以下、本発明を実施するための形態につ� ��て、図面を参照して説明する。図1は本発明 の第1の実施形態による燃料電池の構成を示� �断面図である。図1に示す燃料電池1は、起電 部を構成する燃料電池セル2と、この燃料電� �セル2に燃料を供給する燃料分配機構3と、液 体燃料を収容する燃料収容部4と、これら燃� �分配機構3と燃料収容部4とを接続する流路5� �から主として構成されている。

 燃料電池セル2は、アノード触媒層11とア� ��ードガス拡散層12とを有するアノード(燃料� ��)13と、カソード触媒層14とカソードガス拡� �層15とを有するカソード(空気極/酸化剤極)16� ��、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)伝導性の電� ��質膜17とから構成される膜電極接合体(Membran e Electrode Assembly:MEA)を有している。

 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にはメタノールや一酸化炭素等に対して� ��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にはPtやPt-Ni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。

 電解質膜17を構成するプロトン伝導性材� �としては、例えばスルホン酸基を有するパ� �フルオロスルホン酸重合体のようなフッ素� �樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)や� �レミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホ� �酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材� �、あるいはタングステン酸やリンタングス� �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。

 アノード触媒層11に積層されるアノード� �ス拡散層12は、アノード触媒層11に燃料を均� ��に供給する役割を果たすと同時に、アノー� ��触媒層11の集電体も兼ねている。カソード� �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� �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。アノードガス拡散層12� ��よびカソードガス拡散層15は、例えばカー� �ンペーパーのような導電性を有する多孔質� �材で構成されている。

 アノードガス拡散層12やカソードガス拡� �層15には、必要に応じて導電層が積層される 。これら導電層としては、例えばAuのような� ��電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜� ��薄膜等が用いられる。電解質膜17と燃料分� �機構3およびカバープレート18との間には、� �れぞれゴム製のOリング19が介在されており� �これらによって燃料電池セル(MEA)2からの燃� �漏れや酸化剤漏れを防止している。

 図示を省略したが、カバープレート18は� �化剤である空気を取入れるための開口を有� �ている。カバープレート18とカソード16との� ��には、必要に応じて保湿層や表面層が配置� ��れる。保湿層はカソード触媒層14で生成さ� �た水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制� �ると共に、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。表面層は空気の 取入れ量を調整するものであり、空気の取入 れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複 数の空気導入口を有している。

 燃料収容部4には、燃料電池セル2に対応� �た液体燃料が収容されている。液体燃料と� �ては、各種濃度のメタノール水溶液や純メ� �ノール等のメタノール燃料が挙げられる。� �体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られ� �ものではない。液体燃料は、例えばエタノ� �ル水溶液や純エタノール等のエタノール燃� �、プロパノール水溶液や純プロパノール等� �プロパノール燃料、グリコール水溶液や純� �リコール等のグリコール燃料、ジメチルエ� �テル、ギ酸、その他の液体燃料であっても� �い。いずれにしても、燃料収容部4には燃料� ��池セル2に応じた液体燃料が収容される。

 燃料電池セル2のアノード(燃料極)13側に� �、燃料分配機構3が配置されている。燃料分� ��機構3は配管のような液体燃料の流路5を介� �て燃料収容部4と接続されている。燃料分配� ��構3には燃料収容部4から流路5を介して液体� ��料が導入される。流路5は燃料分配機構3や� �料収容部4と独立した配管に限られるもので� ��ない。例えば、燃料分配機構3と燃料収容部 4とを積層して一体化する場合、これらを繋� �液体燃料の流路であってもよい。燃料分配� �構3は流路5を介して燃料収容部4と接続され� �いればよい。

 燃料分配機構3は図2に示すように、液体� �料が流路5を介して流入する少なくとも1個の 燃料注入口21と、液体燃料やその気化成分を� ��出する複数個の燃料排出口22とを有する燃� �分配板23を備えている。燃料分配板23の内部� ��は図1に示すように、燃料注入口21から導か� ��た液体燃料の通路となる空隙部24が設けら� �ている。複数の燃料排出口22は燃料通路とし て機能する空隙部24にそれぞれ直接接続され� ��いる。

 燃料注入口21から燃料分配機構3に導入さ� ��た液体燃料は空隙部24に入り、この燃料通� �として機能する空隙部24を介して複数の燃料 排出口22にそれぞれ導かれる。複数の燃料排� ��口22には、例えば液体燃料の気化成分のみ� �透過し、液体成分は透過させない気液分離� �(図示せず)を配置してもよい。これによって 、燃料電池セル2のアノード(燃料極)13には液� ��燃料の気化成分が供給される。なお、気液� ��離体は燃料分配機構3とアノード13との間に� ��液分離膜等として設置してもよい。液体燃� ��の気化成分は複数の燃料排出口22からアノ� �ド13の複数個所に向けて排出される。

 燃料排出口22は燃料電池セル2の全体に燃料� ��供給することが可能なように、燃料分配板2 3のアノード13と接する面に複数設けられてい る。燃料排出口22の個数は2個以上であればよ いが、燃料電池セル2の面内における燃料供� �量を均一化する上で、0.1~10個/cm ² の燃料排出口22が存在するように形成するこ� ��が好ましい。燃料排出口22の個数が0.1個/cm ² 未満であると、燃料電池セル2に対する燃料� �給量を十分に均一化することができない。� �料排出口22の個数を10個/cm ² を超えて形成しても、それ以上の効果が得ら れない。

 燃料分配機構3から放出された燃料は、上述 したように燃料電池セル2のアノード(燃料極) 13に供給される。燃料電池セル2内において、 燃料はアノードガス拡散層12を拡散してアノ� ��ド触媒層11に供給される。液体燃料として� �タノール燃料を用いた場合、アノード触媒� �11で下記の(1)式に示すメタノールの内部改質 反応が生じる。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、カソード 触媒層14で生成した水や電解質膜17中の水を� �タノールと反応させて(1)式の内部改質反応� �生起させる。あるいは、水を必要としない� �の反応機構により内部改質反応を生じさせ� �。
  CH ₃ OH+H ₂ O → CO ₂ +6H ⁺ +6e ^-  …(1)

