燃料電池
【課題】放熱が促進されることにより、出力の安定化と、長寿命化が可能な直接メタノール型燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１７と、電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極１３と、電解質膜の他方の面に燃料極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空気極１６と、を有する膜電極接合体２と、膜電極接合体２の複数の空気極１６の電解質膜１７側とは反対の面側及び複数の燃料極１３の電解質膜１７側とは反対の面側の少なくとも一方に配置された熱伝導体４０と、を具備する燃料電池。
【解決手段】電解質膜１７と、電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極１３と、電解質膜の他方の面に燃料極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空気極１６と、を有する膜電極接合体２と、膜電極接合体２の複数の空気極１６の電解質膜１７側とは反対の面側及び複数の燃料極１３の電解質膜１７側とは反対の面側の少なくとも一方に配置された熱伝導体４０と、を具備する燃料電池。
【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】
高温で作動する燃料電池において、燃料電池を収納する機器の筐体が高温になることを防止する目的で、燃料電池を覆う断熱体の外表面を伝熱体で覆う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方で、燃料電池セパレータなどの用途に好適な高い熱伝導性を有する熱伝導性成形体が開示されている（例えば、特許文献２参照）。特に、この熱伝導性成形体によれば、熱伝導率の異方性により電気・電子機器用の筐体、部材とした場合に、筐体の放熱設計などにおいて有用であることが開示されている。
【０００５】
単位電池を複数個積層して積層体を形成してなる燃料電池において、温度分布を均一化する目的で、平面方向の熱伝導率が積層方向の熱伝導率よりも大きいガス分離板と単位電池とを交互に積層して、上下端部に冷却板を配置した構成が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２０２６１１号公報
【特許文献２】特開２００６−４９８７８号公報
【特許文献３】特開平９−２８９０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池として、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。
【０００８】
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。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）を備えて構成されている。
【０００９】
このような膜電極接合体の面内において、意図しない温度ばらつきが生じることがある。特に、膜電極接合体の周辺部では比較的放熱が促進されるのに対して、中央部では熱が逃げにくく、周辺部と中央部とで大きな温度差が生じやすくなる。また、このような温度差に伴って飽和水蒸気圧差も生じ、膜電極接合体において発電反応に必要な物質の授受が阻害され、結果として、出力の低下や不安定化を招くおそれがある。
【００１０】
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】
【００１１】
この発明の態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極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空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記複数の空気極の前記電解質膜側とは反対の面側及び前記複数の燃料極の前記電解質膜側とは反対の面側の少なくとも一方に配置された熱伝導体と、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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膜電極接合体及び熱伝導体の構造を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図６】図６は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図７】図７は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図８】図８は、膜電極接合体における面内の温度分布の一例を説明するための図である。
【図９】図９は、熱伝導体の熱伝導率比に対する膜電極接合体の面内の温度分布を測定した結果を示す図である。
【図１０】図１０は、熱伝導体の厚みに対する膜電極接合体の面内の温度分布を測定した結果を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例５に係る燃料電池の構成を概略的に示す図である。
【図１２】図１２は、実施例１乃至５及び比較例１における性能評価の測定結果（平均出力及び平均温度）を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１４】図１４は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１５】図１５は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１６】図１６は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１７】図１７は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１８】図１８は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１９】図１９は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図２０】図２０は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図２１】図２１は、膜電極接合体の形状と熱伝導体の熱伝導性との関係を説明するための図である。
【図２２】図２２は、実施例６乃至８及び比較例２における性能評価の測定結果（出力密度及び温度差）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
このような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。すなわち、集電体１８は、膜電極接合体２のアノード１３の側に配置されたアノード集電体１８Ａ及び膜電極接合体２のカソード１６の側に配置されたカソード集電体１８Ｃを有している。アノード集電体１８Ａは、アノードガス拡散層１２に重なっている。カソード集電体１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に重なっている。これらのアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃは、図示しない開口を有している。
【００２２】
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、さらには、グラファイト（黒鉛）等の炭素質材料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いる。すなわち、シール部材１９は、電解質膜１７とアノード集電体１８Ａとの間、及び、電解質膜１７とカソード集電体１８Ｃとの間にそれぞれ配置されており、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。なお、膜電極接合体２において、電解質膜１７のうち、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４にともに接しておらず、かつシール部材１９によって囲まれた内側に相当する位置に、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。
【００２４】
膜電極接合体２のカソード１６の側において、集電体１８とカバープレート２１との間には、通気性を有する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。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、カソード集電体１８Ｃの上に配置され、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。
【００２５】
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、板状体２０の上に配置されている。このカバープレート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。
【００２６】
カソード集電体１８Ｃと板状体２０との間には、後述する熱伝導体４０が配置されている。また、図１に示したように、熱伝導体４０とカソード集電体１８Ｃとの間には、絶縁体５０が配置されることが望ましい。
【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。
【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。
【００３０】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、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。
【００３１】
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、複数、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
このような燃料分配板３１Ａは、液体燃料の気化成分や液体燃料を透過させない材料で形成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で形成される。また、燃料分配板３１Ａは、例えば、液体燃料の気化成分と液体燃料とを分離し、その気化成分を膜電極接合体２の側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが適用可能である。
【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、ネジ止め、リベット継手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。
【００３８】
また、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。
【００３９】
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。
【００４０】
燃料収容部４に収容された液体燃料は、重力を利用して流路５を介して燃料供給部３１で落下させて送液することができる。また、流路５に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４に収容された液体燃料を燃料供給部３１まで送液してもよい。
【００４１】
流路５は、配管などで構成されているが、燃料供給部３１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、流路５は、燃料供給部３１や燃料収容部４を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の燃料流路であってもよい。すなわち、燃料供給部３１は、種々の形態の燃料流路等を介して燃料収容部４と連通されていればよい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
上述した燃料電池１においては、燃料収容部４から流路５を介して燃料供給部３１に導入された液体燃料は、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化成分とが混在する状態で、燃料供給部３１の燃料排出口３３から集電体１８のアノード集電体１８Ａを介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。
【００５２】
アノード１３に供給された燃料は、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
ところで、この実施の形態においては、図２及び図３に示すように、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。
【００５６】
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。複数の単セルＣは、略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。つまり、単セルＣを構成するアノード１３の各々も略同等のサイズであるとともに略同一の形状であり、しかも、単セルＣを構成するカソード１６の各々も略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。ここでは、単セルＣの各々は、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、ここに示した例に限らず他の構造であっても良い。
【００５７】
ここで示した各単セルＣは、第１方向Ｘに平行な長辺を有するとともに第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに平行な短辺を有する略長方形状に形成されている。つまり、単セルＣの長手方向は、第１方向Ｘに相当する。また、各単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６についても、第１方向Ｘに平行な長辺を有するとともに第２方向Ｙに平行な短辺を有する略長方形状に形成されている。
【００５８】
複数の単セルＣの並び方向は、それぞれの単セルＣの長手方向すなわち第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙと平行である。つまり、複数のアノード１３の並び方向は第２方向Ｙであり、また、複数のカソード１６の並び方向は第２方向Ｙである。
【００５９】
膜電極接合体２の外形については、略長方形状に形成されていても良いし、略正方形状に形成されていても良い。
【００６０】
図２及び図３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、図示しない集電体によって電気的に直列に接続されている。すなわち、図２などに示した膜電極接合体２に対応するために、集電体は、それぞれ４個のアノード集電体及びカソード集電体を有している。アノード集電体のそれぞれは、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。
【００６１】
次に、熱伝導体４０についてより詳細に説明する。
【００６２】
図４は、膜電極接合体２及び熱伝導体４０の構造を概略的に示す断面図である。なお、図４においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体４０とカソード集電体１８Ｃとの間の絶縁体５０は省略している。
【００６３】
より具体的には、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のサイズ（例えば、電解質膜１７の外形寸法に対応）と同等に形成され、各単セルＣのカソード１６と対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体４０は、各カソード１６と対向するとともに隣り合うカソード１６の間の空間部ＳＰの直上にも位置している。換言すると、熱伝導体４０は、隣り合う複数のカソード１６に跨って配置されている。
