(57)【要約】【課題】  小型化が可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】  改質部２０は、燃料を反応させて水素を発生させるための改質反応層２３と、改質反応層２３で発生したガスのうち水素を選択的に透過させる水素分離膜２４と、水素供給板２５とを順に積層した構造を有している。この水素供給板２５は、水素分離膜２４に接する面に、水素分離膜２４を透過した水素を発電部１０へ向けて送出するための導出路２６を有している。水素供給板２５は、水素分離膜２４および改質反応層２３の積層領域よりも長く延長されており、その延長領域において発電部１０が導出路２６に臨むよう一体化されている。改質部２０は、内部圧力を発電部１０よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して発生させた水素を導出路２６を介して発電部１０に供給する。水素を輸送するポンプやアクチュエータが不要となり、小型化が可能となる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と酸素との反応により発電を行う発電部と、
燃料を反応させて水素を発生させると共に、内部圧力を前記発電部よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して発生した水素を前記発電部に供給する改質部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記改質部は、
燃料を反応させて水素を発生させる改質反応層と、
前記改質反応層に接して配置され、前記改質反応層で発生した水素を選択的に透過させる水素分離膜と、
前記水素分離膜に接すると共に前記水素分離膜側に導出路を有し、前記水素分離膜を透過した水素を前記発電部へ供給する水素供給板と
を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記発電部は、前記水素分離膜に並列して前記導出路に臨むよう前記水素供給板に一体化されている
ことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記導出路のうち前記発電部に対応する部分は、前記発電部に水素を略均等に供給可能な負極用流路となっていることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記改質部は、燃料を導入するための導入口と、前記導入口に設けられた逆止機構とを有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記改質部は、燃料の反応による副生成物を排出するための排出口と、前記排出口に設けられた圧力制御弁とを有することを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記逆止機構による制御圧力Ｐ１と前記圧力制御弁による制御圧力Ｐ２とは、数１を満たすことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
（数１）
Ｐ２＜Ｐ１
【請求項８】
前記水素分離膜が水素を選択的に透過させる圧力Ｐｘは、数２を満たすことを特徴とする請求項６記載の燃料電池システム。
（数２）
Ｐｘ＜Ｐ２＜Ｐ１
（数２において、Ｐ１は前記逆止機構による制御圧力、Ｐ２は前記圧力制御弁による制御圧力をそれぞれ表す。）
【請求項９】
前記水素供給板は、表面に断熱層を有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記断熱層の熱伝導率λは、０．００１≦λ≦１であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
燃料として液体燃料を用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
燃料としてメタノール水溶液を用いることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記改質部に燃料を供給するための燃料カートリッジを備えたことを特徴とする請求項１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、燃料を反応させて発生した水素を発電部に供給して発電を行う燃料改質型の燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石油等の化石燃料に代わりうる代替クリーンエネルギー源の必要性が高まっており、例えば水素（ガス）燃料が注目されている。水素は、単位質量当たりに含まれる化学エネルギー量が大きく、また使用に際して有害物質あるいは地球温暖化ガスなどを放出しない等の理由から、クリーンでかつ無尽蔵な理想エネルギー源であると言える。
【０００３】
