JP2007095432A - 燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】空気流路の水詰りを低減でき、優れた出力特性を発揮する燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】アノード極２と、カソード極１と、前記アノード極２と前記カソード極１との間に配置された電解質膜３と、前記カソード極１の前記電解質膜３とは反対側の面に配置され、前記カソード極１に空気を供給するための空気流路７を前記カソード極１との間に形成する溝６を有するカソード流路板５と、前記溝６の内面の前記カソード極１から離れた領域に設けられた親水性部材８とを具備することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池システムに関する。

情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）に代表される燃料電池が開発されている。一般的な燃料電池の構造を以下に説明する。

燃料電池は、電解質膜の両面に、触媒と導電性多孔質とを含む電極を接合した膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；以下ＭＥＡと称する）を起電部としている。このＭＥＡを、燃料あるいは酸化剤（一般には空気）を供給するための溝を備えた一対の導電性流路板で挟むことで１組の燃料電池を構成する。燃料電池スタックは複数の燃料電池を積層したものである。

燃料電池は、空気および燃料を供給すると内部で化学反応が起こり電力を取り出せる。空気は空気ポンプで、燃料は循環燃料ポンプで送る。燃料は、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールと水との混合溶液が用いられる。例えば燃料がメタノール水溶液の場合、燃料電池の燃料極（アノード）で生じる反応は、反応式（１）で表される。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ →ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- ・・・（１）
一方、空気極（カソード）で生じる反応は、反応式（２）で表される。

Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ ・・・（２）
燃料電池に使用される電解質膜はプロトン（Ｈ⁺）を選択的に通す膜であり、アノード極で生じた電子は、燃料電池の負荷となる電子機器を通ってカソード極に到達し、反応が成立する。結局トータルの反応は、メタノールと水および酸素が反応し、二酸化炭素と水が出来る反応である。

このように燃料電池は燃料と空気を供給し、生成した物質と熱を外部に排出しながら電力を取り出すもので、物質の流れを滞りなく行わせることが高い出力を維持するために非常に重要である。物質の流れの不具合に起因した発電への悪影響の主なものとして次のようなものがある。

すなわち、空気や燃料の流量が少ないと反応で必要な物質供給が足りず出力が下がる。逆に燃料流量が多すぎる場合、燃料がカソード極側に通り抜けてしまい起電力の低下を招く。これをクロスオーバー現象という。空気流量が多い場合はＭＥＡの電解質膜が乾き、また温度が下がることで、出力が下がるという現象がある。このように燃料電池において、空気と燃料の流量を適切に制御することは高い出力を安定的に得るために重要なことである。

一般のＤＭＦＣでは空気極で生成した水のほかに燃料極側から空気極側へ通り抜けてしまう水を含めた多量の水が空気極に出てくる。例えば、出力２ＷのＤＭＦＣの場合、空気極では１時間あたり１０ｃｃ程度の水が生成される。空気極には複数の溝を備えた流路板により空気が供給されるが、空気流路の断面の大きさは例えば１ｍｍ×１ｍｍ程度と非常に小さいため、空気流路中に空気極で生成した水や燃料極側から通り抜けてきた水が凝縮して詰まり、空気の安定供給を阻害することがしばしば起こる。

燃料電池のガス流路の水詰まり解消を目的とした例に特許文献１や特許文献２などがある。

特許文献１は燃料に水素ガスを用いるタイプの固体高分子型燃料電池に関するものであり、ガス流路壁面に親水性の領域と撥水性の領域を設けて、撥水性の領域で水滴を弾かせてアノード側のガス流路を確保するというものである。

特許文献２はアノードにガス燃料を供給するタイプの固体高分子電解質型燃料電池に関するものであり、ガス流路を構成する壁面に親水性塗膜を形成することにより、水滴を薄く広げてガス流路を確保するというものである。

しかしながら、これら固体高分子型燃料電池では、燃料ガス流路で発生する水滴による閉塞は低減できるものの、特許文献１の親水性領域および撥水性領域や特許文献２の親水性塗膜を空気流路に適用するとＭＥＡから必要以上に水分が奪われ、燃料電池の出力特性が低下するという問題を生じる。
特開平１１−９７０４１号公報 特開２００２−２０６９０号公報

本発明は、空気流路の水詰りを低減でき、優れた出力特性を発揮する燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、アノード極と、カソード極と、前記アノード極と前記カソード極との間に配置された電解質膜と、前記カソード極の前記電解質膜とは反対側の面に配置され、前記カソード極に空気を供給するための空気流路を前記カソード極との間に形成する溝を有するカソード流路板と、前記溝の内面の前記カソード極から離れた領域に設けられた親水性部材と、を具備することを特徴とする。

