(57)【要約】【課題】小型燃料電池の性能を損なわず、小型化が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜５の両面にアノード極１５とカソード極１６が設けられた燃料電池基体１４と、該燃料電池基体のカソード側に設けられた空気を拡散して電極に供給するための拡散層３と、該拡散層に大気中の空気を供給する空気取り入れ層を有する燃料電池セルにおいて、前記電解質膜の有効総面積Ａ（ｃｍ2）、燃料電池の動作時の平均電流密度Ｉ（Ａ／ｃｍ2）および空気取り入れ口の総面積Ｓ（ｃｍ2）が、ＡＩ×０．５＜Ｓ＜ＡＩ×２．０の関係を満足する燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にアノード極とカソード極が設けられた燃料電池基体と、該燃料電池基体のカソード極側に設けられ、空気をカソード極に供給するための拡散層と、該拡散層に空気を供給するための空気取り入れ口を有する燃料電池において、
前記電解質膜のカソード側有効総面積をＡ（ｃｍ2）、前記燃料電池の動作時の平均電流密度をＩ（Ａ／ｃｍ2）および前記空気取り入れ口の総面積をＳ（ｃｍ2）としたとき、
ＡＩ×０．５＜Ｓ＜ＡＩ×２．０
の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜と平行に空気取り入れ層が設けられ、該空気取り入れ層は空気が流通する対向する二つの面が大気に対して開口しており、前記燃料電池の電解質膜の長さをＬ（ｃｍ）、燃料電池の動作時の平均電流密度をＩ（Ａ／ｃｍ2）、前記空気取り入れ層の間隙の幅をｗ（ｃｍ）としたとき、
ＩＬ×０．２５＜ｗ＜ＩＬ×１．０
の関係を更に満足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】
電解質膜の両面にアノード極とカソード極が設けられた燃料電池基体と、該燃料電池基体のカソード極側に設けられ、空気をカソード極に供給するための拡散層と、該拡散層に空気を供給するための空気取り入れ口を有する燃料電池において、
前記電解質膜のカソード側有効総面積をＡ（ｃｍ2）および空気取り入れ口の総面積をＳ（ｃｍ2）としたとき、
Ａ×０．２＜Ｓ＜Ａ×０．８
の関係を満足することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記電解質膜と平行に空気取り入れ層が設けられ、該空気取り入れ層は空気が流通する対向する二つの面が大気に対して開口しており、前記燃料電池の電解質膜の長さをＬ（ｃｍ）および空気取り入れ層の間隙の幅をｗ（ｃｍ）としたとき、
Ｌ×０．１＜ｗ＜Ｌ×０．４
の関係を満足することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池にガス拡散層を通して燃料及び酸化剤を供給する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池の断面形状の典型を図７に示す。固体高分子型燃料電池は固体高分子電解質膜（電解質膜とも略記する）５を中央部に有する。その片側の面に燃料が供給されアノードとなるアノード極（燃料極）１５と、もう片側の面に酸化剤が供給されカソードとなるカソード極（酸化極）１６を有し、燃料電池の基体を構成している。
【０００３】
一般にこの燃料電池の基体は、まとめてＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ    Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれる。さらにそれぞれの極の外側に燃料もしくは酸化剤を拡散しながらアノード極もしくはカソード極に供給し、かつ発電した電力を集電する為の拡散層３と６を設け、さらにその外側に燃料もしくは酸化剤を拡散層に供給する為の流路２２と２７を設けることにより燃料電池が構成されている。。
【０００４】
