(57)【要約】【課題】燃料の濃度低下による出力の低下を抑制し、長時間にわたり発電を続けても一定の出力で発電できる燃料電池を提供する。【解決手段】アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に配置されるプロトン伝導性膜とを有する膜電極接合体と、液体燃料を収容する複数の燃料室と、前記アノードと前記燃料室との間に設けられた気化室と、前記燃料室と前記気化室との間に配置された気液分離膜とを具備する燃料電池において、前記燃料室を少なくとも２つ以上設け、前記２つ以上の燃料室および気化室のうち隣り合う室の間で液体を通流させる流路を設けた。【選択図】      図１
2008210566.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に配置されるプロトン伝導性膜とを有する膜電極接合体と、燃料を収容する複数の燃料室と、前記アノードと前記燃料室との間に設けられた気化室と、前記燃料室と前記気化室との間に配置された気液分離膜とを具備する燃料電池において、
前記燃料室を少なくとも２つ以上設け、前記２つ以上の燃料室および気化室のうち隣り合う室の間で液体を通流させる流路を設けたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記流路に設けられ、燃料濃度の高い側から低い側へのみ一方向に液体を通流させる遮断手段をさらに有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２つ以上の燃料室の相互間にそれぞれ気液分離膜が配置されていることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項４】
前記２つ以上の燃料室および前記気化室および前記流路は、前記気化室に収容される液体燃料の濃度が最も低くなるように構成された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５】
前記遮断手段は、前記室間の圧力差によって動作することを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記遮断手段は、外部から与えられた動力によって動作することを特徴とする、請求項２乃至４記載の燃料電池。
【請求項７】
アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に配置されるプロトン伝導性膜とを有する膜電極接合体と、
液体燃料を収容することができる少なくとも２つ以上の燃料室と、
前記２つ以上の燃料室のそれぞれの間を仕切る気液分離膜と、
前記２つ以上の燃料室のうち隣り合う燃料室の相互間で液体を通流させることのできる流路と、
前記流路を遮断する遮断手段と、
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
前記遮断手段の動作を発電出力に応じて制御する制御手段をさらに有し、前記発電出力が高いときは前記制御手段が前記遮断手段により前記流路を遮断させ、前記発電出力が低いときは前記制御手段が前記遮断手段により前記流路を開かせることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【請求項９】
前記膜電極接合体の温度を測定する手段と、該温度測定手段で測定された膜電極接合体の温度に応じて前記流路を遮断する手段を制御する制御手段とをさらに有し、前記測定温度が高いときは前記制御手段が前記遮断手段により前記流路を遮断させ、前記測定温度が低いときは前記制御手段が前記遮断手段により前記流路を開かせることを特徴とする請求項７または８のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記２つ以上の燃料室のうち少なくとも１の中に収容される液体燃料の濃度を測定する手段と、該濃度測定手段で測定された濃度に応じて前記流路を遮断する手段を制御する制御手段をさらに有し、前記測定濃度が高いときは前記制御手段が前記遮断手段により前記流路を遮断させ、前記測定濃度が低いときは前記制御手段が前記遮断手段により前記流路を開かせることを特徴とする請求項７乃至９に記載の燃料電池。
【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係り、特に内部気化型直接メタノール燃料電池に関する。
【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、小型化が出来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。
【０００４】
