(57)【要約】【課題】発電特性を向上させることが可能な燃料電池およびこれを用いた電子機器を提供する。【解決手段】燃料電極１０と酸素電極２０と空気流路４０を備える。燃料電極１０と酸素電極の間には、燃料・電解質流路３０Ａが設けられている。同様に燃料電極１０の酸素電極２０とは反対側には、少なくとも燃料を流通させる燃料・電解質流路３０Ｂが設けられている。燃料電極１０の両面を燃料が流通するようになるため、燃料の拡散速度が向上すると共に、燃料電極１０における反応面積が拡大する。【選択図】図１
2010140708.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電極と、
前記燃料電極に対向配置された酸素電極と、
前記燃料電極と前記酸素電極との間に設けられると共に、燃料および電解質を流通させる第１の流路と、
前記燃料電極の前記酸素電極とは反対側に設けられると共に、少なくとも燃料を流通させる第２の流路と
を備えた燃料電池。
【請求項２】
前記第２の流路は、燃料と共に電解質を流通させるためのものである
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電極は集電体を有し、前記集電体は、多孔質カーボンにより構成されている
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電極は集電体を有し、前記集電体は、多孔質金属により構成されている
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電極は集電体を有し、前記集電体は、金属板により構成されている
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電極は、多孔質材料により構成されている
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記酸素電極は、前記燃料電極側に設けられた機能層を有する
請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記機能層は、多孔質材料により構成されている
請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記機能層は、イオン電導体により構成されている
請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料電極と前記酸素電極と前記第１の流路および第２の流路とを含んで単位セルが構成され、
複数の単位セルが積層配置されると共に、互いに隣接する２つの単位セル間において、前記第２の流路が共通化されている
請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
燃料電極と、前記燃料電極に対向配置された酸素電極と、前記燃料電極と前記酸素電極との間に設けられると共に、燃料および電解質を流通させる第１の流路と、前記燃料電極の前記酸素電極とは反対側に設けられると共に、少なくとも燃料を流通させる第２の流路とを有する燃料電池を備えた
電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを直接燃料電極に供給して反応させる直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）などの燃料電池およびそれを備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モバイル機器は高性能化に伴って消費電力が増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池に代わる電池として、燃料電池が有力視されている。燃料電池は、用いられる電解質によって、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ；Alkaline Fuel Cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；Phosphoric Acid Fuel Cell ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Electrolyte Fuel Cell ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）などに分類される。
【０００３】
燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の可燃性物質を用いることができる。しかし、水素などの気体燃料は、貯蔵用のボンベなどが必要になるため、小型化には適していない。一方、メタノールなどの液体燃料は、貯蔵しやすい点で有利である。とりわけ、ＤＭＦＣには、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易であるという利点がある。
【０００４】
ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギー密度は、理論的に４．８ｋＷ／Ｌであり、一般的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の１０倍以上である。すなわち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を多いに持っている。以上のことから、ＤＭＦＣは、種々の燃料電池の中で最も、モバイル機器や電気自動車などのエネルギー源として使用される可能性が高い。
