(57)【要約】【課題】各単位膜電極接合体の出力を均一にし、高い出力を安定して維持することができる燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池１は、アノード（燃料極）１３、カソード（空気極）１６、およびアノード（燃料極）１３とカソード（空気極）１６とに挟持された電解質膜１７を有する複数の単位膜電極接合体１０を、同一の極が同一側になるように、平面的かつ任意の一点を中心とした周方向に所定の間隔をあけて配置してなる膜電極接合体群５と、膜電極接合体群５のアノード（燃料極）側に配置され、アノード（燃料極）１３に燃料を供給する燃料供給機構４０とを備える。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する複数の単位膜電極接合体を、同一の極が同一側になるように、平面的かつ任意の一点を中心とした周方向に所定の間隔をあけて配置してなる膜電極接合体群と、
前記膜電極接合体群の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記各単位膜電極接合体の表面の面積が等しいことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記複数の単位膜電極接合体のうち、表面の面積が最小の単位膜電極接合体における表面の面積が、表面の面積が最大の単位膜電極接合体の表面の面積の９０％以上であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記膜電極接合体群は、前記単位膜電極接合体を、同一の平面上に、円形状、四角形状または多角形状に配置して構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記各単位膜電極接合体の燃料極および空気極のそれぞれに対応する導電層をさらに具備し、
前記導電層が、
１つの絶縁シート上に平面的に、前記各単位膜電極接合体の燃料極および空気極のそれぞれに対応するように導電シートを所定の構成で配置し、かつ各単位膜電極接合体が電気的に直列に接続されるように、燃料極側の導電層と空気極側の導電層とを電気的に接続して構成されたシートを、前記膜電極接合体群を介在させた状態で、前記導電シートの境界に沿って折り曲げて形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記各単位膜電極接合体の燃料極および空気極のそれぞれに対応する導電層をさらに具備し、
前記導電層が、
１つの絶縁シート上に平面的に、前記各単位膜電極接合体の燃料極のそれぞれに対応するように導電シートを配置してなる燃料極側シートと、１つの絶縁シート上に平面的に、前記各単位膜電極接合体の空気極のそれぞれに対応するように導電シートを配置してなる空気極側シートとを、前記膜電極接合体群を介して対向させ、各単位膜電極接合体が電気的に直列に接続されるように、燃料極側の導電層と空気極側の導電層とを電気的に接続して形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記各単位膜電極接合体の燃料極および空気極のそれぞれに対応して設けられた導電層と、
前記導電層を備えた前記膜電極接合体群を覆う外装ケースと、
前記外装ケース、前記導電層を備えた前記膜電極接合体群からなる積層体の中心を貫通する締結ボルトと
をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
隣接する前記各単位膜電極接合体の相互間を電気的に絶縁する絶縁部材をさらに具備することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【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なる。
【０００３】
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。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や、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（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えばアノード（燃料極）、電解質膜およびカソード（空気極）を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
【０００５】
一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（例えば、特許文献３−５参照。）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。特許文献４には、燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給する燃料電池が記載され、特許文献５には、電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給する燃料電池が記載されている。
【０００６】
また、上記した膜電極接合体を平面的に配置してなる燃料電池において、膜電極接合体の縁辺部は、周囲の大気等への熱の放散が多いため温度が低くなり、この縁辺部におけるアノード触媒層およびカソード触媒層における化学反応が促進されないこがある。また、燃料電池の内部で燃料を気化させて気体燃料を生じる内部気化型の燃料電池では、燃料を気化させる熱源として、膜電極接合体で発生する熱を利用することが多いが、この場合に、縁辺部では膜電極接合体自体の温度が低いため、燃料を気化させるための熱量が十分に得られないことがある。燃料を気化させるための熱量が不十分な膜電極接合体の縁辺部では、供給される気体燃料の量が少なくなり、さらに出力が低下することがある。逆に、膜電極接合体の中央部では、周囲の大気等へ熱を放散し難いために温度が高くなり、供給される気体燃料の供給も多くなり、出力が高くなる傾向がある。
【０００７】
また、燃料電池の熱サイクル耐性の向上を図ることを目的として、膜電極接合体の内部で発生する熱や応力の分布を均一化できる中央貫通孔と複数の周囲貫通孔をもつリング状の膜電極接合体が提案されている（例えば、特許文献６参照。）。この特許文献６には、中央貫通孔とその周囲に配置した複数の周囲貫通孔とにより膜電極接合体の内部の温度差を低減させ、膜電極接合体全体に生じる熱応力を小さくすることができる燃料電池が記載されている。
【０００８】
複数の各単位膜電極接合体を有して構成される膜電極接合体群では、一般に、各単位膜電極接合体は電気的に直列に接続される。したがって、各単位膜電極接合体に流れる電流は等しい。ここで、例えば、固体電解質型の燃料電池では、単セル集合体における各単セルを隣接する単セルごとに極性が異なるように配置し、上下に積層された単セル群の相互間の電気的接続を、隣接する積層された単セル群の上端および下端を接続することで行う技術が開示されている（例えば、特許文献７参照。）。
【０００９】
また、上記した膜電極接合体群において、出力の異なる単位膜電極接合体が直列に接続された場合、出力の高い単位膜電極接合体は電圧が高く、出力の低い単位膜電極接合体は電圧が低くなる。単位膜電極接合体の電圧が低くなって「０」以下になる、いわゆる「転極」を生じると、その単位膜電極接合体では、特にアノード触媒層を構成する触媒や、触媒を担持する炭素材料等が電気化学的に異常な反応を生じ、劣化していくことが知られている。この劣化を防ぐためには、全ての単位膜電極接合体において転極を生じる可能性が無いほどに、電流値を小さくすることが考えられるが、燃料電池全体として得られる出力は小さくなる。
【００１０】
また、燃料電池を構成する各種の部材を積層して固定する際に、ネジ、ボルト、カシメ、溶着等によって縁辺部を強固に固定することは容易であり、これによって膜電極接合体群とアノード及びカソード導電層との間の接触抵抗や、その他の抵抗成分を小さくすることができる。逆に、中央部では、縁辺部と同様の固定を行なうことは難しく、接触抵抗やその他の抵抗成分は縁辺部よりも大きくなる傾向がある。
【特許文献１】特許第３４１３１１１号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献３】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献４】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献５】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【特許文献６】特開２００４−２３５０６０号公報
【特許文献７】特開平６−５２８８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従来の膜電極接合体において、上記した、温度や燃料供給量の不均一と接触抵抗等の不均一のどちらが主として燃料電池の出力特性等に影響を及ぼすかは、膜電極接合体の構成のみならず、燃料電池全体の構成や、さらには使用する環境（大気の温度等）等によっても変化し、一概に決めることはできない。
【００１２】
