JP2009238647A - 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、前記燃料極及び前記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、燃料極に対して電解質膜の反対側に配置され、燃料極に燃料を供給する燃料供給部８と、膜電極接合体及び燃料供給部間に配置され、燃料極に水を供給する水供給部と、水供給部に水を注入する水注入部９と、を備えている。
【選択図】図１

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、水が発電部に十分に供給されない場合がある。水の供給状態が不十分になると、発電に寄与する発電部の割合が減少し、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、水の供給状態が不十分であると、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、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、
前記膜電極接合体及び燃料供給部間に配置され、前記燃料極に水を供給する水供給部と、
前記水供給部に水を注入する水注入部と、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に与える燃料導入部２と、水を収容するとともに水を燃料電池セル１に与える水注入部９と、制御部５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、燃料導入部２から燃料電池セル１に導入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導入部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、燃料供給部８と、カバープレート１５と、保湿板４１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１つの有効領域Ｒ２を有している。なお、有効領域Ｒ２は、矩形状であり、この実施の形態においては発電領域Ｒ１と一致している。

また、膜電極接合体３は１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、発電領域Ｒ１（有効領域Ｒ２）に重なっている。１つの発電素子２０は１つの電解質膜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、矩形枠状のアノードシール材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、矩形枠状のカソードシール材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、水漏れ、及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８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。

図１及び図３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８間に挟持されている。より詳しくは、板部５１は、アノード集電体３１並びに燃料供給部８間に挟持されている。

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５５を有している。燃料通過孔５５は、発電領域Ｒ１に重なって板部５１に形成されている。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。

ここで、液体燃料８２としては、液体のメタノールからなるメタノール燃料が挙げられる。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する。

なお、液体燃料８２は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えば純エタノールからなるエタノール燃料、純プロパノールからなるプロパノール燃料、純グリコールからなるグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。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、液体燃料８２としては、メタノール水溶液であっても良い。この場合、液体燃料８２の気化成分とは、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。さらに、液体燃料８２は、例えばエタノール水溶液等のエタノール燃料、プロパノール水溶液等のプロパノール燃料、グリコール水溶液等のグリコール燃料であってもよい。

図１に示すように、燃料供給部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。燃料供給部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。

燃料供給部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供給面６１Ｓを有している。燃料供給板６１には、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、燃料供給面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。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、燃料排出口６４からは液体燃料８２が排出され、液体燃料８２が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。なお、上記したように、アノード集電体３１と、燃料供給部８との間に、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に供給しても良い。

燃料電池セル１は、水注入口６６を有している。この実施の形態において、周壁６２が水注入口６６を有している。水注入口６６は、周壁６２の適所に、例えば１つ形成されている。水９２は、水注入口６６から燃料電池セル１の内部に注入される。

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。

上述した燃料極支持板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、燃料供給面６１Ｓ上に重なっている。

ここで、カソード２４及びカバープレート１５間に、保湿板４１の他、図示しない表面層を設けても良い。保湿板４１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。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４に示すように、燃料電池セル１は、膜電極接合体３の温度を検出するセンサ１００を有している。センサ１００は、例えば板状のサーミスタである。センサ１００は、例えばカソード集電体３４及び保湿板４１間に設けられている。この場合、センサ１００はカソード２４側の温度を検出する。

図１に示すように、燃料導入部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。この実施の形態において、液体燃料８２は、純メタノールである。

燃料導入部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８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、あくまでも燃料導入部２から燃料供給部８に液体燃料８２を送液する燃料導入ポンプである。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導入部２から燃料供給部８に液体燃料８２を供給する。このように、ポンプ８４で燃料導入部２から燃料供給部８まで液体燃料８２を送液する場合においても、燃料供給部８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８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。

