JP2008218048A - 燃料電池セル及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力特性に優れた燃料電池セル及び燃料電池セルを備えた燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池セルは、燃料極と、空気極と、燃料極及び空気極間に挟持された電解質膜２７と、を有した膜電極接合体３と、膜電極接合体に対向配置され、燃料極に燃料を供給する燃料供給部７と、板状に形成され、燃料極及び燃料供給部間に挟持され、燃料供給部側に設けられているとともに燃料供給部に向かって開放した凹部５４と、凹部が形成された領域を含んで形成され膜電極接合体に燃料を通過させる複数の燃料通過孔と、を有した燃料極支持板６と、を備えている。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池セル及び燃料電池セルを備えた燃料電池に関し、特に、液体燃料を用いた燃料電池セル及び燃料電池に関する。

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等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。このうち内部気化型ＤＭＦＣは、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。

内部気化型ＤＭＦＣでは、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を燃料気化層（アノードガス拡散層）において拡散させ、拡散された気化燃料がアノード触媒層に供給され、カソード触媒層側からの空気と電解質膜において発電反応する。

なお、液体供給型ＤＭＦＣでは、セルと燃料収容部とを流路を介して接続する技術が知られている（例えば、特許文献３乃至５参照）。液体燃料を、流路を介してセルに供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。
特許第３４１３１１１号公報 国際公開番号ＷＯ２００６／０５７２８３号公報 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

上記燃料電池において、液体燃料がセルに不均一に供給される場合がある。供給状態が不均一になると、発電に寄与するセルの割合が減少し、燃料電池の出力低下が生じる恐れがある。さらに、出力（発電量）が不安定になり、所望の出力を安定して得ることができない恐れがある。上記したことから、液体燃料の供給状態が不均一であると、燃料電池の性能が低下することになる。
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、出力特性に優れた燃料電池セル及び燃料電池セルを備えた燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の態様に係る燃料電池セルは、
燃料極と、空気極と、前記燃料極及び空気極間に挟持された電解質膜と、を有した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体に対向配置され、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、
板状に形成され、前記燃料極及び燃料供給部間に挟持され、前記燃料供給部側に設けられているとともに前記燃料供給部に向かって開放した凹部と、前記凹部が形成された領域を含んで形成され前記膜電極接合体に燃料を通過させる複数の燃料通過孔と、を有した燃料極支持板と、を備えている。

また、本発明の他の態様に係る燃料電池は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極及び空気極に挟持された電解質膜と、を有した膜電極接合体と、前記膜電極接合体に対向配置され、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、板状に形成され、前記燃料極及び燃料供給部間に挟持され、前記燃料供給部側に設けられているとともに前記燃料供給部に向かって開放した凹部と、前記凹部が形成された領域を含んで形成され前記膜電極接合体に燃料を通過させる複数の燃料通過孔と、を有した燃料極支持板と、を具備した燃料電池セルと、
燃料を収容するとともに燃料を前記燃料供給部に与える燃料供給源と、を備えている。

この発明によれば、出力特性に優れた燃料電池セル及び燃料電池セルを備えた燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照しながらこの発明の第１の実施の形態に係る燃料電池セル及び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に示すように、燃料電池は、燃料電池セル１と、燃料８２を収容するとともに燃料を燃料電池セル１に与える燃料供給源２とを備えている。この実施の形態において、燃料電池の燃料供給方式はセミパッシブ方式と呼称される方式を適用している。

燃料電池セル１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３と、集電体４と、燃料極支持板６と、燃料供給機構としての燃料供給部７と、フロントカバー１５とを備えている。

図１及び図２に示すように、膜電極接合体３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。互いに重なったアノード２１、カソード２４及び電解質膜２７は発電素子２０を形成している。

この実施の形態において、膜電極接合体３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４つの有効領域Ｒ２と、３つの非有効領域Ｒ３とを有している。これらの有効領域Ｒ２は、矩形状であり、長軸を有し、間隔を置いて位置している。非有効領域Ｒ３は、これら有効領域Ｒ２の間に位置している。この実施の形態において、発電領域Ｒ１は、幅Ｗ１が４５ｍｍ、長さＬ１が８０ｍｍである。発電領域Ｒ１の面積は、膜電極接合体３の面積の７２％である。なお、発電領域Ｒ１の面積は、ノギス又は光学顕微鏡で測定することにより求めることができる。

また、膜電極接合体３は４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、それぞれ有効領域Ｒ２に重なっている。４つの発電素子２０は共通の電解質膜２７で形成されている。

