JP5290402B2 - 燃料電池スタックおよびこれを備える電子機器 - Google Patents

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Description

本発明は、燃料電池スタックおよびこれを備える電子機器に関し、特に携帯用の小型電子機器に用いられる燃料電池スタックおよびこれを備える電子機器に関する。
近年、情報化社会を支える携帯電子機器等に用いられる小型電子機器の電源として、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、アノード極で燃料（たとえば水素、メタノール、エタノール、ヒドラジン、ホルマリン、ギ酸等）を酸化するとともに、カソード極で空気中の酸素を還元するという電気化学反応を利用することにより、携帯電子機器等に電子を供給する化学電池であり、単独の発電装置で高い発電効率を得ることができる。
このような燃料電池は、その構造やそれに供給される燃料の違いにより、多種多様のものがあるが、その中でも直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、アノード極にメタノール水溶液を供給し、メタノール水溶液から直接プロトンと電子とを取り出すことにより発電を行なうことができるため、改質器を備える必要がないという利点を有している。
しかも、ＤＭＦＣは、大気圧下において液体であって高い体積エネルギー密度を有するメタノール水溶液を燃料として用いることから、高圧ガスボンベを用いて水素を供給する燃料電池と比べると、小型の燃料容器で燃料を取り扱うことができるとともに安全性の面でも優れている。このためＤＭＦＣは、小型電源への応用、特に携帯用の小型電子機器の２次電池の代替用途として注目が集まっている。
さらに、ＤＭＦＣは、大気圧下において液体の燃料を用いるため他の燃料電池ではデッドスペースとなるような狭い婉曲空間部を燃料容器を配置するためのスペースに使用することができる。このためＤＭＦＣを備える電子機器はデザインの制約を受けることなく、その電子機器の内部に燃料容器を設置することができる。
しかも、ＤＭＦＣの燃料は、メタノールの他にたとえばエタノール、プロパノール等のように、より高い体積エネルギー密度およびより高い引火点を有し安全性に優れる液体燃料を将来的に利用できるようになる可能性もある。
ＤＭＦＣを例にとり、燃料電池内のカソード極およびアノード極で生じる電気化学反応を説明する。ＤＭＦＣでは下記の反応式のように、燃料流路を通じて供給されるメタノールがアノード極で酸化されることにより、二酸化炭素、プロトンおよび電子に分離される。
アノード極：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
そして、アノード極で発生した電子が外部負荷を通ってカソード極に移動するときの電子の流れを電力として取り出す。一方、アノード極で発生したプロトンは、電解質膜を経てカソード極側に伝達される。カソード極では、電解質膜から透過したプロトンと酸化剤とが下記の反応式のように反応することにより水を生成する。ＤＭＦＣに用いられる酸化剤としては、外部雰囲気に潤沢に存在する空気を用いることが多い。
カソード極：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
ところで、溶融炭酸塩電池のような高温燃料電池を除く、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、直接メタノール型燃料電池、アルカリ型燃料電池等のような燃料電池は、還元剤を供給するためのアノード流路が形成されたアノードセパレータ、アノード触媒層から電子の収集を行なうアノード集電体、アノードガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層、カソード触媒層へ電子を供与するカソード集電体、および酸化剤を供給するためのカソード流路が形成されたカソードセパレータをこの順で積層した平面積層構造のものである。
上記のような燃料電池の構成の中でも特に、アノード触媒層、電解質膜およびカソード触媒層の３層を熱圧着等の手段により複合化したものを膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）といい、燃料電池を構成する上での最小構成単位である。
また、アノードセパレータおよびカソードセパレータは、電気的に導電性を有する材料を用いる。これは、アノードセパレータがアノード集電体の役割を果たし、カソードセパレータがカソード集電体の役割を果たす場合があるためである。また、アノードセパレータは還元剤をアノード触媒層に供給する役割、およびカソードセパレータは酸化剤をカソード触媒層に供給する役割を果たす場合もある。
上記で挙げた各種の燃料電池は、いずれも高電流を生み出すことができる。しかしながら、これらの燃料電池は体積あたりの出力密度が低いため、小型電源として利用する上では、出力密度を向上させる必要がある。
そこで、複数の燃料電池のアノード極とカソード極とを交互に接触するように積層（このような積層構造のことを以下においては「燃料電池スタック」とも称する）し、複数の燃料電池を直列接続することにより、出力電圧を高めた上で電子機器に搭載するのが一般的である。
ところが、上記の燃料電池スタックは、各燃料電池間の接触抵抗が高くなると、内部抵抗が高くなり、全体的な発電効率が低減してしまう。従来の燃料電池スタックは、還元剤をシールするためのシール材、酸化剤をシールするためのシール材をセパレータ毎に備えることによりシール性を向上させ、さらにアノード集電体としての役割を果たすアノードセパレータとアノードガス拡散層、カソード集電体としての役割を果たすカソードセパレータとカソードガス拡散層の電気的接触を密接に保つことを以って、燃料電池スタックの燃料電池間の接触抵抗を抑制し、導電性を向上させている。そして、シール性と導電性とを十分に確保するために、分厚く硬質の押さえ板、ボルト、ナット等の締結部材を用いて、燃料電池スタックの両端を押さえつけている。しかしながら、これらの締結部材を備えることにより燃料電池スタックが大型化するとともに重量が重いものとなり、結果として燃料電池スタックの出力密度が低下するという問題があった。
また別の問題として、従来の燃料電池スタックは、アノードセパレータおよびカソードセパレータの厚みが厚すぎるため、出力密度が低下する要因となっていた。アノードセパレータには、アノード触媒層の全面に還元剤を均一に供給するためのアノード流路を形成する必要があり、カソードセパレータにも、酸化剤をカソード触媒層の全面に均一に供給するためのカソード流路を形成する必要がある。
そこで、アノード流路およびカソード流路の厚みを狭くすることにより、アノードセパレータおよびカソードセパレータの厚みを薄くすると、還元剤および酸化剤を供給するときのその圧力損失が大きくなる。このため還元剤および酸化剤を供給するためのポンプやファン等の補機を大きくせざるを得なくなり、結果として燃料電池スタックの出力密度が低下することとなる。しかも、燃料電池スタックに備える補機の消費電力も大きくなってしまい、発電効率が低下することとなる。
特開２００４−１７９１４０号公報
第１５回燃料電池シンポジウム講演予稿集１０９ページ
上述のような問題を解決すべく、第１５回燃料電池シンポジウム講演予稿集１０９ページ（以下、「非特許文献１」と記す）には、燃料電池スタックの単位容積中に含まれる発電面積の密度を増加させることにより、燃料電池スタックの出力密度を向上させる試みがなされている。すなわち、非特許文献１には、燃料電池（以下においては、「単位電池」とも称する）を高集積することにより、補機が不要もしくは少ない補機の消費電力で各単位電池のカソード極に酸化剤を供給することができる燃料電池スタックの構造が提案されている。
このような構造の燃料電池スタックは、同一の燃料電池層に含まれる各単位電池の間に設けられた一定の隙間が連通するように設けられている。このように配置することにより、外部雰囲気から酸化剤である酸素（空気中の酸素）を取り込むことができることを以って、各単位電池のカソード極に対し、発電に必要な空気を供給することができる。
しかしながら、近年の情報電子機器、特に携帯型の情報電子機器に必要とされる消費電力は高い。このため、非特許文献１の燃料電池スタックでは出力密度の点で、情報電子機器に対応することができず、さらに燃料電池スタックの出力密度を向上させることが求められていた。
そこで、特開２００４−１７９１４０号公報（以下、「特許文献１」と記す）には、燃料電池スタックの出力密度を向上させるために、１つの燃料流路の上下に対しそれぞれ各１つずつの単位電池を、その単位電池のアノード極が燃料流路に対向するように配置する構造（以下においては「複合単位電池」とも称する）が提案されている。
かかる構造の複合単位電池は、発電面積を増加させる上では適しているものの、複合単位電池の外側を向く両面がカソード極となる。このため、複合単位電池の両面のカソード極が空気に触れる状態で使用しなければ、これらカソード極に空気を供給することができない。よって、このような複合単位電池を電子機器に組み込む場合、電子機器と複合単位電池との間に空気を供給するための空間を設けることが必須である。
しかし、電子機器と複合単位電池との間に空間を設けることにより、電子機器自体の厚みが厚いものとなり、手で持ちにくく取り扱いにくい電子機器となってしまう。しかも、電子機器と複合単位電池との間の空間を維持するために、複合単位電池と電子機器との間に支持材（支柱）等を設けることにより、燃料電池スタックの厚み方向への強度が弱いものとなり、電子機器自体の衝撃に対する強度が低下する虞もある。
これらの事情により、電子機器と複合単位電池との間に空間を設けることは適切とはいえない。上記のような理由により、複合単位電池のカソード極のうちの電子機器と接する側の面に、十分な量の空気を供給することができなかった。
また、特許文献１の図１に示されるような大面積の層状の単位電池（以下においては「大面積単位電池」とも称する）を用いる場合は、特にその大面積単位電池の中心部分での空気供給不足が顕著となる。
この空気供給不足には２つの要因が考えられ、１つ目の要因としては、空気が潤沢に存在する外部雰囲気と、大面積単位電池のカソード極の中心部との距離が長くなることにより、大面積単位電池のカソード極の中心部に近づくにつれて空気の拡散距離が長くなり、空気の供給不足となりやすいというものである。
もう１つの要因としては、大面積単位電池の発電によりカソード極で水が生成し、その水が蒸発して外部雰囲気に拡散するまでの距離も長くなることにより、大面積単位電池のカソード極の中心部分付近の水蒸気分圧が高くなるとともに酸素分圧が低くなるということである。
これらの理由により、特許文献１に示される構造の大面積単位電池は、発電に必要となる空気を大面積単位電池内に十分に供給することができない。このため、当該大面積単位電池を層厚方向に積層する場合、ファン等の補器を備えることが不可欠であり、たとえ発電部となる大面積単位電池の出力密度が高いものであっても、空気供給のための補器等を含めた燃料電池システムとしてみたときには大型化しているとともにその重量も重いものとなり、燃料電池システムの体積あたりの出力密度は低くなるという課題があった。
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは燃料電池スタックの構成部材を共通化または削減することにより、薄型化するとともに軽量化し、かつ従来よりも出力密度が高い燃料電池スタックを提供することである。
本発明者の研究によれば、非特許文献１に示される構造の燃料電池スタックに含まれる燃料電池層を構成する単位電池を、複合単位電池に代え、燃料電池スタックの構成部材を共通化または削減することにより、薄型化することができるとともに軽量化することができ、かつ高出力密度の燃料電池スタックを得ることができることが明らかとなった。
そして、本発明者らは複合単位電池の構造についてさらに研究を重ね、複合単位電池に燃料透過抑制層を適用すること、および各燃料電池層の電気的接続を簡便な構造にすることにより、本発明の効果がより顕著に得られることが明らかとなった。
すなわち、本発明の燃料電池スタックは、２層以上の燃料電池層を積層してなる燃料電池スタックであって、燃料電池層のうちの少なくとも１層は、２つ以上の複合単位電池を同一平面内に隙間を設けて配置されてなるものであり、複合単位電池は、複数の単位電池と、該単位電池のアノード極に燃料を供給するための燃料供給部とを含み、複数の単位電池のアノード極は、燃料供給部に対向するように配置されることを特徴とする。
燃料電池スタックは、上記の燃料電池層と、１以上のスペーサからなるスペーサ層とを積層してなることが好ましく、上記の燃料電池層とスペーサ層とを交互に積層してなることがより好ましい。
燃料電池層の表裏のいずれか一面もしくは両面の両端部上にそれぞれスペーサを設けることが好ましい。スペーサ層は、それが隣接する燃料電池層を構成する複合単位電池の全てと接する１の大面積のスペーサであってもよい。
燃料供給部は、燃料が流通するための燃料流路を含むものであってもよいし、燃料に対して毛細管作用を示す材料からなる燃料輸送部材を含むものであってもよい。
単位電池は、アノード極と、電解質膜と、カソード極とをこの順で備えることが好ましい。
単位電池は、アノード極の電解質膜と接する面とは反対側の面にアノード集電体を有し、カソード極の電解質膜と接する面とは反対側の面にカソード集電体を有することが好ましい。
燃料流路と、上記のアノード極との間にさらに燃料透過抑制層を備えることが好ましい。
燃料透過抑制層は、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、フッ化炭素樹脂、またはエポキシ樹脂あるいはポリオレフィン系樹脂とカーボンとの混合物を有する導電性組成物からなることが好ましい。
燃料を保持するための燃料貯蔵室をさらに備え、上記の燃料輸送部材の一端は、燃料貯蔵室に保持される燃料に接触されることが好ましい。燃料輸送部材とアノード極との間に、燃料の蒸気をアノード極に供給するための気化層を備えることが好ましい。
カソード集電体のカソード極と接する側とは反対側に、発電で生じた水を単位電池内に保持するための保湿層を備えることが好ましい。アノード集電体のアノード極と接する側とは反対側に断熱層を備えることが好ましい。複合単位電池を構成する各層を厚み方向に貫通する空間を有し、該空間はアノード極で発生する生成ガスを排出するための生成ガス排出路であることが好ましい。
燃料流路の燃料の流れる方向の面において、単位電池の積層方向を深さ方向とし、深さ方向に垂直な方向を幅方向とすると、燃料流路の幅の長さＬ1と単位電池の幅の長さＬ2との関係Ｌ1／Ｌ2は、０．６以上である、および／または、燃料流路の深さは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。
スペーサは、少なくともその表面が絶縁性であることが好ましい。スペーサは、少なくともその厚み方向に絶縁性であってもよい。
スペーサは、多孔質体からなることが好ましい。
スペーサは、酸化物により絶縁した、酸化チタン、酸化アルミニウム、もしくは酸化ジルコニウムの金属酸化物多孔質体、金属多孔質体の表面に親水性の高分子を塗布または修飾するもしくは親水性高分子フィルムを付属させることにより絶縁した金属−高分子複合体、または多孔質セラミックのいずれかからなることが好ましい。
上記の燃料電池スタックを覆う筐体を備え、該筐体は、１以上のスペーサと接することが好ましい。かかる筐体は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびステンレスからなる群より選択される一種以上の材料からなることが好ましい。
燃料電池層に含まれる２つのアノード集電体同士を電気的に接続するとともに、燃料電池層に含まれる２つのカソード集電体同士を電気的に接続することにより、複合単位電池に含まれる２つの単位電池は並列接続されることが好ましい。
隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のカソード集電体と、他方の燃料電池層のアノード集電体とを電気的に接続することにより、燃料電池層を直列接続することが好ましい。
アノード集電体は、その厚み方向に貫通するアノード集電体貫通孔を備え、カソード集電体は、その厚み方向に貫通するカソード集電体貫通孔を備え、アノード集電体貫通孔と、カソード集電体貫通孔とは、同一の燃料電池層において燃料電池層の積層方向に異なる位置に設けられ、隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔と、他方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔とは、燃料電池層の積層方向に実質的に同一の位置に設け、一方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔と、他方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔とは、燃料電池層の積層方向に実質的に同一の位置に設けることが好ましい。
隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔と、他方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔とは、導線により接続され、上記の一方の燃料電池層に含まれる２のカソード集電体貫通孔同士は、導線により接続されることが好ましい。
隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔と、他方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔とは、導線により接続され、上記の一方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔と、上記の他方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔とは、不導体部を有する導線により接続され、当該不導体部は、一方の燃料電池層のカソード集電体と、他方の燃料電池層のアノード集電体とを電気的に絶縁するように導線に設けられることが好ましい。
隣接する２層の前記燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のアノード集電体の側面から外方に向けて突出させたアノード電流取出部と、他方の燃料電池層の前記カソード集電体の側面から外方に向けて突出させたカソード電流取出部とは、半田を介して導線により接続されることが好ましい。
一方の燃料電池層のカソード集電体の側面から外方に向けて突出させたカソード電流取出部と、他方の燃料電池層のアノード集電体の側面から外方に向けて突出させたアノード電流取出部とは、不導体部を有する導線により半田を介して接続され、不導体部は、一方の燃料電池層のカソード集電体と、他方の燃料電池層のアノード集電体とを電気的に絶縁するように導線に設けることが好ましい。
また、複合単位電池および／またはスペーサは、短冊形状であることが好ましい。
本発明は、上記の燃料電池スタックを備える電子機器でもある。
本発明によれば、燃料電池スタックの構成部材を共通化または削減し、薄型化および軽量化するとともに、出力密度を高めた燃料電池スタックを提供することができる。
本発明の燃料電池スタックの好ましい一例を示す斜視図、上面図および側面図であり、（Ａ）がその斜視図であり、（Ｂ）がその上面図であり、（Ｃ）がその側面図である。 本発明の燃料電池スタックと、従来の燃料電池スタックとの構造の相違を示す断面図であり、（Ａ）従来の燃料電池スタックに用いられる燃料電池層を示す断面図であり、（Ｂ）本発明の燃料電池スタックに用いられる燃料電池層を示す断面図である。 （Ａ）従来の燃料電池スタックの片面単位電池構造の空気供給の経路と、（Ｂ）本発明の燃料電池スタックの複合単位電池構造の空気供給の経路とを対比して示した断面図である。 本発明の燃料電池スタックの複合単位電池構造の熱対流により生じる空気拡散の経路を示した図である。 （Ａ）補器を用いて各燃料電池層に燃料を供給する場合の燃料電池スタックを上面から見た図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示される燃料電池スタックを側面から見た図である。 （Ａ）補器を用いないで各燃料電池層に燃料を供給する場合の燃料電池スタックを上面から見た図であり、（Ｂ）は（Ａ）に示される燃料電池スタックを側面から見た図である。 （Ａ）燃料輸送部材を用いて各燃料電池層に燃料を供給する場合の燃料電池スタックを上面から見た図であり、（Ｂ）は（Ａ）の燃料電池スタックを側面から見た図である。 （Ａ）２層の燃料電池層と１層のスペーサ層とを備える燃料電池スタックの模式的な断面図であり、（Ｂ）は（Ａ）の燃料電池スタックのより好ましい形態を示す模式的な断面図である。 本発明の燃料電池スタックの好ましい一例を示す斜視図、上面図および側面図であり、（Ａ）がその斜視図であり、（Ｂ）がその上面図であり、（Ｃ）がその側面図である。 本発明の燃料電池スタックの好ましい一例を示す斜視図、上面図および側面図であり、（Ａ）がその斜視図であり、（Ｂ）がその上面図であり、（Ｃ）がその側面図である。 本発明の燃料電池スタックの好ましい一例を示す斜視図、上面図および側面図であり、（Ａ）がその斜視図であり、（Ｂ）がその上面図であり、（Ｃ）がその側面図である。 本発明の燃料電池スタックの好ましい一例を示す斜視図、上面図および側面図であり、（Ａ）がその斜視図であり、（Ｂ）がその上面図であり、（Ｃ）がその側面図である。 （Ａ）本発明の燃料電池スタックとそれを覆う筐体とを示した斜視図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示される燃料電池スタックを筐体で覆ったものを燃料電池層の積層方向に切断した断面図である。 本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の一例の積層方向の面の断面図である。 本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の一例の積層方向の面の断面図である。 本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の一例の積層方向の面の断面図である。 本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の一例の積層方向の面の断面図である。 本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の一例の積層方向の面の断面図である。 本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の一例の積層方向の面の断面図である。 本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の一例の積層方向の面の断面図である。 本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の一例の積層方向の面の断面図である。 図２１に示した燃料電池スタックに対し、さらに燃料電池層とスペーサ層とをさらに積層させたものである。 （Ａ）本発明の燃料電池スタックを構成する燃料電池層１層を真上から見た上面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示される燃料電池層のうちのカソード集電体貫通孔とアノード集電体貫通孔とを含む面で切断した断面図である。 （Ａ）本発明の燃料電池スタックを真上から見た上面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）に示される燃料電池スタックにおいて、カソード集電体貫通孔とアノード集電体貫通孔とを含む面で切断した断面図である。 （Ａ）本発明の燃料電池スタックを備える電子機器の一面を示す概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大した概略断面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。 （Ａ）本発明の燃料電池スタックを備える電子機器の一面を示す概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大した概略断面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。 （Ａ）本発明の燃料電池スタックを備える電子機器の一面を示す概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大した概略断面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。 （Ａ）実施例で作製された燃料電池スタックの上面図であり、（Ｂ）は、その断面図である。 （Ａ）実施例の燃料電池スタックに用いられる燃料流路形成材の形状を示す上方図であり、（Ｂ）実施例の燃料電池スタックに用いられるアノード集電体の形状を示す上方図であり、（Ｃ）実施例の燃料電池スタックに用いられるカソード集電体の形状を示す上方図である。 （Ａ）実施例で作製された燃料電池スタックの電流―電位曲線を測定して得られた結果を示すグラフであり、（Ｂ）実施例で作製された燃料電池スタックの体積出力密度を測定して得られた結果を示すグラフである。 （Ａ）本発明の燃料電池スタックを備える電子機器の一面を示す概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大した概略断面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。 （Ａ）実施例の燃料電池スタックに用いられる燃料流路形成材の形状を示す上方図であり、（Ｂ）実施例の燃料電池スタックに用いられるアノード集電体の形状を示す上方図であり、（Ｃ）実施例の燃料電池スタックに用いられるカソード集電体の形状を示す上方図である。 （Ａ）実施例で作製された燃料電池スタックの電流―電位曲線を測定して得られた結果を示すグラフであり、（Ｂ）実施例で作製された燃料電池スタックの体積出力密度を測定して得られた結果を示すグラフである。 （Ａ）本発明の燃料電池スタックを備える電子機器の一面を示す概略断面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大した概略断面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。 （Ａ）比較例の燃料電池スタックに用いられる燃料流路形成材の形状を示す上方図であり、（Ｂ）比較例の燃料電池スタックに用いられるアノード集電体の形状を示す上方図であり、（Ｃ）比較例の燃料電池スタックに用いられるカソード集電体の形状を示す上方図である。 （Ａ）比較例で作製された燃料電池スタックの電流―電位曲線を測定して得られた結果を示すグラフであり、（Ｂ）比較例で作製された燃料電池スタックの体積出力密度を測定して得られた結果を示すグラフである。
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
＜（１）燃料電池スタック＞
（実施の形態１）
以下においては説明の便宜上、燃料としてメタノール水溶液を用い、酸化剤として空気を用いた場合を説明することもあるが、これらの燃料および酸化剤に限定されるものではない。
すなわち、燃料としては、気体燃料および液体燃料のいずれをも用いることができるが、液体燃料を気化して気相供給して用いてもよい。このような気体燃料としては、水素、ＤＭＥ、メタン、ブタン、アンモニア等を挙げることができる。また、液体燃料としては、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメトキシメタン等のアセタール類、ギ酸等のカルボン酸類、ギ酸メチル等のエステル類、ヒドラジン等およびこれらの水溶液を挙げることができる。燃料はこれら１種の気体燃料および液体燃料に限定されるものではなく、２種以上の混合物を用いてもよい。
これらの燃料の中でも、体積あたりのエネルギー密度が優れているという点から液体燃料のメタノール水溶液を用いることが好ましい。
また、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる酸化剤としては、酸素、過酸化水素、硝酸等を挙げることができる。ただし、酸化剤のコストの点から、空気中の酸素を用いることが好ましい。
図１は、本実施の形態の燃料電池スタックの好ましい一例を示す斜視図、上面図および側面図であり、図１（Ａ）がその斜視図であり、図１（Ｂ）がその上面図であり、図１（Ｃ）がその側面図である。
本実施の形態の燃料電池スタック１は、図１に示されるように、４層の燃料電池層１００と３層のスペーサ層２００とが交互に積層してなるものであって、当該燃料電池層１００はいずれも５つの複合単位電池１０を同一平面内に隙間１１を設けて平行に配置されてなるものである。ここで、複合単位電池１０とは、２つの単位電池（図示せず）と、当該単位電池のアノード極（図示せず）に燃料を供給するための１つの燃料供給部とを含むものであって、２つの単位電池のアノード極が、１つの燃料供給部に対向するように配置されたものである。ここで、燃料供給部とは、たとえば燃料タンクに保持された燃料をアノード極に供給するための部位である。
