(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】  水素と酸素との反応により発電を行う発電部１０と、液体燃料を貯蔵する貯蔵部２０との間に、燃料供給部３０を配置する。燃料供給部３０は、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として、すなわちサーマルインクジェット方式により発電部１０に供給するものである。貯蔵部３０から発電部１０に液体燃料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。貯蔵部３０は、液体燃料を収容する燃料タンク室３１と、燃料タンク室３１の内部圧力を制御する圧力制御機構３２とを有しており、停止時の液体燃料漏れや運転時の気泡逆流などが防止される。圧力制御機構３２には、空気供給ポンプ５１から分岐された空気供給路５１Ａにより空気が加圧用ガスとして供給される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料および空気の供給を受けて発電を行う発電部と、
前記液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により前記液体燃料を噴流として前記発電部に供給する燃料供給部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記貯蔵部は、前記液体燃料を収容する燃料タンク室と、前記燃料タンク室の内部圧力を制御する圧力制御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３】
前記発電部および前記圧力制御機構に対して空気を供給する空気供給ポンプを備えた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】
前記発電部からの排気を前記圧力制御機構に供給する排気供給路を備えた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５】
前記発電部における液体燃料の最大消費量Ｑ１と前記燃料供給部における液体燃料の最大吐出量Ｑ２とは、数１を満たすことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
（数１）
Ｑ１≦Ｑ２
【請求項６】
前記液体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７】
水素と酸素との反応により発電を行う発電部と、
液体燃料を反応させて水素を発生させると共に、発生した水素を前記発電部に供給する改質部と、
前記液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、
前記貯蔵部から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により前記液体燃料を噴流として前記改質部に供給する燃料供給部と
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
前記貯蔵部は、前記液体燃料を収容する燃料タンク室と、前記燃料タンク室の内部圧力を制御する圧力制御機構とを有することを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記発電部および前記圧力制御機構に対して空気を供給する空気供給ポンプを備えたことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記発電部からの排気を前記圧力制御機構に供給する排気供給路を備えたことを特徴とする請求項８記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記発電部における液体燃料の最大消費量Ｑ１と前記燃料供給部における液体燃料の最大吐出量Ｑ２とは、数２を満たすことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
（数２）
Ｑ１≦Ｑ２＊ａ
（数２においてａは前記改質部における改質効率を表す。）
【請求項１２】
前記液体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７記載の燃料電池システム。
【請求項１３】
前記改質部は、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ことを特徴とする請求項７記載の燃料電池システム。
【請求項１４】
前記改質部は、
前記液体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１３記載の燃料電池システム。
【請求項１５】
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１４記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
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１５記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
前記改質部は、前記液体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１３記載の燃料電池システム。
【請求項１８】
前記改質部は、前記液体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１７記載の燃料電池システム。
【請求項１９】
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３を満たすことを特徴とする請求項１８記載の燃料電池システム。
（数３）
Ｐ２＜Ｐ１
【請求項２０】
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４を満たすことを特徴とする請求項１８記載の燃料電池システム。
（数４）
Ｐｘ＜Ｐ２＜Ｐ１
（数４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２１】
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１４記載の燃料電池システム。
【請求項２２】
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２１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、液体燃料を直接発電部に供給し、または液体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電池システムに係り、特に液体燃料としてメタノール水溶液を用いる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、直接メタノール型などの直接液体燃料型、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２１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２１０と、改質部２７０と、貯蔵部２２０とを有している。発電部２１０と改質部２７０とは第１燃料供給用ポンプ３１１および水素搬送用連結チューブ３１２により接続され、改質部２７０と貯蔵部２２０とは第２燃料供給用ポンプ３２１および液体燃料搬送用連結チューブ３２２により接続されている。
【０００５】
