(57)【要約】  直接酸化型燃料電池システムは、燃料電池と、冷却装置とを含んでいる。燃料電池のアノード側セパレータには、アノードと接触する面に燃料流路が設けられている。冷却装置は、燃料流路により燃料が送られる平均的な方向における上流側の部分を重点的に冷却するように送風方向が設定されている。これにより、ＭＣＯの活発な上流側の部分で高分子電解質膜を冷却して、ＭＣＯ量を抑えることができる。一方、燃料流路内の燃料濃度が低くい下流側の部分を比較的高温とすることでエネルギ変換効率を向上させることもできる。
2011064951.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード、カソード、及び、それらの間に介在される高分子電解質膜を含む少なくとも１つの単セル、液状燃料を導入する燃料入口部、燃料排液を放出する燃料出口部、酸化剤を導入する酸化剤入口部、並びに、未消費の酸化剤を放出する酸化剤出口部、を有する燃料電池と、
前記アノードに前記燃料入口部を通して前記液状燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソードに前記酸化剤入口部を通して前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記燃料入口部の温度が前記燃料出口部の温度よりも低くなるように前記燃料電池を冷却する冷却装置
とを具備する、直接酸化型燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却装置が、前記燃料入口部から前記燃料出口部に向かう方向に送風する送風機を含む、請求項１記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項３】
さらに、前記酸化剤出口部から生成水を回収し、前記回収された生成水の少なくとも一部を気化して外部に放出する排液回収部を具備し、
前記排液回収部が、前記燃料電池の前記燃料入口部寄りの部分と隣接している、請求項１または２記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項４】
さらに、前記燃料入口部の温度を検出する第１の温度センサと、
前記燃料出口部の温度を検出する第２の温度センサと、
前記２つの温度センサによりそれぞれ検出された前記燃料入口部の温度、及び前記燃料出口部の温度に応じて前記送風機の送風量を設定する風量制御部と、を具備する、請求項２または３記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項５】
さらに、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサを具備し、
前記風量制御部が、前記電流センサにより検出された電流値に基づいて、前記燃料電池の燃料ストイキオを計算し、計算された燃料ストイキオに応じて、前記設定された送風量を補正する、請求項４記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項６】
さらに、前記燃料電池の出力電圧が所定の設定電圧となるように前記燃料電池の出力電流を制御する電流制御部を具備する、請求項５記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項７】
前記冷却装置が、ペルチェ素子を含む、請求項１記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項８】
前記単セルが、さらに、前記アノードに接するアノード側セパレータ、並びに前記カソードに接するカソード側セパレータを含み、
前記アノード側セパレータが、前記アノードに前記燃料を供給するための燃料流路を有し、
前記カソード側セパレータが、前記カソードに前記酸化剤を供給するための酸化剤流路を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項９】
前記燃料流路における前記液体燃料の平均的な進行方向が、前記送風機の送風方向と平行である、請求項８記載の直接酸化型燃料電池システム。
【請求項１０】
アノード、カソード、及び、それらの間に介在される高分子電解質膜を含む少なくとも１つの単セル、液状燃料を導入する燃料入口部と、燃料排液を放出する燃料出口部、酸化剤を導入する酸化剤入口部、並びに、未消費の酸化剤を放出する酸化剤出口部、を有する燃料電池と、
前記アノードに前記燃料入口部を通して前記燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソードに前記酸化剤入口部を通して前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、を具備する直接酸化型燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料入口部の温度が前記燃料出口部の温度より低くなるように前記燃料電池を冷却する工程ａを含む、直接酸化型燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記燃料電池の運転開始後、前記燃料入口部の温度が所定の温度に到達してから、前記工程ａを開始する、請求項１０記載の直接酸化型燃料電池システムの制御方法。
【請求項１２】
前記工程ａが、前記燃料入口部から前記燃料出口部に向かう方向に送風することを含む、請求項１０または１１記載の直接酸化型燃料電池システムの制御方法。
【請求項１３】
さらに、前記燃料入口部及び前記燃料出口部の温度を検出し、前記検出された燃料入口部の温度及び燃料出口部の温度に応じて送風量を設定する工程ｂを含む、請求項１２記載の直接酸化型燃料電池システムの制御方法。
【請求項１４】
さらに、前記出力電流から前記燃料電池の燃料ストイキオを計算し、前記計算された燃料ストイキオに応じて、前記設定された送風量を補正する工程ｃを含む、請求項１３記載の直接酸化型燃料電池システムの制御方法。
【請求項１５】
前記単セルが、さらに、前記アノードに接するアノード側セパレータ、並びに前記カソードに接するカソード側セパレータを含み、前記アノード側セパレータが、前記アノードに前記燃料を供給するための燃料流路を有し、前記カソード側セパレータが、前記カソードに前記酸化剤を供給するための酸化剤流路を有し、
前記燃料入口部の温度と前記燃料出口部の温度との差が、前記燃料流路における前記燃料の平均的な進行方向の単位長さあたり０．２℃／ｃｍ以上である、請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の直接酸化型燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接メタノール型燃料電池等の直接酸化型燃料電池システムに関し、さらに詳しくは、直接酸化型燃料電池の効率を改善する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、使用される電解質の種類によって、固体高分子型燃料電池、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、及び固体酸化物型燃料電池等に分類される。なかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣまたはＰＥＭ）は、作動温度が低く、かつ出力密度が高いことから、車載用電源、及び家庭用コージェネレーションシステム用電源等として実用化されつつある。【０００３】
近年、燃料電池を、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、及び携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器の電源として使用することが検討されている。燃料電池は燃料を補充することで連続発電が可能である。よって、燃料電池を、充電が必要な二次電池の代わりに携帯小型電子機器の電源として使用することで、携帯小型電子機器の利便性をさらに向上させ得るものと期待されている。また、上述したとおり、ＰＥＦＣは作動温度が低いために、携帯小型電子機器用の電源として好適である。【０００４】
ＰＥＦＣのなかでも直接酸化型燃料電池（ＤＯＦＣ）は、常温で液体の燃料を使用し、この燃料を水素に改質することなく、直接的に酸化して電気エネルギを取り出すものである。このため、直接酸化型燃料電池は、改質器を備える必要がなく、小型化が容易である。また、直接酸化型燃料電池のなかでも、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、エネルギ効率及び発電出力が他の直接酸化型燃料電池よりも優れている。よって、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での反応を、下記反応式（１）及び（２）にそれぞれ示す。ただし、カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
アノード：  ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-              （１）
カソード：  （３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ              （２）【０００６】
ＤＭＦＣ等の固体高分子型燃料電池は、一般に、複数のセルを積層して構成される。各セルは、高分子電解質膜と、高分子電解質膜を間に挟むよう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、ともに触媒層及び拡散層を含んでおり、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中の酸素が供給される。【０００７】
アノードに燃料を供給する燃料流路は、例えば、アノード拡散層と接するように配されるアノード側セパレータのアノードとの接触面に、蛇行する溝を設けることで形成される（図３等参照）。同様に、カソードに酸素を供給するための空気流路は、例えば、カソード拡散層と接するように配されるカソード側セパレータのカソードとの接触面に、蛇行する溝を設けることで形成される。【０００８】
現在、ＤＭＦＣ等の直接酸化型燃料電池においては、アノードに供給された燃料が高分子電解質膜を透過してカソードに到達し、そこで酸化される現象を抑制することが重要である。上記現象は、ＤＭＦＣではメタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）と呼ばれ、燃料の利用効率を低下させる主な原因となっている。さらに、ＭＣＯによるカソードでの燃料の酸化反応は、カソードでの酸化剤（酸素）の還元反応と競合する。その結果、カソードの電位が低下する。よって、ＭＣＯは、発電電圧の低下、及び発電効率の低下の原因ともなる。【０００９】
そこで、ＭＣＯを低減するために、メタノールの透過量の少ない高分子電解質膜の開発が進められている。しかしながら、現時点で実用化されている高分子電解質膜は、膜内に存在する水によりプロトンを伝導する仕組みを有している。一方、メタノールは水との親和性が非常に高い。よって、水とともにメタノールが高分子電解質膜を透過するのを完全に防止することは、現在実用化されている高分子電解質膜では原理的に困難である。【００１０】
