(57)【要約】【課題】膜電極接合体の温度および膜電極接合体を構成するカソード中に保持される水量を適切な範囲に維持することができ、長期間に亘って安定した出力を維持することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池システム１は、起電部を構成する燃料電池セル１０と、アノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１を有する燃料分配層３０と、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０と、カソード導電層１９に積層された保湿層６０と、保湿層６０に積層された、複数の空気導入口７１を有する表面カバー７０とを有する燃料電池２を備える。また、保湿層６０を移動させる保湿層駆動機構５０と、カソード（空気極）１６のカソードガス拡散層１５の所定位置に、カソードガス拡散層１５の温度を計測する温度検知手段８０とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、１または複数の開口部を有し、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、
前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態、および前記空気極が前記保湿層を介して酸化剤ガスに接触する状態の少なくともいずれかの状態に、前記保湿層を移動させる保湿層駆動機構と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、１または複数の開口部を有し、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、
温度に応じて形状が変化して、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態、および前記空気極が前記保湿層を介して酸化剤ガスに接触する状態の少なくともいずれかの状態に、前記保湿層を移動させる感熱素子と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、１または複数の開口部を有し、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、
前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態、および前記空気極が前記保湿層を介して酸化剤ガスに接触する状態の少なくともいずれかの状態に、前記保湿層を移動させる保湿層駆動機構と、
前記膜電極接合体の少なくとも一部の温度を検知する温度検知手段と、
前記温度検知手段で検知された情報に基づいて、前記保湿層駆動機構を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
前記制御手段は、前記温度検知手段からの情報に基づいて、検知した温度が所定の温度よりも高いと判定したときには、前記保湿層駆動機構を制御して、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態に前記保湿層を移動させることを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記膜電極接合体で発生する電圧を検知する電圧検知手段および前記膜電極接合体を流れる電流を検知する電流検知手段のうちの少なくとも１つの手段をさらに具備することを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項６】
前記電圧検知手段を備え、前記膜電極接合体を流れる電流が一定に維持される場合において、
前記制御手段は、前記温度検知手段および前記電圧検知手段からの情報に基づいて、検知した温度が所定の温度以下で、かつ検知した電圧が所定の値よりも低いと判定したときには、前記保湿層駆動機構を制御して、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態に前記保湿層を移動させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項７】
前記電流検知手段を備え、前記膜電極接合体で発生する電圧が一定に維持される場合において、
前記制御手段は、前記温度検知手段および前記電流検知手段からの情報に基づいて、検知した温度が所定の温度以下で、かつ検知した電流が所定の値よりも低いと判定したときには、前記保湿層駆動機構を制御して、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態に前記保湿層を移動させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項８】
前記電圧検知手段および前記電流検知手段とを備え、
前記制御手段は、前記温度検知手段、前記電圧検知手段および前記電流検知手段からの情報に基づいて、検知した温度が所定の温度以下で、かつ検知した電圧と検知した電流とから算出された電力が所定の値よりも低いと判定したときには、前記保湿層駆動機構を制御して、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態に前記保湿層を移動させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項９】
前記電圧検知手段を備え、前記膜電極接合体を流れる電流が所定値以下に維持される場合において、
前記制御手段は、前記電圧検知手段からの情報に基づいて、検知した電圧が所定の値よりも低いと判定したときには、前記保湿層駆動機構を制御して、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態に前記保湿層を移動させることを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【請求項１０】
前記膜電極接合体を流れる電流が遮断されたときに、前記制御手段は、前記保湿層駆動機構を制御して、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態に前記保湿層を移動させることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか１項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、液体燃料を用いた燃料電池を備えた燃料電池および燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）は、小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式や、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えばアノード（燃料極）、電解質膜およびカソード（空気極）を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。
【０００５】
一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（例えば、特許文献２−４参照。）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。特許文献３には、燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給する燃料電池が記載され、特許文献４には、電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給する燃料電池が記載されている。
【０００６】
また、従来のパッシブ方式のＤＭＦＣにおいて、カソード側に自然供給される空気を遮断するシャッターを設け、このシャッターを開閉することで、ＤＭＦＣをオン、オフさせる技術も開示されている（例えば、特許文献５−６参照。）。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献３】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献４】米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報
【特許文献５】特開２００５−１２２９７２号公報
【特許文献６】特開２００６−１２０４４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
