(57)【要約】【課題】体積効率が高く、かつ高出力が得られる燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】複数の単位電池を備えた燃料電池発電装置であって、各単位電池は、アノード電極４と、カソード電極７と、電解質膜８とを含む複数の単位発電部を積層した単位スタック部１６と、前記単位スタック部１６の表面を被覆する熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下の断熱層３９とを含み、かつ下記（１）式を満足することを特徴とする。２０≦Ｐ／Ｓ≦３１      （１）但し、Ｐは各単位電池の出力（ｍＷ）で、Ｓは各単位電池の単位スタック部１６の表面積（ｃｍ２）である。【選択図】    図１４
2004281072.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位電池を備えた燃料電池発電装置であって、
各単位電池は、
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを含む複数の単位発電部を積層した単位スタック部と、
前記単位スタック部の表面を被覆する熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下の断熱層とを含み、かつ下記（１）式を満足することを特徴とする燃料電池発電装置。
２０≦Ｐ／Ｓ≦３１      （１）
但し、Ｐは各単位電池の出力（ｍＷ）で、Ｓは各単位電池の単位スタック部の表面積（ｃｍ２）である。
【請求項２】
複数の単位電池を備えた燃料電池発電装置であって、
各単位電池は、
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを含む複数の単位発電部を積層した単位スタック部と、
前記単位スタック部の表面を前記表面との間に隙間を開けて囲む断熱板とを含み、かつ下記（１）式を満足することを特徴とする燃料電池発電装置。
２０≦Ｐ／Ｓ≦３１      （１）
但し、Ｐは各単位電池の出力（ｍＷ）で、Ｓは各単位電池の単位スタック部の表面積（ｃｍ２）である。
【請求項３】
各単位電池は、燃料が貯蔵される燃料タンクをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし２いずれか１項記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
各単位電池に供給される燃料をまとめて貯蔵する共通燃料タンクをさらに備えることを特徴とする請求項１ないし２いずれか１項記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池発電装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、また大気汚染や地球温暖化に対処するための電気自動車及び電力貯蔵システムのキーエレメントとして、高性能二次電池及び燃料電池の期待が高まりつつある。特に電気自動車への応用としては、水素、酸素を燃料として用いるＰＥＭ（ＰＥＦＣ、固体電解質燃料電池）が有力視されてきた。水素、酸素というクリーンなエネルギーを用いることにより高出力が得られる点と燃料を補充することにより出力が回復するという２点で、電気自動車に適していると考えられている。しかし、燃料電池は大きな負荷電流変化に対して出力が低下するという欠点があるので、急加速時の発電が困難である。一方、リチウムイオン二次電池のみで走行する電気自動車もすでに実現されているが、安全性の問題及び非水電解液を補充しても出力が回復できない等の観点からリチウムイオン二次電池単独での電気自動車への応用も難しいと考えられている。そこで、リチウムイオン二次電池と燃料電池の両方の特徴を生かしたハイブリッド電池（組電池）が、電気自動車への応用上重要になってきている。さらに、ＰＥＭに用いる燃料容積を小さくするという課題を解決するため、圧縮水素（２５０ａｔｍ）、液体水素、水素吸蔵合金などを燃料として用いる方法も検討されている。その様な状況の中、直接メタノールからプロトンを取り出すことにより発電を行う直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は（例えば、特開２００１−９３５５１号公報に記載）、ＰＥＭと比較して出力が小さくなるという欠点はあるが、この観点から注目されている。さらに、その燃料容積が少なくて済むという特徴により、直接型メタノール燃料電池は携帯電子機器への応用も考えられ、多方面への応用の期待が高まりつつある。
【０００３】
直接型メタノール燃料電池は、アノード電極とカソード電極と電解質膜とを含む膜・電極接合体と、アノード電極にメタノールを含む燃料を供給すると共にカソード電極に酸化剤ガスを供給するセパレータとを具備した単位発電部を備えるものである。この直接型メタノール燃料電池の出力を向上させるには、単位発電部の積層数を多くする必要があるが、これに伴い、発電時の発熱量が増加するため、スタックセル（単位発電部の積層物）の温度が高くなり、起電力が低下するという問題点を生じる。
【０００４】
スタックセルの温度を適正値に維持するため、スタックセルに放熱フィンのような放熱器を設けることが考えられる。しかしながら、放熱器を用いても隣接する単位発電部間の熱的干渉は避けられないため、スタックセルの内部と表面との温度差が大きくなり、スタックセルを構成する単位発電部の出力特性がばらついたり、出力時に一部の単位発電部で転極を生じるなど、起電力低下の問題が解消されなかった。また、放熱器の設置は、燃料電池の体積効率の低下を招くという新たな問題点も招いた。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−９３５５１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、体積効率が高く、かつ高出力が得られる燃料電池発電装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の燃料電池発電装置は、複数の単位電池を備えた燃料電池発電装置であって、
各単位電池は、
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを含む複数の単位発電部を積層した単位スタック部と、
前記単位スタック部の表面を被覆する熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下の断熱層とを含み、かつ下記（１）式を満足することを特徴とするものである。
【０００８】
２０≦Ｐ／Ｓ≦３１      （１）
但し、Ｐは各単位電池の出力（ｍＷ）で、Ｓは各単位電池の単位スタック部の表面積（ｃｍ２）である。
【０００９】
本発明に係る第２の燃料電池発電装置は、複数の単位電池を備えた燃料電池発電装置であって、
各単位電池は、
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを含む複数の単位発電部を積層した単位スタック部と、
前記単位スタック部の表面を前記表面との間に隙間を開けて囲む断熱板とを含み、かつ下記（１）式を満足することを特徴とするものである。
【００１０】
２０≦Ｐ／Ｓ≦３１      （１）
但し、Ｐは各単位電池の出力（ｍＷ）で、Ｓは各単位電池の単位スタック部の表面積（ｃｍ２）である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る燃料電池発電装置を直接型メタノール燃料電池発電装置を例にして説明する。
【００１２】
