(57)【要約】  各燃料電池セルへ均等に燃料を分配することのできる燃料電池システム及び燃料電池セルを提供するために、アノード２と、カソード３と、前記アノード２及び前記カソード３に挟まれた電解質膜４とを有する複数の燃料電池セル５と、前記複数の燃料電池セル５の各々に、分岐しながら燃料を供給する燃料供給流路６と、を具備する。ここで、前記燃料供給流路の断面積は、分岐した下流側の夫々が、分岐の上流側よりも小さくなっている。  上述の構成によれば、分岐の下流側にて流路の断面積を小さくすることにより、燃料の流圧低下を防ぐことができる。よって、複数の燃料電池セルの夫々に、均等の圧力で燃料を供給することが可能である。
2007046231.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノード及び前記カソードに挟まれた電解質膜とを有する複数の燃料電池セルと、
前記複数の燃料電池セルの各々に、分岐しながら燃料を供給する燃料供給流路と、
を具備し、
前記燃料供給流路は、分岐の下流側の夫々の流路の断面積が、上流側の断面積よりも小さくなるように設けられている
燃料電池システム。
【請求項２】
請求の範囲１に記載された燃料電池システムであって、
前記複数の燃料電池セルは、同一平面上に配置されている
燃料電池システム。
【請求項３】
請求の範囲１又は２に記載された燃料電池システムであって、
前記各燃料電池セルは上部が開口した燃料タンク部を有し、
前記アノードは、前記燃料タンク部の開口面上に配置され、
前記燃料タンク部は、前記燃料供給流路に連通している
燃料電池システム。
【請求項４】
請求の範囲３に記載された燃料電池システムであって、
前記燃料タンク部は、０．１〜１．０ｍｍの口径を有する開口を介して前記燃料供給流路から燃料を受け入れる
燃料電池システム。
【請求項５】
請求の範囲４に記載された燃料電池システムであって、
前記開口は、前記燃料タンク部の底面に設けられている
燃料電池システム。
【請求項６】
請求の範囲３乃至５のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
前記燃料タンク部には、燃料を保持する為のウィッキング材が挿入されている
燃料電池システム。
【請求項７】
請求の範囲６に記載された燃料電池システムであって、
前記各燃料電池セルは、燃料の気体成分のみを選択的に透過させる燃料供給制御膜を有し、
前記燃料供給制御膜は、前記燃料タンク部と前記アノードとの間に設けられている
燃料電池システム。
【請求項８】
請求の範囲７に記載された燃料電池システムであって、
前記ウィッキング材は、前記開口部分は覆わないように、前記燃料タンク部に挿入されている
燃料電池システム。
【請求項９】
請求の範囲６乃至８のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
前記ウィッキング材は、前記燃料タンク部に送られた燃料のうちの半分以上がウィッキング材中に吸収されずに表面を流れるような材質である
燃料電池システム。
【請求項１０】
請求の範囲１乃至９のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
前記各燃料電池セルは、前記アノードで発生した気体を外部へ排出する排気部を有している
燃料電池システム。
【請求項１１】
請求の範囲１０に記載された燃料電池システムであって、
前記各燃料電池セルは、前記アノードの側部に配置されたシール部材を有し、
前記排気部は、前記シール部材に形成された排気路である
燃料電池システム。
【請求項１２】
請求の範囲１０に記載された燃料電池システムであって、
前記シール部材には、上下に貫通する少なくとも一の貫通孔が設けられ、
前記シール部材の上に存在する材料には、前記貫通孔に対応する位置に孔が設けられており、
前記排気部は、前記貫通孔と前記孔によって、前記アノードと外部とを連通させている燃料電池システム。
【請求項１３】
請求の範囲１乃至１２のいずれかに記載された燃料電池システムであって、
前記各燃料電池セルは、
前記カソード上に配置され、保湿性を有する蒸発抑制部材と、
前記蒸発抑制部材の上に配置されたメッシュ状のカバー部材とを有する
燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、複数の燃料電池セルが平面スタック構造で配置されている燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質膜をアノードとカソードとで挟持した構造の電極−電解質膜接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ。以下、ＭＥＡという。）を備えた燃料電池が知られている。【０００３】
このような燃料電池のうち、液体燃料を直接アノードに供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれる。その直接型燃料電池では、供給された液体燃料がアノードに担持された触媒上で分解され、プロトン、電子、及び中間生成物を生成する。生成したプロトンは電解質膜を透過してカソード側に移動する。また、生成した電子は外部負荷を経てカソード側に移動する。そして、プロトンと電子がカソードで空気中の酸素と反応して反応生成物を生じる。この結果、発電する。【０００４】
例えば、液体燃料としてメタノール水溶液を使用するダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという。）では、下記反応式１で表される反応がアノードで起こり、下記反応式２で表される反応がカソードで起こる。【０００５】
（反応式１）；ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
（反応式２）；６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ【０００６】
液体燃料を使用した固体高分子電解質型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源として期待されている。例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）などの比較的要求出力の高い機器の電源として用いるためには、単一のＭＥＡでは出力が少ないので、複数の燃料電池セルを連結することがある。（以下、スタックを構成する最小ユニットを燃料電池セルと呼ぶ）。このように、複数の燃料電池セルをしたものとして、燃料電池の単位セルがセルの厚み方向に積層したバイポーラ型と、燃料電池の単位セルが平面的に並ぶ平面スタック型とが知られている。【０００７】
ノート型ＰＣなどのように、携帯することを念頭に置いた機器においては、厚さに対する制約があるため、平面スタック型が有利である。平面スタック型において、複数の燃料電池セルの夫々に燃料を供給する方式としては、各燃料電池セルに燃料を直列で供給する直流流路型と、中央流路から各燃料電池セルに分岐させて燃料をする並列流路型と、が知られている。【０００８】
直流流路型においては、上流側で発電に使われた燃料が、そのまま下流部において使用されるため、下流部では燃料濃度が薄く、かつ温度が高くなる。そのため、上流側の燃料電池セルと下流側の燃料電池セルとでは、発電条件が大きく異なることがある。しかしながら、発電条件が異なるにもかかわらず、同一の電流で発電を継続することになるため、下流側に位置する燃料電池セルは過酷な発電環境下になることがある。このため、下流側に位置する燃料電池セルは、劣化が早くなる。【０００９】
それに対し、並列流路型においては、同一濃度の燃料を等温で各燃料電池セルに供給できるため、均一に燃料分配することができ、安定した発電が可能となる。【００１０】
