JP2021064548A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料流路内に二酸化炭素の気泡が留まることを抑制し、出力（発電量）の低下を抑制することができる燃料電池を提供する。【解決手段】ギ酸またはアルコールを含む液体を燃料とする燃料極１０と、空気極２０と、電解質膜３０とを有する直接液体型の燃料電池７Ｘ（７）において、燃料極は、燃料極触媒層１１と燃料極拡散層１２と燃料極集電体１３とを有し、燃料極集電体には燃料が供給される燃料流入口７Ａと燃料が排出される燃料流出口７Ｂが設けられており、燃料極集電体における燃料極拡散層の側の面である燃料流通面１３ＡＸ（１３Ａ）には、燃料を、燃料極拡散層に接触させながら燃料流通面に沿って燃料流入口から燃料流出口へと導く燃料流通溝１３Ｂが形成されており、燃料流通溝１３Ｂは、燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に燃料の流速を増加させる燃料供給構造１００Ｘ（１００）が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池には様々な種類があり、その中には、液体の燃料を改質せずに燃料極に直接投入する直接液体型燃料電池がある。直接液体型燃料電池は、燃料を酸化する燃料極と、空気などの酸化剤ガスを還元する空気極と、空気極と燃料極との間にイオン伝導を行う電解質膜とを備えている。ここで、燃料極はアノードで、空気極はカソードである。燃料極および空気極の両方の電極では、電極の酸化還元反応の速度を促進させる電極触媒を含む触媒層が設けられている。

例えば特許文献１に記載の燃料電池では、燃料極に金属プレートのアノード部を有し、アノード部に形成された燃料流路（燃料流通溝に相当）に燃料を流通させている。アノード部には、下方から上方に向かう蛇行形状とされて等間隔に配置された複数の燃料流路が形成されている。燃料流路は、金属プレートのアノード部に対して厚さ方向に形成されており、アノード部が、膜−電極接合体（ＭＥＡ）とセパレータ（絶縁体）に挟まれて、燃料流路が構成されている。なお、膜−電極接合体（ＭＥＡ）は、第１電極層と、第２電極層と、第１電極層と第２電極層に挟まれた電解質膜と、を有している。アノード部は、燃料を流通させながら、この燃料を膜−電極接合体（ＭＥＡ）の第１電極層に分散供給する。

特開２００７−９５６９２号公報

例えばギ酸またはアルコールを含む液体を燃料として使用する直接液体型燃料電池の燃料極内では、酸化反応によって二酸化炭素が発生する。そして燃料極内で発生した二酸化炭素が燃料流路内に侵入する。燃料流路内に侵入した二酸化炭素は、液体の燃料内での浮力と、燃料の流れと、によって上方へと移動して集められ、燃料流路内に気泡となって留まる場合がある。燃料流路内に二酸化炭素の気泡が留まると、燃料流路内での燃料の流れが阻害され、燃料電池の出力が低下する。

燃料流路内に二酸化炭素の気泡が留まることを抑制するには、燃料流路内の燃料の流速を速くすればよい。しかし、燃料流路内の燃料の流速が速過ぎると、触媒層（電極層）へ燃料が拡散しにくくなるので好ましくない。触媒層（電極層）に拡散し易い流速にすると、燃料流路内に二酸化炭素の気泡が留まり易い。

特許文献１に記載の燃料電池では、薄板状の金属プレートに貫通するように下方から上方に向かう蛇行形状とされた複数の燃料流路の幅及び深さは、下方から上方に向かって一定とされているように見受けられる。従って下方から上方に向かって流れる燃料の流速は一定であり、触媒層（電極層）に拡散し易い流速にすると、燃料流路内に二酸化炭素の気泡が留まり易い。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、燃料流路内に二酸化炭素の気泡が留まることを抑制し、出力（発電量）の低下を抑制することができる燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の発明は、ギ酸またはアルコールを含む液体を燃料とする燃料極と、空気極と、電解質膜とを有する直接液体型の燃料電池において、前記燃料極は、燃料極触媒層と燃料極拡散層と燃料極集電体とを有し、前記燃料極集電体には前記燃料が供給される燃料流入口と前記燃料が排出される燃料流出口が設けられており、前記燃料極集電体における前記燃料極拡散層の側の面である燃料流通面には、前記燃料を、前記燃料極拡散層に接触させながら前記燃料流通面に沿って前記燃料流入口から前記燃料流出口へと導く燃料流通溝が形成されており、前記燃料流通溝は、前記燃料流入口の側から前記燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に前記燃料の流速の変化を含む流れを変化させる燃料供給構造を有している、燃料電池である。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る燃料電池であって、前記燃料供給構造は、前記燃料流入口の側から前記燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に小さくなる前記燃料流通溝の流路の断面積である流路断面積を有する、燃料電池である。

次に、本発明の第３の発明は、上記第２の発明に係る燃料電池であって、前記燃料供給構造は、前記燃料流入口の側から前記燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に狭くなる前記燃料流通溝の流路の幅である流路幅を有する、燃料電池である。

次に、本発明の第４の発明は、上記第２又は第３の発明に係る燃料電池であって、前記燃料供給構造は、前記燃料流入口の側から前記燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に浅くなる前記燃料流通溝の流路の深さである流路深さを有する、燃料電池である。

次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明〜第４の発明のいずれか１つに係る燃料電池であって、前記燃料流通溝には、前記燃料流通面における一方縁部の側から、前記一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成された複数の流通溝部と、単数または隣り合う複数の前記流通溝部にて、複数の流通溝部グループが形成され、隣り合う前記流通溝部グループに流れる前記燃料が逆方向となるように、隣り合う前記流通溝部グループの前記一方縁部の側の端部、あるいは、隣り合う前記流通溝部グループの前記他方縁部の側の端部、をそれぞれ接続する複数の折り返し溝部と、が設けられている、燃料電池である。

