JPWO2008056615A1 - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

電解質膜と、電解質膜の一方側の面に積層され、少なくとも２種類の異なる形状または大きさに形成され、触媒層およびガス拡散層を含む複数のカソード電極と、電解質膜の他方側の面に積層され、少なくとも２種類の異なる形状または大きさに形成され、触媒層およびガス拡散層を含む複数のアノード電極と、発電出力を取り出すために複数のカソード電極および複数のアノード電極を直列に接続する集電体とを有する。本発明によれば、膜電極接合体における複数の電極について、温度が高く出力が出やすい部分と温度が低く出力が出にくい部分との配置を調整することにより、出力の偏りを小さくし、それぞれの電極に加わる負荷（ダメージ）のバランスを保ち、燃料電池全体の寿命を延ばすことができる。

Description

本発明は、携帯機器の動作に有効な平面配置直列接続の燃料電池に関する。

携帯電話やノートパソコンなどのモバイル機器の電源として充電が不要な小型の燃料電池が注目されている。一般的にモバイル機器の電源として使用されている二次電池は電池容量を使い果たした場合に充電する必要があるが、これに対して燃料電池は燃料を補充するだけでよく、使い勝手が良いとされている。しかし、小型の燃料電池は単電池の出力が低いことが一つの欠点である。

燃料電池を電源として電気機器を駆動させる場合、１個の単電池の出力電圧は一般的な電気機器を駆動させるには不足するので、複数の電極を直列に接続して複数の単電池を構成するのが一般的である。

例えば特開２００４−０１４１４８号公報および国際公開番号２００５／１１２１７２Ａ１公報には、電気機器を駆動させる出力を得るために、複数の電極を同一の電解質膜上に配置して直列に接続した多直型燃料電池が記載されている。しかし、多直型燃料電池においては各電極間や電極内で温度分布を生じやすい。例えば、発電反応により燃料電池自体が発熱するため、燃料電池の中心部に蓄熱されやすく、周縁部よりも中心部のほうが高温になる傾向がある。また、燃料電池の周辺に配置される補機（ポンプ、バルブ、ファン等）の配置やその構成部品の発熱の有無によっても燃料電池に温度分布を生じることがある。

一般に燃料電池は高温環境で高い出力が得られるため、温度分布を生じると、出力に偏りを生じることになる。この出力に偏りを生じた状態で燃料電池の運転を続けると、温度が低いために出力が出にくい部分は、温度が高く出力が出やすい部分と比べて負荷（ダメージ）が大きくなり、相対的に寿命が低下することが分かっている。このように多直型燃料電池においては、出力の偏りが過負荷部分の寿命を短縮し、燃料電池全体の寿命を低下させる原因となる。このため、出力の偏りをできるだけ小さくし、燃料電池全体の寿命を延ばすことが要望されている。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、温度分布による出力の偏りを小さくし、燃料電池の寿命を良好なものとすることを目的とする燃料電池を提供する。

本発明に係る燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方側の面に積層され、少なくとも２種類の異なる形状または大きさに形成され、触媒層およびガス拡散層を含む複数のカソード電極と、前記電解質膜の他方側の面に積層され、少なくとも２種類の異なる形状または大きさに形成され、触媒層およびガス拡散層を含む複数のアノード電極と、発電出力を取り出すために、前記複数のカソード電極および前記複数のアノード電極を直列に接続する集電体と、を有することを特徴とする。

本発明の実施形態に係る燃料電池の全体の概要を示す内部透視断面図。 実施例１，３の膜電極接合体（３直列）を示す平面図。 実施例２の膜電極接合体（３直列）を示す平面図。 実施例４，６の膜電極接合体（６直列）を示す平面図。 実施例５の膜電極接合体（６直列）を示す平面図。 比較例１の膜電極接合体（３直列）を示す平面図。 比較例２の膜電極接合体（６直列）を示す平面図。 本発明の他の実施の形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。 燃料分配機構を示す斜視図。

本発明において、複数のカソード電極および複数のアノード電極をそれぞれ電解質膜の面に投影したときの二次元投影面積を、前記電解質膜、前記カソード電極および前記アノード電極からなる膜電極接合体の発電中の温度分布に応じて決めることができる。この場合に、（発電中に温度上昇して高温になる）第１の部位に配置される前記電極の二次元投影面積のほうを、前記第１の部位よりも発電中の温度が低い第２の部位に配置される前記電極の二次元投影面積よりも小さくすることが好ましい。