しかし、並列流路型では、供給流路と戻り流路において燃料の分岐および合流が必要となる。この分岐点および合流点において流路内圧が変化していくため、各燃料電池セルへ均等に燃料を分配することは難しい。また、発電によって発生したＣＯ２が燃料電池セル内部および戻り流路に混入することによって、燃料循環系等が気液混合系となるため、圧力分布に局所的な偏りが生じてしまい、各燃料電池セルへの供給バランスが崩れることもある。【００１１】
従って、平面スタック型における並列流路型の燃料電池システムにおいて、核燃料電池セルへ均等に燃料を分配する技術の提供が望まれる。また、発電に発生したＣＯ２が燃料電池セル内部や戻り流路に混入しない技術の提供が望まれる。【００１２】
燃料電池セルを複数備えた燃料電池システムにおいて、燃料を均一に分配する方法としては各種提案がなされている。例えば、特開２００３−２０３６４７号公報に記載の燃料電池では、セパレータに溝や孔を形成させ、その流路を通じて液体燃料を供給する方法を提案している。【００１３】
また、特開２００２−１７５８１７号公報に記載の燃料電池では、燃料電池セル内部にＣＯ２排出溝を設け、供給燃料と排出されるＣＯ２を分断する方法を提案している。【００１４】
特開２００２−５６８５６号公報は、電解質膜と触媒層との界面に燃料供給流路およびＣＯ２排出溝を形成させる燃料電池を開示している。【００１５】
また、特許第３４４２６８８号公報、及び特開２００１−１５１３０号公報は、液体燃料を燃料供給層を通じて気化させた後にアノードに供給することによって、ＭＥＡを通じての燃料揮発を低減化させた燃料電池を開示している。【００１６】
また、特開２００１−１０２０７０号公報は、電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極と、液体燃料を前記燃料極表面で保持する為の燃料容器と、前記燃料容器に設けられ、炭酸ガス及び液体燃料を分離し、前記燃料極から生成される炭酸ガスを選択的に前記燃料容器外に排出する分離膜とを有することを特徴とする燃料電池、を開示している。【００１７】
また、特開２００３−３１７７４５号公報は、電解質膜と、電解質膜の第１の面に設けられる多数のアノード電極、及び前記第１の面とは反対側である電解質膜の第２の面に前記アノード電極の各々に対応して設けられる多数のカソード電極による多数の単位セルを形成する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、前記アノード電極への供給燃料を内部に貯蔵し、その内部の燃料が通過する多数の燃料供給ホールが形成された燃料供給板付き燃料供給室と、前記燃料供給板と前記ＭＥＡとの間の燃料供給路状に設けられ、燃料供給板を介して供給される燃料を拡散させて前記ＭＥＡのアノード電極に供給するウィッキングシートと、を備える空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパック、を開示している。【００１８】
また、特開２００３−３４６８６２号公報は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層と、燃料と、前記燃料が酸化されることにより生成した物質を排出する排出口とを備えた燃料電池であって、前記燃料が不完全に酸化されることにより生成した物質を酸化する触媒を前記排出口に設ける手段、および前記燃料が不完全に酸化されることにより生成した物質を吸着する吸着材を前記排出口に設ける手段よりなる群から選択された少なくとも一の手段であることを特徴とする燃料電池、を開示している。【００１９】
また、特開２００２−２８００１６号公報は、電流集電体に設けられたガス排出通路を通じて反応副生成物である二酸化炭素を円滑に排出する燃料電池、を開示している。【００２０】
また、特開２００１−２８３８９２号公報は、中央部に配置されたメンブレンとこのメンブレンの両側にそれぞれ配置されたカソード及びアノードとを有するセルと、前記カソードとアノードとに電気的に接触された集電板と、前記セルを電気的に相互に連結された電気接続部材とを具備した燃料電池用単電極セルパックにおいて、前記セルは二つ以上で構成され、かつ、前記電機接続部材が配置された空洞部を介して任意の同一平面上に共に配置され、多孔性を有し、前記アノードと接触してセルの内部に燃料を拡散させるための多孔性燃料拡散部材と、多孔性を有し、前記アノードと接触してセルの内部の燃料と空気とを接触する為の多孔性空気接触部材と、前記セルを保護する為にセルのアノード側部とカソード側部に夫々配置されるアノードエンドプレート及びカソードエンドプレートと、前記空洞部のアノード側の部分に燃料を供給するとともに排出する燃料供給及び排出手段と、前記空洞部の前記カソード側の部分に、前記アノード側の空洞部を流動する燃料が空洞部からカソード側の部分に流動することを防止する燃料流動阻止部材と、前記セルでアノードが配置されているアノード部とこのアノード部に対応する空洞部とを外部から密閉するシーリング部とを具備して構成されたことを特徴とする燃料電池用単電極セルパック、を開示している。【００２１】
しかしながら上述の特許文献の何れにおいても、各燃料電池セルへ均等に燃料を分配する技術の記載はない。また、発電に発生したＣＯ２を燃料電池セル内部や戻り流路に混入しない観点においては、簡便な構造で解決されることが望まれる。更に、長時間燃料電池を駆動させた場合においても、ＣＯ２を燃料電池セル内部や戻り流路に混入しない技術が望まれる。
【発明の開示】
【００２２】
本発明の目的は、各燃料電池セルへ均等に燃料を分配することのできる燃料電池システム及び燃料電池セルを提供することにある。
【００２３】
本発明の他の目的は、発電で発生したＣＯ２が燃料電池セル内部や戻り流路に混入しない燃料電池システム及び燃料電池セルを提供することにある。
【００２４】
本発明の更に他の目的は、長時間燃料電池を駆動させた場合においても、発電で発生したＣＯ２が燃料電池セル内部や戻り流路に混入しない燃料電池システム及び燃料電池セルを提供することにある。
【００２５】
上記目的を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、アノードと、カソードと、アノード及びカソードに挟まれた電解質膜とを有する複数の燃料電池セルと、複数の燃料電池セルの各々に、分岐しながら燃料を供給する燃料供給流路と、を備える。その燃料供給流路は、下流側の夫々の断面積が、上流側よりも小さくなるような分岐を、少なくとも一つ有する。
【００２６】
分岐部分において、下流側の流路を流れる燃料の流量は減少する。分岐の上流と下流で燃料供給流路の断面積が同じである場合には、燃料の流量が減少するので下流側の流圧が減少する。上述の構成によれば、分岐の下流側にて流路の断面積を小さくすることにより、燃料の流圧低下を防ぐことができる。よって、複数の燃料電池セルの夫々に、均等の圧力で燃料を供給することが可能である。
【００２７】
また、この燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池セルは、板状のフレームの上に重ならないように配置されていることが好ましい。そして、各燃料電池セルは、燃料供給流路から送られた燃料を蓄える燃料タンク部、を有する。
【００２８】
この燃料電池システムにおいて、燃料タンク部は、０．１〜１．０ｍｍの口径を有する開口を介して燃料供給流路から燃料を受け入れることが好ましい。
【００２９】
このように、燃料タンク部への燃料の供給が、０．１〜１．０ｍｍの口径を有する開口を介して行われることは、燃料を燃料供給路から燃料タンク部への一方向へのみ流す観点から好適である。その口径が０．１ｍｍ以下であると、燃料供給流路から燃料タンク部への燃料の供給が不十分となる傾向にある。一方、その口径が１．０ｍｍ以上である場合には、燃料タンク部内の燃料の流れが不均一となる傾向にある。
【００３０】
