WO2011016400A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2011016400A1
WO2011016400A1 PCT/JP2010/062931 JP2010062931W WO2011016400A1 WO 2011016400 A1 WO2011016400 A1 WO 2011016400A1 JP 2010062931 W JP2010062931 W JP 2010062931W WO 2011016400 A1 WO2011016400 A1 WO 2011016400A1
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WO
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fuel
pump
container
fuel cell
anode
Prior art date
Application number
PCT/JP2010/062931
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English (en)
French (fr)
Inventor
長谷部 裕之
信保 根岸
川村 公一
福田 茂夫
基伊 後藤
Original Assignee
株式会社 東芝
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Filing date
Publication date
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Priority to EP10806399.1A priority patent/EP2463946A4/en
Publication of WO2011016400A1 publication Critical patent/WO2011016400A1/ja
Priority to US13/364,919 priority patent/US8835068B2/en

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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1009Fuel cells with solid electrolytes with one of the reactants being liquid, solid or liquid-charged
    • H01M8/1011Direct alcohol fuel cells [DAFC], e.g. direct methanol fuel cells [DMFC]
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Definitions

  • the embodiments described herein generally relate to fuel cells.
  • Fuel cells have the advantage that they can generate electricity simply by supplying fuel and air, and can continuously generate electricity if only the fuel is replenished / replaced. For this reason, if the size can be reduced, it can be said that the system is extremely advantageous for long-time operation of portable electronic devices.
  • direct methanol fuel cells are promising as power sources for small equipment because they can be miniaturized and are easier to handle than hydrogen gas fuel.
  • DMFC fuel supply methods include gas supply type DMFC that vaporizes liquid fuel and then feeds it into the fuel cell with a blower, etc., liquid supply type DMFC that feeds liquid fuel directly into the fuel cell with a pump, and liquid fuel cell
  • An internal vaporization type DMFC that vaporizes in the interior is known.
  • the liquid supply type DMFC a technique of connecting a fuel battery cell and a fuel storage unit via a pipe is known. The above technique is described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2008-235243.
  • a technology is disclosed in which a pump is provided between the fuel cell and the fuel storage unit, and the fuel cell and the pump, and the fuel storage unit and the pump are connected by a pipe.
  • the fuel cell can feed fuel when necessary by a pump, the controllability of the fuel supply amount can be improved.
  • the fuel battery cell and the pump cannot be connected with a pipe so that fuel leakage does not occur.
  • the fuel leaks for some reason such as the tube coming off or the connecting part loosening or breaking due to vibration or impact applied to the fuel cell.
  • the supply of fuel may be interrupted due to the collapse of the tube.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel cell module of a fuel cell according to an embodiment.
  • FIG. 2 is another cross-sectional view showing the fuel cell.
  • FIG. 3 is a perspective view schematically showing a cross section of a part of the membrane electrode assembly of the fuel cell.
  • FIG. 4 is a plan view showing the membrane electrode assembly.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the fuel cell module, showing a pump, a valve, and a controller attached to the outer surface of the container.
  • FIG. 6 is a sectional view showing the valve.
  • FIG. 7 is a sectional view showing the pump.
  • the fuel cell according to the embodiment has an anode, a cathode, and an electromotive portion having a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode, and a fuel discharge surface facing the anode.
  • the side opposite to the fuel discharge surface is opened, the container housing the electromotive unit on the inner surface side, the fuel discharge port provided by opening a part of the fuel discharge surface, and the outer surface of the container
  • a fuel distribution mechanism having a narrow tube formed in the container so as to communicate with a fuel intake port provided with a part open, and attached to the outer surface of the container and directly connected to the fuel intake port. And a pump for feeding fuel to the fuel intake port.
  • the fuel cell includes a fuel cell module 1 and a fuel supply source 2 that houses the fuel and supplies the fuel to the fuel cell module 1.
  • the fuel cell module 1 includes a fuel cell main body 5, a pump 7, a valve 8, and a control unit 9. 1 is a cross-sectional view including the pump 7 and the control unit 9 of the fuel cell module 1, and FIG. 2 is a cross-sectional view of a different portion of FIG. 1 including the pump 7, the control unit 9 and the valve 8 of the fuel cell module 1.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view including the pump 7 and the control unit 9 of the fuel cell module 1
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a different portion of FIG. 1 including the pump 7, the control unit 9 and the valve 8 of the fuel cell module 1.
  • the fuel cell main body 5 includes an electromotive unit 6 having a membrane electrode assembly (MEA) 10, a current collector 11, an anode support plate 12, a fuel supply unit 13, a moisturizing plate 18, and a cover. Plate 19.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the membrane electrode assembly 10 includes an anode 21 as a fuel electrode and a cathode 24 as an air electrode that is disposed opposite to the anode 21 with a predetermined gap. And an electrolyte membrane 27 sandwiched between the anode 21 and the cathode 24.
  • the fuel supply source 2 includes a pipe part 63 and a fuel storage part 61 that stores the fuel 62 and supplies fuel to the fuel distribution mechanism 15 of the fuel supply part 13 through the pipe part 63.
  • the fuel 62 supplied from the fuel distribution mechanism 15 to the membrane electrode assembly 10 is consumed by the power generation reaction, and then circulates back to the fuel distribution mechanism 15 or the fuel storage unit 61. It will never be. Since this type of fuel cell does not circulate the fuel, it is a method different from the conventional active method and does not impair the downsizing of the device. Further, since the pump 7 is used for supplying the liquid fuel, which is different from the conventional pure passive type such as the internal vaporization type, the fuel cell of this type can be called a semi-passive type.
  • the membrane electrode assembly 10 has a rectangular power generation region R1.
  • the power generation region R1 has an effective region R2 effective for power generation and a non-effective region R3 surrounding the effective region R2.
  • the effective region R2 is rectangular and has a long axis.
  • the membrane electrode assembly 10 has one power generation element 20.
  • the power generation element 20 has a rectangular shape, has a long axis, and overlaps the effective region R2.
  • the anode 21 has an anode catalyst layer 22 and an anode gas diffusion layer 23 laminated on the anode catalyst layer 22.
  • the cathode 24 has a cathode catalyst layer 25 and a cathode gas diffusion layer 26 laminated on the cathode catalyst layer 25.
  • the anode catalyst layer 22 oxidizes the fuel supplied through the anode gas diffusion layer 23 and extracts electrons and protons from the fuel.
  • the cathode catalyst layer 25 reduces oxygen and reacts electrons with protons generated in the anode catalyst layer 22 to generate water.
  • Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 22 and the cathode catalyst layer 25 include simple elements of platinum group elements such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, alloys containing platinum group elements, and the like.
  • platinum group elements such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd
  • alloys containing platinum group elements and the like.
  • Pt—Ru, Pt—Mo, or the like that has strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like.
  • the cathode catalyst layer 25 is preferably made of Pt, Pt—Ni, or the like.
  • the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used.
  • the catalyst may be either a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst.
  • the electrolyte membrane 27 is a proton conductive film.
  • the electrolyte membrane 27 is for transporting protons generated in the anode catalyst layer 22 to the cathode catalyst layer 25.
