(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料極への燃料供給と酸化剤極への酸化剤の供給とを効率化できると共に体積当たりの出力密度の向上を図れる小型の燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、可撓性を有するシート状の燃料供給シート部５と酸化剤供給シート部６により各単セル４が挟持されており、２次元的に配置された各単セル４間の連結部７で折り曲げることができる。燃料供給シート部５では、燃料は第１の流路Ｆ１の流路１４Ａから流路１５Ａ,１６Ｃ,１７Ａ,１８Ａにおける多孔質構造内の毛管流動によって移動するので、気泡などによって各流路が閉塞することがない。また、酸化剤供給シート部６では、溝による第４の流路Ｆ４をなす流路２４Ａ,２２Ａ,２３,２０Ａは、連通流路として３次元流路を形成しているので、平面的な流路レイアウトに比べて、単セル４上の各領域により最短の最適経路で酸化剤を効率よく供給できる。【選択図】図１Ｂ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
供給される燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、上記燃料極に対向するように配置されて上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、上記電解質膜に対向するように配置されて上記電解質膜を透過した上記陽イオンと供給される酸化剤とを反応させる酸化剤極とが積層された単セルを複数備え、
上記単セルの燃料極に対向するように配置されて上記燃料極に上記燃料を供給するための流路が形成された燃料供給シート部と、
上記単セルの酸化剤極に対向するように配置されて上記酸化剤極に上記酸化剤を供給するための流路が形成された酸化剤供給シート部と
を備え、
上記燃料供給シート部または上記酸化剤供給シート部の少なくとも一方を複数連結している可撓性の連結部によって複数の上記単セルが連続配列された第１の配列部と、
上記積層の方向に配列された隣接する複数の単セルが上記燃料供給シート部または上記酸化剤供給シート部の少なくとも一方を共有している第２の配列部と
のうちの少なくとも一方を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、
上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とが、上記単セルを挟持しつつ上記単セルの周囲で接合されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池において、
上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部が上記単セルの周囲で接合されている箇所に、上記単セルの燃料極あるいは酸化剤極のいずれかと電気的に接続するための配線が配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記隣接する２つの単セルの酸化剤極同士を電気的に接続する第１の配線と、
上記隣接する２つの単セルの燃料極同士を電気的に接続する第２の配線と、
上記隣接する２つの単セルのうちの一方の単セルの燃料極と他方の単セルの酸化剤極とを電気的に接続する第３の配線とのうちの少なくとも１つが、上記第１の配列部の上記連結部に沿って配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記燃料供給シート部は、
上記積層の方向に積層された複数の燃料供給シート積層部材を有し、
上記複数の燃料供給シート積層部材は、
上記積層の方向に貫通する流路部を含むと共に上記流路部は中空もしくは多孔質材で形成されていて、
上記複数の燃料供給シート積層部材の多孔質材からなる流路部が連通して上記燃料極に上記燃料を供給するための第１の流路が形成されており、
上記複数の燃料供給シート積層部材の中空の流路部もしくは多孔質材からなる流路部が連通して上記燃料極からの排出物を排出するための第２の流路が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５に記載の燃料電池において、
上記燃料供給シート積層部材は、
上記流路部に隣接している流体非透過部を有しており、この流体非透過部は充填材が充填されていて上記燃料および上記燃料極からの排出物が透過できないことを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項５または６に記載の燃料電池において、
上記第１の流路は、上記燃料供給シート積層部材の流体非透過部によって、少なくとも一部が上記第２の流路に対して分離されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項７に記載の燃料電池において、
上記第１の流路は、
上記積層の方向において上記燃料極側の一端の上記燃料供給シート積層部材よりも上流側に配置されていると共に上記燃料の流れを抑制する供給抑制構造を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項８に記載の燃料電池において、
上記積層の方向に配列された隣接する複数の単セルを備え、
さらに、各単セルに対向配置された各燃料供給シート部の各第１の流路を、上記供給抑制構造の上流側で連通させる燃料流路を有し、
この燃料通路は、上記積層方向の一端が閉じていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項７から９のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記燃料供給シート部は、
上記第１の流路に供給される燃料を希釈するための水を上記第１の流路に供給する第３の流路を有し、
上記第３の流路は、
上記燃料極側の一端の燃料供給シート積層部材よりも上流側で上記第１の流路に合流していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項１０に記載の燃料電池において、
上記燃料供給シート部が有する第３の流路は、複数の単セル間に亘って連通していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項５から１１のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記第２の流路は、
上記第１の配列部と上記第２の配列部の少なくとも一方の複数の単セル間に亘って連通していると共に上記燃料供給シート部の外部に連通していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記酸化剤供給シート部は、
上記積層の方向に積層された複数の酸化剤供給シート積層部材を有し、
上記複数の酸化剤供給シート積層部材は、
上記積層の方向に貫通する流路部を含むと共に上記流路部は中空もしくは多孔質材で形成されていて、
上記複数の酸化剤供給シート積層部材の中空の流路部もしくは多孔質材からなる流路部が連通して上記酸化剤極に酸化剤を供給するための第４の流路が形成されており、
上記複数の酸化剤供給シート積層部材の中空の流路部もしくは多孔質材からなる流路部が連通して上記酸化剤極からの排出物を排出するための第５の流路が形成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１３に記載の燃料電池において、
上記酸化剤供給シート積層部材は、
上記流路部に隣接している流体非透過部を有しており、この流体非透過部は充填材が充填されていて上記酸化剤および上記酸化剤極からの排出物が透過できないことを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の燃料電池において、
上記第４の流路は、上記酸化剤供給シート積層部材の流体非透過部によって、少なくとも一部が上記第５の流路に対して分離されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
請求項１５に記載の燃料電池において、
上記第４の流路は、
上記第１の配列部および上記第２の配列部の複数の単セル間に亘って連通していると共に上記酸化剤供給シート部の外部に連通していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求項１５または１６に記載の燃料電池において、
上記第５の流路は、上記単セルの周囲の上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とが接合されている接合部において、上記第３の流路と連通していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１８】
請求項１５から１７のいずれか１つに記載の燃料電池において、
上記第５の流路は、
上記第１の配列部または上記第２の配列部の少なくとも一方の複数の単セル間に亘って連通していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか１つに記載の燃料電池を製造する方法であって、
転写用基板の凸部に充填材を含む材料層を形成し、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている上記シート状部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記シート状部材に転写し、
上記凸部が重ね合わされた上記シート状部材の領域に上記充填材を充填して、上記領域を上記燃料および上記燃料極からの排出物が透過できない流体非透過部とすると共に、上記流体非透過部に隣接していて上記燃料および燃料極からの排出物が通過可能な流路部を形成し、
上記流路部と上記流体非透過部が形成された上記シート状部材を複数積層して、上記流路部が連通している少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体の燃料供給シート部を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２０】
請求項１９に記載の燃料電池の製造方法において、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている上記シート状部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記シート状部材に転写するときに、
アニールによって上記充填材を上記多孔質材に含浸させることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
請求項１から１８のいずれか１つに記載の燃料電池を製造する方法であって、
転写用基板の凸部に充填材を含む材料層を形成し、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている上記シート状部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記シート状部材に転写し、
上記凸部が重ね合わされた上記シート状部材の領域に上記充填材を充填して、上記領域を上記酸化剤および上記酸化剤極からの排出物が透過できない流体非透過部とすると共に、上記流体非透過部に隣接していて上記酸化剤および酸化剤極からの排出物が通過可能な流路部を形成し、
上記流路部と上記流体非透過部が形成された上記シート状部材を複数積層して、上記流路部が連通している少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体の酸化剤供給シート部を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２２】
請求項２１に記載の燃料電池の製造方法において、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている上記シート状部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記シート状部材に転写するときに、
アニールによって上記充填材を上記多孔質材に含浸させることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２３】
請求項１９から２２のいずれか１つに記載の燃料電池の製造方法において、
上記充填材を含む材料層が形成された材料基板の上記材料層に、転写用基板の凸部を押し付けて、上記凸部に上記充填材を含む材料を転写し、上記転写用基板の凸部に上記充填材を含む材料層を形成することを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２４】