燃料電池を作動させて発電する際、発電反応の結果としてカソード触媒層で水が発生する。従来の燃料電池では、上記したように、カソード側に供給される空気を遮断する技術を有するものはあるが、カソード触媒層やカソードガス拡散層の中に存在する水量を調整するものではなかった。そのため、従来の燃料電池では、その水がカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に必要以上に保持されることによって、カソード触媒層に反応に必要な酸素が十分に供給されないことがあった。また、水がカソード触媒層やカソードガス拡散層の中に必要以上に保持されることによって、膜電極接合体を構成する部材の少なくとも一部の劣化を早め、燃料電池の出力が低下する恐れがあった。
【０００８】
また、従来の燃料電池では、例えば発電を開始するときなどのように、発電に必要な量よりも多くの燃料が供給され、膜電極接合体の温度が急激に上昇することがある。この場合において、従来の燃料電池では、膜電極接合体から速やかに放熱され難いため、温度が高い状態が長時間続くことがある。これによって、使用者が低温火傷等を起こす恐れや、燃料電池を構成する部材や燃料電池の周辺に配置された部材等が熱によって劣化する恐れがあった。
【０００９】
そこで、本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、膜電極接合体の温度および膜電極接合体を構成するカソード中に保持される水量を適切な範囲に維持することができ、長期間に亘って安定した出力を維持することができる燃料電池および燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、１または複数の開口部を有し、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態、および前記空気極が前記保湿層を介して酸化剤ガスに接触する状態の少なくともいずれかの状態に、前記保湿層を移動させる保湿層駆動機構とを具備することを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１１】
また、本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、１または複数の開口部を有し、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、温度に応じて形状が変化して、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態、および前記空気極が前記保湿層を介して酸化剤ガスに接触する状態の少なくともいずれかの状態に、前記保湿層を移動させる感熱素子とを具備することを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１２】
さらに、本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、１または複数の開口部を有し、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、前記空気極が前記保湿層の開口部を介して直接酸化剤ガスに接触する状態、および前記空気極が前記保湿層を介して酸化剤ガスに接触する状態の少なくともいずれかの状態に、前記保湿層を移動させる保湿層駆動機構と、前記膜電極接合体の少なくとも一部の温度を検知する温度検知手段と、前記温度検知手段で検知された情報に基づいて、前記保湿層駆動機構を制御する制御手段とを具備することを特徴とする燃料電池システムが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池および燃料電池システムによれば、膜電極接合体の温度および膜電極接合体を構成するカソード中に保持される水量を適切な範囲に維持することができ、長期間に亘って安定した出力を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１５】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池システム１の構成を示す断面図である。図２は、保湿層駆動機構５０の構成を示す斜視図である。図３は、本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池においてポンプ８５を備えた場合の燃料電池システム１の構成を示す断面図である。
【００１６】
図１に示すように、燃料電池システム１は、起電部を構成する燃料電池セル１０と、この燃料電池セル１０のアノード（燃料極）側およびカソード（空気極）側にそれぞれ設けられたアノード導電層１８、カソード導電層１９と、アノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１を有する燃料分配層３０と、この燃料分配層３０の燃料電池セル１０側とは異なる側に配置され、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０と、カソード導電層１９に積層された保湿層６０と、この保湿層６０に積層された、複数の空気導入口７１を有する表面カバー７０とを有する燃料電池２を備える。また、燃料電池システム１は、保湿層６０を移動させる保湿層駆動機構５０と、カソード（空気極）１６のカソードガス拡散層１５の所定位置に、カソードガス拡散層１５の温度を計測する温度検知手段８０とを備える。さらに、燃料電池システム１は、保湿層駆動機構５０、温度検知手段８０と電気的に接続された制御手段９０を備える。なお、図中では、制御手段９０と各手段とを電気的に接続する配線は省略している。
【００１７】
燃料電池セル１０は、いわゆる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）であり、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性を有する電解質膜１７とから構成される。
【００１８】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１として、例えば、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４として、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１９】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００２０】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。また、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。
【００２１】
アノードガス拡散層１２の表面に積層されたアノード導電層１８、およびカソードガス拡散層１５の表面に積層されたカソード導電層１９は、例えば、Ａｕのような導電金属材料からなるメッシュ、多孔質膜等で構成される。これらの中でも、アノード導電層１８やカソード導電層１９は、燃料電池セル１０に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料電池セル１０に対向して設けられている燃料分配層３０の開口部３１からの燃料を燃料電池セル１０に導く。なお、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜１７とアノード導電層１８およびカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０が介在されており、これらによって燃料電池セル１０からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を備えた燃料電池２を示しているが、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。
【００２２】
