(57)【要約】【課題】液体燃料を用いた燃料電池において、燃料電池セルに対する燃料の供給状態を均一化し、出力を向上させる。【解決手段】燃料電池１は、燃料極１３と、空気極１６と、前記燃料極１３と前記空気極１６とに挟持された電解質膜１７とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の燃料極１３側に配置された複数の燃料流通孔２０を有する燃料極用集電体１８と、前記膜電極接合体の空気極１６側に配置された空気極用集電体１９とを具備する。膜電極接合体には、燃料収容部４と流路５を介して接続された燃料分配機構３から燃料が供給される。燃料分配機構３は複数の燃料排出口３２を有し、その５０％（個数比）を超えて燃料極用集電体１８の燃料流通孔２０と重ならないように配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極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燃料極側に配置された複数の燃料流通孔を有する燃料極用集電体と、
前記膜電極接合体の燃料極側に配置された空気極用集電体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極の面方向に燃料を分散させて供給するように設けられた複数の燃料排出口を有する燃料分配機構と、
液体燃料を収容すると共に、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備し、
前記複数の燃料排出口は個数比で５０％を超えて前記燃料極用集電体の燃料流通孔と重ならないように配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記燃料分配機構は、前記液体燃料が前記流路を介して流入する燃料注入口と、前記燃料注入口と燃料通路を介して接続された前記複数の燃料排出口とを有する燃料分配板を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の燃料電池において、
前記燃料通路は前記燃料分配板の内部に形成された細管を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池において、
さらに、前記流路に設けられた燃料供給ポンプを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池において、
前記燃料供給ポンプは電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、ロータリーベーンポンプおよびしごきポンプから選ばれる１種であることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池において、
さらに、前記燃料収容部または前記流路に接続され、外気を導入して前記燃料収容部内の内圧を調整するバランスバルブを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池において、
さらに、前記膜電極接合体と前記燃料分配機構との間に配置された少なくとも１つの多孔体を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記液体燃料はメタノール燃料であることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項８記載の燃料電池において、
前記メタノール燃料は、メタノール濃度が８０％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燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【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】
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の小型化に対して特に有利である。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（燃料電池セル）を、樹脂製の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）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
【０００５】
一方、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が検討されている（特許文献２〜４参照）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して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。ただし、流路からの液体燃料の供給構造によっては、燃料電池セルに対する燃料の供給状態が不均一になり、燃料電池の出力が低下するおそれがある。例えば、溝状の流路に沿って液体燃料を流す場合、流路を液体燃料が流れるにつれて順次燃料が消費されていくため、流路出口側では燃料濃度が減少する。このため、燃料電池セルの流路出口に近い部分では発電反応が低下し、その結果として出力の低下を招いてしまう。
【０００６】
また、特許文献３では燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給している。特許文献３にはポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。燃料の循環構造を適用した燃料電池ではポンプが有効であるものの、パッシブ型ＤＭＦＣのように燃料を循環させない場合には単にポンプを適用しても燃料消費量が増大するだけで、燃料電池セル全体での均一な発電反応を生起することは難しい。特に特に濃厚な燃料を使用する場合、単位時間当たりに供給される燃料の量が微量となるため、供給された燃料による発電遅れや、燃料の不均一が発生しやすくなる。
【０００７】
この課題を解決する手段として、燃料をポンプ等の燃料移送手段により燃料電池セルに供給する箇所を複数点とし、燃料電池セル内での燃料分布の均一性を改善することが検討されている。しかしながら、これらの複数の燃料供給箇所と燃料電池セルを構成する集電体との位置関係等によっては、所望の特性が得られないことが明らかとなってきた。
