(57)【要約】【課題】高分子電解質膜１１のより広い範囲が適正な湿潤状態に保たれて、発電性能と起動特性とに優れた燃料電池セルを提供する。【解決手段】燃料電池セル１０は、高分子電解質膜１１、燃料極１２ａ、酸化剤極１２ｂ、燃料拡散層１３、および酸素拡散層１４を有し、中心を貫通させて燃料流路１８を配置し、酸化剤極１２ｂの対向する二つの側面に、酸素を取り入れる開口部２０を配置している。開口部２０と平行で燃料流路１８に連通させた溝２１を燃料供給層１３に形成することにより、水素ガスの流れを利用して高分子電解質膜１１の隅々まで加湿を行わせる。溝２１の平面位置では発電が活発で水分が停滞し易く、開口部２０に近い平面位置の高分子電解質膜１１は乾燥し易い。燃料流路１８から燃料拡散層１３へ拡散する水素ガスは、水蒸気濃度の高い溝２１にて効率的に加湿されて、開口部２０の平面位置まで水蒸気を面状に均一に分散させる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を介して対抗して存在する二つの触媒層と、
前記二つの触媒層のうちの一方の触媒層と接して存在する燃料拡散層と、
前記二つの触媒層のうちの他方の触媒層と接して存在する酸素拡散層と、
二つの開口部と、を少なくとも有する燃料電池セルにおいて、
前記二つの開口部は、前記酸素拡散層が有する側面のうち前記高分子電解質膜のプロトン伝導方向と平行に対向して存在する二つの側面に各々存在し、
前記燃料拡散層が、少なくとも、燃料の拡散抵抗がＡの領域と、Ｂの領域とを有し、前記燃料の拡散抵抗Ａは、前記燃料の拡散抵抗Ｂよりも大きく、
前記燃料拡散層は対称点を有しており、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域は、前記開口部に平行かつ前記対称点を含む平面と交わり、
前記燃料の拡散抵抗がＢの領域中に存在しうる、前記高分子電解質膜と前記触媒層との界面に平行であって前記開口部に平行であるもっとも長い線分は、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域中に存在しうる、前記高分子電解質膜と前記触媒層との界面に平行であって、前記開口部に垂直であるもっとも長い線分よりも長いことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を介して対向して存在する二つの触媒層と、
前記二つの触媒層のうちの一方の触媒層と接して存在する燃料拡散層と、
前記二つの触媒層のうちの他方の触媒層と接して存在する酸素拡散層と、
一つの開口部と、を少なくとも有する燃料電池セルにおいて、
前記開口部は、前記酸素拡散層が有する側面のうちの前記高分子電解質膜のプロトン伝導方向と平行な側面に存在し、
前記燃料拡散層が少なくとも、燃料の拡散抵抗がＡの領域と、Ｂの領域とを有して、前記燃料の拡散抵抗Ａは、前記燃料の拡散抵抗Ｂよりも大きく、
前記燃料の拡散抵抗がＢの領域は、前記開口部と同一の平面に存在する前記燃料拡散層内の領域と前記燃料拡散層内で点対称な領域の近傍に存在し、
前記燃料の拡散抵抗がＢの領域内に存在できる前記高分子電解質膜と触媒層との界面および前記開口部に平行な最も長い線分は、前記開口部に垂直で前記界面に平行な線分よりも長いことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項３】
前記燃料拡散層が燃料供給口を有し、
前記燃料の拡散抵抗がＢの領域と前記燃料供給口が５ｍｍ以内の距離にあることを特徴とする請求項１もしくは２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記燃料供給口が前記燃料の拡散抵抗がＢの領域に接続していることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記燃料拡散層が燃料排出口を有し、該燃料排出口が前記燃料の拡散抵抗がＢの領域に接続していることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項記載の燃料電池セル。
【請求項６】
前記燃料拡散層が有する溝によって前記拡散抵抗がＢの領域が形成されていることを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項記載の燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、湿潤状態で水素イオンを移動させる高分子電解質膜を用いて水素ガスと大気中の酸素とを反応させる燃料電池セル、詳しくは、高分子電解質膜の隅々まで適正な湿潤状態を確保させる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
湿潤状態で水素イオンを移動させる高分子電解質膜が実用化されており、高分子電解質膜を用いて水素ガスと大気中の酸素とを反応させる燃料電池が提案されている。この形式の燃料電池は、高分子電解質膜の両側に燃料拡散層と酸素拡散層とを配置した燃料電池セルを積み重ねており、隣り合う燃料電池セルの燃料拡散層と酸素拡散層との間にはセパレータ等を設けて気体の移動を遮断してある。
【０００３】
特許文献１に記載の燃料電池装置には、高分子電解質膜の両側に燃料拡散層と酸素拡散層とを配置した燃料電池セルが示される（図７参照）。ここでは、中央に水素ガスの供給口を配置して、それぞれ円板状に形成された燃料拡散層、高分子電解質膜、酸素拡散層、セパレータ等を積み重ねている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許ＵＳＰ５５１４４８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、小型の電子機器に燃料電池を組み込む場合、機器側の収納スペースや内部構造に合わせて燃料電池を設計する必要がある。燃料電池の運転には、大気の取り入れや生成される水蒸気の排出が不可欠であるが、燃料電池の大気供給口や水蒸気排出口は、機器側の外観デザインや内部構造によって大きな制約を受ける。
