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Title:
FUEL BATTERY
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2009/141985
Kind Code:
A1
Abstract:
Disclosed is a fuel battery (1) comprising a fuel battery cell (10) composed of an electrolyte membrane (17) sandwiched between an anode (fuel electrode) (13) and a cathode (air electrode) (16), and a fuel supply mechanism (40) disposed on the anode (fuel electrode) side of the fuel battery cell (10) and which supplies fuel to the anode (fuel electrode) (13). The fuel battery (1) further comprises a moisture-retention layer (50) which is disposed in the cathode (air electrode) of the fuel battery cell (10) and which is impregnated with the water generated by the cathode (air electrode) (16), and a heat-dissipating member (70) having an externally protruding heat-dissipating portion (71) for releasing the heat generated by the fuel battery cell (10).

Inventors:
YAJIMA AKIRA (JP)
KANBAYASHI SHINICHI (JP)
NEGISHI NOBUYASU (JP)
AOKI RISA (JP)
OOMICHI GENTA (JP)
Application Number:
PCT/JP2009/002144
Publication Date:
November 26, 2009
Filing Date:
May 15, 2009
Export Citation:
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Assignee:
TOSHIBA KK (JP)
YAJIMA AKIRA (JP)
KANBAYASHI SHINICHI (JP)
NEGISHI NOBUYASU (JP)
AOKI RISA (JP)
OOMICHI GENTA (JP)
International Classes:
H01M8/02; H01M8/04; H01M8/10; H01M8/24
Domestic Patent References:
WO2006101033A12006-09-28
WO2005112172A12005-11-24
Foreign References:
JP2007019007A2007-01-25
JPH10162842A1998-06-19
JP2004193027A2004-07-08
JP2007095558A2007-04-12
Other References:
See also references of EP 2284936A4
Attorney, Agent or Firm:
SUYAMA, Saichi (JP)
Saichi Suyama (JP)
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Claims:
 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、
 前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、
 前記膜電極接合体で発生した熱を外部に放出するための、外部に突出させて設けられた放熱部を有する放熱部材と
 を具備することを特徴とする燃料電池。
 請求項1記載の燃料電池において、
 前記放熱部材の少なくとも一部が、前記膜電極接合体を構成する少なくとも前記空気極に接触させて設けられていることを特徴とする燃料電池。
 請求項1記載の燃料電池において、
 前記放熱部材の少なくとも一部が、前記膜電極接合体の前記空気極に積層して設けられた導電層に接触させて設けられていることを特徴とする燃料電池。
 請求項1記載の燃料電池において、
 前記放熱部材の放熱部の一部が、燃料電池の外装から外部に露出されていることを特徴とする燃料電池。
 請求項1記載の燃料電池において、
 前記燃料電池の外装の少なくとも一部が熱伝導性を有する材料で構成され、前記放熱部材の放熱部の一部が、前記熱伝導性を有する外装の一部に接触されていることを特徴とする燃料電池。
 請求項2記載の燃料電池において、
 前記放熱部材において、前記膜電極接合体と接触している部分の面積に対する、外部に突出させて設けられた前記放熱部の面積の割合が0.2以上であることを特徴とする燃料電池。
 請求項3記載の燃料電池において、
 前記放熱部材において、前記空気極に積層して設けられた導電層と接触している部分の面積に対する、外部に突出させて設けられた前記放熱部の面積の割合が0.2以上であることを特徴とする燃料電池。
Description:
燃料電池

 本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に する。

 近年、ノートパソコンや携帯電話等の各 携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可 とするために、これら携帯用電子機器の電 に燃料電池を用いる試みがなされている。 料電池は、燃料と空気を供給するだけで発 することができ、燃料を補給すれば連続し 長時間発電することが可能であるという特 を有している。このため、燃料電池を小型 できれば、携帯用電子機器の電源として極 て有利なシステムとなる。

 直接メタノール型燃料電池(Direct Methanol  Fuel Cell:DMFC)は、小型化が可能であり、さら 燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用 子機器の電源として有望視されている。DMFC おける液体燃料の供給方式としては、気体 給型や液体供給型等のアクティブ方式や、 料収容部内の液体燃料を電池内部で気化さ て燃料極に供給する内部気化型等のパッシ 方式が知られている。

 アノード(燃料極)に燃料を供給する手段 しては、様々な方法が採用可能である。燃 供給手段として、例えば、メタノール水溶 等の液体燃料をアノード導電層の下に直接 通させる方式等が挙げられる。さらには、 料電池の外部においてメタノール等を蒸発 せて気体燃料を生じさせ、その気体燃料を ノード導電層の下に流通させる外部気化型 、燃料収容部に純メタノールやメタノール 溶液等の液体燃料を収容し、この液体燃料 電池内部で気化させてアノード(燃料極)に供 給する内部気化型等の燃料供給手段が挙げら れる。

 一方、カソード(空気極)に酸化剤である 気を供給する手段としては、空気をファン ブロワにより強制的に供給するアクティブ や、大気からの自然拡散のみにより供給す 自発呼吸(パッシブ)型などが挙げられる。

 これらのうち、内部気化型等のパッシブ 式はDMFCの小型化に対して特に有利である。 パッシブ型DMFCにおいては、例えば国際公開 2005/112172号パンフレットにおいて、アノード (燃料極)、電解質膜およびカソード(空気極) 有する膜電極接合体(燃料電池セル)を、樹脂 製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置し た構造が提案されている。

 ここで、膜電極接合体は、アノード触媒 とアノードガス拡散層とを有するアノード( 燃料極)と、カソード触媒層とカソードガス 散層とを有するカソード(空気極)と、アノー ド触媒層とカソード触媒層とで挟持されたプ ロトン(水素イオン)伝導性を有する電解質膜 から構成される。また、膜電極接合体は、 ノード(燃料極)側に配置されるアノード導 層と、カソード(空気極)側に配置されるカソ ード導電層とに挟持されている。

 燃料収容部から流路を介して燃料供給部に 給された液体燃料は、液体燃料のまま、も くは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃 が混在する状態で、燃料分配層およびアノ ド導電層を介して燃料電池セルのアノード ス拡散層に供給される。アノードガス拡散 に供給された燃料は、アノードガス拡散層 拡散してアノード触媒層に供給される。液 燃料としてメタノール燃料を用いた場合、 ノード触媒層で次の式(1)に示すメタノール 内部改質反応が生じる。
      CH 3 OH+H 2 O → CO 2 +6H + +6e -  …式(1)

 なお、メタノール燃料として純メタノー を使用した場合には、メタノールは、カソ ド触媒層で生成した水や電解質膜中の水と 記した式(1)の内部改質反応によって改質さ るか、または水を必要としない他の反応機 により改質される。

 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 る電気として携帯用電子機器等を動作させ 後、カソード(空気極)に導かれる。また、上 記した式(1)の内部改質反応で生成したプロト ン(H + )は、電解質膜を経てカソードに導かれる。 ソード(空気極)には、保湿層を介して、酸化 剤ガスとして空気が供給される。カソード( 気極)に到達した電子(e - )とプロトン(H + )は、カソード触媒層で空気中の酸素と次の (2)に示す反応を生じ、この発電反応に伴っ 水が生成する。
      (3/2)O 2 +6e - +6H +  → 3H 2 O …式(2)

