(57)【要約】  発電性能を向上させつつ小型化することが可能であり、且つ高い安全性を有する燃料電池システムを提供する。  燃料電池システムは、膜電極接合体と、燃料タンクと、回収液タンクと、二液接続部と、第一の燃料供給部と、第二の燃料供給部と、燃料フィルタとを備えている。燃料タンクは、液体燃料を蓄える。回収液タンクは、膜電極接合体のアノード及びカソードの少なくとも一方から排出される液体を、回収液として蓄える。二液接続部は、燃料タンクから供給される液体燃料と回収液タンクから供給される回収液とを混合することにより、希釈燃料を調製する。第一の燃料供給部は、液体燃料を二液接続部に供給する。第二の燃料供給部は、希釈燃料をアノードに供給する。燃料フィルタは、二液接続部とアノードとの間に設けられており、希釈燃料に含まれる不純物を除去する。
2013080415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在した電解質膜とを有する膜電極接合体と、
液体燃料を蓄える燃料タンクと、
前記アノード及び前記カソードの少なくとも一方から排出される液体を、回収液として蓄える回収液タンクと、
前記燃料タンクから供給される液体燃料と前記回収液タンクから供給される回収液とを混合することにより、希釈燃料を調製する二液接続部と、
前記液体燃料を前記二液接続部に供給する第一の燃料供給部と、
前記希釈燃料を前記アノードに供給する第二の燃料供給部と、
前記二液接続部と前記アノードとの間に設けられており、前記希釈燃料に含まれる不純物を除去する燃料フィルタと
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料フィルタは、粉末状又は顆粒状のイオン交換樹脂を含んでいる、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記イオン交換樹脂はカチオン交換樹脂である、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記希釈燃料の燃料濃度は、前記燃料タンク内の液体燃料の燃料濃度の１／２倍以下１／３０倍以上である、請求項１乃至請求項３の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記二液接続部は、Ｙ字形状又はＴ字形状を有する三方管である、請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記第二の燃料供給部は、前記二液接続部と前記アノードとの間に設けられている、請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記液体燃料は、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、蟻酸、ジメチルエーテル、及びエチレングリコール、並びにこれらの低分子重合体からなる群より選択される少なくとも一種の燃料を含んでいる、請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に液体燃料を供給する技術及び液体燃料中の不純物を除去する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、使用される電解質の種類により、高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、アルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、及び固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）等に分類される。特にＰＥＦＣは、作動温度が低く、且つ出力密度が高い。このため、車載用電源や家庭用コージェネレーションシステム用電源等の大型電源において、ＰＥＦＣが実用化されつつある。【０００３】
近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、及び携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器において、それらの電源として、二次電池の代わりに燃料電池を用いることが検討されている。燃料電池は、燃料の補充により連続的に発電することが可能である。従って、二次電池は充電が必要であるのに対し、燃料電池は充電が不要である。よって、携帯小型電子機器の電源として燃料電池を用いることは、携帯小型電子機器の利便性が向上することを期待させる。特にＰＥＦＣは、上述した様に作動温度が低いので、携帯小型電子機器の電源として好ましい。又、アウトドアレジャー用や非常用のバックアップ電源として燃料電池を用いることも検討されている。【０００４】
ＰＥＦＣのうち特に直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体燃料を直接的に酸化させることにより電気エネルギーを発生させている。そして、ＤＯＦＣでは、液体燃料を水素に改質する必要がない。よって、ＤＯＦＣには改質器を設ける必要がなく、従ってＤＯＦＣは小型化が容易である。又、ＤＯＦＣのうち特に、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギー効率及び発電出力が他のＤＯＦＣより優れている。従って、ＤＭＦＣは、携帯小型電子機器用の電源として最も有望視されている。【０００５】
ＤＭＦＣのアノード及びカソードにて生じる反応は、下記の反応式（１）及び（２）によってそれぞれ表される。尚、一般的に、カソードには、空気中の酸素が取り込まれる。
アノード：  ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- （１）
カソード：  （３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ  （２）【０００６】
よって、燃料電池では、反応式（１）及び（２）に基づいて、下記の反応式（３）により表される反応が生じることになる。
燃料電池：  ＣＨ3ＯＨ＋（３／２）Ｏ2  →  ＣＯ2＋２Ｈ2Ｏ     （３）【０００７】
高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、一般的に、複数の単位セルを積層することにより構成されたセルスタックを有している。各単位セルは、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜を間に挟む様に配されたアノード及びカソードとを含んでいる。アノード及びカソードは何れも、触媒層及び拡散層を含んでいる。ＰＥＦＣが直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）である場合、アノードには、燃料であるメタノールが供給され、カソードには、酸化剤である空気（酸素）が供給される。【０００８】
直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）においては、電解質膜を通ってアノードからカソードへ液体燃料が移動する燃料クロスオーバが発生し易い。燃料クロスオーバが発生した場合、液体燃料がカソードに到達することにより、カソード触媒層にて電気化学的な酸化反応が生じ、その結果、カソードの電位が低下して発電電圧が低下する。特にＤＭＦＣでは、液体燃料としてメタノールが用いられるため、燃料クロスオーバが発生した場合、メタノールが電解質膜を透過してアノードからカソードへ移動することになる。尚、ＤＭＦＣにて発生する燃料クロスオーバは、通常、メタノールクロスオーバ（ＭＣＯ）と呼ばれている。【０００９】
ＤＭＦＣにおいてメタノールクロスオーバ（ＭＣＯ）が発生した場合、発電電圧が低下するのみならず、液体燃料であるメタノールの利用効率（以下、「燃料効率」と称す。）も低下する。この燃料効率は、例えば、下記の関係式（４）によって定義される。尚、関係式（４）においては、ＭＣＯ量として、これを電流に換算したものが用いられる。
燃料効率  ＝  発電電流／（発電電流  ＋  ＭＣＯ量）       （４）【００１０】
関係式（４）は、ＭＣＯ量の増加に伴って、燃料効率が低下することを表している。即ち、ＭＣＯ量の増加により、電解質膜を透過してカソードへ移動するメタノールの量が増加する。その結果、発電に寄与するメタノールの割合が低下する。よって、燃料電池でのエネルギー変換効率が低下する。【００１１】
ＭＣＯ量を低減させる手段として、主に２つのアプローチが提案されている。第１のアプローチは、電解質膜を構成する材料又は電解質膜の構造を改良することにより、電解質膜を、メタノールが透過し難いものにする。しかし、電解質膜は、本来、水を含むものであり、これにより高いイオン伝導性を発揮している。又、メタノールは水に溶解し易い。このため、電解質膜を改良したとしても、メタノールは、水に溶けて電解質膜を透過してしまう。【００１２】
第２のアプローチは、電解質膜とアノード触媒層との界面においてメタノール濃度を低下させる。メタノールの透過は、主に電解質膜の内部においてアノード側のメタノール濃度とカソード側のメタノール濃度との間に差が生じることにより発生する。よって、アノード側のメタノール濃度を低下させることにより、濃度差が小さくなり、その結果、ＭＣＯ量が低減する。このアプローチを実現するための最も簡便で一般的な方法として、メタノールを水で希釈し、メタノールの希釈液をアノードに供給することが考えられる。【００１３】
