JP2009158419A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力特性に優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池は、燃料極と、空気極と、電解質膜と、を有した膜電極接合体と、燃料極に対して電解質膜の反対側に配置された燃料排出部と、を備え、燃料排出部は、前記燃料極と対向した側の表面に位置した燃料排出面６１Ｓと、燃料排出面の一部を開口して設けられ、燃料を排出する燃料排出口６４と、燃料排出口６４に繋がって燃料排出面６１Ｓに形成され、膜電極接合体に向って開放され、燃料排出口から排出される燃料を燃料排出面方向に導く溝部６６を有している。
【選択図】 図３

Description

この発明は、燃料電池に関し、特に、液体燃料を用いた燃料電池に関する。

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は、
燃料極と、空気極と、前記燃料極及び前記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、
前記燃料極に対して前記電解質膜の反対側に配置された燃料排出部と、を備え、
前記燃料排出部は、前記燃料極と対向した側の表面に位置した燃料排出面と、前記燃料排出面の一部を開口して設けられ、燃料を排出する燃料排出口と、前記燃料排出口に繋がって前記燃料排出面に形成され、前記膜電極接合体に向って開放され、前記燃料排出口から排出される燃料を燃料排出面方向に導く溝部を有している。

この発明によれば、出力特性に優れ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実施の形態に係る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。セミパッシブ方式の燃料電池は、燃料供給源２から燃料電池セル１に供給された燃料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。セミパッシブ方式の燃料電池は、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、燃料の供給にポンプ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。

燃料電池セル１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３と、アノード集電体３１とカソード集電体３４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、カバープレート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、これら有効領域を囲んだ非有効領域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。なお、後述するが、発電領域Ｒ１は、アノードシール材３８、カソードシール材３９の外縁に囲まれた領域である。

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。

アノードガス拡散層２３には、燃料を取り入れるための複数の開孔を有するアノード集電体３１が積層され、カソードガス拡散層２６には、空気を取り入れるための複数の開孔を有するカソード集電体３４が積層されている。これらアノード集電体３１およびカソード集電体３４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。

アノード集電体３１と電解質膜２７との間には、矩形枠状を有するアノードシール材３８が配置されるとともに、アノード触媒層２２およびアノードガス拡散層２３の周囲を囲んでいる。一方、カソード集電体３４と電解質膜２７との間には、矩形枠状を有するカソードシール材３９が配置されるとともに、カソード触媒層２５およびカソードガス拡散層２６の周囲を囲んでいる。アノードシール材３８およびカソードシール材３９は、例えば、ゴム製のＯリングなどで構成され、膜電極接合体３からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、アノードシール材３８およびカソードシール材３９の形状は、矩形枠状に限られず、膜電極接合体３の外縁形に対応するように適宜に構成される。

また、例えば、アノード集電体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。
酸化剤としての空気は、カバープレート１５の通気孔（図示せず）を通り、カソード集電体３４の通気孔（図示せず）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。

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、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、燃料極支持板６は、アノード集電体３１並びに燃料拡散シート１０若しくは燃料排出部８間に挟持されている。なお、燃料拡散シート１０については、後述する。

燃料極支持板６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（図示せず）を有している。燃料通過孔は、マトリクス状に設けられている。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。

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３に示すように、燃料供給部７は、燃料排出部８と、燃料拡散シート１０とを備えている。燃料排出部８は、アノード２１に対して電解質膜２７の反対側に配置されている。燃料排出部８は、アノード２１と対向した側に燃料を排出する燃料排出口６４を有している。燃料拡散シート１０は、アノード２１及び燃料排出部８間に任意に配置されている。燃料拡散シート１０は、燃料排出口６４から排出される燃料を拡散してアノード２１に供給するものである。

燃料排出部８は、矩形状の燃料供給板６１と、燃料供給板６１の周縁部に設けられた矩形枠状の周壁６２とを有している。燃料供給板６１は、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等で形成されている。燃料供給板６１は、膜電極接合体３に対向した側の表面に位置した矩形状の燃料排出面６１Ｓを有している。この実施の形態において、燃料排出面６１Ｓと膜電極接合体３の面積比は１００％である。燃料供給板６１には、１つの燃料注入口６３と、１つの燃料排出口６４と、燃料注入口６３及び燃料排出口６４を繋いだ管部６５と、溝部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。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の一部を開口して設けられている。燃料排出口６４から、液体燃料８２が排出される。 管部６５は、液体燃料８２の通路として機能する。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、管部６５を介して燃料排出口６４に導かれる。このため、燃料は、燃料排出口６４から排出される。