  • the electrolyte membrane 27 is formed of a proton conductive material that does not have electronic conductivity and can transport protons.
  • a fluororesin such as a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group (Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass), etc.)
  • organic materials such as hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, or inorganic materials such as tungstic acid and phosphotungstic acid.
  • proton conductive materials are not limited to these.
  • the anode gas diffusion layer 23 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 22 and has a current collecting function of the anode catalyst layer 22.
  • the cathode gas diffusion layer 26 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 25, and has a current collecting function of the cathode catalyst layer 25.
  • the anode gas diffusion layer 23 and the cathode gas diffusion layer 26 are made of a porous substrate.
  • the current collector 11 has an anode current collector 31 and a cathode current collector 34.
  • the anode current collector 31 and the cathode current collector 34 are, for example, a porous layer (for example, a mesh) or a foil body made of a metal material such as gold or nickel, or a conductive metal material such as stainless steel (SUS) or gold.
  • a composite material coated with a highly conductive metal can be used.
  • the membrane electrode assembly 10 in the fuel cell main body 5 is liquid-tightly sealed by insulating O-rings (sealing materials) 38 and 39. Various spaces and gaps are formed inside the fuel cell body 5 by these O-rings 38 and 39.
  • the anode current collector 31 is formed in a rectangular shape having a long axis corresponding to the power generation element 20, and has a plurality of fuel passage holes.
  • the cathode current collector 34 is formed in a rectangular shape having a long axis corresponding to the power generation element 20 and has a plurality of vent holes.
  • the anode current collector 31 and the cathode current collector 34 are connected to the power generating element 20 constituting the membrane electrode assembly 10.
  • the O-rings 38 and 39 are made of, for example, rubber as an insulating material.
  • the O-ring 38 is formed in a frame shape so as to surround the outer periphery of the anode current collector 31.
  • the O-ring 39 is formed in a frame shape so as to surround the outer periphery of the cathode current collector 34.
  • Rukoto is the membrane electrode assembly 10 and the anode current collector 31 union, a vaporized component of the fuel, the anode gas diffusion through the fuel passage hole of the anode current collector 31 (not shown) Supplied to the layer 23 and the anode catalyst layer 22.
  • the fuel cell main body 5 is formed so as to supply the vaporized component of the fuel to the anode gas diffusion layer 23 and the anode catalyst layer 22.
  • a gas-liquid separation film (not shown) is optionally provided between the anode current collector 31 and the fuel supply unit 13 to supply a fuel vaporized component to the anode gas diffusion layer 23 and the anode catalyst layer 22.
  • the O-ring (seal material) 38 has a function of preventing fuel leakage from the membrane electrode assembly 10.
  • Air as an oxidant passes through a vent hole (not shown) of the cover plate 19 and is supplied to the cathode gas diffusion layer 26 and the cathode catalyst layer 25 through a vent hole (not shown) of the cathode current collector 34.
  • the O-ring (sealing material) 39 has a function of preventing leakage of the oxidant from the membrane electrode assembly 10.
  • the membrane / electrode assembly 10 has an MEA structure in which one anode 21 and one cathode 24 are formed on the electrolyte membrane 27 so as to face each other.
  • the structure of the joined body 10 is not limited to this example, and may be another structure.
  • the structure of the membrane electrode assembly 10 is a structure in which four anodes 21 and four cathodes 24 are formed to face each other on the same electrolyte membrane 27 and are electrically connected in series. May be.
  • the anode support plate 12 is formed in a rectangular plate shape.
  • the anode support plate 12 is sandwiched between the anode 21 and the fuel supply unit 13.
  • the anode support plate 12 should just be provided as needed.
  • the anode support plate 12 has a plurality of fuel passage holes (not shown) through which fuel passes through the membrane electrode assembly 10, more specifically, the anode 21.
  • the fuel passage holes are provided in a matrix.
  • the above-described anode support plate 12 is supplied with the vaporized component of the liquid fuel 62 as the fuel.
  • the liquid fuel 62 is not limited to a methanol fuel such as liquid methanol or an aqueous methanol solution.
  • a methanol fuel such as liquid methanol or an aqueous methanol solution.
  • an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol
  • a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol
  • an aqueous glycol solution such as pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel.
  • liquid fuel corresponding to the fuel cell is used.
  • the vaporized component of the liquid fuel 62 means vaporized methanol when liquid methanol is used as the liquid fuel 62, and from the vaporized component of methanol and the vaporized component of water when an aqueous methanol solution is used as the liquid fuel 62. Is a mixed gas.
  • the fuel supply unit 13 includes a fuel distribution mechanism 15 and a fuel diffusion unit 16.
  • the fuel distribution mechanism 15 is disposed on the opposite side of the electrolyte membrane 27 with respect to the anode 21.
  • the fuel diffusion portion 16 is disposed between the anode 21 and the fuel distribution mechanism 15.
  • the fuel distribution mechanism 15 includes a container 50 and thin tubes 57a, 57b, and 57c as tubes formed in the container 50.
  • the container 50 includes a bottom wall 51 and a peripheral wall 52 provided on the outer edge of the bottom wall 51.
  • the bottom wall 51 and the peripheral wall 52 are integrally formed.
  • the bottom wall 51 has a fuel discharge surface 51 ⁇ / b> S facing the anode 21.
  • the container 50 is open on the side facing the fuel discharge surface 51S.
  • the container 50 accommodates the electromotive unit 6 and the like on the inner surface side.
  • the thin tube 57a is formed in the container 50 so as to communicate a fuel injection port 53 and a fuel discharge port 55a provided by opening a part of the outer surface of the container 50.
  • the fuel injection port 53 is provided in the peripheral wall 52
  • the fuel discharge port 55 a is provided in the bottom wall 51.
  • the narrow tube 57b is formed in the container 50 so as to communicate a fuel intake port 55b and a fuel discharge port 56a provided by opening a part of the outer surface of the container 50.
  • the fuel intake port 55 b and the fuel discharge port 56 a are provided in the bottom wall 51.
  • the narrow tube 57c is formed in the container 50 so as to communicate a fuel discharge port 54 provided by opening a part of the fuel discharge surface 51S and a fuel intake port 56b provided by opening a part of the outer surface of the container 50.
  • the fuel intake port 56 b is provided in the bottom wall 51.
  • the fuel discharge ports 54 are provided at a plurality of locations, but the number, position, size, and the like can be variously modified.
  • the fuel discharge port 54 may be provided only at one place.
  • the liquid fuel 62 is injected from the fuel injection port 53.
  • the liquid fuel 62 injected into the fuel injection port 53 is guided to the fuel discharge port 54 through the thin tube 57a, the thin tube 57b, the thin tube 57c, and the like.
  • the liquid fuel 62 or its vaporized component is discharged. In this embodiment, the liquid fuel 62 is discharged from the fuel discharge port 54.
  • the fuel diffusion part 16 is disposed between the anode 21 and the fuel distribution mechanism 15.
  • the fuel diffusion unit 16 diffuses the liquid fuel 62 supplied from the fuel distribution mechanism 15 and discharges it to the anode 21.
