JP4939786B2

JP4939786B2 - 燃料電池及び燃料電池システム

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Publication number: JP4939786B2
Application number: JP2005285544A
Authority: JP
Inventors: 裕輔佐藤
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2025-09-29
Also published as: CN1941471B; US20070072051A1; US7597990B2; CN1941471A; JP2007095581A

Description

本発明は、燃料電池及び燃料電池システムに関する。

近時、硫黄酸化物や窒素酸化物などの有害物質を排出しないクリーンな電源として、燃料電池への期待が非常に高まりつつあり、自動車や家庭用電源、携帯情報機器など小型の電源システムも多数提案されている。特に、直接メタノール型燃料電池（DMFC）は、純メタノールまたはメタノールと水の混合液を燃料とすることから、水素を燃料とする他のタイプの燃料電池と比較して燃料の取り扱いが容易である上に加湿機構も不要で、また動作温度が低いことから熱制御機構も少なく済む。これらの利点は小型機器向けの電源としてDMFCが適することを意味する。このような背景から小型電源としてのDMFCの実用化に向けて開発が進められている。

DMFCにはカソード極側へ酸化剤を供給すると共にMEAを冷却することを目的として、カソード極側へ送風するためのファン等の送風手段が設けられている。しかし、カソード極側への送風が過剰であると、MEAが乾燥しすぎてしまいMEAの発電特性は劣化する。

そこで特許文献１に提案されている燃料電池では、カソード極側の反応生成水によってMEAのカソードガス拡散触媒層が覆われてしまうのを防止するために、カソード極側に吸湿性の蒸散部材を外付けし、MEAに風が直接当たらないようにして外付けの蒸散部材にファンから送風し、蒸散部材に吸い取った水を蒸散させている。しかし、特許文献１の燃料電池は、蒸散部材をカソード極の周囲に外付けし、装置サイズが増大するので、携帯電子機器用の小型電源に適したものとはいえない。
特開２００３−１５７８７９号公報

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、装置を大型化することなく、MEAが過剰に乾燥することを有効に防止できる燃料電池およびそれを備えた燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、少なくとも２箇所に開口部を有する容器と、前記容器内に収納され、膜電極複合体、アノード流路板およびカソード流路板を有する発電部と、前記容器の一方側の開口部から前記膜電極複合体に酸素を供給するために空気を供給するファンと、を具備する燃料電池であって、
前記カソード流路板は、少なくとも前記ファンからの供給空気が供給される開口部に近接した前記ファンからの供給空気の流れに対向するように形成された流路壁と、前記流路壁によって形成された前記膜電極複合体に酸素を供給するためのカソード空間を有すると共に、前記容器との間に間隙を有するように設けられ、
前記開口部のうち前記ファンからの供給空気が供給される開口部は、前記間隙と連通し、さらに前記間隙を介して前記カソード空間と連通していることを特徴とする。

本発明に係る燃料電池システムは、少なくとも２箇所に開口部を有する容器と、前記容器内に収納され、膜電極複合体、アノード流路板およびカソード流路板を有する発電部と、前記容器の一方側の開口部から前記膜電極複合体に酸素を供給するために空気を供給するファンと、燃料を貯える燃料カートリッジと、前記燃料カートリッジから前記発電部に燃料を供給する燃料供給手段と、前記発電部において燃料を循環させる循環ラインと、を具備する燃料電池システムであって、
前記カソード流路板は、少なくとも前記ファンからの供給空気が供給される開口部に近接した前記ファンからの供給空気の流れに対向するように形成された流路壁と、前記流路壁によって形成された前記膜電極複合体に酸素を供給するためのカソード空間を有すると共に、前記容器との間に間隙を有するように設けられ、
前記開口部のうち前記ファンからの供給空気が供給される開口部は、前記間隙と連通し、さらに前記間隙を介して前記カソード空間と連通していることを特徴とする。

本発明によれば、装置を大型化することなく、MEAが過剰に乾燥することを有効に防止できる燃料電池およびそれを備えた燃料電池システムを提供することができる。

DMFCの場合、発電効率は２０〜３０％程度であり、発電中にMEAの温度は５０〜７０℃程度に上昇する。また、MEAで発生する熱を空冷方式で放熱させるのに必要な空気量は、カソード反応に必要な空気量の６０〜１００倍程度にも達することが理論計算上明らかにされている。このため空冷方式のみによりMEAの温度上昇を抑えようとすると、MEAに対する風当たりが強くなりすぎて、プロトン導電性高分子膜とカソード触媒層を乾燥させてしまい、下式（２）と（３）の反応が進行しにくくなる。そこで、本実施の形態では、空冷方式に依存することなく、以下に述べるように多孔体カソード流路板とよどみ空間とを組合せたカソード構造を採用することにより上記の課題を解決している。

