JP4625627B2 - 直接型燃料電池発電装置 - Google Patents

Description

本発明は、燃料としてメタノールまたはメタノール水溶液等を使用する直接型燃料電池発電装置に関し、特に燃料が通流する流路板の流路の形状を改良することで安定した出力が得られるものに関する。

燃料電池は、電気化学反応により水素、炭化水素あるいはアルコール等の燃料の持つ化学エネルギを電気エネルギに変換する装置であり、高効率かつ低公害型の発電装置として期待されている。

この燃料電池の中で、イオン交換樹脂膜を電解質として用いる固体高分子形燃料電池は、電気自動車用の電源や、住宅用の電源として、近年開発が加速されている燃料電池である。この固体高分子形燃料電池は、アノード電極側に水素を含む燃料ガス、カソード電極側に酸素ガスあるいは空気を供給する。アノード電極・カソード電極において、それぞれ、（式Ｉ）及び（式ＩＩ）に示す反応を起こし、起電力が発生する。

アノード電極：２Ｈ２ → ４Ｈ＋＋４ｅ− …（式Ｉ）
カソード電極：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ− → ２Ｈ２Ｏ …（式ＩＩ）
すなわち、アノード電極内部の触媒により、水素から電子とプロトンが生成され、電子は外部回路に取り出される。プロトンはプロトン導電性電解質膜内を伝導しカソード電極に到達すると、カソード電極内部の触媒上で、電子及び酸素と反応して水が生成される。このような電気化学反応によって発電が行われる。

一方、近年は直接型メタノール燃料電池が注目を集めている。図５９に、直接型メタノール燃料電池における起電部単位の構造を示す。直接型メタノール燃料電池の構成は、プロトン導電性電解質膜７（例えば、パーフルフルオロカーボンスルホン酸系イオン交換膜であり、デュポン社製Ｎａｆｉｏｎ等が好ましく用いられる）をアノード電極３とカソード電極６とで挟持したものとなっている。各々の電極は、基板１，５と触媒層２，４とで構成されており、触媒層は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂に触媒または触媒が担持されたカーボンブラック等が分散されて構成される。触媒は一般に貴金属触媒あるいはその合金で、カーボンブラック等の担体に担持して用いられる場合が多い。アノード電極の触媒としてはＰｔ−Ｒｕ合金、またカソード電極の触媒としてはＰｔが好ましく用いられる。この燃料電池を駆動するには、アノード電極側にメタノールと水、カソード電極に酸素ガスあるいは空気を供給することにより、アノード電極・カソード電極それぞれで（式ＩＩＩ）、（式ＩＶ）に示す反応が生じる。

アノード電極：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
…（式ＩＩＩ）
カソード電極：（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ
…（式ＩＶ）
すなわち、アノード電極触媒層中の触媒により、メタノールと水から電子とプロトンと二酸化炭素が生成され、生成した二酸化炭素は大気中に放出される。電子は電流として外部に取り出される。また、プロトンはプロトン導電性電解質膜を移動してカソード電極に到達し、電子及び酸素と反応して水が生成される。この電気化学反応に基づき、発電が行なわれる。

この直接型メタノール燃料電池発電装置においては、開回路電圧が通常０．６Ｖ〜０．８Ｖであり、負荷電流を伴う実際の発電においては０．５Ｖ付近の電圧にまで低下する。ゆえに電子回路や電気機器の動作が補償される電圧を得るために、複数個の起電部単位を電気的に接続することが必要となる。よって、これらの複数個の起電部単位を積層（スタック）し、これらに対し均等に燃料を供給するための流路形状や配管が必要となり、さまざまな提案がなされていきている。それら多くの流路または配管の構造を大別すると、燃料が収容されている燃料容器から導かれている配管や流路を起電部単位の個数だけ分岐させた並列型流路としているものと、一つの流路が複数個の起電部単位を順に巡る直列型流路の２つに分けることができる。

しかしながら、前者では流路の分岐や配管に起因した各起電部単位に対する燃料供給状態のばらつきが生じ易く、そのばらつきを減少させるための更なる工夫を必要とする。また後者においても、逐次複数の起電部単位で燃料が消費されてしまうために流路前半に位置する起電部単位と流路後半に位置する起電部単位での燃料濃度差による出力の差異を生じ、これにおいてもその差異を減少させるための綿密な流路形状の設計が必要となる。

また、複数の起電部単位と流路板をスタック化する方法としては、起電部単位のアノード電極またはカソード電極が一方向に揃うように交互に積層させるバイポーラ構造が広く採用されている。このバイポーラ構造では、起電部単位を隔てる流路板を電気良導体の部材で形成し、一枚の流路板の片面に燃料用流路を施して燃料を供給し、もう片面に酸化剤用流路を施して酸化剤を供給し、この流路板を起電部単位を単に交互に積層させるのみで電気的な直列状態を容易に得ることができる。すなわち、複数の起電部単位からの電気的出力を直列にするための電気配線が省略することができるため、スタック構造を簡略化することが可能となる。

しかしながら、実際には、機械的強度もしくは空間的制約が補償される積層数のスタック単位を複数個並列に配置し、各々を電気的に接続するという手段が取られる場合が多い。例えば、導電性である流路板同士を絶縁性の部材で互いに絶縁させ集合させるような構造が提案されている。

このバイポーラ型スタックの小型化を行うためには、起電部単位そのものに依存する要素を除くと、流路板自体の薄型化が最も効果的であり、構造的及び材料的観点から検討がなされている。

構造的に流路板の厚さを薄型化するためには、アノード及びカソード流路の深さを浅くする方法、及びアノード／カソード流路を仕切る層の厚さを薄くする方法が考えられる。前者に関しては、流路での圧力損失により制限され、ポンプへの負担を無視さえすれば理論的には非常に薄くすることは可能であるが、実際にはポンプに消費される電力を含めたシステム全体での発電効率や工作精度を考慮しなければならない。後者に関しては、材質の燃料や酸化剤に対する透過性に制限され、薄膜化するに従い材料の強度が制限となる。

また、材料的観点から流路板の薄型化をする試みもなされている。通常、流路板材質としては電気導電性を持つ材料としてカーボンが用いられることが多いが、純粋なカーボンでは強度、透過性、工作精度という観点から、１〜２ｍｍ以下の厚さにすることは不可能である。ゆえに多少の樹脂を浸透させるか混合させることで、上記特性を向上させたものが用いられる。しかしながら、カーボン以外の非導電性の成分の割合を高くすると、電気的抵抗が高くなるだけでなく、一般には薄型の成型に適するような樹脂またはプラスチックでの強度に匹敵するような特性を持たせるのは難しい。

そこで、上記したカーボン製の流路板における強度や透過性の問題を解決するという点で、金属を流路板として用いることも提案されている。しかしながら、流路板は燃料や酸化剤及び電極部と接し、電流を取り出す部分であるため、流路板材料として用いる金属は十分な耐食性を持たなければならない。化学的観点から利用可能な金属は、金、白金、ロジウム、イリジウム、ルテニウム等の貴金属であるが、これらの金属材料を用いた流路板は、コスト面から工業上応用されることは考えにくい。したがって、通常金属流路板を形成するにあたっては、若干耐食性を持つ卑金属であるチタンや一部の合金等を基材として、その表面全面に上記貴金属系の金属によるコーティングを施す手法をとっている。しかしながら、このように作成した流路板においても、電極締め付け時にピンホール程度の傷が生じれば、その部分から腐食が進行すると考えられ、上記コスト面も鑑みれば、流路板材料として金属よりもカーボンを用いる方が、現状では有利と考えられる。

以上述べたように、バイポーラ型スタックを薄型化する試みは、構造及び材料的観点から色々と試みがなされているが、現状を大きく改善するには至っていない。このような状況において、スタックを構造的に薄型化する方法の一つとして、一つの流路板に酸化剤または燃料のみを供給し、流路板両面にカソード電極またはアノード電極のみを配設する、モノポーラ型のスタック構造も近年提案された。

モノポーラ構造においては、バイポーラ構造と比較して、起電部単位の両極の向きがスタック積層方向で揃わないために、積層するのみでは簡単に複数起電部単位による電気的直列状態を形成できないという欠点がある。一方、一枚の流路板には酸化剤か燃料のどちらか一方のみが供給されるため、裏表の流路を独立させる必要が無く、したがって裏表の流路を仕切る厚さ分を排除することができるという点で構造的に有利となる。また、バイポーラ構造と同じ深さ相当の流路でも、ぬれ縁長さが短くなることから、流路の圧力損失が下がることが予想され、流路深さをさらに浅くすることが可能となる。

そこで、特に小型化の要求が強い、携帯情報端末向けの燃料電池発電装置のスタック構造としては、モノポーラ型スタック構造が有望である。さらに、このような応用を考えた場合、気化器や改質器等の補器を必要としない直接型メタノール燃料電池が用いられる可能性が高く、直接型メタノール燃料電池用途モノポーラ型スタック構造の提案が待たれている。

ここで、直接型メタノール燃料電池においては、アノード電極においてメタノール水溶液の消費が行われると伴に、同じアノード電極において反応生成物である二酸化炭素が気泡として発生する。また、発生する気体の二酸化炭素の体積は、供給される液体のメタノール水溶液と比較して数倍の体積であり、流路中での二酸化炭素の体積膨張は、流路内でのメタノール水溶液の流れを妨げる大きな原因となる。一旦、流路内部におけるメタノール水溶液の流れの妨げが起こると、アノード電極において燃料供給律速を引き起こし、高負荷電流密度をひくことができなくなってしまう。

すなわち、このことは、直接型メタノール燃料電池の出力低下を意味し、流路内部に滞留する二酸化炭素が掃けるまで出力が回復されることはない。この気液二層流の問題は、カソード電極側の流路においても起こりうるが、気体と比較して液体の体積変化率が小さい点、また、壁間摩擦力が大きい点等の理由により、カソード電極側の流路内部で生じる問題よりもはるかに深刻である。すなわち、燃料として気体の水素をアノード電極に供給し、さらには、気体生成物を生じることのない固体高分子形燃料電池（ＰＥＭ、ＰＥＦＣ）よりも、液体燃料を供給する直接型メタノール燃料電池において深刻となる問題であり、この観点からの流路設計が、直接型メタノール燃料電池用途モノポーラ型流路板を提案する上での重要なポイントとなる。

そこで、まず、直接型メタノール燃料電池において流路内部におけるメタノール水溶液の円滑な流れを実現するためには、流路断面を小さくすることが一般に行なわれている。これは、流路を流れる燃料の流速を実効的に増大させることにより流路内部に発生する二酸化炭素を押し出しやすくするためである。さらに、流路断面を小さくした状態で、燃料が起電部単位の全面に行き渡るようにするためは、細い流路が幾度にも折り返した形状を呈する、サーペンタイン型流路が、直接型メタノール燃料電池の流路として良く用いられる。

特に、このサーペンタイン型流路は、バイポーラ型流路板として容易に形成できるため、バイポーラ型流路板を形成する際にサーペンタイン型流路を採用することが多い。さらに、発電効率を上げるために、起電部単位とメタノール水溶液が接する面積を大きくするように、逆行して隣り合う流路を仕切る櫛状凸部の幅を狭くすることが行なわれる。

しかしながら、発電効率を上げるために、極端に櫛状凸部の幅を狭くすると、起電部単位の電極の最も外側の集電部は多孔質であるため、そこから膨張する二酸化炭素の気泡が隣り合う流路に短絡し、流路の進行方向に秩序正しく圧力が掛かからなくなってしまう。それにより、短絡され二酸化炭素の気泡の通過しなくなった流路部分には燃料が滞留するという問題を生じる。逆に、燃料の短絡が起きると、二酸化炭素の滞留という問題を生じてしまう。よって、一般的には、櫛状凸部構造の幅はおおよそ１ｍｍ前後を基本として設計されることが多い。

すなわち、直接型メタノール燃料電池におけるバイポーラ型流路板に適切な燃料供給を行うためには、櫛状凸部構造の幅が１ｍｍ程度のサーペンタイン型流路を採用することが望ましく、さらに、適切な圧力により起電部単位の電極面を流路板に押し付けることが必要である。

しかしながら、モノポーラ型流路板に対して、同様の流路構造を用いることはできない。なぜなら、流路板の両面を貫通するように作られたサーペンタイン型流路においては、櫛状凸部構造が、流路板の周囲からごく小さな１箇所の部分のみで浮いている状態となり、バイポーラ型流路板ではさほど問題にもならない流路内の圧力においても、たやすく二酸化炭素や燃料の短絡を引き起こすためである。また、この問題を解決する方法は、いまだ提案されておらず、近年研究が行なわれているモノポーラ型流路板の流路形状としては、直線の複数の流路が平行に並んでいるだけの単純な構造を用いるに留まっている。そこで、発電効率を向上させるための流路形状及びその形状を実現させるための流路板構造、材料の提案が待たれている。

以上に挙げたようなモノポーラ構造の問題は、形成が容易な金属製流路板の場合においても同様であり、また、流路板の切断面が非常に多くなる分、耐食性処理の均一性を上げることがさらに難しくなる。また、バイポーラ構造と同様に、起電部単位を流路板平面方向に並列させて配列させるにおいては、絶縁部材を介する複雑な構造を取らざるを得ない。
特開平１１−６７２５８号公報