一方、スペーサ層２００はいずれも５つのスペーサ２０を同一平面内に隙間２１を設けて平行に配置されるものであり、各スペーサ２０は、複合単位電池１０と直交するように配置されている。燃料電池層１００に形成される複合単位電池間の隙間１１とスペーサ層２００に形成されるスペーサ間の隙間２１とはいずれも直方体形状である。
このように各複合単位電池と各スペーサとを配置することにより、各複合単位電池の隙間１１とスペーサ２０とが接する面積は同一面積となる。また、各複合単位電池１０の高さも等しいので、複数の隙間１１は同じ空間体積を有している。さらに、燃料電池層の積層方向に対する任意の垂直方向の断面において、複合単位電池間の隙間１１の断面積は等しい。
なお、本発明の燃料電池スタックは、図１に示される構造のもののみに限られるものではなく、２層以上の燃料電池層を含むものであって、当該燃料電池層のうちの少なくとも１層が、２つ以上の複合単位電池を同一平面内に隙間を設けて配置されてなるものであればいかなる構造のものも本発明の範囲に含まれ、スペーサ層２００を含んでいなくてもよい。
なおまた、本実施の形態においては、２つの単位電池のアノード極が燃料供給部に対向するように配置する場合を説明するが、３つ以上の単位電池のアノード極が燃料供給部に対向するように配置してもよいことは言うまでもない。すなわち、複数の単位電池のアノード極が燃料供給部に対向するように設けられる複合単位電池である限り、本発明の範囲を逸脱しない。
ただし、燃料電池層１００を構成する単位電池のカソード極に安定して酸素を供給するという観点から、本発明の燃料電池スタックは、燃料電池層１００とスペーサ層２００とを交互に積層することが好ましく、当該スペーサ層２００は２以上のスペーサ２０により構成されたものであることがより好ましく、さらに好ましくはスペーサ層２００を構成する２以上のスペーサ２０が互いに同一方向に隙間２１を設けて平行に配置されてなるものである。このようにスペーサ層２００を含む場合、必ずしも図１に示されるような順序で積層される必要はなく、たとえば燃料電池スタックを構成する各層のうちの最下層および最上層のいずれか一方もしくは両方にスペーサ層２００を形成してもよい。なお、燃料電池層１００とスペーサ層２００とは必ずしも交互に積層する必要はなく、燃料電池層１００またはスペーサ層２００が連続して積層してもよいことは言うまでもない。
なお、以下においては、燃料供給部として燃料流路を用いて燃料を供給する場合を説明するが、燃料を供給する手段は、燃料流路を用いることのみに限定されるものではなく、たとえば燃料に対し毛細管現象を示す材料からなる燃料輸送部材によって燃料を供給してもよい。燃料輸送部材は、親水性の多孔質体からなるものであり、これによる燃料供給は後述する。
従来の燃料電池スタックでは、燃料流路に対して片方の面のみに単位電池を配置する構造（以下、「片面単位電池構造」とも称する）のものにより燃料電池層１００を構成していた。しかし、本実施の形態の燃料電池スタックでは、燃料電池層１００のうちの少なくとも１層に、２つ以上の複合単位電池を同一平面内に隙間を設けて配置されてなるものを採用することを特徴とする。このような複合単位電池１０を適用することにより、従来１つの単位電池に対し１つの燃料流路を形成していたものを、２つの単位電池に対し１つの燃料流路にすることができる（すなわち２つの燃料流路を１つに共通化することができる）ことから薄型化され、燃料電池スタックの出力密度をより高めることができる。
図２は、本実施の形態の燃料電池スタックと、従来の燃料電池スタックとの構造の相違を説明する断面図であり、図２（Ａ）は、従来の燃料電池スタックに用いられる燃料電池層を示す断面図であり、図２（Ｂ）は、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる燃料電池層を示す断面図である。なお、図２は、従来の燃料電池スタックと本実施の形態の燃料電池スタックとの構造の相違を的確に把握するため、いずれも４つの単位電池５０を含む燃料電池スタックを示している。
本実施の形態の燃料電池スタックのように複合単位電池１０を用いて燃料電池層１００を形成することにより（図２（Ｂ））、従来の燃料電池スタックの４層分の燃料電池層１００ａの電極面積を、２層の燃料電池層で達成することができる。
このような構造とすることにより、２つの単位電池５０が１つの燃料流路４１を共通して利用することができるようになり、燃料流路４１の個数を半分（すなわち図２では４個から２個）に削減することができる。しかも、スペーサ層も共通して利用することができるようになることから、図２においてはスペーサ層を３層から１層へと削減することができる。このように燃料流路４１とスペーサ層とを削減することにより、従来と同等の電極面積を有しながら、大幅に燃料電池スタックを薄型化（図２においては幅Ｄで示した分）することができる。
しかも、図２には示されていないが、上述のように燃料流路４１の数が減った分だけ燃料流路入口の数と、燃料流路出口の数とを減らすことができる。これにより、燃料カートリッジ等の燃料保持部から燃料流路入口までのチューブ、および燃料流路出口から燃料保持部までのチューブ等の燃料供給時の関連部品を削減することができる。そして、これらの部材を削減することにより、さらに燃料電池スタックを小型化および軽量化するとともに、燃料電池スタックの製造コストを削減することもできる。
（燃料電池スタックの燃料供給）
本実施の形態の燃料電池スタックは、従来の燃料電池スタックよりも燃料電池層の数が減ることから、燃料流路４１の数自体も減らすことができる。これにより燃料流路４１に燃料を供給するときの圧力のムラ（背圧のムラ）を低減することができ、以って燃料流路４１に燃料をより均一に供給することができる。
さらに、１つの燃料流路に対して、その表裏の両面に配置される単位電池５０のアノード極に同量の燃料を供給することができる。よって、本実施の形態の燃料電池スタックは、従来の燃料電池スタックのように各燃料流路に１つずつの単位電池が設けられている構造と対比しても、各単位電池のアノード極に均一に燃料を供給することができる。このように各燃料電池層の燃料流路４１に対して燃料を均一に供給することにより、各複合単位電池における燃料のクロスオーバー量、単位電池の出力および発熱量のばらつきを小さくすることもできる。これらのばらつきを抑制することにより燃料電池スタックの出力の安定性を向上させることができる。
燃料電池スタック内の燃料供給の不均一性についてさらに具体的に説明すると、たとえ全く同じ工程により燃料電池層を作製したとしても、各燃料電池層は燃料流路４１の溝深さおよび溝幅にばらつきがある他、燃料電池スタックを使用したときの各燃料電池層の温度上昇にもばらつきがあるため、複数の燃料電池層の燃料流路４１に均一に燃料を供給することは困難である。
すなわち、他の燃料電池層と対比して燃料流路の溝深さが浅い燃料電池層がある場合、他の燃料電池層と対比して燃料流路４１の溝幅が短かい燃料電池層がある場合、各燃料電池層ごとに温度が異なることによりクロスオーバー量が異なる場合等、燃料流路４１に燃料を供給するときに必要な圧力はそれぞれの燃料電池層の燃料流路４１により異なったものとなる。これは、燃料電池層が多く燃料流路４１が長いほど、燃料電池層の間での燃料供給に必要とされる圧力のばらつきの大きさは顕著となる。
しかしながら、本実施の形態のように燃料電池スタックを構成することにより、燃料流路４１の数を減らすことができるため、これらの燃料供給に必要な圧力のばらつきを抑制することができ、結果として特定の燃料電池層にかかる負荷（たとえば熱、過電圧等による負荷）を抑えることができ、局所的な燃料電池スタックの劣化を防止することができる。
（燃料電池スタックの空気供給）
各燃料電池層に含まれる複合単位電池の表裏のカソード極への空気供給は、燃料電池スタックの表面の少なくとも一部を開放し、当該開放した部分から大気中の空気を流入することにより行なわれるか、またはエアポンプ、ファン等の補機を用いて空気を流入することにより行なわれる。いずれの方法により空気を供給する場合であっても、複合単位電池１０の間に設けられた隙間１１、およびスペーサ２０の間に設けられた隙間２１を通じて、燃料電池スタックに含まれる各複合単位電池のカソード触媒層に空気を供給することができる。
図３は、従来の燃料電池スタックの片面単位電池構造の空気供給の経路（図３（Ａ））と、本実施の形態の燃料電池スタックの複合単位電池構造の空気供給の経路（図３（Ｂ））とを対比して示した断面図である。図３は、燃料電池スタックの断面を示しており、燃料電池スタックの上面および下面から供給される空気の供給経路４５を矢印により概略的に示している。なお、本実施の形態の燃料電池スタックは、空気が三次元的に供給される構造であるため、必ずしも表記した経路のみにより空気が供給されるわけではない。
本実施の形態の燃料電池スタックは、図３に示されるように、従来の燃料電池スタックよりも構成部材が共通化および取り除けることから薄型化され、酸素が潤沢な外部雰囲気と単位電池５０のカソード極との距離が短くなっており、より効率的に単位電池５０のカソード極に酸素を供給することができる。
一方、従来の燃料電池スタックは、燃料電池層における単位電池のカソード極が片面であるため、燃料電池スタックを設置する向きにより、すなわちカソード極の向きを上方に配置するか、もしくは下方に配置するかによりカソード極への空気の供給し易さが異なっていた。
しかしながら、本実施の形態の燃料電池スタックのように燃料流路４１の両面に単位電池５０のアノード極が対向する構造にすることにより、燃料電池スタックを設置する向きが上方および下方のいずれであってもその配置する向きに関係なく温められた空気を燃料電池スタックの上部から排出するとともに、燃料電池スタックの側方および下方から空気を取り込むことができることから、燃料電池スタックの配置の自由度を大きく改善することができる。
（燃料電池スタックの空気拡散）
図４は、本実施の形態の燃料電池スタックの複合単位電池構造の熱対流により生じる空気拡散の経路を示した図であり、実線で示す矢印は熱拡散による空気の拡散経路４６を示しており、点線で示す矢印は空気の供給経路４５を示している。本実施の形態の燃料電池スタックのような構造にすることにより、熱対流により生じる空気拡散を効率的に行なうことができる。
より具体的に説明すると、燃料電池スタック内で生じる熱は、アノード極で発電することにより生じる他、クロスオーバーした燃料がカソード極で反応することにより生じる。これらの熱により燃料電池スタック内に上昇気流が生じ、燃料電池スタック内の空気が下方から上方に押し出されることにより燃料電池スタック内で熱拡散が起こり、燃料電池スタックの側面となる４つの面や底面から外部雰囲気の空気を取り込むことができる。このため、複合単位電池１０を構成する２つの単位電池５０のうち下方に位置する単位電池５０の方が空気を供給しやすい。
また、燃料電池層に含まれる複合単位電池のカソード極と外部雰囲気との距離が短くなることにより、カソード極の反応で生じる生成水を蒸散するための水蒸気の拡散距離も短くなる。これにより従来よりも燃料電池スタック内の水蒸気の分圧を低く保持することができるとともに、酸素分圧を高く保持することができ、ファン等の補器を用いて酸素を供給しなくてもよい。
＜燃料電池層＞
以下に、図１を用いて本実施の形態の燃料電池スタックを構成する各構成部材を説明する。
本実施の形態の燃料電池スタック１は、２層以上の燃料電池層１００が積層されてなるものであり、燃料電池層１００において発電反応が行なわれる。各燃料電池層１００は、１つの大面積単位電池からなるものであってもよいし、２以上の単位電池（図示せず）を含むものであってもよいし、１または２以上の複合単位電池１０を含むものであってもよい。ただし、燃料電池スタックを構成する燃料電池層１００のうちの少なくとも１層は、２以上の複合単位電池１０が同一平面内に隙間１１を設けて配置されてなるものであることを特徴とする。
このように燃料電池層１００のうちの少なくとも１層に２以上の複合単位電池１０が隙間を設けて配置されることにより、従来１つの単位電池に対し１つの燃料流路を形成していたものを、２つの単位電池に対し１つの燃料流路を形成することができる（すなわち２つの燃料流路を１つに共通化することができる）ことから、薄型化することができ、燃料電池スタック１の出力密度をより高めることができる。
なお、燃料電池スタックの出力密度を高めるという観点からすれば、燃料電池スタックを構成する燃料電池層のうち、可能な限り多くの燃料電池層において２以上の複合単位電池１０が隙間を設けて配置されてなるものであることが好ましいことは言うまでもない。
＜複合単位電池＞
本実施の形態において、複合単位電池１０とは、２つの単位電池と、当該単位電池のアノード極に燃料を供給するための燃料流路とを含むものであって、２つの単位電池のアノード極は燃料流路に対向するように配置された構造のものである。
本実施の形態の燃料電池層１００に含まれる複合単位電池１０は、燃料電池層１００内で長手方向を有する形状（以下においては「短冊形状」とも称する）であることが好ましく、より好ましくは直方体形状である。複合単位電池１０に短冊形状のものを用いることにより、複数のスペーサ２０を隙間１１上に安定して積層することができるため、燃料電池スタックの積層構造をより簡易に構築することができる。
また、燃料電池層１００内において、２つ以上の複合単位電池１０は、その複合単位電池１０の長手方向に一定の隙間を設けて配置されることが好ましく、さらに一定の隙間１１を設けて平行に配置されることがより好ましい。
＜スペーサ層＞
本実施の形態の燃料電池スタック１は、各燃料電池層１００の間にスペーサ層２００を有することが好ましい。このようにスペーサ層２００を含むことにより、燃料電池層１００に含まれる単位電池のカソード極に空気中の酸素を効率的に供給することができることを以って、燃料電池スタック１の発電効率を向上させることができる。
当該スペーサ層は１または２以上のスペーサ２０により構成されることが好ましい。スペーサ層が２以上のスペーサ２０により構成される場合、各スペーサ２０は、スペーサ層２００内で同一平面内に隙間を設けて配置されてなるものであることが好ましい。
＜スペーサ＞
本実施の形態において、スペーサ２０とは、各燃料電池層１００間に備えられるものであって、各燃料電池層１００の複合単位電池１０のカソード極に空気を供給しやすくするためのものである。
スペーサ層２００を構成するスペーサ２０は、いずれも短冊形状であることが好ましく、より好ましくは直方体形状である。スペーサ２０を短冊形状にすることにより、スペーサ２０の隙間２１上に安定して複数の複合単位電池１０を積層することができるため、本実施の形態の燃料電池スタック１の積層構造を構築しやすい。
また、同一のスペーサ層２００におけるスペーサ２０の長手方向に配置されることが好ましく、しかも各スペーサ２０は一定の隙間２１をおいて平行に配置されることがより好ましく、さらに好ましくはスペーサ層２００を構成するスペーサ２０が複合単位電池１０と直交するように配置することである。
本実施の形態の燃料電池スタックにおいて、隣接する２層の燃料電池層１００が複合単位電池構造のものであり、かつその２層の燃料電池層１００の間にスペーサ層２００を含む場合、スペーサ層２００を構成するスペーサ２０は、その表層が不導体のものを用いることが好ましい。これは、スペーサ２０の表面が導電性を有しているものを用いると、隣接する燃料電池層１００に含まれる複合単位電池１０のカソード極同士が導通してしまうこととなり、燃料電池スタックが発電装置として成り立たなくなるからである。
また、上記スペーサ２０は、少なくともその厚み方向に絶縁性を有していてもよい。このようなスペーサ２０も、隣接する燃料電池層１００に含まれる複合単位電池１０のカソード極同士の導通を回避することができる。
また、上述のスペーサ２０は、多孔質体を用いることが好ましい。従来の燃料電池スタックに用いられるスペーサ２０は、発電効率を高めるという観点から電気抵抗の小さいものを用いる必要があり、多孔質体に導電性を付与した上で押し付け圧等を強くしてスペーサの空孔率が低いものを用いていた。
しかしながら、本実施の形態の燃料電池スタックは、スペーサに導電性を付与する必要がないことから、空孔率の高い多孔質体を用いることができる。これによりスペーサ内部の空気（空気中に含まれる酸素）の拡散抵抗を低くすることができ、以ってカソード極に含まれるカソード触媒層に十分量の空気を供給することができる。
このようなスペーサ２０の材質としては、メッシュ状、織布状、不織布状、発泡体および焼結体からなる群より選択される１種以上を含むものを挙げることができる。
ところで、複合単位電池を構成する電解質膜としてフッ素系の材料を用いる場合、燃料のクロスオーバーが起こりやすくなる。これにより燃料がカソード極で酸化されてカソード極周辺で水を生成する反応が起こる。そして、当該水がカソード極を被覆することにより、カソード極への酸化剤の供給を妨げる現象（以下においては「フラッディング現象」とも称する）が生じ、カソード極での酸化剤の還元反応が妨げられることとなり、以って燃料電池スタックの発電効率が低下するという問題が一般に知られている。
そこで、上記のフラッディング現象を防止するという観点から、スペーサ２０に用いられる材質は、親水性の多孔質体を用いることが好ましい。スペーサ２０に多孔質体を用いることにより、スペーサ２０がカソード極で生成した水を吸い出し、フラッディング現象が生じることを抑制することを以って、燃料電池スタックの発電効率の低下を抑制することができる。
このようなスペーサ２０を構成する材料としては、ポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinyliDenFluolide）、ＰＴＦＥ（PolyTetraFluoroEthylene）、ＰＥＥＫ（登録商標）等のように耐酸性および耐薬品性に優れた樹脂、またはコットン、ポリエステル等のように表面が親水性の多孔質体である高分子の不織布、または酸化チタン、シリカ、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の金属酸化物表面だけに親水性の高分子を塗布もしくは修飾するあるいは親水性高分子フィルムを付属させた金属−高分子複合体、または多孔質セラミックを挙げることができる。
また、燃料電池スタック内の放熱性を高めるという観点から、スペーサ２０の材料には、酸化物により絶縁した、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の金属酸化物多孔質体、金属多孔質体の表面に親水性の高分子を塗布または修飾するまたは親水性高分子フィルムを付属させることにより絶縁した金属−高分子複合体、もしくは多孔質セラミックを挙げることができる。これらの材質を用いたスペーサ２０による、燃料電池スタック内の放熱性向上の手法については後述することとする。
また、スペーサ２０の厚みは、特に限定されないが、空気供給のための隙間を確保し、かつ強度を保つという観点から０．２ｍｍ以上であることが好ましく、燃料電池スタックの薄膜化および小型化の観点から２ｍｍ以下であることが好ましい。０．２ｍｍ未満であると、空気供給のための隙間を十分に確保することができず、また強度を保つことができない場合がある。一方、２ｍｍを超えると、燃料電池スタックが大型化してしまい、所期の目的を逸脱することになりかねない。
＜複合単位電池およびスペーサ＞
本実施の形態の燃料電池スタック１において、燃料電池層１００の複合単位電池１０のカソード極で生じる水をスペーサに効率的に吸水させるという観点から、燃料電池層とスペーサ層との接触が十分な箇所と、不十分な箇所とが生じてしまうことは好ましくない。このため１層の燃料電池層内における各複合単位電池１０の高さ（すなわち燃料電池層１００の厚み）は等しいことが好ましく、同様に同一のスペーサ層における各スペーサ２０の高さ（すなわちスペーサ層２００の厚み）も等しいことが好ましい。
さらに、１層の燃料電池層１００に含まれる各複合単位電池１０の形状は、それぞれ同一であることが好ましく、１層のスペーサ層２００に含まれる各スペーサ２０の形状も同様にそれぞれ同一であることが好ましい。ここで、「形状が同一」とは、１層の燃料電池層に含まれる各複合単位電池の形状が厳密に同一である場合のみに限られるものではなく、１層の燃料電池層に含まれる各複合単位電池のうちの最大のものの外形（ここでの「外形」とは、幅、高さおよび長さのことを意味する）と最小のものの外形との差が±０．２５ｍｍ以内である場合にも、各複合単位電池の形状はすべて同一であるものとみなす。
１層のスペーサ層に含まれる各スペーサの外形も上述した複合単位電池の外形の規定と同様に、１層のスペーサ層に含まれる各スペーサの形状がそれぞれ、厳密に同一である場合のみに限られるものではなく、１層のスペーサ層に含まれる各スペーサのうちの最大のものの外形と最小のものの外形との差が±０．２５ｍｍ以内である場合にも、スペーサ層に含まれる各スペーサの形状はすべて同一であるものとみなす。
このように各複合単位電池および各スペーサのすべての形状を同一にすることにより、それぞれの複合単位電池の形状の違いによる燃料電池層の特性のばらつきを抑えることができる。また、このような同一の形状の複合単位電池および同一の形状のスペーサはそれぞれ１つの製造プロセスで製造することができることから、これらの製造コストを低減することができる。
＜燃料電池スタックの積層構造＞
本実施の形態の燃料電池スタックの積層構造は、図１に示されるように燃料電池層１００を構成する複合単位電池１０の長手方向と、スペーサ層２００を構成するスペーサ２０の長手方向とが直交するように、燃料電池層上に積層されていることが好ましい。このような構成にすることにより、燃料電池層１００の複合単位電池１０の間の隙間１１の上面の一部は、スペーサ層２００を構成するスペーサ２０と接することとなる。
このように燃料電池層１００とスペーサ層２００とを積層することにより、燃料電池層１００の積層方向からみたとき、各複合単位電池１０間の隙間１１および各スペーサ２０間の隙間２１は、直方体形状となりそれぞれ直交して配列される。図１（Ｂ）に示されるように複合単位電池１０とスペーサ２０との交差領域を除いては、複合単位電池１０およびスペーサ２０はそれぞれ接することなく形成されている。複合単位電池１０およびスペーサ２０を直交して配列することにより、交差領域の内部までの空気の拡散距離が短くなることから、交差領域のカソード極にも空気を供給することができる。
図１に示される燃料電池スタックを構成する燃料電池層１００の隙間１１とスペーサ層２００の隙間２１とは、３次元的に連通して形成されており、しかも、すべての隙間（図１の燃料電池スタックにおいては、４本の隙間１１および４本の隙間２１）は連通している。このような構成にすることにより、燃料電池スタック内に入った空気を、連通した隙間を通して燃料電池スタックの内部まで、自然対流または拡散により供給することができる。
すなわち、発電に起因する熱により燃料電池スタック内の空気が温められ、対流により連通した隙間を通って外部へ放出され、燃料電池スタックの側面や下面から空気が効率的に吸入される。これにより燃料電池スタック内での空気を自然拡散しやすくなる。したがって、空気供給のためのエアポンプ、ファン等の補機を用いなくてもよくなり、燃料電池スタックを小型化することができる。
また、エアポンプ、ファン等の補機を備える場合においても、燃料電池スタック内部まで空気を供給するために必要な風力を低減させることができる。これにより補機の消費電力を低減するとともに、補機を小型化することもできる。また、燃料電池スタックを電子機器に搭載し、たとえば燃料電池スタックの上面および下面が塞がれた場合であっても、側面から空気の排出および吸入を行なうことができる。
＜隙間＞
図１に示される燃料電池スタックにおいて、燃料電池層１００内に配置される複合単位電池１０同士の隙間１１と、スペーサ層２００内に配置されるスペーサ２０同士の隙間２１とは、いずれも空気が拡散または自然対流により通過できる間隔を有していれば特に限定されることなくいかなる間隔の長さとすることもできるが、複合単位電池同士の隙間１１およびスペーサ同士の隙間２１は、０．００１ｃｍ以上１ｃｍ以下であることが好ましく、０．０５ｃｍ以上０．２ｃｍ以下であることがより好ましい。複合単位電池同士の隙間１１およびスペーサ同士の隙間２１が０．００１ｃｍ未満であると単位電池のカソード極に空気を十分に供給できない虞があり、１ｃｍを超えると燃料電池スタックが大きくなるため、その出力密度が低下する虞がある。
また、複合単位電池同士の隙間１１およびスペーサ同士の隙間２１は、等間隔であることが好ましい。ただし、ここでの「等間隔」とは、複合単位電池１０同士の隙間１１およびスペーサ２０同士の隙間２１が厳密に等間隔である場合はもちろん、すべての隙間１１，２１の平均値に対する誤差が±０．２５ｍｍ以内にある場合も等間隔であるものとみなす。
このように複合単位電池同士の隙間１１およびスペーサ同士の隙間２１を等間隔にすることにより、燃料電池スタック１内で局所的に空気不足になる箇所が発生することを抑制することができる。これにより複合単位電池１０の発電において局所的な過電圧が生じることを防止することができるとともに、局所的に廃熱しにくくなり高温になる箇所が生じないようにすることができる。
このように局所的に高熱となる箇所が生じることを防止することにより、燃料電池の出力特性の劣化を抑制することができる。また、アノード触媒層およびカソード触媒層に含まれる触媒金属が溶解する程度の過電圧がかかって触媒金属が劣化することにより、燃料電池スタックの出力特性が劣化することを抑制することもできる。これらの相乗効果により燃料電池スタックを長寿命なものにすることができる。
＜燃料電池スタックの燃料供給＞
本実施の形態の燃料電池スタックにおいて、各燃料電池層の燃料流路への燃料の供給は、燃料ポンプ等の補器を用いて燃料を供給してもよいし、燃料ポンプ等の補器を用いずに燃料を供給してもよい。燃料ポンプ等の補器を用いて燃料を供給する場合は、燃料流路の入口および出口と、燃料ポンプまたは燃料カートリッジとは、シリコンチューブ等の細管により繋がれる。
図５（Ａ）は、補器を用いて各燃料電池層に燃料を供給する場合の燃料電池スタックを上面から見た図であり、図５（Ｂ）は、当該燃料電池スタックを側面から見た図である。図５を参照しつつ、燃料ポンプ等の補器を用いた場合の燃料電池スタックの燃料流路の形状を説明する。
燃料ポンプ等の補器を用いて各燃料電池層に燃料を供給する場合、燃料流路と燃料カートリッジとの接続を簡易にするという観点から、燃料流路形成材４０に各複合単位電池の燃料流路４１が連通し、燃料流路入口４２から燃料流路出口４３までが連続した蛇型（以下においては「サーペンタイン状」と称することもある）の燃料流路４１を形成することが好ましい。
このようにサーペンタイン状の燃料流路４１を形成することにより、１つの燃料電池層内の燃料流路入口４２および燃料流路出口４３の数をそれぞれ１つずつにすることとなり、燃料流路入口４２および燃料流路出口４３の数を少なくすることができる。これによりシリコンチューブ等の細管の数を減らすことができ、これに加えて燃料流路入口４２および燃料流路出口４３と細管との接続回数を減らすこともできる。
なお、図５においては各燃料電池層に対し、１本の燃料流路４１が形成された構造のものを図示しているが、燃料流路４１の数は必ずしも１本である必要はなく複数本設けていてもよい。
一方、図６（Ａ）は、補器を用いないで各燃料電池層に燃料を供給する場合の燃料電池スタックを上面から見た図であり、図６（Ｂ）は、その燃料電池スタックを側面から見た図である。
燃料ポンプ等の補器を用いないで各燃料電池層の燃料流路に燃料を供給する方法として、毛管現象等を用いて燃料流路内に燃料を輸送する手段を挙げることができる。毛管現象は燃料の輸送距離（拡散距離）が長いほど燃料の拡散速度が遅くなるため、輸送距離の長いサーペンタイン状の燃料流路は適していない。したがって、図６に示される燃料流路４１のように、各複合単位電池ごとに長手方向を有する燃料流路４１を形成することが好ましい。
このように燃料流路４１を形成することにより、各燃料電池層あたりの燃料流路入口４２の数が増えてしまうこととなる。しかし、各燃料流路入口４２に対し燃料カートリッジ等の燃料保持部を直接接触させるだけで、毛管現象により燃料保持部から燃料流路４１に燃料供給を行なうことができることから、燃料カートリッジと燃料流路入口４２との間に燃料ポンプ等を挟まなくてもよいという利点がある。
また、図６においては各々の複合単位電池に対し、１本の燃料流路を形成した構造の例を図示しているが、１つの複合単位電池に対する燃料流路の数は必ずしも１本である必要はなく複数本設けてもよいことは言うまでもない。
以下においては、燃料輸送部材８５を用いたときの燃料供給を述べる。図７（Ａ）は、燃料輸送部材を用いて各燃料電池層に燃料を供給する場合の燃料電池スタックを上面から見た図であり、図７（Ｂ）は、その燃料電池スタックを側面から見た図である。図７（Ａ）および（Ｂ）に示される形態では、燃料を保持するための燃料貯蔵室８７をさらに備え、燃料輸送部材８５の一端は、燃料貯蔵室８７に保持される燃料に接触される。
燃料貯蔵室８７に燃料が供給されると、燃料は、燃料輸送部材８５の燃料貯蔵室８７の一端から、燃料輸送部材８５が有する細孔に毛細管現象により移動する。移動した燃料は、毛細管現象により燃料輸送部材８５内を浸透し、燃料輸送部材８５の他端（燃料貯蔵室８７側とは反対側の端部）に行き渡る。
