(57)【要約】  単セル（１１）のアノード（３２）に燃料を供給するウィッキング材（６０）には、切れ目（６１）が形成されている。これにより、ウィッキング材（６０）内部の燃料伝播のみならず、ウィキング材（６０）の切れ目を通じた毛管力を利用できるので、十分な量の燃料をアノードに供給することができる。これは、ウィッキング材（６０）内部の連続空孔を介した燃料伝播のみならず、切れ目（６１）を通じた燃料伝播を有効的に利用することができるからである。したがって、より少ない量および濃度でも、より長い時間燃料を供給することができ、結果として長時間の発電ができる。
2008111528.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質、この電解質の一方の面に設けられたカソードおよび前記電解質の他方の面に設けられたアノードからなる単セルと、
厚み方向に形成された切れ目を有し、燃料を前記アノードに供給するウィッキング材と
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記ウィッキング材は、前記切れ目が複数設けられている
ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ウィッキング材は、前記切れ目の間隔が中心部より外周部の方が小さい
ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ウィッキング材は、前記切れ目の周囲を取り囲む直径３ｍｍ以下の穴を有する
ことを特徴とする請求項２または３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ウィッキング材は、板の形状を有し、厚み方向に複数積層されている
ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ウィッキング材は、少なくとも一つの層が他の層と気孔率、空孔径、吸水性のうち少なくとも一つが異なるように形成されている
ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ウィッキング材は、前記燃料との親和性が前記燃料から前記アノードに向かうにつれて高くなるように形成されている
ことを特徴とする請求項５または６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料は、燃料供給制御膜を介して供給され、
前記燃料供給制御膜は、主原料が疎水性膜である
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料は、液体燃料である
ことを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記アノードの電解質と反対側の面の側に設けられ、前記アノードに向かって開口した凹部を有し、この凹部に燃料が供給されるフレームと
をさらに備え、
前記ウィッキング材は、前記凹部内部に配設される
ことを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記カソードの前記電解質と反対側の面に接触するカソード集電体と、
前記アノードの前記電解質と反対側の面に接触するアノード集電体と
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記カソードの周縁部に設けられた第１のシール部材と、
前記アノードの周縁部に設けられた第２のシール部材と
をさらに備え、
前記カソード集電体は、前記第１のシール部材を介して前記カソードの前記電解質と反対側の面に設けられ、
前記アノード集電体は、前記第２のシール部材を介して前記アノードの前記電解質と反対側の面に設けられる
ことを特徴とする請求項１１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持した構造からなる電極−電解質膜接合体（Membrane and Electrode Assembly：以下、ＭＥＡという。）を備えている。そのアノードに液体燃料を直接供給する構造の燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれる。この直接形燃料電池の発電メカニズムは以下の通りである。まず、外部より供給された液体燃料が、アノードに担持された触媒上で分解されてプロトン、電子および中間生成物を生成する。生成された陽イオンは、固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動する。また、生成された電子は、外部負荷を経てカソード側に移動する。これにより、プロトンと電子とがカソードで空気中の酸素と反応する。この反応によって反応生成物が生成されることにより、発電が行われる。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという。）では、下式１で表される反応がアノードで起こり、下式２で表される反応がカソードで起こる。【０００３】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-   ・・・（１）
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ        ・・・（２）【０００４】
液体燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型化や軽量化が容易であるので、近年、携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源としての研究開発が活発に進められている。固体高分子燃料電池は、発電部分としてＭＥＡと呼ばれる発電最小ユニットを基本構成として有する。ＭＥＡは、燃料供給や電力の取り出しを行うための構造をもつ燃料電池セルに搭載することによって、初めて電源としての利用が可能となる。なお、携帯電話のような電子機器の電源として用いるには、単一の燃料電池セルでは電圧が低いため、複数のＭＥＡを連結することによって必要とする電圧を得ることができる。【０００５】
このような燃料電池を、携帯電話等の小型機器の電源や据え置きタイプの外付け充電器として使用する場合、外出先での使用が主な用途になるので、より小型化を促進することが期待されている。このため、ポンプやファンのような余計な補器類を使用せずに、発電セルに燃料や空気を供給することができるパッシブ型燃料電池の開発が期待されている。【０００６】
パッシブ型燃料電池の燃料供給方法としては、燃料容器内にウィッキング材を用いることが挙げられる。このウィッキング材は、燃料容器内部に挿入することにより、燃料を直接アノードに供給する。これは、ウィッキング材が有する毛管力により、燃料容器内のメタノールがアノードに送出されるからである。このようなウィッキング材を用いることにより、燃料電池のさらなる小型化を実現することができる。このため、近年では、ウィッキング材を用いた燃料電池について多くの研究がなされている。【０００７】
