JP2009295338A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力を安定化することが可能であるとともに、長寿命化が可能な燃料電池を提供すること。
【解決手段】アノード１３とカソード１６とに挟持された電解質膜１７とを有する膜電極接合体２と、
燃料を収容する燃料収容部４と、
燃料収容部に収容された燃料を膜電極接合体のアノードに供給する燃料供給機構３と、
膜電極接合体の空気極側に配置され、前記膜電極接合体の面内において相対的に低温となる領域に対応する孔２０Ａを有する絶縁材料によって形成された板状体２０と、を具備する燃料電池１であることを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら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。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。

例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。

これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を、箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報

例えば、特許文献１などによれば、燃料電池の発電反応に必要な水分の蒸散を抑制するために、膜電極接合体のカソード側に保湿板を積層する構成が開示されている。このような構成において、膜電極接合体の面内において、意図しない温度ばらつきが生じることがある。

例えば、局所的に放熱が促進された領域は、低温領域となり、このような低温領域では水分の蒸散が極端に抑制される。このため、膜電極接合体において物質の授受が阻害され、例えば、発電反応に必要な空気を十分に取り込むことができなくなり、結果として、出力の低下や不安定化を招くおそれがある。

この発明の目的は、安定して高い出力を得ることが可能であるとともに、長寿命化が可能な燃料電池を提供することにある。

この発明の態様による燃料電池は、
燃料極と空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
燃料を収容する燃料収容部と、
前記燃料収容部に収容された燃料を前記膜電極接合体の前記燃料極に供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、前記膜電極接合体の面内において相対的に低温となる領域に対向する、もしくはそれに順ずる規則性を持った領域に対向する孔を有する絶縁材料によって形成された板状体と、
を具備することを特徴とする。

この発明によれば、安定して高い出力を得ることが可能であるとともに、長寿命化が可能な燃料電池を提供することができる。

すなわち、この発明の燃料電池によれば、膜電極接合体の面内において相対的に低温となって反応性生物である水分が過剰に凝集し得る領域に対向して孔を設けている。これにより、孔から過剰な水分の蒸散が促進されるため、物質の授受、特に、発電反応に必要な空気を十分に取り込むことが可能となる。このため、発電反応が促進され、結果として、膜電極接合体の面内における温度分布の均一化が可能となるとともに、安定して高い出力を得ることが可能である。また、膜電極接合体が過剰に水分を含むことによる膨潤さらには膜の剥離を抑制することができ、長寿命化が可能となる。

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。

図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。

燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、液体燃料を収容する燃料収容部４とから主として構成されている。

すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（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１１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１４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。また、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１７を構成するプロトン伝導性材料としては、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、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電機能を有するものである。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材で構成されている。

なお、図２及び図３に示した例においては、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７を４個のアノード１３及び４個のカソード１６によってそれぞれ挟持し、これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせが単セルＣをなす構造のものを示している。ここでは、単セルＣのそれぞれは、電解質膜１７の平面内において、分離して配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。

上述したような膜電極接合体２は、集電体１８によって図２及び図３に示したような複数の単セルＣを有する膜電極接合体２において、各単セルＣを直列に電気的に接続されている。

このような集電体１８は、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。アノード集電体１８Ａは、アノードガス拡散層１２に積層されている。また、カソード集電体１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に積層されている。アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃとしては、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、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などをそれぞれ使用することができる。

膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。

膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。図１に示した例では、板状体２０は、カソード集電体１８Ｃの上に配置されている。

この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、カソードガス拡散層１５より水分保持能力が高くまた熱伝導率が低い絶縁層あるいはそれに順ずる高抵抗の層であり、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。

上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。

燃料供給機構３は、箱状に形成された容器３０を備え、燃料収容部４と流路５を介して接続されている。すなわち、容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。

この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、耐メタノール性などを有していることが好ましい。容器３０を形成する樹脂材料としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホンなどが挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂などのオレフィン系樹脂などで構成した容器３０を除外するものではない。

燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。この実施の形態においては、燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａを備えた構成であるが、他の構成であっても良い。

すなわち、図４及び図５に示すように、燃料分配板３１Ａは、少なくとも１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。

図４及び図５に示した例では、燃料注入口３２は、１箇所にあり、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。

細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。細管３４は、例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。

燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。

さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。

膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。

燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。

膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材を配置しても良い。特に、図１に示したような構成においては、支持部材を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材を配置したことにより、燃料排出口３３から膜電極接合体２までの距離を確保することができる。このため、燃料排出口３３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。

これにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体２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。したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体２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１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燃料電池１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。

また、支持部材により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材とカバープレート２１との間で膜電極接合体２を保持するため、膜電極接合体２の撓みなどの変形を抑制することができ、膜電極接合体２と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。

膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体を配置しても良い。多孔体の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体として用いられる。このような多孔体は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。

特に、図１に示したような構成においては、多孔体を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体を配置することによって、アノード１３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、燃料供給部３１の燃料排出口３３から供給された液体燃料は一旦多孔体に吸収され、多孔体の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体からアノード１３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。

燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。

液体燃料としては、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。なお、液体燃料は、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よい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。

さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２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収容部４に戻されることはない。

この実施の形態の燃料電池１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、液体燃料の供給にポンプ６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。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。

ポンプ６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。

ロータリーベーンポンプは、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。

なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。

また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。

また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４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してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５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。

この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。

すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。

上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式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１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式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。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ^-）は、集電体１８を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１８を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式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）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。

ところで、膜電極接合体２のカソード１６側に積層配置された板状体２０は、保湿層としての機能を確保する上で、多孔体のような比較的低い熱伝導率を有する絶縁材料によって形成されている。板状体２０が膜電極接合体２のカソード１６、特にカソードガス拡散層１５や、カソード集電体１８Ｃより低い熱伝導率を有する材料によって形成されている場合には、板状体２０は、熱抵抗層として機能してしまう。

上述した構成の膜電極接合体２においては、その面内において、意図しない温度ばらつきが生ずるおそれがある。この場合には、相対的に低温となる領域（あるいはそれに順ずる規則性を持った領域）においては、発電反応における物質の授受が阻害されるおそれがある。特に、カソード１６側においては、反応性生物として水が生成されるが、低温領域では生成した水が過剰に凝集するおそれがある。このため、発電反応に必要な空気をカソード側から十分に取り込むことができず、さらに温度の低下を招き、結果として、出力の低下や不安定化を招くことがある。

そこで、この実施の形態においては、板状体２０は、膜電極接合体２の面内において所定の運転温度より所定の温度差以上の低温となる領域（あるいはそれに順ずる規則性を持った領域）に対向する孔を有している。

このように、面内での温度分布のばらつきに起因した水分や湿度の分布のばらつきを生じ得る系において、保水、保湿に寄与する板状体２０を部分的に省く（この場合は孔２０Ａを設ける）ことにより、孔２０Ａから水分の蒸散を促進することが可能となる。このため、カソード１６側における物質の授受、特に、発電反応に必要な空気を十分に取り込むことが可能となるとともに、アノード１３側で生成した二酸化炭素を効果的に排出することが可能となる。このため、膜電極接合体２における発電反応を促進することができる。

結果として、膜電極接合体２の面内における温度分布の均一化が可能となるとともに、安定して高い出力を得ることが可能である。また、膜電極接合体２が過剰に水分を含むことに起因した変形、さらには膨潤に起因した膜の剥離を抑制することができ、長寿命化が可能となる。

なお、孔２０Ａは、低温領域全体にわたって対向するように配置する必要はなく、例えば、低温領域の少なくとも一部に重畳するように配置されていれば良い。

これにより、膜電極接合体２の面内において所望の温度分布を得ることが可能となる。特に、膜電極接合体２が複数の単セルを直列に接続することによって構成されている場合には、膜電極接合体２の面内において温度分布の均一化を図ることが可能となり、いずれの単セルにおいてもバランスよく発電反応に寄与する。このため、安定して高出力を維持することが可能となる。また、一部の単セルのみ劣化が進行することもなく、長寿命化が可能となる。

図１に示した例では、板状体２０は、カソード集電体１８Ｃとカバープレート２１との間に配置されている。板状体２０の孔２０Ａは、貫通孔であって、カバープレート２１の開口部２１Ａと連通している。つまり、孔２０Ａは、開口部２１Ａと略同軸上に位置している。このため、孔２０Ａ及び開口部２１Ａを介して効率的に物質の授受が可能となる。

このような板状体２０は、孔２０Ａからカソード集電体１８Ｃを露出する。あるいは、集電体を備えていない構成、つまり、膜電極接合体２が１個の単セルによって構成された場合には、板状体２０は、孔２０Ａからカソード１６を露出する。あるいは、カソード集電体１８Ｃが膜電極接合体２のカソード１６（特に、カソードガス拡散層１５）まで貫通する孔を有している構成においては、板状体２０の孔２０Ａは、カソード集電体１８Ｃの孔と連通し、孔２０Ａからカソード１６を露出あるいは閉塞しない状態で配置される。

このため、カソード集電体１８Ｃまたはカソード１６を外気に曝すことができ、これらに含まれる水分の蒸散など、物質の授受を促進することが可能となる。

ここで、膜電極接合体２の面内の温度分布の一例について説明する。たとえば、膜電極接合体２が放熱部(例えば金属部材等)によって囲まれた構成においては、図６に示すように、膜電極接合体２の周辺部２Ｐでは、放熱部による放熱が促進され、相対的に低温となりやすい。これに対して、膜電極接合体２の中央部２Ｃでは、放熱部から離れているため、放熱されにくく、相対的に高温となりやすい。