本実施の形態では、カソード空間の少なくとも一部に多孔体を有し、周囲を取り囲んだ閉じた空間とするか、またはカソード空間の一端もしくは両端が開口する場合は供給空気流れ方向と直交する方向にカソード流路を形成しているため、放熱に必要な空気を供給しても、カソード空間には強制流が発生しないよどみ空間を形成する。このような「よどみ空間」では気流が滞留して空気の動きが遅くなるので、膜電極複合体（MEA）に対する風当たりがほとんど無くなるか又は非常に弱くなる。下式（３）の反応で消費される分の酸素が、多孔体を介して、体積変化分の流れ、及び、濃度差による拡散で供給される。このため、プロトン導電膜やカソード触媒層が乾燥しにくくなる。さらに、カソード流路板を多孔体とし、これにカソード側反応生成物である水を吸収させ、ファン送風により吸収水を蒸散させているので、燃料利用効率を向上させることができるとともに、発熱したMEAの温度を有効に下げることができ、MEAの性能を最大限引き出すことができる。また、カソード反応で消費される酸素量に比べて、十分大きい流量の空気をファン送風により供給しているため、カソードにおける酸素の濃度分布が非常に小さく、通常のMEAで問題となる下流側での酸素濃度の低下が生じない。この点からも、MEAの性能を向上させることが可能になる。

上記のカソード空間が一端または両端で開口している場合は、該カソード空間をファン送風空気の流れの向きに対して実質的に直交する向きに形成させたものとすることができる。この場合に、カソード空間の開口する一端または両端に、多孔体膜を設けるようにしてもよいし（図５）、一端にマニフォールドを設けるようにしてもよい（図６）。カソード流路内に強制流を生じさせないためには、カソード流路の一端または両端を多孔体等で塞ぐことが有効である。マニフォールドを設ける場合は、さらに、開閉弁をマニフォールドの終端に設け、カソード空間に供給する空気流量を調整する。マニフォールド終端に開度調整可能な弁を設けることにより、供給空気の一部をカソード流路に取り込むことが可能なり、取り込み流量を弁の開度で調整可能である。

閉じたカソード空間を形成する多孔体の一部を疎水性とし、一部を親水性とすることができる（図１０（ｂ））。空気が流通する部分を疎水性多孔体とし、その周囲の他の部分を親水性多孔体とすることにより、空気の透過流路となる多孔体に水が進入しにくくなり、カソード空間への円滑な空気の流入と窒素の拡散を維持できる。また、カソード流路の少なくとも一部に吸着剤を設けることにより、カソード反応に必要な空気からのみ、発電に悪影響を及ぼす微量炭化水素ガス等を吸収させることが可能になり、吸着剤の量を最小限にすることができる（図１０（ｃ））。空気中の炭化水素等の微量ガス成分は、カソード触媒を劣化させるが、吸着剤により微量ガス成分を吸着させる場合に、大量の空気を吸着剤に接触させると吸着剤の寿命が短くなる。カソード流路に吸着剤を設けることにより、反応に必要な空気のみを吸着剤に接触させることになり、吸着剤の寿命長くすることが可能になる。

また、閉じたカソード空間に空気を供給するための微小孔６７を開口形成することによっても、孔が供給空気流れとほぼ直交する方向に開いているため、カソード空間をよどみ状態に保つことができる（図１０（ｄ））。

水分を吸収させるためには、多孔体を親水性とすることが好ましい。カソード空間を多孔体で形成する場合は、親水性の多孔体（例えばカーボン多孔体）を用いることにより、カソード反応で生じた水を吸収させ、供給吸気側で水を蒸発させるようにすることが可能になる。

