JP2011238409A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】カバー部材を用いて酸化剤流路を形成した高出力の小型燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１７と、電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された第１アノード１３及び第２アノード１３と、電解質膜の他方の面に第１アノード及び第２アノードのそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された第１カソード１６及び第２カソード１６と、を有する膜電極接合体１０と、膜電極接合体の第１アノード及び第２アノード側に配置され、第１アノード及び第２アノードに対して燃料を供給する燃料供給機構３０と、膜電極接合体の第１カソード及び第２カソード側に配置されたカバー部材２１と、を具備する燃料電池であって、カバー部材は、膜電極接合体と対向する面において、第１カソード及び第２カソードの上方にそれぞれ独立して形成された酸化剤流路を有することを特徴とする燃料電池。
【選択図】図２

Description

この発明の実施形態は、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。

特開２００５−０５０５６６号公報

本実施形態の目的は、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。

本実施形態によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された第１アノード及び第２アノードと、前記電解質膜の他方の面に前記第１アノード及び前記第２アノードのそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された第１カソード及び第２カソードと、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記第１アノード及び前記第２アノード側に配置され、前記第１アノード及び前記第２アノードに対して燃料を供給する燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記第１カソード及び前記第２カソード側に配置されたカバー部材と、を具備する燃料電池であって、前記カバー部材は、前記膜電極接合体と対向する面において、前記第１カソード及び前記第２カソードの上方にそれぞれ独立して形成された酸化剤流路を有することを特徴とする燃料電池が提供される。

図１は、本実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す分解斜視図である。 図２は、図１に示した燃料電池に適用可能な起電部の構成を概略的に示す図断面である。 図３は、図２に示した起電部を構成す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４は、図２に示した起電部を構成する膜電極接合体の構造を概略的に示す平面図である。 図５は、図１に示した燃料電池における第１カバー部材の構成を概略的に示す斜視図である。 図６は、図１に示した燃料電池における第１カバー部材の構成を概略的に示す斜視図である。 図７は、比較例として、サーペンタイン型の酸化剤流路を適用した構成を示す図である。 図８は、他の比較例として、ストレート型の酸化剤流路を適用した構成を示す図である。 図９は、酸化剤流路の深さＤに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｄ）と、出力密度との関係を示す図である。 図１０は、酸化剤流路深さＤに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｄ）と、酸素濃度との関係及び圧力差との関係を示す図である。 図１１は、本実施形態に適用可能な流量絞り機構の一例を示す概略平面図である。 図１２は、本実施形態の第１バリエーションを説明するための概略平面図である。 図１３は、本実施形態の第２バリエーションを説明するための概略平面図である。 図１４は、本実施形態の第３バリエーションを説明するための概略平面図である。

以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本実施形態の燃料電池１の構造を概略的に示す分解斜視図である。

燃料電池１は、起電部２と、起電部２の上方に配置された第１カバー部材３と、起電部２の下方に配置された第２カバー部材４と、から主として構成されている。起電部２は、Ｘ方向に長辺を有するとともに、Ｘ方向に直交するＹ方向に短辺を有し、Ｘ方向及びＹ方向に直交するＺ方向に厚さを有する略直方体である。このような起電部２は、第１カバー部材３と第２カバー部材４との間に挟持されている。

第１カバー部材３は、起電部２のＺ方向上方に位置している。第２カバー部材４は、起電部２のＺ方向下方に位置している。第１カバー部材３及び第２カバー部材４は、起電部２を挟持した状態で、図示を省略するネジなどの締結部材により締結されている。

第１カバー部材３の起電部２を挟持する面とは反対側の裏面３Ｅには、図示しない締結部材により上カバー３Ｆが締結されている。

図２は、図１に示した燃料電池１における起電部２の構成を概略的に示す図である。

起電部２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、膜電極接合体１０に燃料を供給する燃料供給機構３０と、から主として構成されている。