発電部２１０は、発電体２１１をアノード極２１２とカソード極２１３との間に配置した構成を有しており、発電部２１０から取り出された電流は整流器２４０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２１２側には、改質部２７０からの水素が供給され、カソード極２１３側には、空気供給用ポンプ２５１により酸素が供給されると共に、気液分離装置２５２が接続されている。なお、発電部２１０は、発電部温度調節器２９１により温度調節されている。
【０００６】
改質部２７０は、貯蔵部２２０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２７０は、改質部温度調節器２９２により温度調節されている。
【０００７】
第１燃料供給用ポンプ３１１，第２燃料供給用ポンプ３２１，整流器２４０，空気供給用ポンプ２５１，気液分離装置２５２，発電部温度調節器２９１および改質部温度調節器２９２には、それぞれ補助電源２６０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２１２側、カソード極２１３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２１０に供給するのが一般的である。メタノールに代表される炭化水素系液体燃料を用いる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
【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】
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】
【００１２】
本発明による第１の燃料電池システムは、液体燃料および空気の供給を受けて発電を行う発電部と、液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、貯蔵部から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として発電部に供給する燃料供給部とを備えたものである。
【００１３】
本発明による第２の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、液体燃料を反応させて水素を発生させると共に、発生した水素を発電部に供給する改質部と、液体燃料を貯蔵する貯蔵部と、貯蔵部から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として改質部に供給する燃料供給部とを備えたものである。
【００１４】
本発明の第１の燃料電池システムでは、貯蔵部から燃料供給部に供給された液体燃料は熱により気化し、その体積の膨張により液体燃料が噴流として発電部に供給される。発電部では、燃料供給部からの液体燃料および空気の供給を受けて、発電が行われる。
【００１５】
本発明の第２の燃料電池システムでは、貯蔵部から燃料供給部に供給された液体燃料は熱により気化し、その体積の膨張により液体燃料が噴流として改質部に供給される。改質部に供給された液体燃料は反応して水素を発生する。発生した水素は発電部に供給され、発電部において水素と酸素との反応により発電が行われる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の第１の燃料電池システムによれば、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として発電部に供給する燃料供給部を備えたので、また本発明の第２の燃料電池システムによれば、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として改質部に供給する燃料供給部を備えたので、液体燃料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。特に、本発明の第１の燃料電池システムによれば、発電部に対して出力に応じて必要量の液体燃料を供給することができ、従来から問題となっていたクロスオーバーおよび炭酸ガスによる供給路の目詰まりなどを軽減することができる。よって、より高濃度の液体燃料を使用することが可能となり、高効率および高出力化が期待できる。
【００１７】
また、貯蔵部に、液体燃料を収容する燃料タンク室と、燃料タンク室の内部圧力を制御する圧力制御機構とを設けるようにすれば、停止時における液体燃料漏れを防止すると共に、運転時における燃料供給部からの気泡逆流を抑制し、液体燃料を安定して発電部または改質部に供給することができる。
【００１８】
更に、発電部および圧力制御機構に対して空気を供給する空気供給ポンプを設けるようにすれば、発電部および圧力制御機構の両方に対して、共通の空気供給経路を利用して空気を供給することが可能となり、いっそう小型化を図ることができる。
【００１９】
加えて、発電部からの排気を圧力制御機構に供給する排気供給路を設けるようにすれば、発電部からの排気を有効に利用することができる。
【００２０】
更にまた、本発明の第２の燃料電池システムにおいて、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発生した水素を発電部に供給するようにすれば、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、更に小型化が可能となる。
【００２１】
加えてまた、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。
【００２２】
更にまた、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。
【００２３】
加えてまた、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。
【００２４】
更にまた、改質部において、液体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。
【００２５】
加えてまた、改質部において、液体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。
【００２６】
更にまた、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】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００２８】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の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直接メタノール型のものであり、例えば、発電部１０と、貯蔵部２０と、燃料供給部３０とを備えている。
【００２９】
発電部１０は、液体燃料および空気の供給を受けて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、燃料供給部３０から液体燃料として例えば５０モル％メタノール水溶液が供給され、カソード極１３側には、空気供給用ポンプ５１により空気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。なお、整流器４０には、例えばリチウムイオン電池により構成された補助電源６０から電力が供給される。
【００３０】
貯蔵部２０は、液体燃料を貯蔵するものである。貯蔵部２０は、貯蔵量が少なくなったら補給することにより恒久的に利用可能なタンク型のものでもよいが、収容された液体燃料を使い終わったら新しいものと交換するカートリッジ型のほうが小型化には有利である。また、貯蔵部２０と燃料供給部３０との接続は、連結チューブ（図示せず）などを介して行われてもよいが、連結チューブ（図示せず）などを用いずに貯蔵部２０を直接燃料供給部３０に取り付け可能であるほうが更に小型化することができる。
