CN101821891A - 燃料电池堆及燃料电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供下述燃料电池堆和使用该燃料电池堆的燃料电池系统，所述燃料电池堆是层叠两层以上由一个以上的单元电池构成的燃料电池层而得到的燃料电池堆，相邻的任意两层燃料电池层分别具有一个以上的间隙区域，所述相邻的任意两层燃料电池层中，一方的燃料电池层所具有的间隙区域的至少一部分与构成另一方的燃料电池层的单元电池相接，并且一方的燃料电池层所具有的间隙区域与另一方的燃料电池层所具有的间隙区域连通。该燃料电池堆在燃料或氧化剂的供给性能上优异，并能实现高输出密度。

Description

燃料电池堆及燃料电池系统
技术领域
本发明涉及燃料电池堆以及使用了燃料电池堆的燃料电池系统。
背景技术
近年来，作为支撑信息化社会的便携式电子设备等的电源，作为单独的发电装置，从高发电效率和高能量密度的观点出发，对燃料电池的期待越来越高。燃料电池是在阳极将还原剂(例如氢、甲醇、乙醇、肼、甲醛、甲酸等)、在阴极将氧化剂(例如空气中的氧)分别以电化学方式进行氧化·还原，并利用该反应来发电的。
但是，燃料电池存在单位体积的输出密度低这一技术问题，由于燃料电池的小型化、轻量化，人们需要有高输出密度的燃料电池。
通常，除熔融碳酸盐电池这样的高温燃料电池外，固体高分子型燃料电池、固体氧化物型燃料电池、直接甲醇型燃料电池、碱型燃料电池等现有的燃料电池，将下述单元电池作为结构单元，该单元电池是通过将形成了用于供给还原剂的阳极流路的阳极隔离件、从阳极催化剂层进行电子的收集的阳极集电体、阳极气体扩散层、阳极催化剂层、电解质膜、阴极催化剂层、阴极气体扩散层、向阴极催化剂层提供电子的阴极集电体、以及形成了用于供给氧化剂的阴极流路的阴极隔离件依次层叠得到的平面结构的单元电池。各单元电池在低电压下产生高电流。
另外，通常阳极隔离件和阴极隔离件不仅具有分别向阳极催化剂层、阴极催化剂层分别提供还原剂和氧化剂的作用，通过采用具有导电性的材料作为这些隔离件的材料，还能赋予分别作为阳极集电体、阴极集电体的作用。
通常，燃料电池由于各单元电池的电压低，因此采用由多个单元电池层叠而成的能输出高电压的燃料电池堆的结构。此时，多个单元电池以单元电池的阳极和与其相邻的单元电池的阴极电接触的方式层叠。
这种层状的燃料电池堆必须确保各层的紧密电接触。若它们的接触电阻高，则燃料电池的内部电阻提高，会导致整体的发电效率下降。通常，燃料电池堆中，在各隔离件具有用于将还原剂和氧化剂分别密封的密封部件，为了确保密封性和导电性，必须用较大的力压住各层。因此，必须要有压住各层的按压板、螺栓、螺母等紧固部件，存在燃料电池堆大、重、输出密度下降的问题。
另外，对于各隔离件，在各单元电池必须有向催化剂层平面整面均一地提供还原剂、氧化剂的流路，因此隔离件的厚度变厚，导致输出密度下降。假设使隔离件的流路变窄、使隔离件的厚度变薄，则压损增加，因此不得不增大用于供给还原剂、氧化剂的泵或风扇等辅助器，且该辅助器的耗电也增加。其结果是，燃料电池系统整体的输出密度下降。
为了解决所述问题，尝试了通过增加发电面积的密度、即燃料电池的单位容积中含有的发电面积来提高燃料电池的输出密度。例如在国际公开第03/067693号小册子(专利文献1)中公开了在单一的基板上综合了气体扩散层、催化剂层以及电解质层的功能而得到的燃料电池层，提出了与现有的层状平面结构的燃料电池和燃料电池堆相比由较少的部件构成的燃料电池。
更具体而言，专利文献1所述的燃料电池层使用具有燃料的燃料腔(plenum)和具有氧化剂的氧化剂腔、将该燃料腔和该氧化剂腔连通的多孔质基板与外部负荷连接。该燃料电池层具有该多孔质基板和使用该多孔质基板形成的多个燃料电池。各燃料电池具有专用通道、配置在该通道所具有的第一通道壁上的第一催化剂层、配置在该通道所具有的第二通道壁上的第二催化剂层、由第一催化剂层形成的阳极以及由第二催化剂层形成的阴极、为了防止燃料向阴极的移动以及氧化剂向阳极的移动而配置在专用通道的电解质。各燃料电池还具有为了避免燃料进入多孔质基板的一部分而在多孔质基板的至少一部分配置的第一涂层、为了避免氧化剂进入多孔质基板的一部分而在所述多孔质基板的至少一部分配置的第二涂层、配置在第一侧面的第一密封·阻挡层、配置在第二侧面的第二密封·阻挡层。此外，该燃料电池层还具有配置在各燃料电池层之间的第3密封·阻挡层、配置在第一侧面的阳极接头、配置在第二侧面的阴极接头。
若在单一基板的内部制作多个极小尺寸的燃料电池，则能达到更高的总电力密度。此外，上述单一基板内的多个燃料电池能并列地排列，因此能构建高容量的燃料电池。通过在单一基板内组合燃料电池，可以使实施外在的密封或紧固的必要性为最小限度。上述燃料电池层可以有各种变形，例如可以列举将燃料和氧化剂充气室制成Dead End式、燃料电池层将容积封锁、多孔质基板为非平面构形或平面构形、燃料电池层将容积封入圆筒形中等。
但是，在专利文献1中记载的燃料电池层中，必须在燃料电池层的表面和背面将氧化剂和还原剂区分开。另外，在专利文献1中记载的任一燃料电池堆结构中，还需要向燃料电池层在面内方向供给燃料和氧化剂。当在层厚方向层叠3层以上的燃料电池层时，为了提供燃料和氧化剂，必须具有燃料腔或氧化剂腔，因此必须在燃料电池层之间具有规定的间距(间隙)。另外，必须将设置在燃料电池层之间的燃料腔或氧化剂腔进行密封，因此需要有紧固部件来确保密封部件的密封性。此外，由于向燃料电池层的面内方向的燃料、氧化剂的供给和排出受到限制，因此很难通过自然扩散来供给燃料、氧化剂，特别是氧化剂为空气时的供给很困难，因此必须有风扇或泵等需要动力的辅助器。
即，在专利文献1记载的燃料电池结构中，若采用在层厚方向层叠了燃料电池层而得到的电池堆结构来应对仪器侧的高输出电力的要求，则存在输出密度下降的技术问题。另外，若采用将燃料电池层在该燃料电池层的面内方向层叠而得到的电池堆结构应对仪器侧的高输出电力的要求时，则燃料电池层在面内方向需要较多的面积，因此存在仪器侧的燃料电池的配置、机构设计受到较多限制的技术问题。
另外，在特开平5-41239号公报(专利文献2)中公开了用通过将由燃料极、固体电解质、空气极和陶瓷隔离件构成的单元多个层叠而形成的至少两个电池堆来构成歧管(manifold)的一部分或全部的高温型燃料电池组件。据记载，通过所述构成，能有效地利用电极面积，还能以简单的结构形成歧管，因此能降低成本。
但是，专利文献2中记载的燃料电池堆与上述专利文献1的情况相同，无法向燃料电池堆内部三维地供给燃料或氧化剂。因此，需要有以相当快的流速供给燃料或氧化剂的泵或风扇等辅助器，导致燃料电池系统的大型化和辅助器的电耗增加，因此存在输出密度下降的技术问题。
专利文献1：国际公开第03/067693号小册子
专利文献2：特开平5-41239号公报
发明内容
本发明是为了解决上述技术问题而完成的发明，其目的在于提供下述燃料电池堆以及使用了该燃料电池堆的燃料电池系统，该燃料电池堆是在燃料或氧化剂的供给性能上优异，并且无需使用辅助器或或以较少的辅助器的电耗也能提供燃料或氧化剂，实现了高输出密度且三维地高层叠而成的燃料电池堆。
本发明提供一种燃料电池堆，其是层叠两层以上由一个以上的单元电池构成的燃料电池层而得到的燃料电池堆，其中，相邻的任意两层燃料电池层分别具有一个以上的间隙区域，所述相邻的任意两层燃料电池层中，一方的燃料电池层所具有的间隙区域的至少一部分与构成另一方的燃料电池层的单元电池相接，并且，一方的燃料电池层所具有的间隙区域与另一方的燃料电池层所具有的间隙区域连通。
优选从燃料电池层的层叠方向看，一方的燃料电池层所具有的间隙区域与另一方的燃料电池层所具有的间隙区域形成在不同的部分。另外，优选燃料电池堆内的所有的间隙区域均连通。
优选燃料电池层具有下述部位，所述部位在该燃料电池层内具有在长度方向上延伸的形状。
优选上述相邻的任意两层燃料电池层以构成一方的燃料电池层的单元电池与构成另一方的燃料电池层的单元电池交叉的方式层叠，更优选以正交的方式层叠。
本发明的燃料电池堆优选该燃料电池堆所具有的燃料电池层中，至少一层燃料电池层具有多个单元电池，并且该多个单元电池中，在所述燃料电池层内具有在长度方向上延伸的形状。
本发明的燃料电池堆中，上述相邻的任意两层燃料电池层之间可以具有间隔层，或至少一层燃料电池层被间隔层置换。
间隔层优选具有导电性，且优选由多孔质体形成。
本发明的燃料电池堆中，可以在其燃料电池层的层叠方向的两端具有集电体。
在上述本发明的燃料电池堆中，优选单元电池是直接甲醇型燃料电池。
本发明提供具有上述任一燃料电池堆，并具有促进空气向该燃料电池堆内部流动的辅助器的燃料电池系统，以及具有上述任一所述的燃料电池堆且具有与该集电体电连接的开关电路和控制该开关电路的控制电路的燃料电池系统。
此外，本发明还提供一种燃料电池堆，其通过将由一个以上的单元电池构成的至少一层燃料电池层和由一个以上的隔离件构成的的至少一层间隔层层叠而形成，并且至少一层该燃料电池层和/或至少一层该间隔层在层内具有间隙区域。
燃料电池层与间隔层优选交替层叠。
所述本发明的燃料电池堆优选包含至少一层燃料电池层和/或至少一层间隔层，所述燃料电池层通过以具有间隙区域的方式配置两个以上的单元电池而成，所述间隔层通过以具有间隙区域的方式配置两个以上的隔离件而成。
所述本发明的燃料电池堆优选燃料电池层和间隔层，所述燃料电池层以具有间隙区域的方式配置两个以上的单元电池而成，所述间隔层层叠于所述燃料电池层上且以具有间隙区域的方式配置两个以上的隔离件而成，并且所述燃料电池所具有的间隙区域与所述间隔层所具有的间隙区域连通。
构成上述间隔层的隔离件优选以与构成燃料电池层的单元电池交叉的方式配置。
所述本发明的燃料电池堆优选至少依次具有燃料电池层(A)、间隔层和燃料电池层(B)，燃料电池层(B)所具有的两个以上的单元电池(b)分别配置在燃料电池层(A)所具有的单元电池(a)的正上方或正下方的区域内。或者，所述本发明的燃料电池堆优选至少依次具有燃料电池层(A)、间隔层和燃料电池层(B)，燃料电池层(B)所具有的两个以上的单元电池(b)分别配置在燃料电池层(A)所具有的间隙区域的正上方或正下方。
本发明的燃料电池堆还优选至少依次具有燃料电池层(A)、间隔层和燃料电池层(B)，构成间隔层的两个以上的隔离件中，配置在两端的隔离件以与燃料电池层(A)所具有的单元电池(a)以及燃料电池层(B)所具有的单元电池(b)的长度方向上的端部连接的方式配置。
构成燃料电池层的两个以上的单元电池优选以具有间隙区域的方式大致平行地配置，并且构成间隔层的两个以上的隔离件优选以具有间隙区域的方式大致平行地配置。
构成燃料电池堆的单元电池和隔离件的至少任一方优选具有长方形形状。
上述间隔层可以包括两个以上的隔离件，所述隔离件包含由多孔质体形成的隔离件和由非多孔质体形成的隔离件。此时，该两个以上的隔离件中，至少配置在间隔层两端的隔离件优选由非多孔质体形成的隔离件。此外，间隔层优选含有至少一个隔离件，所述隔离件具有具备亲水性的表面。
所述本发明的燃料电池堆中，单元电池优选为直接甲醇型燃料电池或固体高分子型燃料电池。
根据本发明的具有由单元电池三维层叠而成的结构的燃料电池堆以及使用了该燃料电池堆的燃料电池系统，无需辅助器或以较少的辅助器的电耗也可以供给燃料或氧化剂，能实现高输出密度。此外，根据本发明，还可以提供无需按压板或螺栓、螺母等紧固部件、实现了小型化、低成本化、高输出密度化的燃料电池堆以及燃料电池系统。
附图说明
图1是表示本发明的燃料电池堆的优选例子之一的示意图。
图2是表示本发明中使用的单元电池的优选例子之一的概略截面图。
图3是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。
图4是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。
图5是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。
图6是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。
图7是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。
图8是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。
图9是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。
图10是图9的单元电池的放大截面图。
图11是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。
图12是内部具有风扇的燃料电池堆的一个例子的立体图。
图13是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。
图14是将图13(a)的区域A放大表示的详细图。
图15是将本发明的燃料电池堆的另一优选例子局部放大表示的截面示意图。
图16是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。
图17是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的俯视图。
图18是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的俯视图。
图19是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的俯视图。
图20是构成图19所示的燃料电池堆中的最上层的燃料电池层的单元电池的截面图。
图21是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的俯视图。
图22是表示本发明的燃料电池堆中使用的单元电池的另一优选例子的截面图。
图23是表示本发明的燃料电池堆中使用的单元电池的另一优选例子的截面图。
图24是表示本发明的燃料电池堆中使用的单元电池的另一优选例子的截面图。
图25是表示本发明的燃料电池堆中使用的单元电池的另一优选例子的截面图。
图26是表示本发明的燃料电池堆中使用的单元电池的另一优选例子的截面图。
图27是表示本发明的燃料电池堆中使用的单元电池的另一优选例子的截面图。
图28是示意地表示本发明的燃料电池层的优选粘接以及一体化的例子的截面图。
图29是示意地表示本发明中向燃料电池堆供给燃料的方法的一个例子的俯视图。
图30是示意地表示本发明中向燃料电池堆供给燃料的方法的另一例子的俯视图。
图31是示意地表示本发明中向燃料电池堆供给燃料的方法的另一例子的俯视图。
图32是表示本发明的燃料电池系统的优选例子之一的示意图。
图33是表示本发明的燃料电池系统的控制方式的示意图。
图34是用于说明电流的引出方法的示意图。
图35是表示本发明的燃料电池系统的控制方式的示意图。
图36是表示实施例1的单元电池的构成的一部分的示意图。
图37是表示实施例1的燃料电池堆的燃料电池层的构成的示意图。
图38是表示实施例2的燃料电池堆的燃料电池层的构成的示意图。
图39是表示实施例2的燃料电池堆的第一层和第两层的图。
图40是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。
图41是表示具有间隔层的燃料电池堆的基本构成的一个例子的示意图。
图42是表示具有间隔层的燃料电池堆的优选例子之一的示意图。
图43是表示具有间隔层的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。
图44是表示具有间隔层的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。
图45是表示具有间隔层的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。
图46是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。
图47是表示具有间隔层的燃料电池堆的另一优选例子的示意图，图47(a)是其俯视图，图47(b)是侧视图。
图48是表示实施例3中制作的流路基板的形状的俯视图和截面图。
图49是表示实施例3中制作的阳极集电体的形状的俯视图和放大图。
图50是表示实施例3中制作的阴极集电体的形状的俯视图和放大图。
图51是示意地表示实施例3中的流路基板、阳极集电体、阴极集电体以及隔离件的扩散接合的立体图。
图52是示意地表示实施例3中的MEA与阳极集电体的接合的立体图。
图53是实施例3中得到的MEA端部涂布了胶粘剂的二维电池堆的立体图和截面图。
图54是表示实施例3中的二维电池堆间的接合的截面图。
图55是表示多个二维电池堆一体化得到的燃料电池堆的结构的截面图。
图56是表示实施例3中得到的具有歧管的燃料电池堆的概略立体图。
图57是示意地表示实施例4中的流路基板、阳极集电体和阴极集电体的扩散接合的立体图。
图58是实施例4中得到的MEA端部涂布了胶粘剂的二维电池堆的截面图。
图59是表示实施例5中的二维电池堆间的接合的截面图。
图60是表示实施例5中得到的燃料电池堆的截面图。
图61是示意地表示实施例6中的流路基板、阳极集电体、阴极集电体以及隔离件的扩散接合的立体图。
图62是表示实施例6中得到的燃料电池堆的截面图。
图63是表示样品No.1和No.2、将样品No.1和No.2进行两层层叠得到的2层电极堆的平均值的电流-电压特性、电流-输出密度特性的图表。
图64是表示样品No.1和No.2、No.3、将样品No.1和No.2、No.3进行3层层叠得到的3层电池堆的电流-电压特性、电流-输出密度特性的图表。
图65是表示比较例1中制作的燃料电池堆的结构的立体图。
图66是表示比较例1的燃料电池堆的电流-电压特性、电流-输出密度特性的图表。
图67是表示对实施例7中制作的2层电极堆、实施例9中制作的2层电极堆、以及比较例1中制作的2层电极堆(单元间隔d为2mm和3mm)进行连续发电试验得到的结果的图表。
图68是表示实施例10中制作的样品No.4(1层电极堆)、2层电极堆以及3层电池堆的发电特性的图表。
图69是表示实施例11中制作的燃料电池堆的输出电流密度100mA/cm2、温度25℃以及40℃下的连续发电特性的图表。
图70是表示本发明的燃料电池堆中的单元电池的阳极和阴极的取向的一个例子的概略图。
图71是表示本发明的燃料电池堆中的单元电池的阳极和阴极的取向的其他例子的概略图。
图72是表示具有间隔层的本发明的燃料电池堆中的单元电池的阳极和阴极的取向的一个例子的概略图。
(符号说明)
100、300燃料电池堆；101、301、501、701、801、901第一燃料电池层；102、302、502、702、802、902第二燃料电池层；103、303、401、601、703、803、903、1101、1601、1701、1901、4101、4201、4301、4401、4501、4701单元电池；104a、104b间隙区域；201、403、507、604、706、806、907、1403、1503、2001、2201、2301、2401、2501、2601、2701、2801、4001、4305、4601电解质膜；202、402、508、603、705、805、906、1402、1502、2002、2202、2302、2402、2502、2602、2702、2802阳极催化剂层；203、404、506、605、707、807、908、1404、1504、2003、2303、2403、2503、2603、2703、2803阴极催化剂层；204、509、602、704、804、905、1401、1501、2004、2204、2304、2404、2504、2604、2704、2804阳极导电性多孔质层；205、505、606、708、808、909、1405、1505、1506a、1506b、2005、2205、2305、2405、2505、2605、2705、2805阴极导电性多孔质层；206、910、1406、2006、2306、2406、2506、2606、2706、2806燃料流路；503第一单元电池；904隔离件；1702分歧部；2008阴极集电体；2009阳极集电体；208、2206、2407、2507、2607、2809亲水层；210、2207气液分离层；207、1407、2007、2208、2307、2408、2508、2608、2708、2810贯穿孔；209、2308、2409、2509、2707、2807、2808燃料透过控制层；2410コ字形流路；2709增强部件；2811粘接层；809绝缘层；4002、4602基板；4102、4202、4302、4402、4502、4702燃料电池层；4103、4203、4303、4403、4503a、4503b、4603隔离件；4104、4204、4304、4404、4504、4704间隔层；4703a由多孔质体形成的隔离件；4703b  由非多孔质体形成的隔离件
具体实施方式
<<燃料电池堆>>
以下，列举实施方式来详细地说明本发明的燃料电池堆。以下所示的实施方式均为通过从甲醇直接获取质子来进行发电的直接甲醇型燃料电池(Direct Methanol Fuel Cell，以下也称为DMFC。)，燃料采用甲醇水溶液，氧化剂采用空气(具体为空气中的氧)。DMFC由于(1)无需改质器、(2)使用体积能量密度比气体燃料高的液体甲醇，因此具有如下等优点：与以氢为代表的高压气体泵相比，能缩小燃料容器。由此，可优选适用于小型设备用电源、特别是具有代替移动设备用的二次电池的用途。另外，DMFC由于燃料是液体，因此在现有的燃料电池系统中，可以将成为死腔(dead space)的狭窄弯曲空间部用作燃料空间，还具有不易受到设计限制的优点。由此出发，DMFC可优选适用于移动用小型电子设备等。
通常，在DMFC中，在阳极和阴极发生以下的反应。在阳极侧生成二氧化碳气体，在阴极侧生成水。
阳极：CH3OH+H2O→CO2+6H++6e-
阴极：O2+4H++4e-→2H2O
<第一实施方式>
图1是表示本发明的燃料电池堆的优选例子之一的示意图，图1(a)是其立体图，图1(b)是俯视图，图1(c)是侧视图。图1的燃料电池堆100由第一燃料电池层101和第二燃料电池层102层叠而成，各层由5个燃料电池的单元电池(以下简称为单元电池)103构成。在两层燃料电池层中，单元电池103分别与相邻的单元电池间隔一定间隙而配置，第一燃料电池层101具有间隙区域104a，第二燃料电池层102具有间隙区域104b。在本实施方式中，间隙区域104a和间隙区域104b的形状分别为长方体形状。
这里，本说明书中的“单元电池”是指构成燃料电池堆的一个单元，是含有MEA(Membrane Electrode Assembly；膜电极复合体)以及为了赋予发电功能或出于其他目的而根据需要附加于MEA的其他构成部件的结构体。作为其他构成部件，没有特殊限制，例如可以列举用于供给燃料的燃料流路、用于供给空气的空气流路、隔离件、阳极集电体、阴极集电体等。另外，“MEA”是指至少含有电解质膜和夹持该电解质膜的阳极催化剂层以及阴极催化剂层的复合体，在本说明书中，还包括在阳极催化剂层上具有阳极导电性多孔质层以及在阴极催化剂层上具备阴极导电性多孔质层的情况。另外，在本说明书中，“隔离件”是指发挥将燃料和氧化剂(空气等)分离的作用的单元电池的构成部件。
在本实施方式中，各燃料电池层中，在燃料电池层内具有在长度方向上延伸的形状，构成燃料电池层的各单元电池103也具有在长度方向上延伸的形状(以下有时将具有所述形状的单元电池称为“具有长方形的单元电池”)，更具体而言为长方体形状。同一层内的各单元电池103的延伸方向相同。即，同一层内的各单元电池103以一定的间隔平行地配置。第二燃料电池层102以构成第二燃料电池层的单元电池的长度方向(延伸方向)与构成第一燃料电池层101的单元电池的长度方向(延伸方向)相正交的方式在第一燃料电池层101上层叠。根据所述构成，第一燃料电池层101所具有的间隙区域104a的上面的一部分与构成第二燃料电池层102的单元电池相接。若单元电池具有长度方向，则能在间隙区域上稳定地层叠多个单元电池，因此容易构建燃料电池层的层叠结构。此外，使用平面长方形的单元电池的情况，与具有凹部或凸部之类的长方形状、筒型形状相比，层叠时的单元电池间的接触面积变大，因此得到的燃料电池堆的物理强度得到提高。另外，当单元电池间的接触面积变大时，在以电串联连接的方式层叠时能降低电接触电阻。此外，使用平面形状的单元电池的情况，与柱状的单元电池相比，能增加单位体积的表面积。由于能够将电接触电阻控制得较低且能够沿着层叠方向进行电串列布线连接，因此可减少燃料电池层的面内方向流过的电流值，因而能减少集电体的厚度或不使用集电体，并使燃料电池堆高层叠化成为可能。其结果是，能实现燃料电池堆的小型化、轻量化以及低成本化。
