JP5499551B2 - Fuel cell - Google Patents

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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。   The present invention relates to a fuel cell technology using a fuel cell.

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。   In recent years, small fuel cells have attracted attention. In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is promising because it can be miniaturized and the fuel can be easily handled.

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。   The DMFC includes a membrane electrode assembly (MEA) having a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between an anode and a cathode, and a fuel supply mechanism that supplies methanol to the membrane electrode assembly. In such an anode of the DMFC, the introduced methanol is oxidatively decomposed to generate protons, electrons and carbon dioxide. On the other hand, at the cathode, oxygen in the air, protons moving from the anode side, and electrons supplied from the anode through an external circuit react to generate water. Also, power is supplied by electrons passing through an external circuit.

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）。   In such a DMFC, the fuel distribution mechanism has a fuel inlet through which liquid fuel flows from the fuel container through the supply passage, a main channel having a predetermined channel cross section that is uniformly continuous from the fuel inlet, and a fuel. A plurality of outlets that open so as to face the poles, and a branch passage whose flow path cross-sectional shape and branch structure are adjusted as it moves from the upstream side to the downstream side between the main passage and the fuel outlet. A configuration is disclosed (for example, Patent Document 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）。   Further, the fuel supply plate has a plurality of flow paths between an inlet for supplying liquid fuel from the fuel tank and a plurality of outlets corresponding to the plurality of power generation units, and the plurality of flow paths are at least one. A configuration including a curve and all equidistant is disclosed (for example, Patent Document 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）。   Further, the fuel supply unit stacked on the fuel electrode of the battery body has a fuel supply chamber and a fuel supply port, and the liquid fuel from which the plurality of fuel supply ports are supplied to the fuel supply chamber is supplied from the fuel supply chamber. A configuration is disclosed in which the supply port distribution and the size of each supply port are determined so as to be supplied uniformly over the entire fuel electrode (for example, Patent Document 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。 Furthermore, the first flow path and the second flow path are separated by a wall, the first flow path is disposed to face the diffusion layer of the fuel electrode, and has a tapered shape in the direction in which the liquid fuel flows. Presented is a configuration of a flow path plate having a branched flow path that does not have a merge destination and a diversion destination (for example, Patent Document 4).
In a configuration in which the flow path from the fuel inlet to the fuel outlet is branched, for example, when liquid fuel is sent by a pump, pressure is lost at the portion where the flow path branches, and the fuel outlet is sufficient. May not be able to guide fresh liquid fuel. Further, in the configuration in which the flow path from the fuel inlet to the fuel outlet is branched, if one flow path is clogged, the liquid fuel is not guided to the flow path ahead, and the liquid fuel is supplied to the plurality of fuel discharge openings. May not be able to guide you.

特開２００９−７６２７２号公報JP 2009-76272 A 特開２００８−２２６５８３号公報JP 2008-226583 A 特開２００６−４７９３号公報JP 2006-4793 A 特開２００８−２２６５２７号公報JP 2008-226527 A

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。   The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide a fuel cell capable of reducing variations in the amount of fuel supplied to the membrane electrode assembly.

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複数の燃料排出口との間で分岐することなく前記燃料分配部と前記複数の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り、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。 A fuel cell according to an aspect of the present invention includes a membrane electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode, a fuel inlet into which fuel is injected, and a disconnection. A fuel distributor connected to the fuel inlet through a main flow path having a constant area, a plurality of fuel outlets opened on the anode side surface, the fuel distributor and the fuel outlets; and a fuel distribution plate having a plurality of flow passages, the connecting the respective front Symbol fuel distributor and the front Symbol plurality of fuel outlet without branching between each of said flow path, A first flow path portion connected to the fuel distribution portion and having a constant first cross-sectional area between the fuel distribution portion and the fuel discharge port, and connected to the fuel discharge port and a first disconnection. A second flow path portion having a constant second cross-sectional area smaller than an area; Has a flow path length between the fuel distributor and the fuel outlet is constant, the first flow path length of the first flow path portion, the second flow path length of the second flow path portion and wherein the same or longer this than the second flow path length between.

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。   According to the present invention, it is possible to provide a fuel cell capable of reducing variations in the amount of fuel supplied to the membrane electrode assembly.

