(57)【要約】【課題】始動性および発電効率の向上と小型化とが可能な燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法を提供する。【解決手段】電解質層と、該電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極およびカソード電極と、集電体と、セパレータとを少なくとも備え、集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む２以上の層からなる積層構造を有し、該集電体と該アノード電極および／または該カソード電極とが直接または導電部材を介して接してなる燃料電池に関する。【選択図】図３
2008153040.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、前記電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極およびカソード電極と、集電体と、セパレータとを少なくとも備え、
前記集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、前記高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む２以上の層からなる積層構造を有し、
前記集電体と前記アノード電極および／または前記カソード電極とが直接または導電部材を介して接してなる、燃料電池。
【請求項２】
アノード側の前記集電体、前記アノード電極、前記電解質層、前記カソード電極、カソード側の前記集電体、の順に積層された積層構造を有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード電極、アノード側の前記集電体、前記電解質層、カソード側の前記集電体、前記カソード電極、の順に積層された積層構造を有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記集電体の前記低抵抗層が前記アノード電極および／または前記カソード電極と直接または導電部材を介して接している、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記集電体のうち前記低抵抗層以外の層は、前記低抵抗層のみを介して前記アノード電極または前記カソード電極と電気的に接続される、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記集電体を構成する前記２以上の層は、前記アノード電極または前記カソード電極が形成されている領域において互いに絶縁層のみを介して積層されており、
前記アノード電極または前記カソード電極が形成されていない領域の少なくとも一部において電気的に接続されている、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記集電体を構成する各々の層が電流を取り出すための取り出し部を有する、請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記集電体は、前記電解質層と前記アノード電極および／または前記カソード電極との間に形成され、
前記集電体のうち前記低抵抗層以外の層は、前記アノード電極および／または前記カソード電極が形成されている領域において絶縁層で覆われている、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記絶縁層が多孔質体からなる、請求項６〜８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記絶縁層と前記電解質層とが接合されることによって前記集電体と前記電解質層とが一体化されている、請求項８または９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記絶縁層は電解質材料からなる、請求項８〜１０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
ヒーターをさらに備える、請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１３】
負荷を駆動するための燃料電池システムであって、
請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池と、
前記集電体を構成する２以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、
前記燃料電池のアノード電極および／またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するための温度センサーと、
前記温度センサーの検知結果に基づいて前記スイッチ部を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項１４】
負荷を駆動するための燃料電池システムであって、
請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池と、
前記集電体を構成する２以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、
前記燃料電池の出力電流および／または出力電圧を検知するためのモニター部と、
前記モニター部の検知結果に基づいて前記スイッチ部を制御するための制御部と、
を備える、燃料電池システム。
【請求項１５】
前記集電体は、前記燃料電池のアノード側およびカソード側に設けられ、
前記アノード側および前記カソード側の前記集電体はそれぞれ高抵抗層と低抵抗層とからなり、
前記スイッチ部は、
前記負荷と前記アノード側の前記高抵抗層および前記低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第１および第２のスイッチ素子と、
前記負荷と前記カソード側の前記高抵抗層および前記低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第３および第４のスイッチ素子と、
を含む、請求項１３または１４に記載の燃料電池システム。
【請求項１６】
蓄電装置と前記蓄電措置の充放電回路とをさらに備える、請求項１３〜１５のいずれかに記載の燃料電池システム。
【請求項１７】
請求項１３に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記温度センサーにより燃料電池のアノード電極および／またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するステップと、
検知結果に基づいて、前記制御部により前記スイッチ部を制御して前記集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、
を備え、
前記低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および／またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法。
【請求項１８】
前記通電するステップにおいて、前記検知結果に基づいて、前記アノード電極および／もしくは前記カソード電極の温度または前記外気温度があらかじめ設定された所定温度より低い時に前記集電体における低抵抗層以外の層に通電する、請求項１７に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項１９】
前記検知するステップにおいて、前記アノード電極および前記カソード電極の温度を検知し、
前記通電するステップにおいて、前記検知結果に基づいて、前記カソード電極の温度から前記アノード電極の温度を引いた温度差があらかじめ設定された所定値より低い時に前記集電体における低抵抗層以外の層に通電する、請求項１７に記載の燃料電池システムの制御方法。
【請求項２０】
請求項１４に記載の燃料電池システムの制御方法であって、
前記モニター部により燃料電池の出力電流および／または出力電圧を検知するステップと、
検知結果に基づいて、前記出力電流および／または前記出力電圧があらかじめ設定された所定値より低い時に、前記制御部により前記スイッチ部を制御して前記集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、
を備え、
前記低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および／またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法。
【請求項２１】
前記集電体は、前記燃料電池のアノード側およびカソード側に設けられ、
前記アノード側および前記カソード側の前記集電体はそれぞれ高抵抗層と低抵抗層とからなり、
前記スイッチ部は、
前記負荷と前記アノード側の前記高抵抗層および前記低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第１および第２のスイッチ素子と、
前記負荷と前記カソード側の前記高抵抗層および前記低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第３および第４のスイッチ素子と、
を含み、
前記通電するステップにおける前記高抵抗層への通電を、前記第１および前記第３のスイッチ素子を導通させることにより行なう、請求項１７〜２０のいずれかに記載の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、燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法に関し、特に、直接メタノール型の燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、単独の発電装置として高い発電効率と高いエネルギー密度とを有する点から、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、アノード極においてたとえば水素、メタノール等の還元剤を、カソード極においてたとえば空気中の酸素等の酸化剤を、それぞれ電気化学的に酸化・還元し、この酸化・還元反応を通じて発電する。
【０００３】
種々ある燃料電池の方式の中でも、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行う直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、以下「ＤＭＦＣ」ともいう）においては、改質器が不要であり、また、ガス燃料に比べ体積エネルギー密度の高い液体メタノールを使用するために、水素に代表される高圧ガスのボンベを用いる場合に比べメタノール燃料容器を小さくすることが可能である。よって、小型機器用電源への応用、特に、携帯機器用の２次電池代替用途という観点でＤＭＦＣに注目が集まっている。
【０００４】
また、ＤＭＦＣの燃料は液体であるため、従来の燃料電池システムではデッドスペースとなっていた狭い婉曲空間部を燃料スペースとして使用することが可能であり、デザインの制約を受けずに、携帯用小型電子機器に利用可能であるというメリットを有する。
【０００５】
図２１は、従来例の燃料電池の構造を示す断面図である。図２１に示すように、燃料電池は、一般に、電解質層１をアノード電極２とカソード電極３とで挟んだ構造体（膜電極複合体、以下単にＭＥＡとも称する）を、一対の導電性のセパレータ４で押さえつけて集電し、各々のセパレータにおいて、片方の側がアノード側に、他方の側がカソード側となるように、図２１に示すように配置した直列のスタック構造とされ、各セルにアノード燃料流路８およびカソード燃料流路９が設けられ、さらに、スタック構造の最端部に、取り出し電極５、および必要に応じてヒーター７を備えてなるのが一般的である。上記のスタック構造は、セルの筐体６やエンドプレートで、スタック構造の両側からボルトやナットといった締結部材を用いて押さえつけられ、これにより接触抵抗が低減され、スタック構造が保たれている。
【０００６】
一般的な固体高分子燃料電池においては、電解質層として、ナフィオン（登録商標）膜、スルホン化ポリイミド膜、無機固体高分子、無機−有機ハイブリッド高分子膜等の高分子膜を用い、電解質層の両面に電極をホットプレスにより一体化して貼り付け、更に触媒層の上に燃料を拡散させる拡散層（例えばカーボンペーパー、カーボンクロス等）を貼り付けた構造になっている。電極としては、一般的には触媒金属担持カーボン粒子とイオン導電性の高分子バインダーとからなる触媒層、例えば、白金担持カーボンや白金−ルテニウム担持カーボン等とナフィオンバインダー等とからなる触媒層が用いられる。
【０００７】
アノード極に、還元剤として、たとえば水素、メタノール等を供給し、カソード極には、酸化剤として、たとえば酸素等を、セパレータに備えられた流路から供給する。燃料電池においては、アノードおよびカソードの各電極で起こる酸化還元反応から電子を取り出し、直流の電気エネルギーとして利用する。電極で電子を授受し、かつ、集電して電子を流す構造体は、一般的に集電体と定義される。また、アノード極とカソード極とを分離する構造体は、一般的にセパレータと定義される。電解質層もセパレータに含まれる。
【０００８】
従来、燃料電池においては、低温時に発電効率が著しく低下する問題がある。その原因としては、主に電解質層のイオン伝導度の低下、触媒活性の低下等が挙げられる。外気温が低温である場合、例えば、外気温が氷点下以下である場合には、特に起動時において所定の出力特性が得られるまでに時間がかかる。また、燃料電池の停止時に外気温が氷点下以下になると、燃料電池が劣化する問題がある。プロトンをキャリアーとする高分子電解質層において、プロトンの伝導度は高分子電解質層を構成する高分子中の陽イオン交換基の数に比例するため、該高分子電解質層には通常陽イオン交換基が大量に存在する。この陽イオン交換基は水分を吸着するので、高分子電解質層中には少なからず水分が存在する。氷点下では、この水分が凍結し、体積膨張を引き起こすため、燃料電池の劣化が引き起こされる。
【０００９】
上記のような問題への対応として、特許文献１に記載のように、燃料電池の外部負荷に電力を供給し、自己発熱により始動性を向上させる技術が提案されている。また、特許文献２に記載のように、ＰＴＣヒーターを備えた絶縁板で燃料電池のスタックを狭持し、加熱することで、始動性を向上させるとともに停止後の温度を保護させる技術や、特許文献３に記載のように、燃料電池を局所的にヒーターで加熱し、自己発熱を促進することで、始動性を向上させる技術も提案されている。また、特許文献４に記載のように、集電板の端部に高い抵抗値の部分を備え、端部のセルの温度を向上させる技術も提案されている。
【００１０】
燃料電池においては、始動時だけでなく定常動作時における発電効率の向上が求められており、発電効率の向上のためには、発電部であるＭＥＡ、すなわちアノード電極、カソード電極および電解質層の部分の温度を、材料の耐圧を超えない範囲で高温にすることが好ましい。一方、近年では燃料電池の小型化も求められている。しかし、上記のような従来の燃料電池セルおよびスタックにおいては、電極および電解質層の加熱効率の向上による始動性、発電効率の向上と、燃料電池の小型化を両立することは困難であるのが現状である。
【特許文献１】特表２０００−５１２０６８号公報
【特許文献２】特開平５−８９９００公報
【特許文献３】特開２００２−３１３３９１号公報
【特許文献４】特開２００３−４５４６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は上記の課題を解決し、始動性および発電効率の向上と小型化とが可能な燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、電解質層と、該電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極およびカソード電極と、集電体と、セパレータとを少なくとも備え、集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む２以上の層からなる積層構造を有し、該集電体と該アノード電極および／または該カソード電極とが直接または導電部材を介して接してなる燃料電池に関する。
【００１３】
本発明の燃料電池は、アノード側の集電体、アノード電極、電解質層、カソード電極、カソード側の集電体、の順に積層された積層構造を有することが好ましい。
【００１４】
また、本発明の燃料電池は、アノード電極、アノード側の集電体、電解質層、カソード側の集電体、カソード電極、の順に積層された積層構造を有することが好ましい。
【００１５】
本発明においては、集電体の低抵抗層がアノード電極および／またはカソード電極と直接または導電部材を介して接していることが好ましい。
【００１６】
本発明において、集電体のうち低抵抗層以外の層は、低抵抗層のみを介してアノード電極またはカソード電極と電気的に接続されることが好ましい。
【００１７】
本発明において、集電体を構成する２以上の層は、アノード電極またはカソード電極が形成されている領域において互いに絶縁層のみを介して積層されており、アノード電極またはカソード電極が形成されていない領域の少なくとも一部において電気的に接続されていることが好ましい。
【００１８】
本発明においては、集電体を構成する各々の層が、電流を取り出すための取り出し部を有することが好ましい。
【００１９】
本発明においては、集電体は電解質層とアノード電極および／またはカソード電極との間に形成され、集電体のうち低抵抗層以外の層は、アノード電極および／またはカソード電極が形成されている領域において絶縁層で覆われていることが好ましい。
【００２０】
本発明において、絶縁層は多孔質体からなることが好ましい。
本発明において、絶縁層と電解質層とが接合されることによって集電体と電解質層とが一体化されていることが好ましい。
【００２１】
本発明においては、絶縁層が電解質材料からなることが好ましい。
本発明の燃料電池は、ヒーターをさらに備えることが好ましい。
【００２２】
本発明はまた、負荷を駆動させるための燃料電池システムであって、上述のいずれかの燃料電池と、集電体を構成する２以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、燃料電池のアノード電極および／またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するための温度センサーと、温度センサーの検知結果に基づいてスイッチ部を制御するための制御部と、を備える、燃料電池システムに関する。
【００２３】
本発明はまた、負荷を駆動させるための燃料電池システムであって、上述のいずれかの燃料電池と、集電体を構成する２以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、燃料電池の出力電流および／または出力電圧を検知するためのモニター部と、モニター部の検知結果に基づいてスイッチ部を制御するための制御部と、を備える、燃料電池システムに関する。
【００２４】
本発明の燃料電池システムにおいて、集電体は、燃料電池のアノード側およびカソード側に設けられ、アノード側およびカソード側の集電体は高抵抗層と低抵抗層とからなり、
