JP5579311B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。

直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。

これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。燃料収容部から気化した燃料を直接燃料電池セルに供給する場合、燃料電池の出力の制御性を高めることが重要となるが、現状のパッシブ型ＤＭＦＣでは必ずしも十分な出力制御性は得られていない。

一方、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することが検討されている（特許文献２〜４参照）。燃料収容部から供給された液体燃料を燃料電池セルに流路を介して供給することで、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。ただし、流路からの液体燃料の供給構造によっては、燃料電池セルに対する燃料の供給状態が不均一になり、燃料電池の出力が低下するおそれがある。例えば、流路の形状や流路からの燃料の供給方式によっては、流路を液体燃料が流れるにつれて順次燃料が消費されていくため、流路の終端側では燃料濃度が減少する。このため、燃料電池セルの流路終端に近い部分では発電反応が低下し、その結果として出力の低下を招く。

特許文献３には燃料収容部から流路にポンプで液体燃料を供給することが記載されている。特許文献３にはポンプに代えて、流路に電気浸透流を形成する電界形成手段を用いることも記載されている。特許文献４には電気浸透流ポンプを用いて液体燃料等を供給することが記載されている。燃料循環構造を適用した燃料電池はポンプが有効であるものの、パッシブ型ＤＭＦＣのように燃料を循環させない場合には単にポンプを適用しても燃料消費量が増大するだけで、燃料電池セル全体での均一な発電反応を生起することは難しい。

国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット 特表２００５−５１８６４６号公報 特開２００６−０８５９５２号公報 米国特許公開第２００６／００２９８５１号公報

本発明の目的は、燃料電池の小型化等を損なうことなく、燃料電池セルに対する燃料の供給状態を均一化することによって、発電反応の効率化を図って出力を向上させることを可能にした燃料電池を提供することにある。

本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極の複数個所に対して燃料を供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容すると共に、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備する。前記燃料分配機構は、前記液体燃料が前記流路を介して流入する燃料注入口と、前記燃料注入口と燃料通路を介して接続された複数の燃料排出口とを有する燃料分配板を備える。前記燃料分配板は、その内部に、前記燃料通路として、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口とを接続する細管を有する。前記細管は分岐部を有し、前記燃料注入口から前記複数の燃料排出口に向けて前記分岐部で順に分岐されている。前記分岐部における分岐前の前記細管の断面積をＡ、分岐後の前記細管の断面積の合計をＢとしたとき、前記分岐部はＡ≧Ｂを満足する。

本発明の態様に係る燃料電池は、燃料収容部から流路を介して燃料分配機構に液体燃料を供給し、燃料分配機構で燃料極の複数個所に対して燃料を供給するため、膜電極接合体全体で効率的に発電反応を生起することができる。これによって、燃料電池の小型化等を損なうことなく、出力の向上を図ることが可能となる。

本発明の第１の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。 図１に示す燃料電池で使用した燃料分配機構の構成を示す斜視図である。 図１に示す燃料電池の一変形例を示す断面図である。 図３に示す燃料電池で使用した燃料分配機構の構成を示す平面図である。 図４に示す燃料分配機構における細管の分岐構造を説明する図である。 図５に示す燃料分配機構における細管の第１の分岐部を示す図である。 図５に示す燃料分配機構における細管の第２の分岐部を示す図である。 図１に示す燃料電池の他の変形例を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。 図９に示す燃料電池に出力制御回路を設置した状態を示す図である。 図９に示す燃料電池に燃料遮断バルブを設置した状態を示す図である。 図９に示す燃料電池におけるポンプの運転動作を示す図である。 図９に示す燃料電池に適用する燃料遮断バルブの構成例（閉状態）を示す断面図である。 図１３Ａに示す燃料遮断バルブの開状態を示す断面図である。 図１３に示す燃料遮断バルブの運転動作方法を示す図である。 図９に示す燃料電池にバランスバルブを設置した状態を示す図である。 図１５に示す燃料電池における燃料電池セルにガス抜き孔を設けた状態を示す図である。 本発明の実施例による燃料電池の時間−出力密度特性を示す図である。 本発明の第３の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。 図１８に示す燃料電池における燃料分配機構の構成を一部破断して示す図である。 本発明の実施例による燃料電池の時間−出力密度特性を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル２と、この燃料電池セル２に燃料を供給する燃料分配機構３と、液体燃料を収容する燃料収容部４と、これら燃料分配機構３と燃料収容部４とを接続する流路５とから主として構成されている。

燃料電池セル２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を有している。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４にはＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７はこれらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーのような導電性を有する多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これら導電層としては、例えばＡｕのような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等が用いられる。電解質膜１７と燃料分配機構３およびカバープレート１８との間には、それぞれゴム製のＯリング１９が介在されており、これらによって燃料電池セル（ＭＥＡ）２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

図示を省略したが、カバープレート１８は酸化剤である空気を取入れるための開口を有している。カバープレート１８とカソード１６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層はカソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料収容部４には、燃料電池セル２に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料は、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には燃料電池セル２に応じた液体燃料が収容される。

燃料電池セル２のアノード（燃料極）１３側には、燃料分配機構３が配置されている。燃料分配機構３は配管のような液体燃料の流路５を介して燃料収容部４と接続されている。燃料分配機構３には燃料収容部４から流路５を介して液体燃料が導入される。流路５は燃料分配機構３や燃料収容部４と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構３と燃料収容部４とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構３は流路５を介して燃料収容部４と接続されていればよい。

