(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜、該固体電解質膜に配設された燃料極、および酸化剤極を含む単位セルと、
前記単位セルを加熱する加熱手段と、
前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、を有し、
前記燃料の一部が前記燃料供給系から前記加熱手段の内部に供給されるように構成され、
前記加熱手段を前記単位セルに接して設けたことにより、
前記加熱手段の内部に供給される前記燃料が前記加熱手段で燃焼する際の熱が、前記単位セルに伝導され、前記単位セルが加熱されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池において、前記加熱手段は、発熱体と、前記発熱体に接して設けられた熱伝導体と、を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池において、前記加熱手段は、前記燃料を燃焼させる加熱用触媒を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかに記載の燃料電池において、前記加熱手段が前記酸化剤極に接して設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池において、前記燃料極に液体燃料が直接供給されることを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池において、複数の前記単位セルを備え、
一枚の固体電解質膜の一方の面に設けられた複数の第一の電極と、
前記固体電解質膜の他方の面に、複数の前記第一の電極にそれぞれ対向して設けられた複数の第二の電極と、
を有し、
対向する一対の前記第一の電極および前記第二の電極と、前記固体電解質膜とから前記単位セルが構成され、
前記加熱手段が複数の前記単位セルを加熱するように構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項６に記載の燃料電池において、前記加熱手段における加熱温度もしくは前記燃料電池の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段によって測定された温度に基づいて前記燃料供給系から前記加熱手段への燃料の供給を制御する制御手段とを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項６または７に記載の燃料電池において、前記加熱手段が前記固体電解質膜に接して設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項６または７に記載の燃料電池において、前記加熱手段が複数の前記第一の電極に接して設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１乃至９いずれかに記載の燃料電池において、前記燃料極を通過した前記燃料を前記加熱手段に回収する燃料回収手段を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項６または７に記載の燃料電池において、前記燃料供給系は、前記燃料極に供給する燃料よりも高濃度の燃料を前記加熱手段へ供給する高濃度燃料供給手段を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項１１に記載の燃料電池において、前記高濃度燃料供給手段から供給される高濃度の燃料と前記燃料極に供給される燃料とを混合する混合手段を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項６または７に記載の燃料電池において、前記加熱手段の加熱温度を冷却水を用いて制御する加熱温度制御手段を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項６または７に記載の燃料電池において、前記加熱手段へ酸化剤を供給する酸化剤供給手段を有することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の情報化社会の到来とともに、パーソナルコンピュータ等の電子機器で扱う情報量が飛躍的に増大し、それに伴い、電子機器の消費電力も著しく増加してきた。特に、携帯型の電子機器では、処理能力の増加に伴って消費電力の増加が問題となっている。現在、このような携帯型の電子機器では、一般的にリチウムイオン電池が電源として用いられているが、リチウムイオン電池のエネルギー密度は理論的な限界に近づいている。そのため、携帯型の電子機器の連続使用期間を延ばすために、ＣＰＵの駆動周波数を抑えて消費電力を低減しなければならないという制限があった。【０００３】
このような状況の中で、リチウムイオン電池に変えて、エネルギー密度が大きく、熱交換率の高い燃料電池を電子機器の電源として用いることにより、携帯型の電子機器の連続使用期間が大幅に向上することが期待されている。【０００４】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極（以下、これらを「触媒電極」とも呼ぶ。）と、これらの間に設けられた電解質から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。【０００５】
燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ2  →  ６Ｈ+  ＋  ６ｅ-    （１）【０００６】
燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ3ＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ６Ｈ+  ＋  ＣＯ2  ＋  ６ｅ-    （２）【０００７】
また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ2  ＋  ６Ｈ+  ＋  ６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ    （３）【０００８】
特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、携帯型の電子機器へ適用することの利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。【０００９】
ここで、一般に、燃料電池は他の電源に比べて起動性が悪いという課題がある。特に、直接型の燃料電池の発電効率は、温度の低下とともに減少し、温度が低いと、所望の電圧／電流を供給することができずに機器を起動できない可能性もある。【００１０】
このような燃料電池の起動性の悪さを改善するために、たとえば、燃料電池に電熱ヒータを付加して強制的に所定の温度まで昇温させる方式が提案されている（特許文献１）。また、たとえば、燃料電池起動時に、空気室に燃料のメタノールを直接供給し、空気極でメタノールを直接燃焼することにより、燃料電池を急速に温度上昇させることができ、短時間で最適運転温度とする方式が提案されている（特許文献２）。
【特許文献１】特開平１−１８７７７６号公報
【特許文献２】特開平５−３０７９７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところが、従来の電熱ヒータを付加する方式では、電熱ヒータを付加するため装置が大型化してしまい、また、電熱ヒータを加熱するための電源を別途準備しなければならないという課題があった。また、空気極でメタノールを直接燃焼する方式においても、空気極にメタノールを供給するための配管を設ける必要があり、複数の燃料電池単セルを含むセルスタックに適用する場合、構造が複雑となり、また装置が大型化してしまっていた。【００１２】
