(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２のアノード１３に燃料を供給する燃料供給機構３と、を備え、  燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対向する燃料排出口３３を有する燃料分配板３１Ａを備え、  燃料分配板３１Ａのアノード１３と対向する表面３１Ｓは、液状の燃料に対する親液性を有することを特徴とする。【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、
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体の前記アノードに対向する燃料排出口を有する燃料分配板を備え、
前記燃料分配板の前記アノードと対向する表面は、液状の燃料に対する親液性を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料分配板の前記表面の燃料に対する接触角は、９０°以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料分配板の前記表面の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料分配板は、燃料注入口と、複数の燃料排出口と、前記燃料注入口と前記燃料排出口とを接続する燃料通路とを有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料分配板は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンサルファイド（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）のいずれかによって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】
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体と前記燃料分配板との間に燃料拡散室を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
さらに、前記アノードと前記燃料分配板との間に配置され、前記燃料排出口から排出された燃料を前記アノードに向けて排出する貫通孔を有するとともに少なくとも前記アノードと対向する面が液状の燃料に対する親液性を有する拡散板を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記拡散板の前記貫通孔は、前記燃料分配板の前記燃料排出口に重なることなく配置されたことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記貫通孔は、前記燃料排出口よりも密に配置されたことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１０】
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）。
【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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池においては、膜電極接合体に対してその面内において燃料を均一に供給することが重要である。すなわち、膜電極接合体においては、燃料の供給状態に応じて、出力が変化する。例えば、供給される燃料量が過剰であってもまた不足しても、効率の良い発電反応を生起できない。また、燃料の供給割合が高い部分と、供給割合が低い部分とでは、劣化の度合いに差が生じてしまうことがある。膜電極接合体の局所的な劣化は、寿命の低下を招く。
【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、
前記燃料供給機構は、前記膜電極接合体の前記アノードに対向する燃料排出口を有する燃料分配板を備え、
前記燃料分配板の前記アノードと対向する表面は、液状の燃料に対する親液性を有することを特徴とする。
【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ができる。
【０００９】
すなわち、この発明の燃料電池によれば、燃料供給機構を構成する燃料分配板は、膜電極接合体のアノードと対向する表面が液状の燃料に対する親液性を有している。このため、燃料分配板の燃料排出口からアノードに向かって排出された燃料が液体であっても、燃料分配板の表面において短時間で燃料を拡散させることが可能となる。このため、膜電極接合体の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。
【００１０】
これにより、膜電極接合体全体において効率的に発電反応を生起させ、安定して高い出力を得ることが可能である。また、膜電極接合体の局所的な劣化が抑制され、長寿命化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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で構成されている。
【００１８】
なお、図２及び図３に示した例においては、膜電極接合体２は、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面において間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面においてアノード１３のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード１６と、を備えている。ここでは、アノード１３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。
【００１９】
これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。ここでは、単セルＣのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。
【００２０】
上述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。
【００２１】
このような集電体１８は、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２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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。図１に示した例では、板状体２０は、カソード集電体１８Ｃの上に配置されている。
【００２５】
この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００２６】
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。
【００２７】
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おり、以下に、その構成の一例について説明する。
【００２８】
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。
【００２９】
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。この実施の形態においては、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。