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、図３、図４及び図５に示すように、集電体４は、導電層３０、シール材３８及びシール材３９を備えている。導電層３０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を材料に形成されている。導電層３０は、アノード導電層３１、カソード導電層３４及び導電部材３７を有している。

アノード導電層３１は、第１乃至第４アノード導電層３１ａ〜３１ｄを有している。第１乃至第４アノード導電層３１ａ〜３１ｄは、それぞれアノードガス拡散層２３の形状に合わせて形成されている。この実施の形態において、第１乃至第４アノード導電層３１ａ〜３１ｄは、矩形状に形成され、長軸を有し、互いに間隔を置いて位置している。第１乃至第４アノード導電層３１ａ〜３１ｄは、互いに電気的に絶縁されている。

第１乃至第４アノード導電層３１ａ〜３１ｄは、それぞれ複数の燃料通過孔３２を有している。燃料通過孔３２は、第１乃至第４アノード導電層３１ａ〜３１ｄの長軸に沿った方向に並んでいる。燃料通過孔３２は、矩形状に形成されている。第１アノード導電層３１ａには端子３３が形成されている。

カソード導電層３４は、第１乃至第４カソード導電層３４ａ〜３４ｄを有している。第１乃至第４カソード導電層３４ａ〜３４ｄは、それぞれカソードガス拡散層２６の形状に合わせて形成されている。この実施の形態において、第１乃至第４カソード導電層３４ａ〜３４ｄは、矩形状に形成され、長軸を有し、互いに間隔を置いて位置している。第１乃至第４カソード導電層３４ａ〜３４ｄは、互いに電気的に絶縁されている。

第１乃至第４カソード導電層３４ａ〜３４ｄは、それぞれ複数の通気孔３５を有している。通気孔３５は、第１乃至第４カソード導電層３４ａ〜３４ｄの長軸に沿った方向に並んでいる。通気孔３５は、矩形状に形成されている。第４カソード導電層３４ｄには端子３６が形成されている。

第２アノード導電層３１ｂ及び第１カソード導電層３４ａ、第３アノード導電層３１ｃ及び第２カソード導電層３４ｂ、並びに第４アノード導電層３１ｄ及び第３カソード導電層３４ｃは、それぞれ導電部材３７を介して電気的に接続されている。

シール材３８及びシール材３９は、絶縁材料として、例えばゴムで形成されている。シール材３８は、アノード導電層３１の外周を囲むよう枠状に形成され、アノード導電層３１に予め接着又は形成されている。シール材３９は、カソード導電層３４の外周を囲むよう枠状に形成され、カソード導電層３４に予め接着又は形成されている。

導電層３０は二つ折りにされている。アノード導電層３１及びカソード導電層３４は、所定の間隔を置いて対向配置されている。膜電極接合体３は、導電層３０の内部空間に収容され、アノード導電層３１及びカソード導電層３４により挟まれている。

第１乃至第４アノード導電層３１ａ〜３１ｄは、それぞれアノードガス拡散層２３に重なっているとともに密着している。第１乃至第４カソード導電層３４ａ〜３４ｄは、それぞれカソードガス拡散層２６に重なっているとともに密着している。４つの発電素子２０は、導電層３０により直列に接続されている。膜電極接合体３の周囲はシール材３８及びシール材３９により規定されるため、導電層３０に対する膜電極接合体３の位置決めは容易になる。

上記したように、膜電極接合体３及び集電体４が組合されることで、燃料の気化成分は、燃料通過孔３２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、燃料電池セル１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、アノード導電層３１と、燃料供給部７との間に、気化膜として図示しない気液分離膜１４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、シール材３８は、膜電極接合体３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、通気孔３５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、シール材３９は、膜電極接合体３からの酸化剤の漏れを防止する機能を有している。

図６、図７及び図８に示すように、燃料極支持板６は、板状に形成されている。燃料極支持板６は、矩形状の板部５１を有している。板部５１は、アノード２１及び燃料供給部７間に挟持されている。より詳しくは、板部５１は、アノード導電層３１及び多孔体１０間に挟持されている。後述するが、多孔体１０は、矩形状であり、膜状に形成されている。

板部５１は、矩形状の上壁５２と、上壁５２の周縁部に設けられた矩形枠状の周壁５３とを有している。この実施の形態において、板部５１は、幅Ｗ２が４５ｍｍ、長さＬ２が８５ｍｍである。板部５１（上壁５２＋周壁５３）の厚みＴ２は２ｍｍである。