水注入部９は、水収容部９１を備えている。水収容部９１には水９２が収容されている。水注入部９は、流路９３と、燃料電池セル１に水を送出す水送出し機構として、例えばポンプ９４と、をさらに備えている。流路９３は管状に形成され、水収容部９１及び水注入口６６に接続されている。このため、燃料電池セル１には水収容部９１から流路９３を介して水９２が導入される。

なお、水注入部９は、水送出機構としてポンプ９４を備えているが、これに限定されるものではない。上記燃料導入部２と同様、ポンプ９４の種類は特に限定されるものではなく、また、ポンプに代えて水遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。

図１及び図４に示すように、制御部５は、ポンプ８４と、ポンプ９４と、センサ１００とに接続されている。制御部５は、ポンプ８４が燃料供給部８に送出す液体燃料８２の量及び液体燃料８２を送出すタイミングを制御する。制御部５は、ポンプ９４が燃料電池セル１に送出す水の量及び水を送出すタイミングを制御する。制御部５は、センサ１００により検出された温度の情報を取得する。

ここで、制御部５がポンプ９４を制御する例を３つ挙げる。

（Ａ）制御部５は、膜電極接合体３による発電の開始時に、燃料電池セル１に水を送出すようポンプ９４を制御する。

（Ｂ）制御部５は、センサ１００により検出された温度の情報を取得し、温度が一定温度以上の時に、燃料電池セル１に水を送出すようポンプ９４を制御する。

（Ｃ）制御部５は、温度が一定温度以上の時であって、さらに膜電極接合体３の出力が定格の１／３以下に低下した時に、燃料電池セル１に水を送出すようポンプ９４を制御する。

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、膜電極接合体３による発電の開始時に、制御部５は、ポンプ８４及びポンプ９４を稼動させる。ポンプ８４は、燃料収容部８１から流路８３を介して燃料供給部８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８の燃料排出口６４から排出され、燃料は膜電極接合体３のアノード２１に供給される。ポンプ９４は、水収容部９１から流路９３を介して燃料電池セル１に水９２を導入させる。この水９２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、液体燃料８２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、この実施の形態において、液体燃料８２は純メタノールであるため、水注入部９から注入される水９２を液体燃料８２と反応させて式（１）の内部改質反応を生起させる。
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、本願発明者等は、この実施の形態の実施例１乃至５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、各種燃料電池の第１出力、第２出力及び第３出力を測定した。

そして、測定した実施例１、実施例２及び比較例１の燃料電池の第１出力を基に、実施例１、実施例２及び比較例１の燃料電池の第１出力相対値を算出した。同様に、測定した実施例１、実施例２及び比較例１の燃料電池の第２出力及び第３出力を基に、実施例１、実施例２及び比較例１の燃料電池の第２出力相対値及び第３出力相対値を算出した。

また、測定した実施例３、実施例４、実施例５及び比較例２の燃料電池の第１出力を基に、実施例３、実施例４、実施例５及び比較例２の燃料電池の第１出力相対値を算出した。同様に、測定した実施例３、実施例４、実施例５及び比較例２の燃料電池の第２出力及び第３出力を基に、実施例３、実施例４、実施例５及び比較例２の燃料電池の第２出力相対値及び第３出力相対値を算出した。

第１出力、第２出力及び第３出力を測定する際、液体燃料８２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、アノード２１への液体燃料８２の供給を良好な状態とし、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。

第１出力を測定する際、制御部５は膜電極接合体３による発電の開始時（燃料電池の起動時）に燃料電池セル１に水を送出すようポンプ９４を制御し、発電の開始から３０分以内での最大の出力を測定する。

第２出力を測定する際、制御部５はセンサ１００により検出された温度の情報を取得し温度が一定温度以上の時に燃料電池セル１に水を送出すようポンプ９４を制御し、制御した後の出力を測定する。ここでは、センサ１００の検出する温度が制御温度から５℃上昇した時に燃料電池セル１に水を供給し、その後、出力を測定する。