 上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、 出力で安定した出力を燃料電池において得 ためには、式(2)によってカソード触媒層で 成した水(H 2 O)のうち少なくとも一部が、電解質膜を透過 てアノード触媒層に拡散し、上記した式(1) 反応によって消費されるというサイクルが 円滑に行なわれる必要がある。

 これを実現するため、カソード(空気極) 近傍に、カソード触媒層において生成した を含浸して蒸散を抑止する保湿層を配置し カソード触媒層の水分保持量がアノード触 層の水分保持量よりも多い状態を構成し、 透圧現象を利用してカソード触媒層で生成 た水を電解質膜を通してアノード触媒層に 給している。

 上記のような、保湿層を利用してカソー (空気極)からアノード(燃料極)への水の供給 を促進する燃料電池において、カソード(空 極)からアノード(燃料極)に供給される水の を多くするためには、保湿層の厚さは厚い ど好ましい。しかしながら、保湿層の厚さ 厚くすると、外気から保湿層を透過してカ ード(空気極)に供給される酸素の量が減少し 、上記した式(2)の反応が生じ難くなることが あった。さらに、カソード(空気極)から外気 の放熱量が少なくなり、カソード(空気極) 温度が過剰に上昇することがあった。

 カソード(空気極)の温度が上昇した場合 カソード触媒層における水の蒸気圧が高く り、水蒸気は保湿層を透過して外気へ蒸散 れやすくなる。そのため、膜電極接合体が 持している水の量が減少し、上記した式(1) 反応が生じ難くなり燃料電池の出力が低下 る。また、カソード(空気極)の温度が上昇す ることにより、膜電極接合体を構成する部材 や、膜電極接合体の周囲に配置されている部 材が、熱によって変形や変質等の劣化を生じ 、燃料電池の出力が低下するという問題があ った。

 これを防ぐために、膜電極接合体の少な とも一部の温度を検知する温度検知手段を け、その検知された温度が予め設定された を上回った場合には、膜電極接合体に供給 れる燃料を遮断したり、燃料の供給量を減 させたりすることも可能である。しかしな ら、このように燃料を遮断または燃料の供 量を減少させた場合、アノード触媒層にお る、上記した式(1)の反応が抑制され、結果 して燃料電池の出力が低下することがあっ 。

 カソード(空気極)からアノード(燃料極)へ の水の供給を促進し、かつカソード(空気極) ら外気への放熱量を増加するためには、保 層の外気に接している側の表面に、金属な の熱伝導体からなる放熱部材を配置し、保 層の厚さ方向における温度差を大きくする とが考えられる。しかしながら、保湿層の さ方向の温度差が大きくなると、燃料電池 発電しているときには、常に、保湿層に大 の水分を保持した状態となる。これによっ 、カソード(空気極)に供給される酸素の量 減少し、上記した式(2)の反応が生じ難くな 、燃料電池の出力が低下することがあった

 また、保湿層の表面に放熱部材を設け、 ソード(空気極)の熱を保湿層を介して外部 放熱するためには、放熱部材が外部と熱交 する表面積を大きくしなければならず、放 部材自体のサイズも大きなものとならざる 得なかった。そのため、このような燃料電 を携帯機器等の電源として用いることは、 ずしも適切とは言えなかった。

 そこで、本発明の目的は、携帯機器等の 源として用いるのに適切な小型かつ軽量の 成を有し、膜電極接合体中に保持される水 量およびカソード(空気極)からの外部への 熱量を適切な範囲に維持し、長期間に亘っ 安定した出力を維持することができる燃料 池を提供することである。

 本発明の一態様によれば、燃料極と、空 極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持さ た電解質膜とを有する膜電極接合体と、前 膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、 記燃料極に燃料を供給するための燃料供給 構と、前記膜電極接合体の前記空気極側に 置され、前記空気極で生成した水を含浸す 保湿層と、前記膜電極接合体で発生した熱 外部に放出するための、外部に突出させて けられた放熱部を有する放熱部材とを具備 ることを特徴とする燃料電池が提供される

本発明に係る第1の実施の形態の燃料電 池の構成を示す断面図である。 本発明に係る第1の実施の形態の燃料電 池を表面カバー側から見たときの状態を示す 平面図である。 本発明に係る第1の実施の形態の燃料電 池においてポンプを備えた場合の構成を示す 断面図である。 本発明に係る第1の実施の形態の燃料電 池において他の構成の放熱部材を備えたとき の、燃料電池を表面カバー側から見たときの 状態を示す平面図である。 本発明に係る第1の実施の形態の燃料電 池に備えられる放熱部材の他の構成を示す平 面図である。 本発明に係る第2の実施の形態の燃料電 池の構成を示す断面図である。 本発明に係る第2の実施の形態の燃料電 池に備えられる放熱部材の構成を示す平面図 である。 本発明に係る第2の実施の形態の燃料電 池に備えられる放熱部材の他の構成を示す平 面図である。 実施例8で使用した燃料電池の構成を示 す断面図である。 実施例8で使用した燃料電池を表面カ ー側から見たときの状態を示す平面図であ 。 実施例9で使用した燃料電池に備えら る放熱部材の構成を示す平面図である。 実施例10で使用した燃料電池の構成を す断面図である。 実施例10で使用した燃料電池を表面カ ー側から見たときの状態を示す平面図であ 。 各単位燃料電池セル上に放熱部材が積 層された状態を示す平面図である。

 以下、本発明の実施の形態について、図 を参照して説明する。

 第1の実施の形態
図1は、本発明に係る第1の実施の形態の燃料 池1の構成を示す断面図である。図2は、本 明に係る第1の実施の形態の燃料電池1を表面 カバー60側から見たときの状態を示す平面図 ある。図3は、本発明に係る第1の実施の形 の燃料電池1においてポンプ80を備えた場合 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 構成する燃料電池セル10と、この燃料電池セ ル10のカソード(空気極)側に設けられた放熱 材70と、この放熱部材70に積層されたカソー 導電層19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、複 の空気導入口61を有する表面カバー60と、燃 電池セル10のアノード(燃料極)側に設けられ たアノード導電層18と、アノード導電層18に 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 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 備える。

 燃料電池セル10は、いわゆる膜電極接合 (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 ノード(燃料極)13と、カソード触媒層14とカ ードガス拡散層15とを有するカソード(空気 )16と、アノード触媒層11とカソード触媒層14 で挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性 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 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 て、例えば、Pt、Pt-Ni、Pt-Co等を用いること 好ましい。ただし、触媒は、これらに限定 れるものではなく、触媒活性を有する各種 物質を使用することができる。触媒は、炭 材料のような導電性担持体を使用した担持 媒、あるいは無担持触媒のいずれであって よい。

 電解質膜17を構成するプロトン伝導性材 としては、例えばスルホン酸基を有するパ フルオロスルホン酸重合体のようなフッ素 樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)や レミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホ 酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材 、あるいはタングステン酸やリンタングス ン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし プロトン伝導性の電解質膜17は、これらに限 られるものではない。

 アノード触媒層11に積層されるアノード ス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均 に供給する役割を果たすと同時に、アノー 触媒層11の集電体も兼ねている。カソード 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 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 ンペーパ、カーボンクロス、カーボンシル 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 質体またはメッシュなどで構成される。

