燃料電池
【課題】 燃料電池の向きに関らず液体燃料を均一に流通させることができると共に、発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に寄与することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 空気極層２１、電解質層２２及び燃料極層２３を有する発電セル２０と、該発電セル２０と液体燃料を貯留する燃料貯留体１０とを接続する液体燃料供給体３０とを少なくとも備える燃料電池Ａであって、前記液体燃料供給体３０は、少なくとも、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路を備えた燃料誘導体部３１と、疎水性面と親水性面を有する多孔質体部３５との積層体から構成されていることを特徴とする燃料電池Ａ。
【解決手段】 空気極層２１、電解質層２２及び燃料極層２３を有する発電セル２０と、該発電セル２０と液体燃料を貯留する燃料貯留体１０とを接続する液体燃料供給体３０とを少なくとも備える燃料電池Ａであって、前記液体燃料供給体３０は、少なくとも、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路を備えた燃料誘導体部３１と、疎水性面と親水性面を有する多孔質体部３５との積層体から構成されていることを特徴とする燃料電池Ａ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を使用する燃料電池に関し、更に詳しくは、所謂、パッシブ型の燃料電池における発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に寄与することができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり種々の形式のものが開発されている。
【０００３】
近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に、メタノールと水を含む液体燃料を直接供給するだけで発電できる燃料電池が注目されてきている（例えば、特許文献１〜３参照）。
これらの中でも、液体燃料の供給に毛管力を利用した各液体燃料電池等が知られている（例えば、特許文献４及び５参照）。
これらの各特許文献に記載される液体燃料電池、所謂、パッシブ型燃料電池は、発電セルに燃料を毛管力によって供給する方式であるため、燃料供給用のポンプやバルブ等を設ける必要が無く、発電機の小型化が期待できる燃料供給方式である。
本願出願人は、液体燃料、及び、発電セルを通過した排燃料の輸送に、多孔体及び／又は繊維束体（ウイッキング材）の毛管力を利用した燃料電池用の液体燃料輸送方法等について具体的な例示を行っている（例えば、特許文献６〜１１参照）。
【０００４】
このようなパッシブ型燃料電池の燃料を供給する部材には、布、不織布、粒子焼結体、繊維束、発泡スポンジ等の多孔質体からなるウィッキング材を用いることが一般的である。これらの材料は、気孔率と孔径を調節することで毛管力を変化させることができるものであるが、流路が狭く、複雑に入り組んでいるため、送液の抵抗となり、圧損が生じ、燃料の輸送速度が低いという点に課題がある。
【０００５】
また、燃料電池の発電出力が高まると、消費される燃料の量も多くなるため、より燃料輸送速度が高い材料が必要であった。ウィッキング材の厚みを増やすことで、燃料輸送量を高めることができ、燃料輸送速度が高まるが、例えば、初回使用時等、ウィッキング材に燃料が無い状態では、より多くの燃料をウィッキング材に供給しなければ、発電セル全体に燃料を供給できないという点に課題がある。
更には、上記のようなウイッキング材を用いた燃料電池においては、製造に際して、ウイッキング材を配置させる工程が必要となり、ウイッキング材そのものに関する材料費が必要となる。
このようにウイッキング材を用いた燃料電池は、製造コストについての不利な条件も予想される。
【０００６】
このような課題に対し、本発明者らは、多孔質炭素板の毛管力を利用し、多孔質炭素板を燃料電池の支持体、集電体、液供給及びガス排出媒体とする従来にない特性、機能を有する燃料電池を提案している（例えば、特許文献１２参照）。
しかしながら、この構造の燃料電池において、燃料溶液を吸い上げて、電極面に沿って液体燃料を供給する場合、電極面積が広くなると電極面上における燃料濃度や液供給速度に大きな分布が生じ、電極面全体を発電に有効に活かせない場合がある。また、電極面全体に燃料用液を確保するために多孔質板の厚さが比較的厚くなる結果、電池全体の容積が増え、燃料電池パッケージの小型化に不利になる。更に、メタノール等の液体燃料のクロスオーバーにより燃料の一部が損失してしまうことがあり、非発電時において制御することができないなどの若干の課題がある。
【特許文献１】特開平５−２５８７６０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献２】特開平５−３０７９７０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献３】特開２００１−３１３０４７号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献４】特開平６−１８８００８号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献５】特開２００１−９３５５１号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献６】特開２００４−６３２００号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献７】特開２００５−２１６８１７号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献８】特開２００５−２１６８１８号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献９】特開２００５−２１６８１９号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献１０】特開２００５−２１６８２０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献１１】特開２００５−２１６８２１号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献１２】特開２００５−２５１７１５号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来のパッシブ型の燃料電池における液体燃料供給システムにおける課題及び現状に鑑み、これを解消するためになされたものであり、液体燃料を均一に供給することによる発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に寄与することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、少なくとも空気極層、電解質層、燃料極層を備える発電セルと、少なくとも前記発電セル及び液体燃料を貯留する燃料貯留体とを接続する液体燃料供給体を備える燃料電池において、前記燃料供給体の構造を特定構造等とすることにより、上記目的の燃料電池が得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００９】
すなわち、本発明は、次の（１）〜（１８）に存する。
（１） 空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、該発電セルと液体燃料を貯留する燃料貯留体とを接続する液体燃料供給体とを少なくとも備える燃料電池であって、前記液体燃料供給体は、少なくとも、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路を備えた燃料誘導体部と、疎水性面と親水性面を有する多孔質体部との積層体から構成されていることを特徴とする燃料電池。
（２） 前記燃料誘導体部の流路において、有底の断面形状の流路の断面線長をＬ１、有底の断面形状の流路部分の断面積をｓ１、液体燃料の比重をρ１、液体燃料の表面張力をγ１、液体燃料と流路表面との接触角をθ１、重力加速度をｇとした場合、前記燃料供給板部の流路の長さｈ１が下記式（Ｉ）で表される範囲の流路を備えてなる上記（１）に記載の燃料電池。
ｈ１≦（Ｌ１×γ１×ｃｏｓθ１）／（ｓ１×ρ１×ｇ） ………（Ｉ）
（３） 前記燃料誘導体部の流路の断面形状が、長方形の一辺を欠いた形状の有底の断面形状の流路である上記（１）又は（２）に記載の燃料電池。
（４） 前記燃料誘導体部の流路の一部が、管状である上記（１）〜（３）の何れか一つに記載の燃料電池。
（５） 前記燃料誘導体部の流路表面を親水化処理してなる上記（１）〜（４）の何れか一つに記載の燃料電池。
（６） 前記親水化処理がプラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理の何れか一つから選ばれる上記（５）に記載の燃料電池。
（７） 前記燃料誘導体部のうち、流路表面以外の部分を疎水処理してなる上記（１）〜（６）の何れか一つに記載の燃料電池。
（８） 前記燃料誘導体部の流路の一部に、渦巻き型の流路、波型の流路及びつづら折状の流路の何れか一つを有する上記（１）〜（７）の何れか一つに記載の燃料電池。
（９） 前記多孔質体部の親水性面と接する燃料誘導体部が渦巻き型の流路面、若しくは波型の流路面、又はつづら折状の流路面である上記（８）に記載の燃料電池。
（１０） 前記燃料誘導体部及び／又は多孔質体部が、炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料から選ばれる少なくとも１種から構成される上記（１）〜（９）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１１） 前記燃料供給体は、平板状である上記（１）〜（１０）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１２） 前記燃料供給体の厚さが、０．０５〜３０ｍｍである上記（１）〜（１１）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１３） 前記燃料極層と、前記燃料供給体との間に多孔質体層を設けた上記（１）〜（１２）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１４） 前記多孔質体層がガス排出層を兼ねる上記（１３）に記載の燃料電池。
（１５） 前記多孔質体層の厚さは、０．０５〜５ｍｍである上記（１３）又は（１４）に記載の燃料電池。
（１６） 前記多孔質体層は、炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料から選ばれる少なくとも１種から構成される上記（１３）〜（１５）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１７） 前記多孔質体層には、少なくとも孔径５０μｍ以下の孔が形成されている上記（１３）〜（１６）のいずれか一つに記載の燃料電池。
（１８） 前記燃料貯留体から、前記発電セルに至る液体燃料供給体上の何れかの部分に燃料供給の遮断機構を設けた上記（１）〜（１７）の何れか一つに記載の燃料電池。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池の向きに関らず液体燃料を均一に流通させることができると共に、発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に寄与することができる燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら、詳しく説明する。
図１〜図４は、本発明の実施形態の一例となる燃料電池を示すものであり、図１（ａ）は、燃料電池の要旨を示す縦断面図、（ｂ）はその横断面図、図２（ａ）は、燃料誘導体部の基本形態の平面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ線での横断面図、図３（ａ）は、多孔質体部の表面側の平面図、（ｂ）は多孔質体部の裏面側の平面図、（ｃ）は多孔質体部の縦断面図、図４は、燃料誘導体部と多孔質体部とを積層して燃料供給体とした基本形態の平面図である。
【００１２】
