WO2010084800A1 - 燃料電池 - Google Patents

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WO2010084800A1
WO2010084800A1 PCT/JP2010/050207 JP2010050207W WO2010084800A1 WO 2010084800 A1 WO2010084800 A1 WO 2010084800A1 JP 2010050207 W JP2010050207 W JP 2010050207W WO 2010084800 A1 WO2010084800 A1 WO 2010084800A1
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fuel
anode
fuel cell
cathode
distance
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Application number
PCT/JP2010/050207
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雄一 佐藤
大介 渡邉
元太 大道
Original Assignee
株式会社 東芝
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a fuel cell.
  • Fuel cells have the advantage that they can generate electricity simply by supplying fuel and air, and can continuously generate electricity if only the fuel is replenished / replaced. For this reason, if the size can be reduced, it can be said that the system is extremely advantageous for long-time operation of the portable electronic device.
  • direct methanol fuel cells are promising as power sources for small equipment because they can be miniaturized and are easier to handle than hydrogen gas fuel.
  • the DMFC fuel supply method includes gas supply type DMFC that vaporizes liquid fuel and then feeds it into the fuel cell with a blower, etc., liquid supply type DMFC that feeds liquid fuel directly into the fuel cell with a pump and the like, and liquid fuel
  • gas supply type DMFC that vaporizes liquid fuel and then feeds it into the fuel cell with a blower, etc.
  • liquid supply type DMFC that feeds liquid fuel directly into the fuel cell with a pump and the like
  • liquid fuel An internal vaporization type DMFC that vaporizes in a cell is known.
  • the internal vaporization type DMFC is described in, for example, Japanese Patent No. 3413111 and International Publication No. WO2006 / 057283.
  • the vaporized component of the liquid fuel held in the fuel permeation layer is diffused in the fuel vaporization layer (anode gas diffusion layer), and the diffused vaporized fuel is supplied to the anode catalyst layer, and the cathode catalyst layer Power generation reaction occurs in the electrolyte membrane with the air from the side.
  • liquid supply type DMFC a technique for connecting a cell and a fuel storage portion via a flow path is disclosed, for example, in Japanese translations of PCT publication No. 2005-518646, JP-A-2006-85952, and US Patent Publication No. 2006/0029851. It is disclosed in the gazette.
  • the supply amount of the liquid fuel can be adjusted based on the shape and diameter of the flow path.
  • the gasified fuel is confined on the anode side of the membrane electrode assembly and the power generation reaction is performed. It is necessary to release gas components such as gas (CO 2 ) and water vapor generated based on the outside of the system.
  • the present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide a fuel cell having excellent output characteristics.
  • a fuel cell includes: An electromotive part having a membrane electrode assembly including an anode, a cathode, and an electrolyte membrane sandwiched between the anode and the cathode; It is disposed on the opposite side of the electrolyte membrane with respect to the anode, and is provided with a fuel thin tube, a fuel discharge surface located on the surface facing the anode, and a part of the fuel discharge surface being opened.
  • a fuel discharge mechanism connected to the narrow tube and discharging fuel,
  • a moisturizing plate located on the opposite side of the electrolyte membrane from the cathode;
  • a cover plate located on the opposite side of the electromotive unit with respect to the moisturizing plate and having a plurality of ventilation holes;
  • the membrane electrode assembly is formed through at least the electrolyte membrane, and has a gas vent hole for letting a gas component generated on the anode side escape to the cathode side,
  • the ratio of the distance from the fuel discharge port to the lower part of the anode with respect to the distance from the fuel discharge port to the upper part of the moisturizing plate is 1/6 or more.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the membrane electrode assembly shown in FIG.
  • FIG. 3 shows (1) the distance from the fuel discharge port to the upper part of the moisturizing plate, (2) the distance from the fuel discharge port to the lower part of the anode in Examples 1 to 4 and Comparative Examples 1 to 3 of the above embodiment, (3
  • FIG. 3 is a table showing the distance ratio and (4) output relative value.
  • the fuel cell includes a fuel cell main body 1 and a fuel supply source 2 that houses the fuel and supplies the fuel to the fuel cell main body 1.
  • the fuel cell body 1 includes an electromotive unit having a membrane electrode assembly (MEA) 3, an anode current collector 31, a cathode current collector 34, a fuel electrode support plate 6, and a fuel supply mechanism.
  • MEA membrane electrode assembly
  • the fuel supply unit 7, the moisturizing plate 9, and the cover plate 15 are provided.
  • the membrane electrode assembly 3 includes an anode 21 as a fuel electrode, a cathode 24 as an air electrode disposed opposite to the anode 21 with a predetermined gap, an anode 21 and a cathode. And an electrolyte membrane 27 sandwiched between the two.
  • the fuel cell further includes a fuel accommodating portion 81 that accommodates the fuel 82 and supplies fuel to the fuel distribution mechanism 8 through the flow path 83, and a flow path 83 to which a pump 84 is attached.
  • the fuel 82 supplied from the fuel distribution mechanism 8 to the membrane electrode assembly 3 is consumed in the power generation reaction, and then circulates back to the fuel distribution mechanism 8 or the fuel storage portion 81. It will never be. Since this type of fuel cell does not circulate the fuel, it is a method different from the conventional active method and does not impair the downsizing of the device. Further, since the pump 84 is used for supplying the liquid fuel, which is different from the pure passive method such as the conventional internal vaporization type, the fuel cell of this method can be called a semi-passive type.
  • the membrane electrode assembly 3 has a rectangular power generation region R1.
  • the power generation region R1 has four effective regions R2 effective for power generation and a non-effective region R3 surrounding these effective regions. These effective regions R2 have a rectangular shape, have a long axis, and are spaced apart.
  • the membrane electrode assembly 3 has four power generating elements 20.
  • the power generation element 20 has a rectangular shape, has a long axis, and overlaps each effective region R2.
  • the four power generating elements 20 are formed of a common electrolyte membrane 27.
  • the anode 21 has an anode catalyst layer 22 and an anode gas diffusion layer 23 laminated on the anode catalyst layer 22.
  • the cathode 24 has a cathode catalyst layer 25 and a cathode gas diffusion layer 26 laminated on the cathode catalyst layer 25.
  • the anode catalyst layer 22 oxidizes the fuel supplied through the anode gas diffusion layer 23 and extracts electrons and protons from the fuel.
  • the cathode catalyst layer 25 reduces oxygen and reacts electrons with protons generated in the anode catalyst layer 22 to generate water.
  • Examples of the catalyst contained in the anode catalyst layer 22 and the cathode catalyst layer 25 include simple elements of platinum group elements such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, alloys containing the platinum group elements, and the like.
  • platinum group elements such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd
  • alloys containing the platinum group elements and the like.
  • Pt—Ru, Pt—Mo, or the like that has strong resistance to methanol, carbon monoxide, or the like.
  • the cathode catalyst layer 25 is preferably made of Pt, Pt—Ni, or the like.
  • 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 support such as a carbon material or an unsupported catalyst.
  • the electrolyte membrane 27 is a proton conductive film.