次に、本発明の第６の発明は、上記第５の発明に係る燃料電池であって、前記燃料流入口に近い側の前記流通溝部グループ内の前記流通溝部の本数よりも、前記燃料流出口に近い側の前記流通溝部グループ内の前記流通溝部の本数の方が少ない、燃料電池である。

第１の発明によれば、燃料流通溝が燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に燃料の流れを変化（流速の増加・減少、圧力の増加・減少）させ、変化した燃料の流れ（押し出し力）により気泡状の二酸化炭素を燃料とともに燃料流通溝の燃料流出口から排出させることができる。これにより、燃料流通溝（燃料流路）内に二酸化炭素の気泡が留まることを抑制し、出力（発電量）の低下を抑制することができる。また、燃料の供給を継続しつつ二酸化炭素を排出するため、二酸化炭素の排出処理のため発電を中断する必要がない。さらに、二酸化炭素を排出するために、燃料流入口において燃料を圧送する圧力を増加させて燃料を増速する必要がないため、燃料が電解質膜を通過するクロスオーバーや燃料漏れを起こすことを防止できる。

第２の発明によれば、燃料流通溝が燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に燃料流通溝の流路断面積を小さくすることで、流路断面の単位断面積当たりの流量を徐々にあるいは段階的に増加させることができる。これにより、流路断面の単位断面積当たりの流量・圧力が増加し、燃料の流速・圧力を燃料流通溝の燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって徐々にあるいは段階的に増加させることができる。

第３の発明によれば、燃料流通溝が燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に燃料流通溝の流路幅を狭くし流路断面の断面積を小さくすることで、単位断面積当たりの流量を徐々にあるいは段階的に増加させることができる。これにより、流路断面の単位断面積当たりの流量・圧力が増加し、燃料の流速・圧力を燃料流通溝の燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって徐々にあるいは段階的に増加させることができる。

第４の発明によれば、燃料流通溝が燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に燃料流通溝の流路深さを浅くすることで、単位断面積当たりの流量を徐々にあるいは段階的に増加させることができる。これにより、流路断面の単位断面積当たりの流量・圧力が増加し、燃料の流速・圧力を燃料流通溝の燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって徐々にあるいは段階的に増加させることができる。

第５の発明によれば、燃料の流速・圧力を燃料流通溝の燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって流通溝部グループ毎に段階的に増加させることができる。

第６の発明によれば、燃料の流速を燃料流通溝の燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって流通溝部グループ毎に段階的に流通溝部の本数を減らすことで、燃料流通溝の燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって段階的に流路断面の総流路断面積を減らすことができる。これにより、流路断面の単位断面積当たりの流量・圧力が増加し、燃料の流速・圧力を燃料流通溝の燃料流入口の側から燃料流出口へ向かって流通溝部グループ毎に段階的に増加させることができる。

本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成を説明する斜視図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を説明する分解斜視図である。 第１の実施形態の燃料極集電体を燃料流通面（図２のＩＩＩ方向）から見た正面図である。 第２の実施形態の燃料極集電体を燃料流通面から見た正面図である。 第３の実施形態の燃料極集電体を燃料流通面から見た正面図である。 図５の領域Ａ１における流通溝部の断面図である。 図５の領域Ａ４における流通溝部の断面図である。

以下に、本発明の燃料電池を適用した実施の形態に係る燃料電池システム１（１Ｘ、１Ｙ、１Ｚ）について、図面を用いて説明する。なお、本実施の形態にて説明する燃料電池システム１の燃料電池７（７Ｘ、７Ｙ、７Ｚ）は、ギ酸またはメタノール等のアルコールの水溶液を燃料とする直接液体型燃料電池であり、以下ではギ酸を燃料とする直接ギ酸型燃料電池を例として説明する。ここで、直接液体型燃料電池とは、液体の燃料を、改質せずに燃料極に直接投入する燃料電池を意味する。そして、直接ギ酸型燃料電池は、燃料としてギ酸を用い、ギ酸を改質せずに燃料極１０（図２参照）に直接投入する燃料電池燃料である。なお、図中にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されている場合、各軸は互いに直交しており、Ｚ軸方向は鉛直上方に向かう方向を示し、Ｘ軸方向とＹ軸方向は水平方向を示している。

●［燃料電池システム１（１Ｘ、１Ｙ、１Ｚ）の全体構成（図１）］
図１は、本実施形態の燃料電池７（７Ｘ、７Ｙ、７Ｚ）を含む燃料電池システム１（１Ｘ、１Ｙ、１Ｚ）の全体構成を示す図であり、図２は燃料電池７Ｘ（７）の構成を説明する分解斜視図である。燃料電池システム１（１Ｘ、１Ｙ、１Ｚ）は、図１に示すように、燃料タンク５０、ポンプ５２、燃料電池７（７Ｘ、７Ｙ、７Ｚ）、排液タンク６０等を有している。なお、燃料電池システム１Ｘ〜１Ｚのそれぞれは、第１の実施形態〜第３の実施形態のそれぞれの燃料電池システム１を示し、燃料電池７Ｘ〜７Ｚのそれぞれは、第１の実施形態〜第３の実施形態のそれぞれの燃料電池７を示している。また、燃料電池システム１Ｘ〜１Ｚのそれぞれは、異なる燃料極集電体１３である燃料極集電体１３Ｘ〜１３Ｚをそれぞれ有している点においてのみ相違する。

