(57)【要約】【課題】携帯機器を動作させるために十分に高い出力特性を得ることができる燃料電池を提供する。【解決手段】カソード導電層は、カソードガス拡散層に接触して電気的に導通し、膜電極接合体に燃料を通過させるための孔を有し、実質的に同一の平面に配列される複数のカソード電極部と、複数のカソード電極部を位置決め保持するカソード絶縁シール枠と、を有する。アノード導電層は、アノードガス拡散層に接触して電気的に導通し、膜電極接合体に燃料を通過させるための孔を有し、実質的に同一の平面に配列される複数のアノード電極部と、複数のアノード電極部を位置決め保持するアノード絶縁シール枠と、を有する。さらに、カソード電極部とアノード電極部とを直列に接続する電極部間導電部材を有する。【選択図】      図６
2008192506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード触媒層とアノード触媒層との間に電解質膜を配置した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のカソード触媒層側に配置されたカソード導電層と、前記カソード触媒層と前記カソード導電層との間に設けられたカソードガス拡散層と、前記膜電極接合体のアノード触媒層側に配置されたアノード導電層と、前記アノード触媒層と前記アノード導電層との間に設けられたアノードガス拡散層と、を具備する燃料電池であって、
前記カソード導電層は、
前記カソードガス拡散層に接触して電気的に導通し、前記膜電極接合体に燃料を通過させるための孔を有し、実質的に同一の平面に配列される複数のカソード電極部を有し、
前記アノード導電層は、
前記アノードガス拡散層に接触して電気的に導通し、かつ、前記カソード電極部と電気的に接続されて直列の回路を形成し、前記膜電極接合体に燃料を通過させるための孔を有し、実質的に同一の平面に配列される複数のアノード電極部を有し、
前記複数のカソード電極部および前記複数のアノード電極部の少なくともいずれか一方は、前記複数のカソード電極部を位置決めするカソード絶縁シール枠あるいは前記複数のアノード電極部を位置決めするアノード絶縁シール枠を有し、
前記カソード電極部と前記アノード電極部とを直列に接続する電極部間導電部材をさらに有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード電極部の相互間隔Ｗ２および前記アノード電極部の相互間隔Ｗ４を、それぞれ０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電極部間導電部材は可撓性を有する帯状の金属箔からなり、前記電極部間導電部材の折り曲げにより形成される内側空間に前記膜電極接合体が収容されており、前記電極部間導電部材が折り曲げられる前の面内における前記カソード導電層から前記アノード導電層までの離間距離Ｗ５が、前記膜電極接合体を含む前記カソードガス拡散層から前記アノードガス拡散層までの厚さｔに対して１．５ｔ≦Ｗ５≦４ｔの関係を満たすことを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項４】
前記膜電極接合体を含む前記カソードガス拡散層から前記アノードガス拡散層までの厚さｔを５００μｍ以上９００μｍ以下とし、前記離間距離Ｗ５を０．７５ｍｍ以上３．６ｍｍ以下とすることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電極部間導電部材の幅Ｗ６が１ｍｍ以上で、かつ他の導電層との距離Ｌ１が０．４ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード電極部の相互間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記カソード電極部を絶縁するとともに、前記燃料の通過を遮断して前記燃料の漏れ出しを防ぐカソード電極部間絶縁シール部と、
前記アノード電極部の相互間にそれぞれ設けられ、隣り合う前記アノード電極部を絶縁するとともに、前記燃料の通過を遮断して前記燃料の漏れ出しを防ぐアノード電極部間絶縁シール部と、
を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カソード絶縁シール枠、アノード絶縁シール枠、カソード電極部間絶縁シール部およびアノード電極部間絶縁シール部は、体積固有抵抗が１０11〜１０15Ω・ｃｍのゴム系材料からなることを特徴とする請求項１、２、３、６のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記カソード電極部間絶縁シール部は、前記カソード絶縁シール枠に連結され、
前記アノード電極部間絶縁シール部は、前記アノード絶縁シール枠に連結されていることを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記カソード電極部の幅Ｗ１および前記アノード電極部の幅Ｗ３がそれぞれ１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記アノード導電層および前記カソード導電層は、それぞれ厚さが５μｍ以上１００μｍ以下であることを特徴とする請求項９記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記アノード導電層およびカソード導電層は、耐食性を有する導電材料で被覆されていることを特徴とする請求項９又は１０のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記カソード導電層は空気を前記カソード触媒層に供給するための複数のガス通流孔を有し、前記ガス通流孔の中心軸が外装ケースに形成された通気孔の中心軸と略一致するように配置されていることを特徴とする請求項９記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、携帯機器の動作に有効な平面配置の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化ができれば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に直接メタノール燃料電池（DMFC；Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望であることから、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器に最適な電源としてその実用化が期待されている。
【０００３】
ＤＭＦＣの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣ、液体燃料をセル内で気化させる内部気化型ＤＭＦＣ等が知られている。このうち内部気化型ＤＭＦＣは、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。内部気化型ＤＭＦＣでは、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を燃料気化層（アノードガス拡散層）において拡散させ、拡散された気化燃料がアノード触媒層に供給され、カソード触媒層側からの酸化剤と電解質膜において発電反応する。
【特許文献１】特許第３４１３１１１号公報
【特許文献２】国際公開番号ＷＯ２００６／０５７２８３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１及び２の内部気化型ＤＭＦＣにおいては、携帯機器を動作させるために十分に高い出力特性を得ることが難しい。特許文献１及び２の燃料電池では、液体燃料としてメタノールと水が１：１のモル比で混合されたメタノール水溶液が使用され、メタノールと水の双方を気化ガスの形で燃料極に供給しているが、水はメタノールに比べて蒸気圧が低く、水の気化速度はメタノールの気化速度に比べて遅いため、メタノールも水も気化によって燃料極に供給しようとすると、メタノール供給量に対する水の相対的な供給量が不足し、その結果、メタノールを内部改質する反応の反応抵抗が高くなるからである。