スイッチ部は、負荷とアノード側の高抵抗層および低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第１および第２のスイッチ素子と、負荷とカソード側の高抵抗層および低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第３および第４のスイッチ素子とを含むことが好ましい。
【００２５】
本発明の燃料電池システムは、蓄電装置と該蓄電装置の充放電回路をさらに備えることが好ましい。
【００２６】
本発明はまた、上述の燃料電池システムの制御方法であって、温度センサーにより燃料電池のアノード電極および／またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するステップと、検知結果に基づいて、制御部によりスイッチ部を制御して集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、を備え、低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および／またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法に関する。
【００２７】
上記の通電するステップにおいては、検知結果に基づいて、アノード電極および／もしくはカソード電極の温度または外気温度があらかじめ設定された所定温度より低い時に集電体における低抵抗層以外の層に通電することが好ましい。
【００２８】
本発明はまた、上記の検知するステップにおいて、アノード電極およびカソード電極の温度を検知し、通電するステップにおいて、検知結果に基づいて、カソード電極の温度からアノード電極の温度を引いた温度差があらかじめ設定された所定値より低い時に集電体における低抵抗層以外の層に通電する、燃料電池システムの制御方法に関する。
【００２９】
本発明はまた、上述の燃料電池システムの制御方法であって、モニター部により燃料電池の出力電流および／または出力電圧を検知するステップと、検知結果に基づいて、出力電流および／または出力電圧があらかじめ設定された所定値より低い時に、制御部によりスイッチ部を制御して集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、を備え、低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および／またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法に関する。
【００３０】
本発明の燃料電池システムの制御方法においては、集電体が、燃料電池のアノード側およびカソード側に設けられ、アノード側およびカソード側の集電体は高抵抗層と低抵抗層とからなり、スイッチ部は、負荷とアノード側の高抵抗層および低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第１および第２のスイッチ素子と、負荷とカソード側の高抵抗層および低抵抗層とをそれぞれ電気的に接続するための第３および第４のスイッチ素子と、を含み、通電するステップにおける高抵抗層への通電を、第１および第３のスイッチ素子を導通することにより行なうことが好ましい。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、向上した始動性および発電効率を有しかつ小型化が可能な燃料電池、該燃料電池を備える燃料電池システムおよび該燃料電池システムの制御方法を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
本発明の燃料電池は、電解質層と、該電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極およびカソード電極と、集電体と、セパレータとを少なくとも備える。また本発明の燃料電池に設けられる集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む２以上の層からなる積層構造を有し、集電体と該アノード電極および／または該カソード電極とが直接または導電部材を介して接している。なお本発明の以下の記載においては、特記しない限り「アノード電極および／またはカソード電極」を単に「電極」とも称する。
【００３３】
集電体の高抵抗層に電流を流した場合には、抵抗損失によって集電体自体を発熱させ、燃料電池を加熱することができる。一方、集電体の低抵抗層は燃料電池から発生した電流を電極から集電する取り出し電極としての機能に優れる。高抵抗層と低抵抗層とを少なくとも含む集電体を備える本発明の燃料電池においては、たとえば回路のスイッチの切替えによって、高抵抗層および低抵抗層のいずれか、または両方に電流を流すような設定を簡便に行なうことができる。よって、たとえば外気温度の低下時や燃料電池の始動時等には、高抵抗層に電流を流すことによって速やかに燃料電池の特に電極および電解質層の近傍の温度を上昇させ、通常の運転時には、低抵抗層に電流が流れるようにして該抵抗層を電極からの集電に用いることにより、優れた始動性と発電効率とを得ることが可能となる。
【００３４】
また、本発明においては、取り出し電極として機能する集電体を発熱体としても用いるため、燃料電池の構造の簡略化が可能であり、より小型の燃料電池を得ることが可能になる。
【００３５】
すなわち、たとえば電熱線に代表されるヒーターは、一般に電圧を印加して電流を流し、抵抗損失で発熱させるため、このようなヒーターを電極に直接接触させると、電極に電圧が印加されてしまう。またヒーターを設けるために燃料電池が大型化する場合もある。一方、化学反応や、半導体素子の熱など、外部の熱を利用する場合も、熱を導くための伝導体によりセル内部構造が複雑になり、セルが大きくなってしまう。これに対して、本発明の燃料電池の構成によれば、集電体自体を発熱させることにより、簡便かつ小型な構成でＭＥＡを効率良く加熱することが可能である。
【００３６】
本発明において、集電体と電極とは、直接または導電部材を介して接するように形成される。すなわち、電極および電解質層と集電体との距離が比較的近いという特徴を有する。また、集電体は燃料電池の取り出し電極として機能するものであって導電性の材質からなる。導電性が高い材質は一般に熱抵抗も低いため、本発明においては、集電体が低い熱抵抗で電極と繋がっていることとなり、たとえばヒーター等で加熱する場合と比べて、電極および電解質層への伝熱効率が著しく優れる。
【００３７】
なお本発明の燃料電池の起動時において、集電体に通電するための電流を燃料電池から確保できない場合には、二次電池あるいはキャパシタ等の外部電源から電流を集電体に流し、電極および電解質層を瞬時に昇温させることで、燃料電池を早期に起動させて、燃料電池から出力電力を取り出すことができる。
【００３８】
図１および図２は、本発明の燃料電池において複数のセルを接続する構成の例を示す断面図である。燃料電池１００，２００は、電解質層１０１と、該電解質層を挟んで互いに対向するアノード電極１０２ａおよびカソード電極１０２ｂと、集電体１０３，１０４，１０５と、セパレータ１０６とを備える。集電体１０３，１０４，１０５は、アノード電極１０２ａおよびカソード電極１０２ｂに接するように形成されている。燃料電池１００にはまた、アノード燃料流路１０７ａ、カソード燃料流路１０７ｂ、さらに、ヒーター１０９ａ，１０９ｂが設けられている。集電体１０３，１０４，１０５は２以上の層からなる積層構造を有するが、図１および図２においては簡略化して図示している。なお本発明において同一の参照符号が付されている部位は同様の機能を有するため、各図面について説明を繰り返さない。
【００３９】
図１においては、燃料電池が絶縁性のセパレータ１０６を備え、セルが直列接続で、層厚方向にスタックされた構造を表している。図２においては、セルが平面方向に縦横にスタックされた構造を表している。図１，２においては、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む２以上の層からなる積層構造をもつ集電体がアノード側およびカソード側の両方に設けられる場合について示している。しかし本発明においては、アノード側、カソード側の少なくとも一方に上記特徴をもつ集電体が設けられていれば良い。
【００４０】
本発明の燃料電池は、図１に示すように、集電体１０３，１０４，１０５の外側に、拡散層１０８ａ，１０８ｂをさらに備えても良い。なお本発明において、拡散層は、本発明における導電部材として集電体と電極との間に形成されても良い。
【００４１】
本発明の燃料電池は、燃料電池の単位セルが層厚方向に複数スタックされた図１のような構造を有しても良いし、単位セルが平面方向の縦横それぞれに複数スタックされた図２のような構造を有しても良く、公知のスタック構造の態様を採用できる。
【００４２】
本発明の燃料電池がスタック構造を有する場合、高抵抗層と低抵抗層とを少なくとも含む２以上の層からなる集電体を、単位セルの全てに設けても良く、スタック構造の両端をなす単位セルにのみ設けても良い。また、スタック構造における単位セルに対して１つおき、２つおき等の周期で該集電体を設けても良い。図２に示すような平面状のスタック構造においては、スタック構造の周縁部を形成する単位セル、特にスタック構造の四隅を形成する単位セルに該集電体を設けることが好ましい。
【００４３】
単位セルの全てに該集電体を設ける場合、電極および電解質層の加熱をより均一かつ高効率で行なうことができる。
【００４４】
また、単位セルの一部のみに、たとえば上記のような態様で該集電体を設ける場合、電極および電解質層の加熱を比較的均一かつ高効率で行なうことができるとともに、発熱のための電力消費を低く抑え、燃料電池の発電効率をより良好にすることができる。
【００４５】
なお、本発明の燃料電池は、本発明の効果を損なわない範囲でヒーターをさらに備えても良い。この場合、本発明において形成される集電体との組み合わせにより、電極および電解質層の加熱をより迅速に行なうことができる。この場合、ヒーターは、セパレータで囲まれたセルの内部、すなわち燃料電池の単位セル内に設けられることが加熱効率の点で好ましく、具体的には、集電体と絶縁した状態で、電極とセパレータとの間、または電極の内部、または電極とセパレータとの両者に隣接するように設けることが好ましい。
【００４６】
本発明において、集電体とアノード電極および／またはカソード電極とが直接接している場合、集電体から電極への熱伝導が特に良好であり、効率的に電極および電解質層を昇温させることが可能である点で好ましい。図１においては、アノード電極１０２ａ，カソード電極１０２ｂのそれぞれに、集電体１０３，１０４，１０５が直接接する場合について示している。
【００４７】
一方本発明においては、集電体とアノード電極および／またはカソード電極との間に導電部材が介在しても良い。導電部材としては、たとえばカーボン等からなる拡散層等が例示できる。拡散層は、アノード極においては集電体とアノード電極との間での燃料の供給、および二酸化炭素の排出の機能を果たす。また、カソード極では集電体とカソード電極との間での酸素に代表される酸化剤の供給、および生成水の排出の機能を果たす。
【００４８】
本発明の燃料電池は、たとえば図１および図２に示すように、アノード側の集電体、アノード電極、電解質層、カソード電極、カソード側の集電体、の順に積層された積層構造を有することが好ましい。この場合、集電体と電極とが接しているため、集電体から電極への熱伝導が良く、外部に発散される熱が少ないため、少ない消費電力で電極、電解質層を昇温させることが出来る。これにより、燃料電池の始動性を高め、イオン伝導度の向上、触媒活性の向上によって発電効率を向上させることができる。また、電極近傍の温度が上がることにより、燃料、空気、副生成物および種々イオンの拡散係数が上がるため、各物質の拡散抵抗の減少によりエネルギー密度が向上し、さらに発電効率を向上させることができる。
【００４９】
また、本発明の燃料電池が、アノード電極、アノード側の集電体、電解質層、カソード側の集電体、カソード電極、の順に積層された積層構造を有することも好ましい。この場合、集電体が電極と電解質層との間に位置するため、効率的に電極および電解質層を昇温することが可能である。また、集電体が電極と電解質層とに挟まれることにより、集電体と電極および電解質層との接着力がより良好になり、密着性の一層の向上および接触抵抗の一層の低減が可能である。
【００５０】
本発明においては、集電体のうち低抵抗層がアノード電極および／またはカソード電極と直接または導電部材を介して接していることによって、該低抵抗層で集電することが好ましい。この場合、外部の機器に燃料電池から電力を供給する際の、抵抗による発熱の損失を低減し、効率的に電力を取り出すことができる。また、集電体に電流が流れた時には、抵抗による電圧降下が生じ、電極表面に電位分布や出力電流密度のムラが生じるため、局所的に電極内の触媒に負荷がかかって触媒が劣化するという問題があるが、低抵抗層の部分で集電する場合には抵抗による電圧降下を防止できるため、触媒の劣化を良好に防止できる。
【００５１】
本発明においては、集電体のうち低抵抗層以外の層が、アノード電極またはカソード電極と絶縁されるように設けられても良いが、集電体のうち低抵抗層以外の層が、低抵抗層のみを介してアノード電極またはカソード電極と電気的に接続されることが好ましい。この場合、低抵抗層以外の層に電流を流した時に生じる熱を、低抵抗層を介して出来るだけ近距離で電極に供給することが出来る。また、低抵抗層よりも高抵抗の層の部分に電流を流した時に生じる電圧降下による電位分布を電極に印加してしまう事を防ぎ、電極内の触媒の劣化を良好に防ぐことが出来る。
【００５２】
本発明においては、集電体のうち低抵抗層以外の層がたとえば絶縁層で覆われることにより、電極が形成されている領域において集電体の各層が絶縁層のみを介して積層されるとともに、電極が形成されていない領域の少なくとも一部において、低抵抗層以外の層が低抵抗層のみを介してアノード電極またはカソード電極と電気的に接続されることも好ましい。この場合、電極内の触媒の劣化を良好に防ぐことができる。
【００５３】
またこの場合、集電体を構成する各々の層に電流の取り出し部（すなわち取り出し端子）を設けることが好ましく、これにより、低抵抗層のみならず低抵抗層以外の層も取り出し電極として用いることができる。なおこの場合、電極と集電体との接続部分の中点を挟んで低抵抗層以外の層と低抵抗層との接続部と対向するように該取り出し部を設けることが好ましく、特に、電極と集電体との接続部分以外の領域に該取り出し部を設けることが好ましい。これにより、電極と集電体の低抵抗層以外の層とが直接接触しない構成を確実に形成できる。
【００５４】
また、集電体が電解質層と電極との間に形成され、電極が形成されている領域において集電体のうち低抵抗層以外の層が絶縁層で覆われていることも好ましい。この場合も電極内の触媒の劣化を特に良好に防ぐことができる。
【００５５】
低抵抗層以外の層が低抵抗層のみを介して電極と電気的に接続される場合、集電体の低抵抗層以外の層に電流を流すことによる燃料電池の加熱は、低抵抗層以外の層に電流が流れるように回路の切り替えを行なった後、燃料電池の出力端子を短絡させることにより簡単に行なうことができる。燃料電池の出力端子が短絡しても、低抵抗層以外の層の存在により、各燃料電池セルのアノード極とカソード極との電位差が０付近になることがなく、過剰な過電圧が触媒にかからず、触媒が劣化しないという利点がある。なお、低抵抗層以外の層の抵抗値は、短絡時に流れる出力電流が、電極の過電圧で触媒が劣化せず、かつ電極および電解質の加熱のために十分な出力電流が流れるような値となるように選定することが好ましい。
【００５６】
本発明においては、集電体の抵抗値が平面方向において一様（すなわち均一）であることが好ましい。この場合電流の流れが均一となって、集電体における発熱が均一となる。これにより、電極および電解質層の加熱を均一に行なって、電極における触媒能および電解質層におけるイオン伝導度の局所的な向上を防止し、電極の出力電流のムラや電位分布を防止できるため、局所的な温度の上昇による電解質層や触媒の劣化を良好に防止できる。
【００５７】
以下、本発明の燃料電池の構造のより詳細な例について、直接メタノール型燃料電池を例に図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。なお、以下では、アノードの燃料に３ｍｏｌ／Ｌの所定濃度のメタノール水溶液を用い、カソードには空気中の酸素を用いる、いわゆるダイレクトメタノール（直接メタノール方式）燃料電池の場合を例に説明する。
【００５８】
＜電解質層＞
電解質層は、従来公知の適宜の高分子膜、無機膜またはコンポジット膜にて形成されることができる。高分子膜としては、たとえば、ナフィオン（登録商標）（デュポン社製）、ダウ膜（ダウ・ケミカル社）、アシプレックス（旭化成社製）、フレミオン（旭硝子社製）等のパーフルオロスルホン酸系電解質層、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質層、等が挙げられる。無機膜としては、たとえば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等が挙げられる。また、コンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜（ゴア社製）や細孔フィリング電解質層等が挙げられる。
【００５９】
電解質層のプロトン導伝率は、１０-5Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、１０-3Ｓ／ｃｍ以上であることがより好ましい。プロトン導伝率が１０-3Ｓ／ｃｍ以上である電解質層は、パーフルオロスルホン酸ポリマーや炭化水素系ポリマー等の高分子電解質層によって形成できる。
【００６０】
＜アノード電極，カソード電極＞
本発明において、アノード電極とは、外部から供給された物質が化学反応を起こし、プロトンと電子とを生成する部位を意味し、カソード電極とは、外部から供給された物質がプロトンと電子とを取り込み、化学反応を起こし、水を生成する部位を意味する。アノード電極およびカソード電極は、典型的には、アノード触媒層およびカソード触媒層によって構成される。
【００６１】
アノード電極は、典型的には、アノード触媒粒子を担持した炭素粒子と固体高分子電解質とを含むアノード触媒層から構成されることができる。また、カソード電極は、典型的には、カソード触媒粒子を担持した炭素粒子と固体高分子電解質とを含むカソード触媒層から構成されることができる。アノード電極において、アノード触媒粒子はメタノールから二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する機能を有し、固体高分子電解質は、上記で生成したプロトンを電解質層へ伝導する機能を有す。炭素粒子は、上記で生成した電子をアノード集電体へ導電する機能を有する。カソード電極において、カソード触媒粒子は、酸素とプロトンと電子とから水を生成する機能を有し、固体高分子電解質は、電解質層からカソード触媒粒子近傍にプロトンを伝導する機能を有し、炭素粒子は、カソード触媒粒子近傍にカソード導電層から電子を導電する機能を有する。
【００６２】
炭素粒子としては、アセチレンブラック（たとえば、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製））、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が例示される。
