(57)【要約】【課題】出力を安定化することが可能であるとともに、長寿命化が可能な燃料電池を提供すること。【解決手段】アノード１３と、カソード１６と、アノードとカソードとの間に挟持された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２と、  膜電極接合体のアノードに燃料を供給する燃料供給機構３と、を備え、  膜電極接合体は、アノード側とカソード側とを貫通するガス抜き孔４０を有し、  さらに、ガス抜き孔をカソード側でカバーするように配置されるとともに、液体を透過することなく気体を透過する気液分離体５０を備えたことを特徴とする。【選択図】      図４
2010067572.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記膜電極接合体は、前記アノード側と前記カソード側とを貫通するガス抜き孔を有し、
さらに、前記ガス抜き孔を前記カソード側でカバーするように配置されるとともに、液体を透過することなく気体を透過する気液分離体を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記気液分離体は、前記電解質膜に固定されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記膜電極接合体は、前記電解質膜を介して配置された前記燃料極と前記空気極とで構成される単セルを複数有し、前記単セルのそれぞれは、前記電解質膜の平面内に分離して配置され、
前記ガス抜き孔は、前記単セルの間の前記電解質膜を貫通するように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
さらに、前記単セルを電気的に直列に接続する集電体を備え、
前記気液分離体は、前記電解質膜と前記集電体との間に配置されたことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガス抜き孔は、前記電解質膜において複数形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記気液分離体は、前記ガス抜き孔の少なくとも１つをカバーするように配置されたことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガス抜き孔の面積に対する前記気液分離体の面積の比率は、１より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら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。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
例えば、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、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を、箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
【０００５】
燃料収容部から直接もしくは流路を介して導入された高濃度のメタノール燃料等を気化させて燃料極に供給する場合、ＭＥＡの燃料極側では気化した燃料を閉じ込めつつ、燃料極側の発電反応に基づいて生成された二酸化炭素ガスや水蒸気等のガス成分を系外に放出する必要がある。このような点に対して、従来のパッシブ型等のＤＭＦＣでは燃料極側の側壁に排気口を設け、ガス成分を系外に放出することが検討されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献３】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献４】特開２００６−３１８７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
この発明の目的は、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記膜電極接合体は、前記アノード側と前記カソード側とを貫通するガス抜き孔を有し、
さらに、前記ガス抜き孔を前記カソード側でカバーするように配置されるとともに、液体を透過することなく気体を透過する気液分離体を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【０００９】
すなわち、この発明の燃料電池によれば、膜電極接合体に形成されたガス抜き孔により、アノード側で生成したガス成分をカソード側に放出することが可能となる。一方で、カソード側で生成した水蒸気は、主として電解質膜を通りアノード側に還流され、アノード側での発電反応に利用される。
【００１０】
カソード側において生成した水蒸気が凝結することによって水が生成されるが、膜電極接合体がガス抜き孔を備えた構成においては、生成された水がガス抜き孔を通ってアノード側、特に燃料供給機構側に直接流れ込むおそれがある。このような場合、膜電極接合体に供給される燃料が希釈され、安定して高い出力が得られなくなるおそれがある。
【００１１】
そこで、この発明の燃料電池によれば、ガス抜き孔をカソード側でカバーする気液分離体を配置したことにより、アノード側からのガス成分をカソード側に放出しつつ、カソード側で生成した水（液体）のアノード側への還流を抑制することが可能となる。これにより、燃料の希釈が抑制され、適正な濃度を維持することができ、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。
【００１４】
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。
【００１５】
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とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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及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。
【００１９】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード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。
【００２０】
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（液体及び気体を含む）の一部が含浸されてアノード側への水の還流量と外部への水の蒸散量とのバランスを制御するとともに、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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と流路５を介して接続されている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。
【００２４】
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。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。
【００２５】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通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。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。