【００３１】
燃料供給部３０は、貯蔵部２０から供給された液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として、すなわちサーマルインクジェット方式により発電部１０に供給する。これにより、この燃料電池システムでは、貯蔵部２０から発電部１０に液体燃料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、小型化が可能となっている。
【００３２】
燃料供給部３０は、図２に示したように、複数の供給ヘッド部３１を有している。これらの供給ヘッド部３１は、ガラス，酸化アルミニウム（アルミナ）またはシリコン（Ｓｉ）等よりなる基板（図示せず）上にマトリクス状に配置されている。
【００３３】
供給ヘッド部３１は、図３に示したように、液室３２内に、隔壁３３Ａを有するオリフィス形成板３３により流路３４が形成されたものである。流路３４内にはヒータ３５が設けられ、その近傍が気化室３４Ａとなっている。気化室３４Ａには、ヒータ３５に対向してノズル３６が設けられている。ノズル３６の形状、オリフィス形成板３３により形成される流路３４の大きさおよび液室３２の大きさにより、１回の吐出量、吐出周波数および吐出圧が決定される。燃料電池システムの燃料供給部３０では周波数は大きく関与しないが、吐出量および吐出圧は液体燃料供給に関連する事項である。
【００３４】
ヒータ３５は、例えば３００℃以上まで発熱させることができる材料により構成されていることが好ましい。具体的には、シリコン（Ｓｉ），タングステン（Ｗ），モリブデン（Ｍｏ），ニオブ（Ｎｂ）またはクロム（Ｃｒ）などの金属、合金またはその化合物が挙げられ、合金としてはニッケル（Ｎｉ）−クロム合金（例えばニッケル７８ｗｔ％，クロム２０ｗｔ％，その他２ｗｔ％），鉄−クロム合金またはタンタルニクロム合金（例えばニッケル５８ｗｔ％，クロム１６．５ｗｔ％，鉄２３．０ｗｔ％，シリコン１．２ｗｔ％）等が挙げられる。ヒータ３５は加熱制御回路３７に接続されている。なお、加熱制御回路３７は、オリフィス形成板３３内部に形成されていてもよいし、供給ヘッド部３１の外部に設置されていてもよい。
【００３５】
この供給ヘッド３１では、液体燃料は毛細管現象により液室３２内に導入され、流路３４を通って気化室３４Ａへと導かれる。気化室３４Ａ内に導入された液体燃料は、ヒータ３５により通常例えば３００℃程度に加熱されて膜沸騰を起こし、気化燃料３８となる。その体積の膨張により、気化室３４Ａ内のノズル３６近傍にある液体燃料がノズル３６から噴流３９として吐出され、発電部１０に供給される。
【００３６】
燃料供給部３０による燃料供給量については、発電部１０で最大出力を要する際に液体燃料が十分に供給される必要がある。一つの供給ヘッド部３１から１回に吐出される液体燃料の体積を５ｐＬ（ピコリットル）、吐出周波数を３０ｋＨｚとすると、一つの供給ヘッド部３１からの１分間の液体燃料の吐出量は１．５＊１０-10 ｍ3 ／ｓ＝９．０＊１０-4ｃｍ3 ／ｍｉｎとなる。ここで、発電部１０の最大出力が１００ｍＷ（０．２５Ｖ、４００ｍＡ）／ｃｍ2 であると想定し、化１による触媒表面上の液体燃料の熱電変換効率が７０％であった場合に必要な液体燃料を計算すると、発電部１０で１分間に消費される液体燃料は３．６＊１０-3ｃｍ3 ／ｍｉｎとなり、発電部１０が十分な発電能力を発揮するためには、供給ヘッド部３１が１ｃｍ2 あたり少なくとも４個以上必要であることになる。すなわち、発電部１０における液体燃料の最大消費量Ｑ１と燃料供給部３０における液体燃料の最大吐出量Ｑ２とは、数１を満たすことが好ましい。
【００３７】
（化１）
ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→３Ｈ2 ＋ＣＯ2 
【００３８】
（数１）
Ｑ１≦Ｑ２
【００３９】
また、貯蔵部２０は、液体燃料を収容する燃料タンク室２１と、燃料タンク室２１の内部圧力を制御する圧力制御機構２２とを有している。液体燃料であるメタノール水溶液は粘度が低く、供給ヘッド部３１の方向によっては停止時にノズル３７から液体燃料が漏れ出してしまうおそれがあるが、圧力制御機構２２を設けることによりそのような液体燃料漏れを防止することができる。また、運転時において発電部１０は必ずしも大気圧ではなく、むしろ加圧の状態とされている可能性があるが、貯蔵部２０に圧力制御機構２２を設けることにより液室３２へ安定した圧力で液体燃料を供給することができ、液室３２までの液体燃料供給経路やノズル３６などの各位置での圧力を適正に保ち、供給ヘッド部３１からの気泡逆流を抑制することができるからである。
【００４０】
圧力制御機構２２は、例えば加圧用ガスにより燃料タンク室２１の内部圧力を制御するものである。加圧用ガスとしては、例えば図１に示したように、空気供給ポンプ５１から分岐された空気供給路５１Ａにより空気を供給することができる。このようにすれば、発電部１０および圧力制御機構２２の両方に対して、共通の空気供給経路を利用して空気を供給することが可能となり、いっそう小型化を図ることができる。
【００４１】
また、例えば図４に示したように、発電部１０からの排気を圧力制御機構２２に供給する排気供給路２２Ａを設けるようにしてもよい。このようにすれば、発電部１０からの排気を有効に利用することができる。
【００４２】
圧力制御機構２２は、加圧用ガスを燃料タンク室２１内に直接送気して加圧する方式としてもよいが、図５または図６に示したように、加圧用ガスを導入するため燃料タンク室２１とは別の加圧室２３を設けることが好ましい。燃料タンク室２１に気泡が混入することを防止することができるからである。加圧室２３は、図５に示したように、可動壁２３Ａにより燃料タンク室２１と分画されたもの、または、図６に示したように、燃料タンク室２１内に設置した袋体２３Ｂにより構成されたものとすることができる。袋体２３Ｂは、例えば、ポリエチレン，ポリプロピレン，ナイロンまたはＰＥＴ等のプラスチックフィルムにより構成することができる。
【００４３】
この圧力制御機構２２では、運転時にはガス導入口２３Ｃから加圧室２３に加圧用ガスを導入し、ノズル３６付近の圧力が液体燃料の吐出に適切になるように加圧室２３の内部圧力を予め設定された値に制御する。この圧力制御は、燃料タンク室２１の燃料供給口２１Ａに直接背圧を付加させる方式により行ってもよいし、また、図５および図６に示したように、加圧室２３に圧力制御弁２３Ｄを設け、この圧力制御弁２３Ｄを用いて行うようにしてもよい。圧力制御弁２３Ｄは、スイング式，チルチング式，リフト式，ネジ締め逆止弁等により構成することができる。
【００４４】
一方、停止時には空気供給ポンプ５１が停止し、加圧用ガスの導入も停止する。このとき、空気供給用ポンプ５１に背圧制御弁（図示せず）を設けておき、この背圧制御弁からの信号と制御用プログラムなどを組み込んだ回路（図示せず）からの信号との組み合わせにより、加圧室２３の内部圧力およびノズル３６付近の圧力が液体燃料漏れを防ぐために適切になるよう、空気供給路５１Ａ内の圧力を予め設定した値に制御する。これにより、空気供給路５１Ａを利用して、停止時のノズル３６にかかる圧力と、燃料タンク室２１の内部圧力との平衡状態を制御することができる。
【００４５】
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。
【００４６】
まず、実効面積が例えば５×５ｃｍ2 ，担持触媒量から算出される理論メタノール使用量が例えば３．６×１０-3ｃｍ3 ／ｍｉｎの発電部１０を形成する。
【００４７】
次いで、吐出量が例えば５ｐＬ、吐出周波数が例えば３０ｋＨｚの図３に示した供給ヘッド部３１を例えば４個／ｃｍ2 で配列し、大きさが例えば５×５ｃｍ2 の燃料供給部３０を形成する。この燃料供給部３０を発電部１０のアノード極１２側に配置する。
