(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路溝を有する流路板と、
前記流路板に対向するように配置され、前記流路溝から供給された供給物質を拡散させる拡散部材と、
前記流路板と前記拡散部材との間に介装され、膜厚方向に比べて平面方向に前記供給物質が透過しにくい構造を有する介装部材とを備え、
前記流路溝は、前記拡散部材に前記供給物質を供給するための第１の流路と、前記拡散部材からの排出物質を排出する第２の流路とを形成し、
前記第１の流路と前記第２の流路とは分離されており、
前記介装部材は、前記流路板の前記流路溝が形成された主表面における非流路領域に対向する第１部分と、前記第１の流路に対向する第２部分と、前記第２の流路に対向する第３部分とを含み、前記第１部分に、前記介装部材の平面方向における前記供給物質および前記排出物質の拡散を抑制する拡散防止構造を有する、マイクロ流体デバイス。
【請求項２】
前記介装部材は、膜厚方向に比べて平面方向に前記排出物質が透過しにくい構造を有する、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
前記拡散防止構造は、前記介装部材内に、前記供給物質の拡散を抑制する物質を含有させた構造である、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
前記拡散防止構造は、前記介装部材内に、前記排出物質の拡散を抑制する物質を含有させた構造である、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
前記第１の流路に前記供給物質が供給されている状態において、前記排出物質が前記介装部材における前記第１の流路に対向する部分を前記拡散部材側から前記第１の流路側へ透過するのに必要な圧力が、前記拡散部材からの前記排出物質の排出圧力以上である、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
前記拡散部材に前記供給物質が供給されている状態において、前記供給物質が前記介装部材における前記第２の流路に対向する部分を前記拡散部材側から前記第２の流路側へ透過するのに必要な圧力が、前記拡散部材からの前記供給物質の排出圧力以上である、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
液体燃料が供給されるとともに該液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、
前記燃料極に対向するように配置され、該燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、
酸化剤が供給されるとともに前記電解質膜に対向するように配置され、該電解質膜を透過した前記陽イオンと前記酸化剤とを反応させる酸化剤極と、
前記燃料極に対向するように配置され、流路溝を有する流路板とを備え、
前記流路溝は、前記燃料極に前記液体燃料を供給する第１の流路と、前記燃料極からの排出ガスを排出する第２の流路とを形成し、
前記第１の流路と前記第２の流路とは分離されており、
前記燃料極は、触媒を含有する前記電解質膜側の電極層と、前記流路板側の拡散層とを有し、
前記流路板と前記拡散層との間に介装され、膜厚方向に比べて平面方向に前記液体燃料が透過しにくい構造を有する介装部材をさらに備え、
前記介装部材は、前記流路板の前記流路溝が形成された主表面における非流路領域に対向する第１部分と、前記第１の流路に対向する第２部分と、前記第２の流路に対向する第３部分とを含み、前記第１部分に、前記介装部材の平面方向における前記液体燃料および前記排出ガスの拡散を抑制する拡散防止構造を有する、燃料電池。
【請求項８】
前記介装部材は、膜厚方向に比べて平面方向に前記排出ガスが透過しにくい構造を有する、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記拡散防止構造は、前記介装部材内に、前記液体燃料の拡散を抑制する物質を含有させた構造である、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記拡散防止構造は、前記介装部材内に、前記排出ガスの拡散を抑制する物質を含有させた構造である、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記第１の流路に前記液体燃料が供給されている状態において、前記排出ガスが前記介装部材における前記第１の流路に対向する部分を前記拡散層側から前記第１の流路側へ透過するのに必要な圧力が、前記拡散層からの前記排出ガスの排出圧力以上である、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記拡散層に前記液体燃料が供給されている状態において、前記液体燃料が前記介装部材における前記第２の流路に対向する部分を前記拡散層側から前記第２の流路側へ透過するのに必要な圧力が、前記拡散層からの前記液体燃料の排出圧力以上である、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項１３】
請求項１から請求項６のいずれかに記載のマイクロ流体デバイスの製造方法であって、
前記流路溝の形成された流路板を、基板上に塗布形成された充填材を含む材料層に押し付け、前記流路板の凸部に前記充填材を含む材料を転写する工程と、
前記充填材を含む材料が転写された前記流路板を、前記介装部材上に載せ、アニールによって、前記充填材を含む材料を前記介装部材内に含浸させ、前記流路板と前記介装部材とを貼り合わせる工程とを備えた、マイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
前記充填材を含む材料が転写される前記流路板の凸部表面に、前記充填材を含む材料の転写を促進する凹凸構造を設けた、請求項１３に記載のマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
請求項７から請求項１２のいずれかに記載の燃料電池の製造方法であって、
前記流路溝の形成された流路板を、基板上に塗布形成された充填材を含む材料層に押し付け、前記流路板の凸部に前記充填材を含む材料を転写する工程と、
前記充填材を含む材料が転写された前記流路板を、前記介装部材上に載せ、アニールによって、前記充填材を含む材料を前記介装部材内に含浸させ、前記流路板と前記介装部材とを貼り合わせる工程とを備えた、燃料電池の製造方法。
【請求項１６】
前記充填材を含む材料が転写される前記流路板の凸部表面に、前記充填材を含む材料の転写を促進する凹凸構造を設けた、請求項１５に記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体デバイスおよび燃料電池ならびにその製造方法に関し、特に、微小流量を取り扱うマイクロ流体デバイスおよびその構造を応用した燃料電池ならびにそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤とを供給すれば発電する発電装置である。通常、酸化剤には空気が使用できるため、燃料を交換することで連続して発電することができる。このため、燃料電池は、定置用電源のみでなく携帯用電源としても非常に注目されている。
【０００３】
通常、定置用の燃料電池などでは、燃料に水素あるいは水素を含有するガスが使用されるが、携帯用電源としては、同じ大きさの容器に貯蔵した燃料でより長時間発電できることが利点となる。よって、燃料としては、体積当たりのエネルギー密度の高い液体燃料の方が有利となる。
【０００４】
なお、改質器でもって液体燃料から水素を生成して発電に用いることもできるが、燃料電池のシステム全体が複雑になるため、小型化には液体燃料を直接供給する方が容易と考えられている。
【０００５】
液体燃料を燃料極に直接供給するタイプの燃料電池が、特表平１１−５１０３１１号公報（特許文献１)に開示されている。この燃料電池は、メタノールと水の混合物を燃料に用いる直接型メタノール燃料電池である。
【０００６】
図１１を参照して、代表的な直接型メタノール燃料電池について説明する。
図１１は、ハウジング１０１Ａ内に燃料極１０２Ａと酸化剤極１０３Ａと電解質膜１０４Ａとを備えた直接型メタノール燃料電池１００Ａを模式的に示す図である。燃料タンク１０５Ａから、燃料ポンプ１０６Ａによってメタノールと水とが混合された燃料が燃料極室１０７Ａに供給される。燃料極室１０７Ａ内に供給された燃料は、燃料極１０２Ａ内に浸透して反応し、プロトン(水素イオン)と電子、および二酸化炭素を生成する。
【０００７】