燃料輸送部材８５内を浸透して供給された燃料は、アノード集電体からアノード極に供給され、単位電池の消費電流量に応じて消費される。ここで消費された燃料を補なうように、燃料貯蔵室８７から燃料輸送部材８５に燃料が随時供給され続ける。このため、燃料輸送部材８５に含まれる燃料の濃度は略一定に保持され、高い電力を安定して供給することができる。
このように燃料貯蔵室８７中の燃料に対し燃料輸送部材８５を接触させるだけで、毛管現象により燃料輸送部材８５を通じてアノード極に燃料供給を行ない得る。このため、燃料カートリッジと燃料流路入口との間に燃料ポンプ等を挟まなくてもよいという利点があり、燃料電池スタックの小型化および軽量化に寄与し得る。なお、燃料輸送部材８５としては、親水性の多孔質体を用いるが、具体的には後述の実施の形態Ｈに示す。
＜燃料流路＞
従来の燃料電池スタックのように、１つの燃料流路から１つの単位電池に燃料が供給される場合、燃料電池スタックの温度が多少上昇しても、燃料カートリッジ内に含まれる室温程度の燃料を燃料流路に流すことにより燃料電池スタックの温度を低下させることができていた。
しかしながら、本実施の形態の燃料電池スタックでは、燃料電池層に複合単位電池を採用することにより１つの燃料流路が２つの単位電池に共通して用いられるようになった。このため、本実施の形態の燃料電池スタックは、１つの燃料流路の両方の面に備えた単位電池の発電により生じる発熱のために、従来の燃料電池スタックと比べて約２倍程度温度上昇しやすくなっている。
そして、燃料電池スタック内の温度が上昇するにつれて、電解質膜の燃料透過速度が大きくなり、燃料のクロスオーバー量が増大してしまう。そして、この燃料のクロスオーバーによりカソード触媒層に到達した燃料が直接空気と反応し、さらに燃料電池スタックの温度が上昇することとなり、これらの繰り返しにより燃料電池スタックが熱暴走する虞がある。また、燃料電池スタックが温度上昇することにより燃料電池スタックを搭載した電子機器を構成する部品等の劣化を早めることもある。
本実施の形態の燃料電池スタックにおいて、燃料カートリッジから燃料流路に燃料を供給する場合、燃料流路に供給する燃料の温度は、積極的に熱を加えて燃料を気化させるシステムを用いない限り室温程度である。燃料電池スタック内に室温程度の燃料を供給し、当該燃料の保持量を増やすことにより燃料電池スタックを冷やすことができる。
この方法は、燃料ポンプにより燃料流路内を流れる燃料を循環させる燃料電池システムにおいて特に有効であり、燃料が燃料流路を通過する際に燃料電池スタック内の熱を吸熱してから、燃料電池スタック外に排出されることにより、燃料が吸熱した熱を外部に放出することができる。
図８（Ａ）は、２層の燃料電池層とスペーサ層とを備える燃料電池スタックを示す模式的な断面図である。図８（Ｂ）に示される燃料電池スタックは、図８（Ａ）に示される燃料電池スタックのより好ましい形態を示す模式的な断面図である。なお、以下においては、燃料流路の燃料の流れる方向の面における、単位電池の積層方向を「深さ方向」とし、深さ方向に垂直な方向を「幅方向」と呼ぶものとする。
燃料流路４１内の燃料保持量を増やす方法としては、図８（Ｂ）に示されるように燃料流路形成材４０の厚みを厚くすることにより、燃料流路４１の深さを深くすることを以って燃料流路４１内の燃料保持量を増やすことができる。
また、燃料流路４１の幅を長くすることにより燃料流路４１内の燃料保持量を増やしてもよい。なお、燃料流路４１の幅を長くするときは、燃料流路形成材４０の幅を広げることなく燃料流路４１の幅を広げることが好ましい。これは、燃料流路形成材４０の幅を広くすると、燃料電池スタック内の複合単位電池１０間の隙間を小さくしてしまうこととなり、燃料電池スタック内の空気拡散に悪影響を及ぼす虞があるためである。
燃料流路４１の幅の長さＬ1と単位電池５０の幅の長さＬ2との関係Ｌ1／Ｌ2は、０．６以上であることが好ましい。Ｌ1／Ｌ2が０．６未満であると、単位電池５０の幅に対する燃料流路４１の幅が狭いことにより、燃料による燃料電池層の冷却効果を十分に得ることができないため好ましくない。
また、燃料流路４１の深さは、０．１ｍｍ以上であることが好ましい。燃料流路４１の深さが０．１ｍｍ未満の場合、燃料流路４１の深さが浅いため、燃料による燃料電池層の冷却効果を十分に得ることができなくなる。
また、燃料電池スタック内部の過昇温を解消する別の方法として、燃料流路４１の短辺方向の幅を短くし燃料電池間の隙間を広くすることにより電極面積を減らすことを以って、過昇温を抑制するという解決手段も考えられる。しかし、電極面積を減らすことは出力密度を向上させるという所期の目的に反するため好ましくない。
（実施の形態２）
図９は、本実施の形態の燃料電池スタックの好ましい一例を示す模式図であり、図９（Ａ）はその斜視図であり、図９（Ｂ）はその上面図であり、図９（Ｃ）はその側面図である。
本実施の形態の燃料電池スタックの構造は、たとえば図９に示されるような構造であってもよい。図９に示される燃料電池スタックは、その最下層の燃料電池層１００ａが複合単位電池１０ではなく単位電池１０ａにより構成されるものである。このように本実施の形態の燃料電池スタックは、その燃料電池層のうちの１層以上において単位電池１０ａが隙間を設けて配置される燃料電池層１００ａであってもよい。このような構造の燃料電池スタックは、燃料電池スタックの下面が電子機器と接する場合に好ましく用いられる。
図９の燃料電池スタックの最下層の燃料電池層１００ａを構成する片面単位電池構造の単位電池１０ａは、単位電池１０ａのカソード極がスペーサ２０と接し、アノード極がスペーサ２０と接する側とは反対側になるように配置されることが好ましい。このような構成にすることにより、燃料電池スタック１の下面（電子機器と接する面側）からの空気供給がなくとも良好にカソード極に空気を供給することができ、発電特性を良好なものにすることができる。
（実施の形態３）
図１０は、本実施の形態の燃料電池スタックの好ましい一例を示す模式図であり、図１０（Ａ）はその斜視図であり、図１０（Ｂ）はその上面図であり、図１０（Ｃ）はその側面図である。
本実施の形態の燃料電池スタックの構造は、たとえば図１０に示されるような構造であってもよい。図１０に示される燃料電池スタックは、その最下層の燃料電池層が、大面積単位電池からなる燃料電池層１００ｂを有する構造のものである。このように本実施の形態の燃料電池スタックは、燃料電池層のうちの１層以上が大面積単位電池により構成されていてもよい。当該燃料電池スタックは、実施の形態２の燃料電池スタックと同様に、その下面が電子機器と接する場合に好ましく用いられる形態である。
図１０に示される燃料電池スタックの最下層の燃料電池層１００ｂを構成する大面積単位電池は、そのカソード極がスペーサ２０と接し、アノード極がスペーサ２０と接する側とは反対側になるように配置されることが好ましい。このような構成にすることにより、燃料電池スタック１の下面（電子機器と接する面側）からの空気供給がなくとも大面積単位電池のカソード極に空気を供給することができ、発電特性を良好なものにすることができる。
本実施の形態の燃料電池スタックの場合、最下層の燃料電池層１００ｂは電極の面積が大きいため高い出力を得ることができる。しかしながら、当該燃料電池層１００ｂの発電により消費する空気中の酸素の量が多いため、当該燃料電池層１００ｂと接するスペーサ２０の厚みを厚くすることにより燃料電池層１００ｂ間の隙間を広くし、空気の供給しやすくすることが好ましい。
（実施の形態４）
図１１は、本実施の形態の燃料電池スタックの好ましい一例を示す模式図であり、図１１（Ａ）はその斜視図であり、図１１（Ｂ）はその上面図であり、図１１（Ｃ）はその側面図である。
本実施の形態の燃料電池スタックの構造は、たとえば図１１に示されるような構造であってもよい。図１１に示される燃料電池スタックは、スペーサ層が隙間を設けない大面積のスペーサ２０ａにより構成されるものである。すなわち、スペーサ層２００は、それが隣接する燃料電池層１００の全ての複合単位電池１０に接する１の大面積のスペーサ２０ａである。このように本実施の形態の燃料電池スタックは、隙間を設けない大面積のスペーサ２０ａからなるスペーサ層を用いて形成してもよい。
このように燃料電池スタック内に大面積のスペーサ２０ａを用いることにより、たとえば炭化水素系の電解質膜のように、燃料のクロスオーバー量が少なく、かつ生成水の保持性能が少ないものであっても、スペーサ層に十分量の水分を保持することができることから、電解質膜のドライアップを生じにくくすることができる。
スペーサに親水性の多孔質体を用いる場合、スペーサ層は図１のように隙間を設けて各スペーサを配置するよりも、大面積のスペーサ２０ａを用いる方がスペーサ層の生成水の保持性能を向上させることができる。このようにスペーサ層の生成水の保持性能を高めることにより、単位電池の電解質膜内にも水分を保持しやすくなり、電解質膜のプロトン伝導性を高めることができることを以って、各単位電池の発電抵抗を抑制することができる。
このような大面積のスペーサ２０ａは、その表面積が大きいことにより放熱性を高めることができる。このため、燃料電池スタックが高温になりにくく、燃料のクロスオーバーが発生するのを抑制することができる。また、大面積のスペーサ２０ａは、直方体形状のスペーサに比して熱容量が大きいことにより、複合単位電池１０の酸化還元反応で発生した熱を吸熱しやすくなる。
また、燃料電池スタックを連続的に使用すると、燃料電池スタックの中心部分ほど熱がこもり放熱しにくくなるが、大面積のスペーサ２０ａを用いることにより、中心部で熱くなった部分の熱を大面積のスペーサ２０ａの外側に導電させて、燃料電池スタック内の温度ムラを緩和することができる。
さらに、このような大面積のスペーサ２０ａは、複合単位電池１０を上下方向に強固に、かつ均一な圧力で固定することができる。このため、アノード極で発生する生成ガスにより複合単位電池の内圧が上昇し、それ自体が膨れたり、破壊されることを抑止することができる。
加えて、単位電池を構成するＭＥＡは、外部からの衝撃や刺激に弱いが、大面積のスペーサ２０ａを用いることにより、ＭＥＡに直接的に危害が及ばないように、ＭＥＡを保護する機能もある。
（実施の形態５）
図１２は、本実施の形態の燃料電池スタックの好ましい一例を示す模式図であり、図１２（Ａ）はその斜視図であり、図１２（Ｂ）はその上面図であり、図１２（Ｃ）はその側面図である。
本実施の形態の燃料電池スタックの構造は、たとえば図１２に示されるような構造であってもよい。図１２に示される燃料電池スタックは、複合単位電池１０間の隙間を保持するための隙間保持材３０を設ける構造のものである。本実施の形態において隙間保持材３０の材質は、導電性を有しない材料であれば特に限定はされることなくいかなるものを用いることもできる。なお、図１２に示される燃料電池スタックの場合、複合単位電池１０を同一平面内に含む層を燃料電池層１００ｄとみなすものとする。したがって、本実施の形態の燃料電池スタックは、４層の燃料電池層からなるものである。
本実施の形態の燃料電池スタックは、スペーサ層を設けることなく、隙間保持材３０により複合単位電池１０に含まれる２つの単位電池のカソード極に空気を供給することを以って、各複合単位電池１０の出力密度を向上させることができる。本実施の形態の燃料電池スタックは、空気の拡散を妨げるものがないために空気供給を良好に行なうことができる。ただし、複合単位電池の出力密度を向上させるために燃料電池層間の隙間を狭くしすぎると、各単位電池のカソード極に空気を十分供給することができなくなる虞があるため好ましくない。
（実施の形態６）
図１３（Ａ）は、燃料電池スタックとそれを覆う筐体とを示した斜視図であり、図１３（Ｂ）は、燃料電池スタックを筐体で覆ったものを燃料電池層の積層方向に切断した断面図であり、矢印４９は熱の流れ方向を記載している。
本実施の形態の燃料電池スタックは、筐体９０により覆われた構造を有するものである。本実施の形態の燃料電池スタックは、スペーサ層に含まれるスペーサに、伝熱性が高い多孔質体を用いることにより、複合単位電池で発生した熱をスペーサを介して外部（もしくは筐体）に熱を逃がすことができ、以って燃料電池スタックの温度上昇を抑制することができる。
このようなスペーサ２０の材質としては、酸化物により絶縁した、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の金属酸化物多孔質体、金属多孔質体の表面に親水性の高分子を塗布または修飾するまたは親水性高分子フィルムを付属させることにより絶縁した金属−高分子複合体、もしくは多孔質セラミックを挙げることができる。
複合単位電池で発生した熱をスペーサを介して外部（もしくは筐体）に熱を逃がす方法としては、スペーサ２０の材質を熱伝導性の高いものにするのみに限られるものではなく、多孔質体であるスペーサ２０の空孔率を低減することにより、多孔質体内の熱伝導材料の密度を高くし、複合単位電池との接触面積を増大させることを以って、熱伝導性を向上させる方法もある。このようなスペーサに用いられる多孔質体の空孔率は４０％以上９０％以下であることが好ましく、６０％以上８０％以下であることがより好ましい。４０％未満であると、カソード極への空気供給の観点から好ましくなく、９０％を超えると、熱伝導性が低いことから好ましくない。
図１３に示されるように、スペーサ２０を通して筐体９０に熱を伝導し、筐体９０を通じて矢印４９で示される方向に向かって効率的に外部に熱を放出され、燃料電池スタック内の温度上昇を抑制することができる。燃料電池スタックに効率よく空気供給を行なうために、スペーサ２０は、複合単位電池を構成する各部材よりも厚く設計することが多い。このため、上記の熱伝導性に優れる上記の材料のスペーサ２０を接触させることにより、外部に熱を逃がす効果が顕著となる。
ただし、必ずしも全てのスペーサに伝熱性の高い材料を用いる必要はなく、スペーサ２０の位置により伝熱性の異なる材料のものを選択して用いてもよい。たとえば筐体９０に接する面積の大きいスペーサ２０には特に伝熱性の高いものを用いたり、温度の上がり易い複合単位電池に隣接するスペーサに伝熱性の高いものを用いたりすることにより、燃料電池スタックの温度上昇を抑制する効果を得ることができる。
＜筐体＞
燃料電池スタックを覆う筐体９０とは、図１３（Ａ）に示されるように、燃料電池スタックを覆うカバーの役割を果たすものであり、単位電池が電子機器に直接接触することを防ぐものである。
燃料電池スタックを覆う筐体９０としては、プラスチック材料または金属性の材料を用い、適宜の形状に成形することによって作製することができる。ここで用いるプラスチック材料としては、たとえばポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、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）などを挙げることができる。これらの中でも、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）やポリエチレン（ＰＥ）は、３次元架橋による分子量増加により強度が高く安価に加工ができ、また軽量であることから好ましく用いられる。
一方、燃料電池スタック内の反応により発生する熱を効率よく外部に放出するという観点から、電熱性の高い金属性の材料を用いることが好ましい。このような筐体９０に用いられる材料としては、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、ステンレス等を挙げることができる。
また、本実施の形態の燃料電池スタックを覆う筐体９０の形状は、燃料電池スタックに空気を供給することができるような形状であればどのような形状でもよいが、板や箔に複数の穴を開けた形状、メッシュ状またはエキスパンドメタル状の多孔質体のものを用いることが好ましい。
なお、上述の筐体９０とスペーサ２０の接触する面積が大きいほど、スペーサ２０から筐体９０への熱伝導が良好なものとなるため、スペーサ２０と筐体９０との間に熱伝導シートを設けることにより、スペーサ２０から筐体９０への熱の伝導を高めてもよい。
また、同一平面に設けられる複合単位電池１０やスペーサ２０の厚みが均一でないと、複合単位電池１０とスペーサ２０との間、およびスペーサ２０と筐体９０との間に隙間が生じる。この隙間が断熱層となり、熱伝導を妨げる虞がある。そこで、複合単位電池１０とスペーサ２０との間、およびスペーサ２０と筐体９０との間に柔軟性のある熱伝導シートを設けることにより、スペーサ２０から筐体９０への熱の伝導を高めることが好ましい。
＜（２）複合単位電池の構造＞
以下に、本発明の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池を説明する。
（実施の形態Ａ）
図１４は、本実施の形態の燃料電池スタックに含まれる複合単位電池の積層方向の面の断面図である。図１４の複合単位電池１０において、アノード集電体３７は、厚み方向に貫通した燃料流路４１を有しており、燃料流路４１の表裏の両面に対向するように配置された各単位電池５０のアノード触媒層３５に燃料を供給することができる。なお、燃料流路４１から燃料が流れる経路を矢印４４により示している。
なお、図１４の複合単位電池１０は、アノード集電体３７が燃料流路形成材（図示せず）を兼ねた構造のものを示しているが、このような構造に限られるものではなく、たとえば燃料流路形成材により燃料流路４１を形成してもよい。以下に、図１４に図示した複合単位電池の各構成部材を説明する。
＜単位電池＞
本実施の形態において、複合単位電池１０に含まれる２つの単位電池５０は、図１４に示されるように、アノード触媒層３５と電解質膜６０とカソード触媒層２５とをこの順に含む膜電極複合体２（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を最小単位として含むものであり、当該膜電極複合体２を構成するアノード触媒層３５が燃料流路４１側（アノード集電体３７側）に対向するように燃料流路４１の表裏の両面に各１つずつ配置されることを特徴とする。なお、単位電池５０は、膜電極複合体２以外にカソード導電性多孔質層２６、およびアノード導電性多孔質層３６を備えることが好ましい。
図１４の単位電池５０において、燃料としてメタノール水溶液を用いる場合、メタノール水溶液は燃料流路４１からアノード導電性多孔質層３６を通ってアノード触媒層３５に供給され、アノード触媒層３５でＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-と反応して水素イオンと電子とを発生する。ここで生成した水素イオンは、電解質膜６０を通じてカソード触媒層２５へ移動する。
一方、大気中から空気が酸化剤としてカソード触媒層２５に供給されて、カソード触媒層２５でＯ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏと反応して水を発生する。上記のアノード触媒層３５で発生した電子がカソード触媒層２５に流れる電子の流れを、外部回路を介して電流として取り出すことにより、単位電池５０から電気エネルギーを得ることができる。
上記の単位電池５０は、アノード触媒層３５に対し燃料を均一に供給するために、アノード導電性多孔質層３６を含むことが好ましく、カソード触媒層２５に対し空気を均一に供給するためのカソード導電性多孔質層２６を含むことが好ましい。
さらに、上記の単位電池５０は、単位電池内での電気抵抗を低減するという観点から、カソード導電性多孔質層２６のカソード触媒層２５と対向する面とは反対側の面にカソード集電体２７を配置することが好ましく、アノード導電性多孔質層３６のアノード触媒層３５と対向する面とは反対側の面にアノード集電体３７を配置することが好ましい。
＜アノード極およびカソード極＞
本実施の形態の燃料電池スタックに含まれる単位電池５０のアノード極は、燃料の酸化を促進するアノード触媒を含むアノード触媒層３５を少なくとも備える。そして、当該アノード触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子を生成する。なお、アノード極はアノード集電体３７側（電解質膜６０とは反対側）に、さらにアノード導電性多孔質層３６を積層した構造であることが好ましい。
一方、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる単位電池５０のカソード極は、酸化剤の還元を促進するカソード触媒を含むカソード触媒層２５を少なくとも備える。そして、当該カソード触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応を起こすことにより水を生成する。なお、カソード極はカソード集電体２７側（電解質膜６０と反対側）にさらにカソード導電性多孔質層２６を積層した構造であることが好ましい。
＜アノード触媒層およびカソード触媒層＞
アノード触媒層３５は、燃料の酸化を促進するアノード触媒を少なくとも含み、さらにアノード担持体とアノード電解質とを含むことが好ましい。一方、カソード触媒層２５は、水を生成する反応速度を促進するカソード触媒を少なくとも含み、さらにカソード担持体とカソード電解質とを含むことが好ましい。
アノード触媒層３５およびカソード触媒層２５の厚みは、それぞれ０．１μｍ以上０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。アノード触媒層３５およびカソード触媒層２５の厚みが０．１μｍ未満であると、燃料電池スタック（または単位電池５０）の出力を向上させるだけの触媒量をアノード触媒層３５およびカソード触媒層２５に担持できない虞があり、０．５ｍｍを超えるとプロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗が大きくなり、燃料（たとえばメタノール水溶液）または酸化剤（たとえば酸素）の拡散抵抗が増加する虞がある。
以下の（１）〜（３）には、アノード触媒層３５およびカソード触媒層２５に含まれる触媒、担持体、電解質をそれぞれ説明する。
（１）アノード触媒およびカソード触媒
アノード触媒層３５に含まれるアノード触媒は、燃料としてメタノール水溶液を用いる場合、メタノールと水からプロトンと電子を生成する反応の速度を促進する機能を有するものである。一方、カソード触媒層２５に含まれるカソード触媒は、酸素とプロトンと電子から水を生成する反応の反応速度を促進する機能を有するものである。
アノード触媒およびカソード触媒は必ずしも同種類のものに限定されず、異なる種類の材料を用いてもよい。このようなアノード触媒およびカソード触媒としては、たとえばＰｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ等の貴金属、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒ等の卑金属、これらの貴金属または卑金属の酸化物、炭化物および炭窒化物、もしくはカーボンからなる群より選択された材料の１種または２種類以上の組み合わせたものを触媒として用いることができる。
（２）アノード担持体およびカソード担持体
アノード触媒層３５に含まれるアノード担持体は、アノード極で生成した電子をアノード集電体３７またはアノード導電性多孔質層３６へ導電する機能を有するものである。一方、カソード触媒層２５に含まれるカソード担持体はカソード集電体２７またはカソード導電性多孔質層２６からカソード触媒層２５に電子を導電する機能を有するものである。
アノード担持体およびカソード担持体は、電気伝導性を有する材料であればどのような材料を用いてもよいが、電気伝導性の高い炭素系材料を用いることが好ましく、電気伝導性の高い炭素系材料としては、たとえばアセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を挙げることができる。アノード担持体およびカソード担持体としては、アセチレンブラック（商品名：Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ７２（Ｃａｂｏｔ株式会社製）が特に好適に用いられる。
また、これらの炭素系材料の他に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ等の貴金属、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒ等の卑金属、これら貴金属または卑金属の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる群より選択された材料の１種または２種類以上を組み合わせたものを用いることができる。
また、アノード担持体およびカソード担持体は、プロトン伝導性を付与した材料であってもよく、このようにプロトン伝導性を付与した材料としては、たとえば硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウム等を挙げることができる。
なお、アノード触媒およびカソード触媒のいずれもが電子伝導性を有するため、アノード触媒がアノード極で生成した電子をアノード集電体３７またはアノード導電性多孔質層３６へ導電し、カソード触媒がカソード集電体２７またはカソード導電性多孔質層２６からカソード触媒層２５に電子を導電することから、アノード担持体およびカソード担持体を設けなくてもよい。
また、アノード極での酸化反応によりアノード極で生成ガスが生じる場合、アノード担持体および／またはアノード触媒、もしくはカソード担持体および／またはカソード触媒は、親水化処理したものを用いることが好ましい。これらの親水化処理の方法としては、これらが親水化できる方法であればどのような方法でもよいが、気相酸化処理、液層酸化処理、カップリング処理、およびプラズマ処理のいずれかの手法により親水化することが好ましい。
ここでの気相酸化処理としては、空気、オゾン、二酸化窒素雰囲気下における酸化を挙げることができる。また、液相酸化処理としては、硝酸、過マンガン酸カリウム、亜塩素酸、過塩素酸、酸素飽和水、オゾン水溶液、臭素水溶液、次亜塩素酸ソーダ、クロム酸カリウムと燐酸との混合液による酸化を挙げることができる。また、カップリング処理としては、シラン系、チタネート系、アルミニウム系のカップリング処理剤による処理を挙げることができる。
ただし、アノード担持体および／またはアノード触媒、もしくはカソード担持体および／またはカソード触媒として、金属酸化物またはプロトン伝導性を有する担持体を用いる場合は、その表面がすでに親水性を示すため、さらにこれらの表面を親水化処理する必要はない。
（３）アノード電解質およびカソード電解質
アノード触媒層３５に含まれるアノード電解質は、アノード極で生成したプロトンを電解質膜６０へ伝導する機能を有する。一方、カソード触媒層２５に含まれるカソード電解質は、電解質膜６０から透過したプロトンをカソード触媒層２５近傍に伝導する機能を有する。
アノード電解質およびカソード電解質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されずいかなるものをも用いることができるが、メタノール等の燃料により溶解しない固体もしくはゲルであることが好ましい。このようなアノード電解質およびカソード電解質は、スルホン酸、リン酸基などの強酸基やカルボキシル基などの弱酸基を有する有機高分子であることが好ましく、たとえば含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン株式会社製））、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（旭化成株式会社製））、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、イオン性液体（常温溶融塩）、スルホン化イミド、ＡＭＰＳ等を挙げることができる。
なお、アノード担持体およびカソード担持体として、プロトン伝導性を有するものを用いる場合には、これらによりプロトンを伝導することができるため、別個にアノード電解質およびカソード電解質を設けなくてもよい。
＜電解質膜＞
本実施の形態において、単位電池５０を構成する電解質膜６０は、アノード触媒層３５で発生したプロトンを伝導してカソード触媒層２５に透過させるものであって、電気的絶縁性を有する材質のものであれば従来公知のいかなる材質をも用いることもでき、たとえば高分子膜、無機膜、またはコンポジット膜等を挙げることができる。
電解質膜６０に用いられる高分子膜としては、たとえばパーフルオロスルホン酸系電解質膜（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）：デュポン株式会社製）、ダウ膜（ダウ・ケミカル株式会社製）、アシプレックス（ＡＣＩＰＬＥＸ（登録商標）：旭化成株式会社製）、フレミオン（登録商標）：旭硝子株式会社製）の他、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質膜等を挙げることができる。
また、電解質膜６０に用いられる無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等を挙げることができる。
また、電解質膜６０に用いられるコンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜（ゴアセレクト（登録商標）：ゴア社製）を挙げることができる。
