JP5182476B2

JP5182476B2 - 燃料電池および電子機器

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Publication number: JP5182476B2
Application number: JP2007236647A
Authority: JP
Inventors: 健吾槇田
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2007-09-12
Filing date: 2007-09-12
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2027-09-12
Also published as: JP2009070651A

Description

本発明は、流体（液体または気体）を流す流路構造体を用いた直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）などの燃料電池およびこれ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：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺
酸素電極：（３／２）Ｏ₂＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺→３Ｈ₂Ｏ
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ₃ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ

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、液状の電解質（電解液）を用い、電解質膜を必要としない燃料電池が記載されている。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

しかしながら、従来の燃料電池には、電解質膜を必要とするもの、必要としないもののいずれにも共通する問題点があった。例えば、燃料，電解液，または、酸素あるいは空気などを均一に燃料電池内に供給する必要があり、燃料電池内で流量分布，圧力分布または濃度分布が局所的に生じてしまうと特性が非常に不安定になってしまっていた。よって、燃料電池内に供給される液体または気体が全体に均一に供給されるような最適な流路（マイクロチャンネル）形状の設計が必要不可欠であった。

燃料電池の流路形状には、図１４に示したような、入口２５２Ａから出口２５３Ａまでを一本の流路２５６Ａで繋ぐ、直列流路の一種であるサーペンタイン（蛇行）型、あるいは、図１５に示したような、入口２５２Ａと出口２５３Ａの間に流路２５６Ｂが格子状に縦・横に配列しているグリッド型など、数多くの種類が存在する。しかし、サーペンタイン型の流路形状には、大きな問題点が存在する。なぜなら、水素のような気体燃料または酸素を流す場合は、圧力損失は小さいが、メタノール水溶液などの液体燃料または硫酸などの電解液を流す場合は、圧力損失が非常に大きくなってしまい、流体を流すためのポンプの動力が大きくなってしまうからである。

また、サーペンタイン型の流路では、流路内で反応ガスまたは液体の濃度分布が生じる傾向にあり、局所的に高利用率条件および低利用率条件で発電する場合が多々存在し、燃料電池の性能低下および寿命低下の原因となりやすかった。つまり、濃度分布などが原因で触媒劣化を引き起こし、一時的ではなく恒久的に性能が低下してしまっていた。

圧力損失の増大および性能劣化を回避する方法として、並列流路の導入が考えられる。並列流路では、図１６に示したように、流体は、まず入口２５２Ａから第１の主流路２５２に流れ、その第１の主流路２５２に対して直角に繋がっている複数の並列流路２５４に対して供給され、出口２５３Ａへと繋がる第２の主流路２５３で合流するようになっている。このような並列流路構造では、直列流路の一種であるサーペンタイン型と比較して、圧力損失を大幅に下げることができる。

しかしながら、この流路構造では、複数の並列流路２５４に対して均一に流体を供給することは極めて難しかった。特に、図１６に示したように、第１の主流路２５２および第２の主流路２５３と、並列流路２５４との幅や深さ（高さ）を同じにした場合には、流体が並列流路２５４に均一に流れなくなってしまっていた。

並列流路２５４に対してできるだけ均一に流体を流すためには、入口２５２Ａに繋がる第１の主流路２５２および出口２５３Ａに繋がる第２の主流路２５３の流れの抵抗を極力低減し、並列流路２５４より非常に流れやすくした流路構造を構築する必要がある。しかし、そのためには流路の高さに余裕を持たせる必要があることから、必然的に流路を形成する板の厚みが１ｍｍ以上と厚くなっていた。その結果、燃料電池全体の厚みも増してしまい、更に、この燃料電池を積層したスタック構造も大型化してしまっていた。