 放熱部材70は、カソードガス拡散層15に積 層して、すなわちカソードガス拡散層15とカ ード導電層19の間に設けられている。図1お び図2に示すように、放熱部材70は、その一 はカソードガス拡散層15に接触し、周縁部 、燃料電池1の側面から外部に突出するよう 構成されている。この外部に突出した部分 、カソードガス拡散層15からの熱を外部に 出する放熱部71として機能している。また、 放熱部材70には、カソード(空気極)16で生成し た水を保湿層側に導き、表面カバー60から導 された空気をカソード(空気極)側に導くた の複数の開口部72が形成されている。

 放熱部材70は、液体燃料Fや水、酸素等によ て溶解や腐食、酸化等を生じることがなく かつ熱伝導性に優れた材料(例えば、20℃に ける熱伝導率が10W/m・K以上)で構成されるこ とが好ましい。また、図1に示すように、放 部材70が、カソードガス拡散層15とカソード 電層19の間に配置される構成では、放熱部 70は、電気抵抗の小さい材料(例えば、20℃に おける体積抵抗率が1.5×10 -6 ω・m以下)で構成されることが好ましい。放 部材70を構成する材料として具体的には、金 、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、タング ステン、モリブデン等の金属またはこれら金 属の合金が挙げられる。また、放熱部材70を 成する材料としてグラファイト(黒鉛)等の 素質材料を使用してもよい。

 ここで、放熱部材70として金属材料を用 た場合、カソード(空気極)16で生成した水、 気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸 、腐食を生じる可能性がある。この酸化や 食を防止するためには、上記した金属材料 なかでもステンレス等の腐食し難い材料を いることが好ましい。また、放熱部材70の 面に、金などの酸化し難い金属をメッキし り、炭素質の材料をコーティングすること 、酸化や腐食を防止してもよい。

 また、放熱部材70を構成する材料におい 、熱伝導率が高く、かつ肉厚が薄くても機 的強度が高いという観点からは、金属材料 使用すること好ましい。この金属材料の中 も、特に、銅(20℃における熱伝導率が370W/m K)、アルミニウム(20℃における熱伝導率が204 W/m・K)、タングステン(20℃における熱伝導率 198(W/m・K))等は熱伝導率が高いので好ましい 。また、これらの金属の表面に陽極酸化処理 し、陽極酸化皮膜を形成したものを使用する ことがさらに好ましい。また、外気への放射 率を向上させるために、表面を黒色に処理す ることが好ましく、特にこの処理を放熱部71 施すことが好ましい。

 ここで、カソード(空気極)16で発生したカ ソードガス拡散層15からの熱は、主に、燃料 池1の側面から外部に突出して構成された放 熱部71において熱交換され、外部に放出され 。この放熱部71における熱交換を促進する めに、放熱部材70において、カソードガス拡 散層15、換言すれば燃料電池セル10と接触し いる部分の面積に対する、放熱部71の面積の 割合(以下、放熱部の面積率という)、すなわ 、放熱部71の面積を燃料電池セル10と接触し ている部分の面積で除した値は、0.2以上であ ることが好ましい。なお、放熱部71の面積と 、燃料電池1の側面から外部に突出されてい る放熱部71の表面積を意味する。また、この 熱部71からより多くの熱量を放出するため 、放熱部71の面積率を0.3以上とすることが好 ましく、さらに0.5以上とすることがより好ま しい。なお、放熱部の面積率は大きいほど好 ましいが、燃料電池1の構成上の観点から2程 が上限値となる。

 また、燃料電池1を筐体等の外装に収納す る際、放熱部材70の放熱部71の一部を、その 体から外部に露出させてもよい。また、燃 電池1を収納する外装の少なくとも一部を熱 導性を有する材料で構成し、放熱部材70の 熱部71の一部を、その熱伝導性を有する材料 で構成された筐体の一部に接触させてもよい 。これによって、放熱部材70の放熱部71から り効率よく外部に熱を放出させることがで る。

 アノードガス拡散層12の表面に積層され アノード導電層18、および放熱部材70の表面 積層されたカソード導電層19は、例えば、 、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質 (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 良導電性金属を被覆した複合材などで構成 れる。また、グラファイト(黒鉛)等の炭素 材料も使用することができる。これらの中 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 開口部を有する薄膜で構成されることが好 しい。アノード導電層18の場合には、この開 口部を介して、燃料電池セル10に対向して設 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 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 び放熱部材70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 料電池セル10からの燃料漏れや酸化剤漏れ 防止している。なお、ここでは、アノード 電層18およびカソード導電層19を備えた燃料 池1を示しているが、アノード導電層18およ カソード導電層19を設けずに、アノードガ 拡散層12およびカソードガス拡散層15を拡散 として機能させるとともに、導電層として 能させてもよい。また、燃料電池セル10を 成する電解質膜17において、アノード触媒層 11およびカソード触媒層14の双方と接触せず かつOリング20の内側に相当する位置に、少 くとも1個のガス排出孔(図示せず)を設けて 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 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 板で構成される。

 表面カバー60は、空気の取入れ量を調整 るものであり、その調整は、空気導入口61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60は、例えば、SUS304またはSUS316Lの ようなステンレス合金、チタンまたはチタン 合金のような金属で構成されることが好まし 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。この燃料 容部41は、液体燃料Fによって溶解や変質を じることがない材料で構成される。燃料収 部41を構成する材料として、具体的には、ポ リエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、ポリエ テルエーテルケトン(PEEK)などが使用される なお、図示しないが、燃料収容部41には液 燃料Fを供給するための燃料供給口が設けら 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 ール燃料に限られるものではない。液体燃 Fは、例えばエタノール水溶液や純エタノー 等のエタノール燃料、プロパノール水溶液 純プロパノール等のプロパノール燃料、グ コール水溶液や純グリコール等のグリコー 燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の 体燃料であってもよい。いずれにしても、 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。

 燃料供給部本体42は、供給された液体燃 Fを燃料分配層30に対して均一に供給するた に、液体燃料Fを平坦に分散させるための凹 からなる燃料供給部43を備えている。この 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 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およびこの液体燃料Fが気化した 化成分は、燃料分配層30およびアノード導 層18を介してアノード(燃料極)13に供給され 。流路44は、燃料供給部43や燃料収容部41と 立した配管に限られるものではない。例え 、燃料供給部43や燃料収容部41を積層して一 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 ればよい。

 燃料収容部41に収容された液体燃料Fは、 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 り燃料収容部41に収容された液体燃料Fを燃 供給部43まで送液してもよい。さらに、図3 示すように、流路44の一部にポンプ80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80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 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80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80 種類は、特に限定されるものではないが、 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80を設ける場合、ポ プ80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。

 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 液体燃料Fを透過させない材料で構成され、 体的には、例えば、ポリエチレンテレフタ ート(PET)樹脂、ポリエチレンナフタレート(P EN)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 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 レンテレフタレート(PET)薄膜、フッ素樹脂( とえばポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、 トラフルオロエチレン・パーフルオロアル ルビニルエーテル共重合体(PFA)など)微多孔 などが用いられる。

 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 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 ドガス拡散層12に供給された燃料は、アノ ドガス拡散層12で拡散してアノード触媒層11 供給される。液体燃料としてメタノール燃 を用いた場合、アノード触媒層11で前述し 式(1)に示すメタノールの内部改質反応が生 る。