燃料分配機構３は図２に示すように、液体燃料が流路５を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図１に示すように、燃料注入口２１から導かれた液体燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構３に導入された液体燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、燃料電池セル２のアノード（燃料極）１３には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構３とアノード１３との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２からアノード１３の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２２は燃料電池セル２の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３のアノード１３と接する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、燃料電池セル２の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ^２の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口２２の個数が０．１個／ｃｍ^２未満であると、燃料電池セル２に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口２２の個数を１０個／ｃｍ^２を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。

燃料分配機構３から放出された燃料は、上述したように燃料電池セル２のアノード（燃料極）１３に供給される。燃料電池セル２内において、燃料はアノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …（１）

この反応で生成した電子（ｅ⁻）は集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後に、カソード（空気極）１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）は電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ⁻）とプロトン（Ｈ^＋）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ⁻＋６Ｈ^＋＋（３／２）Ｏ_２ → ３Ｈ_２Ｏ …（２）

上述した燃料電池２の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせると共に、燃料電池セル２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。このような点に対して、燃料電池セル２に対して燃料を供給する燃料排出口が１箇所の場合には、燃料排出口近傍の燃料濃度は発電に十分な濃度となるものの、燃料排出口から離れるにつれて燃料濃度が急速に低下する。このため、燃料電池全体で見た場合の平均出力は、燃料の供給が少ない部分の影響を受けて低い値に留まってしまう。

燃料濃度を高めるための手段としては、液体燃料の供給量を増加させることが考えられる。しかし、単に液体燃料の供給量を増加させた場合、燃料排出口近傍の燃料濃度が上がりすぎて、燃料が反応することなく空気極へ流れてしまう現象（いわゆるクロスオーバーと呼ばれている現象）が発生する。クロスオーバーは燃費の低下、空気極での燃料の直接反応に伴う電圧低下、それによる出力低下等の原因となる。さらに、従来の燃料電池においては循環ポンプで燃料を循環させることも行われているが、この場合には燃料を貯蔵するリザーバータンクや濃度調整機構等が必要となるために装置の大型化が避けられない。

この実施形態の燃料電池１においては、上述したように複数の燃料排出口２２を有する燃料分配機構３を適用している。燃料分配機構３に導入された液体燃料は空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２に導かれる。燃料分配機構３の空隙部２４はバッファとして機能するため、複数の燃料排出口２２からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。そして、複数の燃料排出口２２は燃料電池セル２の全面に燃料が供給されるように配置されているため、燃料電池セル２に対する燃料供給量を均一化することができる。

すなわち、アノード（燃料極）１３の面内における燃料の分布が平準化され、燃料電池セル２での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。従って、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、燃料電池セル２で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池１の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。

第１の実施形態の具体例（参考例１）として、５ｍｍメッシュで燃料排出口２２を形成した燃料分配機構３を有する燃料電池１を作製した。ＭＥＡ２の形状は４０×８０ｍｍとし、また液体燃料としては９０％濃度のメタノールを使用した。参考例１の燃料電池では、平均２０ｍＷ／ｃｍ^２の出力が得られた。一方、燃料排出口をＭＥＡの中心部に１箇所だけとする以外は、参考例１と同一構成の燃料電池（比較例１）を作製した。比較例１の燃料電池では、平均５ｍＷ／ｃｍ^２の出力しか得られなかった。

この現象を解明するために、サーモビューワで空気極面の温度分布を調べた。その結果、比較例１では燃料排出口近傍の温度は５５〜６０℃となり、十分な発電が行われているものの、周辺部では３０℃と室温（２５℃）と比較して発熱が非常に少なくなっている。温度は発電に伴って発生する熱に起因する。このため、温度が低いということはその部分では発電が進んでいないことを意味する。比較例１では燃料排出口近傍でこそ発電がなされているものの、周辺部では発電が進んでいないことが示唆される。燃料分配機構３を設けた参考例１では全体に温度が４５〜５０℃になっており、ＭＥＡ全体が発電に寄与し、その結果として平均発電出力が高くなったものと推定される。

参考例１で用いた燃料分配機構３はその内部に設けられた空隙部２４から燃料を複数の燃料排出口２２に分配している。このため、厳密には燃料注入口２１に近い側の温度が若干高く、奥に行くに従って温度が低下する現象が観察される。また、燃料電池１を傾斜させた場合には重力の影響等から傾斜方向によって温度分布が変化し、下側の部分の反応が高くなる傾向が観察される。実用上はこれでも十分な性能を得ることができるが、さらに出力を改善するためには、図３および図４に示すように、燃料注入口２１と複数の燃料排出口２２とを細管２５で接続した燃料分配機構３を用いることが好ましい。

図３および図４に示す燃料分配機構３は、液体燃料が流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、液体燃料もしくはその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３Ａを備えている。燃料分配板２３Ａの内部には、液体燃料の通路として機能する細管２５が形成されている。細管２５の一端（始端部）には燃料注入口２１が設けられている。細管２５は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管２５の各終端部に燃料排出口２２がそれぞれ設けられている。細管２５は例えば内径が０．０５〜５ｍｍの貫通孔であることが好ましい。燃料排出口２２の断面積（開口面積）はそれらの合計が燃料分配板２３Ａの面積の５％以下となるように設定することが好ましい。

燃料注入口２１から燃料分配板２３Ａに導入された液体燃料は、複数に分岐した細管２５を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。図３および図４に示す燃料分配機構３（燃料分配板２３Ａ）は、その内部の燃料通路として細管２５を用いる以外は図１に示した燃料分配機構３と同様な構成を有している。このような構造の燃料分配機構３を使用することによって、燃料注入口２１から燃料分配機構３内に注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口２２に均等に分配することができる。従って、燃料電池セル２の面内における発電反応の均一性を一層高めることが可能となる。