在本实施方式中，以构成第二燃料电池层102的单元电池的长度方向(延伸方向)与构成第一燃料电池层101的单元电池的长度方向(延伸方向)正交的方式层叠，因此从燃料电池层的层叠方向观察时，具有长方体形的间隙区域104a和间隙区域104b同样以正交的方式排列，除交叉区域(间隙区域104a与间隙区域104b交叉的区域)外，形成在不同的部分(参照图1(b))。
通过使单元电池正交排列，单元电池之间的交叉区域的面积减小，空气向该交叉区域的内部扩散的距离变短，因此该交叉区域中空气的供给良好。另外，通过进一步缩短单元电池的宽度方向的长度，也能进一步减小该交叉区域的面积。通过缩短宽度方向的长度，单元电池的阴极侧的面内方向上氧的扩散距离变短，即使在自然供给空气的情况下，也不易引起氧的扩散供给的限速。其结果是，即使不使用用于供给空气的辅助器，也可向三维地层叠燃料电池层而成的燃料电池堆内部的单元电池的阴极侧更有效地提供空气。
在图1的燃料电池堆100中，作为氧化剂的空气，可通过将燃料电池堆表面的至少一部分向大气开放来提供，或者使用空气泵、风扇等辅助器来提供。此时，所供给的空气经过设置于单元电池间的间隙区域104a和104b到达燃料电池堆100的内部，被提供至各单元电池的阴极催化剂层。这里，由于采取如下构成：在第一燃料电池层101具有的间隙区域104a的上面的一部分配置了构成第二燃料电池层102的单元电池，因此存在于间隙区域的空气与各单元电池的接触面积增加。由此，向单元电池的阴极催化剂层的空气供给得到了大幅度改善。
在燃料电池堆100中，三维地形成间隙区域，而且，所有的间隙区域(4根间隙区域104a和4根间隙区域104b)连通。所述构成提高燃料电池堆的空隙率，使通气性变好，从而提高空气的扩散性。即，采用所述构成，能利用自然对流或扩散使已进入到燃料电池堆内的空气经过已连通的间隙区域最终被提供至燃料电池堆100的内部。而且，燃料电池堆内的空气的自然扩散性也很好。被因发电而产生的热所加热的燃料电池堆内的空气利用对流，经过已连通的间隙区域被释放到外部，与此同时从燃料电池堆的侧面或下面高效地吸入空气。因此，空气的扩散速度提高，不必采用用于供给空气的空气泵、风扇等辅助器。这能使采用了燃料电池堆的燃料电池系统小型化。此外，由于空气的扩散阻力减少，因而能提高燃料电池的发电特性。另外，即使在使用空气泵、风扇等辅助器的情况下，也能减少向燃料电池堆内部供给空气所需的风力。这能使辅助器降低电耗和小型化。
此外，根据所述构成，能大大改善燃料电池堆的使用形态的自由度。例如，即使将燃料电池堆向任何方向倾斜使用，也能从上部排出被加热的空气，而从侧方和下方吸入空气，因而能确保良好的空气扩散性。另外，即使在设备上搭载燃料电池堆、例如燃料电池堆上面和下面被堵塞的情况下，也能从侧面进行空气的排出和吸入。特别是固体高分子型燃料电池(PEFC)和直接甲醇型燃料电池(DMFC)，由于能在室温附近低温工作，因此例如不需要固体氧化物燃料电池(SOFC)等高温工作型的燃料电池中所需的隔热结构等组件。因此，特别是在固体高分子型燃料电池(PEFC)和直接甲醇型燃料电池(DMFC)的情况下，能从三维的任一方向向燃料电池堆内部提供大气中的空气，因而无需用于供给空气的辅助器。由此，本发明的燃料电池堆特别优选为固体高分子型燃料电池(PEFC)和直接甲醇型燃料电池(DMFC)等能在室温附近低温工作的燃料电池。此外，燃料电池堆的通气性良好以及燃料电池堆的表面积增加还能提高燃料电池堆的散热性，即使高度层叠燃料电池堆，也能抑制温度的上升。因此，根据本发明的燃料电池堆，能抑制热引起的燃料电池堆的发电特性的劣化，在设备等上搭载了燃料电池堆时，也能缩小发电产生的热对设备的影响。
在燃料电池堆100中，各单元电池103的高度、即燃料电池层的厚度相等。由此，燃料电池层内的单元电池的高度相同，因此即使将单元电池在多个单元电池上跨越而层叠的情况下，上下的单元电池之间的接触也良好，能减少接触不良。
在燃料电池堆100中，配置于一层燃料电池层内的单元电池的间隔(即间隙区域的宽度)为等间隔。这里，等间隔是指所有的间隙间隔的误差在±0.25mm以内。多个间隙区域中与燃料电池层的层叠方向相垂直的面的截面积均相等。如上所述，同一层内的各单元电池103由于平行配置，因此多个间隙区域104a具有相同的面积，此外，由于各单元电池103的高度也相等，因此多个间隙区域104a具有相同的空间体积。对于间隙区域104b也同样。在燃料电池堆100中，电流沿层叠方向电串联地流经单元电池交叉接触的部分，未交叉部分的电流沿燃料电池层的面内方向流至最接近的交叉接触部分，一旦到达交叉接触部分，即向层叠方向流动。通过使间隙区域的间隔为等间隔，由于沿面内方向流经燃料电池层的距离变均匀，因此不会产生因电阻损失引起的局部发热。另外，不易产生局部过电压。由此，不易引起局部热导致的燃料电池的输出特性的劣化、以及因过电压使催化剂金属溶解程度的电位变高而引起催化剂金属劣化，进而导致输出特性的劣化，因而能延长燃料电池堆的寿命。
各燃料电池层内配置的单元电池的间隔只要具有空气能利用扩散或自然对流通过的间隔即可，没有特殊限制，优选为0.001cm～1cm，进一步优选为0.05cm～0.2cm。
在燃料电池堆100中，各单元电池103均具有同样的形状。因此，本实施方式的燃料电池堆可以说是采用与第一燃料电池层101形状相同的燃料电池层作为第二燃料电池层102、并使其相对于第一燃料电池层101旋转90°层叠而成的燃料电池堆。这里，燃料电池层的形状相同是指所有的单元电池的外形的误差为±0.25mm以内，通过翻转或旋转，单元电池的配置和形状一致。通过使单元电池均为同一形状，能抑制单元电池的形状差异引起的特性偏差。另外，由于能在一个制造工序中制造单元电池，因而能缩小制造成本。如本实施方式那样，改变角度使两个燃料电池层层叠，并使构成一方的燃料电池层的单元电池与构成另一方的燃料电池层的单元电池交叉，即可容易地形成三维连通的间隙区域。
另外，在本说明书中，有时将图1所示的具有多个长方形的单元电池并将这些单元电池以井型多层层叠而成的结构的燃料电池堆称为“井形燃料电池堆”。
这里，本实施方式的燃料电池堆例如可以实施如下变形。首先，构成第一燃料电池层101的多个单元电池103的形状(长度方向的长度、宽度或高度)不必都相同。对于第二燃料电池层102也同样。只要至少两个单元电池为同一形状，就能在该区域获得与上述效果相同的效果。另外，一个燃料电池层内的单元电池的数量没有特殊限制，至少一方的燃料电池层具有两个以上的单元电池从而具有至少一个间隙区域即可。在具有多个间隙区域的情况下，其宽度(单元电池间的距离)可以各不相同。第一燃料电池层101内的单元电池间的距离可以与第二燃料电池层102内的单元电池间的距离不同。此外，配置在一个燃料电池层内的多个单元电池可以平行地配置。
第一燃料电池层101的形状与第二燃料电池层102的形状不必相同。另外，构成第二燃料电池层的单元电池的长度方向(延伸方向)与构成第一燃料电池层101的单元电池的长度方向(延伸方向)所成的角度不必为90°，可以是任一角度。即使在将同一形状的两层燃料电池层层叠而得到与本实施方式相同的燃料电池堆的情况下，上侧的燃料电池层相对于下侧的燃料电池层的角度也没有特殊限制。
作为本发明的燃料电池堆中使用的燃料，不限于甲醇水溶液，可以使用分子结构中含有氢原子的其他燃料。燃料是指提供给阳极催化剂层的还原剂。具体可以例示：氢、DME(甲醚)、甲烷、丁烷、氨等气体燃料；甲醇、乙醇等醇类、二甲氧基甲烷等醇类、甲酸等羧酸类；甲酸甲酯等酯类、肼、或亚硫酸、亚硫酸氢盐、硫代硫酸盐、次硫酸盐、次磷酸、亚磷酸等液体燃料；抗坏血酸等使固体燃料溶于水而得到的燃料。燃料不限于1种，也可以是2种以上的混合物。从燃料的成本低、单位体积的能量密度高、发电效率高(过电压低)等观点出发，优选使用甲醇水溶液。作为本发明的燃料电池堆中使用的氧化剂，可以例示氧、过氧化氢、硝酸，从氧化剂的成本等观点出发，更优选使用空气中的氧。
接着，对构成第一燃料电池层101和第二燃料电池层102的单元电池103的内部结构进行说明。图2是表示本发明使用的单元电池的优选例子之一的概略截面图。另外，关于单元电池的另一优选例子见后述。图2所示的单元电池包括电解质膜201、配置在电解质膜201一侧表面的阳极催化剂层202、配置在电解质膜201的另一侧表面的阴极催化剂层203、与阳极催化剂层202的与电解质膜201相对置的面相反的面接触而配置的亲水层208、与亲水层208的与阳极催化剂层202相对置的面相反的面接触而配置的阳极导电性多孔质层204、与阴极催化剂层203的与电解质膜201相对的面相反的面接触而配置的阴极导电性多孔质层205、形成于阳极导电性多孔质层204内的作为燃料输送用空间的燃料流路206、覆盖燃料流路206的一个面的燃料透过控制层209、与阳极导电性多孔质层204的与亲水层208接触的面相反的面接触的气液分离层210。燃料透过控制层209与亲水层208相接而配置。阳极导电性多孔质层204通过在阳极导电板上形成多个贯穿其层厚方向的贯穿孔207而形成。
作为燃料的甲醇水溶液，经过燃料流路206被提供至单元电池的发电部整个面，经过燃料透过控制层209被提供给亲水层208后，由亲水层208保持甲醇水溶液，均匀地提供至阳极催化剂层202。亲水层208优选为具有导电性且由表面为亲水性的多孔质体形成的层。由此，生成的二氧化碳经过亲水层208内的孔，依次经过阳极导电性多孔质层204的贯穿孔207、气液分离层210而排到外部。二氧化碳从阳极催化剂层202附近的贯穿孔207被迅速排出，因此在单元电池内部二氧化碳的压力不高，不会使电解质膜和催化剂层剥离或形状改变，也不会阻碍燃料的供给。
在采用本发明的燃料电池堆结构的情况下，从阳极导电性多孔质层204的贯穿孔207排出的二氧化碳被排到邻接的单元电池的阴极导电性多孔质层205的内部，或排到间隙区域。排到阴极导电性多孔质层205内部的二氧化碳沿面内方向扩散，到达间隙区域，从间隙区域伴随着空气的扩散一起被排到燃料电池堆外部。这样，可以将迅速排至单元电池外的二氧化碳从燃料电池堆内的间隙区域伴随着空气的扩散一起被迅速地排到燃料电池堆外部。
在图2所示的单元电池中，可以从阳极导电性多孔质层204中设置的贯穿厚度方向的贯穿孔207排出二氧化碳，因此无需在阳极导电板上形成二氧化碳的排出路径。为了切实并迅速地排出二氧化碳，必须确保排出流路的截面积，但在本实施方式中没有这个必要，因而可以使阳极导电板薄型化。因此，可以使单元电池薄型化，使由它们层叠而成的燃料电池堆高输出密度化。
另外，由于借助燃料透过控制层209提供甲醇水溶液，因此不会出现二氧化碳进入燃料流路206而妨碍甲醇水溶液的供给。因此，对于燃料流路206而言，无需使用泵等辅助器以规定以上的流速使甲醇水溶液流动、排出二氧化碳，因此无需使用泵。此外，以往为了减少用泵供给时的压力损失，必须增加燃料流路的截面积，但通过设置燃料透过控制层209，可以无需使用泵，从而可以解决现有的技术问题。另外，由于可以减小燃料流路206的截面积，因此可以利用毛细管力将甲醇水溶液提供到发电部的各个角落。这样，能实现单元电池的薄型化，并且无需使用辅助器，从而能实现燃料电池的高输出密度化。
气液分离层210是在规定的压力为止透过气体而不透过液体的具备具有细孔径的大量细孔的多孔质体。由此，能制成可排出二氧化碳并且甲醇水溶液不向外部漏液的结构。另外，气液分离层可以填充到贯穿孔207的内部。
亲水层208具有如下作用：保持燃料，并且不仅将所述燃料均一地提供给阳极催化剂层202，而且由于其具有的细孔被液体(甲醇水溶液)充满，因而可防止从贯穿孔207进来的氧到达阳极催化剂层202，防止燃料电池的输出降低。
空气从大气中经过阴极导电性多孔质层205被提供给阴极催化剂层203。更具体而言，提供至燃料电池堆的空气经过单元电池间设置的间隙区域被提供至燃料电池堆的内部，并经由阴极导电性多孔质层205所具有的孔，提供给阴极催化剂层203。
通过制成上述单元电池的结构，可以制作厚1mm左右以下的薄型单元电池。在本实施方式的燃料电池堆中，作为尽量不使用辅助器的结构，优选使单元电池的短边长度为1～3mm，厚度为0.5～1mm，长边长度为30～100mm，间隙间隔(间隙区域的宽度)为0.2～2mm，燃料电池层的层叠数为4～8层。由此，能提供上述高输出密度且微细的燃料电池堆。
阳极催化剂层202含有促进燃料氧化的催化剂，在催化剂上燃料发生氧化反应从而产生质子和电子。阴极催化剂层203含有促进氧化剂还原的催化剂，在催化剂上氧化剂吸收质子和电子，发生还原反应。
作为上述阳极催化剂层202和阴极催化剂层203，例如可以使用含有载持有催化剂的载体和电解质的物质。此时，阳极催化剂层202中的阳极催化剂，具有促进例如从甲醇和水生成质子和电子的反应速度的功能，电解质具有将生成的质子传递到电解质膜201的功能，阳极载体具有将生成的电子传递到阳极导电性多孔质层204的功能。另一方面，阴极催化剂层203中的阴极催化剂，具有促进由氧和质子及电子生成水的反应速度的功能，电解质具有将质子从电解质膜201传递至阴极催化剂附近的功能，阴极载体具有将电子从阴极导电性多孔质层205传递至阴极催化剂的功能。另外，阳极载体和阴极载体具有电子传导的功能，催化剂也具有电子传导性，因此不必设置载体，此时，阳极导电性多孔质层204或阴极导电性多孔质层205的电子授受分别由阳极催化剂、阴极催化剂来进行。
作为阳极催化剂和阴极催化剂，例如可以例示Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等贵金属或Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zr等贱金属、这些贵金属、贱金属的氧化物、碳化物、碳氮化物以及碳。这些材料，可以单独或2种以上组合用作催化剂。阳极催化剂和阴极催化剂不必为同一种，可以使用不同的物质。
阳极催化剂层202和阴极催化剂层203中使用的电解质，只要是具有质子传导性且具有电绝缘性的材质即可，没有特殊限制，优选为不溶于甲醇的固体或凝胶。具体而言，优选具有磺酸基、磷酸基等强酸基或羧基等弱酸基的有机高分子。作为所述有机高分子，可以例示含有磺酸基的全氟碳(NAFION(注册商标)：杜邦公司制)、含有羧基的全氟碳(FLEMION(注册商标)：旭化成公司制)、聚苯乙烯磺酸共聚物、聚乙烯基磺酸共聚物、离子性液体(常温熔融盐)、磺化酰亚胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)等。另外，当使用后述赋予了质子传导性的载体时，由于该载体进行质子传导，因此不必有电解质。
阳极催化剂层202和阴极催化剂层203中使用的载体，优选为导电性高的碳类材料，例如可以例示乙炔炭黑、科琴炭黑(注册商标)、无定形碳、碳纳米管、碳纳米锥(carbon nano horn)等。除碳类材料外，还可以例示Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等贵金属，Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zr等贱金属，以及这些贵金属、贱金属的氧化物、碳化物、氮化物、碳氮化物。这些材料，可以单独或2种以上组合用作载体。另外，还可以使用对载体赋予了质子传导性的材料，具体可以使用硫酸化氧化锆、磷酸锆等。
阳极催化剂层202以及阴极催化剂层203的厚度而言，为了减小质子传导的阻力以及电子传导的阻力、降低燃料(例如甲醇)或氧化剂(例如氧)的扩散阻力，优选分别为0.5mm以下。另外，为了提高作为电池的输出，必须载持有足够的催化剂，因此优选分别至少为0.1μm以上。
电解质膜201只要是具有质子传导性且具有电绝缘性的材质即可，没有特殊限制，优选由目前公知的合适的高分子膜、无机膜或复合膜来形成。作为高分子膜，例如全氟磺酸类电解质膜(NAFION(杜邦公司制)、陶氏膜(陶氏化学公司制)、ACIPLEX(注册商标：旭化成公司制)、FLEMION(旭硝子公司制))等，此外还可以列举聚苯磺酸、磺化聚醚醚酮等烃类电解质膜等。作为无机膜，例如可以列举磷酸玻璃、硫酸氢铯、多钨磷酸、多磷酸铵等。作为复合膜，例如可以列举GORE-SELECT膜(注册商标：GORE公司制)。
当燃料电池堆达到100℃附近或其以上的温度时，作为电解质膜的材料，优选采用低含水时也具有高离子传导性的磺化聚酰亚胺、2-丙烯酰胺-2-甲基丙烷磺酸(AMPS)、磺化聚苯并咪唑、磺化聚丙并咪唑、硫酸氢铯、多磷酸铵、离子性液体(常温熔融盐)等，将它们制成膜后使用。电解质膜优选质子传导率为10-5S/cm以上，更优选使用全氟磺酸聚合物和烃类聚合物等质子传导率为10-3S/cm以上的高分子电解质膜。
阳极导电性多孔质层204具有与阳极催化剂层202进行电子授受的功能。作为构成阳极导电性多孔质层204的阳极导电板所使用的材质，优选使用碳材料、导电性高分子、Au、Pt、Pd等贵金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等金属或Si以及它们的氮化物、碳化物、碳氮化物等、以及不锈钢、Cu-Cr、Ni-Cr、Ti-Pt等合金等，更优选含有选自Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni、W中的至少1种元素。另外，当采用Cu、Ag、Zn等在酸性气氛下耐腐蚀性不佳的金属时，可以将Au、Pt、Pd等具有耐腐蚀性的贵金属以及金属材质或导电性高分子、导电性氮化物、导电性碳化物、导电性氧化物等用作表面涂层。由此，能延长燃料电池的寿命。通过含有上述元素，阳极导电性多孔质层204的比电阻减少，从而能减轻阳极导电性多孔质层204的电阻引起的电压下降，从而得到更高的发电特性。
图2所示的阳极导电性多孔质层204如上所述那样在阳极导电板上形成贯穿层厚方向的贯穿孔207。由此，能提高在阳极催化剂层202生成的二氧化碳的排放效率。这里，“贯穿”是指从一侧的面穿透到相反侧的面。多个贯穿孔207更优选相互连通。作为具有在贯穿层厚方向的孔的阳极导电板(阳极导电性多孔质层)，例如可以列举在板或箔上开有多个孔的多孔质金属层、网状或网形铁(expanded metal)状的多孔质金属层等。另外，作为具有相互连通的多个贯穿孔的材料，例如可以列举发泡金属、金属织物、金属烧结体、复写纸(carbon paper)、碳布。
阴极导电性多孔质层205具有与阴极催化剂层203进行电子授受的功能，并具有将单元电池的外部与阴极催化剂层203连通的孔。通常，在单元电池发电时，与阳极导电性多孔质层204相比，阴极导电性多孔质层205可保持高电位，因此阴极导电性多孔质层205的材质优选与阳极导电性多孔质层204相同，或具有更好的耐腐蚀性。
阴极导电性多孔质层205的材质可以为与阳极导电性多孔质层204相同的材质，但特别优选使用例如碳材料、导电性高分子、Au、Pt、Pd等贵金属、Ti、Ta、W、Nb、Cr等金属以及这些金属的氮化物、碳化物等、以及不锈钢、Cu-Cr、Ni-Cr、Ti-Pt的合金等。另外，当采用Cu、Ag、Zn、Ni等在酸性气氛下耐腐蚀性不佳的金属时，可以将具有耐腐蚀性的贵金属以及金属材质或导电性高分子、导电性氧化物、导电性氮化物、导电性碳化物等导电性碳氮化物用作表面涂层。
阴极导电性多孔质层205的结构，只要具有能将燃料电池堆周围的空气中的氧提供给阴极催化剂层203的连通孔即可，没有特殊限制，为了将氧提供至位于层叠的燃料电池层之间的接触部位的阴极催化剂层，优选在阴极导电性多孔质层205内部沿层叠方向以及层叠方向的垂直方向连通的孔。作为这种结构，例如可以列举发泡金属、金属织物、金属烧结体、复写纸、碳布等。本发明的直接甲醇型燃料电池堆优选：在邻接的燃料电池层之间层叠，并且在重合的区域，从沿阴极导电性多孔质层205的层厚方向切断的截面方向也进入空气，空气达到阴极催化剂层203的结构。
关于阴极导电性多孔质层205的空隙率，为了减少氧的扩散阻力，优选为30％以上，为了减少电阻，优选为95％以下，更优选为50％～85％。关于阴极导电性多控制层205的厚度，为了减少氧在阴极导电性多孔质层205的层叠方向的垂直方向上的扩散阻力，优选为10μm以上，为了减少氧在阴极导电性多孔质层205的层叠方向上的扩散阻力，优选为1mm以下，进一步优选为100μm～500μm。
对于本发明使用的单元电池，如图2所示那样，除阴极导电性多孔质层、阴极催化剂层、电解质膜、阳极催化剂层、阳极导电性多孔质层外，还优选使用用以防止燃料泄漏、排出在阳极产生的反应物而设计的气液分离层210、用以限制甲醇向催化剂层的透过流速而设计的燃料透过控制层209。下面，对该气液分离层和燃料透过控制层进行详细说明。
气液分离层是为了防止甲醇从阳极导电性多孔质层的贯穿孔泄漏到单元电池外部而设计的、主要具有对水或甲醇水溶液形成的液体不透过性以及气体透过性的性质的层。在本发明中，优选对气液分离层也赋予导电性。具体而言，优选使用具有气液分离性质的材料和具有导电性的材料的混合物。作为这样的材料，可以例示以PTFE(聚四氟乙烯)或PVDF(聚偏氟乙烯)为代表的氟类高分子和乙炔炭黑、科琴炭黑、无定形碳、碳纳米管、碳纳米锥等的混合物所形成的多孔质层(以下，将赋予了导电性的气液分离层简称为气液分离层)。优选在阳极导电性多孔质层的表面具有该气液分离层用来防止甲醇的泄漏。
优选设于燃料流路的燃料透过控制层优选在其厚度方向上具有燃料的扩散阻力、具有抑制燃料的透过流速的功能，更优选由不透过气体的材料形成。燃料透过控制层只要具有上述功能即可，对形状方面没有特殊限制，也可以通过设置贯穿其厚度方向的微细孔而具有燃料的透过功能。当燃料为甲醇水溶液时，燃料透过控制层优选由高分子膜、无机膜或复合膜形成。作为高分子膜，例如可以例示硅胶、全氟磺酸类电解质膜(NAFION(杜邦公司制)、陶氏膜(陶氏化学公司制)、ACIPLEX(旭化成公司制)、FLEMION(旭硝子公司制))以及磺化聚酰亚胺、聚苯乙烯磺酸、磺化聚醚醚酮等烃类电解质膜等。作为无机膜，例如可以例示多孔质玻璃、多孔质氧化锆、多孔质氧化铝等。作为复合膜，例如可以列举GORE-SELECT膜(GORE公司制)。另外，作为具有已贯穿的微细孔的燃料透过控制层，可以例示用感光性树脂制作的燃料透过控制层。当使用利用紫外线或X射线聚合、固化的感光性树脂时，可以利用不能透过紫外线或X射线的掩模，在层厚方向设置圆柱形的贯穿孔或狭缝状的贯穿孔。
在上述专利文献1中记载的燃料电池的结构中，二氧化碳在多孔质基板或燃料腔内残留，阻碍甲醇水溶液向催化剂层的供给，甲醇水溶液的扩散阻力可能会使燃料电池的输出下降。为此，必须要以相当快的流速使甲醇水溶液流经燃料腔内，需要有消耗大量电力的泵等辅助器。通过借助燃料透过控制层提供燃料，二氧化碳不会在燃料流路(或燃料腔)内残留，能稳定地供给燃料。由此，不需要使用消耗大量电力的泵等辅助器，或者最小限度地使用，能提高燃料电池系统的输出密度。另外，通过控制燃料的透过流速来供给燃料，可以不使用用于密封的密封部件、用于确保密封性的紧固部件、防止燃料到达阴极催化剂层的隔离件，能实现燃料电池堆的小型化、低成本化、高输出化。
