(57)【要約】【課題】気化供給型の燃料電池において簡単な構造で燃料供給速度の制御が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】燃料極２３にメタノールガスを供給する燃料供給部４０を、メタノール水溶液が充填される燃料貯蔵部４２と、第１制御板４８と、メタノール水溶液中のメタノールを気化させてメタノールガスに変換する液体燃料気化膜４９と、第２制御板５０等から構成する。第１制御板４８および第２制御板５０にはそれぞれ開口部４８ａ，５０ａが形成され、開口率、あるいは、開口部４８ａと開口部５０ａとの相対的な位置を制御することで、メタノールガスの供給速度を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素ガスが供給される空気極と、
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記液体燃料を気化して気体燃料を燃料極に供給する非多孔質材料からなる液体燃料気化膜と、
前記液体燃料気化膜と燃料極との間に、燃料極への気体燃料の供給速度を制御する気体燃料供給速度制御部と、を備え、
前記気体燃料供給速度制御部は、液体燃料気化膜と燃料極との間を貫通させる複数の開口部を有する制御板からなる燃料電池。
【請求項２】
前記制御板の開口率に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御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】
前記制御板は、前記液体燃料気化膜に接して設けられてなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】
前記液体燃料に圧力を印加する圧力印加部をさらに備えることを特徴とする請求項１〜３のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記液体燃料気化膜の燃料貯蔵部側に、液体燃料気化膜に接し、燃料貯蔵部と液体燃料気化膜との間を貫通させる複数の他の開口部を有する他の制御板を備えることを特徴とする請求項１〜４のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記他の制御板の開口率に基づいて液体燃料気化膜への液体燃料の供給速度を制御することを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記開口部および他の開口部のそれぞれが液体燃料気化膜に接する位置間の距離に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御することを特徴とする請求項５または６記載の燃料電池。
【請求項８】
前記開口部および前記他の開口部はそれぞれ所定の間隔で形成されてなり、
前記液体燃料気化膜の表面に垂直な方向から見たときに、開口部と他の開口部とが最も近い距離に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御することを特徴とする請求項５〜７のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
【請求項９】
前記制御板、液体燃料気化膜、および他の制御板とが一体化されてなることを特徴とする請求項５〜８のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記制御板と液体燃料気化膜との間、および他の制御板と液体燃料気化膜との間に接着層が設けられてなることを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に小型でプロトン伝導性の固体電解質層を備える気化供給型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話機や、携帯情報端末機、ノートパソコンなどの携帯型電子機器の多機能化および高性能化に伴い、その駆動電源となる電池に対する性能向上が求められている。携帯型電子機器にはリチウムイオン２次電池が主に使用されているが、エネルギー密度の劇的な改善は望めないため、将来的には要求されるエネルギー密度を満たすことは困難である。また、２次電池は充電が必要であり利便性を欠いている。エネルギー密度が高く、充電の不便さを解消する駆動電源として、燃料電池が注目されている。
【０００３】
携帯型電子機器の駆動電源として、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に注目が集まっている。ＤＭＦＣは、同体積のリチウムイオン電池と比較して理論的に数倍の容量を有する。ＤＭＦＣは、電解質に高分子固体電解質を用い、メタノールなどの有機燃料を直接電極上に供給して発電を行う。ＤＭＦＣは、有機燃料を水素に改質する改質器を使用しないので小型化および軽量化が容易なため、携帯型電子機器の電源として適している。
【０００４】
ＤＭＦＣでは、液体燃料貯蔵部から燃料極の触媒層にメタノールを供給することにより、触媒上でプロトン（Ｈ+）、電子（ｅ−）、および二酸化炭素が生成され（反応式：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ−）、プロトンは高分子固体電解質膜中を透過して空気極の触媒層で酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極、空気極を外部回路に接続することで、発生した電子により電力が取り出せる。
