JP2009094062A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】放熱および保温などの熱の管理を適確に行い、安定した出力を維持することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１は、アノード（燃料極）１３、カソード（空気極）１６およびこれらに挟持された電解質膜１７を有する燃料電池セル１０と、この燃料電池セル１０のアノード（燃料極）側に配置され、アノード（燃料極）１３に燃料を供給するための燃料供給機構４０と、燃料電池セル１０で発生した熱を潜熱として蓄熱する蓄熱部材６０、８０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、携帯機器の動作に有効な平面配置が可能な液体燃料を用いた燃料電池に関する。

近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。

このような二次電池への要求に対して、例えば、リチウムイオン二次電池が開発されてきた。また、携帯電子機器のオペレーション時間は、さらに増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池では、材料の観点からも構造の観点からもエネルギ密度の向上はほぼ限界にきており、更なる要求に対応できなくなりつつある。

このような状況のもと、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。

ＤＭＦＣでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。

ＤＭＦＣにおいては、このような構成で発電を進めるために、メタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロワが補器として備えられ、システムとして複雑な形態を成したＤＭＦＣが開発されてきた。そのため、この構造のＤＭＦＣでは、小型化を図ることは難しかった。

また、一方で、メタノールをポンプで供給するのではなく、メタノール収容室と発電素子の間にメタノールの分子を通す膜を設け、メタノールを透過させる代わりに、メタノール収容室を発電素子の近傍まで近づけることで小型化が進められた。また、空気の取り入れについては、ブロワを用いず、発電素子に直接取り付けた吸気口を設置することで、小型ＤＭＦＣが構築された（例えば、特許文献１参照。）。しかし、このような小型ＤＭＦＣは、機構が簡略化された代わりに、温度などの外部環境要因の影響を受けた場合、発電素子に一定量のメタノールを送ることが難しくなっている。このため、出力を安定して高く発現することが困難となっていた。そこで、このようなメタノールの供給量を制御するために、燃料収容室部分と負極の間に多孔体を設置し、メタノール供給量を絞る技術が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。
ＷＯ２００５／１１２１７２公報 特開２００４−１７１８４４号公報

しかしながら、上記した従来のＤＭＦＣにおいては、カソード（空気極）側の発熱反応により発電中に、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）が発熱して、燃料電池全体の温度が上昇し、それを所持している使用者が熱く感じて不快感を得ることがあった。さらに、燃料電池全体の温度が上昇して５０〜６０℃以上になると、使用者が手に持っていられなくなったり、火傷をすることがあった。一方、アノード（燃料極）での発電反応は吸熱反応であるため、保温することで外部への熱の放出を抑制することが望ましい。

このように、一方の部位では放熱が必要であり、他方の部位では保温が望まれる燃料電池において、携帯機器に搭載するために形状が小型化され、薄くなると、燃料電池自体の温度管理が困難となる。また、放熱が必要な部位では、均一に放熱されることが望ましく、保温が望まれる部位では、均一に保温されることが望ましい。

そこで、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、放熱および保温などの熱の管理を適確に行い、安定した出力を維持することができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、前記膜電極接合体で発生した熱を潜熱として蓄熱する蓄熱部材とを具備することを特徴とする燃料電池が提供される。

本発明に係る燃料電池によれば、放熱および保温などの熱の管理を適確に行い、安定した出力を維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明に係る一実施形態の燃料電池１の構成を示す断面図である。図２は、本発明に係る一実施形態の燃料電池においてポンプ９０を備えた場合の燃料電池１の構成を示す断面図である。