 なお、メタノール燃料として純メタノー を使用した場合には、メタノールは、カソ ド触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水 と前述した式(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。

 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 る電気として携帯用電子機器等を動作させ 後、カソード(空気極)16に導かれる。また、 (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 かれる。カソード(空気極)16には酸化剤とし 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で空気中の酸素と前述 した式(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。なお、この発電反応に よってカソード触媒層14で発生した熱は、カ ードガス拡散層15を介して放熱部材70に伝導 され、伝導された一部の熱が放熱部材70の放 部71から外部に放出される。

 上記した内部改質反応が円滑に行なわれ さらにカソード(空気極)16で発生した熱の一 部を外部に放出することで、高出力で安定し た出力を燃料電池1において得ることができ 。

 ここで、上記した第1の実施の形態におけ る燃料電池1では、図2に示すように、放熱部 70の放熱部71が燃料電池1の全周囲から突出 ている一例を示したが、この構成に限られ ものではない。図4は、本発明に係る第1の実 施の形態の燃料電池1において他の構成の放 部材70を備えたときの、燃料電池1を表面カ ー60側から見たときの状態を示す平面図であ る。

 図4に示すように、放熱部材70の放熱部71 、前述した本発明に係る放熱部の面積率の 囲(0.2以上)を満たす構成ならば、燃料電池1 周囲のうちの一部からのみ突出する構成と てもよい。すなわち、放熱部材70の放熱部71 構成は、前述した本発明に係る放熱部の面 率の範囲(0.2以上)を満たす構成ならば、特 限定されるものではなく、用途等に応じて 宜に構成することができる。

 また、放熱部材70を配置する位置は、カ ードガス拡散層15とカソード導電層19との間 限らず、例えば、カソード導電層19と保湿 50との間に設けてもよい。この場合には、前 述した放熱部の面積率は、放熱部材70のカソ ド導電層19に接触している部分の面積に対 る、放熱部71の面積の割合で定義される。

 さらに、図5は、本発明に係る第1の実施 形態の燃料電池1に備えられる放熱部材70の の構成を示す平面図である。

 図5に示すように、放熱部材70は、カソー 導電層19の周囲に備えられてもよい。すな ち、放熱部材70は、カソード導電層19と同一 層に形成され、放熱部材70の外周縁端部が 燃料電池1の周囲から外部に突出している。 のように構成することで、放熱部材70を積 配置しない分、燃料電池1の積層方向の厚さ 減少させることができる。

 上記したように放熱部材70をカソード導電 19と保湿層50との間に設けた場合や、図5に示 すようにカソード導電層19の周囲に備えた場 、放熱部材70は、熱伝導性に優れた材料(例 ば、20℃における熱伝導率が10W/m・K以上)で 成される必要はあるが、電気抵抗の小さい 料(例えば、20℃における体積抵抗率が1.5×10 -6 ω・m以下)で構成される必要はない。この場 、放熱部材70は、例えば、金、ステンレス鋼 、銅、アルミニウム、タングステン、モリブ デン等の金属またはこれら金属の合金の他に 、アルミナ、窒化アルミニウム、陶磁器、ガ ラス等のセラミック材料で構成されてもよい 。また、放熱部材70は、樹脂に炭素や金属等 粉末を混合した熱伝導性樹脂で構成されて よい。また、放熱部材70の表面に、金など 酸化し難い金属をメッキしたり、樹脂もし はゴムをコーティングしたり、液体燃料Fの 気に溶解しない塗料を塗装してもよい。コ ティングを施すための樹脂もしくはゴムと ては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポ スチレン、ポリエチレンテレフタレート、 イロン、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK) ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラ ルオロエチレン・パーフルオロアルキルビ ルエーテル共重合体(PFA)、ポリ塩化ビニル ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エ レン・プロピレンゴム(EPDM)、フッ素ゴム等 ゴムなどが挙げられる。これら樹脂やゴム 、金属に比べて熱伝導率が低いため、コー ィングを施す場合には、コーティングする 脂もしくはゴムはできる限り薄くすること 好ましい。

 また、放熱部材70の放熱部71の表面に、例 えば表面粗面化加工を施して、放熱部71の表 積を増加させてもよい。

 上記した本発明に係る第1の実施の形態の 燃料電池1によれば、カソード(空気極)側に、 外部に突出させて設けられた放熱部71を有す 放熱部材70を設けることで、カソード(空気 )16で発生した熱を外部に放出することがで 、カソード(空気極)16の温度の過剰な上昇を 抑制することができる。これによって、カソ ード触媒層における水の蒸気圧の上昇を抑え 、適量の水を燃料電池セル内に維持して、前 述した式(1)の内部改質反応を促進することが できる。そのため、燃料電池の出力の向上が 図られ、さらに長期に亘って安定した出力を 維持することができる。また、カソード(空 極)16の温度の過剰な上昇を抑制することで 燃料電池セル10を構成する部材や、燃料電池 セル10の周囲に配置されている部材の、熱に る変形や変質等を防止することができる。

 第2の実施の形態
図6は、本発明に係る第2の実施の形態の燃料 池1の構成を示す断面図である。
図7は、本発明に係る第2の実施の形態の燃料 池1に備えられる放熱部材90の構成を示す平 図である。図8は、本発明に係る第2の実施 形態の燃料電池1に備えられる放熱部材90の の構成を示す平面図である。なお、第1の実 の形態の燃料電池1の構成と同一の構成部分 には同一の符号を付して、重複する説明を省 略または簡略する。

 図6に示すように、燃料電池1は、起電部 構成する燃料電池セル10と、この燃料電池セ ル10のカソード(空気極)側に設けられた放熱 材90と、この放熱部材90に積層された保湿層5 0と、この保湿層50に積層された、複数の空気 導入口61を有する表面カバー60と、燃料電池 ル10のアノード(燃料極)側に設けられたアノ ド導電層18と、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 層30と、この燃料分配層30の燃料電池セル側 とは異なる側に配置され、燃料分配層30に液 燃料Fを供給する燃料供給機構40とを備える 上記した第2の実施の形態の燃料電池1では 放熱部材90がカソード導電層としても機能す る構成となっている。

 図7に示すように、放熱部材90は、カソー ガス拡散層15に積層して、すなわちカソー ガス拡散層15と保湿層50の間に設けられてい 。また、放熱部材90は、カソードガス拡散 15に接触して燃料電池1内に位置する部分と 燃料電池1から外部に突出する放熱部91とを えている。この外部に突出した放熱部91は、 カソードガス拡散層15からの熱を外部に放出 る部分として機能する。また、放熱部材90 は、カソード(空気極)16で生成した水を保湿 50側に導き、表面カバー60から導入された空 気をカソード(空気極)側に導くための複数の 口部92が形成されている。

 放熱部材90は、液体燃料Fや水、酸素等によ て溶解や腐食、酸化等を生じることがなく かつ熱伝導性に優れた(例えば、20℃におけ 熱伝導率が10W/m・K以上)材料で構成されるこ とが好ましい。また、放熱部材90は、カソー 導電層としても機能するため、電気抵抗の さい材料(例えば、20℃における体積抵抗率 1.5×10 -6 ω・m以下)で構成されることが好ましい。放 部材90を構成する材料として具体的には、金 、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、タング ステン、モリブデン等の金属またはこれら金 属の合金が挙げられる。また、放熱部材90を 成する材料としてグラファイト(黒鉛)等の 素質材料を使用してもよい。

