a、 21bから構成されている。燃料注入孔 22 は、二つの流路 21a、 21bに対して共通に設けられ、二つの流路 21a、 21bは入り口部分で互いにつながっている。この図において、流路 21aは、入り口力先ず上方に向かい、燃料タンク 21の上辺に到達して左に曲がり、次いで、燃料タンク 21の右辺に到達して下に曲がり、更に、燃料タンク 21の下辺に到達して右に曲がり、その直後に上に曲がって、上辺及び左辺力若干離れた位置で終了している。流路 21bは、流路 21aに対して鏡面対象の経路を迪つて、上辺及び右辺から若干離れた位置で終了している。このように、各流路 21a、 21bは、燃料極 2に対して平行な面内で 4回折れ曲り、それぞれ、燃料極 2の面積の半分をカバーするように配置されている。

[0064] 燃料タンク 21内の液体燃料は、燃料電池の姿勢の変化及び各流路 21a、 21b内の液体燃料の残量のバランスなどの影響を受けて、流路内を適宜移動し、流路内の複数の箇所に分散して保持される。このようにして、燃料タンク 21内での液体燃料の場所的な偏りが抑えられることにより、出力の低下や電池寿命の低下を防ぐことができる。

[0065] なお、燃料注入孔は、ケーシングの側壁中央に限らず、側壁端部などその燃料電池に応じた位置に配置することもできる。

[0066] 燃料タンクの流路を形成するための隔壁は、燃料タンクと一体で形成することも、あるいは燃料タンクとは別に製作した後に燃料タンクと組み合せることも可能である。特に、液体燃料の移動を効率的に行うため、あるいは製造容易性の観点などから、燃料タンクと一体で形成することが好ましレ、。

[0067] 燃料タンクの流路を形成するための隔壁は、電極膜構造体が同一平面上に複数個配置されている場合には、それぞれの電極膜構造体間になるベく配置することが好ましいが、その流路の構成によっては、電極膜構造体直下に配置してもよい。

[0068] 更に、図 2に示したような複数の区画によって構成される燃料タンクと、図 10に示したような流路によって構成される燃料タンクは、上記のようにそれぞれ個別に使用することが可能であるが、それらを組合せた構成の燃料タンクを使用することも可能である。

[0069] なお、以上においては、アノード触媒層に供給される燃料成分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ぐ液体であってもよぐ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できる。

[0070] なお、燃料タンク 11に収容する液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなぐ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、グリコール水溶液ゃ純グリコール等のダリコール燃料、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、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。

[0071] 次に、本発明に基づくパッシブ型燃料電池の性能を評価するために行われた試験の結果について説明する。なお、この試験では、固体電解質膜 1を 70mm角の正方形とし、アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5を 60mm角の正方形とした。従って、アノード触媒層 4及び力ソード触媒層 5は、各辺において 5mmの幅で固体電解質膜 1からはみ出す構造となる。また、燃料タンク 21は、 60mm角の大きさで、深さを 3m mとした。

[0072] (供試体 6)

図 11に示すレイアウトの燃料タンク 21を備えた燃料電池を作成した。なお、このレィアウトは、先に図 10に示したものと基本的に同様である。二つの流路 21a、 21bの幅は、 10mmで一定である。

[0073] (供試体 7)

図 12に示すレイアウトの燃料タンク 21を備えた燃料電池を作成した。図 12に示されているように、二つの流路 21c、 21dは、液体燃料の入口から末端に行くに従って、その幅が、断続的に拡大するように構成されている。即ち、各流路 21c、 21dの幅は、入り口部分が 5mm、中間部分が 10mm、末端部分が 15mmである。

[0074] (供試体 8)

比較のため、図 13に示すように、燃料タンク 21の内部が流路によって仕切られてレ、なレ、燃料電池を作成した。

[0075] 図 11から図 13に示した各形状の燃料タンクを備えた燃料電池をそれぞれ 50個ずつ作成して、以下のように評価試験を行った。

[0076] 最初に、平坦な台の上に燃料電池を水平に置き、初期の出力を測定した。このとき、燃料には 20質量％のメタノール水溶液を使用し、 1 Aの電流で放電したときの出力を初期出力とした。