例えば、膜電極接合体群の上下を、強固でかつ撓みの少ない部材で挟んだ場合には、上記した接触抵抗の不均一は殆ど無視できる。しかしながら、この構成では、燃料電池全体の重量や体積が過大となり、携帯機器の電源として適切ではなくなる。
【００１３】
また、燃料電池を携帯機器の電源として用いた場合、周囲の気温が高く、気温と燃料電池の膜電極接合体群との温度差が小さいときには、温度の不均一が燃料電池の出力特性等に及ぼす影響は小さくなるが、周囲の気温が低く、気温と燃料電池の膜電極接合体群との温度差が大きいときには、温度の不均一が燃料電池の出力特性等に及ぼす影響が大きくなり、安定した出力が得られないこともある。
【００１４】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、各単位膜電極接合体の出力を均一にし、高い出力を安定して維持することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の一態様によれば、燃料極、空気極、および前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜を有する複数の単位膜電極接合体を、同一の極が同一側になるように、平面的かつ任意の一点を中心とした周方向に所定の間隔をあけて配置してなる膜電極接合体群と、前記膜電極接合体群の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを具備することを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る燃料電池によれば、各単位膜電極接合体の出力を均一にし、高い出力を安定して維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
図１は、本発明に係る一実施の形態の燃料電池１の構成を示す断面図である。図２は、本発明に係る一実施の形態の燃料電池１における膜電極接合体群５を図１に示した燃料電池１の上方からみたときの平面図である。図３は、本発明に係る一実施の形態の燃料電池１における他の構成の膜電極接合体群５を図１に示した燃料電池１の上方からみたときの平面図である。図４は、各単位膜電極接合体１０の面積１ｃｍ２あたりに流れる電流の値（電流密度）と、そのときに単位膜電極接合体１０で発生する電圧との関係を示した図である。図５は、本発明に係る一実施の形態の燃料電池１にポンプ８０を備えた場合の構成を示す断面図である。
【００１９】
図１に示すように、燃料電池１は、起電部を構成する単体からなる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）（以下、単位膜電極接合体１０という）を複数有する膜電極接合体群５を備え、各単位膜電極接合体１０のアノード（燃料極）側およびカソード（空気極）側には、それぞれアノード導電層１８とカソード導電層１９が設けられている。また、燃料電池１は、このアノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１を有する燃料分配層３０と、この燃料分配層３０の単位膜電極接合体１０側とは異なる側に配置され、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０と、カソード導電層１９に積層された保湿層５０と、この保湿層５０に積層された、複数の空気導入口６１を有する表面カバー６０とを備える。なお、図１に示す燃料電池１の断面は、図２のＡ−Ａ断面、すなわち２つの単位膜電極接合体１０に対応する燃料電池１の構成を示したものであり、図１には示されていない他の単位膜電極接合体に対応する燃料電池１の構成も同じ構成である。
【００２０】
単位膜電極接合体１０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）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）伝導性を有する電解質膜１７とから構成される。
【００２１】
また、図２に示すように、膜電極接合体群５は、複数の単位膜電極接合体１０を、同一の極が同一側になるように、平面的かつ任意の一点を中心とした周方向に所定の間隔をあけて均等に配置して構成されている。図２には、その構成の一例である、４つの矩形の単位膜電極接合体１０を任意の一点を中心として所定の間隔をあけて田字状に配置した構成を示している。すなわち、４つの単位膜電極接合体１０は、燃料電池１の中央部および縁辺部に位置する各単位膜電極接合体１０の割合が同じになるように配置構成されている。なお、各単位膜電極接合体１０が電気的に直列に接続されるように、各単位膜電極接合体１０に対応するアノード導電層１８やカソード導電層１９は、電気的に接続されている。また、各単位膜電極接合体１０間の所定の間隔、すなわち各単位膜電極接合体１０間に形成された隙間は、各単位膜電極接合体１０間を電気的に絶縁するためのものである。
【００２２】
また、各単位膜電極接合体１０の表面の面積、すなわち発電部の面積は、等しく構成されることが好ましい。通常、燃料電池１では、中央部の温度が高くなり、縁辺部の温度が低くなる。上記した単位膜電極接合体１０の配置構成とすることで、各単位膜電極接合体１０における温度分布状態、すなわち温度の不均一状態が同じとなり、各単位膜電極接合体１０において、ほぼ同じ出力特性が得られる。これによって、前述した、各単位膜電極接合体１０を電気的に直列に接続した場合に、各単位膜電極接合体１０の出力の不均一によって生じる転極の発生を防止することができる。
【００２３】
また、単位膜電極接合体１０の配置構成は、図２に示された配置構成に限られるものではなく、例えば、１つの単位膜電極接合体１０の形状を、図３に示すように、三角形として、平面的かつ任意の一点を中心として所定の間隔をあけて均等に配置し、膜電極接合体群５を矩形に形成してもよい。また、１つの単位膜電極接合体１０の形状を三角形として、平面的かつ任意の一点を中心として所定の間隔をあけて均等に配置し、膜電極接合体群５を多角形に形成してもよい。さらに、１つの単位膜電極接合体１０の形状を扇形として、平面的かつ任意の一点を中心として所定の間隔をあけて均等に配置し、膜電極接合体群５を円形に形成してもよい。
【００２４】
ここで、図３に示した、１つの単位膜電極接合体１０の形状を三角形として、平面的かつ任意の一点を中心として均等に配置し、膜電極接合体群５を矩形に形成した例を参照してさらに具体的に説明する。
【００２５】
この場合においても、各単位膜電極接合体１０の表面の面積、すなわち発電部の面積は、等しく構成されることが好ましい。さらに言及すれば、図３に示すように、三角形の形状が異なるものを含む場合には、各単位膜電極接合体１０の表面の面積を等しく構成するとともに、各単位膜電極接合体１０において、高温となる領域と低温となる領域の割合が、ほぼ等しくなるように形状を考慮することが好ましい。ここで、高温となる領域と低温となる領域の区分は、例えば、各単位膜電極接合体１０の表面の温度の平均値を境界値とし、この境界値よりも温度の高い領域を高温となる領域とし、この境界値以下の温度の領域を低温となる領域としてもよい。なお、この高温となる領域と低温となる領域の区分は、これに限られず、燃料電池１の形態や特性などに応じて適宜に変更することができる。
【００２６】
一方、４つの三角形の面積を等しく構成できない場合には、表面の面積が最小の単位膜電極接合体１０（以下、面積最小の単位膜電極接合体１０という）における表面の面積が、表面の面積が最大の単位膜電極接合体１０（以下、面積最大の単位膜電極接合体１０という）の表面の面積の９０％以上となるように、各単位膜電極接合体１０を構成することが好ましい。ここで、面積最小の単位膜電極接合体１０における表面の面積が、面積最大の単位膜電極接合体１０における表面の面積の９０％以上となるように各単位膜電極接合体１０を構成することが好ましい理由を、図４を参照して説明する。
【００２７】
ここで、図４において、各単位膜電極接合体１０のうち、面積最大の単位膜電極接合体１０における電流密度をＩ１、この単位膜電極接合体１０で発生する電圧をＶ１、同様に、面積最小の単位膜電極接合体１０における電流密度をＩ２、この単位膜電極接合体１０で発生する電圧をＶ２とする。また、電圧が「０」になるときの電流密度の値（以下、限界電流密度という）をＩｍａｘで示す。
【００２８】
図４に示すように、各単位膜電極接合体１０の面積１ｃｍ２あたりに流れる電流の値である電流密度が大きいほど、単位膜電極接合体１０で発生する電圧は低くなるという関係がある。各単位膜電極接合体１０は、電気的に直列に接続されているため、全ての単位膜電極接合体１０に流れる電流値は等しい。仮に、面積最小の単位膜電極接合体１０における表面の面積が、面積最大の単位膜電極接合体１０の表面の面積の９０％とすると、面積最小の単位膜電極接合体１０の電流密度Ｉ２は、面積最大の単位膜電極接合体１０の電流密度Ｉ１の１．１１倍になり、図４に示すように、面積最小の単位膜電極接合体１０で発生する電圧Ｖ２は、面積最大の単位膜電極接合体１０で発生する電圧Ｖ１よりも低い値となる。
【００２９】