第３出力を測定する際、制御部５は温度が一定温度以上の時であってさらに膜電極接合体３の出力が定格の１／３以下に低下した時に燃料電池セル１に水を送出すようポンプ９４を制御し、制御した後の出力を測定する。

但し、比較例１及び２の燃料電池は、後述するが、燃料電池セル１への水の供給無しに発電を行う。比較例１及び２の燃料電池は、燃料電池セル１に水を供給するための構成部（例えば、水注入部９）や、アノード２１へ水を供給するための燃料電池セル１の構成部（例えば、水注入口６６）は有していない。このため、上記したように、比較例１及び２の燃料電池は、燃料電池セル１への水の供給無しに発電を行い、出力を測定する。

（比較例１）
まず、比較例１の燃料電池について説明する。比較例１の燃料電池は、水注入部９及び水注入口６６を有していない。また、後述する溝部５６も有していない。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。

そして、本願発明者等は、上記したように形成された比較例１の燃料電池を用い、第１出力、第２出力及び第３出力を測定した。
図６に示すように、比較例１の燃料電池の第１出力相対値、第２出力相対値及び第３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１乃至図４に示すように、実施例１の燃料電池の燃料極支持板６は、水供給面５１Ｓ及び溝部５６を有している。水供給面５１Ｓは、アノード２１に対向した側の板部５１に形成されている。溝部５６は水供給面５１Ｓに形成されている。溝部５６は発電領域Ｒ１に重なっている。溝部５６は水注入口６６に繋がっている。溝部５６は、燃料通過孔５５から外れて位置している。ここでは、溝部５６は４つのストライプ部５７を有している。溝部５６は、水注入部９から注入される水を水供給面５１Ｓに沿った方向に導くものである。実施例１において、溝部５６が、アノード２１に水を供給する水供給部として形成されている。

溝部５６は、水注入口６６から供給される水を水供給面５１Ｓに沿った方向に導くものであり、水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５６を形成することにより、アノード２１に対する水供給量をより一層平均化することができる。すなわち、水注入口６６から供給された水９２は、溝部５６を伝い、水供給面５１Ｓの面内方向に拡散される。

溝部５６が形成されていない場合、水９２は面方向に不均一に拡散され、水がアノード２１に不均一に供給されることになる。

上記したような溝部５６を設けることにより、燃料電池セル１に注入された水９２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。

すなわち、アノード２１の面内における水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水を全体的に過不足なく供給することができる。また、何よりも、液体燃料８２の供給とは独立して水９２を燃料電池セル１に供給することができる。そして、ポンプ９４は溝部５６に送出す水の量及び水を送出すタイミングを制御することができるため、燃料電池の出力を向上させることや、燃料電池セル１、特に膜電極接合体３の温度の上昇を抑制することができる。

上記したことから、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。

上記した以外、実施例１の燃料電池は、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。
そして、本願発明者等は、上記したように形成された実施例１の燃料電池を用い、第１出力、第２出力及び第３出力を測定した。
図６に示すように、実施例１の燃料電池の第１出力相対値は１０８、第２出力相対値は１２４、第３出力相対値は３１２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５に示すように、実施例２の燃料電池の燃料極支持板６は、水供給部としての溝部５６を有していない。実施例２の燃料電池は、水供給部としての保水層１０を有している。保水層１０は、アノード２１及び燃料供給部８間に配置されている。ここでは、保水層１０は、アノード集電体３１及び燃料極支持板６間に配置されている。保水層１０は、アノード２１に対向した水供給面１０Ｓを有している。

保水層１０には、水注入口６６を介して水収容部９１の水９２が供給される。保水層１０は、水注入部９から供給される水９２を吸収し、水供給面１０Ｓに沿った方向に水を拡散させるものである。保水層１０は、発電領域Ｒ１（アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７が全て重なった領域）の９０％以上に重なっていれば良い。これにより、保水層１０は、アノード２１に水を均一に供給することができる。ここでは、保水層１０は、発電領域Ｒ１に１００％重なっている。