  • the fuel diffusion portion 16 is provided as necessary.
  • the fuel diffusion portion 16 is formed in a sheet shape.
  • the fuel diffusion part 16 is disposed on the fuel discharge surface 51S. As described above, after the fuel is further diffused by the fuel diffusion portion 16, the fuel (fuel gas) is supplied from the fuel diffusion portion 16 to the anode 21.
  • the liquid fuel 62 discharged from the fuel discharge port 54 is supplied to the anode 21 after being diffused in the surface direction. For this reason, the supply amount of the liquid fuel 62 can be averaged, and the liquid fuel 62 can be evenly diffused to the anode 21 regardless of the direction or position. For this reason, the uniformity of the power generation reaction in the membrane electrode assembly 10 can be enhanced.
  • the fuel distribution in the plane of the anode 21 is leveled, and the fuel required for the power generation reaction in the membrane electrode assembly 10 can be supplied as a whole without excess or deficiency. Therefore, it is possible to efficiently generate a power generation reaction in the membrane electrode assembly 10 without increasing the size or complexity of the fuel cell. As a result, the output of the fuel cell can be improved. In other words, the output and its stability can be improved without impairing the advantages of a passive fuel cell that does not circulate fuel.
  • the moisturizing plate 18 is located outside the membrane electrode assembly 10 and is disposed to face the cathode gas diffusion layer 26.
  • the moisturizing plate 18 impregnates part of the water generated in the cathode catalyst layer 25 to suppress water evaporation and uniformly introduce an oxidant into the cathode gas diffusion layer 26, so that the cathode catalyst layer 25 has a function of promoting uniform diffusion of the oxidant (air) to 25.
  • the moisturizing plate 18 is made of, for example, a porous member, and specific constituent materials include polyethylene and polypropylene porous bodies.
  • the moisture retention plate 18 is a foamed polyethylene sheet.
  • the cover plate 19 is located on the opposite side of the cathode current collector 34 with respect to the moisture retention plate 18.
  • the cover plate 19 has a substantially box-like appearance, and is made of, for example, stainless steel (SUS). Further, the cover plate 19 has a plurality of ventilation holes for taking in air as an oxidant. The ventilation holes are provided in a matrix, for example.
  • the side surfaces of the fuel diffusion portion 16, the anode support plate 12, the membrane electrode assembly 10, the anode current collector 31, the cathode current collector 34, and the moisturizing plate 18 described above are covered with the peripheral wall 52.
  • the cover plate 19 has, for example, a plurality of extending portions extending outward from the peripheral edge, and these extending portions are caulked or screwed to the outer surface of the container 50.
  • the fuel cell main body 5 is formed as described above.
  • the pump 7 is attached to the outer surface of the container 50.
  • the pump 7 is a piezoelectric pump.
  • the pump 7 is attached to the surface of the bottom wall 51 opposite to the fuel discharge surface 51S.
  • the pump 7 is fixed to the bottom wall 51 by being screwed with screws 71.
  • the pump 7 is directly connected to the fuel discharge port 56a and the fuel intake port 56b.
  • a frame-like groove is formed on the outer surface side of the bottom wall 51 so as to surround the fuel discharge port 56a and the fuel intake port 56b.
  • O-rings 72 are respectively disposed in the groove portions. Since the O-ring 72 is interposed between the bottom wall 51 and the pump 7, the fuel discharge port 56 a and the pump 7, and the fuel intake port 56 b and the pump 7 can be liquid-tightly connected.
  • the pump 7 feeds the liquid fuel 62 introduced from the fuel discharge port 56a to the fuel intake port 56b.
  • the pump 7 is not a circulation pump that circulates fuel, but a fuel supply pump that sends the liquid fuel 62 to the fuel intake port 56b. By supplying the liquid fuel 62 with such a pump 7 when necessary, the controllability of the fuel supply amount can be improved.
  • the type of the pump 7 is not particularly limited, but from the viewpoint that a small amount of liquid fuel 62 can be fed with good controllability, and that further reduction in size and weight can be achieved, the above piezoelectric pump can be used.
  • a rotary pump rotary vane pump
  • an electroosmotic flow pump a diaphragm pump, a squeezing pump, etc.
  • a squeezing pump etc.
  • Rotary pumps are pumped by rotating wings with a motor.
  • the electroosmotic flow pump uses a sintered porous material such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon.
  • the diaphragm pump is a pump that feeds liquid by driving the diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics.
  • the squeezing pump presses a part of the flexible fuel flow path and squeezes the fuel.
  • the pump 7 is operated when necessary to supply the liquid fuel 62 to the fuel supply unit 13. As described above, even when the liquid fuel 62 is fed to the fuel supply unit 13 by the pump 7, the fuel supply unit 13 functions effectively, so that the fuel supply amount to the membrane electrode assembly 10 can be made uniform. It becomes.
  • the valve 8 is attached to the outer surface of the container 50.
  • the valve 8 is a shutoff valve.
  • the valve 8 is attached to the surface of the bottom wall 51 opposite to the fuel discharge surface 51S.
  • the valve 8 is fixed to the bottom wall 51 by screwing a holding frame 80 that presses the valve 8 against the bottom wall 51 with a screw 81.
  • the valve 8 is directly connected to the fuel discharge port 55a and the fuel intake port 55b.
  • a frame-like groove is formed on the outer surface side of the bottom wall 51 so as to surround the fuel discharge port 55a and the fuel intake port 55b.
  • O-rings 82 are respectively disposed in the groove portions. Since the O-ring 82 is interposed between the bottom wall 51 and the valve 8, the fuel discharge port 55a and the valve 8 and the fuel intake port 55b and the valve 8 can be connected in a liquid-tight manner.
  • the valve 8 is connected to the pump 7 through a thin tube 57b.
  • the valve 8 switches between opening and closing whether the liquid fuel 62 introduced from the fuel discharge port 55a is fed to the fuel intake port 55b.
  • the valve 8 controls the amount of liquid fuel 62 given to the pump 7.
  • Valve 8 enhances the stability and reliability of the fuel cell.
  • the valve 8 can also avoid the consumption of a small amount of fuel inevitably generated even when the fuel cell is not used, the above-described suction failure when the pump is restarted, and the like.
  • the control unit 9 is attached to the outer surface of the container 50.
  • the control unit 9 is a power conversion circuit.
  • the controller 9 is attached to the surface of the bottom wall 51 opposite to the fuel discharge surface 51S.
  • the control unit 9 is fixed to the bottom wall 51.
  • the control unit 9 is electrically connected to the pump 7 by a wiring 91.
  • the controller 9 is electrically connected to the valve 8 by a wiring 92.
  • the control unit 9 adjusts the amount of power generated by the electromotive unit 6 by controlling the operation of the pump 7 and the opening and closing of the valve 8.
  • the fuel cell module 1 is formed as described above.
