JPWO2005088751A1 - 燃料電池用燃料容器、それを用いた燃料電池、および燃料電池の運転方法 - Google Patents

Abstract

本発明の目的は、燃料電池を小型化しつつ、燃料極への燃料の供給を安定的に行うことにある。本発明では、燃料電池１５１６において、燃料極１０２に供給する液体の燃料１２４を収容する液体燃料容器１５１７に気液分離膜１５１９を介して連通する気化燃料容器１５１８を設けることで上記目的を達成する。

Description

本発明は、燃料電池用燃料容器、それを用いた燃料電池、および燃料電池の運転方法に関する。

固体電解質型燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体電解質膜から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料極および酸化剤極は、基材と、基材表面に備えられた触媒層とを含む。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。

燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→６Ｈ^＋＋ＣＯ_２＋６ｅ⁻ （１）
また、酸化剤極での反応は以下の式（２）のようになる。

３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ （２）
このように、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器などが不要になり、小型化及び軽量化を図ることができる。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。

特許文献１には、液体燃料を収容する液体燃料収容容器から外部の燃料電池に液体燃料を供給する技術が開示されている。特許文献１の燃料電池では、液体燃料収容容器に収容された液体燃料が導入管から本体に供給され、本体の気化部で気化された後、燃料極に導入される。

ところが、この燃料電池では、液体燃料収容容器中の液体燃料は、本体において燃料極の手前に設けられた気化部で気化し、燃料極に導入される構成となっている。このため、燃料極に供給する燃料を所定の濃度に調節するという点で改善の余地があった。

一方、特許文献２には、単電池セルに供給する液体燃料を貯蔵する燃料タンクに加え、高濃度メタノールタンクを有する燃料電池が開示されている。ところが、この場合、高濃度メタノールタンクに収容されている高濃度メタノールをポンプで燃料タンクに供給し、単電池セルに供給される液体燃料が所定の濃度になるように調整する必要があった。このため、装置構成が大型化、複雑化してしまっていた。
特開２００１−９３５５１号公報 特開２００３−１３２９２４号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池を小型化しつつ、燃料極への燃料の供給を安定的に行う技術を提供することにある。

本発明によれば、固形または液体の燃料が配置される燃料電池用の容器であって、前記容器内に収容された前記燃料の蒸気を燃料電池の液体燃料供給系に補給する燃料ガス補給口を備えることを特徴とする燃料電池用燃料容器が提供される。

本発明に係る燃料電池用燃料容器は、燃料ガス補給口を備える。燃料電池の燃料極への燃料の供給は、液体燃料供給系から行われる。このため、容器内に収容された燃料の蒸気を燃料電池の液体燃料供給系に溶解させて、燃料極に確実に補給することができる。液体燃料供給系に収容された液体燃料の燃料成分濃度が燃料電池の使用に伴い低下した際に、これを補給することができるため、液体燃料供給系の燃料濃度を安定化することができる。また、燃料の蒸気を液体燃料中に溶解させて補給するため、液体燃料供給系に燃料成分を補給するためのポンプ等の補器を用いることなく燃料を安定的に補給することができる。このため、本発明の燃料電池用燃料容器を用いることにより、簡素な構成で液体燃料供給型の燃料電池を安定的に運転することができる。

本発明によれば、固形または液体の燃料が配置される燃料配置部と、前記燃料配置部に連通し、前記燃料を気化する気化部と、前記気化部で気化した気化燃料を燃料電池の液体燃料供給系に補給する燃料ガス補給口と、を有することを特徴とする燃料電池用燃料容器が提供される。

本発明に係る燃料電池用燃料容器は、燃料配置部と気化部を有する。このため、燃料配置部に高濃度の液体または固形燃料を配置し、これを気化部で気化して液体燃料供給系に補給することができる。このため、簡素な構成で燃料電池の液体燃料供給系の燃料濃度の低下を好適に抑制することができる。

本発明の燃料電池用燃料容器において、前記燃料ガス補給口に、気液分離部が設けられた構成とすることができる。こうすることにより、燃料電池の液体燃料供給系に、容器内で気化した燃料を選択的に補給することができる。本発明において、気液分離部がたとえば気液分離膜を有する構成とすることができる。

本発明の燃料電池用燃料容器において、固形または液体の前記燃料が配置される燃料収容室と、前記燃料収容室で気化した前記燃料の蒸気を収容する気化室と、を備える構成とすることができる。燃料収容室と気化室を設けることにより、燃料容器内にさらに確実に固形または液体燃料を保持するとともに、これを気化して燃料電池の液体燃料供給系に安定的に補給することができる。

本発明の燃料電池用燃料容器において、前記燃料収容室と前記気化室とが気液分離膜により区画されていてもよい。こうすれば、気化室内に気化燃料を選択的に配置することができる。このため、液体燃料供給系に気化燃料をさらに確実に補給することができる。

本発明の燃料電池用燃料容器において、前記燃料は、有機液体燃料の固形化物であってもよい。こうすることにより、燃料成分を高濃度で含有する場合にも、容器外部への燃料成分の漏洩を抑制することができる。このため、燃料電池用燃料容器の使用時の安全性を向上させることができる。また、希薄な液体燃料を容器内に収容する場合に比べて燃料容器を小型化することができる。

本発明の燃料電池用燃料容器は、前記燃料電池に着脱可能に設けられる燃料電池用燃料カートリッジであってもよい。本発明に係る燃料電池用燃料容器は小型で制御性に優れた燃料補給が可能であるため、これを携帯可能な燃料電池用燃料カートリッジとすることにより、携帯型電気機器に適用される燃料電池等に好適に用いることができる。

本発明によれば、燃料極と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給系と、前記液体燃料供給系に気化燃料を補給する気化燃料補給部と、を有し、前記液体燃料供給系と前記気化燃料補給部との間に、前記気化燃料を選択的に移動させる気液分離部が設けられたことを特徴とする燃料電池が提供される。

また、本発明によれば、燃料極と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給系と、前記燃料電池用燃料容器と、を備え、前記燃料電池用燃料容器と前記液体燃料供給系との間に、前記燃料の蒸気を前記液体燃料供給系に選択的に移動させる気液分離部が設けられたことを特徴とする燃料電池が提供される。

本発明に係る燃料電池は、燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給系に気化燃料を補給する気化燃料補給部を有する。また、本発明に係る燃料電池は、上記燃料電池用燃料電池容器を備え、気液分離部を介して容器内の燃料の蒸気が液体燃料供給系に補給される。このため、液体燃料供給系の燃料濃度の低下を抑制することができる。また、気化燃料を燃料極に直接供給せずに、気液分離部を経由させて一度液体燃料に溶解させてから燃料極に供給するため、燃料極に供給する燃料成分の濃度を安定化することができる。このため、燃料を補給するためのポンプや燃料電池の出力を安定化するための補助電源等の補器を設ける必要がない。よって、燃料電池の装置構成全体を簡素化、小型化することができる。

本発明の燃料電池用燃料容器において、前記燃料ガス補給口に開閉可能なシャッター部材が設けられた構成とすることができる。また、本発明の燃料電池において、前記液体燃料供給系への気化燃料の補給を開始および停止するシャッター部材を有する構成とすることができる。こうすることにより、燃料電池の使用状況に応じてシャッター部材を開閉し、気化燃料の液体燃料供給系への補給を調節することができる。このため、液体燃料供給系への気化燃料の補給をより一層制御性よく行うことができる。