上述した直接型メタノール燃料電池であると次のような問題があった。すなわち、直接型メタノール燃料電池においては、液体燃料であるメタノールのエネルギ密度の高さから携帯電子機器の電源として期待されており、また燃料が液体であるという点からも燃料の加圧の必要が無く、さらに水素を燃料とする固体高分子形燃料電池と比較して流路と起電部単位の隙間からの燃料の漏出の可能性も少ない。したがって、固体高分子形燃料電池の燃料供給用流路とは異なり、比較的複雑な流路構造や流路配置が可能と考えられるが、未だ並列型流路と直列型流路のそれぞれの問題点を解決した直接型メタノール燃料電池発電装置における流路構造の提案がされていない。

さらに、集電のためのカーボンを主体とした流路板を採用する限りは、流路板一枚当たりの薄型化を行うためのカーボン材の改良と開発の必要性、平面方向での並列化のための絶縁性部材を用いた一体成型化の技術の必要性、複数種の部材が製造工程で必要とされる煩雑性等により、携帯機器用小型燃料電池発電装置の迅速な開発と生産の障害となる。

そこで本発明は、複数の起電部単位より構成される直接型メタノール燃料電池発電装置において、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行なえる直接型燃料電池発電装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決し目的を達成するために、本発明の直接型燃料電池発電装置は次のように構成されている。

（１）電解質膜をアノード触媒層を含むアノード極とカソード触媒層を含むカソード極とで挟んで形成された複数の起電部単位から成る起電部単位群と、これら起電部単位群のアノード極に当接して配置されるとともに内部を燃料が通流する第１の流路が形成された第１の流路板と、前記起電部単位群のカソード極に当接して配置されるとともに内部を酸化剤が通流する第２の流路が形成された第２の流路板とを備え、前記第１の流路は、その入口から出口に亘って分岐することなく前記起電部単位群の全てのアノード極に接触するように通過するとともに、少なくとも一つの起電部単位のアノード極には複数回接触するように形成され、ｎは前記起電部単位群が有する起電部単位の数、ｓは前記第１の流路が各起電部単位をそれぞれ通過する回数、ｈは流路領域の数であってｎとｓの積、ｂｒ，ｍ（１≦ｍ≦ｎ，１≦ｒ≦ｓ）は前記流路領域に割り当てられた番号であってｈ以下の自然数、Ｚｂｒ，ｍは各流路領域の流路供給口からの距離、Ｌ０は前記第１の流路の実効的な長さを示すとき、

を満たすことを特徴とする。

（２）電解質膜をアノード触媒層を含むアノード極とカソード触媒層を含むカソード極とで挟んで形成された複数の起電部単位から成る起電部単位群と、これら起電部単位群のカソード極に当接して配置されるとともに内部を酸化剤が通流する第１の流路が形成された第１の流路板と、前記起電部単位群のアノード極に当接して配置されるとともに内部を燃料が通流する第２の流路が形成された第２の流路板とを備え、前記第１の流路は、その入口から出口に亘って分岐することなく前記起電部単位群の全てのカソード極に接触するように通過するとともに、少なくとも一つの起電部単位のカソード極には複数回接触するように形成され、ｎは前記起電部単位群が有する起電部単位の数、ｓは前記第１の流路が各起電部単位をそれぞれ通過する回数、ｈは流路領域の数であってｎとｓの積、ｂｒ，ｍ（１≦ｍ≦ｎ，１≦ｒ≦ｓ）は前記流路領域に割り当てられた番号であってｈ以下の自然数、Ｚｂｒ，ｍは各流路領域の流路供給口からの距離、Ｌ０は前記第１の流路の実効的な長さを示すとき、

を満たすことを特徴とする。

（３）上記（１）又は（２）に記載された直接型燃料電池発電装置であって、ｎは前記起電部単位群が有する起電部単位の数、Ｉは各起電部単位ごとで出力されている電流、Ｃ_ＭｅＯＨは供給されるメタノール水溶液燃料の濃度（ｍｏｌ／ｌ）、Ｙは前記起電部単位群に供給されているメタノール水溶液燃料の総量（ｌ／ｍｉｎ）であって、各起電部単位の温度が４０℃から７０℃の範囲であるとき、
Ｙ≦Ｙ_０×２ …（１０１）
Ｙ_０＝１．０４×１０^−４×ｎＩ／Ｃ_ＭｅＯＨ …（１０２）
１．０≦Ｃ_ＭｅＯＨ≦５．０ …（１０３）
を満たすことを特徴とする。

（４）上記（１）〜（３）のいずれかに記載された直接型燃料電池発電装置であって、前記起電部単位群のアノード極に接触する前記流路板に液体燃料を供給する液体燃料供給装置と、前記起電部単位群のカソード極に接触する前記流路板に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、液体燃料を収容し、前記液体燃料供給装置に液体燃料を供給する液体燃料容器と、前記アノード極の排出物から気体成分のみを分離する気液分離機構と、前記起電部単位群から得られた電力出力のうち一部を前記液体燃料供給装置と前記酸化剤供給装置に供給し、残りの電力出力のうち少なくとも一部を外部の電気機器に供給する電気回路とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、複数の起電部単位より構成される直接型メタノール燃料電池発電装置において、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となる。

［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起電部単位を直接型メタノール燃料電池発電装置１００を示す斜視図、図２の（ａ）〜（ｄ）はこの直接型メタノール燃料電池発電装置１００の要部を示す図であって、（ａ）は図中上側に位置する絶縁性流路板１０１の上面図、（ｂ）は図中上側に位置する絶縁性流路板１０１の底面図、（ｃ）は直接型メタノール燃料電池発電装置１００を（ａ），（ｂ）におけるα１−α１線の位置で切断して矢印方向に見た断面図、（ｄ）は直接型メタノール燃料電池発電装置１００を（ａ），（ｂ）におけるα２−α２線で切断して矢印方向に見た断面図である。

図２中１０１が絶縁性流路板（燃料側）、１０２が絶縁性流路板（酸化剤側）、１０３が燃料流路、１０４が燃料流路供給口、１０５が燃料流路排出口、１０６が流路裏面の流路蓋体、１０７が樹脂性封止材、１０８ａ，１０８ｂが起電部単位、１０９が空気流路、１１０が流路が起電部単位１０８ａ，１０８ｂに面しないよう流路蓋体１０６側に屈曲させた流路部分、１１１が電流引出用金属製薄膜を示している。また、起電部単位１０８ａ，１０８ｂは、前述した図５８に示した構造が採用されている。なお、図２中１０３ａ〜１０３ｈは、燃料流路１０３のうち個々の領域を示している。

この発電部要部の燃料流路供給口１０４には、燃料ポンプ（不図示）を介して燃料供給手段に接続され燃料が供給されるようになっている。また、空気流路１０９には、空気などの酸化剤を供給するためのこれも空気ポンプ（不図示）が接続され、また電流引出用金属製薄膜１１１にはこれも電極端子（不図示）が接続され、燃料電池発電装置を構成している。空気を供給する空気流路１０９の形状は、従来の並列型流路と同じである（図１５参照）。

このように構成された直接型メタノール燃料電池発電装置では、次のようにして発電が行われる。すなわち、燃料供給手段から供給されるメタノール水溶液などの燃料は、燃料流路供給口１０４から供給される。続いて、燃料は起電部単位１０８ａに面する燃料流路１０３を領域１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃを順次通過し、さらに、起電部単位１０８ｂに面する燃料流路１０３を領域１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆ、１０３ｇの順で通過し、さらに、起電部単位１０８ａに面する領域１０３ｈを経由して燃料流路排出口１０５から系外に排出される。このように燃料が領域１０３ａ、１０３ｂ、１０３ｃ、１０３ｈを通過する間は、起電部単位１０８ａのアノード電極基板に燃料を供給し、領域１０３ｄ、１０３ｅ、１０３ｆ、１０３ｇを通過する間は起電部単位１０８ｂに燃料を供給することになる。

このような本実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置においては、第１の起電部単位１０８ａと第２の起電部単位１０８ｂに燃料を供給する燃料流路１０３において、燃料流路１０３の分岐を形成することなく、第１の起電部単位１０８ａから第２の起電部単位１０８ｂを通過した燃料流路１０３は再度第１の起電部単位１０８ａに燃料を供給するように循環する。そして、複数の起電部単位１０８ａ，１０８ｂにおいて燃料供給量がほぼ同等となるように燃料流路１０３と起電部単位１０８ａ，１０８ｂの発電要素との接触面積を調整することによって、発電出力の安定性を改善することができる。

図３の（ａ）は上述した流路板１０１の第１変形例に係る流路板１３１の底面図である。図３の（ａ）中、１３１が流路板、１３２が起電部単位１０８の電極部が配置される部分、１３３及び１３４が燃料流路１３５の供給口または排出口、１３５が燃料流路である。これらの流路形状においては、一番目の起電部単位の電極部に対して燃料の供給を行った後、他の起電部単位の電極部に供給を行い、さらにその後、燃料流路の分岐を行うことなく、再び一番目のまたはその他の起電部単位に供給を行っている。本変形例においても、上述した直接型メタノール燃料電池発電装置１００と同様の効果を得ることができる。

図３の（ｂ）は上述した流路板１０１の第２変形例に係る流路板１４１の底面図である。図３の（ｂ）中、１４１が流路板、１４２が起電部単位１０８の電極部が配置される部分、１４３及び１４４が燃料流路１４５の供給口または排出口、１４５が燃料流路である。これらの流路形状においては、一番目の起電部単位の電極部に対して燃料の供給を行った後、他の起電部単位の電極部に供給を行い、さらにその後、燃料流路の分岐を行うことなく、再び一番目のまたはその他の起電部単位に供給を行っている。本変形例においても、上述した直接型メタノール燃料電池発電装置１００と同様の効果を得ることができる。

なお、上記第１の実施形態において、起電部単位への燃料の供給量は起電部単位での電流密度と同等であることから、重量保存則より式（３）のように記述することができる。

但し、式（３）におけるＺは燃料流路の流路供給口からの距離（ｃｍ）、Ｓは起電部単位の面積（ｃｍ２）、Ｌ０は実効的な燃料流路の全長（ｃｍ）、Ｓ０は流路の断面積（ｃｍ２）、Ｊは電流密度（Ａ／ｃｍ２）、ρは位置Ｚにおける燃料密度（ｇ／ｃｍ３）、ρ０は初期の燃料密度（ｇ／ｃｍ３）、ｕは燃料流路内における燃料の流速（ｃｍ／ｓｅｃ）、Ｆはファラデイ定数であり９６４８７Ｃ／ｍｏｌとし、メタノールの分子量を３２、水の分子量を１８、１反応当たりから得られる電子数を６とした。式（３）の解は、式（４）によって与えられる。

式（４）における燃料濃度は、後述する式（５）によりメタノール水溶液燃料のモル濃度Ｃ（ｍｏｌ／ｌ）と結び付けられ、最終的に式（６）が導出される。但し、希釈されていないメタノールの密度を０．８ｇ／ｃｍ３とした。

図４は直接型メタノール燃料電池の起電部単位における電流電圧特性のメタノール水溶液の初期濃度に対する依存性を示した特性図である。測定時の条件は、温度７０℃、メタノール水溶液燃料の流速は０．０７ｃｍ／ｍｉｎ、供給空気の流速は１１ｃｍ／ｍｉｎであり、燃料流路の長さまたは燃料濃度の変化が無視できる面積の起電部単位を用いた。この図４に示した電流電圧特性の燃料濃度依存性から、燃料濃度の差異が１０％以内の範囲である場合、限界負荷電流密度の５０±１０％の負荷電流値における電圧値の違いは無視できることが理解されるが、式（６）により、流路供給口からの距離の変化は燃料濃度の変化分ΔＣ＝Ｃ０−Ｃと同値であることが理解でき、すなわち、一定の燃料濃度起電部単位における流路長が１０％異なっても、限界負荷電流密度の５０±１０％の負荷電流値における電圧値の違いは無視できると考えられる。

また、燃料電池発電装置をできる限り少ない燃料によって長時間駆動するためには、供給した燃料のもつ電気量のうち外部回路へ取り出される発電量の割合、すなわち、燃料利用効率を向上させる必要がある。しかしながら、式（６）からも分かるように、燃料流路中の燃料濃度の減少は流路供給口からの距離に比例し、燃料供給口から排出口に至るまでの燃料利用効率が高くなればなるほど、燃料流路後半に位置する起電部単位における出力が著しく低下するのは明らかである。すなわち、これは、燃料流路後半部における燃料濃度の著しい減少（１０％以上の）が、限界負荷電流密度の減少につながってしまうからである。したがって、全ての起電部単位に供給される燃料の濃度差を小さくする工夫が必要であり、後述する燃料流路の電極部への割り当ての方法を用いれば、各起電部単位に供給される燃料濃度の平均を、起電部単位間において近くすることが可能となる。

図５の（ａ），（ｂ）は、式（２）に定義された燃料流路の割り当て方法を模式的に示す説明図である。なお、図５の（ｃ）については後述する。図５の（ａ），（ｂ）中、１５１は起電部単位、１５２は分割された実効的な流路領域、１５３は実効的でない流路領域、１５４は分割された起電部単位の領域、１５５は燃料流路の燃料供給口、１５６は燃料流路の燃料排出口である。なお、図５の（ａ）はｂｒ，ｍの分割された実効的な燃料流路の領域に対する対応関係を示しており、図５の（ｂ）はＬｂｒ，ｍの分割された実効的な流路領域に対する対応関係を示している。