このとき、電圧Ｖ２が電圧Ｖ１に対してどれだけ低くなるかは、電流密度Ｉ１および電流密度Ｉ２の、電流密度Ｉｍａｘに対する比率によって変わる。通常、燃料電池１において発生する電力（電圧と電流の積）を最大にするために、電流密度Ｉ１および電流密度Ｉ２は、電流密度Ｉｍａｘの６０〜９０％前後になるよう設定されることが多い。このような場合、電圧Ｖ２と電圧Ｖ１の比（Ｖ２／Ｖ１）は、電流密度Ｉ２と電流密度Ｉ１の比（Ｉ２／Ｉ１、ここでは１．１１とした）よりも拡大し、最大の単位膜電極接合体１０では高い電圧で発電が行なわれ、最小の単位膜電極接合体１０では低い電圧で発電が行なわれることになる。
【００３０】
このような状態を防ぐために、各単位膜電極接合体１０の表面の面積は実質的に等しいことが好ましく、等しくない場合であっても、上記した電流密度比（１．１１）以下であることが好ましく、最小の単位膜電極接合体１０の表面の面積は、最大の単位膜電極接合体１０の表面の面積の値の９０％以上とした。また、この比率は、１００％に近付くことが好ましく、９５％以上であればさらに好ましい。
【００３１】
なお、上記した膜電極接合体群５では、４つの単位膜電極接合体１０を備えた一例を示しているが、膜電極接合体群５を構成する単位膜電極接合体１０の数はこれに限らず、複数備えていればよい。
【００３２】
また、単位膜電極接合体１０のアノード触媒層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Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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として、例えば、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として、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ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。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。
【００３３】
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）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）、アシプレックス（商品名、旭化成工業社製）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。また、電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料として、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂獏なども挙げられる。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く、プロトンを輸送可能なものであればよい。
【００３４】
なお、図１に示すように、ここでは、膜電極接合体群５における電解質膜１７を１枚の膜、すなわち全ての単位膜電極接合体１０における電解質膜１７を１枚の共通な膜で構成しているが、単位膜電極接合体１０ごとに独立した電解質膜１７を備えてもよい。
【００３５】
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の集電体も兼ねている。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の集電体も兼ねている。また、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。
【００３６】
アノードガス拡散層１２の表面に積層されたアノード導電層１８、およびカソードガス拡散層１５の表面に積層されたカソード導電層１９は、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えば、メッシュなど）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などで構成される。これらの中でも、アノード導電層１８やカソード導電層１９は、単位膜電極接合体１０に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、単位膜電極接合体１０に対向して設けられている燃料分配層３０の開口部３１からの燃料を単位膜電極接合体１０に導く。なお、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜１７とアノード導電層１８およびカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０が介在されており、これらによって単位膜電極接合体１０からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を備えた燃料電池１を示しているが、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。また、図１に示した燃料電池１では、Ｏリング２０を単位膜電極接合体１０ごとに個々に設けているが、隣接する単位膜電極接合体１０の間では、電解質膜１７とアノード導電層１８との間のＯリング２０、電解質膜１７とカソード導電層１９との間のＯリング２０を共通としてもよい。
【００３７】
保湿層５０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層５０は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。
【００３８】
表面カバー６０は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口６１の個数や大きさ等を変更することで行われる。また、表面カバー６０は、膜電極接合体群５を含む積層体を加圧して、各構成部間の密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属で構成されることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００３９】
燃料供給機構４０は、燃料収容部４１と、燃料供給部本体４２と、流路４４とを主に備える。
【００４０】
燃料収容部４１には、単位膜電極接合体１０に対応した液体燃料Ｆが収容されている。この燃料収容部４１は、液体燃料Ｆによって溶解や変質を生じることがない材料で構成される。燃料収容部４１を構成する材料として、具体的には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ；ヴィクトレックス社商標）などが使用される。なお、図示しないが、燃料収容部４１には、液体燃料Ｆを供給するための燃料供給口が設けられている。
【００４１】
液体燃料Ｆ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。液体燃料Ｆ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Ｆ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４１には、単位膜電極接合体１０に応じた液体燃料が収容される。特に、燃料濃度が８０モル％を超えるメタノール水溶液または純メタノール液であることが好適である。
【００４２】
燃料供給部本体４２は、供給された液体燃料Ｆを燃料分配層３０に対して均一に供給するために、液体燃料Ｆを平坦に分散させるための凹部からなる燃料供給部４３を備えている。この燃料供給部４３は、配管等で構成される液体燃料Ｆの流路４４を介して燃料収容部４１と接続されている。燃料供給部４３には、燃料収容部４１から流路４４を介して液体燃料Ｆが導入され、導入された液体燃料Ｆおよび／またはこの液体燃料Ｆが気化した気化成分は、燃料分配層３０および各アノード導電層１８を介して各単位膜電極接合体１０に供給される。
【００４３】
流路４４は、液体燃料Ｆによって溶解や変質を生じることがない材料で構成される。流路４４を構成する材料として、具体的には、ステンレス、銅、アルミニウム等の金属、またはこれら金属の内面を金などでメッキした材料、樹脂、ゴム、塗料等でコーティングした材料、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、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（ＰＶＣ）、ポリイミド（ＰＩ）、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などが使用される。また、流路４４は、燃料供給部４３や燃料収容部４１と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部４３や燃料収容部４１を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部４３は、流路等を介して燃料収容部４１と連通されていればよい。
【００４４】
燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路４４を介して燃料供給部４３まで落下させて送液することができる。また、流路４４に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４３まで送液してもよい。さらに、図５に示すように、流路４４の一部にポンプ８０を介在させて、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４３まで強制的に送液してもよい。
【００４５】
このポンプ８０は、燃料収容部４１から燃料供給部４３に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、単位膜電極接合体１０に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ８０を備えた燃料電池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構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ８０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Ｆ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。ロータリベーンポンプは、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。上記したようにポンプ８０を設ける場合、ポンプ８０は、制御手段（図示しない）と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部４３に供給される液体燃料Ｆの供給量が制御される。
【００４６】
燃料分配層３０は、例えば、複数の開口部３１が形成された平板で構成され、各単位膜電極接合体１０のアノードガス拡散層１２と燃料供給部４３との間に挟持される。この燃料分配層３０は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない材料で構成され、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構成される。また、燃料分配層３０は、例えば、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を単位膜電極接合体１０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）微多孔膜などが用いられる。
【００４７】
次に、燃料電池１において、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を構成する場合における、アノード導電層１８およびカソード導電層１９の構成例について、図６Ａ〜図８を参照して説明する。
【００４８】
図６Ａは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を構成する導電層形成シート１００の展開図であり、図６Ｂは、図６Ａに示された導電層形成シート１００からアノード導電層１８およびカソード導電層１９を構成する工程を説明するための図である。図７Ａは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を構成する他の形態の導電層形成シート１１０の展開図であり、図７Ｂは、図７Ａに示された導電層形成シート１１０からアノード導電層１８およびカソード導電層１９を構成する工程を説明するための図である。図８は、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を構成するさらに他の形態の導電層形成シート１２０ａ、１２０ｂからアノード導電層１８およびカソード導電層１９を構成する工程を説明するための図である。
【００４９】
なお、ここでは、４つの矩形の単位膜電極接合体１０を任意の一点を中心として所定の間隔をあけて田字状に配置した構成（図２参照）における、導電層形成シートの構成例を示している。また、図中の（１）〜（４）は、単位膜電極接合体１０を示す記号であり、「Ａ」は、アノード導電層１８を、「Ｃ」は、カソード導電層１９を意味する。例えば、（１）−「Ａ」と示されている部分は、（１）の単位膜電極接合体１０のアノード導電層１８を構成するための導電シートであり、（１）−「Ｃ」と示されている部分は、（１）の単位膜電極接合体１０のカソード導電層１９を構成するための導電シートである。
【００５０】
まず、図６Ａおよび図６Ｂに示された導電層形成シート１００について説明する。
【００５１】
図６Ａに示すように、１枚の絶縁シート１０１上に平面的に、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０のアノード（燃料極）１３およびカソード（空気極）１６のそれぞれに対応するように導電シート（（（１）−「Ａ」）〜（（４）−「Ｃ」））を所定の構成で配置する。
【００５２】
続いて、前述したように、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０を電気的に直列に接続するために、所定の導電シートどうしを電気的に接続する。ここでは、導電シート（（１）−「Ｃ」）と導電シート（（２）−「Ａ」）、導電シート（（２）−「Ｃ」）と導電シート（（３）−「Ａ」）、導電シート（（３）−「Ｃ」）と導電シート（（４）−「Ａ」）が電気的に接続される。また、導電シート（（１）−「Ａ」）には出力端子１０２が、導電シート（（４）−「Ｃ」）には出力端子１０３が設けられている。
【００５３】
図６Ｂに示すように、上記した導電層形成シート１００を、（１）〜（４）の単位膜電極接合体１０で構成される膜電極接合体群５を介在させた状態で、図６Ａおよび図６Ｂに示した折り曲げ線Ｌで折り曲げることで、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０に対応するアノード導電層１８およびカソード導電層１９が形成され、さらに各単位膜電極接合体１０が電気的に直列に接続される。
【００５４】
次に、図７Ａおよび図７Ｂに示された導電層形成シート１１０について説明する。
【００５５】
図７Ａに示すように、１枚の絶縁シート１１１上に平面的に、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０のアノード（燃料極）１３およびカソード（空気極）１６のそれぞれに対応するように導電シート（（（１）−「Ａ」）〜（（４）−「Ｃ」））を所定の構成で配置する。
【００５６】
続いて、前述したように、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０を電気的に直列に接続するために、所定の導電シートどうしを電気的に接続する。ここでは、導電シート（（２）−「Ｃ」）と導電シート（（３）−「Ａ」）が電気的に接続される。また、導電シート（（１）−「Ｃ」）、導電シート（（２）−「Ａ」）、導電シート（（３）−「Ｃ」）および導電シート（（４）−「Ａ」）には、それぞれ接点端子１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃ、１１２ｄが設けられ、組み立ての際、導電シート（（１）−「Ｃ」）と導電シート（（２）−「Ａ」）が接点端子１１２ａ、１１２ｂによって、導電シート（（３）−「Ｃ」）と導電シート（（４）−「Ａ」）が接点端子１１２ｃ、１１２ｄによって電気的に接続される。また、導電シート（（１）−「Ａ」）には出力端子１１３が、導電シート（（４）−「Ｃ」）には出力端子１１４が設けられている。
【００５７】
図７Ｂに示すように、上記した導電層形成シート１１０を、（１）〜（４）の単位膜電極接合体１０で構成される膜電極接合体群５を介在させた状態で、図７Ａおよび図７Ｂに示した折り曲げ線Ｌで折り曲げ、上記したように各接点端子を接続することで、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０に対応するアノード導電層１８およびカソード導電層１９が形成され、さらに（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０が電気的に直列に接続される。
【００５８】
次に、図８に示された導電層形成シート１２０ａ、１２０ｂについて説明する。
【００５９】
図８に示すように、１枚の絶縁シート１２１上に平面的に、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０のアノード（燃料極）１３に対応するように導電シート（（（１）−「Ａ」）〜（（４）−「Ａ」））を配置して燃料極側の導電層形成シート１２０ａを構成する。また、１枚の絶縁シート１２２上に平面的に、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０のカソード（空気極）１６に対応するように導電シート（（（１）−「Ｃ」）〜（（４）−「Ｃ」））を配置して空気極側の導電層形成シート１２０ｂを構成する。また、導電シート（（１）−「Ａ」）および導電シート（（４）−「Ｃ」）を除く導電シートには、それぞれ接点端子１２３ａ、１２３ｂ、１２３ｃ、１２３ｄ、１２３ｅ、１２３ｆが設けられ、組み立ての際、導電シート（（１）−「Ｃ」）と導電シート（（２）−「Ａ」）が接点端子１２３ａ、１２３ｂによって、導電シート（（２）−「Ｃ」）と導電シート（（３）−「Ａ」）が接点端子１２３ｃ、１２３ｄによって、導電シート（（３）−「Ｃ」）と導電シート（（４）−「Ａ」）が接点端子１２３ｅ、１２３ｆによって電気的に接続される。また、導電シート（（１）−「Ａ」）には出力端子１２４が、導電シート（（４）−「Ｃ」）には出力端子１２５が設けられている。