【００４８】
続いて、液体燃料として例えば５０モル％メタノール水溶液を貯蔵し、容量が例えば１００ｃｃ（内径が例えば４×５×５ｃｍ3 ）の貯蔵部２０を用意する。この貯蔵部２０に、図６に示したような例えばポリエチレン／ポリプロピレンよりなる袋体２３Ｂを挿入して加圧室２３を形成し、ガス導入口２３Ｃに圧力制御弁２３Ｄを設ける。これにより、貯蔵部２０に圧力制御機構２２を形成する。運転時における加圧室２３の内部圧力は、例えば１．５ａｔｍとなるように設定する。
【００４９】
そののち、発電部１０のカソード極１１側および圧力制御機構２２に対して、最大吐出量が例えば１ＮＬ／ｍｉｎである空気供給用ポンプ５１を接続する。空気供給用ポンプ５１には背圧制御弁（図示せず）を設け、停止時に空気供給路５１Ａに対して＋０．３〜０．５ａｔｍの背圧がかかるよう設定する。更に、発電部１０に対して整流器４０および気液分離装置５２をそれぞれ接続し、また、補助電源６０として例えば市販のリチウムイオン二次電池（ＵＳ１８６５０、３本）を配置する。以上により、図１に示した燃料電池システムが完成する。
【００５０】
この燃料電池システムでは、貯蔵部２０に貯蔵された液体燃料が燃料供給部３０により発電部１０のアノード極１２に供給され、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に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。ここでは、燃料供給部３０において液体燃料が熱により気化し、その体積の膨張により液体燃料が噴流として発電部１０に供給されるので、発電部１０に対して出力に応じて必要量の液体燃料が供給される。よって、クロスオーバーおよび炭酸ガスによる供給路の目詰まりなどが軽減され、出力が向上する。
【００５１】
このように本実施の形態では、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として発電部１０に供給する燃料供給部３０を備えるようにしたので、液体燃料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。また、発電部１０に対して出力に応じて必要量の液体燃料を供給することができ、従来から問題となっていたクロスオーバーおよび炭酸ガスによる供給路の目詰まりなどを軽減することができる。よって、より高濃度の液体燃料を使用することが可能となり、高効率および高出力化が期待できる。
【００５２】
更に、貯蔵部２０に、液体燃料を収容する燃料タンク室２１と、燃料タンク室２１の内部圧力を制御する圧力制御機構２２とを設けるようにしたので、停止時における液体燃料漏れを防止すると共に、運転時における燃料供給部３０からの気泡逆流を抑制し、液体燃料を安定して発電部１０に供給することができる。
【００５３】
加えて、発電部１０および圧力制御機構２２に対して空気を供給する空気供給ポンプ５１を設けるようにしたので、発電部１０および圧力制御機構２２の両方に対して、共通の空気供給経路を利用して空気を供給することが可能となり、いっそう小型化を図ることができる。
【００５４】
更にまた、発電部１０からの排気を圧力制御機構２２に供給する排気供給路２２Ａを設けるようにしたので、発電部１０からの排気を有効に利用することができる。
【００５５】
（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の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、発電部１０、貯蔵部２０および燃料供給部３０に加えて改質部７０を備えた液体燃料改質型のものである。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００５６】
発電部１０は、アノード極１２側に水素搬送用連結チューブ８１および水素供給用ポンプ８２が接続され、改質部７０から水素が供給されるようになっていることを除いては、第１の実施の形態と同様の構成を有している。なお、発電部１０は、第１温度調節器９１により温度調節されている。
【００５７】
貯蔵部２０は、第１の実施の形態と同様の構成を有している。圧力制御機構２２に対しては、排気供給路２２Ａにより、発電部１０からの排気が加圧用ガスとして供給され、発電部１０からの排気を有効に利用することができるようになっている。なお、加圧用ガスとしては、例えば図８に示したように、空気供給ポンプ５１から分岐された空気供給路５１Ａにより空気を供給することもできる。これにより、発電部１０および圧力制御機構２２の両方に対して共通の空気供給経路を利用して空気を供給し、いっそう小型化を図ることが可能となる。
【００５８】
燃料供給部３０は、液体燃料を改質部７０に供給するようになっていることを除いては、第１の実施の形態と同様の構成を有している。なお、燃料供給部３０は、液体燃料を改質部７０内に直接吐出するようにしてもよいし、吐出した液体燃料を連結チューブ（図示せず）などを介して改質部７０内に導入するようにしてもよい。改質部７０における液体燃料の反応温度と燃料供給部３０のヒータ３５の加熱温度とは、いずれも通常例えば３００℃程度であるので、改質部７０と燃料供給部３０とは共通の第２温度調節器９２により温度調節可能であり、これにより燃料電池システムをいっそう小型化することができる。
【００５９】
改質部７０は、燃料供給部３０から供給された液体燃料を反応させて水素を発生させると共に、発生した水素を発電部１０に供給するものである。改質部７０は、例えば銅（Ｃｕ）よりなる基板に、触媒として例えば銅，亜鉛（Ｚｎ）およびアルミニウム（Ａｌ）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 を含む改質反応層を形成したものであり、その改質効率ａは例えば９０％である。なお、液体燃料の反応による副生成物である二酸化炭素は、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）を介して排気されるようになっている。
【００６０】
発電部１０における液体燃料の最大消費量Ｑ１と燃料供給部３０における液体燃料の最大吐出量Ｑ２とは、数２を満たすことが好ましい。
【００６１】
（数２）
Ｑ１≦Ｑ２＊ａ
（数２においてａは改質部７０における改質効率を表す。）
【００６２】
また、改質部７０は、必要に応じて、水素加湿用の加湿層（図示せず）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、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。
【００６３】
発電部１０，改質部７０，貯蔵部２０および燃料供給部３０は、例えば図９に示したように配置することができる。更に、例えば図１０に示したように、発電部１０，改質部７０および燃料供給部３０を複数ずつ組み合わせ、適切な大きさの貯蔵部２０を配置することも可能である。これにより、燃料電池システムをカード型の構成とすることができ、携帯機器用電源に適した薄型・小型の燃料電池システムを実現することができる。
【００６４】
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。
【００６５】
まず、例えば銅よりなる基板に、触媒として例えば銅，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 を含む改質反応層を形成し、改質効率ａが例えば９０％の改質部７０を形成する。
【００６６】