【００６３】
アノード触媒粒子およびカソード触媒粒子を形成する触媒としては、たとえばＰｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ等の貴金属や、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎなどの卑金属が例示される。これらを、単独もしくは２種類以上の組み合わせで用いることができる。なお、アノード触媒層およびカソード触媒層に含まれる触媒の種類は必ずしも同種類に限定されず、異なる種類の触媒を用いることができる。
【００６４】
高分子電解質には、触媒を担持した炭素粒子の粒子間を電気的（すなわち電子的）に接続し、かつ、該炭素粒子と電解質層との間を物理的に接続する機能とともに、水素イオン伝導性、水移動性、酸素透過性に優れるという機能が求められる。よって、高分子電解質としては、具体的には、スルホン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基を有する有機高分子が好ましい。該有機高分子として、スルホン酸基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製））、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（たとえば、フレミオン（旭化成社製））、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、等が例示される。
【００６５】
アノード電極およびカソード電極の厚みは、プロトン伝導の抵抗および電子導電の抵抗を小さくし、内部までメタノールまたは酸素の供給を行なうことができる点で、それぞれ、０．１ｍｍ以下であることが好ましく、十分な触媒担持量を得ることにより出力電圧を向上させることができる点で、０．１μｍ以上であることが好ましい。
【００６６】
＜集電体＞
本発明において形成される集電体は、取り出し電極としての機能と発熱体としての機能とを有し、典型的には金属から構成される。本発明において、集電体は、一方の表面を形成する高抵抗層と、該高抵抗層よりも低い抵抗値を有しかつ他方の表面を形成する低抵抗層と、を少なくとも含む２以上の層からなる。低抵抗層は集電体を形成する層の中で最もシート抵抗の低い導電層である。集電体を構成する各層の抵抗値は、金属の材質や形状で制御することが出来る。集電体は、抵抗値を容易に増減できる点で、平板に孔加工、特に貫通孔を設ける加工がされたものやメッシュ状のものであることが好ましい。集電体の開孔率、厚み、目開き等を制御して抵抗値を調整することが好ましい。これにより、簡単かつ安価に抵抗値を設定することができる。
【００６７】
本発明において、集電体は、アノード電極および／またはカソード電極に直接または導電部材を介して接するように形成する。集電体は、アノード側、カソード側のいずれに設けられる場合も、たとえば、Ｔｉ、Ｔａ、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｓｉ、ＷおよびＡｌからなる群より選ばれる少なくとも１つの元素を含むことが好ましい。これらの元素を含むことにより、取り出し電極として機能させる集電体の比抵抗が小さくなるため、取り出し電極の抵抗ロスを軽減し、発電効率を向上させることが可能となるためである。また、集電体としてはステンレス合金を用いても良く、耐硫酸性のステンレスであるＳＵＳ３１６ＬやＮＳＳＣ２７０等がより好ましい。
【００６８】
抵抗値が異なる２以上の層からなる集電体の設計は、各層の材質および形状を変えることにより行なうことができる。なお、集電体の特に表面を形成する高抵抗層および／または低抵抗層としては、導電性耐腐食処理が施されている金属メッシュや、打ち抜き加工金属板を用いることが好ましい。
【００６９】
また、集電体の腐食が問題となる場合には、集電体表面に、酸性水溶液雰囲気下または酸素雰囲気下で金属イオンが溶出せず、不導体層を形成しない耐腐食性を有するＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｕ等の貴金属や、炭素、炭素および樹脂からなる導電性樹脂をコーティングしてもよい。これにより、後述するアノード電極中およびカソード電極中の電解質および電解質層に溶出した金属イオンが集電体内に混入する恐れがなくなる。さらには、集電体表面に不導体層が形成されないため、ＭＥＡの長期信頼性を得ることが可能となる。
【００７０】
また、集電体の厚みは、用いられる金属材料の比抵抗の値によっても異なるが、配線としての電圧低下を抑制するため、板形状であれば１００μｍ以上の厚みであることが好ましい。また、集電体がメッシュ形状である場合には、線径が１００μｍ以上であることが好ましい。
【００７１】
また、集電体として金属メッシュまたは打ち抜き加工金属板を用いる場合、集電体には、燃料、空気をアノード触媒層、カソード触媒層にそれぞれ供給するための開孔部を層厚方向に設けることができる。これにより、取り出し電極として機能する集電体の層厚方向における、液体燃料および気体燃料の供給の阻害を軽減しつつ、効率よく集電を行なうことが可能となる。
【００７２】
上記の開孔部は、集電体の層厚方向の貫通孔として形成されれば良く、開孔部の形状は特に制限はされないが、開孔率は１０％〜９５％の範囲内であることが好ましい。ここで、集電体の開孔率とは、電極の面積をＳＡ、集電体に形成された開孔の面積の総和をＳＢとしたとき、ＳＢ／ＳＡ×１００（単位：％）で計算される値で定義される。アノード触媒層へメタノールを、カソード触媒層へ酸素を良好に供給することができる点で、該開孔率は４０％以上であることが好ましい。開孔率が過度に大きくなると、集電体の抵抗が増加したり、機械的強度が失われたりするおそれがあるため、開孔率は９０％以下であることが好ましい。
【００７３】
電極上の高抵抗層の抵抗値は、１ｃｍ2の正方形の向かい合う２辺の各々に端子をつけ、平面方向に電流を流した時の抵抗、すなわち面積１ｃｍ2あたりのシート抵抗で、１０ｍΩ〜３００ｍΩの範囲内であることが好ましい。高抵抗層の該シート抵抗値が１０ｍΩ以上である場合、発熱体としての機能が良好であり、３００ｍΩ以下である場合、たとえば低抵抗層とともに高抵抗層を取り出し電極としても用いる場合、発電効率を良好に維持できる。高抵抗層の該シート抵抗値は、さらに１００ｍΩ以上、特に１５０ｍΩ以上であることがより好ましく、また、さらに２００ｍΩ以下であることがより好ましい。
【００７４】
電極上の低抵抗層の抵抗値は、上記の面積１ｃｍ2あたりのシート抵抗で、１ｍΩ〜３０ｍΩの範囲内であることが好ましい。低抵抗層の抵抗値が１ｍΩ以上である場合、材料の入手や低抵抗層の作製が容易であり、３０ｍΩ以下である場合、取り出し電極としての機能が良好である。低抵抗層の該シート抵抗値は、さらに５ｍΩ以上、特に１０ｍΩ以上であることがより好ましく、また、さらに２５ｍΩ以下、特に２０ｍΩ以下であることがより好ましい。
【００７５】
本発明において、高抵抗層と低抵抗層との間にたとえば中抵抗層が設けられる場合、該中抵抗層の抵抗値は高抵抗層の抵抗値と低抵抗層の抵抗値との中間になるように設計されれば良いが、中抵抗層の抵抗値は、上記の面積１ｃｍ2あたりのシート抵抗で、たとえば５０ｍΩ〜１００ｍΩの範囲内とされることが好ましい。
【００７６】
より典型的には、集電体が高抵抗層と低抵抗層との２層からなる場合、低抵抗層の抵抗値が、上記のシート抵抗で１５ｍΩ程度、高抵抗層の抵抗値が、上記のシート抵抗で１５０ｍΩ程度の範囲内である組合せが好ましい。たとえば、電極の面積が５ｃｍ2である燃料電池のセルで、低抵抗層の該シート抵抗が１５ｍΩ、高抵抗層の該シート抵抗が１５０ｍΩ程度である組合せが好ましい。
【００７７】
本発明においては、集電体が電極表面をすべて覆うように形成されることが好ましい。この場合、電極および電解質層をより均一に加熱することができ、電極に出力電流のムラや電位分布が生じるおそれが少なく、燃料電池全体の発電特性をさらに向上させることが出来る。
【００７８】
＜セパレータ＞
本発明においてセパレータは、燃料電池の単位セルを複数スタックしたときのアノード側とカソード側との短絡を防止し、燃料流路を形成する機能を有する。セパレータの材質としては、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂等、耐酸性、耐メタノール性に優れた高分子材料が好ましい。
【００７９】
セパレータが絶縁性の材質からなる場合、たとえば図３に示すような構造を有する燃料電池において電流の取り出しを平面方向に行なうことができ、高抵抗層に電流を流すことにより、小型、薄型の構造で簡単にＭＥＡを均一に加熱することができるという利点を有する。また、セパレータが絶縁性であることによって、燃料電池の外部への熱抵抗が高くなり、集電体で発生させた熱を電極および電解質層の加熱に利用することができるため、燃料電池の始動性および発電効率がより良好になるという利点を有する。
【００８０】
絶縁性の材料としては、たとえば、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート、アクリル樹脂、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）樹脂、また、これらの高分子樹脂で外装をコートし、内部にポリウレタンの発泡体、ガラスウール、ポリスチレン発泡体、ポリエチレン発泡体等をつめたもの等が例示できる。
【００８１】
一方、セパレータが断熱性を有する材質からなる場合、集電体で発生させた熱の燃料電池外部への伝導を抑制し、本発明による電極および電解質層の加熱効率がより良好となって燃料電池の始動性および発電効率がより良好になるという利点を有する。断熱性に優れる材質としては、たとえば上記の高分子樹脂で外装をコートし、内部にポリウレタンの発泡体、ガラスウール、ポリスチレン発泡体、ポリエチレン発泡体等をつめたもの等が例示できる。
【００８２】
＜アノード拡散層，カソード拡散層＞
本発明においては、拡散層として、アノード拡散層およびカソード拡散層を設けても良い。拡散層は、電極と集電体との間に導電部材として設けられても良く、集電体を挟んで電極と対向するように設けられても良い。アノード拡散層は、集電体とアノード電極との間での燃料の供給、および二酸化炭素の排出の機能を果たす。また、カソード拡散層は、集電体とカソード電極との間での酸素に代表される酸化剤の供給、および生成水の排出の機能を果たす。
【００８３】
拡散層は、たとえばカーボン等の電子伝導性の多孔質体として形成されることができる。また撥水性の多孔質体が集電体を挟んで電極と対向するように設けられた場合、撥水性の多孔質体が低濃度メタノール水溶液をはじくとともに、該多孔質体が二酸化炭素や空気などの気体を多く含むと該多孔質体の断熱性が上がり、メタノール水溶液に熱を奪われなくなる為、燃料電池の温度をさらに効率的に制御することができる。
【００８４】
＜ヒーター＞
本発明においてヒーターが設けられる場合、該ヒーターは、電極および電解質層を加熱して燃料電池の始動性および発電効率を向上させる機能を有する。ヒーターは、セパレータの内側に設置されることが好ましく、特にセパレータと一体化して設置されることが好ましい。ヒーターとしては、たとえばニクロム線などからなる電気抵抗ヒーター等を用いることができる。また、ＰＴＣ特性をもつサーミスタヒーターは、温度制御のシステムを簡略化できるためヒーターとして好ましく用いられる。ＮＴＣサーミスタヒーターをヒーターとして用い、温度モニターしながら加熱を行なっても良い。
【００８５】
ヒーターには、耐腐食処理がされていることが好ましい。また、反応物が直接燃料電池に触れないように設計された、化学反応によるヒーターであっても良いし、別途用意された燃焼器により発生した熱、たとえば炭化水素の水蒸気改質による水素−酸素を燃料とした燃料電池で改質反応に使われる熱、等を伝えるヒーターであっても良い。ヒートパイプ等により他で発生する熱源から、機器の動作熱やパワートランジスタ等のデバイスの発熱等の熱を伝導してきても良い。
【００８６】
（実施の形態１）
図３は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。図３では燃料電池セルが単セルである場合を示している。なお本発明において、図３以降に関し、以下で特に説明しない部分については図１と同様の構成とされている。
【００８７】
本発明においては、集電体を構成する２以上の層は、アノード電極またはカソード電極が形成されている領域において互いに絶縁層のみを介して積層され、アノード電極またはカソード電極が形成されていない領域の少なくとも一部において電気的に接続されていることが好ましい。この場合、電極が形成されている領域においては、低抵抗層と該低抵抗層以外の層とが絶縁されているため、集電体における低抵抗層以外の層に電流を流した時に生じる電圧降下による電位分布を電極に印加してしまう事を防ぎ、電極内の触媒の劣化を良好に防ぐことが出来る。また、集電体を構成する各層は絶縁層のみを介して比較的近距離で積層されるため、低抵抗層以外の層に電流を流すことによって生じさせた熱は、低抵抗層を通じて比較的少ない損失で電極および電解質層に伝えられ、電極および電解質層が効率良く加熱される。また、電極が形成されていない領域には、集電体における低抵抗層と該低抵抗層以外の層との電気的な接合部位が存在するため、集電体の低抵抗層以外の部分に電流を流すことによって生じさせた熱を、該接合部位を介して電極および電解質層に効率良く伝え、電極および電解質層を効率良く加熱することができる。
【００８８】
図３に示す燃料電池においては、集電体が高抵抗層３０３ａおよび低抵抗層３０３ｂの２層からなり、高抵抗層３０３ａと低抵抗層３０３ｂとの間に絶縁層３１１が形成されている。高抵抗層３０３ａと低抵抗層３０３ｂとは、アノード電極３０２ａ、カソード電極３０２ｂが形成されている領域では絶縁層３１１を介することによって電気的に絶縁されている。一方、アノード電極３０２ａ、カソード電極３０２ｂが形成されていない領域のうち、セパレータの外部に集電体が引出されている側、すなわちセル外への電流取り出し部側、の反対側では、高抵抗層３０３ａと低抵抗層３０２ｂとが絶縁層３１１を介さず直接接するように高抵抗層３０３ａの形状が設計され、これにより高抵抗層３０３ａと低抵抗層３０３ｂとが電気的に接続されている。
【００８９】
なお、電流取り出し部側の中間部では、高抵抗層３０３ａ、絶縁層３１１、低抵抗層３０３ｂが絶縁接着層３１２によって接合され、取り出し部側と反対側の端部では、高抵抗層３０３ａ、絶縁層３１１、低抵抗層３０３ｂが絶縁封止部３１３により封止されている。
【００９０】
本発明において、たとえば図３に示すように絶縁層が設けられる場合、該絶縁層は多孔質体からなることが好ましい。この場合、燃料電池における反応の副生成物である二酸化炭素や水の排出効率、および燃料や酸素の拡散供給がより良好になり、発電出力が向上する。
【００９１】
多孔質体としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＰ（ポリプロピレン）等の撥水性の多孔質体が好ましい。撥水性の多孔質体を用いる場合、カソード側においては、生成水が押し出され、酸素の供給口が確保されるため、酸素の供給不足による出力電力の低下が抑えられるという利点が得られ、アノード側においては、副生成物である二酸化炭素や水が速やかに多孔質体を通って外部に排出される為、気泡が触媒層に付着した場合に生じる燃料供給の阻害を防ぐことが出来、メタノール水溶液等の燃料の供給不足による出力電力の低下が抑えられるという利点が得られる。
【００９２】
多孔質体としては、シリカ（ＳｉＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）等の、表面が親水性である無機多孔質物質の他、シリカ（ＳｉＯ2）、酸化チタン（ＴｉＯ2）等の親水性を示す粒子と有機高分子とからなるコンポジット層、水酸基、スルホン酸基、カルボニル基、アミド基等の親水性を示す官能基を有した有機高分子、等からなる多孔質体を用いることができる。
【００９３】
図３においては、アノード側とカソード側との両方において、集電体の低抵抗層３０３ｂがそれぞれ電極と接するように形成されている。また、集電体における低抵抗層３０３ｂ以外の部分、すなわち高抵抗層３０３ａが、絶縁層３１１を介して電極と接するように形成されている。高抵抗層３０３ａは、低抵抗層３０３ｂから高抵抗層３０３ａを介して電流を燃料電池のセル外に取り出すための取り出し部を有している。これにより、電流の取り出し時において、電極から集電された電流は、低抵抗層３０３ｂを通ってそのまま電流を出力する場合には低抵抗層３０３ｂを平面方向に流れ、取り出し部に達した電流はそのままセル外へ取り出される。一方、高抵抗層３０３ａを通って電流を出力する場合には、低抵抗層３０３ｂの取り出し部と反対側の領域に電流が流れ、高抵抗層３０３ａと低抵抗層３０３ｂとの界面を経て高抵抗層３０３ａへと伝わり、さらに高抵抗層３０３ａを平面方向に流れて取り出し部に達する。ここで、高抵抗層３０３ａは電極と接していないため、高抵抗層をより均一に発熱させることができる。
【００９４】
高抵抗層３０３ａ、低抵抗層３０３ｂのいずれについても、平面方向に電流を効率良く流すためには、平面方向において均一な抵抗値を有するように形成されることが好ましい。
【００９５】
なおこの場合、電極および電解質層の加熱をより均一に行なうことができる点で、集電体を構成する各層の抵抗値は、少なくとも電極が形成されている領域において、平面方向、すなわち各層の界面と平行な方向において均一な値であることが好ましい。
【００９６】
集電体を構成する各層の抵抗値を平面方向において均一にする方法としては、たとえば、集電体に貫通孔を設け、導体部（すなわち貫通孔以外の部分）の厚みのばらつきを、理想値から±１０％程度の幅に抑え、貫通孔の径およびピッチを小さくする方法が例示できる。
【００９７】
また集電体の抵抗値が平面方向において均一であるか否かの評価は、たとえば、直流２端子法や直流４端子法等によって抵抗値を測定し、１ｃｍ2あたりのシート抵抗のばらつきが理想値から±１０％以下の幅であるときに均一（すなわち一様）と判定する方法等によって評価できる。
【００９８】
本発明の集電体が、たとえば図３に示すような構成で、高抵抗層３０３ａと低抵抗層３０３ｂとの２層からなる場合、低抵抗層３０３ｂの比抵抗は、１×１０-4Ω・ｃｍ程度、高抵抗層３０３ａの比抵抗は、３×１０-3〜４×１０-3Ω・ｃｍ程度であることが好ましい。また、たとえば、電極の面積が５ｃｍ2である燃料電池のセルの場合、低抵抗層３０３ｂの抵抗値は前述の１ｃｍ2あたりのシート抵抗で１０ｍΩ以下であることが好ましく、高抵抗層３０３ａの抵抗値は、前述の１ｃｍ2あたりのシート抵抗で２００〜４００ｍΩ程度であることが好ましい。
【００９９】
なお、本発明において、集電体を構成する各層は、たとえば、半田、Ａｇペースト、融着、導電シート、導電性接着剤等により他の層と接合されることができる。
【０１００】
絶縁層３１１を構成する材料としては、高分子樹脂が好ましく、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアクリル樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂等が例示できる。その他、セラミック等も好ましい。チタンやＳＵＳ等、表面に酸化被膜の不動態を形成する金属においては、酸素雰囲気下の４００〜８００℃の高温で加熱処理を行ない、高抵抗の酸化被膜を絶縁層として形成しても良い。