例えば、特許文献１（特開２００３-０３１７７４５号公報）には、燃料室とアノードの間にウィッキングシートを設けた燃料電池が開示されている。この特許文献１では、毛細管現象によってウィッキングシートに燃料を吸い込ませることにより、アノード全体に燃料を満遍なく拡散させることを実現している。しかしながら、特許文献１の構造ではウィッキング材の燃料保持力が強すぎるため、ウィッキング材内部に未使用の燃料が残存しやすいという問題がある。【０００８】
また、特許文献２（特開２００４−１７１８４４号公報）には、燃料貯留部に気孔率の異なる２層のウィッキング構造体を利用した燃料電池について開示されている。この特許文献２では、気孔率の大きい材料からなる保液層と気孔率の小さい供給層と備え、この供給層が燃料貯留部の大部分を占める保液層から燃料を吸い上げることにより、アノードに燃料を供給している。そのため、ウィッキング材内部の燃料を効率的に使用することが開示されている。しかしながら、特許文献２の構造では、保液層に燃料が溜まりやすくなることにより、保液層から給液層への燃料拡散が起こりにくくなるため、アノードへの燃料供給が起こりにくくなる。また、給液層が燃料をより吸収しやすいので、ウィッキング材内部の燃料がアノードに効率的に供給できなくなるといった問題点が完全には解決されていない。【０００９】
なお、特許文献３（特許第３７１７８７１号公報）には、発電によって発生した二酸化炭素の排出の効率化を目的として、アノード側のウィッキング材に小穴を開けることが記載されているが、小穴は燃料伝播に利用されない。また、特許文献３には、カソード側にウィッキング材を配置し、酸素の取り込みをよくするために溝を設けることが記載されているが、ウィッキング材を貫通させるような切れ目を開けることについては何ら記載されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、一般に、ウィッキング材を用いた燃料供給では、ウィッキング材内部における隣接した連続空孔を通じて、燃料が伝播されていく現象を利用している。このような現象は、もともと液体で占有されていない空孔では液体そのものが空孔間を伝播していくことにより発生するのに対して、液体で占有されている空孔では隣接した空孔が液体で満たされているので、隣接した空孔間において共有化された液体中を燃料が拡散していくによって、燃料がアノード側に伝播されることにより発生する。前者の場合、燃料伝播は、乾燥したウィッキング材の湿りやすさや液体の進入の容易さに依存する。このような燃料伝播は、乾燥またはやや湿った程度のウィッキング材中を燃料が伝播していく場合であり、使い初めや長時間使っていない状態からの再利用の場合に相当する。これに対して後者の場合、燃料伝播は、液体中の燃料成分拡散に近い条件で発生する。このような燃料伝播では、燃料が拡散する速度が律速となるため、濃度差などの因子が関係してくる。【００１１】
ある濃度の燃料がウィッキング材の空孔に浸入する際、乾燥またはやや湿った程度の状態の空孔では、燃料が隣接した空孔に移動し、燃料が空孔を燃料が埋めた段階で仕込み濃度の燃料に到達する。これに対して、液体で既に占有されている空孔間で燃料成分が伝播していく場合には、隣接空孔間の液滴の接触界面における限られた面積において、ほぼ液体中の燃料成分の拡散速度に支配された燃料伝播が主となる。前者では、仕込み濃度に近い燃料がそのまま伝播していくが、占有されていない空孔に表面張力をもった液滴が移動するため、液滴の移動が律速段階となる。一方、後者では、液体中での燃料成分拡散のため、燃料成分の拡散速度は比較的大きくなると予想される。しかしながら、実際には、隣接した空孔を占める液体の表面同士の接点を通じた燃料拡散となるので、通常の液体中の成分拡散とは異なって接点における移動速度も関係し、燃料伝播速度が液体中の燃料成分の拡散以外の要素をもって抑制されてしまう。また、後者では、空孔中の液滴そのものの移動が起こりにくくなるため、むしろ燃料成分の伝播が制限されやすい。【００１２】
直液型燃料電池のように、ウィッキング材とアノードが直接に接し、液体そのものがアノードに直接供給される場合には、十分な燃料が供給されつづけるため、上述したような問題があまり生じない。しかしながら、燃料の利用効率を改善するためになんらかの燃料供給制御を用いた燃料供給システムにおいては、ウィッキング材が有する生来の特性に起因する燃料伝播速度の影響が及ぶことになる。特に、ＰＴＦＥなどの燃料供給制御膜を備えた気化供給システムにおいては、燃料供給制御膜とウィッキング材の接触の程度によって燃料成分の供給量に影響が及ぶことがある。このような場合、ウィッキング材が燃料を保持しやすいために、アノードに供給されるべき燃料成分をウィッキング材が保持しすぎてしまうということも起こり得る。すなわち、燃料供給制御膜に隣接したウィッキング材部分の燃料濃度が十分でないと、燃料供給制御膜を通じてアノードに燃料が十分に供給されず、例えば電圧の低下や発電時間が短くなるなどの影響が生じてしまう。【００１３】
そこで、本発明は、上述したような課題を解決するためになされたものであり、十分な量の燃料をアノードに供給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】
【００１４】
上述したような課題を解決するために、本発明に係る燃料電池は、電解質、この電解質の一方の面に設けられたカソードおよび電解質の他方の面に設けられたアノードからなる単セルと、厚み方向に形成された切れ目を有し、燃料をアノードに供給するウィッキング材とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、ウィッキング材が切れ目を有することにより、ウィッキング材内部の燃料伝播のみならず、ウィキング材の切れ目を通じた毛管力を利用できるので、十分な量の燃料をアノードに供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】図１は、本発明の燃料電池の一構成例を示す断面図である。
【図２】図２は、本発明の燃料電池の一構成例を示す断面図である。
【図３】図３は、従来の燃料電池の一構成例を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明のウィッキング材の一構成例を示す概略図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、従来のウィッキング材の一構成例を示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の燃料電池の一例を示す断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、本発明のウィッキング材の一構成例を示す概略図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、本発明のウィッキング材の一構成例を示す概略図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、本発明のウィッキング材の一構成例を示す概略図である。
【図７Ｆ】図７Ｆは、本発明のウィッキング材の一構成例を示す概略図である。
【図７Ｇ】図７Ｇは、本発明のウィッキング材の一構成例を示す概略図である。
【図７Ｈ】図７Ｈは、本発明のウィッキング材の一構成例を示す概略図である。