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、例えば上述した材料よりなる幅４０ｍｍ，長さ４０ｍｍ，厚さ１ｍｍのアノード極１２およびカソード極１３とを用意し、アノード極１２，発電体１１およびカソード極１３をこの順に積層して、発電部１０を形成する。
【００６７】
次いで、吐出量が例えば５．５ｐＬ、吐出周波数が例えば３０ｋＨｚの図３に示した供給ヘッド部３１を例えば４個／ｃｍ2 で配列し、燃料供給部３０を形成する。この燃料供給部３０を改質部７０の改質反応層側に配置する。
【００６８】
続いて、液体燃料として例えば５０モル％メタノール水溶液を貯蔵し、容量が例えば１００ｃｃ（内径例えば４×５×５ｃｍ3 ）の貯蔵部２０を用意する。この貯蔵部２０に、図６に示したような例えばポリエチレン／ポリプロピレンよりなる袋体２３Ｂを挿入して加圧室２３を形成し、ガス導入口２３Ｃに圧力制御弁２３Ｄを設ける。これにより、貯蔵部２０に圧力制御機構２２を形成する。運転時における加圧室２３の内部圧力は、例えば１．５ａｔｍとなるように設定する。
【００６９】
そののち、発電部１０のカソード極１１側および圧力制御機構２２に対して、最大吐出量が例えば１ＮＬ／ｍｉｎである空気供給用ポンプ５１を接続する。更に、発電部１０に対して整流器４０および気液分離装置５２をそれぞれ接続し、補助電源６０として例えば市販のリチウムイオン二次電池（ＵＳ１８６５０、３本）を配置する。また、図７には示していないが、容量１００ｃｃの加湿用水タンクを配置する。以上により、図７に示した燃料電池システムが完成する。
【００７０】
この燃料電池システムでは、貯蔵部２０に貯蔵された液体燃料が燃料供給部３０により改質部７０に供給され、液体燃料が反応することにより水素が発生する。発生した水素は発電部１０に供給され、水素と酸素との反応により発電が行われる。ここでは、燃料供給部３０において液体燃料が熱により気化し、その体積の膨張により液体燃料が噴流として改質部７０に供給される。よって、液体燃料供給に伴う改質部７０の温度低下が少なく、改質部７０内の温度が常に触媒活性を発現できる温度に維持され、改質部７０全体にわたって安定した改質効率が得られる。
【００７１】
このように本実施の形態では、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として改質部７０に供給する燃料供給部３０を備えるようにしたので、液体燃料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。
【００７２】
また、第１の実施の形態と同様に、貯蔵部２０に、液体燃料を収容する燃料タンク室２１と、燃料タンク室２１の内部圧力を制御する圧力制御機構２２とを設けるようにしたので、停止時における液体燃料漏れを防止すると共に、運転時における燃料供給部３０からの気泡逆流を抑制し、液体燃料を安定して発電部１０に供給することができる。
【００７３】
更に、第１の実施の形態と同様に、発電部１０からの排気を圧力制御機構２２に供給する排気供給路２２Ａを設けるようにしたので、発電部１０からの排気を有効に利用することができる。
【００７４】
加えて、第１の実施の形態と同様に、発電部１０および圧力制御機構２２に対して空気を供給する空気供給ポンプ５１を設けるようにしたので、発電部１０および圧力制御機構２２の両方に対して、共通の空気供給経路を利用して空気を供給することが可能となり、いっそう小型化を図ることができる。
【００７５】
（第３の実施の形態）
図１１は、本発明の第３の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、発電部１０および改質部７０の構成を更に小型化・簡素化したことを除いては第２の実施の形態と同様の構成を有している。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
【００７６】
発電部１０は、改質部７０および燃料供給部３０と共通の温度調節器９０により温度調節されていることを除いては、第２の実施の形態と同様の構成を有している。貯蔵部２０および燃料供給部３０は、第２の実施の形態と同様の構成を有している。
【００７７】
改質部７０は、貯蔵部２０から液体燃料を導入するための導入口７１と、液体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７２とを有している。なお、排出口７２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。
【００７８】
図１２は図１１に示した発電部１０および改質部７０の具体的な構成を表し、図１３はその断面構造を表したものである。改質部７０は、液体燃料を反応させて水素を発生させるための改質反応層７３と、改質反応層７３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７４と、水素供給板７５とを順に積層した構造を有している。この水素供給板７５は、水素分離膜７４に接する面に、水素分離膜７４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７６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７３で発生した水素を水素分離膜７４により分離して導出路７６に移動させ、一方、二酸化炭素などの副生成物の導出路７６への移動を抑制することができるようになっている。
【００７９】
水素供給板７５は、水素分離膜７４および改質反応層７３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７６に臨むよう一体化されている。すなわち、水素供給板７５の同一面側に、水素分離膜７４および改質反応層７３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７０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。
【００８０】
また、水素供給板７５は、発電部１０におけるアノード極１２（図１１参照。）としての機能も有しており、導出路７６のうち発電部１０に対応する部分は、例えば図１４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７６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７６のうち水素分離膜７４に対応する部分はストライプ状に形成されている。
【００８１】
改質部７０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。
【００８２】
改質部７０の内部圧力を安定して高い状態に維持するため、図１１に示したように、導入口７１には逆止機構７１Ａ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７１から逆流してしまうことを防止することができ、液体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。
【００８３】
逆止機構７１Ａとしては、貯蔵部２０の圧力制御機構２２により導入口７１に背圧を直接付加する方式（図４および図５参照。）、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７１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。
【００８４】
一方、改質部７０の排出口７２には、同じく図１１に示したように、圧力制御弁７２Ａが設けられている。この圧力制御弁７２Ａ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。
【００８５】