【０００５】
ＤＭＦＣでは、燃料であるメタノールの供給にポンプなどの補助装置を使用するアクティブ式と、毛管力や自然拡散によりメタノール供給を行うパッシブ式に分類される。このうち、アクティブ式は、燃料供給に補助装置を使用しているため小型化の点でパッシブ式に対して不利となる。また、補助装置の駆動に電力が必要となるためエネルギー効率の点においてもアクティブ式はパッシブ式より不利であり。携帯電子機器用途においては、燃料供給に補助装置を使用しないパッシブ式が有利となる。
【０００６】
パッシブ式の燃料電池における燃料供給方法には、燃料極表面に液体状態の燃料を直接供給する液体供給式と、液体燃料を気化させた後に電極部供給する気化供給式に分類できる。液体供給式では、燃料にメタノール高濃度溶液を使用すると、電解質膜をメタノール高濃度溶液が透過して発電に寄与しないメタノールが増加し、また空気極の性能低下を招く、いわゆるメタノールクロスオーバーが生じる。これに対して気化供給式では、気体のメタノールを燃料極に供給するため、メタノールクロスオーバーの問題を回避することが可能となる。その結果、気化供給式ではタンク内から供給する燃料を高濃度化することが可能となり、同一容積で比較すると低濃度メタノール水溶液を使用した場合に比べてエネルギー密度は向上する。すなわち、同体積の液体燃料を用いた場合は気化供給式ＤＭＦＣの方が高エネルギー密度の燃料電池が得られることになる。
【０００７】
気化供給式ＤＭＦＣでは、カーボン多孔質板を用いてメタノール水溶液を気化させる手法が提案されている（特許文献１参照。）。メタノール水溶液は、カーボン多孔質板の細孔中を毛管力を利用して輸送され、カーボン多孔質板の燃料極側の表面で気化される。
【特許文献１】特開２０００−１０６２０１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記の特許文献１では、毛管力を利用しているためカーボン多孔質板中の輸送速度が遅く、メタノール水溶液の携帯型電子機器で必要とされる高負荷放電を行った場合、メタノールの供給不足から燃料極で反応ムラが生じて発電量が低下し、ひいては発電効率の低下を招くという問題を生ずる。また、カーボン多孔質板中のメタノール水溶液の輸送速度を制御するためには、細孔径を制御したカーボン多孔質板が必要となり、その製造は容易ではないという問題を生ずる。
【０００９】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、気化供給型の燃料電池において簡単な構造で燃料供給速度の制御が可能な燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一観点によれば、酸素ガスが供給される空気極と、燃料ガスが供給される燃料極と、前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、前記液体燃料を気化して気体燃料を燃料極に供給する非多孔質材料からなる液体燃料気化膜と、前記液体燃料気化膜と燃料極との間に、燃料極への気体燃料の供給速度を制御する気体燃料供給速度制御部と、を備え、前記気体燃料供給速度制御部は、液体燃料気化膜と燃料極との間を貫通させる複数の開口部を有する燃料電池が提供される。
【００１１】
本発明によれば、液体燃料を気化して気体燃料を燃料極に供給する非多孔質材料からなる液体燃料気化膜と燃料極との間に液体燃料気化膜と燃料極との間を貫通させる複数の開口部を有する制御板が設けられている。制御板に複数の開口部を形成することにより、気体燃料の供給速度を制御できる。したがって、簡単な構造で燃料供給速度の制御が可能な燃料電池を提供できる。
【００１２】
前記制御板の開口率に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御してもよい。制御板の開口率（＝（開口部の総面積）／制御板の面積）×１００（％））を変化させることで、開口部を通過する燃料ガス量を制御し、その結果、燃料ガスの燃料極への供給速度を制御できる。
【００１３】
前記液体燃料気化膜の燃料貯蔵部側に、液体燃料気化膜に接し、燃料貯蔵部と液体燃料気化膜との間を貫通させる複数の他の開口部を有する他の制御板を備えてもよい。燃料貯蔵部と液体燃料気化膜との間に設けることで、他の制御板の開口率を変化させることで、液体燃料の液体燃料気化膜への供給速度を制御できる。その結果、燃料ガスの燃料極への供給速度を広い速度範囲で制御できる。
【００１４】
さらに、前記開口部および他の開口部のそれぞれが液体燃料気化膜に接する位置間の距離に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御してもよい。これにより、液体燃料気化膜を透過する気体燃料の透過速度を制御でき、その結果、燃料ガスの燃料極への供給速度をさらに広い速度範囲で制御できる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、気化供給型の燃料電池において簡単な構造で燃料供給速度の制御が可能な燃料電池を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明する。
【００１７】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。図１を参照するに、燃料電池１０は、発電部２０と、空気に含まれる酸素ガスを発電部２０に供給する空気供給部３０と、液体燃料を気化してメタノールガス等の燃料ガスを発電部２０に供給する燃料供給部４０等から構成される。
【００１８】