また、燃料電池スタック（または単位電池５０）が１００℃付近もしくはそれ以上の温度にも対応することができるという観点から、低含水時でも高いイオン伝導性を有する電解質膜６０の材料を用いることが好ましく、このような電解質膜６０の材料としては、たとえばスルホン化ポリイミド、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ：2-Acrylamido-2-MethylPropaneSulfonic acid）、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム、イオン性液体（常温溶融塩）等を膜化して用いることが好ましい。
このような電解質膜６０は、プロトン伝導率が１０-5Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、パーフルオロスルホン酸ポリマや炭化水素系ポリマ等の高分子の電解質膜のようにプロトン伝導率が１０-3Ｓ／ｃｍ以上のものを用いることがより好ましい。
＜アノード導電性多孔質層＞
アノード導電性多孔質層３６は、メタノールと水とをアノード触媒層３５へ供給するための空隙を形成するとともに、アノード触媒層３５からアノード集電体３７へ電子を導電する機能を有するものである。アノード導電性多孔質層３６に用いられる材質としては、カーボン材料、導電性高分子、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉおよびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、ステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を用いることが好ましく、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる１つ以上の元素を含むことがより好ましい。
また、アノード導電性多孔質層３６に用いられる材質として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属、金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることにより、アノード導電性多孔質層３６の表面の腐食を防止することができ、以って単位電池５０およびこれを用いた燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。
上記で示される元素をアノード導電性多孔質層３６に含むことにより、アノード導電性多孔質層３６の比抵抗が小さくなるため、アノード導電性多孔質層３６による電圧低下を軽減することができ、出力電圧をより高めることができる。
アノード導電性多孔質層３６の形状は、アノード触媒層３５に燃料を均一に供給するという観点、およびアノード触媒層３５で生成した生成ガスの排出効率を高めるという観点から、アノード導電性多孔質層３６の層厚方向に貫通または連通した複数の孔を有することが好ましい。特に、生成ガスをアノード導電性多孔質層３６の両端面から排出する場合、アノード導電性多孔質層３６の側面方向に貫通または連通した複数の孔を設けることが好ましい。
ここで、貫通とは一方の面から反対側の面へ貫き抜けることを意味し、連通とは連続した空間が形成されていることを意味する。貫通する孔を有するものとしては、たとえば板や箔に複数の穴を開けた形状またはメッシュ状またはエキスパンドメタル状の多孔質金属層を好ましく挙げることができる。また、連通する孔を有するものとしては、たとえば金属板、発泡金属、金属織物、金属焼結体、カーボンペーパー、カーボンクロスを好ましく挙げることができる。
アノード導電性多孔質層３６の空隙率は、１０％以上９５％以下であることが好ましく、３０％以上８５％以下であることがより好ましい。アノード導電性多孔質層３６の空隙率が１０％未満であるとメタノールの拡散抵抗を十分に低減させることができない虞があり、９５％を超えると電気抵抗を低減させることができない虞がある。
また、アノード導電性多孔質層３６の厚みは、１０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ以下であることがより好ましい。アノード導電性多孔質層３６の厚みが１０μｍ未満であるとアノード導電性多孔質層３６の積層方向にメタノールを均一に供給できない虞があり、１ｍｍを超えるとアノード導電性多孔質層３６の積層方向へのメタノールの拡散抵抗を十分に低減させることができない虞がある。
＜カソード導電性多孔質層＞
カソード導電性多孔質層２６は、カソード触媒層２５と電子の授受を行なう機能を有するものであって、単位電池５０の外部とカソード触媒層２５とを連通する孔を有するものである。一般的に単位電池５０の発電時において、カソード導電性多孔質層２６はアノード導電性多孔質層３６よりも高い電位に保たれるため、カソード導電性多孔質層２６の材質は、アノード導電性多孔質層３６と同等かそれ以上に耐腐食性に優れていることが好ましい。
カソード導電性多孔質層２６の材質は、アノード導電性多孔質層３６と同様の材質のものを用いてもよいが、特にカーボン材料、導電性高分子、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒ等の金属およびこれらの金属の窒化物、炭化物等、ステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔの合金等を用いることが好ましい。
また、カソード導電性多孔質層２６に用いられる材質として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることにより、カソード導電性多孔質層２６の表面の腐食を防止することができ、単位電池５０およびこれを用いた燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。
カソード導電性多孔質層２６の形状は、燃料電池スタック周囲の空気中の酸素をカソード触媒層２５まで供給することが可能な連通孔を有していれば特に限定することなくいかなる形状のものをも用いることができる。燃料電池スタックを構成する燃料電池層のスペーサとの接触部位に位置するカソード触媒層２５まで酸素を供給させるという観点から、カソード導電性多孔質層２６内部に、積層方向および積層方向に対して垂直方向に連通している孔を有していることが好ましく、このようなカソード導電性多孔質層２６の材料としては発泡金属、金属織物、金属焼結体、カーボンペーパー、カーボンクロス等を挙げることができる。
カソード導電性多孔質層２６の空隙率は、１０％以上９５％以下であることが好ましく、３０％以上８５％以下であることがより好ましい。カソード導電性多孔質層２６の空隙率が１０％未満であると酸素の拡散抵抗を十分に低減させることができない虞があり、９５％を超えると電気抵抗を低減させることができない虞がある。
また、カソード導電性多孔質層２６の厚みは、１０μｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましく、１００μｍ以上５００μｍ以下であることがより好ましい。カソード導電性多孔質層２６の厚みが１０μｍ未満であるとカソード導電性多孔質層２６の積層方向に酸素を均一に供給できない虞があり、１ｍｍを超えるとカソード導電性多孔質層２６の積層方向への酸素の拡散抵抗を十分に低減させることができない虞がある。
＜アノード集電体＞
アノード集電体３７は、アノード触媒層３５またはアノード導電性多孔質層３６と電子の授受を行なう機能を有するものである。アノード集電体３７の形状は、燃料流路４１を備えるものを用いてもよいし、板や箔に複数の穴を開けた形状のものを用いてもよいが、メッシュ状またはエキスパンドメタル状の多孔質のものを用いることが好ましい。
また、アノード集電体３７の表裏の両面（すなわちアノード導電性多孔質層３６と接する面）には、複数の燃料供給用の孔５２が設けられており、燃料が燃料流路４１から当該燃料供給用の孔５２を通じて各アノード導電性多孔質層３６、アノード触媒層３５へと供給されることが好ましい。
アノード集電体３７は、導電性を示すものであればどのようなものを用いてもよいが、電気抵抗低減のために導電性の高い材料を用いることが好ましく、アノード集電体３７の材質は、電圧降下を抑制するため電子伝導抵抗の低いＡｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を用いることが好ましく、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる１以上の元素を含むことがより好ましい。
アノード集電体３７に用いられる材質として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることにより、アノード集電体３７の表面の腐食を防止したものを用い、単位電池５０およびこれを用いた燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。
＜カソード集電体＞
カソード集電体２７は、カソード触媒層２５またはカソード導電性多孔質層２６と電子の授受を行なう機能を有するものであり、電気抵抗を低減するために導電性の高い材料を用いることが好ましい。カソード集電体２７の形状は、板や箔に複数の穴を開けた形状、メッシュ状またはエキスパンドメタル状の多孔質とするものを好ましく用いることができる。
カソード集電体２７は、導電性を有するものであればどのようなものでもよいが、電圧降下を抑制するため電子伝導抵抗の低い材料を用いることが好ましく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を用いることがより好ましく、さらに好ましくはＰｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる１以上の元素を含むことである。カソード集電体２７の材質として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることにより、カソード集電体２７の表面の腐食を防止することができる。
＜封止材＞
封止材５６は、少なくともアノード極の端面を封止するために設けられるものであり、単位電池の端面を封止することが好ましい。このようにアノード極の端面に封止材５６を設けることにより、アノード極の端面から空気が混入することを防ぐことができるとともに、アノード極での反応により生じる生成ガスをアノード極の端面から排出することなく、燃料流路４１側に戻すことができる。また、単位電池の取り扱いを簡便なものにするという観点から、アノード極の封止と同時に、電解質膜の端面、およびカソード極の端面が封止されていてもよく、さらにアノード集電体の端面およびカソード集電体の端面が封止されていてもよい。
封止材５６を形成する材料としては、各層の端面を強固に接着するという観点から、熱硬化性の接着剤、または紫外線硬化性の接着剤を用いることが好ましい。当該接着剤は硬化前はゲル状であり、塗布した後に硬化させることにより封止材５６を形成することができる。
封止材５６を構成する熱硬化性の接着剤としては、オレフィン系の高分子、フッ素系エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、およびアルキド樹脂からなる群より選択される１種以上を混合したものを用いることができ、たとえばスリーボンド社製の１１５２Ｂポリオレフィン系の高分子やフッ素系エラストマー（商品名：ＳＩＦＥＬ（登録商標）（信越化学工業株式会社製））、エポキシ樹脂を挙げることができ、これらを単独もしくは２種以上を混合して用いてもよい。
ただし、耐薬品性の点から、ポリオレフィン系の高分子（商品名：１１５２Ｂ（株式会社スリーボンド製）およびエポキシ樹脂を用いることがより好ましい。紫外線硬化性の接着剤としては、たとえばアロニクス（東亞合成株式会社製）、カヤマー（日本化薬株式会社製）、エベクリル（ユーシービージャパン株式会社製）、アクティレン（アクロスケミカルズ社製）等の商標で市販される紫外線硬化性モノマーと光重合剤の混合物を挙げることができる。
＜複合単位電池の製造方法＞
従来の燃料電池スタックに用いられる単位電池は、１本の燃料流路に対し片方の面に配置した１つの単位電池を一体化することにより形成されていた。しかしながら、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池は、燃料流路の表裏の両面に配置した単位電池を一度に一体化することにより形成されることから、従来よりも単位電池と燃料流路とを一体化する回数を減らすことができる。このように一体化する回数を減らすことにより従来よりも製造工程を簡略化することができる。
図１４に示される複合単位電池１０の作製方法は、複合単位電池を作製するときに取り扱いやすくするという観点から、アノード導電性多孔質層３６、アノード触媒層３５、電解質膜６０、カソード触媒層２５、カソード導電性多孔質層２６およびカソード集電体２７を層厚方向にこの順に並べてプレスすることにより単位電池を得ることが好ましい。なお、各構成部材の積層順序はこれに限られるものではなく、たとえばカソード導電性多孔質層２６とカソード集電体２７との積層の順序が逆になっていてもよい。
上記で得られた単位電池を２つ準備し、２つの単位電池でアノード集電体３７（燃料流路形成材を含む場合もある）を挟むように配置し、この積層体をプレスにより一体化して複合単位電池１０を作製することができる。
上記のように各構成部材を一体化する方法としては、熱圧着（以下においては「ホットプレス」とも称する）する手法が好ましく用いられる。このようにホットプレスすることにより各構成部材が、いわゆるアンカー効果と呼ばれる物理吸着により接着され、一体化されることとなる。当該ホットプレスは、ステンレス板で上記の順で並べて各構成部材を挟んだ上で、室温雰囲気において厚み方向に１３０℃、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で１０分間圧力を加えることにより行なわれる。
なお、このホットプレスの条件は、電解質膜の種類により異なるため、上記の値に限定されるものではない。また、各層を一体化する方法もプレスによる一体化に限定されるものではなく、他のいかなる方法により一体化してもよい。
上記のようにホットプレスにより一体化した後、複合単位電池１０の端面を封止材５６により封止することが好ましい。このように複合単位電池１０の端面を封止することにより、アノード極端面からの空気混入を防ぐことができるとともに、アノード極での反応により生じる生成ガスをアノード極の端面から排出することなく、燃料流路４１側に戻すことができる。
本実施の形態の燃料電池スタックのように複合単位電池を用いて燃料電池層を構成にすることにより、従来よりも燃料電池スタックの構成部材を共通化することができるとともに、その構成部材を削減することもでき、加えて燃料電池スタックへの燃料供給および空気供給をより効率的に行なうこともできるため、燃料電池スタックの高出力密度化を図ることができる。しかも、燃料電池スタックの製造工程を簡略化することもできる。
（実施の形態Ｂ）
図１５は、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池に、燃料透過抑制層を設けた構成の例を模式的に示す断面図である。本実施の形態に用いられる複合単位電池は、図１５に示されるように、アノード集電体３７、アノード導電性多孔質層３６、アノード触媒層３５、電解質膜６０、カソード触媒層２５、カソード導電性多孔質層２６、カソード集電体２７からなる単位電池５０を、燃料流路４１の表裏の両面に、アノード触媒層３５側が燃料流路４１に対向するように配置し、燃料電池スタックの温度上昇を抑制するために燃料流路４１とアノード集電体３７との間に燃料透過抑制層４７を設けたことを特徴とする。
本実施の形態の燃料電池スタックにおいては、燃料電池層厚方向への締め付け部材を用いないため、接着層５５を介して燃料流路形成材４０と燃料透過抑制層４７とが互いに接着されている。このような構造の複合単位電池において、燃料は燃料流路形成材４０により形成される燃料流路４１を通り、燃料透過抑制層４７を透過した上でアノード触媒層３５に供給される。
ここで、アノード導電性多孔質層３６、およびアノード触媒層３５に親水化処理したものを用いることにより、液体燃料のアノード導電性多孔質層３６、およびアノード触媒層３５に対する接触角は小さくなるため、発電時においてアノード導電性多孔質層３６およびアノード触媒層３５に液体燃料を保持することができる。これにより外部雰囲気から空気が混入することを防止することができ、電池としての発電特性を向上させることができる。また、液体燃料のアノード導電性多孔質層３６、およびアノード触媒層３５に対する接触角が小さくなることから、アノード導電性多孔質層３６、およびアノード触媒層３５に生成ガスによる気泡が保持されにくく、生成ガスを端面から排出することができる。また、一般的にアノード導電性多孔質層３６の方が、アノード触媒層３５よりも分厚いため、生成ガスは特にアノード導電性多孔質層３６の端面から排出しやすい。
これらの親水化処理の方法としては、これらが親水化できる方法であればどのような方法でもよいが、気相酸化処理、液層酸化処理、カップリング処理、およびプラズマ処理のいずれかの手法により親水化することが好ましい。ここでの気相酸化処理としては、空気、オゾン、二酸化窒素雰囲気下における酸化を挙げることができる。また、液相酸化処理としては、硝酸、過マンガン酸カリウム、亜塩素酸、過塩素酸、酸素飽和水、オゾン水溶液、臭素水溶液、次亜塩素酸ソーダ、クロム酸カリウムと燐酸との混合液による酸化を挙げることができる。また、カップリング処理としては、シラン系、チタネート系、アルミニウム系のカップリング処理剤による処理を挙げることができる。
このような表面張力の差を利用することにより、メタノール水溶液等の液体燃料と、二酸化炭素等の生成ガスとを分離することができ、液体燃料をアノード触媒層３５近傍に保持しつつ、生成ガスを長手方向を有した直方体形状の複合単位電池の長辺（端面）から排出することができる。なお、外部雰囲気から拡散してきた空気は、カソード集電体２７、カソード導電性多孔質層２６を通じてカソード触媒層２５に供給される。
＜燃料流路形成材＞
本実施の形態において、単位電池５０に用いられる燃料流路形成材４０は、燃料を供給するための燃料流路を保持するために設けられる部材である。燃料流路形成材４０の形状としては、１つの燃料流路４１の両方の面に配置される単位電池５０のアノード極に燃料を供給するという観点から、厚み方向に貫通した空間を設けることが好ましい。このような厚み方向に貫通した空間部分が、複合単位電池を構成したときには燃料流路４１となる。
このような燃料流路形成材４０の形状は、必ずしも厚み方向に貫通している必要はなく、燃料流路形成材４０の表裏の両面に備えられる単位電池のアノード極に燃料を供給することができるような形状であればいかなる形状であってもよく、たとえば燃料流路形成材４０の表裏の両面から厚み方向に溝が形成されることにより、燃料流路形成材４０の燃料流路となる部分のみが顕著に薄くなっているような構造（すなわち、燃料が流れる方向における燃料流路形成材４０の断面がＨ型となるような構造）のものであってもよい。
また、燃料流路４１を形成する燃料流路形成材４０として電熱性の高い金属等を用いることにより、燃料と燃料電池スタックとの熱授受が加速されることを以って、燃料電池スタックを効率的に冷却することができる。
燃料流路形成材４０の材質は、ポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinyliDenFluolide）、ＰＴＦＥ（PolyTetraFluoroEthylene）、ＰＥＥＫ（登録商標）等のように耐酸性および耐薬品性に優れた高分子を用いてもよいが、加工性の良さの観点から金属を用いることが好ましい。また、アノード集電体３７と同一の材料を用いることが好ましく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を用いることが好ましい。
燃料流路形成材４０に用いられる材質として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることにより、燃料流路形成材４０の表面の腐食を防止することができる。
＜燃料透過抑制層＞
従来の燃料電池スタックのように、１つの燃料流路から１つの単位電池に燃料が供給される場合、燃料電池スタックの温度が多少上昇しても、燃料カートリッジ内に含まれる室温程度の燃料を燃料流路に流すことにより燃料電池スタックの温度を低下させることができていた。
しかしながら、本実施の形態の燃料電池スタックでは、燃料電池層に複合単位電池を採用することにより１つの燃料流路が２つの単位電池に共通して用いられるようになった。このため、本実施の形態の燃料電池スタックは、１つの燃料流路の両方の面に備えた単位電池の発電により生じる発熱のために、従来の燃料電池スタックと比べて約２倍程度温度上昇しやすくなっている。
そして、燃料電池スタック内の温度が上昇するにつれて、電解質膜の燃料透過速度が大きくなり、燃料のクロスオーバー量が増大してしまう。そして、この燃料のクロスオーバーによりカソード触媒層に到達した燃料が直接空気と反応し、さらに燃料電池スタックの温度が上昇することとなり、これらの繰り返しにより燃料電池スタックが熱暴走する虞がある。また、燃料電池スタックが温度上昇することにより燃料電池スタックを搭載した電子機器を構成する部品等の劣化を早めることもある。
本実施の形態に用いられる複合単位電池１０において、燃料流路４１とアノード触媒層３５との間に燃料透過抑制層４７を備えることが好ましい。このように燃料透過抑制層４７を設けることにより、たとえポンプの流速が低いものを用いても、燃料流路４１からアノード触媒層３５への燃料の供給を燃料透過抑制層４７により調整することができるため、必要十分量の燃料を供給することができ、ポンプの消費電力を低く抑えることができる。
しかも、このように燃料透過抑制層４７を設けることにより、高濃度の燃料を燃料流路４１に供給しても、アノード触媒層３５に到達する燃料の供給量を調整することができる。これによりクロスオーバー量を抑制することができ、燃料電池スタックの温度上昇を抑制することができる。
また、カソード触媒層２５側で生じる生成水が電解質膜６０を透過してアノード触媒層３５側に到達し、アノード触媒層３５での燃料の濃度が薄められることにより、アノード触媒層３５内における燃料濃度を低濃度なものとなり、これによってもクロスオーバーを抑制することができる。
燃料透過抑制層４７としては、厚み方向に燃料の拡散抵抗を有しており、燃料流路４１からアノード触媒層３５への燃料の透過量が低いものを用いることが好ましい。
なお、クロスオーバーを抑制する方法として、単位電池に燃料透過抑制層４７を設ける方法以外にも、供給する燃料の濃度を下げることにより、燃料のクロスオーバー量を減らす方法も考えられる。しかし、燃料の濃度を下げることにより、燃料供給不足を抑制するため燃料電池スタックに大量の燃料を供給しなくてはならず、ポンプ等補器の消費電力を大きくしてしまう虞がある。これは所期の目的に反することとなるため好ましくない。
燃料透過抑制層４７に用いられる材料は、燃料の透過性が比較的低い液体浸透膜であればどのようなものでもよいが、炭化水素系固体高分子電解質膜からなる固体高分子電解質膜であることが好ましく、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレンエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、フッ化炭素樹脂、またはエポキシ樹脂あるいはポリオレフィン系樹脂とカーボンとの混合物等を挙げることができる。
また、燃料透過抑制層４７が燃料に対して十分に耐溶解性を持たない場合、燃料透過抑制層４７に用いられる材料を電子線照射、放射線照射等をすることにより燃料透過抑制層４７を構成する高分子材料中の立体的な網目構造を増やすことを以って、燃料透過抑制層４７の燃料に対する耐溶解性を高めることができる。
＜接着層＞
本実施の形態に用いられる複合単位電池１０において、接着層５５は、各構成部材を接着するために設けられるものであり、アノード集電体３７と燃料透過抑制層４７との接着性、およびアノード集電体３７と燃料流路形成材４０との接着性が良好なものであればどのようなものを用いてもよい。このような接着剤としては、熱硬化性の接着剤、紫外線硬化性の接着剤、または両面粘着テープを用いることができる。
当該接着剤は、硬化前はゲル状であり、スクリーン塗布やスプレー塗布等の塗布法で塗布した後に硬化させることにより接着層５５を形成することができる。接着層５５の厚みは特に制限されることなくいかなる厚みであってもよいが、接着性の観点から１〜２００μｍであることが好ましい。
本実施の形態において、接着層５５を構成する熱硬化性の接着剤としては、オレフィン系の高分子、フッ素系エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、およびアルキド樹脂からなる群より選択される１種以上を混合したものを用いることができ、たとえばスリーボンド社製の１１５２Ｂポリオレフィン系の高分子やフッ素系エラストマー（商品名：ＳＩＦＥＬ（登録商標）（信越化学工業株式会社製））、エポキシ樹脂を挙げることができ、これらを単独もしくは２種以上を混合して用いてもよい。ただし、耐薬品性の点から、ポリオレフィン系の高分子（商品名：１１５２Ｂ（株式会社スリーボンド製）およびエポキシ樹脂を用いることがより好ましい。紫外線硬化性の接着剤としては、たとえばアロニクス（東亞合成株式会社製）、カヤマー（日本化薬株式会社製）、エベクリル（ユーシービージャパン株式会社製）、アクティレン（アクロスケミカルズ社製）等の商標で市販される紫外線硬化性モノマーと光重合剤の混合物を挙げることができる。
両面粘着テープとしては、薄型であって、耐薬品性および耐熱性に優れたものであればどのようなものでもよく、たとえば耐熱両面接着テープ（商品名：Ｎｏ．５９１５（日東電工株式会社製））等を挙げることができる。
＜複合単位電池の作製方法＞
図１５に示される構成の複合単位電池の作製方法を説明する。接着層５５に接着剤を用いる場合、スクリーン塗布法およびスプレー塗布法を用いることにより燃料流路形成材４０の燃料透過抑制層４７を接合させる面に接着層５５を形成することが好ましい。
また、接着層５５に両面粘着テープを用いる場合、燃料流路形成材４０の幅に合わせて両面粘着テープを切り出したものを燃料流路形成材４０の燃料透過抑制層４７を接合させる面に貼り合わせることにより接着層５５を形成することが好ましい。
上記で形成した接着層５５を挟み込むようにして燃料流路形成材４０と燃料透過抑制層４７とを接合する。同様に燃料流路４１に対するもう片方の面に燃料透過抑制層４７を接合する。一方、これとは別にアノード集電体３７、アノード導電性多孔質層３６、アノード触媒層３５、電解質膜６０、カソード触媒層２５、カソード導電性多孔質層２６、カソード集電体２７の順に積層し、ホットプレス等を用いて一体化することにより単位電池５０を含む積層体を作製する。この積層体を燃料透過抑制層４７の燃料流路形成材４０と対向する面とは反対の面に接着層５５を介して接合し、図１５に示される複合単位電池１０を作製する。
図１５に示される複合単位電池１０は、燃料流路４１を覆うように燃料透過抑制層４７を配置するため燃料透過抑制層４７の配置や位置が決めやすいという点で優れている。しかしながら、片面の単位電池５０を作製するごとに燃料流路形成材４０と燃料透過抑制層４７とを接合する工程と、燃料透過抑制層とアノード集電体とを接合する工程との最低２回の接合工程が必要となるため、製造工程が複雑化するという問題がある。図１５に示される複合単位電池１０のように、アノード集電体３７とアノード導電性多孔質層３６との接触面積を大きくすることにより、複合単位電池１０内の電気抵抗を低くすることができる。
（実施の形態Ｃ）
図１６は、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の好ましい構成の一例を模式的に示す断面図である。本実施の形態においては、図１５の複合単位電池の構造のように、燃料流路形成材４０の全面を燃料透過抑制層４７が覆うのではなく、燃料流路４１のみを燃料透過抑制層４７が覆うように設けることを特徴とする。すなわち、図１６に示されるように、燃料流路形成材４０の表裏の両面に接着層５５は形成されるが、１つの接着層５５で燃料流路形成材４０と燃料透過抑制層４７とが接合される箇所と、燃料流路形成材４０とアノード集電体３７とが接合される箇所とがそれぞれ存在する。
このように１つの接着層５５を用いて、燃料流路形成材４０と、燃料透過抑制層４７と、アノード集電体３７とを一度に接合することにより、製造工程をより簡易化することができる。
燃料は、燃料流路４１から燃料透過抑制層４７を透過し、アノード触媒層３５に供給される。また、このように燃料透過抑制層４７を設けることにより、たとえポンプの流速が低いものを用いても、燃料流路４１からアノード触媒層３５への燃料の供給を燃料透過抑制層４７により調整することができるため、必要十分量の燃料を供給することができ、ポンプの消費電力を低く抑えることができる。また、燃料の酸化反応により生成ガスが生じる場合、当該生成ガスは、実施の形態Ｂに示される複合単位電池と同様に長手方向を有した直方体形状の複合単位電池の長辺（端面）から排出されることが好ましい。
しかも、高濃度の燃料を燃料流路４１に供給しても、アノード触媒層３５に到達する燃料の供給量を燃料透過抑制層４７が調整することができることを以って、クロスオーバー量を抑制し、燃料電池スタックの温度上昇を抑制することができる。