 ここで、放熱部材90として金属材料を用 た場合、カソード(空気極)16で生成した水、 気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸 、腐食を生じる可能性がある。この酸化や 食を防止するためには、上記した金属材料 なかでもステンレス等の腐食し難い材料を いることが好ましい。また、放熱部材90の 面に、金などの酸化し難い金属をメッキし り、炭素質の材料をコーティングすること 、酸化や腐食を防止してもよい。

 また、放熱部材90を構成する材料におい 、熱伝導率が高く、かつ肉厚が薄くても機 的強度が高いという観点からは、金属材料 使用すること好ましい。この金属材料の中 も、特に、銅(20℃における熱伝導率が370W/m K)、アルミニウム(20℃における熱伝導率が204 W/m・K)、タングステン(20℃における熱伝導率 198(W/m・K))等は熱伝導率が高いので好ましい 。また、これらの金属の表面に陽極酸化処理 し、陽極酸化皮膜を形成したものを使用する ことがさらに好ましい。また、外気への放射 率を向上させるために、表面を黒色に処理す ることが好ましく、特にこの処理を放熱部91 施すことが好ましい。

 ここで、第1の実施の形態における放熱部 材70と同様に、放熱部材90において、放熱部91 の面積率、すなわち、放熱部91の面積を、カ ードガス拡散層15、換言すれば燃料電池セ 10と接触している部分の面積で除した値は、 0.2以上であることが好ましい。なお、放熱部 91の面積とは、燃料電池1から外部に突出され ている放熱部91の表面積を意味する。また、 の放熱部91からより多くの熱量を放出する めに、放熱部91の面積率を0.3以上とすること が好ましく、さらに0.5以上とすることがより 好ましい。

 なお、放熱部材90は、カソード導電層と ても機能するため、放熱部91の先端は、例え ば回線基板の端子に接続される。また、放熱 部91は、熱交換部とし機能するため、被覆等 されていない。

 また、放熱部材90の構成は、上記した構 に限られるものではなく、例えば、図8に示 ように、放熱部91に垂直に交わる放熱部93を さらに備えた構成としてもよい。これによっ て放熱部の表面積が増加し、熱交換が促進さ れ、熱の放出が促進される。ここで、放熱部 材90における放熱部の形状は、特に限定され ものではなく、上記した放熱部の面積率の 囲で適宜形状等を変更することができる。

 なお、図3に示した燃料電池1と同様に、 路44の一部にポンプを介在させて、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 強制的に送液してもよい。

 上記した本発明に係る第2の実施の形態の 燃料電池1によれば、カソード(空気極)側に、 外部に突出させて設けられた放熱部91を有す 放熱部材90を設けることで、カソード(空気 )16で発生した熱を外部に放出することがで 、カソード(空気極)16の温度の過剰な上昇を 抑制することができる。これによって、カソ ード触媒層における水の蒸気圧の上昇を抑え 、適量の水を燃料電池セル内に維持して、前 述した式(1)の内部改質反応を促進することが できる。そのため、燃料電池の出力の向上が 図られ、さらに長期に亘って安定した出力を 維持することができる。また、カソード(空 極)16の温度の過剰な上昇を抑制することで 燃料電池セル10を構成する部材や、燃料電池 セル10の周囲に配置されている部材の、熱に る変形や変質等を防止することができる。

 さらに、カソード導電層を設けずに、放 部材90をカソード導電層としても機能させ ことで、カソード導電層を積層配置しない 、燃料電池1の積層方向の厚さを減少させる とができる。

 次に、本発明に係る燃料電池が優れた出 特性を有することを実施例および比較例に 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3に示した 料電池1と同一の構成を備えるものであるの で、図3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 説明する。

 アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持した ーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂と 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 を添加し、アノード用触媒粒子を担持した ーボンブラックを分散させてペーストを調 した。得られたペーストをアノードガス拡 層12としての多孔質カーボンペーパ(40mm×30mm 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 しての多孔質カーボンペーパに塗布するこ により、厚さが100μmのカソード触媒層14を 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 のガス拡散層に塗布されたアノード触媒層1 1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1 1とカソード触媒層14との間に、電解質膜17と て厚さが30μmで、含水率が10~20重量%のパー 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 合わせた状態でホットプレスを施すことに り、燃料電池セル10を得た。

 この燃料電池セル10の、カソードガス拡 層15の上に、放熱部材70として、厚さが0.05mm 外形が長方形(46mm×36mm)で、表面カバー60と じ位置に、直径が3mmの円形の穴が均等に48個 形成された形状を有するステンレス板(SUS304 20℃における熱伝導率15W/m・K)を積層した。

 続いて、この放熱部材70の上に、表面カ ー60と同じ位置に、直径が3mmの円形の穴が均 等に48個形成された形状を有する金箔を積層 、カソード導電層19を形成した。また、ア ードガス拡散層12には、燃料分配層30の穴に 応した位置に開口を有する金箔を積層し、 ノード導電層18を形成した。なお、電解質 17とアノード導電層18との間、電解質膜17と 熱部材70との間には、それぞれゴム製で幅2mm のOリング20を挟持してシールを施した。

 アノード導電層18およびカソード導電層19 には、それぞれ、燃料電池1で発生した電力 外部へ導出するための、幅が5mm、長さが10mm リード部(図示せず)が設けられているが、 のリード部は、樹脂性の絶縁被覆で覆われ いるため、外気と直接熱交換することはな 。

 また、保湿層50として、厚さが1mm、外形が 方形(44mm×34mm)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 が2000g/(m 2 ・24h)(JIS L-1099 A-1に規定の測定方法による) ポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。 お、外気からの空気は、この保湿層50を透過 してカソード(空気極)16に供給される。

 この保湿層50の上に、外形が長方形(44mm×3 4mm)で、直径が3mmの円形の空気導入口61が均等 に48個形成された厚さが1mmのステンレス板(SUS 304)を配置して表面カバー60とした。

 また、ポンプ80としてしごきポンプを使 し、流路44の一部を一定方向にしごいて、圧 力を生じさせて、燃料収容部41に収容された 体燃料Fを燃料供給部43に送液した。ここで しごきポンプの回転数を、燃料電池1に流れ る電流によって制御する制御回路を構成し、 燃料電池1で電気化学反応を生じるのに必要 燃料供給量(電流1Aにつき、1分間当りのメタ ールの供給量3.3mg)の1.4倍の燃料が常に供給 れるように制御した。

 上記した燃料電池1において、放熱部材70の ち、燃料電池セル10に接触している部分の 積は、860.9mm 2 (40mm×30mm-1.5mm×1.5mm×π×48個)である。一方、外 気と直接熱交換する放熱部71の表面積は、放 部71が外気に突出している部分(Oリングより も外側の部分)の両面および側面の全ての面 であるから、328.2mm 2 ((46mm×36mm-44mm×34mm)×2+0.05mm×(46mm+36mm)×2)である 。これらの面積から、放熱部材70において、 料電池セル10に接触している部分の面積に する、放熱部71の面積の割合である放熱部の 面積率は、0.38である。

