JP2007059288A - 燃料電池ユニット、燃料タンクおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 体積効率が高く、ＥＤＬＣなどの他の機器とバランスに優れた燃料電池ユニットを提供する。
【解決手段】 メタノール水溶液が供給されることで発電する第１ＭＥＡ１１、第２ＭＥＡ１１、第３ＭＥＡ１１および第４ＭＥＡ１１と、各ＭＥＡ１１の各アノード１１Ｂの全面にメタノール水溶液を導くための燃料タンク２１と、４つのＭＥＡ１１と燃料タンク２１とを収容し、主面５０ａと裏面５０ｂとを有する筐体５０と、を備え、平面視において、燃料タンク２１は各ＭＥＡ１１の２倍以上であり、第１ＭＥＡ１１と第２ＭＥＡ１１、および、第３ＭＥＡ１１と第４ＭＥＡ１１は、それぞれ対となって、燃料タンク２１を挟んで共有し、第１ＭＥＡ１１および第３ＭＥＡは主面５０ａ側に、第２ＭＥＡ１１および第４ＭＥＡ１１は裏面５０ｂ側に、それぞれ位置している燃料電池ユニットＵ１である。
【選択図】 図４

Description

本発明は、燃料電池ユニット、燃料タンクおよび電子機器に関する。

近年、直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）や、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell：ＰＥＦＣ）など燃料電池に関する開発が盛んである（特許文献１参照）。このような燃料電池の適用箇所は種々あるが、特に燃料電池が携帯端末の外部電源である場合や、携帯端末に搭載される場合、その体積効率が高く、コンパクトな燃料電池が望まれる。

また、燃料電池は特有の発電特性（Ｉ−Ｖ特性）を有しているため、燃料電池の発電を補助したり、余剰な発電電力を蓄えるＥＤＬＣ（Electric Double Layer Capacitor、電気二重層キャパシタ）などの蓄電器と共にパッケージ化されることもある。その他、燃料電池の出力を昇降圧するＤＣ−ＤＣコンバータなどを備える制御基板と共にパッケージ化されることもある。さらに、最近では、ＥＤＬＣと制御基板とを併用し、燃料電池の発生電力をＥＤＬＣに一旦充電した後、ＥＤＬＣから瞬間的に大容量の電力を取り出し、携帯端末などの電力消費機器に供給することによって、燃料電池の出力を見かけ上高める技術（パルスチャージ方式と言われる）も開発されている。
特開平９−９２３２３号公報（段落番号００１４〜００１７、図４）

このように、燃料電池は、その体積効率を高めることが望まれている。また、このように併用される他の機器（ＥＤＬＣなど）とのスペックと、燃料電池側のスペックとのバランスを図ることも望まれている。

そこで、本発明は、体積効率が高く、ＥＤＬＣなどの他の機器とバランスに優れた燃料電池ユニットを提供することを第１の課題とする。また、好適に発電し続けることが可能な燃料電池ユニットを提供することを第２の課題とする。さらに、複数のＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly、膜電極接合体）に液体燃料を好適に供給可能な燃料タンクを提供することを第３の課題とする。さらにまた、これらを搭載する電子機器を提供することを第４の課題とする。

前記課題を解決するための手段として、本発明は、液体燃料が供給されることで発電する第１膜電極接合体、第２膜電極接合体、第３膜電極接合体および第４膜電極接合体を備えたことを特徴とする燃料電池ユニットである。

このような燃料電池ユニットによれば、例えば、燃料電池がＤＭＦＣであって、４つのＭＥＡを直列に接続し、ＥＤＬＣと共にパッケージ化される場合、１つのＭＥＡのＯＣＶ（Open Circuit Voltage：開放端電圧）は約０．３〜０．４Ｖであるため、全体電圧は０．９〜１．６Ｖとなり、ＥＤＬＣの一般的な耐電圧である約１．５Ｖとバランスさせることができる。

また、液体燃料が供給されることで発電する膜電極接合体と、前記膜電極接合体に並設されると共に、前記膜電極接合体に前記液体燃料を供給する燃料カートリッジと、前記膜電極接合体と前記燃料カートリッジとを収容すると共に、前記膜電極接合体のカソードに供給される空気が通る空気流通孔を有する筐体と、を備える燃料電池ユニットであって、前記筐体における前記燃料カートリッジを収容する燃料カートリッジ収容部は、前記筐体における前記膜電極接合体を収容する膜電極接合体収容部よりも厚く、前記燃料電池ユニットを平坦面に、前記カソードを前記平坦面側にして置いた際、前記平坦面と前記筐体との間に隙間空間が形成され、当該隙間空間および前記空気流通孔を介して前記カソードに空気が供給可能であることを特徴とする燃料電池ユニットである。

このような燃料電池ユニットを、机面などの平坦面に、カソードを平坦面側に向けて置いた際、筐体と平坦面との間に隙間空間が形成され、この隙間空間および空気流通孔を介して、カソードに酸素を含む空気が供給される。したがって、燃料電池ユニットは好適に発電し続けることができる。