【０００５】
しかしながら、ＤＭＦＣには、理論電圧は１．２３Ｖであるにもかかわらず、実際に発電しているときの出力電圧は約０．６Ｖ以下に低下してしまうという問題がある。出力電圧が低下する原因は、ＤＭＦＣの内部抵抗によって生じる電圧降下であって、ＤＭＦＣには、両電極で生じる反応に伴う抵抗、物質の移動に伴う抵抗、プロトンが電解質膜を移動する際に生じる抵抗、更に接触抵抗などの内部抵抗が存在している。メタノールの酸化から電気エネルギーとして実際に取り出すことのできるエネルギーは、発電時の出力電圧と、回路を流れる電気量との積で表されるから、発電時の出力電圧が低下すると、実際に取り出すことのできるエネルギーはその分小さくなってしまう。
【０００６】
更に、出力低下の原因として、メタノールクロスオーバーが挙げられる。メタノールクロスオーバーとは、燃料電極側と酸素電極側とのメタノールの濃度差によってメタノールが拡散移動する現象と、プロトンの移動にともなって引き起こされる水の移動によって、水和したメタノールが運搬される電気浸透現象である。この二つの機構によって、メタノールが燃料電極側から電解質膜を透過して酸素電極側に到達してしまう。  
【０００７】
メタノールクロスオーバーが生じると、透過したメタノールは酸素電極の触媒層で酸化される。酸素電極側でのメタノール酸化反応は、上述した燃料電極側での酸化反応と同じであるが、ＤＭＦＣの出力電圧を低下させる原因になる。また、メタノールが燃料電極側で発電に使われず、酸素電極側で浪費されるので、回路に取り出せる電気量がその分減少してしまう。更に、酸素電極の触媒層は白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒ではなく白金（Ｐｔ）触媒であることから、触媒表面に一酸化炭素（ＣＯ）が吸着されやすく、触媒の被毒が生じるなどの不都合もある。
【０００８】
そこで、ＤＭＦＣの発電効率を高めるために、ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究開発や、ＤＭＦＣの運転条件を最適化する研究開発が精力的に行われている。  
【０００９】
ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究では、電解質膜および燃料電極側の触媒などに関するものが挙げられる。電解質膜については、現在ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂膜（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）が一般的に用いられている。これよりも高いプロトン伝導率と高いメタノール透過阻止性能とを有するものとして、フッ素系高分子膜、炭化水素系高分子電解質膜またはハイドロゲルベース電解質膜などが検討されている。燃料電極側の触媒に関しては、現在一般的に用いられている白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒よりも高活性な触媒の研究開発が行われている。
【００１０】
このような燃料電池の構成材料の特性向上は、燃料電池の発電効率を向上させる手段として的確である。しかしながら、上述した二つの問題を打破するような最適な触媒が見つからないと同様、最適な電解質膜も見つかっていないのが現状である。
【００１１】
一方、特許文献１では、電解質膜に代えて、液体の電解質（電解液）を用いることが記載されている。電解液は、酸素電極と燃料電極との間に静止している場合もあるが、酸素電極と燃料電極との間に設けられた流路を流れ、外部に出たのち再び流路内に戻され、循環するようになっている場合もある。  
【特許文献１】特開昭５９−１９１２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、液体の電解質を用いる燃料電池には、さまざまな問題が存在する。その一つとして、バインダーなどを含む固体電解質膜を用いたものと比べ、燃料のクロスオーバーの影響が顕著となることが挙げられる。これを回避するためには、セル構造により抑制する方法、または、非常に低濃度の燃料を用いる方法が考えられる。
【００１３】
このうち、セル構造により抑制する場合、セルの厚みが増すという問題が生じる。そこで、低濃度の燃料を用いて抑制する方法が考えられるが、燃料濃度が低くなると濃度勾配が低下し、燃料電極における燃料拡散に影響を及ぼすことになる。すなわち、燃料拡散の速度が低下することになり、燃料電極への燃料の供給が不足し、結果として発電効率が低下するという問題が生じる。
【００１４】
また、燃料電極における反応によって二酸化炭素を含むガスが発生し流路に放出されるため、気泡がランダムに流路を詰まらせると共に、燃料電極および酸素電極の間のイオン電導パスを阻害する問題もある。これにより、燃料・電解質の供給が均一に行われなくなってしまうことから、セル特性のばらつきおよび劣化が生じる。
【００１５】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、発電特性を向上させることが可能な燃料電池およびこれを備えた電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明による燃料電池は、燃料電極と、燃料電極に対向配置された酸素電極と、燃料電極と酸素電極との間に設けられると共に、燃料および電解質を流通させる第１の流路と、燃料電極の酸素電極とは反対側に設けられると共に、少なくとも燃料を流通させる第２の流路とを備えたものである。