本実施形態の燃料電池Ａは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、液体燃料を貯留する燃料貯留体１０と、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セル２０と、該発電セル２０と液体燃料を貯留する燃料貯留体１０とを接続する液体燃料供給体３０とを少なくとも備えるものであり、前記液体燃料供給体３０は、少なくとも、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路を備えた燃料誘導体部３１と、疎水性面と親水性面を有する多孔質体部３５との積層体から構成されているものである。
【００１３】
液体燃料を貯留する燃料貯留体１０としては、例えば、カートリッジ容器内に直接液体燃料が充填され、カートリッジ容器の端部に設けられた弁体及び燃料誘導部材により燃料供給体３０を構成する燃料誘導体部３１の流路３２の入り口部に液体燃料を供給する構造となるもの、または、カートリッジ容器内に液体燃料を吸蔵する吸蔵体が収容され、カートリッジ容器の端部に設けられた燃料誘導部材により燃料供給体３０を構成する燃料誘導体部３１の流路３２の入り口部に液体燃料を供給する構造となるものが挙げられ、燃料誘導体部３１に液体燃料を供給することできる燃料貯留体であれば、特にその構造は限定されない。
【００１４】
また、燃料貯留体１０に収容等する液体燃料としては、メタノールと水とからなるメタノール水溶液が挙げられるが、後述する発電セルの燃料極層において燃料として供給された化合物から効率良く水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）が得られるものであれば、液体燃料は特に限定されず、燃料極層の構造などにもよるが、メタノール水溶液の他に、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール水溶液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液などの液体燃料も用いることができる。
また、これらの液体燃料の濃度は、燃料電池の構造、特性等により種々の濃度の液体燃料を用いることができ、例えば、１〜１００％濃度の液体燃料を用いることができる。
【００１５】
用いる発電セル２０は、後述する燃料供給体３０の多孔質体部３５上に配置されるものであり、下面側から燃料極層２１、電解質層２２、空気極層２３が順次積層されたものである。燃料極層（燃料電極体）２１は、例えば、三次元網目構造若しくは点焼結構造よりなり、アモルファス炭素と炭素粉末とで構成される炭素複合成形体、等方性高密度炭素成形体、炭素繊維抄紙成形体、活性炭素成形体などを用いることができる。また、この燃料極層２１の外表面部には、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）触媒、イリジウム−ルテニウム（Ｉｒ−Ｒｕ）触媒、白金−スズ（Ｐｔ−Ｓｎ）触媒などが当該金属イオンや金属錯体などの金属微粒子前駆体を含んだ溶液を含浸や浸漬処理後還元処理する方法や金属微粒子の電析法などにより形成されている。
【００１６】
電解質層（電解質膜）２２としては、プロトン伝導性又は水酸化物イオン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン（Nafion、Du pont社製）を初めとするフッ素系イオン交換膜が挙げられる他、耐熱性、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、無機化合物をプロトン伝導材料とし、ポリマーを膜材料としたコンポジット（複合）膜、具体的には、無機化合物としてゼオライトを用い、ポリマーとしてスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜、炭化水素系グラフト膜などが挙げられる。
また、空気極層２３としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を上述の金属微粒子前駆体を含んだ溶液等を用いた方法で担持させた多孔質構造からなる炭素多孔体が挙げられる。
【００１７】
本実施形態の燃料供給体３０は、前記燃料貯留体１０から誘導された液体燃料を発電セル２０の燃料極層２１に供給する機能を有するものであり、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路３２を備えた燃料誘導体部３１と、疎水性面３６と親水性面３７を有する多孔質体部３５との積層体から構成されている。
上記燃料誘導体部３１の流路３２は、燃料誘導体部３１の表面側に、有底の断面形状となるスリット溝からなる流路であって、該流路３２は液体燃料を誘導し得る毛管力を有する構造となっている。具体的には、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、燃料誘導体部３１には、中央下端部より４本の直線状の流路３２を有し、夫々、燃料入り口部となる起点流路３２ａ、直線流路３２ｂ、長方形渦巻き状とした渦巻き流路３２ｃとを有するものであり、更に、終点流路３２ｄを一体に備えたものであり、渦巻き流路３２ｃ以外は、角部を有する直線状の流路となっている。この４本の流路３２は、燃料誘導体部３１上でほぼ均等に四分割されたその領域面において液体燃料が進行するように形成されている。
【００１８】
前記各流路３２の毛管力は、始点流路３２ａから終点流路３２ｄに向かうにつれ、大きくなるように設定することで、液体燃料の流れを始点流路３２ａから終点流路３２ｄの方向へ流れるようにすることができる。本実施形態の場合、流路の断面線長Ｌを３２ａ＞３２ｂ＞３２ｃ＞３２ｄと徐々に小さくするように成形させることによって、毛管力を始点流路３２ａ部分から終点流路３２ｄ部分へ大きくなるように成形したものである。
本発明において、「流路３２の断面線長Ｌ」とは、前記燃料誘導体部３１を流路３２に直角な断面図、例えば、図２（ｂ）の場合、流路を構成する壁面、底面と前記断面との交線の長さを合計したものである。
【００１９】
この流路３２の断面形状としては、図２（ｂ）に図示したような長方形の一辺を欠いた「コの字」型はもちろんのこと、「Ｕ字型」、「Ｖ字型」、台形の一辺を欠いた形状など、毛管力を有する「有底の形状」であれば何ら制限されるものではない。
【００２０】
本実施形態では、流路３２の毛管力を流路の断面線長Ｌによって制御しているが、毛管力を流路壁面の液体燃料に対する濡れ性（接触角：θ）などを適宜設定して制御することもできる。実際の流路の設計においては、これらの制御方法を適宜組合せながら、毛管力を制御することができる。
例えば、液体燃料の流れの「上流」の流路（即ち始点流路３２ａ近傍）に撥水処理を施し、「下流」の流路（即ち終点流路３２ｄ近傍）に親水化処理を施すことなどによって、適宜液体燃料の流れを制御することができる。
流路３２内及び燃料誘導体部３１表面は、上記したような理由に応じて、親水化処理、疎水処理を施すことができる。流路３２内部へ親水化処理を施すことで、流路３２の毛管力を高め、燃料輸送速度を更に高めることができる。
【００２１】
親水化処理の方法としては、例えば、プラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理等を、加工を施す場所や希望する親水化度に応じて適宜採用することができる。
特に、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理としては、出力調整されたレーザー光や電子ビーム等を流路４１内を走査させる要領で照射して処理することが挙げることができるが、特に限定されない。
【００２２】
好ましい親水化処理の方法としては、作業効率性、確実な親水化処理の点から、レーザー処理が望ましい。用いるレーザー照射処理としては、流路３２の所定の表面部、例えば、レーザー処理部が少なくとも流路面の一部又は全部に、親水性官能基形成増加と表面の粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部、好ましくは、表面の平均粗さＲａが３０μｍ未満となる凹凸部、更に好ましくは、表面の粗さ平均Ｒａが０．３〜７μｍとなる凹凸部を形成できるレーザー照射であれば、特に限定されず、例えば、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー、アルゴンレーザー、ルビーレーザー、ガラスレーザーなどが挙げられる。好ましくは、発振波長、汎用性の点からＹＡＧレーザーが望ましい。
レーザー照射処理は、流路３２の所定の表面部、例えば、少なくとも流路面の一部又は全部に、−ＯＨ基，−ＣＯＯＨ基、＞Ｃ＝Ｏ基などの少なくとも１つ以上の親水性官能基を効率良く形成増加せせる点、経済性の点から、室温下（２５℃）空気雰囲気中、若しくは、少なくとも酸素を含むガス雰囲気中で行うことが好ましい。また、室温下以上の加湿状態で行ってもよいものである。
【００２３】
レーザー照射条件は、流路３２の所定の表面部に、例えば、少なくとも流路面の一部又は全部に、親水性官能基の形成増加と表面の平均粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部が形成できる照射量であれば、特に限定されるものではなく、燃料供給体の原材料種、大きさ、形状等により変動するものであるが、ＹＡＧレーザーなどを用いた場合、３〜１５Ｗの間での出力調整、レーザースキャン速度の調整、レーザーパルス幅の調整、焦点距離によるレーザースポット径若しくはエネルギー密度の調整（およそ、１０3〜１０6Ｗ／ｃｍ2）、レーザー照射パターンの調整等の任意の条件調整を行うことで、目的の親水性官能基の形成増加と表面の平均粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部が形成できるものとなる。
なお、上記３〜１５Ｗの間での出力調整は、レーザーの仕様、照射条件等により変動し一概には言えないが、出力が３Ｗ未満であると、親水官能基の形成増加が困難となり、また、処理に要する時間が増大したり、経時的にも親水性官能基の固定機能を発揮できないことがある。一方、出力が１５Ｗを超える照射であると、照射量が多大となり、照射部を深く削ることとなるので、目的の親水性官能基の形成増加と凹凸部を形成することができず、しかも、流路表面、あるいは、流路面の寸法精度が問題となり、燃料電池の性能が不安定となる。
【００２４】
また、上記親水化処理とは別に、流路３２以外の燃料誘導体部３１の表面を疎水化処理、例えば、フッ化ポリビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂などでコーティングする方法が挙げられる。このような処理をすることで、燃料の流路３２からの漏れを防止することができる。
【００２５】
更に、図２（ｂ）に示すように、本実施形態の流路３２は、有底の断面形状となるスリット溝から構成されている。本実施形態の液体燃料誘導体部３１では、流路３２が開放されている面に後述するように、多孔質体部３５が重ね合わされるように配置され、液体燃料を多孔質体部３５へ供給することができる。このため、閉じられた側から、液体燃料の漏洩や蒸発の蒸発が無く、燃料の流通が管理しやすい。
【００２６】
本実施形態では、図２（ａ）及び（ｂ）において、流路の幅ａ、流路の深さｂ（合わせて流路の断面線長Ｌによって代表する）は、燃料誘導体部３１を直立させた時でも燃料を供給できる毛管力を付与できるように制御することができる。
即ち、前記燃料誘導体部３１の流路３２において、有底の断面形状の流路の断面線長をＬ１、有底の断面形状の流路部分の断面積（スリットのすりきり断面積）をｓ１、液体燃料の比重をρ１、液体燃料の表面張力をγ１、液体燃料と流路表面との接触角をθ１、重力加速度をｇとした場合、流路の長さ（スリット入り口と発電セルまでの距離）ｈが下記式（Ｉ）で表される範囲の流路を備えていることが好ましい。
ｈ≦（Ｌ１×γ１×ｃｏｓθ１）／（ｓ１×ρ１×ｇ） ………（Ｉ）
【００２７】
本実施形態の液体燃料として、例えば、メタノール水溶液を使用した場合、メタノール濃度別の表面張力及び比重と、計算上の流路３２の幅を下記表１に示す。
ここでは、燃料電池を利用する電子機器との高低差を１０ｃｍとし、液体燃料の貯蔵部を床に置いたものとした（即ちｈ＝０．１ｍ）。また、接触角の測定には、協和界面科学株式会社製接触角計ＣＡ−Ｘを用いて、親水化処理を施したものを用いた場合、全ての測定値が２０°以下であったことをから、ｃｏｓθ≒１とした。更に、スリットの断面形状を図２（ｂ）に示すような「幅」＝「深さ」の「コの字型」であると仮定して、Ｌ１＝３ａ，ｓ１＝ａ2で近似的な計算を行った。