温度検知手段８０は、例えば、カソードガス拡散層１５の表面や内部の所定位置に設けられ、カソードガス拡散層１５の温度を検知するものである。この温度検知手段８０は、例えば、最も温度が高くなる可能性のある、カソードガス拡散層１５の中心（例えば、カソードガス拡散層の外形が長方形であれば、その対角線の交点）またはその近傍のカソードガス拡散層１５の表面や内部に設置されることが好ましい。また、カソードガス拡散層１５の中心またはその近傍に対向するカソード導電層１９の表面や内部に温度検知手段８０を設置してもよい。なお、燃料電池２の外形や構成などによって、上記したカソードガス拡散層１５の中心以外に、温度が最も高くなる可能性のある位置が存在する場合には、その位置またはその近傍のカソードガス拡散層１５、またはカソードガス拡散層１５の中心またはその近傍に対向するカソード導電層１９の表面や内部に温度検知手段８０を設けるのが好ましい。なお、温度検知手段８０をカソードガス拡散層１５またはカソード導電層１９の内部に設ける場合には、例えば、貫通しない程度の孔や凹部を形成して、孔や凹部に温度検知手段８０を設置することが好ましい。
【００２３】
温度検知手段８０として、例えば、熱電対、抵抗式温度計、サーミスタ、ペルチエ素子、その他、温度によって電気的な信号を出力する素子等を用いることができる。また、温度検知手段８０からの出力は、制御手段９０に入力される。
【００２４】
保湿層６０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層６０は、水を含浸しても膨潤しない材料で構成され、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。また、保湿層６０には、１または複数の開口部６１が形成され、この開口部６１を介して、直接、カソード（空気極）１６に酸化ガスとして機能する空気を接触させることができる。なお、開口部６１は、表面カバー７０の空気導入口７１に対応する位置に形成されている。また、保湿層６０は、保湿層駆動機構５０によって移動可能に配置されている。
【００２５】
表面カバー７０は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口７１の個数や大きさ等を変更することで行われる。また、表面カバー７０は、燃料電池セル１０を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属で構成することが好ましいが、この材料に限定されるものではない。
【００２６】
保湿層駆動機構５０は、制御手段９０からの情報に基づいて、保湿層６０を移動するものである。ここで、図１および図２を参照して保湿層駆動機構５０について説明する。
【００２７】
図２に示すように、保湿層駆動機構５０は、収容部材５１と、駆動装置５２と、動力伝達部材５３とを備えている。収容部材５１は、保湿層６０を摺動可能に収容する凹部５４を有し、一方の表面が開口されている。この凹部５４の深さは、収容する保湿層６０の厚さとほぼ同じか、若干深く形成され、保湿層６０が摺動する際の摩擦抵抗を小さくしている。また、図１に示すように、収容部材５１の底面には、保湿層６０の開口部６１、すなわち表面カバー７０の空気導入口７１に対応して開口部５５が形成されている。
【００２８】
動力伝達部材５３の一端は、保湿層６０の一端面に接続され、他端は、収容部材５１の一側壁を摺動可能に貫通して駆動装置５２に接続されている。そして、駆動装置５２を駆動することで、保湿層６０は、収容部材５１内を長手方向（図２の矢印の方向）に摺動する。ここで、保湿層６０は、少なくとも保湿層６０の開口部６１の直径に相当する距離を収容部材５１内を長手方向（図２の矢印の方向）に移動可能に構成されている。すなわち、保湿層６０を移動することによって、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１を連通させることができる（図１参照）。また、保湿層６０を移動することによって、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０を介在させることができる。さらに、保湿層６０を移動することによって、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０の開口部６１の一部がかかるように移動させることもできる。
【００２９】
なお、ここでは、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１の大きさ、個数、形状を同じにした一例を示しているが、この構成に限られるものではない。例えば、保湿層６０の開口部６１を表面カバー７０の空気導入口７１よりも小さく、すなわち開口面積を小さく構成してもよい。また、保湿層６０の開口部６１の数を、表面カバー７０の空気導入口７１の数よりも少なく構成してもよく、このような構成とした場合であっても、保湿層６０を移動することによって、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１の少なくとも一部を連通させることができる。また、保湿層６０を移動することによって、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０を介在させることができる。
【００３０】
ここで、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通する状態では、外気である空気が直接、カソード（空気極）１６に接触する。一方、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０が介在する状態では、保湿層６０を介して、外気である空気がカソード（空気極）１６に接触する。
【００３１】
また、収容部材５１や動力伝達部材５３は、水蒸気を吸収したり、透過したりしない材料で、かつ所定の機械的強度を有する材料で構成されることが好ましい。具体的には、金属、合成樹脂、セラミックス等の焼成体などで構成されることが好ましい。金属を用いる場合は、水蒸気やメタノール蒸気によって腐食し難いＳＵＳ３０４などのステンレス鋼や、チタンまたはその合金を用いることが好ましい。また、金属の表面に合成樹脂を貼り付けたり、塗布したりすることによって、金属の腐食を抑制するとともに、保湿層６０が摺動する際の摩擦抵抗を低減してもよい。また、合成樹脂を用いる場合は、気化燃料によって溶解することのない、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、硬質塩化ビニル、塩素化ポリエーテル、ポリエチレンテレフタレートのような熱可塑性合成樹脂、フラン樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱硬化性合成樹脂、フッ素含有合成樹脂などを用いることが好ましい。特に、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのようなフッ素含有合成樹脂を用いることによって、水蒸気やメタノール蒸気による劣化を最小限に抑制できるとともに、摩擦抵抗を大幅に低減することができる。
【００３２】
また、駆動装置５２には、例えば、ステッピングモータ、サーボモータ、アクチュエータ、ソレノイド、形状記憶合金、バイメタルなどが用いられる。ここで、駆動装置５２として、形状記憶合金やバイメタルを用いる場合には、制御手段９０によって、例えばヒータ等の温度を制御することで、駆動量を調整する。この駆動装置５２からの動力を保湿層６０に伝える動力伝達部材５３には、例えば、ロッド、クランク、テコ、ワイヤなどが用いられる。また、動力伝達部材５３の代わりに、保湿層６０に磁石または磁性体を取り付け、収容部材５１の内部あるいは外部に設けた電磁石との間の磁力により、保湿層６０を移動するように構成してもよい。
【００３３】
一方、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０は、図１に示すように、燃料収容部４１と、燃料供給部４２と、流路４３とを主に備える。
【００３４】
燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に対応した液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に応じた液体燃料が収容される。
【００３５】
燃料供給部４２は、配管等で構成される液体燃料Ｆの流路４３を介して燃料収容部４１と接続されている。燃料供給部４２には、燃料収容部４１から流路４３を介して液体燃料Ｆが導入され、導入された液体燃料Ｆおよび／またはこの液体燃料Ｆが気化した気化成分は、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０に供給される。流路４３は、燃料供給部４２や燃料収容部４１と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部４２や燃料収容部４１とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部４２は、流路等を介して燃料収容部４１と連通されていればよい。