  • the fuel supply source 2 includes a fuel storage unit 61. Liquid fuel 62 is stored in the fuel storage portion 61. The fuel storage part 61 and the fuel injection port 53 are connected by a pipe part 63. For this reason, the liquid fuel 62 is introduced into the fuel discharge surface 51S from the fuel storage portion 61 through the pipe portion 63, the thin tube 57a, the valve 8, the thin tube 57b, the pump 7, and the thin tube 57c. As described above, the fuel supply source 2 is formed. As described above, a fuel cell including the fuel cell module 1 and the fuel supply source 2 is formed.
  • the valve 8 is switched to the open state and the pump 7 is operated, and from the fuel storage unit 61 through the pipe part 63, the thin pipe 57 a, the valve 8, the thin pipe 57 b, the pump 7, the thin pipe 57 c Then, the liquid fuel 62 is introduced into the fuel discharge surface 51S. The liquid fuel 62 is diffused by the fuel discharge surface 51S and the fuel diffusion portion 16.
  • the fuel supply unit 13 may have a gas-liquid separation membrane provided between the anode current collector 31 and the fuel diffusion unit 16, for example. Thereby, the vaporization component of the fuel can be supplied to the anode gas diffusion layer 23 and the anode catalyst layer 22.
  • the fuel diffuses in the anode gas diffusion layer 23 and is supplied to the anode catalyst layer 22.
  • methanol fuel is used as the liquid fuel 62
  • an internal reforming reaction of methanol shown in the formula (1) occurs in the anode catalyst layer 22.
  • pure methanol is used as the methanol fuel
  • the water generated in the cathode catalyst layer 25 or the water in the electrolyte membrane 27 is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the formula (1).
  • the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.
  • Electrons (e ⁇ ) generated by this reaction are led to the outside from a terminal (not shown) connected to the anode current collector 31, and after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity, the cathode current collector A terminal (not shown) connected to 34 is led to the cathode 24. Further, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the cathode 24 through the electrolyte membrane 27. Air is supplied to the cathode 24 as an oxidant.
  • Electrons (e ⁇ ) and protons (H + ) that reach the cathode 24 react with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 25 according to the formula (2), and water is generated in accordance with this reaction. 6e ⁇ + 6H + + (3/2) O 2 ⁇ 3H 2 O (2) As described above, power generation by the fuel cell is performed.
  • the inventors of the present application prepared 1000 fuel cells of the above embodiment, and investigated whether or not the liquid fuel 62 leaked between the pump 7 and the container 50 of each fuel cell. As a result of the investigation, there was no leakage of the liquid fuel 62 in all the fuel cells.
  • the fuel cell includes the fuel cell module 1 and the fuel supply source 2.
  • the fuel cell module 1 includes an electromotive unit 6, a fuel distribution mechanism 15, and a pump 7.
  • the electromotive unit 6 has a membrane electrode assembly 10 including an anode 21, a cathode 24, and an electrolyte membrane 27.
  • the fuel distribution mechanism 15 has a fuel discharge surface 51S, the side facing the fuel discharge surface 51S is opened, the container 50 housing the electromotive unit 6 on the inner surface side, and a part of the fuel discharge surface 51S are opened.
  • a narrow tube 57 c formed in the container 50 is provided so as to communicate with the fuel discharge port 54 and the fuel intake port 56 b provided by opening a part of the outer surface of the container 50.
  • the pump 7 is attached to the outer surface of the container 50, is directly connected to the fuel intake port 56b, and sends fuel to the fuel intake port 56b.
  • the pump 7 is directly connected to the fuel intake 56b.
  • the pipe portion is not interposed between the pump 7 and the fuel intake port 56b. For this reason, it is possible to eliminate problems such as leakage of the liquid fuel 62 that occurs when the pipe portion is interposed.
  • the fuel cell of the above embodiment can suppress the resistance applied to the liquid fuel 62 when the fuel cell is sent from the pump 7 to the fuel intake port 56b, as compared with the case where the pipe portion is interposed.
  • a pipe portion is not interposed between the pump 7 and the fuel discharge port 56a, between the valve 8 and the fuel discharge port 55a, and between the valve 8 and the fuel intake port 55b. Therefore, it is possible to obtain a highly reliable fuel cell in which the liquid fuel 62 does not leak and the supply of the liquid fuel 62 is not interrupted. Furthermore, the liquid fuel 62 can be supplied without a time lag.
  • a highly reliable fuel cell can be obtained by increasing the size of the tube portion of the fuel cell of the comparative example.
  • the degree of freedom in designing the equipment is reduced.
  • wirings for connecting various devices must be thick, which reduces the degree of freedom of wiring and increases the occupation area of the devices. From the above, it is not preferable to increase the size of the pipe portion.
  • the pump 7 is attached to the outer surface of the container 50. For this reason, size reduction of a fuel cell can be achieved.
  • the valve 8 and the controller 9 are similarly attached to the outer surface of the container 50. For this reason, the fuel cell can be further downsized.
  • the above-described wirings 91 and 92 can be shortened. Since the wirings 91 and 92 are short, wiring resistance can be suppressed, and the amount of heat generated in the wirings 91 and 92 can be suppressed.
  • the fuel cell main body 5, the pump 7, the valve 8 and the control unit 9 are assembled into a module to form the fuel cell module 1. For this reason, it can be used for various products as the fuel cell module 1. Since the use application is increased, the fuel cell module 1 can be mass-produced. Therefore, the manufacturing cost and the product cost can be reduced.
  • the fuel cell module 1 When a failure occurs in the fuel cell module 1, the fuel cell module 1 may be repaired, but it can also be dealt with by replacing the fuel cell module 1. For this reason, the maintenance property of the fuel cell can be improved. From the above, a highly reliable fuel cell can be obtained.
  • this embodiment is not limited to the above-described form as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
  • Various forms can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the above embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
  • the pump 7, the valve 8, and the control unit 9 are attached to the outer surface of the container 50, they may be attached not only to the outer surface of the bottom wall 51 but also to the outer surface of the peripheral wall 52.
  • the holding frame 80 may be formed of resin, and when the valve 8 is fixed to the container 50, the holding frame 80 may be welded to the container 50.
  • the pump 7 is not limited to screwing, and may be fixed to the container 50 using a resin holding frame (not shown). The pump 7 and the valve 8 may be fixed to the container 50 by welding to the container 50.
  • the container 50 is formed of resin.
  • a metal container 50 is used, or a metal member such as a metal plate is provided on the outer surface of the resin container 50.
  • the pump 7 and the valve 8 may be welded to a metal container 50 or a metal member.
  • the holding frame 80 may be made of metal.
  • the valve 8 may be fixed by welding the holding frame 80 to a metal container 50 or a metal member.
  • a metal holding frame (not shown) may be fixed to the metal container 50 or a metal member by welding.
  • the control of the pump 7 by the controller 9 is preferably performed with reference to the output of the fuel cell, for example.
  • the output of the fuel cell is detected by the controller 9, and a control signal is sent to the pump 7 based on the detection result.
  • On / off of the pump 7 is controlled based on a control signal sent from the control unit.
  • the operation of the pump 7 is controlled based on temperature information, operation state information of an electronic device that is a power supply destination, and the like in addition to the output of the fuel cell, so that more stable operation can be achieved.