上記の燃料電池システムにおいて、その開口は、燃料タンク部の底面に設けられている。ことが好ましい。その開口が、その燃料タンク部の底面に設けられていることにより、燃料供給流路から燃料タンク部への燃料の流れが一方向となりやすい。即ち、燃料タンク部から燃料供給流路への逆流を防止することができる。燃料供給流路への逆流が防止されることで、燃料供給流路の内圧の変動が、より抑制される。結果として、より均等な圧力で各燃料電池セルへ燃料が供給される。
【００３１】
この燃料電池システムにおいて、その燃料タンク部には、燃料を保持する為のウィッキング材が挿入されていることが好ましい。ここで、このウィッキング材は、燃料タンク部に流れ込んだ燃料を保持する機能を有する。このように、ウィッキング材が挿入されていることにより、燃料タンク部に流れ込んだ燃料の流れの方向を分散させ、均等化させることができる。
【００３２】
この燃料電池システムにおいて、各燃料電池セルは、燃料タンク部の上に設けられ、燃料の気体成分のみを選択的に透過させてアノードへ供給する燃料供給制御膜、を有していることが好ましい。
【００３３】
このように燃料供給制御膜を設けることで、アノードへ燃料が最適な流量で供給される。
【００３４】
この燃料電池システムにおいて、ウィッキング材は、その開口部分は覆わないように、燃料タンク部に挿入されていることが好ましい。
【００３５】
このように、ウィッキング材が、開口を覆っていないことにより、開口から燃料タンク部に流れ込んだ燃料は、主としてウィッキング材の上側（ウィッキング材の燃料供給制御膜側）の表面を流れる。このような構造により、燃料タンク部内部において、燃料がアノード側へ安定的に供給される。液体燃料を選択的にアノード側にあたるウィッキング材表面側に送り込みやすくなるため、燃料供給制御膜を介した気化燃料供給を促進させることができる。
【００３６】
また、ウィッキング材は、燃料タンク部に送られた燃料のうちの半分以上がウィッキング材中に吸収されずに表面を流れるような材質であることが好ましく、７０％以上が表面を流れるような材質であることが、より好ましい。
【００３７】
ウィッキング材の表面を、燃料タンク部に送られた燃料のうちの半分％以上が流れることにより、燃料が燃料供給制御膜を介してアノードへ供給され易くなる。一方、ウィッキング材の表面を流れる燃料が半分以下である場合には、燃料は主としてウィッキング材に保持されて、ウィッキング材の上側を流れにくくなる。即ち、燃料が燃料供給制御膜を介してアノード側へ供給されにくくなる。また、ウィッキング材として、燃料などを吸収して流路抵抗が大きくなることにより、供給された液体燃料の大部分がウィッキング材表面を流れやすくなるような素材のものを用いると、燃料が流れる方向性が定まるので、燃料供給制御膜を通じたアノード２への燃料供給がより高電流で発電させる際にも十分なだけ行える。
【００３８】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、各燃料電池セルは、アノードで発生した気体を外部へ排出する排気部を有していることが好ましい。
【００３９】
アノードでの電極反応により発生したＣＯ２を外部へ排出することにより、アノードと燃料供給制御膜間にＣＯ２が蓄積されることがない。アノードと燃料供給膜間の圧力が上昇しない為に、燃料供給制御膜からアノードへの気化した燃料の供給が妨げられない。よって、アノードへ安定して燃料を供給することができる。
【００４０】
この燃料電池システムにおいて、各燃料電池セルは、アノードの側部を外部と遮断するためのシール部材を有し、排気部は、気体がアノードから外部へ排気されるようにシール部材に設けられた排気路であることが好ましい。
【００４１】
このような構成に依れば、アノードでの電極反応により発生したＣＯ２が外部へ排出されるので、アノードと燃料供給制御膜間にＣＯ２が蓄積されることがない。アノードと燃料供給膜間の圧力が上昇しないので、燃料供給制御膜からアノードへの気化燃料の供給が妨げられない。この結果、アノードへ安定して燃料を供給することができる。
【００４２】
本発明に係る燃料電池システムにおいて、そのシール部材には、少なくとも一の貫通孔が設けられ、そのシール部材の上に存在する材料には、貫通孔に対応する位置において孔が設けられており、その排気部は、その貫通孔とその孔とによって、アノード（２）と外部を通気可能としていることが好ましい。
【００４３】
このような構成に依れば、アノード）での電極反応により発生したＣＯ２が外部へ排出すされるので、アノードと燃料供給制御膜間にＣＯ２が蓄積されない。アノードと燃料供給膜間の圧力が上昇しないのおで、燃料供給制御膜からアノードへの気化燃料供給が妨げられない。よって、アノードへ安定して燃料を供給することができる。また、燃料循環系に気体成分の混入をなくすことができ、ＣＯ２がウィッキング材表面よび内部に気泡として付着することによる燃料供給および燃料電池セル内部における流路抵抗の急激な変動を防止することができる。
【００４４】
上記の燃料電池システムにおいて、各燃料電池セルは、カソードの上に配置された保湿性を有する蒸発抑制部材と、蒸発抑制部材の上に配置されたメッシュ状のカバー部材と、を有することが好ましい。アノードで発生したプロトンの電解質膜を介してのカソードへの移動は、水の存在化で行われる。蒸発抑制部材及びカバー部材は、発電時に、カソードにおいて生成する水の蒸発を抑制する。よって、電解質膜（４）における水分揮発を防止することができる。
【００４５】
本発明に依れば、各燃料電池セルへ均等に燃料を分配することのできる燃料電池システム及び燃料電池セルが提供される。
【００４６】
更に、本発明に依れば、発電で発生したＣＯ２が燃料電池セル内部や戻り流路に混入しない燃料電池システム及び燃料電池セルが提供される。
【００４７】
更に、本発明に依れば、長時間燃料電池を駆動させた場合においても、発電で発生したＣＯ２が燃料電池セル内部や戻り流路に混入しない燃料電池システム及び燃料電池セルが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る燃料電池システム１における燃料流路構造の一例を示す概略図である。
【図２】第１の実施の形態に係る燃料電池システム１の図１に示したＢ−Ｂ’における、燃料電池セル構造の断面図である。
【図３】第１の実施の形態に係る燃料電池システム１における、燃料タンク部８の構造を説明する斜視図である。
【図４】第１の実施の形態に係る燃料電池システム１における、アノード集電体２４〜カソード集電体２５部分の構成を説明する分解斜視図である。
【図５】第２の実施の形態に係る燃料電池システム１における、図１に示したＢ−Ｂ’における、燃料電池セル構造の断面図である。
【図６】第２の実施の形態に係る燃料電池システム１における、燃料タンク部８の構造を説明する斜視図である。
【図７】第２の実施の形態に係る燃料電池システム１における、アノード集電体２４〜カソード集電体２５部分の構成を説明する分解斜視図である。
【図８Ａ】シール部材１５を上から見た図である。
【図８Ｂ】シール部材１５を上から見た図である。
【図８Ｃ】シール部材１５を上から見た図である。
【図８Ｄ】シール部材１５を上から見た図である。
【図９】第３の実施の形態に係る燃料電池システム１における、アノード集電体２４〜カソード集電体２５部分の構成を説明する分解斜視図である。
【図１０】第３の実施の形態に係る燃料電池システム１における、図１に示したＢ−Ｂ’における、燃料電池セル構造の断面図である。
【図１１】実施例１、２の燃料電池発電システム１について、その流路構造を示す概略図である。
【図１２】比較例１の燃料電池発電システム１について、その流路構造を示す概略図である。
【図１３】実施例１、２及び比較例１の測定結果である。
【図１４】実施例１、２及び比較例１の測定結果である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４９】
（第１の実施形態）