この方法によれば、燃料電池での反応（反応式（３）参照）により生じる水を燃料電池システム内にて蓄積すると共に、その水を利用することによってメタノールを希釈することが出来る。これにより、燃料電池システムに対して、その外部から水を供給する必要がなくなり、従って、燃料電池システムでのエネルギー密度を向上させることが出来る。【００１４】
例えば、特許文献１には、メタノールタンクから供給されるメタノールと、水タンクから供給される水（低濃度のメタノール水溶液）とを、ミキサーにより混合し、この混合液をアノードに供給するＤＭＦＣシステムが開示されている。尚、水タンク内では、アノードから排出されたメタノール水溶液と、タンク内の純水とが混合され、この混合液が水タンクに蓄積される。又、特許文献２には、燃料カートリッジから供給されるメタノールと、水回収タンクから供給される水とを、混合タンクにて混合し、この混合液をアノードに供給するＤＭＦＣシステムが開示されている。尚、水回収タンクには、カソードから排出された水が蓄積される。【００１５】
燃料電池は、一般的に、その発電性能が経時的に劣化する。その原因として、アノードに供給される液体燃料に含まれる不純物や、燃料電池を構成する構成部材から流出する不純物により、電極触媒の活性が低下することや、電解質膜及び触媒層に含まれる電解質にてイオン交換反応が生じ、これにより電解質のイオン伝導性が低下することが、報告されている。不純物として特に金属カチオンが液体燃料に混入すると、電解質膜及び触媒層に含まれる電解質において不可逆的なイオン交換反応が生じる。このため、金属カチオンは、その混入量が微量であっても、電解質への蓄積により該電解質に大きな影響（劣化）を与える。従って、電解質に金属カチオンが混入することは好ましくない。【００１６】
例えば、特許文献２には、アノードに供給するメタノール水溶液を金属イオン吸着物質に通すことにより、メタノール水溶液に含まれる金属イオンを除去する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開２００５−３０２５１９号公報
【特許文献２】特開２００８−０８４５９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献１に開示の構成においては、メタノールタンク及び水タンクの他にミキサーを設置しなければならず、システム全体の体積が増加する虞がある。又、このミキサーにおいて水とメタノールとを均一に混合するためには、容量の大きいミキサーや、攪拌性能の高い複雑な機構部品又は攪拌装置が必要であり、コストが増大する。その一方で、ミキサーとして、容量の小さいミキサーや、攪拌性能の低い機構部品又は攪拌装置を用いた場合、水とメタノールとを均一に混合させることが出来ない。このため、アノードに供給されるメタノール水溶液中のメタノール濃度が不均一になる。そして、それが原因となって、燃料電池内において、局所的なＭＣＯ量の増加や、局所的な燃料不足による拡散過電圧の増加が発生し、その結果、発電性能が低下することになる。【００１９】
特許文献２に開示の構成においても、燃料カートリッジ及び水回収タンクの他に混合タンクを設置しなければならず、システム全体の体積が増加する虞がある。又、特許文献２の構成においては、混合タンクの上部に、アノードからの排出物を二酸化炭素ガスとメタノール水溶液とに分離する気液分離膜が配置されている。二酸化炭素ガスのみがメタノール水溶液から分離されることが好ましいが、実際は、燃料カートリッジから供給されるメタノールの一部が気化し、二酸化炭素ガスと共に分離されてしまう。メタノールガスを含んだ二酸化炭素ガスは、排気フィルタを通ってシステム外部へ排出される。しかし、排気フィルタにて全てのメタノールガスを捕集することは、通常、困難である。このため、特許文献２の構成では、メタノールガスがシステム外部に排出され、従って安全性に悪影響を与えることが懸念される。又、排気フィルタにより捕集されたメタノールは、燃料として有効に利用することが出来ない。このため、燃料効率が低下することになる。【００２０】
そこで、本発明の目的は、発電性能を向上させつつ小型化することが可能であり、且つ高い安全性を有する燃料電池システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明に係る燃料電池システムは、膜電極接合体と、燃料タンクと、回収液タンクと、二液接続部と、第一の燃料供給部と、第二の燃料供給部と、燃料フィルタとを備えている。膜電極接合体は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に介在した電解質膜とを有している。燃料タンクは、液体燃料を蓄える。回収液タンクは、アノード及びカソードの少なくとも一方から排出される液体を、回収液として蓄える。二液接続部は、燃料タンクから供給される液体燃料と回収液タンクから供給される回収液とを混合することにより、希釈燃料を調製する。第一の燃料供給部は、液体燃料を二液接続部に供給する。第二の燃料供給部は、希釈燃料をアノードに供給する。燃料フィルタは、二液接続部とアノードとの間に設けられており、希釈燃料に含まれる不純物を除去する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明に係る燃料電池システムは、発電性能を向上させつつ小型化することが可能であり、且つ高い安全性を有する。【００２３】
本発明の新規な特徴を添付の特許請求の範囲に記述するが、本発明は、構成及び内容の両方に関し、本発明の他の目的及び特徴と併せ、図面を照合した以下の詳細な説明により更によく理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示した図である。
【図２】上記燃料電池システムが備える燃料電池セルを概略的に示した縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
先ず、本発明に係る燃料電池システムについて説明する。
本発明に係る燃料電池システムは、膜電極接合体と、燃料タンクと、回収液タンクと、二液接続部と、第一の燃料供給部と、第二の燃料供給部と、燃料フィルタとを備えている。膜電極接合体は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に介在した電解質膜とを有している。燃料タンクは、液体燃料を蓄える。回収液タンクは、アノード及びカソードの少なくとも一方から排出される液体を、回収液として蓄える。二液接続部は、燃料タンクから供給される液体燃料と回収液タンクから供給される回収液とを混合することにより、希釈燃料を調製する。第一の燃料供給部は、液体燃料を二液接続部に供給する。第二の燃料供給部は、希釈燃料をアノードに供給する。燃料フィルタは、二液接続部とアノードとの間に設けられており、希釈燃料に含まれる不純物を除去する。
【００２６】
より具体的には、二液接続部は、Ｙ字形状又はＴ字形状を有する三方管である。又、上記燃料電池システムにおいて、第二の燃料供給部は、二液接続部とアノードとの間に設けられていることが好ましい。液体燃料は、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、蟻酸、ジメチルエーテル、及びエチレングリコール、並びにこれらの低分子重合体からなる群より選択される少なくとも一種の燃料を含んでいる。
【００２７】
上記燃料電池システムにおいては、燃料タンクに高濃度の液体燃料が蓄えられる。従って、燃料電池システムにて高いエネルギー密度を実現することが出来る。これに加えて、燃料電池システムにおいては、アノードに、燃料濃度の低い希釈燃料が供給される。これにより、燃料クロスオーバ量が低減され、その結果、燃料電池システムにて高い燃料効率が実現される。
【００２８】
燃料クロスオーバ量を低減するという観点から、希釈燃料の燃料濃度は、燃料タンク内の液体燃料の燃料濃度の１／２倍以下１／３０倍以上であることが好ましい。より好ましくは、燃料タンクに蓄えられる液体燃料の燃料濃度が８ｍｏｌ／Ｌ以上であり、アノードに供給される希釈燃料の燃料濃度が０．５〜４ｍｏｌ／Ｌの場合である。
【００２９】
又、上記燃料電池システムにおいては、希釈燃料が、アノードに供給される前に燃料フィルタを通過する。従って、希釈燃料中の不純物が燃料フィルタによって除去される。よって、膜電極接合体に含まれる電解質において、該電解質が有するプロトン伝導機能が低下し難い。又、希釈燃料が燃料フィルタを通過するとき、希釈燃料中の水と燃料の混合が促進される。
【００３０】
更に、燃料電池システムにおいては、回収液タンク内の回収液の燃料濃度は、希釈燃料の燃料濃度より低くなる。このため、回収液タンク内に生じる燃料ガスの濃度は十分に低い。従って、回収液タンク内のガスを外部に排出するべく、回収液タンクの一部が外部に開放されている場合でも、回収液タンクから排出される燃料ガスの量は小さい。よって、回収液タンクからの排気ガスをそのまま、燃料電池システムの外部に排出した場合でも、人体や環境に悪影響を及ぼす可能性は低い。尚、排気ガスを、排気ガスフィルタに通して外部に排出することにより、燃料電池システムの安全性が更に向上することになる。