【０００５】
また、ＤＭＦＣは、単位セル当たりの動作電圧が０．３〜０．５Ｖ程度と低いため、複数の単位セルを直列に接続して機器に組み込む必要があり、特にノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などの小型携帯機器に組み込む際には、複数の単位セルを同一平面に配置する必要がある。
【０００６】
また、ＤＭＦＣでは、内部のシールが不完全であると、反応に寄与する燃料の割合が減少して、燃料利用効率が低下するため、燃料電池性能を低下させる。
【０００７】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、携帯機器を動作させるために十分に高い出力特性を得ることができる燃料電池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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、カソード触媒層とアノード触媒層との間に電解質膜を配置した膜電極接合体と、前記膜電極接合体のカソード触媒層側に配置されたカソード導電層と、前記カソード触媒層と前記カソード導電層との間に設けられたカソードガス拡散層と、前記膜電極接合体のアノード触媒層側に配置されたアノード導電層と、前記アノード触媒層と前記アノード導電層との間に設けられたアノードガス拡散層と、を具備する燃料電池であって、
前記カソード導電層は、前記カソードガス拡散層に接触して電気的に導通し、前記膜電極接合体に燃料を通過させるための孔を有し、実質的に同一の平面に配列される複数のカソード電極部を有し、
前記アノード導電層は、前記アノードガス拡散層に接触して電気的に導通し、かつ、前記カソード電極部と電気的に接続されて直列の回路を形成し、前記膜電極接合体に燃料を通過させるための孔を有し、実質的に同一の平面に配列される複数のアノード電極部を有し、
前記複数のカソード電極部および前記複数のアノード電極部の少なくともいずれか一方は、前記複数のカソード電極部を位置決めするカソード絶縁シール枠あるいは前記複数のアノード電極部を位置決めするアノード絶縁シール枠を有し、
前記カソード電極部と前記アノード電極部とを直列に接続する電極部間導電部材をさらに有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、複数の単位セルを平面配置させる燃料電池における配線の取り回しを簡素化できることにより、燃料電池の小型化に寄与し、燃料電池セルの体積エネルギー密度を向上させることが可能になり、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器を動作させるために十分に高い出力特性を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
本発明の燃料電池において、カソード導電層は、カソードガス拡散層に接触して電気的に導通し、前記膜電極接合体に燃料を通過させるための孔を有し、実質的に同一の平面に配列される複数のカソード電極部を有し、アノード導電層は、アノードガス拡散層に接触して電気的に導通し、前記膜電極接合体に燃料を通過させるための孔を有し、実質的に同一の平面に配列される複数のアノード電極部を有し、前記複数のカソード電極部および前記複数のアノード電極部の少なくともいずれか一方は、前記複数のカソード電極部を位置決めするカソード絶縁シール枠あるいは前記複数のアノード電極部を位置決めするアノード絶縁シール枠を有し、前記カソード電極部と前記アノード電極部とを直列に接続する電極部間導電部材をさらに有する。
【００１１】
この場合に、カソード電極部の相互間隔Ｗ２およびアノード電極部の相互間隔Ｗ４を、それぞれ０．３ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることが望ましい。電極部の相互間隔Ｗ２，Ｗ４が０．３ｍｍ未満であると、電極部間絶縁シール部の絶縁性能にもよるが、短絡を生じるおそれがあるからである。一方、電極部の相互間隔Ｗ２，Ｗ４が１．５ｍｍを超えると、燃料電池が大型化し、携帯機器用の電源として不適合なものになるからである。
【００１２】
前記カソード導電層およびアノード導電層は電極部間導電部材により接続された状態で二つ折りにされ、その二つ折りにされた内側に前記膜電極接合体が挟み込まれる構造とすることができる。この場合に、前記電極部間導電部材が二つ折りにされる前の面内における前記カソード導電層から前記アノード導電層までの離間距離Ｗ５が、前記膜電極接合体を含む前記カソードガス拡散層から前記アノードガス拡散層までの厚さｔに対して１．５ｔ≦Ｗ５≦４ｔの関係を満たすことが望ましい。
【００１３】
前記カソード導電層および前記アノード導電層には、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４，ＳＵＳ３１６等）、アルミニウム、アルミニウム合金、ニッケル、ニッケル合金、チタン、チタン合金などの金属を使用し、耐食性など得られない場合には、Ａｕなどの導電性の高い耐食メッキを施す必要がある。
【００１４】
前記カソード導電層から前記アノード導電層に金属板を用いる場合には、離間距離Ｗ５が厚さｔの１．５倍未満であると、十分な曲率半径をもって１８０°曲げることが困難になるからであり、たとえ曲げることができたとしても曲げ部が鋭角的に変形して塑性硬化し、曲げ部が脆くなって破損しやすくなるからである。一方、離間距離Ｗ５が厚さｔの４倍を超えると、対向するアノード導電層からカソード導電層までの相互間隔が大きくなりすぎ、燃料電池が大型化するからである。この場合に、前記膜電極接合体を含むカソードガス拡散層からアノードガス拡散層までの厚さｔを５００μｍ以上９００μｍ以下とし、離間距離Ｗ５を０．７５ｍｍ以上３．６ｍｍ以下とすることが望ましい。前記カソード導電層から前記アノード導電層を金属板で構成する場合、導電層の厚さｔ１は５０μｍ〜２００μｍが好ましい。導電層の厚さが５０μｍ以下であると所望の強度が不足して破損しやすくなるからである。一方、厚さｔ１が２００μｍを超えると、剛性が増大して曲げに要する力が過大になり、曲げ難くなる。また、離間距離Ｗ５が０．７５ｍｍ未満になると、曲げに要する力が過大になり、曲げ難くなるとともに、曲げ部が鋭角的になり破損しやすくなる。一方、離間距離Ｗ５が３．６ｍｍを超えると、対向するアノード導電層からカソード導電層までの相互間隔が大きくなりすぎ、燃料電池が大型化するからである。
【００１５】
本発明では、カソード絶縁シール枠およびアノード絶縁シール枠を各電極部にそれぞれ取り付けることが望ましいが、これらのうちいずれか一方のみを電極部に取り付けるようにすることも可能である。カソード電極部またはアノード電極部のいずれか一方が位置決めされていれば、他方の電極部を汎用のオーリング等で押え付けて位置決めするのは比較的容易だからである。
【００１６】
カソード絶縁シール枠またはアノード絶縁シール枠は、燃料に対する透過量が９×１０７ｇ／ｍ３・２４ｈｒ・ａｔｍ以下で、体積固有抵抗が１０11〜１０15Ω・ｃｍのゴム系材料からなることが望ましい。透過量が多いと発電に寄与する燃料の量が少なくなり燃料電池性能を低下させ、シート抵抗が低いと絶縁破壊して短絡を生じやすくなるからである。ゴム系材料には、ＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）、フッ素系ゴム、シリコン系ゴムなどを用いることができる。
【００１７】
端子間接続部は、各電極で生成された電子を外部回路へ取り出すための導電部であり、断面積が大きくなるほど抵抗は低減されるが、導電部の厚さを厚くし断面積が大きくすると曲げるのが困難になり、導電部の幅を広くすると、他の端子に接触する可能性が大きくなるため、導電部の厚さは５０μｍ〜２００μｍが好ましく、端子間導電部の幅Ｗ６は、他の端子との距離を０．４ｍｍ以上であり、曲げ可能な幅であればよい。