さらに、本発明は、液体燃料が供給されることで発電する膜電極接合体のアノード側に位置し、前記アノードの全面に前記液体燃料を導き、前記液体燃料の供給口と排出口とを備える燃料タンクであって、前記燃料タンク内に、前記供給口と前記排出口とを接続し前記液体燃料がその内部流通する燃料チューブを備え、前記燃料チューブはその周壁に前記液体燃料を前記アノードに導く複数の細孔を有しており、前記燃料チューブ内における前記液体燃料の流量は、前記各細孔における前記液体燃料の流量よりも大きいことを特徴とする燃料タンクである。

このような燃料タンクに液体燃料が供給されると、液体燃料は燃料チューブ内を流通する。そして、流通する液体燃料の一部は、周壁に形成された複数の細孔を通って、アノードの全面に導かれる。すなわち、燃料チューブを燃料タンク内に適宜に（後記する実施形態では蛇行状）配置させることにより、燃料タンク内において、液体燃料の濃度のばらつきが発生しにくくなる。
また、このような燃料タンクを複数直列に接続すれば、液体燃料は主に直列に接続する燃料タンクの燃料チューブ内を流通することになる。そして、このように複数の燃料タンク間を直列で流通する液体燃料の一部が、各燃料タンク内における複数の細孔を通ることになる。これにより、複数の燃料タンクに重ねられるアノードに、同様に液体燃料を供給することができ、複数の燃料タンクに対応するＭＥＡを、同じように発電させることができる。

本発明によれば、体積効率が高くかつＥＤＬＣなどの他の機器とバランスに優れた燃料電池ユニットを提供することができる。また、好適に発電し続けることが可能な燃料電池ユニットを提供することができる。さらに、複数のＭＥＡに液体燃料を好適に供給可能な燃料タンクを提供することができる。さらにまた、これらを搭載し良好に作動可能な電子機器を提供することができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を適宜参照して説明する。なお、各実施形態の説明において、同一の構成要素に関しては同一の符号を付し、重複した説明は省略するものとする。

≪第１実施形態、ＤＭＦＣユニットの構成≫
第１実施形態に係るＤＭＦＣユニット（燃料電池ユニット）について、図１から図５を参照して説明する。なお、各図はＤＭＦＣユニットの各部の構成を模式的に示すものであるから、各部の形状は記載されたものに限定されることはない。
図１に示すように、第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットＵ１は、ノートパソコンなどの携帯端末（電子機器）の外部電源である。ＤＭＦＣユニットＵ１は、４つのＭＥＡ１１（図３参照）を内蔵するＤＭＦＣ本体２０と、ＤＭＦＣ本体２０にメタノール水溶液（液体燃料）を供給する燃料供給部３０と、ＤＭＦＣ本体２０の出力端子に接続し出力を制御する出力制御部４０と、これらを収容することでパッケージ化する筐体５０と、主に備えている。因みに、ＤＭＦＣユニットＵ１は、ポンプ、ファン、ブロア等の補機を使用せず、メタノール水溶液や空気等の自然拡散を利用したパッシブ型（開放型）の燃料電池である。以下、各部を説明する。

＜ＤＭＦＣ本体＞
図２に示すように、ＤＭＦＣ本体２０は、その外形が板状を呈する。このようなＤＭＦＣ本体２０は、図３に示すように、ＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄと、燃料タンク２１と、これらをその外側から挟むことによって一体化する一対の挟持プレート２５、２５（一体化手段）と、を主に備えている。

［ＭＥＡモジュール］
ＭＥＡモジュール１０ＡとＭＥＡモジュール１０Ｂとは、対となって、図４における燃料タンク２１の左１／２部分を挟んでおり、この左１／２部分を共有している。ＭＥＡモジュール１０ＣとＭＥＡモジュール１０Ｄとは、図４における右１／２部分を挟んでおり、この右１／２部分を共有している。
さらに説明すると、各ＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄを構成する各ＭＥＡ１１の各アノード１１Ｂは燃料タンク２１側に位置しており、燃料タンク２１からその両側に位置するアノード１１Ｂの全面にメタノール水溶液がそれぞれ導かれるようになっている。これとは逆に、各ＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄを構成する各ＭＥＡ１１の各カソード１１Ｃは外側（燃料タンク２１の反対側である上側または下側）に位置しており、ＤＭＦＣユニットＵ１の外側から各カソード１１Ｃの全面に酸素を含む空気が供給されるようになっている。

そして、４つのＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄは、後記するプラス端子１２ｄとマイナス端子１３ｄ（図２、図３参照）とをジャンパ線（図示しない）などの接続手段によって、電気的に直列で接続された後、出力制御部４０の制御基板４１に接続されている。
このような４つのＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄは、同一の仕様であり、その位置・向きが異なるのみである。以下、ＭＥＡモジュール１０Ａの具体的構造について詳細に説明し、ＭＥＡモジュール１０Ｂ〜１０Ｄについての説明は省略する。

ＭＥＡモジュール１０Ａは、図３、図４に示すように、ＭＥＡ１１と、ＭＥＡ１１を挟む一対の集電板１２（カソード集電板）および集電板１３（アノード集電板）と、２つのシール部材１４、１４（Ｏリング）とを主に備えている。したがって、４つのＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄを備えるＤＭＦＣ本体２０は、４つのＭＥＡ１１を備えていることになる。そして、ＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄに内蔵される４つのＭＥＡ１１が、特許請求の範囲における第１ＭＥＡ、第２ＭＥＡ、第３ＭＥＡ、第４ＭＥＡにそれぞれ相当する。そして、第１ＭＥＡおよび第３ＭＥＡは後記する筐体５０の主面５０ａ側に位置しており、第２ＭＥＡおよび第４ＭＥＡは筐体５０の裏面５０ｂ側に位置している。このように内蔵する４つのＭＥＡ１１（第１〜４ＭＥＡ）が、２つ分かれて、主面５０ａと裏面５０ｂ側とにそれぞれ位置することにより、ＤＭＦＣ本体２０、つまり、ＤＭＦＣユニットＵ１の体積効率は高くなっている。