另外，虽然在图2中未详示，但优选与阳极催化剂层202以及阴极催化剂层203相比在面内方向大范围地形成电解质膜201，在单元电池截面的端部，电解质膜201和阳极导电性多孔质层204、以及电解质膜201和阴极导电性多孔质层205分别相接，更优选不相互粘接。这是为了避免燃料从阳极催化剂层202绕过电解质膜201的端部而到达阴极催化剂层203。这样的结构例如可以通过如下方式来实现：在阳极导电性多孔质层204以及阴极导电性多孔质层205的端部，按规定的宽度，分别以阳极催化剂层202、阴极催化剂层203的厚度以上且几乎相同的厚度涂布电解质膜的溶液，事先形成电解质膜，用热焊接等将两导电性多孔质层贴合。除了由电解质膜的溶液形成电解质膜外，取而代之还可以通过事先在阳极导电性多孔质层以及阴极导电性多孔质层侧粘贴电解质膜来形成。另外，除了在导电性多孔质层形成电解质膜外，还可以在较大范围形成的电解质膜201的未层叠催化剂层的两端部，以覆盖催化剂层端面且与催化剂层相同的厚度的方式形成电解质膜。由此，可以实现导电性多孔质层与催化剂层以及电解质膜两者均相接的结构。另外，以覆盖催化剂层端面的方式在电解质膜201和阳极导电性多孔质层204和/或阴极导电性多孔质层205之间形成的层不必为电解质膜，可以使用胶粘剂来形成。作为这种胶粘剂，可以列举聚烯烃类胶粘剂或环氧类胶粘剂等。另外，当阳极导电性多孔质层204、阴极导电性多孔质层205在端部的截面为多孔质形状时，为了避免燃料从阳极导电性多孔质层204的端部的截面漏出、通过阴极导电性多孔质层205到达阴极催化剂层203，优选用由胶粘剂等形成的密封剂将阳极导电性多孔质层204和亲水层208和阳极催化剂层202和电解质膜201的端部的截面以及邻接的层与层之间的界面密封，除此之外，更优选将阴极催化剂层203以及阴极导电性多孔质层205的端部的截面也用密封剂密封。
关于具有以上结构的单元电池中，在阳极侧，参照图2，燃料途径燃料流路206到达阳极催化剂层202，在阳极催化剂层202发生燃料的氧化反应，产生质子和电子。产生的电子流向阳极导电性多孔质层204，质子经由电解质膜201向阴极催化剂层203移动。另一方面，在阴极侧，通过燃料电池层或单元电池的间隙区域提供到燃料电池堆内部的空气，被通过单元电池的阴极导电性多孔质层205提供至阴极催化剂层203。在阴极催化剂层203，氧和质子和由阴极导电性多孔质层205提供的电子发生还原反应而生成水。
<第二实施方式>
图3是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的示意图，图3(a)是其立体图，图3(b)是俯视图，图3(c)是侧视图。图3的燃料电池堆300由第一燃料电池层301和第二燃料电池层302交替层叠而成，总层叠数为8。各层由5个单元电池303构成，燃料电池堆300总共有40个单元电池。与上述第一实施方式的不同点在于燃料电池层的层叠数。通过增加层叠数，能输出更高的电压。
在燃料电池堆300中，各单元电池303的高度、即燃料电池层的厚度相等。由此，由于燃料电池层内的单元电池的高度一致，即使在跨越多个单元电池来层叠单元电池的情况下，上下单元电池之间的接触也良好，能减少接触不良。另外，总共8层燃料电池层沿燃料电池层的面方向的垂直方向层叠。由此，在串联电布线的情况下，导电路径变短，可以减少电阻损失，并且通过将燃料电池层在燃料电池层的面方向的垂直方向上层叠，能减少因布线等产生的死腔，缩小燃料电池堆所占的空间体积，从而可以制成小型化、高输出密度化的燃料电池堆。
这里，在燃料电池堆300中，所有的燃料电池层均具有相同的形状，但并不需要所有的燃料电池层都具有相同形状。另外，构成燃料电池堆300的单元电池303的形状可以都相同，也可以一部分具有不同的形状。只要构成燃料电池堆300的燃料电池层中至少两层具有相同形状即可，在这些燃料电池层中，能实现上述制造成本的降低以及层叠结构的构建容易化。另外，只要在一个燃料电池层内的至少两个单元电池具有相同形状即可，在这些单元电池中，能抑制因上述单元电池的形状差异所引起的特性偏差。
关于其他的燃料电池堆的结构、该结构产生的效果以及可能的变形，与上述第一实施方式相同。另外，在本实施方式中，从层叠方向看，以间隙区域的重复部分的形状为四边形的方式层叠燃料电池层，当然也可以层叠成三角形、五边形、六边形等多边形。各单元电池的内部结构可以与上述第一实施方式相同。
这里，例如图3所示那样，以构成燃料电池层的单元电池和构成与该燃料电池层邻接的燃料电池层的单元电池正交的方式，将通过隔开等间距而配置多个相同形状的长方体状的单元电池而得到的多个燃料电池层层叠得到的燃料电池堆中，参照图3，从单元电池的制作容易性的观点出发，单元电池的宽度X1优选为1mm以上。若从单元电池交叉面积小时氧的扩散速度变快、并且生成的水以水蒸气的形态迅速被排出的观点出发，单元电池的宽度X1优选尽可能窄，具体优选为5mm以下。相对于单元电池的宽度X1的单元电池间的间隙区域的宽度(单元电池间的间隙)X2(X2/X1)，从燃料电池层中所占的MEA的比例越大则燃料电池堆的输出密度越高的观点出发，优选为1以下，从空气进入燃料电池堆内部的容易性的观点出发，优选为0.2以上。在X1和X2满足上述范围的情况下，关于单元电池中含有的阴极导电性多孔质层的厚度X3(燃料电池堆中阴极导电性多孔质层与隔板邻接的情况(参照后述的图61和图62)下为它们的总厚度)，从空气进入燃料电池堆内部的容易性、扩散容易性的观点出发，优选为0.2mm以上，从提高燃料电池堆的输出密度的观点出发，优选为2mm以下。
<第3实施方式>
图4是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。本实施方式的燃料电池堆中，各燃料电池层的形状及各单元电池的形状与上述第二实施方式类似，但单元电池的内部结构具有特征。即，单元电池401是按阳极催化剂层402、电解质膜403以及阴极催化剂层404的顺序层叠而成的。根据该构成，不需要使用导电性多孔质层和隔离件，因此部件的数量变少，能实现低成本化，高输出密度化。
本实施方式的燃料电池堆的各燃料电池层与上述实施方式同样，由间隔地配置的复个单元电池401构成，一个燃料电池层的单元电池分别与邻接的燃料电池层的单元电池正交而配置。由此，面向间隙区域的阳极催化剂层和阴极催化剂层的面积的比例增加，从而可以有效地进行燃料和氧化剂的供给。各燃料电池层内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式的情况相同。
阴极催化剂层404优选使用甲醇的氧化反应的活性低、氧与质子的还原反应的活性高且选择性高的催化剂。由此，即使甲醇到达阴极催化剂，也能提高阴极电位，能实现较高的发电效率。作为上述选择性高的催化剂，可以列举在铂粒子上载持有杂多酸(H3PW12O40)的复合催化剂、钴卟啉络合物的催化剂、吸附了氯取代型钴双二石碳酸(cobalt bisdicarbollide)络合物的铂催化剂、Ru(钌)和Se(硒)的合金催化剂、Pt和Co等的合金催化剂、以及钨碳化物等的金属碳化物等。
阳极催化剂层402中，优选使用甲醇主要被酸化、氧的还原反应低的催化剂或催化剂结构，优选由促进阳极的甲醇氧化反应的材料构成。作为阳极催化剂层402的选择性高的催化剂层结构，例如可以列举由载持了催化剂粒子Pt或Pt和Ru的合金的金属微粒的导电性高的碳类原料(例如乙炔碳黑、科琴炭黑、无定形碳、碳纳米管、碳纳米锥)的载体和NAFION等质子传导性高分子粘合剂构成，该碳类材料的表面被羧酸基或羟基等亲水性官能团进行了修饰的催化剂结构。利用亲水性官能团，甲醇水溶液在阳极催化剂层402中渗透，形成甲醇水溶液的被膜。由此，到达阳极催化剂粒子的氧量远远少于阳极催化剂层402中存在的甲醇水溶液的量。其结果是，能抑制氧对阳极催化剂层402中的反应的影响，基本上可以避免由于氧的影响而导致燃料电池的输出特性下降。
本实施方式中，甲醇水溶液以及氧的供给优选通过将两者混合吹附、或用泵供给来实施。由于燃料电池堆中三维连通形成的间隙区域可以减少压损，因此不仅能降低泵等辅助器的电耗，还能将混合燃料提供至燃料电池堆的各个角落。
<第4实施方式>
图5是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。本实施方式的燃料电池堆由第一燃料电池层501和第二燃料电池层502交互层叠而成。第一燃料电池层501含有隔开地配置的5个第一单元电池503，这些第一单元电池503之间具有间隙区域。各第一单元电池503具有与图2所示的结构相同的内部结构。即，各第一单元电池503依次具有阳极导电性多孔质层509、阳极催化剂层508、电解质膜507、阴极催化剂层506、阴极导电性多孔质层505。第二燃料电池层502由一个第二单元电池构成，没有间隙区域。第二单元电池的内部结构与第一单元电池503相同。第一燃料电池层501内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式相同。
在这种构造中，不使用辅助器也能将燃料或氧化剂从第一燃料电池层501的间隙区域提供至燃料电池堆内部。即使在使用了辅助器的情况下，也能减少向内部供给燃料或氧化剂时的压损，能用较少的电耗来供给。具有间隙区域的第一燃料电池层501具有作为没有间隙区域的第二燃料电池层502和与其相邻的另一没有间隙区域的第二燃料电池层502之间的隔离件的作用，在隔离件部分可以发电，并且容易进行电串联布线。
<第5实施方式>
图6是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。本实施方式的燃料电池堆具有层叠5层由5个单元电池601构成的同一形状的燃料电池层而得到的结构。各单元电池601具有与图2所示的结构相同的内部结构，均具有同一形状。即，各单元电池601依次具有阳极导电性多孔质层602、阳极催化剂层603、电解质膜604、阴极催化剂层605、阴极导电性多孔质层606。本实施方式中，由于在具有5个单元电池601和间隙区域的燃料电池层上，以单元电池和间隙区域的位置一致的方式层叠具有同一形状的燃料电池层，因此形成共具有4个由各间隙区域连起来的较大的间隙区域的结构。各燃料电池层内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式的情况相同。
在这种结构中，不使用辅助器也能将燃料或氧化剂从燃料电池层的间隙区域提供给燃料电池堆内部。即使在使用了辅助器的情况下，也能减少向内部提供燃料或氧化剂时的压损，能用较少的电耗来供给。
<第6实施方式>
图7是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。本实施方式的燃料电池堆由隔开地配置的8个单元电池703所形成的第一燃料电池层701与隔开地配置的7个单元电池703所形成的第二燃料电池层702交替层叠而成。单元电池703的结构与图2一样。即，各单元电池703依次具有阳极导电性多孔质层704、阳极催化剂层705、电解质膜706、阴极催化剂层707、阴极导电性多孔质层708。第一燃料电池层701和第二燃料电池层702是在各单元电池间具有间隙区域、利用邻接的两层燃料电池层堵塞间隙区域的结构。各燃料电池层为串联层叠，并且在邻接的燃料电池层之间，阳极导电性多孔质层和阴极导电性多孔质层为电接触，形成电子的导电路径。各燃料电池层内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式的情况相同。
在这种结构中，不使用辅助器也能将燃料或氧化剂从燃料电池层的间隙区域提供给燃料电池堆内部。即使在使用了辅助器的情况下，也能减少向内部提供燃料或氧化剂时的压损，能用较少的电耗来供给。
<第7实施方式>
图8是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。本实施方式的燃料电池堆由隔开地配制的5个单元电池803所形成的第一燃料电池层801和隔开地配制的两个单元电池803所形成的第二燃料电池层802交替层叠而成，各单元电池之间具有间隙区域。单元电池803的内部结构与图2类似。即，各单元电池803依次具有阳极导电性多孔质层804、阳极催化剂层805、电解质膜806、阴极催化剂层807、阴极导电性多孔质层808。各燃料电池层内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式相同。
这里，构成各单元电池803的上述部件的层叠方向相对于燃料电池层的层叠方向垂直。各单元电池803中，在燃料电池层的层叠方向的上下面上具有绝缘层809，由此，各燃料电池层电绝缘，因此各单元电池的电流通过阳极导电性多孔质层804及阴极导电性多孔质层808到达端部，在那里集中后输出到外部。根据该构成，由于阳极导电性多孔质层804的表面及阴极导电性多孔质层808的表面可以更多地占有面向单元电池的间隙区域的单元电池表面，因此燃料或氧化剂供给良好，可以减少扩散阻力。从而可以提高发电效率。
另外，不使用辅助器也能将燃料或氧化剂从燃料电池层的间隙区域提供给燃料电池堆内部。即使在使用了辅助器的情况下，也能减少向内部提供燃料或氧化剂时的压损，能用较少的电耗来供给。
<第8实施方式>
图9是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。本实施方式的燃料电池堆由隔开地配制的3个单元电池903所形成的第一燃料电池层901和隔开地配制的5个单元电池903所形成的第二燃料电池层902交替层叠而成。各单元电池903依次具有隔离件904、阳极导电性多孔质层905、阳极催化剂层906、电解质膜907、阴极催化剂层908、阴极导电性多孔质层909。构成各单元电池903的上述部件的层叠方向与燃料电池层的层叠方向平行。各燃料电池层是在各单元电池间具有间隙区域、邻接的两层燃料电池层将一部分间隙区域堵塞的结构。各燃料电池层是串联地层叠，并且邻接的燃料电池层的阴极导电性多孔质层909和隔离件904电接触，形成电子导电路径。各燃料电池层内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式的情况相同。
图10是图9的单元电池903的放大示意截面图。如图10所示，单元电池903中，在阳极导电性多孔质层905的与阳极催化剂层906相接面的相反的面上具有形成了燃料流路910的隔离件904。
这里，隔离件904优选用导电性材料构成。为了避免燃料通过隔离件904排到单元电池903外，隔离件904优选没有开孔。另外，为了避免燃料排到单元电池903外部，优选在图10的左右端部，用密封剂或胶粘剂将隔离件904和电解质膜907隔着阳极催化剂层906和阳极导电性多孔质层905粘接。
关于燃料，在泵等辅助器的作用下途径燃料流路910到达阳极导电性多孔质层905，在途径阳极导电性多孔质层905被提供给阳极催化剂层906。因此，所产生的二氧化碳经过燃料流路910与未反应的燃料一起被泵等辅助器的作用排出到外部。
在本发明中，燃料的供给流路和氧化剂的供给流路是完全分离的结构的情况下，通过燃料电池层的间隙区域供给的物质不一定必须是作为氧化剂的空气，燃料也可以通过间隙区域来供给。这种情况下，将阳极和阴极倒置，即可通过在阴极导电性多孔质层设置的流路来供给氧化剂。例如，图10所示的实施方式的情况下，可以用隔离件904隔离氧化剂，通过隔离件904内形成的燃料流路910来供给，同时由燃料电池层的间隙区域来供给还原剂。
根据本实施方式的燃料电池堆的结构，不使用辅助器也可以将空气由燃料电池层的间隙区域提供至燃料电池堆内部。即使在使用了辅助器的情况下，也能减少向内部供给燃料或氧化剂时的压损，可以用较少的电耗来供给。
<第9实施方式>
图11是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。图11(a)是其俯视图，图11(b)是侧视图。在本实施方式中，在各燃料电池层中，以单元电池1101间设置的间隙区域在燃料电池堆的中心部宽的方式设置单元电池1101。即，在各燃料电池层中，各单元电池1101以位于燃料电池堆中央附近的间隙区域的宽度比位于外周部附近的间隙区域的宽度宽的方式来配置。结果，位于燃料电池堆的中心部的间隙区域的空间体积比位于燃料电池堆端部的间隙区域的空间体积大。这样，间隙区域在燃料电池层的面内的至少一个方向越靠近燃料电池层的中央部分越大，因此从燃料电池堆的侧面看，中央纵列的间隙区域变宽，并且从燃料电池堆的上面看，从中央的间隙向纵深方向的列的间隙区域变宽。在自然供给空气的情况下，燃料电池堆的中心部附近与电池堆外周附近相比，氧浓度低，但根据本实施方式的燃料电池堆的结构，向燃料电池堆内部例如使用风扇、送风机如图11(b)所示那样从燃料电池堆下面向上面方向(图11(a)的从平面的内侧向外侧方向)向燃料电池堆中心部输送空气时的压力损失变小，因此空气很容易到达燃料电池堆中心部，能提高燃料电池堆中心部附近的氧浓度。其结果是，能提高燃料电池堆的发电特性。另外，各单元电池1101的内部结构可以与图2相同。
本实施方式中，单元电池1101优选以如下方式来配置：以电解质膜为基准，阴极侧的面相对于空气流为对向，即以电解质膜为基准，阴极催化剂层侧为空气流的上游侧，阳极催化剂层侧为下游侧。由此，空气容易通过阴极导电性多孔质层到达阴极催化剂层，能减少氧的扩散阻力。这能提高发电效率以及使燃料电池堆高输出密度化。通过在所述朝向来配置单元电池，能减少燃料电池堆内部和外部的氧分压之差，能减少单位发电面积的发电量之差(发电不均)。由此，能减少局部发电量增加的部分，从而可以抑制因局部产热引起的负荷以及因催化剂过电压引起的负荷，能抑制输出特性下降。通过燃料电池堆的发电，内部空气升温，升温的空气向上方对流，由于中央部的纵列空间大，因此可以提高对流效果。另外，由于能有效地排出燃料电池堆内部的热量，因此可以防止温度过度上升。
本实施方式中，即使燃料电池堆的任意一面向上，由于中央的纵列的间隙区域大，因此也能通过空气的热对流，促进向燃料电池堆内部的空气供给。因此，不使用泵、风扇等辅助器也能很好地向燃料电池堆内部供给空气。
在使用风扇、送风机时，优选按图11(a)所示的面为上方向来固定配置，在与热对流的流向相同的方向上，利用风扇、送风机引发空气流动。由此，可以进一步减少由风扇、送风机供给的空气量，从而能以更少的电耗使燃料电池发电。在使用风扇供给空气的情况下，如图12所示，优选在燃料电池堆内部配备风扇1201。另外，在燃料电池系统具有两个以上的燃料电池堆的情况下，优选在这些燃料电池堆之间配备风扇。由此，能将内部的氧分压低的空气强行地排到外部，并同时吸入新的空气，从而可以有效率地替换燃料电池堆内部的空气。
本实施方式的燃料电池堆的情况下，整体的发电面积本身与上述图3的燃料电池堆相等，但通过减少燃料电池层中央部的发电面积密度(燃料电池密度)，并减少向燃料电池堆内部供给空气的压损，并且扩大空气供给容易进行的燃料电池堆外周部的燃料电池的发电面积密度(燃料电池密度)，从而能提高燃料电池堆的发电特性和输出密度。根据本实施方式，可以通过适当地设计燃料电池堆内部的间隙区域这样简单的方法来实现所述燃料电池堆的发电特性及输出密度的提高。本实施方式中，间隙区域的宽度(单元电池间的距离)优选间隙小的地方为0.1mm～0.2mm，间隙大的地方为2mm～5mm左右。
这里，上述第1～第9实施方式中的任一燃料电池堆均优选以如下方式来配置：燃料电池堆内的空气因发电时产生的热量而变暖，并引起热对流时，相对于地表面，上面的空气容易逸出。另外，优选相对于热对流的空气流，以电解质膜为基准，阴极催化剂层侧位于空气流的上游侧，阳极催化剂层侧位于下游侧。由此，空气容易通过阴极导电性多孔质层到达阴极催化剂层，可以实现氧的扩散阻力。这可以提高发电效率及燃料电池堆的高输出密度化。
在上述第1～第9实施方式的任一燃料电池堆中，利用风扇、送风机、空气泵等辅助器产生空气流，并向燃料电池堆供给空气时，优选在与热对流方向相同的方向上产生基于辅助器的空气流。由此，可以在不阻碍热对流的流动的条件下使燃料电池堆内部空气良好地流动。如上所述那样，优选相对于这些空气流，以电解质膜为基准，阴极催化剂层侧位于空气流的上游侧，阳极催化剂层侧位于下游侧。
<第10实施方式>
图13是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的示意图，图13(a)是其侧视图，图13(b)是俯视图。本实施方式的燃料电池堆的构成如图13(a)所示，中央的燃料电池层1301最厚，越靠近燃料电池堆的端部的方向(图13(a)中的上下方向)，燃料电池层的厚度越薄。在图13(a)中，燃料电池堆的间隙区域为中央的列宽，越接近燃料电池堆的上下端的列，间隙区域越窄。虽然间隙区域的与燃料电池层的层叠方向相垂直的面的截面积分别相等(参照图13(b))，但由于燃料电池层的厚度(单元电池的厚度)越往中央越厚，因此间隙区域的空间体积越靠近中央越大。各燃料电池层内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式的情况相同。利用本实施方式的构成，可以得到与图11的燃料电池堆相同的效果。
本实施方式的燃料电池堆能够以如下方式来配置：例如通过风扇或送风机，使空气流如图13所示箭头的方向流动，提供给燃料电池堆内部。由此，可以减少燃料电池堆内部的压力损失，可以用较少的风扇或送风机的电耗向燃料电池堆内部供给空气，能提高燃料电池系统整体的输出密度。
图14是图13(a)所示的区域A的放大详细图。各单元电池的内部结构与图2所示的结构相同。本实施方式中，如图14所示，通过调节阴极导电性多孔质层1405的厚度来改变燃料电池层的厚度。但是，燃料电池层的厚度调节不限于阴极导电性多孔质层1405，也可以通过改变各部件的厚度来实施。
在燃料电池层交叉而接触的部分，从阴极导电性多孔质层1405的截面供给空气，到达阴极催化剂层1404，因此阴极导电性多孔质层1405的厚度越厚，氧的供给量越大，可以输出至高电流区域因而优选。由此，可以提高发电特性。即，通过增加燃料电池堆中央部的阴极导电性多孔质层1405的厚度，不仅使空气容易进入燃料电池堆内部，还能提高交叉接触部分的发电特性。另外，由于燃料电池堆外表面附近与中央部附近相比，空气供给更好，因此空气中的氧分压也高，从而能得到较好的发电特性。因此，增加燃料电池堆中央部的燃料电池层的阴极导电性多孔质层的厚度，可使通气良好，即使减小燃料电池堆外表面附近的燃料电池层的阴极导电性多孔质层的厚度，作为燃料电池堆整体的输出密度得到了提高。
<第11实施方式>
图15是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的局部放大截面示意图。本实施方式的燃料电池堆的整体构成可以为图3所示的构成。各燃料电池层内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式的情况相同。在本实施方式中，位于层叠并邻接的燃料电池层间的接触部位的阴极导电性多孔质层1506a的厚度比该接触部位以外的阴极导电性多孔质层1506b的厚度更厚。作为阴极导电性多孔质层，可以使用仅该接触部位厚的1张阴极导电性多孔质层，也可以通过仅在该接触部位重叠2张以上阴极导电性多孔质层来确保厚度。在该接触部，在与阴极导电性多孔质层的层厚方向相垂直的平面方向，空气在阴极导电性多孔质层内扩散，向阴极催化剂层1504供给氧，因此该接触部的阴极导电性多孔质层的厚度越厚，进入阴极导电性多孔质层的氧的量越多，能向阴极催化剂层1504提供更多的空气。因此，通过增加输出极限的电流量或增加阴极催化剂层1504附近的氧的量，可减少氧的扩散阻力，并提高发电效率。
另外，通过使位于该接触部位以外的阴极导电性多孔质层的厚度变薄，燃料电池堆内部的间隙区域变大，空气通道变宽，因此空气容易进入燃料电池堆内部，且燃料电池堆内部的空气的扩散良好。此外，由于氧在阴极导电性多孔质层内移动并到达阴极催化剂层的距离变短，从而可以减少氧的扩散阻力，提高发电特性。由于只要减少该接触部位以外的燃料电池层的厚度，即可使燃料电池堆内部的空气扩散良好，因此变薄的层不限于阴极导电性多孔质层。但是，从通过减少氧的扩散阻力来提高发电效率的观点出发，优选使该接触部的阴极导电性多孔质层的厚度增加，使该接触部以外的部分的阴极导电性多孔质层的厚度变薄。从而可以提高燃料电池堆的输出密度。
<第12实施方式>
图16是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的示意图。图16(a)是俯视图，图16(b)是侧视图。在本实施方式中，如图16(a)所示，构成各燃料电池层的多个单元电池中，作为位于燃料电池堆的中央部的单元电池1601，使用越靠近燃料电池层的中央宽度越小的单元电池。这里所谓的“宽度”是指与单元电池的长度方向相垂直的方向的宽度。由此，燃料电池层的中央部的间隙区域的截面面积(与层叠方向相垂直的方向上的截面积)以及空间体积比其周边部大。另外，各单元电池与图2同样地构成。各燃料电池层具有相同的形状，在邻接的燃料电池层中，以构成一方的燃料电池层的单元电池与构成另一方的燃料电池层的单元电池相正交的方式，层叠各燃料电池层。各燃料电池层内配置的单元电池的间隔与上述第一实施方式的情况相同。