【００６４】
このような熱伝導体４０と膜電極接合体２との間、より具体的には、熱伝導体４０とカソード１６のカソードガス拡散層１５との間には、カソード集電体１８Ｃが配置されている。換言すると、ここに示した熱伝導体４０は、カソード集電体１８Ｃと図示しないカバープレート２１との間に配置されている。
【００６５】
このような熱伝導体４０やカソード集電体１８Ｃは、膜電極接合体２に対してカソード側に配置されるが、これらが通気性を有しているため、発電反応に必要な各カソード１６への空気あるいは酸素の導入、さらには、各カソード１６から外部への水蒸気などの気体の排出を阻害することはない。
【００６６】
このような構成の熱伝導体４０は、熱移動を可能とするバイパスとして機能する。このため、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のカソード１６の側において高温部から低温部への熱の移動を促進することが可能となる。すなわち、ある一つの単セルＣを構成するカソード１６の高温部の熱は、熱伝導体４０を介して、同一の単セルＣにおけるカソード１６における低温部へと移動可能となるとともに、隣り合う他の単セルＣを構成する比較的低温のカソード１６へと移動可能となる。当然のことながら、比較的高温の空間部ＳＰの熱も熱伝導体４０を介して低温部へと移動可能となる。
【００６７】
したがって、膜電極接合体２の面内における温度差を低減することができ、温度分布の均一化を図ることが可能となる。また、間隔をおいて並列配置された単セルＣの間（より具体的には、隣り合うカソード１６の間）が空気などによって電気的に絶縁されるとともに熱的にも断熱されたとしても、複数の単セルＣに跨って配置された熱伝導体４０による熱移動の促進作用により、膜電極接合体２の面内における温度差を低減することができる。
【００６８】
図１及び図４に示した例では、熱伝導体４０が膜電極接合体２のカソード１６の側に配置された場合について説明したが、熱伝導体４０が膜電極接合体２のアノード１３の側に配置されても良い。
【００６９】
図５は、膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。なお、図５においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体４０とアノード集電体１８Ａとの間の絶縁体５０は省略している。
【００７０】
より具体的には、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のサイズ（例えば、電解質膜１７の外形寸法に対応）と同等に形成され、各単セルＣのアノード１３と対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体４０は、各アノード１３と対向するとともに隣り合うアノード１３の間の空間部ＳＰの直上にも位置している。換言すると、熱伝導体４０は、隣り合う複数のアノード１３に跨って配置されている。
【００７１】
このような熱伝導体４０と膜電極接合体２との間、より具体的には、熱伝導体４０とアノード１３のアノードガス拡散層１２との間には、アノード集電体１８Ａが配置されている。換言すると、ここに示した熱伝導体４０は、アノード集電体１８Ａと図示しない燃料供給機構３との間に配置されている。このような熱伝導体４０やアノード集電体１８Ａは、膜電極接合体２に対してアノード側に配置されるが、これらが通気性を有しているため、発電反応に必要な各アノード１３への燃料ガスの導入を阻害することはない。
【００７２】
このような構成の熱伝導体４０は、熱移動を可能とするバイパスとして機能する。このため、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３の側において高温部から低温部への熱の移動を促進することが可能となる。すなわち、ある一つの単セルＣを構成するアノード１３の高温部の熱は、熱伝導体４０を介して、同一の単セルＣにおけるアノード１３における低温部へと移動可能となるとともに、隣り合う他の単セルＣを構成する比較的低温のアノード１３へと移動可能となる。当然のことながら、比較的高温の空間部ＳＰの熱も熱伝導体４０を介して低温部へと移動可能となる。
【００７３】
したがって、膜電極接合体２の面内における温度差を低減することができ、温度分布の均一化を図ることが可能となる。また、間隔をおいて並列配置された単セルＣの間（より具体的には、隣り合うアノード１３の間）が空気などによって電気的に絶縁されるとともに熱的にも断熱されたとしても、複数の単セルＣに跨って配置された熱伝導体４０による熱移動の促進作用により、膜電極接合体２の面内における温度差を低減することができる。
【００７４】
上述した例では、熱伝導体４０が膜電極接合体２のカソード１６の側のみに配置された場合、及び、熱伝導体４０が膜電極接合体２のアノード１３の側のみに配置された場合について説明したが、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の両方に配置されても良い。
【００７５】
図６は、膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。なお、図６においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体４０とアノード集電体１８Ａとの間の絶縁体５０、及び、熱伝導体４０とカソード集電体１８Ｃとの間の絶縁体５０は省略している。
【００７６】
より具体的には、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のサイズ（例えば、電解質膜１７の外形寸法に対応）と同等に形成され、各単セルＣのアノード１３及びカソード１６とそれぞれ対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体４０は、各アノード１３と対向するとともに隣り合うアノード１３の間の空間部ＳＰの直上にも位置している。また、単一の熱伝導体４０は、各カソード１６と対向するとともに隣り合うカソード１６の間の空間部ＳＰの直上にも位置している。
【００７７】
このような構成においては、図４に示した例及び図５に示した例の両方の効果が同時に得られる。
【００７８】
このように、熱伝導体４０は、膜電極接合体２の複数のカソード１６の電解質膜１７側とは反対の面側及び複数のアノード１３の電解質膜１７側とは反対の面側の少なくとも一方に配置されていれば良い。
【００７９】
なお、熱伝導体４０は、必ずしも全てのアノード１３またはカソード１６と対向していなくてもよい。例えば、図７に示すように、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のサイズよりも小さく形成され、複数のアノード１３及び複数のカソード１６のうち、一部を露出していてもよい。つまり、両端の単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６の一部は、熱伝導体４０と対向することなく、熱伝導体４０から露出している。
【００８０】
このような場合であっても、膜電極接合体２に形成された全ての単セルＣを含む発電部（つまり、図示しないシール部材によって囲まれた全ての単セルＣが占める領域及び隣接する単セルＣの間の間隔を含めた領域）の外形寸法Ｄの８０％以上の面積が熱伝導体４０によって覆われていれば、熱伝導体４０を介した十分な熱移動が可能となり、膜電極接合体２の面内における温度分布の均一化を図ることが可能である。
【００８１】
図７に示した例では、アノード１３に対向する熱伝導体４０及びカソード１６に対向する熱伝導体４０の両方の外形寸法がそれぞれ発電部の外形寸法Ｄの８０％の面積を有している。なお、図４に示した例のように、熱伝導体４０がカソード１６のみに対向する場合や、図５に示した例のように、熱伝導体４０がアノード１３のみに対向する場合であっても、それぞれの熱伝導体４０の外形寸法が膜電極接合体２における発電部の外形寸法Ｄの８０％以上の面積を有していれば、温度分布の均一化の効果は得られる。
【００８２】
上述した例のように複数の単セルＣを備えた膜電極接合体２の面内においては、図８に示すように、中央部２Ｃは比較的放熱されにくく高温となりやすく、逆に、周辺部２Ｐは中央部と比較して低温となりやすい。この場合、熱伝導体４０を配置したことにより、膜電極接合体２の中央部２Ｃから周辺部２Ｐへの熱移動が促進され、膜電極接合体２の中央部２Ｃと周辺部２Ｐとでの温度差を低減することが可能となる。つまり、膜電極接合体２の面内における温度分布を均一化することが可能となる。
【００８３】
このため、温度差に起因した飽和水蒸気圧差も低減され、膜電極接合体２の面内において、中央部２Ｃ及び周辺部２Ｐのいずれにおいても、発電反応に必要な物質の授受を促進することが可能となる。例えば、周辺部２Ｐが極端に低温となることなく、適度に高温部からの熱により加温されることにより、発電反応で生成した水の凝集を抑制して空気の取り込み不足を解消できるとともに、アノード側での液体燃料の気化が促進され、安定して高い発電効率を維持することが可能となる。一方で、中央部２Ｃが極端に高温となることがなくなり、適度に放熱することにより、発電反応に必要な水が蒸散するのを抑制して、安定して高い発電効率を維持することが可能となる。
【００８４】
これにより、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【００８５】
上述した熱伝導体４０としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率の高い材料によって形成されることが望ましい。また、熱伝導体４０は、通気性を確保する必要があり、多孔質性あるいは貫通孔を有している。このうち、多孔質性の熱伝導体４０としては、炭素繊維素材が好適であり、例えば、東レ社製のカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈシリーズ）や、ＳＧＬカーボンジャパン社製のカーボンペーパー（ＧＤＬシリーズ）などが適用可能である。また、貫通孔を有する熱伝導体４０としては、黒鉛（グラファイト）などの炭素質の材料をシート状に加工したグラファイトシート（例えば、グラフテック社製のグラファイトシート（ｅＧｒａｆシリーズ）に貫通孔を形成したものなどが適用可能である。さらに、熱伝導体４０としては、熱伝導性に優れた金、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン等の金属、または、ステンレスなどのこれらの金属の合金に貫通孔を形成したものなどが適用可能である。
【００８６】
熱伝導体４０として金属材料を用いた場合、カソード１６で生成した水や、大気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸化、腐食を生じる可能性がある。それを防ぐために、熱伝導体４０としては、ステンレス等の腐食しにくい材料を用いるか、または、熱伝導体４０の表面に、金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、炭素質の物質や、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の蒸気に溶解しない塗料で塗装する等しても良い。
【００８７】
上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これら樹脂やゴムは金属に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできるだけ薄くするのが望ましい。
【００８８】
上述した熱伝導体４０とカソード集電体１８Ｃとの間、及び、熱伝導体４０とアノード集電体１８Ａとの間には、必要に応じて、熱伝導体４０と集電体１８との間を電気的に絶縁するために、絶縁体５０が配置される。また、導電性を有する材料で形成された熱伝導体４０が複数の単セルＣに対して共通に配置される場合には、隣り合う単セルＣの間を絶縁するためにも、熱伝導体４０と集電体１８との間には、絶縁体５０を配置することが望ましい。
【００８９】
また、絶縁体５０は、熱伝導体４０と同様に通気性を確保する必要があり、多孔質性あるいは貫通孔を有している。このため、絶縁体５０が膜電極接合体２のカソード１６の側に配置された場合に、各カソード１６への発電反応に必要な空気あるいは酸素の導入、さらには、各カソード１６から外部への水蒸気などの気体の排出を阻害することはない。同様に、絶縁体５０が膜電極接合体２のアノード１３の側に配置された場合にも、各アノード１３への発電反応に必要な燃料ガスの導入を阻害することはない。
【００９０】
この絶縁体５０は、フィルム状あるいは板状に形成されており、その厚みとしては、絶縁性を確保できれば特に制限はないが、モジュールの薄型化の要求に対応するためには１００μｍ以下であることが望ましく、ここではたとえば２０μｍである。
【００９１】
このような絶縁体５０を構成する材料としては、上述したのと同様の樹脂やゴム等の材料が使用可能であり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが好適である。また、熱伝導体４０の腐食を防止するための上記したコーティングや塗装が、絶縁体５０を兼ねていても良い。
【００９２】
上述した熱伝導体４０は、その平面方向の熱伝導率λｐｌが厚み方向の熱伝導率λｔよりも大きい熱伝導異方性を有していることが望ましい。つまり、熱伝導体４０に求められる特性は、面内の熱分布の均一化であり、厚み方向の熱伝導率λｔの方が大きい場合には厚み方向への熱の移動が促進され、面内つまり膜電極接合体の高温部から低温部への熱の移動が阻害されてしまうおそれがある。
【００９３】
このような熱伝導体４０において、平面方向の熱伝導率λｐｌと厚み方向の熱伝導率λｔとの比λ＝λｐｌ／λｔは、１０以上であることが望ましく、２０以上であることがより望ましい。なお、ここで説明した熱伝導率λｐｌ及びλｔは、レーザーフラッシュ法によって測定したものである。
【００９４】
ここで、熱伝導率比λによって変化する膜電極接合体２の面内の温度分布を測定した。このとき、温度（すなわち、膜電極接合体の表面温度）は、各単セルＣにおけるカソードガス拡散層１５と絶縁体５０との間に挟み込んだ熱電対によって測定した。なお、熱電対は、各単セルＣの長手方向の中心部において複数個所設置した。測定結果を図９に示す。この図９においては、面内の最高温度に対する温度差ΔＴ（℃）を縦軸とした。
【００９５】
図９に示したように、比λ＝１の場合には、熱伝導体４０を配置しなかった場合と大差はなかった。これに対して、熱伝導異方性を有する（つまり、λｐｌ＞λｔ）熱伝導体４０を適用した場合には、膜電極接合体２の中央部２Ｃと周辺部２Ｐとでの温度差が低減される傾向が確認された。
【００９６】
比λが１０以上の熱伝導体４０を適用した場合には、全ての単セルＣの中心部での温度差を３℃程度に緩和することができた。
【００９７】
さらに、比λが２０以上の熱伝導体４０を適用した場合には、膜電極接合体２の全域にわたって温度差を３℃以内に緩和することができた。このとき、カソードガス拡散層１５における面内の飽和水蒸気圧差が±１０％以下となることが確認された。
【００９８】
上述した熱伝導体４０は、膜電極接合体２の面内の温度分布の均一化を図る上で十分な厚みであることが望ましく、その厚みは１００μｍ以上であることが望ましいが、モジュールの薄型化の要求に対応するためにはより薄いほうが望ましい。
【００９９】
ここで、熱伝導体４０の厚みｔによって変化する膜電極接合体２の面内の温度分布を測定した。このときの温度測定条件は上記の通りである。測定結果を図１０に示す。この図１０においては、面内の最高温度に対する温度差ΔＴ（℃）を縦軸とした。
【０１００】
図１０に示したように、熱伝導体４０の厚みｔが厚いほど、膜電極接合体２の中央部２Ｃと周辺部２Ｐとでの温度差が低減される傾向が確認された。厚みｔが１００μｍ以上の熱伝導体４０を適用した場合には、全ての単セルＣの中心部での温度差を３℃程度に緩和することができた。さらに、厚みｔが２５０μｍ以上の熱伝導体４０を適用した場合には、膜電極接合体２の全域にわたって温度差を３℃以内に緩和することができた。