【００６０】
上記した導電層形成シート１２０ａ、１２０ｂを、（１）〜（４）の単位膜電極接合体１０で構成される膜電極接合体群５を介して対向させ、上記したように各接点端子を接続することで、（１）〜（４）の各単位膜電極接合体１０に対応するアノード導電層１８およびカソード導電層１９が形成され、さらに各単位膜電極接合体１０が電気的に直列に接続される。
【００６１】
なお、上記した隣接するアノード導電層１８とカソード導電層１９との間を電気的に接続する方法以外にも、例えば、単純に、隣接するアノード導電層１８とカソード導電層１９との間をリード線等を用いて接続してもよいが、上記した方法により接続することで、燃料電池１の作製が容易となり、かつ燃料電池全体の体積を小さくすることができる。
【００６２】
また、上記した絶縁シートは、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などで構成される。また、絶縁シートの導電シートが配置される部分には、燃料や空気などを通過させるための穴が複数形成されている。
【００６３】
次に、上記した燃料電池１における作用について、図１を参照して説明する。
【００６４】
燃料収容部４１から流路４４を介して燃料供給部４３に向かって導出された液体燃料Ｆは、液体燃料Ｆのまま、もしくは液体燃料Ｆと液体燃料Ｆが気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層３０から各単位膜電極接合体１０のアノード導電層１８に導かれる。各単位膜電極接合体１０のアノード導電層１８に導かれた燃料は、アノードガス拡散層１２に供給され、アノードガス拡散層１２で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で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ-  …式（１）
【００６５】
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、メタノールは、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水と上記した式（１）の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
【００６６】
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体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、カソード（空気極）１６に導かれる。また、式（１）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（空気極）１６に導かれる。カソード（空気極）１６には酸化剤として空気が供給される。カソード（空気極）１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ-＋６Ｈ+  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
【００６７】
上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力を燃料電池１において得ることができる。
【００６８】
上記した本発明に係る一実施の形態の燃料電池１によれば、複数の単位膜電極接合体１０を、同一の極が同一側になるように、平面的かつ任意の一点を中心とした周方向に所定の間隔をあけて均等に配置して膜電極接合体群５を構成することで、各単位膜電極接合体１０における温度分布状態、すなわち温度の不均一状態が同じとなり、各単位膜電極接合体１０において、ほぼ同じ出力特性が得られる。これによって、各単位膜電極接合体１０を電気的に直列に接続した場合に、各単位膜電極接合体１０の出力の不均一によって生じる転極の発生を防止することができる。また、転極の発生を防止することで、アノード触媒層を構成する触媒や、触媒を担持する炭素材料等が電気化学的に生じる異常な反応を防止し、これらの材料の劣化を防止することができる。
【００６９】
また、上記したように、導電層形成シートを用いて、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を構成し、所定のアノード導電層１８およびカソード導電層１９を電気的に接続することで、各単位膜電極接合体１０を電気的に直列に接続することができる。また、燃料電池１の作製が容易となり、かつ燃料電池全体の体積を小さくすることができる。
【００７０】
（他の単位膜電極接合体の配置構成を備える燃料電池３００）
ここでは、本発明に係る、上記した燃料電池１の単位膜電極接合体の配置構成と異なる単位膜電極接合体の配置構成を備える燃料電池３００について説明する。
【００７１】
図９Ａは、本発明に係る燃料電池３００を空気極側から見たときの平面図である。図９Ｂは、本発明に係る燃料電池３００の側面を示す平面図である。図１０は、本発明に係る燃料電池３００の概要を示す部分断面図である。図１１は、本発明に係る燃料電池３００を各構成要素に分解して示す分解斜視図である。図１２は、膜電極接合体／集電体アッセンブリをさらに各構成要素に分解して示す分解斜視図である。図１３は、６つの膜電極接合体セグメントを有する六角形状の膜電極接合体／集電体アッセンブリを示す平面図である。図１４は、隣接する膜電極接合体セグメント間に配置されたシール部材を示す要部斜視図である。図１５は、隣接する膜電極接合体セグメント間に配置されたシール部材を示す要部断面図である。
【００７２】
燃料電池３００は、図９Ａおよび図９Ｂに示すように、外側が円形状の外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０で覆われ、図１０に示すように、外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０の内部に保湿板３０２、膜電極接合体／集電体アッセンブリ（MEA／CCアッセンブリ）３０３および気液分離膜／拡散層ユニット３０８が順次積層された状態で収納されている。ここで、集電体は導電層として機能し、ここでいう膜電極接合体は、複数の単位膜電極接合体を配置して構成される膜電極接合体群である。
【００７３】
また、外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０の中心には、ボルト穴３３０がそれぞれ形成されている。図１１に示すように、外装ケース蓋３０９のボルト穴３３０にボルト３１１をねじ込み、外装ケース箱３１０側の図示しないナットにボルト３１１を螺合させることにより外装ケース蓋３０９と外装ケース箱３１０とが締結されて一体化されている。このようなボルト締結構造により、内部に収納された保湿板３０２、膜電極接合体／集電体アッセンブリ（MEA／CCアッセンブリ）３０３および気液分離膜／拡散層ユニット３０８からなる積層体に所定の面圧を均一に負荷している。
【００７４】
なお、図示を省略しているが、円形状の外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０の主面の周縁部にも同様のボルト穴が複数個所に形成されている。そして、ボルトおよびナットを用いて、外装ケース蓋３０９と外装ケース箱３１０とを所定の押圧力で締結するような構造としている。さらに、図示を省略しているが、円形状の外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０の外周端部の全部または一部をカシメ加工することもできる。なお、外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０の外周端部のすぐ内側には、図示しないＯリングが嵌め込まれている。これによって、内部の液体燃料（純メタノール液またはメタノール水溶液）が燃料電池の外部に漏れ出さないように全周が液密にシールされている。このようなＯリングのシール構造を二段構えのＯリングを用いる二重シール構造とすることもできる。
【００７５】
また、外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０は、ステンレス鋼（例えばＳＵＳ３０４）のような金属板により形成される。保湿板３０２は、空気極において生成した水の蒸散を防止する役割を果たすと共に、空気極に酸化剤としての空気を均一に導入することにより空気極の触媒層への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての役割も果たしている。この保湿板３０２には、好ましくは気孔率が例えば２０〜６０％の多孔性フィルムなどが用いられる。
【００７６】
図９Ａ、図９Ｂおよび図１１に示すように、外装ケース蓋３０９の主面には、複数の通気孔３３５が開口されている。これらの通気孔３３５は、保湿板３０２を介してMEA／CCアッセンブリ３０３のカソード（空気極）側に酸化剤としての空気を供給するためのものである。