【０００６】
そして、燃料電池が機器側の外観デザインや内部構造による制約を受けると、燃料電池は、燃料電池セルの機能上の最適な選択を採用できなくなる。特許文献１に示されるように電池セル側の都合に合わせて外観と構造が最適化された燃料電池では、電子機器の外観デザインや小型化の妨げとなる。
【０００７】
例えば、機器側の収納スペースに合わせて直方体の外観の燃料電池とし、電子回路の配置を避けて方形断面の対向する二辺に大気供給口、水蒸気排出口を配置する設計とした場合を考える。この場合、後述するように、方形形状の高分子電解質膜の四隅では、湿潤度が不足して正常な発電に寄与できない可能性がある。
【０００８】
本発明は、高分子電解質膜の全面における湿潤状態のばらつきを小さくして、発電性能を改善し、起動性能も併せて向上させた燃料電池セルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の燃料電池セルは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を介して対抗して存在する二つの触媒層と、前記二つの触媒層のうちの一方の触媒層と接して存在する燃料拡散層と、前記二つの触媒層のうちの他方の触媒層と接して存在する酸素拡散層と、二つの開口部とを少なくとも有する。そして、前記二つの開口部は、前記酸素拡散層が有する側面のうち前記高分子電解質膜のプロトン伝導方向と平行に対向して存在する二つの側面に各々存在し、前記燃料拡散層が、少なくとも、燃料の拡散抵抗がＡの領域と、Ｂの領域とを有し、前記燃料の拡散抵抗Ａは、前記燃料の拡散抵抗Ｂよりも大きく、前記燃料拡散層は対称点を有しており、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域は、前記開口部に平行かつ前記対称点を含む平面と交わり、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域中に存在しうる、前記高分子電解質膜と前記触媒層との界面に平行であって前記開口部に平行であるもっとも長い線分は、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域中に存在しうる、前記高分子電解質膜と前記触媒層との界面に平行であって、前記開口部に垂直であるもっとも長い線分よりも長い。
【００１０】
また、別の本発明の燃料電池セルは、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を介して対向して存在する二つの触媒層と、前記二つの触媒層のうちの一方の触媒層と接して存在する燃料拡散層と、前記二つの触媒層のうちの他方の触媒層と接して存在する酸素拡散層と、一つの開口部とを少なくとも有する。そして、前記開口部は、前記酸素拡散層が有する側面のうちの前記高分子電解質膜のプロトン伝導方向と平行な側面に存在し、前記燃料拡散層が少なくとも、燃料の拡散抵抗がＡの領域と、Ｂの領域とを有して、前記燃料の拡散抵抗Ａは、前記燃料の拡散抵抗Ｂよりも大きく、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域は、前記開口部と同一の平面に存在する前記燃料拡散層内の領域と前記燃料拡散層内で点対称な領域の近傍に存在し、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域内に存在できる前記高分子電解質膜と触媒層との界面および前記開口部に平行な最も長い線分は、前記開口部に垂直で前記界面に平行な線分よりも長い。
【００１１】
これらの燃料電池セルは、前記燃料拡散層が燃料供給口を有し、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域と前記燃料供給口が５ｍｍ以内の距離にあることが望ましく、前記燃料供給口が前記燃料の拡散抵抗がＢの領域に接続していることはさらに望ましい。
【００１２】
いずれにせよ、前記燃料拡散層が燃料排出口を有し、該燃料排出口が前記燃料の拡散抵抗がＢの領域に接続していることが望ましい。
【００１３】
いずれにせよ、前記燃料拡散層が有する溝によって前記拡散抵抗がＢの領域が形成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池セルでは、発電反応が活発な領域に偏って発生する水蒸気が、拡散抵抗が相対的に低い領域を通じて、燃料拡散層内で効率的に拡散する。このため、相対的に拡散抵抗が高い領域の開口部に沿った方向の隅々にまで水蒸気が行き渡って、高分子電解質膜における平面的な湿潤度のばらつきが少なくなる。
【００１５】
従って、拡散抵抗が相対的に低い領域が無い場合と比較して、高分子電解質膜のより広い範囲が水素イオンの移動に好適な湿潤状態に保たれ、高分子電解質膜の平面全体としての水素イオンの移動性能を高めることができる。これにより、高分子電解質膜のより広い範囲で、ばらつきの少ない効率的な発電状態を確保できる。
【００１６】
言い換えれば、燃料拡散層に、その平面形状と開口配置とに応じた拡散抵抗に係るわずかな変更を加えることによって、変更を加えない場合よりも高分子電解質膜の全面における湿潤状態のばらつきを小さくできる。そして、組み込む機器側の制約による機能的な不都合を解消できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の燃料電池セルの一実施形態である燃料電池５２について、図面を参照して詳細に説明する。本発明の燃料電池セルは、以下に説明する燃料電池セル１０および燃料電池５２の具体的な構成には限定されない。高分子電解質膜を採用して、組み込む機器側の制約を受ける限りにおいて、燃料電池セル１０および燃料電池５２の構成の一部または全部を、その代替的な構成で置き換えた別の実施形態でも実現可能である。