【００１８】
また、カソード電極部の幅Ｗ１および前記アノード電極部の幅Ｗ３は、それぞれ１ｍｍ以上であることが好ましい。なお、それぞれの電極部の幅とは、各電極が平面に配置された場合の配列方向の幅であり、電極が略長方形である場合には短手方向の長さとなる。電極が略長方形の場合には、長手方向と短手方向の比（アスペクト比）は、１０対１以下が好ましい。
【００１９】
以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の実施の形態を説明する。
【００２０】
（第１の実施の形態）  
先ず、図１を参照して燃料電池の全体の概要について説明する。燃料電池１は、全体が外装ケース（カバープレート）２１および燃料分配機構１１等で覆われ、内部に複数の単位セルを備えている。これら複数の単位セルは、実質的に同一平面上に横並びに配置され、かつ、両極の導電層（集電体）７ａ，７ｂ及び図示しないリード配線により直列に接続されている。
【００２１】
燃料電池１は、例えばカバープレート２１の端部２１ａを燃料分配機構１１の外面にかしめ加工することにより、複数の単位セルを一体化した１つのユニットとして構成されている。なお、カバープレート２１と燃料分配機構１１とをボルトとナット（図示せず）で締め付けることにより、これらを一体化形成するようにしてもよい。
【００２２】
燃料電池１内の単位セルは、絶縁性のシール枠７６ａ，７６ｂによって液密にシールされている。これらの絶縁シール枠７６ａ，７６ｂによって燃料電池１の内部に種々のスペースや間隙が形成されている。それらのスペースや間隙のうち、例えばアノード側のスペースは空隙部（液溜め）４０として用いられ、カソード側のスペースは保湿板１９が収納された空気供給部として用いられる。
【００２３】
アノード導電層７ｂには複数の燃料供給孔１８が開口し、燃料分配機構１１から燃料の気化成分が孔１８を通ってガス拡散層５及びアノード触媒層３に供給されるようになっている。
【００２４】
アノード導電層７ｂと燃料分配機構１１との間には気化膜としての気液分離膜９が設けられている。気液分離膜９の周縁部は燃料分配機構１１のフランジとアノード導電層７ｂとの間に挟まれている。気液分離膜９は、多数の細孔を有するポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）シートからなり、液体燃料（メタノール液又はその水溶液）を遮断し、燃料ガス（メタノールガス）を透過させる性質を有するものである。
【００２５】
空隙部（液溜め）４０は、燃料分配機構１１によって周囲を規定される所定容量のスペースからなり、このスペースの適所（例えば燃料分配機構１１の側面）において燃料注入口１２が開口している（図９参照）。
【００２６】
空隙部（液溜め）４０の内部には図示しない液体燃料含浸層が設けられている。液体燃料含浸層は、空隙部（液溜め）４０内の液体燃料が減少した場合や燃料電池本体が傾斜して載置され燃料供給が偏った場合においても、気液分離膜９に均質に燃料供給され、その結果、アノード触媒層３に対して均質に気化された液体燃料を供給することが可能となる。液体燃料含浸層として、例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質オレフィン系樹脂等多硬質繊維や、連続気泡多孔質体樹脂が好ましい。ポリエステル繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより構成してもよく、スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる材料により構成する。このような液体燃料含浸部は本体の姿勢に関わらず適量の燃料を供給するのに有効である。
【００２７】
カソード導電層７ａには複数のガス通流孔１８が開口し、外装ケース２１の通気孔２２から導入された空気が保湿板１９を経由した後に孔１８を通ってガス拡散層４及びカソード触媒層２に供給されるようになっている。なお、ガス通流孔１８の中心軸は、外装ケース２１に形成された通気孔２２の中心軸と略一致するように配置されている。
【００２８】
外装ケース２１は、セル構造体２０を含むスタックを加圧してその密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属板により形成される。保湿板１９は、外装ケース２１の通気孔２２を通って導入される空気の通過を阻害せず、かつ、外部からの埃や異物の混入、さらには接触などを防止するものである。保湿板１９は、カソード触媒層２において生成した水の蒸散を防止する役割を果たすと共に、カソードガス拡散層４に酸化剤を均一に導入することによりカソード触媒層２への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての役割も果たしている。この保湿板１９には好ましくは気孔率が例えば２０〜６０％の多孔性フィルムなどが用いられる。
【００２９】
燃料電池の単位セルは、プロトン伝導性を有する固体電解質膜６、アノード触媒層３およびカソード触媒層２を備えている。アノード触媒層３およびカソード触媒層２は電解質膜６を間に挟んで一体化された膜電極接合体を構成している。アノード触媒層３にはアノードガス拡散層５が貼り付けられている。アノード触媒層３は、ガス拡散層５を介して供給される燃料を酸化して燃料から電子とプロトンとを取り出すものである。アノード触媒層３は、例えば、触媒を含む炭素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）などの遷移金属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。一酸化炭素（ＣＯ）の吸着による触媒の不活性化を防止することができることから、アノード触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、カソード触媒には、白金を用いることが望ましい。しかし、これのみに触媒は限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。
【００３０】
また、アノード触媒層３は、固体電解質膜６に用いられる樹脂の微粒子を含むほうがさらに望ましい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層５は、例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などで構成されている。
【００３１】
カソードはカソード触媒層２とカソードガス拡散層４を有する。カソード触媒層２は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層３において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものであり、例えば上述のアノード触媒層３及びガス拡散層４と同様に構成されている。すなわち、カソードは、電解質膜６の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなるカソード触媒層２と多孔質の炭素材料よりなるカソードガス拡散層４（ガス透過層）とが積み重ねられた積層構造をなしている。カソード触媒層２に用いられる触媒はアノード触媒層３のそれと同様であり、アノード触媒層２が固体電解質膜６に用いられる樹脂の微粒子を含む場合があることもアノード触媒層２と同様である。
【００３２】
電解質膜６は、アノード触媒層３において発生したプロトンをカソード触媒層２に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的には、デュポン社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂獏などプロトンを輸送可能な電解質膜６を構成するようにしてもよい。
【００３３】