  • the pump 7 As a specific operation control method of the pump 7, for example, when the output from the fuel cell becomes higher than a predetermined specified value, the pump 7 is stopped or the liquid feeding amount is reduced, and the output becomes lower than the specified value. In addition, a method of restarting the operation of the pump 7 or increasing the amount of liquid to be fed is mentioned. As another operation control method, when the rate of change in output from the fuel cell is positive, the operation of the pump 7 is stopped or the amount of liquid fed is reduced, and when the rate of change in output becomes negative, the operation of the pump 7 is performed. The method of restarting or increasing the amount of liquid to be fed can be mentioned.
  • the balance valve is installed in the fuel storage unit 61, for example.
  • the balance valve has a valve movable piece, a spring that operates the valve movable piece in accordance with the pressure in the fuel accommodating portion 61, and a seal portion that seals the valve movable piece and closes it. Yes.
  • the liquid fuel 62 is not necessarily limited to methanol fuel.
  • the liquid fuel 62 is effective when various liquid fuels are used, and the type and concentration of the liquid fuel are not limited.
  • the liquid fuel supplied to the membrane electrode assembly 10 may be all supplied with the vapor of the liquid fuel, but can be applied even when a part of the liquid fuel is supplied in a liquid state.

Abstract

 一つの実施形態によれば、アノード、カソード、並びに前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、前記アノードと対向した燃料排出面を持つ。そして、この前記燃料排出面と対向した側が開口し、内面側に前記起電部を収容した容器、並びに前記燃料排出面の一部を開口して設けられた燃料排出口及び前記容器の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口を連通するように前記容器に形成された細管を有した燃料分配機構と、前記容器の外面に取付けられ前記燃料取入口に直に連結されて前記燃料取入口に燃料を送るポンプと、を備えている。

Description

燃料電池
 ここで説明する実施形態は、全般的に燃料電池に関する。
 近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯用電子機器の電源に、燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は、携帯用電子機器を、充電なしで長時間使用可能とするものである。燃料電池は、燃料と空気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、小型化ができれば携帯電子機器の長時間の作動に極めて有利なシステムといえる。
 特に、直接メタノール型燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)は、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。
 DMFCの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型DMFCと、液体燃料をそのままポンプで燃料電池内に送り込む液体供給型DMFC、液体燃料をセル内で気化させる内部気化型DMFC等が知られている。このうち、液体供給型DMFCでは、燃料電池セルと燃料収容部とを管を介して接続する技術が知られている。上記技術は、例えば、特開2008-235243号公報に記載されている。また、燃料電池セル及び燃料収容部間にポンプを設け、燃料電池セル及びポンプ、並びに燃料収容部及びポンプを管で連結する技術が開示されている。
 上記燃料電池は、ポンプにより必要時に燃料を送液することができるため、燃料供給量の制御性を高めることができる。しかしながら、燃料の漏れが生じないよう燃料電池セル及びポンプを管で連結できない場合がある。また、燃料の漏れが生じないよう連結できたとしても、燃料電池に加わる振動や衝撃等により、管が外れたり、連結部等に緩みや破損が生じる等、何らかの原因で、燃料が漏れてしまう恐れがある。さらに、管が潰れることにより、燃料の供給が途絶える恐れがある。
 このため、燃料が漏れることのない、また、燃料の供給が途絶えることのない、信頼性の高い燃料電池が求められている
図1は、一実施の形態に係る燃料電池の燃料電池モジュールを示す断面図である。 図2は、上記燃料電池を示す他の断面図である。 図3は、上記燃料電池の膜電極接合体の一部の断面を概略的に示す斜視図である。 図4は、上記膜電極接合体を示す平面図である。 図5は、上記燃料電池モジュールを示す斜視図であり、容器の外面に取付けられたポンプ、バルブ及び制御部を示す図である。 図6は、上記バルブを示す断面図である。 図7は、上記ポンプを示す断面図である。
 実施形態に係る燃料電池は、アノード、カソード、並びに前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、前記アノードと対向した燃料排出面を持つ。そして、この前記燃料排出面と対向した側が開口し、内面側に前記起電部を収容した容器、並びに前記燃料排出面の一部を開口して設けられた燃料排出口及び前記容器の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口を連通するように前記容器に形成された細管を有した燃料分配機構と、前記容器の外面に取付けられ前記燃料取入口に直に連結されて前記燃料取入口に燃料を送るポンプと、を備えている。
 以下、図面を参照しながら一実施の形態に係る燃料電池について詳細に説明する。この実施の形態において、直接メタノール型の燃料電池について説明する。 
 図1及び図2に示すように、燃料電池は、燃料電池モジュール1と、燃料を収容するとともに燃料を燃料電池モジュール1に与える燃料供給源2とを備えている。燃料電池モジュール1は、燃料電池本体5と、ポンプ7と、バルブ8と、制御部9とを備えている。なお、図1は、燃料電池モジュール1のポンプ7及び制御部9を含めた断面図、図2は燃料電池モジュール1のポンプ7、制御部9及びバルブ8を含めた図1の異なる箇所の断面図である。
 燃料電池本体5は、膜電極接合体(MEA:Membrane Electrode Assembly)10を有する起電部6と、集電体11と、アノード支持板12と、燃料供給部13と、保湿板18と、カバープレート19とを備えている。
 図1、図2、図3及び図4に示すように、膜電極接合体10は、燃料極としてのアノード21と、アノード21に所定の隙間を置いて対向配置された空気極としてのカソード24と、アノード21及びカソード24間に挟持された電解質膜27とを有している。燃料供給源2は、管部63と、燃料62を収容するとともに管部63により燃料供給部13の燃料分配機構15に燃料を供給する燃料収容部61と、を備えている。
 この実施の形態の燃料電池では、燃料分配機構15から膜電極接合体10に供給された燃料62は発電反応に消費されてしまい、その後に循環して燃料分配機構15あるいは燃料収容部61に戻されることはない。このタイプの燃料電池は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なる方式であり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ7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ため、この方式の燃料電池はいわばセミパッシブ型と呼ぶことができる。