上述の技術的課題に関し、特許文献１は、アノード拡散層に含まれているアノード撥水層の厚みを、燃料流路の上流側と下流側との間で異ならせることを提案している。より具体的には、燃料流路の上流側ではアノード撥水層の厚みを大きくする一方、燃料流路の下流側ではアノード撥水層の厚みを小さくすることを提案している。【００１１】
ＭＣＯは、主に、高分子電解質膜のアノード側表面とカソード側表面との間にメタノール濃度の差異が存在することにより引き起こされる。そして、アノード側においては、燃料流路の上流側ほどメタノール濃度は高くなっている。一方、カソード側のメタノール濃度は、燃料流路の上流側と下流側との間で顕著な差異は存在しない。したがって、ＭＣＯ量は、燃料流路の上流側ほど多くなる。【００１２】
特許文献１は、ＭＣＯ量が多い燃料流路の上流側で、アノード撥水層の厚みを大きくすることで、ＭＣＯを抑えようとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開２００２−１１０１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、アノード撥水層は、一般的には、１０〜５０μｍ程度であり、非常に薄い。このため、撥水層の厚みを少々厚くしても、それだけでは、ＭＣＯを抑えることは、実際には困難である。【００１５】
より詳しく説明すると、アノード撥水層は、燃料流路とアノード触媒層との間に配置されるものである。そして、アノード撥水層は非常に薄いために、アノード撥水層の両側の部分でメタノール濃度に差異はほとんど存在しない。【００１６】
したがって、ＭＣＯが、メタノールの濃度差に起因することを考えれば、アノード撥水層の厚みを少々調節しても、ＭＣＯに与える影響は僅かである。特に、燃料流路の上流側のようにメタノールの濃度差が大きい場合や、セルの温度が高い場合には、メタノールの拡散速度は大きくなる。よって、そのような場合には、アノード撥水層の厚みを調節するだけでは、ＭＣＯを抑制することはさらに困難となる。【００１７】
ここで、ＭＣＯは、燃料電池の温度に影響されると考えられる。そして、その温度が低いほどにＭＣＯを抑えられると考えられる。ところが、燃料電池の温度が低すぎると発電効率は低下する。さらに、燃料電池の温度を低くするために、例えば冷却用の送風機の風量を大きくし過ぎると、大量の電力を消費する。その結果、実効出力は低下する。【００１８】
そこで、本発明は、アノードに供給された燃料が高分子電解質膜をそのまま透過しカソードで酸化される現象を、効果的に抑制し、燃料電池の実効出力を向上させることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の一局面は、アノード、カソード、及び、それらの間に介在される高分子電解質膜を含む少なくとも１つの単セル、液状燃料を導入する燃料入口部、燃料排液を放出する燃料出口部、酸化剤を導入する酸化剤入口部、並びに、未消費の酸化剤を放出する酸化剤出口部、を有する燃料電池と、
前記アノードに前記燃料入口部を通して前記液状燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソードに前記酸化剤入口部を通して前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、
前記燃料入口部の温度が前記燃料出口部の温度よりも低くなるように前記燃料電池を冷却する冷却装置
とを具備する、直接酸化型燃料電池システムに関する。【００２０】
本発明の他の局面は、アノード、カソード、及び、それらの間に介在される高分子電解質膜を含む少なくとも１つの単セル、液状燃料を導入する燃料入口部と、燃料排液を放出する燃料出口部、酸化剤を導入する酸化剤入口部、並びに、未消費の酸化剤を放出する酸化剤出口部、を有する燃料電池と、
前記アノードに前記燃料入口部を通して前記燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソードに前記酸化剤入口部を通して前記酸化剤を供給する酸化剤供給部と、を具備する直接酸化型燃料電池システムの制御方法であって、
前記燃料入口部の温度が前記燃料出口部の温度より低くなるように前記燃料電池を冷却する工程ａを含む、直接酸化型燃料電池システムの制御方法に関する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、アノードに供給された燃料が高分子電解質膜を透過しカソードで酸化される現象を、効果的に抑制することができ、燃料電池の実効出力を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。
【図２】同上の直接酸化型燃料電池システムに含まれる燃料電池の一部を拡大した断面図である。
【図３】同上の直接酸化型燃料電池の膜−電極接合体の平面図である。
【図４】直接酸化型燃料電池のＭＣＯ量及び燃料利用率と、高分子電解質膜の温度との関係を示すグラフである。
【図５】本発明の別の実施形態に係る直接酸化型燃料電池システムの概略構成を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明は、アノード、カソード、及び、それらの間に介在される高分子電解質膜を含む少なくとも１つの単セル、液状燃料を導入する燃料入口部、燃料排液を放出する燃料出口部、酸化剤を導入する酸化剤入口部、並びに、未消費の酸化剤を放出する酸化剤出口部、を有する燃料電池を具備した直接酸化型燃料電池システムに関する。そして、本システムは、アノードに燃料入口部を通して燃料を供給する燃料供給部と、カソードに酸化剤入口部を通して酸化剤を供給する酸化剤供給部と、燃料入口部の温度が燃料出口部の温度よりも低くなるように燃料電池を冷却する冷却装置とを具備している。
【００２４】
アノードに供給された燃料が高分子電解質膜を透過しカソードで酸化される現象（以下、特に断らない限り、直接酸化型燃料電池を代表して、ＤＭＦＣの場合を説明する）は、燃料電池、特に高分子電解質膜の温度に影響されることが知られている。そして、燃料電池ないしは単セルの高分子電解質膜の温度が低くなるほどに、メタノールの拡散速度が低下するので、ＭＣＯ量は減少する。なお、本発明は、システムが、１つの単セルだけからなる燃料電池を使用する場合と、単セルを積層した燃料電池スタックからなる燃料電池を使用する場合とを包含する。
【００２５】
一方、燃料電池の温度が高くなるほどに発電効率は上昇する。なお、ここでの温度範囲からは、燃料電池が凍結するような低温領域及び燃料電池の組織が破壊されるような高温領域は当然ながら除外される。
【００２６】
ＭＣＯの駆動源は、高分子電解質膜を間に挟んだ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差異である。そして、アノードに燃料を供給するための燃料入口部のメタノール濃度は、燃料排液を放出する燃料出口部のメタノール濃度よりも大きくなっている。一方、カソード側では、燃料入口部と対応する部分のメタノール濃度と、燃料出口部と対応する部分のメタノール濃度との差異は小さくなっている。
【００２７】
このため、一般に、燃料電池の燃料入口部のＭＣＯ量は、燃料出口部のＭＣＯ量よりも多くなる。そこで、本発明は、燃料電池の燃料入口部の温度を比較的低くすることで、その部分のＭＣＯ量を削減し、これによりシステム全体のＭＣＯ量を削減しようとしている。一方、ＭＣＯ量が少ない、燃料電池の燃料出口部の温度は、比較的高めにすることで、その部分の発電効率を上げようとしている。以上の結果、燃料電池全体のＭＣＯ量を効果的に減少させることで燃料利用効率を向上させる一方で、燃料電池全体の発電効率をも向上させることが可能となる。よって、燃料電池システムのエネルギ変換効率を効果的に向上させることができる。
【００２８】
さらに、本発明では、ＭＣＯ量を低減するために燃料電池の全体を冷却するのではなく、燃料入口部が比較的低温となるように、その部分を重点的に冷却している。その結果、冷却のために必要とされるエネルギ（例えば、冷却用の送風機の消費電力）を抑えることが可能となる。また、燃料電池の実効出力の低下が抑えられる。そして、ＭＣＯを抑えることにより燃料利用効率及び発電効率が向上されることで、燃料電池の実効出力の大幅な改善が可能となる。
【００２９】
ここで、冷却装置の具体例としては、上に述べた送風機が考えられる。そして、その送風機を、燃料入口部から燃料出口部に向かう方向に送風するように配置することで、燃料入口部の温度が燃料出口部の温度よりも低くなるように燃料電池を冷却することが可能となる。
【００３０】
本発明の一形態は、さらに、前記酸化剤出口部から生成水を回収し、前記回収された生成水の少なくとも一部を気化して外部に放出する排液回収部を具備する。そして、排液回収部が、燃料電池の燃料入口部寄りの部分と隣接している。
【００３１】
ＤＭＦＣでは、一般に、ＭＣＯを抑えるために、燃料であるメタノールが水で希釈される。そして、ＤＭＦＣを小型化するためには、カソードにおける生成水（上掲の式（２）参照）を、メタノールを希釈するための水として利用することが有効である。このため、生成水は排液回収部に貯留される。排液回収部には、生成水に混入した気体や水蒸気を外部に放出するための気液分離膜等を備えさせることができる。さらに、燃料電池システムを携帯機器用の電源として使用する場合には、余分の生成水を液体のままで外部に放出することは好ましくない。そこで、生成水の貯留量が多すぎるような場合には、生成水のオーバーフローを避けるために、上記気液分離膜を通して生成水を蒸散させる。
【００３２】
本形態では、排液回収部を燃料電池の燃料入口部寄りの部分と隣接させることで、生成水を蒸発させるときの潜熱でその部分を冷却させる。これにより、ＭＣＯ量の多い燃料入口部を効果的に冷却することが可能となる。よって、ＭＣＯを効果的に抑制することが可能となる。
【００３３】
本発明の他の形態は、さらに、燃料入口部の温度を検出する第１の温度センサと、燃料出口部の温度を検出する第２の温度センサと、それらの２つの温度センサによりそれぞれ検出された燃料入口部の温度、及び燃料出口部の温度に応じて送風機の送風量を設定する風量制御部を具備している。
【００３４】
上述したとおり、ＭＣＯ量は燃料電池ないしは高分子電解質膜の温度を低くすることで減少し、燃料電池の発電効率は燃料電池ないしはアノードの温度を高くすることで増加する。さらに、燃料電池を送風で強制冷却する場合には電力を消費する。よって、燃料電池システムの実効出力を最大化するためには、燃料電池の各部の温度を最適な温度に調整することが望まれる。本形態では、検出された燃料入口部の温度と燃料出口部の温度とに基づいて、送風機の送風量を設定するので、燃料電池システムの実効出力を最大化することが可能となる。
【００３５】
本発明のさらに他の形態は、さらに、前記燃料電池の出力電流を検出する電流センサを具備する。そして、風量制御部が、電流センサにより検出された電流値に基づいて、燃料電池の燃料ストイキオを計算し、計算された燃料ストイキオに応じて、設定された送風量を補正する。
【００３６】
