JP2006004793A

JP2006004793A - 燃料電池装置

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Publication number: JP2006004793A
Application number: JP2004180649A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Santo; 康博山東; Kusunoki Higashino; 楠東野; Nobuhisa Ishida; 暢久石田; Koichi Samejima; 幸一鮫島
Original assignee: Konica Minolta Inc
Current assignee: Konica Minolta Inc
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2006-01-05

Abstract

【課題】全体をコンパクトに小形に形成することができ、発電効率のよい燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料として液体燃料が使用される燃料電池〔例えばＭＥＡ構造の直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）３〕が採用された燃料電池装置Ｃ１。電池装置Ｃ１では、液体原燃料（ＤＭＦＣではメタノール含有液）を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を供給する。電池本体３の燃料極３２に燃料供給ユニット１が積層されており、該電池の空気極３２に第２ポンプユニット２が積層されている。ユニット１は燃料極３２へ開放された燃料供給室１２０及び第１ポンプユニット１Ｐを有している。ポンプユニット１Ｐは、液体原燃料と希釈用液とを混合希釈しながら希釈液体燃料を複数の燃料供給口１２１を経て燃料供給室１２０の全体に分配供給し、さらに該室から燃料極３２の全体に均等状に供給する。ポンプユニット２は電池３における電気化学反応で生成される液体（ＤＭＦＣでは希釈用液として使用できる水）等を回収する。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池装置、特に直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)のように燃料として液体燃料を用いる燃料電池を利用した燃料電池装置に関する。

ユビキタス社会の幕開けとともに電池の長寿命化に対する要求が高まってきている。従来のリチウム電池はその理論限界に近づきつつあり、これ以上の大幅な性能向上は望めなくなりつつある。そんな中、重量（容積）あたりのエネルギー密度の高さから従来の電池に比べて大幅な長寿命化が可能な燃料電池が注目されている。

燃料電池の中でも特に(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドのような大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話器等）向けの燃料電池として適していると言える直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)が注目されており、盛んに研究されている。

ＤＭＦＣ型燃料電池を採用した燃料電池装置は燃料供給の方法により二つのタイプに分類される。一つはアクティブ型と呼ばれるもので、電池への燃料供給をポンプにより行うタイプであり、もう一つはパッシブ型と呼ばれるもので、ポンプを用いずに毛細管力等により燃料を供給するタイプである。

ここでＤＭＦＣの反応式を示す。
燃料極側での反応：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺
空気極側での反応：(3/2) Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-→３Ｈ₂Ｏ
全反応：ＣＨ₃ＯＨ＋(3/2) Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ

この反応式によればメタノールと水は燃料極で等モルで反応し、ＣＯ₂と６個の電子とプロトンを生成し、ＣＯ₂は外部に排出され、電子は外部回路を通って空気極（酸素極）へ、プロトンは電解質膜を通って空気極（酸素極）へそれぞれ別ルートで移動し、そこで反応して水分子３個を生成する。全反応としてはＣＯ₂と２分子のＨ₂Ｏを生成する。

かかる直接メタノール形燃料電池のように燃料として液体燃料を用いる燃料電池を利用した燃料電池装置では、様々の損失が発生し、発電効率を下げる原因となっている。かかる損失の一つに拡散分極がある。これはアノード（燃料極）側における燃料濃度分布の不均一、換言すればアノード各部間での燃料濃度差によるもので、発電効率を上げるにはアノード（燃料極）各部にできるだけ均一に燃料を分散供給して、かかる濃度差発生を抑制することが望まれる。

この点、特開２００２−５６８５８号公報は、燃料電池のアノード（燃料極）へ供給される燃料の流れを１又２以上の多段化プレートで分岐させ、該プレートにより燃料がアノード各部に分散供給されるようにし、各プレートにはアノードへの燃料出口として、矩形、三角形等の形状の開口部を設けたり、円形、楕円形等の穴を分散形成することを開示している。

また、直接メタノール形燃料電池に着目すると、実際に燃料極に供給される燃料として通常濃度が３〜５％と低濃度のメタノール水溶液が用いられる。その理由は、メタノールが燃料極で上記の反応を起こさないまま電解質膜を透過して空気極へ到達してしまうクロスオーバーという現象を防ぐためである。クロスオーバー現象は燃料中のメタノール濃度が高いほど起こりやすい。このようなクロースオーバー現象が発生すると、ＤＭＦＣの二つの極（燃料極及び空気極）のうち燃料極で起こるべきメタノールの反応が空気極でも起こり、燃料の無駄と空気極側の電位低下による電池効率の著しい低下が起こる。従って、通常上記の低濃度のメタノール水溶液が用いられる。

このようにＤＭＦＣでは燃料極へ低濃度メタノール水溶液を供給するのであるが、前記のアクティブ型燃料電池装置では、空気極側で生成される水及び燃料極側からの移動水を回収してこの水で高濃度メタノール水溶液を希釈しながら燃料極に供給する燃料希釈循環形のシステムを構築することが可能である。

１例として図１２の発電システムを示すことができる。図１２のシステムでは、通電されるべき負荷Ｌが燃料電池Ｃに接続されており、電池の外部に燃料タンクｔ１、回収タンクｔ２及びミキサー（混合タンク）ＭＸが設けられていて、これらは配管により燃料電池Ｃに接続されている。燃料電池Ｃの空気極側で生成される水及び燃料極側からの移動液はポンプＰＭ３で回収タンクｔ２へ回収される。発電にあたっては、燃料タンクｔ１からポンプＰＭ１で高濃度メタノール水溶液を、回収タンクｔ２からポンプＰＭ２で希釈用液を、それぞれミキサーＭＸへ供給し、そこでそれらを混合することで高濃度メタノール水溶液を希釈しつつ、該希釈されたメタノール水溶液を電池の燃料極へ供給する。燃料極へ供給された燃料のうち過剰分は回収タンクｔ２へ回収される。

燃料極へ供給する燃料中のメタノール濃度を適正化するために、ミキサーＭＸから電池へ向かう燃料のメタノール濃度を濃度検出センサＤＳで検出し、この検出値に基づいてコントローラＣＯＮＴがポンプＰＭ１、ＰＭ２の動作をコントロールするようにし、これによりミキサーへ供給する高濃度メタノール水溶液の量と希釈用液の量の割合を調整することも可能である。

このシステムによると、燃料タンク中の燃料のメタノール濃度を上げることが可能になり、例えば６０ｗｔ％メタノール水溶液を用いれば当初から３ｗｔ％〜５ｗｔ％メタノール水溶液を用いる場合に比べて略１／２０〜１／１２に燃料タンクを小さくすることができる。

この他、例えば、特開２００３−１３２９２４号公報には、メタノールタンクから、このタンクに付設されたバルブの操作により高濃度メタノール水溶液を希釈タンクへ供給する一方、燃料電池本体の空気極で生成された水を該希釈タンクへ回収し、該希釈タンクにおいてメタノールタンクからのメタノール水溶液を回収水で希釈し、希釈されたメタノール水溶液を電池の燃料極へ供給することが開示されている。

さらに、該希釈タンクにおけるメタノール水溶液のメタノール濃度を検出し、その検出結果に基づいて前記バルブの開き量を調整することでメタノールタンクから希釈タンクへ供給する高濃度メタノール水溶液量を調整し、それにより燃料極へ供給するメタノール水溶液のメタノール濃度を制御することも開示されている。