溝部６６は、燃料排出口６４に繋がって燃料排出面６１Ｓに形成されている。図３においては、燃料排出口６４から２本の溝部６６を近傍の角部ではなく遠方の２箇所の角部に向け形成している。溝部６６は、膜電極接合体３に向って開放されている。溝部６６は、燃料排出口６４から排出される燃料を燃料排出面方向に導くものであり、燃料を拡散してアノード２１に均一に供給するものである。

上記したような溝部６６を形成することにより、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から供給された液体燃料８２は、溝部６６を伝い、燃料排出面６１Ｓの面内方向に拡散される。

溝部６６が形成されていない場合、液体燃料８２面方向に不均一に拡散され、燃料がアノード２１に不均一に供給されることになる。

任意に設けられる燃料拡散シート１０は、燃料排出口６４に重ねられ、燃料排出面６１Ｓ上に配置されている。燃料拡散シート１０は燃料排出口６４に密着している。燃料拡散シート１０は、燃料を拡散させる材料で形成されていれば良く、例えば、多孔質状態の多孔質シートであれば良い。この場合、燃料拡散シート１０は、発泡ポリエチレン（サンマップ）や不織布等を材料として形成されていれば良い。

上記したような溝部６６を設けることにより、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、アノード２１に均等に拡散させることができる。このため、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。さらに、燃料拡散シート１０を設けることにより、膜電極接合体３における発電反応の均一性をより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。

カバープレート１５は、カソード集電体３４上に設けられている。カバープレート１５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（図示せず）を有している。通気孔は、マトリクス状に設けられている。

上述した燃料拡散シート１０、燃料極支持板６、膜電極接合体３、アノード集電体３１およびカソード集電体３４は、それぞれの側面が周壁６２によって覆われ、燃料排出部８内に収容されている。

ここで、カソード２４及びカバープレート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、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。

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は管状に形成され、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の途中に配置されている。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。

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、送液量を安定して実現する等の観点から、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。

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は燃料排出部８の燃料排出口６４から排出され、溝部６６を伝って拡散される。溝部６６によって均一に拡散された燃料は膜電極接合体３のアノード２１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⁻）はアノード集電体３１に接続された端子（図示せず）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、カソード集電体３４に接続された端子（図示せず）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、この実施の形態の実施例１乃至８の燃料電池、並びに比較例１及び２の燃料電池を評価するため、各種燃料電池の４つの発電要素の電圧ばらつき及びセル全体の出力を測定した。そして、測定した電圧ばらつき及び出力を基に、各種燃料電池の電圧偏差及び出力相対値を算出した。

出力を測定する際、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い、出力を測定した。また、燃料電池を、温度２５℃、相対湿度５０％の環境下に配置した。

なお、上記した４つの発電要素の電圧ばらつきは、燃料の不均一供給の指標となる数値の一つとして示した。燃料が不均一に供給された場合、ある発電要素では適当量の燃料が供給されているのに対し、他の発電要素では過剰量、または不足量の燃料が供給されることにより、個々の発電要素の維持できる電圧が変化することになる。上記したように燃料電池全体は一定電圧での発電試験を行うため、燃料の不均一供給によりバラツキが生じた電圧は一層バラツキが大きくなる。また、各発電要素は直列でつながれていることから、より電流が引けないことになり、出力が低下することになる。

（比較例２）
まず、比較例２の燃料電池について説明する。比較例２の燃料電池は、１個の燃料排出口６４を有し、上述した溝部６６を有していない。燃料排出口６４は燃料排出面６１Ｓの中央上部に位置している。すなわち、燃料排出口６４は、燃料排出面６１Ｓの一方の短辺の中央部近傍に位置している。燃料排出面６１Ｓと燃料拡散シート１０の面積比は９５％であり、燃料拡散シート１０は燃料排出面６１Ｓより小さい。上記した以外、上述した実施の形態の燃料電池と同様に形成されている。

図９に示すように、電圧偏差は５０ｍＶ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。そして、出力の高い燃料電池を実現することができなかった。なお、比較例２の燃料電池の出力相対値を１００とした。

（実施例１）
次に、実施例１の燃料電池について説明する。図３及び図９に示すように、実施例１の燃料電池は、１個の燃料排出口６４と、２個の溝部６６を有し、上述した燃料拡散シート１０を有していない。

