(57)【要約】【課題】厚み方向に積層された複数の燃料電池セルを含み、各燃料電池セルに対して均一に液体燃料の供給を行なうことができる燃料電池スタックを提供する。【解決手段】第１膜電極複合体と、第１セル内燃料流路２３を有する第１燃料供給部２２とを備える第１燃料電池セル２０；該セルの主面上に配置され、第２膜電極複合体と、第２セル内燃料流路２３’を有する第２燃料供給部２２’とを備える第２燃料電池セル２０’；液体燃料導入口１１、これに接続される主流路１８、および、主流路端部１７Ａと第１、第２セル内燃料流路２３，２３’とをそれぞれ接続する第１、第２分岐流路１９ａ，１９ｂを備える燃料分配部１０を含み、第１分岐流路１９ａおよび第１セル内燃料流路２３の合計長さと、第２分岐流路１９ｂおよび第２セル内燃料流路２３’の合計長さとが略同じである燃料電池スタックおよびこれを用いた燃料電池システムである。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１アノード極、第１電解質膜および第１カソード極をこの順で有する第１膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるための第１セル内燃料流路を有し、前記第１アノード極側に配置される第１燃料供給部を備える第１燃料電池セルと、
前記第１燃料電池セルの主面上に配置される燃料電池セルであって、第２アノード極、第２電解質膜および第２カソード極をこの順で有する第２膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるための第２セル内燃料流路を有し、前記第２アノード極側に配置される第２燃料供給部を備える第２燃料電池セルと、
前記第１および第２燃料電池セルに結合され、前記第１および第２燃料電池セルへの前記液体燃料の分配を行なうための燃料分配部と、を含み、
前記燃料分配部は、
前記液体燃料を導入するための導入口と、
前記導入口に接続される主流路、前記主流路における前記導入口とは反対側の端部と前記第１セル内燃料流路とを接続する第１分岐流路、および、前記端部と前記第２セル内燃料流路とを接続する第２分岐流路からなるセル外燃料流路と、を有し、
前記第１分岐流路および前記第１セル内燃料流路の合計長さと、前記第２分岐流路および前記第２セル内燃料流路の合計長さとが略同じである燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１および第２分岐流路は、前記第１または第２燃料電池セルの主面に対して略垂直方向に延びる流路部分を含む請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記第１分岐流路と前記第１セル内燃料流路とは、その接続部分において、前記第１燃料電池セルの主面に対して略垂直方向に延びる流路を形成しており、前記第２分岐流路と前記第２セル内燃料流路とは、その接続部分において、前記第２燃料電池セルの主面に対して略垂直方向に延びる流路を形成している請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１分岐流路と前記第１セル内燃料流路とは、その接続部分において、前記第１燃料電池セルの主面に対して略平行に延びる流路を形成しており、前記第２分岐流路と前記第２セル内燃料流路とは、その接続部分において、前記第２燃料電池セルの主面に対して略平行に延びる流路を形成している請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１セル内燃料流路、前記第２セル内燃料流路および前記セル外燃料流路の断面積が、それぞれ１００μｍ2〜１ｍｍ2の範囲内である請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとは、前記第１カソード極側と前記第２カソード極側とが対向するように離間して配置されている請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記第１燃料電池セルと前記第２燃料電池セルとは、前記第１カソード極側と前記第２燃料供給部側とが対向するように、または、前記第２カソード極側と前記第１燃料供給部側とが対向するように離間して配置されている請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
同一平面上に配置される２以上の前記第１燃料電池セルからなる第１燃料電池セル集合体と、
前記第１燃料電池セル集合体の主面上に配置される燃料電池セル集合体であって、同一平面上に配置され、かつ前記第１燃料電池セルのそれぞれに対向配置される２以上の前記第２燃料電池セルからなる第２燃料電池セル集合体と、
すべての前記第１および第２燃料電池セルに結合される前記燃料分配部と、を含み、
少なくとも対向配置される第１燃料電池セルと第２燃料電池セルとに関して、前記第１分岐流路および前記第１セル内燃料流路の合計長さと、前記第２分岐流路および前記第２セル内燃料流路の合計長さとが略同じである請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記第１燃料電池セル集合体は、ライン状に配列した２以上の第１燃料電池セルからなり、前記第２燃料電池セル集合体は、ライン状に配列した２以上の第２燃料電池セルからなる請求項８に記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
前記第１燃料電池セル集合体において、２以上の第１燃料電池セルは、隣り合う２つの第１燃料電池セルの間に隙間が形成されるように配置されており、前記第２燃料電池セル集合体において、２以上の第２燃料電池セルは、隣り合う２つの第２燃料電池セルの間に隙間が形成されるように配置されている請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記第１燃料電池セル集合体は、２以上の第１燃料電池セルを隙間なくライン状に配列したものであり、前記第２燃料電池セル集合体は、２以上の第２燃料電池セルを隙間なくライン状に配列したものである請求項９に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
ダイレクトアルコール型燃料電池である請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池スタックと、
前記導入口に接続される、前記液体燃料を収容するための燃料タンクと、
を含む燃料電池システム。
【請求項１４】
前記燃料タンクから前記導入口への前記液体燃料の流動を促進させる送液手段をさらに含む請求項１３に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セルをその厚み方向に積層した燃料電池スタックおよびこれを用いた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、情報化社会を支える携帯用電子機器の新規電源として実用化の期待が高まっている。燃料電池は、使用する電解質材料や燃料の分類から、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、ダイレクトアルコール型等に分類される。特に、電解質材料に固体高分子であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池およびダイレクトアルコール型燃料電池は、常温で高い発電効率が得られることから、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての実用化が検討されている。
【０００３】
燃料としてアルコールまたはアルコール水溶液を使用するダイレクトアルコール型燃料電池（たとえば特許文献１参照）は、燃料がガスである場合と比較して、燃料タンクを比較的簡易に設計できるなどの理由から、燃料電池構造の簡略化、省スペース化が可能であり、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての期待が特に高い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３５２４３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
燃料電池においては、１つの燃料電池セルでは不十分である電力を、たとえば携帯用電子機器の新規電源として十分な程度にまで高めるために、複数の燃料電池セルを電気的に接続して組み合わせることが従来行なわれている。この場合、各燃料電池セルに対して均一に燃料供給できることが重要である。各燃料電池セルへの燃料供給が不均一になると、燃料不足に陥り、十分な出力を発揮できない燃料電池セルが生じて、燃料電池全体としての出力が低下するためである。
【０００６】
このような燃料供給の不均一性の問題は、各燃料電池セルに対して流路を介して液体燃料を供給する場合において、該流路を介した液体燃料の供給が重力の影響を受け易い、燃料電池セルの主面上に他の燃料電池セルを積層した、すなわち、複数の燃料電池セルをその厚み方向に積層した燃料電池（本明細書においては、このような燃料電池を「燃料電池スタック」と称する。）において特に顕著である。
【０００７】
上記特許文献１には、燃料電池セルに対して燃料を均一に供給することを技術課題とする発明が記載されているが、当該文献における燃料供給の均一化とは、１つの燃料電池セルにおけるアノード極面内での均一化を意味するものであり、複数の燃料電池セルへの燃料供給の均一化、ひいては厚み方向に積層された複数の燃料電池セルへの燃料供給の均一化については何らの教示も与えない。
【０００８】
そこで本発明の目的は、厚み方向に積層された複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックであって、各燃料電池セルに対して均一に液体燃料の供給を行なうことができる燃料電池スタックおよびこれを用いた燃料電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決すべく本発明は、第１アノード極、第１電解質膜および第１カソード極をこの順で有する第１膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるための第１セル内燃料流路を有し、第１アノード極側に配置される第１燃料供給部を備える第１燃料電池セルと、第１燃料電池セルの主面上に配置される燃料電池セルであって、第２アノード極、第２電解質膜および第２カソード極をこの順で有する第２膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるための第２セル内燃料流路を有し、第２アノード極側に配置される第２燃料供給部を備える第２燃料電池セルと、第１および第２燃料電池セルに結合され、第１および第２燃料電池セルへの液体燃料の分配を行なうための燃料分配部とを含む燃料電池スタックを提供するものである。
【００１０】
ここで、本発明の燃料電池スタックにおいて燃料分配部は、液体燃料を導入するための導入口と、該導入口に接続される主流路、該主流路における導入口とは反対側の端部と第１セル内燃料流路とを接続する第１分岐流路、および、該端部と第２セル内燃料流路とを接続する第２分岐流路からなるセル外燃料流路とを有するものである。そして、本発明の燃料電池スタックにおいて、第１分岐流路および第１セル内燃料流路の合計長さと、第２分岐流路および第２セル内燃料流路の合計長さとは略同じとされる。
【００１１】
上記のような本発明の燃料電池スタックにおいて、第１および第２分岐流路は、第１または第２燃料電池セルの主面に対して略垂直方向に延びる流路部分を含むことができる。
【００１２】