【００３６】
燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路４３を介して燃料供給部４２まで落下させて送液することができる。また、流路４３に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４２まで送液してもよい。さらに、図３に示すように、流路４３の一部に、ポンプ８５を介在させて、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４２まで強制的に送液してもよい。
【００３７】
このポンプ８５は、燃料収容部４１から燃料供給部４２に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セル１０に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ８５を備えた燃料電池２は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、ポンプ８５の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。上記したようにポンプ８５を設ける場合、ポンプ８５は、制御手段９０と電気的に接続され、制御手段９０によって、燃料供給部４２に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。
【００３８】
また、燃料供給部４２から燃料電池セル１０への燃料供給が行われる構成であればポンプ８５に代えて、燃料制御弁を配置する構成とすることも可能である。この燃料制御弁は、流路４３による液体燃料Fの供給を制御するために設けられるものである。また、燃料制御弁は、ポンプ８５と同様に、制御手段９０と電気的に接続され、制御手段９０によって燃料制御弁の開度等が調整され、燃料供給部４２に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。
【００３９】
燃料分配層３０は、例えば、複数の開口部３１が形成された平板で構成され、アノードガス拡散層１２と燃料供給部４２との間に挟持される。この燃料分配層３０は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。また、燃料分配層３０は、例えば、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を燃料電池セル１０側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが用いられる。
【００４０】
制御手段９０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、内蔵するタイマー、その他必要に応じて情報を保持し続ける半導体メモリ等の記憶手段から主に構成され、ＣＰＵでは、そのＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。また、制御手段９０は、温度検知手段８０、駆動装置５２の各手段との信号の出入力等を制御する。ここで、ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納されたプログラムには、温度検知手段８０で検知された温度に基づいて、駆動装置５２を駆動するプログラム等が含まれており、例えば、制御手段９０は、そのプログラムに従って駆動装置５２を制御する。
【００４１】
ここで、制御手段９０は、例えば、温度検知手段８０で検知された温度と、予め設定された上限温度とを比較し、検知された温度が予め設定された上限温度よりも高い場合には、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動する。これによって、カソード（空気極）１６が直接外気に接触して放熱が促進され、カソード（空気極）１６の温度を下げることができるとともに、カソード（空気極）１６内に水を過剰に保持している場合には、過剰な水を外部に放出することができる。一方、制御手段９０は、検知された温度が予め設定された下限温度よりも低い場合には、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０が介在するように保湿層６０を移動する。これによって、カソード（空気極）１６からの放熱が抑制され、カソード（空気極）１６の温度を上昇させることができる。
【００４２】
次に、上記した燃料電池２における作用について説明する。
【００４３】
燃料収容部４１から流路４３を介して燃料供給部４２に供給された液体燃料Ｆは、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０のアノードガス拡散層１２に供給される。アノードガス拡散層１２に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２で拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ−  …式（１）
【００４４】
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、メタノールは、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水と上記した式（１）の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
【００４５】
この反応で生成した電子（ｅ−）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード（空気極）１６に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード（空気極）１６に導かれる。カソード（空気極）１６には、表面カバー７０の空気導入口７１、保湿層６０の開口部６１（または保湿層６０）、収容部材５１の開口部５５を介して、酸化剤ガスとして空気が供給される。カソード（空気極）１６に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ−＋６Ｈ+  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
【００４６】
上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力を燃料電池２において得ることができる。
【００４７】
上記したように、第１の実施の形態の燃料電池システム１では、温度検知手段８０で検知されたカソードガス拡散層１５の温度に基づいて、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動することができる。これによって、これらの連通口を介して流入した外気が、直接、カソード（空気極）１６、特にカソードガス拡散層１５に接触するので、カソードガス拡散層１５からの放熱が促進し、カソード（空気極）１６の温度を低下させることができる。また、カソード（空気極）１６内に過剰に水を保持している場合には、過剰な水を外部に放出し、カソード（空気極）１６に保持される水量を最適化することができる。
【００４８】
また、温度検知手段８０で検知されたカソードガス拡散層１５の温度に基づいて、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０が介在するように保湿層６０を移動することができる。これによって、カソード（空気極）１６、特にカソードガス拡散層１５からの放熱を抑制することができるため、カソード（空気極）１６の温度を上昇させることができる。
【００４９】
このように、カソード（空気極）１６の温度およびカソード（空気極）１６に保持される水量を適切な範囲に維持することで、長期間に亘って安定した出力を維持することができる。
【００５０】
ここで、本発明に係る燃料電池システム１の構成は、上記した構成に限定されるものでない。例えば、図４は、本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池システム１の保湿層駆動機構５０の他の構成を示す断面図である。
【００５１】