【図８】図８は、本発明の燃料電池の一構成例を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明の燃料電池の一構成例を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の燃料電池の一構成例を示す断面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、本発明の燃料電池スタックの一構成例を示す断面図である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、本発明の燃料電池スタックのフレームの一構成例を示す断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、本発明の燃料電池スタックの一構成例を示す断面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、本発明の燃料電池スタックのフレームの一構成例を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。【００１８】
［第１の実施の形態］
図１に示すように、第１の実施の形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池セル１１は、固体高分子電解質膜３３と、固体高分子電解質膜３３の一方の面に配設されたカソード３１と、他方の面に配設されたアノード３２と、このアノード３２の固体高分子電解質膜３３と反対側の面に配設されたウィッキング材６０とを少なくとも備えている。【００１９】
ここで、ウィッキング材６０は、例えば、織布、不織布、繊維マット、繊維ウェブ、発泡性高分子などの公知の燃料保持剤から構成され、厚さ方向に切れ目６１が形成されている。【００２０】
このような燃料電池セル１１は、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池であり、その液体燃料がウィッキング材６０を介してアノード３２に供給されることによって、上式（１），（２）で表した反応がカソード３１またはアノード３２で起こり、発電されることとなる。なお、燃料の成分は、必ずしもメタノールを基本成分としたものに限定されず、エタノールなどのアルコール系燃料、エーテル系燃料などを適用することもできる。【００２１】
本実施の形態では、上述したようにウィッキング材６０に切れ目６１を形成している。これにより、ウィッキング材内部の燃料伝播のみならず、ウィキング材の切れ目を通じた毛管力を利用できるので、十分な量の燃料をアノード３２に供給することができる。これは、ウィッキング材６０内部の連続空孔を介した燃料伝播のみならず、切れ目６１を通じた燃料伝播を有効的に利用することができるからである。したがって、より少ない量および濃度でも、より長い時間燃料を供給することができ、結果として長時間の発電ができる。【００２２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態において、上述した第１の実施の形態と同等の構成要素については、同じ名称および符号を付し、適宜説明を省略する。【００２３】
＜燃料電池システムの特徴＞
図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システムを構成する燃料電池セル１１は、フレーム１０が凹部からなる燃料タンク部１２を含み、燃料タンク部１２にウィッキング材６０が挿入されている。実際には、フレーム１０は、液体燃料を貯液できる構造となっている。また、燃料を注入するための燃料注入口２１が、フレーム１０に設けられており、適時燃料を補充できるようになっている。フレーム１０の上には、ＭＥＡ１３が集電体に挟まれてセットされている。具体的には、アノード３２側にはアノード集電体４２、カソード側３１にはカソード集電体４１が位置し、それらの集電体がＭＥＡ１３を挟み込み、集電する構造となっている。ＭＥＡ１３は、固体高分子電解質膜３３を挟み込むように、カソード３１とアノード３２が対面する構造になっている。また、集電体の間には、絶縁および液体の漏れをシールする目的でシール部材４３が設けられている。これらの発電部分は、ねじ止めなどの固定方法によって、フレームに留められているとしているが、必ずしもねじなどで固定する必要はなく、集電することができ、かつ燃料の漏れがない構造でありさえすればよい。このような構造によって、燃料電池セル１が構成されている。【００２４】
ここで、図２に示す本実施の形態に係る燃料電池システムは、第１の実施の形態と同様、図３に示す従来の燃料電池システム１００と比較して、ウィッキング材６０の構成が異なるものである。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池システムのウィッキング材６０には、厚さ方向に切れ目が形成されている。図２および図４Ａに示すように、ウィッキング材６０には、切れ目６１が形成されている。この切れ目は、アノード３２へ燃料を吸い上げる方向に切れ目６１が入れてある。また、図５に示した燃料供給制御５３を介した燃料供給にも適用することが可能である。【００２５】
一方、図３に示す従来の燃料電池システム１００は、図４Ｂによく示すように、ウィッキング材１０１に切れ目が形成されていない。なお、図３等に示す従来の燃料電池システム１００において、本実施の形態と同等の構成要素には、同じ名称および符号を付して適宜説明を省略する。【００２６】
なお、ウィッキング材６０に形成する切れ目６１の形状や構成は、図４Ａに示す構成に限定されず、例えば図６Ｃ〜図７Ｈに示すように適宜自由に設定することができる。【００２７】
例えば、図６Ｃでは、切れ目６１を上面および下面に貫通させずに設けている。このような切れ目６１を貫通させない構造においては、上面と下面で切れ目６１の密度を変え、ウィッキング材６０内部への燃料も取り込み、または放出の容易さに差をつけることができる。【００２８】
図６Ｄでは、図４Ａの切れ目６１から枝分かれするような構造で、分岐した切れ目６１を設けている。このような切れ目６１の構造にすることによって、よりウィッキング材内部への燃料伝播が促進され、さらに、アノード３２側表面では燃料が放出されやすくなるため、ウィッキング材内部の燃料をより無駄なく消費することができる。【００２９】
図６Ｅでは、ウィッキング材６０の一部に切れ目６１を入れ、さらに、小穴６２を併設させた構造になっている。なお、図６Ｅの切れ目６１と小穴６２は、その配置は図に示したものに限定されず、また、小穴の形状も円形に限定されない。さらに、周辺部分に切れ目６１を配し、中央部分に小穴６２を配置させる、または、切れ目６１と小穴６２の位置関係を適当な規則性によって配置させたり、ランダムに配置させたりすることも可能である。【００３０】
図７Ｆでは、切れ目６１を平行な線の列ではなく、非平行な図形を描くような線の組み合わせた一例であり、ウィッキング材６０面内において、切れ目６１の効果が異なるような配置にすることができることを示している。【００３１】
