JP2011028865A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】膜電極接合体への燃料供給量のばらつきを低減することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】アノード１３と、カソード１６と、アノード１３とカソード１６との間に配置された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２と、燃料が注入される燃料注入口３２と、断面積が一定である主流路３４を介して燃料注入口３２と接続された燃料分配部３５と、アノード１３側の面に開口した複数の燃料排出口３３と、燃料分配部３５と燃料排出口３３の各々とを接続する複数の流路３６と、を有する燃料分配板３１Ａと、を備え、流路３６の各々は、燃料分配部３５と燃料排出口３３との間に、燃料分配部３５と接続されるとともに一定の第１断面積Ｓ１を有する第１流路部３６Ａと、燃料排出口３３と接続されるとともに第１断面積Ｓ１より小さい一定の第２断面積Ｓ２を有する第２流路部３６Ｂと、を有し、燃料分配部３５と燃料排出口３３との間の流路長が一定である。
【選択図】図３

Description

この発明は、燃料電池を用いた燃料電池の技術に関する。

近年、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、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、有望視されている。

ＤＭＦＣは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）と、膜電極接合体にメタノールを供給する燃料供給機構と、を備えている。このようなＤＭＦＣのアノードでは、導入されたメタノールが酸化分解され、プロトン、電子および二酸化炭素が生成される。一方、カソードでは、空気中の酸素とアノード側から移動してきたプロトンとアノードから外部回路を通じて供給される電子とが反応して水が生成される。また、外部回路を通る電子によって電力が供給される。

このようなＤＭＦＣにおいて、燃料分配機構が燃料収容部から供給通路を介して液体燃料が流入する燃料注入口と、燃料注入口から一様に連続する所定の流路断面を有する主流路と、燃料極と対向するように開口する複数の排出口と、主流路から燃料排出口までの間において上流側から下流側に移行するに従って流路断面形状および分岐構造がそれぞれ調整された分岐通路とを有する構成が開示されている（例えば、特許文献１）。

また、燃料供給板として、燃料タンクから液体燃料が供給される入口および複数の発電部に各々対応する複数の出口との間に複数の流路を有し、複数の流路が少なくとも一本に曲線を含むとともに全て等距離である構成が開示されている（例えば、特許文献２）。

さらに、電池本体の燃料極に積層された燃料供給ユニットが燃料供給室および燃料供給口を有しており、複数の燃料供給口がそれらから燃料供給室へ供給される液体燃料が燃料供給室から燃料極の全体にわたり均一上に供給されるように供給口分布およびそれぞれの供給口サイズが定められた構成が開示されている（例えば、特許文献３）。

さらに、第１流路と第２流路とが壁によって分離されており、第１流路が燃料極の拡散層に対向して配置されると共に、液体燃料が流れる方向に向かって先細り形状を呈し、合流先および分流先が無い分岐流路を有する流路板の構成が開示されている（例えば、特許文献４）
燃料注入口から燃料排出口までの間の流路が分岐する構成において、例えば液体燃料をポンプで送液する場合において、流路が分岐する部分で圧力が損失してしまい、燃料排出口まで十分な液体燃料を導くことができないことがある。さらに、燃料注入口から燃料排出口までの間の流路が分岐する構成において、１箇所の流路が詰まると、その先の流路に液体燃料が導かれず、複数の燃料排出口に液体燃料を導くことができないことがある。

特開２００９−７６２７２号公報 特開２００８−２２６５８３号公報 特開２００６−４７９３号公報 特開２００８−２２６５２７号公報

この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、膜電極接合体への燃料供給量のばらつきを低減すること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、アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、燃料が注入される燃料注入口と、断面積が一定である主流路を介して前記燃料注入口と接続された燃料分配部と、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、前記燃料分配部と前記燃料排出口の各々とを接続する複数の流路と、を有する燃料分配板と、を備え、前記流路の各々は、前記燃料分配部と前記燃料排出口との間に、前記燃料分配部と接続されるとともに一定の第１断面積を有する第１流路部と、前記燃料排出口と接続されるとともに第１断面積より小さい一定の第２断面積を有する第２流路部と、を有し、前記燃料分配部と前記燃料排出口との間の流路長が一定であることを特徴とする。