燃料排出口６４は燃料排出面６１Ｓの中央上部に位置している。すなわち、燃料排出口６４は、燃料排出面６１Ｓの一方の短辺の中央部近傍に位置している。溝部６６は、それぞれストライプ状に形成されている。溝部６６は、燃料排出口６４から燃料排出面６１Ｓの他方の短辺側の角部に向って延出している。溝部６６の深さＤは、０．５ｍｍである。溝部６６の先端形状はＲ０．２５である。溝部６６の幅Ｗは０．６５ｍｍである。なお、実施例１のように、溝部６６の長さが同一の場合、溝部６６は、全て同一の寸法（深さＤ及びＲが同一）であれば良い。上記した以外、上述した実施の形態の燃料電池と同様に形成されている。

図９に示すように、電圧偏差は４０ｍＶであった。上記したことから、実施例１の燃料電池は、比較例２の燃料電池より出力が安定していることが分かる。出力相対値は１１０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た。

（実施例２）
次に、実施例２の燃料電池について説明する。図４及び図９に示すように、実施例２の燃料電池は、２個の燃料排出口６４と、４個の溝部６６を有し、上述した燃料拡散シート１０を有していない。

燃料排出口６４は燃料排出面６１Ｓの中央上部と中央下部に位置している。すなわち、燃料排出口６４は、燃料排出面６１Ｓの一方の短辺の中央部近傍と、燃料排出面６１Ｓの他方の短辺の中央部近傍に位置している。各燃料排出口６４に２個の溝部６６が繋がっている。溝部６６は、それぞれストライプ状に形成されている。溝部６６は、燃料排出口６４から燃料排出面６１Ｓの長辺の中央部近傍に向って延出している。溝部６６の深さＤは、０．５ｍｍである。溝部６６の先端形状はＲ０．２５である。溝部６６の幅Ｗは０．６５ｍｍである。上記した以外、上述した実施の形態の燃料電池と同様に形成されている。

図９に示すように、電圧偏差は３５ｍＶであった。上記したことから、実施例２の燃料電池は、比較例２の燃料電池より出力が安定していることが分かる。出力相対値は１１５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た。

（実施例３）
次に、実施例３の燃料電池について説明する。図５及び図９に示すように、実施例３の燃料電池は、２個の燃料排出口６４と、４個の溝部６６を有し、上述した燃料拡散シート１０を有していない。

燃料排出口６４は燃料排出面６１Ｓの中央部２個所に位置している。燃料排出口６４は、燃料排出面６１Ｓの一対の短辺の対向した方向に並んでいる。各燃料排出口６４に２個の溝部６６が繋がっている。溝部６６は、それぞれストライプ状に形成されている。溝部６６は、燃料排出口６４からこの燃料排出口に近い燃料排出面６１Ｓの短辺側の角部に向って延出している。溝部６６の深さＤは、０．５ｍｍである。溝部６６の先端形状はＲ０．２５である。溝部６６の幅Ｗは０．６５ｍｍである。上記した以外、上述した実施の形態の燃料電池と同様に形成されている。

図９に示すように、電圧偏差は３５ｍＶであった。上記したことから、実施例３の燃料電池は、比較例２の燃料電池より出力が安定していることが分かる。出力相対値は１１５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た。

（実施例４）
次に、実施例４の燃料電池について説明する。図６及び図９に示すように、実施例４の燃料電池は、２個の燃料排出口６４と、４個の溝部を有し、上述した燃料拡散シート１０を有していない。より詳しくは、燃料電池は、２個の第１溝部６６ａと、第１溝部より短い２個の第２溝部６６ｂとを有している。

燃料排出口６４は燃料排出面６１Ｓの左上角部と右下角部に位置している。すなわち、燃料排出口６４は、燃料排出面６１Ｓの対角線上に位置した２つの角部に設けられている。各燃料排出口６４に１個の第１溝部６６ａ及び１個の第２溝部６６ｂが繋がっている。第１溝部６６ａ及び第２溝部６６ｂは、それぞれストライプ状に形成されている。

各第１溝部６６ａは、燃料排出口６４から燃料排出面６１Ｓの長辺に沿った方向に延出している。各第２溝部６６ｂは、燃料排出口６４から燃料排出面６１Ｓの短辺に沿った方向に延出している。第１溝部６６ａの深さＤａは、０．５ｍｍである。第１溝部６６ａの先端形状はＲ０．２５である。第１溝部６６ａの幅Ｗは０．６５ｍｍである。第２溝部６６ｂの深さＤｂは、０．３ｍｍである。第２溝部６６ｂの先端形状はＲ０．２５である。第２溝部６６ｂの幅Ｗは０．６５ｍｍである。上記した以外、上述した実施の形態の燃料電池と同様に形成されている。