（ＭＥＡ）
ＭＥＡ１１は、電解質膜１１Ａと、電解質膜１１Ａの両面を挟むアノード１１Ｂおよびカソード１１Ｃとを備えて構成されている。そして、アノード１１Ｂにメタノール水溶液が、カソード１１Ｃに酸素を含む空気が供給されることで、ＭＥＡ１１が発電するようになっている。

電解質膜１１Ａは、アノード１１Ｂで生成したプロトン（Ｈ⁺）を選択的にカソード１１Ｃに輸送するための膜である。このような電解質膜１１Ａとしては、パーフルオロカーボンスルホン酸（ＰＦＳ）系の樹脂膜、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、ＰＳＳＡ−ＰＶＡ（ポリスチレンスルホン酸ポリビニルアルコール共重合体）や、ＰＳＳＡ−ＥＶＯＨ（ポリスチレンスルホン酸エチレンビニルアルコール共重合体）等からなる膜から適宜選択して使用できる。

アノード１１Ｂは、ガス拡散電極とも称される電極であり、燃料であるメタノールを酸化して電子とプロトンを生成するものである。このようなアノード１１Ｂとしては、例えば、カーボンペーパ、カーボンクロスなど導電性部材の電解質膜１１Ａ側の面に、触媒として、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）の微粒子、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの遷移金属と白金との合金あるいは酸化物などの微粒子が担持されたものが使用される。

カソード１１Ｃは、ガス拡散電極とも称される電極であり、アノード１１Ｂから外部回路を経由した電子と、アノード１１Ｂで生成した後、電解質膜１１Ａ中を移動し、カソード１１Ｃに到達したプロトンとを反応させて水を生成させるものである。このようなカソード１１Ｃとしては、アノード１１Ｂと同様、例えば、カーボンペーパの電解質膜１１Ａ側の面に、白金などの触媒を担持したものが使用される。

（集電板）
集電板１２および集電板１３は、ＭＥＡ１１で発生した電位差に基づいて、電気エネルギーを効率的に取り出すための板であり、導電性および耐食性を有する材料（例えば銅やチタンなどの金属）から形成されている。また、集電板１２、集電板１３の厚さは、約０．０５〜０．２ｍｍであり、フレキシブル性（可撓性）を有している。これにより、集電板１２はカソード１１Ｃと、集電板１３はアノード１１Ｂと、それぞれ良好に密着している。

（集電板−カソード側）
集電板１２は、カソード１１Ｃの外側（図３、図４の上側）に重ねられている。そして、集電板１２には複数の空気流通孔１２ａが形成されており、酸素を含む空気が後記する空気流通孔５１ａと、空気流通孔１２ａとを通って、カソード１１Ｃに供給されるようになっている。なお、平面視において、空気流通孔１２ａの位置は、集電板１３の燃料流通孔１３ａ、挟持プレート２５の空気流通孔２５ａ、および、筐体５０の空気流通孔５１ａ、５２ａの位置と重なっている。
また、集電板１２には、プラス端子１２ｄが取り付けられている。さらに、集電板１２のうちＭＥＡ１１のカソード１１Ｃと接触しない部分には、絶縁性を有する樹脂製の絶縁被膜１２ｆが形成されており、不要な短絡が防止されている。

（集電板−アノード側）
集電板１３は、アノード１１Ｂの外側（図３、図４の下側）に重ねられている。そして、集電板１３には複数の燃料流通孔１３ａが形成されており、メタノール水溶液が燃料流通孔１３ａを通って、アノード１１Ｂに供給されるようになっている。また、集電板１３には、マイナス端子１３ｄが取り付けられている。さらに、集電板１３のうちＭＥＡ１１のアノード１１Ｂと接触しない部分には、絶縁性を有する樹脂製の絶縁被膜１３ｆが形成されている。

（シール部材）
シール部材１４、１４（Ｏリング）は、図４に示すように、アノード１１Ｂまたはカソード１１Ｃを、それぞれ取り囲んでいる。そして、シール部材１４、１４は、電解質膜１１Ａと、集電板１２または集電板１３とで挟まれており、アノード１１Ｂまたはカソード１１Ｃの周縁からメタノール水溶液などが漏れないようにシールされている。

［燃料タンク］
燃料タンク２１は、図３に示すように、その平面視において、各ＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄの面積の２倍以上であり、前記したように、４つのＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄで挟まれており、４つのＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄの４つのアノード１１Ｂが、１つの燃料タンク２１を共有するようになっている（図４参照）。すなわち、燃料タンク２１はＭＥＡ１１のアノード１１Ｂ側に位置している。そして、燃料タンク２１は、燃料供給部３０から送られるメタノール水溶液をその内部に一時的に貯溜する二次タンクであると共に、その両側に位置する４つのＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄの各アノード１１Ｂの全面にメタノール水溶液を供給する機能を備えている。

