JP2010108841A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルの燃料極の各部に供給される燃料の濃度やバラツキが制御され、出力特性が向上された燃料電池 を提供すること。
【解決手段】燃料極１３と、空気極１６と、前記燃料極１３と前記空気極１６とによって挟持される電解質膜１７とを有する膜電極接合体２と；前記膜電極接合体２の前記燃料極１３側に配置され、前記燃料極１３に燃料を供給するための複数の燃料排出孔２２を有する燃料分配機構４と；前記膜電極接合体２と前記燃料分配機構４との間に配置され、前記燃料分配機構４から排出される燃料を拡散させて前記膜電極接合体２に供給する燃料拡散層８とを有する燃料電池１であって、前記燃料分配機構４における前記複数の燃料排出孔２２の孔間隔Ｌと、前記燃料拡散層８の層厚みＴとを調整することにより、前記燃料極１３に供給される燃料の濃度とバラツキとを制御したもの。
【選択図】図１

Description

本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。

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。

特に、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のパッシブ方式が知られている。

このうち、内部気化型のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。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（燃料電池セル）を、樹脂製の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。しかし、燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性を得られていない。

このため、燃料電池セルの燃料極側に燃料分配機構を配置し、燃料電池セルに燃料を分配して供給することが検討されている。燃料分配機構は、例えば液体燃料を導入するための燃料導入孔と、この燃料導入孔に細管を介して接続され、液体燃料を排出する複数個の燃料排出孔とを有する略板状の燃料分配板からなるものとされている。そして、この燃料分配機構と燃料収容部とをポンプを有する流路によって接続し、燃料収容部から燃料分配機構へと液体燃料を供給することで、燃料分配機構の複数個の燃料排出孔から液体燃料を排出し、燃料電池セルへと燃料を供給することができる。

この際、流路の形状や径、ポンプの送液能力、燃料分配機構における燃料排出孔の配置等を調整することで、燃料分配機構から排出される液体燃料の分布や排出量を制御し、燃料電池セルの各部における燃料の供給量を均一化することができ、燃料電池の出力特性を向上させることができる。また、燃料電池セルと燃料分配機構との間には、例えば燃料拡散エネルギー低減手段として多孔質の樹脂フィルム等からなる抵抗部材を配置することも行われている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８−２１８０３０号公報（例えば、図９、１０参照）

上記したように、燃料分配機構を用いることで、燃料電池セルの各部における燃料の供給量を均一化することができ、燃料電池の出力特性を向上させることができる。しかし、微視的に見ると、依然として燃料電池セルの各部における燃料の供給量は異なっており、各部における燃料の濃度にはバラツキがある。

また、上記したように、燃料電池セルと燃料分配機構との間に燃料拡散エネルギー低減手段を配置することも検討されているが、単にこのようなものを設けたとしても、燃料電池セルの各部における燃料の濃度のバラツキを十分に小さくすることはできず、必ずしも燃料電池の出力特性を向上させることはできない。

本発明は、上記した課題を解決するためになされたものであって、燃料極の各部に供給される燃料の濃度やバラツキが制御され、出力特性が向上された燃料電池を提供することを目的としている。

本発明の燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とによって挟持される電解質膜とを有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための複数の燃料排出孔を有する燃料分配機構と；前記膜電極接合体と前記燃料分配機構との間に配置され、前記燃料分配機構から排出される燃料を拡散させて前記膜電極接合体に供給する燃料拡散層とを有する燃料電池であって、前記燃料分配機構における前記複数の燃料排出孔の孔間隔と、前記燃料拡散層の層厚みとを調整することにより、前記燃料極に供給される燃料の濃度とバラツキとを制御したことを特徴としている。

前記複数の燃料排出孔の孔間隔と、前記燃料拡散層の層厚みとは、比例関係を有することが好ましい。特に、前記複数の燃料排出孔の孔間隔Ｌ［ｍｍ］と、前記燃料拡散層の層厚みＴ［ｍｍ］とは、Ｔ＝α×Ｌ（但し、α＝０．０５〜０．７）を満たすことが好ましい。前記複数の燃料排出孔の孔間隔Ｌと、前記燃料拡散層の層厚みＴとは、例えば前記複数の燃料排出孔の孔間隔Ｌを基準として前記燃料拡散層の層厚みＴが決定されていてもよいし、また例えば前記燃料拡散層の層厚みＴを基準として前記複数の燃料排出孔の孔間隔Ｌが決定されていてもよい。