通常、燃料極１０２Ａには多孔質材が用いられており、電解質膜１０４Ａとの界面近傍の触媒が担持された層で燃料極１０２Ａでの反応が起こる。燃料極１０２Ａで生成されたプロトンは電解質膜１０４Ａを透過して酸化剤極１０３Ａに移動し、電子は燃料極１０２Ａから外部回路（図示せず）を経由して酸化剤極１０３Ａに流れる。この電子が燃料電池の出力として使用される。
【０００８】
二酸化炭素は、燃料極１０２Ａから燃料極室１０７Ａに排出され、未反応の燃料とともに出口ポート１１２Ａから排出される。この出口ポート１１２Ａから排出した二酸化炭素と未反応の燃料は、燃料タンク１０５Ａに回収され、二酸化炭素は燃料タンク１０５Ａに設けられた放出ポート１０８Ａから排出される。
【０００９】
一方、酸化剤極１０３Ａ側では、圧縮機１０９Ａによって酸素が酸化剤極室１１０Ａへ供給される。この酸素は酸化剤極室１１０Ａから酸化剤極１０３Ａ内に拡散する。酸化剤極１０３Ａでは、酸素が燃料極１０２Ａから拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は水蒸気となって酸化剤室１１０Ａから未反応の酸素とともに出口ポート１１１Ａから排出される。図１１に示す例では、酸化剤として酸素が使用されている。なお、酸素濃度は低くなるが酸化剤として空気を使用することもできる。
【００１０】
従来の直接型メタノール燃料電池では、燃料のメタノールと水の混合物は、図１１に示すように、燃料極室１０７Ａに供給され、燃料極室１０７Ａから燃料極１０２Ａの拡散層へ浸透して電解質膜１０４Ａとの界面近傍の触媒を含有する層で反応する。そして反応生成物である二酸化炭素が燃料極室内１０７Ａに排出され、供給されてくる燃料に合流し、未反応の燃料とともに出口ポート１１２Ａから排出される。燃料電池で高効率かつ安定した発電を行うためには、燃料の供給と反応生成物である二酸化炭素の排出を効率的かつ安定に行わなければならない。
【００１１】
ところで、燃料ポンプ１０６Ａで供給される燃料の主たる流れは、燃料極室１０７Ａに送り込まれてから、燃料極室１０７Ａに設けられた出口ポート１１２Ａから排出されるものである。このため、燃料極１０２Ａの反応に直接寄与する燃料極１０２Ａが有する多孔質材内の流れは、燃料極室１０７Ａ内での燃料の主たる流れから逸れたものとなってしまう。さらに、燃料極１０２Ａが有する多孔質材内では、毛細管作用が働くものの、形状や方向の制約を受けることから、燃料極１０２Ａ内へ効率的かつ安定に燃料を供給することが困難であった。このことは、燃料電池としての出力を向上させることや高効率で長時間発電させることを難しくしていた。また、燃料を高圧で圧送するポンプを用いる場合には、電源装置としての大型化を招くので、特に、携帯用機器などの電源として採用が難しくなる。
【００１２】
ところで、特開２００２−１７５８１７号公報（特許文献２）には、燃料が供給される燃料流路に燃料が浸透する燃料浸透部材を配置して、燃料極への燃料供給の促進を図っている。
【００１３】
しかし、特許文献２に記載された燃料電池では、燃料浸透部材による浸透でもって燃料を燃料極に供給しているので、燃料極での燃料の反応効率が不十分で、出力が不十分であった。
【特許文献１】特表平１１−５１０３１１号公報
【特許文献２】特開２００２−１７５８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、流体（おもに液体）をできるだけ微少量で効率的に広範囲の反応場に安定して供給し、かつ広範囲の反応場から発生する反応生成物を効率的に安定して排出させることができるマイクロ流体デバイスを提供するとともに、このマイクロ流体デバイスの構造を応用することにより、燃料極での燃料の反応効率と反応生成物の排出効率を高め、小型化しても高出力が得られる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係るマイクロ流体デバイスは、流路溝を有する流路板と、流路板に対向するように配置され、流路溝から供給された供給物質を拡散させる拡散部材と、流路板と拡散部材との間に介装された介装部材とを備え、流路溝は、拡散部材に供給物質を供給するための第１の流路と、拡散部材からの排出物質を排出する第２の流路とを形成し、第１の流路と第２の流路とは分離されており、介装部材は、流路板の流路溝が形成された主表面における非流路領域に対向する第１部分と、第１の流路に対向する第２部分と、第２の流路に対向する第３部分とを含み、第１部分に、上記介装部材の平面方向における供給物質および排出物質の拡散を抑制する拡散防止構造を有する。
【００１６】
上記構成によれば、拡散部材に面した流路から、介装部材を通して供給物質をほぼ均一に少しずつ拡散部材全域に供給することができる。さらに、非流路領域となる壁の下部は、拡散防止構造により拡散部材を経由しないで供給物質が第１の流路側から第２の流路側に排出されないよう構成されているので、供給物質が未反応で第２の流路から排出されるのを抑制し、供給した供給物質を効率よく反応させることができる。すなわち、供給域の面積あたりの反応量をさらに向上させることができる。
【００１７】
上記マイクロ流体デバイスにおいて、介装部材は、膜厚方向に比べて平面方向に供給物質が透過しにくい構造を有する。
【００１８】
これにより、介装部材に、第１の流路および第２の流路のパターンに合わせた拡散防止構造を形成しなくても、第１の流路に面する部分は膜厚方向、即ち第１の流路から拡散部材に向かう方向に透過しやすく、壁下部では、平面方向、即ち第１の流路側から第２の流路側へ透過しにくい拡散防止構造を形成することができ、したがって、製造工程も簡略化される。
【００１９】
１つの実施態様では、上記マイクロ流体デバイスにおいて、介装部材は、膜厚方向に比べて平面方向に排出物質が透過しにくい構造を有する。
【００２０】
この実施態様によれば、介装部材に、第１の流路および第２の流路のパターンに合わせた拡散防止構造を形成しなくても、排出物質は、第２の流路に面する部分は膜厚方向、即ち拡散部材から第２の流路に向かう方向に透過しやすく、壁下部では、平面方向、即ち第２の流路側から第１の流路側へ透過しにくい拡散防止構造を形成することができ、したがって、製造工程も簡略化される。
【００２１】
１つの実施態様では、上記マイクロ流体デバイスにおいて、拡散防止構造は、介装部材内に、供給物質の拡散を抑制する物質を含有させた構造である。
【００２２】
この実施態様によれば、供給物質が第１の流路から壁の下部を通り、あるいは介装部材内部を通り第２の流路へ透過するのをより確実に阻止することができる。
【００２３】
１つの実施態様では、上記マイクロ流体デバイスにおいて、拡散防止構造は、介装部材内に、排出物質の拡散を抑制する物質を含有させた構造である。
【００２４】
この実施態様によれば、排出物質が第２の流路から壁の下部を通り、あるいは介装部材内部を通り第１の流路へ透過するのをより確実に阻止することができる。
【００２５】
１つの実施態様では、上記マイクロ流体デバイスにおいて、第１の流路に供給物質が供給されている状態において、排出物質が介装部材における第１の流路に対向する部分を拡散部材側から第１の流路側へ透過するのに必要な圧力が、拡散部材からの排出物質の排出圧力以上である。
【００２６】
この実施態様によれば、拡散部材から介装部材の第１の流路に対向する部位を通り、第１の流路に排出物質が逆流して混合物の供給を阻害することを防止できる。
【００２７】
１つの実施態様では、上記マイクロ流体デバイスにおいて、拡散部材に供給物質が供給されている状態において、供給物質が介装部材における第２の流路に対向する部分を拡散部材側から第２の流路側へ透過するのに必要な圧力が、拡散部材からの供給物質の排出圧力以上である。
【００２８】
この実施態様によれば、薄膜ヒーターがＯＦＦして改質反応が停止した場合、あるいは、薄膜ヒーターをＯＦＦにして拡散部材が所定の温度以下に下降している状態のように、拡散部材内の供給物質であるメタノールと水の混合物が液化している場合においても、液化した混合物が第２の流路に排出されることを防止することができる。
【００２９】
本発明に係る燃料電池は、液体燃料が供給されるとともに該液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極と、燃料極に対向するように配置され、該燃料極からの陽イオンが透過する電解質膜と、酸化剤が供給されるとともに電解質膜に対向するように配置され、該電解質膜を透過した陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤極と、燃料極に対向するように配置され、流路溝を有する流路板とを備える。流路溝は、燃料極に液体燃料を供給する第１の流路と、燃料極からの排出ガスを排出する第２の流路とを形成し、第１の流路と第２の流路とは分離されており、燃料極は、触媒を含有する電解質膜側の電極層と、流路板側の拡散層とを有する。燃料電池は、流路板と拡散層との間に介装された介装部材をさらに備える。介装部材は、流路板の流路溝が形成された主表面における非流路領域に対向する第１部分と、第１の流路に対向する第２部分と、第２の流路に対向する第３部分とを含み、第１部分に、上記介装部材の平面方向における液体燃料および排出ガスの拡散を抑制する拡散防止構造を有する。