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、並列流路に対して均一に流体を流すことができる流路構造体を用いた燃料電池およびこれ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は、燃料電極と、酸素電極と、燃料電極および酸素電極の間に設けられ、電解質を含む流体が流れる電解液流路と、燃料電極の酸素電極とは反対側に設けられ、燃料を含む流体が流れる燃料流路とを有し、電解液流路および燃料流路は、流体の主たる入口に繋がる第１の主流路と、流体の主たる出口に繋がる第２の主流路と、第１の主流路および第２の主流路の間に設けられ、第１の主流路に繋がる入口および第２の主流路に繋がる出口をそれぞれ有する２本以上の並列流路とを備え、２本以上の並列流路の少なくとも一本は、入口および出口の少なくとも一方に、断面積を小さくした領域を有するものである。

本発明の燃料電池の流路構造体では、流体は、主たる入口から第１の主流路に入り、この第１の主流路から並列流路の入口に入り、並列流路内を流れてその出口から第２の主流路に入り、主たる出口から出る。ここで、並列流路の少なくとも一本の入口および出口の少なくとも一方に、断面積を小さくした領域が設けられているので、この領域が流体の流れの障壁となって、第１の主流路または第２の主流路に対しては、流れの抵抗が小さくなって流体が流れやすくなり、並列流路に対しては、流体の流れの均一性が向上する。

よって、本発明の燃料電池では、上記流路構造体を電解液流路および燃料流路として備えているので、電解質を含む流体および燃料を含む流体は、並列流路に均一に流れる。よって、並列流路の本数を増やすとリニアな関係で出力も増大し、発電特性が向上する。

本発明の電子機器は、燃料電極および酸素電極の間に電解質を有する燃料電池を備えたものであって、この燃料電池が、上記本発明の燃料電池により構成されているものである。

本発明の電子機器では、上記本発明による発電特性の向上した燃料電池を備えているので、消費電力の増大を伴う多機能化・高性能化にも対応可能となる。

本発明の燃料電池によれば、電解液流路および燃料流路として２本以上の並列流路の少なくとも一本の入口および出口の少なくとも一方に、断面積を小さくした領域を設けるようにしたので、並列流路に対して均一に流体（電解質を含む流体および燃料を含む流体）を流すことができる。即ち、発電特性を向上させることができ、消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器にも好適である。

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システムを有する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、またはノート型ＰＣ（Personal Computer ）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１１０と、この燃料電池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１１０に電解液Ｆ１として、例えば硫酸を供給する電解液供給部１４０と、燃料Ｆ２として、例えばメタノールを供給する燃料供給部１５０とを備えている。このように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、電解質膜を用いる通常の燃料電池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おそれがなくなり、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。

図２は、図１に示した燃料電池１１０の構成を表したものである。燃料電池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 Based Fuel Cell）であり、燃料電極（アノード）１０と酸素電極（カソード）２０とが対向配置された構成を有している。燃料電極１０の外側、すなわち酸素電極２０とは反対側には、燃料Ｆ２を流通させる燃料流路３０が設けられている。燃料電極１０と酸素電極２０との間には、電解液Ｆ１を流通させる電解液流路４０が設けられている。

燃料電極１０は、酸素電極２０側から順に、触媒層１１、拡散層１２および集電体１３を積層した構成を有し、外装部材１４に収納されている。また、燃料電極１０は、電解液Ｆ１と燃料Ｆ２とを隔てる分離膜としての機能も有しており、クロスオーバーを抑制し高エネルギー密度を得ることができるようになっている。酸素電極２０は、燃料電極側から順に、触媒層２１、拡散層２２および集電体２３を積層した構成を有し、外装部材２４に収納されている。なお、酸素電極２０には、この外装部材２４を介して空気すなわち酸素が供給されるようになっている。

触媒層１１，２１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により構成されている。また、触媒層１１，２１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１１，２１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。

拡散層１２，２２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。拡散層１２，２２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。

集電体１３，２３は、例えばチタン（Ｔｉ）メッシュにより構成されている。

外装部材１４，２４は、例えば、厚みが２．０ｍｍ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。

図３は燃料流路３０の外観を表したものである。燃料流路３０は、基体５１に、燃料Ｆ２の主たる入口５２Ａに繋がる第１の主流路５２と、燃料Ｆ２の主たる出口５３Ａに繋がる第２の主流路５３との間に、複数（図３では例えば１２本）の並列流路５４を設けた流路構造体であり、燃料電極１０に接着されている。