【００１７】
本発明による電子機器は、上記本発明の燃料電池を備えたものである。
【００１８】
本発明の燃料電池および電子機器では、燃料電極と酸素電極との間に、燃料および電解質を流通させる第１の流路が設けられると共に、燃料電極の酸素電極とは反対側に、少なくとも燃料を流通させる第２の流路が設けられていることにより、燃料電極の両面に燃料が流通する。これにより、燃料拡散が向上すると共に、燃料電極における反応面積が拡大する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の燃料電池および電子機器によれば、燃料電極と酸素電極との間に、燃料および電解質を流通させる第１の流路を設けると共に、燃料電極の酸素電極とは反対側に、少なくとも燃料を流通させる第２の流路を設けるようにしたので、燃料拡散を向上させることができると共に、燃料電極における反応面積を拡大させることができる。従って、従来よりも発電特性を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２１】
［燃料電池の構成例］
図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池１１０の断面構造を表すものである。燃料電池１１０は、いわゆる直接型メタノールフロー型燃料電池（ＤＭＦＦＣ；Direct Methanol Flow BasedFuel Cell）である。この燃料電池１１０には、外装部材１４，２４の内部に、両側に燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを備えた燃料電極１０が設けられ、この燃料電極１０には、酸素電極２０が対向配置されている。  
【００２２】
燃料電極１０は、集電体１３を中心として、拡散層１２および触媒層１１が積層した構成を有している。酸素電極２０は、集電体２３の燃料電極１０と対向する側に、拡散層２２、および触媒層２１を順に積層した構成を有している。
【００２３】
触媒層１１，２１は、触媒として、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）などの金属の単体または合金、有機錯体、酵素などにより構成されている。
【００２４】
触媒層１１，２１には、上記触媒に加えて、プロトン伝導体およびバインダーが含まれていてもよい。プロトン伝導体としては、上述したポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）または、その他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。バインダーは、触媒層１１，２１の強度や柔軟性を保つために添加されるものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの樹脂により構成されている。本実施の形態における触媒層１１，２１としては、燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを流れる燃料を酸化しない選択性触媒を用いることが好ましい。このような選択性触媒としては、例えばパラジウム、パラジウム鉄、パラジウムコバルト、パラジウムニッケル、パラジウムクロムなどのパラジウム合金（二元系、三元系、四元系なども含む）、ルテニウム系合金であるＲｕＳｅ等が挙げられる。
【００２５】
拡散層１２，２２は、例えば、カーボンクロス，カーボンペーパーまたはカーボンシートにより構成されている。これらの拡散層１２，２２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などにより撥水化処理が行われていることが望ましい。但し、拡散層１２，２２は必ずしも設ける必要はなく、触媒層１１，２１を直接集電体１３，２３上に形成するようにしてもよい。
【００２６】
集電体１３は、例えば、多孔質カーボン、多孔質金属等の電気伝導性を有するポーラス材料や金属板等の板状部材、具体的にはチタン（Ｔｉ）メッシュやチタン板、カーボン多孔体などにより構成されている。集電体２３は、例えばチタンメッシュなどにより構成されている。なお、集電体１３の他、燃料電極１０を構成する触媒層１１および拡散層１２は多孔質材料により構成されていることが望ましい。また、集電体１３が外部部材１４、集電体２３が外部部材２４に電気的につながっている場合、外部部材１４および外部部材２４を集電体として使用してもよい。
【００２７】
燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂは、例えば、樹脂シートを加工することにより微細な流路を形成したものであり、燃料電極１０の両面に設けられている。外装部材１４には、燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂが設けられ、それぞれ貫通孔５０Ａおよび貫通孔５０Ｂを備える。燃料電極１０の酸素電極２０とは反対側に設けられた燃料・電解質流路３０Ｂは、貫通孔５０Ａおよび貫通孔５０Ｂを介して燃料および電解質を含む流動体、例えばメタノール硫酸混合液が供給されるようになっている。流路の形状は例えば蛇型、並列型などであり、特に限定されない。流路の幅，高さおよび長さについて特に限定されないが、小さい方が望ましい。また、燃料および電解質を混合させた状態で流通させるようにしてもよく、あるいは燃料と電解液を層分離した状態で流通させるようにしてもよい。