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。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing the structure of a fuel cell according to an embodiment of the present invention. 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。FIG. 2 is a perspective view schematically showing a part of the membrane electrode assembly in the fuel cell shown in FIG. 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。FIG. 3 is a plan view schematically showing a part of the structure of the fuel distribution plate of the fuel cell according to the present embodiment. 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。FIG. 4 is a plan view schematically showing a part of the structure of the fuel distributor and the flow path shown in FIG. 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。FIG. 5 is a plan view schematically showing a part of the flow path structure of the fuel distribution plate shown in FIG. 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。FIG. 6 is a plan view schematically showing another structure of the fuel distribution plate of the fuel cell according to the present embodiment. 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。FIG. 7 shows the conditions of Sample 1 to Sample 4 for verifying the effect of the fuel cell including the fuel distribution plate according to the present embodiment. 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。FIG. 8 shows a result of verifying the effect obtained by providing the fuel distribution plate according to the present embodiment. 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。FIG. 9 shows the relationship between the number of clogged fuel discharge ports and the flow rate fluctuation rate of the fuel cell provided with the fuel distribution plate according to Sample 3. 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。FIG. 10 shows the relationship between the number of clogged fuel outlets and the fuel fluctuation rate of a fuel cell provided with a fuel distribution plate according to a comparative example.

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。   A fuel cell according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the fuel cell 1 is mainly composed of a membrane electrode assembly (MEA) 2 that constitutes an electromotive unit, and a fuel supply mechanism 3 that supplies fuel to the membrane electrode assembly 2. .

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。   That is, in the fuel cell 1, the membrane electrode assembly 2 includes an anode catalyst layer 11 and an anode (fuel electrode) 13 having an anode gas diffusion layer 12 disposed on the anode catalyst layer 11, a cathode catalyst layer 14, and a cathode. A proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane sandwiched between a cathode (air electrode / oxidant electrode) 16 having a cathode gas diffusion layer 15 laminated on the catalyst layer 14, and the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14. 17.

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。   Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 11 and the cathode catalyst layer 14 include platinum such as platinum (Pt), ruthenium (Ru), rhodium (Rh), iridium (Ir), osmium (Os), and palladium (Pd). Examples thereof include a group element simple substance and an alloy containing a platinum group element. For the anode catalyst layer 11, it is preferable to use Pt—Ru, Pt—Mo, or the like that has strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like. It is preferable to use Pt, Pt—Ni or the like for the cathode catalyst layer 14. However, the catalyst is not limited to these, and various substances having catalytic activity can be used. The catalyst may be either a supported catalyst using a conductive carrier such as a carbon material or an unsupported catalyst.

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。   Examples of the proton conductive material constituting the electrolyte membrane 17 include fluorine-based resins such as perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group (Nafion (trade name, manufactured by DuPont) and Flemion (trade name, manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.). Etc.), organic materials such as hydrocarbon resins having sulfonic acid groups, or inorganic materials such as tungstic acid and phosphotungstic acid. However, the proton conductive electrolyte membrane 17 is not limited to these.

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。   The anode gas diffusion layer 12 laminated on the anode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 11 and has a current collecting function of the anode catalyst layer 11. The cathode gas diffusion layer 15 laminated on the cathode catalyst layer 14 serves to uniformly supply an oxidant (air or oxygen) to the cathode catalyst layer 14 and has a current collecting function of the cathode catalyst layer 14. is there. The anode gas diffusion layer 12 and the cathode gas diffusion layer 15 are made of a porous substrate having conductivity, such as carbon paper.

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。   The membrane electrode assembly 2 described above is sandwiched between current collectors 18. The current collector 18 has the same number of anode current collectors as the anodes 13 provided in the membrane electrode assembly 2 and the same number of cathode current collectors as the cathodes 16 provided in the membrane electrode assembly 2. Yes. The anode current collector is laminated on the anode gas diffusion layer 12 of the anode 13. The cathode current collector is laminated on the cathode gas diffusion layer 15 of the cathode 16.

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。   As the anode current collector and the cathode current collector, for example, a porous film (for example, a mesh) or a foil body made of a metal material such as gold (Au) or nickel (Ni), or a conductive metal material such as stainless steel (SUS). A composite material coated with a highly conductive metal such as gold can be used.

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。   The membrane electrode assembly 2 is sealed by a seal member 19 such as a rubber O-ring disposed on the anode 13 side and the cathode 16 side of the electrolyte membrane 17, whereby the fuel from the membrane electrode assembly 2 is obtained. Leakage and oxidant leakage are prevented.

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。   A plate-like body 20 made of an insulating material is disposed on the cathode 16 side of the membrane electrode assembly 2. This plate-like body 20 mainly functions as a moisture retaining layer. That is, the plate-like body 20 is impregnated with a part of the water generated in the cathode catalyst layer 14 to suppress the transpiration of water, adjusts the amount of air taken into the cathode catalyst layer 14 and makes the air uniform. Promotes diffusion. The plate-like body 20 is constituted by, for example, a member having a porous structure, and specific examples of the constituent material include polyethylene and polypropylene porous bodies.