【０１０１】
絶縁接着層３１２を構成する材料としては、たとえば、紫外線硬化型または熱硬化型であり、耐硫酸性、耐メタノール性に優れた樹脂が好ましい。具体的には、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂、エステル系樹脂、ポリアクリル酸エステル樹脂等が好ましい。
【０１０２】
また、絶縁層および絶縁接着層に用いられる樹脂としては、メタルマスク等に用いられる感光性レジストフィルムや感光性製版樹脂も好ましく用いられる。
【０１０３】
絶縁封止部３１３には、絶縁層３１１に用いられるのと同様の高分子樹脂を好ましく用いることができる。また、絶縁接着層３１２は、電極の形成されている領域の外側に設けられ、典型的には、高抵抗層３０３ａと低抵抗層３０３ｂとを接着するものである。絶縁接着層３１２は、電極の形成領域に被らないように配置されることが好ましい。
【０１０４】
図３に示すような構成においても、集電体、電極および電解質層は一体化されて密着していることが好ましい。
【０１０５】
（実施の形態２）
図４は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。図４に示す構成は、アノード側および／カソード側に形成されることができるが、図４においては一方のみを図示している。図４において、集電体は高抵抗層４０３ａおよび低抵抗層４０３ｂの２層から構成される。絶縁層４１１ａは、高抵抗層４０３ａをコーティングするように形成され、該絶縁層４１１ａによって高抵抗層４０３ａと電極４０２とが絶縁されている。集電体は、電極４０２内に埋め込まれるように配置されている。
【０１０６】
実施の形態１では、高抵抗層の形状を、低抵抗層との電気的な接合を有するように設計する例について説明したが、本実施の形態では、接合部材４１４によって高抵抗層４０３ａと低抵抗層４０３ｂとが電気的に接続されている。
【０１０７】
図４では、低抵抗層４０３ｂから、接合部材４１４と高抵抗層４０３ａとを介し、取り出し部から電流を取り出すことができる構成とされている。この場合、スイッチの切り替えによって電流を高抵抗層に流すことによる電極および電解質層の加熱を、より効率的に行なうことができる。
【０１０８】
電極４０２が形成されていない領域において、取り出し部側には絶縁接着層４１２が設けられ、取り出し部と反対側の端部には、封止のための絶縁封止部４１３と、接合部材４１４とが設けられている。これにより、電流の取り出し時において、電極から集電された電流は、低抵抗層４０３ｂを通ってそのまま電流を出力する場合には低抵抗層４０３ｂを平面方向に流れて、取り出し部に達した電流はそのままセル外へ取り出される。また、一方、高抵抗層４０３ａを通って電流を出力する場合には、低抵抗層４０３ｂの取り出し部と反対側の領域に電流が流れ、高抵抗層４０３ａと低抵抗層４０３ｂとの界面を経て高抵抗層４０３ａへと伝わり、さらに高抵抗層４０３ａを平面方向に流れて取り出し部に達する。ここで、高抵抗層４０３ａは電極と接していないため、高抵抗層をより均一に発熱させることができる。
【０１０９】
高抵抗層４０３ａ、低抵抗層４０３ｂのいずれについても、平面方向に電流を効率良く流すためには、平面方向において均一な抵抗値を有するように形成されることが好ましい。
【０１１０】
（実施の形態３）
図５は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。図５に示す構成は、アノード側および／カソード側に形成されることができるが、図５においては一方のみを図示している。本発明においては、たとえば図５に示すように、集電体の貫通孔の部分に電極５０２が形成され、高抵抗層５０３ａは絶縁層５１１により被覆されており、電極５０２と絶縁されていることが好ましい。低抵抗層５０３ｂは電解質層１０１と接するように形成されることができる。このような構成によれば、電極および電解質層の加熱をより均一かつ効率良く行なうことができる。
【０１１１】
図５において、絶縁接着層５１２、絶縁封止部５１３、接合部材５１４は、図４における絶縁接着層４１２、絶縁封止部４１３、接合部材４１４とそれぞれ同様の形状および機能を有する。図５においては、集電体の高抵抗層５０３ａおよび低抵抗層５０３ｂが、層厚方向に貫通する貫通孔を有するように形成される。低抵抗層５０３ｂはこれにより電極５０２と接触する。
【０１１２】
実施の形態１〜３では、高抵抗層と低抵抗層とからなる集電体を用い、高抵抗層と低抵抗層とが電極の形成されていない領域において電気的な接合を設ける場合について説明した。ここで、たとえば図３に示されるように高抵抗層の形状を調整することによって上記の電気的な接合を設ける場合の集電体の作製方法の例について以下に説明する。なお、以下では、集電体に貫通孔を設けることによって抵抗値を調整する態様についても併せて説明する。
【０１１３】
図６は、貫通孔を有する集電体の作製方法の一例について説明する図である。たとえば０．０１Ω・ｃｍ程度のＰ型シリコン基板に、直径１００μｍ程度、ピッチ２００μｍ程度で、六方最密充填で貫通孔をあけ、基板１５とする（図６（Ａ））。このとき、基板としてたとえばＮ型シリコンを用いる場合には、たとえば光アシスト電解エッチング法により貫通孔をより密にあけることができる。以上の方法で高抵抗層を形成する。
【０１１４】
次に、基板１５上の一部の領域に、たとえばスパッタにより、たとえば金（Ａｕ）等の金属層２５，３５を積層する（図６（Ｂ））。次に、基板表面を酸化処理して、特に上面の金属層２５，３５以外の部分を絶縁化する。酸化処理においては、たとえば乾燥酸素中にて９００℃で３時間加熱し、厚みが約１００ｎｍ程度の酸化層４５を形成することができる（図６（Ｃ））。
【０１１５】
金属箔５５としては、たとえばチタン箔１００μｍに基板１５の貫通孔と同様の形状の貫通孔を孔加工により形成したものや、または、基板１５の貫通孔の少なくとも一部分が該チタン箔の貫通孔に含まれるような形状の貫通孔を孔加工により形成したもの等を使用できる。なお該チタン箔には、たとえばＡｕ（金）等のメッキをさらに施すことが好ましい。具体的には、上記のような形状とすることで基板１５と金属箔５５とを積層したときに両者ともを貫通可能な孔をたとえばパンチング、ラス加工等により施したチタン箔に、Ａｕを厚み０．２μｍ程度でメッキして用いることができる。以上の方法で低抵抗層を形成する。
【０１１６】
次に、高抵抗層の基板１５と低抵抗層の金属箔５５とを半田により接合する。半田部にはＰＶＤＦ、感光性ポリアクリル樹脂、感光性ポリイミド樹脂等によりコーティングを行なうことができる。以上により、２つの電流取り出し部６５，７５が形成され、貫通孔を有する集電体が作製される（図６（Ｄ）。なお、電流取り出し部６５，７５に各々スイッチを設けることによって、高抵抗層と低抵抗層とからなる集電体として使用することが可能である。
【０１１７】
（実施の形態４）
図７は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。本発明においては、集電体が高抵抗層と低抵抗層とを少なくとも含んでいれば良いが、高抵抗層と低抵抗層との間に、たとえば高抵抗層と低抵抗層との中間の抵抗値を有する層が存在する３層以上からなる集電体も使用できる。図７には、高抵抗層７０３ａ、低抵抗層７０３ｂ、および、高抵抗層７０３ａと低抵抗層７０３ｂとの中間の抵抗値を有する中抵抗層７０３ｃ、の３層からなる集電体を用いる例について示している。図７においては、高抵抗層７０３ａ、低抵抗層７０３ｂ、中抵抗層７０３ｃの各層を絶縁するための絶縁層７１１ａ，７１１ｂが設けられている。
【０１１８】
高抵抗層７０３ａ、低抵抗層７０３ｂ、中抵抗層７０３ｃは、アノード電極、カソード電極が形成されている領域では絶縁層７１１ａ，７１１ｂを介することによって電気的に絶縁されている。一方、アノード電極、カソード電極が形成されていない領域のうち、電流取り出し部側の反対側では、高抵抗層７０３ａ、低抵抗層７０３ｂ、中抵抗層７０３ｃが絶縁層を介さず直接接することによって電気的に接続されている。絶縁接着層７１２および絶縁封止部７１３は、図３に示す絶縁接着層３１２および絶縁封止部３１３と同様に形成されることができる。これにより、スイッチの切り替えによって電流を高抵抗層または中抵抗層に流すことによる電極および電解質層の加熱を、より効率的に行なうことができる。
【０１１９】
図７においては、アノード側とカソード側との両方において、集電体の低抵抗層７０３ｂがそれぞれ電極と接するように形成されている。また、集電体における低抵抗層７０３ｂ以外の部分、すなわち高抵抗層７０３ａおよび中抵抗層７０３ｃが、絶縁層７１１を介して電極と接するように形成されている。これにより、電流の取り出し時において、低抵抗層７０３ｂの取り出し部から電流を取り出す場合、電極から集電された電流は、低抵抗層７０３ｂを平面方向、すなわち層厚方向と垂直の方向に流れて取り出し部に達する。取り出し部に達した電流はそのままセル外へ取り出される。また一方、中抵抗層７０３ｃの取り出し部から電流を取り出す場合、低抵抗層７０３ｂの取り出し部と反対側に流れた電流は、中抵抗層７０３ｃおよび低抵抗層７０３ｂと高抵抗層７０３ａとの界面を経て中抵抗層７０３ｃへと伝わり、中抵抗層７０３ｃを平面方向に流れて取り出し部に達する。高抵抗層７０３ａの取り出し部から電流を取り出す場合も同様に、低抵抗層７０３ｂの取り出し部と反対側に流れた電流は、高抵抗層７０３ａと低抵抗層７０３ｂとの界面を経て高抵抗層７０３ａへと伝わり、高抵抗層７０３ａを平面方向に流れて取り出し部に達する。
【０１２０】
以上のように、集電体が抵抗値の異なる３以上の層からなる場合においても、各層の取り出し部のいずれから電流を取り出すかを選択することにより、集電体の発熱量を制御できる。ここで、高抵抗層７０３ａおよび中抵抗層７０３ｃは電極と接していないため、高抵抗層および中抵抗層のより均一な発熱が可能である。
【０１２１】
（実施の形態５）
図８は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図であり、図９は、図８のＩＸ−ＩＸ断面を示す断面図である。図８および図９に示す構成は、アノード側および／カソード側に形成されることができるが、図８および図９においては一方のみを図示している。本実施の形態では、電極、集電体、電解質層、の順の積層構造を有する場合について説明する。図８および図９に示す構成においては、集電体の高抵抗層８０３ａが絶縁層８１１で覆われている。これにより、高抵抗層の電極および電解質層との接触をより確実に防止でき、電極および電解質層の加熱をより均一に行なうことができる。
【０１２２】
絶縁層８１１は、電極８０２を介して電解質層１０１と接合される部位と、接着層８１６によって電解質層１０１と接合される部位とを有する。絶縁層８１１、高抵抗層８０３ａ、低抵抗層８０３ｂは電極８０２に挟み込まれるように形成され、さらに絶縁封止部８１３、接合部材８１４が形成されている。
【０１２３】
図８および図９に示すような形状の電極８０２は、触媒を担持した炭素粒子と電解質高分子とからなる触媒ペーストを電解質層１０１上に塗布、乾燥した後、集電体を積層させ、さらにその上から該触媒ペーストを塗布、乾燥させる事により作製することができる。触媒ペーストは下記の手順により作製できる。アノード電極を形成するための触媒ペースト（以下、アノード触媒ペーストとも記載する）は、Ｐｔ担持量３２．５ｗｔ％、Ｒｕ担持量１６．９ｗｔ％のＰｔ−Ｒｕ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（たとえば、ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、たとえば２０ｗｔ％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、イソプロパノールと、アルミナボールとを、所定の割合でポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の容器に入れ、攪拌脱泡機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより作製できる。また、Ｐｔ担持量４６．８ｗｔ％のＰｔ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（たとえば、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いて、アノード触媒ペーストと同様に、カソード電極を形成するための触媒ペースト（以下、カソード触媒ペーストとも記載する）を作製できる。集電体と電解質層１０１とを接合した後、上記のアノード触媒ペーストと上記のカソード触媒ペーストとを各々塗布し、乾燥させることで、電極８０２を作製できる。
【０１２４】
図８および図９に示される構成においては、接着層８１６で絶縁層８１１と電解質層１０１とを接合することにより集電体と電解質層とを一体化している。これにより、ボルトやナットといった締結部材で集電体、電極、電解質層を押さえつける必要がないため、セルの一層の小型化、薄型化、軽量化が可能となる。なお本発明の「一体化」とは、たとえばエンドプレートおよびボルト、ナットなどで締結されることなく、充分に密着している状態を意味する。
【０１２５】
また、集電体と電解質層とが接着層を用いて一体化されることによって両者が剥がれるおそれが少なく、電極および電解質層と集電体との安定したコンタクトを確保できるため、燃料電池の信頼性を一層向上させることができる。
【０１２６】
接着層８１６の材料としては、たとえば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の他、感光性樹脂であるポリアクリル酸エステル、ポリアクリル樹脂等を用いることができる。
【０１２７】
（実施の形態６）
本発明において、集電体のうち低抵抗層以外の層が絶縁層で覆われる場合、絶縁層が電解質材料からなることも好ましい。電解質層は絶縁性の電解質からなる。よって、上記の場合、集電体における低抵抗層以外の層が電子絶縁性の電解質で覆われることとなり、低抵抗層以外の層を電流が局所的に流れた場合にも、電解質層や触媒の劣化の問題を回避することが出来る。また、絶縁層がプロトン導電性である為、イオンの拡散抵抗を低減することができる。さらに、電解質層と集電体とを強固に接着させることができるため、集電体の剥離によるオーミック抵抗の増大を引き起こす可能性が低くなる。
【０１２８】
図１０は、本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図であり、図１１は、図１０のＸＩ−ＸＩ断面を示す断面図である。図１０および図１１に示す構成は、アノード側および／カソード側に形成されることができるが、図１０および図１１においては一方のみを図示している。図１０および図１１に示す構成において、集電体は、電解質層１０１と電極１００２との間に形成されている。絶縁層１０１１は電解質材料からなる。集電体の高抵抗層１００３ａは絶縁層１０１１で覆われ、絶縁層１０１１の上に低抵抗層１００３ｂが形成されている。また絶縁層１０１１は接着層１０１６を介して電解質層１０１と接合されている。すなわち、高抵抗層１００３ａが電解質に埋め込まれるように一体化されて、さらに、絶縁封止部１０１３、接合部材１０１４が形成されている。なお接着層１０１６の材料としては、接着層８１６と同様の材料を用いることができる。
【０１２９】
図１０および図１１に示される構成において、絶縁層１０１１は、電解質層１０１と同様の材料から構成されることができる。絶縁層１０１１と電解質層１０１とは、たとえば電解質層１０１と同様の構成の、好ましくは比較的低分子量の電解質高分子、より好ましくは電解質層１０１よりも低分子量の電解質高分子で接着されていることが好ましい。具体的には、電解質層１０１よりも低分子量の電解質高分子を電解質層１０１および／または絶縁層１０１１に塗布し、該電解質層１０１と該絶縁層１０１１とを貼り合わせた後、ホットプレスにより接着することができる。この場合、集電体と電解質層１０１との剥離が防止され、電極と集電体との安定なコンタクトを確保できるため、燃料電池の信頼性が向上する。また、アノード電極で生成したプロトンのカソードへの移動がより効率良く行なわれため、燃料電池の発電効率が一層向上する。
【０１３０】
図１０および図１１に示されるような形状の電極１００２は、たとえば触媒を担持した炭素粒子と電解質高分子とからなる触媒ペーストを電解質層１０１上に塗布、乾燥した後、集電体を積層させ、さらにその上から該触媒ペーストを塗布、乾燥させる事により作製することができる。触媒ペーストは下記の手順により作製できる。アノード電極を形成するための触媒ペースト（以下、アノード触媒ペーストとも記載する）は、Ｐｔ担持量３２．５ｗｔ％、Ｒｕ担持量１６．９ｗｔ％のＰｔ−Ｒｕ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（たとえば、ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、２０ｗｔ％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、イソプロパノールと、アルミナボールとを、所定の割合でポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより作製できる。また、Ｐｔ担持量４６．８ｗｔ％のＰｔ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（たとえば、ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いて、アノード触媒ペーストと同様に、カソード電極を形成するための触媒ペースト（以下、カソード触媒ペーストとも記載する）を作製できる。集電体と電解質層１０１とを接合した後、上記のアノード触媒ペーストと上記のカソード触媒ペーストとを各々塗布し、乾燥させることで、電極１００２を作製できる。
【０１３１】
＜燃料電池の製造方法＞
本発明の燃料電池は、上述したような構造を備えるものであれば、その製造方法は特に限定されるものではないが、本発明の燃料電池はたとえば以下のようにして作製することができる。なお、燃料電池の製造方法において以下で説明していない部分については、燃料電池の製造において通常用いられる公知の方法を適宜用いることができる。なお、以下では、集電体が高抵抗層と低抵抗層との２層からなり、該高抵抗層を絶縁層で覆う場合についてまず説明する。
【０１３２】
本発明の燃料電池は、典型的には、（１）高抵抗層と低抵抗層とからなる集電体を形成する工程（集電体形成工程）と、（２）高抵抗層と低抵抗層とからなる集電体のうち、高抵抗層を絶縁層で被覆する工程（絶縁被覆工程）と、（３）高抵抗層と低抵抗層とを接合する工程（接合工程）と、（４）拡散層を形成する工程（拡散層形成工程）と、（５）電極を形成する工程（電極形成工程）と、（６）拡散層と集電体と電解質層と電極とを一体形成する工程（一体化工程）からなる、製造方法により製造できる。電極と電解質層とが一体形成されたＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）を購入し、使用する場合は（５）の電極形成工程を省略することができる。
【０１３３】