第１の部位の電極面積を第２の部位の電極面積より小さくすると、単位面積当たりの出力密度でみたときには発電中の温度が第１の部位の電極のほうが第２の部位の電極よりも高いので、第１の部位の電極からの出力と第２の部位の電極からの出力とが均衡するようになる。このため、膜電極接合体において一部の電極のみに過負荷がかかることがなくなり、燃料電池全体としてみたときに発電出力のバランスが改善され、寿命の延長が図られるようになる。この場合に、第２の部位の電極に対する第１の部位の電極の面積比を０．７５以上１．００未満とすることが好ましい。第１の部位（高温部位）／第２の部位（低温部位）の電極面積比が０．７５を下回ると、高温部位からの出力が過小になりすぎて、燃料電池全体としてみた場合に出力のバランスが崩れるからである。

次のように第１及び第２の部位に配置される電極を種々の形態とすることができる。

第１の部位に配置される電極は、中央の幅を長手両端の幅よりも小さくすることができる（図３、図５）。

第２の部位に配置される電極は、中央の幅を長手両端の幅よりも大きくすることができる（図３、図５）。

第１及び第２の部位にそれぞれ配置される電極は、電解質膜に投影させたときの二次元投影形状がそれぞれ一様な幅をもつ長方形であり、第１の部位に配置される電極の幅のほうを第２の部位に配置される電極の幅よりも小さくすることができる（図４）。

また、複数の電極の配列において、一方側から他方側へ移行するに従って電極の面積を漸次増加させることができる（図４）。

さらに、複数の電極の配列において、両側から中央へ移行するに従って電極の面積を漸次減少させることができる（図３、図５）。

次のように複数の電極を少なくとも２種類の異なる形状とすることができる。

中央部の幅が長手端部の幅（短辺の長さ）よりも小さい凹状電極と、中央部の幅が長手端部の幅（短辺の長さ）よりも大きい凸状電極と、を組み合わせることができる（図３）。また、中央部の幅が長手端部の幅（短辺の長さ）よりも小さい凹状電極と、中央部の幅が長手端部の幅（短辺の長さ）よりも大きい凸状電極と、中央部の幅が長手端部の幅（短辺の長さ）とが等しい長方形電極と、を組み合わせることもできる（図５）。

同一の電解質膜上に配列される電極の数は、燃料電池が使用される電気機器の定格電圧に応じて２〜２０とすることができ、３〜１２とすることが好ましく、より好ましくは３〜６とする（図２〜図５）。

電極のアスペクト比は、電解質膜の大きさと電極の数にもよるが、４〜１０の範囲とすることが好ましく、より好ましくは５〜８の範囲とする。アスペクト比が４を下回ると、レイアウト設計において平面スペースを分割して多直化することが困難になる。一方、アスペクト比が１０を超えると、発電反応に偏りを生じやすくなって出力が不安定になるとともに、隣り合う電極を確実に絶縁することが困難になる。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の実施の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
先ず、燃料電池の全体の概要について図１を参照して説明する。

燃料電池１は、外側を外装材２０，２１で覆われ、内部に平面配置・直列接続された複数の電極Ａ１〜Ａ３を有する発電部１０Ａを備えている。燃料電池１は、例えばカソード側の外装材２１の端部をアノード側の外装材２０の外面にかしめ加工および／またはねじ止めすることにより、複数の単電池を一体化した１つのユニットとして構成してもよいし、両外装材２０，２１をボルトとナットで締め付けることにより一体化してもよい。なお、アノード側の外装材２０は、側部に燃料供給孔１５を有するとともに、液体燃料収容室１４を規定するフレーム構造体である。燃料供給孔１５に図示しない燃料カートリッジのノズルを挿入し、カートリッジ容器の内圧の作用で液体燃料が液体燃料収容室１４内に供給できるようになっている。液体燃料収容室１４の上部には不織布からなる燃料含浸層１３が配置されている。液体燃料は、燃料含浸層１３に吸収・保持された後に、発電部１０Ａのアノード側へ供給されるようになっている。

発電部１０Ａは、有機質膜と無機質層を一体成形して複合化した膜電極接合体１１を有している。本実施形態において、膜電極接合体１１は、プロトン伝導性を有する固体電解質膜６と、３対のカソード電極２，４およびアノード電極３，５（Ａ１，Ａ２，Ａ３）とを備えている。

固体電解質膜６を間に挟んでその両側にカソード電極２，４とアノード電極３，５が一体成形積層され、さらにその外側に正極集電体７と負極集電体９が一体成形積層されている。これらの一体成形加工には例えば熱プレス法が利用される。

カソード電極は、カソード触媒層２およびガス分散層４を含む複合体である。カソード触媒層２は固体電解質膜６の一方側の面に接している。同様にアノード電極も、アノード触媒層３およびガス分散層５を含む複合体である。アノード触媒層３は固体電解質膜６の他方側の面に接している。本実施形態では、カソード／アノード触媒層２，３には、白金または白金とその他の金属からなる触媒を塗布したカーボンペーパーを使用した。

カソードガス分散層４は正極集電体７に接触導通している。同様に、アノードガス分散層５は負極集電体９に接触導通している。これら正負一対の集電体７，９を介して発電部１０Ａで発電された電力が図示しない負荷（電気機器）に出力されるようになっている。

