JP2015173118A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】安定した出力を得る燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体と、液体燃料が注入される燃料注入口３２と膜電極接合体のアノード側の面に開口した複数の燃料排出口３３とを有する燃料分配板３１Ａと、燃料注入口３２から複数の燃料排出口３３に向かって分岐した分岐部３４Ｓと、燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３との間に設けられた第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第１流路部３４Ｌ１及び第２流路部３４Ｌ２の間に配置され流路が延出する方向に直交する断面の面積が第１流路部３４Ｌ１及び第２流路部３４Ｌ２より小さい単一の第３流路部３４Ｌ３並びに第１流路部３４Ｌ１と第３流路部３４Ｌ３及び第２流路部３４Ｌ２と第３流路部３４Ｌ３の少なくとも一方を接続するとともに、流路が延出する方向に直交する断面の面積が第３流路部３４Ｌ３に向かって小さくなる第４流路部３４Ｌ４とを有する。
【選択図】図３

Description

この発明は、液体燃料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。

例えば、特許文献１では、各セルを積み重ねたスタック構造の燃料電池において、生成した水によって一部の空気流路に生じた液詰まりを能動的に解消可能にすることを目的として、各セルの電解質膜を挟み込んだ流路板の各分岐流路の入口に流路の一部の断面積を小さくした絞りを設けた構成が開示されている（例えば、特許文献１）。

ところで、燃料電池の起動時では、例えば、液体燃料をポンプでＭＥＡに送液する場合において、ポンプの動作が安定せず、ポンプによって過度の液体燃料がＭＥＡに導かれることがあり、発電反応により発電部が過度に発熱してしまうことがある。これにより、生成した水が蒸発しアノード側に供給すべき水が不足してしまうことがあり、燃料電池の出力の低下を招くおそれがある。

特開２００４−１７８８１６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、安定した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。

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、液体燃料が注入される燃料注入口と、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、流路と、を有する燃料分配板と、前記流路の外に設けられ前記燃料注入口に前記液体燃料を注入するポンプと、を備え、前記流路は、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口とをポンプを介すること無しに接続し、前記燃料注入口から前記複数の燃料排出口に向かって分岐した分岐部と、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口との間に設けられた第１流路部、第２流路部、前記第１流路部および前記第２流路部の間に配置され前記流路が延出する方向に直交する断面の面積が前記第１流路部および前記第２流路部より小さい単一の第３流路部、ならびに前記第１流路部と前記第３流路部、および、前記第２流路部と前記第３流路部の少なくとも一方を接続するとともに、前記流路が延出する方向に直交する断面の面積が前記第３流路部に向かって小さくなる第４流路部と、を有する。

この発明によれば、安定した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、図１に示した燃料電池における燃料分配板の構造を概略的に示す平面図および燃料分配板の流路の一部の構造を概略的に示す拡大平面図である。 図４は、図３に示した流路の第１流路部、第２流路部、第３流路部、第４流路部の構成を概略的に示す斜視図である。 図５は、図３に示した流路の第４流路部の第３側壁および第４側壁との関係を示した平面図である。 図６は、図１に示した燃料電池における燃料分配板の流路の他の構造を概略的に示す平面図である。 図７は、凸部を有する第１流路部の構成を概略的に示す斜視図である。 図８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６の条件を示す。 図９は、サンプル１乃至サンプル６の燃料分配板を備えた燃料電池の液体燃料の流量と圧力損失の測定結果を示す。

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１８Ａ、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１８Ｃを有している。アノード集電体１８Ａ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１８Ｃ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１８Ａおよびカソード集電体１８Ｃ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およびポンプ６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、アノード１３の面方向に開口した複数の燃料排出口３３と、流路３４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。流路３４の始端部には、燃料注入口３２が設けられている。燃料注入口３２は、ポンプ６および燃料供給路５を介して燃料収容部４に接続される。流路３４の終端部には、燃料排出口３３が設けられている。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。流路３４は、途中で複数に分岐し、燃料排出口３３に接続される。つまり、燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した流路３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。流路３４は、燃料分配板３１Ａ内に形成された細管で構成してもよく、燃料分配板３１Ａの表面に形成された溝で構成してもよい。

