(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、  膜電極接合体を保持する箱状の容器３０と、を備え、  容器３０は、アノード側とカソード側とを繋ぐガス抜き経路ＧＰを有することを特徴とする。【選択図】      図７
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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、
前記膜電極接合体を保持する箱状の容器と、を備え、
前記容器は、前記アノード側と前記カソード側とを繋ぐガス抜き経路を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置された板状体と、
前記板状体との間で前記膜電極接合体の前記カソードをシールするシール部材と、を備え、
前記板状体は、前記カソードと対向する面に、前記容器の前記ガス抜き経路と連通するとともに前記シール部材によってシールされた前記カソードに向かって延びた溝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３】
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置された板状体と、
前記板状体との間で前記膜電極接合体の前記アノードをシールするシール部材と、を備え、
前記板状体は、前記アノードと対向する面に、前記容器の前記ガス抜き経路と連通するとともに前記シール部材によってシールされた前記アノードに向かって延びた溝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４】
前記板状体は、前記膜電極接合体を前記アノード側から支持する支持板であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記板状体は、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分配板であることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガス抜き経路に、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請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガス抜き経路は、前記容器の前記膜電極接合体を囲む少なくとも１つの側壁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８】
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、
前記ガス抜き経路は、前記単セルの長手方向に交差する前記容器の側壁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９】
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、過剰な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、
前記膜電極接合体を保持する箱状の容器と、を備え、
前記容器は、前記アノード側と前記カソード側とを繋ぐガス抜き経路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、膜電極接合体を保持する箱状の容器に形成されたガス抜き経路により、アノード側で生成したガス成分（主として二酸化炭素）を膜電極接合体を経由せずにカソード側に放出することが可能となる。また、たとえアノード側から放出されたガス成分に燃料ガスが含まれていたとしても、カソード側で燃料を消費することが可能となり、安全性及び信頼性を確保できる。
【００１０】
一方で、ガス抜き経路により、カソード側で生成した水蒸気もアノード側に供給することが可能となり、アノード側での発電反応に効果的に利用可能となる。
【００１１】
これにより、アノード側のガス成分の充満に起因した内圧上昇や膜電極接合体の変形などといった課題を解消することが可能となるとともに、発電反応を促進することができ、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（第１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、略矩形状の膜電極接合体２に対応して、略矩形状の底部から四方に立ち上がった側壁３０Ｗを有し、膜電極接合体２を保持する。側壁３０Ｗは、膜電極接合体２を囲み、その１つの側壁３０Ｗ１が燃料導入口３０Ａを有している。この燃料導入口３０Ａは、流路５と接続されている。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（第２板状体）３１Ａは、膜電極接合体２のアノード側に配置され、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】
また、図２に示すように、燃料電池１は、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に配置されるとともに膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持板（第２板状部材）４０を備えていても良い。
【００３２】
このような支持板４０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。
【００３３】
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。
【００３４】
