JP2009231111A - 燃料電池ユニット、燃料電池スタックおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の燃料電池セルを積層する場合に厚みの増大を抑制することが可能な燃料電池ユニット、燃料電池スタックおよび電子機器を提供する。
【解決手段】燃料電池ユニット１は、燃料電極１０の両面側に、酸素電極２０Ａおよび酸素電極２０Ｂが配置されている。燃料電極１０は、集電体１１の両面にそれぞれ、拡散層１２と触媒層１３とを有し、酸素電極２０Ａ，２０Ｂは、集電体２１の燃料電極１０に対向する側の面にそれぞれ、拡散層２２と触媒層２３とを有する。燃料電極１０と酸素電極２０Ａ，２０Ｂとの間には、燃料および電解質を含む流動体を流すための流路３０がそれぞれ設けられている。一つの燃料電極１０の両面に燃料および電解質が供給され、酸素電極２０Ａ，２０Ｂとの間でそれぞれ反応が起こり電力が得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、メタノールを直接燃料電極に供給して反応させる直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）などの燃料電池ユニットおよび燃料電池スタックならびにそれらを備えた電子機器に関する。

電池の特性を示す指標として、エネルギー密度と出力密度とがある。エネルギー密度とは電池の単位質量あたりのエネルギー蓄積量であり、出力密度とは電池の単位質量あたりの出力量である。リチウムイオン二次電池は、比較的高いエネルギー密度と極めて高い出力密度という二つの特徴を併せもっており、完成度も高いことから、モバイル機器の電源として広く採用されている。しかし、近年、モバイル機器は高性能化にともなって消費電力が増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池にも更なるエネルギー密度および出力密度の向上が求められている。

その解決策として、正極および負極を構成する電極材料の変更、電極材料の塗布方法の改善、電極材料の封入方法の改善などが挙げられ、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させる研究が行われている。しかし、実用化に向けてのハードルはまだ高い。また、現在のリチウムイオン二次電池に使用されている構成材料が変わらない限り、大幅なエネルギー密度の向上を期待することは難しい。

このため、リチウムイオン二次電池に代わる、よりエネルギー密度の高い電池の開発が急務とされており、燃料電池はその候補の一つとして有力視されている。

燃料電池は、アノード（燃料電極）とカソード（酸素電極）との間に電解質が配置された構成を有し、燃料電極には燃料、酸素電極には空気または酸素がそれぞれ供給される。この結果、燃料電極および酸素電極において燃料が酸素によって酸化される酸化還元反応が起こり、燃料がもつ化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて取り出される。

既に、さまざまな種類の燃料電池が提案または試作され、一部は実用化されている。これらの燃料電池は、用いられる電解質によって、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ；Alkaline Fuel Cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；Phosphoric Acid Fuel Cell ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Electrolyte Fuel Cell ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）などに分類される。このうち、ＰＥＦＣは、他の型式のものと比較して低い温度、例えば３０℃〜１３０℃程度の温度で動作させることができる。

燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の可燃性物質を用いることができる。しかし、水素などの気体燃料は、貯蔵用のボンベなどが必要になるため、小型化には適していない。一方、メタノールなどの液体燃料は、貯蔵しやすい点で有利である。とりわけ、ＤＭＦＣには、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易であるという利点がある。

ＤＭＦＣでは、燃料のメタノールは、通常、低濃度または高濃度の水溶液として、もしくは純メタノールの気体の状態で燃料電極に供給され、燃料電極の触媒層で二酸化炭素に酸化される。このとき生じたプロトンは、燃料電極と酸素電極とを隔てる電解質膜を通って酸素電極へ移動し、酸素電極で酸素と反応して水を生成する。燃料電極、酸素電極およびＤＭＦＣ全体で起こる反応は、化１で表される。

（化１）
燃料電極：ＣＨ₃ ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋６ｅ^- ＋６Ｈ⁺
酸素電極：（３／２）Ｏ₂ ＋６ｅ^- ＋６Ｈ⁺ →３Ｈ₂ Ｏ
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ₃ ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂ →ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ

ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギー密度は、理論的に４．８ｋＷ／Ｌであり、一般的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の１０倍以上である。すなわち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を多いに持っている。以上のことから、ＤＭＦＣは、種々の燃料電池のなかで最も、モバイル機器や電気自動車などのエネルギー源として使用される可能性が高い。