図７Ｇでは、ウィッキング材６０の周辺部分ほど面内の切れ目６１密度が大きく、中央部分ほど密度が小さくなるように切れ目６１を配置した一例であり、発電で温度上昇しやすい中央部分よりも、相対的に温度が低くなりやすい周辺部分に切れ目６１を通じた燃料の伝播が起こりやすくなる。【００３２】
図７Ｈでは、ウィッキング材６０の片面にのみ切れ目６１を設けた一例を示している。例えば、吸水性が非常によいウィッキング材６０に関しては、燃料の放出が律速となることで、アノード３２への燃料供給が十分ではなくなるが、図７Ｈのように、アノード３２面側だけに切れ目６１を設けるだけでも、アノード３２への燃料伝播が促進される。【００３３】
＜燃料電池システムの構成＞
次に、本実施の形態に係る燃料電池システムの各構成要素の構成について、詳細に説明する。【００３４】
本実施の形態に係る燃料電池システムは、図２に示したような単一の燃料電池セル１１からなるものに限定されず、例えば、図１１Ａ，図１１Ｂ、図１２Ａ，図１２Ｂに示すような、複数のＭＥＡ１３または燃料電池セル１１を直列に接続した構成または並列に接続したものでもよい。この際、燃料タンク部１２は、複数の燃料電池セル１１に包含されたり、各燃料電池セル１１によって分別されたりしていてもよい。すなわち、燃料電池セル１１の構造が図２、図３または図５のような基本構造に準ずるような構造であればよく、その燃料電池システム全体の構成は、特定のセル構造に限定されることはない。【００３５】
（燃料電池セル）
次に、本実施の形態に係る燃料電池セル１１について詳細に説明する。なお、以下に説明する燃料電池セル１１は、その一例であって、本発明が以下の燃料電池セルに限定されるものではない。【００３６】
上述したように、図３に示す従来の燃料電池セル１００において、燃料タンク部１２には、ウィッキング材１０１が挿入されている。ウィッキング材１０１には、連続した空孔があるため、その連続空孔を、主に毛管力などの駆動力によって伝播し、アノード３２に燃料が供給されることになる。【００３７】
これに対し、本実施の形態における燃料電池セル１１は、図２に示したように、少なくともウィッキング材６０の厚さ方向に切れ目を有し（図４Ａ）、ウィッキング材６０内部の連続空孔を介した燃料伝播だけではなく、切れ目を通じた燃料伝播も可能となる。このため、ウィッキング材６０の連続空孔のみを燃料が伝播する場合のように、燃料伝播度が発電に必要な分だけアノード３２に供給されなくなり、発電が停止するようなことは抑制される。また、燃料が少なくなった際にも、切れ目６１がない場合と比較して、より多くの燃料を切れ目６１を通じてアノード３２に供給することができる。結果として、燃料タンク部１２中の燃料をより効率的にアノード３２に供給することができる。【００３８】
また、燃料供給に関しては、アノード３２に液体のメタノール水溶液が直接触れる直液供給のみならず、図５に示すように、燃料供給制御膜５３を介した気化供給法などを用いるようにしてもよい。この場合、燃料供給制御膜５３としては、疎水性のＰＴＦＥ多孔質膜や親水性の電解質膜などを用いることができる。燃料供給制御膜に関しては、燃料タンク部１２からアノード３２に燃料供給すればよく、その材質は各種材料を適宜自由に用いることができる。【００３９】
燃料電池セル１１は、図２等に示すように、固体高分子電解質膜３３と、固体高分子電解質膜３３の一方の面に配設されたカソード３１と、他方の面に配設されたアノード３２と、カソード３１の固体高分子電解質膜３３側の面と反対側の面に配設されたカソード集電体４１と、アノード３２の固体高分子電解質膜３３側の面と反対側の面に配設されたアノード集電体４２と、固体高分子電解質膜３３の周縁に配設されてその固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２とで挟持されたシール部材４３とを少なくとも備えている。なお、固体高分子電解質膜３３、カソード３１およびアノード３２は、ＭＥＡ１３を構成する。このＭＥＡ１３の上下面には、カソード集電体４１またはアノード集電体４２がシール部材４３を介して設けられている。【００４０】
本実施の形態における燃料電池セル１１は、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池であり、その液体燃料がアノード３２に供給されることによって発電が起こる。また、上述したように、燃料供給制御膜５３を介した燃料を気化供給した方式にも適用可能である。なお、燃料の成分は、必ずしもメタノールを基本成分としたものに限定されず、エタノールなどのアルコール系燃料、エーテル系燃料などを適用することもできる。【００４１】
（ＭＥＡ）
ＭＥＡ１３は、上述したように固体高分子電解質膜３３をカソード３１とアノード３２とで挟持した構成を有する。固体高分子電解質膜３３としては、プロトンの伝導性が高く、かつ、電子伝導性をもたない高分子膜を用いることが望ましい。固体高分子電解質膜３３の構成材料としては、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有するイオン交換樹脂などが望ましい。具体例としては、パーフルオロスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリイミド系樹脂等が挙げられる。より具体的には、例えば、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族系高分子からなる固体高分子電解質膜などが挙げられる。固体高分子電解質膜の膜厚は、材質や燃料電池の用途等に応じて、１０〜３００μｍ程度の範囲内で適宜自由に設定することができる。【００４２】
（カソードおよびアノード）
カソード３１は、上式（２）に示すように、酸素を還元して水にする電極であり、例えば、触媒をカーボン等の担体に担持させた粒子（粉末を含む）または担体を有さない触媒単体と、プロトン伝導体との触媒層をカーボンペーパー等の基材上に塗布等で形成することにより得ることができる。触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、モリブデン、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等が挙げられる。触媒は、１種のみ、または、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。触媒を担持する粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素系材料を用いることができる。粒子の大きさは、例えば炭素系材料が粒状物であるときには、０．０１〜０．１μｍ程度の範囲内、望ましくは０．０２〜０．０６μｍ程度の範囲内で適宜自由に設定することができる。粒子に触媒を担持させるには、例えば含浸法を用いることにより実現することができる。【００４３】
触媒層が形成される基材としては、固体高分子電解質膜を用いたり、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属など導電性を有する多孔性物質を用いたりしてもよい。カーボンペーパー等の基材を用いた場合には、基材上に触媒層を形成してカソード３１を得た後に、ホットプレス等の方法によって、触媒層が固体高分子電解質膜３３と接触する向きでカソード３１を固体高分子電解質膜３３に接合させるのが望ましい。カソード３１の単位面積当たりの触媒量は、触媒の種類や大きさ等に応じて、０．１ｍｇ／ｃｍ2 〜２０ｍｇ／ｃｍ2程度の範囲内で適宜自由に設定することができる。【００４４】