【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】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】
【０００８】
本発明は、燃料電池の小型化等を損なうことなく、燃料極への燃料の供給状態を均一化して、出力を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。また、本発明は、燃料電池セルの空気極側の面の局所的な高温を防止し、実用性を高めることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極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燃料極側に配置された複数の燃料流通孔を有する燃料極用集電体と、前記膜電極接合体の燃料極側に配置された空気極用集電体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極の面方向に燃料を分散させて供給するように設けられた複数の燃料排出口を有する燃料分配機構と、液体燃料を収容すると共に、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備し、前記複数の燃料排出口は個数比で５０％を超えて前記燃料極用集電体の燃料流通孔と重ならないように配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料収容部から流路を介して燃料分配機構に液体燃料を供給し、燃料分配機構で燃料電池セルに対し複数個所で燃料を供給すると共に、該供給箇所の所定数が燃料電池セルに設けられた燃料極用集電体の燃料流通孔と重ならないように構成しているため、燃料極内での燃料分布の均一性を高めることができ、膜電極接合体全体で効率的な発電反応を生起することができる。これによって、燃料電池の小型化等を損なうことなく、平均出力を向上させることができる。また、燃料電池セルの空気極側の面の局所的な高温を抑制することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル２と、この燃料電池セル２に燃料を供給する燃料分配機構３と、液体燃料を収容する燃料収容部４と、これら燃料分配機構３と燃料収容部４とを接続する流路５とから主として構成されている。
【００１２】
燃料電池セル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とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）、並びに、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５にそれぞれ積層された燃料極用集電体１８および空気極用集電体１９を有している。
【００１３】
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。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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、主としてアノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を有する。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、主としてカソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を有する。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は多孔質基材で構成されている。
【００１６】
アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５にそれぞれ積層される燃料極用集電体１８および空気極用集電体１９は、例えばＡｕのような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等で構成される。そして、アノードガス拡散層１２は、複数の燃料流通孔２０を有している。
【００１７】
燃料電池セル２上にはカバープレート２１が積層され、このカバープレート２１と電解質膜１７との間、および電解質膜１７と燃料分配機構３との間には、それぞれゴム製のＯリング２２が介在されている。Ｏリング２２によって燃料電池セル２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止される。
【００１８】
図示を省略したが、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開口を有している。カバープレート２１と空気極用集電体１９との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層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共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。
【００１９】
燃料収容部４には、燃料電池セル２に対応し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。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には燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容される。
【００２０】
燃料電池セル２のアノード（燃料極）１３側には、燃料分配機構３が配置されている。燃料分配機構３は配管のような液体燃料の流路５を介して燃料収容部４と接続されている。燃料分配機構３には燃料収容部４から流路５を介して液体燃料が導入される。流路５は燃料分配機構３や燃料収容部４と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構３と燃料収容部４とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構３は流路５を介して燃料収容部４と接続されていればよい。