また、特開２００３−３４６８４６号公報には、電池本体の外部に設けた混合室へ、メタノールタンクからメタノールを、さらに電池本体から未使用メタノール溶液や副生成物をそれぞれ流入させるとともに該混合室内燃料を電池へ導くための回路を設け、電池本体の燃料導入室或いはそれに通じる液通路の容積をそれらに対して設けた圧電アクチュエータで増減させることで該回路に燃料を循環させることが開示されている。この燃料電池装置においても、メタノールタンクに高濃度メタノール水溶液を収容しておき、これを電池本体から混合室へ回収されてくる水で希釈し、該希釈メタノール水溶液を燃料として用いることが可能であると考えられる。

特開２００２−５６８５８号公報特開２００３−１３２９２４号公報特開２００３−３４６８４６号公報

しかしながら、特開２００２−５６８５８号公報に記載されているように、発電効率を向上させるための多段化プレートを燃料極に対して設ける場合、該プレートが１枚だけでは、燃料をアノード各部に対し均一に供給することは実際には困難であると考えられる。特にアノード面積が大きくなってくると困難になると考えられる。従って、アノード各部に対する燃料の均一な供給のためには複数枚のプレートが必要になってきて、それでは電池本体に直接付随する燃料流路構成部分の構造が複雑化し、厚みが増し、薄形化が求められる携帯機器用の電池としては不向きになる。

また、図１２に例示するようなアクティブ型燃料電池装置は、電池本体以外に燃料供給、希釈用液供給、液回収用と三つのポンプ、さらに、高濃度メタノール水溶液と希釈用液とのミキシング機構（ミキサー）が必要となり、装置が大型化、複雑化し、例えば携帯機器用の電池装置には不向きである。

なお、燃料電池装置の大型化を抑制するためにポンプを必要としないパッシブ型ＤＭＦＣを採用した高濃度メタノール水溶液希釈型の装置が考えられるが、各液の流量等についての積極的な制御を行えない難点がある。

また、特開２００３−１３２９２４号公報や特開２００３−３４６８４６号公報に開示された燃料電池装置では、電池本体以外に高濃度メタノール水溶液と水とのミキシング機構（ミキシング用のタンク）を必要とし、それだけ装置が大型化する。

図１２に例示する燃料電池装置や、特開２００３−１３２９２４号公報、特開２００３−３４６８４６号公報に開示された燃料電池装置は、直接メタノール形燃料電池が採用され、メタノール含有液を希釈用液で希釈して該希釈燃料を該電池の燃料極へ供給するタイプの燃料電池装置であるが、一般的に言って、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料を希釈用液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給するタイプの燃料電池装置においては、液体燃料と希釈用液とを混合するミキシング機構（例えば混合タンク）が電池本体外に必要となり、該ミキシング機構のために燃料電池装置が大型化するという難点がある。

そこで本発明は、先ず、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用された燃料電池装置であって、発電効率良好で、その割りには該電池に直接付随する液体燃料流路の構成部分を薄形に形成できる燃料電池装置を提供することを課題とする。

また、本発明は、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給する燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると、全体をコンパクトに小形に形成することができ、しかも、全体のコンパクト化、小型化を達成しつつ発電効率についても良好な燃料電池装置を提供することを課題とする。

また、本発明は、かかる燃料電池装置の１例として、直接メタノール形燃料電池が採用され、液体原燃料であるメタノール含有液を希釈液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給するタイプの燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると、全体をコンパクトに小形に形成することができ、しかも、全体のコンパクト化、小型化を達成しつつ発電効率についても良好な燃料電池装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するため本発明は次の燃料電池装置を提供する。
（１）第１の燃料電池装置
燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用された燃料電池装置であり、燃料供給ユニットが該電池の燃料極に積層されており、該燃料供給ユニットは該燃料極に対向する面に該燃料極へ開放された燃料供給室を有しているとともに該燃料供給室へ液体燃料を供給する複数の燃料供給口を有しており、該複数の燃料供給口はそれらから該燃料供給室へ供給される液体燃料が該燃料供給室から該燃料極の全体にわたり均等状に供給されるように供給口分布及びそれぞれの供給口サイズが定められて分散形成されている燃料電池装置。
ここで「燃料供給口の分布」とは、該供給口の分布密度（単位面積当たりの個数）や、千鳥状配置、同心円状配置等の燃料供給口の配列等の分布態様などを指している。

この燃料電池装置によると、液体燃料は燃料供給ユニットの複数の燃料供給口から燃料供給室内へその全体にわたり均等状に供給され、従って該燃料極室の実質上全体から電池燃料極の全体にわたり均等状に供給されるので、燃料極側における燃料濃度分布の不均一、換言すれば燃料極各部間での燃料濃度差発生が抑制され、それだけ効率よく発電できる。

また、燃料供給ユニットの燃料供給室はこれへ液体燃料を供給する燃料供給口が一つだけなら、燃料極各部へ液体燃料をできるだけ均等に供給するために該燃料供給室の容積を大きくしなければならないところ、ここでは燃料供給口が燃料供給室内へその全体にわたり均等状に液体燃料が供給されるように複数分散形成されているので、該燃料供給室は薄形に、従って燃料供給ユニットもそれだけ薄形に形成することが可能であり、かくしてこの燃料電池装置は例えば携帯機器用の電源としても利用できる。

前記燃料供給室は、一つの空間を提供するように形成されていてもよいが、より確実に燃料極各部へ均等（均一）状に液体燃料を供給するために例えば次のものでもよい。
(1) 仕切り壁により複数に分けられ、分けられた各分室に前記燃料供給口が割り当てられている燃料供給室。
(2) (1)記載の燃料供給室であって、前記各分室に前記燃料供給口が同数ずつ割り当てられている燃料供給室。
(3) 仕切り壁により前記燃料供給口の数と同数に分けられ、分けられた各分室に該燃料供給口が一つずつ割り当てられている燃料供給室。
(4) (2) 、(3) 又は(4) 記載の燃料供給室であって、前記各分室に割り当てられた燃料供給口は該分室の中央部に臨む位置に形成されている燃料供給室。
燃料供給口が分室のいずれかに偏った部位に対して設けられていると、該分室内周壁による燃料流れに対する抵抗が液体燃料に対して偏って作用し、ひいては該分室に対応する燃料極部分の全体に均等状に燃料を供給し難くなるところ、このように、各分室に割り当てられた燃料供給口が該分室の中央部に臨む位置に形成されていることで、それだけ該分室に対応する燃料極部分の全体に均等状に燃料を供給することができる。

上記(1) 〜(4) のいずれにしても、複数の分室の大きさや形状は異なっていてもよいが、燃料極の全体により確実に均等状に燃料を供給するために、該複数の分室はいずれも同じ形状、大きさのものとしてもよい。
また、燃料供給口の大きさも同サイズとしてもよい。

前記燃料電池は複数の電池部からなっていてもよい。その場合、各電池部の燃料極部に前記複数の分室のうち１又は２以上ずつの同数分室を割り当てる場合を代表例として挙げることができる。

（２）第２の燃料電池装置
前記第１の燃料電池装置において、前記燃料供給ユニットが前記燃料極に対向する燃料供給室が設けられた面とは反対側部分に第１ポンプユニットを有しており、該第１ポンプユニットは液体原燃料と希釈用液とを混合して希釈液体燃料を生成しつつ該希釈液体燃料を前記燃料供給室へ前記燃料供給口を介して供給するものである燃料電池装置。