保水層１０は、水注入口６６から供給される水９２を吸収し、水供給面１０Ｓに沿った方向に拡散させるものであり、水をアノード２１に均一に供給するものである。

上記したような保水層１０を設けることにより、アノード２１に対する水供給量をより一層平均化することができる。すなわち、水注入口６６から供給された水９２は、保水層１０で吸収され、水供給面１０Ｓの面方向に拡散される。

保水層１０が設けられていない場合、水９２は面方向に不均一に拡散され、水がアノード２１に不均一に供給されることになる。

上記したような保水層１０を設けることにより、燃料電池セル１に注入された水９２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。

すなわち、アノード２１の面内における水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水を全体的に過不足なく供給することができる。また、何よりも、液体燃料８２の供給とは独立して水９２を燃料電池セル１に供給することができる。そして、ポンプ９４は保水層１０に送出す水の量及び水を送出すタイミングを制御することができるため、燃料電池の出力を向上させることや、燃料電池セル１、特に膜電極接合体３の温度の上昇を抑制することができる。

上記したことから、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。

上記した以外、実施例２の燃料電池は、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。
そして、本願発明者等は、上記したように形成された実施例２の燃料電池を用い、第１出力、第２出力及び第３出力を測定した。
図６に示すように、実施例２の燃料電池の第１出力相対値は１１０、第２出力相対値は１２８、第３出力相対値は３１８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２）
まず、比較例２の燃料電池について説明する。図示しないが、発電領域Ｒ１は、発電に有効な４つの有効領域Ｒ２を有している。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、それぞれ有効領域Ｒ２に重なっている。

比較例２の燃料電池は、水注入部９及び水注入口６６を有していない。また、比較例２の燃料電池は、上述した溝部５６や保水層１０等の水供給部も有していない。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。

そして、本願発明者等は、上記したように形成された比較例２の燃料電池を用い、第１出力、第２出力及び第３出力を測定した。
図１２に示すように、比較例２の燃料電池の第１出力相対値、第２出力相対値及び第３出力相対値を１００とした。

（実施例３）
次に、実施例３の燃料電池について説明する。図１、図４、図７、図８及び図９に示すように、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。

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、互いに間隔を置いて位置している。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。アノード集電体３１及びカソード集電体３４は、４つの発電素子２０を直列に接続している。

実施例３の燃料電池の燃料極支持板６は、水供給面５１Ｓ及び水供給部としての溝部５６を有している。ここでは、溝部５６は４つのストライプ部５７を有している。溝部５６は、水注入口６６から供給される水を水供給面５１Ｓに沿った方向に導くものであり、水を拡散してアノード２１に均一に供給するものである。

上記した以外、実施例３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。
そして、本願発明者等は、上記したように形成された実施例３の燃料電池を用い、第１出力、第２出力及び第３出力を測定した。
図１２に示すように、実施例３の燃料電池の第１出力相対値は１１５、第２出力相対値は１２８、第３出力相対値は３１５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１０に示すように、実施例４の燃料電池の燃料極支持板６は、水供給部としての溝部５６を有していない。実施例４の燃料電池は、水供給部としての保水層１０を有している。保水層１０は、アノード２１及び燃料供給部８間に配置されている。ここでは、保水層１０は、アノード集電体３１及び燃料極支持板６間に配置されている。保水層１０は、アノード２１に対向した水供給面１０Ｓを有している。

ここでは、保水層１０は、４つのストライプ部１１を有している。ストライプ部１１は、矩形状であり、長軸を有し、互いに間隔を置いて位置している。ストライプ部１１は、それぞれ有効領域Ｒ２に重なっている。保水層１０は、水注入口６６から供給される水９２を吸収し、水供給面１０Ｓに沿った方向に拡散させるものであり、水をアノード２１に均一に供給するものである。