正極集電体７には複数の孔７ａが開口している。これらの孔７ａは保湿板（図示せず）を介して外装ケース２１の通気孔２２に連通している。空気が通気孔２２から導入されると、空気調整スペースの保湿板を通って加湿され、集電体の孔７ａを通ってカソードガス拡散層４および触媒層２に導入され、発電反応に寄与する。同様に負極集電体９にも複数の孔９ａが開口している。これらの孔９ａは、アノードガス拡散層５の側にそれぞれ連通している。液体燃料収容室１４内の液体燃料の一部が気化すると、気化燃料は図示しない気液分離膜を通って気化室内に入り、さらに気化室から集電体の孔９ａを通ってアノードガス拡散層５および触媒層３に導入され、発電反応に寄与する。

なお、燃料電池１において、複数の単電池が一体的に形成され、これらの単電池のうちの少なくとも２つが同一平面上に配置されていることが望ましい。携帯機器では厚みサイズが厳しく制限されるため、それに内蔵される燃料電池にも同様の要求があり、複数の単電池を積み重ねるスタック構造を採用することが困難であるため、同一平面上に並べて配置する平置き配置構造を採用する。本実施形態では、複数の電極が実質的に同一の平面上に配置され、これら同一平面に平置き配置された複数の電極は正負両極の集電体７，９を介して直列に接続されている。

燃料電池１の内部にはゴムシール８やＯリング（図示せず）によって種々のスペースや間隙が形成されている。それらのスペースや間隙のうち、例えばカソード側のスペースは保湿板を有する空気導入部として用いられ、アノード側のスペースは図示しない気液分離膜を介して液体燃料収容室１４に連通する気化室として用いられる。

気化室（図示せず）は液体燃料収容室１４に隣接して設けられ、両室間は気液分離膜（図示せず）により仕切られている。気液分離膜は、多数の細孔を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートからなり、液体燃料（メタノール液又はその水溶液など）を遮断し、気化燃料（メタノールガスなど）を透過させるものである。

固体電解質膜６は、アノード触媒層３において発生したプロトンをカソード触媒層２に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的には、デュポン社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂膜などプロトンを輸送可能な電解質膜６を構成するようにしてもよい。

アノード触媒層３は、ガス拡散層５を介して供給される気化燃料を酸化して燃料から電子とプロトンとを取り出すものである。アノード触媒層３は、例えば、触媒を含む炭素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）などの遷移金属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。但し、触媒をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、一酸化炭素（ＣＯ）の吸着による触媒の不活性化を防止することができるので好ましい。

また、アノード触媒層３は、電解質膜６に用いられる樹脂の微粒子を含むほうがより望ましい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層５は、例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などで構成されている。

カソード触媒層２は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層３において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものであり、例えば上述のアノード触媒層３及びアノードガス拡散層５と同様に構成されている。すなわち、カソード電極は、固体電解質膜６の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなるカソード触媒層３と多孔質の炭素材料よりなるカソードガス拡散層５とが積み重ねられた積層構造をなしている。カソード触媒層２に用いられる触媒はアノード触媒層３のそれと同様であり、アノード触媒層３が固体電解質膜６に用いられる樹脂の微粒子を含む場合があることもアノード触媒層３と同様である。ちなみに、電解質膜６の厚さは１０〜２５０μｍ、カソード触媒層２およびアノード触媒層３の厚さはそれぞれ５０〜１００μｍ、カソードガス拡散層４およびアノードガス拡散層５の厚さはそれぞれ２５０〜５００μｍの範囲からそれぞれ最適値を選択することができる。また、正極集電体７および負極集電体９の厚さはそれぞれ３０μｍ〜１ｍｍ、好ましくは３０〜５００μｍ、さらに好ましくは３０〜２００μｍの範囲からそれぞれ最適値を選択することができる。

集電体には、白金や金のような貴金属、またはニッケルやステンレス鋼のような耐食性金属からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体を用いることが好ましい。また、集電体には、金やカーボンのような導電性材料で異種金属の表面を処理した表面処理材料、例えば銅やステンレス鋼に金をコーティング被覆した複合材料を用いることも可能である。

外装ケース２１の主面には複数の通気孔２２が所定ピッチ間隔ごとに開口し、図示しない保湿板にそれぞれ連通している。これらの通気孔２２は、外気が通過する開口を形成するが、外気の通過を阻害せずに、外部からカソードガス拡散層４への微小あるいは針状の異物の浸入・接触を防止しうるような形状が工夫されている。

外装ケース２１の材料には、ステンレス鋼やニッケル合金などの耐食性に優れた金属材料を用いることが望ましいが、金属材料に限られることなく樹脂材料を用いることもでき、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの液体燃料で膨潤等を生じにくい硬質の樹脂を用いてもよい。