【００２８】
酸素電極２０の燃料・電解質流路３０Ａとは反対側（外側）には、空気もしくは酸素を供給するための空気流路４０が設けられている。空気流路４０には、外装部材２４に設けられた空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂから貫通孔５０Ｃおよび５０Ｄを介して、自然換気あるいはファン、ポンプおよびブロワなどの強制的供給法により、空気が供給されるようになっている。空気流路４０の構造もまた、燃料・電解質流路３０Ａと同様に特に限定されない。
【００２９】
外装部材１４，２４は、例えば、厚みが１ｍｍであり、チタン（Ｔｉ）板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４，２４の厚みはできるだけ薄いほうが望ましい。
【００３０】
上記燃料電池１１０は、例えば次のようにして製造することができる。
【００３１】
［燃料電池の製造方法］
まず、触媒として例えば白金とルテニウムとを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合することにより、触媒層１１を形成する。この触媒層１１を、上述した材料よりなる拡散層１２にそれぞれ熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体１３に拡散層１２および触媒層１１を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いてそれぞれ熱圧着する。これにより燃料電極１０が形成される。なお、拡散層１２を形成せずに、集電体１１の片面、あるいは両面に触媒層１３を直接形成するようにしてもよい。
【００３２】
また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２１を形成する。この触媒層２１を、上述した材料よりなる拡散層２２にそれぞれ熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体２３に拡散層２２および触媒層２１をホットメルト系の接着剤または、接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着する。これにより酸素電極２０が形成される。
【００３３】
続いて、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを形成する。また、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製する。外装部材１４には、例えば、樹脂製の継手よりなる燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂを設ける。
【００３４】
続いて、燃料電極１０の両面に燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを熱圧着する。
【００３５】
その後、熱圧着した燃料・電解質流路３０Ａに酸素電極２０を接着し、外装部材１４，２４に収納する。これにより、図１に示した燃料電池１１０が完成する。
【００３６】
次に、上記燃料電池１１０の作用、効果について説明する。
【００３７】
この燃料電池１１０では、燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂにより燃料および電解質が燃料電極１０に供給されると、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを通って酸素電極２０に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極１０、酸素電極２０および燃料電池１１０全体で起こる反応は、以下の（１）〜（３）式で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて、電力として取り出される。なお、燃料電極１０で発生する二酸化炭素および酸素電極２０で発生する水は、燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂに流出して取り除かれる。
【００３８】
燃料電極１０：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+・・・・・・（１） 
酸素電極２０：（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ →３Ｈ2Ｏ・・・・・・・（２）
燃料電池１１０全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2Ｏ・・（３）
【００３９】
本実施の形態では、燃料電極１０の両面に燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂが設けられていることにより、燃料が効率的に拡散されると共に、燃料電極１０における反応面積が拡大する。
【００４０】
また、液体の電解質を燃料電極１０の両面に流通させることにより、反応によって発生する二酸化炭素等のガスが流路内から効率的に除去され、イオン伝導パスが維持される。
【００４１】
以上のように、本実施の形態では、燃料電極１０の両面に燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを設けるようにしたので、燃料の拡散効率を向上させることができると共に、燃料電極１０における反応面積を拡大することができる。これにより、低濃度の燃料を用いることが可能となり、メタノールクロスオーバーを抑制することができる。また、反応面積が２倍になるため反応効率が上昇し、従来よりも高い出力が得られる。
