(57)【要約】【課題】出力特性に優れた燃料電池を提供する。【解決手段】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。【選択図】      図１
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【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。
【請求項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。
【請求項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又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
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乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。
【０００３】
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。
【０００４】
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、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。
【０００５】
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。
【０００６】
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知られている（例えば、特許文献３乃至５参照）。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。
【特許文献１】特許第３４１３１１１号公報
【特許文献２】国際公開番号ＷＯ２００６／０５７２８３号公報
【特許文献３】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献４】特開２００６−８５９５２号公報
【特許文献５】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【発明の効果】
【００１０】
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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
（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。
【００６５】
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。
【００６６】
（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。
【００６７】
（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。
【００６８】
（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。
【００６９】
（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。
【００７０】
（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。
【００７１】
（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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】この発明の実施の形態に係る燃料電池を示す断面図。
【図２】図１に示した膜電極接合体を示す平面図。
【図３】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。
【符号の説明】
【００８９】
１…燃料電池本体、２…燃料供給源、３…膜電極接合体、６…燃料極支持板、７…燃料供給部、８…燃料分配機構、９…保湿板、１０…燃料拡散部、１５…カバープレート、２０…発電素子、２１…アノード、２２…アノード触媒層、２３…アノードガス拡散層、２４…カソード、２５…カソード触媒層、２６…カソードガス拡散層、２７…電解質膜、３１…アノード集電体、３４…カソード集電体、３８，３９…Ｏリング（シール材）、６２…周壁、６３…燃料注入口、６４…燃料排出口、６５…細管、６７…燃料排出面、８１…燃料収容部、８２…液体燃料、８３…流路、８４…ポンプ、Ｒ１…発電領域、Ｒ２…有効領域、Ｒ３…非有効領域、ｈ…ガス抜き孔、ｄ１，ｄ２…距離。
【図１】
2010170952.tif 000003
【図２】
2010170952.tif 000004
【図３】
2010170952.tif 000005