JP2010080108A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池の発電反応に伴って燃料極側で生じるガス成分の除去性を高めつつ、空気極への空気の流入量を維持する。
【解決手段】燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１２を備える起電部と、起電部を空気極１０側から保持するように取り付けられ、空気極１０に空気を導入する開口部２３ａを有するカバープレート２３と、燃料収容部および燃料供給機構とを具備する。ＭＥＡ１２は少なくとも電解質膜１１を貫通するように設けられたガス抜き孔１７を有する。カバープレート２３は少なくともガス抜き孔１７に対応する位置に配置され、開口部２３ａ等と連通する金属多孔質体２７を有する。
【選択図】図５

Description

本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。

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や充電器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。

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、燃料収容部上に配置した構造が適用されている。また、ＤＭＦＣの起電部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。燃料収容部から直接もしくは流路を介して導入されたメタノール燃料等を電池内部で気化させて燃料極に供給する場合、ＭＥＡの燃料極側ではガス化した燃料を閉じ込めつつ、電池反応に基づいて生じる炭酸ガスや水蒸気等のガス成分を系外に放出する必要がある。

パッシブ型ＤＭＦＣでは、燃料極側の容器側面にガス抜き機構（内圧逃がし機構）を設け、ガス成分を系外に放出することが提案されている（特許文献１，２参照）。ＤＭＦＣの容器側面にガス抜き機構を設けた場合、発生したガス成分が周辺部から抜けていくことになるため、ＭＥＡの中央付近で生成したガス成分の除去性が低下するおそれがある。さらに、ＭＥＡの周辺部は中央付近に比べて温度が低いため、水蒸気が凝結してガス抜き機構が閉塞するおそれがある。

これに対して、燃料極側で生じた炭酸ガスや水蒸気等のガス成分を、ＤＭＦＣに設けたガス抜き孔を介して空気極側から放出することが検討されている。ガス成分は空気極上に配置された保湿層やカバープレートに設けられた空気導入用の開口部を介して系外に放出される。このようなガス抜き機構によれば、ＭＥＡの各部から生じたガス成分を効率よく系外に放出することができる。ただし、ガス抜き孔の形成位置によっては、空気極への空気の流入を阻害するおそれがある。これは燃料電池の出力特性を低下させる要因となる。
特開２００６−１０８０２８号公報 特開２００６−３１８７１２号公報

本発明の目的は、発電反応に伴って燃料極側で生じるガス成分の除去性を高めつつ、空気極への空気の流入量を維持することを可能にした燃料電池を提供することにある。

本発明の態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記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を備え、前記膜電極接合体は少なくとも前記電解質膜を貫通するように設けられたガス抜き孔を有する起電部と、前記起電部を前記空気極側から保持するように取り付けられ、前記空気極に空気を導入する開口部を有するカバープレートと、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部から前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを具備し、前記カバープレートは少なくとも前記ガス抜き孔に対応する位置に配置され、前記開口部または前記カバープレートの外側空間と連通する金属多孔質体を有することを特徴としている。

本発明の態様に係る燃料電池においては、発電反応に基づいて燃料極側に発生するガス成分を膜電極接合体に設けたガス抜き孔から効率よく系外に放出することができる。その上で、カバープレートに取り付けた金属多孔質体によって、ガス成分の系外への放出と空気極への空気の流入とを両立させることができる。従って、発電反応の効率や安定性を向上させた燃料電池を提供することが可能となる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える起電部２と、起電部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。

起電部２は、アノード触媒層５とアノードガス拡散層６とを有するアノード（燃料極）７と、カソード触媒層８とカソードガス拡散層９とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１０と、アノード触媒層５とカソード触媒層８とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１１とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）１２を有している。

アノード触媒層５やカソード触媒層８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５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８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。触媒は炭素材料等の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。

アノード触媒層５に積層されるアノードガス拡散層６は、アノード触媒層５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５の集電機能を有するものである。カソード触媒層８に積層されるカソードガス拡散層９は、カソード触媒層８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８の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層６やカソードガス拡散層９は、例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性を有する多孔質基材で構成されている。