図５の（ａ），（ｂ）中で、流路幅はいずれの場所においても同じであり、ｎは流路が燃料を供給する起電部単位の数であり、ｍはその中の任意の起電部単位を表す。ｓは燃料流路が各起電部単位を通過する回数を表し、全ての起電部単位で等しい値をとる。すなわち、燃料流路は、各起電部単位でｓ個の領域に分割されることになり、全体では、ｎｓ（＝ｈ）個の領域に分割されることになる。ここで、燃料流路に燃料が供給されている場合には、図中ｎｓ個の電極部の領域は全てアノード電極である。なお、燃料流路の代わりに空気流路とした場合には空気（酸化剤）が供給されることとなり、この場合には、ｎｓ個の電極部の領域は全てカソード電極となる。

数列ｂｒ，ｍは１以上ｈ以下の自然数で、ｈ個に分割された領域に対して、図５の（ａ）に記したように割り当てられた番号を示している。図５の（ａ）において、燃料流路は、１番目の領域ｂ１，１を経由した後、２番目の領域ｂ１，２を経由し、さらに３番目の領域ｂ１，３を経由し、これをｎ番目の領域まで繰り返す。その後、最後に経由したｎ番目の起電部単位における別の領域ｂ２，ｎを経由し、そこを起点として逆の順番で各領域を経由し、最初の起電部単位に戻る。図５の（ａ）においては、これをｓ／２回繰り返しており、したがって、ｓは偶数の場合である。

また、数列ｂｒ，ｍは、式（７）の漸化式を満足することが示される。一般的に、この式（７）の解は式（８）と書くことができるから、式（８）に式（７）を代入した式（９）より、上述した式（２）が導かれる

式（６）に示されているように、燃料流路中の燃料濃度の濃度は、流路供給口からの距離に比例して減少する。よって、各起電部単位に供給される燃料濃度の差を小さくするためには、各起電部単位を通過する流路領域１からｓの流路供給口からの平均距離の、起電部単位ごとの差を小さくすればよい。そこで、任意の起電部単位ｍ（１≦ｍ≦ｎ）で分割される流路領域ｒ（１≦ｒ≦ｓ）の燃料供給口からの実効的長さを、式（１０）によって定義する。

但し、Ｌｂｒ，ｍは、起電部単位ｍによって分割される流路領域ｒの長さである。さらに、起電部単位ｍに流路から供給される実効的な燃料濃度は、起電部単位ｍを通過するｓ個の流路領域で平均する必要がある。そこで、この起電部単位ｍに供給される実効的な燃料濃度は、式（１０）で定義されるＺｂｒ，ｍをｓ個の流路領域に関して平均した長さによって決まると考えて良いであろう。この起電部単位ｍと流路供給口との実効的長さＺｍを、式（１１）によって定義する。

さらに、最も理想的には、全てのＬｂｒ，ｍを同じ長さに設計し流路の配分を行えばよい。この同じ長さに設定されたＬｂｒ，ｍをＬｅとおくと、式（１１）に式（１０）を代入した式は、以下の式（１２）のように書き直すことができる。

ここで、＜Ｚｍ＞は、全てのＬｂｒ，ｍがＬｅとされたときの、ｍ番目の起電部単位におけるＺｂｒ，ｍの平均を表す。さらに、この＜Ｚｍ＞をｎ個の起電部単位に関して平均した長さを＜Ｚ＞とすると、＜Ｚ＞は式（１３）として定義され、実際に計算を実行すると、式（１４）によって与えられることが示される。

さらに、Ｌｅに全ての流路領域の数ｓｎ（＝ｈ）を掛けた長さを、実効的な流路の全長としてＬ０を用いて表すと、式（１５）のようにＬｅを書くことができる。さらに、式（１５）で定義される＜Ｚ＞は、式（１６）と書くことができる。

ここで、全ての電極単位ｍにおける流路供給口からの実効的長さの平均＜Ｚｍ＞が、後述する式（１７）の不等式を満足するとすれば、式（１８）に示されるように、任意の起電部単位ｍ，ｍ′に対する＜Ｚｍ＞、＜Ｚｍ′＞の差は＜Ｚ＞の１０％以内の差に収まることになる。よって、上記議論からも分かるように、起電部単位ごとの濃度差もｎ個の起電部単位に供給される燃料濃度の平均値の１０％以内に収まることになる。このことは、全ての起電部単位から得られる出力がほぼ等しくなることを意味し、安定した高い出力の燃料電池発電装置を提供することが可能となる。

次に、直接型メタノール燃料電池の起電部単位の形成について説明する。公知のプロセス（Ｒ． Ｒａｍａｋｕｍａｒ ｅｔ ａｌ． Ｊ． Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ ６９ （１９９７） ７５）により、アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックとカソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックを形成した。触媒担持量は、カーボン１００に対して重量比でアノードは３０、カソードは１５とした。

前記プロセスにおいて形成したアノード用触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社 Ｎａｆｉｏｎ溶液 ＳＥ−２００９２）とイオン交換水を添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。アノード集電体としての撥水処理済カーボンペーパーＴＧＰＨ−１２０（Ｅ−ＴＥＫ社製）の上にペーストを５５０μｍ塗布し、乾燥させ、アノード触媒層を形成することによりアノード電極を得た。

前記プロセスにおいて形成したカソード用触媒担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液（Ｄｕｐｏｎｔ社 Ｎａｆｉｏｎ溶液 ＳＥ−２００９２）とイオン交換水を加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。カソード集電体としての撥水処理済カーボンペーパーＴＧＰＨ−０９０（Ｅ−ＴＥＫ社製）の上にペーストを２２５μｍ塗布した後、乾燥させ、カソード触媒層を形成することにより、カソード電極を得た。

アノード電極のアノード触媒層とカソード電極のカソード触媒層の間に、電解質膜としての市販のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（Ｄｕｐｏｎｔ社 Ｎａｆｉｏｎ１１７）を配置し、これらにホットプレス（１２５℃、５分間、５０ｋｇ／ｃｍ２）を施すことにより、アノード電極、電解質膜及びカソード電極を接合し、起電部単位を得た。起電部単位中のアノード触媒層の断面積は１０ｃｍ２であった。また、起電部を切断し、断面積を電子顕微鏡で観察したところ、アノード触媒層の厚さＬは１０５μｍで、カソード触媒層の厚さは５０μｍであった。また、この電子顕微鏡観察により、アノード電極と電解質膜とカソード電極との接合状態が良好であることを確認することができた。

次に、形成した起電部単位の評価について説明する。形成した起電部単位を評価用セパレータに装着し、７０℃に維持しながら、電流電圧特性の評価を行なった。但し、運転条件は、メタノール水溶液流速０．０１ｃｍ／ｍｉｎ、空気流速１０ｃｍ／ｍｉｎ、メタノール水溶液濃度は０．５Ｍ、１．０Ｍ、１．２５Ｍ、１．５Ｍ、１．７５Ｍ、２．０Ｍ、２．５Ｍの範囲で測定を行なった。その結果、図４で得られた電流電圧特性とほぼ同等の結果を得た。同様の評価方法によりほぼ同等の電流電圧特性が得られることを確認した断面積１０ｃｍ２の起電部単位を１００枚形成し、本発明の実施の形態における実験に用いた。

［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直接型メタノール燃料電池発電装置２００の要部を示す図であって、（ａ）は図中上側に位置する絶縁性流路板２０１の底面図、（ｂ）は直接型メタノール燃料電池発電装置２００を（ａ）におけるβ１−β１線の位置で切断して矢印方向に見た断面図、（ｃ）は直接型メタノール燃料電池発電装置２００を（ａ）におけるβ２−β２線で切断して矢印方向に見た断面図である。

図６中２０１が絶縁性流路板（燃料側）、２０２が絶縁性流路板（酸化剤側）、２０３が燃料流路、２０４が燃料流路供給口、２０５が燃料流路排出口、２０６が流路裏面の流路蓋体、２０７が樹脂性封止材、２０８ａ，２０８ｂが起電部単位、２０９が空気流路、２１０が流路が起電部単位２０８ａ，２０８ｂに面しないよう流路蓋体２０６側に屈曲させた流路部分、２１１が電流引出用金属製薄膜を示している。また、起電部単位２０８ａ，２０８ｂは、前述した図５９に示した構造が採用されている。なお、燃料流路２０３は、２個の起電部単位２０８ａ，２０８ｂを交互に流通するように構成した例である（以下、このような流路の構成を「交互型流路」と称する）。

直接型メタノール燃料電池発電装置２００では、燃料が燃料流路供給口２０４から、系内に供給され、起電部単位２０８ａと２０８ｂに、交互に燃料を供給するように燃料流路を形成し、燃料流路排出口２０５から排出される。一方、酸化剤は、空気流路２０９を流通し、起電部単位表面で発電が行われる。この実施の形態において、燃料流路２０３は、起電部単位２０８ａに燃料を供給した後、起電部単位２０８ｂに燃料を供給し、さらに、起電部単位２０８ａに戻って、燃料を供給する。以下、起電部単位２０８ａと２０８ｂとに交互に燃料を供給しながら燃料流路排出口２０５から排出される。このように、燃料流路２０３を構成することによって燃料は、起電部単位２０８ａ及び２０８ｂにほぼ均等に安定して燃料を供給することができるため、その出力はさらに安定することになる。

この実施の形態において、式（２）の条件を容易に満たせるようにするためには、流路の折り返す回数ｓは、偶数であり、かつ、大きいことが望ましく、奇数である場合においては、ｓが大きくなるほど＜Ｚｍ＞と＜Ｚ＞の差が小さくなるので、特にｓ≧５であることが望ましい。

上記２つの実施の形態においては、起電部単位が２個の例を示したが、３個以上の起電部単位を有する発電装置においても同様な手法によって発電出力の安定性を改善することができる。

また、さらに式（２）の条件を満たすような流路形状の一例を図７〜図１０に示す。これらの図中２７１は流路板、２７２は起電部単位の電極部が配置される部分、２７３及び２７４は流路の供給口または排出口、２７５は流路を示している。図１０の（ａ）〜（ｃ）においては、流路板両面に２つずつの起電部単位が配設されており、流路の両面を貫通する流路の貫通口２７６を経由して両面の起電部単位に対して交互に燃料または酸化剤を供給することとなる。

各分断された流路の距離が大きく異なる場合においても、式（１）及び式（２）の条件を満たすことが可能となるような流路の設計または割り当てを行えばよく、流路幅が領域ごとに異なる場合でも、領域ごとに、長さに対して流路全体での流路幅の平均に対する比率を掛け合わせることによって換算し代用してもよい。例えば、流路が折り返される部分を、図５の（ａ）のような電極部の範囲の外側ではなく、内側に配置した場合でも、図５の（ｃ）に示されるように流路を区切り、割り当てることができる。

さらに、モノポーラ型の流路板に用いられるような、流路板の両面に配設された起電部単位に対し燃料または酸化剤を供給する流路板においても、後述の実施例７等のように、本実施の形態に記載された流路の構造の効果を発揮させることが可能である。

（技術例１）
上述した直接型メタノール燃料電池発電装置１００について、次の条件の下での発電試験を行なった。すなわち、メタノール水溶液燃料の初期濃度を３ｍｏｌ／ｌ、流路板温度７０℃、燃料流量を０．０２ｃｍ／ｍｉｎ、空気流量を２０ｃｍ／ｍｉｎとした。この条件を、以後、技術例１の運転条件と称する。

図１１は、直接型メタノール燃料電池発電装置１００の電流電圧特性の結果を示す図である。この図１１から分かるように、流路供給口側の起電部単位における限界負荷電流密度は約９５ｍＡ／ｃｍ^２であり、流路排出口側の起電部単位では７７ｍＡ／ｃｍ^２となることが観測された。したがって、両者を電気的に直列に接続した場合には、実質的に７７ｍＡ／ｃｍ^２の負荷電流が得られ、後述する比較例１の従来の直列型流路を採用した場合に比べて、約１０％の限界負荷電流密度の向上が確認された。このことは、流路板１０１が従来の直列型流路と比較して、燃料供給が良くなったことを示している。

（実施例１）
技術例１の運転条件において電流電圧特性を測定した結果を図１２に示す。この図１２に示されているように、流路供給口側の起電部単位１の限界負荷電流密度の値は約９０ｍＡ／ｃｍ^２であり、流路排出口側の起電部単位２での値は約８７ｍＡ／ｃｍ^２であることが分かった。したがって、両者を電気的に直列に接続した場合には、実質８７ｍＡ／ｃｍ２の負荷電流を得られ、後述する比較例１の従来の直列型流路を採用した場合に比べて、約２４％の限界負荷電流密度の向上が確認された。また、本実施例及び技術例１における流路板においては、ともに、実効的な分割された８つの流路領域の長さは全て等しくなっているが、本実施例では＜Ｚ１＞−＜Ｚ２＞＝０であり式（１）の条件を満たしているが、技術例１では｜＜Ｚ＞−＜Ｚｍ＞｜＝１／５＜Ｚ＞で条件を満足していない。すなわち、実施例１で使用された流路板は、式（１）を満足するように設計されているので、技術例１で形成した流路板よりも、限界負荷電流密度の大きな向上があったと考えられる。