図４に示すように、保湿層駆動機構５０を構成する収容部材５１は、底面を有しなくてもよい。すなわち、収容部材５１は、図２に示した収容部材５１の側壁のみからなる構成でもよい。これによって、保湿層駆動機構５０の厚さを薄くすることができ、燃料電池２のコンパクト化を図ることができる。なお、側壁の高さは、収容する保湿層６０の厚さとほぼ同じか、若干高く形成され、保湿層６０がカソード導電層１９と表面カバー７０との間を摺動する際の摩擦抵抗を小さくしている。
【００５２】
また、駆動装置５２の代わりに、動力伝達部材５３に使用者が人力で力を加え、保湿層６０を移動してもよい。なお、使用者が保湿層６０を移動する場合には、温度検知手段８０からの出力に基づいて制御手段９０に判定された、保湿層６０の移動するべき方向を、例えばランプ等の発光色によって使用者に知らせるようにしてもよい。
【００５３】
また、図５は、駆動装置５２の代わりに感熱素子を備えた燃料電池システム１の構成を示す断面図である。
【００５４】
図５に示すように、駆動装置５２の代わりに、保湿層駆動機構５０の収容部材５１とカソードガス拡散層１５との間の端縁側、すなわちカソード導電層１９の一方の端縁側に、感熱素子１１０を設け、この感熱素子１１０の一端と保湿層６０とを連結して、感熱素子１１０による動力を保湿層６０に伝える動力伝達部材１１１を設けてもよい。
【００５５】
感熱素子１１０は、温度に応じて形状または寸法が変化する材料で構成され、具体的には、形状記憶合金、バイメタル等で構成される。また、感熱素子１１０は、その変形方向が、保湿層駆動機構５０の収容部材５１とカソードガス拡散層１５との間において保湿層６０を摺動させる方向（図５の矢印の方向）となるように配置される。
【００５６】
形状記憶合金としては、例えばニッケルとチタンの合金や、ニッケルとチタンに、銅、コバルトなどの金属を添加した合金などを用いることができる。形状記憶合金が変形する温度（変態温度）は、合金を構成する金属の比率や、合金を熱処理する際の温度によって調整することができる。例えば、ニッケルを５５．４重量％、チタンを４４．６重量％含む合金を４８０℃で熱処理すると、変態温度は約４５℃になる。バイメタルは、熱膨張率の異なる２種類以上の物質を張り合わせたもので、温度が所定の温度以上になると低熱膨張率の物質側へ曲がる。また、感熱素子１１０を、例えば、コイル状やクランク状などの形状に構成して、感熱素子１１０自身を動力伝達部材１１１として機能させてもよい。
【００５７】
この構成において、カソードガス拡散層１５の温度が、予め設定された温度よりも低い場合、すなわち感熱素子１１０の変態温度よりも低い場合には、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０が介在するように保湿層６０は位置する。そして、カソードガス拡散層１５の温度が、予め設定された温度以上、すなわち感熱素子１１０の変態温度以上となると、感熱素子１１０は変形して、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動する。
【００５８】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明に係る第２の実施の形態の燃料電池システム１の構成を示す断面図である。なお、第１の実施の形態の燃料電池システム１と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を簡略または省略する。
【００５９】
図６に示すように、燃料電池システム１は、起電部を構成する燃料電池セル１０と、この燃料電池セル１０のアノード（燃料極）側およびカソード（空気極）側にそれぞれ設けられたアノード導電層１８、カソード導電層１９と、このアノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１を有する燃料分配層３０と、この燃料分配層３０の燃料電池セル１０側とは異なる側に配置され、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０と、カソード導電層１９に積層された保湿層６０と、この保湿層６０に積層された、複数の空気導入口７１を有する表面カバー７０とを有する燃料電池２を備える。また、燃料電池システム１は、保湿層６０を移動させる保湿層駆動機構５０と、カソード（空気極）１６のカソードガス拡散層１５の所定位置に、カソードガス拡散層１５の温度を計測する温度検知手段８０とを備える。
【００６０】
また、燃料電池システム１は、アノード導電層１８、カソード導電層１９のそれぞれに接続された、燃料電池２からの電力を出力する出力配線１００、１０１を備える。また、出力配線１００には、燃料電池２に流れる電流を検知する電流検知手段１０２が設けられている。さらに、燃料電池システム１は、出力配線１００、１０１間に、燃料電池２で発生する電圧を検知する電圧検知手段１０３を備える。また、燃料電池２は、これらの出力配線１００、１０１を介して図示しない外部負荷に接続されている。さらに、燃料電池システム１は、保湿層駆動機構５０、温度検知手段８０、電流検知手段１０２および電圧検知手段１０３と電気的に接続された制御手段９０を備える。なお、図中では、制御手段９０と各手段とを電気的に接続する配線は省略している。
【００６１】
電流検知手段１０２は、燃料電池２に流れる電流を検知するもので、出力配線１００に介在させて設けられている。電流検知手段１０２として、例えば、電子回路を使用したデジタル電流計などを用いることができる。また、電流検知手段１０２からの出力は、制御手段９０に入力される。
【００６２】
電圧検知手段１０３は、燃料電池２で発生する電圧を検知するもので、出力配線１００、１０１間に設けられている。電圧検知手段１０３として、例えば、電子回路を使用したデジタル電圧計などを用いることができる。また、電圧検知手段１０３からの出力は、制御手段９０に入力される。
【００６３】
制御手段９０は、例えば、演算装置（ＣＰＵ）、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）やランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、内蔵するタイマー、その他必要に応じて情報を保持し続ける半導体メモリ等の記憶手段から主に構成され、ＣＰＵでは、そのＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納されたプログラムやデータなどを用いて各種の演算処理を実行する。また、制御手段９０は、保湿層駆動機構５０、温度検知手段８０、電流検知手段１０２、電圧検知手段１０３の各手段との信号の出入力等を制御する。
【００６４】
ＲＯＭやＲＡＭ等の記憶手段に格納されたプログラムには、温度検知手段８０、電流検知手段１０２、電圧検知手段１０３等からの情報に基づいて、保湿層駆動機構５０を駆動するプログラム等が含まれており、例えば、制御手段９０は、そのプログラムに従って保湿層駆動機構５０を制御する。
【００６５】
ここで、表１に、制御手段９０による保湿層駆動機構５０の制御例を示す。
【００６６】
【表１】
2009016191.tif 000003
【００６７】
（１）制御手段９０は、温度検知手段８０からの情報に基づいて、検知した温度が予め設定された上限温度よりも高いと判定したときには、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動する。これによって、カソード（空気極）１６が直接外気に接触して放熱が促進され、カソード（空気極）１６の温度を下げることができるとともに、カソード（空気極）１６内に過剰に水分が保持されている場合には、過剰な水を外部に放出することができる。
【００６８】
（２）燃料電池２を流れる電流が一定に維持される場合において、制御手段９０は、温度検知手段８０および電圧検知手段１０３からの情報に基づいて、検知した温度が予め設定された上限温度以下で、かつ検知した電圧が予め設定された電圧の下限値よりも低いと判定したときには、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動する。なお、燃料電池２を流れる電流が一定に維持される場合には、電流検知手段１０２を設けなくてもよい。この場合には、カソード触媒層１４における反応によって生じる水が、燃料電池セル１０（膜電極接合体）の内部や近傍に過剰に蓄積し、そのために電圧が予め設定された電圧の下限値よりも低くなり、すなわち電力が予め設定された電力の下限値よりも低くなった状態と判断される。このように、保湿層６０を移動することによって、過剰にカソード（空気極）１６に保持されている水分を外部に放出することができる。
【００６９】