逆止機構７１Ａによる制御圧力Ｐ１と圧力制御弁７２Ａによる制御圧力Ｐ２とは、数３を満たすことが好ましい。この関係が逆転すると、改質部７０で発生した水素などが燃料供給部３０側へと逆流してしまうおそれがあるからである。
【００８６】
（数３）
Ｐ２＜Ｐ１
【００８７】
図１５は図１２に示した改質部７０の断面構成を表すものである。改質反応層７３は、液体燃料を反応させるための触媒を有する触媒担持層７３Ａと、この触媒担持層７３Ａを加熱するためのヒータ７３Ｂと、触媒担持層７３Ａを覆う銅などにより構成された被覆部材７３Ｃとを有している。被覆部材７３Ｃは例えば銅により構成され、この被覆部材７３Ｃ内にヒータ７３Ｂが埋め込まれている。
【００８８】
触媒担持層７３Ａ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，銅，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。
【００８９】
また、触媒担持層７３Ａ内には、例えば図１６に示したような格子状の燃料供給路７３Ｄが形成されており、この燃料供給路７３Ｄを通じて液体燃料を改質部７０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１５では燃料供給路７３Ｄを省略している。
【００９０】
ヒータ７３Ｂ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７３Ｂの構成は、触媒担持層７３Ａ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７３Ａ近傍に埋めこまれていることが望ましい。
【００９１】
水素分離膜７４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７４は、被覆部材７３Ｃおよび水素供給板７５からはみ出さない寸法であることが望ましい。
【００９２】
水素分離膜７４が水素を選択的に透過させる圧力Ｐｘは、数４を満たすことが好ましい。一般に水素分離膜７４が水素分離機能を発現するには、水素分離膜７４の両面で差圧を生じさせて改質部７０内を陽圧にする必要がある。数４が満たされないと、改質部７０で発生したガスが燃料供給部３０側へと逆流してしまったり、水素分離膜７４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。
【００９３】
（数４）
Ｐｘ＜Ｐ２＜Ｐ１
（数４において、Ｐ１は逆止機構７１Ａによる制御圧力、Ｐ２は圧力制御弁７２Ａによる制御圧力をそれぞれ表す）
【００９４】
水素供給板７５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７５には、水素分離膜７４に接する面およびその裏面に、断熱層７５Ａが設けられており、水素供給板７５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。
【００９５】
断熱層７５Ａの熱伝導率λは、０．００１≦λ≦１であることが好ましい。断熱層７５Ａの熱伝導率λは、数５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。
【００９６】
（数５）
λ（Ｗ／ｍＫ）＝厚さ（ｍ）／Ｒｓ（ｍ2 Ｋ／Ｗ）
（数５において、Ｒｓは熱抵抗を表す。）
【００９７】
このような断熱層７５Ａ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。
【００９８】
断熱層７５Ａ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７０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７０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６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７５Ａが形成されている場合、放熱量は１．３Ｗｈまで抑制される。
【００９９】
（数６）
１ｈｒ＊２３６（Ｗ／ｍＫ）＊１（ｍｍ）／（１００（ｃｍ2 ）＊（３００−２３）（℃）
＝３６００（ｓ）＊２３６（Ｗ／ｍＫ）＊０．０１（ｍ）／（０．０１（ｍ2 ）＊２７７（Ｋ））
＝３０６７Ｗｈ
【０１００】
水素供給板７５には、必要に応じて、第２の実施の形態で説明した水素加湿用の加湿層が設けられていてもよく、この加湿層に付随して、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。
【０１０１】
図１７は、図１２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７５とカソード極１３との間に配置されている。水素供給板７５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１７では水素供給板７５の断熱層７５Ａは省略している。
【０１０２】
カソード極１３は、発電体１１側の表面に、例えば図１８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１２に示した発電部１０および改質部７０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。
【０１０３】
図１９は、図１１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１００Ａとアノード集電体１００Ｂとの間に、図１２に示した発電部１０および改質部７０が例えば４個ずつ挟み込まれ、改質部７０上には貯蔵部２０、カソード集電体１００Ａ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７０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１１０と、補助電源６０とが配置されている。なお、図１９では、温度調節器９０，気液分離装置５２（いずれも図１１参照。）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７０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１９に示したものに限られない。
【０１０４】
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。
【０１０５】
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７３Ａを作製する。次いで、ヒータ７３Ｂを内蔵すると共に逆止機構７１Ａおよび圧力制御弁７２Ａを有する被覆部材７３Ｃを用意し、この被覆部材７３Ｃ内に触媒担持層７３Ａ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７３を作製する。
【０１０６】
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７４と、図１４に示したような導出路７６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７５とを用意し、改質反応層７３と、水素分離膜７４と、水素供給板７５とをこの順に積層して、図１２および図１５に示した改質部７０を形成する。水素供給板７５には、上述した材料よりなる断熱層７５Ａを設け、断熱層７５Ａの熱伝導率λが０．００１≦λ≦１となるようにする。
【０１０７】
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１８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７５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１２および図１７に示した発電部１０を形成する。