膜電極接合体１０は、アノード（燃料極）１３と、カソード（空気極あるいは酸化剤極）１６と、アノード１３とカソード１６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１３は、アノード触媒層１１と、このアノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２とを有している。アノード触媒層１１は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに積層されている。カソード１６は、カソード触媒層１４と、このカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５とを有している。カソード触媒層１４は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに積層されている。

このような膜電極接合体１０は、本実施形態においては集電体１８によって挟持されている。集電体１８は、ベース絶縁層ＢＦ、ベース絶縁層ＢＦの上に配置されたアノード集電部１８Ａ、及び、ベース絶縁層ＢＦのアノード集電部１８Ａが配置された面と同一面上に配置されたカソード集電部１８Ｃを有している。なお、集電体１８は、本実施形態のように、集電体１８を二つ折りして膜電極接合体１０を挟持した構造となっているが、この構造に限られるものではない。

図示した例では、アノード集電部１８Ａは、アノードガス拡散層１２に積層されている。このアノード集電部１８Ａには、アノード１３に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部１８ＡＨが形成されている。また、カソード集電部１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に積層されている。このカソード集電部１８Ｃには、カソード１６に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部１８ＣＨが形成されている。

膜電極接合体１０は、電解質膜１７の一方の面１７Ａと集電体１８との間及び電解質膜１７の他方の面１７Ｃと集電体１８との間にそれぞれ挟持されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされている。これにより、膜電極接合体１０からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、膜電極接合体１０において、電解質膜１７のうち、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４にともに接しておらず、かつシール部材１９によって囲まれた内側に相当する位置に、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。

膜電極接合体１０のカソード１６の側において、集電体１８とカバープレート２１との間には、通気性を有する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、カバープレート２１の開口部２１Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４へ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。

カバープレート２１の直上には、図１に示した第１カバー部材３が配置されるが、カバープレート２１を省略して板状体２０の直上に第１カバー部材３が配置される構成としても良い。また、ここでのカバープレート２１と上記した第１カバー部材３との間に他の部材が介在しても良い。

膜電極接合体１０のアノード１３の側には、燃料供給機構３０が配置されている。つまり、膜電極接合体１０は、アノード１３の側に配置された燃料供給機構３０とカソード１６の側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０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。このような燃料供給機構３０は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部５に流路６を介して接続されている。

流路６は、配管などで構成されている。流路６は、燃料供給機構３０や燃料収容部５と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給機構３０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Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給機構３０は、流路等を介して燃料収容部５と連通されていればよい。

また、流路６の一部にポンプ７を介在させて、燃料収容部５に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３０まで強制的に送液してもよい。なお、適用されるポンプ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から燃料供給機構３０に向けて液体燃料Ｆを送液する燃料供給ポンプである。燃料供給機構３０から膜電極接合体１０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５に戻されることはない。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Ｆ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なものが好ましい。

また、燃料供給機構３０において、ポンプ７と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。また、燃料収容部５や流路６には、燃料収容部５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５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容されている。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Ｆであってもよい。いずれにしても、燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容される。

以下に、燃料供給機構３０の一例について説明する。

燃料供給機構３０は、箱状に形成された容器３１、及び、膜電極接合体１０のアノード１３の面方向（つまり、図中のＸ−Ｙ平面内の方向）に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料分配板３２を備えている。燃料分配板３２は、容器３１の内側に形成された凹部に配置されている。この燃料分配板３２は、平板状に形成されている。このような燃料分配板３２には、複数の燃料排出口３３が形成されている。このような燃料分配板３２は、容器３１の燃料導入口から供給された液体燃料をアノード１３に向けて燃料排出口３３から排出する。

燃料供給機構３０と膜電極接合体１０のアノード１３との間には、液体燃料とその気化成分とを分離し気化成分を膜電極接合体１０に向けて透過させる気液分離膜、液体燃料を面方向に拡散させる拡散板、液体燃料の供給量を制御する絞り板などの各種フィルム部材４０が配置されている。

