特開 2024-44883 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024044883

(43)【公開日】2024-04-02

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/1004 20160101AFI20240326BHJP

   H01M 8/04223 20160101ALI20240326BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20240326BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20240326BHJP

   H01M 8/0247 20160101ALI20240326BHJP

   H01M 8/10 20160101ALN20240326BHJP

【ＦＩ】

H01M8/1004

H01M8/04223

H01M8/04746

H01M8/04858

H01M8/0247

H01M8/10 101

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022150676

(22)【出願日】2022-09-21

(71)【出願人】

【識別番号】000001247

【氏名又は名称】株式会社ジェイテクト

(71)【出願人】

【識別番号】504160781

【氏名又は名称】国立大学法人金沢大学

(74)【代理人】

【識別番号】110000648

【氏名又は名称】弁理士法人あいち国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】辻口 拓也

(72)【発明者】

【氏名】河内 達磨

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA02

5H126AA12

5H126BB06

5H126DD03

5H126EE03

5H127AA06

5H127AA09

5H127AC05

5H127AC07

5H127AC15

5H127BA01

5H127BA03

5H127BA21

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB10

5H127BB12

5H127BB37

5H127DA20

5H127DC02

5H127DC42

(57)【要約】

【課題】発電効率の低下防止と構成の簡素化との両立が図られた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池システム１における燃料電池１０は、電解質膜１１、アノード触媒層１２、アノード側拡散層２１、カソード触媒層１３、カソード側拡散層２２を備え、電解質膜１１の面方向が鉛直方向Ｙに平行となるように配置される。通常運転時にはアノード側拡散層２１に液体燃料が供給され且つカソード側拡散層２２に酸化剤が供給されて電力を出力し、リフレッシュ運転時には液体燃料の供給を停止してアノード側拡散層２１に水又は水溶液が供給されない状態を維持して放電を行う。アノード側拡散層２１には、一方の端部４１がリフレッシュ運転時に生じるガスが鉛直方向上方Ｙ１に残存してなる気体領域２１１に位置し、他方の端部４２が鉛直方向下方Ｙ２に液体が残存してなる液体領域２１２に位置するように配置されたマイクロチューブ４０が設けられている。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

液体燃料と酸化剤とを反応させることによって電極反応により電力を出力可能に構成された燃料電池と、
上記燃料電池への液体燃料の供給と供給停止とを切り替え可能に構成された制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
上記燃料電池は、電解質膜と、上記電解質膜の一方の面に順次積層されたアノード触媒層及びアノード側拡散層と、上記電解質膜の他方の面に順次積層されたカソード触媒層及びカソード側拡散層とを備え、上記電解質膜の面方向が鉛直方向に平行となるように配置され、
上記制御装置は、
通常運転時には、上記アノード側拡散層に上記液体燃料が供給され且つ上記カソード側拡散層に上記酸化剤が供給されて生じる電極反応により電力を出力するように構成されており、
出力回復のためのリフレッシュ運転時には、上記液体燃料の供給を停止して上記アノード側拡散層に水又は水溶液が供給されない状態を維持して放電を行うように構成されており、
上記アノード側拡散層には、一方の端部が上記リフレッシュ運転時に電極反応により生じるガスが鉛直方向上方に残存してなる気体領域に位置するとともに、他方の端部が鉛直方向下方に液体が残存してなる液体領域に位置するように配置されたマイクロチューブが設けられている、燃料電池システム。

【請求項2】

上記マイクロチューブは鉛直方向に平行に延在している、請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

上記アノード側拡散層は、水平断面において、上記マイクロチューブが配置された第１領域と上記マイクロチューブが配置されていない第２領域とを備える、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

上記アノード側拡散層の上記アノード触媒層と反対側には、上記液体燃料を上記アノード側拡散層に供給する流路を有するアノード側セパレータが積層されており、
上記アノード側セパレータは、上記アノード側拡散層に対向する面に上記流路を区画するリブを有しており、
上記アノード側拡散層の厚さ方向から見て、上記第１領域は上記リブと重なる位置に位置しており、上記第２領域は隣り合う上記リブ同士の間の上記流路と重なる位置に位置している、請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項5】