 この実施の形態において、膜電極接合体10は矩形状の発電領域R1を有している。発電領域R1は、発電に有効な有効領域R2と、有効領域R2を囲んだ非有効領域R3とを有している。有効領域R2は、矩形状であり、長軸を有している。また、膜電極接合体10は1つの発電素子20を有している。発電素子20は、矩形状であり、長軸を有し、有効領域R2に重なっている。
 アノード21は、アノード触媒層22と、アノード触媒層22に積層されたアノードガス拡散層23とを有している。カソード24は、カソード触媒層25と、カソード触媒層25に積層されたカソードガス拡散層26とを有している。
 アノード触媒層22は、アノードガス拡散層23を介して供給される燃料を酸化させ燃料から電子とプロトンとを取り出すものである。カソード触媒層25は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層22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る。
 アノード触媒層22やカソード触媒層25に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層22には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するPt-RuやPt-Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層25には、PtやPt-Ni等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
 電解質膜27はプロトン導電膜である。電解質膜27は、アノード触媒層22において発生したプロトンをカソード触媒層25に輸送するためのものである。電解質膜27は、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能なプロトン伝導性の材料で形成されている。
 電解質膜27を形成する材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の材料はこれらに限られるものではない。
 アノードガス拡散層23は、アノード触媒層22に燃料を均一に供給する役割を果たし、アノード触媒層22の集電機能を有している。カソードガス拡散層26は、カソード触媒層25に酸化剤を均一に供給する役割を果たし、カソード触媒層25の集電機能を有している。アノードガス拡散層23及びカソードガス拡散層26は多孔質基材で構成されている。
 図1及び図2に示すように、集電体11は、アノード集電体31及びカソード集電体34を有している。アノード集電体31及びカソード集電体34は、例えば、金、ニッケル等の金属材料からなる多孔質層(例えばメッシュ)又は箔体、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等をそれぞれ使用することができる。
 燃料電池本体5内の膜電極接合体10は、絶縁性のOリング(シール材)38、39によって液密にシールされている。これらのOリング38、39によって燃料電池本体5の内部に種々のスペースや間隙が形成されている。
 アノード集電体31は、発電素子20に対応し長軸を有する矩形状に形成され、複数の燃料通過孔を有している。カソード集電体34は、発電素子20に対応し長軸を有する矩形状に形成され、複数の通気孔を有している。これらアノード集電体31およびカソード集電体34により、膜電極接合体10を構成する発電素子20が接続される。
 Oリング38、39は、絶縁材料として、例えばゴムで形成されている。Oリング38は、アノード集電体31の外周を囲むよう枠状に形成されている。Oリング39は、カソード集電体34の外周を囲むよう枠状に形成されている。
 上記したように、膜電極接合体10及びアノード集電体31が組合さることで、燃料の気化成分は、アノード集電体31の燃料通過孔(図示せず)を通ってアノードガス拡散層23及びアノード触媒層22に供給される。このため、燃料電池本体5は、燃料の気化成分をアノードガス拡散層23及びアノード触媒層22に供給するように形成されている。
 例えば、アノード集電体31と、燃料供給部13との間に、任意に図示しない気液分離膜を設けることにより、燃料の気化成分をアノードガス拡散層23及びアノード触媒層22に供給することができる。ここで、Oリング(シール材)38は、膜電極接合体10からの燃料の漏れを防止する機能を有している。
 酸化剤としての空気は、カバープレート19の通気孔(図示せず)を通り、カソード集電体34の通気孔(図示せず)を通ってカソードガス拡散層26及びカソード触媒層25に供給される。ここで、Oリング(シール材)39は、膜電極接合体10からの酸化剤の漏れを防止する機能を有している。
 なお、この実施の形態において、膜電極接合体10は、電解質膜27上に1個のアノード21及び1個のカソード24をそれぞれ対向して形成したMEA構造のものを示しているが、膜電極接合体10の構造は、この例に限らず、他の構造であっても良い。例えば、膜電極接合体10の構造は、同一の電解質膜27上に4個のアノード21及び4個のカソード24をそれぞれ対向して形成し、それらが電気的に直列に接続される構造であっても良い。
 アノード支持板12は、矩形板状に形成されている。アノード支持板12は、アノード21及び燃料供給部13間に挟持されている。なお、アノード支持板12は、必要に応じて設けられていれば良い。
 アノード支持板12は、膜電極接合体10、より詳しくはアノード21に燃料を通過させる複数の燃料通過孔(図示せず)を有している。燃料通過孔は、マトリクス状に設けられている。上述したアノード支持板12には、燃料として液体燃料62の気化成分が供給される。
 ここで、液体燃料62としては、液体のメタノール等のメタノール燃料、又はメタノール水溶液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が挙げられる。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。液体燃料62の気化成分とは、液体燃料62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62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。
 燃料供給部13は、燃料分配機構15と、燃料拡散部16とを備えている。燃料分配機構15は、アノード21に対して電解質膜27の反対側に配置されている。燃料拡散部16は、アノード21及び燃料分配機構15間に配置されている。
 燃料分配機構15は、容器50と、容器50に形成された管としての細管57a、57b、57cとを有している。容器50は、底壁51と、底壁51の外縁に設けられた周壁52とを有している。底壁51及び周壁52は一体に形成されている。底壁51は、アノード21と対向した燃料排出面51Sを持っている。容器50は、燃料排出面51Sと対向した側が開口している。容器50は、内面側に起電部6等を収容している。
 細管57aは、容器50の外面の一部を開口して設けられた燃料注入口53及び燃料吐出口55aを連通するように容器50に形成されている。ここでは、燃料注入口53は周壁52に設けられ、燃料吐出口55aは底壁51に設けられている。
 細管57bは、容器50の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口55b及び燃料吐出口56aを連通するように容器50に形成されている。ここでは、燃料取入口55b及び燃料吐出口56aは底壁51に設けられている。
 細管57cは、燃料排出面51Sの一部を開口して設けられた燃料排出口54及び容器50の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口56bを連通するように容器50に形成されている。ここでは、燃料取入口56bは底壁51に設けられている。燃料排出口54は、複数個所に設けられているが、数、位置、サイズ等は種々変形可能である。燃料排出口54は、1個所にのみ設けられていてもよい。
 液体燃料62は、燃料注入口53から注入される。燃料注入口53に注入された液体燃料62は、細管57a、細管57b及び細管57c等を経由して燃料排出口54に導かれる。燃料排出口54からは、液体燃料62又はその気化成分が排出される。この実施の形態においては、燃料排出口54からは液体燃料62が排出される。
 燃料拡散部16は、アノード21及び燃料分配機構15間に配置されている。燃料拡散部16は、燃料分配機構15から供給される液体燃料62をより拡散してアノード21に排出するものである。なお、燃料拡散部16は必要に応じて設けられている。
 燃料拡散部16は、シート状に形成されている。燃料拡散部16は、燃料排出面51S上に配置されている。上記したように、燃料拡散部16によって燃料が一層拡散された後、燃料拡散部16からアノード21に燃料(燃料ガス)が供給される。
 燃料排出口54から排出される液体燃料62は、面方向に拡散された後、アノード21に供給される。このため、液体燃料62の供給量を平均化することができ、液体燃料62を方向や位置に拘わりなく、アノード21に均等に拡散させることができる。このため、膜電極接合体10における発電反応の均一性を高めることができる。