図３は、図２に示した起電部２を構成する膜電極接合体１０の構造の一部の断面を示す斜視図である。

膜電極接合体１０は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａ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１７Ｃ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。図示した例では、４個のアノード１３１乃至１３４が形成されているとともに、４個のカソード１６１乃至１６４が形成されている。

これらのアノード１３１乃至１３４とカソード１６１乃至１６４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。図示した例では、アノード１３１とカソード１６１との組み合わせが単セルＣ１をなし、同様にして、アノード１３２とカソード１６２との組み合わせが単セルＣ２をなし、アノード１３３とカソード１６３との組み合わせが単セルＣ３をなし、アノード１３４とカソード１６４との組み合わせが単セルＣ４をなしている。

これらの単セルＣ１乃至Ｃ４は、略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。ここでは、単セルＣ１乃至Ｃ４の各々、あるいは、アノード１３１乃至１３４の各々、あるいはカソード１６１乃至１６４の各々は、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１０の構造は、ここに示した例に限らず他の構造であっても良い。

図４は、図２に示した起電部２を構成する膜電極接合体１０の構造を示す平面図である。

ここで示した単セルＣ１乃至Ｃ４の各々は、Ｘ方向に平行な長辺を有するとともに、Ｙ方向に平行な短辺を有する略長方形状に形成されている。また、アノード１３１乃至１３４及びカソード１６１乃至１６４についても、第１方向Ｘに平行な長辺を有するとともに第２方向Ｙに平行な短辺を有する略長方形状に形成されている。つまり、単セルＣの長手方向、あるいは、アノード１３の長手方向、あるいは、カソード１６の長手方向とは、第１方向Ｘである。

複数の単セルＣ１乃至Ｃ４の並び方向は、それぞれの単セルＣの長手方向すなわちＸ方向に直交するＹ方向である。つまり、複数のアノード１３１乃至１３４の並び方向、あるいは、複数のカソード１６１乃至１６４の並び方向はＹ方向である。

膜電極接合体１０に形成された複数の単セルＣ１乃至Ｃ４は、上記した集電体１８によって電気的に直列に接続されている。

図５は、図１に示した燃料電池１における第１カバー部材３の構成を示す斜視図である。なお、この図５では、起電部２と対向する面を上に向けた状態の第１カバー部材３が図示されている。

この第１カバー部材３には、膜電極接合体１０を含む起電部２が収容される凹部３Ａが形成されている。この凹部３Ａには、複数の酸化剤流路Ｐが形成されている。図示した例では、８個の酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８が形成されている。これらの酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８は、互いに連通することなく、独立している。

これらの酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８は、凹部３Ａの底面３Ｂに形成された溝であるが、起電部２が凹部３Ａに収容された際には、起電部２（例えば、図２に示したカバープレート２１あるいは板状体２０）が底面３Ｂに接触し、各々の断面が略矩形状の空間となる。つまり、酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８の各々は、第１カバー部材３と起電部２とによって囲まれた空間である。このような酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８には、主として、酸素を含む空気といった酸化剤が流れるが、これに加え、水蒸気などの気体が流れる場合もある。

また、これらの酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８は、凹部３Ａに膜電極接合体１０が収容された際に、カソード１６１乃至１６４の各々の上方に位置する。なお、ここでは、カソード１６１乃至１６４の位置は、図中の破線で示している。

酸化剤流路Ｐ１及びＰ２は、カソード１６１に対応して形成されている。酸化剤流路Ｐ３及びＰ４は、カソード１６２に対応して形成されている。酸化剤流路Ｐ５及びＰ６は、カソード１６３に対応して形成されている。酸化剤流路Ｐ７及びＰ８は、カソード１６４に対応して形成されている。なお、図示した例は、カソード１６１乃至１６４の各々に２個の酸化剤流路が対応する場合に相当するが、カソードの各々に対応する酸化剤流路は１個であっても良いし、３個以上であっても良い。