内部気化型DMFCは特許文献１などに記載されているように、内部気化型DMFCは、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に配置されるプロトン伝導性膜とからなる膜電極接合体（MEA：：Membrane Electrode Assembly）と、液体燃料を収容する燃料室と、前記アノードと燃料室の間に配置された気化室と、燃料室と気化室との間を区切るように配置され、気体のみを透過し液体状態の燃料を透過させない性質を持つ気液分離膜とを備えている。
【０００５】
このように構成された内部気化型DMFCにおいては、燃料室に注入された液体燃料（ここでは例としてメタノール（CH3OH）の場合を示す）が気化した燃料ガス（ここではメタノール蒸気）は、気液分離膜１０７を透過し、気化室内にて拡散してMEAのアノード側に供給される。アノードでは、下式（１）に示す反応式に従って、燃料ガスと水とが電気化学反応を生じて二酸化炭素（CO2）とプロトン（H+；水素イオンともいう）と電子（ｅ−）を生じ、アノードで生じたプロトンはプロトン伝導性膜を透過してカソードに拡散する。カソードでは下式（２）に示す反応式に従って、大気中の酸素（O2）と、プロトン伝導性膜を透過してきたプロトンと、アノードから外部回路を通ってカソードに流れてきた電子とが電気化学反応を生じて水（H2O）を生成する。カソードで生成した水は、一部がプロトン伝導性膜を通してアノードに拡散し、式（１）の反応に使われる。このようにして、外部から水を補給することなくアノードとカソードにおいて継続して反応を生じさせることができる。
【０００６】
CH3OH＋H2O  →  CO2＋6H+＋6e−    …（１）
O2＋4H+＋4e−  →  2H2O      …（２）
【特許文献１】特表２００５−５１８６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の内部気化型DMFCでは、カソードからアノードに拡散してきた水の一部が液体または気体（水蒸気）の形で徐々に気化室へ拡散していく。このとき、水蒸気は燃料とは逆方向に気液分離膜を透過して燃料室に侵入するため、燃料室内の液体燃料の濃度は発電を続けているうちに徐々に低下していくことになる。液体燃料の濃度が下がると液体燃料の蒸気圧が低下し、即ち単位時間あたりに液体燃料が燃料ガスになる量が減少するので、結果としてMEAに供給される燃料ガスの量が減少する。この結果、MEAで発電できる単位時間あたりの電力（出力）が低下することになる。
【０００８】
本発明は上記課題を解決するためになされたものであって、燃料の濃度低下による出力の低下を抑制し、長時間にわたり発電を続けても一定の出力で発電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】
【０００９】
本発明に係る燃料電池は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に配置されるプロトン伝導性膜とを有する膜電極接合体と、液体燃料を収容する複数の燃料室と、前記アノードと前記燃料室との間に設けられた気化室と、前記燃料室と前記気化室との間に配置された気液分離膜とを具備する燃料電池において、前記燃料室を少なくとも２つ以上設け、前記２つ以上の燃料室および気化室のうち隣り合う室の間で液体を通流させる流路を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、本発明に係る燃料電池は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードの間に配置されるプロトン伝導性膜とを有する膜電極接合体と、液体燃料を収容することができる少なくとも２つ以上の燃料室と、前記２つ以上の燃料室のそれぞれの間に配置された気液分離膜と、前記２つ以上の燃料室のうち隣り合う燃料室の相互間で液体を通流させることのできる流路と、前記流路を遮断する遮断手段と、を具備することを特徴とする。
【００１１】
燃料室を少なくとも２つ以上設け、該２つ以上の燃料室および気化室のそれぞれの間に気液分離膜を配置する。更に、前記２つ以上の燃料室および気化室のうち、隣り合う室の間で液体を通流させることのできる流路を設ける（例えば、気化室と、気化室に隣接する第２の燃料室の間に流路を設けるか、または、第２の燃料室と、第２の燃料室に隣接する第１の燃料室との間に流路を設けるか、その少なくとも一方または両方）。
【００１２】
該流路には、燃料濃度の高い側から低い側へのみ一方的に液体を通流させることのできる手段を設ける（上記第１の燃料室に高濃度の液体燃料が注入されるとすると、第１の燃料室から第２の燃料室へのみ液体が流れ、または、第２の燃料室から気化室へのみ液体が流れることができ、逆の方向へは液体は流れない）。
【００１３】
この一方向に液体を通流させる手段としては、ポンプのように外部からの動力によって液体を流動させる手段、あるいは逆止弁のように各室間の内圧差によって液体の流れを制御する手段を用いることができる。