図１に示すように、燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル１０と、この燃料電池セル１０のアノード（燃料極）側およびカソード（空気極）側にそれぞれ設けられたアノード導電層１８、カソード導電層１９と、このアノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１を有する燃料分配層３０と、この燃料分配層３０の燃料電池セル１０側とは異なる側に配置され、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０と、カソード導電層１９に積層された保湿層５０と、この保湿層５０に積層された蓄熱部材６０と、この蓄熱部材６０に積層された、複数の空気導入口７１を有する表面カバー７０とを備える。また、燃料電池１は、燃料供給機構４０を構成する燃料供給部本体４２の周囲を覆うように蓄熱部材８０を備えている。

ここで、図１に示した燃料電池１において、蓄熱部材６０を保湿層５０と表面カバー７０との間に配置した一例を示しているが、この構成に限られるものではなく、カソード（空気極）側で発生した熱を蓄熱可能に配置されていればよい。例えば、蓄熱部材６０を表面カバー７０上に積層して配置してもよい。なお、蓄熱部材６０は、カソード（空気極）１６に供給される空気やカソード（空気極）１６で生成した水（水蒸気）が通過可能な構成になっている。また、図１に示した燃料電池１において、カソード（空気極）側およびアノード（燃料極）側に、それぞれ蓄熱部材６０および蓄熱部材８０を備えた構成を示しているが、用途等に応じて、どちらか一方のみを備える構成としてもよい。

燃料電池セル１０は、いわゆる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）であり、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性を有する電解質膜１７とから構成される。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４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１１として、例えば、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１４として、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ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１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂、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。電解質膜１７は、具体的には、ナフィオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）、アシプレックス（商品名、旭化成工業社製）等により構成される。なお、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではなく、例えば、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獏などのプロトンを輸送可能な電解質膜で構成することができる。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。また、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。

アノードガス拡散層１２の表面に積層されたアノード導電層１８、およびカソードガス拡散層１５の表面に積層されたカソード導電層１９は、例えば、Ａｕのような電気特性および化学安定性に優れた導電金属材料からなるメッシュ、多孔質膜等で構成される。これらの中でも、アノード導電層１８やカソード導電層１９は、燃料電池セル１０に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料電池セル１０に対向して設けられている燃料分配層３０の開口部３１からの燃料を燃料電池セル１０に導く。なお、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜１７とアノード導電層１８およびカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０が介在されており、これらによって燃料電池セル１０からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を備えた燃料電池２を示しているが、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。

保湿層５０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層５０は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。

蓄熱部材６０、８０は、熱を潜熱として蓄熱する潜熱蓄熱部材であって、相変化温度を境にしてゲル化と液状化を繰り返す。この潜熱蓄熱部材は、温度を均一に保つ作用があるため、温度を管理する観点からも好ましい材料である。例えば、図１に示した燃料電池１のように、カソード（空気極）側である保湿層５０と表面カバー７０との間、およびアノード（燃料極）側である燃料供給部本体４２の周囲に、それぞれ蓄熱部材６０および蓄熱部材８０を備える場合、それぞれの蓄熱部材６０、８０における相変化温度を異なるものとし、冷却部分と保温部分を別個に温度管理してもよい。ここで、蓄熱部材６０が設置されるカソード（空気極）側とは、燃料電池セル１０を構成するカソード（空気極）１６よりも外側、すなわち表面カバー７０側を意味し、蓄熱部材８０が設置されるアノード（燃料極）側とは、燃料電池セル１０を構成するアノード（燃料極）１３よりも外側、すなわち燃料供給部本体４２側を意味する。例えば、カソード（空気極）側に設けられる蓄熱部材６０における相変化温度が、アノード（燃料極）側に設けられる蓄熱部材８０における相変化温度よりも低くなるように、それぞれの潜熱蓄熱部材を設定してもよい。このように設定することで、発熱反応であるカソード（空気極）１６における反応は、蓄熱部材６０が熱を吸収することで促進され、吸熱反応であるアノード（燃料極）１３における反応は、蓄熱部材８０が保温した熱で促進される。また、カソード（空気極）１６で発生した熱は、蓄熱部材６０に蓄熱されるとともに、燃料電池セル１０、電池ケース、燃料電池を積層した状態に固定するための固定部材などを介してアノード（燃料極）１３の蓄熱部材８０に伝わる。