ｈ≧０．１ｍより、
ｈ＝（３ａ×γ１×ｃｏｓθ１）／（ａ2×ρ１×ｇ）から、ａ＝３γ１／０．９８ρ１
メタノール濃度０％（即ち水）を記載したのは、発電時、燃料電池の燃料極を予め水で湿潤させる必要があるなど、水用のスリット溝を作らねばならない場合があるからである。
【表１】
【００２８】
逆に、スリットが毛管力で吸い上げることができる高さＨ（Ｈ≧ｈ）は、
Ｈ×ａ×ｂ×ρ１×ｇ＝〔２（ａ＋ｂ）〕×γ１×ｃｏｓθ１より
Ｈ＝〔２（ａ＋ｂ）×γ１×ｃｏｓθ１〕／（ａ×ｂ×ρ１×ｇ）
と、スリットの幅及び深さ等の数値から吸い上げのできる高さが計算することができる。ここでは試算は省略する。なお、液体燃料として、メタノール水溶液以外の燃料、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール水溶液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液などを使用した場合も、各燃料の濃度別の表面張力及び比重を算出すれば、同様に、最適となる流路３２の幅を上記表１のメタノール水溶液と同様に示すことができる。
【００２９】
より実施的には、液体燃料貯留体１０は、電子機器（燃料電池本体）の、さらに近傍に置かれることが多いと考えられ、貯留部１０と発電セル２０の高低差がほとんど無い場合も考えられるから、上記表１に記載したよりも大きなスリットとすることが可能である。例えば、ｈ＝５ｍｍとして純メタノールを燃料として使用する場合を考えると、スリット溝幅は１．７４×１０-3ｍと計算できる。
【００３０】
上記の計算値に加え、様々な要素を加味して、実際のスリット溝幅ａを検討すると、０．０１〜２．００ｍｍが好ましく、発電部の大きさによって最適値を設計できる。スリット溝の幅が０．０１ｍｍ未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、２．００ｍｍよりも大きいと、必要な毛管力を付与できない可能性がある。
【００３１】
また、スリット溝の深さについても、発電部となる発電セル２０の大きさによる等、様々な要素を加味して最適値を設計検討できる。実際のスリット溝深さは、０．０１〜５．００ｍｍが好ましい。スリット溝の深さが０．０１ｍｍ未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、５．００ｍｍよりも大きいと、燃料供給部材の厚みを大きくしなければならなくなり、燃料電池の小型化に適さなくなる。
【００３２】
更には、スリット溝の断面線長Ｌを検討すると、上記好ましい「幅」の３倍程度、０．０３〜６．００ｍｍが好ましいことが推察される。実際的にも０．０３ｍｍ未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、６．００ｍｍよりも大きいと、燃料供給部材自体を大きくしなければならなくなり、燃料電池の小型化に適さなくなる。
【００３３】
前記燃料誘導体部３１を構成する基板材料としては、流通させる液体燃料に浸食されず、液体燃料が浸透しない緻密体である材料であれば、特に限定されず、いろいろなものが使用できる。例えば、有機高分子樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂）などの高分子材料、各種炭素材料、セラミック材料、金属材料、ガラス材料、木材、岩石、セメント、粘土およびその焼成物などが挙げられるが、加工のしやすさ、扱いやすさなどの点から有機高分子樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂など）、各種炭素材料、金属が好ましい。
前記炭素材料の素材としては、例えば、ガラス状炭素、等方性炭素材、黒鉛粉末〔高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）、キッシュ黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛、フラーレンを含む〕、炭素繊維〔気相成長炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、黒鉛繊維を含む〕、カーボンナノチューブ、膨張黒鉛シート等が挙げられる。また、これらの材料を適宜組み合わせて構成してもよいものである。
この燃料誘導体部３１の厚さとしては、必要量の燃料液を供給するための溝を有しつつ、装置の小型化を可能にするという点から、０．０５〜３０ｍｍ、好ましくは、０．１〜２ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００３４】
前記多孔質体部３５は、好適な厚さ、気孔率、細孔径分布を有し、内部に液体燃料を浸透する機能を有する材料からなる多孔質部材から構成されており、燃料誘導体部３１と重ね合わされる面（図１では裏面側）には、図３（ａ）に示すように、ある設定した領域、本実施形態では多孔質体部３５面上に略均等に四分割された領域に親水性面３６，３６…と、該親水性面３６以外を疎水性面３７に区分けされている。この疎水性面３７の表面からは液体燃料は浸透しにくい構成となっており、親水性面３６から液体燃料が浸透する構成となっている。
前記多孔質体部３５の設定領域を親水性面３６，３６…とする方法としては、多孔質体部３５自体が親水性となる場合には、そのままの状態で使用でき、更に、親水性面を増強する場合又は親水性面とする場合は、上述の燃料誘導体部３１での親水化処理方法（例えば、プラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理等）により設定領域を親水性面とすることができ、好ましくは、作業効率性、確実な親水化処理の点から、上述の照射条件でのレーザー処理、特に、ＹＡＧレーザー処理により行うことが望ましい。
また、前記多孔質体部３５の設定領域を疎水性面３７とする方法としては、上述の燃料誘導体部３１での疎水化処理方法〔例えば、フッ化ポリビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、トリメトキシフルオロアルキルシランなどでコーティングする方法〕により行うことができる。
なお、上記多孔質体部３５自体が親水性となる場合には、上記疎水化処理により設定領域を疎水性面３７とすることにより、多孔質体部３５に親水性面３６と疎水性面３７を形成することができることとなる。
【００３５】
また、多孔質体部３５の他方の面（図１では表面側）は、親水性面、疎水性面のどちらでもよく、液体燃料の濃度、例えば、メタノール水溶液の濃度が非常に濃い場合は、疎水性面とすることが望ましい。なお、親水性面、疎水性面とする方法としては、上述の親水化処理、疎水化処理等により行うことができる。
更に、この多孔質体部３５の面には、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、電極での生成ガスである二酸化炭素の排出用のスリット溝３８を形成することが望ましい。スリット溝３８としては、幅０．１〜５ｍｍ、深さ０．１〜５ｍｍのスリット溝を、溝間隔０．１〜１０ｍｍで形成することが望ましい。このスリット溝３８は、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、多孔質体部３５の横方向を横断せしめることにより、生成ガスを多孔質体部３５外（外気）に排出することができるものとなる。なお、スリット溝は、多孔質体部３５の縦方向を縦断せしめるものであってもよく、そのスリット溝３８の本数も適宜形成することができ、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍで、多孔質体長さ１ｃｍあたり２〜８本程度形成することが望ましい。
【００３６】
この多孔質体部３５は、浸透させる液体燃料に浸食されず、液体燃料が浸透することができる構造となるものであれば、特に限定されず、いろいろな材料を用いて構成することができる。例えば、有機高分子樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂）などの高分子材料、各種炭素材料、セラミック材料、金属材料、ガラス材料、木材、岩石、セメント、粘土およびその焼成物を用いて、気孔率５〜８０％、０．１〜５０μｍの細孔径分布を有する多孔質体部３５を形成することができる。
好ましくは、液体燃料が面全体に均一に拡散すること、また、物質移動抵抗の付与により液体燃料のクロスオーバーを抑制するという点から、気孔率１０〜７０％、１〜２０μｍの細孔径分布を有することが望ましい。
この多孔質体部３５の厚さとしては、液体燃料の面全体への均一な供給と、液体燃料のクロスオーバーの抑制効果の点から、０．２〜５ｍｍ、好ましくは、０．５〜２ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００３７】
本発明の液体燃料供給体３０は、上記構成の液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路３２を備えた燃料誘導体部３１と、親水性面３６と疎水性面３７と有する多孔質体部３５を、図４に示すように、スリット溝からなる流路３２が形成された面を上側とした燃料誘導体部３１上に、親水性面３６と疎水性面３７と有する面側を下面側とした多孔質体部３５を重ね合わせる（積層化する）ことにより平板状の液体燃料供給体３０が構成されることとなる。これらを、例えば、ホルダー内に積層し、ネジ止め等により適当な圧力で押さえることにより積層部が一体化することができる。
液体燃料供給体３０の厚さは、上記燃料誘導体部３１及び多孔質体部３５の各厚さ、燃料電池の構造等により変動するものであるが、更なる小型化の点から、０．５〜３０ｍｍ、好ましくは、０．５〜５ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００３８】
上記燃料誘導体部３１と多孔質体部３５を重ね合わせた上に、上記燃料極層２１／電解質層２２／空気極層２３からなる膜電極接合体を、例えば、ホルダー内に積層し、ネジ止め等により適当な圧力で押さえることなどにより積層化することにより、液体燃料供給体３０と上記膜電極接合体を一体化することができる。
【００３９】
このように構成される本実施形態の燃料電池Ａでは、燃料貯留体１０から導出される液体燃料が、燃料誘導体部３１の燃料入り口部となる４つの起点流路３２ａに供給されると、図４に示すように、液体燃料はＹ１の位置から矢印の方向に沿って毛管力によって燃料誘導体部３１と多孔質体部３５の界面を浸透する。Ｙ２の位置までは流路３２は、多孔質体部３５の疎水性面３７と接触しているので、多孔質体部３５内部への浸透は殆ど起こらず供給されるものとなる。次に、Ｙ２の位置から、長方形渦巻き状とした渦巻き流路３２ｃと接触する各親水面３６全域及び浸透が広がり、更に厚さ方向、面方向など、多孔質体部３５内部へ広く浸透する。これにより、液体燃料の供給位置が面上で４つの領域となる親水性面から分散されることにより、多孔質体部３５全体に均等に液体燃料が浸透し、多孔質体部３５の面上の液体燃料の濃度、供給量の分布が緩和されることとなる。
多孔質体部３５内部へ浸透した液体燃料は多孔質体部３５上に積層された発電セル２０の燃料極層２１に供給される。また、最上面の空気極層３３が空気（外気）に晒されることで、拡散、対流によって酸素が空気極層３３に供給され、燃料電池として発電することとなる。図１（ａ）及び（ｂ）の矢印Ｘ１は燃料誘導部３１及び多孔質体部３５の液体燃料の浸透方向を示すものであり、Ｘ２は電極反応で生じた生成ガスである二酸化炭素ガスが多孔質体部３５のスリット溝３８に沿って面方向へ排出された様子を示すものである。これにより、液体燃料の浸透による供給と生成ガス排出は一方向になり、供給と排出がスムーズに行われることとなる。
また、燃料電池の向きに関らず液体燃料を流通させることができると共に、多孔体あるいは繊維束体などのウイッキング材からなる流路と比較して、極めて早く液体燃料を効率よく流通させることができ、更に、ウイッキング材を配置することを省略することができる、安価で燃料電池の起動時間が早いパッシブ型の燃料電池が得られるものとなる。
更に、流路３２となるスリット溝を燃料電池の構造、燃料種及びその濃度等に応じて、好適な毛管力となるように切削できるため、燃料の効率的な供給、分配、回収が可能となる燃料電池が得られることとなる。