【００７７】
一方、図示を省略しているが、外装ケース箱３１０には所定容量の燃料収容室が形成され、この燃料収容室に図示しない燃料供給機構の液注入口が連通している。燃料収容室内には、カーボンペーパのような繊維質または多孔質の拡散層３０５、３０６、３０７が収容されている。これらの拡散層３０５、３０６、３０７は、液体燃料を膜電極接合体のアノード（燃料極）側に毛管力の作用により輸送するためのパッシブ送液部材であり、任意に配置されるものである。これらの拡散層３０５、３０６、３０７は、アノード（燃料極）に燃料を供給する燃料供給機構の一部として機能する。
【００７８】
また、これらの拡散層３０５、３０６、３０７のうちの一部を液体燃料含浸層としてもよい。例えば最下層の拡散層３０７を液体燃料含浸層とすることができる。この最下層の拡散層３０７を、例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質オレフィン系樹脂等多硬質繊維、連続気泡多孔質体樹脂などで構成することができる。液体燃料含浸層は、燃料供給源の液体燃料が減少した場合や燃料電池本体が傾斜して載置され、燃料供給が偏った場合においても、気液分離膜３０４に均等に液体燃料を供給することができる。その結果、膜電極接合体のアノード触媒層に均等に気化された液体燃料を供給することが可能となる。なお、拡散層３０７は、ポリエステル繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーで構成されてもよい。すなわち、拡散層３０７は、スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる材料で構成されればよい。なお、上記したように、液体燃料含浸部は、燃料電池本体の姿勢に関わらず適量の液体燃料を供給するのに有効である。
【００７９】
さらに、複数の拡散層３０５、３０６、３０７とMEA／CCアッセンブリ３０３のアノード（燃料極）との間には任意に気液分離膜３０４が挿入されている。この気液分離膜３０４は、拡散層３０５、３０６、３０７を拡散移動してきた燃料のうち気化成分のみを透過させ、液体燃料の液体成分を遮断する性質を有する。この気液分離膜３０４は、例えば多数の細孔を有する、シリコンシートやポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートなどで構成される。具体的には、例えば、厚さ０．０１ｍｍのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートなどで構成される。
【００８０】
液体燃料は、図示しない燃料カートリッジから燃料供給機構に注入され、燃料供給機構から燃料収容室に移動し、毛管力により拡散層３０５、３０６、３０７を順次透過して、気液分離膜３０４に到達する。そして、気化した燃料が、気液分離膜３０４を透過して膜電極接合体のアノード（燃料極）に到達する構成となっている。
【００８１】
なお、上記実施形態では膜電極接合体の下部に燃料収容室を有する構造としたが、本発明はこれのみに限定されず、燃料収容部から膜電極接合体への燃料の供給は、流路を配して接続された構造としてもよい。また、燃料電池本体の構成としてパッシブ型の燃料電池を例に挙げて説明したが、アクティブ型の燃料電池、さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブと称される型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容室から膜電極接合体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に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、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、燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。このため、燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路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。
【００８２】
次に、外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０の内部に収納される膜電極接合体／集電体アッセンブリ（MEA／CCアッセンブリ）３０３および気液分離膜／拡散層ユニット３０８について詳しく説明する。
【００８３】
図１１に示すように、外装ケース蓋３０９の側から順に保湿板３０２、MEA／CCアッセンブリ３０３、気液分離膜３０４、および３つの拡散層３０５、３０６、３０７が外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０内に積層された状態で収納されている。図９Ａおよび図９Ｂに示すように、正負両極の端子３２０が外装ケース蓋３０９および外装ケース箱３１０の外周側面から外方に突出している。これら一対の端子３２０は、図１１と図１２に示すように、MEA／CCアッセンブリ３０３の正極集電体３０３ａおよび負極集電体３０３ｂの外周端部から外側に向けて延び出したものである。なお、負極集電体３０３ｂは、前述したアノード導電層に相当し、正極集電体３０３ａは、前述したカソード導電層に相当するものである。
【００８４】
正極集電体３０３ａ、負極集電体３０３ｂおよび膜電極接合体セグメント（MEAセグメント）３０３ｍは、本実施の形態では６つの単電極（単位セル）を有する多極構造の発電要素である。ここで、MEAセグメント３０３ｍは、前述した単位膜電極接合体に相当するものである。これらの単位セルは、実質的に同一平面上に並んで配置され、図示しない配線により直列に電気接続されている。すなわち、図１２に示すように、正極集電体３０３ａ、負極集電体３０３ｂ、MEAセグメント３０３ｍおよびシール部材３０３ｓの各々は、ボルト穴３３０を中心として扇形状に均等に６分割されている。
【００８５】
図１３に示すように、６つのMEAセグメント３０３ｍは、外周が絶縁材で縁取りされた状態で互いに所定の間隔をあけて離間して配置され、全体として円形状の形状となっている。なお、本実施の形態のMEAセグメント３０３ｍ等では、円形を６分割して６つの小単位としているが、本発明はこれのみに限られず、円形を２分割、３分割、４分割、５分割、７分割、８分割、９分割、１０分割、１１分割、１２分割としてもよい。また、本実施の形態では、全体の形状を円形としているが、三角形、四角形、五角形、七角形、八角形、九角形、十角形、十一角形、十二角形のように多角形としてもよい。
【００８６】
図１２に示すように、シール部材３０３ｓを除いて、正極集電体３０３ａ、負極集電体３０３ｂおよびMEAセグメント３０３ｍには、複数の通流孔が開口し、気化燃料または酸化剤としての空気が膜電極接合体の内部で自由に通流できるようにしている。
【００８７】
燃料供給機構から注入された燃料は、MEA／CCアッセンブリ３０３のアノード（燃料極）側に供給される。MEA／CCアッセンブリ３０３内において、燃料は、アノードガス拡散層にて拡散してアノード触媒層に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層で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、カソード触媒層で生成した水や電解質膜中の水をメタノールと反応させて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。
【００８８】
この反応で生成した電子（ｅ−）は集電体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、空気極に導かれる。また、内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は電解質膜を経て空気極に導かれる。空気極には酸化剤として空気が供給される。空気極に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層で空気中の酸素と反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００８９】
液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層で前述した式（１）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、カソード触媒層で生成した水や電解質膜中の水をメタノールと反応させて前述した式（１）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。
【００９０】