また、カソード触媒層２５側で生じる生成水が電解質膜６０を透過してアノード触媒層３５側に到達し、アノード触媒層３５での燃料の濃度が薄められることにより、アノード触媒層３５内における燃料濃度を低濃度なものとなり、これによってもクロスオーバーを抑制することができる。
図１６に示される構成の複合単位電池の作製方法を説明する。接着層５５に接着剤を用いる場合、スクリーン塗布法やスプレー塗布法を用いることにより燃料流路形成材４０の表裏の両面に接着層５５を形成する。一方、接着層５５に両面粘着テープを用いる場合、燃料流路形成材４０の幅に合わせて両面粘着テープを切り出したものを燃料流路形成材４０の表裏の両面に貼り合わせることにより接着層５５を形成する。
上記で形成した接着層５５を挟み込むようにして燃料流路形成材４０と燃料透過抑制層４７とを接合して固定する。ここで、接着層５５全面を燃料透過抑制層４７が覆うのではなく、燃料流路４１を覆うように燃料透過抑制層４７を固定する。一方、これとは別に下からアノード集電体３７、アノード導電性多孔質層３６、アノード触媒層３５、電解質膜６０、カソード触媒層２５、カソード導電性多孔質層２６の順に積層し、ホットプレス等を用いて一体化することにより単位電池５０を含む積層体を作製し、このような積層体を２組用意する。
そして、上記で得られた２組の単位電池のそれぞれのアノード集電体３７のアノード導電性多孔質層３６と対向する面とは反対側の面を、燃料流路形成材４０に形成した接着層５５に対向して固定する。そして、接着層５５に用いられる接着剤を硬化させることにより、図１６に示される構造の複合単位電池１０を作製する。図１６に示される複合単位電池１０は、燃料流路形成材４０と、燃料透過抑制層４７と、アノード集電体３７とを一度に接合できることにより製造時間を短縮することができるという点で優れている。
しかしながら、燃料流路４１の形状に合わせた形状の燃料透過抑制層４７が必要となるため、燃料透過抑制層４７の配置や位置決めは図１５に示される複合単位電池を作製するときよりも複雑になる。また、図１６に示される複合単位電池は、図１５に示される複合単位電池と同様に、アノード集電体３７とアノード導電性多孔質層３６との接触面積を大きくすることができるため、複合単位電池１０内の電気抵抗を低くすることができる。
（実施の形態Ｄ）
図１７は、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。図１７に示される複合単位電池１０は、図１５および図１６に示される複合単位電池とは異なり、アノード集電体３７が燃料流路４１とガス排出路３１とを有することを特徴とする。ここで、ガス排出路３１は、生成ガスを排出するために設けられるものであって、燃料流路４１に長手方向を有する形状のものである。
本実施の形態の複合単位電池は、図１６に示される複合単位電池１０と同様に、燃料透過抑制層４７は燃料流路４１を覆うように、アノード集電体３７の一部と接着剤を介して接合される。ここで、複合単位電池内の電気抵抗を小さくするためにアノード集電体３７の燃料流路４１部分に段差を設け、この段差に燃料透過抑制層４７を配置することによりアノード導電性多孔質層３６と、アノード集電体３７との接触面積を増やしている。
このように燃料透過抑制層４７を設けることにより、たとえポンプの流速が低いものを用いても、燃料流路４１からアノード触媒層３５への燃料の供給を燃料透過抑制層４７により調整することができるため、必要十分量の燃料を供給することができ、ポンプの消費電力を低く抑えることができる。
しかも、このように燃料透過抑制層４７を設けることにより、高濃度の燃料を燃料流路４１に供給しても、アノード触媒層３５に到達する燃料の供給量を調整することができることを以って、クロスオーバー量を抑制し、燃料電池スタックの温度上昇を抑制することができる。
また、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７とは、複合単位電池１０の端面を封止材５６により接着している。このようにアノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７とを接着することにより、アノード極への空気の混入を抑えるだけでなく、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７とが十分な接触面積を有するため、これらの界面での電気抵抗を小さくすることができる。
また、ガス排出路３１を通じて燃料が排出されるのを防止するという観点から、アノード導電性多孔質層３６には親水化処理を施すことが好ましい。親水化処理することにより、アノード導電性多孔質層３６内に燃料が保持されやすくなり、ガス排出路３１から燃料が排出されるのを防止することができる。
なお、図１７に示される複合単位電池のように、燃料流路形成材４０にガス排出路３１が形成される場合、燃料流路４１の幅の長さＬ1と単位電池５０の幅の長さＬ2との関係Ｌ1／Ｌ2が０．４以上であることが好ましい。
図１７に示される構成の複合単位電池の作製方法を説明する。接着層５５に接着剤を用いる場合、スクリーン塗布法またはスプレー塗布法を用いることにより、アノード集電体３７の燃料透過抑制層４７を配置するために設けられた段差部に接着層５５を形成する。一方、接着層５５に両面粘着テープを用いる場合、アノード集電体３７の段差部に合わせて両面粘着テープを切り出したものを燃料流路形成材４０の燃料透過抑制層４７を接合させる面に貼り合わせることにより接着層５５を形成する。
上記で形成した接着層５５を挟み込むようにしてアノード集電体３７と燃料透過抑制層４７とを対向して固定し接着層５５を硬化させる。一方、これとは別に下からアノード導電性多孔質層３６、アノード触媒層３５、電解質膜６０、カソード触媒層２５、カソード導電性多孔質層２６の順に積層し、ホットプレス等を用いて一体化することにより単位電池を作製し、このような単位電池を２組用意する。
そして、２組の単位電池のそれぞれアノード導電性多孔質層３６のアノード触媒層３５と対向する面とは反対側の面を、アノード集電体３７に対向して固定した上で、複合単位電池１０の端面を封止材５６を用いて強固に固定し硬化させる。このように複合単位電池１０の端面を固定することにより、アノード集電体３７とアノード導電性多孔質層３６との電子伝導パスができるようになり、以ってアノード集電体３７とアノード導電性多孔質層３６との間の電気抵抗を低減することができる。
図１７に示される構造の複合単位電池１０は、アノード集電体３７とアノード導電性多孔質層３６とがホットプレス等で一体化されているわけではないので、図１５および図１６に示される複合単位電池と対比するとアノード集電体３７とアノード導電性多孔質層３６との接触面積が小さいため、電気抵抗がやや高いものとなる。
しかしながら、本実施の形態の複合単位電池１０は、アノード極で発生したガスを排出するためのガス排出路３１を設けることから、図１５および図１６に示される複合単位電池と対比して生成ガスを効率的に排出することができる。これにより、生成ガスによる複合単位電池１０内の圧力上昇を抑制することができ、以って複合単位電池１０を形成する各層の界面の剥離を抑制する効果を得ることができる。
（実施の形態Ｅ）
図１８は、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。本実施の形態の複合単位電池１０は、図１７に示される複合単位電池の燃料流路４１の内部に、親水性の多孔質体が配置されることを特徴とする。このように燃料流路４１の内部に親水性の多孔質体を設けることにより、燃料流路４１の内部に燃料を保持する性能を高めることを以って、より効率的にアノード触媒層に燃料を供給することができる。
ここで、燃料流路４１の内部に設けられる親水性の多孔質体としては、コットン、ポリエステル等の高分子の不織布、酸化チタン、シリカ等の金属酸化物の表面に親水性の高分子を塗布または修飾する、もしくは親水性高分子フィルムを付属する金属−高分子複合体等を挙げることができる。このような親水性の多孔質体の中でも耐薬品性および耐熱性がある材料を用いることが好ましい。
燃料流路４１に備えられる多孔質体の形状としては、燃料流路４１内に配置することができるように、燃料流路４１と平行して伸ばされたものであることが好ましく、燃料が保持される燃料保持部、たとえば燃料カートリッジまで長手方向を有するものであることがより好ましい。また、親水性の多孔質体の厚みは、燃料流路４１の溝よりも薄いことが好ましい。
燃料は、燃料保持部（図示せず）から親水性の多孔質体を介して燃料流路４１まで毛管現象により輸送され、燃料透過抑制層４７を透過しアノード触媒層３５に供給される。また、燃料の酸化反応により生成ガスが生じる場合、当該生成ガスは、図１７に示される複合単位電池と同様、燃料流路４１と同一方向の長さをするガス排出路３１から排出されることが好ましい。また、外部雰囲気から拡散した空気は、カソード集電体２７、カソード導電性多孔質層２６を通じてカソード触媒層２５に供給される。
図１８に示される複合単位電池は、図１７に示される複合単位電池を作製する工程と類似しており、燃料流路４１が形成されたアノード集電体３７に、燃料透過抑制層４７を配置する前に、燃料流路４１内に親水性の多孔質体を設けることを特徴とし、この点が異なる他は、実施の形態Ｄと同様の工程により本実施の形態の複合単位電池を作製することができる。
ただし、本実施の形態の複合単位電池は、親水性の多孔質体に生じる毛細現象を利用することにより単位電池のアノード触媒層３５に燃料の供給を行なうため、親水性の多孔質体を燃料保持部内の燃料に接触するように、親水性の多孔質体を燃料保持部まで伸びている必要がある。本実施の形態の複合単位電池１０は、燃料供給用のポンプ等が不要な燃料パッシブ供給に適している。
このような構成の複合単位電池１０を用いることにより、燃料ポンプを駆動させるのに必要な電力、ドライバ回路等を削減することができるとともに、燃料ポンプを駆動させるときに発生する音や振動をも抑制することができる。このため本実施の形態の複合単位電池１０は、携帯型の情報電子機器に好ましく用いられる。
なお、本実施の形態では、図１７の複合単位電池１０に含まれる燃料流路４１に親水性の多孔質体を組み込む形態を例示したが、このように燃料流路４１に親水性の多孔質体を組み込む形態の複合単位電池１０は、本実施の形態の場合のみに限られるものではなく、図１４〜１５に示される複合単位電池１０の燃料流路４１にも適用することができる。
（実施の形態Ｆ）
図１９は、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。本実施の形態の複合単位電池１０を構成するアノード集電体３７には、燃料を単位電池のアノード極に供給するためのアノード孔が複数設けられたものを用いており、当該アノード孔の内部に燃料透過抑制層４７が形成されることを特徴とする。
このように燃料透過抑制層４７を設けることにより、たとえポンプの流速が低いものを用いても、燃料流路４１からアノード触媒層３５への燃料の供給を燃料透過抑制層４７により保持されるため、必要十分量の燃料を供給することができ、ポンプの消費電力を低く抑えることができる。
しかも、このように燃料透過抑制層４７を設けることにより、高濃度の燃料を燃料流路４１に供給しても、アノード触媒層３５に到達する燃料の供給量を調整することができることを以って、クロスオーバー量を抑制し、燃料電池スタックの温度上昇を抑制することができる。
このような複合単位電池１０の構成にすることにより、アノード導電性多孔質層３６と、アノード集電体３７との接触面積を増やすことができることを以って、複合単位電池内での電気抵抗を低減することができる。
また、本実施の形態の複合単位電池１０は、図１８に示される複合単位電池と同様に、燃料流路４１内に親水性の多孔質体が配置されていることを特徴とする。
上記のように構成することにより、アノード集電体３７と燃料透過抑制層４７との接着力が比較的弱いものとなる。このため、生成ガスの発生による内圧、および燃料供給時にポンプ等から燃料流路にかかる圧力によりアノード集電体３７と燃料透過抑制層４７とが剥がれるという問題がある。
そこで、このような問題を防止するという観点から、燃料流路４１内に親水性の多孔質体を設けることが好ましく、燃料透過抑制層４７がアノード導電性多孔質層３６および親水性の多孔質体により固定されていることが好ましい。
このように燃料流路内に親水性の多孔質体を設けることにより、燃料は、燃料保持部（図示せず）から親水性の多孔質体を介して燃料流路４１まで毛管現象により輸送され、燃料流路４１から燃料透過抑制層４７を透過しアノード触媒層３５に供給される。
ここで、アノード導電性多孔質層３６、およびアノード触媒層３５に親水化処理したものを用いることにより、液体燃料のアノード導電性多孔質層３６、およびアノード触媒層３５に対する接触角は小さくなるため、発電時においてアノード導電性多孔質層３６およびアノード触媒層３５に液体燃料を保持することができる。これにより外部雰囲気から空気が混入することを防止することができ、電池としての発電特性を向上させることができる。また、液体燃料のアノード導電性多孔質層３６、およびアノード触媒層３５に対する接触角が小さくなることから、アノード導電性多孔質層３６、およびアノード触媒層３５に生成ガスによる気泡が保持されにくく、生成ガスを端面から排出することができる。
また、外部雰囲気から拡散した空気は、カソード集電体２７、カソード導電性多孔質層２６を通じてカソード触媒層２５に供給される。
図１９の複合単位電池に用いられるアノード集電体３７のアノード孔内に燃料透過抑制層４７を形成する方法としては、まず、アセトン、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ：DiMethylAcetamide）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ：N-MethylPyrrolidone）等の有機溶媒に、燃料透過抑制層４７を形成する材料を溶解させて溶液状にする。そして、当該溶液状のものを、アノード集電体３７に形成されているアノード孔３３内に、スクリーン印刷法またはスプレー塗布法を用いて塗布することにより燃料透過抑制層４７を形成する。このようにして燃料透過抑制層４７を形成する場合、アノード集電体３７のアノード孔３３内以外の箇所にマスクを形成して、アノード集電体３７のアノード孔３３内以外の箇所には燃料透過抑制層４７を形成しないように保護することが好ましい。また、アノード集電体３７とアノード導電性多孔質層３６とは、接着層５５により接合されていることが好ましい。
（実施の形態Ｇ）
図２０は、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の構成の例を模式的に示す断面図である。本実施の形態の複合単位電池は、燃料のクロスオーバーを抑制する燃料透過抑制層の代わりとして、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７との間に導電性透過抑制層５７を設けることを特徴とする。
このようにアノード導電性多孔質層３６に接するように導電性透過抑制層５７を設けることにより、燃料のクロスオーバーを抑制しつつ、アノード集電体３７とアノード導電性多孔質層３６との導電性を保持することができる。これにより複合単位電池の内部の電気抵抗を抑制することができる。さらに、後述する材料により導電性透過抑制層５７を形成することにより、アノード集電体３７と、アノード導電性多孔質層３６との接着性を向上させることができる。
図２０においては、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７との間に導電性透過抑制層５７を設けられた複合単位電池を示しているが、このような位置に導電性透過抑制層５７を設ける形態のみに限られるものではなく、たとえばアノード触媒層３５とアノード導電性多孔質層３６との間に導電性透過抑制層５７を設けていてもよい。しかし、一般的にアノード触媒層３５とアノード導電性多孔質層３６との界面よりも、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７との界面の方が互いの接触点が少ないために、接着性が弱く電気抵抗が大きくなり易い。このため接着性向上、および複合単位電池１０内の電気抵抗低減の観点から、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７との間に導電性透過抑制層５７が形成されることが好ましい。
＜導電性透過抑制層＞
本実施の形態の複合単位電池１０に用いられる導電性透過抑制層５７は、接着剤と導電フィラーとを含む多孔質層であることが好ましい。導電性透過抑制層５７が導電フィラーを含むことにより、導電性透過抑制層５７の厚み方向の導電性が良好なものとなり、単位電池の層厚方向の電気抵抗を小さくすることができる。また、導電性透過抑制層５７が接着剤を含むことにより、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７とを強固に接着することができる。
本実施の形態において、複合単位電池１０に用いられる導電性透過抑制層５７は、導電フィラー同士が接触することにより空隙が生じ、当該空隙の体積を変えることにより燃料の透過量を制御するものである。また、このような空隙を通じてアノード極での反応により生じる生成ガスを燃料流路４１側に戻すことができる。
本実施の形態において、導電性透過抑制層５７は、導電性接着剤を硬化することにより形成されるものである。アノード導電性多孔質層３６上に導電性接着剤を塗布した後に、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７とを導電性接着剤を介して固定する。そして、これらを固定したまま熱、圧力または紫外線照射により導電性接着剤を硬化させた後に、導電性接着剤を室温まで冷却することにより、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７との間に導電性透過抑制層５７を形成する。なお、導電性接着剤に有機溶媒等を含む場合、熱または紫外線照射により有機溶剤等を蒸散させることが好ましい。
導電性接着剤の塗布は、均一に塗布することができる塗布方法であればいかなる方法であってもよいが、簡易であってしかも薄く均一に塗布することができるという観点から、スクリーン印刷法もしくはスプレー塗布法を用いることが好ましい。
本実施の形態のように、導電性接着剤を用いて導電性透過抑制層５７を形成することにより、各構成部材の界面をホットプレス等により接着する必要はなく、必要最低限の圧力により固定し、各構成部材を積層することができる。このため、燃料流路形成材４０に形成される燃料流路４１がアノード集電体３７およびアノード導電性多孔質層３６に埋まることなく、アノード導電性多孔質層３６とアノード集電体３７とを導電性透過抑制層５７を介して接着することができる。
このように燃料流路４１が埋まることがないことにより、燃料流路４１の深さをより広く維持することができ、燃料を送るポンプの必要圧力を小さくすることができることを以って、ポンプの消費電力を低減することができる。
本実施の形態において、複合単位電池１０に用いられる導電性透過抑制層５７は、導電性接着剤における導電フィラーの体積含有率、形状、および粒径、または導電フィラーおよび接着剤の表面張力という比較的変更しやすいパラメーターを変更することにより、導電性透過抑制層５７の燃料の透過量を制御することができる。すなわちたとえば、導電フィラーの体積含有率を大きくする、または導電フィラーとしてフットボール状、または棒状のカーボン材料を選択することにより燃料透過量を増やすことができる。
導電性透過抑制層５７の厚みは１μｍ以上８０μｍ以下であることが好ましい。導電性透過抑制層５７の厚みが１μｍ未満であると、燃料透過を抑制する効果を十分に得ることができない虞があり、８０μｍを超えると、導電性透過抑制層５７の電気抵抗が大きくなり、燃料電池の発電効率が低下する虞がある。
＜導電性接着剤＞
本実施の形態において、複合単位電池１０に備えられる導電性透過抑制層５７は、導電性接着剤を硬化することにより形成される層であり、当該導電性接着剤は接着剤と導電フィラーとを含むことが好ましい。なお、導電性接着剤には、上記で挙げたもの以外にさらに他の成分を含んでいても本発明を逸脱するものではない。このような他の成分としては、たとえば導電性接着剤の粘度を調整するための有機溶剤を挙げることができる。
ここで、導電フィラーとしては、導電性が良好なものであればどのようなものを用いてもよい。また、接着剤としては、紫外線硬化性接着剤、熱硬化性接着剤または熱可塑性接着剤のいずれかであることが好ましい。
＜導電フィラー＞
本実施の形態において、導電性接着剤に含まれる導電フィラーとしては、導電性を有するものであればどのようなものでもよいが、導電性透過抑制層５７内での電圧降下を抑制するという観点から、電気抵抗の低い材料を用いることが好ましい。このような材料としては、カーボン材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒ等の金属およびこれらの金属の窒化物、炭化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔの合金等を挙げることができる。導電フィラーに用いられる材料として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合、耐腐食性を有する貴金属および金属材質により表面をコーティングすれば、導電フィラー表面の腐食を防止することができる。
導電フィラーの材料の中でも、コストを低減するという観点、および耐食性が優れているという観点から、カーボン材料を用いることがより好ましく、好適なカーボン材料としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を挙げることができ、導電性および燃料透過抑制の性能の面から、アセチレンブラック（商品名：Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ７２（Ｃａｂｏｔ株式会社製）、およびケッチェンブラック（登録商標）を用いることがより好ましい。
ここで、本実施の形態の導電性接着剤に含まれる導電フィラーの形状としては、いかなる形状のものを用いることもでき、たとえば粒状のもの、フットボール形状のもの、棒状のもの等を挙げることができる。導電性透過抑制層５７の電気抵抗を下げることができるという観点から、互いのカーボン同士の接触面積を大きくすることができるような粒状のものを用いることが好ましい。
また、導電フィラーを用いることにより、導電フィラー同士が接触して導電性透過抑制層５７に空隙が形成され、当該空隙により導電性透過抑制層５７の燃料透過抑制の性能を発現させることができる。すなわち、燃料は、導電性透過抑制層５７に設けられる空隙を透過することができるが、導電性透過抑制層５７における燃料の拡散抵抗が高いために、燃料の透過量が抑制される。このように燃料の透過量が抑制されることにより、高濃度の燃料を供給しても燃料のクロスオーバーが生じることを抑えることができ、これを以って複合単位電池１０の出力密度の低下を抑制することができる。
導電性透過抑制層５７における導電フィラーの含有量を増やすにつれて、導電フィラー同士の接触が多くなり、当該接触が増えることにより空隙の体積が増え、導電性透過抑制層５７における燃料透過量を増大させることができる。この空隙の体積は、導電フィラーの含有率、形状、粒径等によっても異なるし、導電フィラーおよび接着剤の表面張力の違い（たとえば親水性または疎水性）によっても異なる。
本実施の形態において、導電性透過抑制層５７の燃料透過性能と電気抵抗性能とを高度に両立するためには、導電性接着剤に含まれる導電フィラーの含有率を適切に調整することが肝要である。すなわちたとえば、燃料にメタノール水溶液を用いる場合、導電性接着剤の総重量に対し３０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の導電フィラーを含有することが好ましく、５０ｗｔ％以上７０ｗｔ％以下の導電フィラーを含有することがより好ましい。
なお、上記の導電フィラーの含有量の範囲内で導電フィラーの含有量を少なくすることにより、導電性透過抑制層５７に形成される空隙の体積が少なくなることを以って、導電性透過抑制層５７の燃料透過量を抑制することができる。一方、上記の導電フィラーの含有量の範囲内で導電フィラーの含有量を多くすることにより、導電フィラーの接触面積が増えることを以って導電性透過抑制層５７の電気抵抗を低くすることができる。
導電性接着剤の総重量に対する導電フィラーの含有量が３０ｗｔ％未満であると、導電性透過抑制層５７に含まれる導電フィラーの粒子同士の接触が少なくなり、導電性透過抑制層５７の電気抵抗が高くなる虞がある。一方、導電性接着剤の総重量に対する導電フィラーの含有量が８０ｗｔ％を超えると、導電性透過抑制層５７に含まれる接着剤の含有率が少なくなるため、導電性接着剤の接着性能が低下する虞がある。
また、導電性透過抑制層５７は、その厚み方向の電気抵抗が１００ｍΩｃｍ2以下であることが好ましい。導電性透過抑制層５７の厚み方向の電気抵抗が１００ｍΩｃｍ2を超えると、導電性透過抑制層５７内での電圧降下が生じることとなり、結果として燃料電池の内部抵抗が高くなる。
＜接着剤＞
導電性接着剤に含まれる接着剤の紫外線硬化性接着剤としては、たとえばアロニクス（東亞合成株式会社製）、カヤマー（日本化薬株式会社製）、エベクリル（ユーシービージャパン株式会社製）、アクティレン（アクロスケミカルズ社製）等の商標で市販される紫外線硬化性モノマーを挙げることができ、これと光重合開始剤とを混合して用いるものである。
また、導電性接着剤に含まれる接着剤の熱硬化性接着剤としては、オレフィン系の高分子、フッ素系エラストマー、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、尿素樹脂、アクリル樹脂、シリコン樹脂、ポリウレタン樹脂、およびアルキド樹脂からなる群より選択される１種または２種以上を混合したものを用いることができる。このような熱硬化性接着剤としては、たとえばポリオレフィン系の高分子、フッ素系エラストマー（商品名：ＳＩＦＥＬ（登録商標）（信越化学株式会社製））、エポキシ樹脂等を挙げることができ、これらを単独もしくは２種以上を混合して用いることが好ましい。ただし耐薬品性の点から、ポリオレフィン系の高分子（商品名：１１５２Ｂ（株式会社スリーボンド製）およびエポキシ樹脂を用いることがより好ましい。また、導電性接着剤に含まれる接着剤の熱可塑性接着剤としては、ポリアミドやポリオレフィン系樹脂等のエンプラ、ポリイミド、ポリアミドイミド等を挙げることができる。
＜有機溶剤＞
本実施の形態において、導電性接着剤を塗布するときに、塗布に適した粘度になるようにさらに有機溶剤を含んでいてもよい。このような粘度調整に用いられる有機溶剤としては、たとえばアセトン、ジメチルアセトアミド（ＤＭＡｃ：DiMethylAcetamide）、Ｎ−メチル−２−ピロリドン（ＮＭＰ：N-MethylPyrrolidone）を挙げることができる。
（実施の形態Ｈ）
図２１は、本実施の形態の燃料電池スタックに用いられる複合単位電池の構成の例を模式的に示す断面図である。本実施の形態の燃料電池スタックは、図２１に示されるように、２つのスペーサ２０の間に複合単位電池が設けられている。当該複合単位電池は、図２１に示されるように、実施の形態Ａの複合単位電池の構成に対し、燃料流路に代えて燃料輸送部材８５を用いて、単位電池のアノード極に燃料を供給することを特徴とする。そして、このように燃料輸送部材８５を用いてアノード極に燃料を供給することに伴い、燃料電池スタックの側面に接するように燃料貯蔵室８７を設ける。なお、ここでの燃料輸送部材８５は、上記の実施の形態Ｅで述べた「親水性の多孔質体」に相当する。
このように燃料流路の代わりに燃料輸送部材８５を用いることにより、ポンプやファン等の外部動力を使用する補機を用いることなく液体燃料を燃料極全体にわたって十分な速度で供給することが可能であり、十分な電力を供給することができる。
＜燃料輸送部材＞
上記の燃料輸送部材８５は、燃料貯蔵室８７からの燃料を毛細管現象を利用してアノード極に輸送するための部材である。このため、燃料に対して毛細管作用を示す材料からなることが好ましい。このような毛細管作用を示す材料としては、アクリル系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリエステル、およびポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、セルロース、ポリオレフィン系樹脂、ナイロンなどの高分子材料（プラスチック材料）、およびステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチールなどの金属材料からなる不規則な細孔を有する多孔質体を挙げることができる。多孔質体としては、上記材料からなる不織布、発泡体、焼結体などを挙げることができる。また、上記高分子材料または金属材料からなり、毛細管として表面に規則的なまたは不規則なスリットパターン（溝パターン）を有する基板を燃料輸送部材８５として用いることもできる。
また、上述の多孔質体は、空隙率を高めるため、燃料輸送部材８５が保持可能な液体燃料量を向上させることができる。このことは、吸い上げ高が同じ場合、吸い上げ速度がより大きくなることを意味しており、したがって、燃料貯蔵室８７から離れたアノード極の部位に対しても、液体燃料を効果的に供給することができる。