このような燃料タンク２１は、板状の燃料タンク本体２２と、燃料取込パイプ２３とを主に備えている。燃料タンク本体２２には、その両側に対となって位置する各ＭＥＡ１１のアノード１１Ｂの全面に、メタノール水溶液がそれぞれ供給されるように、蛇行した２本のスリット状燃料流通路２２ａが形成されている。また、スリット状燃料流通路２２ａは、平面視において、その両側に位置する集電板１２、１２の燃料流通孔１３ａ、１２ａの全てを経由するように蛇行している。
燃料取込パイプ２３は、燃料タンク本体２２に固定されている共に、その途中位置で二股に分かれ、２本のスリット状燃料流通路２２ａ、２２ａの一端側に連通している。そして、燃料供給部３０からメタノール水溶液が燃料タンク２１に送られると、メタノール水溶液が、二股に分かれた燃料取込パイプ２３を介して、２本のスリット状燃料流通路２２ａ、２２ａに並列で供給されるようになっている。

また、各スリット状燃料流通路２２ａには、チューブ状のガス排出チューブ（図示しない）が設けられている。ガス排出チューブは、発電によってアノード１１Ｂで生成した後、各スリット状燃料流通路２２ａ内のメタノール水溶液に混入した二酸化炭素を選択的にその内部に透過することによって、二酸化炭素を分離するガス分離膜がチューブ状に形成されたものである。このようなガス排出チューブは、例えば、ポリテトラフルオロエチレンを基材とした多孔質膜から形成される。そして、このガス排出チューブの中空部は外部と連通しており、二酸化炭素がガス排出チューブ内を通った後、外部に排出されるようになっている。このようにして、発電によって発生しスリット状燃料流通路２２ａに侵入した二酸化炭素が連続的に外部に排出され、アノード１１Ｂへのメタノール水溶液の供給不足が防止されるようになっている。

［挟持プレート］
挟持プレート２５、２５は、平面視において、各ＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄの略２倍であり、燃料タンク２１と略同じ大きさである。そして、挟持プレート２５、２５は、燃料タンク２１を挟むＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄを、両外側から挟んでおり、挟持プレート２５、２５間を締結する複数のボルト２６…によって、挟持プレート２５、２５がＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄおよび燃料タンク２１を挟んだ状態が維持され、これらが一体化された状態となっている。
また、各挟持プレート２５には、カソード１１Ｃ側の集電板１２に形成された複数の空気流通孔１２ａに対応した位置に、複数の空気流通孔２５ａが形成されている。

＜液体燃料供給部＞
燃料供給部３０は、図１および図２に示すように、ＤＭＦＣ本体２０に、例えば１０質量％のメタノール水溶液を供給する部分である。さらに説明すると、燃料供給部３０は、燃料カートリッジ３１と、レギュレータ３５（減圧手段）と、を主に備えている。燃料カートリッジ３１は、配管（図示しない）を介してレギュレータ３５に接続しており、レギュレータ３５は配管（図示しない）を介して燃料タンク２１の燃料取込パイプ２３に接続している。そして、メタノール水溶液が、燃料カートリッジ３１から燃料タンク２１に供給されるようになっている。

［燃料カートリッジ］
燃料カートリッジ３１は、その円柱状の内部空間を有しており、この内部空間にメタノール水溶液とプロペラントガスとがピストン３２に仕切られて封入されている。すなわち、メタノール水溶液がピストン３２の一方側に、プロペラントガスがピストン３２の他方側に位置している。そして、プロペラントガスがピストン３２を押圧すると、メタノール水溶液が燃料カートリッジ３１の外部に押し出されるようになっている。
また、燃料カートリッジ３１は、透明な材料から形成されている。そして、燃料カートリッジ３１の外周面には、ピストン３２の位置を読み取るための目盛３４が付されており、この目盛３４は、筐体５０を構成する上ハーフ５１の開口部５１ｂを介して視認可能となっている。なお、目盛３４はメタノール水溶液の残量や、残り発電時間などに関連付けて設定される。
さらに、燃料カートリッジ３１は、筐体５０内において、ＤＭＦＣ本体２０の略面方向に並んでいる。そして、燃料カートリッジ３１の大きさは、ＤＭＦＣユニットＵ１の発電継続時間などに基づいて適宜に設計されるが、第１実施形態に係る燃料カートリッジ３１の直径Ｄ１は、ＤＭＦＣ本体２０の厚みＴ１よりも大きく設定されている（図５参照）。

［レギュレータ］
レギュレータ３５は、その二次側（下流側）圧力を所定圧力とする減圧弁であり、公知のものから適宜選択して使用される。このように、燃料カートリッジ３１と燃料タンク２１との間に、レギュレータ３５を設けたことによって、燃料カートリッジ３１内のメタノール水溶液の残量に関わらず、前記所定圧力のメタノール水溶液が燃料タンク２１に供給されるようになっている。

＜出力制御部＞
出力制御部４０は、ＤＭＦＣ本体２０の出力端子に接続しており、ＤＭＦＣ本体２０の出力電流、出力電圧を制御する部分である。出力制御部４０は、制御基板４１と、ＥＤＬＣ４２（電気二重層キャパシタ）と、外部の携帯端末と接続する外部接続コネクタ４３とを主に備えている。ＥＤＬＣ４２および外部接続コネクタ４３は、制御基板４１を介して、ＤＭＦＣ本体２０の出力端子に並列で接続している。
なお、前記したように、第１実施形態では、ＤＭＦＣ本体２０を構成する４つのＭＥＡ１１は直列に接続されている。