【０１０１】
ここで、この熱伝導体４０の厚みｔについては、例えばその熱伝導体の熱伝導率λとの関係から、λ×ｔが１０００以上であることが好ましい。
【０１０２】
熱伝導体４０の気孔率は、板状体２０の気孔率より高く設定することが望ましい。すなわち、膜電極接合体２のカソード側に配置される熱伝導体４０及び板状体２０は、ともにカソード１６への空気の導入を阻害しないように通気性を有している。一方で、板状体２０は保湿層としての機能を有することから、十分な保湿力を確保するためには板状体２０の気孔率は２５％程度である。これに対して、熱伝導体４０は、板状体２０よりもカソード側に位置しており、カソード１６への空気の導入を阻害しないように、板状体２０よりも高い気孔率に設定されている。
【０１０３】
また、熱伝導体４０の気孔率は、その熱伝導率をコントロールするファクターの１つである。すなわち、気孔率が高いほど熱伝導体４０の内部が気体成分で満たされ、放熱性能の低下を招く。つまり、気孔率が高いほど熱伝導率は低下する。このように、熱伝導体４０には、熱伝導性を確保しつつ、通気性を確保することが要求され、両者を考慮すると、熱伝導体４０の気孔率は５０％以上であることが望ましい。
【０１０４】
なお、膜電極接合体２の面内の温度分布は、中央部２Ｃで高く、周辺部２Ｐで低い場合が多い。これに対応するため、熱伝導体４０においては、その中央部での気孔率が周辺部より小さいことが望ましい。つまり、熱伝導体４０において、膜電極接合体２の中央部２Ｃに対向する部分では比較的熱伝導率が高く、熱の移動を促進するとともに、周辺部２Ｐに対向する部分では比較的熱伝導率が低い半面、通気性が高く発電反応を促進することが可能となる。
【０１０５】
このとき、熱伝導体４０は、その気孔率が中央部から周辺部に向かって連続的に大きくなるように構成しても良い。この場合、熱伝導体４０の面内での熱伝導率が一定ではなく、中央部から周辺部にかけて連続的に大きくなる。
【０１０６】
≪第１実施例≫
以下に説明する各実施例及び比較例に係る燃料電池の膜電極接合体２は、図２などに示したように、４つの単セルＣを備えた構成であり、各単セルＣが集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【０１０７】
（実施例１）
図４などに示したように、実施例１に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のカソード１６側のみに配置されている。この熱伝導体４０としては、カーボンペーパーを適用した。すなわち、膜電極接合体２の各単セルＣのカソード１６には、集電体１８のカソード集電体１８Ｃが重なる。カソード集電体１８Ｃの上には、絶縁体５０を介して熱伝導体４０が配置されている。熱伝導体４０の上には、板状体２０を介してカバープレート２１が配置されている。このため、カソード１６で発生した熱は、カソード集電体１８Ｃを介して熱伝導体４０に伝わり、面内に拡散する。
【０１０８】
（実施例２）
図５などに示したように、実施例２に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３側のみに配置されている。この熱伝導体４０としては、カーボンペーパーを適用した。すなわち、膜電極接合体２の各単セルＣのアノード１３には、集電体１８のアノード集電体１８Ａが重なる。アノード集電体１８Ａの上には、絶縁体５０を介して熱伝導体４０が配置されている。このため、アノード１３で発生した熱は、アノード集電体１８Ａを介して熱伝導体４０に伝わり、面内に拡散する。
【０１０９】
（実施例３）
図６などに示したように、実施例３に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３側及びカソード１６側の両方に配置されている。この熱伝導体４０としては、カーボンペーパーを適用した。アノード１３側およびカソード１６側のそれぞれの構成は実施例１及び実施例２と同様である。
【０１１０】
（実施例４）
図７などに示したように、実施例４に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、実施例３と同様に、膜電極接合体２のアノード１３側及びカソード１６側の両方に配置されている。この熱伝導体４０としては、カーボンペーパーを適用した。なお、実施例１乃至３では、熱伝導体４０は、全てのアノード１３あるいは全てのカソード１６の全面に対向するように配置されたが、実施例４では、熱伝導体４０は、外形寸法Ｄの８０％に相当する面積を有しており、一部のアノード１３及び一部のカソードには対向していない。
【０１１１】
（実施例５）
実施例５に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、実施例３と同様に、膜電極接合体２のアノード１３側及びカソード１６側の両方に配置されている。特に、この実施例５においては、熱伝導体４０は、カーボンペーパーに代えて、金（Ａｕ）によって形成されている。
【０１１２】
より具体的には、図１１に示すように、膜電極接合体２の各単セルＣのカソード１６には、集電体１８のカソード集電体１８Ｃが重なる。この場合、カソード集電体１８Ｃは、格子状に形成され、カソード１６の周縁部などと接触している。カソード集電体１８Ｃの上には、図示しないＰＴＦＥによって形成された絶縁体を介して熱伝導体４０が配置されている。この熱伝導体４０は、カソード集電体１８Ｃと同様の形状を有しており、貫通孔４０Ａが形成されている。熱伝導体４０の上には、図示しない板状体を介してカバープレート２１が配置されている。
【０１１３】
このような構成により、開口部２１Ａから導入された空気は、熱伝導体４０の貫通孔４０Ａを通り、カソード集電体１８Ｃを介してカソード１６に取り込まれ、発電反応に利用される。
【０１１４】
一方で、膜電極接合体２の各単セルＣのアノード１３には、集電体１８のアノード集電体１８Ａが重なる。この場合、アノード集電体１８Ａは、カソード集電体１８Ｃと同様の格子状に形成され、アノード１３の周縁部などと接触している。アノード集電体１８Ａの上には、図示しないＰＴＦＥによって形成された絶縁体を介して熱伝導体４０が配置されている。この熱伝導体４０にも、図１１に示した例と同様に、貫通孔４０Ａが形成されている。
【０１１５】
このような構成により、燃料供給機構３から供給された燃料ガスは、熱伝導体４０の貫通孔４０Ａを通り、アノード集電体１８Ａを介してアノード１３に取り込まれ、発電反応に利用される。
【０１１６】
（比較例１）
比較例に係る燃料電池は、熱伝導体を備えていない。
【０１１７】
《性能評価》
上述した燃料電池について、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、出力電圧及び発電中のカソード側の表面温度をそれぞれ測定した。出力については、１０時間での平均出力を算出した。また、表面温度については、図１１に示したように、中央部、中間部、及び、端部の３箇所でそれぞれ測定し、１０時間での平均温度を算出した。
【０１１８】
結果を図１２に示す。すなわち、比較例１の平均出力を１００としたとき、いずれの実施例においても、比較例１よりも高い出力が得られることが確認された。また、比較例１の中央部における平均温度を１００としたとき、比較例１においては、中央部から端部にかけて大きな温度差（１５％）が生じているのに対して、いずれの実施例においても中央部と端部とでの温度差は１０％以下であり、比較例１よりも面内の温度分布が均一化できていることが確認された。
【０１１９】
次に、膜電極接合体２に組み合わせられる熱伝導体４０のバリエーションについて説明する。
【０１２０】
図１３に示すように、膜電極接合体２は、略長方形状に形成され、第１方向Ｘに平行な長辺２Ｌを有するとともに第２方向Ｙに平行な短辺２Ｓを有している。この膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えている。各単セルＣは、略長方形状に形成され、第１方向Ｘに平行な長辺ＣＬを有するとともに第２方向Ｙに平行な短辺ＣＳを有している。
【０１２１】
熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の少なくとも一方に配置されている。図１３では、膜電極接合体２の上に熱伝導体４０が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体４０は、単一の平板状に形成され、４つの開口部４１を有している。各開口部４１は、各単セルＣの一部を露出するように形成されている。つまり、各開口部４１は、単セルＣの外形寸法よりも小さい略長方形状に形成され、単セルＣの長辺ＣＬと平行でありながら単セルＣの長辺ＣＬよりも短い長辺４１Ｌを有するとともに、単セルＣの短辺ＣＳと平行でありながら単セルＣの短辺ＣＳよりも短い短辺４１Ｓを有している。
【０１２２】
このような熱伝導体４０は、各単セルＣの周縁に沿った額縁状に形成されている。つまり、熱伝導体４０は、単セルＣを構成するアノード１３の各々の周縁及びカソード１６の各々の周縁の少なくとも一方に沿った額縁状に形成されている。
【０１２３】
また、この熱伝導体４０においては、隣り合う単セルＣの間の直上にスリット４２が形成されている。つまり、熱伝導体４０において、隣り合うアノード１３の間及び隣り合うカソード１６の間の少なくとも一方の直上には、スリット４２が形成されている。このため、熱伝導体４０は、複数の単セルＣに跨ることがなく、各単セルＣに独立に配置されている。但し、熱伝導体４０の周縁では繋がっており、単一の熱伝導体４０を構成している。
【０１２４】
図１４に示した例の熱伝導体４０は、図１３に示した熱伝導体４０と比較して、さらに、各単セルＣの長辺ＣＬに平行な第１方向Ｘに沿って直線状に形成された１本の第１延出部４３が追加された点で相違している。この第１延出部４３は、各単セルＣの上に配置されている。換言すると、各単セルＣの上の開口部４１は、１本の第１延出部４３により分割された２個のセグメントからなる。なお、第１延出部４３が各単セルＣの上に２本以上配置されても良い。
【０１２５】
図１５に示した例の熱伝導体４０は、図１４に示した熱伝導体４０と比較して、さらに、各単セルＣの短辺ＣＳに平行な第２方向Ｙに沿って直線状に形成された３本の第２延出部４４が追加された点で相違している。これらの第２延出部４４は、各単セルＣの上に略等間隔に配置されている。換言すると、各単セルＣの上の開口部４１は、１本の第１延出部４３及び３本の第２延出部４４により分割された８個のセグメントからなる。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において第１方向Ｘと第２方向Ｙとに交差する格子状に形成されている。なお、第２延出部４４が各単セルＣの上に１乃至２本配置されても良いし、４本以上配置されても良い。
【０１２６】
図１６に示した例の熱伝導体４０は、図１５に示した熱伝導体４０と比較して、さらにより多くの第２延出部４４が追加された点で相違している。ここでは、１５本の第２延出部４４が各単セルＣの上に略等間隔に配置されている。換言すると、各単セルＣの上の開口部４１は、１本の第１延出部４３及び１５本の第２延出部４４により分割された略正方形状の３２個のセグメントからなる。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において第１方向Ｘと第２方向Ｙとに交差する格子状に形成されている。
【０１２７】
図１７に示す例の膜電極接合体２は、略正方形状に形成され、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに平行な各辺の長さが略等しい。この膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えている。これらの４つの単セルＣは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ２個ずつ並べた２×２のマトリクス状に配置されている。つまり、単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６は、２×２のマトリクス状に配置されている。
【０１２８】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０は、略正方形状に形成され、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の少なくとも一方に配置されている。図１７では、膜電極接合体２の上に熱伝導体４０が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体４０は、単一の平板状に形成され、各単セルＣの一部を露出する開口部４１を有している。各単セルＣの上の開口部４１は、略正方形状の複数のセグメントからなる。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において格子状に形成されている。
【０１２９】
なお、図１６や図１７に示したような熱伝導体４０は、ｍ及びｎを１以上の整数としたときｍ×ｎのマトリクス状に配置された単セルＣを備えた膜電極接合体２に対して適用可能である。
【０１３０】
図１８に示した例の熱伝導体４０は、図１７に示した熱伝導体４０と比較して、中央部から周辺部に向かって放射状に形成された点で相違している。すなわち、熱伝導体４０は、各単セルＣの一部を露出するとともに放射状に形成された開口部４１を有している。
【０１３１】
なお、図１８に示したような熱伝導体４０は、ｍ及びｎを１以上の整数としたときｍ×ｎのマトリクス状に配置された単セルＣを備えた膜電極接合体２に対して適用可能である。
【０１３２】
図１９に示す例の膜電極接合体２は、略円形状に形成されている。この膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えている。これらの４個の単セルＣは、膜電極接合体２の中心から円周に向かって放射状に配置されている。つまり、各単セルＣ、あるいは、単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６は、扇形状に形成されている。
【０１３３】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０は、略円形状に形成され、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の少なくとも一方に配置されている。図１９では、膜電極接合体２の上に熱伝導体４０が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体４０は、単一の平板状に形成され、各単セルＣの一部を露出する開口部４１を有している。各単セルＣの上の開口部４１は、放射状に形成されている。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において放射状に形成されている。
【０１３４】
なお、図１９に示したような熱伝導体４０は、３個以下の単セルＣを備えた膜電極接合体２や、５個以上の単セルＣを備えた膜電極接合体２などに対して適用可能である。
【０１３５】
図２０に示す例の膜電極接合体２は、略六角形状に形成されている。この膜電極接合体２は、６つの単セルＣを備えている。これらの６個の単セルＣは、膜電極接合体２の中央部から周辺部に向かって放射状に配置されている。つまり、各単セルＣ、あるいは、単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６は、三角形状に形成されている。
【０１３６】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０は、略六角形状に形成され、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の少なくとも一方に配置されている。図２０では、膜電極接合体２の上に熱伝導体４０が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体４０は、単一の平板状に形成され、各単セルＣの一部を露出する開口部４１を有している。各単セルＣの上の開口部４１は、放射状に形成されている。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において放射状に形成されている。