【００１４】
このような構成にすることにより、第１の燃料室から第２の燃料室へ送られた液体燃料は、気液分離膜を透過してきた水によって濃度が薄められ、更にこの第２の燃料室で薄められた液体燃料が気化室へ送られる。この気化室へ送られた液体は、液体燃料と水とが混合された状態で、これを直接アノードに供給することにより上式（１）の反応を生じさせることができる。上記流路を流れる液体の量と、上記気液分離膜を透過する水の量とを適切に設定することにより、気化室へ送られる液体中の燃料濃度と水の混合比を一定にすることができ、従ってアノードには常に一定濃度の燃料と水が供給されるので、MEAで発電する出力を一定に保つことができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、長時間にわたり発電を続けても一定の出力で発電できるようになるため、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などの電源としてバラツキの少な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】
【００１６】
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形態を説明する。
【００１７】
（第１の実施形態）  
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池について図１と図２を参照して説明する。
【００１８】
本実施形態の燃料電池１Ａは、全体が外装カバー４１および燃料室構造体４４等で覆われ、内部に平面配置され直列接続された複数の単位セルを有している。燃料電池１Ａは、例えば外装カバー４１の端部を燃料室構造体４４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、外装カバー４１と燃料室構造体４４とをボルトとナット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。
【００１９】
燃料電池１Ａ内の単位セルはシール部材８ａ，８ｂ，１１によって液密にシールされ、燃料電池１Ａの内部には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第１の燃料室１４、第２の燃料室１５および気化室１２として用いられ、カソード側のスペースは保湿板４３が収納された空気供給部として用いられる。
【００２０】
アノード導電層９には複数の燃料供給孔９ａが開口し、気化室１２から燃料の気化成分が孔９ａを通ってアノードガス拡散層５に供給されるようになっている。
【００２１】
アノード導電層９と燃料室構造体４４との間には気化膜としての気液分離膜１７が設けられている。気液分離膜１７の周縁部は、リング状の剛性シート１８を介して構造体４４のフランジとアノード導電層９との間に挟まれ、シール部材１１および剛性シート１８によって液密にシールされている。この気液分離膜１７とアノード導電層９とシール部材１１とで気化室１２が規定されている。気化室１２は第２の燃料室１５に隣接して設けられ、両室１２，１５の間は気液分離膜１７により仕切られている。
【００２２】
さらに、もう一つの気液分離膜１７が第２の燃料室１５と第１の燃料室１４とを仕切るように配置されている。この気液分離膜１７も、上記と同様に、リング状の剛性シート１８を介して構造体４４のフランジとアノード導電層９との間に挟まれ、シール部材１１および剛性シート１８によって液密にシールされている。なお、シール部材１１は、両室１４，１５（又は１５，１２）に圧力差を生じたときに図４の（ｂ）に示すように気液分離膜１７が変位できるように軸方向の断面形状がテーパ状である。
【００２３】
気液分離膜１７は、多数の細孔を有するシリコーンゴムシートからなり、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。なお、この気液分離膜１１としては、意図する特性を得るものであればポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の材料を用いても良い。
【００２４】
第１の燃料室１４は、図示しない燃料注入口および燃料供給口を有している。燃料注入口にはカプラーが取り付けられ、図示しない燃料カートリッジのノズルを燃料注入口に差し込み、液体燃料（１００％メタノール液）を第１の燃料室１４に注入できるようになっている。燃料供給口には図１に示す流路３１が連通・接続されている。
【００２５】
アノード側には例えば図示しない排気流路が設けられ、該排気流路を通って副生成物であるＣＯ2ガスが反応系外に排出されるようになっている。また、アノード導電層９は多くの孔９ａと間隙を有し、燃料気化成分や副生成ガス（ＣＯ2）の拡散を阻害しない形状とされている。