本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池と、燃料供給源と、前記燃料供給源から前記アノード極に液体燃料を送給するための燃料送給手段と、前記カソード流路板に空気を送給するための空気送給手段と、前記燃料電池から電力を取り出すための外部回路と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、空気流路の水詰りを低減でき、優れた出力特性を発揮する燃料電池および燃料電池システムを提供することができる。

上記課題について本発明者らが鋭意研究した結果、以下の知見を得た。これらの知見について図４および図５を参照して説明する。図５中、波線矢印は空気の流れ方向を示し、直線矢印は水分の流れ方向を示す。

「親水性」とは、図４の（ｂ）に示すように水滴の接触角θが９０°になる状態、あるいは、図４の（ｃ）に示すように水滴の接触角θが９０°未満になる状態と説明できる。これに対して、燃料電池の流路板の一般的材料であるカーボンは表面が撥水性で、図４の（ａ）に示すように、水が付着すると弾いて接触角θが９０°を超える水滴になる。水を弾く性質があると一見気体の通り道を確保するのに好都合のように思われるが、水滴になった水は外力の働きにより移動するか、水滴表面から気化するか、さもなければ、図５の（ａ）のようにその場所にいつまでも留まったままとなる。水滴を移動させる手段として気流による吹き飛ばしが考えられる。しかし、配管に閉塞した液滴をコンプレッサやブロワによって圧送される空気によって吹き飛ばすことは容易だが、流路を完全に閉塞するには至らない状態で、水滴付近の空間が開放されていて水滴が移動してもしなくても空気の大域的な流れに影響をほとんど与えない場合は、よほどの速い流れを与えないと水滴を吹き飛ばすことは難しい。そして、この水滴は壁面への接触面積は小さいが厚みが大きく、また周辺の空気との接触面が小さいため、蒸発速度が小さいことも水滴を除去することを困難にしている要因である。

図５の（ｂ）に示すように、固体壁面に付着した水滴の厚みを薄くすれば薄くするほど、蒸発の速度を上げることができる。空気流路中の水蒸気は壁面で凝縮して水滴となるが、流路壁面に不織布などの親水性部材を設けることにより水滴が親水性部材に吸い寄せられて薄く広がり、空気との接触面積が増え、また水滴の厚みが薄くなることで気化を促進させることができる。このとき、親水性部材をカソード極に直接触れないように配置することで、必要以上にＭＥＡ内の水を奪い取ることがなく安定した高出力を維持することができるのである。

燃料電池のカソード流路板は、なるべく小さい圧力損失で均一に空気を起電部に供給するため、図１０に示すように面内を１本の長い流路を引き回すのではなく、図１５に示すように短い流路が並行して並ぶ流路を用いることがある。また、空気流量はＭＥＡ内の電解質膜の水分を奪いすぎないよう、温度も下がり過ぎないように、かつ反応に必要な酸素は十分に供給される流量に制御される必要がある。カソード流路板を流れる空気流量が下がると、流路内で生成水が結露し、流路を塞いでしまう。流路が長い１本の流路であれば空気を送り込むポンプの圧力で流路を塞いでいる水滴を吹き飛ばすことができる。一方、短い並行した流路だと水滴を吹き飛ばすことは困難で、一度、凝縮した水はなかなか消滅せず塞ぎを解消するに至らない。このため、一部の流路に空気が通らなくなり出力を低下させる原因となる。特に、空気流路の下流では水を含んだ空気が排出され、下流はＭＥＡで生成した水がすべて集まるので一部で閉塞が起こり易い。これを防ぐために従来の技術では、水が凝縮しないような運転条件を選ぶか、流路を１本にしてポンプの圧力で水を押し出す必要があった。

本発明の実施の形態によれば、空気流路が１本の長い流路であっても短い並行した流路であっても水の凝集による閉塞を防ぐことができるため、運転条件を選ばず優れた出力特性を発揮する燃料電池を提供することができるのである。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。なお、各図において、同様または類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１の（ａ）は、本実施形態に係る燃料電池を示す模式的な断面図であり、図１の（ｂ）は、（ａ）の燃料電池をＩＢ−ＩＢ線に沿って切断したときの模式的な断面図である。
図１の燃料電池は、カソード極１と、アノード極２と、カソード極１とアノード極２との間に配置された電解質膜３とを含むＭＥＡ４を具備する。カソード極１の電解質膜３とは反対側の面には、カソード流路板５が配置されている。ＭＥＡ４のカソード極１の周縁部とカソード流路板５との間には、後述するガスケット９が介在されている。アノード極２の電解質膜３とは反対側の面には、アノード流路板（図示せず）が配置されている。このアノード流路板は、アノード極２に液体燃料を供給するためのものである。