図１は、本実施の形態に係る燃料電池システム１を上側から見た図である。本実施の形態に係る燃料電池システム１は、板状のフレーム７の上に重ならないように配置された複数の燃料電池セル５、フレーム７中に設けられた燃料供給流路６、及びフレーム７中に設けられた戻り流路２２を備えている（図１中では、フレーム７中に設けられた燃料供給流路６及び戻り流路２２も描かれている）。燃料としては、液体燃料であるメタノールが使用される。【００５０】
燃料供給流路６は、メイン流路６１と、メイン流路６１から分岐した複数の分岐流路６２からなる。各分岐流路６２は、メイン流路６１から少なくとも一の分岐２３部分で分岐して各燃料電池セル５に接続されている。本実施の形態においては、分岐２３の数は４つ（分岐２３Ａ〜Ｄ）であり、一の分岐２３においてメイン流路６１から２本の分岐流路６２が分岐し、夫々が燃料電池セル５に接続している。【００５１】
ここで、４つの分岐のうち、上流側の３つの分岐２３（分岐２３Ａ〜Ｃ）においては、下流側の夫々の流路の断面積が、上流側よりも小さくなっている。即ち、メイン流路６１は、分岐２３Ａの上流側と下流側とでは、上流側の方が断面積が大きい。同様に、分岐２３Ｂ、Ｃにおいても、上流側の断面積の方が下流側よりも大きくなっている。すなわち、メイン流路６１は、分岐２３Ａ、Ｂ、Ｃを経る毎に、断面積が小さくなっている。また、分岐流路６２の断面積は、メイン流路６１の断面積に対して十分に小さい。尚、最も下流側の分岐２３Ｄに関しては、必ずしも下流側の断面積が小さくなっている必要はないが、分岐２３Ａ〜Ｃと同様に、下流側が小さくなっている方がより好ましい。【００５２】
各燃料電池セル５で消費されなかった燃料は、各燃料電池セル５に接続した戻り分岐流路２２１を経由して戻り流路２２へと流れるようになっている。本発明の燃料電池システム１は、このような経路を通じて燃料を循環させる並列燃料供給型平面スタック構造である。【００５３】
図２は、図１におけるＢ−Ｂ’による燃料電池システム１の断面図を示している。各燃料電池セル５は、分岐流路６２からの燃料を保持する燃料タンク部８と、燃料タンク部８の上に配置されたＭＥＡとを有している。ＭＥＡは、アノード２とカソード３とにより電解質膜４が挟持されたものである。ＭＥＡは、アノード２を燃料タンク部８側にして配置されている。また、燃料タンク部８とＭＥＡとの間には、枠状のアノード集電体２４が配置されている。ＭＥＡのカソード３側には、アノード集電体２４と同様の形状（枠状）のカソード集電体２５が配置されている。【００５４】
図４は、アノード集電体２４、ＭＥＡ、及びカソード集電体２５部分の構成を示す分解斜視図である。図４に示されるように、電解質膜４は、アノード２及びカソード４よりも広く、端部はアノード２及びカソード４の挟持された部分からはみ出している。また、ＭＥＡが外部からシールされるように、複数の枠状のシール部材１５（Ａ〜Ｃ）が設けられている。シール部材１５Ｂは、アノード２の側方に配置される。シール部材１５Ｂの厚みは、段差を無くすために、アノード２の厚みと同じ厚みである事が好ましい。これにより、アノード２の側部が外部からシールされる。シール部材１５Ｃは、シール部材１５Ｂと同様に、カソード３の側方に配置されている。シール部材１５Ｃの厚みも、同様に、カソード３の厚みと同じ厚みである事が好ましい。これにより、カソード３の側部が外部からシールされる。また、シール部材１５Ａは、アノード集電体２４の下方（燃料タンク部８側）に配置され、フレームとの間隙をシールする。シール部材１５Ａは、任意の厚みで設ける事ができる。尚、シール部材１５Ａは、アノード集電体２４がフレーム７と密着する場合には必ずしも必要ではなく、省略される場合もある。【００５５】
図３は、燃料タンク部８の構造を示す斜視図である。図３に示されるように、燃料タンク部８は、フレーム７に設けられた凹部である。燃料タンク部８の底面１０には開口９が備えられている。この開口９を介して、燃料タンク部８は分岐流路６２に連通している。開口９は、底面１０ではなく、側面に設けられていてもよいが、底面１０の方が燃料の逆流防止の観点から好ましい。また、開口９の口径は０．１〜１．０ｍｍであることが望ましい。開口９の口径をこのような範囲とすることで、燃料の供給圧が高くなる。燃料の供給圧が高くなることにより、燃料タンク部１２から燃料供給流路２１への燃料の逆流が防止される。【００５６】
燃料タンク部８は、燃料供給流路６１と反対側の側部において戻り分岐流路２２１と接続されており、燃料タンク部８から分岐流路２２１を介して燃料が排出されるようになっている。【００５７】
燃料タンク部８には、燃料を保持するためのウィッキング材１１が挿入されている。ウィッキング材１１は、主に毛細管現象により液体である燃料を吸収し、かつ保持することを目的としている。ウィッキング材１１を挿入することにより、各燃料電池セル１１間の流路抵抗の差を小さくすることができるため、より均等な燃料分配が可能となる。ウィッキング材１１としては、例えば、織布、不織布、繊維マット、繊維ウェブ、発泡プラスチック等を用いることができ、特に、親水性ウレタン発泡材や親水性ガラス繊維等の親水性材料が好適に用いられる。本実施の形態のように、燃料タンク部８の上に直接アノード２が配置されて液体燃料がアノード２へ供給される直液燃料供給の場合は、流路抵抗が燃料の流れを妨げない程度に小さいものであることが好ましい。流路抵抗が小さい材料を用いることにより、燃料は主としてウィッキング材１１に染み込み、ウィッキング材１１の上側からアノード２にむけて均一に供給される。【００５８】
本発明の燃料電池セル５は、上述のような構成を有するセル構造を有し、そのセル構造の周縁部を貫通するように複数のネジ（図示せず）で螺合されてフレーム上に固定されている。尚、燃料電池セル１１をフレーム１０に止める手段としては、ネジ止めに限らず、接着などの方法も用いることができ、燃料電池セル１１から液体燃料が漏れないような構造であればよい。【００５９】
尚、ＭＥＡの電解質膜４としては、プロトンの伝導性が高く、かつ、電子伝導性をもたない高分子膜が好適に使用される。電解質膜４の構成材料としては、スルホン酸基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有するイオン交換樹脂が好ましく、その具体例としては、パーフルオロスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリイミド系樹脂等が挙げられる。より具体的には、例えば、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族系高分子からなる固体高分子電解質膜を挙げることができる。電解質膜４の膜厚は、その材質や燃料電池の用途等に応じて、１０〜３００μｍ程度の範囲内で適宜選定可能である。【００６０】
また、カソード３は、式２に示されるように、酸素を還元して水にする電極であり、例えば、触媒をカーボン等の担体に担持させた粒子（粉末を含む）又は担体を有さない触媒単体と、プロトン伝導体との触媒層をカーボンペーパー等の基材上に塗布等で形成することにより得ることができる。この触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、モリブデン、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等が挙げられる。この触媒は、１種のみでも、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。また、触媒を担持する粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素系材料が例示される。この粒子の大きさは、例えば炭素系材料が粒状物であるときには、０．０１〜０．１μｍ程度の範囲内、好ましくは０．０２〜０．０６μｍ程度の範囲内で適宜選定される。粒子に触媒を担持させるには、例えば含浸法を適用することができる。【００６１】