燃料電池の発熱量は燃料ストイキオ（＝供給燃料流量／発電に寄与する燃料流量）に応じて変動する。燃料電池の発熱量が変わると、燃料電池の内部の温度分布や温度勾配が微妙に変化する。その結果、燃料電池の特定のポイントの検出温度に基づいて風量制御するときの目標温度が、燃料電池の実効出力を実際に最大化することができる温度からずれる場合がある。このため、長期間に亘って負荷に電力を供給するとき、燃料ストイキオを考慮して、風量を補正することが望まれる。本形態によれば、実際の燃料電池の出力電流から計算した燃料ストイキオに基づいて、送風量の設定値が補正される。よって、実効出力を最大化するように燃料電池の各部の温度を調節することが容易となる。
【００３７】
ここで、燃料電池システムは、さらに、燃料電池の出力電圧が所定の設定電圧となるように燃料電池の出力電流を制御する電流制御部を具備する。この場合には、電流制御部が、燃料電池の出力電圧が所定の設定電圧となるように燃料電池の出力電流を制御しつつ、風量制御部は、上記計算された燃料ストイキオに基づいて、設定された送風量を補正するのがよい。
【００３８】
なお、冷却装置には、ペルチェ素子を用いても良い。これにより、燃料電池の各部をピンポイントで冷却することが可能となる。よって、燃料電池の燃料出口部は冷却せず、燃料入口部だけを冷却することも可能となる。
【００３９】
燃料電池のより具体的な構成としては、単セルが、さらに、アノードに接するアノード側セパレータ、並びにカソードに接するカソード側セパレータを含む場合には、アノード側セパレータに、燃料入口及び燃料出口を有する燃料流路を配してもよい。さらに、カソード側セパレータに、酸化剤入口及び酸化剤出口を有する酸化剤流路を配してもよい。なお、燃料電池が、複数の単セルを積層した燃料電池スタックである場合には、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータをそれぞれ１つの部材から形成する必要はなく、例えば１枚の板状のセパレータをアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとして機能させてもよい。その場合、１枚のセパレータの一方の面に燃料流路を配し、他方の面に燃料流路を配してもよい。
【００４０】
このとき、燃料流路における液体燃料の平均的な進行方向を、送風機の送風方向と平行とすることで、効果的に、燃料入口部を比較的低温とし、かつ燃料出口部を比較的高温とすることが可能となる。ここで、平行とは、完全な平行だけでなく、互いの方向が３０度程度まではずれていてもよい。また、平均的な進行方向とは、上流から下流に向かう方向である。
【００４１】
さらに、本発明は、直接酸化型燃料電池システムの制御方法に関する。そのシステムは、アノード、カソード、及び、それらの間に介在される高分子電解質膜を含む少なくとも１つの単セル、液状燃料を導入する燃料入口部と、燃料排液を放出する燃料出口部、酸化剤を導入する酸化剤入口部、並びに、未消費の酸化剤を放出する酸化剤出口部、を有する燃料電池と、アノードに燃料入口部を通して燃料を供給する燃料供給部と、カソードに酸化剤入口部を通して酸化剤を供給する酸化剤供給部と、を具備する。そして、本方法は、燃料入口部の温度が前記燃料出口部の温度より低くなるように前記燃料電池を冷却する工程ａを含む。
【００４２】
ここで、工程ａは、例えば、燃料電池の運転開始後、前記燃料入口部の温度が所定の温度に到達してから開始される。これにより、燃料電池の定常状態での制御が可能となる。
【００４３】
工程ａでは、燃料入口部から燃料出口部に向かう方向に送風してもよい。
【００４４】
上記制御方法は、さらに、燃料入口部及び燃料出口部の温度を検出し、検出された燃料入口部の温度及び燃料出口部の温度に応じて送風量を設定する工程ｂを含んでもよい。
【００４５】
上記制御方法は、さらに、出力電流から燃料電池の燃料ストイキオを計算し、計算された燃料ストイキオに応じて、設定された送風量を補正する工程ｃを含んでもよい。
【００４６】
単セルは、上記のように、アノードに接するアノード側セパレータ、並びにカソードに接するカソード側セパレータを含んでもよい。燃料入口部の温度と前記燃料出口部の温度との差は、前記燃料流路における前記燃料の平均的な進行方向の単位長さあたり０．２℃／ｃｍ以上であることが望ましい。
【００４７】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１に、本発明の実施形態１に係る燃料電池システムの概略構成を、各構成要素を簡略化した斜視図により示す。図２に、燃料電池システムに含まれる燃料電池の一部を拡大して、断面図により示す。
【００４８】
燃料電池は、一般に、複数の燃料電池（単セル）を電気的に直列に接続するようにして積層した燃料電池スタックとして使用される。図１の燃料電池システムの燃料電池２も複数の単セルを積層した燃料電池スタックである。図２は、単セルの構造を示す。
【００４９】
図示例の単セル１０は、直接メタノール型燃料電池であり、高分子電解質膜１２と、高分子電解質膜１２を間に挟むように配置されたアノード１４及びカソード１６を含んでいる。高分子電解質膜１２は、水素イオン伝導性を有している。アノード１４には、燃料であるメタノールが供給される。カソード１６には、酸化剤である空気中の酸素が供給される。アノード１４、カソード１６及び高分子電解質膜１２を積層して、互いに接合したものをＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly：膜−電極接合体）という。
【００５０】
アノード１４、高分子電解質膜１２及びカソード１６の積層方向において、アノード１４の外側（図では上側）にはアノード側セパレータ２６が積層され、アノード側セパレータ２６の更に外側には端板４６Ａが配置されている。また、上記積層方向において、カソード１６の外側（図では下側）にはカソード側セパレータ３６が積層され、カソード側セパレータ３６の更に外側には端板４６Ｂが配置されている。なお、燃料電池２が複数の単セル１０を積層した燃料電池スタックである場合には、端板４６Ａ及び４６Ｂは単セル１０毎には設けられず、燃料電池スタックの積層方向の両端に１つずつ配置される。
【００５１】
さらに、アノード側セパレータ２６と高分子電解質膜１２との間には、アノード１４を囲むようにガスケット４２が配置され、カソード側セパレータ３６と高分子電解質膜１２との間には、カソード１６を囲むようにガスケット４４が配置されている。ガスケット４２は、燃料がアノード１４から外部に漏れるのを防止している。ガスケット４４は、酸化剤がカソード１６から外部に漏れるのを防止している。
【００５２】
２つの端板４６Ａ及び４６Ｂは、図示しないボルト及びバネ等により、各セパレータとＭＥＡとを加圧するように互いに締結されている。ＭＥＡと、アノード側セパレータ２６及びカソード側セパレータ３６との界面は接着性に乏しい。そのため、上記のようにして、各セパレータとＭＥＡとを加圧することにより、ＭＥＡと各セパレータとの接着性を高めている。その結果、ＭＥＡと各セパレータとの間の接触抵抗が低減される。
【００５３】
アノード１４は、アノード触媒層１８及びアノード拡散層２０を含む。アノード触媒層１８は、高分子電解質膜１２に接している。アノード拡散層２０は、撥水処理されたアノード多孔質基材２４、及びその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるアノード撥水層２２を含む。アノード撥水層２２は、アノード触媒層１８と接している。
【００５４】
カソード１６は、カソード触媒層２８及びカソード拡散層３０を含む。カソード触媒層２８は、高分子電解質膜１２の、アノード触媒層１８が接している面と反対側の面に接している。カソード拡散層３０は、撥水処理されたカソード多孔質基材３４、及びその表面に形成された、撥水性の高い材料からなるカソード撥水層３２を含む。カソード撥水層３２は、カソード触媒層２８と接している。
【００５５】
高分子電解質膜１２、アノード触媒層１８及びカソード触媒層２８からなる積層体は、燃料電池の発電を担っており、ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）と呼ばれている。よって、ＭＥＡは、ＣＣＭと、アノード拡散層２０及びカソード拡散層３０とからなる積層体であるといえる。アノード拡散層２０及びカソード拡散層３０は、アノード１４及びカソード１６のそれぞれの面方向に供給される燃料及び酸化剤を均一に分散させる機能を有するとともに、電池反応の生成物である水及び二酸化炭素を円滑に排出する機能を有する。
【００５６】
アノード側セパレータ２６は、アノード多孔質基材２４との接触面に、アノード１４の各部に燃料を供給するための燃料流路３８を有している。燃料流路３８は、例えば、上記接触面に、アノード多孔質基材２４に向かって開口する凹部ないしは溝を設けることで形成される。なお、燃料電池２が、複数の単セル１０を積層した燃料電池スタックである場合には、アノード側セパレータ２６のもう一方の面に空気流路４０を形成してもよい。つまり、１枚の板状のセパレータをアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとして機能させてもよい。
【００５７】
カソード側セパレータ３６は、カソード多孔質基材３４との接触面に、カソード１６の各部に酸化剤（酸素）を供給するための空気流路４０を有している。空気流路４０もまた、例えば、上記接触面に、カソード多孔質基材３４に向かって開口する凹部ないしは溝を設けることで形成される。なお、燃料電池２が、複数の単セル１０を積層した燃料電池スタックである場合には、カソード側セパレータ３６のもう一方の面に燃料流路３８を形成してもよい。つまり、１枚の板状のセパレータをアノード側セパレータ及びカソード側セパレータとして機能させてもよい。
【００５８】
そのような燃料流路３８及び空気流路４０は、例えば、セパレータの表面を溝状に切削することにより事後的に形成してもよいし、セパレータを成形（射出成形、圧縮成形等）するときに同時的に形成してもよい。
【００５９】
アノード触媒層１８は、上述の反応式（１）の反応を促進するためのアノード触媒粒子と、アノード触媒層１８と高分子電解質膜１２との間のイオン伝導性を確保するための高分子電解質とを含む。アノード触媒層１８に含まれる高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｈ+型）、及びアミノ化ポリエーテルスルホン（ＯＨ-型）等が挙げられる。
【００６０】
アノード触媒粒子は、例えばカーボンブラック等の導電性炭素粒子からなる担体に担持させることができる。アノード触媒粒子には、白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを含む合金、またはＰｔとＲｕの混合物を使用することができる。アノード触媒粒子の活性点を増加させ、反応速度を向上させるために、アノード触媒粒子はできる限り小さくして使用することが好ましい。アノード触媒粒子の平均粒径は、１〜２０ｎｍとすることができる。
【００６１】
カソード触媒層２８は、上述の反応式（２）の反応を促進するためのカソード触媒と、カソード触媒層２８と高分子電解質膜１２とのイオン伝導性を確保するための高分子電解質とを含む。
【００６２】
カソード触媒層２８に含まれるカソード触媒としては、例えば、Ｐｔ単体及びＰｔ合金が挙げられる。Ｐｔ合金としては、Ｐｔと、コバルト及び鉄等の遷移金属との合金が挙げられる。それらのＰｔ単体またはＰｔ合金は、微粉末状のまま用いてもよいし、例えばカーボンブラック等の導電性炭素粒子からなる担体に担持させてもよい。