【００３１】
上記燃料電池システムの具体的構成において、燃料フィルタは、粉末状又は顆粒状のイオン交換樹脂を含んでいる。より具体的には、イオン交換樹脂はカチオン交換樹脂である。
【００３２】
燃料フィルタがイオン交換樹脂から構成されている場合、燃料フィルタ内にて希釈燃料中の水と燃料の混合がより促進され、その結果、希釈燃料中の燃料濃度が均一になる。よって、局所的な燃料クロスオーバの発生や、局所的な燃料不足が発生し難く、その結果として発電性能が低下し難い。又、燃料電池システムは、燃料タンクから供給される高濃度の液体燃料と、回収液タンクから供給される回収液（水を主成分とした低濃度の液体燃料）とを均一に混合するために、容量の大きい混合タンクや、攪拌性能の高い複雑な機構部品又は攪拌装置を必要としない。よって、燃料電池システムの上記具体的構成によれば、システム全体の体積及びコストの増加を回避することが出来る。
【００３３】
次に、本発明を、直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）を備える燃料電池システムに実施した形態について、図面に沿って具体的に説明する。尚、本発明は、以下の実施形態に限定されるものではない。
【００３４】
図１は、本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの構成を概略的に示した図である。図１に示す様に、燃料電池システム１は、ＤＯＦＣ１０１を備えている。ＤＯＦＣ１０１は、発電を担う燃料電池セル１０２を有している。
【００３５】
図２は、燃料電池セル１０２の構成を概略的に示した縦断面図である。図２に示す様に、燃料電池セル１０２は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を有している。ＭＥＡは、アノード１４と、カソード１５と、これらの間に介在した電解質膜１３とから構成されている。アノード１４には液体燃料が供給され、カソード１５には酸化剤が供給される。ここで、液体燃料には、例えば、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、蟻酸、ジメチルエーテル、及びエチレングリコール、並びにこれらの低分子重合体から選択される少なくとも一種の燃料を含んだ溶液が用いられる。又、酸化剤には、例えば、空気、圧縮空気、酸素、又は酸素を含む混合ガスが用いられる。
【００３６】
液体燃料がエタノール水溶液である場合、反応式（１）及び（２）で表される反応がそれぞれ、アノード１４及びカソード１５にて生じる。その結果、アノード１４では二酸化炭素が生成され、カソード１５では水が生成される。
【００３７】
アノード１４は、アノード触媒層１６と、アノード拡散層１７とを含んでいる。アノード触媒層１６は、電解質膜１３に接する様に該電解質膜１３に積層されている。即ち、アノード触媒層１６は、電解質膜１３に接合されている。アノード拡散層１７は、マイクロポーラス層２６と、アノード拡散層基材２７とを含んでいる。マイクロポーラス層２６及びアノード拡散層基材２７は、この順序で、アノード触媒層１６（電解質膜１３とは反対側）に積層されている。
【００３８】
アノード触媒層１６は、アノード触媒と高分子電解質とを含んでいる。アノード触媒には、触媒活性の高い白金等の貴金属を用いることが好ましい。又、一酸化炭素による触媒の被毒を低減するという観点から、アノード触媒として、白金とルテニウムとの合金触媒を用いてもよい。アノード触媒は、担体に担持した形態で用いてもよい。この担体には、電子伝導性及び耐酸性が何れも高い炭素材料、例えばカーボンブラック等を用いることが好ましい。高分子電解質には、プロトン伝導性を有するパーフルオロスルホン酸系高分子材料又は炭化水素系高分子材料を用いることが好ましい。パーフルオロスルホン酸系高分子材料として、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）やＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）等を用いることが出来る。
【００３９】
アノード触媒層１６は、例えば、次の様に形成することが出来る。例えば、アノード触媒と、高分子電解質と、水やアルコール等の分散媒とを混合することにより、アノード触媒層１６を形成するためのインクを調製する。ここで、アノード触媒は、担体に担持されていてもよい。次に、ドクターブレード法、スプレー塗布法等の方法を用いることにより、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）からなる基材シート等に調製済みのインクを塗布する。その後、塗布されたインクを乾燥させることにより、アノード触媒層１６を形成する。この様に形成されたアノード触媒層１６を、ホットプレス法等の方法を用いて電解質膜１３上に転写する。尚、アノード触媒層１６を電解質膜１３に転写することに代えて、上記インクを電解質膜１３に塗布し、その後、塗布されたインクを乾燥させることにより、電解質膜１３上に直接、アノード触媒層１６を形成してもよい。
【００４０】
カソード１５は、カソード触媒層１８と、カソード拡散層１９とを含んでいる。カソード触媒層１８は、電解質膜１３の表面のうちアノード触媒層１６が接した面とは反対側の面（図２の紙面において電解質膜１３の上面）に接する様に、該電解質膜１３に積層されている。即ち、カソード触媒層１８は、電解質膜１３に接合されている。カソード拡散層１９は、マイクロポーラス層２８と、カソード拡散層基材２９とを含んでいる。マイクロポーラス層２８及びカソード拡散層基材２９は、この順序で、カソード触媒層１８（電解質膜１３とは反対側）に積層されている。
【００４１】
カソード触媒層１８は、カソード触媒と高分子電解質とを含んでいる。カソード触媒には、触媒活性の高い白金等の貴金属を用いることが好ましい。カソード触媒として、白金とコバルト等の金属との合金を用いてもよい。カソード触媒は、担体に担持した形態で用いてもよい。この担体には、上記アノード触媒を担持する担体に用いられる炭素材料と同じ材料を用いることが出来る。カソード触媒層１８の高分子電解質には、アノード触媒層１６の高分子電解質に用いられる材料と同じ材料を用いることが出来る。又、カソード触媒層１８は、アノード触媒層１６と同様にして形成することが出来る。
【００４２】
アノード拡散層１７及びカソード拡散層１９に含まれるマイクロポーラス層２６及び２８は何れも、導電剤と撥水剤とを含んでいる。マイクロポーラス層２６及び２８に含まれる導電剤には、燃料電池の分野にて常用される材料を、特に限定することなく用いることが出来る。具体的には、導電剤として、カーボンブラックや鱗片状黒鉛等の炭素粉末材料、カーボンナノチューブやカーボンナノファイバ等のカーボン繊維を、例示することが出来る。導電剤として、これらの材料から選択される１種の材料のみを単独で用いてもよいし、選択される２種以上の材料を組み合わせて用いてもよい。
【００４３】
マイクロポーラス層２６及び２８に含まれる撥水剤には、燃料電池の分野で常用される材料を、特に限定することなく用いることが出来る。撥水剤として、例えばフッ素樹脂を用いることが好ましい。このフッ素樹脂には、公知の材料を特に限定することなく用いることが出来る。フッ素樹脂として、例えば、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−ヘキサフルオロプロピレン共重合樹脂（ＦＥＰ）、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樹脂、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合樹脂、ポリフッ化ビニリデン等が挙げられる。これらの中でも特にＰＴＦＥやＦＥＰが好ましい。撥水剤として、これらの材料から選択される１種の材料のみを単独で用いてもよいし、選択される２種以上の材料を組み合わせて用いてもよい。
【００４４】
マイクロポーラス層２６及び２８はそれぞれ、アノード拡散層基材２７及びカソード拡散層基材２９の表面にそれぞれ形成されている。マイクロポーラス層２６及び２８を形成する方法は特に限定されない。例えば、導電剤と撥水剤とを所定の分散媒に分散させることにより、マイクロポーラス層２６及び２８を形成するためのペーストを調製する。次に、ドクターブレード法やスプレー塗布法等の方法を用いることにより、調製されたペーストを、アノード拡散層基材２７の片面及びカソード拡散層基材２９の片面に塗布し、その後、塗布されたペーストを乾燥させる。この様にして、アノード拡散層基材２７及びカソード拡散層基材２９の表面に、マイクロポーラス層２６及び２８をそれぞれ形成することが出来る。
【００４５】
アノード拡散層基材２７及びカソード拡散層基材２９を構成する材料には、導電性を有する多孔質材料が用いられる。この様な多孔質材料には、燃料電池の分野で常用される材料を特に限定することなく用いることが出来るが、特に、燃料又は酸化剤が拡散し易く、且つ高い電子伝導性を有する材料を用いることが好ましい。この様な材料として、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布等が挙げられる。多孔質材料には、燃料の拡散性及び生成水の排出性等を向上させるべく、撥水剤が含まれていてもよい。この撥水剤は、マイクロポーラス層に含まれる撥水剤と同じ材料を用いることが出来る。特に方法は限定されないが、例えば、次の様にして多孔質材料に撥水剤を含ませることが出来る。即ち、撥水剤の分散液に多孔質材料を浸漬させ、その後、多孔質材料を乾燥させる。これにより、撥水剤を含んだ多孔質材料が、アノード拡散層基材２７やカソード拡散層基材２９として得られる。