前記拡散層３もしくは６の材料としては、一般的に導電性のある多孔質体として、例えばカーボンクロス、カーボンペーパーなどが用いられる。また流路２２もしくは２７の部分にも流路を確保する部材としてメタルフォーム等の空孔率の高い多孔質体を用いる場合がある。
【０００５】
燃料もしくは酸化剤は、流路の中を圧力勾配や濃度勾配を利用して供給され、拡散層を通して拡散し、それぞれアノードもしくはカソードに到達する。
アノードでは到達した燃料がアノード極に配置された触媒による酸化作用により酸化されプロトンとなって、固体高分子電解質膜中をカソードに向けて移動する。この燃料としては一般に水素などの気体や、メタノール・エタノールなどの液体が使われる。
【０００６】
カソードでは酸化剤流路より拡散層を通じて到達した酸化剤、例えば酸素と、電解質膜を移動してきたプロトンが酸化剤と反応して水が生成される。そしてこの一連の化学反応によりエネルギーの一部が電気エネルギーとして取り出される。
【０００７】
前述の通り、カソードでは発電反応によって水が生成される。この水は、通常水蒸気もしくは液体の水となってカソードから酸化剤の拡散層を介して流路に移動し、排出される。また、ＭＥＡを透過してアノード側から排出される場合もある。
【０００８】
燃料もしくは酸化剤の供給を、圧力勾配を用いて行う場合には、生成された水は燃料もしくは酸化剤とともに移動し、排出口より排出される。酸化剤として空気を用い、拡散によって供給を行う場合には、生成した水は水蒸気の拡散によって排出される。
【０００９】
一般に燃料電池は単体では十分な電力を得られないため、上記のような構造（燃料電池セル）を複数直列に積層した積層構造を有する（図８）。
【００１０】
さらに、近年ではノートパソコンや、ＰＤＡといった携帯用電子機器のバッテリーとしてもその用途が期待され、開発が進められている。この場合、燃料電池そのものは極端に小型化しなくてはならず、そのため、気体の圧力勾配を利用した燃料もしくは酸化剤の供給装置などの制御機構が利用でき無い場合もある。このような場合には燃料もしくは酸化剤を拡散や自然対流によって供給する場合がある。例えば特許文献１では酸化剤である酸素は自然拡散によって供給するパッシブ型燃料電池の技術を開示している。この場合、水素は加圧したタンクから供給できるが、酸素は空気を利用するために自然拡散となる。
【００１１】
特許文献１の図４はそのセル構造を示した図であり、酸化剤である空気中の酸素は拡散セルユニットを通して拡散しＭＥＡに到達する。また、燃料である水素は拡散層を介して供給されＭＥＡに到達する。
【００１２】
このようなパッシブ型燃料電池においては、酸素は酸化剤入り口から濃度勾配に伴う拡散を利用して供給され、同時に同じ場所から濃度勾配によって水蒸気が排出される必要がある。一般的には酸化剤として空気中の酸素を利用するため、この部分を大気に開放させる。このようなパッシブ型燃料電池の場合、流路入り口と出口が明確に定義できるその他の燃料電池とは異なる。
【００１３】
燃料電池の空気取り入れ口の大きさは、大きいほど拡散律速による特性低下が生じにくくなる。しかし、小型化が重要となる場合、特に携帯電子機器用燃料電池の場合、空気取り入れ口の大きさを大きくすることは小型化を阻害する要因となっていた。
【特許文献１】米国特許第６，４２３，４３７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
上記した通り、パッシブ型燃料電池はカソード側を大気開放し、自然拡散によって酸化剤である酸素を供給する。したがって、酸素が拡散して到達しない領域がカソードに生じた場合、その部分の発電効率は落ちるかゼロになる。
【００１５】
また、図７に記載されたセルと異なり燃料や酸化剤の出口にあたる部分が無く、燃料である水素も酸化剤である酸素もそれぞれ入り口から入り、夫々アノード極、カソード極で反応し、消費される図９のようなセルにおいては、特にカソード側の酸素は基本的に拡散によってのみ供給される。そのため、入り口から相対的に遠い位置にあるｂの領域のカソードの反応は、ａの領域に比べて反応速度が低下する。