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。   The membrane electrode assembly 2 described above is disposed between the fuel supply mechanism 3 and the cover plate 21. The cover plate 21 has a substantially rectangular appearance, and is made of, for example, stainless steel (SUS). The cover plate 21 has a plurality of openings (air introduction holes) 21A for taking in air as an oxidant.

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。   The fuel supply mechanism 3 is configured to supply fuel to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2, but is not particularly limited to a specific configuration. Hereinafter, an example of the fuel supply mechanism 3 will be described.

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。   The fuel supply mechanism 3 includes a container 30 formed in a box shape, for example. The fuel supply mechanism 3 is connected to a fuel storage portion 4 that stores liquid fuel via a fuel supply path 5. The fuel supply mechanism 3 includes a fuel supply unit 31 that supplies fuel while dispersing and diffusing fuel in the surface direction of the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. The fuel supply unit 31 includes a fuel distribution plate 31A.

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。   The fuel distribution plate 31 </ b> A has one fuel inlet 32, a main flow path 34 connected to the fuel inlet 32, and a plurality of fuel outlets 33 opened in the surface direction of the anode 13. The fuel distribution plate 31A has a configuration in which a fuel inlet 32 and a fuel outlet 33 are connected via a flow path. The fuel inlet 32 communicates with the fuel inlet 30 </ b> A of the container 30. The fuel discharge ports 33 are, for example, at 128 locations, and are uniformly formed in the surface of the fuel distribution plate 31A.

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。   The membrane electrode assembly 2 is arranged so that the anode 13 faces the fuel discharge port 33 of the fuel distribution plate 31A as described above. The cover plate 21 is fixed to the container 30 by a method such as caulking or screwing in a state where the membrane electrode assembly 2 is held between the cover plate 21 and the fuel supply mechanism 3. Thereby, the power generation unit of the fuel cell (DMFC) 1 is configured.

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。   The fuel supply unit 31 is preferably configured to form a space functioning as a fuel diffusion chamber 31B between the fuel distribution plate 31A and the membrane electrode assembly 2. The fuel diffusion chamber 31 </ b> B has a function of promoting vaporization and promoting diffusion in the surface direction even when liquid fuel is discharged from the fuel discharge port 33.

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。   A support member that supports the membrane electrode assembly 2 from the anode 13 side may be disposed between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31.

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。   Further, at least one porous body may be disposed between the membrane electrode assembly 2 and the fuel supply unit 31.

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。   Liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 2 is stored in the fuel storage portion 4. Examples of the liquid fuel include methanol fuels such as aqueous methanol solutions of various concentrations and pure methanol. The liquid fuel is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel. In any case, liquid fuel corresponding to the membrane electrode assembly 2 is stored in the fuel storage portion 4.

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。   Further, a pump 6 may be interposed in the fuel supply path 5. The pump 6 is not a circulation pump that circulates fuel, but is a fuel supply pump that sends liquid fuel from the fuel storage unit 4 to the fuel supply unit 31 to the last. The fuel supplied from the fuel supply unit 31 to the membrane electrode assembly 2 is used for a power generation reaction, and is not circulated thereafter and returned to the fuel storage unit 4.

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。   The fuel cell 1 of this embodiment is different from the conventional active method because it does not circulate the fuel, and does not impair the downsizing of the device. Further, the pump 6 is used to supply the liquid fuel, which is different from a pure passive system such as a conventional internal vaporization type. The fuel cell 1 shown in FIG. 1 employs a system called a semi-passive type, for example.

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。   In the fuel cell 1 of this embodiment, liquid fuel is intermittently sent from the fuel storage unit 4 to the fuel supply unit 31 using the pump 6. The liquid fuel fed by the pump 6 is uniformly supplied to the entire surface of the anode 13 of the membrane electrode assembly 2 through the fuel supply unit 31.

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。   That is, the fuel is uniformly supplied to the planar direction of each anode 13 of the plurality of single cells C, thereby generating a power generation reaction. The operation of the fuel supply (liquid feeding) pump 6 is preferably controlled based on the output of the fuel cell 1, temperature information, operation information of an electronic device that is a power supply destination, and the like.

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。   As described above, the fuel released from the fuel supply unit 31 is supplied to the anode 13 of the membrane electrode assembly 2. In the membrane electrode assembly 2, the fuel diffuses through the anode gas diffusion layer 12 and is supplied to the anode catalyst layer 11. When methanol fuel is used as the liquid fuel, an internal reforming reaction of methanol shown in the following formula (1) occurs in the anode catalyst layer 11. When pure methanol is used as the methanol fuel, the water generated in the cathode catalyst layer 14 or the water in the electrolyte membrane 17 is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the formula (1). Alternatively, the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.