この発明によれば、膜電極接合体への燃料供給量のばらつきを低減することが可能な燃料電池を提供することができる。

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一部を概略的に示す斜視図である。 図３は、本実施の形態に係る燃料電池の燃料分配板の構造の一部を概略的に示す平面図である。 図４は、図３に示した燃料分配部および流路の構造の一部を概略的に示す平面図である。 図５は、図３に示した燃料分配板の流路の構造の一部を概略的に示す平面図である。 図６は、本実施の形態に係る燃料電池の燃料分配板の他の構造を概略的に示す平面図である。 図７は、本実施の形態に係る燃料分配板を備えた燃料電池による効果の検証するためのサンプル１乃至サンプル４の条件を示す。 図８は、本実施の形態に係る燃料分配板を備えたことによる効果の検証結果を示す。 図９は、サンプル３に係る燃料分配板を備えた燃料電池の詰まり燃料排出口数と流量変動率との関係を示す。 図１０は、比較例に係る燃料分配板を備えた燃料電池の詰まり燃料排出口数と燃料変動率との関係を示す。

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。図１に示すように、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、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およびアノード触媒層１１の上に配置されたアノードガス拡散層１２を有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４およびカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５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（空気あるいは酸素）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およ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によって構成されている。

上述した膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。この集電体１８は、膜電極接合体２に備えられたアノード１３と同数のアノード集電体、および、膜電極接合体２に備えられたカソード１６と同数のカソード集電体を有している。アノード集電体は、アノード１３のアノードガス拡散層１２に積層されている。また、カソード集電体は、カソード１６のカソードガス拡散層１５に積層されている。

アノード集電体およびカソード集電体としては、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属材料からなる多孔膜（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１３側およびカソード１６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。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、例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、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。

燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と燃料供給路５を介して接続されている。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。燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａを備えている。

燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、燃料注入口３２と接続された主流路３４と、アノード１３の面方向に開口した複数の燃料排出口３３と、を有している。燃料分配板３１Ａは、流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。燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。燃料排出口３３は、例えば、１２８箇所にあり、燃料分配板３１Ａの面内に均一に形成されている。

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。

また、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。

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、燃料供給路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。

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の電極全体に均一に燃料を供給し、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。

この実施の形態においては、図２に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面において間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面においてアノード１３のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード１６と、を備えている。ここでは、アノード１３およびカソード１６がそれぞれ４個である場合を示している。

これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。ここでは、単セルＣのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。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。

図２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においては、各単セルＣは、図示しない集電体によって電気的に直列に接続されている。

ところで、図３に示すように、燃料分配板３１Ａは、燃料分配部３５を有する。燃料分配部３５は、主流路３４を介して燃料注入口３２と接続されている。燃料分配部３５から延出した流路３６を介して燃料分配部３５と燃料排出口３３とが接続されている。流路３６の本数は、燃料排出口３３の個数と同数である。各流路３６の燃料分配部３５と燃料排出口３３との間の流路長は略同一である。

流路３６は、燃料分配部３５から放射状に延出し、それぞれ独立している。つまり、流路３６は、燃料分配部３５と燃料排出口３３との間で分岐することなく、単一の燃料分配部３５と燃料排出口３３の各々とに接続されている。各流路３６は、曲線状または線状に形成されている。図３に示した例では、単一の燃料分配部３５に対して１６個の燃料排出口３３が形成され、各燃料排出口３３に対応して１本ずつ流路３６が形成されており、合計１６本の流路３６が形成されている。

燃料注入口３２から燃料排出口３３までの間の分岐点は、燃料分配部３５の１箇所のみである。つまり、燃料注入口３２から注入された液体燃料は、主流路３４に供給された後に燃料分配部３５で複数の流路３６に分配され、その後は分配されることなく各燃料排出口３３まで供給される。