また、支持板４０により膜電極接合体２を支持するとともに、支持板４０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。
【００３５】
一方で、図１に示した例のように、支持板４０を省略した構成においては、燃料電池１の小型化（薄型化）が可能となるといった利点がある。
【００３６】
なお、図１及び図２に示した例の燃料電池１においては、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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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及び図２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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
この実施の形態において、図３及び図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１７Ａ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１７Ｃ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。
【００５１】
また、図５及び図６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。
【００５２】
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、これらの例に限らず他の構造であっても良い。
【００５３】
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。
【００５４】
すなわち、この集電体１８は、図１及び図２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。
【００５５】
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。
【００５６】
特に、この実施の形態においては、膜電極接合体２を収納保持する容器３０は、膜電極接合体２のアノード側とカソード側とを繋ぐガス抜き経路を有している。
【００５７】
図７及び図８に示した例では、容器３０は、側壁３０Ｗの１つに、略Ｕ字状に形成されたガス抜き経路ＧＰを有している。なお、図７及び図８では、説明に必要な主要部のみを図示している。
【００５８】
すなわち、このガス抜き経路ＧＰは、側壁３０Ｗの内部を通り、側壁３０Ｗの内面（つまり、容器３０内に保持した膜電極接合体２と対向する面）における高さ方向（つまり、膜電極接合体２のアノード１３及びカソード１６の積層方向）に並んだ２つの孔Ｈ１及びＨ２を繋ぐように貫通した貫通孔である。孔Ｈ１は、容器３０に収容した膜電極接合体２のアノード１３側に位置し、また、孔Ｈ２は、膜電極接合体２のカソード１６側に位置する。
【００５９】
このような構成の燃料電池１によれば、ガス抜き経路ＧＰにより、膜電極接合体２のアノード１３側で生成したガス成分（主として二酸化炭素）をカソード１６側に放出することが可能となる。カソード１６側は、板状体２０を介して外部に通じており、発電反応を阻害する不要な反応生成物を系外に効率的に放出することが可能となる。
【００６０】
これにより、アノード１３側のガス成分の充満に起因した内圧上昇や膜電極接合体の変形などといった課題を解消することが可能となる。また、燃料ガスのアノード１３への供給が促進され、発電反応を促進することが可能となり、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【００６１】
また、カソード１６は、アノード１３に含まれる触媒と同様の触媒を含んで構成されている（例えばアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４ともに触媒として白金を含む）ため、たとえアノード１３側から放出されたガス成分に燃料ガスが含まれていたとしても、カソード１６側において、燃料を消費することが可能となり、安全性及び信頼性を確保できる。
【００６２】
図７及び図８に示した例についてさらに具体的に説明する。
【００６３】
膜電極接合体２は、カソード側に配置された第１板状体２０と、アノード側に配置された第２板状体（燃料分配板３１Ａもしくは支持板４０）５０との間に配置されている。カソード１６は、第１板状体２０と電解質膜１７との間でシール部材１９によってシールされている。アノード１３は、第２板状体５０と電解質膜１７との間でシール部材１９によってシールされている。
【００６４】
第１板状体２０は、カソード１６と対向する面２０Ａにおいて、容器３０のガス抜き経路ＧＰと連通する溝２０Ｇを有している。つまり、この溝２０Ｇは、膜電極接合体２とともに第１板状体２０が容器３０に収容された際に、その一端が側壁３０Ｗの孔Ｈ２と連通するように形成されている。
【００６５】
また、この溝２０Ｇは、シール部材１９によってシールされたカソード１６に向かって延びている。つまり、この溝２０Ｇは、膜電極接合体２のカソード１６と対向した際に、シール部材１９で囲まれた内側のカソード側空間ＳＣまで延びている。なお、溝２０Ｇの他端は、カソード１６と対向するように形成されても良い。
【００６６】
第２板状体５０は、アノード１３と対向する面５０Ａにおいて、容器３０のガス抜き経路ＧＰと連通する溝５０Ｇを有している。つまり、この溝５０Ｇは、膜電極接合体２とともに第２板状体５０が容器３０に収容された際に、その一端が側壁３０Ｗの孔Ｈ１と連通するように形成されている。
【００６７】
