JP2010055997A - 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、アノード１３とカソード１６と電解質膜１７とを有した膜電極接合体２と、燃料供給機構３と、アノード導電層５１とカソード導電層５４とを含んだ集電体５０と、保湿板２０と、カバープレート１８と、シール材１９ｂと、を備えている。それぞれシール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４、保湿板２０及びカバープレート１８の少なくとも１つの面積は、カソード１６の面積の１．５乃至２．５倍である。
【選択図】 図１

Description

この発明は、燃料電池に関する。

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。

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。

内部気化型のパッシブ方式では、燃料の供給量を確保するため、アクティブ方式に比べて、濃度の濃いメタノールを燃料として使用されている。この際、アノードでの反応に必要な水はカソードで生成する水のアノードへの逆拡散により供給される。
特許第３４１３１１１号公報 国際公開番号ＷＯ２００６／０５７２８３号公報

上述した内部気化型パッシブ方式の燃料電池では、液体で内部に挿入された燃料が、一旦気化してから膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）に供給されるため、その供給量がアクティブ方式に比べて制限される。また、アクティブ方式で燃料が供給される場合に発生する送液圧力が生じないため、アノード反応で生じた二酸化炭素をスムーズに反応系外へ逃がすことが反応促進の上で重要となる。さらに、パッシブ方式の自発呼吸型燃料電池では、カソードへの酸素供給も自然の対流に依存しているため、強制的に給気することができず、カソード側での空気や熱の滞留による反応性の低下が懸念される。

上記した場合、燃料電池の出力低下が生じる恐れがある。出力が低下すると、燃料電池の性能が低下することになる。これらの課題は、ＭＥＡの構造により一部解決されるが、ＭＥＡを取り巻くセル構造により大きく左右される。
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、
アノードと、カソードと、前記アノード及びカソード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、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
前記アノード及び燃料供給機構間に位置し、前記アノードに接触され、前記アノードを露出させる燃料通過部を有したアノード導電層と、前記カソードに対して前記電解質膜の反対側に位置し、前記カソードに接触され、前記カソードを露出させる通気部を有したカソード導電層と、を含んだ集電体と、
前記カソード導電層に対して前記膜電極接合体の反対側に位置した保湿板と、
前記保湿板に対して前記カソード導電層の反対側に位置し、複数の通気孔を有したカバープレートと、
前記カソードの平面に沿った方向で前記カソードを囲み、枠状に形成されたシール材と、を備え、
それぞれ前記シール材の内側に位置した前記カソード導電層、保湿板及びカバープレートの少なくとも１つの面積は、前記カソードの面積の１．５乃至２．５倍である。

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。なお、この実施の形態においては、内部気化方式のパッシブ型の燃料電池１について説明するが、燃料電池の方式は、この方式に限定されるものではない。

図１乃至図５に示すように、燃料電池１は、燃料電池１の起電部を構成する膜電極接合体２を備えている。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。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の集電体としての機能も兼ね備えている。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の集電体としての機能も兼ね備えている。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、同一の電解質膜１７上に１個のアノード１３及び１個のカソード１６をそれぞれ対向して形成したＭＥＡ構造のものを示しているが、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。例えば、膜電極接合体２の構造は、同一の電解質膜１７上に４個のアノード１３及び４個のカソード１６をそれぞれ対向して形成し、それらを電気的に直列に接続した構造であっても良い。

燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２に対向配置され、膜電極接合体２に対して燃料Ｆを供給する燃料供給機構３を備えている。この燃料供給機構３は、燃料Ｆを収容する燃料収容部３０を備えている。この燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するものである。膜電極接合体２は、たとえば矩形の平面形状を有し、燃料収容部３０も同一矩形の平面形状を有している。

燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３と対向する面に設けられた開口部３０Ａを有している。すなわち、燃料収容部３０は、その上面全面が開口された箱状容器となっている。このような燃料収容部３０の内部には、膜電極接合体２に対応した液体燃料Ｆを収容している。

液体燃料Ｆ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Ｆ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Ｆ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、膜電極接合体２に応じた液体燃料が使用される。