基体５１は、例えば、厚みが１００μｍ以下であり、金属，ガラス，カーボン，樹脂，多孔質，シリコン（Ｓｉ）あるいはシリコン（Ｓｉ）系の材料，またはセラミックにより構成されている。基体５１の形状は、板でもよいし、接着性あるいは非接着性のフィルムでもよい。また、基体５１は、１枚の板あるいはフィルムにより構成されていてもよいし、または、複数の板あるいはフィルムを貼り合わせたものでもよい。後者の場合、複数の板あるいはフィルムを確実に接合するという観点から、同じ材料の板あるいはフィルムを張り合わせたものが望ましいが、異なる材料よりなる板あるいはフィルムを張り合わせたものでもよい。

図４（Ａ）は、この燃料流路３０を第１の主流路５２，第２の主流路５３および並列流路５４の設けられた側から見た構成を表したものであり、図４（Ｂ）はそのＩＶＢ−ＩＶＢ線における断面構造を表したものである。第１の主流路５２および第２の主流路５３は互いに平行な溝として形成され、その幅および高さ（深さ）は等しい。第１の主流路５２および第２の主流路５３の幅および高さは、特に限定されないが、小さくほうが望ましく、例えば高さ５００μｍ以下、幅１０ｍｍ以下である。第１の主流路５２は、主たる入口５２Ａを介して燃料入口１４Ａ（図３には図示せず、図２参照。）に繋がっている。第２の主流路５３は、主たる出口５３Ａを介して燃料出口１４Ｂ（図３には図示せず、図２参照。）に繋がっている。

複数の並列流路５４は、それぞれ、入口５４Ａで第１の主流路５２に直角に繋がると共に、出口５４Ｂで第２の主流路５２に直角に繋がっており、互いに平行な溝として形成されている。また、複数の並列流路５４は、第１の主流路５２および第２の主流路５３と同じ幅および高さ（深さ）を有している。すなわち、第１の主流路５２および第２の主流路５３の断面積と、並列流路５４の断面積とは等しくなっている。

更に、複数の並列流路５４は、入口５４Ａおよび出口５４Ｂに、リブ５５を設けることにより断面積を小さくした領域を有している。これにより、この燃料流路３０では、並列流路５４に対して均一に燃料Ｆ２を流すことができるようになっている。

リブ５５は、燃料Ｆ２の流れの障壁としての機能を有するものである。すなわち、リブ５５を設けることにより、基体５１を薄くし、第１の主流路５２および第２の主流路５３の断面積と、並列流路５４の断面積とを等しくしても、第１の主流路５２および第２の主流路５３の流れの抵抗を小さくする一方、並列流路５４の流れの均一性を高めることができる。よって、燃料電池１１０またはそれを積層した燃料電池スタックを著しく薄型化・小型化することが可能となる。

リブ５５は、例えば図４（Ｃ）に示したように、並列流路５４の下方を塞いでいる。リブ５５の高さＨ１は、並列流路５４の高さＨ０に依存するが、例えば並列流路５４の高さＨ０の１％〜９９．９％の範囲である。リブ５５の高さＨ１を高くするほど、第１の主流路５２および第２の主流路５３に対しては、流れの抵抗を小さくして燃料Ｆ２を流れやすくすることができ、並列流路５４に対しては、燃料Ｆ２の流れの均一性を向上させることができる。リブ５５の厚みＴ１は、アプリケーションにより異なるが、例えば０．５ｍｍないし１ｍｍ程度である。

このような燃料流路３０は、外装部材１４に設けられた燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを介して燃料供給部１５０（図２には図示せず、図１参照。）に連結されており、燃料供給部１５０から燃料Ｆ２が供給されるようになっている。