第２の燃料電池装置によると、第１ポンプユニットは液体原燃料と希釈用液とを混合して該液体燃料を希釈しながら希釈液体燃料を燃料電池へ供給するものであるとともに該第１ポンプユニットは燃料供給ユニットと一体化されている。従って、液体原燃料と希釈用液とを混合するためのミキシング機構を燃料電池外に離して設ける必要がないとともに該ミキシング機構と燃料電池とを接続する配管も必要としない。よってそれだけ燃料電池装置全体をコンパクトに小形に形成することができ、例えば、携帯用機器の電源として利用しやすい。しかも、前記第１の燃料電池装置と同様に複数の燃料供給口から燃料を供給される燃料供給室を採用しているので、発電効率が良好である。

かかる第１ポンプユニットの設け方として次のものを例示できる。
(1) 第１ポンプユニットは全ての燃料供給口に対し共通に一つ設けられている。
(2) 第１ポンプユニットは各燃料供給口ごとに設けられている。
(3) 複数の燃料供給口が複数個を１グループとして複数にグループ化されており、第１ポンプユニットは、該各グループごとに設けられているとともに該グループの複数の燃料供給口に対して共通に設けられている。

第２の燃料電池装置は、燃料電池の空気極側に第２ポンプユニットを積層してもよい。この場合、第２ポンプユニットは少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収するものである。第２ポンプユニットは燃料極側から電池の電解質膜等の部材を通過してきて空気極側へ移動してきた液体をさらに回収するものであってもよい。かかる第２ポンプユニットも燃料電池に積層され、燃料電池と一体化されるから、これを設けても燃料電池装置の小形化の妨げにはならない。しかも、第２ポンプユニットにより、燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収できるため空気極の触媒表面がこれらの液体で覆われることなく空気（酸素）の供給が妨げられないので、装置の発電性能を良好に維持することができる。

可能であるならば、第２ポンプユニットで回収する液体を前記の希釈用液として用いてもよい。この場合、第２ポンプユニットは少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収し、燃料電池、燃料供給ユニット及び第２ポンプユニットの積層体中に形成された希釈用液循環路を介して第１ポンプユニットへ供給するものとしてもよい。

或いは、第２ポンプユニットは回収した液体（希釈用液）を回収容器へ送るものとし、該回収容器から前記第１ポンプユニットへ希釈用液を供給するようにしてもよい。
また、回収容器を設ける場合、前記第１ポンプユニットは、過剰の希釈液体燃料を該回収容器クへ送るものでもよい。

なお、希釈前の液体原燃料については、液体原燃料収容容器を設け、該容器から第１ポンプユニットへ液体原燃料を供給すればよい。かかる液体原燃料収容容器としては、代表例として、交換可能な容器、例えばカートリッジタイプの容器を挙げることができる。

燃料電池の構造等によっては、電気取り出しのための電極層を、燃料極に対向する多孔板及び（又は）空気極側のポンプユニットの生成水等回収流路形成部材を導電材料として形成するか、又はそれらが絶縁材料であれば、前記多孔板及び（又は）生成水等回収流路形成部材の電池への対向面に電極膜を形成してもよい。

いずれにしても、燃料電池装置の一層の小形化のために、燃料電池及び燃料供給ユニットはいずれも、また、第２ポンプユニットを設ける場合はそれも、平坦形状に形成されていることが好ましい。これにより、本発明に係る燃料電池装置を、アクティブ型装置でありながら、パッシブ型装置と略同等のサイズに形成することも可能である。

いずれにしても、前記燃料供給ユニットは、前記電池の燃料極で発生するガスを前記燃料供給室を介して放出するためのガス抜き孔を有していてもよい。
また、該燃料供給ユニットにおける前記第１ポンプユニットの代表例として次のものを挙げることができる。すなわち、液体原燃料を供給するマイクロポンプを含む液体原燃料供給路、希釈用液を供給するマイクロポンプを含む希釈用液供給路及び該液体原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記燃料供給室への燃料供給口に連通する液体混合路を有しているポンプユニットである。
この第１ポンプユニットは、後述するように平坦形状に薄型に形成することが可能である。

また、前記第２ポンプユニットとして次のものを代表例として挙げることができる。すなわち、空気極に対向する面に少なくとも燃料電池における電気化学反応により生成される液体の通路を有しており、該空気極に対向する面とは反対側部分に、該液体を回収するマイクロポンプを含む液体回収路を有しており、さらに該空気極に対向する液体通路から該液体回収路へ通じる通路を有しているポンプユニットである。
この第２ポンプユニットは、該空気極へ該液体通路を介して外部から空気を供給するための空気取り入れ孔を有していてもよい。
この第２ポンプユニットも、後述するように平坦形状に薄型に形成することが可能である。

いずれにしても、前記各マイクロポンプは、代表例として、液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の、ダイアフラムとして機能し得る可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプを挙げることができる。
このマイクロポンプも後述するように平坦形状に薄型に形成できる。

いずれにしても、前記燃料電池の代表例として、(1) 構造が簡単、(2) 水素スタンドのような大規模なインフラ整備を要することなく燃料の入手が容易、(3) 低コスト、低温での動作が可能などの点から、例えば携帯機器（ノート形パーソナルコンピュータ、携帯電話器等）向けの燃料電池として適していると言える直接メタノール形燃料電池(DMFC:Direct Methanol Fuel Cell)を挙げることができる。

かかるＤＭＦＣを採用する場合、前記液体原燃料はメタノール含有液体燃料（例えば高濃度メタノール水溶液）であり、前記希釈用液は水を含む液体である。ＤＭＦＣの空気極において生成される水等は希釈用液として利用できる。
また、かかるＤＭＦＣを採用する場合、それは、燃料電池装置の小形化のために、平坦形状に薄型化が可能な所謂膜・電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly)構造のものとすることが好ましい。ＭＥＡは電解質膜を燃料極と空気極で挟んだ構造の燃料電池である。

以上説明したように本発明によると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用された燃料電池装置であって、発電効率良好で、その割りには該電池に直接付随する液体燃料流路の構成部分を薄形に形成できる燃料電池装置を提供することができる。

また、本発明によると、燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、液体原燃料を希釈用液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給する燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると、全体をコンパクトに小形に形成することができ、しかも、全体のコンパクト化、小型化を達成しつつ発電効率についても良好な燃料電池装置を提供することができる。

また、本発明によると、かかる燃料電池装置の１例として、直接メタノール形燃料電池が採用され、液体原燃料であるメタノール含有液を希釈液で希釈して該希釈液体燃料を該電池へ供給するタイプの燃料電池装置であって、従来の同タイプの燃料電池装置と比べると、全体をコンパクトに小形に形成することができ、しかも、全体のコンパクト化、小型化を達成しつつ発電効率についても良好な燃料電池装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明に係る燃料電池装置の１例Ｃ１を示しており、図１（Ａ）は該装置の平面図、図１（Ｂ）は該装置の側面図、図１（Ｃ）は該装置の底面図である。
また、図２（Ａ）は図１（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図２（Ｃ）は図１（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図２（Ｄ）は図１（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。