ここで、「吸い上げ高」とは、燃料輸送部材の一端を燃料に浸漬したときの、毛細管現象による燃料の当該部材における到達可能位置を意味し、これが小さいと、アノード極全体にわたって燃料を供給させることができず、燃料電池スタックの出力が低下する。また、「吸い上げ速度」とは、燃料輸送部材の一端を燃料に浸漬したときの、単位時間当たりに吸い上げられる燃料の体積を意味する。吸い上げ高および吸い上げ速度が優れるという観点から、アクリル系樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリエステル、およびポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、またはナイロンからなる多孔質体を燃料輸送部材として用いることがより好ましい。
燃料輸送部材８５が有する細孔の細孔径は、０．１〜５００μｍとすることが好ましく、１〜３００μｍとすることがより好ましい。これにより重力に対して十分な毛細管現象が生じ、良好な吸い上げ高および吸い上げ速度を得ることができる。なお、燃料輸送部材８５が有する細孔の細孔径は、水銀圧入法により測定される径である。
繊維不織布および繊維不織布焼結体を構成する繊維の繊維径Ｒは、特に制限されることなく、たとえば１０〜２００μｍとすることができる。繊維不織布および繊維不織布焼結体の空隙率は、たとえば３０〜９０％であり、吸い上げ高および吸い上げ速度向上の観点から、好ましくは５０〜８０％である。
また、燃料輸送部材８５を構成する材料として、ステンレス、チタン、タングステン、アルミニウムなどからなる金属繊維不織布焼結体の繊維表面に、酸化皮膜からなる不動態層を形成した金属多孔質体も好ましく用いられる。繊維表面が酸化皮膜で被覆されると、燃料輸送部材８５から燃料への金属イオンの溶出が防止されるため、ＭＥＡに含まれる固体電解質成分（イオン交換樹脂）中に金属イオンがトラップされ、出力が低下する恐れがなくなる。
また、特にアルコール濃度が５０重量％以下のアルコール水溶液を燃料として使用する場合には、酸化皮膜からなる不動態層を形成することにより、繊維表面に対する液体燃料の濡れ性が向上する。このため、燃料の吸い上げ速度および引き上げ高がより向上し、燃料貯蔵室８７から離れたアノード極に対しても、より効果的に燃料を供給することができる。
このような燃料輸送部材８５は、上記の図７（Ａ）に示されるように、流路板８８として櫛型形状のものを用いるとともに、該流路板８８の櫛型形状に噛み合うような櫛型形状であることが好ましい。このような櫛型形状の燃料輸送部材８５を用いる場合、櫛型形状の柄から先端部にかけて燃料が供給されるように、櫛型形状の柄に相当する部分を燃料に浸漬させることが好ましい。
より好ましくは流路板８８と燃料輸送部材８５とは接することなく隙間を設けて噛み合うことである。このように隙間を設けて流路板８８と燃料輸送部材８５とを噛み合わせることにより、アノード極で発生する生成ガスを外部に排出する余地を残し、もって生成ガスの排出効率を高めることができる。このような流路板８８を構成する材料としては、上記で述べた燃料流路形成材と同一の材料を用いることができる。
ここで、燃料輸送部材８５の長さ（燃料貯蔵室８７側の一端からこれに対向する他端までの距離）は、特に制限されず、燃料電池全体の形状やＭＥＡの形状等に応じた適宜の長さとすることができる。燃料輸送部材８５の一端を燃料貯蔵室８７に保持された燃料に接触可能な位置に配置したときに、その他端がアノード極の端部（燃料貯蔵室８７側とは反対側の端部）の略直下の位置に配置されるような長さまたはそれ以上の長さを有することが好ましい。これによりアノード極の燃料貯蔵室８７側とは反対側の端部までを含めたアノード極全体にわたって、燃料をより効果的に供給することができる。
なお、「燃料に接触可能な位置」とは、たとえば図２１に示されるように、燃料輸送部材８５の一端が燃料貯蔵室８７を仕切る壁の内部に位置する場合をいう。燃料輸送部材８５の一端が燃料貯蔵室８７内部に位置するように燃料輸送部材８５の長さを調整することにより、使用時における複合単位電池の向きがどのような向きであっても、燃料と燃料輸送部材８５とを接触させることができる。
燃料輸送部材８５の厚みについては特に制限されることはなく、複合単位電池１０の厚みや流路板８８の高さなどに応じて適宜されるが、たとえば０．０５〜５ｍｍ程度とすることができ、複合単位電池１０の小型化、ならびに、吸い上げ高および吸い上げ速度向上の観点からは０．１〜１ｍｍとすることが好ましい。
＜燃料貯蔵室＞
本実施の形態における燃料貯蔵室８７は、好ましくは燃料電池スタックの側方に配置される、燃料を保持するための空間である。燃料貯蔵室８７の大きさや形状は特に制限されないが、燃料輸送部材８５の一端と燃料貯蔵室８７内に保持された燃料とが接触可能となるよう、その側壁面に開口を有する必要がある。その開口は、燃料電池スタックと燃料貯蔵室８７とを仕切る箱筺体の一部分を構成する壁を貫通する穴から形成されるものであってもよく、この場合、燃料輸送部材８５は、その一端が当該穴の内部に位置するかまたは燃料貯蔵室８７の内部に位置するように、当該穴に挿入される。
図２１における燃料貯蔵室８７は、複数の開口を有する筺体９０と燃料電池スタックとによって形成される。ただし、燃料貯蔵室８７は、これら筺体９０を用いて構成する必要性は必ずしもなく、たとえば、燃料貯蔵室８７の上壁（天井壁）、側壁および底壁を形成する部位を一体として含む１つの部材から構成することもできる。
図２１において筺体９０は、燃料貯蔵室８７の上壁（天井壁）を形成するとともに、複合単位電池が露出することを防止している。筺体９０のカソード極の直上には、空気を流通させるための複数の開口（ただし、開口の数は１以上あればよい）が形成されている。
＜気化層＞
上記のように燃料輸送部材８５を設けた場合、燃料輸送部材８５とアノード極との間に、燃料の蒸気をアノード極に供給するための気化層８１を備えることが好ましい。気化層８１は、液体不透過性およびガス透過性を有するため、アノード極へ供給されるガス状態の燃料の量または濃度（分圧）を絞る機能を有する。
気化層８１の細孔径を小さくするなどして、アノード極へ供給されるガス状の燃料の量または濃度（分圧）を絞ることができ、燃料が電解質膜を介してカソード極へ透過するクロスオーバーを抑制することができる。
このような気化層８１は、メタノール、エタノール等のアルコール燃料を用いる場合、撥水性と撥油性とが付与されることが好ましい。撥水性を有することにより、燃料流路４１側への水（たとえば、カソード極で生成され、電解質膜を介してアノード極側へ移動してきた水）の侵入を防止することができる。これによりアノード極における水分濃度を良好に保ち、出力低下を抑制することができる。この効果は、高濃度燃料（たとえば純メタノールなど）を用いる場合に特に有利である。さらに燃料輸送部材８５内の液体燃料に水が溶け、液体燃料の濃度が低下することを防止することができる。これにより液体燃料の濃度が一定に保たれ、アノード極への燃料供給量が安定化される。
また、気化層８１が撥油性を有することにより、気化層８１の表面が燃料によって濡れることを防ぐことができる。これにより発電によって生じる生成ガスが気化層８１を経由して燃料流路４１側に排出されやすくなる。
このような気化層８１に用いる材料としては、たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、シリコーンシートなどを挙げることができる。上記に述べた理由で、これらの材料に撥水処理や撥油処理が施されることが好ましい。
気化層８１の厚みは、特に制限されないが、アノード極内の内圧上昇によって穴が開いたり、歪曲しないように形状を維持し得るという観点から、十分な強度を有する必要があり、３０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、気化層８１の厚みは、４００μｍ以下であることが好ましく、２００μｍ以下であることがより好ましい。
このように燃料輸送部材８５内に供給される燃料は液体燃料であるが、気化層８１を通過して、アノード極に供給される燃料はガス状態である。また、燃料輸送部材８５自身の毛管力とともに、燃料輸送部材８５と気化層８１との界面に形成される毛細管による毛管力が付加されることにより、非常に大きな毛管力が得られ、液体燃料の吸い上げ高と吸い上げ速度とを高度に両立させることができる。したがって、燃料貯蔵室８７からアノード極への液体燃料の輸送を、外部動力を用いることなく、そして重力の影響をほとんど受けることなく行なうことができる。
このように図２１に示される複合単位電池では、燃料貯蔵室８７から気化層８１への液体燃料の輸送において非常に大きな毛管力が得られるため、使用時の複合単位電池の向きが特に制限されず、たとえば燃料貯蔵室８７を下にし、燃料輸送部材８５を鉛直方向上向きに立てた状態で使用した場合であっても、十分に高い電力を供給することができる。また、吸い上げ速度が高いため、液体燃料が燃料輸送部材８５に染み渡る（飽和する）時間が短縮されることから、燃料電池の起動から電力が取り出されるまでの時間を短縮することができる。
＜保湿層＞
本実施の形態において、図２１に示されるように、カソード集電体のカソード極と接する側とは反対側に保湿層８３を備えることが好ましい。保湿層８３は、発電によりカソード極で生じた水を保持し、単位電池内に水分濃度を保持することができる。これにより発電で複合単位電池の温度が高くなっても、水が蒸散しにくいため電解質膜が乾燥しにくくなり、またアノード極における水分濃度が良好に保たれるため、安定して高出力を発電することができる。
このような保湿層８３に用いられる材料としては、水に溶解するものでなければ特に限定されることなくいかなるものを用いることもできるが、高分子材料等の有機物質からなる多孔質体を用いることが好ましい。このような多孔質体としては、たとえば綿、発泡体、繊維束、織繊維、不織繊維、多孔質焼結体、あるいはこれらの材料の組み合わせからなるものを挙げることができる。適切な細孔を有する多孔質体を選択することにより、カソード極への空気供給を十分量確保しつつ、発電により生じた水が熱によって生じる上昇気流とともに排出されるのを防止する（すなわち水が蒸散するのを防ぐ）ことができる。
上記の高分子材料等の有機物質としては、たとえば、天然繊維、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、アクリル、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリフェニレン等から選択される１種または２種以上の組み合わせを用いることがより好ましい。
このような保湿層８３を構成する材料の中でも、外部からの衝撃に対する強度を高めるという観点からは、セピオライト、ゼオライト等を用いることが好ましい。なお、保湿層８３上にさらに保護層（図示せず）を設け、外部からの衝撃に対する強度を高めてもよい。
保護層８３を構成する材料としては、たとえばポリエチレン、ポリエステル、ポリビニル、およびポリカーボネートからなる群より選択される１種以上の高分子多孔質膜を挙げることができる。このような保護層を構成する高分子多孔質膜は、その空隙率が高いことが好ましい。これにより外部からの衝撃に対する単位電池の強度を高めることができる。
なお、図２１においては、カソード集電体２７の全面に接するように保湿層８３が設けられているが、このような形態のみに限られるものではなく、膜電極複合体２の上面のみに保湿層８３を設けてもよい。
＜断熱層＞
本実施の形態において、図２１に示されるように、アノード集電体のアノード極と接する側とは反対側に断熱層８２を備えることが好ましい。このような断熱層８２は、アノード極の反応により生じた熱を燃料輸送部材８５に伝導するのを抑制するために設けられるものである。このように断熱層８２を設けることにより、燃料輸送部材８５に含まれる燃料が加熱されるのを抑制することができる。これにより燃料の蒸散速度が過剰に大きくなることを防止し、燃料のクロスオーバーが生じにくくなる。なお、図２１に示されるように、断熱層８２は、気化層８１とアノード集電体３７とを接着材８６により貼り合わせたときの内部の空間に設けることが好ましい。
このような断熱層８２を構成する材料としては、ポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinyliDenFluolide）、ＰＴＦＥ（PolyTetraFluoroEthylene）、ＰＥＥＫ（登録商標）等のように耐酸性および耐薬品性に優れた樹脂、またはコットン、ポリエステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、アクリル、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリフェニレン等の高分子の不織布、またはカーボンペーパー、カーボン不織布、カーボンクロス、酸化チタン、シリカ、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム等の金属多孔体、または多孔質セラミックを好ましく用いることができ、非多孔質の金属やカーボンで、板または箔に複数の穴を開けた形状のもの、メッシュ状またはエキスパンドメタル状の多孔質を好ましく用いることができる。なお、材料の熱伝導は低いほうがより好ましいが、空気を保持することで断熱性が得られるため、材料の性質よりもその空孔率や厚みによって断熱性の効果を得ることが好ましい。
断熱層８２の空孔率は４０％以上であることが好ましく、６０％以上であることがより好ましく、さらに好ましくは９０％以上である。また、断熱層８２の厚みは、十分な断熱性を得るという観点から１００μｍ以上であることが好ましく、２５０μｍ以上であることがより好ましい。このような空孔率および厚みの多孔質体を用いることにより、断熱層８２の断熱性を高めることができる。上述の気化層８１および断熱層８２により、複合単位電池の過昇温を抑えることができ、保湿層８３により温度が上がった場合にも、安定して出力を得ることができる。
＜生成ガス排出路＞
本実施の形態において、複合単位電池を構成する各層を厚み方向に貫通する空間を有し、該空間は、アノード極で発生する生成ガスを排出するための生成ガス排出路８４であることが好ましい。このような生成ガス排出路８４を設けることにより、アノード極で発生する生成ガスを外部に効率よく排出することができる。
かかる生成ガス排出路８４がスペーサ２０と接する場合には、図２１にも示されるように、スペーサ２０にも同様の生成ガス排出路８４を設けることにより、燃料電池スタックを構成する各層の積層方向に生成ガス排出路８４を貫通させることが好ましい。
このような生成ガス排出路８４は、予め各層に貫通穴を有するものを積層させることにより形成してもよいし、燃料電池スタックを形成した後に、燃料電池スタックの各層の積層方向に全てを貫通させることにより形成してもよい。後者は、積層時に生成ガス排出路の位置あわせを行なう必要がないというメリットがあり、前者は、貫通時に各層の不要部材が混入されにくく、かつ貫通時に各層の位置ズレも生じにくいというメリットがある。
図２２は、図２１に示した燃料電池スタックに対し、燃料電池層とスペーサ層とをさらに積層させたものである。図２２に示されるように、２層以上の燃料電池層をスペーサ２０を介して積層させる場合、燃料電池層の表裏のいずれか一面もしくは両面の両端部上にスペーサ２０を設けることが好ましい。このように燃料電池層の両端部上にそれぞれ１つずつ合計２のスペーサ２０を形成する場合、２のスペーサ２０からなるスペーサ層となる。このようなスペーサ層を設けることにより、膜電極複合体２で発生した熱が上昇気流によって燃料電池スタックの外部に放熱する効果を高めることができる。
ここで、２のスペーサ２０を設ける場合、膜電極複合体２とスペーサ２０とが空間的にねじれの位置に配置されることが好ましい。「ねじれの位置」とは、膜電極複合体２およびスペーサ２０を長手方向に延長したときにも互いに交わらない位置関係を意味する。このような配置とすることにより、アノード極で生じる反応熱を外部に放出する効果を高めることができる。なお、放熱性を高めるという観点から、図２２に示される２のスペーサ２０の間に、さらに大面積のスペーサ２０ａを設けてもよいことは言うまでもない。
＜（３）燃料電池層間の集電方法＞
本発明の燃料電池スタックを用いて電子機器等を駆動するためには、一般的に電流出力時に１〜４Ｖ程度の電圧が必要である。しかしながら、１つの単位電池から取り出せる電圧は開回路電圧で０．６Ｖ程度であり、電流出力時で０．２〜０．４Ｖ程度である。このため１つの単位電池により燃料電池スタックを構成しても、それから取り出すことのできる電圧では電子機器等を駆動するためには不十分であり、電子機器に用いるためには各単位電池を直列接続することが不可欠である。
従来の燃料電池スタックは、片面単位電池構造の単位電池により燃料電池層を構成していることから、たとえば隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層に含まれる単位電池のカソード極と、他方の燃料電池層に含まれる単位電池のアノード極とを対向するように配置した上で、２層の燃料電池層の間に設けられるスペーサ層に層厚方向への導電性を付与することにより、または導電性の高い金属で隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層に含まれる単位電池のアノード極と他方の燃料電池層に含まれる単位電池のカソード極とを接続することにより、複数の燃料電池層を直列接続することができていた。
しかしながら、本発明の燃料電池スタックを構成する燃料電池層は、複合単位電池を採用していることから、隣接する２層の燃料電池層のカソード極同士が互いに対向している。このため隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層に含まれる単位電池のカソード極と他方の燃料電池層に含まれる単位電池のアノード極とを従来のように積層するだけでは直列接続することができなかった。
そこで、本発明の燃料電池スタックは、（ｉ）１つの燃料電池層において、燃料電池層に含まれる２つのアノード集電体同士を電気的に接続するとともに、燃料電池層に含まれる２つのカソード集電体同士を電気的に接続することにより、複合単位電池に含まれる２つの単位電池を並列接続する。そして、（ｉｉ）隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層に含まれる複合単位電池のカソード集電体と、他方の燃料電池層に含まれる複合単位電池のアノード集電体とを電気的に接続することにより、燃料電池層を直列接続する。このように燃料電池スタック内の各燃料電池層を電気的に接続することにより、燃料電池スタック内の配線が複雑化することなく高出力を得ることができる。
以下に、図２３を用いて上記の（ｉ）の１層の燃料電池層内の並列接続の配線方法を説明し、図２４を用いて上記の（ｉｉ）の隣接する３層の燃料電池層内の直列接続の配線方法を説明する。
（ｉ）同一の燃料電池層に設けられる２つの単位電池同士を並列接続する方法
図２３は、本発明の燃料電池スタックを構成する燃料電池層の１層を示した図である。図２３（Ａ）は、本発明の燃料電池スタックを構成する燃料電池層１層を真上から見た上面図であり、図２３（Ｂ）は、図２３（Ａ）に示される燃料電池層のうちのカソード集電体貫通孔２９とアノード集電体貫通孔３９とを含む面で切断した断面図である。
図２３（Ａ）に示される燃料電池層１００は、５つの複合単位電池１０が間隔を設けて設置されるものであり（図２３（Ａ）において複合単位電池１０は点線で囲んだ部分）、膜電極複合体２をカソード集電体２７とアノード集電体３７とで挟むことにより形成される。
ここで、カソード集電体２７には、一部を長くしたカソード電流取出部２８が設けられており、当該カソード電流取出部２８には同一の燃料電池層のカソード集電体２７同士を電気的に並列接続するためのカソード集電体貫通孔２９を備えている。アノード集電体３７も同様に一部を長くしたアノード電流取出部３８が設けられており、当該アノード電流取出部３８には、隣接する燃料電池層のカソード集電体２７と直列接続するためのアノード集電体貫通孔３９を備えている。
同一の燃料電池層内のカソード電流取出部２８およびアノード電流取出部３８は、図２３（Ａ）の上面図として見るときに、それぞれ重ならないように別の場所に設けることが好ましく、隣接する２層の燃料電池層を効率的に導通させるという観点から、カソード電流取出部２８とアノード電流取出部３８とは、カソード集電体２７およびアノード集電体（図示せず）の中心点に対して点対称となる位置に備えることがより好ましい。
複合単位電池に含まれる２つの単位電池を並列接続しやすいという観点から、図２３（Ｂ）に示されるように、同一の燃料電池層１００内において、燃料流路４１の表裏の両面にアノード集電体３７が１層ずつ設けられており、燃料電池層１００の表裏の両面にカソード集電体２７が１層ずつ設けられることが好ましい。これにより燃料電池層１００の表裏の両面に設けられたカソード集電体２７を電気的に接続することができるとともに、燃料流路４１の表裏の両面に設けられたアノード集電体３７を電気的に接続することができる。
燃料流路４１の表裏に形成されるアノード集電体３７同士を電気的に接続する方法としては、燃料流路形成材に導電性の材料を用いることにより行なってもよいし、アノード集電体３７自体が燃料流路４１を備えるものであって、燃料流路形成材を兼ねるものを用いることにより行なってもよい。このようにアノード集電体３７を電気的に接続することにより、図２３（Ｂ）に示されるように、同一の燃料電池層に対しアノード集電体３７から１つのアノード電流取出部３８が形成され、カソード集電体２７から２つのカソード電流取出部２８が設けられたものを用いることが好ましい。
（ｉｉ）隣接する３層の燃料電池層を直列接続する方法
図２４は、本発明の燃料電池スタックの燃料電池層間を直列接続する方法を示す図である。図２４（Ａ）は、本発明に用いられる燃料電池スタックを真上から見た上面図であり、図２４（Ｂ）は、図２４（Ａ）の燃料電池層のうちのカソード集電体貫通孔２９とアノード集電体貫通孔３９とを含む面で切断した断面図である。
図２４に示される燃料電池スタックは、３層の燃料電池層と２層のスペーサ層を交互に積層させたものである。以下においては、説明の便宜上３層の燃料電池層のことを最下層から順に第１燃料電池層、第２燃料電池層、第３燃料電池層とそれぞれ称することとするが、これらの燃料電池層の性能を区別するものではない。
図２４（Ｂ）に示されるように、第１燃料電池層のアノード電流取出部と、第２燃料電池層のカソードの電流取出部と、第３燃料電池層のアノード電流取出部とが一つの導線を通せるように積層し、第１燃料電池層のカノード電流取出部と、第２燃料電池層のアノード電流取出部と、第３燃料電池層のカソード電流取出部とにも同様に一つの導線が通せるように積層する。
そして、第１燃料電池層のアノード集電体貫通孔と、第２燃料電池層のカソード集電体貫通孔と、第３燃料電池層のアノード集電体貫通孔とに導線３４を通した上で、導線３４と、アノード集電体貫通孔およびカソード集電体貫通孔とを半田付けにより電気的に接続する。また、第１燃料電池層のカノード集電体貫通孔と、第２燃料電池層のアノード集電体貫通孔と、第３燃料電池層のカソード集電体貫通孔とにも導線２４を通した上で、導線２４と、アノード集電体貫通孔およびカソード集電体貫通孔とを半田付けにより電気的に接続する。このように２本の導線２４，３４を通すことにより３層の燃料電池層を直列接続することができる。なお、半田付けは、電気抵抗を低減するとともに、電気接合の接点が大きくならないという利点があり特に好ましく用いられる。
このような各燃料電池層の接続は、２層以上の燃料電池層を直列接続する場合に有効であり、２つの導線を通すだけで全ての燃料電池層を接続することができる。このため、たとえ燃料電池層が多い場合であっても複雑な配線になることなく、各燃料電池層を直列接続することができる。
なお、各燃料電池層の直列接続は、上記のような半田付けによる接続のみに限られるものではなく、たとえば導線にネジ山を設けた上で、当該ネジ山の部分をナット等で挟み込むようにアノード集電体貫通孔およびカソード集電体貫通孔に固定することにより接続してもよい。このように接続することにより、半田付けによる接続と対比して、アノード電流取出部およびカソード電流取出部の強度を向上させることができる。
（ｉｉｉ）同一の燃料電池層内の接続し、隣接する２層の燃料電池層の接続する方法
上記を踏まえ、同一の燃料電池層内の電気的な接続と、隣接する２層の燃料電池層の間の接続とをさらに説明する。
アノード集電体３７は、その厚み方向に貫通するアノード集電体貫通孔３９を備え、カソード集電体２７は、その厚み方向に貫通するカソード集電体貫通孔２９を備え、アノード集電体貫通孔と、カソード集電体貫通孔とは、同一の燃料電池層において燃料電池層の積層方向に異なる位置に設けることが好ましい。
また、アノード集電体３７は、その側面から外方に向けて突出させたアノード電流取出部３８を含み、アノード電流取出部３８は、アノード集電体３７を厚み方向に貫通するアノード集電体貫通孔３９を備え、カソード集電体２７は、その側面から外方に向けて突出させたカソード電流取出部２８を含み、カソード電流取出部２８は、カソード集電体２７を厚み方向に貫通するカソード集電体貫通孔２９を備え、アノード集電体貫通孔３９と、カソード集電体貫通孔２９とは、同一の燃料電池層において燃料電池層の積層方向に異なる位置に設けることが好ましい。
そして、隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔２９と、他方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔３９とは、燃料電池層の積層方向に実質的に同一の位置に設け、上記の一方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔３９と、上記の他方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔２９とは、燃料電池層の積層方向に実質的に同一の位置に設けられることがより好ましい。
なお、上記において、カソード集電体貫通孔２９およびアノード集電体貫通孔３９を「燃料電池層の積層方向に実質的に同一の位置に設ける」とは、必ずしもカソード集電体貫通孔２９およびアノード集電体貫通孔３９を燃料電池層の積層方向の上下に完全に一致する位置に設ける場合のみに限られるものではなく、多少その位置が異なる（ずれた）ものであっても、導線を通すことができる程度に異なる（ずれた）位置の範囲内にある限り、本発明の範囲を逸脱するものではないことを意味するものである。
このような位置関係にアノード集電体３７およびカソード集電体２７を配置することにより、各燃料電池層のアノード集電体３７およびカソード集電体２７の電気的な接続を容易にすることができる。
図２４に示される燃料電池スタックのように、３層の燃料電池層からなる燃料電池スタックの場合、開回路電圧が１．８Ｖ程度であり、発電時の取り出し電圧が０．６〜１．２Ｖ程度となる。
なお、上記においては、カソード集電体２７にカソード集電体貫通孔２９を設け、かつアノード集電体３７にアノード集電体貫通孔３９を設ける場合を説明したが、必ずしもこれらの貫通孔を設ける必要はなく、隣接する燃料電池層のアノード電流取出部とカソード電流取出部が積層方向に実質的に同一の位置に設けられることにより、本発明の複合単位電池を用いた燃料電池スタックにおいて集電を簡略化することができる。すなわちたとえば、隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のアノード集電体のアノード電流取出部の端部に半田を用いて導線を接合するとともに、該導電の他端を、他方の燃料電池層のカソード電流取出部の端部に半田で接合してもよい。このように接続しても、貫通孔を設ける場合と同様に燃料電池スタックの発電時の取り出し電圧を高めることができることは言うまでもない。
要するに、隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のアノード集電体と、他方の燃料電池層のカソード集電体とは、半田を介して導線により接続される限り、各単位電池で発電する電力を集電することを妨げるものではない。ただし、半田による接合前の上記の導線の仮固定や、燃料電池層の位置ズレを防止するという観点、電気接続の接点における強度を向上させるという観点からは、アノード集電体貫通孔およびカソード集電体貫通孔を設けることが好ましい。
＜不導体部＞
本発明において、導線２４，３４に設けられる不導体部５１は、各燃料電池層の間でショートが発生することを避けるために設けられるものである。すなわち、導線が不導体部５１を有さない場合、隣接する燃料電池層のカソード集電体同士およびアノード集電体同士の両方が電気的に接続されることとなり、燃料電池層の間でショートが発生することとなる。
隣接する２層の燃料電池層の電気的な接続をもとに、不導体部をどの位置に設けるのが好ましいかを説明すると、隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔と、他方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔とが、導線により接続され、上記の一方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔と、上記の他方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔とが、不導体部を有する導線により接続され、当該不導体部は、一方の燃料電池層のカソード集電体と、他方の燃料電池層のアノード集電体とを電気的に絶縁する位置に導線に設けることが好ましい。