本発明の燃料電池において、前記液体燃料供給系は、前記燃料極に供給される液体燃料が収容される燃料カートリッジと、前記燃料極または前記酸化剤極から排出される液体を回収する燃料回収部と、を備え、前記燃料電池用燃料容器が、前記燃料カートリッジと前記燃料回収部とに連通する液体燃料混合槽に前記燃料の蒸気を供給するように構成されてもよい。液体燃料混合槽に燃料の蒸気が供給される構成とすることにより、混合槽に収容された液体燃料の濃度の低下を抑制することができる。このため、燃料極または酸化剤極を通過した液体を混合槽に回収して再度燃料極に供給する燃料の循環経路を有する燃料電池においても、燃料極に供給する液体燃料の濃度を安定化することができる。

本発明によれば、燃料極と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給系と、を有する燃料電池の運転方法であって、前記液体燃料供給系に、前記燃料極に供給される前記液体燃料の濃度より高濃度の気化燃料を供給しながら運転を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。

本発明においては、燃料極に供給される前記液体燃料の濃度より高濃度の気化燃料を供給しながら燃料電池を運転するため、運転中に使用された燃料を気化燃料として液体燃料に溶解させて補給することができる。このため、簡便な方法で燃料極への燃料供給を安定的に行うことができる。このため、燃料電池を長期間安定的に運転することができる。

本発明の燃料電池の運転方法において、前記燃料極を通過した残存燃料または酸化剤極で発生した水を回収しながら前記液体燃料を循環させて運転することができる。残存燃料または水を回収しながら液体燃料を循環させて運転させる際にも、気化燃料を補給しながら運転を行うことにより、燃料極への燃料供給を安定化することができる。

なお、これらの各構成の任意の組み合わせや、本発明の表現を方法、装置などの間で変換したものもまた本発明の態様として有効である。

以上説明したように、本発明によれば、燃料電池の液体燃料供給系に気化燃料を補給することにより、燃料電池を小型化しつつ、燃料極への燃料の供給を安定的に行う技術が実現される。

本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す上面図である。 図２をＡ−Ａ´方向から見た図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 実施例に係るメタノールガスの拡散速度の測定方法を説明する図である。 実施例に係る燃料容器の放置時間と燃料濃度の関係を示す図である。 実施例に係る燃料容器中の燃料濃度と拡散速度の関係を示す図である。 実施例に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。 実施例に係る燃料電池の発電時間と電圧の関係を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池のシャッターの構成を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池のシャッターの構成を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池のシャッターの構成を示す図である。 本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１００ 燃料電池本体
１０１ 単セル構造
１０２ 燃料極
１０４ 基体
１０６ 燃料極側触媒層
１０８ 酸化剤極
１１０ 基体
１１２ 酸化剤極側触媒層
１１４ 固体電解質膜
１２４ 燃料
１２６ 酸化剤
７４３ 回転部
８１１ 燃料容器
８５３ 仕切板
１１１７ ポンプ
１２３４ ピン部
１２３５ 蓋
１５１６ 燃料電池
１５１７ 液体燃料容器
１５１８ 気化燃料容器
１５１９ 気液分離膜
１５２０ 気化燃料導入部
１５２１ 気化燃料
１５２２ 高濃度燃料容器
１５２３ 高濃度燃料
１５２４ シャッター
１５２５ 回収管
１５２６ 滴下部
１５２７ 燃料吸収部
１５２８ 気化燃料導入管
１５２９ 高濃度燃料補充部
１５３０ 蓋部
１５３１ スライド板
１５３２ 高濃度燃料カートリッジ
１５３３ バネ部
１５３４ スライド板
１５３５ ストッパー
１５３６ 本体接続部
１５３７ バネ部
１５３８ 押さえ板
１５３９ カートリッジ接続部
１５４０ ストッパー
１５４１ シール材
１５４２ フック
１５４３ 測定容器
１５４４ 第一の容器
１５４５ 第二の容器
１５４６ 多孔質ＰＴＦＥ膜
１５４７ 可動板
１５４８ 支持部
１５４９ 隔壁

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、共通の構成要素には同一の符号を付し、適宣説明を省略する。

（第一の実施形態）
図１は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。図１の燃料電池１５１６は、単セル構造１０１、液体燃料容器１５１７、気化燃料容器１５１８、気液分離膜１５１９、および気化燃料導入部１５２０を備える。図１では、単セル構造１０１を一つ備える構成が例示されているが、第二の実施形態以降で後述するように、複数の単セル構造１０１を備える構成とすることもできる。

単セル構造１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を含む。図１の燃料電池においては、燃料極１０２に液体燃料容器１５１７中の燃料１２４が直接供給される。

固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；スルフォン化ポリエーテルエーテルケトン；スルフォン化ポリエーテルスルフォン；等が例示される。

燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。触媒としては、白金や白金とルテニウムの合金等が例示される。燃料極１０２および酸化剤極１０８の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。

燃料極側触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極１０８に用いる酸化剤極側触媒層１１２の触媒としては、燃料極側触媒層と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。

燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。

気化燃料容器１５１８は、気液分離膜１５１９を介して液体燃料容器１５１７に接続されている。また、気化燃料容器１５１８は気化燃料導入部１５２０に連通する。気化燃料１５２１は、気化燃料導入部１５２０から気液分離膜１５１９に供給され、気化燃料容器１５１８を経由して液体燃料容器１５１７に供給される。

液体燃料容器１５１７および気化燃料容器１５１８の壁部の材料は、たとえば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフォン、シリコーンまたはこれらの共重合体または混合物等の樹脂とすることができる。

気液分離膜１５１９は、液体である燃料１２４に対する表面張力と空気等の気体に対する表面張力とを異ならせ得る材料で構成することができる。または、多孔質体の表面をこのような材料で覆うことによって得られる部材を用いることもできる。気液分離膜１５１９には、たとえば撥液性の材料を用いることができる。たとえば、燃料１２４がメタノールまたはその水溶液である場合、メタノールの透過を抑制する膜とする。

気液分離膜１５１９の材料として、具体的には、たとえば、ポリテトラフロオロエチレン（以下、ＰＴＦＥとも呼ぶ。）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のパーフルオロポリマー、ポリメタクリル酸１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロオクチル、ポリアクリル酸１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル等のポリフルオロアルキルアクリレート、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化エチレンプロピレン等のフルオロオレフィンが挙げられる。また、ポリ塩化ビニリデン、ポリアセタール、ブタジエンとアクリルニトリルとの共重合体樹脂等を用いることもできる。

このうち、ＰＴＦＥ等のパーフルオロポリマーは、気体の選択透過性および成膜特性のバランスに優れる点で好ましく用いられる。気液分離膜１５１９は、空気等の気体を効率よく透過させる必要があるため、膜厚を薄くすることが望まれる。膜の物性にもよるが、通常、５μｍ以下の薄膜に形成することが望まれる。ＰＴＦＥ等のパーフルオロポリマーを用いた場合、このような非多孔質の薄膜を安定的に形成することができる。

また、ポリメタクリル酸１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロオクチル、ポリアクリル酸１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル等のフルオロアルキルアクリレ−トポリマーは、成膜特性が良好で、薄膜を容易に形成でき、また、二酸化炭素の選択透過性を有するため、好ましく用いられる。フルオロアルキルアクリレ−トポリマーは、ポリカルボン酸の一部または全部を、フルオロアルコールでエステル化することにより得られる。