燃料タンク５０には、燃料となる所定濃度のギ酸を含む液体（ギ酸水溶液）が蓄えられている。燃料となるギ酸の濃度は、例えば１０〜４０［％］程度である。また燃料タンク５０には燃料供給配管５１の一方端が接続され、燃料供給配管５１の他方端は燃料電池７（７Ｘ、７Ｙ、７Ｚ）の燃料流入口７Ａに接続されている。

ポンプ５２は電動ポンプであり、燃料供給配管５１に設けられており、燃料タンク５０内の燃料を燃料電池７（７Ｘ、７Ｙ、７Ｚ）の燃料流入口７Ａに向けて圧送する。

排液タンク６０には、燃料電池７（７Ｘ、７Ｙ、７Ｚ）内で使用された後の燃料と、空気極２０にて発生して回収された水が蓄えられている。排液タンク６０には燃料排出配管６１の他方端が接続され、燃料排出配管６１の一方端は燃料電池７の燃料流出口７Ｂに接続されている。また排液タンク６０には、回収配管６２の他方端が接続され、回収配管６２の一方端の側は、空気極２０の下方に設けられた回収孔２３Ｂに接続されている。さらに、排液タンク６０の上部には、内部と外部を連通する排気口（不図示）が設けられており、排液タンク６０の内部の圧力が高まると、排液タンク６０内の気体が排気口（不図示）から排液タンク６０外へ流出する。

燃料電池７（７Ｘ、７Ｙ、７Ｚ）は、燃料タンク５０からの燃料が流入される燃料流入口７Ａと、使用された燃料を排出する燃料流出口７Ｂとを有し、流入された燃料を用いて発電する。なお、燃料電池７Ｘ（７）の構造の詳細について、以下に説明する。

●［燃料電池７Ｘ（７）の構造（図２）］
第１の実施形態の燃料電池である燃料電池７Ｘ（７）を用いて、燃料電池７の構造を説明する。燃料電池７Ｘ（７）は、図２に示すように、空気極２０と燃料極１０にて電解質膜３０を挟んだ構成を有している。空気極２０は、空気極触媒層２１、空気極拡散層２２、空気極集電体２３が積層されて構成されている。燃料極１０は、燃料極触媒層１１、燃料極拡散層１２、燃料極集電体１３Ｘ（１３）が積層されて構成されている。なお、燃料電池７Ｘ、７Ｙ、７Ｚのそれぞれは、燃料極集電体１３として燃料極集電体１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚをそれぞれ有している点でのみ相違する（図１参照）。

空気極集電体２３は、厚みが約１〜１０［ｍｍ］程度の導電性を有する板状の金属等である。空気極集電体２３には、周囲の空気（酸素）を空気極拡散層２２に流入させる（空気極拡散層２２を外気にさらす）ため、圧送された空気を外部から供給する供給口２３Ａが上方に設けられ、使用された空気と発生する水を回収するため回収孔２３Ｂが下方に設けられている。空気極集電体２３には、図１に示すように、電気負荷（例えば、電動モータ）の一方端が接続される。空気極集電体２３の空気極拡散層２２に接触する側の面には、幅が狭い流路として空気流通溝２３Ｃが形成されている。なお、空気流通溝２３Ｃは、燃料流通溝１３Ｂと同形状に形成しても良い。

空気極拡散層２２は、厚みが約０．０５〜０．５［ｍｍ］程度の層状に形成されている。空気極拡散層２２は、水および空気を透過できるとともに、電子伝導性を有する多孔質材であり、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。空気極拡散層２２は、空気極集電体２３の供給口２３Ａから流入した空気（酸素）を、拡散させながら空気極触媒層２１に導く。外気の空気に含まれる酸素は、空気極拡散層２２に浸透して空気極触媒層２１の電極触媒粒子に到達する。

空気極触媒層２１は、厚みが約０．０５〜０．５［ｍｍ］程度の層状に形成されている。空気極触媒層２１は、空気極の電極触媒粒子（不図示）と、電極触媒粒子を担持する電極触媒担持体（不図示）とを備えている。空気極２０の電極触媒粒子は、空気中の酸素を還元する反応の反応速度を促進させる触媒の粒子であり、例えば白金（Ｐｔ）粒子を用いることができる。電極触媒担持体は、電極触媒粒子を担持できるとともに、導電性を備えるものであればよく、例えばカーボン粉末を用いることができる。燃料としてギ酸を用いた場合、空気極触媒層２１の電極触媒粒子によって、（式１）に示す酸化還元反応が進行する。なお、生成された水（Ｈ₂Ｏ）は、図１に示すように、回収孔２３Ｂを介して回収されて回収配管６２を経由して排液タンク６０に導かれる。
２Ｈ⁺ ＋１／２ Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ （式１）

燃料極集電体１３Ｘ（１３）は、厚みが約１〜１０［ｍｍ］程度の導電性を有する板状の金属等である。燃料極集電体１３Ｘ（１３）は、燃料極拡散層１２に接触する燃料流通面１３ＡＸ（１３Ａ）を有しており、燃料流通面１３ＡＸ（１３Ａ）には、燃料極拡散層１２の側が開口された燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）が形成されている。燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）は、淀みなく燃料が流れるように、幅が狭い流路とされている。また、電子ｅ^-を回収するために、燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）の周囲には、ハッチングにて図示された燃料極拡散層１２に接触するランド部１３ＥＸ（１３Ｅ）が形成されている。燃料極集電体１３Ｘ（１３）には、図１に示すように、電気負荷（例えば、電動モータ）の他方端が接続される。

また燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）は、燃料極集電体１３Ｘ（１３）の一方縁部（または他方縁部）から、対向する他方縁部（または一方縁部）へと略水平方向に延びる複数の流通溝部１３ＣＸ（１３Ｃ）を有している。また複数の流通溝部１３ＣＸ（１３Ｃ）のそれぞれは、燃料極集電体１３Ｘ（１３）の一方縁部または他方縁部の近傍に形成されて略鉛直方向に延びる折り返し溝部１３ＤＸ（１３Ｄ）にて接続されている。また燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）は、燃料極集電体１３Ｘ（１３）の下方に形成された燃料流入口７Ａと、燃料極集電体１３Ｘ（１３）の上方に形成された燃料流出口７Ｂと、に接続されている。

従って、燃料流入口７Ａに流入された燃料は、流通溝部１３ＣＸ（１３Ｃ）にて一方縁部の側から他方縁部の側へと導かれ、折り返し溝部１３ＤＸ（１３Ｄ）にて方向転換されて、次の流通溝部１３ＣＸ（１３Ｃ）にて他方縁部の側から一方縁部の側へと導かれ、次の折り返し溝部１３ＤＸ（１３Ｄ）にて方向転換されることを繰り返しながら、つづら折り状とされた燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）内を流れ、燃料極拡散層１２中に拡散される。

なお、燃料極集電体１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚのそれぞれは、燃料流通溝１３Ｂとして燃料流通溝１３ＢＸ、１３ＢＹ、１３ＢＺをそれぞれ有している点でのみ相違する（図３〜図５参照）。燃料流通溝１３ＢＸ、１３ＢＹ、１３ＢＺのそれぞれについての詳細は、各実施形態において説明する。

燃料極拡散層１２は、厚みが約０．０５〜０．５［ｍｍ］程度の層状に形成されている。燃料極拡散層１２は、ギ酸水溶液が内部に浸透できるとともに、電子伝導性を有する多孔質材であり、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。燃料極拡散層１２は、燃料極集電体１３Ｘ（１３）の燃料流通面１３ＡＸ（１３Ａ）に形成された燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）に流される燃料を、拡散させながら燃料極触媒層１１に導く。

燃料極触媒層１１は、厚みが約０．０５〜０．５［ｍｍ］程度の層状に形成されている。燃料極触媒層１１は、電極触媒粒子（不図示）と、電極触媒粒子を担持する電極触媒担持体（不図示）とを備えている。燃料極１０の電極触媒粒子は、燃料であるギ酸の酸化反応の速度を促進させる触媒の粒子であり、例えばパラジウム（Ｐｄ）粒子を用いることができる。電極触媒担持体は、電極触媒粒子を担持できるとともに、導電性を備えるものであればよく、例えばカーボン粉末を用いることができる。燃料としてギ酸を用いた場合、燃料極触媒層１１の電極触媒粒子によって、（式２）に示す酸化反応が進行する。
ＨＣＯＯＨ → ＣＯ₂ ＋ ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- （式２）

電解質膜３０は、厚みが約０．０１〜０．３［ｍｍ］程度の薄膜状に形成されている。電解質膜３０は、燃料極１０の燃料極触媒層１１と空気極２０の空気極触媒層２１との間に挟まれており、電子伝導性を持たず、水およびＨ⁺を透過できるプロトン交換膜である。電解質膜３０には、例えば、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）等のパーフルオロエチレンスルフォン酸系膜を用いることができる。以上で説明した、燃料極触媒層１１と、燃料極拡散層１２と、電解質膜３０と、空気極触媒層２１と、空気極拡散層２２とが接合されて一体化されたものを、本明細書では、膜／電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と記載する場合もある。

●［燃料電池の作動について］
ギ酸水溶液は、燃料タンク５０内から燃料供給配管５１に送りだされて、燃料極集電体１３（１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚ）の燃料流入口７Ａから、燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）に流入する。ギ酸水溶液は、燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）を流れるにつれ、燃料極拡散層１２に浸透して、燃料極触媒層１１の電極触媒粒子の表面に到達する。そして、燃料極触媒層１１の電極触媒粒子の表面上で、上記の（式２）に示すギ酸の酸化反応が進行する。

（式２）に示す、ギ酸の酸化反応で生成された二酸化炭素ＣＯ₂は、集まって泡となり燃料極１０から排出され、プロトンＨ⁺は電解質膜３０を透過して空気極触媒層２１の電極触媒粒子に到達する。また、ギ酸から生成された電子ｅ^-は、燃料極拡散層１２、燃料極触媒層１１、燃料極集電体１３（１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚ）を流れ、さらに、燃料極集電体１３（１３Ｘ、１３Ｙ、１３Ｚ）から外部回路（電気負荷）に流れる。

電子ｅ^-は、外部回路（電気負荷）から空気極集電体２３へ流れ、さらに、空気極集電体２３、空気極拡散層２２、空気極触媒層２１を流れて空気極触媒層２１に到達する。空気極触媒層２１の電極触媒粒子表面には、外部回路（電気負荷）からの電子ｅ^-と、電解質膜３０を透過したプロトンＨ⁺と、空気極拡散層２２を透過した外気の酸素とが到達し、上記の（式１）に示す酸化還元反応が進行する。

以上の様に、燃料電池７Ｘ（７）は発電する。そして、燃料極触媒層１１において、（式２）のギ酸の酸化反応で生成される二酸化炭素ＣＯ₂は、集まって泡となり、燃料極拡散層１２、燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）を流れて、燃料流出口７Ｂから排出され、燃料排出配管６１を経由して排液タンク６０に溜められる。

ここで、二酸化炭素ＣＯ₂は、燃料極触媒層１１の電極触媒粒子表面上で生成されるが、二酸化炭素ＣＯ₂が燃料極触媒層１１の電極触媒粒子表面上にとどまると、ギ酸が電極触媒表面に吸着しにくくなるため、（式２）に示すギ酸の酸化反応の進行を阻害する。また、（式２）に示すギ酸の酸化反応の副反応で生成される一酸化炭素ＣＯ等により、燃料極触媒層１１の電極触媒粒子が被毒することによっても、（式２）に示すギ酸の酸化反応の進行が阻害される。