しかしながら、ＤＭＦＣには、理論電圧は１．２３Ｖであるにもかかわらず、実際に発電しているときの出力電圧は約０．６Ｖ以下に低下してしまうという問題がある。出力電圧が低下する原因は、ＤＭＦＣの内部抵抗によって生じる電圧降下であって、ＤＭＦＣには、両電極で生じる反応に伴う抵抗、物質の移動に伴う抵抗、プロトンが電解質膜を移動する際に生じる抵抗、更に接触抵抗などの内部抵抗が存在している。メタノールの酸化から電気エネルギーとして実際に取り出すことのできるエネルギーは、発電時の出力電圧と、回路を流れる電気量との積で表されるから、発電時の出力電圧が低下すると、実際に取り出すことのできるエネルギーはその分小さくなってしまう。なお、メタノールの酸化によって回路に取り出せる電気量は、メタノールの全量が化１に従って燃料電極で酸化されるなら、ＤＭＦＣ内のメタノール量に比例する。

また、ＤＭＦＣには、メタノールクロスオーバーの問題がある。メタノールクロスオーバーとは、燃料電極側と酸素電極側とのメタノールの濃度差によってメタノールが拡散移動する現象と、プロトンの移動にともなって引き起こされる水の移動によって、水和したメタノールが運搬される電気浸透現象との二つの機構によって、メタノールが燃料電極側から電解質膜を透過して酸素電極側に到達してしまう現象である。

メタノールクロスオーバーが生じると、透過したメタノールは酸素電極の触媒層で酸化される。酸素電極側でのメタノール酸化反応は、上述した燃料電極側での酸化反応と同じであるが、ＤＭＦＣの出力電圧を低下させる原因になる。また、メタノールが燃料電極側で発電に使われず、酸素電極側で浪費されるので、回路に取り出せる電気量がその分減少してしまう。更に、酸素電極の触媒層は白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒ではなく白金（Ｐｔ）触媒であることから、触媒表面に一酸化炭素（ＣＯ）が吸着されやすく、触媒の被毒が生じるなどの不都合もある。

このようにＤＭＦＣには、内部抵抗とメタノールクロスオーバーとによって生じる電圧低下、およびメタノールクロスオーバーによる燃料の浪費という二つの問題があり、これらはＤＭＦＣの発電効率を低下させる原因になっている。そこで、ＤＭＦＣの発電効率を高めるために、ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究・開発や、ＤＭＦＣの運転条件を最適化する研究・開発が精力的に行われている。

ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究では、電解質膜および燃料電極側の触媒などに関するものが挙げられる。電解質膜については、現在ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂膜（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）が一般的に用いられているが、これよりも高いプロトン伝導率と高いメタノール透過阻止性能とを有するものとして、フッ素系高分子膜、炭化水素系高分子電解質膜またはハイドロゲルベース電解質膜などが検討されている。燃料電極側の触媒に関しては、現在一般的に用いられている白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒よりも高活性な触媒の研究開発が行われている。

このような燃料電池の構成材料の特性向上は、燃料電池の発電効率を向上させる手段として的確である。しかしながら、上述した二つの問題を打破するような最適な触媒が見つからないと同様、最適な電解質膜も見つかっていないのが現状である。

一方、特許文献１では、電解質膜に代えて、液状の電解質（電解液）を用いることが記載されている。電解液は、酸素電極と燃料電極との間に静止している場合もあるが、酸素電極と燃料電極との間に設けられた流路を流れ、外部に出たのち再び流路内に戻され、循環するようになっている場合もある。
特開昭５９−１９１２６５号公報

さらに燃料電池では、一つの燃料電池セルから取り出される電力が極めて低く、実用的な電流を取り出すためには、複数の燃料電池セルを積層して直列に接続する必要性がある。

燃料電池セルの接続方法としては、酸素電極の端部を隣のセルの燃料電極に電線を用いて接続する、いわゆるモノポーラが一般的である。しかしながら、このモノポーラによると、複数の燃料電池セルが単純に積層された構造であるため、燃料電池スタック全体の厚みは、燃料電池セルを重ねた枚数の分だけ増すこととなる。このため、必然的に電池全体の厚みが増し、大型化してしまうという問題があった。

ちなみに、バイポーラプレートを使用して、燃料電極の表面全体と隣のセルの酸素電極とを一体化しつつ接続する方法もある。しかしながら、このようなバイポーラプレートを用いた場合には、スタック全体の厚みはバイポーラプレートの厚みに依存する。通常、バイポーラプレートには、燃料電極用および酸素電極用の流路等を形成する必要があるため、このバイポーラプレートの厚みを大幅に低減することは困難である。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の燃料電池セルを積層する場合に厚みの増大を抑制することが可能な燃料電池ユニットおよび燃料電池スタックならびにそれらを備えた電子機器を提供することにある。

本発明による燃料電池ユニットは、対向する２面を有する燃料電極と、燃料電極の一方および他方の面にそれぞれ対向するように設けられた第１および第２の酸素電極と、燃料電極と第１および第２の酸素電極との間に設けられた電解質層とを備えたものである。