気液分離膜１５１９を構成するポリマーの分子量は、好ましくは１０００〜１，０００，０００、さらに好ましくは３０００〜１００，０００とする。分子量が大きすぎると溶液の調整が困難となり、制限透過層の薄層化が困難となることがある。分子量が小さすぎると充分な制限透過性が得られない場合がある。なお、ここでいう分子量とは数平均分子量をいい、ＧＰＣ（Ｇｅｌ Ｐｅｒｍｅａｔｉｏｎ Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）により測定することができる。

また、ガス透過性の非多孔質膜を多孔質膜上に積層し、気液分離膜１５１９としてもよい。このとき、非多孔質膜には上述した膜を用いることができる。また、多孔質膜は、たとえば、ポリエーテルスルフォンやアクリル共重合体などからなる膜である。具体的には、ゴアテックス（ジャパンゴアテックス社製）（登録商標）、バーサポア（日本ポール社製）（登録商標）、スーポア（日本ポール社製）（登録商標）などが例示される多孔質膜の膜厚は、たとえば５０μｍ以上５００μｍ以下とする。こうすることにより、気液分離膜１５１９の機械的強度を向上させることができる。よって、機械的強度にすぐれた燃料電池１５１６を安定的に得ることができる。

このような積層膜は、たとえば、多孔質膜の表面に非多孔質膜の材料となる上述した樹脂の溶液をスピンコート法により塗布し、乾燥することにより形成される。

また、気液分離膜１５１９として、ガス透過性の多孔質膜を用いてもよい。このとき、多孔質膜の材料として、非多孔質の気液分離膜１５１９に用いられる材料を用い、これを多孔質化してもよい。たとえば、多孔質ＰＴＦＥ膜等のパーフルオロポリマーの多孔質膜を用いることができる。この場合、気液分離膜１５１９の膜厚を、たとえば１０μｍ以上５００μｍ以下とすることができる。

燃料電池１５１６において、単セル構造１０１の燃料極１０２には、液体燃料容器１５１７から燃料１２４が供給される。燃料１２４は単セル構造１０１に供給される液体燃料を指し、燃料成分である有機溶媒を必須成分とする。また、燃料１２４は、燃料成分となる有機溶媒の水溶液とすることができる。また、液体燃料容器１５１７に収容される燃料１２４として、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類を用いることができる。また、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の液体燃料を用いることができる。また、液体燃料にはアルカリを加えることもできる。これにより、水素イオンのイオン伝導性を高めることができる。

また、気化燃料容器１５１８には、気化燃料導入部１５２０から気化燃料１５２１が補給される。気化燃料導入管１５２０は、たとえば、所定の位置に収容された気化燃料１５２１を気化燃料容器１５１８に導く管とすることができる。また、たとえば、気化燃料導入管１５２０は、気化燃料１５２１を収容する室であってもよい。気化燃料１５２１の補給は、たとえば、燃料成分を燃料１２４よりも高濃度で含む液体燃料または固形燃料を用い、この燃料成分を気化させる方法により行うことができる。このとき、高濃度液体燃料または固形燃料中の燃料成分を気化させる気化室が気化燃料導入部１５２０に連通している構成とすることができる。気化燃料１５２１の補給の具体的な方法については、第二の実施形態以降で詳細に説明する。

気化燃料容器１５１８中の気化燃料は、液体燃料容器１５１７に収容された燃料１２４の減少に伴い、気液分離膜１５１９を経由して液体燃料容器１５１７に移動する。たとえば、燃料成分がメタノール等の揮発性のアルコールである場合、気化したアルコールが液体燃料容器１５１７に収容された燃料１２４中に溶解し、拡散する。このような構成とすることにより、燃料電池１５１６の運転とともに減少する燃料成分を、気化燃料容器１５１８から必用な分だけ補給することが可能となる。このため、燃料を補給するためのポンプや燃料電池１５１６の出力を安定化するための補助電源等の補器を設ける必要がない。よって、燃料電池１５１６全体の構成を簡素化することができる。

また、燃料成分を一度気化して液体燃料容器１５１７に補給するため、気化燃料１５２１の原料として高濃度の液体燃料または固形化燃料を用いることができる。このため、燃料電池１５１６全体を小型化することができる。

また、燃料極１０２には好適な濃度に希釈された液体の燃料１２４が供給されるため、燃料１２４がメタノール水溶液等である場合にも、クロスオーバーの発生を好適に抑制することができる。

このように、燃料電池１５１６は、気液分離膜１５１９を介して気化燃料１５２１と液体の燃料１２４とが接触する構成となっており、気化燃料１５２１が燃料１２４に補給される。よって、小型で簡素な構成でありながら、すぐれた出力を安定的に発揮することができる。

なお、単セル構造１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤１２６が供給される。酸化剤１２６としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。

なお、燃料電池１５１６においては、単セル構造１０１と気化燃料容器１５１８との間の隔壁全面を気液分離膜１５１９としたが、気化燃料容器１５１８と単セル構造１０１の隔壁の一部を気液分離膜１５１９としてもよい。

また、燃料電池１５１６においては、気化燃料導入部１５２０から気化燃料容器１５１８に気化燃料１５２１が供給される構成としたが、気化燃料導入部１５２０を設けない構成とすることもできる。この場合、第二の実施形態以降で説明するように、たとえば、気化燃料容器１５１８に気化燃料１５２１または気化燃料１５２１を生じさせる固形もしくは液体の燃料を配置しておくことができる。

（第二の実施形態）
本実施形態では、第一の実施形態に記載の単セル構造１０１を複数有する燃料電池の構成について説明する。ここでは、複数の単セル構造１０１が平面内にスタックされた構成を例に説明する。本実施形態に係る燃料電池は、携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｔ）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤ等の小型電気機器に適用可能である。

図２は、本実施形態に係る燃料電池の構成を模式的に示す図である。図２の燃料電池は、複数の単セル構造１０１、燃料容器８１１、仕切板８５３、および回収管１５２５を含む。回収管１５２５は、単セル構造１０１の燃料極１０２を通過した液体および酸化剤極における電池反応で生成する水を回収し、燃料容器８１１に戻す経路となる。

図３は、図２のＡ−Ａ’断面図である。図３の燃料電池においては、１枚の固体電解質膜１１４の一方の面に複数の燃料極１０２が設けられ、他方の面に複数の酸化剤極１０８が設けられており、複数の単セル構造１０１が固体電解質膜１１４を共有し、同一の平面内に配置された構成となっている。また、燃料容器８１１が燃料極１０２の外側を覆い囲うように設けられており、燃料容器８１１中に収容された燃料１２４が燃料極１０２に直接供給される。

図２および図３中に示した燃料容器８１１は、図１における液体燃料容器１５１７に対応し、燃料極１０２に供給される燃料１２４が収容されている。また、図３において、燃料容器８１１の底部に気化燃料容器１５１８が設けられており、気化燃料容器１５１８と燃料容器８１１の間の一部が気液分離膜１５１９となっている。また、燃料容器８１１の側方に、シャッター１５２４を介して気化燃料容器１５１８に連通する高濃度燃料容器１５２２が設けられている。

燃料容器８１１に収容された燃料１２４は、燃料容器８１１内に設けられた複数の仕切板８５３に沿って流れ、複数の単セル構造１０１に順次供給される。単セル構造１０１に供給された燃料１２４のうち、電池反応に用いられなったものは、回収管１５２５から燃料容器８１１に戻される。上記式（１）および式（２）に示したように、燃料電池の使用に伴い、燃料１２４中の水の割合が増加するため、燃料１２４中の燃料成分の濃度が減少する。