制御基板４１は、例えばＤＣ−ＤＣコンバータなど昇降圧回路を備えており、ＤＭＦＣ本体２０の出力電流・出力電圧を適宜に制御して、外部接続コネクタ４３に接続する携帯端末に出力するようになっている。また、制御基板４１は、ＤＭＦＣ本体２０の余剰電力をＥＤＬＣ４２に充電する機能を備えている。さらに、ＤＭＦＣ本体２０が発電不足の場合、ＥＤＬＣ４２からの電力でＤＭＦＣ本体２０を補助する機能を備えている。さらにまた、制御基板４１は、ＥＤＬＣ４２をパルスチャージ方式で放電させ、ＥＤＬＣ４２から携帯端末に高電力を供給するようになっている。
なお、外部接続コネクタ４３は、例えばＵＳＢ（Universal Serial Bus）コネクタであり、出力制御部４０からの電力（例えば５Ｖ、５００ｍＡ）を、ＵＳＢバスパワーとして、バスパワー作動機器（携帯端末など）に供給可能となっている。

＜筐体＞
筐体５０は、上ハーフ５１と下ハーフ５２とを備えて構成され、ＤＭＦＣ本体２０と、燃料供給部３０と、出力制御部４０を収容することによって、これらをパッケージ化する薄型の箱状体である。そして、筐体５０は、図１における上側の主面５０ａと、主面５０ａの反対側である図１の下側の裏面５０ｂとを有している。

上ハーフ５１および下ハーフ５２には、挟持プレート２５、２５の複数の空気流通孔２５ａに対応した複数の空気流通孔５１ａ、５２ａが、それぞれ形成されている。これにより、主面５０ａ側では、酸素を含む空気が、空気流通孔５１ａ、２５ａ、１２ａを通って、カソード１１Ｃに供給されるようになっている。また、発電によりカソード１１Ｃで生成された水蒸気が、空気流通孔１２ａ、２５ａ、５１ａを通って、外部に放出されるようになっている。これと同様に、裏面５０ｂ側では、空気流通孔５２ａ、２５ａ、１２ａ内を、酸素を含む空気および水蒸気が流通するようになっている。

また、図５に示すように、筐体５０のうち、燃料カートリッジ３１を収容する燃料カートリッジ収容部５０Ａの厚さＴ２は、ＤＭＦＣ本体２０を収容するＤＭＦＣ本体収容部５０Ｂ（ＭＥＡ収容部）の厚さＴ３よりも、厚くなっている。これにより、ＤＭＦＣユニットＵ１を、裏面５０ｂを下向きにして、机上面などの平坦面Ｆに置いた際、筐体５０と平坦面Ｆとの間に隙間空間Ｓが形成されるようになっている。したがって、隙間空間Ｓを介して、空気が下ハーフ５２の空気流通孔５２ａに供給されることになり、その結果として、裏面５０ｂ側のＭＥＡ１１、１１も良好に発電するようになっている。
なお、裏面５０ｂを下向きにして平坦面Ｆに置くことは、特許請求の範囲における「カソード１１Ｃを平坦面Ｆ側にして置くこと」と同義である。

≪ＤＭＦＣユニットの作用・効果≫
次に、ＤＭＦＣユニットＵ１の作用・効果について、図４を主に参照して簡単に説明する。

＜ＤＭＦＣユニット−アノード側＞
まず、４つのＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄを構成するＭＥＡ１１のアノード１１Ｂ側について説明する。メタノール水溶液（メタノール濃度は例えば１０質量％）が、燃料カートリッジ３１から燃料取込パイプ２３を介して、燃料タンク２１のスリット状燃料流通路２２ａ、２２ａに供給される。各スリット状燃料流通路２２ａに供給されたメタノール水溶液は、その両側の燃料流通孔１３ａ、１３ａを通って、各ＭＥＡ１１のアノード１１Ｂの全面にそれぞれ供給される。

メタノール水溶液が供給された各アノード１１Ｂでは、ＤＭＦＣユニットＵ１が接続した携帯端末の電力要求に応じて、次の式（１）に示すように、担持された白金などの触媒存在下で、メタノールと水とが反応し、プロトン（Ｈ⁺）、二酸化炭素（ＣＯ₂）、電子（ｅ^-）が発生する。次いで、プロトン（Ｈ⁺）は濃度勾配を駆動力として、電解質膜１１Ａ中をカソード１１Ｃに向かって移動する。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）

一方、式（１）に示すように、アノード１１Ｂで生成した二酸化炭素は、アノード１１Ｂから燃料流通孔１３ａを通って、スリット状燃料流通路２２ａに移動した後、二酸化炭素排出チューブ（図示しない）を介して外部に排出される。

＜ＤＭＦＣユニット−カソード側＞
次に、４つのＭＥＡモジュール１０Ａ〜１０Ｄを構成するＭＥＡ１１のカソード１１Ｃ側について説明する。
外部の酸素を含む空気が、空気流通孔５１ａ（または空気流通孔５２ａ）、空気流通孔１２ａを通って、各ＭＥＡ１１のカソード１１Ｃに供給される。カソード１１Ｃでは、空気中の酸素と、電解質膜１１Ａを移動してきたプロトン（Ｈ⁺）と、外部の携帯端末（外部負荷）を経由した電子（ｅ^-）とが反応し、次の式（２）に示すように、水蒸気（水）が生成する。生成した水蒸気は、空気流通孔１２ａ、空気流通孔５１ａ（または空気流通孔５２ａ）を通って、外部に排出される。

Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ …（２）

このように、アノード１１Ｂ、カソード１１Ｃでの反応が連続的に起こることによって、ＤＭＦＣユニットＵ１は継続して発電することができる。
また、一般に、その耐電圧が約１．５ＶであるＥＤＬＣ４２に対して、１つのＭＥＡ１１のＯＣＶが約０．３〜０．４Ｖを４つ備えているため、ＤＭＦＣ本体２０の出力と、ＥＤＬＣ４２との耐電圧はバランスされている。

≪第２実施形態−ＤＭＦＣユニットの構成≫
次に、第２実施形態に係るＤＭＦＣユニットについて、図６から図９を参照して説明する。第２実施形態に係るＤＭＦＣユニットは、第１実施形態に係るＤＭＦＣ本体２０に代えて、図６における左手前側のＤＭＦＣ本体６０（第１燃料電池本体）と、右奥側のＤＭＦＣ本体６０（第２燃料電池本体）とを備えており、２つのＤＭＦＣ本体６０、６０は、その面方向に配列している。そして、２つのＤＭＦＣ本体６０、６０は、電気的に直列で接続されており、その出力は第１実施形態に係るＤＭＦＣ本体２０（図２参照）と同じとなっている。

また、各ＤＭＦＣ本体６０は、後記するように、燃料タンク６１（第１燃料タンク、第２燃料タンク）をそれぞれ備えており、２つの燃料タンク６１、６１は、チューブ６７によって直列に接続されている。すなわち、第２実施形態に係る２つのＤＭＦＣ本体６０は、燃料供給系において直列に接続されており、燃料カートリッジ３１からメタノール水溶液が直列で供給されるようになっている。
なお、図６における左手前側のＤＭＦＣ本体６０はＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂを備えており、右奥側のＤＭＦＣ本体６０はＭＥＡモジュール１０Ｃ、１０Ｄを、第１実施形態と同じ位置・向きで備えている。以下、左手前側のＤＭＦＣ本体６０について説明し、右奥側のＤＭＦＣ本体６０についての説明は省略する。

＜ＤＭＦＣ本体＞
ＤＭＦＣ本体６０は、図６および図７に示すように、ＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂ（図３参照）と、燃料タンク６１と、これらをその外側から挟むことによって一体化する一対の挟持プレート６５、６５（一体化手段）と、を主に備えている。なお、ＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂの構成およびその位置・向きは、第１実施形態と同様であるため、ここでの説明は省略する。

［燃料タンク］
燃料タンク６１は、第１実施形態に係る燃料タンク２１（図３参照）と異なり、その平面視が、ＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂと略同じ大きさである。そして、燃料タンク６１は、その上方からのＭＥＡモジュール１０Ａと、その下方からのＭＥＡモジュール１０Ｂとで挟まれており、２つのＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂで共有されている。

このような燃料タンク６１は、図８および図９に示すように、板状の燃料タンク本体６２と、メタノール水溶液の供給口となる燃料取込パイプ６３と、メタノール水溶液の排出口となる燃料排出パイプ６４と、１本の燃料チューブ６８と、６本のガス排出チューブ６９とを備えている。燃料タンク本体６２には、第１実施形態に係るスリット状燃料流通路２２ａ（図３参照）と同様に、蛇行したスリット状燃料流通路６２ａが形成されている。また、スリット状燃料流通路６２ａは、平面視において、その両側に位置する集電板１２、１２の燃料流通孔１３ａ、１３ａの全てを経由するように蛇行している。
そして、燃料取込パイプ６３は、スリット状燃料流通路６２ａの一端側に連通するように、燃料タンク本体６２に固定されている。また、燃料排出パイプ６４は、スリット状燃料流通路６２ａの他端側に連通するように、燃料タンク本体６２に固定されている。

（燃料チューブ）
燃料チューブ６８は、スリット状燃料流通路６２ａ内に配置されると共に、燃料取込パイプ６３（供給口）と燃料排出パイプ６４（排出口）とを接続している。そして、メタノール水溶液が、燃料取込パイプ６３から燃料チューブ６８内を通って燃料排出パイプ６４に流通するようになっている。
また、燃料チューブ６８は、例えば、多孔質な膜から構成され、その周壁に複数の細孔を有している。そして、燃料チューブ６８内を流通するメタノール水溶液の一部が、前記複数の細孔を通って燃料チューブ６８の外に浸透し、この浸透したメタノール水溶液が燃料タンク６１の両外側に位置するＭＥＡモジュール１０Ａのアノード１１Ｂと、ＭＥＡモジュール１０Ｂのアノード１１Ｂとに導かれるようになっている（図４参照）。

ここで、前記複数の細孔の大きさ・分布は、燃料チューブ６８内のメタノール水溶液の流量が、複数の細孔を流れるメタノール水溶液の流量よりも大きくなるように設定されている。言い換えると、メタノール水溶液の大部分は、燃料チューブ６８内をその長手方向に流れると共に、その一部が前記複数の細孔を流通し、アノード１１Ｂ、１１Ｂに導かれるようになっている。これにより、燃料タンク６１内において、メタノール水溶液の濃度分布が発生しにくくなると共に、アノード１１Ｂ、１１Ｂの全面にメタノール水溶液が供給されるようになっている。