【００４６】
電解質膜１３には、例えばパーフルオロスルホン酸系高分子膜や炭化水素系高分子膜等のプロトン伝導性高分子膜を、特にこれに限定することなく用いることができる。パーフルオロスルホン酸系高分子膜として、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）やＦｌｅｍｉｏｎ（登録商標）等が挙げられる。炭化水素系高分子膜として、例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンやスルホン化ポリイミド等が挙げられる。電解質膜１３としては、炭化水素系高分子膜が特に好ましい。炭化水素系高分子膜を電解質膜１３として用いることにより、電解質膜１３において、スルホン酸基のクラスタ構造が形成されることが抑制される。その結果、電解質膜１３の燃料の透過性が低減される。これにより、燃料クロスオーバが低減されることになる。尚、電解質膜１３の厚さは、２０μｍ〜１５０μｍであることが好ましい。
【００４７】
電解質膜１３、アノード触媒層１６、及びカソード触媒層１８によって形成される積層体は、燃料電池の発電を担っている。尚、この積層体は、ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）と呼ばれている。又、アノード拡散層１７は、アノード１４に供給される液体燃料を均一に分散する役割と、アノード１４にて生成される二酸化炭素を円滑に排出する役割とを担っている。更に、カソード拡散層１９は、カソード１５に供給される酸化剤を均一に分散する役割と、カソード１５にて生成される水を円滑に排出する役割とを担っている。
【００４８】
アノード１４、電解質膜１３、及びカソード１５の積層方向において、アノード１４（図２の紙面においてアノード１４の下側）にはアノードセパレータ２４が積層され、更にアノードセパレータ２４の外面に集電板３０が配置されている。又、上記積層方向において、カソード１５（図２の紙面においてカソード１５の上側）にはカソードセパレータ２５が積層され、更にカソードセパレータ２５の外面に集電板３１が配置されている。集電板３０及び３１の各々には、絶縁板及び端板（図示せず）が積層されており、端板どうしが互いに締結されている。これにより、ＭＥＡが、アノードセパレータ２４とカソードセパレータ２５とによって挟持されている。ＭＥＡの発電により生じた電流は、集電板３０及び３１に集められる。集電板３０及び３１には、ＤＣＤＣコンバータ等の回路が接続されており、ＭＥＡからの出力電圧が所定の電圧に変換される。そして、この所定の電圧が、燃料電池システム１から外部に出力される。
【００４９】
尚、燃料電池セル１０２は、通常、その発電電圧が１Ｖ未満である。このため、ＤＯＦＣ１０１においては、一般的に、燃料電池セル１０２を複数積層することにより、これらが電気的に直列に接続されたセルスタックが構築される。このセルスタックにおいては、集電板３０及び３１は、各燃料電池セル１０２に設けられるのではなく、燃料電池セル１０２の積層方向においてセルスタックの両端にのみ配置される。
【００５０】
アノードセパレータ２４は、アノード拡散層基材２７との接触面に形成された燃料流路２０を有している。燃料流路２０には、アノード１４に液体燃料を供給するための入口と、アノード１４から二酸化炭素を排出するための出口とが設けられている。燃料流路２０は、例えば、アノード拡散層基材２７に向かって開口した凹部や溝によって構成される。
【００５１】
カソードセパレータ２５は、カソード拡散層基材２９との接触面に形成された酸化剤流路２１を有している。酸化剤流路２１には、カソード１５に酸化剤を供給するための入口と、カソード１５から水を排出するための出口とが設けられている。酸化剤流路２１は、例えば、カソード拡散層基材２９に向かって開口する凹部や溝によって構成される。
【００５２】
電解質膜１３とアノードセパレータ２４との間には、アノード１４を包囲することによってアノード１４を封止するガスケット２２が設けられている。これにより、アノード１４に供給された液体燃料が燃料電池セル１０２から漏れ出すことが防止されている。又、電解質膜１３とカソードセパレータ２５との間には、カソード１５を包囲することによってカソード１５を封止するガスケット２３が設けられている。これにより、カソード１５に供給された酸化剤が燃料電池セル１０２から漏れ出すことが防止されている。
【００５３】
図２に示される燃料電池セル１０２は、例えば次の様な方法により作製することが出来る。先ず、ホットプレス法等の方法を用いることにより、電解質膜１３の両面にアノード１４及びカソード１５をそれぞれ接合し、これによりＭＥＡを作製する。次に、ＭＥＡを、アノードセパレータ２４とカソードセパレータ２５とにより挟持する。このとき、ガスケット２２によってアノード１４が封止される様に、電解質膜１３とアノードセパレータ２４の間に、アノード１４を包囲した状態でガスケット２２を配置する。又、ガスケット２３によってカソード１５が封止される様に、電解質膜１３とカソードセパレータ２５との間に、カソード１５を包囲した状態でガスケット２３を配置する。その後、アノードセパレータ２４の外側に、集電板３０、絶縁板、及び端板を積層すると共に、カソードセパレータ２５の外側に、集電板３１、絶縁板、及び端板を積層する。そして、端板どうしを、互いに締結する。更に、端板の外側に、温度調整用のヒータを積層する。これにより、燃料電池セル１０２が形成される。
【００５４】
図１に示す様に、燃料電池システム１は、ＤＯＦＣ１０１の他に、燃料タンク２、回収液タンク３、第一の燃料供給部４、第二の燃料供給部５、燃料フィルタ６、酸化剤供給部７、アノード熱交換部８、カソード熱交換部９、制御部１０、排気ガスフィルタ１１、及び酸化剤フィルタ１２を備えている。燃料電池システム１は更に、燃料配管４１、回収液配管４２、アノード供給配管４３、二液接続部４４、アノード排出配管４５、カソード供給配管４６、カソード排出配管４７、及び排気配管４８を備えている。
【００５５】
燃料タンク２には、高濃度の液体燃料が蓄えられている。本実施形態においては、燃料タンク２は、燃料電池システム１の筐体１０３の内部に設けられている。液体燃料中の燃料濃度が高い程、液体燃料が有するエネルギー量が大きくなり、燃料電池システム１でのエネルギー密度が大きくなる。よって、燃料タンク２に蓄えらえる液体燃料は、燃料濃度が少なくとも８ｍｏｌ／Ｌ以上であることが好ましい。尚、燃料タンク２は、筐体１０３の外部に設けられていてもよく、この場合も、燃料タンク２は燃料電池システム１の構成要素である。又、燃料タンク２に代えて、高濃度の液体燃料が蓄えられた燃料カートリッジを採用してもよい。
【００５６】
回収液タンク３には、希釈溶媒として用いられる低濃度の液体燃料が、回収液として貯留されている。具体的には、回収液タンク３には、燃料電池セル１０２の燃料流路２０の出口に通じるアノード排出配管４５と、燃料電池セル１０２の酸化剤流路２１の出口に通じるカソード排出配管４７とが接続されている。アノード排出配管４５には、アノード１４にて生成される二酸化炭素等のガス（反応式（１）参照）と、副生成物と、後述する希釈燃料中の消費されずに残った燃料と、水とが流れる。カソード排出配管４７には、カソード１５にて生成される水等の液体（反応式（２）参照）と、消費されずに残った酸化剤とが流れる。よって、回収液タンク３には、燃料電池セル１０２からのこれらの排出物が流れ込む。
【００５７】
未消費の燃料、水、及び副生成物は、それらの一部が気化した状態で、アノード排出配管４５内を流れる。従って、本実施形態においては、アノード排出配管４５にアノード熱交換部８が設けられている。アノード熱交換部８では、水蒸気、燃料ガス、及び副生成物ガスと外気との間で熱交換が行われ、これにより、これらのガスが冷却されて液化される。又、アノード熱交換部８では、ガスだけでなく液体と外気との間でも熱交換が行われ、これにより液体が冷却される。この様にして、燃料電池システム１内の熱が外部に放出される。
【００５８】
カソード１５にて生成された水は、その一部が水蒸気になった状態で、カソード排出配管４７内を流れる。従って、本実施形態においては、カソード排出配管４７にカソード熱交換部９が設けられている。カソード熱交換部９では、水蒸気と外気との間で熱交換が行われ、これにより水蒸気が冷却されて液化される。又、カソード熱交換部９では、水蒸気だけでなく液体及び酸化剤と外気との間でも熱交換が行われ、これにより液体及び酸化剤が冷却される。この様にして、燃料電池システム１内の熱が外部に放出される。
【００５９】
更に、回収液タンク３には気液分離機構が設けられている。本実施形態においては、回収液タンク３の上部に、気液分離膜が設けられている。よって、回収液タンク３では、これに流れ込んだ排出物が液体成分（燃料、水、副生成物等）とガス成分（副生成物ガス、水蒸気、二酸化炭素、酸化剤等）とに分離される。そして、ガス成分は、排気配管４８を通じて燃料電池システム１の外部に排出される。一方、液体成分は、回収液として回収液タンク３に貯留される。