●［第１の実施形態の燃料極集電体１３Ｘ（１３）の詳細構成（図３）］
図３を用いて、第１の実施形態の燃料極集電体１３Ｘ（１３）の詳細構成について詳細に説明する。燃料極集電体１３Ｘ（１３）の燃料流通面１３ＡＸ（１３Ａ）には、燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）と流入溝部１３ＦＸ（１３Ｆ）と流出溝部１３ＧＸ（１３Ｇ）とが設けられている。

燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）には、燃料流通面１３ＡＸ（１３Ａ）における一方縁部の側から、一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成された複数の流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４（１３ＣＸ）と、折り返し溝部１３ＤＸ１〜１３ＤＸ３（１３ＤＸ）が設けられている。

流入溝部１３ＦＸ（１３Ｆ）は、燃料流入口７Ａと流通溝部１３ＣＸ１との間に設けられており、燃料流入口７Ａから流入し流通溝部１３ＣＸ１に向けて流れる燃料の流速に影響を与えることがない十分な容量（流路幅、流路深さ）を持つように形成されている。流出溝部１３ＧＸ（１３Ｇ）は、燃料流出口７Ｂと流通溝部１３ＣＸ４との間に設けられており、流通溝部１３ＣＸ４から流入し燃料流出口７Ｂへ向けて排出される燃料の流速に影響を与えることがない十分な容量（流路幅、流路深さ）を持つように形成されている。

折り返し溝部１３ＤＸ１〜１３ＤＸ３（１３ＤＸ）は、それぞれが接続されている流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４に対して、流入または流出する燃料の流速に影響を与えることがない十分な容量（流路幅、流路深さ）を持つように形成されている。

流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４のそれぞれは、流路の断面積である流路断面積が同一（図示省略）の２本の流通溝部から構成されている。また、流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４のそれぞれの２本の流通溝部の間には、ランド部１３ＥＸ１〜１３ＥＸ４（１３ＥＸ）がそれぞれ間に設けられている。また、流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４のそれぞれは、２本の流通溝部で形成された流通溝部グループ１３ＨＸ１〜１３ＨＸ４のそれぞれを形成している。流通溝部グループは単数または隣り合う複数の流通溝部にて形成されており、流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４のそれぞれは、２本の流通溝部で形成された流通溝部グループ１３ＨＸ１〜１３ＨＸ４のそれぞれを形成している。

流通溝部１３ＣＸ１の一方縁部の側の端部には流入溝部１３ＦＸ（１３Ｆ）が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＸ１が接続されている。流通溝部１３ＣＸ２の一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＸ１が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＸ２が接続されている。流通溝部１３ＣＸ３の一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＸ２が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＸ３が接続されている。流通溝部１３ＣＸ４の一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＸ３が接続されて、他方縁部の側の端部には流出溝部１３ＧＸ（１３Ｇ）が接続されている。これにより、流通溝部グループ１３ＨＸ１〜１３ＨＸ４の隣り合う流通溝部グループに流れる燃料は、図３の矢印で示すようにそれぞれに対して逆方向となる。

流路幅Ｗ１〜Ｗ４は、流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４のそれぞれの流路の幅であり、Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３＞Ｗ４になるように設けられている。また、流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４の流路の深さである流路深さ（例えば、１ｍｍ）のそれぞれは、同一になるように設けられている（図示省略）。

流通溝部グループ１３ＨＸ１〜１３ＨＸ４のそれぞれの燃料流通面１３ＡＸにおける面積を同一とした場合、ランド部１３ＥＸ１〜１３ＥＸ４の面積は、ランド部１３ＥＸ１が最小で徐々に大きくなりランド部１３ＥＸ４が最大となるように形成されている。

これらの構造を有することにより、燃料流入口７Ａの側から燃料流出口７Ｂへ向かって、流通溝部グループ１３ＨＸ１〜１３ＨＸ４毎（段階的）に、燃料流通溝１３ＢＸの流通溝部１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４の流路断面積を小さくし、流路断面の単位断面積当たりの流量を流通溝部グループ１３ＨＸ１〜１３ＨＸ４毎（段階的）に増加させることができる。この流通溝部グループ１３ＨＸ１〜１３ＨＸ４毎（段階的）な流量の増加により、燃料の流速を段階的に増加させることができる。なお、上記の流通溝部グループ１３ＨＸ１〜１３ＨＸ４毎（段階的）に、流路幅を狭くする（Ｗ１＞Ｗ２＞Ｗ３＞Ｗ４）構造は、燃料供給構造１００Ｘ（１００）に相当する。

第１の実施形態の燃料供給構造を適用することで、例えば、流路深さ１ｍｍで、流通溝部の流路幅を１ｍｍから０．５ｍｍへ変化させた場合、流路断面積が１／２となり、流路断面の単位断面積当たりの流量・圧力が２倍となり、燃料の流速・圧力を２倍へと増加させることができる。

また、ランド部１３ＥＸ１〜１３ＥＸ４の面積は、一定の大きさではなく、燃料流入口７Ａの側のランド部であるランド部１３ＥＸ１の面積が最小となり、燃料流出口７Ｂのランド部であるランド部１３ＥＸ４が最大となるように形成されている。これにより、ランド部を一定の大きさで形成する場合と比較して、ランド部の総面積を小さくすることができ、相対的に燃料流通面１３ＡＸ（１３Ａ）における燃料流通溝１３ＢＸ（１３Ｂ）の面積（発電面積）を大きくすることができる。