上記した以外、実施例４の燃料電池は、上述した実施例３の燃料電池と同様に形成されている。
そして、本願発明者等は、上記したように形成された実施例４の燃料電池を用い、第１出力、第２出力及び第３出力を測定した。
図１２に示すように、実施例４の燃料電池の第１出力相対値は１１７、第２出力相対値は１２６、第３出力相対値は３２１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５）
次に、実施例５の燃料電池について説明する。図１１に示すように、実施例５の燃料電池の燃料極支持板６は、水供給部としての溝部５６を有していない。実施例４の燃料電池は、水供給部としての保水層１０を有している。保水層１０は、アノード２１及び燃料供給部８間に配置されている。ここでは、保水層１０は、アノード集電体３１及び燃料極支持板６間に配置されている。保水層１０は、アノード２１に対向した水供給面１０Ｓを有している。

ここでは、保水層１０は、分割されずに形成されている。保水層１０は、水注入口６６から供給される水９２を吸収し、水供給面１０Ｓに沿った方向に拡散させるものであり、水をアノード２１に均一に供給するものである。

上記した以外、実施例５の燃料電池は、上述した実施例４の燃料電池と同様に形成されている。
そして、本願発明者等は、上記したように形成された実施例５の燃料電池を用い、第１出力、第２出力及び第３出力を測定した。
図１２に示すように、実施例５の燃料電池の第１出力相対値は１１９、第２出力相対値は１２８、第３出力相対値は３２７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。

上記したように構成された燃料電池によれば、燃料電池は、膜電極接合体３と、燃料供給部８と、水供給部と、水注入部９と、を備えている。燃料供給部８は、膜電極接合体３に液体燃料８２を供給するものである。水供給部及び水注入部９は、膜電極接合体３に水９２を供給するものである。膜電極接合体３に、液体燃料８２と独立して水９２を供給することができる。

このため、アノード２１に水９２を十分に供給することができる。これにより、発電に寄与する発電素子２０の割合が減少することを抑制でき、燃料電池の出力低下を抑制することができる。そして、所望の出力を安定して得ることができる。上記したことから、アノード２１へ水９２を良好に供給できるため、燃料電池の性能の低下を抑制することができる。

実施例１及び３において、水供給部は、板部５１に形成された溝部５６で構成されている。実施例２、４及び５において、水供給部は、保水層１０で構成されている。
燃料電池に、溝部５６や保水層１０の水供給部を設けることにより、アノード２１に対する水供給量をより一層平均化することができる。すなわち、水注入口６６から供給された水９２は、水供給部を介して水供給面の面内方向に拡散される。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、出力やその安定性を高めることができる。

水注入部９は、水供給部に水を送出す水送出し機構としてポンプ９４と、ポンプ９４が水供給部に送出す水の量及び水を送出すタイミングを制御する制御部５と、を備えている。例えば、制御部５は、膜電極接合体３による発電の開始時に、水供給部に水を送出すようポンプ９４を制御することができる。これにより、燃料電池の性能の低下を抑制することができる。

また、燃料電池は、膜電極接合体３の温度を検出するセンサ１００を備えている。例えば、制御部５は、センサ１００により検出された温度の情報を取得し、温度が一定温度以上の時に、水供給部に水を送出すようポンプ９４を制御することができる。また、制御部５は、温度が一定温度以上の時であって、さらに膜電極接合体３の出力が定格の１／３以下に低下した時に、水供給部に水を送出すようポンプ９４を制御することができる。これにより、燃料電池の性能の低下を抑制することができる。
上記したことから、出力特性に優れた燃料電池を得ることができる。

次に、この発明の他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、他の構成は上述した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に与える燃料導入部２と、水を収容するとともに水を燃料電池セル１に与える水注入部９と、制御部５と、切替え部１７と、を備えている。