図１及び図２に断熱層が未形成の単位スタック部の一例を示す。図１は、単位発電部を縦方向に、図２は、単位発電部を横方向に積層した場合を表している。単位発電部１は、図３に示す様に、多孔質なアノード拡散層２及びこの拡散層２に形成されたアノード触媒層３を含むアノード電極４と、多孔質なカソード拡散層５およびこの拡散層５に形成されたカソード触媒層６を含むカソード電極７と、前記アノード触媒層３と前記カソード触媒層６の間に配置された電解質膜８とを備える触媒層・電解質接合体と、アノード拡散層２にメタノール水溶液のような燃料を供給・排出すると共にカソード触媒層６に酸化剤ガスを供給・排出するセパレータ９とを備える。セパレータ９としては、一方の面にアノード流路１０またはカソード流路１１のみが形成されたものと、一方の面にアノード流路１０が形成され、かつ他方の面にカソード流路１１が形成されたものとがある。セパレータ９のアノード流路１０のパターンの一例を図４に示す。アノード流路１０は、蛇行形状を有しており、一端が燃料供給口１２で、かつ他端が燃料排出口１３である。単位発電部を固定するための締め付けネジが挿入されるネジ穴１４は、セパレータ９の端部に形成されている。カソード流路も、図４で説明したのと同様な蛇行形状を有し、一端が酸化剤供給口で、かつ他端が酸化剤排出口となる。また、アノード電極４およびカソード電極７の端部には燃料と酸化剤の漏れを防止するためのシール材１５が取り付けられている。
【００１３】
図１に示す単位発電部１を縦に積層した単位スタック部１６は、締め付けネジ１７で固定されている。一方、図２に示す単位発電部１を横に積層したスタック部１６においては、２つの単位発電部が横に並べられ、これを１組として縦に１列積層したものが締め付けネジ１７で固定されている。
【００１４】
電解質膜には、例えば、高プロトン伝導性をもつナフィオン膜が用いられる。一方、アノード触媒層に用いられる触媒には、例えば、被毒の少ないＰｔＲｕが用いられ、また、カソード触媒層に用いられる触媒としては、例えば、Ｐｔが用いられている。
【００１５】
この様な直接型メタノール燃料電池においては、前述した図３に示すように、アノード触媒層３にメタノール水溶液（ＣＨ３ＯＨとＨ２Ｏ）を供給し、触媒反応（ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋６ｅ−＋ＣＯ２）によってプロトン（Ｈ＋）を発生させる。発生したプロトンが電解質膜８を通り抜け、カソード触媒層６に供給された酸素（Ｏ２）と触媒上で反応して水を生成する（６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ）という原理で発電が行なわれる。また、直接型メタノール燃料電池の代表的な電流電圧特性に関する実験結果を、図５に示す。各線は、供給するメタノール水溶液のメタノール濃度に対する電流電圧特性の違いを表している。直接型メタノール燃料電池の出力密度は電流密度と電圧の積により定義され、図５に示されている様に、送液するメタノール水溶液のメタノール濃度によって出力密度が大きく異なることが分かる。
【００１６】
ここで、直接型メタノール燃料電池の出力密度の向上は、高負荷電流まで高電圧を維持することにより達成される。まず、高負荷電流を得るためには、アノード触媒層に供給する単位時間当たりのメタノール量を増やす必要がある。しかしながら、ナフィオン膜はメタノール水溶液も透過するため、アノード触媒層中で反応に使われなかったメタノール水溶液がカソード触媒層に到達し、カソード触媒層中でアノード触媒層と同様の反応を起こすことにより逆起電力を生じてしまう。これがクロスオーバー過電圧であり、直接型メタノール燃料電池の起電力を減少させるという問題を引き起こす。このクロスオーバー過電圧はメタノール濃度が高い程深刻であり、５Ｍ以上のメタノール水溶液をアノード触媒層に供給すると、出力が著しく低下する恐れがある。さらに、ナフィオン膜のような電解質膜の劣化を抑制するという観点からも、メタノール水溶液の濃度を５Ｍ以下にすることが好ましい。よって、直接型メタノール燃料電池を動作させるためには、燃料であるメタノール水溶液の濃度を５Ｍ以下にすることが好ましい。
【００１７】
また、クロスオーバー過電圧を下げる別の方法としては、アノード触媒層に供給するメタノールをすべてアノード触媒層中で消費し、カソード触媒層へ透過させない方法が考えられる。即ち、アノード触媒層中での触媒活性を向上させるか、触媒担持量を増やすなどの方法が考えられるが、現状の触媒では実現不可能である。また、アノード触媒層中で使われなかったメタノール水溶液をカソード触媒層に透過させない様な電解質膜の開発も行われているが、実際にはプロトン導伝性が悪くなる電解質膜が多く、かえって出力を低下させる場合が多い。よって、クロスオーバー過電圧を下げるには、燃料として用いるメタノール水溶液のメタノール濃度を下げることが望ましい。しかしながら、低濃度の燃料を用いると、燃料容器を大きくする必要があるため、直接型メタノール燃料電池の特徴を十分に生かせなくなる恐れがある。
【００１８】
上記の様に、５Ｍ以下のメタノール濃度のメタノール水溶液を燃料として用いることが望ましいが、例えば、１Ｍ程度の薄いメタノール水溶液を燃料として用いると、メタノール水溶液容器の容積が大きくなるだけでなく、電池内部で反応に対してメタノール不足を生じやすいので、メタノール水溶液容器からメタノール水溶液を早く送液する必要が出てくる。この様な運転を行えば、クロスオーバー過電圧を下げられるため、電池としての出力は高くなるものの、メタノール水溶液を供給するためのポンプ出力も大きくなるために、発電装置全体での出力は逆に低下してしまう恐れがある。
【００１９】
以上説明した様に、燃料供給という観点からは、濃いメタノール水溶液を小さい流速で送ることが望ましいが、出力の観点からは、薄いメタノール水溶液を大きい流速で送る方が望ましいという相反する状況が生じる。即ち、燃料容積を小さくし、かつ高出力を得るためには、最適な濃度のメタノール水溶液を最適な流速で送液する必要がある。
【００２０】
そこで、次に、上記問題を解決することが可能な、直接型メタノール燃料電池を用いた発電システムの一例の概略構成図を、図６に示す。
【００２１】
この発電システムは、前述した図１及び図２に例示されるような断熱層未形成の単位スタック部１６を具備したスタック部２０を備える。メタノール水溶液２１が収容されているメタノール水溶液容器２２は、第１の送液ポンプ２３を介してアノード流路の燃料供給口に接続されている。また、アノード流路の燃料排出口は、排出管２４を介してメタノール水溶液容器２２に接続されており、排出されるメタノール水溶液をメタノール水溶液容器２２に戻すことにより再利用する仕組みになっている。空気のような酸化剤を供給するための酸化剤供給手段としては、ポンプ（もしくは送風ファン）２５がカソード流路の酸化剤供給口に接続されている。カソード流路の排出口は、逆止弁２６を介してカソード回収容器２７に接続されており、カソード電極から排出される水及び余剰分の酸化剤がカソード回収容器２７中に回収される仕組みになっている。さらに、カソード回収容器２７中には、発電開始前から水２８が収容されており、その液面以下に管２９が接続されているので、カソード電極から排出される気体を水中でバブリングすることが可能な構造になっている。カソード電極から排出されるメタノール、ホルムアルデヒド及び蟻酸は、空気や二酸化炭素などと比較して、水に対する溶解度が二桁以上高いので、水中でバブリングを行なえば、これらの物質は液中に溶け込み、回収容器２７の気体中には空気や二酸化炭素のみが排出される。特に、回収容器２７の内圧が高い程効果的であり、逆止弁２６に用いる弾性体を調整することにより実現可能である。さらに、逆止弁２６は、カソード回収容器２７内部の液体が逆流することを抑える働きもしている。さらに、負荷電流の経時変化から評価されるメタノール水溶液容器２２内のメタノール水溶液２１の濃度に応じて、メタノール水溶液容器２２にメタノール水溶液２１を補充するメタノール補充手段として、第２のメタノール水溶液容器３０と第２の送液ポンプ３１とを備える。