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、燃料供給部３１の燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２に接続されているポンプ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。

燃料供給に使用するポンプ６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。このポンプ６は、制御手段（図示しない）と電気的に接続されており、この制御手段によって、燃料供給部３１に供給される液体燃料の供給量が制御される。

なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。

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。

この実施の形態の燃料電池１においては、図３に示すように、燃料分配板３１Ａの流路３４は、燃料分配板３１Ａの面方向（第１方向Ｄ１をＸ軸とし、および第１方向Ｄ１と直交する第２方向Ｄ２をＹ軸としたときのＸＹ平面）に延出している。流路３４は、第１流路部３４Ｌ１と、第２流路部３４Ｌ２と、第３流路部３４Ｌ３と、第４流路部３４Ｌ４と、第５流路部３４Ｌ５と、燃料分配部３４Ｓと、を有している。第３流路部３４Ｌ３は、第１流路部３４Ｌ１と第２流路部３４Ｌ２との間に配置されている。第４流路部３４Ｌ４は、第１流路部３４Ｌ１と第３流路部３４Ｌ３とを接続し、第２流路部３４Ｌ２と第３流路部３４Ｌ３とを接続している。

燃料注入口３２と燃料分配部３４Ｓとの間には、燃料注入口３２から順に第２流路部３４Ｌ２、第４流路部３４Ｌ４、第３流路部３４Ｌ３、第４流路部３４Ｌ４、第１流路部３４Ｌ１が配置されている。複数の第５流路部３４Ｌ５は、燃料分配部３４Ｓに接続され、分岐して複数の燃料排出口３３と接続されている。ここでは、第５流路部３４Ｌ５は、燃料分配部３４Ｓから燃料排出口まで５回分岐し、１２８個の燃料排出口３３に接続されている。

図４に示すように、第１流路部３４Ｌ１は、一定の第１断面積Ｓ１を有している。第２流路部３４Ｌ２は、一定の第２断面積Ｓ２を有している。ここでは、第１断面積Ｓ１と第２断面積Ｓ２とは、略同等である。第３流路部３４Ｌ３は、第１断面積Ｓ１および第２断面積Ｓ２より小さい第３断面積Ｓ３を有している。第４流路部３４Ｌ４は、第３流路部３４Ｌ３に向かって断面積が小さくなる。ここでは、第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３および第４流路部３４Ｌ４は、それぞれ断面が矩形形状である。

また、第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３および第４流路部３４Ｌ４は、それぞれ高さＨが略同等である。ここで、高さＨとは、第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２と直交する第３方向Ｄ３の流路３４の長さである。

なお、上述したように、図示しないが膜電極接合体２は、燃料分配板３１Ａの面方向（ＸＹ平面）に対向するように、燃料分配板３１Ａの上に配置されている。つまり、膜電極接合体２は、燃料分配板３１Ａの面方向（ＸＹ平面）に延出した流路３４に対向するように配置されている。図４に示すように、第３流路部３４Ｌ３は、膜電極接合体２と対向する上面ＴＳ３と、上面ＴＳ３と直交する第１側壁ＳＤ３Ａおよび第２側壁とＳＤ３Ｂと、を有している。また、第４流路部３４Ｌ４は、膜電極接合体２と対向する上面ＴＳ４と、上面ＴＳ４と直交する第３側壁ＳＤ４Ａおよび第４側壁ＳＤ４Ｂと、を有している。

図５に示すように、第３流路部３４Ｌ３の第１側壁ＳＤ３Ａと第４流路部３４Ｌ４の第３側壁ＳＤ４Ａとは、接続されている。また、第３流路部３４Ｌ３の第２側壁ＳＤ３Ｂと第４流路部３４Ｌ４の第４側壁ＳＤ４Ｂとは、接続されている。