この反応で生成した電子（ｅ−）は集電体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、カソード（空気極）に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜を経てカソード（空気極）に導かれる。カソード（空気極）には、酸化剤として空気が供給される。カソード（空気極）に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層で空気中の酸素と前述した式（２）に従って反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００９１】
MEA／CCアッセンブリ３０３の膜電極接合体(MEA)は、カソード触媒層およびカソードガス拡散層からなるカソード（空気極）と、アノード触媒層およびアノードガス拡散層からなるアノード（燃料極）と、カソード触媒層とアノード触媒層との間に配置されるプロトン伝導性の電解質膜とを備えている。カソード触媒層およびアノード触媒層に含有される触媒は、前述した燃料電池１を構成するアノード触媒層１１およびカソード触媒層１４に含まれる触媒と同様である。
【００９２】
電解質膜は、アノード触媒層において発生したプロトンをカソード触媒層に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。この電解質膜は、前述した燃料電池１を構成する電解質膜１７と同様の材料で構成される。
【００９３】
カソード触媒層は、カソードガス拡散層上に積層され、かつアノード触媒層は、アノードガス拡散層上に積層されている。カソードガス拡散層は、カソード触媒層に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、カソード触媒層の集電体も兼ねている。一方、アノードガス拡散層は、アノード触媒層に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層の集電体も兼ねている。
【００９４】
正極集電体３０３ａの内側の面は、カソードガス拡散層に接し、負極集電体３０３ｂの内側の面は、アノードガス拡散層に接している。これら負極集電体３０３ｂおよび正極集電体３０３ａは、前述した燃料電池１を構成するアノード導電層１８およびカソード導電層１９と同様の材料で構成される。
【００９５】
図１４および図１５に示すように、シール部材３０３ｓは、絶縁部材として機能し、屈曲部３０３ｔを有し、隣り合うMEAセグメント３０３ｍの間を互いに絶縁シールしている。また、シール部材３０３ｓは、各MEAセグメント３０３ｍのアノード（燃料極）側とカソード（空気極）側とを仕切って未反応の燃料が空気極側に漏れ出すクロスオーバーの発生を防止するものでもある。シール部材３０３ｓは、燃料に対する透過量が９×１０７ｇ／ｍ３・２４ｈｒ・ａｔｍ以下で、体積固有抵抗が１０１１〜１０１５Ω・ｃｍのゴム系材料からなることが望ましい。透過量が多いと発電に寄与する燃料の量が少なくなり燃料電池性能を低下させ、シート抵抗が低いと絶縁破壊して短絡を生じやすくなるからである。ゴム系材料には、EPDM（エチレンプロピレンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴムなどを用いることができる。
【００９６】
液体燃料としては、液体のメタノール等のメタノール燃料、またはメタノール水溶液を用いることができる。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合ガスを意味するものとする。なお、液体燃料としては、必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、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、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用される。特に、燃料濃度が８０モル％を超えるメタノール水溶液または純メタノール液であることが好適である。
【００９７】
上記の実施の形態によれば、分割した小単位のMEAセグメントを円形状または多角形状に平面配置し、これらを直列に接続した多電極直列回路とするため、空間利用率に非常に優れた構造になる。また、携帯電子機器の駆動に必要な電圧を十分に確保することができる。これにより燃料電池の発電部における体積エネルギ密度を向上させることが可能となる。そのため、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯機器を動作させるために十分に高い出力特性を得ることができ、小型で高パワーのモバイル機器用電源となる。また、本実施の形態において、MEAセグメントを互換性のある部品にすると、部品の種類が減少し、部品をモジュール化して組み立てやすくなる。そのため、組立作業時のミスが大幅に低減されるとともに、製造コストを削減することができる。
【００９８】
次に、本発明に係る燃料電池が優れた出力特性を有することを実施例１〜実施例２、比較例１に基づいて説明する。
【００９９】
（実施例１）
実施例１で使用した燃料電池は、図１および図２に示した燃料電池１と同一の構成を備えるものであるので、図１および図２を参照して説明する。また、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、前述した導電層形成シート１００を用いて形成したので、これらの導電層の形成については、図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明する。
【０１００】
まず、膜電極接合体群５の作製方法について説明する。
【０１０１】
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（３９．５ｍｍ×２１ｍｍ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。
【０１０２】
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。なお、アノードガス拡散層１２と、カソードガス拡散層１５とは、同形同大であり、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１およびカソード触媒層１４も同形同大である。
【０１０３】
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を４枚用意し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４を対向させ、その間に電解質膜１７を介在させ、同一の触媒層が同一側になるように、平面的かつ任意の一点を中心とした周方向に所定の間隔をあけて田字状に均等に配置した。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）を使用した。そして、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、膜電極接合体群５を得た。
【０１０４】
続いて、図６Ａに示すように、１枚の絶縁シート１０１上に平面的に、各単位膜電極接合体１０のアノード（燃料極）１３およびカソード（空気極）１６のそれぞれに対応するように導電シート（（（１）−「Ａ」）〜（（４）−「Ｃ」））を配置した。導電シートとして、複数の開孔を有する金箔を使用し、絶縁シートとしてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）を使用した。また、導電シートが配置された部分の絶縁シートには、導電シート１枚につき３２個ずつ２．５ｍｍ×２．５ｍｍの矩形の穴を形成した。この導電層形成シート１００を用いて、前述した方法で、膜電極接合体群５を構成する各単位膜電極接合体１０に、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を形成した。ここで、導電シート（（１）−「Ｃ」）と導電シート（（２）−「Ａ」）、導電シート（（２）−「Ｃ」）と導電シート（（３）−「Ａ」）、導電シート（（３）−「Ｃ」）と導電シート（（４）−「Ａ」）を電気的に接続し、各単位膜電極接合体１０を電気的に直列に接続した。なお、電解質膜１７とアノード導電層１８との間、電解質膜１７とカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０を挟持してシールを施した。
【０１０５】
また、保湿層５０として、厚さが５００μｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が４０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  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用いた。
【０１０６】
この保湿層５０の上に、空気取り入れのための空気導入口６１（２．５ｍｍ×２．５ｍｍの矩形、口数１２８個）が形成された厚さが１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー６０とした。
【０１０７】