さらに、細管２５で燃料注入口２１と複数の燃料排出口２２とを接続した構造によれば、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられなかった。これに対して、細管２５の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料排出口２２を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。

燃料分配板２３Ａの内部に設けられた細管２５は上述したように分岐部を有し、燃料注入口２１から複数の燃料排出口２２に向けて分岐部で順に分岐されている。細管２５の分岐部は圧力損失を抑制するように、分岐後の細管断面積が分岐前の細管断面積以下となるように設定することが好ましい。図５ないし図７に示す細管２５は、燃料注入口２１に接続された細管２５Ａを第１の分岐部２６ａで４つの細管２５Ｂ１、２５Ｂ２、２５Ｂ３、２５Ｂ４に分岐させ、さらに分岐後の細管２５Ｂを第２の分岐部２６ｂで４つの細管２５Ｃ１、２５Ｃ２、２５Ｃ３、２５Ｃ４にそれぞれ分岐させ、各細管２５Ｃ１、２５Ｃ２、２５Ｃ３、２５Ｃ４の終端部にそれぞれ燃料排出口２２を設けている。

図５ないし図７に示す分岐構造を適用した場合、第１の分岐部２６ａの分岐前の細管２５Ａの断面積をＡとし、分岐後の各細管２５Ｂ１、２５Ｂ２、２５Ｂ３、２５Ｂ４の断面積をＢ１、Ｂ２、Ｂ３、Ｂ４、これらの合計断面積をＢ（＝Ｂ１＋Ｂ２＋Ｂ３＋Ｂ４）としたとき、第１の分岐部２６ＡはＡ≧Ｂを満足するように各細管２５の断面積を設定することが好ましい。同様に、第２の分岐部２６ｂは分岐前の細管２５Ｂの断面積Ｂに対し、分岐後の各細管２５Ｃ１、２５Ｃ２、２５Ｃ３、２５Ｃ４の合計断面積Ｃ（＝Ｃ１＋Ｃ＋Ｃ３＋Ｃ４）がＢ≧Ｃを満足するように各細管２５の断面積を設定することが好ましい。

上述したように、分岐部２６における分岐後の細管２５の合計断面積を、分岐前の細管２５の断面積と同等もしくはそれより小さくすることによって、分岐部２６における圧力損失を低減することができる。このような分岐条件は細管２５の分岐回数に限らず、各分岐部２６に対して適用することが好ましい。分岐部２６での圧力損失を低減することによって、複数の燃料排出口２２からの燃料排出量をより均一化することができる。さらに、燃料排出口２２の断面積（開口面積）はそれに接続された細管２５の断面積と同等もしくはそれより大きいことが好ましい。これらによって、燃料電池セル２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。

第１の実施形態の実施例１として、図３および図４に示した燃料分配機構３を適用した燃料電池１を作製した。内径が約０．１ｍｍの細管２５を有する燃料分配機構３を使用する以外は、参考例１と同一構成とした。実施例１の燃料電池では、平均２３ｍＷ／ｃｍ^２の出力が得られ、温度分布も位置や方向に依存しないことが観察された。このように、燃料分配機構３内の燃料通路を複数に分岐した細管２５とすることによって、燃料供給量をさらに均一化することができ、これにより出力の向上を図ることが可能となる。

燃料分配機構３とアノード（燃料極）１３との間には、図８に示すように多孔体２７を挿入することが有効である。多孔体２７の構成材料としては各種樹脂が使用され、多孔質樹脂シート（発泡ポリエチレンシートや発泡ポリウレタンシート等）、樹脂不織布、樹脂織布等が多孔体２６として用いられる。多孔体２７を配置することで、燃料極１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。燃料分配機構３の燃料排出口２２から噴出した液体燃料は一旦多孔体２７に吸収され、多孔体２７の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体２７から燃料極１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。多孔体２７は複数の多孔膜を積層して配置してもよい。

第１の実施形態の実施例２として、図８に示した多孔体２７を適用した燃料電池１を作製した。多孔体２７としては厚さ１ｍｍのポリエチレン製多孔体を使用した。多孔体２７を配置する以外は、実施例１と同一構成とした。実施例２の燃料電池に９０％濃度のメチタノールを供給したところ、平均出力が実施例１よりさらに２ｍＷ／ｃｍ^２高い２５ｍＷ／ｃｍ^２まで上昇した。また、同時に行ったサーモビューワによる温度観察によれば、温度分布が４８〜５０℃と参考例１よりさらに平均化が進んでいることが確認された。

上述した第１の実施形態において、液体燃料を燃料収容部４から燃料分配機構３まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部４から燃料分配機構３まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路５を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部４から燃料分配機構３まで送液することができる。さらに、燃料収容部４から燃料分配機構３への送液はポンプで実施してもよい。

次に、本発明の第２の実施形態として燃料収容部４と燃料分配機構３との間にポンプを挿入した燃料電池について、図９ないし図１８を参照して説明する。図９に示す燃料電池３０は、図８に示す燃料電池１の流路５の途中にポンプ３１を挿入したものであり、それ以外の構成は図８に示す燃料電池１と同様とされている。すなわち、ポンプ３１は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料分配機構３に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ３１で必要時に液体燃料を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。

図９に示す燃料電池３０において、燃料分配機構３から燃料電池セル２に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。図９に示す燃料電池３０は燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ３１を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図９に示す燃料電池３０は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。