また、第１分岐流路と第１セル内燃料流路とは、その接続部分において、第１燃料電池セルの主面に対して略垂直方向に延びる流路を形成し、第２分岐流路と第２セル内燃料流路とは、その接続部分において、第２燃料電池セルの主面に対して略垂直方向に延びる流路を形成していてもよい。あるいは、第１分岐流路と第１セル内燃料流路とは、その接続部分において、第１燃料電池セルの主面に対して略平行に延びる流路を形成し、第２分岐流路と第２セル内燃料流路とは、その接続部分において、第２燃料電池セルの主面に対して略平行に延びる流路を形成していてもよい。
【００１３】
第１セル内燃料流路、第２セル内燃料流路およびセル外燃料流路の断面積は、それぞれ１００μｍ2〜１ｍｍ2の範囲内であることが好ましい。
【００１４】
第１燃料電池セルと第２燃料電池セルとは、第１カソード極側と第２カソード極側とが対向するように離間して配置されてもよいし、いずれか一方の燃料電池セルのカソード極側と他方の燃料電池セルの燃料供給部側とが対向するように（すなわち、第１カソード極側と第２燃料供給部側とが対向するように、または、第２カソード極側と第１燃料供給部側とが対向するように）離間して配置されてもよい。
【００１５】
本発明の燃料電池スタックは、同一平面上に配置される２以上の第１燃料電池セルと、同一平面上に配置される２以上の第２燃料電池セルとを含むことができる。たとえば本発明の燃料電池スタックは、１つの好ましい実施形態において、同一平面上に配置される２以上の第１燃料電池セルからなる第１燃料電池セル集合体と、該第１燃料電池セル集合体の主面上に配置される燃料電池セル集合体であって、同一平面上に配置され、かつ第１燃料電池セルのそれぞれに対向配置される２以上の第２燃料電池セルからなる第２燃料電池セル集合体と、すべての第１および第２燃料電池セルに結合される上記燃料分配部とを含むものである。この実施形態においては、少なくとも対向配置される第１燃料電池セルと第２燃料電池セルとに関して、第１分岐流路および第１セル内燃料流路の合計長さと、第２分岐流路および第２セル内燃料流路の合計長さとが略同じとされる。
【００１６】
好ましくは、第１燃料電池セル集合体はライン状に配列した２以上の第１燃料電池セルからなり、第２燃料電池セル集合体はライン状に配列した２以上の第２燃料電池セルからなる。
【００１７】
第１燃料電池セル集合体において２以上の第１燃料電池セルは、隣り合う２つの第１燃料電池セルの間に隙間が形成されるように配置され、第２燃料電池セル集合体において２以上の第２燃料電池セルは、隣り合う２つの第２燃料電池セルの間に隙間が形成されるように配置されてもよい。あるいは、第１燃料電池セル集合体は、２以上の第１燃料電池セルを隙間なくライン状に配列したものであり、第２燃料電池セル集合体は、２以上の第２燃料電池セルを隙間なくライン状に配列したものであってもよい。
【００１８】
本発明の燃料電池スタックは、アルコールまたはアルコール水溶液を液体燃料とするダイレクトアルコール型燃料電池であることができる。
【００１９】
また本発明は、上記本発明に係る燃料電池スタックと、上記導入口に接続される、液体燃料を収容するための燃料タンクとを含む燃料電池システムを提供する。該燃料電池システムは、燃料タンクから導入口への液体燃料の流動を促進させる送液手段をさらに含むことができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、厚み方向に積層された複数の燃料電池セルを含む燃料電池スタックにおいて、各燃料電池セルに対する液体燃料の供給の均一化が図られ、もって高い出力を発揮する燃料電池スタックおよびこれを用いた燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る燃料電池スタックの一例を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示されるＩＩ−ＩＩ線における概略断面図である。
【図３】本発明に係る燃料電池スタックの他の一例を示す概略断面図である。
【図４】本発明に係る燃料電池スタックの他の一例を示す概略断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池スタックの他の一例を示す概略断面図である。
【図６】比較例１の燃料電池スタックを示す概略断面図である。
【図７】比較例２の燃料電池スタックを示す概略断面図である。
【図８】比較例３の燃料電池スタックを示す概略断面図である。
【図９】第１燃料電池セルの層構成の一例を示す概略断面図である。
【図１０】（ａ）は、第１流路板の一例を示す概略上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示されるＸ−Ｘ線における燃料分配部の概略断面図である。
【図１１】（ａ）は、第１流路板の他の一例を示す概略上面図であり、（ｂ）は、（ａ）に示されるＸＩ−ＸＩ線における燃料分配部の概略断面図である。
【図１２】第１流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１３】第１気化燃料板の一例を示す概略上面図および概略断面図である。
【図１４】第１気化燃料板の他の例を示す概略上面図および概略断面図である。
【図１５】本発明に係る燃料電池スタックの他の一例を示す概略斜視図である。
【図１６】本発明に係る燃料電池システムの一例を示す概略斜視図である。
【図１７】本発明に係る燃料電池システムの一例を示す概略断面図である。
【図１８】実施例１における発電開始後の各燃料電池セルの電圧の時間変化を示す図である。
【図１９】比較例１における発電開始後の各燃料電池セルの電圧の時間変化を示す図である。
【図２０】実施例１の燃料電池スタックについてＩ−Ｖ特性を測定した結果を示す図である。
【図２１】比較例１の燃料電池スタックについてＩ−Ｖ特性を測定した結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、本発明の燃料電池スタックおよび燃料電池システムについて、実施の形態を示して詳細に説明する。
【００２３】
＜燃料電池スタック＞
図１は本発明に係る燃料電池スタックの一例を示す概略斜視図であり、図２は図１に示されるＩＩ−ＩＩ線における概略断面図である。これらの図面に示される燃料電池スタック１は、合計２０個の燃料電池セル（１０個の第１燃料電池セル２０および１０個の第２燃料電池セル２０’）、ならびに、これらの燃料電池セルのすべてに結合され、各燃料電池セルに液体燃料を分配供給するための燃料分配部１０から構成されている。
【００２４】
〔１〕全体構造
燃料電池スタック１は、同一平面上に互いに離間して、かつライン状に配列された５個の第１燃料電池セル２０からなる第１燃料電池セル集合体４０；同一平面上に互いに離間して、かつライン状に配列された５個の第２燃料電池セル２０’からなり、第１燃料電池セル集合体４０の主面上（第１燃料電池セル集合体４０の厚み方向における上側）であって、第１燃料電池セル集合体４０と離間して配置された第２燃料電池セル集合体５０；および、すべての第１および第２燃料電池セル２０，２０’（すべての第１および第２燃料電池セル集合体４０，５０）に結合された燃料分配部１０を含む。燃料分配部１０は、燃料電池セル集合体を構成する燃料電池セルの配列方向（燃料電池セル集合体の長手方向）に対して平行に、かつ対向配置された第１および第２燃料電池セル集合体４０，５０の側方に配置され、その側面で、対向配置された第１および第２燃料電池セル集合体４０，５０を構成するそれぞれの第１および第２燃料電池セル２０，２０’と結合されている。
【００２５】
この例において燃料電池スタック１は、燃料分配部１０における対向する両側面に結合される合計２個の第１燃料電池セル集合体４０と合計２個の第２燃料電池セル集合体５０を有している。燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルは、互いに電気的に直列接続および／または並列接続される。
【００２６】
また、第１燃料電池セル集合体４０と第２燃料電池セル集合体５０とが、離間して対向配置されることにより、これらの第１および第２燃料電池セル集合体４０，５０の間に空間３０が形成されている。この空間３０は、酸化剤（空気等）の供給経路を構成する。
【００２７】
第２燃料電池セル集合体５０を構成する第２燃料電池セル２０’はすべて、その下方に配置された（対向配置された）第１燃料電池セル集合体４０を構成する第１燃料電池セル２０のそれぞれに対向配置される（第２燃料電池セル２０’の直下に第１燃料電池セル２０が配置される）。第１燃料電池セル２０の主面と第２燃料電池セル２０’とは略平行である。第１燃料電池セル２０と第２燃料電池セル２０’とは、それらのカソード極側が対向するように（第１カソード極側と第２カソード極側とが対向するように）離間して配置されている。
【００２８】
第１燃料電池セル２０は、第１アノード極、第１電解質膜および第１カソード極をこの順で有する第１膜電極複合体を含む第１発電部２１と、第１発電部２１の第１アノード極側に配置された第１燃料供給部２２とを少なくとも備えるものである〔図１参照〕。第１燃料供給部２２は、液体燃料を流通させる（あるいは、燃料電池セル面内で拡散流通させる）ための第１セル内燃料流路２３を有する〔図２参照〕。同様に、第２燃料電池セル２０’は、第２アノード極、第２電解質膜および第２カソード極をこの順で有する第２膜電極複合体を含む第２発電部２１’と、第２発電部２１’の第２アノード極側に配置された第２燃料供給部２２’とを少なくとも備えるものである〔図１参照〕。第２燃料供給部２２’は、液体燃料を流通させる（あるいは、燃料電池セル面内で拡散流通させる）ための第２セル内燃料流路２３’を有する〔図２参照〕。
【００２９】
燃料分配部１０は、それぞれの第１および第２燃料電池セル２０，２０’に液体燃料を分配供給するための部位であり、液体燃料を導入するための導入口１１をいずれかの表面に有するとともに、導入口１１と、第１および第２燃料電池セル２０，２０’の第１および第２セル内燃料流路２３，２３’とを接続するセル外燃料流路１５を内部に備えている〔図２参照〕。燃料電池スタック１において導入口１１は、上側表面（第２燃料電池セル集合体５０における第１燃料電池セル集合体４０とは反対側の主面と同一面を形成する表面）であって、燃料分配部１０の長手方向中央部（燃料電池セル集合体を構成する中央の燃料電池セルの、燃料電池セル集合体長手方向の中心部に相当する位置）に設けられている。
【００３０】
〔２〕燃料流路構造
燃料電池スタック１は、これを構成する各燃料電池セルに液体燃料を供給するための燃料流路を有しており、上述のように、該燃料流路は、各燃料電池セルが有するセル内燃料流路（第１および第２セル内燃料流路２３，２３’）、および、燃料分配部１０に設けられた、第１および第２セル内燃料流路２３，２３’に接続されるセル外燃料流路１５からなる。
【００３１】
セル外燃料流路１５は、図２を参照して、導入口１１から第１燃料電池セル２０（および第２燃料電池セル２０’）の主面に対して略垂直方向の下方（第１燃料電池セル２０に近づく方向）に延びる第１主流路１６；第１主流路１６における導入口１１とは反対側の端部１６Ａに接続され、第１燃料電池セル２０（および第２燃料電池セル２０’）の主面に対して略平行（燃料電池セル集合体に近づく方向）に延びる第２主流路１７（以下、第１主流路１６と第２主流路１７とを含めて「主流路１８」と称する。）；主流路１８における導入口１１とは反対側の端部（第２主流路１７における端部１６Ａとは反対側の端部）１７Ａと第１セル内燃料流路２３とを接続する第１分岐流路１９ａ；および、端部１７Ａと第２セル内燃料流路２３’とを接続する第２分岐流路１９ｂを含む。
【００３２】
図２に示される断面において、第２主流路１７は、燃料分配部１０の両側面に配された燃料電池セル集合体群への燃料供給を可能とするために、端部１６Ａから該両側面に向けて計２本延びている。第１および第２分岐流路１９ａ，１９ｂは、第１燃料電池セル２０（および第２燃料電池セル２０’）の主面に対して略垂直方向に延びている。
【００３３】