このような水素を利用したエネルギー変換方式として、燃料電池が挙げられる。燃料電池は、水素と酸素とを化学反応させ、水を生成すると共に電流を取り出すものであり、燃料である水素の供給方式や反応機構によって直接水素固体高分子型、直接メタノール型、燃料改質型、りん酸型、溶融固体高分子型、固体酸化物型などに分類される。
【０００４】
図１１は、従来の燃料電池システムの一例を表すものである。この燃料電池システムは、液体燃料改質型のものであり、発電部１１０と、改質部１２０と、燃料カートリッジ１３０と有している。発電部１１０と改質部１２０とは第１燃料供給用ポンプ２１１および水素搬送用連結チューブ２１２により接続され、改質部１２０と燃料カートリッジ１３０とは第２燃料供給用ポンプ２２１および液体燃料搬送用連結チューブ２２２により接続されている。
【０００５】
発電部１１０は、発電体１１１をアノード極１１２とカソード極１１３との間に配置した構成を有しており、発電部１１０から取り出された電流は整流器１４０を介して機器本体（図示せず）へと供給されるようになっている。アノード極１１２側には、改質部１２０からの水素が供給され、カソード極１１３側には、空気供給用ポンプ１５１により酸素が供給されると共に、気液分離装置１５２が接続されている。なお、発電部１１０は、発電部温度調節器１６１により温度調節されている。
【０００６】
改質部１２０は、燃料カートリッジ１３０から液体燃料としてメタノール水溶液（ＣＨ3 ＯＨ，Ｈ2 Ｏ）が供給され、このメタノール水溶液を反応させることにより水素（Ｈ2 ）を発生させるようになっている。なお、改質部１２０は、改質部温度調節器１６２により温度調節されている。
【０００７】
第１燃料供給用ポンプ２１１，水素搬送用連結チューブ２１２，第２燃料供給用ポンプ２２１，液体燃料搬送用連結チューブ２２２，整流器１４０，空気供給用ポンプ１５１，気液分離装置１５２，発電部温度調節器１６１および改質部温度調節器１６２には、それぞれ補助電源１４０から電力が供給されている。
【０００８】
このように従来の燃料電池システムでは、アノード極１１２側、カソード極１１３側ともにポンプやアクチュエータを利用して水素や酸素を発電部１１０に供給するのが一般的である。液体燃料改質型の燃料電池システムは、燃料取り扱いの容易さから携帯用機器向けの電源として期待されており、より小型化・高効率化が要求されている。にもかかわらず、現状ではポンプの小型化によって対応するにとどまっており、補機部材の削減を伴う画期的な簡素化についての報告はほとんどなかった。
【０００９】
従来では、例えば、改質器をＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；微小電気機械システム）により構成することによって改質部を小型化することが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００３−４５４５９号公報
【特許文献２】特開２００３−１１２９０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、特許文献１に記載された構成では、燃料供給のためには従来どおりのポンプや燃料供給管を必要としており、更なる簡素化・小型化の要請に対して十分に応えることができないという問題があった。
【００１１】
また、一般的にアルコール燃料や炭化水素燃料を改質する反応は吸熱反応であり、発電反応は発熱反応であるが、例えば特許文献２に記載されたような従来の燃料電池システムでは、改質部と発電部とが独立しており、更なる簡素化が必要であった。
【００１２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、小型化が可能な燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明による燃料電池システムは、水素と酸素との反応により発電を行う発電部と、燃料を反応させて水素を発生させると共に、内部圧力を発電部よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して発生した水素を発電部に供給する改質部とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明による燃料電池システムによれば、改質部の内部圧力を発電部よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して水素を発電部に対して供給するようにしたので、水素を輸送するポンプやアクチュエータを削減することができ、小型化が可能となる。
【００１５】
特に、改質部を、改質反応層，水素分離膜および水素供給板の積層構造とし、水素供給板の水素分離膜に接する面に導出路を設けるようにすれば、改質反応層で発生した水素を水素分離膜により分離して導出路に移動させ、一方、二酸化炭素などの副生成物の導出路への移動を抑制することができる。よって、水素の分圧制御を容易にすることができると共に発電部の効率を高めることができる。
【００１６】
