WO2007139059A1

WO2007139059A1 - 燃料電池

Info

Publication number: WO2007139059A1
Application number: PCT/JP2007/060812
Authority: WO
Inventors: Yuichi Yoshida; Genta Oomichi
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba; Toshiba Electronic Engineering Corporation
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2007-05-28
Publication date: 2007-12-06
Also published as: JPWO2007139059A1; TW200810223A

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

明細書

燃料電池

技術分野

[0001] 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。

背景技術

[0002] 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。特に直接メタノーノレ燃料電池（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。

[0003] 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、力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力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!/、る。

[0004] DMFCの力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力 S、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。

[0005] 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°C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。

発明の開示

[0006] 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。

[0007] 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。

[0008] 本発明に係る燃料電池は、力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、このセル構造体の力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。

[0009] 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ぐ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)。発電初期に力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

[0010] 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ぐ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ぐ周辺部で小さくし、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。

[0011] 蓄熱剤の融点は 30〜50°C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°Cを超えると、保護カバー表面の最高到達温度に近 V、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レヽ蓄熱期間が短くなる力、らである。一方、蓄熱剤の融点が 30°C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。

[0012] 蓄熱剤には炭素数 20以上のパラフィン、チォ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、塩化カルシゥ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。

[0013] 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、カバ一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力 Sでさる。

[0014] 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力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 (二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。

[0015] 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、セル構造体力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図面の簡単な説明

[0016] [図 1]図 1は燃料電池の概要を示す分解斜視図。

[図 2A]図 2Aは燃料電池を力ソード（空気極)側から見て示す外観斜視図。

[図 2B]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]図 3は燃料電池の内部透視断面図。

[図 4]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]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]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]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]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]図 8は発電出力の温度依存性を示す特性線図。

発明を実施するための最良の形態

[0017] 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。

[0018] (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の力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および力ソード触媒層 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、力ソードガス拡散層 15、正極リード（力ソード集電体） 16aおよび負極リード（アノード集電体） 16bを具備している。 [0019] 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、例えば力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。

[0020] 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、ェ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、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。

[0021] 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。

[0022] 力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、外部から力ソードガス拡散層 1 5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

[0023] 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 (二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が揷入され、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。

[0024] 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、力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。

[0025] 蓄熱剤 3には炭素数 20以上のパラフィン、チォ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°C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°C)では融解して液体となる。

[0026] 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）、ポリフエ二レンサルファイド（PPS)、ポリテトラフルォロエチレン（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。

[0027] 本実施の形態では、保護カバー 2の板厚 tl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. Ommとした。なお、蓄熱剤 3の厚み t3は 0. 8〜3. 0 mmの範囲内で適宜変えることができる。

[0028] 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、発電工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ォロエチレン (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。

[0029] 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、このスぺースの適所 (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!/、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、燃料カートリツ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力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つて液体燃料 (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!/、る。

[0030] 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、多孔質ォレフイ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ぐ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。

[0031] 気化室（図示せず）は、スぺーサと気液分離膜（図示せず）とによって周囲を規定されている。スぺ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。

[0032] 燃料電池 1の単位セルは、電解質膜 11、アノードおよび力ソードを備えている。ァノ一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。

[0033] 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力ソード触媒層 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、ポリパーフルォ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イオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成工業社製のァシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルォロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルォロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリべ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。

[0034] 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)、二ッケノレ (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、触媒をノレテニゥ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。

[0035] 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!/、る。

[0036] 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。

[0037] 力ソードは力ソード触媒層 13および力ソードガス拡散層 15を有する。力ソード触媒層 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 1 4と同様に構成されている。すなわち、力ソードは、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力ソード触媒層 12と多孔質の炭素材料よりなる力ソードガス拡散層 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。力ソード触媒層 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、力ソードガス拡散層 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。

[0038] 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。

[0039] 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の中央部分に比ベ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ぐ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ぐ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一 2全体の温度均一性を向上させることができる。

[0040] 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!/、る。従来タイプの燃料電池では 9つの空気導入孔 2 4の間隔に疎密がなぐ空気導入孔 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、力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。

[0041] 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 :ヴィタトレックスピーエルシー社の商標）、ポリフエ二レンサルファイド（PPS)、ポリテトラフルォロエチレン (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ゃ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揷入する必要がある。

[0042] (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。

[0043] 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ぐ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。

[0044] 本実施の形態では、保護カバー 2の板厚 tl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. Omm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。

[0045] 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

[0046] (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（°C)と融解熱 (kj/kg)をそれぞれ示す。ノラフィンは、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、ノラフィンは、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!/、える。

[0047] 実施例 1のパラフィン（C H )は、融点（44°C)が燃料電池の発電初期における過

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熱温度を下回り、し力、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。

[0048] 実施例 2のパラフィン（C H )は、実施例 1より融点（36· 4°C)は低いが、融解熱（

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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。

[0049] 一方、比較例 1のパラフィン (C H )は、融点（28· 2°C)が低ぐ室温に近いため、

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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レ、。

[0050] パラフィンの他に、チォ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

[0051] 実施例 3のチォ硫酸ナトリウム水和物（Na S O · 5H O)は、融点（48°C)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。このチォ硫酸ナトリウム水和物と実施例 1のパラフィン (C H )は、融点が室温（23 ± 1°C)よりほどほどに高

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V、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。

[0052] 実施例 4の硫酸ナトリウム水和物（Na SO · 10Η Ο)は、実施例 3より融点（32. 4 °C)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。

[0053] 一方、比較例 2の塩化カルシウム水和物（CaCl · 6H O)は、融点（29. 7°C)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レ、。

これとは逆に、比較例 3の酢酸ナトリウム水和物（CH COOH- 3H O)は、融点（58

°C)が高ぐ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!/、ので、所望の蓄熱効果を奏することができなレ、。

[表 1]

表 1

[0055] 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。

[0056] 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一表面の温度（°C)をとつて、実施例と比較例の燃料電池におレ、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ぉレ、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。

[0057] 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°C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。

[0058] 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。

[0059] 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ぐ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。

[0060] 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力 S、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 ME A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

請求の範囲

[1] 力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、このセル構造体の力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、発電反応により力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ぐ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、前記保護カバ一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°C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力 S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。