さらに、メタノール水溶液容器２２の上面は、カソード回収容器２７の液面以下の部分に、逆止弁３２を介して接続されてており、メタノール水溶液容器２２から排出される気体をカソード回収容器２７内部の水２８でバブリングを行なう様に構成されている。このことにより、メタノール水溶液容器２２から排出される気体のうち、メタノールガスとホルムアルデヒドは、カソード回収容器２７中の水２８に溶け込み、カソード回収容器２７の気体中には二酸化炭素のみが排出されることになる。さらに、カソード回収容器２７中の液体（水２８を含む）を第１のメタノール水溶液容器２２に送液するために、第３の送液ポンプ３３を介して、カソード回収容器２７と第１のメタノール水溶液容器２２は接続されている。このことにより、カソード回収容器２７中の液中に溶け込んでいるメタノール、ホルムアルデヒド及び蟻酸を、アノード電極の反応を行なうための燃料として再利用できるだけでなく、環境及び人体に対して有害なこれらの物質を完全に分解することが可能となる。また、カソード回収容器２７に蓄積された気体を外部に排出するため、カソード回収容器２７から逆止弁３４を通して外部へ排出管３５が出ている。
【００２２】
次に、この発電システムを実施するための回路の一例を図７に示す。負荷電流を運転時間に対応させて経時変化として記録したものから評価されるメタノール水溶液容器２２内のメタノール水溶液２１の濃度に応じて、アノード流路を流れるメタノール水溶液の流量Ｊｍ（ｍＬ／ｍｉｎ）を制御する流量制御手段は、メタノール流量制御装置３６と、電流経時変化記録評価装置３７とを備える。第１のメタノール水溶液容器２２からスタック部２０に送液する手段として、第１の送液ポンプ２３を、メタノール補充手段として、第２のメタノール水溶液容器３０と第２の送液ポンプ３１を、さらに、カソード回収容器２７から第１のメタノール水溶液容器２２に水を送液する手段として、第３の送液ポンプ３３を備える。また、第１、第２及び第３の送液ポンプ２３，３１，３３は、メタノール流量制御装置３６及び電流経時変化記録評価装置３７を共有している。また、外部回路３８はスタック部２０に接続されている。電流経時変化記録評価装置３７は、メタノール流量制御装置３６及び外部回路３８に接続されている。送液ポンプ（第１、第２及び第３の送液ポンプ２３，３１，３３を含む）、送風ファン２５及びヒータ（図示しない）を含む補器３９を直接型メタノール燃料電池の出力で駆動させるため、補器の電源は、直接型メタノール燃料電池に直結されている。
【００２３】
例えば、この流量制御手段は、直接型メタノール燃料電池から外部回路３８に出力される電流の経時変化を電流経時変化記録評価装置３７で記録し、そのデータから評価されるメタノール水溶液容器２２中のメタノール水溶液濃度に応じて第１の送液ポンプ２３の送液量を、メタノール流量制御装置３６で制御することによって実行される。
【００２４】
さらに、メタノール補充手段は、メタノール流量制御装置３６で評価されたメタノール濃度に応じて第２の送液ポンプ３１に命令を送り、第２のメタノール水溶液容器３０からメタノール水溶液容器２２に送液を行うことによって実行される。
【００２５】
メタノール水溶液容器２２内部のメタノール水溶液２１の濃度が低下する（例えば、０．５Ｍ以下になる）と、単位発電部１でのメタノール不足により出力が急激に減少する恐れがある。よって、第１のメタノール水溶液容器２２中のメタノール水溶液２１の濃度が低濃度（例えば、０．５Ｍ以下）になった場合、内部にメタノール水溶液を残したままメタノール水溶液容器２２を交換する必要が出てくる。そこで、前述した図６に示す発電システムのように、第２のメタノール水溶液容器３０から濃いメタノール水溶液をメタノール水溶液容器２２に送液することにより、メタノール水溶液容器２２中のメタノール濃度を所定値以上（例えば０．５Ｍ以上）にすれば、メタノール水溶液容器２２中のメタノール水溶液を再利用することが可能となり、容器２２中のすべてのメタノール水溶液を使いきることができる。また、第２のメタノール水溶液容器３０は、補充専用であるため、第２のメタノール水溶液容器３０中のメタノール水溶液をすべて使いきった時点で、第２のメタノール水溶液容器３０を交換することが可能となる。同時に、カソード回収容器２７からも水をメタノール水溶液容器２２に送液し、アノード極中の水不足を解消することが可能となる。さらに、メタノール水溶液容器２２中のメタノール濃度を初期の濃度に戻すことにより出力を回復させることも可能となる。
【００２６】
さらに、直接型メタノール燃料電池は、その出力特性が温度に対して非常に敏感である。直接型メタノール燃料電池で最大出力が得られる動作温度は７０℃付近であり、２０℃程度温度が下がると、アノード触媒層中でのメタノールの拡散速度が低下するために限界負荷電流が減少し、出力密度が低下する。一方、７０℃よりも温度が２０℃程度上がると、アノード触媒層中でのメタノールの拡散速度が高くなりすぎるため、クロスオーバー現象の影響も強められ、著しい起電力の低下を生じてしまう。よって、直接型メタノール燃料電池から十分な出力を取り出すためには、７０℃±１０℃程度に動作温度を維持する必要が出てくる。しかしながら、スタック部自体の温度を７０℃近傍に維持するために、何かしらの断熱構造もしくは放熱構造をスタック部に設ければ、直接型メタノール燃料電池発電装置全体の大型化を生じ、携帯機器への応用上問題である。また、直接型メタノール燃料電池から生じる発熱量は、発電によって生じる発熱量とカソード触媒層に透過した（クロスオーバーした）メタノールがカソード触媒層で燃焼することによって生じる発熱量の二つに分けることができる。発電によって生じる単位時間当りの発熱量Ｑ１（Ｗ）は、下記（２）式で与えられる。
【００２７】
Ｑ１＝ｎＳｅ（１．２１−Ｖ）Ｊ        （２）
但し、（１．２１−Ｖ）は、発電反応のＧｉｂｂｓの自由エネルギーから決まる起電力１．２１Ｖに対する電圧降下分で、Ｖは単位発電部の電圧（Ｖ）を示し、Ｊは、単位発電部の電流密度（ｍＡ／ｃｍ２）であり、Ｓｅは単位発電部の電極面積（ｃｍ２）であり、ｎはスタック部における単位発電部の積層数である。
【００２８】
さらに、カソード触媒層にクロスオーバーしたメタノールの燃焼によって生じる発熱量Ｑ２（Ｗ）は、下記（３）式で与えられる。
【００２９】
Ｑ２＝７．２７×１０５ｎＳｅＪｍ        （３）
但し、７．２７は、メタノールの燃焼反応のエンタルピー変化７２７（ｋＪ／ｍｏｌ）に由来する値であり、Ｊｍはカソード触媒層にクロスオーバーする単位面積当たりのメタノール流量（ｍｏｌ／ｃｍ２  ／ｓｅｃ）である。
【００３０】
よって、スタック部全体での発熱量Ｑ（Ｗ）は、下記（４）式で表される。
【００３１】
Ｑ＝Ｑ１＋Ｑ２        （４）
ところで、カソード触媒層にクロスオーバーするメタノール流量は、アノード流路に供給するメタノール水溶液の流量に依存し、発電によって得られる出力密度と一概に結びつけることはできない。しかしながら、クロスオーバーによって消費されるメタノール流量が増加すると、発電に利用されるメタノール量（燃料利用効率）の低下を招くだけでなく、メタノール水溶液の送液に用いる前記第１の送液ポンプの消費電力の増加、即ち、実効的に直接型メタノール燃料電池から取り出せる出力の低下を招いてしまう。そこで、電流密度Ｊを取り出すのに必要なメタノール流量（Ｊ／６Ｆ）（Ｆ：ファラデー定数、９６４８７Ｃ／ｍｏｌ）だけを、アノード触媒層に供給すれば、クロスオーバーによる過電圧の低下を抑えることができるだけでなく、燃料利用効率の増加、送液ポンプによる消費電力の低下が可能となる。しかしながら、アノード触媒層中のメタノールの拡散時間は、実際には有限の大きさであり、発電に必要なメタノール流量を供給しただけでは、安定して発電を行なうことができず、（１．６×Ｊ／６×Ｆ）程度の燃料を送液する必要があることが、実験的に分かっている。よって、発電に必要な最適なメタノール流量を送液した場合においても、クロスオーバーするメタノール流量は、（０．６×Ｊ／６×Ｆ）程度生じると考えられる。即ち、直接型メタノール燃料電池の単位発電部の起電力として一般に用いる０．４Ｖにおいては、これらのことを考慮すれば、燃料電池から得られる出力（補器への出力分を含む）Ｐ（Ｗ）に対して、スタック部の発熱量Ｑ（Ｗ）は、下記（５）式で表される。