一方、燃料電池を携帯電話等の携帯型の機器に利用する場合は、屋外で利用することも多く、０℃前後の低温雰囲気下でも使用可能であることが要求される。そのため、燃料電池を携帯型の機器に用いる場合、周囲温度が低くても短時間で燃料電池の温度を上昇させて出力を通常のレベルに到達させるための簡便な機構を有する携帯型燃料電池の提供がますます望まれる。【００１３】
本発明は上記事情を踏まえてなされたものであり、その目的は、簡便な機構で燃料電池本体の温度を上昇させる加熱部を設けることで、外気の温度が低い場合でも利用性を向上させることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、固体電解質膜、該固体電解質膜に配設された燃料極、および酸化剤極を含む単位セルと、前記単位セルを加熱する加熱手段と、前記燃料極に燃料を供給する燃料供給系と、を有し、前記燃料の一部が前記燃料供給系から前記加熱手段に供給され、前記加熱手段に供給される前記燃料が前記加熱手段で燃焼する際の熱を前記単位セルに伝導させることにより、前記単位セルが加熱されるように構成されたことを特徴とする燃料電池が提供される。【００１５】
本発明の燃料電池は、単位セルに加熱手段の熱が伝導されて、単位セルが加熱される構成を有する。また、燃料極に供給される燃料の一部が加熱手段に供給されて、燃焼する。このため、燃料の燃焼熱を用いて確実に単位セルを加熱することができる。よって、燃料電池を使用する外気の温度が低い場合にも、簡素な機構で電池の起動特性を向上させることができる。【００１６】
本発明の燃料電池は一つの単位セルを含んでいてもよいし、複数の単位セルを含んでいてもよい。【００１７】
本発明の燃料電池において、前記加熱手段が前記単位セルに接して設けられた構成とすることができる。また、本発明の燃料電池において、前記加熱手段は、発熱体と、前記発熱体に接して設けられた熱伝導体と、を有する構成とすることができる。このようにすれば、単位セルに直接または熱伝導体を介して接して発熱体が設けられる構成とすることができる。このため、発熱体で発生する燃焼熱を、発熱体に接して設けられた熱伝導体を経由して、熱伝導体に接して配置された単位セルに効率よく伝導させ、単位セルを加熱することができる。よって、燃料電池を使用する環境の温度が低温である場合にも、単位セルを確実に加熱し、燃料電池の起動特性を向上させることができる。【００１８】
本発明の燃料電池において、前記加熱手段は、前記燃料を燃焼させる加熱用触媒を含んでもよい。このようにすれば、加熱手段において触媒を用いて燃料を確実に燃焼させることができる。このため、単位セルをさらに確実に加熱することができる。【００１９】
本発明の燃料電池において、前記発熱体が加熱用触媒を含む構成としてもよい。こうすれば、発熱体に直接または熱伝導体を介して接する単位セルを容易に加熱することができる。【００２０】
本発明の燃料電池において、前記燃料極に液体燃料が直接供給されてもよい。液体燃料が直接供給される場合、低温中での起動特性を向上させる要求が特に高いが、本発明の構成を採用することにより、燃料極に液体燃料が直接供給される場合にも、簡素な構成で単位セルの加熱を行うことが可能となる。このため、外気が低温の場合であっても、燃料電池に充分な出力特性を発揮させることができる。【００２１】
本発明の燃料電池において、複数の前記単位セルを備え、一枚の固体電解質膜の一方の面に設けられた複数の第一の電極と、前記固体電解質膜の他方の面に、複数の前記第一の電極にそれぞれ対向して設けられた複数の第二の電極と、を有し、対向する一対の前記第一の電極および前記第二の電極と、前記固体電解質膜とから前記単位セルが構成され、前記加熱手段が複数の前記単位セルを加熱するように構成されていてもよい。【００２２】
本発明の燃料電池は、複数の単位セルが一枚の固体電解質膜を共有する構成となっている。こうすれば、複数の単位セルが平面内に配置された構成が安定的に実現される。また、本発明の燃料電池においては、複数の単位セルが加熱手段により加熱される。このため、燃料電池を構成する各単位セルを確実に加熱することができる。よって、燃料電池を低温環境で使用する場合においても、良好な起動特性を確保することができる。【００２３】
本発明の燃料電池において、前記加熱手段が前記固体電解質膜に接して設けられていてもよい。固体電解質膜が加熱手段に接して設けられた構成とすれば、固体電解質膜を加熱することにより、その膜を共有する複数の単位セルを同時に一気に加熱することが可能となる。よって、複数の単位セルが平面配置された燃料電池においても、各単位セルを確実に加熱することができる。このため、燃料電池を低温中で使用する場合においても、良好な起動特性を確保することができる。【００２４】
本発明の燃料電池において、前記加熱手段が複数の前記第一の電極に接して設けられていてもよい。こうすることにより、一方の電極側から複数の単位セルを同時に加熱することができる。【００２５】
本発明の燃料電池において、前記加熱手段が前記酸化剤極に接して設けられてもよい。また、本発明において、前記第一の電極が前記酸化剤極であってもよい。こうすれば、燃料極に液体燃料が直接供給される燃料電池においても、熱容量が小さく加熱されやすい酸化剤極から加熱を行い、セル全体を効率よく加熱することができる。【００２６】
本発明の燃料電池において、前記燃料極を通過した前記燃料を前記加熱手段に回収する燃料回収手段を有してもよい。こうすれば、燃料極を通過した燃料中に含まれる未使用のものを加熱手段における燃焼用に利用することができる。このため、燃料の使用効率を向上させることができる。【００２７】
本発明の燃料電池において、前記加熱手段に酸化剤を供給する酸化剤供給手段を有してもよい。こうすることにより、加熱手段において燃料の燃料反応をさらに迅速に行うことができる。このため、単位セルをさらに迅速に加熱することができる。【００２８】
本発明の燃料電池において、前記加熱手段に冷却水を供給する冷却水供給手段を有してもよい。こうすれば、単位セルを加熱した後、加熱手段を確実に冷却することができる。このため、加熱手段の過加熱を防止し、燃料電池を安全に運転することができる。【００２９】
本発明において、前記加熱手段における加熱温度もしくは前記燃料電池の温度を測定する温度センサと、前記温度センサにより測定された温度に基づき前記加熱手段への燃料の供給を制御する制御部と、をさらに備える構成とすることができる。こうすれば、燃料電池の温度に応じて加熱手段を駆動させることができる。ここで、燃料電池の温度とは、燃料電池内、燃料電池表面、燃料電池の廃液、燃料電池の排気、または外気のいずれかとすることができる。またはこれらの温度の複数を適宜用いることもできる。【００３０】
本発明の燃料電池において、前記供給系が着脱可能な燃料カートリッジを含んでもよい。こうすることにより、燃料が消費された際にもカートリッジを交換し、燃料を補充することができる。本発明の燃料電池において、前記燃料カートリッジに保持された燃料が前記加熱手段に供給される構成としてもよい。【００３１】
本発明の燃料電池において、前記燃料カートリッジは、第一の液体燃料を保持する第一の室と、第二の液体燃料を保持する第二の室とを有し、前記第一の室は、前記第一の液体燃料を前記加熱手段に導出するための燃料導出口を有し、前記第二の室は、前記第二の液体燃料を前記燃料電池本体に導出するための燃料導出口をしてもよい。【００３２】
燃料カートリッジは第一の室と第二の室を有するため、供給用の低濃度燃料の他に、高濃度燃料を備えることができる。高濃度燃料を加熱手段に供給することにより、速やかに燃料電池を加熱することができるため、低温起動性がさらに良好になる。本発明において、前記燃料電池は、前記第一の液体燃料と前記第二の液体燃料とを混合する混合槽を有してもよい。【００３３】