【０１３７】
なお、図２０に示したような熱伝導体４０は、外形が六角形状の膜電極接合体に限らず、Ｎを３以上の整数としたときＮ角形状の膜電極接合体２に対して適用可能である。
【０１３８】
ところで、本実施形態を別の観点から規定すると、以下の通りとなる。
【０１３９】
図２１には、燃料電池１を構成する膜電極接合体２及び熱伝導体４０の分解図が模式的に示されている。
【０１４０】
膜電極接合体２が略長方形状に形成されている場合、膜電極接合体２の長辺２Ｌに平行な第１方向Ｘの長さをＬｘとし、膜電極接合体２の短辺２Ｓに平行な第２方向Ｙの長さをＬｙとする。ここでは、単セルＣの個数や配置にかかわらず、膜電極接合体２に形成された全ての単セルＣを含む発電部２Ｘの第１方向Ｘに沿った長さをＬｘとし、発電部２Ｘの第２方向Ｙに沿った長さをＬｙとしている。
【０１４１】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０については、第１方向Ｘの熱伝導体４０の熱伝導率λｘと第１方向Ｘの熱伝導体４０の断面積Ｓｘとの積（λｘ×Ｓｘ）を熱伝導性Λｘとし、第２方向Ｙの熱伝導体４０の熱伝導率λｙと第２方向Ｙの熱伝導体４０の断面積Ｓｙとの積（λｙ×Ｓｙ）を熱伝導性Λｙとする。
【０１４２】
この場合、膜電極接合体２と熱伝導体４０とを組み合わせた燃料電池１においては、以下の関係を満たすように構成されている。
【０１４３】
（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）＞１
この関係を満たす燃料電池１によれば、上述した本実施形態の効果が得られる。
【０１４４】
また、本実施形態をさらに別の観点から規定すると、以下の通りとなる。
【０１４５】
膜電極接合体２が略正方形状または略長方形状に形成され、この膜電極接合体２に形成された各単セルＣの長手方向つまりアノード１３の各々及びカソード１６の各々の長手方向が第１方向Ｘに平行であり、複数の単セルＣの並び方向つまり複数のアノード１３の並び方向及び複数のカソード１６の並び方向が第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに平行である場合、膜電極接合体２の第１方向Ｘの長さをＬｘとし、膜電極接合体２の第２方向Ｙの長さをＬｙとする。ここでも、膜電極接合体２に形成された全ての単セルＣを含む発電部２Ｘの第１方向Ｘに沿った長さをＬｘとし、発電部２Ｘの第２方向Ｙに沿った長さをＬｙとしている。
【０１４６】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０については、第１方向Ｘの熱伝導体４０の熱伝導率λｘと第１方向Ｘの熱伝導体４０の断面積Ｓｘとの積（λｘ×Ｓｘ）を熱伝導性Λｘとし、第２方向Ｙの熱伝導体４０の熱伝導率λｙと第２方向Ｙの熱伝導体４０の断面積Ｓｙとの積（λｙ×Ｓｙ）を熱伝導性Λｙとする。
【０１４７】
この場合、膜電極接合体２と熱伝導体４０とを組み合わせた燃料電池１においては、以下の関係を満たすように構成されている。
【０１４８】
（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）＞１
この関係を満たす燃料電池１によれば、上述した本実施形態の効果が得られる。
【０１４９】
以下に、第２実施例について説明する。
【０１５０】
≪第２実施例≫
（実施例６）
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパー（８１ｍｍ×９．７ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【０１５１】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパーに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１４を得た。
【０１５２】
なお、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、同一形状かつ同一の大きさであり、厚さも等しく、それぞれのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４も同一形状かつ同一の大きさである。
【０１５３】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を、４つのアノードガス拡散層１２および４つのカソードガス拡散層１５が、それぞれの長手方向が略平行で、その間隔が１．２ｍｍとなるように並んで配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態で、ホットプレスを施すことにより、膜電極接合体２を得た。
【０１５４】
このように作成した膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持され、アノードガス拡散層１２とアノード集電体１８Ａとが対向するとともに、カソードガス拡散層１５とカソード集電体１８Ｃとが対向している。すなわち、カソード集電体１８Ｃとして、カソードガス拡散層１５の上に金箔を積層した。また、アノード集電体１８Ａとして、アノードガス拡散層１２の上に金箔を積層した。これらのアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃは、上記した４対のアノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが電気的に直列に接続されるように形成されている。
【０１５５】
膜電極接合体２の電解質膜１７と集電体１８との間には、アノード側及びカソード側の双方について、シール部材１９として、それぞれ幅が２ｍｍのゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【０１５６】
カソード集電体１８Ｃの上には、絶縁体５０として、厚さが２０μｍで気孔率６８％のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製微多孔膜を積層した。更に、この絶縁体５０の上には、熱伝導体４０として、厚さが５０μｍのグラファイトシート（グラフテック社製；型番ＳＳ４００−０．０５）を図１３に示したような形状に切り抜き、積層した。この熱伝導体４０であるグラファイトシートは、平面方向（図１３に示した第１方向Ｘおよび第２方向Ｙ）の熱伝導率λｐｌが４００Ｗ/ｍＫであり、その厚み方向（図１３の第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに直交するＺ方向）の熱伝導率λｔが３．５Ｗ／ｍＫである。
【０１５７】
この実施例６においては、図１３に示した熱伝導体４０の第１方向Ｘの熱伝導性Λｘ及び第２方向Ｙの熱伝導性Λｙと、膜電極接合体２の第１方向Ｘの長さＬｘ及び膜電極接合体２の第２方向Ｙの長さＬｙとから求められる（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）の値は、４．４７である。
【０１５８】
熱伝導体４０の上には、板状体２０として、厚さが０．７５ｍｍであり、透気度が３．０秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ Ｐ ８１１７：２００９に規定の測定方法による）であり、透湿度が３０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ Ｌ １０９９：２００６ Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ８５ｍｍ、幅４６．６ｍｍの長方形に切り、積層した。外気からカソード１６に供給される空気は、この板状体２０を透過することとなる。
【０１５９】
この板状体２０の上には、カバープレート２１として、外形が９０ｍｍ×４８ｍｍの長方形であり、厚さが０．３ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を積層した。このカバープレート２１には、一辺の長さが３．５ｍｍの正方形の１２０個の開口部２１Ａが形成されている。
【０１６０】
温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記したように作成した燃料電池１に、純度９９．９重量％の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池１の出力電圧が直列に接続した４対の単セルの中の１対あたり０．３５Ｖで一定になるように、燃料電池１に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池１から得られる出力密度を計測した。
【０１６１】
ここで、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。
【０１６２】
また、図１１に示したように、カバープレート２１の中央部と端部の表面にそれぞれ熱電対を取り付け、この２点間の温度差を測定した。
【０１６３】
（実施例７）
熱伝導体４０の形状を図１５のようにした以外は、実施例６と同様である。この実施例７では、（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）の値は６．２１である。
【０１６４】
（実施例８）
熱伝導体４０の形状を図１６のようにした以外は、実施例６と同様である。この実施例７では、（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）の値は１．５３である。
【０１６５】
（比較例２）
いずれの形状の熱伝導体４０も設けない以外は、実施例６と同様である。
【０１６６】
図２２には、以上の結果をまとめて示したものである。なお、燃料電池１の出力密度を計測した結果と、カバープレート２１の表面における中央部と端部との温度差を計測した結果は、それぞれ比較例２の値を１００とした相対値で示してある。実施例６乃至８のいずれにおいても、比較例２より温度分布が均一化され、しかも、比較例２よりも高い出力密度が得られることが確認された。
【０１６７】
以上説明したように、この実施の形態によれば、膜電極接合体の面内での温度の分布のばらつきを緩和し、発電反応に必要な物質の授受の阻害因子を取り除き、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、さらには、その応用機器を提供することもできる。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【符号の説明】
【０１７１】
１…燃料電池 ２…膜電極接合体 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（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…集電体
２０…板状体（保湿層）
２１…カバープレート
４０…熱伝導体
５０…絶縁体
【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】
高温で作動する燃料電池において、燃料電池を収納する機器の筐体が高温になることを防止する目的で、燃料電池を覆う断熱体の外表面を伝熱体で覆う技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
一方で、燃料電池セパレータなどの用途に好適な高い熱伝導性を有する熱伝導性成形体が開示されている（例えば、特許文献２参照）。特に、この熱伝導性成形体によれば、熱伝導率の異方性により電気・電子機器用の筐体、部材とした場合に、筐体の放熱設計などにおいて有用であることが開示されている。
【０００５】
単位電池を複数個積層して積層体を形成してなる燃料電池において、温度分布を均一化する目的で、平面方向の熱伝導率が積層方向の熱伝導率よりも大きいガス分離板と単位電池とを交互に積層して、上下端部に冷却板を配置した構成が開示されている（例えば、特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２０２６１１号公報
【特許文献２】特開２００６−４９８７８号公報
【特許文献３】特開平９−２８９０２６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池として、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。
【０００８】
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。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）を備えて構成されている。
【０００９】
このような膜電極接合体の面内において、意図しない温度ばらつきが生じることがある。特に、膜電極接合体の周辺部では比較的放熱が促進されるのに対して、中央部では熱が逃げにくく、周辺部と中央部とで大きな温度差が生じやすくなる。また、このような温度差に伴って飽和水蒸気圧差も生じ、膜電極接合体において発電反応に必要な物質の授受が阻害され、結果として、出力の低下や不安定化を招くおそれがある。
【００１０】
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】
【００１１】
この発明の態様による燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極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空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記複数の空気極の前記電解質膜側とは反対の面側及び前記複数の燃料極の前記電解質膜側とは反対の面側の少なくとも一方に配置された熱伝導体と、
を具備することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【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膜電極接合体及び熱伝導体の構造を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図６】図６は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図７】図７は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図８】図８は、膜電極接合体における面内の温度分布の一例を説明するための図である。
【図９】図９は、熱伝導体の熱伝導率比に対する膜電極接合体の面内の温度分布を測定した結果を示す図である。
【図１０】図１０は、熱伝導体の厚みに対する膜電極接合体の面内の温度分布を測定した結果を示す図である。
【図１１】図１１は、実施例５に係る燃料電池の構成を概略的に示す図である。
【図１２】図１２は、実施例１乃至５及び比較例１における性能評価の測定結果（平均出力及び平均温度）を示す図である。
【図１３】図１３は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１４】図１４は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１５】図１５は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１６】図１６は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１７】図１７は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１８】図１８は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図１９】図１９は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図２０】図２０は、本実施形態の燃料電池において膜電極接合体に組み合わせられる熱伝導体のバリエーションを説明するための図である。