【００１６】
燃料電池セルの空気取り入れ口の大きさは、大きいほど拡散律速の影響は小さくなる。しかしながら、これはセル全体の占有体積と二律背反の関係にあり、空気取り入れ口を大きくすればセル全体の占有体積が増加し、小型化を阻害する要因となっていた。
【００１７】
本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、小型燃料電池の性能を損なわず、小型化が可能な燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
すなわち、本発明は、電解質膜の両面にアノード極とカソード極が設けられた燃料電池基体と、該燃料電池基体のカソード極側に設けられ、空気をカソード極に供給するための拡散層と、該拡散層に空気を供給するための空気取り入れ口を有する燃料電池において、
前記電解質膜のカソード側有効総面積をＡ（ｃｍ2）、前記燃料電池の動作時の平均電流密度をＩ（Ａ／ｃｍ2）および前記空気取り入れ口の総面積をＳ（ｃｍ2）としたとき、
ＡＩ×０．５＜Ｓ＜ＡＩ×２．０
の関係を満足することを特徴とする燃料電池である。
【００１９】
ここで、固体高分子電解質膜のカソード側有効総面積Ａとは、空気が前記拡散層を介して供給され得る、すなわち発電に寄与し得るＭＥＡの面積のことを言うものとする。また、空気取り入れ口の総面積Ｓとは、セル表面における大気に対する開口部の内、１つのＭＥＡに対して空気を供給し得る開口部の総面積のことを言うものとする。
【００２０】
また、本発明は、電解質膜の両面にアノード極とカソード極が設けられた燃料電池基体と、該燃料電池基体のカソード極側に設けられ、空気をカソード極に供給するための拡散層と、該拡散層に空気を供給するための空気取り入れ口を有する燃料電池において、
前記電解質膜のカソード側有効総面積をＡ（ｃｍ2）および空気取り入れ口の総面積をＳ（ｃｍ2）としたとき、
Ａ×０．２＜Ｓ＜Ａ×０．８
の関係を満足することを特徴とする燃料電池である。
【００２１】
また、本発明は、電解質膜の両面にアノード極とカソード極が設けられた燃料電池基体と、該燃料電池基体のカソード側に設けられた空気を拡散して電極に供給するための拡散層と、該拡散層に大気中の空気を供給する空気取り入れ層を有する燃料電池において、前記燃料電池セルが複数個積層して設けられ、積層された燃料電池セルのカソード極には空気取り入れ層が設けられ、前記燃料電池基体の面積が１０ｃｍ2以下であり、かつ空気取り入れ層には空気が流通する対向する二つの空気取り入れ口が開口し、空気取り入れ層の間隙の幅が１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴とする燃料電池である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、小型燃料電池の性能を損なわず、小型化が可能な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】
【００２３】
図１は本発明の燃料電池を示す概略図である。
本発明の燃料電池は、電解質膜５の両面にアノード極１５とカソード極１６が設けられた燃料電池基体１４と、該燃料電池基体１４のカソード側１６に設けられた空気を拡散して電極に供給するための空気拡散層３と、該空気拡散層３に大気中の空気を供給する空気取り入れ層２を有する燃料電池セルにおいて、前記電解質膜の有効総面積Ａ（ｃｍ2）、燃料電池の動作時の平均電流密度Ｉ（Ａ／ｃｍ2）および空気取り入れ層の総面積Ｓ（ｃｍ2）が、ＡＩ×０．５＜Ｓ＜ＡＩ×２．０の関係を満足することを特徴とする。
【００２４】
また、該燃料電池基体１４のアノード側１５には、燃料の拡散を利用して電極に燃料を供給するための燃料拡散層６が設けられ、該燃料拡散層６に燃料を供給する燃料取り入れ層７が設けられている。