（３）燃料電池２で発生する電圧が一定に維持される場合において、制御手段９０は、温度検知手段８０および電流検知手段１０２からの情報に基づいて、検知した温度が予め設定された上限温度以下で、かつ検知した電流が予め設定された電流の下限値よりも低いと判定したときには、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動する。なお、燃料電池２で発生する電圧が一定に維持される場合には、電圧検知手段１０３を設けなくてもよい。この場合には、カソード触媒層１４における反応によって生じる水が、燃料電池セル１０（膜電極接合体）の内部や近傍に過剰に蓄積し、そのために電流が予め設定された電流の下限値よりも低くなり、すなわち電力が予め設定された電力の下限値よりも低くなった状態と判断される。このように、保湿層６０を移動することによって、過剰にカソード（空気極）１６に保持されている水分を外部に放出することができる。
【００７０】
（４）燃料電池２を流れる電流が一定に維持される場合において、制御手段９０は、温度検知手段８０および電圧検知手段１０３からの情報に基づいて、検知した温度が予め設定された上限温度以下で、かつ検知した電圧が予め設定された電圧の下限値以上であると判定したときには、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０が介在するように保湿層６０を位置させる。なお、燃料電池２を流れる電流が一定に維持される場合には、電流検知手段１０２を設けなくてもよい。この場合には、適正に燃料電池２が作動している状態と判断される。このように、保湿層６０を移動することによって、カソード（空気極）１６の温度を低下およびカソード（空気極）１６における水量を適正な状態に維持することができる。
【００７１】
（５）燃料電池２で発生する電圧が一定に維持される場合において、制御手段９０は、温度検知手段８０および電流検知手段１０２からの情報に基づいて、検知した温度が予め設定された上限温度以下で、かつ検知した電流が予め設定された電流の下限値以上であると判定したときには、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０が介在するように保湿層６０を位置させる。なお、燃料電池２で発生する電圧が一定に維持される場合には、電圧検知手段１０３を設けなくてもよい。この場合には、適正に燃料電池２が作動している状態と判断される。このように、保湿層６０を移動することによって、カソード（空気極）１６の温度を低下およびカソード（空気極）１６における水量を適正な状態に維持することができる。
【００７２】
（６）制御手段９０は、温度検知手段８０、電流検知手段１０２および電圧検知手段１０３からの情報に基づいて、検知した温度が予め設定された上限温度以下で、かつ検知した電圧と検知した電流とから算出された電力が予め設定された電力の下限値よりも低いと判定したときには、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動する。この場合には、カソード触媒層１４における反応によって生じる水が、燃料電池セル１０（膜電極接合体）の内部や近傍に過剰に蓄積し、そのために電力が予め設定された電力の下限値よりも低くなった状態と判断される。このように、保湿層６０を移動することによって、過剰にカソード（空気極）１６に保持されている水分を外部に放出することができる。
【００７３】
（７）制御手段９０は、温度検知手段８０、電流検知手段１０２および電圧検知手段１０３からの情報に基づいて、検知した温度が予め設定された上限温度以下で、かつ検知した電圧と検知した電流とから算出された電力が予め設定された電力の下限値以上であると判定したときには、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０が介在するように保湿層６０を位置させる。この場合には、適正に燃料電池２が作動している状態と判断される。このように、保湿層６０を移動することによって、カソード（空気極）１６の温度を低下およびカソード（空気極）１６における水量を適正な状態に維持することができる。
【００７４】
また、上記した表１に示された制御例以外にも、例えば次のように制御してもよい。
（８）燃料電池２の面積１ｃｍ２当りに流れる電流値が所定値（２０ｍＡ）以下（０を含む）に一定に維持される場合において、制御手段９０は、電圧検知手段１０３からの情報に基づいて、検知した電圧が予め設定された電圧値よりも低いと判定したときには、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動する。この場合には、カソード触媒層１４における反応によって生じる水が、燃料電池セル１０（膜電極接合体）の内部や近傍に過剰に蓄積し、そのために電力が予め設定された電力の下限値よりも低くなった状態と判断される。このように、保湿層６０を移動することによって、過剰にカソード（空気極）１６に保持されている水分を外部に放出することができる。
【００７５】
なお、上記した制御例において、例えば、燃料電池２を流れる電流が遮断されたときには、カソード（空気極）１６における熱を放熱し、水量を適量に維持するために、制御手段９０は、駆動装置５２を制御して、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動することが好ましい。
【００７６】
ここで、上記した制御例の（８）において、燃料電池２の面積１ｃｍ２当りに流れる電流値が所定値（２０ｍＡ）以下（０を含む）の状態で、カソード（空気極）１６中に保持されている水量の適否を判定することが好適である理由について説明する。
【００７７】
カソード（空気極）１６中に水が必要以上に保持されたことを判定する方法として、発明者らは、研究の結果、燃料電池セル１０に流れる電流を遮断、もしくは通常発電時よりも小さな電流値（面積１ｃｍ２当りに流れる電流を２０ｍＡ以下）に制御した場合に、燃料電池セル１０に発生する電圧を測定することにより、カソード（空気極）１６中に保持されている水量の適否を簡便かつ確実に判定できることを見出した。
【００７８】
図７は、燃料電池セル（膜電極接合体）の面積１ｃｍ２当りに流れる電流と、その際に燃料電池セルで発生する電圧との関係を示した図である。図７には、（Ａ）カソード（空気極）１６中に保持される水の量が最適な場合、（Ｂ）カソード（空気極）１６中に保持される水の量は最適であるが、他の原因によって通常の発電時の電圧値において電流値が減少した場合、（Ｃ）カソード（空気極）１６中に保持される水の量が過剰で不適な場合について、上記した電流と電圧の関係を示している。
【００７９】
図７に示すように、（Ｃ）の場合、すなわちカソード中に保持される水の量が過剰で不適な場合における電流に対する電圧の変化曲線は、（Ａ）の場合、すなわちカソード中に保持される水の量が最適な場合における電流に対する電圧の変化曲線を、電圧が減少する方向に平行移動した状態に近い形状を示している。また、（Ｃ）の場合には、（Ａ）の場合よりも、通常発電時の電圧値（通常発電時には電圧が一定になるように制御されている場合）における電流値は減少する。しかしながら、（Ｃ）の場合には、（Ｂ）の場合、すなわちカソード中に保持される水の量は最適であるが、他の原因によって通常の発電時の電圧値において電流値が減少した場合と、通常発電時の電圧値における電流値が同程度となるため、この通常の発電時の電圧値における電流値から、（Ｂ）の場合であるか、（Ｃ）の場合であるかを判定することはできない。
【００８０】
これに対して、電流を遮断あるいは２０ｍＡ以下の条件では、（Ｂ）の場合における電圧値と、（Ｃ）の場合における電圧値との差が大きくなる。そこで、この電流を遮断あるいは２０ｍＡ以下としたときの、（Ｃ）の場合における電圧値を境界値とし、この境界値よりも電圧値が小さくなる場合には、カソード中に保持される水の量が過剰で不適であると判定することができる。
【００８１】
なお、カソード中に保持されている水量の適否を判定することがさらに好ましい燃料電池セル（膜電極接合体）の面積１ｃｍ２当りに流れる電流は、（Ｂ）の場合における電圧値と（Ｃ）の場合における電圧値との差がさらに大きくなる１０ｍＡ以下である。
【００８２】
また、電流を遮断あるいは２０ｍＡ以下の条件に設定した直後は、燃料電池セルで発生する電圧は上昇し、その後徐々に減少して所定値となる。したがって、電流の制御後すぐに所定の電圧値とはならないので、電圧値の評価は、電流の制御後所定の時間をおいてすることが好ましい。一方、電流を遮断あるいは２０ｍＡ以下の条件に制御している間は、燃料電池の出力の値が「０」もしくは通常発電時よりも小さな値となるため、燃料電池を他の機器の電源として用いる場合には、電流を制御する時間は短いほど好ましい。そこで、電圧値がほぼ安定し、かつ電源としての機能の低下を最小限とすることを考慮して、電圧値の評価は、電流の制御後、１秒以上１０分以下の範囲で行うことが好ましい。さらに好ましいのは、１分以上５分以下である。