根据该构成，如图16(b)所示，在以空气从燃料电池堆的下面向上面(图16(a)所示的面)流动的方式设置燃料电池堆的情况下，相对于空气流向，越接近垂直平面内的中央部的间隙区域越大，因此可以减少通过燃料电池堆的中央部的空气的压力损失，更容易向燃料电池堆中心部提供空气，能提高燃料电池堆的发电特性。另外，由于空气容易到达燃料电池堆的中心部，因此可以减少利用风扇、送风机等辅助器供给的空气的压力。由此，可以减少辅助器的电耗，可以增加包含燃料电池堆和辅助器的在内的燃料电池系统整体的输出密度。另外，可以得到与图11所示的实施方式同样的效果。另外，在图16中，举出了越接近中心部单元电池的宽度连续变窄的例子，也可以阶梯状地减小单元电池的宽度。
<第13实施方式>
图17是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的俯视图。在本实施方式中，各燃料电池层由一个具有5个梳齿的梳型单元电池1701构成。即，各燃料电池层1701由一个包含在燃料电池层内具有在长度方向上延伸的形状的分歧部1702的单元电池构成。各分歧部1702的延伸方向相同，各分歧部1702平行地配置。这里，梳型是指延伸的梳齿部均在一端接合而一体化形成的形状。本实施方式中，间隙区域是指梳齿与梳齿之间的区域。各燃料电池层都具有相同形状，并以90°交替旋转后层叠。各单元电池的内部结构可以与图2的结构相同。各梳齿的间隔与上述第一实施方式的情况相同。
根据该结构，至少在燃料电池堆的侧面中的2面及上面和下面具有吸入空气的间隙，因此容易产生因热引起的空气对流，即使不使用泵、风扇等辅助器也能向燃料电池堆内部良好地供给空气。即使在使用泵、风扇等辅助器的情况下，也可以用较少的电耗来供给空气。
这里，如图17所示，优选从燃料电池层的层叠方向看时，以在梳型燃料电池层的根部形成间隙区域的方式来层叠燃料电池层。由此，从梳型的根部的某个面也能向燃料电池堆内部供给空气。在将本实施方式的燃料电池堆搭载于仪器上时，该燃料电池堆的两面被仪器的壁面挡住时，优选以梳型单元电池的根部(梳齿的连接部分)为机器壁面侧的方式来配置。
在本实施方式的燃料电池堆中，如上所述，燃料电池层由一个单元电池构成。这样的构成能节省配置多个单元电池的功夫，间隙区域的位置控制也容易，还可以抑制由于落下等作业上的失误引起的成品率下降，从而可以减少制造成本，因而优选。另外，还可以增加在外周部连接的部分(梳型单元电池的根部)的发电面积。
虽然未图示，但优选从上面(图17所示的面)所见的分歧部(梳齿部分)的宽度(与分歧部的长度方向相垂直的方向的宽度)，在燃料电池层面内，越靠近燃料电池层中央越细。由此，还可以得到与图16的燃料电池堆相同的效果。
作为具有向长度方向延伸的部分和与该延伸部分连接成一体的部分的其他结构，可以例示图18(a)～(c)所示的结构。图18(a)是天线型(王型)，图18(b)是齿轮形，图18(c)是迂回形。关于迂回形，例如，使用泵等辅助器可使阳极的燃料流到各个角落，容易循环，并能减少燃料电池以外的部分的流路的体积，因而优选。
<第14实施方式>
用图19和图20对本实施方式的燃料电池堆进行说明。图19是本实施方式的燃料电池堆的俯视图，图20是构成本实施方式的燃料电池堆的最上层的燃料电池层的单元电池的截面图。如图19所示，其特征在于，形成各燃料电池层的单元电池1901在燃料电池层内呈扇形配置，各单元电池1901的长度方向的一端集中于一点并具有间隙区域。根据图19所示的单元电池的配置，在将燃料电池层层叠时，从层叠方向看，可以增加中央部的间隙区域。
本实施方式中，构成最上层的燃料电池的单元电池如图20所示，优选具有如下内部结构：在阴极导电性多孔质层2005上配置相当于电子供给电极的阴极集电体2008，在阳极导电性多孔质层2004上配置相当于电子取出电极的阳极集电体2009。阴极集电体2008与阴极导电性多孔质层2005电连接，为了避免覆盖燃料电池堆的间隙区域而导致空气的扩散变差，从上面看，优选为与单元电池相同的形状。
另外，如本发明这样的将单元电池以井型层叠、并将燃料电池层间电串列配置而得到的燃料电池堆中，在燃料电池堆的两端以外，面内方向流经电流的部分很少，因此构成燃料电池堆的内部的燃料电池层的单元电池不一定需要阳极集电体和阴极集电体。例如，当构成燃料电池堆的最上层的燃料电池层的单元电池的阴极(即、以电解质膜为基准的阴极催化剂层侧)位于该燃料电池层的最上部，构成燃料电池堆的最下层的燃料电池层的单元电池的阳极(即、以电解质膜为基准的阳极催化剂层侧)位于该燃料电池层的最下部时，可以为如下构成：在与阴极催化剂层电连接的状态下在燃料电池堆的最上层仅设置阴极集电体，在与阳极催化剂层电连接的状态下在燃料电池堆的最下层仅设置阳极集电体，在构成燃料电池堆的内部的燃料电池层的单元电池上不设置阳极集电体和阴极集电体。这样的构成能削减燃料电池堆的部件数，减少厚度，削减成本等。以下，对阳极集电体和阴极集电体进行说明。
阳极集电体基本上如上所述那样相当于燃料电池堆的电子取出电极，具有与阳极导电性多孔质层进行电子授受的功能。阳极集电体由于电流沿其长度方向(面内方向)流动，因此电子传导的距离比阳极导电性多孔质层长。因此，优选使用导电性好的材料。阳极集电体的必要性取决于阳极导电性多孔质层的导电性，当阳极导电性多孔质层例如为碳材料、导电性高分子等而导电性较低时，通过在燃料电池堆设置阳极导电体，能提高导电性。反之，当阳极导电性多孔质层例如为金属等而导电性较高时，没必要特别地设置阳极集电体。另外，当阳极导电性多孔质层的导电性较低时，为了辅助阳极导电性多孔质层的电子传导，降低电子传导阻力，也可以在各单元电池设置阳极集电体，此时，在单元电池的构成中加入阳极集电体。
关于阳极集电体的材质，为了抑制电压下降，优选使用电子传导阻力低的Au、Pt、Pd等贵金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等金属或Si以及它们的氮化物、碳化物等、以及不锈钢、Cu-Cr、Ni-Cr、Ti-Pt等合金等，更优选含有选自Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni、W中的至少1种元素。另外，当采用Cu、Ag、Zn等在酸性气氛下耐腐蚀性不佳的金属时，可以将Au、Pt、Pd等具有耐腐蚀性的贵金属以及金属材质或导电性高分子、导电性氮化物、导电性碳化物、导电性氧化物等用作表面涂层。
阳极集电体的形状没有特殊限制，从在阳极催化剂层生成的排气的排出效率良好的观点出发，优选阳极导电性多孔质层的贯穿或连通的孔与阳极集电体上设置的孔连通。阳极集电体优选为具有多个贯穿层厚方向的孔的多孔质金属层，作为这样的形状，可以优选例示在板或箔上开有多个孔的形状或网状或膨胀合金。通过使阳极导电性多孔质层与阳极导电体的孔连通，能有效地排出二氧化碳，并降低阳极催化剂层以及阳极导电性多孔质层内的二氧化碳的分压。由此，能抑制阳极催化剂层与阳极导电性多孔质层的界面以及阳极集电体与阳极导电性多孔质层的界面的剥离。
阴极集电体如上所述相当于燃料电池堆的电子供给电极，具有与阴极导电性多孔质层进行电子授受的功能。阴极集电体由于电流在其长度方向(面内方向)流动，因此电子传导的距离比阴极导电性多孔质层长，因此优选使用导电性良好的材料。阴极集电体的必要性取决于阴极导电性多孔质层的导电性，当阴极导电性多孔质层例如为碳材料、导电性高分子等而导电性较低时，可以在燃料电池堆上设置阴极集电体来提高导电性。反之，若阴极导电性多孔质层例如为金属等而导电性较高时，没有必要特地设置阴极集电体。另外，当阴极导电性多孔质层的导电性较低时，为了辅助阴极导电性多孔质层的电子传导，降低电子传导阻力，可以在各单元电池设置阴极集电体，此时，在单元电池的构成中加入阴极集电体。
阴极集电体的材质可以是与阳极集电体相同的材质，例如优选使用Au、Pt、Pd等贵金属、Ti、Ta、W、Nb、Cr等金属及这些金属的氮化物、碳化物等、不锈钢、Cu-Cr、Ni-Cr、Ti-Pt的合金等。另外，当采用Cu、Ag、Zn、Ni等在酸性气氛下耐腐蚀性不佳的金属时，可以将具有耐腐蚀性的贵金属以及金属材质或导电性高分子、导电性氧化物、导电性氮化物、导电性碳化物等用作表面涂层。
关于阴极集电体的形状，只要具有能将阴极集电体外部的空气中的氧提供给阴极导电性多孔质层或阴极催化剂层的连通孔即可，没有特殊限制，例如可以使用发泡金属、金属织物、金属烧结体、在板或箔上开有多个孔的形状或金属网或膨胀合金。关于阴极集电体的孔隙率，为了降低氧的扩散阻力，优选为30％以上，为了降低电阻，优选为95％以下，进一步优选为50％～85％。
本实施方式中，阳极集电体以及阴极集电体电接触地配置在最上层的燃料电池层的层叠方向的两端(下端和上端)，因此无需在每个单元电池具备集电体，能减少部件数。另外，在最上层的燃料电池层的层叠方向的两端，电流沿单元电池的长度方向流动而集电，因此通过设置导电性高的集电体能降低电阻。另外，在本实施方式中，单元电池的长度方向的一端集中于一点而配置，阴极集电体和阳极集电体分别形成正端子或负端子。图19所示的箭头所示为阴极集电体的电流流向。由于集电体的端部集中于一点，因此布线的流转变得容易，能实现燃料电池堆的小型化，以及布线的流转不会阻碍空气的进入。另外，在后述设置开关电路的情况下，集电体优选与设置于其他单元电池的集电体绝缘。
但是，不限于上述说明，构成最上层的燃料电池层的电池单元以外的单元电池、例如构成燃料电池堆的所有单元电池也可以具有阳极集电体和阴极集电体。这样的构成能降低燃料电池层的面内方向流经电流的部分的电阻值，从而提高发电效率。
本实施方式的燃料电池堆可以在不阻碍空气供给的前提下改变单元电池的形状，制成如图21所示那样的结构。图21的燃料电池堆由梯形(扇形)的单元电池构成，与图19的燃料电池堆相比，发电面积增加。所述构成能提供高输出密度的燃料电池堆。
<第15实施方式>
图40是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。本实施方式的燃料电池堆具有如下结构：与图3所示相同的“井型燃料电池堆”层叠于由没有间隙区域且平板状的较大的一个单元电池构成的燃料电池层。换言之，本实施方式的燃料电池堆可以说是如下结构：将图3所示的井型燃料电池堆的最下层(或者，若将图40所示的本实施方式的燃料电池堆上下翻转，则也可以说是最上层)的燃料电池层作为由没有间隙区域且平板状的较大的一个单元电池形成的燃料电池层。即，与图5所示的燃料电池堆的不同点在于，将该由一个单元电池形成的燃料电池层配置在燃料电池堆的下端或上端。单元电池的内部结构没有特殊限制，例如可以为将阳极导电性多孔质层、阳极催化剂层、电解质膜、阴极催化剂层以及阴极导电性多孔质层按此顺序层叠得到的结构。更具体而言，除图2所示的结构以外，还可以是后述的单元电池结构等。最下层(或最上层)的单元电池的长度和宽度，例如可以与构成井型燃料电池堆的单元电池的长度方向的长度相同，但不限于此，可以比其长，也可以比其短。另外，层叠于由没有间隙区域的一个单元电池构成的燃料电池层的燃料电池堆不限于图3所示的结构，可以是上述任一实施方式的燃料电池堆。
将燃料电池堆搭载于仪器等时，多数情况下，燃料电池堆配置在仪器内的基板4002上，本实施方式的燃料电池堆优选如图40所示那样，在配制于基板4002时，以由一个大的单元电池形成的燃料电池层侧为该基板4002侧的方式配置。由于本来无法从基板4002侧向燃料电池堆内进入空气，因此这样的配置构成中的空气进入效率，与将不具有由一个大的单元电池形成的燃料电池层的燃料电池堆的任一面配置在基板侧的情况相同，另一方面，通过使用由一个大的单元电池形成的燃料电池层，能增加发电面积。通过增加单位体积的发电面积，能提高体积输出密度。
另外，通过制成在上述由一个大的单元电池形成的燃料电池层上层叠井型燃料电池堆的结构，该大单元电池的发电使燃料电池堆内部的温度上升，燃料电池堆内部的空气被加热而产生上升气流，通过在井型燃料电池堆部分设置的三维空气通道(间隙区域)，能使空气的流动良好的同时，伴随着燃料电池堆的温度上升，还能提高发电效率。特别是在仪器的设置面积有限的情况下，通过使用本发明的燃料电池堆这样空气供给优异、体积输出密度提高的燃料电池堆，不仅能抑制燃料电池的厚度，还能供给规定的输出，因此非常有效。此外，根据本发明，将燃料电池堆三维地层叠，能实现紧凑化，因此能获得如下优点：搭载燃料电池堆的仪器侧的设计、创意等的自由度提高。例如有在内置One Seg Tuner的电子词典这样的小型携带仪器且需要较大电耗的仪器、或在液晶画面的背后搭载燃料电池的情况，使用本实施方式的燃料电池堆，以上述配置构成配置于基板，能不超出小型仪器或液晶画面背后的面积而搭载，因此能提高所述搭载仪器的大小等的设计、创意的自由度。
上述由一个单元电池形成的燃料电池层优选以其阳极侧(电解质膜4001为基准的阳极催化剂层侧。图40中，阳极侧以“AN”来表示。同样地，将以电解质膜4001为基准的阴极催化剂层侧称为阴极侧。图40中，阴极侧用“CA”表示。下同)成为基板侧的方式配置。由此，无需在基板与燃料电池堆之间设置空气的通道，从而能使燃料电池层的阳极侧与基板接触，进一步提高体积输出密度。
这里，上述本发明的实施方式均具有邻接的燃料电池层之间密接的结构，但本发明不限于此。例如，可以为在邻接的燃料电池层之间配置间隔层的构成，或者用间隔层置换一层以上的燃料电池层而得到的结构。这里，间隔层是指具有在燃料电池堆内制作间空的作用且由一个或两个以上的构成部件构成的层。在本说明书中，将构成该间隔层的部件称为“隔离件”。以下，列举实施方式对配置了间隔层的本发明的燃料电池堆进行说明。
<第16实施方式>
图41是表示具备间隔层的燃料电池堆的基本构成的一个例子的示意图，图41(a)是其立体图，图41(b)是其侧视图。图41所示的燃料电池堆，具备由隔开且大致平行地配置的5个单元电池4101构成的燃料电池层4102和层叠于其上的间隔层4104。间隔层4104由隔开且大致平行地配置的5个隔离件4103构成，各隔离件4103与单元电池4101交叉地配置。在图41中，各隔离件4103与单元电池4101正交地层叠。利用这种配置构成，能实现燃料电池层4102所具有的间隙区域与间隔层4104所具有的间隙区域三维连通的燃料电池堆。因此，这种具有间隔层的燃料电池也能获得与上述实施方式的燃料电池堆相同的效果。在本实施方式中，各隔离件4103由具有导电性的材料构成，由此各单元电池4101通过隔离件4103电连接。
这里，在图41所示的燃料电池堆中，各单元电池4101具有长方体形状，隔离件4103也同样具有长方体形状，但单元电池和隔离件的形状不限于所述形状。例如，单元电池如上述实施方式中所示那样可以采取长方体形状以外的长方形形状等各种形状。隔离件的形状可以与单元电池的形状相同，也可以不同。另外，构成燃料电池层的单元电池数、构成间隔层的隔离件数没有特殊限制，只要是一个以上即可。但是，优选燃料电池层或间隔层的至少一方具有间隙区域。燃料电池层和间隔层所具有的间隙区域的宽度(单元电池间或隔离件间的距离)可以相同，也可以不同。另外，单元电池和隔离件可以平行或大致平行地配置。进而，隔离件与单元电池交叉的角度不限于90°，可以采取各种角度。本实施方式的其他可能的变形与上述第一实施方式等相同。另外，图41中，在燃料电池层上层叠间隔层，但也可以在间隔层上层叠燃料电池层。
此外，间隔层可以不隔开地配制、或含有仅在一部分隔开的至少两个隔离件。例如，间隔层可以含有以隔离件侧面的至少一部分相互连接的方式配置的至少两个隔离件。间隔层可以没有间隙区域。例如，间隔层可以如图5所示的第二燃料电池层502那样，由一个隔离件形成而没有间隙区域。
为了提高燃料电池堆内部的空隙率，并具有良好的通气性，隔离件优选由多孔质体形成。在间隔层没有间隙区域的情况下，特别是从燃料电池堆内的气体的移动更容易的观点出发，构成间隔层的隔离件优选由多孔质体形成。另外，以上说明的各种变形例也适用于下述实施方式。
<第17实施方式>
图42是表示具有间隔层的燃料电池堆的优选例子之一的示意图，图42(a)是其立体图，图42(b)是俯视图，图42(c)是侧视图。如图所示，本实施方式具有如下结构：由隔开且大致平行地配置的5个单元电池4201构成的燃料电池层4202和由隔开且大致平行地配置的5个隔离件4203构成的间隔层4204交替层叠。所述结构是将图41所示的基本结构多层层叠得到的结构(图42的燃料电池堆是将图41的基本结构3层层叠得到的结构。)，也可以说是将图3的燃料电池堆的一部分的燃料电池层用间隔层置换后得到的结构。在本实施方式中，间隔层具有与燃料电池层相同的形状。因此，燃料或空气容易进入燃料电池堆内部，能稳定地层叠。间隔层优选为电子导电性。由此，层叠方向上的串列布线变得容易，且由于导电路径为最短，因而能抑制电阻。本实施方式的可能的变形与上述第一6实施方式等相同。另外，在本实施方式的燃料电池堆中，最下层和最上层分别可以是燃料电池层，或者也可以是间隔层。如图42所示，单元电池和隔离件优选为平面长方形。由此，与具有凹部或凸部的长方形、圆筒形相比，层叠后的接触面积增加，因此得到的燃料电池堆的物理强度提高。若单元电池与隔离件的接触面积增加，则能降低电串联连接而层叠时的接触电阻。例如，当使用以阴极面为外周面的圆筒形单元电池时，会出现无法在层叠方向串联布线连接的问题。由于能在抑制接触电阻的同时沿层叠方向进行电串列布线连接，因而能减少燃料电池层的面内方向流动的电流值，从而能减少集电体的厚度，或者无需使用集电体，使燃料电池堆高层叠化。其结果是，能实现燃料电池堆的小型化、轻量化以及低成本化。
另外，在图42所示的燃料电池堆中，以构成燃料电池层的单元电池的长度方向(延伸方向)与隔离件的长度方向(延伸方向)正交的方式层叠，因此单元电池与隔离件的交叉区域的面积变小。由此，交叉区域的内部为止的空气扩散距离变短，交叉区域的空气供给良好。另外，通过进一步缩短单元电池的宽度方向的长度，也能进一步减小交叉区域的面积。通过缩短宽度方向的长度，能使单元电池的阴极侧的面内方向的氧的扩散距离变短，即使在自然提供空气的情况下也不易引起氧的扩散供给限速。其结果是，不使用用于供给空气的辅助器也能向由燃料电池层三维层叠得到的燃料电池堆内部的单元电池的阴极侧更有效地提供空气。
这里，例如如图42所示那样将多个由同一形状的长方体形单元电池等间距地平行配置而成的燃料电池层和同样地由同一形状的长方体形隔离件等间距地平行配置多个而成的间隔层，以构成燃料电池层的单元电池与构成与该燃料电池层邻接的间隔层的隔离件正交的方式，交替层叠，且构成燃料电池层的各单元电池配置于构成与该燃料电池层相邻的燃料电池层的各单元电池的正下方(或正上方)而得到的燃料电池堆中，参照图42，从单元电池的制作容易性的观点出发，单元电池的宽度W1优选为1mm以上。鉴于考虑到氧的自然扩散速度引起的供给限速的可能性，氧的扩散距离优选更短的观点，优选减小隔离件与单元电池的交叉区域的面积的观点，以及考虑到优选将产生的水作为水蒸气迅速排出，水蒸气的扩散距离优选更短的观点，单元电池的宽度W1优选尽可能窄，具体优选为5mm以下。相对于单元电池的宽度W1的单元电池间的间隙区域的宽度(单元电池间的间隔)W2(W2/W1)，基于燃料电池层中所占的MEA的比例大时燃料电池堆的输出密度提高的观点，优选为1以下，且基于空气进入燃料电池堆内部的容易性的观点，优选为0.2以上。另外，在W1和W2满足上述范围时，从空气进入燃料电池堆内部的容易性、扩散容易性的观点出发，隔离件的厚度W3优选为0.2mm以上，从提高燃料电池堆的输出密度的观点出发，优选为2mm以下。
<第18实施方式>
图43是表示具有间隔层的燃料电池堆的另一优选例子的示意图，图43(a)是其立体图，图43(b)是侧视图。图43所示的燃料电池堆具有如下结构：由隔开且大致平行地配置的5个单元电池4301构成的燃料电池层4302和由隔开且大致平行地配置的5个隔离件4303构成的间隔层4304交替层叠。与图42的燃料电池堆的不同之处在于，图42的燃料电池堆中，着眼于隔着间隔层而相邻的两层燃料电池层时，构成一方的燃料电池层的各单元电池配置在构成另一方的燃料电池层的单元电池的正下方(或正上方)，而在图43的燃料电池堆中，构成一方的燃料电池层的各单元电池配置在不存在构成另一方的燃料电池层的单元电池的区域、即燃料电池层所具有的间隙区域的正下方(或正上方)。这种构成的图43的燃料电池堆的单元电池优选如图43(b)所示那样以单元电池4301的电解质膜4305为基准使阴极侧的面面向重力方向来配置。
若将燃料电池堆的单元电池按图43所示的方向配置，则燃料电池堆内部的空气被发电产生的热加热时，受热的空气向重力方向的反方向(图43(b)中的上方方向)移动，周围的空气从燃料电池堆的下方进入燃料电池堆内部，产生上升气流。若将图43的燃料电池堆以其单元电池的阴极侧与该上升气流的方向相对的方式来配置，则单元电池的阴极面位于燃料电池层的间隙区域的垂直延长线上，因此通过间隙区域进来的空气到达单元电池的阴极面后左右扩散，向上方移动(参照图43(b)的箭头)。由此，即使在不使用风扇或送风机等辅助器的被动条件下，也能向单元电池的阴极面有效地供给空气，此时可使空气容易扩散到阴极催化剂内部的各个角落。由此，能降低空气的扩散阻力，提高阴极催化剂部的氧浓度，从而能提高单元电池的发电效率。这样，可实现高输出密度的燃料电池堆。另外，本实施方式的可能的变形与上述第16实施方式等相同。在本实施方式的燃料电池堆中，最下层和最上层分别可以是燃料电池层，或者也可以是间隔层。
<第19实施方式>
图44是表示具有间隔层的燃料电池堆的另一优选例子的示意图，图44(a)是其立体图，图44(b)是俯视图，图44(c)是侧视图。图44所示的燃料电池堆具有如下结构：由隔开且大致平行地配置的5个单元隔离件4403构成的间隔层4404和由隔开且大致平行地配置的5个单元电池4401构成的燃料电池层4402交替层叠。这里，本实施方式的燃料电池堆中，构成间隔层4404的隔离件4403中，位于两端的两个隔离件配置在与该间隔层邻接的燃料电池层4402的两端部的正下方和正上方。即，位于两端的两个隔离件以与构成与该间隔层邻接的燃料电池层4402的单元电池4401的长度方向的端部连接的方式配置。图44所示的例子中，该位于两端的两个隔离件的外侧侧壁面的位置与单元电池的外侧侧壁面的位置一致。根据所述构成，能提高燃料电池堆的物理强度，因此能使燃料电池堆的结构更稳定。
本实施方式的燃料电池堆可以实施如下变形。例如，燃料电池层的端面(单元电池的外侧侧壁面)不必与间隔层的断面(位于两端的隔离件的外侧侧壁面)一致，可以比间隔层的端面(位于两端的隔离件的外侧侧壁面)略向外侧突出，也可以稍微位于内侧。此时，为了使燃料电池堆结构更稳定，这些端面的位置之差优选为1mm以下。另外，在本实施方式的燃料电池堆中，最下层和最上层分别可以是燃料电池层，或者也可以是间隔层。
如上述第16～19的实施方式所述，间隔层可以由一个以上的隔离件构成的。由两个以上的隔离件构成间隔层并将各隔离件隔开地配置，即可在各隔离件间形成间隙区域。这里，间隔层优选由与本发明的燃料电池堆中的任一燃料电池层中含有的单元电池具有同一外形的隔离件构成。间隔层优选与该任一燃料电池层具有同一形状，本发明的燃料电池堆中的任一燃料电池层和间隔层具有同样形状的间隙区域。这里，同一形状是指所有的单元电池的外形与隔离件的误差在±0.25mm以内，通过翻转、旋转，燃料电池层中的单元电池的配置和形状与间隔层中的隔离件的配置和形状一致。由此，能得到燃料或空气容易进入燃料电池堆内部的结构，从而可以不使用辅助器，或者即使在需要的情况下，也可以降低辅助器的电耗。
<第20实施方式>
图45是表示具有间隔层的燃料电池堆的另一优选例子的示意图，图45(a)是俯视图，图45(b)是侧视图。图45所示的燃料电池堆与迄今为止的实施方式同样，具有由多个隔离件构成的间隔层4504与由隔开并大致平行地配置的5个单元电池4501构成的燃料电池层4502交替层叠而成的结构。但是，在本实施方式的燃料电池堆中，构成间隔层4504的隔离件仅配置在被邻接的两层燃料电池层4502夹住的部分，不配置在该燃料电池层所具有的间隙区域部分。即，参照图45(a)，从上方观察燃料电池堆时，位于燃料电池堆的中央部的隔离件4503(图45(a)中的虚线区域)隐藏在单元电池4501下面(仅在单元电池4501的正下方区域内形成)，在单元电池间的间隙区域不存在隔离件。这种构成使空气或燃料在燃料电池堆内部的扩散良好，使燃料电池堆内部不容易出现氧或燃料不足。