すると、高濃度燃料容器１５２２と燃料容器８１１との間に設けられた気液分離膜１５１９を経由して、燃料容器８１１中に気化燃料１５２１が補充される。ここで、高濃度燃料容器１５２２に収容された高濃度燃料１５２３は気化し、シャッター１５２４を通過した後、気液分離膜１５１９を経由して燃料容器８１１に収容された燃料１２４に溶解する。このため、単セル構造１０１の燃料極１０２には、所定の濃度の燃料１２４を安定的に供給することができる。

シャッター１５２４は、気化燃料容器１５１８と高濃度燃料容器１５２２との間を隔て、開閉可能な構成となっている。シャッター１５２４の開閉により、気化燃料容器１５１８内の燃料蒸気の濃度を調節することができる。シャッター１５２４が開くと、高濃度燃料容器１５２２の側から気化燃料１５２１が気化燃料容器１５１８に移動できる。シャッター１５２４は、たとえば以下の構成とすることができる。

図２０（ａ）および図２０（ｂ）は、図３の燃料電池のシャッター１５２４の近傍を示す図である。図２０（ａ）は、シャッター１５２４が閉じた状態を示し、図２０（ｂ）は、シャッター１５２４が開いた状態を示す。シャッター１５２４は、可動板１５４７と回転部７４３からなる。シャッター１５２４の開閉は、可動板１５４７と掛合している回転部７４３が回転することにより可動板１５４７が摺動してなされる。

図２１（ａ）および図２１（ｂ）は、シャッター１５２４の別の構成を示す図である。図２１（ａ）および図２１（ｂ）も、図３の燃料電池のシャッター１５２４の近傍を示す図である。図２１（ａ）は、シャッター１５２４が閉じた状態を示し、図２１（ｂ）は、シャッター１５２４が開いた状態を示す。

図２１（ａ）および図２１（ｂ）では、シャッター１５２４を構成する可動板１５４７が、回転部７４３を軸として回動することにより、高濃度燃料容器１５２２と気化燃料容器１５１８との間の開閉が行われる。

また、図２２（ａ）および図２２（ｂ）は、シャッター１５２４の別の構成を示す図である。図２２（ａ）および図２２（ｂ）も、図３の燃料電池のシャッター１５２４の近傍を示す図である。図２２（ａ）は、シャッター１５２４が閉じた状態を示し、図２２（ｂ）は、シャッター１５２４が開いた状態を示す。

図２２（ａ）および図２２（ｂ）では、シャッター１５２４を構成する可動板１５４７を支持する支持部１５４８が、回転部７４３と掛合している。そして、回転部７４３が回転することにより、支持部１５４８が摺動するため、これに固定された可動板１５４７が気化燃料容器１５１８の一端を開閉する。

シャッター１５２４を設けることにより、燃料電池を使用していない時には気化燃料１５２１の供給を停止することができる。なお、シャッター１５２４は、開または閉の２段階に切り替える構成であってもよいし、気化燃料容器１５１８の端面の被覆率を所定の段階で調節するように構成されていてもよい。気化燃料容器１５１８と高濃度燃料容器１５２２の界面の被覆率を調節可能な構成とすることにより、シャッター１５２４を用いて気化燃料１５２１の供給をさらに精密に調節することができる。また、図２および図３には示していないが、シャッター１５２４の開閉を制御する制御部を燃料電池に設けることもできる。こうすれば、シャッター１５２４の開閉をさらに確実に調節することができる。

本実施形態の燃料電池では、高濃度燃料１５２３を気化して燃料容器８１１に補給するため、燃料容器８１１中の燃料が消費された際に、必要な量の燃料成分が気化燃料１５２１として補給される。たとえば、燃料成分がメタノール等の揮発性にすぐれた物質であれば、高濃度燃料１５２３は室温中でも自然気化し、容易に燃料容器８１１中の液体の燃料１２４に溶解し、拡散する。このため、ポンプ等の燃料補給用の補器を用いることなく、簡素な構成で安定的な燃料の補給が可能となる。このとき、気液分離膜１５１９およびシャッター１５２４が設けられているため、気化燃料１５２１を燃料容器８１１の側に所定のタイミングで選択的に移動させることができる。また、燃料極１０２には燃料容器８１１から液体の燃料１２４が供給されるため、燃料極１０２に供給する燃料１２４を所定の濃度に安定的に調節することができる。また、高濃度燃料容器１５２２中の高濃度燃料１５２３が収容されるため、高濃度燃料容器１５２２の小型化が可能である。

なお、本実施形態において、気液分離膜１５１９およびシャッター１５２４の配置は上述したものに限らず、種々の構成を採用することができる。以下、配置の異なる燃料電池の構成を例示する。

たとえば、図４は、本実施形態に係る燃料電池の別の構成を示す断面図である。図４では、単セル構造１０１の上部を覆うように燃料容器８１１が設けられている。また、高濃度燃料容器１５２２の上部にシャッター１５２４が設けられている。このような構成とすれば、高濃度燃料容器１５２２中で自然気化した気化燃料１５２１の気化燃料容器１５１８までの移動経路を図３の構成よりも短縮することができる。このため、燃料電池の構成をさらに小型化、簡素化することができる。

また、図５は、本実施形態に係る燃料電池のまた別の構成を示す断面図である。図５の燃料電池の基本構成は図４の燃料電池と同様であるが、気液分離膜１５１９を燃料容器８１１の側面に設けた点が異なる。この構成においても、燃料容器８１１に気化燃料１５２１を安定的に供給することができる。

また、図６は、本実施形態に係る燃料電池のさらにまた別の構成を示す断面図である。図６の燃料電池も基本構成は図４の燃料電池と同様であるが、気液分離膜１５１９とシャッター１５２４とが互いに隣接して設けられた点が異なる。気液分離膜１５１９が燃料容器８１１側に設けられ、シャッター１５２４が高濃度燃料容器１５２２の側に設けられる。この構成では、シャッター１５２４を閉じた際に気液分離膜１５１９がシャッター１５２４により被覆されるため、燃料容器８１１に収容された燃料１２４への気化燃料１５２１の供給をさらに精密に調節することができる。

また、以上の例において、気液分離膜１５１９を、たとえば、燃料容器８１１中の燃料１２４の濃度に応じて開口率が変化する材料で構成してもよい。こうすれば、気液分離膜１５１９自体に気化燃料１５２１の補給を調節する機能を付与することができる。

以上の構成の燃料電池において、高濃度燃料１５２３は、燃料成分を高濃度で含む液体燃料または固形燃料とすることができる。高濃度燃料１５２３を固形化燃料とすることにより、高濃度燃料１５２３の漏出を抑制することができる。このため、燃料電池をさらに安全に使用することができる。また、高濃度燃料１５２３を液体とする場合にも、気化燃料１５２１として燃料容器８１１に補給するため、高濃度燃料１５２３の液体の漏出を抑制することができる。

高濃度燃料１５２３を、高濃度の液体燃料とする場合、たとえば、燃料成分の濃度が６０体積％〜１００体積％程度の燃料成分の水溶液または原液とすることができる。６０体積％以上の有機液体燃料またはその水溶液とすることにより、燃料電池の液体燃料供給系に供給する燃料１２４よりも高濃度の液体燃料を容器内に収容しておくことができる。このため、小型で長期間の燃料補給が可能な燃料容器を安定的に得ることができる。