ポンプ３１の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

ポンプ３１の送液能力は燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲であることが好ましい。送液能力が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料の量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ３１の停止時間が長くなる。このため、燃料電池セル（ＭＥＡ）２への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ３１と燃料分配機構３との間に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。

一方、ポンプ３１の送液能力が１０μＬ／分未満であると、装置立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池３０の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ３１を使用することが好ましい。ポンプ３１の送液能力は１０〜２００μＬ／分の範囲であることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ３１には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。

図９に示す燃料電池３０においては、必要時にポンプ３１を動作させて燃料収容部４から燃料分配機構３に液体燃料を供給する。燃料分配機構３に導入された液体燃料は、前述した第１の実施形態と同様に、複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。そして、複数の燃料排出口２２から燃料電池セル２の全面に対して燃料が供給されて発電反応が生起される。このように、ポンプ３１で燃料収容部４から燃料分配機構３まで液体燃料を送液する場合においても、燃料分配機構３は有効に機能する。従って、燃料電池セル２に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。

燃料供給用（送液用）のポンプ３１の制御は、例えば図１０に示すように、燃料電池３０の出力を参照して行うことが好ましい。図１０において、燃料電池３０の出力は制御回路３２で検出され、この検出結果に基づいてポンプ３１に制御信号が送られる。ポンプ３１は制御回路３２から送られる制御信号に基づいてオン／オフが制御される。ポンプ３１の動作は燃料電池３０の出力に加えて、温度情報や電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することで、より安定した運転を達成することが可能となる。

ポンプ３１の具体的な動作制御方法としては、例えば燃料電池３０からの出力が所定の規定値より高くなった場合にポンプ３１を停止または送液量を低下させ、出力が規定値より低くなった場合にポンプ３１の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。別の動作制御方法としては、燃料電池３０からの出力の変化率がプラスの場合にポンプ３１の運転を停止または送液量を低下させ、出力の変化率がマイナスになった場合にポンプ３１の運転を再開または送液量を増加させる方法が挙げられる。

さらに、燃料電池３０の安定性や信頼性を高めるために、図１１に示すようにポンプ３１と直列に燃料遮断バルブ３３を配置することが好ましい。図１１ではポンプ３１と燃料分配機構３との間の流路５に燃料遮断バルブ３３を挿入した構造を示している。燃料遮断バルブ３３はポンプ３１と燃料収容部４との間に設置しても機能上の支障はない。

ただし、燃料遮断バルブ３３をポンプ３１と燃料収容部４との間の流路５に設置した場合、例えば長期保管時にポンプ３１の燃料が蒸発すると、燃料収容部４からの液体燃料の吸出し機能に支障が生じるおそれがある。このようなことから、燃料遮断バルブ３３はポンプ３１と燃料分配機構３との間の流路５に設置し、長期保管時等におけるポンプ３１からの液体燃料の蒸発を防止することが好ましい。

このように、燃料収容部４と燃料分配機構３との間に燃料遮断バルブ３３を挿入することによって、燃料電池３０の未使用時にも不可避的に発生する微量な燃料の消費や上述したポンプ再運転時の吸い込み不良等を回避することができる。これらは燃料電池３０の実用上の利便性の向上に大きく貢献するものである。

燃料遮断バルブ３３の動作タイミングは、ポンプ３１の駆動と同一としても実用上の支障はないが、例えば図１２に示すように、ポンプ３１の運転直前にバルブ３３を開き、ポンプ３１の運転停止後にバルブ３３を閉じることが好ましい。これとは逆に、ポンプ運転と同時または運転後にバルブ３３を開き、ポンプ停止前にバルブ３３を閉じると、ポンプ３３の内圧が上昇したり、ポンプ３３の吸い込み不良等が発生する。

燃料遮断バルブ３３としては、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが使用される。燃料遮断バルブ３３にはその大きさや駆動電力等の観点から、電磁石や圧電セラミックスを用いた電気駆動バルブを使用することが好ましい。さらに、燃料遮断バルブ３３には状態保持機能を有するラッチタイプのバルブを使用することが好ましい。図１３に電磁石と永久磁石とを組み合わせたラッチバルブ３４の一例を示す。図１３Ａはラッチバルブ３４の閉状態を、また図１３Ｂはラッチバルブ３４の閉状態を示している。図１４はラッチバルブ３４の動作タイミングを示している。

ラッチバルブ３４では、コイル３５に状態保持用磁石３６と反発する磁極が発生する向きに電流を流すことによって、可動鉄心３７が状態保持磁石３６と反発してバルブを閉状態とする方向（図中左方向）に移動する。コイル３５の電気を遮断した後においても、ラッチバルブ３４の閉止状態はスプリング３８で維持される。ラッチバルブ３４を開く場合には、コイル３５に閉止動作の際と逆方向に電流を流すことによって、可動鉄心３７が状態保持用磁石３６に引き付けられてバルブを開状態とする方向（図中右方向）に移動する。コイル３５の電気を遮断した後においても、可動鉄心３７は状態保持用磁石３６に引き付けられているため、ラッチバルブ３４の開放状態が維持される。

上述したような開閉状態の状態変化時のみに駆動電力が印加される状態保持機構付きバルブ（例えばラッチバルブ３４）を燃料遮断バルブ３３に適用することによって、バルブ動作に必要とされる電力損失を免れると共に、動作異常等で電力供給が絶たれた場合であっても、燃料遮断バルブ３３の状態を維持することできるという利点を有する。燃料遮断バルブ３３は、燃料電池３０の未使用時に発生する微量な燃料消費、ポンプ再運転時の吸い込み不良等の回避に加えて、ポンプ３１の停止時における微量な液体燃料の通液を遮断し、燃料電池３０の出力制御性をより一層高める効果を有する。