電解質膜１１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１１はこれらに限られるものではない。

上記したＭＥＡ１２をアノード集電体１３とカソード集電体１４とで挟み込むことによって、起電部２が構成される。アノードガス拡散層６はアノード集電体１３と積層され、カソードガス拡散層９はカソード集電体１４と積層されている。集電体１３、１４は燃料や空気を流通させる貫通孔を有している。集電体１３、１４にはＡｕやＮｉ等の導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）や箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）のような導電性金属材料にＡｕ等の良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。起電部２はＯリング等のシール部材１５でシールされており、ＭＥＡ１２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。

起電部２は図２や図３に示すように、電解質膜１１を介して配置されたアノード（燃料極）７とカソード（空気極）１０とで構成される単セル１６を複数有している。これら複数の単セル１６、１６…は電解質膜１１の平面内に分離して配置され、かつ集電体１３、１４により電気的に接続されている。複数の単セル１６、１６…は直列に接続されている。そして、ＭＥＡ１２は後に詳述するように、少なくとも電解質膜１１を貫通するように設けられたガス抜き孔１７を有している。

ガス抜き孔１７は発電反応に伴ってアノード７側に生じたガス成分をカソード１０側に逃がすものである。ガス抜き孔１７の孔径は５０μｍ以上２ｍｍ以下の範囲とすることが好ましい。ガス抜き孔１７の孔径が５０μｍ以下であると、水蒸気の凝集による閉塞等が生じやすくなり、ガス抜き効果を十分に得ることができないおそれがある。一方、ガス抜き孔１７の孔径が２ｍｍ以上の場合には、空気極１０側に直接透過する燃料の量が多くなり、局部的な加熱状態が生じやすくなるため、出力の安定性等が低下するおそれがある。

ガス抜き孔１７はＭＥＡ１２の各単セル１６、１６…間に相当する部分、具体的には電解質膜１１のみが存在する部分に設けられていることが好ましい。例えば、ガス抜き孔１７は各単セル１６、１６…間に相当する電解質膜１１の部分に設けられている。ガス抜き孔１７は燃料電池１内の任意の位置に任意の数で設けることができるため、ＭＥＡ１２の面内から均一にガス成分を除去することが可能となる。さらに、ガス抜き孔１７を燃料電池１内の温度が高い中央付近に存在させることで、水蒸気の凝結による閉塞を抑制することができる。これらによって、ＭＥＡ１２全体で効率的にかつ継続的に発電反応を生起させることが可能となる。

ＭＥＡ１２の温度分布等によっては、図４に示すようにガス抜き孔１７を単セル１６の周囲に相当する電解質膜１１の部分に形成してもよい。このような場合においても、ガス抜き孔１７の位置や数を調整することによって、アノード７側で生じたガス成分を速やかに除去することができる。図３に示すガス抜き孔１７と図４に示すガス抜き孔１７とは組合せて適用することができる。また場合によっては、単セル１６の部分に相当するＭＥＡ１２を貫通するようにガス抜き孔１７を設けることも可能である。

起電部２は例えば燃料拡散室１８を形成する容器１９上に配置されている。容器１９は上部が開口された箱状の形状を有している。このような容器１９の開口部側にＭＥＡ１２のアノード７が位置するように起電部２が配置されている。容器１９内には燃料拡散材２０が配置されている。燃料拡散材２０は板状の多孔質材料等で形成されており、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン等からなる樹脂製多孔質板が用いられる。燃料拡散室１８と燃料拡散材２０とは、アノード７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２１を構成するものである。

そして、燃料拡散材２０が配置された容器１９上に起電部２と保湿層２２とを積層し、その上から金属製（例えばステンレス製）のカバープレート２３を被せるように取り付けて全体を保持することによって、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。保湿層２２はカソード触媒層８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共に、カソード触媒層８への空気の均一拡散を促進するものである。保湿層２２は保湿性を有する多孔質部材からなり、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン等からなる樹脂製多孔質板が用いられる。