 そして、温度が25℃、相対湿度が50%の環境 下、上記した燃料電池1に、純度99.9重量%の メタノールを、上記の供給量となるように 給した。外部負荷としての定電圧電源を接 して、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に流れる電流を制御し このとき、燃料電池1から得られる出力密度 測定した。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 面積である。本実施例では、アノード触媒 11とカソード触媒層14の面積が等しく、かつ 全に対向しているので、発電部の面積はこ らの触媒層の面積に等しい。

 表1に測定結果を示す。なお、ここでは、 後述する比較例1における出力密度を100とし ときの、相対出力密度が示されている。

 実施例2
実施例2で使用した燃料電池1の構成は、放熱 材70として、厚さが0.05mm、外形が長方形(50mm ×40mm)で、表面カバー60と同じ位置に、直径が 3mmの円形の穴が均等に48個形成された形状を するステンレス板(SUS304、20℃における熱伝 率15W/m・K)を使用した以外は、実施例1で使 した燃料電池1の構成と同じとした。

 この場合、放熱部材70のうち、燃料電池セ 10に接触している部分の面積は、実施例1の 合と同じく860.9mm 2 である。一方、外気と直接熱交換する放熱部 71の表面積は、1017mm 2 ((50mm×40mm-44mm×34mm)×2+0.05mm×(50mm+40mm)×2)である 。これらの面積から、放熱部材70において、 料電池セル10に接触している部分の面積に する、放熱部71の面積の割合である放熱部の 面積率は、1.18である。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表1に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例1における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 実施例3
実施例3で使用した燃料電池1では、放熱部材7 0として、厚さが0.05mm、外形が長方形(44mm×36mm )で、表面カバー60と同じ位置に、直径が3mmの 円形の穴が均等に48個形成された形状を有す ステンレス板(SUS304、20℃における熱伝導率1 5W/m・K)を使用し、図4に示すように、燃料電 1の周囲のうちの一部からのみ放熱部材70の 熱部71が突出する構成とした。それ以外の構 成等は、実施例1で使用された燃料電池1と同 とした。

 この場合、放熱部材70のうち、燃料電池セ 10に接触している部分の面積は、実施例1の 合と同じく860.9mm 2 である。一方、外気と直接熱交換する放熱部 71の表面積は、178.4mm 2 ((44mm×36mm-44mm×34mm)×2+0.05mm×(44mm+(36mm-34mm)×2)で ある。これらの面積から、放熱部材70におい 、燃料電池セル10に接触している部分の面 に対する、放熱部71の面積の割合である放熱 部の面積率は、0.21である。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表1に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例1における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 実施例4
実施例4で使用した燃料電池1の構成は、実施 1で使用した放熱部材70の放熱部71の表面を サンドペーパ(♯100)を用いて表面粗面化加工 した以外は、実施例1で使用した燃料電池1の 成と同じとした。

 この場合、放熱部材70のうち、燃料電池セ 10に接触している部分の面積は、実施例1の 合と同じく860.9mm 2 である。一方、外気と直接熱交換する放熱部 71の表面積は、顕微鏡観察の結果、加工前の2 倍程度の656.4mm 2 であった。これらの面積から、放熱部材70に いて、燃料電池セル10に接触している部分 面積に対する、放熱部71の面積の割合である 放熱部の面積率は、0.76である。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表1に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例1における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 実施例5
実施例5で使用した燃料電池1では、放熱部材7 0として、図5に示した、カソード導電層19の 囲に備えられる構成の放熱部材を使用した

 放熱部材70として、カソード導電層19の周 囲に、厚さが0.01mm、外形が長方形(46mm×36mm)の 金箔(20℃における熱伝導率が295W/m・K)を使用 た。それ以外の構成等は、実施例1で使用さ れた燃料電池1と同じとした。

 この場合、放熱部材70のうち、燃料電池セ 10に接触している部分の面積は、実施例1の 合と同じく860.9mm 2 である。一方、外気と直接熱交換する放熱部 71の表面積は、321.6mm 2 ((46mm×36mm-44mm×34mm)×2+0.01mm×(46mm+36mm)×2)である 。これらの面積から、放熱部材70において、 料電池セル10に接触している部分の面積に する、放熱部71の面積の割合である放熱部の 面積率は、0.37である。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表1に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例1における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 実施例6
実施例6で使用した燃料電池1は、図6に示した 燃料電池1と同一の構成を備えるものである で、図6を参照して説明する。

 ここでは、放熱部材90として、図7に示す うな、厚さが0.01mm、外形が長方形(44mm×34mm) 、表面カバー60と同じ位置に、直径が3mmの 形の穴が均等に48個形成され、一端縁から、 幅が5mm、長さが30mmの放熱部91が突出した形状 を有する金箔(20℃における熱伝導率が295W/m・ K)を使用した。そして、放熱部材90をカソー 導電層としても機能させた。それ以外の構 等は、実施例1で使用された燃料電池1と同じ とした。

 この場合、放熱部材90のうち、燃料電池セ 10に接触している部分の面積は、実施例1の 合と同じく860.9mm 2 である。一方、外気と直接熱交換する放熱部 91の表面積は、300.6mm 2 (5mm×30mm×2+0.01mm×30mm×2)である。これらの面積 から、放熱部材90において、燃料電池セル10 接触している部分の面積に対する、放熱部91 の面積の割合である放熱部の面積率は、0.35 ある。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表1に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例1における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 実施例7
実施例7で使用した燃料電池1では、放熱部材9 0として、図8に示すような、実施例6で使用し た放熱部材90に、さらに放熱部91に垂直に交 る放熱部93を備えた放熱部材を使用した。図 8を参照して説明する。

 ここでは、放熱部材90として、厚さが0.01m m、外形が長方形(44mm×34mm)で、表面カバー60と 同じ位置に、直径が3mmの円形の穴が均等に48 形成され、一端縁から、幅が5mm、長さが30mm の放熱部91が突出し、この放熱部91に垂直に わる、幅が5mm、長さが30mmの放熱部93を備え 形状を有する金箔(20℃における熱伝導率が29 5W/m・K)を使用した。ここで、スポット溶接に より放熱部93を放熱部91に接合した。そして 放熱部材90をカソード導電層としても機能さ せた。それ以外の構成等は、実施例1で使用 れた燃料電池1と同じとした。

 この場合、放熱部材90のうち、燃料電池セ 10に接触している部分の面積は、実施例1の 合と同じく860.9mm 2 である。一方、外気と直接熱交換する放熱部 91、93の表面積は、551.2mm 2 ((5mm×30mm×2+0.01mm×30mm×2)×2-5mm×5mm×2)である。 れらの面積から、放熱部材90において、燃 電池セル10に接触している部分の面積に対す る、放熱部91、93の面積の割合である放熱部 面積率は、0.64である。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表1に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例1における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 比較例1
比較例1で使用した燃料電池1の構成は、放熱 材70を設けない以外は、実施例1で使用した 料電池1の構成と同じとした。

 この場合、放熱部材を有しないので、カ ード(空気極)16からの熱は、保湿層50を介し 表面カバー60に伝わり、表面カバー60から外 気へ放出される。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表1に測定結果を示す。なお、こ では、比較例1における出力密度を100として 対出力密度が示されている。