図５は、電解液流路４０の外観を表したものである。また、図６（Ａ）は、この電解質流路４０を第１の主流路５２，第２の主流路５３および並列流路５４の設けられた側から見た構成を表したものであり、図６（Ｂ）はそのＶＩＢ−ＶＩＢ線における断面構造を表したものであり、図６（Ｃ）は一本の並列流路５４におけるリブ５５の断面構造を表したものである。電解液流路４０は、燃料流路３０と同様に、基体５１に、電解液Ｆ１の主たる入口５２Ａに繋がる第１の主流路５２と、電解液Ｆ１の主たる出口５３Ａに繋がる第２の主流路５３との間に、複数（図３では例えば１２本）の並列流路５４を設けた流路構造体である。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。

基体５１は、燃料流路３０と同様に構成されている。

第１の主流路５２，第２の主流路５３および並列流路５４は、電解液Ｆ１を燃料電極１０および酸素電極２０（図２参照。）の両方に接触させるため、基体５１を貫通して形成されていることを除いては、燃料流路３０と同様に構成されている。また、燃料流路３０と同様に、第１の主流路５２および第２の主流路５３の断面積と、並列流路５４の断面積とは等しくなっている。

複数の並列流路５４は、燃料流路３０と同様に、入口５４Ａおよび出口５４Ｂに、リブ５５を設けることにより断面積を小さくした領域を有している。リブ５５の高さＨ１は、燃料流路３０と同様に、並列流路５４の高さＨ０に依存するが、例えば並列流路５４の高さＨ０の１％〜９９．９％の範囲である。リブ５５の高さＨ１を高くするほど、第１の主流路５２および第２の主流路５３に対しては、流れの抵抗を小さくして燃料Ｆ２を流れやすくすることができ、並列流路５４に対しては、燃料Ｆ２の流れの均一性を向上させることができる。

このような電解液流路４０は、外装部材２４に設けられた電解液入口２４Ａおよび電解液出口２４Ｂを介して電解液供給部１４０（図２には図示せず、図１参照。）に連結されており、電解液供給部１４０から電解液Ｆ１が供給されるようになっている。

図１に示した測定部１２０は、燃料電池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。

図１に示した制御部１３０は、測定部１２０の測定結果に基づいて、燃料電池１１０の運転条件として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、電解液供給パラメータは、例えば、電解液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１１０の出力を算出し、電解液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、電解液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を介して電解液供給部１４０および燃料供給部１５０に電解液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。

図１に示した電解液供給部１４０は、電解液貯蔵部１４１と、電解液供給調整部１４２と、電解液供給ライン１４３とを備え、燃料電池１１０との間で電解液Ｆ１を循環させるようになっている。電解液貯蔵部１４１は、電解液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。電解液供給調整部１４２は、電解液Ｆ１の供給流速を調整するものである。電解液供給調整部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。

図１に示した燃料供給部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、燃料Ｆ２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。

この燃料電池システム１は、例えば、次のようにして製造することができる。

まず、触媒として例えば白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）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し、燃料電極１０の触媒層１１を形成する。この触媒層１１を、上述した材料よりなる拡散層１２に熱圧着する。更に、上述した材料よりなる集電体１３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熱圧着し、燃料電極１０を形成する。

また、触媒として白金（Ｐｔ）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、酸素電極２０の触媒層２１を形成する。この触媒層２１を、上述した材料よりなる拡散層２２に熱圧着する。更に、上述した材料よりなる集電体２３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熱圧着し、酸素電極２０を形成する。

次いで、上述した材料よりなる基体５１を用意し、この基体５１に、図３および図４に示した第１の主流路５２，第２の主流路５３および並列流路５４を形成すると共に、並列流路５４の入口５４Ａおよび出口５４Ｂにリブ５５を形成して燃料流路３０を形成する。また、同様にして、図５および図６に示した電解液流路４０を形成し、燃料流路３０および電解液流路４０を、燃料電極１０の両側に熱圧着する。

続いて、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる電解液入口２４Ａおよび電解液出口２４Ｂを設ける。