また、高濃度燃料１５２３を液体燃料とする場合、燃料電池を次の構成としてもよい。図２３は、本実施形態に係る燃料電池のまた別の構成を示す断面図である。図２３に示した燃料電池の基本構成は図４に示した燃料電池と同様であるが、気化燃料容器１５１８と高濃度燃料容器１５２２とを隔てる側面にシャッター１５２４が設けられている点と、高濃度燃料容器１５２２内に気液分離膜１５１９が設けられ、高濃度燃料容器１５２２が気液分離膜１５１９により二室に仕切られている点が異なる。

高濃度燃料容器１５２２に気液分離膜１５１９を設けて二室に仕切ることにより、高濃度燃料容器１５２２の一方の室を高濃度燃料収容室とし、液体燃料である高濃度燃料１５２３を高濃度燃料収容室内に確実に存在させて、高濃度燃料容器１５２２の外部に漏出するのを抑制することができる。また、他方の室を高濃度燃料１５２３の気化室とすることができる。ここで、気化室は、気化燃料容器１５１８に当接する側の室であり、シャッター１５２４は気化室と気化燃料容器１５１８との間に設けられている。このような構成とすることにより、高濃度燃料収容室に収容された液体燃料から気化した気化燃料１５２１を選択的に気液分離膜１５１９から気化室に存在させておくことができる。そして、シャッター１５２４の開閉を調節し、気化燃料１５２１の気化燃料容器１５１８への供給量を調節することができる。また、燃料電池本体１００に気化燃料１５２１をさらに選択的に補給することができる。このような気液分離膜１５１９として、たとえば、第一の実施形態にて例示したガス透過性の非多孔質膜等を用いることができる。

なお、高濃度の液体燃料は、液体燃料を吸収させる多孔質材料であるウィッキング材に含浸させておくこともできる。ウィッキング材は、たとえば発泡体などの多孔質材料で構成することができる。ウィッキング材の材料として、具体的には、たとえば、ポリウレタン、メラミン、ナイロンなどのポリアミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、セルロース、またはポリアクリロニトリルなどの樹脂を用いることができる。

また、高濃度燃料１５２３を固形燃料とする場合、たとえば、燃料成分の液体をゲル化して用いることとができる。ゲル化燃料に用いるゲル化剤としては、燃料電池の使用温度で安定な種々の材料を燃料成分の種類に応じて適宜選択して用いることができる。たとえば、燃料成分がメタノール等のアルコールである場合、ゲル化材として、たとえば、ポリアクリルアミド、ポリエチレンオキサイド、ポリアクリル酸塩、ポリビニルアルコール等の高分子材料の架橋物を用いることができる。これらの材料は、単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。また、たとえば、ヒドロキシエチルセルロース、ヒドロキシプロピルセルロース、カルボキシメチルセルロース等のセルロース誘導体、カルボキシビニルポリマー（カルボマー）等のいわゆる半合成高分子材料の架橋物を用いてもよい。

また、高分子のゲル化剤を用いずに固形燃料を得ることもできる。たとえば、燃料成分がアルコールである場合、ステアリン酸ナトリウム等の脂肪酸と、水酸化ナトリウム等の水酸化物とを混合し、けん化反応によりゲル状のステアリン酸ナトリウムを得ることにより固形燃料とすることができる。また、水酸化ナトリウムに変えて、ホウ砂Ｎａ_２［Ｂ_４Ｏ_５（ＯＨ）_４］・８Ｈ_２Ｏなどの水中でアルカリ性を示す化合物を用いてもよい。

図２〜図６に示した燃料電池では、高濃度燃料１５２３を液体としても固形としてもよい。また、高濃度燃料１５２３を高濃度液体燃料とする場合、燃料電池を以下の構成とすることもできる。図７は、本実施形態に係る燃料電池の別の構成を示す断面図である。図７に示した燃料電池の基本構成は図３に示した燃料電池と同様であるが、高濃度燃料容器１５２２において高濃度燃料１５２３の滴下速度または滴下量を調節して気化燃料１５２１の補給を制御する点が異なる。

図７において、高濃度燃料容器１５２２は滴下部１５２６を有し、滴下部１５２６から高濃度燃料１５２３が滴下される位置に燃料吸収部１５２７が設けられている。燃料吸収部１５２７は、たとえば、高濃度燃料１５２３を吸収する多孔質体とすることができる。多孔質体の材料は、燃料成分に対する耐性を有する材料であればよく、たとえば、ＳＵＳ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ等の金属；
シリカ、アルミナ、ジルコニア等の金属酸化物；
炭化ケイ素、炭化チタン、ゼオライト等のセラミックス；または
セルロース、ポリウレタン等の高分子材料；
とすることができる。なお、高分子材料としては、他に、前述のウィッキング材として利用される材料が挙げられる。

図７の燃料電池においては、滴下部１５２６から滴下した高濃度燃料１５２３を燃料吸収部１５２７に吸収させた後、燃料吸収部１５２７に吸収させた燃料が気化して気化燃料容器１５１８に補給される構成となっている。このため、シャッター１５２４を設けて開閉させなくても、滴下部１５２６からの滴下量または滴下速度を調節することにより、気化燃料１５２１の補給を調節することができる。

また、高濃度燃料１５２３を固形燃料とする場合、燃料電池を次の構成としてもよい。図８は、本実施形態に係る燃料電池のまた別の構成を示す断面図である。図８に示した燃料電池の基本構成は図４に示した燃料電池と同様であるが、気化燃料容器１５１８と高濃度燃料容器１５２２とを隔てる側面にシャッター１５２４が設けられている点と、高濃度燃料容器１５２２内に隔壁１５４９が設けられた点が異なる。

隔壁１５４９は、高濃度燃料容器１５２２を燃料収容室と気化室とに隔てる部材であり、ガス透過性を有する材料により構成される。隔壁１５４９の材料として、具体的には、図７に示した燃料電池において燃料吸収部１５２７として利用可能な材料を用いることができる。高濃度燃料容器１５２２内に隔壁１５４９を設けることにより、固形燃料である高濃度燃料１５２３を高濃度燃料容器１５２２の所定の領域に保持して容器外に漏出するのを抑制しつつ、これを気化して燃料容器８１１の側に確実に供給することができる。また、高濃度燃料１５２３を固形燃料とすることにより、高濃度燃料容器１５２２の配置方向によらず、高濃度燃料１５２３を気化して燃料容器８１１に安定的に供給することが可能となる。また、高濃度燃料１５２３の漏出を抑制することができる。このため、携帯型の電気機器により一層好適に用いることができる。

なお、以上の構成において、シャッター１５２４にかえて小型のポンプを用いてもよい。図９は、ポンプを有する燃料電池の構成を示す断面図である。図９の燃料電池の基本構成は図３に示した燃料電池と同様であるが、高濃度燃料容器１５２２中の高濃度燃料を気化し、気化燃料１５２１をポンプ１１１７を用いて気化燃料導入管１５２８から気化燃料容器１５１８に供給する点が異なる。

ポンプ１１１７としては、たとえば消費電力が非常に小さい小型の圧電モーター等の圧電素子を用いることができる。また、図９では図示していないが、燃料電池にポンプ１１１７の動作を制御する制御部を設けることができる。この構成によれば、ポンプ１１１７の排気速度を調節することにより、気化燃料１５２１の供給量を調節することができるため、気化燃料１５２１の供給を確実に制御することができる。