 すなわち、アノード21の面内における燃料の分布が平準化され、膜電極接合体10での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。従って、燃料電池の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体10で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させないパッシブ型燃料電池の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
 保湿板18は、膜電極接合体10の外側に位置し、カソードガス拡散層26に対向配置されている。この保湿板18は、カソード触媒層25で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソードガス拡散層26に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層25への酸化剤(空気)の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿板18は、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。この実施の形態において、保湿板18は発泡ポリエチレンシートである。
 カバープレート19は、保湿板18に対してカソード集電体34の反対側に位置している。カバープレート19は、外観が略箱状のものであり、例えばステンレス鋼(SUS)によって形成されている。また、カバープレート19は、酸化剤である空気を取入れるための複数の通気孔を有している。通気孔は、例えばマトリクス状に設けられている。
 上述した燃料拡散部16、アノード支持板12、膜電極接合体10、アノード集電体31、カソード集電体34及び保湿板18は、それぞれの側面が周壁52によって覆われている。カバープレート19は、例えば周縁から外側に延出した複数の延出部を有しており、これら延出部が容器50の外面にかしめ加工あるいはねじ止めされている。上記のように燃料電池本体5が形成されている。
 図1、図2、図5及び図7に示すように、ポンプ7は、容器50の外面に取付けられている。この実施の形態において、ポンプ7は、圧電型のポンプである。ポンプ7は、底壁51の燃料排出面51Sとは反対側の面に取付けられている。ポンプ7は、ねじ71にてねじ止めされることにより底壁51に固定されている。ポンプ7は、燃料吐出口56a及び燃料取入口56bにそれぞれ直に連結されている。
 ここでは、燃料吐出口56a及び燃料取入口56bをそれぞれ囲むように、底壁51の外面側に枠状の溝部が形成されている。溝部には、それぞれOリング72が配置されている。Oリング72は、底壁51及びポンプ7間に介在しているため、燃料吐出口56a及びポンプ7間、並びに燃料取入口56b及びポンプ7間をそれぞれ液密に連結することができる。
 ポンプ7は、燃料吐出口56aから導入される液体燃料62を燃料取入口56bに送液するものである。ポンプ7は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料取入口56bに液体燃料62を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ7で必要時に液体燃料62を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
 ポンプ7の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料62を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、上記圧電型のポンプを使用することが好ましが、その他、ロータリーポンプ(ロータリーベーンポンプ)、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することもできる。
 ロータリーポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
 ポンプ7は、必要時動作させて燃料供給部13に液体燃料62を供給する。このように、ポンプ7で燃料供給部13に液体燃料62を送液する場合においても、燃料供給部13は有効に機能するため、膜電極接合体10に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。
 図1、図2、図5及び図6に示すように、バルブ8は、容器50の外面に取付けられている。この実施の形態において、バルブ8は、遮断バルブである。バルブ8は、底壁51の燃料排出面51Sとは反対側の面に取付けられている。バルブ8は、バルブ8を底壁51に押さえつける押さえ枠80をねじ81にてねじ止めされることにより底壁51に固定されている。バルブ8は、燃料吐出口55a及び燃料取入口55bにそれぞれ直に連結されている。
 ここでは、全てを図示しないが、燃料吐出口55a及び燃料取入口55bをそれぞれ囲むように、底壁51の外面側に枠状の溝部が形成されている。溝部には、それぞれOリング82が配置されている。Oリング82は、底壁51及びバルブ8間に介在されているため、燃料吐出口55a及びバルブ8間、並びに燃料取入口55b及びバルブ8間をそれぞれ液密に連結することができる。
 バルブ8は、細管57bを介してポンプ7に連結されている。バルブ8は、燃料吐出口55aから導入される液体燃料62を燃料取入口55bに送液するかどうか開閉を切替えるものである。バルブ8は、ポンプ7に与える液体燃料62の量を制御するものである。
 バルブ8は、燃料電池の安定性や信頼性を高めるものである。バルブ8は、燃料電池の未使用時にも不可避的に発生する微量な燃料の消費や上述したポンプ再運転時の吸い込み不良等を回避することも可能である。
 図5に示すように、制御部9は、容器50の外面に取付けられている。この実施の形態において、制御部9は、電力変換回路である。制御部9は、底壁51の燃料排出面51Sとは反対側の面に取付けられている。制御部9は、底壁51に固定されている。制御部9は、配線91によりポンプ7に電気的に接続されている。制御部9は、配線92によりバルブ8に電気的に接続されている。制御部9は、ポンプ7の稼動、バルブ8の開閉を制御することにより、起電部6での発電量を調整するものである。 
 上記のように燃料電池モジュール1が形成されている。
 図2に示すように、燃料供給源2は、燃料収容部61を備えている。燃料収容部61には液体燃料62が収容されている。燃料収容部61及び燃料注入口53は管部63で接続されている。このため、燃料排出面51Sには、燃料収容部61から、管部63、細管57a、バルブ8、細管57b、ポンプ7、細管57cを介して液体燃料62が導入される。上記のように燃料供給源2が形成されている。 
 以上のように、燃料電池モジュール1及び燃料供給源2を備えた燃料電池が形成されている。
 次に、上記燃料電池による発電の仕組みについて説明する。 
 まず、制御部9の制御のもと、バルブ8を開状態に切替え、ポンプ7を稼動させ、燃料収容部61から管部63、細管57a、バルブ8、細管57b、ポンプ7、細管57cを介して燃料排出面51Sに液体燃料62を導入させる。液体燃料62は燃料排出面51S及び燃料拡散部16によって拡散される。
 なお、図示しないが、燃料供給部13は、例えば、アノード集電体31及び燃料拡散部16間に設けられる気液分離膜を有していてもよい。これにより、燃料の気化成分をアノードガス拡散層23及びアノード触媒層22に供給することができる。
 膜電極接合体10内において、燃料はアノードガス拡散層23にて拡散してアノード触媒層22に供給される。液体燃料62としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層22で式(1)に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層25で生成した水や電解質膜27中の水をメタノールと反応させて式(1)の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。 
  CHOH+HO → CO+6H+6e …(1)
 この反応で生成した電子(e)はアノード集電体31に接続された端子(図示せず)から外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード集電体34に接続された端子(図示せず)からカソード24に導かれる。また、式(1)の内部改質反応で生成したプロトン(H)は電解質膜27を経てカソード24に導かれる。カソード24には酸化剤として空気が供給される。カソード24に到達した電子(e)とプロトン(H)は、カソード触媒層25で空気中の酸素と式(2)にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。 
  6e+6H+(3/2)O → 3HO …(2)
 上記したように、燃料電池による発電が行われる。
 ここで、本願発明者等は、上記実施の形態の燃料電池を1000個用意し、各燃料電池のポンプ7及び容器50間に液体燃料62の漏れが生じたかどうか調査した。調査したところ、全ての燃料電池において、液体燃料62の漏れは無かった。