在本实施方式中，如图45(a)所示，构成间隔层4504的隔离件中，使位于间隔层的两端的隔离件例如作为长方体形等长方形(但不限于此形状)的隔离件4503b，并将它们以与构成邻接的燃料电池层4502的多个单元电池交叉、且位于构成邻接的燃料电池层4402的单元电池4501的两端部或其附近的正下方和正上方的方式来配置即可。由此，能增强燃料电池堆的物理强度。优选如图45(a)所示，燃料电池堆的中央部分的隔离件不配置在邻接的燃料电池层的间隙区域，而在间隔层的两端以跨越多个单元电池和间隙区域的方式配置隔离件。燃料电池堆中央部附近由于氧或燃料的浓度低，因此优选燃料电池堆的内部的空气或燃料的路径在燃料电池堆中央部宽，为了有效地提高燃料电池堆的强度，优选在燃料电池堆的外侧以跨越多个单元电池和间隙区域的方式配置隔离件。当然，也可以将包括位于间隔层的两端的隔离件在内的所有隔离件仅配置在与邻接的两层燃料电池层接触的部分。
<第21实施方式>
图46是表示本发明的燃料电池堆的另一优选例子的立体图。本实施方式的燃料电池堆具有如下结构：在由没有间隙区域的平板状的较大的一个单元电池构成的燃料电池层上层叠与图44所示的相同的燃料电池堆(具有由隔离件4603构成的间隔层的燃料电池堆)。这种在由较大的一个单元电池构成的燃料电池层上构建燃料电池堆的构成，与上述第15的实施方式相同，可以获得同样的效果。本实施方式的详细情况和可能的变形也与上述第15实施方式相同。例如，在由没有间隙区域的一个单元电池构成的燃料电池层上层叠的燃料电池堆不限于图44所示的结构，也可以是上述第16～20的实施方式的燃料电池堆。另外，本实施方式的燃料电池堆优选如图46所示那样在基板4602上配置时，以由较大的一个单元电池构成的燃料电池层侧为该基板4602侧的方式配置。此外，上述由一个单元电池构成的燃料电池层优选以其阳极侧(以电解质膜4601为基准的阳极催化剂层侧)为基板侧的方式配置。由此，无需在基板和燃料电池堆之间设置空气通道，从而能使燃料电池层的阳极侧与基板接触，进一步提高体积输出密度。
这里，在上述第16～21的实施方式中使用的隔离件，可以由多孔质体形成。通过采用多孔质体，燃料或空气透过多孔质体内部，即使在间隔层和燃料电池层层叠的区域，燃料或空气也能通过间隔层提供给催化剂层，因此燃料或氧的扩散阻力下降，能获取更多的输出电流。作为间隔层的材料，优选聚酰亚胺、PVDF、PTFE、PEEK(注册商标)等耐酸性、耐试剂性优异的高分子，还可以列举聚苯胺、聚噻吩等导电性高分子等。此外，从耐酸性、耐试剂性的观点出发，优选氧化钛、氧化硅、氧化锆等金属氧化物，从耐酸性、耐试剂性和电子导电性的观点出发，可以优选列举Au、Pt等贵金属、耐腐蚀性的不锈钢、钛等表面形成钝态的金属、碳等。优选由上述材料内的一种以上形成。作为隔离件的形状，可以列举网状、无纺布状、发泡体、烧结体、它们的2种以上的混合体等。
作为隔离件，若使用其表面为亲水性的多孔质体形成的隔离件，则会吸收燃料电池内部产生、结露的水，排到燃料电池堆外部，因此能长时间良好地维持燃料电池堆的特性。作为表面为亲水性的多孔质体，可以列举棉、聚酯等高分子的无纺布、氧化钛、氧化硅等金属氧化物、仅表面被金属氧化物包覆的金属多孔质体、仅金属多孔质体的表面涂布亲水性高分子而修饰得到的金属-高分子复合体等。从缩短电路径的观点出发，多孔质体更优选为导电性。当然，表面为亲水性的多孔质体和表面为疏水性的多孔质体、非多孔质体等可以组合使用。
隔离件还可以由非多孔质体构成。通过采用非多孔质体，与多孔质体相比，具有物理强度提高的优点。另外，隔离件为导电性，还具有电布线的作用时，不仅物理强度，还能降低电阻。
另外，还优选将由非多孔质体构成的隔离件与由多孔质体构成的隔离件组合使用。此时，更优选例如如图47所示，作为构成间隔层4704的隔离件，在燃料电池堆的中央部以较多的比例配置由多孔质体构成的隔离件4703a，在燃料电池堆的外侧(间隔层的两端附近)以较多的比例配置由非多孔质体构成的隔离件4703b。燃料电池堆中央部附近与外周部附近相比，氧或燃料因发电而消耗，因此其浓度低，但通过使用由多孔质体形成的隔离件，能使氧或燃料的扩散良好。另一方面，在燃料电池堆外侧，氧或燃料的浓度比中央部高，因此使用由非多孔质形成的隔离件，能强化物理强度和降低电阻。由非多孔质体形成的隔离件和由多孔质体形成的隔离件的配置不限于图47所示的方式，例如交替配置等，可以基于电阻、反应物的供给、物理强度等观点适当设计。
另外，上述各实施方式(第1～21实施方式)中的燃料电池层内的单元电池的根数只是示例，不限于此，可以根据燃料电池堆的输出电压、或大小等需求来适当设定燃料电池层内的单元电池的根数。在上述各实施方式中，以第一燃料电池和第二燃料电池交替层叠而成的结构为例进行了说明，但不限于此，例如在第一燃料电池层上层叠第一燃料电池层的部分或在第二燃料电池层上层叠第二燃料电池层的部分可以在燃料电池堆内。只要在燃料电池堆内至少一部分具有第一燃料电池层和第二燃料电池层邻接层叠而成的区域即可，至少在该区域形成间隙区域，能达到本发明的效果。
另外，在本发明的燃料电池堆中，将燃料电池堆中的电布线串联连接时，如图70所示，邻接的燃料电池层优选以构成一方的燃料电池层的单元电池的阳极侧(阳极)与构成另一方的燃料电池层的单元电池的阴极侧(阴极)相对的方式层叠。但不限于此，例如也可以如图71所示那样，是在燃料电池堆的层叠方向的大致中央、阳极和阴极的层叠的模式相反的结构。此时，阴极位于燃料电池堆的两外表面(下侧表面和上侧表面)，因此能增加面向大气的阴极的面积。若以图71所示的构成配置阳极和阴极，则由于氧浓度容易下降的燃料电池堆中央部附近成为阳极，因此对于构成燃料电池堆的所有阴极，阴极表面的氧浓度的平均值高，因而优选。由于阴极的氧浓度高，所示发电效率提高，能提高燃料电池堆的单位体积的输出密度。此外，关于所生成的水的排出，阴极侧接近外表面时，容易将水蒸气排到外部(例如大气中)，因此所生成的水不易残留在燃料电池堆内部，所生成的水不易堵塞空气供给路径，能制作将单元电池进一步高层叠得到的燃料电池堆。由此，可以提高燃料电池堆的输出密度。在图71所示的例子中，作为电池的取出，以中央部相对置的阳极为负端子，并使外表面的燃料电池层的阴极的两个面一致，作为正端子，得到4列、2行的布线连接。如图72所示，燃料电池层间具有间隔层的燃料电池堆也可以为同样的结构，能获得同样的效果。
以上的本发明的燃料电池堆在其内部具有成为空气通道的间隙区域，空气容易进出燃料电池堆内部。将长方体形等长方形的单元电池以井形层叠而成的燃料电池堆或将燃料电池层和间隔层交替地以井形层叠的燃料电池堆等中，所有的空气通道均三维连通，而且气体容易进出燃料电池堆的内部。各单元电池利用发电反应，从阴极侧生成水。制作通过将单元电池高层叠、提高了体积输出密度的燃料电池堆时，存在如下问题：该生成水在燃料电池堆内部结露，堵塞空气通道，无法连续维持输出，但根据本发明，生成的水因伴随着燃料电池堆发电而产生的损失热量而蒸发，良好地排到燃料电池堆外部。由此，燃料电池堆内部水蒸气压提高，并阻止了结露，能连续稳定地提供输出电力。通过将单元电池制成高层叠电池堆，燃料电池堆的温度容易上升，促进水的蒸发。即，根据本发明的燃料电池堆，通过将单元电池高层叠化，将生成水以水蒸气的形态良好地排到燃料电池堆外部，不会因水的结露而堵塞空气通道，并使氧稳定地进入燃料电池堆内部，能稳定地连续供给输出电力。燃料电池堆具有的连通的空间(间隙区域)朝向燃料电池堆外部具有三维开口。因此，如在便携仪器等上搭载时无论移动中燃料电池的朝向如何变化，任一开口会朝向上方，因此利用伴随着燃料电池堆的发热而产生的上升气流，水蒸气被良好地排到燃料电池堆外部。
<单元电池的结构>
接着，对本发明的燃料电池堆中使用的单元电池进行详细说明。对几个优选的例子已作了说明。本发明中使用的单元电池是至少具有电解质膜、夹持电解质膜的阳极催化剂层和阴极催化剂层的构成。这相当于单元电池的最小构成，当由该最小构成来制作燃料电池堆时，能削减部件，因此能降低部件成本。另外，还由于能减少单元电池的厚度，因此能提高燃料电池堆的单位体积的输出。此外，还由于能削减与导电性多孔质层热压接的作业工序等，因此具有能简化作业工序等的效果。在该结构中，由于提供给阳极催化剂层或阴极催化剂层的甲醇或空气的分离困难，因此更优选阳极催化剂层、阴极催化剂层的至少一方使用对氧或甲醇的选择性高的催化剂。
为了进行甲醇和空气的分离并更有效地进行集电，优选在具有上述最小构成的单元电池上设置具有电子导电性的隔离件。在设置阳极导电性多孔质层以及阴极导电性多孔质层的情况下，若在阳极导电性多孔质层上设置亲水层，则被甲醇水溶液充满的亲水层中空气的扩散阻力高，因此能抑制混入阳极催化剂层的空气，无需隔离件。另外，若设置导电性高的阳极导电性多孔质层、阴极导电性多孔质层，则能抑制单元电池间或燃料电池层间的电阻，实现燃料电池堆的高输出化。上述的图2所示的单元电池也具有这样的构成，在图2所示的单元电池中，作为燃料的甲醇水溶液从形成于阳极导电性多孔质层内的燃料流路通过燃料透过控制层而在亲水层扩散，提供给阳极催化剂层。
本发明使用的单元电池优选上述阴极导电性多孔质层、阴极催化剂层、电解质膜、阳极催化剂层、阳极导电性多孔质层被一体化地层叠。通过一体化，即使没有外部按压，也能确保构成单元电池的相邻部件之间的紧密接触，能在相邻的部件间良好地输送电子或物质，因此无需用于紧固单元电池的构成部件的部件。这能使单元电池小型化。这里，本发明中的一体化是指即使单元电池的各部件没有受到外部压力也不会分离的状态，具体是指通过化学键、锚定效果、粘合力等接合而成的状态。
在本发明使用的单元电池中设置用于提供作为燃料的甲醇水溶液的燃料流路，为了形成该燃料流路，优选使用燃料流路形成部件。燃料流路是与保持燃料的燃料管(cartridge)连通的燃料输送用的空间，优选每个单元电池具有一个以上从燃料管输送的流路。燃料流路只要连通并具有燃料输送的功能即可，因此该空间可以由发泡金属、金属织物、金属烧结体、复写纸、碳布等多孔质材料构成。关于燃料流路形成部件，为了向燃料电池堆提供足够的燃料，优选越是向燃料的流向的下游燃料扩散的阻力越小的形状、以及材料来构成。例如，在形状方面，优选能利用毛细管现象吸引燃料的超细管，在材料方面，优选用OH基、COOH基等极性官能团(亲水性)对流路内侧表面进行化学修饰。作为使表面亲水化的方法，优选采用使用了等离子体照射表面改性装置(春日电机株式会社制PS-601S/PS-1200A)等的改性处理、半导体工序中使用的灰化处理。另外，燃料流路优选其至少一部分具有燃料透过控制层、或燃料流路形成部件自身由燃料透过控制层的材料构成。另外，由于在单元电池构成部件的一体化中通常采用热压接，因此燃料流路形成部件更优选为在130～180℃左右不会热分解的耐热性高的材料。另外，在阳极导电性多孔质层的面方向上配置燃料流路形成部件或配置所形成的燃料流路的方向和长度没有限制，优选沿着与单元电池的层厚方向相垂直的方向延伸，可以例示与阳极导电性多孔质层的长度方向平行地延伸的配置、或迂回型的配置。
当不使用外部动力的泵来进行燃料的供给时，相对于已形成的燃料流路的燃料流向为下游的燃料流路一端部(以下称为燃料流路末端部)为开口状态。这是为了在通过毛细管力来供给燃料时将燃料流路内部的空气向外部排出。为了控制燃料从燃料流路末端部流出，该开口部的直径优选为1μm～500μm的范围。此时，由于存在空气混入燃料管内的可能性、以及在停止甲醇水溶液的供给时燃料流路内减压而例如混入空气的可能性，因此优选使用能抑制燃料流出的同时排出燃料流路内的空气的多孔质材料来减少开口部的直径。作为所述多孔质材料，优选为与气液分离层相同的材质，具体而言可以列举由以PTFE(聚四氟乙烯)或PVDF(聚偏氟乙烯)为代表的氟类高分子和碳材料的混合物形成的多孔质层。
另外，有时其他的单元电池构成部件兼具燃料流路形成部件的功能即燃料输送功能。由此，可以无需使用燃料流路形成部件，不仅能削减成本，还能减少制作工序。具体而言，可以赋予阳极导电性多孔质层以燃料输送的功能，这意味着在阳极导电性多孔质层内形成燃料流路。这种情况下，阳极导电性多孔质层优选在其内部或面内具有向阳极导电性多孔质层的层厚方向的垂直方向输送燃料的功能。作为赋予所述输送功能的方法，可以例示如下方法：在阳极导电性多孔质层内部设置与层厚方向的垂直方向连通的空间，更具体而言，可以列举在其内部形成了流路的金属板、发泡金属、金属织物、金属烧结体、复写纸、碳布等。
接着，参照附图，对本发明优选使用的单元电池的结构进行说明，并说明向燃料电池堆的燃料的供给。在本发明中，关于燃料供给，优选通过利用燃料流路形成部件来制作燃料流路，或对阳极导电性多孔质层赋予作为燃料流路形成部件的功能来实现。此时，从单元电池的薄型化的观点出发，优选燃料流路的至少一部分形成在阳极催化剂层或阳极导电性多孔质层内。
本发明的向燃料电池堆的燃料供给，如图22和图23所示，通过使用对阳极导电性多孔质层赋予了作为燃料流路的功能而得到的单元电池来实现。
在图22的单元电池中，阳极导电性多孔质层2204兼为燃料流路，在其内部向与阳极导电性多孔质层2204的层厚方向相垂直的方向输送燃料，使输送来的燃料向与阳极催化剂层2202相接触的接触面透过。阳极导电性多孔质层2204中的燃料的输送，可以通过向与层厚方向相垂直的方向迅速扩散，从而向阳极催化剂层2202均一地提供燃料，因此优选与层厚方向相垂直的方向上的扩散系数大于层厚方向的扩散系数。本结构中由于阳极导电性多孔质层2204兼为燃料流路，因此具有如下优点：无需另外设置燃料流路，能减少单元电池构成所需的必要部件，从而使制作变得容易。另外，本结构中所需的阳极导电性多孔质层2204为了能在单元电池一体化中进行热压接工序而优选具有规定的强度，优选采用即使按压0.1t/cm2的压力，尺寸或结构的变化也不超过30％的材料来构成。另外，由于具有作为燃料流路的功能，因此优选采用不会因燃料、水、使用温度而溶解、收缩和膨胀的材料，作为满足此要求的材料，可以例示发泡金属、金属织物、金属烧结体。
为了提高阳极导电性多孔质层2204的燃料保持功能，在阳极导电性多孔质层2204和阳极催化剂层2202之间设有亲水层2206。亲水层2206不仅保持燃料水溶液，还防止空气中的氧到达阳极催化剂层2202。甲醇水溶液借助亲水层2206被提供给阳极催化剂层2202，隔着阳极导电性多孔质层2204透过来的空气由于亲水层2206充满了甲醇水溶液，因此没有空气扩散所需的足够的空穴而无法透过。因此，空气不会到达阳极催化剂2202，因此阳极催化剂层2202中的甲醇的氧化反应不会受到影响。由此，可以不使用用以防止空气到达阳极催化剂层2202的隔离件即可实现低成本化、薄型化以及高输出密度化的燃料电池堆。由发电反应产生的副产物的气体、例如二氧化碳由于在常温下为气体，与反应产物的甲醇、水相比体积非常大，因此阳极催化剂层2202内压力升高。在该升压的作用下，二氧化碳沿与单元电池部件的层厚方向相垂直的方向(图中的横向)排出，或透过亲水层2206，经由设置在阳极导电性多孔质层2204的贯穿孔2208排到大气中。由于可以借助亲水层2206良好地从阳极导电性多孔质层2204排出二氧化碳，因此无需像以往那样将流路内产生的二氧化碳与燃料一起排出，并且不使用泵等辅助器也能稳定地提供燃料。
亲水层2206优选以低电阻与阳极催化剂层2202和阳极导电性多孔质层2204连接，并且由于利用OH或COOH等极性官能团(亲水性基团)对阳极催化剂层2202的载有催化剂的碳或阳极导电性多孔质层2204的表面进行化学修饰来提高亲水性，能使两者间的润湿性变好，从提高密合性的观点出发成为优选。作为优选的一个例子，由乙炔炭黑、科琴炭黑等碳粒子的表面被OH基或COOH基等极性官能团(亲水性基团)进行了化学修饰后的导电性粒子和作为粘合剂起作用的具有亲水性官能团的高分子例如NAFION 117、NAFION112、FLEMION、磺化聚酰亚胺等构成。这里，如图22所示，可以不是仅对阳极导电性多孔质层2204的表面进行亲水处理来形成亲水层，而是对该多孔质层内进行亲水处理来代替亲水层。
此外，如图22所示，为了防止甲醇水溶液向大气泄漏，优选在阳极导电性多孔质层2204的与亲水层2206相对的面形成气液分离层2207。在本发明的燃料电池堆中，单元电池的阳极导电性多孔质层必须与相邻的单元电池的阴极导电性多孔质层或集电体电接触。因此，优选在气液分离层2207中进一步加入导电性材料等来提高导电性。
图23所示的单元电池中，在阳极导电性多孔质层2304的阳极催化剂层2302侧表面形成了燃料流路2306，通过燃料流路2306输送燃料，该燃料通过以在燃料流路2306加盖的方式设置的燃料透过控制层2308提供给阳极催化剂层2302。作为形成燃料流路2306的方法，若阳极导电性多孔质层2304为导电性高分子等，则可以例示熔融挤出成型、传递成型(transfermolding)、压缩成型等。若阳极导电性多孔质层2304为金属或其氮化物、碳化物、氮碳化物等含金属材料等，则可以例示加压成型、蚀刻加工，若是碳，则可以例示压缩成型、注射成形等。
为了能在单元电池一体化中进行热压接工序，具有燃料流路2306的阳极导电性多孔质层2304优选具有规定的强度，优选由即使按压0.1t/cm2的压力，尺寸或结构的变化也不超过10％且表面变形少的材料构成。考虑到导电性和成形容易性等，阳极导电性多孔质层2304进一步优选使用具有燃料流路和用于排出CO2的贯穿孔的金属或其氮化物、碳化物、碳氮化物等板状导电基板。这里，燃料流路只要如上所述那样是连通的空间即没有限制，因此也可以是下述构成：在阳极导电性多孔质层的表面上形成的流路空间例如被发泡金属、金属织物、金属烧结体等多孔质材料填充，将多孔质材料具有的连通的空间作为燃料流路。由于燃料流路由多孔质材料构成，因此能提高热压接工序中所需的部件的强度，能防止燃料流路的空间被压坏。另外，上述多孔质体材料可以是阳极导电性多孔质层的一部分，此时同样可以防止燃料流路压坏。
图23所示的单元电池中，为了抑制甲醇透过，优选在燃料流路2306的一部分设置燃料透过控制层2308，并以隔着亲水层(未图示)保持阳极导电性多孔质层2304与阳极催化剂层2302电接触的方式来配置。关于亲水层的作用和材质如上所述。除上述亲水层外，对于成为燃料流路内壁的阳极导电性多孔质层的燃料流路形成部的表面、燃料透过控制层的构成燃料流路内表面一侧的表面，为了减少甲醇或甲醇水溶液的扩散阻力而优选实施亲水处理。作为所述亲水处理，例如可以列举用OH基或COOH基等极性官能团(亲水性基团)对这些表面进行化学修饰的方法。通过应用经该亲水处理的表面所形成的燃料流路，甲醇水溶液的扩散阻力降低，能迅速向流路方向输送甲醇水溶液。另外，甲醇水溶液借助燃料透过控制层2308被提供给阳极催化剂层2302，燃料透过控制层2308由于通不过二氧化碳，因此二氧化碳不会在燃料流路2306内残留，不会阻碍甲醇水溶液的扩散。因此，无需使用送液泵等以规定的流速来供给，不采用辅助器也可以提供甲醇水溶液。此时，借助燃料流路2306进行的燃料供给依靠毛细管力来进行。
图23所示的单元电池中，不必像图22所示的单元电池那样另行设置气液分离层以防止甲醇水溶液向大气泄漏，但当燃料保持困难时，优选在阳极导电性多孔质层2304与亲水层之间设置气液分离层。关于气液分离层的形成，参照图22所示的单元电池。
本发明的燃料电池堆的燃料供给，如图24～图27所示，可以通过使用在与阳极催化剂层相邻的部位另行配置燃料流路而得到的单元电池来实现。
图24所示的单元电池中，在形成于阳极导电性多孔质层2404的表面的亲水层2407上形成コ字形流路2410，以在コ字形流路2410上加盖的方式设置燃料透过控制层2409，利用该层提供燃料。当然，コ字形流路2410也可以形成于阳极导电性多孔质层2404的表面上。图24所例示的构成中，コ字形流路2410和燃料透过控制层2409成为流路构成部件而形成燃料流路。单元电池利用阳极催化剂的反应而产生质子，为了将该质子从阳极传递到阴极而采用酸性环境，因此コ字形流路2410优选为耐酸性强的材料。为了能在单元电池一体化中进行热压接工序而优选具有规定的强度，优选由即使按压0.1t/cm2的压力，尺寸或结构的变化也不超过10％的材料构成。コ字形流路2410优选不会因燃料、水、使用温度而溶解、收缩和膨胀的材料。作为满足此要求的材料，优选使用例如聚酰亚胺、PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸树脂、聚烯烃类聚合物、环氧类抗蚀剂树脂或Au、Pt、Pd等贵金属、C、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等金属或Si以及不锈钢、Ti-Pt、以及这些金属的氮化物、碳化物等的合金等。当使用Cu、Ag、Zn等在酸性气氛下耐腐蚀性欠佳的金属时，优选用Au、Ag、Pt等具有耐腐蚀性的贵金属包覆。コ字形流路2410的内壁优选实施亲水处理用来减少甲醇水溶液的扩散阻力。例如，有用OH或COOH等极性官能团(亲水性基)对内壁的表面进行化学修饰的方法、使用了等离子体照射表面改质装置(春日电机株式会社制PS-601S/PS-1200A)等的改性处理、半导体工序中使用的灰化处理等。
关于コ字形流路2410的形成，若是氟类树脂等，则可以例示熔融挤出成形、传递成形、压缩成形等方法，若是金属等，则可以例示加压成形、蚀刻加工的方法，若是碳，则可以例示压缩成形、注射成形等方法。
コ字形流路2410不一定要与形成于阳极导电性多孔质层2404的表面的亲水层2407或阳极导电性多孔质层2404接触，能够以埋入阳极催化剂层2402的方式配置。另外，コ字形流路2410不一定是一根根独立，也可以相互连接。在连接的情况下，妨碍阳极催化剂层2402与阳极导电性多孔质层2404之间的电接触或妨碍阳极催化剂层2402内的质子传递路径的配置不理想，因此必须在连接部开口等。
甲醇水溶液透过燃料透过控制层2409被提供给阳极催化剂层2402，通过阳极导电性多孔质层2404透过来的空气与图22的单元电池同样，由于设置的亲水层2407而没有空气扩散所需的足够的空孔，因此无法透过。隔着该亲水层2407，阳极催化剂层2402与阳极导电性多孔质层2404以低接触电阻电接触。另外，在燃料透过控制层2409的作用下，在阳极催化剂层2402中生成的二氧化碳不会混入燃料内部。如上所述，由于燃料流路的至少一部分由燃料透过控制层2409形成，因此不仅能决定燃料的透过方向，还能防止二氧化碳混入燃料流路。除了二氧化碳不会阻碍甲醇水溶液的供给外，利用燃料流路的内壁的亲水化或毛细管力能将甲醇水溶液迅速输送到流路方向，向催化剂层稳定地提供甲醇水溶液，因此无需使用送液泵等以规定的流速来供给，不使用辅助器也能提供甲醇水溶液。另外，不必像图22所示的单元电池那样另行设置气液分离层以防止甲醇水溶液向大气泄漏，但当燃料保持困难时，优选在阳极导电性多孔质层2404和亲水层2407之间设置气液分离层。关于气液分离层的形成，参照图22所示的单元电池。
图25所示的单元电池中，管状的燃料流路2506由中空状的燃料透过控制层2509形成，利用该层使燃料从管的内壁侧透过到外壁侧，从而向阳极催化剂层2502提供燃料。通过由燃料透过控制层2509构成管状的燃料流路2506，能全方位均匀地提供甲醇，还由于燃料流路2506兼为燃料透过控制层2509而可减少必要部件数，从而能削减成本。这里，“管状”是指燃料流路2506的截面不一定是图示的圆形，可以采取椭圆形等各种形状。
另外，为了能在单元电池一体化中进行热压接工序，优选构成燃料流路的燃料透过控制层具有规定的强度，优选由即使按压0.1t/cm2的压力，尺寸或结构的变化也不超过10％的材料构成。但是，即使是尺寸或结构的变化为10％以上的材料，只要在变形的状态下在管内壁沿流路方向输送甲醇即可，此时，燃料流路形成部件或燃料流路形成部件所形成的空间优选通过预先设计因甲醇而膨胀的空间等在考虑了体积变化的基础上一体化。形成燃料流路2506的燃料透过控制层2509优选为不会因燃料、水、使用温度而溶解、收缩和膨胀的材料。作为形成燃料流路2506的燃料透过控制层2509的材料，可以例示硅制的微管(以下称为硅管)、聚-4-甲基-1-戊烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚乙烯制的中空丝膜、再生纤维(透明纸)、乙炔纤维、聚丙烯腈、泰氟隆(注册商标)或聚砜的多孔质膜形成的半透膜管。