流路３６は、燃料分配部３５の周囲３５Ｅに等間隔に接続されている。図４に示した例では、燃料分配部３５は、円形状である。この燃料分配部３５の構成は、例えば、中央に円柱があるサークル状であってもよい。流路３６は、燃料分配部３５の周囲３５Ｅである円周上に等間隔に接続されている。各隣接した流路３６のなす角θが等しい。ここで、角θとは、隣接した流路３６の燃料分配部３５の中心Ｏに向かって延出した流路３６の延長線のなす角である。ここでは、燃料分配部３５が円形状の例を説明したが、この例に限らず、燃料分配部３５は、例えば多角形状であってもよい。

図５に示すように、流路３６の各々は、燃料分配部３５と接続された第１流路部３６Ａと、燃料排出口３３と接続された第２流路部３６Ｂと、を有する。図５に示した例では、第１流路部３６Ａと第２流路部３６Ｂとが直接繋がっている。

第１流路部３６Ａは、一定の第１断面積Ｓ１を有している。第２流路部３６Ｂは、一定の第２断面積Ｓ２を有している。第１断面積Ｓ１は、第２断面積Ｓ２より大きい（Ｓ１＞Ｓ２）。第１流路部３６Ａの第１断面積Ｓ１と第２流路部３６Ｂの第２断面積Ｓ２との比（Ｓ１／Ｓ２）は、２〜４であることが望ましい。

なお、第２流路部３６Ｂは、燃料排出口３３に向かってＬ字形に屈曲しているが、燃料排出口３３の近傍においても一定の第２断面積Ｓ２を有している。また、図５に示した例では、各流路３６が第１流路部３６Ａ及び第２流路部３６Ｂによって構成された場合について説明したが、第１流路部３６Ａと第２流路部３６Ｂとの間に、第２断面積Ｓ２より大きく第１断面積Ｓ１より小さい一定の断面積を有する流路部が介在していても良い。

主流路３４の断面積Ｓ３は、第１流路部３６Ａの第１断面積Ｓ１より大きい（Ｓ１＜Ｓ３）。また、燃料分配部３５の断面積Ｓ４は、第１流路部３６Ａの第１断面積Ｓ１より大きい（Ｓ１＜Ｓ４）。

また、第１流路部３６Ａの燃料分配部３５と第２流路部３６Ｂとの間の第１流路長Ｌ１は、第２流路部３６Ｂの第１流路部３６Ａと燃料排出口３３との間の第２流路長Ｌ２と同じ若しくは第２流路長Ｌ２より長い（Ｌ１≧Ｌ２）。第１流路部３６Ａの第１流路長Ｌ１と第２流路部３６Ｂの第２流路長Ｌ２との比（Ｌ１／Ｌ２）は、１〜１１であることが望ましい。

各流路３６の燃料分配部３５と燃料排出口３３との間の流路長Ｌは、一定である。つまり、各流路３６について、第１流路部３６Ａの第１流路長Ｌ１および第２流路部３６Ｂの第２流路長Ｌ２の総和（Ｌ１＋Ｌ２）は、一定である。つまり、各流路３６は、燃料分配部３５と燃料排出口３３とを結ぶ直線距離に関係なく、流路長Ｌが一定となるように形成されている。なお、各流路３６の第１流路長Ｌ１も一定であり、各流路３６の第２流路長Ｌ２も一定である。

断面積ｓが一定である流路長ｌの流路において、断面積ｓと流路長ｌとの関係は、次のとおりである。

ｓ＝（３２μＱ／ΔＰ）×ｌ
ここで、μが流体粘度であり、Ｑが流量であり、ΔＰが流路において、液体燃料が注入された部分での圧力と、液体燃料が排出された部分での圧力との差である。

このような燃料分配板３１Ａを有する燃料電池１において、燃料注入口３２から注入された液体燃料は、主流路３４を介して燃料分配部３５に導かれる。そして、燃料分配部３５から各流路３６を介して燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。