アノード３２は、上式（１）に示すように、メタノール水溶液と水から水素イオンとＣＯ2と電子を生成する電極であり、上述したカソード３１と同等の構成を有する。アノード３２を構成する触媒層や基材は、カソード３１を構成する触媒層や基材と同じであったり、異ったりしてもよい。アノード３２の単位面積当たりの触媒量も、カソードの場合と同様、触媒の種類や大きさ等に応じて、０．１ｍｇ／ｃｍ2〜２０ｍｇ／ｃｍ2程度の範囲内で適宜自由に設定することができる。【００４５】
（集電体）
カソード集電体４１およびアノード集電体４２は、カソード３１またはアノード３２上にそれぞれ接触して配設される。これにより、電子の取出効率および電子の供給効率が向上する。このような集電体４１，４２は、図２に示すように、ＭＥＡの周縁部に接する枠形状のものであってもよいし、ＭＥＡの全面に接する平板状またはメッシュ状等のものであってもよい。その形状に関しては、設計上の都合などに応じて適宜自由に設定することができる。集電体４１，４２の材料としては、例えば、ステンレス鋼、焼結金属、発泡金属等、またはこれらの金属に高導電性金属材料をメッキ処理したものやカーボン材料などの導電体等を適宜自由に用いることができる。特に、ウィッキング材６０による燃料供給を促進するためには、少なくともアノード側の集電体に関しては、アノード３２の面とウィッキング材６０の面との接触面積ができる限り大きくなるのが望ましい。これは、燃料供給制御膜５３を介した場合も同様である。なお、ＭＥＡ構造自体に集電構造を含む燃料電池スタック１５については、上述したような方式に限定されず、集電体を用いないようにしてもよい。【００４６】
（シール部材）
本実施の形態に係る燃料電池セル１１には、シール機能を有するシール部材４３が複数設けられている。例えば、図２および図５に示すように、固体高分子電解質膜３３とカソード集電体４１との間には、カソード３１の厚さとほぼ同じ厚さからなるシール部材４３がセル構造の周縁に枠状に設けられており、固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２との間には、アノード３２の厚さとほぼ同じ厚さからなるシール部材４３がセル構造の周縁に枠状に設けられている。アノード集電体４２とフレーム１０との間には、任意の厚みをもつシール部材４３が設けられている。なお、これらのシール部材は、必要に応じたシール性、絶縁性および弾性を有するものが望ましい。このようなシール部材の材料は、通常、シール機能を有するゴムやプラスチック等から構成されている。詳しくは、ＰＴＦＥ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、塩化ビニル等のプラスチック素材や、テフロン(登録商標)ゴム、シリコンゴム、ブチルゴム等のゴム素材から形成されている。なお、集電体を必要とせずに電気的な接続を可能とする構造の場合、燃料漏れを防ぐためのみのシールさえされていればよく、上述したようなシール部材４３全てを必要としなくてもよい。【００４７】
（燃料タンク部）
燃料タンク部１２は、フレーム１０のアノード３２と対向する側の面に開口を有する凹部からなり、フレーム１０の側面とその凹部とを連通する燃料注入口２１を有する。燃料注入口２１の数量は、１つに限定されず、燃料タンク部１２に溜まった空気と燃料の置換が起こりやすいように複数の燃料注入口２１または放圧弁のようなものを設けるようにしてもよい。本実施の形態では、各種燃料注入口２１を用いることができるが、注入した燃料が逆流しないような逆止弁を取り付けておくと燃料の飛び出しなどが防げるためより望ましい。また、燃料タンク部１２の形状、大きさに等も適宜自由に設定することができるが、アノード３２に対する開口部分は、アノード電極表面積と同程度であることが望ましい。また、厚さ方向に関しても適宜自由に設定することができるが、燃料タンク部１２の底とアノードまでの距離が離れすぎると燃料タンク部１２の底部分に燃料が溜まってしまう恐れがあるので、燃料電池スタック１５一つに対して１０ｍｍ未満の厚さに収まることが望ましい。【００４８】
（ウィッキング材）
タンク部１２には、通常ウィッキング材と呼ばれる燃料保持材が挿入されている。本実施の形態におけるウィッキング材６０は、主に毛細管現象により燃料であるメタノール水溶液を吸い上げかつ保持するとともに、アノード３２への燃料供給を行う。この原理としては、ウィッキング材６０内部に形成された連続した空孔を介して液体の燃料成分が伝播し、隣接した空孔の接触部において燃料成分が伝播し、空孔内部を占める液体中での拡散、さらに別の隣接した空孔への燃料伝播が繰り返されるために、アノード３２に燃料が供給されることが挙げられる。この際、アノード３２に近傍では、燃料成分中のメタノールが消費されるため、アノード３２方向に向かった燃料の濃度勾配ができ、この濃度勾配を駆動力としてメタノールの拡散が起こる。なお、ウィッキング材６０の連続した空孔を介した燃料伝播は、単純な液体中での拡散現象のように無限の方向に拡散するわけではなく、限られた隣接した空孔の液体の接触部を通じてのみ起こるため、燃料の伝播速度は抑制されることになる。【００４９】
上述したようにウィッキング材は、連続空孔の燃料伝播を基本的な原理として燃料を吸い上げていくが、燃料の量や濃度が低下していくにつれて、燃料電池の発電で必要となる燃料を十分に供給できなくなってくる。このため、仕込み燃料を効率的に利用するためには、連続空孔以外の燃料伝播経路が有効となる。本実施の形態のように、ウィッキング材に切れ目６１を入れ、その切れ目６１を通じた燃料の吸い上げを利用することによって、より少ない量および濃度でも、より長い時間燃料を供給することができ、結果として長時間の発電ができる。切れ目６１の具体例としては、図４Ａ、図６Ｃ〜図６Ｅおよび図７Ｆ〜図７Ｈに示すような切れ目を挙げられる。図４Ａは、最も簡単な切れ目６１の一例であり、厚み方向を貫いて切れ目を設けている。また、より機能化させるためには、例えば図６Ｃでは、切れ目６１を貫通させず、ウィッキング材６０への吸い上げと、アノード３２への供給経路を分別させている。また、例えば図６Ｄのように、主な切れ目６１に枝分かれした小さな切れ目６１を入れることにより、より少ない量になった燃料でも吸い上げることが可能となる。さらに、例えば図６Ｅでは、切れ目６１を単なる２次元的な線状にとどめるのではなく、くりぬいてしまうことによって、液体燃料をウィッキング材６０のくりぬき部分にも保持させることができることになり、結果としてより多くの燃料を保持することができる。【００５０】
ウィッキング材６０の素材としては、例えば、織布、不織布、繊維マット、繊維ウェブ、発泡性高分子等を用いることができる。特に、ウレタンやＰＶＦ系の素材のように、高分子基材の発泡素材が望ましい。従来では、燃料保持の観点から親水性素材が最もよく用いられてきたが、燃料を保持しすぎると、この保持した燃料を放出しにくくなり、アノード３２への燃料供給が実際の仕込み燃料の割には消費しきれないという問題が生じていた。そこで、本実施の形態では、従来ではウィッキング材６０の素材の選定によってのみ可能であった燃料伝播速度の制御を、切れ目６１を利用して行うことが可能となる。なお、ウィッキング材６０の構造は、上述したような構造に限定されず、ウィッキング材６０に切れ目６１状の部分を設けることにより、燃料の吸い上げ、保持および放出を実現することができるのであれば、適宜自由に設定することができる。【００５１】