上記第１領域と上記第２領域とは、上記アノード側拡散層の厚さ方向に垂直な方向に交互に並んでいる、請求項３に記載の燃料電池システム。

【請求項6】

上記マイクロチューブは、上記アノード側拡散層の厚さ方向に中央位置よりも上記アノード触媒層と反対側の領域に設けられている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項7】

上記マイクロチューブは導電性を有する、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項8】

上記マイクロチューブの他方の端部は、上記リフレッシュ運転の間、継続して上記液体領域に位置している、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【請求項9】

上記マイクロチューブの他方の端部は、鉛直方向において異なる位置に位置している、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

液体燃料を用いた固体高分子型の燃料電池は、一般に、電解質膜の一方の面にアノード触媒層及びアノード側拡散層が積層され、他方の面にカソード触媒層及びカソード側拡散層が積層されており、アノード側拡散層を介してアノード触媒層に液体燃料が直接供給され且つカソード側拡散層を介してカソード触媒層に酸化剤が外部から供給されることにより電極反応が生じて発電される。このような固体高分子型の燃料電池では、電極反応によりガスと水とが発生することとなる。

【0003】

このような固体高分子型の燃料電池の例として特許文献１に開示された構成では、アノード側拡散層のアノード触媒層側の面に導電性多孔質層を設けて、アノード触媒層において上記ガスの拡散性と水の排出性を向上して発電効率の向上を図っている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１２－１９９２３７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

このような固体高分子型の燃料電池においては、通常運転を連続して行うことで徐々に出力電力が低下する現象が生じる場合がある。このような出力電力の低下を抑制して出力電力を維持するためには、定期的に燃料電池への液体燃料の供給を停止した状態でアノード・カソード間をショートさせて強制放電を行うリフレッシュ運転を実行する必要がある。リフレッシュ運転終了後はアノード・カソード間のショートを解除し、燃料電池への液体燃料の供給を開始することで、出力電力が回復した状態で再度運転を行うことができる。

【0006】

リフレッシュ運転中は液体燃料が供給されないため、リフレッシュ運転開始時に既にアノード側拡散層内に存在していたガスや、リフレッシュ運転中の強制放電により、リフレッシュ運転開始時にアノード側拡散層に残存する液体燃料が消費されて発生したガスがアノード側拡散層の上方領域に残留することとなる。そして、リフレッシュ運転が長期間実施されたり、リフレッシュ運転後の再運転までに長期間が経過したりした場合には、アノード側拡散層の上方領域に残留したガスによりアノード触媒層及び電解質膜が乾燥して非可逆的な変化を起こし、当該燃料電池の内部抵抗の急激な上昇を招いて発電効率が低下することとなる。

【0007】

一方、リフレッシュ運転中にアノード側拡散層に液体燃料に替えて水等を供給することで、液体燃料の供給を停止しつつアノード側拡散層への水分の供給を継続することで、リフレッシュ運転中においてもガスを系外に排出して、アノード触媒層及び電解質膜の乾燥を防止することができる。しかしながら、この場合には、アノード側拡散層に当該水等を供給するための構成が必要となることから装置が複雑化することとなる。

【0008】

本発明は、発電効率の低下防止と構成の簡素化との両立が図られた燃料電池システムを提供しようとするものである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の一態様は、液体燃料と酸化剤とを反応させることによって電極反応により電力を出力可能に構成された燃料電池と、
上記燃料電池への液体燃料の供給と供給停止とを切り替え可能に構成された制御装置と、
を備える燃料電池システムであって、
上記燃料電池は、電解質膜と、上記電解質膜の一方の面に順次積層されたアノード触媒層及びアノード側拡散層と、上記電解質膜の他方の面に順次積層されたカソード触媒層及びカソード側拡散層とを備え、上記電解質膜の面方向が鉛直方向に平行となるように配置され、
上記制御装置は、
通常運転時には、上記アノード側拡散層に上記液体燃料が供給され且つ上記カソード側拡散層に上記酸化剤が供給されて生じる電極反応により電力を出力するように構成されており、
出力回復のためのリフレッシュ運転時には、上記液体燃料の供給を停止して上記アノード側拡散層に水又は水溶液が供給されない状態を維持して放電を行うように構成されており、
上記アノード側拡散層には、一方の端部が上記リフレッシュ運転時に電極反応により生じるガスが鉛直方向上方に残存してなる気体領域に位置するとともに、他方の端部が鉛直方向下方に液体が残存してなる液体領域に位置するように配置されたマイクロチューブが設けられている、燃料電池システムにある。