カソード触媒層２８に含まれる高分子電解質としては、アノード触媒層１８に含ませる高分子電解質として例示した材料を用いることができる。
【００６３】
高分子電解質膜１２の材料としては、当該分野で公知の各種高分子電解質材料を用いることができる。なお、現在、流通している高分子電解質膜は、主として、プロトン伝導タイプの電解質膜である。
【００６４】
高分子電解質膜１２の具体例としては、フッ素系高分子膜等が挙げられる。フッ素系高分子膜の具体例としては、パーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）等のパーフルオロスルホン酸ポリマーを含有する高分子膜が挙げられる。パーフルオロスルホン酸ポリマーを含有する高分子膜の具体例としては、たとえば、ナフィオン膜（商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」、デュポン社製）等が挙げられる。
【００６５】
なお、高分子電解質膜１２は、直接酸化型燃料電池に用いられる燃料（メタノール等）のクロスオーバーを抑えるものが好ましい。そのような効果を有する高分子電解質膜としては、上記フッ素系高分子膜のほかに、例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＥＫ）等のフッ素原子を含まない炭化水素系ポリマーからなる膜、無機物・有機物複合膜等が挙げられる。
【００６６】
アノード多孔質基材２４及びカソード多孔質基材３４に用いられる多孔質基材としては、炭素繊維からなるカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布（カーボンフェルト）、耐腐食性を有する金属メッシュ、及び発泡金属等が挙げられる。
【００６７】
アノード撥水層２２及びカソード撥水層３２の形成に用いられる高撥水性材料としては、フッ素系高分子、及びフッ化黒鉛等が挙げられる。フッ素系高分子としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等が挙げられる。
【００６８】
アノード側セパレータ２６及びカソード側セパレータ３６には、導電体、例えば、黒鉛等の炭素質材料を使用することができる。アノード側セパレータ２６及びカソード側セパレータ３６は、単セル間の化学物質の流通を阻止する隔壁として機能するとともに、単セル間の電子伝導を担い、各単セルを直列に接続する接続部材として機能する。
【００６９】
ガスケット４２及び４４の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、四フッ化エチレン−六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のフッ素系高分子、フッ素ゴム、エチレン―プロピレン―ジエンゴム（ＥＰＤＭ）等の合成ゴム、及びシリコーンエラストマー等が挙げられる。
【００７０】
ガスケット４２及び４４は、ＰＴＦＥ等からなるシートの中央部分に、膜電極接合体（ＭＥＡ）を収容するための、ＭＥＡと同じ面積の開口部を設けることで作製することができる。ガスケット４２及び４４は、それぞれの開口部の内周面が、アノード触媒層１８またはカソード触媒層２８の外周面と対向するように、高分子電解質膜１２の表面に設置される。
【００７１】
次に、図３を参照して、燃料流路を説明する。
図３は、ＭＥＡを、アノードの側から見た平面図である。図３においては、アノード１４と対向するようにアノード側セパレータ２６に形成されている燃料流路３８を、想像線（二点鎖線）により示している。
【００７２】
図３に示すように、燃料流路３８は、アノード側セパレータ２６のアノード１４（アノード多孔質基材２４）と対向する部分を蛇行しながら縦断または横断するように、形成されている。この構成により、アノード１４の面方向に燃料を分散させることができる。燃料流路３８は、少なくとも１つの燃料入口と、少なくとも１つの燃料出口とを有する。なお、燃料入口部とは、セパレータ（アノード側セパレータ２６、またはアノード・カソード一体型のセパレータ）の燃料入口が存在する側の部分をいう。燃料出口部とは、セパレータの燃料出口が存在する側の部分をいう。
【００７３】
図示例の単セル１０においては、説明を簡略化するために、燃料流路３８は、１つずつの燃料入口４８及び燃料出口５０だけを有している。燃料は、燃料入口４８から燃料出口５０への一方向に流れる。そして、図３に示す燃料流路３８では、燃料の平均的な進行方向は、矢印Ａの方向である。なお、本発明は、複数系統の燃料流路を設けた場合や、燃料流路が途中で枝分かれしているような場合を包含する。
【００７４】
次に、燃料電池２を含んだ、本発明の燃料電池システムを説明する。
図１の燃料電池システム１は、燃料電池２、冷却装置３、制御装置４、燃料タンク５２、混合タンク５４、燃料ポンプ５６、水回収器５８、及び空気ポンプ６０を備えている。
【００７５】
制御装置４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit：中央処理装置）、ＭＰＵ（Micro Processing Unit：マイクロプロセッサ）及びメモリ等から構成することができる。なお、燃料電池２の出力端子と、図示しない負荷機器との間には、燃料電池２の出力電流を調節することで燃料電池の出力電圧を調節する、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の調節器を設けることができる。
【００７６】
そして、制御装置４は、冷却装置３が送風機である場合には、その送風量を設定する図示しない風量制御部、及び燃料電池２の出力電圧が所定の設定電圧となるように燃料電池２の出力電流を制御する電流制御部、を含んでいる。そのような風量制御部、及び電流制御部は、例えばＣＰＵに所定のアルゴリズムに従った演算を実行させることで実現される。なお、風量制御部及び電流制御部を制御装置４とは別に設けることも可能である。
【００７７】
燃料タンク５２は、燃料であるメタノールを貯蔵している。燃料タンク５２に貯蔵された燃料は、燃料ポンプ５６により燃料電池２のアノード１４に送られる。燃料電池２に送られる燃料は、燃料電池２に送られる前に、燃料配管５３Ａを通して混合タンク５４に送られる。
【００７８】
混合タンク５４においては、燃料タンク５２からの燃料と、水回収器５８により燃料電池２のカソード１６の排液から回収され水回収配管６６を通して送られてくる水と、アノード１４から還送される燃料排液（薄いメタノール水溶液を含む）とが混合される。これにより、燃料であるメタノールが希釈される。その結果、混合タンク５４において混合されたメタノール及び水、すなわちメタノール水溶液が、燃料配管５３Ｂ、燃料ポンプ５６及び燃料配管５３Ｃを経由して、燃料電池２に送られる。メタノールを希釈する理由は、高濃度のメタノールがアノード１４に供給されると、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）量が顕著に増大するからである。
【００７９】
燃料電池２のアノード１４に送られた燃料のうち、余剰の燃料は、燃料電池２において消費されることなく、燃料回収配管５５を通して、メタノール水溶液として、混合タンク５４に戻される。なお、アノード１４で生成される二酸化炭素は、メタノール水溶液とともに燃料回収配管５５を通して混合タンク５４に戻され、混合タンク５４に配置される図示しない気液分離膜により分離され、二酸化炭素排出経路５７を通して外部に放出される。
【００８０】
一方、酸化剤としての酸素を含む空気は、空気ポンプ６０により、空気配管６２を経由して、燃料電池２のカソード１６に送られる。カソード１６では水が生成される。このため、カソード１６に供給された空気のうち、余剰のものは、生成された水と混合され、気液混合体として、水出口配管６４を経由して、水回収器５８に排出される。
【００８１】
水回収器５８は、例えば上部に開口部を有する容器と、その開口部を塞ぐ、図示しない気液分離膜とから構成される。水回収器５８の気液分離膜により、上記気液混合体の水と空気とが分離される。水回収器５８で分離された水の一部は、メタノールの希釈用として、水回収器５８に貯留され、適宜、水回収配管６６を通して、混合タンク５４に送られる。さらに、水回収器５８は、蓄積された水の量を検知するための図示しない水量センサを有している。水量センサの検出信号は、制御部４に送られる。
【００８２】
例えば長時間の連続運転により、水が水回収器５８に過剰に貯留されたことを、制御装置４が水量センサの検出信号により検知すると、制御装置４は、水回収器５８の内部あるいは気液分離膜の近傍により大量の空気を流通させることで水の蒸発量を増加させるように、空気ポンプ６０等を制御する。これにより、水を水蒸気としてシステム外部に逸散させて、水回収器５８がオーバーフローすることを防止している。このように、水回収器５８は、ある程度の量の水を貯留することにより、メタノールを希釈するように循環している水に不足が生じた場合にも、必要とされる水を随時に供給する機能を有している。
【００８３】
なお、図１のシステムにおいては、燃料電池２における単セル１０の積層方向は、図の上下方向である。また、各単セル１０は、燃料流路３８の燃料入口４８が図の右側に位置し、燃料出口５０が図の左側に位置している。
【００８４】
冷却装置３は、単独で、または制御装置４との協働で、燃料電池２の温度分布を所望の分布に制御する温度分布制御機能を実現する。図１のシステムにおいては、冷却装置３は、送風機から構成される。送風機の風量を所定量とし、燃料電池２の温度分布を、送風機の設置位置、姿勢、及び風向等だけで制御する場合には、冷却装置３が単独で上記制御機能を実現する。より好ましい温度分布を実現するために、制御装置４が送風機の風量を設定する風量制御部を有する場合には、冷却装置３と制御装置４とが協働して、上記制御機能を実現する。なお、冷却装置３に風量制御部を組み込むことも可能である。
【００８５】
送風機は、シロッコファン、ターボファン、軸流ファン、及びクロスフローファン等のファン類でもよく、遠心ブロア、軸流ブロア、及び容積ブロア等のブロア類でもよく、ファンモータでもよい。送風機は、消費電力が小さくかつ、大きな圧力及び風量を発生するものほど好ましい。特に、モバイル機器用の燃料電池システムに使用する場合には、送風機は、騒音及び振動の小さいものが好ましい。
【００８６】
また、冷却装置３として、冷却水等の冷媒を各セパレータの内部に流通させて各単セルを冷却する液冷式の冷却装置を使用することが考えられる。本発明は、その場合を包含する。しかし、そのような冷却装置は、冷媒を供給するためのポンプや、冷媒を冷却するためのラジエター等が必要となる。このため、一般的に、冷却機構の消費電力が大きくなるとともに、機構が大型化する。よって、小型化が求められるモバイル機器等の電源としては、冷却装置は、小型化の容易な空冷式が好ましい。
【００８７】
一般に、燃料電池は、発電の際に発熱する。このため、通常でも燃料電池を冷却する必要性がある。送風機の送風により燃料電池スタックを冷却する場合には、各単セルをできるだけ均一に冷却するように、送風方向は、燃料電池スタックの積層方向と垂直に設定される。図１の燃料電池システム１においても冷却装置３による送風方向は、燃料電池２の単セル１０の積層方向と垂直である。
【００８８】