カソード流路板５のカソード極１に対向する面には、並行に配置された複数の溝６が流路板５の一端から他端にわたって形成されている。カソード流路板５の溝６が形成された開口面をカソード極１に接触させて配置することにより、溝６とカソード極１により空気流路７が形成される。空気流路７の一端から空気が送給されると、溝６の開口部からカソード極１に空気が供給される。空気流路７の内面のカソード極１から離れた領域には、親水性部材８が設けられている。親水性部材８は、空気流路壁面の起電部４に直接触れない部分、望ましくは、図１に示すように流路７の底面に当たる部分（溝６のカソード極１に対向する面）に設ける。

親水性部材を起電部に直接触れないように設置させるのは以下に説明する理由によるものである。

すなわち、特許文献１の親水性領域および特許文献２の親水性塗膜のように親水性部材を起電部に接触する形で空気流路壁面に設置すると、カソード極のガス拡散層（Ｇａｓ Ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ Ｌａｙｅｒ；以下ＧＤＬと称する）上の水分が不織布などの親水性部材に必要以上に吸い上げられ、膜の湿潤状態に偏りが生じる。このため、膜の電気抵抗や反応に必要な水の分布が偏り、出力特性の低下につながる。これに対して、起電部に接触しないように親水性部材を取り付けると、必要以上に起電部から水を奪うことなく、流路中で凝縮して流路を塞いでしまう余剰の水を効果的に取り除くことが出来る。この現象の一例について図２および図３を用いて順を追って説明する。図３の（ａ）〜（ｄ）は、燃料電池の運転前、立ち上げ時、定常運転時をそれぞれ示すフロー図である。図３中、黒塗り矢印は空気流の流れ方向を示し、実線矢印は水分の流れ方向を示す。

図２の（ａ）に示すように親水性部材が設けられていない空気流路２２では、燃料電池の運転を開始すると、図３の（ａ），（ｃ）に示すように立ち上げ時から余剰の水の凝縮が始まり水滴２３が発生し、定常運転時までには水滴２３による空気流路の閉塞が生じる。図３中、参照符号２４は閉塞が生じた空気流路を示す。これに対して、図２の（ｂ）に示すように親水性部材８を起電部４に接触しないように設けた空気流路７では、図３の（ｂ），（ｄ）に示すように、燃料電池の立ち上げ時には一度水滴２３が流路７を塞ぐくらいまでに成長するが、水滴２３の一端が親水性部材８に触れた瞬間に親水性部材８に吸い寄せられて広がり、定常運転時にも空気流路７の閉塞が生じない。図３の（ｂ），（ｄ）に示したような水滴の成長、移動を繰り返すモデルは直感として理解しやすいが、実際には水滴のはっきりとした成長、移動の現象は見られない。実際には、図２の（ｂ）のような空気流路には水滴の成長を抑える働きがあるように見受けられる。壁面近傍で水蒸気が飽和する前に親水性部材を伝った水の拡散が空気の流れ方向に起こり、壁面近傍での水の凝縮が抑えられているものと思われる。親水性部材は、図２の（ｂ）に示すように流路入口から出口にかけて設けることが望ましい。なお、図２ではＭＥＡの図示を省略した。

さらに、図２の（ｂ）の空気流路では以下に説明するような効果も得ることができる。
すなわち、親水性部材を伝わって広がる水分の蒸発により余剰の水を排出させることができるだけでなく、蒸発に伴う吸熱により空気流路内の冷却促進効果を得られる。また、親水性部材を伝わって広がる水分による空気流路内の湿度均一化効果も得られる。これに伴い、空気流路の下流側に比較して乾燥状態にある上流側、特に、流路入口付近の加湿効果も得られる。また、余剰の水分を排出させることにより、ＧＤＬの飽和度を均一化させることができ、面平均飽和度上昇による電解質膜保湿効果が得られる。

親水性部材としては、不織布、織物や編物、親水性コーティング、親水性フィルムを挙げることができる。中でも不織布が親水性に優れるため好ましい。不織布の材質としては、セルロース、レーヨン、ビニロン、ポリエステル、アラミド、ナイロンなどを挙げることができる。中でも、レーヨン、セルロール、ポリエステルは、親水性に特に優れるため好ましい。織物や編物の材質としては、不織布と同様なものを挙げることができる。また、和紙のように植物性の繊維による不織布あるいは紙、またはガラス繊維の不織布を用いてもよい。これら不織布は、流路底面に合せて所定サイズにレーザー等で切断して用いることができる。不織布には水をためておく必要はないので、不織布は厚くなくてもよい。不織布の厚さは空気流路の溝の深さの１／１０以下で良い。親水性部材として薄い木片やガラスを用いることも可能である。