【発明の効果】

【0010】

上記態様の燃料電池システムによれば、リフレッシュ運転時において、マイクロチューブを介した毛細管現象により、アノード側拡散層の鉛直方向下方領域に液体が残存してなる液体領域から吸い上げられて、アノード側拡散層の鉛直方向上方にガスが残存してなる気体領域に供給されることとなる。その結果、気体領域においてアノード触媒層及びアノード側拡散層が乾燥することが抑制されるため、リフレッシュ運転が長期間実施されたり、リフレッシュ運転後の通常運転再開までに長期間が経過したりした場合でも燃料電池の内部抵抗の上昇が抑制されて、発電効率の低下が防止されるとともに、当該燃料電池の耐久性向上を図ることができる。また、リフレッシュ運転時に外部からアノード側拡散層に水等を供給するための構成を要しないため、装置構成の簡素化を図ることができる。

【0011】

以上のごとく、上記態様によれば、発電効率の低下防止と構成の簡素化との両立が図られた燃料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施形態１における、燃料電池システムの構成を示す概念図。

【図2】実施形態１における、燃料電池の構成を示す概念断面図。

【図3】図２における、III-III線位置矢視断面図。

【図4】実施形態１における、マイクロチューブの断面図。

【図5】図２における、Ｖ-Ｖ線位置矢視断面図。

【図6】変形形態１における、図２のＶ-Ｖ線位置での矢視断面図。

【発明を実施するための形態】

【0013】

（実施形態１）
１．燃料電池システム１の構成
実施形態１では、図１に示すように燃料電池システム１は、燃料電池１０と制御装置１０５とを備える。そして、燃料電池１０は、単体セルＵとして複数積層されて燃料電池スタック１００を形成している。燃料電池スタック１００において積層された複数の単体セルＵはホルダＨ及びボルトＢによって保持される。燃料電池スタック１００には、燃料タンク１０１に貯留された液体燃料であるギ酸を加圧して供給する第１ポンプ１０２が配管を介して接続部Ｋ１に接続される。また、燃料電池スタック１００には、ガスタンク１０３に貯留された酸化剤（酸化剤ガス）として酸素ガスを加圧して供給する第２ポンプ１０４が配管を介して接続部Ｋ２に接続される。第１ポンプ１０２及び第２ポンプ１０４の動作は、制御装置１０５により制御される。

【0014】

２．燃料電池１０の構成
図２に示すように、燃料電池１０は、電解質膜１１、アノード触媒層１２、カソード触媒層１３を備える。電解質膜１１の一方の面にアノード触媒層１２が積層され、他方の面にカソード触媒層１３が積層されて、電極構造体であるＭＥＡ(Membrane-Electrode-Assembly：膜―電極接合体)を形成している。アノード触媒層１２及びカソード触媒層１３は、例えば、電解質膜１１のそれぞれの面に、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）等の金属触媒及びこれら金属触媒が付加されたカーボン及び電解質がコーティングされて形成される。なお、燃料電池１０は、電解質膜１１の面方向が鉛直方向Ｙに平行となるように配置されている。

【0015】

アノード触媒層１２にはアノード側拡散層２１が積層されており、カソード触媒層１３にはカソード側拡散層２２が積層されている。アノード側拡散層２１及びカソード側拡散層２２はそれぞれ多孔質材料からなる。

【0016】

アノード側拡散層２１のアノード触媒層１２と反対側にはアノード側セパレータ３１が積層されている。アノード側セパレータ３１は例えば、樹脂材料により形成することができる。アノード側セパレータ３１のアノード触媒層１２に対向する面には複数のリブ３３が設けられており、複数のリブ３３の間に形成された溝により液体燃料の流路３４が形成されている。流路３４には、第１ポンプ１０２を介して加圧された液体燃料が供給されるように構成されている。カソード側拡散層２２のカソード触媒層１３と反対側にはカソード側セパレータ３２が積層されている。カソード側セパレータ３２もアノード側セパレータ３１と同様の構成とすることができる。なお、カソード側拡散層２２には第２ポンプ１０４を介して加圧された酸化剤が供給される。