また、発電部を、水素分離膜に並列して導出路に臨むように水素供給板に一体化すれば、改質部および発電部を組み合わせて一体化することができる。よって、簡素な構造で、更に小型化された燃料電池システムの実現が可能となる。
【００１７】
更に、導出路のうち発電部に対応する部分を、発電部に水素を略均等に供給可能な負極用流路とすれば、導出路を簡素化することができる。よって、水素移送時の熱損失を減少させ、燃料電池システム全体での熱効率を向上させることができる。
【００１８】
加えて、改質部において、燃料を導入するための導入口に逆止機構を設けるようにすれば、燃料が気化により体積膨張しても導入口から逆流してしまうことを防止することができ、改質部の内部圧力を高く維持することができる。よって、燃料の反応による内部圧力の増大を有効に利用して水素を発電部に送り込むことができる。
【００１９】
更にまた、改質部において、燃料の反応による副生成物を排出するための排出口に圧力制御弁を設けるようにすれば、運転条件によって導入口からガスが逆流してしまうことなどを防ぐことができ、安定した燃料供給を行うことができる。
【００２０】
加えてまた、水素供給板の表面に断熱層を設けるようにすれば、放熱量を低減することができ、燃料電池システム全体のエネルギー変換効率を高め、安定した駆動を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２２】
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表したものである。この燃料電池システムは、携帯機器用電源などとして用いられるものであり、例えば、発電部１０と、改質部２０と、燃料カートリッジ３０とを備えている。
【００２３】
発電部１０は、水素と酸素との反応により発電を行うものである。発電部１０は、発電体１１をアノード極１２とカソード極１３との間に配置した構成を有しており、発電部１０から取り出された電流は、整流器４０を介して、機器本体（図示せず）へと供給されるようになっている。発電体１１のアノード極１２側には、改質部２０からの水素が供給され、カソード極１３側には、空気供給用ポンプ５１により酸素が供給されると共に、気液分離装置５２が接続されている。アノード極１２およびカソード極１３は、ガス密閉性に優れた材料により構成されていることが好ましく、例えば炭素材料を配合した樹脂成形体により構成されている。発電部１０は、改質部２０と共に、共通の温度調節器６０により温度調節されている。なお、整流器４０は、例えばリチウムイオン電池により構成された補助電源７０から電力が供給されている。
【００２４】
改質部２０は、液体燃料としてのメタノール水溶液を反応させて水素を発生させるものであり、燃料カートリッジ３０から燃料を導入するための導入口２１と、燃料の反応による副生成物である二酸化炭素を排出するための排出口２２とを有している。なお、排出口２２には、二酸化炭素を分離・排出するための二酸化炭素分離膜（図示せず）が設けられている。
【００２５】
図２は、図１に示した燃料カートリッジ３０の内部構成の一例を表したものである。燃料カートリッジ３０は、可動壁３１により燃料タンク室３２と加圧室３３とに分割されており、加圧室３３内の圧力制御により燃料タンク室３２を加圧して燃料を改質部２０に供給するものである。これにより、この燃料電池システムでは、燃料を改質部２０に供給するためのポンプやアクチュエータが不要となり、更に小型化が可能となっている。
【００２６】
燃料タンク室３２は、燃料を排出する排出口３２Ａを有し、この排出口３２Ａは、例えば連結チューブ３４で改質部２０の導入口２１に接続されている。可動壁３１の断面積Ａと燃料タンク室３２の排出口３２Ａの断面積Ｂとの断面積比がＡ：Ｂである場合、圧力比はＢ：Ａとなる。
【００２７】
加圧室３３は、加圧用ガスを導入するためのガス導入口３３Ａと、圧力制御弁３３Ｂとを有している。加圧室３３内の圧力制御は、例えば、運転時にはガス導入口３３Ａから加圧用ガスを導入し、一定圧力以上になったら圧力制御弁３３Ｂを開き、停止時には圧力制御弁３３Ｂを開いてガス抜けして常圧に戻すことにより行うことができる。更に、加圧用ガスとして、発電部１０のカソード極１３からの排気を用いるようにすれば、燃料電池システムの構成をより簡素化することができる。
【００２８】
図３は図１に示した発電部１０および改質部２０の具体的な構成を表し、図４はその断面構造を表したものである。改質部２０は、燃料を反応させて水素を発生させるための改質反応層２３と、改質反応層２３で発生したガスのうち発電に必要な水素を選択的に透過させる機能（水素分離機能）を有する水素分離膜２４と、水素供給板２５とを順に積層した構造を有している。この水素供給板２５は、水素分離膜２４に接する面に、水素分離膜２４を透過した水素を発電部１０へ向けて送出するための導出路２６を有している。これにより、この燃料電池システムでは、改質反応層２３で発生した水素を水素分離膜２４により分離して導出路２６に移動させ、一方、二酸化炭素などの副生成物の導出路２６への移動を抑制することができるようになっている。
【００２９】