シール部材８には、硬質から軟質までの各種のゴム系材料、樹脂系材料または金属材料を用いることができるが、このうちゴム系材料（例えばＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、ＦＫＭ（フッ素ゴム）、ＮＢＲ（ニトリルブタジエンゴム）、ＳＢＲ（スチレンブタジエンゴム））が適している。

液体燃料収容室１４に収容する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く、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、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。

次に、図２〜図７を参照して種々の実施例および比較例について説明する。

電極の形状及び／又は大きさを種々変えて実施例１〜６および比較例１，２の膜電極積層体サンプルをそれぞれ作製し、これらの膜電極積層体サンプルを組み込んだ燃料電池を実際に発電させ、その出力維持率（平均値）を調べた。

［実施例１］
触媒を含む炭素粉末ペースト（触媒層）をカーボンペーパー（ガス拡散層）に塗布したシートを切断して、同サイズの長方形の電極を作製した。固体電解質膜６の両面に３対の電極Ａ１，Ａ２，Ａ３を図２に示すように長手軸が平行となるように並べて配置し、これらを熱プレス法で積層した。本実施例では、１枚の固体電解質膜を複数の電極に共通のものとして使用したが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、固体電解質膜を電極毎に分割して使用するようにしてもよい。

一体化した積層体の両面に正負両極の集電体７，９をそれぞれ配置し、これを熱プレス法で積層して一体化した。正負両極の集電体７，９として金メッキを施したステンレス鋼の薄板を使用した。負極集電体９には複数の孔９ａが開口し、燃料が孔９ａを通ってアノード極３，５に供給されるようになっている。また、正極集電体７には複数の孔７ａが開口し、空気が孔７ａを通ってカソード極２，４に供給されるようになっている。

これら正負両極の集電体７，９および図示しないリード配線等を用いて３対のカソード／アノード電極Ａ１，Ａ２，Ａ３を直列に接続した。すなわち、電極Ａ１の負極集電体９と電極Ａ２の正極集電体７とを電気的に接続し、電極Ａ２の負極集電体９と電極Ａ３の正極集電体７を電気的に接続する。電極Ａ１のカソード極に接続された正極集電体７を外部に引き出す一方で、電極Ａ３のアノード極に接続された負極集電体９を外部に引き出している。このように配線することにより、電極Ａ１，Ａ２およびＡ３の３直列の回路を形成した。これにより実施例１の膜電極接合体１１を得た（集電体７，９は図示せず）。なお、隣接する電極に接続されない両端の集電体（図示せず）は燃料電池外部に引き出され、外部端子の役割を有する。

実施例１の発電部１０Ａの膜電極接合体の各部サイズは次のようにした。

電解質膜６は幅（短辺）Ｘ＝８０ｍｍ，長さ（長辺）Ｙ＝１１０ｍｍとした。中央位置の電極Ａ２は幅（短辺）Ｗ２＝１８ｍｍ，長さ（長辺）Ｌ１＝１００ｍｍとし、その両側に配置される外寄りの電極Ａ１，Ａ３はそれぞれ幅（短辺）Ｗ１＝Ｗ３＝２１ｍｍ，長さ（長辺）Ｌ１＝１００ｍｍとした。また、電極Ａ１〜Ａ３からの電解質膜６のはみ出し長さＣ１，Ｃ２および各電極間の距離Ｃ３は全て５ｍｍとした。

このようにして作製した発電部１０Ａを外装材２０，２１となるプラスチック部品によりゴムシール８を介して挟み込み、ネジ止めすることにより封止して燃料電池とした。ゴムシール８は電極Ａ１，Ａ２，Ａ３からの固体電解質膜６のはみ出し部分に当たるように設置し、その部分でシールした。なお、アノード極側の外装材２０の材質にはポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を使用した。外装材２０の内側がアノード極に隣接することにより燃料収容室１４を形成し、この燃料収容室１４に連通する燃料供給孔１５が外装材２０の側部に設けられる。また、カソード極側の外装材２１にもＰＰＳを使用し、外部から空気を取り入れられるよう複数の通気孔２２が開口している。

さらに、本実施例ではアノード極への均一な燃料供給を補助する目的で燃料収容室１４と負極集電体９との間に燃料を吸収・保持できる不織布１３を配置した。ただし、アノード極への燃料供給およびカソード電極へのエアー供給については、ポンプなどの補機を使用して供給するようにしてもよく、また、その場合に流路を形成した部品を利用して燃料およびエアーを供給するようにしてもよい。