なお図示されていないが、セル外燃料流路１５は、第１および第２燃料電池セル集合体４０，５０を構成する中央の燃料電池セル以外の燃料電池セルに液体燃料を供給するための、端部１６Ａから燃料分配部１０の長手方向（第１および第２燃料電池セル集合体４０，５０を構成する燃料電池セルの配列方向）に延びる第３主流路を主流路１８の一部として有している。この第３主流路には、中央の燃料電池セル以外の各燃料電池セルが有するセル内燃料流路に連結される、図２と同様の構造の第２主流路１７および第１および第２分岐流路１９ａ，１９ｂが設けられている。すなわち、燃料電池スタック１は、１本の第１主流路１６、合計１０本の第２主流路１７、１本の第３主流路、合計１０本の第１分岐流路１９ａおよび合計１０本の第２分岐流路１９ｂを有する。
【００３４】
本明細書において、燃料流路の一部である「主流路」とは、対向配置された第１燃料電池セル２０と第２燃料電池セル２０’とに分配供給されることとなる液体燃料が共通して流れる流路であり、より具体的には、セル内燃料流路および第１、第２分岐流路以外の燃料流路を意味する。
【００３５】
以上のような燃料流路構造において、燃料電池スタック１は、すべての第１燃料電池セル２０とすべての第２燃料電池セル２０’との間において（したがって、対向配置された第１燃料電池セル２０と第２燃料電池セル２０’とに関しても）、第１分岐流路１９ａおよび第１セル内燃料流路２３の合計長さ（端部１７Ａから第１セル内燃料流路２３の末端までの流路長）と、第２分岐流路１９ｂおよび第２セル内燃料流路２３’の合計長さ（端部１７Ａから第２セル内燃料流路２３’の末端までの流路長）とが略同じになっている。
【００３６】
上記のような合計長さの関係は、燃料分配部１０の厚み方向中央部、すなわち、互いに対向する第１燃料供給部２２の主面および第２燃料供給部２２’の主面の双方から等距離の位置に第２主流路１７を、第１燃料電池セル２０（および第２燃料電池セル２０’）の主面に対して略平行に配するとともに（したがって、第１分岐流路１９ａと第２分岐流路１９ｂの流路長さが同じである）、厚み方向に関して第１、第２燃料供給部２２，２２’の同じ位置に第１、第２セル内燃料流路２３，２３’を配した第１、第２燃料電池セル２０，２０’を用いる（したがって、図２を参照して、燃料電池セル主面に対して略垂直方向に延びる流路部分と略平行に延びる流路部分とからなる略Ｌ字型の第１セル内燃料流路２３と、同じく略Ｌ字型の第２セル内燃料流路２３’の流路長さとが同じである）ことによって実現されている。
【００３７】
上記のような合計長さの関係を有する燃料電池スタック１によれば、燃料流路が、第１燃料電池セル２０（および第２燃料電池セル２０’）の主面に対して略垂直方向に延びる第１および第２分岐流路１９ａ，１９ｂを含むにもかかわらず、毛細管力により主流路１８を通って端部１７Ａに到達した液体燃料は、第１分岐流路１９ａと第２分岐流路１９ｂとに均一に分流され、毛細管力により第１燃料電池セル２０と第２燃料電池セル２０’とに均一に供給される。
【００３８】
第１セル内燃料流路２３、第２セル内燃料流路２３’およびセル外燃料流路１５の断面積は、液体燃料の移動が主に毛細管力によって生じるように、それぞれ１００μｍ2〜１ｍｍ2の範囲内であることが好ましく、それぞれ２５００μｍ2〜１００００μｍ2の範囲内であることがより好ましい。
【００３９】
図３および図４は、本発明に係る燃料電池スタックの他の例を示す図２と同様の概略断面図である。これらの図面に示されるように、第１燃料電池セル２０と、その主面上に配置される（対向配置される）第２燃料電池セル２０’とを、それらのカソード極側が対向するように配置するのではなく、いずれか一方の燃料電池セルのカソード極側と他方の燃料電池セルの燃料供給部側とが対向するように、すなわち、第１カソード極側と第２燃料供給部側とが対向するように、または、第２カソード極側と第１燃料供給部側とが対向するように離間して配置してもよい。
【００４０】
図３の例においては、第１、第２セル内燃料流路２３，２３’は、燃料電池セル主面に対して略平行に延びる流路部分が、それぞれ第１、第２発電部２１，２１’からの距離が同じになるように配置されているが、第１燃料電池セル２０では第１燃料供給部２２の第１発電部２１側主面に第１分岐流路１９ａと第１セル内燃料流路２３との接続部分が存在する一方、第２燃料電池セル２０’では第２燃料供給部２２’の第２発電部２１’とは反対側の主面に第２分岐流路１９ｂと第２セル内燃料流路２３’との接続部分が存在しているため、第１セル内燃料流路２３における燃料電池セル主面に対して略垂直方向に延びる流路部分の流路長が、第２セル内燃料流路２３’における燃料電池セル主面に対して略垂直方向に延びる流路部分の流路長より短くなっている。
【００４１】
したがって図３の例においては、第１分岐流路１９ａを第２分岐流路１９ｂより長くし、これにより第１分岐流路１９ａおよび第１セル内燃料流路２３の合計長さと、第２分岐流路１９ｂおよび第２セル内燃料流路２３’の合計長さとを略同じにするために、燃料分配部１０の厚み方向中央部（図３におけるＸ）に第２主流路１７を配するのではなく、それより第２燃料電池セル２０’寄りに第２主流路１７を配するようにしている。
【００４２】
図４の例においては、第１、第２セル内燃料流路２３，２３’における燃料電池セル主面に対して略平行に延びる流路部分が、それぞれ第１、第２燃料供給部２２，２２’における厚み方向中央部に配置されており、第１セル内燃料流路２３と第２セル内燃料流路２３’とは流路長が同じである。したがって図４の例においては、燃料分配部１０の厚み方向中央部（図４におけるＸ）に第２主流路１７を配することにより、上記合計長さの関係を実現している。
【００４３】
以上に掲げた例のうち、図２の例は次のような利点を有する。
（ｉ）第１カソード極側と第２カソード極側とが対向するように第１燃料電池セル２０と第２燃料電池セル２０’とを対向配置しているため、燃料電池スタック１の最厚部の厚み〔図２におけるＴ〕を、図３および図４の例と比べてより小さくできる、
（ｉｉ）図３および図４の例と異なり、第１燃料電池セル２０のための酸化剤供給経路と第２燃料電池セル２０’のための酸化剤供給経路とを共通化できる（すなわち、空間３０が共通化された酸化剤供給経路である）、
（ｉｉｉ）図３および図４の例と異なり、第１燃料電池セル２０および第２燃料電池セル２０’として同じ構造の燃料電池セルを用いることができる（図３および図４の例では、セル内燃料流路構造が異なる燃料電池セルを用いている）、
（ｉｖ）図４の例と異なり、上記合計長さの関係を実現するうえで、第１、第２セル内燃料流路２３，２３’における燃料電池セル主面に対して略平行に延びる流路部分を、必ずしも第１、第２燃料供給部２２，２２’における厚み方向中央部に配置する必要がない。
【００４４】
また、図２〜図４の例においては、第１分岐流路１９ａと第１セル内燃料流路２３、および、第２分岐流路１９ｂと第２セル内燃料流路２３’とは、それらの接続部分において、第１燃料電池セル２０、第２燃料電池セル２０’の主面に対して略垂直方向に延びる流路を形成するように接続されているが、これに限定されるものではない。たとえば図５に示されるように、第１分岐流路１９ａと第１セル内燃料流路２３、および、第２分岐流路１９ｂと第２セル内燃料流路２３’とは、それらの接続部分において、第１燃料電池セル２０、第２燃料電池セル２０’の主面に対して略平行に延びる流路を形成するように接続されてもよい。この場合、第１および第２分岐流路１９ａ，１９ｂは、たとえば、燃料電池セル主面に対して略垂直方向に延びる流路部分と略平行に延びる流路部分とからなる略Ｌ字型の流路であることができ、第１および第２セル内燃料流路２３，２３’は、燃料電池セル主面に対して略平行に延びる流路からなることができる。
【００４５】
図５の例のような燃料流路構造は、燃料分配部１０の一部分〔図５においてＹで示される領域〕を省略あるいはその領域の幅を小さくすることができ、その分、燃料電池セルの幅、ひいては燃料電池スタックの幅を小さくできるという利点がある。
【００４６】
なお、本発明の比較例となる、上記合計長さの関係を満たさない燃料電池スタックの例を図６〜図８（それぞれ比較例１〜３とする）に示す。図６〜図８はいずれも、燃料電池スタックにおける図２と同様の概略断面図である。
【００４７】
図６に示される比較例１の燃料電池スタックは、燃料分配部１０の厚み方向中央部〔図６におけるＸ〕に第２主流路１７を配していること以外は、図３の例と同じである。これにより、第１分岐流路１９ａおよび第１セル内燃料流路２３の合計長さが、第２分岐流路１９ｂおよび第２セル内燃料流路２３’の合計長さより短くなっている。
【００４８】
図７に示される比較例２の燃料電池スタックは、燃料分配部１０の上にさらに、セル外燃料流路１５の一部を含む第２燃料分配部１０’を配置した例である。この比較例においてセル外燃料流路１５は、第１主流路１６からなる主流路と、流路１９ａ１および略Ｌ字型の流路１９ａ２からなる第１分岐流路１９ａ、ならびに、略Ｌ字型の第２分岐流路１９ｂから構成される。第１分岐流路１９ａの流路長と第２分岐流路１９ｂの流路長とが異なるために、上記合計長さの関係を満たしていない。また、第２燃料分配部１０’の設置により、最厚部の厚み〔図７におけるＴ〕がかなり大きくなっている。
【００４９】
図８に示される比較例３の燃料電池スタックは、セル外燃料流路１５が、第１主流路１６からなる主流路と、流路１９ａ１および流路１９ａ２からなる第１分岐流路１９ａ、ならびに、第２分岐流路１９ｂから構成されること以外は図５の例と同様である。第１分岐流路１９ａの流路長と第２分岐流路１９ｂの流路長とが異なるために、上記合計長さの関係を満たしていない。
【００５０】
〔３〕第１燃料電池セル
図９は、第１燃料電池セル２０の層構成の一例を示す概略断面図であり、図２に示される断面に対して垂直な方向の断面を示したものである。図９に示される例において第１燃料電池セル２０は、第１アノード極１０２、第１電解質膜１０１および第１カソード極１０３をこの順で有する第１膜電極複合体１０４；第１アノード極１０２上に積層され、これに電気的に接続された第１アノード集電層１０５；第１カソード極１０３上に積層され、これに電気的に接続された第１カソード集電層１０６；第１アノード集電層１０５に接するように第１アノード集電層１０５上に積層される第１アノード保湿層１０７；第１カソード集電層１０６に接するように第１カソード集電層１０６上に積層される第１カソード保湿層１０８；第１アノード極１０２側に配置され、液体燃料を流通させる（燃料電池セル面内で拡散流通させる）ための第１セル内燃料流路２３を有する第１流路板２２ａ；第１膜電極複合体１０４と第１流路板２２ａとの間に配置され、液体燃料の気化成分を透過可能な第１気液分離層１１２；第１気液分離層１１２と第１アノード保湿層１０７との間に配置され、気化燃料収容部１１３ａを具備する第１気化燃料板１１３；および、第１セル内燃料流路２３を覆うように第１気液分離層１１２と第１流路板２２ａとの間に配置される第１介在層１１１から構成されている。
【００５１】
図９に示される例において第１発電部２１は、第１カソード保湿層１０８、第１カソード集電層１０６、第１膜電極複合体１０４、第１アノード集電層１０５および第１アノード保湿層１０７からなり、第１燃料供給部２２は、第１気化燃料板１１３、第１気液分離層１１２、第１介在層１１１および第１流路板２２ａからなる。
【００５２】
（第１電解質膜）
第１膜電極複合体１０４を構成する第１電解質膜１０１は、第１アノード極１０２から第１カソード極１０３へプロトンを伝達する機能と、第１アノード極１０２と第１カソード極１０３との電気的絶縁性を保ち、短絡を防止する機能を有する。第１電解質膜１０１の材質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子社製）などが挙げられる。また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系電解質膜などを用いることもできる。
【００５３】