水素供給板２５は、水素分離膜２４および改質反応層２３の積層領域よりも長く延長されており、その延長領域において発電部１０が導出路２６に臨むよう一体化されている。すなわち、水素供給板２５の同一面側に、水素分離膜２４および改質反応層２３の積層部分と共に発電部１０が隣接して配置されている。このような構成により、本実施の形態では、改質部２０および発電部１０を組み合わせて一体化することができ、全体としてコンパクトになる。
【００３０】
また、水素供給板２５は、発電部１０におけるアノード極１２（図１参照。）としての機能も有しており、導出路２６のうち発電部１０に対応する部分は、例えば図５に示したように、発電部１０に水素を略均等に供給可能な格子状の負極用流路１２Ａとなっている。これにより、導出路２６を簡素化することができ、水素移送時の熱損失を減少させ、燃料電池システム全体での熱効率を向上させることができる。なお、導出路２６のうち水素分離膜２４に対応する部分はストライプ状に形成されている。
【００３１】
改質部２０は、内部圧力を発電部１０よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して発生させた水素を発電部１０に供給するようになっている。これにより、この燃料電池システムでは、後述するようにポンプやアクチュエータを用いずに水素を発電部１０に供給することができ、小型化が可能となっている。
【００３２】
改質部２０の内部圧力を安定して高い状態に維持するため、図１に示したように、導入口２１には逆止機構２１Ａが設けられている。これにより、気化により体積膨張した燃料が導入口２１から逆流してしまうことを防止することができ、燃料の反応による内部圧力の増大を有効に利用して水素を発電部１０に送り込むことができる。
【００３３】
逆止機構２１Ａとしては、後述するように燃料カートリッジ３０により導入口２１に背圧を直接付加する方式（図２参照。）、または、スイング式，チルチング式，リフト式，ネジ締め逆止弁等の逆止弁方式などが挙げられるが、燃料が逆流した場合に導入口２１または逆止弁の弁体に背圧が生じ、自動的に逆流防止することができるものであればその方式を問わない。
【００３４】
一方、改質部２０の排出口２２には、同じく図１に示したように、圧力制御弁２２Ａが設けられている。この圧力制御弁２２Ａを設けることにより、運転条件によって導入口２１からガスが逆流してしまうことなどを防ぐことができ、安定した燃料供給を行うことができる。
【００３５】
逆止機構２１Ａによる制御圧力Ｐ１と圧力制御弁２２Ａによる制御圧力Ｐ２とは、数１を満たすことが好ましい。この関係が逆転すると、改質部２０で発生した水素などが燃料カートリッジ３０側へと逆流してしまうおそれがあるからである。
【００３６】
（数１）
Ｐ２＜Ｐ１
【００３７】
図６は図３に示した改質部２０の断面構成を表すものである。改質反応層２３は、燃料を反応させるための触媒を有する触媒担持層２３Ａと、この触媒担持層２３Ａを加熱するためのヒータ２３Ｂと、触媒担持層２３Ａを覆う銅などにより構成された被覆部材２３Ｃとを有している。被覆部材２３Ｃは例えば銅により構成され、この被覆部材２３Ｃ内にヒータ２３Ｂが埋め込まれている。
【００３８】
触媒担持層２３Ａは、液体燃料を水素ガス状態まで還元するための触媒を、多孔質材料などのガス透過性を有する材料に担持させたものである。触媒を多孔質材料に担持させるための構造は、特に限定されないが、高効率に触媒能を発揮させることができる構造とすることが望ましい。触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）およびその合金，金（Ａｕ）およびその合金、マンガン（Ｍｎ），鉄（Ｆｅ），亜鉛（Ｚｎ），銅（Ｃｕ），ニッケル（Ｎｉ）およびその合金，コバルト（Ｃｏ）およびその合金，並びにルテニウム（Ｒｕ）が挙げられる。特に、Ｃｕ／ＺｎＯ／Ａｌ2 Ｏ3 が好ましい。より低温領域で触媒能を発現するので、携帯機器用電源として好適であるからである。
【００３９】
また、触媒担持層２３Ａ内には、例えば図７に示したような格子状の燃料供給路２３Ｄが形成されており、この燃料供給路２３Ｄを通じて燃料を改質部２０内に行きわたらせることができるようになっている。なお、図６では燃料供給路２３Ｄを省略している。
【００４０】
ヒータ２３Ｂは、例えばタンタル（Ｔａ）などの発熱量の大きな金属により構成されていることが好ましい。ヒータ２３Ｂの構成は、触媒担持層２３Ａを効率良く加熱することができれば特に限定されないが、例えば、熱効率を高めるために触媒担持層２３Ａ近傍に埋めこまれていることが望ましい。
【００４１】
水素分離膜２４の構成材料としては、水素を分離または吸蔵／放出できる材料であれば特に制限されない。具体的には、例えば、バナジウム（Ｖ）およびその合金，パラジウム（Ｐｄ）およびその合金，Ｎｉ−Ｎｂ−Ｚｒ合金，またはランタン（Ｌａ），セリウム（Ｃｅ），プラセオジム（Ｐｒ），ネオジム（Ｎｄ）などの希土類混合物であるミッシュメタルのような水素吸蔵合金を薄膜化したものが挙げられる。また、有機材料としては、ポリエチレン，ナイロンあるいはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）などを薄膜化したものが挙げられる。なお、水素分離膜２４は、被覆部材２３Ｃおよび水素供給板２５からはみ出さない寸法であることが望ましい。