本実施の形態において、流路３６が燃料分配部３５から放射状に延出し、流路３６が分岐していないため、例えば液体燃料をポンプ６で送液する場合において、圧力の損失を低減することが可能であり、燃料排出口３３まで十分な液体燃料を導くことが可能である。つまり、ポンプ６の圧力を小さくしても燃料排出口３３まで燃料を導くことが可能となり、ポンプ６を小型化することが可能となる。

また、流路３６が燃料分配部３５から放射状に延出し、それぞれ独立しているため、一つの流路３６が詰まってしまっても、その先の燃料排出口３３は、一つであるため、他の燃料排出口３３に与える影響は非常に小さくなる。これにより、膜電極接合体２への燃料供給量のばらつきを低減することが可能となる。

また、本実施の形態において、燃料分配部３５と接続された第１流路部３６Ａの第１断面積Ｓ１が大きいため、例えば液体燃料をポンプ６で送液する場合において、圧力の損失を低減することが可能であり、燃料排出口３３まで十分な液体燃料を導くことが可能である。また、燃料排出口３３と接続された第２流路部３６Ｂの第２断面積Ｓ２が第１流路部３６Ａの第１断面積Ｓ１より小さいため、ポンプ６によって過度な液体燃料が送液された場合においても、燃料排出口３３の付近の抵抗によって、過度の液体燃料が燃料排出口３３に導かれることを防止することができる。

さらに、本実施の形態において、流路３６の流路長Ｌの長さが一定であるため、複数の燃料排出口３３にほぼ同じタイミングで液体燃料が導かれ、膜電極接合体２にほぼ同じタイミングで液体燃料を供給することが可能となる。

また、本実施の形態において、第１流路部の第１流路長Ｌ１が第２流路部３６Ｂの第２流路部Ｌ２より長いため、圧力損失低下の維持および急激な燃料流入防止という効果を得ることが可能となる。

よって、各燃料排出口３３における液体燃料の供給量のばらつきを低減することが可能となる。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高めることが可能となる。

なお、液体燃料が主流路３４内および流路３６内でレイノルズ数Ｒｅが２０００以下の層流状態で流れるように、主流路３４および流路３６が形成されることが望ましい。レイノルズ数Ｒｅ＝（ｕ×Ｄ）／（μ／ρ）と表すことができる。ここで、ｕが流速であり、Ｄが直径であり、ρが流体密度であり、μが流体粘度である。

ここでは、燃料分配部３５が１つである例を説明したが、この例に限らず、燃料分配部３５は、２つ以上あってもよい。図６に示した例において、燃料分配板３１Ａが２つの燃料分配部３５を有している。この場合において、燃料注入口３２と一方の燃料分配部３５とが１つの主流路３４によって接続され、また、主流路３４がさらに延びて一方の燃料分配部３５と他方の燃料分配部３５とが接続されている。なお、燃料排出口３３と一方の燃料分配部３５との間の主流路３４が途中で分岐して他方の燃料分配部３５と接続されても良いし、燃料排出口３２と一方の燃料分配部３５及び他方の燃料分配部３５のそれぞれとを独立して接続した２本の主流路３４を設けても良い。このような構成においても、本実施の形態と同様の効果が得られる。

また、ここでは、全ての流路３６が燃料分配部３５から放射状に延出し、全ての流路３６が独立している例を説明したが、少なくとも流路の９０％以上が燃料分配部３５から放射状に延出し、独立していれば、本実施の形態と同様の効果が得られる。

次に、本実施の形態に係る燃料分配板３１Ａを備えた燃料電池１の効果を検証した。

比較例において、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料分配部３５を有し、１２８個の燃料排出口３３を有する。流路３６は、燃料注入口から燃料排出口まで６回分岐し、それぞれ燃料排出口３３に接続されている。

サンプル１乃至サンプル４において、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料分配部３５を有し、１２８個の燃料排出口３３を有する。各流路３６は、燃料分配部３５から放射状に延出し、分岐せずに、それぞれ燃料排出口３３に接続されている。つまり、燃料分配部と排出口との間で分岐は１回である。