 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� �電気として携帯用電子機器等を動作させた� �に、カソード(空気極)16に導かれる。また、( 1)式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16に導かれる。� ��ソード16には酸化剤として空気が供給され� �。カソード16に到達した電子(e ^- )とプロトン(H ⁺ )は、カソード触媒層14で空気中の酸素と下記 の(2)式にしたがって反応し、この反応に伴っ て水が生成する。
  6e ^- +6H ⁺ +(3/2)O ₂  → 3H ₂ O …(2)

 上述した燃料電池2の発電反応において、 発電する電力を増大させるためには触媒反応 を円滑に行わせると共に、燃料電池セル2の� �極全体をより有効に発電に寄与させること� �重要となる。このような点に対して、燃料� �池セル2に対して燃料を供給する燃料排出口� ��1箇所の場合には、燃料排出口近傍の燃料濃 度は発電に十分な濃度となるものの、燃料排 出口から離れるにつれて燃料濃度が急速に低 下する。このため、燃料電池全体で見た場合 の平均出力は、燃料の供給が少ない部分の影 響を受けて低い値に留まってしまう。

 燃料濃度を高めるための手段としては、� ��体燃料の供給量を増加させることが考えら� ��る。しかし、単に液体燃料の供給量を増加� ��せた場合、燃料排出口近傍の燃料濃度が上� ��りすぎて、燃料が反応することなく空気極� ��流れてしまう現象(いわゆるクロスオーバー と呼ばれている現象)が発生する。クロスオ� �バーは燃費の低下、空気極での燃料の直接� �応に伴う電圧低下、それによる出力低下等� �原因となる。さらに、従来の燃料電池にお� �ては循環ポンプで燃料を循環させることも� �われているが、この場合には燃料を貯蔵す� �リザーバータンクや濃度調整機構等が必要� �なるために装置の大型化が避けられない。

 この実施形態の燃料電池1においては、上 述したように複数の燃料排出口22を有する燃� ��分配機構3を適用している。燃料分配機構3� �導入された液体燃料は空隙部24を介して複数 の燃料排出口22に導かれる。燃料分配機構3の 空隙部24はバッファとして機能するため、複� ��の燃料排出口22からそれぞれ規定濃度の燃� �が排出される。そして、複数の燃料排出口22 は燃料電池セル2の全面に燃料が供給される� �うに配置されているため、燃料電池セル2に� ��する燃料供給量を均一化することができる� ��

 すなわち、アノード(燃料極)13の面内にお ける燃料の分布が平準化され、燃料電池セル 2での発電反応に必要とされる燃料を全体的� �過不足なく供給することができる。従って� �燃料電池1の大型化や複雑化等を招くことな� ��、燃料電池セル2で効率的に発電反応を生起 させることができる。これによって、燃料電 池1の出力を向上させることが可能となる。� �い換えると、燃料を循環させない燃料電池1� ��利点を損なうことなく、出力やその安定性� ��高めることができる。

 第1の実施形態の具体例(実施例1)として、5mm メッシュで燃料排出口22を形成した燃料分配� ��構3を有する燃料電池1を作製した。MEA2の形� ��は40×80mmとし、また液体燃料としては90%濃� �のメタノールを使用した。実施例1の燃料電� ��では、平均20mW/cm ² の出力が得られた。一方、燃料排出口をMEAの 中心部に1箇所だけとする以外は、実施例1と� ��一構成の燃料電池(比較例1)を作製した。比� ��例1の燃料電池では、平均5mW/cm ² の出力しか得られなかった。

 この現象を解明するために、サーモビュ� ��ワで空気極面の温度分布を調べた。その結� ��、比較例1では燃料排出口近傍の温度は55~60� ��となり、十分な発電が行われているものの� ��周辺部では30℃と室温(25℃)と比較して発熱� ��非常に少なくなっている。温度は発電に伴� ��て発生する熱に起因する。このため、温度� ��低いということはその部分では発電が進ん� ��いないことを意味する。比較例1では燃料排 出口近傍でこそ発電がなされているものの、 周辺部では発電が進んでいないことが示唆さ れる。燃料分配機構3を設けた実施例1では全� ��に温度が45~50℃になっており、MEA全体が発� �に寄与し、その結果として平均発電出力が� �くなったものと推定される。

 実施例1で用いた燃料分配機構3はその内� �に設けられた空隙部24から燃料を複数の燃料 排出口22に分配している。このため、厳密に� ��燃料注入口21に近い側の温度が若干高く、� �に行くに従って温度が低下する現象が観察� �れる。また、燃料電池1を傾斜させた場合に� ��重力の影響等から傾斜方向によって温度分� ��が変化し、下側の部分の反応が高くなる傾� ��が観察される。実用上はこれでも十分な性� ��を得ることができるが、さらに出力を改善� ��るためには、図3および図4に示すように、� �料注入口21と複数の燃料排出口22とを細管25� �接続した燃料分配機構3を用いることが好ま� ��い。

 図3および図4に示す燃料分配機構3は、液� ��燃料が流入する少なくとも1個の燃料注入口 21と、液体燃料もしくはその気化成分を排出� ��る複数個の燃料排出口22とを有する燃料分� �板23Aを備えている。燃料分配板23Aの内部に� �、液体燃料の通路として機能する細管25が形 成されている。細管25の一端(始端部)には燃� �注入口21が設けられている。細管25は途中で� ��数に分岐しており、これら分岐した細管25� �各終端部に燃料排出口22がそれぞれ設けられ ている。細管25は例えば内径が0.05~5mmの貫通� �であることが好ましい。燃料排出口22の断面 積(開口面積)はそれらの合計が燃料分配板23A� ��面積の5%以下となるように設定することが� �ましい。

 燃料注入口21から燃料分配板23Aに導入さ� �た液体燃料は、複数に分岐した細管25を介し て複数の燃料排出口22にそれぞれ導かれる。� ��3および図4に示す燃料分配機構3(燃料分配板 23A)は、その内部の燃料通路として細管25を用 いる以外は図1に示した燃料分配機構3と同様� ��構成を有している。このような構造の燃料� ��配機構3を使用することによって、燃料注入 口21から燃料分配機構3内に注入された液体燃 料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排 出口22に均等に分配することができる。従っ� ��、燃料電池セル2の面内における発電反応の 均一性を一層高めることが可能となる。