【0017】

当該燃料電池１０のアノード側拡散層２１及びアノード触媒層１２に対して供給される燃料としては、ギ酸（ＨＣＯＯＨ）、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）、エタノール（Ｃ_２Ｈ_５ＯＨ）等の液体燃料を例示することができ、本実施形態１では、燃料電池１０が液体燃料としてギ酸を直接用いる直接ギ酸型燃料電池（ＤＦＡＦＣ）である場合を例示する。また、燃料電池１０のカソード側拡散層２２及びカソード触媒層１３に対して供給される酸化剤（酸化剤ガス）としては、酸素（Ｏ_２）ガス、空気等を例示することができ、本実施形態１では、酸素ガスを用いる場合を例示する。

【0018】

３．マイクロチューブ４０の構成及び配置
アノード側拡散層２１には、マイクロチューブ４０が設けられている。マイクロチューブ４０はμｍオーダーの直径を有する環状部材である。マイクロチューブ４０の直径は限定されないが、例えば、図３に示すアノード側拡散層２１の厚さＤ１の２分の１であるＤ２以下とすることができる。例えば、アノード側拡散層２１の厚さＤ１は２００～２５０μｍとすることができ、マイクロチューブ４０の直径の上限は１００～１２５μｍとすることができる。マイクロチューブ４０の断面形状は限定されないが、本実施形態１では断面形状は円環状となっている。なお、本実施形態１では、アノード側拡散層２１は平面視で５０ｍｍ×５０ｍｍの大きさとしている。

【0019】

図２に示すように、マイクロチューブ４０の一方の端部４１は、後述するアノード側拡散層２１における上方領域である気体領域２１１に位置しており、マイクロチューブ４０の他方の端部４２は後述するアノード側拡散層２１における下方領域である液体領域２１２に位置している。

【0020】

マイクロチューブ４０の一方の端部４１は、アノード側拡散層２１の上端位置と実質的に同じ位置にあることが好ましい。これにより、後述するようにマイクロチューブ４０の一方の端部４１から染み出た液体を気体領域２１１の広い範囲に行き渡らせやすくなる。

【0021】

また、マイクロチューブ４０の他方の端部４２は、液体領域２１２において気体領域２１１との境界位置２１３に近い位置にあることが好ましい。これにより、マイクロチューブ４０において後述する毛細管現象によるマイクロチューブ４０を介した液体の移動量を小さくできる。一方、マイクロチューブ４０の他方の端部４２は、リフレッシュ運転の間継続して液体領域２１２内に位置していることが好ましい。これにより、リフレッシュ運転の間中、後述する気体領域２１１への液体の移動を行うことができる。

【0022】

本実施形態１では、マイクロチューブ４０は鉛直方向Ｙに平行に延在しており、棒状をなしている。なお、マイクロチューブ４０は鉛直方向Ｙに対して傾斜した方向に延在していてもよく、マイクロチューブ４０の形状は棒状に限定されず、一部が湾曲した形状であってもよい。

【0023】

マイクロチューブ４０の数は限定されず、本実施形態１では複数のマイクロチューブ４０を設けている。そして、図３に示すように、アノード側拡散層２１は水平断面において、マイクロチューブ４０が配置された第１領域２１ａと、マイクロチューブ４０が配置されていない第２領域２１ｂとを有する。すなわち、アノード側拡散層２１は水平断面の全域にマイクロチューブ４０が配置された状態にはなっていない。そして、本実施形態１では、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとはアノード側拡散層２１の厚さ方向Ｚに垂直な方向である幅方向Ｘに平行に交互に並んでいる。