カソード流路の膜電極複合体と反対側にフィンを設けることにより、必要な放熱面積を確保することが可能になる（図４、図５、図６）。親水性の多孔体は、孔径がカソード流路とフィン部で同じ場合でも、フィン側は、供給空気のより乾燥するため、カソード流路からフィン部に水は移動する。親水性の多孔体は、孔径が小さいほど、毛管力が大きく働くため、カソード流路の多孔体の孔径をフィン部の孔径より大きくすることにより、毛管力によりフィン側に水を移動させる効果が大きくなる。よって、多孔体の孔径をMEAから離れるにしたがって小さくすることが望ましい。なお、アノードに供給する燃料には、水素を含むガスまたはメタノールを含む液体等の燃料を使用することができる。

空気の供給量ｆを下式（１）とすることにより、MEAで発熱する熱から水の蒸発潜熱をひいた熱量の放熱が可能になり、MEAの温度を所定の温度に保つことが可能になる。制御部は、膜電極接合体の温度を常にモニタしておき、下式（１）に従って膜電極接合体の温度が所定の温度になるように供給空気流量ｆを制御することができる。

ただし、ΔHfuel:燃料の燃焼熱、η：発電効率、qfuel:発電に用いられる燃料流量、ΔQvap:カソードにおける水の蒸発潜熱、Cp:空気の低圧比熱、ρ:空気密度、Tin:入り口空気温度、Tout:出口空気温度である。

以上のようにすることにより、カソードへの空気供給ポンプを必要としない。空気供給ポンプに必要であった電力も削減することができる。また、カソードの加湿を維持しつつ、必要な酸素を供給することが可能になる。

また、セルの部分より効率的に放熱することが可能になり、放熱部が小さくなり、燃料電池の小型化が実現できる。発電のロスによる熱を放熱させる場合は、セルの温度と冷却空気の温度差が最大の温度差となるためである。起電部の温度が比較的低く、保湿を必要とするプロトン導電性高分子膜を使う燃料電池でこれらの効果は大きくなる。

次に、発電反応の基本式および親水性材料と疎水性材料における毛管力の違いを表わす基本式をあげて、カソード極側での水の移動等について概要を説明する。

アノード極側では下式（２）の反応が進行する。

カソード極側では下式（３）の反応が進行する。

液体飽和度ｓは、体積Ｖ₁の液体が多孔体中の体積Ｖの空間を占めているものと仮定すると、下式（４）により定義される。

多孔体が親水性である場合は、多孔体における毛管力Ｐｃは下式（５）によって与えられる。

一方、多孔体が疎水性である場合は、多孔体における毛管力Ｐｃは下式（６）によって与えられる。

但し、σ：液体の表面張力、θｃ：液体接触角、ｒ：多孔体孔半径である。

液体の表面張力σと接触角θｃ、および多孔体の孔半径ｒが所与のとき、毛管力Ｐｃによる静水圧は液体飽和度ｓの関数として表わすことができる。親水性の多孔体において静水圧は大気圧と同じかそれよりも低くなる。これに対して、疎水性の多孔体において静水圧は大気圧と同じかそれよりも高くなる。疎水性部分と親水性部分が共存している場合、液体の水は親水部分に存在しやすくなる。

式（５）に示すように、多孔体の孔半径ｒが小さくなるほど毛管力Ｐｃは大きくなる。そのため、親水部分でも、孔径の大きいほうから孔径の小さい方に液体の水は移動しやすい。

カソード流路を供給空気の流れに対し、ほぼ直交するように形成することにより、カソード流路は供給空気に対して、よどみ状態となる。カソード反応で消費される酸素および発生する水蒸気の体積差分の空気がカソード流路端面より流入もしくは流出する。カソード流路が多孔体で形成されている場合は、発生した水は、毛管力により、液体の状態で多孔体に吸収されるため、体積的には減少する傾向になる。

空気中の酸素のみが反応により消費されるため、窒素の濃度が高くなるが、窒素は、拡散によりカソード端面もしくは、多孔体を通して供給空気側に移動する。カソード流路に強制流による流れが生じないために、カソード反応で生じた水により、ほぼ飽和水蒸気に近い蒸気圧となり、カソード触媒層またはプロトン導電性高分子膜の乾燥が防止され、MEAの発電特性の劣化を回避できる。

以下、本発明を実施するための最良の実施の形態について添付の図面を参照して説明する。

本実施の形態の燃料電池システム１０は、図１に示すように、燃料電池１、燃料カートリッジ１１、燃料ポンプ１２、気液分離器１３、フィルタ１４、循環ポンプ１５、送風ファン１６および制御部１８を備えている。燃料電池１は、複数の発電部３を多段に積み重ねたセルスタックを有している。燃料電池１のアノード側には気液分離器１３、フィルタ１４および循環ポンプ１５を有する循環ラインが接続されている。燃料電池１のカソード側には送風ファン１６から空気が送られるようになっている。