さらに、一般に、燃料電池には、図３で示したような燃料流路により常温の液体燃料が供給される。このため、燃料電池は、燃料流路の上流側の部分が、燃料により、より良く冷却される。よって、その部分の温度は、燃料流路の下流側の部分の温度よりも低くなる。
【００８９】
このため、従来は、燃料電池の温度分布をできるだけ均一にするという観点から、送風機の送風で燃料電池を冷却する場合には、燃料電池に、燃料流路の下流側から風を当てるようにするのが通常である。
【００９０】
この点、図示例のシステム１においては、燃料電池２に、各単セル１０の燃料流路３８の上流側（図示例では右側）の部分を重点的に冷却するように冷却装置３（送風機）が配置されている。なお、図１では、燃料ポンプ５６が送風機３と燃料電池２との間に介在するように示されているが、実際には、燃料ポンプ５６は、送風機３の送風を妨げないように配置される。
【００９１】
冷却装置３を上述のように配置することで、図示例のシステム１においては、燃料電池２は、従来よりも、各単セル１０の燃料流路３８の上流側の部分が、下流側の部分よりも低温となるように冷却される。
【００９２】
ＭＣＯ量は、図４に示すとおり、高分子電解質膜１２の温度が低くなるほどに小さくなる傾向がある。よって、メタノール濃度が高いが故にＭＣＯが活発となる燃料流路３８の上流側の部分で高分子電解質膜１２の温度を低くすることにより、燃料電池２全体のＭＣＯを効果的に抑制することが可能となる。
【００９３】
一方で、図１のシステムでは、燃料電池２の燃料流路３８の下流側の部分で、各単セル１０の温度、より具体的にはアノード１４の温度が比較的高く保たれる。その結果、燃料の拡散性が増大して拡散過電圧が低減される。また、触媒の活性が向上して反応過電圧が低減される。よって、燃料電池２全体として、高い発電電圧を得ることができる。
【００９４】
より詳しく説明するならば、高分子電解質膜１２の内部のメタノールの移動は、主として濃度拡散及び電気浸透により生じる。このため、ＭＣＯ量は、高分子電解質膜１２のアノード側表面と、カソード側表面との間のメタノールの濃度差に大きく依存する。そして、高分子電解質膜１２のカソード側表面におけるメタノール濃度は、透過したメタノールがカソード１６で速やかに酸化されることから、無視できるほど小さいと考えられる。このため、結局、ＭＣＯ量は、高分子電解質膜１２のアノード側表面におけるメタノール濃度により決まる。
【００９５】
さらに、燃料流路３８を経由して供給された燃料のアノード１４の面方向への拡散は、アノード撥水層２４の拡散抵抗により抑えられる。そして、アノード１４に供給された燃料は、アノード触媒層１８における酸化反応によって直ちに消費される。よって、アノード１４の厚み方向におけるメタノールの濃度分布は、一般に、高分子電解質膜１２のアノード１４側の表面におけるメタノール濃度が、燃料流路３８内のメタノール濃度に比べて極めて小さくなっている。
【００９６】
一方、アノード１４の面方向のメタノールの濃度分布は、燃料流路３８の内部では、燃料流路３８の入口が最もメタノール濃度が大きく、燃料流路３８の出口が最もメタノール濃度が小さくなっている。その結果、高分子電解質膜１２のアノード１４側の表面では、燃料流路３８の上流側の部分と対応する部分のメタノール濃度が比較的大きくなる。よって、ＭＣＯ量は、高分子電解質膜１２の、燃料流路３８の上流側の部分と対応する部分で大きくなる。
【００９７】
以上のことから、ＭＥＡ、ないしはＣＣＭの発電効率を、その面方向の各部分について考えると、ＭＣＯによる発電性能の低下が最も顕著であるのは、燃料流路３８の上流側の１／６〜１／３の部分と対応する部分である。以下、一例として図３を参照し、便宜的に、ＭＥＡのその部分を上流側部Ｌ１という。同様に、ＭＥＡの、燃料流路３８の下流側の１／６〜１／３の部分に対応する部分を下流側部Ｌ３といい、上流側部Ｌ１と下流側部Ｌ３との間の部分を中流部Ｌ２という。
【００９８】
上述したとおり、燃料流路３８の下流側では、燃料流路３８の内部に存在する燃料の濃度は、上流側に比べて非常に小さい。このため、下流側部Ｌ３のアノード１４では、濃度過電圧による電圧低下を低減して、出力の低下を抑制する必要がある。よって、下流側部Ｌ３のアノード１４では、アノード触媒層１８のメタノール濃度を均一に大きくするように、アノード触媒層１８の内部における燃料の拡散性を高める必要がある。
【００９９】
一方で、ＭＣＯの駆動力は、温度が高くなるほどに大きくなる。これは、温度が高くなるほどに濃度拡散係数及び電気浸透係数（単位イオン移動量あたりの溶媒分子の移動数量）が大きくなるからである。よって、ＭＣＯ量は高分子電解質膜の温度に大きく依存する。したがって、メタノール濃度が高いためにＭＣＯが活発となる燃料流路３８の上流側で高分子電解質膜１２の温度を低くすることによって、燃料電池２全体のＭＣＯ量を顕著に抑制することが可能となる。
【０１００】
図４に、ＭＣＯ量と、高分子電解質膜の温度との関係、並びに燃料利用率とアノードの温度との関係の一例を示す。この例では、燃料電池の電極（アノード及びカソード）の投影面積は３６ｃｍ2であり、燃料電池に供給される燃料の濃度は４Ｍであり、燃料ストイキオは１．７であり、燃料電池の電流密度は３００ｍＡ／ｃｍ2である。
【０１０１】
ここで、燃料ストイキオＦstoは、アノードに供給された燃料量を、発電電流値の燃料換算量、つまり実際に発電に使用された燃料量で除して得られる係数であり、下記式（３）により求めることができる。
Ｆsto＝（Ｉ１＋Ｉ２）／Ｉ１                                  （３）
ただし、Ｉ１：発電電流、Ｉ２：未消費の燃料量とＭＣＯの燃料量との和の電流換算値、である。
【０１０２】
また、燃料利用率Ｆutiは、下記式（４）により求めることができる。
Ｆuti＝Ｉ１／（Ｉ１＋ＩMCO）                                 （４）
ただし、ＩMCO：ＭＣＯの燃料量の電流換算値、である。
【０１０３】
図４からは、ＭＣＯ量が高分子電解質膜１２の温度が高くなるほどに大きくなっていることが分かる。一方、燃料利用率Ｆutiは、高分子電解質膜１２の温度が高くなるほどに低下している。したがって、高分子電解質膜１２の温度が高くなるほどにエネルギ変換効率は低下する。
【０１０４】
しかしながら、一般的に、電極（アノード１４及びカソード１６）における反応過電圧は、温度が高くなるほど低下する傾向にある。このため、電極の温度が高くなるほどに発電電圧は高くなる。したがって、ＭＣＯ量の低減及び発電電圧の向上という２つの要求は、ＭＥＡの温度を一方的に高くしたり、一方的に低くしたりすることでは満たすことはできない。
【０１０５】
図示例の燃料電池システム１においては、上流側部Ｌ１の高分子電解質膜１２を比較的低温とすることで、ＭＣＯを抑えている。その一方で、下流側部Ｌ３のアノード１４を比較的高温とすることで、発電電圧を大きくしている。これにより、ＭＣＯ量の低減及び発電電圧の向上という２つの要求を同時に満足させている。
【０１０６】
さらに、燃料電池２の各単セルの温度を、高分子電解質膜１２の面方向に均一化するためには、より大きな風量で燃料電池２を冷却する必要がある。よって、それに要する電力も大きくなる。この点、図１のシステムにおいては、燃料電池の面方向の温度を均一化するのではなく、上流側部Ｌ１の温度を、下流側部Ｌ２の温度よりも低くしているだけである。したがって、大きな風量で燃料電池２を冷却する必要が無く、大量の電力を消費することもない。よって、システムの運転が非効率的なものとなるのを防止することができる。
【０１０７】
なお、冷却装置３の送風方法は、特に限定されない。例えば、冷却装置３により常時一定の風量で送風してもよいし、間欠的に送風してもよい。しかしながら、高分子電解質膜１２の温度を検出し、その検出結果に基づいて風量を制御するのが、システム全体のエネルギ変換効率を最大とするためには好ましい。
【０１０８】
より具体的に言うと、冷却装置３の風量を大きくすると、燃料電池２の温度が低下するため、出力は低下する傾向がある。一方、燃料電池２の温度を低下させると、ＭＣＯ量が低下する。そして、冷却装置３の風量を大きくすると消費電力は増加する。以上の理由により、冷却装置３の風量が過大であると、電源システム全体のエネルギ変換効率は低下する。
【０１０９】
したがって、燃料電池２の温度低下による、ＭＣＯ量の低下と出力の低下とをバランスさせるように送風機の風量を調節することで、送風機による電力消費を抑えながら、最大のエネルギ効率を達成することが可能となる。
【０１１０】
このため、図１のシステムにおいては、燃料電池２の温度を検出するための、サーミスタ等の温度センサ５Ａ及び５Ｂを燃料電池２に設けている。温度センサ５Ａ及び５Ｂの出力信号は、制御装置４に入力される。制御装置４は、温度センサ５Ａ及び５Ｂの出力信号に基づいて、冷却装置３の動作を制御している。
【０１１１】
実際には、高分子電解質膜１２の局部的な温度を、燃料電池を運転しながら測定することは非常に困難である。このため、燃料電池２の中のいずれかの単セル１０のアノード側セパレータ２６の温度を温度センサ５Ａ及び５Ｂにより測定し、その測定結果に基づいて、冷却装置３の風量をコントロールするのがよい。
【０１１２】
図示例の燃料電池システム１においては、燃料電池２の積層方向の中央付近に位置する単セル１０のアノード側セパレータ２６の上流側部Ｌ１と対応する部分（以下、そのような部分を上流側の部分という）及び下流側部Ｌ３と対応する部分（以下、そのような部分を下流側の部分という）のそれぞれの温度を、温度センサ５Ａ及び５Ｂによりそれぞれ検出している。ここで、積層方向の中央に位置する単セルとは、単セルの数が奇数である場合は、積層方向の両端から数えたときのそれぞれの順番が等しい単セルをいう。
【０１１３】
また、単セルの数が偶数である場合は、積層方向の両端から数えたときのそれぞれの順番の差が「１」である２つの単セルをいう。この場合には、その２つの単セルの一方を選択して温度を測定する。
【０１１４】
なお、制御装置４は、最外層の単セルのアノード側セパレータ２６の上流側の部分及び下流側の部分のそれぞれの温度と、その温度差とに基づいて、冷却装置３の風量を設定してもよい。
【０１１５】
風量制御の目安としては、積層体の中央に位置する単セルにおいて、アノード側セパレータ２６の上流側の部分（その温度をＴupとする）と、アノード側セパレータ２６の下流側の部分（その温度をＴlwとする）との間で、温度の変化率（温度勾配）が、０．２℃／ｃｍ以上となるように風量を調節するのが好ましい。上記温度勾配のより好ましい範囲は、０．２〜１．０℃／ｃｍである。このような範囲の温度勾配となるように風量を設定することにより、ＭＣＯを顕著に低減することができる。
【０１１６】
一般的に、ＭＥＡの上流側部Ｌ１ほど燃料流路のメタノール濃度が高いので、ＭＣＯ量が大きく発熱も大きい。ここで、高分子電解質膜１２とセパレータとの間の熱伝導度が高分子電解質膜１２の面方向の各位置で均一であるものと仮定すると、発熱の大きいＭＥＡの上流側部の方が、高分子電解質膜１２とアノード側セパレータ２６との間の温度差は、大きくなる。
【０１１７】
したがって、アノード側セパレータ２６の上流側の部分の温度と、下流側の部分の温度とを計測して風量制御を行う場合には、高分子電解質膜１２では、上流側部Ｌ１と下流側部Ｌ２との間に、セパレータにおける測定温度の差以上の差があることを考慮して制御を行う必要性がある。さらに、上記温度勾配の範囲は、そのことを考慮して設定したものである。