【００４２】
また、液体の電解質を燃料電極１０の両面に流通させているため、反応によって発生する二酸化炭素等のガスを流路内から効率的に除去することができると共に、イオン電導パスが維持することができる。これにより、燃料・電解質を均一に供給することができるため、セル特性のばらつきを抑えることができる。従って、従来よりも発電特性を向上させることが可能となる。
【００４３】
また、燃料と電解質を同一の流路で流通させることで、一つの流路で燃料と電解質とを供給することができる。よって、燃料と電解質とを別々の流路で流通させる場合に比べて、簡易な構造となり、薄型化を実現しやすくなる。
【００４４】
さらに、燃料および電解質を流動体として供給することにより、電解質膜が不要となり、温度や湿度に影響されることなく発電を行うことができると共に、電解質膜を用いた場合に比べてイオン伝導度（プロトン伝導度）を高めることができる。また、電解質膜の劣化や、電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性の低下の虞もなくなり、酸素電極２０におけるフラッディングや水分管理などの問題も解消できる。
【００４５】
また、本実施の形態では、燃料電極１０の両面に燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを設けたので、燃料電極における反応面積が２倍になるため、従来の燃料電池と同程度の出力を得るのに必要な触媒量を大幅に減らすができる。よって、製造コストを抑えることが可能となる。
【００４６】
（適用例）
次に、上記燃料電池１１０の適用例について説明する。
【００４７】
［燃料電池システムの構成例］
図２は燃料電池１１０を備えた燃料電池システムを有する電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、またはノート型ＰＣ（Personal Computer ）であり、燃料電池システム１と、この燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。
【００４８】
燃料電池システム１は、燃料電池１１０に加えて、この燃料電池１１０の運転状態を測定する測定部１２０と、測定部１２０による測定結果に基づいて燃料電池１１０の運転条件を決定する制御部１３０とを備えている。この燃料電池システム１は、また、燃料電池１１０に燃料および電解質を含む流動体を供給する燃料・電解質供給部１４０と、例えばメタノールなどの燃料のみを燃料・電解質貯蔵部１４１に供給する燃料供給部１５０とを備えている。なお、燃料電池１１０における燃料・電解質流路３０は、外装部材１４に設けられた燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを介して燃料・電解質供給部１４０に連結されており、燃料・電解質供給部１４０から流動体が供給されるようになっている。
【００４９】
測定部１２０は、燃料電池１１０の動作電圧および動作電流を測定するものであり、例えば、燃料電池１１０の動作電圧を測定する電圧測定回路１２１と、動作電流を測定する電流測定回路１２２と、得られた測定結果を制御部１３０に送るための通信ライン１２３とを有している。
【００５０】
制御部１３０は、測定部１２０の測定結果に基づいて、燃料電池１１０の運転条件として燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御を行うものであり、例えば、演算部１３１、記憶（メモリ）部１３２、通信部１３３および通信ライン１３４を有している。ここで、燃料・電解質供給パラメータには、例えば、燃料・電解質を含む流動体の供給流速が含まれる。燃料供給パラメータは、例えば、燃料の供給流速および供給量を含み、必要に応じて供給濃度を含んでいてもよい。制御部１３０は、例えばマイクロコンピュータにより構成することができる。
【００５１】
演算部１３１は、測定部１２０で得られた測定結果から燃料電池１１０の出力を算出し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定するものである。具体的には、演算部１３１は、記憶部１３２に入力された各種測定結果から一定間隔でサンプリングしたアノード電位、カソード電位、出力電圧および出力電流を平均して、平均アノード電位、平均カソード電位、平均出力電圧および平均出力電流を算出し、記憶部１３２に入力すると共に、記憶部１３２に保存されている各種平均値を相互比較し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを判定するようになっている。
【００５２】
記憶部１３２は、測定部１２０から送られてきた各種測定値や、演算部１３１により算出された各種平均値などを記憶するものである。
【００５３】
通信部１３３は、通信ライン１２３を介して測定部１２０から測定結果を受け取り、記憶部１３２に入力する機能と、通信ライン１３４を介して燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０に燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定する信号をそれぞれ出力する機能とを有している。
【００５４】