なお、以上の構成要素の任意の組み合わせや、本発明の構成要素や表現を方法、装置の間で相互に置換したものもまた、本発明の態様として有効である。たとえば、本発明によれば、上記燃料電池システムを搭載した電気機器が提供される。
【発明の効果】
【００３４】
以上述べたように、本発明によれば、外気の温度が低い場合でも、燃料電池の温度を上昇させて利用性を高めることのできる技術が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。【００３６】
なお、以下の実施形態で説明する燃料電池の用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。【００３７】
（第一の実施形態）
図１は、本実施形態の燃料電池の構成を模式的に示す図である。図１の燃料電池１３０１は、単セル構造１０１および単セル構造１０１に接して設けられた燃焼部１３０３を有する。単セル構造１０１は、後述するように、燃料極１０２、酸化剤極（図１では不図示）、およびこれらを挟持する固体電解質膜（図１では不図示）を有する。また、燃料電池１３０１は、燃料タンク１３２７およびポンプ１３２９を有する。【００３８】
燃料電池１３０１において、燃料タンク１３２７に収容された燃料１２４は、燃焼部１３０３および単セル構造１０１に供給される。このときの燃料供給系において、燃料タンク１３２７と燃焼部１３０３との間に、燃料１２４の流量を調節するポンプ１３２９が設けられている。なお、図１の燃料電池では、燃料タンク１３２７と単セル構造１０１を接続する燃料供給系にはポンプ１３２９が設けられていないが、必要に応じてポンプ１３２９を設けてもよく、これは後述の実施形態 においても同様である。【００３９】
また、図示しないが、燃料タンク１３２７に収容された燃料１２４を単セル構造１０１へ供給し、単セル構造１０１から燃焼部１３０３へ燃料タンク１３２７から供給された燃料１２４の一部を供給してもよい。さらに、燃料極１０２で未使用となる燃料１２４を燃料タンク１３２７へ戻すような構成としてもよい。また、燃料極１０２が燃料タンク１３２７を含む構成としてもよく、この場合、燃料極１０２から燃料１２４の一部が燃焼部１３０３へ供給される構成になる。【００４０】
燃焼部１３０３は、燃料１２４を燃焼させることが可能な触媒を有する。燃焼部１３０３に燃料１２４および燃焼用の酸化剤が供給されると、燃料１２４が燃焼し、燃焼熱が生じる。そして、燃焼部１３０３に接触している単セル構造１０１が燃焼熱により加熱される。燃焼用の酸化剤は、たとえば空気や酸素ガスとすることができる。また、燃焼部１３０３には燃焼熱を制御するための温度計１３４１が設けられている。なお、後述する実施形態にも燃焼部１３０３に温度計１３４１が設けられている。【００４１】
燃料電池１３０１では、燃料１２４の供給により発熱する燃焼部１３０３が単セル構造１０１に接した構造となっているため、簡便な構成で単セル構造１０１を加熱することができる。このため、燃料電池１３０１を低温中で使用する場合にも容易に単セル構造１０１を加熱することが可能であり、低温中での起動特性を向上させることができる。【００４２】
なお、図１では、１つの単セル構造１０１が示されているが、複数の単セル構造１０１が直列に接続された構成としてもよい。また、複数の単セル構造１０１を平面上に集積した態様や、複数の単セル構造１０１を面方向に集積したスタックとすることもできる。【００４３】
図２は、図１の構成を有する燃料電池の一例を示す断面図である。図２の燃料電池１３１１は、単セル構造１０１、燃焼部１３０３、燃料タンク１３０９、燃焼用燃料供給管１３１３およびポンプ１３２９を有する。燃焼部１３０３は、単セル構造１０１および燃料タンク１３０９に接して設けられている。なお、燃焼部１３０３は単セル構造１０１に接していれば、燃料タンク１３０９に接していなくてもよい。また、燃焼部１３０３には燃焼熱を測定する温度計１３４１が設けられている。【００４４】
また、燃焼部１３０３と単セル構造１０１との間に、燃焼部１３０３で生じた燃焼熱を伝える伝熱部材を設けてよい。こうすることにより、燃焼熱を単セル構造１０１に効率よく伝導させることができる。伝熱部材として、たとえば熱伝導率が高い金属、たとえば銅、アルミニウム、チタンなどを用いることができる。【００４５】
燃料電池１３１１において、燃料タンク１３０９は、単セル構造１０１を構成する燃料極１０２に接触して設けられ、燃料極１０２に燃料１２４を直接供給することができる構成となっている。初期状態では、燃料タンク１３０９には、単セル構造１０１に供給するために好適な濃度の燃料１２４が充填されている。単セル構造１０１の詳細な構成については後述する。【００４６】
本実施形態および以降の実施形態において、燃料１２４は、単セル構造１０１に供給される液体燃料を指し、燃料成分である有機溶媒および水を含む。燃料１２４に含まれる燃料成分としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、あるいはシクロパラフィン等の液体炭化水素等の有機液体燃料を用いることができる。以下、燃料成分がメタノールである場合を例に説明する。また、酸化剤１２６としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。【００４７】
なお、燃料１２４の濃度は適宜選択される。たとえば、燃料成分がメタノールである場合、燃料タンク１３０９には、燃料１２４として、たとえば、３体積％以上５０体積％以下の濃度のメタノール水溶液を収容することができる。【００４８】
燃料タンク１３０９は、燃料成分に対する耐性を有する材料により形成することが好ましい。たとえば、ポリプロピレン、ポリエチレン、塩化ビニルまたはシリコーンにより形成することができる。【００４９】
燃焼部１３０３の燃焼用燃料流路１３０７には、燃料タンク１３０９に設けられた燃焼用燃料導出口１３１５から燃焼用燃料供給管１３１３を経由して燃料１２４の一部が供給される。燃焼用燃料供給管１３１３には、ポンプ１３２９が設けられており、燃焼部１３０３に供給する燃料１２４の量を調節することができる。【００５０】
ポンプ１３２９としては、たとえば消費電力が非常に小さい小型の圧電モーター等の圧電素子を用いることができる。たとえば、バイモルフ型の圧電ポンプを用いることができる。また、図２には図示していないが、燃料電池１３１１に温度計を設け、また、ポンプ１３２９の動作を温度計で測定される温度に基づいて制御する制御部を有する構成としてもよい。【００５１】
温度計の種類としては熱電対、サーミスタ等、電気信号として測定できるものが望ましい。設置場所としては、燃焼部、燃料電池内、燃料電池表面、燃料電池の廃液、燃料電池の排気、または外気のいずれかとすることができる。またはこれらの温度の複数の適宜用いることもできる。【００５２】
図３は、燃焼部１３０３の構成を模式的に示す図である。図３において、燃焼部１３０３の形状は中空の円筒型であり、筒の外壁と内壁との間の燃焼用触媒保持部１３０５に、燃料１２４を燃焼させる触媒が保持されている。また、円筒の長さ方向に貫通する燃焼用燃料流路１３０７の一端は燃焼用燃料供給管１３１３に連通している。【００５３】
燃焼用触媒保持部１３０５の側面の内壁は、燃料１２４を燃焼用燃料供給管１３１３から燃焼用触媒保持部１３０５の内部に導く孔を有する。孔は、内壁の全面に設けられていることが好ましい。また、酸化剤極１０８の側により多くの開口を有する構成としてもよい。こうすれば、単セル構造１０１の酸化剤極１０８を優先的に加熱することができる。酸化剤極１０８は燃料極１０２に比べて熱容量が小さく、加熱されやすいため、酸化剤極１０８を優先的に加熱することにより、単セル構造１０１全体を効率よく加熱することができる。【００５４】