【００３０】
すなわち、図４及び図５に示すように、燃料分配板３１Ａは、少なくとも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。この燃料通路は、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。
【００３１】
図４及び図５に示した例では、燃料注入口３２は、１箇所にあり、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、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。
【００３２】
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。細管３４は、例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。特に、図１に示したような構成においては、支持部材を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材を配置したことにより、燃料排出口３３から膜電極接合体２までの距離を確保することができる。このため、燃料排出口３３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。
【００３８】
これにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体２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。したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体２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１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燃料電池１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。
【００３９】
また、支持部材により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材とカバープレート２１との間で膜電極接合体２を保持するため、膜電極接合体２の撓みなどの変形を抑制することができ、膜電極接合体２と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
【００４０】
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。多孔体の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体として用いられる。このような多孔体は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。
【００４１】
特に、図１に示したような構成においては、多孔体を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部３１の燃料排出口３３から供給された液体燃料は一旦多孔体に吸収され、多孔体の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体からアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体１８を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１８を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００５５】
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。
【００５６】
上述したように、この実施の形態においては、燃料供給機構３を構成する燃料分配板３１Ａは、燃料排出口３３を有しており、この燃料排出口３３が膜電極接合体２のアノード１３に対向するように配置されている。燃料分配板３１Ａのアノード１３に対向する表面３１Ｓは、燃料供給機構３によって供給される液状の燃料に対して親液性を有している。
【００５７】
膜電極接合体２のアノード１３に対しては、燃料を全面に均一に供給することが極めて重要である。燃料分配板３１Ａを適用した構成によれば、燃料排出口３３から気化した燃料が排出される場合には、アノード１３に至る間に拡散し、燃料供給量の均一化を図ることができる。一方、燃料排出口３３から液体の燃料が排出される場合には、燃料供給量の均一化を図る上で、単位面積当たりの燃料排出口３３の数を多くすることが一手法として挙げられる。しかしながら、製造上の問題、機械的強度上の問題などにより、燃料排出口３３の数をさらに増やすことは困難である。
【００５８】
そこで、この実施の形態においては、燃料分配板３１Ａの表面３１Ｓが、液体の燃料に対して親液化されている。このため、燃料分配板３１Ａの表面３１Ｓにおいて、Ｘ−Ｙ面内で液体の燃料を迅速に拡散させることが可能となる。
【００５９】
図６のモデルに示すように、表面３１Ｓが親液性を有していない場合、Ａで示したように、燃料排出口３３から排出された液体の燃料は、燃料排出口３３の付近で広がらず、半球状をなすように溜まる。一方、表面３１Ｓが親液性を有している場合には、Ｂで示したように、燃料排出口３３から排出された液体の燃料は、表面３１Ｓを伝わって短時間で拡散する。
【００６０】
このため、燃料排出口３３から液体の燃料が排出されても、膜電極接合体２のアノード１３に向けて面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。また、少量の燃料であっても、面内全体に均一に燃料を配分することができ、燃料の気化を促進しつつ、アノード１３に対して安定的に均一な燃料供給が可能となる。
【００６１】
これにより、膜電極接合体２の全体において、適量の燃料を供給して効率的に発電反応を生起させることができ、高い出力を安定して得ることが可能となる。また、膜電極接合体２の局所的な劣化を抑制することができ、燃料電池の長寿命化が可能となる。さらに、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に、燃料の拡散を促進するための多孔体などの燃料拡散シートが不要となり、燃料電池の薄型化が可能となる。
【００６２】
ここで、表面３１Ｓの親液性について、より具体的に説明する。
【００６３】
表面３１Ｓの燃料に対する接触角は、発明者による種々の検討の結果、９０°以下であることが望ましい。また、別の観点から検証したところ、表面３１Ｓの表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で、０．１μｍ以上１．０μｍ以下であることが望ましい。
【００６４】
このような燃料分配板３１Ａは、例えば、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレンサルファイド（ＰＥＳ）、ポリフェニルサルファイド（ＰＰＳ）、環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）のいずれかによって形成されている。
【００６５】
燃料分配板３１Ａの表面３１Ｓには、例えば、コロナ放電処理、プラズマ重合処理、電子線処理などの方法によって表面処理（改質処理）がなされることにより、親液性が付与される。例えば、ポリエチレンによって形成された燃料分配板３１Ａについて、コロナ放電処理を施すことにより、ポリエチレンの表面が活性化され、極性基が生成されるため、濡れ性が向上する。このようにして表面３１Ｓに親液性が付与される。