これらの酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８は、Ｕ字状に形成されている。すなわち、酸化剤流路Ｐ１は、１個の導入口Ｉ１及び１個の排出口Ｏ１に連通している。図示した例では、導入口Ｉ１は酸化剤流路Ｐ１の一端に位置し、排出口Ｏ１は酸化剤流路Ｐ１の他端に位置している。同様にして、酸化剤流路Ｐ２は導入口Ｉ２及び排出口Ｏ２に連通し、酸化剤流路Ｐ３は導入口Ｉ３及び排出口Ｏ３に連通し、酸化剤流路Ｐ４は導入口Ｉ４及び排出口Ｏ４に連通し、酸化剤流路Ｐ５は導入口Ｉ５及び排出口Ｏ５に連通し、酸化剤流路Ｐ６は導入口Ｉ６及び排出口Ｏ６に連通し、酸化剤流路Ｐ７は導入口Ｉ７及び排出口Ｏ７に連通し、酸化剤流路Ｐ８は導入口Ｉ８及び排出口Ｏ８に連通している。このように、各酸化剤流路に連通した導入口は異なるとともに、各酸化剤流路に連通した排出口も異なっている。

これらの導入口Ｉ１乃至Ｉ８、及び、排出口Ｏ１乃至Ｏ８は、第１カバー部材３の一端３Ｃ側に位置している。導入口Ｉ１乃至Ｉ８は、Ｚ方向に延出し、第１カバー部材３の裏面まで貫通している。これらの導入口Ｉ１乃至Ｉ８は、Ｙ方向に沿って、同一直線上に並んでいる。排出口Ｏ１乃至Ｏ８は、Ｘ方向に延出している。酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８の各々は、第１カバー部材３の他端３Ｄ側でＵターンしている。なお、これらの酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８の各々の全長は実質的に同一である。

図６は、図１に示した燃料電池１における第１カバー部材３の構成を示す斜視図である。なお、この図６では、裏面３Ｅを上に向けた状態の第１カバー部材３が図示されている。

この第１カバー部材３の裏面３Ｅには、マニホールドＭＦが形成されている。このマニホールドＭＦは、裏面３Ｅに形成された溝であり、上記した上カバー３Ｆが裏面３Ｅに締結された際には、この上カバー３Ｆによって覆われる。このようなマニホールドＭＦは、酸化剤が導入される始点ＭＦＡを有するとともに、この始点ＭＦＡから枝分かれし、それぞれの末端で導入口Ｉ１乃至Ｉ８に連通している。

上述した本実施形態においては、燃料供給機構３０から膜電極接合体１０のアノード１３１乃至１３４の各々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に供給される。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１６１乃至１６４の各々には、以下のようにして酸化剤として空気が供給される。すなわち、マニホールドＭＦの始点ＭＦＡに導入された酸化剤は、導入口Ｉ１乃至Ｉ８にそれぞれ分配される。導入口Ｉ１乃至Ｉ８の各々に分配された酸化剤は、酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８にそれぞれ導入される。酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８の各々に導入された酸化剤は、第１カバー部材３の一端３Ｃの側から他端３Ｄの側に向かってＸ方向に沿って流れ、他端３Ｄの側でＵターンして再び一端３Ｃの側に向かってＸ方向に沿って流れる。そして、酸化剤は、導入口Ｉ１乃至Ｉ８の各々から導入された後に排出口Ｏ１乃至Ｏ８から排出されるまでの間に、板状体２０を介して膜電極接合体１０のカソード１６１乃至１６４に供給される。

カソード１６１乃至１６４に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で酸化剤に含まれる酸素と下記の（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１０の電極全体に均一に燃料及び酸化剤を供給し、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。