为了减少甲醇或甲醇水溶液的扩散阻力，优选对燃料流路内壁实施亲水处理。例如，有用OH或COOH等极性官能团(亲水性基团)对燃料透过控制层2509内壁的表面进行化学修饰的方法、使用了等离子体照射表面改质装置(春日电机株式会社制PS-601S/PS-1200A)等的改性处理、半导体工序中使用的灰化处理等。利用经该亲水处理的燃料流路，甲醇水溶液的扩散阻力降低，能向流路方向迅速输送甲醇。甲醇水溶液通过燃料透过控制层2509提供给阳极催化剂层2502，燃料透过控制层2509由于通不过二氧化碳，因此二氧化碳不会在燃料流路2506内残留，不会阻碍甲醇的扩散。因此，无需使用送液泵等以规定的流速来供给，可以通过毛细管力来供给，因此不采用辅助器也可以提供甲醇水溶液。另外，在阳极催化剂层2502和阳极导电性多孔质层2504之间可以设置亲水层2507。根据需要，还可以在阳极导电性多孔质层2504和亲水层2507之间设置气液分离层。
图26所示的单元电池中，在形成于阳极导电性多孔质层2604的表面上的亲水层2607上形成燃料流路2606，使燃料从燃料流路2606的内壁侧到达外壁侧，向阳极催化剂层2602提供燃料。当然，燃料流路2606也可以形成于阳极导电性多孔质层2604的表面上。燃料流路2606由要进行热压接工序，该流路优选具有规定的强度，优选由即使按压0.1t/cm2的压力，尺寸或结构的变化均不超过10％的材料构成。此外，还优选用耐酸性强的材料构成，例如可以列举聚酰亚胺、PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸树脂、聚烯烃类聚合物、聚环氧类树脂等抗蚀剂中使用的耐酸性感光性树脂、聚金属氧化物等。为了形成微细的燃料流路，更优选使用抗蚀剂中使用的耐酸性感光性树脂。关于燃料流路形成的操作顺序，可以例示如下方法：在阳极导电性多孔质层面热压接感光性树脂的干膜后，在其上配置具有多个狭缝状贯穿孔的紫外线或X射线非透过性掩模，对该掩模照射紫外线或X射线，使狭缝部的树脂聚合、固化，形成流路横壁。由于掩模，未照射到的部位的树脂未聚合、固化，因此可以用显影液容易地除去。然后，通过固化使其完全硬化。形成的流路横壁在阳极导电性多孔质层的面上垂直延伸，为了使流路的深度均一，优选使固化后的感光性树脂的厚度的公差为5％以内。此外，在形成的流路横壁上以与阳极导电性多孔质层平行的方式利用热压接来配置感光性树脂的干膜，同样地使用具有狭缝的掩模形成流路上壁，制成燃料流路。为了容易调节燃料的供给量，优选在燃料流路上壁设置甲醇水溶液透过用的孔或狭缝。为了避免在阳极催化剂层生成的二氧化碳从该孔或狭缝混入流路内侧，优选尽可能小的孔或狭缝。另外，用感光性树脂制作的上述流路内壁(由横壁和上壁构成)优选通过用OH或COOH等极性官能团(亲水性基)对其表面进行化学修饰、或进行使用了等离子体照射表面改性装置(春日电机株式会社制PS-601S/PS-1200A)等的改性处理、半导体工序中使用的灰化处理等来提高亲水性。由此，二氧化碳不会残留于燃料流路2606内，不会阻碍甲醇的扩散。因此，无需使用送液泵等以规定的流速来供给，不采用辅助器也可以提供甲醇水溶液。另外，在阳极催化剂层2602和阳极导电性多孔质层2604之间可以设置亲水层2607。根据需要，还可以在阳极导电性多孔质2604和亲水层2607之间设置气液分离层。
图27所示的单元电池的特征在于，与图25的单元电池同样地利用燃料透过控制层2707形成管状的燃料流路2706，借助该层将燃料从管的内侧提供到外表面侧，而且以埋入阳极催化剂层2702的方式设置增强部件2709。增强部件2709的配置，是为了在单元电池部件的一体化中常用的热压接时，抑制阳极催化剂层2702和燃料流路2706的厚度和形状的变化，并容易配置管状流路，抑制在热压接等时燃料流路偏离。增强部件2709的材质优选不会因燃料、水、使用温度而溶解、收缩和膨胀的耐酸性材料。此外，为了用于热压接，还优选为具有规定的强度的材质，优选即使按压0.1t/cm2的压力，尺寸或结构的变化也不超过10％。作为满足此要求的材料，例如可以列举聚酰亚胺、PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸树脂、聚烯烃类聚合物、聚环氧类树脂等抗蚀剂中使用的耐酸性感光性树脂、聚金属氧化物等，为了使增强部件以微细的间距延伸，更优选使用耐酸性的感光性树脂。另外，为了容易控制燃料供给的速度、或使催化剂层的厚度均一，增强部件的厚度的公差优选为5％以内。另外，在阳极催化剂层2702和阳极导电性多孔质层2704之间可以设置亲水层。根据需要，还可以在阳极导电性多孔质层2704和亲水层之间设置气液分离层。
为了得到所需的燃料供给流速或维持单元电池部件的形状，可以将图22～图27所示的燃料流路组合来构建。例如，可以将图24所示的燃料流路与图25所示的燃料流路组合配置。
本发明中，可以采用具有依次层叠阴极导电性多孔质层、阴极集电体、阴极催化剂层、电解质层、阳极催化剂层、阳极集电体以及阳极导电性多孔质层而得到的结构且集电体一体型的MEA(膜电极复合体)或集电体一体型的单元电池。通过将集电体一体化，即使不用螺栓或螺母等紧固部件按压也可以维持集电体和催化剂层之间的良好的低接触电阻，同时能减少催化剂层的面内方向的电阻。在所述集电体一体型的单元电池中，作为集电体，优选采用例如Au等贵金属或耐腐蚀性金属的网形状、冲孔金属形状等具有多个贯穿厚度方向的开口部的平板结构的集电体，优选导电性多孔质层或催化剂的至少一方可进入该开口部内。另外，阴极导电性多孔质层以及阳极导电性多孔质层优选具有导电性。集电体一体型的MEA以及集电体一体型单元电池可以通过如下方法来制作：在导电性多孔质层上固定集电体，在其上涂布催化剂形成催化剂层，制作两个由此得到的层叠体(阳极侧和阴极侧)后，在它们之间夹入电解质膜，进行热压，即可制作。
本发明的燃料电池堆优选由燃料电池层层叠而构成，该燃料电池层具有至少一个以上上述单元电池。图28是示意地表示本发明的燃料电池层间优选的粘接以及一体化的例子的截面图。如图所示，构成单元电池的阴极导电性多孔质层2805、阴极催化剂层2803、电解质膜2801、阳极催化剂层2802、阳极导电性多孔质层2804的层叠方向优选与燃料电池层的层叠方向相同。例如，构成单元电池的层的层叠方向与燃料电池层的层叠方向相垂直时，相邻的燃料电池层的阳极导电性多孔质层之间、阴极导电性多孔质层之间会接触，因此必须设置将它们分别绝缘的绝缘层，所需要的部件数增加。此外，在垂直配置的情况下，由于燃料电池层间的接触部的面积减少，因此可能会增加集电时的电阻。为此，优选使单元电池的层厚方向与燃料电池层的层厚方向相同。图28中，各燃料电池层中，阴极催化剂层2803配置在阳极催化剂层2802的上方，但并不限于此，也可以按照阳极催化剂层2802位于阴极催化剂层2803的上方的方式使构成单元电池的层的层叠方向与燃料电池层的层叠方向相同来层叠。
如图28所示，燃料电池层优选夹持后述粘接层2811沿层叠方向串联层叠。串联层叠的结构是指燃料电池层的阴极导电性多孔质层与层叠于该燃料电池层的燃料电池层的阳极导电性多孔质层电接触而层叠的结构。通过制成串联连接的结构，无需另行布线，因此能简化制造工序。
参照图28，对燃料电池层间的粘接进行说明。燃料电池层间的粘接优选使用导电性胶粘剂，并通过由该导电性胶粘剂形成的导电性粘接层2811来实现。另外，导电性胶粘剂更优选为热固化性高分子的胶粘剂和导电性良好的粉末的混合物。作为热固化性高分子胶粘剂，可以列举三键株式会社的1152B的聚烯烃类高分子，此外还可以列举环氧树脂、苯酚树脂、三聚氰胺树脂、脲醛树脂。热固化性高分子的胶粘剂在热压接时在施加了压力的状态下加热聚合，然后在加压的状态下冷却至室温，即可将各燃料电池层很好地接合。因此，通过使用热固化性的高分子胶粘剂，可以不使用紧固部件。在使用小西株式会社制的库仪库(クイツク)5等2液性的环氧树脂时，由于在室温～100℃左右的低温下会固化，因此更优选在室温下轻轻地加压的状态下粘接。
作为导电性良好的粉末，优选使用例如乙炔炭黑、科琴炭黑、无定形碳、碳纳米管、碳纳米锥等碳类材料、Au、Pt、Pd等贵金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su等金属或Si以及它们的氮化物、碳化物、氮碳化物等、以及不锈钢、Cu-Cr、Ni-Cr、Ti-Pt等合金的具有耐腐蚀性的材料的粉末。导电性良好的粉末除了将燃料电池层间以低电子传导电阻连接之外，还将阳极催化剂层2802产生的二氧化碳从粉末与粉末之间形成的空隙排向阴极导电性多孔质层2805方向，并通过阴极导电性多孔质层2805排到燃料电池堆的间隙区域。在粉末与粉末之间的间隙不充分的导电性胶粘剂的情况下，关于导电性的粘接层2811，与在燃料电池层间相对的整个面涂布相比，优选在燃料电池层间以规定的间隙来涂布。即，以不堵塞第2层的燃料电池的阳极导电性多孔质层2804所具备的贯穿孔2810的方式，例如仅在第一层的燃料电池层与第两层的燃料电池层相对的部分的外侧附近涂布导电性胶粘剂来粘接。由此，能在燃料电池层间形成间隙区域，从而能切实地将二氧化碳从贯穿孔2810通过阴极导电性多孔质层2805排出。
另外，优选邻接的一方的燃料电池层的阳极导电性多孔质层2804所具有的孔与另一方的燃料电池层的阴极导电性多孔质层2805所具有的孔连通。在阴极催化剂层2803生成的水或水蒸气的一部分通过该空隙，进而通过阳极导电性多孔质层2804到达阳极催化剂层2802或亲水层2809，可作为阳极的反应物再利用。由此，能将阴极侧产生的水在阳极侧再利用。
如图28所示，本发明的燃料电池堆优选燃料电池层的阴极导电性多孔质层2805和与其层叠并邻接的燃料电池层的阳极导电性多孔质层2804一体化。阴极导电性多孔质层2805和阳极导电性多孔质层2804借助粘接层2811来粘接并一体化。粘接层2811具有导电性和多孔性，因此即使没有外部按压也能确保所层叠的燃料电池的层之间良好的电接触，因而无需使用将层叠的燃料电池层之间紧固的部件即按压板、螺栓、螺母等，从而能使燃料电池堆小型化、低成本化。详细见制造方法。如上所述，在阴极催化剂层2803产生的水被蒸发，并经过阴极导电性多孔质层2805、粘接层2811、阳极导电性多孔质层2804，利用温差，在亲水层2809被冷却，一部分被收集。可以在阳极催化剂层2802的反应中利用该水。由此，可以将阴极侧产生的水再利用，从而可以提高燃料管的甲醇水溶液中的甲醇浓度，可以用小燃料管长时间发电。
<燃料供给>
本发明的燃料电池堆中，如图29所示，甲醇水溶液等燃料可以从保持燃料的圆筒途径燃料流路被提供至各单元电池。保持燃料的圆筒优选配置在层叠单元电池的燃料电池堆的4角的间隙内的至少任一处。
对向图19和图21所示的燃料电池堆的燃料供给进行说明。如图30和图31所示，构成一个燃料电池层且呈放射状配置的各单元电池与第一燃料管3001连接，构成与其邻接的燃料电池层且呈放射状配置的各单元电池与第二燃料管3002连接。第一燃料管3001和第二燃料管3002分别设置在单元电池的一端集中的区域。这样，由于燃料管采用燃料电池集中的配置的方式，所以燃料流路的流转变得容易，制造成本降低。另外，由于从燃料管向各单元电池直接进行燃料供给，因此能向各单元电池均等地进行燃料供给。因此，对于各燃料电池而言，容易得到均等的发电特性，能提高燃料电池堆的发电特性。
<燃料电池堆的制造方法>
本发明的燃料电池堆只要是具备上述结构的燃料电池堆即可，其制造方法没有特殊限制，优选包括下述工序中的至少1种，更优选包括如下所示工序：(1)在集电体形成开口或形成导电性多孔质层的第一工序；(2)形成催化剂层的第二工序；(3)将单元电池的构成部件一体化的第3工序；(4)形成燃料电池层的第4工序；(5)将集电体和燃料电池层层叠、一体化的第5工序。
(1)第一工序
作为在集电体形成开口的方法或形成导电性多孔质层的方法，在将金属板或金属箔用作集电体等时，可以采用使用冲孔法、蚀刻法、激光法、利用了钻头的孔加工等方法在平面上形成多个开口的方法。
冲孔法中，通过制作用于形成规定的开口图案的模具，并将其放在集电体等上打穿来形成开口。这种制造方法无需使用特殊装置，能一次性形成多个开口，能廉价加工。另外，由于是不进行加热的机械加工，因此可形成不局限于所选择的集电体等的材料、材质的开口。
蚀刻法中，采用在印刷布线技术等中使用的光刻工序来形成开口。在金属板或金属箔的任一面上涂布或层压感光性抗蚀剂形成感光层，并利用曝光形成应残留的金属板或金属箔的抗蚀剂图案，再利用显影、蚀刻，即可形成开口。这种制造方法不仅能一次性形成多个开口，还能加工微细的开口图案。
激光法中，使用准分子、二氧化碳、氙等激光形成开口。此时，使用聚光激光，在每个单开口使集电体等在X-Y台上移动，即可形成规定的开口图案。
(2)第二工序
作为形成催化剂层的方法，例如可以采用如下方法：使用棒涂法、丝网印刷法或喷涂法等将在有机溶剂中分散了催化剂粒子和导电性粒子及电解质而得到的糊剂均匀地涂布，除去糊剂中的有机溶剂而形成催化剂层。这种制造方法能形成具有多个细孔的催化剂层，能增加有效的催化剂粒子的表面积。催化剂层是指阳极催化剂层和阴极催化剂层。
另外，催化剂层可以在导电性多孔质层上直接形成。由此，由于事先在导电性多孔质层一体化形成了催化剂层，因此能得到密合性良好的界面。
此外，还可以在塑料膜等基材上形成催化剂层后，转印到导电性多孔质层上来形成催化剂层。这种制造方法能事先另行形成催化剂层，能提高催化剂粒子与导电性粒子的分散性，因此即使是在导电性多孔质层的表面会形成绝缘层的有机溶剂，也能用作上述糊剂的溶剂。
另外，关于在阳极导电性多孔质层上形成阳极催化剂层的工序，可以采用如下方法：在阳极导电性多孔质层的形成阳极催化剂层的面上配置燃料流路形成部件，从燃料流路形成部件的上方以燃料流路形成部件埋入阳极催化剂层的方式形成阳极催化剂层。由此，燃料流路形成部件埋入阳极催化剂层内，从而能得到燃料流路形成部件与阳极催化剂层的密合性良好的界面。此外，关于在阳极导电性多孔质层上形成阳极催化剂层的工序，还可以采用如下方法：事先在阳极导电性多孔质层上形成阳极催化剂层，然后在事先形成的阳极催化剂层上配置燃料流路形成部件，从燃料流路形成部件的上方以燃料流路形成部件埋入阳极催化剂层的方式形成阳极催化剂层。由此，能在阳极催化剂层与阳极导电性多孔质层的界面以及燃料流路形成部件与阳极催化剂层的界面得到良好的密合性。
(3)第3工序
作为将单元电池的构成部件一体化的方法，例如可以采用通过热压接一体化形成单元电池的方法。例如，在上述第二工序中，可以采用如下工序：使阳极催化剂层和阴极催化剂层隔着电解质膜对置配置形成有催化剂层的阳极导电性多孔质层和形成有催化剂层的阴极导电性多孔质层，使用热压机，在超过电解质膜或催化剂层中的电解质的软化温度或玻璃化温度的温度下热压接。由此，各部件形成利用化学键或锚定效果、粘合力等进行接合的状态，能降低部件间的界面的电子传导阻力或离子传导阻力。通过该工序，例如能将阴极导电性多孔质层、阴极催化剂层、电解质膜、埋有燃料流路形成部件的阳极催化剂层、阳极导电性多孔质层按此顺序在单元电池的层厚方向层叠并一体化。
(4)第4工序
作为形成燃料电池层的方法，可以列举如下方法：准备多个在上述第3工序中制作的单元电池，并以阳极导电性多孔质层与阴极导电性多孔质层分别朝向同一方向的方式在平面上设置规定的间隔来配置上述单元电池。由此，即可形成以平面状排列得到的多个单元电池组即燃料电池。另外，事先设置规定的间隔来配置第一燃料流路形成部件，并以流路空间连通的方式与第二燃料流路形成部件连接，制作由此固定得到的第一燃料流路，使用该第一燃料流路，通过上述第3工序以阳极导电性多孔质层和阴极导电性多孔质层分别朝向同一方向的方式在平面上制作单元电池，也可以形成燃料电池层。
(5)第5工序
作为将集电体以及燃料电池层叠、一体化的方法，例如可以列举如下方法。首先，使用在上述第4工序中得到的燃料电池层，以阳极导电性多孔质层与阴极导电性多孔质层相对置并接触的方式设置规定的角度使其交叉来层叠燃料电池层。此时，在阳极导电性多孔质层或阴极导电性多孔质层的接触部位涂布导电性胶粘剂。接着，在位于层叠体的两端的阳极多孔质导电层和阴极导电性多孔质层上层叠集电体，将由此得到的层叠体进行热压接，即可制作燃料电池层一体化后得到的燃料电池堆。通过涂布导电性胶粘剂，燃料电池层之间由于依靠低电子传导阻力连接，因此能实现燃料电池堆的高输出化，并且由于一体化，可以不使用紧固部件。优选导电性胶粘剂是热固化性高分子胶粘剂与导电性良好的粉末的混合物。上述热固化性高分子胶粘剂在热压接时的热的作用下固化，可将燃料电池层间良好粘接，因此无需燃料电池堆的紧固部件。导电性良好的粉末除了将燃料电池层间以低电子传导阻力连接外，还可以从粉末和粉末之间形成的空隙将在阳极催化剂层生成的二氧化碳的一部分有效地排出。在利用热压接得到的层叠体的一体化中，可以将构成燃料电池堆的全部燃料电池层以及集电体层叠，经过一次性热压接来制造一体化的燃料电池堆，也可以将构成燃料电池堆的全部燃料电池层分成多组，将各组利用热压接而一体化，在将一体化后的组以及集电体层叠，再次利用热压接制造一体化了的燃料电池堆。
<<燃料电池系统>>
对本发明的燃料电池系统进行说明。图32是表示本发明的燃料电池系统的优选例子之一的示意图，图32(a)是其立体图，图32(b)是俯视图，图32(c)是侧视图。图32(b)和图32(c)是仅显示所搭载的燃料电池堆。图32(a)所示的燃料电池系统具有与图3相同的燃料电池堆和开关A、B、C、D、E、a、b、c、d、e以及控制电路。控制电路向开关输送信号来控制开闭。开关可以列举双极晶体管、MOS晶体管等半导体元件或电磁继电器等的机械开关。
如图32(b)和图32(c)所示，燃料电池堆仅在燃料电池堆的两端具有集电体，在位于两端的燃料电池层的多个单元电池上分别具有集电体，并多个单元电池所具有的集电体相互电绝缘。优选各单元电池所具有的阳极导电性多孔质层和阴极导电性多孔质层的电阻高，电阻率优选为0.01～1Ω·cm。由此，在没有集电体的燃料电池层中，由于导电性多孔质层的电阻值高，因此横向流经燃料电池层的电流变少。开关的控制方法如后所述，利用该开关，可以控制垂直方向流过电流的面积或部分。该开关优选每一个均借助导线与该集电体接合。作为导线，从布线的薄型化、轻量化、设置的容易性的观点出发，优选使用FPC(Flexible Printed Circuit)。
图33是表示本发明的燃料电池系统的控制方式的示意图。图33(a)中，所有的开关A、B、C、D、E、a、b、c、d、e均为ON状态。在区域S，电流沿垂直方向流过。即，在纵向延伸的单元电池与横向延伸的单元电池相交叉的部分在层叠方向上无间隙地层叠，电流可以沿层叠方向流过。
图33(b)中，开关a、b、c、d、e和A为ON状态，开关B、C、D、E为OFF状态。因此，可以从开关A列输出电流，但从其他的单元电池的发电部几乎无法输出电流，这是因为电阻高使电流无法流过。由此，通过控制开关，在该例中，能够以10个开关这样较少的开关数来控制25个输出电流的区域。减少开关部件的数量能够降低成本，简化布线，实现燃料电池系统的小型化。
在本发明的燃料电池系统中，优选以从被提供了燃料的燃料电池的发电区域依次输出电流的方式来控制。如图34(a)～(d)所示，以从甲醇燃料管形成甲醇流路的情况为例进行说明。若从甲醇燃料管提供甲醇，则所有的开关均从OFF的状态出发，首先使开光a、E为ON。如图34(b)所示，主要从与甲醇燃料管最近相交叉的单元电池的发电区域输出电流。通过获取输出电流，温度上升，甲醇受热，甲醇流路内的扩散速度提高。接着，在图34(c)中，开关a、b、D、E为ON，其他开关为OFF，然后如图34(d)所示那样，使开关a、b、c、C、E、D为ON等，即可从距离燃料管最近的燃料电池的发电区域向远的方向依次输出电流，由此将甲醇从燃料管迅速提供至最远的燃料电池的发电区域，遍及整个燃料电池。由此，可以加快燃料电池的起动。另外，从能发电的部分将该部分的电力提供给泵或风扇等辅助器或应用程序(application)中负荷小的部分，不仅能加快燃料电池的起动，还能加快应用程序的启动，例如通过起动风扇，能在提高起动时的发电特性且加快启动，能够有效利用起动时的发电电力。
本发明的燃料电池系统就具有倾斜传感器，优选控制开关使位于下方的燃料电池的发电量增加而产生上升气流。利用倾斜传感器来控制开关使离平面最近的位置的发电区域输出最多。在图35所示的燃料电池堆中，具体说明开关的工作，在正常状态下，开关e、A、B、C、D、E为ON状态，开关a、b、c、d间歇性地反复开关ON、OFF。由此，从位于最下方的单元电池的发电区域获取最多的输出电力，由内部电阻产生发热，温度变得最高。由此，空气向上方对流，因此燃料电池堆内部受热的空气发生扩散，可使燃料电池堆内部良好地吸入空气。由此，利用倾斜传感器检测距离地面最近的单元电池的发电区域，控制开关使其发电而使温度变得最高，从而使空气的扩散良好，并且不需要使用风扇或泵并可以减少电耗。
以下，列举实施例更详细地说明本发明，但本发明不限于这些实施例。
<实施例1>
作为电解质膜，采用6mm×48mm、厚约175μm的NAFION117膜(杜邦公司制)。催化剂糊按下述顺序来制作。将包含Pt载持量为32.5wt％、Ru载持量为16.9wt％的Pt-Ru粒子以及碳粒子的载持有催化剂的碳粒子(TEC66E50、田中贵金属公司制)、20wt％的NAFION的醇溶液(Aldrich公司制)、离子交换水、异丙醇和氧化锆珠按规定的比例装入PTFE制的容器中，使用搅拌脱泡机以50rpm混合50分钟，除去氧化锆珠，制作阳极催化剂糊。另外，使用包含Pt载持量为46.8wt％的Pt粒子和碳粒子的载持有催化剂的碳粒子(田中贵金属公司制)与阳极催化剂糊同样地制作阴极催化剂糊。
作为构成燃料流路的燃料流路形成部件，采用外径0.3mmΦ(内径0.2mmΦ)、长48.5mm的硅管(KN3344391、Tech Jam制)以及歧管用的外径2mmΦ(内径1mmΦ)、长42.5mm的PTFE管(KN3344350、Tech Jam制)这2种管，如图36那样从PTFE管分枝状延伸出共15根硅管并将各管连接。关于连接，通过在PTFE管设置直径0.5mm的孔，并将硅管插入其中，用耐试剂性良好的环氧树脂类胶粘剂封固来实现。硅管的长度方向与PTFE管的长度方向垂直地连接，并且硅管之间具有2mm的间隙宽，每3根硅管具有较大的间隙宽度5mm。各硅管中插入了线形0.15mmΦ的Ti制的金属丝。
接着，为了形成亲水层，将东海碳株式会社制的Aqua-Black 001和20wt％的NAFION的醇溶液(Aldrich公司制)、离子交换水、异丙醇以及氧化锆珠按规定的比例装入PTFE制容器中，使用搅拌脱泡机以50rpm混合50分钟后，除去氧化锆珠，制作由亲水性碳和NAFION形成的糊。
将在一个面经过由氟类树脂和碳粒子形成的层进行了疏水处理的复写纸GDL31BC(SGL碳日本株式会社制)制成6mm×48mm的大小，用作阳极的导电性多孔质层。在导电性多孔质层的经疏水处理的面上，用棒涂机涂布上述包含亲水性碳和NAFION的糊后，通过干燥形成40μm厚的亲水层。在该亲水层上放置硅管，以硅管与导电性多孔质层的长边方向平行且硅管的顶端与导电性多孔质层长边方向的一端重叠的方式配置。此时，如图36所示，以硅管的长度方向的中心线相对于导电性多孔质层的短边方向为1mm、3mm、5mm的方式、在每个导电性多孔质层排列配置3根硅管，按同样的顺序在共5层的导电性多孔质层上排列硅管。
接着，为了在导电性多孔质层上固定上述硅管，用透明胶将硅管长度方向的端部临时固定在导电性多孔质层上。在硅管位于导电性多孔质层上的状态下，以导电性多孔质层与丝网印刷板的6×48mm的开口部在面方向上平行的方式设置在丝网印刷板上，涂布上述阳极催化剂糊。关于阳极催化剂糊，在每次涂布时均保持在60度的恒温室中，并将阳极催化剂糊中含有的溶剂干燥除去，通过反复多次此操作，在导电性多孔质层的表面形成约0.4mm厚的阳极催化剂层。通过以上处理，临时固定于导电性多孔质层的硅管，如图25所示那样以埋入催化剂层中的状态被固定。将通过以上顺序形成的导电性多孔质层、3根单元的甲醇供给路、阳极催化剂层的层叠体称为“阳极部”。针对一共15根硅管，制作5个阳极部。