【００２１】
流路５には、燃料の移送手段としてポンプ４１が介挿されている。ポンプ４１は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料分配機構３に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ４１で必要時に液体燃料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。
【００２２】
ポンプ４１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。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。
【００２３】
なお、液体燃料の燃料収容部４から燃料分配機構３への移送手段は、ポンプ４１に限られるものではない。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を燃料収容部４から燃料分配機構３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５を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部４から燃料分配機構３まで送液することができる。さらに、燃料収容部４を加圧しその圧力により液体燃料を燃料収容部４から燃料分配機構３へ送液することができる。また、燃料分配機構３からＭＥＡへの燃料供給が行われる構成であればポンプ４１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。
【００２４】
燃料分配機構３は、図２に示すように、液体燃料が流路５を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口３１と、液体燃料やその気化成分を排出する複数の燃料排出口３２とを有する燃料分配板３３を備えている。燃料分配板３３の内部には図１に示すように、燃料注入口３１から導かれた液体燃料の通路となる空隙部３４が設けられている。複数の燃料排出口３２は燃料通路として機能する空隙部３４にそれぞれ直接接続されている。
【００２５】
燃料注入口３１から燃料分配機構３に導入された液体燃料は空隙部３４に入り、この燃料通路として機能する空隙部３４を介して複数の燃料排出口３２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口３２には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池セル２のアノード（燃料極）１３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構３と燃料極用集電体１８との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口３２から燃料極用集電体１８の複数個所に向けて排出される。
【００２６】
燃料排出口３２は燃料電池セル２の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板３３の燃料極用集電体１８と接する面に複数設けられている。燃料排出口３２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池セル２の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ２の燃料排出口３２が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口３２の個数が０．１個／ｃｍ２未満であると、燃料電池セル２に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口３２の個数を１０個／ｃｍ２を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。
【００２７】
燃料分配機構３から放出された燃料は、燃料電池セル２の燃料極用集電体１８を介してアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池セル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（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。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …（１）
【００２８】
この反応で生成した電子（ｅ−）は燃料極用集電体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、カソード（空気極）１６に導かれる。また、（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（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。
６ｅ−＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）
【００２９】
なお、図１に示す燃料電池１において、燃料分配機構３から燃料電池セル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。図１に示す燃料電池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４１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、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。
【００３０】