請求項１９から２３のいずれか１つに記載の燃料電池の製造方法において、
上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とで上記単セルを挟持しつつ上記単セルの周囲で接合するに際し、アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部間の接合領域に含浸させることにより、上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部を貼り合わせることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項２５】
請求項２４に記載の燃料電池の製造方法において、
上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とで上記単セルを挟持しつつ上記単セルの周囲で接合するに際し、アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を上記単セルの側面と隣接する上記燃料供給シート部あるいは上記酸化剤供給シート部間に含浸させることにより、上記単セルの側面と上記燃料供給シート部および上記酸化剤供給シート部を貼り合わせることを特徴とする燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、出力密度を高くできる燃料電池およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤とを供給すれば発電する発電装置である。燃料電池は、通常、酸化剤として空気を使用できるため、燃料を交換し供給し続けることで連続して発電することができる。このため、燃料電池は、定置用電源のみでなく携帯用電源としても利用できることから非常に注目されている。
【０００３】
燃料電池は、通常、定置用電源などとして利用される場合には、燃料として水素あるいは水素を含有するガスを使用する。一方、燃料電池は、携帯用電源として利用される場合には、携帯可能である一定の体積でかつ長時間発電させる必要が生じるので、上記燃料としては、体積当たりのエネルギ密度の高い液体燃料の方が上述のガスよりも有利となる。
【０００４】
なお、燃料電池に液体燃料を水素に改質する改質器を備え付け、液体燃料から水素を生成して燃料として供給するシステムを構築することも可能である。しかし、燃料電池のシステム全体が複雑になるため、燃料電池のシステムの小型化には液体燃料を上記燃料電池に直接供給する方が容易と考えられている。
【０００５】
従来、液体燃料が直接供給される燃料電池としては、例えば、メタノールと水との混合物を燃料に用いる直接型メタノール燃料電池が開示されている(例えば、特許文献１(特表平１１−５１０３１１号公報)および特許文献２(特開平６−１８８００８号公報)参照)。
【０００６】
ここで、図１１は、ハウジング１１６内に燃料極１０３と酸化剤極１０２と電解質膜１０１とを備えた発電セル１００が積層されてなる直接型メタノール燃料電池を模式的に示す図である。以下、図１１を参照しながら説明する。
【０００７】
直接型メタノール燃料電池は、ハウジング１１６内に燃料極１０２と酸化剤極１０３と電解質膜１０１とを備えた発電セル１００が積層されてなる。この直接型メタノール燃料電池の動作について説明する。まず、燃料タンク(図示せず)から供給ポンプなどの供給手段によって、メタノールと水とが混合されてなる燃料が、燃料導入路１０８に供給される。この燃料導入路１０８に供給された燃料は矢印１１０で示す方向に向かって、セパレータ１０５に形成された燃料極室１０６に供給される。燃料極室１０６内に供給された燃料は、燃料極１０３内に浸透して反応し、プロトン(水素イオン)と電子と二酸化炭素とを生成する。通常、燃料極１０３の材料としては多孔質材が用いられており、燃料極１０３と電解質膜１０１との界面近位の触媒が担持された層で燃料極１０３の反応が起こっている。
【０００８】
燃料極１０３で生成されたプロトンは、燃料極１０３から電解質膜１０１を透過して酸化剤極１０２に移動し、電子は燃料極１０３から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極１０２に流れる。この電子が電池の出力として使用される。一方、二酸化炭素は、燃料極１０３から燃料極室１０６を通して未反応の燃料と共に排出される。
【０００９】
また、セパレータ１０５に形成された酸化剤極室１０４へは、矢印１１１で示す方向に酸素が供給され、酸化剤極室１０４から酸化剤極１０２内に酸素が拡散する。そして、この酸素は、燃料極１０３から拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は通常水蒸気となって酸化剤室１０４から未反応の酸素と共に、矢印１１２で示す方向に出口側から排出される。この例では酸化剤として酸素が使用されているが、酸素を含む空気で供給することもできる。
【００１０】
ところで、上記従来の直接型メタノール燃料電池では、図１１に示すように、発電セル１００を積層する場合、セパレータ１０５に形成された非常に狭い燃料室１０６および酸化剤室１０４に燃料および酸化剤を供給しなければならない。発電セル１００をより小型のハウジング内に積層するには、燃料室１０６や酸化剤室１０４がさらに狭くなることから、燃料や酸化剤を発電セル１００に供給するためには、より供給能力をもったポンプ等の供給手段が必要となる。
【００１１】
したがって、ポンプ等の供給手段の駆動に必要な電力を消費するために実質的に燃料電池から利用できる出力が低下し、燃料電池の小型化の障害となってしまう。また、ポンプなどの強制的な供給手段をなくすと、酸化剤の供給効率が低下し、燃料電池の出力の低下の要因となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特表平１１−５１０３１１号公報
【特許文献２】特開平６−１８８００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
そこで、この発明の課題は、燃料極への燃料供給と酸化剤極への酸化剤の供給とを効率化できると共に体積当たりの出力密度の向上を図れる小型の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】
【００１４】
上記課題を解決するため、この発明の燃料電池は、供給される燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、上記燃料極に対向するように配置されて上記燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、上記電解質膜に対向するように配置されて上記電解質膜を透過した上記陽イオンと供給される酸化剤とを反応させる酸化剤極とが積層された単セルを複数備え、
上記単セルの燃料極に対向するように配置されて上記燃料極に上記燃料を供給するための流路が形成された燃料供給シート部と、
上記単セルの酸化剤極に対向するように配置されて上記酸化剤極に上記酸化剤を供給するための流路が形成された酸化剤供給シート部とを備え、
上記燃料供給シート部または上記酸化剤供給シート部の少なくとも一方を複数連結している可撓性の連結部によって複数の上記単セルが連続配列された第１の配列部と、上記積層の方向に配列された隣接する複数の単セルが上記燃料供給シート部または上記酸化剤供給シート部の少なくとも一方を共有している第２の配列部とのうちの少なくとも一方を有することを特徴としている。
【００１５】
この発明の燃料電池によれば、上記燃料供給シート部または酸化剤供給シート部は、上記第１の配列部の可撓性の連結部で折り曲げることができるので、収納すべき場所の形状に合わせて最適な収納形態を実現することが可能となる。また、上記第２の配列部では、上記隣接する上記複数の単セルが上記燃料供給シート部または上記酸化剤供給シート部を共有しているので、複数の単セルを積層化した際の小型化を図れ、燃料電池における体積当たりの出力密度の向上を実現できる。
【００１６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とが、上記単セルを挟持しつつ上記単セルの周囲で接合されている。
【００１７】
この実施形態の燃料電池によれば、上記単セルの側面に個別に封止のための微細加工を施す必要がなくなり、また、上記単セルをハウジング等に挿入したりする必要がなくなる。よって、切り出した各単セルをそのまま上記第１,第２の配列部部に配置でき、製造工程を簡略化できる。
【００１８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部が上記単セルの周囲で接合されている箇所に、上記単セルの燃料極あるいは酸化剤極のいずれかと電気的に接続するための配線が配置されている。
【００１９】
この実施形態の燃料電池によれば、上記単セルの燃料極あるいは酸化剤極に接続する配線を、上記燃料供給シート部および酸化剤供給シート部の外部に露出させることなく、上記燃料供給シート部および酸化剤供給シート部の内側に配置できる。
【００２０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記隣接する２つの単セルの酸化剤極同士を電気的に接続する第１の配線と、
上記隣接する２つの単セルの燃料極同士を電気的に接続する第２の配線と、
上記隣接する２つの単セルのうちの一方の単セルの燃料極と他方の単セルの酸化剤極とを電気的に接続する第３の配線とのうちの少なくとも１つが、上記第１の配列部の上記連結部に沿って配置されている。
【００２１】
この実施形態の燃料電池によれば、上記連結部の可撓性を保持したままで、上記第１〜第３の配線により、上記隣接する２つの単セルの燃料極,酸化剤極に対して所望の電気的接続を行える。
【００２２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記燃料供給シート部は、
上記積層の方向に積層された複数の燃料供給シート積層部材を有し、
上記複数の燃料供給シート積層部材は、
上記積層の方向に貫通する流路部を含むと共に上記流路部は中空もしくは多孔質材で形成されていて、
上記複数の燃料供給シート積層部材の多孔質材からなる流路部が連通して上記燃料極に上記燃料を供給するための第１の流路が形成されており、
上記複数の燃料供給シート積層部材の中空の流路部もしくは多孔質材からなる流路部が連通して上記燃料極からの排出物を排出するための第２の流路が形成されている。
【００２３】
この実施形態の燃料電池によれば、上記燃料供給シート部の第１の流路では、多孔質構造内の毛管流動によって燃料が移動するので、ポンプなどの送液手段を用いなくても安定して燃料を供給することができる。さらに、上記第１の流路は、積層された複数の燃料供給シート積層部材を積層方向に貫通する流路部で形成しているので、３次元流路とすることができ、平面的な流路レイアウトに比べて、より短い最適経路で単セルの燃料極の各領域に燃料を効率よく供給できる。
【００２４】
また、上記第２の流路についても、複数の燃料供給シート積層部材の流路部が連通して形成されているので、３次元流路とすることができ、平面的な流路レイアウトに比べて、より短い最適経路で単セルの燃料極の各領域からの排出物を効率よく排出できる。
【００２５】
また、一実施形態の燃料電池では、上記燃料供給シート積層部材は、上記流路部に隣接している流体非透過部を有しており、この流体非透過部は充填材が充填されていて上記燃料および上記燃料極からの排出物が透過できない。
【００２６】
この実施形態の燃料電池によれば、上記流体非透過部とこの流体非透過部に隣接している流路部とが形成された燃料供給シート積層部材を、シート状の多孔質材に充填材を導入するだけで作製できる。
【００２７】
また、一実施形態の燃料電池では、上記第１の流路は、上記燃料供給シート積層部材の流体非透過部によって、少なくとも一部が上記第２の流路に対して分離されている。
【００２８】
この実施形態の燃料電池によれば、上記第２の流路によって、燃料極の排出物、特に二酸化炭素を効率よく排出できるだけでなく、この排出物の流れが第１の流路における燃料の流れを阻害するのを抑制できる。よって、上記第１の流路による燃料極への燃料の供給効率を高めて、単セルの出力密度を高めることができる。
【００２９】
また、一実施形態の燃料電池では、上記第１の流路は、
上記積層の方向において上記燃料極側の一端の上記燃料供給シート積層部材よりも上流側に配置されていると共に上記燃料の流れを抑制する供給抑制構造を有する。
【００３０】