另外，可以用空心丝或透析管来代替上述硅管。在使用空心丝的情况下，可以用外径0.22mm(材料：聚-4-甲基-1-戊烯，大日本油墨化学工业株式会社制)的空心丝代用，长度依照硅管，并且阳极部的形成顺序也相同。透析管的情况下，用平面宽度约4mm(材料：再生纤维)、长48.5mm的透析管来代替硅管，与设置于PTFE管的连接口连接。在使用透析管的情况下，阳极部形成顺序也与硅管相同。透析管的平面宽度由于比导电性多孔质层的短边长度短，因此在阳极催化剂层与导电性多孔质层之间存在足够的接触面，也可以通过进一步缩短平面宽度来增加接触面。另外，由于无法从透析管与导电性多孔质层的接触部位排出产物二氧化碳，因此通过增加上述接触面使产物的排出变得容易。
将在一个面用由氟类树脂和碳粒子形成的层进行了疏水处理的复写纸GDL31BC(SGL碳日本株式会社制)制成6mm×48mm的大小，用作阴极的导电性多孔质层。使用丝网印刷板在上述导电性多孔质层的经疏水处理的面涂布阴极催化剂糊，在60度的恒温室内保持10分钟，由此干燥除去阴极催化剂糊中含有的溶剂，形成阴极催化剂层(以下将导电性多孔质层和阴极催化剂层的层叠体称为“阴极部”)。按同样的顺序制作5个阴极部。
集电体采用厚0.1mm、短边6mm×长边52mm的钛板。使用钻头，在6mm×48mm的区域形成直径0.45mm、间距0.550mm的开口图案。
用于形成粘接层的导电性胶粘剂采用作为热固化型高分子胶粘剂的三键株式会社的1152B的烯烃类树脂，导电性良好的粉末采用XC72(Vulcan公司制)。1152B为糊状，将1152B和XC72按1.7∶1的比例装入乳钵中，充分混合。1152B的固化条件为100℃、30分钟，通过固化形成粘接层。
从下至上按阳极部(导电性多孔质层位于下方)、电解质膜、阴极部(阴极催化剂层位于下方)的顺序，以阳极催化剂层和阴极催化剂层夹持电解质膜而重叠的方式层叠。由于针对上述甲醇供给路形成了5个阳极部，因此按同样的顺序向上层叠，制作5个层叠体。使用25mm×50mm、厚1.0mm的泰氟隆隔离件。在100mm×100mm、厚3mm的不锈钢板上的中央设置上述层叠体。以与不锈钢板外周的各边平行地间隔1cm的方式在不锈钢板上的各边各配置一个上述泰氟隆隔离件。用100mm×100mm、厚3mm的不锈钢板将它们夹持。在不锈钢板的厚度方向，以130℃、10kgf/cm2热压接2分钟，将该层叠体一体化，作为单元电池。具体而言，层叠的各部件的界面利用锚定效果或催化剂中含有的NAFION的粘合力等接合。然后，将上述金属丝从硅管缓慢拔出。硅管的顶端为开口状态，如果依然开口的话因毛细管现象而上吸的甲醇会流出，因此在露出单元电池的硅管的顶端的侧面涂布由含有PTFE粒子的PVDF的NMP(2-甲基吡咯烷酮)溶液形成的糊。该糊中含有的有机溶剂通过干燥来除去，反复进行该处理直至硅管的顶端被多孔质体堵塞。通过用该多孔质体堵塞硅管的顶端的处理，甲醇没有被排出，而混入管内的空气通过上述多孔质体排出。将由按上述顺序制作的5个单元电池组形成的燃料电池层作为“第1层”。
按与第一层相同的顺序，制作作为第2层到第5层的燃料电池层。如图37所示，以形成第2层的单元电池的长度方向相对于形成第1层的单元电池的长边方向垂直的方式向上层叠，在成为接触部的第1层的阴极导电性多孔质层的面上涂布上述导电性胶粘剂。第3层以后，同样地以单元电池的长边方向相对于一层以下的层垂直的方式向上层叠，在各接触部同样地涂布导电性胶粘剂。形成共计5层、25个的单元电池组。
在形成第一层的单元电池的最下表面和形成第5层的单元电池的最上表面，以上述集电体的一端与单元电池的一端重叠的方式配置集电体。此时，在接触面涂布导电性胶粘剂。使用25mm×50mm、厚4.5mm的泰氟隆隔离件。在100mm×100mm、厚3mm的不锈钢板上配置上述单元电池组和集电体，在不锈钢板的外周的各边平行地间隔1cm地各配置一个上述隔离件。用100mm×100mm、厚3mm的不锈钢板将它们夹持。在不锈钢板的厚度方向，以130℃、0.1kgf/cm2热压接10分钟，将燃料电池层和集电体一体化，制作燃料电池堆。各层的界面利用锚定效果或NAFION的粘合力、热固化性树脂等接合，各层通过低接触电阻而接触。
上述一体化燃料电池堆的面方向的4角形成空的空间，如图29所示优选在该空间设置树脂制的圆筒。该圆筒与甲醇燃料管连接，该圆筒中具有足够的甲醇。将从一体化的单元电池延伸的共计5根PTFE管与设置在该圆筒的PTFE接头(阿壁挞库(アビタツク)制，外径2mmΦ×内径1mmΦ用)连接，使得能向各单元电池提供甲醇。甲醇燃料管向圆筒施加足够的供给压力，使得能向作为燃料流路的硅管内提供液体。
<实施例2>
作为电解质膜，采用上底边6mm、下底边12mm、高48mm的梯形且厚约为175μm的NAFION117膜(杜邦公司制)。催化剂糊的制作与实施例1相同。
作为燃料流路形成部件，采用外径0.3mmΦ(内径0.2mmΦ)、长48.5mm的硅管(KN3344391、Tech Jam制)。
将在一个面用由氟类树脂和碳粒子形成的层进行了疏水处理的复写纸GDL31BC(SGL碳日本株式会社制)制成上底边6mm、下底边12mm、高48mm的大小，用作阳极的导电性多孔质层。在导电性多孔质层的经疏水处理的面上放置上述硅管，以硅管的顶端与梯形导电性多孔质层的下底边重叠的方式配置。此时，以硅管的长度方向的中心线相对于导电性多孔质层的上底边为1mm、3mm、5mm、相对于下底边为2mm、6mm、10mm的方式在每个导电性多孔质层排列配置3根硅管。
为了在导电性多孔质层上固定上述硅管，分别用透明胶将硅管的顶端部在导电性多孔质层上临时固定。在硅管位于导电性多孔质层上的状态下，以导电性多孔质层与丝网印刷板的上底边6mm、下底边12mm、高度48mm的梯形开口部在面方向平行的方式设置在丝网印刷板上，涂布上述阳极催化剂糊。阳极催化剂层的形成顺序与实施例1相同。通过以上处理，临时固定于导电性多孔质层上的硅管如图25所示那样以埋入催化剂层中的状态被固定。
关于在硅管的顶端填充多孔质体的处理，依照实施例1。将通过以上的顺序形成的导电性多孔质层、3根单元的甲醇供给路、阳极催化剂层层叠，作为阳极部，按同样的顺序制作6个阳极部。
将78mm×78mm、厚1.0mm的泰氟隆隔离件加工成图38所示的形状。具体而言，以电解质膜、阴极部相吻合的形状且梯形的各部件的高度方向的中心线间隔18度的方式设置共计6个扇形的挖穿部，该挖穿部以泰氟隆隔离件的对角线为中心左右对称。另外，由于梯形挖穿部的上底部也被挖穿，因此即使在上述梯形挖穿部嵌入阳极部，作为燃料流路的硅管也能够在不与泰氟隆隔离件接触的情况下嵌入。准备4个这样的泰氟隆隔离件。
集电体采用厚0.1mm、上底边5.5mm、下底边12mm、高52mm的梯形钛板。使用钻头，在上底边6mm、下底边12mm、高48mm的梯形区域形成直径0.45mm、间距0.550mm的开口图案。但是，集电体的下底边与开口图案形成的区域的下底边重叠。
从下至上按阳极部(导电性多孔质层位于下方)、电解质膜、阴极部(阴极催化剂层位于下方)的顺序，阳极催化剂层和阴极催化剂层以夹持电解质膜而重叠的方式重叠。将该层叠体嵌入上述泰氟隆隔离件，与梯形层叠体的上底边对齐。如图38所示那样排列6个层叠体，按照与实施例1相同的顺序夹入不锈钢板，在其厚度方向，以130℃、10kgf/cm2热压接2分钟，将该层叠体一体化。将按此顺序制作的6个单元电池组作为第一燃料电池层(以下称为第一层)。该第一层与隔离件不分离，以镶嵌的状态保持。
按与第一层相同的顺序，制作第2层～第4层的燃料电池层，与第1层同样地以不与泰氟隆隔离件分离的状态保持。
如图39所示，第1层和第2层分别在隔离件的对角线上相反，以泰氟隆隔离件的边重叠的方式配置，在接触部(第一层的阴极导电性多孔质层的面)涂布导电性胶粘剂。用厚3mm的不锈钢板夹持由第一层和第两层重叠而成的层叠体，在不锈钢板的厚度方向，以130℃、10kgf/cm2热压接10分钟而一体化。一体化后，充分冷却，然后从燃料电池的层厚方向剥离第两层的泰氟隆隔离件。对第3层和第4层，也按上述顺序一体化，剥离第3层的泰氟隆隔离件。这里，第一层和第4层的隔离件不剥离。
按以第2层位于上方的第1层和以第3层位于下方的第4层的各自的泰氟隆隔离件在对角线上相反的方式重叠，夹持第2层和第3层。另外，在接触部(第两层的阴极导电性多孔质层的面)涂布导电性胶粘剂。从下至上的顺序为第1层、第2层、第3层、第4层，第1层与第3层在面方向平行，第2层和第4层在面方向平行。在具有78mm×78mm的贯穿孔的100mm×100mm、厚4mm的泰氟隆隔离件的该贯穿孔配置上述燃料电池层和集电体，将它们用100mm×100mm、厚3mm的不锈钢板夹持。在不锈钢板的厚度方向，以130℃、10kgf/cm2热压接10分钟，将燃料电池层一体化。第2层和第3层的接触面以低接触电阻而电接触。这里，从燃料电池层厚方向剥离第1层和第4层的泰氟隆隔离件。
在形成第1层的单元电池的最下表面和形成第4层的单元电池的最上表面，以梯形单元电池的上底边与集电体的上底边重叠的方式配置集电体。此时，在接触部涂布导电性胶粘剂。在具有78mm×78mm的贯穿孔的100mm×100mm、厚4mm的泰氟隆隔离件的该贯穿孔配置上述集电体，将它们用100mm×100mm、厚3mm的不锈钢板夹持。在不锈钢板的厚度方向，以130℃、10kgf/cm2热压接10分钟，将上述单元电池组和集电体一体化，制作燃料电池堆。单元电池组和集电体以低接触电阻电接触。
上述燃料电池堆的面方向的2角形成空的空间，如图31所示，优选在该空间分别设置树脂制的圆筒。该圆筒与甲醇燃料管连接，该圆筒中具有足够的甲醇。以相对于一个圆筒从燃料电池堆延伸出共计36根(例如第1层18根、第3层18根)硅管的方式，在设于该圆筒的连接口与硅管连接，使得能向各单元电池提供甲醇。同样地，对于另一个圆筒，也连接共计36根(例如第两层18根、第4层18根)的硅管。
<实施例3>
用以下的方法制作燃料电池堆。
(1)MEA(膜电极复合体)的制作
首先，按下述顺序制作催化剂糊。将由Pt载持量为32.5wt％、Ru载持量为16.9wt％的Pt-Ru粒子与碳粒子形成的载有催化剂的碳粒子(TEC66E50、田中贵金属公司制)、20wt％的NAFION的醇溶液(Aldrich公司制)、离子交换水、异丙醇和氧化锆珠以规定的比例装入PTFE制容器中，使用搅拌脱泡机以50rpm混合50分钟，除去氧化锆珠，制作阳极催化剂糊。另外，使用由Pt载持量为46.8wt％的Pt粒子与碳粒子形成的载有催化剂的碳粒子(TEC10E50E、田中贵金属公司制)，与阳极催化剂糊同样地制作阴极催化剂糊。
接着，将在一个面用由氟类树脂和碳粒子形成的层进行了疏水处理的复写纸GDL25BC(SGL碳日本株式会社制)制成1.8mm×23mm的大小，用作阳极导电性多孔质层。通过丝网印刷，在上述阳极导电性多孔质层的经疏水处理的面上涂布上述阳极催化剂糊。对于阳极催化剂糊，每次涂布均在60度的恒温室内保持，干燥除去阳极催化剂糊中含有的溶剂，反复多次该操作，在阳极导电性多孔质层上形成厚约0.4mm的阳极催化剂层。以下，将该阳极导电性多孔质层与阳极催化剂层的层叠体称为“阳极部”。同样地，将1.Smm×23mm的GDL25BC用作阴极导电性多孔质层，在其经疏水处理的面上形成厚0.1mm的阴极催化剂层。以下，将该阴极导电性多孔质层与阴极催化剂层的层叠体称为“阴极部”。
接着，作为电解质膜，采用100mm×100mm、厚约175μm的NAFION117膜(杜邦公司制)，阳极催化剂层和阴极催化剂层夹持电解质膜而重叠，以阳极催化剂层和阴极催化剂层与电解质膜相接的方式，从下至上按阳极部、电解质膜、阴极部的顺序层叠。此时，阳极部和阴极部在100×100mm的电解质膜中以3行、10列、等间距的方式配置。然后，在距离该层叠体1cm的位置，在层叠体的4边配置厚0.45mm且长10mm、宽100mm的大小的钛板。该钛板是为了在按压层叠体时避免其厚度在0.45mm以下而设置的。接着，在1mm厚的不锈钢板上，放置该层叠体和钛板，在其上再放置厚1mm的不锈钢板，用不锈钢板夹持层叠体和钛板，在其厚度方向，以130℃、10kgf/cm2的条件下热压接2分钟，使层叠体一体化，按导电性多孔质层的尺寸(1.8mm×23mm)剪切，得到宽1.8mm、长23mm的长方形MEA。
(2)流路基板以及阳极集电体和阴极集电体的制作
如图48所示，在宽11mm、最长部的长度为36mm、厚0.2mm的SUS基板上，通过蚀刻加工形成迂回形状的流路。图48(a)是得到的流路基板的俯视图，图48(b)是沿图48(a)所示的A-A’线的截面图。图48所示的数值的单位为mm。如图48(b)所示，流路的宽度为1mm，深度为0.1mm。该流路基板如图48(a)所示，其下端具有两个突起部(宽2mm×长3mm)。该突起部是歧管的插入口。另外，该流路基板具有宽1mm×长25mm的3个狭缝状贯穿孔(参照图48(a))。该贯穿孔以及后述的阳极集电体上形成的3个狭缝状贯穿孔成为燃料电池层以及使用燃料电池层得到的燃料电池堆的空气通路。图48所示的流路基板中，在狭缝状贯穿孔和与其邻接的流路之间形成的隔板的宽度为0.5mm。
利用蚀刻加工，制作图49所示形状的阳极集电体以及图50所示形状的阴极集电体。图49的阳极集电体是由宽11mm、长36mm、厚0.1mm的不锈钢(SUS316L)形成的平板状基板。如图49(a)所示，在该阳极集电体上形成了3个狭缝状的贯穿孔。图49(b)是图49(a)所示的阳极集电体的区域A的放大图。如图49(b)所示，对于阳极集电体的区域A，在从该区域A的纵向的中心线向两端0.5mm之间的区域，以残留0.1mm的线宽设有多个边长为0.25mm的六边形开口。在设置于燃料电池堆的最下层的燃料电池层上的阳极集电体上设置输出取出端子。另外，图49所示的数值的单位为mm。
另一方面，图50所示的阴极集电体是由宽2mm、长25mm、厚0.1mm的不锈钢(SUS316L)形成的平板状基板。在本制造例中，使用了4块该基板。图50(b)是图50(a)所示的阴极集电体的放大图。如图50(b)所示，在阴极集电体上设有多个六边形的贯穿孔(孔径0.6mm、开孔率70％)。在设置于燃料电池堆的最上层的燃料电池层上的4个阴极集电体上，如图50(c)所示那样设置输出取出端子。图50(c)所示的复合阴极集电体中，利用输出取出端子，4个阴极集电体一体化。
这里，上述流路基板和阳极集电体以4个长方形的MEA能在一个基板上平行且形成规定的间隙区域来配置的方式加工。如后所述，在该流路基板上配置阳极集电体和长方形的MEA，此时，各MEA避免了二维上的不规则。另外，通过在一块流路基板或阳极集电体上设置规定的间隙，在其上形成单元电池，由此能制作具备通过设置规定的间隙在二维上配置了多个单元电池所得到的燃料电池层且机械强度优异的燃料电池堆。当然，必须避免在流路基板上形成的MEA从流路基板剥离，其方法见后述。
(3)流路基板、阳极集电体、阴极集电体和隔离件的扩散接合
接着，准备上述流路基板、阳极集电体及阴极集电体和6根作为非多孔质体的不锈钢(SUS316L)制的隔离件(宽0.5mm、长20mm、厚0.5mm的长方体形状)，如图51所示，将它们从下至上按阴极集电体、隔离件、流路基板、阳极集电体的层叠顺序相互接合，得到接合体(总厚度为0.8mm)。关于接合，通过热压型的扩散接合来进行。另外，6根隔离件以各隔离件之间的间距为2mm的方式配置。另外，在扩散接合时，在阳极集电体的流路基板侧的SUS316L形成的表面，镀敷厚1μm的金。通过该金镀，不仅能防止不锈钢腐蚀，还能提高扩散接合的接合性。在所得到的接合体中，在流路基板上层叠有阳极集电体，该阳极集电体的区域A所具有的多个贯穿孔与流路基板的流路连通。在该区域A上配置长方形的MEA。以上的流路基板、阳极集电体、阴极集电体以及隔离件等的金属的接合优选采用扩散接合，但除此以外，也可以采用利用激光焊接的接合方法。
(4)MEA的接合
接着，如图52所示，将上述得到的4个长方形MEA(厚0.3mm)与上述接合体的阳极集电体的区域A接合。按照下述的方式进行接合。首先，将PVDF的NMP(2-甲基吡咯烷酮)溶液(5wt％)和碳粒子XC72(Vulcan公司制)以相对于PVDF的该碳粒子为7wt％的比例混炼，制备导电性墨液。接着，使用棒涂机在MEA的阳极导电性多孔质层表面(GDL25BC)上涂布10μm厚的该导电性墨液，使其干燥。然后，在阳极集电体的区域A上配置MEA。然后，在距离该层叠体1cm的位置，在层叠体的4边配置0.7mm厚且长10mm、宽100mm大小的钛板。该钛板用于防止在按压层叠体时其厚度变为0.7mm以下。接着，在1mm厚的不锈钢板上放置该层叠体和钛板，在其上再放置厚1mm的不锈钢板，从而用不锈钢板夹持层叠体和钛板，在其厚度方向，在130℃、5kgf/cm2的条件下热压接2分钟，使MEA平展并将MEA固定于阳极集电体。由此，通过在MEA上涂布PVDF和碳粒子的导电性墨液，从而在热压接时PVDF软化进入阳极集电体的贯穿孔内，能利用锚定效果将MEA固定。另外，锚定效果使密合性提高，从而能降低阳极集电体和MEA的电接触电阻。另外，MEA的导电性多孔质层GDL25BC(SGL碳日本株式会社制)采用一个面未被由氟类树脂和碳粒子形成的层进行疏水处理，但两面均进行了疏水处理的导电性多孔质层。以下，由于在平面上配置了多个MEA，因此将如此得到的在阳极集电体上接合多个(本实施例为4个)MEA而得到的层叠体称为二维电池堆。
(5)在MEA端部的胶粘剂的涂布
接着，如图53所示，将胶粘剂涂布于MEA的端部。图53所示为在MEA的端部涂布了胶粘剂的二维电池堆，图53(b)是图53(a)的B-B’线的截面图。作为胶粘剂，采用混合了环氧树脂、苯酚类树脂的1液在100℃下固化30分钟的热固化性环氧树脂。如此通过在MEA端部涂布胶粘剂而将端部封固，能防止燃料的漏液，并能提高与阳极集电体的粘接性。
这里，胶粘剂不限于上述物质，从耐硫酸性、耐甲醇性(耐试剂性)等观点出发，胶粘剂优选环氧树脂。另外，从防止因MEA的溶解、分解、催化剂的凝集引起的劣化的观点出发，优选在100℃左右以下的较低温度下显示热固化性。另外，使用的胶粘剂为了避免在室温保管中固化而优选其反应开始温度为60℃以上。
(6)二维电池堆间的接合(燃料电池堆的构建)
接着，如图54所示，将在多个(本实施例为4个)MEA端部涂布了胶粘剂的二维电池堆通过热压在100℃、0.1kgf/cm2的条件下热压接30分钟，将各二维电池堆间接合来得到燃料电池堆。关于接合，通过使所需数量的二维电池堆层叠后、对该层叠体进行热压来进行。通过热压接，涂布于MEA的端部的胶粘剂固化，从而能使二维电池堆间牢固接合。图55是表示多个二维电池堆一体化得到的燃料电池堆的结构的截面图。若采用这种接合方法，则通过1次热压即可制作由所需数量的二维电池堆接合而成的燃料电池堆，能实现制造时间的缩短，还能降低制造成本。用以上方法制作的燃料电池堆利用胶粘剂将阳极集电体、阴极集电体、MEA牢固固定，强度的可靠性提高。本发明这样的具有多个MEA端部的燃料电池堆通过进行上述接合使粘接部分变多，与层叠一块大的燃料电池得到的燃料电池堆相比，能极大地提高尤其是中心部的燃料电池堆的强度。在层叠一块大的燃料电池得到的燃料电池堆中，由于仅该燃料电池层的外周部粘接，或者无法用螺栓和螺母等紧固，中心部没有压力，因此容易引起MEA的剥离、MEA与集电体的电接触不良。
(7)歧管的设置
接着，如图56所示，插入向上述得到的燃料电池堆的各层供给燃料的歧管。插入歧管后，用密封剂将歧管和流路基板的入口、出口的间隙密封。作为歧管，采用丙烯酸树脂制的歧管。另外，作为密封剂，采用室温固化性的2液型的环氧树脂来密封。在本实施例的燃料电池堆中，由于燃料流路为迂回形状，因此能将歧管的连接部分集中到一处，能使歧管小型化。由此，歧管的插入容易性、封固容易性提高，能实现合格率、生产时间缩短引起的低成本化。另外，歧管的小型化能减少阻碍空气进入燃料电池堆的歧管的体积，因此空气能良好地进入燃料电池堆内部。
(8)流路基板的绝缘涂布
另外，在如上所述得到的具备图56所示的歧管的燃料电池堆中，流路基板与相邻的燃料电池层的阳极集电体的距离近，来自外部的应力会引起电短路，可能会引起燃料电池堆的输出不良。因此，为了防止这一现象，如图56所示那样，优选在流路基板的未形成流路的一侧的表面、或阳极集电体的未配置MEA的部分的表面、或这两者的表面上实施绝缘性涂布，或设置绝缘性的隔离件。从提高燃料电池堆的强度的观点出发，更优选设置绝缘性隔离件。另外，从强度提高的观点出发，更优选将绝缘性隔离件配置在燃料电池堆的外周端部。
<实施例4>
采用实施例3中使用的阴极集电体、流路基板以及阳极集电体，如图57所示，将它们从下至上按阴极集电体、流路基板、阳极集电体的层叠顺序相互接合，得到没有隔离件的接合体。关于接合，与实施例3同样，通过热压型的扩散接合来进行。这里，在本实施例中，以4个阴极集电体与流路基板正交的方式配置后进行接合。接着，与实施例3同样操作，得到在MEA的端部涂布了胶粘剂的二维电池堆。得到的二维电池堆的截面结构如图58所示。之后，除了使相邻的二维电池堆交叉90°层叠并接合外，均与实施例3同样操作，制作具有歧管的燃料电池堆。
<实施例5>
在本实施例中，首先，在MEA中的阳极导电性多孔质层、阳极催化剂层、电解质膜以及阴极催化剂层的端部整体以及阴极导电性多孔质层的端部的一部分(阴极催化剂层附近的端部)涂布胶粘剂，除此以外均与实施例4同样操作，得到涂布了胶粘剂的二维电池堆。接着，如图59所示，在一方的二维电池堆的阴极导电性多孔质层上涂布含有与实施例3同样的热固化性树脂的导电性胶粘剂，在与实施例3同样的条件下，进行热压，使该胶粘剂热固化，从而在二维电池堆所具有的阴极导电性多孔质层和与其相邻的二维电池堆所具有的阴极集电体之间使二维电池堆相互交叉90°而接合，由此来制作燃料电池堆。如上所述那样能使用热压容易地进行二维电池堆之间的接合，因此优选使用热固化性的胶粘剂。得到的燃料电池堆的截面结构如图60所示。如上所述那样使阴极导电性多孔质层的端部的至少一部分不被胶粘剂覆盖，能有效地使空气从相对于MEA的层叠方向为垂直的方向(面内方向)流入阴极导电性多孔质层。
<实施例6>
在本实施例中，首先，准备实施例3中使用的流路基板、阳极集电体以及阴极集电体和4根作为多孔质体的不锈钢(SUS316L)制隔离件(宽2mm、长25mm、厚0.5mm的长方体)，如图61所示那样，将它们从下至上按隔离件、阴极集电体、流路基板、阳极集电体的层叠顺序相互接合，得到接合体。关于接合，与实施例3同样，通过热压型的扩散接合来进行。然后，与实施例3同样操作，在将MEA接合后，在MEA的端部涂布胶粘剂，得到MEA端部涂布了胶粘剂的二维电池堆。接着，在与实施例3同样的条件下，进行热压，使胶粘剂热固化，从而在二维电池堆所具有的隔离件和与其相邻的二维电池堆所具有的阳极集电体之间使二维电池堆相互交叉90°而接合，制作燃料电池堆。如上所述那样能使用热压容易地进行二维电池堆之间的接合，因此优选使用热固化性的胶粘剂。得到的燃料电池堆的截面结构如图62所示。本实施例中使用的隔离件具有与阴极集电体和阴极导电性多孔质层相同的外形(除厚度外)，以几乎与阴极集电体重叠的方式层叠。这种构成从隔离件与MEA的导电性多孔质层的接合面积增大引起的强度提高和电阻减少、以及燃料电池堆内部的空气的通过容易性的观点出发成为优选。
上述利用扩散接合的构成部件的接合例如从以下方面出发成为优选。(a)由于金属部件在原子间接合，因此与大块金属同等程度，界面电阻值低，粘接强度高。
(b)作为构成部件，可以使用耐酸性溶液、耐醇溶液的耐酸性SUS部件，接合的长期可靠性高。
(c)集电体的加工很微细，因此优选通过蚀刻来加工，由于从集电体的加工到燃料电池堆的结构加工、接合处理可以连续进行，因此能进行设计上微细的部分(能进行100μm宽度的板材的层叠)的接合的对位。
(d)由于能进行微细部分的对位，因此即使缩短粘接流路基板与集电体的胶粘剂部的宽度，也能提高接合强度、降低界面电阻。由此，能减少胶粘剂部的比例，增加流路的宽度的比例。因此，被供给燃料且有效工作的MEA的发电面积增加，发电特性提高。例如，能将胶粘剂部的宽度从0.5mm减少至0.3mm以下，此时，假设使用了2mm宽的MEA，则能将流路的比例从50％增加至70％以上。
(e)与使用导电性胶粘剂来接合的情况相比，燃料从流路基板和集电体之间的间隙泄漏的可能性降低(导电性胶粘剂在因剥离和溶解而产生了间隙时容易泄露)。
(f)若无需担心端部的流路基板和集电体之间的漏液，则通过在流路和催化剂层之间设置燃料透过控制层，即使不完全进行无缝的MEA的端部的密封(即，MEA的端部截面和阳极导电性多孔质层的端部截面的密封)，燃料也不会从燃料电池的端部截面(未封固的部分的间隙)渗出，能良好地发电，并从MEA的端部排出二氧化碳。