【００１８】
本発明の燃料電池は、デジタルカメラ、デジタルビデオカメラ、小型プロジェクタ、小型プリンタ、ノート型パソコン等の持ち運び可能な小型電子機器に着脱可能に装着される形態でも実施できる。しかし、電子機器等に一体不分離に組み込んで、燃料補給だけを外部から行う形態でも実施できる。
【００１９】
なお、特許文献１に示される燃料電池装置の構造、燃料電池セルの材料、組み立て構造、動作原理、製造方法、運転条件等の一般的な事項については、図示を省略して重複する説明を省略する。
【００２０】
また、各実施形態を表す図面において、１０は燃料電池セル、１１は高分子電解質膜、１２ａは燃料極、１２ｂは酸化剤極、１３は燃料流路板（燃料拡散層）、１４は酸素流路板（酸素拡散層）を示す。１５、１６、１９はシール部材、１７は遮断層（セパレータ板）、１８は燃料流路（供給口）、２０は開口部、２１は拡散抵抗を低くした領域を示す。５０は小型電子機器、５１は通気孔、５２は燃料電池、５３は燃料タンクを示す。
【００２１】
＜第一の実施形態＞
図１は第一の実施形態の燃料電池を搭載した小型電子機器の構成の説明図、図２は燃料電池セルの垂直断面構造の説明図、図３の(ａ)、（ｂ）は図２の燃料電池セルにおける水平断面構造の説明図である。図４の（ａ）、（ｂ）は燃料電池セルにおける水素ガスと酸素との流れの説明図、図５は高分子電解質膜を用いた発電状態の説明図である。図８は第一の実施形態の変形例における燃料電池セルの水平断面構造の説明図である。
【００２２】
なお、図３の（ａ）および図４の（ａ）は、図２におけるＡ−Ａ’面で燃料電池セルを切断した断面図であり、図３の（ｂ）および図４の（ｂ）は、図２におけるＢ−Ｂ’面で燃料電池セルを切断した断面図である。
【００２３】
図１は本実施形態の燃料電池を搭載した小型電子機器の構成の説明図である。図１に示すように、本実施形態の燃料電池５２は、小型電子機器（デジタルカメラ）５０に対して着脱可能に搭載することができる。燃料電池５２は、小型電子機器５０側の収納スペースに合わせた直方体の外観に設計されており、燃料電池セル１０を複数積み重ねて最も端のセルと燃料タンク５３を接続させる。本実施形態では、小型電子機器５０の正面と背面とに通気孔５１が形成されているので、燃料電池５２には、燃料電池セル１０へ大気を取り入れる開口部２０が通気孔５１に重なる位置に配置されている。開口部２０を燃料電池５２の正面側と背面側とに配置し、左右の側面にはシール部材１９を配置して、燃料電池セル１０が小型電子機器５０の内部に直接水蒸気を排出しないように設計してある。
【００２４】
図２は燃料電池セルの垂直断面構造の説明図である。図２に示すように、セパレータ板１７上に積層された１段の燃料電池セル１０は、高分子電解質膜１１、燃料極１２ａ、酸化剤極１２ｂ、燃料流路板１３、および酸素流路板１４を有する。燃料極１２ａと酸化剤極１２ｂは、高分子電解質膜１１を介して対向して存在する。
【００２５】
なお、本発明においては、高分子電解質膜１１を基準として燃料流路板側に存在する触媒層を燃料極と表記し、酸素流路板側に存在する触媒層を酸化剤極と表記することとする。また、燃料流路板とは燃料を拡散する機能を有するものであり、以下燃料拡散層と表記する場合がある。同様に、酸素流路版とは酸素を拡散する機能を有するものであり、酸素拡散層と表記する場合がある。
【００２６】
燃料流路板１３は燃料極１２ａに接触させて配置され、酸素流路板１４は酸化剤極１２ｂに接触させて配置される。燃料流路板１３は、燃料極１２ａの全面に水素ガスを供給する。酸素流路板１４は、酸化剤極１２ｂの全面に大気中の酸素を供給するとともに、酸化剤極１２ｂで発生した水蒸気を外部へ放出する。
【００２７】
燃料流路板１３および酸素流路板１４は、導電性の多孔質材料で形成される。このような導電性の多孔質材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、発泡金属などが挙げられる。燃料流路板１３および酸素流路板１４は、それぞれ、一つの層で形成されていても良く、複数の層で構成されていても良い。燃料流路板１３もしくは酸素流路板１４が複数の層で構成される場合、それぞれの層が異なる気孔率を有する材料で構成することができる。
【００２８】
例えば、触媒層に近い層をカーボンペーパーやカーボンクロスなど多孔度の比較的低い材料で構成し、触媒層から遠い層を発泡金属で構成する場合などが挙げられる。本実施形態では、例えば、前記導電性多孔質材料として、例えば、三菱マテリアル株式会社製の多孔質金属板を使用することができる。なお、能動的に水素ガスを一方向に流す燃料流路板１３と比較して、酸素流路板１４は、主に自然拡散によって酸素と水蒸気とを双方向に移動させるため、厚く設計される。燃料流路板および酸素流路板のサイズとしては、例えば燃料流路板１３の厚さは０．５ｍｍ、酸素流路板１４の厚さは２ｍｍとすることができる。同じ理由で、燃料流路板１３の気孔率は約７０％、酸素流路板１４の気孔率は約９０％とすることができる。
【００２９】
水平断面Ａ−Ａ’を図３の（ａ）に示し、水平断面Ｂ−Ｂ’を図３の（ｂ）に示す。図３の（ａ）に示すように、燃料電池セル１０の中央に、水素ガスの燃料流路１８が配置され、燃料流路１８は、燃料電池（５２：図１）のすべての燃料電池セル１０を貫通して燃料タンク（５３：図１）に接続している。図３の（ｂ）に示すように、燃料流路１８は、燃料タンク（５３：図１）から取り出された水素ガスを燃料電池セル１０の燃料流路板１３に案内する。
【００３０】
燃料流路板１３の外周には、セパレータ板１７に密着させて耐熱ゴムのシール部材１５を配置して、水素ガスが周囲の大気へ漏れ出すのを防止する。図３の（ａ）に示すように、酸素流路板１４の中央には、セパレータ板１７に密着させて耐熱ゴムのシール部材１６を配置して、燃料流路１８を流れる水素ガスが酸素流路板１４へ漏れ出すのを防止する。