【００３２】
【数１】
2004281072.tif 000003
【００３３】
例えば、直接型メタノール燃料電池によってパソコンを駆動する場合には、必要な出力２０〜３０Ｗの電力に対して６０〜９０Ｗの発熱量が生じてしまうことになり、これらの熱を外部に放熱する必要がでてくる。図８に、放熱量とそれに必要な放熱フィン及びファンの容積の関係を表す図を示す。２０〜３０Ｗの発電を行なった際の放熱量は、前述した（５）式から６０〜９０Ｗ程度であるため、２０〜３０Ｗの発電を行なった際には、１５０〜２５０ｍＬの容積をもつ放熱機構が必要となることが図８から理解できる。その結果、直接型メタノール燃料電池発電装置全体の容積が著しく大きくなるため、応用上問題を生じてしまう。特に、放熱機構の容積を小さくすることは、直接型メタノール燃料電池の小型化を行なう上で重要である。
【００３４】
以上述べた様に、直接型メタノール燃料電池の高出力化を行なうと、スタック部から生じる発熱量も増大し、単位発電部の発電に最適な６０℃〜８０℃の間に、スタック部の温度を維持することができなくなるという問題を生じてしまう。そのため、スタック部の作製には、出力的観点からだけでなく熱的観点にも立った設計を行なう必要がある。
【００３５】
本発明に係る第１の燃料電池発電装置は、複数の単位電池を備えた燃料電池発電装置であって、
各単位電池は、
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを含む複数の単位発電部を積層した単位スタック部と、
前記単位スタック部の表面を被覆する熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下の断熱層とを含み、かつ下記（１）式を満足することを特徴とする。
【００３６】
２０≦Ｐ／Ｓ≦３１      （１）
但し、Ｐは各単位電池の出力（ｍＷ）で、Ｓは各単位電池の単位スタック部の表面積（ｃｍ２）である。
【００３７】
ここで、単位スタック部は、複数の単位発電部を縦もしくは横に積層したものであることが望ましく、図１及び図２に示す構造を有するものが例示される。単位発電部を縦に積層すると、単位発電部が直列に接続され、また、単位発電部を横に積層すると、単位発電部が並列に接続される。本発明においては、このような構成を有する複数の単位電池を直列接続、並列接続、あるいは直列接続と並列接続とを組合わせて組電池として使用することができる。
【００３８】
（Ｐ／Ｓ）を前述した（１）式に限定する理由について説明する。Ｐは、各単位電池の定格出力密度と電極面積（アノード電極とカソード電極との反応面積）との積である。また、Ｓは、各単位スタック部の占有体積と等しい大きさの直方体の表面積である。（Ｐ／Ｓ）を２０ｍＷ／ｃｍ２未満にすると、発電に伴う自己発熱量が不足するため、自己発熱により単位スタック部の温度を６０℃以上に維持することが困難になる。一方、（Ｐ／Ｓ）が３１ｍＷ／ｃｍ２を超えると、発電時の発熱量が多くなるため、単位スタック部の温度が８０℃を超え、高起電力を得られない恐れがある。
【００３９】
熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下の断熱層は、例えば、空気のような１０−１〜１０−２（Ｗ／ｍ／Ｋ）程度の熱伝導率を有する気泡分散材、マイクロサーモのような１０−２〜１０−４（Ｗ／ｍ／Ｋ）程度の熱伝導率を有する粉末質断熱材等から形成することができる。また、この断熱層は、真空断熱により形成することも可能である。さらに、断熱層の熱伝導率が低いほど、断熱層の厚さを薄くすることができるため、燃料電池発電装置の小型化を促進することができる。
【００４０】
熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下の断熱層の厚さは、例えば空気の場合には、０．１〜２ｍｍの範囲内にすることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。断熱層の厚さを０．１ｍｍ未満にすると、他の単位電池から受ける熱的影響が大きくなるため、単位スタック部の温度むらが大きくなる恐れがある。断熱層の厚さが２ｍｍを超えると、燃料電池発電装置の体積効率が低くなる恐れがある。
【００４１】
本発明において、単位スタック部を断熱層で被覆する第１の理由は、単位スタック部における温度分布を一様にするためである。特に、直接型メタノール燃料電池のセパレータ材料としては、金属やカーボンなど熱伝導率の高い材料を用いるので、熱伝導率が低い断熱層で表面を薄く覆うだけで、十分な効果があると考えられる。また、単位電池間の熱的影響を小さくする点、さらには、直接型メタノール燃料電池の立ち上げ時に、すみやかに単位発電部の温度を６０℃〜８０℃の範囲に上昇させるという観点からも有効である。
【００４２】
本発明に関わる燃料電池発電装置における式（１）を導出するための原理を説明する。
【００４３】
単位電池からの発熱量は、前述した（５）式で与えられる。それに対して、単位スタック部表面からの放熱量Ｑ′は、単位スタック部の表面積をＳとすると、下記（６）式で表される。
【００４４】
【数２】
2004281072.tif 000004
【００４５】
ここで、ａは熱伝導率（＝１０Ｗ／Ｋ／ｍ２）で、σはシュテファン・ボルツマン係数（５．６７×１０−８Ｗ／ｍ２／Ｋ４）で、εは輻射率（＝０．７）で、Ｔ０  は室温（＝３００Ｋ）である。熱伝導率としては、通常、５〜１０（Ｗ／Ｋ／ｍ２）の値を用いるが、直接型メタノール燃料電池のセパレータに金属やカーボンなど熱伝導率の高い材料を用いる点と本発明の計算では輻射熱を考慮している点という２点から、熱伝導率ａ＝１０（Ｗ／Ｋ／ｍ２）を用いた。また、セパレータにカーボン材料を用いると、輻射率は０．９程度、金属を用いると０．５程度になると考えられるが、計算結果を大きく変更しないので、平均値である０．７を用いた。これらの値を代入すると、単位電池の到達する温度６０℃〜８０℃の範囲で、αは６．０×１０〜９．２×１０ｍＷ／ｃｍ２  と計算される。よって、単位電池が自己発熱により６０℃〜８０℃の範囲に到達するための条件は、式（５）及び式（６）より以下の（７）式で与えられる。
【００４６】
２０ｍＷ／ｃｍ２≦Ｐ／Ｓ≦３１ｍＷ／ｃｍ２      （７）
すなわち、前述した（１）式が得られた。式（１）に従い、単位電池の設計を行なえば、自己発熱により単位スタック部の温度を６０℃〜８０℃の範囲内に維持することができ、スタック部の放熱や断熱を行なうための機構を少なくすることができ、直接型メタノール電池全体の容積の小型化が可能となる。即ち、直接型メタノール燃料電池発電装置の携帯機器用途応用上、非常に有用である。
【００４７】