【００２６】
一方、カソード導電層７には複数の空気供給孔７ａが開口し、空気供給部としての保湿板４３を通過した空気が孔７ａを通って発電部のガス拡散層４へ供給されるようになっている。
【００２７】
保湿板４３は、外装カバー４１の通気孔４２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。この保湿板４３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。
【００２８】
燃料電池の単位セルは、固体電解質膜からなるプロトン伝導膜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とカソード触媒層２は電解質膜６を間に挟んで対向配置されている。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、アノードガス拡散層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。但し、触媒をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、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ので好ましい。
【００２９】
また、アノード触媒層３は、固体電解質膜６に用いられる樹脂を含むほうがより望ましい。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。なお、アノードガス拡散層５に接触導通するアノード導電層９が負極リードとして外方に延び出している。
【００３０】
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及びアノードガス拡散層５と同様に構成されている。すなわち、カソードは、プロトン伝導膜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。
【００３１】
プロトン伝導膜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、あるいは旭化成ケミカルズ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。
【００３２】
第１及び第２の燃料室１４,１５の内部には図示しない液体燃料含浸層が設けられていてもよいる。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孔質繊維や、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。本液体燃料含浸部は，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。
【００３３】
なお、液体燃料としては、例えばメタノール水溶液、純メタノール等のメタノール燃料、エタノール水溶液、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、ギ酸および、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液、もしくはその他の液体燃料が用いられる。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。中でもメタノール燃料は、炭素数が１で反応の際に発生するのが炭酸ガスであると共に、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができるので好ましい。メタノール燃料の中でも、メタノールノ濃度が８０%以上のメタノール水溶液あるいは純メタノールが好ましい。
【００３４】
図１に示すように、第１の燃料室１４と第２の燃料室１５とは外部の流路３１により互いに連通している。流路３１には液の通流を遮断するための遮断手段４５が取り付けられている。遮断手段４５の駆動部分は制御回路５０の出力側に接続されている。
【００３５】
流路３１は、第１の燃料室１４と第２の燃料室１５とに接続された、内径１ｍｍのフッ素樹脂（例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ））製の円筒形の管である。流路３１の材質としては、フッ素樹脂以外にも、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、塩化ビニル樹脂、フッ素ゴム、ＥＰＤＭ等の、液体燃料と接触して膨潤したり溶出したりすることがなく、かつある程度の柔軟性を有する材料であればよい。また、流路３１の形状としては円筒形以外にも、楕円筒形、角筒形、その他の自由な形状を用いることができる。