 さらに、細管25で燃料注入口21と複数の燃 料排出口22とを接続した構造によれば、燃料� ��池1の特定箇所により多くの燃料を供給する ような設計が可能となる。例えば、装置装着 上の都合から燃料電池1の半分の放熱がよく� �ってしまうような場合、従来では温度分布� �生じてしまい、平均出力の低下が避けられ� �かった。これに対して、細管25の形成パター ンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料排出 口22を密に配置することによって、その部分� ��の発電に伴う発熱を多くすることができる� ��これによって、面内の発電度合いを均一化� ��ることができ、出力低下を抑制することが� ��能となる。

 燃料分配板23Aの内部に設けられた細管25� �上述したように分岐部を有し、燃料注入口21 から複数の燃料排出口22に向けて分岐部で順� ��分岐されている。細管25の分岐部は圧力損� �を抑制するように、分岐後の細管断面積が� �岐前の細管断面積以下となるように設定す� �ことが好ましい。図5ないし図7に示す細管25� ��、燃料注入口21に接続された細管25Aを第1の� ��岐部26aで4つの細管25B1、25B2、25B3、25B4に分� �させ、さらに分岐後の細管25Bを第2の分岐部2 6bで4つの細管25C1、25C2、25C3、25C4にそれぞれ� �岐させ、各細管25C1、25C2、25C3、25C4の終端部� ��それぞれ燃料排出口22を設けている。

 図5ないし図7に示す分岐構造を適用した� �合、第1の分岐部26aの分岐前の細管25Aの断面� ��をAとし、分岐後の各細管25B1、25B2、25B3、25B 4の断面積をB1、B2、B3、B4、これらの合計断面 積をB(=B1+B2+B3+B4)としたとき、第1の分岐部26A� �A≧Bを満足するように各細管25の断面積を設� ��することが好ましい。同様に、第2の分岐部 26bは分岐前の細管25Bの断面積Bに対し、分岐� �の各細管25C1、25C2、25C3、25C4の合計断面積C(=C 1+C+C3+C4)がB≧Cを満足するように各細管25の断� ��積を設定することが好ましい。

 上述したように、分岐部26における分岐� �の細管25の合計断面積を、分岐前の細管25の� ��面積と同等もしくはそれより小さくするこ� ��によって、分岐部26における圧力損失を低� �することができる。このような分岐条件は� �管25の分岐回数に限らず、各分岐部26に対し� ��適用することが好ましい。分岐部26での圧� �損失を低減することによって、複数の燃料� �出口22からの燃料排出量をより均一化するこ とができる。さらに、燃料排出口22の断面積( 開口面積)はそれに接続された細管25の断面積 と同等もしくはそれより大きいことが好まし い。これらによって、燃料電池セル2の面内� �おける発電反応の均一性をより一層高める� �とが可能となる。

 第1の実施形態の実施例2として、図3および� ��4に示した燃料分配機構3を適用した燃料電� �1を作製した。内径が約0.1mmの細管25を有する 燃料分配機構3を使用する以外は、実施例1と� ��一構成とした。実施例2の燃料電池では、平 均23mW/cm ² の出力が得られ、温度分布も位置や方向に依 存しないことが観察された。このように、燃 料分配機構3内の燃料通路を複数に分岐した� �管25とすることによって、燃料供給量をさら に均一化することができ、これにより出力の 向上を図ることが可能となる。

 燃料分配機構3とアノード(燃料極)13との� �には、図8に示すように多孔体27を挿入する� �とが有効である。多孔体27の構成材料として は各種樹脂が使用され、多孔質樹脂シート(� �泡ポリエチレンシートや発泡ポリウレタン� �ート等)、樹脂不織布、樹脂織布等が多孔体2 6として用いられる。多孔体27を配置すること で、燃料極13に対する燃料供給量をより一層� ��均化することができる。燃料分配機構3の燃 料排出口22から噴出した液体燃料は一旦多孔� ��27に吸収され、多孔体27の内部で面内方向に 拡散する。この後、多孔体27から燃料極13に� �料が供給されるため、燃料供給量をより一� �平均化することが可能となる。多孔体27は複 数の多孔膜を積層して配置してもよい。

 第1の実施形態の実施例3として、図8に示し� ��多孔体27を適用した燃料電池1を作製した。� ��孔体27としては厚さ1mmのポリエチレン製多� �体を使用した。多孔体27を配置する以外は、 実施例2と同一構成とした。実施例3の燃料電� ��に90%濃度のメチタノールを供給したところ� ��平均出力が実施例2よりさらに2mW/cm ² 高い25mW/cm ² まで上昇した。また、同時に行ったサーモビ ューワによる温度観察によれば、温度分布が 48~50℃と実施例1よりさらに平均化が進んでい ることが確認された。

 上述した第1の実施形態において、液体燃 料を燃料収容部4から燃料分配機構3まで送る� ��構は特に限定されるものではない。例えば� ��使用時の設置場所が固定される場合には、� ��力を利用して液体燃料を燃料収容部4から燃 料分配機構3まで落下させて送液することが� �きる。また、多孔体等を充填した流路5を用� ��ることによって、毛細管現象で燃料収容部4 から燃料分配機構3まで送液することができ� �。さらに、燃料収容部4から燃料分配機構3へ の送液はポンプで実施してもよい。

 次に、本発明の第2の実施形態として燃料 収容部4と燃料分配機構3との間にポンプを挿� ��した燃料電池について、図9ないし図18を参� ��して説明する。図9に示す燃料電池30は、図8 に示す燃料電池1の流路5の途中にポンプ31を� �入したものであり、それ以外の構成は図8に� ��す燃料電池1と同様とされている。すなわち 、ポンプ31は燃料を循環させる循環ポンプで� ��なく、あくまでも燃料収容部4から燃料分配 機構3に液体燃料を送液する燃料供給ポンプ� �ある。このようなポンプ31で必要時に液体燃 料を送液することによって、燃料供給量の制 御性を高めることができる。