【図２１】図２１は、膜電極接合体の形状と熱伝導体の熱伝導性との関係を説明するための図である。
【図２２】図２２は、実施例６乃至８及び比較例２における性能評価の測定結果（出力密度及び温度差）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
このような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。すなわち、集電体１８は、膜電極接合体２のアノード１３の側に配置されたアノード集電体１８Ａ及び膜電極接合体２のカソード１６の側に配置されたカソード集電体１８Ｃを有している。アノード集電体１８Ａは、アノードガス拡散層１２に重なっている。カソード集電体１８Ｃは、カソードガス拡散層１５に重なっている。これらのアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃは、図示しない開口を有している。
【００２２】
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、さらには、グラファイト（黒鉛）等の炭素質材料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いる。すなわち、シール部材１９は、電解質膜１７とアノード集電体１８Ａとの間、及び、電解質膜１７とカソード集電体１８Ｃとの間にそれぞれ配置されており、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。なお、膜電極接合体２において、電解質膜１７のうち、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４にともに接しておらず、かつシール部材１９によって囲まれた内側に相当する位置に、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。
【００２４】
膜電極接合体２のカソード１６の側において、集電体１８とカバープレート２１との間には、通気性を有する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。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、カソード集電体１８Ｃの上に配置され、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。
【００２５】
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、板状体２０の上に配置されている。このカバープレート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。
【００２６】
カソード集電体１８Ｃと板状体２０との間には、後述する熱伝導体４０が配置されている。また、図１に示したように、熱伝導体４０とカソード集電体１８Ｃとの間には、絶縁体５０が配置されることが望ましい。
【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。
【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。
【００３０】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、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。
【００３１】
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、複数、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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
このような燃料分配板３１Ａは、液体燃料の気化成分や液体燃料を透過させない材料で形成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で形成される。また、燃料分配板３１Ａは、例えば、液体燃料の気化成分と液体燃料とを分離し、その気化成分を膜電極接合体２の側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが適用可能である。
【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、ネジ止め、リベット継手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。
【００３８】
また、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。
【００３９】
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。
【００４０】
燃料収容部４に収容された液体燃料は、重力を利用して流路５を介して燃料供給部３１で落下させて送液することができる。また、流路５に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４に収容された液体燃料を燃料供給部３１まで送液してもよい。
【００４１】
流路５は、配管などで構成されているが、燃料供給部３１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、流路５は、燃料供給部３１や燃料収容部４を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の燃料流路であってもよい。すなわち、燃料供給部３１は、種々の形態の燃料流路等を介して燃料収容部４と連通されていればよい。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
上述した燃料電池１においては、燃料収容部４から流路５を介して燃料供給部３１に導入された液体燃料は、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化成分とが混在する状態で、燃料供給部３１の燃料排出口３３から集電体１８のアノード集電体１８Ａを介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。
【００５２】
アノード１３に供給された燃料は、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
ところで、この実施の形態においては、図２及び図３に示すように、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。
【００５６】
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。複数の単セルＣは、略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。つまり、単セルＣを構成するアノード１３の各々も略同等のサイズであるとともに略同一の形状であり、しかも、単セルＣを構成するカソード１６の各々も略同等のサイズであるとともに略同一の形状である。ここでは、単セルＣの各々は、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、ここに示した例に限らず他の構造であっても良い。
【００５７】
ここで示した各単セルＣは、第１方向Ｘに平行な長辺を有するとともに第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに平行な短辺を有する略長方形状に形成されている。つまり、単セルＣの長手方向は、第１方向Ｘに相当する。また、各単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６についても、第１方向Ｘに平行な長辺を有するとともに第２方向Ｙに平行な短辺を有する略長方形状に形成されている。
【００５８】
複数の単セルＣの並び方向は、それぞれの単セルＣの長手方向すなわち第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙと平行である。つまり、複数のアノード１３の並び方向は第２方向Ｙであり、また、複数のカソード１６の並び方向は第２方向Ｙである。
【００５９】
膜電極接合体２の外形については、略長方形状に形成されていても良いし、略正方形状に形成されていても良い。
【００６０】
図２及び図３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、図示しない集電体によって電気的に直列に接続されている。すなわち、図２などに示した膜電極接合体２に対応するために、集電体は、それぞれ４個のアノード集電体及びカソード集電体を有している。アノード集電体のそれぞれは、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。
【００６１】
次に、熱伝導体４０についてより詳細に説明する。
【００６２】
図４は、膜電極接合体２及び熱伝導体４０の構造を概略的に示す断面図である。なお、図４においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体４０とカソード集電体１８Ｃとの間の絶縁体５０は省略している。
【００６３】
より具体的には、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のサイズ（例えば、電解質膜１７の外形寸法に対応）と同等に形成され、各単セルＣのカソード１６と対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体４０は、各カソード１６と対向するとともに隣り合うカソード１６の間の空間部ＳＰの直上にも位置している。換言すると、熱伝導体４０は、隣り合う複数のカソード１６に跨って配置されている。
【００６４】
このような熱伝導体４０と膜電極接合体２との間、より具体的には、熱伝導体４０とカソード１６のカソードガス拡散層１５との間には、カソード集電体１８Ｃが配置されている。換言すると、ここに示した熱伝導体４０は、カソード集電体１８Ｃと図示しないカバープレート２１との間に配置されている。
【００６５】
このような熱伝導体４０やカソード集電体１８Ｃは、膜電極接合体２に対してカソード側に配置されるが、これらが通気性を有しているため、発電反応に必要な各カソード１６への空気あるいは酸素の導入、さらには、各カソード１６から外部への水蒸気などの気体の排出を阻害することはない。
【００６６】
このような構成の熱伝導体４０は、熱移動を可能とするバイパスとして機能する。このため、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のカソード１６の側において高温部から低温部への熱の移動を促進することが可能となる。すなわち、ある一つの単セルＣを構成するカソード１６の高温部の熱は、熱伝導体４０を介して、同一の単セルＣにおけるカソード１６における低温部へと移動可能となるとともに、隣り合う他の単セルＣを構成する比較的低温のカソード１６へと移動可能となる。当然のことながら、比較的高温の空間部ＳＰの熱も熱伝導体４０を介して低温部へと移動可能となる。
【００６７】
したがって、膜電極接合体２の面内における温度差を低減することができ、温度分布の均一化を図ることが可能となる。また、間隔をおいて並列配置された単セルＣの間（より具体的には、隣り合うカソード１６の間）が空気などによって電気的に絶縁されるとともに熱的にも断熱されたとしても、複数の単セルＣに跨って配置された熱伝導体４０による熱移動の促進作用により、膜電極接合体２の面内における温度差を低減することができる。
【００６８】
図１及び図４に示した例では、熱伝導体４０が膜電極接合体２のカソード１６の側に配置された場合について説明したが、熱伝導体４０が膜電極接合体２のアノード１３の側に配置されても良い。
【００６９】
図５は、膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。なお、図５においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体４０とアノード集電体１８Ａとの間の絶縁体５０は省略している。
【００７０】
より具体的には、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のサイズ（例えば、電解質膜１７の外形寸法に対応）と同等に形成され、各単セルＣのアノード１３と対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体４０は、各アノード１３と対向するとともに隣り合うアノード１３の間の空間部ＳＰの直上にも位置している。換言すると、熱伝導体４０は、隣り合う複数のアノード１３に跨って配置されている。
【００７１】
このような熱伝導体４０と膜電極接合体２との間、より具体的には、熱伝導体４０とアノード１３のアノードガス拡散層１２との間には、アノード集電体１８Ａが配置されている。換言すると、ここに示した熱伝導体４０は、アノード集電体１８Ａと図示しない燃料供給機構３との間に配置されている。このような熱伝導体４０やアノード集電体１８Ａは、膜電極接合体２に対してアノード側に配置されるが、これらが通気性を有しているため、発電反応に必要な各アノード１３への燃料ガスの導入を阻害することはない。
【００７２】
このような構成の熱伝導体４０は、熱移動を可能とするバイパスとして機能する。このため、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３の側において高温部から低温部への熱の移動を促進することが可能となる。すなわち、ある一つの単セルＣを構成するアノード１３の高温部の熱は、熱伝導体４０を介して、同一の単セルＣにおけるアノード１３における低温部へと移動可能となるとともに、隣り合う他の単セルＣを構成する比較的低温のアノード１３へと移動可能となる。当然のことながら、比較的高温の空間部ＳＰの熱も熱伝導体４０を介して低温部へと移動可能となる。
【００７３】
したがって、膜電極接合体２の面内における温度差を低減することができ、温度分布の均一化を図ることが可能となる。また、間隔をおいて並列配置された単セルＣの間（より具体的には、隣り合うアノード１３の間）が空気などによって電気的に絶縁されるとともに熱的にも断熱されたとしても、複数の単セルＣに跨って配置された熱伝導体４０による熱移動の促進作用により、膜電極接合体２の面内における温度差を低減することができる。
【００７４】
上述した例では、熱伝導体４０が膜電極接合体２のカソード１６の側のみに配置された場合、及び、熱伝導体４０が膜電極接合体２のアノード１３の側のみに配置された場合について説明したが、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の両方に配置されても良い。
【００７５】
図６は、膜電極接合体及び熱伝導体の他の構造を概略的に示す断面図である。なお、図６においては、説明に必要な主要部のみを模式的に図示しており、熱伝導体４０とアノード集電体１８Ａとの間の絶縁体５０、及び、熱伝導体４０とカソード集電体１８Ｃとの間の絶縁体５０は省略している。
【００７６】
より具体的には、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のサイズ（例えば、電解質膜１７の外形寸法に対応）と同等に形成され、各単セルＣのアノード１３及びカソード１６とそれぞれ対向するように配置されている。つまり、単一の熱伝導体４０は、各アノード１３と対向するとともに隣り合うアノード１３の間の空間部ＳＰの直上にも位置している。また、単一の熱伝導体４０は、各カソード１６と対向するとともに隣り合うカソード１６の間の空間部ＳＰの直上にも位置している。
【００７７】