さらに、燃料遮断バルブ３３は前述した第１の実施形態の燃料電池１に対しても有効である。例えば、図１、図３、図５に示した燃料電池１において、燃料分配機構３と燃料収容部４とを接続する流路５に燃料遮断バルブ３３を挿入する。このような構成を適用することによって、燃料電池セル２に対する燃料の供給を制御し、燃料電池１の出力制御性を高めることができる。この場合の燃料遮断バルブ３３の動作制御は、上述したポンプ３１の動作制御と同様に実施することができる。

第２の実施形態の燃料電池３０においては、燃料収容部４や流路５に燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着することが好ましい。図１５は燃料収容部４にバランスバルブ３９を設置した状態を示している。バランスバルブ３９は、燃料収容部４内の圧力に応じてバルブ可動片４０を動作させるスプリング４１と、バルブ可動片４０をシールして閉状態とするシール部４２とを有している。

燃料収容部４から液体燃料が燃料分配機構３に供給され、燃料収容部４の内圧が減圧状態になると、バランスバルブ３９のバルブ可動片４０が外圧を受け、スプリング４１の反発力に打ち勝ってシール部４２が開放される。このバランスバルブ３９の開放状態に基づいて、外気が内外圧力差を減少するように導入される。内外の圧力差が解消されると、再度バルブ可動片４０が移動してシール部４２が密閉される。

このように動作するバランスバルブ３９を燃料収容部４等に設置することによって、液体燃料の供給に伴って発生する燃料収容部４の内圧低下に起因する送液量の変動を抑制することができる。すなわち、燃料収容部４内が減圧状態になると、ポンプ３１による液体燃料の吸い込みが不安定になり、送液量が変動しやすくなる。このような送液量の変動をバランスバルブ３９を設置することで解消することができる。従って、燃料電池３０の動作安定性を向上させることが可能となる。なお、バランスバルブ３９を流路５に設置する場合には、燃料収容部４とポンプ３１との間に挿入することが好ましい。

さらに、第２の実施形態の燃料電池３０のようにポンプ３１を設ける場合については、燃料収容部４等にバランスバルブ３９を設けると共に、図１６に示すように燃料電池セル２に例えばその積層方向に貫通するガス抜き孔２Ａを設けることが好ましい。

上記したようにバランスバルブ３９を燃料収容部４または流路５に設置することによって、液体燃料の供給に伴い発生する燃料収容部４の内圧低下を抑制でき、ポンプ３１における液体燃料の吸い込みを安定させることができる。しかしながら、燃料電池セル２のアノード１３側では例えば上記（１）式に示されるようにメタノールの内部改質反応によって二酸化炭素や水蒸気等のガス成分が発生することから、燃料分配機構３の内圧、具体的には燃料分配板２３Ａの細管２５等の内圧が上昇し、ポンプ３１による液体燃料の送液が困難となることがある。

このためガス抜き孔２Ａを燃料電池セル２に設けることによって、発生したガス成分を燃料電池セル２のアノード１３側からカソード１６側へと排出し、さらには燃料電池３０の外部へと排出することができ、結果として燃料分配機構３の内圧を低減させ、ポンプ３１による液体燃料の送液を容易にすることができる。すなわち、燃料収容部４等にバランスバルブ３９を設けると共に燃料電池セル２にガス抜き孔２Ａを設けることで、ポンプ３１における液体燃料の吸い込みと押し出しとの両方を容易にすることができる。

ガス抜き孔２Ａとしては、例えば燃料電池セル２の全体を積層方向に貫通する貫通孔が挙げられるが、例えばアノード１３やカソード１６が多孔質体であってガス成分を有効に透過させることができるものである場合には、実質的にガス成分を透過させない部分である電解質膜１７のみを貫通する貫通孔であってもよい。

ガス抜き孔２Ａの形状、大きさは必ずしも限定されるものではないものの、例えば直径０．０５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の円形状の孔部が好ましいものとして挙げられる。直径が０．０５ｍｍ未満であるとガス成分をアノード１３側からカソード１６側へと十分に排出できないおそれがあり、１．０ｍｍを超えると燃料の直接透過を発生しやすく、また発電に寄与する有効面積も減少することから、出力が低下するおそれがある。

ガス抜き孔２Ａの個数は、ガス抜き孔２Ａの形状、大きさ、あるいは燃料電池セル２の平面形状等にもよるが、例えば燃料電池セル２の面積１ｃｍ^２以上１５ｃｍ^２以下につき１個程度となるようにすることが好ましい。ガス抜き孔２Ａの個数が１ｃｍ^２未満につき１個程度であると、面積あたりのガス抜き孔２Ａの個数が多すぎることとなり、燃料の直接透過や発電に寄与する有効面積の減少により出力が低下するおそれがあり、１５ｃｍ^２を超える面積につき１個程度であると、面積あたりのガス抜き孔２Ａの個数が少なすぎることとなり、ガス成分がアノード１３側からカソード１６側へと十分に排出されないおそれがある。

このようにポンプ３１が設けられると共に、燃料収容部４等にバランスバルブ３９が設けられ、さらに燃料電池セル２にガス抜き孔２Ａが設けられた燃料電池３０については、ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力が５ｋＰａ以上となっていることが好ましい。ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力が５ｋＰａ未満であると、燃料分配機構３、すなわち燃料分配板２３Ａの各細管２５や各燃料排出口２２に液体燃料が均一に供給されず、燃料電池セル２における発電反応が不均一となり、発電効率が低下するおそれがある。また、ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力が５ｋＰａ未満であると、液体燃料の送液量（供給量）自体も低下することから、出力が大幅に低下するおそれがある。