ここで「一体化」とは、ＭＥＡの各部材が外部から圧力を加えなくとも分離しない状態のことをいい、具体的には化学結合やアンカー効果、粘着力等により接合された状態のことを指す。一体化させるための方法としては、たとえば、ホットプレス法により電解質層を電極および集電体に融着する方法が挙げられる。典型的には、電極中の固体高分子電解質や導電性多孔質物質を構成する高分子材料がホットプレス時の熱で変形することにより、３次元的なアンカー効果で接合を確保している。このような方法によれば、ボルトやナット等により締め付けを行って外部圧をかけることなく、集電体と電極との電気的、熱伝導的な接触を良好に保つことができる。
【０１３４】
（１）集電体形成工程
集電体は、たとえばシリコンプロセスで作製することができる。各層の抵抗値は、シリコン上へのメタルや、シリコンへの異種イオンのドープ量によって制御することが可能である。ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏ  ｅｌｅｃｔｒｏ  ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ）技術を用いることは、高精度な微細加工が可能となり、プロセス的に量産にも向く点で好ましい。
【０１３５】
たとえば、ドリル、ＵＶ−ＹＡＧレーザー、ウェットエッチング等により穴をあけたシリコン基板を作製し、ダイシングにより、所定の大きさに調製することで集電体を作製することができる。また、Ｎ型シリコンの場合は、光アシスト電解エッチング法によれば穴をより密にあけることができる。また、異なる抵抗値を有する集電体として、部分的に金属をスパッタにより積層し、形成することが出来る。具体的には、シリコン基板表面を酸化処理し、金属以外の部分を絶縁化する。次に、上記で酸化処理された基板の表面に金属を積層する。または、金属箔、金属板接着剤を介して接着させる。酸化処理の替わりにポリイミド等の絶縁シートを塗布、または接着し、形成しても良い。金属表面には必要に応じて、金メッキを行なう。２つの電極取り出し口に各々スイッチを形成する。
【０１３６】
集電体形成工程においては、たとえば、集電体とするための金属板または金属箔に、パンチング法、エッチング法、レーザー法、ドリルを用いた孔加工等を行なう方法等によって、平面に複数の開孔を形成することができる。
【０１３７】
パンチング法においては、所定の開孔パターンを形成するための金型を作製し、これを集電体に押し当て打ち抜くことにより、開孔を形成することができる。このような製造方法では、特別な装置を用いずとも、複数の開孔を一度に形成することができ、安価な加工が可能となる。また、熱がかからない機械加工であるため、選択される集電体の材料、材質にとらわれない開孔の形成が可能となる。
【０１３８】
エッチング法としては、プリント配線技術等に用いられるフォトエッチング工程の方法を用いることができる。集電体の一方の表面に、感光性のレジストを塗布またはラミネートして感光層を形成し、露光後に残すべき集電体のレジストパターンを作製した後、現像、エッチングすることで、開孔を形成することができる。このような製造方法では、複数の開孔を一度に形成することができるとともに、微細な開孔パターンを加工することが可能となる。
【０１３９】
レーザー法においては、エキシマ、炭酸ガス、キセノン等のレーザーを用い、開孔を形成することができる。このとき、集光レーザーを用い、単開孔ごとに集電体をＸ−Ｙステージ上で移動させ、所定の開孔パターンを形成することができる。
【０１４０】
上記いずれの方法においても、金属板または金属箔の厚み、開孔径、開孔率によって集電体の抵抗値を制御することが出来る。
【０１４１】
また、集電体として、金属線を平織りに編んだメッシュを用いることも出来る。この場合、メッシュの線径や目開きを制御することで、抵抗値を制御することができる。
【０１４２】
なお、集電体が耐酸性、耐薬品性を必要とする場合には、上記の方法で開孔を形成した後、Ａｕ，Ｐｔ等の耐酸性、耐薬品性に優れた金属を集電体表面にメッキする事が好ましい。
【０１４３】
（２）絶縁被覆工程
絶縁層で被覆された高抵抗層は、たとえば、電極の表面全面を覆うように形成されたポリイミドのシートで集電体をはさみ、外周をポリイミド系接着剤で封止する方法により作製できる。また、ネガ型感光性のポリイミド樹脂を、高抵抗層における電流取り出し部以外の部分に塗布し、ＵＶ照射によって該ポリイミド樹脂を硬化させることにより高抵抗層を絶縁層で被覆することができる。また、熱硬化性ポリイミド樹脂を用い、キュア温度で熱硬化させて形成しても良い。絶縁層となるポリイミドシートは多孔質体であることが好ましい。ただしこの場合、上述の触媒ペーストが該多孔質体の細孔の内部に入り込み、集電体の高抵抗層と電極とが電気的に接触してしまうことがない程度に細孔径が小さい多孔質体を用いる。集電体の高抵抗層と電極との電気的な接触を良好に防止できる点で、該細孔径は、たとえば直径１μｍ以下であることが好ましい。
【０１４４】
絶縁層として使用できる他の多孔質体のシートとしては、ポリプロピレンやポリエチレンの不織布、発泡ＰＴＦＥ等が挙げられる。絶縁層として撥水性の多孔質体を用いる場合は、二酸化炭素を排出できるよう、多孔質体をセルの筐体外部まで引き伸ばしておくことが好ましい。また、ＮＭＰ（Ｎ−メチルピロリドン）溶剤に溶解させたＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を集電体に塗布する方法等により絶縁層を作製しても良い。この場合、上記の開孔形成工程で形成した開孔を塞がないようにすることが好ましい。
【０１４５】
（３）接合工程
集電体の高抵抗層と低抵抗層とを接合する方法としては、電極が形成された領域の外側で、高抵抗層と低抵抗層とを半田等の接合部材で接合する方法等を用いることができる。この場合、接合部材としては低温半田を用いることが好ましい。半田付けは、上記（２）の工程より前に行なっても良い。また、カシメや、ボルト、ナットにより高抵抗層と低抵抗層とを接合させても良い。その際、接合部の接触面積が多くなるよう、たとえば銀ペーストを塗布することが好ましい。また、炭素粒子等の導電性粒子と有機高分子とを溶剤に分散させたペーストによって高抵抗層と低抵抗層とを接着することで接合を行なっても良い。接合部には、ポリイミドやＰＤＶＦ等の耐熱性、絶縁性に優れた樹脂でコーティングすることにより絶縁封止部を設けることが好ましい。また絶縁封止部は、熱硬化性樹脂や感光性樹脂からなることがさらに好ましい。
【０１４６】
（４）拡散層形成工程
上記（３）の工程で作製された集電体のうち、電極に接着させる面と反対側の面に接着液を塗布し、該接着液を介して集電体と拡散層とを貼り合わせ、さらに後述の（６）の一体化工程で熱圧着することにより、集電体と拡散層とを一体化することができる。拡散層としては、典型的には多孔質体が好ましく用いられる。また、接着液としては、拡散層を形成する多孔質体と同様の物性を持った高分子が好ましく、親水性の多孔質体を備える場合は親水性の高分子を、撥水性の多孔質体を備える場合は撥水性の高分子を用いることが好ましい。
【０１４７】
（５）電極形成工程
触媒粒子と導電性粒子と電解質とを有機溶媒に分散させて得られる触媒ペーストを、バーコート法、スクリーン印刷法またはスプレーコーティング法等を用いて均一に塗布し、該触媒ペースト中の有機溶媒を除去する方法等により電極を形成できる。このような方法では、多数の細孔を有した電極を形成することができるため、触媒粒子の有効な表面積を増加させることが可能となる。
【０１４８】
本発明において、電極を構成する触媒層は電解質層の表面に形成してもよく、たとえば導電層に被覆された導電性多孔質からなる拡散層の表面に形成してもよい。あらかじめ電解質層または導電層に触媒層を一体形成することにより、密着性の良い界面を得ることが可能となる。マスクにより導電層が露出している場合は、その上から触媒層を塗布して形成することで、触媒層と導電層とを直接接触させることができる。
【０１４９】
さらに、たとえばプラスチックフィルム等（図示せず）の上に触媒層を形成した後、電解質層や集電体等に該触媒層を転写する方法を用いても良い。このような製造方法では、あらかじめ触媒層を別に形成しておくことができる。よって、電解質層のプロトン伝導率を低下させてしまう有機溶媒や導電層の表面に絶縁層を形成させてしまう有機溶媒であっても、触媒粒子と導電性粒子との分散性を向上させる目的で上記のペーストの溶媒として用いることが可能となる。
【０１５０】
（６）一体化工程
集電体と電解質層と電極とは、たとえば熱圧着等により一体化することができる。具体的には、上記（５）の電極形成工程において得られた、触媒層の形成された電解質層の触媒層面と上記の（１）、（２）、（３）の工程において作製された集電体の開孔部とが面接するように配置し、さらに上記の（４）の工程で設けた拡散層を配置する。次に、ホットプレス機を用いて、電解質層、触媒層、拡散層、および上記の（４）の工程で用いた接着液の軟化温度やガラス転移温度を超える温度で熱圧着する。
【０１５１】
以上のような方法により作製されたＭＥＡは、各界面において良好な密着性を有するとともに、微細な開孔パターンが形成されているため、このようなＭＥＡを用いて燃料電池を作製することにより、メタノールおよび酸素の供給不足による出力電圧の低下を抑えることが可能となる。
【０１５２】
なお、本発明において集電体が抵抗値の異なる３層からなる場合には、たとえば以下の方法によってＭＥＡを作製することができる。すなわち、上記の工程（１）において３種類とも異なる抵抗値となるような３層からなる集電体を作製する。また、上記の工程（２）にて、集電体のうち低抵抗層以外の層にＰＶＤＦの溶液を塗布し、電子絶縁性を付与する。上記の工程（３）にて、３層の集電体を接着する。図７に示すように、低抵抗層７０３ｂを電極に接着させ、絶縁層７１１ｂを挟んで、中抵抗層７０３ｃ、絶縁層７１１ａ、高抵抗層７０３ａの順に積層する。集電体の各層にスイッチを設けることにより、各層に出力電流が流れるように制御することができる。
【０１５３】
本発明において集電体と絶縁層と電解質層とを接合する場合には、上記の工程（１）〜（５）までは前述の通りとし、工程（６）の一体化工程において、絶縁層を電解質層と接着させる方法がある。電極の形成領域外では、電解質層と絶縁層とを接着剤を用いて接着させることができる。接着剤としては、電解質層と同様の高分子を絶縁層と電解質層とに塗布し、上記の工程（６）に記載の方法で絶縁層と電解質層とを重ね合わせ、ホットプレスにより接着させる。接着剤としては、その他にも、耐酸性、耐薬品性が優れ、ホットプレス時の温度で軟化して、熱圧着により接着できる高分子が好ましく用いられる。また、電解質層の耐熱温度以下の温度、すなわち電解質層に変質および軟化が生じない温度で熱硬化する高分子は好ましい。これにより、更に集電体とＭＥＡとを強固に密着させることが出来、長期に渡る密着性の向上、集電時の接触抵抗による損失の軽減、熱伝導の効率化、を長期に渡って実現することが出来る。これにより製品の信頼性、歩留まりが向上する。
【０１５４】
本発明において、電解質材料からなる絶縁層を設ける場合、工程（２）において、絶縁層の材料として電解質材料を用い、工程（６）の一体化工程における接着剤として、たとえば電解質材料を有機溶剤で分散させた溶液を用いることができる。これにより、集電体と電解質層とを強固に接着させるだけでなく、アノード電極のアノード触媒層で得られたプロトンは速やかに電解質層に移動し、カソード側へ移動することが出来る。また、カソード側でも、電解質層からカソード触媒層へのプロトンおよび水の拡散が向上し、燃料電池の出力電力を向上させることが出来る。
【０１５５】
図１２は、本発明の燃料電池の構造を示す断面図である。燃料電池１２００においては、筐体５９の内部に、電解質層１２０１を挟んで対向するようにアノード電極１２０２ａ，カソード電極１２０２ｂが形成されている。アノード集電体としては低抵抗層１２０３ｂが、カソード集電体としては絶縁層１２１１を挟んで高抵抗層１２０３ａおよび低抵抗層１２０３ｂが、それぞれ形成され、さらに、アノード側の拡散層１２０８ａ、カソード側の拡散層１２０８ｂが形成されている。高抵抗層１２０３ａと低抵抗層１２０３ｂとは、電極が形成されていない領域において接合部材１２１４によって電気的に接続されている。カーボンＧＤＬからなるカソード側の拡散層１２０８ｂにカソード集電体をプレスして押し付け、カソード電極１２０２ｂとしてのカソード触媒層をカソード集電体の上に塗布することにより、カソード極が形成されている。アノード側には、燃料容器１９、燃料供給口２９、換気孔４９が設けられている。アノード集電体、カソード集電体には、それぞれアノード極配線６９ａ、カソード極配線６９ｂが接続されている。
【０１５６】
低抵抗層１２０３ｂとしては、１００μｍ程度の厚みのＴｉ板に縦０．５ｍｍ、横１ｍｍ程度のひし形の貫通孔を開けたメタルラス（エキスパンデッドメタル）に金を１μｍの厚みでメッキしたものを用いることができる。また、高抵抗層１２０３ａとしては、たとえば、材質がＳＵＳ３１６Ｌで線径３０μｍの金網（１００メッシュ）であるＳＵＳ３１６Ｌメッシュを用いることができる。たとえばアノード側の拡散層１２０８ａとアノード集電体とをプレスにより固定した上にアノード電極１２０２ａとしてアノード触媒層を塗布することで、アノード電極が集電体と接して形成されている。アノード極、たとえばナフィオン（登録商標）１１７からなる電解質層１２０１、カソード極、の順で、アノード極とカソード極との触媒形成領域の位置を合わせて積層し、たとえば１３０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間ホットプレス処理することにより、膜電極複合体が形成される。
【０１５７】
さらに、筐体５９はたとえばアクリル樹脂の削り出しにより作製できる。上記の筐体と上記の膜電極複合体との外周を、たとえば熱硬化性高分子、エポキシ樹脂、より好ましくは光重合性高分子、等の接着層３９を用いて接着することにより、図１２に示す燃料電池が作製される。
【０１５８】
上述のようにして作製される本発明の燃料電池は、たとえば携帯用電子機器等に対して好適に適用され得る。
【０１５９】
＜燃料電池システム＞
本発明はまた、負荷として外部機器を駆動するための燃料電池システムであって、上述のいずれかの燃料電池と、集電体を構成する２以上の層への通電の有無をそれぞれ制御するためのスイッチ部と、燃料電池のアノード電極および／またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するための温度センサーと、温度センサーの検知結果に基づいてスイッチ部を制御するための制御部と、を備える、燃料電池システムに関する。図１３〜１５は、本発明の燃料電池システムの例について説明する図である。図１３〜１５では、アノード側およびカソード側の集電体が高抵抗層と低抵抗層とからなる場合を例に説明するが、既述のように集電体は３以上の層で構成されても良い。なお図１３〜１５では、便宜上セル構造の上部をカソード側、下部をアノード側として説明する。
【０１６０】
（実施の形態７）
図１３に示す燃料電池システム１３００は、図３に示したセル構造の燃料電池３００と、アノード電極の近傍に設けられた温度センサー９１と、制御部９２とを備え、スイッチ部として、スイッチ４４１，４４２，４４３，４４４、４４５，４４６が設けられる。集電体は、アノード側およびカソード側の高抵抗層３０３ａと、アノード側およびカソード側の低抵抗層３０３ｂとからなる。各々のスイッチにより、集電体の各層への通電の有無をそれぞれ制御することができる。なお図１３において、燃料電池３００の構造は簡略化して表されている。図１３においては、温度センサー９１がアノード電極の近傍に設けられる場合について示しているが、該温度センサー９１の設置場所はこれに限定されない。温度センサーは１のみまたは２以上設けることができる。典型的には、アノード電極および／またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを感知できる態様で設けられることができる。電極の温度は直接感知されることが好ましいが、電極近傍に温度センサーを設け、電極近傍の温度を電極の温度として感知しても良い。特にアノード電極近傍に温度センサーを設けることは特に好ましい。
【０１６１】
温度センサーで温度をモニターし、外部機器に導通させる部分を集電体の低抵抗層と高抵抗層とに切り替えて行なうことで温度制御を行なうことにより、外部機器の定常時においても高効率で燃料電池を発電し続けることができる。また、水素と酸素とを燃料とする燃料電池は、カソードで生成する水の除去がうまく出来ていない場合、連続的に出力を取り出していると出力が落ちることがある。これは、水がたまり、酸素が供給されなくなることが原因の１つである。定常時において電極近傍の温度が高い場合には、カソードで発生した水が結露せず、カソード燃料および酸素の供給を阻害しないので、連続出力特性も向上することができる。本発明によれば、従来とは異なり、特に電極の触媒付近の温度を高くすることができるので、顕著な出力向上効果を得ることができる。さらに、本発明によれば、触媒活性も向上する。有機化合物燃料、例えばメタノール等を燃料とする場合には、ＣＯ被毒などによる触媒活性の失活が起こるが、高温で動作させることにより失活の割合を減らすことが出来、連続出力特性を向上させることができる。
【０１６２】
本発明の燃料電池システムが、温度センサーと制御部とを備える場合、外部機器の待機時の軽負荷時や停止時に、燃料電池が所定温度未満になると燃料電池を発電させることができる。自己発熱、および、必要によっては高抵抗層に電流を流すことによる発熱、によって、燃料電池の特に電極や電解質層の近傍の温度が一定未満にならないように制御し、燃料電池の構成材料の耐久性を低下させないという効果が得られる。また、電極および電解質層の温度を所定の温度以上に維持している場合、外部機器が急に待機時から復帰した時にも燃料電池から出力を瞬時に取り出せる利点もある。
【０１６３】
（実施の形態８）
図１４においては、図３に示す燃料電池におけるセル構造と同様のセル構造が複数スタックされた燃料電池を含む燃料電池システムを例に示しており、簡略化のため燃料電池の各部材の参照符号は図示していない。本発明の燃料電池システムは蓄電装置をさらに備えることが好ましく、図１４においては該蓄電装置を備える場合について示している。
【０１６４】
燃料電池システム１４００は、セル３００ａ，３００ｂ，３００ｃとして代表して表される、同じ構造の複数のセルがスタックされた燃料電池と、該燃料電池のアノード電極の近傍に設けられた温度センサー（図示せず）と、制御部９６とを備える。また図１４に示す燃料電池システム１４００には、動作状態モニター９３、後述するスイッチ４４１ａ，４４２ａの開閉を探知する動作状態モニター９３、２つの蓄電池からなる蓄電装置９４、および充放電回路９５が接続されている。なお図１４において温度センサーは図示しないが、各セルに対し図１３と同様の態様で設けられることができる。また図１４においても、図１３と同様燃料電池の構造は簡略化して表されている。図１４では、スタック構造、およびスタック構造の中間部分に接続されるスイッチが一部省略して記載されている。
【０１６５】
一例として、燃料電池システム１４００における３つのセル３００ａ，３００ｂ，３００ｃの接続関係について説明する。セル３００ａにおいて、アノード側の集電体およびカソード側の集電体は、高抵抗層３０３ａと低抵抗層３０３ｂとで構成される。他のセル３００ｂ，３００ｃについても同様である。集電体の各層への通電の有無は、スイッチ部でそれぞれ制御できる。