（ウィッキング材の積層）
上述したように、ウィッキング材６０を単層で用いた場合、切れ目６１を入れることにより燃料供給を改善することができる。この効果をより高めるため、異なる性状をもつウィッキング材を積層するようにしてもよい。例えば、図８の場合、アノード３２に近い側に最も親水性が高い素材、最も離れた側に燃料を保持しやすいような空孔径や空孔率の大きな素材、これらの間にそれらの中間の性質をもつような素材を積層し、かつ切れ目６１を入れることによって、燃料吸収および保持性の違いを傾斜的に利用することができる。このような積層構造の場合、アノード３２に最も近い側に挿入したウィッキング材６０に燃料が保持され、放出されにくくなる傾向があるが、本実施の形態のような切れ目６１を入れることによって、燃料供給が発電の必要量に追いつかなくなるような現象を低減することができる。ウィッキング材６０の積層に関しては、必ずしも上述したような３層構造に限定されないが、基本的な構造の説明として、以下においては３層積層の場合を例に説明する。【００５２】
具体的なウィッキング材６０の積層構造としては、最下部に空孔径および空孔率の大きな素材を用い、燃料注入した際に燃料の一時的な伝播を起こりやすくする。この上には、最下部のウィッキング材６０よりは、吸水性が高い素材のウィッキング材６０を積層し、さらにアノード３２に隣接する部位には、より親水性が高い素材を積層させる。このような積層によって、燃料タンク部１２からアノード３２方向への燃料伝播勾配ができるので、アノード３２への燃料供給を促進させることができる。【００５３】
図８〜図１０に示す構造は、ウィッキング材６０の積層、および切れ目６１をどの部位に設けるのかを例示したものである。図８では、切れ目６１が全てのウィッキング材６０を貫いているため、積層による効果との相乗効果によって、より低い濃度の燃料を供給することができる。また、図９に示すように切れ目６１をずらすと、各ウィッキング材６０において、切れ目による縦方向の燃料伝播を維持しながら、異なるウィッキング材６０間の接触界面における横方向の燃料伝播を利用できるので、ＭＥＡ面内での燃料の均一性を向上させることができる。さらに、図１０に示すように燃料中継層のみに切れ目６１を入れるなど、切れ目６１を入れないウィッキング材６０も組み合わせて積層させることによって、燃料の吸い上げがウィッキング材６０の特性のみに依存するのを防ぐことができる。なお、積層構造は、上述したような構成に限定されず、例えば、親水性、疎水性、空孔径、空孔率などのウィッキング材６０が有する性質を組み合わせたり、図４Ａおよび図６Ｃ〜図７Ｈに示したようなウィッキング材６０形状を組み合わせたりするなど、適宜自由に設定することができる。【００５４】
以上説明したように、本実施の形態によれば、燃料電池システムを構成する燃料電池セル１１において、燃料タンク部１２に挿入するウィッキング材６０に切れ目６１を入れることによって、ウィッキング材内部の燃料伝播のみならず、ウィキング材の切れ目を通じた毛管力を利用できるので、十分な量の燃料をアノードに供給することができる。これは、ウィッキング材６０内部の連続空孔を介した燃料伝播のみならず、切れ目６１を通じた燃料伝播を有効的に利用することができるからである。また、切れ目６１を入れたウィッキング材６０を積層することによって、燃料伝播の効果をより改善することができる。この結果、燃料が少なくなった場合や燃料濃度が下がった場合でもアノード３２に燃料供給を行うことができ、安定した発電を長時間行うことができる。また、積層や切れ目６１の組み合わせを色々と変えることにより、燃料伝播の効率をより向上させることができる。切れ目６１については、ウィッキング材の外形等を変える必要がなく、非常に簡便に形成することができるので、燃料を無駄なく利用することができる。また、ウィッキング材に設けた切れ目を入れることで、ウィッキング材内部の連続空孔を通じた燃料伝播に加え、ウィッキング材に設けた切れ目を通じた燃料伝播が効率的に利用することができるので、従来のようにウィッキング材の素材、形状、積層構造などといった要素に特別な限定をする必要がなくなる。【００５５】
本実施の形態を適用する燃料電池は、携帯電話、ノート型パソコン、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽プレーヤーなど、各種装置に適用することができる。また、これらの電子機器の補助電源としても用いることができる。【００５６】
次に、本発明の実施例について説明する。【００５７】
［第１の実施例］
まず、第１の実施例に係る燃料電池セル１１の構造について、以下に説明する。【００５８】
はじめに、炭素粒子（ライオン社製、ケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子１ｇに５重量％ナフィオン（登録商標）溶液（デュポン社製、ＤＥ５２１）を加え、攪拌して、カソード形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを基材としてのカーボンペーパー（東レ社製、ＴＧＰ−Ｈ−１２０）上に１〜８ｍｇ／ｃｍ2で塗布し、乾燥させて、４ｃｍ×４ｃｍのカソード３１を作製した。一方、白金微粒子に代えて粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子（Ｒｕの割合は５０at％）を用いた以外は上述したカソード形成用の触媒ペーストを生成するのと同じ条件でアノード形成用の触媒ペーストを得た。この整触媒ペーストを用いた以外は上述したカソードの作製条件と同じ条件で、アノード３２を作製した。【００５９】
次に、ナフィオン１１７（数平均分子量は２５００００）からなる６ｃｍ×６ｃｍ×厚さ１８０μｍの膜を固体高分子電解質膜３３として用い、この膜の厚さ方向の一方の面に上記カソード３１を触媒を塗布していない面が外側となる向きで配置し、他方の面に上記アノード３２のアノード触媒を塗布していない面が外側となる向きで配置し、触媒を塗った電極面同士が固体高分子電解質膜３３を介して対面させた状態で、各カーボンペーパーの外側から圧力をかけてホットプレスした。このようにして、ＭＥＡ１３を作製した。【００６０】
燃料タンク部１２には、図４Ａのような切れ目６１をもつ３ｍｍ厚のウィッキング材６０を１枚挿入した。切れ目６１は、３ｍｍ程度の間隔で形成した。ウィッキング材６０としては、空孔径が５０μｍ、気孔率が８５％であり、親水性をもつ材料を用いた。【００６１】
次に、カソード３１とアノード３２の上に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）からなる外寸法５ｃｍ×５ｃｍ、内寸法３．８ｃｍ×３．８ｃｍ、厚さ１．０ｍｍの矩形枠状の枠板からなる集電体４１，４２を、カソード３１側とアノード３２側の両面に配置し、ねじ止めによりフレーム１０に固定した。フレーム１０は、上述した集電体と同じ外寸法を有する。全体の厚みは５ｍｍ、内側の燃料タンク部１２の深さは３ｍｍとし、図２に示したような断面構造をもつ。アノード３２とフレーム１０の間には、シリコンゴム製のシール部材４３を配置させ、液漏れを防いだ。【００６２】