また、この溝５０Ｇは、シール部材１９によってシールされたアノード１３に向かって延びている。つまり、この溝５０Ｇは、膜電極接合体２のアノード１３と対向した際に、シール部材１９で囲まれた内側のアノード側空間ＳＡまで延びている。なお、溝５０Ｇの他端は、アノード１３と対向するように形成されても良い。
【００６８】
なお、図１に示したような構成の燃料電池１においては、燃料分配板３１Ａが第２板状体５０に対応し、燃料分配板３１Ａのアノード１３との対向面に溝が形成されている。また、図２に示したような構成の燃料電池１においては、支持板４０が第２板状体５０に対応し、支持板４０のアノード１３との対向面に溝が形成されている。
【００６９】
これにより、アノード側空間ＳＡとカソード側空間ＳＣとの間での気体の移動が促進され、特に、アノード側で生じたガス成分（二酸化炭素）がガス抜き経路ＧＰ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（水蒸気）がガス抜き経路ＧＰを介してアノード側に放出される。
【００７０】
なお、ガス抜き経路ＧＰは、少なくとも１つの側壁３０Ｗに形成されるが、対向する２つの側壁に形成されても良いし、四方の全ての側壁に形成されても良い。また、ガス抜き経路ＧＰは、１つの側壁に複数設けられても良い。
【００７１】
また、燃料電池１は、ガス抜き経路ＧＰに、気液分離体６０を備えていても良い。図９に示した例では、気液分離体６０は、孔Ｈ１を塞ぐように配置されている。この気液分離体６０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高分子系材料によって形成されている。
【００７２】
このような実施の形態によれば、容器３０に形成されたガス抜き経路ＧＰの孔Ｈ１がカソード側で気液分離体６０によってカバーされることにより、アノード１３側で生成したガス成分（二酸化炭素）をカソード１６側に放出するといったガス抜き経路ＧＰとしての本来の機能を損なうことなく、カソード１６側で生成したガス成分（水蒸気）をアノード１３側に供給できるとともに、液状の燃料のガス抜き経路ＧＰへの流れ込みを防止することが可能となる。
【００７３】
また、気液分離体６０は、孔Ｈ２を塞ぐように配置されても良い。この場合、たとえカソード１６側で生成した水蒸気が凝結して水となったとしても、ガス抜き経路ＧＰへの流れ込み、さらには、アノード１３側への流れ込みを防止することが可能となる。
【００７４】
図３などに示した例のように、膜電極接合体２が単一の単セルＣを備えた構成の場合には、ガス抜き経路ＧＰは、いずれの側壁３０Ｗに形成しても良い。
【００７５】
図５などに示した例のように、膜電極接合体２が複数の単セルＣを備えた構成の場合には、ガス抜き経路ＧＰは、単セルＣの長手方向に交差する側壁３０Ｗに形成されることが望ましい。例えば、図１０に示すように、４つの単セルＣを備えた膜電極接合体２を収納した容器３０において、ガス抜き経路ＧＰは、単セルＣの長手方向Ｌに直交する側壁３０Ｗに形成されている。
【００７６】
特に、ここでは、ガス抜き経路ＧＰは、３箇所に形成され、それぞれ２つの単セル間の延長線上に位置している。このような構成により、各単セルＣのアノード１３で生成したガス成分を各カソード１６に向けて容易に放出することが可能となる。
【００７７】
≪実施例≫
（実施例１）
実施例１に係る膜電極接合体２は、図３などに示したような単一の単セルＣを備えた構成であって、しかも、図２に示したように容器３０において支持板４０と板状体２０との間に保持されている。容器３０の側壁３０Ｗには、１箇所にガス抜き経路ＧＰが形成され、支持板４０のアノード１３との対向面に形成された溝及び板状体２０のカソード１６との対向面に形成された溝は、それぞれ側壁３０Ｗのガス抜き経路ＧＰに連通している。
【００７８】
（実施例２）
実施例２に係る膜電極接合体２は、図３などに示したような単一の単セルＣを備えた構成であって、しかも、図１に示したように容器３０において燃料分配板３１Ａと板状体２０との間に保持されている。なお、支持板は備えていない。容器３０の側壁３０Ｗには、１箇所にガス抜き経路ＧＰが形成され、燃料分配板３１Ａのアノード１３との対向面に形成された溝及び板状体２０のカソード１６との対向面に形成された溝は、それぞれ側壁３０Ｗのガス抜き経路ＧＰに連通している。
【００７９】
（比較例１）
比較例１に係る膜電極接合体は、実施例１及び実施例２に係る膜電極接合体２と同一構成である。ガス成分を放出するガス抜き経路としては、アノード側の側壁に排気口を設けてガス成分をアノード側から直接外部に放出する構成とした。
【００８０】
（比較例２）
比較例２に係る膜電極接合体は、実施例１及び実施例２に係る膜電極接合体２と同一構成であって、ガス成分を放出するガス抜き経路として、膜電極接合体２の電解質膜１７にガス抜き孔を形成し、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構成とした。
【００８１】
（実施例３）
実施例３に係る膜電極接合体２は、図５などに示したような４つの単セルＣを備えた構成であって、しかも、図２に示したように容器３０において支持板４０と板状体２０との間に保持されている。容器３０の側壁３０Ｗには、１箇所にガス抜き経路ＧＰが形成され、支持板４０のアノード１３との対向面に形成された溝及び板状体２０のカソード１６との対向面に形成された溝は、それぞれ側壁３０Ｗのガス抜き経路ＧＰに連通している。
【００８２】
（実施例４）
実施例４に係る膜電極接合体２は、図５などに示したような４つの単セルＣを備えた構成であって、しかも、図１に示したように容器３０において燃料分配板３１Ａと板状体２０との間に保持されている。なお、支持板は備えていない。容器３０の側壁３０Ｗには、１箇所にガス抜き経路ＧＰが形成され、燃料分配板３１Ａのアノード１３との対向面に形成された溝及び板状体２０のカソード１６との対向面に形成された溝は、それぞれ側壁３０Ｗのガス抜き経路ＧＰに連通している。