親水性のフィルムとしてはＭＥＡに使われる電解質膜などがある。

親水性部材を設ける方法は、粘着テープ、接着剤、熱溶着、固定用部品による押さえつけ、インサートモールディングなどを挙げることができる。接着剤等は親水性部材の全面にわたって塗布してもよいが、親水性部材の一端部および他端部を点止めすることにより流路底面に固定することもできる。固定用部材による押さえつけとしては、バネやピンでの押さえつけや、親水性部材の一端部と他端部を引っ張って固定するテンションによる固定などを挙げることができる。インサートモールディングとしては、例えば、流路成形時に予め流路底面となる部分に親水性材料を配置しておいて、金型による流路成形と親水性部材の貼着とを同時に行う方法がある。

親水性コーティングとしては、酸化チタン皮膜やガラス系無機皮膜などを挙げることができる。ガラス系無機皮膜としては、例えばシリカ膜（ＳｉＯ₂膜）などがある。

固体表面に凹凸を設けることで同様の機能を発することもできる。ただし凹凸を設ける前の素材表面がすくなくとも親水性であることが必要である。凹凸をつけることで親水性の度合いが増す。

図１〜図３では、親水性部材が流路底面にだけ設けられた空気流路について説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、流路壁面にも設けることができる。流路壁面にも親水性部材が設けられた空気流路を図６に示す。

図６の空気流路７には親水性部材６１が流路底面だけでなく、カソード極１に対し隙間を持って流路側面（カソード流路板の溝の側面）にも設置されている。図中、空気流路を破線で示し、親水性部材および起電部を実線で示した。図６においてカソード極１から離れた領域とは、カソード流路板の溝の深さＢ（ｍｍ）に対して、溝の開口端から流路壁面に位置する親水性部材の縁辺までの距離Ａ（ｍｍ）が式（３）を満足する領域内を除いた領域を示す。

Ａ＜０．１×Ｂ ・・・（３）
親水性部材の縁辺の一部から伸び出してカソード極に接触する親水性補助部材を空気流路に設けることもできる。親水性補助部材について図７および図８を参照して説明する。

図７の空気流路７には流路底面に親水性部材７１が設けられている。空気流路７の出口側には、一辺が親水性部材７１に接触し、その対辺がカソード極１に接触する親水性補助部材７２が設けられている。図７中、空気流路の下側にカソード極が位置する。なお、図７中、空気流路を破線で示し、親水性部材および親水性補助部材を実線で示した。また、図７中、矢印は水分の流れ方向を示す。

燃料電池では電解質膜を十分に湿潤させておくことで電解質膜の内部抵抗を下げ、出力特性を良好にすることができる。カソード極側では、空気流路の上流部（入口側）の湿度は、下流部（出口側）の湿度よりも低い傾向にあるため、上流部では電解質膜より比較的大量の水分が蒸発してしまい、出力特性が低下する場合がある。図７に示したように、少なくとも空気流路７の出口側に親水性補助部材７２を設けることで、ＧＤＬ中の余剰な水を空気流路入口側に回し、乾いた空気を加湿し、ＭＥＡの湿潤状態を上流から適正化することが出来る。

また、空気流路２２の中央部は主に壁に触れないで流れる空気が多いから、図８の（ａ）に示すように比較的流速が速くなっており、図８の（ｂ）に示すように湿度が低くなっている。湿度の低い部分に水蒸気を注入するには流路入口の比較的早い段階から空気流に水蒸気を触れさせることが必要である。流路中央の乾いた空気の領域は、入口より下流側でも存在する。空気流路の下流側に位置する余剰水分の量が比較的多いＭＥＡから補助部材７２により水分を吸い寄せ、親水性部材７１により上流側に供給することで加湿した際は、乾いた領域をなるべく小さくすることができる。図８の（ａ）中、白抜き矢印は空気流の流れ方向を示し、その大きさは空気流の流速の大きさを示す。また、実線矢印は、水分の流れ方向を示す。図８の（ｂ）中、湿度分布を黒白の濃淡で示した。黒色部が湿度の高い部位を示し、白色部が湿度の低い部位を示す。

図７に示す空気流路の長さＸに対して、親水性補助部材の長さＹは１０〜５０％の範囲にあることが好ましい。親水性補助部材の長さＹが５０％を超えると、ＭＥＡの水分が過剰に吸い取られて出力特性が低下する恐れがある。一方、親水性補助部材の長さＹが１０％未満であると空気流路の中央部を十分に加湿することができない場合がある。

親水性補助部材としては、親水性部材と同様な種類のものを用いることができる。親水性補助部材と親水性部材とは一体成形されたものであってもよい。

図７では、親水性補助部材が一つだけ設けられている例を示したが、これに限定されるものではなく、空気流路に２以上の親水性補助部材を設けることもできる。複数の親水性補助部材が設けられている空気流路の斜視図を図９に示す。図９中、空気流路を破線で示し、親水性部材および親水性補助部材を実線で示した。