（比較例１）
起電部単位を２個備え、従来の直列型流路を採用して、図１３の（ａ）〜（ｃ）に示すように直接型メタノール燃料電池発電装置を構成した。図１３において図６と同一機能部分には同一符号を付しその詳細は説明は省略する。

本比較例１では、酸化剤を供給するための流路２８０としては並列型流路を用いた。技術例１の運転条件の下、比較例１のスタック部の発電試験を行った結果、図１４に示す電流電圧特性が得られた。図１４に見られるように、流路供給口側の起電部単位２０８ａの限界負荷電流密度の値が約１００ｍＡ／ｃｍ^２であり、流路排出口側の起電部単位２０８ｂでは、約７０ｍＡ／ｃｍ^２である。したがって、両者を電気的に直列に接続した場合には、７０ｍＡ／ｃｍ^２の負荷電流しか得られなかった。

（比較例２）
起電部単位を２個備え、従来の並列型流路を採用して、図１５の（ａ）〜（ｃ）に示すように直接型メタノール燃料電池発電装置を構成した。なお、図１５において図６と同一機能部分には同一符号を付しその詳細は説明は省略する。

この燃料電池発電装置を、技術例１の運転条件において発電した結果、図１６に示す電流電圧特性が得られた。図１６は二つの起電部単位を電気的に直列な回路として７５ｍＡ／ｃｍ２の負荷電流をとり経時変化を追ったものである。

また、図１６には、実施例１の流路板を用いた燃料電池発電装置を運転した場合の負荷電流特性も合わせて示す。図１６の両プロットにおける規則的な細かい変動は、温度制御器によるものである。図１６から、従来の並列型流路を用いた際には二つの起電部単位に対する燃料供給量の偏りによる出力の不安定性が見られているが、実施例１で形成した流路板を用いた場合には、安定した出力が運転時間によらず得られていることがわかる。この結果は、従来の並列型流路では、配管の分岐した部分で燃料が均一に流れなくなったため安定した出力が得られなかったが、本発明の流路板を採用すれば、配管の分岐がないため、均一に燃料供給が行なえるため安定した出力が得られることを示している。

（比較例３）
図１７は、比較例３における発電試験の結果を示す図である。比較例３は、実施例２において形成した流路板と同様の流路形状ではあるが、起電部単位１側を通過する実効的な流路の全長に対して、起電部単位２側を通過する実効的な流路の全長が２０％短い流路を形成し、起電部単位を２個備えた直接型メタノール燃料電池発電装置を構成した。

実施例１における図１２と比較して、両起電部単位間での限界負荷電流密度の差異が大きくなっていることが分かる。これは、２個の起電部単位を通過する実効的な流路長が異なるために生じた結果であり、燃料流路から各起電部単位に供給される平均のメタノール濃度が等しくなるような流路形状を用いたとしても、各起電部単位に供給されるメタノールの絶対量が２０％異なってしまったからである。よって、式（１）を導出する際にも仮定したように、また、流路設計を容易にするためにも、各起電部単位によって分割される流路領域の実効的な長さは、等しくなるよう構成されるべきである。

上述したように本実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置３００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図１８は、参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置３００を示す側面図、図１９は直接型メタノール燃料電池発電装置３００を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は横断面図、図２０の（ａ）〜（ｅ）は直接型メタノール燃料電池発電装置３００を分解して示す図であって、適宜断面図も示している。

直接型メタノール燃料電池発電装置３００は、図１８中上方から第１の流路板３１０、第１の起電部層３２０、第２の流路板３３０、第２の起電部層３４０、第３の流路板３５０とが積層された積層体をステンレス材製の厚板３６０，３６１で挟み、ボルト３６２で締め付けて形成されている。なお、３７０〜３７３は金属製端子を示しており、それぞれ後述するカーボン材３１１，３５１に接続されている。さらに、３７４は銅線を示しており、金属製端子３７１と金属製端子３７２を導通させている。

第１の流路板３１０は、２つの正方形状のカーボン材３１１を熱硬化型エポキシ樹脂３１２により絶縁するように一体成型されている。カーボン材３１１の面積及び形状は配設される後述する起電部単位と同じである。また、下面には凹溝状に形成された燃料用の第１の流路３１３が形成されている。さらに、燃料供給口３１４、燃料排出口３１５、酸化剤供給口３１６、酸化剤排出口３１７とが形成され、それぞれパイプ３１８ａ〜３１８ｄが接続されている。

第１の起電部層３２０は、起電部単位を構成する２組の電解質膜３２１と、これら電解質膜３２１を挟み込むように設けられたアノード触媒層を含むアノード極３２２及びカソード触媒層を含むカソード極３２３と、さらにこれらを挟み込むシリコンゴム樹脂製シール部材３２４とを備えている。なお、アノード極３２２は図中上側、カソード極３２３は図中下側に配置されている。

シリコンゴム樹脂製シール部材３２４は、流路または起電部単位の側面から燃料または酸化剤が漏出するのを防ぐため、流路の供給口及び排出口及び起電部単位の電極部分を切り抜いて形成されている。シリコンゴム樹脂製シール材３２４の厚さは、アノード電極３２２及びカソード電極３２３の厚さよりも０．１ｍｍ厚いものを用い、電解質膜３２１をこれらで挟み込むようにした。

また、並列して配列するアノード電極３２２同士またはカソード電極３２３同士の間隔は第１の流路板３１０の２つのカーボン材３１１の間の距離と同じにした。

第２の流路板３３０は、バイポーラ型の流路板であって、２つの正方形状のカーボン材３３１を熱硬化型エポキシ樹脂３３２により絶縁するように一体成型されている。カーボン材３３１の面積及び形状は配設される後述する起電部単位と同じである。また、上面には凹溝状に形成された酸化剤用の第２の流路３３３及び下面には凹溝状に形成された燃料用の第３の流路３３４が形成されている。

第２の起電部層３４０には、２つの起電部単位が設けられている。第２の起電部層３４０は、起電部単位を構成する２組の電解質膜３４１と、これら電解質膜３４１を挟み込むように設けられたアノード触媒層を含むアノード極３４２及びカソード触媒層を含むカソード極３４３と、さらにこれらを挟み込むシリコンゴム樹脂製シール部材３４４とを備えている。なお、アノード極３４２は図中上側、カソード極３４３は図中下側に配置されている。

シリコンゴム樹脂製シール部材３４４は、流路または起電部単位の側面から燃料または酸化剤が漏出するのを防ぐため、流路の供給口及び排出口及び起電部単位の電極部分を切り抜いて形成されている。シリコンゴム樹脂製シール材３４４の厚さは、アノード電極３４２及びカソード電極３４３の厚さよりも０．１ｍｍ厚いものを用い、電解質膜３４１をこれらで挟み込むようにした。

また、並列して配列するアノード電極３４２同士またはカソード電極３４３同士の間隔は第１の流路板３１０の２つのカーボン材３１１の間の距離と同じにした。

第３の流路板３５０は、２つの正方形状のカーボン材３５１を熱硬化型エポキシ樹脂３５２により絶縁するように一体成型されている。カーボン材３５１の面積及び形状は配設される起電部単位と同じである。また、上面には凹溝状に形成された酸化剤用の第４の流路３５３が形成されている。

燃料ポンプ（不図示）から送られた燃料はパイプ３１８ｃを介して燃料供給口３１４に供給され、第１の流路３１３と第３の流路３３４を通って燃料排出口３１５からパイプ３１８ｄを介して電池外に排出される。すなわち、アノード電極３２２，３４２に燃料が供給される。また、空気ポンプ（不図示）から送られた酸化剤はパイプ３１８ａを介して酸化剤供給口３１６に供給され、第２の流路３３３と第４の流路３５３を通って酸化剤排出口３１７からパイプ３１８ｂを介して電池外に排出される。すなわち、カソード電極３２３，３４３に酸化剤が供給される。

（技術例２）
上述したような直接型メタノール燃料電池発電装置３００においては、燃料と酸化剤を供給すると、４つの起電部単位が電気的な直列接続となっているため、金属製端子３７０，３７３から電子負荷装置により電気的出力が得られる。なお、直径０．１ｍｍの金線を各起電部単位のアノード電極とカソード電極に接触させてスタックの外側に引き出し、各起電部単位ごとの電圧を測定した。

直接型メタノール燃料電池発電装置３００の運転は技術例１の運転条件とほぼ同じである。但し、起電部単位の個数が技術例１の２倍となっている分、酸化剤及び燃料の供給量は２倍とした。すなわち、メタノール水溶液燃料の初期濃度を３ｍｏｌ／ｌ、流路板温度７０℃、燃料流量を０．０４ｃｍ／ｍｉｎ、空気流量を４０ｃｍ／ｍｉｎとした。以後、この運転条件を、技術例２の運転条件と呼ぶことにする。

図２１は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置３００の電流電圧特性を示す図である。図２１から分かるように、平面方向に並列に配列する起電部単位同士の出力差は小さく、後述する比較例４及び比較例５の従来の直列型流路及び並列型流路に比べて均一な燃料供給が行なわれていることを示している。

しかしながら、上下に位置した起電部単位の組の間において、限界負荷電流密度の値に大きな差異を生じた。これは、スタックの燃料供給口及び酸化剤供給口から配管を２つに分岐することによって、上下の起電部単位の組に燃料または酸化剤の供給を行なっているため、上下起電部単位の組への燃料及び酸化剤の供給が均等でなくなったと考えられる。

（比較例４）
図２２の（ａ）〜（ｃ）は、起電部単位を４個備えた直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた直列型流路が形成された流路板３９１〜３９３を示す図である。なお、流路板３９２はバイポーラ型である。図２２において図２０と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

比較例４においては、燃料供給口側の起電部単位から得られる限界負荷電流密度の値に比して、図２３のように排出口側の起電部単位で観測される限界負荷電流密度の値は約３０％程低下することが分かった。また、上下起電部単位の組に関しても、限界負荷電流値に大きな差を生じることが分かった。この結果は、流路形状が従来の直列型流路を採用している点と上下方向に配管の分岐を行なっているという２点から生じたと考えられる。

（比較例５）
図２４及び図２５は、比較例５として起電部単位を４個備えた直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた並列型流路が形成された流路板３９３〜３９５を示す図である。これらの図において図２０と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。なお、流路板３９４はバイポーラ型である。

流路形状として並列型を用いたので、配管を分岐させる分、流路板３９３〜３９の短辺方向の幅を若干広くし、それとともに起電部単位の電解質膜３２１，３４１とシリコンゴム樹脂製のシール部材３２４，３４４の幅も同様に広くした。

図２６は、このように構成した直接型メタノール燃料電池発電装置に関して、技術例２の運転条件において、電流電圧特性を測定した結果を示す図である。この図からも分かるように、全ての起電部単位に関して電圧が不安定になるだけでなく、上下起電部単位の組に関しても限界負荷電流に大きな差異を生じた。この結果は、従来の並列型流路では、配管の分岐部分において均一な燃料供給が行えなかったために生じた結果と考えられる。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置３００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図２７は、参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置４００を示す側面図、図２８は直接型メタノール燃料電池発電装置４００の流路板４１０，４３０，４５０を示す平面図であり、適宜断面図も示している。

直接型メタノール燃料電池発電装置４００は、図２７中上方から第１の流路板４１０、第１の起電部層４２０、第２の流路板４３０、第２の起電部層４４０、第３の流路板４５０とが積層された積層体をステンレス材製の厚板４６０，４６１で挟み、ボルト４６２で締め付けて形成されている。なお、４７０〜４７３は金属製端子を示している。さらに、４７４は銅線を示しており、金属製端子４７１と金属製端子４７２を導通させている。

第１の流路板４１０は、アクリル樹脂で形成されており、その表面には厚さ２０μｍで幅２ｍｍの金リボン４１１及び４１２が設けられている。また、下面には凹溝状に形成された燃料用の第１の流路４１３が形成されている。さらに、燃料供給口４１４、燃料排出口４１５、酸化剤供給口４１６、酸化剤排出口４１７とが形成され、それぞれパイプ４１８ａ〜４１８ｄが接続されている。

金リボン４１１及び４１２は、各起電部単位から電流を取り出すために、各起電部単位のほぼ中央に位置し、かつ、流路４１３における通流方向と垂直な位置関係になるよう、流路板４１０の上面・一方の側面・下面に配置されている。上述した金リボン４１１及び４１２が側面を通して第１の流路板４１０の裏表に回しこむことで、起電部単位同士の電気的直列状態が可能となる。

なお、金リボン４１１及び４１２の代わりに他の導電部材を用いても良い。例えば、白金、ルテニウム、ロジウム、イリジウム等の材料であることが望ましく、卑金属を基材として用いる場合には、チタン等の上に約１０μｍの厚さの上記の貴金属で覆うことで、代用することもできる。

第１の起電部層４２０は、上述した直接型メタノール燃料電池発電装置３００の第１の起電部層３２０と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。

第２の流路板４３０は、バイポーラ型の流路板であって、アクリル樹脂で形成されており、その表面には厚さ２０μｍで幅２ｍｍの金リボン４３１及び４３２が設けられている。また、上面には凹溝状に形成された酸化剤用の第２の流路４３３及び下面には凹溝状に形成された燃料用の第３の流路４３４が形成されている。