本実施形態によれば、カソード１６１乃至１６４の各々に対して酸化剤を均一に供給することが可能となる。すなわち、酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８の各々においては、導入口付近における酸素濃度は排出口付近における酸素濃度よりも高いといった濃度分布が形成される。そこで、本実施形態では、酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８の各々は、カソード１６１乃至１６４の長手方向に沿って形成され、しかも、それぞれの導入口及び排出口がともに第１カバー部材３の一端３Ｃの側（つまり、カソード１６１乃至１６４の各々の一端側）に位置する一方で、第１カバー部材３の他端３Ｄの側（つまり、カソード１６１乃至１６４の各々の他端側）でＵターンするＵ字状に形成されている。このため、カソード１６１乃至１６４の各々に供給される酸化剤の酸素濃度が平均化される。したがって、安定して高い出力を得ることが可能となる。

比較例として、図７はサーペンタイン型の酸化剤流路を適用した構成を図示しており、図８はストレート型の酸化剤流路を適用した構成を図示している。

図７に示した例の場合、酸化剤流路Ｐの導入口ｉｎ付近では酸素濃度が比較的高い一方で、酸化剤流路Ｐの排出口ｏｕｔ付近では酸素濃度が比較的低い。また、酸化剤流路の流路長が長くなるため、圧力損失が増大する傾向にある。このため、導入口ｉｎ付近のカソード１６１に供給される酸化剤の酸素濃度は比較的高いものの、排出口ｏｕｔ付近のカソード１６２に供給される酸化剤の酸素濃度は比較的低い。したがって、酸化剤を均一に供給することが困難となり、安定して高い出力が得られない。

同様に、図８に示した例の場合にも、酸化剤流路Ｐの導入口ｉｎ付近のカソード１６１に供給される酸化剤の酸素濃度は比較的高いものの、酸化剤流路Ｐの排出口ｏｕｔ付近のカソード１６２に供給される酸化剤の酸素濃度は比較的低くなり、安定して高い出力が得られない。

次に、酸化剤流路Ｐの幅Ｗと出力密度との関係について検討した。ここで幅Ｗとは、図５に示した酸化剤流路ＰのＹ方向に沿った長さである。また、ここでの検討に際して、酸化剤流路Ｐの深さ（図５に示した酸化剤流路ＰのＺ方向に沿った長さ）Ｄは一定とした。

図９は、深さＤに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｄ）と、出力密度との関係を示す図である。なお、出力密度は、割合（Ｗ／Ｄ）が０．５の場合（比較例）を１としたときの相対値とした。ここに示したように、割合（Ｗ／Ｄ）が２の場合、４の場合、及び、８の場合のいずれの場合も、出力密度は約１．５倍となった。このように、割合（Ｗ／Ｄ）が２乃至８の場合には、比較例よりも高い出力密度が得られることが確認された。

次に、酸化剤流路Ｐの幅Ｗと、カソード１６に供給される酸化剤の酸素濃度及び酸化剤流路Ｐの導入口Ｉの圧力と排出口Ｏの圧力との圧力差の関係について検討した。

図１０は、深さＤに対する幅Ｗの割合（Ｗ／Ｄ）と、酸素濃度との関係及び圧力差との関係を示す図である。図中の左側の縦軸は、酸素濃度であり、割合（Ｗ／Ｄ）が０．５の場合（比較例）を１としたときの相対値とした。また、図中の右側の縦軸は、圧力差であり、割合（Ｗ／Ｄ）が０．５の場合（比較例）を１としたときの相対値とした。

酸素濃度については、図中の黒丸で示す通り、割合（Ｗ／Ｄ）が２の場合には比較例に対して約１．９倍となり、また、割合（Ｗ／Ｄ）が４の場合及び８の場合のいずれの場合も比較例に対して約２倍となった。このように、割合（Ｗ／Ｄ）が２乃至８の場合には、比較例よりも高い酸素濃度が得られることが確認された。

圧力差については、図中の黒三角で示す通り、割合（Ｗ／Ｄ）が２の場合には比較例に対して約０．３倍となり、また、割合（Ｗ／Ｄ）が４の場合及び８の場合のいずれの場合も比較例に対して約０．２倍となった。このように、割合（Ｗ／Ｄ）が２乃至８の場合には、比較例よりも圧力損失を低減できることが確認された。