●［第２の実施形態の燃料極集電体１３Ｙ（１３）の詳細構成（図４）］
図４を用いて、第２の実施形態の燃料極集電体１３Ｙ（１３）の詳細構成について詳細に説明する。燃料極集電体１３Ｙ（１３）は、第１の実施形態の燃料極集電体１３Ｘ（１３）が流通溝部の流路幅のみを段階的に狭めて燃料の流速を段階的に増加させるのに対して、流通溝部グループ内の流通溝部の本数を段階的に減らして燃料の流速を段階的に増加させる点で相違する。以下、相違する点について詳細に説明する。

燃料流通溝１３ＢＹ（１３Ｂ）には、複数の燃料流通面１３ＡＹ（１３Ａ）における一方縁部の側から、一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成された流通溝部１３ＣＹと、折り返し溝部１３ＤＹ１〜１３ＤＹ３（１３ＤＹ）が設けられている。

流通溝部１３ＣＹは、流路の断面積である流路断面積が同一（図示省略）の流通溝部から構成されている。また、隣り合う流通溝部１３ＣＹの間のそれぞれには、ランド部１３ＥＹがそれぞれ設けられている。

また、４本の流通溝部１３ＣＹで流通溝部グループ１３ＨＹ１が構成され、３本の流通溝部１３ＣＹで流通溝部グループ１３ＨＹ２が構成され、２本の流通溝部１３ＣＹで流通溝部グループ１３ＨＹ３が構成され、１本の流通溝部１３ＣＹで流通溝部グループ１３ＨＹ４が構成されている。つまり、燃料流入口７Ａに近い側の流通溝部グループ１３ＨＹ１内の流通溝部の本数（４本）よりも、燃料流出口７Ｂに近い側の流通溝部グループ内の流通溝部の本数（１本）の方が少なくなるように構成されている。

流通溝部グループ１３ＨＹ１の流通溝部１３ＣＹの一方縁部の側の端部には流入溝部１３ＦＹ（１３Ｆ）が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＹ１が接続されている。流通溝部グループ１３ＨＹ２の流通溝部１３ＣＹの一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＹ１が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＹ２が接続されている。流通溝部グループ１３ＨＹ３の流通溝部１３ＣＹの一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＹ２が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＹ３が接続されている。流通溝部グループ１３ＨＹ４の流通溝部１３ＣＹの一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＹ３が接続されて、他方縁部の側の端部には流出溝部１３ＧＹ（１３Ｇ）が接続されている。これにより、流通溝部グループ１３ＨＹ１〜１３ＨＹ４の隣り合う流通溝部グループに流れる燃料は、図４の矢印で示すようにそれぞれに対して逆方向となる。

流通溝部１３ＣＹのそれぞれの流路幅Ｗ５と流路深さ（図示省略）は、全て同一（流路断面積が同一）となるように設けられている。また、複数のランド部１３ＥＹのそれぞれの面積は、全て同一となるように形成されている。

これらの構造を有することにより、燃料流入口７Ａの側から燃料流出口７Ｂへ向かって、流通溝部グループ１３ＨＹ１〜１３ＨＹ４毎（段階的）に、燃料流通溝１３ＢＹの流通溝部１３ＣＹの本数を減少させ流路断面積を小さくし、流路断面の単位断面積当たりの流量を流通溝部グループ１３ＨＹ１〜１３ＨＹ４毎（段階的）に増加させることができる。この流通溝部グループ１３ＨＹ１〜１３ＨＹ４毎（段階的）な流量の増加により、燃料の流速を段階的に増加させることができる。なお、上記の流通溝部グループ１３ＨＹ１〜１３ＨＹ４毎（段階的）に、燃料流通溝１３ＢＹの流通溝部１３ＣＹの本数を減少させる構造は、燃料供給構造１００Ｙ（１００）に相当する。

第２の実施形態の燃料供給構造を適用することで、例えば、それぞれの形状が流路深さ１ｍｍ、流路幅１ｍｍである流通溝部の本数を４本から１本へ減らした場合、流路断面積が１／４となり、流路断面の単位断面積当たりの流量・圧力が４倍となり、燃料の流速・圧力を４倍へと増加させることができる。

●［第３の実施形態の燃料極集電体１３Ｚ（１３）の詳細構成（図５〜図７）］
図５〜図７を用いて、第３の実施形態の燃料極集電体１３Ｚ（１３）の詳細構成について詳細に説明する。燃料極集電体１３Ｚ（１３）は、第１の実施形態の燃料極集電体１３Ｘ（１３）が流通溝部の流路幅のみを段階的に狭めて燃料の流速を段階的に増加させるのに対して、流通溝部グループ内の流通溝部の流路深さを段階的に浅くして燃料の流速を段階的に増加させる点で相違する。以下、相違する点について詳細に説明する。

図５で示すように、燃料流通溝１３ＢＺ（１３Ｂ）には、複数の燃料流通面１３ＡＺ（１３Ａ）における一方縁部の側から、一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成された流通溝部１３ＣＺ１〜１３ＣＺ４（１３ＣＺ）と、折り返し溝部１３ＤＺ１〜１３ＤＺ３（１３ＤＺ）が設けられている。

流通溝部１３ＣＺ１〜１３ＣＺ４のそれぞれは、流路断面積が同一（図示省略）の２本の流通溝部から構成されている。また、流通溝部１３ＣＺ１〜１３ＣＺ４のそれぞれの２本の流通溝部の間には、同一の面積を有するランド部１３ＥＺ（１３Ｅ）がそれぞれ間に設けられている。また、流通溝部１３ＣＺ１〜１３ＣＺ４のそれぞれは、流通溝部グループ１３ＨＺ１〜１３ＨＺ４のそれぞれを形成している。