 なお、比較例として、ポンプ7及び容器50を管部で接続した燃料電池を1000個用意し、各燃料電池の管部に液体燃料62の漏れが生じたかどうか調査した。調査したところ、比較例の燃料電池において、1000個中30個で液体燃料62の漏れがあった。
 以上のように構成された燃料電池によれば、燃料電池は、燃料電池モジュール1及び燃料供給源2を備えている。燃料電池モジュール1は、起電部6と、燃料分配機構15と、ポンプ7とを備えている。
 起電部6は、アノード21、カソード24、及び電解質膜27を含んだ膜電極接合体10を有している。燃料分配機構15は、燃料排出面51Sを持ち、燃料排出面51Sと対向した側が開口し、内面側に起電部6を収容した容器50、並びに燃料排出面51Sの一部を開口して設けられた燃料排出口54及び容器50の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口56bを連通するように容器50に形成された細管57cを有している。ポンプ7は、容器50の外面に取付けられ、燃料取入口56bに直に連結され、燃料取入口56bに燃料を送るものである。
 ポンプ7は、燃料取入口56bに直に連結されている。ポンプ7及び燃料取入口56b間に管部を介在させる構成ではない。このため、管部を介在させた場合に生じる液体燃料62の漏れ等の問題を解消することができる。さらに、上記実施の形態の燃料電池は、管部を介在させた場合に比べ、ポンプ7から燃料取入口56bへ送る際に液体燃料62にかかる抵抗を抑制することができる。
 ポンプ7及び燃料吐出口56a間、バルブ8及び燃料吐出口55a間、並びにバルブ8及び燃料取入口55b間においても、同様に管部を介在させる構成ではない。 
 このため、液体燃料62が漏れることのない、また、液体燃料62の供給が途絶えることのない、信頼性の高い燃料電池を得ることができる。さらに、タイムラグ無しに液体燃料62の供給を行うことができる。
 なお、比較例の燃料電池の管部の大型化を図ることで、信頼性の高い燃料電池を得ることができる。しかしながら、この場合、管部の大型化に起因し、機器の設計自由度の低下を招いてしまう。また、機器の設計変更を行う際、多くの機器の配置を検討する必要が生じ、設計工数の増大を招いてしまう。また、各種の機器を接続する配線類が太くならざるを得ず、配線の自由度が低下する他、機器の占有面積の増大を招いてしまう。上記のことから、管部の大型化を図ることは好ましくない。
 ポンプ7は、容器50の外面に取付けられている。このため、燃料電池の小型化を図ることができる。バルブ8及び制御部9も同様に容器50の外面に取付けられている。このため、燃料電池の小型化を一層図ることができる。
 ポンプ7、バルブ8及び制御部9は密集しているため、上述した配線91、92を短くすることができる。配線91、92が短い分、配線抵抗を抑制することができ、配線91、92での発熱量を抑制することができる。
 燃料電池本体5、ポンプ7、バルブ8及び制御部9は、モジュールに組立てられ、燃料電池モジュール1を形成している。このため、燃料電池モジュール1として各種の製品に使用することができる。使用用途が増大する分、燃料電池モジュール1の量産化が可能となるため、製造コスト、ひいては製品コストの低減を図ることができる。
 燃料電池モジュール1に不具合が生じた場合、燃料電池モジュール1を修理してもよいが、燃料電池モジュール1の交換にて対応することも可能となる。このため、燃料電池のメンテナンス性の向上を図ることができる。 
 上記のことから、信頼性の高い燃料電池を得ることができる。
 なお、この実施形態は上記の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可能である。また、上記実施の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。
 例えば、ポンプ7、バルブ8及び制御部9を容器50の外面に取付ける場合、底壁51の外面に限らず、周壁52の外面に取付けてもよい。 
 押さえ枠80は樹脂で形成されていてもよく、バルブ8を容器50に固定する際は、押さえ枠80を容器50に溶着させることで行ってもよい。ポンプ7においても、ねじ止めに限らず、図示しない樹脂製の押さえ枠を用いて容器50に固定されていてもよい。 
 ポンプ7及びバルブ8は、容器50に溶着させることで容器50に固定されていてもよい。
 上述した実施の形態に於いて、容器50は樹脂で形成されているが、これに限らず、金属製の容器50を用い、又は、樹脂製の容器50の外面に金属板等の金属部材を設けてもよく、この場合、金属製の容器50又は金属部材にポンプ7及びバルブ8を溶着させてもよい。 
 押さえ枠80は金属で形成されていてもよく、この場合、押さえ枠80を、金属製の容器50又は金属部材に溶着させてバルブ8を固定してもよい。ポンプ7においても、図示しない金属製の押さえ枠を金属製の容器50又は金属部材に溶着させて固定されていてもよい。
 制御部9によるポンプ7の制御は、例えば燃料電池の出力を参照して行うことが好ましい。燃料電池の出力は制御部9で検出され、この検出結果に基づいてポンプ7に制御信号が送られる。ポンプ7は制御部から送られる制御信号に基づいてオン/オフが制御される。ポンプ7の動作は燃料電池の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転状態情報等に基づいて制御することで、より安定した運転が達成できる。
 ポンプ7の具体的な動作制御方法としては、例えば燃料電池からの出力が所定の規定値より高くなった場合にポンプ7を停止または送液量を低下させ、出力が規定値より低くなった場合にポンプ7の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。別の動作制御方法としては、燃料電池からの出力の変化率がプラスの場合にポンプ7の運転を停止または送液量を低下させ、出力の変化率がマイナスになった場合にポンプ7の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。
 燃料収容部61や管部63に、燃料収容部61内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着することが好ましい。バランスバルブは、例えば燃料収容部61に設置されている。図示しないが、バランスバルブは、バルブ可動片と、燃料収容部61内の圧力に応じてバルブ可動片を動作させるスプリングと、バルブ可動片をシールして閉状態とするシール部とを有している。
 これらの実施形態は、直接メタノール型の燃料電池に限定されるものではなく、他の燃料電池に適用可能である。そして、液体燃料62も、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料62は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。
 また、膜電極接合体10へ供給される液体燃料においても、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適用することができる。
 以上において幾つかの実施形態を述べたが、これらの実施形態は、単に例として示したもので、本発明の範囲を限定することを意図したものではない。実際、ここにおいて述べた新規な燃料電池は、種々の他の形態に具体化されて良く、さらに、本発明の主旨から逸脱することなくここにおいて述べた形態における種々の省略、置き換えおよび変更を行っても良い。付随する請求項およびそれらの均等物は、本発明の範囲および主旨に入るようにそのような形態若しくは変形を含むことを意図している。
 本出願は、2009年8月7日に出願した先行する日本国特許出願第2009-184773による優先権の利益に基礎をおき、かつ、その利益を求めており、その内容全体が引用によりここに包含される。

Claims (6)

  1.  アノード、カソード、並びに前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、
     前記アノードと対向した燃料排出面を持ち、前記燃料排出面と対向した側が開口し、内面側に前記起電部を収容した容器、並びに前記燃料排出面の一部を開口して設けられた燃料排出口及び前記容器の外面の一部を開口して設けられた燃料取入口を連通するように前記容器に形成された細管を有した燃料分配機構と、
     前記容器の外面に取付けられ、前記燃料取入口に直に連結され、前記燃料取入口に燃料を送るポンプと、を備えている燃料電池。
  2.  前記容器の外面に取付けられ、前記ポンプに連結され、前記ポンプに与える燃料の量を制御するバルブをさらに備えている請求項1に記載の燃料電池。
  3.  前記容器の外面に取付けられ、前記起電部での発電量を調整する制御部をさらに備えている請求項1に記載の燃料電池。
  4.  前記容器の外面は、前記燃料排出面とは反対側の面である請求項1に記載の燃料電池。
  5.  前記燃料分配機構は、前記ポンプ及びバルブに連結され、前記容器に形成された他の細管を有している請求項2に記載の燃料電池。
  6.  前記燃料を収容し、前記ポンプに連結された燃料収容部をさらに備えている請求項1に記載の燃料電池。
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