なお、蓄熱部材を設ける位置は、図１に示したように、保湿層５０と表面カバー７０との間、燃料供給部本体４２の周囲に限られるものはなく、燃料電池１の構成部材や部品機能によって適宜に変更可能である。例えば、蓄熱部材８０を、アノード（燃料極）側である、アノード導電層１８と燃料分配層３０との間、または燃料分配層３０と燃料供給部本体４２との間等に設けてもよい。また、例えば、燃料電池１が電池ケースなどの筐体に固定される場合には、前述したように、蓄熱部材６０を表面カバー７０上に積層して配置してもよい。これによって、カソード（空気極）側で発生した熱を蓄熱部材６０が吸収するため、カソード（空気極）側で発生した熱が筐体に直接伝わることを防止できる。さらに、蓄熱部材６０と接触する部分の筐体では、一様に温度が上昇する。また、燃料電池１は、外部環境における温度変化の影響を受け難くなる。なお、蓄熱部材６０を表面カバー７０上に積層して配置する場合、蓄熱部材６０を、表面カバー７０上の全面に亘って配置しても、筐体と接触する部分に対応する表面カバー７０上にのみ積層して配置してもよい。

また、複数設けられた蓄熱部材における各相変化温度も、燃料電池１の構成部材や部品機能によって適宜に変更可能である。また、前述したように、蓄熱部材６０が、例えば、カソード（空気極）側である保湿層５０と表面カバー７０との間や、表面カバー７０上の全面に亘って配置される場合には、蓄熱部材６０は、カソード（空気極）１６に供給される空気やカソード（空気極）１６で生成した水（水蒸気）が通過可能な構成となっている。具体的には、例えば、表面カバー７０の空気導入口７１に対応する貫通口を蓄熱部材６０に形成する。その他、複数の蓄熱部材を間隔をあけて配置するなどの構成によっても、空気や水（水蒸気）が通過可能となる。

蓄熱部材６０、８０は、具体的には、例えば、酢酸ナトリウム、塩化カルシウム、炭酸ナトリウム、炭酸水素カリウム、塩化カリウム、塩化アンモニウム、塩化ナトリウムなどの水溶液や水和物、あるいはその混合物などからなる無機塩・水和物や水溶液で構成される。また、蓄熱部材６０、８０は、有機物で構成されてもよく、具体的には、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカンなどのノルマルパラフィンやそのエマルジョン、ポリエチレングリコールなどの高分子材料で構成される。また、蓄熱部材６０、８０は、これらの材料をマイクロカプセル化した材料やそのマイクロカプセルを樹脂などに分散させて成形した部材や粉末、これらの材料をペースト状に他の樹脂と混合した塗料などで構成されてもよい。さらに、蓄熱部材６０、８０は、上記した材料を袋状のパックに充填したもので構成されてもよい。

表面カバー７０は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口７１の個数や大きさ等を変更することで行われる。表面カバー７０は、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属で構成することができるが、これに限定されるものではない。

燃料供給機構４０は、燃料収容部４１と、燃料供給部本体４２と、流路４４とを主に備える。

燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に対応した液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Ｆは、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Ｆとして、例えば、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、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、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などを用いてもよい。これらの液体燃料の中でも、メタノール水溶液は、炭素数が１で反応の際に発生するのが二酸化炭素であり、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。そのため、液体燃料としてメタノール水溶液を使用するのが好ましい。いずれにしても、燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に応じた液体燃料が収容される。

液体燃料Ｆは、燃料濃度が１００ｗｔ％から数ｗｔ％までの範囲で種々の濃度のものを用いることができるが、特にメタノール水溶液の場合は、燃料濃度が６０ｗｔ％以上のものを使用することが望ましい。その理由は、より少ない体積の燃料で発電することができ
るからである。