【００２５】
本発明の燃料電池は、図８に示す様に、燃料電池セルが複数個積層して設けられ、積層された燃料電池セルのカソード極側面に空気取り入れ層が設けられているのが好ましい。
【００２６】
前記燃料電池セルと平行またはほぼ平行に空気取り入れ層が設けられ、該空気取り入れ層は空気が流通する対向する二つの空気取り入れ口１０の面が開口しており、燃料電池セルの電解質膜の前記空気の流通する方向と平行な方向の長さをＬ（ｃｍ）、燃料電池の動作時の平均電流密度をＩ（Ａ／ｃｍ2）、空気取り入れ層の間隙の幅をｗ（ｃｍ）とすると、ＩＬ×０．２５＜ｗ＜ＩＬ×１．０であることがより好ましい。または、前記電解質膜のカソード側有効総面積が１０ｃｍ2以下であるのが好ましい。
【００２７】
また、本発明は、電解質膜の両面にアノード層とカソード層が形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生する燃料電池であって、前記燃料電池のアノードとカソードの少なくともどちらか一方は燃料もしくは酸化剤を供給する経路の途中にそれら化学種を拡散させる為の拡散層を少なくとも一つ有しており、その酸化剤は酸素であり、大気中の酸素を燃料電池の取り入れ口から主に拡散によって取り入れることを特徴としたパッシブ型燃料電池において、前記電解質膜の有効総面積をＡ（ｃｍ2）とした場合、空気取り入れ口の総面積Ｓ（ｃｍ2）がＡ×０．２＜Ｓ＜Ａ×０．８であることを特徴とする。
【００２８】
前記燃料電池セルと平行またはほぼ平行に空気取り入れ層が設けられ、該空気取り入れ層は空気が流通する対向する二つの空気取り入れ口面が開口しており、燃料電池セルの固体高分子電解質膜の前記空気の流通する方向と平行な方向の長さをＬ（ｃｍ）および空気取り入れ層の間隙の幅をｗ（ｃｍ）とすると、Ｌ×０．１＜ｗ＜Ｌ×０．４であることが好ましい。
【００２９】
また、本発明は、固体高分子電解質膜の両面にアノード層とカソード層が形成され、アノード側に燃料を供給し、カソード側に酸化剤を供給し燃料と酸化剤をそれぞれ反応させることにより電力を発生する燃料電池セルがスタックされた燃料電池スタックにおいて、前記電解質膜のカソード側有効総面積は１０ｃｍ2以下であり、アノードとカソードの少なくともどちらか一方は燃料もしくは酸化剤を供給する経路の途中にそれら化学種を拡散させる為の拡散層を少なくとも一つ有しており、その酸化剤は酸素であり、大気中の酸素を燃料電池の空気の取り入れ口から主に拡散によって取り入れることを特徴としたパッシブ型燃料電池において、積層方向に対して垂直な方向に開口した空気取り入れ口を有す空気取り入れ層の間隙の幅が１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることを特徴とした携帯型燃料電池である。
【実施例】
【００３０】
以下では図面に基づき、本発明の実施例について説明する。
実施例１
図１に示す燃料電池を基本とし、パッシブ型の小型燃料電池の例として図８で示した燃料電池と同様な直方体形状の燃料電池セル（以降、セルと略記する）の断面を考える。アノード側は図１中縦方向に水素が供給され、カソード側で図１中横方向に酸化剤である酸素を含む空気が供給される。水素は純粋な水素が常に安定して供給されると仮定するので濃度による影響を受けない。一方でカソード側は酸素が拡散によって供給されるため、反応速度が濃度の影響を受ける。
【００３１】
標準的な燃料電池の反応特性を適用して、セル全体の効率がどのようになるかを有限要素法による流体シミュレータによりシミュレーションした。シミュレーションにおける燃料電池基体としてナフィオン１１２（デュポン社の登録商標）に白金黒を接着したＭＥＡにおける触媒反応を再現する条件を課した。また、拡散層としては０．５０ｍｍ厚のカーボンクロスを使用していることを想定した。燃料気体としては純水素、酸化剤としては酸素を想定しており、カソードの触媒反応によって水蒸気が発生し、拡散によって空気取り入れ口より排出されると仮定している。