板部５１は、燃料供給部７側に設けられているとともに燃料供給部側（本実施の形態ではバックカバー９）に向かって開放した凹部５４を有している。凹部５４は、上壁５２及び周壁５３により形成されている。この実施の形態において、凹部５４は、幅Ｗ３が３５ｍｍ、長さＬ３が７５ｍｍ、厚みＴ３が０．５ｍｍである。凹部５４の面積と、発電領域Ｒ１の面積との比は、０．８８である。凹部５４は発電領域Ｒ１に８８％以上重なっている。

ここで、板部５１は直方体である。このため、板部５１を直方体と仮定し、外面より凹んだ空間を凹部５４の空間体積とする。

板部５１は、膜電極接合体３、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５５を有している。燃料通過孔５５は、マトリクス状に設けられている。燃料通過孔５５は、凹部５４が形成された領域を含んで形成されている。この実施の形態において、燃料通過孔５５は、凹部５４に重なった上壁５２に形成されているとともに、凹部５４の周縁を越えた周壁５３の内側にも形成されている。

上述した燃料極支持板６には、燃料として液体燃料８２の気化成分が供給される。燃料極支持板６は凹部５４を有している。凹部５４により燃料極支持板６内部に空間が形成されるため、液体燃料８２の気化成分の面方向への拡散は促進される。これにより、液体燃料８２の気化成分は燃料通過孔５５を均一に通ってアノード２１に均一に供給される。上記したことから、燃料電池の出力を向上でき、出力の安定性を高めることができる。

ここで、液体燃料８２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が挙げられる。液体燃料８２の気化成分とは、液体燃料８２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８２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。

図１及び図９に示すように、燃料供給部７は、バックカバー９と、多孔体１０と、シール材１３とを備えている。この実施の形態において、燃料供給部７は燃料分配機構としての機能を有している。

バックカバー９は燃料供給板６１を有している。この実施の形態において、燃料供給板６１は燃料分配板として機能する。燃料供給板６１は、膜電極接合体３に対向した燃料排出面６１Ｓを有している。燃料供給板６１には、少なくとも１つの燃料注入口６３と、複数の燃料排出口６４と、燃料注入口６３及び燃料排出口６４を繋いだ管部６５とが形成されている。

燃料注入口６３は、燃料供給板６１の適所、例えば側面に１つ形成されている。液体燃料８２は、燃料注入口６３から注入される。管部６５は、燃料注入口６３及び燃料排出口６４を連通させている。燃料排出口６４は、燃料排出面６１Ｓに形成されている。燃料排出口６４からは、液体燃料８２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、燃料電池セル１に上述した気液分離膜１４が設けられているため、燃料排出口６４からは液体燃料８２が排出される。

ここで、気液分離膜１４は、多数の細孔を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートからなり、液体燃料（メタノール液又はその水溶液）を遮断し、燃料ガス（メタノールガス）を透過させる性質を有するものである。

管部６５は、液体燃料８２の通路として機能する。管部６５の一端に燃料注入口６３が繋がっている。管部６５は、途中で複数に分岐し、これら分岐した管部６５の終端に燃料排出口６４が繋がっている。管部６５は、例えば内径が０．０５乃至５ｍｍであると好ましい。

燃料注入口６３から燃料供給板６１に注入された液体燃料８２は、複数に分岐した管部６５を介して複数の燃料排出口６４にそれぞれ導かれる。上記したような燃料供給板６１を用いることにより、燃料供給板６１に注入された液体燃料８２を方向や位置に拘わりなく、複数の燃料排出口６４に均等に分配することができる。燃料排出面６１Ｓから液体燃料８２を均等に排出できるため、膜電極接合体３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３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３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。

図１に示すように、多孔体１０は、燃料極支持板６及び燃料供給板６１間に挿入され、挟持されている。多孔体１０は、発電領域Ｒ１に重なり、凹部５４をほぼ全て覆っている。多孔体１０は、各種樹脂を材料として形成され、多孔質状態の樹脂フィルム等を材料として形成されている。このような多孔体１０を用いることによって、アノード２１に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。

すなわち、燃料供給板６１の燃料排出口６４から噴出した液体燃料８２は、一旦多孔体１０に吸収され、多孔体１０の内部で面内方向に拡散される。この後、多孔体１０からアノード２１に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。

図１に示すように、シール材１３は、絶縁材料として、例えばゴムで形成されている。シール材１３は、多孔体１０の外周を囲むよう枠状に形成されている。ここで、シール材１３は、燃料極支持板６及び燃料供給板６１間からの燃料の漏れを防止する機能を有している。