燃料供給部本体４２は、供給された液体燃料Ｆを燃料分配層３０に対して均一に供給するために、液体燃料Ｆを平坦に分散させるための凹部からなる燃料供給部４３を備えている。この燃料供給部４３は、配管等で構成される液体燃料Ｆの流路４４を介して燃料収容部４１と接続されている。燃料供給部４３には、燃料収容部４１から流路４４を介して液体燃料Ｆが導入され、導入された液体燃料Ｆおよび／またはこの液体燃料Ｆが気化した気化成分は、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０に供給される。流路４４は、燃料供給部４３や燃料収容部４１と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部４３や燃料収容部４１を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部４３は、流路等を介して燃料収容部４１と連通されていればよい。

燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路４４を介して燃料供給部４３まで落下させて送液することができる。また、流路４４に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４３まで送液してもよい。さらに、図２に示すように、流路４４の一部に、ポンプ９０を介在させて、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４３まで強制的に送液してもよい。

このポンプ９０は、燃料収容部４１から燃料供給部４３に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セル１０に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ９０を備えた燃料電池１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構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ９０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Ｆ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、ロータリベーンポンプ、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が好ましい。ロータリベーンポンプは、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。上記したようにポンプ９０を設ける場合、ポンプ９０は、制御手段（図示しない）と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部４３に供給される液体燃料Ｆの供給量が制御される。

ここで、ポンプ９０の送液量は、燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液量が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料Ｆの量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ９０の停止時間が長くなる。このため、燃料電池セル１０への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ９０の下流側に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。

一方、ポンプ９０の送液量が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ９０を使用することが好ましい。ポンプ９０の送液量は１０〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ９０には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。

燃料分配層３０は、例えば、複数の開口部３１が形成された平板で構成され、アノードガス拡散層１２と燃料供給部４３との間に挟持される。この燃料分配層３０は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。また、燃料分配層３０は、例えば、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を燃料電池セル１０側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが用いられる。ここで、燃料電池１において、燃料供給部４３に導入された液体燃料は、燃料分配層３０の複数の開口部３１からアノード（燃料極）１３の全面に対して供給される。このように、燃料分配層３０によって、アノード（燃料極）１３に供給される燃料供給量を均一化することが可能となる。

次に、上記した燃料電池１における作用について説明する。

燃料収容部４１から流路４４を介して燃料供給部４３に供給された液体燃料Ｆは、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０のアノードガス拡散層１２に供給される。アノードガス拡散層１２に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２で拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ ……式（１）

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、メタノールは、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水と上記した式（１）の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。また、蓄熱部材８０に蓄熱された熱を利用することによって、式（１）のメタノールの内部改質反応が促進される。

この反応で生成した電子（ｅ⁻）は、集電体を経由して外部に導かれ、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（空気極）１６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１７を経てカソード（空気極）１６に導かれる。カソード（空気極）１６には酸化剤として空気が供給される。カソード（空気極）１６に到達した電子（ｅ⁻）とプロトン（Ｈ^＋）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻＋６Ｈ^＋ → ３Ｈ_２Ｏ ……式（２）

なお、この式（２）に示す反応によって発生した熱の一部は、蓄熱部材６０に蓄熱され、燃料電池１の急激な温度上昇、特に、カソード（空気極）側における急激な温度上昇が抑制される。

このように燃料電池１では、上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力が得られる。

上記した本発明に係る一実施の形態の燃料電池１によれば、例えば、カソード（空気極）側に蓄熱部材６０を設けて、カソード（空気極）１６における反応によって発生した熱を蓄熱部材６０で吸収し、アノード（燃料極）側に蓄熱部材８０を設けて、蓄熱部材８０が蓄熱した熱を利用して反応を促進することができる。このように、放熱および保温などの熱の管理を適確に行うことで、安定した出力を維持することができる。さらに、燃料電池１の急激な温度上昇を抑制し、使用時における安全性を向上させることができる。