本発明による燃料電池スタックは、上記本発明の燃料電池ユニットを複数積層したものである。本発明による電子機器は、上記本発明の燃料電池ユニットを搭載したものである。

本発明の燃料電池ユニット、燃料電池スタックおよび電子機器では、燃料電池ユニットにおいて、燃料電極の両側に第１および第２の酸素電極が設けられていることにより、燃料電極における反応面積が拡大する。

本発明の燃料電池ユニットでは、第１および第２の酸素電極の燃料電極側に、燃料および電解質を含む第１の流動体を流通させるための流路が設けられていることが好ましい。これにより、燃料を流通させるための流路と電解液を流通させるための流路が別々に設けられている場合に比べて、薄型化を実現し易くなる。

本発明の燃料電池スタックでは、一の燃料電池ユニットの第１もしくは第２の酸素電極と、他の燃料電池ユニットの第１もしくは第２の酸素電極とが対向するように接続され、一および他の燃料電池ユニット同士で、第２の流動体を流通させるための流路が接続部分において共通となっていることが好ましい。これにより、積層による厚みの増大をより効果的に抑制することができる。

本発明の燃料電池ユニット、燃料電池スタックによれば、燃料電極の両側に第１および第２の酸素電極を設けるようにしたので、燃料電極の反応面積を拡大することができ、２つの酸素電極に対して１つの燃料電極を配した構造によって、２つの燃料電池セル分とほぼ同等の電力を得ることができる。よって、複数の燃料電池セルを積層する場合に、厚みの増大を抑制することができる。またこれにより、薄型で消費電力の大きな電子機器にも好適に用いることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池ユニット１１０の断面構造を表すものである。燃料電池ユニット１１０は、いわゆる直接型メタノールフロー型燃料電池（ＤＭＦＦＣ；Direct Methanol Flow BasedFuel Cell）であり、外装部材１４，２４の内部に、１つの燃料電極（アノード）１０を間にして２つの酸素電極（カソード）２０Ａ，２０Ｂが設けられたものである。すなわち、燃料電極１０の両面に、酸素電極２０Ａ，２０Ｂがそれぞれ対向するように配置されている。

燃料電極１０は、集電体１１を中心として、その一面側に拡散層１２ａおよび触媒層１３ａ、他面側に拡散層１２ｂおよび触媒層１３ｂがそれぞれ積層した構成を有している。酸素電極２０Ａ，２０Ｂはそれぞれ、集電体２１ａ，２１ｂの燃料電極１０と対向する側に、拡散層２２ａ，２２ｂおよび触媒層２３ａ，２３ｂを順に積層した構成を有している。

集電体１１は、例えば電気伝導性を有するポーラス材や板状部材、具体的にはチタン（Ｔｉ）メッシュやチタン板などにより構成されている。集電体２１ａ，２１ｂは、例えばチタンメッシュなどにより構成されている。

拡散層１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂは、例えば、カーボンクロス，カーボンペーパーまたはカーボンシートにより構成されている。これらの拡散層１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂは、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などにより撥水化処理が行われていることが望ましい。但し、拡散層１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂは必ずしも設ける必要はなく、触媒層を直接集電体上に形成するようにしてもよい。

触媒層１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂは、触媒として、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）などの金属の単体または合金、有機錯体、酵素などにより構成されている。また、触媒層１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂには、触媒に加えて、プロトン伝導体およびバインダーが含まれていてもよい。プロトン伝導体としては、上述したポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。バインダーは、触媒層１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂの強度や柔軟性を保つために添加されるものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの樹脂が挙げられる。このような触媒層１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂとしては、燃料・電解質流路３０を流れる燃料を酸化しない選択性触媒、例えばパラジウム、パラジウム鉄、パラジウムコバルト、パラジウムニッケル、パラジウムクロムなどのパラジウム合金（二元系、三元系、四元系なども含む）ルテニウム系合金、例えばＲｕＳｅなどを用いることが望ましい。

このような燃料電極１０と酸素電極２０Ａ，２０Ｂとの間にはそれぞれ、燃料と電解質を含む流動体（第１の流動体）Ｆ１を流通させる燃料・電解質流路３０が設けられている。一方、酸素電極２０Ａ，２０Ｂの外側には、空気もしくは酸素（第２の流動体）を供給するための空気流路４０が設けられている。