図１及び図１０に示すように、フロントカバー１５は、矩形状の板部７１を有している。板部７１はカソード導電層３４上に設けられている。板部７１は、膜電極接合体３、より詳しくはカソード２４に酸化剤としての空気を取入れるための複数の通気孔７２を有している。通気孔７２は、マトリクス状に設けられている。

なお、図示しないが、フロントカバー１５は、板部７１の周縁から外側に延出した複数の延出部を有している。燃料電池セル１は、これら延出部がバックカバー９の外面にかしめ加工されることにより完成する。このため、膜電極接合体３、集電体４、燃料極支持板６及び多孔体１０は、バックカバー９及びフロントカバー１５で挟持されている。

ここで、カソード２４及びフロントカバー１５間に、図示しない保湿板や表面層を設けても良い。保湿板は、フロントカバー１５の通気孔７２を通って導入される空気の通過を阻害せず、かつ、外部からの埃や異物の混入、さらには接触などを防止するものである。

保湿板は、カソード触媒層２５において生成された水の一部を吸収して水の蒸散を抑制し、かつ、カソードガス拡散層２６に空気を均一に導入することによりカソード触媒層２５への空気の均一拡散を促す機能を有している。保湿板には好ましくは気孔率が例えば２０〜６０％の多孔性フィルム等が用いられる。

表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。
上述した燃料電池セル１の厚みＴ１は、７．５ｍｍである。なお、厚みＴ１は、バックカバー９の外面及びフロントカバー１５の外面間の長さに等しい。このため、凹部５４の空間体積と、燃料電池セルの厚みと、の比は、０．１７５（ｃｃ／ｍｍ）である。

図１に示すように、燃料供給源２は、燃料収容部８１を備えている。燃料収容部８１には液体燃料８２が収容されている。液体燃料８２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。

燃料供給源２は、流路８３及びポンプ８４をさらに備えている。流路８３はチューブ状に形成され、燃料収容部８１及び燃料注入口６３に接続されている。このため、燃料供給部７には燃料収容部８１から流路８３を介して液体燃料８２が導入される。

ポンプ８４は、流路８３の途中に挿入されている。ポンプ８４は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料供給源２から燃料供給部７に液体燃料８２を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ８４で必要時に液体燃料８２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。

燃料供給部７から膜電極接合体３に供給された液体燃料８２は発電反応に使用され、その後に循環して燃料供給源２に戻されることはない。この実施の形態の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料電池は、液体燃料８２の供給にポンプ８４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。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される方式を適用している。

ポンプ８４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８２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が好ましい。

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。

燃料電池を搭載する主たる対象物が小型電子機器であることから、ポンプ８４の送液量は、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８２の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ８４の停止時間が長くなる。このため、膜電極接合体３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８４と燃料供給部７との間に設けてもよいが、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８４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恐れがある。これによって、燃料電池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８４を使用することが好ましい。ポンプ８４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８４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。

ポンプ８４は、必要時動作させて燃料供給源２から燃料供給部７に液体燃料８２を供給する。このように、ポンプ８４で燃料供給源２から燃料供給部７まで液体燃料８２を送液する場合においても、燃料供給部７は有効に機能するため、膜電極接合体３に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。

また、燃料供給部７から膜電極接合体３への燃料供給が行われる構成であればポンプ８４に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
上記したように、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、ポンプ８４を稼動させ、燃料収容部８１から流路８３を介して燃料供給部７に液体燃料８２を導入させる。この液体燃料８２は燃料供給部７から放出され、液体燃料８２の気化成分が膜電極接合体３のアノード２１に供給される。この実施の形態において、燃料極支持板６は凹部５４を有しているため、燃料はアノード２１に均一に供給される。

膜電極接合体３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８２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。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）
この反応で生成した電子（ｅ⁻）は集電体４を経由して端子３３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、端子３６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_２ → ３Ｈ_２Ｏ …（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、本願発明者は、実施例１乃至４の燃料電池及び比較例１の燃料電池を評価するため、電圧偏差及び出力相対値を測定した。測定する際、燃料として純メタノール燃料を用い、燃料収容部８１に収容された純メタノール燃料をポンプ８４を用いて燃料排出口６４まで液送し、一定電圧で発電を行った。また、燃料電池を、温度２５℃、相対湿度５０％の環境下に配置した。