このような構成においては、図７に示すように、膜電極接合体２の周辺部２Ｐに対向するように孔２０Ａが形成された板状体２０を適用することが望ましい。これにより、低温となりやすい周辺部２Ｐが外気に曝されて、物質授受が促進される。このため、膜電極接合体２の面内での温度分布の均一化を図ることが可能となる。

なお、図６に示した例とは逆に、膜電極接合体２の周辺部２Ｐが中央部２Ｃより低温となる温度分布の場合には、膜電極接合体２の中央部２Ｃに対向するように孔２０Ａが形成された板状体２０を適用することにより、同様の効果が得られる。

図８に示すように、燃料供給機構３において、燃料を排出する燃料排出口３３の直上においては、膜電極接合体２のアノード１３への燃料供給が促進されため、発電反応が促進される傾向にある。このため、カソード１６においては、発電反応に伴って多量の水分が生成され、凝集しやすい。

このため、このような構成においては、燃料排出口３３の直上に孔２０Ａが形成された板状体２０を適用することが望ましい。これにより、水分が凝集しやすい膜電極接合体２の領域が外気に曝されて、水分の蒸散を促進することが可能となる。

板状体２０は、径が異なる複数の孔２０Ａを有する構成であっても良いし、実質的に同じ作用をもつ構造を有していても良い。例えば、図６に示すように、膜電極接合体２の中央部２Ｃが高温領域となり、周辺部２Ｐが低温領域となる場合においては、図９及び図１０に示すように、板状体２０は、膜電極接合体２の周辺部２Ｐに対向する領域に少なくとも一つ以上の径が異なる複数の孔２０Ａを有している。

ここでは、特に、板状体２０は、膜電極接合体２の面内において相対的に低温となる第１領域（例えば、運転温度に対して５℃以上低い温度差の領域）に対向して第１径Ｄ１の孔２０Ａ１を有するとともに、第１領域よりも温度が高い第２領域（例えば、運転温度に対して３℃以上５℃未満低い温度差の領域）に対向して第１径Ｄ１よりも小さな第２径Ｄ２の孔２０Ａ２を有している。なお、第１領域及び第２領域以外の領域(例えば、３℃未満の低い温度差の領域)については、高温領域とみなし、板状体２０に孔を設けていない。

このような構成により、膜電極接合体２の面内での温度分布のさらなる均一化を図ることが可能となる。

図１１は、孔２０Ａの配置に規則性を持たせる場合の一例を示している。基本的には、上述した例と同様だが、中央部２Ｃ等にも、規則性を以って孔２０Ａを配置することにより、膜電極接合体２の面内における水分の分布を意図的にコントロールすることが可能となる。

すなわち、板状体２０においてある規則性を以って孔２０Ａを配置することは、必ずしも高湿度あるいは高水分含有を回避するためだけでなく、設計上機能分離を行うために必要となる低湿度領域あるいは低水分含有領域を形成するために、板状体２０がこのような領域に対向する孔を有することにより、水分量や湿度のコントロールを実現できる。

図１２及び図１３は、膜電極接合体２の面内において、中央部２Ｃが最高温度になる場合の孔２０Ａの配置例を示している。これらの場合、中央部２Ｃからの距離に応じて径が異なる孔２０Ａを配置しており、例えば、中央部２Ｃから最も離れた角部においては、最も大きな径Ｄ１の孔２０Ａ１を配置し、また、中央部２Ｃに近い辺に沿った領域においては小さな孔径Ｄ２の孔２０Ａ２を配置している。

なお、図１２に示した例では、中央部２Ｃの周囲の１周に沿って孔２０Ａを配置し、図１３に示した例では、中央部２Ｃの周囲に２周に沿って孔２０Ａを配置している。

図１４は、発熱源である単セルＣの配置を考慮して低温領域に孔２０Ａを配置した場合を示している。すなわち、孔２０Ａは、単セルＣを囲むように配置されている。

また、板状体２０は、運転温度に対する温度差に応じて孔密度が異なる構成であっても良い。ここで、孔密度とは、板状体２０の単位面積当たりに孔２０Ａの総面積が占める割合と定義する。

例えば、図６に示すように、膜電極接合体２の中央部２Ｃが高温領域となり、周辺部２Ｐが低温領域となる場合においては、図１５に示すように、板状体２０は、膜電極接合体２の面内において相対的に低温となる第１領域（例えば、運転温度に対して５℃以上低い温度差の領域）に対向して第１孔密度となる第１領域２０１を有するとともに、第１領域よりも高い温度の第２領域（例えば、運転温度に対して３℃以上５℃未満低い温度差の領域）を形成する領域に対向して第１孔密度よりも小さな第２孔密度となる第２領域２０２を有している。