無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどからなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、パーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジット膜などが挙げられる。第１電解質膜１０１の厚みはたとえば１〜２００μｍである。
【００５４】
（第１アノード極および第１カソード極）
第１電解質膜１０１の一方の表面に積層される第１アノード極１０２および他方の表面に積層される第１カソード極１０３にはそれぞれ、少なくとも触媒と電解質とを含有する多孔質層からなる触媒層が設けられる。第１アノード極１０２において触媒（アノード触媒）は、燃料からプロトンと電子とを生成する反応を触媒し、電解質は、生成したプロトンを第１電解質膜１０１へ伝導する機能を有する。第１カソード極１０３において触媒は、電解質を伝導してきたプロトンと酸化剤（空気など）から水を生成する反応を触媒する。
【００５５】
第１アノード極１０２および第１カソード極１０３の触媒は、カーボンやチタン等の導電体の表面に担持されたものでもよく、なかでも、水酸基やカルボキシル基等の親水性官能基を有するカーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていることが好ましい。これにより、第１アノード極１０２および第１カソード極１０３の保水性を向上させることができる。保水性の向上により、プロトン移動に伴う第１電解質膜１０１の抵抗や、第１アノード極１０２および第１カソード極１０３における電位分布を改善することができる。
【００５６】
第１アノード極１０２および第１カソード極１０３はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノード導電性多孔質層（アノードガス拡散層）、カソード導電性多孔質層（カソードガス拡散層）を備えていてもよい。これらの導電性多孔質層は、第１アノード極１０２、第１カソード極１０３に供給されるガス（気化燃料または酸化剤）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。より具体的には、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびにカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
【００５７】
（第１アノード集電層および第１カソード集電層）
第１アノード集電層１０５、第１カソード集電層１０６はそれぞれ、第１アノード極１０２上、第１カソード極１０３上に積層される。第１アノード集電層１０５および第１カソード集電層１０６はそれぞれ、第１アノード極１０２、第１カソード極１０３における電子を集電する機能と、電気的配線を行なう機能とを有する。集電層の材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下が抑制されることから、金属であることが好ましく、なかでも、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属であることがより好ましい。このような金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｃｏ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；およびこれらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などが挙げられる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。なお、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層が、たとえば金属等からなり、導電性が比較的高い場合には、第１アノード集電層および第１カソード集電層は省略されてもよい。
【００５８】
より具体的には、第１アノード集電層１０５は、気化燃料を第１アノード極１０２へ誘導するための厚み方向に貫通する貫通孔（開口）を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。この貫通孔は、第１アノード極１０２の触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）を気化燃料収容部１１３ａ側へ誘導するための経路としても機能する。同様に、第１カソード集電層１０６は、酸化剤（たとえば燃料電池外部の空気）を第１カソード極１０３の触媒層に供給するための厚み方向に貫通する貫通孔（開口）を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。
【００５９】
（第１流路板）
第１流路板２２ａは、液体燃料を流通させるための第１セル内燃料流路２３が第１アノード極１０２側表面に形成された板状体であることができる。第１セル内燃料流路２３は、たとえば上記板状体の一方の表面に形成された溝（凹部）からなることができる。第１セル内燃料流路２３の形状（パターン）は特に制限されず、第１アノード極１０２全面にできるだけ均一に気化燃料を供給できるよう、流路板表面のできるだけ広い範囲にわたって、均一に配置することが好ましい。
【００６０】
図１０〜図１２に第１セル内燃料流路２３の流路パターンの例を示す。図１０〜図１２に示される第１セル内燃料流路２３（斜線部）はいずれも溝（凹部）からなる。図１０および図１１の（ａ）は、第１流路板２２ａにおける第１セル内燃料流路２３の形成面を概略上面図で示すとともに、たとえば図２に示す如く、第１セル内燃料流路２３と燃料分配部１０のセル外燃料流路１５とが接続されるように、第１流路板２２ａ上に燃料分配部１０の一部が積層された状態を概略上面図で示したものである。図１０および図１１の（ｂ）はそれぞれ、図１０、図１１の（ａ）に示されるＸ−Ｘ線、ＸＩ−ＸＩ線における燃料分配部１０の概略断面図である。
【００６１】
図１０の例において、第１流路板２２ａの第１セル内燃料流路２３と燃料分配部１０のセル外燃料流路１５（より具体的には第１分岐流路１９ａ）との接続点は１点のみである（すなわち、第１セル内燃料流路２３の入口は１つのみである）が、第１セル内燃料流路２３は、互いに略平行にかつ等間隔を空けて延びる合計５本の分岐流路を有するように、櫛歯状に分岐した構造を有している。このような分岐構造により、第１アノード極１０２全面により均一に気化燃料を供給することができる。
【００６２】
このように、第１、第２セル内燃料流路２３，２３’の入口が１つのみであり、第１、第２セル内燃料流路２３，２３’が複数の分岐流路からなる場合（１本の第１、第２セル内燃料流路２３，２３’がそれぞれ、末端に向かう途中で複数の流路に枝分かれする場合）においては、第１分岐流路１９ａおよび第１セル内燃料流路２３の合計長さ（端部１７Ａから第１セル内燃料流路２３の末端までの流路長）と、第２分岐流路１９ｂおよび第２セル内燃料流路２３’の合計長さ（端部１７Ａから第２セル内燃料流路２３’の末端までの流路長）とが略同じであるとは、第１、第２セル内燃料流路２３，２３’が有する対向配置された分岐流路（流路板面方向において同じ位置にある分岐流路）に関して、それぞれ上記合計長さが略同じであることをいう。すなわち、第１分岐流路１９ａおよび第１セル内燃料流路２３からなる、端部１７Ａから第１セル内燃料流路２３の末端に至る複数の経路のうち、第１セル内燃料流路２３としてある１つの分岐流路を含む経路を選択し、端部１７Ａから第２セル内燃料流路２３’の末端に至る複数の経路のうち、上記で選択した分岐流路に対向配置された分岐流路を含む経路を選択し、これらの流路長を比較したときに上記合計長さの関係を満たし、かかる関係が対向配置された分岐流路のすべてについて満たされていることをいう。典型的には、第１流路板２２ａを含む第１燃料電池セル２０に対向配置される第２燃料電池セル２０’の流路板（第２流路板）には、第１流路板２２ａが有する第１セル内燃料流路２３と同じ形状の第２セル内燃料流路２３’を備えたものが用いられる。
【００６３】
一方、図１１に示されるように、セル外燃料流路１５の第１分岐流路１９ａを枝分かれ状にし〔図１１（ｂ）参照〕、これに伴い、第１セル内燃料流路２３の入口を複数設けるとともに、第１セル内燃料流路２３を図１０の例と同様に複数の分岐流路から構成することも可能である（図１１の例では入口は４つであり、第１セル内燃料流路２３は５本の分岐流路を有する）。第１、第２セル内燃料流路２３，２３’がともにこのような構造を有する場合において、第１分岐流路１９ａおよび第１セル内燃料流路２３の合計長さ（端部１７Ａから第１セル内燃料流路２３の末端までの流路長）と、第２分岐流路１９ｂおよび第２セル内燃料流路２３’の合計長さ（端部１７Ａから第２セル内燃料流路２３’の末端までの流路長）とが略同じであるとは、端部１７Ａから第１セル内燃料流路２３の末端に至る複数の経路のうち、いずれの経路を選択した場合においても、かつ、端部１７Ａから第２セル内燃料流路２３’の末端に至る複数の経路のうち、いずれの経路を選択した場合においても、これらの流路長を比較したときに上記合計長さの関係を満たすことをいう。典型的には、第１流路板２２ａを含む第１燃料電池セル２０に対向配置される第２燃料電池セル２０’の流路板（第２流路板）には、第１流路板２２ａが有する第１セル内燃料流路２３と同じ形状の第２セル内燃料流路２３’を備えたものが用いられる。
【００６４】
図１２は、第１流路板の他の一例を示す概略上面図であり、第１セル内燃料流路２３の流路パターンの他の例を示したものである。図１２の流路形状は図１１と類似しているが、第１セル内燃料流路２３が第１流路板２２ａの１つの端面（側面）まで延びており、４つの入口が該端面に設けられている点で図１１と相違する。このような構造の流路板は、図５に示される燃料電池スタックのように、流路板の側面においてセル内燃料流路とセル外燃料流路とを接続する形態に用いることができる。
【００６５】
第１流路板２２ａは、プラスチック材料または金属材料などから作製することができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。
【００６６】
（第１気化燃料板）
図１３（ａ）は図９に示す第１燃料電池セル２０で用いられている第１気化燃料板１１３を示す概略上面図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）に示されるＸＩＩＩ−ＸＩＩＩ線における概略断面図である。第１気化燃料板１１３は、第１膜電極複合体１０４と第１気液分離層１１２との間に気化燃料を収容するための空間（すなわち、気化燃料収容部１１３ａ）を形成するための部材である。図９の例において第１気化燃料板１１３は、第１アノード保湿層１０７に接するように第１アノード保湿層１０７と第１気液分離層１１２との間に配置されている。第１気化燃料板１１３は、厚み方向に貫通する貫通口である気化燃料収容部１１３ａ、および、気化燃料収容部１１３ａと第１気化燃料板１１３外部とを連通する連通経路１１３ｂを有する。連通経路１１３ｂは、第１アノード極１０２で生成した副生ガス（ＣＯ2ガス等）を燃料電池セル外部に排出させるための経路である。
【００６７】
連通経路１１３ｂは、第１気化燃料板１１３の周縁部に設けられ、気化燃料収容部１１３ａから該周縁部の端面まで延びる溝（凹部）からなる。連通経路１１３ｂの出口は、たとえば燃料分配部１０が結合される燃料電池セル側面に対向する側面に設けられる。
【００６８】
第１セル内燃料流路２３上に第１気液分離層１１２を介して気化燃料収容部１１３ａを設けることにより、第１アノード極１０２に供給される気化燃料濃度の第１アノード極１０２面内における均一化および気化燃料量の最適化が促進される。
【００６９】
気化燃料収容部１１３ａを設けることは以下の点でも有利である。