【０１６６】
セル３００ａのカソード側は、外部機器の端子（＋側）と、スイッチおよび動作状態モニター９３を介して接続される。具体的には、スイッチ４４１ａは、動作状態モニター９３とカソード側における高抵抗層３０３ａの一端側との間に第１のスイッチ素子として設けられる。また、スイッチ４４２ａは、動作状態モニター９３とカソード側における低抵抗層３０３ｂとの間に第２のスイッチ素子として設けられる。
【０１６７】
また、セル３００ａとセル３００ｂとの間を接続するためのスイッチが設けられる。具体的には、セル３００ａのアノード側とセル３００ｂのカソード側とを接続するためのスイッチが設けられる。本例においては一例としてセル３００ａのアノード側の低抵抗層３０３ｂとセル３００ｂのカソード側の低抵抗層３０３ｂとを接続するためのスイッチ４４４ａ、セル３００ａのアノード側の高抵抗層３０３ａとセル３００ｂのカソード側の高抵抗層３０３ａとを接続するためのスイッチ４４５ａ、が設けられる場合が示されている。他の直列に接続されるセル同士を接続する場合においても同様のスイッチ４４４ｂ，４４５ｂが設けられる。
【０１６８】
また、各セルに対応して設けられ、蓄電装置９４および充放電回路９５と接続されて、各セルの高抵抗層に電流を供給するためのスイッチが設けられる。具体的には、セル３００ａのカソード側の高抵抗層３０３ａの一端側と充放電回路９５との間を接続するためのスイッチ４４７ａと、セル３００ａのカソード側の高抵抗層３０３ａの他端側と蓄電装置９４との間を接続するためのスイッチ４４３ａとが設けられる。同様に、セル３００ａのアノード側の高抵抗層３０３ａの一端側と充放電回路９５との間を接続するためのスイッチ４４８ａと、セル３００ａのアノード側の高抵抗層３０３ａの他端側と蓄電装置９４との間を接続するためのスイッチ４４６ａとが設けられる。他のセルについても同様であり、セル３００ｂのカソード側の高抵抗層３０３ａに対応して一端および他端側にそれぞれスイッチ４４７ｂ，４４３ｂが設けられている場合が示されている。また、セル３００ｂのアノード側の高抵抗層３０３ａに対応して一端および他端側にそれぞれスイッチ４４８ｂ，４４６ｂが設けられている場合が示されている。
【０１６９】
また、セル３００ｃのカソード側の高抵抗層３０３ａに対応して一端および他端側にそれぞれスイッチ４４７ｃ，４４３ｃが設けられている場合が示されている。セル３００ｃのアノード側の高抵抗層３０３ａに対応して一端および他端側にそれぞれスイッチ４４８ｃ，４４６ｃが設けられている場合が示されている。また、セル３００ｃのアノード側の高抵抗層３０３ａの一端側と蓄電装置９４との間を接続するためのスイッチ４４９ｃが設けられている場合が示されている。
【０１７０】
また、セル３００ｃのアノード側は、外部機器の端子（−側）とスイッチを介して接続される。具体的には、第４のスイッチ素子としてのスイッチ４４４ｃは、一方を外部機器の端子（−側）と接続され、他方をアノード側における低抵抗層と接続される。また、第３のスイッチ素子としてのスイッチ４４５ｃは、一方を外部機器の端子（−側）と接続され、他方をアノード側における高抵抗層と接続される。
【０１７１】
（実施の形態９）
本発明の燃料電池システムは、上記の温度センサーに代えて、または温度センサーとともに、燃料電池の出力電流および／または出力電圧を検知するためのモニター部を備えても良い。図１５に示す燃料電池システム１５００は、図１４に示す燃料電池システム１４００の温度センサーに代えて、または該温度センサーとともに、モニター部９７を設け、制御部として制御部９８を設ける例について示している。
【０１７２】
燃料電池が特にダイレクトメタノール方式である場合、出力が低下する要因として、カソードで生成した水の結露による燃料の供給不足と触媒反応過程における一酸化炭素による触媒の被毒が挙げられる。本発明の燃料電池システムが、出力電流および／または出力電圧のモニター部を有する場合、燃料電池の出力電流および／または出力電圧をモニターし、該出力電流および／または該出力電圧が低下してきた場合に、燃料電池の材料の耐熱以上の高温に成り過ぎない範囲で集電体による加熱を行なうように、燃料電池を制御することができる。これにより、触媒活性を向上させ、上記の被毒から回復させるとともに、結露した水を蒸発させて、カソードの燃料の供給を良くさせることができる。本発明の燃料電池においては、電極および電解質層に近接して集電体を設けるため、従来に比べて、触媒の温度が上がるまでに必要とされる時間およびエネルギーが少なくて済み、燃料電池に供給される燃料のエネルギーをより高効率で発電電力に利用することができる。
【０１７３】
本発明の燃料電池システムに設けられる温度センサーとしては、たとえば熱電対等を使用できる。また、スイッチとしては、たとえば、ＭＯＳトランジスタやサイリスタ等の半導体を利用したスイッチや、電磁コイルを利用したメカリレー等を使用できる。
【０１７４】
本発明の燃料電池システムに設けられる制御部が、温度センサーと組み合されることを前提とした温度制御部である場合、温度センサーとしてサーミスタを用いることが好ましい。具体的には、たとえばアノード電極の近傍等、温度をセンシングしたい位置にサーミスタを設け、サーミスタの抵抗変化により、トランジスタ等のスイッチをオン／オフ制御する様に回路を組み、該回路を制御部とすることで、回路の切替えによる自動温度制御を行なうことが可能となる。これにより、複雑な制御や回路による電力の消費が不要であり、燃料電池の小型化が可能となる。トランジスタとしてはバイポーラトランジスタ、ＦＥＴトランジスタなどが挙げられ、トランジスタとしては、電圧で駆動するＦＥＴトランジスタが消費電力の面で低消費であり好ましい。また、サーミスタの抵抗値をコンパレータに入力し、コンパレータで任意の温度の抵抗値と比較して、温度制御を行なうことが好ましい。また、マイコンを用いてＡＤ変換した値をＣＰＵにより演算することにより制御しても良い。たとえば、ＫＯＡ株式会社製の「ＮＴＣサーミスタＮＴ」等は、サーミスタとして好ましく使用できる。また、温度センサーとして、ＫＯＡ株式会社製の白金薄膜温度センサーを用いることもできる。温度センサーを電極近傍に設置する場合、表面が絶縁皮膜で被覆された温度センサーを電極に接触させて温度測定を行ない、そのときの温度を電極の温度とみなすことができる。
【０１７５】
本発明の燃料電池システムの制御部としては、たとえばマイコンを用いることが好ましく、特にＡＤコンバータを備えていることが好ましい。また、出力電流の値は、たとえば、抵抗とオペアンプとを用いて、電流−電圧変換させ、電圧値として、マイコンのＡＤコンバータ端子に入力し、マイコンのＣＰＵにより演算させることによりモニターできる。出力電圧の値は、抵抗を用いて測定したいノードとグランドとを接続することによりモニターできる。出力電圧が高い場合には上記の抵抗として複数の抵抗を用いることが好ましく、抵抗の分圧値をＡＤコンバータ端子に入力して、マイコンのＣＰＵにより演算させることが好ましい。
【０１７６】
また、本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、たとえば図１４および図１５にも示されるような蓄電装置と、を備えることが好ましい。この場合、燃料電池から取り出した電流は、二次電池やキャパシタ等の、１または２以上の蓄電池からなる蓄電装置に蓄電し、再利用することができる。これにより、燃料電池の出力が低下した場合や燃料電池の起動時には蓄電装置から電流を流すことによって不足する出力電力を補い、電極および電解質層の近傍の温度を一定以上に保持することができる。一方、蓄電装置がフル充電状態である場合には、燃料電池の発電を止めて、蓄電装置から、外部機器に電力を供給することもできる。蓄電装置が２以上の蓄電池からなる場合、集電体の高抵抗層に電流を流すことによる加熱処理を行なっている際に、燃料電池の電力を１の蓄電池に蓄電し、他の蓄電池から燃料電池を動作させることができるため好ましい。
【０１７７】
蓄電装置としては、リチウムイオン二次電池、ニッケル水素二次電池、プロトン電池、導電性高分子電池等の二次電池やキャパシタ等が挙げられる。また蓄電装置は、たとえば図１４および図１５に示す蓄電装置９４のような態様で設けることができる。
【０１７８】
図１６は、本発明の燃料電池システムの制御部として設けられる温度制御部の一態様を示す回路図である。温度制御部としては、たとえば、温度をセンシングしたい位置に、温度センサーとして、ＰＴＣ（ＰＯＳＩＴＩＶＥ  ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＣＯＥＦＦＩＣＩＥＮＴ）特性を持つサーミスタを設置し、該サーミスタの抵抗変化により、所定の温度でトランジスタのスイッチをオン／オフ制御できる様に組まれた回路を採用することができる。
【０１７９】
図１６を参照し、たとえば図１３〜１５に示されるようなスイッチによって高抵抗層および低抵抗層に電流を流すか否かのスイッチ切替えを行なう方法について、以下に例示する。なお以下では、温度センサーで感知される温度が４０℃以上である場合にスイッチが切替えられる場合を例に説明するが、本発明がこれに限定されないことは勿論である。まず、二次電池から−５Ｖの定電圧４６が作られる。ＦＥＴトランジスタ３６のゲート−ソース間電位は、抵抗５６ｂとサーミスタ１６との分圧により決められる。サーミスタ１６の抵抗値は温度が上昇するにしたがって増加し、ゲート−ソース間電位が約２Ｖ以上でオンする。サーミスタ１６は２５℃で４７０Ωであり、４５℃で４．７ｋΩになる特性をもつ。抵抗５６ｂは３ｋΩとする。約４０℃以下ではサーミスタ１６の抵抗値は４．５Ω以下であり、ゲート電圧は抵抗５６ｂの分圧により２Ｖ以上であるから、ＭＯＳＦＥＴ３６はオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴ２６のゲート電圧に−５Ｖが印加されるので、ＭＯＳＦＥＴ２６がオンする。ここで、ＭＯＳＦＥＴ２６はゲート−ソース間電圧が約−２ＶでオンするＭＯＳＦＥＴである。また抵抗５６ａは１００ｋΩとする。これにより、温度によって、高抵抗層に電流を流す場合と、流さない場合のスイッチの切替えを温度４０℃で自動制御することが可能となる。以上のような方法により、あらかじめ設定された所定温度以上で入力端子６６と出力端子７６とが電気的に接続されるように制御することができる。
【０１８０】
＜燃料電池システムの制御方法＞
本発明はまた、上述のいずれかの燃料電池システムを制御するための方法であって、温度センサーにより燃料電池のアノード電極および／またはカソード電極の温度ならびに外気温度の少なくともいずれかを検知するステップと、検知結果に基づいて、制御部によりスイッチ部を制御して集電体における低抵抗層以外の層に通電するステップと、を備え、低抵抗層以外の層に電流を流すことによって、アノード電極および／またはカソード電極の温度を上昇させる、燃料電池システムの制御方法に関する。典型的には、アノード電極および／もしくはカソード電極の温度または外気温度があらかじめ設定された所定温度より低い時に、低抵抗層以外の層に通電することによって、アノード電極および／またはカソード電極の温度を上昇させる。この場合、アノード電極および／もしくはカソード電極の温度または外気温度が該所定温度に達した時には、低抵抗層以外の層への通電を停止させれば良い。
【０１８１】
図１７〜２０は、本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。以下に、燃料電池を電力源とする外部機器の動作における燃料電池の制御の態様について説明する。
【０１８２】
（実施の形態１０）
まず、図１７を参照して、図１３に示す燃料電池システムを用いる場合の燃料電池の制御フローについて説明する。燃料電池を起動し、アノード電極近傍の温度があらかじめ設定された所定温度Ａ以上であるか否かの温度センサー９１および制御部９２による判定（ステップＳ１０２）において、アノード電極近傍の温度が所定温度Ａより低い場合（ステップＳ１０２で、ＮＯ）には加熱処理１に進み（ステップＳ１０４）、該温度が所定温度Ａ以上である場合（ステップＳ１０２で、ＹＥＳ）には、制御部９２によってスイッチ４４１，４４５をオフ、スイッチ４４２，４４４をオンにし、低抵抗層３０３ｂにて集電された電力を外部機器へ供給する定常動作に進む（ステップＳ１０６）。
【０１８３】
上記の加熱処理１は以下のように行なう。すなわち、制御部９２によって、スイッチ４４１，４４５として示される、高抵抗層３０３ａに接続する第１および第３のスイッチ素子をオンに、スイッチ４４２，４４４として示される、低抵抗層３０３ｂに接続する第２および第４のスイッチ素子をオフにし、高抵抗層３０３ａに電流を流すことで、電流の抵抗損失によって高抵抗層３０３ａを発熱させるとともに、低抵抗層３０３ｂから高抵抗層３０３ａを経て集電された電力を外部機器へ供給する。高抵抗層３０３ａの熱は低抵抗層３０３ｂに速やかに伝わり、電極および電解質層が加熱される。加熱処理１によりアノード電極近傍の温度が所定温度Ａ以上となった場合（ステップＳ１０２で、ＹＥＳ）、制御部９６によってスイッチが切替えられ、上記の定常動作（ステップＳ１０６）に移行する。定常動作（ステップＳ１０６）においては、燃料電池で外部機器を動作（ステップＳ１０８）させる。燃料電池の発電によって外部機器を動作させると、燃料電池の温度は外気温度によって徐々に低下する場合がある。アノード電極近傍の温度が上述の所定温度Ａよりも低い温度としてあらかじめ設定された所定温度Ｂ以上であるか否かの、温度センサー９１および制御部９２による判定（ステップＳ１１０）に進み、アノード電極近傍の温度が所定温度Ｂよりも低い場合（ステップＳ１１０で、ＮＯ）には、ステップＳ１０２に戻り、該温度が所定温度Ｂ以上である場合（ステップＳ１１０で、ＹＥＳ）には、引き続き燃料電池で外部機器を動作（ステップＳ１０８）させる。
【０１８４】
ここで、所定温度Ａは、たとえば４０〜６０℃の範囲内に設定されることが好ましい。また所定温度Ｂは、最低動作環境温度、すなわち、−５℃の環境温度において通常到達しうる温度であることが好ましく、たとえば、２０〜３０℃の範囲内に設定されることができる。
【０１８５】
（実施の形態１１）
ダイレクトメタノール方式の燃料電池においては、外気温度が０℃以下になると水が凍結してしまうという問題がある。特に、カソードで生成した水や、電解質層中の水分が問題となる。カソードで生成した水や電解質層中の水が凍結すると、イオン伝導度が低下する。また、水の凍結による膨張、伸縮により、電解質層やＭＥＡの耐久性も損なわれる。待機時のような軽負荷時や、停止時においては、燃料電池の自己発熱が少ないために燃料電池温度が低下する。
【０１８６】
本発明では、たとえば図１４の動作状態モニター９３のような動作状態モニターにより、外部機器が待機状態か、停止状態か、定常動作状態か等、動作状態を判定し、動作状態に応じて、燃料電池の特に電極および電解質層の近傍の温度を所定の範囲内に維持することが好ましい。動作状態の判定は、燃料電池の出力電流および／または出力電圧をモニターし、出力電流および／または出力電圧が所定の値以上であるか否かを制御部で判定すること等により行なうことができる。
【０１８７】
図１８および図１９を参照して、図１４に示す燃料電池システムを用いる場合の動作状態の制御フローについて説明する。
【０１８８】
図１８を参照し、定常時には、制御部９６によって、図１４においてスイッチ４４２ａ，４４４ａ，４４４ｂ，４４４ｃとして示される、低抵抗層３０３ｂに接続するスイッチをオンにし、スイッチ４４１ａ，４４５ａ，４４５ｂ，４４５ｃとして示される、高抵抗層３０３ａに接続するスイッチをオフにすることで、低抵抗層３０３ｂから集電した電力を機器に供給し、燃料電池で機器を動作（ステップＳ２０２）させる。動作中、動作状態モニター９３および制御部９６による、待機時か否かの判定（ステップＳ２０４）において、待機時である場合（ステップＳ２０４で、ＹＥＳ）には、待機時(ステップＳ２０８）に移行し、待機時でない場合（ステップＳ２０４で、ＮＯ）、温度センサー９１および制御部９６による、アノード電極近傍の温度が前述の所定温度Ｂ以上であるか否かの判定（Ｓ２０６）に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度Ｂ以上である場合（ステップＳ２０６で、ＹＥＳ）、燃料電池で機器を動作（ステップＳ２０２）し、アノード電極近傍の温度が所定温度Ｂより低い場合（ステップＳ２０６で、ＮＯ）、加熱処理１（ステップＳ２１４）に移行する。
【０１８９】
加熱処理１は、図１７を参照して前述した方法と同様に、高抵抗層３０３ａに接続するスイッチをオンに、低抵抗層３０３ｂに接続するスイッチをオフに切替えることで行なう。加熱処理１の後、温度センサー９１および制御部９６による、アノード電極近傍の温度が前述の所定温度Ａ以上であるか否かの判定（Ｓ２１６）に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度Ａ以上である場合（ステップＳ２１６で、ＹＥＳ）、燃料電池での外部機器の動作（ステップＳ２０２）に戻り、アノード電極近傍の温度が所定温度Ａより低い場合（ステップＳ２１６で、ＮＯ）、アノード電極近傍の温度が所定温度Ａ以上となるまで上述の加熱処理１（Ｓ２１４）を行なう。
【０１９０】
待機時へ（ステップＳ２０８）移行した後、図１９において、動作状態モニター９３および制御部９６による定常時か否かの判定（ステップＳ３０２）において、定常時でない場合（ステップＳ３０２で、ＮＯ）、アノード電極近傍の温度があらかじめ設定された所定温度Ｃ以上であるか否かの、温度センサー９１および制御部９６による判定（ステップＳ３０４）に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度Ｃ以上である場合（ステップＳ３０４で、ＹＥＳ）には、定常時か否かの判定（ステップＳ３０２）に戻る。一方ステップＳ３０２の判定が定常動作時である場合（ステップＳ３０２で、ＹＥＳ）、定常時へ復帰する（ステップＳ３０６）。アノード電極近傍の温度が所定温度Ｃより低い場合（ステップＳ３０４で、ＮＯ）、制御部９６に信号を送り、加熱処理２（ステップＳ３０８）に進む。
【０１９１】
待機時における加熱処理２は以下の通り行なう。すなわち、制御部９６によって、スイッチ４４３ａ，４４３ｂ，４４３ｃ，４４７ａ，４４７ｂ，４４７ｃをオンにし、その他のスイッチをオフにして、高抵抗層３０３ａで集電した電力を燃料電池から蓄電装置９４の一方の蓄電池へ、充放電回路９５により充電電圧以上に昇圧または降圧して定電流で充電する。燃料電池の発電量が増えると、自己発熱および高抵抗層での抵抗損失による発熱により、燃料電池がさらに加熱される。加熱処理２は、あらかじめ設定された所定時間行なうように制御部９６によって制御される。
【０１９２】
所定時間の経過とともに、制御部９６によって、上記加熱処理２でオンにしたスイッチをオフに切替え、加熱処理２（ステップＳ３０８）を終了する。動作状態モニター９３および制御部９６による定常時か否かの判定（ステップＳ３１０）において、定常時である場合（ステップＳ３１０で、ＹＥＳ）、定常時に復帰し（ステップＳ３０６）、定常時でない場合（ステップＳ３１０で、ＮＯ）、アノード電極近傍があらかじめ設定された所定温度Ｄ以上であるか否かの温度センサー９１および制御部９６による判定（ステップＳ３１２）に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度Ｄ以上である場合（ステップＳ３１２で、ＹＥＳ）には、定常時か否かの判定(ステップＳ３０２）に戻り、アノード電極近傍の温度が所定温度Ｄより低い場合（ステップＳ３１２で、ＮＯ）、加熱処理２（ステップＳ３０８）に戻る。上記で定常時へ復帰（ステップＳ３０６）する場合、図１８に示す待機時からの復帰（ステップＳ２１０）を経て、図１８に示すフローチャートでの制御に移行する。以上の態様で、定常時および待機時におけるアノード電極近傍の温度制御を行なうことができる。