これらの結果、本実施形態の燃料電池Ａは、液体燃料の供給が電極面全体に均一に行えるようになるため、電極面積が広くなっても電極面上における燃料濃度や液供給速度に大きな分布が生じることがなく、電極面全体を発電に有効に活かせることができ、また、電極面全体に燃料用液を容易に確保することができるため燃料供給体の厚さを薄くでき、その結果、電池全体の容積を小さくでき、燃料電池パッケージの小型化に寄与することができるものとなる。
【００４０】
図５及び図６は、上記実施形態で燃料誘導部３１に形成した多孔質体部３５の親水性面３６と接触する長方形渦巻き状とした渦巻き流路３２ｃの別の実施形態を示すものであり、図５（ａ）は、上下方向に波型状とした波型流路３２ｅ、（ｂ）は、対角線方向に波型状とした波型流路３２ｆ、図６はつづら折状の流路３２ｇとしたものであり、上記実施形態の渦巻き流路３２ｃと同様に機能するものである。なお、上記実施形態と同様の構成は同一符号を付けてその説明を省略する（以下の実施形態においても同様）。
【００４１】
図７は、前記燃料貯留体１０から、前記発電セル２０に至る液体燃料供給体３０上の何れかの部分に燃料供給の遮断機構を設ける実施形態の一例の図面である。
この遮断機構は、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、燃料貯留体１０から燃料誘導部３１の入り口部となる始点流路３２ａに繋がる液流路（チューブ体）へ燃料を供給するコック体（回転コック体）１５を設けたものである。
この遮断機構により、電極面全体への燃料供給を遮断することができるため、非発電時にコック体を閉じることにより、液体燃料のクロスオーバーのために損失する燃料の流れを更に止めることができる。更に、燃料供給用の流路及び多孔質体部の空隙体積はちいさいので、コック体を閉じた後に生じる、残量液体燃料のクロスオーバー損失を小さく減らすことができる。
【００４２】
図８は、本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
本実施形態の燃料電池Ｂは、燃料供給体３０の多孔質体部３５と燃料極層２１との間に多孔質体層４０を設けた点でのみ、上記実施形態の燃料電池Ａと相違するものであり、上記実施形態と同様に作用効果を発揮するものである。
この多孔質体層４０は、例えば、カーボンフェルトやカーボンクロスなどの気孔率の高いの高い炭素材料、高分子材料などから構成されるものであり、燃料極層２１への液体燃料の供給と、生成ガスである二酸化炭素ガスを排出する排出層としての機能を有するものである。上記実施形態で、多孔質体部３５にガス排出用のスリット溝３８を形成しない場合に当該多孔質体層４０を介在することができ、また、多孔質体部３５にガス排出用のスリット溝３８を形成している場合には、多孔質体層４０との両方で生成ガスである二酸化炭素ガスを効率的に排出することができるものとなる。
この多孔質体層４０には、好ましくは、少なくとも孔径１０μｍ以上、気孔率１０〜９５％となるものが好ましく、更に好ましくは、孔径１００〜１０００μｍ、気孔率５０〜９０％となるものが望ましい。
また、この多孔質体層４０の厚さとしては、燃料極層２１への液体燃料の効率的な供給と、生成ガスである二酸化炭素ガスの効率的な排出を達成せしめる点から、０．０５〜５ｍｍとすることが望ましい。
【００４３】
図９は、本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
本実施形態の燃料電池Ｃは、燃料供給体３０の燃料誘導体部３１の両面に、図２（ａ）及び（ｂ）に示す態様の流路を設けることで、燃料誘導体部３１を共有し、両面に多孔質体部３５を介して燃料電池の発電セルを積層化（一体化）した点でのみ、上記実施形態の燃料電池Ａと相違するものであり、上記実施形態と同様に作用効果を発揮するものである。
この燃料電池Ｃでは、燃料供給体３０の燃料誘導体部３１の両面に、流路３２，３２を設けることで、燃料誘導体部３１を共有し、両面に多孔質体部３５を介して燃料電池の発電セルを積層化した構造であるので、更に燃料電池の薄型化が可能となる。
【００４４】
図１０は、本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
本実施形態の燃料電池Ｄは、上記実施形態の燃料電池Ｂ及びＣを組み合わせたものであり、上記実施形態の燃料電池Ｃにおいて、夫々の多孔質体部３５と燃料極層２１との間に各多孔質体層４０を設けた点でのみ、上記実施形態の燃料電池Ｃと相違するものであり、上記実施形態と同様に作用効果を発揮するものである。
【００４５】
本発明の燃料電池は、上述の如く構成されるものであるが、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で更に種々の変更をすることができる。例えば、上記各実施形態においては、流路３２として片側が閉じられたスリット溝（有底のスリット溝）を挙げて説明をしたが、これらの「スリット溝」に限らず、多孔質体部３５の親水性面３６と接触する部分以外の流路３２ａ、３２ｂ、３２ｄにおいては、燃料の蒸発などの漏洩を防止したい部分に、管状の流路を採用することもできる。この場合、上記した流路についての条件に合致させるため、管状流路の流路断面積や管状流路壁面の接触角を制御することで、全体の整合を採ることができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、親水性面３６の数は４個であるが、発電セル２０の大きさ、形状等に応じて、親水性面の数、大きさ等を少なく又は多くすることができる。
更に、「下流」のスリット溝となる終点流路３２ｄを、外界若しくは、燃料誘導体部３１の、いずれのスリット溝からなる流路よりも強い毛管力を持つ、廃燃料回収体に連結して、廃燃料などを排出する構成としてもよいものである。
【実施例】
【００４７】
次に、本発明を実施例及び比較例により、更に詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００４８】
〔実施例１〕
下記作製法、処理方法により、燃料電池用燃料供給体を得た後、それを用いて燃料電池を組み立て、燃料貯留体から発電セルまで液体燃料が移動する速度を測定し、発電の様子も観察した。
（燃料誘導体部の作製）
フラン樹脂〔日立化成工業（株）製 ヒタフランＶＦ−３０３〕１０重量部と、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体（新第一塩ビ社製 ＺＥＳＴ−Ｃ１５０Ｓ）４０重量部との混合樹脂に、天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業社製、平均粒径５μｍ）５０重量部を加え、更に可塑剤としてジアリルフタレート２０重量部添加した材料をヘンシェルミキサーで混合、分散し、ミキシング用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返して燃料電池誘導体部用組成物を調整し、更に粉砕、篩いをかけて粉末を得た。
得られた粉末を図２に準拠する所定の溝パターンを持つ成形用金型でプレス成形した後、有酸素ガス雰囲気中で３００℃の温度で乾燥固化させ、不活性ガス雰囲気中で１５００℃の加熱処理を行い、炭素製燃料誘導体部を得た。
得られた燃料誘導体部の寸法は５０ｍｍ×９０ｍｍ×２ｍｍ（流路面の幅０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍ）であった。
更に、得られた燃料誘導体部の流路面に下記方法により、レーザー処理を施し、親水性官能基を形成し、液体燃料に対する毛管力を調整した。
レーザー処理は、得られた炭素製燃料誘導体部の流路面に、ＹＡＧレーザー装置を用いて、室温空気雰囲気下で、出力１２Ｗ、パルス幅５０μｓの条件で流路面にレーザー処理を行い、親水性官能基と凹凸部を形成した。
【００４９】
（多孔質体部の作製）
フラン樹脂（日立化成社製、ヒタフランＶＦ−３０３）３６重量部に、乾留ピッチ（呉羽化学工業社製、ＫＨ−１Ｐ）１４重量部との混合樹脂に、カーボンナノチューブ（昭和電工社製、ＶＧＣＦ）３０重量部を加え、更に、ＰＭＭＡ（粒径６０μｍ）２０重量部を添加した材料を混合機中で混練し、更に、粉砕、篩いをかけて粉末を得た。
得られた粉末を図３に準拠する形状に金型を用いて圧縮成形した後、有酸素ガス雰囲気中で１０００℃の加熱処理を行い、炭素製多孔質体部を得た。
得られた多孔質体部の寸法は５０ｍｍ×９０ｍｍ×１ｍｍであった。
更に、得られた多孔質体部に下記方法により親水性面、疎水性面、ガス排出用スリット溝を形成した。
図３に準拠するように、４つの親水性面（２０ｍｍ×３６ｍｍ）となる箇所に下記方法によりレーザー処理を施し、親水性官能基を形成し、液体燃料に対する毛管力を調整した。なお、親水性面（１８ｍｍ×３６ｍｍ）は、上下方向の間隔は、上端から６ｍｍ間隔で、左右の間隔は、左端から４ｍｍ、６ｍｍ、４ｍｍである。
レーザー処理は、得られた炭素製燃料誘導体部の流路面に、ＹＡＧレーザー装置を用いて、室温空気雰囲気下で、出力１２Ｗ、パルス幅５０μｓの条件で流路面にレーザー処理を行い、親水性官能基と凹凸部を形成した。
この親水性面の箇所をマスキングし、トリメトキシフルオロアルキルシラン（例えば、ＴＳＬ８２３３、東芝シリコーン社製）の２ｗｔ％メタノール溶液等を用いて３０分間ディップコーティングを施し、１２０℃で１時間乾燥を行い、親水性面以外の箇所を疎水性面とした。
ガス排出用スリット溝は、多孔質体部の幅方向に、幅０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍ、長さ１ｃｍ当たり２本形成した。
【００５０】
（燃料供給体の作製）
上記で得られた燃料誘導体部と多孔質体部とをホルダー内に積層し、ネジ止めにより適切な圧力で押さえ、燃料供給体を作製した。
【００５１】
（比較例１）
前記実施例１の燃料誘導体部の代わりに、前記多孔質体を、前記燃料誘導体と同じ寸法に成形したものを用いて実施例１と同様にして燃料供給体を作製した。
【００５２】
上記実施例１の燃料誘導体部、多孔質体部について、流路面又は親水性面の親水官能基を、島津製作所社製 Ｘ線光電子分光分析装置（ＥＳＣＡ−３４００）で行ったところ、Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏの結合エネルギーピークの成長があり、新たにカルボキシル基（ＣＯＯＨ基）の結合が生成、更に酸素の結合エネルギーピークの成長があることが判った。また、平均粗さＲａを、東京精密社製 平均粗さ形状測定器 サーフコムを用い、駆動速度０．３ｍｍ／分で行ったところ、流路面は、平均粗さＲａ１．１μｍであり、親水性面は、平均粗さＲａ５μｍであることが判った。
また、燃料誘導部の始点流路に、５０ｗｔ％メタノール水溶液を含浸させた気孔率９０％の繊維束多孔体からなる貯留体を毛管連結させたところ、多孔質体部の前面まで浸透する速度は、実施例１では、１０秒以内にすべて燃料流路に燃料が供給されたが、比較例１では、実施例１と同じ方法で５０ｗｔ％メタノール水溶液を浸透させたところ、多孔質体全面に燃料が浸透する時間は６０秒であった。
【００５３】
上記の結果から明らかなように、本発明範囲となる燃料供給体を用いた実施例１は、本発明の範囲外となる比較例１の燃料供給体に較べて、優れた燃料の輸送速度、並びに、安定した燃料の輸送力を有することが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
固体高分子型などの燃料電池において、発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に有用な燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の燃料電池の実施形態の一例を示すものであり、（ａ）は、燃料電池の要旨を示す縦断面図、（ｂ）はその横断面図である。
【図２】（ａ）は、燃料誘導体部の基本形態の平面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ線での横断面図である。
【図３】（ａ）は、多孔質体部の表面側の平面図、（ｂ）は多孔質体部の裏面側の平面図、（ｃ）は多孔質体部の縦断面図
【図４】燃料誘導体部と多孔質体部とを積層して燃料供給体とした基本形態の平面図である。
【図５】（ａ）は、燃料誘導部に形成する波型流路の一例を示す部分平面図、（ｂ）は、他の波型流路の一例を示す部分平面図である。
【図６】燃料誘導部に形成するつづら状流路の一例を示す部分平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、燃料貯留体から発電セルに至る液体燃料供給体上の何れかの部分に燃料供給の遮断機構を設ける実施形態の一例を示すものであり、（ａ）及び（ｂ）は燃料が供給された遮断機構が開状態の正面図、縦断面図であり、（ｃ）及び（ｄ）は燃料が供給された遮断機構が閉状態の正面図、縦断面図である。