【００３６】
遮断手段４５は、流路３１であるフッ素樹脂管に外部から力を加えて圧迫することによって管の断面積を小さくし液体の流れを遮断する、いわゆるピンチコックである。流路３１に外部から力を加えるための手段としては、制御回路５０によって制御される電磁石（ソレノイド）、サーボモーター、ステッピングモーターなどの電気的な手段を用いることができる。また、形状記憶合金やバイメタルのように温度によって変形する部材を用い、その部材の近傍に、制御回路５０によって制御されるヒーター（ニクロム線など）を設け、ヒーターに電流が流れ加熱されると、上記の形状記憶合金やバイメタルなどが変形することによって、管を圧迫したり開放したりするように構成することもできる。
【００３７】
また、この遮断手段４５は、制御回路５０から制御信号が出力されていないとき、即ち燃料電池を使用していないときや、制御回路５０の故障等の異常を生じたときは遮断手段４５により流路３１を遮断する、即ちノーマルクローズの方式とすることが望ましい。こうすることにより、燃料電池の不使用時に液体燃料を無駄に消費することが防止でき、また異常時には燃料電池を安全に停止させることが可能となる。
【００３８】
遮断手段４５としては、上記の他に、ボールバルブ、ニードルバルブ、バタフライバルブなどのように、流路３１の内部に直接、液体を遮断するための機構を導入する方式を用いることもでき、その場合には、流路３１の材質としては柔軟でなくても良く、ステンレス鋼のような金属や、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）やポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ（ヴィクトレックス社商標））のような硬質の樹脂などを用いることもできる。但し、このような流路３１や遮断手段４５を用いる場合は、液体燃料に触れても腐食や変質を生じることのないよう、材質や表面処理等を適正に選定する必要がある。
【００３９】
発電部２０で発電される出力を検知する手段２２は、燃料電池で発生する電圧と、燃料電池に流れる電流のうちの一方または両方を計測する計測器（測定回路）を組み合わせることにより構成することができる。燃料電池１Ａに接続される昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバーター（図示せず）によって、燃料電池１Ａで発生する電圧を一定に保つように燃料電池の出力電流を制御する場合であれば、燃料電池の出力（電力）は燃料電池に流れる電流に比例するので、その電流値を検知するためのシャント抵抗を燃料電池に直列に接続し、そのシャント抵抗の両端に発生する電圧信号Ｓ１を制御回路５０に入力すれば良い。
【００４０】
ＭＥＡの温度を検知する手段２４としては、熱電対や抵抗式温度計などの電気的な信号を直接出力する温度センサが好適に用いられる。温度センサ２４は、検出した電気的な信号Ｓ２を制御回路５０に入力する。温度センサ２４は、ＭＥＡのカソード側表面に接触させるか、またはＭＥＡのカソード側に小穴や凹みを設けて挿入する等の方法で設置するのが望ましい。この理由は、ＭＥＡにおいてカソード側の反応が発熱反応であるので、カソード側が最も温度が高くなるからである。
【００４１】
また、温度センサ２４は、ＭＥＡの平面方向の中央部付近に設置するか、または第２の燃料室１５に流路が接続される位置の付近に設置するか、若しくはＭＥＡの形状その他の理由により上記以外の位置で最も高温になる場所が存在するならば、その高温になる場所の付近に設置するのが望ましい。この理由は、ＭＥＡの温度は一般に中央部が最も高く、周縁部になるに従って周囲への放熱量が多くなるために温度が低下するからである。また、第２の燃料室１５に流路が接続される位置は、第１の燃料室１４から流路を通って流れてきた濃度の高い液体燃料が最初に流入する位置であり、このため、遮断手段４１を開けたときに温度が最初に上昇し始める位置だからである。
【００４２】
さらに、温度センサ２４を２つ以上取り付け、それら複数の温度センサ２４によって検知された温度のうち最も高い値によって遮断手段４５を制御する方法も可能である。
【００４３】
また、遮断手段４５として、熱によって変形する部材を用いた場合は、ＭＥＡの近傍に上記遮断手段を設けたり、ＭＥＡの熱を上記遮断手段の近傍に伝えるための伝熱部材を設けたりすることによって、温度センサ２４や制御回路５０などを用いることなく遮断手段４５を制御することも可能である。
【００４４】
制御回路５０としては、マイコンやリレー式制御器などを用いることができる。この制御回路５０に、燃料電池で発電する出力の下限値ＰＬと、ＭＥＡの温度の上限値ＴＵとを予め入力しておく。制御回路５０では、実際に燃料電池で発電される出力の値Ｐと、ＭＥＡの温度の測定値ＴとをそれぞれＰＬ、ＴＵと比較して、表１のように遮断手段４５を制御する信号Ｓ３を出力する。