燃焼用触媒保持部１３０５の内壁の材料として、たとえば金属メッシュ、多孔質金属シート、発泡性金属素材などを用いることができる。このうち、多孔質金属シートは、その両面を貫通し、燃料１２４を通過させる孔が形成された金属シートであれば特に制限されず、様々な形態、厚みのシートを用いることが可能である。たとえば多孔質の金属薄板を用いることができる。また、金属繊維シートを用いてもよい。金属繊維シートは、一本以上の金属繊維がシート状に成形されたものであれば特に制限はなく、金属繊維の不織シートまたは織布を用いることができる。【００５５】
内壁の材料は、燃料１２４に対する耐食性を有する材料とすることが好ましい。また、燃料１２４の燃焼の触媒となる金属であればさらに好ましい。さらに、内壁の材料として、金属のほかにもたとえば高分子、セラミックス、ガラスなども適用できる。具体的には、たとえば化学繊維やガラス繊維のシートとしてもよい。【００５６】
また、燃焼用触媒保持部１３０５の外壁は、燃料１２４を燃焼させる燃焼用の酸化剤１２６を燃焼用触媒保持部１３０５の内部に導く導気孔を有する。導気孔は、燃焼用触媒保持部１３０５の外壁のうち、表面が外部に露出した部分の全面に設けられていることが好ましい。こうすることにより、燃料１２４の燃焼を燃焼用触媒保持部１３０５全体で効率よく生じさせることができる。燃焼用の酸化剤１２６には、たとえば酸化剤極１０８に供給する酸化剤１２６と同じものを用いることができる。【００５７】
燃焼用触媒保持部１３０５の外壁は、たとえば多孔質材料により構成することができる。多孔質材料として、たとえば燃焼用触媒保持部１３０５の内壁に用いられる材料を利用することができる。また、図２に示した燃料電池１３１１では、燃焼部１３０３の外壁が単セル構造１０１に直接接している。このような場合、熱伝導性に優れた材料により構成する。こうすることにより、燃焼部１３０３で発生した燃焼熱を、単セル構造１０１に確実に伝導し、単セル構造１０１を加熱することができる。【００５８】
なお、外壁に金属等の導電部材を用いる場合には、燃料極１０２と酸化剤極１０８との間が電気的に導通することを遮断するため、これらの間が絶縁される構成とする。たとえば、燃焼部１３０３の表面が、熱伝導性を有する絶縁性シートを介して単セル構造１０１に接する構成とすることができる。【００５９】
燃焼用触媒保持部１３０５は、たとえば多孔質の支持体の表面に、燃焼用の触媒が保持された構成とすることができる。支持体として、たとえば、スチールウール、発泡金属、金属細線焼結体などを用い、これが内壁と外壁との間に充填された構成とすることができる。また、支持体の表面に燃焼用の触媒を保持される方法としては、たとえば支持体の表面に燃焼用の触媒金属を吹き付けて焼結させる方法や、支持体の表面に燃焼用の触媒金属をめっきする方法などが挙げられる。【００６０】
また、支持体の表面に保持される燃焼用の触媒として、燃料１２４中の燃料成分を燃焼可能な触媒が適用される。具体的には、たとえば、燃料１２４としてメタノール水溶液を用いる場合、燃焼用触媒として、白金や白金とルテニウムの合金等が例示される。【００６１】
また、多孔質の支持体を燃料用の触媒金属で構成することもできる。こうすれば、燃焼用触媒保持部１３０５の構成の簡素化が可能である。【００６２】
なお、図３では、燃焼部１３０３が中空である場合を例に説明したが、燃焼部１３０３は中実であってもよい。図４は、燃焼部１３０３が中実である場合を示す図である。この場合、燃焼部１３０３の内部全体を燃焼用触媒保持部１３０５とすることができる。また、この構成の場合も、燃焼用燃料供給管１３１３を通過した燃料１２４が燃焼部１３０３の一端から燃焼用触媒保持部１３０５に供給される。【００６３】
また、燃焼部１３０３の形状は、単セル構造１０１に燃焼熱を伝えることが可能な構成であれば、図３および図４に示した円筒型には限定されない。図５は、燃焼部１３０３の別の構成を示す図である。図５の燃焼部１３０３は、側面に平坦面を有するため、単セル構造１０１との良好な接触性が確保される。このため、燃焼部１３０３から単セル構造１０１にさらに効率よく熱を伝播させることができる。【００６４】
図２にもどり、単セル構造１０１の構成を説明する。単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を含む。前述したように、単セル構造１０１の燃料極１０２には燃料１２４が供給される。また、酸化剤極１０８には、酸化剤１２６が供給される。【００６５】
酸化剤極１０８への酸化剤１２６の供給機構は、図示しないが自然吸気による供給やファン等を用いて強制的に供給を行ってもよい。また、圧電ポンプによる酸化剤の供給を行ってもよい。圧電ポンプを用いる場合は、ポンプからの酸化剤１２６の供給量をインバータまたはインバータにおける振動数または電圧を変化させることにより良好に制御することができる。インバータまたはインバータの振動数を変化させた場合、単位時間あたりのポンプの吐出頻度を変化させることができ、電圧を変化させた場合は、圧電素子の変位量の変化により１回の吐出あたりの吐出量が変化する。【００６６】
図２の単セル構造１０１においては、基体１０４および基体１１０がガス拡散層と集電電極とを兼ねた構成となっている。図示していないが、基体１０４および基体１１０にはそれぞれ燃料極側端子および酸化剤極側端子を設けることができる。基体１０４および基体１１０には、たとえば金属メッシュ 、多孔質金属シート、発泡性金属素材等を用いることができる。こうすれば、バルク金属性の集電部材を設けなくても、効率よく集電を行うことができる。【００６７】
固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。【００６８】
固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子；
ポリスチレンスルフォン酸共重合体、ポリビニルスルフォン酸共重合体、架橋アルキルスルフォン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルフォン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製：登録商標）、アシプレックス（旭化成社製：登録商標））；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製））；などが例示される。このうち、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子を選択した場合、有機液体燃料の透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池効率の低下を抑えることができる。【００６９】
燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。触媒として、白金や白金とルテニウムの合金等が例示される。燃料極１０２および酸化剤極１０８の触媒には同じものを用いても異なるものを用いてもよい。【００７０】
基体１０４および基体１１０の表面には撥水処理を施してもよい。前述したように、燃料１２４としてメタノールを用いた場合、燃料極１０２で二酸化炭素が発生する。燃料極１０２で発生した二酸化炭素の気泡が燃料極１０２付近に滞留すると、燃料極１０２への燃料１２４の供給が阻害され、発電効率の低下の原因となる。そこで、基体１０４の表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、基体１０４の表面における燃料１２４の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料１２４とともに移動しやすくなる。また、疎水性コート材により処理することにより、基体１０４の表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、基体１０４の表面上における気泡の形成を軽減できる。【００７１】