また、以上の構成において、高濃度燃料１５２３が高濃度の液体燃料である場合や、ゲル化燃料であってもある程度の流動性を有している場合、高濃度燃料容器１５２２を高濃度燃料１５２３の補充が可能な構成としてもよい。ここでは、図４に示した燃料電池の場合を例に、説明する。

図１０は、本実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。図１０の燃料電池の基本的な構成は図４に示した燃料電池と同様であるが、高濃度燃料容器１５２２に、高濃度燃料１５２３の収容室に連通する開閉可能な高濃度燃料補充部１５２９が設けられた点が異なる。なお、図１０では、高濃度燃料補充部１５２９が高濃度燃料容器１５２２の上部の壁部に設けられているが、高濃度燃料補充部１５２９は高濃度燃料容器１５２２の側壁に設けることもできる。

高濃度燃料補充部１５２９を設けることにより、燃料電池の使用に伴い高濃度燃料１５２３が消費された場合にも、高濃度燃料補充部１５２９から高濃度燃料１５２３を注入し、補充することができる。このため、燃料電池をさらに長期間安定的に運転させることができる。

高濃度燃料補充部１５２９の構成は、高濃度燃料１５２３の補充時に開となり、それ以外の燃料電池の使用時には確実に閉となる構成であれば種々の態様を採用することができる。たとえば、高濃度燃料補充部１５２９は、高濃度燃料容器１５２２の壁部を貫通する開口と、開口を閉止する閉止部材から構成されてもよい。このとき、閉止部材を壁部にネジ止め等により装着し、高濃度燃料１５２３の漏出を防止する構成としてもよい。また、たとえば、高濃度燃料容器１５２２の壁部を貫通する開口と、開口を被覆するキャップとを有する構成としてもよい。また、たとえば、高濃度燃料容器１５２２の壁部を貫通する開口と、壁部に沿ってスライドすることにより開口を開閉するスライド板とを有する構成としてもよい。

また、高濃度燃料１５２３が固形燃料である場合、高濃度燃料容器１５２２に開閉可能な蓋部を設けることにより、固形燃料の補充が可能となる。図１１（ａ）および図１１（ｂ）は、蓋部の設けられた高濃度燃料容器１５２２を有する燃料電池の構成を示す図である。図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示した燃料電池の基本構成は図４と同様であるが、高濃度燃料容器１５２２の側壁に開閉可能な蓋部１５３０が設けられている。気化燃料容器１５１８の上部壁面を構成する筐体と、高濃度燃料容器１５２２の側部壁面を構成する蓋部１５３０とは、ピン部１２３４を有するちょうつがいにより接続されている。また、図１１（ａ）および図１１（ｂ）には示していないが、高濃度燃料容器１５２２は、蓋部１５３０を閉じた状態で固定する固定部材を有する。

図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示した燃料電池において、ピン部１２３４を回転中心として蓋部１５３０を回転させることにより、高濃度燃料容器１５２２の側面が開く。高濃度燃料容器１５２２に高濃度燃料１５２３を補充する際には、蓋部１５３０を開き、高濃度燃料容器１５２２の底部に設けられたスライド板１５３１を高濃度燃料容器１５２２の外側に向かって摺動させ、引き出す。図１１（ａ）には、蓋部１５３０を開き、スライド板１５３１を引き出した状態が示されている。そして、新しい固形燃料をスライド板１５３１の上に設置し、スライド板１５３１を高濃度燃料容器１５２２の内部に向かって摺動させることにより、高濃度燃料１５２３が高濃度燃料容器１５２２の内部に収容される。そして、蓋部１５３０を閉じればよい（図１１（ｂ））。

なお、図１１では、ピン部１２３４を回転中心として蓋１２３５を回転して閉じることで高濃度燃料容器１５２２を開閉する構成としたが、開閉方法としてはこれに限定されるものではなく他にもツメ等を引っ掛けて合致させる方式やスライドロック方式等で装着することができる。

また、以上の燃料電池では、気液分離膜１５１９が気化燃料容器１５１８に設けられた構成を示したが、本実施形態の燃料電池において、気液分離膜１５１９が高濃度燃料容器１５２２に設けられていてもよい。たとえば、図６に示した燃料電池において、気液分離膜１５１９およびシャッター１５２４を高濃度燃料容器１５２２に設けてもよい。この場合、シャッター１５２４を開くことにより、気液分離膜１５１９を経由して高濃度燃料容器１５２２中の気化燃料１５２１を気化燃料容器１５１８に移動させることができる。

また、図３の燃料電池においては、複数の単セル構造１０１が１枚の固体電解質膜１１４を共有する構成としたが、それぞれの単セル構造１０１が独立に固体電解質膜１１４を有し、複数の単セル構造１０１が平面内に集積された構成としてもよい。こうすることにより、隣接する単セル構造１０１の電位が異なる場合に、固体電解質１１４の面方向にプロトンが移動することの抑制が図られる。

（第三の実施形態）
以上の実施形態に記載の燃料電池において、高濃度燃料１５２３を収容する高濃度燃料容器１５２２が燃料カートリッジであってもよい。燃料カートリッジは、燃料電池本体から着脱可能であり、交換および携帯が可能である。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）は、燃料カートリッジおよび燃料カートリッジが収容される高濃度燃料容器１５２２の構成を模式的に示す断面図である。この燃料電池は、燃料電池本体１００および高濃度燃料カートリッジ１５３２からなる。図１１に示した燃料電池と同様に、燃料電池本体１００の側壁に開閉可能な蓋部１５３０が設けられており、高濃度燃料カートリッジ１５３２の挿入が可能に構成されている。

図１２（ａ）に示したように、高濃度燃料カートリッジ１５３２は、高濃度燃料１５２３を収容する収容室と、バネ部１５３３と、スライド板１５３４とを有する。スライド板１５３４に側方から力が加わると、バネ部１５３３が収縮する。また、高濃度燃料容器１５２２は、高濃度燃料カートリッジ１５３２のスライド板１５３４を固定するストッパー１５３５を有する。

高濃度燃料カートリッジ１５３２の交換は、蓋部１５３０を開き、高濃度燃料カートリッジ１５３２を高濃度燃料容器１５２２の側方から挿入することにより行う。このとき、高濃度燃料カートリッジ１５３２を高濃度燃料容器１５２２内に収容すると、スライド板１５３４がストッパー１５３５に当接した位置からバネ部１５３３が伸縮するため、高濃度燃料カートリッジ１５３２を完全に収容して蓋部１５３０を閉じて固定部材（不図示）で固定すれば、高濃度燃料カートリッジ１５３２が高濃度燃料容器１５２２内に固定される（図１２（ｂ））。

図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示した燃料電池では、バネ部１５３３を設けることにより、高濃度燃料カートリッジ１５３２を燃料電池本体１００の内部に確実に固定し、安定に保持することができる。よって、携帯型の電気機器等に好適に用いることができる。また、簡素な構成で高濃度燃料カートリッジ１５３２の交換を容易に行うことができる。このため、高濃度燃料１５２３の補充が容易であり、燃料電池を長期間安定的に運転することができる。

なお、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示した燃料電池において、気液分離膜１５１９が高濃度燃料カートリッジ１５３２に設けられていてもよい。たとえば、燃料電池本体１００に高濃度燃料カートリッジ１５３２を挿入した際に、シャッター１５２４に対向するように気液分離膜１５１９を設けることができる。こうすれば、高濃度燃料カートリッジ１５３２から気化燃料容器１５１８にさらに確実に気化燃料１５２１を移動させることができる。