【０１０８】
そののち、発電部１０および改質部７０を各４個ずつ積層して、カソード集電体１００Ａとアノード集電体１００Ｂとの間に挟み込み、改質部７０上に貯蔵部２０、カソード集電体１００Ａ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７０の側方に、整流器４０（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１１０と、補助電源６０とを配置する。以上により、図１９に示した燃料電池システムが完成する。
【０１０９】
この燃料電池システムでは、貯蔵部２０に貯蔵された液体燃料が燃料供給部３０により改質部７０に供給され、液体燃料が反応することにより水素が発生する。発生した水素は発電部１０に供給され、水素と酸素との反応により発電が行われる。ここでは、燃料供給部３０において液体燃料が熱により気化し、その体積の膨張により噴流として吐出され、改質部７０に供給される。よって、液体燃料供給に伴う改質部７０の温度低下が少なく、改質部７０内の温度が常に触媒活性を発現できる温度に維持され、改質部７０全体にわたって安定した改質効率が得られる。
【０１１０】
また、改質部７０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７０の内部圧力が増大し、改質部７０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１３に示したように、発生した水素は水素分離膜７４により分離され、導出路７６を経由して発電部１０に供給される。更に、逆止機構７１Ａおよび圧力制御弁７２Ａにより、改質７０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。
【０１１１】
このように本実施の形態では、改質部７０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。
【０１１２】
また、改質部７０を、改質反応層７３，水素分離膜７４および水素供給板７５の積層構造とし、水素供給板７５の水素分離膜７４に接する面に導出路７６を設けるようにしたので、改質反応層７３で発生した水素を水素分離膜７４により分離して導出路７６に移動させ、一方、二酸化炭素などの副生成物の導出路７６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。
【０１１３】
更に、発電部１０を、水素分離膜７４に並列して導出路７６に臨むように水素供給板７５に一体化したので、改質部７０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。
【０１１４】
加えて、導出路７６のうち発電部１０に対応する部分を、発電部１０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７６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。
【０１１５】
更にまた、改質部７０において、液体燃料を導入するための導入口７１に逆止機構７１Ａを設けたので、燃料が気化により体積膨張しても導入口７１から逆流してしまうことを防止することができ、改質部７０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。
【０１１６】
加えてまた、改質部７０において、液体燃料の反応による副生成物を排出するための排出口７２に圧力制御弁７２Ａを設けたので、運転条件によって導入口７１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。
【０１１７】
更にまた、水素供給板７５の表面に断熱層７５Ａを設けるようにしたので、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】
【０１１８】
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【０１１９】
（実施例１−１）
第１の実施の形態と同様にして、図１に示した燃料電池システムを作製した。まず、実効面積が５×５ｃｍ2 ，担持触媒量から算出される理論メタノール使用量が３．６×１０-3ｃｍ3 ／ｍｉｎの発電部１０を形成した。
【０１２０】
次いで、吐出量５ｐＬ、吐出周波数３０ｋＨｚのサーマルインクジェット方式による供給ヘッド部３１を４個／ｃｍ2 で配列し、大きさが５×５ｃｍ2 の燃料供給部３０を形成した。すなわち、本実施例では、発電部１０における液体燃料の最大消費量Ｑ１と燃料供給部３０における液体燃料の最大吐出量Ｑ２とが、Ｑ１≦Ｑ２となるようにした。この燃料供給部３０を発電部１０のアノード極１２側に配置した。
【０１２１】
続いて、液体燃料として５０モル％メタノール水溶液を貯蔵し、容量１００ｃｃ（内径４×５×５ｃｍ3 ）の貯蔵部２０を用意した。この貯蔵部２０に、図６に示したようなポリエチレン／ポリプロピレンよりなる袋体２３Ｂを挿入して加圧室２３を形成し、ガス導入口２３Ｃに圧力制御弁２３Ｄを設けた。これにより、貯蔵部２０に圧力制御機構２２を形成した。運転時における加圧室２３の内部圧力は、１．５ａｔｍとなるように設定した。
【０１２２】
そののち、発電部１０のカソード極１１側および圧力制御機構２２に対して、最大吐出量が１ＮＬ／ｍｉｎである空気供給用ポンプ５１を接続した。空気供給用ポンプ５１には背圧制御弁（図示せず）を設け、停止時に空気供給路５１Ａに対して＋０．３〜０．５ａｔｍの背圧がかかるよう設定した。更に、発電部１０に対して整流器４０および気液分離装置５２をそれぞれ接続し、補助電源６０として市販のリチウムイオン二次電池（ＵＳ１８６５０、３本）を配置した。以上により、図１に示した燃料電池システムを形成した。
【０１２３】
得られた燃料電池システムについて、発電部１０の温度を８０℃として発電体１１当たりの最大出力を調べたところ、２．６Ｗ（１１０ｍＷ／ｃｍ2 ）であった。
【０１２４】
このように実施例１−１では、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として、すなわちサーマルインクジェット方式により発電部１０に供給する燃料供給部３０を、直接メタノール型燃料電池システムに適用した場合にも、出力が得られることが確認された。
【０１２５】
（実施例１−２）
供給ヘッド部３１を２個／ｃｍ2 で配列した燃料供給部３０を用いたことを除いては、実施例１−１と同様にして燃料電池システムを作製した。すなわち、本実施例では、燃料供給部３０における液体燃料の最大吐出量Ｑ２を実施例１−１の２分の１に減らし、Ｑ１＞Ｑ２となるようにした。この燃料電池システムについても、実施例１−１と同様にして発電体１１当たりの最大出力を調べたところ、１．３５Ｗ（５２ｍＷ／ｃｍ2 ）であった。
【０１２６】
このように、Ｑ１＞Ｑ２とした実施例１−２では、Ｑ１≦Ｑ２とした実施例１−１に比べて最大出力が低く、２分の１程度しか得られなかった。すなわち、発電部１０における液体燃料の最大消費量Ｑ１と燃料供給部３０における液体燃料の最大吐出量Ｑ２とが、Ｑ１≦Ｑ２を満たすようにすれば、最大出力を増大させることができることが分かった。
【０１２７】
（実施例２−１）
第２の実施の形態と同様にして、図７に示した燃料電池システムを作製した。まず、銅よりなる基板に、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 を含む改質反応層を形成し、改質効率ａが９０％の改質部７０を形成した。
【０１２８】