（ｉ）気化燃料収容部１１３ａ内に存在する空気層により、第１膜電極複合体１０４と第１セル内燃料流路２３との間の断熱を図ることができる。これにより、第１セル内燃料流路２３内の液体燃料の温度が過度に上昇することによるクロスオーバーを抑制できる。このことは、燃料電池セルの内部温度の暴走および内圧上昇の抑制に寄与する。
【００７０】
（ｉｉ）第１アノード極１０２で生成したＣＯ2ガス等の副生ガスは、発電により生じた熱を伴って気化燃料収容部１１３ａ内に到達し、続いて連通経路１１３ｂを通って、燃料電池セル外部に排出される。これにより、燃料電池セル内部に蓄積される熱量を大幅に低減することができるため、第１セル内燃料流路２３を含めて燃料電池セル全体としての過度の温度上昇を抑制することができる。このこともまた、燃料電池セルの内部温度の暴走および内圧上昇の抑制に寄与する。特に、第１気化燃料板１１３に連通経路１１３ｂ（副生ガスの排出口）を設けていることにより、第１セル内燃料流路２３への熱の伝達が起こりにくく、したがって第１セル内燃料流路２３内に存在する液体燃料の過度の温度上昇ならびに、これに伴うクロスオーバーおよび温度暴走がより生じにくい。
【００７１】
（ｉｉｉ）連通経路１１３ｂより副生ガスを良好に排出することができるため、副生ガスの排出不良による燃料供給阻害を抑制することができ、第１アノード極１０２への燃料供給を良好に行なうことができる。これにより、安定した発電特性を得ることができる。また、連通経路１１３ｂより副生ガスを良好に排出することができるため、副生ガスの第１セル内燃料流路２３内への侵入を抑制することができる。これにより、第１アノード極１０２に対して、十分な量の気化燃料を安定して供給することができるようになるため、燃料電池セルの出力安定性を向上させることができる。
【００７２】
第１気化燃料板１１３の厚みは、たとえば、１００〜１０００μｍ程度とすることができ、１００〜３００μｍ程度まで薄くした場合であっても、上記のような効果を十分に得ることができる。
【００７３】
第１気化燃料板１１３が有する貫通口（気化燃料収容部１１３ａ）は、第１膜電極複合体１０４と第１セル内燃料流路２３との間の断熱性の観点から、図１３に示されるように、第１気化燃料板１１３の面積に対する開口率をできるだけ大きくすることが好ましく、したがって第１気化燃料板１１３はできるだけ大きな貫通口を有する枠形状（ロの字状）を有することが好ましい。
【００７４】
貫通口の開口率、すなわち、第１気化燃料板１１３の面積に対する貫通口の開口面積（後述するように、第１気化燃料板１１３は２以上の貫通口を有していてもよく、その場合にはそれらの開口面積の合計）の割合は、好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上である。貫通口の開口率を大きくすることは、気化燃料収容部１１３ａの、第１アノード極１０２に供給される燃料濃度を均一化する機能を高める上でも有利であり、第１アノード極１０２への十分な燃料供給を確保する上でも有利である。なお、貫通口の開口率は、通常９０％以下である。
【００７５】
連通経路１１３ｂは、第１気化燃料板１１３の周縁部に設けられる溝（凹部）に限定されるものではなく、厚み方向に貫通する貫通穴であってもよいが、強度の観点から、溝（凹部）からなることが好ましい。第１気化燃料板１１３の強度の観点から、連通経路１１３ｂの深さは第１気化燃料板１１３の厚みの７５％程度までとすることが好ましい。
【００７６】
図１４（ａ）は第１気化燃料板の他の例を示す概略上面図であり、図１４（ｂ）は図１４（ａ）に示されるＸＩＶ−ＸＩＶ線における概略断面図である。図１４に示されるように、第１気化燃料板は２以上の貫通口を有していてもよい。図１４に示される第１気化燃料板１１４は、縦横２列に配列された合計４つの貫通口１１４ａを有する。これは、大きな貫通口の縦方向および横方向に梁を設け、４つに分割したものということもできる。このような複数の貫通口を有する（梁を設けた）第１気化燃料板は、面内方向の剛性が向上するため、衝撃等に対する強度に優れる燃料電池セルが得られる点において有利である。また、図１３に示されるような梁を設けない構造と比較して、第１気化燃料板の上下に配置される部材の熱などに起因する膨張等による貫通口の閉塞がより生じにくい点においても有利である。
【００７７】
第１気化燃料板が２以上の貫通口を有する場合、その周縁部に設けられる連通経路は、貫通口ごとに、貫通口の数と同じ数だけ設けてもよいし、貫通口の数より少ない、もしくは多い数の連通経路を設けることもできる。図１４の例においては、４つの貫通口１１４ａに対して２つの連通経路１１４ｂが設けられている。このように、貫通口ごとに連通経路を設けなくてもよいが、その場合には、図１４に示されるように、連通経路１１４ｂが設けられていない貫通口〔図１４（ａ）における下２つの貫通口１１４ａ〕は、接続経路１１４ｃによって、連通経路１１４ｂが設けられた貫通口〔図１４（ａ）における上２つの貫通口１１４ａ〕に空間的に接続される。接続経路１１４ｃは、連通経路１１４ｂと同様、貫通口間の梁に設けられた溝（凹部）であることができる〔図１４（ｂ）〕。接続経路１１４ｃを設けることにより、連通経路１１４ｂが設けられていない貫通口内に入った副生ガスを、連通経路１１４ｂを通して外部に排出することができる。
【００７８】
第１気化燃料板の貫通口（気化燃料収容部）に到達した副生ガスの外部への排出効率を向上させるために、あるいは、第１気化燃料板の、第１アノード極１０２に供給される燃料の濃度を均一化する機能を高めるために、連通経路１１４ｂが設けられた貫通口同士および／または連通経路１１４ｂが設けられていない貫通口同士を空間的に接続する接続経路１１４ｄを設けることも好ましい〔図１４（ａ）〕。
【００７９】
連通経路の断面積（２以上の連通経路を有する場合にはこれらの断面積の合計）Ｓ1と、第１気化燃料板の側面の合計面積Ｓ0との比Ｓ1／Ｓ0は、副生ガスおよびこれに伴う熱の排出を行なうために０より大きくすることが必要であり、好ましくは０．００２以上である。また、好ましくは０．３未満、より好ましくは０．１未満、さらに好ましくは０．０５未満である。当該比が０．３以上になると、液体燃料の漏洩や空気の混入が起こりやすくなり、発電の安定性が低下するおそれがある。
【００８０】
連通経路のすべてを燃料分配部１０が結合される燃料電池セル側面に対向する側面に設ける場合など、第１気化燃料板が有する４つの周縁部のうち、いずれか１つの周縁部にのみ１または２以上の連通経路を設ける場合において、連通経路の断面積（２以上の連通経路を有する場合にはこれらの断面積の合計）Ｓ1と、連通経路が設けられる周縁部における側面の断面積Ｓ2との比Ｓ1／Ｓ2は、上記と同様の理由から、好ましくは０．００８以上である。
【００８１】
第１気化燃料板の材質は、プラスチック、金属または非多孔質性のカーボン材料などであることができる。プラスチックとしては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金を用いることができる。
【００８２】
上記のなかでも、第１気化燃料板は、金属、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）またはポリイミド（ＰＩ）などの剛性が大きい材質からなることが好ましい。剛性が大きい第１気化燃料板を用いると、ホットプレス（熱圧着）により第１気化燃料板とこれに隣接する部材との接合が可能になるため、燃料電池セルの厚みや発電特性のばらつきを低減することができる。また、ホットプレス時において、連通経路の閉塞を有効に防止することができる。
【００８３】
なお、第１気化燃料板は省略されてもよいが、上述の効果を得るために第１気化燃料板を設置することが好ましい。
【００８４】
（第１気液分離層）
第１膜電極複合体１０４と第１流路板２２ａとの間であって、後述する第１介在層１１１の第１アノード極１０２側表面上に配置される第１気液分離層１１２は、気化燃料透過性（液体燃料の気化成分を透過できる性質）かつ液体燃料不透過性の疎水性を有する多孔質層であり、第１アノード極１０２への燃料の気化供給を可能とする気液分離能を有する層である。第１気液分離層１１２は、第１アノード極１０２へ供給される気化燃料の量または濃度を適切量に制御（制限）するとともに、均一化する機能をも有する。第１気液分離層１１２を設けることにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、第１膜電極複合体１０４に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。
【００８５】
第１気液分離層１１２としては、使用する燃料に関して気液分離能を有するものであれば特に制限されないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔質膜または多孔質シートを挙げることができ、具体的には、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルムである日東電工（株）製テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕の「ＮＴＦ２０２６Ａ−Ｎ０６」や「ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」が例示できる。
【００８６】
気化燃料透過性および液体燃料不透過性を付与する観点から、第１気液分離層１１２が有する細孔の最大細孔径は、０．１〜１０μｍであることが好ましく、０．５〜５μｍであることがより好ましい。最大細孔径は、後述する第１介在層１１１と同様、メタノール等を用いてバブルポイントを測定することにより求めることができる。第１気液分離層１１２は、後述する水に対する接触角が、通常８０度以上であり、より典型的には９０度以上である。
【００８７】
第１気液分離層１１２の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。また、燃料電池セルの薄型化の観点からは、第１気液分離層１１２の厚みは５００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以下であることがより好ましい。
【００８８】
（第１介在層）
第１流路板２２ａの第１アノード極１０２側表面（したがって、第１セル内燃料流路２３を形成する溝（凹部））を覆うように第１気液分離層１１２と第１流路板２２ａとの間に配置される第１介在層１１１は、水に対する接触角が７０度未満の親水性を有する層であることが好ましい。このような層を、第１セル内燃料流路２３を覆うように配置することによって、液体燃料は、第１介在層１１１が有する親水性に基づいて第１セル内燃料流路２３内に引き込まれるため、第１セル内燃料流路２３内部における液体燃料の圧力損失を低減させることができる。これにより第１セル内燃料流路２３への燃料供給効率および第１流路板２２ａ面内における液体燃料の拡散性、ひいては第１アノード極１０２への気化燃料の供給効率および第１アノード極１０２面内での燃料供給の均一性をより向上させることができる。第１介在層１１１の水に対する接触角は、ＪＩＳ  Ｒ  ３２５７（基板ガラス表面のぬれ性試験）に準拠して測定される。
【００８９】
第１介在層１１１は、液体燃料に対して毛細管作用を示すことが好ましく、第１セル内燃料流路２３内の液体燃料の圧力損失をより効果的に低減できるよう、比較的大きな毛細管力を有することがより好ましい。このような観点から、第１介在層１１１は細孔を有することが好ましく、その最大細孔径は１μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍ以下であることがより好ましい。
【００９０】
第１介在層１１１の最大細孔径は、後述するバブルポイントを測定することで得られるが、それ以外の手法としては水銀圧入法によって測定することができる。ただし、水銀圧入法では０．００５μｍ〜５００μｍの細孔分布しか測定できないため、この範囲外の細孔は存在しない、もしくは無視できる場合に有効な測定手段である。