  • the electrolyte membrane 27 is for transporting protons generated in the anode catalyst layer 22 to the cathode catalyst layer 25.
  • the electrolyte membrane 27 is formed of a proton conductive material that does not have electronic conductivity and can transport protons.
  • a fluororesin such as a perfluorosulfonic acid polymer having a sulfonic acid group (Nafion (trade name, manufactured by DuPont), 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.
  • proton conductive materials are not limited to these.
  • the anode gas diffusion layer 23 serves to uniformly supply fuel to the anode catalyst layer 22 and has a current collecting function of the anode catalyst layer 22.
  • the cathode gas diffusion layer 26 serves to uniformly supply the oxidant to the cathode catalyst layer 25 and has a function of collecting the cathode catalyst layer 25.
  • the anode gas diffusion layer 23 and the cathode gas diffusion layer 26 are made of a porous substrate.
  • the anode current collector 31 and the cathode current collector 34 are made of, for example, a porous layer (for example, a mesh) or a foil body made of a metal material such as gold or nickel, or stainless steel (SUS).
  • a porous layer for example, a mesh
  • a foil body made of a metal material such as gold or nickel, or stainless steel (SUS).
  • a composite material in which a conductive metal material is coated with a good conductive metal such as gold can be used.
  • the membrane electrode assembly 3 in the fuel cell is liquid-tightly sealed by insulating O-rings (sealing materials) 38 and 39. These O-rings 38 and 39 form various spaces and gaps inside the fuel cell.
  • the anode current collector 31 is formed in a rectangular shape having a long axis corresponding to the power generation element 20, has a plurality of fuel passage holes, and is spaced from each other.
  • the cathode current collector 34 is formed in a rectangular shape having a long axis corresponding to the power generation element 20, has a plurality of fuel passage holes, and is spaced from each other.
  • the power generating element 20 constituting the membrane electrode assembly 3 is connected in series by the anode current collector 31 and the cathode current collector 34. In FIG. 1, it becomes a 4-row serial arrangement.
  • O-rings (seal materials) 38 and 39 are formed of, for example, rubber as an insulating material.
  • the O-ring 38 is formed in a frame shape so as to surround the outer periphery of the anode current collector 31.
  • the O-ring 39 is formed in a frame shape so as to surround the outer periphery of the cathode current collector 34.
  • the fuel cell main body 1 is formed so as to supply the vaporized component of the fuel to the anode gas diffusion layer 23 and the anode catalyst layer 22.
  • a gas-liquid separation film (not shown) is optionally provided between the anode current collector 31 and the fuel supply unit 7 to supply the fuel vaporized component to the anode gas diffusion layer 23 and the anode catalyst layer 22.
  • the O-ring (seal member) 38 has a function of preventing fuel leakage from the membrane electrode assembly 3.
  • Air as an oxidant passes through a vent hole (not shown) of the cover plate 15 and is supplied to the cathode gas diffusion layer 26 and the cathode catalyst layer 25 through a vent hole (not shown) of the cathode current collector 34.
  • the O-ring (sealing material) 39 has a function of preventing leakage of the oxidant from the membrane electrode assembly 3.
  • the fuel electrode support plate 6 is formed in a plate shape.
  • the fuel electrode support plate 6 has a rectangular plate portion 51.
  • the plate part 51 is sandwiched between the anode 21 and the fuel supply part 7.
  • the fuel electrode support plate 6 may be provided as necessary.
  • the fuel electrode support plate 6 has a plurality of fuel passage holes (not shown) through which fuel passes through the membrane electrode assembly 3, more specifically, the anode 21.
  • the fuel passage holes are provided in a matrix.
  • the fuel electrode support plate 6 is supplied with the vaporized component of the liquid fuel 82 as the fuel.
  • the liquid fuel 82 is not limited to a methanol fuel such as liquid methanol or an aqueous methanol solution.
  • a methanol fuel such as liquid methanol or an aqueous methanol solution.
  • an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol
  • a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol
  • an aqueous glycol solution such as pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel.
  • liquid fuel corresponding to the fuel cell is used.
  • the vaporized component of the liquid fuel 82 means vaporized methanol when liquid methanol is used as the liquid fuel 82, and from the vaporized component of methanol and the vaporized component of water when an aqueous methanol solution is used as the liquid fuel 82. Is a mixed gas.
  • the fuel supply unit 7 includes a fuel distribution mechanism 8 and a fuel diffusion unit 10.
  • the fuel distribution mechanism 8 is disposed on the opposite side of the electrolyte membrane 27 with respect to the anode 21.
  • the fuel diffusion unit 10 is disposed between the anode 21 and the fuel distribution mechanism 8.
  • the fuel distribution mechanism 8 is provided with a fuel discharge surface 67 located on the surface facing the anode 21, a part of the fuel discharge surface 67 being opened and connected to a narrow tube 65 to discharge fuel. And a discharge port 64.
  • One fuel injection port 63 is formed at an appropriate position of the fuel distribution mechanism 8, for example, at a side surface.
  • the liquid fuel 82 is injected from the fuel injection port 63.
  • the liquid fuel 82 injected into the fuel distribution mechanism 8 is guided to the fuel discharge port 64 through the thin tube 65. From the fuel discharge port 64, the liquid fuel 82 or its vaporized component is discharged. In this embodiment, the liquid fuel 82 is discharged from the fuel discharge port 64.
  • the fuel discharge port 64 is shown at one place, but the present invention is not limited to this, and a plurality of fuel discharge ports 64 may be provided.
  • the fuel inlet 63 may be directly connected to the flow path 83 as shown, or may be connected via another fuel passage.
  • the fuel diffusion unit 10 is disposed between the anode 21 and the fuel distribution mechanism 8.
  • the fuel diffusion unit 10 diffuses the liquid fuel 82 supplied from the fuel distribution mechanism 8 and discharges it to the anode 21.
  • the fuel diffusion unit 10 is provided as necessary.
  • the fuel diffusion unit 10 includes, for example, a first diffusion sheet 11 and a second diffusion sheet 12.
  • the first diffusion sheet 11 is provided on the fuel distribution mechanism 8 side and is disposed on the fuel discharge surface 67.
  • the second diffusion sheet 12 is provided on the membrane electrode assembly 3 side and is disposed on the first diffusion sheet 11. As described above, after the fuel is further diffused by the fuel diffusion unit 10, the fuel (fuel gas) is supplied from the fuel diffusion unit 10 to the anode 21.
  • the liquid fuel 82 discharged from the fuel discharge port 64 is supplied to the anode 21 after being diffused in the surface direction. For this reason, the supply amount of the liquid fuel 82 can be averaged, and the liquid fuel 82 can be evenly diffused to the anode 21 regardless of the direction or position. For this reason, the uniformity of the power generation reaction in the membrane electrode assembly 3 can be enhanced.
  • the fuel distribution in the plane of the anode 21 is leveled, and the fuel required for the power generation reaction in the membrane electrode assembly 3 can be supplied as a whole without excess or deficiency. Accordingly, the membrane electrode assembly 3 can efficiently generate a power generation reaction without causing an increase in size or complexity of the fuel cell. As a result, the output of the fuel cell can be improved. In other words, the output and its stability can be improved without impairing the advantages of a passive fuel cell that does not circulate fuel.