カソードガス拡散層４はカソード触媒層２の上面側に積層され、かつアノードガス拡散層５はアノード触媒層３の下面側に積層されている。カソードガス拡散層４はカソード触媒層２に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、カソード触媒層２の集電体も兼ねている。一方、アノードガス拡散層５はアノード触媒層３に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層３の集電体も兼ねている。カソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂは、それぞれ、カソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５と接している。カソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂを構成する材料としては、例えば、金などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体をそれぞれ使用することができる。
【００３４】
セル構造体２０の下方に燃料分配機構１１が設けられている。燃料分配機構１１の本体は、一面が複数の燃料供給口１４を有する箱状である。空隙部（液溜め）４０内には、液体のメタノール等の液体燃料あるいはメタノール水溶液が収容されている。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合ガスを意味する。
【００３５】
次に、図２〜図５を参照して上記燃料電池のセル構造体について説明する。
【００３６】
本実施形態ではセル構造体２０を二つ折り構造としている。セル構造体２０において、集電体アッセンブリ７Ａを構成するカソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂ（導電層７０）は金属板で形成されており、二つ折りにされた内側空間に膜電極接合体１０が収容されている。すなわち、カソード触媒層２にカソードガス拡散層４が当接し、アノード触媒層３にアノードガス拡散層５が当接するように、二つ折りされた導電層７０により膜電極接合体１０は両面を挟み込まれている。カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂには、カソード触媒層２に空気を供給するための複数の空気流通孔１８およびアノード触媒層３に燃料を供給するための複数の燃料供給孔１８がそれぞれ穿設されている。
【００３７】
このようなセル構造体２０は次のようにして形成される。
【００３８】
短冊状の両電極部７１，７３を同一平面上に並べ、両極端子７７，７８に金属板を用いた場合について説明する。図４（シール枠の図示を省略）に示すように、各端子７７，７８を有する電極部７１，７３を互いに最も離れた位置（多極配列の一方側の端部と他方側の端部と）に配置する。端子を有していないカソード電極部７１とアノード電極部７３とは電極部間導電部材７５により接続されている。すなわち、無端子のカソード電極部７１とアノード電極部７３とは、１列ずれたところに配置された電極部同士が電極部間導電部材７５によって１対１に接続されている。短絡を防ぐために、電極部間導電部材７５と電極部７１，７３との最短距離Ｌ１（図４）は０．４ｍｍ以上とする必要がある。但し、最短距離Ｌ１を過大にした配列では燃料電池が大型化するため、最短距離Ｌ１を３．０ｍｍ以下に設定することが望ましい。なお、図４には示していないが、各電極部７１，７３は図示しないシール枠によってそれぞれ位置決めされた状態で支持されている。
【００３９】
発電部２３の電解質膜部にカソード絶縁シール枠７６ａ及びアノード絶縁シール枠７６ｂを設置し、４直列の場合、５枚の導電層を複数の電極に対して図５（シール枠の図示を省略）のように折り返し、図１のように所定の位置に設置する。
【００４０】
なお、図２に示すように、導電層７０において、一方のシール枠７６ａをカソード導電層７ａ（カソード電極部７１の両端）に、他方のシール枠７６ｂをアノード導電層７ｂ（アノード電極部７３の両端）にそれぞれ予め接着あるいは形成している。シール枠７６ａ，７６ｂにより膜電極接合体１０の周囲が規定されるため、導電層７０に対する膜電極接合体１０の位置決めが容易になるからである。
【００４１】
実施形態における集電体アッセンブリ７Ａの各部サイズを次に示す。
【００４２】
１）カソード電極部の幅Ｗ１；                        ６ｍｍ
２）カソード電極部間絶縁シール部の幅Ｗ２；          １．２ｍｍ
３）アノード電極部の幅Ｗ３；                        ６ｍｍ
４）アノード電極部間絶縁シール部の幅Ｗ４；          １．２ｍｍ
５）平面展開したときの両電極部間の離間距離Ｗ５；    ２．８ｍｍ
６）電極部間導電部材の幅Ｗ６；                      １．２ｍｍ
７）電極部間導電部材から電極部までの最短距離Ｌ１；  ０．４ｍｍ
８）孔ｄ１，ｄ２の径；                              φ４ｍｍ
本実施形態では、多直列接続のカソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂをコンパクトに作製できるので、携帯機器を動作させるために十分に高い出力特性を得ることができる。
【００４３】
（第２の実施の形態）  
図６を用いて第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態が上記第１及び第２の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。
【００４４】
本実施形態の集電体アッセンブリ７Ｃは、図６に示すように、カソード電極部７１およびアノード電極部７３をそれぞれ高シール性のシール枠７６により周囲を取り囲んでいる。シール枠７６にはＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）を用いることができる。
【００４５】
本実施形態における集電体アッセンブリ７Ｃの各部サイズを次に示す。
【００４６】
１）カソード電極部の幅Ｗ１；  ６．９ｍｍ
２）カソード電極部間絶縁シール部の幅Ｗ２；  １．２ｍｍ
３）アノード電極部の幅Ｗ３；  ６．９ｍｍ
４）アノード電極部間絶縁シール部の幅Ｗ４；  １．２ｍｍ
５）平面展開したときの両電極部間の離間距離Ｗ５；    ２．４ｍｍ
６）電極部間導電部材の幅Ｗ６；                      １．２ｍｍ
７）電極部間導電部材から電極部までの最短距離Ｌ１；  ０．４ｍｍ
８）孔ｄ１，ｄ２の径；  φ４ｍｍ
本実施形態によれば、外周シール部の位置決めが容易になり組み立て性能を大幅に向上することができる。
【００４７】
（第３の実施の形態）  
図７を用いて第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態が上記第１及び第２の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。
【００４８】
本実施形態の集電体アッセンブリ７Ｄは、図７に示すように、カソード絶縁シール部７２Ｂおよびアノード絶縁シール部７４Ｂにそれぞれ高抵抗のゴム系材料を設けている。本実施形態ではゴム系材料としてＥＰＤＭ（エチレンプロピレンゴム）を用いた。
【００４９】
本実施形態における集電体アッセンブリ７Ｂの各部サイズを次に示す。
【００５０】
１）カソード導電部７１の幅Ｗ１；                    ６．０ｍｍ
２）絶縁シール部７２Ｂの幅Ｗ２；                    １．０ｍｍ
３）アノード導電部７３の幅Ｗ３；                    ６．０ｍｍ
４）絶縁シール部７４Ｂの幅Ｗ４；                    １．０ｍｍ
５）平面展開したときの両電極部間の離間距離Ｗ５；    ２．４ｍｍ
６）電極部間導電部材の幅Ｗ６；                      １．２ｍｍ