【００３１】
酸素流路板１４の左右の側面には、燃料電池セル１０で発生した水蒸気が小型電子機器５０の内部へ排出されないように、シール部材１９が設けられている。シール部材１９が配置されない酸素流路板１４の前後の側面は、大気中の酸素を取り入れて、大気中へ水蒸気を排出する開口部２０である。
【００３２】
図２に示す高分子電解質膜１１はフィルム材料であり、両面には燃料極１２ａおよび酸化剤極１２ｂがそれぞれ形成される。高分子電解質膜１１は、水素イオン伝導性を有する高分子材料により構成され、例えば、デュポン株式会社製のナフィオン（商標）膜などを利用することができる。高分子電解質膜の両面に形成される触媒層である燃料極１２ａ、酸化剤極１２ｂは、白金などの微粒子や、カーボンなどの担体に担持された白金微粒子、樹枝状形状の白金の微細構造体などにより形成される。
【００３３】
第一の実施形態は、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を介して対抗して存在する二つの触媒層と、前記二つの触媒層のうちの一方の触媒層と接して存在する燃料拡散層と、前記二つの触媒層のうちの他方の触媒層と接して存在する酸素拡散層と、二つの開口部とを有する。そして、前記二つの開口部は、前記酸素拡散層が有する側面のうち前記高分子電解質膜のプロトン伝導方向と平行に対向して存在する二つの側面に各々存在する。そして、前記燃料拡散層が、少なくとも、燃料の拡散抵抗がＡの領域と、Ｂの領域とを有し、前記燃料の拡散抵抗Ａは、前記燃料の拡散抵抗Ｂよりも大きい。さらに、前記燃料拡散層は対称点を有し、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域は、前記開口部に平行かつ前記対称点を含む平面と交わる。さらに、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域中に存在しうる、前記高分子電解質膜と前記触媒層との界面に平行であって前記開口部に平行であるもっとも長い線分は、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域中に存在しうる、前記高分子電解質膜と前記触媒層との界面に平行であって、前記開口部に垂直であるもっとも長い線分よりも長い。
【００３４】
ここで、燃料の拡散抵抗とは燃料の拡散しやすさを表現するものであり、燃料の拡散抵抗が低い領域とは、燃料の拡散速度がはやい領域のことである。すなわち、フィックの第１法則における拡散束が大きい領域のことである。
【００３５】
燃料拡散層（燃料流路板）に燃料の拡散抵抗がＡ（相対的に高い）の領域とＢ（相対的に低い）の領域を形成する具体的な方法の１つが、図３の（ｂ）に示す溝２１を形成する方法である。以下は燃料流路板１３に溝を形成する例を挙げて説明する。
【００３６】
燃料流路板１３のうち、燃料流路板１３が有する対称点を含みかつ開口部２０に平行な方向に溝２１を形成する。溝２１は、開口部２０に平行であって燃料流路板１３の対称点を含む平面と（断面が）交わり、開口部２０と平行な方向に存在する。そして、溝２１中に存在しうる、高分子電解質膜１１と触媒層との界面に平行であって開口部２０に平行であるもっとも長い線分（溝長さ）は、溝２１中に存在しうる、高分子電解質膜１１と触媒層との界面に平行であって開口部２０に垂直であるもっとも長い線分（溝幅）よりも長い。
【００３７】
また、溝２１は、燃料流路板１３に形成された窪みであり、燃料流路板１３の厚みの３０％〜７０％の深さを持たせることが好ましい。さらに好ましくは燃料流路板１３の厚みの５０％〜６０％の深さである。
【００３８】
また、燃料流路１８は、溝２１と５ｍｍ以内の距離であることが好ましく、より好ましくは接続する。しかし、燃料流路板１３の材料部分と溝２１との拡散抵抗の差が大きければ、燃料流路１８から離れた位置に溝２１を配置しても構わない。
【００３９】
また、溝２１は、開口部２０と一端を共有している燃料流路板１３の一つの面から５ｍｍ以内の距離にまで達していることが好ましい。
【００４０】
また、溝２１は、開口部２０と同一の平面に存在する燃料流路板１３の側面領域と、該側面領域と燃料流路板１３内で点対称な側面領域とから同一の距離にあることが好ましい。
【００４１】
また、拡散抵抗Ａ（燃料流路板１３の拡散抵抗）は拡散抵抗Ｂ（溝２１の拡散抵抗）の１．５倍以上であることが好ましい。
【００４２】
図４の（ａ）には、酸素流路板１４内の酸素の流れ、図４（ｂ）には、燃料流路板１３内の燃料の流れがそれぞれ模式的に示されている。また、図４の（ａ）、（ｂ）中のＣ−Ｃ’断面における酸素、燃料（水素ガス）、水分（水蒸気）の流れを、それぞれの矢印にて、図５に拡大して示す。
【００４３】
図４の（ａ）に矢印で示すように、酸素流路板１４では、燃料電池セル１０の前後の側面の開口部２０から中央へ向かって大気中の酸素が自然拡散する。酸素は、高分子電解質膜１１（図５）の表面に配置された触媒層で、高分子電解質膜１１から供給された水素イオンと反応して水分子を生成する。生成された水分子は、高分子電解質膜１１に捕捉されて高分子電解質膜１１を湿潤状態にするとともに、余剰な水分は水蒸気として開口部２０へ向かって自然拡散し、開口部２０から外部へ排出する。
【００４４】
図４の（ｂ）に矢印で示すように、高分子電解質膜１１の対向する面では、高分子電解質膜１１でイオン化される水素ガスが、燃料タンク（５３：図１）から燃料流路１８を通じて、燃料流路板１３へ供給される。水素ガスは、燃料流路１８から燃料の拡散抵抗の低い領域である燃料流路板１３の溝２１を通じて酸素流路板１４の開口部２０に沿った方向へ流れて、燃料流路板１３のうち溝２１を有する面を均一な圧力状態にする。
【００４５】