以上のようにして実施例１の発電部１０Ａを有する燃料電池を５０個作製した。

[実施例２]
実施例２では、電極Ａ１〜Ａ３の形状を変えたことを除いて、上記の実施例１と同様にして図３に示す発電部１０Ｂを有する燃料電池を５０個作製した。

具体的な実施例２の発電部１０Ｂの膜電極接合体の各部サイズは次のようにした。

外寄りの電極Ａ１，Ａ３は、中央部を少し膨らませて凸状とし、中央部の幅Ｗ１＝Ｗ３＝２１ｍｍ、短辺Ｓ１＝Ｓ３＝１９ｍｍ、長辺Ｌ１＝１００ｍｍとした。また、中央位置の電極Ａ２は、中央部を少し細くして凹状とし、中央部の幅Ｗ２＝１８ｍｍ、短辺Ｓ２＝２２ｍｍ、長辺Ｌ１＝１００ｍｍとした。

[実施例３]
実施例３では、電極Ａ１〜Ａ３の形状（幅）を変えたことを除いて、上記の実施例１と同様にして３対の長方形電極を含む発電部１０Ａを備えた燃料電池を５０個作製した。

具体的な実施例３の発電部１０Ａの膜電極接合体の各部サイズは次のようにした。

実施例３では３対の長方形電極Ａ１〜Ａ３の幅が全て異なる。図２を参照して説明すると、図中にて左側に位置する電極Ａ１は幅（短辺）Ｗ１＝１８ｍｍ，長さ（長辺）Ｌ１＝１００ｍｍとし、中央に位置する電極Ａ２は幅（短辺）Ｗ２＝１９ｍｍ，長さ（長辺）Ｌ１＝１００ｍｍとし、右側に位置する電極Ａ３は幅（短辺）Ｗ３＝２３ｍｍ，長さ（長辺）Ｌ１＝１００ｍｍとした。

[比較例１]
比較例１では、３対の電極Ａ１〜Ａ３の形状と大きさをすべて同じとし、上記の実施例１と同様にして図６に示す３対の長方形電極を含む発電部１００を備えた燃料電池を１００個作製した。

具体的な比較例１の発電部１００の膜電極接合体の各部サイズは次のようにした。

比較例１では３対の長方形電極Ａ１〜Ａ３の幅が全て同じとし、幅（短辺）Ｗ＝２０ｍｍ、長さ（長辺）Ｌ１＝１００ｍｍとした。

［出力維持率による評価］
上記の実施例１〜３および比較例１の燃料電池を実際に長時間にわたり発電させ、時々刻々変わる発電出力を計測して出力維持率をサンプル毎に求め、それらの平均値をとって評価した。

具体的には、実施例１、２および比較例１の燃料電池各５０個を２５℃の環境で１０００時間発電させた。発電の条件は１Ａの定電流負荷をかけ続け、初期の出力電圧に対する１０００時間経過後の出力電圧の維持率の平均値を求めた。その結果を表１に示す。

また、実施例３の燃料電池５０個と比較例１の残りの燃料電池５０個も２５℃環境で１０００時間発電したが、こちらの燃料電池については実際に組み込まれることになる装置の内臓部品が発熱することを想定し、Ａ１の電極のすぐ外側にヒーターを設置し、ヒーターの温度を４０℃に設定して連続発電した。発電の条件は、上記と同様に１Ａの定電流負荷をかけ続け、初期の出力電圧に対する１０００時間経過後の出力電圧の維持率の平均値を求めた。その結果を表２に示す。

比較例１の燃料電池については、直列に配置した３つの電極の面積が等しく２０ｃｍ^２なので、全ての電極で１ｃｍ^２当たりの電流値は５０ｍＡとなる。このとき、電極が発電時に発熱するため燃料電池には温度分布が生じ、中央部の電極Ａ２が蓄熱されやすいため、両側に配置された電極Ａ１，Ａ３より中央部の電極Ａ２の方が温度は高くなる。この結果、両側の電極Ａ１，Ａ３は中央部の電極Ａ１よりも出力が低いため、等しく５０ｍＡ/ｃｍ²の電流が流れた結果、長期間発電したときの出力低下が中央部の電極Ａ２より両側の電極Ａ１，Ａ３のほうが大きくなる。そのために燃料電池全体としての寿命は、両側の電極Ａ１，Ａ３の影響を受けて短くなる。

これに対して実施例１の燃料電池は両側（外寄り）の電極Ａ１，Ａ３の面積を中央部の電極Ａ２の面積より大きくしている。このため、中央部の電極Ａ２は５５．６ｍＡ/ｃｍ²の電流が流れることになるが、外寄りの電極Ａ１，Ａ３には４７．６ｍＡ/ｃｍ²の電流しか流れない。このため、温度が低い外寄りの電極Ａ１，Ａ３に加わる負荷（ダメージ）が軽減され、全体の負荷バランスが取れるようになり、燃料電池全体としての寿命は良好なものとなる。