この実施形態の燃料電池によれば、上記第１の流路に配置した供給抑制構造でもって、上記第１の流路内における上記燃料の流れを抑制するので、上記第１の流路内の燃料の流れの方向に沿った圧力低下を抑制し、上記第１の流路内に燃料を行き渡らせることができて、単セル全体により均一に燃料を供給できる。
【００３１】
また、一実施形態の燃料電池では、上記積層の方向に配列された隣接する複数の単セルを備え、
さらに、各単セルに対向配置された各燃料供給シート部の各第１の流路を、上記供給抑制構造の上流側で連通させる燃料流路を有し、
この燃料通路は、上記積層方向の一端が閉じている。
【００３２】
この実施形態の燃料電池によれば、上記燃料通路から、上記隣接する複数の単セルの第１の流路に燃料を供給でき、各単セルの第１の流路に供給する燃料の量の均等化を図って、供給した燃料の発電への利用効率をさらに向上できる。
【００３３】
また、一実施形態の燃料電池では、上記燃料供給シート部は、
上記第１の流路に供給される燃料を希釈するための水を上記第１の流路に供給する第３の流路を有し、
上記第３の流路は、
上記燃料極側の一端の燃料供給シート積層部材よりも上流側で上記第１の流路に合流している。
【００３４】
この実施形態の燃料電池によれば、上記第１の流路に合流している第３の流路から水を供給して、上記第１の流路に供給される燃料を希釈できるので、上記燃料を燃料タンクに高濃度の状態で燃料を貯めておくことができる。よって、同じタンク容量で燃料電池を動作させた場合、最初から最適濃度に希釈した燃料を使用する場合に比べて燃料電池を長時間動作させることができる。
【００３５】
また、一実施形態の燃料電池では、上記燃料供給シート部が有する第３の流路は、複数の単セル間に亘って連通している。
【００３６】
この実施形態の燃料電池によれば、複数の単セル間に亘って連通している第３の流路から、各単セルの第１の流路に燃料希釈用の水を供給できる。また、例えば、各単セルの第５の流路(酸化剤極で生成される水を排出するための流路)から回収される水を上記第３の流路に流す場合に、各単セルから回収される水量にばらつきがあっても、上記第３の流路が各単セルに連通していることから、回収された水を複数の単セル全体で効率よく使用可能になる。
【００３７】
また、一実施形態の燃料電池では、上記第２の流路は、
上記第１の配列部と上記第２の配列部の少なくとも一方の複数の単セル間に亘って連通していると共に上記燃料供給シート部の外部に連通している。
【００３８】
この実施形態の燃料電池によれば、２次元的あるいは３次元的に配置された各単セルの燃料極から排出される二酸化炭素などの排出ガスを、複数の単セルの周りの連通した第２の流路から最短の経路で上記２次元的あるいは３次元的に配置された各単セルの領域外に排出できる。このことにより、各単セルの出力低下を防ぐことができる。
【００３９】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸化剤供給シート部は、
上記積層の方向に積層された複数の酸化剤供給シート積層部材を有し、
上記複数の酸化剤供給シート積層部材は、
上記積層の方向に貫通する流路部を含むと共に上記流路部は中空もしくは多孔質材で形成されていて、
上記複数の酸化剤供給シート積層部材の中空の流路部もしくは多孔質材からなる流路部が連通して上記酸化剤極に酸化剤を供給するための第４の流路が形成されており、
上記複数の酸化剤供給シート積層部材の中空の流路部もしくは多孔質材からなる流路部が連通して上記酸化剤極からの排出物を排出するための第５の流路が形成されている。
【００４０】
この実施形態の燃料電池によれば、上記酸化剤供給シート部の第４の流路は、積層された複数の酸化剤供給シート積層部材を積層方向に貫通する流路部で形成しているので、３次元流路とすることができ、平面的な流路レイアウトに比べて、より短い最適経路で単セルの酸化剤極の各領域に酸化剤を効率よく供給できる。
【００４１】
また、上記第５の流路についても、複数の酸化剤供給シート積層部材の流路部が連通して形成されているので、３次元流路とすることができ、平面的な流路レイアウトに比べて、より短い最適経路で単セルの酸化剤極の各領域からの排出物を効率よく排出できる。
【００４２】
また、一実施形態の燃料電池では、上記酸化剤供給シート積層部材は、
上記流路部に隣接している流体非透過部を有しており、この流体非透過部は充填材が充填されていて上記酸化剤および上記酸化剤極からの排出物が透過できない。
【００４３】
この実施形態の燃料電池によれば、シート状の多孔質材に充填材を導入するだけで、上記流体非透過部とこの流体非透過部に隣接している流路部とが形成された酸化剤供給シート積層部材を作製できる。
【００４４】
また、一実施形態の燃料電池では、上記第４の流路は、上記酸化剤供給シート積層部材の流体非透過部によって、少なくとも一部が上記第５の流路に対して分離されている。
【００４５】
この実施形態の燃料電池によれば、上記第５の流路によって、酸化剤極の排出物(水)を効率よく排出できるだけでなく、この排出物の流れが第４の流路における酸化剤の流れを阻害するのを抑制できる。よって、上記第４の流路による酸化剤極への酸化剤の供給効率を高めて、単セルの出力密度を高めることができる。
【００４６】
また、一実施形態の燃料電池では、上記第４の流路は、
上記第１の配列部および上記第２の配列部の複数の単セル間に亘って連通していると共に上記酸化剤供給シート部の外部に連通している。
【００４７】
この実施形態の燃料電池によれば、２次元的あるいは３次元的に配置された複数の単セルの周りの連通した第４の流路から各単セルの酸化剤極へ酸化剤(空気)を最短の経路で供給できる。また、上記２次元的あるいは３次元的に配置された各単セルの領域の外部から、各単セルの周りに３次元的に連結された第４の流路を通って、上記単セルの領域の外部に抜ける通風が複数の経路で確保できる。このため、酸化剤(空気)が単セルの周囲に滞留して各単セルへの酸素の供給が低下するのを防ぎ、各単セルの出力低下を防ぐことができる。
【００４８】
また、一実施形態の燃料電池では、上記第５の流路は、上記単セルの周囲の上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とが接合されている接合部において、上記第３の流路と連通している。
【００４９】
この実施形態の燃料電池によれば、酸化剤極で生成した排出物(水)を第５の流路を通して回収し、第３の流路を通して燃料極側に供給して、燃料の希釈に利用することができる。
【００５０】
また、一実施形態の燃料電池では、上記第５の流路は、
上記第１の配列部または上記第２の配列部の少なくとも一方の複数の単セル間に亘って連通している。
【００５１】
この実施形態の燃料電池によれば、第５の流路が各単セルに亘って連通しているので、各単セルの酸化剤極における排出物(水)の量にばらつきがあっても、第５の流路へ回収できる水量を安定化できる。よって、上記第５の流路から上記第３の流路へ燃料希釈用の水を安定に供給できる。
【００５２】
また、一実施形態の燃料電池の製造方法では、転写用基板の凸部に充填材を含む材料層を形成し、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている上記シート状部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記シート状部材に転写し、
上記凸部が重ね合わされた上記シート状部材の領域に上記充填材を充填して、上記領域を上記燃料および上記燃料極からの排出物が透過できない流体非透過部とすると共に、上記流体非透過部に隣接していて上記燃料および燃料極からの排出物が通過可能な流路部を形成し、
上記流路部と上記流体非透過部が形成された上記シート状部材を複数積層して、上記流路部が連通している少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体の燃料供給シート部を形成する。
【００５３】
この実施形態の燃料電池の製造方法によれば、基板に形成した流路溝に多孔質材を詰め込むことによって多孔質構造の流路を形成する場合と異なり、多孔質構造の流路部とこの流路部を画定する流体非透過部の壁面との間に隙間を生じない。よって、流体が、多孔質材からなる流路部と流路壁との界面の隙間を通って多孔質材の透過係数以上に透過してしまうことがない。
【００５４】
また、一実施形態の燃料電池の製造方法では、上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている上記シート状部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記シート状部材に転写するときに、アニールによって上記充填材を上記多孔質材に含浸させる。
【００５５】
この実施形態の燃料電池の製造方法によれば、プレスのみで上記充填材を含む材料層を上記領域に転写する場合に比べて、充填材をシート状部材の多孔質構造内に十分行き渡らせることができ、流路からの燃料の漏れを確実に抑制できる。
【００５６】
また、一実施形態の燃料電池の製造方法では、転写用基板の凸部に充填材を含む材料層を形成し、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている上記シート状部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記シート状部材に転写し、
上記凸部が重ね合わされた上記シート状部材の領域に上記充填材を充填して、上記領域を上記酸化剤および上記酸化剤極からの排出物が透過できない流体非透過部とすると共に、上記流体非透過部に隣接していて上記酸化剤および酸化剤極からの排出物が通過可能な流路部を形成し、
上記流路部と上記流体非透過部が形成された上記シート状部材を複数積層して、上記流路部が連通している少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体の酸化剤供給シート部を形成する。
【００５７】
この実施形態の燃料電池の製造方法によれば、基板に形成した流路溝に多孔質材を詰め込むことによって多孔質構造の流路を形成する場合と異なり、多孔質構造の流路部とこの流路を画定する壁面との間に隙間を生じない。よって、流体が、多孔質材からなる流路部と流路壁との界面の隙間を通って多孔質材の透過係数以上に透過してしまうことがない。
【００５８】
また、一実施形態の燃料電池の製造方法では、上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている上記シート状部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記シート状部材に転写するときに、アニールによって上記充填材を上記多孔質材に含浸させる。
【００５９】
この実施形態の燃料電池の製造方法によれば、プレスのみで上記充填材を含む材料層を上記シート状部材の領域に転写する場合に比べて、上記充填材をシート状部材の多孔質構造内に十分行き渡らせることができ、流路からの燃料の漏れを確実に抑制できる。
【００６０】
また、一実施形態の燃料電池の製造方法では、上記充填材を含む材料層が形成された材料基板の上記材料層に、転写用基板の凸部を押し付けて、上記凸部に上記充填材を含む材料を転写し、上記転写用基板の凸部に上記充填材を含む材料層を形成する。
【００６１】
この実施形態の燃料電池の製造方法によれば、上記充填材を含む材料層を上記転写用基板の凸部のみに容易に積層できる。
【００６２】
また、一実施形態の燃料電池の製造方法では、上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とで上記単セルを挟持しつつ上記単セルの周囲で接合するに際し、アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部間の接合領域に含浸させることにより、上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部を貼り合わせる。
【００６３】
この実施形態の燃料電池の製造方法によれば、上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部間の接合領域に充填材含浸領域を形成できる。これにより、シート部同士が接合されると共に、シート部間の界面に沿って燃料等が漏れることを抑制できる。
【００６４】
また、一実施形態の燃料電池の製造方法では、上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とで上記単セルを挟持しつつ上記単セルの周囲で接合するに際し、アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を上記単セルの側面と隣接する上記燃料供給シート部あるいは上記酸化剤供給シート部間に含浸させることにより、上記単セルの側面と上記燃料供給シート部および上記酸化剤供給シート部を貼り合わせる。