７）電極部間導電部材から電極部までの最短距離Ｌ１；  ０．４ｍｍ
８）孔ｄ１，ｄ２の径；                              φ４．０ｍｍ
本実施形態によれば、さらに絶縁性能が向上し、短絡を確実に防止できる。
【００５１】
（第４の実施の形態）  
図８を用いて第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態が上記第１及び第２の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。
【００５２】
本実施形態の集電体アッセンブリ７Ｅは、第２の実施形態（図６）と電極部間導電部材の幅Ｗ６が異なり、電極部間導電部材の幅Ｗ６が２．７ｍｍとなっている。（図８）なお、本実施形態において他のサイズは第２の実施形態と同じである。
【００５３】
本実施形態によれば、接続部の幅が広くなることにより抵抗を低減することができる。
【００５４】
次に、本発明を適用可能な種々の燃料供給方式の燃料電池について図９〜図２０を参照してそれぞれ説明する。
【００５５】
先ず図９に示す方式の燃料電池１Ａは、セル構造体２０と、セル構造体２０に燃料を供給する燃料分配機構１１と、液体燃料を収容する空隙部（液溜め）４０と、これら燃料分配機構１１と燃料供給源５０とを接続する流路５１とを備えている。
【００５６】
セル構造体２０は、アノード触媒層３およびアノードガス拡散層５を含むアノード（燃料極）と、カソード触媒層２およびカソードガス拡散層４を含むカソード（空気極／酸化剤極）と、アノード触媒層３とカソード触媒層２との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の固体電解質膜６とを備えている。通常、固体電解質膜６とアノード触媒層３とカソード触媒層２とは熱プレス法により一体に接合され、いわゆる膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）１０を形成している。
【００５７】
アノード触媒層３およびカソード触媒層２に含ませる触媒として、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層３にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層２にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００５８】
電解質膜６を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜６はこれらに限られるものではない。
【００５９】
アノードガス拡散層５は、ほぼ全面がアノード触媒層３に密着し、アノード触媒層３に燃料を均一に供給する機能を有するとともに、アノード触媒層３の集電体の機能も兼ね備えている。カソードガス拡散層４は、ほぼ全面がカソード触媒層３に密着し、カソード触媒層３に酸化剤を均一に供給する機能を有するとともに、カソード触媒層３の集電体の機能も兼ね備えている。これらのアノードガス拡散層５およびカソードガス拡散層４は、カーボンペーパーのような多孔質シートからなる。
【００６０】
アノードガス拡散層５やカソードガス拡散層４には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕのような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる。外装ケース２１と電解質膜６との間にはカソード絶縁シール枠（シール枠）７６ａが設けられている。同様に、燃料分配機構１１と電解質膜６との間にはアノード絶縁シール枠（シール枠）７６ｂが設けられている。これらのシール枠７６ａ，７６ｂは、体積固有抵抗が１０11〜１０15Ω・ｃｍのゴム材料からなり、これらのシール部材によって発電部２３からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００６１】
外装ケース２１は酸化剤としての空気を取入れるための複数の通気孔２２を有している。外装ケース２１とカソードとの間には保湿板１９や表面層（図示せず）が設けられる。保湿板１９は、カソード触媒層２で生成された水の一部を吸収して水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層２への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口（図示せず）を有している。
【００６２】
燃料供給源５０には、セル構造体２０に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。
【００６３】
セル構造体２０のアノード（燃料極）側には、燃料分配機構１１が配置されている。燃料分配機構１１はチューブ状の流路５１により燃料供給源５０に接続されている。燃料分配機構１１には燃料供給源５０から流路５１を介して液体燃料が導入される。流路５１は燃料分配機構１１や燃料供給源５０と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構１１と燃料供給源５０とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１１は流路５１を介して燃料供給源５０と接続されていればよい。
【００６４】
燃料分配機構１１は、図１０に示すように、液体燃料が流路５１を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口１２と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料供給口１４とを有する燃料分配板１３を備えている。燃料分配板１３の内部には図１に示すように、燃料注入口１２から導かれた液体燃料の通路となる空隙部４０が設けられている。複数の燃料供給口１４は燃料通路として機能する空隙部４０にそれぞれ直接接続されている。
【００６５】
燃料注入口１２から燃料分配機構１１に導入された液体燃料は空隙部４０に入り、この燃料通路として機能する空隙部４０を介して複数の燃料供給口１４にそれぞれ導かれる。複数の燃料供給口１４には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離膜（図示せず）が配置されており、これによりセル構造体２０のアノード（燃料極）には液体燃料の気化成分が供給される。従って、液体燃料の気化成分は複数の燃料供給口１４からアノードの複数個所に向けて排出される。
【００６６】
燃料供給口１４はセル構造体２０の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板１３のアノードと接する面に複数設けられている。燃料供給口１４の個数は２個以上であればよいが、セル構造体２０の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ2の燃料供給口１４が存在するように形成することが好ましい。燃料供給口１４の個数が０．１個／ｃｍ2未満であると、セル構造体２０に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料供給口１４の個数を１０個／ｃｍ2を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。
【００６７】
燃料分配機構１１から放出された燃料は、上述したようにセル構造体２０のアノード（燃料極）に供給される。セル構造体２０内において、燃料はアノードガス拡散層５にて拡散してアノード触媒層３に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層３で下式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層２で生成した水や電解質膜６中の水をメタノールと反応させて下式（１）の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００６８】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …(1)