  • the moisture retaining plate 9 is located on the opposite side of the electrolyte membrane 27 with respect to the cathode gas diffusion layer 26.
  • the moisturizing plate 9 impregnates part of the water generated in the cathode catalyst layer 25 to suppress water evaporation and uniformly introduce an oxidant into the cathode gas diffusion layer 26, thereby providing a cathode catalyst layer.
  • 25 has a function of promoting uniform diffusion of the oxidant (air) to 25.
  • the moisturizing plate 9 is made of, for example, a porous member, and specific constituent materials include polyethylene and polypropylene porous bodies.
  • the moisture retaining plate 9 is a foamed polyethylene sheet.
  • the cover plate 15 is located on the opposite side of the cathode current collector 34 with respect to the moisture retention plate 9.
  • the cover plate 15 has a substantially box-like appearance and is made of, for example, stainless steel (SUS).
  • the cover plate 15 has a plurality of ventilation holes (not shown) for taking in air as an oxidant.
  • the ventilation holes are provided in a matrix, for example.
  • the side surfaces of the fuel diffusion portion 10, the fuel electrode support plate 6, the membrane electrode assembly 3, the anode current collector 31, the cathode current collector 34, and the moisture retention plate 9 described above are covered with the peripheral wall 62.
  • the cover plate 15 has, for example, a plurality of extending portions extending outward from the periphery, and the fuel cell main body 1 is such that these extending portions are caulked or screwed to the outer surface of the fuel distribution mechanism 8.
  • the fuel supply source 2 includes a fuel storage portion 81.
  • a liquid fuel 82 is stored in the fuel storage portion 81.
  • the fuel supply source 2 further includes a flow path 83 and a pump 84.
  • the flow path 83 is formed in a tube shape, for example, and is connected to the fuel storage portion 81 and the fuel injection port 63. For this reason, the liquid fuel 82 is introduced into the fuel supply unit 7 from the fuel storage unit 81 via the flow path 83.
  • the pump 84 is inserted in the middle of the flow path 83.
  • the pump 84 is not a circulation pump that circulates fuel, but is a fuel supply pump that sends the liquid fuel 82 from the fuel storage unit 81 to the fuel supply unit 7. By supplying the liquid fuel 82 with such a pump 84 when necessary, the controllability of the fuel supply amount can be improved.
  • the type of the pump 84 is not particularly limited, but a rotary pump (rotary vane pump), electroosmotic flow from the viewpoint that a small amount of liquid fuel 82 can be fed with good controllability and can be reduced in size and weight. It is preferable to use a pump, a diaphragm pump, a squeezing pump, or the like.
  • Rotary pumps are pumped by rotating wings with a motor.
  • the electroosmotic flow pump uses a sintered porous material such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon.
  • the diaphragm pump is a pump that feeds liquid by driving the diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics.
  • the squeezing pump presses a part of the flexible fuel flow path and squeezes the fuel.
  • the pump 84 is operated as necessary to supply the liquid fuel 82 from the fuel storage unit 81 to the fuel supply unit 7.
  • the fuel supply part 7 functions effectively, so that the fuel supply amount to the membrane electrode assembly 3 is uniform. Can be realized.
  • a fuel cutoff valve may be arranged instead of the pump 84.
  • the fuel cutoff valve is provided to control the supply of liquid fuel through the flow path.
  • the membrane electrode assembly 3 is formed so as to penetrate at least the electrolyte membrane 27, and has a gas vent hole h through which a gas component generated on the anode 21 side is released to the cathode 24 side.
  • the gas vent hole h allows gas components generated on the anode 21 side due to the power generation reaction to escape to the cathode 24 side. For this reason, the gas component generated on the anode 21 side is released to the cathode 24 side through the gas vent hole h, and further released to the outside of the system.
  • the gas component (reaction product) generated in each part of the membrane electrode assembly 3 is uniformly removed from the surface of the membrane electrode assembly 3, thereby supplying the supplied fuel to the membrane electrode assembly. 3 can be uniformly reached.
  • the number, size, and position of the gas vent holes h can be appropriately set in consideration of the area of the membrane electrode assembly 3 and the amount of gas generated.
  • the vent hole h is not limited to the ineffective region R3, and may be located in the effective region R2.
  • the gas vent holes h in each effective region R2, blockage of the gas vent holes h due to condensation of water vapor can be suppressed. Since the fuel is stably, uniformly and sufficiently supplied to the power generation element 20, it is possible to generate a power generation reaction efficiently and continuously in the entire membrane electrode assembly 3. As described above, a fuel cell is formed.
  • the distance from the fuel discharge port 64 to the upper part of the moisture retention plate 9 is defined as d1. More specifically, the distance d1 is a distance from the fuel discharge surface 67 to the surface of the moisturizing plate 9 facing the cover plate 15. The distance from the fuel discharge port 64 to the lower part of the anode 21 is d2. More specifically, the distance d2 is a distance from the fuel discharge surface 67 to the surface of the anode gas diffusion layer 23 facing the anode current collector 31.
  • the pump 84 is operated, and the liquid fuel 82 is introduced from the fuel storage part 81 into the fuel supply part 7 via the flow path 83.
  • the liquid fuel 82 is discharged from the fuel discharge port 64 of the fuel distribution mechanism 8 and diffused by the fuel discharge surface 67 and the fuel diffusion portion 10.
  • a gas-liquid separation film (not shown) may be provided as a vaporization film between the anode current collector 31 and the fuel supply unit 7. Thereby, the vaporization component of the fuel can be supplied to the anode gas diffusion layer 23 and the anode catalyst layer 22.
  • the fuel diffuses in the anode gas diffusion layer 23 and is supplied to the anode catalyst layer 22.
  • methanol fuel is used as the liquid fuel 82
  • an internal reforming reaction of methanol represented by the formula (1) occurs in the anode catalyst layer 22.
  • pure methanol is used as the methanol fuel
  • the water generated in the cathode catalyst layer 25 or the water in the electrolyte membrane 27 is reacted with methanol to cause the internal reforming reaction of the formula (1).
  • the internal reforming reaction is caused by another reaction mechanism that does not require water.
  • Electrons (e ⁇ ) generated by this reaction are led to the outside from a terminal (not shown) connected to the anode current collector 31, and after operating a portable electronic device as so-called electricity, the cathode current collector A terminal (not shown) connected to 34 is led to the cathode 24. Further, protons (H + ) generated by the internal reforming reaction of the formula (1) are guided to the cathode 24 through the electrolyte membrane 27. Air is supplied to the cathode 24 as an oxidant. Electrons (e ⁇ ) and protons (H + ) that reach the cathode 24 react with oxygen in the air in the cathode catalyst layer 25 according to the formula (2), and water is generated in accordance with this reaction.
  • the inventors of the present application measured the outputs of the fuel cells of Examples 1 to 4 and the fuel cells of Comparative Examples 1 to 3 shown below. And the output relative value of various fuel cells was computed based on the measured output.