なお、図５に示すように、第４流路部３４Ｌ４の第３側壁ＳＤ４Ａの延長面ＥＳ４Ａと第４側壁ＳＤ４Ｂの延長面ＥＳ４Ｂとの間の角θ１が１０°〜３０°であることが望ましい。さらに、第１側壁ＳＤ３Ａと第３側壁ＳＤ４Ａとの間の角θ２と、第２側壁ＳＤ３Ｂと第４側壁ＳＤ４Ｂとの間の角θ３とが等しいことが望ましい。つまり、第１側壁ＳＤ３Ａの延長面ＥＳ３Ａと第３側壁ＳＤ４Ａとの間の角θ４と、第２側壁ＳＤ３Ｂの延長面ＥＳ３Ｂと第４側壁ＳＤ４Ｂとの間の角θ５とが等しいことが望ましい。

このような構成の燃料電池１において、燃料注入口３２から注入された液体燃料は、第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３、第４流路部３４Ｌ４、第５流路部３４Ｌ５、燃料分配部３４Ｓ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、燃料電池１の起動時でポンプ６によって過度の液体燃料が燃料注入口３２に送液された場合においても、流路３４が第１流路部３４Ｌ１の第１断面積Ｓ１および第２流路部３４Ｌ２の第２断面積Ｓ２より小さい第３断面積Ｓ３を有する第３流路部３４Ｌ３を有しているため、第３流路部３４Ｌ３の抵抗によって、過度の液体燃料が燃料排出口３３に導かれることを抑制することができ、発電反応による発電部の過度の発熱を抑制することができる。これにより、カソード１６で生成した水の過剰な蒸発を抑制することができ、適度な水を安定してアノード１３に供給することができる。

ところで、このような構成において、第４流路部３４Ｌ４の第３側壁ＳＤ４Ａの延長面ＥＳ４Ａと、第４側壁ＳＤ４Ｂの延長面ＥＳ４Ｂとの間の角θが１８０°である場合、第４流路部３４Ｌ４の第３側壁ＳＤ４Ａおよび第４側壁ＳＤ４Ｂの抵抗が大きく、第４流路部４５Ｌ４で圧力が損失してしまい燃料排出口３３まで十分な液体燃料を導くことができないことがある。これに対して、本実施の形態において、第４流路部３４Ｌ４は、第３流路部３４Ｌ３に向かって断面積が小さくなるため、第４流路部３４Ｌ４の第３側壁ＳＤ４Ａおよび第４側壁ＳＤ４Ｂによる圧力の損失を低減することをでき、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。

したがって、本実施の形態において、燃料電池１が第３流路部３４Ｌ３および第４流路部３４Ｌ４を有する燃料分配板３１Ａを備えているため、適量の液体燃料が燃料排出口３３に導かれ、発電反応を安定して生起させることが可能となる。以上、本実施の形態によれば、安定した出力を得ることが可能な燃料電池１を提供することができる。

なお、ここでは、燃料分配部３４Ｓと燃料注入口３２との間に、第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３、第４流路部３４Ｌ４が配置された例を説明したが、この例に限らない。燃料分配部３４Ｓと燃料排出口３３とのいずれかの間に、第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３、第４流路部３４Ｌ４が配置されてもよい。このとき、図６に示すように、第６流路部３４Ｌ６は、燃料注入口３２と燃料分配部３４Ｓとを接続している。第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３、第４流路部３４Ｌ４は、燃料分配部３４Ｓと接続された各第５流路部３４Ｌ５に介在するように配置される。第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３、第４流路部３４Ｌ４は、各第５流路部３４Ｌ５の同じ位置に介在するように配置されることが望ましい。このような構成においても、本実施の形態と同様な効果が得られる。

さらに、第１流路部３４Ｌ１が第４流路部３４Ｌ４より燃料注入口３２側に配置されている場合において、図７に示すように、その内面に内側に突出した凸部ＥＰを有してもよい。このように構成において、燃料電池１の起動時で過度の液体燃料が燃料注入口３２に送液された場合においても、第４流路部３４Ｌ４が内面に凸部ＥＰを有しているため、凸部ＥＰの抵抗によって、さらに、過度の液体燃料が燃料排出口３３に導かれることを抑制することができる。したがって、さらに、安定した出力を得ることが可能な燃料電池１を提供することができる。