例えば、携帯機器に内蔵されることを想定した小型の燃料電池においては、冷却にフィンやファンを取り付けることが難しく、一方で、熱源としてのヒータを取り付ける場合には、ヒータに電力を供給することによる出力の低下が問題となる。しかしながら、本発明に係る燃料電池１では、相変化温度の異なる複数の蓄熱部材を備えることで、上記したフィンやヒータ等を設けずに、熱の管理を適確に行うことができるとともに、安定した出力を維持することができる。

さらに本発明においては、燃料電池１を構成する前記部材の少なくとも一つを一体型のものとして、蓄熱部材を配置することができる。すなわち、カソード（空気極）１６およびカソードより外側のカソード側において、前記した蓄熱部材を構成する潜熱蓄熱材料（例えば、マイクロカプセル化された有機系蓄熱材料）を、カソード触媒層１４および／または保湿層５０に含有させ、これらの層自体を蓄熱部材の層（潜熱蓄熱層）とすることができる。また、アノード（燃料極）１３およびアノードより外側のアノード側においては、アノード触媒層１１および／または燃料分配層３０に前記した潜熱蓄熱材料を含有させ、これらの層自体を蓄熱部材の層（潜熱蓄熱層）とすることができる。

次に、このように蓄熱部材を一体型に配置した燃料電池１の例として、カソード触媒層１４およびアノード触媒層１１に潜熱蓄熱材料を含有させた構成の燃料電池１を選び、その製造方法を以下に示す。

カーボンなどの導電性担体に白金族元素の単体や白金族元素の合金を担持させて得られたアノード触媒と、前記潜熱蓄熱材料（例えば、マイクロカプセル化されたノルマルパラフィン）を、プロトン伝導性の電解質の溶液と混合し、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールおよびグリセリン、エチレングリコールなどの分散媒を加えて粘度調整を行い、アノード触媒スラリーとする。

こうして得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層１２となるカーボンペーパやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材の上に、吸引ろ過法、スプレー法、ロールコータ法、バーコータ法などを用いて塗布し乾燥させて、アノード触媒層１１を形成する。このようにしてアノードガス拡散層１２上にアノード触媒層１１が形成されたものがアノード１３となる。

また、前記アノード触媒と同様にして製造されたカソード触媒と、前記潜熱蓄熱材料（例えば、マイクロカプセル化されたノルマルパラフィン）を、プロトン伝導性の電解質の溶液と混合し、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールおよびグリセリン、エチレングリコールなどの分散媒を加えて粘度調整を行い、カソード触媒スラリーとする。

次いで、得られたカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層１５となるカーボンペーパやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材の上に、吸引ろ過法、スプレー法、ロールコータ法、バーコータ法などを用いて塗布し乾燥させて、カソード触媒層１４を形成する。こうしてカソードガス拡散層１５上にカソード触媒層１４が形成されたものがカソード１６となる。

次に、こうして得られたアノード１３のアノード触媒層１１とカソード１６のカソード触媒層１４との間に、プロトン伝導性の電解質膜１７を挟み込んだ後、これらをロールまたはプレスによって熱圧着することにより、燃料電池セル１０を得る。さらに、この燃料電池セル１０にアノード導電層１８およびカソード導電層１９を積層する。そして、アノード導電層１８の外側に燃料分配層３０および燃料供給機構４０を配置し、カソード導電層１９の外側に保湿層５０、表面カバー７０を順に重ね合わせて一体化することにより、燃料電池１を製造することができる。

このように、蓄熱部材を他の燃料電池構成部材と一体型のものとして配置する構成では、シート状などの蓄熱部材を別に配置する構成に比べて、製造の際の工程追加を必要とせず、また燃料電池全体の厚さや体積を増大させることがないという利点がある。