この燃料電池装置Ｃ１は、燃料電池３と、電池３に積層固定された、第１ポンプユニット１Ｐを有する燃料供給ユニット１及び第２ポンプユニット２を含んでいる。
燃料電池３は、本例では直接メタノール形燃料電池（以下、「ＤＭＦＣ」と言うことがある。）であり、ここでは、電解質膜３１の両面に燃料極３２及び空気極３３を接合したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly)構造のものである。ＭＥＡは各種構造のものが知られているが、本例では電解質膜３１は電解質高分子膜〔例えばデュポン社製ナフィオン（パーフルオロスルホン酸膜）〕であり、燃料極３２は電解質膜３１に接する触媒層（例えば白金黒或いは白金合金をカーボンブラックに担持させたもの）とこれに積層されたカーボンペーパ等の電極からなり、空気極３３も電解質膜３１に接する同様の触媒層とこれに積層された同様の電極からなっている。

なお、ＭＥＡの構造によっては電力取り出しのための電極層を燃料供給ユニット１、第２ポンプユニット２の構成部材の少なくとも一方に設けてもよい。
かかる電極層は、燃料極に対向する多孔板、或いは空気極側のポンプユニットの生成水等回収流路形成部材を導電材料（ＳＵＳエッチング、Ｎｉ電鋳）で形成するか、又は、それらが絶縁材料であれば、前記多孔板、生成水等回収流路形成部材の電池への対向面にスパッタリング法等の各種薄膜形成手段を利用して白金等で形成することもできる。この電極層と燃料極或いは空気極との接続には導電性接着剤を用いるか又はポンプユニットをフレーム等の構成材により加圧状態で保持することにより実現するようにしてもよい。

燃料供給ユニット１は電池３の燃料極３２に積層されている。
燃料供給ユニット１は平坦な四角形状の部材１１、１２を含んでいる。これら部材は平坦形状に積層されている。部材１１は、図１（Ａ）及び図２（Ａ）に示すように、下層の部材１２に対向する面に第１ポンプユニット１Ｐを備えている。

第１ポンプユニット１Ｐは、マイクロポンプＰ１を含む液体燃料供給路１１１、マイクロポンプＰ２を含む希釈用液供給路１１２を含んでいるとともに、ポンプＰ１、Ｐ２より下流側位置における該両供給路の合流部１１０、該合流部を介してこれら両供給路１１１、１１２に連通する複数本の液体混合路１１３を有している。液供給路１１１、１１２、混合路１１３は下層部材１２へ向け開放された溝状のものである。各混合路１１３の下流側端には希釈液体燃料の供給部１１４が凹所状に形成されている。

また、部材１１には、液体燃料供給路１１１においてポンプＰ１より上流側の端に液体燃料供給口１１５が貫通形成されており、希釈用液供給路１１２におけるポンプＰ２より上流側の端には希釈用液供給部１１６が形成さている。さらに該希釈用液供給部１１６から部材隅部へ向かって延びる希釈用液通路１１７及び該通路端の希釈用液受入部１１８も形成されている。希釈用液通路１１７は下層部材１２へ向け開放された溝状の通路であり、希釈用液供給部１１６及び希釈用液受入部１１８は下層部材１２へ向け開放された凹所状の部分である。

部材１２は、図２（Ｂ）に示すように、電池燃料極３２に対向する面に該燃料極へ開放された四角形状の燃料供給室１２０を有しているとともに燃料供給室１２０に連通し、部材１２を貫通する複数の燃料供給口１２１を有している。燃料供給口１２１は第１ポンプユニット１Ｐの液体混合路１１３の端の燃料供給部１１４に連通している。

部材１１における第１ポンプユニット１Ｐの複数の希釈液体燃料の供給部１１４及びこれらに連通する部材１２の燃料供給口１２１は、燃料供給口１２１から燃料供給室１２０へ供給されてくる希釈液体燃料が燃料供給室１２０の全体に均等状に分配され、さらに電池燃料極３２の各部に均等状に供給されるように、分布及びサイズが定められて分散形成されている。

図２（Ｂ）の例では各供給口１２１は燃料供給室１２０を囲む周囲壁Ｗの図中上下の部分から等距離の位置にあり、図中左右端の供給口１２１は左右各部分から等距離αの位置にあり、各隣り合う供給口１２１の間隔βは等しく、距離αは距離βより少し短くしてある。距離αを距離βより少し短くしてあるのは、左右壁による燃料の流れに対する抵抗を考慮して、左右壁の近傍にも燃料が十分供給されるようにするためである。

また、部材１２には燃料供給室１２０を部材外部へ連通させる溝状のガス抜き孔１２２も形成されているとともに、部材隅部に貫通孔１２３が形成されている。ガス抜き孔１２２は燃料極側で生成される炭酸ガスの放出に用いられる。また、後述するように初期水を充填するときの空気抜きにも用いられる。貫通孔１２３は部材１１における希釈用液受入れ部１１８に連通しているとともに電池３の液体通路３４（図１（Ｂ）参照）に連通している。

以上のほか、燃料供給ユニット１の部材１１、１２には、図２（Ａ）、図２（Ｂ）に示すように、互いに位置が合致するようにガス流通部ＧＤが設けられている。ガス流通部ＧＤは複数の微細なガス流通孔を形成するとともに液体の通過を阻止するように撥水処理を施した部分である。ガス流通部ＧＤは少なくとも一つ、より好ましくは複数設けるとよい。燃料供給ユニット１におけるガス流通部ＧＤはガス放出のためのものである。

第２ポンプユニット２は、平坦な四角形状の部材２１、２２を含んでいる。これら部材は平坦形状に積層されている。部材２１は、図２（Ｃ）に示すように、電池３の空気極３３に対向する面に、燃料電池３における電気化学反応により生成される液体（ここでは水）及び燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へくる液体の通路、すなわち、櫛状に配列された溝状の複数本の通路２１１及び該通路に連通する共通の凹所状の通路２１２を有している。また、通路２１２から部材２２側へ貫通孔２１３が形成されているとともに各通路２１１を部材外部と連通させる溝状の空気取り入れ孔２１４も形成されている。さらに部材隅部に貫通孔２１５が形成されている。この貫通孔２１５は電池３の液体通路３４に連通している。

部材２２は、図１（Ｃ）及び図２（Ｄ）に示すように、部材２１に対向する面に、マイクロホンプＰ３を含む溝状の液体回収路２２１を有している。液体回収路２２１は燃料電池３における電気化学反応により生成される液体（ここでは水）及び燃料極３２側からの移動液を回収するものである。液体回収路２２１のポンプＰ３より上流側の端には凹所状の液体受入れ部２２２が形成されており、これは部材２１の貫通孔２１３に連通している。また、液体回収路２２１のポンプＰ３より下流側の端には凹所状の液体排出部２２３が形成されており、これは部材２１の貫通孔２１５に連通している。

以上のほか、部材２１、２２には、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）に示すように、互いに位置が合致するようにガス流通部ＧＤが設けられている。ガス流通部ＧＤは、燃料供給ユニット１におけるものと同じもので、少なくとも一つ、より好ましくは複数、例えば各液体通路２１１（図２（Ｃ）参照）に対応させて設けるとよい。ここでのガス流通部ＧＤは外部からの空気取り入れに利用される。