【図８】本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
【図９】本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 燃料貯留体
２０ 発電セル
２１ 燃料極層
２２ 電解質層
２３ 空気極層
３０ 燃料供給体
３１ 燃料誘導体部
３２ 流路
３５ 多孔質体部
３６ 親水性面
３７ 疎水性面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を使用する燃料電池に関し、更に詳しくは、所謂、パッシブ型の燃料電池における発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に寄与することができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり種々の形式のものが開発されている。
【０００３】
近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に、メタノールと水を含む液体燃料を直接供給するだけで発電できる燃料電池が注目されてきている（例えば、特許文献１〜３参照）。
これらの中でも、液体燃料の供給に毛管力を利用した各液体燃料電池等が知られている（例えば、特許文献４及び５参照）。
これらの各特許文献に記載される液体燃料電池、所謂、パッシブ型燃料電池は、発電セルに燃料を毛管力によって供給する方式であるため、燃料供給用のポンプやバルブ等を設ける必要が無く、発電機の小型化が期待できる燃料供給方式である。
本願出願人は、液体燃料、及び、発電セルを通過した排燃料の輸送に、多孔体及び／又は繊維束体（ウイッキング材）の毛管力を利用した燃料電池用の液体燃料輸送方法等について具体的な例示を行っている（例えば、特許文献６〜１１参照）。
【０００４】
このようなパッシブ型燃料電池の燃料を供給する部材には、布、不織布、粒子焼結体、繊維束、発泡スポンジ等の多孔質体からなるウィッキング材を用いることが一般的である。これらの材料は、気孔率と孔径を調節することで毛管力を変化させることができるものであるが、流路が狭く、複雑に入り組んでいるため、送液の抵抗となり、圧損が生じ、燃料の輸送速度が低いという点に課題がある。
【０００５】
また、燃料電池の発電出力が高まると、消費される燃料の量も多くなるため、より燃料輸送速度が高い材料が必要であった。ウィッキング材の厚みを増やすことで、燃料輸送量を高めることができ、燃料輸送速度が高まるが、例えば、初回使用時等、ウィッキング材に燃料が無い状態では、より多くの燃料をウィッキング材に供給しなければ、発電セル全体に燃料を供給できないという点に課題がある。
更には、上記のようなウイッキング材を用いた燃料電池においては、製造に際して、ウイッキング材を配置させる工程が必要となり、ウイッキング材そのものに関する材料費が必要となる。
このようにウイッキング材を用いた燃料電池は、製造コストについての不利な条件も予想される。
【０００６】
このような課題に対し、本発明者らは、多孔質炭素板の毛管力を利用し、多孔質炭素板を燃料電池の支持体、集電体、液供給及びガス排出媒体とする従来にない特性、機能を有する燃料電池を提案している（例えば、特許文献１２参照）。
しかしながら、この構造の燃料電池において、燃料溶液を吸い上げて、電極面に沿って液体燃料を供給する場合、電極面積が広くなると電極面上における燃料濃度や液供給速度に大きな分布が生じ、電極面全体を発電に有効に活かせない場合がある。また、電極面全体に燃料用液を確保するために多孔質板の厚さが比較的厚くなる結果、電池全体の容積が増え、燃料電池パッケージの小型化に不利になる。更に、メタノール等の液体燃料のクロスオーバーにより燃料の一部が損失してしまうことがあり、非発電時において制御することができないなどの若干の課題がある。
【特許文献１】特開平５−２５８７６０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献２】特開平５−３０７９７０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献３】特開２００１−３１３０４７号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献４】特開平６−１８８００８号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献５】特開２００１−９３５５１号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献６】特開２００４−６３２００号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献７】特開２００５−２１６８１７号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献８】特開２００５−２１６８１８号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献９】特開２００５−２１６８１９号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献１０】特開２００５−２１６８２０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献１１】特開２００５−２１６８２１号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献１２】特開２００５−２５１７１５号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来のパッシブ型の燃料電池における液体燃料供給システムにおける課題及び現状に鑑み、これを解消するためになされたものであり、液体燃料を均一に供給することによる発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に寄与することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、少なくとも空気極層、電解質層、燃料極層を備える発電セルと、少なくとも前記発電セル及び液体燃料を貯留する燃料貯留体とを接続する液体燃料供給体を備える燃料電池において、前記燃料供給体の構造を特定構造等とすることにより、上記目的の燃料電池が得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００９】
すなわち、本発明は、次の（１）〜（１８）に存する。
（１） 空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、該発電セルと液体燃料を貯留する燃料貯留体とを接続する液体燃料供給体とを少なくとも備える燃料電池であって、前記液体燃料供給体は、少なくとも、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路を備えた燃料誘導体部と、疎水性面と親水性面を有する多孔質体部との積層体から構成されていることを特徴とする燃料電池。
（２） 前記燃料誘導体部の流路において、有底の断面形状の流路の断面線長をＬ１、有底の断面形状の流路部分の断面積をｓ１、液体燃料の比重をρ１、液体燃料の表面張力をγ１、液体燃料と流路表面との接触角をθ１、重力加速度をｇとした場合、前記燃料供給板部の流路の長さｈ１が下記式（Ｉ）で表される範囲の流路を備えてなる上記（１）に記載の燃料電池。
ｈ１≦（Ｌ１×γ１×ｃｏｓθ１）／（ｓ１×ρ１×ｇ） ………（Ｉ）
（３） 前記燃料誘導体部の流路の断面形状が、長方形の一辺を欠いた形状の有底の断面形状の流路である上記（１）又は（２）に記載の燃料電池。
（４） 前記燃料誘導体部の流路の一部が、管状である上記（１）〜（３）の何れか一つに記載の燃料電池。
（５） 前記燃料誘導体部の流路表面を親水化処理してなる上記（１）〜（４）の何れか一つに記載の燃料電池。
（６） 前記親水化処理がプラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理の何れか一つから選ばれる上記（５）に記載の燃料電池。
（７） 前記燃料誘導体部のうち、流路表面以外の部分を疎水処理してなる上記（１）〜（６）の何れか一つに記載の燃料電池。
（８） 前記燃料誘導体部の流路の一部に、渦巻き型の流路、波型の流路及びつづら折状の流路の何れか一つを有する上記（１）〜（７）の何れか一つに記載の燃料電池。
（９） 前記多孔質体部の親水性面と接する燃料誘導体部が渦巻き型の流路面、若しくは波型の流路面、又はつづら折状の流路面である上記（８）に記載の燃料電池。
（１０） 前記燃料誘導体部及び／又は多孔質体部が、炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料から選ばれる少なくとも１種から構成される上記（１）〜（９）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１１） 前記燃料供給体は、平板状である上記（１）〜（１０）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１２） 前記燃料供給体の厚さが、０．０５〜３０ｍｍである上記（１）〜（１１）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１３） 前記燃料極層と、前記燃料供給体との間に多孔質体層を設けた上記（１）〜（１２）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１４） 前記多孔質体層がガス排出層を兼ねる上記（１３）に記載の燃料電池。
（１５） 前記多孔質体層の厚さは、０．０５〜５ｍｍである上記（１３）又は（１４）に記載の燃料電池。
（１６） 前記多孔質体層は、炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料から選ばれる少なくとも１種から構成される上記（１３）〜（１５）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１７） 前記多孔質体層には、少なくとも孔径５０μｍ以下の孔が形成されている上記（１３）〜（１６）のいずれか一つに記載の燃料電池。
（１８） 前記燃料貯留体から、前記発電セルに至る液体燃料供給体上の何れかの部分に燃料供給の遮断機構を設けた上記（１）〜（１７）の何れか一つに記載の燃料電池。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、燃料電池の向きに関らず液体燃料を均一に流通させることができると共に、発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に寄与することができる燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら、詳しく説明する。
図１〜図４は、本発明の実施形態の一例となる燃料電池を示すものであり、図１（ａ）は、燃料電池の要旨を示す縦断面図、（ｂ）はその横断面図、図２（ａ）は、燃料誘導体部の基本形態の平面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ線での横断面図、図３（ａ）は、多孔質体部の表面側の平面図、（ｂ）は多孔質体部の裏面側の平面図、（ｃ）は多孔質体部の縦断面図、図４は、燃料誘導体部と多孔質体部とを積層して燃料供給体とした基本形態の平面図である。
【００１２】
本実施形態の燃料電池Ａは、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、液体燃料を貯留する燃料貯留体１０と、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セル２０と、該発電セル２０と液体燃料を貯留する燃料貯留体１０とを接続する液体燃料供給体３０とを少なくとも備えるものであり、前記液体燃料供給体３０は、少なくとも、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路を備えた燃料誘導体部３１と、疎水性面と親水性面を有する多孔質体部３５との積層体から構成されているものである。
【００１３】