発電部２０は、空気極２１と、固体電解質層２２と、燃料極２３とがこの順に積層されて構成される。空気極２１は、薄膜のため図示を省略したが、例えば、多孔質体のカーボンペーパと、触媒層から構成される。触媒層は、例えば、Ｐｔ（白金）の微粒子や、Ｐｔを表面に担持したカーボン粉末からなり、固体電解質層２２に接するように配置される。
【００１９】
固体電解質層２２は、プロトン伝導性の高分子固体電解質からなる。このような高分子固体電解質としては、例えばスルホン基やリン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基を有する樹脂が挙げられる。固体電解質層２２は、例えば、ナフィオン（登録商標）ＮＦ１１７（デュポン社商品名）、アシプレックス（旭化成社商品名）を用いることができる。
【００２０】
燃料極２３は、薄膜のため図示を省略したが、例えば、多孔質体のカーボンペーパと、触媒層から構成される。触媒層は、例えば、Ｐｔ−Ｒｕ（ルテニウム）合金の微粒子や、Ｐｔ−Ｒｕ合金を表面に担持したカーボン粉末からなり、固体電解質層２２に接するように配置される。
【００２１】
発電部２０では、燃料極２３に燃料ガスが供給される。燃料ガスの基となる液体燃料としては、例えば、略１００％濃度のメタノール、エタノール、ジメチルエーテル、あるいは、これらの水溶液を用いることができる。第１および第２の実施の形態ではメタノール水溶液を例に説明する。
【００２２】
燃料極２３の触媒層では、下記の反応式１の反応が進み、燃料ガスのメタノールガスと、水蒸気が消費され、二酸化炭素ガス、プロトン（Ｈ+）、および電子（ｅ−）、副生成物としてジメトキシメタン、蟻酸メチル等が生成される。ジメトキシメタンや蟻酸メチルは触媒層で反応式１とは別の酸化反応が進み、プロトン、および電子が生成される。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ−  …  （反応式１）
プロトンは固体電解質層２２を伝導し空気極２１に達する。電子は、燃料ガス拡散層５４および燃料極集電体５３を介して、燃料電池１０に外部回路（不図示）として接続された負荷に対して仕事を行う。さらに電子は、空気極集電体３３および空気極ガス拡散層３４を介して空気極２１に達する。空気極２１の触媒層では、下記の反応式２の反応が進み、プロトン、電子、および酸素ガスが消費され水蒸気が生成される。
３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ−→３Ｈ2Ｏ（反応式２）
生成された水蒸気は、空気極ガス拡散層３２、３４および酸素供給口３１ａを通じて外部に排出される。また、燃料極２３で発生した二酸化炭素ガスは図示されない生成ガス排出部により外部に排出される。このようにして燃料電池１０は、メタノール水溶液を液体燃料として発電を行う。
【００２３】
空気供給部３０は、空気極側筐体３１と、空気極側筐体３１の酸素供給口３１ａから導入した酸素ガスを拡散させ、空気極２１に酸素ガスを導入する空気極ガス拡散層３２、３４と、空気極集電体３３から構成される。
【００２４】
空気極側筐体３１は、金属材料や樹脂材料から構成される。樹脂材料としては特に限定されないが、メタノール等のアルコール耐性の点で、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル等の樹脂を用いることが好ましい。
【００２５】
また、空気極側筐体３１には、厚さ方向に貫通する酸素供給口３１ａが多数設けられている。酸素供給口３１ａは、空気極ガス拡散層３２の全体に均一に酸素ガスが導入されるように設けられることが好ましい。
【００２６】
空気極ガス拡散層３２は多孔質材料から構成される。多孔質材料は、多孔質状であればその材料は特に制限されないが、好適な多孔質材料としては、例えば、セラミック多孔質体、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、フッ素樹脂多孔質体、ポリプロピレン多孔質体等が挙げられる。
【００２７】
空気極集電体３３は、導電性を有し、メッシュあるいは多孔質状の構造を有する。空気極集電体３３は、酸素ガスを空気極ガス拡散層３２側から空気極ガス拡散層３４側に透過させる。
【００２８】
また、空気極集電体３３は、例えば、Ｎｉ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の耐蝕性の高い金属材料からなることが好ましい。また、空気極集電体３３の構造としては、例えば、金属メッシュ、エキスパンドメタル、金属不織布、三次元網目構造の発泡金属が挙げられる。また、空気極集電体３３は、その表面に、高導電性でかつ高耐蝕性の金属膜、例えば、Ａｕ膜、Ａｕ合金膜が形成されていることが好ましい。このような金属膜を設けることで、空気極集電体３３の耐蝕性の向上および空気極ガス拡散層３４との接触抵抗の低減化を図ることができる。
【００２９】
空気極ガス拡散層３４は導電性の多孔質材料から構成される。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布が挙げられる。
【００３０】
空気供給部３０では、空気極側筐体３１の酸素供給口３１ａから空気中の酸素ガスが導入され、酸素ガスは空気極ガス拡散層３２、３４の開口部あるいは細孔を通じて拡散し、空気極２１の表面に一様に導入される。なお、空気極ガス拡散層３２および／または空気極ガス拡散層３４は、これらを設けなくても空気極２１の表面に十分に酸素を拡散した状態で供給できる場合は必須ではない。
【００３１】