このような不導体部５１は、たとえば導線と導線とを樹脂で接着することにより、当該樹脂の部分を不導体部として設けてもよい。なお、導線内に不導体部５１を設ける場合のみに限られるものではなく、たとえば隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のアノード集電体と他方の燃料電池層のカソード集電体との間の導線を物理的に切断することにより、一方の燃料電池層のアノード集電体と他方の燃料電池層のカソード集電体との間を絶縁してもよい。
このように、一方の燃料電池層のアノード集電体と他方の燃料電池層のカソード集電体との間の導線を物理的に切断することにより、上述のように不導体部を設けることなく、隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔と、他方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔とは、導線により接続され、上記の一方の燃料電池層に含まれる２のカソード集電体貫通孔同士は、導線により接続された状態にすることができる。
図２４（Ｂ）に示される燃料電池スタックを用いて、不導体部５１をどの位置に設けることが適切かを具体的に説明する。まず、第１燃料電池層のカソード集電体と、第２燃料電池層のアノード集電体とが電気的に接続されることにより直列接続されるため、第１燃料電池層のアノード集電体と、第２燃料電池層のカソード集電体とが電気的に繋がっていてはショートを引き起こしてしまう。このため、第１燃料電池層のアノード集電体と、第２燃料電池層のカソード集電体との間には不導体部５１を設ける必要がある。
これと同様に、第２燃料電池層のカソード集電体と第３燃料電池層のアノード集電体とが電気的に接続されることにより直列接続されるため、第２燃料電池層のアノード集電体と第３燃料電池層のカソード集電体とが電気的に繋がっていてはショートを引き起こしてしまう。このため、第２燃料電池層のアノード集電体と、第３燃料電池層のカソード集電体との間には不導体部を設ける必要がある。
以上を踏まえて不導体部を設ける位置を一般化すると、第ｎ燃料電池層のアノード集電体と、第(ｎ＋１)燃料電池層のカソード集電体との間に不導体部５１を設ける必要がある（ただし、ｎは１以上の整数とする）。
また、本発明の燃料電池スタックに用いられる集電方法は、配線が複雑化しやすい複合単位電池を有する燃料電池層を備える場合に特に有効であるが、この集電方法は片面単位電池構造の燃料電池層を備える燃料電池スタックにも適用することができる。片面単位電池構造の燃料電池層により構成される燃料電池スタックに、この集電方法を採用する場合、アノード電流取出部とカソード電流取出部とをそれぞれ別の場所に設ける必要はなく、１本の導線で接続することができる。
たとえば、片面単位電池構造の燃料電池層を２層積層する場合、最下層から順に第１燃料電池層のアノード集電体、第１燃料電池層のカソード集電体、第２燃料電池層のアノード集電体、第２燃料電池層のカソード集電体となるため、アノード電流取出部とカソード取出部を別の場所に設けなくとも、これらの積層順に何かの手段で電気的に接続することにより直列接続することができる。
＜（４）電子機器＞
本発明の燃料電池スタックは、電子機器であればどのようなものにも適用することができるが、電子機器の中でも特にモバイル機器等に適用することが好ましい。このような電子機器としては、たとえば携帯電子機器、電子手帳、ポータブルゲーム機器、モバイルテレビ機器、ハンディーターミナル、携帯情報端末（ＰＤＡ：Personal Digital assistant）、モバイルＤＶＤプレーヤ、ノートパソコン、ビデオ機器、カメラ機器、ユビキタス機器またはモバイル発電機等を挙げることができる。
以下に、図２５〜２４を参照しつつ、本発明の燃料電池スタックを搭載した電子機器を実施の形態Ｉ〜ＩＩＩにより説明する。
（実施の形態Ｉ）
図２５は、本実施の形態における燃料電池スタックを備えた電子機器の好ましい一例を示す図である。図２５（Ａ）は、本実施の形態の燃料電池スタックを備える電子機器の一面を示す概略断面図であり、図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大した断面図であり、図２５（Ｃ）は、図２５（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。
本実施の形態の電子機器７０に用いられる燃料電池スタック１は、取り出し電圧が１〜４Ｖ程度になるように、燃料電池層とスペーサ層とが交互に各３層ずつ積層され、電気的に直列接続したものを用いている。
図２５（Ａ）に示される電子機器７０において、電子機器７０の情報表示部７１と接する面とは反対側の面に接して燃料電池スタック１が搭載される。本実施の形態の電子機器７０に用いられる燃料電池スタック１は、それを構成する層のうちのスペーサ層が、電子機器７０と接するように配置されており、当該スペーサ層上に燃料電池層とスペーサ層とが交互に各３層ずつ積層された構造となる。
このようにスペーサ層が電子機器７０と接するように、電子機器内に燃料電池スタック１を配置することにより、電子機器７０と燃料電池スタック１との間に空間を設けることなく単位電池のカソード極に、効率的に空気を供給することができる。
図２５には示されていないが、本実施の形態の燃料電池スタック１の他に携帯電話機器の始動時の出力不足および最大出力時の出力不足をカバーするための補助電源として、Ｌｉイオン電池等のような二次電池を設けてもよい。当該二次電池と燃料電池スタックとの電圧特性が異なる場合は、電子機器７０に適した電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ等のようなコンバータを設けることが好ましい。
また、補助電源としてキャパシタを設けることにより燃料電池スタック１とキャパシタとのハイブリッド化をすることもできる。補助電源としてキャパシタを用いる場合、燃料電池スタック１の電圧変化に対応してキャパシタの充放電がされるため、電圧調整のためのコンバータを設けなくてもよい。
また、電子機器７０には、燃料電池スタック１の燃料流路４１に燃料を供給するためのポンプまたはファン等の補器を備えてもよく、当該補器を駆動するためのドライバー回路を備えてもよい。また、電子機器７０には、ある一定量の燃料を保有することができる燃料カートリッジを備えていてもよい。
（実施の形態ＩＩ）
図２６は、本実施の形態における燃料電池スタックを備えた電子機器の好ましい一例を示す図である。図２６（Ａ）は、本実施の形態の燃料電池スタックを備える電子機器の一面を示す概略断面図であり、図２６（Ｂ）は、図２６（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大して示す断面図であり、図２６（Ｃ）は、図２６（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。
本実施の形態の電子機器に用いられる燃料電池スタック１は、３層の燃料電池層と２層のスペーサ層とを交互に積層したものであり、３層の燃料電池層のうちの電子機器７０と接する燃料電池層のみが片面単位電池構造の単位電池１０ａにより構成され、それ以外の２層の燃料電池層１００は、複合単位電池１０により構成されたものである。
このように電子機器と接する燃料電池層のみを片面単位電池の単位電池１０ａにより構成することにより、燃料電池スタック１のうち、電子機器７０と接する面にスペーサ２０を設ける必要がなくなり薄型化することができる。
（実施の形態ＩＩＩ）
図２７は、本実施の形態における燃料電池スタックを備えた電子機器の好ましい一例を示す図である。図２７（Ａ）は、本実施の形態の燃料電池スタックを備える電子機器の一面を示す概略断面図であり、図２７（Ｂ）は、図２７（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大して示す断面図であり、図２７（Ｃ）は、図２７（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。
本実施の形態の電子機器７０は、燃料電池スタック１を内部に組み込んでいることを特徴とする。このように燃料電池スタックが電子機器７０の内部に組み込まれていることにより、燃料電池スタックの上面および下面は電子機器７０と接しており、燃料電池スタックの側面のみが外部空気と接触することとなる。このため本実施の形態の電子機器は、実施の形態ＩおよびＩＩの電子機器と対比して、燃料電池スタックに空気を供給しにくい構造となっている。
しかしながら、本実施の形態の電子機器に用いられる燃料電池スタック１のように、３層の燃料電池層と２層のスペーサ層とを交互に積層し、当該燃料電池層のうちの電子機器７０と接しない燃料電池層のみが複合単位電池１０により構成され、それ以外の電子機器７０と接する燃料電池層は２層とも、単位電池１０ａにより構成されるものを適用することにより、燃料電池スタック１を電子機器７０の内部に完全に組み込んでも各単位電池５０のカソード極に空気を供給することができる。
また、このような構造の燃料電池スタックは、３次元的に連通した構造のものを採用していることから、各単位電池のカソード極にも安定して酸素を供給することができる。
このような構造の燃料電池スタックを採用することにより、ユーザーが電子機器７０を使用する向きにより、燃料電池スタック１への空気供給が変わるということがない。このことから、Ｌｉイオン電池のような２次電池等と同様に、電子機器を用いる方向を意識することなく電子機器を用いることができる。
図２５〜２４に示される燃料電池スタックはいずれも、従来のように大面積を有する複合単位電池とは異なり、電子機器と直接接するように配置しても複合単位電池を構成する各単位電池のカソード極に酸素を供給することができる。このため、本実施の形態の燃料電池スタックは、電子機器の中でのいかなる場所にも配置することができ、電子機器に配置する上での自由度が高い。しかも、電子機器と燃料電池スタックとの間に空間を設ける必要がないことから、支持体を備える必要がなく、燃料電池スタックの外部からの圧力に対する強度を高めることもできるとともに、電子機器そのものを小型化することができる。これらの効果により電子機器を用いるユーザーの利便性を高めることもできる。
以下においては、実施例を挙げて本発明の燃料電池スタックの好ましい作製工程を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
図２８は、実施例１で作製された燃料電池スタックを示しており、図２８（Ａ）は、その上面図であり、図２８（Ｂ）は、その断面図である。実施例１では、図２８（Ｂ）に示されるように、燃料電池層１００を２層配置し、その２層の燃料電池層間に、１層のスペーサ層２００を有する構造のものを作製した。なお、当該燃料電池層１００は、５つの複合単位電池が隙間を設けて配置してなるものであり、スペーサ層２００は５つのスペーサ２０が隙間を設けて配置してなるものである。
本実施例は、次のような手順で燃料電池スタックを作製した。
（１）まず、アノード導電性多孔質層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード導電性多孔質層の順に積層したものをホットプレスすることにより一体化した（一体化して得られたものを以下においては「単位電池」とも称する）。
（２）次に、燃料流路形成材の表裏の両面に接着剤を塗布し、当該接着剤を介して燃料透過抑制層を各１層ずつ貼り合わせることにより、流路含有積層物を得た。
（３）次に、アノード集電体に接着剤を塗布し、（２）で得られた流路含有積層物の表裏の燃料透過抑制層のそれぞれに、当該接着剤を介してアノード集電体を貼り合わせることにより、アノード集電体積層体を得た。
（４）燃料電池層を構成する各層を（カソード集電体、単位電池、アノード集電体積層体、単位電池、およびカソード集電体をこの順に）配置し、これらを一体化して燃料電池層を作製した。
（５）上記のようにして得られた燃料電池層を２層準備し、これらの２層の燃料電池層の間にスペーサ層を形成することにより、燃料電池スタックを作製した。
（６）上記の燃料電池スタックを構成する２層の燃料電池層を直列接続した。
以下にこれらの各工程を具体的に説明する。
＜（１）単位電池の作製＞
まず、燃料電池スタック１を構成する単位電池に用いられる電解質膜として、幅２４ｍｍ×長さ２４ｍｍ、厚さが約１２５μｍの電解質膜（商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１５（デュポン株式会社製））を用意した。
次に、アノード触媒ペーストとしては、Ｐｔ担持量が３２．５質量％でありＲｕ担持量が１６．９質量％であるＰｔおよびＲｕからなる粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（商品名：ＴＥＣ６６Ｅ５０（田中貴金属工業株式会社製））と、２０質量％のＮａｆｉｏｎ（登録商標）を含むアルコール溶液（シグマアルドリッチジャパン株式会社製）と、イオン交換水と、イソプロパノールと、ジルコニアビーズとを所定の割合でＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌脱泡機を用いて５０ｒｐｍで５０分間の混合を行なった後に、ジルコニアビーズを除去したものを用いた。
また、カソード触媒ペーストとしては、Ｐｔ担持量が４６．８質量％のＰｔ粒子およびカーボン粒子からなる触媒担持カーボン粒子（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ（田中貴金属工業株式会社製））を用いたこと以外はアノード触媒ペーストと同様の方法により作製したものを用いた。
そして、アノード導電性多孔質層として、外形が幅２３ｍｍ×長さ２４ｍｍで、片面にフッ素系の樹脂と炭素粒子からなる層で撥水処理されたカーボンペーパー（商品名：ＧＤＬ２５ＡＣ（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製））を用いた。このカーボンペーパーを親水化するために、カーボンペーパーを６９％の硝酸に入れた上で煮沸処理を行なった。
このように親水化処理を行なうことにより、メタノールのアノード導電性多孔質層に対する接触角は小さくなるため、発電時においてアノード導電性多孔質層にメタノールを保持することができる。これにより外部雰囲気から空気が混入することを防止することができ、電池としての発電特性を向上させることができる。
一方、メタノールのアノード導電性多孔質層に対する接触角が小さくなることから、アノード導電性多孔質層に二酸化炭素等の生成ガスによる気泡が保持されにくく、生成ガスを端面から排出することができる。このような表面張力の差を利用することにより、メタノールと生成ガスとを分離することができる。
上記のように親水化処理した後に、当該アノード導電性多孔質層の撥水処理が施されている面上に、上記で作製したアノード触媒ペーストをバーコータで塗布した後に、乾燥させることにより約４０μｍ厚のアノード触媒層を形成した。なお、ここで形成したアノード触媒層は特別な親水化処理は行っていないが親水性が高く、アノード導電性多孔質層と同様にメタノールを触媒層に保持することができる。
また、カソード導電性多孔質層も上記と同様のカーボンペーパーを用い、当該カソード導電性多孔質層の撥水処理が施されている面上に、上記で作製したカソード触媒ペーストをバーコータで塗布した後に、乾燥させることにより約４０μｍ厚のカソード触媒層を形成した。
次に、アノード導電性多孔質層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、およびカソード導電性多孔質層をこの順で重ね合わせたものをステンレス板で挟んだ。そして、当該ステンレス板を１３０℃に昇温して、ステンレス板の厚み方向に１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間熱圧着し、上述の各層を一体化することにより単位電池を得た。そして、当該単位電池を２３ｍｍ×２．３５ｍｍの大きさに切断することにより、１０本の単位電池を得た。
＜（２）燃料流路形成材と燃料透過抑制層との接着＞
図２９は、燃料電池層を作製するために用いた各部材の上方図であり、図２９（Ａ）は燃料流路形成材の形状を示す上方図であり、図２９（Ｂ）はアノード集電体の形状を示す上方図であり、図２９（Ｃ）はカソード集電体の形状を示す上方図である。
本実施例で用いられる燃料流路形成材４０は、図２９（Ａ）に示されるように、全体の幅の長さＬ3が１６．５ｍｍであり、縦の長さＬ4が３７ｍｍ（燃料流路入口４２を含む）であり、その厚さは２００μｍであった。当該燃料流路形成材４０は、その厚み方向への隙間孔４８（幅の長さＬ9１．０ｍｍ×縦の長さＬ5２５ｍｍ）が４つ形成されているものを用いた。
この燃料流路形成材４０は、この隙間孔４８以外の部分には燃料流路形成材４０の細く伸びた部位（図２９（Ａ）の点線で囲まれた部分のことを意味する。以下においてはこの部分のことを単に「延伸部」とも称する）が５本残り、当該延伸部の幅（すなわち後の工程により「単位電池の幅」ともなる）の長さＬ2はいずれも２．５ｍｍであった。
また、燃料流路形成材４０には燃料流路４１が蛇型に形成されており、当該燃料流路４１は燃料流路４１の幅の長さＬ1が１．５ｍｍであった。このことから、燃料流路形成材４０の延伸部の幅（すなわち単位電池の幅）の長さＬ2に対する燃料流路４１の幅の長さＬ1の関係Ｌ1／Ｌ2は、０．６である。
また、延伸部の燃料流路４１は厚み方向に貫通しているが、延伸部以外の部位（燃料流路入口４２と、蛇型流路のコーナー部）の燃料流路４１は、燃料流路形成材４０の表裏から深さが８０μｍの溝が形成されており、断面がＨ型で厚み方向に貫通していない。このように燃料流路形成材４０が厚み方向に貫通していない部分を有することにより、燃料流路形成材４０が２つの部材に分離してしまうことを防ぐことができるとともに、その形状を維持することができる。
上記のような燃料流路形成材４０の表裏の両面に燃料透過抑制層を接着した。すなわち、上記の燃料流路形成材４０のうち、燃料流路４１が形成されていない部分に、バーコータを用いて熱硬化性の変性ポリオレフィン系樹脂からなる接着剤（商品名：アロンメルトＰＰＥＴ−１６００（東亞合成株式会社製））を塗布し、当該接着剤上に、燃料流路４１を覆うようにフッ化炭素樹脂製の燃料透過抑制層（商品名：ポリビニリデンフロライド製メンブレンフィルター（日本ミリポア製））を接着した。当該燃料透過抑制層は、燃料流路形成材４０と同じ大きさであり、燃料流路形成材に形成された隙間孔４８と同じ位置に幅の長さが１．０ｍｍであって、縦の長さが２５ｍｍであり、厚み方向に貫通した隙間孔が４つ形成されたものである。同様の方法により、燃料流路４１の反対側の面にも燃料透過抑制層を接着し、燃料流路形成材の表裏をそれぞれ各１層ずつ合計２層の燃料透過抑制層で挟んだ構造のもの（以下においては、「流路含有積層物」とも称する）を作製した。
＜（３）流路含有積層物とアノード集電体との接着＞
本実施例で用いられるアノード集電体３７は、燃料流路形成材と同様にステンレス製であり、耐腐食性を向上させるため、および電気抵抗を低減するために金メッキしたものを用いた。図２９（Ｂ）に示されるように、大きさは燃料流路形成材と同様であり、幅の長さ１６．５ｍｍ、縦の長さ３１ｍｍであり、厚さは１００μｍである。このようなアノード集電体３７は、燃料流路形成材と同様に幅の長さが１．０ｍｍであって、縦の長さが２５ｍｍであり、厚み方向に貫通した隙間孔が４つ形成されたものである。
このアノード集電体３７は、その延伸部（縦方向長さＬ5は２３ｍｍ）には、燃料を単位電池に供給するために口径０．５ｍｍφのアノード孔３３が複数形成されているとともに、０．５ｍｍ幅のアノード孔３３が形成されていない部分（以下においては単に「土手部分７２」とも称する）を有している。また、アノード集電体３７は、アノード電流取出部３８を伸ばして設けられており、当該アノード電流取出部３８には、１ｍｍΦのアノード集電体貫通孔３９を有している。
上記のようなアノード集電体３７の上述の土手部分７２と、アノード集電体３７の延伸部とアノード電流取出部３８とを除く部位７３に、バーコータを用いて熱硬化性の変性ポリオレフィン系樹脂からなる接着剤（商品名：アロンメルトＰＰＥＴ−１６００（東亞合成株式会社製））を塗布し、燃料流路形成材４０に形成された隙間孔４８と、アノード集電体３７に形成された隙間孔とが一致するように配置した。そして、上記の接着剤を介して、（２）で得られた流路含有積層物の、燃料透過抑制層の燃料流路形成材４０に対向する面とは反対側の面に各１つずつ、合計２つのアノード集電体３７を接着した（ここで得られた積層物のことを以下においては、単に「アノード集電体積層物」とも称する）。
＜（４）燃料電池層を構成する各層の積層＞
本実施例で用いられるカソード集電体２７は、燃料流路形成材と同様にステンレス製であり、耐腐食性を向上させるため、および電気抵抗を低減するために金メッキしたものを用いた。図２９（Ｃ）に示されるように、燃料流路形成材と同様の大きさで幅の長さが１６．５ｍｍであり、縦の長さが３１ｍｍであり、厚さが１００μｍのものを用いた。当該カソード集電体２７は、燃料流路形成材と同様に幅の長さが１．０ｍｍ、縦の長さが２５ｍｍの厚み方向への隙間孔が形成されたものを用いた。
このカソード集電体２７は、空気を単位電池に供給するための口径０．５ｍｍφの複数のカソード孔２３がカソード集電体２７の延伸部（延伸部の縦の長さは２３ｍｍ）に形成されている。また、カソード集電体２７には、アノード集電体３７のアノード電流取出部３８とは異なる部位にカソード電流取出部２８が伸びて設けられており、当該カソード電流取出部２８にはアノード集電体３７と同様に、１ｍｍΦのカソード集電体貫通孔２９を有する。
上記のようなカソード集電体２７を用いて、カソード集電体２７、単位電池、アノード集電体積層物、単位電池、およびカソード集電体２７の順に配置した。すなわち、カソード集電体の５本の延伸部上に、（１）で得られた単位電池を各１本ずつ合計５本配置し、当該５本の単位電池上に（３）で得られたアノード集電体積層物を、カソード集電体の隙間孔とアノード集電体の隙間孔とが重なるように配置した。そして、アノード集電体積層物上のアノード集電体の５本の延伸部上に（１）で得られた単位電池を各１本ずつ合計５本配置し、その後当該単位電池上にさらにカソード集電体２７を配置した。
このように燃料流路に対して両方の面に単位電池を配置する複合単位電池を形成するときは、燃料流路４１に対して片方の面に５本ずつ、燃料流路４１の両面に合計１０本の単位電池を配置する必要がある。
次に、上記のように配置したものをステンレス板で挟み、ステンレス板の厚み方向に１３０℃の温度で、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間熱圧着し、上記で得られた積層体を一体化することにより燃料電池層を形成した。アノード集電体とアノード導電性多孔質層との界面の接着、およびカソード集電体とカソード導電性多孔質層との界面の接着はいずれもアンカー効果により接合された。このようにして作製された燃料電池層１００の厚さは１．３ｍｍ程度であった。
＜（５）燃料電池スタックの作製＞
図２８に示されるように、燃料電池層１００、スペーサ層２００、燃料電池層１００の順になるよう各層を配置した。ここで、スペーサ層２００に用いられるスペーサ２０としては、幅の長さ３．０ｍｍ、縦の長さ１７．０ｍｍの親水性の多孔質体（商品名：オイコスＡＰ１２００（日清紡株式会社製））を用い、それぞれ２．０ｍｍの隙間を設けて５個のスペーサ２０を配置することによりスペーサ層２００を形成した。
また、隣接する２層の燃料電池層１００において、一方の燃料電池層１００のアノード集電体３７のアノード電流取出部３８と、他方の燃料電池層１００のカソード集電体２７のカソード電流取出部２８とが積層方向に重なるように互いに配置して、燃料電池スタックを作製した。当該燃料電池スタックの全体の厚みは約３．５ｍｍであった。また、燃料電池スタック内の発電部の面積の総和は（以下においては「発電部面積」とも称する）は１０．８ｃｍ2となった。
＜（６）燃料電池層の直列接続＞
次に、上記で得られた燃料電池スタックを構成する２層の燃料電池層１００の直列接続について説明する。燃料電池層１００を構成するアノード集電体３７のアノード電流取出部３８に設けられたアノード集電体貫通孔３９と、カソード集電体２７のカソード電流取出部２８に設けられたカソード集電体貫通孔２９とに、不導体部５１を設けた口径１．０ｍｍΦの金線からなる導線３４を挿入した。
この不導体部５１を設けた導線３４は、図２８（Ｂ）に示されるように、２本の金線をエポキシ系樹脂の接着剤で接着することにより２本の金線が絶縁されている。導線３４とカソード集電体２７およびアノード集電体３７とは半田付けを行なうことにより電気的に接続した。
一方、燃料電池層を構成するカソード集電体２７のカソード電流取出部２８に設けられたカソード集電体貫通孔２９および燃料電池層を構成するアノード集電体３７のアノード電流取出部３８に設けられたアノード集電体貫通孔３９にも導線２４を挿入した。この導線は上記のような不導体部５１を設ける必要がないため、１本の導線２４を用いて接続した。導線２４とカソード集電体２７およびアノード集電体３７とは半田付けを行なうことにより電気的に接続した。以上の工程により、本発明の燃料電池スタックを構成する燃料電池層を電気的に接続した。
実施例１の燃料電池スタックの出力特性と、体積出力密度とを測定した。ここで、これらの特性を測定するための条件としては、燃料電池スタックに対し、燃料流路の燃料供給口と燃料ポンプとの間、燃料ポンプと燃料カートリッジとの間をシリコンチューブにより接続した。そして、当該燃料ポンプを用いて燃料電池層１層の燃料流路に対し、０．１ｍｌ／ｍｉｎの流速で、濃度が５ｍｏｌ／ｄｍ3のメタノール水溶液の燃料を供給した。この燃料電池スタックに空気ファンは備えておらず、燃料電池スタックを用いる測定雰囲気の温度は室温であった。
このような条件の下で、燃料電池スタックの出力特性は、充放電電源ユニット（製品名：ＰＦＸ２０１１（菊水電子工業株式会社製））を用いて測定した。
図３０（Ａ）は、実施例１で作製された燃料電池スタックに対し、電流―電位曲線を測定した結果を示すグラフであり、図３０（Ａ）の縦軸は、燃料電池スタックからの出力電圧（単位は［Ｖ］）の値を表しており、横軸は、燃料電池スタックから流れる電流（単位は［Ａ］）を表している。
図３０（Ａ）に示されるように、この燃料電池スタックの開回路電圧（電流０Ａのときの電圧）は約１．２Ｖであり、１．５Ａの電流を流した際の出力電圧は０．４Ｖであった。このことから燃料電池スタックとしては約０．６０Ｗの出力を得ることができることが明らかとなった。
図３０（Ｂ）は、実施例１で作製された燃料電池スタックに対し、体積出力密度を測定して得られた結果を示すグラフである。図３０（Ｂ）の縦軸は、燃料電池スタックの出力を燃料電池スタックの体積（以下においては「発電部体積」とも称する）で割って得られた値（単位は［Ｗ／ｃｍ3］）を表しており、横軸は、燃料電池スタックから流れる電流（単位は［Ａ］）を表している。
本実施例の燃料電池スタックの発電部体積は、１．３ｃｍ3（幅１６．５ｍｍ×縦方向長さ２３ｍｍ×厚み３．５ｍｍ）であったことから、最大の出力密度は約０．４５Ｗ／ｃｍ3（約０．４４Ｖ時に最大の出力密度）となった。この最大の出力密度は、従来の燃料電池スタックの出力密度の最大値である約０．３０Ｗ／ｃｍ3の約１．５倍の出力密度にあたり、極めて優れたものである。
このように燃料電池スタックの出力密度を向上することができたのは、燃料電池スタックを構成する燃料電池層として、複合単位電池を隙間を設けて配置したものを用いたことによるものと考えられる。これにより、単位体積あたりの発電部面積の増大を可能とし、また空気供給も良好であったことから、出力密度向上を達成できたものと考えられる。
図３１は、本実施例の燃料電池スタックを備えた電子機器の好ましい一例を示す図である。図３１（Ａ）は、本発明の燃料電池スタックを備える電子機器を示す概略断面図であり、図３１（Ｂ）は、図３１（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大して示す断面図であり、図３１（Ｃ）は、図３１（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。
実施例１で作製した燃料電池スタックを電子機器の電源として搭載するために、図３１に示されるように燃料電池スタックの最下層にさらにスペーサ層を加えることにより、スペーサ層、燃料電池層、スペーサ層、燃料電池層の順に、燃料電池層とスペーサ層とを各２層ずつ合計４層積層した燃料電池スタックにした。
そして、電子機器の始動時の出力、および電子機器の駆動時の最大出力をカバーするための補助電源としてＬｉイオン電池と、電子機器に適した電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、メタノール水溶液を保有した燃料カートリッジと、燃料ポンプと、上記の燃料電池スタックとを有した燃料電池システム８０を、図３１に示されるように、電子機器の情報表示部７１の面とは反対の面に搭載した。