液体燃料を貯留する燃料貯留体１０としては、例えば、カートリッジ容器内に直接液体燃料が充填され、カートリッジ容器の端部に設けられた弁体及び燃料誘導部材により燃料供給体３０を構成する燃料誘導体部３１の流路３２の入り口部に液体燃料を供給する構造となるもの、または、カートリッジ容器内に液体燃料を吸蔵する吸蔵体が収容され、カートリッジ容器の端部に設けられた燃料誘導部材により燃料供給体３０を構成する燃料誘導体部３１の流路３２の入り口部に液体燃料を供給する構造となるものが挙げられ、燃料誘導体部３１に液体燃料を供給することできる燃料貯留体であれば、特にその構造は限定されない。
【００１４】
また、燃料貯留体１０に収容等する液体燃料としては、メタノールと水とからなるメタノール水溶液が挙げられるが、後述する発電セルの燃料極層において燃料として供給された化合物から効率良く水素イオン（Ｈ+）と電子（ｅ-）が得られるものであれば、液体燃料は特に限定されず、燃料極層の構造などにもよるが、メタノール水溶液の他に、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール水溶液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液などの液体燃料も用いることができる。
また、これらの液体燃料の濃度は、燃料電池の構造、特性等により種々の濃度の液体燃料を用いることができ、例えば、１〜１００％濃度の液体燃料を用いることができる。
【００１５】
用いる発電セル２０は、後述する燃料供給体３０の多孔質体部３５上に配置されるものであり、下面側から燃料極層２１、電解質層２２、空気極層２３が順次積層されたものである。燃料極層（燃料電極体）２１は、例えば、三次元網目構造若しくは点焼結構造よりなり、アモルファス炭素と炭素粉末とで構成される炭素複合成形体、等方性高密度炭素成形体、炭素繊維抄紙成形体、活性炭素成形体などを用いることができる。また、この燃料極層２１の外表面部には、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）触媒、イリジウム−ルテニウム（Ｉｒ−Ｒｕ）触媒、白金−スズ（Ｐｔ−Ｓｎ）触媒などが当該金属イオンや金属錯体などの金属微粒子前駆体を含んだ溶液を含浸や浸漬処理後還元処理する方法や金属微粒子の電析法などにより形成されている。
【００１６】
電解質層（電解質膜）２２としては、プロトン伝導性又は水酸化物イオン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン（Nafion、Du pont社製）を初めとするフッ素系イオン交換膜が挙げられる他、耐熱性、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、無機化合物をプロトン伝導材料とし、ポリマーを膜材料としたコンポジット（複合）膜、具体的には、無機化合物としてゼオライトを用い、ポリマーとしてスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜、炭化水素系グラフト膜などが挙げられる。
また、空気極層２３としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を上述の金属微粒子前駆体を含んだ溶液等を用いた方法で担持させた多孔質構造からなる炭素多孔体が挙げられる。
【００１７】
本実施形態の燃料供給体３０は、前記燃料貯留体１０から誘導された液体燃料を発電セル２０の燃料極層２１に供給する機能を有するものであり、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路３２を備えた燃料誘導体部３１と、疎水性面３６と親水性面３７を有する多孔質体部３５との積層体から構成されている。
上記燃料誘導体部３１の流路３２は、燃料誘導体部３１の表面側に、有底の断面形状となるスリット溝からなる流路であって、該流路３２は液体燃料を誘導し得る毛管力を有する構造となっている。具体的には、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、燃料誘導体部３１には、中央下端部より４本の直線状の流路３２を有し、夫々、燃料入り口部となる起点流路３２ａ、直線流路３２ｂ、長方形渦巻き状とした渦巻き流路３２ｃとを有するものであり、更に、終点流路３２ｄを一体に備えたものであり、渦巻き流路３２ｃ以外は、角部を有する直線状の流路となっている。この４本の流路３２は、燃料誘導体部３１上でほぼ均等に四分割されたその領域面において液体燃料が進行するように形成されている。
【００１８】
前記各流路３２の毛管力は、始点流路３２ａから終点流路３２ｄに向かうにつれ、大きくなるように設定することで、液体燃料の流れを始点流路３２ａから終点流路３２ｄの方向へ流れるようにすることができる。本実施形態の場合、流路の断面線長Ｌを３２ａ＞３２ｂ＞３２ｃ＞３２ｄと徐々に小さくするように成形させることによって、毛管力を始点流路３２ａ部分から終点流路３２ｄ部分へ大きくなるように成形したものである。
本発明において、「流路３２の断面線長Ｌ」とは、前記燃料誘導体部３１を流路３２に直角な断面図、例えば、図２（ｂ）の場合、流路を構成する壁面、底面と前記断面との交線の長さを合計したものである。
【００１９】
この流路３２の断面形状としては、図２（ｂ）に図示したような長方形の一辺を欠いた「コの字」型はもちろんのこと、「Ｕ字型」、「Ｖ字型」、台形の一辺を欠いた形状など、毛管力を有する「有底の形状」であれば何ら制限されるものではない。
【００２０】
本実施形態では、流路３２の毛管力を流路の断面線長Ｌによって制御しているが、毛管力を流路壁面の液体燃料に対する濡れ性（接触角：θ）などを適宜設定して制御することもできる。実際の流路の設計においては、これらの制御方法を適宜組合せながら、毛管力を制御することができる。
例えば、液体燃料の流れの「上流」の流路（即ち始点流路３２ａ近傍）に撥水処理を施し、「下流」の流路（即ち終点流路３２ｄ近傍）に親水化処理を施すことなどによって、適宜液体燃料の流れを制御することができる。
流路３２内及び燃料誘導体部３１表面は、上記したような理由に応じて、親水化処理、疎水処理を施すことができる。流路３２内部へ親水化処理を施すことで、流路３２の毛管力を高め、燃料輸送速度を更に高めることができる。
【００２１】
親水化処理の方法としては、例えば、プラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理等を、加工を施す場所や希望する親水化度に応じて適宜採用することができる。
特に、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理としては、出力調整されたレーザー光や電子ビーム等を流路４１内を走査させる要領で照射して処理することが挙げることができるが、特に限定されない。
【００２２】
好ましい親水化処理の方法としては、作業効率性、確実な親水化処理の点から、レーザー処理が望ましい。用いるレーザー照射処理としては、流路３２の所定の表面部、例えば、レーザー処理部が少なくとも流路面の一部又は全部に、親水性官能基形成増加と表面の粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部、好ましくは、表面の平均粗さＲａが３０μｍ未満となる凹凸部、更に好ましくは、表面の粗さ平均Ｒａが０．３〜７μｍとなる凹凸部を形成できるレーザー照射であれば、特に限定されず、例えば、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー、アルゴンレーザー、ルビーレーザー、ガラスレーザーなどが挙げられる。好ましくは、発振波長、汎用性の点からＹＡＧレーザーが望ましい。
レーザー照射処理は、流路３２の所定の表面部、例えば、少なくとも流路面の一部又は全部に、−ＯＨ基，−ＣＯＯＨ基、＞Ｃ＝Ｏ基などの少なくとも１つ以上の親水性官能基を効率良く形成増加せせる点、経済性の点から、室温下（２５℃）空気雰囲気中、若しくは、少なくとも酸素を含むガス雰囲気中で行うことが好ましい。また、室温下以上の加湿状態で行ってもよいものである。
【００２３】
レーザー照射条件は、流路３２の所定の表面部に、例えば、少なくとも流路面の一部又は全部に、親水性官能基の形成増加と表面の平均粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部が形成できる照射量であれば、特に限定されるものではなく、燃料供給体の原材料種、大きさ、形状等により変動するものであるが、ＹＡＧレーザーなどを用いた場合、３〜１５Ｗの間での出力調整、レーザースキャン速度の調整、レーザーパルス幅の調整、焦点距離によるレーザースポット径若しくはエネルギー密度の調整（およそ、１０3〜１０6Ｗ／ｃｍ2）、レーザー照射パターンの調整等の任意の条件調整を行うことで、目的の親水性官能基の形成増加と表面の平均粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部が形成できるものとなる。
なお、上記３〜１５Ｗの間での出力調整は、レーザーの仕様、照射条件等により変動し一概には言えないが、出力が３Ｗ未満であると、親水官能基の形成増加が困難となり、また、処理に要する時間が増大したり、経時的にも親水性官能基の固定機能を発揮できないことがある。一方、出力が１５Ｗを超える照射であると、照射量が多大となり、照射部を深く削ることとなるので、目的の親水性官能基の形成増加と凹凸部を形成することができず、しかも、流路表面、あるいは、流路面の寸法精度が問題となり、燃料電池の性能が不安定となる。
【００２４】
また、上記親水化処理とは別に、流路３２以外の燃料誘導体部３１の表面を疎水化処理、例えば、フッ化ポリビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂などでコーティングする方法が挙げられる。このような処理をすることで、燃料の流路３２からの漏れを防止することができる。
【００２５】
更に、図２（ｂ）に示すように、本実施形態の流路３２は、有底の断面形状となるスリット溝から構成されている。本実施形態の液体燃料誘導体部３１では、流路３２が開放されている面に後述するように、多孔質体部３５が重ね合わされるように配置され、液体燃料を多孔質体部３５へ供給することができる。このため、閉じられた側から、液体燃料の漏洩や蒸発の蒸発が無く、燃料の流通が管理しやすい。
【００２６】
本実施形態では、図２（ａ）及び（ｂ）において、流路の幅ａ、流路の深さｂ（合わせて流路の断面線長Ｌによって代表する）は、燃料誘導体部３１を直立させた時でも燃料を供給できる毛管力を付与できるように制御することができる。
即ち、前記燃料誘導体部３１の流路３２において、有底の断面形状の流路の断面線長をＬ１、有底の断面形状の流路部分の断面積（スリットのすりきり断面積）をｓ１、液体燃料の比重をρ１、液体燃料の表面張力をγ１、液体燃料と流路表面との接触角をθ１、重力加速度をｇとした場合、流路の長さ（スリット入り口と発電セルまでの距離）ｈが下記式（Ｉ）で表される範囲の流路を備えていることが好ましい。
ｈ≦（Ｌ１×γ１×ｃｏｓθ１）／（ｓ１×ρ１×ｇ） ………（Ｉ）
【００２７】
本実施形態の液体燃料として、例えば、メタノール水溶液を使用した場合、メタノール濃度別の表面張力及び比重と、計算上の流路３２の幅を下記表１に示す。
ここでは、燃料電池を利用する電子機器との高低差を１０ｃｍとし、液体燃料の貯蔵部を床に置いたものとした（即ちｈ＝０．１ｍ）。また、接触角の測定には、協和界面科学株式会社製接触角計ＣＡ−Ｘを用いて、親水化処理を施したものを用いた場合、全ての測定値が２０°以下であったことをから、ｃｏｓθ≒１とした。更に、スリットの断面形状を図２（ｂ）に示すような「幅」＝「深さ」の「コの字型」であると仮定して、Ｌ１＝３ａ，ｓ１＝ａ2で近似的な計算を行った。
ｈ≧０．１ｍより、
ｈ＝（３ａ×γ１×ｃｏｓθ１）／（ａ2×ρ１×ｇ）から、ａ＝３γ１／０．９８ρ１
メタノール濃度０％（即ち水）を記載したのは、発電時、燃料電池の燃料極を予め水で湿潤させる必要があるなど、水用のスリット溝を作らねばならない場合があるからである。
【表１】
【００２８】
逆に、スリットが毛管力で吸い上げることができる高さＨ（Ｈ≧ｈ）は、
Ｈ×ａ×ｂ×ρ１×ｇ＝〔２（ａ＋ｂ）〕×γ１×ｃｏｓθ１より
Ｈ＝〔２（ａ＋ｂ）×γ１×ｃｏｓθ１〕／（ａ×ｂ×ρ１×ｇ）
と、スリットの幅及び深さ等の数値から吸い上げのできる高さが計算することができる。ここでは試算は省略する。なお、液体燃料として、メタノール水溶液以外の燃料、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール水溶液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液などを使用した場合も、各燃料の濃度別の表面張力及び比重を算出すれば、同様に、最適となる流路３２の幅を上記表１のメタノール水溶液と同様に示すことができる。