燃料電池セル１は、膜電極接合体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、燃料供給部８と、水供給機構７と、カバープレート１５と、保湿板４１とを備えている。膜電極接合体３は１つの発電素子２０を有している。
燃料極支持板６は、板部５１と、複数の燃料通過孔５５とを有している。なお、燃料極支持板６は、溝部５６を有していない。

燃料供給部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。水供給機構７は、アノード２１及び燃料供給部８間に配置されている。燃料供給部８及び水供給機構７は、共通の排出箱６０を用いて形成されている。排出箱６０の内部は、仕切り板７０によりセルタンク６７と気化室６８とに区域されている。

燃料供給部８は、セルタンク６７を有している。セルタンク６７は、排出箱６０と仕切り板７０とで形成されている。セルタンク６７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。燃料排出口６４は仕切り板７０に形成されている。仕切り板７０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供給面６１Ｓを有している。

セルタンク６７には、１つの燃料注入口６３が形成されている。燃料注入口６３は、セルタンク６７の適所、例えば排出箱６０の側面に１つ形成されている。液体燃料８２は、燃料注入口６３からセルタンク６７に注入される。セルタンク６７は、気化膜としての気液分離膜１４を収容している。気液分離膜１４は、液体燃料８２の気化成分を気化室６８に透過させるものである。気液分離膜１４は燃料排出口６４に接している。このため、燃料排出口６４からは、液体燃料８２の気化成分が排出される。

水供給機構７は、気化室６８を有している。気化室６８は、排出箱６０と仕切り板７０とで形成されている。気化室６８は、アノード２１と対向した側に水９２を排出する水排出口６９を有している。水排出口６９は排出箱６０に形成されている。気化室６８には、１つの水注入口６６が形成されている。水注入口６６は、気化室６８の適所、例えば排出箱６０の側面に１つ形成されている。水９２は、水注入口６６から気化室６８に注入される。気化室６８の内部は、水供給部としての保水層１０が収容されている。保水層１０は、水排出口６９に接している。保水層１０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水供給面１０Ｓを有している。

保水層１０は、水注入口６６から気化室６８に注入される水９２を吸収し、水供給面１０Ｓに沿った方向に水を拡散させるものである。このため、水９２は、拡散した状態で、水排出口６９等を介してアノード２１に均一に供給される。

また、燃料排出口６４から排出された液体燃料８２の気化成分は、気化室６８内部に均一に分散した後、保水層１０及び水排出口６９等を介してアノード２１に均一に供給される。

燃料電池セル１は、上述したセンサ１００も有している。燃料導入部２の燃料収容部８１には液体燃料８２が収容されている。この実施の形態において、液体燃料８２は、純メタノールである。

水注入部９は、水注入口６６を介して水９２を保水層１０に供給するものである。切替え部１７は、流路９３の途中に設けられている。より詳しくは、切替え部１７は、水注入口６６及びポンプ９４間に設けられている。切替え部１７は、水注入部９から気化室６８の内部に水を供給させるか、気化室６８の内部のガスを気化室６８の外部に排出させるかどうか切替えるものである。制御部５は、切替え部１７に接続され、切替え部１７の動作を制御している。

上記したように構成された燃料電池によれば、燃料電池は、膜電極接合体３と、燃料供給部８と、水供給部と、水注入部９と、を備えている。水供給部は、保水層１０で構成されている。また、燃料電池は、制御部５及びセンサ１００も備えている。このため、燃料電池は、上述した実施の形態の燃料電池と同様の効果を得ることができる。

燃料電池は切替え部１７を備えている。１つの水注入口６６に繋がった切替え部１７により、気化室６８への水９２の供給と、気化室６８の内部のガスの排出とを両立させることができる。
上記したことから、出力特性に優れた燃料電池を得ることができる。