なお、封止材５５は気密性に優れる樹脂、例えばエポキシ樹脂、オレフィン系樹脂からなり、燃料電池１０の内部のメタノールガスや二酸化炭素等の気体や、メタノール水溶液等の液体が燃料電池１０の外部に漏洩することを防止する。また、封止材５５は次に説明する燃料供給部４０にも同様に用いられる。
【００３２】
燃料供給部４０は、燃料極側筐体４１と、メタノール水溶液が充填される燃料貯蔵部４２と、メタノール水溶液中のメタノールを気化させてメタノールガスに変換する液体燃料気化膜４９と、メタノールガスを拡散させ燃料極２３に導入する燃料ガス拡散層５２，５４と、燃料極集電体５３等から構成される。さらに、燃料供給部４０は、メタノールガスの供給速度を制御するために、液体燃料気化膜４９の燃料貯蔵部４２側に第１制御板４８と、液体燃料気化膜４９の燃料ガス拡散層５２側に第２制御板５０が設けられている。
【００３３】
燃料極側筐体４１は金属材料や樹脂材料から構成される。樹脂材料としては、特に限定されないが、メタノール等のアルコール耐性の点で、上述した空気極側筐体４１と同様の樹脂材料から選択されることが好ましい。
【００３４】
燃料貯蔵部４２は、燃料極側筐体４１と第１制御板４８に挟まれた空隙部である。燃料貯蔵部４２に燃料カートリッジ４３から燃料供給口４４を介してメタノール水溶液が供給される。燃料貯蔵部４２のメタノール水溶液は、第１制御板４８の表面および開口部４８ａを介して液体燃料気化膜４９の表面に接触する。
【００３５】
燃料カートリッジ４３は、メタノール水溶液を貯蔵すると共に燃料貯蔵部４２に供給する。メタノール水溶液の供給動力源は特に限定はされないが、例えばポンプ（不図示）や、次に説明する圧力印加部４５でもよく、これらを組み合わせてもよい。なお、燃料供給口４４にメタノール水溶液の流入や逆流を制御するバルブを設けてもよい。
【００３６】
圧力印加部４５は燃料カートリッジ４３に設けられる。圧力印加部４５は、メタノール水溶液に背圧を印加することで、液体燃料気化膜４９でのメタノールの気化速度を高めることができ、メタノールガスの供給速度を増加できる。
【００３７】
圧力印加部４５は、燃料カートリッジ４３に充填されたメタノール水溶液に直接あるいは窒素ガス等の気体を介して背圧を印加する。背圧の大きさは、液体燃料気化膜４９の材料により適宜選択されるが、１０ｋＰａ〜１００ｋＰａの範囲に設定されることが好ましい。なお、圧力印加部４５を燃料貯蔵部４２に直接接続して、燃料貯蔵部４２に充填されたメタノール水溶液に直接背圧を印加してもよい。ただし、この場合は燃料カートリッジ４３にメタノールが逆流しないように弁等を設ける。また、圧力印加部４５は、液体燃料気化膜４９に十分にメタノール水溶液が供給される場合は必須ではない。
【００３８】
第１制御板４８、液体燃料気化膜４９、および第２制御板５０については後ほど詳述するが、メタノール水溶液をメタノールガスに変換すると共に、簡単な構造により、燃料極２３へのメタノールガス供給速度を制御できる。
【００３９】
燃料ガス拡散層５２は、メタノール等のアルコール耐性を有する多孔質材料から構成される。燃料ガス拡散層５２に好適な多孔質材料としては、セラミック、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、フッ素樹脂、ポリプロピレン等の多孔質材料が挙げられる。また、燃料ガス拡散層５２の空孔率は、３０％〜９５％の範囲に設定されることが好ましく、４０％〜９０％の範囲に設定されることがより好ましい。空孔率が９５％を超えると燃料ガス拡散層５２の機械的強度が低下する。
【００４０】
また、燃料ガス拡散層５２の厚さは、特に制限はないが、１ｍｍ以下であることが好ましい。燃料ガス拡散層５２が１ｍｍよりも厚いと燃料電池全体の厚さが過度に大きくなる。なお、上述したように燃料ガス拡散層５２を設ける方が好ましいが、燃料ガスの拡散が十分な場合は必須ではない。
【００４１】
燃料極集電体５３は、空気極集電体３３と同様の材料から構成され、その表面に、高導電性でかつ高耐蝕性の金属膜、例えば、Ａｕ膜を形成することが好ましい。
【００４２】
燃料ガス拡散層５４は、メタノール等のアルコール耐性を有する導電性の多孔質材料から構成される。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布が挙げられる。
【００４３】
以上説明したように、燃料供給部４０は燃料貯蔵部４２に供給されたメタノール水溶液を、液体燃料気化膜４９により気化させて、メタノールガスを燃料極２３に供給し、上記反応式１の反応により、電子およびプロトンを生成する。次に、第１制御板４８、液体燃料気化膜４９、および第２制御板５０について詳しく説明する。
【００４４】
液体燃料気化膜４９は、メタノール等のアルコール耐性を有する高分子の非多孔質材料からなる。このような高分子の非多孔質材料を用いることで、液体燃料気化膜４９中で、液体のメタノールが十分に気化され、かつ、メタノールガスが十分な透過速度で透過するため、燃料極２３へのメタノールガスの供給速度を十分に確保できる。
【００４５】
液体燃料気化膜４９に好適な非多孔質材料としては、パーフルオロスルホン酸系の樹脂を主材料とする樹脂が挙げられる。パーフルオロスルホン酸系の樹脂は、例えば、フッ素樹脂の主鎖と、スルホン酸基を持つ側鎖を有する樹脂である。かかる材料の樹脂膜としては、例えば、デュポン社製のナフィオン（登録商標）、旭化成社製のアシプレックスが挙げられる。
【００４６】