燃料収容部３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。燃料収容部３０は、液体燃料Ｆの残量を外部から目視することが可能なように透明樹脂によって形成されることが望ましい。また、このような透明樹脂は、耐メタノール性などを有していることが好ましい。なお、燃料収容部３０は、全体を透明樹脂で形成しても良いし、その一部を透明樹脂で形成しても良い。

上述した透明樹脂としては、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燃料収容部３０を除外するものではない。

燃料収容部３０の開口部３０Ａと膜電極接合体２との間には、図１に示したように、気液分離膜４が設置されていてもよい。この気液分離膜４は、燃料収容部３０の開口部３０Ａを塞ぐように配置され、液体燃料Ｆの気化成分を透過するとともに液体燃料を透過させない膜によって形成されている。これにより、燃料収容部３０内で気化した液体燃料Ｆの気化成分は、燃料収容部３０の開口部３０Ａ及び気液分離膜４を介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。

このような気液分離膜４の構成材料としては、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂などが挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、例えば液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を適用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分とからなる混合気を意味し、液体燃料Ｆとして純メタノールを適用した場合には、メタノールの気化成分を意味する。

燃料電池１は、集電体５０を備えている。集電体５０は、アノード導電層５１、端子５３、カソード導電層５４及び端子５６を含んでいる。アノード導電層５１及びカソード導電層５４は、互いに電気的に絶縁されている。

アノード導電層５１は、アノード１３及び燃料供給機構３間に位置し、アノード１３に接触している。アノード導電層５１は、アノード１３を露出させる複数の燃料通過部５２を有している。端子５３は、アノード導電層５１の周縁から延出して形成されている。

カソード導電層５４は、カソード１６に対して電解質膜１７の反対側に位置し、カソード１６に接触している。カソード導電層５４は、カソード１６を露出させる通気部５５を有している。端子５６は、カソード導電層５４の周縁から延出して形成されている。

アノード導電層５１及びカソード導電層５４としては、例えば金（Ａｕ）のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜または箔体、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等が用いられる。この実施の形態において、アノード導電層５１及びカソード導電層５４は、金（Ａｕ）のような導電性金属材料によりメッシュ状に形成されている。

アノード導電層５１及びカソード導電層５４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２は、アノード導電層５１及びカソード導電層５４により挟まれている。

上記したように、膜電極接合体２及び集電体５０が組合されることで、液体燃料Ｆの気化成分は、燃料通過部５２を通ってアノードガス拡散層１２及びアノード触媒層１１に供給される。このため、燃料電池１は、液体燃料Ｆの気化成分をアノードガス拡散層１２及びアノード触媒層１１に供給するように形成されている。酸化剤としての空気は、カソード導電層５４の通気部５５を通ってカソードガス拡散層１５及びカソード触媒層１４に供給される。

燃料電池１は、保湿板２０を備えている。保湿板２０は、カソード導電層５４に対して膜電極接合体２の反対側に位置している。この保湿板２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソードガス拡散層１５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層１４への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿板２０は、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。この実施の形態において、保湿板２０は発泡ポリエチレンシートである。

また、燃料電池１は、膜電極接合体２のカソード（空気極）１６側に配置されたカバープレート１８を備えている。カバープレート１８は、保湿板２０に対してカソード導電層５４の反対側に位置している。このカバープレート１８は、外観が略箱状のものであり、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１８は、酸化剤である空気を取入れるための複数の通気孔（空気導入孔）１８Ａを有している。通気孔１８Ａは、例えば略等間隔に形成されている。

このようなカバープレート１８は、気液分離膜４、膜電極接合体２、集電体５０及び保湿板２０を覆って燃料収容部３０に固定されている。つまり、膜電極接合体２は、燃料収容部３０とカバープレート１８との間に配置されている。そして、このカバープレート１８は、膜電極接合体２を支持する支持体として機能する。

さらに、燃料電池１は、シール材１９ａ、１９ｂを備えている。シール材１９ａ、１９ｂは、絶縁材料として、それぞれゴム製のＯリングなどで形成されている。シール材１９ａは、アノード１３の平面に沿った方向でアノード１３を囲み、枠状に形成されている。シール材１９ｂは、カソード１６の平面に沿った方向でカソード１６を囲み、枠状に形成されている。