燃料・電解質流路３０は、例えば、樹脂シートを加工することにより微細な流路を形成したものであり、燃料電極１０の両面側に接着されている。この燃料・電解質流路３０には、外装部材１４に設けられた燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを介して燃料および電解質を含む流動体Ｆ１、例えばメタノール硫酸混合液が供給されるようになっている。なお、流路の本数は限定されない。また、流路の形状は例えば蛇型、並列型などであり、特に限定されない。さらに、流路の幅，高さおよび長さについても特には限定されないが、小さい方が望ましい。また、燃料および電解質を混合させた状態で流通させるようにしてもよく、あるいは燃料と電解液を層分離した状態で流通させるようにしてもよい。

空気流路４０には、外装部材２４に設けられた空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂを介して、自然換気あるいはファン、ポンプおよびブロワなどの強制的供給法により、空気が供給されるようになっている。

外装部材１４，２４は、例えば、厚みが１ｍｍであり、チタン（Ｔｉ）板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４，２４の厚みは薄ければ薄いほうが望ましい。

上記燃料電池ユニット１１０は、例えば次のようにして製造することができる。

まず、燃料電極１０を形成する。まず、触媒として例えば白金とルテニウムとを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合することにより触媒層１３ａ，１３ｂを形成する。この触媒層１３ａ，１３ｂを、上述した材料よりなる拡散層１２ａ，１２ｂにそれぞれ熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体１１の一面に拡散層１２ａおよび触媒層１３ａ、他面に拡散層１２ｂおよび触媒層１３ｂをホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いてそれぞれ熱圧着する。これにより、燃料電極１０を形成する。なお、上述したように拡散層１２ａ，１２ｂを形成せずに、集電体１１の両面に触媒層１３ａ，１３ｂを直接形成するようにしてもよい。

一方、酸素電極２０Ａ，２０Ｂを形成する。まず、触媒として白金をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、触媒層２３ａ，２３ｂを形成する。この触媒層２３ａ，２３ｂを、上述した材料よりなる拡散層２２ａ，２２ｂにそれぞれ熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体２１ａに拡散層２２ａおよび触媒層２３ａ、集電体２１ｂに拡散層２２ｂおよび触媒層２３ｂを、それぞれホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着する。これにより、酸素電極２０Ａ，２０Ｂを形成する。

他方、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して燃料・電解質流路３０を形成する。また、上述した材料よりなる外装部材１４に、例えば樹脂製の継手よりなる燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂを設ける。

続いて、燃料電極１０の両面側に燃料・電解質流路３０を熱圧着する。

最後に、熱圧着した燃料・電解質流路３０の両面に、これらを挟み込むようにして２つの酸素電極２０Ａ，２０Ｂを接着し、外装部材１４，２４に収納する。これにより、図１に示した燃料電池ユニット１１０が完成する。

次に、上記燃料電池ユニット１１０の作用、効果について説明する。

燃料電池ユニット１１０では、燃料・電解質流路３０により燃料および電解質が燃料電極１０に供給されると、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは燃料・電解質流路３０を通って酸素電極２０Ａ，２０Ｂに移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極１０、酸素電極２０および燃料電池ユニット１１０全体で起こる反応は、化２で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて、電力として取り出される。なお、燃料電極１０で発生する二酸化炭素および酸素電極２０Ａ，２０Ｂで発生する水は、燃料・電解質流路３０に流出して取り除かれる。

（化２）
燃料電極１０：ＣＨ₃ ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋６ｅ^- ＋６Ｈ⁺
酸素電極２０：（３／２）Ｏ₂ ＋６ｅ^- ＋６Ｈ⁺ →３Ｈ₂ Ｏ
燃料電池ユニット１１０全体：ＣＨ₃ ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂ →ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ

このとき特に、燃料電極１０の両面に対向するようにそれぞれ酸素電極２０Ａ，２０Ｂが配置され、燃料電極１０の両面に燃料および電解質が供給されることにより、燃料電極１０の厚みを増すことなく反応面積が拡大される。そして、２つの酸素電極２０Ａ，２０Ｂを電気的に接続することにより、燃料電池ユニット１では、１つの燃料電極と１つの酸素電極との組み合わせからなる燃料電池セル（単位セル）を２つ接続した場合とほぼ同等の出力がなされることとなる。

ここで、図２に、１つの燃料電極２１１と１つの酸素電極２１２とを外装部材２０１，２１０に収納した燃料電池セル２００の断面構造を示す。燃料電極２１１は集電体２０３上に拡散層２０４および触媒層２０５、酸素電極２１２は集電体２０９上に拡散層２０８および触媒層２０７をそれぞれ積層してなり、触媒層２０５，２０７同士が対向するように設置されている。燃料電極２１１と酸素電極２１２との間には電解液を流通させるための電解液流路２０６、燃料電極２１１と外装部材２０１との間には燃料を供給するための燃料流路が設けられている。外装部材２０１は、燃料入口２０１Ａおよび燃料出口２０１Ｂを有し、外装部材２１０は、電解液入口２１０Ａおよび電解液出口２１０Ｂを有している。このような燃料電池セル２００と、本実施の形態の燃料電池ユニット１との、電流−電圧特性を図３（Ａ）、電流−電力特性を図３（Ｂ）に示す。