上記で作製した燃料電池スタックを搭載する電子機器としては、電子辞書（型番：ＰＷ−ＴＣ９３０（シャープ株式会社製））を用いた。この電子辞書は待機時に０．４Ｗ程度消費するが、補助電源を用いることなく本発明の燃料電池スタックの電力のみで少なくとも１時間動作した。
実施例２では、実施例１の燃料電池スタックを構成する２層の燃料電池層のうち、１層の燃料電池層を大面積単位電池からなるものにした燃料電池スタックを作製した。すなわち、各複合単位電池の間に隙間を設けた燃料電池層１層と、大面積単位電池による燃料電池層１層とを配置し、その２層の燃料電池層間に隙間を設けてスペーサを配置してなるスペーサ層を有する構造の燃料電池スタックを作製した。
複合単位電池の間に隙間を設けた燃料電池層は実施例１と同様の方法により作製した。もう一方の燃料電池層を構成する大面積単位電池は、複合単位電池と同様の工程により作製することができるが、必要となる部材の形状等の点で一部異なる。
＜（１）単位電池の作製＞
以下においては、実施例１の燃料電池スタックの製造方法を説明した順序を踏襲して、実施例２の燃料電池スタックに用いられる大面積単位電池の作製方法を説明する。実施例１と同様にアノード導電性多孔質層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、およびカソード導電性多孔質層をこの順で重ね合わせたものをステンレス板で挟んで、これらの各構成部材の単位電池を得た。実施例２では大面積単位電池を得るために、上記の単位電池を２３ｍｍ×１６．３ｍｍの大きさに切断することにより、大面積単位電池を１つ取り出した。
＜（２）燃料流路形成材と燃料透過抑制層との接着＞
図３２は、本実施例の燃料電池スタックを構成する燃料電池層を作製するために用いた各部材の上方図であり、図３２（Ａ）は燃料流路形成材の形状を示す上面図であり、図３２（Ｂ）はアノード集電体の形状を示す上面図であり、図３２（Ｃ）はカソード集電体の形状を示す上面図である。
本実施例で用いられる燃料流路形成材４０は、図３２（Ａ）に示されるように、全体の幅の長さＬ3が１６．５ｍｍであり、縦の長さＬ4が３７ｍｍ（燃料流路入口４２を含む）であり、その厚さは２００μｍであった。当該燃料流路形成材４０には、溝深さが１００μｍの燃料流路４１を形成した。図３２（Ａ）に示される燃料流路形成材に形成される燃料流路１本の幅Ｌ1は１．０ｍｍであり、燃料流路形成材４０の幅長さとの比は０．８５であった。
上記のような燃料流路形成材４０の表裏の両面のうち、燃料流路４１が形成されている面側に燃料透過抑制層を接着した。すなわち、上記の燃料流路形成材４０の燃料流路が形成されている面側の燃料流路が形成されていない部分に、バーコータを用いて熱硬化性の変性ポリオレフィン系樹脂からなる接着剤（商品名：アロンメルトＰＰＥＴ−１６００（東亞合成株式会社製））を塗布し、当該接着剤上に、燃料流路４１を覆うようにフッ化炭素樹脂製の燃料透過抑制層（商品名：ポリビニリデンフロライド製メンブレンフィルター（日本ミリポア製））を接着した。この燃料透過抑制層は、燃料流路形成材４０と同じ大きさである。燃料流路形成材４０と、燃料透過抑制層との積層物（以下においては、「流路含有積層物」とも称する）を作製した。
＜（３）流路含有積層物とアノード集電体との接着＞
本実施例で用いられるアノード集電体３７は、燃料流路形成材と同様にステンレス製であり、耐腐食性を向上させるためおよび電気抵抗を低減するために金メッキしたものを用いた。図３２（Ｂ）に示されるように、大きさは燃料流路形成材と同様であり、幅の長さ１６．５ｍｍ、縦の長さ３１ｍｍであり、厚さは１００μｍである。
このアノード集電体３７には、燃料を単位電池に供給するための口径０．５ｍｍφのアノード孔３３が複数形成されているとともに、０．５ｍｍ幅のアノード孔３３が形成されていない部分（以下においては単に「土手部分７２」とも称する）を有している。なお、当該土手部分７２の縦の長さＬ5は２３ｍｍである。また、アノード集電体３７は、アノード電流取出部３８が伸ばされて設けられており、当該アノード電流取出部３８には、１ｍｍΦのアノード集電体貫通孔３９を有している。
図３２（Ｂ）に示されるアノード集電体３７の上述の土手部分７２と、アノード集電体３７のアノード孔３３が形成されていない部分でアノード電流取出部３８を除く部位７３に、バーコータを用いて熱硬化性の変性ポリオレフィン系樹脂からなる接着剤（商品名：アロンメルトＰＰＥＴ−１６００（東亞合成株式会社製））を塗布した。上記の接着剤を介して、（２）で得られた流路含有積層物の、燃料透過抑制層の燃料流路形成材４０に対向する面とは反対側の面に、アノード集電体３７を接着した（ここで得られた積層物のことを以下においては、単に「アノード集電体積層物」とも称する）。
＜（４）燃料電池層を構成する各層の積層＞
本実施例で用いられるカソード集電体２７は、燃料流路形成材と同様にステンレス製であり、耐腐食性を向上させるためおよび電気抵抗を低減するために金メッキしたものを用いた。図３２（Ｃ）に示されるように、燃料流路形成材と同様の大きさで幅の長さが１６．５ｍｍであり、縦の長さが３１ｍｍであり、厚さが１００μｍのものを用いた。
このカソード集電体２７は、空気を単位電池に供給するための口径０．５ｍｍφの複数のカソード孔２３が形成されている。なお、カソード孔２３が形成されている部位の縦の長さは２３ｍｍである。また、カソード集電体２７には、アノード集電体３７のアノード電流取出部３８とは異なる部位にカソード電流取出部２８が設けられており、当該カソード電流取出部２８にはアノード集電体３７と同様に、１ｍｍΦのカソード集電体貫通孔２９を有する。
上記のようなカソード集電体２７を用いて、カソード集電体２７、大面積単位電池、アノード集電体積層物の順に配置した。すなわち、カソード集電体上に、（１）で得られた大面積単位電池を配置し、当該大面積単位電池上にアノード集電体積層物を配置した。
次に、上記のように配置したものをステンレス板で挟み、ステンレス板の厚み方向に１３０℃の温度で、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間熱圧着し、上記で得られた積層体を一体化することにより燃料電池層を形成した。アノード集電体とアノード導電性多孔質層との界面の接着、およびカソード集電体とカソード導電性多孔質層との界面の接着はいずれもアンカー効果により接合した。このようにして作製した燃料電池層１００の厚さは０．７ｍｍ程度であった。
＜（５）燃料電池スタックの作製＞
次に、燃料電池スタックを構成する各層の最下層から順に、第１燃料電池層、スペーサ層、第２燃料電池層の順になるよう各層を配置した。ここで、第１燃料電池層には大面積単位電池による燃料電池層を、第２燃料電池層には５つの複合単位電池を隙間を設けて配置された燃料電池層を用いた。スペーサ層に用いられるスペーサは、実施例１と同様のものを用い、スペーサ層は、実施例１と同様の構成にした。
また、燃料電池スタックを構成する２層の燃料電池層において、第１燃料電池層のアノード集電体３７のアノード電流取出部３８と、第２燃料電池層のカソード集電体２７のカソード電流取出部２８とが積層方向に重なるように互いに配置するとともに、第１燃料電池層のカソード集電体２７のカソード電流取出部２８と、第２燃料電池層のアノード集電体３７のアノード電流取出部３８とが積層方向に重なるように互いに配置し、燃料電池スタックを作製した。当該燃料電池スタックの全体の厚みは約２．８ｍｍであった。また、燃料電池スタックの発電部面積は、９．２ｃｍ2となった。
＜（６）燃料電池層の直列接続＞
本実施例により作製される燃料電池スタックにおいて、燃料電池層間の直列接続は実施例１と同様の方法により、２本の導線によって燃料電池層間を直列接続した。以上により本実施例の燃料電池スタックを構成する各燃料電池層を電気的に接続した。
実施例２の燃料電池スタックの出力特性と、体積出力密度とを測定した。ここで、これらの特性を測定するための条件としては、燃料電池スタックに対し、燃料流路の燃料供給口と燃料ポンプとの間、燃料ポンプと燃料カートリッジとの間をシリコンチューブにより接続した。そして、当該燃料ポンプを用いて燃料電池層１層の燃料流路に対し、０．１ｍｌ／ｍｉｎの流速で、濃度が５ｍｏｌ／ｄｍ3のメタノール水溶液の燃料を供給した。この燃料電池スタックに空気ファンは備えておらず、燃料電池スタックを用いる測定雰囲気の温度は室温であった。
なお、燃料電池スタックの出力特性は、実施例１と同様の測定機器を用いて測定した。
図３３（Ａ）は、実施例１で作製された燃料電池スタックに対し、電流―電位曲線を測定した結果を示すグラフであり、図３３（Ａ）の縦軸は、燃料電池スタックからの出力電圧（単位は［Ｖ］）の値を表しており、横軸は、燃料電池スタックから流れる電流（単位は［Ａ］）を表している。
図３３（Ａ）に示されるように、この燃料電池スタックの開回路電圧は約１．５Ｖであり、０．９５Ａの電流を流した際の出力電圧は０．４６Ｖであった。このことから燃料電池スタックとしては約０．４３Ｗの出力を得ることができることが明らかとなった。
図３３（Ｂ）は、実施例２で作製された燃料電池スタックに対し、体積出力密度を測定して得られた結果を示すグラフである。図３３（Ｂ）の縦軸は、燃料電池スタックの出力を発電部体積で割って得られた値（単位は［Ｗ／ｃｍ3］）を表しており、横軸は、燃料電池スタックから流れる電流（単位は［Ａ］）を表している。
本実施例の燃料電池スタックの発電部体積は、１．１ｃｍ3（幅１６．５ｍｍ×縦方向長さ２３ｍｍ×厚み２．８ｍｍ）であったことから、最大の出力密度は約０．４０Ｗ／ｃｍ3（約０．４６Ｖ時に最大の出力密度）となった。この最大の出力密度は、従来の燃料電池スタックの出力密度の最大値である約０．３０Ｗ／ｃｍ3の約１．３倍の出力密度にあたり、極めて優れたものである。
このように燃料電池スタックの出力密度を向上することができたのは、燃料電池スタックを構成する燃料電池層のうちの少なくとも１層に、複合単位電池を隙間を設けて配置したものを用いたことによるものと考えられる。これにより単位体積あたりの発電部面積の増大を可能とし、また空気供給も良好であってことから、出力密度向上を達成できたものと考えられる。
図３４は、本実施例の燃料電池スタックを備えた電子機器の好ましい一例を示す図である。図３４（Ａ）は、本発明の燃料電池スタックを備える電子機器を示す概略断面図であり、図３４（Ｂ）は、図３４（Ａ）で表される電子機器のうち燃料電池スタックを拡大して示す断面図であり、図３４（Ｃ）は、図３４（Ｂ）で表される燃料電池スタックのうちの燃料電池層の構成を拡大して示す概略断面図である。
電子機器の始動時の出力、および電子機器の駆動時の最大出力をカバーするための補助電源としてＬｉイオン電池と、電子機器に適した電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータと、メタノール水溶液を保有した燃料カートリッジと、燃料ポンプと、上記の燃料電池スタックとを有した燃料電池システム８０を、図３４に示されるように、電子機器の情報表示部７１の面とは反対の面に搭載した。
上記で作製した燃料電池スタックを搭載する電子機器としては、電子辞書（型番：ＰＷ−ＴＣ９３０（シャープ株式会社製））を用いた。この電子辞書は待機時に０．４Ｗ程度消費するため、本発明の燃料電池スタックの電力により、少なくとも１時間動作することを確認した。
（比較例１）
比較例１では、燃料電池スタックを構成する３層の燃料電池層のうちの全ての燃料電池層において、燃料流路の片面にのみ単位電池を設けた構造のものを採用して作製した。すなわち、各単位電池の間に隙間を設けてなる燃料電池層３層と、各燃料電池層の間に隙間を設けてスペーサを配置してなるスペーサ層を有する構造の燃料電池スタックを作製した。なお、比較例１の燃料電池スタックに用いられる単位電池は、実施例のように燃料流路形成材とアノード集電体との間に燃料透過抑制層を設けることなく、燃料流路形成材とアノード集電体とを接着剤により直接接着した。
＜（１）単位電池の作製＞
以下においては、実施例１の燃料電池スタックの製造方法を説明した順序を踏襲して、比較例１の燃料電池スタックの作製方法を説明する。実施例１と同様にアノード導電性多孔質層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、およびカソード導電性多孔質層をこの順で重ね合わせたものをステンレス板で挟んで、これらの各構成部材の単位電池を得た。
ただし、アノード導電性多孔質層には、片面にフッ素系の樹脂と炭素粒子からなる層で撥水処理されたカーボンペーパー（商品名：ＧＤＬ２５ＢＣ（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製））を用い、親水化処理は行なわなかった。これは、電池反応で生成する二酸化炭素をアノード導電性多孔質層の端面から排出するのではなく、燃料流路４１を経由して排出するためである。比較例１では上記の単位電池を２３ｍｍ×２．３ｍｍの大きさに切断することにより、５本の単位電池を取り出した。
＜（２）燃料流路形成材と燃料透過抑制層との接着＞
図３５は、本実施例の燃料電池スタックを構成する燃料電池層を作製するために用いた各部材の上方図であり、図３５（Ａ）は燃料流路形成材の形状を示す上方図であり、図３５（Ｂ）はアノード集電体の形状を示す上方図であり、図３５（Ｃ）はカソード集電体の形状を示す上方図である。
本実施例で用いられる燃料流路形成材４０は、図３５（Ａ）に示されるように、全体の幅の長さＬ3が１６．５ｍｍであり、縦の長さＬ4が３７ｍｍ（燃料流路入口４２を含む）であり、その厚さは２００μｍであった。当該燃料流路形成材４０には、溝深さが１００μｍであって幅の長さＬ1が１．５ｍｍの燃料流路４１を形成し、その厚み方向への隙間孔４８（幅の長さＬ9１．０ｍｍ×縦の長さＬ5２５ｍｍ）が４つ形成されているものを用いた。
この燃料流路形成材４０は、この隙間孔４８以外の部分には燃料流路形成材４０の延伸部が５本残り、当該延伸部の幅（すなわち後の工程により「単位電池の幅」ともなる）の長さＬ2はいずれも２．５ｍｍであった。このことから、燃料流路形成材４０の延伸部の幅（すなわち単位電池の幅）の長さＬ2に対する燃料流路４１の幅の長さＬ1の関係Ｌ1／Ｌ2は、０．６である。
＜（３）燃料流路形成材とアノード集電体との接着＞
本実施例で用いられるアノード集電体３７は、燃料流路形成材と同様にステンレス製であり、耐腐食性を向上させるため、および電気抵抗を低減するために金メッキしたものを用いた。図３５（Ｂ）に示されるように、大きさは燃料流路形成材と同様であり、幅の長さ１６．５ｍｍ、縦の長さ３１ｍｍであり、厚さは１００μｍである。
このアノード集電体３７は、図３５（Ｂ）に示されるように、燃料を単位電池に供給するための口径０．５ｍｍφのアノード孔３３が複数形成されているとともに、０．５ｍｍ幅のアノード孔３３が形成されていない部分（以下においては単に「土手部分」とも称する）を有している。なお、当該土手部分の縦の長さＬ5は２３ｍｍである。また、アノード集電体３７は、アノード電流取出部３８が伸ばされて設けられており、当該アノード電流取出部３８には、１ｍｍΦのアノード集電体貫通孔３９を有している。
図３５（Ａ）に示される燃料流路形成材４０の燃料流路４１の形成されていない部分に、バーコータを用いてエポキシ系樹脂の接着剤を塗布し、燃料流路形成材４０に形成された隙間孔４８と、アノード集電体３７に形成された隙間孔とが一致するように配置した。このようにして上記の接着剤を介して、燃料流路形成材４０の表裏の両面のうちの燃料流路４１が形成されている面側に、アノード集電体３７を接着した（ここで得られた積層物のことを以下においては、単に「アノード集電体積層物」とも称する）。
＜（４）燃料電池層を構成する各層の積層＞
本実施例で用いられるカソード集電体２７は、燃料流路形成材と同様にステンレス製であり、耐腐食性を向上させるためおよび電気抵抗を低減するために金メッキしたものを用いた。図３５（Ｃ）に示されるように、燃料流路形成材と同様の大きさで幅の長さが１６．５ｍｍであり、縦の長さが３１ｍｍであり、厚さが１００μｍのものを用いた。当該カソード集電体２７は、燃料流路形成材と同様に幅の長さが１．０ｍｍ、縦の長さが２５ｍｍの厚み方向への隙間孔が形成されたものを用いた。
このカソード集電体２７は、空気を単位電池に供給するための口径０．５ｍｍφの複数のカソード孔２３がカソード集電体２７の延伸部（延伸部の縦の長さは２３ｍｍ）に形成されている。また、カソード集電体２７には、アノード集電体３７のアノード電流取出部３８と重なるようにカソード電流取出部２８が伸ばされて設けられている。
上記のようなカソード集電体２７を用いて、カソード集電体２７、単位電池、およびアノード集電体積層物の順に配置した。すなわち、カソード集電体の５本の延伸部上に、（１）で得られた単位電池を各１本ずつ合計５本配置し、当該５本の単位電池上に（３）で得られたアノード集電体積層物を、カソード集電体の隙間孔とアノード集電体の隙間孔とが重なるように配置した。
このように燃料流路の表裏の両面のうちの一方の面に単位電池を配置する燃料電池層を形成するときは、燃料流路４１に対して片方の面に５本ずつの単位電池を配置する必要がある。
次に、上記のように配置したものをステンレス板で挟み、ステンレス板の厚み方向に１３０℃の温度で、１０ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間熱圧着し、上記で得られた積層体を一体化することにより燃料電池層を形成した。アノード集電体とアノード導電性多孔質層との界面の接着、およびカソード集電体とカソード導電性多孔質層との界面の接着はいずれもアンカー効果により接合された。
次に、燃料電池層の延伸部に設けられた５本の単位電池の端面を熱硬化性のエポキシ樹脂（商品名：クイック５（コニシ株式会社製））で封止した。単位電池の端面を封止することにより、空気がアノード触媒層やアノード導電性多孔質層の端面より混入することを防止することができる。また反応で生成した二酸化炭素等の排ガスは、アノード導電性多孔質層の端面からではなく、燃料流路４１から排出させる。このようにして作製された燃料電池層１００の厚さは０．７ｍｍ程度であった。以上の工程により作製された燃料電池層を３層準備した。
＜（５）燃料電池スタックの作製＞
次に、燃料電池スタックを構成する各層の最下層から順に、第１燃料電池層、スペーサ層、第２燃料電池層、スペーサ層、および第３燃料電池層の順になるよう各層を配置した。ここで、第１燃料電池層、第２燃料電池層、および第３燃料電池層にはいずれも、５つの単位電池が隙間を設けて配置された燃料電池層を用いた。また、スペーサ層に用いられるスペーサは、実施例１と同様のものを用い、スペーサ層は、実施例１と同様の構成にした。
また、燃料電池スタックを構成する２層の燃料電池層において、第１燃料電池層のアノード集電体３７のアノード電流取出部３８と、第２燃料電池層のカソード集電体２７のカソード電流取出部２８、第３燃料電池層のアノード電流取出部３８とが積層方向に重なるように互いに配置するとともに、第１燃料電池層のカソード集電体２７のカソード電流取出部２８と、第２燃料電池層のアノード集電体３７のアノード電流取出部３８、第３燃料電池層のカソード電流取出部２８とが積層方向に重なるように互いに配置し、燃料電池スタックを作製した。当該燃料電池スタックの全体の厚みは約３．０ｍｍであった。また、燃料電池スタック内の発電部面積は、８．１ｃｍ2となった。
＜（６）燃料電池層の直列接続＞
本実施例により作製される燃料電池スタックにおいて、燃料電池層間の電気的な接続は次のようにして行なった。すなわち、第１燃料電池層のカソード集電体と第２燃料電池層のアノード集電体とを長さ１ｃｍの金線で電気的に接続した。ここで、金線とカソード集電体およびアノード集電体とは銀ペーストにより固定と接着を行なった。同様に、第２燃料電池層のカソード集電体と第３燃料電池層のアノード集電体とを長さ１ｃｍの金線で電気的に接続し、燃料電池スタックを構成する各燃料電池層間を直列接続した。
比較例１の燃料電池スタックの出力特性と、体積出力密度とを測定した。ここで、これらの特性を測定するための条件としては、燃料電池スタックに対し、燃料流路の燃料供給口と燃料ポンプとの間、燃料ポンプと燃料カートリッジとの間をシリコンチューブにより接続した。そして、当該燃料ポンプを用いて燃料電池層１層の燃料流路に対し、０．１ｍｌ／ｍｉｎの流速で、濃度が３ｍｏｌ／ｄｍ3のメタノール水溶液の燃料を供給した。この燃料電池スタックに空気ファンは備えておらず、燃料電池スタックを用いる測定雰囲気の温度は室温であった。なお、燃料電池スタックの出力特性は、実施例１と同様の測定機器を用いて測定した。
図３６（Ａ）は、比較例１で作製された燃料電池スタックに対し、電流―電位曲線を測定した結果を示すグラフであり、図３６（Ａ）の縦軸は、燃料電池スタックからの出力電圧（単位は［Ｖ］）の値を表しており、横軸は、燃料電池スタックから流れる電流（単位は［Ａ］）を表している。
図３６（Ａ）に示されるように、この燃料電池スタックの開回路電圧は約２．０Ｖであり、０．４２Ａの電流を流した際の出力電圧は０．８０Ｖであった。このことから燃料電池スタックとしては約０．３４Ｗの出力を得ることができることが明らかとなった。
図３６（Ｂ）は、比較例１で作製された燃料電池スタックに対し、体積出力密度を測定して得られた結果を示すグラフである。図３６（Ｂ）の縦軸は、燃料電池スタックの出力を発電部体積で割って得られた値（単位は［Ｗ／ｃｍ3］）を表しており、横軸は、燃料電池スタックから流れる電流（単位は［Ａ］）を表している。
比較例１の燃料電池スタックの発電部体積は、１．１４ｃｍ3（幅の長さ１６．５ｍｍ×縦の長さ２３ｍｍ×厚み３．０ｍｍ）であったことから、最大の出力密度は約０．３０Ｗ／ｃｍ3（約０．８Ｖ時に最大の出力密度）となった。
以上のように本発明の実施例について説明を行なったが、上述の実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明によれば、薄型化および軽量化するとともに、出力密度を高めた燃料電池スタックを提供することができる。
１ 燃料電池スタック、２ 膜電極複合体、１０ 複合単位電池、１１，２１ 隙間、１０ａ 単位電池、１０ｂ 大面積単位電池、２０ スペーサ、２０ａ 大面積のスペーサ、２３ カソード孔、２４，３４ 導線、２５ カソード触媒層、２６ カソード導電性多孔質層、２７ カソード集電体、２８ カソード電流取出部、２９ カソード集電体貫通孔、３０ 隙間保持材、３１ ガス排出路、３３ アノード孔、３５ アノード触媒層、３６ アノード導電性多孔質層、３７ アノード集電体、３８ アノード電流取出部、３９ アノード集電体貫通孔、４０ 燃料流路形成材、４１ 燃料流路、４２ 燃料流路入口、４３ 燃料流路出口、４５ 供給経路、４６ 拡散経路、４７ 燃料透過抑制層、４８ 隙間孔、４４，４９ 矢印、５０ 単位電池、５１ 不導体部、５２ 燃料供給用の孔、５５ 接着層、５６ 封止材、５７ 導電性透過抑制層、６０ 電解質膜、７０ 電子機器、７１ 情報表示部、７２ 土手部分、７３ アノード集電体の延伸部と電流取出部とを除く部位、８０ 燃料電池システム、８１ 気化層、８２ 断熱層、８３ 保湿層、８４ 生成ガス排出路、８５ 燃料輸送部材、８６ 接着材、８７ 燃料貯蔵室、８８ 流路板、９０ 筐体、１００，１００ｄ 燃料電池層、１００ａ 片面単位電池層、１００ｂ 大面積単位電池層、２００ スペーサ層、Ｌ1 燃料流路の幅、Ｌ2 単位電池の幅。

Claims (22)

  1. ２層以上の燃料電池層を積層してなる燃料電池スタックであって、
    前記燃料電池スタックは、前記燃料電池層と、１つ以上のスペーサからなるスペーサ層とを交互に積層してなり、
    前記燃料電池層のうちの少なくとも１層は、２つ以上の複合単位電池を同一平面内に隙間を設けて配置されてなるものであり、
    前記スペーサ層のうちの少なくとも１層は、２つ以上のスペーサを同一平面内に隙間を設けて配置されてなるものであり、
    前記２つ以上の複合単位電池によって形成される隙間と、前記２つ以上のスペーサによって形成される隙間とが連通しており、
    前記複合単位電池は、複数の単位電池と、前記単位電池のアノード極に燃料を供給するための燃料供給部とを含み、
    前記複数の単位電池のアノード極は、前記燃料供給部に対向するように配置される、燃料電池スタック。
  2. 前記燃料電池層の表裏のいずれか一面もしくは両面の両端部上にそれぞれ前記スペーサを設ける、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  3. 前記スペーサ層は、それが隣接する燃料電池層を構成する複合単位電池の全てと接する１の大面積のスペーサである、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  4. 前記燃料供給部は、燃料が流通するための燃料流路を含む、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  5. 前記単位電池は、アノード極と、電解質膜と、カソード極とをこの順で備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  6. 前記単位電池は、前記アノード極の前記電解質膜と接する面とは反対側の面にアノード集電体を有し、前記カソード極の前記電解質膜と接する面とは反対側の面にカソード集電体を有する、請求項５に記載の燃料電池スタック。
  7. 前記燃料流路と、前記アノード極との間にさらに燃料透過抑制層を備える、請求項４に記載の燃料電池スタック。
  8. 前記燃料供給部と前記アノード極との間に、前記燃料の蒸気を前記アノード極に供給するための気化層を備える、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  9. 前記カソード集電体の前記カソード極と接する側とは反対側に、発電で生じた水を前記単位電池内に保持するための保湿層を備える、請求項６に記載の燃料電池スタック。
  10. 前記アノード集電体の前記アノード極と接する側とは反対側に断熱層を備える、請求項６に記載の燃料電池スタック。
  11. 前記複合単位電池を構成する各層の厚み方向に貫通する空間を有し、
    前記空間は、アノード極で発生する生成ガスを排出するための生成ガス排出路である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  12. 前記スペーサは、少なくともその厚み方向に絶縁性である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  13. 前記スペーサは、少なくともその表面が絶縁性である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  14. 前記スペーサは、多孔質体からなる、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  15. 前記スペーサは、酸化物により絶縁した、酸化チタン、酸化アルミニウム、もしくは酸化ジルコニウムの金属酸化物多孔質体、金属多孔質体の表面に親水性の高分子を塗布または修飾するもしくは親水性高分子フィルムを付属させることにより絶縁した金属−高分子複合体、または多孔質セラミックのいずれかからなる、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  16. 請求項１に記載の燃料電池スタックの外表面を覆う筐体をさらに備え、
    前記筐体は、１以上の前記スペーサと接する、燃料電池スタック。
  17. 前記筐体は、Ｃｕ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、およびステンレスからなる群より選択される一種以上の材料からなる、請求項１６に記載の燃料電池スタック。
  18. 前記燃料電池層に含まれる２つの前記アノード集電体同士を電気的に接続するとともに、前記燃料電池層に含まれる２つの前記カソード集電体同士を電気的に接続することにより、
    前記複合単位電池に含まれる２つの単位電池が並列接続される、請求項６に記載の燃料電池スタック。
  19. 隣接する２層の前記燃料電池層のうちの一方の燃料電池層の前記カソード集電体と、他方の燃料電池層の前記アノード集電体とを電気的に接続することにより、隣接する２層の燃料電池層を直列接続する、請求項６に記載の燃料電池スタック。
  20. 前記アノード集電体は、その厚み方向に貫通するアノード集電体貫通孔を備え、
    前記カソード集電体は、その厚み方向に貫通するカソード集電体貫通孔を備え、
    前記アノード集電体貫通孔と、前記カソード集電体貫通孔とは、同一の燃料電池層において燃料電池層の積層方向に異なる位置に設けられ、
    隣接する２層の前記燃料電池層のうちの一方の燃料電池層の前記カソード集電体貫通孔と、他方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔とは、燃料電池層の積層方向に実質的に同一の位置に設け、
    前記一方の燃料電池層のアノード集電体貫通孔と、前記他方の燃料電池層のカソード集電体貫通孔とは、燃料電池層の積層方向に実質的に同一の位置に設ける、請求項６に記載の燃料電池スタック。
  21. 前記複合単位電池および／または前記スペーサは、短冊形状である、請求項１に記載の燃料電池スタック。
  22. 請求項１に記載された燃料電池スタックを備える電子機器。
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