【0024】

そして、本実施形態１では、マイクロチューブ４０が配置された第１領域２１ａはアノード側拡散層２１の厚さ方向Ｚから見てリブ３３と重なる位置に配置されており、マイクロチューブ４０が配置されていない第２領域２１ｂは隣り合うリブ３３同士の間の流路３４に対向する位置に位置している。さらに、本実施形態１では、マイクロチューブ４０が配置された第１領域２１ａはアノード側拡散層２１のアノード側セパレータ３１側の表面に露出して、マイクロチューブ４０がリブ３３に接するように設けられている。なお、マイクロチューブ４０はアノード側セパレータ３１側の表面に露出せずに、アノード側拡散層２１の厚さ方向Ｚから見たときにリブ３３と重なる位置であってアノード側拡散層２１の内部の位置に位置していてもよい。

【0025】

なお、すべてのリブ３３に対向する位置にマイクロチューブ４０を設けてリブ３３毎に第１領域２１ａを形成してもよいし、特定のリブ３３に対向する位置にのみマイクロチューブ４０を設けて第１領域２１ａを形成してもよい。また、各第１領域２１ａを形成するマイクロチューブ４０の数は限定されず、複数のマイクロチューブ４０を配置して一つの第１領域２１ａを形成することができる。

【0026】

マイクロチューブ４０の形成材料は限定されないが、成型性を考慮して樹脂製とすることができる。また、マイクロチューブ４０の形成材料は、高い親水性を有することが好ましい。この場合は、マイクロチューブ４０において後述する毛細管現象によるマイクロチューブ４０を介した水分の移動量及び移動速度を大きくすることができる。親水性は接触角に基づいて評価することができ、高い親水性を有するには接触角が小さい方が好ましい。なお、マイクロチューブ４０に要求される親水性は、液体燃料の供給管の径、マイクロチューブ４０における液体燃料との接触面の形状などにより変動しうる。

【0027】

マイクロチューブ４０は導電性を有することが好ましい。例えば、マイクロチューブ４０に金属メッキを施して、マイクロチューブ４０の表面に金属製被膜を形成することによりマイクロチューブ４０に高い導電性を付与することができる。本実施形態１では、図４に示すマイクロチューブ４０の断面拡大図のように、マイクロチューブ４０の外周面４３に金メッキによりＡｕ被膜４４を形成して、高い導電性を付与している。

【0028】

４．燃料電池システム１の運転態様
燃料電池システム１では、通常運転とリフレッシュ運転との運転モードの切り替えが行われる。通常運転は、燃料電池システム１を電源とする外部負荷Ｃに出力電力を供給する運転モードである。リフレッシュ運転は、通常運転が長時間継続した連続運転により出力が低下したときに出力回復を行うための運転モードである。

【0029】

そして、運転モードの切り替えは、制御装置１０５により行われる。図１に示すように制御装置１０５は、切替部１０６を備える。切替部１０６は、電力線を介して燃料電池スタック１００の出力端子Ｔに接続されている。通常運転時には、切替部１０６は燃料電池システム１を電源とする外部負荷Ｃと通電する状態とするとともに、第１ポンプ１０２及び第２ポンプ１０４を駆動して燃料電池１０に液体燃料を供給する状態に切り替えて、当該外部負荷Ｃに燃料電池１０の出力電力を供給する。

【0030】

一方、リフレッシュ運転時には、切替部１０６は第１ポンプ１０２及び第２ポンプ１０４を停止してアノード側拡散層２１への液体燃料の供給を停止してアノード側拡散層２１に水及び水溶液が供給されない状態を維持するとともに、燃料電池１０の電力をグランドに出力するように切り替えて、燃料電池１０の出力が実質的に０Ｗになるまで強制的に放電する。

【0031】

５．リフレッシュ運転時のアノード側拡散層２１の状態
リフレッシュ運転時には、アノード側拡散層２１への液体燃料の供給が停止されるため、これに伴ってアノード側拡散層２１で電極反応により生じたガスが系外に排出されることも停止される。これにより、リフレッシュ運転開始時にアノード側拡散層２１に存在していたガスやリフレッシュ運転開始後の強制放電により発生したガスは、アノード側拡散層２１に残存することとなる。そして、当該ガスはアノード側拡散層２１内を鉛直方向上方Ｙ１に移動して、図５に示すように、アノード側拡散層２１の上方に気体領域２１１を形成する。一方、アノード側拡散層２１の下方には、アノード側拡散層２１内に残存した液体が液体領域２１２を形成する。上方の気体領域２１１及び下方の液体領域２１２の境界位置２１３は、通常運転時の運転条件や液体燃料の濃度などに基づいて算出することができる。なお、液体燃料としてギ酸を用いる本実施形態１では、気体領域２１１を形成するガスはＣＯ_２ガスであり、液体領域２１２を形成する液体は水又はギ酸水溶液である。