【００８３】
（実施例５）
実施例５に係る膜電極接合体２は、実施例３と同一構成である。容器３０の側壁３０Ｗには、図１０に示したように、３箇所にガス抜き経路ＧＰが形成され、支持板４０のアノード１３との対向面に形成された溝及び板状体２０のカソード１６との対向面に形成された溝は、それぞれ側壁３０Ｗのガス抜き経路ＧＰに連通している。
【００８４】
（実施例６）
実施例６に係る膜電極接合体２は、実施例４と同一構成である。支持板は備えていない。容器３０の側壁３０Ｗには、図１０に示したように、３箇所にガス抜き経路ＧＰが形成され、燃料分配板３１Ａのアノード１３との対向面に形成された溝及び板状体２０のカソード１６との対向面に形成された溝は、それぞれ側壁３０Ｗのガス抜き経路ＧＰに連通している。
【００８５】
（比較例３）
比較例３に係る膜電極接合体は、実施例３乃至６に係る膜電極接合体２と同一構成である。ガス成分を放出するガス抜き経路としては、アノード側の側壁に排気口を設けてガス成分をアノード側から直接外部に放出する構成とした。
【００８６】
（比較例４）
比較例４に係る膜電極接合体は、実施例３乃至６に係る膜電極接合体２と同一構成であって、ガス成分を放出するガス抜き経路として、膜電極接合体２の電解質膜１７にガス抜き孔を形成し、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構成とした。
【００８７】
《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、出力電圧を測定した。出力については、１０時間での平均出力を算出した。
【００８８】
比較例１の平均出力を１００％としたとき、比較例２の平均出力は１１０％であった。また、実施例１及び２では、いずれも比較例１及び２よりも高い出力が得られ、実施例１の平均出力は１１５％であり、また、実施例２の平均出力は１１３％であった。
【００８９】
また、比較例３の平均出力を１００％としたとき、比較例４の平均出力は１１４％であった。また、実施例３乃至６では、いずれも比較例３及び４よりも高い出力が得られ、実施例３の平均出力は１２１％であり、実施例４の平均出力は１１９％であり、実施例５の平均出力は１２８％であり、実施例６の平均出力は１２５％であった。
【００９０】
このように、容器３０にガス抜き経路ＧＰを形成してアノード側とカソード側とを繋ぐことにより、アノード側からカソード側へのガス成分の放出が可能となり、特に、アノード側における発電反応に必要な物質の授受が促進されたため、平均して高い出力が得られることが確認された。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
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。
【００９４】
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】
【００９５】
【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例を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の他の構造例を概略的に示す断面図である。
【図３】図３は、図１及び図２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４】図４は、図３に示した膜電極接合体の平面図である。
【図５】図５は、図１及び図２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、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の主要な構成を説明するための分解斜視図である。
【図８】図８は、図７に示した燃料電池の主要な構成を説明するための断面図である。
【図９】図９は、図７に示した燃料電池のガス抜き経路に気液分離体を配置した構成を説明するための断面図である。
【図１０】図１０は、図７に示した燃料電池において複数のガス抜き経路を形成した構成例を説明するための平面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１…燃料電池  ＳＣ…カソード側空間  ＳＡ…アノード側空間
２…膜電極接合体  Ｃ…単セル
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
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  １８Ａ…アノード集電体  １８Ｃ…カソード集電体
１９…シール部材
２０…板状体（第１板状体）  ２０Ｇ…溝
２１…カバープレート
３０…容器  ３０Ｗ…側壁
３１…燃料供給部  ３１Ａ…燃料分配板  ３１Ｂ…燃料拡散室
４０…支持板
５０…第２板状体  ５０Ｇ…溝
６０…気液分離体
ＧＰ…ガス抜き経路  Ｈ１…孔  Ｈ２…孔
【図１】
2010092815.tif 000003
【図２】
2010092815.tif 000004
【図３】
2010092815.tif 000005
【図４】
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【図５】
2010092815.tif 000007
【図６】
2010092815.tif 000008
【図７】
2010092815.tif 000009
【図８】
2010092815.tif 000010
【図９】
2010092815.tif 000011
【図１０】
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