【表１】
2008210566.tif 000003
【００４５】
即ち、「Ｐ＜ＰＬ」と「Ｔ＜ＴＵ」の両方の条件を満たす場合にのみ遮断手段４５を開く信号Ｓ３が制御回路５０から出力され、それ以外の場合には遮断手段４５は閉じた状態にある（ノーマルクローズ）。
【００４６】
このように構成された燃料電池システムにおいて発電を行うとき、燃料電池で発電される出力Ｐと、ＭＥＡの温度Ｔは、図３に示すようにそれぞれ経時変化する。
【００４７】
燃料電池を使用していないときは、燃料電池からの出力はゼロであり、ＭＥＡの温度は室温とほぼ等しいため、「Ｐ＜ＰＬ」かつ「Ｔ＜ＴＵ」であるが、制御回路から制御信号は出力されないので遮断手段４５は閉じられている。
【００４８】
発電を開始するために、先ず時間ｔ１のタイミングで液体燃料を第１の燃料室１４に注入開始するが、このとき第２の燃料室１５には液体は存在しない。第１の燃料室１４に注入された液体燃料は、一部が蒸発して燃料ガスとなり、気液分離膜１７を透過して、第２の燃料室１５を経由してＭＥＡのアノード側に供給される。このときはまだ発電部２０には電流は流れない（外部負荷と接続されていない）ので、アノード側に供給された燃料ガスは、プロトン伝導性膜を透過してＭＥＡのカソード側に達し、カソード側において、外部空気から供給される酸素と共に燃焼反応を起こして熱を発生する。このためにＭＥＡの温度Ｔは上限値ＴＵより高くなる（時間ｔ１〜ｔ２）。
【００４９】
時間ｔ２のタイミングで、燃料電池を外部負荷と接続して発電を開始すると共に、制御回路に電源が投入されるが、このとき第１の燃料室１４内の液体燃料の濃度は充分に高く、従ってＭＥＡのアノード側に供給される燃料ガスの量も充分に多いため、燃料電池の出力Ｐは下限値ＰＬよりも大きい。従って遮断手段４１は閉じたままであり、ＭＥＡへの燃料の供給は、従来の燃料電池と同じく、気液分離膜１７を透過した燃料ガスによって行われる。
【００５０】
この状態で発電を続けると、ＭＥＡで発生した水が第２の燃料室１５に拡散し、その水の一部が気液分離膜１７を透過して第１の燃料室１４に拡散していくことにより、第１の燃料室１４内の液体燃料の濃度が徐々に低下していく。これに伴って、ＭＥＡに供給される燃料ガスの量が減少し、発電部２０で発電される出力Ｐ、ＭＥＡの温度Ｔは共に低下していく。出力Ｐが下限値ＰＬを下回り、かつ温度Ｔが上限値ＴＵを下回る状態になったとき、時間ｔ３のタイミングで制御回路５０から遮断弁４５を開く信号Ｓ３が出力され、第１の燃料室１４内の液体燃料の一部が流路３１を通って第２の燃料室１５に流入し、ＭＥＡから第２の燃料室１５内に拡散してきた水と混合して濃度の低い液体燃料となって、この濃度の低い液体燃料がＭＥＡのアノード側に直接供給されるようになる。
【００５１】
これによって、ＭＥＡに供給される燃料の量は再び増加し、発電部２０で発電される出力Ｐ、ＭＥＡの温度Ｔが共に上昇していく（時間ｔ３〜ｔ４）。出力Ｐが下限値ＰＬを上回るか、若しくは温度Ｔが上限値ＴＵを上回る状態になったとき、遮断手段４５を閉じる信号Ｓ３が制御手段５０から出力される。この後、第２の燃料室１５内の液体燃料が発電によって消費され、ＭＥＡに供給される燃料の量が減少して、再び出力Ｐが下限値ＰＬを下回り、かつ温度Ｔが上限値ＴＵを下回る状態になったとき、時間ｔ５のタイミングで再度、遮断手段４５を開く信号Ｓ３が制御手段５０から出力される。
【００５２】
このように構成することにより、燃料室１に収容された濃度の高い液体燃料を少量ずつ燃料室２に送ることができ、ＭＥＡに供給される燃料の量をほぼ一定に保つことが可能となるので、燃料電池で発電される出力Ｐを一定の値以上に保つことが可能となる。
【００５３】
なお、濃度が高いままの液体燃料が第２の燃料室１５に送られると、ＭＥＡで用いられている触媒において液体燃料の酸化反応が急激に進行して激しく発熱したり、あるいは触媒層に含まれるプロトン伝導性樹脂が液体燃料で溶解してＭＥＡが破壊されるといった不具合が生じるため、第２の燃料室１５内の液体燃料の濃度が一定値以上に上がらないよう、上記流路３１や遮断弁４５の構成、および上記制御回路５０に入力するパラメータＰＬおよびＴＵの値を選定することが重要である。
【００５４】
（第２の実施形態）  
次に本発明の第２の実施形態の燃料電池１Ｂについて図５を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
【００５５】
本実施形態の燃料電池１Ｂでは、３つの燃料室１４、１５、１６を設けている（気化室は図示を省略）。第１の燃料室１４と第２の燃料室１５との間、第２の燃料室１５と第３の燃料室１６との間、および第３の燃料室１６と図示しない気化室との間にそれぞれに気液分離膜１７が設けられている。
【００５６】