【００６５】
この実施形態の燃料電池の製造方法によれば、上記単セルの側面と上記燃料供給シート部および上記酸化剤供給シート部を貼り合わせることができると共に、単セルの側面とシート部間の界面に沿って燃料等が漏れることを抑制できる。
【発明の効果】
【００６６】
この発明の燃料電池によれば、燃料供給シート部または酸化剤供給シート部は、第１の配列部の可撓性の連結部で折り曲げることができるので、収納すべき場所の形状に合わせて最適な収納形態を実現することが可能となる。また、上記第２の配列部では、上記隣接する上記複数の単セルが上記燃料供給シート部または上記酸化剤供給シート部を共有しているので、複数の単セルを積層化した際の小型化を図れ、燃料電池における体積当たりの出力密度の向上を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１Ａ】この発明の燃料電池の第１実施形態を示す模式的な平面図である。
【図１Ｂ】上記第１実施形態を示す模式的な断面図である。
【図２Ａ】上記第１実施形態が備える燃料供給シート積層部材１３の形状を示す模式的な平面図である。
【図２Ｂ】上記第１実施形態が備える燃料供給シート積層部材１４の形状を示す模式的な平面図である。
【図２Ｃ】上記第１実施形態が備える燃料供給シート積層部材１５の形状を示す模式的な平面図である。
【図２Ｄ】上記第１実施形態が備える燃料供給シート積層部材１６の形状を示す模式的な平面図である。
【図２Ｅ】上記第１実施形態が備える燃料供給シート積層部材１７の形状を示す模式的な平面図である。
【図２Ｆ】上記第１実施形態が備える燃料供給シート積層部材１８の形状を示す模式的な平面図である。
【図２Ｇ】上記第１実施形態が備える単セル４の形状を示す模式的な平面図である。
【図３Ａ】上記第１実施形態が備える酸化剤供給シート積層部材２０の形状を示す模式的な平面図である。
【図３Ｂ】上記第１実施形態が備える酸化剤供給シート積層部材２１の形状を示す模式的な平面図である。
【図３Ｃ】上記第１実施形態が備える酸化剤供給シート積層部材２２の形状を示す模式的な平面図である。
【図３Ｄ】上記第１実施形態が備える酸化剤供給シート積層部材２４の形状を示す模式的な平面図である。
【図４】上記実施形態の一変形例における単セルの３次元的接続を示す模式的な断面図である。
【図５Ａ】上記実施形態の一変形例における隣接する単セルの直列接続形態を示す模式的な断面図である。
【図５Ｂ】上記実施形態の一変形例における隣接する単セルの並列接続形態を示す模式的な断面図である。
【図６】上記実施形態の一変形例における燃料供給路の接続形態を示す模式的な断面図である。
【図７Ａ】上記実施形態の燃料電池を用いて発電させたときの燃料電池の出力結果の一例を示す図である。
【図７Ｂ】上記実施形態の燃料電池を用いて発電させたときの燃料電池の出力結果の他の一例を示す図である。
【図７Ｃ】上記実施形態の燃料電池を用いて発電させたときの燃料電池の出力結果のさらに他の一例を示す図である。
【図８Ａ】この発明の燃料電池の第２実施形態を示す模式的な断面図である。
【図８Ｂ】図８ＡのＢ‐Ｂ’断面図である。
【図８Ｃ】図８ＡのＣ‐Ｃ’断面図である。
【図８Ｄ】図８ＡのＤ‐Ｄ’断面図である。
【図９Ａ】この発明の燃料電池の第３実施形態を示す模式的な平面図である。
【図９Ｂ】図９ＡのＥ‐Ｅ’断面を示す断面図である。
【図９Ｃ】図９ＡのＦ‐Ｆ’断面を示す断面図である。
【図９Ｄ】図９ＡのＧ‐Ｇ’断面を示す断面図である。
【図９Ｅ】図９ＡのＨ‐Ｈ’断面を示す断面図である。
【図９Ｆ】上記第３実施形態における２次元的に配置された複数の単セル４４が結合して一体となった構造を示す平面図である。
【図１０Ａ】この発明の燃料電池が備える燃料供給シート部の製造方法である第４実施形態の一工程を示す工程断面図である。
【図１０Ｂ】上記第４実施形態の一工程を示す工程断面図である。
【図１０Ｃ】上記第４実施形態の一工程を示す工程断面図である。
【図１１】従来のハウジング内に燃料極と酸化剤極と電解質膜とを備えた発電セルが積層されてなる直接型メタノール燃料電池を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６８】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。
【００６９】
(第１の実施の形態)
図１Ａは本発明の第１実施形態を示す模式的な平面図であり、図１Ｂは上記第１実施形態を示す模式的な断面図である。また、図２Ａから図２Ｇは、上記第１実施形態が備える燃料供給シート積層部材１３〜１８の形状を示す模式的な平面図である。また、図３Ａから図３Ｄは、上記第１実施形態が備える酸化剤供給シート積層部材２０〜２４の形状を示す模式的な平面図である。以下、この第１実施形態の燃料電池を、図１Ａ,図１Ｂ、図２Ａ〜図２Ｇ、図３Ａ〜図３Ｄに基づいて説明する。
【００７０】
この第１実施形態の燃料電池は、供給される燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極１と、この燃料極１に対向するように配置されて燃料極１からの陽イオンが透過する電解質膜２と、この電解質膜２に対向するように配置されて電解質膜２を透過した陽イオンと供給される酸化剤とを反応させる酸化剤極３とで構成された単セル４を複数備える。
【００７１】
また、この第１実施形態の燃料電池は、単セル４の燃料極１に対向するように配置され、燃料極１に燃料を供給するための流路(第１の流路Ｆ１)を含む複数の流路が形成された燃料供給シート部５と、単セル４の酸化剤極３に対向するように配置され、酸化剤極３に酸化剤を供給するための流路(第４の流路Ｆ４)を含む複数の流路が形成された酸化剤供給シート部６を備える。上記第１の流路Ｆ１については、図２Ａ〜図２Ｆを参照して後述する。また、上記第４の流路Ｆ４については、図３Ａ〜図３Ｄを参照して後述する。
【００７２】
また、この第１実施形態では、隣接する単セル４が、燃料供給シート部５および酸化剤供給シート部６を可撓性の連結部７で連結されている。これにより、複数の単セル４が２次元的に配置されている。さらにこれら２次元的に配置された複数の単セル４を積層することで、３次元的に配置することも可能となる。
【００７３】
なお、この実施形態では、燃料供給シート部５,酸化剤供給シート部６共に隣接する単セル４と連結しているが、燃料供給シート部５と酸化剤供給シート部６のいずれか一方のみを隣接する単セル４間で連結して、他方が隣接する単セル４間で連結していなくても単セル４を２次元的に配置することは可能である。さらに、この２次元的に配置した単セル４を積層して単セル４を容易に３次元的に配置できる。この燃料供給シート部５のみを隣接する単セル４間で連結して単セル４を２次元的に配置する場合、隣接する単セル４への燃料輸送のための流路を別途形成する必要がなく、連結した燃料供給シート部５を通して容易に燃料を送ることができる。
【００７４】
また、酸化剤供給シート部６で２次元的に隣接する単セル４を連結し、図６を参照して後述するように、３次元的に積層した積層方向に燃料供給路５０Ａを配置して燃料供給シート部に接続すれば、各単セル４までの燃料の供給経路を短くすることができ、燃料供給圧の低下を抑制し、より均一に各単セルに燃料を供給することが可能となる。
【００７５】
単セル４の燃料極１および酸化剤極３の基体には、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属、多孔質シリコンなどの多孔質材を用いることができる。また、燃料極１の触媒には、一例として白金−ルテニウム合金など、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。
【００７６】
また、酸化剤極３にも、燃料極１と同様の触媒を用いることができ、酸化剤極３の材質と燃料極１の材質とが同じであってもよい。電解質膜２は、プロトン伝導性の耐熱耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わないが、例えば、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン１１７(デュポン社製)(登録商標))を用いることができる。
【００７７】
また、電解質膜２は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。また、この発明の燃料電池の電解質膜２および燃料極１、酸化剤極３からなる膜電極複合体は、従来公知の方法により得ることができ、例えば、上記のようにして得られた電解質膜２に燃料極１および酸化剤極３をホットプレスによる接合で作製できる。さらに、この発明は、単セル４の構成や材料を上記の形態に限定するものでは無いことは勿論で、他の材料で構成されてもよいことは言うまでもない。
【００７８】
また、各単セル４の大きさは、この実施形態における典型的な例では１辺５ｍｍから２５ｍｍ程度であるが、この発明においては、単セルの大きさは、燃料供給シート部５や酸化剤供給シート部６に形成された流路のサイズや、積層された単セル４間のスペースなどによって相対的に決まるものであり、特にサイズを上記寸法に限定されるものではない。
【００７９】
また、燃料極１に供給される液体燃料としては、メタノールと水とを混合したものを用いることができる。なお、燃料はこれに限るものではなく、メタノールの代わりにエタノールやジメチルエーテルのような炭化水素系の有機燃料を使用することもできる。
【００８０】
また、酸化剤として酸素をもともと含んでいる空気をそのまま使用することができるが、酸素そのものを使用することもできる。燃料供給シート部５内に供給された燃料は、燃料極１に達して反応し、陽イオン(Ｈ＋)と電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。陽イオン(Ｈ＋)は、電解質膜２を経由して、酸化剤極３に至る。一方、上記電子は、燃料極１から外部回路(図示せず)を経由して、酸化剤極３に導かれる。また、燃料極１で生成した二酸化炭素などの排出ガスは、燃料供給シート部５内を通って燃料供給シート部５の外へ排出される。
【００８１】
一方、外部から酸化剤供給シート部６内に導入された酸化剤の一例としての空気は、酸化剤極３に拡散し、酸化剤極３において燃料極１からの陽イオン(Ｈ＋)および電子と反応して、水蒸気が生成し、この水蒸気は酸化剤供給シート部６の外へ排出される。
【００８２】
この実施形態にかかる燃料電池は、流路が形成された薄くて可撓性を有するシート状の燃料供給シート部５および酸化剤供給シート部６によって各単セル４が挟持されており、２次元的に配置された各単セル４間の連結部７で折り曲げることができる。また、３次元的に積層した場合においても電池を図４に模式的に示すように電池全体を変形することができるため、収納すべき場所の形状に併せて最適に収納することが可能となる。
【００８３】
図４に示す符号５６は、燃料供給シート部５と酸化剤供給シート部６に単セル４が挟持されたひとつの発電単位を示している。さらに、図１Ａに示すように、各単セル４間の連結部７の周りに酸化剤の供給路および反応生成物である水蒸気等の排出経路としてスペース８を確保できる。
【００８４】
このため、図１１に示す従来例のように、一方向だけに供給経路が確保されている場合に比べ、積層された各単セル４への酸化剤の供給をより効率的に行うことができる。また、ポンプなどの供給手段を用いて酸化剤を各単セル４に供給する場合においても、各単セル４への供給経路が短くなり、供給手段への負荷を低減して電力消費を抑えることができる。したがって、複数の単セル４を積層化した際の小型燃料電池における体積あたりの出力密度の向上を実現できる。
【００８５】
さらに、この実施形態では、図１Ｂに示すように、各単セル４の燃料供給シート部５と酸化剤供給シート部６が、各単セル４を挟持しつつ単セル４の周囲で接合されている。ここで、燃料極１側の燃料が単セル４の側面から漏れて酸化剤極３へ拡散しないように、各単セル４の側面４Ａを封止する必要があるが、この実施形態では、薄い燃料供給シート部５および酸化供給シート部６の可撓性を利用して各単セル４の側面に回り込ませて接合している。なお、符号５５は封止樹脂である。
【００８６】
このことにより、単セル４の側面４Ａを容易に封止できるので、各単セル４の側面４Ａに封止のための微細加工を個別に施したり、ハウジング等を挿入したりする必要がなく、切り出した単セル４をそのまま配置することができることから、製造方法が簡略化され、コストを削減できる。
【００８７】
さらに、燃料供給シート部５および酸化剤供給シート部６を接合させることにより、各単セル４間の連結部７を薄膜化できる。よって、連結部７の可撓性を高めると共に、各単セル４間の連結部７の周りに上記スペース８と連通するスペース９を確保することができ、各単セル４への酸化剤の供給をより効率化することができる。