親水性コート材としては、たとえば酸化チタン、酸化ケイ素等が挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルオロエチレン、シラン等が例示される。【００７２】
以上のようにして単セル構造１０１が得られる。これを図２のように燃焼部１３０３に接して配置することにより、燃焼部１３０３において生じる燃焼熱を単セル構造１０１に伝導させることができる。【００７３】
次に、燃料電池１３１１の使用方法について説明する。燃料電池１３１１の起動特性が確保される温度、たとえば２５℃程度以上の環境中で燃料電池１３１１を使用する際には、ポンプ１３２９を駆動させずに使用する。この場合、燃料タンク１３０９中の燃料１２４は、燃料極１０２にのみ供給される。燃料電池１３１１をその起動特性が良好な温度で使用する際には、燃料１２４を燃料極１０２にのみ選択的に供給することにより、燃料極１０２の浪費を抑制し、燃料電池１３１１を安定的に運転することができる。【００７４】
一方、燃料電池１３１１を低温中で使用する際には、ポンプ１３２９を駆動させて使用する。こうすることにより、燃料タンク１３０９中の燃料１２４の一部が燃焼部１３０３に供給される。また、燃焼部１３０３には、外部から酸化剤１２６が供給される。すると、燃焼用触媒保持部１３０５中の支持体に保持された燃焼用触媒の作用により燃料１２４が燃焼し、燃焼熱が生じる。この燃焼熱が単セル構造１０１に伝わることにより、単セル構造１０１の温度が上昇する。このため、簡素な構成で、低温中で使用する際の単セル構造１０１の起動特性を向上させることができる。【００７５】
このように、燃料電池１３１１は、外気が低温の環境で使用される場合にも、すぐれた起動特性を発揮することができる。なお、ここでいう「低温」とは、燃料電池１３１１の電池電圧が充分に得られない温度条件のことを指す。具体的には、たとえば０〜２０℃程度の低温中での起動特性を向上させることができる。【００７６】
なお、燃料電池１３１１の使用において、上記温度は例示であり、燃焼部１３０３への燃料１２４の供給の有無および供給量は適宜調整することができる。また、本実施形態の燃料電池は、ポンプ１３２９の動作を温度計１３４１で測定される温度に基づいて制御できる制御部を有することができる。【００７７】
図６は、図１の構成を有する燃料電池の別の例を示す平面図である。図６は、複数の単セル構造１０１を平面的に配置した燃料電池の構成を示す。また、図６は、単セル構造１０１の酸化剤極１０８の側から燃料電池を見た図である。図６の燃料電池は、燃料電池本体１１０９および燃料カートリッジ１１０３を含む。【００７８】
燃料電池本体１１０９は、平面内に配置された複数の単セル構造１０１、燃料容器８１１、仕切板８５３、燃料流出管１１１１、燃焼用燃料供給管１３４３、燃料排出管１３３７、ポンプ１１１７、流量調節バルブ１３３１、コネクタ１１２３、および温度計１３４１を含む。【００７９】
図７は、図６のＡ−Ａ'断面図である。１枚の固体電解質膜１１４の一方の面に燃料極１０２が設けられ、他方の面に酸化剤極１０８が設けられている。燃焼部１３０３は、伝熱板１３１７を介して固体電解質膜１１４の端面に接している。また、燃料容器８１１は燃料極１０２と接している。【００８０】
図６にもどり、燃料カートリッジ１１０３は、コネクタ１１２３により燃料電池本体１１０９と着脱可能に構成されている。初期状態では、燃料カートリッジ１１０３には、単セル構造１０１に供給するために好適な濃度の燃料１２４が充填されている。燃料１２４の濃度は、図２の燃料電池１３１１の場合と同様に、適宜選択することができる。【００８１】
また、燃料カートリッジ１１０３は、燃料成分に対する耐性を有する材料により形成することが好ましい。たとえば、ポリプロピレン、ポリエチレン、塩化ビニルまたはシリコーンにより形成することができる。【００８２】
燃料容器８１１には、燃料流出管１１１１を経由して燃料１２４が供給される。燃料容器８１１に流入した燃料１２４は、燃料容器８１１内に設けられた複数の仕切り板８５３に沿って流れ、複数の単セル構造１０１に順次供給される。【００８３】
燃料流出管１１１１には、ポンプ１１１７が設けられている。また、燃料流出管１１１１のポンプ１１１７よりも下流すなわち燃料容器８１１側において、燃焼用燃料供給管１３４３が分岐しており、燃焼用燃料供給管１３４３から燃焼部１３０３に燃料１２４の一部が供給される。燃料流出管１１１１と燃焼用燃料供給管１３４３との分岐部には流量調節バルブ１３３１が設けられており、燃焼部１３０３の側に供給する燃料１２４の量を調節することができる。【００８４】
ポンプ１１１７として、図２の燃料電池１３１１の場合と同様に、たとえば消費電力が非常に小さい小型の圧電モーター等の圧電素子を用いることができる。また、図６には図示していないが、本実施形態の燃料電池は、ポンプ１１１７および流量調節バルブ１３３１の動作を温度計１３４１で測定される温度に基づいて制御する制御部を有することができる。【００８５】
燃焼部１３０３には、燃料１２４を燃焼させる触媒が保持されている。燃焼部１３０３の一端は燃焼用燃料供給管１３４３に接続する。また、燃焼部１３０３の他端は、燃料排出管１３３７に接続し、燃焼部１３０３を通過した残存燃料が燃料容器８１１に導入される。なお、燃料容器８１１に導入される残存燃料は、たとえば、燃焼部１３０３の燃焼熱により気化した状態で、燃焼により生じた二酸化炭素等とともに燃料容器８１１に導入される。【００８６】
図７を用いて説明したように、図６の燃料電池においては、１枚の固体電解質膜１１４の両面に複数の燃料極１０２と酸化剤極１０８が設けられており、固体電解質膜１１４を共有する複数の単セル構造１０１が同一平面内に形成されている。そして、伝熱板１３１７を介して燃焼部１３０３が固体電解質膜１１４の端面に接しているため、固体電解質膜１１４の端面から各単セル構造１０１に燃焼部１３０３で発生する燃焼熱を伝導させることができる。このため、固体電解質膜１１４を共有する単セル構造１０１を同時に加熱することができる。よって、外気が低温の場合にも、燃料電池の起動特性を向上させることができる。【００８７】
なお、複数の単セル構造１０１を有する燃料電池においても、燃焼部１３０３と燃料容器８１１との間に伝熱部材を設けることができる。【００８８】
本実施形態に係る燃料電池において、単セル構造１０１を通過した燃料１２４のうち、電池反応に用いられなかった燃料成分を燃焼部１３０３に供給してもよい。図８は、このような燃料電池の構成を模式的に示す図である。図８の燃料電池は、図１の燃料電池１３０１において、単セル構造１０１の燃料極１０２と燃焼部１３０３とを連通可能とするものである。こうすることにより、単セル構造１０１の燃料極１０２から排出される残存燃料を燃焼部１３０３に供給することができるため、燃料の使用効率を向上させることができる。このため、燃料電池を長期間安定的に運転させることができる。なお、単セル構造１０１と燃焼部１３０３との間の燃料の通過経路にも、ポンプ１３２９を設けることができる。【００８９】
また、図８の燃料電池は、燃焼部１３０３に供給された燃料１２４を、燃焼部１３０３を通過後、単セル構造１０１の燃料極１０２に導くこともできる。こうすることにより、外部に排出される残存燃料をさらに減少させることができる。このため、燃料を効率よく使用することができる。なお、燃焼部１３０３を通過した残存燃料は、燃料１２４の燃焼により発生する気体とともに、気化された状態で単セル構造１０１に供給されてもよい。【００９０】