シール材１９ａは、膜電極接合体２からの燃料の漏れを防止する機能を有している。シール材１９ｂは、膜電極接合体２からの酸化剤の漏れを防止する機能を有している。なお、シール材１９ａがアノード導電層５１に重なっている場合、シール材１９ａは、予めアノード導電層５１に接着されていても良い。同様に、シール材１９ｂがカソード導電層５４に重なっている場合、シール材１９ｂは、予めカソード導電層５４に接着されていても良い。

上述したような構成の燃料電池１においては、以下のようなプロセスによって発電する。
すなわち、燃料収容部３０内のメタノール燃料などの液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が気液分離膜４を透過して膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２内において、液体燃料Ｆの気化成分は、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Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１に供給された気化成分は、下記の（１）式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）
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、燃料収容部３０から水蒸気が供給されないため、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。

この内部改質反応で生成された電子（ｅ⁻）は、集電体５０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、カソード１６に導かれる。また、（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。

一方、カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、カバープレート１８に設けられた通気孔１８Ａから導入された空気は、保湿板２０及びカソードガス拡散層１５を通過し、カソード触媒層１４へと供給される。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）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。

本発明においては、それぞれシール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４、保湿板２０及びカバープレート１８の少なくとも１つの面積は、カソード１６の面積の１．５乃至２．５倍である。これにより、膜電極接合体２に触媒反応を円滑に行わせることができるため、発電する電力を増大させることができる。

上記したように、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積がカソード１６の面積の１．５乃至２．５倍であることが望ましい。すなわち、面積比が１．５未満であると放熱促進の効果が小さく、出力に見合う熱を放出することができなくなる。また、面積比が２．５を超えると放熱が大きすぎるため、触媒反応に必要な温度を確保することが困難となるためである。

本発明においては、前記シール材の内側に位置した前記カソード導電層、保湿板及びカバープレートの少なくとも１つの面積は、前記カソードのうちカソード触媒層の面積の１．５乃至２．５倍であることが好ましい。

次に、この実施の形態に係る燃料電池の実施例１−８及び比較例１、２について説明する。なお、これらの実施例及び比較例において、それぞれシール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４、保湿板２０及びカバープレート１８の面積以外は、それぞれ上述したように同様に形成されている。また、これらの実施例及び比較例において、カソード１６のサイズ（面積）は固定している。

（実施例１）
図１及び図６に示すように、膜電極接合体２の平面方向において、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４、保湿板２０及びカバープレート１８の面積は、それぞれカソード１６の面積の２倍であり、カバープレート１８に設けられた通気孔１８Ａは、膜電極接合体２のカソードガス拡散層１５の上部だけでなく、電解質膜１７上部にも通気孔が開口している。

＜アノードの作製＞
アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンに、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂であるパーフルオロカーボンスルホン酸の溶液と、分散媒である水及びメトキシプロパノールとを添加し、これらを攪拌し、このアノード用触媒担持カーボンを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１６０μｍ（カーボンペーパの厚さを除く）のアノード触媒層を得た。塗布したペーストが乾燥した後のアノード触媒層中でのパーフルオロカーボンスルホン酸量は、全固形分の６０重量％であった。

＜カソードの作製＞
カソード用触媒（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、パーフルオロカーボンスルホン酸の溶液と、水及びメトキシプロパノールとを加え、これらを攪拌し、このカソード用触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍ（カーボンペーパの厚さを除く）のカソード触媒層を得た。塗布したペーストが乾燥した後のカソード触媒層中でのパーフルオロカーボンスルホン酸量は、全固形分の３０重量％となるように調整した。

＜膜電極接合体の作製＞
アノード及びカソードを８０℃の湯洗にかけ、触媒層中のフッ素系樹脂に含水をさせた。アノード触媒層とカソード触媒層との間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが５０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ナフィオン（登録商標））を配置し、これらにホットプレスを施すことにより熱圧着し、膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。

＜ＭＥＡを包含するセルの組み立て＞
作製したＭＥＡの拡散層の外側に、金のメッシュからなる集電体５０と、湿度温度コントロールのための保湿板２０と、液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構３と、気液分離膜４とを配し、カソード導電層５４外側の保湿板２０上部から燃料収容部３０までの構成部材を通気孔を有するカバープレート１８で覆う形のセルを組み立てた（図１）。