そして、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記した燃料電池１に、純度９９.９重量％の純メタノールを供給した。外部負荷としての定電圧電源を接続して、燃料電池１に流れる電流が「０」から次第に増加するように制御した。電流の制御は、単位膜電極接合体１０の面積１ｃｍ２あたりに流れる電流の値（電流密度）が、１分間につき１０ｍＡずつ増加するように行った。例えば、電流を流し始めてから１５分後には、単位膜電極接合体１０の面積１ｃｍ２あたり、１５０ｍＡの電流が流れるように電流を制御した。そして、この電流の制御に伴う各単位膜電極接合体１０で発生する電圧を計測した。計測した電圧の平均値が０．２Ｖ（すなわち、膜電極接合体群５の全体で発生する電圧が０．８Ｖ）に達したところで、電流の増加を終了させた。
【０１０８】
実施例１における電流の制御に伴う各単位膜電極接合体１０の電圧の計測結果を図１６に示す。
【０１０９】
（実施例２）
実施例２で使用した燃料電池では、図３に示した膜電極接合体群５と同一の構成を備える膜電極接合体群を使用した以外は、実施例１で使用した燃料電池１の構成と同じとした。
【０１１０】
使用した膜電極接合体群５は、図３に示すように、１つの単位膜電極接合体１０の形状を三角形として、平面的かつ任意の一点を中心として均等に配置し、膜電極接合体群５を矩形に形成した。また、膜電極接合体群５を、２種類の三角形の形状を有する単位膜電極接合体１０で構成し、面積最小の単位膜電極接合体１０における表面の面積が、面積最大の単位膜電極接合体１０における表面の面積の９８．８％となるように各単位膜電極接合体１０を構成した。また、膜電極接合体群５を構成する単位膜電極接合体全体の表面の面積は、３２１９．５ｍｍ２とした。
【０１１１】
上記した以外の構成や設定値については、実施例１で使用された燃料電池１と同様である。また、電流の制御、電流の制御に伴う各単位膜電極接合体１０の電圧の計測方法および計測条件等は、実施例１におけるものと同じである。
【０１１２】
実施例２における電流の制御に伴う各単位膜電極接合体１０の電圧の計測結果を図１６に示す。
【０１１３】
（比較例１）
図１７は、比較例１で使用した燃料電池２００の構成を示す断面図である。図１８は、比較例１で使用した燃料電池２００における膜電極接合体群２１０を図１７に示した燃料電池２００の上方からみたときの平面図である。なお、本発明に係る一実施の形態の燃料電池１の構成と同一の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省略または簡略する。
【０１１４】
比較例１で使用した燃料電池２００では、図１７および図１８に示すように、単位膜電極接合体２２０を横一列に配置して膜電極接合体群２１０を構成した。比較例１で使用した燃料電池２００では、このように膜電極接合体群２１０を構成した以外は、実施例１で使用した燃料電池１の構成と同じとした。
【０１１５】
図１８に示すように、長方形の単位膜電極接合体２２０を横一列に配置し、膜電極接合体群２１０を矩形に形成した。また、膜電極接合体群２１０を構成する単位膜電極接合体全体の表面の面積は、３２００ｍｍ２とした。
【０１１６】
上記した以外の構成や設定値については、実施例１で使用された燃料電池１と同様である。また、電流の制御、電流の制御に伴う各単位膜電極接合体２２０の電圧の計測方法および計測条件等は、実施例１におけるものと同じである。
【０１１７】
比較例１における電流の制御に伴う各単位膜電極接合体２２０の電圧の計測結果を図１６に示す。
【０１１８】
（実施例１〜実施例２、比較例１のまとめ）
図１６に示すように、実施例１および実施例２で使用した燃料電池では、４つの単位膜電極接合体の電圧は、ほぼ等しかった。なお、実施例１および実施例２において、４つの単位膜電極接合体の電圧はほぼ等しかったので、図１６では、実施例１および実施例２における計測結果を１本のラインで示している。
【０１１９】
一方、比較例１で使用した燃料電池では、外側に配置、すなわち図１８に示す両端に配置された２つの単位膜電極接合体（以下、外側配置単位膜電極接合体という）の電圧は、所定の電流値を超えると急激に低下したが、内側に配置、すなわち外側配置単位膜電極接合体の間に配置された２つの単位膜電極接合体（以下、内側配置単位膜電極接合体という）の電圧は、急激に低下することなく、外側配置単位膜電極接合体における電圧よりも高い状態を維持することがわかった。なお、２つの外側配置単位膜電極接合体における電圧はほぼ等しく、２つの内側配置単位膜電極接合体における電圧はほぼ等しかったので、図１６では、それぞれの計測結果を１本のラインで示している。このように、比較例１で使用した燃料電池では、単位膜電極接合体を配置する位置によって、電圧特性が異なることがわかった。また、比較例１における計測結果から、外側配置単位膜電極接合体では、発電を行なっている間に転極を生じたものと考えられる。
【０１２０】
上記した結果から、本発明に係る膜電極接合体群の構成を備える実施例１および実施例２で使用した燃料電池では、各単位膜電極接合体の電圧が常にほぼ等しいため、大きな電流を流しても転極を生じることなく、膜電極接合体群全体として大きな出力が得られることがわかった。
【０１２１】
以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、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
【０１２２】
例えば、膜電極接合体へ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。また、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路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。
【０１２３】
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、例えば、液体燃料をアノード導電層の下に直接流通させる方式、燃料電池の外部で液体燃料を蒸発させ、気化した気体燃料をアノード導電層の下に流通させる外部気化型、燃料収容部に液体燃料を収容し、液体燃料を電池内部で気化させてアノード触媒層に供給する内部気化型等、種々形態に本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明に係る一実施の形態の燃料電池の構成を示す断面図。
【図２】本発明に係る一実施の形態の燃料電池における膜電極接合体群を図１に示した燃料電池の上方からみたときの平面図。
【図３】本発明に係る一実施の形態の燃料電池における他の構成の膜電極接合体群を図１の燃料電池に示した上方からみたときの平面図。
【図４】各単位膜電極接合体の面積１ｃｍ２あたりに流れる電流の値（電流密度）と、そのときに単位膜電極接合体で発生する電圧との関係を示した図。
【図５】本発明に係る一実施の形態の燃料電池にポンプを備えた場合の構成を示す断面図。
【図６Ａ】アノード導電層およびカソード導電層を構成する導電層形成シートの展開図。
【図６Ｂ】図６Ａに示された導電層形成シートからアノード導電層およびカソード導電層を構成する工程を説明するための図。
【図７Ａ】アノード導電層およびカソード導電層を構成する他の形態の導電層形成シートの展開図。
【図７Ｂ】図７Ａに示された導電層形成シートからアノード導電層およびカソード導電層を構成する工程を説明するための図。
【図８】アノード導電層およびカソード導電層を構成するさらに他の形態の導電層形成シートからアノード導電層およびカソード導電層を構成する工程を説明するための図。
【図９Ａ】本発明に係る燃料電池を空気極側から見たときの平面図。
【図９Ｂ】本発明に係る燃料電池の側面を示す平面図。
【図１０】本発明に係る燃料電池の概要を示す部分断面図。
【図１１】本発明に係る燃料電池を各構成要素に分解して示す分解斜視図。
【図１２】膜電極接合体／集電体アッセンブリをさらに各構成要素に分解して示す分解斜視図。
【図１３】６つの膜電極接合体セグメントを有する六角形状の膜電極接合体／集電体アッセンブリを示す平面図。
【図１４】隣接する膜電極接合体セグメント間に配置されたシール部材を示す要部斜視図。
【図１５】隣接する膜電極接合体セグメント間に配置されたシール部材を示す要部断面図。
【図１６】電流の制御に伴う各単位膜電極接合体の電圧の計測結果を示す図。
【図１７】比較例１で使用した燃料電池の構成を示す断面図。
【図１８】比較例１で使用した燃料電池における膜電極接合体群を図１０に示した燃料電池の上方からみたときの平面図。
【符号の説明】
【０１２５】
１…燃料電池、５…膜電極接合体群、１０…単位膜電極接合体、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…アノード導電層、１９…カソード導電層、２０…Ｏリング、３０…燃料分配層、３１…開口部、４０…燃料供給機構、４１…燃料収容部、４２…燃料供給部本体、４３…燃料供給部、４４…流路、５０…保湿層、６０…表面カバー、６１…空気導入口、Ｆ…液体燃料。
【図１】
2010015965.tif 000003
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
2010015965.tif 000011
【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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