【００２９】
より実施的には、液体燃料貯留体１０は、電子機器（燃料電池本体）の、さらに近傍に置かれることが多いと考えられ、貯留部１０と発電セル２０の高低差がほとんど無い場合も考えられるから、上記表１に記載したよりも大きなスリットとすることが可能である。例えば、ｈ＝５ｍｍとして純メタノールを燃料として使用する場合を考えると、スリット溝幅は１．７４×１０-3ｍと計算できる。
【００３０】
上記の計算値に加え、様々な要素を加味して、実際のスリット溝幅ａを検討すると、０．０１〜２．００ｍｍが好ましく、発電部の大きさによって最適値を設計できる。スリット溝の幅が０．０１ｍｍ未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、２．００ｍｍよりも大きいと、必要な毛管力を付与できない可能性がある。
【００３１】
また、スリット溝の深さについても、発電部となる発電セル２０の大きさによる等、様々な要素を加味して最適値を設計検討できる。実際のスリット溝深さは、０．０１〜５．００ｍｍが好ましい。スリット溝の深さが０．０１ｍｍ未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、５．００ｍｍよりも大きいと、燃料供給部材の厚みを大きくしなければならなくなり、燃料電池の小型化に適さなくなる。
【００３２】
更には、スリット溝の断面線長Ｌを検討すると、上記好ましい「幅」の３倍程度、０．０３〜６．００ｍｍが好ましいことが推察される。実際的にも０．０３ｍｍ未満であると、輸送できる燃料の絶対量が少なくなり、６．００ｍｍよりも大きいと、燃料供給部材自体を大きくしなければならなくなり、燃料電池の小型化に適さなくなる。
【００３３】
前記燃料誘導体部３１を構成する基板材料としては、流通させる液体燃料に浸食されず、液体燃料が浸透しない緻密体である材料であれば、特に限定されず、いろいろなものが使用できる。例えば、有機高分子樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂）などの高分子材料、各種炭素材料、セラミック材料、金属材料、ガラス材料、木材、岩石、セメント、粘土およびその焼成物などが挙げられるが、加工のしやすさ、扱いやすさなどの点から有機高分子樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂など）、各種炭素材料、金属が好ましい。
前記炭素材料の素材としては、例えば、ガラス状炭素、等方性炭素材、黒鉛粉末〔高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）、キッシュ黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛、フラーレンを含む〕、炭素繊維〔気相成長炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、黒鉛繊維を含む〕、カーボンナノチューブ、膨張黒鉛シート等が挙げられる。また、これらの材料を適宜組み合わせて構成してもよいものである。
この燃料誘導体部３１の厚さとしては、必要量の燃料液を供給するための溝を有しつつ、装置の小型化を可能にするという点から、０．０５〜３０ｍｍ、好ましくは、０．１〜２ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００３４】
前記多孔質体部３５は、好適な厚さ、気孔率、細孔径分布を有し、内部に液体燃料を浸透する機能を有する材料からなる多孔質部材から構成されており、燃料誘導体部３１と重ね合わされる面（図１では裏面側）には、図３（ａ）に示すように、ある設定した領域、本実施形態では多孔質体部３５面上に略均等に四分割された領域に親水性面３６，３６…と、該親水性面３６以外を疎水性面３７に区分けされている。この疎水性面３７の表面からは液体燃料は浸透しにくい構成となっており、親水性面３６から液体燃料が浸透する構成となっている。
前記多孔質体部３５の設定領域を親水性面３６，３６…とする方法としては、多孔質体部３５自体が親水性となる場合には、そのままの状態で使用でき、更に、親水性面を増強する場合又は親水性面とする場合は、上述の燃料誘導体部３１での親水化処理方法（例えば、プラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理等）により設定領域を親水性面とすることができ、好ましくは、作業効率性、確実な親水化処理の点から、上述の照射条件でのレーザー処理、特に、ＹＡＧレーザー処理により行うことが望ましい。
また、前記多孔質体部３５の設定領域を疎水性面３７とする方法としては、上述の燃料誘導体部３１での疎水化処理方法〔例えば、フッ化ポリビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、トリメトキシフルオロアルキルシランなどでコーティングする方法〕により行うことができる。
なお、上記多孔質体部３５自体が親水性となる場合には、上記疎水化処理により設定領域を疎水性面３７とすることにより、多孔質体部３５に親水性面３６と疎水性面３７を形成することができることとなる。
【００３５】
また、多孔質体部３５の他方の面（図１では表面側）は、親水性面、疎水性面のどちらでもよく、液体燃料の濃度、例えば、メタノール水溶液の濃度が非常に濃い場合は、疎水性面とすることが望ましい。なお、親水性面、疎水性面とする方法としては、上述の親水化処理、疎水化処理等により行うことができる。
更に、この多孔質体部３５の面には、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、電極での生成ガスである二酸化炭素の排出用のスリット溝３８を形成することが望ましい。スリット溝３８としては、幅０．１〜５ｍｍ、深さ０．１〜５ｍｍのスリット溝を、溝間隔０．１〜１０ｍｍで形成することが望ましい。このスリット溝３８は、図３（ｂ）及び（ｃ）に示すように、多孔質体部３５の横方向を横断せしめることにより、生成ガスを多孔質体部３５外（外気）に排出することができるものとなる。なお、スリット溝は、多孔質体部３５の縦方向を縦断せしめるものであってもよく、そのスリット溝３８の本数も適宜形成することができ、幅１ｍｍ、深さ１ｍｍで、多孔質体長さ１ｃｍあたり２〜８本程度形成することが望ましい。
【００３６】
この多孔質体部３５は、浸透させる液体燃料に浸食されず、液体燃料が浸透することができる構造となるものであれば、特に限定されず、いろいろな材料を用いて構成することができる。例えば、有機高分子樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂）などの高分子材料、各種炭素材料、セラミック材料、金属材料、ガラス材料、木材、岩石、セメント、粘土およびその焼成物を用いて、気孔率５〜８０％、０．１〜５０μｍの細孔径分布を有する多孔質体部３５を形成することができる。
好ましくは、液体燃料が面全体に均一に拡散すること、また、物質移動抵抗の付与により液体燃料のクロスオーバーを抑制するという点から、気孔率１０〜７０％、１〜２０μｍの細孔径分布を有することが望ましい。
この多孔質体部３５の厚さとしては、液体燃料の面全体への均一な供給と、液体燃料のクロスオーバーの抑制効果の点から、０．２〜５ｍｍ、好ましくは、０．５〜２ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００３７】
本発明の液体燃料供給体３０は、上記構成の液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路３２を備えた燃料誘導体部３１と、親水性面３６と疎水性面３７と有する多孔質体部３５を、図４に示すように、スリット溝からなる流路３２が形成された面を上側とした燃料誘導体部３１上に、親水性面３６と疎水性面３７と有する面側を下面側とした多孔質体部３５を重ね合わせる（積層化する）ことにより平板状の液体燃料供給体３０が構成されることとなる。これらを、例えば、ホルダー内に積層し、ネジ止め等により適当な圧力で押さえることにより積層部が一体化することができる。
液体燃料供給体３０の厚さは、上記燃料誘導体部３１及び多孔質体部３５の各厚さ、燃料電池の構造等により変動するものであるが、更なる小型化の点から、０．５〜３０ｍｍ、好ましくは、０．５〜５ｍｍ程度とすることが望ましい。
【００３８】
上記燃料誘導体部３１と多孔質体部３５を重ね合わせた上に、上記燃料極層２１／電解質層２２／空気極層２３からなる膜電極接合体を、例えば、ホルダー内に積層し、ネジ止め等により適当な圧力で押さえることなどにより積層化することにより、液体燃料供給体３０と上記膜電極接合体を一体化することができる。
【００３９】
このように構成される本実施形態の燃料電池Ａでは、燃料貯留体１０から導出される液体燃料が、燃料誘導体部３１の燃料入り口部となる４つの起点流路３２ａに供給されると、図４に示すように、液体燃料はＹ１の位置から矢印の方向に沿って毛管力によって燃料誘導体部３１と多孔質体部３５の界面を浸透する。Ｙ２の位置までは流路３２は、多孔質体部３５の疎水性面３７と接触しているので、多孔質体部３５内部への浸透は殆ど起こらず供給されるものとなる。次に、Ｙ２の位置から、長方形渦巻き状とした渦巻き流路３２ｃと接触する各親水面３６全域及び浸透が広がり、更に厚さ方向、面方向など、多孔質体部３５内部へ広く浸透する。これにより、液体燃料の供給位置が面上で４つの領域となる親水性面から分散されることにより、多孔質体部３５全体に均等に液体燃料が浸透し、多孔質体部３５の面上の液体燃料の濃度、供給量の分布が緩和されることとなる。
多孔質体部３５内部へ浸透した液体燃料は多孔質体部３５上に積層された発電セル２０の燃料極層２１に供給される。また、最上面の空気極層３３が空気（外気）に晒されることで、拡散、対流によって酸素が空気極層３３に供給され、燃料電池として発電することとなる。図１（ａ）及び（ｂ）の矢印Ｘ１は燃料誘導部３１及び多孔質体部３５の液体燃料の浸透方向を示すものであり、Ｘ２は電極反応で生じた生成ガスである二酸化炭素ガスが多孔質体部３５のスリット溝３８に沿って面方向へ排出された様子を示すものである。これにより、液体燃料の浸透による供給と生成ガス排出は一方向になり、供給と排出がスムーズに行われることとなる。
また、燃料電池の向きに関らず液体燃料を流通させることができると共に、多孔体あるいは繊維束体などのウイッキング材からなる流路と比較して、極めて早く液体燃料を効率よく流通させることができ、更に、ウイッキング材を配置することを省略することができる、安価で燃料電池の起動時間が早いパッシブ型の燃料電池が得られるものとなる。
更に、流路３２となるスリット溝を燃料電池の構造、燃料種及びその濃度等に応じて、好適な毛管力となるように切削できるため、燃料の効率的な供給、分配、回収が可能となる燃料電池が得られることとなる。
これらの結果、本実施形態の燃料電池Ａは、液体燃料の供給が電極面全体に均一に行えるようになるため、電極面積が広くなっても電極面上における燃料濃度や液供給速度に大きな分布が生じることがなく、電極面全体を発電に有効に活かせることができ、また、電極面全体に燃料用液を容易に確保することができるため燃料供給体の厚さを薄くでき、その結果、電池全体の容積を小さくでき、燃料電池パッケージの小型化に寄与することができるものとなる。
【００４０】
図５及び図６は、上記実施形態で燃料誘導部３１に形成した多孔質体部３５の親水性面３６と接触する長方形渦巻き状とした渦巻き流路３２ｃの別の実施形態を示すものであり、図５（ａ）は、上下方向に波型状とした波型流路３２ｅ、（ｂ）は、対角線方向に波型状とした波型流路３２ｆ、図６はつづら折状の流路３２ｇとしたものであり、上記実施形態の渦巻き流路３２ｃと同様に機能するものである。なお、上記実施形態と同様の構成は同一符号を付けてその説明を省略する（以下の実施形態においても同様）。
【００４１】
図７は、前記燃料貯留体１０から、前記発電セル２０に至る液体燃料供給体３０上の何れかの部分に燃料供給の遮断機構を設ける実施形態の一例の図面である。
この遮断機構は、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、燃料貯留体１０から燃料誘導部３１の入り口部となる始点流路３２ａに繋がる液流路（チューブ体）へ燃料を供給するコック体（回転コック体）１５を設けたものである。