触媒層が形成される基材としては、固体高分子電解質膜を用いることもできるし、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等、導電性を有する多孔性物質を用いることもできる。カーボンペーパー等の基材を用いた場合には、基材上に触媒層を形成してカソード３１を得た後に、ホットプレス等の方法によって、触媒層が固体高分子電解質膜３３と接する向きでカソード３１を固体高分子電解質膜３３に接合することが好ましい。カソード３１の単位面積当たりの触媒量は、触媒の種類や大きさ等に応じて、０．１ｍｇ／ｃｍ２  〜２０ｍｇ／ｃｍ２  程度の範囲内で適宜選定可能である。【００６２】
アノード２は、式１に示されるように、メタノール水溶液と水から水素イオンとＣＯ２と電子を生成する電極であり、上記のカソード３と同様にして構成される。アノード２を構成する触媒層や基材は、カソード３を構成する触媒層や基材と同じであってもよいし異なっていてもよい。アノード２の単位面積当たりの触媒量も、カソード３の場合と同様、触媒の種類や大きさ等に応じて、０．１ｍｇ／ｃｍ２  〜２０ｍｇ／ｃｍ２程度の範囲内で適宜選定可能である。【００６３】
カソード集電体２５及びアノード集電体２４は、カソード３及びアノード２上にそれぞれ接して配され、電子の取出効率及び電子の供給効率を高めるように作用する。本実施の形態においては、これらの集電体２４、２５は、アノード及びカソードの周縁部に接する枠形状のものである。これらの集電体２４、２５の材料としては、例えば、ステンレス鋼、焼結金属、発泡金属等、又はこれらの金属に高導電性金属材料をメッキ処理したものやカーボン材料などの導電体等を用いることができる。【００６４】
シール部材（１５Ａ〜Ｃ）は、必要に応じてシール性、絶縁性及び弾性が有するものが好ましい。シール部材１５としては、例えばＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙ  ｅｔｈｅｒ  ｅｔｈｅｒ  ｋｅｔｏｎｅ）、塩化ビニル等のプラスチック素材や、フッ素樹脂、シリコンゴム、ブチルゴムなどのゴム素材で形成することができる。シール部材１５が配されることにより、燃料が燃料電池セル５から外部へ漏洩することが防止される。【００６５】
上述のような構成を有する燃料電池システム１における燃料の流れについて説明する。図１の矢印で示されるように、燃料はまず、燃料供給流路６を流れる。そして、分岐２３（Ａ〜Ｄ）部分において分岐した燃料が、各分岐流路６２を通って各燃料電池セル５へと供給される。【００６６】
図２を参照して、分岐流路６２を流れた燃料は、開口９から燃料タンク部８へ供給される。燃料タンク部８に流れ込んだ燃料は、ウィッキング材１１に染み込んで保持される。そしてウィッキング材１１の上部から染み出し、アノード２へ供給される。アノード２に供給された燃料により、下記反応式３で示される反応がアノードで起こり、更にカソードにおいて下記反応式４で示される反応が起こり、発電する。【００６７】
（反応式３）；ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
（反応式４）；６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２→３Ｈ２Ｏ【００６８】
アノード２及びカソード３で発電した電力は、アノード集電体２４及びカソード集電体２５によって取り出される。一方、アノード２へ供給されなかった燃料は、燃料タンク部８から戻り分岐流路２２１を介して戻り流路２２へ流れ、図１の矢印の方向へ排出される。【００６９】
以上説明したように、本実施の形態に係る燃料電池システムに依れば、燃料流路の断面積が、分岐の上流よりも下流側で小さくなっているので、供給流路内部の内圧変化を低減できる。よって、上流部から下流部にあたる各燃料電池セルにおける供給圧を均等にすることができる。【００７０】
また、各燃料電池セル５への燃料供給は燃料タンク部８の底部から、０．１〜１．０ｍｍ程度の口径をもつ小さな開口９を介して噴出させることにより、供給流路から燃料タンク部側への一方的な流れを形成することができる。この結果、燃料の逆流が起こり難くなり、より均等な供給圧で各燃料電池セルに燃料を供給する事ができる。【００７１】
このように、並列配置させた各燃料電池セル５に均一な濃度の液体燃料を均一な状態で供給できるため、各燃料電池セル５における発電状況が均一となり、より安定した長時間の発電が可能となる。【００７２】
（第２の実施形態）
（構成）
本実施の形態に係る燃料電池システム１は、第１の実施形態と同様に、複数の燃料電池セル５が平面的にフレーム７上に配置されている。但し、第１の実施形態と比較して、燃料タンク部８とアノード２との間に設けられた燃料供給制御膜１２を備える点、カバー部材及び蒸発抑制部材を有する点、アノード２を外部と通気可能に接続する排気部１３を備える点、及びウィッキング材に貫通穴が設けられている点において工夫が為されている。尚、以下の説明において、第１の実施形態と同じ部分に関しては、説明を省略する。【００７３】
図５は本実施の形態に係る燃料電池システム１における、燃料電池セル５の構造を示す断面図である。図５中、矢印の方向は燃料が流れ易い方向を示している。各燃料電池セル５において、フレーム７の凹部である燃料タンク部８の上には燃料供給制御膜１２が配置されている。燃料供給制御膜１２の上にはＭＥＡのアノード２側が配置されている。アノード集電体２４は、アノード２と燃料供給制御膜１２との間に配置されている。また、シール部材１５Ａは、アノード集電体２４と燃料供給制御膜１２との間に設けられている。尚、アノード２の中央部と燃料供給制御膜１２とは、図５では接触しているが、空隙を有する場合もある。アノード２の上には電解質膜４が設けられている。アノード２の側部１４にはシール部材１５Ｂが配置されており、アノードの側部１４を外部から保護している。電解質膜４の上にはカソード３が設けられている。カソード３の上には枠状のカソード集電体２５が配置されている。カソード３の側部にもシール部材１５Ｃが配置されており、カソード３が外部から保護されている。また、カソード３とカソード集電体２５とを覆うように、蒸発抑制部材１９が設けられている。更に、蒸発抑制部材１９の上にはカバー部材２０が設けられている。【００７４】
燃料タンク部８は、第１の実施形態と同様にフレーム７の凹部として設けられている。図６は、燃料タンク部８の構成を示す斜視図である。図６中、矢印の方向は燃料が流れ易い方向を示している。燃料タンク部８の底面１０には開口９が設けられている。燃料タンク部８は、開口９を介してメイン流路６１から分岐した分岐流路６２と接続している。燃料タンク部８には、ウィッキング材１１が挿入されている。ウィッキング材１１には、開口９に対応する位置に、貫通穴（以下、ウィッキング孔２１と記載する）が設けられている。すなわち、このウィッキング孔２１によって、開口９部分は、ウィッキング材１１によって覆われないようになっている。【００７５】
ウィッキング部材１１としては、燃料タンク部８に送られた燃料のうちの半分以上がウィッキング材１１中に吸収されずに表面を流れるような材質のものを用いることが好ましい。また、ウィッキング部材は、燃料タンク部８に隙間を生じないように詰め込まれ低ることが好ましい。また、ウィッキング孔２１は、開口９に接する部分のみに設けられ、開口９の口径と同程度もしくは大きめサイズである事が好ましい。このような構造とすることにより、開口９から供給された燃料がアノード２側に方向に向けて噴出されやすくなる。従って、アノード２側へ選択的に燃料を送液できるようになる。また、燃料タンク部８に送られた燃料のうちの半分以上がウィッキング材１１中に吸収されずに表面を流れるような材質であることにより、図５、６中の矢印で示されるように、底部から供給された燃料を、ウィッキング材１１の上側に送り、ウィッキング材１１の上側表面を流れるように導く事ができる。よって、燃料供給制御膜１２を介してアノード２側へ選択的に燃料を送液する効果を助長することができる。すなわち、ＭＥＡへの一方的な燃料の流れを形成することができ、各燃料電池セルへより均等に燃料が配分できる。これにより、高電流におけるアノード２への燃料供給不足も解消され、より均質な発電状況を高出力でも維持することができる。一方、燃料タンク部８に送られた燃料のうちで、ウィッキング材１１の表面を流れる燃料が半分以下である場合には、燃料は主にウィッキング材１１に保持されるようになり、燃料供給制御膜１２を介してアノード２側に供給される燃料の量が不十分となることがある。【００７６】