次に、本発明に係る燃料電池が優れた出力特性および温度特性を有することを実施例１〜実施例３、比較例１に基づいて説明する。

（実施例１）
実施例１で使用した燃料電池は、図２に示した燃料電池１において、蓄熱部材８０を設けずに、蓄熱部材６０のみを設けた構成としたものであるので、図２を参照して説明する。

まず、燃料電池セル１０の作製方法について説明する。

アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）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オロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。

カソード用触媒粒子（Ｐｔ）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オロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１４を得た。なお、アノードガス拡散層１２と、カソードガス拡散層１５とは、同形同大であり、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１およびカソード触媒層１４も同形同大である。

上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：nafion膜、デュポン社製）を配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態でホットプレスを施すことにより、燃料電池セル１０を得た。

続いて、この燃料電池セル１０を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を形成した。なお、電解質膜１７とアノード導電層１８との間、電解質膜１７とカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０を挟持してシールを施した。

また、保湿層５０として、厚さが５００μｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ^３（ＪＩＳ Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が４０００ｇ／（ｍ^２・２４ｈ）（ＪＩＳ Ｌ−１０９９ Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。

この保湿層５０の上に、蓄熱部材６０として、マイクロカプセル化された有機系蓄熱材料を樹脂に混合した、相変化温度が４０℃で厚さが１ｍｍの蓄熱シートを設置した。この蓄熱シートには、空気取り入れのための空気導入口（直径３．６ｍｍの円形、口数３５個）が形成されている。

この蓄熱部材６０の上に、空気取り入れのための空気導入口７１（直径３．６ｍｍの円形、口数３５個）が形成された厚さが１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー７０とした。

上記したように作製された燃料電池セル１０を用いて、燃料電池１を作製した。液体燃料Ｆとして、純度９９.９重量％の純メタノールを使用し、ポンプ９０によって純メタノールを燃料供給部４３に供給した。また、カソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面温度が４５℃より高温となったときにはポンプ９０を停止し、４５℃以下ではポンプ９０を作動した。

そして、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、燃料電池１の出力電圧が０．３Ｖで一定になるように燃料電池１を作動させた。

上記した条件の下、カソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置の温度の時間的変化を計測した。さらに、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）の時間的変化を計測した。ここで、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ^２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ^２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。

図３は、実施例１および後述する比較例１における、カソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池１の出力密度の時間的変化の計測結果を示す図である。

（実施例２）
実施例２では、図２に示した燃料電池１において、蓄熱部材６０を設けずに、蓄熱部材８０のみを設けた燃料電池１を使用した。この燃料電池１は、蓄熱部材６０を設けずに、蓄熱部材８０のみを設けた構成以外は、実施例１で使用した燃料電池１と同じ構成である。

図２に示すように、この燃料電池１では、マイクロカプセル化された有機系蓄熱材料を樹脂に混合した、相変化温度が３０℃で厚さが１ｍｍの蓄熱シートを、燃料供給部本体４２の周囲、すなわち底面および側面を覆うように設置した。この蓄熱シートを設置することで、燃料供給部本体４２の温度が３０℃前後に保たれた。

また、カソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池１の出力密度の時間的変化の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。

図４は、実施例２および後述する比較例１における、カソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池１の出力密度の時間的変化の計測結果を示す図である。

（実施例３）
実施例３では、図２に示した燃料電池１と同じ構成を有する燃料電池１を使用した。この燃料電池１は、実施例１で使用した蓄熱部材６０および実施例２で使用した蓄熱部材８０の双方の蓄熱部材を備え、それ以外の構成は実施例１で使用した燃料電池１と同じ構成である。

また、空気極側の保湿層５０の直下で、空気極の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池１の出力密度の時間的変化の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。

図５は、実施例３および後述する比較例１における、カソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池１の出力密度の時間的変化の計測結果を示す図である。