  • pure methanol fuel is used as the fuel, and the pure methanol fuel stored in the fuel storage unit 81 is pumped to the fuel discharge port 64 using the pump 84, and power is generated at a constant voltage of 1.5V.
  • the output was measured.
  • the fuel cell was placed in an environment with a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%.
  • Example 1 First, the fuel cell of Example 1 will be described. As shown in FIGS. 1 to 3, the distance d ⁇ b> 1 from the fuel discharge port 64 to the upper part of the moisture retention plate 9 is 3.0 mm. The distance d2 from the fuel discharge port 64 to the lower part of the anode 21 is 0.5 mm. The ratio of the distance d2 to the distance d1 is 1/6.
  • Example 2 Next, the fuel cell of Example 2 will be described. As shown in FIGS. 1 to 3, the distance d ⁇ b> 1 from the fuel discharge port 64 to the upper part of the moisture retention plate 9 is 3.0 mm. The distance d2 from the fuel discharge port 64 to the lower part of the anode 21 is 1 mm. The ratio of the distance d2 to the distance d1 is 1/3. When the output of the fuel cell of Example 2 was measured, the output relative value was 105%. As described above, a fuel cell with high output could be realized.
  • Example 3 Next, the fuel cell of Example 3 will be described. As shown in FIGS. 1 to 3, the distance d1 from the fuel discharge port 64 to the upper portion of the moisture retention plate 9 is 2.0 mm. The distance d2 from the fuel discharge port 64 to the lower part of the anode 21 is 0.5 mm. The ratio of the distance d2 to the distance d1 is 1/4. When the output of the fuel cell of Example 3 was measured, the output relative value was 103%. As described above, a fuel cell with high output could be realized.
  • Example 4 Next, a fuel cell of Example 4 will be described. As shown in FIGS. 1 to 3, the distance d1 from the fuel discharge port 64 to the upper portion of the moisture retaining plate 9 is 3.5 mm. A distance d2 from the fuel discharge port 64 to the lower portion of the anode 21 is 0.7 mm. The ratio of the distance d2 to the distance d1 is 1/5. When the output of the fuel cell of Example 4 was measured, the output relative value was 103%. As described above, a fuel cell with high output could be realized.
  • the fuel cell main body 1 includes the electromotive unit having the membrane electrode assembly 3, the fuel distribution mechanism 8, the moisturizing plate 9, and the cover plate 15. Yes.
  • the fuel distribution mechanism 8 includes a fuel thin tube 65, a fuel discharge surface 67, and a fuel discharge port 64. Since the membrane electrode assembly 3 has the gas vent hole h, the gas component generated on the anode 21 side can escape to the cathode 24 side.
  • the ratio of the distance d2 to the distance d1 is 1/6 or more.
  • the distance d2 is 0.5 mm or more.
  • the ratio of the distance d2 to the distance d1 is less than 1/6.
  • the distance until the gas component (CO 2 or the like) escapes to the atmosphere is long.
  • the air (oxidant) enters the cathode 24 from the atmosphere, the air (oxidant) interferes with gas components (CO 2 or the like). For this reason, as a result, the amount of inflow of air (oxidant) to the cathode 24 decreases, and the output decreases.
  • the distance d is preferably 0.5 mm or more.
  • the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage.
  • Various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiments. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment.
  • the mechanism for feeding the liquid fuel 82 from the fuel storage part 81 to the fuel supply part 7 is not particularly limited.
  • the liquid fuel 82 can be dropped from the fuel storage part 81 to the fuel supply part 7 and fed by using gravity.
  • the flow path 83 filled with a porous body or the like liquid can be fed from the fuel storage part 81 to the fuel supply part 7 by capillary action.
  • the flow path 83 is not limited to piping independent of the fuel supply unit 7 and the fuel storage unit 81.
  • the flow path of the liquid fuel 82 that connects them may be integrally formed.
  • the fuel supply unit 7 only needs to be connected to the fuel storage unit 81 via the flow path 83.
  • the membrane electrode assembly 3 includes a plurality of power generation elements 20 and the power generation elements 20 are connected in series. However, the present invention is not limited to this.
  • the membrane electrode assembly 3 may include one power generation element 20 formed in the power generation region R1 where the anode 21, the cathode 24, and the electrolyte membrane 27 overlap.
  • the 1 may include a control unit that controls the pump 84.
  • the control of the fuel supply (liquid feeding) pump 84 is preferably performed with reference to the output of the fuel cell, for example.
  • the output of the fuel cell is detected by the control unit, and a control signal is sent to the pump 84 based on the detection result.
  • On / off of the pump 84 is controlled based on a control signal sent from the control unit.
  • the operation of the pump 84 is controlled based on temperature information, operation state information of an electronic device that is a power supply destination, etc. in addition to the output of the fuel cell, so that more stable operation can be achieved.
  • the pump 84 As a specific operation control method of the pump 84, for example, when the output from the fuel cell becomes higher than a predetermined specified value, the pump 84 is stopped or the liquid feeding amount is reduced, and the output becomes lower than the specified value. The method of resuming the operation of the pump 84 or increasing the amount of liquid to be fed is given. As another operation control method, when the rate of change in output from the fuel cell is positive, the operation of the pump 84 is stopped or the amount of liquid fed is reduced, and when the rate of change in output becomes negative, the operation of the pump 84 is performed. The method of restarting or increasing the amount of liquid to be fed can be mentioned.
  • the fuel supply source 2 shown in FIG. 1 uses a small amount of fuel that is inevitably generated even when the fuel cell is not used, and the suction during the pump re-operation described above.
  • a fuel cutoff valve may be provided.
  • the fuel cutoff valve is preferably arranged in series with the pump 84.
  • the fuel cutoff valve is inserted into a flow path 83 between the pump 84 and the fuel supply unit 7, for example. Even if the fuel cutoff valve is installed between the pump 84 and the fuel storage part 81, there is no functional problem.
  • the fuel cutoff valve is arranged in place of the pump 84 shown in FIG.
  • a fuel cutoff valve is inserted into the flow path 83 that connects the fuel supply unit 7 and the fuel storage unit 81.
  • a balance valve that balances the pressure in the fuel accommodating portion 81 with the outside air is attached to the fuel accommodating portion 81 and the flow path 83.
  • the balance valve is installed in the fuel storage unit 81, for example.
  • the balance valve includes a valve movable piece, a spring that operates the valve movable piece in accordance with the pressure in the fuel storage portion 81, and a seal portion that seals the valve movable piece and closes it. Yes.
  • the present invention is not limited to a direct methanol fuel cell but can be applied to other fuel cells.
  • the liquid fuel 82 is not necessarily limited to methanol fuel.
  • the liquid fuel 82 is effective when various liquid fuels are used, and the type and concentration of the liquid fuel are not limited.
  • liquid fuel supplied to the membrane electrode assembly 3 may be supplied entirely with the vapor of the liquid fuel, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel is supplied in a liquid state. it can.
  • a fuel cell excellent in output characteristics can be provided.