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。 CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − (1)
The electrons (e − ) generated by this reaction are guided to the outside via the current collector 18, and after operating a portable electronic device or the like as so-called electricity, the electrons (e − ) are passed to the cathode 16 via the current collector 18. Led. Proton (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) is guided to the cathode 16 through the electrolyte membrane 17. Air is supplied to the cathode 16 as an oxidant. Electrons (e − ) and protons (H + ) that have reached the cathode 16 react with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 14 according to the following formula (2), and water is generated with this reaction.

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。 6e − + 6H + + (3/2) O 2 → 3H 2 O (2)
In the power generation reaction of the fuel cell 1 described above, in order to increase the power to be generated, the catalytic reaction is smoothly performed, and the fuel is uniformly supplied to the entire electrode of the membrane electrode assembly 2 so that the entire electrode becomes more effective. It is important to contribute to power generation.

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。   In this embodiment, as shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 2 includes a plurality of anodes 13 arranged at intervals on one surface of a single electrolyte membrane 17 and the other of the electrolyte membranes 17. And a plurality of cathodes 16 arranged at intervals so as to face each of the anodes 13. Here, a case where there are four anodes 13 and four cathodes 16 is shown.

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。   Each combination of the anode 13 and the cathode 16 sandwiches the electrolyte membrane 17 to form a single cell C. Here, each of the single cells C are arranged side by side in the direction orthogonal to the longitudinal direction on the same plane. The structure of the membrane electrode assembly 2 is not limited to this example, and may be another structure.

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。   In the membrane electrode assembly 2 having a plurality of single cells C as shown in FIG. 2, each single cell C is electrically connected in series by a current collector (not shown).

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。   By the way, as shown in FIG. 3, the fuel distribution plate 31 </ b> A has a fuel distribution portion 35. The fuel distributor 35 is connected to the fuel inlet 32 via the main flow path 34. The fuel distributor 35 and the fuel discharge port 33 are connected via a flow path 36 extending from the fuel distributor 35. The number of the flow paths 36 is the same as the number of the fuel discharge ports 33. The flow path length between the fuel distributor 35 and the fuel discharge port 33 of each flow path 36 is substantially the same.

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。   The flow paths 36 extend radially from the fuel distributor 35 and are independent of each other. That is, the flow path 36 is connected to each of the single fuel distributor 35 and the fuel outlet 33 without branching between the fuel distributor 35 and the fuel outlet 33. Each flow path 36 is formed in the shape of a curve or a line. In the example shown in FIG. 3, 16 fuel discharge ports 33 are formed for a single fuel distributor 35, and one flow path 36 is formed corresponding to each fuel discharge port 33. A total of 16 flow paths 36 are formed.

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。   There is only one branch point between the fuel inlet 32 and the fuel outlet 33 in the fuel distributor 35. That is, the liquid fuel injected from the fuel injection port 32 is supplied to the main flow channel 34 and then distributed to the plurality of flow channels 36 by the fuel distribution unit 35 and thereafter supplied to each fuel discharge port 33 without being distributed. Is done.

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。   The flow path 36 is connected to the periphery 35E of the fuel distribution part 35 at equal intervals. In the example shown in FIG. 4, the fuel distributor 35 has a circular shape. The configuration of the fuel distributor 35 may be, for example, a circle having a column at the center. The flow paths 36 are connected at equal intervals on a circumference that is a circumference 35 </ b> E of the fuel distributor 35. The angle θ formed by each adjacent flow path 36 is equal. Here, the angle θ is an angle formed by an extension line of the flow path 36 extending toward the center O of the fuel distribution portion 35 of the adjacent flow path 36. Here, an example in which the fuel distributor 35 is circular has been described. However, the present invention is not limited to this example, and the fuel distributor 35 may be polygonal, for example.

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。   As shown in FIG. 5, each of the flow paths 36 includes a first flow path part 36 </ b> A connected to the fuel distribution part 35 and a second flow path part 36 </ b> B connected to the fuel discharge port 33. In the example shown in FIG. 5, the first flow path portion 36A and the second flow path portion 36B are directly connected.

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。   The first flow path portion 36A has a constant first cross-sectional area S1. The second flow path portion 36B has a constant second cross-sectional area S2. The first cross-sectional area S1 is larger than the second cross-sectional area S2 (S1> S2). The ratio (S1 / S2) between the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion 36A and the second cross-sectional area S2 of the second flow path portion 36B is desirably 2-4.