【0032】

６．リフレッシュ運転時の液体移動
図５に示すように、リフレッシュ運転中では、アノード側拡散層２１において上方に気体領域２１１が形成され、下方に液体領域２１２が形成される。そして、マイクロチューブ４０における毛細管現象により、矢印Ａ１で示すように液体領域２１２の液体の一部が液体領域２１２に位置するマイクロチューブ４０の下端４２から流入し、矢印Ａ２で示すようにマイクロチューブ４０によって吸い上げられて、延在方向である鉛直方向上方Ｙ１に向かって移動する。そして、吸い上げられた液体は、矢印Ａ３で示すように気体領域２１１に位置するマイクロチューブ４０の上端４１から気体領域２１１に染み出る。これにより、当該染み出た液体により気体領域２１１が湿潤され、アノード側拡散層２１の気体領域２１１及びアノード触媒層１２の気体領域２１１と接する領域の乾燥が防止される。

【0033】

マイクロチューブ４０における毛細管現象による液体の移動量ｈは、下記の式（１）の計算式により算出することができる。
ｈ＝（２Ｔ・ｃｏｓθ）／（ρ・ｇ・ｒ） ・・・・（１）
ただし、Ｔ：表面張力
θ：接触角
ρ：液体の密度
ｇ：重力加速度
ｒ：マイクロチューブ４０の内径（半径）

【0034】

例えば、本実施形態１のように、マイクロチューブ４０の直径を１００μｍ、接触角を２０ｄｅｇとした場合には、マイクロチューブ４０における毛細管現象による液体の移動量ｈは上記式（１）から約１４０ｍｍと算出され、本実施形態１におけるアノード側拡散層２１の大きさ（５０ｍｍ×５０ｍｍ）に対して十分な移動量が確保されていることが確認できる。

【0035】

７．作用効果
次に、本実施形態の燃料電池システム１における作用効果について、詳述する。燃料電池システム１によれば、リフレッシュ運転時において、マイクロチューブ４０を介した毛細管現象により、アノード側拡散層２１の鉛直方向下方領域に液体が残存してなる液体領域２１２から吸い上げられて、アノード側拡散層２１の鉛直方向上方Ｙ１にガスが残存してなる気体領域２１１に供給されることとなる。その結果、気体領域２１１においてアノード触媒層１２及びアノード側拡散層２１が乾燥することが抑制されるため、リフレッシュ運転が長期間実施されたり、リフレッシュ運転後の通常運転再開までに長期間が経過したりした場合でも燃料電池１０の内部抵抗の上昇が抑制されて、発電効率の低下が防止されるとともに、燃料電池１０の耐久性向上を図ることができる。また、リフレッシュ運転時に外部からアノード側拡散層２１に水等を供給するための構成を要しないため、装置構成の簡素化を図ることができる。

【0036】

また、本実施形態１では、マイクロチューブ４０は鉛直方向Ｙに平行に延在している。これにより、マイクロチューブ４０を介した毛細管現象による液体の移動距離を最小とすることができ、気体領域２１１における乾燥の防止を一層図ることができる。

【0037】

また、本実施形態１では、アノード側拡散層２１は、水平断面において、マイクロチューブ４０が配置された第１領域２１ａとマイクロチューブ４０が配置されていない第２領域２１ｂとを備える。これにより、アノード側拡散層２１においてマイクロチューブ４０が配置されていない第２領域２１ｂが確保されることから、アノード側拡散層２１におけるガス拡散効果の低下を抑制して発電効率の維持を図ることができる。