金リボン４３１及び４３２は、各起電部単位から電流を取り出すために、各起電部単位のほぼ中央に位置し、かつ、流路４３３，４３４における通流方向と垂直な位置関係になるよう、流路板４３０の上面・一方の側面・下面に配置されている。すなわち、金リボン４３１及び４３２が側面を通して第２の流路板４３０の裏表に回しこむことで、起電部単位同士の電気的直列状態が可能となる。

第２の起電部層４４０は、上述した直接型メタノール燃料電池発電装置３００の第２の起電部層３４０と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。

第３の流路板４５０は、アクリル樹脂で形成されており、その表面には厚さ２０μｍで幅２ｍｍの金リボン４５１及び４５２が設けられている。また、上面には凹溝状に形成された酸化剤用の第４の流路４５３が形成されている。上述した金リボン４５１及び４５２が側面を通してを第３の流路板４５０の裏表に回しこむことで、起電部単位同士の電気的直列状態が可能となる。

このように構成された直接型メタノール燃料電池発電装置４００では、上述した直接型メタノール燃料電池発電装置３００と同様に燃料及び酸化剤が供給・排出される。そして、４つの起電部単位が電気的な直列接続となっているため、金属製端子４７０，４７３から電子負荷装置により電気的出力が得られた。

（技術例３）
図２９は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置４００を上述した技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図である。図２９に示すように、技術例３においては、後述する技術例４及び技術例５の従来の直列型流路及び並列型流路を使用した場合に比較して安定した出力が得られることが分かる。この結果は、均一な燃料供給が行なわれていることを示している。

さらに、電流電圧特性の結果は、同じ流路構造をカーボン材料で形成したスタック部に関して測定を行なった技術例２の実験結果（図２１）と同等であり、起電部のごく一部分のみに導電部材を接触させるのみでも、カーボン材を用いるのとなんら劣らない発電運転が可能であることが実証できた。これは、起電部単位から電気的出力を引き出すために導電部が電極に接触する部分は必ずしも電極全面の可能な限り広い範囲である必要は無く、すなわち、流路板そのものを絶縁性の部材で形成し、一部に導電性の部材を配設するのみで十分に電流を取り出すことが可能であることを実証しており、特に、大きな電流での出力を必要としない小型携帯用電子機器用燃料等のための電池発電装置に十分適用可能であることを示している。

さらに、従来の積層構造のように、カーボン材を絶縁性樹脂と共に一体成型し流路板を形成する場合、カーボン部材と絶縁性樹脂の一体化において部材間のずれや硬度の違いによる流路の隙間が生じることが考えれる。また、大量生産に向くような型による成型が可能であるようなカーボン−樹脂複合材料を電気導電部として用いる場合には、周囲の絶縁性樹脂部材との熱膨張率や変形温度等の違いを考慮しなければならず、仮に一体成型した後に切削により流路を形成するとした場合でも、カーボン材を一部でも含むがゆえに高い硬度の工具を用いる必要がある。

しかしながら、カーボン材を含まない樹脂のみでバイポーラ型の流路板を形成する場合には、従来行われてきている射出成型の僅か１回の工程で形成するのみで良いことになる。さらには、スタック積層方向での電気的直列構造による配線の簡略化というバイポーラ型の流路板の優位性は、薄型化が重要となる携帯型電気機器用燃料電池の場合には小さくなり、むしろ、同一平面方向に起電部単位を配列させるための流路板同士の絶縁を取るための手段の開発が重要になる。その点において、本流路板を用いれば、導電性の部分とそれらを互いに絶縁させるための絶縁部とを一体成型した複雑な流路板を形成する必要がなく、さらには樹脂を用いることによる成型性の容易さ、すなわち容易な薄型化がさらに可能となる。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置４００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図３０は参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置５００（不図示）に組み込まれた第１〜第３の流路板５１０，５３０，５５０を示す図である。各流路板の材料として絶縁性樹脂であるアクリル樹脂を採用した。比較例４の場合と同じ形状である従来の直列型流路を具備したバイポーラ型の流路板５１０，５３０，５５０を用いて構成した。図中５１１，５１２，５３１，５３２，５５１，５５２は技術例３と同様に配置された金リボン、５１３，５３３，５３４，５５３は流路を示している。

（技術例４）
図３１は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置５００を上述した技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図である。技術例４においても、比較例４で示したのと同様の出力特性が得られた。すなわち、流路板５１０，５３０，５５０を絶縁性の樹脂部材で形成し、起電部のごく一部分のみに導電部材を接触させるのみでも、カーボン材を用いるのとなんら劣らない発電運転が可能であることが実証できた。
但し、燃料の供給口側の起電部単位の限界負荷電流密度に比して、排出口側の起電部単位の限界負荷電流密度が約３０％程低下していることが分かった。これは、比較例４のスタックに関する実験結果（図２３参照）でも観測されており、流路板の材料の問題ではなく、流路構造を反映した結果と考えられる。

但し、燃料の供給口側の起電部単位の限界負荷電流密度に比して、排出口側の起電部単位の限界負荷電流密度が約３０％程低下していることが分かった。これは、比較例４のスタックに関する実験結果（図２３参照）でも観測されており、流路板の材料の問題ではなく、流路構造を反映した結果と考えられる。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置５００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図３２は参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置６００を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるγ−γ線で切断して矢印方向に見た断面図、図３３の（ａ）〜（ｃ）は直接型メタノール燃料電池発電装置６００に組み込まれた第１〜第３の流路板６１０，６３０，６５０を示す図である。

直接型メタノール燃料電池発電装置６００は、図３２中上方から第１の流路板６１０、第１の起電部層６２０、第２の流路板６３０、第２の起電部層６４０、第３の流路板６５０とが積層されて形成されている。

絶縁性樹脂であるアクリル樹脂を流路板の部材として採用し、流路が比較例５の場合と同じ形状である並列型でストライプ形状である流路板を用いた。なお、導電部材の配設方法に関しては技術例３と同様に行った。

各流路板の材料として絶縁性樹脂であるアクリル樹脂を採用した。比較例４の場合と同じ形状である従来の直列型流路を具備したバイポーラ型の流路板６１０，６３０，６５０を用いて構成した。図中６１１，６１２，６３１，６３２，６５１，６５２は金リボン、６１３，６３３，６３４，６５３は流路を示している。なお、金リボン６１１，６１２，６３１，６３２，６５１，６５２は、流路板６１０，６３０，６５０の長辺に沿って配置されている。

第１の起電部層６２０は、上述した直接型メタノール燃料電池発電装置３００の第１の起電部層３２０と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。また、第２の起電部層６４０は、上述した直接型メタノール燃料電池発電装置３００の第２の起電部層３４０と同様に構成されているので、詳細な説明は省略する。

（技術例５）
図３４は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置６００を上述した技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図である。図３４から分かるように比較例５で示されたのと同様の出力特性を得ることができる。すなわち、流路を絶縁性の樹脂部材で形成し、起電部のごく一部分のみに導電部材を接触させるのみでも、カーボン材を用いるのとなんら劣らない発電運転が可能であることが実証できた。

但し、比較例２及び比較例５で示されたの同様に、同一平面上に配設された二つの起電部単位に対する燃料供給量の偏りによる出力の不安定性が見られた。この結果は流路構造を反映した結果であり、アクリル材料を用いたために生じた結果ではないと考えられる。

上述したように本実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置６００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［第７の実施の形態］
図３５は本発明の第７の実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置７００を示す側面図、図３６は直接型メタノール燃料電池発電装置７００を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図、図３７の（ａ）〜（ｃ）は直接型メタノール燃料電池発電装置７００に組み込まれた第１〜第３の流路板７１０，７３０，７５０を示す図である。

絶縁性樹脂であるアクリル樹脂を材料とし、交互型の流路形状を有するモノポーラ型流路板を使用した。直接型メタノール燃料電池発電装置７００は、図３６の中上方から第１の流路板７１０、第１の起電部層７２０、第２の流路板７３０、第２の起電部層７４０、第３の流路板７５０とが積層された積層体をステンレス材製の厚板７６０，７６１で挟み、ボルト７６２で締め付けて形成されている。なお、７７０ａ〜７７０ｈは金属製端子を示している。

第１の流路板７１０は、金リボン７１１，７１２を備えている。下面には凹溝状に形成された酸化剤用の第１の流路７１３が形成されている。さらに、酸化剤供給口７１４、酸化剤排出口７１５、燃料供給口７１６、燃料排出口７１７とが形成され、それぞれパイプ７１８ａ〜７１８ｄが接続されている。

アノード電極７２３は、図３６中下側に配置され、カソード電極７２２は、上側に配置されている。アノード電極７４３は、図３６中上側に配置され、カソード電極７４２は、下側に配置されている。

第２の流路板７３０は、モノポーラ型の流路板であって、アクリル材により形成されている。第２の流路板７３０には、その厚さ方向に貫通して形成される燃料用の第２の流路７３３が設けられている。

第３の流路板７５０は、金リボン７５１，７５２を備えている。上面には凹溝状に形成された酸化剤用の第３の流路７５３が形成されている。

さらに、７７１ａ〜７７１ｅは銅線を示しており、銅線７７１ａは、金属製端子７７０ａ，７７０ｂ相互間、銅線７７１ｂは、金属製端子７７０ｃ，７７０ｅ相互間、銅線７７１ｃは、金属製端子７７０ｄ，７７０ｆ相互間、銅線７７１ｄは、金属製端子７７０ｇ，７７０ｉ相互間、銅線７７１ｅは、金属製端子７７０ｈ，７７０ｊ相互間を導通させている。

空気ポンプ（不図示）から送られた酸化剤はパイプ７１８ｃを介して酸化剤供給口７１４に供給され、第１の流路７１３と第３の流路７５３を通って酸化剤排出口７１５からパイプ７１８ｄを介して電池外に排出される。すなわち、カソード電極７２２，７４２に酸化剤が供給される。また、燃料ポンプ（不図示）から送られた燃料はパイプ７１８ａを介して燃料供給口７１６に供給され、第２の流路７３３を通って燃料排出口７１７からパイプ７１８ｂを介して電池外に排出される。すなわち、アノード電極７２３，７４３に燃料が供給される。

図中７１１，７１２，７５１，７５２は金リボン、７１３，７３３，７３４，７５３は流路を示している。さらに、酸化剤供給口７１４、酸化剤排出口７１５、燃料供給口７１６、燃料排出口７１７とが形成され、それぞれパイプ７１８ａ〜７１８ｄが接続されている。

４つ起電部の間に位置するモノポーラ型流路板に関しては、流路は流路板を裏表で貫通しており、流路には供給口より燃料を供給した。起電部単位１つ当たりの流路の深さが技術例２での流路の深さと同等になるよう、モノポーラ型流路板の厚さを技術例２での流路の深さの２倍とした。

各起電部単位から電気的出力を引き出すための金リボン７１１，７１２，７５１，７５２は、技術例３と同様の厚さと幅であるが、モノポーラ型流路板に関してのみは、裏表で絶縁した状態にするために流路板の表裏を回り込ませなかった。さらに、モノポーラ型流路板の４つの金リボン間の電気的配線を行うために、図３５に示すように、スタック形成時に直径０．１ｍｍの金線７７１ａ〜７７１ｅを流路板端部において金リボン７１１，７１２，７５１，７５２とシリコンゴム樹脂製シール材の間に挿入した。

起電部単位は、モノポーラ型流路板７３０に対してアノード電極が向くように設置し、アノード電極が接する流路に燃料が供給されるようパイプ７１８ａに燃料を供給し、パイプ７１８ｃより酸化剤を供給した。また、各起電部単位間を電気的に接続している金線を利用し、各起電部単位ごとの電圧を測定した。

（技術例６）
図３８は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置６００を上述した技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図である。実施例１、技術例２及び技術例３と同様に、交互型流路の効果がよく反映されていることが確認された。さらに、モノポーラ型の流路板７３０の裏表に配設されている起電部単位の間の出力差が、技術例２及び技術例３に比べて非常に小さくなっていることが分かる。これは、技術例２及び技術例３の場合においては、分岐した２つの流路により２つの起電部単位の組に燃料が供給されていたのに対し、技術例６では、分岐していない１つの流路により４つの起電部単位に対し燃料の供給が行われていることにより改善されたと考えられる。すなわち、モノポーラ型の流路板７３０においても、交互型流路が効果的であることが実証され、その正当性が確認された。

モノポーラ型の流路板７３０において、流路板の両面において貫通している形状をとる流路７３３を採用することによって、流路板両面に配設されている起電部単位への燃料の供給量をほぼ均一にすることが可能であることが、本技術例及び後述の技術例７と技術例１０の結果から確認された。さらに、その流路形状を並列型の形状ではなく、本技術例や後述の技術例７に示される交互型の流路に代表されるような屈曲し蛇行するような形状を採用することで、燃料及び酸化剤のより安定した供給を行うことが可能となることが分かる。

すなわち、本実施の形態に係る流路板を用いることで、流路での圧力損失の低減による補機負荷の負担、発電時の生成物の滞留防止、燃料及び酸化剤の供給と排出口位置等、燃料電池発電装置全体の運転効率を十分考慮した流路形状を、柔軟に設計することが可能となる。さらに、交互型流路を有する流路板を採用することにより、本技術例で示したような複数のいずれの起電部単位においても均一かつ安定した出力を得ることが可能となることが確認された。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置７００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図３９は参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置８００（不図示）を示す平面図及び要部断面図であって、（ａ）は第１の流路板８１０、（ｂ）は第２の流路板８３０、（ｃ）は第３の流路板８５０である。