また、第１の燃料室１４と第２の燃料室１５との間を第１の遮断手段４５を有する流路３１，３２で接続している。さらに、第２の燃料室１５と第３の燃料室１６との間を第２の遮断手段４６を有する流路３２，３３で接続している。制御回路５０には、燃料電池１Ｂの出力の下限値ＰＬと、ＭＥＡの温度の上限値ＴＵとを入力し、表２に示すように２つの遮断手段４５，４６を制御する信号Ｓ３，Ｓ４を出力する以外は、上述の第１の実施形態と同様である。
【表２】
2008210566.tif 000004
【００５７】
即ち、第２の遮断手段４６は、第１の遮断手段４５が開いた状態を続けても、なお「Ｐ＜ＰＬ」かつ「Ｔ＜ＴＵ」の条件を満たしている場合にのみ動作し、流路３２，３３を開いて第２の燃料室１５内の液体燃料を第３の燃料室１６に流入させる。これにより、上記第１の実施形態の燃料電池１Ａよりも本実施形態の燃料電池１Ｂのほうが出力Ｐの変動幅を小さくすることが可能となる。
【００５８】
（第３の実施形態）  
次に本発明の第３の実施形態の燃料電池１Ｃについて図６を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
【００５９】
本実施形態の燃料電池１Ｃは、ＭＥＡの温度を検知する温度センサ２４の代わりに、第２の燃料室１５内の液体燃料の濃度Ｃを検知する濃度センサ２５を備えている。制御回路５０には、燃料電池の出力の下限値ＰＬと、液体燃料の濃度の上限値ＣＵとを入力し、表３のように遮断手段４５を制御する信号Ｓ６を出力する以外は、上述した第１の実施形態と同様である。
【表３】
2008210566.tif 000005
【００６０】
（比較例）  
次に比較例の燃料電池１００について図７を参照して説明する。なお、比較例が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
【００６１】
比較例の燃料電池１００は、気化室１０２と燃料室１０１との間に気液分離膜１０７を有しているが、気化室１０２と燃料室１０１との間で液体燃料を通流させる流路等を有していない。したがって、ＭＥＡを含む発電部２０に供給される燃料は、気液分離膜１０７を透過する燃料ガス成分のみである。このため、燃料室１０１内の液体燃料の濃度が徐々に低下し、液体燃料の蒸気圧が低下すると、ＭＥＡを含む発電部２０に供給される燃料の量が減少することになり、その結果として出力が低下する。
【００６２】
図１乃至図６のように構成された実施形態１、２、３の燃料電池１Ａ，１Ｂ，１Ｃ、および図７のように構成された比較例の燃料電池１００において、それぞれの燃料室に一定量のメタノールを液体燃料として注入し、室温雰囲気中で、燃料電池の出力電圧を一定になるように負荷（電流）を調整しながら発電を継続したときの、燃料電池の出力（電圧と電流の積）の経時的変化を示したものが図８である。図中にて特性線Ａ１は第１及び第３の実施形態の燃料電池１Ａ，１Ｃの出力特性を示し、特性線Ａ２は第２の実施形態の燃料電池１Ｂの出力特性を示し、特性線Ｃは比較例の燃料電池１００の出力特性を示す。この図から明らかなように、比較例の燃料電池では時間の経過と共に出力が低下していくのに対して、実施例の燃料電池では時間が経過しても出力はほぼ一定の範囲内に保たれていることが分かる。
【００６３】
（第４の実施形態）  
次に本発明の第４の実施形態の燃料電池について図１、図２および図４を参照して説明する。なお、本実施形態が上記の実施形態と重複する部分の説明は省略する。
【００６４】
本実施形態の燃料電池において、第１の燃料室１４と第２の燃料室１５との間に設けられた気液分離膜１７は厚さ０．１ｍｍのシリコーンゴムシートである。図４に示すように、気液分離膜１７は、周縁部近傍に直径０．５ｍｍの孔１７ａを有している。孔１７ａは液体燃料の流路となる。さらに、気液分離膜１７の孔１７ａをあけた部分に接する位置に、剛性シートとして厚さ０．１ｍｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）シート１８を重ねる。
【００６５】
このような機構を第１の燃料室１４と第２の燃料室１５の間に設けることにより、第１の燃料室１４の圧力が第２の燃料室１５より高くなると、気液分離膜１７が圧力で押し上げられてＰＥＴシート１８との間に空隙ができるので、図４の（ｂ）に示すように、液体燃料は第１の燃料室１４→開口１８ａ→孔１７ａの順に流れ、第２の燃料室１５に流入液体燃料は気液分離膜に設けた流路を通して第２の燃料室２から第１の燃料室へ流れることができる。逆に、第２の燃料室１５の内圧が第１の燃料室１４より高くなると、気液分離膜１７の周縁部は矩形枠状の剛性シート１８に密着するため、孔１７ａは閉じる。この状態では液体燃料は流れることができないで、気液分離膜１７による気液分離作用のみが行われる。
【００６６】