（ガス排出チューブ）
６本のガス排出チューブ６９は、図９に示すように、スリット状燃料流通路６２ａ内において、蛇行する燃料チューブ６８に並設されている。そして、各ガス排出チューブ６９内は、燃料タンク６１の図９における外部と連通している。
また、ガス排出チューブ６９は、二酸化炭素を選択的に透過する二酸化炭素透過膜がチューブ状に成形されたものであり、二酸化炭素を選択的に透過しその内部に取り込むようになっている。そして、発電によりアノード１１Ｂ、１１Ｂで発生した二酸化炭素が、ガス排出チューブ６９内に取り込まれた後、その内部を流通し、燃料タンク６１の外部に排出されるようになっている（図８、図９参照）。このようなガス排出チューブ６９は、例えば、ポリテトラフルオロエチレンを基材とした多孔質膜（例えば、ジャパンゴアテックス株式会社製のＮＷラミネート膜）などを使用することができる。
さらに、ガス排出チューブ６９は、平面視において、燃料チューブ６８と重ならないように位置しており、燃料タンク６１の薄型化が図られている（図９参照）。

［挟持プレート］
図７に戻って説明を続ける。
挟持プレート６５、６５は、平面視において、ＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂよりもやや大きい程度となっている。そして、挟持プレート６５、６５は、燃料タンク６１を挟むＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂを、両外側から挟んでいる。次いで、挟持プレート６５、６５間を締結する複数のボルト２６…によって、挟持プレート６５、６５がＭＥＡモジュール１０Ａ、１０Ｂおよび燃料タンク６１を挟んだ状態が維持され、これらが一体化されるようになっている。
また、各挟持プレート６５には、カソード１１Ｃ側の集電板１２に形成された複数の空気流通孔１２ａに対応して、複数の空気流通孔６５ａが形成されている。

≪ＤＭＦＣユニットの作用・効果≫
次に、このような第２実施形態に係るＤＭＦＣユニットの作用・効果について説明する。各ＤＭＦＣ本体６０を構成するＭＥＡ１１は、第１実施形態に係るＭＥＡ１１と同様に発電する。
第２実施形態では、２つのＤＭＦＣ本体６０を備え、これらを電気的に直列で接続し、第１実施形態に係るＤＭＦＣ本体２０（図２参照）と同じ出力としたことにより、各ＤＭＦＣ本体６０を構成する部品点数は、ＤＭＦＣ本体２０の部品点数の略１／２となる。これにより、第２実施形態に係る各ＤＭＦＣ６０の製造歩留は、第１実施形態に係る各ＤＭＦＣ２０の製造歩留より高くなり、生産効率を高めることができる。

また、第２実施形態に係る燃料タンク６１は、燃料取込パイプ６３（供給口）と燃料排出パイプ（排出口）とを接続する燃料チューブ６８を備え、燃料チューブ６８内とその周壁の細孔とを流通するメタノール水溶液の流量に差を設定する構成としたことにより、燃料タンク６１内でのメタノール水溶液の濃度均一化を図ることができる。
さらに、燃料チューブ６８に並走するようにガス排出チューブ６９を備えたことにより、発電により発生した二酸化炭素を効率的に外部に排出することができる。

さらにまた、このような燃料タンク６１を備えるＤＭＦＣ本体６０を２つ備え、メタノール水溶液の供給系統において、２つの燃料タンク６１、６１を直列に接続する構成としたことにより、メタノール水溶液は、２つのＤＭＦＣ本体６０間を主に流通させることができ、２つのＤＭＦＣ本体６０にメタノール水溶液を均等に供給することができる。これにより、２つのＤＭＦＣ本体６０に内蔵される４つのＭＥＡ１１のアノード１１Ｂに、均等にメタノール水溶液を供給することができ、４つのＭＥＡ１１を同様に発電させることができる。

以上、本発明の好適な実施形態について一例を説明したが、本発明は前記各実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、例えば以下のように変更してもよい。
前記した第２実施形態では、２つのＤＭＦＣ本体６０、６０がその面方向に位置した場合について説明したが、これに限定されず、２つのＤＭＦＣ本体６０、６０はその厚さ方向に位置してもよい。

前記した各実施形態では、ＤＭＦＣユニットＵ１が、ＵＳＢバスパワーにより作動する携帯端末の外部電源（ＵＳＢバスパワー供給源）である場合について説明したが、図１０に示すように、ＤＭＦＣユニットＵ１はノートパソコンＰＣ（電子機器）に搭載され、ノートパソコンＰＣがＤＭＦＣユニットＵ１（ＭＥＡ１１）からの電力によって作動する構成であってもよい。

第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットの斜視図である。 第１実施形態に係るＤＭＦＣ本体の斜視図である。 第１実施形態に係るＤＭＦＣ本体の分解斜視図である。 図１に示すＤＭＦＣユニットのＸ１−Ｘ１断面図である。 図１に示すＤＭＦＣユニットのＸ２−Ｘ２断面図である。 第２実施形態に係るＤＭＦＣ本体の斜視図である。 図６に示すＤＭＦＣ本体の分解斜視図である。 図７に示す燃料タンクの斜視図である。 図７に示す燃料タンクの平面図である。 第１実施形態に係るＤＭＦＣユニットを搭載したノートパソコンの斜視図である。