この反応で生成した電子（ｅ-）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード（空気極）に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は電解質膜６を経てカソードに導かれる。カソードには酸化剤として空気が供給される。カソードに到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層２で空気中の酸素と下式（２）にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００６９】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …(2)
上述した燃料電池の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせると共に、セル構造体２０の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。このような点に対して、セル構造体２０に対して燃料を供給する燃料供給口１４が１箇所の場合には、燃料排出口近傍の燃料濃度は発電に十分な濃度となるものの、燃料供給口１４から離れるにつれて燃料濃度が急速に低下する。このため、燃料電池全体で見た場合の平均出力は、燃料の供給が少ない部分の影響を受けて低い値に留まってしまう。
【００７０】
燃料濃度を高めるための手段としては、液体燃料の供給量を増加させることが考えられる。しかし、単に液体燃料の供給量を増加させた場合、燃料排出口近傍の燃料濃度が上がりすぎて、燃料が反応することなく空気極へ流れてしまうクロスオーバーと呼ばれる現象が発生する。クロスオーバーは燃費の低下、空気極での燃料の直接反応に伴う電圧低下、それによる出力低下等の原因となる。
【００７１】
また、燃料極に接する面に液体燃料が流れる溝を形成し、その部分に液体燃料を流すことも試みられており、大型の燃料電池では実用化されている。しかし、この手法では溝を液体燃料が流れるにつれて、反応により燃料が順次消費されるため、燃料濃度が減少して出力の低下を十分に抑制することができない。さらに、従来は燃料を流すために循環ポンプが使用されているため、装置の大型化が避けられない。
【００７２】
この実施形態の燃料電池１Ａにおいては、上述したように複数の燃料供給口１４を有する燃料分配機構１１を適用している。燃料分配機構１１に導入された液体燃料は空隙部４０を介して複数の燃料供給口１４に導かれる。燃料分配機構１１の空隙部４０はバッファとして機能するため、複数の燃料供給口１４からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。そして、複数の燃料供給口１４はセル構造体２０の全面に燃料が供給されるように配置されているため、セル構造体２０に対する燃料供給量を均一化することができる。
【００７３】
すなわち、アノード（燃料極）の面内における燃料の分布が平準化され、セル構造体２０での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。従って、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、セル構造体２０で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させないパッシブ型燃料電池１Ａの利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
【００７４】
上記実施の形態で用いた燃料分配機構１１はその内部に設けられた空隙部４０から燃料を複数の燃料供給口１４に分配している。このため、厳密には燃料注入口１２に近い側の温度が若干高く、奥に行くに従って温度が低下する現象が観察される。また、燃料電池１Ａを傾斜させた場合には重力の影響等から傾斜方向によって温度分布が変化し、下側の部分の反応が高くなる傾向が観察される。実用上はこれでも十分な性能を得ることができるが、さらに出力を改善するためには、図１１および図１２に示すように、燃料注入口１２と複数の燃料供給口１４とを液溜め４１で連通させた燃料分配機構１１Ａを用いることが好ましい。
【００７５】
図１１および図１２に示す燃料分配機構１１Ａは、液体燃料が流入する少なくとも１つの燃料注入口１２と、液体燃料またはその気化成分をセル構造体２０に供給する複数の燃料供給口１４とを有する燃料分配板１３Ａを備えている。燃料分配板１３Ａの内部には、液体燃料の通路として機能する液溜め４１が形成されている。液溜め４１の一端（始端部）には燃料注入口１２が設けられている。液溜め４１は途中で複数に分岐しており、これら分岐した液溜め４１の各終端部に燃料供給口１４がそれぞれ設けられている。液溜め４１は例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。
【００７６】
燃料注入口１２から燃料分配機構１１に導入された液体燃料は、複数に分岐した液溜め４１を介して複数の燃料供給口１４にそれぞれ導かれる。なお、図１１および図１２に示す燃料分配機構１１Ａは、その内部の燃料通路として液溜め４１を用いる以外は図１０に示した燃料分配機構１１と同様な構成を有している。このような構造の燃料分配機構１１Ａを使用することによって、燃料注入口１２から燃料分配機構１１内に注入された液体燃料を方向や位置に拘わりなく、複数の燃料供給口１４に均等に分配することができる。従って、セル構造体２０の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００７７】
さらに、液溜め４１で燃料注入口１２と複数の燃料供給口１４とを接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１Ｂの半分の部位の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、液溜め４１の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口１４を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。
【００７８】
さらに、燃料分配機構１１とアノード（燃料極）１３との間には、図１３に示すように多孔体２６を挿入することが有効である。多孔体２６の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体２６として用いられる。このような多孔体２６を配置することによって、アノードに対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料分配機構１１Ａの燃料供給口１４から噴出した液体燃料は一旦多孔体２６に吸収され、多孔体２６の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体２６からアノードに燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
【００７９】
上述した第１の実施形態において、液体燃料を燃料供給源５０から燃料分配機構１１，１１Ａまで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料供給源５０から燃料分配機構１１，１１Ａまで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路５１を用いることによって、毛細管現象で燃料供給源５０から燃料分配機構１１，１１Ａまで送液することができる。
【００８０】