【００９１】
第１介在層１１１は、特に制限されないが、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが、たとえば５ｋＰａ以上程度であることができる。より高い毛細管力を付与する場合には、バブルポイントは高いことが好ましい。このような観点から、バブルポイントは３０ｋＰａ以上であってよく、さらには５０ｋＰａ以上であってよい。
【００９２】
一方で、発電中に第１セル内燃料流路２３またはセル外燃料流路１５中の液体燃料内に生じた気泡を第１介在層１１１および第１気液分離層１１２を介して気化燃料収容部１１３ａ側に逃がし、燃料電池セル外に排出できるようにすることを考慮した実施形態においては、第１介在層１１１のバブルポイントは低いことが好ましい。このような実施形態においては、主に第１介在層１１１の親水性（表面の濡れ性）が、第１セル内燃料流路２３の内部における液体燃料の圧力損失の低減に寄与する。
【００９３】
また、第１介在層１１１の設置は、第１介在層１１１内に液体燃料を保持できることにより、第１アノード極１０２で発生した副生ガスの第１セル内燃料流路２３内への侵入を効果的に防止することができるという点でも有利である。また、第１アノード極１０２で発生した副生ガスが第１セル内燃料流路２３内へ浸入することを防止できることは、副生ガスの燃料電池セル外部への排出ルートが、第１気化燃料板１１３の連通経路からの排出ルートに絞られることを意味しており、したがって、連通経路からの副生ガスの排出およびこれに伴う熱の排出を促進させることができるとともに、第１セル内燃料流路２３への熱の伝達をより効果的に抑制することができる。これにより、第１セル内燃料流路２３を含めて燃料電池全体としての過度の温度上昇ならびに、これに伴うクロスオーバーおよび温度暴走をより効果的に抑制することが可能になる。
【００９４】
バブルポイントとは、液媒体で濡らした層（膜）の裏側から空気圧をかけたときに、層（膜）の表面に気泡の発生が認められる最小圧力である。バブルポイントΔＰは、下記式（１）：
ΔＰ［Ｐａ］＝４γｃｏｓθ／ｄ          （１）
（γは測定媒体の表面張力［Ｎ／ｍ］、θは層（膜）の素材と測定媒体との接触角、ｄは層（膜）が有する最大細孔径である。）
によって定義される。バブルポイントは、測定媒体をメタノールとし、ＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に準拠して測定される。
【００９５】
第１介在層１１１としては、たとえば、高分子材料、金属材料または無機材料などからなる多孔質層や、高分子膜を挙げることができ、具体例を示せば以下のとおりである。
【００９６】
（ｉ）次の材料からなる多孔質層。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；アクリル系樹脂；ＡＢＳ樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；セルロースアセテート、ニトロセルロース、イオン交換セルロース等のセルロース系樹脂；ナイロン；ポリカーボネート系樹脂；ポリ塩化ビニル等の塩素系樹脂；ポリエーテルエーテルケトン；ポリエーテルスルホン；ガラス；セラミックス；ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチール等の金属材料。多孔質層は、これらの材料からなる発泡体、焼結体、不織布または繊維（ガラス繊維等）などであることができる。
【００９７】
（ｉｉ）次の材料からなる高分子膜。パーフルオロスルホン酸系重合体；スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系重合体などの電解質膜材料として用いることができるもの。これらの高分子膜は、３次元的に絡み合う高分子間の隙間として、ナノオーダーの細孔を有している。
【００９８】
以上に掲げた材料のうち、疎水性材料を基材として用いる場合には、親水性官能基を導入するなどの方法により親水化処理を施し、細孔表面の水に対する濡れ性を高めることにより、接触角を７０度未満に調整することができる。
【００９９】
第１介在層１１１の厚みは特に制限されないが、燃料電池セルの薄型化の観点から、好ましくは２０〜５００μｍであり、より好ましくは５０〜２００μｍである。
【０１００】
第１燃料電池セル２０は、第１介在層１１１を有していなくてもよい。この場合、第１セル内燃料流路２３を覆うように第１流路板２２ａの第１アノード極１０２側表面上に直接、第１気液分離層１１２が積層される。この構成によれば、発電時の温度上昇により液体燃料中の溶存気体から気泡が生じても、これを気化燃料収容部１１３ａ側へ押し出すことができるため、当該気泡による第１セル内燃料流路２３の閉塞を防止することができる。一方、第１介在層１１１を設ける場合には、上記のように比較的バブルポイントの低いものを用いるか、上記気泡を排出させるための経路を燃料電池セル内に設けることが好ましい（たとえば、第１セル内燃料流路２３末端と燃料電池セル外とを連通する経路など）。
【０１０１】
（第１カソード保湿層および第１アノード保湿層）
第１カソード保湿層１０８は、第１カソード極１０３上、好ましくは第１カソード集電層１０６上に配置される、第１カソード極１０３で発生した水が、第１カソード極１０３側から燃料電池セル外に蒸散することを防止するための任意で設けられる層である。第１カソード保湿層１０８を設けることにより、第１カソード極１０３で生じた水を燃料電池セル外部に蒸散させることなく、効率的に第１電解質膜１０１を介して第１アノード極１０２に戻し、第１アノード極１０２での反応に有効利用させることができる。
【０１０２】
第１アノード保湿層１０７は、第１アノード極１０２または第１アノード集電層１０５と気化燃料収容部１１３ａとの間に配置される、第１アノード極１０２内の水分が、第１アノード極１０２側から第１膜電極複合体外に（たとえば気化燃料収容部１１３ａへ）蒸散することを防止し、第１アノード極１０２内に保持させるための任意で設けられる層である。第１アノード保湿層１０７を設けることにより、第１カソード極１０３で発生し、第１電解質膜１０１を介して第１アノード極１０２に到達した水を第１膜電極複合体外に蒸散させることなく第１アノード極１０２内に良好に保持することができる。これにより当該水が第１アノード極１０２での反応に有効に利用されるため、第１アノード極１０２での反応効率が向上し、高い発電特性を安定して発揮することができる。とりわけ、第１カソード保湿層１０８との併用により、当該効果をより効果的に得ることができる。
【０１０３】
また、第１カソード保湿層１０８および第１アノード保湿層１０７の設置は、第１電解質膜１０１の乾燥、ならびにこれに伴うセル抵抗の増大および発電特性の低下を防止するうえでも有効である。
【０１０４】
第１カソード保湿層１０８および第１アノード保湿層１０７は、気化燃料または燃料電池セル外部からの酸化剤（空気など）等を透過できるよう気体透過性であり、水に対して不溶性であって、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有する材料から構成される。具体的には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；アクリル系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；ポリウレタン系樹脂；ポリアミド系樹脂；ポリアセタール系樹脂；ポリカーボネート系樹脂；ポリ塩化ビニル等の塩素系樹脂；ポリエーテル系樹脂；ポリフェニレン系樹脂；撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔性膜（多孔質層）であることができる。これらの保湿層は、上記高分子からなる発泡体、繊維束、織繊維、不織繊維、あるいはこれらの組み合わせなどであることができる。
【０１０５】
第１カソード保湿層１０８は、燃料電池セル外部からの酸化剤（空気など）を透過できるよう気体透過性であり、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有していることが望まれることから、その気孔率は、３０％以上９０％以下であることが好ましく、５０％以上８０％以下であることがより好ましい。気孔率が９０％を超える場合、第１カソード極１０３で発生した水を燃料電池セル内に保持することが困難となり得る。一方、気孔率が３０％未満である場合、燃料電池セル外部からの酸化剤（空気など）の拡散が阻害され、第１カソード極１０３における発電特性が低下しやすい。
【０１０６】
第１アノード保湿層１０７は、気化燃料および触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）などを透過できるような気体透過性であり、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有していることが望まれることから、その気孔率は、５０％以上９０％以下であることが好ましく、６０％以上８０％以下であることがより好ましい。気孔率が９０％を超える場合、第１カソード極１０３で発生し、第１電解質膜１０１を介して第１アノード極１０２に到達した水を第１膜電極複合体１０４内に保持することが困難となり得る。一方、気孔率が５０％未満である場合、気化燃料および触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）などの拡散が阻害され、第１アノード極１０２における発電特性が低下しやすい。
【０１０７】
第１カソード保湿層１０８および第１アノード保湿層１０７の気孔率は、当該保湿層の容積と重量を測定し、当該保湿層の比重を求め、これと素材の比重より、下記式（２）：
気孔率（％）＝〔１−（保湿層の比重／素材比重）〕×１００      （２）
により算出することができる。
【０１０８】
第１カソード保湿層１０８および第１アノード保湿層１０７の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。また、燃料電池セルの薄型化の観点からは、５００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以下であることがより好ましい。
【０１０９】
第１カソード保湿層１０８および第１アノード保湿層１０７は、それ自身が高い吸水性を有して、一旦吸収した液状の水を取り込んで外部に放出しないような性質を有しないことが望まれることから、撥水性を有することが好ましい。このような観点から、これらの保湿層は、上記の中でも、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔性膜（多孔質層）であることが好ましい。具体的には、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルムである日東電工（株）製テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕の「ＮＴＦ２０２６Ａ−Ｎ０６」や「ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」が例示できる。
【０１１０】
第１アノード保湿層１０７は、第１アノード極１０２上に第１アノード集電層１０５を配置し、この第１アノード集電層１０５に接するように第１アノード集電層１０５上に積層されることが好ましい。これにより、第１アノード極１０２内の水分が第１膜電極複合体１０４外に蒸散されることをより効果的に防止することができる。
【０１１１】
なお、第１カソード保湿層１０８および第１アノード保湿層１０７は必要に応じて設けられるものであり、これらの少なくともいずれか一方を省略してもよい。
【０１１２】
（第１セル内燃料流路の厚み方向位置の調整）