図９に示すように、電圧偏差は３５ｍＶであった。上記したことから、実施例４の燃料電池は、比較例２の燃料電池より出力が安定していることが分かる。出力相対値は１１５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た。

ここで、第１溝部６６ａ及び第２溝部６６ｂの長さが異なる場合、第１溝部６６ａ及び第２溝部６６ｂの間に、次の関係が成り立つ。

（Ｄｂ／Ｄａ）×０．８≦Ｄａ≦Ｄｂ／Ｄａ
すなわち、上記関係を満たすことで、上記効果を得ることができる。

（実施例５）
次に、実施例５の燃料電池について説明する。図３及び図９に示すように、実施例５の燃料電池は、上述した燃料拡散シート１０を有している。燃料排出面６１Ｓと燃料拡散シート１０の面積比は９６％である。燃料拡散シート１０は燃料排出面６１Ｓより小さい。上記した以外、実施例５の燃料電池は、上述した実施例１の燃料電池と同様に形成されている。

図９に示すように、電圧偏差は２５ｍＶであった。上記したことから、実施例５の燃料電池は、比較例２の燃料電池より出力が安定していることが分かる。出力相対値は１３３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た。

（実施例６）
次に、実施例６の燃料電池について説明する。図７及び図９に示すように、実施例６の燃料電池は、実施例１の燃料電池にさらに１個の溝部６６を設けて形成されている。このため、実施例６の燃料電池は３個の溝部６６を設けて形成されている。

溝部６６は、それぞれストライプ状に形成されている。２個の溝部６６は、燃料排出口６４から燃料排出面６１Ｓの他方の短辺側の角部に向って延出している。残り１個の溝部６６は、燃料排出口６４から燃料排出面６１Ｓの他方の短辺の中央部近傍に位置している。

溝部６６の深さＤは、０．５ｍｍである。溝部６６の先端形状はＲ０．２５である。溝部６６の幅Ｗは０．６５ｍｍである。上記した以外、実施例６の燃料電池は、上述した実施例１の燃料電池と同様に形成されている。

電圧偏差は４０ｍＶであった。上記したことから、実施例６の燃料電池は比較例２の燃料電池より出力が安定していることが分かる。出力相対値は１１５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た。

（実施例７）
次に、実施例７の燃料電池について説明する。図６及び図９に示すように、実施例７の燃料電池は、実施例４の燃料電池と同様に形成されている。但し、第１溝部６６ａ及び第２溝部６６ｂの深さの比率を（Ｄｂ／Ｄａ）×０．８≦Ｄａ≦Ｄｂ／Ｄａの関係が成り立たないよう第１溝部６６ａ及び第２溝部６６ｂを形成した。

電圧偏差は４０ｍＶであった。上記したことから、実施例７の燃料電池は比較例２の燃料電池より出力が安定しているが、実施例４に燃料電池より若干出力が低下しでいるこが分かる。出力相対値は１１０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た。

（実施例８）
次に、実施例８の燃料電池について説明する。図８及び図９に示すように、実施例８の燃料電池は、実施例２の燃料電池と同様に形成されている。但し、溝部６６が互いに交差するように形成した。

電圧偏差は３５ｍＶであった。上記したことから、実施例８の燃料電池は比較例２の燃料電池より出力が安定していることが分かる。出力相対値は１１５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た。

（比較例１）
次に、比較例１の燃料電池について説明する。図９に示すように、比較例１の燃料電池は、上述した溝部６６及び燃料拡散シート１０を有していない。上記した以外、比較例１の燃料電池は、上述した実施例１の燃料電池と同様に形成されている。

電圧偏差は８０ｍＶ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。出力相対値は８５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。

以上の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、燃料排出部８とを備えている。燃料排出部８は、燃料排出口６４及び溝部６６（第１溝部６６ａ、第２溝部６６ｂ）を有している。このため、液体燃料８２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。このため、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。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。

さらに、燃料電池セル１に燃料拡散シート１０を設けることにより、液体燃料８２の面方向への拡散は促進される。これにより、燃料電池の出力をさらに向上でき、出力の安定性をさらに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、燃料排出口６４は１個又は２個設けられていれば良く、溝部６６は、各燃料排出口６４に１個又は２個繋げて設けられていれば良い。燃料排出口６４を１個、溝部６６を２個設ける場合、溝部６６の長さが同一であれば、溝部６６は、全て同一の寸法（深さＤ及びＲが同一）であれば良い。