【００６６】
ここで、図９に示すように、燃料分配板３１Ａに対する水からなる液滴ＤＲの接触角θは、液滴ＤＲと燃料分配板３１Ａとが接触する点Ｐにおける液滴ＤＲの表面カーブに対する接線と燃料分配板３１Ａの表面３１Ｓとが成す角である。
【００６７】
この接触角θは以下のように測定する。測定装置は、協和界面科学株式会社製の、接触角計（ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ  １００）、固液界面解析装置（ＤｒｏｐＭａｓｔｅｒ  ５００）、測定解析統合システムソフトウェア（ＦＡＭＡＳ：２００４／７）を使用した。
【００６８】
最初に、図１０に示すように、マイクロシリンジＭ（テフロン（登録商標）コート針  ２８Ｇ（φ０．１ｍｍ））で、純水の液滴ＤＲを形成する。本実施形態に係る燃料電池の場合、液滴ＤＲは約０．５マイクロリットルである。
【００６９】
次に、図１１に示すように、液滴ＤＲの底を測定対象である燃料分配板３１Ａの表面３１Ｓに接触させる。そして、マイクロシリンジＭを燃料分配板３１Ａから離すと、燃料分配板３１Ａの表面３１Ｓに図１２に示すような液滴ＤＲが付着する。この状態で、３０００ｍｓ後に、液滴ＤＲの高さｈと、液滴ＤＲの半径ｒ（あるいは図９に示した液滴ＤＲの両端間の距離もしくは液滴ＤＲの直径２ｒ）を測定する。
【００７０】
接触角θは、図９に示すθ１（＝ａｒｃｔａｎ（ｒ／ｈ））の２倍に等しいことから、測定された液滴ＤＲの高さｈ及び半径ｒから、下記の式（Ａ）を用いて接触角θの値が算出される。
【００７１】
θ＝  ２  ａｒｃｔａｎ（ｒ／ｈ）  ・・・式（Ａ）
上記のように算出された接触角θは、その値が大きいほど、測定対象の疎水性が高いことを示し、その値が小さいほど測定対象の疎水性が低いことを示している。
【００７２】
図１に示した例では、燃料供給機構３は、膜電極接合体２と燃料分配板３１Ａとの間にギャップを有し、燃料供給部３１を構成する燃料拡散室３１Ｂを形成している。このため、燃料排出口３３から液体の燃料が排出されたとしても、燃料分配板３１Ａの表面で拡散された後に、気化を促進するためのパスを確保することができる。
【００７３】
上述した燃料電池１においては、さらに、膜電極接合体２のアノード１３と燃料供給機構３の燃料分配板３１Ａとの間に配置された拡散板４０を備えて構成しても良い。
【００７４】
すなわち、図７に示すように、拡散板４０は、燃料分配板３１Ａとの間に液状の燃料または気体状の燃料が通過可能なわずかなギャップをもって重ね合わせられている。この拡散板４０は、燃料分配板３１Ａから膜電極接合体２に至る貫通孔４１を有している。これにより、燃料排出口３３から排出された燃料を貫通孔４１からアノード１３に向けて排出される。
【００７５】
また、この拡散板４０は、少なくともアノード１３と対向する面４２が液状の燃料に対する親液性を有している。このような拡散板４０としては、フィルム状であってもよいし、板状であってもよい。また、拡散板４０は、親液性を有する材料によって形成されても良いし、少なくとも表面４２が親液性を有するように表面処理されたものであっても良い。
【００７６】
このような拡散板４０を適用したことにより、拡散板４０の貫通孔４１からアノード１３に向かって排出された燃料が液体であっても、拡散板４０の表面４２において短時間で燃料を拡散させることが可能となる。このため、膜電極接合体２の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。
【００７７】
また、燃料排出口３３からアノード１３までの間に液体燃料の気化を促進するためのパスを確保できる。
【００７８】
特に、図７に示したように、拡散板４０の貫通孔４１は、燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に重なることなく配置されることがより望ましい。つまり、燃料排出口３３と貫通孔４１とは同軸上に位置していない。これにより、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても、液体燃料の気化を促進するためのパスをさらに長く確保できる。
【００７９】
この場合、拡散板４０の燃料分配板３１Ａと対向する面４３も、液状の燃料に対する親液性を有していることが望ましい。つまり、燃料分配板３１Ａと拡散板４０との間のギャップが親液性を有する面によって囲まれている。このため、燃料排出口３３から排出された液体の燃料をさらに迅速に拡散することが可能となる。
【００８０】
また、拡散板４０に形成される貫通孔４１は、燃料分配板３１Ａに形成される燃料排出口３３よりも密に配置されることが望ましい。すなわち、図８に示すように、燃料排出口３３と貫通孔４１とは同軸上に位置しておらず、燃料分配板３１Ａに拡散板４０を重ねて配置した際、１個の燃料排出口３３の周辺に複数の貫通孔４１が近接している。
【００８１】
つまり、１個の燃料排出口３３から排出された燃料は、複数の貫通孔４１を経てアノード１３に向けて供給される。このため、液体燃料の拡散が促進されるとともに気化が促進され、膜電極接合体２の面内全体に均一に燃料を供給することが可能となる。
【００８２】
以上説明したように、この実施の形態によれば、安定して高い出力を得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できる。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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】
【００８６】
【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おける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１に示した燃料電池に適用可能な燃料供給機構における燃料供給部の燃料分配板の構造を概略的に示す斜視図である。
【図５】図５は、図４に示した燃料分配板の平面図である。
【図６】図６は、燃料分配板の表面が液体燃料に対する親液性を有する場合の効果を説明するための図である。
【図７】図７は、図１に示した燃料電池に適用可能な燃料供給機構の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図８】図８は、図７に示した燃料供給機構における燃料分配板の燃料排出口と拡散板の貫通孔との位置関係を説明するための図である。
【図９】図９は、燃料分配板の表面の接触角を測定する方法を説明するための図である。
【図１０】図１０は、燃料分配板の表面の接触角を測定するための一工程を説明するための図である。
【図１１】図１１は、燃料分配板の表面の接触角を測定するための一工程を説明するための図である。
【図１２】図１２は、燃料分配板の表面の接触角を測定するための一工程を説明するための図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…燃料電池  ２…膜電極接合体
１１…アノード触媒層  １２…アノードガス拡散層  １３…アノード
１４…カソード触媒層  １５…カソードガス拡散層  １６…カソード
１７…電解質膜  １８…集電体  １９…シール部材
２０…板状体  ２１…カバープレート
３…燃料供給機構  ４…燃料収容部  ５…流路  ６…ポンプ
３１…燃料供給部  ３１Ａ…燃料分配板  ３１Ｂ…燃料拡散室
３１Ｓ…表面
３２…燃料注入口  ３３…燃料排出口
４０…拡散板  ４１…貫通孔
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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