図９に示すように、上流側は水の吸い取りを小さく、下流側では大きくするために、親水性部材９１とＭＥＡ４とに接触する親水性補助部材９２の面積に傾斜を付ける。図９中、空気流路の下側にカソード極が位置する。入口付近では親水性補助部材９２をまばらに設置し、出口付近では親水性補助部材９２の間隔を密にして多めにＭＥＡに接触させる。このようにして複数の親水性補助部材９２を配置させることにより、上流側と下流側の湿潤状態をより均一化させることができる。図９では、親水性補助部材が７つ設けられている例を示したが、これに限定されるものではなく、この態様は３以上の複数の親水性補助部材を設ける際に適用することができる。

親水性部材の長さに対して、複数の親水性補助部材の合計長さは、図７を用いて説明したのと同様な範囲とすることができる。

図１および図２では、並行した複数の流路を形成するカソード流路板を具備する燃料電池について説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、１本の長い流路を形成するカソード流路板にも適用することができる。１本の長い流路を形成するカソード流路板を具備する燃料電池を図１０に示す。

図１０の（ｂ）に示すように、カソード流路板101には一本の長い溝102が等間隔で屈曲し、カソード流路板101の片面全体に張り巡らされている。溝102の一端には供給口103が設けられており、溝102の他端には排出口104が設けられている。このカソード流路板101の開口面がカソード極１に接触するように配置され、溝102とカソード極１との間に一本の長い空気流路が形成されている。

アノード流路板105は、カソード流路板101と同様な構造を有し、一本の長い溝106が等間隔で屈曲し、カソード流路板105の片面全体に張り巡らされている。溝106の一端には供給口107が設けられており、溝106の他端には排出口108が設けられている。このアノード流路板105の開口面がアノード極２に接触するように配置され、溝106とアノード極２との間に一本の長い燃料流路が形成されている。

ここで、電解質膜３はカソード極１およびアノード極２よりもサイズが大きく形成されており、流路板101，105はこの電解質膜３と同等のサイズを有する。カソード極１の周縁部の電解質膜３とカソード流路板101との間には、気密性および液密性を保つために絶縁性のガスケット９が介在されている。同様に、アノード極２の周縁部の電解質膜３とアノード流路板105との間には絶縁性のガスケット109が介在されている。アノード流路板105およびカソード流路板101はそれぞれ外部回路110に接続され、この外部回路110により燃料電池から電力が取り出される。

カソード流路板およびアノード流路板の材質としては、例えばカーボン、樹脂、金属等を挙げることができる。

カソード極およびアノード極は、それぞれ触媒層を備えており、これら触媒層は、例えば、ＰｔやＲｕあるいはこれらの合金等を担持した担持触媒とプロトン伝導性物質とを含む。触媒層は、例えばカーボンシートからなるガス拡散層（集電体）に担持されている。

電解質膜は、プロトン伝導性物質を含むものである。触媒層または電解質膜に含まれるプロトン伝導性物質としては、例えばデュポン社製のナフィオン（登録商標）等を挙げることができる。

次に、燃料電池スタックについて、図１１を参照して説明する。

図１１の燃料電池スタックは、燃料電池を複数積層したものに相当する。この燃料スタックに含まれるＭＥＡ４と隣接するＭＥＡ４との間には図１１の（ｂ）に示すセパレータ111が配置されている。このセパレータ111は、アノード流路板とカソード流路板とを一体構造にしたものに相当する。セパレータ111の片面（図中、下側面）にはカソード極１との間に空気流路を形成する溝112が形成されており、他方の面（図中、上側面）にはアノード極２との間に燃料流路を形成する溝113が形成されている。溝112の底面には親水性部材８が設けられている。燃料スタックの最外層に位置するＭＥＡ４のうちの一方（図中、最下層に位置するＭＥＡ）には、アノード極１の電解質膜３とは反対側の面にアノード流路板105が配置されており、他方（図中、最上層に位置するＭＥＡ）には、カソード極１の電解質膜３とは反対側の面にカソード流路板101が配置されている。これらアノード流路板105とカソード流路板101の外面にはプレート114がそれぞれ設けられ、これらプレート114を締め付け具115で締め付けることにより積層された燃料電池が固定されている。アノード流路板105の外面のプレート114およびカソード流路板101の外面のプレート114はそれぞれ外部回路116に接続され、この外部回路116により各燃料電池から電力が取り出される。

燃料電池システムについて図１２〜図１４を参照して説明する。以下、メタノール水溶液を燃料として用いる場合について説明するが、他の液体燃料を用いても本発明の実施形態の本質から外れない。