このような構成においては、図４に示した例及び図５に示した例の両方の効果が同時に得られる。
【００７８】
このように、熱伝導体４０は、膜電極接合体２の複数のカソード１６の電解質膜１７側とは反対の面側及び複数のアノード１３の電解質膜１７側とは反対の面側の少なくとも一方に配置されていれば良い。
【００７９】
なお、熱伝導体４０は、必ずしも全てのアノード１３またはカソード１６と対向していなくてもよい。例えば、図７に示すように、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のサイズよりも小さく形成され、複数のアノード１３及び複数のカソード１６のうち、一部を露出していてもよい。つまり、両端の単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６の一部は、熱伝導体４０と対向することなく、熱伝導体４０から露出している。
【００８０】
このような場合であっても、膜電極接合体２に形成された全ての単セルＣを含む発電部（つまり、図示しないシール部材によって囲まれた全ての単セルＣが占める領域及び隣接する単セルＣの間の間隔を含めた領域）の外形寸法Ｄの８０％以上の面積が熱伝導体４０によって覆われていれば、熱伝導体４０を介した十分な熱移動が可能となり、膜電極接合体２の面内における温度分布の均一化を図ることが可能である。
【００８１】
図７に示した例では、アノード１３に対向する熱伝導体４０及びカソード１６に対向する熱伝導体４０の両方の外形寸法がそれぞれ発電部の外形寸法Ｄの８０％の面積を有している。なお、図４に示した例のように、熱伝導体４０がカソード１６のみに対向する場合や、図５に示した例のように、熱伝導体４０がアノード１３のみに対向する場合であっても、それぞれの熱伝導体４０の外形寸法が膜電極接合体２における発電部の外形寸法Ｄの８０％以上の面積を有していれば、温度分布の均一化の効果は得られる。
【００８２】
上述した例のように複数の単セルＣを備えた膜電極接合体２の面内においては、図８に示すように、中央部２Ｃは比較的放熱されにくく高温となりやすく、逆に、周辺部２Ｐは中央部と比較して低温となりやすい。この場合、熱伝導体４０を配置したことにより、膜電極接合体２の中央部２Ｃから周辺部２Ｐへの熱移動が促進され、膜電極接合体２の中央部２Ｃと周辺部２Ｐとでの温度差を低減することが可能となる。つまり、膜電極接合体２の面内における温度分布を均一化することが可能となる。
【００８３】
このため、温度差に起因した飽和水蒸気圧差も低減され、膜電極接合体２の面内において、中央部２Ｃ及び周辺部２Ｐのいずれにおいても、発電反応に必要な物質の授受を促進することが可能となる。例えば、周辺部２Ｐが極端に低温となることなく、適度に高温部からの熱により加温されることにより、発電反応で生成した水の凝集を抑制して空気の取り込み不足を解消できるとともに、アノード側での液体燃料の気化が促進され、安定して高い発電効率を維持することが可能となる。一方で、中央部２Ｃが極端に高温となることがなくなり、適度に放熱することにより、発電反応に必要な水が蒸散するのを抑制して、安定して高い発電効率を維持することが可能となる。
【００８４】
これにより、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【００８５】
上述した熱伝導体４０としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率の高い材料によって形成されることが望ましい。また、熱伝導体４０は、通気性を確保する必要があり、多孔質性あるいは貫通孔を有している。このうち、多孔質性の熱伝導体４０としては、炭素繊維素材が好適であり、例えば、東レ社製のカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈシリーズ）や、ＳＧＬカーボンジャパン社製のカーボンペーパー（ＧＤＬシリーズ）などが適用可能である。また、貫通孔を有する熱伝導体４０としては、黒鉛（グラファイト）などの炭素質の材料をシート状に加工したグラファイトシート（例えば、グラフテック社製のグラファイトシート（ｅＧｒａｆシリーズ）に貫通孔を形成したものなどが適用可能である。さらに、熱伝導体４０としては、熱伝導性に優れた金、アルミニウム、銅、タングステン、モリブデン等の金属、または、ステンレスなどのこれらの金属の合金に貫通孔を形成したものなどが適用可能である。
【００８６】
熱伝導体４０として金属材料を用いた場合、カソード１６で生成した水や、大気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸化、腐食を生じる可能性がある。それを防ぐために、熱伝導体４０としては、ステンレス等の腐食しにくい材料を用いるか、または、熱伝導体４０の表面に、金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、炭素質の物質や、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の蒸気に溶解しない塗料で塗装する等しても良い。
【００８７】
上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これら樹脂やゴムは金属に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできるだけ薄くするのが望ましい。
【００８８】
上述した熱伝導体４０とカソード集電体１８Ｃとの間、及び、熱伝導体４０とアノード集電体１８Ａとの間には、必要に応じて、熱伝導体４０と集電体１８との間を電気的に絶縁するために、絶縁体５０が配置される。また、導電性を有する材料で形成された熱伝導体４０が複数の単セルＣに対して共通に配置される場合には、隣り合う単セルＣの間を絶縁するためにも、熱伝導体４０と集電体１８との間には、絶縁体５０を配置することが望ましい。
【００８９】
また、絶縁体５０は、熱伝導体４０と同様に通気性を確保する必要があり、多孔質性あるいは貫通孔を有している。このため、絶縁体５０が膜電極接合体２のカソード１６の側に配置された場合に、各カソード１６への発電反応に必要な空気あるいは酸素の導入、さらには、各カソード１６から外部への水蒸気などの気体の排出を阻害することはない。同様に、絶縁体５０が膜電極接合体２のアノード１３の側に配置された場合にも、各アノード１３への発電反応に必要な燃料ガスの導入を阻害することはない。
【００９０】
この絶縁体５０は、フィルム状あるいは板状に形成されており、その厚みとしては、絶縁性を確保できれば特に制限はないが、モジュールの薄型化の要求に対応するためには１００μｍ以下であることが望ましく、ここではたとえば２０μｍである。
【００９１】
このような絶縁体５０を構成する材料としては、上述したのと同様の樹脂やゴム等の材料が使用可能であり、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが好適である。また、熱伝導体４０の腐食を防止するための上記したコーティングや塗装が、絶縁体５０を兼ねていても良い。
【００９２】
上述した熱伝導体４０は、その平面方向の熱伝導率λｐｌが厚み方向の熱伝導率λｔよりも大きい熱伝導異方性を有していることが望ましい。つまり、熱伝導体４０に求められる特性は、面内の熱分布の均一化であり、厚み方向の熱伝導率λｔの方が大きい場合には厚み方向への熱の移動が促進され、面内つまり膜電極接合体の高温部から低温部への熱の移動が阻害されてしまうおそれがある。
【００９３】
このような熱伝導体４０において、平面方向の熱伝導率λｐｌと厚み方向の熱伝導率λｔとの比λ＝λｐｌ／λｔは、１０以上であることが望ましく、２０以上であることがより望ましい。なお、ここで説明した熱伝導率λｐｌ及びλｔは、レーザーフラッシュ法によって測定したものである。
【００９４】
ここで、熱伝導率比λによって変化する膜電極接合体２の面内の温度分布を測定した。このとき、温度（すなわち、膜電極接合体の表面温度）は、各単セルＣにおけるカソードガス拡散層１５と絶縁体５０との間に挟み込んだ熱電対によって測定した。なお、熱電対は、各単セルＣの長手方向の中心部において複数個所設置した。測定結果を図９に示す。この図９においては、面内の最高温度に対する温度差ΔＴ（℃）を縦軸とした。
【００９５】
図９に示したように、比λ＝１の場合には、熱伝導体４０を配置しなかった場合と大差はなかった。これに対して、熱伝導異方性を有する（つまり、λｐｌ＞λｔ）熱伝導体４０を適用した場合には、膜電極接合体２の中央部２Ｃと周辺部２Ｐとでの温度差が低減される傾向が確認された。
【００９６】
比λが１０以上の熱伝導体４０を適用した場合には、全ての単セルＣの中心部での温度差を３℃程度に緩和することができた。
【００９７】
さらに、比λが２０以上の熱伝導体４０を適用した場合には、膜電極接合体２の全域にわたって温度差を３℃以内に緩和することができた。このとき、カソードガス拡散層１５における面内の飽和水蒸気圧差が±１０％以下となることが確認された。
【００９８】
上述した熱伝導体４０は、膜電極接合体２の面内の温度分布の均一化を図る上で十分な厚みであることが望ましく、その厚みは１００μｍ以上であることが望ましいが、モジュールの薄型化の要求に対応するためにはより薄いほうが望ましい。
【００９９】
ここで、熱伝導体４０の厚みｔによって変化する膜電極接合体２の面内の温度分布を測定した。このときの温度測定条件は上記の通りである。測定結果を図１０に示す。この図１０においては、面内の最高温度に対する温度差ΔＴ（℃）を縦軸とした。
【０１００】
図１０に示したように、熱伝導体４０の厚みｔが厚いほど、膜電極接合体２の中央部２Ｃと周辺部２Ｐとでの温度差が低減される傾向が確認された。厚みｔが１００μｍ以上の熱伝導体４０を適用した場合には、全ての単セルＣの中心部での温度差を３℃程度に緩和することができた。さらに、厚みｔが２５０μｍ以上の熱伝導体４０を適用した場合には、膜電極接合体２の全域にわたって温度差を３℃以内に緩和することができた。
【０１０１】
ここで、この熱伝導体４０の厚みｔについては、例えばその熱伝導体の熱伝導率λとの関係から、λ×ｔが１０００以上であることが好ましい。
【０１０２】
熱伝導体４０の気孔率は、板状体２０の気孔率より高く設定することが望ましい。すなわち、膜電極接合体２のカソード側に配置される熱伝導体４０及び板状体２０は、ともにカソード１６への空気の導入を阻害しないように通気性を有している。一方で、板状体２０は保湿層としての機能を有することから、十分な保湿力を確保するためには板状体２０の気孔率は２５％程度である。これに対して、熱伝導体４０は、板状体２０よりもカソード側に位置しており、カソード１６への空気の導入を阻害しないように、板状体２０よりも高い気孔率に設定されている。
【０１０３】
また、熱伝導体４０の気孔率は、その熱伝導率をコントロールするファクターの１つである。すなわち、気孔率が高いほど熱伝導体４０の内部が気体成分で満たされ、放熱性能の低下を招く。つまり、気孔率が高いほど熱伝導率は低下する。このように、熱伝導体４０には、熱伝導性を確保しつつ、通気性を確保することが要求され、両者を考慮すると、熱伝導体４０の気孔率は５０％以上であることが望ましい。
【０１０４】
なお、膜電極接合体２の面内の温度分布は、中央部２Ｃで高く、周辺部２Ｐで低い場合が多い。これに対応するため、熱伝導体４０においては、その中央部での気孔率が周辺部より小さいことが望ましい。つまり、熱伝導体４０において、膜電極接合体２の中央部２Ｃに対向する部分では比較的熱伝導率が高く、熱の移動を促進するとともに、周辺部２Ｐに対向する部分では比較的熱伝導率が低い半面、通気性が高く発電反応を促進することが可能となる。
【０１０５】
このとき、熱伝導体４０は、その気孔率が中央部から周辺部に向かって連続的に大きくなるように構成しても良い。この場合、熱伝導体４０の面内での熱伝導率が一定ではなく、中央部から周辺部にかけて連続的に大きくなる。
【０１０６】
≪第１実施例≫
以下に説明する各実施例及び比較例に係る燃料電池の膜電極接合体２は、図２などに示したように、４つの単セルＣを備えた構成であり、各単セルＣが集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【０１０７】
（実施例１）
図４などに示したように、実施例１に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のカソード１６側のみに配置されている。この熱伝導体４０としては、カーボンペーパーを適用した。すなわち、膜電極接合体２の各単セルＣのカソード１６には、集電体１８のカソード集電体１８Ｃが重なる。カソード集電体１８Ｃの上には、絶縁体５０を介して熱伝導体４０が配置されている。熱伝導体４０の上には、板状体２０を介してカバープレート２１が配置されている。このため、カソード１６で発生した熱は、カソード集電体１８Ｃを介して熱伝導体４０に伝わり、面内に拡散する。
【０１０８】
（実施例２）
図５などに示したように、実施例２に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３側のみに配置されている。この熱伝導体４０としては、カーボンペーパーを適用した。すなわち、膜電極接合体２の各単セルＣのアノード１３には、集電体１８のアノード集電体１８Ａが重なる。アノード集電体１８Ａの上には、絶縁体５０を介して熱伝導体４０が配置されている。このため、アノード１３で発生した熱は、アノード集電体１８Ａを介して熱伝導体４０に伝わり、面内に拡散する。
【０１０９】
（実施例３）
図６などに示したように、実施例３に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３側及びカソード１６側の両方に配置されている。この熱伝導体４０としては、カーボンペーパーを適用した。アノード１３側およびカソード１６側のそれぞれの構成は実施例１及び実施例２と同様である。
【０１１０】
（実施例４）
図７などに示したように、実施例４に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、実施例３と同様に、膜電極接合体２のアノード１３側及びカソード１６側の両方に配置されている。この熱伝導体４０としては、カーボンペーパーを適用した。なお、実施例１乃至３では、熱伝導体４０は、全てのアノード１３あるいは全てのカソード１６の全面に対向するように配置されたが、実施例４では、熱伝導体４０は、外形寸法Ｄの８０％に相当する面積を有しており、一部のアノード１３及び一部のカソードには対向していない。
【０１１１】
（実施例５）
実施例５に係る燃料電池においては、熱伝導体４０は、実施例３と同様に、膜電極接合体２のアノード１３側及びカソード１６側の両方に配置されている。特に、この実施例５においては、熱伝導体４０は、カーボンペーパーに代えて、金（Ａｕ）によって形成されている。
【０１１２】
より具体的には、図１１に示すように、膜電極接合体２の各単セルＣのカソード１６には、集電体１８のカソード集電体１８Ｃが重なる。この場合、カソード集電体１８Ｃは、格子状に形成され、カソード１６の周縁部などと接触している。カソード集電体１８Ｃの上には、図示しないＰＴＦＥによって形成された絶縁体を介して熱伝導体４０が配置されている。この熱伝導体４０は、カソード集電体１８Ｃと同様の形状を有しており、貫通孔４０Ａが形成されている。熱伝導体４０の上には、図示しない板状体を介してカバープレート２１が配置されている。
【０１１３】
このような構成により、開口部２１Ａから導入された空気は、熱伝導体４０の貫通孔４０Ａを通り、カソード集電体１８Ｃを介してカソード１６に取り込まれ、発電反応に利用される。
【０１１４】
一方で、膜電極接合体２の各単セルＣのアノード１３には、集電体１８のアノード集電体１８Ａが重なる。この場合、アノード集電体１８Ａは、カソード集電体１８Ｃと同様の格子状に形成され、アノード１３の周縁部などと接触している。アノード集電体１８Ａの上には、図示しないＰＴＦＥによって形成された絶縁体を介して熱伝導体４０が配置されている。この熱伝導体４０にも、図１１に示した例と同様に、貫通孔４０Ａが形成されている。
【０１１５】
このような構成により、燃料供給機構３から供給された燃料ガスは、熱伝導体４０の貫通孔４０Ａを通り、アノード集電体１８Ａを介してアノード１３に取り込まれ、発電反応に利用される。