水素ガスは、溝２１を通った後に、溝２１と比較して拡散抵抗の高い燃料流路板１３へ流れ込み、溝２１を有する面に対してほぼ均等に拡散する。すなわち、図４の（ｂ）に矢印で示すような流れを形成して開口部２０に向かう方向に面状に供給される。
【００４６】
このように、燃料流路板１３の高分子電解質膜１１と反対側の面に浅い溝２１を形成することによって、水素ガスが流れる方向が溝２１から開口部２０へ向かう方向へとなる。
【００４７】
本出願人らは、酸素流路板１４における水分分布を鋭意検討した結果、図４の（ａ）に示す平面分布を持つと言う結論に至った。すなわち、開口部２０近傍では水分量が少なく、開口部２０より遠くなるほど水分量が多くなる。これは、開口部２０近傍では水の外部への蒸発が多く、開口部２０より離れるにつれ水分の蒸発が少ないためと推測される。ここで、本発明において近傍とは５ｍｍ以内の距離のこととする。
【００４８】
ところで、高分子電解質膜１１の内部での水分の移動に関しては、電気浸透現象と逆拡散現象を考慮する必要がある。図５に示すように、電気浸透現象は、燃料極１２ａから酸化剤極１２ｂへ向かう水素イオンの移動に付随して燃料極１２ａから酸化剤極１２ｂへ水分が移動する現象であり、移動量は発電電流の大きさに依存する。一方、逆拡散現象は、高分子電解質１１内の水濃度勾配に応じて、酸化剤極１２ｂから燃料極１２ａへ水分が移動する現象である。
【００４９】
図４の（ａ）に示すように、酸素流路板１４の水平断面における対称点を中心とした開口部２０と平行な領域は水の発生量が多い。従って、溝２１が形成された付近の高分子電解質膜１１では、燃料極１２ａ側の乾燥した水素ガスと酸化剤極１２ｂの加湿された大気との水分含有量の差によって、酸化剤極１２ｂと燃料極１２ａとの間の水濃度勾配が大きくなる。ここで、溝２１が形成された付近の高分子電解質膜１１とは、高分子電解質膜１１のうち溝２１が存在する部分の燃料流路板１３に対向する領域のことを示す。
【００５０】
したがって、図５に示すように、対向する開口部２０の中間点（酸素流路板１４の対称点）付近では、逆拡散による水分の移動が支配的となり、酸化剤極１２ｂから燃料極１２ａへ水の移動が生じて、溝２１の表面近傍に存在する水素ガスが加湿される。一方、開口部２０近傍では、図４の（ａ）に示すように水分量が少ないため、燃料極１２ａ側の溝２１の表面に接して加湿された水素と酸化剤極１２ｂ側の水分量の少ない大気との水分含有量の差によって、酸化剤極１２ｂから燃料極１２ａ間へ浸透する水の量が少なくなる。したがって、図５に示すように、電気浸透による水分の移動が支配的となって、燃料極１２ａより酸化剤極１２ｂに水分が移動して空気が加湿される。
【００５１】
言い換えれば、図４の（ａ）に示すように、酸素流路板１４内では開口部２０近傍で水分量が少なく、溝２１の近傍では水分量が多い。これにより、図５に示すように、燃料流路板１３内では溝２１の近傍で水素ガスが加湿され、加湿された水素ガスが燃料流路板１３のうち開口部２０が存在する平面と交わる部分の近傍まで移動する。そして、高分子電解質膜１１、燃料極１２ａおよび酸化剤極１２ｂを介して、酸素流路板１４のうち開口部２０近傍に水を発生させる。このため、燃料電池セル１０内の水分分布の偏りが抑制され、高分子電解質膜１１の隅々まで適正な湿潤状態に保たれて発電効率の高い発電状態となる。
【００５２】
また、高分子電解質膜１１の全体が水分不足の状態で発電開始された場合でも、速やかに高分子電解質膜１１の全体が適正な湿潤状態に移行して起動特性が高まる。出力を高めることにより、電気浸透現象が高まり、より多くの水分が酸化剤極１２ｂ側へ持ち去られても、溝２１でより多くの水分が蒸発するので、燃料流路板１３を通じて高分子電解質膜１１の隅々へ効率的に水分が補充される。溝２１が無ければ、燃料流路１８に近い位置に結露が生じ、水素ガスの拡散が阻害される可能性があるのに対し、溝２１があることにより水分が溝２１に沿った方向へ効率的に発生するので、水素ガスが届きにくくなる領域が発生しにくい。
【００５３】
したがって、本実施形態の燃料電池セル１０によれば、加湿・水管理のための複雑もしくは大がかりの機構が無くても、速やかに起動して長時間に渡り安定した出力が得られる。本実施形態の燃料電池５２によれば、燃料流路板１３における酸素流路板１４の開口部２０から遠いところに溝２１を設けることにより、燃料電池セル１０内での効率的な水分の移動を促す。これにより、出力の安定した燃料電池５２を提供可能となるので、小型電子機器５０等の電源に利用することができる。
【００５４】
なお、本実施形態においては、図３に示すように、燃料流路１８を燃料流路板１３の対称点付近に形成したものを例にとって説明したが、燃料流路１８は、燃料流路板１３の中心以外の平面位置に配置してもよい。図８の（ａ）、（ｂ）に示す変形例のように、図２に示す燃料流路１８を一方のシール部材１９側に片寄せて配置することも可能である。このような場合でも、２つの開口部２０から等距離にある領域に溝２１（拡散抵抗の低い領域）を形成すれば、第一の実施形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
＜第二の実施形態＞
図９の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第二の実施形態における燃料電池セルの各断面の説明図である。第二の実施形態は、燃料電池セルが酸素を取り入れる開口部が酸素流路板１４の一つの側面にのみ配置された燃料電池に関する。
【００５６】
なお、図９の（ａ）は、図２と同様に燃料電池セルを切断した断面図である。図９の（ｂ）は、図３（ａ）と同様に図９の（ａ）におけるＡ−Ａ’面で燃料電池セルを切断した断面図である。図９の（ｃ）は、図３（ｂ）と同様に図９（ａ）におけるＢ−Ｂ‘面で燃料電池セルを切断した断面図である。
【００５７】