また、液体燃料気化膜４９に好適な非多孔質材料としては、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂を主材料とする樹脂が挙げられる。カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂は、例えば、フッ素樹脂の主鎖と、カルボキシル基を持つ側鎖を有する樹脂である。かかる材料の樹脂としては、例えば、旭硝子社製のフレミオンが挙げられる。
【００４７】
さらに、液体燃料気化膜４９に好適な非多孔質材料としては、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリアミドのうち一種を主材料とする樹脂が挙げられる。またさらに、液体燃料気化膜４９に好適な非多孔質材料としては、シリコーンゴム等のシリコーンを含む高分子材料が挙げられる。なお、上記の所定の樹脂を主材料とする樹脂とは、樹脂全体のうち所定の樹脂が５０重量％以上含まれている樹脂をいう。
【００４８】
なお、上述した非多孔質材料のうち、パーフルオロスルホン酸系の樹脂を主材料とする樹脂およびカルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂は、メタノールガス（燃料ガス）の透過速度が他の材料よりも大きく、第１制御板４８や第２制御板５０によるメタノールガス（燃料ガス）の透過速度がとりわけ有効である。
【００４９】
第１制御板４８には、その板厚方向に貫通する複数の開口部４８ａが形成されている。開口部４８ａは、例えば、所定の間隔でＹ軸方向およびＺ軸方向に沿って形成されている。メタノール水溶液の液体燃料気化膜４９への供給速度は、液体燃料気化膜４９がメタノール水溶液に接している面積に依存するので、第１制御板４８の開口部４８ａの総面積を変化させること、すなわち、第１制御板４８の開口率（＝（開口部４８ａの総面積）／（第１制御板４８の面積）×１００）を変化させることで、メタノール水溶液の液体燃料気化膜４９への供給速度を制御できる。
【００５０】
また、第２制御板５０には、その板厚方向に貫通する複数の開口部５０ａが形成されている。開口部５０ａは、例えば、所定の間隔でＹ軸方向およびＺ軸方向に沿って形成されている。メタノールガスの燃料極２３への供給速度は、第２制御板５０の開口部５０ａの総面積すなわち第２制御板５０の開口率に依存するので、開口率を変化させることで、メタノールガスの燃料極２３への供給速度を制御できる。
【００５１】
第１制御板４８および第２制御板５０の開口率は、液体燃料気化膜４９のそのもののメタノールガスの透過速度や、後述する第１制御板４８の開口部４８ａと第２制御板５０の開口部５０ａの距離に応じて適宜設定されるが、第１制御板４８および第２制御板５０の十分な機械的強度を確保する点で５０％以下の範囲に設定されることが好ましい。なお、第１制御板４８および第２制御板５０の開口率の下限は特に限定されないが、メタノールやメタノールガスが少なくとも透過する開口率（例えば０％よりも大きい開口率）に設定される。
【００５２】
開口部４８ａ，５０ａの形状は特に限定されないが、例えば、楕円を含む円形、三角形、矩形、あるいは、一方向に沿って長いスリット状でもよい。なお、開口部４８ａ，５０ａが円形の場合、その直径が例えば１０μｍ〜１０ｍｍに設定される。
【００５３】
第１制御板４８および第２制御板５０には、平板状でメタノール等のアルコールに耐性を有する材料であれば特に制限されないが、例えば、金属板、セラミック板、プラスチック板を用いることができる。第１制御板４８および第２制御板５０は、十分な機械的強度を有し、開口部４８ａ，５０ａを形成するための孔開け加工が容易な点で金属板を用いることが好ましい。
【００５４】
また、第１制御板４８および第２制御板５０のそれぞれと、液体燃料気化膜４９との間に接着層５１が設けられている。接着層５１は、液体燃料気化膜４９の表面を第１制御板４８および第２制御板５０のそれぞれに固定して一体化し、液体燃料気化膜４９の体積変化を抑制して、液体燃料気化膜４９の体積変化による破断を抑制できる。具体的には、液体燃料気化膜４９は、メタノール水溶液に濡れると膨潤し、メタノール水溶液の供給が切れると乾燥して収縮する。このような体積変化を繰り返すと液体燃料気化膜４９が破断して、メタノール水溶液が液体にまま燃料極側に漏洩してしまい、発電量が低下する等の発電動作に支障が出る。これに対して、接着層５１により液体燃料気化膜４９を設けることで液体燃料気化膜４９の破断を抑制し、燃料電池１０の長寿命化を図れる。接着層５１を設けることは、液体燃料気化膜４９が、例えば、パーフルオロスルホン酸系またはカルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂を主材料とする樹脂の場合に特に効果的である。なお、接着層５１は、液体燃料気化膜４９が第１制御板４８および第２制御板５０のそれぞれに接触する部分に設けられており、液体燃料気化膜４９の開口部４８ａ，５０ａにより露出する部分には設けられていない。
【００５５】
接着層５１の材料は、第１制御板４８および第２制御板５０のそれぞれに液体燃料気化膜４９を接着し得る接着剤であれば限定されない。接着剤として、例えば、シリコーン系接着剤、エポキシ系接着剤、シアノアクリレート系接着剤、ウレタン系接着剤が挙げられる。接着剤は、例えば、液体燃料気化膜４９がパーフルオロスルホン酸系の樹脂の場合、シリコーン系接着剤を用いることが好ましく、さらに、より強固に接着できる点で、シリコーン系接着剤の表面にシランカップリング剤を塗布して、パーフルオロスルホン酸系の樹脂にシランカップリング剤が接触するように接着することが好ましい。
【００５６】