【００６０】
上述した様に、回収液タンク３には、未消費の燃料に加えて、カソード１５にて生成された水が流れ込む。従って、回収液タンク３内の回収液の燃料濃度は、アノード排出配管４５を流れる希釈燃料の燃料濃度より低くなっている。具体的には、回収液の燃料濃度は０．０５〜０．５ｍｏｌ／Ｌである。尚、回収液タンク３内の回収液の燃料濃度が、アノード排出配管４５を流れる希釈燃料の燃料濃度より低くなるのであれば、アノード１４及びカソード１５の何れか一方から排出される液体のみが、回収液として回収液タンク３に蓄えられてもよい。
【００６１】
燃料濃度が上述の様に低い場合、回収液タンク３内に生じる燃料ガスの濃度は十分に低くなる。よって、排気配管４８を通じて排出される燃料ガスの量は小さく、従って、回収液タンク３からの排気ガスをそのまま、燃料電池システム１の外部に排出した場合でも、人体や環境に悪影響を及ぼす可能性は低い。但し、次の様な構成によれば、燃料電池システム１の安全性が更に向上することになる。
【００６２】
本実施形態においては、排気配管４８に、燃料ガスや副生成物ガスを捕集する排気ガスフィルタ１１が設けられている。排気ガスフィルタ１１には、例えば、有害物質を吸収又は吸着する活性炭等の材料を含んだフィルタが用いられる。従って、人体や環境に悪影響を及ぼす可能性のある気体成分が、排気ガスフィルタ１１によって除去される。尚、排気ガスフィルタ１１は、触媒フィルタ等、排気ガスに含まれる有害物質を酸化して無害化するフィルタであってもよい。
【００６３】
図１に示す様に、燃料タンク２には燃料配管４１が接続されており、燃料配管４１には、燃料タンク２内の液体燃料が流れる。回収液タンク３には回収液配管４２が接続されており、回収液配管４２には、回収液タンク３内の回収液が流れる。燃料配管４１と回収液配管４２とは、二液接続部４４を介して互いに接続されている。
【００６４】
二液接続部４４は、３つの接続口を有している。第一の接続口には燃料配管４１が接続され、第二の接続口には回収液配管４２が接続されている。そして、残りの第三の接続口には、アノード供給配管４３が接続されている。アノード供給配管４３は、ＤＯＦＣ１０１に接続されており、燃料流路２０の入口に通じている。二液接続部４４では、燃料配管４１を流れてきた高濃度の液体燃料と、回収液配管４２を流れてきた回収液とが混合される。即ち、高濃度の液体燃料が回収液によって希釈されることにより、希釈燃料が調製される。このとき、希釈燃料の燃料濃度が、燃料タンク２内の液体燃料の燃料濃度の１／２〜１／３０倍となる様に調整される。そして、その希釈燃料がアノード供給配管４３を流れる。
【００６５】
二液接続部４４は、例えば三方管である。三方管としては、Ｙ字形状を有する配管（Ｙ字管）やＴ字形状を有する配管（Ｔ字管）が好ましい。尚、三方管には、逆流を防止するための逆止弁が設けられていてもよい。この三方管に代えて、二液接続部４４は、回収液配管４２の内部に燃料配管４１の先端部がノズルの様に延び出すと共に、回収液配管４２の中心軸に沿って燃料配管４１の先端から液体燃料が噴出する様に燃料配管４１の先端部が延びた構成を有していてもよい。但し、Ｙ字管やＴ字管の方が、低コスト且つ省スペースが実現され易い。
【００６６】
第一の燃料供給部４は、燃料タンク２と二液接続部４４との間の位置にて燃料配管４１に設けられている。第一の燃料供給部４は、燃料タンク２内の液体燃料を二液接続部４４に供給する。第一の燃料供給部４は、一般的には、液体ポンプ等、駆動源を有したものである。尚、第一の燃料供給部４は、駆動源を有しないもの、例えば毛管浸透などの現象を利用したものであってもよい。液体ポンプとしては、モータを駆動源としたダイヤフラム式のポンプ等が一般的であるが、圧電素子を利用したポンプや電気浸透現象を利用したポンプ等も用いることが出来る。
【００６７】
第二の燃料供給部５は、二液接続部４４とアノード１４との間の位置にてアノード供給配管４３に設けられている。第二の燃料供給部５は、二液接続部４４にて調製された希釈燃料をアノード１４に供給する。第二の燃料供給部５は、一般的には液体ポンプである。液体ポンプとしては、モータを駆動源としたダイヤフラム式のポンプ等が一般的であるが、遠心ポンプやギヤポンプ等も用いることが出来る。
【００６８】
本実施形態においては、第二の燃料供給部５は、二液接続部４４と、後述する燃料フィルタ６との間の位置にてアノード供給配管４３に設けられている。本発明の構成はこれに限定されるものではなく、第二の燃料供給部５は、燃料フィルタ６とアノード１４との間の位置にてアノード供給配管４３に設けられていてもよい。又、第二の燃料供給部５は、回収液タンク３と二液接続部４４との間の位置にて回収液配管４２に設けられていてもよい。
【００６９】
上述した様に、希釈燃料の燃料濃度は、燃料タンク２内の液体燃料の燃料濃度の１／２〜１／３０倍である。よって、燃料タンク２内の液体燃料をそのままアノード１４に供給した場合と同程度の発電性能を得るためには、第二の燃料供給部５が送出する単位時間あたりの液体量を、第一の燃料供給部４のそれに比べて、２〜３０倍と著しく大きくする必要がある。従って、第二の燃料供給部５は、二液接続部４４とアノード１４との間の位置にてアノード供給配管４３に設けられることが好ましい。なぜなら、第二の燃料供給部５を回収液タンク３と二液接続部４４との間に設けた場合、第二の燃料供給部５が送出する大量の液体（この場合、回収液）が、二液接続部４４を経由して燃料配管４１内を逆流するか、又は燃料配管４１の出口での圧力を高めるからである。これにより、第一の燃料供給部４には負荷がかかり、その結果、燃料供給精度が低下する（アノード１４に供給する希釈燃料の燃料濃度や供給量が不安定になる）といった不具合や、燃料ポンプの寿命が短くなるといった不具合が生じ易くなる。
【００７０】
燃料フィルタ６は、二液接続部４４とアノード１４との間の位置にてアノード供給配管４３に設けられている。ここで、燃料フィルタ６は、二つの重要な機能を有している。第一の機能は、希釈燃料に含まれる不純物を除去する機能である。第二の機能は、希釈燃料に含まれる水と燃料とを均一に混合させる機能である。
【００７１】
不純物には、燃料自体に混入していたものや、燃料電池システム１の構成部材である配管、接続部材、電極のシール部材、燃料ポンプ、熱交換器等から流出したものが含まれる。不純物には、例えばカチオンが含まれている。カチオンは、燃料電池セル１０２の電解質膜１３、アノード触媒層１６、及びカソード触媒層１８に含まれる電解質を不可逆的に劣化させる。具体的には、カチオンは、電解質のイオン交換基に結合することにより、電解質が有するプロトン伝導機能を著しく低下させる。このため、カチオンが燃料電池セル１０２に流入すると、電解質膜１３、アノード触媒層１６、及びカソード触媒層１８において、イオン伝導抵抗が著しく増加することになる。従って、不純物の中でも特にカチオンは、燃料フィルタ６によって除去する必要性が非常に高い。
【００７２】
従って、第一の機能の中でも特に不純物であるカチオンを除去する機能を持たせるべく、燃料フィルタ６には、カチオン交換系のイオン交換樹脂（カチオン交換樹脂）が含まれていることが好ましい。このイオン交換樹脂は、粉末状又は顆粒状であることが好ましく、樹脂製の容器等に充填される。ここで、イオン交換樹脂の平均粒径は１００〜１０００μｍである。尚、カチオンに加えて不純物であるアニオンをも燃料フィルタ６にて除去するべく、燃料フィルタ６には、アニオン交換系のイオン交換樹脂（アニオン交換樹脂）が含まれていてもよい。又、燃料フィルタ６には、有機不純物を除去するための活性炭フィルタ等が含まれていてもよい。
【００７３】
燃料フィルタ６の構成材料としてイオン交換樹脂を用いることは、燃料フィルタ６が第二の機能を有する点でも好ましい。理由は次の様に考えられる。イオン交換樹脂は、液体の吸収性が高いため、燃料フィルタ６を通過しようとする希釈燃料を部分的に吸収する。イオン交換樹脂に吸収された希釈燃料は、イオン交換樹脂の内部にて流速が著しく低下する。一方、イオン交換樹脂の隙間を流れる希釈燃料は、流速が殆ど低下しない。従って、燃料フィルタ６内では、希釈燃料の流速が部分的に低下し、その結果、希釈燃料が効率良く攪拌され、希釈燃料中の水及び燃料の混合が促進される。よって、希釈燃料が燃料フィルタ６を通過することにより、希釈燃料中の燃料濃度が均一になる。そして、この状態で、希釈燃料がアノード１４に供給されることになる。
【００７４】
アノード１４に供給された希釈燃料は、その多くが、濃度拡散現象によって燃料流路２０からアノード拡散層１７を通じてアノード触媒層１６へ移動する。そして、アノード１４にて反応が生じる。希釈燃料がエタノール水溶液である場合には、反応式（１）で表される反応がアノード１４にて生じる。その結果、アノード１４では二酸化炭素が生成される。この二酸化炭素は、燃料流路２０を通じてアノード１４から排出される。このとき、反応に寄与しなかった燃料及びアノード触媒層１６へ移動しなかった燃料は、二酸化炭素と共に、燃料流路２０を通じてアノード１４から排出される。
【００７５】
ＤＯＦＣ１０１には、酸化剤流路２１の入口に通じるカソード供給配管４６が接続されている。酸化剤供給部７は、このカソード供給配管４６に設けられている。酸化剤供給部７は、カソード供給配管４６に酸化剤を取り込むと共に、その酸化剤をカソード１５に供給する。尚、一般的に、空気中の酸素が酸化剤として用いられる。この場合、カソード供給配管４６には、例えば燃料電池システム１の外部から、空気が取り込まれる。又は、酸化剤供給部７は、例えば空気ポンプである。