【０１１８】
さらに、アノード側セパレータ２６における上記温度勾配の上限を１℃／ｃｍとすることにより、電極（アノード及びカソード）の部分的な劣化を抑制することができる。より詳細に説明すると、電極は、温度差が大きくなると、温度の高い部分と温度の低い部分との間に触媒活性の差異が生ずる。その結果、温度の高い部分と、温度の低い部分との間に発電量の差異が生ずる。よって、両者の間に、電流密度の差異が生ずる。したがって、上記温度勾配を１℃／ｃｍ以下とすることで、温度の高い部分の電流密度が大きくなりすぎるのを防止することができる。よって、電極の部分的な劣化を抑制することができる。
【０１１９】
なお、燃料電池２における単セルの積層方向の位置について言えば、積層方向の外側に配置される単セルほど、外部との熱交換が活発であり、放熱が良好に行われる。これに対して、積層方向の内側に配置される単セルは放熱が難しい。よって、積層方向の外側に配置される単セルは、積層方向の内側に配置される単セルよりも、例えば送風による冷却効果は大きくなる。したがって、温度センサ５Ａ及び５Ｂにより検出された温度に基づいて冷却装置３の風量を制御する場合には、温度センサ５Ａ及び５Ｂを設置した単セルの、上記積層方向における位置を考慮する必要がある。
【０１２０】
さらに、一般的に、燃料電池は急激な負荷の変動に対する出力の追従性が低い。このため、燃料電池を電源として使用する場合には、燃料電池を、補助用の二次電池やキャパシタと組み合わせることが多い。これにより、短期的な負荷の変動があっても、燃料電池の出力を一定のままで対応させることができる。
【０１２１】
一方、負荷の変動が長時間にわたる場合には、電流密度や燃料ストイキオ等の運転条件の変更を行う必要性が生じる。上述したとおり、ＭＣＯ量及びＭＥＡの発熱は、燃料供給量に大きく依存する。すなわち、ＭＣＯ量及びＭＥＡの発熱は、発電電流と燃料ストイキオに依存する。より具体的には、燃料ストイキオが一定であれば、電流密度が大きいほどにＭＣＯ量及びＭＥＡの発熱量は増大する。一方、電流密度が一定であれば、燃料ストイキオが大きいほどにＭＣＯ量及びＭＥＡの発熱量は増大する。
【０１２２】
したがって、温度センサ５Ａ及び５Ｂの検出温度に基づいて設定した冷却装置３の風量は、燃料ストイキオに基づいて補正するのが好ましい。なお、燃料ストイキオは、燃料電池２の出力電圧が所定の設定電圧となるように、燃料電池２の出力電流を調整したときの電流値に基づいて、制御装置４の図示しないストイキオ計算部により算出される。そのような出力電流の調整は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータを使用して実行される。さらに、上記設定電圧は、例えば、燃料電池を補助用の二次電池と併用する場合には、補助用の二次電池を充電しながら負荷にも電力を供給し得る所定の電圧である。
【０１２３】
より詳しく説明すると、燃料電池２の温度は、発熱量と放熱量のバランスによって変動する。燃料電池２の発熱は、供給される燃料量と発電効率とにより求められる。発電効率Ｐgeは、下記式（５）で表される。
Ｐge＝Ｆuti×（発電電圧）／（ＤＭＦＣの理論電圧）×（ΔＧ／ΔＨ）
…（５）
ただし、ΔＧ：発電全反応におけるギブスの自由エネルギ変化、ΔＨ：エントロピー変化、である。
【０１２４】
ΔＧ／ΔＨ、及びＤＭＦＣの理論電圧は、具体的なＤＭＦＣについて一意に定まる値である。よって、燃料利用率Ｆuti及び発電電圧によりＭＥＡの発熱量が決まる。発熱量Ｈｖは、下記式（６）によって求められる。
Ｈｖ＝（燃料供給量に相当するエネルギ量）×（１−Ｐge）      …（６）
【０１２５】
式（６）から分かるように、燃料供給量が大きく、発電効率Ｐgeが小さいほど、発熱量Ｈｖは大きくなる。ここで、燃料供給量は、目標とする出力あるいは効率を得ることができる電圧、電流及び燃料ストイキオに応じて設定される。
【０１２６】
つまり、燃料電池は、電力を供給する機器の負荷変動及び電源システムの運転状況等に応じて、燃料供給量及び発電効率は常に変化する。よって、ＭＥＡの発熱量も常に変化する。したがって、冷却装置３の風量を、ＭＥＡの上流側部と下流側部との温度差を適切なものに保つように調整するためには、燃料電池の電流値及び燃料ストイキオを正確に検知してＭＥＡの発熱量を正確に把握することが重要である。
【０１２７】
より具体的には、燃料ストイキオが大きくなれば、冷却装置３の風量が大きくなるように補正し、逆に、燃料ストイキオが小さくなれば、冷却装置３の風量が小さくなるように補正する。
【０１２８】
また、風量の制御は、燃料電池２の運転中のＭＣＯ量を計測するとともに、その計測されたＭＣＯ量が適切な範囲内となるように、風量を調節するようにして行ってもよい。ＭＣＯ量の計測方法としては、アノード１４から混合タンク４５に戻される未使用燃料の量を、メタノール濃度センサ等を用いて計測し、その計測結果に基づいて、物質収支式からＭＣＯ量を求める方法が考えられる。または、カソード１６から混合タンク４５を経由して排出される二酸化炭素の量を、ガスセンサを用いて計測し、その計測結果からＭＣＯ量を算出することもできる。
【０１２９】
この場合には、ＭＣＯ量が所定値を超えて大きくなれば風量を増加させ、ＭＣＯ量がある程度まで減少すれば、風量を減少させるように制御を行えばよい。
【０１３０】
なお、実施形態１においては、燃料としてメタノールを使用するＤＭＦＣの場合を説明したが、本発明はこれに限られない。本発明は、水と親和性の高い、常温で液体の燃料を使用する全ての直接酸化型燃料電池に適用した場合に顕著な効果を奏するものである。そのような燃料の例としては、メタノールの他に、エタノール、ジメチルエーテル、蟻酸、及びエチレングリコール等の炭化水素系液体燃料を挙げることができる。
【０１３１】
また、燃料として燃料電池２に送られるメタノール水溶液の濃度は、１ｍｏｌ／Ｌ〜８ｍｏｌ／Ｌとするのが好ましい。ここで、燃料電池２に送られるメタノール水溶液とは、例えば混合タンク５４から燃料ポンプ５６を経由して燃料電池２に送られるメタノール水溶液である。
【０１３２】
燃料電池２に送られるメタノール水溶液の濃度を１ｍｏｌ／Ｌ以上とすることにより、燃料電池システムで循環される水の量を少なくできることから、システムの小型軽量化が容易となる。一方、メタノール水溶液の濃度を８ｍｏｌ／Ｌ以下とすることにより、本発明の適用により、ＭＣＯ量を、効率的に望ましい程度にまで低減することが容易となる。その結果、燃料電池２に送られるメタノール水溶液の濃度を上記範囲とすることで、ＭＥＡの上流側部におけるＭＣＯを抑制しつつ、下流側部における燃料の供給量を十分に確保することができる。
【０１３３】
したがって、燃料の利用効率を向上させ、さらに、発電電圧及び発電効率等の発電性能を向上させることができる。より好ましいメタノール水溶液の濃度は、３ｍｏｌ／Ｌ〜５ｍｏｌ／Ｌである。
【０１３４】
本発明の利点についてさらに言及すると、上述したとおり、燃料電池２に送られるメタノール水溶液の濃度を高くすることは、燃料電池システムを小型化するために有利である。しかしながら、単純にメタノール水溶液の濃度を高くすると、ＭＣＯ量が増大するために効率は低下する。よって、メタノール水溶液の濃度を高くするには限界がある。この点、本発明では、ＭＣＯが抑えられることから、システムを循環させる水の量を通常よりも少なくすることができる。よって、本発明によれば、燃料電池システムの小型化が容易となる。
【０１３５】
（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２を説明する。図５は、本発明の実施形態２に係る直接酸化型燃料電池システムの各部を簡略化して示す斜視図である。
図５の燃料電池システム１Ａが、図１の燃料電池システム１と異なるのは、水回収器５８が燃料電池２と接するように設けられている点である。水回収器５８が燃料電池２と接する位置は、燃料電池２の上流側部Ｌ１寄りの位置である。
【０１３６】
水回収器５８を、燃料電池２の上流側部Ｌ１寄りの位置に接触させるのは、水回収器５８の内部や気液分離膜の周辺で水を気化させるときの潜熱を利用して、上流側部Ｌ１を冷却するためである。上述したとおり、水回収器５８は、燃料電池２で生成された水を、メタノールを希釈する用途のために一時的に貯留している。
【０１３７】
そして、水回収器５８においては、上述したとおり、余剰の水がオーバーフローしないように、水量が所定値以上となると、水回収器５８の内部や気液分離膜の周辺への送風量を増大させることで、水の気化量を増大させている。図示例の燃料電池システム１Ａでは、水回収器５８の内部や気液分離膜の周辺で水を気化させるときの潜熱を利用することで、燃料電池２の上流側部Ｌ１が効果的に冷却される。
【０１３８】
水回収器５８の余剰の水を気化させるために、水回収器５８への送風量を増大させる具体的な方法としては、空気ポンプ６０によりカソード１６に送られる空気量を一時的に増加させ、カソード１６から水回収器５８に送られる空気量を増加させることが考えられる。または、冷却装置３による燃料電池２への送風を水回収器５８の内部に導くことで、水回収器５８への送風量を増大させてもよい。
【０１３９】
さらに、水回収器５８を、燃料電池２の、例えば上流側部１と対応する部分の側部と接触するように配置すれば、冷却装置３の送風を水回収器５８の気液分離膜の周辺に容易に導くことができる。
【０１４０】
水回収器５８の素材には、一般的には、容器の成型性及び加工性を重視して、ポリプロピレン等の樹脂が使用される。冷却のための熱伝導性と、耐溶剤性及び耐酸性とを考慮すれば、化学的耐性の高いカーボン材料等を水回収器５８の素材として使用するのも好ましい。化学的耐性を水回収器５８の素材に求めるのは、カソード１６から排出される液状成分には、水の他に、微量のメタノール、及びメタノールの中間酸化物である蟻酸、並びに二酸化炭素が含まれているからである。
【０１４１】
水回収器５８の形状は、一般的には、容器の成型性の観点から直方体状とされる。しかしながら、上流側部Ｌ１を効果的に冷却するという観点からは、燃料電池２の、上流側部Ｌ１と対応する部分（以下、燃料電池２の上流側の部分等という）を取り囲むような形状とするのもよい。例えば、上面視でＵ字状とするのもよい。
【０１４２】
さらに、実施形態２の変形例としては、水回収器５８に代えて、例えばペルチェ素子等の熱電素子を、燃料電池２の上流側の部分と接触するように配置してもよい。これにより、上流側部Ｌ１を積極的に冷却することが可能となる。
【０１４３】
このとき、熱電素子は、冷却装置３の送風により冷却するのが好ましい。より具体的には、熱電素子の吸熱面を燃料電池２の上流側の部分と接触させる一方で、熱電素子の発熱面を外側に向ける。そして、その発熱面を冷却装置３の送風により冷却するのがよい。
【０１４４】
さらには、燃料電池２の上流側の部分を冷却しやすいように、燃料電池２の外形に変更を加えることも可能である。例えば、燃料電池２の上流側の部分の外側面にだけ熱交換を促進するためのフィン等の放熱器を設けてもよい。または、燃料電池２の外側の全体にフィンを設ける場合には、上流側部分のフィンの高さだけを大きくしてもよい。
【０１４５】