なお、いずれの例においても、酸化剤流路内の流れは、レイノルズ数が２０００以下の層流状態を形成しており、乱流になっていないことが確認されている。

また、いずれの例においても、結露などによって発生した水滴が酸化剤流路で詰まることを抑制するために、酸化剤流路の内面は親水性を有することが望ましい。

また、酸化剤流路のそれぞれの導入口とマニホールドとの間に流量絞り機構を備えていても良い。

図１１は、本実施形態に適用可能な流量絞り機構ＴＨの一例を示す概略平面図である。

流量絞り機構ＴＨは、マニホールドＭＦの枝分かれした末端部分と導入口Ｉ１…との間に形成されている。ここに示した例では、流量絞り機構ＴＨは、マニホールドＭＦと同じく第１カバー部材３の裏面３Ｅに形成された溝であり、マニホールドＭＦの側及び導入口Ｉ１…の側よりもその断面積が小さく形成されている。これにより、マニホールドＭＦから導入口Ｉ１…に供給される酸化剤の流量を制御しやすくなる。

次に、本実施形態の酸化剤流路Ｐについてのバリエーションについて説明する。なお、以下に説明するバリエーションでは、主要部のみを簡略化して図示し、また、上記実施形態と同一の構成については同一の参照符号を付して詳細な説明を省略する。また、以下のバリエーションでは、２個のカソード１６１及び１６２の上方に形成される最低限の個数の酸化剤流路について説明するが、酸化剤流路の個数については必要に応じてさらに増加しても良い。

図１２は、第１バリエーションを説明するための概略平面図である。

第１カバー部材３において、カソード１６１の上方には酸化剤流路Ｐ１及び酸化剤流路Ｐ２が形成され、また、カソード１６２の上方には酸化剤流路Ｐ３及び酸化剤流路Ｐ４が形成されている。これらの酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ４は、ともにＸ方向に沿った直線状に形成されている。

酸化剤流路Ｐ１は、導入口Ｉ１及び排出口Ｏ１に連通している。導入口Ｉ１は第１カバー部材３の一端３Ｃの側に位置し、排出口Ｏ１は第１カバー部材３の他端３Ｄの側に位置している。酸化剤流路Ｐ２に連通した導入口Ｉ２は、第１カバー部材３の他端３Ｄの側に位置しており、排出口Ｏ１に隣接している。また、酸化剤流路Ｐ２に連通した排出口Ｏ２は、第１カバー部材３の一端３Ｃの側に位置しており、導入口Ｉ１に隣接している。

同様に、酸化剤流路Ｐ３に連通した導入口Ｉ３は第１カバー部材３の一端３Ｃの側に位置し、酸化剤流路Ｐ３に連通した排出口Ｏ３は第１カバー部材３の他端３Ｄの側に位置している。酸化剤流路Ｐ４に連通した導入口Ｉ４は、第１カバー部材３の他端３Ｄの側に位置しており、排出口Ｏ３に隣接している。また、酸化剤流路Ｐ４に連通した排出口Ｏ４は、第１カバー部材３の一端３Ｃの側に位置しており、導入口Ｉ３に隣接している。

このような構成例によれば、例えば、カソード１６１に対応する酸化剤流路Ｐ１において導入口Ｉ１付近の酸化剤の酸素濃度が高い一方で排出口Ｏ１付近の酸化剤の酸素濃度が低くなる濃度分布が形成されるが、同じくカソード１６１に対応する酸化剤流路Ｐ２が酸化剤流路Ｐ１に隣接し、しかも、導入口Ｉ１に隣接する排出口Ｏ２付近での酸素濃度が低く、排出口Ｏ１に隣接する導入口Ｉ２付近での酸素濃度が高くなる濃度分布が形成されるため、カソード１６１の全体にわたって供給される酸素濃度が平均化される。同様にして、カソード１６２の全体にわたって供給される酸素濃度も平均化される。したがって、安定して高い出力を得ることが可能となる。