前記燃料排出孔の孔径は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。前記燃料拡散層の気孔率は、１０％以上９０％以下であることが好ましい。また、前記燃料拡散層の熱伝導率は、０．０３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。

本発明によれば、燃料分配機構における複数の燃料排出孔の孔間隔と、燃料拡散層の層厚みとを調整し、燃料極の各部に供給される燃料の濃度とバラツキとを制御することで、燃料電池の出力特性を向上させることができる。

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。
まず、本発明の燃料電池の全体構成について説明する。図１は本発明の燃料電池の全体構成を示す断面図である。燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル２と、この燃料電池セル２に燃料を供給する燃料供給機構３とから主として構成されている。燃料供給機構３は、例えば燃料分配機構４と、液体燃料を収容する燃料収容部５と、これら燃料分配機構４と燃料収容部５とを接続する流路６と、この流路６中に配置されるポンプ７とから主として構成されている。また、燃料電池セル２と燃料分配機構４との間には、燃料分配機構４から排出される液体燃料を内部で拡散させて燃料電池セル２に供給する燃料拡散層８が配置されている。

燃料電池セル２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有する燃料極であるアノード１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有する空気極あるいは酸化剤極であるカソード１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されるプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

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。但し、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。但し、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の集電体も兼ねている。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の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕ、Ｎｉのような導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、薄膜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。電解質膜１７と燃料分配機構４およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池セル２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

図示を省略したが、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開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層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共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。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。

燃料電池セル２のアノード１３側には、燃料拡散層８を介して燃料供給機構３の燃料分配機構４が配置されている。燃料分配機構４は配管のような液体燃料の流路６を介して燃料収容部５と接続され、この燃料収容部５から流路６を介して燃料分配機構４に液体燃料が導入される。流路６は燃料分配機構４や燃料収容部５と独立した配管に限られるものではなく、例えば燃料分配機構４と燃料収容部５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。

燃料収容部５には、燃料電池セル２に対応し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５には燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容される。

ポンプ７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５から燃料分配機構４に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ７で必要時に液体燃料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。この燃料電池１は燃料を循環させないことから、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７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ため、例えばセミパッシブ型と呼称されるものである。

ポンプ７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。

ポンプ７の送液能力は燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液能力が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ７の停止時間が長くなる。このため、燃料電池セル２への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ７と燃料分配機構４との間に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。

一方、ポンプ７の送液能力が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ７を使用することが好ましい。ポンプ７の送液能力は１０〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ７には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。

燃料分配機構４は、例えば図２に示すように、液体燃料を導入するための少なくとも１個の燃料導入孔２１と、液体燃料を排出する複数個の燃料排出孔２２と、この燃料導入孔２１と燃料排出孔２２とを繋ぐ細管２３とを有する燃料分配板２４からなるものである。

複数個の燃料排出孔２２は、燃料極であるアノード１３の各部に供給される燃料の濃度のバラツキが小さくなるように、燃料分配板２４の主面の略全面に均等な間隔となるように配置されている。また、細管２３は途中で複数に分岐しており、この分岐した細管２３の各終端部に燃料排出孔２２が設けられている。そして、液体燃料は、燃料導入孔２１から導入され、細管２３を通して複数の燃料排出孔２２へと導かれ、この複数の燃料排出孔２２から燃料拡散層８を通してアノード１３へと供給される。

このような燃料分配機構４によれば、アノード１３の各部に供給される燃料の供給量を均一化することができ、発電反応を効率的に生起させ、出力特性を向上させることができる。特に、燃料導入孔２１と燃料排出孔２２とを細管２３で繋ぐことで、燃料導入孔２１に対する燃料排出孔２２の方向や位置に係わらず、燃料排出孔２２から均等に液体燃料を排出させることができる。

燃料拡散層８は、燃料分配機構４とアノード１３との間に配置されている。具体的には、燃料分配機構４の略中央部に設けられた矩形状の凹部に埋設されるようにして配置されている。この燃料拡散層８は、燃料分配機構４から排出された液体燃料を一旦吸収し、この吸収した液体燃料を内部で面方向に拡散させることで、アノード１３の各部に供給される燃料の供給量を均一化し、燃料の濃度のバラツキを小さくすることができる。