燃料・電解質供給部１４０は、燃料・電解質貯蔵部１４１と、燃料・電解質供給調整部１４２と、燃料・電解質供給ライン１４３とを備えている。燃料・電解質貯蔵部１４１は、流動体を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料・電解質供給調整部１４２は流動体の供給流速を調整するものである。燃料・電解質供給調整部１４２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。
【００５５】
燃料供給部１５０は、燃料貯蔵部１５１と、燃料供給調整部１５２と、燃料供給ライン１５３とを有する。燃料貯蔵部１５１は、メタノールなどの燃料のみを貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料供給調整部１５２は、燃料の供給流速および供給量を調整するものである。燃料供給調整部１５２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。なお、燃料供給部１５０は、燃料の供給濃度を調整する濃度調整部（図示せず）を備えていてもよい。濃度調整部は、燃料として純（９９．９％）メタノールを用いる場合には省略することができ、より小型化することができる。
【００５６】
上記燃料電池システム１は、次のようにして製造することができる。
【００５７】
［燃料電池システムの製造方法例］
例えば、上記燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂと燃料供給部１５０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料供給ライン１５３で接続すると共に、燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂと燃料・電解質供給部１４０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料・電解質供給ライン１４３で接続する。これにより図２に示した燃料電池システム１が完成する。
【００５８】
このような燃料電池システム１では、燃料・電解質供給部１４０から燃料電池１１０に燃料および電解質を含む流動体が供給されると、燃料電池１１０から電力が取り出され、外部回路２が駆動する。燃料電池１１０の運転中には、測定部１２０により燃料電池１１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、制御部１３０により、燃料電池１１０の運転条件として上述した燃料・電解液供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御が行われる。測定部１２０による測定および制御部１３０によるパラメータ制御は頻繁に繰り返され、燃料電池１１０の特性変動に追従して流動体および燃料の供給状態が最適化される。
【００５９】
ここで、燃料電池システム１では、燃料電池１１０を備えていることにより、モバイル機器から大型装置まで組み込めるような柔軟性の高い簡易な構成で、高出力を実現できる。よって特に、薄型で消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器に好適に用いることができる。
【００６０】
次に、本発明の燃料電池の変形例について説明する。
【００６１】
（変形例１）
図３は、上記燃料電池１１０を変形した燃料電池１１１の断面構造を表すものである。この燃料電池１１１では、酸素電極２０の燃料電極１０と対向する側に機能層５１が設けられていること以外は、上記燃料電池１１０と同様の構成となっている。よって、同一の構成要素には同一の符号を付し適宜説明を省略する。
【００６２】
機能層５１は、燃料および電解質を含む流動体と触媒層２１との間のイオンパスを保ちつつ、燃料のクロスオーバーによって酸素電極２０で起こる過電圧を防ぐ機能（過電圧抑制層）を有している。加えて、酸素電極２０のフラッディングを抑制する機能（フラッディング抑制層）を有すると共に、触媒層２１と流動体との直接接触による酸素電極２０のヒビや穴などの劣化を抑える劣化防止層としても機能するものである。
【００６３】
機能層５１は、例えば、多孔質材料により構成されている。多孔質材料が有する細孔により、流動体と触媒層２１との間のイオンパスを確保することができる。多孔質としては、具体的には、金属、カーボン、ポリイミドなどの樹脂，あるいはセラミックが挙げられ、これらの複数の材料よりなるブレンド層でもよい。樹脂は、撥水性樹脂でもよいし、親水性樹脂でもよい。機能層５１の厚みは、例えば約１μｍ〜１００μｍであるが、なるべく薄い方が望ましい。また、機能層５１の細孔としては、例えばナノメートルからミクロメートルの径を有するものが好ましいが、特に限定されない。
【００６４】
機能層５１は、また、プロトン伝導体などのイオン電導体により構成されていてもよい。プロトン伝導体としては、例えば、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリスチレンスルホン酸、フラーレンベースの伝導体、固体酸、またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。
【００６５】