図１３は、第２バリエーションを説明するための概略平面図である。

第１カバー部材３において、カソード１６１の上方には酸化剤流路Ｐ１及び酸化剤流路Ｐ２が形成され、また、カソード１６２の上方には酸化剤流路Ｐ３及び酸化剤流路Ｐ４が形成されている。これらの酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ４は、ともにＵ字状に形成されている。

酸化剤流路Ｐ１は第１カバー部材３の一端３Ｃの側でＵターンしており、この酸化剤流路Ｐ１に連通した導入口Ｉ１及び排出口Ｏ１は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置している。酸化剤流路Ｐ２は第１カバー部材３の他端３Ｄの側でＵターンしており、この酸化剤流路Ｐ２に連通した導入口Ｉ２及び排出口Ｏ２は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置している。

同様に、酸化剤流路Ｐ３は第１カバー部材３の一端３Ｃの側でＵターンしており、この酸化剤流路Ｐ３に連通した導入口Ｉ３及び排出口Ｏ３は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置している。酸化剤流路Ｐ４は第１カバー部材３の他端３Ｄの側でＵターンしており、この酸化剤流路Ｐ４に連通した導入口Ｉ４及び排出口Ｏ４は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置している。

このような構成例においても、カソード１６１及びカソード１６２の全体にわたって供給される酸素濃度が平均化され、安定して高い出力を獲ることが可能となる。

図１４は、第３バリエーションを説明するための概略平面図である。

第１カバー部材３において、カソード１６１の上方には酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ４が形成され、また、カソード１６２の上方には酸化剤流路Ｐ５乃至Ｐ８が形成されている。これらの酸化剤流路Ｐ１乃至Ｐ８は、ともにＸ方向に沿った直線状に形成されている。

酸化剤流路Ｐ１に連通した導入口Ｉ１は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置し、酸化剤流路Ｐ１に連通した排出口Ｏ１は第１カバー部材３の一端３Ｃの側に位置している。酸化剤流路Ｐ２に連通した導入口Ｉ２は、第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置し、酸化剤流路Ｐ２に連通した排出口Ｏ２は第１カバー部材３の他端３Ｄの側に位置している。

酸化剤流路Ｐ３に連通した導入口Ｉ３は第１カバー部材３の一端３Ｃの側に位置しており、排出口Ｏ１に隣接している。酸化剤流路Ｐ３に連通した排出口Ｏ３は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置しており、導入口Ｉ１に隣接している。酸化剤流路Ｐ４に連通した導入口Ｉ４は第１カバー部材３の他端３Ｄの側に位置しており、排出口Ｏ２に隣接している。酸化剤流路Ｐ４に連通した排出口Ｏ４は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置しており、導入口Ｉ２に隣接している。

同様に、酸化剤流路Ｐ５に連通した導入口Ｉ５は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置し、酸化剤流路Ｐ５に連通した排出口Ｏ５は第１カバー部材３の一端３Ｃの側に位置している。酸化剤流路Ｐ６に連通した導入口Ｉ６は、第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置し、酸化剤流路Ｐ６に連通した排出口Ｏ６は第１カバー部材３の他端３Ｄの側に位置している。

酸化剤流路Ｐ７に連通した導入口Ｉ７は第１カバー部材３の一端３Ｃの側に位置しており、排出口Ｏ５に隣接している。酸化剤流路Ｐ７に連通した排出口Ｏ７は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置しており、導入口Ｉ５に隣接している。酸化剤流路Ｐ８に連通した導入口Ｉ８は第１カバー部材３の他端３Ｄの側に位置しており、排出口Ｏ６に隣接している。酸化剤流路Ｐ８に連通した排出口Ｏ８は第１カバー部材３の略中央３Ｍに位置しており、導入口Ｉ６に隣接している。