式（１）及び式（７）の正当性を確めるために、１Ｗの直接型メタノール燃料電池発電装置に関して、単位スタック部の放熱や断熱に必要な機構の容積を見積もった計算結果を示す。図９に示すように、単位スタック部における単位発電部１の積層数を４とし、シール幅Ｌを５ｍｍ、セパレータ９の高さ（電極部込み）Ｈを２．５ｍｍとした。例えば、電極から得られる出力密度を５０ｍＷ／ｃｍ２  とすれば電極幅Ｘは２．２４ｃｍとなり、単位スタック部の表面積Ｓは３４ｃｍ２  となる。この単位スタック部が７０℃になるために必要な断熱・放熱機構の容積を見積もった。図９に示すように、単位スタック部の表面には、断熱機構として空気層３９を形成し、この空気層３９の容積を断熱機構の容積とした。なお、空気の熱伝導率は、２．６×１０−２（Ｗ／ｍ／Ｋ）である。一方、単位スタック部の放熱機構に関しては、前述した図８から、単位スタック部を７０℃まで冷却するのに必要な放熱フィン及びファンの容積を見積もった。図１０に、縦軸に断熱機構と放熱機構に必要な合計容積、横軸にＰ／Ｓをとってプロットした結果を示す。各線は、単位発電部から得られる出力密度を変化させた時の計算結果である。この図からも分かる様に、単位発電部の出力密度に関わらず、Ｐ／Ｓ＝２３．８４において、断熱及び放熱に必要な補器系が最も小型化することが分かる。次に、単位発電部における出力密度が５０ｍＷ／ｃｍ２  の時に、６０℃〜８０℃の範囲において、断熱及び放熱に必要な補器の容積がどの様に変化するか計算した結果を、図１１に示す。６０℃〜８０℃の温度範囲において、容積が最小となるＰ／Ｓが式（７）の範囲で変化していることが示された。よって、前述した（１）式の正当性が確認された。
【００４８】
ここで、本発明の計算では、単位スタック部の温度が一様に上昇するという仮定の下で計算を行なっている。しかしながら、金属やカーボンなど熱伝導率の高い材料をセパレータを用いたとしても、実際には、単位スタック部の表面よりも内部の方が温度が高くなる傾向がある。そこで、本発明にある様に、単位スタック部の表面を断熱層で被覆すれば、単位スタック部の温度を一様にする上で効果的である。また、上記計算からも示された様に、（Ｐ／Ｓ）が本発明の範囲にあれば、スタック部を６０℃〜８０℃へ上昇させるために、断熱層以外の他の断熱機構を必要としない。よって、本発明において、単位スタック部表面を覆う断熱層は、電池全体の小型化という観点からも、できる限り熱伝導率の低い材料を薄く覆った方が良い。例えば、最も熱伝導率の低い空気を、０．５ｍｍ程度の厚みで覆う場合が挙げられる。この程度の断熱を行なった場合でも、セパレータとの熱伝導率が大きく異なるために、スタック内部の温度を一様にするという観点では効果的である。一方、熱伝導率としては、セパレータに対して十分無視できるので、熱伝導率としてａ＝１０（Ｗ／Ｋ／ｍ２）を用いたとしても、計算結果を変更させることはない。
【００４９】
以上説明した本発明に係る第１の燃料電池発電装置によれば、前述した（１）式を満足する単位スタック部の表面を熱伝導率が０．１（Ｗ／ｍ／Ｋ）以下の断熱層で被覆しているため、発電時の発熱により単位スタック部の温度を６０℃〜８０℃の範囲内に維持することができる。その結果、前述した図１０、図１１に示すように、断熱・放熱に要する機構の容積を小さくすることができるため、燃料電池発電装置の小型化を図ることができる。
【００５０】
また、単位電池間の熱的干渉を少なくすることができるため、単位電池の温度分布を均一にすることができる。その結果、単位電池を構成する単位発電部間の出力特性のばらつきを小さくすることができるため、一部の単位発電部に転極が生じるのを回避することができ、高電圧を得ることができる。
【００５１】
従って、本発明によれば、体積効率に優れ、かつ高出力な燃料電池発電装置を実現することができる。
【００５２】
また、本発明に係る第２の燃料電池発電装置は、複数の単位電池を備えた燃料電池発電装置であって、
各単位電池は、
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極及び前記カソード電極の間に配置される電解質膜とを含む複数の単位発電部を積層した単位スタック部と、
前記単位スタック部の表面を前記表面との間に隙間を開けて囲む断熱板とを含み、かつ前述した（１）式を満足することを特徴とするものである。
【００５３】
断熱板としては、例えば、アクリル板を挙げることができる。また、単位スタック部を断熱板で囲む手法としては、例えば、断熱板で形成された容器内に単位スタック部を収納する、断熱板で形成された容器内を断熱板で仕切り、仕切られた空間内に単位スタック部を収納する等を挙げることができる。
【００５４】
断熱板と単位スタック部との間に形成された隙間（空気層）は、断熱層として機能することができる。この隙間の大きさは、前述した第１の燃料電池発電装置で説明したのと同様な理由により０．１〜２ｍｍの範囲内にすることが望ましい。
【００５５】
以上説明した本発明に係る第２の燃料電池発電装置によれば、前述した（１）式を満足する単位スタック部を単位スタック部との間に隙間を開けて断熱板で囲んでいるため、発電時の発熱により単位スタック部の温度を６０℃〜８０℃の範囲内に維持することができる。その結果、前述した図１０、図１１に示すように、断熱・放熱に要する機構の容積を小さくすることができるため、燃料電池発電装置の小型化を図ることができる。
【００５６】
また、単位電池間の熱的干渉を少なくすることができるため、単位電池の温度分布を均一にすることができる。その結果、単位電池を構成する単位発電部間の出力特性のばらつきを小さくすることができるため、一部の単位発電部に転極が生じるのを回避することができ、高電圧を得ることができる。
【００５７】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００５８】
（実施例１）
＜５Ｗ直接型メタノール燃料電池スタック部の設計＞
まず最初に単位発電部を作成し、電流電圧特性の測定を行なった。そして、次に、この実験結果に基づき、５Ｗ直接型メタノール燃料電池スタック部の設計を行なった。
【００５９】
＜直接型メタノール燃料電池の触媒層・電解質接合体の作製＞
公知のプロセス（Ｒ．Ｒａｍａｋｕｍａｒ  ｅｔ  ａｌ．Ｊ．Ｐｏｗｅｒ  Ｓｏｕｒｃｅｓ  ６９（１９９７）７５）により、アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックとカソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックを作製した。触媒担持量は、カーボン１００に対して重量比でアノードは３０、カソードは１５とした。前記プロセスにおいて作製したアノード用触媒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（Ｄｕｐｏｎｔ社Ｎａｆｉｏｎ溶液ＳＥ−２００９２）とイオン交換水を添加し、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。アノード拡散層としての撥水処理済カーボンペーパー（Ｅ−ＴＥＫ社製の商品名がＴＧＰＨ−１２０）の上にペーストを５５０μｍ塗布し、乾燥させ、アノード触媒層を形成することによりアノード電極を得た。前記プロセスにおいて作製したカソード用触媒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（Ｄｕｐｏｎｔ社Ｎａｆｉｏｎ溶液ＳＥ−２００９２）とイオン交換水を加え、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。カソード集電体としての撥水処理済カーボンペーパー（Ｅ−ＴＥＫ社製の商品名がＴＧＰＨ−０９０）の上にペーストを２２５μｍ塗布した後、乾燥させ、カソード触媒層を形成することにより、カソード電極を得た。アノード電極のアノード触媒層とカソード電極のカソード触媒層の間に、電解質膜としての市販のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（Ｄｕｐｏｎｔ社Ｎａｆｉｏｎ１１７）を配置し、これらにホットプレス（１２５℃、５分間、５０ｋｇ／ｃｍ２）を施すことにより、アノード電極、電解質膜及びカソード電極を接合し、触媒層・電解質接合体を得た。接合体中のアノード触媒層の断面積は、１０ｃｍ２  であった。また、接合体を切断し、断面積を電子顕微鏡で観察したところ、アノード触媒層の厚さは１０５μｍで、カソード触媒層の厚さは５０μｍであった。また、この電子顕微鏡観察により、アノード電極と電解質膜とカソード電極との接合状態が良好であることを確認することができた。