ポンプ３１から燃料分配機構３へのより好ましい送液圧力は、液体燃料を均一かつ十分に燃料分配機構３、すなわち燃料分配板２３Ａの各細管２５や各燃料排出口２２に供給する観点から１０ｋＰａ以上である。なお、ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力の上限は必ずしも制限されるものではないものの、この種のものに用いられるポンプ３１の送液圧力が一般に１００ｋＰａ程度までであることから、通常は１００ｋＰａ程度である。

ここで、ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力は、ポンプ３１の燃料分配機構３側近傍において測定されるものであり、例えばポンプ３１の燃料分配機構３側に接続される流路５中に流量計を配置し、この流量計により測定された流量から求めることができる。なお、上記したようにポンプ３１は必要に応じて運転と停止が繰り返し行われるが、このような場合については、実際にポンプ３１が運転されているときのポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力が上記したように５ｋＰａ以上となっていればよい。

ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力を５ｋＰａ以上とするには、上記したような燃料電池セル２におけるガス抜き孔２Ａの形状、大きさ、個数等の調整の他、燃料分配機構３を構成する燃料分配板２３Ａの各細管２５や各燃料排出口２２の孔径等の調整、燃料収容部４等に設けられるバランスバルブ３９の開放時期（開放圧力）の調整、ポンプ３１の送液能力の調整等により行うことができる。

バランスバルブ３９の開放時期の調整は、そのバルブ可動片４０をシール部４２へと押圧しているスプリング４１の反発力を調整することで行うことができ、例えば燃料収容部４等における外圧と内圧との差が１０Ｐａ以上となったときにバルブ可動片４０がシール部４２から離れるような反発力に調整される。また、ポンプ３１としては、それ自体の送液圧力が５ｋＰａ以上となるような送液能力を有するものである必要がある。

次に、第２の実施形態に関し、ポンプ３１とバランスバルブ３９とを設けると共に、燃料電池セル２にガス抜き孔２Ａを設け、ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力を５ｋＰａ以上としたもの（実施例３）と、ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力を５ｋＰａ未満とした以外は実施例３と同様なもの（比較例２）とについて発電試験を行ったため説明する。

実施例３の燃料電池３０としては、以下のようなものを作製した。アノードガス拡散層１２としてのカーボンペーパー上にアノード触媒層１１としてのＰｔ−Ｒｕ系触媒層を塗布して１０ｍｍ×８０ｍｍのアノード１３を得ると共に、カソードガス拡散層１５としてのカーボンペーパー上にカソード触媒層１４としてのＰｔブラック触媒層を塗布して１０ｍｍ×８０ｍｍのカソード１６とし、これら一対の単セルを合計４組作製した。

そして、電解質膜１７としてのパーフルオロスルホン酸膜の一方の主面に各単セルのアノード１３をそのアノード触媒層１１が電解質膜１７に接触するように配置すると共に、パーフルオロスルホン酸膜の他方の主面に各単セルのカソード１６をそのカソード触媒層１４が接触するように配置した。そして、これらのものを１２０℃で５分間、１００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でホットプレス接合することにより、４０ｍｍ×８０ｍｍの接合体を得た。さらに、この接合体における各セルの面方向の中心部分にガス抜き孔２Ａとして孔径０．２ｍｍの積層方向に貫通する貫通孔を１個ずつ形成して図１６に示されるものと略同様な燃料電池セル２を製造した。

燃料電池セル２以外の燃料電池３０の構成も基本的に図１６に示されるようなものとし、バランスバルブ３９を有する燃料収容部４と燃料分配機構３とがポンプ３１を有する流路５を介して接続され、また燃料分配機構３の上に燃料電池セル２等を配置したものとした。なお、燃料分配機構３のみ、細管２５を有する燃料分配板２３Ａの代わりに、図１に示されるような空隙部２４を有する燃料分配板２３とした。燃料分配板２３における燃料排出口２２の配列は図２に示されるようなものとし、それらの孔径は０．５ｍｍとした。また、ポンプ３１としては、このような構成の燃料電池３０において、ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力が５ｋＰａ以上となるようなものを用いた。

そして、燃料収容部４に液体燃料として９０％濃度のメタノールを注入し、ポンプ３１を間欠的に運転させて燃料収容部４から燃料分配機構３へとメタノールを供給して発電を行わせた。なお、ポンプ３１を運転させているときのポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力は５ｋＰａ以上（平均３０ｋＰａ）であった。実施例３の燃料電池３０の発電試験の結果（発電時間と出力密度との関係）を図１７に示す。

一方、比較例２の燃料電池３０としては、ポンプ３１として、このポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力が５ｋＰａ未満となるようなものを用いた以外は実施例３の燃料電池３０と同様なものを製造した。そして、実施例３の燃料電池３０と同様、ポンプ３１を間欠的に運転させて燃料収容部４から燃料分配機構３へとメタノールを供給して発電を行わせた。なお、ポンプ３１を運転させているときのポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力は５ｋＰａ未満（平均３ｋＰａ）であった。比較例２の燃料電池３０の発電試験の結果（発電時間と出力密度との関係）を図１７に合わせて示す。

図１７から明らかなように、実施例３の燃料電池３０については、ポンプ３１の間欠運転によりわずかな周期的変動が見られるものの、出力密度はほぼ一定に保たれていることが認められる。一方、比較例２の燃料電池３０については、実施例３の燃料電池３０に比べて出力密度が全体的に低く、また一時的に大幅に低下することが認められる。