なお、燃料電池２の各部をピンポイントで冷却することができるような冷却装置を使用する場合には、燃料入口４８に近く、しかも、燃料入口４８への熱伝導が容易な部分を冷却することが好ましい。燃料入口４８が、ＭＣＯが発生する可能性のある領域の中でも、燃料流路３８内のメタノール濃度が最も高く、かつ発熱が最も大きい部分だからである。
【０１４６】
さらに、燃料入口４８に近い部分であっても、冷却装置による冷却箇所と、燃料入口４８との間に熱伝導度の小さい部材が介在すれば、燃料入口４８が十分に冷却されなくなる。冷却装置は、そのような事態を回避できる部分に配置する必要がある。
【０１４７】
あるいは、燃料入口４８と冷却装置との間に、特別に熱伝導が良好な材料や、熱伝導を良好とするための機構を配置するのもよい。より具体的には、熱伝導が良好なカーボンシートやヒートパイプ等を配置することができる。
【０１４８】
なお、燃料入口４８が複数ある場合には、その全ての近傍を冷却してもよい。または、その複数の燃料入口４８の中でメタノール水溶液の濃度が特に高くなっている燃料入口４８があるような場合には、その燃料入口４８の近傍だけを冷却してもよい。ここで、燃料入口４８が複数ある場合の例としては、複数の燃料供給装置を使用して、複数の経路でアノード１４に燃料を供給する場合や、燃料供給装置は１つでも、燃料流路３８が途中で枝分かれしているような場合を挙げることができる。
【０１４９】
以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されない。
（実施例１）
アノード触媒粒子と、それを担持させる導電性の担体と、を含むアノード触媒材料を調製した。アノード触媒粒子としては、平均粒径が５ｎｍである白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金（原子比１：１）を用いた。担体としては、一次粒子の平均径が３０ｎｍであるカーボン粒子を用いた。アノード触媒材料におけるアノード触媒粒子の含有量は、８０重量％とした。
【０１５０】
カソード触媒粒子と、それを担持させる導電性の担体と、を含むカソード触媒材料を調製した。カソード触媒粒子としては、平均粒径が３ｎｍである白金を用いた。担体としては、一次粒子の平均径が３０ｎｍであるカーボン粒子を用いた。カソード触媒材料におけるカソード触媒粒子の含有量は、８０重量％とした。
【０１５１】
高分子電解質膜には、厚さ５０μｍのフッ素系高分子膜（パーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）をベースとするフィルム、商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１２」、デュポン社製）を使用した。
【０１５２】
（ＣＣＭの作製）
（アノードの形成）
アノード触媒材料の１０ｇと、パーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）を含有する分散液（商品名：ナフィオン分散液、「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」、米国デュポン社製）の７０ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。得られた混合物を脱泡して、アノード触媒層形成用インクを得た。
【０１５３】
こうして得られたアノード触媒層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、高分子電解質膜の一方の表面に吹き付けるようにして塗布し、４０×９０ｍｍの長方形のアノード触媒層を形成した。アノード触媒層の寸法は、マスキングにより調整した。アノード触媒層形成用インクの吹き付け時には、表面温度をヒータにより６０℃に加熱した金属板に、高分子電解質膜を、減圧により吸着させて固定した。これにより、アノード触媒層形成用インクを、塗布中に漸次乾燥させるようにした。アノード触媒層の厚みは６１μｍであり、Ｐｔ−Ｒｕ合金の含有量は３ｍｇ／ｃｍ2であった。
【０１５４】
（カソードの形成）
カソード触媒材料の１０ｇと、パーフルオロスルホン酸／テトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）を含有する分散液（前出の商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」）の１００ｇとを、適量の水とともに攪拌機により攪拌して混合した。得られた混合物を脱泡して、カソード触媒層形成用インクを得た。
【０１５５】
こうして得られたカソード触媒層形成用インクを、アノード触媒層を形成したのと同様の方法で、高分子電解質膜のアノード触媒層が形成された面とは反対側の面に塗布した。これにより、４０×９０ｍｍの長方形のカソード触媒層を、高分子電解質膜に形成した。形成されたカソード触媒層の厚みは３０μｍであり、Ｐｔの含有量は、１ｍｇ／ｃｍ2であった。なお、アノード触媒層と、カソード触媒層とは、それぞれの中心（長方形の対角線の交点）が高分子電解質膜の厚さ方向に平行な１つの直線上に位置するように、配置した。
【０１５６】
（ＭＥＡの作製）
（アノード多孔質基材の作製）
撥水処理が施されたカーボンペーパー（商品名「ＴＧＰ−Ｈ−０９０」、厚さ約３００μｍ、東レ（株）製）を、希釈されたポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）に１分間浸漬した。次いで、そのカーボンペーパーを、１００℃に温度設定された熱風乾燥機中で乾燥させた。次いで、乾燥後のカーボンペーパーを、電気炉中において、２７０℃で２時間焼成した。そのようにして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるアノード多孔質基材を得た。
【０１５７】
（カソード多孔質基材の作製）
撥水処理が施されたカーボンペーパーに代えて、カーボンクロス（商品名「ＡｖＣａｒｂ（商標）１０７１ＨＣＢ」、バラードマテリアルプロダクツ社製）を使用したこと以外は、アノード多孔質基材と同様にして、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるカソード多孔質基材を作成した。
【０１５８】
（アノード撥水層の作製）
アセチレンブラックの粉末と、ＰＴＦＥのディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業（株）製）とを攪拌機により攪拌して混合することにより、全固形分に占めるＰＴＦＥの含有量が１０重量％であり、全固形分に占めるアセチレンブラックの含有量が９０重量％である撥水層形成用インクを得た。得られた撥水層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法により、アノード多孔質基材の一方側の表面に吹き付けるようにして塗布した。その後、塗布されたインクを、１００℃に温度設定された恒温槽内で乾燥させた。次いで、撥水層形成用インクを塗布したアノード多孔質基材を、電気炉により、２７０℃で２時間焼成して、界面活性剤を除去した。こうして、アノード多孔質基材上にアノード撥水層を形成した。
このようにして、アノード多孔質基材及びアノード撥水層を含むアノード拡散層を作製した。
【０１５９】
（カソード撥水層の作製）
カソード多孔質基材の一方の表面に、アノード撥水層と同様にして、カソード撥水層を形成した。
このようにして、カソード多孔質基材及びカソード撥水層を含むカソード拡散層を作製した。
【０１６０】
アノード拡散層及びカソード拡散層は、いずれも、抜き型を使用して、４０×９０ｍｍの長方形に成形した。
【０１６１】
次に、アノード撥水層と、アノード触媒層とが接するように、アノード拡散層とＣＣＭとを積層した。また、カソード撥水層と、カソード触媒層とが接するように、カソード拡散層とＣＣＭとを積層した。
得られた積層体を、温度を１２５℃に設定した熱プレス装置により、５ＭＰａの圧力で１分間加圧した。これにより、アノード触媒層とアノード拡散層とを接合するとともに、カソード触媒層とカソード拡散層とを接合した。
以上のようにして、アノードと、高分子電解質膜と、カソードとからなる膜−電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【０１６２】
（ガスケットの配置）
厚み０．２５ｍｍのエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のシートを、５０×１２０ｍｍの長方形に裁断した。さらに、そのシートの中央部分を、４２×９２ｍｍの長方形に開口するようにくり抜いた。このようにして、２枚のガスケットを得た。
一方のガスケットの中央の開口部に、アノードをはめ込むように配置した。また、他方のガスケットの中央の開口部に、カソードをはめ込むように配置した。
【０１６３】
（セパレータの作製）
アノード側セパレータの素材として、厚み１．５ｍｍ、サイズ５０×１２０ｍｍの長方形の樹脂含浸黒鉛板を準備した。その黒鉛板の表面を切削して、メタノール水溶液をアノードに供給する燃料流路を形成した。セパレータの短辺側端部の一方には、燃料流路の入口を配置した。セパレータの短辺側端部の他方には、燃料流路の出口を配置した。このようにして、アノード側セパレータを作製した。
【０１６４】
同様に、カソード側セパレータの素材として、厚み２ｍｍ、サイズ５０×１２０ｍｍの長方形の樹脂含浸黒鉛板を準備した。その表面を切削して、酸化剤としての空気をカソードに供給する空気流路を形成した。セパレータの短辺側端部の一方には、空気流路の入口を配置した。セパレータの短辺側端部の他方には、空気流路の出口を配置した。このようにして、カソード側セパレータを作製した。
【０１６５】
燃料流路及び空気流路を構成する溝の断面形状は、それぞれ、幅１ｍｍ、深さ０．５ｍｍとした。また、燃料流路及び空気流路は、それぞれ、アノード拡散層及びカソード拡散層の各部に満遍なく燃料及び空気を供給し得るサーペンタイン型とした。
【０１６６】
アノード側セパレータを、燃料流路がアノード拡散層と接するように、ＭＥＡと積層した。カソード側セパレータを、空気流路がカソード拡散層と接するように、ＭＥＡと積層した。
【０１６７】
そして、アノード側セパレータ及びカソード側セパレータに挟持されたＭＥＡを１０単セル分積層し、その積層方向の両端に、厚さ１ｃｍのステンレス鋼板からなる一対の端板を配置した。各端板と、各セパレータとの間には、表面に金メッキが施された厚さ２ｍｍの銅板からなる集電板と、絶縁板とを配置した。集電板は、セパレータ側に配置し、絶縁板は端板側に配置した。
【０１６８】
その状態で、一対の端板を、ボルト、ナット及びばねを用いて互いに締結し、ＭＥＡと各セパレータとを加圧した。
以上のようにして、サイズが５０×１２０ｍｍであるＤＭＦＣである燃料電池を作製した。
【０１６９】
上述のようにして作製された燃料電池を使用して、実験用の燃料電池システムを形成した。そのシステムでは、酸化剤及び燃料の燃料電池への供給は、実験の精度を高めるために、それぞれの供給量を精密に調節し得る特別の仕様とした。
【０１７０】
酸化剤は、実施形態にあるような空気ポンプにより供給するのではなく、高圧空気ボンベに充填した圧縮空気を、堀場製作所（株）製のマスフローコントローラにより流量を調節して供給した。
【０１７１】
燃料は、日本精密科学（株）製の精密ポンプ（パーソナルポンプＮＰ−ＫＸ−１００（製品名））を使用して供給した。冷却装置としての送風機には、米国イービーエムパプスト社製の型番：４１２ＪＨＨのものを使用した。