【００３０】
上記構成によれば、拡散層に面した流路から、介装部材を通して液体燃料をほぼ均一に少しずつ拡散層全域に供給することができる。この際、壁の下部は、拡散防止構造により拡散層を経由しないで液体燃料が第１の流路側から第２の流路側に排出されないよう構成されているので、拡散防止構造がない場合に比べて燃料が未反応で排出されるのを抑制し、供給した燃料を効率よく反応させることができる。すなわち、第１の流路の供給域の面積あたりの燃料の発電への利用効率を向上させることができる。さらに、燃料極で生成された排出ガスが拡散層から第２の流路へ排出される際、拡散防止構造により排出ガスが第２の流路側から第１の流路側に介装部材内を拡散して第１の流路側に排出されるのを抑制し、第１の流路からの燃料の供給を阻害するのを防止できる。したがって、この実施形態により、燃料の利用効率も非常に高くでき、小型化しても高出力が得やすい。
【００３１】
上記燃料電池において、介装部材は、膜厚方向に比べて平面方向に液体燃料が透過しにくい構造を有する。
【００３２】
これにより、介装部材に、第１の流路、第２の流路のパターンに合わせた拡散防止構造を形成しなくても、第１の流路に面する部分は膜厚方向、即ち第１の流路から拡散層に向かう方向に透過しやすく、壁下部では、平面方向、即ち第１の流路側から第２の流路側へ透過しにくい拡散防止構造を形成することができ、したがって、製造工程も簡略化される。
【００３３】
１つの実施態様では、上記燃料電池において、介装部材は、膜厚方向に比べて平面方向に排出ガスが透過しにくい構造を有する。
【００３４】
この実施態様によれば、これにより、介装部材に、第１の流路、第２の流路のパターンに合わせた拡散防止構造を形成しなくても、第２の流路に面する部分は膜厚方向、即ち拡散層から第２の流路に向かう方向に透過しやすく、壁下部では、平面方向、即ち第２の流路側から第１の流路側へ透過しにくい拡散防止構造を形成することができ、したがって、製造工程も簡略化される。
【００３５】
１つの実施態様では、上記燃料電池において、拡散防止構造は、介装部材内に、液体燃料の拡散を抑制する物質を含有させた構造である。
【００３６】
この実施態様によれば、液体燃料が第１の流路から壁の下部を通り、あるいは介装部材内部を通り第２の流路へ透過するのをより確実に阻止することができる。
【００３７】
１つの実施態様では、上記燃料電池において、拡散防止構造は、介装部材内に、排出ガスの拡散を抑制する物質を含有させた構造である。
【００３８】
この実施態様によれば、拡散層からの排出ガスが第２の流路側から壁の下部を通り、あるいは介装部材の内部を通り第１の流路側へ透過するのをより確実に阻止することができる。
【００３９】
１つの実施態様では、上記燃料電池において、第１の流路に液体燃料が供給されている状態において、排出ガスが介装部材における第１の流路に対向する部分を拡散層側から第１の流路側へ透過するのに必要な圧力が、拡散層からの排出ガスの排出圧力以上である。
【００４０】
この実施態様によれば、拡散層から介装部材の第１の流路に対向する部位を通り、第１の流路に排出ガスが逆流して混合物の供給を阻害することを防止できる。
【００４１】
１つの実施態様では、上記燃料電池において、拡散層に液体燃料が供給されている状態において、液体燃料が介装部材における第２の流路に対向する部分を拡散層側から第２の流路側へ透過するのに必要な圧力が、拡散層からの液体燃料の排出圧力以上である。
【００４２】
この実施態様によれば、発電時はもとより、燃料電池がＯＦＦ、つまり取り出す電流出力がゼロの場合においても、液体燃料が第２の流路に排出されることを防止することができる。
【００４３】
本発明に係るマイクロ流体デバイスの製造方法および燃料電池の製造方法は、上述したマイクロ流体デバイスおよび燃料電池の製造方法であって、流路溝の形成された流路板を、基板上に塗布形成された充填材を含む材料層に押し付け、流路板の凸部に充填材を含む材料を転写する工程と、充填材を含む材料が転写された流路板を、介装部材上に載せ、アニールによって、充填材を含む材料を介装部材内に含浸させ、流路板と介装部材とを貼り合わせる工程とを備える。
【００４４】
上記方法によれば、流路板と介装部材を確実に隙間なく貼り合わせることができるとともに、供給物質並びに排出物質の拡散を抑制する物質が含浸された拡散防止構造を作製することができる。
【００４５】
１つの実施態様では、上記マイクロ流体デバイスの製造方法および燃料電池の製造方法において、充填材を含む材料が転写される流路板の凸部表面に、充填材を含む材料の転写を促進する凹凸構造を設けている。
【００４６】
この実施態様によれば、流路板と充填材を含む材料の接着強度が高められ、流路板と介装部材の貼り合せ強度を高めることができる。
【発明の効果】
【００４７】
本発明に係るマイクロ流体デバイスによれば、流体（おもに液体）をできるだけ微少量で効率的に広範囲の反応場に安定して供給し、かつ広範囲の反応場から発生する反応生成物を効率的に安定して排出させることができる
本発明に係る燃料電池によれば、上記マイクロ流体デバイスの構造を応用することにより、燃料極での燃料の反応効率と反応生成物の排出効率を高め、小型化しても高出力が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４８】
以下に、本発明の実施の形態について説明する。なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。
【００４９】
なお、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、本発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００５０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスを示す平面図であり、図２は、図１におけるII−II断面図である。
【００５１】
図１および図２を参照して、本実施の形態に係るマイクロ流体デバイス１は、流路溝１１，１２を有する流路板１０と、流路溝１１，１２から供給される流体が拡散するように流路板１０に対向するように配置される拡散部材２０と、流路板１０および拡散部材２０に挟持され、流路溝１１，１２から拡散部材２０へ供給される流体の拡散量を抑制する供給抑制部材５０とを含んで構成される。供給抑制部材５０は、流路板１０における流路溝１１，１２の形成されていない領域に対向し、流体の拡散防止構造となる第１部分５１と、流路溝１１，１２にそれぞれ対向する第２部分５２および第３部分５３とを有する。
【００５２】
流路板１０は、流体の出入り口となるポート３０，４０を有する。流路溝１１，１２は、それぞれ、ポート３０，４０から分岐するように延在する。流路溝１１と流路溝１２とは、所定の厚さの壁１３で隔てられ、分離されている。壁１３は、供給抑制部材５０に接している。したがって、流路溝１１と供給抑制部材５０とで形成される流路１１Ａと、流路溝１２と供給抑制部材５０とで形成される流路１２Ａとは、壁１３で分離されている。拡散部材２０には、ヒータ６０が取り付けられている。拡散部材２０およびヒータ６０は、ハウジング７０に覆われ、流路板１０および供給抑制部材５０とハウジング７０との間に挟持される。
【００５３】
マイクロ流体デバイス１によれば、メタノールと水との混合物から、下記の式（１）に示す水蒸気改質反応を引き起こして水素ガスを生成することが可能である。式（１）に示す水蒸気改質反応は、通常２００℃から３００℃程度の温度で促進される。
【００５４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→３Ｈ2＋ＣＯ2・・・・（１）
メタノールと水の混合物（流体）は、ポート３０から所定の圧力で流路１１Ａに導入される。流路１１Ａは流路１２Ａとは直接連通しておらず、かつ、供給抑制部材５０により流路１１Ａ内の混合物の拡散部材２０への拡散が抑制されているため、混合物は流路１１Ａ内に充満する。そして、流路１１Ａから、ほぼ均一に供給抑制部材５０を通して、少しずつ拡散部材２０の全域に混合物が供給される。仮に、供給抑制部材５０を設けないとすると、流路１１Ａ内に導入された混合物の拡散部材２０への拡散が抑制されないため、流路１１Ａの末端まで混合物を充満させることができず、拡散部材２０への混合物の供給が著しく不均一になりやすい。
【００５５】