そののち、燃料電極１０と酸素電極２０とを、電解液流路３０を両者の間に、燃料流路３０を外側にして対向配置し、外装部材１４，２４に収納する。これにより図２に示した燃料電池１１０が完成する。

この燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，電解液供給部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、電解液入口２４Ａおよび電解液出口２４Ｂと電解液供給部１４０とを例えばシリコーンチューブよりなる電解液供給ライン１４３で接続する。以上により図１に示した燃料電池システム１が完成する。

この燃料電池システム１では、燃料電極１０に燃料Ｆ２が供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解液Ｆ１を通って酸素電極２０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、燃料電池１１０から電流が取り出され、外部回路２が駆動される。燃料電極１０で発生する二酸化炭素および酸素電極２０で発生する水は、電解液Ｆ１と共に流れて取り除かれる。

（化２）
燃料電極１０：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺
酸素電極２０：（３／２）Ｏ₂＋６ｅ^-＋６Ｈ⁺→３Ｈ₂Ｏ
燃料電池１１０全体：ＣＨ₃ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂→ＣＯ₂＋２Ｈ₂Ｏ

燃料電池１１０の運転中には、測定部１２０により燃料電池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１１０の運転条件として上述した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１１０の特性変動に追従して電解液Ｆ１および燃料Ｆ２の供給状態が最適化される。

その際、燃料流路３０では、図４（Ａ）および図４（Ｂ）に示したように、燃料Ｆ２は、主たる入口５２Ａから第１の主流路５２に入り、この第１の主流路５２から並列流路５４の入口５４Ａに入り、並列流路５４内を流れてその出口５４Ｂから第２の主流路５３に入り、主たる出口５３Ａから出る。また、電解液流路４０では、図６（Ａ）および図６（Ｂ）に示したように、電解液Ｆ１は、主たる入口５２Ａから第１の主流路５２に入り、この第１の主流路５２から並列流路５４の入口５４Ａに入り、並列流路５４内を流れてその出口５４Ｂから第２の主流路５３に入り、主たる出口５３Ａから出る。ここで、並列流路５４の入口５４Ａおよび出口５４Ｂに、リブ５５を形成して断面積を小さくした領域が設けられているので、このリブ５５が燃料Ｆ２または電解液Ｆ１の流れの障壁となり、第１の主流路５２または第２の主流路５３に対しては、流れの抵抗が小さくなって燃料Ｆ２または電解液Ｆ１が流れやすくなり、並列流路５４に対しては、燃料Ｆ２または電解液Ｆ１の流れの均一性が向上する。

これに対して、従来では、並列流路の流れの均一性を確保するために、基体の厚みを１ｍｍ以上と厚くしなければならなかった。本発明では、リブ５５が設けられていることにより、基体５１の厚みが１００μｍ以下と極めて薄く、第１の主流路５２および第２の主流路５３の断面積と、並列流路５４の断面積とが等しくなっていても、第１の主流路５２および第２の主流路５３の流れの抵抗が小さくなる一方、並列流路５４の流れの均一性が高くなる。

このように本実施の形態では、２本以上の並列流路５４の入口５４Ａおよび出口５４Ｂに、リブ５５により断面積を小さくした領域を設けるようにしたので、並列流路５４に対して均一に燃料Ｆ２または電解液Ｆ１を流すことができる。よって、燃料電池１１０の発電特性を向上させることができ、消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器にも好適である。

更に、本発明の具体的な実施例について説明する。

（実施例１）
上記実施の形態と同様にして、燃料電池１１０を作製した。まず、触媒として白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）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し、燃料電極１０の触媒層１１を形成した。この触媒層１１を、上述した材料よりなる拡散層１２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、温度１５０℃、圧力２４９ｋＰａの条件下で１０分間熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体１３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熱圧着し、燃料電極１０を形成した。

また、触媒として白金（Ｐｔ）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、酸素電極２０の触媒層２１を形成した。この触媒層２１を、上述した材料よりなる拡散層２２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、燃料電極１０の触媒層１１と同様にして熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体２３を、燃料電極１０の集電体１３と同様にして熱圧着し、酸素電極２０を形成した。