燃料供給ユニット１における部材１１の希釈用液受入れ部１１８及び部材１２の貫通孔１２３、電池３の貫通液体通路３４（図１（Ｂ）参照）、第２ポンプユニット２における部材２１の貫通孔２１５、部材２２の液体排出部２２３は、電池３の電気化学反応により生成された水及び燃料極側から移動してきた液を第２ポンプユニット２から第１ポンプユニット１Ｐへ供給する循環路３０を形成している（図１（Ｂ）参照）。

第１ポンプユニット１ＰのマイクロポンプＰ１、Ｐ２、第２ポンプユニト２のマイクロポンプＰ３はいずれも図７に示す基本構造を有するものである。
すなわち、液体を吸引するための第１絞り流路ｆ１、液体を吐出するための第２絞り流路ｆ２、該第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２間のポンプ室ＰＣ、ポンプ室ＰＣの可撓性壁（ダイアフラム）ＤＦに設置された圧電素子ＰＺＴを含むポンプである。

圧電素子ＰＺＴに交番電圧を印加してポンプ室壁（ダイアフラム）ＤＦを振動させることでポンプ室ＰＣを収縮膨張させ、第１絞り流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引し、第２絞り流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出できる。

さらに説明すると、第１、第２の絞り流路ｆ１、ｆ２は断面積が同じ又は略同じであるが、流路ｆ１より流路ｆ２は長く形成されている。圧電素子ＰＺＴを駆動する交番電圧として図７（Ｃ）に示すように急峻な立ち上がり、緩やかな立ち下がりを示す交番電圧を用いる。

図７（Ａ）に示すように、印加電圧の急峻な立ち上がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを急激に変形させてポンプ室ＰＣを急激に収縮させると、長い流路ｆ２では流路抵抗により液体が層流状に流れる一方、短い流路ｆ１では液体が乱流となり、流路ｆ１からの液体の流出が抑制される。これにより、流路ｆ２からポンプ室内液体を吐出することができる。

図７（Ｂ）に示すように、印加電圧の緩やかな立ち下がり時に圧電素子によりダイアフラムＤＦを緩やかに復帰動作させてポンプ室ＰＣを緩やかに膨張させると、短い流路ｆ１からはポンプ室ＰＣ内へ液体が流入する一方、このとき流路ｆ１より流路抵抗が大きい長い流路ｆ２からの液体吐出が抑制される。これにより、流路ｆ１からポンプ室ＰＣ内へ液体を吸引できる。

よって、所望の送液方向において上流側に流路ｆ１を下流側に流路ｆ２を配置することで所望方向に送液可能である。ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれは、かかる基本構造を有し、かかる動作原理で送液を行うものである。図１、図２において、ポンプＰ１の圧電素子はＰＺＴ１で、ポンプＰ２の圧電素子はＰＺＴ２で、ポンプＰ３の圧電素子はＰＺＴ３で示してある。

ポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの送液能力は、各ポンプにおけるポンプ室容積、圧電素子の性能、第１、第２の絞り流路の断面積及び（又は）長さ等のうち１又は２以上を適宜選択決定することで所望のものにできる。
ここでは、液体燃料と希釈用液を所定の割合で混合して希釈できるようにポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３のそれぞれの送液能力を定めてある。

なお、図７に基本構造を示すマイクロポンプは、図７（Ｆ）に示すように、圧電素子ＰＺＴに緩やかな立ち上がり、急峻な立ち下がりを示す交番電圧を印加することで、図７（Ｄ）に示すように流路ｆ１からポンプ室内液体を吐出でき、図７（Ｅ）に示すように流路ｆ２から液体を吸引できるが、ここでは、図７（Ｃ）に示す駆動波形を採用している。

図１（Ｂ）に鎖線で示すように、燃料供給ユニット１の部材１１における液体燃料供給口１１５には例えばカートリッジタイプの液体原燃料収容容器４が交換可能に接続される。また、マイクロポンプＰ１、Ｐ２、Ｐ３は、それらの圧電素子に図７（Ｃ）の波形で交番電圧を印加できる図示省略のポンプ駆動部で駆動可能である。

燃料電池装置Ｃ１によると、第１ポンプユニット１Ｐに原燃料収容容器４から液体原燃料としてメタノール含有液（例えば高濃度メタノール水溶液）を供給するとともにポンプ駆動部によりポンプＰ１〜Ｐ３の圧電素子ＰＺＴ１〜ＰＺＴ３にそれぞれ交番電圧を印加してそれらポンプを運転することで燃料電池３に燃料を供給し、電池３で
ＣＨ₃ＯＨ＋(3/2) Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏの反応を生じさせ、それにより発電させ、該電池３に接続した負荷Ｌに通電することができる。

この燃料電池装置Ｃ１の使用開始当初、電池３に供給されるのは容器４から供給される液体原燃料（メタノール含有液）と、後で閉じられる図示省略の初期水供給通路からマイクロポンプＰ２或いはさらにマイクロポンプＰ３に充填されていた水との混合による希釈液体燃料であるが、その後、電池３の電気化学反応により空気極３３側で生成される水及び燃料極３２側から電解質膜３１を通過して空気極３３側へ移動してきた水或いは水を含む液体が第２ポンプユニット２により第１ポンプユニット１Ｐへ供給され始め、第１ポンプユニット１Ｐは、容器４から供給されるメタノール含有液を第２ポンプユニット２から供給されてくる希釈用液で混合希釈し、希釈液体燃料として燃料電池３に供給でき、これにより容器４に収容された原燃料をもって長時間発電させることができる。

以上説明した燃料電池装置Ｃ１によると、燃料供給ユニット１の第１ポンプユニット１Ｐから複数の燃料供給口１２１を経て燃料供給室１２０に供給された液体燃料は、該室内に全体的に分配され、さらに該室から電池燃料極３２の全体にわたり均等状に供給されるので、燃料極３２側における燃料濃度分布の不均一、換言すれば燃料極各部間での燃料濃度差発生が抑制され、それだけ効率よく発電できる。

また、全体がコンパクトに平坦形状に薄型に形成されており、例えばカード状に形成することも可能であり、携帯機器等の電源として適するものである。

燃料供給ユニット１の部材１１における第１ポンプユニットの数、希釈液体燃料供給部１１４の数や配置、部材１２における燃料供給室１２０の構造や燃料供給口１２１の数や配置は以上説明した燃料電池装置Ｃ１におけるものに限定されない。
燃料電池装置Ｃ１では、燃料供給ユニット１における第１ポンプユニット１Ｐは一つだけであるが、一層確実に燃料極各部に希釈液体燃料を均等状に供給するために、図３に例示するように、複数の第１ポンプユニット１Ｐａを設け、各希釈液体燃料供給部１１４ごとに一つの第１ポンプユニット１Ｐａを対応させてもよい。この場合、燃料供給ユニット１の部材１２には該各希釈液体燃料供給部１１４に対応させて燃料供給口１２１を設ければよい。

また、図５に例示するように、燃料供給ユニット１に、装置Ｃ１の場合より多くの希釈液体燃料供給部１１４を設け、それらを複数個ずつグループ化し（図５の例では順次隣り合う６個を一つのグループとしている）、各グループごとに、該グループに属する複数の燃料供給部１１４に対し共通の第１ポンプユニット１Ｐｂを設けてもよい。この場合も、燃料供給ユニット１の部材１２には該各希釈液体燃料供給部１１４に対応させて燃料供給口１２１を設ければよい。