【００８３】
上記したように、第２の実施の形態の燃料電池システム１では、温度検知手段８０、電流検知手段１０２、電圧検知手段１０３からの検知情報に基づいて、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように保湿層６０を移動することができる。これによって、これらの連通口を介して流入した外気が、直接、カソード（空気極）１６、特にカソードガス拡散層１５に接触するので、カソードガス拡散層１５からの放熱が促進し、カソード（空気極）１６の温度を低下させることができる。また、カソード（空気極）１６内に過剰に水を保持する場合には、過剰な水を外部に放出し、カソード（空気極）１６に保持される水量を最適化することができる。
【００８４】
また、温度検知手段８０、電流検知手段１０２、電圧検知手段１０３からの検知情報に基づいて、収容部材５１の開口部５５と表面カバー７０の空気導入口７１との間に保湿層６０が介在するように保湿層６０を移動することができる。これによって、カソード（空気極）１６、特にカソードガス拡散層１５からの放熱を抑制することができるため、カソード（空気極）１６の温度を上昇させることができる。
【００８５】
このように、カソード（空気極）１６の温度およびカソード（空気極）１６に保持される水量を適切な範囲に維持することで、長期間に亘って安定した出力を維持することができる。
【００８６】
なお、第２の実施の形態の燃料電池システム１では、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路４３を介して燃料供給部４２まで落下させて送液する構成を例示して説明したが、流路４３に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４２まで送液してもよい。また、図２に示した燃料電池２と同様に、流路４３の一部に、ポンプを介在させて、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４２まで強制的に送液してもよい。さらに、また、燃料供給部４２から燃料電池セル１０への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて、燃料制御弁を配置する構成としてもよい。また、ポンプや燃料制御弁は、制御手段９０と電気的に接続され、制御手段９０によって制御され、燃料供給部４２に供給される液体燃料Fの供給量が制御される。
【００８７】
次に、本発明に係る燃料電池システムが優れた出力特性を有することを実施例１〜実施例３、比較例１に基づいて説明する。
【００８８】
（実施例１）
実施例１で使用した燃料電池システムは、図１に示した燃料電池システム１と同一の構成を備えるものであるので、図１を参照して説明する。
【００８９】
まず、燃料電池セル１０の作製方法について説明する。
【００９０】
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【００９１】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１４を得た。なお、アノードガス拡散層１２と、カソードガス拡散層１５とは、同形同大であり、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１およびカソード触媒層１４も同形同大である。
【００９２】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：nafion膜、デュポン社製）を配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態でホットプレスを施すことにより、燃料電池セル１０を得た。
【００９３】
続いて、この燃料電池セル１０を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を形成した。なお、電解質膜１７とアノード導電層１８との間、電解質膜１７とカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０を挟持してシールを施した。
【００９４】
保湿層駆動機構５０の収容部材５１として厚さが１ｍｍのポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）製の板を用い、この板に、アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５と同形同大で、深さが５５０μｍの凹部５４を形成した。すなわち、深さが５５０μｍ、長手方向の長さが４０ｍｍ、短手方向の長さが３０ｍｍの凹部５４を形成した。また、凹部５４の底面に、８ｍｍ×１．２５ｍｍの長方形の開口部５５を、均等に１．７５ｍｍずつの間隔をあけて３９個（長手方向に１３個の開口部を短手方向に３列）形成した。ここで、開口部５５は、保湿層６０の移動方向が短辺（１．２５ｍｍ）となるように形成した。
【００９５】
また、収容部材５１に収容される保湿層６０として、厚さが５００μｍ、長さ（長手方向の長さ）が３８．５ｍｍ、幅（短手方向の長さ）が２９．８ｍｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が４０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。また、保湿層６０に、収容部材５１の開口部５５に対応させて、８ｍｍ×１．２５ｍｍの長方形の開口部５５を、均等に１．７５ｍｍずつの間隔をあけて３９個（長手方向に１３個の開口部を短手方向に３列）形成した。また、動力伝達部材５３として、丸棒状のロッドを用い、その一端を保湿層６０の一端面に結合し、他端を駆動装置５２に結合した。また、駆動装置５２としてサーボモータを用い、外部から電源を供給した。
【００９６】
これによって、収容部材５１における凹部５４の長手方向の長さである４０ｍｍと、保湿層６０の長手方向の長さである３８．５ｍｍとの差１．５ｍｍを、保湿層６０が摺動可能な範囲（ストローク範囲）とし、収容部材５１における凹部５４の短手方向の長さである３０ｍｍと、保湿層６０の短手方向の寸法である２９．８ｍｍとの差０．２ｍｍを、保湿層６０が摺動する際の摩擦を低減するための余裕寸法とした。
【００９７】
この保湿層６０の上に、保湿層６０の開口部６１に対応させて、均等に１．７５ｍｍずつの間隔をあけて８ｍｍ×１．２５ｍｍの長方形の空気取り入れのための３９個の空気導入口７１が形成された厚さが１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー７０とした。
【００９８】
また、カソードガス拡散層１５の表面に温度検知手段８０として熱電対を設置した。そして、温度検知手段８０、駆動装置５２を制御手段９０と電気的に接続し、制御手段９０によって制御した。
【００９９】
そして、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記した燃料電池２に、純度９９.９重量％の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池２の出力電圧が０．３Ｖで一定になるように、燃料電池２に流れる電流を制御した。また、予め設定されたカソードガス拡散層１５の温度の上限温度を４５℃とし、制御手段９０は、この温度と、温度検知手段８０によって検知された温度とを比較することで、駆動装置５２を制御した。
【０１００】
上記した条件の下、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０を計測した。そして、出力密度Ｐ１の、出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出した。ここで、燃料電池２の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池２に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））に燃料電池２の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。
【０１０１】