【００４２】
水素分離膜２４が水素を選択的に透過させる圧力Ｐｘは、数２を満たすことが好ましい。一般に水素分離膜２４が水素分離機能を発現するには、水素分離膜２４の両面で差圧を生じさせて改質部２０内を陽圧にする必要がある。数２が満たされないと、改質部２０で発生したガスが燃料カートリッジ３０側へと逆流してしまったり、水素分離膜２４の水素分離機能が十分に発揮されなくなるおそれがある。
【００４３】
（数２）
Ｐｘ＜Ｐ２＜Ｐ１
（数２において、Ｐ１は逆止機構２１Ａによる制御圧力、Ｐ２は圧力制御弁２２Ａによる制御圧力をそれぞれ表す）
【００４４】
水素供給板２５は、例えば炭素材料を配合した樹脂成型体により構成され、この燃料電池システムを複数組み合わせる場合におけるアノード側セパレータとしての機能も有している。更に、この水素供給板２５には、水素分離膜２４に接する面およびその裏面に、断熱層２５Ａが設けられており、水素供給板２５からの放熱を抑制するようになっている。これにより、熱効率を改善して安定した駆動を行うことができる。
【００４５】
断熱層２５Ａの熱伝導率λは、０．００１≦λ≦１であることが好ましい。断熱層２５Ａの熱伝導率λは、数３で表されるフーリエの熱伝導式で定義され、低ければ低いほど外部への放熱が抑制され、燃料電池システム全体のエネルギー効率が向上するからである。更に、熱伝導率λが０．１以下であれば、より好ましい。
【００４６】
（数３）
λ（Ｗ／ｍＫ）＝厚さ（ｍ）／Ｒｓ（ｍ2 Ｋ／Ｗ）
（数３において、Ｒｓは熱抵抗を表す。）
【００４７】
このような断熱層２５Ａの構成材料としては、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ2 ），ポリイミド化合物，セラミックファイバおよび多孔性セラミックスが挙げられる。
【００４８】
断熱層２５Ａによるエネルギー効率の向上は、熱伝導率λより算出することができる。例えば、改質部２０が表面積１００ｃｍ2 ，肉厚１ｍｍのアルミニウム（Ａｌ）よりなる筐体により構成され、改質部２０の温度が３００℃である場合、アルミニウムの熱伝導率は２３６（Ｗ／ｍＫ）であるので、室温（２３℃）で１ｈｒ運転すると、放熱されるエネルギーは数４で表され、３０６７Ｗｈとなる。これに対して、表面に熱伝導率０．１であり厚さ１ｍｍの断熱層２５Ａが形成されている場合、放熱量は１．３Ｗｈまで抑制される。
【００４９】
（数４）
１ｈｒ＊２３６（Ｗ／ｍＫ）＊１（ｍｍ）／（１００（ｃｍ2 ）＊（３００−２３）（℃）
＝３６００（ｓ）＊２３６（Ｗ／ｍＫ）＊０．０１（ｍ）／（０．０１（ｍ2 ）＊２７７（Ｋ））
＝３０６７Ｗｈ
【００５０】
水素供給板２５には、必要に応じて、水素加湿用の加湿層が設けられていてもよい。加湿層は、生成した水素ガスに水蒸気を混合することができるものであればよいが、水素供給板２５上に形成するためには小型かつ半固体状であることが好ましい。更に、多孔質構造体により構成されていれば、接触面積を大きくすることができるのでより好ましい。加湿層の具体的な構成としては、発泡ニッケルやポリアミド多孔質体のような耐熱性に優れ剛直な３次元多孔質構造体を骨格構造とし、その表面にポリアクリル酸，ポリビニルアルコールあるいはヒアルロン酸のような吸水性高分子を被膜形成させたものが挙げられる。このような加湿層が設けられている場合には、それに付随して、例えば、加湿用水タンクおよび水分供給経路が別途設けられていてもよい。更に、燃料電池システムにおける発電によって水蒸気が生成しているので、例えば、その水蒸気が加湿用水タンクを経由して排気されるようにすれば、生成水再利用の点で望ましい。
【００５１】
図８は、図３に示した発電部１０の断面構成を表すものである。発電体１１は、アノード極１２としての機能を有する水素供給板２５とカソード極１３との間に配置されている。水素供給板２５と発電体１１との間、およびカソード極１３と発電体１１との間には、シリコーンゴム，スチレン−ブタジエン共重合体ゴム，軟質ポリ塩化ビニル，フッ化ビニリデンゴム，ニトリルゴム，エチレンプロピレンゴムまたはブチルゴムなどよりなるシーリング層１４が設けられている。なお、図８では水素供給板２５の断熱層２５Ａは省略している。
【００５２】
カソード極１３は、発電体１１側の表面に、例えば図９に示したような折れ線状の正極用流路１３Ａを有し、この正極用流路１３Ａを通じて酸素を発電部１０に略均等に供給することができるようになっている。また、このカソード極１３は、図３に示した発電部１０および改質部２０を複数組み合わせる場合におけるカソード側セパレータとしての機能も有している。
【００５３】