 実施例1~実施例7および比較例1のまとめ
表1に、実施例1~実施例7および比較例1におけ 、放熱部の面積率、放熱部材の熱伝導率お び相対出力密度を示す。

 表1に示すように、実施例1~実施例7におけ る放熱部材を備えた燃料電池における出力密 度は、比較例1における放熱部材を備えない 料電池における出力密度よりも高いことが かった。

 実施例8
図9は、実施例8で使用した燃料電池100の構成 示す断面図である。図10は、実施例8で使用 た燃料電池100を表面カバー60側から見たと の状態を示す平面図である。なお、前述し 燃料電池1の構成と同一の部分には同一の符 を付している。

 実施例8で使用した燃料電池100では、図9 よび図10に示すように、単位燃料電池セル10a を横一列に配置して燃料電池セル群を構成し た。ここでは、4つの単位燃料電池セル10aを える燃料電池100を用いた。なお、燃料電池10 0では、カソード導電層を設けずに、放熱部 をカソード導電層としても機能させる構成 した。

 まず、燃料電池セル群の作製方法につい 説明する。

 アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持した ーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂と 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 を添加し、アノード用触媒粒子を担持した ーボンブラックを分散させてペーストを調 した。得られたペーストをアノードガス拡 層12としての多孔質カーボンペーパ(80mm×10mm 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 しての多孔質カーボンペーパに塗布するこ により、厚さが100μmのカソード触媒層14を 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 のガス拡散層に塗布されたアノード触媒層1 1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1 1とカソード触媒層14との間に、電解質膜17と て厚さが30μmで、含水率が10~20重量%のパー 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、上記したアノー 触媒層11とカソード触媒層13とを各4枚ずつ、 相互に対向させ、かつ隣接するアノード触媒 層11どうしの間隔および隣接するカソード触 層14どうしの間隔を1mmあけて、それぞれが 行となるように位置合わせを行った。この 態でホットプレスを施すことにより、燃料 池セル群を得た。

 各単位燃料電池セル10aの、カソードガス 散層15の上に、放熱部材70として、厚さが0.0 1mm、外形が長方形(90mm×10mm、なお両端側に配 される2つの単位燃料電池セル10aおいては90m m×12mm)で、表面カバー60と同じ位置に、一辺 長さが3mmの正方形の穴が均等に30個形成され た形状を有する金箔(20℃における熱伝導率が 295W/m・K)を積層した。そして、放熱部材70を ソード導電層としても機能させた。また、 10に示すように、放熱部材70の放熱部71は、 料電池100の周囲の2方向から突出している。

 続いて、アノードガス拡散層12には、燃 分配層30の穴に対応した位置に開口を有する 金箔を積層し、アノード導電層18を形成した なお、このアノード導電層18と放熱部材70は 、上記した4対のアノード触媒層11とカソード 触媒層14とが電気的に直列に接続されるよう 、単位燃料電池セル10aの外部で配線を施し 。また、電解質膜17とアノード導電層18との 間、電解質膜17と放熱部材70との間には、そ ぞれゴム製で幅2mmのOリング20を挟持してシ ルを施した。

 また、保湿層50として、厚さが1mm、外形が 方形(84mm×47mm)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 が2000g/(m 2 ・24h)(JIS L-1099 A-1に規定の測定方法による) ポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。 お、外気からの空気は、この保湿層50を透過 してカソード(空気極)16に供給される。

 この保湿層50の上に、外形が長方形(84mm×4 7mm)で、各単位燃料電池1aに対して、一辺の長 さが3mmの正方形の空気導入口61が均等に30個( 体で120個)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60とした。

 また、ポンプ80としてしごきポンプを使 し、流路44の一部を一定方向にしごいて、圧 力を生じさせて、燃料収容部41に収容された 体燃料Fを燃料供給部43に送液した。ここで しごきポンプの回転数を、燃料電池100に流 る電流によって制御する制御回路を構成し 燃料電池100で電気化学反応を生じるのに必 な燃料供給量(電流1Aにつき、1分間当りのメ タノールの供給量3.3mg)の1.4倍の燃料が常に供 給されるように制御した。

 上記した燃料電池100において、放熱部材70 うち、単位燃料電池セル10aに接触している 分の面積は、2120mm 2 (80mm×10mm×4-3mm×3mm×120個)である。一方、外気 直接熱交換する放熱部71の表面積は、529.4mm 2 ((10mm+12mm)×3mm×8+((10mm+12mm)×0.01mm×4+3mm×0.01mm×16 )である。これらの面積から、放熱部材70にお いて、燃料電池セル10に接触している部分の 積に対する、放熱部71の面積の割合である 熱部の面積率は、0.25である。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表2に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例2における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 実施例9
図11は、実施例9で使用した燃料電池100に備え られる放熱部材90の構成を示す平面図である

 実施例9で使用した燃料電池100では、実施 例8で使用した放熱部材70の代わりに、放熱部 材90として、図11に示すような、厚さが0.01mm 外形が長方形(84mm×10mm、なお両端側に配置さ れる2つの単位燃料電池セル10aおいては84mm×12 mm)で、表面カバー60と同じ位置に、一辺の長 が3mmの正方形の複数の開口部92が均等に30個 形成され、一端縁から、幅が3mm、長さが30mm 放熱部91が突出した形状を有する金箔(20℃に おける熱伝導率が295W/m・K)を使用した。そし 、放熱部材90をカソード導電層としても機 させた。それ以外の構成等は、実施例8で使 された燃料電池100と同じとした。

 上記した燃料電池100において、放熱部材90 うち、単位燃料電池セル10aに接触している 分の面積は、2120mm 2 (80mm×10mm×4-3mm×3mm×120個)である。一方、外気 直接熱交換する放熱部91の表面積は、722.52mm 2 (((3×30×2+(30+3+30)×0.01)×4)である。これらの面 から、放熱部材90において、燃料電池セル10 に接触している部分の面積に対する、放熱部 91の面積の割合である放熱部の面積率は、0.34 である。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表2に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例2における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 比較例2
比較例2で使用した燃料電池100の構成は、実 例8で使用した燃料電池100において、放熱部 70の放熱部71を除去した構成以外は、実施例 8で使用した燃料電池100の構成と同じとした すなわち、比較例2で使用した燃料電池100で 、外部と熱交換を行う放熱部71を備えず、 熱部材70を単にカソード導電層として機能さ せた。

 この場合、放熱部材を有しないので、カ ード(空気極)16からの熱は、保湿層50を介し 表面カバー60に伝わり、表面カバー60から外 気へ放出される。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表2に測定結果を示す。なお、こ では、比較例2における出力密度を100として 対出力密度が示されている。

 実施例8~実施例9および比較例2のまとめ
表2に、実施例8~実施例9および比較例2におけ 、放熱部の面積率、放熱部材の熱伝導率お び相対出力密度を示す。

 表2に示すように、実施例8~実施例9におけ る放熱部材を備えた燃料電池における出力密 度は、比較例2における放熱部材を備えない 料電池における出力密度よりも高いことが かった。