【0038】

また、本実施形態１では、アノード側拡散層２１のアノード触媒層１２と反対側には、液体燃料をアノード側拡散層２１に供給する流路３４を有するアノード側セパレータ３１が積層されている。そして、アノード側セパレータ３１は、アノード側拡散層２１に対向する面に流路３４を区画するリブ３３を有しており、アノード側拡散層の厚さ方向Ｚから見て、マイクロチューブ４０が配置された第１領域２１ａはリブ３３と重なる位置に位置しており、マイクロチューブ４０が配置されていない第２領域２１ｂは隣り合うリブ３３同士の間の流路３４と重なる位置に位置している。これにより、流路３４を介して供給された液体燃料のアノード側拡散層２１への移動がマイクロチューブ４０よって阻害されることを抑制することができ、発電効率の維持を図ることができる。

【0039】

また、本実施形態１では、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとがアノード側拡散層２１の厚さ方向Ｚに垂直な方向Ｘに交互に並んでいる。これにより、アノード側拡散層２１において、第１領域２１ａと第２領域２１ｂとがバランスよく配置されることから、マイクロチューブ４０による気体領域２１１での乾燥防止の効果と、アノード側拡散層２１におけるガス拡散効果とをバランスよく発揮することができ、発電効率の維持・向上を図ることができる。

【0040】

また、本実施形態１では、マイクロチューブ４０は、アノード側拡散層２１の厚さ方向Ｚに中央位置よりもアノード触媒層１２と反対側の領域に設けられている。これにより、マイクロチューブ４０がアノード触媒層１２と離間した位置に配置されることとなるため、マイクロチューブ４０によってアノード触媒層１２における電極反応が阻害されることを防止することができ、発電効率の維持を図ることができる。

【0041】

また、本実施形態１では、マイクロチューブ４０の下端４２は、リフレッシュ運転の間、継続して液体領域２１２に位置するように構成されている。これにより、リフレッシュ運転の間中、マイクロチューブ４０による気体領域２１１への液体の移動を行うことができるため、リフレッシュ運転の間中、気体領域２１１の乾燥を防止して発電効率の維持を一層図ることができる。

【0042】

また、本実施形態１では、マイクロチューブ４０は導電性を有する。これにより、アノード触媒層１２における電極反応により生じる電荷の移動を促進することができ、発電効率の維持・向上を図ることができる。

【0043】

本実施形態１では、図５に示すように、同一長さを有する複数のマイクロチューブ４０を用いて、マイクロチューブ４０の下端４２が同一高さに位置するように構成したが、これに替えて、図６に示す変形形態１のように、複数のマイクロチューブ４０が互いに長さの異なるマイクロチューブ４０ａ、４０ｂを含んでおり、それぞれの下端４２は鉛直方向Ｙにおいて互いに異なる高さに位置するように構成してもよい。

【0044】

当該変形形態１では、長さの短いマイクロチューブ４０ａでは液体の移動距離も短くなるため移動時間は短くて済む。そのため、液面（気体領域２１１と液体領域２１２との境界位置２１３）が高い位置にある場合には、長さの短いマイクロチューブ４０ａに早期に液体を気体領域２１１に移動することにより気体領域２１１における乾燥を早期に防止できるとともに、液面が低い位置にある場合には、長さの長いマイクロチューブ４０ｂによって液体を気体領域２１１に移送することにより気体領域２１１における乾燥を防止することができる。なお、複数のマイクロチューブ４０は、さらに長さの異なるマイクロチューブを含んでいてもよい。

【0045】

以上のごとく、上記本実施態様１及び変形形態１によれば、発電効率の低下防止と構成の簡素化との両立が図られた燃料電池システム１を提供することができる。

【0046】

本発明は上記実施形態１及び変形形態１に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の実施形態に適用することが可能である。

【符号の説明】

【0047】

１：燃料電池システム、１０：燃料電池、１１：電解質膜、１２：アノード触媒層、１３：カソード触媒層、２１：アノード側拡散層、２１ａ：第１領域、２１ｂ：第２領域、２２：カソード側拡散層、３１：アノード側セパレータ、３２：カソード側セパレータ、３３：リブ、３４：流路、４０・４０ａ・４０ｂ：マイクロチューブ、１０５：制御装置、２１１：気体領域、２１２：液体領域、２１３：境界位置（液面）

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】