比較例２の燃料電池３０については、ポンプ３１から燃料分配機構３への送液圧力が５ｋＰａ未満と低いために、燃料分配機構３、すなわち燃料分配板２３の燃料排出口２２にメタノールが均一に供給されず、結果として燃料電池セル２における発電反応が不均一となり、出力密度が全体的に低下したものと推測される。また、比較例２の燃料電池３０については、送液圧力が低いためにメタノールの供給量自体が不十分となり、出力密度が一時的に大幅に低下したものと推測される。

次に、本発明の第３の実施形態による燃料電池について、図１８および図１９を参照して説明する。図１８に示す燃料電池５０は、燃料流通溝を有する流路板と複数の燃料排出口を有する拡散板とで構成された燃料分配機構３を具備している。燃料電池セル２は、例えば複数の単セルを直列に接続したものであり、さらに燃料極側で生成する炭酸ガスや水蒸気等のガス成分をリリースするガス抜き孔を有していてもよい。

なお、図１８では燃料電池セル（ＭＥＡ）２の構成を省略して図示しているが、燃料電池セル２の具体的な構成は前述した第１および第２の実施形態と同様である。また、図１８では燃料収容部、流路、燃料供給ポンプ等の図示を省略したが、第３の実施形態の燃料電池５０はこれら各要素を具備しており、各要素の具体的な構成は前述した第１および第２の実施形態の燃料電池１、３０と同様である。

第３の実施形態による燃料分配機構３について詳述する。燃料分配機構３を構成する流路板５１は、燃料通路として機能する燃料流通溝５２を有している。燃料流通溝５２の始端部は燃料注入口２１とされている。燃料流通溝５２に設けられた燃料注入口２１は、前述した第１および第２の実施形態と同様に、図示を省略した流路を介して燃料収容部と接続されている。また、流路には第１および第２の実施形態と同様に、必要に応じて燃料供給ポンプや燃料遮断バルブ等が設けられる。

燃料流通溝５２は少量の液体燃料を速やかに展開することが可能なように、燃料注入口２１の近傍で複数に分岐されている。分岐後の燃料流通溝５２は燃料分配機構３の面方向全体に液体燃料を展開するように形成されている。燃料流通溝５２を有する流路板５１上には、燃料流通溝５２の開口部を覆うように拡散板５３が配置されている。拡散板５３は燃料流通溝５２と接続するように開口された複数の燃料排出口２２を有している。燃料排出口２２は燃料電池セル２の面方向に対して燃料を均一に供給し得るように形成されている。燃料排出口２２の個数等は前述した実施形態と同等とすることが好ましい。

燃料電池セル２と燃料分配機構３との間にはＯリング５４等のシール部材が配置されており、これにより燃料の漏洩等を防止すると共に、燃料電池セル２と燃料分配機構３との間に燃料拡散空間５５が形成されている。燃料拡散空間５５は燃料排出口２２から放出される燃料の拡散性を高めるものである。さらに、拡散板５３上に燃料を面方向に展開させるシート状の多孔体５６を配置することで、燃料排出口２２から放出される燃料を平面的に均一拡散させることができる。多孔体５６の構成は前述した実施形態で述べた通りである。燃料拡散空間５５は前述した第１および第２の実施形態に対しても有効である。

流路板５１と拡散板５３とで構成された燃料分配機構３には、前述した実施形態と同様に、燃料収容部から流路やポンプを介して発電に必要な量の液体燃料が間欠的に送液される。燃料注入口２１から導入された液体燃料は、燃料流通溝５２内を通って流路板５１の面方向に速やかに展開される。そして、燃料流通溝５２内を展開した液体燃料は、拡散板５３に設けられた複数の燃料排出口２２を通して均一に拡散される。燃料の拡散状態はさらに燃料拡散空間５５や多孔体５６で均一化される。従って、燃料電池セル２の面方向に対して燃料を均一に供給することができるため、燃料電池セル２の面内における発電反応の均一性を高めることが可能となる。

図１８および図１９では流路板５１と拡散板５３とで構成された燃料分配機構３を示したが、流路板５１は省いてもよい。すなわち、燃料電池セル２が配置される容器の底面側に、容器との間に空隙が形成されるように拡散板５３を配置し、これらによって燃料分配機構３を構成することも可能である。この場合、容器と拡散板５３との間に導入された液体燃料は、空隙内を展開した後に拡散板５３に設けられた複数の燃料排出口２２から燃料極に向けて放出される。ただし、この場合には液体燃料の面方向への拡散に濃度分布が生じる傾向がある。このため、燃料の展開方向（拡散方向）を流路板５１で方向付けして、燃料の均一拡散性を高めることが好ましい。

第３の実施形態の具体例（参考例２）として、図１８および図１９に構成を示した燃料電池５０を作製した。まず、カーボンペーパー上にＰｔ−Ｒｕ系触媒層（１０ｍｍ×６０ｍｍ）を塗布して形成した燃料極と、カーボンペーパー上にＰｔブラック触媒層（１０ｍｍ×６０ｍｍ）を塗布して形成した酸化剤極とで単セルを構成した。４組の単セルの触媒層が電解質膜と接するように、パーフルオロスルホン酸膜からなる電解質膜を挟持した。これらを１２０℃×５分間の条件下で、１００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でホットプレス接合してＭＥＡを作製した。さらに、各セルの中央部に孔径０．２ｍｍの貫通孔を形成した。