また、ここでは、第４流路部３４Ｌ４が第１流路部３４Ｌ１と第３流路部３４Ｌ３とを接続し、第２流路部３４Ｌ２と第３流路部３４Ｌ３とを接続した例を説明したが、この例に限らない。第４流路部３４Ｌ４は、第１流路部３４Ｌ１と第３流路部３４Ｌ３、および、第２流路部３４Ｌ２と第３流路部３４Ｌ３の少なくとも一方を接続していればよい。第１流路部３４Ｌ１が第２流路部３４Ｌ２より燃料注入口３２側に配置されている場合において、第４流路部３４Ｌ４は、第１流路部３４Ｌ１と第３流路部３４Ｌ３とを接続していることが望ましい。

また、ここでは、燃料分配部３４Ｓと接続された第５流路部３４Ｌ５は、分岐して複数の燃料排出口３３に接続された例を説明したが、この例に限らない。第５流路部３４Ｌ５は、分岐せずに放射状に延出し、それぞれ独立して複数の燃料排出口３３に接続されていてもよい。このような構成において、分岐による圧力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。

なお、図３乃至図５と図６においては、燃料分配板３１Ａ内の流路に形成された位置および断面積等異なるものであっても良いが、流路部の構成についての説明上、同じ符号を用いている。

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。

サンプル１乃至サンプル６を用意する。図８に示すように、サンプル１乃至サンプル６において、燃料分配板３１Ａの流路３４は、第１流路部３４Ｌ１と、第２流路部３４Ｌ２と、第３流路部３４Ｌ３と、第４流路部３４Ｌ４と、を備えている。また、サンプル１乃至サンプル６において、第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３、第４流路部３４Ｌ４は、第１方向Ｄ１において、第１流路部３４Ｌ１、第４流路部３４Ｌ４、第３流路部３４Ｌ３、第４流路部３４Ｌ４、第２流路部３４Ｌ２の順で接続されている。第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３および第４流路部３４Ｌ４の断面は、矩形形状である。また、サンプル７においては、流路の檀面積が一定、すなわち、第３流路部３４Ｌ３および第４流路部３４Ｌ４を有さない構成である。

サンプル１乃至サンプル６において、第１流路部３４Ｌ１および第２流路部３４Ｌ２の第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２の幅Ｗ１は、８００μｍである。第１流路部３４Ｌ１、第２流路部３４Ｌ２、第３流路部３４Ｌ３および第４流路部３４Ｌ４の第１方向Ｄ１および第２方向Ｄ２と直交する第３方向Ｄ３の高さＨは、１００μｍである。第３流路部３４Ｌ３の第２方向Ｄ２の幅Ｗ２は、４０μｍである。第１流路部３４Ｌ１の第４流路部３４Ｌ４の第３側壁ＳＤ４Ａと接続された第５側壁ＳＤ５Ａの延長面ＥＳ１Ａと、第３流路部３４Ｌ３の第１側壁ＳＤ３Ａとの間の距離Ｗ３は、３８０μｍである。

サンプル１において、第３流路部３４Ｌ３の第１方向Ｄ１の長さＬ２は、１０００μｍである。２つの第４流路部３４Ｌ４の第１方向Ｄ１の長さ２Ｌ１と第３流路部３４Ｌ３の第１方向Ｄ１の長さＬ２との和の長さＬ３は、５０００μｍである。第４流路部３４Ｌ４の第３側壁ＳＤ４Ａの延長面ＥＳ４Ａと第４側壁ＳＤ４Ｂの延長面ＥＳ４Ｂとの間の角θは、２２°である。サンプル２において、長さＬ２は１０００μｍであり、長さＬ３は３７００μｍである。また、第３側壁ＳＤ４Ａと第４側壁ＳＤ４Ｂとの間の角θは３１°である。サンプル３において、長さＬ２は１０００μｍであり、長さＬ３は１３００μｍである。第３側壁ＳＤ４Ａと第４側壁ＳＤ４Ｂとの間の角θは１３７°である。サンプル４において、長さＬ２は１０００μｍであり、長さＬ３は１６００μｍである。第３側壁ＳＤ４Ａと第４側壁ＳＤ４Ｂとの間の角θは１０３°である。サンプル５において、長さＬ２は１００μｍであり、長さＬ３は２９００μｍである。第３側壁ＳＤ４Ａと第４側壁ＳＤ４Ｂとの間の角θは３０°である。サンプル６において、長さＬ２は１００μｍであり、長さＬ３は４００μｍである。第３側壁ＳＤ４Ａと第４側壁ＳＤ４Ｂとの間の角θは、１３７°である。