第二の実施形態は、少なくとも、高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を介して対向して存在する二つの触媒層と、前記二つの触媒層のうちの一方の触媒層と接して存在する燃料拡散層と、前記二つの触媒層のうちの他方の触媒層と接して存在する酸素拡散層と、一つの開口部とを有するものである。そして、前記開口部は、前記酸素拡散層が有する側面のうちの前記高分子電解質膜のプロトン伝導方向と平行な側面に存在し、前記燃料拡散層が少なくとも、燃料の拡散抵抗がＡの領域と、Ｂの領域とを有して、前記燃料の拡散抵抗Ａは、前記燃料の拡散抵抗Ｂよりも大きい。さらに、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域は、前記開口部と同一の平面に存在する前記燃料拡散層内の領域と前記燃料拡散層内で点対称な領域の近傍に存在する。さらに、前記燃料の拡散抵抗がＢの領域内に存在できる前記高分子電解質膜と触媒層との界面および前記開口部に平行な最も長い線分は、前記開口部に垂直で前記界面に平行な線分よりも長い。
【００５８】
第二の実施形態は、燃料の拡散抵抗がＢ（相対的に低い）の低い領域として、第一の実施形態と同様に燃料流路板１３に溝２１を形成している。図９の（ｃ）に示すように、溝２１は、開口部２０から最も遠い部分に形成している。
【００５９】
これにより、第一の実施形態と同様な現象が生じる。すなわち、酸素流路板１４のうち開口部２０と接する部分と点対称な位置近傍では水が発生する量が多い。そして、開口部２０と接する部分と点対称な位置近傍の酸化剤極１２ｂで発生した水が、高分子電解質膜１１を逆拡散し、燃料極１２ａを介して燃料流路板１３内に水蒸気として供給され、開口部２０と同一の平面に存在する燃料流路板１３内の領域近傍へと移動する。
【００６０】
したがって、燃料流路板１３内の開口部２０から最も離れた部分である「開口部２０と同一の平面に存在する燃料流路板１３内の領域と燃料流路板１３内で点対称な領域の近傍」に拡散抵抗がＢである溝２１を形成する。
【００６１】
前述したように、拡散抵抗が相対的に低い拡散抵抗がＢの領域には高分子電解質膜１１を介して水が酸化剤極１２ｂから伝わるため、水蒸気の濃度が高い。また、水素ガスは燃料流路板１３内の拡散抵抗がＢの領域（溝２１）から拡散抵抗がＡの領域（燃料流路板１３の材料部分）へと移動する。すなわち、拡散抵抗が相対的に低い溝２１で加湿された水素ガスが拡散抵抗が相対的に高い燃料流路板１３の材料部分へ行き渡り、燃料流路板１３の溝２１から遠い領域へ行き渡った水が電気浸透により酸素流路板１４中の開口部２０付近へと伝わる。すなわち、高分子電解質膜１１の全体に水が浸透する。
【００６２】
また、燃料流路１８は、溝２１と５ｍｍ以内の距離であることが好ましく、より好ましくは接続する。しかし、燃料流路板１３の材料部分と溝２１との拡散抵抗の差が大きければ、燃料流路１８から離れた位置に溝２１を配置しても構わない。
【００６３】
＜第三の実施形態＞
図１０の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、第三の実施形態における燃料電池セルの各断面の説明図である。第三の実施形態は、燃料流路板に燃料を取り入れる燃料供給口と燃料流路板から燃料を排出する燃料排出口とを有する燃料電池セルに関する。
【００６４】
なお、図１０の（ａ）は、図２と同様に燃料電池セルを切断した断面図である。図１０の（ｂ）は、図３（ａ）と同様に図１０の（ａ）におけるＡ−Ａ’面で燃料電池セルを切断した断面図である。図１０の（ｃ）は、図３（ｂ）と同様に図１０の（ａ）におけるＢ−Ｂ’面で燃料電池セルを切断した断面図である。
【００６５】
図１０の（ｃ）に示すように、第三の実施形態の燃料電池セル１０は、燃料流路１８から燃料を燃料流路板１３に放出するための燃料供給口と、燃料流路板１３から燃料を放出するための燃料排出口５４とを燃料流路板１３に形成してある。
【００６６】
図１０の（ｂ）に示すように、第三の実施形態の燃料電池セル１０は、第一の実施形態と同様に、酸素流路板１４の対向する二つの側面に開口部２０を配置している。このため、酸素流路板１４の対称点を含んで開口部２０に平行な領域には発電に伴う水が発生しやすい。そこで、この平行な領域に対応する燃料流路板１３の領域に、拡散抵抗がＢ（相対的に低い）領域を少なくとも一つ形成する。
【００６７】
なお、図１０の（ｃ）に示すように、拡散抵抗がＢ（相対的に低い）の領域を複数形成することも可能である。そのような場合、拡散抵抗がＢの領域を、燃料流路板１３において、対称点を含み開口部２０と平行な領域と、開口部２０を含む平面の近傍の領域とにそれぞれ形成することが好ましい。そのような場合、対称点を含み開口部２０と平行な拡散抵抗がＢの領域における一端に燃料流路１８の燃料供給口を形成し、開口部２０を含む平面の近傍の拡散抵抗がＢの領域における燃料供給口を形成した一端とは異なる端に燃料排出口５４を形成することが好ましい。
【００６８】
第三の実施形態では、図１０の（ｃ）に示すように、燃料流路板１３の対称点を含み開口部２０と平行な領域に溝２１を形成して、溝２１の一端に燃料流路１８の燃料供給口を配置する。また、燃料流路板１３の開口部２０を含む平面の近傍の領域にもそれぞれ溝２１を形成して、溝２１の燃料流路１８の燃料供給口とは反対側に燃料排出口５４を配置する。
【００６９】
水素ガスは燃料流路１８の燃料供給口から燃料流路板１３に入り、拡散係数の低い領域（拡散抵抗がＢの領域）に沿って流れて拡散した後、燃料排出口５４から放出される。ここで、水素ガスは燃料流路１８の燃料供給口から燃料流路板１３に入り、拡散係数の低い領域に沿って流れて拡散した後、燃料排出口５４から放出される。ここで、水素ガスは水の発生量が多い拡散抵抗の低い領域を通った後、その他の領域へと拡散し、その後燃料排出口から放出される。
【００７０】