このような機能層５１は、例えば、触媒層２１の拡散層２２に熱圧着されていない面に、例えばバーコート法を用いて形成することが望ましい。一定の厚みで塗布することができるからである。但し、機能層５１の形成方法は、このバーコート法に限定されるものではなく、グラビアコート法、ロールコート法、スピンコート法、ディップコート法、ドクバーバーコート法、ワイヤーバーコート法、ブレードコート法、カーテンコート法、スプレーコート法などの他の塗布方法を用いることも可能である。また、機能層５１の材料を含む塗布液を別の部材に塗布し、乾燥することにより多孔質膜を形成し、この多孔質膜を触媒層２１上に転写するようにしてもよい。更に、上述した材料よりなる機能層５１を触媒層２１に熱圧着してもよい。
【００６６】
上記のように酸素電極２０の触媒層２１上に機能層５１を設けることより、燃料電池１１１は燃料電池１１０と同様の効果を得ることができると共に、酸素電極２０への燃料クロスオーバーやフラッディング状態を緩和あるいは無効化することができる。
【００６７】
（変形例２）
図４は、２つの燃料電池セル１１０Ａ，１１０Ｂをスタックした燃料電池スタック１１２の断面構造を表すものである。なお、上記燃料電池１１０と同様の構成要素については、同一の符号を付し適宜説明を省略するものとする。
【００６８】
燃料電池スタック１１２は、燃料電池セル１１０Ａ，１１０Ｂを単純に縦方向に積層したものである。燃料電池スタック１１２では、燃料電池セル１１０Ａの燃料・電解液流路３０Ｂと燃料電池セル１１０Ｂの空気流路４０を隔てるために接続部材６０を設け、電気接続を外部で行う構成となっている。また、接続部材６０の片面に燃料・電解質流路３０Ｂ、もう片面に空気流路４０を一枚もので形成し、接続部材６０にカーボンあるいは、金属のような電気伝導性を有する材料を用いて燃料電池スタック１１２を作製してもよい。なお、図示しないが、燃料電池セル１１０Ａの空気流路４０と燃料電池セル１１０Ｂの外側の燃料・電解質流路３０とに挟まれた各燃料・電解質流路３０および空気流路４０にも燃料・電解質または空気を流入させる貫通孔がそれぞれ設けられている。
【００６９】
（変形例３）
図５は、２つの燃料電池１１０Ｃ，１１０Ｄをスタックした場合の燃料電池スタック１１３の断面構造を表すものである。燃料電池スタック１１３は、燃料電池セル１１０Ｃおよび燃料電池セル１１０Ｄの燃料・電解質流路３０Ｂを共通化して接続し、スタックしたものである。これにより、厚みの増大を抑えつつ、高出力化を実現できる。なお変形例２と同様に、図示しないが、燃料電池セル１１０Ｃおよび燃料電池セル１１０Ｄの空気流路４０に挟まれた燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂにも貫通孔がそれぞれ設けられている。
【００７０】
次に、上記燃料電池１１０およびこれを備えた燃料電池システム１の効果を示す実施例について説明する。
【００７１】
[実施例]
上記実施の形態と同様にして、燃料電池１１０を作製した。まず、触媒として白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１１を形成した。この触媒層１１を、上述した材料よりなる拡散層１２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、温度１５０℃、圧力２４９ｋＰａの条件下で１０分間熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体１３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成した。
【００７２】
また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２１を形成した。この触媒層２１を、上述した材料よりなる拡散層２２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、燃料電極１０の触媒層１１と同様にして熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体２３を、燃料電極１０の集電体１３と同様にして熱圧着し、酸素電極２０を形成した。
【００７３】
集電体２３には、厚み２００μｍのチタンメッシュ（ＳＷ＝０．５、ＬＷ＝１．０）を用いて酸素電極２０を作製し、空気と触れる面に、任意の形状に加工した接着性樹脂フィルムを貼り付け、空気流路４０形成した。接着性樹脂フィルムには、Ｐｙｌａｒｕｘ（デュポン社製）を用い温度１５０℃、時間３分、圧力０．２５ｋＮの条件で熱圧着を行った。
【００７４】
次いで、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを形成した後、燃料電極１０の両面にそれぞれ熱圧着した。
【００７５】
続いて、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、例えば、樹脂製の継手よりなる空気入口１４Ａおよび空気出口１４Ｂを設けた。外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料・電解液入口２４Ａおよび燃料・電解液出口２４Ｂを設けた。次に、燃料電極１０と酸素電極２０との間に、燃料・電解液流路３０Ａを配置し、外装部材１４，２４に収納した。
【００７６】
この燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，電解液供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、図２に示した燃料電池システム１を構成した。その際、燃料・電解液供給調整部１４２および燃料供給調整部１５２をダイアフラム式定量ポンプ（株式会社ＫＮＦ社製）により構成し、それぞれのポンプからシリコーンチューブよりなる燃料・電解液供給ライン１４３を電解液入口２４Ａに直接接続した。また、燃料供給ライン１５３を燃料・電解質貯蔵部に直接接続し、燃料・電解質貯蔵部内のメタノール濃度が常に１Ｍになるように、任意のメタノール量が供給した。流体の電解質には、１Ｍメタノールと1Ｍ硫酸の混合液を用い、燃料電池１１０には、１．０ｍｌ／ｍｉｎの流速で供給した。