水回収器は、底面が５×１ｃｍ、高さが２ｃｍの、上面に開口を有する直方体状のポリプロピレン製の容器を使用した。そして、開口を塞ぐように、気液分離膜としてのフッ素樹脂多孔質膜（テミッシュ（ＴＥＭＩＳＨ）、日東電工（株）の登録商標）を、開口の端部に沿って熱溶着した。
【０１７２】
各単セルのアノード側セパレータに設けた燃料流路の入口と、燃料ポンプとを、シリコーンチューブ及び分岐管により接続した。同様に、各単セルの燃料流路の出口と、混合タンクとを、シリコーンチューブ及び分岐管により接続した。各単セルのカソード側セパレータに設けた空気流路の入口と、マスフローコントローラとの間、並びに空気流路の出口と、水回収器との間も、シリコーンチューブ及び分岐管により接続した。
【０１７３】
燃料電池は、両端が開口している角筒状のプラスチック製ケーシングの内部に収納した。そのケーシングの天部及び底部の内側面と、燃料電池の上面及び下面（単セルの積層方向の両端面）とは接触させて、それらの間を送風機の送風が抜けないようにした。一方、ケーシングの両側部の内側面と、燃料電池の一対の側端部の外側面との間には、それぞれ、１０ｍｍの隙間を設けることで、風路を形成した。ただし、その一対の側端部は、単セルの積層方向と平行な２対の側端部のうち、燃料の平均的な流れの方向（図３の矢印Ａの方向）と平行な側端部である。なお、燃料の平均的な流れの方向は燃料電池の長手方向と一致している。そして、燃料電池の上流側の部分と対向する、ケーシングの一端開口から、ケーシングの内部に向けて送風するように、送風機を配置した。以上のようにして、送風機の送風により、まず、各単セルの上流側の部分が冷却され、その後で、燃料電池の上記一対の側端部が冷却されるようにした。
【０１７４】
送風機の電源には、印加電圧が可変な外部電源を使用した。その印加電圧は７Ｖとした。燃料電池の温度としては、１０個の単セルの積層方向の一端部から５番目の単セルの温度を測定した。その単セルの長手方向の両端部で露出しているアノード側セパレータの側部に、それぞれ、直径１ｍｍ、深さ１ｃｍの孔を空け、それらの孔に１つずつ熱電対を挿入することで、燃料電池の上流側の部分（燃料入口部）の温度と、下流側の部分（燃料出口部）の温度とを測定した。
【０１７５】
アノードには、燃料として４ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を、３ｃｍ3／分の流量で供給した。カソードには、酸化剤を含む流体として、無加湿の空気を、３０００ｃｍ3／分の流量で供給した。燃料電池の出力端子には、電子負荷装置「ＰＬＺ１６４ＷＡ」（菊水電子工業（株）製）を接続し、これにより、燃料電池の正極及び負極の両端子接続部の間の電流密度が、２００ｍＡ／ｃｍ2で一定となるように、出力電流を調節した。
【０１７６】
燃料電池の温度は、燃料電池の定常状態での温度を測定するために、発電開始後３０分経過した時点から１時間にわたって、１０秒毎の上記各熱電対の測定温度を記録し、それを平均化することで求めた。ＭＣＯ量についても同様にして測定した。なお、ＭＣＯ量の測定方法の詳細については後述する。
以上のようにして測定された燃料電池の上流側の部分の温度は６８．８℃であり、下流側の部分の温度は７１．２℃であった。これらの値から算出される、燃料電池の上流側の部分と下流側の部分との間の温度勾配は、０．２℃／ｃｍであった。
【０１７７】
（実施例２）
水回収器を、燃料電池の上流側の部分の端部にシリコーン系接着剤で接合した。これにより、燃料電池の上流側の部分が、水回収器における水の蒸発により冷却されるようにした。以上のこと以外は、実施例１と同様にして、燃料電池システムを作製した。
【０１７８】
ここで、実施例１と同様にして測定された燃料電池の上流側の部分の温度は６７．６℃であった。下流側の部分の温度は７１．４℃であった。これらの値から算出される、燃料電池の上流側の部分と下流側の部分との間の温度勾配は、０．３２℃／ｃｍであった。
【０１７９】
（実施例３）
燃料電池の上流側の部分の端部にペルチェ素子の吸熱面を接合した。ペルチェ素子としては、（有）日本テクモ製のＴＥＣ１-０１７０５（製品名）を使用した。ペルチェ素子の発熱面には、送風機の送風があたるようにした。以上のこと以外は、実施例１と同様にして、燃料電池システムを作製した。
ここで、実施例１と同様にして測定された燃料電池の上流側の部分の温度は６６．６℃であった。下流側の部分の温度は７１．５℃であった。これらの値から算出される、燃料電池の上流側の部分と下流側の部分との間の温度勾配は、０．４１℃／ｃｍであった。
【０１８０】
（比較例１）
送風機の送風を、ケーシングに収納された燃料電池の下流側の部分の端部にあてるように、送風機を配置した。以上のこと以外は、実施例１と同様にして、燃料電池システムを作製した。
ここで、実施例１と同様にして測定された燃料電池の上流側の部分の温度は７３．４℃であった。下流側の部分の温度は６６．５℃であった。これらの値から算出される、燃料電池の上流側の部分と下流側の部分との間の温度勾配は、０．５８℃／ｃｍであった。ただし、ここでは、燃料電池の上流側の部分の方が下流側の部分よりも温度が高くなっているので、勾配の向きは逆である。
【０１８１】
（比較例２）
送風機の送風量を大きくすることで、燃料電池の上流側の部分の温度と、下流側の部分の温度とをほぼ等しくするために、送風機の印加電圧を１２Ｖまで上昇させた。以上のこと以外は、実施例１と同様にして、燃料電池システムを作製した。
ここで、実施例１と同様にして測定された燃料電池の上流側の部分の温度は６６．０℃であった。下流側の部分の温度も６６．０℃であった。これらの値から算出される、燃料電池の上流側の部分と下流側の部分との間の温度勾配は、０．０４℃／ｃｍであった。
【０１８２】
［評価］
実施例１〜３、並びに比較例１及び２の燃料電池について、以下のようにして、発電中のＭＣＯ量及び発電電圧を測定し、その測定結果から燃料の利用効率を求めた。発電電圧としては、発電開始から１時間後の電子負荷装置「ＰＬＺ１６４ＷＡ」の入力端子電圧を測定した。
【０１８３】
（ＭＣＯ量の測定方法）
アノードから排出される、未使用の燃料を含むメタノール水溶液と、二酸化炭素とを含む気液混合体を、純水を満たした気体捕集容器に流入させることにより、気体及び液体のメタノールを、１時間にわたって捕集した。このとき、気体捕集容器は、氷水浴で冷却した。
【０１８４】
捕集したメタノールの量を、ガスクロマトグラフ法によって測定し、測定されたメタノール量に基づいて、アノードの物質収支からＭＣＯ量を求めた。より具体的には、アノードに供給されたメタノール量から、捕集されたメタノール量と、発電電流に基づいて算出されるアノードのメタノール消費量と、を差し引いて、ＭＣＯ量を求めた。燃料利用率は、上掲の式（４）により求めた。
【０１８５】
以上の結果を表１に示す。
【０１８６】
【表１】
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【０１８７】
燃料電池２の上流側の部分の温度が下流側の部分の温度よりも低くなるように、送風で燃料電池を冷却した実施例１〜３は、そうではない比較例１及び２に比べて、発電電圧が高くなっている。また、実施例１〜３は、比較例１に比べて、燃料利用率が著しく向上している。したがって、実施例１〜３は、比較例１に対して、ＭＣＯ量が大幅に低減されていることが確認できた。以上の結果、燃料電池の上流側の部分の温度を低下させることが、発電電圧及び燃料利用率の向上に有効であることが確認された。
【０１８８】
さらに、比較例１では、メタノール水溶液の濃度が高い各単セルの上流側の温度が高くなっているために、ＭＣＯ量がさらに大きくなってしまい、結果として、各単セルの下流側の部分で燃料不足が生じたものと考えられる。その結果、各単セルの下流側の部分で濃度過電圧が増大し、発電電圧が低下したものと考えられる。
【０１８９】
実施例１〜３の中では、燃料電池の上流側の部分の温度が低い実施例ほど、高い燃料利用率が得られている。よって、燃料電池の上流側の部分を冷却することにより、ＭＣＯ量を減少させ得ることが確認された。燃料電池の上流側の部分の冷却に、水回収器からの水の蒸発を利用している実施例２では、それ以外の条件が同じである実施例１よりも効果的に燃料電池の上流側の部分が冷却されており、その結果、燃料利用率も向上している。
【０１９０】
比較例２は、燃料電池の温度を全体的に低下させたことにより、燃料利用率は実施例１〜３よりも大きくなっている。したがって、ＭＣＯ量も十分に低減されている。しかしながら、比較例２は、発電電圧が最低であり、発電効率も、実施例１〜３よりも低くなっている。燃料電池の温度が低下すると、電極での反応過電圧が増大するとともに、高分子電解質膜のプロトン伝導度も低下し、プロトン伝導抵抗も増大する。したがって、燃料電池の温度が低下するに伴って、発電電圧も低下する。発電電圧の低下により、発電効率も低する。
【０１９１】
さらに、比較例２では、送風機の印加電圧を１２Ｖまで上昇させた結果、その消費電力は３Ｗに達している。これに対して、実施例１〜３及び比較例１においては、送風機の印加電圧は７Ｖであり、その消費電力は１Ｗ程度である。
【０１９２】
燃料電池システムにおいては、一般に、燃料電池が発生した電力を、燃料ポンプ、空気ポンプ、及び送風機等の補助機器に供給している。したがって、燃料電池の実効出力は、発電電力から補助機器の消費電力を差し引いたものとなる。
【０１９３】
仮に、燃料電池の発電電力から送風機の消費電力を差し引いたものを実効出力とすると
、実施例１〜３では、燃料電池の発電電力２５Ｗから１Ｗを引いた２４Ｗが実効出力となる。これに対して、比較例２では、燃料電池の発電電力２２Ｗから３Ｗを引いた１９Ｗが実効出力となる。
【０１９４】
このように、比較例２では、実施例１〜３よりも高い燃料利用率が得られるとしても、システムの実効出力は実施例１〜３よりも低くなる。よって、燃料電池の下流側の部分の温度だけを重点的に低下させる実施例１〜３の方が、実用的には有利であるといえる。
【０１９５】
以上のように、本発明によれば、従来の燃料電池に比べて、高い発電性能と燃料利用率とを得ることができ、ひいては高いエネルギ変換効率を得ることができることが分かる。
【産業上の利用可能性】
【０１９６】
本発明の燃料電池は、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）等の携帯小型電子機器における電源として有用である。また、本発明の燃料電池は、電動スクータ用電源等の用途にも応用することができる。
【符号の説明】
【０１９７】
１、１Ａ  燃料電池システム
２  燃料電池
３  冷却装置
４  制御装置
１０  単セル
１２  高分子電解質膜
１４  アノード
１６  カソード
２６  アノード側セパレータ
３６  カソード側セパレータ
３８  燃料流路
４０  空気流路
４６  水回収器
４８  入口部
５０  出口部
５２  燃料タンク
５６  燃料ポンプ
６０  空気ポンプ
【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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【国際調査報告】
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