拡散部材２０は、薄膜ヒータ６０により加熱されており、拡散部材２０内を通過する際に混合物の改質反応が促進される。拡散部材２０内で生成した水素および二酸化炭素は、流路１１Ａよりも圧力の低い流路１２Ａに排出される。ここで、拡散部材２０が多数の微細孔からなり、大きな表面積を有するため、混合物は微量に細分化され効率よく加熱される。これにより、流路１１Ａの流路域の面積あたりの改質反応量、つまり水素の生成量を多くすることができる。さらに、この際、非流路領域となる壁１３の下部は、拡散防止構造としての第１部分５１により、拡散部材２０を経由しないでメタノールと水との混合物が流路１１Ａ側から流路１２Ａ側に排出されないよう構成されているので、混合物が未反応で流路１２Ａに排出されるのを抑制し、供給した混合物を効率よく反応させることができる。すなわち、流路１１Ａの供給域の面積あたりの水素の生成量をさらに向上させることができる。
【００５６】
本実施形態において、流路板１０としては、たとえば、金属、シリコン基板、ガラス基板など混合物に対する透過性のない基板であれば任意のものが使用可能である。本実施の形態における典型的な例では、微細加工を施したシリコン基板が用いられている。また、流路１１Ａ，１２Ａが供給抑制部材５０側に開口する幅は、たとえば２μｍから２００μｍ程度であり、流路１１Ａ，１２Ａの深さは２μｍから２００μｍ程度であるが、本発明においては、流路１１Ａ，１２Ａのサイズは、拡散部材２０の拡散速度や厚さなどによって相対的に決まることから、特にサイズをこれに限定するものではなく、両流路の幅および深さも、必ずしも互いに同じでなくてもよい。
【００５７】
また、拡散部材２０としては、たとえば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属など、耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能であるが、多孔質材の孔径が流路１１Ａからの流体を拡散部材２０内へ引き込み得るもので、反応熱等による温度上昇に耐え得る耐熱性を有するものあればよく、拡散部材はこれらに特に限定されるものではない。本実施の形態における典型的な例では、拡散部材２０として、孔径が数μｍから数１０μｍ程度の孔が形成された多孔質のカーボン焼結体が用いられている。
【００５８】
多孔質の拡散部材２０の表面には、改質触媒が形成されてもよい。改質触媒は、メタノールおよび水に対して化学反応を促進する作用を有し、メタノール及び水から水素及び二酸化炭素を生成する機能を有するものである。
【００５９】
供給抑制部材５０は、拡散部材２０よりも混合物を透過しにくい材料であればよい。たとえば、金属、シリコン基板、ガラス基板、もしくはポリイミドなど耐熱性を有する樹脂材料などに微細孔や微細なスリットを加工したもの、または多孔質材が使用可能であるが、局所的な流量にばらつきの少ない多孔質材が好ましい。多孔質材の孔径は、拡散部材２０の膜厚や孔径に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されないが、例えば、膜厚が１μｍから３０μｍ程度、多孔質材の孔径が０.０１μｍから１μｍ程度のものを用いることができる。供給抑制部材５０の透過速度は、拡散部材２０の透過速度に対して、例えば、ガーレー試験機法により透気度を測定した場合に、一桁から二桁程度低い数値となることが好ましい。
【００６０】
拡散防止構造を構成する第１部分５１は、流路１１Ａから供給抑制部材５０に拡散してきた混合物が、拡散部材２０側に透過せずに壁１３の下部あるいは供給抑制部材５０内を経由して隣接する流路１２Ａへ透過するのを抑制する構造であればよい。第１部分５１は、たとえば、金属、シリコン基板、ガラス基板、ポリイミドなどからなる供給抑制部材５０における流路１１Ａ，１２Ａに面する第２部分５２および第３部分５３のみを多孔質化するか、または、微細孔や微細なスリットを設けることにより形成可能である。また、拡散防止構造である第１部分５１は、流路１１Ａに対向する第２部分５２や流路１２Ａに対向する第３部分５３が閉塞して、流路１１Ａから拡散部材２０への流れや拡散部材２０から流路１２Ａへの流れを阻害しなければよく、壁１３から流路溝側にはみ出すように第１部分５１を形成してもよく、あるいは、壁１３の幅よりも狭く第１部分５１を形成してもよい。
【００６１】
供給抑制部材５０は、膜厚方向に比べて平面方向に上記供給物質（混合物）が透過しにくいような構造とすることが好ましい。拡散防止構造としての第１部分５１は、流路１１Ａから供給抑制部材５０に拡散してきた混合物が、流路１１Ａから拡散部材２０に向かう流れの方向から逸脱する方向に透過しにくい構造であればよいので、上記のように、膜厚方向に比べて平面方向に供給物質が透過しにくいような構造とすることにより、供給抑制部材５０に、流路１１Ａ，１１Ｂのパターンに合わせた第１部分５１を形成しなくても、流路１１Ａに面する第２部分５２は膜厚方向、即ち流路１１Ａから拡散部材２０に向かう方向に透過しやすく、壁１３下部では、平面方向、即ち流路１１Ａ側から流路１２Ａ側へ透過しにくい拡散防止構造を形成することができる。このようにすることで、マイクロ流体デバイスの製造工程が簡略化される。
【００６２】
また、供給抑制部材５０は、膜厚方向に比べて平面方向に拡散部材２０からの排出物質が透過しにくい構造とすることが好ましい。これにより、拡散部材２０から供給抑制部材５０に透過してきた排出物質が、拡散部材２０から流路１２Ａに向かう流れの方向から逸脱する方向に透過するのを抑制することができる。したがって、拡散部材２０から排出物質が流路１２Ａから壁１３の下部を通りあるいは供給抑制部材の内部を通って流路１１Ａへ逆流するのを防ぐことができる。また、供給抑制部材５０に、流路１１Ａ，１２Ａのパターンに合わせた拡散防止構造を形成しなくても、壁１３の下部において、平面方向すなわち流路１２Ａ側から流路１１Ａ側へ透過しにくい拡散防止構造を形成することができるため、マイクロと流体デバイスの製造工程が簡略化される。
【００６３】
上記のような供給抑制部材５０は、たとえば、供給抑制部材５０に膜厚方向にのみ微細孔や微細スリットを形成し、微細孔の径や微細スリットの長さを壁１３の幅よりも小さくすることで作製可能である。また、多孔質材は、延伸することで該延伸方向に直交する平面方向に流体を透過させにくくすることができるので、供給抑制部材５０に多孔質材を用いた場合は、該多孔質材を流路１１Ａ，１２Ａの流れの方向に延伸方向を合わせることにより、流路１１Ａから壁１３の下部または供給抑制部材５０の内部を通って流路１２Ａへ混合物が透過することを抑制することができるとともに、流路１２Ａから壁１３の下部または供給抑制部材５０の内部を通って流路１１Ａへ排出物質が透過することを抑制することができる。
【００６４】
拡散防止構造である第１部分５１は、供給抑制部材５０内に供給物質の拡散を抑制する物質を含有させた構造であることが好ましい。これにより、混合物が流路１１Ａから壁１３の下部、または、供給抑制部材５０内部を通って流路１２Ａへ透過するのをより確実に阻止することができる。
【００６５】
壁１３下部の供給抑制部材５０に微細孔などが残っていると、壁１３と供給抑制部材５０との接合界面での供給物質（混合物）および排出物質のリークが発生しやすい。また、供給抑制部材５０に多孔質材を用いる場合には、供給抑制部材５０内の平面方向の透過を完全になくすことはできない。しかし、供給抑制部材５０内に、混合物の拡散を抑制する物質を含有させることで、壁１３との接合界面でのリークを抑制し、供給抑制部材５０内の平面方向の透過を抑制することができる。供給抑制部材５０内に含有させる物質としては、アクリル系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。
【００６６】
また、拡散防止構造である第１部分５１は、供給抑制部材５０内に排出物質の拡散を抑制する物質を含有させた構造であることが好ましい。これにより、拡散部材２０からの排出物質が流路１２Ａから壁１３の下部、あるいは供給抑制部材５０の内部を通り流路１１Ａへ透過するのをより確実に阻止することができる。
【００６７】
次に、図３を用いて、供給抑制部材５０内に供給物質および排出物質の拡散を抑制する物質を含有させる構造の製造方法について説明する。まず、図３（ａ）に示すように、流路溝の形成された流路板１０と、拡散抑制物質となる充填材を含む材料５１１Ａの層を形成した基板５１１Ｂとを準備する。次に、図３（ｂ）に示すように、流路板１０を材料５１１Ａの層を形成した基板５１１Ｂ上にのせ、流路溝の形成されていない凸部領域１０Ａを、充填材を含む材料５１１Ａに貼り合わせる。その後、図３（ｃ）に示すように、基板５１１Ｂを流路板１０から剥がすと、流路板１０の流路溝の形成されていない領域１０Ａに充填材を含む材料５１Ａが転写される。次に、図３（ｄ）および図３（ｅ）に示すように、材料５１Ａが転写された流路板１０を供給抑制部材５０に貼り合わせて、アニールすることで、充填材が供給抑制部材５０内に拡散し、充填材が含浸する領域（第１部分５１）が形成される。これにより、流路板１０と供給抑制部材５０を確実に隙間なく貼り合わせることができるとともに、供給物質および排出物質の拡散を抑制する物質が含浸された拡散防止構造（第１部分５１）を形成することができる。