循環ラインの戻り側、すなわち気液分離器１３の上流に燃料カートリッジ１１および燃料ポンプ１２を有する燃料補給ラインが接続され、燃料補給ラインを通って循環ラインに適量の高濃度メタノール溶液または純メタノール液が補給されるようになっている。なお、燃料カートリッジ１１は交換できるようにポンプ１２の上流側ラインに対して着脱可能に取り付けられている。

燃料電池システム１０の全体は制御部１８によって統括的に制御されるようになっている。すなわち、制御部１８は、各種のプロセスデータを保有し、図示しない複数のセンサから送られてくる各種の検出信号（例えば、発電出力検出信号、セル温度検出信号）とプロセスデータとに基づいて燃料ポンプ１２、循環ポンプ１５および送風ファン１６の操作量をそれぞれコントロールする。

図２に示すように、緻密カーボンからなるアノード流路板５と親水性の多孔質カーボンからなるカソード流路板６との間にMEA４を挟み込み、発電部としてのセル３を構成している。このセル３を容器２内に収納し、容器２とカソード流路板６との間に所定の間隙６０を形成する。このため間隙６０はＸ方向に細長く延び出している。

容器２はＺ方向両端部にてそれぞれ開口する開口部２１を有している。この開口部２１に向けてファン１６から所定流量の空気が供給され、間隙６０を通ってカソード流路板６に空気が導入されるようになっている。なお、図２にはファン１６近傍の一方側の開口部２１のみを示し、ファン１６から離れている他方側の開口部は図示を省略している。

カソード流路板６において、カソード流路６２は、間隙６０に連通するカソード空間を複数の流路壁６１（多孔体）で仕切ることにより形成され、ファン１６からの空気の流れの向き（Ｘ方向）と異なる向き、好ましくはほぼ直交する向き（Ｚ方向）にそれぞれ延び出している。カソード流路６２の向きをファン送風方向（Ｘ方向）と異なる向きとする、すなわちカソード流路６２に連通する間隙６０をファン１６と対向する面（ＹＺ面）と異なる面（ＸＹ面）とすることにより、MEA４に対する風当たりが弱くなり、図３（ａ）に示すプロトン導電膜４１およびカソード触媒層４３からの水の蒸散が抑えられ、これらの過度の乾燥が回避されるようになる。

なお、本実施例では、カソード流路板６の材料として親水性の多孔質カーボン（気孔率６０％、平均気孔径３μｍ）を用いたが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、他の気孔率、平均気孔径の親水性の多孔質カーボンを用いるようにしてもよい。また、燒結金属などの他の親水性の材料を用いるようにしてもよい。

アノード流路板５は、図３の（ｂ）に示すように、入口流路５１、平行流路５２、出口流路５３を備えている。液体燃料（メタノール溶液）は、入口流路５１に流入し、分岐した複数の平行流路５２を通過して、出口流路５３に集められて排出されるようになっている。カソード流路板６のカソード流路６２に空気を通流させ、MEA４のアノード触媒層４２を介してプロトン導電性高分子膜４１にメタノールと水を供給するとともに、MEA４のカソード触媒層４３を介してプロトン導電性高分子膜４１に空気を供給する。なお、符号７はシール材であり、アノード触媒層４２およびカソード触媒層４３の周囲はシール材７で封止されている。

循環ポンプ１５により燃料をアノード流路板５に供給するとともに、送風ファン１６により空気をカソード流路板６に供給すると、式（２）と（３）に従って反応が進行し、発電が行われ、発電した電力を図示しない回路を介して負荷側に取り出す。このときカソード側で式（３）の反応により生じた水は、親水性の多孔質カーボンからなるカソード流路板６（多孔体）に吸収される。カソード流路板６に吸い取られた水は、MEA４と反対側に向けて多孔体のなかを移動し、表面に達すると、ファン送風空気に触れて蒸散する。このようにカソード側に生じる水を多孔体６を経由して間接的に蒸散させるので、図３（ａ）に示すプロトン導電膜４１とカソード触媒層４３からの過剰な水の蒸散が抑えられ、これらが乾燥することなく適量の水を含むようになる。その結果、式（２）の反応が促進され、燃料利用効率が向上する。また、カソード側での水の蒸散により気化熱が奪われるので、発熱したMEA４の温度を降下させるという効果もある。これによりさらに放熱効率が向上する。