図３（Ａ），（Ｂ）に示したように、本実施の形態の燃料電池ユニット１１０では、１つの燃料電極と１つの酸素電極とを対向配置させた燃料電池セル２００に比べて、電圧−電流特性および電力−電流特性が向上した。特に、電流が大きくなるに従って両者間の差は大きくなり、燃料電池ユニット１１０では燃料電池セル２００の２倍以上の電圧、電力を実現し得ることがわかる。なお、電圧および電力が２倍以上となるのは、積層によって燃料電池ユニット１１０内部に熱がこもり温度が上昇して触媒反応が促進されるためと考えられる。

以上のように、本実施の形態の燃料電池ユニット１１０では、燃料電極１０の両側に酸素電極２０Ａ，２０Ｂを設けるようにしたので、燃料電極１０の反応面積を拡大することができ、２つの酸素電極に対して一つの燃料電極を配した構造によって、２つの燃料電池セルとほぼ同等の電力を得ることができる。よって、複数の燃料電池セルを積層する際に厚みの増大を抑制することができる。

また、燃料・電解質流路３０により、燃料と電解質とを同一の流路で流通させることで、一つの流路で燃料と電解質とを供給することができ、燃料と電解質とを別々の流路で流通させる場合に比べて、簡易な構造となり、薄型化を実現しやすくなる。さらに、燃料および電解質を流動体として供給することにより、電解質膜が不要となり、温度や湿度に影響されることなく発電を行うことができると共に、電解質膜を用いた場合に比べてイオン伝導度（プロトン伝導度）を高めることができる。また、電解質膜の劣化や、電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性の低下の虞もなくなり、酸素電極におけるフラッディングや水分管理などの問題も解消できる。

（適用例）
次に、本発明の燃料電池ユニットの適用例について説明する。

図４は、上記燃料電池ユニット１１０を用いた電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、ノート型ＰＣ（Personal Computer ）などの電子機器であり、燃料電池システム１とこの燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。

燃料電池システム１は、例えば、燃料電池ユニット１１０と、この燃料電池ユニット１１０の運転状態を測定する測定部１２０と、測定部１２０による測定結果に基づいて燃料電池ユニット１１０の運転条件を決定する制御部１３０とを備えている。この燃料電池システム１は、また、燃料電池ユニット１１０に燃料および電解質を含む流動体Ｆ１を供給する燃料・電解質供給部１４０と、例えばメタノールなどの燃料Ｆ２のみを燃料・電解質貯蔵部１４１に供給する燃料供給部１５０とを備えている。なお、燃料電池ユニット１１０における燃料・電解質流路３０は、外装部材２４に設けられた燃料・電解質入口２４Ａおよび燃料・電解質出口２４Ｂを介して燃料・電解質供給部１４０に連結されており、燃料・電解質供給部１４０から流動体Ｆ１が供給されるようになっている。

測定部１２０は、燃料電池ユニット１１０の動作電圧および動作電流を測定するものであり、例えば、燃料電池ユニット１１０の動作電圧を測定する電圧測定回路１２１と、動作電流を測定する電流測定回路１２２と、得られた測定結果を制御部１３０に送るための通信ライン１２３とを有している。

制御部１３０は、測定部１２０の測定結果に基づいて、燃料電池ユニット１１０の運転条件として燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御を行うものであり、例えば、演算部１３１、記憶（メモリ）部１３２、通信部１３３および通信ライン１３４を有している。ここで、燃料・電解質供給パラメータは、例えば、燃料・電解質を含む流動体Ｆ１の供給流速を含んでいる。燃料供給パラメータは、例えば、燃料Ｆ２の供給流速および供給量を含み、必要に応じて供給濃度を含んでいてもよい。制御部１３０は、例えばマイクロコンピュータにより構成することができる。

演算部１３１は、測定部１２０で得られた測定結果から燃料電池ユニット１１０の出力を算出し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定するものである。具体的には、演算部１３１は、記憶部１３２に入力された各種測定結果から一定間隔でサンプリングしたアノード電位、カソード電位、出力電圧および出力電流を平均して、平均アノード電位、平均カソード電位、平均出力電圧および平均出力電流を算出し、記憶部１３２に入力すると共に、記憶部１３２に保存されている各種平均値を相互比較し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを判定するようになっている。