【００８８】
さらに、この実施形態では、図１Ｂに示すように、燃料供給シート部５と酸化剤供給シート部６が単セル４の周囲で接合されている接続部１０において、酸化剤供給シート部６に沿って、酸化剤極３と電気的に接続するための配線１２Ａが備えられる。この配線１２Ａは、隣接する単セル４の酸化剤極３を電気的に接続している。また、上記接続部１０において、燃料供給シート部５に沿って、隣接する単セル４の燃料極１を電気的に接続するための配線１１Ａを備えてもよい。
【００８９】
例えば、この実施形態において、図２Ｆに示す配線１２Ａは、燃料極１と接続するための配線の一例で、図３Ａに示す配線１２Ｂは酸化剤極３と接続するための配線の一例である。図２Ｆの配線１２Ａは、燃料供給シート積層部材１８に設けられている。また、図３Ａの配線１２Ｂは、酸化剤供給シート積層部材２０に設けられている。
【００９０】
これにより、酸化剤等の通路となる連結部７周りのスペース９に配線を露出させることなく、積層方向に配線を曲げて各単セル４の燃料極１や酸化剤極３と電気的に接続するための配線１２Ａ,１２Ｂを接続部１０の配線１１Ａまで容易に引き出すことができる。
【００９１】
これにより、連結部７に可撓性を保持したままで、かつ、配線１２Ａ,１２Ｂ,１１Ａを酸化剤や水蒸気等の通路となる連結部７周りのスペース９に露出させることなく、隣接する単セル４の燃料極１あるいは酸化剤極３を電気的に接続することが可能となる。
【００９２】
なお、図１Ｂに示す一例では、２次元的に配置した単セル４,４を配線１２Ａ,１１Ａでもって電気的に並列接続することができる。さらには、図５Ａに示す一例では、２次元的に配置した単セル４,４を接続部１０Ｂで被覆された配線１１Ａ,１２Ａ,１２Ｂでもって電気的に直列接続することもできる。この図５Ａの一例では、２次元的に配置した単セル４,４を積層して３次元的にも配置している。図５Ａに示すように、この一例では、燃料極１が向かい合わせになるように積層方向に隣接する単セル４,４が対向配置されており、それぞれの燃料供給シート部５が向かい合わせに対向配置されていて、この対向配置された一対の燃料供給シート部５は燃料供給シート積層部材１４を共有している。
【００９３】
さらにまた、図５Ｂに示すように、積層方向に隣接する単セル４,４を接続部１０Ｃで被覆された配線１１Ｃ,１２Ａ,１２Ｂで電気的に直列接続させることも容易に実施可能となる。この図５Ｂの一例では、上述の図５Ａの一例とは異なり、積層方向に隣接する単セル４,４は同じ向きに配置されている。なお、図５Ｂに示す一例では、積層方向に隣接する単セル４,４を直列接続した例を示しているが、隣接する単セル４,４を並列に接続することも可能であることは容易に理解できる。
【００９４】
次に、この実施形態の燃料電池の燃料供給シート部５の積層構造について説明する。図１Ｂに示す燃料供給シート部５は、図２Ａから図２Ｆに示す燃料供給シート積層部材１３,１４,１５,１６,１７,１８が積層されて形成されている。
【００９５】
図２Ａに示すように、燃料供給シート積層部材１３は、貫通溝からなる流路１３Ａとこの流路１３Ａを区画する流体非通過部１３Ｂを有する。また、図２Ｂに示すように、上記燃料供給シート積層部材１４は、多孔質材で形成されている貫通流路１４Ａと貫通溝で形成されている貫通流路１４Ｃと上記貫通流路１４Ａ,１４Ｃを区画する流体非通過部１４Ｂを有する。また、図２Ｃに示すように、燃料供給シート積層部材１５は、多孔質材で形成されている貫通流路１５Ａと貫通溝で形成されている貫通流路１５Ｃと上記貫通流路１５Ａ,１５Ｃを区画する流体非通過部１５Ｂを有する。なお、上記多孔質材は、燃料あるいは燃料極１からの排出物が通過可能な多孔質材である。一方、上記流体非通過部１３Ｂ,１４Ｂ,１５Ｂは、燃料および燃料極１からの排出物が透過できない。
【００９６】
また、図２Ｄに示すように、燃料供給シート積層部材１６は、多孔質材で形成されている貫通流路１６Ａ,１６Ｃと貫通溝で形成されている貫通流路１６Ｄと上記貫通流路１６Ａ,１６Ｃ,１６Ｄを区画する流体非通過部１６Ｂを有する。また、図２Ｅに示すように、燃料供給シート積層部材１７は、多孔質材で形成されている貫通流路１７Ａと貫通溝で形成されている貫通流路１７Ｃと上記貫通流路１７Ａ,１７Ｃを区画する流体非通過部１７Ｂを有する。また、図２Ｆに示すように、燃料供給シート積層部材１８は、多孔質材で形成されている貫通流路１８Ａと上記貫通流路１８Ａを区画する流体非通過部１８Ｂを有する。この積層方向の一端の燃料供給シート積層部材１８は、燃料極１に対向するように配置されている。なお、上記多孔質材は、燃料あるいは燃料極１からの排出物が通過可能な多孔質材である。一方、上記流体非通過部１６Ｂ,１７Ｂ,１８Ｂは、燃料および燃料極１からの排出物が透過できない。
【００９７】
上記多孔質材で形成されている流路１４Ａ,流路１５Ａ,流路１６Ｃ,流路１７Ａ,１８Ａが積層方向に連通して、燃料極１に燃料を供給する第１の流路Ｆ１を構成している。また、上記貫通溝で形成されている貫通流路１３Ａ,１４Ｃ,１５Ｃ,１６Ｄ,１７Ｃが多孔質材で形成されている流路１８Ａに積層方向に連通して、燃料極１の排出物(ＣＯ２)を排出する第２の流路Ｆ２を構成している。
【００９８】
また、上記多孔質材で形成されている貫通流路１６Ａが、上記多孔質材で形成されている貫通流路１７Ａ,１８Ａに連通して第３の流路Ｆ３を構成している。この第３の流路Ｆ３は、燃料を希釈する水を供給するための流路である。
【００９９】
このような燃料供給シート部５に形成された多孔質材からなる第１の流路Ｆ１によれば、流路１４Ａに導入された燃料は、多孔質構造の吸収力ならびに毛管作用によって、連通する多孔質材からなる流路１５Ａ,１６Ｃ,１７Ａ,１８Ａへ順に導入され、流路１８Ａ内に拡散した燃料が燃料極１に達して反応し、陽イオン(Ｈ＋)と電子を生成させることができる。
【０１００】
この燃料電池の燃料供給シート部５では、燃料は、第１の流路Ｆ１の流路１４Ａから流路１５Ａ,１６Ｃ,１７Ａ,１８Ａにおける多孔質構造内の毛管流動によって移動するので、気泡などによって各流路が閉塞することがない。よって、ポンプなどの送液手段を用いなくても安定して燃料を供給することができる。さらに、上記第１の流路Ｆ１をなす流路１４Ａ,１５Ａ,１６Ｃ,１７Ａ,１８Ａは、連通流路として３次元流路を形成しているので、平面的な流路レイアウトに比べて、より短い最適経路で単セル４上の各領域に燃料を効率よく供給できる。
【０１０１】
この実施形態において、燃料供給シート部５を構成する燃料供給シート積層部材１３〜１８としては、例えば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、多孔質ポリイミド樹脂、多孔質ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)など、耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能である。
【０１０２】
また、各シート積層部材の多孔質材からなる流路１４Ａ,１５Ａ,１６Ａ,１６Ｃ,１７Ａ,１８Ａの多孔質構造は、流体の毛管流動を誘起する構造であればよく、繊維構造であってもよい。毛管流動を誘起しやすくするためにこれらの多孔質剤に親水化処理を施したものが好ましい。
【０１０３】
この実施形態における典型的な例では、上記燃料供給シート積層部材１３〜１８の厚さは、３０μｍから２００μｍ程度で、多孔質材の孔径が０.０１μｍ〜１０μｍ程度のものである。また、流路の幅は、例えば、流路１６Ｃで１０μｍから２００μｍ程度である。
【０１０４】
なお、この発明においては、通過領域である多孔質材の孔径や各流路の幅は、単セルの大きさや燃料供給シート積層部材の拡散速度などによって相対的に決まるものであり、特にサイズを上記寸法に限定されるものではない。また、この発明は、流路の本数やレイアウトを図１Ａ,１Ｂ、図２Ａ〜図２Ｇに示す実施形態に限定するものでは無いことは勿論で、これらの流路が分岐してもよいことは言うまでもない。
【０１０５】
さらに好ましい一例では、上記各燃料供給シート積層部材１３,１４,１５,１６,１７,１８の流体非透過部１３Ｂ,１４Ｂ,１５Ｂ,１６Ｂ,１７Ｂ,１８Ｂは、第１の流路Ｆ１を構成する流路１４Ａ,１５Ａ,１６Ｃ,１７Ａ,１８Ａをなす多孔質材と同じ構造部に充填材を充填することで形成されている。これにより、各燃料供給シート部材１４,１５,１６,１７,１８は、流体非透過部１４Ｂ,１５Ｂ,１６Ｂ,１７Ｂ,１８Ｂによって流路１４Ａ,１５Ａ,１６Ａ,１６Ｃ,１７Ａ,１８Ａを画定できる。これにより、シート状の多孔質材に充填材を導入するだけで、容易に多孔質の貫通流路１４Ａ〜１８Ａを形成できる。上記充填材としては、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)、アクリル系、ポリイミド系などの樹脂を用いることができる。
【０１０６】
さらに好ましくは、積層方向の一端の燃料供給シート積層部材１８に形成された流路１８Ａを含む連通流路は、流路１８Ａまで燃料を供給するための流路１４Ａから流路１５Ａ,１６Ｃ,１７Ａへと続く第１の流路Ｆ１と、流路１３Ａから流路１４Ｃ,１５Ｃ,１６Ｄ,１７Ｃへと続き、流路１８Ａから燃料極１の排出物を排出するための第２の流路Ｆ２を備え、第１の流路Ｆ１と第２の流路Ｆ２は分離されている。
【０１０７】
これにより、燃料極１での排出物、特に二酸化炭素を第２の流路Ｆ２から効率よく排出できるだけでなく、二酸化炭素が流路１８Ａ内に滞留して第１の流路Ｆ１からの燃料の流れを阻害するのを抑制し、燃料極１への燃料の供給効率を高め、単セル４の出力密度を高めることができる。
【０１０８】
ここで、第１の流路Ｆ１を構成する流路１７Ａから供給された燃料と、燃料極１で生成した二酸化炭素が、流路１８Ａ内に存在する状態における、流路１８Ａの微細孔内の燃料(液体)と二酸化炭素(ガス)との界面に形成されるメニスカスの力のつりあいを示す式は、次式(１)のように表される。
【０１０９】
Ｐｆ＝σ・ｃｏｓ(π−α)／ｄ  ＋  Ｐｇ       … (１)
式(１)において、Ｐｆは燃料の圧力、Ｐｇは二酸化炭素の圧力、σは表面張力、αはメニスカスと微細孔内壁の角度、ｄは微細孔内径である。つまり、燃料の圧力がＰｆのときの式(１)を満たすｄの値の内径のところまで燃料は微細孔内へ入っていくことができる。すなわち、燃料の供給圧が高い流路１７Ａ付近では、燃料は流路１８Ａ内へ浸透して行くことができる。
【０１１０】
一方、第２の流路Ｆ２側の流路１７Ｃ側が開放されており、二酸化炭素の圧力Ｐｇは流路１８Ａ内の圧力上昇が抑制されているので、上記二酸化炭素は第１の流路Ｆ１側の流路１７Ａ付近へ逆流して排出して行くことができない。さらに、第２の流路Ｆ２側の流路１７Ｃ付近では、燃料の供給圧力が十分低いので、メニスカスのつりあいの位置を示す(１)式を満たすｄの値の内径のところまで、燃料が微細孔内へ入って行くことができず、燃料が第２の流路Ｆ２に排出されることを防止できる。
【０１１１】
また、この実施形態では、第２の流路Ｆ２を構成する流路１３Ａから１４Ｃ,１５Ｃ,１６Ｄ,１７Ｃは、燃料供給シート積層部材１３,１４,１５,１６,１７に形成された溝によって形成されているが、式(１)の圧力Ｐｇを十分に低く維持できる程度の透過率を有するものであれば、多孔質材であってもよいことはいうまでもない。
【０１１２】
さらに、この実施形態では、上記第１の流路Ｆ１は、上記積層方向の一端の燃料供給シート積層部材１８に形成された流路１８Ａに対して上流側に供給抑制構造を備えている。すなわち、この実施形態において、流路１５Ａおよび１６Ｃは、上流側の流路１４Ａに対して、流路の断面積が十分に小さく、供給抑制構造を構成している。これにより、上流側の流路１４Ａ内の流れの方向に沿った圧力低下を抑制し、各単セル４の流路１５Ａおよび流路１６Ｃを通して、単セル４全体により均一に燃料を供給できる。
【０１１３】
なお、上記流路１５Ａ,１６Ｃを、流路１４Ａをなす材料よりも燃料が透過しにくい材料で形成することで上記供給抑制構造を構成してもよい。例えば、上記流路１５Ａが多孔質材からなる場合、流路１４Ａをなす多孔質材よりも透過率の低い多孔質材で流路１５Ａを形成すればよい。ただし、燃料を燃料極１により均一に供給するためには、局所的な流量にばらつきの少ない多孔質材で流路１４Ａ,１５Ａ,１６Ｃを形成することが好ましい。また、多孔質材の透過速度を下げるには、孔径を小さくすることによって達成できるが、孔径は、流路１４Ａの膜厚や孔径に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されないが、例えば、膜厚が１μｍから３０μｍ程度、多孔質材の孔径が０.０１μｍ〜１μｍ程度のものを用いることができる。好ましくは、流路１５Ａの透過速度は、流路１４Ａの透過速度に対して例えば、ガーレー試験機法により透気度を測定して１桁から２桁程度低いものが望ましい。