技術例６と同様に、絶縁性樹脂であるアクリル樹脂を流路板の部材として採用し、直列型の流路を具備した図３５のようなモノポーラ型の流路板を形成し、直接型メタノール燃料電池発電装置を構成した。図中８１１，８１２，８３１，８３２，８５１，８５２は金リボン、８１３，８３３，８５３は流路を示している。

（技術例７）
図４０は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置８００を上述した技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図である。図４０から分かるように比較例１や比較例４及び技術例４と同様に、燃料の供給口側の起電部単位の限界負荷電流密度に比して、排出口側の起電部単位の限界負荷電流密度が約３０％程低下したが、技術例６と同様、モノポーラ型流路板の裏表に配設されている起電部単位の２つの組の間における出力差が小さくなることが確認された。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置８００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図４１は本発明の参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置９００（不図示）に組み込まれた流路板９３０を示す平面図及び断面図を適宜示したものである。

絶縁性樹脂であるアクリル樹脂を用いてモノポーラ型の流路板９３０を形成した。図中９３３は交互型の流路を示している。また、流路９３３内には補強部材９３４が設けられている。補強部材９３４は、流路深さの約７５％分の厚さを有している。

（技術例８）
図４２は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置９００及び上述した直接型メタノール燃料電池発電装置７００をそれぞれ７０℃での７５ｍＡ／ｃｍ２の負荷電流での１時間の連続運転を行った場合の電流電圧特性を比較して示す図である。図４２から、直接型メタノール燃料電池発電装置７００においては、不規則な電圧出力の変動があることが確認された。この原因を解明するために、シリコンゴム樹脂のシートをモノポーラ型の流路板の上部に位置する起電部単位の組のダミーとしてスタックに挟みこみ、モノポーラ型の流路板の可視化を行った。その結果、スタック形成時の流路板鉛直方向からの締め付け圧力と、運転中の起電部単位の厚さ方向の膨張等によって、流路を形成する櫛状構造部が大きく傾くかまたは若干捩れ、燃料の供給されているモノポーラ型流路板の流路中に生成した二酸化炭素の気泡が流路を短絡していることが判明した。これにより流路の一部の領域に二酸化炭素の気泡が不規則に滞留し、ひいては起電部単位の一部の領域に不規則に燃料の供給不足が起こることが分かった。

直接型メタノール燃料電池発電装置９００においては、上述したように、補強部材９３４が形成されていることから、図４２に見られたような不規則な電圧出力の変動振れ幅を対策前の５０％程度に減少させることが可能となることが確認された。

［参考技術］
図４３は参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置１０００（不図示）に組み込まれた流路板１０３０を示す平面図及び断面図を適宜示したものである。

絶縁性樹脂であるアクリル樹脂を用いてモノポーラ型の流路板１０３０を形成した。図中１０３３は直列型の流路を示している。また、流路１０３３内には補強部材１０３４が設けられている。補強部材１０３４は、流路深さの約７５％分の厚さを有している。

（技術例９）
技術例８と同様な発電運転試験を、技術例７に採用した直列型流路の形成されたモノポーラ型の流路板においても行い、さらに図４３のように補強部材１０３０の形成により櫛状構造部の対策を行った流路板との比較を行った。その結果、技術例８と同様、対策前に現れていた電圧の変動が対策前の約４０％に減少することが確認された。

上述したように本実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置１０００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図４４は参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置１１００（不図示）に組み込まれた流路板を示す図であって、第１〜第３の流路板１１１０，１１３０，１１５０を示す図である。各流路板の材料として絶縁性樹脂であるアクリル樹脂を採用した。並列型の流路を具備したモノポーラ型の流路板１１３０を用いている。図中１１１１，１１１２，１１３１，１１３２，１１５１，１１５２は金リボン、１１１３，１１３３，１１５３は流路を示している。また、１１３４は補強部材を示している。

直接型メタノール燃料電池発電装置６００に採用したような並列型の流路は、櫛状構造部が流路板周囲から支持されなくなるため、直接型メタノール燃料電池発電装置７００や直接型メタノール燃料電池発電装置８００のように流路板の裏表を貫通する形状では形成できない。直接型メタノール燃料電池発電装置１１００では、補強部材１１３４を設けることで、流路板の裏表を貫通する形状で流路の形成が可能となった。

（技術例１０Ａ）
図４５は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置１１００を上述した技術例８（または技術例９）の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図である。図４５から分かるように、技術例５と同様に、同一平面上に配設された二つの起電部単位に対する燃料供給量の偏りによる出力の不安定性が見られたものの、技術例６及び技術例７と同様に、上下起電部単位の組の間における出力差が減少することが確認された。

また、技術例８及び技術例９と同様に、流路中に形成された補強部材により、締め付け時や発電時における流路のずれを抑え流路間の短絡や閉塞を防止することが可能となることが判明したが、さらに、外部マニホールドを具備しないストライプ型流路を形成する場合においても、流路を仕切る流路内の島状の部分が流路板の周辺から完全に抜け落ちてしまうことも防止するのに非常に有用であることが分かった。

（技術例１０Ｂ）
図４６は上述した直接型メタノール燃料電池発電装置１１００を上述した技術例８または技術例９の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図である。技術例８では、温度７０℃、電流密度７５ｍＡ／ｃｍ２の１時間の連続運転を行った際に、図４２に示したように、約５０％の電圧出力変動の減少を達成したが、いまだ若干の電圧出力の変動が観測された。これに関して、可視化した状態で同条件の連続運転を行ってみると、流路中で発生した二酸化炭素の気泡が補強部材において引っかかり滞留することが、電圧出力の規則的な変動の原因であることが判明した。

そこで、技術例８で採用した流路板の補強部材の厚さを流路深さに対し段階的に薄くした物を数通り形成し、電圧出力の変動との依存性を調べる試みを行なった。

流路の深さに対して補強部材の厚さが約５０〜４０％以下になることで、電圧の変動が急激に小さくなることが明らかとなり、また、流路の可視化運転においても、同程度厚さ以下において補強部材による１秒以上の二酸化炭素の滞留を起こさなくなったのが確認された。

さらに、この補強部材による二酸化炭素の気泡の滞留は、流路断面に対して補強部材の断面が垂直であればある程生じやすく、より二酸化炭素の気泡の滞留を減少させるためには、燃料または酸化剤の進行する方向面に対抗する補強部材の断面形状を鋭角にすることが好ましいことも分かった。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置１１００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図４７は参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置１２００（不図示）に組み込まれた流路板１２３０を示す図である。

流路板１２３０は、金リボン１２３１，１２３２を補強部材１２３４に密着するように這わせ、さらにシアノアクリレート系接着剤によりに密着させた。密着させる際、起電部単位に接する金リボン１２３１，１２３２の部位が接着剤により被覆されないよう、接着剤は補強部材の部分のみに塗布した。なお、１２３３は流路を示している。

（技術例１１）
上述した技術例１０Ｂにおけるモノポーラ型流路板を用いた直接型メタノール燃料電池発電装置１１００では、７０℃、電流密度７５ｍＡ／ｃｍ２の１時間の連続運転を行うと、金リボン１１３１，１１３２が流路中央方向にたわみ、そのたわみにより二酸化炭素の気泡の滞留が起こることが確認されている。また、上記運転を数回繰り返す後、起電部単位の膨張・収縮によってまれに金リボン１１３１，１１３２の断裂が起こることも確認された。

（技術例１２）
直接型メタノール燃料電池発電装置１２００においては、温度７０℃における７５ｍＡ／ｃｍ２の負荷電流での１時間の連続運転を数十回繰り返した場合でも、金リボンの変形やずれが起こらず、導電部材の不具合による電圧出力の変動や出力低下を防ぐことに成功した。

起電部からの集電を導電部材で行う場合は導電部材を流路板平面方向で引き回さなければならないが、起電部に接するという状況である点から、貴金属または貴金属にコーティングされた卑金属部材または比較的抵抗の高くなりやすいカーボンを導電部材として用いる必要がある。しかしながら導電部材の引き回しが長くなればなるほど、貴金属である場合にはコストが高くなり、カーボン材である場合には電気抵抗が無視できなくなる。すなわち、導電部材はできうる限り短い距離で配設する必要があり、本技術例のように、流路を横断せざるを得ない状況が起こる。このような場合、発電時における導電部材同士の短絡等の誤動作を防止することが可能となるだけでなく、起電部単位の表面を不必要に導電部材で覆ってしまうことも避けることが可能となることが確認された。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置１２００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図４８の（ａ）,（ｂ）は参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置１３００（不図示）に組み込まれた流路板１３３０を示す平面図及び断面図を適宜示す図、図４９は貫通部形成前の流路板、図５０の（ａ）〜（ｃ）は貫通部形成工程を示す断面図である。

流路板１３３０は、交互型の流路１３３３を有しており、流路内部には補強部材１３３４が設けられている。図４８の（ａ）に示すように、同一の起電部単位層に形成された起電部単位同士の間には、アノード電極やカソード電極に覆われていない部位Ｑが数ミリ程度ある。この部位Ｑにおいては反応が行われないので、流路１３３３を流路板１３３０の表面に露出させる必要は無い。したがって、流路板１３３０に境界壁１３３５を残した後、境界壁１３３５にトンネル状の貫通部１３３６を形成する。このとき、貫通部１３３６の出口または入口を、アノード電極またはカソード電極の端部からアノード電極またはカソード電極の電極の内側方向で１．０ｍｍの位置になるように形成した。

貫通部１３３６の形成方法は、図４９及び図５０の（ａ）に示すように、起電部単位同士の境界となる境界壁１３３５を残して流路１３３３を形成する。同時に供給口１３３３ａ、排出口１３３３ｂを形成する。次に、図４９の（ｂ）のように境界壁１３３５側面より貫通孔をドリルにより切削し貫通部１３３６を形成する。

（技術例１２）
このように構成された直接型メタノール燃料電池発電装置１３００によれば、流路の閉塞や流路間での短絡または燃料及び酸化剤の漏出が起こることを防止することができる。すなわち、起電部単位においては、運転中に電解質膜が膨潤し、シール部材が歪むことがある。このため、同一起電部単位層内で隣り合う起電部単位同士の間に位置する流路の閉塞や、逆に起電部単位の端部が流路を横切る線上における燃料または酸化剤の短絡が起こる虞がある。このため、出力の低下を生じることが分かった。

一方、トンネル状構造の入口及び出口を、アノード電極またはカソード電極の端面に合わせて流路板を形成したころ、電極の断面とシリコンゴム樹脂シール部材の断面の接触部にできた隙間を通り、隣り合う流路間で酸化剤及び燃料が短絡するという現象が生じた。

ゆえに、トンネル状構造の入口及び出口はアノード電極及びカソード電極の内側に位置しているのが望ましいが、形成される位置がアノード電極またはカソード電極の内部方向に深くなればなるほど、流路のカソード電極に面している面積が小さくなり発電効率が悪くなると考えられる。

そこで、実験によれば、０．５ｍｍの内側に入口及び出口を形成した場合には、長時間の運転試験後において、電解質膜やシリコンゴム樹脂シール材の伸縮により、まれに燃料及び酸化剤の短絡の現象が見られることがあった。さらに１ｍｍ内部に形成した場合においては、全く不具合が観測されなかった。

これらのことから、貫通部の入口及び出口は、アノード電極及びカソード電極の内部方向で約１．０ｍｍ前後に位置することが望ましく、周囲１ｍｍ幅の面積での燃料供給のロスが無視できないような小さい面積のアノード電極またはカソード電極を採用する場合においても、短絡や漏れを防止するために０．５ｍｍ程度内側に位置することが望ましいことが分かった。

交互型流路の形状に関し、その特徴をより効果的に発揮するためには、同一平面上に並列に配列する複数の起電部単位または電極の間を何度も往復または跨ぐことが好ましいと結論づけられる。しかしながら、その結果として、流路がシリコン系またはテフロン系の部材を用いたシール材に面する可能性が多くなり、特に、本技術例で示されたような流路におけるトンネル状の構造を形成することが、交互型流路の形状の特徴をより発揮させる上で重要であることが分かった。

また、このようなトンネル状の構造は、流路板の供給口または排出口と電極の間に位置する流路部分に対しても有効であることが分かった。さらには、このようなトンネル状構造は、カーボンのような脆い部材に対し適用することは、堅牢性の観点から現実的ではなく、上述した絶縁性樹脂部材を用いる場合、有効性が顕著になるものである。

図５１，５２は、流路板に境界壁を設け、その境界壁に貫通部を設けた変形例を示す平面図である。なお、これらの図中１３６０は流路、１３６１，１３６２は供給口または排出口、１３６３は補強部材、１３６４は境界壁であり、内部に貫通部（不図示）が設けられており、複数の流路１３６０を結合している。また、１３７０はアノード電極またはカソード電極の流路板に接している範囲を示している。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置１３００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図５３は本発明の参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置１４００に組み込まれた流路板を示す図である。

図５３の（ａ），（ｂ）は貫通部を有する流路板１４００を示す図である。流路板１４００は、２つの樹脂材製の板状部材１４１０，１４２０を貼り合わせることにより形成する際の一例を示したもので、図５３の（ｂ）は、図５３（ａ）の二つの板状部材１４１０，１４２０とを接着し貼り合せることにより形成された流路板１４００の完成図である。板状部材１４１０は、部材本体１４１１を有し、この部材本体１４１１には、組立後に流路板１４００の各部分になる部位が形成されている。１４１２は、排出口及び供給口を形成するための孔部形成部、１４１３は境界壁形成部、１４１４は補強部形成部、１４１５は流路形成部、１４１６は櫛状構造部形成部である。