上記したＭＥＡ２を図１８および図１９に示したように、流路板５１と拡散板５３とで構成された燃料分配機構３と組合せて容器内に組み込み、さらにシール部を介して発電ユニットを作製した。拡散板５３には厚さ０．１ｍｍのカプトンフィルムを用い、図１９に示したような配列で孔径１ｍｍの燃料排出口２２を形成した。流路板５１には燃料注入方向からセルの長手方向に沿って深さ１ｍｍの燃料流通溝５２を形成した。さらに、拡散板５３上に厚さ０．１ｍｍ、孔径０．１μｍのＰＴＦＥ製多孔質シート５６を配置した。発電ユニットと燃料収容部とを燃料供給ポンプを介して接続することによって、反応面積が２４ｃｍ^２の燃料電池を作製した。この燃料電池に液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電を行った。酸化剤ガスは自発的に取り込む空気を使用した。

第３の実施形態の第２の具体例（参考例３）として、流路板５１と多孔質シート５６を使用しない以外は参考例２と同様な構成を有し、かつ反応面積が２４ｃｍ^２の燃料電池を作製した。すなわち、拡散板５３を容器の底部側に配置し、拡散板５３と容器との間に燃料拡散室を設けたものである。この燃料電池に液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電を行った。酸化剤ガスは自発的に取り込む空気を使用した。

また、第２の実施形態の具体例（実施例４）として、図３および図４に示した燃料分配板２３Ａを燃料分配機構３として用いる以外は参考例２と同様な構成を有し、かつ反応面積が２４ｃｍ^２の燃料電池を作製した。燃料分配板２３Ａは燃料注入口２２と複数の燃料排出口２３とが細管２５で接続されている。ＭＥＡ２と燃料分配板２３Ａとの間には図１８と同様に燃料拡散空間を設けた。この燃料電池に液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電を行った。酸化剤ガスは自発的に取り込む空気を使用した。

さらに、本発明との比較例（比較例３）として、拡散板５３に代えてシリコーンゴムシートを用いる以外は参考例３と同様な構成を有し、かつ反応面積が２４ｃｍ^２の燃料電池を作製した。拡散板５３に代えて用いたシリコーンゴムシートは、それ自体のメタノール透過性に基づいて燃料を拡散させるものである。この燃料電池に液体燃料としてメタノールをポンプで間欠的に供給して発電を行った。酸化剤ガスは自発的に取り込む空気を使用した。

上述した参考例２、３、実施例４および比較例３による各燃料電池の時間−出力密度特性を図２０に示す。図２０から明らかなように、参考例３ではポンプの間欠運転による出力密度の周期的な変動が見られるが、出力のレベルはほぼ一定に保たれている。流路構造を導入した参考例２は燃料拡散の均質性に優れるため、出力密度の周期的変動も小さく、経時的に安定な出力特性が得られている。実施例４はさらに出力自体も向上している。一方、比較例３では燃料が供給される空間に、発電に伴って発生する水蒸気の透過が生じ、燃料濃度が低下するために徐々に出力密度が低下し、安定した経時特性が得られていない。

上述した各実施形態の燃料電池１、３０、５０は各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。複数の燃料排出口２２を有する燃料分配機構３の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、各実施形態の燃料電池１、３０、５０は、濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に性能や効果が特に発揮される。従って、各実施形態は濃度が８０％以上のメタノールを液体燃料として用いた燃料電池に適用することが好ましい。

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。燃料電池の具体的な構成や燃料の供給形態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１，３０，５０…燃料電池、２…燃料電池セル（ＭＥＡ）、２Ａ…ガス抜き孔、３…燃料分配機構、４…燃料収容部、５…流路、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極）、１７…電解質膜、２１…燃料注入口、２２…燃料排出口、２３，２３Ａ…燃料分配板、２４…空隙部、２５…細管、２６…分岐部、２７，５６…多孔体、３１…ポンプ、３２…制御回路、３３…燃料遮断バルブ、３４…ラッチバルブ、３９…バランスバルブ、５１…流路板、５２…燃料流通溝、５３…拡散板、５５…燃料拡散空間

Claims (7)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極の複数個所に対して燃料を供給する燃料分配機構と、
   液体燃料を収容すると共に、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部と
   を具備し、
   前記燃料分配機構は、前記液体燃料が前記流路を介して流入する燃料注入口と、前記燃料注入口と燃料通路を介して接続された複数の燃料排出口とを有する燃料分配板を備え、
   前記燃料分配板は、その内部に、前記燃料通路として、前記燃料注入口と前記複数の燃料排出口とを接続する細管を有し、
   前記細管は分岐部を有し、前記燃料注入口から前記複数の燃料排出口に向けて前記分岐部で順に分岐され、
   前記分岐部における分岐前の前記細管の断面積をＡ、分岐後の前記細管の断面積の合計をＢとしたとき、前記分岐部はＡ≧Ｂを満足することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記複数の燃料排出口は、前記燃料分配板の前記燃料極と接する面に０．１〜１０個／ｃｍ^２の個数となるように形成されていることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池において、
   前記燃料排出口の断面積はそれに接続された前記細管の断面積と同等もしくはそれより大きいことを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池において、
   前記燃料極と前記燃料分配機構との間に前記燃料を拡散させる燃料拡散空間が設けられていることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の燃料電池において、
   さらに、前記燃料極と前記燃料分配機構との間に配置された少なくとも１つの多孔体を具備することを特徴とする燃料電池。
6. 請求項５記載の燃料電池において、
   前記多孔体は多孔質樹脂シート、樹脂不織布および樹脂織布から選ばれる少なくとも１つからなることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池において、
   前記液体燃料は、メタノール濃度が８０％以上のメタノール水溶液または純メタノールからなるメタノール燃料であることを特徴とする燃料電池。

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