【０１１４】
また、上記燃料供給シート積層部材１５の流路１５Ａの多孔質材の透過速度は、この多孔質材の一部分に充填材を充填させることによっても、流路１４Ａの多孔質材の透過速度に対して１桁から２桁程度低くすることができる。この場合には、流路１５Ａとして流路１４Ａと異なる多孔質材を用いなくてもよくなり、流路１５Ａと流路１４Ａとで同じ多孔質材を使用できるメリットがある。上記充填材としては、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)、アクリル系、ポリイミド系などの樹脂を用いることができる。
【０１１５】
さらに好ましくは、上記単セル４の上記第１の流路Ｆ１は、上記供給抑制構造の流路１５Ａの上流側である流路１４Ａおいて、隣接して上記燃料供給シート部５を共有するもう１つの単セル４の第１の流路Ｆ１と連結している。上記供給抑制構造の上流側の連結した第１の流路Ｆ１の流路１４Ａの一端は、連結した単セル４のうちの一番下流側に配置された単セル４で閉じている。この構造によれば、単セル４の流路１４Ａ内の末端は、隣接する単セル４の流路１４Ａと連結している他はこの燃料電池内において他の箇所に直接接続されていない。また、上記供給抑制構造の流路１５Ａによって各単セル４の燃料極１への燃料の拡散が制限されている。これにより、燃料は、流路１４Ａ内に充満し、第１の流路Ｆ１内の圧力低下を最小限に抑えることができる。
【０１１６】
そして、流路１４Ａに面した流路１５Ａから、各単セル４の連通流路１６Ｃ,１７Ａ,１８Ａを通して少しずつ各単セル４の燃料極１へより均一に燃料を供給することができる。この際、上述の如く、流路１８Ａから第２の流路Ｆ２側の流路１７Ｃ側に燃料が排出されにくいように構成されているので、第２の流路Ｆ２から燃料が未反応で排出されるのを抑制し、各単セルにおいて供給した燃料を効率よく無駄なく反応させることができる。すなわち、各単セルの単位面積当たりに供給した燃料の発電への利用効率をさらに向上できる。
【０１１７】
さらに、燃料を供給するための第１の流路Ｆ１の流路１４Ａの末端を閉じた構造では、上記流路１４Ａの末端を閉じない場合に比べて、流路１４Ａ内の燃料の供給圧をより高めることができ、各単セル４の第１の流路Ｆ１側の流路１７Ａ付近の燃料の供給圧をさらに高めることができる。よって、燃料極１で生成された二酸化炭素が流路１８Ａから第２の流路Ｆ２の流路１７Ｃへ排出される際、この二酸化炭素が流路１８Ａから第１の流路Ｆ１側の流路１７Ａ付近で流路１７Ａから流路１８Ａへの燃料の供給を阻害するのを防止して、より効率よく燃料を供給できる。
【０１１８】
一般的に、燃料極１での反応に必要な液体燃料は、例えばメタノールと水を燃料に用いる燃料電池で１５０ｍＷ／ｃｍ２程度の発電を想定した場合、単位面積当たり数μリットル／分程度である。したがって、それ以上の燃料を供給しても、過剰な燃料は、燃料極付近に充満している燃料を未反応のまま排出するために利用されるか、電解質膜で拡散して出力低下の要因となり、燃料の利用効率がより低下してしまう。つまり、燃料極の反応は、燃料の供給量には律速しておらず、反応律速の状態で反応が進行している。したがって、この実施形態のように上記供給抑制構造を備えることで、必要最低限の供給で、反応に必要な燃料を効率よく供給して反応を継続することができる。
【０１１９】
次に、図６に、積層方向に隣接した各単セル４の上記燃料供給シート部５の第１の流路Ｆ１をなす流路１４Ａを連結させた一例を示す。この一例では、積層方向に燃料を送るための流路５０Ａを備えた燃料供給シート積層部材５０を備えている。燃料供給シート積層部材５０は、燃料が透過可能な多孔質材からなる貫通した流路５０Ａと燃料の非透過部５０Ｂからなる。
【０１２０】
この流路５０Ａに、各単セル４,４,４,４の第１の流路Ｆ１をなす流路１４Ａが接続し、連通流路を構成している。これにより、流路５０Ａの一端は、一番下流側の非透過部５０Ｂで閉じており、流路５０Ａから供給された燃料は、流路５０Ａと各単セル４の第１の流路Ｆ１の流路１４Ａ内に充満し、各単セル４へより均一に燃料を供給できる。なお、積層方向の流路５０Ａに接続する各単セル４の流路１４Ａは、必ずしも流路５０Ａの両サイドに接続させる必要はなく、図４に示すように流路５０Ａの片側のみに接続してもよい。
【０１２１】
次に、図７Ａに、本実施形態の燃料電池を用いて発電させたときの燃料電池の出力結果の一例を示す。この図７Ａの出力結果は、燃料には、３Ｍのメタノール水溶液を用い、１辺２３ｍｍの単セル４単独の出力を記録したものである。ここでは、単セル４の燃料極１および酸化剤極３の基体にはカーボンの多孔質材を用い、燃料極１の触媒には白金−ルテニウム合金を用い、酸化剤極３の触媒には白金を用いている。また、電解質膜２としはナフィオン１１７(デュポン社製：登録商標)を用いている。燃料供給シート部５を構成する燃料供給シート積層部材１３〜１８には、親水性多孔質ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン：住友電工ファインポリマー社製)を用いた。この親水性多孔質ＰＴＦＥの平均孔径は０.４５μｍである。また、燃料供給シート積層部材１３〜１８の流体非透過部１３Ｂ,１４Ｂ,１５Ｂ,１６Ｂ,１７Ｂ,１８Ｂの充填材としては、アクリル樹脂を用いている。上記燃料供給シート部５により、燃料は多孔質ＰＴＦＥの吸収力ならびに毛管作用によってポンプ等送液手段を用いることなく導入され、燃料極１に供給されて単セル４を発電動作させることができる。しかも、燃料極１で生成した二酸化炭素は、上記燃料供給シート積層部材１３,１４,１５,１６,１７に形成した貫通溝による流路１３Ａ,１４Ｃ,１５Ｃ,１６Ｄ,１７Ｃが連通する第２の流路Ｆ２を通して排出されるのが確認されている。
【０１２２】
したがって、この実施形態の燃料電池によれば、ポンプなどを使用しなくても、無駄なく効率よく燃料を供給でき、小型化しても高出力が得られる。
【０１２３】
さらに、この実施形態では、上記第１の流路Ｆ１は、上記積層方向の一端の燃料供給シート積層部材１８に形成された流路１８Ａよりも上流側で、流路１６Ａから流路１７Ａへと連通する第３の流路Ｆ３と合流している。この第３の流路Ｆ３は、燃料を希釈するための水を供給するための流路であり、上記積層方向の一端の燃料供給シート積層部材１８に形成された流路１８Ａに連通している。
【０１２４】
この第３の流路Ｆ３により、第１の流路Ｆ１の流路１４Ａから導入した燃料を、燃料供給シート部５内で希釈して燃料極１へ供給することができるので、単セル４に高濃度の燃料を供給することができる。よって、この実施形態の燃料電池によれば、燃料タンク(図示せず)に最初から最適濃度に希釈した燃料を入れずに、高濃度の状態で燃料を貯めておくことができる。つまり、この実施形態によれば、同じタンク容量で燃料電池を動作させた場合、最初から最適濃度に希釈した燃料を燃料タンクに貯めて使用する場合に比べて、燃料電池を長時間動作させることができる。
【０１２５】
次に、図７Ｂに、この実施形態の燃料電池に第１の流路Ｆ１から１００％のメタノールを導入し、燃料供給シート部５内で第３の流路Ｆ３から導入した水と混合した燃料を燃料極１に供給して発電させたときの燃料電池の出力結果を示す。この図７Ｂの出力結果は、図７Ａの出力結果を得た場合と同様に、１辺２３ｍｍの単セル４単独の出力を記録したものである。この単セル４の材料および、燃料供給シート部５の燃料供給シート積層部材１３〜１８は、図７Ａの出力結果を得た場合と同じ条件である。希釈する水は多孔質ＰＴＦＥの吸収力ならびに毛管作用によってポンプ等送液手段を用いることなく流路１６Ａに導入され、流路１７Ａで第１の流路Ｆ１から導入されたメタノールと混合し、希釈されて燃料極１に供給され単セル４を発電動作させることができる。しかも、最初から希釈した燃料を導入した図７Ａの出力結果と同等の出力が得られており、高濃度の燃料を使用して燃料電池の長時間動作を行うことが可能であることが確認できた。
【０１２６】
さらに好ましくは、上記第３の流路Ｆ３は、上記燃料供給シート部５を共有あるいは連結する上記隣接する別の単セル４の上記第３の流路Ｆ３と連結している。そして、各単セル４から回収した水を、第３の流路Ｆ３から希釈用の水として各単セル４に供給することで、各単セル４に希釈用の水を供給するための流路を別途形成しなくても、燃料供給シート部５内に希釈用の水を供給するための流路を配置できる。さらに、各単セル４から回収できる水の量にばらつきがあっても、各単セル４間で第３の流路Ｆ３が連結しているので、配置した複数の単セル４の全体で回収した水を効率よく使用することが可能となる。
【０１２７】
さらに好ましくは、上記第２の流路Ｆ２は、上記燃料供給シート部５の外部と連通しており、２次元あるいは３次元的に上記単セル４が配置されることで、上記単セル４の燃料極１から排出ガスを排出するための３次元的に連結された上記第２の流路Ｆ２が形成される。これにより、２次元的あるいは３次元的に配置された各単セル４の燃料極１から排出される二酸化炭素などの排出ガスを単セル４の周りの連通した第２の流路Ｆ２から最短の経路で上記２次元的あるいは３次元的に配置された各単セル４の領域外に排出できる。よって、単セル４近傍に二酸化炭素が滞留することを防いで、各単セル４の燃料供給シート部５内の第２の流路Ｆ２の流路１７Ｃ内の排出ガスの圧力が上昇するのを防ぎ、各単セル４の出力低下を防ぐことができる。
【０１２８】
次に、この実施形態の燃料電池の酸化剤供給シート部６の積層構造について説明する。図１Ｂに示す酸化剤供給シート部６は、図３Ａから図３Ｄに示す酸化剤供給シート積層部材２０,２１,２２,２４が積層されて形成されている。
【０１２９】
図３Ａに示すように、酸化剤供給シート積層部材２０は、多孔質材で形成された貫通流路２０Ａと、この貫通流路２０Ａを区画する流体非透過部２０Ｂを有する。また、図３Ｂに示すように、酸化剤供給シート積層部材２１は、多孔質材で形成された貫通流路２１Ａと流体非透過部２１Ｂおよび溝で形成された流路２３を有する。また、図３Ｃに示すように、酸化剤供給シート積層部材２２は、溝で形成された貫通流路２２Ａとこの貫通流路２２Ａを区画する流体非透過部２２Ｂを有する。また、図３Ｄに示すように、酸化剤供給シート積層部材２４は、溝で形成された貫通流路２４Ａとこの貫通流路２４Ａを区画する流体非透過部２４Ｂを有する。
【０１３０】
なお、上記多孔質材は、酸化剤と酸化剤極３からの排出物が通過可能な多孔質材である。一方、上記流体非透過部２０Ｂ,２２Ｂ,２４Ｂは、酸化剤と酸化剤極３からの排出物が透過できない。
【０１３１】
上記貫通流路２４Ａから貫通流路２２Ａ、流路２３、流路２０Ａへと連通する溝からなる流路が、酸化剤を酸化剤極３に供給するための第４の流路Ｆ４を構成している。また、酸化剤供給シート積層部材２１の多孔質材で形成された貫通流路２１Ａが、酸化剤極３で生成される排出物(水)を排出するための第５の流路Ｆ５を構成している。
【０１３２】
この酸化剤供給シート部５の第４の流路Ｆ４をなす連通流路は、積層方向の一端の上記酸化剤供給シート積層部材２０に形成された流路２０Ａを含み、積層方向の一端の酸化剤供給シート積層部材２０は、酸化剤極３に対向するように配置されている。
【０１３３】
これにより、酸化剤供給シート部６において、溝によって形成された連通流路からなる第４の流路Ｆ４によって開放された貫通流路２４Ａに導入された酸化剤(この実施形態では空気)は、さらに連通する流路２２Ａ、流路２３を通って流路２０Ａへと導入される。そして、この流路２０Ａ内に拡散した空気中の酸素が酸化剤極３において燃料極１からの陽イオン(Ｈ＋)および電子と反応して、水蒸気が生成する。上記第４の流路Ｆ４をなす流路２４Ａ,２２Ａ,２３,２０Ａは、連通流路として３次元流路を形成しているので、平面的な流路レイアウトに比べて、単セル４上の各領域により最短の最適経路で酸化剤を効率よく供給できる。
【０１３４】
この実施形態において、酸化剤供給シート部６を構成する酸化剤供給シート積層部材２０,２１,２２,２４としては、例えば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、多孔質ポリイミド樹脂、多孔質ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)など、耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能である。また、各シート積層部材２０,２１,２２,２４の多孔質材からなる流路２０Ａ,２１Ａの多孔質構造は、流体の毛管流動を誘起する構造であればよく、繊維構造であってもよい。なお、毛管流動を誘起しやすいように、これらの多孔質材に親水化処理を施してもよい。
【０１３５】