記憶部１３２は、測定部１２０から送られてきた各種測定値や、演算部１３１により算出された各種平均値などを記憶するものである。

通信部１３３は、通信ライン１２３を介して測定部１２０から測定結果を受け取り、記憶部１３２に入力する機能と、通信ライン１３４を介して燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０に燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定する信号をそれぞれ出力する機能とを有している。

燃料・電解質供給部１４０は、燃料・電解質貯蔵部１４１と、燃料・電解質供給調整部１４２と、燃料・電解質供給ライン１４３とを備えている。燃料・電解質貯蔵部１４１は、流動体Ｆ１を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料・電解質供給調整部１４２は、流動体Ｆ１の供給流速を調整するものである。燃料・電解質供給調整部１４２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。

燃料供給部１５０は、燃料貯蔵部１５１と、燃料供給調整部１５２と、燃料供給ライン１５３とを有している。燃料貯蔵部１５１は、メタノールなどの燃料Ｆ２のみを貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料供給調整部１５２は、燃料Ｆ２の供給流速および供給量を調整するものである。燃料供給調整部１５２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。なお、燃料供給部１５０は、燃料Ｆ２の供給濃度を調整する濃度調整部（図示せず）を備えていてもよい。濃度調整部は、燃料Ｆ２として純（９９．９％）メタノールを用いる場合には省略することができ、より小型化することができる。

また、上記燃料電池システム１は、次のようにして製造することができる。例えば、上記燃料電池ユニット１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂと燃料供給部１５０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料供給ライン１５３で接続すると共に、燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂと燃料・電解質供給部１４０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料・電解質供給ライン１４３で接続する。これにより、図４に示した燃料電池システム１が完成する。

このような燃料電池システム１では、燃料・電解質供給部１４０により、燃料電池ユニット１１０に燃料および電解質を含む流動体Ｆ１が供給されると、上述したように、燃料電池スタック１１０から電力が取り出され、外部回路２が駆動される。

燃料電池ユニット１１０の運転中には、測定部１２０により燃料電池ユニット１１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、制御部１３０により、燃料電池ユニット１１０の運転条件として上述した燃料・電解液供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御が行われる。測定部１２０による測定および制御部１３０によるパラメータ制御は頻繁に繰り返され、燃料電池ユニット１１０の特性変動に追従して流動体Ｆ１および燃料Ｆ２の供給状態が最適化される。

ここで、燃料電池システム１では、燃料電池ユニット１１０を備えていることにより、モバイル機器から大型装置まで組み込めるような柔軟性の高い簡易な構成で、高出力を実現できる。よって特に、薄型で消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器に好適に用いることができる。

（変形例）
次に、本発明の燃料電池ユニットの変形例について説明する。

図５は、上記燃料電池ユニット１１０の変形例に係る燃料電池ユニット１１１の断面構造を表すものである。この燃料電池ユニット１１１では、２つの酸素電極２０Ａ，２０Ｂの燃料電極１０と対向する側に機能層５１ａ，５１ｂが設けられていること以外は、上記燃料電池ユニット１１０と同様の構成となっている。よって、同一の構成要素には同一の符号を付し適宜説明を省略する。

機能層５１ａ，５１ｂは、燃料および電解質を含む流動体Ｆ１と触媒層２３ａ，２３ｂとの間のイオンパスを保ちつつ、燃料のクロスオーバーによって酸素電極２０Ａ，２０Ｂで起こる過電圧を防ぐ機能（過電圧抑制層）、および酸素電極２０Ａ，２０Ｂのフラッディングを抑制する機能（フラッディング抑制層）を有している。また、触媒層２３ａ，２３ｂと流動体Ｆ１との直接接触による酸素電極２０Ａ，２０Ｂのヒビや穴などの劣化を抑える劣化防止層としても機能するものである。

これら機能層５１ａ，５１ｂは、例えば、多孔質により構成されている。多孔質の有する細孔により、流動体Ｆ１と触媒層２３ａ，２３ｂとの間のイオンパスを確保することができる。多孔質としては、具体的には、金属，カーボン，ポリイミドなどの樹脂，あるいはセラミックが挙げられ、これらの複数の材料よりなるブレンド層でもよい。樹脂は、撥水性樹脂でもよいし、親水性樹脂でもよい。機能層５１ａ，５１ｂの厚みは、例えば約１μｍ〜１００μｍであるが、なるべく薄い方が望ましい。また、機能層５１ａ，５１ｂの細孔としては、例えばナノメートルからミクロメートルの径を有するものが好ましいが、特に限定されない。

機能層５１ａ，５１ｂは、また、プロトン伝導体などのイオン伝導体により構成されていてもよい。プロトン伝導体としては、例えば、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリスチレンスルホン酸、フラーレンベースの伝導体、固体酸、またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。