まず、実施例１の燃料電池について説明する。実施例１の燃料電池は上述した実施の形態の燃料電池である。
図１１に示すように、燃料極支持板６は凹部５４を有している。凹部５４の面積と、発電領域Ｒ１の面積との比は、０．８８である。凹部５４の空間体積と、燃料電池セル１の厚みとの比は、０．１７５（ｃｃ／ｍｍ）である。出力としての電圧のばらつきを示す電圧偏差は１０ｍＶであった。上記したことから、出力が安定していることが分かる。そして、出力の高い燃料電池を実現することができた。なお、この実施例１の燃料電池の出力相対値を１００とした。

次に、比較例１の燃料電池について説明する。
図１１に示すように、燃料極支持板６は凹部５４を有していない。電圧偏差は１００ｍＶであった。上記したことから、出力が不安定であることが分かる。比較例１の燃料電池の出力相対値は７５であった。上記したことから、出力の高い燃料電池を実現することができなかった。

次に、実施例２の燃料電池について説明する。実施例２の燃料電池は、凹部５４のサイズを変えた以外、上記実施の形態の燃料電池と同様に形成されている。
図１１に示すように、燃料極支持板６は凹部５４を有している。凹部５４の面積と、発電領域Ｒ１の面積との比は、０．６５である。凹部５４の空間体積と、燃料電池セル１の厚みとの比は、０．１７５（ｃｃ／ｍｍ）である。電圧偏差は５０ｍＶであった。上記したことから、実施例１に比較し出力が不安定であることが分かる。実施例２の燃料電池の出力相対値は８３であった。上記したことから、比較例１に比較し優れてはいるが、実施例１に比較した場合には出力の高い燃料電池を実現することができなかった。

次に、実施例３の燃料電池について説明する。実施例３の燃料電池は、凹部５４のサイズを変えた以外、上記実施の形態の燃料電池と同様に形成されている。
図１１に示すように、燃料極支持板６は凹部５４を有している。凹部５４の面積と、発電領域Ｒ１の面積との比は、１．３である。凹部５４の空間体積と、燃料電池セル１の厚みとの比は、０．１７５（ｃｃ／ｍｍ）である。電圧偏差は１２ｍＶであった。出力が安定していることが分かる。実施例３の燃料電池の出力相対値は８５であった。上記したことから、比較例１に比較し優れてはいるが、実施例１に比較した場合には出力の高い燃料電池を実現することができなかった。

次に、実施例４の燃料電池について説明する。実施例４の燃料電池は、燃料電池セル１の厚みＴ１を５ｍｍ、凹部５４の厚みＴ３を０．１ｍｍに変えた以外、上記実施の形態の燃料電池と同様に形成されている。
図１１に示すように、燃料極支持板６は凹部５４を有している。凹部５４の面積と、発電領域Ｒ１の面積との比は、０．８８である。凹部５４の空間体積と、燃料電池セル１の厚みとの比は、０．０５３（ｃｃ／ｍｍ）である。電圧偏差は８０ｍＶであった。実施例１に比較し出力が不安定であることが分かる。実施例４の燃料電池の出力相対値は８０であった。上記したことから、比較例１に比較し優れてはいるが、実施例１に比較した場合には出力の高い燃料電池を実現することができなかった。

上記したように構成された燃料電池によれば、燃料電池セル１は、膜電極接合体３と、燃料極支持板６と、燃料供給部７とを備えている。燃料極支持板６は凹部５４を有している。凹部５４により燃料極支持板６内部に空間が形成されるため、液体燃料８２の気化成分の面方向への拡散は促進される。これにより、燃料はアノード２１に均一に供給される。上記したことから、燃料電池の出力を向上でき、出力の安定性を高めることができる。

凹部５４の面積と、発電領域Ｒ１の面積との比は、０．８８である。凹部５４は発電領域Ｒ１に８８％以上重なっている。このため、燃料をアノード２１に一層均一に供給でき、燃料電池の出力及びその安定性を一層高めることができる。上記したことは、凹部５４の面積と、発電領域Ｒ１の面積との比が０．７乃至１．２であり、凹部５４が発電領域Ｒ１に７０％以上重なっている場合、上記した効果を得ることができる。

凹部５４の空間体積と、燃料電池セル１の厚みとの比は、０．１７５（ｃｃ／ｍｍ）である。さらに、厚さ１０ｍｍである。このため、燃料電池セル１を薄型化した場合であっても、燃料極支持板６に凹部５４を形成することにより、燃料をアノード２１に一層均一に供給できる。そして、燃料電池の出力及びその安定性を一層高めることができる。上記したことは、凹部５４の空間体積と、燃料電池セル１の厚みとの比は、０．０５（ｃｃ／ｍｍ）以上であり、厚さ５０ｍｍ以下である場合、上記した効果を得ることができる。