この実施形態における典型的な例では、上記酸化剤供給シート積層部材２０、２１の厚さは、３０μｍから２００μｍ程度で、多孔質材の孔径が０.０１μｍ〜１０μｍ程度のもの、また、流路の幅は、例えば、流路２１Ａで１００μｍから２０００μｍ程度である。
【０１３６】
なお、この発明においては、通過領域である多孔質材の孔径や各流路の幅は、単セルの大きさや酸化剤供給シート積層部材での拡散速度などによって相対的に決まるものであり、特にサイズを上記寸法に限定されるものではない。また、この発明は流路の本数やレイアウトを図１Ａ,図１Ｂ、図２Ａ〜図２Ｆ、図３Ａ〜図３Ｄに示す実施形態に限定するものでは無いことは勿論で、これらの流路が分岐してもよいことは言うまでもない。
【０１３７】
さらに好ましくは、上記酸化剤供給シート積層部材２０,２１,２２,２４は、上記流路２０Ａ,２１Ａ,２３,２２Ａ,２４Ａに隣接し、酸化剤および酸化剤極からの排出物が透過できない流体非透過部２０Ｂ,２１Ｂ,２２Ｂ,２４Ｂは、流路となる多孔質材と同じ構造部に充填材を充填することで流体非透過部が形成されている。これにより、各酸化剤供給シート部材２０,２１,２２,２４では、流体非透過部２０Ｂ,２１Ｂ,２２Ｂ,２４Ｂによって流路２０Ａ,２１Ａ,２３,２２Ａ,２４Ａを画定できる。これにより、シート状の多孔質材に充填材を導入するだけで、容易に多孔質の貫通流路２０Ａ,２１Ａを形成することができる。上記充填材としては、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)、アクリル系、ポリイミド系などの樹脂を用いることができる。
【０１３８】
この実施形態では、上記酸化剤供給シート部６は、酸化剤を供給するための連通流路として流路２４Ａから流路２２Ａ,流路２３を経て上記積層方向の一端の酸化剤供給シート積層部材２０に形成された流路２０Ａへ至る第４の流路Ｆ４と、酸化剤極３で生成された水を流路２０Ａから排出するための流路２１Ａからなる第５の流路Ｆ５を備える。また、この第４の流路Ｆ４と第５の流路Ｆ５とは分離されている。
【０１３９】
これにより、酸化剤極３の反応生成物である水を第５の流路Ｆ５から効率よく排出できるだけでなく、流路２０Ａ内に水が滞留して第４の流路Ｆ４からの酸化剤の流れを阻害するのを抑制でき、酸化剤極３への酸化剤の供給効率を高め、単セル４の出力密度を高めることができる。
【０１４０】
この実施形態において、燃料供給シート積層部材１３および、酸化剤供給シート積層部材２４は、多孔質材の貫通流路が形成されておらず、溝により形成された流路１３Ａおよび流路２４Ａしか形成されていない。したがって、積層部材１３および２４は、必ずしも多孔質材である必要はなく、通常の樹脂シートでもよい。これにより、例えば、図１Ｂに示すように、酸化剤供給シート積層部材２４を多孔質でない厚めの密な部材を用い、燃料電池全体の機械的強度を確保させることもできる。
【０１４１】
次に、図７Ｃに、この実施形態の燃料電池において、第４の流路Ｆ４から空気を取り込み、酸化剤極３で生成した水を第５の流路Ｆ５から回収しながら発電動作をさせたときの燃料電池の出力結果を示す。この図７Ｃの出力結果は、図７Ａ,図７Ｂの出力結果を得た場合と同様に、１辺２３ｍｍの単セル４単体の出力を記録したものである。この単セル４の材料は、図７Ａ,図７Ｂの出力結果を得た場合と同じである。また、酸化剤供給シート部６の酸化剤供給シート積層部材には、親水性多孔質ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン：住友電工ファインポリマー社製)を用いた。また、この親水性多孔質ＰＴＦＥの平均孔径は０.４５μｍである。また、酸化剤供給シート積層部材２０,２１,２２,２４の流体非透過部２０Ｂ,２１Ｂ,２２Ｂ,２４Ｂの充填材としては、アクリル樹脂を用いている。
【０１４２】
酸化剤極３で生成された水は、多孔質ＰＴＦＥの吸収力ならびに毛管作用によってポンプ等送液手段を用いることなく回収され、酸化剤極３への空気の供給についてもポンプのような送気手段は用いないで、単セルを発電動作させることができた。したがって、この実施形態の燃料電池は、ポンプなどで供給しなくても、酸化剤極３で生成した水を効率よく回収し、小型化しても高出力が得られる。
【０１４３】
さらに好ましくは、上記第４の流路Ｆ４は、上記酸化剤供給シート部６の外部と連通しており、複数の単セル４が２次元あるいは３次元的に配置されることで、上記単セル４の酸化剤極３に上記酸化剤を供給するための３次元的に連結された上記第４の流路Ｆ４が形成されている。これにより、２次元的あるいは３次元的に配置された各単セル４の領域の外部から、各単セルの周りに３次元的に連結された第４の流路Ｆ４を通って、上記単セル４の領域の外部に抜ける通風が複数の経路で確保できる。よって、空気が単セル４の周囲に滞留して各単セルへの酸素の供給が低下するのを防ぎ、各単セルの出力低下を防ぐことができる。
【０１４４】
さらに好ましくは、図３Ｂ,図２Ｄに示すように、上記第５の流路Ｆ５の流路２１Ａは、上記単セル４の周囲の上記燃料供給シート部５と上記酸化剤供給シート部６の接合部２６において、上記第３の流路Ｆ３の流路１６Ａと連通している。これにより、酸化剤極３で生成した水を第５の流路Ｆ５を通して回収し、第３の流路Ｆ３を通して燃料極１側に供給して、燃料の希釈に利用することができる。
【０１４５】
さらに好ましくは、上記第５の流路Ｆ５は、上記酸化剤供給シート部６を共有あるいは連結する隣接する単セル４の上記第５の流路Ｆ５と連結している。これにより、希釈用の水として、各単セル４の第５の流路Ｆ５を通して回収した水を隣接する単セル４と共有することが可能となり、各単セル４から回収できる水の量にばらつきがあっても、各単セル４の燃料極１側での水の使用量に合わせた効率供給が可能となる。
【０１４６】
(第２の実施の形態)
上述の説明では、燃料電池の各単セル４を、燃料極１と酸化剤極２が同じ向きに配置される図１Ａから図３Ｄに示す例を中心に説明してきたが、単セル４の燃料極１と酸化剤極２が同じ向きに配置される必要はない。すなわち、図８Ａ〜図８Ｄの断面図に示す第２実施形態のように、積層方向に隣接する単セル４,４,４,４において、燃料極１と燃料極１が対向し、酸化剤極３と酸化剤極３が対向するように単セル４を３次元的に配置させることもよい。この第２実施形態では、図８Ａから図８Ｄに示すように、積層方向に隣接する複数の単セル４が燃料供給シート部５あるいは酸化剤供給シート部６の一部を共有することができる。なお、図８Ｂは図８ＡのＢ‐Ｂ’断面を示し、図８Ｃは図８ＡのＣ‐Ｃ’断面を示し、図８Ｄは図８ＡのＤ‐Ｄ’断面を示している。
【０１４７】
以下、図８Ａ〜図８Ｄに基づいて、この第２実施形態を説明する。この第２実施形態においては、単セル４および燃料供給シート部５,酸化剤供給シート部６の基本的な構成,動作は、前述の第１実施形態と同様である。一方、この第２実施形態では、積層方向に隣接する２つの単セル４が、燃料供給シート積層部材１４または酸化剤供給シート積層部材２４を供用していると共に、燃料供給シート積層部材１３が不要になる。よって、この第２実施形態によれば、積層部材の使用量を削減できる。
【０１４８】
この第２実施形態では、図８Ａに示す一例のように、隣接する単セル４と連通し、かつ高濃度燃料が十分な供給圧で供給される流路１４Ａを積層方向に隣接する単セル４で共有している。これにより、燃料電池全体での流路１４Ａの総延長を短縮でき、燃料をより無駄なく発電に使用できる。また、図８Ｂに示すように、流路１４Ａを接合部２５付近で曲げないように、燃料供給シート部５と酸化剤供給シート部６を接合したことで、流路１４Ａ内の圧力低下を軽減でき、流路１４Ａ内に燃料を充満させやすくなると共に、接合部２５の周りのスペース９をより確保し、酸化剤の供給のための通風(通気)を確保し易くできる。なお、図１Ｂに示した第１実施形態においても、流路１４Ａを曲げないように燃料供給シート部５と酸化剤供給シート部６を接合することは可能であるが、図１Ｂに示す単セル４を同じ向きに積層する場合は、流路１４Ａを供用できないので、接合部周りのスペース９は、図５Ａに示す構成よりも小さくなってしまう。
【０１４９】
また、この第２実施形態では、図８Ｃに示すように、積層方向と直交する平面方向に隣接する単セル４,４間で第３の流路Ｆ３を構成する流路１６Ａが連通している。また、上記平面方向に隣接する単セル４,４間で第５の流路Ｆ５を構成する流路２１Ａが連通している。よって、複数の単セル４間に亘って連通している第３の流路Ｆ３から、各単セル４の第１の流路Ｆ１に燃料希釈用の水を供給できる。また、例えば、各単セル４の第５の流路Ｆ５(酸化剤極３で生成される水を排出するための流路)から回収される水を上記第３の流路Ｆ３に流す場合に、各単セル４から回収される水量にばらつきがあっても、上記第３の流路Ｆ３が各単セル４に連通していることから、回収された水を複数の単セル全体で効率よく使用可能になる。また、第５の流路Ｆ５が各単セルに亘って連通しているので、各単セル４の酸化剤極３における排出物(水)の量にばらつきがあっても、第５の流路Ｆ５へ回収できる水量を安定化できる。よって、上記第５の流路Ｆ５から上記第３の流路Ｆ３へ燃料希釈用の水を安定に供給できる。
【０１５０】
また、この第２実施形態では、図８Ｄに示すように、積層方向に隣接する単セル４,４間および平面方向に隣接する単セル４,４間で第２の流路Ｆ２が連通している。よって、２次元的あるいは３次元的に配置された各単セル４の燃料極１から排出される二酸化炭素などの排出ガスを、複数の単セル４の周りの連通した第２の流路Ｆ２から最短の経路で上記２次元的あるいは３次元的に配置された各単セル４の領域外に排出できる。このことにより、各単セル４の出力低下を防ぐことができる。
【０１５１】
また、この第２実施形態では、図８Ｄに示すように、積層方向に隣接する単セル４,４間および平面方向に隣接する単セル４,４間で第４の流路Ｆ４を構成する流路２３が連通している。よって、２次元的あるいは３次元的に配置された複数の単セル４の周りの連通した第４の流路Ｆ４から各単セル４の酸化剤極３へ酸化剤(空気)を最短の経路で供給できる。また、上記２次元的あるいは３次元的に配置された各単セル４の領域の外部から、各単セル４の周りに３次元的に連結された第４の流路Ｆ４を通って、上記単セル４の領域の外部に抜ける通風が複数の経路で確保できる。このため、酸化剤(空気)が単セル４の周囲に滞留して各単セル４への酸素の供給が低下するのを防ぎ、各単セル４の出力低下を防ぐことができる。
【０１５２】
(第３の実施の形態)
上述した第１,第２実施形態では、２次元的に配置された単セル４は、互いに分離した構造となっているが、単セル４は必ずしも分離している必要はない。すなわち、図９Ａ〜図９Ｆに示す第３実施形態のように、２次元的に配置された複数の単セル４４が結合して一体となった構造でもよい。また、この複数の単セル４４が一体構造となったものを積層して単セル４４を３次元的に配置してもよい。
【０１５３】
図９Ａはこの第３実施形態の燃料電池を酸化剤供給シート積層部材２４の上方より見た平面図であり、図９Ｂは図９ＡのＥ‐Ｅ’断面を示す断面図であり、図９Ｃは図９ＡのＦ‐Ｆ’断面を示す断面図であり、図９Ｄは図９ＡのＧ‐Ｇ’断面を示す断面図であり、図９Ｅは図９ＡのＨ‐Ｈ’断面を示す断面図である。また、図９Ｆは、２次元的に配置された複数の単セル４４が結合して一体となった構造を示す平面図である。
【０１５４】
図９Ａ,図９Ｆの１点鎖線で囲んだ範囲が単セルの繰り返し構造における１つの発電単位７０である。この第３実施形態においては、基本的な構成,動作は、前述の第１,第２実施形態と同様である。一方、この第３実施形態は、図９Ｆに示すように、１つの発電単位をなす単セル４４が有する電解質膜４２,燃料極４１,酸化剤極４３は、四角形の四隅がカットされた形状である点が、前述の第１,第２実施形態の電解質膜２,燃料極１,酸化剤極３と異なる。なお、この第３実施形態では、単セル４４に対応した形状とした他は基本的な構成,動作が第１,第２実施形態における燃料供給シート部５,酸化剤供給シート部６と同様の燃料供給シート部,酸化剤供給シート部を備える。よって、この第３実施形態では、燃料供給シート部,酸化剤供給シート部および各燃料供給シート積層部材,酸化剤供給シート積層部材を、第１,第２実施形態と同様の符号を用いて説明する。
【０１５５】
この第３実施形態では、２次元的に配置された複数の単セル４４の燃料極４１、電解質膜４２および酸化剤極４３は、それぞれ、隣接する単セル４４の間で連続して平面状セルを構成している。そして、この２次元的に配置された隣接する単セル４４同士が、上記四隅がカットされた形状の四角形の一辺で連続しており、その隣の一辺(単セル４４の側面４４Ａ)で燃料供給シート部５と酸化剤供給シート部６が接合されて接合部となる。
【０１５６】