また、高濃度燃料カートリッジ１５３２の構成および高濃度燃料容器１５２２への装着方法は、上述の構成に限られず、種々の構成を採用することができる。たとえば、図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、高濃度燃料カートリッジ１５３２および高濃度燃料容器１５２２の別の構成を示す断面図である。

図１３（ａ）においては、高濃度燃料カートリッジ１５３２は固形の高濃度燃料１５２３が収容される収容室と、高濃度燃料カートリッジ１５３２内で収容室を外部と区画する燃料吸収部１５２７とを有する。また、高濃度燃料カートリッジ１５３２には、本体接続部１５３６が設けられている。本体接続部１５３６は壁部の一部に凹状に形成されており、高濃度燃料容器１５２２に凸状に形成されたカートリッジ接続部１５３９に嵌合する形状となっている。また、高濃度燃料容器１５２２には、高濃度燃料カートリッジ１５３２を固定する押さえ板１５３８と、押さえ板１５３８の位置を可動にするための伸縮可能なバネ部１５３７が設けられている。

高濃度燃料カートリッジ１５３２を高濃度燃料容器１５２２に装着する際には、バネ部１５３７を収縮させて高濃度燃料容器１５２２内に高濃度燃料カートリッジ１５３２を挿入するのに充分な空間を形成しておき、高濃度燃料カートリッジ１５３２を装着する。このとき、本体接続部１５３６とカートリッジ接続部１５３９を嵌合させて、押さえ板１５３８を高濃度燃料カートリッジ１５３２の壁面に当接させることにより、高濃度燃料カートリッジ１５３２が高濃度燃料容器１５２２内に固定される（図１３（ｂ））。

本体接続部１５３６の凹部およびカートリッジ接続部１５３９の凸部は開口しているため、高濃度燃料カートリッジ１５３２を接続することにより、高濃度燃料容器の内部で気化した高濃度燃料１５２３が燃料電池本体１００に移動可能となる。なお、高濃度燃料カートリッジ１５３２の使用前には、本体接続部１５３６の開口をたとえばシール部材でシールしておき、使用時にこれを剥離して用いることができる。

また、図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、高濃度燃料カートリッジ１５３２および高濃度燃料カートリッジ１５３２を装着可能に構成された高濃度燃料容器１５２２のまた別の構成を示す図である。図１４（ａ）は高濃度燃料カートリッジ１５３２および高濃度燃料容器１５２２の断面図である。また、図１４（ｂ）は、これらの上面図である。図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示した燃料電池の基本的な構成は、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示した燃料電池と同様であるが、押さえ板１５３８とバネ部１５３７で高濃度燃料カートリッジ１５３２を固定する方法にかえて、フック１５４２とストッパー１５４０により固定する構成となっている。

図１４（ａ）に示したように、高濃度燃料カートリッジ１５３２には、フック１５４２を固定するストッパー１５４０が設けられており、高濃度燃料容器１５２２のカートリッジ接続部１５３９にはフック１５４２が設けられている。このため、カートリッジ接続部１５３９を本体接続部１５３６に嵌合させて、フック１５４２をストッパー１５４０に掛合することにより、高濃度燃料容器１５２２内に高濃度燃料カートリッジ１５３２が固定される（図１４（ｂ））。

なお、図１４（ａ）および図１４（ｂ）では、高濃度燃料１５２３において、本体接続部１５３６の周囲にシール材１５４１が貼付されている。シール材１５４１は、弾性部材であり、たとえば、ガス透過性が低く柔軟性がある高分子材料を用いることができる。このような材料として、たとえば、エチレンプロピレンゴム、シリコーンゴム等のエラストマーを用いることができる。シール材１５４１をエチレンプロピレンゴムとする場合、エチレンとプロピレンの共重合体（ＥＰＭ）またはエチレンとプロピレンと第３成分の共重合体（ＥＰＤＭ）を用いることができる。

また、図１３および図１４に示した燃料電池において、高濃度燃料カートリッジ１５３２に設けられた燃料吸収部１５２７に、気液分離特性に優れた材料を用いることにより、これを気液分離膜１５１９として好適に用いることができる。このため、気化燃料容器１５１８に気化燃料をより一層確実に移動させることができる。

また、図１３および図１４に示した燃料電池の高濃度燃料カートリッジ１５３２において、燃料吸収部１５２７に代えて気液分離膜１５１９を設けてもよい。こうすれば、高濃度燃料容器１５２２がカートリッジ式である場合にも、これを高濃度燃料カートリッジ１５３２の所定の領域に確実に保持しておくことができる。また、高濃度燃料１５２３の気化した気化燃料１５２１が気液分離膜１５１９を選択的に通過して燃料電池本体１００に移動する構成とすることができる。このため、図２３に示した燃料電池と同様に、高濃度燃料１５２３が液体である場合にも、その漏出を抑制することができる。このような気液分離膜１５１９として、たとえば、第一の実施形態にて例示したガス透過性の非多孔質膜等を用いることができる。

このように、本実施形態の構成では、燃料成分を高濃度で含有する高濃度燃料容器１５２２を携帯可能なカートリッジ方式とすることができる。このため、燃料電池全体を小型化しつつ、すぐれた出力を長期間安定的に発揮させることができる。また、高濃度燃料１５２３を固形燃料とすることにより、カートリッジ方式にした際にも携帯時の漏出等を抑制し、使用時の安全性をより一層向上させることができる。

以上、本発明を実施の形態に基づいて説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

たとえば、以上の実施形態では、気化燃料１５２１が液体燃料容器１５１７や燃料容器８１１の壁部の一部をなす気液分離膜１５１９を介して燃料１２４中に移動する構成を例に説明したが、気化燃料１５２１の供給部は、液体燃料の供給系のいずれに設けることもできる。たとえば、液体燃料の供給系として液体燃料供給管を有する場合、液体燃料供給管の壁の一部に気液分離膜１５１９を設け、液体燃料供給管が気液分離膜１５１９を介して気化燃料導入部１５２０または気化燃料容器１５１８に連通する構成とすることもできる。

また、以上の実施形態では、高濃度燃料容器１５２２に収容された高濃度燃料１５２３が自然気化する態様を中心に説明したが、燃料電池が高濃度燃料１５２３の気化量を調節する調節部材を備える構成としてもよい。気化量の調節は、たとえば高濃度燃料容器１５２２の温度を調節したり、高濃度燃料容器１５２２に振動を与えたりすることにより行うことができる。

また、以上の実施形態において、燃料極１０２への液体の燃料１２４の供給に小型のポンプ１１１７を用いてもよい。ポンプ１１１７として、たとえば図９に示した燃料電池において使用可能なものを用いることができる。

（メタノールガスのメタノール水溶液への拡散速度の測定）
本実施例では、まず、気体のメタノールがメタノール水溶液に拡散する際の速度の測定を行った。図１５は、測定に用いた容器を示す断面図である。図１５において、測定容器１５４３内に、第一の容器１５４４、多孔質ＰＴＦＥ膜１５４６、および第二の容器１５４５を下からこの順に積層した。第一の容器１５４４と第二の容器１５４５とは、多孔質ＰＴＦＥ膜１５４６を介して連通しており、第一の容器１５４４中の気体が選択的に第二の容器１５４５の側に移動可能に構成されている。