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。   The second flow path portion 36B is bent in an L shape toward the fuel discharge port 33, but also has a constant second cross-sectional area S2 in the vicinity of the fuel discharge port 33. In the example shown in FIG. 5, the case where each flow path 36 is configured by the first flow path portion 36A and the second flow path portion 36B has been described. However, the first flow path portion 36A and the second flow path portion Between 36B, the flow path part which has a fixed cross-sectional area larger than 2nd cross-sectional area S2 and smaller than 1st cross-sectional area S1 may intervene.

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）。   The cross-sectional area S3 of the main flow path 34 is larger than the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion 36A (S1 <S3). Further, the cross-sectional area S4 of the fuel distribution part 35 is larger than the first cross-sectional area S1 of the first flow path part 36A (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。   Further, the first flow path length L1 between the fuel distribution section 35 and the second flow path section 36B of the first flow path section 36A is equal to the first flow path section 36A and the fuel discharge port 33 of the second flow path section 36B. Is equal to or longer than the second flow path length L2 (L1 ≧ L2). The ratio (L1 / L2) between the first flow path length L1 of the first flow path portion 36A and the second flow path length L2 of the second flow path portion 36B is desirably 1-11.

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。   The flow path length L between the fuel distributor 35 and the fuel discharge port 33 of each flow path 36 is constant. That is, for each flow path 36, the sum (L1 + L2) of the first flow path length L1 of the first flow path portion 36A and the second flow path length L2 of the second flow path portion 36B is constant. That is, each flow path 36 is formed such that the flow path length L is constant regardless of the linear distance connecting the fuel distribution portion 35 and the fuel discharge port 33. The first flow path length L1 of each flow path 36 is also constant, and the second flow path length L2 of each flow path 36 is also constant.

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。   The relationship between the cross-sectional area s and the flow path length l in the flow path with the flow path length l having a constant cross-sectional area s is as follows.

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。 s = (32 μQ / ΔP) × l
Here, μ is the fluid viscosity, Q is the flow rate, and ΔP is the difference between the pressure at the portion where the liquid fuel is injected and the pressure at the portion where the liquid fuel is discharged in the flow path.

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。   In the fuel cell 1 having such a fuel distribution plate 31 </ b> A, the liquid fuel injected from the fuel injection port 32 is guided to the fuel distribution unit 35 via the main flow path 34. Then, the fuel is distributed from the fuel distributor 35 to the fuel discharge port 33 through the flow paths 36.

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。   In the present embodiment, since the flow path 36 extends radially from the fuel distributor 35 and the flow path 36 is not branched, for example, when liquid fuel is fed by the pump 6, pressure loss is reduced. It is possible to guide sufficient liquid fuel to the fuel discharge port 33. That is, even if the pressure of the pump 6 is reduced, the fuel can be guided to the fuel discharge port 33, and the pump 6 can be downsized.

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。   In addition, since the flow paths 36 extend radially from the fuel distributor 35 and are independent of each other, even if one flow path 36 is clogged, there is only one fuel discharge port 33 ahead. The influence on the other fuel discharge ports 33 is very small. Thereby, it is possible to reduce the variation in the amount of fuel supplied to the membrane electrode assembly 2.

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。   In the present embodiment, since the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion 36A connected to the fuel distributor 35 is large, for example, when liquid fuel is fed by the pump 6, pressure loss is reduced. It is possible to conduct sufficient liquid fuel to the fuel discharge port 33. Further, since the second cross-sectional area S2 of the second flow path portion 36B connected to the fuel discharge port 33 is smaller than the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion 36A, excessive liquid fuel is fed by the pump 6. Even in this case, excessive liquid fuel can be prevented from being guided to the fuel discharge port 33 due to the resistance in the vicinity of the fuel discharge port 33.

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。   Furthermore, in the present embodiment, the length of the flow path length L of the flow path 36 is constant, so that the liquid fuel is guided to the plurality of fuel discharge ports 33 at substantially the same timing, and is substantially the same as the membrane electrode assembly 2. It becomes possible to supply liquid fuel at the timing.

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。   Further, in the present embodiment, since the first flow path length L1 of the first flow path section is longer than the second flow path section L2 of the second flow path section 36B, it is possible to maintain pressure drop reduction and prevent rapid fuel inflow. An effect can be obtained.

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。   Therefore, it is possible to reduce variations in the amount of liquid fuel supplied at each fuel discharge port 33. Therefore, the uniformity of the power generation reaction in the surface of the membrane electrode assembly 2 can be further increased.