このように作製した燃料電池システムについて、燃料タンク部１２に各種のウィッキング材６０を挿入し、以下に示す発電試験を行った。なお、各集電体には電気的に接続可能な端子が設けられており、この端子を通じて測定機器と接続した。【００６３】
［第２の実施例］
次に、第２の実施例に係る燃料電池セルについて以下に説明する。【００６４】
本実施例では、第２の実施例のウィッキング材６０として、図６Ｃのような３ｍｍ厚のウィッキング材６０を挿入した。ウィッキング材６０の両面には、厚さ方向に０．７ｍｍの深さで切れ目６１を設けてある。これ以外のＭＥＡの作製方法や構造等は、第１の実施例と同等である。【００６５】
［第３の実施例］
次に、第３の実施例に係る燃料電池セルについて以下に説明する。【００６６】
本実施例では、第３の実施例のウィッキング材６０として、図６Ｄのような３ｍｍ厚のウィッキング材６０を挿入した。これ以外のＭＥＡの作製方法や構造等は、第１の実施例と同等である。【００６７】
［第４の実施例］
次に、第４の実施例に係る燃料電池セルについて以下に説明する。【００６８】
本実施例では、第４の実施例のウィッキング材６０として、図６Ｅのような３ｍｍ厚のウィッキング材６０を挿入した。第４の実施例のウィッキング材６０に開けた小穴の直径は１ｍｍ程度であり、切れ目を取り囲む形で配置させた。これ以外のＭＥＡの作製方法や構造等は、第１の実施例と同等である。【００６９】
［第５の実施例］
次に、第５の実施例に係る燃料電池セルについて以下に説明する。【００７０】
本実施例では、図７Ｆに示すような３ｍｍ厚のウィッキング材６０を挿入した。本実施例において、ウィッキング材６０の切れ目６１は、これまで示したように平行に設けた直線ではなく、非平行方向にも設けている。これら以外のＭＥＡの作製方法や構造等は、第１の実施例と同等である。【００７１】
［第６の実施例］
次に、第６の実施例に係る燃料電池セルについて以下に説明する。【００７２】
本実施例では、ウィッキング材６０の切れ目６１が、第１の実施例のように等間隔で設けておらず、周辺部分の切れ目６０間隔を小さくし、さらには、切れ目６１を垂直に交わるように設けている。これは、周辺部分の燃料伝播を促進させるためである。これ以外のＭＥＡの作製方法や構造等は、第１の実施例と同等である。【００７３】
［第７の実施例］
次に、第７の実施例に係る燃料電池セルについて以下に説明する。【００７４】
本実施例では、ウィッキング材６０の切れ目６１を、アノード３２に対峙する面にのみ格子状に形成している。これ以外のＭＥＡの作製方法や構造等は、第１の実施例と同等である。【００７５】
［第８の実施例］
次に、第８の実施例に係る燃料電池セルについて以下に説明する。【００７６】
本実施例では、ウィッキング材６０が、図８に示すような断面構造となるように、アノード３２に近い側から順番に、空孔径２００μｍ、気孔率８５％の親水性素材からなる燃料供給層、空孔径５００μｍ、気孔率８５％の親水性素材からなる燃料中継層、空孔径８００μｍ、気孔率９０％の疎水性素材からなる貯液層を設け、切れ目６１が燃料タンク部１２からアノード３２まで貫通している構成を有している。各ウィッキング材６０の厚みは１ｍｍであり、燃料タンク部１２の厚みと同じにした。その他のＭＥＡの作製方法や構造等は、第１の実施例と同等である。【００７７】
［第９の実施例］
次に、第９の実施例に係る燃料電池セルの構造について、以下に説明する。【００７８】
本実施例では、第８の実施例と同様にウィッキング材６０を３層挿入した構成を有する。第８の実施例との相違点は、図９に示すような断面構造となるように、切れ目６１が燃料タンク部１２からアノード３２まで貫通しないように交互に設けていることである。その他の点に関しては、第８の実施例と同様である。【００７９】
［第１０の実施例］
次に、第１０の実施例に係る燃料電池セルの構造について、以下に説明する。【００８０】
本実施例では、第８の実施例と同様にウィッキング材６０を３層挿入した構成を有する。第８の実施例との違いは、図１０に示すような断面構造となるように、切れ目６１を燃料中継層のみに設けている点にある。その他の点に関しては、第８の実施例と同様である。【００８１】
［第１１の実施例］
次に、第１１の実施例に係る燃料電池セルの構造について、以下に説明する。【００８２】
本実施例では、第８の実施例と同様にウィッキング材６０を３層挿入した構成を有する。第８の実施例との違いは、図５に示すような燃料供給制御膜５３を用いている点にある。燃料供給制御膜５３としては、ポリテトラフルオロエチレンの多孔質膜を用いた。積層させたウィッキング材６０の断面構造は、図８に示す通りである。その他の点に関しては、第８の実施例と同様である。なお、燃料供給制御膜５３を用いた場合、ＭＥＡ１３への水の直接供給が抑制されるため、ＭＥＡ１３の水分保持を目的とした保湿材５１をカソード３１上に設け、さらに保湿材５１を固定するためのカバー部材５２を図５に示すような形で設けている。【００８３】
［第１２の実施例］
次に、第１２の実施例に係る燃料電池セルの構造について、以下に説明する。【００８４】
本実施例では、第８の実施例で用いた燃料電池セル１１を３つ直列接続することより、燃料電池スタック１５を形成したものである。図１２Ｂに示すように、フレーム１０内部に燃料タンク部１２があり、その中に切れ目１１を設けたウィッキング材６０を挿入している。ウィッキング材６０は、３つの燃料電池セル１１で共有されている。電気は、カソード端子４１１、アノード端子４２１から取り出される。基本的な構成は、上述した燃料電池セル１１と同様である。【００８５】
［第１の比較例］
次に、本発明に係る実施例と比較する第１の比較例で用いた燃料電池セルの構造について、以下に説明する。【００８６】
第１の比較例において、ＭＥＡの作製方法および構造は第１の実施例と同様である。第１の比較例のウィッキング材６０としては、図４Ａのような３ｍｍ厚のウィッキング材６０を挿入し、構造としては図３のような断面となる。【００８７】
［第２の比較例］
次に、本発明に係る実施例と比較する第２の比較例で用いた燃料電池セルの構造について、以下に説明する。【００８８】
第２の比較例において、ＭＥＡの作製方法および構造は第１の実施例と同様である。第１の比較例のウィッキング材６０としては、図８のように、１ｍｍ厚のウィッキング材６０を３枚挿入し、第８の実施例のようなウィッキング材６０の構成となっている。第８の実施例との違いは、ウィッキング材６０に切れ目６１を入れていない点である。【００８９】
［第３の比較例］
次に、本発明に係る実施例と比較する第３の比較例で用いた燃料電池セルの構造について、以下に説明する。【００９０】
第３の比較例は、第１の比較例で用いた燃料電池セル１１を３つ直列接続し、燃料電池スタック１５を形成させた例である。図１１Ｂのように、フレーム１０内部に燃料タンク部１２があり、その中に切れ目１１を設けたウィッキング材６０を挿入している。ウィッキング材６０は、３つの燃料電池セル１１で共有されている。カソード端子４１１、アノード端子４２１から電気を取り出している。基本的な構成は、上述した燃料電池セル１１と同様である。【００９１】