測定の結果、カソードガス拡散層１５の最高温度は４８℃であった。すなわち、この温度は、予め設定されたカソードガス拡散層１５の上限温度を超えているため、保湿層６０は、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように移動された状態であった。また、上記算出した出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．７８（７８％）であった。
【０１０２】
（実施例２）
実施例２で使用した燃料電池システムは、図６に示した燃料電池システム１と同一の構成を備えるものであるので、図６を参照して説明する。なお、実施例２では、上記した実施例１で説明した燃料電池２と同じ作製方法で作製された燃料電池を使用した。すなわち、実施例２では、図１に示した燃料電池システム１に、燃料電池２に流れる電流を検知する電流検知手段１０２、燃料電池２で発生する電圧を検知する電圧検知手段１０３を備えた燃料電池システムを使用した。
【０１０３】
また、予め設定された電力値を発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の０．７５倍とし、それ以外の、例えば、予め設定されたカソードガス拡散層１５の上限温度等の設定値については、実施例１で使用された燃料電池システムと同様とした。また、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じとした。
【０１０４】
測定の結果、カソードガス拡散層１５の最高温度は４７℃であり、この際の燃料電池２における、電圧値と電流値とから算出された電力値は発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の０．９５倍であった。すなわち、この温度および電力値では、予め設定されたカソードガス拡散層１５の上限温度を超え、かつ予め設定された電力の下限値以上であるため、保湿層６０は、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように移動された状態であった。また、上記算出した出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．８３（８３％）であった。
【０１０５】
（実施例３）
実施例３で使用した燃料電池システムは、図５に示した燃料電池システム１と同一の構成を備えるものであるので、図５を参照して説明する。なお、実施例３では、実施例３で使用した燃料電池２の駆動装置５２の代わりに、保湿層駆動機構５０の収容部材５１とカソードガス拡散層１５との間の端縁側、すなわちカソード導電層１９の一方の端縁側に、感熱素子１１０を設けた。また、この感熱素子１１０の一端と保湿層６０とを動力伝達部材１１１によって連結し、感熱素子１１０による動力を動力伝達部材１１１によって保湿層６０に伝えて保湿層６０を移動する構成とした。また、ここでは、カソードガス拡散層１５の表面に熱電対を設置し、カソードガス拡散層１５の温度を計測した。
【０１０６】
感熱素子１１０として、ニッケルとチタンの合金からなる形状記憶合金を用いた。この合金の変態温度は、４５℃であり、この温度を予め設定されたカソードガス拡散層１５の上限温度とした。また、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じである。
【０１０７】
測定の結果、カソードガス拡散層１５の最高温度は５０℃であった。すなわち、この温度は、予め設定されたカソードガス拡散層１５の上限温度を超えているため、保湿層６０は、収容部材５１の開口部５５、保湿層６０の開口部６１および表面カバー７０の空気導入口７１が連通するように移動された状態であった。また、上記算出した出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．７８（７８％）であった。
【０１０８】
（比較例１）
比較例１では、実施例１で使用した燃料電池システムにおいて保湿層駆動機構５０を有さない燃料電池システムを使用した。すなわち、比較例１では、表面カバー７０と同形同大の保湿層がカソード導電層１９の上に直接積層された状態で固定された燃料電池を使用した。この保湿層として、厚さが５００μｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が４０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを用いた。なお、保湿層は、開口部を有さず、カソード（空気極）１６に外気から供給される空気は、常にこの保湿層を透過して供給される。それ以外の構成は、実施例１で使用した燃料電池２の構成と同じとした。
【０１０９】
また、１０００時間発電を行った後の燃料電池２の出力密度Ｐ１および発電を開始したときの燃料電池２の出力密度Ｐ０の計測方法および計測条件は、実施例１における計測方法および計測条件と同じとした。
【０１１０】
測定の結果、カソードガス拡散層１５の最高温度は５７℃であった。また、上記算出した出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．６（６０％）であった。
【０１１１】
（実施例１〜実施例３、比較例１のまとめ）
表２に、実施例１〜実施例３、比較例１における、予め設定されたカソードガス拡散層１５の上限温度、カソードガス拡散層１５の最高温度、および出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を示す。
【０１１２】
【表２】
2009016191.tif 000004
【０１１３】
表２に示すように、カソードガス拡散層１５の最高温度は、実施例１〜実施例３における燃料電池システムの方が、比較例１における燃料電池システムよりも低くなることがわかった。また、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、実施例１〜実施例３における燃料電池システムの方が、比較例１における燃料電池システムよりも高い値を示すことがわかった。特に、実施例２における燃料電池システムでは、カソードガス拡散層１５の最高温度が最も低く、出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）が最も高くなることがわかった。また、実施例３における燃料電池システムでは、電気的なセンサや制御手段が不要であり、安価でかつ容易に、高性能の燃料電池システムを構成することが可能であることがわかった。
【０１１４】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、燃料電池セルに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、すべてが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す断面図。
【図２】保湿層駆動機構の構成を示す斜視図。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池においてポンプを備えた場合の燃料電池システムの構成を示す断面図。
【図４】本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池システムの保湿層駆動機構の他の構成を示す断面図。
【図５】駆動装置の代わりに感熱素子を備えた燃料電池システムの構成を示す断面図。
【図６】本発明に係る第２の実施の形態の燃料電池システムの構成を示す断面図。
【図７】燃料電池セル（膜電極接合体）の面積１ｃｍ２当りに流れる電流と、その際に燃料電池セルで発生する電圧との関係を示した図。
【符号の説明】
【０１１６】
１…燃料電池システム、１０…燃料電池セル、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極）、１７…電解質膜、１８…アノード導電層、１９…カソード導電層、２０…Ｏリング、３０…燃料分配層、３１…開口部、４０…燃料供給機構、４１…燃料収容部、４２…燃料供給部、４３…流路、５０…保湿層駆動機構、５１…収容部材、５２…駆動装置、５３…動力伝達部材、５４…凹部、５５、６１…開口部、６０…保湿層、７０…表面カバー、７１…空気導入口、８０…温度検知手段、９０…制御手段。
【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】
2009016191.tif 000009
【図６】
2009016191.tif 000010
【図７】
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