図１０は、図１に示した燃料電池システムの外観の一例を模式的に表したものである。この燃料電池システムでは、例えば、カソード集電体８０Ａとアノード集電体８０Ｂとの間に、図３に示した発電部１０および改質部２０が例えば４個ずつ挟み込まれ、改質部２０上には燃料カートリッジ３０、カソード集電体８０Ａ上には空気供給用ポンプ５１がそれぞれ配置されている。改質部２０の側方には、整流器４０などを含むシステム制御基板やセンサ類などにより構成された制御部９０と、補助電源７０とが配置されている。なお、図１０では、温度調節器６０，気液分離装置５２（いずれも図１参照。）または加湿用水タンク等は省略している。発電部１０および改質部２０の個数は４個ずつに限定されず、また、各構成要素の配置関係は図１０に示したものに限られない。
【００５４】
この燃料電池システムは、例えば、次のようにして製造することができる。
【００５５】
まず、上述した触媒を多孔質材料に担持させた触媒担持層２３Ａを作製する。次いで、ヒータ２３Ｂを内蔵すると共に逆止機構２１Ａ，圧力制御弁２２Ａおよび図７に示した燃料供給路２３Ｄを有する被覆部材２３Ｃを用意し、この被覆部材２３Ｃ内に触媒担持層２３Ａを収容する。これにより、例えば幅４０ｍｍ，長さ１１０ｍｍ，厚さ２ｍｍの改質反応層２３を作製する。
【００５６】
続いて、上述した材料よりなる例えば幅４０ｍｍ，長さ１１０ｍｍ，厚さ１００μｍの水素分離膜２４と、図５に示したような導出路２６および負極用流路１２Ａが形成された例えば幅４０ｍｍ，長さ１５０ｍｍ，厚さ１ｍｍの水素供給板２５とを用意し、改質反応層２３と、水素分離膜２４と、水素供給板２５とをこの順に積層して、図３および図６に示した改質部３０を形成する。水素供給板２５には、上述した材料よりなる断熱層２５Ａを設け、断熱層２５Ａの熱伝導率λが０．００１≦λ≦１となるようにする。
【００５７】
また、例えば触媒担持面積１０ｃｍ2 ，幅４０ｍｍ，長さ４０ｍｍ，厚さ１ｍｍの発電体１１と、図９に示したような正極用流路１３Ａが形成された例えば幅４０ｍｍ，長さ４０ｍｍ，厚さ１ｍｍのカソード極１３とを用意し、水素供給板２５の残りの領域上に、発電体１１と、カソード極１３とをこの順に積層して、図３および図８に示した発電部１０を形成する。
【００５８】
そののち、発電部１０および改質部２０を各４個ずつ積層して、カソード集電体８０Ａとアノード集電体８０Ｂとの間に挟み込み、改質部２０上に燃料カートリッジ３０、カソード集電体８０Ａ上に空気供給用ポンプ５１をそれぞれ配置する。また、改質部２０の側方に、整流器５０（図１参照。）などを含むシステム制御基板やセンサ類などにより構成された制御部９０と、補助電源７０とを配置する。以上により、図１０に示した燃料電池システムが完成する。
【００５９】
この燃料電池システムでは、燃料カートリッジ３０から改質部２０に燃料としてのメタノール水溶液が供給され、燃料が反応することにより水素が発生する。その際、改質部２０は触媒作用を高めるため例えば約３００℃以上の温度まで加熱されており、燃料は気化により体積膨張する。その結果、改質部２０の内部圧力が増大し、改質部２０の内部圧力が発電部１０よりも高い状態となり、その圧力差により、図４に示したように、発生した水素は水素分離膜２４により分離され、導出路２６を経由して発電部１０に供給される。更に、逆止機構２１Ａおよび圧力制御弁２２Ａにより、改質部２０の内部圧力を発電部１０よりも高い状態に維持するように制御され、水素が発電部１０に対して安定的に供給される。発電部１０に供給された水素は、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは発電体１１を通ってカソード極１３側に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。
【００６０】
このように本実施の形態では、改質部２０の内部圧力を発電部１０よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して水素を発電部１０に対して供給するようにしたので、水素を輸送するポンプやアクチュエータを削減することができる。よって、小型で安定した駆動が可能な燃料電池システムを実現することができる。
【００６１】
また、改質部２０を、改質反応層２３，水素分離膜２４および水素供給板２５の積層構造とし、水素供給板２５の水素分離膜２４に接する面に導出路２６を設けるようにしたので、改質反応層２３で発生した水素を水素分離膜２４により分離して導出路２６に移動させ、一方、二酸化炭素などの副生成物の導出路２６への移動を抑制することができる。よって、水素の分圧制御を容易にすることができると共に発電部１０の効率を高めることができる。
【００６２】
更に、発電部１０を、水素分離膜２４に並列して導出路２６に臨むように水素供給板２５に一体化したので、改質部２０および発電部１０を組み合わせて一体化することができる。よって、簡素な構造で、更に小型化された燃料電池システムの実現が可能となる。
【００６３】
加えて、導出路２６のうち発電部１０に対応する部分を、発電部１に水素を略均等に供給可能な負極用流路１２Ａとしたので、導出路２６を簡素化することができる。よって、水素移送時の熱損失を減少させ、燃料電池システム全体での熱効率を向上させることができる。