【０１９３】
本発明において、上記の所定温度Ｃとしては、５〜９℃が好ましい。また、所定温度Ｄとしては、１０〜１３℃程度が好ましい。所定温度Ｃおよび所定温度Ｄが上記の範囲内に設定される場合、燃料電池の内部での水の凍結を良好に防止するとともに、待機時の燃料電池の消費電力を小さくして発電効率の低下を防止することができる。
【０１９４】
なお、本発明の燃料電池システムが蓄電装置を備える場合の上記の加熱処理１（ステップＳ２１４）の態様について、図１４に示される燃料電池システムの場合を例に説明する。すなわち、制御部９６によって、スイッチ４４１ａ，４４５ａ，４４５ｂ，４４５ｃ，４４７ａ，４４７ｃをオン、その他のスイッチをオフにして、高抵抗層３０３ａに電流を流し、高抵抗層３０３ａを発熱させるとともに、２つの蓄電池からなる蓄電装置９４のいずれかの蓄電池に充電する。いずれの蓄電池に充電するかは、制御部９６で充放電回路９５を制御することによって決定される。
【０１９５】
蓄電装置９４のうち充電中の蓄電池の充電状態を、充放電回路９５で開放電圧によってモニターし、９０％以上に充電されていれば、制御部９６によって、放電中の他方の蓄電池と充電対象を切替える。すべての蓄電池が９０％以上に充電され、燃料電池からの充電電流が所定値以上流れなくなった場合には、充放電回路９５は充電電流を遮断し、燃料電池から機器への出力を停止する。外部機器が動作していないとき（ステップＳ２０４で、ＹＥＳ）、図１９に示すフローチャートでの制御に移行する。外部機器が待機時である場合、スイッチ４４１ａ，４４５ｃ，４４３ａ，４４６ａ，４４３ｂ，４４６ｂ，４４３ｃ，４４６ｃ，４４７ａ，４４８ａ，４４７ｂ，４４８ｂ，４４７ｃ，４４８ｃをオンに、その他のスイッチをオフにして、外部機器および高抵抗層３０３ａへは蓄電装置から電力を供給する。充放電回路９５でモニターされ制御部９６に伝えられる蓄電装置の電圧があらかじめ設定された所定の電圧以下になった場合には、制御部９６によってスイッチを切替え燃料電池により加熱処理と蓄電とを再開する。
【０１９６】
なお本発明においては、加熱処理１を行なう際、蓄電装置と燃料電池との両方の電力を機器に供給するハイブリッド方式が採用されても良い。この場合、スイッチ４４１ａ，４４５ａ，４４５ｂ，４４５ｃ，４４７ａ，４４９ｃをオンに、その他のスイッチをオフにする。充放電回路９５により、燃料電池からの出力で外部機器を動作させるために足りない電力を蓄電池から供給するように制御する。
【０１９７】
また、定常時において外部機器の消費電力以上の出力を燃料電池から取り出すことが可能である場合、スイッチ４４２ａ，４４４ａ，４４４ｂ，４４４ｃ，４４７ａ，４４６ｃをオンに、その他のスイッチをオフにすることで蓄電装置９４に蓄電することが好ましい。
【０１９８】
起動時、燃料電池から電流が取れない場合は、スイッチ４４３ａ，４４６ａ，４４３ｂ，４４６ｂ，４４３ｃ，４４６ｃ，４４７ａ，４４８ａ，４４７ｂ，４４８ｂ，４４７ｃ，４４８ｃをオンに、その他のスイッチをオフにすることにより、蓄電装置９４から高抵抗層３０３ａに電流を流し、燃料電池を迅速に昇温させることが好ましい。
【０１９９】
本発明において、所定時間の加熱処理を行なう際には、電極および電解質層の近傍が高温になり過ぎた場合に加熱処理を一時中断することができるよう、温度センサーによるリミッターをかけることが好ましい。この場合、リミッターが働いて加熱処理が中断される間の機器への供給電力の不足分を蓄電装置から供給する事が好ましい。リミッターとしては、たとえば、燃料電池の出力端子のスイッチであるスイッチ４４１ａ，４４２ａの両方をオフにする事により燃料電池の出力電流を流さなくする事、充放電回路９５で出力電流を遮断する事で、加熱処理を中断する構成や、低抵抗層に電流を流すように切替える構成が例示できる。
【０２００】
（実施の形態１２）
本発明においては、外気温度があらかじめ設定された所定温度より低い時に高抵抗層に電流を流すことによってアノード電極および／またはカソード電極の温度を上昇させ、外気温度が該所定温度に達した時に電流の流れを停止させることによって燃料電池システムを制御しても良い。この場合は、前述の温度センサーを外気中に設置することで外気温度をモニターする他は上述と同様の方法で燃料電池の制御を行なえば良い。
【０２０１】
（実施の形態１３）
本発明においては、カソード電極の温度からアノード電極の温度を引いた温度差の値があらかじめ設定された所定値より低い時に高抵抗層に電流を流すように制御しても良い。この場合、該温度差の値が所定値に達した時に電流の流れを停止させれば良い。本発明において、カソード電極がアノード電極よりも高温で、かつ両電極の温度差が所定値以上に維持される場合、カソード側で生成した水や水蒸気、アノード側からカソード側へ拡散した水、およびクロスオーバーしたメタノールが酸化されて生成した水、がアノード側とカソード側の水との蒸気圧差によって電解質層中に戻り、電解質層中を通ってカソード極側からアノード極側へ移動する水の量を増加させることが出来る。この制御により、上述した温度上昇による発電効率の向上だけでなく、カソード側の水がアノード側に移動することにより、アノード電極の触媒層でのメタノール濃度が低減され、クロスオーバーによる発電特性の低下を防ぐことが出来、燃料電池の発電効率が向上する。また、カソード側で生成した水をアノード側での反応に再利用することにより、あらかじめ準備されるアノード側の燃料容器に含まれる水の量を減らすことが可能となり、燃料容器の小型化、軽量化が可能となり、燃料電池システム全体の出力密度、エネルギー密度を向上させることが出来る。
【０２０２】
カソード電極の温度からアノード電極の温度を引いた温度差の値を所定値以上にするためには、前述の温度センサーをアノード電極近傍およびカソード電極近傍に設置する。各々の電極の温度をモニターし、該温度差が所定値よりも低い場合には、カソード側の集電体の高抵抗層に電流を流して、カソード電極の温度を上昇させることにより、該温度差を所定値以上にすることができる。該温度差は、１０〜１５℃程度に設定されることが好ましい。カソード電極の加熱処理は、間欠的に、所定の動作タイミングで所定の動作時間行なうことが好ましい。
【０２０３】
間欠的な加熱処理は、たとえば以下のように行なうことができる。すなわち、加熱処理を行なって該温度差の値を１０℃以上とした後、該温度差の値が１０℃以下とならないように１分間加熱処理を継続する。１分後に加熱処理を止め、５分間は加熱処理を行なわず、定常運転にて動作させる。上記の操作を繰り返して、間欠的な加熱処理を行なうことができる。
【０２０４】
（実施の形態１４）
本発明においては、燃料電池の出力電流および／または出力電圧をモニター部で検知し、出力電流および／または出力電圧の値が、あらかじめ設定された所定値より低い時に、高抵抗層に電流を流すことによってアノード電極および／またはカソード電極の温度を上昇させるように制御しても良い。この場合、上記値が所定値に達した時に電流の流れを停止させれば良い。このような制御によれば、燃料電池の動作時において、出力電流および／または出力電圧を所定の値以上に維持することができ、燃料電池から外部機器への安定した出力を得ることができる。
【０２０５】
具体的には、燃料電池の出力電流および／または出力電圧を常時モニターし、出力電流および／または出力電圧の値が所定値以上である時には、集電体の低抵抗層にて電流を取り出し、出力電流および／または出力電圧の値が所定値よりも低い場合には、所定時間、高抵抗層に電流を流すように切替えて、電極および電解質層の近傍の温度を上昇させることが好ましい。
【０２０６】
図２０を参照して、モニター部９７を備えた図１５に示す燃料電池システムを用いて単セル電圧をモニターすることによる動作状態の制御フローについて説明する。
【０２０７】
図２０において、定常時には、燃料電池で機器を動作（ステップＳ４０２）させる。動作中、単セル電圧があらかじめ設定された所定値Ｖ１以上であるか否かの、モニター部９７および制御部９８による判定（ステップＳ４０４）において、単セル電圧が該所定値Ｖ１以上である場合（ステップＳ４０４で、ＹＥＳ）、動作状態モニター９３および制御部９８による待機時か否かの判定（ステップＳ４１０）に進む。単セル電圧が該所定値Ｖ１より低い場合（ステップＳ４０４で、ＮＯ）、加熱処理２（ステップＳ５０２）に進む。加熱処理２は、図１９において説明した方法と同様に行なう。
【０２０８】
加熱処理２を行ない（ステップＳ５０２）、動作状態モニター９３および制御部９８による待機時か否かの判定（ステップＳ５０４）に進み、判定が待機時である場合（ステップＳ５０４で、ＹＥＳ）、加熱処理２を終了して待機時へ移行（ステップＳ５０６）し、待機時でない場合（ステップＳ５０４で、ＮＯ）、制御部９８による所定時間Ｅが経過したか否かの判定（ステップＳ５０８）に進む。所定時間Ｅが経過した場合（ステップＳ５０８で、ＹＥＳ）、単セル電圧が所定電圧Ｖ１以上であるか否かの判定（ステップＳ４０６）に進む。所定時間Ｅが経過していない場合（ステップＳ５０８で、ＮＯ）、加熱処理２（ステップＳ５０２）に戻る。
【０２０９】
単セル電圧が所定値Ｖ１以上である場合（ステップＳ４０６で、ＹＥＳ）は、動作状態モニター９３および制御部９８による待機時か否かの判定（ステップＳ４１０）に進み、単セル電圧が所定値Ｖ１より低い場合（ステップＳ４０６で、ＮＯ）は、異常と判断してシステムを停止する（ステップＳ４１２）。待機時か否かの判定（ステップＳ４１０）で待機時である場合（ステップＳ４１０で、ＹＥＳ）は、待機時に移行し（ステップＳ４１４）、待機時でない場合（ステップＳ４１０で、ＮＯ）、アノード電極近傍の温度が前述の所定温度Ｂ以上であるか否かの温度センサー（図示せず）および制御部９８による判定（ステップＳ４１６）に進み、アノード電極近傍の温度が所定温度Ｂ以上である場合（ステップＳ４１６で、ＹＥＳ）、燃料電池で機器を動作（ステップＳ４０２）させ、アノード電極近傍の温度が所定温度Ｂより低い場合（ステップＳ４１６で、ＮＯ）、アノード電極近傍の温度が所定温度Ａ以上であるか否かの温度センサーおよび制御部９８による判定（ステップＳ４１８）に進む。アノード電極近傍の温度が所定温度Ａ以上である場合（ステップＳ４１８で、ＹＥＳ）には、燃料電池で機器を動作（ステップＳ４０２）させ、アノード電極近傍の温度が所定温度Ａより低い場合（ステップＳ４１８で、ＮＯ）には、加熱処理１（ステップＳ４２０）に進む。加熱処理１は、図１７を参照して前述した方法と同様に行なう。動作状態モニター９３および制御部９８による待機時か否かの判定（ステップＳ４２０）において、待機時である場合（ステップＳ４２０で、ＹＥＳ）、待機時へ移行（ステップＳ４２２）し、待機時でない場合（ステップＳ４２０で、ＮＯ）、アノード電極近傍の温度が所定温度Ａ以上であるか否かの判定（ステップＳ４１８）に戻る。
【０２１０】
待機時へ移行（ステップＳ４１４，ステップＳ４２２）した場合には、図１９を参照して前述したのと同様の制御を行なう。図１９において、定常時と判定された場合（ステップＳ３０２でＹＥＳ、またはステップＳ３１０でＹＥＳ）には、定常時へ復帰（ステップＳ３０６）し、図２０の待機時からの復帰（ステップＳ４２４）を経て、図２０に示すフローチャートによる制御に移行する。
【０２１１】
上記の所定電圧Ｖ１は、たとえば０．２Ｖ±０．０５Ｖ程度に設定することができる。また、上記の所定時間Ｅは、たとえば５〜１０分程度に設定することができる。
【０２１２】
なお、本発明において、加熱処理１および加熱処理２は、たとえば下記の方法でアノード側とカソード側とを交互に加熱する方法により行なっても良い。すなわち、まずアノード側の加熱として、スイッチ４４３ａ，４４３ｂ，４４３ｃ，４４７ａ，４４７ｂ，４４７ｃとして示される、アノード側の高抵抗層に接続されたスイッチのみ全てオンにし、他のスイッチはオフにして、アノード側の高抵抗層に電流を流す。次に、カソード側の加熱として、スイッチ４４６ａ，４４６ｂ，４４６ｃ，４４８ａ，４４８ｂ，４４８ｃとして示される、カソード側の高抵抗層に接続されたスイッチのみ全てオンにし、他のスイッチをオフにして、カソード側の高抵抗層に電流を流す。また、スイッチ４４１ａ，４４４ａ，４４５ｂ，４４４ｃをオンにして、出力する場合と、スイッチ４４２ａ，４４５ａ，４４４ｂ，４４５ｃをオンにして、出力する場合とを交互にして、所定時間ごとにスイッチを切り替え、アノード側とカソード側とを交互に加熱しても良い。上記のスイッチ切替えを繰り返すことにより、アノード側とカソード側との加熱を交互に行なうことができる。
【０２１３】
なお本発明において、燃料電池システムが蓄電装置を備える場合、該蓄電装置への蓄電は、機器の軽負荷時、停止時、動作終了時等に行なわれても良い。また本発明において、燃料電池にヒーターを設ける場合は、高抵抗層への通電と同時にオン／オフ制御されるスイッチを該ヒーターに接続することが好ましい。
【０２１４】
また、本発明における外部機器の待機時の加熱処理としては、図１９に示すような設定温度による制御以外に、たとえば出力電圧モニターによる制御等を行なっても良い。
【実施例】
【０２１５】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０２１６】
［実施例１］
電解質層として、３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み約１７５μｍのナフィオン（登録商標）１１７膜（デュポン社製）を用いた。
【０２１７】
触媒ペーストは下記の手順により作製した。Ｐｔ担持量３２．５ｗｔ％、Ｒｕ担持量１６．９ｗｔ％のＰｔ−Ｒｕ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、２０ｗｔ％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、イソプロパノールと、アルミナボールとを、所定の割合でＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、アノード触媒ペーストを作製した。
【０２１８】
また、Ｐｔ担持量４６．８ｗｔ％のＰｔ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いて、上記のアノード触媒ペーストと同様にして、カソード触媒ペーストを作製した。
【０２１９】
集電体としては、１００μｍの厚みのＴｉ板に、縦０．５ｍｍ、横１ｍｍ、横ピッチ１．５ｍｍ、縦ピッチ０．７５ｍｍのひし形の貫通孔を開けて、白金を１μｍの厚みでメッキしてなる低抵抗層と、材質がＴｉで線径３０μｍの金網（１００メッシュ）であるチタンメッシュにメッキしていない高抵抗層との積層体からなる集電体を用いた。絶縁層として、高抵抗層であるチタンメッシュにポリイミドコーティング材を塗布し、キュアを行なった。キュアは、３．５℃／分で昇温して１７０℃で３０分間保持した後、３．５℃／分で昇温して３２０℃で６０分間保持する条件で行ない、その後室温へ降温させた。ハンダにて、高抵抗層と低抵抗層との端部同士を接合して接合部材とし、さらにポリイミド樹脂をコーティングしてハンダ接合部を封止し、絶縁封止部とした。メタルラスは加工業者（株式会社サンクメタル）にて加工処理を行なった。
【０２２０】
高抵抗層の抵抗値は、１ｃｍ2の正方形の向かい合う２辺の各々に端子をつけ、平面方向に電流を流した時の抵抗、すなわち面積１ｃｍ2あたりのシート抵抗で、１７０ｍΩであり、低抵抗層の抵抗値は、該シート抵抗で、１６ｍΩであった。なお集電体の端部は電流取り出し部とした。
【０２２１】
カーボンのガス拡散層であるＧＤＬ３１ＢＣ（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製）を２３ｍｍ×２３ｍｍの大きさで多孔質基体として用い、ＧＤＬ３１ＢＣと、集電体の高抵抗層側の面とを対向させて積層し、ＧＤＬ３１ＢＣと集電体とを１ｔ／ｃｍ2でプレスして一体化した。このような方法で２つの一体化物を形成し、一方の一体化物の集電体の上に、アノード触媒ペーストを１００μｍの厚さで、他方の一体化物の集電体の上に、カソード触媒ペーストを２０μｍの厚さで、それぞれ塗布し、アノード電極およびカソード電極を形成した。
【０２２２】
ＧＤＬ３１ＢＣ、集電体、アノード電極、ナフィオン（登録商標）１１７、カソード電極、集電体、ＧＤＬ３１ＢＣの順で積層して積層体を作製した。ＧＤＬ３１ＢＣは電極の形成領域に一致するように配置した。ＧＤＬ３１ＢＣの電極側の表面は撥水性を有する炭素多孔質体である。この積層体を１３０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間ホットプレス処理した。これにより、集電体が触媒層内に埋め込まれた図４の構造で、集電体を挟んで電解質層と対向するようにカーボンのガス拡散層が備えられた構造である膜電極複合体を作製した。
【０２２３】
上記の膜電極複合体の外側をポリアクリル樹脂からなる絶縁性のセパレータで狭持することによって、アノード拡散層およびカソード拡散層のそれぞれとセパレータとの間に、燃料および空気を供給するためのアノード燃料流路およびカソード燃料流路を設けた。セパレータの内側のアノード極の壁面の位置にヒーターを設置し、セパレータと一体化した。ヒーターとしては、ニクロム線の表面が耐腐食性の樹脂でコーティングされた電気抵抗ヒーターを用いた。上記の方法で燃料電池の単位セルを作製した。これを直列接続で１０セル積み上げ、スタックとした。
【０２２４】
上記で作製した燃料電池を用いた他は、図１３に示す構成と同様になるように、燃料電池システムを構築した。
【０２２５】
構築した燃料電池システムを起動し、燃料電池から電力を出力して高抵抗層への通電を行なって加熱を行ない、起動時からアノード電極の温度が４０℃になるまでの加熱時間を測定したところ、約２分であり、後述する従来例１の燃料電池を用いた場合と比べ、加熱時間が約１０分の１に短縮された。本実施例では、高抵抗層であるチタンメッシュは絶縁層であるポリイミド樹脂によりコーティングされている為、電極の触媒層とは接触していない。またポリイミド樹脂によって、高抵抗層と低抵抗層とはハンダ付け部以外では絶縁されている。本実施例では、低抵抗層であるＴｉ−Ａｕ板がハンダ付け部以外で触媒層により電気的に短絡することを防いでいるため、電極の触媒層は効果的に加熱される。
【０２２６】
［従来例１］