【００２６】
細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。
【００２７】
燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、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一層高めることが可能となる。
【００２８】
さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
さらに、流路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。
【００３５】
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。
【００３６】
ポンプ６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。
【００３７】
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。
【００３８】
なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。
【００３９】
また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
【００４０】
また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４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してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体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。
【００４５】
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。
【００４６】
ところで、この実施の形態においては、膜電極接合体２は、アノード側とカソード側とを貫通するガス抜き孔４０を有している。図２乃至図４に示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面に配置された単一のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面にアノード１３と対向するように配置された単一のカソード１６と、を備えている。アノード１３とカソード１６との組み合わせは、電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。
【００４７】
ガス抜き孔４０は、シール部材１９によって囲まれた内側に配置され、例えば、単セル外の電解質膜１７を貫通するように形成されている。すなわち、ガス抜き孔４０は、アノード１３及びカソード１６を経由せず、電解質膜１７を貫通し、アノード１３が配置された空間ＳＡとカソード１６が配置された空間ＳＣとを連通している。
【００４８】
これにより、アノード側空間ＳＡとカソード側空間ＳＣとの間での物質の授受、たとえば、気体の移動が促進可能となり、特に、アノード側で生じたガス成分（たとえば、二酸化炭素）がガス抜き孔４０を介してカソード側に放出され、また、カソード側で生じたガス成分（たとえば、水蒸気）がガス抜き穴４０を介してアノード側に放出される。
【００４９】
なお、ガス抜き孔４０は、膜電極接合体２において複数設けられても良く、特に、ここに示した例では、膜電極接合体２は、２個のガス抜き孔４０を有している。
【００５０】
また、図５乃至図７に示した例では、膜電極接合体２は、複数の単セルＣを有し、単セルＣのそれぞれは、電解質膜１７の平面内において分離して配置されている。すなわち、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａ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１７Ｃ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及びカソード１６がそれぞれ４個である場合を示している。
【００５１】
ここに示した例では、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。
【００５２】
図５など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、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【００５３】
すなわち、この集電体１８は、図１に示したように、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。図５などに示した膜電極接合体２に対応するために、集電体１８は、それぞれ４個のアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。
【００５４】
アノード集電体１８Ａのそれぞれは、各単セルＣにおいて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１８Ｃのそれぞれは、各単セルＣにおいてカソードガス拡散層１５に積層されている。アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃ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質層（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。
【００５５】
ガス抜き孔４０は、シール部材１９によって囲まれた内側に配置され、例えば、単セルＣの間の電解質膜１７を貫通するように形成されている。これにより、ガス抜き孔４０は、アノード１３が配置された空間ＳＡとカソード１６が配置された空間ＳＣとを連通している。
【００５６】
これにより、アノード側で生じたガス成分（たとえば、二酸化炭素）がガス抜き孔４０を介してカソード側に放出され、また、カソード側で生じたガス成分（たとえば、水蒸気）がガス抜き穴４０を介してアノード側に放出される。
【００５７】
なお、ガス抜き孔４０は、膜電極接合体２において複数設けられても良く、特に、ここに示した例では、膜電極接合体２は、４個のガス抜き孔４０を有している。
【００５８】
特に、この実施の形態においては、燃料電池１は、さらに、ガス抜き孔４０をカソード側でカバーするように配置された気液分離体５０を備えている。この気液分離体５０は、液体を透過することなく気体を透過する機能を有しており、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーンシートなどの電気的に絶縁性の高分子系材料によって形成されている。
【００５９】
このような気液分離体５０は、電解質膜１７と集電体１８との間に配置され、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに接着されるなどして固定されている。
【００６０】
このような実施の形態によれば、膜電極接合体２に形成されたガス抜き孔４０がカソード側で気液分離体５０によってカバーされることにより、アノード側で生成したガス成分、特に二酸化炭素をカソード側に放出するといったガス抜き孔４０の本来の機能を損なうことなく、カソード側で生成・凝結した水（液体）のガス抜き孔４０の透過が防止される。