このような燃料拡散層８としては、燃料分配機構４から排出された液体燃料を拡散させることができるものであればよく、例えば多孔質状の樹脂フィルムが好適に用いられる。燃料拡散層８の気孔率は、１０〜９０％の範囲内であることが好ましい。燃料拡散層８の気孔率が１０％未満の場合、気孔が少なすぎるために、燃料拡散層８を通過してアノード１３に供給される燃料が減少し、十分な出力特性を得ることができないおそれがある。一方、燃料拡散層８の気孔率が９０％を超える場合、気孔が多すぎるために、燃料分配機構４から排出された液体燃料を毛管現象により面方向に十分に拡散させることができず、アノード１３の各部に供給される燃料の濃度のバラツキを小さくすることができないおそれがある。燃料拡散層８の気孔率は、好ましくは２０〜６０％の範囲内である。

また、燃料拡散層８の熱伝導率は、０．０３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることが好ましい。燃料拡散層８の熱伝導率が０．０３Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満の場合、燃料電池セル２の発電に伴って発生する熱を逃すことができず、燃料電池セル２の温度が過度に上昇するおそれがある。一方、燃料拡散層８の熱伝導率が０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）を超えると、燃料電池セル２で発生した熱が燃料拡散層８を通じて外部へと容易に逃げてしまい、燃料拡散層８の温度が液体燃料を拡散させるために十分な温度とならず、燃料分配機構４から排出された液体燃料を面方向に十分に拡散させることができないおそれがある。燃料拡散層８の熱伝導率を上記範囲内とすることで、燃料拡散層８の温度を適度に上昇させることができ、これにより燃料分配機構４から排出された液体燃料を面方向に十分に拡散させることができる。

このような燃料電池１では、燃料分配機構４から放出された液体燃料は燃料拡散層８を通してアノード１３に供給される。さらに、アノード１３に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１へと供給される。

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進行する。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か、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起させる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）

この反応で生成された電子（ｅ⁻）は集電体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。カソード１６には酸化剤として空気が供給されているため、カソード１６に到達した電子（ｅ⁻）とプロトン（Ｈ^＋）とは、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）

次に、本発明の主要部について説明する。
本発明では、例えば図２に示すような燃料分配機構４における複数の燃料排出孔２２の孔間隔Ｌと、図１に示すような燃料拡散層８の層厚みＴとを調整することにより、アノード１３の各部に供給される燃料の濃度とバラツキとを制御することを特徴としている。なお、以下では、アノード１３の各部に供給される燃料の濃度のことを単に燃料濃度と呼び、またこの燃料濃度のアノード１３の各部におけるバラツキを単に燃料濃度のバラツキあるいは単にバラツキと呼んで説明する。

上記したように燃料分配機構４や燃料拡散層８を設けることで、このようなものを設けないものと比べて燃料濃度のバラツキを小さくすることができる。しかし、微視的に見ると、依然として燃料濃度にはバラツキが残っている。また、仮に、燃料濃度のバラツキを低減できたとしても、燃料濃度が低くなってしまう場合、燃料電池１の出力特性が低下するために好ましくない。

本発明では、燃料分配機構４における複数の燃料排出孔２２の孔間隔Ｌと、燃料拡散層８の層厚みＴとを調整することにより、燃料濃度とそのバラツキとを制御し、特に燃料濃度を全体的に高くしつつ、そのバラツキの範囲を狭くすることで、結果として燃料電池１の出力特性を向上させることができる。なお、以下では燃料分配機構４における複数の燃料排出孔２２の孔間隔Ｌのことを単に孔間隔Ｌと呼び、また燃料拡散層８の層厚みＴのことを単に層厚みＴと呼んで説明する。

具体的には、孔間隔Ｌが広い場合、層厚みＴを厚くすることで、燃料排出孔２２から排出された液体燃料を燃料拡散層８の内部で面方向に十分に拡散させることができ、結果として燃料濃度のバラツキを小さくすることができる。一方、孔間隔Ｌが狭い場合、必ずしも燃料排出孔２２から排出された液体燃料を燃料拡散層８の内部で面方向に拡散させる必要がないため、層厚みＴを薄くすることができる。また、このように層厚みＴを薄くすることで、燃料濃度を全体的に高くすることができる。