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Abstract

　燃料電池は、起電部と、燃料分配機構（８）と、保湿板（９）と、カバープレート（１５）とを備えている。起電部は、アノード（２１）と、カソード（２４）と、電解質膜（２７）とを含んだ膜電極接合体（３）を有している。燃料分配機構（８）は、燃料の細管（６５）と、燃料排出面（６７）と、燃料排出口（６４）とを有している。膜電極接合体（３）は、少なくとも電解質膜（２７）を貫通して形成され、アノード（２１）側に生じたガス成分をカソード（２４）側に逃がすガス抜き孔（ｈ）を有している。燃料排出口（６４）から保湿板（９）上部までの距離（ｄ１）に対する燃料排出口（６４）からアノード（２１）下部までの距離（ｄ２）の割合は、１／６以上である。

Description

燃料電池
　本発明は、燃料電池に関する。
　近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯用電子機器の電源に、燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は、携帯用電子機器を、充電なしで長時間使用可能とするものである。燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化ができれば携帯電子機器の長時間の作動に極めて有利なシステムといえる。
　特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望である。
　ＤＭＦＣの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣ、液体燃料をセル内で気化させる内部気化型ＤＭＦＣ等が知られている。このうち内部気化型ＤＭＦＣは、例えば特許第３４１３１１１号公報及び国際公開番号ＷＯ２００６／０５７２８３号公報に記載されている。
　内部気化型ＤＭＦＣでは、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を燃料気化層（アノードガス拡散層）において拡散させ、拡散された気化燃料がアノード触媒層に供給され、カソード触媒層側からの空気と電解質膜において発電反応する。
　なお、液体供給型ＤＭＦＣでは、セルと燃料収容部とを流路を介して接続する技術が、例えば、特表２００５－５１８６４６号公報、特開２００６－８５９５２号公報及び米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報に開示されている。液体燃料を、流路を介してセルに供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。
　上記燃料電池において、燃料収容部から直接もしくは流路を介して導入された液体燃料を気化させてアノードに供給する場合、膜電極接合体のアノード側ではガス化した燃料を閉じ込めつつ、発電反応に基づいて生じるガス（ＣＯ２）や水蒸気等のガス成分を系外に放出する必要がある。
　しかしながら、従来、アノード側で発生したガス成分を系外に放出させることで燃料をアノード側に良好に供給させ、かつ、カソード側に酸素（空気）を良好に供給させることは困難であった。この場合、燃料電池の出力低下が生じる恐れがある。さらに、出力（発電量）が不安定になり、所望の出力を安定して得ることができない恐れがある。　
　この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、出力特性に優れた燃料電池を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明の態様に係る燃料電池は、
　アノードと、カソードと、前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜と、を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、
　前記アノードに対して前記電解質膜の反対側に配置され、燃料の細管と、前記アノードと対向した側の表面に位置した燃料排出面と、前記燃料排出面の一部を開口して設けられているとともに前記細管に繋げられ燃料を排出する燃料排出口と、を有する燃料分配機構と、
　前記カソードに対して前記電解質膜の反対側に位置した保湿板と、
　前記保湿板に対して前記起電部の反対側に位置し、複数の通気孔を有したカバープレートと、を備え、
　前記膜電極接合体は、少なくとも前記電解質膜を貫通して形成され、前記アノード側に生じたガス成分を前記カソード側に逃がすガス抜き孔を有し、
　前記燃料排出口から前記保湿板上部までの距離に対する前記燃料排出口から前記アノード下部までの距離の割合は、１／６以上である。
図１は、この発明の実施の形態に係る燃料電池を示す断面図である。 図２は、図１に示した膜電極接合体を示す平面図である。 図３は、上記実施の形態の実施例１乃至４及び比較例１乃至３の（１）燃料排出口から保湿板上部までの距離、（２）燃料排出口からアノード下部までの距離、（３）上記距離の比率及び（４）出力相対値を表で示した図である。
　以下、図面を参照しながらこの発明の実施の形態に係る燃料電池について詳細に説明する。この実施の形態において、直接メタノール型の燃料電池について説明する。
　図１に示すように、燃料電池は、燃料電池本体１と、燃料を収容するとともに燃料を燃料電池本体１に与える燃料供給源２とを備えている。
　燃料電池本体１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３を有する起電部と、アノード集電体３１と、カソード集電体３４と、燃料極支持板６と、燃料供給機構としての燃料供給部７と、保湿板９と、カバープレート１５とを備えている。
　図１及び図２に示すように、膜電極接合体３は、燃料極としてのアノード２１と、アノード２１に所定の隙間を置いて対向配置された空気極としてのカソード２４と、アノード２１及びカソード２４間に挟持された電解質膜２７とを有している。
　燃料電池は、さらに燃料８２を収容するとともに流路８３により燃料分配機構８に燃料を供給する燃料収容部８１と、ポンプ８４が取り付けられた流路８３とを備えている。この実施の形態の燃料電池では、燃料分配機構８から膜電極接合体３に供給された燃料８２は発電反応に消費されてしまい、その後に循環して燃料分配機構８あるいは燃料収容部８１に戻されることはない。このタイプの燃料電池は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なる方式であり、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８４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ため、この方式の燃料電池はいわばセミパッシブ型と呼ぶことができる。
　この実施の形態において、膜電極接合体３は矩形状の発電領域Ｒ１を有している。発電領域Ｒ１は、発電に有効な４つの有効領域Ｒ２と、これら有効領域を囲んだ非有効領域Ｒ３とを有している。これらの有効領域Ｒ２は、矩形状であり、長軸を有し、間隔を置いて位置している。
　また、膜電極接合体３は４つの発電素子２０を有している。発電素子２０は、矩形状であり、長軸を有し、それぞれ有効領域Ｒ２に重なっている。４つの発電素子２０は共通の電解質膜２７で形成されている。
　アノード２１は、アノード触媒層２２と、アノード触媒層２２に積層されたアノードガス拡散層２３とを有している。カソード２４は、カソード触媒層２５と、カソード触媒層２５に積層されたカソードガス拡散層２６とを有している。
　アノード触媒層２２は、アノードガス拡散層２３を介して供給される燃料を酸化させ燃料から電子とプロトンとを取り出すものである。カソード触媒層２５は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層２２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る。
　アノード触媒層２２やカソード触媒層２５に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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２２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２５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。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
　電解質膜２７はプロトン導電膜である。電解質膜２７は、アノード触媒層２２において発生したプロトンをカソード触媒層２５に輸送するためのものである。電解質膜２７は、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能なプロトン伝導性の材料で形成されている。
　電解質膜２７を形成する材料としては、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、プロトン伝導性の材料はこれらに限られるものではない。