バックカバー９において、燃料排出面６１Ｓに形成された複数の燃料排出口６４は、管部６５により燃料注入口６３と連通している。このため、燃料供給板６１に注入された液体燃料８２を方向や位置に拘わりなく、複数の燃料排出口６４に均等に分配することができる。燃料排出面６１Ｓから液体燃料８２を均等に排出できるため、膜電極接合体３における発電反応の均一性を高めることができる。これにより、燃料電池の出力を向上させることができ、出力やその安定性を高めることができる。
上記したことから、出力特性に優れた燃料電池セル１及び燃料電池セル１を備えた燃料電池を得ることができる。

次に、この発明の第２の実施の形態に係る燃料電池セル及び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。この実施の形態において、他の構成は上述した第１の実施の形態と同一であり、同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。

図１２及び図１３に示すように、燃料電池は、燃料電池セル１と、燃料を収容するとともに燃料を燃料電池セル１に与える燃料供給源２とを備えている。この実施の形態において、燃料電池の燃料供給方式はパッシブ方式である。

燃料電池セル１は、膜電極接合体３と、集電体４と、燃料極支持板６と、燃料供給部７と、フロントカバー１５とを備えている。燃料極支持板６は凹部５４を有している。燃料供給部７は、バックカバー９と、シール材１３と、気液分離膜１４とを備えている。なお、多孔体１０は設けられていない。

バックカバー９は、燃料供給板６１を有している。この実施の形態において、燃料供給板６１は燃料分配板として機能する。燃料供給板６１は、燃料排出面６１Ｓを有している。燃料供給板６１には、少なくとも１つの燃料注入口６３と、複数の燃料排出口６４と、空隙部６６とが形成されている。

燃料注入口６３は、燃料供給板６１の適所、例えば側面に１つ形成されている。液体燃料８２は、燃料注入口６３から注入される。空隙部６６は、燃料供給板６１内部に形成され、燃料注入口６３及び燃料排出口６４に繋がっている。空隙部６６は液体燃料８２の通路となる。

燃料排出口６４は、燃料排出面６１Ｓに形成されている。燃料排出口６４は、空隙部６６にそれぞれ直接接続されている。燃料排出口６４からは、液体燃料８２が排出される。液体燃料８２を収容する空隙部６６は、液溜めとして機能し、燃料供給部７によって周囲を規定される所定容量のスペースからなる。

燃料注入口６３から燃料供給部７に導入された液体燃料８２は空隙部６６に入り、この燃料通路として機能する空隙部６６を介して複数の燃料排出口６４にそれぞれ導かれる。燃料排出面６１Ｓ上には、液体燃料８２の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離膜１４が配置されていてもよい。

気液分離膜１４は、燃料極支持板６及び燃料供給板６１間に挿入され、挟持されている。気液分離膜１４は、発電領域Ｒ１に重なり、凹部５４を全て覆っている。シール材１３は、気液分離膜１４の外周を囲むよう枠状に形成されている。

これにより、膜電極接合体３のアノード２１には液体燃料８２の気化成分が供給される。従って、液体燃料８２の気化成分は、複数の燃料排出口６４からアノード２１の複数個所に向けて排出される。燃料排出口６４は、膜電極接合体３の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料排出面６１Ｓに複数設けられている。燃料排出口６４の個数は２個以上であれば良い。

燃料供給部７の空隙部６６はバッファとして機能するため、複数の燃料排出口６４からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。燃料排出口６４は膜電極接合体３の全面に燃料が供給されるように配置されているため、膜電極接合体３に対する燃料供給量を均一化することができる。

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３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３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。

上記実施の形態で用いた燃料供給部７は、その内部に設けられた空隙部６６から燃料を複数の燃料排出口６４に分配している。このため、厳密には燃料注入口６３に近い側の温度が若干高く、奥に行くに従って温度が低下する現象が観察される。また、燃料電池セル１を傾斜させた場合には重力の影響等から傾斜方向によって温度分布が変化し、下側の部分の反応が高くなる傾向が観察される。実用上はこれでも十分な性能を得ることができるが、さらに優れた出力を得るためには、上述した第１の実施の形態の燃料電池のように、燃料注入口６３と、燃料排出口６４とを管部６５で連通させた燃料供給部７を用いることが好ましい。