【００６８】
流路板１０としては、すでに述べたように、金属、シリコン基板、ガラス基板など混合物に対する透過性の無い基板であれば使用可能であるが、ここでは、流路板１０としてガラス基板を使用する際の条件を例に記述する。充填材を含む材料５１１Ａとしては、塗布しやすいように溶剤に溶かしたアクリル系樹脂を用いた。膜厚は約５０μｍである。材料５１１Ａの膜厚は、供給抑制部材５０の膜厚により変化するので、上記の値に限定するものではないが、供給抑制部材５０の膜厚の１倍から３倍程度とするのがよい。この膜厚が小さすぎると、供給抑制部材５０内に十分充填できなくなり、逆に大きすぎると、充填される領域（第１部分５１）が平面方向に広がりすぎて、流路溝に対向する充填材のない領域（第２部分５２および第３部分５３）を狭くしすぎてしまう。
【００６９】
基板５１１Ｂは、特に材料を限定するものではないが、フレキシブルで平坦性の高いものを用いるのが望ましい。ここでは、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）フィルムを用いた。ＰＥＴは、柔軟性があるために流路板１０から剥がしやすく、平坦性が高いため、充填材を含む材料５１１ＡがＰＥＴフィルムからはがれやすい。このため、流路板１０に転写された材料５１１Ａの膜厚を十分に確保することができる。また、流路板１０と供給抑制部材５０とを貼り合わせる際のアニールについては、アクリル系樹脂の場合、８０℃から１２０℃程度の温度で１０分から６０分程度アニールすることで、十分に充填材の含浸および流路板１０と供給抑制部材５０との貼り合わせを行なうことができる。アニール温度やアニール時間は、これに限定するものではないが、本実施条件においては、８０℃以下では充填材を含む材料を塗布するために用いた溶剤が十分揮発せずに充填材の供給抑制部材５０内での固着が不十分になる虞がある。また、１２０℃以上の温度では、充填材を含む材料の供給抑制部材５０内での拡散が速く、微細な流路パターンへの適用が困難になる虞がある。充填材の拡散を抑制し、確実に供給抑制部材内に固着させるためには、徐々に３０分くらい時間をかけて温度を上げ１００℃以上の温度で１０分程度アニールするとよい。
【００７０】
上記充填材を含む材料５１１Ａが転写される流路板１０の流路溝が形成されていない凸部領域１０Ａに、上記充填材を含む材料を内部に取り込むあるいは含浸できる凹凸構造を設けることが好ましい。これにより、流路板１０と充填材を含む材料５１１Ａとの接着強度が高められ、流路板１０と供給抑制部材５０の貼り合せ強度を高めることができる。図４に、このような構造の例を示す。凸部領域１０Ａに溝を形成したり（図４（ａ））、表面粗度を高めたり（図４（ｂ））、表面の平坦性を低くする（図４（ｃ））ことにより、流路板１０と材料５１１Ａとの接着強度を高めることが可能である。
【００７１】
流路１１Ａに供給物質（メタノールと水の混合物）が供給されている状態において、流路１１Ａに対向する第２部分５２の拡散部材２０側から流路１１Ａ側へ、排出物質が透過するのに必要な圧力が、拡散部材２０からの排出物質の排出圧力以上である。これにより、拡散部材２０から供給抑制部材５０の流路１１Ａに対向する第２部分５２を通り、流路１１Ａに排出物質が逆流して混合物の供給を阻害することを防止できる。
【００７２】
通常、流路１１Ａからメタノールと水の混合物を供給する場合、混合物の圧力は、供給抑制部材５０の第２部分５２を挟み流路１１Ａ側の方が拡散部材２０側より高い。化学反応式（１）に示すように、所定の温度に保たれている拡散部材２０で混合物の改質反応が進むと拡散部材２０内に水素と二酸化炭素が生成されるため、生成したこれらの排出物質の圧力が上昇し、流路１１Ａに供給物質（メタノールと水の混合物）が供給されている状態における拡散部材２０から流路１１Ａ側へ排出物質が透過するのに必要な圧力を上回ると、排出物質が流路１１Ａ側に逆流するが、下流の流路１２Ａ側が拡散部材２０側よりも圧力が低いため、常に、排出物質が拡散部材２０側から流路１１Ａに向かって供給抑制部材５０を透過するのに必要な圧力以下に排出物質の排出圧力を保つことができる。これにより、流路１１Ａに排出物質が逆流して流路１１Ａからの混合物の供給を阻害することを防止することができる。
【００７３】
拡散部材２０に混合物が供給されている状態において、流路１２Ａに対向する第３部分５３の拡散部材２０側から流路１２Ａ側へ混合物が透過するのに必要な圧力が、拡散部材２０からの混合物の排出圧力以上である。これにより、ヒータ６０がＯＦＦして改質反応が停止した場合、あるいは、ヒータ６０をＯＦＦにして拡散部材２０が所定の温度以下に下降している状態のように、拡散部材２０内の混合物がメタノールと水の混合物として液化している場合において、液化した混合物が流路１２Ａに排出されることを防止することができる。
【００７４】
ここで、供給抑制部材５０を液体状態の混合物が拡散部材２０から流路１２Ａ側へ透過するのに必要な圧力について説明する。拡散部材２０側の混合物（液体）が供給抑制部材５０に浸透しようとする際、供給抑制部材５０の微細孔内の混合物（液体）と流路１２Ａ側のガスとの界面に形成されるメニスカスの力のつりあいを示す式は、次式のように表される。
【００７５】
Ｐ1＝σ・ｃｏｓ（π−α）／ｄ＋Ｐg・・・・（２）
ここで、Ｐ1は混合物の圧力、Ｐgは流路１２Ａ側のガスの圧力、σは混合物の表面張力、αはメニスカスと微細孔内壁の角度、ｄは供給抑制部材５０の微細孔内径である。つまり、混合物の排出圧力がＰ1のとき、微細孔の内径がｄの値のところまで混合物は微細孔内へ入っていくことができ、混合物の排出圧力が微細孔内径ｄが最小のときの（２）式のＰ1の値以上のとき、拡散部材２０側から流路１２Ａ側へ混合物が供給抑制部材５０を通過することができる。したがって、拡散部材２０からの混合物の排出圧力が、このときのＰ1より小さい場合は、メニスカスのつりあいの位置は、微細孔の内径が最小のところまで入っていくことができず、混合物が流路１２Ａに排出するのを防止することができる。
【００７６】
次に、本実施の形態に係るマイクロ流体デバイスを水素を燃料とする燃料電池の燃料改質器に用いた例について、図５を用いて説明する。
【００７７】
図５に示すように、燃料電池１００は、基本的な構成として、ハウジング１０１内に、燃料極１０２と、酸化剤極１０３と、電解質膜１０４とを含んで構成される。燃料タンク１０５（メタノールタンク）から、メタノールと水とからなる混合物が、マイクロ流体デバイス１に供給される。メタノールの水蒸気改質反応によって生成した水素が、燃料極室１０７に供給される。燃料極室１０７に供給された水素は、燃料極１０２において反応し、プロトン（水素イオン）と電子とを生成する。燃料極１０２で生成されたプロトンは、電解質膜１０４を透過して酸化剤極１０３に移動し、電子は、燃料極１０２から外部回路（図示せず）を経由して酸化剤極１０３に流れる、この電子が燃料電池の出力として使用される。未反応の水素は、燃料極１０２から燃料極室１０７に排出される。
【００７８】
一方、酸化剤極１０３では、圧縮機１０９によって酸素が酸化剤極室１１０に供給される。この酸素は、酸化剤極室１１０から酸化剤極１０３内に拡散する。酸化剤極１０３では、酸素が燃料極１０２から拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は水蒸気となって、未反応の酸素とともに出口ポート１１１を介して酸化剤極室１１０から排出される。図５に示す例では、酸化剤として酸素が使用されているが、酸化剤として空気を使用することも可能である。
【００７９】
上述した内容について要約すると以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係るマイクロ流体デバイスは、たとえば図５に示す燃料電池の燃料改質器として使用可能なマイクロ流体デバイスであって、流路溝１１，１２を有する流路板１０と、流路板１０に対向するように配置され、流路溝１１から供給された供給物質を拡散させる拡散部材２０と、流路板１０と拡散部材２０との間に介装された「介装部材」としての供給抑制部材５０とを備える。流路溝１１，１２は、拡散部材２０に供給物質を供給するための「第１の流路」としての流路１１Ａと、拡散部材２０からの排出物質を排出する「第２の流路」としての流路１２Ａとを形成する。流路１１Ａ，１２Ａは互いに分離されており、供給抑制部材５０は、流路板１０の流路溝１１，１２が形成された主表面における非流路領域（凸部領域１０Ａ）に対向する部分に、供給抑制部材５０の平面方向における供給物質および排出物質の拡散を抑制する「拡散防止構造」としての第１部分５１を有している。
【００８０】