【００７６】
酸化剤フィルタ１２は、酸化剤供給部７に対してＤＯＦＣ１０１とは反対側の位置にてカソード供給配管４６に設けられている。酸化剤フィルタ１２は、カソード供給配管４６に取り込まれる酸化剤に含まれる不純物を捕集することにより、酸化剤から不純物を除去する。尚、酸化剤が空気の場合、酸化剤フィルタ１２は、例えば空気フィルタである。空気フィルタは、空気中に含まれる埃、塵、有機ガス、発電に影響を与える無機ガス等の不純物を捕集する。
【００７７】
カソード１５に供給された酸化剤は、その多くが、濃度拡散現象によって酸化剤流路２１からカソード拡散層１９を通じてカソード触媒層１８へ移動する。そして、カソード１５にて反応が生じる。酸化剤が酸素である場合には、反応式（２）で表される反応がカソード１５にて生じる。その結果、カソード１５では水が生成される。この水は、酸化剤流路２１を通じてカソード１５から排出される。このとき、反応に寄与しなかった酸化剤及びカソード触媒層１８へ移動しなかった酸化剤は、水と共に、酸化剤流路２１を通じてカソード１５から排出される。
【００７８】
制御部１０は、第一の燃料供給部４、第二の燃料供給部５、及び酸化剤供給部７のうち、特に駆動源を有している供給部を制御する。図１では、制御部１０が全ての供給部を制御する場合が示されている。以下では、第一の燃料供給部４及び第二の燃料供給部５が何れも液体ポンプである場合について、制御部１０の制御動作を説明する。
【００７９】
制御部１０は、先ずＤＯＦＣ１０１の発電電流を検出する。そして、この発電電流に基づいて、制御部１０は、第一の燃料供給部４及び第二の燃料供給部５を、これらに制御信号を送ることによって制御する。具体的には、制御部１０は、第一の燃料供給部４及び第二の燃料供給部５に、液体燃料及び希釈燃料の供給量を調整させる。
【００８０】
より具体的には、制御部１０の制御により、第一の燃料供給部４は、燃料の消費量（即ち、発電に寄与する燃料量と、燃料クロスオーバによって損失する燃料量との総和）と燃料の供給量とが均衡する様に制御される。消費量と供給量との間の均衡を保つことにより、燃料濃度センサによって燃料濃度を監視しなくても、アノード１４に供給される希釈燃料の燃料濃度が目標濃度に維持される。
【００８１】
又、制御部１０の制御により、第二の燃料供給部５は、希釈燃料の供給量が所定の範囲内となる様に制御される。ここで、所定の範囲は、燃料流路２０の出口付近にて生じる濃度過電圧が増加しない様に、且つ、燃料流路２０の入口付近での燃料クロスオーバ量が増加しない様に設定される。尚、希釈燃料の供給量が小さ過ぎると、上記濃度過電圧が増加し、その結果、発電電圧が低下してしまう。又、希釈燃料の供給量が大き過ぎると、上記クロスオーバ量が増加してしまう。
【００８２】
一般的に、アノード１４への希釈燃料の供給量は、アノード１４にて発電に寄与する燃料量と供給される希釈燃料中の燃料量との化学両論比（いわゆる、ストイキオ比）に基づいて、調整される。尚、ストイキオ比は、１．３〜２．５の範囲内であることが好ましい。希釈燃料の供給量が、ストイキオ比が１．３〜２．５の範囲内となる様に調整されている場合、アノード１４から排出される液体中の燃料濃度は、供給される希釈燃料中の燃料濃度の約１／８〜２／３倍になる。例えば、燃料濃度が１ｍｏｌ／Ｌである希釈燃料がアノード１４に供給された場合、アノード１４からは、燃料濃度が約０．１２〜０．７ｍｏｌ／Ｌである液体が排出される。
【００８３】
又、希釈燃料中の燃料濃度は、発電効率を最大にする値であることが好ましい。尚、発電効率は下記の関係式（５）及び（６）により定義される。
発電効率  ＝  発電電圧／理論電圧Ｅ  ×  燃料効率  （５）
理論電圧Ｅ  ＝−ΔＧ／ｎＦ   （６）
（Ｇ：ギブス自由エネルギー、ｎ：反応に関わる電子数、Ｆ：ファラデー定数）
【００８４】
ＤＯＦＣ１０１においては、理論電圧Ｅは１．２１Ｖである。又、ＤＯＦＣ１０１において、燃料クロスオーバ量を抑制することによって発電電圧の低下を抑制するためには、アノード１４に供給される希釈燃料の燃料濃度は、０．５〜４ｍｏｌ／Ｌの範囲内であることが好ましい。
【００８５】
本実施形態に係る燃料電池システム１においては、燃料タンク２（又は燃料カートリッジ）に高濃度の液体燃料が蓄えられている。従って、燃料電池システム１にて高いエネルギー密度が実現されている。これに加えて、燃料電池システム１においては、アノード１４に、燃料濃度の低い希釈燃料が供給される。これにより、燃料クロスオーバ量が低減され、その結果、燃料電池システム１にて高い燃料効率が実現されている。
【００８６】
又、燃料電池システム１においては、希釈燃料が、アノード１４に供給される前に燃料フィルタ６を通過する。従って、希釈燃料中の不純物が燃料フィルタ６によって除去される。よって、電解質膜１３、アノード触媒層１６、及びカソード触媒層１８に含まれる電解質において、該電解質が有するプロトン伝導機能が低下し難い。
【００８７】
燃料フィルタ６がイオン交換樹脂から構成されている場合、燃料フィルタ６内にて希釈燃料中の水と燃料の混合が促進され、その結果、希釈燃料中の燃料濃度が均一になる。よって、局所的な燃料クロスオーバの発生や、局所的な燃料不足が発生し難く、その結果として発電性能が低下し難い。又、燃料電池システム１は、燃料タンク２から供給される高濃度の液体燃料と、回収液タンク３から供給される回収液（水を主成分とした低濃度の液体燃料）とを均一に混合するために、容量の大きい混合タンクや、攪拌性能の高い複雑な機構部品又は攪拌装置を必要としない。よって、燃料電池システム１によれば、システム全体の体積及びコストの増加を回避することが出来る。
【００８８】
更に、燃料電池システム１においては、回収液タンク３は排気配管４８により外部に開放されている。しかし、回収液タンク３内の回収液の燃料濃度は、アノード排出配管４５を流れる希釈燃料の燃料濃度より低くなっている。よって、回収液タンク３内に生じる燃料ガスの濃度は十分に低くなる。よって、排気配管４８を通じて排出される燃料ガスの量は小さく、従って、回収液タンク３からの排気ガスをそのまま、燃料電池システム１の外部に排出した場合でも、人体や環境に悪影響を及ぼす可能性は低い。本実施形態の様に排気配管４８に排気ガスフィルタ１１が設けられている場合には、燃料電池システム１の安全性が更に向上する。
【実施例】
【００８９】
＜実施例１＞
（ａ）アノード触媒層の作製
アノード触媒層１６の作製には、アノード触媒と該アノード触媒を担持する触媒担体とを含むアノード触媒担持体を用いた。アノード触媒として、ＰｔＲｕ触媒（原子比Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を用いた。又、アノード触媒担体として、カーボンブラック（商品名：ケッチェンブラックＥＣＰ、ケッチェンブラックインターナショナル社製）を用いた。アノード触媒担持体において、ＰｔＲｕ触媒とケッチェンブラックとの合計重量に対するＰｔＲｕ触媒の重量の割合を、５０重量％とした。【００９０】
上記アノード触媒担持体をイソプロパノール水溶液に分散させた液と、高分子電解質であるＮａｆｉｏｎ（登録商標）の分散液（シグマアルドリッチジャパン（株）製、Ｎａｆｉｏｎ５重量％溶液）とを混合し、アノード触媒層インクを調製した。アノード触媒層インクを、ドクターブレード法を用いて、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シート上に塗布し、その後、乾燥させた。これにより、アノード触媒層１６を得た。【００９１】
（ｂ）カソード触媒層の作製
カソード触媒層１８の作製では、カソード触媒と該カソード触媒を担持する触媒担体とを含むカソード触媒担持体を用いた。カソード触媒として、アノード触媒と同じカーボンブラック（商品名：ケッチェンブラックＥＣＰ、ケッチェンブラックインターナショナル社製）を用いた。カソード触媒担持体において、Ｐｔ触媒とカーボンブラックとの合計重量に対するＰｔ触媒の重量の割合を、５０重量％とした。そして、このカソード触媒担持体を用いて、上記アノード触媒層１６と同じ方法により、カソード触媒層１８を作製した。【００９２】
（ｃ）アノード拡散層の作製
（アノード拡散層基材の作製）
アノード拡散層基材２７を構成する導電性の多孔質材料として、カーボンペーパー（東レ（株）製、ＴＧＰ−Ｈ−０９０、厚み２７０μｍ）を用いた。このカーボンペーパーを、撥水剤であるＰＴＦＥを含むＰＴＦＥディスパージョン（シグマアルドリッチジャパン（株）製）に浸漬させ、その後、乾燥させた。この様にして、カーボンペーパーに対して撥水処理を施した。これにより、アノード拡散層基材２７を得た。【００９３】
（マイクロポーラス層の作製）
撥水剤分散液と導電剤とを、所定の界面活性剤が添加されたイオン交換水に分散混合することにより、マイクロポーラス層ペーストを調製した。撥水剤分散液として、ＰＴＦＥディスパージョン（シグマアルドリッチジャパン（株）製、ＰＴＦＥの含有量６０質量％）を用いた。導電剤として、アセチレンブラック（電気化学工業（株）製、デンカブラック）を用いた。【００９４】
次に、アノード拡散層基材２７の片面に、マイクロポーラス層ペーストを塗布し、その後、乾燥させることにより、マイクロポーラス層２６を作製した。この様にして、アノード拡散層１７を作製した。【００９５】