上述した燃料電池１の発電反応において、供給された燃料がアノード触媒層１１へできるだけ均一に供給されることは、燃料電池セル２全体で発電が均一に行われることに通じ、燃料電池の出力を高める観点からは非常に重要な点である。そのため、本実施形態においては、アノード１３側の集電体、つまり燃料極用集電体１８に、前述したように、燃料分配機構３の燃料排出口３２から供給された燃料が通過するための開口部、燃料流通孔２０を複数設けると共に、燃料排出口３２が５０％（個数比）を超えてそれらの燃料流通孔３２と重ならないように構成している。
【００３１】
図３に燃料極用集電体１８の外観を示す。図示したように、燃料極用集電体１８には複数の燃料流通孔２０が設けられており、これらの燃料流通孔２０に対し、燃料排出口３２の総個数の５０％以上が重ならないように構成する。燃料流通孔２０と重なっていない燃料排出口３２から排出される燃料は、燃料分配機構３と燃料極用集電体１８の隙間を伝って四方へ分散された後、燃料極用集電体１８からアノードガス拡散層１２を経てアノード触媒層１１に到達し反応する。それに対し、燃料極用集電体１８と重なるように配置された燃料排出口３２から排出された燃料は、燃料流通孔２０からアノードガス拡散層１２へと最短距離で流れてアノード触媒層１１に到達し反応する。従って、燃料極用集電体１８と重なるように配置された燃料排出口３２の割合が多くなると、アノード触媒層１１上での燃料分布が不均一となる。本実施形態においては、燃料排出口３２が総個数の５０％を超えて燃料流通孔２０と重ならないように構成し、アノード触媒層１１上での燃料分布の均一性を高めている。
【００３２】
このようなアノード触媒層１１上での燃料分布の均一性を高める観点からは、すべての燃料排出口３２が、例えば図４に示すように、燃料流通孔２０と重ならないように配置することが好ましいが、例えば図５に示すように、燃料排出口３２の総個数の５０％未満であれば、燃料流通孔２０とその少なくとも一部が重なる燃料排出口３２が存在していてもよい。図３ないし図５において、２３は、燃料極用集電体１８に取り付けられたリードを示している。
【００３３】
上述の効果を確認するため、燃料排出口３２の１００％（個数比）を燃料極用集電体１８の燃料流通孔２０と重ならないように配置した燃料電池１（実施例）と、燃料排出口３２の１００％（個数比）を燃料極用集電体１８の燃料流通孔２０と重なるように配置した以外は、実施例と同一構成の燃料電池（比較例）を作製し、燃料の供給開始から５分後のアノード触媒層１１の温度分布を測定した。アノード触媒層１１における温度の上昇は発電に付随して起こるため、温度分布は発電量分布に近似すると考えられる。なお、ＭＥＡの形状は４０×８０ｍｍとし、また液体燃料に濃度９０％のメタノール水溶液を使用した。結果は図６に示した通りで、供給される燃料量が同一となるように制御して測定を行ったにもかかわらず、比較例では、燃料流通孔２０（開口部）に対応する部分の中心部に急峻なピークを有していたのに対し、実施例では、燃料流通孔２０（開口部）に対応する部分の周辺に比較例より低いピークが観察された。これにより、実施例の燃料電池が比較例の燃料電池に比べより均一な出力分布を示すことが確認された。なお、この温度分布の測定は、カソード触媒層１４側に細いスリットを刻み、カソード１６側から電解質膜１７を挟んで放射温度計で測定しているため、測定値に若干の誤差が含まれるが、実施例と比較例との相対比較には支障がないと考えられる。
【００３４】
次に、上記実施例および比較例の燃料電池を用い、燃料供給量を変化させ、最高温度と平均出力の関係を調べた。最高温度とは、上記の測定で得られた温度分布におけるピーク温度をいい、比較例では燃料極用集電体１８の燃料流通孔２０の中心部上で、また、実施例では燃料流通孔２０の周辺部で測定される。結果は図７に示した通りで、最高温度が同じになる条件で平均出力を比較すると実施例のほうが比較例より高くなっている。これは、比較例では、図６に示したように、急峻な温度ピークを示すため、最高温度に対して平均温度は実施例より低くなり、そして、温度は出力に比例するからである。
【００３５】
通常、燃料電池を組み込んだ電子機器は、その筐体の最高温度が所定の温度を超えないように設計される。上述したように、実施例の燃料電池は最高温度が同じになる条件で比較例に比べ高い平均出力が得られる。従って、実施例の燃料電池を組み込むことにより、比較例の燃料電池を組み込んだ場合に比べ、平均出力を高くすることが可能となる。
【００３６】
さらに、燃料極用集電体１８の燃料流通孔２０と重ならない燃料排出口３２の割合（個数比）を変えた以外は実施例と同様にして燃料電池を作製し、平均出力を求めて、燃料流通孔２０と重ならない燃料排出口３２の割合と平均出力の関係を調べた。出力の測定は最高温度が６０℃になるように燃料供給量を制御して行った。結果は図８に示した通りで、燃料流通孔２０と重ならない燃料排出口３２の割合が個数比で５０％を超えるものであれば、出力低下が小さいことが確認された。
【００３７】
実施例で用いた燃料分配機構３はその内部に設けられた空隙部３４から燃料を複数の燃料排出口３２に分配している。このため、厳密には燃料注入口３１に近い側の温度が若干高く、奥に行くに従って温度が低下する現象が観察される。また、燃料電池１を傾斜させた場合には重力の影響等から傾斜方向によって温度分布が変化し、下側の部分の反応が高くなる傾向が観察される。実用上はこれでも十分な性能を得ることができるが、さらに出力を改善するためには、図９に示すように、燃料注入口３１と複数の燃料排出口３２とを細管３５で接続した燃料分配機構３を用いることが好ましい。
【００３８】
図９に示す燃料分配機構３は、液体燃料が流入する少なくとも１個の燃料注入口３１と、液体燃料もしくはその気化成分を排出する複数の燃料排出口３２とを有する燃料分配板３３Ａを備えている。燃料分配板３３Ａの内部には、液体燃料の通路として機能する細管３５が形成されている。細管３５の一端（始端部）には燃料注入口３１が設けられている。細管３５は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管３５の各終端部に燃料排出口３２がそれぞれ設けられている。細管３５は例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。
【００３９】