本実施の形態に係るマイクロ流体デバイスによれば、拡散部材２０に面した流路１１Ａから、供給抑制部材５０を通して供給物質をほぼ均一に少しずつ拡散部材２０全域に供給することができる。さらに、非流路領域となる壁１３の下部は、供給抑制部材５０の第１部分５１により、拡散部材２０を経由しないで供給物質が流路１１Ａ側から流路１２Ａ側に排出されないよう構成されているので、供給物質が未反応で流路１２Ａから排出されるのを抑制し、供給した供給物質を効率よく反応させることができる。すなわち、供給域の面積あたりの反応量をさらに向上させることができる。
【００８１】
（実施の形態２）
図６は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の構成を示す平面図であり、図７，図８は、それぞれ、図６におけるＶII−ＶII断面図，ＶIII−ＶIII断面図である。
【００８２】
図６，図７を参照して、本実施の形態に係る燃料電池は、流路板１０と、ポート３０，４０と、供給抑制部材５０と、ヒータ６０と、ハウジング７０と、蓋部８０とを含んで構成される。
【００８３】
図７に示すように、本実施の形態に係る燃料電池は、燃料極１０２と、燃料極１０２に対向するように配置された電解質膜１０４と、燃料極１０２の反対側で電解質膜１０４に対向するように配置された酸化剤極１０３とを含む。燃料極１０２、電解質膜１０４および酸化剤極１０３は、燃料極１０２と酸化剤極１０３とで電解質膜１０４を挟んだ状態で、ハウジング７０内に収容されている。ハウジング７０の一方の面（上面）には、燃料極１０２に対向するように配置された流路板１０の縁部が接合され取り付けられている。
【００８４】
図６に示すように、流路板１０は、液体燃料の供給口をなす貫通口（ポート３０）と、排出ガスの排出口をなす貫通口（ポート４０）と、供給口からくし歯状に延在する流路溝１１と、排出口からくし歯状に延在する流路溝１２とを有する。
【００８５】
流路溝１１と流路溝１２とは、所定の厚さの壁１３で隔てられ、分離されている。流路板１０の壁１３は、燃料極１０２に接している。したがって、流路溝１１と燃料極１０２とで形成される流路１１Ａと、流路溝１２と燃料極１０２とで形成される流路１２Ａとは壁１３で分離されている。この流路板１０としては、金属、シリコン基板、ガラス基板、樹脂基板など液体燃料に対する透過性の無い基板が使用可能であるが、ここでは微細加工を施したニッケル板を用いている。
【００８６】
流路板１０が導電性のないガラス基板など絶縁性の材料からなる場合は、導電性の配線層を、流路板１０と供給抑制部材５０との間に挿入してもよい。配線層としては、たとえば、無電解めっきで形成した金薄膜を用いることができる。また、流路板１０と燃料極１０２の拡散層２０Ａとの間には、流路１１Ａから拡散層２０Ａへの液体燃料の供給を抑制する供給抑制部材５０が設けられている。供給抑制部材５０は、流路板１０の流路溝１１，１２を有する面の非流路領域に対向する部位に設けられる第１部分５１と、第１部分５１の両側に位置する第２部分５２および第３部分５３とを有する。第１部分５１は、液体燃料の拡散防止構造を構成する。
【００８７】
供給抑制部材５０は、拡散層２０Ａよりも燃料の透過しにくい材料であればよい。金属、シリコン基板、ガラス基板、さらに、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの樹脂材料に微細孔や微細なスリットを加工したもの、あるいは多孔質材が使用可能であるが、局所的な流量にばらつきの少ない多孔質材が好ましい。多孔質材の孔径は、拡散層２０Ａの膜厚や孔径に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されないが、たとえば、膜厚が１μｍから３０μｍ程度、多孔質材の孔径が０.０１μｍ〜１μｍ程度のものを用いることができる。供給抑制部材５０の透過速度は、拡散層２０Ａの透過速度に対して、たとえば、ガーレー試験機法により透気度を測定した場合に、一桁から二桁程度低い数値となることが好ましい。供給抑制部材５０は、燃料の透過速度が拡散層２０Ａの透過速度に対して一桁から二桁程度低いものであれば多孔質材に限るものではなく、微細孔を有しないものでもよい。
【００８８】
拡散防止構造である第１部分５１は、流路１１Ａから供給抑制部材５０に拡散してきた液体燃料が、拡散層２０Ａ側に透過せずに壁１３の下部あるいは供給抑制部材５０内を経由して隣接する流路１２Ａへ透過するのを抑制する構造であればよく、ポリイミドやＰＴＦＥなどからなる供給抑制部材５０の流路１１Ａに面する第２部分５２および流路１２Ａに面する第３部分５３を多孔質化するか、あるいは微細孔や微細なスリットが形成されている領域にすることで形成可能である。また、拡散防止構造である第１部分５１は、流路１１Ａに対向する第２部分５２や流路１２Ａに対向する第３部分５３が閉塞して、流路１１Ａから拡散層２０Ａへの流れや拡散層２０Ａから流路１２Ａへの流れを阻害しなければよく、壁１３から流路溝１１，１２側にはみ出して形成されても、あるいは、壁１３の幅よりも狭く形成されてもよい。
【００８９】
電解質膜１０４の材質としては、たとえば、プロトン伝導性の耐熱耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わないが、ここでは、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(デュポン社製のナフィオン１１７(登録商標))を用いている。また、電解質膜１０４は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
【００９０】
燃料極１０２は、図７に示すように、電解質膜１０４側の電極層１０４１と流路板１０側の拡散層２０Ａとを含む。燃料極１０２の拡散層２０Ａとしては、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。また、電極層１０４１は、金属触媒を含む樹脂層で作製される。この金属触媒としては、一例として白金―ルテニウム合金などが用いられるが、その他に、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、電極層１０４１の樹脂層としては、たとえば、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂が用いられる。
【００９１】
燃料極１０２において、電極層１０４１と拡散層２０Ａとは、電極層１０４１に拡散層２０Ａをホットプレスなどにより圧着するか、または電極層１０４１が樹脂である場合、拡散層２０Ａに電極層１０４１の材料となる樹脂を含浸させて熱処理することにより、積層することができる。
【００９２】
一方、酸化剤極１０３は、ハウジング７０の他方の面（下面）から延在する蓋部８０で覆われており、この蓋部８０は、酸化剤として例えば空気が供給される酸化剤導入口８０Ａと、排出ガスを排出するための排出口８０Ｂを有する。この蓋部８０と酸化剤極１０３との間に酸化剤極側の流路（酸化剤極室１１０）が形成される。
【００９３】
酸化剤極１０３は、電解質膜１０４側の電極層１０４２と、蓋部８０側の拡散層２０Ｂとを有する。この電極層１０４２は、燃料極１０２の電極層１０４１と同様に、金属触媒を含む樹脂層で作製される。また、拡散層２０Ｂとしては、燃料極１０２の拡散層２０Ａと同様に、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。なお、この発明は、酸化剤の種類や供給方向に依存するものではなく、空気の代わりに酸素を使用してもよく、また、酸化剤極室１１０を形成せず、ファンや送風ポンプのような送風機構を用いて、酸化剤極１０３の露出面に酸化剤を直接供給してもよい。
【００９４】
酸化剤極１０３は、従来公知の方法により製造することができ、たとえば上記の燃料極１０２の電極層１０４１と拡散層２０Ａとを積層する方法について記載した方法などを用いて製造することができる。
【００９５】
ハウジング７０は、従来公知の燃料電池の筐体として用いられる材質からなるものであってよい。ハウジング７０を構成する樹脂は、たとえば炭素樹脂、または、上記流路板１０と同様に、ガラス基板、アクリル並びにＰＤＭＳなどの樹脂などが挙げられる。
【００９６】
本実施の形態に係る燃料電池の電解質膜１０４および燃料極１０２、酸化剤極１０３からなる膜電極複合体は、従来公知の方法により得ることができ、たとえば、上記のようにして得られた電解質膜１０４に燃料極１０２および酸化剤極１０３をホットプレスにより接合することで作製可能である。そして、流路板１０に供給抑制部材５０と上記膜電極複合体を積層し、それに上記のように作製された酸化剤室と一体化したハウジング７０を被せ、流路板１０とハウジング７０とを接着することにより燃料電池が製作される。
【００９７】