 図9に示す燃料電池30において、燃料分配� ��構3から燃料電池セル2に供給された燃料は� �電反応に使用され、その後に循環して燃料� �容部4に戻されることはない。図9に示す燃料 電池30は燃料を循環しないことから、従来の� ��クティブ方式とは異なるものであり、装置� ��小型化等を損なうものではない。また、液� ��燃料の供給にポンプ31を使用しており、従� �の内部気化型のような純パッシブ方式とも� �なる。図9に示す燃料電池30は、例えばセミ� �ッシブ型と呼称される方式を適用したもの� �ある。

 ポンプ31の種類は特に限定されるもので� �ないが、少量の液体燃料を制御性よく送液� �ることができ、さらに小型軽量化が可能と� �う観点から、ロータリーベーンポンプ、電� �浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しご� �ポンプ等を使用することが好ましい。ロー� �リーベーンポンプはモータで羽を回転させ� �送液するものである。電気浸透流ポンプは� �気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔� �を用いたものである。ダイアフラムポンプ� �電磁石や圧電セラミックスによりダイアフ� �ムを駆動して送液するものである。しごき� �ンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧� �し、燃料をしごき送るものである。これら� �うち、駆動電力や大きさ等の観点から、電� �浸透流ポンプや圧電セラミックスを有する� �イアフラムポンプを使用することがより好� �しい。

 ポンプ31の送液能力は燃料電池1の主たる� ��象物が小型電子機器であることから、10μL/� ��~1mL/分の範囲であることが好ましい。送液� �力が1mL/分を超えると一度に送液される液体� ��料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占� ��るポンプ31の停止時間が長くなる。このた� �、燃料電池セル(MEA)2への燃料の供給量の変� �が大きくなり、その結果として出力の変動� �大きくなる。これを防止するためのリザー� �をポンプ31と燃料分配機構3との間に設けて� �よいが、そのような構成を適用しても燃料� �給量の変動を十分に抑制することはできず� �さらに装置サイズの大型化等を招いてしま� �。

 一方、ポンプ31の送液能力が10μL/分未満� �あると、装置立ち上げ時のように燃料の消� �量が増える際に供給能力不足を招くおそれ� �ある。これによって、燃料電池30の起動特性 等が低下する。このような点から、10μL/分~1m L/分の範囲の送液能力を有するポンプ31を使� �することが好ましい。ポンプ31の送液能力は 10~200μL/分の範囲であることがより好ましい� �このような送液量を安定して実現する上で� �、ポンプ31には電気浸透流ポンプやダイアフ ラムポンプを適用することが好ましい。

 図9に示す燃料電池30においては、必要時� ��ポンプ31を動作させて燃料収容部4から燃料� ��配機構3に液体燃料を供給する。燃料分配機 構3に導入された液体燃料は、前述した第1の� ��施形態と同様に、複数の燃料排出口22にそ� �ぞれ導かれる。そして、複数の燃料排出口22 から燃料電池セル2の全面に対して燃料が供� �されて発電反応が生起される。このように� �ポンプ31で燃料収容部4から燃料分配機構3ま� ��液体燃料を送液する場合においても、燃料� ��配機構3は有効に機能する。従って、燃料電 池セル2に対する燃料供給量を均一化するこ� �が可能となる。

 燃料供給用(送液用)のポンプ31の制御は、 例えば図10に示すように、燃料電池30の出力� �参照して行うことが好ましい。図10において 、燃料電池30の出力は制御回路32で検出され� �この検出結果に基づいてポンプ31に制御信号 が送られる。ポンプ31は制御回路32から送ら� �る制御信号に基づいてオン/オフが制御され� ��。ポンプ31の動作は燃料電池30の出力に加え て、温度情報や電力供給先である電子機器の 運転情報等に基づいて制御することで、より 安定した運転を達成することが可能となる。

 ポンプ31の具体的な動作制御方法として� �、例えば燃料電池30からの出力が所定の規定 値より高くなった場合にポンプ31を停止また� ��送液量を低下させ、出力が規定値より低く� ��った場合にポンプ31の運転を再開または送� �量を増加させる方法が挙げられる。別の動� �制御方法としては、燃料電池30からの出力の 変化率がプラスの場合にポンプ31の運転を停� ��または送液量を低下させ、出力の変化率が� ��イナスになった場合にポンプ31の運転を再� �または送液量を増加させる方法が挙げられ� �。

 さらに、燃料電池30の安定性や信頼性を� �めるために、図11に示すようにポンプ31と直� ��に燃料遮断バルブ33を配置することが好ま� �い。図11ではポンプ31と燃料分配機構3との間 の流路5に燃料遮断バルブ33を挿入した構造を 示している。燃料遮断バルブ33はポンプ31と� �料収容部4との間に設置しても機能上の支障� ��ない。

 ただし、燃料遮断バルブ33をポンプ31と燃 料収容部4との間の流路5に設置した場合、例� ��ば長期保管時にポンプ31の燃料が蒸発する� �、燃料収容部4からの液体燃料の吸出し機能� ��支障が生じるおそれがある。このようなこ� ��から、燃料遮断バルブ33はポンプ31と燃料分 配機構3との間の流路5に設置し、長期保管時� ��におけるポンプ31からの液体燃料の蒸発を� �止することが好ましい。

 このように、燃料収容部4と燃料分配機構 3との間に燃料遮断バルブ33を挿入することに よって、燃料電池30の未使用時にも不可避的� ��発生する微量な燃料の消費や上述したポン� ��再運転時の吸い込み不良等を回避すること� ��できる。これらは燃料電池30の実用上の利� �性の向上に大きく貢献するものである。

 燃料遮断バルブ33の動作タイミングは、� �ンプ31の駆動と同一としても実用上の支障は ないが、例えば図12に示すように、ポンプ31� �運転直前にバルブ33を開き、ポンプ31の運転� ��止後にバルブ33を閉じることが好ましい。� �れとは逆に、ポンプ運転と同時または運転� �にバルブ33を開き、ポンプ停止前にバルブ33� ��閉じると、ポンプ33の内圧が上昇したり、� �ンプ33の吸い込み不良等が発生する。