なお、接着層５１を設ける代わりに、図示を省略するが、液体燃料気化膜４９を挟む第１制御板４８および第２制御板５０をビス止め等の係合手段により一体化してもよい。これにより、液体燃料気化膜４９の体積変化を抑制できる。
【００５７】
さらに、第１制御板４８の開口部４８ａおよび第２制御板５０の開口部５０ａの位置を互いに異ならせることで、次に説明するように、メタノールガスの燃料極２３への供給速度を制御することができる。
【００５８】
図２および図３は、燃料極へのメタノールガス供給速度の制御を説明するための図である。図２が断面図、図３が燃料極側から見た透視平面図である。なお、図２では燃料貯蔵部４２、第１制御板４８、液体燃料気化膜４９、第２制御板５０を示しており、接着層５１は図示を省略している。図３中、第２制御板５０の開口部５０ａを実線で、第１制御板４８の開口部４８ａを破線で示している。なお、図２および図３では、開口部４８ａ，５０ａの形状を一例として円形で示している。
【００５９】
図２および図３を参照するに、第１制御板４８の開口部４８ａと、第２制御板５０の開口部５０ａとが液体燃料気化膜４９を介して所定の距離Ｌ0だけ離隔されている。この場合、第１制御板４８の開口部４８ａから液体燃料気化膜４９に浸透したメタノール水溶液は、液体燃料気化膜４９中で気化すると共に透過して、主として最も近い距離Ｌ0にある第２制御板５０の開口部５０ａからメタノールガスが放出される。なお、ここで、距離Ｌ0は、液体燃料気化膜４９の第１制御板４８側の表面での開口部４８ａの中心と、液体燃料気化膜４９の第２制御板５０側の表面での開口部５０ａの中心との距離である。距離Ｌ0は、液体燃料気化膜４９の膜面に垂直な方向から見た図３に示す開口部４８ａと開口部５０ａとの間のＹ軸方向のずれ量Ｌ1およびＺ軸方向のずれ量Ｌ2、および液体燃料気化膜４９の厚さＬ3から決まる。
【００６０】
メタノール水溶液が液体燃料気化膜４９に浸透してからメタノールガスとして放出されるまでの時間は、距離Ｌ0に依存する。すなわち、距離Ｌ0が短いほど、単位量のメタノールガスが透過する時間が短く、メタノールガス供給速度が増加する。また、距離Ｌ0が長いほど、単位量のメタノールガスが透過する時間が長く、メタノールガス供給速度が低下する。したがって、距離Ｌ0を変化させることでメタノールガス供給速度を制御できる。
【００６１】
さらに、メタノールガス供給速度を低下させる場合、厚さＬ3を増加させるよりも、開口部４８ａと開口部５０ａとの間のずれ量Ｌ1，Ｌ2を増加させることが好ましい。これにより、燃料電池１０の体積増加を伴わずにメタノールガス供給速度を低下せしめ、さらにより広い範囲でメタノールガス供給速度を変化させることができる。ひいては、所望のメタノールガス供給速度に設定し、かつ図１に示す燃料電池１０のＸ軸方向の薄板化が可能となる。
【００６２】
なお、メタノールガス供給速度を増加させる場合は、ずれ量Ｌ1，Ｌ2を少なく、あるいは零にすればよい。さらにメタノールガス供給速度を増加させる場合は、圧力印加部４５によりメタノール水溶液を加圧すればよい。
【００６３】
さらに、第１制御板４８の開口率と第２制御板５０の開口率を互いに異ならせてメタノールガス供給速度を制御してもよく、これと上述のずれ量Ｌ1，Ｌ2や厚さＬ3の設定を組み合わせてメタノールガス供給速度を制御してもよい。
【００６４】
本実施の形態によれば、燃料供給部４０の燃料貯蔵部４２と燃料ガス拡散層５２との間に液体燃料気化膜４９を設け、その両側に、複数の開口部４８ａ，５０ａをそれぞれ形成した第１制御板４８および第２制御板５０を配置して、それらの開口率あるいはそれぞれの開口部４８ａ，５０ａの相対的な位置を設定することで燃料極２３へのメタノールガス供給速度を制御できる。
【００６５】
［実施例１および２］
図１〜図３に示す燃料電池と同様の構成の燃料電池を形成した。なお、以下の説明では図１〜図３を参照しつつ説明する。
【００６６】
まず、実施例１および２に共通する構成を説明する。実施例１および２に係る燃料電池に下記の材料を用いた。
【００６７】
［発電部］
発電部２０の面積を２０ｃｍ2に設定した。燃料極２３の触媒層にＰｔ−Ｒｕ合金担持触媒ＴＥＣ６１Ｅ５４、空気極２１の触媒層に白金担持触媒ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ（いずれも田中貴金属社製）を用いた。固体電解質層２２に固体電解質ナフィオン（登録商標）ＮＦ１１７（デュポン社製商品名）を用いた。
【００６８】
［空気供給部］
空気極ガス拡散層３２、３４にカーボンペーパ（厚さ２８０μｍ、東レ社製）、空気極集電体にメッシュ状のＳＵＳ３０４を用いた。
【００６９】
［燃料供給部］
液体燃料気化膜４９にナフィオン（登録商標）ＮＦ１１７（デュポン社製商品名）、燃料ガス拡散層５２，５４にカーボンペーパ（厚さ２８０μｍ、東レ社製）、燃料極集電体３３にメッシュ状のＳＵＳ３０４を用いた。また、第１制御板４８および第２制御板５０にＳＵＳ３１６を用い、直径が１．２〜１．５ｍｍの範囲の開口部４８ａ，５０ａを形成した。接着層５１はシリコーン接着剤およびシランカップリング剤を用いた。
【００７０】
次に実施例１と実施例２とで異なる構成を説明する。
【００７１】
実施例１では、第１制御板の開口部４８ａと第２制御板５０の開口部５０ａとのずれ量（図３に示すＬ1およびＬ2）を０．２５ｍｍに設定した。第１制御板４８および第２制御板５０の開口部４８ａ，５０ａを同様に配置し、開口部４８ａ，５０ａのそれぞれの間隔（Ｙ軸方向およびＺ軸方向）を３ｍｍに設定した。
【００７２】