このとき、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率は、１：２：２：２であった。また、ＭＥＡ周囲からのＭｅＯＨの漏れをシールするシール材１９ｂは、カソード導電層５４の外周部に接する位置に配置した。シール材１９ｂの囲む面積は、カソード１６の面積の２倍であった。

（実施例２）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：２．５：２．５：２．５である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。

（実施例３）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：１．５：１．５：１．５である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。

（実施例４）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：２：２：３である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。なお、この実施例において、カソード導電層５４及び保湿板２０は、シール材１９ｂに重ならず、シール材１９ｂの内側に位置している。

（実施例５）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：２：３：３である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。なお、この実施例において、カソード導電層５４は、シール材１９ｂに重ならず、シール材１９ｂの内側に位置している。

（実施例６）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：１：２：２である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。なお、この実施例において、カソード導電層５４は、シール材１９ｂに重ならず、シール材１９ｂの内側に位置している。

（実施例７）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：２：１：２である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。なお、この実施例において、保湿板２０は、シール材１９ｂに重ならず、シール材１９ｂの内側に位置している。

（実施例８）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：１：１：２である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。なお、この実施例において、カソード導電層５４及び保湿板２０は、シール材１９ｂに重ならず、シール材１９ｂの内側に位置している。

（比較例１）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：１：１：１である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。

（比較例２）
図６に示すように、カソード１６の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積と、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積と、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積との比率が、１：３：３：３である以外は、実施例１と同様にして燃料電池を作製した。

ここで、本願発明者は、上記実施例１−８の燃料電池及び上記比較例１、２の燃料電池を評価するため、各種燃料電池の出力を測定した。そして、測定した最大出力値を基に、各種燃料電池の出力相対値を算出した。出力を測定する際、液体燃料Ｆとして純メタノール燃料を用い、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。

図６に示すように、実施例１−８の燃料電池は、比較例１、２の燃料電池に比べ、高い出力を得ていることが分かる。比較例１の燃料電池の出力相対値を１００とすると、実施例１−８の燃料電池の出力相対値は１５０乃至２００であった。

以上のように構成された燃料電池によれば、燃料電池は、膜電極接合体２と、燃料供給機構３と、集電体５０と、保湿板２０と、カバープレート１８と、シール材１９ｂと、を備えている。

それぞれシール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４、保湿板２０及びカバープレート１８の少なくとも１つの面積は、カソード１６の面積の１．５乃至２．５倍である。これにより、膜電極接合体２に触媒反応を円滑に行わせることができるため、発電する電力を増大させることができる。

上記したように、シール材１９ｂの内側に位置したカソード導電層５４の面積がカソード１６の面積の１．５乃至２．５倍であることが望ましい。すなわち、面積比が１．５未満であると放熱促進の効果が小さく、出力に見合う熱を放出することができなくなる。また、面積比が２．５を超えると放熱が大きすぎるため、触媒反応に必要な温度を確保することが困難となる。

また、上記したように、シール材１９ｂの内側に位置した保湿板２０の面積がカソード１６の面積の１．５乃至２．５倍であることが望ましい。すなわち、面積比が１．５未満であると空気吸入促進の効果が小さく、必要とされている発電量に見合う酸素を供給できなくなる。さらに、カソード１６と、保湿板２０と、シール材１９ｂと、電解質膜１７とに挟まれた空間が狭くなることにより、ガスの対流が妨げられ、有効なガス交換ができなくなる。

また、面積比が２．５を超えると保湿板２０を覆う筐体（カバープレート１８等）も大きくならざるを得なくなり、放熱が大きくなりすぎるため、触媒反応に必要な温度を確保することが困難となる。さらに、実装上のデメリットも大きくなってしまう。

さらに、上記したように、シール材１９ｂの内側に位置したカバープレート１８の面積がカソード１６の面積の１．５乃至２．５倍であることが望ましい。すなわち、面積比が１．５未満であると放熱促進の効果が小さく、出力に見合う熱を放出することができなくなる。そもそも、集電体５０と、保湿板２０とが上記要件を満たす構成のセルを組み立てるためには、物理的に、１．５倍以上の面積を持つ筐体（カバープレート１８等）が必要である。また、面積比が２．５を超えると放熱が大きすぎるため、触媒反応に必要な温度を確保することが困難となる。
上記のことから、出力特性に優れた燃料電池を得ることができる。これにより、十分な出力を長期にわたって安定して得ることができる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。