 燃料遮断バルブ33としては、電磁石、モ� �タ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バ� �メタル等をアクチュエータとして、開閉動� �を電気信号で制御することが可能な電気駆� �バルブが使用される。燃料遮断バルブ33には その大きさや駆動電力等の観点から、電磁石 や圧電セラミックスを用いた電気駆動バルブ を使用することが好ましい。さらに、燃料遮 断バルブ33には状態保持機能を有するラッチ� ��イプのバルブを使用することが好ましい。� ��13に電磁石と永久磁石とを組み合わせたラ� �チバルブ34の一例を示す。図13Aはラッチバル ブ34の閉状態を、また図13Bはラッチバルブ34� �閉状態を示している。図14はラッチバルブ34� ��動作タイミングを示している。

 ラッチバルブ34では、コイル35に状態保持 用磁石36と反発する磁極が発生する向きに電� ��を流すことによって、可動鉄心37が状態保� �磁石36と反発してバルブを閉状態とする方向 (図中左方向)に移動する。コイル35の電気を� �断した後においても、ラッチバルブ34の閉止 状態はスプリング38で維持される。ラッチバ� ��ブ34を開く場合には、コイル35に閉止動作の 際と逆方向に電流を流すことによって、可動 鉄心37が状態保持用磁石36に引き付けられて� �ルブを開状態とする方向(図中右方向)に移動 する。コイル35の電気を遮断した後において� ��、可動鉄心37は状態保持用磁石36に引き付け られているため、ラッチバルブ34の開放状態� ��維持される。

 上述したような開閉状態の状態変化時の� ��に駆動電力が印加される状態保持機構付き� ��ルブ(例えばラッチバルブ34)を燃料遮断バル ブ33に適用することによって、バルブ動作に� ��要とされる電力損失を免れると共に、動作� ��常等で電力供給が絶たれた場合であっても� ��燃料遮断バルブ33の状態を維持することで� �るという利点を有する。燃料遮断バルブ33は 、燃料電池30の未使用時に発生する微量な燃� ��消費、ポンプ再運転時の吸い込み不良等の� ��避に加えて、ポンプ31の停止時における微� �な液体燃料の通液を遮断し、燃料電池30の出 力制御性をより一層高める効果を有する。

 さらに、燃料遮断バルブ33は前述した第1� ��実施形態の燃料電池1に対しても有効である 。例えば、図1、図3、図5に示した燃料電池1� �おいて、燃料分配機構3と燃料収容部4とを接 続する流路5に燃料遮断バルブ33を挿入する。 このような構成を適用することによって、燃 料電池セル2に対する燃料の供給を制御し、� �料電池1の出力制御性を高めることができる� ��この場合の燃料遮断バルブ33の動作制御は� �上述したポンプ31の動作制御と同様に実施す ることができる。

 第2の実施形態の燃料電池30においては、� ��料収容部4や流路5に燃料収容部4内の圧力を� ��気とバランスさせるバランスバルブを装着� ��ることが好ましい。図15は燃料収容部4にバ� ��ンスバルブ39を設置した状態を示している� �バランスバルブ39は、燃料収容部4内の圧力� �応じてバルブ可動片40を動作させるスプリン グ41と、バルブ可動片40をシールして閉状態� �するシール部42とを有している。

 燃料収容部4から液体燃料が燃料分配機構 3に供給され、燃料収容部4の内圧が減圧状態� ��なると、バランスバルブ39のバルブ可動片40 が外圧を受け、スプリング41の反発力に打ち� ��ってシール部42が開放される。このバラン� �バルブ39の開放状態に基づいて、外気が内外 圧力差を減少するように導入される。内外の 圧力差が解消されると、再度バルブ可動片40� ��移動してシール部42が密閉される。

 このように動作するバランスバルブ39を� �料収容部4等に設置することによって、液体� ��料の供給に伴って発生する燃料収容部4の内 圧低下に起因する送液量の変動を抑制するこ とができる。すなわち、燃料収容部4内が減� �状態になると、ポンプ31による液体燃料の吸 い込みが不安定になり、送液量が変動しやす くなる。このような送液量の変動をバランス バルブ39を設置することで解消することがで� ��る。従って、燃料電池30の動作安定性を向� �させることが可能となる。なお、バランス� �ルブ39を流路5に設置する場合には、燃料収� �部4とポンプ31との間に挿入することが好ま� �い。

 さらに、第2の実施形態の燃料電池30のよ� ��にポンプ31を設ける場合については、燃料� �容部4等にバランスバルブ39を設けると共に� �図16に示すように燃料電池セル2に例えばそ� �積層方向に貫通するガス抜き孔2Aを設けるこ とが好ましい。

 上記したようにバランスバルブ39を燃料� �容部4または流路5に設置することによって、 液体燃料の供給に伴い発生する燃料収容部4� �内圧低下を抑制でき、ポンプ31における液体 燃料の吸い込みを安定させることができる。 しかしながら、燃料電池セル2のアノード13側 では例えば上記(1)式に示されるようにメタノ ールの内部改質反応によって二酸化炭素や水 蒸気等のガス成分が発生することから、燃料 分配機構3の内圧、具体的には燃料分配板23A� �細管25等の内圧が上昇し、ポンプ31による液� ��燃料の送液が困難となることがある。

 このためガス抜き孔2Aを燃料電池セル2に� ��けることによって、発生したガス成分を燃� ��電池セル2のアノード13側からカソード16側� �と排出し、さらには燃料電池30の外部へと排 出することができ、結果として燃料分配機構 3の内圧を低減させ、ポンプ31による液体燃料 の送液を容易にすることができる。すなわち 、燃料収容部4等にバランスバルブ39を設ける と共に燃料電池セル2にガス抜き孔2Aを設ける ことで、ポンプ31における液体燃料の吸い込� ��と押し出しとの両方を容易にすることがで� ��る。