図７に示すように、サンプル１において、各流路３６の第１流路部３６Ａは、縦ａの長さが５０μｍ、横ｂの長さが１００μｍ、第１断面積Ｓ１が５０００μｍ^２である。また、第２流路部３６Ｂは、縦ａの長さが５０μｍ、横ｂの長さが５０μｍ、第２断面積Ｓ２が２５００μｍ^２である。また、第１流路部３６Ａは、第１流路長Ｌ１が５１．４５ｍｍである。また、第２流路部３６Ｂは、第２流路長Ｌ２が５ｍｍである。

サンプル２において、各流路３６の第１流路部３６Ａは、縦ａの長さが１００μｍ、横ｂの長さが１００μｍ、第１断面積Ｓ１が１００００μｍ^２である。また、第２流路部３６Ｂは、縦ａの長さが１００μｍ、横ｂの長さが５０μｍ、第２断面積Ｓ２が５０００μｍ^２である。また、第１流路部３６Ａは、第１流路長Ｌ１が５１．４５ｍｍである。また、第２流路部３６Ｂは、第２流路長Ｌ２が５ｍｍである。

サンプル３において、各流路３６の第１流路部３６Ａは、縦ａの長さが７５μｍ、横ｂの長さが１００μｍ、第１断面積Ｓ２が７５００μｍ^２である。また、第２流路部３６Ｂは、縦ａの長さが７５μｍ、横ｂの長さが５０μｍ、第２断面積Ｓ２が３７５０μｍ^２である。また、第１流路部３６Ａは、第１流路長Ｌ１が５１．４５ｍｍである。また、第２流路部３６Ｂは、第２流路長Ｌ２が５ｍｍである。

サンプル４において、各流路３６の第１流路部３６Ａは、縦ａの長さが１００μｍ、横ｂの長さが２００μｍ、第１断面積Ｓ１が２００００μｍ^２である。また、第２流路部３６Ｂは、縦ａの長さが１００μｍ、横ｂの長さが５０μｍ、第２断面積Ｓ２が５０００μｍ^２である。また、第１流路部３６Ａは、第１流路長Ｌ１が５１．４５ｍｍである。また、第２流路部３６Ｂは、第２流路長Ｌ２が５ｍｍである。

比較例およびサンプル１乃至サンプル４の燃料分配板３１Ａを備えた燃料電池において、燃料の流量Ｑ_ｉｎは２５０μｌ／ｍｉｎ、出力圧力Ｐ_ｏｕｔは相対圧力を０に固定し、管長Ｗは全長８８．４ｍｍと設定してモデル化し、流体シミュレーションにより、圧力を算出した。ここで、管長Ｗとは、主流路３４の燃料注入口３２と燃料分配部３５との間の流路長Ｍと流路３６の流路長Ｌの総和（Ｍ＋Ｌ）の長さである。その結果を図８に示す。図８において、縦軸は圧力損失（△Ｐ）、横軸は管長Ｗに対する圧力損失を算出した流路の位置（ｍｍ）を示している。ここで、圧力損失ΔＰとは、管長Ｗの０ｍｍにおける圧力と、管長Ｗｍｍにおける圧力との差である。

図８に示すように、サンプル１乃至サンプル４の燃料分配板３１Ａの圧力損失ΔＰは、比較例の燃料分配板３１Ａの圧力損失ΔＰと比較して小さいことが分かる。つまり、流路３６が燃料分配部３５から放射状に延出することにより、圧力損失ΔＰが小さくなることが分かる。

サンプル２およびサンプル３の燃料分配板３１Ａの圧力損失ΔＰは、サンプル１の燃料分配板３１Ａの圧力損失と比較して小さいことが分かる。これにより、第１流路部３６Ａおよび第２流路部３６Ｂの縦ａの長さを大きくすることによって圧力損失ΔＰがさらに小さくなることが分かる。つまり、第１流路部３６Ａの第１断面積Ｓ１および第２流路部３６Ｂの第２断面積Ｓ２を大きくすることによって圧力損失ΔＰがさらに小さくなることが分かる。