本実施の形態に係る燃料電池において、流路板１０やハウジング７０などにＰＤＭＳなど可撓性の樹脂材料を用いている場合は、流路板１０やハウジング７０が撓んだ場合においても、流路板１０と拡散層２０Ａとを電気的に低抵抗で安定して接続することができる。
【００９８】
本実施の形態に係る燃料電池では、メタノールと水との混合物が液体燃料として使用できるが、従来公知のように、メタノールの代わりにエタノール、ジメチルエーテル、プロパノール、エチレングリコールのような炭化水素系の有機燃料を用いることができる。
【００９９】
この液体燃料は、燃料供給口であるポート３０から流路１１Ａに導入され、流路１１Ａから供給抑制部材５０における流路１１Ａに面する第２部分５２を通して燃料極１０２の拡散層２０Ａに供給され、拡散層２０Ａ内に拡散／浸透して電極層１０４１に達して反応する。これにより、陽イオン(Ｈ＋)と電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。陽イオン(Ｈ＋)は、電解質膜１０４を経由して、酸化剤極１０３の電極層１０４２に至る。一方、上記電子は、電極層１０４１から外部回路(図示せず)を経由して、酸化剤極１０３の電極層１０４２に導かれる。また、燃料極１０２の電極層１０４１で生成した二酸化炭素などの排出ガスは、拡散層２０Ａ内を拡散し、供給抑制部材５０における流路１２Ａに面する第３部分５３を通して流路１２Ａに至り、この流路１２Ａを通って、排出口であるポート４０から排出される。
【０１００】
一方、蓋部８０の導入口８０Ａから導入された酸化剤の一例としての空気は、酸化剤極１０３の拡散層２０Ｂ内に拡散し、酸化剤極１０３の電極層１０４２において燃料極１０２からの陽イオン(Ｈ＋)および電子と反応する。これにより、水蒸気が生成し、この水蒸気は流路（酸化剤極室１１０）を通って排出口８０Ｂから排出される。
【０１０１】
本実施の形態に係る燃料電池によれば、流路１１Ａが流路１２Ａに直接接続されず、供給抑制部材５０によって燃料極１０２の拡散層２０Ａへの拡散が抑制されているために、液体燃料は、流路１１Ａ内に充満し、そして、拡散層２０Ａに面した流路１１Ａから、ほぼ均一に供給抑制部材５０を通して少しずつ拡散層２０Ａ全域に供給される。この際、壁１３の下部は、拡散防止構造５０により拡散層２０Ａを経由しないで液体燃料が流路１１Ａ側から流路１２Ａ側に排出されないよう構成されているので、拡散防止構造としての第１部分５１がない場合に比べて、燃料が未反応で排出されるのを抑制し、供給した燃料を効率よく反応させることができる。すなわち、流路１１Ａの流路域の面積あたりの燃料の発電への利用効率をさらに向上させることができる。
【０１０２】
さらに、燃料極１０２で生成された排出ガスが拡散層２０Ａから流路１２Ｂへ排出される際、拡散防止構造としての第１部分５１により、排出ガスが流路１２Ａ側から流路１１Ａ側に供給抑制部材５０内を拡散して、該排出ガスが流路１１Ａ側に排出されるのを抑制し、流路１１Ａからの燃料の供給を阻害するのを防止できる。
【０１０３】
図９に、本実施の形態に係る燃料電池を用いて発電させたときの燃料の供給量と、供給量に対する燃料の利用効率とを測定した結果（◆：燃料供給量／■：燃料利用効率）を示す。燃料の利用効率は、供給した燃料に対する反応に使用された燃料の比率を示す。また、燃料電池の出力電流は４０ｍＡ／ｃｍ2で一定である。図９に示す結果では、１０3Ｐａ以下（３００〜５００Ｐａ）の低い燃料の供給圧（流路１１Ａへの供給圧と流路１２Ａの圧力との差圧）で、２〜６マイクロリットル／ｃｍ2／ｍｉｎ程度の微少量の燃料供給で４０ｍＡ／ｃｍ2の発電が行えることを示している。本実施の形態に係る燃料電池では、拡散抑制構造がない燃料電池と比較して、燃料の供給量を半分以下に抑制することができた。また、流路１２Ａへの燃料の排出が抑制されているために、燃料の利用効率も非常に高くでき、拡散抑制構造がない燃料電池と比較して、燃料の利用効率を倍以上に改善することができた。
【０１０４】
図１０に、本実施の形態に係る燃料電池を用いて発電させたときの電流出力と燃料供給量との関係を示す。ここで、燃料の供給圧（流路１１Ａへの供給圧と流路１２Ａの圧力との差圧）は１０3Ｐａで一定である。出力電流の設定を変更すると、それに応じて燃料の供給量が変化しているのがわかる。これは、流路１２Ａへの燃料の排出を抑制し、反応で消費された燃料を補充するように流路１１Ａに充満された燃料が毛管作用によって供給されるために、燃料の消費量に応じて燃料の供給量が自動的に調整されているからである。したがって、本実施の形態に係る燃料電池は、ポンプなどで供給量を調整しなくても、効率よく燃料の供給量を自己調整でき、小型化しても高出力が得やすいことがわかる。
【０１０５】
供給抑制部材５０は、膜厚方向に比べて平面方向に上記液体燃料が透過しにくい構造となっていることが好ましい。拡散防止構造である第１部分５１は、流路１１Ａから供給抑制部材５０に拡散してきた液体燃料が、流路１１Ａから拡散層２０Ａに向かう流れの方向から逸脱する方向に透過しにくい構造であればよい。拡散抑制部材５０を、膜厚方向に比べて平面方向に上記液体燃料が透過しにくい構造とすることにより、上記の拡散防止構造の場合のように、流路１１Ａおよび第２の通路１２Ａに合わせた拡散防止構造を供給抑制部材５０に形成しなくても、流路１１Ａに面する第２部分５２は、膜厚方向、即ち流路１１Ａから拡散層２０Ａに向かう方向に透過しやすく、壁１３下部では、平面方向、即ち流路１１Ａ側から流路１２Ａ側へ透過しにくい拡散防止構造としての第１部分５１を形成することができ、製造工程も簡略化される。
【０１０６】
供給抑制部材５０は、膜厚方向に比べて平面方向に上記排出ガスが透過しにくい構造となっていることが好ましい。拡散防止構造であり第１部分５１は、拡散層２０Ａから供給抑制部材５０に拡散してきた排出ガスが、拡散層２０Ａから流路１２Ａに向かう流れの方向から逸脱する方向に透過しにくい構造であればよい。拡散抑制部材５０を、膜厚方向に比べて平面方向に上記排出ガスが透過しにくい構造とすることにより、上記の拡散防止構造の場合のように、流路１１Ａ，１２Ａに合わせた拡散帽子構造を供給抑制部材５０に形成しなくても、流路１２Ａに面する第３部分５３は、膜厚方向、即ち拡散層２０Ａから流路１２Ａに向かう方向に透過しやすく、壁１３下部では、平面方向、即ち流路１２Ａ側から流路１１Ａ側へ透過しにくい拡散防止構造としての第１部分５１を形成することができ、製造工程も簡略化される。
【０１０７】
上記のような供給抑制部材５０は、たとえば、供給抑制部材５０に膜厚方向にのみ微細孔や微細スリットを形成し、微細孔の径や微細スリットの長さを壁１３の幅よりも小さくすることで作製可能である。また、多孔質材は、延伸することで該延伸方向に直交する平面方向に流体を透過させにくくすることができるので、供給抑制部材５０に多孔質材を用いた場合は、該多孔質材を流路１１Ａ，１２Ａの流れの方向に延伸方向を合わせることにより、流路１１Ａから壁１３の下部または供給抑制部材５０の内部を通って流路１２Ａへ液体燃料が透過することを抑制することができるとともに、流路１２Ａから壁１３の下部または供給抑制部材５０の内部を通って流路１１Ａへ排出物質が透過することを抑制することができる。
【０１０８】
また、拡散防止構造としての第１部分５１は、供給抑制部材５０内に、上記液体燃料の拡散を抑制する物質が含有された構造であってもよい。これにより、液体燃料が流路１１Ａから壁１３の下部を通り、あるいは供給抑制部材５０の内部を通り流路１２Ａへ透過するのをより確実に阻止することができる。
【０１０９】
また、拡散防止構造としての第１部分５１は、供給抑制部材５０内に、排出ガスの拡散を抑制する物質を含有させた構造であってもよい。これにより、拡散層２０Ａからの排出ガスが流路１２Ａ側から壁１３の下部を通り、あるいは供給抑制部材５０の内部を通り流路１１Ａ側へ透過するのをより確実に阻止することができる。
【０１１０】
壁１３下部の供給抑制部材に微細孔などが残っていると、壁１３と供給抑制部材５０との接合界面での液体燃料や排出ガスのリークが発生しやすい。また、供給抑制部材５０に多孔質材を用いる場合には、供給抑制部材５０内における液体燃料や排出ガスの平面方向の透過を完全になくすことはできない。しかし、供給抑制部材５０内に、液体燃料や排出ガスの拡散を抑制する物質を含有させることで、壁１３との接合界面でのリークを抑制するとともに、供給抑制部材５０内の平面方向の透過を抑制することができる。供給抑制部材５０内に含有させる物質としては、アクリル系樹脂やポリイミド系樹脂を用いることができる。供給抑制部材５０内に液体燃料並びに排出ガスの拡散を抑制する物質を含有させる構造については、図３を用いて説明した実施の形態１と同様の方法で製造することができる。
【０１１１】