 ガス抜き孔2Aとしては、例えば燃料電池� �ル2の全体を積層方向に貫通する貫通孔が挙� ��られるが、例えばアノード13やカソード16が 多孔質体であってガス成分を有効に透過させ ることができるものである場合には、実質的 にガス成分を透過させない部分である電解質 膜17のみを貫通する貫通孔であってもよい。

 ガス抜き孔2Aの形状、大きさは必ずしも� �定されるものではないものの、例えば直径0. 05mm以上1.0mm以下の円形状の孔部が好ましいも のとして挙げられる。直径が0.05mm未満である とガス成分をアノード13側からカソード16側� �と十分に排出できないおそれがあり、1.0mmを 超えると燃料の直接透過を発生しやすく、ま た発電に寄与する有効面積も減少することか ら、出力が低下するおそれがある。

 ガス抜き孔2Aの個数は、ガス抜き孔2Aの形状 、大きさ、あるいは燃料電池セル2の平面形� �等にもよるが、例えば燃料電池セル2の面積1 cm ² 以上15cm ² 以下につき1個程度となるようにすることが� �ましい。ガス抜き孔2Aの個数が1cm ² 未満につき1個程度であると、面積あたりの� �ス抜き孔2Aの個数が多すぎることとなり、燃 料の直接透過や発電に寄与する有効面積の減 少により出力が低下するおそれがあり、15cm ² を超える面積につき1個程度であると、面積� �たりのガス抜き孔2Aの個数が少なすぎること となり、ガス成分がアノード13側からカソー� ��16側へと十分に排出されないおそれがある� �

 このようにポンプ31が設けられると共に� �燃料収容部4等にバランスバルブ39が設けら� �、さらに燃料電池セル2にガス抜き孔2Aが設� �られた燃料電池30については、ポンプ31から� ��料分配機構3への送液圧力が5kPa以上となっ� �いることが好ましい。ポンプ31から燃料分配 機構3への送液圧力が5kPa未満であると、燃料� ��配機構3、すなわち燃料分配板23Aの各細管25� ��各燃料排出口22に液体燃料が均一に供給さ� �ず、燃料電池セル2における発電反応が不均� ��となり、発電効率が低下するおそれがある� ��また、ポンプ31から燃料分配機構3への送液� ��力が5kPa未満であると、液体燃料の送液量(� �給量)自体も低下することから、出力が大幅� ��低下するおそれがある。

 ポンプ31から燃料分配機構3へのより好ま� ��い送液圧力は、液体燃料を均一かつ十分に� ��料分配機構3、すなわち燃料分配板23Aの各細 管25や各燃料排出口22に供給する観点から10kPa 以上である。なお、ポンプ31から燃料分配機� ��3への送液圧力の上限は必ずしも制限される ものではないものの、この種のものに用いら れるポンプ31の送液圧力が一般に100kPa程度ま� ��であることから、通常は100kPa程度である。

 ここで、ポンプ31から燃料分配機構3への� ��液圧力は、ポンプ31の燃料分配機構3側近傍� ��おいて測定されるものであり、例えばポン� ��31の燃料分配機構3側に接続される流路5中に 流量計を配置し、この流量計により測定され た流量から求めることができる。なお、上記 したようにポンプ31は必要に応じて運転と停� ��が繰り返し行われるが、このような場合に� ��いては、実際にポンプ31が運転されている� �きのポンプ31から燃料分配機構3への送液圧� �が上記したように5kPa以上となっていればよ� ��。

 ポンプ31から燃料分配機構3への送液圧力� ��5kPa以上とするには、上記したような燃料電 池セル2におけるガス抜き孔2Aの形状、大きさ 、個数等の調整の他、燃料分配機構3を構成� �る燃料分配板23Aの各細管25や各燃料排出口22� ��孔径等の調整、燃料収容部4等に設けられる バランスバルブ39の開放時期(開放圧力)の調� �、ポンプ31の送液能力の調整等により行うこ とができる。

 バランスバルブ39の開放時期の調整は、� �のバルブ可動片40をシール部42へと押圧して� ��るスプリング41の反発力を調整することで� �うことができ、例えば燃料収容部4等におけ� ��外圧と内圧との差が10Pa以上となったときに バルブ可動片40がシール部42から離れるよう� �反発力に調整される。また、ポンプ31として は、それ自体の送液圧力が5kPa以上となるよ� �な送液能力を有するものである必要がある� �

 次に、第2の実施形態に関し、ポンプ31と� ��ランスバルブ39とを設けると共に、燃料電� �セル2にガス抜き孔2Aを設け、ポンプ31から燃 料分配機構3への送液圧力を5kPa以上としたも� ��(実施例4)と、ポンプ31から燃料分配機構3へ� ��送液圧力を5kPa未満とした以外は実施例4と� �様なもの(比較例2)とについて発電試験を行� �たため説明する。

 実施例4の燃料電池30としては、以下のよ� ��なものを作製した。アノードガス拡散層12� �してのカーボンペーパー上にアノード触媒� �11としてのPt-Ru系触媒層を塗布して10mm×80mmの アノード13を得ると共に、カソードガス拡散� ��15としてのカーボンペーパー上にカソード� �媒層14としてのPtブラック触媒層を塗布して1 0mm×80mmのカソード16とし、これら一対の単セ� ��を合計4組作製した。

 そして、電解質膜17としてのパーフルオロ� �ルホン酸膜の一方の主面に各単セルのアノ� �ド13をそのアノード触媒層11が電解質膜17に� �触するように配置すると共に、パーフルオ� �スルホン酸膜の他方の主面に各単セルのカ� �ード16をそのカソード触媒層14が接触するよ� ��に配置した。そして、これらのものを120℃� ��5分間、100kg/cm ² の圧力でホットプレス接合することにより、 40mm×80mmの接合体を得た。さらに、この接合� �における各セルの面方向の中心部分にガス� �き孔2Aとして孔径0.2mmの積層方向に貫通する� ��通孔を1個ずつ形成して図16に示されるもの� ��略同様な燃料電池セル2を製造した。