サンプル１乃至サンプル６の燃料分配板３１Ａを備えた燃料電池１において、液体燃料の流量Ｑ［μｌ／ｍｉｎ］が１００μｌ／ｍｉｎ、５００μｌ／ｍｉｎ、１０００μｌ／ｍｉｎのときの圧力損失ΔＰ［Ｐａ］を測定した。ここで、圧力損失ΔＰとは、第３流路部の長さ０ｍｍにおける圧力と、第４流路部の長さＬ３ｍｍにおける圧力との差である。

図９に流量Ｑと圧力損失ΔＰとの関係を示す。なお、圧力損失ΔＰは、サンプル７の流量１００μｌ／ｍｉｎの圧力損失ΔＰを１とした場合の相対値としている。

図９より明らかなとおり、第３流路部および第４流路部を形成することにより、それら流路部を形成していないサンプル７に比較し、圧力損失を大きくすることができる。さらに、サンプル１乃至サンプル６において、液体燃料の流量Ｑが増加するとともに圧力損失ΔＰが大きくなることが分かる。サンプル１乃至サンプル６において、燃料分配板３１Ａの圧力損失ΔＰと液体燃料の流量Ｑとの関係は、二次曲線で描くことができる。したがって、サンプル１乃至サンプル６において、過度の液体燃料が燃料注入口３２に送液されたとき、流路３４での圧力の損失が高く、過度の液体燃料が燃料排出口３３に導かれることを抑制することができることが確認された。

次に、上記効果を確かめるため、サンプル８として、流路の断面積が一定の燃料分配板３１Ａ、サンプル９として、第３流路部３４Ｌ３と、第４流路部３４Ｌ４と、を有する燃料分配板３１Ａを用意し、それら燃料分配板３１Ａを搭載した発電試験を行った。

サンプル８およびサンプル９の燃料分配板３１Ａを有する燃料電池１を所定の設定温度で運転し、燃料電池１の立ち上がり時間ｔ［秒］と、燃料電池１の起動時から１時間後までの最高温度Ｔ［℃］と、起動時から１時間後の発電量Ｗ［ｍＷｈ］と、を測定した。

その結果、サンプル８の流路の断面積が一定の燃料分配板３１Ａを用いた場合の燃料電池１の平均最大温度は、設定温度から＋７℃程度オーバーする。一方、サンプル９の第３流路部３４Ｌ３と、第４流路部３４Ｌ４とを有する燃料分配板３１Ａを用いた燃料電池１の平均最大温度は、設定温度から＋４．５℃程度のオーバーに留まる事ができた。

また、上記発電開始から１時間程度の起動時の発電量の比は、サンプル９に比較しサンプル８は７０％程度であった。つまり、燃料電池１が第３流路部３４Ｌ３および第４流路部３４Ｌ４を有する燃料分配板３１Ａを備えることによって、燃料電池１の発熱を抑制、すなわち最大温度抑制し、かつ起動立ち上がり速度抑制、すなわち発電部に負担をかけずに安定した起動を達成できることが確認された。