図１２の燃料電池システムは、燃料電池121と、燃料供給源122と、燃料供給源122からアノード流路板105の流路106に液体燃料を送給するための燃料送給手段123と、カソード流路板101の流路102に空気を送給するための空気送給手段124と、燃料電池121から電力を取り出すための外部回路110とを具備する。燃料供給源122は、燃料カートリッジ125と、混合タンク126と、燃料カートリッジ125から混合タンク126へと燃料を送給するためのポンプ127とを具備する。燃料は燃料送給手段123により混合タンク126からアノード流路板105の流路106に送給される。燃料送給手段123としては、ポンプを用いることができる。一方、空気送給手段124としては、ポンプ、回転翼を備えたファンなどを用いることができる。アノード極２に残存する水と、カソード極１で生成されてバックフローによりアノード極２に戻った水とは、混合タンク126に返送される。混合タンク126では、燃料カートリッジ125から送給された燃料と水とが混合され、この混合燃料がアノード流路板105からアノード極２へと送給される。カソード極１に残存する水は排気と一緒に水蒸気として大気中に排出される。アノード極２で生成された二酸化炭素を含む排ガスは、混合タンク126から大気中に排出される。燃料電池121には、燃料電池スタックの形態にあるものも使用することができる。

図１３の燃料電池システムには、凝縮器131が備えられており、アノード極２に残存する水と生成された二酸化炭素はこの凝縮器131に回収される。また、この凝縮器131には、カソード極１で生成された水とアノード極２からカソード極１へと通り抜けた水が、空気で吹き飛ばすことにより液体の形で回収される。凝縮器131で凝縮された水はポンプ132により混合タンク126に返送され、排ガスは大気中に排出される。図１３の燃料電池システムでは、凝縮器131の代わりに気液分離器を使用することも可能である。

図１２および図１３の燃料電池システムでは、生成した水を濃いメタノールと混ぜ合わせ発電に適した濃度のメタノール水溶液としてアノード極に供給する方式、いわゆる水循環方式が採用されているため燃料電池システム全体の小型化に好都合である。このシステムでは燃料をカートリッジの形でセットする場合、濃いメタノールをカートリッジに入れることが出来るので、体積当たりのエネルギーが高く、可搬性のよいコンパクトなシステムが出来る。

また、図１４に示すように、燃料カートリッジ125にあらかじめ薄い濃度のメタノール水溶液を詰めておき水を回収しないシステムとすることも可能である。このシステムでは、カソード極１で生成された水は排気と一緒に水蒸気として外に捨てられる。また、アノード極２で生成された二酸化炭素を含む排ガスもアノード極２から直接大気中に排出される。図１４の燃料電池システムでは、混合タンク126とポンプ127を省略し、燃料カートリッジ125を燃料供給源として使用することができる。

図１２および図１４の燃料電池システムは、カソード極１で生成された水を排気と一緒に水蒸気として排出させるため、カソード極１および空気流路102の乾燥が進み易い。前述したように、カソード極では酸素の供給を阻害しない程度に水が内部に保持されていることが必要で、特許文献１および特許文献２のように単に水の排出を促進するだけでは、必要以上の水をカソード極からさらに奪ってしまうので望ましくない。本実施形態によれば、主に空気流路を詰まらせ酸素の供給を阻害する水滴を効率よく排出し、空気流路を確保しつつ、起電部の保水状態を適切に保つことができるため、ＤＭＦＣの小型化と安定運転のために有効である。

図１２〜図１４では、メタノール水溶液を燃料としこれを直接起電部に供給する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）について説明したが、本実施形態はこれに限定されるものではなく、燃料としては、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールと水との混合溶液を用いることができる。

図１０〜図１４に示す一本流路を用いたカソードに比較して、図１に示す並行した複数の流路を用いたカソードでは、水詰まりは発電に致命的な影響を与える。この現象について図１５を参照して説明する。図１５中、実線矢印は水分の流れ方向を示す。

図１５の（ａ），（ｂ）に示すカソード流路板151には、並行に配置された５本の溝152ａ〜152ｅが流路板151の一端から他端にわたって形成されている。図１５の（ｃ），（ｄ）に示すカソード流路板153は、並行に配置された２本の溝154ａ，154ｂが等間隔で屈曲し、カソード流路板153の片面全体に張り巡らされている。図１５に示すように、並行した空気流路を有するカソードの場合、一度水詰まりするとその流路（溝152ｂ，152ｃ，154ａに相当する流路）には空気が流れず、詰まっていない流路（溝152ａ，152ｄ，152ｅ，154ｂに相当する流路）にばかり空気が流れる。大流量の空気を流しておけば、流路内で凝縮しずらく水詰まりが起こることは少ないし、水詰まりが起こったとしても、上流の圧力上昇により水滴が下流に押し流されて、詰まりが解消することがある。ただし、その場合、大流量の空気によりスタック温度は冷却され、温度が下がることが予想される。また、必要以上に膜から水を奪うことで、ＭＥＡから水が失われ、発電効率が下がることが懸念される。そのため、少ない空気流量で継続的に水詰まりが生じない流路構造が必要となっている。