（ｄ）カソード拡散層の作製
（カソード拡散層基材の作製）
カソード拡散層基材２９を構成する導電性の多孔質材料として、カーボンクロス（バラードマテリアルプロダクツ社製、ＡｖＣａｒｂ（登録商標）１０７１ＨＣＢ）を用いた。このカーボンクロスに対して、アノード拡散層基材２７と同じ撥水処理を施すことにより、カソード拡散層基材２９を作製した。【００９６】
（マイクロポーラス層の作製）
アノード拡散層１７の作製に用いたマイクロポーラス層ペーストと同じペーストを用意した。次に、カソード拡散層基材２９の片面に、マイクロポーラス層ペーストを塗布し、その後、乾燥させることにより、マイクロポーラス層２８を作製した。この様にして、カソード拡散層１９を作製した。【００９７】
（ｅ）膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製
先ず、電解質膜１３として、デュポン（株）製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）を用意した。そして、ＰＴＦＥシート上に形成したアノード触媒層１６及びカソード触媒層１８をそれぞれ、ＰＴＦＥシートに接した面とは反対側の面が電解質膜１３に接する様に、電解質膜１３の両面に積層した。次に、ホットプレス法を用いることにより、アノード触媒層１６及びカソード触媒層１８を電解質膜１３に接合した。その後、アノード触媒層１６及びカソード触媒層１８からＰＴＦＥシートを剥離した。【００９８】
次に、ホットプレス法を用いることにより、アノード触媒層１６にアノード拡散層１７を接合すると共に、カソード触媒層１８にカソード拡散層１９を接合した。この様にして、ＭＥＡを作製した。尚、電極の大きさは、１辺が１８ｍｍの正方形とした。【００９９】
（ｆ）直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）の作製
電解質膜１３の両面に、電解質膜１３の露出部分を全て覆うと共にアノード１４及びカソード１５をそれぞれ包囲する様に、ゴム製の２つのガスケット２２及び２３を配した。そして、アノードセパレータ２４を、これと電解質膜１３との間にアノード１４が介在する様にＭＥＡに積層した。又、カソードセパレータ２５を、これと電解質膜１３との間にカソード１５が介在する様に、ＭＥＡに積層した。これにより、アノードセパレータ２４とカソードセパレータ２５とによって、ＭＥＡを挟持した。尚、ＭＥＡに積層する前に、アノードセパレータ２４には、アノード１４との接触面に、燃料を供給するための燃料流路２０を形成した。又、カソードセパレータ２５には、カソード１５との接触面に、酸化剤を供給するための酸化剤流路２１を形成した。これらの流路の形状は、何れもサーペタイン型にした。この様にして、直接酸化型の燃料電池セル１０２を作製した。【０１００】
同様にして合計１０個の燃料電池セル１０２を作製し、これらを順に積層した。次に、燃料電池セル１０２の積層方向において両端に位置するアノードセパレータ２４及びカソードセパレータ２５の各々に対して、集電板、絶縁板、及び端板をこの順で積層した。これによって得られた積層体を、所定の締結手段で締結した。その後、端板の外側に、温度調整用のヒータを貼り付けた。更に、燃料流路２０の入口にマニホールドを接続することにより、燃料流路２０の入口に通じる流路を１つに纏めた。同様に、燃料流路２０の出口に通じる流路を１つに纏め、酸化剤流路２１の入口に通じる流路を１つに纏め、酸化剤流路２１の出口に通じる流路を１つに纏めた。この様にして、セルスタックを作製し、このセルスタックを用いてＤＯＦＣ１０１を構成した。【０１０１】
（ｇ）燃料電池システムの作製
先ず、第一の燃料供給部４及び第二の燃料供給部５として、日本精密科学（株）製の精密ポンプ（パーソナルポンプＮＰ−ＫＸシリーズ（製品名））を用いた。制御部１０として、パーソナルコンピュータを使用した。そして、このパーソナルコンピュータによって上記精密ポンプを制御することにより、燃料配管４１を流れる液体燃料の流量、及びアノード供給配管４３を流れる希釈燃料の流量を調整した。燃料タンク２には、液体燃料として、１００％濃度のメタノールを充填した。アノード１４に供給される希釈燃料中の燃料濃度が１ｍｏｌ／Ｌとなる様に、液体燃料や希釈燃料の流量を調整した。【０１０２】
酸化剤供給部７として、圧縮空気を供給する高圧空気ボンベと、圧縮空気の流量を調整するための堀場製作所（株）製のマスフローコントローラとを用いた。そして、制御部１０であるパーソナルコンピュータによってマスフローコントローラを制御することにより、カソード供給配管４６を流れる圧縮空気の流量を調整した。【０１０３】
回収液タンク３として、ポリプロピレン製の樹脂容器を使用した。そして、樹脂容器の上部にカソード排出配管４７及び排気配管４８を接続し、樹脂容器の下部にアノード排出配管４５及び回収液配管４２を接続した。回収液配管４２と燃料配管４１とを、ポリプロピレン樹脂製のＹ字管で接続した。【０１０４】
燃料フィルタ６の構成材料として、スルホン化ポリスチレン系でプロトンタイプの強酸性陽イオン交換樹脂を用いた。具体的には、平均粒径が５００μｍであり、見掛け密度が８３０ｇ/Ｌである粒子状の強酸性陽イオン交換樹脂を１００ｇ用意し、これを内径４ｃｍ高さ１０ｃｍの円柱状のポリプロピレン製ケースに充填することにより、燃料フィルタ６を構成した。尚、充填された粒子状の酸性陽イオン交換樹脂の真密度は約１３０ｇ／Ｌである。このため、実際には、粒子状の酸性陽イオン交換樹脂の間に６５％の空間が存在している。【０１０５】
アノード熱交換部８として、ステンレス鋼製のフィンチューブと、これを冷却する軸流式ファンと用いた。カソード熱交換部９についても同様である。そして、セルスタックの温度が６０℃で維持される様に、軸流ファンの風量を調整した。【０１０６】
この様にして、燃料電池システムを作製した。尚、本実施例では、排気ガスに含まれる燃料成分の量を検出するために、排気ガスフィルタ１１は設けなかった。【０１０７】
（ｈ）発電特性及び排気ガスの評価
上記燃料電池システム１を用いて、次の様に発電を行った。ＤＯＦＣ１０１を電子負荷装置に接続し、この電子負荷装置により、発電電流を１５０ｍＡ／ｃｍ2の定電流に調整した。空気のストイキオ比を４とし、燃料のストイキオ比を１．５とした。発電時間を６０分間とし、このときの平均電圧及び燃料効率を求めた。又、排気配管４８から放出されるメタノールの濃度をそれぞれ測定した。尚、求めた平均電圧を、燃料電池システム１の発電電圧とした。【０１０８】
尚、燃料効率を求めるために用いるＭＣＯ量（式（４）参照）は、次の様に求めた。先ず、カソード排出配管４７を流れる二酸化炭素の濃度を、ヴァイサラ社製ハンディタイプＣＯ2計を用いて計測した。これと同時に、カソード排出配管４７を流れるガスの流量を、石鹸膜式流量計を用いて計測した。このガスに含まれる二酸化炭素は、メタノールクロスオーバ（ＭＣＯ）によってカソード１５に到達するメタノールの量との間に、相関を有している。このため、カソード排出配管４７を流れる二酸化炭素の総排出量を求めることにより、上記相関に基づいてＭＣＯ量を求めた。又、燃料効率を求めるために用いる発電電流として、電子負荷装置により計測される電流値を用いた。そして、式（４）に基づいて燃料効率を求めた。【０１０９】
排気配管４８から放出されるメタノールの濃度は、排気配管４８の出口部分に検知管を配置することにより測定した。【０１１０】
この様にして得られた結果が、表１に示されている。【０１１１】
【表１】
2013080415.tif 000003
【０１１２】
＜比較例１＞
比較例１では、実施例１の燃料電池システムにおいて燃料配管４１を回収液タンク３に接続し、回収液タンク３内で、高濃度の燃料と回収液とを混合させた。それ以外の構成は、実施例１と同じである。そして、比較例１に係る燃料電池システムについて、実施例１と同様の発電特性及び排気ガスの評価を行った。その結果は、表１に示されている。【０１１３】
＜比較例２＞
比較例２では、実施例１の燃料電池システムにおいて燃料フィルタ６を回収液タンク３と二液接続部４４との間に設けた。それ以外の構成は、実施例１と同じである。そして、比較例２に係る燃料電池システムについて、実施例１と同様の発電特性及び排気ガスの評価を行った。その結果は、表１に示されている。【０１１４】
＜比較例３＞
比較例３では、実施例１の燃料電池システムにおいて燃料フィルタ６を省略した。それ以外の構成は、実施例１と同じである。そして、比較例３に係る燃料電池システムについて、実施例１と同様の発電特性及び排気ガスの評価を行った。その結果は、表１に示されている。【０１１５】
表１に示される結果から次のことが分かった。先ず、実施例１の燃料電池システムによれば、比較例１の燃料電池システムとの比較において、排出メタノール濃度が著しく低減されることが分かった。尚、実施例１の燃料電池システムにおいて、排気配管４８に排気ガスフィルタ１１を設けることにより、排出メタノール濃度を更に低減することが出来る。よって、燃料電池システムを屋内で使用した場合でも、その安全性は著しく高い。又、排気ガス中のメタノール濃度が低いので、排気ガスフィルタ１１として、メタノール除去能力に優れた高価で体積の大きいガスフィルタを用いる必要はない。【０１１６】