【００３２】
図２に前記空気の流通する方向と平行な方向の電解質膜の長さＬを２０ｍｍとし、空気取り入れ層の間隙（以降、間隙と略記する）の幅ｗを変えたときの２次元シミュレーションの結果によるＩ−Ｖ特性のグラフを示す。酸素消費量が比較的少ない低電流領域では、どの間隙の幅でもほぼ同じ電圧が得られているが、０．４Ａ／ｃｍ2以上の高電流密度領域では間隙の幅が小さいほど電圧が低くなっている。これは、狭い間隙では酸素の消費に対して拡散による供給が追いつかない拡散律速が生じていることを示している。
【００３３】
しかし、間隙が広ければその大きさに比例して特性が上昇するわけではない。間隙が一定以上の大きさを超えると、その効果は非常に小さくなっていく。
図３は間隙の幅を変えたときの特性（発電電圧）の変化を一定の発電電流下（発電電流密度がＩ＝０．４Ａ／ｃｍ2）においてシミュレーションした結果を表わすグラフである。すべての電解質膜の長さにおいて電圧は間隙の幅に逆比例しており、一定以上の間隙では電圧の上昇が飽和していく様子がわかる。
【００３４】
次に、単位体積あたりの発電量の比較検討を行なった。燃料電池のアノード部の厚みを２ｍｍと仮定してセルの体積を求め、セルの発電量をセルの体積で割った値をプロットしたグラフを図４に示す。ほぼ１ｍｍから２ｍｍの間隙の幅で単位体積あたりの発電量が最も多く、それ以上の幅では減少傾向にあることが判る。つまり、セルの特性を１００％利用できなくとも体積当たりの発電量が最も大きくなるように、間隙の幅を設計する指針が得られた。
【００３５】
上記の飽和の様子は、発電電流を変化させることによって変化する。図５はセルの長さＬを２．０ｃｍに設定した際の発電電圧間隙依存性をプロットしたものである。プロットが電流密度の増加にしたがって右下方向へ全体的に移動している。これは電流密度の増加のため、必要な酸素量が増加した結果である。先ほどと同様に単位体積当たりの発電量をプロットしたグラフを図６に示す。
【００３６】
以上のデータより、次のことが言える。
本実施例の場合、図４にて、セルの長さＬに対して間隙の幅ｗが、
ｗ＝Ｌ×０．１    （１）
の関係を満たすときに単位体積当たりの発電量が最も大きい。
【００３７】
このシミュレーションにおいては、空気取り入れ口が２ヶ所に設置されているため、実効的空気取り入れ口の幅Ｗは、
Ｗ＝２ｗ＝Ｌ×０．２    （２）
となる。この式の両辺にセルの幅を掛けると、以下の様に、前記電解質膜のカソード側有効総面積Ａと空気取り入れ口の総面積Ｓの関係に置き換えられる。
【００３８】
Ｓ＝Ａ×０．２    （３）
すなわち、固体高分子型燃料電池において、該燃料電池の空気取り入れ口の総面積は電解質膜のカソード側有効総面積の０．２倍以上であれば、十分な性能を得られることが明らかとなった。
【００３９】
また、図４から、単位体積当たりの発電量が最大値の２分の１となる点は、単位体積当たりの発電量が最大となるときの間隙の幅の４倍の点であることが読み取れる。それに対して、単位体積当たりの発電量が最大となる間隙の幅よりも間隙の値が小さくなる場合には、単位体積当たりの発電量が急激に落ちる。
【００４０】
これらのことから、実用上好ましく用いられる間隙の幅ｗ（ｃｍ）とセルの長さＬ（ｃｍ）の関係は、
Ｌ×０．１＜ｗ＜Ｌ×０．４    （４）
であることが分かる。
【００４１】
これと同様にして、好ましく用いられる前記電解質膜のカソード側有効総面積Ａ（ｃｍ2）と空気取り入れ口の総面積Ｓ（ｃｍ2）の関係は、
Ａ×０．２＜Ｓ＜Ａ×０．８    （５）
であることが分かる。
【００４２】
図５および図６より、電流密度Ｉ（Ａ／ｃｍ2）に対する必要な間隙の幅を考察する。
図６において、電流密度Ｉを、０．４Ａ／ｃｍ2から上げていった場合、単位体積当たりの発電量が最大となるときの間隙の幅も比例して大きくなっていることがわかる。
【００４３】