【００７７】
［評価］
図６は、本実施の形態の燃料電池１１０と燃料・電解質流路を燃料電極の片側のみに有する従来の燃料電池との発電特性を電圧―電流曲線で比較した結果を表すものである。ここで、「片面流路」は、燃料電極の片側のみに燃料・電解質流路を有する燃料電池、「両面流路」は、燃料電極１０の両面に燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを有する燃料電池１１０をそれぞれ示す。
【００７８】
図６から、両面に燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂを設け、燃料・電解液混合液を流すことで、発電特性が大幅に（３０％〜４０％）向上していることがわかる。これは、燃料・電解質の混合液を両面に流すことで、同じ触媒量であるにも関わらず、燃料の拡散効率が向上し、触媒の反応面積が増大することによって、燃料電池の特性が著しく向上したと考えられる。
【００７９】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態等では、燃料電極１０、酸素電極２０、燃料・電解質流路３０および空気流路４０の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂは、上記実施の形態で説明したような樹脂シートを加工して流路を形成したもののほか、多孔質などのシートにより構成してもよい。
【００８０】
上記実施の形態等では、燃料・電解質流路３０Ａ，３０Ｂにより、燃料電極１０の両面に燃料および電解質を混合させた流動体を供給する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。例えば、図７に示したように、燃料電極１０と酸素電極２０との間に設けられた流路を燃料・電解質流路３１Ａとし、燃料電極１０を挟んだ反対側の流路を燃料流路３１Ｂとして分割してもよい。但し、上記実施の形態で説明したように燃料と電解質とを同一の流路で流通させる場合の方が、厚みの増大をより効果的に抑制することができる。
【００８１】
また、上記実施の形態等において説明した燃料および電解液を含む流動体は、プロトン（Ｈ+ ）伝導性を有するものであれば特に限定されず、例えば、硫酸のほか、リン酸またはイオン性液体が挙げられる。さらに、上記一実施の形態で説明した燃料は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他のアルコールもしくは砂糖燃料でもよい。  
【００８２】
更に、上記実施の形態等では、酸素電極２０Ａへ空気を供給する場合について説明したが、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。          
【００８３】
また、上記実施の形態等において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池の運転条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の運転条件としてもよい。
【００８４】
また、燃料電池として直接型メタノール燃料電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、水素など液体燃料以外の物質を燃料として用いる燃料電池にも適用可能である。例えばＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell：固体高分子型燃料電池）、アルカリ型燃料電池、あるいはグルコースなどの砂糖燃料を利用した酵素電池などがある。
【図面の簡単な説明】
【００８５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。
【図２】燃料電池システムの概略構成を表す図である。
【図３】本発明の変形例１に係る燃料電池の構成を表す断面図である。
【図４】本発明の変形例２に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図５】本発明の変形例３に係る燃料電池スタックの断面図である。
【図６】本発明の燃料電池と従来の燃料電池との電圧―電流特性の比較図である。
【図７】本発明の燃料電池の変形例を表す断面図である。
【符号の説明】
【００８６】
１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…燃料電極、１１，２１…集電体、１２，２２…拡散層、１３，２３…触媒層、２０…酸素電極、１４，２４…外装部材、３０Ａ，３０Ｂ…燃料・電解液流路、３１Ａ…燃料・電解質流路、３１Ｂ…燃料流路、４０…空気流路、４１…共通空気流路、５０Ａ〜５０Ｄ…貫通孔、５１…機能層、１１０，１１１，１１３…燃料電池、１１２…燃料電池スタック、１２０…測定部、１３０…制御部、１４０…燃料・電解液供給部、１５０…燃料供給部。
【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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