【００６０】
＜単位発電部評価用セルの作製＞
作製した触媒層・電解質接合体をカーボン製のセパレータに装着し、ネジで締め付けることにより密閉した。セパレータにはシリコンラバーヒーターが装着されており、市販の温度コントローラーを用いて、ホルダー内部の温度制御が可能となる様にした。ところで、アノード電極側に位置するセパレータには、前述した図４に示すような形状のアノード流路が形成されている。アノード流路のメタノール供給口に供給チューブを接続すると共に、アノード流路のメタノール排出口に排出チューブを接続した。メタノール水溶液容器（容積１０ｍＬ）にメタノール水溶液を収容し、市販の送液ポンプを用いて送液し、供給チューブ及び供給口を通してアノード流路に供給した。アノード拡散層であるアノードカーボンペーパーに浸み込まなかったメタノール水溶液をメタノール排出口を通して排出チューブから排出した。
【００６１】
一方、カソード電極側に位置するセパレータにも、アノード流路と同様な形状のカソード流路が形成されている。カソード流路の酸化剤供給口に供給チューブを接続すると共に、カソード流路の酸化剤排出口に排出チューブを接続した。市販のエアーポンプを用いて空気を送気し、供給チューブ及び供給口を通してカソード流路に供給した。空気の流量は、市販のマスフローコントローラーを用いて調整した。送液は０．６ｍＬ／ｍｉｎ〜６ｍＬ／ｍｉｎまでの範囲で調整可能であり、送気は２０ｍＬ／ｍｉｎ〜５Ｌ／ｍｉｎの範囲で調整可能であることを確認した。また、市販の電子負荷機を用いて、負荷を調整した。さらに、電圧検出手段には、市販のデジタルマルチメーターを用いた。
【００６２】
＜電流電圧特性の測定＞
前記メタノール水溶液容器中のメタノール水溶液として、メタノール濃度２Ｍのものを用意し、０．６ｍＬ／ｍｉｎで送液を行った。また、送気量は１００ｍＬ／ｍｉｎとし、温度は５０℃、７０℃、９０℃に関して実験を行なった。測定した電流電圧特性の結果を図１２に示す。図１２からも分かる様に、７０℃の場合が最も高い出力密度が得られ、負荷電流密度１７０（ｍＡ／ｃｍ２）において、最大出力密度５０（ｍＡ／ｃｍ２）が得られることが分かった。しかし、それよりも電流密度を増大させると急激な電圧降下が起きるために出力密度の低下が起き、安定した出力が得られないことが分かった。これは、負荷電流に対してメタノール水溶液の供給量が追いつかず、燃料不足の状態になるためと推察される。そこで、安定して出力の得られる１００（ｍＡ／ｃｍ２）、０．４１Ｖを単位発電部の定格出力として、５Ｗ直接型メタノール燃料電池スタック部の設計を行なうこととした。
【００６３】
＜５Ｗ直接型メタノール燃料電池の単位スタック部の設計＞
まず、シール幅Ｌが５ｍｍで、セパレータの高さＨ（電極部込み）が２．５ｍｍの単位発電部を用いて、単位発電部の積層数が４で、出力Ｐが１Ｗの断熱層未形成の単位電池（実施例１）と、単位発電部の積層数が２０で、出力Ｐが５Ｗの断熱層未形成の単位電池（比較例１）とを用意した。図１３に、実施例１の単位電池と比較例１の単位電池について、Ｐ／Ｓ（ｍＷ／ｃｍ２）と単位スタック部を構成する単位発電部の出力密度ｐ（ｍＷ／ｃｍ２）との関係を示す。なお、図１３では、単位発電部の電極面積を変更することにより単位スタック部の表面積Ｓを変え、（Ｐ／Ｓ）を変更した。
【００６４】
また、（Ｐ／Ｓ）が２０〜３１（ｍＷ／ｃｍ２）の範囲を一点鎖線に囲まれた範囲として示した。実施例１の単位電池によれば、（Ｐ／Ｓ）が２０〜３１（ｍＷ／ｃｍ２）の範囲において、単位発電部からの出力密度が４０（ｍＷ／ｃｍ２）となる。一方、比較例１の単位電池によると、（Ｐ／Ｓ）が２０〜３１（ｍＷ／ｃｍ２）の範囲における単位発電部での出力密度が２０（ｍＷ／ｃｍ２）より小さくなるばかりか、単位発電部において出力密度４０（ｍＷ／ｃｍ２）の発電を行なえば、発熱量が過剰となり、スタック部の温度が８０℃を超えてしまうことが予想される。
【００６５】
そこで、単位発電部１を縦方向に４個スタックしたスタック部を単位スタック部１６とし、それを５個直列に接続することによって５Ｗスタックを作製した。そして、単位スタック部１６それぞれの全体を厚さが０．３ｍｍのアクリル板４０で囲み、単位スタック部１６とアクリル板４０の間に断熱層３９として厚さが０．２ｍｍの空気層（熱伝導率が２．６×１０−２（Ｗ／ｍ／Ｋ））を形成し、単位スタック部１６の断熱を行ない、５個の単位電池を得た。単位電池の模式的な断面図を図１４に示す。以後、この作製した１Ｗの単位電池を、実施例１の単位電池と称することにする。
【００６６】
一方、単位発電部を２０個縦方向に積層した５Ｗスタック部を比較例１の単位電池とした。
【００６７】
（実施例２）
＜５Ｗ直接型メタノール燃料電池スタック部の作製＞
まず、実施例１で説明したのと同様な１Ｗの単位電池の作製を行なった。実施例１と同様の方法により、電極面積（反応面積）が６．１ｃｍ２  の単位発電部を２０枚作製した。そして、それぞれについて上記測定を行い、どの単位発電部からも１００ｍＡ／ｃｍ２  の電流密度において０．４Ｖ以上の電圧が得られることを確認した。そこで、セパレータ（流路板）で挟んで、４枚の単位発電部を直列に並べた。流路板には、１枚の板の一方の面に前述した図４に示す構造を有するアノード流路が形成され、かつ他方の面に前述した図４に示すような蛇行形状のカソード流路が形成されたものを使用した。また、単位発電部のアノード電極とカソード電極の端部には、燃料や空気の漏れがない様に、フッ素樹脂によるシール材を取り付けた。最後に、ネジで締め付け、４枚の単位発電部を、電気的に直列に接続した。
【００６８】
さらに、各単位発電部に対して、並列に送液、送気が行える様に配管の接続を行った。最後に、作製した単位スタック部を厚さが０．３ｍｍのアクリル板で囲み、単位スタック部とアクリル板の間に断熱層として厚さが０．２ｍｍの空気層を形成し、断熱を行ない、単位電池を得た。但し、セパレータにはシリコンラバーヒーターが装着されており、市販の温度コントローラーを用いて、ホルダー内部の温度制御が可能となる様にした。そして、アノード電極側にメタノール濃度２Ｍのメタノール水溶液を１．４５ｍＬ／ｍｉｎで送液すると共に、カソード電極側に２４０ｍＬ／ｍｉｎで空気を供給し、単位スタック部を７０℃に維持しながら、負荷電流６００ｍＡをひいたところ、電圧１．６２Ｖが得られることが分かった。このことにより、単位発電部の定格出力から予想される出力が、単位電池から得られていることが確認され、単位電池の構成に問題がないことを確認した。また、この単位スタック部の表面積Ｓは３７．９６ｃｍ２であり、（Ｐ／Ｓ）は２６．３４ｍＷ／ｃｍ２となる。即ち、（Ｐ／Ｓ）が前述した（１）式で規定される範囲を満足していることを確認することができた。そして、同様の方法により単位電池を５個用意し、これらを直列に接続した。また、各単位電池に対しても、並列に送液、送気が行える様に配管の接続を行った。単位電池間を直列接続した状態を模式的に図１５に示す。また、図１５に、単位電池にメタノール水溶液を並列に送液する送液経路を４１とし、単位電池に空気を並列に送気する送気経路を４２として示す。
【００６９】
さらに、この様にして構成した複数の単位電池からなるスタック部に対して、アノード電極にメタノール濃度２Ｍのメタノール水溶液を７．５ｍＬ／ｍｉｎで送液し、かつカソード電極に空気を１．３Ｌ／ｍｉｎで送気し、単位スタック部を７０℃に維持しながら、負荷電流６００ｍＡをひいたところ、８Ｖ以上の電圧が得られることが確認された。即ち、各単位電池に対するメタノール水溶液及び空気の配流に問題がないことが示されたことになる。こうして、実施例２のスタック部を完成した。
【００７０】