【００６４】
更にまた、改質部２０において、燃料を導入するための導入口２１に逆止機構２１Ａを設けたので、燃料が気化により体積膨張しても導入口２１から逆流してしまうことを防止することができ、改質部２０の内部圧力を高く維持することができる。よって、燃料の反応による内部圧力の増大を有効に利用して水素を発電部１０に送り込むことができる。
【００６５】
加えてまた、改質部２０において、燃料の反応による副生成物を排出するための排出口２２に圧力制御弁２２Ａを設けたので、運転条件によって導入口２１からガスが逆流してしまうことなどを防ぐことができ、安定した燃料供給を行うことができる。
【００６６】
更にまた、水素供給板２５の表面に断熱層２５Ａを設けるようにすれば、放熱量を低減することができ、燃料電池システム全体のエネルギー変換効率を高め、安定した駆動を行うことができる。
【実施例】
【００６７】
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。なお、以下の実施例では、図１０と同様の構成を有する燃料電池システムを作製し、特性を評価した。よって、以下の実施例においても、図１０を参照し、図１０と同一の符号を用いて説明する。
【００６８】
（実施例１）
図１０に示した燃料電池システムを作製した。まず、触媒として銅，亜鉛およびアルミニウムを銅：亜鉛：アルミニウム＝６：３：１のモル比で含有するＣｕ／ＺｎＯ／Ａｌ2 Ｏ3 を多孔質材料に担持させた触媒担持層２３Ａを作製した。次いで、ヒータ３２Ｂを内蔵すると共に逆止機構２１Ａ，圧力制御弁２１Ａおよび図７に示した燃料供給路２３Ｄを有する銅よりなる被覆部材２３Ｃを用意し、この被覆部材２３Ｃ内に触媒担持層２３Ａを収容した。これにより、幅４０ｍｍ，長さ１１０ｍｍ，厚さ２ｍｍの改質反応層２３を作製した。その際、逆止機構２１Ａとしてスイング式の逆止弁を採用した。
【００６９】
続いて、Ｐｄ−Ａｇ合金よりなる幅４０ｍｍ，長さ１１０ｍｍ，厚さ１００μｍの水素分離膜２４と、図５に示したような導出路２６および負極用流路１２Ａが形成された幅４０ｍｍ，長さ１５０ｍｍ，厚さ１ｍｍの水素供給板２５とを用意し、改質反応層２３と、水素分離膜２４と、水素供給板２５とをこの順に積層して、図３および図６に示した改質部２０を形成した。水素供給板２５には、ＳｉＯ2 よりなる断熱層２５Ａを設け、断熱層２５Ａの熱伝導率λを０．１となるようにした。
【００７０】
また、触媒担持面積１０ｃｍ2 ，幅４０ｍｍ，長さ４０ｍｍ，厚さ１ｍｍの発電体１１と、図９に示したような正極用流路１３Ａが形成された幅４０ｍｍ，長さ４０ｍｍ，厚さ１ｍｍのカソード極１３とを用意し、水素供給板２５の残りの領域上に、発電体１１と、カソード極１３とをこの順に積層して、図３および図８に示した発電部１０を形成した。
【００７１】
そののち、発電部１０および改質部２０を各１０個ずつ積層して、カソード集電体８０Ａとアノード集電体８０Ｂとの間に挟み込み、改質部２０上に３０％メタノール水溶液を収容した容量１００ｃｃの燃料カートリッジ３０、カソード集電体８０Ａ上に最大吐出量１ＮＬ／ｍｉｎの空気供給用ポンプ５１をそれぞれ配置した。また、改質部２０の側方に、整流器５０（図１参照。）などを含むシステム制御基板やセンサ類などにより構成された制御部９０と、補助電源７０とを配置した。システム制御基板および制御プログラムは別途作成した。補助電源７０としては、市販のリチウムイオン２次電池（ＵＳ１８６５０）を３本使用した。なお、図１０には示していないが、容量１００ｃｃの加湿用水タンクも配置した。完成した燃料電池システムの総体積を測定したところ、４００ｃｃであった。
【００７２】
得られた燃料電池システムについて、改質部２０の温度を２５０℃、発電部１０の温度を８０℃として、発電体１１当たりの最大出力および連続運転時間を調べた。その際、水素分離膜２４が選択的水素分離機能を発現する圧力Ｐｘ，逆止機構２１Ａによる制御圧力Ｐ１および圧力制御弁２２Ａによる制御圧力Ｐ２を、それぞれ表１に示したように制御した。得られた結果を表１に示す。なお、表１には示していないが、燃料電池システム全体としては最大出力４０Ｗ、平均出力２５Ｗであった。
【００７３】
【表１】
2006185825.tif 000003
【００７４】
また、図１１に示した従来型の燃料電池システムについても同様にして発電体あたりの最大出力および連続運転時間を調べた。その結果を表１に合わせて示す。
【００７５】
表１から分かるように、実施例１によれば、従来モデルと同レベルの能力が得られた。すなわち、改質部２０の内部圧力を発電部１０よりも高い状態に制御することにより、その圧力差を利用して水素を発電部１０に対して供給するようにすれば、小型で安定した駆動が可能な燃料電池システムを実現することができることが分かった。
【００７６】
（実施例２，３）
Ｐｘ，Ｐ１，Ｐ２を表１に示したように異ならせたことを除いては、実施例１と同様にして燃料電池システムを作製し、発電体１１当たりの最大出力および連続運転時間を調べた。その結果を表１に合わせて示す。