流通溝部１３ＣＺ１の一方縁部の側の端部には流入溝部１３ＦＺ（１３Ｆ）が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＺ１が接続されている。流通溝部１３ＣＺ２の一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＺ１が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＺ２が接続されている。流通溝部１３ＣＺ３の一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＺ２が接続されて、他方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＺ３が接続されている。流通溝部１３ＣＺ４の一方縁部の側の端部には折り返し溝部１３ＤＺ３が接続されて、他方縁部の側の端部には流出溝部１３ＧＺ（１３Ｇ）が接続されている。これにより、流通溝部グループ１３ＨＺ１〜１３ＨＺ４の隣り合う流通溝部グループに流れる燃料は、図５の矢印で示すようにそれぞれに対して逆方向となる。

流通溝部１３ＣＺ１〜１３ＣＺ４のそれぞれの流路の深さである流路深さは、流通溝部１３ＣＺ１の流路深さ（領域Ａ１）＞流通溝部１３ＣＺ２の流路深さ（領域Ａ２）＞流通溝部１３ＣＺ３の流路深さ（領域Ａ３）＞流通溝部１３ＣＺ４の流路深さ（領域Ａ４）、になるように設けられている。

図６は、図５の領域Ａ１における流通溝部１３ＣＺ１（１３ＣＺ）の断面図である。図７は、図５の領域Ａ４における流通溝部１３ＣＺ４（１３ＣＺ）の断面図である。図６において、破線で囲まれた流路断面積Ｓ１は、流通溝部１３ＣＺ１の流路断面積であり、流路幅Ｗ６×流路深さｄ１となる。図７おいて、破線で囲まれた流路断面積Ｓ４は、流通溝部１３ＣＺ４の流路断面積であり、流路幅Ｗ６×流路深さｄ４となる。ここで、流路深さｄ４＜流路深さｄ１であるため、流路断面積Ｓ４は、流路断面積Ｓ１より小さくなる。

これらの構造を有することにより、燃料流入口７Ａの側から燃料流出口７Ｂへ向かって、流通溝部グループ１３ＨＺ１〜１３ＨＺ４毎（段階的）に、燃料流通溝１３ＢＺの流通溝部１３ＣＺ１〜１３ＣＺ４の流路断面積を小さくし、流路断面の単位断面積当たりの流量を流通溝部グループ１３ＨＺ１〜１３ＨＺ４毎（段階的）に増加させることができる。この流通溝部グループ１３ＨＺ１〜１３ＨＺ４毎（段階的）な流量の増加により、燃料の流速を段階的に増加させることができる。なお、上記の流通溝部グループ１３ＨＺ１〜１３ＨＺ４毎（段階的）に、流通溝部１３ＣＺ１〜１３ＣＺ４の流路深さを浅くしていく構造は、燃料供給構造１００Ｚ（１００）に相当する。

第３の実施形態の燃料供給構造を適用することで、例えば、流路幅１ｍｍの流通溝部において、流路深さを１ｍｍから０．５ｍｍへ変化させた場合、流路断面積が１／２となり、流路断面の単位断面積当たりの流量・圧力が２倍となり、燃料の流速・圧力を２倍へと増加させることができる。

●［本願の効果］
燃料流通溝１３Ｂが燃料流入口７Ａの側から燃料流出口７Ｂへ向かって、流通溝部グループ毎に段階的に燃料の流速を増加させ、増速した燃料の流れ（押し出し力）により気泡状の二酸化炭素を燃料とともに燃料流通溝１３Ｂの燃料流出口７Ｂから排出させることができる。これにより、燃料流通溝１３Ｂ（燃料流路）内に二酸化炭素の気泡が留まることを抑制し、出力（発電量）の低下を抑制することができる。また、燃料の供給を継続しつつ二酸化炭素を排出するため、二酸化炭素の排出処理のため発電を中断する必要がない。さらに、二酸化炭素を排出するために、燃料流入口７Ａにおいて燃料を圧送する圧力を増加させて燃料を増速する必要がないため、燃料が電解質膜を通過するクロスオーバーや燃料漏れを起こすことを防止できる。

燃料流通溝１３Ｂが燃料流入口７Ａの側から燃料流出口７Ｂへ向かって、流通溝部グループ毎に段階的に燃料流通溝１３Ｂの流路幅を狭める、流路深さを浅くする、流通溝部の本数を減少させる等により、流通溝部グループ毎の流路断面積を段階的に小さくし、流路断面の単位断面積当たりの流量を段階的に増加させることができる。これにより、流路断面の単位断面積当たりの流量が増加し、燃料の流速を燃料流通溝１３Ｂの燃料流入口７Ａの側から燃料流出口７Ｂへ向かって段階的に増加させることができる。

なお、上記実施形態において説明した燃料流通溝１３Ｂが燃料流入口７Ａの側から燃料流出口７Ｂへ向かって、流通溝部グループ毎に段階的に流路断面積を段階的に小さくすることに代わり、燃料流通溝１３Ｂが燃料流入口７Ａの側から燃料流出口７Ｂへ向かって流路断面積を徐々に小さくして燃料の流速を増加させても同様の効果を得ることができる。

本発明の燃料電池７は、本実施の形態で説明した構成、構造、形状、外観等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、燃料流通溝１３Ｂは、本実施形態において説明した形状（流通溝部１３Ｃ、折り返し溝部１３Ｄ、ランド部１３Ｅ、流入溝部１３Ｆ、流出溝部１３Ｇ）および個数に限定されず様々な形状、個数を採ることが可能である。