多孔質のカーボンを使い、流路壁に水を吸い込ませることも考えられるが、多孔質は強度的に緻密カーボンに劣り、締付を要するスタックの構造部材としては適さない。また、多孔質でなくても表面を親水化処理したカーボンもあるが、親水性の持続性に問題があり、長期間安定して親水性を発揮する処理方法はまだ無いのが現状である。

本実施形態では燃料電池の空気流路が送気手段から分岐して複数の流路に流れる場合にも、流路中に水滴が生じ、その水滴が発電を妨げることの無いようにすることができる。特に、空気送給手段が回転翼を用いたファンで、流量は大きいが静圧は小さいものを使用する場合、効果が顕著になる。

［実施例］
以下、実施例により本発明の実施の形態を説明する。

（実施例）
並行して配置された平行な溝が流路板の一端から他端にわたって形成されたカソード流路板を用意した。溝の断面サイズは、１ｍｍ×１ｍｍとした。このカソード流路板の溝の底面に、入口から出口まで親水性部材としてポリエステル製不織布を貼り付けた。貼り付けに際しては親水性部材の両端を接着剤により点止めした。このカソード流路板の開口面をＭＥＡのカソード極側に積層させて空気流路を形成した。さらに、このＭＥＡのアノード極側にアノード流路板を積層させることにより、図１に示す構造を有する燃料電池を作製した。この燃料電池を４個用意し、積層して締め付け具で固定することにより図１１に示す構造を有する燃料電池スタックを組立てた。

この燃料電池スタックの燃料流路に燃料としてメタノール水溶液を送給し、空気流路に流量１０ｃｃ／ｃｍ²で空気を送給して、１５０ｍＡ／ｃｍ²の定電流放電を行った。燃料と空気の供給および排ガスの排気システムとしては図１２に示す燃料電池システムを採用した。このときの燃料電池スタックに組み込んだ４個の燃料電池それぞれの電池電圧を測定し、その出力履歴を実施例１〜４として図１６に示す。

（比較例）
カソード流路板に親水性部材を設けなかったこと以外には、実施例と同様にして燃料電池スタックを組立て、駆動させた。このときの燃料電池スタックに組み込んだ４個の燃料電池それぞれの電池電圧を測定し、その出力履歴を比較例１〜４として図１７に示す。図１６，１７中、横軸は経過時間（秒）を示し、縦軸は電池電圧（ｍＶ）を示す。なお、比較例３ではｔ₁秒経過時に燃料電池外部から空気流路の吸引を行い、比較例１ではｔ₂秒経過時に同様に吸引を行い、比較例２ではｔ₃秒経過時に同様に吸引を行った。比較例４の燃料電池に関しては吸引を行わなかった。

図１７から明らかなように、比較例１〜４の燃料電池は実施例１〜４の燃料電池に比較して電圧が低く、セル間でばらつきも大きい。出力の低いセルのカソード流路中の水詰まりを外部から吸引する方法で取り除くと出力が回復することから出力低下の原因はカソードの水詰まりにあることは明らかである。

一方、図１６から明らかなように、空気流路の内面のカソード極から離れた領域に親水性部材を設けた実施例１〜４の燃料電池では、セル間のばらつきは少なく高い電圧で安定した出力が得られ、出力特性に優れていることがわかる。

空気流路の空気の出口側に親水性部材の縁辺の一部から伸び出してカソード極に接触する親水性補助部材を設けたこと以外には実施例と同様な構造を有する燃料電池、および、空気流路の下流側は上流側よりも間隔が密になるように複数の親水性補助部材を設けたこと以外には実施例と同様な構造を有する燃料電池についても実施例と同様な試験を行ったところ、図１６と同様な出力履歴が得られ、出力特性に優れることを確認した。

なお、この発明は、上記実施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できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