カバープレート２３は起電部２をカソード（空気極）１０側から保持するものであり、空気導入用の開口部２３ａを有している。カバープレート２３の開口部２３ａは複数の単セル１６、１６…の部分に対応するように設けられている。カバープレート２３の開口部２３ａ以外の部分は、カバープレート２３の強度を維持することが可能なような構造（開口部２３ａを有しない板状構造）となっている。

燃料拡散材２０は容器１９に設けられた燃料注入部２４と接している。燃料注入部２４は配管のような液体燃料の流路２５を介して燃料収容部４と接続されている。燃料収容部４にはＭＥＡ１２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。液体燃料はこれに限られるものではない。液体燃料は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。

流路２５にはポンプ２６が介在されている。ポンプ２６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２１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２１からＭＥＡ１２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。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。液体燃料の供給にポンプ２６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。燃料電池１は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２６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。

燃料電池１においては、ポンプ２６を用いて燃料収容部４から燃料供給部２１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ２６で送液された液体燃料は燃料拡散材２０内を速やかに面方向に展開し、燃料拡散室１８を介してＭＥＡ１２のアノード（燃料極）７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１６、１６…の各アノード（燃料極）７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２６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。

燃料供給部２１から放出された燃料は、ＭＥＡ１２のアノード（燃料極）７に供給される。ＭＥＡ１２内において、燃料はアノードガス拡散層６を拡散してアノード触媒層５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５で下記の式（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８で生成した水や電解質膜１１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１３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１４を経由してカソード（空気極）１０に導かれる。式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は電解質膜１１を経てカソード１０に導かれる。カソード１０には酸化剤として空気が供給される。カソード１０に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層８で空気中の酸素と下記の式（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）

この実施形態の燃料電池１において、発電反応で燃料極７側に発生したガス成分はＭＥＡ１２に設けられたガス抜き孔１７を介して空気極１０側に逃がされ、さらには系外に放出される。ここで、ガス抜き孔１７は単セル１６間に相当する電解質膜１１の部分に設けられているため、ガス抜き孔１７の上部には板状のカバープレート（開口部２３ａを有しない板状部分）２３が存在する。ガス抜き孔１７を単セル１６の周囲に相当する電解質膜１１の部分に形成する場合も同様である。このような状態ではガス成分が保湿層２２を介して系外に放出されるため、空気極１０への空気の流入を阻害するおそれがある。

そこで、この実施形態の燃料電池１においては、図５や図６に示すように、カバープレート２３のガス抜き孔１７に対応する位置に金属多孔質体２７を配置している。保湿層２２にもガス抜き孔１７の配置位置に対応させて貫通孔２２ａが設けられている。カバープレート２３はガス抜き孔１７に対応する薄肉部２３ｂを有している。薄肉部２３ｂはカバープレート２３の一部（少なくともガス抜き孔１７の配置位置に対応する部分）を起電部２と対向する面側から薄肉化したものである。

金属多孔質体２７はカバープレート２３の薄肉部２３ｂに対して起電部２側から積層されている。金属多孔質体２７はカバープレート２３の内側に配置されており、カバープレート２３の強度に影響を及ぼすことはない。すなわち、カバープレート２３の強度はそれ自体で維持されている。金属多孔質体２７はカバープレート２３の開口部２３ａと連通している。燃料極７側で発生したガス成分は金属多孔質体２７を介して系外に放出される。従って、空気極１０への空気の流入量を増加させることが可能となる。

燃料電池１の発電反応に伴って生じた熱は、金属多孔質体２７およびカバープレート２３を介して系外に放熱される。燃料極７側で発生したガス成分が金属多孔質体２７を介して系外に放出される際に、発電反応に伴って生じた熱も同時に系外に放熱される。この際、カバープレート２３の厚さ方向における熱伝導面積は金属多孔質体２７で増大されているため、発電反応に伴って生じた熱の系外への放熱性を高めることができる。これらによって、燃料電池１の出力特性等を向上させることが可能となる。