同様に、板状部材１４２０は、部材本体１４２１を有し、この部材本体１４１１には、組立後に流路板１４００の各部分になる部位が形成されている。１４２２は、排出口及び供給口を形成するための孔部形成部、１４２３は境界壁形成部、１４２４は補強部成部、１４２５は流路形成部、１４２６は櫛状構造部形成部である。

なお、板状部材１４１０，１４２０の流路形成部１４１５，１４２５は両者を貼り合わせる際に鏡像を為すように形成される。境界壁形成部１４１３の部分の厚さは部材本体１４１１の厚さよりも薄く、板状部材１４１０，１４２０が貼り合わされる面の反対側の面において板状部材１４１０，１４２０の表面と同一平面を為すように形成される。流路形成部１４１５の幅は流路形成部１４２５と同じ幅で形成し、厚さは部材本体１４１１の厚さの半分以下で強度が十分である厚さ以上であることが望ましい。

補強部成部１４１４は、板状部材１４１０，１４２０の両方に形成されていても良いが、両方の厚さの合計の厚さで、１４１０か１４２０のどちらか一方のみに形成されていても良い。但し、補強部形成部１４１４，１４２４の合計の厚さは部材本体１４１１，１４２１の厚さの合計の半分以下で０．２ｍｍ以上とし、貼り合わされる面側で同一表面となるように形成されることが望ましく、板状部材１４１０，１４２０の両方に補強部材形成部１４１４，１４２４を形成する場合には、板状部材１４１０，１４２０の貼り合わされる面において板状部材１４１０，１４２０の表面と同一平面を為すように形成することが望ましい。

これら板状部材１４１０，１４２０を接着し貼り合わせるにおいては、耐薬品性と耐熱性及び耐水性を考慮し、シアノアクリレート系及びポリマーアロイ型の熱硬化性樹脂による接着剤の使用が好ましく、次いで熱硬化型エポキシ樹脂性接着剤等も板状部材１４１０，１４２０の材質と接着剤の適合性や運転状況に応じて選択してよい。また、流路の閉塞を防ぐために、板状部材１４１０，１４２０の接着面側の最表面に均一にかつできるだけ薄く接着剤が塗布することが望ましい。

貫通部をもつ流路板においては、流路の閉塞や流路間での短絡または燃料及び酸化剤の漏出等が解消されたことが確認されたが、一方で、貫通している穴の断面が流路深さよりも小さい直径の円の形状であるため、技術例１１及び技術例１２で観測されたような二酸化炭素の気泡の滞留による顕著な電圧出力の変動が観測されるようになった。二酸化炭素の気泡の滞留は、少なくとも１０秒以上で、最長、１時間の運転の間に、３０分以上二酸化炭素の気泡による出力の低下が認められた。このことは、技術例１２の流路板における貫通部の断面積が狭いために、気泡が詰まったと考えられる。

よって、貫通部の断面積を広くする必要があり、技術例１２のように流路板形成後ドリルを用いて貫通孔を開けるという方法では、技術的に困難である。また、射出成型を用いたとしても、成型前に望んだ断面形状の部材を設置し、成型後に抜き取るため、起電部単位の数が多くなればなるほどまた流路の折り返し回数が増えるほど、貫通部を形成するための工程や手間が非常に煩雑になると考えられる。

そこで、流路板１４００によれば、射出成型により形成した貫通部を持たない部材の、最低２つ１組の接着のみで、堅牢なトンネル構造をもつ流路板を形成することが容易に可能となる。また、部材同士を接着するにおいては、耐薬品性と耐熱性及び耐水性を考慮し、シアノアクリレート系及びポリマーアロイ型の熱硬化性樹脂による接着剤の使用が好ましい。

（技術例１３）
アクリルを流路板部材として用い以上のように形成し、図４６（ｃ）のように導電部材１４３０を形成したモノポーラ型の流路板１４００においては、所望の貫通部を容易に形成できる。また、この流路板１４００を用いた流路の可視化を行なう下での１時間の連続発電運転においては、気泡の滞留は長くとも１０秒以下であり、良好な発電状態を得られた。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた流路板１４００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［参考技術］
図５４の（ａ），（ｂ）は参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた貫通部が形成されている流路板１５００を示す図である。流路板１５００は、３つの樹脂材製の板状部材１５１０，１５２０，１５３０を貼り合わせることにより形成する際の一例を示したもので、図５３の（ｂ）は、図５３（ａ）の板状部材１５１０〜１５３０を接着し貼り合せることにより形成された流路板の完成図である。

流路板の更なる薄型化を行なう場合には、トンネル状の構造を形成することも困難になる場合があるが、導電性を必要とする流路板の場合とは異なり、腐食や極度な薄板の形成法を考慮する必要のない絶縁性の樹脂製薄膜を流路板全面に密着させて具備させることが可能である。

図５４はトンネル状構造の形成された流路板を、３つの板状部材１５１０〜１５３０を貼り合わせることにより形成する際の一例を示したもので、図５４（ｂ）は、図５４（ａ）の３つの部材を接着し貼り合せることにより形成された流路板の完成図である。

板状部材１５２０は図５４（ｂ）の流路板を形成する際の流路の基部となる役目を持ち、板状部材１５１０，１５３０は貫通部を形成するための蓋の役目を主に持つ。図中１５１１，１５２１，１５３１は供給口形成部または排出口形成部、１５１２，１５２２，１５３２は流路形成部、１５２３は流路の補強部材、１５１４，１５２４，１５３４は貫通口形成部、１５１５，１５２５，１５３５は櫛状構造形成部、１５３６は貫通部が形成される境界壁である。

板状部材１５１０，１５３０の厚さは板状部材１５２０の厚さの半分以下で強度が十分である厚さ以上であることが望ましく、補強部材１５２３の厚さは完成された流路板の厚さの半分以下で０．２ｍｍ以上であることが望ましい。

これら板状部材１５１０〜１５３０を接着し貼り合わせるにおける接着剤と接着方法は、技術例１３の場合と同様であり、板状部材１５２０の両面に接着剤を塗布し接着するのでも、板状部材１５１０，１５３０の接着面側に接着剤を塗布するのでもよい。

以上のような工程により、流路板の基部となる部材に厚さ１．５ｍｍアクリル樹脂を、蓋となる部分に厚さ約０．２ｍｍポリイミド樹脂フィルムを用い、形成された流路板において、
（技術例１４Ａ）
１時間の連続発電運転中、数秒以上の二酸化炭素の気泡の滞留が見られず、良好な発電状態を保つことができた。

（技術例１４Ｂ）
技術例１４Ａに採用した流路板をアクリル樹脂で形成して用い、７０℃での７５ｍＡ／ｃｍ２の負荷電流での連続運転においたところ、図５５のように、約３時間前後で次第に出力の低下が認められるようになり、６時間後においてほとんど出力が得られなくなった。運転終了後スタックを解体したところ、温度による部材の変形により、メタノール水溶液燃料及び空気の供給が全く正常に行なわれなくなっていることが判明した。

そこで、熱変形温度を１４０〜１５０℃に持つポリカーボネート樹脂を用い、技術例１４Ａと同形状の流路板を形成し、７０℃での７５ｍＡ／ｃｍ２の負荷電流での連続運転を行なったが、図５５のように約２００時間の連続運転後において、１０％程度の出力の低下が認められるようになった。スタックの解体後、流路板の状況を確認したところ、起電部単位に具備されているカーボンペーパによる細かい凹凸が流路板表面に生じていることが確認され、流路板全体に僅かな歪みも生じていることが確認された。

さらに、より高い熱変形温度を持つ、ポリエーテルイミド樹脂やポリイミド樹脂においては、図５５に示されるように、３００時間以上の連続運転においても５％程度の出力低下のみしか観測されなかった。スタックの解体後流路板の表面においてはなんら損傷や変化が見られず、また、約５％の出力低下は、起電部単位そのものの出力低下によるものであることが、通常のカーボン製流路板を用いた結果から明かとなった。

以上の結果より、少なくとも運転温度よりも１００℃以上高い熱変形温度を持つ樹脂部材においてのみ、長期にわたって安定な運転を行なうことの可能な燃料電池用流路板が形成できることが明かとなった。

これまでに述べた流路板に使用する樹脂部材としては、発電が行われる温度に十分耐えうるものである必要がある。これは、発電時のスタックや燃料の温度に対し長期的に見た熱変形が無視できることが望まれることが一つの理由であるが、より重要な点として、実際の発電運転時においては、起電部単位のカソード電極表面の温度はスタックや燃料の温度よりさらに高く、燃料電池発電装置の運転条件によっては、スタック内部表面温度より１００℃の上昇を示すことがある。これは、流路板が直に起電部材に接していることを考慮すれば、少なくとも１００℃以上高い点に熱変形温度を持つ樹脂部材を流路板として用いなければならないことを示している。

したがって、燃料及びスタック環境温度が４０〜５０℃であるとした場合に、確実に１４０℃以上の温度において熱変形温度を持つ、ポリエーテルイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、メラミン・フェノール樹脂、シリコン樹脂を、まず望ましい流路板用樹脂部材とし、次いでさらに室温に近い燃料電池の運転条件においては、ポリカーボネート樹脂、耐熱ビニルエステル樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、等を適用することが好ましい。また、これ以外の温度においても、スタックの表面温度より１００℃以上高い樹脂部材を流路板として用いることが好ましいと結論づけれられる。

上述したように直接型メタノール燃料電池発電装置１５００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

［第３の実施の形態］
図５６は本発明の第３の実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置１６００を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図、図５７の（ａ）〜（ｅ）は、図５６におけるδ１−δ１〜δ５−δ５における断面図である。

直接型メタノール燃料電池発電装置１６００は、図４９のように流路板１６２２〜１６２４を配管ならびに燃料タンクと一体となるよう、技術例１４Ａで採用した流路板を、後述するように長期の安定性が実証されたポリエーテルイミド樹脂を用いて形成した。

直接型メタノール燃料電池発電装置１６００は、筐体１６１０と、この筐体１６１０に保持されたスタック部１６２０と、このスタック部１６２０に燃料及び酸化剤を供給するための供給部１６３０と、筐体１６１０に対し着脱自在に設けられた燃料及び酸化剤のタンク部１６５０とを備えている。

スタック部１６２０は、水平方向に２つの起電部単位を配列させた起電部単位の組を１つのモノポーラ型の流路板１６２３の裏表に配設しており、この流路板１６２３に対してはメタノール水溶液燃料を供給している。また、モノポーラ型流路板１６２３と４つの起電部単位の上下に配置されている流路板１６２２，１６２４は、起電部単位の配設される面にのみ流路１６２２ａ，１６２４ａが形成され、空気が供給される。

スタック部の最表面に断熱材を備えた締め付け板１６２１が設置され、図示していない締め付け具により、スタックに含まれているシール部材によるシールが行なわれる。

このように構成された直接型メタノール燃料電池発電装置１６００においては、次のようにして動作する。すなわち、送気ポンプ１６３１によりスタック部１６１０に送られ、モノポーラ型流路板の最も外側に形成されている空気供給用の供給路１６３２を通り、スタック積層方向へ貫通する部分１６３３において、上下の流路板１６２２，１６２４の流路に分岐される。起電部単位部分を通過した空気と水蒸気は、再び別の貫通口１６３４においてモノポーラ型流路板の最外部の排出路１６３５に合流し、メタノール水溶液燃料を一時保持するための空間１６３６に流入する。

一方、メタノール水溶液燃料は、送液用ポンプ１６４１により空間１６３６より送られ、燃料送液路１６４２を通過し、スタックを経た後、再び二酸化炭素とともに空間１６３６に流入する。空間１６３６には、高濃度メタノールカートリッジ１６５１から高濃度メタノール供給用ポンプ１６３８により高濃度メタノールを供給するための供給路１７３７が形成されている。

（実施例２）
運転においては、メタノール水溶液燃料の初期濃度を３ｍｏｌ／ｌ、とし、燃料流量を０．０４ｃｍ／ｍｉｎ、空気流量を４０ｃｍ／ｍｉｎとした。運転の結果、スタック部分の温度は、５０℃前後の温度にしか上昇しなかったが、供給された空気及びメタノール水溶液燃料の漏れは全く観測されず、また、空間４９０７等を含めた流路板４９０２等にも歪み等は認められないまま、３００時間の連続運転を行なうことが可能であることが確認された。

一般に燃料電池発電装置においては、燃料容器と配管とスタックを独立の構成要素として扱い、ポンプ等他の要素も含めて、これらを組み合わせることにより全体を構成する。しかしながら、携帯型電子機器用途に応用されるような燃料電池発電装置においては、構造の簡略化と同時に、装置の薄型化を進める必要が生じる。ゆえに内包されるスタックに関しても、積層数を大幅に下げ、装置の厚さと垂直である方向に対して起電部単位の平面方向が平行になるように起電部を並列に配列させることが好ましくなる。これは同時に、スタックとの燃料または酸化剤の供給や排出を行うための配管においても薄型化を施す必要性を生じ、また、流路板が薄型化されるために流路板側面との配管を施すことも極端に困難になることを意味する。さらには、薄型化されるゆえに装置の堅牢性を保つことも難しくなる。燃料容器や配管は樹脂製であることが好ましくまたそれで十分であるが、装置全体の薄型化に特化しなければならないような状況においては、各構成要素を独立して形成する際に、スタックの燃料または酸化剤の供給口もしくは排出口と燃料容器や配管を接続するための構造や、全体の堅牢性を上げるための構造にも十分考慮しなければならない。