ここで、図１４に示すように、上記実施の形態において、燃料電池は、水取出機構としてのポンプ９６をさらに備えていても良い。

水注入部９は、流路９５と、ポンプ９６とをさらに備えている。流路９５は管状に形成され、水収容部９１及び水取出口に接続されている。ここでは、水注入口６６が水取出口を兼ねているため、流路９５は水注入口６６に接続されている。なお、気化室６８は、水注入口６６とは別に水取出口を有していても良く、この場合、流路９５は水取出口に接続される。

水注入口６６と水供給部９とを接続する流路は二股に分かれており、一方が流路９３であり、他方が流路９５である。ポンプ９６は、流路９５の途中に設けられている。ポンプ９６は、切替え部１７を介して水注入口６６に繋げられ、気化室６８の内部の余剰の生成水を取出すものである。

制御部５は、ポンプ９６に接続され、ポンプ９６の動作を制御している。より詳しくは、制御部５は、ポンプ９６が気化室６８の内部から取出す水の量及び水を取出すタイミングを制御するものである。
上記したように構成された燃料電池によれば、気化室６８の内部の余剰の生成水を取出すことができるため、出力特性に優れ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。

上記実施の形態の実施例１乃至５及び上記他の実施の形態において、燃料電池は、ポンプ８４、９４又はポンプ８４、９４、９６を有しているが、燃料電池は、これらのポンプ無しに形成されていても良い。上記燃料電池の燃料供給方式は純パッシブ方式と呼称される。

例えば、図１５に示すように、上記実施の形態の実施例１の燃料電池は、ポンプ８４、９４無しに形成されている。なお、図１５に示す燃料電池は、センサ１００、並びにポンプ及びセンサを制御するための制御部５も無しに形成されている。このように形成された燃料電池においても、燃料電池は、膜電極接合体３と、燃料供給部８と、水供給部と、水注入部９と、を備えている。膜電極接合体３に、液体燃料８２と独立して水９２を供給することができる。アノード２１へ水９２を良好に供給できるため、燃料電池の性能の低下を抑制することができる。

溝部５６の形状は上述した例に限定されるものではなく、種々変形可能であり、水排出面に沿った方向に水を拡散させることができる形状であれば良い。燃料電池は、複数の水注入口６６を有していても良い。この場合、複数の水注入口６６を介して溝部５６又は保水層１０に水９２を供給することができる。水供給部を設ける位置はアノード２１及び燃料供給部８の間であれば良く、これにより、上述した効果を得ることができる。

センサ１００は、サーミスタに限定されるものではなく、設ける位置も限定されるものではなく、また、温度を検出する部材も限定されるものでもない。センサ１００は、膜電極接合体３の温度を直接的又は間接的に検出可能であれば良い。

また、本発明の燃料極に導入する水は、純粋な水だけではなく本発明の目的を達成することができれば燃料の水溶液であっても良い。

この発明の実施の形態に係る燃料電池を示す断面図であり、特に、実施例１の燃料電池を示す図。 図１に示した膜電極接合体を示す平面図。 図１に示した燃料極支持板を示す平面図であり、特に、溝部を示す図。 図１に示した燃料電池の一部を示す拡大断面図であり、特に、センサを示す図。 上記実施の形態の実施例２の燃料電池を示す断面図。 上記実施の形態の実施例１及び２の燃料電池、並びに比較例１の燃料電池の第１出力相対値、第２出力相対値及び第３出力相対値を表で示した図。 上記実施の形態の実施例３の燃料電池の膜電極接合体を示す平面図。 上記実施の形態の実施例３の燃料電池の一部を示す拡大断面図であり、特に、膜電極接合体及び溝部が形成された燃料極支持板を示す図。 図８に示した燃料極支持板を示す平面図であり、特に、溝部示す図。 上記実施の形態の実施例４の燃料電池の一部を示す拡大断面図であり、特に、膜電極接合体及びストライプ部を有した保水層を示す図。 上記実施の形態の実施例５の燃料電池の一部を示す拡大断面図であり、特に、膜電極接合体及び保水層を示す図。 上記実施の形態の実施例３乃至５の燃料電池、並びに比較例２の燃料電池の第１出力相対値、第２出力相対値及び第３出力相対値を表で示した図。 この発明の他の実施の形態に係る燃料電池を示す断面図。 図１３に示した燃料電池の変形例を示す断面図。 上記実施の形態の実施例１の燃料電池の変形例を示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池セル、２…燃料導入部、３…膜電極接合体、５…制御部、６…燃料極支持板、７…水供給機構、８…燃料供給部、９…水注入部、１０…保水層、１０Ｓ…水供給面、１１…ストライプ部、１４…気液分離膜、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、５１…板部、５１Ｓ…水供給面、５５…燃料通過孔、５６…溝部、５７…ストライプ部、６０…排出箱、６１…燃料供給板、６１Ｓ…燃料供給面、６３…燃料注入口、６４…燃料排出口、６６…水注入口、６７…セルタンク、６８…気化室、６９…水排出口、８１…燃料収容部、８２…液体燃料、８３，９３，９５…流路、８４，９４，９６…ポンプ、９１…水収容部、９２…水、１００…センサ、Ｒ１…発電領域、Ｒ２…有効領域。