また、先に説明した燃料電池装置Ｃ１では、燃料供給ユニット１における部材１２の燃料供給室１２０は一つの連続した空間で提供されているが、一層確実に燃料極各部に希釈液体燃料を均等状に供給するために、図４に例示するように、燃料供給室１２０を仕切り壁ｗａで複数の分室１２０ａに分け、各分室に対し燃料供給口１２１を形成してもよい。

図４の例では、燃料供給室１２０は、該室を囲む周囲壁Ｗのうち、図中左右の壁と平行な仕切り壁ｗａにより９個の同容積、同形状の分室１２０ａに分けられており、各分室１２０ａに対し燃料供給口１２１が形成されている。また、燃料供給口１２１は、分室１２０ａの図中左右壁から等距離γに位置するとともに図中上下の壁からも等距離δに位置している。すなわち、燃料供給口１２１は分室１２０ａの中央部に対応する位置に形成されている。

燃料供給口１２１をこのような位置に形成することで、分室内周壁ｗｒによる燃料流れに対する抵抗が希釈液体燃料に対し偏って作用することが抑制され、燃料供給口１２１から分室１２０ａに供給されてくる希釈液体燃料は該供給口１２１から図中左右上下へ円滑に流動し、分室各部へ全体的に分配され、ひいては、電池燃料極３２の各部へ均等状に供給される。なお、例えば、図３に示す複数のポンプユニット１Ｐａを備えた部材１１と図４に示す燃料供給室１２０の構造を有する部材１２とを組み合わせることでも燃料供給ユニットを形成できる。

また、燃料供給口１２１の燃料供給室１２０に対する位置が該室内のいずれか片側に偏って形成されているような場合には、該燃料供給口１２１の数を増加させてもよい。さらには、その供給口１２１の数に応じて燃料供給室１２０を細かく分割してもよい。図６にその例を示す。図６の部材１２における燃料供給室１２０は仕切り壁ｗｂにより細かく多数に分割されており、各分室１２０ａ’に対し一つずつ燃料供給口１２１を形成してある。燃料供給口１２１は分室１２０ａ’内の片側に偏って形成されているが、このように、分室１２０ａ’及び燃料供給口１２１を多数形成することで、電池燃料極３２の各部へできるだけ均等状に希釈液体燃料を供給することができる。

なお、例えば、図５に示す複数のポンプユニット１Ｐｂを備えた部材１１と図６に示す燃料供給室１２０の構造を有する部材１２とを組み合わせることでも燃料供給ユニットを形成できる。

以上説明した燃料電池装置Ｃ１等は電池３の空気極３３側で生成される液体（水）及び燃料極３２側から空気極３３側へ移動してくる液体を原燃料を希釈する希釈用液として循環使用するものであるが、第２ポンプユニット２で回収される液体は、第２ポンプユニット２から図示省略の回収通路、例えば燃料供給ユニット１、電池３及び第２ポンプユニット２の積層体に設けた回収通路を介して図示省略の回収容器へ回収するようにしてもよい。さらに、該回収容器から第１ポンプユニットへ希釈用液を供給するようにしてもよい。また、燃料供給ユニット１の燃料供給室１２０へ供給される希釈液体燃料のうち過剰のものは、該燃料供給室１２０（或いはその各分室）から図示省略の排出通路を介して燃料供給ユニット１外へ排出するようにしてもよい。さらにこのようにして排出される過剰希釈液体燃料は前記の回収容器へ回収するようにしてもよい。

以上説明した燃料電池装置Ｃ１等における燃料電池３は一連一体形のものであるが、図８に例示する燃料電池装置Ｃ２のように、燃料電池３は例えば仕切り部材３５により複数の電池部３５１、３５２、３５３等からなるものでもよい。このように電池３を複数の電池部で構成すると、各電池部で独立して発電させることができる。これら電池部は燃料電池装置の用途等に応じて直列に接続してもよいし、並列に接続してもよい。このように複数の電池部を採用することで、各電池部の占める面積が小さくなり、また、一つの電池部での燃料濃度分布差が起きがたくなり、或いは小さく抑制される。各電池部に対する燃料供給口１２１の数は一つでもよいし、複数でもよい。また、希釈液体燃料を供給するポンプユニットはすべての電池部に対し共通に一つ設けられてもよいし、一つの電池部に対し一つずつ設けられてもよい。或いは、複数の電池部が複数個を１グループとして複数にグループ化され、各グループ毎に該ポンプユニットを設け、且つ、該グループ内の複数の電池部に対して共通に設ける等してもよい。

また、以上説明したいずれの燃料電池装置においても、第１ポンプユニットのマイクロポンプＰ１、Ｐ２は図７（Ｃ）に示す波形の交番電圧印加により駆動したが、液体原燃料の希釈用液の混合による希釈をより円滑、確実化するために、ポンプＰ1 、Ｐ２へ印加する交番電圧波形として図９（Ａ）に示す波形を採用してもよい。この波形を採用すると、図９（Ｂ）に示すように、ポンプＰ１で送られる液体源燃料、ポンプＰ２で送られる希釈用液のそれぞれが間欠的に液体混合路に供給され、これにより両液は円滑に混合され、それだけ所定の希釈液体燃料が円滑、確実に得られる。なお、各ポンプの駆動波形において電圧値の低い部分は他方のポンプからの液逆流を防ぐためのものである。

＜マイクロポンプユニットの製造＞
以下に、マイクロポンプユニットの製造の幾つかの例を挙げておく。
（１）Ｓｉ基板とガラス板で構成する場合
Ｓｉ基板上に流路溝を異方性エッチングにより加工し、このＳｉ基板に平板のガラスを陽極接合して液通路を形成する。駆動用の圧電素子はＳｉ基板におけるダイアフラム部分に接合する。
この方法によると、ヤング率の高い材質で液通路を形成できるのでポンプ性能が良好となる。
（２）樹脂とガラス板で構成する場合
流路溝を樹脂の射出形成により形成し、この樹脂板に薄板ガラスを接着剤により貼り付けて液通路形成する。駆動用圧電素子をガラス板のダイアフラム部分に貼り付ける。
この方法によると安価にポンプユニットを形成できる。
（３）ガラスで構成する場合
感光性ガラスのフォトリソ加工、ガラスのサンドブラスト加工、ガラス成型、ガラス板のレーザ加工等の方法により流路溝を形成し、流路溝を形成した第１ガラス板に、第２の平板ガラスを直接接合する。或いは第１、第２のガラスの接合面の両方又は一方に低融点ガラス膜をスパッタリング法、蒸着法等により形成して加熱・加圧により接合する。或いは第１、第２のガラスの一方にＳｉ膜をスパッタ等により形成して陽極接合する。これらのいずれかの操作により、ポンプ流路を形成し、接合した両ガラスのいずれかのダイアフラム部分に圧電素子を接着剤等により貼り付ける。
この方法によっても安価にポンプユニットを形成できる。
（４）セラミックで構成する場合
グリーンシートの成型、サンドブラスト加工、レーザ加工等の方法で流路溝を形成し、一方又は双方に流路溝が形成されたグリーンシートを位置決めして貼り合せ、加圧しながら焼成することで一体化する。或いは同様に形成されたグリーンシートを焼成してセラミック板とし、一方に低融点ガラス膜をスパッタリング法、蒸着法等により形成して加熱・加圧により接合する。或いは同様に形成・焼成されたセラミック板の一方にガラスをもう一方にＳｉ膜をスパッタ等により形成して陽極接合する。これらのいずれかの操作により、ポンプ部分を含む流路を形成し、接合した両セラミックのいずれかのダイアフラム部分に圧電素子を接着剤等により貼り付ける。
この方法によるとヤング率の高い材質で液通路を形成できるのでポンプ性能が良好となる。