図９Ｆに示すように、この接合部の周りのスペース８８は、上記四角形の四隅にあたる箇所に確保でき、図１Ａに示す第１実施形態の連結部７の周りのスペース８に比べて、より正方形あるいは円に近い断面形状であり、通過する気体の流路損失の低減を図ることができる。また、複数の単セル４４の連続部分Ｘで隣接する単セルと連続して一体となっているために、単セル４４の電極面積を最大限に確保しつつ実装密度を高めることができる。
【０１５７】
さらに、この第３実施形態では、２次元的に配列された単セル４４が分離していないので、製造段階において２次元的に配置する単セルを一括して積層できる。よって、個々に分離した単セルを２次元的,３次元的に配置するよりも製造工程を簡略化できる。また、この実施形態では、２次元的に配列された複数の単セル４４が一体となっているので、隣接する単セルの燃料極と酸化剤極を互いに接続する配線が不要となる。
【０１５８】
なお、この第３実施形態では、２次元的に配置された単セル４４がすべて並列接続になり、図５Ａに示すような２次元的に配置した単セルの直列接続はできないが、配線形成が不要となるので製造工程を簡略化できる。
【０１５９】
(第４の実施の形態)
次に、図１０Ａ〜図１０Ｃに基づいて、この発明の燃料電池が備える燃料供給シート部の製造方法について説明する。図１０Ａ〜図１０Ｃは、上記燃料供給シート部を構成する燃料供給シート積層部材を作製する工程を順に模式的に示す工程断面図である。
【０１６０】
この燃料供給シート積層部材の製造方法では、まず、図１０Ａに示すように、多孔質材で形成されている多孔質構造のシート状部材８４上に、転写用基板８２を配置する。この転写用基板８２は、凸部８２Ａ,８２Ｂ,８２Ｃを有し、この凸部８２Ａ,８２Ｂ,８２Ｃに充填材を含む材料層８３Ａ,８３Ｂ,８３Ｃが積層されている。凸部８２Ａ,８２Ｂ,８２Ｃは、上記多孔質構造のシート状部材８４に上記充填材を充填すべき領域に上記材料層８３を転写できるようにパターニングされている。
【０１６１】
次に、図１０Ｂに示すように、上記転写用基板８２の上記材料層８３が積層された凸部８２Ａを上記シート状部材８４の流体非透過部８５Ａ,８５Ｂ,８５Ｃとする領域に重ね合わせてプレスする。これにより、上記材料層８３の充填材を含む材料が上記シート状部材８４に転写され、図１０Ｃに示すように、上記流体非透過部８５Ａ,８５Ｂ,８５Ｃとする領域に上記充填材が充填されて上記流体非透過部８５Ａ,８５Ｂ,８５Ｃが形成される。また、上記流体非透過部８５Ａ,８５Ｂ,８５Ｃに隣接していて流体が通過可能な貫通した多孔質構造の流路８６,８７が形成される。
【０１６２】
この実施形態の製造方法によれば、多孔質のシート状部材８４に、充填材を充填して、多孔質構造の流路８６,８７と流体非透過部８５Ａ,８５Ｂ,８５Ｃを形成している。したがって、この実施形態の製造方法では、基板に形成した流路溝に多孔質材を詰め込むことによって多孔質構造の流路を形成する場合と異なり、多孔質構造の流路８６,８７とこの流路を画定する流体非透過部８５Ａ,８５Ｂ,８５Ｃの壁面との間に隙間を生じない。よって、流体が多孔質材からなる流路８６,８７と流路壁との界面の隙間を通って多孔質材の透過係数以上に透過してしまうことがなく、多孔質材の透過係数で流体の透過を安定して制御できる。
【０１６３】
上記シート状部材８４を構成する多孔質材としては、既に述べたように、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、多孔質ポリイミド樹脂、多孔質ＰＴＦＥが使用可能である。ここでは、上記多孔質材として、平均孔径０.０５μｍ、厚さ３０μｍ程度の多孔質ＰＴＦＥを使用する場合の条件の一例を説明する。上記充填材を含む材料層８３Ａ〜８３Ｃとしては、塗布し易いように溶剤に溶かしたアクリル系樹脂を用いた。また、上記充填材を含む材料層８３Ａ〜８３Ｃの膜厚を約５０μｍとした。上記充填材を含む材料層８３Ａ〜８３Ｃの膜厚は、シート状部材８４の膜厚に応じて設定するので、上記値に限定するものではないが、シート状部材８４の膜厚の１倍から３倍程度とするのがよい。上記充填材を含む材料層８３Ａ〜８３Ｃの膜厚が小さ過ぎると、多孔質構造のシート状部材８４内に上記充填材を十分に充填できなくなる。逆に、上記材料層８３Ａ〜８３Ｃの膜厚が大き過ぎると、流体非透過部(充填される領域)８５Ａ〜８５Ｃが厚さ方向と直交する平面に沿った方向に充填材が広がり過ぎて、流体の透過可能領域である流路８６および８７を狭くし過ぎてしまう。
【０１６４】
また、この実施形態において、図１０Ｂに示すように、転写用基板８２を多孔質構造のシート状部材８４に重ね合わせて、充填材を含む材料層８３Ａ〜８３Ｃを転写用基板８２から多孔質構造のシート状部材８４に転写し、流体非透過部８５Ａ〜８５Ｃとする領域に上記充填材を充填する行程において、アニールによって上記充填材を上記多孔質構造内に含浸させることが好ましい。このアニールを行うことで、プレスのみで上記充填材を含む材料層８３Ａ〜８３Ｃを上記流体非透過部８５Ａ〜８５Ｃとする領域に転写する場合に比べて、充填材をシート状部材８４の流体非透過部８５Ａ〜８５Ｃとする多孔質構造内に十分に行き渡らせることができる。よって、多孔質構造の流路８６,８７からの燃料の漏れを確実に抑制できる。
【０１６５】
上記アニール条件については、例えば、８０℃から１２０℃程度の温度で１０分から６０分程度アニールすれば、ＰＴＦＥの多孔質構造内に上記充填材を十分に含浸させることができる。アニール温度やアニール時間は、シート状部材８４の膜厚や平均孔径、上記充填材の粘性などに依存するので、これに限定するものではないが、この実施形態の条件においては、上記アニール温度が８０℃未満では充填材を含む材料を塗布するために用いた溶剤が十分揮発せず、シート状部材８４内での充填材の固着が不十分になる虞がある。
【０１６６】
また、上記アニール温度が１２０℃を超えると、シート状部材８４内での上記充填材を含む材料の拡散が速く、微細な流路パターンへの適用が困難になる虞がある。充填材の拡散を抑制し、確実にシート状部材８４内に充填材を固着させるためには、３０分程度の時間をかけて徐々に温度を上げ、１００℃以上の温度で１０分程度アニールするとよい。
【０１６７】
ついで、図１０Ａから図１０Ｃと同様の工程で作製した複数の燃料供給シート積層部材を位置合わせして積層することにより少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体の燃料供給シート部を形成することができる。なお、上記位置合わせして積層してから、好ましくはアニールを行う。このアニールを行うことによって、各燃料供給シート積層部材内の充填材が各燃料供給シート積層部材間の界面にも含浸させられる。これにより、上記界面に充填材含浸領域を形成することができる。これによって、各燃料供給シート積層部材同士が接合されると共に、各燃料供給シート積層部材間の界面に沿って燃料が漏れることを抑制できる。
【０１６８】
次に、転写用基板８２の製造方法の一例を説明する。まず、充填材を含む材料層が表面に形成された基板を別途用意し、この基板の材料層に対向するように、凸部８２Ａ〜８２Ｃを有する転写用基板８２を配置する。次に、上記転写用基板８２の凸部８２Ａ〜８２Ｃを、上記基板の表面に形成された充填材を含む材料層に押し付ける。これにより、上記転写用基板８２の凸部８２Ａ〜８２Ｃに上記充填材を含む材料層８３Ａ〜８３Ｃを積層できる。
【０１６９】
なお、上記予め充填材を含む材料層を形成する基板は、特に材料を限定するものではないが、フレキシブルで平坦性の高いものを用いるのが望ましい。ここでは、ＰＥＴ(ポリエチレンテレフタレート)シートを用いた。ＰＥＴは柔軟性があるので、転写用基板８２から剥がし易くなる。また、ＰＥＴは平坦性が高いので、充填材を含む材料層８３Ａ〜８３ＣがＰＥＴシートの基板から剥がれ易くなる。これにより、転写用基板８２に転写された充填材を含む材料層８３Ａ〜８３Ｃの膜厚を十分に確保できる。
【０１７０】
また、酸化剤供給シート部の酸化剤供給シート積層部材も、図１０Ａ〜図１０Ｃに示す実施形態によって作製した燃料供給シート積層部材と同様の製造方法により作製できることが理解できる。
【０１７１】
さらに好ましくは、上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部を接合する際、上記燃料供給シート積層部材と上記酸化剤供給シート積層部材の位置合わせをして積層してから、アニールが行われる。このアニールを行うことによって、燃料供給シート積層部材の流体非透過部あるいは酸化剤供給シート積層部材の流体非透過部に含浸した充填材が両シート積層部材間の界面にも含浸させられる。これにより、上記界面に充填材含浸領域を形成することができる。これによって、両シート部材同士が接合されると共に、両シート部材間の界面に沿って燃料等が漏れることを抑制できる。
【０１７２】
さらに好ましくは、上記単セルの周囲で上記燃料供給シート部と上記酸化剤供給シート部とを接合する際、位置合わせをして積層してから、アニールが行われる。このアニールを行うことによって、上記燃料供給シート積層部材あるいは上記酸化剤供給シート積層部材の流体非透過部に含浸した充填材を上記単セルの側面と隣接する上記燃料供給シート部あるいは上記酸化剤供給シート部間の界面にも含浸させられる。これにより、上記単セルの側面と上記燃料供給シート部および上記酸化剤供給シート部を貼り合わせることができると共に、単セル側面とシート部材間の界面に沿って燃料等が漏れることを抑制できる。
【０１７３】
以上、この発明の実施形態について説明したが、上記開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１７４】
１  燃料極
２  電解質膜
３  酸化剤極
４、４４  単セル
５  燃料供給シート部
６  酸化剤供給シート部
７  連結部
８  連結部周りのスペース
９  スペース
１０、１０Ｂ、１０Ｃ  接続部
１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ  隣接する単セル間を接続するための配線
１２Ａ、１２Ｂ  隣接する単セル間を接続するための配線
１３〜１８、５０、８４  燃料供給シート積層部材
１３Ａ,１４Ａ,１４Ｃ,１５Ａ,１５Ｃ,１６Ｃ,１６Ｄ,１７Ａ,１７Ｃ,１８Ａ  流路
１３Ｂ,１４Ｂ,１５Ｂ,１６Ｂ,１７Ｂ,１８Ｂ  流体非透過部
１９  連通流路
２０、２１、２２、２４  酸化剤供給シート積層部材
２０Ａ,２１Ａ,２３,２２Ａ,２４Ａ  流路
２０Ｂ,２１Ｂ,２２Ｂ,２４Ｂ  流体非透過部
２５  接合部
５０Ａ  燃料供給路
５６、７０  発電単位
８２  転写用基板
８２Ａ〜８２Ｃ  凸部
８３Ａ〜８３Ｃ  充填材を含む材料層
８４  多孔質構造のシート状部材
８５Ａ,８５Ｂ,８５Ｃ  流体非透過部
８６,８７  多孔質構造の流路
【図１Ａ】
2010160937.tif 000003
【図１Ｂ】
2010160937.tif 000004
【図２Ａ】
2010160937.tif 000005
【図２Ｂ】
2010160937.tif 000006
【図２Ｃ】
2010160937.tif 000007
【図２Ｄ】
2010160937.tif 000008
【図２Ｅ】
2010160937.tif 000009
【図２Ｆ】
2010160937.tif 000010
【図２Ｇ】
2010160937.tif 000011
【図３Ａ】
2010160937.tif 000012
【図３Ｂ】
2010160937.tif 000013
【図３Ｃ】
2010160937.tif 000014
【図３Ｄ】
2010160937.tif 000015
【図４】
2010160937.tif 000016
【図５Ａ】
2010160937.tif 000017
【図５Ｂ】
2010160937.tif 000018
【図６】
2010160937.tif 000019
【図７Ａ】
2010160937.tif 000020
【図７Ｂ】
2010160937.tif 000021
【図７Ｃ】
2010160937.tif 000022
【図８Ａ】
2010160937.tif 000023
【図８Ｂ】
2010160937.tif 000024
【図８Ｃ】
2010160937.tif 000025
【図８Ｄ】
2010160937.tif 000026
【図９Ａ】
2010160937.tif 000027
【図９Ｂ】
2010160937.tif 000028
【図９Ｃ】
2010160937.tif 000029
【図９Ｄ】
2010160937.tif 000030
【図９Ｅ】
2010160937.tif 000031
【図９Ｆ】
2010160937.tif 000032
【図１０Ａ】
2010160937.tif 000033
【図１０Ｂ】
2010160937.tif 000034
【図１０Ｃ】
2010160937.tif 000035
【図１１】
2010160937.tif 000036