図１の（ａ）は、本実施形態に係る燃料電池を示す模式的な断面図、図１の（ｂ）は、図１の（ａ）の燃料電池をＩＢ−ＩＢ線に沿って切断したときの模式的な断面図。 図２の（ａ）は、親水性部材が設けられていない従来の空気流路を示す平面図、図２の（ｂ）は、親水性部材が設けられている本実施形態の空気流路を示す平面図。 図３の（ａ）は、図２の（ａ）の空気流路をIIIＡ−IIIＡ線に沿って切断したときの断面図、図３の（ｂ）は、図２の（ｂ）の空気流路をIIIＢ−IIIＢ線に沿って切断したときの断面図、図３の（ｃ）は、図２の（ａ）の空気流路をIIIＣ−IIIＣ線に沿って切断したときの断面図、図３の（ｄ）は、図２の（ｂ）の空気流路をIIIＤ−IIIＤ線に沿って切断したときの断面図。 図４の（ａ）は、撥水性部材の断面図、図４の（ｂ）は、親水性部材の断面図、図４の（ｃ）は、図４の（ｂ）よりも高い親水性を有する親水性部材の断面図。 図５の（ａ）は、撥水性部材の表面状態を示す概念図、図５の（ｂ）は、親水性部材の表面状態を示す概念図。 親水性部材が流路底面および側面に設けられた空気流路の内部を透視して模式的に示す透過斜視図。 親水性補助部材が設けられた空気流路の透過斜視図。 図８の（ａ）は、親水性部材および親水性補助部材が設けらていない従来の空気流路の湿潤状態を示す断面図、図８の（ｂ）は、図８の（ａ）の空気流路をXIIIＢ−XIIIＢ線に沿って切断したときの断面図。 複数の親水性補助部材が設けられている空気流路の透過斜視図。 図１０の（ａ）は、１本の長い流路を形成するカソード流路板を具備する燃料電池の斜視図、図１０の（ｂ）は、図１０の（ａ）の燃料電池の分解斜視図。 図１１の（ａ）は、燃料電池スタックの斜視図、図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）の燃料電池スタックをXIＢ−XIＢ線に沿って切断したときの流路板を兼ねるセパレータの断面図。 燃料電池システムの一例を示す模式図。 燃料電池システムの他の例を示す模式図。 燃料電池システムのさらなる他の例を示す模式図。 図１５の（ａ）は、並行した複数の流路を形成するカソード流路板の平面図、図１５の（ｂ）は、図１５の（ａ）のカソード流路板を白抜き矢印の側から見たときの側面図、図１５の（ｃ）は、並行した２本の流路を形成するカソード流路板の平面図、図１５の（ｄ）は、図１５の（ｃ）のカソード流路板を白抜き矢印の側から見たときの側面図。 実施例の燃料電池の出力履歴を示す特性線図。 比較例の燃料電池の出力履歴を示す特性線図。

符号の説明

１…カソード極、２…アノード極、３…電解質膜、４…ＭＥＡ、５，101，151，153…カソード流路板、６，102，106，112，113，152ａ，152ｂ，152ｃ，152ｄ，152ｅ，154ａ，154ｂ…溝、７，２２…空気流路、８，６１，７１，９１…親水性部材、９，109…ガスケット、２１…カソード流路板、２３…水滴、２４…閉塞した空気流路、７２，９２…親水性補助部材、103，107…供給口、104，108…排出口、105…アノード流路板、110，116…外部回路、111…セパレータ、114…プレート、115…締め付け具、121…燃料電池、122…燃料供給源、123…燃料送給手段、124…空気送給手段、125…燃料カートリッジ、126…混合タンク、127，132…ポンプ。

Claims (8)

1. アノード極と、
   カソード極と、
   前記アノード極と前記カソード極との間に配置された電解質膜と、
   前記カソード極の前記電解質膜とは反対側の面に配置され、前記カソード極に空気を供給するための空気流路を前記カソード極との間に形成する溝を有するカソード流路板と、
   前記溝の内面の前記カソード極から離れた領域に設けられた親水性部材と、
   を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 前記親水性部材は、前記溝の内面のうち前記カソード極の対向面に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記親水性部材は、前記溝の内面のうち前記カソード極の対向面と側面とに設けられていることを特徴とする請求項１または２のいずれか一方記載の燃料電池。
4. 少なくとも前記空気流路の空気の出口側に設けられ、かつ前記親水性部材の縁辺の一部から伸び出して前記カソード極に接触する親水性補助部材をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし３のうちのいずれか１項記載の燃料電池。
5. 前記空気流路の下流側は上流側よりも間隔が密になるように複数の前記親水性補助部材が設けられていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記空気流路は、空気の入口および出口をそれぞれ一つずつ有する一本流路であることを特徴とする請求項１ないし５のうちのいずれか１項記載の燃料電池。
7. 前記カソード流路板は並行に配置された複数の溝を有し、これら溝と前記カソード極との間にはそれぞれ空気流路が形成されていることを特徴とする請求項１ないし５のうちのいずれか１項記載の燃料電池。
8. 請求項１ないし７のうちのいずれか１項記載の燃料電池と、
   燃料供給源と、
   前記燃料供給源から前記アノード極に液体燃料を送給するための燃料送給手段と、
   前記カソード流路板に空気を送給するための空気送給手段と、
   前記燃料電池から電力を取り出すための外部回路と、
   を具備することを特徴とする燃料電池システム。

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