上記のほか、液体や気体が流通できる溝が形成されたカーボンの成形品、ステンレススチール板をエッチング加工したもの等も利用できる。
なお、上記（１）〜（４）のいずれの製法を採用するにしても、必要に応じガス抜き孔や空気取り入れ孔も同時に形成する。ガス流通部ＤＧについては可能であれば同時に形成してもよいし、別部材（例えば撥水処理されたメッシュ等）を取り付けてもよい。

次に、マイクロポンプユニットの製法の具体例を説明するが、説明を簡略化し、理解を容易にするため、２液の混合希釈装置として機能する図１０に示すマイクロチップＭＴを例にとって説明する。図１０（Ａ）はマイクロチップＭＴの平面図、図１０（Ｂ）は該チップの側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。

本発明に係る燃料電池装置におけるポンプユニット１Ｐ、１Ｐ’、２は、液流路の配置や、マイクロポンプの数等の点でチップＭＴと異なる場合があるが、チップＭＴと同様にして、コンパクトに、平坦形状薄型に、小形に形成できる。

図１０の液体混合装置ＭＴは、マイクロチップ形のもので、マイクロポンプＰａを含む第１液体供給路Ｌ１、マイクロポンプＰｂを含む第２液体供給路Ｌ２を備えており、供給路Ｌ１のポンプ上流側端には液体供給口Ｌｉ１が、供給路Ｌ２のポンプ上流側端には液体供給口Ｌｉ２が設けられている。供給路Ｌ１、Ｌ２のポンプ下流側端は合流部Ｌ３でＹ字状に合流し、混合流路Ｌ４に続き、該流路端の液体出口Ｌｏに達している。

流路Ｌ１〜Ｌ４は例えば幅１５０μｍ、深さ１７０μｍである。マイクロチップＭＴの外形寸法は例えば、約２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．５ｍｍである。もっとも、寸法、形状は、これに限るものではない。
ポンプＰａ、Ｐｂは図７に示す構造、動作を示すもので、このチップでは各ポンプの圧電素子ＰＺＴａ、ＰＺＴｂに駆動部から交番電圧を印加することで供給口Ｌｉ１、Ｌｉ２から第１、第２の液体を吸引し、送液し、合流部Ｌ３で合流させ、混合流路Ｌ４で混合して液体出口Ｌｏから吐出することができる。

このマイクロチップＭＴの製造工程について図１１を参照しながら説明する。図１１は図１０（Ｃ）のα−α線に沿う切断端面の部分の製法を代表的に示している。
図１１（Ａ）に示すように、シリコン基板ＳｉＳを準備する。シリコン基板ＳｉＳとしては、例えば厚さ２００μｍのシリコンウエハーを用いる。次に、図１１（Ｂ）に示すように、シリコン基板ＳｉＳの上下面に、シリコン酸化膜ＳｉＯ₂を形成する。酸化膜は、例えば、それぞれの厚さが１．７μｍとなるように、熱酸化により形成する。次に、上面にレジストを塗布して所定パターンのマスクを形成し、該マスクパターンで露光し、次いで現像して酸化膜をエッチングする。そして、上面のレジストを剥離した後、再びレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行う。これにより、図１１（Ｃ）に示すように、酸化膜を完全に除去した部分ａと、厚さ方向に途中まで除去した部分ｂを形成する。

レジスト塗布には、例えば東京応化社製ＯＦＰＲ８００等のレジストを用いスピンコ一ターで回転塗布し、レジスト膜の厚さは、例えば１μｍとする。露光はアライナ一により行い、現像はデベロッパーにより行う。酸化膜のエッチングには、例えば反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）を用いる。レジストの剥離には、剥離液、例えば硫酸過水を用いる。

次に、図１１（Ｄ）に示すように上面についてシリコンエッチングを途中まで行った後に、ｂの部分の酸化膜をエッチングにより完全に除去し、再びシリコンエッチングを行い、図１１（Ｅ）に示すようにシリコン基板ＳｉＳを１７０μｍエッチングした部分ａ’と、２５μｍエッチングした部分ａ”とを形成する。シリコンエッチングには、例えば、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズマ、Ind uctively Coupled Plasma ）によるエッチング法を用いる。さらに、図１１（Ｅ）に示すように酸化膜を、例えばＢＨＦを用いて完全に除去する。

次に、図１１（Ｆ）に示すように、シリコン基板の下面に電極膜ｅ（例えばＩＴＯ膜）を成膜する。そして、図１１（Ｇ）に示したように、シリコン基板の上面にガラス板ＧＬを貼り付ける。この貼り付けは、例えば、１２００Ｖ、４００℃で、陽極接合により行う。最後に、図１１（Ｈ）に示すように、ポンプ室ＰＣの振動板の部分に圧電素子を接着する。
以上説明した製法に準ずる製法により、本発明に係る燃料電池装置におけるマイクロポンプユニットにおけるマイクロポンプや液流路をバラツキ少なく、均一な性能のものに製作できる。

本発明に係る燃料電池装置は発電効率良好であり、平坦形状に薄型にコンパクトに形成できるから例えば各種携帯機器用の電源として利用できる。

本発明に係る燃料電池装置を示すもので、図１（Ａ）は該装置の平面図、図１（Ｂ）は該装置の側面図、図１（Ｃ）は該装置の底面図である。図２（Ａ）は図１（Ｂ）のＡ−Ａ線断面図、図２（Ｂ）は図１（Ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図２（Ｃ）は図１（Ｂ）のＣ−Ｃ線断面図、図２（Ｄ）は図１（Ｂ）のＤ−Ｄ線断面図である。燃料供給ユニットにおける第１ポンプユニットの他の例を示す図である。燃料供給ユニットにおける燃料供給室の他の例を示す図である。燃料供給ユニットにおける第１ポンプユニットのさらに他の例を示す図である。燃料供給ユニットにおける燃料供給室のさらに他の例を示す図である。マイクロポンプの１例の基本構造及び動作を示すもので、図７（Ａ）は液体吐出動作を示す図、図７（Ｂ）は液体吸引動作を示す図、図７（Ｃ）はかかる液体の吐出動作、吸引動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。図７（Ｄ）は図７（Ａ）とは反対方向への液体吐出動作を示す図、図７（Ｅ）は図７（Ｂ）とは反対方向の液体吸引動作を示す図、図７（Ｆ）はかかる反対動作のための圧電素子への印加電圧波形を示す図である。本発明に係る燃料電池装置の他の例の側面図である。図９（Ａ）はマイクロポンプ駆動電圧波形の他の例を示す図であり、図９（Ｂ）は該波形による送液状態を示す図である。ポンプユニット等の製法例を説明するための参考的なマイクロチップを示すもので、図１０（Ａ）はその平面図、図１０（Ｂ）はその側面図、図１０（Ｃ）は図１０（Ｂ）のＸ−Ｘ線断面図である。マイクロチップの製造工程例を示す図である。燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用され、該液体燃料を希釈用液で希釈して希釈液体燃料を該燃料電池へ供給する燃料電池装置の考えられる例を示す図である。