Claims (11)

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、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給部と、
   前記膜電極接合体及び燃料供給部間に配置され、前記燃料極に水を供給する水供給部と、
   前記水供給部に水を注入する水注入部と、を備えている燃料電池。
2. 前記水供給部は、前記燃料極に対向した水供給面を有し、前記水注入部から注入される水を吸収し、前記水供給面に沿った方向に水を拡散させる保水層で構成されている請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記保水層は、前記燃料極、空気極及び電解質膜が全て重なった領域の９０％以上に重なっている請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記水供給部は、板状に形成され、前記燃料極に対向した水供給面と、前記燃料極に供給される燃料を通過させる複数の燃料通過孔と、前記水供給面に形成され前記水注入部から注入される水を前記水供給面に沿った方向に導く溝部と、を有した燃料極支持板で構成されている請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記水注入部に設けられ、前記水供給部に水を送出す水送出機構と、
   前記水送出機構が前記水供給部に送出す水の量及び水を送出すタイミングを制御する制御部と、をさらに備えている請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記制御部は、前記膜電極接合体による発電の開始時に、前記水供給部に水を送出すよう前記水送出機構を制御する請求項５に記載の燃料電池。
7. 前記膜電極接合体の温度を検出するセンサをさらに備え、
   前記制御部は、前記センサにより検出された温度の情報を取得し、温度が一定温度以上の時に、前記水供給部に水を送出すよう前記水送出機構を制御する請求項５に記載の燃料電池。
8. 前記制御部は、前記温度が一定温度以上の時であって、さらに前記膜電極接合体の出力が定格の１／３以下に低下した時に、前記水供給部に水を送出すよう前記水送出機構を制御する請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記膜電極接合体及び燃料供給部間に配置され、内部に前記保水層を収容し、前記水注入部に繋がった水注入口を有した気化室と、
   前記燃料供給部及び気化室間に配置され、前記燃料供給部から供給される燃料の気化成分を前記気化室に透過させる気液分離膜と、をさらに備え、
   前記水注入部は、前記水注入口を介して水を前記保水層に注入する請求項２に記載の燃料電池。
10. 前記水注入部に設けられた水取出機構と、
    制御部と、をさらに備え、
    前記気化室は、水取出口を有し、
    前記水取出機構は、前記水取出口に繋げられ、前記気化室の内部の余剰の生成水を取出し、
    前記制御部は、前記水取出し機構が前記気化室の内部から取出す水の量及び水を取出すタイミングを制御する請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記水注入口及び水注入部間に設けられ、前記水注入部から前記気化室の内部に水を注入させるか、前記気化室の内部のガスを前記気化室の外部に排出させるかどうか切替える切替え部をさらに備えている請求項９に記載の燃料電池。

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