また、図９は、本実施形態の燃料電池のまた別の構成を模式的に示す図である。図９の燃料電池において、燃料供給系は、燃料タンク１３２７と、燃料１２４の流量を調節するポンプ１３２９と、ポンプ１３２９より下流側に設けられ、燃焼部１３０３および単セル構造１０１への燃料１２４の供給量を調節する流量調節バルブ１３３１とを有する。【００９１】
この構成の場合にも、流量調節バルブ１３３１を調節し、燃焼部１３０３に供給する燃料１２４の量を調節することができる。また、燃焼部１３０３を通過した残存燃料は、流量調節バルブ１３３１と単セル構造１０１とを接続する燃料供給系から、単セル構造１０１に導入される。【００９２】
（第二の実施形態）
第二の実施形態では、図示しないが第一の実施形態に記載の燃料電池１３０１（図１）の燃料極１０２の反対側に燃焼部１３０３を設け、図１では不図示である酸化極側を加熱する構成となっている。
また、第二の実施形態では、第一の実施形態に記載の燃料電池１３１１（図２）は、単セル構造１０１の構成部材全体を加熱する構成となっている。ここで、一般に、燃料極１０２に液体燃料が供給される場合、燃料１２４に比べて酸化剤１２６の方が熱容量は小さい。このため、燃料極１０２側と酸化剤極１０８側とで加熱のされ方が異なり、酸化剤極１０８の側が加熱されやすい場合がある。そこで、本実施形態では、このような単セル構造１０１の加熱を効率よく行う構成の燃料電池について、以下説明する。【００９３】
図１０および図１１は、本実施形態の燃料電池の構成を示す図である。図１１は、図１０のＡ−Ａ'断面図である。【００９４】
図１０および図１１に示した燃料電池１３４５において、酸化剤極１０８の基体１１０の周縁部に接して伝熱板１３１７が設けられ、さらに伝熱板１３１７には温度計１３４１を設けている。また、管状の燃焼部１３０３は、伝熱板１３１７に接して酸化剤極１０８の表面に巡らされている。【００９５】
酸化剤極１０８には、基体１１０の表面のうち、伝熱板１３１７および燃焼部１３０３によって被覆されていない部分から酸化剤１２６が供給される。なお、第一の実施形態に記載したように、基体１１０はガス拡散層と集電電極とを兼ねた構成となっている。また、基体１１０は電池反応に必要な酸化剤１２６を透過させる孔を有する。【００９６】
伝熱板１３１７には、熱伝導性の高い材料を用いることが好ましい。たとえば、銅板、アルミニウム板、チタン板、等を用いることができる。また、燃焼部１３０３は、第一の実施形態と同様の構成とすることができる。【００９７】
本実施形態の燃料電池１３４５では、燃焼部１３０３と基体１１０との間に伝熱板１３１７が設けられているため、燃焼部１３０３で生じる燃焼熱を効率よく酸化剤極１０８に伝え、酸化剤極１０８を選択的にまたは重点的に加熱することができる。酸化剤極１０８は、電気化学反応により発生する熱により酸化剤極１０８自身が熱せられ、さらに、燃焼部１３０３で生じる燃焼熱により、酸化剤極１０８が速やかに加熱され、また、単セル構造１０１全体にその熱が伝わり、単セル構造１０１全体を効率よく加熱することができる。このため、低温環境中での燃料電池の起動特性をさらに向上させることができる。【００９８】
図１２は、本実施形態の燃料電池の別の構成を示す平面図である。図１２の燃料電池は、図６の燃料電池と同様に、複数の単セル構造１０１を平面的に配置した構成となっている。【００９９】
図１２の燃料電池では、燃焼部１３０３が各単セル構造１０１の酸化剤極１０８（図１２では不図示）に直接接触している。このため、単セル構造１０１を効率よく加熱することができる。なお、図１２の構成の場合、燃焼部１３０３において、単セル構造１０１との接触面を絶縁部材により構成し、単セル構造１０１同士が燃焼部１３０３を介して電気的に接続しないようにする。絶縁部材として、たとえば熱伝導性に優れる絶縁シートを用いることができる。絶縁シートの材料として、たとえば、シリコーンゴムやエポキシ樹脂等に熱伝導性フィラーを添加した材料等が挙げられる。熱伝導性のフィラーとして、たとえばアルミニウムを用いることができる。【０１００】
本実施形態において、単セル構造１０１の酸化剤極を直接加熱する構成は、燃料供給系が図１、図８、および図９および後述する他の実施形態の態様についても適用することができる。【０１０１】
（第三の実施形態）
第一または第二の実施形態に記載の燃料電池において、燃料供給系が、燃料１２４を保持する燃料容器および単セル構造１０１に供給する燃料１２４よりも高濃度の液体燃料を保持する高濃度燃料容器を有する構成とすることもできる。【０１０２】
図１３は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。図１３の燃料電池において、燃料タンク１３２７は、低濃度燃料タンク１３３３および高濃度燃料タンク１３３５からなる。初期状態では、低濃度燃料タンク１３３３には、単セル構造１０１に供給するために好適な濃度の低濃度燃料が充填されており、高濃度燃料タンク１３３５には、低濃度燃料タンク１３３３中の液体よりも高い燃料成分濃度を有する高濃度燃料７２５が充填されている。なお、第三の実施形態における図１３、図１４の燃料電池では、燃料タンク１３２７と単セル構造１０１を接続する燃料供給系にはポンプ１３２９が設けられていないが、必要に応じてポンプ１３２９を設けてもよい。さらに、燃料極１０２で未使用となる燃料１２４を燃料タンク１３２７へ戻すような構成としてもよい。【０１０３】
低濃度燃料および高濃度燃料７２５の濃度は適宜選択される。たとえば、燃料成分がメタノールである場合、低濃度燃料中にはたとえば５０体積％以下程度の濃度のメタノール水溶液または水を収容することができる。また、このとき、高濃度燃料タンク１３３５中には、燃料１２４の濃度よりも高濃度のメタノール水溶液またはメタノールを収容することができる。【０１０４】
低濃度燃料タンク１３３３には、高濃度燃料タンク１３３５中の高濃度燃料７２５がポンプ１３２９によって供給される。そして、単セル構造１０１には、低濃度燃料タンク１３３３にて所定の燃料成分濃度に調製された燃料１２４が供給される。図１３において、低濃度燃料タンク１３３３から単セル構造１０１に燃料１２４を供給するためのポンプ１３２９を設けることもできる。【０１０５】
また、高濃度燃料タンク１３３５中の高濃度燃料７２５の一部は、ポンプ１３２９により燃焼部１３０３に供給される。高濃度燃料７２５を燃焼部１３０３に供給することにより、さらに速やかに単セル構造１０１を加熱することができる。【０１０６】
図１４は、図１３の構成を有する燃料電池の一例を示す図である。図１４の燃料電池１３４９は、図２の燃料電池と同様の基本構成を有し、基体１０４に接する燃料タンク１３０９にかえて混合タンク１３１９が設けられている。燃料電池１３４９は、さらに高濃度燃料タンク１３２１を有し、高濃度燃料タンク１３２１から混合タンク１３１９に高濃度燃料７２５を供給する高濃度燃料供給管１３２３が設けられている。高濃度燃料供給管１３２３を流れる高濃度燃料７２５の量は、ポンプ１３２９を調節することにより調整できる。【０１０７】
また、燃料電池１３４９では、燃焼用燃料供給管１３１３は、高濃度燃料タンク１３２１と燃焼用燃料流路１３０７に連通する構成となっている。このため、燃焼部１３０３に、燃料成分の濃度が高い高濃度燃料７２５を高濃度燃料タンク１３２１から直接供給することができる。【０１０８】
燃料電池１３４９では、燃焼部１３０３に高濃度燃料７２５を供給することができるため、燃焼部１３０３において効率よく燃焼反応を生じさせることができる。このため、単セル構造１０１をさらに速やかに加熱することができるため、低温中での起動特性をさらに向上させることができる。【０１０９】