第一の容器１５４４中に純メタノールを収容し、第二の容器１５４５中に１２ｍｌの純水を収容した。第一の容器１５４４中のメタノールが気化してメタノールガスとなり、多孔質ＰＴＦＥ膜１５４６を経由して第二の容器１５４５の側に移動する。すると、第二の容器１５４５に収容された純水にメタノールガスが溶解するため、メタノール濃度が増加する。

測定容器１５４３を用いて第二の容器１５４５中の液体のメタノール濃度の経時変化を測定した。なお、測定開始時の第二の容器１５４５中の液体のメタノール濃度は０体積％である。また、第二の容器１５４５中の液体のメタノール濃度は、ガスクロマトグラフィーにより測定した。また、多孔質ＰＴＦＥ膜１５４６がメタノールガスに接触する面積は、１０ｃｍ^２とした。

図１６は、経過時間と第二の容器１５４５中のメタノール濃度の関係を示す図である。また、図１７は、図１６の結果より、第二の容器１５４５中の液体のメタノール濃度と拡散速度の関係を示す図である。ここで、上記実施形態で説明した燃料電池の単セル構造１０１について計算すると、たとえば６０ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で電流を供給するためには、０．０１６ｍｌ／ｈ／ｃｍ^２の純メタノールが必要となる。図１７より、本実施例の方法を用いれば、上記の運転条件に充分なメタノール補給量が得られることがわかる。このため、高濃度メタノールをガス化して燃料１２４に供給する方式とすることにより、燃料電池を長期間安定的に運転させることができる。

また、図１６および図１７に示したように、第二の容器１５４５中のメタノール濃度が増加するにつれて拡散速度は減少した。そして、第二の容器１５４５中のメタノール濃度が増加すると高濃度メタノールの拡散が停止し、第二の容器１５４５中の液体のメタノール濃度が一定となる。このことから、多孔質ＰＴＦＥ膜１５４６を用いることにより、第二の容器１５４５中の液体のメタノール濃度を一定に保つことができる。このため、この方式を燃料電池の液体燃料供給系に適用することにより、ポンプ等の補器を用いることなく、燃料極１０２に所定の濃度の液体燃料を安定的に供給することができる。

（燃料電池への適用）
そこで、上述の構成を燃料電池に適用して発電特性の評価を行った。図１８は、本実施形態で用いた燃料電池の構成を模式的に示す断面図である。図１８に示した燃料電池は、図１に示した燃料電池１５１６の構成と基本的には同様である。図１８における気化燃料容器１５１８に連通する高濃度燃料容器１５２２は、図１における気化燃料導入部１５２０に対応する。この構成では、高濃度燃料容器１５２２に配置された高濃度燃料１５２３が気化し、気化燃料として高濃度燃料容器１５２２から気化燃料容器１５１８、気液分離膜１５１９の順に移動し、液体燃料容器１５１７に収容された燃料１２４に溶解する。なお、図１８には示していないが、燃料１２４を循環させる循環経路を設けた。

図１８の燃料電池について、室温中で１Ａの定電流で放電させた際の電圧の経時変化を測定した。気液分離膜１５１９として、ＰＴＦＥの多孔質膜を用いた。また、燃料１２４を循環させて運転した。

燃料１２４として５体積％のメタノール水溶液を用いた。また、高濃度燃料１５２３として、純メタノールまたはゲル化剤を用いてゲル化した固形（ゲル）化メタノール燃料を用いた。表１は、実施例および比較例で用いた燃料を示す図である。表１において、「燃料」は、図１８における燃料１２４に対応し、「高濃度燃料」は、図１８における高濃度燃料１５２３に対応する。

図１９は、発電時間と電圧の関係を示す図である。図１９より、高濃度燃料１５２３として純メタノールおよび固形メタノール燃料のいずれを用いた場合についても、１０時間以上安定な出力が発揮されることが確認された。一方、比較例においては、使用したメタノール量自体は実施例と同等であるのが、高濃度燃料１５２３からのメタノールの補給を行わなかったため、発電後の電圧降下が著しかった。

以上の結果より、高濃度燃料１５２３を用いてこれをいったん気化した後燃料１２４に溶解させて供給することにより、燃料電池を長期間安定的に運転可能であることが明らかになった。

Claims (14)

1. 固形または液体の燃料が配置される燃料電池用の容器であって、
   前記容器内に収容された前記燃料の蒸気を燃料電池の液体燃料供給系に補給する燃料ガス補給口を備えることを特徴とする燃料電池用燃料容器。
2. 固形または液体の燃料が配置される燃料配置部と、
   前記燃料配置部に連通し、前記燃料を気化する気化部と、
   前記気化部で気化した気化燃料を燃料電池の液体燃料供給系に補給する燃料ガス補給口と、
   を有することを特徴とする燃料電池用燃料容器。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池用燃料容器において、前記燃料ガス補給口に、気液分離部が設けられたことを特徴とする燃料電池用燃料容器。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電池用燃料容器において、
   固形または液体の前記燃料が配置される燃料収容室と、
   前記燃料収容室で気化した前記燃料の蒸気を収容する気化室と、
   を備えることを特徴とする燃料電池用燃料容器。
5. 請求項４に記載の燃料電池用燃料容器において、前記燃料収容室と前記気化室とが気液分離膜により区画されていることを特徴とする燃料電池用燃料容器。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池用燃料容器において、前記燃料は、有機液体燃料の固形化物であることを特徴とする燃料電池用燃料容器。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池用燃料容器において、前記燃料電池に着脱可能に設けられる燃料電池用燃料カートリッジであることを特徴とする燃料電池用燃料容器。
8. 請求項１乃至７いずれかに記載の燃料電池用燃料容器において、前記燃料ガス補給口に開閉可能なシャッター部材が設けられたことを特徴とする燃料電池用燃料容器。
9. 燃料極と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給系と、前記液体燃料供給系に気化燃料を補給する気化燃料補給部と、を有し、前記液体燃料供給系と前記気化燃料補給部との間に、前記気化燃料を選択的に移動させる気液分離部が設けられたことを特徴とする燃料電池。
10. 燃料極と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給系と、請求項１乃至８いずれかに記載の燃料電池用燃料容器と、を備え、前記燃料電池用燃料容器と前記液体燃料供給系との間に、前記燃料の蒸気を前記液体燃料供給系に選択的に移動させる気液分離部が設けられたことを特徴とする燃料電池。
11. 請求項９または１０に記載の燃料電池において、前記液体燃料供給系への気化燃料の補給を開始および停止するシャッター部材を有することを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１０に記載の燃料電池において、
    前記液体燃料供給系は、
    前記燃料極に供給される液体燃料が収容される燃料カートリッジと、
    前記燃料極または前記酸化剤極から排出される液体を回収する燃料回収部と、を備え、
    前記燃料電池用燃料容器が、前記燃料カートリッジと前記燃料回収部とに連通する液体燃料混合槽に前記燃料の蒸気を供給するように構成されたことを特徴とする燃料電池。
13. 燃料極と、前記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給系と、を有する燃料電池の運転方法であって、前記液体燃料供給系に、前記燃料極に供給される前記液体燃料の濃度より高濃度の気化燃料を供給しながら運転を行うことを特徴とする燃料電池の運転方法。
14. 請求項１３に記載の燃料電池の運転方法において、前記燃料極を通過した残存燃料または酸化剤極で発生した水を回収しながら前記液体燃料を循環させて運転することを特徴とする燃料電池の運転方法。

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