空隙部６６の内部には、図示しない液体燃料含浸層が設けられている。空隙部６６内の液体燃料８２が減少した場合や燃料電池セル１が傾斜して載置され燃料供給が偏った場合においても、液体燃料含浸層は、気液分離膜１４に均質に燃料供給する。その結果、アノード触媒層２２に対して均質に気化された液体燃料を供給することが可能となる。

液体燃料含浸層として、例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質オレフィン系樹脂等多硬質繊維や、連続気泡多孔質体樹脂が好ましい。ポリエステル繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより液体燃料含浸層を形成しても良い。スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる材料により液体燃料含浸層を形成する。このような液体燃料含浸層は本体の姿勢に関わらず適量の燃料を供給するのに有効である。

上記したように構成された燃料電池によれば、燃料電池セル１は、膜電極接合体３と、燃料極支持板６と、燃料供給部７とを備えている。燃料極支持板６は凹部５４を有している。凹部５４により燃料極支持板６内部に空間が形成されるため、液体燃料８２の気化成分の面方向への拡散は促進される。これにより、燃料はアノード２１に均一に供給される。上記したことから、燃料電池の出力を向上でき、出力の安定性を高めることができる。
上記したことから、出力特性に優れた燃料電池セル１及び燃料電池セル１を備えた燃料電池を得ることができる。

なお、この発明は上記実施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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、図９に示した燃料排出口６４の位置を工夫し、膜電極接合体３の特定個所により多くの燃料を供給するよう燃料供給板６１を設計しても良い。製品への燃料電池装着上の都合から燃料電池セル１の半分の部位の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、燃料排出口６４及び管部６５の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料排出口６４を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。

液体燃料８２を燃料収容部８１から燃料供給部７まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料８２を燃料収容部８１から燃料供給部７まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路８３を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部８１から燃料供給部７まで送液することもできる。
集電体４は必要に応じて設けられていれば良い。

流路８３は燃料供給部７や燃料収容部８１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７と燃料収容部８１とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料８２の流路であってもよい。燃料供給部７は流路８３を介して燃料収容部８１と接続されていれば良い。

膜電極接合体３は複数の発電素子２０を有し、発電素子２０が直列に接続されているが、これに限られるものではない。膜電極接合体３は、アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７が重なった発電領域Ｒ１に形成された１つの発電素子２０を有していても良い。

図１に示した燃料供給源２は、ポンプ８４を制御する制御部を有していても良い。燃料供給用（送液用）のポンプ８４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で検出され、この検出結果に基づいてポンプ８４に制御信号が送られる。ポンプ８４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８４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８４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８４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８４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８４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８４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。

燃料電池としての安定性や信頼性を高めるため、図１に示した燃料供給源２は、燃料遮断バルブを有していても良い。燃料遮断バルブは、ポンプ８４と直列に配置することが好ましい。燃料遮断バルブは、例えばポンプ８４と燃料供給部７との間の流路８３に挿入されている。燃料遮断バルブは、ポンプ８４と燃料収容部８１との間に設置しても機能上の支障はない。

ただし、燃料遮断バルブをポンプ８４と燃料収容部８１との間の流路８３に設置した場合、例えば長期保管時にポンプ８４の燃料が蒸発すると、燃料収容部８１からの液体燃料８２の吸出し機能に支障が生じる恐れがある。このようなことから、燃料遮断バルブはポンプ８４と燃料供給部７との間の流路８３に設置し、長期保管時等におけるポンプ８４からの液体燃料８２の蒸発を防止することが好ましい。

このように、燃料収容部８１と燃料供給部７との間に燃料遮断バルブを挿入することによって、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ができる。これらは燃料電池の実用上の利便性の向上に大きく貢献するものである。

さらに、燃料遮断バルブは、図１２に示した燃料供給源２が有していても有効である。例えば、燃料供給部７と燃料収容部８１とを接続する流路８３に燃料遮断バルブを挿入する。このような構成を適用することによって、膜電極接合体３に対する燃料の供給を制御し、燃料電池の出力制御性を高めることができる。この場合の燃料遮断バルブの動作制御は、上述したポンプ８４の動作制御と同様に実施することができる。

図１に示した燃料電池において、燃料収容部８１や流路８３に、燃料収容部８１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８１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８１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。

バランスバルブを燃料収容部８１等に設置することによって、液体燃料８２の供給に伴って発生する燃料収容部８１の内圧低下に起因する送液量の変動を抑制することができる。すなわち、燃料収容部８１内が減圧状態になると、ポンプ８４による液体燃料８２の吸い込みが不安定になり、送液量が変動しやすくなる。