次に、本発明の第２の実施形態として燃料供給源５０と燃料分配機構１１との間にポンプ３１を挿入した燃料電池について、図１４〜図２０を参照して説明する。図１４に示す燃料電池１Ｄは、パッシブ方式を適用した図１２に示す燃料電池１Ｂの流路５１の途中にポンプ３１を挿入したものであり、それ以外の構成は図１２に示す燃料電池１Ｂと実質的に同じである。すなわち、ポンプ３１は燃料を循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料供給源５０から燃料分配機構１１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ３１で必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
【００８１】
図１４に示す燃料電池１Ｄにおいて、燃料分配機構１１Ａからセル構造体２０に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料供給源５０に戻されることはない。図１４に示す燃料電池１Ｄは燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ３１を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なるため、図１４に示す燃料電池１Ｄは例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００８２】
ポンプ３１の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーポンプ（ロータリーベーンポンプ）、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００８３】
ポンプ３１の送液量は燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液量が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ３１の停止時間が長くなる。このため、セル構造体２０への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ３１と燃料分配機構１１との間に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。
【００８４】
一方、ポンプ３１の送液量が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池３１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ３１を使用することが好ましい。ポンプ３１の送液量は１０〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ３１には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。
【００８５】
図１４に示す燃料電池１Ｄにおいては、必要時にポンプ３１を動作させて燃料供給源５０から燃料分配機構１１Ａに液体燃料を供給する。燃料分配機構１１に導入された液体燃料は、前述した第１の実施形態と同様に、複数の燃料供給口１４にそれぞれ導かれる。そして、複数の燃料供給口１４からセル構造体２０の全面に対して燃料が供給されて発電反応が生起される。このように、ポンプ３１で燃料供給源５０から燃料分配機構１１まで液体燃料を送液する場合においても、燃料分配機構１１Ａは有効に機能するため、セル構造体２０に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。
【００８６】
燃料供給用（送液用）のポンプ３１の制御は、例えば図１５に示すように、燃料電池１Ｅの出力を参照して行うことが好ましい。図１５において、燃料電池１Ｅの出力は制御回路３２で検出され、この検出結果に基づいてポンプ３１に制御信号が送られる。ポンプ３１は制御回路３２から送られる制御信号に基づいてオン／オフが制御される。ポンプ３１の動作は燃料電池１の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転状態情報等に基づいて制御することで、より安定した運転が達成できる。
【００８７】
ポンプ３１の具体的な動作制御方法としては、例えば燃料電池１Ｅからの出力が所定の規定値より高くなった場合にポンプ３１を停止または送液量を低下させ、出力が規定値より低くなった場合にポンプ３１の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。別の動作制御方法としては、燃料電池１からの出力の変化率がプラスの場合にポンプ３１の運転を停止または送液量を低下させ、出力の変化率がマイナスになった場合にポンプ３１の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。
【００８８】
さらに、燃料電池としての安定性や信頼性を高めるために、図１６に示すようにポンプ３１と直列に燃料遮断バルブ３３を配置することが好ましい。図１６ではポンプ３１と燃料分配機構１１との間の流路５１に燃料遮断バルブ３３を挿入した構造を示している。燃料遮断バルブ３３はポンプ３１と燃料供給源５０との間に設置しても機能上の支障はない。
【００８９】
ただし、燃料遮断バルブ３３をポンプ３１と燃料供給源５０との間の流路５１に設置した場合、例えば長期保管時にポンプ３１の燃料が蒸発すると、燃料供給源５０からの液体燃料の吸出し機能に支障が生じるおそれがある。このようなことから、燃料遮断バルブ３３はポンプ３１と燃料分配機構１１との間の流路５１に設置し、長期保管時等におけるポンプ３１からの液体燃料の蒸発を防止することが好ましい。
【００９０】
このように、燃料供給源５０と燃料分配機構１１との間に燃料遮断バルブ３３を挿入することによって、燃料電池１の未使用時にも不可避的に発生する微量な燃料の消費や上述したポンプ再運転時の吸い込み不良等を回避することができる。これらは燃料電池１の実用上の利便性の向上に大きく貢献するものである。
【００９１】
さらに、燃料遮断バルブ３３は前述した第１の実施形態の燃料電池１に対しても有効である。例えば、図１、図３、図５に示した燃料電池１において、燃料分配機構１１と燃料供給源５０とを接続する流路５に燃料遮断バルブ３３を挿入する。このような構成を適用することによって、セル構造体２０に対する燃料の供給を制御し、燃料電池１の出力制御性を高めることができる。この場合の燃料遮断バルブ３３の動作制御は、上述したポンプ３１の動作制御と同様に実施することができる。
【００９２】
第２の実施形態の燃料電池１Ｆにおいては、燃料供給源５０や流路５１に燃料供給源５０内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着することが好ましい。燃料供給源５０にバランスバルブ６０を設置した燃料電池１Ｇを図１７に示す。バランスバルブ６０は、燃料供給源５０内の圧力に応じてバルブ可動片６１を動作させるスプリング６２と、バルブ可動片６１をシールして閉状態とするシール部６３とを有している。
【００９３】
燃料供給源５０から液体燃料が燃料分配機構１１に供給され、燃料供給源５０の内圧が減圧状態になると、バランスバルブ６０のバルブ可動片６１が外圧を受け、スプリング６２の反発力に打ち勝ってシール部６３が開放される。このバランスバルブ６０の開放状態に基づいて、外気が内外圧力差を減少するよう導入される。内外の圧力差が解消されると、再度バルブ可動片６１が移動して、シール部６３が密閉される。
【００９４】
このように動作するバランスバルブ６０を燃料供給源５０等に設置することによって、液体燃料の供給に伴って発生する燃料供給源５０の内圧低下に起因する送液量の変動を抑制することができる。すなわち、燃料供給源５０内が減圧状態になると、ポンプ３１による液体燃料の吸い込みが不安定になり、送液量が変動しやすくなる。このような送液量の変動をバランスバルブ６０を設置することで解消することができる。従って、燃料電池１Ｇの動作安定性を向上させることが可能となる。なお、バランスバルブ６０を流路５１に設置する場合には、燃料供給源５０とポンプ３１との間に挿入することが好ましい。