　アノードガス拡散層２３は、アノード触媒層２２に燃料を均一に供給する役割を果たし、アノード触媒層２２の集電機能を有している。カソードガス拡散層２６は、カソード触媒層２５に酸化剤を均一に供給する役割を果たし、カソード触媒層２５の集機能を有している。アノードガス拡散層２３及びカソードガス拡散層２６は多孔質基材で構成されている。
　図１に示すように、アノード集電体３１及びカソード集電体３４は、例えば、金、ニッケル等の金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）又は箔体、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等をそれぞれ使用することができる。
　燃料電池内の膜電極接合体３は、絶縁性のＯリング（シール材）３８，３９によって液密にシールされている。これらのＯリング３８，３９によって燃料電池の内部に種々のスペースや間隙が形成されている。
　アノード集電体３１は、発電素子２０に対応し長軸を有する矩形状に形成され、複数の燃料通過孔を有し、互いに間隔を置いて位置している。
　カソード集電体３４は、発電素子２０に対応し長軸を有する矩形状に形成され、複数の燃料通過孔を有し、互いに間隔を置いて位置している。
　これらアノード集電体３１およびカソード集電体３４により、膜電極接合体３を構成する発電素子２０を直列接続する。図１においては、４列直列配置となる。
　Ｏリング（シール材）３８及び３９は、絶縁材料として、例えばゴムで形成されている。Ｏリング３８は、アノード集電体３１の外周を囲むよう枠状に形成されている。Ｏリング３９は、カソード集電体３４の外周を囲むよう枠状に形成されている。
　上記したように、膜電極接合体３及びアノード集電体３１が組合さることで、燃料の気化成分は、アノード集電体３１の燃料通過孔（図示せず）を通ってアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給される。このため、燃料電池本体１は、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給するように形成されている。
　例えば、アノード集電体３１と、燃料供給部７との間に、任意に図示しない気液分離膜を設けることにより、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給することができる。ここで、Ｏリング（シール材）３８は、膜電極接合体３からの燃料の漏れを防止する機能を有している。
　酸化剤としての空気は、カバープレート１５の通気孔（図示せず）を通り、カソード集電体３４の通気孔（図示せず）を通ってカソードガス拡散層２６及びカソード触媒層２５に供給される。ここで、Ｏリング（シール材）３９は、膜電極接合体３からの酸化剤の漏れを防止する機能を有している。
　図１に示すように、燃料極支持板６は、板状に形成されている。燃料極支持板６は、矩形状の板部５１を有している。板部５１は、アノード２１及び燃料供給部７間に挟持されている。なお、燃料極支持板６は、必要に応じて設けられていれば良い。
　燃料極支持板６は、膜電極接合体３、より詳しくはアノード２１に燃料を通過させる複数の燃料通過孔（図示せず）を有している。燃料通過孔は、マトリクス状に設けられている。上述した燃料極支持板６には、燃料として液体燃料８２の気化成分が供給される。
　ここで、液体燃料８２としては、液体のメタノール等のメタノール燃料、又はメタノール水溶液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が挙げられる。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。液体燃料８２の気化成分とは、液体燃料８２として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料８２としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合ガスを意味する。
　燃料供給部７は、燃料分配機構８と、燃料拡散部１０とを備えている。燃料分配機構８は、アノード２１に対して電解質膜２７の反対側に配置されている。燃料拡散部１０は、アノード２１及び燃料分配機構８間に配置されている。
　燃料分配機構８は、アノード２１と対向した側の表面に位置した燃料排出面６７と、燃料排出面６７の一部を開口して設けられているとともに細管６５に繋げられ、燃料を排出する燃料排出口６４とを有している。
　燃料注入口６３は、燃料分配機構８の適所、例えば側面に１つ形成されている。液体燃料８２は、燃料注入口６３から注入される。燃料分配機構８に注入された液体燃料８２は、細管６５を介して燃料排出口６４に導かれる。燃料排出口６４からは、液体燃料８２又はその気化成分が排出される。この実施の形態においては、燃料排出口６４からは液体燃料８２が排出される。
　図１においては、燃料排出口６４は、１箇所で示されているが、これに限らず、複数の燃料排出口６４を有してもよい。燃料注入口６３は、図示した通り流路８３と直接接続されても良いし、他の燃料通路を経由して接続されていても良い。
　燃料拡散部１０は、アノード２１及び燃料分配機構８間に配置されている。燃料拡散部１０は、燃料分配機構８から供給される液体燃料８２をより拡散してアノード２１に排出するものである。なお、燃料拡散部１０は必要に応じて設けられている。
　燃料拡散部１０は、例えば、第１拡散シート１１及び第２拡散シート１２を有している。第１拡散シート１１は、燃料分配機構８側に設けられ、燃料排出面６７上に配置されている。第２拡散シート１２は、膜電極接合体３側に設けられ、第１拡散シート１１上に配置されている。上記したように、燃料拡散部１０によって燃料が一層拡散された後、燃料拡散部１０からアノード２１に燃料（燃料ガス）が供給される。
　燃料排出口６４から排出される液体燃料８２は、面方向に拡散された後、アノード２１に供給される。このため、液体燃料８２の供給量を平均化することができ、液体燃料８２を方向や位置に拘わりなく、アノード２１に均等に拡散させることができる。このため、膜電極接合体３における発電反応の均一性を高めることができる。
　すなわち、アノード２１の面内における燃料の分布が平準化され、膜電極接合体３での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。従って、燃料電池の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体３で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させないパッシブ型燃料電池の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
　保湿板９は、カソードガス拡散層２６に対して電解質膜２７の反対側に位置している。この保湿板９は、カソード触媒層２５で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソードガス拡散層２６に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層２５への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿板９は、たと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。この実施の形態において、保湿板９は発泡ポリエチレンシートである。
　カバープレート１５は、保湿板９に対してカソード集電体３４の反対側に位置している。カバープレート１５は、外観が略箱状のものであり、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１５は、酸化剤である空気を取入れるための複数の通気孔（図示せず）を有している。通気孔は、例えばマトリクス状に設けられている。
　上述した燃料拡散部１０、燃料極支持板６、膜電極接合体３、アノード集電体３１、カソード集電体３４及び保湿板９は、それぞれの側面が周壁６２によって覆われている。カバープレート１５は、例えば周縁から外側に延出した複数の延出部を有しており、燃料電池本体１は、これら延出部が燃料分配機構８の外面にかしめ加工あるいはねじ止めされることにより完成する。
　図１に示すように、燃料供給源２は、燃料収容部８１を備えている。燃料収容部８１には液体燃料８２が収容されている。燃料供給源２は、流路８３及びポンプ８４をさらに備えている。流路８３は例えばチューブ状に形成され、燃料収容部８１及び燃料注入口６３に接続されている。このため、燃料供給部７には燃料収容部８１から流路８３を介して液体燃料８２が導入される。
　ポンプ８４は、流路８３の途中に挿入されている。ポンプ８４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８１から燃料供給部７に液体燃料８２を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ８４で必要時に液体燃料８２を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
　ポンプ８４の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料８２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、ロータリーポンプ（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。