燃料注入口３１から燃料分配機構３に導入された液体燃料は、複数に分岐した細管３５を介して複数の燃料排出口３２にそれぞれ導かれる。なお、図９に示す燃料分配機構３は、その内部の燃料通路として細管３５を用いる以外は図１に示した燃料分配機構３と同様な構成を有している。このような構造の燃料分配機構３を使用することによって、燃料注入口３１から燃料分配機構３内に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３２に均等に分配することができる。従って、燃料電池セル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。
【００４０】
さらに、細管３５で燃料注入口３１と複数の燃料排出口３２とを接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管３５の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料排出口３２を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。
【００４１】
また、燃料分配機構３とアノード（燃料極）１３との間には、例えば図１０に示すように多孔体２４を挿入することができる。図１０は、図９に示す燃料電池１の燃料分配機構３と燃料極用集電体１８との間に多孔体２４を配置した状態を示している。多孔体２４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２４として用いられる。このような多孔体２４を配置することによって、燃料極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、燃料分配機構３の燃料排出口３２から噴出した液体燃料は一旦多孔体２４に吸収され、多孔体２４の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体２４から燃料極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。多孔体２４は複数の多孔膜を積層して配置してもよい。
【００４２】
第１の実施形態の燃料電池１においては、燃料収容部４や流路５に燃料収容部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することが好ましい。図１１は、図１に示す燃料電池１の燃料収容部４にバランスバルブ４２を設置した状態を示している。バランスバルブ４２は、燃料収容部４内の圧力に応じてバルブ可動片４３を動作させるスプリング４４と、バルブ可動片４３をシールして閉状態とするシール部４５とを有している。
【００４３】
燃料収容部４から液体燃料が燃料分配機構３に供給され、燃料収容部４の内圧が減圧状態になると、バランスバルブ４２のバルブ可動片４３が外圧を受け、スプリング４４の反発力に打ち勝ってシール部４５が開放される。このバランスバルブ４２の開放状態に基づいて、外気が内外圧力差を減少するよう導入される。内外の圧力差が解消されると、再度バルブ可動片４３が移動して、シール部４５が密閉される。
【００４４】
このように動作するバランスバルブ４２を燃料収容部４等に設置することによって、液体燃料の供給に伴って発生する燃料収容部４の内圧低下に起因する送液量の変動を抑制することができる。すなわち、燃料収容部４内が減圧状態になると、ポンプ４１による液体燃料の吸い込みが不安定になり、送液量が変動しやすくなる。このような送液量の変動をバランスバルブ４２を設置することで解消することができる。従って、燃料電池１の動作安定性を向上させることが可能となる。
【００４５】
上述した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、複数の燃料排出口２２を有する燃料分配機構３の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、各実施形態の燃料電池１、３０は、濃度が８０％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、従って、各実施形態は濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた燃料電池に適用することが好ましい。
【００４６】
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合せたり、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】
【００４７】
【図１】本発明の第１の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池で使用した燃料分配機構の構成を示す斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池で使用した燃料極用集電体の外観を示す斜視図である。
【図４】図１に示す燃料電池における燃料分配機構の燃料排出口と燃料極用集電体の燃料流通孔との位置関係の一例を示す平面図である。
【図５】図１に示す燃料電池における燃料分配機構の燃料排出口と燃料極用集電体の燃料流通孔との位置関係の他の例を示す平面図である。
【図６】本発明の燃料電池の実施例および比較例のアノード触媒層の温度分布を示す図である。
【図７】本発明の燃料電池の実施例および比較例における最高温度と平均出力の関係を示す図である。
【図８】図１に示す燃料電池における、燃料流通孔２０と重なっていない燃料排出口の割合（個数比）と平均出力との関係を示す図である。
【図９】図１に示す燃料電池の一変形例を示す断面図である。
【図１０】図１に示す燃料電池の他の変形例を示す断面図である。
【図１１】図１に示す燃料電池のさらに他の変形例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１…燃料電池、２…燃料電池セル、３…燃料分配機構、４…燃料収容部、５…流路、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…燃料極用集電体、１９…空気極用集電体、２０…燃料流通孔、２４多孔体、３１…燃料注入口、３２…燃料排出口、３３，３３Ａ…燃料分配板、３４…空隙部、３５…細管、４１…ポンプ、４２…バランスバルブ。
【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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