＜実験方法＞
次に、上述した第１〜第１２の実施例および第１〜第３の比較例について、５０ｖol％メタノール水溶液を燃料タンク部１２に満たし、大気環境（２５℃、５０％）にて、５０ｍＡ／ｃｍ2の電流密度に相当する電流値で、定電流発電試験を行った。第１〜第１１の実施例および第１，第２の比較例に関しては、電圧が２００ｍＶを切った段階、または２４０分を経過した段階で測定を停止させた。また、第１２の実施例および第３の比較例に関しては、電圧が９００Vを下回った時点、または１２０分を経過した時点で発電を停止させた。【００９２】
まず、第１〜第１１の実施例と第１，第２の比較例における実験結果を表１に示す。【００９３】
【表１】
2008111528.tif 000003
【００９４】
まず、表１からもわかるように、第１の比較例では、発電時間が５５分と短く、安定した発電を継続することができなかった。ウィッキング材６０を用いた燃料供給の場合、燃料は通常ウィッキング材６０内部の連続空孔を通じて伝播していくことになる。しかし、３ｍｍという厚みは、燃料を吸収するのには十分であるが、逆に十分すぎて、保持された燃料が放出されにくくなり、燃料タンク部１２には燃料が十分に残っているにもかかわらず、発電が停止してしまうことになる。【００９５】
これに対して、第１の実施例では、発電時間が第１の比較例のおよそ２倍まで延びている。燃料の伝播は、ウィッキング材６０内部の連続空孔のみならず、切れ目６１を通じても可能となるため、より多くの燃料がアノード３２に供給できるようになった。【００９６】
第２の実施例では、第１の実施例と比較して１５分程度発電時間が延びた。この原因としては、燃料伝播が、燃料タンク部１２の底から吸い上げてから、一旦ウィッキング材６０内部の連続空孔を通じて伝播し、連続空孔を通じた伝播とアノード３２に向けて開放された切れ目６１の伝播とに分離されるため、切れ目６１から直接燃料がアノード３２に供給されることが低減され、温度上昇によって消失してしまうエネルギーを効率的に使うことができた点にある。【００９７】
第３の実施例では、第１の実施例よりも３０分程度発電時間が延びているが、これは、ウィッキング材６０内部に残存してしまう燃料が減少し、アノード３２に供給された分が増えたためと考えられる。【００９８】
第４の実施例では、小穴６２に液体燃料が溜まる分、多くの燃料を溜めることができ、さらには切れ目６１通じて、ウィッキング材６０による燃料供給が改善されたため、第１の実施例の１．５倍の時間発電を継続できた。【００９９】
第５の実施例では、第１の実施例とほとんど同じ発電経過をたどった。【０１００】
第６の実施例では、温度上昇しやすいＭＥＡ１３中央部への燃料供給が相対的に少なくなり、温度上昇しにくい周辺部分の温度が十分に高くなったため、発電時間が著しく伸びた。【０１０１】
第７の実施例では、第６の実施例と同様の効果が得られたが、切れ目６１がアノード３２側まで貫通しておらず、やや母体となるウィッキング材６０内部に燃料が残存する傾向がでたため、発電時間は実施例５と比較して短くなったが、第４の実施例と比較すると長い時間の発電可能となった。第２の比較例では、ウィッキング材６０を３層積層させているが、一番底に位置するウィッキング材の空孔径が大きいため、より多くの燃料を溜めつつ、燃料中継層、燃料供給層を通じ、アノード３２に効率的に燃料供給されるため、第１の比較例よりも飛躍的に発電時間を延ばすことができた。【０１０２】
第８の実施例では、第２の比較例と比較して、図８に示すように、切れ目６１を燃料タンク部１２からアノード３２まで貫通させて設けている点にある。その結果、２４０分まで安定した発電を継続することができた。【０１０３】
第９の実施例では、切れ目６１を燃料タンク部１２の底からアノード３２まで貫通させるのではないため、積層させたウィッキング材６０間での燃料伝播は、ウィッキング材６０の接触部における伝播となったため、燃料の量が少なくなった２４０分において、やや電圧が低くなった。【０１０４】
第１０の実施例では、燃料中継層のみに切れ目６１を入れたため、燃料中継層における燃料伝播がよくなったが、燃料供給層の燃料保持が多くなり、やや電圧の低下が早くなった。【０１０５】
第１１の実施例では、燃料供給制御膜５３を通じた燃料供給を行ったため、燃料消費が効率的に制御できた分、初期電圧はやや低いながらも、２４０分でも高い電圧を保つことができた。【０１０６】
次に、第１２の実施例および第３の比較例の実験結果を表２に示す。なお、この表２は、燃料電池スタック１５にした場合の実験結果である。【０１０７】
【表２】
2008111528.tif 000004
【０１０８】
この表２に示すように、第３の比較例では、第１の比較例と同様の要因によって、長時間安定した発電を得ることができなかった。【０１０９】
これに対して、第１２の実施例では、第８の実施例と同様のウィッキング材６０構造をしているため、１２０分間安定した燃料供給を行うことができ、その結果、安定した電圧で発電を継続することができた。第１２の実施例の結果からわかるように、ウィッキング材６０に切れ目６１を入れた構造の効果は、燃料電池スタック１５でも有効であることがわかり、パッシブ型燃料電池でも、十分に高い電圧を安定して発電できることを示すことができた。【０１１０】
このように、第１〜第１２の実施例に示したような本発明の方法を用いることによって、ウィッキング材６０の燃料保持および燃料放出のバランスが改善され、より長時間の安定した発電が可能となる。特に、ウィッキング材６０に関して、切れ目６１と積層構造を組み合わせることによって、より安定した電圧の推移で発電時間を延ばすことができる。
【図１】
2008111528.tif 000005
【図２】
2008111528.tif 000006
【図３】
2008111528.tif 000007
【図４Ａ】
2008111528.tif 000008
【図４Ｂ】
2008111528.tif 000009
【図５】
2008111528.tif 000010
【図６Ｃ】
2008111528.tif 000011
【図６Ｄ】
2008111528.tif 000012
【図６Ｅ】
2008111528.tif 000013
【図７Ｆ】
2008111528.tif 000014
【図７Ｇ】
2008111528.tif 000015
【図７Ｈ】
2008111528.tif 000016
【図８】
2008111528.tif 000017
【図９】
2008111528.tif 000018
【図１０】
2008111528.tif 000019
【図１１Ａ】
2008111528.tif 000020
【図１１Ｂ】
2008111528.tif 000021
【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
2008111528.tif 000023
【国際調査報告】
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2008111528.tif 000025
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