 実施例10
図12は、実施例10で使用した燃料電池200の構 を示す断面図である。図13は、実施例10で使 した燃料電池200を表面カバー60側から見た きの状態を示す平面図である。図14は、各単 位燃料電池セル10a上に放熱部材70が積層され 状態を示す平面図である。なお、前述した 料電池1の構成と同一の部分には同一の符号 を付している。

 実施例10で使用した燃料電池200では、図12 および図13に示すように、単位燃料電池セル1 0aを田字状に配置して燃料電池セル群を構成 た。ここでは、4つの単位燃料電池1aを備え 燃料電池200を用いた。なお、燃料電池200で 、カソード導電層を設けずに、放熱部材を ソード導電層としても機能させる構成とし 。

 まず、燃料電池セル群の作製方法につい 説明する。

 アノード用触媒粒子(Pt:Ru=1:1)を担持した ーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂と 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 を添加し、アノード用触媒粒子を担持した ーボンブラックを分散させてペーストを調 した。得られたペーストをアノードガス拡 層12としての多孔質カーボンペーパ(39.5mm×21m mの長方形)に塗布することにより、厚さが100 m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 しての多孔質カーボンペーパに塗布するこ により、厚さが100μmのカソード触媒層14を 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 のガス拡散層に塗布されたアノード触媒層1 1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1 1とカソード触媒層14との間に、電解質膜17と て厚さが30μmで、含水率が10~20重量%のパー ルオロカーボンスルホン酸膜(商品名:nafion膜 、デュポン社製)を配置した。また、上記し アノード触媒層11およびカソード触媒層13は 各4枚ずつ、相互に対向させて田字状に配置 され、かつ隣接するアノード触媒層11どうし 間隔および隣接するカソード触媒層14どう の間隔を1mmあけて、それぞれが平行となる うに位置合わせされた。この状態でホット レスを施すことにより、燃料電池セル群を た。

 各単位燃料電池セル10aの、カソードガス 散層15の上に、放熱部材70として、厚さが0.0 1mm、外形が長方形(43.5mm×25mm)で、表面カバー6 0と同じ位置に、一辺の長さが3mmの正方形の が均等に28個形成された形状を有する金箔(20 ℃における熱伝導率が295W/m・K)を積層した。 こで、図14に示すように、田字状に配置さ た各単位燃料電池セル10aのカソードガス拡 層15における、田字状の中央側となる直行す る2辺に、放熱部材70の直行する2辺を一致さ て積層した。これによって、田字状に配置 れた各単位燃料電池セル10aの外周部から突 する放熱部材70、すなわち放熱部71を形成す く領域を大きくとることができる。また、 熱部材70をカソード導電層としても機能さ た。

 続いて、アノードガス拡散層12には、燃 分配層30の穴に対応した位置に開口を有する 金箔を積層し、アノード導電層18を形成した なお、このアノード導電層18と放熱部材70は 、上記した4対のアノード触媒層11とカソード 触媒層13とが電気的に直列に接続されるよう 、単位燃料電池セル10aの外部で配線を施し 。また、電解質膜17とアノード導電層18との 間、電解質膜17と放熱部材70との間には、そ ぞれゴム製で幅2mmのOリング20を挟持してシ ルを施した。

 また、保湿層50として、厚さが1mm、外形が 方形(84mm×47mm)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 が2000g/(m 2 ・24h)(JIS L-1099 A-1に規定の測定方法による) ポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。 お、外気からの空気は、この保湿層50を透過 してカソード(空気極)16に供給される。

 この保湿層50の上に、外形が長方形(84mm×4 7mm)で、各単位燃料電池1aに対して、一辺の長 さが3mmの正方形の空気導入口61が均等に28個( 体で112個)で形成された厚さが1mmのステンレ ス板(SUS304)を配置して表面カバー60とした。

 また、ポンプ80としてしごきポンプを使 し、流路44の一部を一定方向にしごいて、圧 力を生じさせて、燃料収容部41に収容された 体燃料Fを燃料供給部43に送液した。ここで しごきポンプの回転数を、燃料電池200に流 る電流によって制御する制御回路を構成し 燃料電池200で電気化学反応を生じるのに必 な燃料供給量(電流1Aにつき、1分間当りのメ タノールの供給量3.3mg)の1.4倍の燃料が常に供 給されるように制御した。

 上記した燃料電池200において、放熱部材70 うち、単位燃料電池セル10aに接触している 分の面積は、2310mm 2 (39.5mm×21mm×4-3mm×3mm×112個)である。一方、外 と直接熱交換する放熱部71の表面積は、1066.9 mm 2 (((43.5×25-41.5×23)×2+(2+25+43.5+2)×0.01)×4)である これらの面積から、放熱部材70において、燃 料電池セル10に接触している部分の面積に対 る、放熱部71の面積の割合である放熱部の 積率は、0.46である。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表3に測定結果を示す。なお、こ では、後述する比較例3における出力密度を1 00としたときの、相対出力密度が示されてい 。

 比較例3
比較例3で使用した燃料電池200の構成は、実 例8で使用した燃料電池200において、放熱部 70の放熱部71を除去した構成以外は、実施例 10で使用した燃料電池200の構成と同じとした すなわち、比較例2で使用した燃料電池200で は、外部と熱交換を行う放熱部71を備えず、 熱部材70を単にカソード導電層として機能 せた。

 この場合、放熱部材を有しないので、カ ード(空気極)16からの熱は、保湿層50を介し 表面カバー60に伝わり、表面カバー60から外 気へ放出される。

 また、出力密度の測定方法、測定条件お び算出方法等は、実施例1におけるものと同 じである。表3に測定結果を示す。なお、こ では、比較例3における出力密度を100として 対出力密度が示されている。

 実施例10および比較例3のまとめ
表3に、実施例10および比較例3における、放 部の面積率、放熱部材の熱伝導率および相 出力密度を示す。

 表3に示すように、実施例10における放熱 材を備えた燃料電池における出力密度は、 較例3における放熱部材を備えない燃料電池 における出力密度よりも高いことがわかった 。

 なお、実施段階では本発明の技術的思想 逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体 することができる。また、上記実施形態に される複数の構成要素を適宜に組み合わせ り、また実施形態に示される全構成要素か 幾つかの構成要素を削除する等、種々の変 が可能である。本発明の実施形態は本発明 技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更す ことができ、この拡張、変更した実施形態 本発明の技術的範囲に含まれるものである

 本発明の態様に係る燃料電池によれば、 ソード(空気極)側に、外部に突出させて設 られた放熱部を有する放熱部材を設けるこ で、カソード(空気極)で発生した熱を外部に 放出することができる。これによって、カソ ード触媒層における水の蒸気圧の上昇を抑え て適量の水を燃料電池セル内に維持し、カソ ード(空気極)の温度の過剰な上昇を抑制する とができる燃料電池を実現することができ 。また、本発明の態様に係る燃料電池は、 えば、液体燃料直接供給型の燃料電池等に 効に利用される。

 1…燃料電池、10…燃料電池セル、11…ア ード触媒層、12…アノードガス拡散層、13… ノード(燃料極)、14…カソード触媒層、15… 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、3 1…開口部、40…燃料供給機構、41…燃料収容 、42…燃料供給部本体、43…燃料供給部、44 流路、50…保湿層、60…表面カバー、61…空 導入口、70…放熱部材、71…放熱部、F…液 燃料。




 
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