 燃料電池セル2以外の燃料電池30の構成も� ��本的に図16に示されるようなものとし、バ� �ンスバルブ39を有する燃料収容部4と燃料分� �機構3とがポンプ31を有する流路5を介して接� ��され、また燃料分配機構3の上に燃料電池セ ル2等を配置したものとした。なお、燃料分� �機構3のみ、細管25を有する燃料分配板23Aの� �わりに、図1に示されるような空隙部24を有� �る燃料分配板23とした。燃料分配板23におけ� ��燃料排出口22の配列は図2に示されるような� ��のとし、それらの孔径は0.5mmとした。また� �ポンプ31としては、このような構成の燃料電 池30において、ポンプ31から燃料分配機構3へ� ��送液圧力が5kPa以上となるようなものを用い た。

 そして、燃料収容部4に液体燃料として90% 濃度のメタノールを注入し、ポンプ31を間欠� ��に運転させて燃料収容部4から燃料分配機構 3へとメタノールを供給して発電を行わせた� �なお、ポンプ31を運転させているときのポン プ31から燃料分配機構3への送液圧力は5kPa以� �(平均30kPa)であった。実施例4の燃料電池30の� ��電試験の結果(発電時間と出力密度との関係 )を図17に示す。

 一方、比較例2の燃料電池30としては、ポ� ��プ31として、このポンプ31から燃料分配機構 3への送液圧力が5kPa未満となるようなものを� ��いた以外は実施例4の燃料電池30と同様なも� ��を製造した。そして、実施例4の燃料電池30� ��同様、ポンプ31を間欠的に運転させて燃料� �容部4から燃料分配機構3へとメタノールを供 給して発電を行わせた。なお、ポンプ31を運� ��させているときのポンプ31から燃料分配機� �3への送液圧力は5kPa未満(平均3kPa)であった。 比較例2の燃料電池30の発電試験の結果(発電� �間と出力密度との関係)を図17に合わせて示� �。

 図17から明らかなように、実施例4の燃料� ��池30については、ポンプ31の間欠運転により わずかな周期的変動が見られるものの、出力 密度はほぼ一定に保たれていることが認めら れる。一方、比較例2の燃料電池30については 、実施例4の燃料電池30に比べて出力密度が全 体的に低く、また一時的に大幅に低下するこ とが認められる。

 比較例2の燃料電池30については、ポンプ3 1から燃料分配機構3への送液圧力が5kPa未満と 低いために、燃料分配機構3、すなわち燃料� �配板23の燃料排出口22にメタノールが均一に� ��給されず、結果として燃料電池セル2におけ る発電反応が不均一となり、出力密度が全体 的に低下したものと推測される。また、比較 例2の燃料電池30については、送液圧力が低い ためにメタノールの供給量自体が不十分とな り、出力密度が一時的に大幅に低下したもの と推測される。

 次に、本発明の第3の実施形態による燃料 電池について、図18および図19を参照して説� �する。図18に示す燃料電池50は、燃料流通溝� ��有する流路板と複数の燃料排出口を有する� ��散板とで構成された燃料分配機構3を具備し ている。燃料電池セル2は、例えば複数の単� �ルを直列に接続したものであり、さらに燃� �極側で生成する炭酸ガスや水蒸気等のガス� �分をリリースするガス抜き孔を有していて� �よい。

 なお、図18では燃料電池セル(MEA)2の構成� �省略して図示しているが、燃料電池セル2の� ��体的な構成は前述した第1および第2の実施� �態と同様である。また、図18では燃料収容部 、流路、燃料供給ポンプ等の図示を省略した が、第3の実施形態の燃料電池50はこれら各要 素を具備しており、各要素の具体的な構成は 前述した第1および第2の実施形態の燃料電池1 、30と同様である。

 第3の実施形態による燃料分配機構3につ� �て詳述する。燃料分配機構3を構成する流路� ��51は、燃料通路として機能する燃料流通溝52 を有している。燃料流通溝52の始端部は燃料� ��入口21とされている。燃料流通溝52に設けら れた燃料注入口21は、前述した第1および第2� �実施形態と同様に、図示を省略した流路を� �して燃料収容部と接続されている。また、� �路には第1および第2の実施形態と同様に、必 要に応じて燃料供給ポンプや燃料遮断バルブ 等が設けられる。

 燃料流通溝52は少量の液体燃料を速やか� �展開することが可能なように、燃料注入口21 の近傍で複数に分岐されている。分岐後の燃 料流通溝52は燃料分配機構3の面方向全体に液 体燃料を展開するように形成されている。燃 料流通溝52を有する流路板51上には、燃料流� �溝52の開口部を覆うように拡散板53が配置さ� ��ている。拡散板53は燃料流通溝52と接続する ように開口された複数の燃料排出口22を有し� ��いる。燃料排出口22は燃料電池セル2の面方� ��に対して燃料を均一に供給し得るように形� ��されている。燃料排出口22の個数等は前述� �た実施形態と同等とすることが好ましい。

 燃料電池セル2と燃料分配機構3との間に� �Oリング54等のシール部材が配置されており� �これにより燃料の漏洩等を防止すると共に� �燃料電池セル2と燃料分配機構3との間に燃料 拡散空間55が形成されている。燃料拡散空間5 5は燃料排出口22から放出される燃料の拡散性 を高めるものである。さらに、拡散板53上に� ��料を面方向に展開させるシート状の多孔体5 6を配置することで、燃料排出口22から放出さ れる燃料を平面的に均一拡散させることがで きる。多孔体56の構成は前述した実施形態で� ��べた通りである。燃料拡散空間55は前述し� �第1および第2の実施形態に対しても有効であ る。

 流路板51と拡散板53とで構成された燃料分 配機構3には、前述した実施形態と同様に、� �料収容部から流路やポンプを介して発電に� �要な量の液体燃料が間欠的に送液される。� �料注入口21から導入された液体燃料は、燃料 流通溝52内を通って流路板51の面方向に速や� �に展開される。そして、燃料流通溝52内を展 開した液体燃料は、拡散板53に設けられた複� ��の燃料排出口22を通して均一に拡散される� �燃料の拡散状態はさらに燃料拡散空間55や多 孔体56で均一化される。従って、燃料電池セ� ��2の面方向に対して燃料を均一に供給するこ とができるため、燃料電池セル2の面内にお� �る発電反応の均一性を高めることが可能と� �る。