したがって、燃料流路板１３が燃料流路１８が有する燃料供給口および燃料排出口５４を有する場合も、本発明の効果を有する。
【００７１】
これにより、第一の実施形態と同様に、燃料電池セル１０内の水分分布の偏りが抑制され、高分子電解質膜１１の隅々まで適正な湿潤状態に保たれて発電効率の高い発電状態となる。溝２１を形成しない場合に比較して、燃料電池セル１０の発電性能と起動特性とが共に高められる。したがって、燃料流路１８が有する燃料供給口および燃料排出口５４を燃料流路板１３に形成した場合も本発明の効果を有する。
【００７２】
＜比較例の燃料電池＞
燃料電池は、体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の二次電池に比べて、数倍から十倍近くになる可能性があり、さらに燃料を充填することにより、携帯電話、ノートＰＣ等小型電気機器の長時間連続使用が可能となるため期待されている。
【００７３】
比較的大きな据置型発電設備や自動車等移動体用の燃料電池は、冷却機構、加湿・水管理の機構等を組み合わせて構成される。しかし、小型電子機器用の燃料電池においては、コストや格納スペースの制約により、加圧・冷却・加湿などが不要な、より単純な構成で必要な出力が得られる事が好ましい。
【００７４】
このような小型電子機器用の燃料電池として、特許文献１には、大気の自然拡散を利用して大気中の酸素を水素ガスに反応させるエアブリージング燃料電池が提案されている。図６は比較例の燃料電池の燃料電池セルの断面図、図７は比較例における燃料電池セルの平面図である。比較例の燃料電池は、特許文献１に示される形式のエアブリージング燃料電池である。図７中、（ａ）は、図６の燃料電池セルにおけるＡ−Ａ‘断面の平面図、（ｂ）は、図６の燃料電池セルにおけるＢ−Ｂ’断面の平面図である。
【００７５】
図６に示すように、燃料電池セル１００は、高分子電解質膜１０１の対向する面に、燃料極１０２ａと酸化剤極１０２ｂとを配置した膜電極接合体を有する。そして、燃料極１０２ａに水素ガスを供給する燃料流路板１０３と酸化剤極１０２ｂに酸素を供給する酸素流路板１０４とが設けられている。
【００７６】
燃料流路板１０３の外周には、セパレータ板１０７に密着させてシール部材１０５が設けられ、水素ガスが周囲に放出されるのを防止している。酸素流路板１０４の内周には、セパレータ板１０７に密着させてシール部材１０６が設けられ、シール部材１０６の内側を流れる水素ガスを酸素流路板１０４から分離している。燃料流路板１０３、酸素流路板１０４は、それぞれ多孔質な電子伝導性の材料が用いられる。燃料電池セル１００は、水素ガスに対して不浸透性で電気伝導性のセパレータ板１０７を介して、複数積層可能である。
【００７７】
燃料電池セル１００では、水素ガスは、図７の（ａ）に示すシール部材１０６の内側に形成される燃料流路１０８を通って、図７の（ｂ）に矢印で示すように、燃料流路板１０３の内周より供給される。そして、図６に示すように、膜電極接合体の表面に沿って供給される。膜電極接合体の対向する面では、図７の（ａ）に矢印で示すように、酸素流路板１０４の外周より大気中の酸素が自然拡散により供給される。
【００７８】
このようにエアブリージング燃料電池では、大気中の酸素が自然拡散して膜電極接合体に供給されるので、酸素流路板１０４側に酸素を供給するための加圧機構が不要となる。また、拡散速度によって酸素の供給が制限されるため、燃料電池セル１００の過剰な温度上昇を抑制でき、冷却機構を省略または単純化できる。さらに、酸素流路板１０４は水の外部への拡散抵抗となるため、膜電極接合体に採用される水分を含んだ高分子電解質膜１０１の乾燥を抑制できる。エアブリージング燃料電池は、酸素を供給する加圧機構、冷却や加湿のための手段が省略可能なため、小型電子機器用の電源に適した構成である。
【００７９】
しかし、小型電子機器用の燃料電池においては、小型電子機器の形状・電源の配置位置などの制約がある。このため、図１に示される小型電子機器５０のように、特許文献１に示される環状の燃料電池を利用することが困難な場合や、大気の取り入れ方向が限られてしまう場合がある。このような制約下で、燃料電池を発電させると、出力が低下することがあった。
【００８０】
＜発明との対応＞
本発明の燃料電池セルは、このような課題を解決しており、積層してセル積層体（スタック）を構成して、出力の安定したエアブリージング型の燃料電池を実現している。
【００８１】
実施形態に示したように、燃料電池セル１０は、高分子電解質膜１１の対向する面に燃料極１２ａと酸化剤極１２ｂとが配置される。燃料極１２ａに水素ガスを拡散により供給する燃料流路板１３および酸化剤極１２ｂに酸素を拡散により供給する酸素流路板１４が配置される。酸素流路板１４は、開口部２０により大気に開放される。そして、燃料流路板１３は、開口部２０より遠いところに溝２１が形成されているので、燃料電池セル１０内で効率的に水分が移動することにより、出力の安定した燃料電池５２を提供することが可能となる。
【００８２】
燃料電池セル１０は、湿潤状態で水素イオンを移動させる高分子電解質膜１１の一方の面に接して存在する燃料極１２ａと、該燃料極１２ａに接して存在し水素ガスを前記高分子電解質質膜１１の全面に拡散させる燃料流路板１３と、前記高分子電解質膜１１の他方の面に配置される酸化剤極１２ｂと、該酸化剤極１２ｂに接して存在し側面側の開口部２０から取り入れた大気を膜電極接合体の全面に拡散させる酸素流路板１４とを備える。そして、開口部２０から距離を隔てた開口部２０に沿った方向の溝２１にて、燃料流路板１３の拡散抵抗を他の領域よりも低くしてある。
【００８３】