次に、実施例１と同様の方法により作製した電極面積６．１ｃｍ２  の単位発電部を２０枚用意し、単位発電部それぞれをセパレータ（流路板）で挟みながら、２０枚の単位発電部を縦方向に積層することにより直列に接続し、比較例２のスタック部を作製した。実施例２の単位電池作製と同様、流路板には、１枚の板の一方の面に前述した図４に示す構造を有するアノード流路が形成され、かつ他方の面に前述した図４に示すような蛇行形状のカソード流路が形成されたものを使用した。また、単位発電部のアノード電極とカソード電極の端部には、燃料や空気の漏れがない様に、フッ素樹脂によるシール材を取り付けた。最後に、ネジで締め付け、２０枚の単位発電部を、電気的に直列に接続した。セパレータには、シリコンラバーヒーターが装着されており、市販の温度コントローラーを用いて、ホルダー内部の温度制御が可能となる様にしてある。但し、比較例２のスタック部は、実施例１における設計から、スタック部の温度が７０℃以上になることが予想されるので、断熱層で囲まなかった。実施例２の燃料電池と同様、アノード電極にメタノール濃度２Ｍのメタノール水溶液を７．５ｍＬ／ｍｉｎで送液し、かつカソード電極に空気を１．３Ｌ／ｍｉｎで送気し、スタック部を７０℃に維持しながら、負荷電流６００ｍＡをひいたところ、８Ｖ以上の電圧が得られることが確認された。即ち、各単位発電部に対して、メタノール水溶液及び空気の配流に問題がないことが確認されたことになる。こうして、比較例２のスタック部を完成させた。
【００７１】
＜５Ｗ直接型メタノール燃料電池システムの作製及び特性評価＞
次に、実施例２及び比較例２のスタック部を用いて前述した図６、図７に示した直接型メタノール燃料電池システムを構成し、実施例２及び比較例２の５Ｗ直接型メタノール燃料電池スタック部の特性を評価した。メタノール水溶液容器には２Ｍのメタノール水溶液を１０ｍＬ、補充用第２のメタノール水溶液容器にはＣｏｎｃのメタノールを１０ｍＬを入れた。メタノールの燃料利用効率を７０％として計算すると、理論上はスタック部を４５時間連続駆動可能であることが予想される。なお、メタノール水溶液容器は、実施例２においては共通燃料タンクとして使用され、比較例２においては単位電池の数が１組であるため、この単位電池の燃料タンクとして使用される。さらに、カソード回収容器には、３０ｍＬの容器を用意した。Ｃｏｎｃのメタノールが反応によりすべて水に変わることを想定すれば、９ｍＬの水が生成され、さらに、メタノール水溶液容器中の水９．２ｍＬがカソード電極側よりすべて排出されたとしても、溢れることがない様にした。また、カソード回収容器には、水を１０ｍＬ入れ、カソード電極及びアノード電極から排出される気体をバブリングすることが可能な構成とした。第１の送液ポンプからは７．５ｍＬ／ｍｉｎの流量でメタノール水溶液を、送気用ポンプからは１．３Ｌ／ｍｉｎの流量で空気を、単位電池に供給できる様に調整を行なった。ところで、アノード電極側で、流路板から排出されるメタノール水溶液をメタノール水溶液容器中に回収はしているものの、アノード触媒層中での反応によりメタノールを消費するため、メタノール水溶液容器中のメタノール濃度が徐々に薄くなって行くことが予想される。通常、０．５Ｍよりメタノール濃度が薄くなると出力がとれないと考えられている。計算により、燃料利用効率を７０％とすると、約５分３６秒でメタノール水溶液容器中のメタノール濃度が１Ｍ以下になることが予想される。そこで、５分３６秒毎に、第２の送液ポンプより第２のメタノール水溶液容器からＣｏｎｃ．メタノール０．４ｍＬの送液を行なうこととした。また、アノード触媒層中の反応では、水とメタノールをモル比１対１で消費するので、第３の送液ポンプによりカソード回収容器から同時に、５分３６秒毎に水０．１８ｍＬの送液も行なうこととした。
【００７２】
次に、実際に行なったスタック部の評価方法及び実験結果に関して説明を行なう。まず、実施例２及び比較例２の単位電池に装着されているラバーヒーターによりスタック部が７０℃まで上昇させ、７０℃になったことが確認された後、第１の送液ポンプ及び送気ポンプを駆動させた。そして、５分間、前記操作を行ないながら、負荷電流６００ｍＡを引いた時の電圧を観測した。その結果、８．１Ｖの電圧が５分間得られることが確認された。そこで、ラバーヒーターのスイッチを切り、さらに１時間、負荷電流６００ｍＡに対する電圧の変化を観測した。
【００７３】
実施例２の燃料電池発電装置に関しては、ラバーヒーターのスイッチを切った後、５分経過後から電圧の低下が見られ、約１０分後に８Ｖまで低下したものの、その後は電圧はほぼ一定となることが分かった。この実験より、実施例２の燃料電池発電装置は安定した出力が得られることが確認された。一方、比較例２の燃料電池発電装置に関しても同様の実験を行なったところ、約１８分後より著しい電圧降下が観測されただけでなく、カソード回収容器から水が蒸発していることも確認された。その後１０分後、メタノール水溶液容器中のメタノール水溶液がすべてなくなったため実験を中止した。これはスタック部からの発熱量が過剰であったため、スタック部の温度が上がりすぎ、生成した水が異常に気化したものと考えられる。そのため、カソード回収容器中の温度が上昇し、内部の水がすべて蒸発したものと考えられる。即ち、計算から予想された様に、比較例２の燃料電池発電装置を用いた場合には、放熱器が必要であることが分かった。そこで、発生する熱量から予想される放熱器（容積２０ｍＬ）を比較例２の単位電池に装着し、放熱を行なうことにより再度実験を行なった。しかしながら、比較例２の燃料電池発電装置では、放熱器を設ける前と同様に著しい電圧降下が観測され、６００ｍＡ、８．１Ｖでの連続駆動時間が１時間に満たなかった。これは、スタック部を構成する単位発電部の温度のばらつきが大きく、６００ｍＡの負荷電流で引いた際に転極を生じ、これにより電流集中が生じたためである。
【００７４】
実験終了後、スタック部の大きさの比較を行なった。実施例２のスタック部は断熱層を含めて７０ｍＬ、比較例２のスタック部は６０ｍＬであった。しかしながら、比較例２の発電装置は、２０ｍＬの放熱器を必要とするため、直接メタノール燃料電池の小型化という面で、実施例２の発電装置が有効であることが分かった。実施例２の発電装置と比較例２の発電装置について、スタック部の容積と出力密度との関係を図１６に示す。図１６からも、実施例２の発電装置の方が比較例２の発電装置に比較して小容積で高い出力密度を得られることが理解できる。
【００７５】
（実施例３）
２Ｗの単位電池２個と３Ｗの単位電池１個より、７Ｗの組電池の作製を行った。
【００７６】
＜２Ｗの単位電池の作製＞
実施例１で説明したのと同様な方法により、電極面積１６．７ｃｍ２の単位発電部を３枚作製した。そして、それぞれについて上記測定を行い、どの単位発電部からも１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において０．４Ｖ以上の電圧が得られることを確認した。そこで、セパレータ（流路板）で挟んで、３枚の単位発電部を直列に並べた。流路板には、１枚の板の一方の面に前述した図４に示す構造を有するアノード流路が形成され、かつ他方の面に前述した図４に示すような蛇行形状のカソード流路が形成されたものを使用した。また、単位発電部のアノード電極とカソード電極の端部には、燃料や空気の漏れがない様に、フッ素樹脂によるシール材を取り付けた。最後に、ネジで締め付け、３枚の単位発電部を、電気的に直列に接続した。さらに、各単位発電部に対して、並列に送液、送気が行える様に配管の接続を行った。最後に、作製した単位スタック部を厚さが０．３ｍｍのアクリル板で囲み、単位スタック部とアクリル板の間に断熱層として厚さが０．２ｍｍの空気層を形成し、断熱を行ない、単位電池を得た。但し、セパレータにはシリコンラバーヒーターが装着されており、市販の温度コントローラーを用いて、ホルダー内部の温度制御が可能となる様にした。そして、アノード電極側にメタノール濃度２Ｍのメタノール水溶液を２．９８ｍＬ／ｍｉｎで送液すると共に、カソード電極側に５００ｍＬ／ｍｉｎで空気を供給し、単位スタック部を７０℃に維持しながら、負荷電流１６７０ｍＡをひいたところ、電圧１．２１Ｖが得られることが分かった。このことにより、単位発電部の定格出力から予想される出力が、単位電池から得られていることが確認され、単位電池の構成に問題がないことを確認した。また、この単位スタック部の表面積Ｓは６６．９１ｃｍ２であり、（Ｐ／Ｓ）は２９．８９ｍＷ／ｃｍ２となる。即ち、（Ｐ／Ｓ）が前述した（１）式で規定される範囲を満足していることを確認することができた。さらに、同様の作製方法により、出力Ｐが２Ｗの単位電池を、もう一個用意した。