符号の説明

Ｕ１ ＤＭＦＣユニット
ＰＣ ノートパソコン（電子機器）
１０Ａ ＭＥＡモジュール（第１膜電極接合体）
１０Ｂ ＭＥＡモジュール（第２膜電極接合体）
１０Ｃ ＭＥＡモジュール（第３膜電極接合体）
１０Ｄ ＭＥＡモジュール（第４膜電極接合体）
１１ ＭＥＡ
１１Ａ 電解質膜
１１Ｂ アノード
１１Ｃ カソード
１２、１３ 集電板
２０ ＤＭＦＣ本体（燃料電池本体）
２１ 燃料タンク
２２ａ スリット状燃料流通路
３０ 燃料供給部
３１ 燃料カートリッジ
４０ 出力制御部
４１ 制御基板
４２ ＥＤＬＣ
５０ 筐体
５０Ａ 燃料カートリッジ収容部
５０Ｂ ＤＭＦＣ本体収容部
５０ａ 主面
５０ｂ 裏面
６０ ＤＭＦＣ本体（第１燃料電池本体、第２燃料電池本体）
６１ 燃料タンク（第１燃料タンク、第２燃料タンク）
６２ａ スリット状燃料流通路
６３ 燃料取込パイプ（供給口）
６４ 燃料排出パイプ（排出口）
６７ チューブ
６８ 燃料チューブ
６９ ガス排出チューブ
Ｆ 平坦面
Ｓ 隙間空間

Claims (8)

1. 液体燃料が供給されることで発電する第１膜電極接合体、第２膜電極接合体、第３膜電極接合体および第４膜電極接合体を備えたことを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記各膜電極接合体の各アノードに前記液体燃料を導くための燃料タンクと、
   前記４つの膜電極接合体と前記燃料タンクとを収容し、主面と当該主面の反対側の裏面とを有する筐体と、
   を備え、
   平面視において、前記燃料タンクは前記各膜電極接合体の２倍以上であり、
   前記第１膜電極接合体と前記第２膜電極接合体、および、前記第３膜電極接合体と前記第４膜電極接合体は、それぞれ対となって、前記燃料タンクを挟んで共有し、
   前記第１膜電極接合体および前記第３膜電極接合体は前記主面側に、前記第２膜電極接合体および前記第４膜電極接合体は前記裏面側に、それぞれ位置していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記第１膜電極接合体のアノードおよび前記第２膜電極接合体のアノードに液体燃料を導くための第１燃料タンクを備え、前記第１膜電極接合体と前記第２膜電極接合体は前記第１燃料タンクを挟んで共有し第１燃料電池本体を構成しており、
   前記第３膜電極接合体のアノードおよび前記第４膜電極接合体のアノードに液体燃料を導くための第２燃料タンクを備え、前記第３膜電極接合体と前記第４膜電極接合体は前記第２燃料タンクを挟んで共有し第２燃料電池本体を構成しており、
   前記第１燃料電池本体と前記第２燃料電池本体は、厚み方向または面方向に配列していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
4. 液体燃料が供給されることで発電する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に並設されると共に、前記膜電極接合体に前記液体燃料を供給する燃料カートリッジと、
   前記膜電極接合体と前記燃料カートリッジとを収容すると共に、前記膜電極接合体のカソードに供給される空気が通る空気流通孔を有する筐体と、
   を備える燃料電池ユニットであって、
   前記筐体における前記燃料カートリッジを収容する燃料カートリッジ収容部は、前記筐体における前記膜電極接合体を収容する膜電極接合体収容部よりも厚く、
   前記燃料電池ユニットを平坦面に、前記カソードを前記平坦面側にして置いた際、前記平坦面と前記筐体との間に隙間空間が形成され、当該隙間空間および前記空気流通孔を介して前記カソードに空気が供給可能であることを特徴とする燃料電池ユニット。
5. 液体燃料が供給されることで発電する膜電極接合体のアノード側に位置し、前記アノードに前記液体燃料を導き、前記液体燃料の供給口と排出口とを備える燃料タンクであって、
   前記燃料タンク内に、前記供給口と前記排出口とを接続し前記液体燃料がその内部流通する燃料チューブを備え、
   前記燃料チューブはその周壁に前記液体燃料を前記アノードに導く複数の細孔を有しており、
   前記燃料チューブ内における前記液体燃料の流量は、前記各細孔における前記液体燃料の流量よりも大きいことを特徴とする燃料タンク。
6. 前記燃料チューブに並設され、発電により前記アノードで発生したガスを選択的に透過してその内部に取り込み、外部に排出するガス排出チューブを備えたことを特徴とする請求項５に記載の燃料タンク。
7. 請求項５または請求項６に記載の燃料タンクと前記膜電極接合体とを具備する燃料電池本体を複数備える燃料電池ユニットであって、
   前記複数の燃料タンクは直列に接続されていることを特徴とする燃料電池ユニット。
8. 請求項１から請求項４、請求項７のいずれか１項に記載の燃料電池ユニットを備え、
   発電する前記膜電極接合体からの電力によって作動することを特徴とする電子機器。

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