【０１１６】
（比較例１）
比較例に係る燃料電池は、熱伝導体を備えていない。
【０１１７】
《性能評価》
上述した燃料電池について、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、出力電圧及び発電中のカソード側の表面温度をそれぞれ測定した。出力については、１０時間での平均出力を算出した。また、表面温度については、図１１に示したように、中央部、中間部、及び、端部の３箇所でそれぞれ測定し、１０時間での平均温度を算出した。
【０１１８】
結果を図１２に示す。すなわち、比較例１の平均出力を１００としたとき、いずれの実施例においても、比較例１よりも高い出力が得られることが確認された。また、比較例１の中央部における平均温度を１００としたとき、比較例１においては、中央部から端部にかけて大きな温度差（１５％）が生じているのに対して、いずれの実施例においても中央部と端部とでの温度差は１０％以下であり、比較例１よりも面内の温度分布が均一化できていることが確認された。
【０１１９】
次に、膜電極接合体２に組み合わせられる熱伝導体４０のバリエーションについて説明する。
【０１２０】
図１３に示すように、膜電極接合体２は、略長方形状に形成され、第１方向Ｘに平行な長辺２Ｌを有するとともに第２方向Ｙに平行な短辺２Ｓを有している。この膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えている。各単セルＣは、略長方形状に形成され、第１方向Ｘに平行な長辺ＣＬを有するとともに第２方向Ｙに平行な短辺ＣＳを有している。
【０１２１】
熱伝導体４０は、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の少なくとも一方に配置されている。図１３では、膜電極接合体２の上に熱伝導体４０が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体４０は、単一の平板状に形成され、４つの開口部４１を有している。各開口部４１は、各単セルＣの一部を露出するように形成されている。つまり、各開口部４１は、単セルＣの外形寸法よりも小さい略長方形状に形成され、単セルＣの長辺ＣＬと平行でありながら単セルＣの長辺ＣＬよりも短い長辺４１Ｌを有するとともに、単セルＣの短辺ＣＳと平行でありながら単セルＣの短辺ＣＳよりも短い短辺４１Ｓを有している。
【０１２２】
このような熱伝導体４０は、各単セルＣの周縁に沿った額縁状に形成されている。つまり、熱伝導体４０は、単セルＣを構成するアノード１３の各々の周縁及びカソード１６の各々の周縁の少なくとも一方に沿った額縁状に形成されている。
【０１２３】
また、この熱伝導体４０においては、隣り合う単セルＣの間の直上にスリット４２が形成されている。つまり、熱伝導体４０において、隣り合うアノード１３の間及び隣り合うカソード１６の間の少なくとも一方の直上には、スリット４２が形成されている。このため、熱伝導体４０は、複数の単セルＣに跨ることがなく、各単セルＣに独立に配置されている。但し、熱伝導体４０の周縁では繋がっており、単一の熱伝導体４０を構成している。
【０１２４】
図１４に示した例の熱伝導体４０は、図１３に示した熱伝導体４０と比較して、さらに、各単セルＣの長辺ＣＬに平行な第１方向Ｘに沿って直線状に形成された１本の第１延出部４３が追加された点で相違している。この第１延出部４３は、各単セルＣの上に配置されている。換言すると、各単セルＣの上の開口部４１は、１本の第１延出部４３により分割された２個のセグメントからなる。なお、第１延出部４３が各単セルＣの上に２本以上配置されても良い。
【０１２５】
図１５に示した例の熱伝導体４０は、図１４に示した熱伝導体４０と比較して、さらに、各単セルＣの短辺ＣＳに平行な第２方向Ｙに沿って直線状に形成された３本の第２延出部４４が追加された点で相違している。これらの第２延出部４４は、各単セルＣの上に略等間隔に配置されている。換言すると、各単セルＣの上の開口部４１は、１本の第１延出部４３及び３本の第２延出部４４により分割された８個のセグメントからなる。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において第１方向Ｘと第２方向Ｙとに交差する格子状に形成されている。なお、第２延出部４４が各単セルＣの上に１乃至２本配置されても良いし、４本以上配置されても良い。
【０１２６】
図１６に示した例の熱伝導体４０は、図１５に示した熱伝導体４０と比較して、さらにより多くの第２延出部４４が追加された点で相違している。ここでは、１５本の第２延出部４４が各単セルＣの上に略等間隔に配置されている。換言すると、各単セルＣの上の開口部４１は、１本の第１延出部４３及び１５本の第２延出部４４により分割された略正方形状の３２個のセグメントからなる。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において第１方向Ｘと第２方向Ｙとに交差する格子状に形成されている。
【０１２７】
図１７に示す例の膜電極接合体２は、略正方形状に形成され、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに平行な各辺の長さが略等しい。この膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えている。これらの４つの単セルＣは、第１方向Ｘ及び第２方向Ｙにそれぞれ２個ずつ並べた２×２のマトリクス状に配置されている。つまり、単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６は、２×２のマトリクス状に配置されている。
【０１２８】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０は、略正方形状に形成され、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の少なくとも一方に配置されている。図１７では、膜電極接合体２の上に熱伝導体４０が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体４０は、単一の平板状に形成され、各単セルＣの一部を露出する開口部４１を有している。各単セルＣの上の開口部４１は、略正方形状の複数のセグメントからなる。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において格子状に形成されている。
【０１２９】
なお、図１６や図１７に示したような熱伝導体４０は、ｍ及びｎを１以上の整数としたときｍ×ｎのマトリクス状に配置された単セルＣを備えた膜電極接合体２に対して適用可能である。
【０１３０】
図１８に示した例の熱伝導体４０は、図１７に示した熱伝導体４０と比較して、中央部から周辺部に向かって放射状に形成された点で相違している。すなわち、熱伝導体４０は、各単セルＣの一部を露出するとともに放射状に形成された開口部４１を有している。
【０１３１】
なお、図１８に示したような熱伝導体４０は、ｍ及びｎを１以上の整数としたときｍ×ｎのマトリクス状に配置された単セルＣを備えた膜電極接合体２に対して適用可能である。
【０１３２】
図１９に示す例の膜電極接合体２は、略円形状に形成されている。この膜電極接合体２は、４つの単セルＣを備えている。これらの４個の単セルＣは、膜電極接合体２の中心から円周に向かって放射状に配置されている。つまり、各単セルＣ、あるいは、単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６は、扇形状に形成されている。
【０１３３】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０は、略円形状に形成され、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の少なくとも一方に配置されている。図１９では、膜電極接合体２の上に熱伝導体４０が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体４０は、単一の平板状に形成され、各単セルＣの一部を露出する開口部４１を有している。各単セルＣの上の開口部４１は、放射状に形成されている。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において放射状に形成されている。
【０１３４】
なお、図１９に示したような熱伝導体４０は、３個以下の単セルＣを備えた膜電極接合体２や、５個以上の単セルＣを備えた膜電極接合体２などに対して適用可能である。
【０１３５】
図２０に示す例の膜電極接合体２は、略六角形状に形成されている。この膜電極接合体２は、６つの単セルＣを備えている。これらの６個の単セルＣは、膜電極接合体２の中央部から周辺部に向かって放射状に配置されている。つまり、各単セルＣ、あるいは、単セルＣを構成するアノード１３及びカソード１６は、三角形状に形成されている。
【０１３６】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０は、略六角形状に形成され、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の少なくとも一方に配置されている。図２０では、膜電極接合体２の上に熱伝導体４０が重なった状態を図示している。すなわち、熱伝導体４０は、単一の平板状に形成され、各単セルＣの一部を露出する開口部４１を有している。各単セルＣの上の開口部４１は、放射状に形成されている。つまり、熱伝導体４０は、各単セルＣの上において放射状に形成されている。
【０１３７】
なお、図２０に示したような熱伝導体４０は、外形が六角形状の膜電極接合体に限らず、Ｎを３以上の整数としたときＮ角形状の膜電極接合体２に対して適用可能である。
【０１３８】
ところで、本実施形態を別の観点から規定すると、以下の通りとなる。
【０１３９】
図２１には、燃料電池１を構成する膜電極接合体２及び熱伝導体４０の分解図が模式的に示されている。
【０１４０】
膜電極接合体２が略長方形状に形成されている場合、膜電極接合体２の長辺２Ｌに平行な第１方向Ｘの長さをＬｘとし、膜電極接合体２の短辺２Ｓに平行な第２方向Ｙの長さをＬｙとする。ここでは、単セルＣの個数や配置にかかわらず、膜電極接合体２に形成された全ての単セルＣを含む発電部２Ｘの第１方向Ｘに沿った長さをＬｘとし、発電部２Ｘの第２方向Ｙに沿った長さをＬｙとしている。
【０１４１】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０については、第１方向Ｘの熱伝導体４０の熱伝導率λｘと第１方向Ｘの熱伝導体４０の断面積Ｓｘとの積（λｘ×Ｓｘ）を熱伝導性Λｘとし、第２方向Ｙの熱伝導体４０の熱伝導率λｙと第２方向Ｙの熱伝導体４０の断面積Ｓｙとの積（λｙ×Ｓｙ）を熱伝導性Λｙとする。
【０１４２】
この場合、膜電極接合体２と熱伝導体４０とを組み合わせた燃料電池１においては、以下の関係を満たすように構成されている。
【０１４３】
（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）＞１
この関係を満たす燃料電池１によれば、上述した本実施形態の効果が得られる。
【０１４４】
また、本実施形態をさらに別の観点から規定すると、以下の通りとなる。
【０１４５】
膜電極接合体２が略正方形状または略長方形状に形成され、この膜電極接合体２に形成された各単セルＣの長手方向つまりアノード１３の各々及びカソード１６の各々の長手方向が第１方向Ｘに平行であり、複数の単セルＣの並び方向つまり複数のアノード１３の並び方向及び複数のカソード１６の並び方向が第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに平行である場合、膜電極接合体２の第１方向Ｘの長さをＬｘとし、膜電極接合体２の第２方向Ｙの長さをＬｙとする。ここでも、膜電極接合体２に形成された全ての単セルＣを含む発電部２Ｘの第１方向Ｘに沿った長さをＬｘとし、発電部２Ｘの第２方向Ｙに沿った長さをＬｙとしている。
【０１４６】
このような膜電極接合体２に適用される熱伝導体４０については、第１方向Ｘの熱伝導体４０の熱伝導率λｘと第１方向Ｘの熱伝導体４０の断面積Ｓｘとの積（λｘ×Ｓｘ）を熱伝導性Λｘとし、第２方向Ｙの熱伝導体４０の熱伝導率λｙと第２方向Ｙの熱伝導体４０の断面積Ｓｙとの積（λｙ×Ｓｙ）を熱伝導性Λｙとする。
【０１４７】
この場合、膜電極接合体２と熱伝導体４０とを組み合わせた燃料電池１においては、以下の関係を満たすように構成されている。
【０１４８】
（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）＞１
この関係を満たす燃料電池１によれば、上述した本実施形態の効果が得られる。
【０１４９】
以下に、第２実施例について説明する。
【０１５０】
≪第２実施例≫
（実施例６）
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパー（８１ｍｍ×９．７ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【０１５１】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパーに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１４を得た。
【０１５２】
なお、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、同一形状かつ同一の大きさであり、厚さも等しく、それぞれのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４も同一形状かつ同一の大きさである。
【０１５３】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を、４つのアノードガス拡散層１２および４つのカソードガス拡散層１５が、それぞれの長手方向が略平行で、その間隔が１．２ｍｍとなるように並んで配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態で、ホットプレスを施すことにより、膜電極接合体２を得た。
【０１５４】
このように作成した膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持され、アノードガス拡散層１２とアノード集電体１８Ａとが対向するとともに、カソードガス拡散層１５とカソード集電体１８Ｃとが対向している。すなわち、カソード集電体１８Ｃとして、カソードガス拡散層１５の上に金箔を積層した。また、アノード集電体１８Ａとして、アノードガス拡散層１２の上に金箔を積層した。これらのアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃは、上記した４対のアノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが電気的に直列に接続されるように形成されている。
【０１５５】
膜電極接合体２の電解質膜１７と集電体１８との間には、アノード側及びカソード側の双方について、シール部材１９として、それぞれ幅が２ｍｍのゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【０１５６】
カソード集電体１８Ｃの上には、絶縁体５０として、厚さが２０μｍで気孔率６８％のポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製微多孔膜を積層した。更に、この絶縁体５０の上には、熱伝導体４０として、厚さが５０μｍのグラファイトシート（グラフテック社製；型番ＳＳ４００−０．０５）を図１３に示したような形状に切り抜き、積層した。この熱伝導体４０であるグラファイトシートは、平面方向（図１３に示した第１方向Ｘおよび第２方向Ｙ）の熱伝導率λｐｌが４００Ｗ/ｍＫであり、その厚み方向（図１３の第１方向Ｘ及び第２方向Ｙに直交するＺ方向）の熱伝導率λｔが３．５Ｗ／ｍＫである。
【０１５７】