孔間隔Ｌ［ｍｍ］と、層厚みＴ［ｍｍ］とは、比例関係を有していることが好ましく、特に以下の式（１）に示すような比例関係を有していることが好ましい。

Ｔ＝α×Ｌ …（１）
（但し、α＝０．０５〜０．７）

このような比例関係を有するものとすることで、燃料濃度を全体的に高くしつつ、そのバラツキを狭くすることができ、結果として燃料電池１の出力特性を向上させることができる。

すなわち、式（１）に示されるように層厚みＴが０．０５Ｌよりも小さい場合、孔間隔Ｌに対して層厚みＴが十分でないために、燃料排出孔２２から排出された液体燃料を面方向に十分に拡散させることができず、燃料濃度のバラツキを十分に小さくできないおそれがある。

また、層厚みＴが０．７Ｌよりも大きい場合、孔間隔Ｌに対して層厚みＴが過度に厚いために、燃料排出孔２２から排出された液体燃料が燃料拡散層８を十分に通過することができず、燃料濃度が低下し、十分な出力特性を得ることができないおそれがある。なお、式（１）におけるαは、さらに燃料濃度を全体的に高くしつつ、そのバラツキを小さくする観点から、より好ましくは０．１〜０．６である。

なお、孔間隔Ｌと、層厚みＴとは、いずれを基準として他方が決定されていてもよく、例えば上記式（１）に従って孔間隔Ｌを基準として層厚みＴが決定されていてもよく、また例えば層厚みＴを基準として孔間隔Ｌが決定されていてもよい。

孔間隔Ｌは、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。孔間隔Ｌが１０ｍｍを超えると、層厚みＴを厚くしたとしても、燃料濃度のバラツキを小さくすることができないおそれがある。また、燃料濃度のバラツキを小さくするために層厚みＴを厚くする場合、燃料排出孔２２から排出された液体燃料が燃料拡散層８を十分に通過することができないために、燃料濃度が低下し、十分な出力特性を得ることができないおそれがある。

一方、孔間隔Ｌが０．１ｍｍ未満であると、燃料排出孔２２から排出された液体燃料を燃料拡散層８の内部において面方向に均一に拡散させやすいものの、過度に燃料排出孔２２の個数が多くなり、燃料分配機構４の製造性が低下するおそれがある。なお、孔間隔Ｌは、例えば図２に示すように、燃料排出孔２２の縁部から、この燃料排出孔２２に隣接する燃料排出孔２２の縁部までの最短距離である。

また、燃料排出孔２２の孔径は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。燃料排出孔２２の孔径が０．０５ｍｍ未満であると、液体燃料を十分に排出させることができないおそれがある。一方、燃料排出孔２２の孔径が１ｍｍを超えると、液体燃料の排出量を適切に制御することができないおそれがある。

さらに、層厚みＴは、０．１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。層厚みＴが０．１ｍｍ未満の場合、層厚みＴが薄すぎるために、燃料排出孔２２から排出された液体燃料を面方向に十分に拡散させることができず、燃料濃度のバラツキが大きくなるおそれがある。また、層厚みＴが３ｍｍを超える場合、層厚みＴが厚すぎるために、燃料排出孔２２から排出された液体燃料が燃料拡散層８を十分に通過することができず、燃料濃度が低下し、十分な出力特性を得ることができないおそれがある。

また、本発明では、燃料拡散層８の燃料分配機構４側の主面のある位置における燃料の濃度をＣ_ｉｎとし、この位置に対応する燃料拡散層８のアノード１３側の主面における燃料の濃度をＣ_ｏｕｔとし、これらの比（Ｃ_ｏｕｔ／Ｃ_ｉｎ×１００）を濃度比としたとき、燃料拡散層８の複数の位置において求められる濃度比（Ｃ_ｏｕｔ／Ｃ_ｉｎ×１００）の平均値が２５％以上となっていることが好ましい。また、このとき、複数の濃度比における最大値と最小値との差が５０％以下となっていることが好ましい。

ここで、燃料の濃度Ｃ_ｉｎ、Ｃ_ｏｕｔは、燃料拡散層８の気孔中の単位体積あたりに含まれる燃料量［ｍｏｌ／ｍ^３］で示されるものである。また、濃度比の平均値を求めるための複数の位置は、例えば任意の数十箇所程度とすることができる。