このように構成することにより、気液分離膜１７そのものに流路と逆止弁の機能を組み込むことができ、別個に流路や逆止弁を設けた場合に比べて大幅な小型化が可能となる。この機構によって、第２の燃料室１５に収容された濃度の高い液体燃料は少量ずつ第１の燃料室１４に送られ、第１の燃料室１４に送られた液体燃料は、気液分離膜１７を透過して気化室１２から第１の燃料室１４の側へ拡散してきた水蒸気と混合して濃度が下がる。
【００６７】
第１の燃料室１４と気化室１２との間にも上記と同様の気液分離膜機構を設けることにより、第１の燃料室１４に送られ濃度が低下した液体燃料は、同様に少量ずつ気化室１２に送られ、気化室１２の中で、ＭＥＡで生成した水蒸気と混合して濃度が更に下がる。この、水によって充分に濃度が低下した液体燃料がＭＥＡに供給されることで、上記の式（１）で示される反応が充分に進行し、燃料電池の出力を高く維持することができる。
【００６８】
なお、濃度が高いままの液体燃料が気化室に送られると、ＭＥＡで用いられている触媒において液体燃料の酸化反応が急激に進行して激しく発熱したり、或いは触媒層に含まれるプロトン伝導性樹脂が液体燃料で溶解してＭＥＡが破壊されるといった不具合が生じるため、液体燃料が気化室に送られるまでに充分に濃度が下げられるよう、上記流路や、燃料を通流させる手段の構成を選定することが重要である。
【００６９】
図１のように構成された実施例の燃料電池、および図３のように構成された比較例の燃料電池において、それぞれの燃料室に一定量のメタノールを液体燃料として注入し、室温雰囲気中で、燃料電池の出力電圧を一定になるように負荷（電流）を調整しながら発電を継続したときの、燃料電池の出力（電圧と電流の積）の経時的変化を示したものが図９である。図中の特性線Ａ３は第４の実施形態の燃料電池の出力特性を、特性線Ｃは比較例の燃料電池の出力特性をそれぞれ示す。
【００７０】
この図から明らかなように、比較例の燃料電池では時間の経過と共に出力が低下していくのに対し、本実施形態の燃料電池では時間が経過しても出力はほぼ一定に保たれていることが分かる。なお、実施形態の燃料電池では、短時間の間に出力が大きく上下する挙動を示すことがあるが、これは図４で示したような、気液分離膜に組み込んだ逆止弁の機能の動作に伴うものであり、このような短時間の変動では実用上は問題になることはない。
【００７１】
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。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。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。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を示す構成ブロック図。
【図２】第１の実施形態の燃料電池の要部を示す内部透視断面図。
【図３】（ａ）は発電部の温度の経時変化を示す特性線図、（ｂ）は出力の経時変化を示す特性線図。
【図４】（ａ）は気液分離膜の断面図、（ｂ）は圧力差により押し上げられたときの気液分離膜の断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を示す構成ブロック図。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る燃料電池を示す構成ブロック図。
【図７】比較例の燃料電池を示す内部透視断面図。
【図８】実施形態および比較例の出力特性をそれぞれ示す特性線図。
【図９】実施形態および比較例の出力特性をそれぞれ示す特性線図。
【符号の説明】
【００７３】
１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１００…燃料電池、
１２…気化室、
１４…第１の燃料室、
１５…第２の燃料室、
１６…第３の燃料室、
１７…気液分離膜、１７ａ…孔、
１８…剛体シート（PETシート）、１８ａ…開口、
２０…MEAを有する発電部、
２２…出力検知手段（電圧検出回路）、
２４…温度測定手段（温度センサ）、
２５…濃度測定手段（濃度センサ）、
３１,３２,３３…流路、
４５，４６…遮断手段（逆止弁）、
５０…制御回路、
１０１…燃料室、１０２…気化室、１０７…気液分離膜。
【図１】
2008210566.tif 000006
【図２】
2008210566.tif 000007
【図３】
2008210566.tif 000008
【図４】
2008210566.tif 000009
【図５】
2008210566.tif 000010
【図６】
2008210566.tif 000011
【図７】
2008210566.tif 000012
【図８】
2008210566.tif 000013
【図９】
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