また、実施例２については電極Ａ１，Ａ２，Ａ３の面積は全て同じであるが、外寄りの電極Ａ１，Ａ３についても蓄熱されやすい燃料電池中央付近の部分を増やして各電極に加わる負荷（ダメージ）のバランスを取った結果、良好な出力を確認することができた。

表２の比較例１の燃料電池は、ヒーターにより温められるため、ヒーターが無い場合よりも良好な寿命を示している。ただし、実施例３に示すとおり、温度分布に応じて電極の形状を変え、負荷のバランスを取ることによりさらに良好な寿命が実現できることを確認できた。

これらの実験の結果より、比較例１の燃料電池と比較して実施例１〜３の燃料電池の寿命が優れていることを確認できた。

上記の実施例１〜３では直列に３対の電極Ａ１〜Ａ３を接続した例を示したが、次に６対の電極Ｂ１〜Ｂ６を直列に接続した実施例４〜６を説明する。なお、各実施例において６対の電極の形状を図に示すが、それを収納する燃料電池の構造や製造方法は上述した３直列の実施例と同様のため説明を省略する。

［実施例４］
実施例４では、６対の電極Ｂ１〜Ｂ６を用いて膜電極接合体を作製し、これを用いて図４に示す発電部１０Ｃを有する燃料電池を５０個作製した。６対の電極Ｂ１〜Ｂ６はすべて長方形であり、図４に示すように長手軸が平行となるように並べて配置している。

正負両極の集電体４，５および図示しないリード配線を用いて６対のカソード／アノード電極Ｂ１〜Ｂ６を直列に接続した。すなわち、電極Ｂ１の負極集電体９と電極Ｂ２の正極集電体７、電極Ｂ２の負極集電体９と電極Ｂ３の正極集電体７、電極Ｂ３の負極集電体９と電極Ｂ４の正極集電体７、電極Ｂ４の負極集電体９と電極Ｂ５の正極集電体７、電極Ｂ５の負極集電体９と電極Ｂ６の正極集電体７をそれぞれ電気的に接続した。さらに、電極Ｂ１の正極集電体７を外部に引き出す一方で、電極Ｂ６の負極集電体９を外部に引き出している。このように配線することにより、電極Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４，Ｂ５およびＢ６の６直列の回路を形成した。これにより実施例４の発電部１０Ｃを得た（集電体７，９は図示せず）。なお、隣接する電極に接続されない両端の集電体（図示せず）は燃料電池外部に引き出され、外部端子の役割を有する。

実施例４の発電部１０Ｃの膜電極積層体の各部サイズは次のようにした。

電解質膜６は幅（長辺）Ｘ＝１２５ｍｍ，長さ（短辺）Ｙ＝１１０ｍｍとし、６対の長方形電極Ｂ１〜Ｂ６はすべて長辺＝１００ｍｍとした。中央位置の電極Ｂ３，Ｂ４はそれぞれ幅（短辺）Ｗ３＝Ｗ４＝１３．５ｍｍ、その両側に配置される電極Ｂ２、Ｂ５はそれぞれ幅（短辺）Ｗ２＝Ｗ５＝１６．５ｍｍ、その両側に配置される電極Ｂ１、Ｂ６はそれぞれ幅（短辺）Ｗ１＝Ｗ６＝１５ｍｍとした。また、電極Ｂ１〜Ｂ６からの電解質膜６のはみ出し長さＣ１，Ｃ２および各電極間の距離Ｃ３は全て５ｍｍとした。

［実施例５］
実施例５では、中央に位置する２つのＢ３，Ｂ４は長方形とし、中間に位置するＢ２，Ｂ５は一方側（外側）の長辺を凹ませて中央部を両端部より細くし、外側に位置するＢ１，Ｂ６は一方側（内側）の長辺を凸状に膨らませて中央部を両端部より太くし、上記の実施例４と同様にして図５に示す発電部１０Ｄを有する燃料電池を５０個作製した。

具体的な実施例５の発電部１０Ｄの膜電極接合体の各部サイズは次のようにした。

電解質膜６は幅（長辺）Ｘ＝１２５ｍｍ，長さ（短辺）Ｙ＝１１０ｍｍとし、６対の長方形電極Ｂ１〜Ｂ６はすべて長辺＝１００ｍｍとした。最も外寄りの電極Ｂ１，Ｂ６は、中央部を少し膨らませて凸状とし、中央部の幅Ｗ１＝Ｗ６＝１７ｍｍ、短辺Ｓ１＝Ｓ６＝１６．５ｍｍとした。また、中間位置の電極Ｂ２，Ｂ５は、中央部を少し細くして凹状とし、中央部の幅Ｗ２＝Ｗ５＝１４．５ｍｍ、短辺Ｓ２＝Ｓ５＝１５ｍｍとした。また、中央に位置する電極Ｂ３，Ｂ４は、短辺Ｓ３＝Ｓ４＝１３．５ｍｍの長方形とした。