燃料電池セル１０では、拡散抵抗を低くした溝２１を通じて、燃料流路板１３内で水蒸気が効率的に拡散するので、開口部２０に沿った方向の隅々にまで水蒸気が行き渡って膜電極接合体の湿潤度のばらつきを少なくする。これにより、拡散抵抗を低くした溝２１が無い場合に比較して、膜電極接合体のより広い範囲が適正な湿潤状態に保たれ、膜電極接合体全体としての水素イオンの移動性能を高めることができる。膜電極接合体のより広い範囲で、ばらつきの少ない効率的な発電状態を確保できる。つまり、燃料流路板１３において、開口部２０の位置に対応させて、拡散抵抗の低い領域を形成することによって高分子電解質膜１１と燃料極１２ａと酸化剤極１２ｂからなる膜電極接合体の全面における湿潤状態のばらつきを小さくできる。すなわち、組み込む機器側の制約によって開口部２０が特定の場所にのみ形成される場合であっても、出力の低下を抑制できる燃料電池を得ることができる。
【００８４】
燃料電池セル１０では、拡散抵抗を低くした溝２１は、１以上の開口部２０からそれぞれ最も遠い位置にある。
【００８５】
また、燃料流路板１３と酸素流路板１４とは、水素イオン伝導方向に垂直な平面で切断した切断面面においてほぼ同一の平面形状を有する。そのような平面形状としては、例えば、円形状、正方形形状、長方形形状などが挙げられる。
【００８６】
平面形状が正方形形状もしくは長方形形状である場合、前記平面形状において、一つの辺もしくは対向する二つの辺に対応する部分に開口部２０が配置される。二つの辺に対応する部分に開口部２０が存在する（開口部が対向して二つ存在する）場合、前記対向する二辺から等しい距離であり開口部２０と平行な領域に拡散抵抗が低い領域（溝２１）を有することが好ましい。
【００８７】
また、一つの辺に対応する部分のみに開口部２０が存在する場合、すなわち開口部が一つである場合、開口部が存在する辺と対向する辺の近傍に拡散抵抗の低い領域を有する。
【００８８】
また、平面形状が円形の場合も、同様に、切断面上で開口部が対向して２つ存在する場合には、円の中心部近傍に拡散抵抗が低い領域が存在し、開口部が一つ存在する場合には、切断面において開口部と点対称となる領域近傍に拡散抵抗が低い領域を有する。
【００８９】
燃料電池セル１０の燃料流路板１３に水素ガスを供給する供給口は、拡散抵抗の低い領域である溝２１に接続しているが、供給口から離れた位置に溝２１を配置してもよい。溝２１には、燃料流路板１３よりも拡散抵抗の低い材料を配置してもよい。燃料流路板１３に溝２１を形成せず、溝２１に該当する位置に燃料流路板１３の材料の拡散抵抗を低くするような加工を施してもよい。
【００９０】
燃料電池セル１０は、高分子電解質膜１１膜の両面に燃料極１２ａ、酸化剤極１２ｂを形成した膜電極接合体と、膜電極接合体の一方の面側に配置される燃料流路板１３と、前記膜電極接合体の他方の面側に配置される酸素流路板１４とを備える。水素ガスを前記一方の面に供給して拡散させる燃料流路板１３と、側面側に配置された開口部２０から大気中の酸素を取り入れて前記他方の面に拡散して供給する酸素流路板１４とを備える。そして、燃料流路板１３における開口部２０に沿った方向に燃料流路板１３のその他の部分と比較して水素ガスの拡散抵抗が低い領域（溝２１）が形成される。溝２１は、発電中の酸素流路板１４における周囲よりも水分が豊富に滞留する領域と対向する燃料流路板内での領域を含むように燃料流路板１３内に形成する。
【００９１】
溝２１は、溝２１が無い場合の酸素流路板１４における最も水分が滞留する領域すなわち開口部２０を通じて最も水分が抜けにくい領域と燃料流路板１３内の対向する領域を含むように燃料流路板１３に形成されている。
【００９２】
溝２１は、燃料流路板１３が膜電極接合体に水素ガスを排出する反対側の面に配置されて、水素ガスを排出する膜電極接合体側の面には達していない。
【００９３】
溝２１は、燃料流路板１３における開口部２０に沿った方向の両側面のいずれにも達していない。従って、燃料流路板１３の側面とシール部材１５との隙間へ溝２１から直接水素ガスが逃げない。溝２１の表面を水素ガスの均一な圧力状態に保って溝２１の表面の各部分での水素ガスの浸透／拡散を安定させる。
【００９４】
燃料電池５２は、燃料電池セル１０を積み重ねて構成され、隣接する燃料電池セル１０の燃料流路板１３と酸素流路板１４とは、相互の気体移動を遮断するセパレータ１７を介して積み重ねられている。そして、セパレータ１７で積み重ね方向に仕切られた酸素流路板１４の側面全体を大気を取り入れる開口部２０としてある。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】第一の実施形態の燃料電池を搭載した小型電子機器の構成の説明図である。
【図２】燃料電池セルの垂直断面構造の説明図である。
【図３】図２の燃料電池セルにおける水平断面構造の説明図である。
【図４】燃料電池セルにおける水素ガスと酸素との流れの説明図である。
【図５】高分子電解質膜を用いた発電状態の説明図である。
【図６】比較例の燃料電池の燃料電池セルの断面図である。
【図７】比較例における燃料電池セルの平面図である。
【図８】第一の実施形態の変形例における燃料電池セルの水平断面構造の説明図である。
【図９】第二の実施形態における燃料電池セルの各断面の説明図である。
【図１０】第三の実施形態における燃料電池セルの各断面の説明図である。
【符号の説明】
【００９６】
１０、１００  燃料電池セル
１１、１０１  高分子電解質膜
１２ａ、１０２ａ  燃料極
１２ｂ、１０２ｂ  酸化剤極
１３、１０３  燃料流路板（燃料拡散層）
１４、１０４  酸素流路板（酸素拡散層）
１５、１６、１９、１０５、１０６  シール部材
１７、１０７  遮断層（セパレータ板）
１８、１０８  燃料流路（供給口）
２０  開口部
２１  拡散抵抗がＢの領域（溝）
５０  小型電子機器
５１  通気孔
５２  燃料電池
５３  燃料タンク
５４  燃料排出口
【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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