　ポンプ８４は、必要時動作させて燃料収容部８１から燃料供給部７に液体燃料８２を供給する。このように、ポンプ８４で燃料収容部８１から燃料供給部７まで液体燃料８２を送液する場合においても、燃料供給部７は有効に機能するため、膜電極接合体３に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。
　また、燃料供給部７から膜電極接合体３への燃料供給が行われる構成であればポンプ８４に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
　膜電極接合体３は、少なくとも電解質膜２７を貫通して形成され、アノード２１側に生じたガス成分をカソード２４側に逃がすガス抜き孔ｈを有している。ガス抜き孔ｈは、発電反応に伴ってアノード２１側に発生するガス成分をカソード２４側に逃すものである。このため、アノード２１側に発生したガス成分は、ガス抜き孔ｈを介してカソード２４側に逃され、さらには系外に放出される。
　このように、膜電極接合体３の各部で発生するガス成分（反応生成物）を、膜電極接合体３の面内に対して均一に除去することによって、供給された燃料を膜電極接合体３全体に均一に到達させることができる。ガス抜き孔ｈの数、サイズ及び位置は、膜電極接合体３の面積やガス発生量等を考慮して適宜に設定することができる。
　例えば、ガス抜き孔ｈは、非有効領域Ｒ３に限らず、有効領域Ｒ２に位置していても良い。各有効領域Ｒ２にガス抜き孔ｈを設けることにより、水蒸気の凝結によるガス抜き孔ｈの閉塞を抑制することができる。発電素子２０に対して燃料が安定して均一かつ十分に供給されるため、膜電極接合体３全体で効率的にかつ継続的に発電反応を生起させることが可能となる。　
　上記したように、燃料電池が形成されている。
　ここで、燃料排出口６４から保湿板９上部までの距離をｄ１とする。より詳しくは、距離ｄ１は、燃料排出面６７からカバープレート１５と対向した保湿板９の表面までの距離である。また、燃料排出口６４からアノード２１下部までの距離をｄ２とする。より詳しくは、距離ｄ２は、燃料排出面６７からアノード集電体３１と対向したアノードガス拡散層２３の表面までの距離である。
　次に、上記燃料電池による発電の仕組みについて説明する。　
　まず、ポンプ８４を稼動させ、燃料収容部８１から流路８３を介して燃料供給部７に液体燃料８２を導入させる。この液体燃料８２は燃料分配機構８の燃料排出口６４から排出され、燃料排出面６７及び燃料拡散部１０によって拡散される。
　なお、例えば、アノード集電体３１と、燃料供給部７との間に、気化膜として図示しない気液分離膜を設けても良い。これにより、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給することができる。
　膜電極接合体３内において、燃料はアノードガス拡散層２３にて拡散してアノード触媒層２２に供給される。液体燃料８２としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層２２で式（１）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２５で生成した水や電解質膜２７中の水をメタノールと反応させて式（１）の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
　　ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ　→　ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ－　…（１）
　この反応で生成した電子（ｅ－）はアノード集電体３１に接続された端子（図示せず）から外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード集電体３４に接続された端子（図示せず）からカソード２４に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は電解質膜２７を経てカソード２４に導かれる。カソード２４には酸化剤として空気が供給される。カソード２４に到達した電子（ｅ－）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層２５で空気中の酸素と式（２）にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
　　６ｅ－＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２　→　３Ｈ２Ｏ　…（２）
　上記したように、燃料電池による発電が行われる。
　ここで、本願発明者等は、上記実施の形態の燃料電池を評価するため、下記に示す実施例１乃至４の燃料電池、並びに比較例１乃至３の燃料電池の出力を測定した。そして、測定した出力を基に、各種燃料電池の出力相対値を算出した。
　出力を測定する際、燃料として純メタノール燃料を用い、燃料収容部８１に収容された純メタノール燃料をポンプ８４を用いて燃料排出口６４まで液送し、１．５Ｖの定電圧で発電を行い、出力を測定した。また、燃料電池を、温度２５℃、相対湿度５０％の環境下に配置した。
　（実施例１）
　まず、実施例１の燃料電池について説明する。図１乃至図３に示すように、燃料排出口６４から保湿板９上部までの距離ｄ１は３．０ｍｍである。燃料排出口６４からアノード２１下部までの距離ｄ２は０．５ｍｍである。距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、１／６である。
　実施例１の燃料電池の出力を測定したところ、十分に高い出力を得ることができた。なお、実施例１の燃料電池の出力を１００％とした。上記したことから、出力の高い燃料電池を実現することができた。
　（実施例２）
　次に、実施例２の燃料電池について説明する。図１乃至図３に示すように、燃料排出口６４から保湿板９上部までの距離ｄ１は３．０ｍｍである。燃料排出口６４からアノード２１下部までの距離ｄ２は１ｍｍである。距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、１／３である。　
　実施例２の燃料電池の出力を測定したところ、出力相対値は、１０５％であった。上記したことから、出力の高い燃料電池を実現することができた。
　（実施例３）
　次に、実施例３の燃料電池について説明する。図１乃至図３に示すように、燃料排出口６４から保湿板９上部までの距離ｄ１は２．０ｍｍである。燃料排出口６４からアノード２１下部までの距離ｄ２は０．５ｍｍである。距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、１／４である。　
　実施例３の燃料電池の出力を測定したところ、出力相対値は、１０３％であった。上記したことから、出力の高い燃料電池を実現することができた。
　（実施例４）
　次に、実施例４の燃料電池について説明する。図１乃至図３に示すように、燃料排出口６４から保湿板９上部までの距離ｄ１は３．５ｍｍである。燃料排出口６４からアノード２１下部までの距離ｄ２は０．７ｍｍである。距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、１／５である。　
　実施例４の燃料電池の出力を測定したところ、出力相対値は、１０３％であった。上記したことから、出力の高い燃料電池を実現することができた。
　（比較例１）
　次に、比較例１の燃料電池について説明する。図１乃至図３に示すように、燃料排出口６４から保湿板９上部までの距離ｄ１は３．５ｍｍである。燃料排出口６４からアノード２１下部までの距離ｄ２は０．５ｍｍである。距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、１／７である。　
　比較例１の燃料電池の出力を測定したところ、出力相対値は、９８％であった。アノード２１側で発生したガス成分（ＣＯ２等）がカソード２４側で滞留して抜けず、相対的な空気濃度が低下したためである。上記したことから、出力の高い燃料電池を実現することができなかった。
　（比較例２）
　次に、比較例２の燃料電池について説明する。図１乃至図３に示すように、燃料排出口６４から保湿板９上部までの距離ｄ１は３．０ｍｍである。燃料排出口６４からアノード２１下部までの距離ｄ２は０．４ｍｍである。距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、２／１５である。　
　比較例２の燃料電池の出力を測定したところ、出力相対値は、９５％であった。アノード２１側で発生したガス成分（ＣＯ２等）がアノード２１側で滞留して抜けず、相対的な燃料濃度が低下したためである。上記したことから、出力の高い燃料電池を実現することができなかった。
　（比較例３）
　次に、比較例３の燃料電池について説明する。図１乃至図３に示すように、燃料排出口６４から保湿板９上部までの距離ｄ１は２．０ｍｍである。燃料排出口６４からアノード２１下部までの距離ｄ２は０．２ｍｍである。距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、１／１０である。　