［実施例６］
実施例６では、６対の電極Ｂ１〜Ｂ６を用いて膜電極接合体を作製し、これを用いて図４に示す発電部１０Ｃを有する燃料電池を５０個作製した。６対の電極Ｂ１〜Ｂ６はすべて長方形であり、図４に示すように長手軸が平行となるように並べて配置している。但し、本実施例６では各電極の幅（短辺）を上記実施例４とは異なるものとしている。

実施例６の発電部１０Ｃの膜電極接合体の各部サイズは次のようにした。

図４の左側から順に、電極Ｂ１の幅Ｗ１＝１３．５ｍｍ、電極Ｂ２の幅Ｗ２＝１４ｍｍ、電極Ｂ３の幅Ｗ３＝１４．５ｍｍ、電極Ｂ４の幅Ｗ４＝１５ｍｍ、電極Ｂ５の幅Ｗ５＝１６ｍｍ、電極Ｂ６の幅Ｗ６＝１７ｍｍとした。

［比較例２］
比較例２では、６対の電極Ｂ１〜Ｂ６の形状と大きさをすべて同じとし、上記の実施例と同様にして図７に示す６対の長方形電極を含む発電部２００を備えた燃料電池を１００個作製した。

具体的な比較例２の発電部２００の膜電極接合体の各部サイズは次のようにした。

比較例２では６対の長方形電極Ｂ１〜Ｂ６の幅を全て同じとし、幅（短辺）Ｗ＝２０ｍｍとした。

［出力維持率による評価］
上記の実施例４〜６および比較例２の燃料電池を実際に長時間にわたり発電させ、時々刻々変わる発電出力を計測して出力維持率をサンプル毎に求め、それらの平均値をとって評価した。

具体的には、実施例４、５および比較例２の燃料電池各５０個を２５℃の環境で１０００時間発電した。発電の条件として１Ａの定電流負荷をかけ続け、初期の出力電圧に対する１０００時間経過後の出力電圧の維持率の平均値をそれぞれ測定した。その結果を表３に示す。

実験の結果より、上記実施例１〜３（３直列）のときと同様に、比較例２の燃料電池と比べて実施例４，５の燃料電池の寿命が良好なことを確認できた。実施例４，５では電極の合計面積はすべて同じであるが、直列に接続するときのバランスを最適化することで燃料電池の寿命をさらに延ばすことができている。

また、実施例６の燃料電池５０個と比較例２の残りの燃料電池５０個も２５℃環境で１０００時間発電したが、こちらの燃料電池については実際に組み込まれることになる装置の内蔵部品が発熱することを想定し、電極Ｂ１のすぐ外側にヒーターを設け、ヒーターによる加熱温度を４０℃に設定して連続発電した。このときの出力維持率の平均値を求めた。その結果を表４に示す。

実験の結果より、比較例２の燃料電池よりも実施例６の燃料電池の寿命が良好なことを確認できた。

以上の結果より、本発明による燃料電池は良好な寿命延長を実現できていると考えられる。

上記の実施の形態では、燃料電池の構造として膜電極接合体１０Ｂの下部に液体燃料収容室１４を有するパッシブ方式の燃料電池について説明したが、本発明を他の構造の燃料電池に適用することもできる。例えば図８に示すようなセミパッシブ方式の燃料電池３０１に本発明を用いるようにしてもよい。

（第２の実施の形態）
本実施形態に係る燃料電池の発電部３０３は、膜電極接合体３０２と、カソード集電体７及びアノード集電体９とを備えている。膜電極接合体３０２は、プロトン伝導性の電解質膜６を間に挟んでその両側にカソード触媒層２とアノード触媒層３が熱プレス法で一体成形され、さらにその外側にカソードガス拡散層４とアノードガス拡散層５を有する。さらに、膜電極接合体３０２のカソードガス拡散層４には正極集電体７が導通し、アノードガス拡散層５には負極集電体９が導通している。これら正負一対の集電体７，９を介して発電部で発電された電力が図示しない負荷に出力されるようになっている。

電解質膜６と後述する燃料分配機構３０６およびカバープレート２１との間には、それぞれゴム製のＯリング８が挿入され、これら一対のＯリング８によって燃料電池発電部３０３からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止するようにしている。

カバープレート２１は酸化剤（空気）を取入れるための複数の開口（図示せず）を有している。カバープレート２１と発電部３０３のカソードとの間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層（図示せず）は、カソード触媒層２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共に、カソード触媒層２への空気の均一拡散を促進するものである。表面層（図示せず）は、空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

発電部３０３のアノード側には燃料分配機構３０６が配置されている。燃料分配機構３０６には配管のような燃料の流路３０７を介して燃料収容部３０４が接続されている。燃料収容部３０４には、発電部３０３に対応するタイプの液体燃料が収容されている。