燃料排出口６４を３つ以上設けた場合、又は、各燃料排出口６４に３つ以上の溝部６６を繋げた場合、アノードへの燃料の供給量が増大する恐れがある。燃料の供給量が増大した場合、アノード近傍で燃料濃度が高くなりすぎてしまう。すると、燃料が反応することなくカソードへ流れてしまう現象が発生する。上記現象は、クロスオーバーと呼ばれる。これにより、燃費の低下や、カソードでの燃料の直接反応に伴う電圧低下が生じることとなる。電圧低下は、出力低下の原因となる。上述したことから、燃料排出口６４を１個又は２個設け、各燃料排出口６４に１個又は２個の溝部を繋げて設ければ良く、これにより、上述した効果を得ることができる。

また、溝部６６を互いに交差させずに設ければ良く、これにより、液体燃料８２を面方向へ均一に拡散させることができる。溝部６６が互いに交差した場合、溝部６６の交差部で局所的に燃料が滞留する不具合が生じてしまい、燃料の拡散にばらつきが生じてしまう。

例えば、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、図１及び図３等に示した燃料排出口６４及び溝部６６の個数や位置を工夫して設計しても良い。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。

溝部６６は、ストライプ状に形成され、先端形状がＲ１以下であれば良い。又、溝部６６は、ストライプ状に形成され、１ｍｍ以下の幅Ｗを有していれば良い。これにより、上述した効果を得ることができる。

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や燃料供給源２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１に示したポンプ８４に代えて配置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。
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に示した燃料排出部を示す平面図。 上記実施の形態の実施例２の燃料電池の燃料排出部を示す平面図。 上記実施の形態の実施例３の燃料電池の燃料排出部を示す平面図。 上記実施の形態の実施例４の燃料電池の燃料排出部を示す平面図。 上記実施の形態の比較例３の燃料電池の燃料排出部を示す平面図。 上記実施の形態の比較例５の燃料電池の燃料排出部を示す平面図。 上記実施の形態の実施例１乃至８並びに比較例１及び２の（１）燃料排出口の位置、（２）溝部の位置、（３）溝部の形状、（４）燃料拡散シートの有無、（５）燃料排出面（タンク底面）と膜電極接合体の面積比、（６）燃料排出面（タンク底面）と燃料拡散シートの面積比、（７）電圧偏差及び（８）出力を表で示した図。

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、８…燃料排出部、１０…燃料拡散シート、１５…カバープレート、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、３１…アノード集電体、３４…カソード集電体、３３８・・・アノードシール材，３９…カソードシール材、５５…燃料通過孔、６１…燃料供給板、６１Ｓ…燃料排出面、６２…周壁、６３…燃料注入口、６４…燃料排出口、６５…管部、６６…溝部、６６ａ…第１溝部、６６ｂ…第２溝部、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 (6)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極及び前記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、
   前記燃料極に対して前記電解質膜の反対側に配置された燃料排出部と、を備え、
   前記燃料排出部は、前記燃料極と対向した側の表面に位置した燃料排出面と、前記燃料排出面の一部を開口して設けられ、燃料を排出する燃料排出口と、前記燃料排出口に繋がって前記燃料排出面に形成され、前記膜電極接合体に向って開放され、前記燃料排出口から排出される燃料を燃料排出面方向に導く溝部を有している、燃料電池。
2. 前記燃料排出部は、前記燃料排出口に繋がって前記燃料排出面に形成され、前記膜電極接合体に向って開放され、前記燃料排出口から排出される燃料を燃料排出面方向に導く複数の溝部を有している請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料排出部は、前記燃料排出面の一部を開口して設けられ、燃料を排出する他の燃料排出口と、前記他の燃料排出口に繋がって前記燃料排出面に形成され、前記膜電極接合体に向って開放され、前記他の燃料排出口から排出される燃料を燃料排出面方向に導く他の溝部と、を有している請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記溝部は、ストライプ状に形成され、先端形状がＲ１以下である請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記溝部は、ストライプ状に形成され、１ｍｍ以下の幅を有している請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記燃料極と対向した側の前記燃料排出面上に配置され、燃料を拡散して前記燃料極に供給する燃料拡散シートをさらに備えている請求項１に記載の燃料電池。

Images