さらに図６に示すように、金属多孔質体２７の間に空隙部２３ｃを設けることによって、燃料電池１の放熱性をより一層高めることができる。金属多孔質体２７の間に空隙部２３ｃを設けた場合、ガス成分と同時に放出される熱の系外への熱伝導効率を高めることができる。従って、発電反応に伴って生じた熱の系外への放熱性をより一層向上させることが可能となる。加えて、放熱性の向上に伴ってガス成分の系外への放出性も高まるため、空気極１０への空気の流入量もより増加する。

図５や図６では金属多孔質体２７をカバープレート２３の薄肉部２３ｂと積層して配置した状態を示したが、金属多孔質体２７の配置構造はこれに限られるものではない。金属多孔質体２７はカバープレート２３に設けた貫通孔内に配置してもよい。この場合、金属多孔質体２７はカバープレート２３の外側空間と直接連通される。このような金属多孔質体２７によっても、ガス成分の系外への放出性と熱の系外への放熱性を高めることができる。ただし、金属多孔質体２７は強度が劣ることから、カバープレート２３の強度を考慮した場合、貫通孔内への金属多孔質体２７の配置は局所的であることが好ましい。

金属多孔質体２７には焼結金属や発泡金属等の種々の多孔質体を適用することができる。金属多孔質体２７を構成する金属材料は特に限定されるものではないが、例えばステンレス、ニッケル、アルミニウム、あるいはそれらの合金等が用いられる。金属多孔質体２７は発泡金属を骨格とし、その表面を各種金属材料で被覆（例えば電気メッキによる）した複合材等で構成してもよい。強度や線膨張係数等を考慮すると、金属多孔質体２７はカバープレート２３と同種の金属材料で構成することが好ましい。例えば、カバープレート２３がステンレス製であれば、ステンレスの多孔質体を用いることが好ましい。

金属多孔質体２７は５０〜６００μｍの範囲の平均孔径と５０〜９５％の範囲の気孔率とを有することが好ましい。金属多孔質体２７の平均孔径が５０μｍ未満であったり、また気孔率が５０％未満であると、ガス成分の系外への放出性を十分に高めることができないおそれがある。この場合、空気極１０への空気の流入量も十分に増加させることができない。金属多孔質体２７の平均孔径が６００μｍを超えたり、また気孔率が９０％を超えると強度が低下したり、また逆に熱伝導性や伝熱面積が減少して放熱性が低下するおそれがある。金属多孔質体２７の平均孔径は水置換法により測定した値を示す。金属多孔質体２７の気孔率は電子顕微鏡により断面観察して測定するものとする。

さらに、金属多孔質体２７の気孔率および平均孔径の少なくとも一方は、多孔質部材からなる保湿層２２の気孔率および平均孔径より大きいことが好ましい。これによって、燃料極７側で発生したガス成分の系外への放出性、すなわち金属多孔質体２７およびカバープレート２３の開口部２３ａを介したガス成分の系外への放出性をより高めることができる。金属多孔質体２７の気孔率が保湿層２２の気孔率より小さいと、ガス成分の保湿層２２への流入量が増加して、空気極１０への空気の流入を阻害するおそれがある。また、ガス成分の系外への放出性を向上させる上で、保湿層２２はガス抜き孔１７の配置位置に対応する貫通孔２２ａを有することが好ましい。

金属多孔質体２７はガス抜き孔１７の形成位置に対応させて局所的に配置してもよいが、例えば図７および図８に示すように単セル１６の長手方向に沿った長尺形状を有していてもよい。金属多孔質体２７は少なくともガス抜き孔１７に対応する位置に配置されていればよい。図７は図５に示す金属多孔質体２７を長尺化した状態とその配置を示す図である。図８は図６に示す金属多孔質体２７を長尺化した状態とその配置を示す図である。これらの図に示すように、ガス抜き孔１７の形成位置に対応し、かつ単セル１６の長手方向に沿った長尺形状を有する金属多孔質体２７によれば、単セル１６の間に相当する部分を全てガス成分の通路として機能させることができる。