燃料分配機構３０６には燃料収容部３０４から流路３０７を介して燃料が導入される。流路３０７は燃料分配機構３０６や燃料収容部３０４と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構３０６と燃料収容部３０４とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構３０６は流路３０７を介して燃料収容部３０４と接続されていればよい。

ここで、燃料分配機構３０６は図９に示すように、燃料が流路３０７を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２５と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２６とを有する燃料分配板２３とを備えている。燃料分配板２３の内部には図８に示すように空隙部２４が形成されている。空隙部２４は、燃料注入口２５から導入された燃料が通流する一方で一時的に滞留する流路の機能とヘッダの機能を兼ね備えたものである。複数の燃料排出口２６は空隙部２４にそれぞれ直接連通している。

燃料は、燃料注入口２５から燃料分配機構３０６に導入され、空隙部２４に入り、空隙部２４から複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、発電部３０３のアノード３，５には燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離膜（図示せず）を燃料分配機構３０６と発電部３０３のアノード３，５との間に挿入するようにしてもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口２６から発電部３０３のアノード３，５の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２６は発電部３０３の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３が発電部３０３のアノード３，５と接する面に複数設けられている。燃料排出口２６の個数は２個以上であればよいが、発電部３０３の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ²の燃料排出口２６が存在するように形成することが好ましい。

燃料分配機構３０６と燃料収容部３０４との間を接続する流路３０７には、ポンプ３０５が挿入されている。このポンプ３０５は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部３０４から燃料分配機構３０６に燃料を移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ３０５で必要時に燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めるものである。この場合、ポンプ３０５としては、少量の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、ロータリーベーンポンプ、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。ロータリー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。

このような構成において、燃料収容部３０４に収容された液体燃料は、ポンプ３０５により流路３０７内を移送され、燃料分配機構３０６に供給される。そして、燃料分配機構３０６から放出された燃料は、発電部３０３のアノード３，５に供給される。発電部３０３内において、燃料はアノードガス拡散層５を拡散してアノード触媒層３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３で所定の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２で生成した水や電解質膜６中の水をメタノールと反応させる内部改質反応が生じる。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。

なお、燃料分配機構３０６からＭＥＡ３０２への燃料供給が行われる構成であればポンプ３０５に代えて燃料遮断バルブを用いることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブ（図示せず）を流路３０７に設け、遮断バルブにより流路３０７を流れる液体燃料の供給をオンオフ制御することができる。

本発明によれば、膜電極接合体における複数の電極について、温度が高く出力が出やすい部分と温度が低く出力が出にくい部分との配置を調整することにより、出力の偏りを小さくし、それぞれの電極に加わる負荷（ダメージ）のバランスを保ち、燃料電池全体の寿命を延ばすことができる。本発明によれば、良好な電池性能が安定して得られるようになり、携帯電話、ノートパソコン、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのモバイル機器の電源としてばらつきの少ない出力特性を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、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てもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

また、ＭＥＡへ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。

Claims (8)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方側の面に積層され、少なくとも２種類の異なる形状または大きさに形成され、触媒層およびガス拡散層を含む複数のカソード電極と、
   前記電解質膜の他方側の面に積層され、少なくとも２種類の異なる形状または大きさに形成され、触媒層およびガス拡散層を含む複数のアノード電極と、
   発電出力を取り出すために、前記複数のカソード電極および前記複数のアノード電極を直列に接続する集電体と、を有することを特徴とする燃料電池。
2. 前記複数のカソード電極および前記複数のアノード電極をそれぞれ前記電解質膜の面に投影したときの二次元投影面積が、前記電解質膜、前記カソード電極および前記アノード電極からなる膜電極接合体の発電中の温度分布に応じて決められることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 発電中の温度が高くなる第１の部位に配置される前記電極の二次元投影面積のほうが、前記第１の部位よりも発電中の温度が低くなる第２の部位に配置される前記電極の二次元投影面積よりも小さいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
4. 前記第１の部位に配置される電極は、中央の幅が長手両端の幅よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記第２の部位に配置される電極は、中央の幅が長手両端の幅よりも大きいことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
6. 前記第１及び第２の部位にそれぞれ配置される電極は、前記電解質膜に投影させたときの二次元投影形状がそれぞれ一様な幅をもつ長方形であり、前記第１の部位に配置される電極の幅のほうが前記第２の部位に配置される電極の幅よりも小さいことを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
7. 前記少なくとも２種類の異なる形状の電極は、中央部の幅が長手端部の幅よりも小さい凹状電極と、中央部の幅が長手端部の幅よりも大きい凸状電極と、を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
8. 前記少なくとも２種類の異なる形状の電極は、中央部の幅が長手端部の幅よりも小さい凹状電極と、中央部の幅が長手端部の幅よりも大きい凸状電極と、中央部の幅と長手端部の幅とが等しい長方形電極と、を含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。

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