(g)由于能制造将燃料电池堆一层所有的部件均接合后得到的零件，因此燃料电池堆的层叠工序是通过热压进行的MEA和燃料电池堆一层中的所有部件均接合而得到的零件的接合，简化燃料电池堆的制造。
<实施例7>
采用与实施例3相同的方法制作8根长方形(厚0.45mm、宽1.8mm、长23mm)的MEA。通过扩散接合将图48的流路基板中的纵向4根流路扩大到8根而得到的流路基板与图49的阳极集电体中的4根的区域A增加到8根得到的阳极集电体粘贴后，在阳极集电体上配置8根MEA。使用的阳极集电体与图49同样，区域A的宽度为2mm，狭缝状的贯穿孔的宽度为1mm。在该8处区域A上以长方形的MEA的间距(从MEA的左端到相邻的MEA的左端的距离)为3mm的方式配置8根MEA。接着，贴合将图50(c)中4根阴极集电体增加到8根而得到的阴极集电体与阴极侧的GDL25BC(阴极导电性多孔质层)表面，利用热压在100℃、0.1kgf/cm2的条件下热压接2分钟，将阳极集电体和MEA和阴极集电体临时粘接。然后，在MEA的端部和集电体的端部涂布环氧类胶粘剂，进行MEA和集电体的粘接以及MEA端部的密封。由此来制作一层燃料电池层。制作两个所述燃料电池层。将它们分别作为样品No.1、No.2。接着，作为隔离件，使用作为钛多孔质体的Bekinit株式会社的钛无纺布(空隙率为60％、厚0.5mm、宽1.5mm、长30mm、线形20μm)和SUS316L的非多孔质体(长30mm、厚0.5mm、宽0.5mm的长方体)，以间距(从隔离件的左端到相邻隔离件的左端的距离)4mm交替配置，制作间隔层。接着，用上述样品No.1和No.2这两层燃料电池层夹持该间隔层，如图63(b)所示插入歧管，然后为了降低电阻，将阳极集电体的取出端子和阴极集电体的取出端子以串联布线的方式接合，作为燃料电池堆(以下，也称为2层电极堆)。另外，各隔离件和燃料电池层使用2液系的导电性胶粘剂(藤仓化成株式会社制、Dotite SH-3A)粘接。图63(b)所示为该2层电极堆的概略立体图。
图63(a)所示为上述样品No.1、样品No.2以及2层电极堆的电流-电压特性、MEA的平均电流-输出密度特性。通过如下方法来进行测定：用泵提供3mol/L的甲醇水溶液作为燃料，通过不使用辅助器的被动方式来提供空气，使其发电来进行测定。如图63(a)所示，样品No.1、No.2以及2层电极堆的最大平均输出密度分别为38.5mW/cm2、37.4mW/cm2、42.1mW/cm2。2层电极堆中，平均输出密度的最大值提高是因为通过层叠两层燃料电池层，温度容易上升，使催化剂活性提高等，所以发电效率提高。
这里，如下算出2层电极堆的最大体积输出密度(燃料电池堆单位体积的输出、单位：W/L)。首先，将图63(b)所示的粗框区域视为燃料电池堆的实质体积(以下，也称为电池堆体积。除去设置了歧管的区域)，关于该电池堆体积，燃料电池层的厚度为约0.7mm、隔离件的厚度为0.5mm，测得将它们层叠而成的2层电极堆的厚度为1.9mm，算出的值为23mm×23mm×1.9mm＝1cm3。另一方面，上述粗框内的MEA的总面积如下来算出，2.3cm×0.18cm×8根×两层＝6.624cm2，因此2层电极堆的输出为42.1mW/cm2×6.624cm2＝279mW。因此，可以算出2层电极堆的最大体积输出密度，为279mW/1cm3＝279W/L。
<实施例8>
再制作一个与实施例7相同的燃料电池层作为样品No.3。接着，与实施例7同样操作，使用样品No.1～No.3这3层燃料电池层，制作由3层燃料电池层和配置在各燃料电池层间的两层间隔层构成的燃料电池堆(以下，也称为3层电池堆)。图64(b)所示为该3层电池堆的概略立体图。图64(a)所示为样品No.1、样品No.2、样品No.3以及3层电池堆的电流-电压特性、MEA的平均电流-输出密度特性。测定条件与实施例7相同。如图64(a)所示，样品No.1、No.2、No.3以及3层电池堆的最大平均输出密度分别为38.5mW/cm2、37.4mW/cm2、39.3mW/cm2、41.1mW/cm2。3层电池堆中，平均输出密度的最大值提高是因为通过层叠3层燃料电池层，温度容易上升，使催化剂活性提高等，所以发电效率提高。
在此，如下算出3层电池堆的最大体积输出密度。首先，将图64(b)所示的粗框区域与实施例7的2层电极堆同样地视为燃料电池堆的实质体积(电池堆体积)，关于该电池堆体积，燃料电池层的厚度为约0.7mm、隔离件的厚度为0.5mm，测得将它们层叠而成的3层电池堆的厚度为3.0mm，算出的值为23mm×23mm×3.0mm＝1.578cm3。另一方面，上述粗框内的MEA的总面积如下来算出，2.3cm×0.18cm×8根×3层＝9.936cm2，因此3层电池堆的输出为41.1mW/cm2×9.936cm2＝408mW。因此，可以算出3层电池堆的最大体积输出密度，为408mW/1.578cm3＝257W/L。
<比较例1>
图65是表示本比较例中制作的现有的燃料电池堆的结构的立体图。制作顺序如下所述。首先，与实施例3同样，在23mm×23mm的GDL25BC(导电性多孔质层)上分别形成阳极催化剂层和阴极催化剂层。在与实施例3相同的热压条件下，制作依次层叠GDL25BC、阳极催化剂层、3cm×3cm的电解质膜(NAFION117)、阴极催化剂层、GDL25BC而成的MEA。剪去露出导电性多孔质层的电解质膜，制成23mm×23mm的外形的MEA。
另外，作为阳极集电体，采用具有在25×40mm的长方形上设置了图49所示的输出取出端子而得到的外形，并且在0.1mm厚的平板上孔径为0.6mm的孔为六边形细密填充的图案、以间距0.7mm在23mm×23mm的面积的部分开口的SUS316L上镀敷1μm的Au而得到的集电体。
作为阴极集电体，采用具有在23mm×23mm的长方形上设置了图50(c)所示的输出取出端子得到的外形，并且在0.1mm厚的平板上孔径0.6mm的孔为六边形细密填充的图案、以间距0.7mm在23mm×23mm的面积的部分开口的SUS316L上镀敷1μmAu得到的集电体。
接着，将制得的MEA对准阳极集电体和阴极集电体的开口部分并夹住，将具有与图48相同的外形(厚0.2mm、宽25mm×最长部的长度40mm，与图48的流路基板同样在端部具有两个歧管插入口的SUS基板)且以燃料在23×23mm的MEA的配置位置的正下方流过燃料的方式形成了流路的流路基板与阳极集电体对准，用胶粘剂将外周密封。胶粘剂采用环氧胶粘剂QUICK 5。
最后，如图65所示那样插入歧管，然后将阳极集电体以及阴极集电体的输出取出端子以串联布线的方式连接。
图66(a)所示为将上述方式制得的燃料电池两层层叠(即图65所示的结构的燃料电池堆)时的电流-电压特性、MEA的平均电流-输出密度特性。测定通过用泵提供3mol/L的甲醇水溶液作为燃料，并以不使用辅助器的被动方式来提供空气，使其发电来进行。该燃料电池堆是通过将外形为2.23×2.23cm、表面积5cm2的燃料电池(单元)两个串联层叠得到的电池堆。若缩小单元与单元之间的间隔d，则很难供给空气，因空气不足而导致最大平均输出密度的值下降。其结果如图66的表所示，若将该单元三维两层层叠，则对于最大体积输出密度而言，当单元与单元的间隔d为1mm时，为167W/L，2mm时为159W/L，3mm时为153W/L，4mm时为140W/L。另外，最大体积输出密度与实施例7和实施例8同样通过将图65所示的粗框区域视为电池堆体积来算出。
如上所述，根据本发明，燃料电池堆的最大体积输出密度与现有的燃料电池堆相比，能提高至约1.5倍以上。而且，不使用供给空气的风扇等辅助器也能提高体积输出密度。本发明的实施例7的2层电极堆的总输出电力为279mW，实施例8的3层电池堆的总输出电力为408mW，当燃料电池堆的平面的外形为23mm×23mm时，若是燃料电池层一层的现有燃料电池，则即使以样品No.3的平均输出密度的最大值41.1m/cm2输出，也只能输出约217mW。另一方面，本发明的三维高层叠得到的燃料电池堆中，仅通过2层电极堆厚度增加1.2mm、3层电池堆厚度增加2.3mm，与现有的燃料电池相比，2层电极堆的情况下输出提高至约1.29倍，3层电池堆的情况下输出提高至约1.88倍。由此，在仪器的燃料电池的设置面积受限的情况下，仅通过三维略微增加厚度，即可制作能获取大量输出的燃料电池堆。
当作为燃料电池堆的负荷的仪器的输出多时，所需要MEA的面积增加，但若平面配置，则在超过仪器的能搭载面积的情况下无法配置，因此经常出现必须在MEA上层叠的情况。此时，若像现有的燃料电池那样MEA的面积大，也就是说燃料电池层的面积大，则在其上层叠的直至燃料电池层的距离因氧的吸入的关系而变大。在现有例中，5cm2的正方形的MEA的燃料电池层的情况下，为了在与一层的情况同等的输出下获取MEA的输出密度并三维层叠，必须使燃料电池层的间隔为3～4mm左右，若燃料电池层的面积进一步变大，则必须使燃料电池层的间隔为4mm以上或必须有风扇等辅助器。根据本发明，通过将长方形的单元电池的数量增加至8根以上，或延长长方形的单元电池的长度，能将燃料电池的层与层的间隔(隔离件的厚度)保持在一定的状态下层叠。也就是说，即使负荷的输出变多，也能在不降低体积输出密度的前提下制作燃料电池堆。另外，根据本发明，由于能使燃料电池层接近、高层叠化，因此伴随发电产生的温度对邻接的燃料电池层影响大，能提高发电效率、最大平均输出密度。由于温度上升，因此饱和水蒸气压上升，燃料电池堆内生成水结露的量减少。此外，根据本发明的燃料电池堆，由于在燃料电池堆内部形成了三维空气通道，因此变成了水蒸气的生成水通过该通道良好地排放到燃料电池堆外部，从而能稳定地提供电力。
<实施例9>
用棉无纺布来代替实施例7的燃料电池堆的隔离件的钛无纺布，交替地配置棉布无纺布和SUS316L的隔离件，由此来制作燃料电池堆。棉无纺布的宽度为1.5mm，厚度为0.5mm，将比燃料电池堆的外形长2cm的部分调转到燃料电池堆的里侧。其他构成均与实施例7的燃料电池堆相同。
图67表示对实施例7中制作的2层电极堆、本实施例中制作的2层电极堆以及比较例1中制作的2层电极堆(单元间隔d为2mm的电池堆和3mm的电池堆)进行连续发电试验(输出电流100mA/cm2下的电压-时间特性评价试验)所得到的结果。连续发电试验在40℃、输出电流100mA/cm2、向大气开放的条件下进行。比较例1的2层电极堆即使使单元间隔d为2mm也由于所生成的水阻碍了空气的供给而无法得到20分钟的连续输出。在比较例1的2层电极堆中，若单元间隔d为3mm，则几乎显示出与实施例7相同的连续发电特性。另一方面，本实施例的2层电极堆采用亲水性多孔质体棉无纺布作为隔离件，其吸收了已结露的生成水，排放到燃料电池堆的里侧将其蒸发，因此显示出良好的连续发电特性。由此可知，通过使用由亲水性多孔质体形成的隔离件，能使来自单元电池的生成水向外部蒸发，获得持续良好的连续发电特性。所生成的水的量也包括甲醇随着从阳极流经电解质膜向阴极侧的移动而在阴极与氧燃烧生成的水的量以及燃料中所含有的水的移动的量。通过使用降低了甲醇或水的渗透量的电解质膜，能进一步改善连续发电特性，从而能制成高输出的燃料电池堆。
本发明的燃料电池堆与现有结构相比，具有高输出且具有将生成的水以水蒸气的形式排出的结构，所述结构可以说是有利于高层叠化的结构。特别是在不使用提供空气的辅助器也能高层叠化这点上非常有利。
<实施例10>
采用与实施例3相同的方法，制作5根长方形(厚0.45mm、宽2.35mm、长23mm)的MEA。接着，利用扩散接合将流路基板与阳极集电体粘贴后，在阳极集电体上配置5根MEA。具体而言，在5个区域A上以长方形的MEA的间距为3.5mm的方式配置5根MEA。这里使用的流路基板具有与图48的流路基板相同的结构，其是狭缝状的贯穿孔的宽度为1mm，在狭缝状的贯穿孔和与其邻接的流路之间形成的隔壁的宽度为0.5mm，流路宽度为1.5mm，流路深度为0.1mm，流路基板厚度为0.2mm，纵向的4根流路扩大到5根(因此，具有4个狭缝状的贯穿孔，作为歧管插入口的2.5×3mm的突起部位于对角线上)的流路基板。
另外，这里使用的阳极集电体具有与本实施例使用的流路基板相同的外形，更具体而言，具有与图49的阳极集电体相同的结构，其是4根区域A扩大到5根(因此具有4个狭缝状贯穿孔)、狭缝状贯穿孔的宽度为1mm、狭缝状贯穿孔的长度为25mm、区域A的宽度为2.5mm、从区域A的纵向的中心线至两端0.75mm间的区域中边长为0.25mm的六边形开口以残留有0.1mm的线宽的方式设置的阳极集电体。
接着，将图50(c)的复合阴极集电体中的4根阴极集电体增加到5根、1根阴极集电体的宽度为2.5mm、各阴极集电体间的距离为1mm的复合阴极集电体，与阴极侧的GDL25BC(阴极导电性多孔质层)表面对准，利用热压在100℃、0.1kgf/cm2的条件下热压接2分钟，将阳极集电体、MEA以及阴极集电体临时粘接。在MEA的端部和集电体的端部涂布2液系的环氧胶粘剂，进行MEA和集电体的粘接以及端部的密封。由此来制作一层燃料电池层。制作3个所述燃料电池层。将它们分别作为样品No.4、No.5、No.6。接着，制作与实施例7相同的间隔层，使用它制作2层电池堆和3层电池堆。所述2层电池堆是具有将样品No.4的燃料电池层、间隔层以及样品No.5的燃料电池层依次层叠而成的结构的燃料电池堆。所述3层电池堆是具有将样品No.4的燃料电池层、间隔层、样品No.5的燃料电池层、间隔层以及样品No.6的燃料电池层依次层叠而成的结构的燃料电池堆。
图68表示样品No.4(1层电池堆)、2层电池堆以及3层电池堆的发电特性。图68(a)是表示样品No.4(1层电极堆)、2层电池堆以及3层电池堆的电流-电压特性、MEA的平均电流-输出密度特性的图表，图68(b)是综合表示这些电池堆的发电特性以及形状的表。关于测定，与实施例7相同，是通过用泵提供3mol/L的甲醇水溶液作为燃料，并通过不使用辅助器的被动方式来供给空气，使其发电来进行的。如图68所示，样品No.4、2层电极堆以及3层电池堆的最大平均输出密度分别为39.5mW/cm2、43.7mW/cm2、42.2mW/cm2。另外，样品No.5、No.6的最大平均输出密度分别为41.2mW/cm2、41.5mW/cm2。在本实施例的输出电流密度范围内，不存在即使将MEA的宽度增加至2.35mm、MEA的平均输出密度也下降的现象。通过层叠2层或3层，燃料电池以及燃料电池堆内部的空气的温度上升，使催化剂活性提高等，因此发电效率提高，MEA的平均输出密度提高。
在实施例7和实施例8中，使MEA的宽度为1.8mm、使成为空气路径的宽度的流路基板和阳极集电体的狭缝状贯穿孔以及阴极集电体间的距离为1mm，而在本实施例中，将MEA的宽度增加至2.35mm，使空气路径的宽度为1mm。通过使在平面上相对于间隙的MEA的比例增多，可实现平面上的高层叠化。在本实施例中，如图68(b)所示，2层电极堆中，厚度为0.19cm，则显示出328W/L的体积输出密度的最大值，3层电池堆中，厚度为0.3cm，则显示出300W/L的体积输出密度的最大值。本实施例与实施例7和实施例8相比，体积输出密度的最大值得到了大幅度提高。如上所述，根据本发明，通过使MEA的形状(宽度等)以及空气路径(间隙区域)的形状(宽度等)最佳化，可大幅度提高输出密度。所述最佳化可以通过使燃料电池堆内的燃料电池(单元电池)的配置构成最佳化来进行。
当在仪器上搭载燃料电池堆时，在优选配置于三维的具有高度的空间的情况下，优选重视空气的供给以及加大燃料电池堆内的间隙区域的比例，在优选配置于二维的厚度薄的空间的情况下，优选加大MEA的比例以及提高平面上的层叠度。本实施例的燃料电池堆也能获得与实施例7和实施例8的燃料电池堆相同的效果。本实施例的燃料电池堆与比较例1的现有的燃料电池堆相比，能将体积输出密度的最大值提高至约2倍。
<实施例11>
使用与实施例10中制作的燃料电池层(样品No.4、No.5以及No.6)结构相同的燃料电池层3个、作为隔离件的亲水性多孔质体棉无纺布以及钛多孔质体，制作具有3层燃料电池层的燃料电池堆。具体而言，以2mm的间隔配置由6个厚0.4mm、宽1.5mm的棉无纺布形成的隔离件，并以燃料电池堆整体为电串联布线的方式在各MEA的长度方向的两端部配置作为钛多孔质体的Benikit株式会社制的钛无纺布(空隙率60％、厚0.4mm、宽1.5mm、长20mm、线形20μm)，并用2液系的导电性胶粘剂(藤仓化成株式会社制、Dotite SH-3A)粘接来作为间隔层，依次层叠燃料电池层、间隔层、燃料电池层、间隔层、燃料电池层制得燃料电池堆。在此，所使用的棉隔离件的长度比燃料电池堆的外形的端部分别长2cm，因此与实施例9相同，将长出的部分调转到燃料电池堆的里侧。另外，为了进一步降低电阻，以串联布线的方式将阳极集电体的取出端子和阴极集电体的取出端子接合。
所得到的燃料电池堆的输出电流密度100mA/cm2、温度25℃以及40℃下的连续发电特性如图69所示。左轴表示燃料电池堆的输出电压(V)，右轴表示燃料电池堆的体积输出密度(W/L)。如图69所示，进行了60分钟的连续发电试验后，在任一温度条件下，输出电压的降低均很低，约为10％左右，且即使在25℃下也能维持220W/L以上的高体积输出密度，可以连续发电1小时。通常，在仪器装入高层叠电池堆时，要考虑因被框体包围而环境温度提高，但本实施例的燃料电池堆在环境温度为40℃的情况与环境温度为25℃的情况相比，发电效率提高，显示出250W/L以上的高体积输出密度(参照图69)。如上所述，本实施例的燃料电池堆能在维持高体积输出密度的情况下连续发电。
本次公开的实施方式以及实施例均为例示，不限于此。本发明的范围如权利要求书所示而非上述说明，与权利要求书均等的意思以及范围内的所有变更均属于本发明。

Claims (30)

1.一种燃料电池堆，其是层叠两层以上由一个以上的单元电池构成的燃料电池层而得到的燃料电池堆，
相邻的任意两层燃料电池层分别具有一个以上的间隙区域，
所述相邻的任意两层燃料电池层中，一方的燃料电池层所具有的间隙区域的至少一部分与构成另一方的燃料电池层的单元电池相接，并且，
一方的燃料电池层所具有的间隙区域与另一方的燃料电池层所具有的间隙区域连通。
2.根据权利要求1所述的燃料电池堆，其中，
从燃料电池层的层叠方向看，所述一方的燃料电池层所具有的间隙区域与所述另一方的燃料电池层所具有的间隙区域形成在不同的部分。
3.根据权利要求1或2所述的燃料电池堆，其中，
燃料电池堆内的所有的间隙区域均连通。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述燃料电池层具有下述部位，所述部位在该燃料电池层内具有沿长度方向延伸的形状。
5.根据权利要求1～4中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述相邻的任意两层燃料电池层以构成一方的燃料电池层的单元电池与构成另一方的燃料电池层的单元电池交叉的方式层叠。
6.根据权利要求5所述的燃料电池堆，其中，
所述相邻的任意两层燃料电池层以构成一方的燃料电池层的单元电池与构成另一方的燃料电池层的单元电池正交的方式层叠。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的燃料电池堆，其中，
燃料电池堆所具有的燃料电池层中，至少一层燃料电池层具有多个单元电池，
所述多个单元电池是在所述燃料电池层内沿长度方向延伸的形状。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述相邻的任意两层燃料电池层之间具有间隔层。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的燃料电池堆，其中，
至少一层燃料电池层被间隔层置换。
10.根据权利要求8或9所述的燃料电池堆，其中，
所述间隔层具有导电性。
11.根据权利要求8～10中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述间隔层由多孔质体形成。
12.根据权利要求1～11中任一项所述的燃料电池堆，其中，
在燃料电池堆的燃料电池层的层叠方向的两端具有集电体。
13.根据权利要求1～12中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述单元电池是直接甲醇型燃料电池。
14.一种燃料电池系统，其是具备权利要求1～13中任一项所述的燃料电池堆的燃料电池系统，
其中具有促进空气向所述燃料电池堆内部流动的辅助器。
15.一种燃料电池系统，其具有权利要求12或13所述的燃料电池堆，
并具有与所述集电体电连接的开关电路和控制所述开关电路的控制电路。
16.一种燃料电池堆，其层叠至少一层下述的燃料电池层和至少一层下述的间隔层而成的，所述燃料电池层由一个以上的单元电池构成，所述间隔层由一个以上的隔离件构成，
其中，至少一层所述燃料电池层和/或至少一层所述间隔层在层内具有间隙区域。
17.根据权利要求16所述的燃料电池堆，其中，
所述燃料电池层与所述间隔层交替层叠。
18.根据权利要求16或17所述的燃料电池堆，
其包含至少一层下述的燃料电池层和/或至少一层下述的间隔层，所述燃料电池层通过以具有间隙区域的方式配置两个以上的单元电池而成，所述间隔层通过以具有间隙区域的方式配置两个以上的隔离件而成。
19.根据权利要求18所述的燃料电池堆，
其至少包含下述的燃料电池层和下述的间隔层，所述燃料电池层以具有间隙区域的方式配置两个以上的单元电池而成，所述间隔层层叠于所述燃料电池层上且以具有间隙区域的方式配置两个以上的隔离件而成，
并且所述燃料电池所具有的间隙区域与所述间隔层所具有的间隙区域连通。
20.根据权利要求16～19中任一项所述的燃料电池堆，其中，
构成所述间隔层的隔离件以与构成所述燃料电池层的单元电池交叉的方式配置。
21.根据权利要求18～20中任一项所述的燃料电池堆，其中，
至少依次具有燃料电池层(A)、间隔层和燃料电池层(B)，
所述燃料电池层(B)所具有的两个以上的单元电池(b)分别配置在所述燃料电池层(A)所具有的单元电池(a)的正上方或正下方的区域内。
22.根据权利要求18～20中任一项所述的燃料电池堆，其中，
至少依次具有燃料电池层(A)、间隔层和燃料电池层(B)，
所述燃料电池层(B)所具有的两个以上的单元电池(b)分别配置在所述燃料电池层(A)所具有的间隙区域的正上方或正下方。
23.根据权利要求18～22中任一项所述的燃料电池堆，其中，
至少依次具有燃料电池层(A)、间隔层和燃料电池层(B)，
构成所述间隔层的两个以上的隔离件中，配置在两端的隔离件与所述燃料电池层(A)所具有的单元电池(a)以及所述燃料电池层(B)所具有的单元电池(b)的长度方向上的端部相接而配置。
24.根据权利要求18～23中任一项所述的燃料电池堆，其中，
构成所述燃料电池层的两个以上的单元电池以具有间隙区域的方式大致平行地配置，
并且构成所述间隔层的两个以上的隔离件以具有间隙区域的方式大致平行地配置。
25.根据权利要求16～24中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述单元电池和所述隔离件的至少任一方具有长方形形状。
26.根据权利要求16～25中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述间隔层含有两个以上的隔离件，所述隔离件包括由多孔质体形成的隔离件和由非多孔质体形成的隔离件。
27.根据权利要求26所述的燃料电池堆，其中，
所述两个以上的隔离件中，至少配置在间隔层两端的隔离件是由非多孔质体形成的隔离件。
28.根据权利要求16～27中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述间隔层含有至少一个隔离件，所述隔离件具有具备亲水性的表面。
29.根据权利要求16～28中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述单元电池是直接甲醇型燃料电池。
30.根据权利要求16～28中任一项所述的燃料电池堆，其中，
所述单元电池是固体高分子型燃料电池。
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