次いで、接着性のある樹脂シートよりなる基体５１を用意し、この基体５１に、図３および図４に示した第１の主流路５２，第２の主流路５３および並列流路５４を形成すると共に、並列流路５４の入口５４Ａおよび出口５４Ｂにリブ５５を形成して燃料流路３０を形成した。また、同様にして、図５および図６に示した電解液流路４０を形成し、燃料流路３０および電解液流路４０を、燃料電極１０の両側に熱圧着した。その際、並列流路５４を１８本形成し、並列流路５４の高さＨ０を１７５μｍとし、リブ５５の高さＨ１を、並列流路５４の高さＨ０に対して１０％，２０％，３０％，４０％，５０％，６０％，７０％，８０％，９０％と変化させた。

続いて、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる電解液入口２４Ａおよび電解液出口２４Ｂを設けた。

そののち、燃料電極１０と酸素電極２０とを、電解液流路４０を両者の間に、燃料流路３０を外側にして対向配置し、外装部材１４，２４に収納した。

この燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，電解液供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、図１に示した燃料電池システム１を構成した。その際、電解液供給調整部１４２および燃料供給調整部１５２をダイアフラム式定量ポンプ（株式会社ＫＮＦ社製）により構成し、それぞれのポンプからシリコーンチューブよりなる電解液供給ライン１４３および燃料供給ライン１５３で燃料入口１４Ａおよび電解液入口２４Ａに直接接続し、任意の流速で電解液Ｆ１および燃料Ｆ２が電解液流路４０および燃料流路３０にそれぞれ供給されるようにした。電解液Ｆ１としては１Ｍ硫酸を用い、流速は１．０ｍｌ／ｍｉｎとした。燃料Ｆ２としては５Ｍメタノールと１Ｍ硫酸の混合液を用い、流速は１．０ｍｌ／ｍｉｎとした。

（評価）
得られた燃料電池システム１について、１８本の並列流路５４間の流速比分布を調べた。その結果を図７に示す。図７では、流速比率１を基準にし、リブ５５の高さＨ１を変えたときの並列流路５４内で起こる速度分布を比率で示している。なお、流路番号は、主たる入口５２Ａに近いほうから順に１〜１８の番号を付している。

図７から分かるように、リブ５５の高さＨ１を、並列流路５４の高さＨ０に対して高くするほど並列流路５４間の流速比分布は小さくなり、９０％とした場合には、ほぼゼロにすることができた。すなわち、リブ５５の高さＨ１を、並列流路５４の高さＨ０に対して高くするほど並列流路５４間の流速比分布を小さくし、並列流路５４に燃料Ｆ２または電解液Ｆ１を均一に流すことができることが分かった。

（実施例２）
並列流路５４の本数Ｎを１本，６本，１２本，１８本と異ならせたことを除いては、上記実施例１と同様にして燃料電池システム１を構成した。

得られた燃料電池システム１について発電特性を調べた。その際、並列流路５４の高さＨ０は１７５μｍ、幅は２ｍｍとし、リブ５５の高さＨ１は、並列流路５４の高さＨ０の４０％弱とした。また、測定電圧は０．３Ｖとし、０．３Ｖ定電圧発電時の開始１８０秒後のデータを採取した。得られた結果を図８に示す。

図８から分かるように、並列流路５４の本数Ｎを１本（Ｎ＝１），６本（Ｎ＝６），１２本（Ｎ＝１２），１８本（Ｎ＝１８）と増やすに従って、発電特性はほぼリニアな関係で増加した。もし、流体が均一に流れていない場合は、発電特性はリニアな関係で増加しない。すなわち、並列流路５４の入口５４Ａおよび出口５４Ｂにリブ５５を形成して断面積を小さくした領域を設けることにより、並列流路５４の流れの均一性を高めることができることが分かった。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例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、上記実施の形態および実施例では、並列流路５４の入口５４Ａおよび出口５４Ｂの両方にリブ５５を形成して断面積を小さくした領域を設けるようにした場合について説明したが、リブ５５は、入口５４Ａおよび出口５４Ｂの少なくとも一方に設ければよい。例えば図９に示したように、リブ５５を入口５４Ａのみに設けてもよいし、図１０に示したように出口５４Ｂのみに設けてもよい。なお、図９および図１０は燃料流路３０の変形例を表しているが、電解液流路４０についても同様の変形例が可能である。