サンプル４の燃料分配板３１Ａの圧力損失ΔＰは、サンプル１乃至サンプル３の燃料分配板３１Ａの圧力損失ΔＰと比較して、小さいことが分かる。これにより、第１流路部３６Ａの第１断面積Ｓ１を第２流路部３６Ｂの第２断面積Ｓ２より大きくすることによって圧力損失ΔＰがさらに小さくなることが分かる。

また、第１流路部３６Ａの第１断面積Ｓ１と第２流路部３６Ｂの第２断面積Ｓ２との比（Ｓ１／Ｓ２）が２〜４であるとき、比較例の燃料分配板３１Ａの圧力損失ΔＰと比較して小さくなることが確認された。

さらに、第１流路部３６Ａの第１流路長Ｌ１と第２流路部３６Ｂの第２流路長Ｌ２との比が１〜１１であるとき、比較例の燃料分配板３１Ａの圧力損失ΔＰと比較して小さくなることが確認された。

次に、燃料排出口３３の詰まり数に対する燃料供給量の変動率を測定した。ここで、燃料供給量とは、燃料排出口３３が詰まっていないときの膜電極接合体２への燃料供給量の総量に対して、燃料排出口３３が詰まったときの膜電極接合体２への燃料供給量の総量の減少量である。サンプル３の燃料分配板３１Ａにおける測定結果を図９に示す。また、比較例の燃料分配板３１Ａにおける測定結果を図１０に示す。

図９および図１０に示すように、比較例の燃料分配板３１Ａと比較して、サンプル３の燃料分配板３１Ａの燃料供給量の変動率のばらつきが小さいことが分かる。これにより、流路３６が燃料分配部３５から放射状に延出することによって、液体燃料の燃料供給量の変動率が小さくなることが分かる。つまり、燃料分配部３５と燃料排出口３３とが直接接続され、分岐しているため、燃料分配板３１Ａにおいて、どこの燃料排出口３３がつまっても液体燃料の燃料供給量の変動率が変化しなく、燃料供給量の変動率のばらつきを小さく抑えることができる。

上述した本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。

１３…アノード １６…カソード １７…電解質膜 ２…膜電極接合体 ３２…燃料注入口 ３４…主流路 ３５…燃料分配部 ３３…燃料排出口 ３６…流路 ３６Ａ…第１流路部 Ｓ１…第１断面積 ３６Ｂ…第２流路部 Ｓ２…第２断面積 Ｌ…流路長

Claims (8)

1. アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に配置された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
   燃料が注入される燃料注入口と、断面積が一定である主流路を介して前記燃料注入口と接続された燃料分配部と、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、前記燃料分配部と前記燃料排出口の各々とを接続する複数の流路と、を有する燃料分配板と、を備え、
   前記流路の各々は、前記燃料分配部と前記燃料排出口との間に、前記燃料分配部と接続されるとともに一定の第１断面積を有する第１流路部と、前記燃料排出口と接続されるとともに第１断面積より小さい一定の第２断面積を有する第２流路部と、を有し、前記燃料分配部と前記燃料排出口との間の流路長が一定であることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１流路部の第１流路長は、前記第２流路部の第２流路長と同じ若しくは第２流路長より長いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第１流路部の第１断面積Ｓ１と前記第２流路部の第２断面積Ｓ２との比（Ｓ１／Ｓ２）は、２〜４であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記第１流路部の第１流路長Ｌ１と前記第２流路部の第２流路長Ｌ２との比（Ｌ１／Ｌ２）は、１〜１１であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
5. 前記流路は、前記燃料分配部の周囲に等間隔に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記燃料分配板が有する前記燃料分配部は、１つであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記燃料注入口から前記燃料排出口までの間の分岐点が１箇所であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記燃料分配部は、２つ以上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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