また、図１５は、複数の単セル構造１０１と平面的に配置した構成の燃料電池の場合を示す図である。図１５の燃料電池では、図６に示した燃料電池と同様に、単セル構造１０１を構成する固体電解質膜１１４（図１５では不図示）に接して燃焼部１３０３が設けられている。図１５に示したように、複数の単セル構造１０１を有する燃料電池についても、単セル構造１０１を構成する固体電解質膜１１４に燃焼部１３０３を接触させることにより、固体電解質膜１１４を共有する複数の単セル構造１０１を同時に加熱することが可能となる。また、高濃度燃料７２５を燃焼部１３０３に供給するため、効率よく加熱することができる。【０１１０】
また、燃料カートリッジ１１０３は、高濃度燃料タンク１１０５と混合タンク１１０７が嵌合部（不図示）により着脱可能に連結されてなる。高濃度燃料タンク１１０５と混合タンク１１０７は、連結された状態で、燃料電池本体１１０９に着脱される。初期状態では、混合タンク１１０７には、燃料電池本体１１０９に供給するために好適な濃度の低濃度燃料が充填されており、高濃度燃料タンク１１０５には、混合タンク１１０７中の液体よりも高い燃料成分濃度を有する高濃度燃料７２５が充填されている。【０１１１】
また、複数の単セル構造１０１を循環した燃料は、燃料回収管１１１３を介して混合タンク１１０７に回収される。こうすることにより、単セル構造１０１において消費されなかった燃料１２４を回収燃料として好適に回収し、再利用することができる。【０１１２】
なお、図１５の燃料電池は制御部（不図示）を有してもよい。この場合、たとえば、燃料回収管１１１３から回収される回収燃料１１５５の濃度が濃度計（不図示）にて測定され、測定される濃度に応じて高濃度燃料タンク１１０５から混合タンク１１０７への燃料の供給を制御するように構成してもよい。また、混合タンク１１０７中の燃料成分の濃度を濃度計（不図示）により測定し、測定された濃度に応じて混合タンク１１０７に供給される高濃度燃料７２５の量を制御部が制御する構成としてもよい。【０１１３】
なお、本実施形態においても、単セル構造１０１を通過した燃料１２４のうち、電池反応に用いられなかった燃料成分を燃焼部１３０３に供給してもよい。図１６は、このような燃料電池の構成を模式的に示す図である。図１６の燃料電池は、図１３の燃料電池において、単セル構造１０１の燃料極１０２が燃焼部１３０３に連通する構成である。【０１１４】
図１７は、図１６の構成を有する燃料電池の一例を示す図である。
図１７は、図１４の燃料電池１３４９において、基体１０４を通過した残存燃料が燃料回収管１３４７から燃焼用燃料流路１３０７に導入されるように構成したものである。【０１１５】
また、図１８は、本実施形態の燃料電池のまた別の構成を模式的に示す図である。図１８の燃料電池では、燃料供給系が、高濃度燃料タンク１３３５から導出される高濃度燃料７２５の流量を調節するポンプ１３２９と、ポンプ１３２９より下流側に設けられ、燃焼部１３０３および低濃度燃料タンク１３３３への高濃度燃料７２５の供給量を調節する流量調節バルブ１３３１とを有する構成としたものである。【０１１６】
流量調節バルブ１３３１を調節することにより、燃焼部１３０３または低濃度燃料タンク１３３３に供給する高濃度燃料７２５の量を調節することができる。また、単セル構造１０１を通過した燃料１２４のうち、電池反応に用いられなかった燃料成分は燃焼部１３０３に供給される。【０１１７】
図１９は、本実施形態の燃料電池の燃料供給系の別の例を模式的に示す図である。また、図２０は、図１９の燃料供給系を有する燃料電池の一例を示す図である。【０１１８】
図１９の燃料電池は、低濃度燃料タンク１３３３から単セル構造１０１に燃料が供給される経路と、単セル構造１０１を通過した残存燃料が低濃度燃料タンク１３３３に戻る経路を備える。また、高濃度燃料タンク１３３５中の高濃度燃料７２５を低濃度燃料タンク１３３３に供給する経路および燃焼部１３０３に供給する経路を有する。また、単セル構造１０１を通過した燃料を燃焼部１３０３に導入する経路を有する。燃焼部１３０３への高濃度燃料７２５または残存燃料の供給は、流量調節バルブ１３３１によって切替可能であり、それぞれの流量はポンプ１３２９によって調節可能となっている。【０１１９】
図１９の燃料電池は、単セル構造１０１を通過した残存燃料を低濃度燃料タンク１３３３に戻して再利用することができるため、燃料成分の浪費を抑制し、効率よく使用することができる。また、低濃度燃料タンク１３３３中の燃料成分の濃度が残存燃料の回収によって希釈された場合にも、高濃度燃料タンク１３３５から高濃度燃料７２５を供給することができるため、単セル構造１０１に所定の濃度燃料１２４を長期間安定的に供給することができる。【０１２０】
また、図１９の燃料電池では、単セル構造１０１を通過した残存燃料または高濃度燃料７２５を適宜選択して燃焼部１３０３に供給することができる。このため、低温で起動する際には高濃度燃料７２５を燃焼部１３０３に供給し、燃焼部１３０３に接する単セル構造１０１を速やかに加熱することができる。そして、単セル構造１０１がある程度暖まった段階で、流量調節バルブ１３３１を調節して燃焼部１３０３に残存燃料を供給すれば、燃料成分をさらに効率よく使用することができる。【０１２１】
（第四の実施形態）
第三の実施形態に係る低濃度燃料タンク１３３３および高濃度燃料タンク１３３５を有する燃料電池において、低濃度燃料タンク１３３３中の低濃度燃料および高濃度燃料タンク１３３５中の高濃度燃料７２５を混合する混合タンクを有する構成としてもよい。【０１２２】
図２１は、本実施形態の燃料電池の燃料供給系を模式的に示す図である。図２１の燃料電池は、低濃度燃料タンク１３３３中の低濃度燃料１１４９および高濃度燃料タンク１３３５中の高濃度燃料７２５が混合タンク１３３９に導入され、混合タンク１３３９において、単セル構造１０１に供給するのに好適な濃度に調製された燃料１２４が、混合タンク１３３９から単セル構造１０１に供給される構成となっている。【０１２３】
また、単セル構造１０１に接して設けられた燃焼部１３０３には、高濃度燃料タンク１３３５から導出される高濃度燃料７２５の一部を供給することができる。ここで、高濃度燃料７２５の供給系にはポンプ１３２９が設けられ、ポンプ１３２９の下流に設けられた流量調節バルブ１３３１により、混合タンク１３３９および燃焼部１３０３に所定の量の高濃度燃料７２５が供給できるようになっている。【０１２４】
このようにすれば、単セル構造１０１に供給する燃料１２４の濃度をさらに確実に制御することができる。このため、単セル構造１０１において電池反応をさらに安定的に生じさせることができる。また、燃焼部１３０３には高濃度燃料７２５が供給されるため、単セル構造１０１を短時間で迅速に加熱することができる。よって、燃料電池を低温中で使用する際の起動特性を向上させることができる。【０１２５】
図２２は、本実施形態の燃料電池の別の構成を示す図である。図２２の燃料電池の基本構成は図２１の燃料電池と同様であるが、単セル構造１０１の燃料極１０２を通過した残存燃料を混合タンク１３３９に回収する経路および燃焼部１３０３を通過した残存燃料を混合タンク１３３９に回収する経路をさらに有する点が異なる。【０１２６】
これらの回収経路をさらに設けることにより、燃料成分をさらに効率よく利用することができる。このため、燃料電池の起動特性を向上させるとともに、長期間安定的に運転することが可能となる。【０１２７】
（第五の実施形態）
以上の実施形態に記載の燃料電池において、燃焼部１３０３に冷却水を導入するための冷却水導入経路を設けてもよい。ここでは、図２２の燃料電池の構成を例に説明する。【０１２８】