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。   The main flow path 34 and the flow path 36 are preferably formed so that the liquid fuel flows in a laminar flow state with a Reynolds number Re of 2000 or less in the main flow path 34 and the flow path 36. Reynolds number Re = (u × D) / (μ / ρ). Where u is the flow velocity, D is the diameter, ρ is the fluid density, and μ is the fluid viscosity.

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。   Here, an example in which there is one fuel distributor 35 has been described. However, the present invention is not limited to this example, and there may be two or more fuel distributors 35. In the example shown in FIG. 6, the fuel distribution plate 31 </ b> A has two fuel distribution portions 35. In this case, the fuel inlet 32 and one fuel distribution part 35 are connected by one main flow path 34, and the main flow path 34 further extends so that one fuel distribution part 35 and the other fuel distribution part 35 are connected. It is connected. The main flow path 34 between the fuel outlet 33 and one fuel distributor 35 may be branched in the middle and connected to the other fuel distributor 35, or the fuel outlet 32 and one fuel distributor may be connected. Two main flow paths 34 may be provided in which 35 and the other fuel distributor 35 are independently connected. Even in such a configuration, the same effect as the present embodiment can be obtained.

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。   Here, an example has been described in which all the flow paths 36 extend radially from the fuel distributor 35 and all the flow paths 36 are independent, but at least 90% or more of the flow paths are from the fuel distributor 35. If it extends radially and is independent, the same effect as this embodiment can be obtained.

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。   Next, the effect of the fuel cell 1 provided with the fuel distribution plate 31A according to the present embodiment was verified.

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。   In the comparative example, the fuel distribution plate 31 </ b> A has one fuel distribution portion 35 and 128 fuel discharge ports 33. The flow path 36 branches six times from the fuel inlet to the fuel outlet, and is connected to the fuel outlet 33 respectively.

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。   In Sample 1 to Sample 4, the fuel distribution plate 31A has one fuel distribution portion 35 and 128 fuel discharge ports 33. Each flow path 36 extends radially from the fuel distributor 35 and is connected to the fuel discharge port 33 without branching. That is, there is one branch between the fuel distributor and the discharge port.

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５０００μｍ２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２５００μｍ２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。 As shown in FIG. 7, in the sample 1, the first flow path portion 36A of each flow path 36 has a length a of 50 μm, a length of width b of 100 μm, and a first cross-sectional area S1 of 5000 μm 2 . . The second flow path portion 36B has a length a of 50 μm in length a, a length of 50 μm in width b, and a second cross-sectional area S2 of 2500 μm 2 . The first flow path portion 36A has a first flow path length L1 of 51.45 mm. The second flow path portion 36B has a second flow path length L2 of 5 mm.

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１００００μｍ２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５０００μｍ２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。 In the sample 2, the first flow path portion 36A of each flow path 36 has a vertical length a of 100 μm, a horizontal length b of 100 μm, and a first cross-sectional area S1 of 10,000 μm 2 . In addition, the second flow path portion 36B has a length a of 100 μm, a length of width b of 50 μm, and a second cross-sectional area S2 of 5000 μm 2 . The first flow path portion 36A has a first flow path length L1 of 51.45 mm. The second flow path portion 36B has a second flow path length L2 of 5 mm.

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７５００μｍ２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３７５０μｍ２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。 In the sample 3, the first flow path portion 36A of each flow path 36 has a length a of 75 μm in length, a length of width b of 100 μm, and a first cross-sectional area S2 of 7500 μm 2 . The second flow path portion 36B has a length a of 75 μm, a length of width b of 50 μm, and a second cross-sectional area S2 of 3750 μm 2 . The first flow path portion 36A has a first flow path length L1 of 51.45 mm. The second flow path portion 36B has a second flow path length L2 of 5 mm.

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２００００μｍ２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５０００μｍ２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。 In the sample 4, the first flow path portion 36A of each flow path 36 has a length a of 100 μm, a width b of 200 μm, and a first cross-sectional area S1 of 20000 μm 2 . In addition, the second flow path portion 36B has a length a of 100 μm, a length of width b of 50 μm, and a second cross-sectional area S2 of 5000 μm 2 . The first flow path portion 36A has a first flow path length L1 of 51.45 mm. The second flow path portion 36B has a second flow path length L2 of 5 mm.