一方、直接型メタノール燃料電池発電装置１６００においては、流路板の延長として配管や燃料容器の一部を作成すること、すなわち、タンクや配管を流路板と同じ樹脂部材による一体成型で形成することが可能となり、構成部品点数の大幅な削減と、一体化による燃料電池発電装置の構造的堅牢性が容易性が同時に得られ、生産性を大幅に向上させることが可能となる。なお、流路板をカーボンを主体とする材質や金属により形成している場合には非常に困難であることから、流路板１６２２〜１６２４の材料は樹脂材であることが要求される。

上述したように本実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置１６００によれば、起電部単位ごとの出力の偏りが少なくなり、かつ安定した燃料供給を行うことが可能となり、安定した出力を得ることができる。

なお、上述した直接型メタノール燃料電池発電装置１６００において起電部単位群から得られた電力出力のうち一部を送液用ポンプ１６４１及び高濃度メタノール供給用ポンプ１６３８と送気ポンプ１６３１に供給し、残りの電力出力を外部の電気機器に供給する電気回路１６６０を備えるようにしてもよい。

なお、ＦＩＧ．５６Ａ中１６６１は、アノード極の排出物から気体成分のみを分離する気液分離機構、１６６０は起電部単位群から得られた電力出力のうち一部を送液用ポンプ１６４１及び高濃度メタノール供給用ポンプ１６３８と送気ポンプ１６３１に供給し、残りの電力出力のうち少なくとも一部を外部の電気機器に供給する電気回路を示している。

このように外部の電気機器に電力出力の一部を供給するようにした場合であっても、実施例２と同様に良好な発電運転が行えることが確認できた。

図５８は、直接型メタノール燃料電池発電装置１６００において、４つの起電部単位ごとに出力される負荷電流を０．７５Ａとし、メタノール水溶液燃料濃度と燃料流量を変え発電試験を行った。空気の供給量は２４０ｍｌ／ｍｉｎとした。

式ＩＩＩまたは数式３、数式４より明らかなように、発電においては、対になったメタノールと水の１分子から６電子が得られるため、単一の起電部単位により１Ａの電流を得るためには、１．７２５（ｍｏｌ／ｓ）のメタノールと水が理論的に最低でも必要な供給量となる。また、電気的に直列かまたは並列に相互に配線されたｎ個の起電部単位を持つ場合には、１．７２５×ｎ（ｍｏｌ／ｓｅｃ）の供給量が理論量として必要となる。

これは、単一の起電部単位から１Ａの電流を得るためには、３ｍｏｌ／ｌの濃度の燃料を用いる場合に３４．５（μｌ／ｍｉｎ）の理論供給量が必要であり、２ｍｏｌ／ｌの濃度の燃料を用いる場合に５１．８（μｌ／ｍｉｎ）、１ｍｏｌ／ｌの濃度の燃料を用いる場合に１０４（μｌ／ｍｉｎ）、４ｍｏｌ／ｌの濃度の燃料を用いる場合に２５．９（μｌ／ｍｉｎ）の理論供給量が必要となる。

また、起電部単位がｎ個あり、それぞれから１Ａの電流を得る場合には、これらの供給量のｎ倍の供給量が総量として必要となる。

図５８から、３ｍｏｌ／ｌの燃料濃度では、約０．１７ｍｌ／ｍｉｎのメタノール水溶液燃料の供給量において最大の電圧が得られており、同様に２ｍｏｌ／ｌの燃料濃度では約０．３ｍｌ／ｍｉｎの供給量において、１ｍｏｌ／ｌの燃料濃度では０．８ｍｌ／ｍｉｎにおいても最大値が得られていないことが分かる。一方で、４ｍｏｌ／ｌの燃料濃度では約０．１２ｍｌ／ｍｉｎにおいて最大値が得られるが３ｍｏｌ／ｌにおける値よりも若干低くなり、５ｍｏｌ／ｌにおいては最大値の減少が著しいことが分かる。表１はこれらの結果をまとめたものである。

表１から分かるように、各濃度で得られる最大の電圧に到達できないか、もしくは全く電圧を得られず、理論量の約１．５〜２．０倍の供給量において最大電圧の９０％以上の値が得られるようになることが分かる。ただし、逆にそれ以上の供給量の場合には一方的な電圧の低下が見られるようになる。

さらに、４ｍｏｌ／ｌ前後以上の濃度においては、濃度上昇に伴う最大電圧値の低下が著しく、高くとも約５ｍｏｌ／ｌ以下のメタノール水溶液燃料濃度を用いるのが好ましく、濃度が低い場合には理論量の２倍よりはるかに多い供給量が必要となるため、流路板から受ける圧力損失を低減し補器の消費電力を節約するためにも、少なくとも１ｍｏｌ／ｌ以上のメタノール水溶液燃料濃度を用いるのが好ましいということが分かる。

これらをまとめると、ｎは起電部単位群が有する起電部単位の数、Ｉは各起電部単位ごとで出力されている電流、Ｃ_ＭｅＯＨは供給されるメタノール水溶液燃料の濃度（ｍｏｌ／ｌ）、Ｙは前記起電部単位群に供給されているメタノール水溶液燃料の総量（ｌ／ｍｉｎ）であって、各起電部単位の温度が４０℃から７０℃の範囲であるとき、
Ｙ≦Ｙ_０×２ （１０１）
Ｙ_０＝１．０４×１０^−４×ｎＩ／Ｃ_ＭｅＯＨ （１０２）
１．０≦Ｃ_ＭｅＯＨ≦５．０ （１０３）
すなわち、式（１０１）〜（１０３）を満たすメタノール水溶液燃料濃度と供給量の条件が適切であることがわかる。

なお、上述した実施の形態及び実施例においては、燃料流路についてのみ交互型としているが、空気流路についても交互型としてもよい。また、燃料流路と空気流路を両方とも交互型としてもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置を示す斜視図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置の要部を示す図。 同流路板の第１変形例に係る流路板を示す底面図。 直接型メタノール燃料電池の起電部単位における電流電圧特性のメタノール水溶液の初期濃度に対する依存性を示す特性図。 燃料流路の割り当て方法を模式的に示す説明図。 本発明の第２の実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置の要部を示す図。 流路板の変形例を示す平面図。 流路板の変形例を示す平面図。 流路板の変形例を示す平面図。 流路板の変形例を示す図。 直接型メタノール燃料電池発電装置の電流電圧特性の結果を示す図。 技術例１の運転条件において電流電圧特性を測定した結果を示す図。 直列型流路を用いた直接型メタノール燃料電池発電装置を示す図。 技術例１の運転条件の下、比較例１の電流電圧特性を示す図。 並列型流路を用いた直接型メタノール燃料電池発電装置を示す図。 技術例１の運転条件における電流電圧特性を示す図。 比較例３における発電試験の結果を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置を示す側面図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は横断面図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を分解して示す図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置の電流電圧特性を示す図。 起電部単位を４個備えた直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた直列型流路が形成された流路板を示す図。 比較例４のスタックに関する実験結果を示す図。 比較例５として起電部単位を４個備えた直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた並列型流路が形成された流路板を示す図。 比較例５として起電部単位を４個備えた直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた並列型流路が形成された流路板を示す図。 技術例２の運転条件において、電流電圧特性を測定した結果を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置を示す側面図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置の流路板を示す平面図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた第１〜第３の流路板を示す図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は（ａ）におけるγ−γ線で切断して矢印方向に見た断面図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた第１〜第３の流路板を示す図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置を示す側面図。 直接型メタノール燃料電池発電装置を示す図であって、（ａ）は斜視図、（ｂ）は断面図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた第１〜第３の流路板を示す図である。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置を示す平面図及び要部断面図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を技術例２の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた流路板を示す平面図及び要部断面図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置の電流電圧特性を比較して示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた流路板を示す平面図及び要部断面図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた流路板を示す図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を技術例８の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置を技術例８の運転条件で運転したときの電流電圧特性を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた流路板を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた流路板を示す平面図及び要部断面図。 貫通部形成前の流路板を示す図。 貫通部形成工程を示す断面図。 境界壁に貫通部を設けた流路板の変形例を示す平面図。 境界壁に貫通部を設けた流路板の変形例を示す平面図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた流路板を示す図。 参考技術に係る直接型メタノール燃料電池発電装置に組み込まれた貫通部が形成されている流路板を示す図。 同直接型メタノール燃料電池発電装置における電流電圧特性を示す図。 本発明の第３の実施の形態に係る直接型メタノール燃料電池発電装置を示す図であって、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は横断面図。 図５６におけるδ１−δ１〜δ５−δ５における断面図である。 同直接型メタノール燃料電池発電装置における電圧と燃料供給量との関係を燃料濃度毎に示す図。 一般的な起電部単位の構成を模式的に示す説明図。

符号の説明

１００…直接型メタノール燃料電池発電装置、１０１…絶縁性流路板、１０２…絶縁性流路板、１０３…燃料流路、１０４…燃料流路供給口、１０５…燃料流路排出口、１０６…流路蓋体、１０７…樹脂性封止材、１０８ａ，１０８ｂ…起電部単位、１０９…空気流路。

Claims (4)

1. 電解質膜をアノード触媒層を含むアノード極とカソード触媒層を含むカソード極とで挟んで形成された複数の起電部単位から成る起電部単位群と、
   これら起電部単位群のアノード極に当接して配置されるとともに内部を燃料が通流する第１の流路が形成された第１の流路板と、
   前記起電部単位群のカソード極に当接して配置されるとともに内部を酸化剤が通流する第２の流路が形成された第２の流路板とを備え、
   前記第１の流路は、その入口から出口に亘って分岐することなく前記起電部単位群の全てのアノード極に接触するように通過するとともに、少なくとも一つの起電部単位のアノード極には複数回接触するように形成され、
   ｎは前記起電部単位群が有する起電部単位の数、ｓは前記第１の流路が各起電部単位をそれぞれ通過する回数、ｈは流路領域の数であってｎとｓの積、ｂｒ，ｍ（１≦ｍ≦ｎ，１≦ｒ≦ｓ）は前記流路領域に割り当てられた番号であってｈ以下の自然数、Ｚｂｒ，ｍは各流路領域の流路供給口からの距離、Ｌ０は前記第１の流路の実効的な長さを示すとき、
   

   

   を満たすことを特徴とする直接型液体燃料電池発電装置。
2. 電解質膜をアノード触媒層を含むアノード極とカソード触媒層を含むカソード極とで挟んで形成された複数の起電部単位から成る起電部単位群と、
   これら起電部単位群のカソード極に当接して配置されるとともに内部を酸化剤が通流する第１の流路が形成された第１の流路板と、
   前記起電部単位群のアノード極に当接して配置されるとともに内部を燃料が通流する第２の流路が形成された第２の流路板とを備え、
   前記第１の流路は、その入口から出口に亘って分岐することなく前記起電部単位群の全てのカソード極に接触するように通過するとともに、少なくとも一つの起電部単位のカソード極には複数回接触するように形成され、
   ｎは前記起電部単位群が有する起電部単位の数、ｓは前記第１の流路が各起電部単位をそれぞれ通過する回数、ｈは流路領域の数であってｎとｓの積、ｂｒ，ｍ（１≦ｍ≦ｎ，１≦ｒ≦ｓ）は前記流路領域に割り当てられた番号であってｈ以下の自然数、Ｚｂｒ，ｍは各流路領域の流路供給口からの距離、Ｌ０は前記第１の流路の実効的な長さを示すとき、
   

   

   を満たすことを特徴とする直接型液体燃料電池発電装置。
3. ｎは前記起電部単位群が有する起電部単位の数、Ｉは各起電部単位ごとで出力されている電流、Ｃ_ＭｅＯＨは供給されるメタノール水溶液燃料の濃度（ｍｏｌ／ｌ）、Ｙは前記起電部単位群に供給されているメタノール水溶液燃料の総量（ｌ／ｍｉｎ）であって、各起電部単位の温度が４０℃から７０℃の範囲であるとき、
   Ｙ≦Ｙ_０×２ …（１０１）
   Ｙ_０＝１．０４×１０^−４×ｎＩ／Ｃ_ＭｅＯＨ …（１０２）
   １．０≦Ｃ_ＭｅＯＨ≦５．０ …（１０３）
   を満たすことを特徴とする請求項１または２に記載の直接型液体燃料電池発電装置。
4. 前記起電部単位群のアノード極に接触する前記流路板に液体燃料を供給する液体燃料供給装置と、
   前記起電部単位群のカソード極に接触する前記流路板に酸化剤を供給する酸化剤供給装置と、
   液体燃料を収容し、前記液体燃料供給装置に液体燃料を供給する液体燃料容器と、
   前記アノード極の排出物から気体成分のみを分離する気液分離機構と、
   前記起電部単位群から得られた電力出力のうち一部を前記液体燃料供給装置と前記酸化剤供給装置に供給し、残りの電力出力のうち少なくとも一部を外部の電気機器に供給する電気回路とを備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の直接型液体燃料電池発電装置。

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