（比較例１）
比較例１で使用した燃料電池１は、実施例１で使用した燃料電池１における蓄熱部材６０を備えない以外は、実施例１で使用した燃料電池１と同じ構成である。

また、カソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池１の出力密度の時間的変化の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。

なお、比較例１におけるカソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池１の出力密度の
時間的変化の計測結果は、上記したように各実施例における計測結果とともに、図３〜図５に示されている。

（実施例１〜実施例３、比較例１のまとめ）
図３に示すように、実施例１におけるカソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の変化は、表面温度が４０℃付近から鈍くなり、その後４６℃程度の均一な温度に保たれ、カソード（空気極）１６の表面が過剰に加熱されるのを防止できることがわかった。また、出力密度も、表面温度と同様に、変動が非常に小さく、安定した出力が得られることがわかった。一方、実施例１における計測結果に比べて、比較例１におけるカソード（空気極）１６の集電体である金箔の表面温度および燃料電池１の出力密度ともに、大きく変動し安定性に欠けることがわかった。特に、カソード（空気極）１６の集電体である金箔の表面温度においては、温度が５５℃を超える状態もあり、カソード（空気極）１６の表面が過剰に加熱されることが明らかとなった。

図４に示すように、実施例２におけるカソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度は、比較例１における同一箇所における温度よりも、過剰な上昇が抑えられることがわかった。また、時間の経過に伴って生じる出力密度の低下は、実施例２の方が比較例１よりも小さいことがわかった。そこで、計測後、比較例１で使用した燃料電池１を分解したところ、燃料供給部４３に１０ｗｔ％程度のメタノール水溶液が残留していた。一方、実施例２で使用した燃料電池１を分解したところ、燃料供給部４３にほとんど液体は残存していなかった。

図５に示すように、実施例３におけるカソード（空気極）側の保湿層５０の直下で、カソード（空気極）１６の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度は、比較例１における同一箇所における温度よりも、過剰な上昇が抑えられることがわかった。また、時間の経過に伴って生じる出力密度の低下は、実施例３の方が比較例１よりも小さいことがわかった。

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、燃料電池セルに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、すべてが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また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する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

本発明に係る一実施形態の燃料電池システムの構成を示す断面図。 本発明に係る一実施形態の燃料電池においてポンプを備えた場合の燃料電池システムの構成を示す断面図。 実施例１および後述する比較例１における、カソード（空気極）側の保湿層の直下で、カソード（空気極）の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池の出力密度の時間的変化の計測結果を示す図。 実施例２および後述する比較例１における、カソード（空気極）側の保湿層の直下で、カソード（空気極）の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池の出力密度の時間的変化の計測結果を示す図。 実施例３および後述する比較例１における、カソード（空気極）側の保湿層の直下で、カソード（空気極）の集電体となる金箔の表面であり、電極全体の中心部にあたる長辺方向に２０ｍｍ、短辺方向に１５ｍｍの位置における温度の時間的変化および燃料電池の出力密度の時間的変化の計測結果を示す図。

符号の説明

１…燃料電池、１０…燃料電池セル、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極）、１７…電解質膜、１８…アノード導電層、１９…カソード導電層、２０…Ｏリング、３０…燃料分配層、３１…開口部、４０…燃料供給機構、４１…燃料収容部、４２…燃料供給部本体、４３…燃料供給部、４４…流路、５０…保湿層、６０、８０…蓄熱部材、７０…表面カバー、７１…空気導入口。

Claims (5)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
   前記膜電極接合体で発生した熱を潜熱として蓄熱する蓄熱部材と
   を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 前記蓄熱部材が、空気極側に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. 前記蓄熱部材が、燃料極側に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。
4. 前記蓄熱部材が、空気極側に配置された空気極側蓄熱部材および燃料極側に配置された燃料極側蓄熱部材から構成され、前記空気極側蓄熱部材における相変化温度と前記燃料極側蓄熱部材における相変化温度とが異なることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記燃料における燃料濃度が６０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。

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