燃料としてメタノールと水をアノードに供給するDMFCの場合、発電効率は２０〜３０％程度であり、MEA４の温度は５０〜７０℃程度に上昇する。また、MEAで発生する熱を空冷方式で逃がすのに必要な空気量は、カソード反応に必要な空気量の６０〜１００倍程度にも達する。本実施の形態では、カソード空間を多孔体で周囲を取り囲んだ閉じた空間とするか、またはカソード空間の一端が開口する場合は供給空気流れ方向と異なる方向にカソード流路６２を形成しているため、放熱に必要な空気を供給しても、カソード空間（又はカソード流路６２）には強制流が発生しないか又は発生し難い所謂よどみ空間を形成する。このような「よどみ空間」では気流が滞留して空気の動きが遅くなるので、MEA４に対する風当たりがほとんど無くなるか又は非常に弱くなる。このため、プロトン導電膜４１やカソード触媒層４３が乾燥しにくくなる。さらに、本実施の形態では、カソード流路板６を多孔体とし、これにカソード側反応生成物である水を吸収させ、ファン送風により吸収水を蒸散させているので、放熱効率を向上させることができ、MEA４の性能を最大限引き出すことができる。

次に、カソード流路板６の種々の変形例をそれぞれ説明する。

図４に示す燃料電池１Ａでは、カソード流路板６Ａの外側面に複数のフィン６３を取り付けている。フィン６３は、カソード流路板６Ａと同じ親水性の多孔質カーボンを用いてつくることが望ましいが、必ずしも同材料としなければならないというものではなく、異なる親水性の多孔質材料を用いるようにしてもよい。また、フィン６３とカソード流路板６Ａとの間で気孔率や平均気孔径を変えるようにしてもよい。フィン６３およびカソード流路板６Ａの表面積、気孔率、平均気孔径を調整することにより、水の蒸散速度や保水量を最適にコントロールすることが可能になる。なお、図４に示したフィン６３は平行羽根形状としたが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、放射形状、螺旋形状、蛇行形状など種々の羽根形状としてもよく、さらにピン型としてもよい。

図５に示す燃料電池１Ｂでは、カソード流路板６Ａの流路端面にあたる間隙６０に多孔質膜７を取り付け、カソード流路６２の内部に強制流が形成されるのを抑制するようにしてもよい。本変形例では多孔質膜７により間隙６０を塞ぐので、カソード流路６２は実質的に閉じた空間となり、さらにMEA４に対する風当たりが弱くなり、プロトン導電膜やカソードガス拡散触媒層の乾燥をさらに防ぐことができる。

図６に示す燃料電池１Ｃでは、カソード流路板６Ａの流路端面にあたる間隙６０にマニフォールド８２と開度調整弁８１を取り付け、カソード流路６２の内部に強制流が形成されるのを抑制するようにしてもよい。本変形例では制御器１８が弁８１の開度を調整することにより所望流量の空気をカソード流路６２に流すことができる。なお、カソード流路６２は本例のようにＺ方向に平行に並ぶようにしてもよいが、また図７に示すカソード流路板６Ｄのように、多数の突起部６１ｄを有する任意形状のカソード流路６２ｄとしてもよい。この際、カソード流路６２ｄと開口部６０とを連通する開口部をカソード流路板６のファン１６と対向する面と異なる面に設ける。

図８に示す燃料電池では、３枚の多孔質板６Ｅ，６４，６Ｆを組み合わせてカソード流路板を形成している。すなわち、複数のスリット開口６２ｆを有する多孔質板６Ｆと複数のスリット開口６２ｅを有する多孔質板６Ｅとの間に無開口の多孔質板６４を挟み込み、よどみ空間としてのカソード空間６２ｆを形成している。このカソード空間６２ｆは、周囲を多孔質の壁で取り囲まれているため外部との通気性はあるが、ファン送風により空気の強制流の形成が抑制される。図１０の（ａ）に示すように、多孔質板６４を通って閉じたカソード空間６２ｆ内に空気が流入する一方で、生成した水は多孔質板６Ｆに吸収される。多孔質板６Ｆに吸い取られた水は、MEA４と反対側に向けて多孔質板６Ｆ→６４→６Ｅの順に移動し、多孔質板６Ｅの表面に達すると、ファン送風空気に触れて蒸散する。このようにカソード側に生じる水を多孔質板６Ｅを経由して間接的に蒸散させるので、プロトン導電膜４１とカソードガス拡散触媒層４３からの過剰な水の蒸散が抑えられ、これらが乾燥することなく適量の水を含むようになる。また、カソード空間６２ｅでは空気中の酸素のみが消費され、窒素は消費されないため、窒素の分圧が上昇し、拡散により供給空気側に移動する。