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。
以下に、本願の原出願に記載された発明を付記する。
［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、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、前記燃料注入口と前記燃料排出口とを接続する流路と、を有する燃料分配板と、を備え、
前記流路は、第１断面積を有する第１流路部と、第２断面積を有する第２流路部と、前記第１流路部と前記第２流路部との間に配置されるとともに第１断面積および第２断面積より小さい第３断面積を有する第３流路部と、前記第１流路部と前記第３流路部、および、前記第２流路部と前記第３流路部の少なくとも一方を接続するとともに前記第３流路部に向かって断面積が小さくなる第４流路部と、を有していることを特徴とする燃料電池。
［２］前記流路の断面は、矩形形状であることを特徴とする［１］に記載の燃料電池。
［３］前記流路の高さは、一定であることを特徴とする［１］に記載の燃料電池。
［４］前記第３流路部は、前記膜電極接合体と対向する上面と、前記上面と直交する第１側壁および第２側壁と、を有し、
前記第４流路部は、前記第１側壁と接続された第３側壁と、前記第２側壁と接続された第４側壁と、を有し、
前記第３側壁の延長面と前記第４側壁の延長面との間の角が１０°〜３０°であることを特徴とする［２］および［３］に記載の燃料電池。
［５］前記第１側壁と前記第３側壁との間の角と、前記第２側壁と前記第４側壁との間の角とは、等しいことを特徴とする［２］に記載の燃料電池。
［６］前記流路は、前記燃料注入口と前記第４流路部との間に燃料分配部を有することを特徴とする［１］に記載の燃料電池。
［７］前記流路は、前記燃料排出口と前記第４流路部との間に燃料分配部を有することを特徴とする［１］に記載の燃料電池。
［８］前記第１流路部は、前記第４流路部より前記燃料注入口側に配置され、その内面に内側に突出した凸部を有していることを特徴とする［１］に記載の燃料電池。
［９］前記アノード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［１］に記載の燃料電池。

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…流路 ３３…燃料排出口 ３１Ａ…燃料分配板 ３４Ｌ１…第１流路部 ３４Ｌ２…第２流路部 ３４Ｌ３…第３流路部 ３４Ｌ４…第４流路部 Ｓ１…第１断面積 Ｓ２…第２断面積 Ｓ３…第３断面積

Claims (7)

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、
   液体燃料が注入される燃料注入口と、前記アノード側の面に開口した複数の燃料排出口と、流路と、を有する燃料分配板と、
   前記流路の外に設けられ前記燃料注入口に前記液体燃料を注入するポンプと、を備え、
   前記流路は、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口とをポンプを介すること無しに接続し、前記燃料注入口から前記複数の燃料排出口に向かって分岐した分岐部と、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口との間に設けられた第１流路部、第２流路部、前記第１流路部および前記第２流路部の間に配置され前記流路が延出する方向に直交する断面の面積が前記第１流路部および前記第２流路部より小さい単一の第３流路部、ならびに前記第１流路部と前記第３流路部、および、前記第２流路部と前記第３流路部の少なくとも一方を接続するとともに、前記流路が延出する方向に直交する断面の面積が前記第３流路部に向かって小さくなる第４流路部と、を有する、
   燃料電池。
2. 前記流路の高さは、一定である、
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記第３流路部の前記断面および前記第４流路部の前記断面を含む前記流路の断面は、前記流路自体が延出した方向に直交する断面であり、矩形形状である、
   請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記第３流路部は、前記膜電極接合体と対向する上面と、前記上面と直交する第１側壁および第２側壁と、を有し、
   前記第４流路部は、前記第１側壁と接続された第３側壁と、前記第２側壁と接続された第４側壁と、を有し、
   前記第３側壁の仮想上の第１延長面と前記第４側壁の仮想上の第２延長面とが内側になす角が１０°〜３０°であり、
   前記第１延長面は、前記第３側壁と前記第１側壁との境界から前記角の頂点まで延出し、前記第２延長面は、前記第４側壁と前記第２側壁との境界から前記角の頂点まで延出している、
   請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記第１側壁と前記第３側壁との間の角と、前記第２側壁と前記第４側壁との間の角とは、等しい、
   請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記第１流路部は、前記第４流路部より前記燃料注入口側に配置され、その内面に内側に突出した凸部を有する、
   請求項１に記載の燃料電池。
7. 前記アノードに供給される前記液体燃料は、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、
   請求項１に記載の燃料電池。

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