この実施例６においては、図１３に示した熱伝導体４０の第１方向Ｘの熱伝導性Λｘ及び第２方向Ｙの熱伝導性Λｙと、膜電極接合体２の第１方向Ｘの長さＬｘ及び膜電極接合体２の第２方向Ｙの長さＬｙとから求められる（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）の値は、４．４７である。
【０１５８】
熱伝導体４０の上には、板状体２０として、厚さが０．７５ｍｍであり、透気度が３．０秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ Ｐ ８１１７：２００９に規定の測定方法による）であり、透湿度が３０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ Ｌ １０９９：２００６ Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ８５ｍｍ、幅４６．６ｍｍの長方形に切り、積層した。外気からカソード１６に供給される空気は、この板状体２０を透過することとなる。
【０１５９】
この板状体２０の上には、カバープレート２１として、外形が９０ｍｍ×４８ｍｍの長方形であり、厚さが０．３ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を積層した。このカバープレート２１には、一辺の長さが３．５ｍｍの正方形の１２０個の開口部２１Ａが形成されている。
【０１６０】
温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記したように作成した燃料電池１に、純度９９．９重量％の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池１の出力電圧が直列に接続した４対の単セルの中の１対あたり０．３５Ｖで一定になるように、燃料電池１に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池１から得られる出力密度を計測した。
【０１６１】
ここで、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。
【０１６２】
また、図１１に示したように、カバープレート２１の中央部と端部の表面にそれぞれ熱電対を取り付け、この２点間の温度差を測定した。
【０１６３】
（実施例７）
熱伝導体４０の形状を図１５のようにした以外は、実施例６と同様である。この実施例７では、（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）の値は６．２１である。
【０１６４】
（実施例８）
熱伝導体４０の形状を図１６のようにした以外は、実施例６と同様である。この実施例７では、（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）の値は１．５３である。
【０１６５】
（比較例２）
いずれの形状の熱伝導体４０も設けない以外は、実施例６と同様である。
【０１６６】
図２２には、以上の結果をまとめて示したものである。なお、燃料電池１の出力密度を計測した結果と、カバープレート２１の表面における中央部と端部との温度差を計測した結果は、それぞれ比較例２の値を１００とした相対値で示してある。実施例６乃至８のいずれにおいても、比較例２より温度分布が均一化され、しかも、比較例２よりも高い出力密度が得られることが確認された。
【０１６７】
以上説明したように、この実施の形態によれば、膜電極接合体の面内での温度の分布のばらつきを緩和し、発電反応に必要な物質の授受の阻害因子を取り除き、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、さらには、その応用機器を提供することもできる。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【符号の説明】
【０１７１】
１…燃料電池 ２…膜電極接合体 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（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…集電体
２０…板状体（保湿層）
２１…カバープレート
４０…熱伝導体
５０…絶縁体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極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空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記複数の空気極の前記電解質膜側とは反対の面側及び前記複数の燃料極の前記電解質膜側とは反対の面側の少なくとも一方に配置された熱伝導体と、
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
さらに、前記熱伝導体と前記膜電極接合体との間に集電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３】
さらに、前記熱伝導体と前記集電体との間に配置され通気性を有する絶縁体を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記熱伝導体は、多孔質性あるいは貫通孔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】
前記熱伝導体は、その平面方向の熱伝導率λｐｌが厚み方向の熱伝導率λｔよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記熱伝導体において、熱伝導率λｐｌと熱伝導率λｔとの比λｐｌ／λｔが１０以上であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記熱伝導体の気孔率は、５０％以上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８】
前記熱伝導体において、その中央部での気孔率が周辺部より小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記熱伝導体は、隣り合う前記燃料極及び隣り合う前記空気極の少なくとも一方に跨って配置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１０】
前記熱伝導体において、隣り合う前記燃料極の間及び隣り合う前記空気極の間の少なくとも一方の直上にスリットが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１１】
前記熱伝導体は、前記燃料極の各々の周縁及び前記空気極の各々の周縁の少なくとも一方に沿った額縁状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１２】
前記燃料極及び前記空気極は略長方形状に形成され、
前記熱伝導体は、前記燃料極の各々の長辺に平行な方向及び前記空気極の各々の長辺に平行な方向の少なくとも一方に沿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１３】
前記熱伝導体は、格子状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１４】
前記燃料極及び前記空気極は、ｍ及びｎを１以上の整数としたときｍ×ｎのマトリクス状に配置されたことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記熱伝導体は、中央部から周辺部に向かって放射状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１６】
前記燃料極及び前記空気極は、放射状、または、ｍ及びｎを１以上の整数としたときｍ×ｎのマトリクス状に配置されたことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記膜電極接合体は略長方形状に形成され、前記膜電極接合体の長辺に平行な第１方向の長さをＬｘ、前記膜電極接合体の短辺に平行な第２方向の長さをＬｙ、前記第１方向の前記熱伝導体の熱伝導率λｘと前記第１方向の前記熱伝導体の断面積Ｓｘとの積（λｘ×Ｓｘ）を熱伝導性Λｘとし、前記第２方向の前記熱伝導体の熱伝導率λｙと前記第２方向の前記熱伝導体の断面積Ｓｙとの積（λｙ×Ｓｙ）を熱伝導性Λｙとしたとき、
（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）＞１
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記燃料極の各々及び前記空気極の各々の長手方向が第１方向に平行であり、前記複数の燃料極の並び方向及び前記複数の空気極の並び方向が第１方向に直交する第２方向に平行である前記膜電極接合体は、略正方形状または略長方形状に形成され、
前記膜電極接合体の第１方向の長さをＬｘ、前記膜電極接合体の第２方向の長さをＬｙ、前記第１方向の前記熱伝導体の熱伝導率λｘと前記第１方向の前記熱伝導体の断面積Ｓｘとの積（λｘ×Ｓｘ）を熱伝導性Λｘとし、前記第２方向の前記熱伝導体の熱伝導率λｙと前記第２方向の前記熱伝導体の断面積Ｓｙとの積（λｙ×Ｓｙ）を熱伝導性Λｙとしたとき、
（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）＞１
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記熱伝導体は、グラファイトシート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１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数の燃料極と、前記電解質膜の他方の面に前記燃料極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空気極と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記複数の空気極の前記電解質膜側とは反対の面側及び前記複数の燃料極の前記電解質膜側とは反対の面側の少なくとも一方に配置された熱伝導体と、
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
さらに、前記熱伝導体と前記膜電極接合体との間に集電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３】
さらに、前記熱伝導体と前記集電体との間に配置され通気性を有する絶縁体を備えたことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記熱伝導体は、多孔質性あるいは貫通孔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】
前記熱伝導体は、その平面方向の熱伝導率λｐｌが厚み方向の熱伝導率λｔよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記熱伝導体において、熱伝導率λｐｌと熱伝導率λｔとの比λｐｌ／λｔが１０以上であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記熱伝導体の気孔率は、５０％以上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８】
前記熱伝導体において、その中央部での気孔率が周辺部より小さいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記熱伝導体は、隣り合う前記燃料極及び隣り合う前記空気極の少なくとも一方に跨って配置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１０】
前記熱伝導体において、隣り合う前記燃料極の間及び隣り合う前記空気極の間の少なくとも一方の直上にスリットが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１１】
前記熱伝導体は、前記燃料極の各々の周縁及び前記空気極の各々の周縁の少なくとも一方に沿った額縁状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１２】
前記燃料極及び前記空気極は略長方形状に形成され、
前記熱伝導体は、前記燃料極の各々の長辺に平行な方向及び前記空気極の各々の長辺に平行な方向の少なくとも一方に沿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１３】
前記熱伝導体は、格子状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１４】
前記燃料極及び前記空気極は、ｍ及びｎを１以上の整数としたときｍ×ｎのマトリクス状に配置されたことを特徴とする請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記熱伝導体は、中央部から周辺部に向かって放射状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１６】
前記燃料極及び前記空気極は、放射状、または、ｍ及びｎを１以上の整数としたときｍ×ｎのマトリクス状に配置されたことを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記膜電極接合体は略長方形状に形成され、前記膜電極接合体の長辺に平行な第１方向の長さをＬｘ、前記膜電極接合体の短辺に平行な第２方向の長さをＬｙ、前記第１方向の前記熱伝導体の熱伝導率λｘと前記第１方向の前記熱伝導体の断面積Ｓｘとの積（λｘ×Ｓｘ）を熱伝導性Λｘとし、前記第２方向の前記熱伝導体の熱伝導率λｙと前記第２方向の前記熱伝導体の断面積Ｓｙとの積（λｙ×Ｓｙ）を熱伝導性Λｙとしたとき、
（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）＞１
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記燃料極の各々及び前記空気極の各々の長手方向が第１方向に平行であり、前記複数の燃料極の並び方向及び前記複数の空気極の並び方向が第１方向に直交する第２方向に平行である前記膜電極接合体は、略正方形状または略長方形状に形成され、
前記膜電極接合体の第１方向の長さをＬｘ、前記膜電極接合体の第２方向の長さをＬｙ、前記第１方向の前記熱伝導体の熱伝導率λｘと前記第１方向の前記熱伝導体の断面積Ｓｘとの積（λｘ×Ｓｘ）を熱伝導性Λｘとし、前記第２方向の前記熱伝導体の熱伝導率λｙと前記第２方向の前記熱伝導体の断面積Ｓｙとの積（λｙ×Ｓｙ）を熱伝導性Λｙとしたとき、
（Λｘ×Ｌｘ）／（Λｙ×Ｌｙ）＞１
の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１９】
前記熱伝導体は、グラファイトシートであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１０−９７９２８（Ｐ２０１０−９７９２８Ａ）
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１５９９７６（Ｐ２００９−１５９９７６）
【出願日】平成２１年７月６日（２００９．７．６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１３３９）東芝電子エンジニアリング株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月３０日（２０１０．４．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年７月６日（２００９．７．６）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１３３９）東芝電子エンジニアリング株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
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