濃度比の平均値は、全体的な燃料濃度、すなわちアノード１３の各部に供給される燃料の濃度を表す指標となるものである。この濃度比の平均値が高い場合、燃料濃度、すなわちアノード１３の各部に供給される燃料の濃度が全体的に高いこととなり、結果として十分な出力特性を得やすくなる。上記したように、孔間隔Ｌと層厚みＴとを調整することにより、具体的には孔間隔Ｌと層厚みＴとを上記式（１）を満たすように調整することにより、濃度比の平均値を２５％以上と高くすることができ、結果として十分な出力特性を得やすくなる。濃度比の平均値は、より好ましくは３０％以上であり、さらに好ましくは４０％以上である。

また、濃度比の最大値と最小値との差は、濃度比のバラツキの範囲、すなわち燃料濃度のバラツキの範囲を表す指標となるものである。濃度比の最大値と最小値との差が小さい場合、濃度比のバラツキ、すなわち燃料濃度のバラツキが小さいこととなり、結果として十分な出力特性を得やすくなる。上記したように、孔間隔Ｌと層厚みＴとを調整することにより、具体的には孔間隔Ｌと層厚みＴとを上記式（１）を満たすように調整することにより、濃度比の最大値と最小値との差を５０％以下と低くすることができ、結果として十分な出力特性を得やすくなる。濃度比の最大値と最小値との差は、より好ましくは４０％以下である。

以下、実施例を参照して、本発明をより具体的に説明する。
図１に示すような燃料電池１を用い、図２に示すような燃料分配機構４の燃料排出孔２２の孔間隔Ｌと、燃料拡散層８の層厚みＴとを変化させて発電を行わせ、濃度比の平均値を求めた。なお、濃度比の平均値は、燃料拡散層８の任意の１０箇所における燃料分配機構４側の主面の燃料の濃度Ｃ_ｉｎと、これらに対応するアノード１３側の主面における燃料の濃度Ｃ_ｏｕｔとを求め、これらから各部における濃度比（Ｃ_ｏｕｔ／Ｃ_ｉｎ×１００）を求め、さらにこれらを平均することで求めた。

また、燃料分配機構４は、燃料排出孔２２の孔間隔Ｌを１ｍｍ、３ｍｍ、または５ｍｍとした３種類のものを用い、いずれも燃料排出孔２２の口径を０．０８〜０．４ｍｍ、燃料排出孔２２の個数を１２８個とし、燃料の供給量は１５μｌ／分とした。一方、燃料拡散層８は、層厚みＴを０．２ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、または２ｍｍとした４種類のものを用い、いずれも気孔率を２６％、熱伝導率を０．１５〜０．２５Ｗ／（ｍ・Ｋ）とした。さらに、燃料電池セル２の面積はおよそ４０ｍｍ×８０ｍｍ程度とし、液体燃料として純メタノールを使用して、０．３５Ｖの定電圧で発電を行わせた。

結果を図３〜５に示す。なお、図３〜５は、燃料排出孔２２の間隔Ｌごとに結果を示したものであり、濃度比の平均値は黒丸で示した。また、図３〜５には、濃度比の平均値と併せて、濃度比の最大値と最小値との範囲を縦線で示した。

図３〜５に示すように、燃料拡散層８の層厚みＴを式（１）に示すように燃料排出孔２２の孔間隔Ｌの０．０５〜０．７倍の範囲内とすることで、濃度比の平均値を２５％以上と高くすることができ、また濃度比の最大値と最小値との差も５０％以下と低くすることができることがわかる。

すなわち、図３に示すように、燃料排出孔２２の孔間隔Ｌが１ｍｍの場合、燃料拡散層８の層厚みＴを０．２ｍｍ（α＝Ｔ／Ｌ＝０．２）とすることで、濃度比の平均値を４０％以上とすることができ、濃度比の最大値と最小値との差も５０％程度とすることができる。また、燃料拡散層８の層厚みＴを０．５ｍｍ（α＝Ｔ／Ｌ＝０．５）とすることで、濃度比の平均値を３０％程度としつつ、濃度比の最大値と最小値との差を２０％程度とすることができる。