このような構成例においても、カソード１６１及びカソード１６２の全体にわたって供給される酸素濃度が平均化され、安定して高い出力を獲ることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によれば、安定して高い出力を得ること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機構３０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。

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。

１…燃料電池
２…起電部
３…第１カバー部材
３Ｅ…裏面 ３Ｆ…上カバー
３Ａ…凹部 ３Ｂ…底面 ３Ｃ…一端 ３Ｄ…他端 ３Ｍ…略中央
４…第２カバー部材
１０…膜電極接合体 Ｃ…単セル
１３（１３１〜１３４）…アノード
１６（１６１〜１６４）…カソード
１７…電解質膜
１８…集電体
２０…板状体
２１…カバープレート
３０…燃料供給機構
Ｐ（Ｐ１〜Ｐ８）…流路 Ｉ…導入口 Ｏ…排出口
ＴＨ…流量絞り機構
ＭＦ…マニホールド ＭＦＡ…始点

Claims (10)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された第１アノード及び第２アノードと、前記電解質膜の他方の面に前記第１アノード及び前記第２アノードのそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された第１カソード及び第２カソードと、を有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の前記第１アノード及び前記第２アノード側に配置され、前記第１アノード及び前記第２アノードに対して燃料を供給する燃料供給機構と、
   前記膜電極接合体の前記第１カソード及び前記第２カソード側に配置されたカバー部材と、
   を具備する燃料電池であって、
   前記カバー部材は、前記膜電極接合体と対向する面において、前記第１カソード及び前記第２カソードの上方にそれぞれ独立して形成された酸化剤流路を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記カバー部材は、前記第１カソードの上方に形成されたＵ字状の第１酸化剤流路と、前記第２カソードの上方に形成されたＵ字状の第２酸化剤流路と、を有し、
   前記第１酸化剤流路に連通した第１導入口及び第１排出口と、前記第２酸化剤流路に連通した第２導入口及び第２排出口は、前記カバー部材の一端側に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記カバー部材は、前記第１カソードの上方に形成されたそれぞれ直線状の第１酸化剤流路及び第２酸化剤流路を有し、
   前記第１酸化剤流路に連通した第１導入口及び前記第２酸化剤流路に連通した第２排出口は、前記カバー部材の一端側に位置し、
   前記第１酸化剤流路に連通した第１排出口及び前記第２酸化剤流路に連通した第２導入口は、前記カバー部材の他端側に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記カバー部材は、前記第１カソードの上方に形成され前記第１カソードの長手方向に並んだそれぞれＵ字状の第１酸化剤流路及び第２酸化剤流路を有し、
   前記第１酸化剤流路に連通した第１導入口及び第１排出口、及び、前記第２酸化剤流路に連通した第２導入口及び第２排出口は、前記カバー部材の略中央に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記カバー部材は、前記第１カソードの上方に形成されたそれぞれ直線状の第１酸化剤流路、第２酸化剤流路、第３酸化剤流路、及び、第４酸化剤流路を有し、
   前記第１酸化剤流路に連通した第１導入口、前記第２酸化剤流路に連通した第２導入口、前記第３酸化剤流路に連通した第３排出口、及び、前記第４酸化剤流路に連通した第４排出口は、前記カバー部材の略中央に位置し、
   前記第１酸化剤流路に連通した第１排出口及び前記第３酸化剤流路に連通した第３導入口は、前記カバー部材の一端側に位置し、
   前記第２酸化剤流路に連通した第２排出口及び前記第４酸化剤流路に連通した第４導入口は、前記カバー部材の他端側に位置することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記酸化剤流路のそれぞれの流路長は、略同一であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記酸化剤流路のそれぞれの断面形状において、前記酸化剤流路の深さに対する前記酸化剤流路の幅の割合が２乃至８倍であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
8. 前記酸化剤流路のそれぞれの導入口は、マニホールドに連通したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
9. 前記酸化剤流路のそれぞれの導入口と前記マニホールドとの間に流量絞り機構を備えたことを特徴とする請求項１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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