例えば、第１領域２０１及び第２領域２０２に全て同一径の孔２０Ａが形成されている場合には、第１領域２０１には、第２領域２０２よりも密に且つ多くの孔２０Ａが形成されている。

このような構成により、膜電極接合体２の面内での温度分布のさらなる均一化を図ることが可能となる。

なお、上述した各実施形態のうち、孔２０Ａの意味するところは、その形成方法が、抜き出し・切り出し・切削・薬品による孔形成等、いかなる形成方法の孔であっても良い。また、孔２０Ａの形状も、例とする円形状のみに限られるものではなく、四角形状、三角形状、星形状、切り込み、その他いかなる形状であっても良い。図１６は、孔２０Ａの形状が三角形状の場合を示している。また、板状体２０の表面（例えば、カバープレートと対向する面）と裏面（例えば、カソード集電体と対向する面）とで孔２０Ａの径が異なっていても良い。

以上説明したように、この実施の形態によれば、膜電極接合体の面内での水分（あるいは湿度）の分布のばらつきを緩和し、過剰な水分の蒸散を促進することにより、発電反応に必要な物質の授受の阻害因子を取り除き、安定して高い出力を得ることが可能であるとともに長寿命化が可能な燃料電池を提供することができ、さらには、その応用機器を提供することもできる。

上述した各実施形態の燃料電池１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。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。

さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また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たりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。 図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。 図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。 図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な燃料供給機構における燃料供給部の燃料分配板の構造を概略的に示す斜視図である。 図５は、図４に示した燃料分配板の平面図である。 図６は、膜電極接合体における面内の温度分布の一例を説明するための図である。 図７は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の形状例を概略的に示す図である。 図８は、燃料供給機構における燃料排出口と、板状体の孔との位置関係の例を説明するための図である。 図９は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の他の形状例を概略的に示す図である。 図１０は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の他の形状例を概略的に示す図である。 図１１は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の他の形状例を概略的に示す図である。 図１２は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の他の形状例を概略的に示す図である。 図１３は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の他の形状例を概略的に示す図である。 図１４は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の他の形状例を概略的に示す図である。 図１５は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の他の形状例を概略的に示す図である。 図１６は、図６に示した温度分布の膜電極接合体に対して適用可能な板状体の他の形状例を概略的に示す図である。

符号の説明

１…燃料電池 ２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １３…アノード
１４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １６…カソード
１７…電解質膜 １８…集電体 １９…シール材
２０…板状体（保湿層） ２０Ａ…孔
２１…カバープレート ２１Ａ…開口部
３…燃料供給機構 ４…燃料収容部 ５…流路 ６…ポンプ

Claims (10)

1. 燃料極と空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
   燃料を収容する燃料収容部と、
   前記燃料収容部に収容された燃料を前記膜電極接合体の前記燃料極に供給する燃料供給機構と、
   前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、前記膜電極接合体の面内において相対的に低温となる領域に対向する、もしくはそれに順ずる規則性を持った領域に対向する孔を有する絶縁材料によって形成された板状体と、
   を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 前記板状体の前記孔は、前記膜電極接合体の面内において周辺部、もしくはそれに順ずる箇所に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記板状体の前記孔は、前記燃料供給機構において燃料を排出する燃料排出口の直上に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記板状体は、少なくとも一つ以上の径が異なる複数の孔乃至実質的に同じ作用を持つ構造を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記板状体は、前記膜電極接合体の面内において相対的に低温となる第１領域に対向して第１径の孔を有するとともに、前記第１領域よりも温度が高い第２領域に対向して第１径よりも小さい第２径の孔を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記板状体は、前記膜電極接合体の面内において相対的に低温となる第１領域に対向して第１孔密度となる第１領域を有するとともに、前記第１領域よりも温度が高い第２領域に対向して第１孔密度よりも小さい第２孔密度となる第２領域を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記板状体の前記膜電極接合体側とは反対側に、さらに、前記燃料供給機構との間で前記膜電極接合体を保持するとともに開口部を有するカバープレートを備え、
   前記板状体の前記孔は、前記カバープレートの開口部と連通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記膜電極接合体は、前記電解質膜を介して配置された前記燃料極と前記空気極とで構成される単セルを複数有し、前記単セルのそれぞれは、前記電解質膜の平面内に分離して配置され、さらに、前記膜電極接合体における各単セルを電気的に接続する集電体を備えており、
   前記板状体は、前記孔から前記集電体を露出することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
9. 前記集電体は、前記膜電極接合体の前記空気極まで貫通するとともに前記板状体の前記孔と連通する孔を有し、
   前記板状体は、前記孔から前記空気極を露出するあるいは閉塞しないことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

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