図９に示す燃料電池では、３枚の多孔質板６Ｅ，６４，６Ｇを組み合わせてカソード流路板を形成している。すなわち、スリット開口６２ｅを有する多孔質板６Ｅと櫛歯状開口６２ｇを有する多孔質板６Ｇとの間に無開口の多孔質板６４を挟み込み、一端が開放されたカソード空間６２ｇを形成している。カソード空間６２ｇの一端は多孔質板６Ｆの側面部にて開口している。この際、カソード空間６２ｇと開口部６０とを連通する開口部は多孔質板６Ｇのファン１６と対向する面と異なる面に設ける。一端が閉じたカソード空間（６２ｇ）は、周囲を多孔質の壁で取り囲まれているため外部との通気性はあるが、ファン送風により空気の強制流の形成が抑制される。図１０の（ａ）に示すように、多孔質板６４を通って閉じたカソード空間６２ｇ内に空気が流入する一方で、生成した水は多孔質板６Ｇに吸収される。多孔質板６Ｇに吸い取られた水は、MEA４と反対側に向けて多孔質板６Ｇ→６４→６Ｅの順に移動し、多孔質板６Ｅの表面に達すると、ファン送風空気に触れて蒸散する。このようにカソード側に生じる水を多孔質板を経由して間接的に蒸散させるので、図３（ａ）に示すプロトン導電膜４１とカソード触媒層４３からの過剰な水の蒸散が抑えられ、これらが乾燥することなく適量の水を含むようになる。また、一端が閉じたカソード空間６２ｇでは空気中の酸素が消費され、窒素はほとんど消費されないため、窒素の分圧が上昇し、拡散により供給空気側に移動する。

図１０の（ｂ）に示すカソード流路板６Ｈでは、空気の流路を疎水性多孔体６５とし、その周囲の他の部分を親水性多孔体とすることにより、空気の透過流路となる多孔体６５に水が進入しにくくなり、カソード空間６２ｈへの円滑な空気の流入と窒素の拡散が維持される。空気の透過流路となる多孔体６５に親水性の多孔体を使う場合は、毛管力が孔径の小さい多孔体の方が大きくなるため、他の部分より孔径の大きい多孔体を用いることにより、液体による流路の閉塞を防止することが可能になる。多孔体の孔径をMEA側で大きく反対側で小さくすることにより、毛管力による液体の移動を促進させることが可能になる。カソード流路板６Ｈは、例えば表面に毛管力で液体の水をMEA4と反対側に移動させるような微細な溝(ウイック)を形成した金属で形成してもよい。

図１０の（ｃ）に示すカソード流路板６Ｉでは、空気中の微量炭化水素ガス等を吸収するために活性炭等の吸着剤６６をカソード空間６２ｉに設けることにより、カソード反応に必要な空気からのみ、微量炭化水素ガス等を吸収させることが可能になり、吸着剤６６の量を最小限にすることが可能になる。

図１０の（ｄ）に示すカソード流路板６Ｊでは、閉じたカソード空間６２ｉに空気を供給するために、カソード空間６２ｉと開口部６０とを連通する微小の孔６７を開口形成している。この場合でも、孔６７がカソード流路板６Ｉのファン１６と対向する面と異なる面（好ましくは供給空気流れとほぼ直交する方向）に開いているため、カソード空間６２ｉをよどみ状態に保つことが可能になる。