次に、実施例１の燃料電池システムによれば、比較例２及び３の燃料電池システムとの比較において、発電電圧及び燃料効率が著しく向上することが分かった。その理由は次の通りである。即ち、比較例２及び３では、燃料と回収液とを十分に混合することが出来ず、燃料濃度が不均一な希釈燃料がアノード１４に供給される。従って、比較例２及び３では、局所的なＭＣＯ量の増加や、局所的な燃料不足による拡散過電圧の増加が発生し、その結果として発電性能が低下している。これに対し、実施例１の燃料電池システムでは、燃料フィルタ６により希釈燃料中の水と燃料との混合が促進され、その結果、燃料濃度が均一な希釈燃料がアノード１４に供給される。よって、局所的なＭＣＯの発生や、局所的な燃料不足が発生し難く、その結果として発電性能が向上している。【０１１７】
本発明を現時点での好ましい実施態様に関して説明したが、そのような開示を限定的に解釈してはならない。種々の変形及び改変は、上記開示を読むことによって本発明に属する技術分野における当業者には間違いなく明らかになるであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、本発明の真の精神及び範囲から逸脱することなく、すべての変形及び改変を包含する、と解釈されるべきものである。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明に係る燃料電池システムは、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、及び携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器において、それらの電源として有用である。更に、本発明に係る燃料電池システムは、ポータブル発電機としても有用である。
【符号の説明】
【０１１９】
１  燃料電池システム
２  燃料タンク
３  回収液タンク
４  第一の燃料供給部
５  第二の燃料供給部
６  燃料フィルタ
７  酸化剤供給部
１３  電解質膜
１４  アノード
１５  カソード
１０１  直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）
１０２  燃料電池セル
【図１】
2013080415.tif 000004
【図２】
2013080415.tif 000005
【手続補正書】
【提出日】平成26年5月27日(2014.5.27)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に介在した電解質膜とを有する膜電極接合体と、
液体燃料を蓄える燃料タンクと、
前記アノード及び前記カソードからそれぞれ排出される液体の両方を、回収液として蓄える回収液タンクと、
前記燃料タンクから供給される液体燃料と前記回収液タンクから供給される回収液とを混合することにより、希釈燃料を調製する二液接続部と、
前記液体燃料を前記二液接続部に供給する第一の燃料供給部と、
前記希釈燃料を前記アノードに供給する第二の燃料供給部と、
前記二液接続部と前記アノードとの間に設けられており、前記希釈燃料に含まれる不純物を除去する燃料フィルタと、
前記回収液タンクに設けられた気液分離機構と、
前記気液分離機構により前記回収液から分離されたガス成分を、前記二液接続部を介さずに外部へ排出する排出配管と
を備える、燃料電池システム。
【請求項２】
前記アノードから排出される前記液体を前記回収液タンクへ導くアノード排出配管と、
前記カソードから排出される前記液体を前記回収液タンクへ導くカソード排出配管と、
前記アノード排出配管及び前記カソード排出配管の各々に設けられた熱交換部と
を更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料フィルタは、粉末状又は顆粒状のイオン交換樹脂を含んでいる、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記イオン交換樹脂はカチオン交換樹脂である、請求項３に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記希釈燃料の燃料濃度は、前記燃料タンク内の液体燃料の燃料濃度の１／２倍以下１／３０倍以上である、請求項１乃至請求項４の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記二液接続部は、Ｙ字形状又はＴ字形状を有する三方管である、請求項１乃至請求項５の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記第二の燃料供給部は、前記二液接続部と前記アノードとの間に設けられている、請求項１乃至請求項６の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記液体燃料は、メタノール、エタノール、ホルムアルデヒド、蟻酸、ジメチルエーテル、及びエチレングリコール、並びにこれらの低分子重合体からなる群より選択される少なくとも一種の燃料を含んでいる、請求項１乃至請求項７の何れか１つに記載の燃料電池システム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２１】
本発明に係る燃料電池システムは、膜電極接合体と、燃料タンクと、回収液タンクと、二液接続部と、第一の燃料供給部と、第二の燃料供給部と、燃料フィルタと、気液分離機構と、排出配管とを備えている。膜電極接合体は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に介在した電解質膜とを有している。燃料タンクは、液体燃料を蓄える。回収液タンクは、アノード及びカソードからそれぞれ排出される液体の両方を、回収液として蓄える。二液接続部は、燃料タンクから供給される液体燃料と回収液タンクから供給される回収液とを混合することにより、希釈燃料を調製する。第一の燃料供給部は、液体燃料を二液接続部に供給する。第二の燃料供給部は、希釈燃料をアノードに供給する。燃料フィルタは、二液接続部とアノードとの間に設けられており、希釈燃料に含まれる不純物を除去する。気液分離機構は、回収液タンクに設けられている。排出配管は、気液分離機構により回収液から分離されたガス成分を、二液接続部を介さずに外部へ排出する。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
先ず、本発明に係る燃料電池システムについて説明する。
本発明に係る燃料電池システムは、膜電極接合体と、燃料タンクと、回収液タンクと、二液接続部と、第一の燃料供給部と、第二の燃料供給部と、燃料フィルタと、気液分離機構と、排出配管とを備えている。膜電極接合体は、アノードと、カソードと、アノードとカソードとの間に介在した電解質膜とを有している。燃料タンクは、液体燃料を蓄える。回収液タンクは、アノード及びカソードからそれぞれ排出される液体の両方を、回収液として蓄える。二液接続部は、燃料タンクから供給される液体燃料と回収液タンクから供給される回収液とを混合することにより、希釈燃料を調製する。第一の燃料供給部は、液体燃料を二液接続部に供給する。第二の燃料供給部は、希釈燃料をアノードに供給する。燃料フィルタは、二液接続部とアノードとの間に設けられており、希釈燃料に含まれる不純物を除去する。気液分離機構は、回収液タンクに設けられている。排出配管は、気液分離機構により回収液から分離されたガス成分を、二液接続部を介さずに外部へ排出する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
上記燃料電池システムにおいては、燃料タンクに高濃度の液体燃料が蓄えられる。従って、燃料電池システムにて高いエネルギー密度を実現することが出来る。これに加えて、燃料電池システムにおいては、アノードに、燃料濃度の低い希釈燃料が供給される。これにより、燃料クロスオーバ量が低減され、その結果、燃料電池システムにて高い燃料効率が実現される。
更に、上記燃料電池システムにおいては、回収液タンク内の回収液中の燃料濃度が、希釈燃料中の燃料濃度より低くなる。このため、回収液タンク内に生じる燃料ガスの濃度が、十分に低くなる。従って、気液分離機構により回収液から分離されたガス成分をそのまま、排出配管を通じて燃料電池システムの外部に排出した場合でも、人体や環境に悪影響が及ぶ可能性は低い。よって、燃料電池システムにおいて、高い安全性が実現される。尚、排気ガス（分離されたガス成分）は、排気ガスフィルタを介して外部に排出されてもよい。これにより、燃料電池システムの安全性が更に向上することになる。
より好ましい具体的構成において、上記燃料電池システムは、アノードから排出される液体を回収液タンクへ導くアノード排出配管と、カソードから排出される液体を回収液タンクへ導くカソード排出配管と、アノード排出配管及びカソード排出配管の各々に設けられた熱交換部とを更に備える。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３０
【補正方法】削除
【補正の内容】
【国際調査報告】
2013080415.tif 000006
2013080415.tif 000007
2013080415.tif 000008
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