また、実施例２では、第１制御板の開口部４８ａと第２制御板５０の開口部５０ａとのずれ量（図３に示すＬ1およびＬ2）を０．２０ｍｍに設定した。第１制御板４８および第２制御板５０の開口部４８ａ，５０ａを同様に配置し、開口部４８ａ，５０ａのそれぞれの間隔（Ｙ軸方向およびＺ軸方向）を３ｍｍに設定した。
【００７３】
また、実施例１および実施例２のそれぞれの第１制御板４８の開口率および第２制御板５０の開口率を同等に設定した。なお、開口率は、それぞれの制御板において、（開口部の面積の総和）／（制御板全体の面積）×１００である。
【００７４】
次に、実施例１および２について定電圧放電特性（電圧０．３Ｖ）の実験を行った。なお、液体燃料として１００％濃度のメタノールを用いた。定電圧放電特性は、実施例１では電流値は０．３９、実施例２では電流値は０．６８となった。第１制御板の開口部４８ａと第２制御板５０の開口部５０ａとのずれ量が小さい実施例１と比べて実施例２の方が、より大きな放電電流が得られた。これらの電流値（すなわち発電量）の違いは、メタノールガスの供給量の違いにより生じたものである。このことから、第１制御板４８の開口部４８ａと第２制御板５０の開口部５０ａとのずれ量に基づいてメタノールガスの供給速度を制御できることが分かる。なお、電流値は相対値で示している。
【００７５】
（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池は、第１の実施の形態に係る燃料電池の変形例である。
【００７６】
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。図中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００７７】
図４を参照するに、第２の実施の形態に係る燃料電池６０は、第１制御板４８および接着層５１を設けない以外は、図１に示す第１の実施の形態に係る燃料電池１０と同様である。
【００７８】
燃料電池６０は、図１に示す燃料電池１０と同様に、液体燃料気化膜４９の燃料極２３側に複数の開口部５０ａが形成された第２制御板５０が設けられている。第１の実施の形態でも説明したように、第２制御板５０の面積に対する開口部５０ａの総面積の割合、いわゆる開口率を制御することで、メタノールガスの燃料極２３へのメタノールガス供給速度が制御できる。なお、この場合は、第１の実施の形態の燃料電池よりもメタノールガス供給速度の制御可能な範囲は狭くなるが、より簡単な構造となるため、製造容易性、コスト低減等の利点がある。
【００７９】
本実施の形態によれば、液体燃料気化膜４９の燃料極２３側に開口部５０ａを有する第２制御板５０を設け、第２制御板５０の開口率に基づいて燃料極２３へのメタノールガス供給速度を制御できる。
【００８０】
なお、第２制御板５０は、液体燃料気化膜４９に接して設けてもよく、液体燃料気化膜４９から離隔して設けてもよい。第２制御板５０は、例えば、空間を介して設けてもよく、燃料ガス拡散層５２と燃料極集電体５３との間に設けてよい。これらのいずれの場合であっても第２制御板５０によりメタノールガスの燃料極２３への供給速度を制御できる。
【００８１】
［実施例３］
実施例３では、図４に示す燃料電池６０において、燃料ガス拡散層５２から空気供給部３０までを取り除き、燃料極側筐体４１、燃料貯蔵部４２、燃料カートリッジ４３、燃料加圧部４５、液体燃料気化膜４９、および第２制御板５０からなり、第２制御板５０の燃料ガス拡散層５２側を外気に露出した構造体を作製した。燃料極側筐体４１、燃料貯蔵部４２、液体燃料気化膜４９、および第２制御板５０は、実施例１と同様の構成とした。第２制御板５０は、開口率（開口部の面積の総和）／（制御板全体の面積）×１００）を５０％〜９０％の範囲で異ならせた構造体を作製し、比較のため第２制御板５０を用いない構造体（比較例）を作製した。
【００８２】
次に、燃料カートリッジから１０ｃｍ3の略１００％濃度のメタノール（液体）を燃料貯蔵部４２に総て供給して、燃料加圧部４５により１００ｋＰａの背圧で加圧しながら、メタノールを第２制御板５０から気化させた。この際の燃料貯蔵部４２内のメタノールの重量変化を測定し、メタノールガス供給速度に換算した。
【００８３】
図５は、実施例３および比較例のメタノールガス供給速度を示す図である。図５を参照するに、実施例３は第２制御板５０の開口率に対してメタノールガス供給速度が比例している。比較例の第２制御板５０を用いない場合と比較して、実施例３は第２制御板５０の開口率を低減することでメタノールガス供給速度を低減でき、かつ、その制御性が良好であることが分かる。
【００８４】
以上本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００８５】
例えば、上記の第１および第２の実施の形態では、それぞれ、図１に示す第１制御板４８および第２制御板５０の両方を設けた場合、図４に示す第２制御板５０のみを設けた場合について説明したが、図１に示す第１制御板４８のみを用いてもよい。これにより、メタノール水溶液が液体燃料気化膜４９への供給速度を制御できるので、メタノールガス供給速度を制御できる。
【００８６】
なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
（付記１）  酸素ガスが供給される空気極と、
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記液体燃料を気化して気体燃料を燃料極に供給する非多孔質材料からなる液体燃料気化膜と、
前記液体燃料気化膜と燃料極との間に、燃料極への気体燃料の供給速度を制御する気体燃料供給速度制御部と、を備え、