【００７７】
表１から分かるように、Ｐｘ＝Ｐ２とした実施例２では連続運転時間が短くなり、Ｐｘ＞Ｐ２とした実施例３では出力は得られたが不安定であった。すなわち、Ｐｘ＜Ｐ２＜Ｐ１とすることにより連続運転時間を長くし、安定した駆動を行うことができることが分かった。
【００７８】
（実施例４）
逆止機構２１Ａを設けないことを除いては、実施例１と同様にして燃料電池システムを作製し、実施例１と同様にして発電体１１当たりの最大出力および連続運転時間を調べた。その結果を表１に合わせて示す。
【００７９】
表１から分かるように、実施例４ではやや不安定ではあるものの出力は得られた。これは、実施例４では逆止機構２１Ａがないので、燃料が気化して体積膨張することにより導入口２１から逆流してしまい、水素が発電部１０に十分に供給されなかったからであると考えられる。すなわち、逆止機構２１Ａを設けることにより、燃料の反応による内部圧力の増大を有効に利用して水素を発電部１０に送り込むことができることが分かった。
【００８０】
（実施例５，６）
水素供給板２５に断熱層２５Ａを設けないことを除いては、実施例５は実施例１と同様にし、実施例６は実施例２と同様にして燃料電池システムを作製し、実施例１と同様にして発電体１１当たりの最大出力および連続運転時間を調べた。その結果を表１に合わせて示す。
【００８１】
表１から分かるように、実施例５では実施例１よりも連続運転時間が短く、実施例６では実施例２よりも連続運転時間が短くなっていた。これは、実施例５，６では断熱層２５Ａがないので水素供給板２５からの放熱量が増大したためであると考えられる。すなわち、水素供給板２５に断熱層２５Ａを設けることにより、安定した駆動を行うことができることが分かった。
【００８２】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、燃料カートリッジ３０の内部を、可動壁３１により燃料タンク室３２と加圧室３３とに分割し、加圧室３３内の圧力制御により燃料タンク室３２を加圧して、ポンプやアクチュエータを使用せずに液体燃料を改質部２０に供給するようにした場合について説明したが、燃料カートリッジ３０から改質部２０への燃料供給は、液体燃料を定常的に排出できる機構であれば特に方式は問わず、ポンプやアクチュエータによる一般的な方式により行うようにしてもよい。
【００８３】
また、上記実施の形態および実施例では、発電部１０，改質部２０および燃料カートリッジ３０の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。
【００８４】
加えて、上記実施の形態および実施例では、発電部１０への空気の供給を空気供給用ポンプ５１を利用して強制的に行うようにしたが、自然換気としてもよい。また、空気に変えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。
【００８５】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、図１０に示したように発電部１０および改質部２０を複数積層した積層型の燃料電池システムについて説明したが、本発明は、単セル型のものについても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池システムの全体構成を表すブロック図である。
【図２】図１に示した燃料カートリッジの内部構成の一例を表す断面図である。
【図３】図１に示した発電部および改質部の構成を表す斜視図である。
【図４】図３に示した発電部および改質部における水素の移動経路を模式的に表す断面図である。
【図５】図３に示した水素供給板を導出路側から見た構成を表す平面図である。
【図６】図３に示した改質部の構成を表す断面図である。
【図７】図６に示した被覆部材を燃料供給路側から見た構成を表す平面図である。
【図８】図３に示した発電部の構成を表す断面図である。
【図９】図８に示したカソード極を正極用流路側から見た構成を表す平面図である。
【図１０】図１に示した燃料電池システムの外観の一例を模式的に表した斜視図である。
【図１１】従来の燃料改質型の燃料電池システムの一例を表すブロック図である。
【符号の説明】
【００８７】
１０…発電部、１１…発電体、１２…アノード極、１２Ａ…負極用流路、１３…カソード極、１３Ａ…正極用流路、１４…シーリング層、２０…改質部、２１…導入口、２１Ａ…逆止機構、２２…排出口、２２Ａ…圧力制御弁、２３…改質反応層、２４…水素分離膜、２５…水素供給板、２５Ａ…断熱層、２６…導出路、３０…燃料カートリッジ、３１…可動壁、３２…燃料タンク室、３３…加圧室、４０…整流器、５１…空気供給用ポンプ、５２…気液分離装置、６０…温度調節部、７０…補助電源、９０…制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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