長尺形状を有する金属多孔質体２７は、図５に示したようにカバープレート２３の薄肉部２３ｂと積層させて配置することが好ましい。すなわち、金属多孔質体２７をカバープレート２３の内側に配置することが好ましい。これによって、金属多孔質体２７の配置に伴うカバープレート２３の強度低下を抑制することができる。図６に示したように、金属多孔質体２７の間に空隙部２３ｂを形成する場合には、空隙部２３ｂが生じるような２本の長尺な金属多孔質体２７をカバープレート２３の内側に配置する。

この実施形態の燃料電池１においては、カバープレート２３の少なくともガス抜き孔１７に対応する位置に、カバープレート２３の開口部２３ａまたはカバープレート２３の外側空間と連通する金属多孔質体２７を配置している。これによって、空気極１０への空気の流入を阻害することなく、燃料極７側で発生したガス成分の系外への放出性を高めることができる。すなわち、空気極１０への空気の流入性とガス成分の系外への放出性とを同時に高めることが可能となる。さらに、発電反応に伴って生じた熱の系外への放熱性も増大する。これらによって、燃料電池１の出力特性等を向上させることが可能となる。

上述した実施形態では燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部２１として、燃料拡散室１８内に配置した燃料拡散材２０を適用しているが、燃料供給部２１の構成はこれに限られるものではない。燃料供給部２１は例えば図９および図１０に示すように、燃料注入口３１と複数の燃料排出口３２とを細管３３のような燃料通路で接続した燃料分配板３４で構成することも可能である。

図９および図１０に示す燃料供給部２１は、液体燃料が流入する少なくとも１個の燃料注入口３１と、液体燃料もしくはその気化成分を排出する複数個の燃料排出口３２とを有する燃料分配板３４を備えている。燃料分配板３４の内部には、液体燃料の通路として機能する細管３３が形成されている。細管３３の一端（始端部）には燃料注入口３１が設けられている。細管３３は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管３３の各終端部に燃料排出口３２がそれぞれ設けられている。

さらに、上述した実施形態は本発明をセミパッシブ型の燃料電池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い。金属多孔質体２７を備えるカバープレート２３は純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。本発明はパッシブ型やセミパッシブ型等の燃料電池に適用することができる。これらの場合に空気極１０への空気の流入量を維持しつつ、ガス成分の系外への放出性を高めることができる。

次に、本発明の燃料電池の具体例およびその評価結果について述べる。

（実施例１）
図５および図７に示した燃料電池を以下のようにして作製した。カーボンペーパー上にＰｔ−Ｒｕ系触媒層を塗布して燃料極を形成した。次いで、カーボンペーパー上にＰｔブラック触媒層を塗布して空気極を形成した。これらを１組とする単セルを４組形成し、各単セルの触媒層が電解質膜と接するようにして、パーフルオロスルホン酸からなる電解質膜を挟持した。これらをホットプレスしてＭＥＡを作製した。２組の単セル間に相当する部分（２箇所）に開口径が１ｍｍの貫通孔（ガス抜き孔）をそれぞれ３個形成した。

上記したＭＥＡを集電体で挟み込んで起電部を形成し、この起電部と保湿層（平均孔径が２０μｍ、気孔率が２６％のポリエチレン製多孔質板）との積層体を燃料拡散材が収容された容器上に配置した。その上からステンレス製のカバープレートで保持して発電ユニットを作製した。カバープレートは平均孔径が３００μｍ、気孔率が８０％の長尺形状のステンレス製多孔質体を有する。このようなステンレス製多孔質体をガス抜き孔の形成領域（２組の単セル間に相当する２箇所）にそれぞれ配置した。金属多孔質体はカバープレートの薄肉部と積層して配置した。この燃料電池に液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電を行った。酸化剤ガスは自発的に取り込まれる空気を使用した。

（実施例２）
金属多孔質体の間に図６および図８に示した空隙部を設ける以外は、実施例１と同様にして発電ユニットを作製した。すなわち、空隙部が形成されるように２本のステンレス製多孔質体（平均孔径３００μｍ、気孔率８０％）をカバープレートの薄肉部に積層した。この燃料電池に液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電を行った。酸化剤ガスは自発的に取り込まれる空気を使用した。