上記実施形態において、燃料流通溝１３Ｂの流路幅を狭める構造、流路深さを浅くする構造、流通溝部の本数を減少させる構造、のそれぞれの構造で燃料の流速を増加させたが、これらの構造を組み合わせて燃料の流速を増加させても良い。また、１個の燃料電池７において、複数の異なる燃料供給構造を組み合わせて燃料供給構造を構成しても良い。

燃料電池７の形態としては、燃料電池７の下方の側に燃料流入口７Ａが設けられ燃料電池７の上方の側に燃料流出口７Ｂが設けられていれば良く、燃料流通溝１３Ｂの流通溝部１３Ｃが上下方向に沿って延びるように設けられたものでも良い。また、燃料流通溝１３Ｂは、流通溝部１３Ｃが上下方向に沿って延びるように設けられたものと、流通溝部１３Ｃが略水平方向に沿って延びるように設けられたものとも組み合わせで構成されていても良い。

流通溝部１３Ｃは、断面形状が長方形の形状に限定されず、徐々にあるいは段階的に流路断面積が小さくなるように形成されているものであれば良く、例えば円弧形状の断面形状を有し径の長さ（流路幅、流路深さに相当）を徐々にあるいは段階的に小さくなるように形成しても良い。

１、１Ｘ〜１Ｚ 燃料電池システム
７、７Ｘ〜７Ｚ 燃料電池
７Ａ 燃料流入口
７Ｂ 燃料流出口
１０ 燃料極
１１ 燃料極触媒層
１２ 燃料極拡散層
１３、１３Ｘ〜１３Ｚ 燃料極集電体
１３Ａ、１３ＡＸ〜１３ＡＺ 燃料流通面
１３Ｂ、１３ＢＸ〜１３ＢＺ 燃料流通溝
１３Ｃ、１３ＣＸ〜１３ＣＺ 流通溝部
１３ＣＸ１〜１３ＣＸ４ 流通溝部
１３ＣＺ１〜１３ＣＺ４ 流通溝部
１３Ｄ、１３ＤＸ〜１３ＤＺ 折り返し溝部
１３ＤＸ１〜１３ＤＸ３ 折り返し溝部
１３ＤＹ１〜１３ＤＹ３ 折り返し溝部
１３ＤＺ１〜１３ＤＺ３ 折り返し溝部
１３Ｅ、１３ＥＸ〜１３ＥＺ ランド部
１３ＥＸ１〜１３ＥＸ４ ランド部
１３ＨＹ１〜１３ＨＹ４ 流通溝部グループ
１３Ｆ、１３ＦＸ、１３ＦＹ、１３ＦＺ 流入溝部
１３Ｇ、１３ＧＸ、１３ＧＹ、１３ＧＺ 流出溝部
２０ 空気極
２１ 空気極触媒層
２２ 空気極拡散層
２３ 空気極集電体
２３Ａ 供給口
２３Ｂ 回収孔
２３Ｃ 空気流通溝
３０ 電解質膜
５０ 燃料タンク
５１ 燃料供給配管
５２ ポンプ
６０ 排液タンク
６１ 燃料排出配管
６２ 回収配管
１００、１００Ｘ〜１００Ｚ 燃料供給構造
Ａ１〜Ａ４ 領域
Ｗ１〜Ｗ６ 流路幅
Ｓ１、Ｓ４ 流路断面積

Claims (6)

1. ギ酸またはアルコールを含む液体を燃料とする燃料極と、空気極と、電解質膜とを有する直接液体型の燃料電池において、
   前記燃料極は、燃料極触媒層と燃料極拡散層と燃料極集電体とを有し、
   前記燃料極集電体には前記燃料が供給される燃料流入口と前記燃料が排出される燃料流出口が設けられており、
   前記燃料極集電体における前記燃料極拡散層の側の面である燃料流通面には、前記燃料を、前記燃料極拡散層に接触させながら前記燃料流通面に沿って前記燃料流入口から前記燃料流出口へと導く燃料流通溝が形成されており、
   前記燃料流通溝は、
   前記燃料流入口の側から前記燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に前記燃料の流速の変化を含む流れを変化させる燃料供給構造を有している、
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記燃料供給構造は、
   前記燃料流入口の側から前記燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に小さくなる前記燃料流通溝の流路の断面積である流路断面積を有する、
   燃料電池。
3. 請求項２に記載の燃料電池であって、
   前記燃料供給構造は、
   前記燃料流入口の側から前記燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に狭くなる前記燃料流通溝の流路の幅である流路幅を有する、
   燃料電池。
4. 請求項２または３に記載の燃料電池であって、
   前記燃料供給構造は、
   前記燃料流入口の側から前記燃料流出口へ向かって、徐々にあるいは段階的に浅くなる前記燃料流通溝の流路の深さである流路深さを有する、
   燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池であって、
   前記燃料流通溝には、
   前記燃料流通面における一方縁部の側から、前記一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成された複数の流通溝部と、
   単数または隣り合う複数の前記流通溝部にて、複数の流通溝部グループが形成され、
   隣り合う前記流通溝部グループに流れる前記燃料が逆方向となるように、隣り合う前記流通溝部グループの前記一方縁部の側の端部、あるいは、隣り合う前記流通溝部グループの前記他方縁部の側の端部、をそれぞれ接続する複数の折り返し溝部と、が設けられている、
   燃料電池。
6. 請求項５に記載の燃料電池であって、
   前記燃料流入口に近い側の前記流通溝部グループ内の前記流通溝部の本数よりも、
   前記燃料流出口に近い側の前記流通溝部グループ内の前記流通溝部の本数の方が少ない、
   燃料電池。

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