【００９５】
上述した各実施形態の液体燃料４９は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、複数の燃料供給口１４を有する燃料分配機構１１の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、各実施形態の燃料電池４９は、濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる、従って、各実施形態は濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた燃料電池に適用することが好ましい。
【００９６】
以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
【００９７】
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。上記各実施の形態は、燃料を供給する燃料分配機構を有する燃料電池について説明したが、燃料分配機構を有さない方式の燃料電池であっても本発明を適用することは可能である。その電極部が同一の平面上に配列されたものであればその方式を限定されるものではない。
【００９８】
さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。ＭＥＡへ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。
【実施例】
【００９９】
以下、本発明の実施例について説明する。
【０１００】
（実施例１）  
＜アノード極の作製＞
アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層５としての多孔質カーボンペーパーに塗布することにより厚さが４５０μｍのアノード触媒層３を有するアノード極を作製した。
【０１０１】
＜カソード極の作製＞
カソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層４としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが４００μｍのカソード触媒層２を有するカソード極を作製した。
【０１０２】
アノード触媒層３とカソード触媒層２との間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜６（ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を得た。
【０１０３】
＜集電体アッセンブリの作製＞
集電体アッセンブリを第１の実施形態から第４の実施形態のようにそれぞれ作製した。本発明の各実施形態に示すように複数の導電層とカソード絶縁シール枠７６ａ、アノード絶縁シール枠７６ｂを一体化することにより、導電層とシール材の位置が決まり、セル構造体の作製時間を大幅に削減することができた。また折り曲げた際に位置が決まるように、シール材外周に位置決め用のピンを設けた。第３第４の実施形態も同様である。
【０１０４】
第１の実施形態から第２、第３の実施形態にすることにより、セル構造体の作製時間を大幅に作製することが可能になり、第２から第４の実施形態にすることにより抵抗が５０ｍΩ低減することができ出力特性を向上することができた。
【０１０５】
なお、複数のカソード電極部を位置決めするカソード絶縁シール枠および複数のアノード電極部を位置決めするアノード絶縁シール枠を有さない場合には、各電極部の位置が決まらず所定の電極ではなく他の電極に対して導電層が接触してしまうことがあった。また、シール材も導電層の存在する部分に外装カバーおよび燃料収容室構造体による圧力がかかりやすくなり、導電層の存在しない部分からの燃料リークの可能性があった。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。
【図２】二つ折り構造の導電層の間に膜電極接合体を挟み込む様子を示す断面模式図。
【図３】二つ折り構造の導電層を有するセル構造体を示す断面模式図。
【図４】本発明の実施形態に係る燃料電池に用いられる導電層（二つ折り前）を示す展開平面図。
【図５】図４の集電体アッセンブリを二つ折りした状態を示す斜視図。
【図６】本発明の実施形態に係る燃料電池に用いられる導電層と絶縁シール枠を示す概略平面図。
【図７】本発明の他の実施形態に係る燃料電池に用いられる導電層と絶縁シール枠を示す概略平面図。
【図８】本発明の他の実施形態に係る燃料電池に用いられる導電層と絶縁シール枠を示す概略平面図。
【図９】パッシブ燃料供給方式の燃料電池システムを示すブロック断面図。
【図１０】燃料分配機構の概要を示す平面図。
【図１１】他の燃料供給方式の燃料電池システムを示すブロック断面図。
【図１２】他の燃料分配機構の概要を示す平面図。
【図１３】他の燃料供給方式の燃料電池システムを示すブロック断面図。
【図１４】他の燃料供給方式の燃料電池システムを示すブロック断面図。
【図１５】他の燃料供給方式の燃料電池システムを示すブロック断面図。
【図１６】他の燃料供給方式の燃料電池システムを示すブロック断面図。
【図１７】他の燃料供給方式の燃料電池システムを示すブロック断面図。
【符号の説明】
【０１０７】
１，１Ａ〜１Ｇ…燃料電池、
２…カソード触媒層、
３…アノード触媒層、
４…カソードガス拡散層、
５…アノードガス拡散層、
６…電解質膜（プロトン伝導膜）、
７ａ…カソード導電層（正極集電体）、７ｂ…アノード導電層（負極集電体）、
７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ…集電体アッセンブリ、７０…導電層、
７１…カソード電極部、
７２，７２Ｃ，７２Ｄ，７２Ｅ…カソード電極部間絶縁シール部（ゴム部）、
７３…アノード電極部、
７４，７４Ｃ，７４Ｄ，７４Ｅ…アノード電極部間絶縁シール部（ゴム部）、
７５…電極部間導電部材、
７６ａ…カソード絶縁シール枠（シール枠）、
７６ｂ…アノード絶縁シール枠（シール枠）、
７７，７８…端子、
９…気液分離膜、
１０…膜電極接合体（MEA）、
１１，１１Ａ…燃料分配機構、
１２…燃料注入口、１３Ａ…燃料分配板、１４，１４ａ…燃料供給口（開口）、
１８…ガス通流孔、
１９…空気供給部（保湿板）、
２０…セル構造体、
２１…外装ケース（カバープレート）、
２２…通気孔、
２３…発電部、
２６…多孔体、
３１…ポンプ、３２…制御回路、
３３，３３Ａ…燃料遮断弁（ラッチバルブ）、
４０，４１…空隙部（液溜め）、４９…液体燃料、
５０…燃料供給源、
６０…バランスバルブ、
Ｗ１，Ｗ３…電極部の幅、
Ｗ２，Ｗ４…電極部間の離間距離、
Ｗ５…平面展開したときの両電極部間の離間距離、
Ｗ６…電極部間導電部材の幅、
Ｌ１…電極部間導電部材から電極部までの最短距離（近接距離）。
【図１】
2008192506.tif 000003
【図２】
2008192506.tif 000004
【図３】
2008192506.tif 000005
【図４】
2008192506.tif 000006
【図５】
2008192506.tif 000007
【図６】
2008192506.tif 000008
【図７】
2008192506.tif 000009
【図８】
2008192506.tif 000010
【図９】
2008192506.tif 000011
【図１０】
2008192506.tif 000012
【図１１】
2008192506.tif 000013
【図１２】
2008192506.tif 000014
【図１３】
2008192506.tif 000015
【図１４】
2008192506.tif 000016
【図１５】
2008192506.tif 000017
【図１６】
2008192506.tif 000018
【図１７】
2008192506.tif 000019