 図18および図19では流路板51と拡散板53と� �構成された燃料分配機構3を示したが、流路� ��51は省いてもよい。すなわち、燃料電池セ� �2が配置される容器の底面側に、容器との間� ��空隙が形成されるように拡散板53を配置し� �これらによって燃料分配機構3を構成するこ� ��も可能である。この場合、容器と拡散板53� �の間に導入された液体燃料は、空隙内を展� �した後に拡散板53に設けられた複数の燃料排 出口22から燃料極に向けて放出される。ただ� ��、この場合には液体燃料の面方向への拡散� ��濃度分布が生じる傾向がある。このため、� ��料の展開方向(拡散方向)を流路板51で方向付 けして、燃料の均一拡散性を高めることが好 ましい。

 第3の実施形態の具体例(実施例5)として、図 18および図19に構成を示した燃料電池50を作製 した。まず、カーボンペーパー上にPt-Ru系触� ��層(10mm×60mm)を塗布して形成した燃料極と、� ��ーボンペーパー上にPtブラック触媒層(10mm×6 0mm)を塗布して形成した酸化剤極とで単セル� �構成した。4組の単セルの触媒層が電解質膜� ��接するように、パーフルオロスルホン酸膜� ��らなる電解質膜を挟持した。これらを120℃� �5分間の条件下で、100kg/cm ² の圧力でホットプレス接合してMEAを作製した 。さらに、各セルの中央部に孔径0.2mmの貫通� ��を形成した。

 上記したMEA2を図18および図19に示したよう� �、流路板51と拡散板53とで構成された燃料分� ��機構3と組合せて容器内に組み込み、さらに シール部を介して発電ユニットを作製した。 拡散板53には厚さ0.1mmのカプトンフィルムを� �い、図19に示したような配列で孔径1mmの燃料 排出口22を形成した。流路板51には燃料注入� �向からセルの長手方向に沿って深さ1mmの燃� �流通溝52を形成した。さらに、拡散板53上に� ��さ0.1mm、孔径0.1μmのPTFE製多孔質シート56を� �置した。発電ユニットと燃料収容部とを燃� �供給ポンプを介して接続することによって� �反応面積が24cm ² の燃料電池を作製した。この燃料電池に液体 燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供 給して発電を行った。酸化剤ガスは自発的に 取り込む空気を使用した。

 第3の実施形態の第2の具体例(実施例6)とし� �、流路板51と多孔質シート56を使用しない以� ��は実施例5と同様な構成を有し、かつ反応面 積が24cm ² の燃料電池を作製した。すなわち、拡散板53� ��容器の底部側に配置し、拡散板53と容器と� �間に燃料拡散室を設けたものである。この� �料電池に液体燃料としてメタノールをポン� �で間欠的に供給して発電を行った。酸化剤� �スは自発的に取り込む空気を使用した。

 また、第2の実施形態の具体例(実施例7)とし て、図3および図4に示した燃料分配板23Aを燃� ��分配機構3として用いる以外は実施例5と同� �な構成を有し、かつ反応面積が24cm ² の燃料電池を作製した。燃料分配板23Aは燃料 注入口22と複数の燃料排出口23とが細管25で接 続されている。MEA2と燃料分配板23Aとの間に� �図18と同様に燃料拡散空間を設けた。この燃 料電池に液体燃料としてメタノールをポンプ で間欠的に供給して発電を行った。酸化剤ガ スは自発的に取り込む空気を使用した。

 さらに、本発明との比較例(比較例3)として� ��拡散板53に代えてシリコーンゴムシートを� �いる以外は実施例6と同様な構成を有し、か� ��反応面積が24cm ² の燃料電池を作製した。拡散板53に代えて用� ��たシリコーンゴムシートは、それ自体のメ� ��ノール透過性に基づいて燃料を拡散させる� ��のである。この燃料電池に液体燃料として� ��タノールをポンプで間欠的に供給して発電� ��行った。酸化剤ガスは自発的に取り込む空� ��を使用した。

 上述した実施例5~7および比較例3による各 燃料電池の時間-出力密度特性を図20に示す。 図20から明らかなように、実施例6ではポンプ の間欠運転による出力密度の周期的な変動が 見られるが、出力のレベルはほぼ一定に保た れている。流路構造を導入した実施例5は燃� �拡散の均質性に優れるため、出力密度の周� �的変動も小さく、経時的に安定な出力特性� �得られている。実施例7はさらに出力自体も� ��上している。一方、比較例3では燃料が供給 される空間に、発電に伴って発生する水蒸気 の透過が生じ、燃料濃度が低下するために徐 々に出力密度が低下し、安定した経時特性が 得られていない。

 上述した各実施形態の燃料電池1、30、50� �各種の液体燃料を使用した場合に効果を発� �し、液体燃料の種類や濃度は限定されるも� �ではない。複数の燃料排出口22を有する燃料 分配機構3の特徴がより顕在化するのは燃料� �度が濃い場合である。このため、各実施形� �の燃料電池1、30、50は、濃度が80%以上のメタ ノールを液体燃料として用いた場合に性能や 効果が特に発揮される。従って、各実施形態 は濃度が80%以上のメタノールを液体燃料とし て用いた燃料電池に適用することが好ましい 。

 なお、本発明は液体燃料を使用した各種� ��燃料電池に適用することができる。燃料電� ��の具体的な構成や燃料の供給形態等も特に� ��定されるものではなく、MEAに供給される燃� ��の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料� ��または一部が液体状態で供給される液体燃� ��の蒸気等、種々形態に本発明を適用するこ� ��ができる。実施段階では本発明の技術的思� ��を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具� ��化することができる。さらに、上記実施形� ��に示される複数の構成要素を適宜に組合せ� ��り、また実施形態に示される全構成要素か� ��幾つかの構成要素を削除する等、種々の変� ��が可能である。本発明の実施形態は本発明� ��技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更す� ��ことができ、この拡張、変更した実施形態� ��本発明の技術的範囲に含まれるものである� ��