例えば、上述した実施の形態においては、膜電極接合体２のアノード側に燃料収容部３０を備えた内部気化型のような純パッシブ方式の燃料電池について説明したが、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部、及び、この燃料供給部に対して供給される燃料を収容する燃料収容部を備えたセミパッシブ型と称される方式の燃料電池についても同様の構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。

例えば、図７に示す燃料電池の変形例では、燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部３１を備えている。また、この燃料供給機構３は、燃料供給部３１に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、膜電極接合体２に対応した液体燃料を収容している。

燃料供給部３１と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部３１には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部３１や燃料収容部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３１と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。

燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口３３と、燃料注入口３２と燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。ここで示した燃料供給部３１の例では、燃料注入口３２及び燃料供給口３３は、それぞれ１箇所である。

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４１が配置されている。

なお、このような支持部材４１は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては支持部材４１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４１を配置したことにより、燃料供給口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、燃料供給口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４１により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材４１とカバープレート１８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、起電部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４２が配置されている。多孔体４２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４２として用いられる。このような多孔体４２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。

なお、このような多孔体４２は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては、多孔体４２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４２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の燃料供給口３３から供給された液体燃料は一旦多孔体４２に吸収され、多孔体４２の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体４２から支持部材４１を介してアノード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。
そして、上述した燃料電池の変形例は、上述した実施例の燃料電池と同様の効果を得ることができる。

図８に示した燃料電池の他の変形例では、燃料供給機構３を構成する燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数の燃料供給口３３と、燃料注入口３２と各燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。

このような構成の燃料供給機構３においては、燃料注入口３２から燃料供給部３１内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料供給口３３にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料供給機構３を適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、複数の燃料供給口３３に均等に分配することができる。したがって、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、燃料注入口３２と複数の燃料供給口３３とを細管３４で接続することによって、燃料電池１の特定個所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１の半分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、細管３４の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口３３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。
そして、上述した燃料電池の他の変形例は、上述した実施例の燃料電池と同様の効果を得ることができる。

この発明は、内部気化方式のパッシブ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。

本発明の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。 図１に示した燃料電池の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。 図２に示した膜電極接合体を示す平面図。 図１に示したアノード導電層を示す平面図。 図１に示したカソード導電層を示す平面図。 上記実施の形態の実施例１−８の燃料電池及び比較例１、２の燃料電池のカソード面積、カソード導電層面積、保湿板面積及びカバープレート面積の比率、並びに出力相対値を表で示した図。 上記燃料電池の変形例の構造を概略的に示す断面図。 上記燃料電池の他の変形例の構造を概略的に示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池、２…膜電極接合体、３…燃料供給機構、４…気液分離膜、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…カバープレート、１８Ａ…通気孔、１９ａ，１９ｂ…シール材、２０…保湿板、５０…集電体、５１…アノード導電層、５２…燃料通過部、５４…カソード導電層、５５…通気部、Ｆ…液体燃料。

Claims (3)

1. アノードと、カソードと、前記アノード及びカソード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、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
   前記アノード及び燃料供給機構間に位置し、前記アノードに接触し、前記アノードを露出させる燃料通過部を有したアノード導電層と、前記カソードに対して前記電解質膜の反対側に位置し、前記カソードに接触し、前記カソードを露出させる通気部を有したカソード導電層と、を含んだ集電体と、
   前記カソード導電層に対して前記膜電極接合体の反対側に位置した保湿板と、
   前記保湿板に対して前記カソード導電層の反対側に位置し、複数の通気孔を有したカバープレートと、
   前記カソードの平面に沿った方向で前記カソードを囲み、枠状に形成されたシール材と、を備え、
   それぞれ前記シール材の内側に位置した前記カソード導電層、保湿板及びカバープレートの少なくとも１つの面積は、前記カソードの面積の１．５乃至２．５倍である燃料電池。
2. 前記カソードはカソード触媒層とカソードガス拡散層を有し、前記シール材の内側に位置した前記カソード導電層、保湿板及びカバープレートの少なくとも１つの面積は、前記カソード触媒層の面積の１．５乃至２．５倍である請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記燃料は、メタノール又はメタノール水溶液である請求項１または２に記載の燃料電池。

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