流路１１Ａに液体燃料が供給されている状態において、流路１１Ａに対向する第２部分５２の拡散層２０Ａ側から流路１１Ａ側へ排出ガスが透過するのに必要な圧力が、拡散層２０Ａからの上記排出ガスの排出圧力以上であることが好ましい。これにより、拡散層２０Ａから供給抑制部材５０の流路５１に対向する第２部分５２を通り、流路１１Ａに排出ガスが逆流して液体燃料の供給を阻害することを防止できる。
【０１１２】
通常、流路１１Ａから液体燃料を供給する場合、液体燃料の圧力は、供給抑制部材５０の第２部分５２を挟み流路１１Ａ側の方が拡散層２０Ａ側より高い。燃料極１０２で液体燃料の反応が進むと拡散層２０Ａ内に二酸化炭素が生成されるため、生成した排出ガスの圧力が上昇し、流路１１Ａに液体燃料が供給されている状態における拡散層２０Ａから流路１１Ａ側へ排出ガスが透過するのに必要な圧力を上回ると、排出ガスが流路１１Ａ側に逆流するが、下流の流路１２Ａ側が拡散層２０Ａ側よりも圧力が低いため、常に、排出ガスが透過するのに必要な圧力以下に排出ガスの圧力を保つことができる。これにより、流路１１Ａに排出ガスが逆流して流路１１Ａからの液体燃料の供給を阻害することを防止することができる。
【０１１３】
拡散層２０Ａに上記液体燃料が供給されている状態において、流路１２Ａに対向する第３部分５３の拡散層２０Ａ側から流路１２Ａ側へ上記液体燃料が透過するのに必要な圧力が、拡散層２０Ａからの上記液体燃料の排出圧力以上である。これにより、発電時はもとより、燃料電池がＯＦＦ、つまり取り出す電流出力がゼロの場合において、液体燃料が流路１２Ａに排出されることを防止することができる。
【０１１４】
ここで、供給抑制部材５０を液体状態の混合物が拡散層２０Ａから流路１２Ａ側へ透過するのに必要な圧力について説明する。拡散層２０Ａ側の液体燃料が供給抑制部材５０に浸透しようとする際、供給抑制部材５０の微細孔内の液体燃料と流路１２Ａ側のガスとの界面に形成されるメニスカスの力のつりあいを示す式は、次式のように表される。
【０１１５】
Ｐf＝σ・ｃｏｓ（π−α）／ｄ＋Ｐg・・・・（３）
ここで、Ｐfは液体燃料の圧力、Ｐgは流路１２Ａ側のガスの圧力、σは混合物の表面張力、αはメニスカスと微細孔内壁の角度、ｄは供給抑制部材５０の微細孔内径である。つまり、液体燃料の排出圧力がＰfのとき、微細孔の内径がｄの値のところまで混合物は微細孔内へ入っていくことができ、混合物の排出圧力が微細孔内径ｄが最小のときの（３）式のＰfの値以上のとき、拡散層２０Ａ側から流路１２Ａ側へ混合物が供給抑制部材５０を通過することができる。したがって、拡散層２０Ａからの混合物の排出圧力が、このときのＰfより小さい場合は、メニスカスのつりあいの位置は、微細孔の内径が最小のところまで入っていくことができず、液体燃料が流路１２Ａに排出するのを防止することができる。
【０１１６】
一般的に、燃料極１０２での反応に必要な液体燃料は、例えばメタノールと水を燃料に用いる燃料電池で１５０ｍＷ／ｃｍ2程度の発電を想定した場合、単位面積当たり数μリットル／分程度である。したがって、それ以上の燃料を供給しても、この過剰の燃料は、拡散層２０Ａに充満している燃料を押し出すために利用されるか、電解質膜１０４を拡散して出力低下の要因となり、燃料の利用効率がより低下してしまう。つまり、燃料極１０２の反応は、燃料の供給量には律速しておらず、反応律速の状態で反応が進行している。したがって、本実施の形態に係る燃料電池のように、供給抑制部材５０と該部材に形成された拡散防止構造（第１部分５１）を設けることで、必要最低限の供給で、反応に必要な燃料を効率よく供給して反応を継続することができる。
【０１１７】
上述した内容について要約すると、以下のようになる。すなわち、本実施の形態に係る燃料電池は、液体燃料が供給されるとともに該液体燃料から陽イオンと電子を生成する燃料極１０２と、燃料極１０２に対向するように配置され、燃料極１０２からの陽イオンが透過する電解質膜１０４と、酸化剤が供給されるとともに電解質膜１０４に対向するように配置され、電解質膜１０４を透過した陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤極１０３と、燃料極１０２に対向するように配置され、流路溝１１，１２を有する流路板１０とを備える。流路溝１１，１２は、燃料極１０２に液体燃料を供給する「第１の流路」としての流路１１Ａと、燃料極１０２からの排出ガスを排出する「第２の流路」としての流路１２Ａとを形成する。流路１１Ａ，１２Ａは互いに分離されている。燃料極１０２は、触媒を含有する電解質膜１０４側の電極層１０４１と、流路板１０側の拡散層２０Ａとを有する。燃料電池は、流路板１０と拡散層２０Ａとの間に介装された「介装部材」としての供給抑制部材５０をさらに備える。供給抑制部材５０は、流路板１０の流路溝１１，１２が形成された主表面における非流路領域に対向する部分に、供給抑制部材５０の平面方向における液体燃料および排出ガスの拡散を抑制する「拡散防止構造」としての第１部分５１を有する。
【０１１８】
本実施の形態に係る燃料電池によれば、拡散層２０Ａに面した流路１１Ａから、供給抑制部材５０を通して液体燃料をほぼ均一に少しずつ拡散層２０Ａ全域に供給することができる。この際、壁１３の下部は、供給抑制部材５０の第１部分５１により、拡散層２０Ａを経由しないで液体燃料が流路１１Ａ側から流路１２Ａ側に排出されないよう構成されているので、第１部分５１がない場合に比べて燃料が未反応で排出されるのを抑制し、供給した燃料を効率よく反応させることができる。すなわち、流路１１Ａの供給域の面積あたりの燃料の発電への利用効率を向上させることができる。さらに、燃料極１０２で生成された排出ガスが拡散層２０Ａから流路１２Ａへ排出される際、供給抑制部材５０の第１部分５１により、排出ガスが流路１２Ａ側から流路１１Ａ側に供給抑制部材５０内を拡散して流路１１Ａ側に排出されるのを抑制し、流路１１Ａからの燃料の供給を阻害するのを防止できる。したがって、この実施形態により、燃料の利用効率も非常に高くでき、小型化しても高出力が得やすい。
【０１１９】
なお、上記の実施の形態では、流路板１０の流路溝１１，１２をくし歯状に延在させたが、流路溝１１，１２の延在パターンはくし歯状に限らないのは勿論で、折れ曲がったクランク状に延在していてもよく、曲線状もしくは渦巻き状に延在していてもよい。
【０１２０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、今回開示された実施の形態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。
【図面の簡単な説明】
【０１２１】
【図１】本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスを示す平面図である。
【図２】図１におけるII−II断面図である。
【図３】図１，図２に示されるマイクロ流体デバイスの製造工程を説明するための図である。
【図４】図１，図２に示されるマイクロ流体デバイスの変形例の製造工程を説明するための部分拡大図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係るマイクロ流体デバイスを適用した燃料電池の構成を示す図である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る燃料電池を示す平面図である。
【図７】図６におけるＶII−ＶII断面図である。
【図８】図６におけるＶIII−ＶIII断面図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る燃料電池の性能を示すグラフ（その１）である。
【図１０】本発明の実施の形態２に係る燃料電池の性能を示すグラフ（その２）である。
【図１１】従来の燃料電池の構成を示す図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１  マイクロ流体デバイス、１０  流路板、１０Ａ  凸部領域、１１，１２  流路溝、１３  壁、２０  拡散部材、２０Ａ，２０Ｂ  拡散層、３０，４０  ポート、５０  供給抑制部材、５１  第１部分、５１Ａ  材料、５２  第２部分、５３  第３部分、６０  ヒータ、７０  ハウジング、８０  蓋部、８０Ａ  酸化剤導入口、８０Ｂ  排出口、１００，１００Ａ  燃料電池、１０１，１０１Ａ  ハウジング、１０２，１０２Ａ  燃料極、１０３，１０３Ａ  酸化剤極、１０４，１０４Ａ  電解質膜、１０５，１０５Ａ  燃料タンク、１０６Ａ  燃料ポンプ、１０７，１０７Ａ  燃料極室、１０８Ａ  放出ポート、１０９，１０９Ａ  圧縮機、１１０，１１０Ａ  酸化剤極室、１１１，１１２，１１１Ａ，１１２Ａ  出口ポート、５１１Ａ  材料、５１１Ｂ  基板、１０４１，１０４２  電極層。
【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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