[0077] 初期出力を確認後、燃料を燃料タンクの容積の約半分である 5cc注入し、 1Aの定電流放電を電圧が 0. 2Vとなるまで実施した。このとき、燃料電池本体を 15度の角度に傾けた状態で固定して、発電を行った。但し、 50個の内の 25個は燃料の入り口から見て左側が低くなるように横向きに傾斜させ、残りの 25個は燃料入り口の反対側の部分が低くなるよう縦向きに傾斜させた。電圧が 0. 2Vに低下した時点で放電を停止した。その後、燃料 5ccを再注入して、再度同じ条件の放電を、放電時間が積算値で 500時間となるまで繰り返した。

[0078] 積算値で 500時間の発電後、初期出力を確認した時と同様に、水平状態にて出力を確認した。各供試体の、初期出力に対する 500時間放電後の出力の割合 (平均値 )を表 2に示す。

[0079] 表 2. 500時間駆動後の出力維持率横向き縦向き供試体 1 89. 8% 80. 0%

供試体 2 94. 8% 88. 2%

供試体 3 76. 2% 75. 9% 表 2から分かるように、燃料タンクの内部が流路によって仕切られていない供試体 8 (図 13：比較例）の 500時間放電後出力維持率は、傾斜の向きに関係なく約 76%であった。これに対して、燃料タンクが複数回折れ曲がる流路によって構成された供試体 6及び 7 (図 11及び 12)では、 500時間放電後の出力維持率が向上することが確認された。これは、供試体 8は、傾斜による燃料の移動が自由なため燃料分布に偏りが生じ、出力の低下が大きいのに対し、流路を設けることにより燃料の移動をある程度制限した供試体 6及び 7では、燃料分布の偏りが比較的小さいため、供試体 8と比較して出力の低下が小さくなつたためと考えられる。

[0080] また、供試体 6と比較すると供試体 7の方が、出力低下が小さくなつている。これは、燃料の注入量を燃料タンクの容積の約半分の量としたことから、流路の末端付近では燃料が不足気味となるが、供試体 7では、入り口付近の流路の幅を狭くすることによって、流路の末端部分まで燃料が行き渡り易くなつたためであると考えられる。

Claims

請求の範囲

[1] 液体燃料の燃料成分を、燃料タンクから燃料極に供給する燃料電池であって、

イオン伝導性を備えた固体電解質膜と、

前記燃料タンクは、燃料極を一方の壁面にして形成される複数の区画によって構成されている燃料電池。

[2] 前記燃料極の前記燃料タンクに向力側の面に、液体燃料を吸収し且つ分散させて前記燃料極に到達させる燃料保持膜が積層されている、請求項 1に記載の燃料電池。

[3] 前記複数の区画は、一つの共通の燃料注液孔から同時に燃料を注入できるように構成されている、請求項 1に記載の燃料電池。

[4] 前記複数の区画の各々は、各区画を仕切る隔壁に設けられた開口部を介して他の少なくとも一つの区画と互いにつなげられている、請求項 1に記載の燃料電池。

[5] 前記燃料タンクの内部は、互いに交差する少なくとも 2枚の隔壁によって少なくとも

4つの区画に分割され、且つ、これらの区画の各々は、前記隔壁に設けられた開口部を介して他の少なくとも一つの区画と互いにつなげられている、請求項 1に記載の燃料電池。

[6] 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、請求項 1に記載の燃料電池。

[7] 液体燃料の燃料成分を、燃料タンクから燃料極に供給する燃料電池であって、

イオン伝導性を備えた固体電解質膜と、

燃料タンクは、燃料極に対して平行な面内で折れ曲がる流路によって構成されている燃料電池。

[8] 前記燃料極の前記燃料タンクに向力側の面に、液体燃料を吸収し且つ分散させて前記燃料極に到達させる燃料保持膜が積層されている、請求項 7に記載の燃料電池。

[9] 前記燃料タンクが、燃料極に対して平行な面内で複数回折れ曲がる複数の流路によって構成されている、請求項 7に記載の燃料電池。

[10] 前記流路は、液体燃料の入口から末端に行くに従って、その断面積が断続的または連続低に拡大するように構成されている、請求項 7に記載の燃料電池。

[11] 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、請求項 7に記載の燃料電池。