尚、燃料供給制御膜１２と燃料タンク部８との間は、ウィッキング材１１の上側表面を流れてきた液体燃料や、一旦ウィッキング材１１で保持された液体燃料が、ウィッキング材１１から直接燃料供給制御膜１２に供給されることになるように、液体燃料が流れることができるだけの間隙を有した上で近接していることが好ましい。【００７７】
燃料供給制御膜１２は、液体燃料の気体成分のみを選択的に透過させる制御膜である。この燃料供給制御膜により、アノード２への燃料供給量が制限される。その結果、アノード２に、常に最適な量で燃料を供給することができ、安定した発電を継続することができる。【００７８】
燃料供給制御膜１２は、燃料保持能をもつウィッキング材１１を挿入した燃料タンク部８の開口上部に固定されている。燃料供給制御膜１２は、燃料タンク部８に供給された燃料に起因する圧力によって、アノード２を構成する電極に接するか、もしくは近接している。燃料供給制御膜１２としては、主にＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）多孔質体などの疎水性の気液分離膜が用いられる。燃料供給制御膜１２への燃料供給量は、少なくともＭＥＡにおける燃料の消費量と同程度以上である必要がある。燃料供給制御膜１２への燃料供給量は、膜厚および気孔率の違いといった燃料供給制御膜１２の材質による性質や、温度および湿度といった外的要因に起因する燃料の透過率によって決定される。なお、燃料供給制御膜１２としては、排気部１３を併設する場合には必ずしも疎水性である必要は無く、親水性の多孔質膜なども用いることができる。【００７９】
続いて、排気部１３について説明する。各燃料電池セル５には、アノード２で発生したＣＯ２を外部へ排出するための排気部１３を備えている。図７は、燃料電池セル５における、アノード集電体２４、ＭＥＡ、及びカソード集電体２５の構造を説明する分解斜視図である。第１の実施形態と同様に、アノード２、カソード３の側部をシールするようにシール部材１５Ｂ、Ｃが、設けられている。また、アノード集電体２４の下側にシール部材１５Ａが設けられている。但し、シール部材１５Ｂには、排気部１３として排気路１６が設けられている。【００８０】
図８Ｂは、シール部材１５Ｂを上側から見た図である。シール部材１５Ｂには、少なくとも一辺に排気路１６が形成されている。排気路１６は、シール部材１５Ｂを小片状の部材を組み合わせることによって形成させてもよい。この場合、部材間の隙間が排気路１６となる。尚、排気路１６は、このような形状に限られるものではなく、シール部材１５Ｂに凹状の凹みや切れ目を形成し、その凹部を排気路１６としてもよい。このように排気路１６を設けておく事により、排気路１６を介してアノード２で発生したＣＯ２を外部へ排出させる事ができる。【００８１】
尚、シール部材１５Ａ、１５Ｃに関しては、図８Ａのように隙間の無い形状である。また、シール部材１５Ａ、Ｂ、Ｃには、ネジ穴２６が形成されている。シール部材１５はこのネジ穴２６にネジが挿入されることで、フレーム７に固定される。なお、これらの各シール部材１５は、必要に応じて、シール性、絶縁性及び弾性を有するものが好ましく、通常はシール機能を有するゴムやプラスチックで形成されている。シール部材１５Ａ、１５Ｃは燃料漏れ等を起こさないようにシール機能を有することが望ましい。【００８２】
各シール部材１５は、ＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＥＴ（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙ  ｅｔｈｅｒ  ｅｔｈｅｒ  ｋｅｔｏｎｅ）、塩化ビニル等のプラスチック素材や、フッ素樹脂、シリコンゴム、ブチルゴム等のゴム素材で形成することができる。シール部材１５Ｂに関しては、必ずしもシール効果を有する必要が無いため、均一に集電できるような構造であるならばワッシャー状の部材やメッシュ状の部材をスペーサーとして挿入することも可能である。【００８３】
排気路１６は、枠形状の一辺のみに形成させるのもよいし、対向する２辺に設けられているものであってもよいし、四辺に設けられているものであってもよく、その形状および配置は各燃料電池セル５によって同一である必要はない。また、排気路１６の個数や大きさは、特に限定されないが、少なくともＣＯ２が効果的に排出される個数と大きさであることが好ましい。【００８４】
続いて、図５して、蒸発抑制部材１９について説明する。カソード３及びカソード集電体２５の上には、カソード３及びカソード集電体２５を覆う様に蒸発抑制部材１９が配置されている。本実施の形態のような、平面型の燃料電池システムにおいては、全体が筺体に包まれることが一般的であり、カソード３側へ強制的に空気を送風する必要が生じることがある。アノード２側に燃料供給制御膜１２を設けた場合、電解質膜４が液体燃料に直接触れないので、電解質膜４に含まれる水分は少なくなる。更に、カソード４側で送風を行うと、カソード４側の水分も著しく少なくなる。蒸発抑制部材１９は、このように送風による水分揮発抑制させ、発電に適度な湿度条件が保つ目的で設けられる。【００８５】
蒸発抑制部材１９は、セルロース繊維などを原料とした保湿性をもつ部材である。蒸発抑制部材１９としては、織布、不織布、繊維マット、繊維ウェブ、及び発泡プラスチック等親水性をもつ材料が例示される。なお、この蒸発抑制部材１９をカバーとして用いたとき、そのカバーの側面から空気を取り入れるような構造としたり、蒸発抑制部材１９に穴を空けた構造としたりすることで、発電に必要な空気の取り込むことを促進することができるが、蒸発抑制部材１９そのものも通気性をもつため、必ずしも空気が入り込むような加工はしなくてもよい。また、蒸発抑制部材１９とカソード４とは、互いに接していることが好ましいが、所望の支持部材やスペーサーを用いてカソード４と蒸発抑制部材１９とを互いに離隔させることも可能である。【００８６】
カバー部材２０は、蒸発抑制部材１９を覆うようにして設けられる。カバー部材２０としては、金属製やプラスチック製の穴あき板やメッシュなどが適当であり、例えば、表面に絶縁塗料を塗装したＳＵＳ製のパンチングシート等が好ましく用いられる。カバー部材１９を用いる場合、カバー部材１９自身にも水の蒸発を抑制する効果があるため、低電流かつ弱い送風条件では蒸発抑制層を省略することも可能だが、１００Ａ／ｃｍ２以上の高電流密度条件や強い送風条件下で発電する場合には、蒸発抑制層５１を挿入することは必須である。また、カバー部材２０の開口部分に関しては、５〜５０％程度の開口率となるように円形などの小孔が設けてあることが望ましい。【００８７】
本実施の形態に依れば、第１の実施形態における作用・効果に加えて、以下に述べる作用・効果を奏する。【００８８】
本実施の形態に係る燃料電池システム１のように、燃料供給制御膜１２を用いた燃料供給の場合、保液することによって流路抵抗が大きくなるようなウィッキング材１１を燃料電池セル内部に挿入するため、本来ならば燃料循環は悪くなるところである。しなしながら、燃料タンク部８の底面１０に設けられた開口９を通じて、燃料をアノード２側に向けてウィッキング孔２１から噴出させる構造とすることにより、燃料がアノード２側のウィッキング材１１表面を選択的に流れやすくなる。その結果、アノード２にとってはむしろ燃料が効率的に供給されるようになる。更には、燃料電池セル５内部にＣＯ２が蓄積することによる各燃料電池セル５の内部圧力の不均衡や、その内部圧力の上昇による燃料供給流路６へのＣＯ２および燃料の逆流が抑制される。【００８９】