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Ｑｉｎは２５０μｌ／ｍｉｎ、出力圧力Ｐｏｕｔ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。 In the fuel cell including the comparative example and the fuel distribution plate 31A of Samples 1 to 4, the fuel flow rate Q in is 250 μl / min, the output pressure P out is fixed to 0, and the tube length W is 88.4 mm in total length. The pressure was calculated by fluid simulation. Here, the pipe length W is the total length (M + L) of the channel length M between the fuel inlet 32 of the main channel 34 and the fuel distributor 35 and the channel length L of the channel 36. The result is shown in FIG. In FIG. 8, the vertical axis indicates the pressure loss (ΔP), and the horizontal axis indicates the position (mm) of the flow path where the pressure loss with respect to the tube length W is calculated. Here, the pressure loss ΔP is the difference between the pressure at 0 mm of the tube length W and the pressure at the tube length Wmm.

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。   As shown in FIG. 8, it can be seen that the pressure loss ΔP of the fuel distribution plate 31A of samples 1 to 4 is smaller than the pressure loss ΔP of the fuel distribution plate 31A of the comparative example. That is, it can be seen that the pressure loss ΔP is reduced by extending the flow path 36 radially from the fuel distributor 35.

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。   It can be seen that the pressure loss ΔP of the fuel distribution plate 31A of Sample 2 and Sample 3 is smaller than the pressure loss of the fuel distribution plate 31A of Sample 1. As a result, it is understood that the pressure loss ΔP is further reduced by increasing the length of the first flow path portion 36A and the second flow path portion 36B in the longitudinal direction a. That is, it can be seen that the pressure loss ΔP is further reduced by increasing the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion 36A and the second cross-sectional area S2 of the second flow path portion 36B.

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。   It can be seen that the pressure loss ΔP of the fuel distribution plate 31A of sample 4 is smaller than the pressure loss ΔP of the fuel distribution plate 31A of samples 1 to 3. Accordingly, it can be seen that the pressure loss ΔP is further reduced by making the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion 36A larger than the second cross-sectional area S2 of the second flow path portion 36B.

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。   Further, when the ratio (S1 / S2) between the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion 36A and the second cross-sectional area S2 of the second flow path portion 36B is 2 to 4, the fuel distribution plate 31A of the comparative example It was confirmed that it was smaller than the pressure loss ΔP.

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。   Further, when the ratio of the first flow path length L1 of the first flow path portion 36A and the second flow path length L2 of the second flow path portion 36B is 1 to 11, the pressure loss of the fuel distribution plate 31A of the comparative example It was confirmed that it was smaller than ΔP.

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。   Next, the variation rate of the fuel supply amount with respect to the number of clogged fuel discharge ports 33 was measured. Here, the fuel supply amount is to the membrane electrode assembly 2 when the fuel discharge port 33 is clogged with respect to the total amount of fuel supply amount to the membrane electrode assembly 2 when the fuel discharge port 33 is not clogged. This is a reduction in the total amount of fuel supply. A measurement result of the fuel distribution plate 31A of the sample 3 is shown in FIG. Moreover, the measurement result in the fuel distribution plate 31A of the comparative example is shown in FIG.

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。   As shown in FIG. 9 and FIG. 10, it can be seen that the variation in the variation rate of the fuel supply amount of the fuel distribution plate 31A of the sample 3 is small as compared with the fuel distribution plate 31A of the comparative example. As a result, it can be seen that the flow rate of the flow path 36 extends radially from the fuel distribution unit 35, thereby reducing the variation rate of the fuel supply amount of the liquid fuel. That is, since the fuel distributor 35 and the fuel discharge port 33 are directly connected and branched, the fluctuation rate of the fuel supply amount of the liquid fuel changes regardless of the fuel discharge port 33 in the fuel distribution plate 31A. In addition, variation in the fluctuation rate of the fuel supply amount can be suppressed small.

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。   The fuel cell 1 of the present embodiment described above is effective when various liquid fuels are used, and the type and concentration of the liquid fuel are not limited. However, the fuel supply unit 31 that supplies fuel while being dispersed in the plane direction is particularly effective when the fuel concentration is high. For this reason, the fuel cell 1 of each embodiment can exhibit its performance and effects particularly when methanol having a concentration of 80 wt% or more is used as the liquid fuel. Therefore, each embodiment is suitable for the fuel cell 1 using a methanol aqueous solution having a methanol concentration of 80 wt% or more or pure methanol as a liquid fuel.

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。   Furthermore, although each embodiment mentioned above demonstrated the case where this invention was applied to the semi-passive type fuel cell 1, this invention is not limited to this, It is an internal vaporization type pure passive type fuel cell. It can also be applied to.