また、触媒担持面積１０ｃｍ2 ，幅４０ｍｍ，長さ４０ｍｍ，厚さ１ｍｍの発電体１１と、上述した材料よりなる幅４０ｍｍ，長さ４０ｍｍ，厚さ１ｍｍのアノード極１２およびカソード極１３とを用意し、アノード極１２，発電体１１およびカソード極１３をこの順に積層して、発電部１０を形成した。担持触媒量から算出される理論水素使用量は、供給される液体燃料に換算すると３．０×１０-3ｃｍ3 ／ｍｉｎとなる量であった。
【０１２９】
次いで、吐出量５．５ｐＬ、吐出周波数３０ｋＨｚのサーマルインクジェット方式による供給ヘッド部３１を４個／ｃｍ2 で配列し、燃料供給部３０を形成した。すなわち、本実施例では、Ｑ１≦Ｑ２＊ａとなるようにした。この燃料供給部３０を改質部７０の改質反応層側に配置した。
【０１３０】
続いて、液体燃料として５０モル％メタノール水溶液を貯蔵し、容量が１００ｃｃ（内径４×５×５ｃｍ3 ）の貯蔵部２０を用意した。この貯蔵部２０に、図６に示したようなポリエチレン／ポリプロピレンよりなる袋体２３Ｂを挿入して加圧室２３を形成し、ガス導入口２３Ｃに圧力制御弁２３Ｄを設けた。これにより、貯蔵部２０に圧力制御機構２２を形成した。運転時における加圧室２３の内部圧力は、１．５ａｔｍとなるように設定した。
【０１３１】
そののち、発電部１０のカソード極１１側および圧力制御機構２２に対して、最大吐出量が１ＮＬ／ｍｉｎである空気供給用ポンプ５１を接続した。更に、発電部１０に対して整流器４０および気液分離装置５２をそれぞれ接続し、補助電源６０として市販のリチウムイオン二次電池（ＵＳ１８６５０、３本）を配置する。また、図７には示していないが、容量１００ｃｃの加湿用水タンクを配置した。以上により、図７に示した燃料電池システムが完成した。
【０１３２】
得られた燃料電池システムについて、改質部７０の温度を３００℃、発電部１０の温度を８０℃として発電体１１当たりの最大出力を調べたところ、４．０Ｗ（４００ｍＷ／ｃｍ2 ）であった。
【０１３３】
このように実施例２−１では、液体燃料を熱により気化させ、その体積の膨張により液体燃料を噴流として、すなわちサーマルインクジェット方式により発電部１０に供給する燃料供給部３０を、液体燃料改質型燃料電池システムに適用した場合にも、出力が得られることが確認された。
【０１３４】
（実施例２−２，２−３）
実施例２−２では供給ヘッド部３１を２個／ｃｍ2 で配列した燃料供給部３０を用い、実施例２−３では吐出量４ｐＬの供給ヘッド部３１を用いて燃料供給部３０を構成したことを除いては、実施例２−１と同様にして燃料電池システムを作製した。すなわち、実施例２−２，２−３では、いずれもＱ１＞Ｑ２＊ａ（ａは改質効率）となるようにした。これらの燃料電池システムについても、実施例２−１と同様にして発電体１１当たりの最大出力を調べたところ、実施例２−２では２．０Ｗ（２００ｍＷ／ｃｍ2 ）、実施例２−３では３．１Ｗ（３１０ｍＷ／ｃｍ2 ）であった。
【０１３５】
このように、Ｑ１＞Ｑ２＊ａとした実施例２−２，２−３では、Ｑ１≦Ｑ２＊ａとした実施例２−１に比べて最大出力が低かった。すなわち、発電部１０における液体燃料の最大消費量Ｑ１と燃料供給部３０における液体燃料の最大吐出量Ｑ２とが、Ｑ１≦Ｑ２＊ａを満たすようにすれば、最大出力を増大させることができることが分かった。
【０１３６】
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、発電部１０，貯蔵部２０，燃料供給部３０および改質部７０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。
【０１３７】
また、例えば、第３の実施の形態において、例えば図２０に示したように、空気供給ポンプ５１から分岐された空気供給路５１Ａにより、空気を加圧用ガスとして供給することもできる。これにより、発電部１０および圧力制御機構２２の両方に対して共通の空気供給経路を利用して空気を供給し、いっそう小型化を図ることが可能となる。
【０１３８】
更に、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。
【０１３９】
加えて、第３の実施の形態では、図１９に示したように発電部１０および改質部７０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、第３の実施の形態は、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】
【０１４０】
【図１】本発明の第１の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に示した燃料供給部の構成を表す図である。
【図３】図２に示した供給ヘッド部の構成を表す断面図である。
【図４】図１に示した燃料電池システムの他の構成例を表すブロック図である。
【図５】図１に示した貯蔵部の内部構成の一例を表す断面図である。
【図６】図１に示した貯蔵部の内部構成の他の例を表す断面図である。
【図７】本発明の第２の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８】図７に示した燃料電池システムの他の構成例を表すブロック図である。
【図９】図７に示した発電部，改質部および貯蔵部の配置例を表す斜視図である。
【図１０】図７に示した発電部，改質部および貯蔵部の他の配置例を表す斜視図である。
【図１１】本発明の第３の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１２】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１３】図１２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１４】図１２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１５】図１２に示した改質部の構成を表す断面図である。
【図１６】図１５に示した触媒担持層を燃料供給路側から見た構成を表す平面図である。
【図１７】図１２に示した発電部の構成を表す断面図である。
【図１８】図１７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１９】図１１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２０】図１１に示した燃料電池システムの他の構成例を表すブロック図である。
【図２１】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】
【０１４１】
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…貯蔵部、２１…燃料タンク室、２２…圧力制御機構、２２Ａ…排気供給路、２３…加圧室、２３Ａ…可動壁、２３Ｂ…袋体、３０…燃料供給部、３１…供給ヘッド部、３２…液室、３３…オリフィス形成板、３３Ａ…隔壁、３４…流路、３５…ヒータ、３６…ノズル、３７…加熱制御回路、３８…気化燃料、３９…噴流、４０…整流器、５１…空気供給用ポンプ、５１Ａ…空気供給路、５２…気液分離装置、６０…補助電源、７０…改質部、７１…導入口、７１Ａ…逆止機構、７２…排出口、７２Ａ…圧力制御弁、７３…改質反応層、７４…水素分離膜、７５…水素供給板、７５Ａ…断熱層、７６…導出路
【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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【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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