すなわち、必要な間隙の幅はセルの長さＬに比例し、かつ電流密度Ｉに比例するといえる。以上のことをまとめると、あるセルの設計において、電解質膜のカソード側有効総面積をＡ、電流密度をＩとした場合、必要な空気取り入れ口の総面積Ｓは総電流量であるＡＩに比例する。すなわち
Ｓ＝αＡＩ    （６）
となる。ここで、αは比例定数を示す。（３）にＩ＝０．４Ａ／ｃｍ2の場合を当てはめるとＩ＝０．４の時、Ｓ＝０．２×Ａを満たすための比例定数αの値は０．５が適当であることがわかる。
【００４４】
実用上好ましく用いられる電解質膜のカソード側有効表面積Ａ（ｃｍ2）と空気取り入れ口の総面積Ｓ（ｃｍ2）の関係を求める。図４より（５）を求めたときと同じ議論を用いると、単位体積当たりの発電量が最大値の２分の１となる点は、単位体積当たりの発電量が最大となるときの間隙の幅の４倍の点であることが読み取れる。それに対して、単位体積当たりの発電量が最大となる間隙の幅よりも間隙の値が小さくなる場合には、単位体積当たりの発電量が急激に落ちる。そのため
ＡＩ×０．５＜Ｓ＜ＡＩ×２．０    （７）
であることがいえる。又同様に実用上好ましく用いられる間隙の幅ｗ（ｃｍ）とセルの長さＬ（ｃｍ）の関係は、
ＩＬ×０．２５＜ｗ＜ＩＬ×１．０    （８）
であることが分かる。
【００４５】
間隙の幅はある発電量に対する吸気口面積を確保するために必要となる幅を示し、この法則は本実施例にあるような直方体型のセルのみならず、例えば円形のセルの設計にも応用可能である。
【００４６】
以上より、パッシブ型燃料電池の設計を行なう場合、カソード側の空気取り入れ口の設計としては、まず所望の電流量を規定し、そこから本発明の関係を満足するように算出すればよい。Ｉ−Ｖ特性自体は燃料電池基体である触媒層つき電解質膜ＭＥＡの性能に依存するが、ある燃料電池の仕様として所望の電流量がある場合、電流量が必要な酸素量を決めるため、構造はＭＥＡの特性に直接依存せず、その電流量のみに依存する。このことを念頭におけば、必要な電流量に対して空気の開口部の必要面積が決定でき、間隙の幅の設計に反映が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本発明の燃料電池は、小型燃料電池の性能を損なわず、小型化が可能なために、パッシブ型の小型燃料電池に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】実施例１における燃料電池の断面図である。
【図２】シミュレーションによって得られたＩ−Ｖ特性の空気取り入れ層の間隙の幅依存性を示す図である。
【図３】燃料電池セルの発電電圧の間隙依存性を示す図である。
【図４】燃料電池セルの発電効率の間隙依存性を示す図である。
【図５】燃料電池セルの発電電圧の電流密度依存性を示す図である。
【図６】燃料電池セルの発電効率の電流密度依存性を示す図である。
【図７】一般的な燃料電池を示す断面図である。
【図８】燃料電池セルを積層した燃料電池を示す概略図である。
【図９】流路出口がふさがれ拡散によって、反応物質が供給される場合の燃料電池の断面構成図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  酸化極（カソード）側のセパレータ
２  空気取り入れ層
３  酸化極（カソード）側の空気拡散層
４  流路終端
５  電解質膜
６  燃料拡散層
７  燃料取り入れ層
８  燃料極（アノード）側のセパレータ
９  流路終端
１０  空気取り入れ口
１１  燃料（水素）入り口
１２  空気出口
１３  燃料（水素）出口
１４  燃料電池基体（ＭＥＡ）
１５  アノード極
１６  カソード極
２２  酸化極流路
２７  燃料流路
Ｌ  燃料電池基体（ＭＥＡ）の長さ
ｗ  空気取り入れ層の間隙の幅
【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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