このような送液量の変動をバランスバルブを設置することで解消することができる。従って、燃料電池の動作安定性を向上させることが可能となる。なお、バランスバルブを流路８３に設置する場合には、バランスバルブを燃料収容部８１とポンプ８４との間に挿入することが好ましい。

この発明は、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８２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８２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。液体燃料８２は、膜電極接合体３に対応していれば良い。液体燃料８２は、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、その他の液体燃料であっても良い。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。

なお、本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わせにより、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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

また、膜電極接合体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本発明を適用することができる。

この発明の第１の実施の形態に係る燃料電池を示す断面図。 図１に示した膜電極接合体を示す平面図。 図１に示した導電層を展開して示す平面図。 上記導電層が二つ折りになっている状態を示す斜視図。 上記導電層が上記膜電極接合体を挟み込む様子を示す断面図。 図１に示した燃料極支持板を示す斜視図。 上記燃料極支持板を示す概略斜視図。 上記燃料極支持板を示す概略断面図。 図１に示したバックカバーを示す概略断面図。 図１に示したフロントカバーを示す概略斜視図。 上記燃料極支持板の凹部の有無と、凹部の面積と発電領域の面積との比と、凹部の空間体積と図１に示した燃料電池セルの厚みとの比と、に対する電圧偏差及び出力相対値の変化を表で示した図。 この発明の第２の実施の形態に係る燃料電池を示す断面図。 図１２に示したバックカバーを示す概略斜視図。

符号の説明

１…燃料電池セル、２…燃料供給源、３…膜電極接合体、４…集電体、６…燃料極支持板、７…燃料供給部、９…バックカバー、１０…多孔体、１３…シール材、１４…気液分離膜、１５…フロントカバー、２０…発電素子、２１…アノード、２２…アノード触媒層、２３…アノードガス拡散層、２４…カソード、２５…カソード触媒層、２６…カソードガス拡散層、２７…電解質膜、３０…導電層、３１…アノード導電層、３２…燃料通過孔、３３…端子、３４…カソード導電層、３５…通気孔、３６…端子、３７…導電部材、３８…シール材、３９…シール材、５１…板部、５２…上壁、５３…周壁、５４…凹部、５５…燃料通過孔、６１…燃料供給板、６１Ｓ…燃料排出面、６３…燃料注入口、６４…燃料排出口、６５…管部、６６…空隙部、７１…板部、７２…通気孔、８１…燃料収容部、８２…液体燃料、８３…流路、８４…ポンプ、Ｒ１…発電領域、Ｒ２…有効領域、Ｒ３…非有効領域。

Claims (5)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極及び空気極間に挟持された電解質膜と、を有した膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体に対向配置され、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、
   板状に形成され、前記燃料極及び燃料供給部間に挟持され、前記燃料供給部側に設けられているとともに前記燃料供給部に向かって開放した凹部と、前記凹部が形成された領域を含んで形成され前記膜電極接合体に燃料を通過させる複数の燃料通過孔と、を有した燃料極支持板と、を備えている燃料電池セル。
2. 前記凹部の面積と、前記燃料極、空気極及び電解質膜が重なった発電領域の面積と、の比は、０．７乃至１．２であり、前記凹部は前記発電領域に７０％以上重なっている請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記凹部の面積と、前記燃料極、空気極及び電解質膜が重なっているとともに互いに間隔を置いて位置した複数の有効領域、並びに前記有効領域の間に位置した非有効領域を含んだ発電領域の面積と、の比は、０．７乃至１．２であり、前記凹部は前記発電領域に７０％以上重なっている請求項１に記載の燃料電池セル。
4. 前記凹部の空間体積と、前記燃料電池セルの厚みと、の比は、０．０５（ｃｃ／ｍｍ）以上であり、かつ前記燃料電池セルの厚みは５０ｍｍ以下である請求項１に記載の燃料電池セル。
5. 燃料極と、空気極と、前記燃料極及び空気極に挟持された電解質膜と、を有した膜電極接合体と、前記膜電極接合体に対向配置され、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、板状に形成され、前記燃料極及び燃料供給部間に挟持され、前記燃料供給部側に設けられているとともに前記燃料供給部に向かって開放した凹部と、前記凹部が形成された領域を含んで形成され前記膜電極接合体に燃料を通過させる複数の燃料通過孔と、を有した燃料極支持板と、を具備した燃料電池セルと、
   燃料を収容するとともに燃料を前記燃料供給部に与える燃料供給源と、を備えている燃料電池。

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