本発明においては、上記合計長さの関係を満足させるために、たとえば図２〜図５に示すように、第１燃料供給部２２における第１セル内燃料流路２３の厚み方向位置を調整することがあるが、この調整は、所定の深さの第１セル内燃料流路２３に対して、第１流路板２２ａの厚みを調節したり、第１流路板２２ａ上に積層される第１気化燃料板１１３、第１気液分離層１１２および／または第１介在層１１１の厚みを調整（場合によっては、第１気化燃料板１１３、第１気液分離層１１２および／または第１介在層１１１を省略）したりすることで行なうことができる。
【０１１３】
（燃料電池セルのタイプ）
第１燃料電池セル２０（および、第２燃料電池セル２０’、ひいては本発明の燃料電池スタック）は、固体高分子型燃料電池またダイレクトアルコール型燃料電池などであることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池（とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池）として好適である。液体燃料としては、たとえば、メタノール、エタノールなどのアルコール類；ジメトキシメタンなどのアセタール類；ギ酸などのカルボン酸類；ギ酸メチルなどのエステル類；ならびにこれらの水溶液を挙げることができる。液体燃料は１種に限定されず、２種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さなどの点から、メタノール水溶液または純メタノールが好ましく用いられる。また、第１カソード極に供給される酸化剤ガスとしては、空気または酸素ガスが好適であり、特に空気が好ましい。
【０１１４】
〔４〕第２燃料電池セル
第２燃料電池セル２０’は、たとえば、第１燃料電池セル２０と同様に、第２アノード極、第２電解質膜および第２カソード極をこの順で有する第２膜電極複合体；第２アノード極上に積層され、これに電気的に接続された第２アノード集電層；第２カソード極上に積層され、これに電気的に接続された第２カソード集電層；第２アノード集電層に接するように第２アノード集電層上に積層される第２アノード保湿層；第２カソード集電層に接するように第２カソード集電層上に積層される第２カソード保湿層；第２アノード極側に配置され、液体燃料を流通させる（燃料電池セル面内で拡散流通させる）ための第２セル内燃料流路２３’を有する第２流路板；第２膜電極複合体と第２流路板との間に配置され、液体燃料の気化成分を透過可能な第２気液分離層；第２気液分離層と第２アノード保湿層との間に配置され、気化燃料収容部を具備する第２気化燃料板；および、第２セル内燃料流路２３’を覆うように第２気液分離層と第２流路板との間に配置される第２介在層から構成することができる。
【０１１５】
この例において第２発電部２１’は、第２カソード保湿層、第２カソード集電層、第２膜電極複合体、第２アノード集電層および第２アノード保湿層からなり、第２燃料供給部２２’は、第２気化燃料板、第２気液分離層、第２介在層および第２流路板からなる。
【０１１６】
第２燃料電池セル２０’を構成する部材の詳細については、上述の第１燃料電池セル２０を構成する、対応する部材についての記述が引用される。第２燃料電池セル２０’の層構成は、第１燃料電池セル２０と同一であってもよいし、異なっていてもよい。第２セル内燃料流路の厚み方向位置の調整および燃料電池セルのタイプについても、第１燃料電池セル２０についての記述が引用される。
【０１１７】
〔５〕燃料分配部
上述のように燃料分配部１０は、液体燃料を導入するための導入口１１、および、導入口１１と各燃料電池セル２０，２０’のセル内燃料流路２３，２３’とを接続するセル外燃料流路１５を内部に備える、各燃料電池セル２０，２０’に液体燃料を分配供給するための燃料電池セルとは独立した部材である。図１の例において導入口１１の数は１個であるが、これに限定されず、燃料分配部１０は、複数の導入口１１を有していてもよい（たとえば、図２に示される４つの燃料電池セルを１組としたとき、１組につき１個の導入口を設けるなど）。
【０１１８】
燃料分配部１０の外形形状は特に制限されず、適用する電子機器が有する燃料電池収容スペースの形状や面積、燃料電池スタックに組み込まれる燃料電池セルの数や配列形態などを考慮して適宜の形状とされる。燃料分配部１０は、各種プラスチック材料、金属材料、合金材料などから構成することができる。
【０１１９】
各燃料電池セル２０，２０’と燃料分配部１０とは、必要に応じてこれらの接触部分にパッキンなど（両面テープ等でもよい）を挟み、ネジやボルト・ナット等の締結部材を利用して結合させることができる。
【０１２０】
〔６〕変形例
本発明の燃料電池スタックは、以上に示した実施形態および変形例のほか、たとえば次のような変形例をも含むものである。
【０１２１】
（ｉ）燃料電池スタック含まれる燃料電池セルの数は特に限定されず、少なくとも、１つの第１燃料電池セル２０と、この第１燃料電池セル２０の主面上に配置される１つの第２燃料電池セル２０’（すなわち、少なくとも、厚み方向に積層される２つの燃料電池セル）を含んでいればよい。
【０１２２】
（ｉｉ）燃料電池スタックが、同一平面上に配置された２以上の燃料電池セルからなる燃料電池セル集合体を含む場合において、当該２以上の燃料電池セルは必ずしもライン状に配列されている必要はない。ただし、燃料電池セルの集積率向上、燃料電池スタックの占有面積の低減、燃料分配部の構造簡略化、ストレートな酸化剤（空気等）の供給経路の確保などの観点から、ライン状に配列することが好ましい。
【０１２３】
（ｉｉｉ）第１燃料電池セル２０の主面上に配置される第２燃料電池セル２０’は、必ずしも、第１燃料電池セル２０の直上に配置される（対向配置される）必要はないが、燃料電池スタックの占有面積の低減や、上述の合計長さの関係を満たす燃料流路の形成のし易さなどの観点から、対向配置させることが好ましい。
【０１２４】
（ｉｖ）図２などの例において第１および第２分岐流路１９ａ，１９ｂは、第１燃料電池セル２０（および第２燃料電池セル２０’）の主面に対して略垂直方向に延びる流路部分を含むが、これに限定されず、端部１６Ａから第１、第２セル内燃料流路２３，２３’の入口端部に直接延びる、斜め方向の流路であってもよい。この場合、セル外燃料流路１５は、第２主流路１７を有しない。
【０１２５】
（ｖ）１つの第１燃料電池セル２０と、この第１燃料電池セル２０の主面上に配置される１つの第２燃料電池セル２０’とを１組とし、燃料電池スタックが２組以上の燃料電池セルを含む場合において、本発明では、少なくともこの１組の中で、上述の合計長さの関係を満たしていればよく、たとえば図２を参照して、右側の組の第１燃料電池セル２０と、左側の組の第２燃料電池セル２０’とが上述の合計長さの関係を満たしている必要は必ずしもない。ただし、燃料電池スタックに含まれるすべての燃料電池セルへの液体燃料供給の均一化を考慮すると、すべての第１燃料電池セル２０とすべての第２燃料電池セル２０’との間において、上述の合計長さの関係を満たしていることが好ましい。
【０１２６】
（ｖｉ）第１燃料電池セル２０と、この第１燃料電池セル２０の主面上に配置される第２燃料電池セル２０’との距離（空間３０の幅）は特に制限されないが、各燃料電池セルのカソード極への酸化剤供給効率を考慮すると、好ましくは０．５〜５．０ｍｍである。
【０１２７】
（ｖｉｉ）燃料電池スタックが、同一平面上にライン状に配列された２以上の燃料電池セルを含む場合において、これらの燃料電池セルは、図１のように、隣り合う燃料電池セル間に隙間が形成されるように配置してもよいし、図１５のように、隙間なく配置してもよい。前者の構成（図１の構成）は、酸化剤として、たとえば空気を用い、送風用のファンやブロアなどの補機を用いることなく、燃料電池スタック周囲の空気を自然対流によって取り込む場合に、上記隙間から空気を取り込むことができるため有利である。また、後者の構成（図１５の構成）は、上記補機を用いて、燃料電池スタック側面から空気などの酸化剤を送り込む場合に、空間３０に確実に酸化剤を流すことができるため有利である。
【０１２８】
＜燃料電池システム＞
上記本発明に係る燃料電池スタックは、液体燃料を収容する燃料タンクなどを付設して燃料電池システムとすることができる。図１６および図１７はそれぞれ、燃料電池システムの一例を示す概略斜視図、概略断面図である。
【０１２９】
図１６および図１７に示される燃料電池システム５は、上述の本発明に係る燃料電池スタック１と、これに液体燃料を送液する送液ユニット（送液部）２とを備える。送液ユニット２は、少なくとも、燃料電池スタック１が有する燃料分配部１０の導入口１１に接続され、液体燃料を収容する燃料タンク２ａを備えており、必要に応じて、燃料タンク２ａから導入口１１への液体燃料の流動を促進させる送液ポンプなどの送液手段２ｂを含む。送液手段２ｂを含む場合、たとえば、送液ユニット２は、燃料タンク２ａと送液手段２ｂとを第１送液路３で接続し、送液手段２ｂと燃料分配部１０の導入口１１とを第２送液路４で接続した構成とすることができる。
【０１３０】
本発明の燃料電池スタックおよび燃料電池システムは、電子機器、特には、携帯電話、電子手帳、ノート型パソコンに代表される携帯機器などの小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。
【実施例】
【０１３１】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１３２】
＜実施例１＞
以下の手順で、図１に示される構成の燃料電池スタックおよびこれを用いた燃料電池システムを作製した。燃料電池スタックが有する燃料流路の構造は図２に示されるとおりであり、第１および第２燃料電池セル２０，２０’の層構成は図９に示されるとおりである。
【０１３３】
（１）膜電極複合体の作製
Ｐｔ担持量３２．５重量％、Ｒｕ担持量１６．９重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、電解質である２０重量％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、ｎ−プロパノールと、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でフッ素系樹脂製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、アノード極用の触媒ペーストを作製した。また、Ｐｔ担持量４６．８重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いること以外はアノード極用の触媒ペーストと同様にして、カソード極用の触媒ペーストを作製した。
【０１３４】
ついで、片面に撥水性を有する多孔質層が形成されたカーボンペーパー（２５ＢＣ、ＳＧＬ社製）を縦３５ｍｍ、横４０ｍｍに切断した後、その多孔質層上に、上記のアノード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約３ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦３０ｍｍ、横３５ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、アノード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にアノード触媒層が形成された、厚み約３００μｍのアノード極を作製した。また、同じサイズのカーボンペーパーの多孔質層上に、上記のカソード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約１ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦３０ｍｍ、横３５ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、カソード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にカソード触媒層が形成された、厚み約２７０μｍのカソード極を作製した。