このような機能層５１ａ，５１ｂは、例えば、触媒層２３ａ，２３ｂの拡散層２２ａ，２２ｂに熱圧着されていない面に、例えばバーコート法を用いて形成することが望ましい。一定の厚みで塗布することができるからである。但し、機能層５１の形成方法は、このバーコート法に限定されるものではなく、グラビアコート法、ロールコート法、スピンコート法、ディップコート法、ドクバーバーコート法、ワイヤーバーコート法、ブレードコート法、カーテンコート法、スプレーコート法などの他の塗布方法を用いることも可能である。また、機能層５１ａ，５１ｂの材料を含む塗布液を別の部材に塗布し、乾燥することにより多孔質膜を形成し、この多孔質膜を触媒層２３ａ，２３ｂ上に転写するようにしてもよい。更に、上述した材料よりなる機能層５１ａ，５１ｂを触媒層２３ａ，２３ｂに熱圧着してもよい。

上記のように、酸素電極２０Ａ，２０Ｂの触媒層２３ａ，２３ｂ上に、さらに機能層５１ａ，５１ｂを設けるようにしてもよい。これにより、上記燃料電池ユニット１１０と同様の効果を得ることができると共に、酸素電極２０Ａ，２０Ｂへの燃料クロスオーバーやフラッディング状態を緩和あるいは無効化することができる。

［第２の実施の形態］
図６は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池スタック１１２の断面構造を表すものである。なお、上記第１の実施の形態に係る燃料電池ユニット１１０と同様の構成要素については、同一の符号を付し適宜説明を省略するものとする。

燃料電池スタック１１２は、外装部材１４，２４の内部に、燃料電池ユニット１１２Ａ，１１２Ｂを縦方向に積層した構造を有している。燃料電池ユニット１１２Ａ，１１２Ｂはそれぞれ、燃料電極１０を間にして２つの酸素電極２０Ａ，２０Ｂを有している。各燃料電極１０の両側には、燃料・電解質流路３０が設けられている。なお、各燃料電池ユニット内および各燃料電池ユニット間の燃料・電解質流路３０および空気流路４０の接続は、直列であっても並列であってもよく、またこれらを組み合わせるようにしてもよい。

燃料電池ユニット１１２Ａ，１１２Ｂにおける酸素電極２０Ａ，２０Ｂの燃料電極１０と反対側にはそれぞれ、空気流路４０が設けられている。但し、燃料電池ユニット１１２Ａと燃料電池ユニット１１２Ｂとの接合部分には、共通空気流路４１が設けられている。すなわち、燃料電池ユニット１１２Ａの酸素電極２０Ｂと燃料電池ユニット１１２Ｂの酸素電極２０Ａとの空気流路は、燃料電池ユニット１１２Ａ，１１２Ｂ間で共通の流路となっている。

このように、１つの燃料電極１０に対して２つの酸素電極を配置した燃料電池ユニットを単位ユニットとして、複数積層することができる。これにより、積層による厚みの増大を抑えつつ、高出力化を実現できる。また、このとき、積層により隣接する燃料電池ユニット１１２Ａ，１１２Ｂ間に共通空気流路４１設け、一部の空気流路の共通化を図ることで、薄型化に有利となる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態では、燃料電極１０，酸素電極２０Ａ，２０Ｂ，燃料・電解質流路３０および空気流路４０の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料・電解質流路３０は、上記実施の形態で説明したような樹脂シートを加工して流路を形成したもののほか、多孔質などのシートにより構成してもよい。

また、上記実施の形態では、燃料・電解質流路３０により、燃料電極１０の両面側に燃料および電解質を混合させた流動体を供給する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば燃料電極１０側に燃料を流通するための燃料供給流路、酸素電極２０Ａ，２０Ｂの側に電解液を流通させるための電解液流路をそれぞれ分割して設けるようにしてもよい。もしくは、この場合、酸素電極２０Ａ，２０Ｂの側には、電解液を流通させる流路ではなくイオン伝導性を有する電解質膜を設けるようにしてもよい。さらに、この場合、上記第１の実施の形態の変形例において説明した機能層５１ａ，５１ｂを、イオン伝導性を有する材料で構成することにより、上記電解質膜として機能させるようにしてもよい。但し、上記実施の形態で説明したように燃料と電解質とを同一の流路で流通させる場合の方が厚みの増大をより効果的に抑制することができる。

また、上記実施の形態において説明した燃料および電解液を含む流動体Ｆ１は、プロトン（Ｈ+ ）伝導性を有するものであれば特に限定されず、例えば、硫酸のほか、リン酸またはイオン性液体が挙げられる。さらに、上記第２の実施の形態で説明した燃料Ｆ２は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他のアルコールもしくは砂糖燃料でもよい。