【００６１】
すなわち、水がガス抜き孔４０からアノード側に流れ込むと、燃料供給機構３から膜電極接合体２に供給される燃料が希釈されるおそれがある。また、水滴がガス抜き孔４０を塞ぐと、アノード側からのガス成分の放出が阻害される。このような場合、安定して高い出力が得られなくなるおそれがある。
【００６２】
そこで、ガス抜き孔４０の直上に気液分離体を配置したことにより、アノード側からのガス成分のカソード側への放出、カソード側からの水蒸気のアノード側への還流を可能としつつ、カソード側で生成した水のアノード側への還流を抑制することが可能となる。これにより、燃料の希釈が抑制され、適正な濃度を維持することができ、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【００６３】
ここで、ガス抜き孔４０の面積に対する気液分離体５０の面積の比率は、１より大きいことが望ましい。つまり、気液分離体５０の形状がガス抜き孔４０の形状と概ね同一であって、且つ、気液分離体５０の方がガス抜き孔４０より大きいサイズに形成されていることが望ましい。これにより、気液分離体５０は、ガス抜き孔４０を完全にカバーすることが可能である。
【００６４】
また、膜電極接合体２が複数のガス抜き孔４０を備えている場合、全てのガス抜き孔４０が気液分離体５０によってカバーされていることが望ましい。
【００６５】
なお、ガス抜き孔４０は、必ずしも完全に気液分離体５０によってカバーされていなくても良い。
【００６６】
すなわち、気液分離体５０がガス抜き孔４０の一部を露出するように（つまり、気液分離体がガス抜き孔を完全に塞がないように）配置されても良い。また、複数のガス抜き孔４０に対して、気液分離体５０は、少なくとも１つのガス抜き孔４０をカバーするように配置されても良い。
【００６７】
≪実施例≫
（実施例１）
図２などに示したように、実施例１に係る膜電極接合体２は、単一の単セルＣを備えた構成であって、２つのガス抜き孔４０を有し、しかも、２つのガス抜き孔４０の直上にそれぞれ気液分離体５０を備えている。各気液分離体５０は、それぞれガス抜き孔４０を完全にカバーしている。
【００６８】
（比較例１）
比較例１に係る膜電極接合体は、実施例１に係る膜電極接合体２から気液分離体５０を除去した構成である。つまり、２つのガス抜き孔４０は、ともに気液分離体によってカバーされることなく、アノード側の空間とカソード側の空間とを連通している。
【００６９】
（実施例２）
図５などに示したように、実施例２に係る膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えた構成であって、４つのガス抜き孔４０を有し、しかも、４つのガス抜き孔４０の直上にそれぞれ気液分離体５０を備えている。各気液分離体５０は、それぞれガス抜き孔４０を完全にカバーしている。
【００７０】
（実施例３）
図５などに示したように、実施例３に係る膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えた構成であって、４つのガス抜き孔４０を有し、しかも、２つのガス抜き孔４０の直上にそれぞれ気液分離体５０を備えている。２つのガス抜き孔４０は、それぞれ気液分離体５０によって完全にカバーされているが、残りの２つのガス抜き孔４０については気液分離体によってカバーされていない。
【００７１】
（比較例２）
比較例２に係る膜電極接合体は、実施例２に係る膜電極接合体２から４つの気液分離体５０を除去した構成である。つまり、４つ全てガス抜き孔４０は、いずれも気液分離体によってカバーされていない。
【００７２】
《性能評価》
上述した各膜電極接合体を備えた燃料電池を組み立てて、性能評価を行った。この性能評価は、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で行った。燃料収容部には純メタノールを注入し、一定電圧で発電を行い、出力電圧及び発電中のカソードの温度をそれぞれ測定した。出力については、１０時間での平均出力を算出した。また、温度については、１０時間での温度偏差を算出した。
【００７３】
比較例１の平均出力を１００％としたとき、実施例１では１１２％の平均出力が得られ、比較例１よりも高い出力が得られた。また、比較例１では温度偏差が５．３℃であったのに対して、実施例１では温度偏差が３．２℃であり、比較例１よりも温度偏差が小さく抑えられた。
【００７４】
つまり、ガス抜き孔４０を気液分離体５０によってカバーすることにより、過剰な水のアノード側への流入が防止され、燃料の希釈が抑制されたことにより、平均して高い出力が得られることが確認された。しかも、温度変化に応じて燃料供給を制御するにあたり、燃料の希釈が抑制されたことにより、燃料供給制御のタイミングと温度変化のタイミングとのタイムラグを小さくすることができたため、温度偏差を小さくできることが確認にされた。
【００７５】
また、比較例２の平均出力を１００％としたとき、実施例２では１１８％の平均出力が得られ、また、実施例３では１１０％の平均出力が得られ、いずれも比較例２よりも高い出力が得られた。また、比較例２では温度偏差が５．８℃であったのに対して、実施例２では温度偏差が２．９℃であり、また、実施例３では温度偏差が３．６℃であり、いずれも比較例２よりも温度偏差が小さく抑えられた。
【００７６】
このように、ガス抜き孔４０の少なくとも一部を気液分離体５０によってカバーすることにより、平均して高い出力が得られるとともに、温度偏差を小さくできることが確認にされた。
【００７７】
以上説明したように、この実施の形態によれば、発電反応に必要な物質の授受の阻害因子を取り除き、長期にわたって安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００７８】
上述した各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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】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。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。
【図４】図４は、図３に示した膜電極接合体をＡ−Ａ線で切断したときの構造を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、図１に示した燃料電池に適用可能な他の膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図６】図６は、図５に示した膜電極接合体の平面図である。
【図７】図７は、図６に示した膜電極接合体をＢ−Ｂ線で切断したときの構造を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００８２】
１…燃料電池  ２…膜電極接合体  ３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層  １２…アノードガス拡散層  １３…アノード（燃料極）
１４…カソード触媒層  １５…カソードガス拡散層  １６…カソード（空気極）
１７…電解質膜
１８…集電体  １８Ａ…アノード集電体  １８Ｃ…カソード集電体
２０…板状体（保湿層）
２１…カバープレート
４０…ガス抜き孔
５０…気液分離体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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