また、上記実施の形態および実施例では、全ての並列流路５４にリブ５５を設けた場合について説明したが、リブ５５は、並列流路５４の少なくとも１本に設ければよい。

更に、上記実施の形態および実施例では、全ての並列流路５４でリブ５５の高さＨ１を同一とした場合について説明したが、並列流路５４ごとにリブ５５の高さＨ１を異ならせるようにしてもよい。

加えて、上記実施の形態および実施例では、並列流路５４の下方にリブ５５を設けた場合について説明したが、リブ５５は、図１１（Ａ）に示したように並列流路５４の上方に形成してもよいし、図１１（Ｂ）に示したように並列流路５４の左右両方または左右の一方に設けてもよいし、図１１（Ｃ）に示したように、並列流路５４の上下左右すべてに形成してもよい。

更にまた、上記実施の形態および実施例で説明した電解液流路３０に代えて、図１２に示したように、燃料電極１０と酸素電極２０との間に、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）」）またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂よりなる電解質膜６０を配置するようにしてもよい。

加えてまた、図１３に示したように、燃料流路３０と燃料電極１０との間に気液分離膜７０を設けるようにしてもよい。気液分離膜７０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリプロピレン（ＰＰ）などアルコールを液体の状態で透過させない膜により構成することができる。このような気液分離膜７０を設けた場合、燃料である純メタノールは液体の状態で燃料流路３０を流れる際に自然揮発し、気液分離膜７０と接する面から気体Ｇの状態で気液分離膜７０を通りぬけ、燃料電極１０に供給される。よって、燃料が効率よく燃料電極１０に供給され、反応が安定して行われる。また、燃料が気体の状態で燃料電極１０に供給されるので、電極反応活性が高くなり、クロスオーバーも生じにくく、高負荷の外部回路２を有する電子機器においても高い性能が得られる。更に、燃料Ｆ２として純（９９．９％）メタノールを用いることができ、燃料電池の特徴である高エネルギー密度特性を更に活かすことができると共に、燃料供給部１５０において、燃料Ｆ２の供給濃度を調整する濃度調整部を省略することができ、より小型化することができる。

更にまた、例えば、上記実施の形態および実施例では、燃料電池１１０と電解液供給部１４０との間で電解液Ｆ１を循環させるようにした場合について説明したが、電解液Ｆ１を循環させず、燃料電極１０と酸素電極２０との間に静止させておくようにしてもよい。

加えてまた、例えば、上記実施の形態および実施例では、燃料電極１０，酸素電極２０，燃料流路３０および電解液流路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。

更にまた、例えば、上記実施の形態および実施例では、一つの燃料電池１１０を例として説明したが、本発明は、複数の燃料電池１１０を縦方向（積層方向）または横方向（積層面内方向）に積層した燃料電池スタックにも適用することができ、その薄型化・小型化に極めて有効である。

加えてまた、例えば、上記実施の形態および実施例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１１０の発電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、または他の発電条件としてもよい。

更にまた、上記実施の形態では、燃料電極１０に燃料供給部１５０から燃料Ｆ２を供給する場合について説明したが、燃料電極１０を密閉型とし、必要に応じて燃料Ｆ２を供給するようにしてもよい。

加えてまた、例えば、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液体燃料でもよい。電解液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。

更にまた、本発明は、液体燃料を用いる燃料電池に限らず、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についても適用可能である。

加えてまた、上記実施の形態および実施例では、酸素電極２０への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、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。

更にまた、上記実施の形態および実施例では、燃料電池１１０において、燃料電極１０と酸素電極２０とを、電解液流路３０を両者の間に、燃料流路４０を外側にして対向配置した場合について説明したが、本発明は、他の構成の燃料電池を有する燃料電池システムにも適用可能である。