【００７７】
＜３Ｗの単位電池の作製＞
前述した実施例１で説明したのと同様な方法により、電極面積３７．５ｃｍ２の単位発電部を２枚作製した。そして、それぞれについて上記測定を行い、どの単位発電部からも１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において０．４Ｖ以上の電圧が得られることを確認した。そこで、セパレータ（流路板）で挟んで、２枚の単位発電部を直列に並べた。流路板には、１枚の板の一方の面に前述した図４に示す構造を有するアノード流路が形成され、かつ他方の面に前述した図４に示すような蛇行形状のカソード流路が形成されたものを使用した。また、単位発電部のアノード電極とカソード電極の端部には、燃料や空気の漏れがない様に、フッ素樹脂によるシール材を取り付けた。最後に、ネジで締め付け、２枚の単位発電部を、電気的に直列に接続した。さらに、各単位発電部に対して、並列に送液、送気が行える様に配管の接続を行った。最後に、作製した単位スタック部を厚さが０．３ｍｍのアクリル板で囲み、単位スタック部とアクリル板の間に断熱層として厚さが０．２ｍｍの空気層を形成し、断熱を行ない、単位電池を得た。但し、セパレータにはシリコンラバーヒーターが装着されており、市販の温度コントローラーを用いて、ホルダー内部の温度制御が可能となる様にした。そして、アノード電極側にメタノール濃度２Ｍのメタノール水溶液を４．４６ｍＬ／ｍｉｎで送液すると共に、カソード電極側に７５０ｍＬ／ｍｉｎで空気を供給し、単位スタック部を７０℃に維持しながら、負荷電流３７５０ｍＡをひいたところ、電圧０．８Ｖが得られることが分かった。このことにより、単位発電部の定格出力から予想される出力が、単位電池から得られていることが確認され、単位電池の構成に問題がないことを確認した。また、この単位スタック部の表面積Ｓは１１３．４９ｃｍ２であり、（Ｐ／Ｓ）は２６．４３ｍＷ／ｃｍ２となる。即ち、（Ｐ／Ｓ）が前述した（１）式で規定される範囲を満足していることを確認することができた。
【００７８】
＜７Ｗ直接型メタノール燃料電池システムの作製＞
並列に接続した２個の２Ｗ単位電池と３Ｗ単位電池１個を直列に接続した。また、各単位電池に対して、並列に送液、送気が行える様に配管の接続を行った。さらに、この様にして構成した組電池に対して、アノード電極にメタノール濃度２Ｍのメタノール水溶液を１０．４２ｍＬ／ｍｉｎで送液し、かつカソード電極に空気を１．７５Ｌ／ｍｉｎで供給し、単位スタック部を７０℃に維持しながら、負荷電流３５００ｍＡをひいたところ、約２Ｖの電圧が得られ、７Ｗの出力を確認することができた。即ち、各単位電池に対するメタノール水溶液及び空気の配流に問題がないことが示されたことになる。こうして、実施例３のスタック部を完成した。
【００７９】
この様にして完成した７Ｗ直接型メタノール燃料電池システムでは、単位電池３個より構成されているため、スタック部内部における配流の分岐が少なくて済む。そのため、実施例２で説明したのと同様な方法により１Ｗの単位電池を７個直列に接続することによって作製したスタック部に比較して、配管部分の占める体積を小さくすることが可能となり、直接型メタノール燃料電池システムの小型化に有効であることが分かった。
【００８０】
なお、前述した実施例では、単位電池のアノード極に供給する燃料を一つにまとめて貯蔵する共通燃料タンクを使用する例を説明したが、単位電池それぞれが燃料タンクを備える構成にしても良い。
【００８１】
前述した実施例では、メタノール流量制御装置と電流経時変化記録評価装置とを用いる例を説明したが、本発明に係る燃料電池発電装置は、メタノール流量制御装置と電流経時変化記録評価装置を持たない発電システムに適用することができる。
【００８２】
また、前述した実施例では、カソード回収容器を用いる例を説明したが、カソード回収容器を用いず、カソード流路から排出される液体を直接、第１のメタノール水溶液容器に戻すことも可能である。
【００８３】
さらに、前述した実施例では、第１のメタノール水溶液容器にメタノールを補充する手段として第２のメタノール水溶液容器を用いる例を説明したが、メタノール補充手段を持たない構成にすることも可能である。
【００８４】
なお、本発明は上記実施形態そのまま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。
【００８５】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、小型で、かつ高出力が得られる燃料電池発電装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】断熱層未形成の単位スタック部の一例を示す断面図。
【図２】断熱層未形成の単位スタック部の別な例を示す断面図。
【図３】図１、図２の単位スタック部に組込まれる単位発電部を示す模式図。
【図４】図１、図２の単位スタック部に組込まれるセパレータを示す模式図。
【図５】直接型メタノール燃料電池における電流電圧特性の濃度依存性を示す特性図。
【図６】直接型メタノール燃料電池発電装置の一例を示す模式図。
【図７】図６の直接型メタノール燃料電池発電装置の電気回路の一例を示す回路図。
【図８】直接型メタノール燃料電池発電装置における放熱量とそれに必要な放熱器の容積との関係を示す特性図。
【図９】本発明に係る燃料電池発電装置に組込まれる単位電池の一例を示す断面図。
【図１０】直接型メタノール燃料電池発電装置における（Ｐ／Ｓ）と断熱・放熱機構の容積との関係を出力密度別に示した特性図。
【図１１】直接型メタノール燃料電池発電装置における（Ｐ／Ｓ）と断熱・放熱機構の容積との関係を単位スタック部の温度別に示した特性図。
【図１２】実施例１の直接型メタノール燃料電池発電装置における電流電圧特性の温度依存性を示す特性図。
【図１３】実施例１及び比較例１の直接型メタノール燃料電池発電装置における（Ｐ／Ｓ）と出力密度との関係を示す特性図。
【図１４】実施例１の直接型メタノール燃料電池発電装置に組込まれる単位電池の一例を示す断面図。
【図１５】実施例１の直接型メタノール燃料電池発電装置における複数の単位電池からなるユニットの要部を示す模式図。
【図１６】実施例２及び比較例２の直接型メタノール燃料電池発電装置における電池容積と出力密度との関係を示す特性図。
【符号の説明】
１…単位発電部、２…アノード拡散層、３…アノード触媒層、４…アノード電極、５…カソード拡散層、６…カソード触媒層、７…カソード電極、８…電解質膜、９…セパレータ、１０…アノード流路、１１…カソード流路、１５…シール材、１６…単位スタック部、１７…締め付けネジ、２０…スタック部、２１…メタノール水溶液、２２…第１のメタノール水溶液容器、２７…カソード回収容器、２８…液体、３０…第２のメタノール水溶液容器、３９…断熱層、４０…アクリル板。
【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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