従来例１として燃料電池を以下のように作製した。実施例１と同様のアノード触媒ペーストおよびカソード触媒ペーストを用いた。実施例１と同様のカーボンのガス拡散層であるＧＤＬ３１ＢＣ（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製）を２３ｍｍ×２３ｍｍの大きさで多孔質基体として用い、アノード触媒ペーストとカソード触媒ペーストとを各々ＧＤＬ３１ＢＣ上に塗布し、電極を形成した。電解質層として、３０ｍｍ×３０ｍｍ、厚み約１７５μｍのナフィオン（登録商標）１１７膜（デュポン社製）を用いた。ＧＤＬ３１ＢＣ、アノード電極、ナフィオン（登録商標）１１７、カソード電極、ＧＤＬ３１ＢＣの順で積層した。ＧＤＬ３１ＢＣは電極に一致するように配置した。ＧＤＬ３１ＢＣの電極側の表面は撥水性を有する炭素多孔質体とされている。この積層体を１３０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間ホットプレス処理することにより、膜電極複合体を作製した。この膜電極複合体を、図２１に示される形状の、アノード極、カソード極共に燃料、空気の流路が構成されているカーボン製のセパレータで挟み、ボルトおよびナットを用いて、各々の部材を締結し、燃料電池スタックとした。カーボンセパレータとしては、大きさが４×４ｃｍで、アノード流路およびカソード流路の深さは１ｍｍ、流路間の幅は２ｍｍのカーボンセパレータを用い、１０セル積層してスタック化した。このスタックの外周に電熱線のヒーターを設け、さらに各セルのアノード電極近傍にも温度センサーを備えた。以上の方法で燃料電池を作製し、燃料電池の起動時から、アノード電極の温度が４０℃になるまでの加熱時間を測定した。
【０２２７】
［実施例２］
本実施例では、集電体に積層された絶縁層を電解質層と接合し、その上から、アノード電極およびカソード電極とアノード拡散層およびカソード拡散層とを配置して、膜電極複合体、集電体および拡散層を接合した構造の燃料電池を作製した。
【０２２８】
集電体としては、１５０μｍの厚みのＴｉ板に、縦０．５ｍｍ、横１ｍｍ、横ピッチ１．５ｍｍ、縦ピッチ０．７５ｍｍのひし形の貫通孔を開けて、白金を１μｍの厚みでメッキしてなる低抵抗層と、材質がＴｉで線幅３０μｍのメタルラス（１００メッシュ）であるチタンメッシュに白金を１００ｎｍの厚みでメッキした高抵抗層との積層体からなる集電体を用いた。ポリイミド樹脂を薄く集電体に塗布した後、高抵抗層と低抵抗層との間に絶縁層として厚み５０μｍの多孔質のポリイミドのシートを挟み、該ポリイミドを熱硬化させて高抵抗層と低抵抗層とを接合した。絶縁層としては、低抵抗層と同じ形状の貫通孔を有するものを用い、上記の接合は、低抵抗層と絶縁層との貫通孔の位置を合わせた状態で行なった。
【０２２９】
上記の接合は、図３に示されるのと同様に、集電体の両端に電極と接合していない領域を有するように行ない、一端を電流取り出し部とし、他端を高抵抗層と低抵抗層との電気的な接合部とした。すなわち、該他端において、高抵抗層と低抵抗層とを、接合部材としてのハンダで接合した。ハンダには腐食防止のため、また取り出し部付近にも剥離強度向上のため、それぞれポリイミド樹脂のコーティングを施した。接合部材に燃料液が接触しないよう、接合部材の周囲に絶縁封止部を設けた。
【０２３０】
図８、９に示すように、集電体の端にはみ出した多孔質ポリイミドシートを接着剤を用いて電解質層と接合した。すなわち、１５０℃で熱硬化する接着剤であるフェノール樹脂を塗布した後、１５０℃、１０分間ホットプレスし、プレスした状態で室温まで冷却し、接合させた。その後、実施例１と同様に作製したアノード触媒ペーストとカソード触媒ペーストとを各々塗布し、乾燥して、アノード触媒層およびカソード触媒層を形成した後、カーボンのガス拡散層であるＧＤＬ３１ＢＣを、アノード触媒層およびカソード触媒層の上に積層させ、１３０℃、２分間ホットプレスして一体化させた。
【０２３１】
上記した部材以外は実施例１と同様にして、燃料電池システムの構築、および起動からアノード電極の温度が４０℃になるまでの加熱時間を測定したところ、約２分という結果が得られた。本実施例では、集電体と電解質層とが絶縁層を介して接着剤で強固に接着している為、温度変化による膨潤、収縮に起因する剥離が生じにくい。
【０２３２】
［実施例３］
集電体としては、１５０μｍの厚みのＴｉ板に、縦０．５ｍｍ、横１ｍｍ、横ピッチ１．５ｍｍ、縦ピッチ０．７５ｍｍのひし形の貫通孔を開けて、白金を１μｍの厚みでメッキしてなる低抵抗層と、材質がＴｉで線径３０μｍの金網（１００メッシュ）であるチタンメッシュにメッキしていない高抵抗層との積層体からなる集電体を用いた。絶縁層として、高抵抗層であるチタンメッシュに電解質高分子であるポリアリーレンエーテルスルホン酸樹脂を塗布し、１５０℃で乾燥させた。ハンダにて、高抵抗層と低抵抗層との端部同士を接合し、ＰＶＤＦ樹脂をコーティングして、ハンダ接合部を封止した。高抵抗層の抵抗値は、前述と同様の方法で測定した１ｃｍ2のシート抵抗で、１７０ｍΩであり、低抵抗層の抵抗値は、該シート抵抗で、１６ｍΩであった。なお集電体の端部は電流取り出し部とした。
【０２３３】
ポリアリーレンエーテルスルホン酸樹脂を被覆した高抵抗層側を、電解質層として用いたものと同種のポリアリーレンエーテルスルホン酸樹脂からなる絶縁層の上に積層させ、１５０℃、５分間、１０ｋｇｆ／ｃｍ2の条件でホットプレスして、電解質層と集電体と絶縁層とを接合させた。同種の高分子からなることにより、電解質層と絶縁層とはよくなじんで接着した。この上から実施例２と同様の作製方法で膜電極複合体を作製した。
【０２３４】
上記した部材以外は実施例１と同様にして、燃料電池システムの構築、および起動からアノード電極の温度が４０℃になるまでの加熱時間を測定したところ、約２分という結果が得られた。
【０２３５】
［実施例４］
高抵抗層を以下の方法で作製した。ウェットエッチング法により穴をあけたＰ型シリコン基板を作製し、ダイシングにより、２５ｃｍ×２５ｃｍの大きさに調製し、図６に示すように、１０００μｍの厚みで、０．０１Ω・ｃｍとされたＰ型シリコン基板に、直径１００μｍの貫通孔を開け、基板１５を作製した。なお該貫通孔は、２００μｍのピッチで六方最密充填となるように開けた。基板１５上の一部の領域に、金属層２５，３５として金をスパッタにより積層した。また基板１５の表面を酸化処理し、金以外の部分を絶縁化した。酸化処理は乾燥酸素中にて９００℃で３時間加熱することで行ない、約１００ｎｍの厚みの酸化層４５を形成した。
【０２３６】
次に、低抵抗層を以下の方法で作製した。酸化された基板の表面に金属箔５５を積層した。本実施例では、Ｐ型シリコン基板の表面を金（Ａｕ）で０．２μｍ厚でメッキし、さらに表面を処理したチタン箔１００μｍを積層することで金属箔５５を形成した。チタン箔には、Ｐ型シリコン基板に形成した貫通孔と同様の形状の貫通孔をドリル加工によって形成した。次に、金属層３５と、低抵抗層の金が形成されている側の面とを半田により接合した。半田部にはポリイミド樹脂によりコーティングを行なった。２つの電流取り出し部６５，７５に各々スイッチを設けた。金属箔５５を膜電極複合体の触媒層面に接触させた。
【０２３７】
なお高抵抗層の抵抗値は、１ｃｍ2のシート抵抗で２００ｍΩであり、低抵抗層の抵抗値は、シート抵抗で１８ｍΩであった。
【０２３８】
上記した部材以外は実施例１と同様にして、燃料電池システムの構築、および起動からアノード電極の温度が４０℃になるまでの加熱時間を測定したところ、約２分という結果が得られた。
【０２３９】
［実施例５］
実施例１で作製した燃料電池を用い、図１５に示すような、集電体の低抵抗層（Ｔｉラス−Ｐｔ層）と高抵抗層（Ｔｉメッシュ層）との端部に、スイッチと、温度センサーと、制御部９８と、２つの二次電池からなる蓄電装置９４と、出力電圧をモニターするためのモニター部９７とを備える燃料電池システムを構築した。温度センサーとしては熱電対を用いた。温度センサーによってアノード電極の触媒温度をモニターし、起動時から、温度が４０℃未満の場合には、加熱処理１を以下の通り行なった。
【０２４０】
スイッチ４４１ａ，４４５ａ，４４５ｂ，４４５ｃで示される高抵抗層に接続するスイッチをオン、スイッチ４４２ａ，４４４ａ，４４４ｂ，４４４ｃで示される低抵抗層に接続するスイッチをオフにし、高抵抗層３０３ａに電流を流すことで、電流の抵抗損失により発熱させた。
【０２４１】
起動時は、スイッチ４４７ａおよび一番端のセルの高抵抗層に接続されているスイッチ４４６ｃと、スイッチ４４５ａ，４４５ｂとをオンにし、燃料電池から蓄電装置９４の一方の二次電池に充放電回路９５で一方に定電流で充電した。その間、スイッチ４４１ａ，４４２ａ，４４４ｃ，４４５ｃはオフにし、機器へは蓄電装置９４の他方の二次電池から供給した。
【０２４２】
従来例１の燃料電池においては２５℃で１．２５Ａの定電流で触媒温度が４０℃に達するまで約２０分ほどかかったが、本実施例においては、約２分ほどで４０℃に達した。
【０２４３】
触媒温度が４０℃以上に達した時、スイッチ４４７ａ，４４６ｃをオフに、スイッチ４４２ａ，４４４ａ，４４４ｂ，４４４ｃで示される低抵抗層に接続するスイッチをオンにして、低抵抗層３０３ｂに電流を流し、高抵抗層３０３ａに電流を流さないようにして、燃料電池の定常動作に移行させた。
【０２４４】
燃料電池の動作フローは、図１７に従った。起動時から、集電体部分の温度をモニターし、触媒温度が４０℃未満では、高抵抗層３０３ａに電流を流し、蓄電装置である二次電池に充電した。機器は二次電池により起動させた。触媒温度が４０℃以上に達した時、燃料電池で機器を動作させた。セパレータは断熱性であり、セパレータ内部は熱容量が小さいため、触媒部の温度低下が少ない。温度が２０℃まで下がると、再び、起動時と同じように、二次電池に充電しながら加熱した。その際、一方の二次電池に定電流で充電し、他方の電池で機器を動作させた。二次電池がフル充電されると、放電中の二次電池と充放電を交換し、放電済の二次電池を充電した。二次電池への充電は所定電圧Ｖ１まで低下しないと行なわないように、電圧モニターで二次電池の電圧を監視する方法で制御した。その間、燃料電池は発電せず、待機状態とした。放電中の二次電池が所定電圧Ｖ１以下になると所定電圧Ｖ２（但し、Ｖ２＞Ｖ１）間になるように充電した。二次電池の電圧は充放電回路にてモニターした。なお、本実施例において、スイッチはパワートランジスタによってオン／オフ制御を行なった。
【０２４５】
なお、触媒温度が４０℃以上であるか否かを判定し、トランジスタでスイッチ切替えを行なう際の制御は、下記の方法で行なった。
【０２４６】
図１６に示すように、温度をセンシングしたい位置にＰＴＣ（ＰＯＳＩＴＩＶＥ  ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＣＯＥＦＦＩＣＩＥＮＴ）特性を持つサーミスタを設置し、その抵抗変化により、トランジスタのスイッチをオン／オフ制御できる様に回路を組んだ。
【０２４７】
二次電池から−５Ｖの定電圧４６を作成した。ＭＯＳＦＥＴ３６のゲート−ソース間電位は抵抗５６ｂとサーミスタ１６との分圧により決定した。サーミスタ１６は温度が上昇するにしたがって抵抗値が増加し、ゲート−ソース間電位が約２Ｖ以上でオンするようにした。サーミスタ１６としては２５℃で４７０Ωであり、４５℃で４．７ｋΩになる特性をもつものを用いた。抵抗５６ｂは３ｋΩとした。約４０℃以下ではサーミスタは４．５Ω以下であり、ゲート電圧は抵抗の分圧により、２Ｖ以上であるから、ＭＯＳＦＥＴ３６はオン状態となり、ＭＯＳＦＥＴ２６のゲート電圧に−５Ｖが印加されるので、ＭＯＳＦＥＴ２６がオンする。ＭＯＳＦＥＴ２６はゲート−ソース間電圧が約−２ＶでオンするＭＯＳＦＥＴである。抵抗５６ａは１００ｋΩとした。これにより、温度によって、高抵抗部分に電流を流す場合と、流さない場合のスイッチの切替えを温度４０℃で自動制御することが可能である。
【０２４８】
上記のようにして、起動時に素早く集電体の温度を上昇させることができ、定常時も高温で高効率の発電が可能であった。二次電池は、外部機器の停止時に所定電圧まで充電した。これにより、外部機器の立ち上がり時には二次電池で外部機器を動作させることが可能であった。
【０２４９】
［実施例６］
本実施例では、図１２に示す構成の燃料電池を作製した。カソード極の集電体はカソード低抵抗層とカソード高抵抗層とからなり、両層の間には絶縁層を形成した。カソード極の集電体は、実施例２と同様の方法で作製した。カーボンＧＤＬからなる拡散層にカソード集電体をプレスして押し付け、実施例１と同様の方法で作製したカソード触媒ペーストをカソード集電体の上に塗布してカソード触媒層を形成した。こうして、カソード極を形成した。なお、カソード高抵抗層の抵抗値は、前述と同様の方法で測定される１ｃｍ2のシート抵抗で１７０ｍΩであり、カソード低抵抗層の抵抗値は、該シート抵抗で、１６ｍΩであった。
【０２５０】
アノード極の集電体としては、直径７０μｍ、１００メッシュのＡｕメッシュをアノード低抵抗層として用いた。なおアノード低抵抗層の抵抗値は、該シート抵抗で１１ｍΩであった。カーボンＧＤＬからなる拡散層とアノード集電体とをプレスにより固定した上に、アノード触媒ペーストを塗布し、アノード触媒層を形成した。アノード極、ナフィオン（登録商標）１１７からなる電解質層、カソード極の順で、アノード極とカソード極との電極形成領域の位置を合わせて積層し、１３０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間ホットプレス処理し、膜電極複合体を作製した。
【０２５１】
さらに、削り出しにて作製したポリアクリル製の筐体に上記の膜電極複合体を挟み、エポキシ樹脂にて外周を封止して、図１２に示す燃料電池を作製した。
【０２５２】
上記で作製した燃料電池を用い、室温、相対湿度５０％での発電特性を測定した。燃料電池はアクリル製のカバーケースで囲まれており、下部の供給口から３ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液をアノード触媒層がすべて漬かるように供給し、カソード触媒層は大気に開放させた。燃料は追加で供給しない為、アノード極側の液面は１時間発電後に燃料が触媒層のすべてに浸かるように、多めに７ＣＣ供給しておいた。カソード側の集電体の高抵抗層と低抵抗層とにそれぞれ単独に電流が流れるようにスイッチを設けた。燃料電池の定常動作時には低抵抗層を集電体として用いて該低抵抗層から出力を取り出し、５分おきに１分間スイッチを切替えてカソード極の高抵抗層に電流を流すことで、所定時間の加熱処理を行なった。
【０２５３】
その結果、発電特性は、１００ｍＡ／ｃｍ2の時、０．３１Ｖであった。この状態で、１時間発電させた後のアノード極側に残っている燃料の体積を確認したところ、６．１１ＣＣであった。
【０２５４】
なお、実施例６と同じセルを用い、低抵抗層に電流を流すのみの制御を行なった場合、１時間発電後にアノード極側に残っている燃料の体積は、５．６２ＣＣであった。以上の結果から、本発明によれば、小型の燃料電池により、簡便な方法でカソード側の水をアノード側に戻して再利用でき、長時間発電させる為には濃度の高いメタノールを供給すれば良くなる為、カートリッジなど燃料タンクの大きさを小型化できることが分かった。
【０２５５】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０２５６】
本発明の燃料電池、燃料電池システムおよび燃料電池システムの制御方法は、たとえば携帯用電子機器等に対して好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０２５７】
【図１】本発明の燃料電池の構成の例を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の構成の例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。
【図４】本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。
【図５】本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。
【図６】貫通孔を有する集電体の作製方法について説明する図である。
【図７】本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。
【図８】本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。
【図９】図８のＩＸ−ＩＸ断面を示す断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池における集電体の構成の例について説明する平面図である。
【図１１】図１０のＸＩ−ＸＩ断面を示す断面図である。
【図１２】本発明の燃料電池の構造を示す断面図である。
【図１３】本発明の燃料電池システムの例について説明する図である。
【図１４】本発明の燃料電池システムの例について説明する図である。
【図１５】本発明の燃料電池システムの例について説明する図である。
【図１６】本発明の燃料電池システムの制御部として設けられる温度制御部の一態様を示す回路図である。
【図１７】本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。
【図１８】本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。
【図１９】本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。
【図２０】本発明における燃料電池の制御の態様の例について説明するフローチャートを示す図である。
【図２１】従来例の燃料電池の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
【０２５８】
１，１０１，１２０１  電解質層、２，１０２ａ，３０２ａ，７０２ａ，１２０２ａ  アノード電極、３，１０２ｂ，３０２ｂ，７０２ｂ，１２０２ｂ  カソード電極、４，１０６  セパレータ、５  取り出し電極、６，５９  筐体、７，１０９ａ，１０９ｂ  ヒーター、８，１０７ａ  アノード燃料流路、９，１０７ｂ  カソード燃料流路、１５  基板、２５，３５  金属層、４５  酸化層、５５  金属箔、６５，７５  電流取り出し部、１６  サーミスタ、２６，３６  ＭＯＳＥＴ、４６  定電圧、５６ａ，５６ｂ  抵抗、６６  入力端子、７６  出力端子、１９  燃料容器、２９  燃料供給口、３９  接着層、４９  換気孔、６９ａ  アノード極配線、６９ｂ  カソード極配線、９１  温度センサー、９２，９６，９８  制御部、９３  動作状態モニター、９４  蓄電装置、９５  充放電回路、９７  モニター部、１００，２００，３００，７００，１２００  燃料電池、１０３，１０４，１０５  集電体、１０８ａ，１０８ｂ，１２０８ａ，１２０８ｂ  拡散層、３００ａ，３００ｂ，３００ｃ  セル、３０３ａ，４０３ａ，５０３ａ，７０３ａ，８０３ａ，１００３ａ，１２０３ａ  高抵抗層、５５，３０３ｂ，４０３ｂ，５０３ｂ，７０３ｂ，８０３ｂ，１００３ｂ，１２０３ｂ  低抵抗層、９９，３１１，４１１ａ，４１１ｂ，５１１，７１１ａ，７１１ｂ，８１１，１０１１，１２１１  絶縁層、３１２，４１２，５１２，７１２  絶縁接着層、３１３，４１３，５１３，７１３，８１３，１０１３    絶縁封止部、４０２，５０２，８０２，１００２  電極、４１４，５１４，８１４，１０１４，１２１４  接合部材、７０３ｃ  中抵抗層、８１６，１０１６  接着層、４４１，４４１ａ，４４１ｂ，４４１ｃ，４４２，４４２ａ，４４２ｂ，４４２ｃ，４４３，４４３ａ，４４３ｂ，４４３ｃ，４４４，４４４ａ，４４４ｂ，４４４ｃ，４４５，４４５ａ，４４５ｂ，４４５ｃ，４４６，４４６ａ，４４６ｂ，４４６ｃ，４４７ａ，４４７ｂ，４４７ｃ，４４８ａ，４４８ｂ，４４８ｃ，４４９ｃ  スイッチ、１３００，１４００，１５００  燃料電池システム。
【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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