加えてまた、上記実施の形態および実施例では、本発明の流路構造体を燃料電池１１０の燃料流路３０および電解液流路４０に適用した場合について説明したが、本発明の流路構造体は、ボイラー，ラジエーターあるいは濃度センサなど、流体を並列流路に流す用途に広く適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池システム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構成を表す断面図である。図１に示した燃料流路の外観を表す斜視図である。図４（Ａ）は、図３に示した燃料流路を第１の主流路，第２の主流路および並列流路の設けられた側から見た構成を表した平面図であり、図６（Ｂ）は図４（Ａ）のＩＶＢ−ＩＶＢ線における断面図であり、図６（Ｃ）は一本の並列流路におけるリブの構成を表す断面図である。図１に示した電解液流路の外観を表す斜視図である。図６（Ａ）は、図５に示した電解質流路を第１の主流路，第２の主流路および並列流路の設けられた側から見た構成を表したものであり、図６（Ｂ）は図６（Ａ）のＶＩＢ−ＶＩＢ線における断面図であり、図６（Ｃ）は一本の並列流路におけるリブの構成を表す断面図である。本発明の実施例の結果を表す図である。本発明の実施例の結果を表す図である。図４に示した燃料流路の変形例を表した平面図および断面図である。図４に示した燃料流路の他の変形例を表した平面図および断面図である。図４（Ｃ）に示したリブの変形例を表した断面図である。図２に示した燃料電池の変形例を表した断面図である。図２に示した燃料電池の他の変形例を表した断面図である。従来の流路の一例を表した平面図である。従来の流路の他の例を表した平面図である。従来の流路の更に他の例を表した平面図である。

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、２０…酸素電極、３０…燃料流路、４０…電解液流路、６０…電解質膜、７０…気液分離膜、１１０…燃料電池、１２０…測定部、１３０…制御部、１４０…電解液供給部、１５０…燃料供給部

Claims

燃料電極と、
酸素電極と、
前記燃料電極および酸素電極の間に設けられ、電解質を含む流体が流れる電解液流路と、
前記燃料電極の前記酸素電極とは反対側に設けられ、燃料を含む流体が流れる燃料流路とを有し、
前記電解液流路および燃料流路は、流体の主たる入口に繋がる第１の主流路と、流体の主たる出口に繋がる第２の主流路と、前記第１の主流路および前記第２の主流路の間に設けられ、前記第１の主流路に繋がる入口および前記第２の主流路に繋がる出口をそれぞれ有する２本以上の並列流路とを備え、
前記２本以上の並列流路の少なくとも一本は、前記入口および前記出口の少なくとも一方に、断面積を小さくした領域を有する
燃料電池。
前記断面積を小さくした領域は、前記入口に設けられている、請求項１記載の燃料電池。
前記断面積を小さくした領域は、前記出口に設けられている、請求項１記載の燃料電池。
前記第１の主流路および前記第２の主流路の断面積と、前記２本以上の並列流路の断面積とは等しい、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池。
燃料電極および酸素電極の間に電解質を有する燃料電池を備え、
前記燃料電池は、
燃料電極と、
酸素電極と、
前記燃料電極および酸素電極の間に設けられ、電解質を含む流体が流れる電解液流路と、
前記燃料電極の前記酸素電極とは反対側に設けられ、燃料を含む流体が流れる燃料流路とを有し、
前記電解液流路および燃料流路は、流体の主たる入口に繋がる第１の主流路と、流体の主たる出口に繋がる第２の主流路と、前記第１の主流路および前記第２の主流路の間に設けられ、前記第１の主流路に繋がる入口および前記第２の主流路に繋がる出口をそれぞれ有する２本以上の並列流路とを備え、
前記２本以上の並列流路の少なくとも一本は、前記入口および前記出口の少なくとも一方に、断面積を小さくした領域を有する
ことを特徴とする電子機器。