（比較例１）
カバープレートに金属多孔質体を積層しない以外は、実施例１と同様にして発電ユニットを作製した。金属多孔質体はフィン状突起に対応する平面形状を有する以外は実施例１と同一構成を有する。すなわち、カバープレートとして開口部のみを有するステンレス製プレートを用いた。この燃料電池に液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電を行った。酸化剤ガスは自発的に取り込まれる空気を使用した。

実施例１〜２および比較例１による各燃料電池の発電動作時における酸素濃度、放熱量、出力をそれぞれ測定した。測定結果はそれぞれ比較例１を１００とした場合の相対値である。これらの測定結果を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１および実施例２の燃料電池はいずれも酸素吸入性や放熱性に優れ、その結果として出力特性が向上していることが分かる。なお、金属多孔質体を貫通孔内に配置したカバープレートを用いて作製した発電ユニットについて、同様に特性を調べたところ、実施例１、２に比べると酸素吸入性や放熱性が若干劣っていたものの、金属多孔質体を有しない比較例１と比べて出力特性が向上することが確認された。金属多孔質体を局所的に配置した場合にも同様な特性を有することが確認された。

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合せたり、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する等、種々の変形が可能である。

本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。 図１に示す燃料電池の起電部を示す断面図である。 図２に示す起電部の一例を示す平面図である。 図２に示す起電部の他の例を示す平面図である。 図１に示す燃料電池におけるガス抜き孔の部分の一例を拡大して示す断面図である。 図１に示す燃料電池におけるガス抜き孔の部分の他の例を拡大して示す断面図である。 図５に金属多孔質体の積層状態を示す斜視図である。 図６に金属多孔質体の積層状態を示す斜視図である。 本発明の燃料電池に用いられる燃料供給部の他の例を示す斜視図である。 図９に示す燃料供給部の平面図である。

符号の説明

１…燃料電池、２…起電部、３…燃料供給機構、４…燃料収容部、５…アノード触媒層、６…アノードガス拡散層、７…アノード（燃料極）、８…カソード触媒層、９…カソードガス拡散層、１０…カソード（空気極）、１１…電解質膜、１２…ＭＥＡ、１３…アノード集電体、１４…カソード集電体、１７…ガス抜き孔、１８…燃料拡散室、１９…容器、２０…燃料拡散材、２１…燃料供給部、２２…保湿層、２３…カバープレート、２２ａ，２３ａ…開口部、２３ｂ…薄肉部、２３ｃ…空隙部、２７…金属多孔質体。

Claims (6)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記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を備え、前記膜電極接合体は少なくとも前記電解質膜を貫通するように設けられたガス抜き孔を有する起電部と、
   前記起電部を前記空気極側から保持するように取り付けられ、前記空気極に空気を導入する開口部を有するカバープレートと、
   液体燃料を収容する燃料収容部と、
   前記燃料収容部から前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを具備し、
   前記カバープレートは、少なくとも前記ガス抜き孔に対応する位置に配置され、前記開口部または前記カバープレートの外側空間と連通する金属多孔質体を有することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記起電部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、前記ガス抜き孔は前記単セル間に相当する前記電解質膜の部分、および前記単セルの周囲に相当する前記電解質膜の部分の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池において、
   前記カバープレートは、前記起電部と対向する面側から薄肉化され、前記金属多孔質体の配置位置に対応する薄肉部を有し、前記金属多孔質体は前記薄肉部に積層されていることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項２または請求項３記載の燃料電池において、
   前記金属多孔質体は前記単セルの長手方向に沿った長尺形状を有することを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池において、
   前記金属多孔質体は５０〜６００μｍの範囲の平均孔径および５０〜９５％の範囲の気孔率を有することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池において、
   さらに、前記起電部と前記カバープレートとの間に配置され、多孔質部材からなる保湿層を具備し、前記金属多孔質体の気孔率および平均孔径の少なくとも一方は前記保湿層の気孔率および平均孔径より大きいことを特徴とする燃料電池。

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