【０１３５】
次に、厚み約１７５μｍのパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜（ナフィオン（登録商標）１１７、デュポン社製）を縦３５ｍｍ、横４０ｍｍに切断して電解質膜とし、上記アノード極と電解質膜と上記カソード極をこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、２分間の熱圧着を行ない、アノード極およびカソード極を電解質膜に接合した。上記重ね合わせは、アノード極とカソード極の電解質膜の面内における位置が一致するように、かつアノード極と電解質膜とカソード極の中心が一致するように行なった。ついで、得られた積層体の外周部を切断することにより、縦２２ｍｍ、横２６ｍｍの膜電極複合体（ＭＥＡ）を作製した。
【０１３６】
（２）集電層の積層
縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．１ｍｍのステンレス板（ＮＳＳ４４５Ｍ２、日新製鋼社製）を用意し、この中央領域に、開孔径φ０．６ｍｍである複数の開孔（開孔パターン：千鳥６０°ピッチ０．８ｍｍ）を、フォトレジストマスクを用いたウェットエッチングにて両面から加工することにより、厚み方向に貫通する貫通孔を複数備えるステンレス板を２枚作製し、これらをアノード集電層およびカソード集電層とした。
【０１３７】
次に、上記アノード集電層をアノード極上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層するとともに、カソード集電層をカソード極上に、同じ導電性接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合して、ＭＥＡ−集電層積層体を作製した。
【０１３８】
（３）保湿層の接合
アノード保湿層およびカソード保湿層として、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」、縦２２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．２ｍｍ、気孔率７５％）を２枚用意した。これらの保湿層をＭＥＡ−集電層積層体のアノード集電層およびカソード集電層上に、ポリオレフィンからなる接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合した。これらの保湿層は、ＭＥＡの直上または直下に配置されるように接合した。
【０１３９】
（４）介在層と気液分離層との接合
介在層として、縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．１ｍｍのポリフッ化ビニリデンからなる多孔質フィルム（ＭＩＬＬＩＰＯＲＥ製のデュラポアメンブレンフィルター）を用いた。この多孔質フィルムの水に対する接触角は７０度未満であった。また、この多孔質フィルムが有する細孔の最大細孔径は０．１μｍであり、またＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、１１５ｋＰａであった。
【０１４０】
また、気液分離層として、縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．２ｍｍのポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」）を用いた。この多孔質フィルムの水に対する接触角は１２０度程度であった。この多孔質フィルムのＪＩＳ  Ｋ  ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、１８ｋＰａであった。
【０１４１】
上記介在層上に気液分離層を積層し、すべての側面の層境界部を接着剤で接合した。
（５）気化燃料板の接合
エッチング加工により、図１４に示される形状を有する縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．２ｍｍのＳＵＳ製の気化燃料板を作製した（連通経路および接続経路はすべて溝（凹部）からなる）。貫通口の開口率は、４個の合計で６３％であり、連通経路の断面積の２個の合計と気化燃料板側面の合計面積との比は０．０４である。気化燃料板の溝形成面とは反対側の面に上記の介在層と気液分離層との接合体を、その気液分離層側が気化燃料板に対向するように積層し、熱圧着によりこれらを接合した。
【０１４２】
（６）流路板の接合
図１１に示したような流路パターンを有するセル内燃料流路（流路幅１．５ｍｍ、深さ０．４ｍｍ）を備えた縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．６ｍｍのＳＵＳ製の流路板を用意した。気化燃料板／気液分離層／介在層の接合体の介在層上にポリオレフィン系接着剤を介して流路板を積層した後、熱圧着を行なうことにより、該接合体と流路板とを接合した。
【０１４３】
（７）燃料電池セルの作製
気化燃料板上に、上で作製した保湿層を有するＭＥＡ−集電層積層体を積層し、熱圧着によりこれらを接合した。最後に、端面にエポキシ樹脂を塗布し硬化させることにより封止層を形成して燃料電池セルを得た。合計２０個の燃料電池セルを作製した。
【０１４４】
（８）燃料分配部の作製
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）からなる、図１および図２に示すような外形形状を有し（外形縦１０ｍｍ、横１３８ｍｍ、高さ６．０ｍｍ）、図２に示されるようなセル外燃料流路（１本の第１主流路、合計１０本の第２主流路１７、１本の第３主流路、合計１０本の第１分岐流路１９ａおよび合計１０本の第２分岐流路１９ｂ）が形成され、上面の長手方向中央部に１つの導入口を有する燃料分配部を作製した。セル外燃料流路の流路幅は１．０ｍｍ、深さは０．５ｍｍである。
【０１４５】
（９）燃料電池スタックの作製
２０個の燃料電池セルと燃料分配部とを図１および図２に示すような配置関係で結合させた。結合は、セル内燃料流路とセル外燃料流路との接続部での液漏れを防止するため、燃料電池セル−燃料分配部間に両面テープを配置し、さらにネジにて締結することにより行なった。
【０１４６】
（１０）燃料電池システムの作製
燃料タンクと送液ポンプ（マイクロポンプ）とをポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）製配管で接続し、送液ポンプと上記で得られた燃料電池スタックが有する燃料分配部の導入口とをポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）製配管で接続して燃料電池システムを作製した。
【０１４７】
＜比較例１＞
燃料電池スタックが有する燃料流路の構造を図６の構造とした（セル内およびセル外燃料流路の幅および深さは実施例１と同じ）こと以外は実施例１と同様にして燃料電池スタックおよび燃料電池システムを作製した。
【０１４８】
（発電特性評価）
１０ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を燃料タンクに充填し、送液ポンプを用いて導入口に供給し、燃料電池スタックによる発電を行なった。実施例１、比較例１における発電開始後の各燃料電池セルの電圧の時間変化を、それぞれ図１８、図１９に示す。なお、第１燃料電池セルの１０個（燃料電池システムにおける重力方向下側に配置）をセル１−Ａ，１−Ｂ，１−Ｃ，１−Ｄ，１−Ｅ，１−Ｆ，１−Ｇ，１−Ｈ，１−Ｉ，１−Ｊとし、第２燃料電池セルの１０個（燃料電池システムにおける重力方向上側に配置）をセル２−Ａ，２−Ｂ，２−Ｃ，２−Ｄ，２−Ｅ，２−Ｆ，２−Ｇ，２−Ｈ，２−Ｉ，２−Ｊとした。
【０１４９】
実施例１、比較例１ともに、発電初期においては、空の燃料電池セルにメタノール水溶液が供給されることにより電圧が上昇し、その後一定の電圧（開回路電圧）で安定する挙動を示した。ただし、比較例１においては、第２燃料電池セルの電位の立ち上がりが、第１燃料電池セルに比べて遅くなる結果が得られた。これは、図６を参照して、第２分岐流路１９ｂおよび第２セル内燃料流路２３’の合計長さが、第１分岐流路１９ａおよび第１セル内燃料流路２３の合計長さより長いことに起因している。燃料電池システムの起動時を考慮した場合に、このような時間経過の異なる電位上昇は、システムの立ち上がり時間が長くなりユーザーの利便性を落とすだけでなく、一定時間燃料供給がなされていない状態で電位が印可されるため、セル劣化を引き起こす原因となり好ましくない。
【０１５０】
また、実施例１、比較例１の燃料電池スタックについて、上記開回路電圧で安定後、毎分１０ｍＡ／ｃｍ2の負荷電流を段階的に増加させた際における燃料電池セルごとの電圧変化（Ｉ−Ｖ特性）を測定した。結果を図２０（実施例１）、図２１（比較例１）に示す。
【０１５１】
実施例１では、第１燃料電池セルと第２燃料電池セルはほぼ同一のＩ−Ｖ特性を示したが、比較例１では、第２燃料電池セルのＩ−Ｖ特性は、第１燃料電池セルよりも低い電流密度で電圧が低下する現象（燃料供給不足に伴う物質供給律速）が認められた。このため、第２燃料電池セルは、本来の燃料電池セルの特性を引き出すことができておらず、燃料電池システム全体の出力を低下させてしまう。
【０１５２】
上記のように第１燃料電池セルと第２燃料電池セルでＩ−Ｖ特性が大きく異なる現象は、特に、第１燃料電池セルと第２燃料電池セルを電気的に直列接続する場合に大きな問題となる。直列回路内において、第１燃料電池セルと第２燃料電池セルには、同じ電流量が流れるため、もっとも性能が低い第２燃料電池セルに流せる電流量によって、回路内の電流量が決定される。このため、本来良好な潜在能力を有する第１燃料電池セルまでもが、十分に高い出力で発電させることができなくなる。
【符号の説明】
【０１５３】
１  燃料電池スタック、２  送液ユニット、２ａ  燃料タンク、２ｂ  送液手段、３  第１送液路、４  第２送液路、５  燃料電池システム、１０  燃料分配部、１０’  第２燃料分配部、１１  導入口、１５  セル外燃料流路、１６  第１主流路、１６Ａ  端部、１７  第２主流路、１７Ａ  端部、１８  主流路、１９ａ  第１分岐流路、１９ａ１，１９ａ２  流路、１９ｂ  第２分岐流路、２０  第１燃料電池セル、２０’  第２燃料電池セル、２１  第１発電部、２１’  第２発電部、２２  第１燃料供給部、２２ａ  第１流路板、２２’  第２燃料供給部、２３  第１セル内燃料流路、２３’  第２セル内燃料流路、３０  空間（酸化剤経路）、４０  第１燃料電池セル集合体、５０  第２燃料電池セル集合体、１０１  第１電解質膜、１０２  第１アノード極、１０３  第１カソード極、１０４  第１膜電極複合体、１０５  第１アノード集電層、１０６  第１カソード集電層、１０７  第１アノード保湿層、１０８  第１カソード保湿層、１１１  第１介在層、１１２  第１気液分離層、１１３，１１４  第１気化燃料板、１１３ａ，１１４ａ  気化燃料収容部（貫通口）、１１３ｂ，１１４ｂ  連通経路、１１４ｃ，１１４ｄ  接続経路。
【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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【図１７】
2013058369.tif 000019
【図１８】
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【図１９】
2013058369.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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