また、図４に示すように、燃料排出孔２２の孔間隔Ｌが３ｍｍの場合についても、燃料拡散層８の層厚みＴを０．５ｍｍ（α＝Ｔ／Ｌ＝０．１７）とすることで、濃度比の平均値を４０％程度とすることができ、濃度比の最大値と最小値との差も５０％程度とすることができる。また、燃料拡散層８の層厚みＴを１ｍｍ（α＝Ｔ／Ｌ＝０．３）とすることで、濃度比の平均値を４０％程度としつつ、濃度比の最大値と最小値との差を２０％以下とすることができる。

さらに、図５に示すように、燃料排出孔２２の孔間隔Ｌが５ｍｍの場合についても、燃料拡散層８の層厚みＴを１ｍｍ（α＝Ｔ／Ｌ＝０．２）とすることで、濃度比の平均値を３５％程度とすることができ、濃度比の最大値と最小値との差も３０％程度とすることができる。また、燃料拡散層８の層厚みＴを２ｍｍ（α＝Ｔ／Ｌ＝０．４）とすることで、濃度比の平均値を３０％程度としつつ、濃度比の最大値と最小値との差を１０％程度とすることができる。

以上、本発明の燃料電池について説明したが、本発明は上記実施形態そのもの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できる。また、上記実施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。さらに、上記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、燃料分配機構４と燃料収容部５とを接続する流路６にはポンプ７を設けることが好ましいが、必ずしもこのようなポンプ７を設けなくてもよい。また、燃料分配機構４は、燃料導入孔２１と燃料排出孔２２との間が細管２３によって繋がれていることが好ましいが、例えば燃料分配機構４を箱状のものとし、この内部の略全体に広がる空隙部を燃料導入孔２１と燃料排出孔２２とを繋ぐ液体燃料の流路として用いたものであってもよい。また、膜電極接合体へ供給される燃料は、全て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。

本発明の燃料電池の一例を示す断面図。 燃料分配機構の一例を示す平面図。 燃料排出孔の孔間隔が１ｍｍのときの燃料拡散層の層厚みと濃度比の平均値および最大・最小値との関係を示す図。 燃料排出孔の孔間隔が３ｍｍのときの燃料拡散層の層厚みと濃度比の平均値および最大・最小値との関係を示す図。 燃料排出孔の孔間隔が５ｍｍのときの燃料拡散層の層厚みと濃度比の平均値および最大・最小値との関係を示す図。

符号の説明

１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料供給機構、４…燃料分配機構、５…燃料収容部、６…流路、７…ポンプ、８…燃料拡散層、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極／酸化剤極）、１７…電解質膜、２１…燃料導入孔、２２…燃料排出孔、２３…細管、２４…燃料分配板、Ｈ…燃料拡散層の層厚み、Ｌ…燃料排出孔の孔間隔

Claims (8)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とによって挟持される電解質膜とを有する膜電極接合体と；前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための複数の燃料排出孔を有する燃料分配機構と；前記膜電極接合体と前記燃料分配機構との間に配置され、前記燃料分配機構から排出される燃料を拡散させて前記膜電極接合体に供給する燃料拡散層とを有する燃料電池であって、
   前記燃料分配機構における前記複数の燃料排出孔の孔間隔と、前記燃料拡散層の層厚みとを調整することにより、前記燃料極に供給される燃料の濃度とバラツキとを制御したことを特徴とする燃料電池。
2. 前記複数の燃料排出孔の孔間隔と、前記燃料拡散層の層厚みとは、比例関係を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記複数の燃料排出孔の孔間隔Ｌ［ｍｍ］と、前記燃料拡散層の層厚みＴ［ｍｍ］とは、
   Ｔ＝α×Ｌ
   （但し、α＝０．０５〜０．７）
   を満たすことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記燃料拡散層の層厚みＴは、前記複数の燃料排出孔の孔間隔Ｌを基準として決定されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記複数の燃料排出孔の孔間隔Ｌは、前記燃料拡散層の層厚みＴを基準として決定されていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
6. 前記燃料排出孔の孔径は、０．０５ｍｍ以上１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池。
7. 前記燃料拡散層の気孔率は、１０％以上９０％以下であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池。
8. 前記燃料拡散層の熱伝導率は、０．０３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上０．３Ｗ／（ｍ・Ｋ）以下であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池。

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