符号の説明

Ｃ１、Ｃ２燃料電池装置
１燃料供給ユニット
１１平坦な四角形状の部材
１Ｐ、１Ｐａ、１Ｐｂ第１ポンプユニット
Ｐ１、Ｐ２マイクロポンプ
ＰＺＴ１、ＰＺＴ２圧電素子
１１１液体燃料供給路
１１２希釈用液供給路
１１３液体混合路
１１４希釈液体燃料供給部
１１５液体原燃料供給口
１１６希釈用液供給部
１１７希釈用液通路
１１８希釈用液受入部
１２平坦な四角形状の部材
１２０燃料供給室
１２１燃料供給口
１２２ガス抜き孔
１２３貫通孔
ＧＤガス流通部

２第２ポンプユニット
２１平坦な四角形状の部材
２１１、２１２液通路
２１３貫通孔
２１４空気取り入れ孔
２１５貫通孔
２２平坦な四角形状の部材
Ｐ３マイクロポンプ
ＰＺＴ３圧電素子
２２１液体回収路
２２２液体受入れ部
２２３液体排出部

３燃料電池
３１電解質膜
３２燃料極
３３空気極
３４液体通路
３０希釈用液循環路
３５仕切り部材
３５１、３５２、３５３電池部

ｆ１第１絞り流路
ｆ２第２絞り流路
ＰＣポンプ室
ＤＦポンプ室可撓性壁（ダイアフラム）
ＰＺＴ圧電素子
Ｌ負荷

ＭＴマイクロチップ
Ｐａ、Ｐｂマイクロポンプ
Ｌ１第１液体供給路
Ｌ２第２液体供給路
Ｌｉ１第１液体供給口
Ｌｉ２第２液体供給口
Ｌ３合流部
Ｌ４混合流路
Ｌｏ液体出口
ＰＺＴａ、ＰＺＴｂ圧電素子
ＳｉＳシリコン基板
ＧＬガラス板

Claims

燃料として液体燃料が使用される燃料電池が採用された燃料電池装置であり、燃料供給ユニットが該電池の燃料極に積層されており、該燃料供給ユニットは該燃料極に対向する面に該燃料極へ開放された燃料供給室を有しているとともに該燃料供給室へ液体燃料を供給する複数の燃料供給口を有しており、該複数の燃料供給口はそれらから該燃料供給室へ供給される液体燃料が該燃料供給室から該燃料極の全体にわたり均等状に供給されるように供給口分布及びそれぞれの供給口サイズが定められて分散形成されていることを特徴とする燃料電池装置。
前記燃料供給室は仕切り壁により複数に分けられ、分けられた各分室に前記燃料供給口が割り当てられている請求項１記載の燃料電池装置。
前記各分室に前記燃料供給口が同数ずつ割り当てられている請求項２記載の燃料電池装置。
前記燃料供給室は仕切り壁により前記燃料供給口の数と同数に分けられ、分けられた各分室に該燃料供給口が一つずつ割り当てられている請求項１記載の燃料電池装置。
前記各分室に割り当てられた燃料供給口は該分室の中央部に臨む位置に形成されている請求項２、３又は４記載の燃料電池装置。
前記複数の分室はいずれも同じ形状、大きさのものである請求項２から５のいずれかに記載の燃料電池装置。
前記燃料電池は複数の電池部からなり、該各電池部の燃料極部に前記複数の分室のうち１又は２以上ずつの同数分室が割り当てられている請求項２から６のいずれかに記載の燃料電池装置。
前記燃料供給ユニットは前記燃料極に対向する燃料供給室が設けられた面とは反対側部分に第１ポンプユニットを有しており、該第１ポンプユニットは、液体原燃料と希釈用液とを混合して希釈液体燃料を生成しつつ該希釈液体燃料を該燃料供給室へ前記燃料供給口を介して供給するものである請求項１から７のいずれかに記載の燃料電池装置。
前記第１ポンプユニットは全ての燃料供給口に対し共通に一つ設けられている請求項８記載の燃料電池装置。
前記第１ポンプユニットは各燃料供給口ごとに設けられている請求項８記載の燃料電池装置。
前記複数の燃料供給口は複数個を１グループとして複数にグループ化されており、前記第１ポンプユニットは、該各グループごとに設けられているとともに該グループの複数の燃料供給口に対して共通に設けられている請求項８記載の燃料電池装置。
前記第１ポンプユニットは液体原燃料収容容器から液体原燃料を供給される請求項８から１１のいずれかに記載の燃料電池装置。
前記燃料電池の空気極側に第２ポンプユニットが積層されており、該第２ポンプユニットは少なくとも該燃料電池における電気化学反応により生成される液体を回収するものである請求項８から１２のいずれかに記載の燃料電池装置。
前記第２ポンプユニットは回収した液体を前記燃料電池、前記燃料供給ユニット及び該第２ポンプユニットの積層体中に形成された希釈用液循環路を介して前記第１ポンプユニットへ供給する請求項１３記載の燃料電池装置。
前記第２ポンプユニットは回収した液体を回収容器へ送り、前記第１ポンプユニットは該回収容器から希釈用液を供給される請求項１３記載の燃料電池装置。
前記第１ポンプユニットは過剰の希釈液体燃料を前記回収容器へ送る請求項１５記載の燃料電池装置。
前記第２ポンプユニットは、前記空気極に対向する面に回収すべき液体の通路を有しており、該空気極に対向する面とは反対側部分に、該液体を回収するマイクロポンプを含む液体回収路を有しており、さらに該空気極に対向する液体通路から該液体回収路へ通じる通路を有しているとともに、該空気極へ該液体通路を介して外部から空気を供給するための空気取り入れ孔を有している請求項１３から１６のいずれかに記載の燃料電池装置。
前記燃料供給ユニットは、前記電池の燃料極で発生するガスを前記燃料供給室を介して放出するためのガス抜き孔を有しており、該燃料供給ユニットの第１ポンプユニットは、、液体原燃料を供給するマイクロポンプを含む液体原燃料供給路、希釈用液を供給するマイクロポンプを含む希釈用液供給路及び該液体原燃料供給路と希釈用液供給路の双方に連通するとともに前記燃料供給室への燃料供給口に連通する液体混合路を有している請求項８から１７のいずれかに記載の燃料電池装置。
前記各マイクロポンプは液体を吸引するための第１絞り流路、液体を吐出するための第２絞り流路、該第１、第２の絞り流路間のポンプ室、該ポンプ室の可撓性壁に設置された圧電素子を含んでおり、該圧電素子で該ポンプ室壁を振動させることでポンプ室を収縮膨張させて該第１絞り流路からポンプ室内へ液体を吸引し、該第２絞り流路からポンプ室内液体を吐出するポンプである請求項１７又は１８記載の燃料電池装置。
前記燃料電池は直接メタノール形燃料電池であり、前記液体原燃料はメタノール含有液体燃料であり、前記希釈用液は水を含む液体である請求項８から１９のいずれかに記載の燃料電池装置。
前記直接メタノール形燃料電池は膜・電極接合体（ＭＥＡ）構造のものである請求項２０記載の燃料電池装置。