図２３は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。図２３の燃料電池は、図２２の燃料電池において、冷却水タンク１３５１をさらに備える構成を有する。冷却水タンク１３５１中の冷却水１３５３をポンプ１３２９によって燃焼部１３０３に供給することができるように構成されている。【０１２９】
図２３の燃料電池を低温中で起動させる場合、燃焼部１３０３に高濃度燃料７２５を供給して燃焼熱を発生させ、その熱を単セル構造１０１に伝導させて、単セル構造１０１を加熱する。高濃度燃料７２５による燃焼熱により単セル構造１０１の過剰な加熱を防止するために、単セル構造１０１に設けた温度計１３４１により一定の温度まで加熱されたことを検知し、燃焼部１３０３への高濃度燃料７２５の供給を停止するとともに、冷却水タンク１３５１から燃焼部１３０３に冷却水１３５３を供給する。こうすることにより、燃焼部１３０３を速やかに冷却することができる。このため、単セル構造１０１の加熱を抑制し、燃料電池をさらに安定的に運転することができる。【０１３０】
なお、低濃度燃料タンク１３３３と高濃度燃料タンク１３３５を有する燃料電池においては、冷却水にかえて、燃焼部１３０３に低濃度燃料タンク１３３３から燃料１２４を供給することによっても、燃焼熱の発生を抑制することができる。この場合、起動開始時には燃焼部１３０３に高濃度燃料７２５を供給し、単セル構造１０１がある程度加熱された段階で燃料１２４を供給して使用することができる。こうすることにより、燃料成分を効率よく利用することができる。【０１３１】
（第六の実施形態）
以上の実施形態に記載の燃料電池において、燃焼部１３０３に燃焼用の酸化剤を積極的に供給する酸化剤供給経路をさらに設けてもよい。以下、図１の燃料電池の構成の場合を例に説明する。【０１３２】
図２４は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。図２４の燃料電池は、図１の燃料電池１３０１において、酸化剤保持部１３５５をさらに有し、酸化剤保持部１３５５中に保持される酸化剤１３５７を燃焼部１３０３に供給することができるように構成されている。たとえば、圧縮空気を燃焼部１３０３に接続するライン設けたり、ファンを利用して酸化剤を燃焼部１３０３へ供給したりすることで、燃焼部１３０３における燃焼反応の速度を向上させるこができ、これにより、低温中での燃料電池の起動特性をさらに確実に向上させることができる。なお、図２４の燃料電池では、燃料タンク１３２７と単セル構造１０１を接続する燃料供給系にはポンプ１３２９が設けられていないが、必要に応じてポンプ１３２９を設けてもよい。さらに、燃料極１０２で未使用となる燃料１２４を燃料タンク１３２７へ戻すような構成としてもよい。【０１３３】
図２４の燃料電池では、燃焼部１３０３に燃料１２４を導入するとともに、酸化剤１３５７を燃焼部１３０３に積極的に供給することができる。このため、燃焼部１３０３において、大気中の酸素が燃焼部１３０３に供給される場合よりもさらに確実に燃焼反応を生じさせることができる。このため、低温中での燃料電池の起動特性をさらに確実に向上させることができる。【０１３４】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明した。これらの実施形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【図面の簡単な説明】
【０１３５】
【図１】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図２】図１の構成を有する燃料電池の一例を示す断面図である。
【図３】本実施形態に係る燃料電池の燃焼部の構成を模式的に示す図である。
【図４】本実施形態に係る燃料電池の燃焼部の構成を模式的に示す図である。
【図５】本実施形態に係る燃料電池の燃焼部の構成を模式的に示す図である。
【図６】図１の構成を有する燃料電池の一例を示す平面図である。
【図７】図６の燃料電池のＡ−Ａ'断面図である。
【図８】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図９】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図１０】本実施形態に係る燃料電池の一例を示す断面図である。
【図１１】図１０のＡ−Ａ'断面図である。
【図１２】本実施形態に係る燃料電池の構成を示す平面図である。
【図１３】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図１４】図１３の構成を有する燃料電池の一例を示す断面図である。
【図１５】図１３の構成を有する燃料電池の一例を示す平面図である。
【図１６】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図１７】図１６の構成を有する燃料電池の一例を示す断面図である。
【図１８】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図１９】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図２０】図１９の構成を有する燃料電池の構成の一例を示す断面図である。
【図２１】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図２２】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図２３】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【図２４】本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【０１３６】
１０１    単セル構造
１０２    燃料極
１０４    基体
１０６    燃料極側触媒層
１０８    酸化剤極
１１０    基体
１１２    酸化剤極側触媒層
１１４    固体電解質膜
１２４    燃料
１２６    酸化剤
７２５    高濃度燃料
８１１    燃料容器
８５３    仕切板
１１０３    燃料カートリッジ
１１０５    高濃度燃料タンク
１１０７    混合タンク
１１０９    燃料電池本体
１１１１    燃料流出管
１１１３    燃料回収管
１１１７    ポンプ
１１２３    コネクタ
１１４９    低濃度燃料
１１５５    回収燃料
１３０１    燃料電池
１３０３    燃焼部
１３０５    燃焼用触媒保持部
１３０７    燃焼用燃料流路
１３０９    燃料タンク
１３１１    燃料電池
１３１３    燃焼用燃料供給管
１３１５    燃焼用燃料導出口
１３１７    伝熱板
１３１９    混合タンク
１３２１    高濃度燃料タンク
１３２３    高濃度燃料供給管
１３２７    燃料タンク
１３２９    ポンプ
１３３１    流量調節バルブ
１３３３    低濃度燃料タンク
１３３５    高濃度燃料タンク
１３３７    燃料排出管
１３３９    混合タンク
１３４１    温度計
１３４３    燃焼用燃料供給管
１３４５    燃料電池
１３４７    燃料回収管
１３４９    燃料電池
１３５１    冷却水タンク
１３５３    冷却水
１３５５    酸化剤保持部
１３５７    酸化剤
【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】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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