発電中にアノード２で発生したＣＯ２は、アノード２を構成する電極内部もしくはアノード２と燃料供給制御膜１２との間に形成された隙間を通じて、シール部材１５Ｂに形成されている排気路１６から燃料電池セル５の外部へと排出される。こうしたＣＯ２の排出により、アノード２へ燃料を気化供給しながらも、アノード２近傍からＣＯ２を排出することができる。従って、アノード２で発生したＣＯ２がアノード２と燃料供給制御膜１２との間に留まることが抑制される。【００９０】
また、ＣＯ２をシール部材１５Ｂに形成させた排気路１６から外部へ排出することによって、アノード２側と燃料供給制御膜１２との間の圧力が、燃料タンク部８と燃料供給制御膜１２間の圧力よりも高くなることを押さえることができる。従って、燃料供給制御膜１２を介してアノード２側から燃料タンク部８へ向かうような気体の流れが起こらず、アノード２側への燃料供給圧を十分高くできる。その結果、アノード２での反応効率を高めることができると共に、高電流においても長時間安定した発電を可能とすることが可能となる。【００９１】
またＣＯ２発生に伴って戻り流路２２に発生する背圧分布に起因する供給圧のばらつきも低減されるため、並列流路構造でありながら各燃料電池セル５に均等に燃料を分配することができる。【００９２】
更に、本実施の形態に依れば、複雑な構造を必要とすることも無いため、非常に簡便である。また、液体燃料の漏れは燃料供給制御膜１２が防止するため、コスト的にも安全面でも優位点がある。そして、電解質膜４やカソード３を通じての燃料揮発が蒸発抑制部材１９及びカバー部材２０によって抑制されるため、液体燃料を直接に供給する構造と比較して無駄に燃料が消費されてしまうことなく、結果的に発電効率の増大にもつながる。【００９３】
更に、本実施の形態においては、カソード３表面を保湿性素材からなる蒸発抑制部材１９およびその上を金属製などの穴あき板等のカバー部材２０で被覆することによって、カソードからの水の揮発を低減することもでき、かつ発電に最適な湿度条件も得ることができる。その結果、燃料が無駄に揮発することも低減され、発電効率を向上させることができる。【００９４】
（第３の実施形態）
本発明の第３の実施形態に係る燃料電池システム１について説明する。本実施の形態に係る燃料電池システム１では、排気部１３の構造が、第２の実施の形態と異なっている。尚、排気部１３以外の部分に関しては第２の実施の形態と同様であり、説明は省略される。【００９５】
図９は本実施の形態に係る燃料電池システム１における、ＭＥＡ、アノード集電体、及びカソード集電体２５の積層構造を説明する分解斜視図である。図９において、矢印方向はＣＯ２が排出される方向を示している。第２の実施形態と同様に、シール部材１５Ａ〜Ｃが配置されている。図８Ｃは、シール部材１５Ｃの平面図であり、図８Ｄは、シール部材１５Ｂの平面図である。図８Ｄに示されるように、シール部材１５Ｂには、内側に向いた切り欠き部１７Ｂが二つ設けられている。一方、図８Ｃに示されるように、シール部材１５Ｃには、外側に向いた切り欠き部１７Ｃが設けられている。また、図９に示されるように、切り欠き部１７Ｃの上の電解質膜４には、孔１８が設けられている。図１０は、アノード集電体２４からカバー部材２０までの積層構造を説明する断面図である。既述のシール部材１５Ｂ、Ｃの切り欠き部と、電解質膜４に設けられた穴とにより、排気路１６が形成されている。この排気路１６によって、アノード２が外部に連通している。尚、電解質膜に設けられた孔１８は、０．３〜２．０ｍｍ程度の口径を有することが好ましい。このような範囲の口径であることによって、効率よくＣＯ２が排出される。【００９６】
本実施の形態に依れば、第２の実施形態における作用・効果に加えて、以下の効果を奏する。【００９７】
本実施の形態に依れば、アノード２で発生したＣＯ２は、切り欠き部１７Ｂ、孔１８、及び切り欠き部１７Ｃを介してアノード２から外部へ排気される。これにより、ＣＯ２が燃料電池セル５内に蓄積されることがなく、燃料循環系に気体が混入されることが防止される。【００９８】
以下、実施例を示すことにより、本発明の燃料電池システムを具体的に説明する。【００９９】
（実施例１）
実施例１で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。先ず、炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子１ｇにデュポン社製の５重量％ナフィオン溶液（商品名；ＤＥ５２１、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標）を加え、攪拌して、カソード形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを基材としてのカーボンペーパー（東レ社製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）上に１〜８ｍｇ／ｃｍ２の塗工量で塗布し、乾燥させて、４ｃｍ×４ｃｍのカソード３とした。また、カソードと同様に、アノード２を作製した。但し、アノード２の作製にあたっては、白金微粒子に代えて、粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子（Ｒｕの割合は５０ａｔ％）を用いた。【０１００】
次に、デュポン社製のナフィオン１１７（数平均分子量は２５００００）からなる８ｃｍ×８ｃｍ×厚さ１８０μｍの膜を電解質膜４として用意した。この電解質膜４の厚さ方向の一方の面にカソード３を、カーボンペーパーが外側となる向きで配置した。また、他の面にアノード２をカーボンペーパーが外側となる向きで配置した。そして、各カーボンペーパーの外側からホットプレスした。これによりカソード３及びアノード２が電解質膜４に接合して、ＭＥＡ（電極−電解質膜接合体）が得られた。【０１０１】
次に、カソード３とアノード２の上に、厚さ２００μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）からなる外寸法６ｃｍ２、厚さ１ｍｍ、幅１１ｍｍの矩形枠状の枠板からなるアノード集電体２４及びカソード集電体２５を配置した。また、電解質膜４とアノード集電体２４との間に、外寸法６ｃｍ２、厚さ０．３ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状のシリコンゴムを配置して、シール部材１５Ｂとした。ここで、このシール部材１５Ｂにおいては、排気路１６として、幅０．５ｍｍの切り込みを枠の１辺に２箇所ずつ設けておいた。尚、その他のシール部材１５としては、シリコンゴム製の外寸法６ｃｍ２、厚さ０．３ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状の枠板からなるシール部材１５Ａ、１５Ｃを配置した。【０１０２】
燃料電池システム１を構成するフレーム７としては、外寸１５ｃｍ×３０ｃｍ×厚さ１ｃｍのＰＰ（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）製のものを用い、そのフレーム７内部には、燃料電池セル１を２列×４行でならべられるように、８個の凹部を燃料タンク部８として形成させている（図１１）。フレーム７の中央には、燃料供給流路６のメイン流路６１を設け、各燃料タンク部８とは分岐流路６２１〜６２４で連結させている。尚、区別のため、分岐２３にＡ〜Ｄと符号をつけて区別している。メイン流路６１に関しては、燃料を分岐流路６２１（分岐２３Ａ部分）、６２２（分岐２３Ｂ部分）、６３３（分岐２３Ｃ部分）へと分岐するにつれて、その断面積を２０ｍｍ２、１５ｍｍ２、１０ｍｍ２と順次小さくしてある。ただし、メイン流路６１の入口から分岐２３Ａまでの断面積は、２５ｍｍ２とした。燃料タンク部８のサイズは、高さ８ｍｍ、広さ４×４ｍｍ、深さ３ｍｍとした。その底面には、燃料供給のための開口９を設け、分岐流路６２１〜６２４に連通させた。また、燃料タンク部８の内部には、燃料保持材として、ウレタン素材からなるウィッキング材１１を挿入した。また、燃料タンク部８は、戻り分岐流路２２１を介して、２本の戻り流路２２に連通されるようにした。【０１０３】