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、本願出願の当初の特許請求の範囲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、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［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［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［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［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［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［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［１］に記載の燃料電池。
The present invention can be applied to various fuel cells using liquid fuel. In addition, the specific configuration of the fuel cell, the supply state of the fuel, and the like are not particularly limited, and all of the fuel supplied to the MEA is liquid fuel vapor, all is liquid fuel, or part is liquid state. The present invention can be applied to various forms such as a vapor of supplied liquid fuel. In the implementation stage, the constituent elements can be modified and embodied without departing from the technical idea of the present invention. Furthermore, various modifications are possible, such as appropriately combining a plurality of constituent elements shown in the above embodiment, or deleting some constituent elements from all the constituent elements shown in the embodiment. Embodiments of the present invention can be expanded or modified within the scope of the technical idea of the present invention, and these expanded and modified embodiments are also included in the technical scope of the present invention .
Hereinafter, the invention described in the scope of claims of the present application will be appended.
[1] A membrane electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A fuel injection port through which fuel is injected, a fuel distributor connected to the fuel injection port via a main flow path having a constant cross-sectional area, a plurality of fuel discharge ports opened in the anode side surface, A fuel distribution plate having a plurality of flow paths connecting the fuel distribution portion and each of the fuel discharge ports, and
Each of the flow paths is connected to the fuel distribution section between the fuel distribution section and the fuel discharge port, and has a first cross-sectional area and a fuel discharge port. A second flow path portion connected and having a constant second cross-sectional area smaller than the first cross-sectional area, and a flow path length between the fuel distribution portion and the fuel discharge port is constant A fuel cell.
[2] The first flow path length of the first flow path section is the same as or longer than the second flow path length of the second flow path section. Fuel cell.
[3] A ratio (S1 / S2) of the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion and the second cross-sectional area S2 of the second flow path portion is 2 to 4, [1] ] The fuel cell as described in.
[4] The ratio (L1 / L2) between the first flow path length L1 of the first flow path portion and the second flow path length L2 of the second flow path portion is 1 to 11. The fuel cell according to [2].
[5] The fuel cell according to [1], wherein the flow paths are connected at equal intervals around the fuel distributor.
[6] The fuel cell according to [1], wherein the fuel distribution plate has one fuel distribution section.
[7] The fuel cell according to [6], wherein there is one branch point from the fuel inlet to the fuel outlet.
[8] The fuel cell according to [1], wherein there are two or more fuel distributors.

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   DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Anode 16 ... Cathode 17 ... Electrolyte membrane 2 ... Membrane electrode assembly 32 ... Fuel injection port 34 ... Main flow path 35 ... Fuel distribution part 33 ... Fuel discharge port 36 ... Flow path 36A ... 1st flow path part S1 ... 1st Cross-sectional area 36B ... 2nd flow path part S2 ... 2nd cross-sectional area L ... Flow path length

Claims (7)

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複数の燃料排出口との間で分岐することなく前記燃料分配部と前記複数の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り、
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燃料電池。 A membrane electrode assembly having an anode, a cathode, and an electrolyte membrane disposed between the anode and the cathode;
A fuel inlet through which fuel is injected, and the fuel distributor sectional area is connected to the fuel inlet via the main flow path is constant, a plurality of fuel discharge ports opened in a surface of said anode side, said a plurality of channels connecting the respective front Symbol fuel distributor and the front Symbol plurality of fuel discharge port without branches between the fuel distributor and the plurality of fuel outlet, a fuel distribution plate having a With
Each of the flow paths is connected to the fuel distribution section between the fuel distribution section and the fuel discharge port, and has a first cross-sectional area and a fuel discharge port. A second flow path portion connected and having a constant second cross-sectional area smaller than the first cross-sectional area, and a flow path length between the fuel distribution part and the fuel discharge port is constant ,
The first flow path length of the first flow path portion, a fuel cell, wherein the same or longer this than the second flow path length and the second flow path length of the second flow path part. 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。   The ratio (S1 / S2) between the first cross-sectional area S1 of the first flow path portion and the second cross-sectional area S2 of the second flow path portion is 2 to 4, according to claim 1, wherein Fuel cell. 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１に記載の燃料電池。 Claim 1 wherein the ratio of the second flow path length L2 of the second flow path portion and the first flow path length L1 of the first flow path portion (L1 / L2) is, which is a 1 to 11 a fuel cell according to. 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。   The fuel cell according to claim 1, wherein the flow paths are connected at equal intervals around the fuel distributor. 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。   The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel distribution plate has one fuel distribution portion. 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５に記載の燃料電池。 6. The fuel cell according to claim 5, wherein there is one branch point from the fuel inlet to the fuel outlet. 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。   The fuel cell according to claim 1, wherein there are two or more fuel distributors.
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