発電に伴う発熱から、水の蒸発潜熱を引いた熱を空冷により放熱する必要があるため、ほぼ上記の式（１）に示す空気流量ｆを放熱のために供給する必要がある。

なお、制御部１８は、MEA４の温度を常に監視しておき、MEA４の温度が一定になるように上記の供給空気量ｆを制御するようにしてもよい。

本実施の形態によれば、カソード触媒層およびプロトン導電性高分子膜の乾燥を防ぐことが可能になり、MEAの発電特性の悪化を防止することが可能になる。本実施の形態の燃料電池ではMEAから発生する熱を除去するのに必要な空気量を供給したとしても、カソード流路には空気が流れ込まないため、必要な放熱をさせ、かつ、カソード触媒層またはプロトン導電性高分子膜の乾燥を防止して、MEAの特性悪化を防ぐことが可能となる。

本発明の燃料電池システムを模式的に示す構成ブロック図。本発明の実施形態の燃料電池を模式的に示す斜視図。（ａ）は燃料電池の要部断面図、（ｂ）はアノード流路板の平面図。変形例のカソード流路板を模式的に示す斜視図。変形例のカソード流路板を模式的に示す斜視図。変形例のカソード流路板を模式的に示す斜視図。変形例のカソード流路板を模式的に示す平面図。本発明の他の実施形態の燃料電池を模式的に示す分解斜視図。本発明の他の実施形態の燃料電池を模式的に示す分解斜視図。（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、本発明の他の実施形態として種々のよどみ空間をもつカソード流路板を備えた燃料電池をそれぞれ模式的に示す断面図。

符号の説明

１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…燃料電池、２…容器、３…セル（発電部）、
４…膜電極複合体（MEA）、４１…プロトン導電膜（プロトン導電性高分子膜）、
４２…アノード触媒層、４３…カソード触媒層、
５…アノード流路板、５２…アノード空間、
６，６Ａ〜６Ｊ…カソード流路板（多孔体）、
２１…開口部、６０…間隙、６１…仕切壁、６１ｄ…突起、
６２，６２ｄ，６２ｅ，６２ｆ，６２ｇ，６２ｈ，６２ｉ，６２ｊ…カソード空間（よどみ空間、カソード流路、開口）、
６３…フィン、６４…多孔質板、６５…疎水性多孔体、
６６…吸着剤、６７…孔、
７…多孔質膜、
８１…開閉弁、８２…マニフォールド、
１０…燃料電池システム、１１…燃料カートリッジ、１２…燃料ポンプ、
１３…気液分離器、１４…フィルタ、１５…循環ポンプ、
１６…送風ファン、１８…制御部。

Claims

少なくとも２箇所に開口部を有する容器と、前記容器内に収納され、膜電極複合体、アノード流路板およびカソード流路板を有する発電部と、前記容器の一方側の開口部から前記膜電極複合体に酸素を供給するために空気を供給するファンと、を具備する燃料電池であって、
前記カソード流路板は、少なくとも前記ファンからの供給空気が供給される開口部に近接した前記ファンからの供給空気の流れに対向するように形成された流路壁と、前記流路壁によって形成された前記膜電極複合体に酸素を供給するためのカソード空間を有すると共に、前記容器との間に間隙を有するように設けられ、
前記開口部のうち前記ファンからの供給空気が供給される開口部は、前記間隙と連通し、さらに前記間隙を介して前記カソード空間と連通していることを特徴とする燃料電池。
前記間隙の少なくとも一部を塞ぐように設けられた多孔体をさらに有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記間隙に設けられたマニフォールドと、前記マニフォールドの終端に設けられ、前記膜電極複合体に供給する空気流量を調整する開閉弁と、をさらに有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記多孔体は疎水性であることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
前記カソード流路板は多孔質カーボンでつくられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
前記カソード流路板は親水性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。
少なくとも２箇所に開口部を有する容器と、
前記容器内に収納され、膜電極複合体、アノード流路板およびカソード流路板を有する発電部と、
前記容器の一方側の開口部から前記膜電極複合体に酸素を供給するために空気を供給するファンと、
燃料を貯える燃料カートリッジと、
前記燃料カートリッジから前記発電部に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記発電部において燃料を循環させる循環ラインと、
を具備する燃料電池システムであって、
前記カソード流路板は、少なくとも前記ファンからの供給空気が供給される開口部に近接した前記ファンからの供給空気の流れに対向するように形成された流路壁と、前記流路壁によって形成された前記膜電極複合体に酸素を供給するためのカソード空間を有すると共に、前記容器との間に間隙を有するように設けられ、
前記開口部のうち前記ファンからの供給空気が供給される開口部は、前記間隙と連通し、さらに前記間隙を介して前記カソード空間と連通していることを特徴とする燃料電池システム。