　比較例３の燃料電池の出力を測定したところ、出力相対値は、９３％であった。アノード２１側で発生したガス成分（ＣＯ２等）がアノード２１側で滞留して抜けず、相対的な燃料濃度が低下したためである。上記したことから、出力の高い燃料電池を実現することができなかった。
　以上のように構成された燃料電池によれば、燃料電池本体１は、膜電極接合体３を有する起電部と、燃料分配機構８と、保湿板９と、カバープレートと１５とを備えている。燃料分配機構８は、燃料の細管６５と、燃料排出面６７と、燃料排出口６４とを有している。膜電極接合体３は、ガス抜き孔ｈを有しているため、アノード２１側に生じたガス成分をカソード２４側に逃がすことができる。
　上記実施例１乃至４において、距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、１／６以上である。距離ｄ２は、０．５ｍｍ以上である。アノード２１側及びカソード２４側に適度な空間がある。ガス成分（ＣＯ２等）は、ガス抜き孔ｈを通じてカソード２４側に抜けるため、燃料８２はアノード２１に良好に供給される。
　上記のように、カソード２４側には適度な空間がある。このため、ガス成分（ＣＯ２等）が抜けるときに、空気（酸化剤）は、ガス成分（ＣＯ２等）に邪魔されること無く、カソード２４に良好に供給される。このため、上記実施例１乃至４の場合、燃料電池の出力をより一層向上でき、出力の安定性をより一層高めることができる。　
　上記したことから、出力特性に優れた燃料電池を得ることができる。また、燃料電池の小型化を図ることができる。
　一方、上記比較例１乃至３において、距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合は、１／６未満である。この場合、ガス成分（ＣＯ２等）が大気に抜けるまでの距離が長い。空気（酸化剤）が大気からカソード２４に入る際、空気（酸化剤）は、ガス成分（ＣＯ２等）と干渉することになる。このため、結果的に、カソード２４への空気（酸化剤）の流入量が減ることになり、出力が低下してしまう。
　また、距離ｄ１に対する距離ｄ２の割合が１／６以上であっても、距離ｄ２が０．５ｍｍ未満の場合は、ガス成分（ＣＯ２等）がアノード２１側で滞留してしまうために、燃料濃度が薄まることになり、出力が低下してしまう傾向となるため、距離ｄは、０．５ｍｍ以上が好ましい。
　なお、この発明は上記実施の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可能である。また、上記実施の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。
　液体燃料８２を燃料収容部８１から燃料供給部７まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料８２を燃料収容部８１から燃料供給部７まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路８３を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部８１から燃料供給部７まで送液することもできる。
　流路８３は燃料供給部７や燃料収容部８１と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部７と燃料収容部８１とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料８２の流路も一体に形成してもよい。燃料供給部７は流路８３を介して燃料収容部８１と接続されていれば良い。
　膜電極接合体３は複数の発電素子２０を有し、発電素子２０が直列に接続されているが、これに限られるものではない。膜電極接合体３は、アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７が重なった発電領域Ｒ１に形成された１つの発電素子２０を有していても良い。
　図１に示した燃料収容部８１は、ポンプ８４を制御する制御部を有していても良い。燃料供給用（送液用）のポンプ８４の制御は、例えば燃料電池の出力を参照して行うことが好ましい。燃料電池の出力は制御部で検出され、この検出結果に基づいてポンプ８４に制御信号が送られる。ポンプ８４は制御部から送られる制御信号に基づいてオン／オフが制御される。ポンプ８４の動作は燃料電池の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転状態情報等に基づいて制御することで、より安定した運転が達成できる。
　ポンプ８４の具体的な動作制御方法としては、例えば燃料電池からの出力が所定の規定値より高くなった場合にポンプ８４を停止または送液量を低下させ、出力が規定値より低くなった場合にポンプ８４の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。別の動作制御方法としては、燃料電池からの出力の変化率がプラスの場合にポンプ８４の運転を停止または送液量を低下させ、出力の変化率がマイナスになった場合にポンプ８４の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。
　燃料電池としての安定性や信頼性を高めるため、図１に示した燃料供給源２は、燃料電池の未使用時にも不可避的に発生する微量な燃料の消費や上述したポンプ再運転時の吸い込み不良等を回避するために燃料遮断バルブを有していても良い。燃料遮断バルブは、ポンプ８４と直列に配置することが好ましい。燃料遮断バルブは、例えばポンプ８４と燃料供給部７との間の流路８３に挿入されている。燃料遮断バルブは、ポンプ８４と燃料収容部８１との間に設置しても機能上の支障はない。
　さらに、燃料遮断バルブは、図１に示したポンプ８４に代えて配置していても有効である。例えば、燃料供給部７と燃料収容部８１とを接続する流路８３に燃料遮断バルブを挿入する。このような構成を適用することによって、膜電極接合体３に対する燃料の供給を制御し、燃料電池の出力制御性を高めることができる。この場合の燃料遮断バルブの動作制御は、上述したポンプ８４の動作制御と同様に実施することができる。
　図１に示した燃料電池において、燃料収容部８１や流路８３に、燃料収容部８１内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着することが好ましい。バランスバルブは、例えば燃料収容部８１に設置されている。図示しないが、バランスバルブは、バルブ可動片と、燃料収容部８１内の圧力に応じてバルブ可動片を動作させるスプリングと、バルブ可動片をシールして閉状態とするシール部とを有している。
　この発明は、直接メタノール型の燃料電池に限定されるものではなく、他の燃料電池に適用可能である。そして、液体燃料８２も、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８２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。
　また、膜電極接合体３へ供給される液体燃料においても、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。
　この発明によれば、出力特性に優れた燃料電池を提供することができる。

Claims (8)

  1. 　アノードと、カソードと、前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜と、を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、
    　前記アノードに対して前記電解質膜の反対側に配置され、燃料の細管と、前記アノードと対向した側の表面に位置した燃料排出面と、前記燃料排出面の一部を開口して設けられているとともに前記細管に繋げられ燃料を排出する燃料排出口と、を有する燃料分配機構と、
    　前記カソードに対して前記電解質膜の反対側に位置した保湿板と、
    　前記保湿板に対して前記起電部の反対側に位置し、複数の通気孔を有したカバープレートと、を備え、
    　前記膜電極接合体は、少なくとも前記電解質膜を貫通して形成され、前記アノード側に生じたガス成分を前記カソード側に逃がすガス抜き孔を有し、
    　前記燃料排出口から前記保湿板上部までの距離に対する前記燃料排出口から前記アノード下部までの距離の割合は、１／６以上である燃料電池。
  2. 　前記アノードは、アノード触媒層と、前記アノード触媒層に対して前記電解質膜の反対側に位置したアノードガス拡散層と、を有し、
    　前記アノード下部は、前記アノードガス拡散層下部である請求項１に記載の燃料電池。
  3. 　前記燃料排出口から前記燃料極下部までの距離は、０．５ｍｍ以上である請求項１に記載の燃料電池。
  4. 　前記燃料排出口から前記燃料極下部までの距離は、０．５ｍｍ以上である請求項２に記載の燃料電池。
  5. 　前記燃料は、メタノール又はメタノール水溶液である請求項１に記載の燃料電池。
  6. 　前記燃料は、メタノール又はメタノール水溶液である請求項２に記載の燃料電池。
  7. 　前記燃料は、メタノール又はメタノール水溶液である請求項３に記載の燃料電池。
  8. 　前記燃料は、メタノール又はメタノール水溶液である請求項４に記載の燃料電池。
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