ＭＥＡ、カソード集電体２５、アノード集電体２４、燃料供給抑制膜１２、シール部材１５（Ａ〜Ｃ）を所定数のネジによりネジ止めして一体化し、実施例１に係る燃料電池セル１１を得た。【０１０４】
こうして作製した燃料電池セル１１を８個準備し、図１１に示す燃料流路構造をもつフレーム７に並べて固定した。そして、隣接するセルは全て集電体を介して電気的に直列に接続した。図１１において、「５」に位置する燃料電池セルからマイナスの端子、「６」に位置する燃料電池セルからプラスの端子を取り出した。【０１０５】
（実施例２）
実施例２で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様である。流路構造に関しては、実施例１と同一の構造である（図１１）。すなわち、燃料供給流路において、分岐を経る毎に下流側の断面積を小さくした。【０１０６】
実施例２に関しては、燃料供給制御膜１２を追加した。燃料供給制御膜１２としては、８ｃｍ×８ｃｍ×厚さ５０μｍのＰＴＦＥ多孔質膜（細孔径１．０μｍ，気孔率８０％）を用いた。また、カソード３上には、蒸発抑制部材１９（保湿層）として、４ｃｍ×４ｃｍの綿繊維マットを置き、その上にカバー部材２０として、厚さ０．５ｍｍ・穴径０．７５ｍｍ・開口率２０％のＳＵＳ製パンチングシートを載せて、蒸発抑制部材１９を固定した。【０１０７】
実施例２の燃料電池セル５に関しては、ＭＥＡ、カソード集電体２５、アノード集電体２４、燃料供給抑制膜１２、シール部材１５、排気路１６をもつシール部材１５Ｂを所定数のネジによりネジ止めして一体化し、さらに蒸発抑制部材１９およびカバー部材２０を取り付けた構造とした。燃料タンク部８には、燃料保持材としてウレタン素材からなるウィッキング材１１を挿入した。ここで、そのウレタン素材としては、補液により流路抵抗が増大し、ウィッキング材１１内部を燃料が流れるよりも、表面を流れやすくなるものを用いた。さらに、ウィッキング材１１の開口９の上部に相当する部分に、０．７ｍｍの直径をもつ半円形の小穴をあけて、ウィッキング孔２１とした。尚、燃料電池セル５の構造は、図５に図示したような構成となっている。実施例１と同様に、電気的には隣接するセルは全て集電体により直列接続した。図１１において、「５」に位置する燃料電池セルからマイナス端子、「６」に位置する燃料電池セルからプラスの端子を取り出した。【０１０８】
（比較例１）
比較例１で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。ＭＥＡの作製方法および構造は実施例１と同様である。流路構造としては、図１２に示したとおり、中央の燃料供給流路６のメイン流路６１から各発電部に燃料を分岐させ、両端の燃料戻り流路２２へと流す構成とした。実施例１および２と異なり、メイン流路６１に関しては、燃料分岐流路６２１〜６２４に至るまで、その断面積は２０ｍｍ２で一定とした。各発電部の燃料電池セル５の構造は図５のように構成し、ウィッキング材１１としては流路抵抗が低く、比較的疎であるような発泡ウレタン素材を挿入した。電気的には隣接するセルは全て集電体により直列接続した。図１２において、「５」に位置する燃料電池セルからマイナス端子、「６」に位置する燃料電池セルからプラスの端子を取り出した。【０１０９】
（実験結果）
図１３は、実施例１、２および比較例１の燃料電池システムについて、１０ｖｏｌ％メタノール水溶液２００ｍＬを１０ｍＬ／ｍｉｎの流速で循環供給し、２５℃、５０％の大気環境にて、１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度に相当する電流値で３０分間発電試験を行った際の、カソード２の表面温度および電圧である。実際には、図において数字を記した燃料電池セル５のみモニターした。【０１１０】
比較例１では、特定の燃料電池セル５に燃料が供給されにくいことが原因となり、電圧が低い部分がみられ、その箇所のカソード表面温度は周囲と比較して１０℃以上高くなっている。燃料供給流路６の断面積が一定の場合、燃料分岐させるにつれて、その内圧が減少していくため、燃料供給流路６の下流にあたる分岐流路に到達する段階では、発電によって発生したＣＯ２が原因となって増大した燃料タンク部８の内圧と比較して、燃料供給流路６の内圧が十分に大きくない。そのため、燃料タンク部８への燃料供給圧が低下し、燃料が円滑に流れ込めなくなっている。また、燃料が燃料電池セル５に円滑に供給されないと、燃料によるＭＥＡの冷却が妨げられ、そのような状況下で無理に電流を引き続けると、その燃料電池セル５を構成するＭＥＡの温度は高くなり、制御することも難しくなる。このような燃料供給が不十分な箇所は、必ずしも最も下流に相当する燃料電池セル５のみで起こるわけではなく、ＣＯ２の発生状況や燃料タンク部８からの排出のされ方によっては、上流部や中流部に相当する燃料電池セル５でも起こりうる。【０１１１】
また、実施例１では、燃料供給流路６の断面積を順次小さくしていくことによって、燃料分岐に伴う燃料供給流路６の内圧低下が低減され、かつ開口９の口径を小さくしていることによって、燃料タンク部８への燃料供給圧を高めているため、燃料が燃料供給流路６へと逆流することが抑制されている。その結果、各燃料電池セル５への燃料供給が均等化されるため、各ＭＥＡのカソード表面温度も最大で７℃程度に抑えられ、かつ電圧の分布も小さくなっていることが確認できる。ただし、実施例１であっても、発電によって発生したＣＯ２による燃料タンク部８の内圧上昇を改善できていないため、局所時間的な発電状況の違いが発生しうる。【０１１２】
さらに、実施例２では、燃料を燃料供給制御膜１２から気化供給し、発電によって発生したＣＯ２を、シール部材１５Ｂに設けた排気部１３から排出する方法をとっているため、燃料タンク部８および戻り流路２２にＣＯ２が混入することがほとんどなくなるため、ＣＯ２発生に伴う背圧が原因となる燃料電池セル５ごとの燃料供給圧のばらつきが低減され、各燃料電池セル５の電圧分布も低減され、カソード３表面温度もほぼ均一となる。【０１１３】
図１４は、実施例１、２および比較例１を用いて、上述の実験と同じ条件において、６０分程度発電させた際の、電圧の時間変化である。比較例１は、元々の電圧も低く、時間経過に伴って電圧が低下している。それに対し、実施例１では、高い電圧を安定して得られ、時間経過によって電圧低下していく傾向はみられない。さらに、実施例２では、より高い電圧を安定して得られ、かつ時間経過に伴って電圧が低下していくような傾向は全く見られない。【０１１４】
このように、実施例１および２に示した本発明の方法を用いると、並列燃料流路構造で問題となっていた、燃料供給流路６、燃料戻り流路２２および燃料タンク部８それぞれにおける圧力バランスが改善されるため、各燃料電池セル５に均一な濃度の燃料を、ほぼ同一条件で供給することが可能になる。その結果、各燃料電池セル５の発電状況が均等になり、さらには燃料電池システム１全体においても、長時間安定な発電が可能となる。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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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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【国際調査報告】
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