また、上記実施の形態では、酸素電極２０Ａ，２０Ｂへ空気を供給する場合について説明したが、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。

また、上記第２の実施の形態では、燃料電池ユニット１１２Ａ，１１２Ｂを縦方向に積層する場合について説明したが、本発明は、複数の燃料電池ユニットを横方向（積層面内方向）に積層して燃料電池スタックを構成する場合にも適用することができる。また、２つの燃料電池ユニットを積層した構成を例に挙げて説明したが、スタックの数は３つ以上であってもよい。

また、上記第１の実施の形態では、電子機器に用いられる燃料電池システム１において、燃料電池ユニット１１０を備えた構成を例に挙げて説明したが、上記第２の実施の形態で説明した燃料電池スタック１１２を備えるようにしてもよい。これにより、より高出力となり、消費電力の大きな電子機器にも好適に用いることができる。

また、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池ユニット１１０の運転条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の運転条件としてもよい。

また、上記実施の形態では、燃料電池として直接型メタノール燃料電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、水素など液体燃料以外の物質を燃料として用いる燃料電池、例えばＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell：固体高分子型燃料電池）、アルカリ型燃料電池、あるいはグルコースなどの砂糖燃料を利用した酵素電池などにも適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を表す断面図である。 比較例に係る燃料電池の構成を表す図である。 図１に示した燃料電池の特性を説明するための図である。 図１に示した燃料電池ユニットを備えた電子機器の概略構成を表す図である。 図１に示した燃料電池の変形例を表す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池ユニットの概略構成を表す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…燃料電極、１１，２１ａ，２１ｂ…集電体、１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ…拡散層、１３ａ，１３ｂ，２３ａ，２３ｂ…触媒層、２０Ａ，２０Ｂ…酸素電極、１４，２４…外装部材、３０…燃料・電解液流路、４０…空気流路、４１…共通空気流路、５１ａ，５１ｂ…機能層、１１０，１１１…燃料電池ユニット、１１２…燃料電池スタック、１２０…測定部、１３０…制御部、１４０…燃料・電解液供給部、１５０…燃料供給部。

Claims (11)

1. 対向する２面を有する燃料電極と、
   前記燃料電極の一方および他方の面にそれぞれ対向するように設けられた第１および第２の酸素電極と、
   前記燃料電極と前記第１および第２の酸素電極との間に設けられた電解質層とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池ユニット。
2. 前記第１および第２の酸素電極の前記燃料電極側にそれぞれ、燃料を含む第１の流動体を流通させるための流路を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
3. 前記第１の流動体は、燃料および電解質を含むものである
   ことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池ユニット。
4. 前記第１および第２の酸素電極の前記燃料電極と反対側に、酸素を含む第２の流動体を流通させるための流路を備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
5. 前記第１および第２の酸素電極の前記燃料電極側に機能層を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池ユニット。
6. 前記機能層は、多孔質により構成されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池ユニット。
7. 前記機能層は、イオン伝導体により構成されている
   ことを特徴とする請求項５に記載の燃料電池ユニット。
8. 複数の燃料電池ユニットが積層されてなる燃料電池スタックであって、
   各燃料電池ユニットは、
   対向する２面を有する燃料電極と、
   前記燃料電極の一方および他方の面にそれぞれ対向するように設けられた第１および第２の酸素電極と、
   前記燃料電極と前記第１および第２の酸素電極との間に設けられた電解質層とを備えた
   ことを特徴とする燃料電池スタック。
9. 各燃料電池ユニットは、
   前記第１および第２の酸素電極の前記燃料電極側に、燃料を含む第１の流動体を流通させるための第１の流路を有し、
   前記第１および第２の酸素電極の前記燃料電極と反対側に、酸素を含む第２の流動体を流通させるための第２の流路を有する
   ことを特徴とする請求項８に記載の燃料電池スタック。
10. 一の燃料電池ユニットの第１もしくは第２の酸素電極と、他の燃料電池ユニットの第１もしくは第２の酸素電極とが対向するように接続され、この接続された部分において、前記第２の流路が前記一および他の燃料電池ユニット同士で共通となっている
    ことを特徴とする請求項９に記載の燃料電池スタック。
11. 燃料電池ユニットを搭載した電子機器であって、
    前記燃料電池ユニットは、
    対向する２面を有する燃料電極と、
    前記燃料電極の一方および他方の面にそれぞれ対向するように設けられた第１および第２の酸素電極と、
    前記燃料電極と前記第１および第２の酸素電極との間に設けられた電解質層とを備えた
    ことを特徴とする電子機器。

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