前記気体燃料供給速度制御部は、液体燃料気化膜と燃料極との間を貫通させる複数の開口部を有する制御板からなる燃料電池。
（付記２）  前記制御板の開口率に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御することを特徴とする付記１記載の燃料電池。
（付記３）  前記制御板は、前記液体燃料気化膜に接して設けられてなることを特徴とする付記１または２記載の燃料電池。
（付記４）  前記液体燃料に圧力を印加する圧力印加部をさらに備えることを特徴とする付記１〜３のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記５）  前記液体燃料気化膜の燃料貯蔵部側に、液体燃料気化膜に接し、燃料貯蔵部と液体燃料気化膜との間を貫通させる複数の他の開口部を有する他の制御板を備えることを特徴とする付記１〜４のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記６）  前記他の制御板の開口率に基づいて液体燃料気化膜への液体燃料の供給速度を制御することを特徴とする付記５記載の燃料電池。
（付記７）  前記開口部および他の開口部のそれぞれが液体燃料気化膜に接する位置間の距離に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御することを特徴とする付記５または６記載の燃料電池。
（付記８）  前記開口部および前記他の開口部はそれぞれ所定の間隔で形成されてなり、
前記液体燃料気化膜の表面に垂直な方向から見たときに、開口部と他の開口部とが最も近い距離に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御することを特徴とする付記５〜７のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記９）  前記液体燃料気化膜は、パーフルオロスルホン酸系、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリアミドからなる群のうち、いずれか一種の樹脂を主材料とする樹脂、またはシリコーンを含む高分子材料からなることを特徴とする付記１〜８のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記１０）  前記制御板、液体燃料気化膜、および他の制御板とが一体化されてなることを特徴とする付記５〜９のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記１１）前記制御板と液体燃料気化膜との間、および他の制御板と液体燃料気化膜との間に接着層が設けられてなることを特徴とする付記１０記載の燃料電池。
（付記１２）前記接着層は、シリコーン系、エポキシ系、シアノアクリレート系、およびウレタン系からなる群のうち、いずれか一種の接着剤からなることを特徴とする付記１１記載の燃料電池。
（付記１３）  前記液体燃料気化膜は、パーフルオロスルホン酸系またはカルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂を主材料とする樹脂からなることを特徴とする付記１０〜１２のうち、いずれか一項記載の燃料電池。
（付記１４）  酸素ガスが供給される空気極と、
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記液体燃料を気化して気体燃料を燃料極に供給する非多孔質材料からなる液体燃料気化膜と、
前記液体燃料気化膜と燃料極との間に、該液体燃料気化膜に接し、液体燃料気化膜と燃料極との間を貫通させる複数の開口部を有する制御板と、
前記液体燃料気化膜の燃料貯蔵部側に、液体燃料気化膜に接し、燃料貯蔵部と液体燃料気化膜との間を貫通させる複数の他の開口部を有する他の制御板と、を備え、
前記開口部および他の開口部のそれぞれが液体燃料気化膜に接する位置間の距離に基づいて燃料極への気体燃料の供給速度を制御する燃料電池。
【図面の簡単な説明】
【００８７】
【図１】本発明の第１実施の形態に係る燃料電池の断面図である。
【図２】メタノールガス供給速度の制御を説明するための断面図である。
【図３】メタノールガス供給速度の制御を説明するための透視平面図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。
【図５】実施例３および比較例のメタノールガス供給速度を示す図である。
【符号の説明】
【００８８】
１０，６０  燃料電池
２０    発電部
２１    空気極
２２    固体電解質層
２３    燃料極
３０    空気供給部
３１    空気極側筐体
３１ａ  酸素供給口
３２，３４    空気極ガス拡散層
３３    空気極集電体
４０    燃料供給部
４１    燃料極側筐体
４２    燃料貯蔵部
４３    燃料カートリッジ
４４    燃料供給口
４５    圧力印加部
４８    第１制御板
４８ａ    第１制御板の開口部
４９    液体燃料気化膜
５０    第２制御板
５０ａ    第２制御板の開口部
５１    接着層
５２，５４    燃料ガス拡散層
５３    燃料極集電体
５５    封止材
【図１】
2007123039.tif 000003
【図２】
2007123039.tif 000004
【図３】
2007123039.tif 000005
【図４】
2007123039.tif 000006
【図５】
2007123039.tif 000007