この遮断機構により、電極面全体への燃料供給を遮断することができるため、非発電時にコック体を閉じることにより、液体燃料のクロスオーバーのために損失する燃料の流れを更に止めることができる。更に、燃料供給用の流路及び多孔質体部の空隙体積はちいさいので、コック体を閉じた後に生じる、残量液体燃料のクロスオーバー損失を小さく減らすことができる。
【００４２】
図８は、本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
本実施形態の燃料電池Ｂは、燃料供給体３０の多孔質体部３５と燃料極層２１との間に多孔質体層４０を設けた点でのみ、上記実施形態の燃料電池Ａと相違するものであり、上記実施形態と同様に作用効果を発揮するものである。
この多孔質体層４０は、例えば、カーボンフェルトやカーボンクロスなどの気孔率の高いの高い炭素材料、高分子材料などから構成されるものであり、燃料極層２１への液体燃料の供給と、生成ガスである二酸化炭素ガスを排出する排出層としての機能を有するものである。上記実施形態で、多孔質体部３５にガス排出用のスリット溝３８を形成しない場合に当該多孔質体層４０を介在することができ、また、多孔質体部３５にガス排出用のスリット溝３８を形成している場合には、多孔質体層４０との両方で生成ガスである二酸化炭素ガスを効率的に排出することができるものとなる。
この多孔質体層４０には、好ましくは、少なくとも孔径１０μｍ以上、気孔率１０〜９５％となるものが好ましく、更に好ましくは、孔径１００〜１０００μｍ、気孔率５０〜９０％となるものが望ましい。
また、この多孔質体層４０の厚さとしては、燃料極層２１への液体燃料の効率的な供給と、生成ガスである二酸化炭素ガスの効率的な排出を達成せしめる点から、０．０５〜５ｍｍとすることが望ましい。
【００４３】
図９は、本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
本実施形態の燃料電池Ｃは、燃料供給体３０の燃料誘導体部３１の両面に、図２（ａ）及び（ｂ）に示す態様の流路を設けることで、燃料誘導体部３１を共有し、両面に多孔質体部３５を介して燃料電池の発電セルを積層化（一体化）した点でのみ、上記実施形態の燃料電池Ａと相違するものであり、上記実施形態と同様に作用効果を発揮するものである。
この燃料電池Ｃでは、燃料供給体３０の燃料誘導体部３１の両面に、流路３２，３２を設けることで、燃料誘導体部３１を共有し、両面に多孔質体部３５を介して燃料電池の発電セルを積層化した構造であるので、更に燃料電池の薄型化が可能となる。
【００４４】
図１０は、本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
本実施形態の燃料電池Ｄは、上記実施形態の燃料電池Ｂ及びＣを組み合わせたものであり、上記実施形態の燃料電池Ｃにおいて、夫々の多孔質体部３５と燃料極層２１との間に各多孔質体層４０を設けた点でのみ、上記実施形態の燃料電池Ｃと相違するものであり、上記実施形態と同様に作用効果を発揮するものである。
【００４５】
本発明の燃料電池は、上述の如く構成されるものであるが、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で更に種々の変更をすることができる。例えば、上記各実施形態においては、流路３２として片側が閉じられたスリット溝（有底のスリット溝）を挙げて説明をしたが、これらの「スリット溝」に限らず、多孔質体部３５の親水性面３６と接触する部分以外の流路３２ａ、３２ｂ、３２ｄにおいては、燃料の蒸発などの漏洩を防止したい部分に、管状の流路を採用することもできる。この場合、上記した流路についての条件に合致させるため、管状流路の流路断面積や管状流路壁面の接触角を制御することで、全体の整合を採ることができる。
【００４６】
また、上記実施形態では、親水性面３６の数は４個であるが、発電セル２０の大きさ、形状等に応じて、親水性面の数、大きさ等を少なく又は多くすることができる。
更に、「下流」のスリット溝となる終点流路３２ｄを、外界若しくは、燃料誘導体部３１の、いずれのスリット溝からなる流路よりも強い毛管力を持つ、廃燃料回収体に連結して、廃燃料などを排出する構成としてもよいものである。
【実施例】
【００４７】
次に、本発明を実施例及び比較例により、更に詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００４８】
〔実施例１〕
下記作製法、処理方法により、燃料電池用燃料供給体を得た後、それを用いて燃料電池を組み立て、燃料貯留体から発電セルまで液体燃料が移動する速度を測定し、発電の様子も観察した。
（燃料誘導体部の作製）
フラン樹脂〔日立化成工業（株）製 ヒタフランＶＦ−３０３〕１０重量部と、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体（新第一塩ビ社製 ＺＥＳＴ−Ｃ１５０Ｓ）４０重量部との混合樹脂に、天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業社製、平均粒径５μｍ）５０重量部を加え、更に可塑剤としてジアリルフタレート２０重量部添加した材料をヘンシェルミキサーで混合、分散し、ミキシング用二本ロールを用いて十分に混練を繰り返して燃料電池誘導体部用組成物を調整し、更に粉砕、篩いをかけて粉末を得た。
得られた粉末を図２に準拠する所定の溝パターンを持つ成形用金型でプレス成形した後、有酸素ガス雰囲気中で３００℃の温度で乾燥固化させ、不活性ガス雰囲気中で１５００℃の加熱処理を行い、炭素製燃料誘導体部を得た。
得られた燃料誘導体部の寸法は５０ｍｍ×９０ｍｍ×２ｍｍ（流路面の幅０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍ）であった。
更に、得られた燃料誘導体部の流路面に下記方法により、レーザー処理を施し、親水性官能基を形成し、液体燃料に対する毛管力を調整した。
レーザー処理は、得られた炭素製燃料誘導体部の流路面に、ＹＡＧレーザー装置を用いて、室温空気雰囲気下で、出力１２Ｗ、パルス幅５０μｓの条件で流路面にレーザー処理を行い、親水性官能基と凹凸部を形成した。
【００４９】
（多孔質体部の作製）
フラン樹脂（日立化成社製、ヒタフランＶＦ−３０３）３６重量部に、乾留ピッチ（呉羽化学工業社製、ＫＨ−１Ｐ）１４重量部との混合樹脂に、カーボンナノチューブ（昭和電工社製、ＶＧＣＦ）３０重量部を加え、更に、ＰＭＭＡ（粒径６０μｍ）２０重量部を添加した材料を混合機中で混練し、更に、粉砕、篩いをかけて粉末を得た。
得られた粉末を図３に準拠する形状に金型を用いて圧縮成形した後、有酸素ガス雰囲気中で１０００℃の加熱処理を行い、炭素製多孔質体部を得た。
得られた多孔質体部の寸法は５０ｍｍ×９０ｍｍ×１ｍｍであった。
更に、得られた多孔質体部に下記方法により親水性面、疎水性面、ガス排出用スリット溝を形成した。
図３に準拠するように、４つの親水性面（２０ｍｍ×３６ｍｍ）となる箇所に下記方法によりレーザー処理を施し、親水性官能基を形成し、液体燃料に対する毛管力を調整した。なお、親水性面（１８ｍｍ×３６ｍｍ）は、上下方向の間隔は、上端から６ｍｍ間隔で、左右の間隔は、左端から４ｍｍ、６ｍｍ、４ｍｍである。
レーザー処理は、得られた炭素製燃料誘導体部の流路面に、ＹＡＧレーザー装置を用いて、室温空気雰囲気下で、出力１２Ｗ、パルス幅５０μｓの条件で流路面にレーザー処理を行い、親水性官能基と凹凸部を形成した。
この親水性面の箇所をマスキングし、トリメトキシフルオロアルキルシラン（例えば、ＴＳＬ８２３３、東芝シリコーン社製）の２ｗｔ％メタノール溶液等を用いて３０分間ディップコーティングを施し、１２０℃で１時間乾燥を行い、親水性面以外の箇所を疎水性面とした。
ガス排出用スリット溝は、多孔質体部の幅方向に、幅０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍ、長さ１ｃｍ当たり２本形成した。
【００５０】
（燃料供給体の作製）
上記で得られた燃料誘導体部と多孔質体部とをホルダー内に積層し、ネジ止めにより適切な圧力で押さえ、燃料供給体を作製した。
【００５１】
（比較例１）
前記実施例１の燃料誘導体部の代わりに、前記多孔質体を、前記燃料誘導体と同じ寸法に成形したものを用いて実施例１と同様にして燃料供給体を作製した。
【００５２】
上記実施例１の燃料誘導体部、多孔質体部について、流路面又は親水性面の親水官能基を、島津製作所社製 Ｘ線光電子分光分析装置（ＥＳＣＡ−３４００）で行ったところ、Ｃ−Ｏ、Ｃ＝Ｏの結合エネルギーピークの成長があり、新たにカルボキシル基（ＣＯＯＨ基）の結合が生成、更に酸素の結合エネルギーピークの成長があることが判った。また、平均粗さＲａを、東京精密社製 平均粗さ形状測定器 サーフコムを用い、駆動速度０．３ｍｍ／分で行ったところ、流路面は、平均粗さＲａ１．１μｍであり、親水性面は、平均粗さＲａ５μｍであることが判った。
また、燃料誘導部の始点流路に、５０ｗｔ％メタノール水溶液を含浸させた気孔率９０％の繊維束多孔体からなる貯留体を毛管連結させたところ、多孔質体部の前面まで浸透する速度は、実施例１では、１０秒以内にすべて燃料流路に燃料が供給されたが、比較例１では、実施例１と同じ方法で５０ｗｔ％メタノール水溶液を浸透させたところ、多孔質体全面に燃料が浸透する時間は６０秒であった。
【００５３】
上記の結果から明らかなように、本発明範囲となる燃料供給体を用いた実施例１は、本発明の範囲外となる比較例１の燃料供給体に較べて、優れた燃料の輸送速度、並びに、安定した燃料の輸送力を有することが判明した。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
固体高分子型などの燃料電池において、発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に有用な燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の燃料電池の実施形態の一例を示すものであり、（ａ）は、燃料電池の要旨を示す縦断面図、（ｂ）はその横断面図である。
【図２】（ａ）は、燃料誘導体部の基本形態の平面図、（ｂ）は（ａ）のｘ−ｘ線での横断面図である。
【図３】（ａ）は、多孔質体部の表面側の平面図、（ｂ）は多孔質体部の裏面側の平面図、（ｃ）は多孔質体部の縦断面図
【図４】燃料誘導体部と多孔質体部とを積層して燃料供給体とした基本形態の平面図である。
【図５】（ａ）は、燃料誘導部に形成する波型流路の一例を示す部分平面図、（ｂ）は、他の波型流路の一例を示す部分平面図である。
【図６】燃料誘導部に形成するつづら状流路の一例を示す部分平面図である。
【図７】（ａ）〜（ｄ）は、燃料貯留体から発電セルに至る液体燃料供給体上の何れかの部分に燃料供給の遮断機構を設ける実施形態の一例を示すものであり、（ａ）及び（ｂ）は燃料が供給された遮断機構が開状態の正面図、縦断面図であり、（ｃ）及び（ｄ）は燃料が供給された遮断機構が閉状態の正面図、縦断面図である。
【図８】本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
【図９】本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
【図１０】本発明の燃料電池の別の実施形態の要部の一例を示す横断面図である。
【符号の説明】
【００５６】
１０ 燃料貯留体
２０ 発電セル
２１ 燃料極層
２２ 電解質層
２３ 空気極層
３０ 燃料供給体
３１ 燃料誘導体部
３２ 流路
３５ 多孔質体部
３６ 親水性面
３７ 疎水性面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、該発電セルと液体燃料を貯留する燃料貯留体とを接続する液体燃料供給体とを少なくとも備える燃料電池であって、前記液体燃料供給体は、少なくとも、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路を備えた燃料誘導体部と、疎水性面と親水性面を有する多孔質体部との積層体から構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料誘導体部の流路において、有底の断面形状の流路の断面線長をＬ１、有底の断面形状の流路部分の断面積をｓ１、液体燃料の比重をρ１、液体燃料の表面張力をγ１、液体燃料と流路表面との接触角をθ１、重力加速度をｇとした場合、前記燃料供給板部の流路の長さｈ１が下記式（Ｉ）で表される範囲の流路を備えてなる請求項１に記載の燃料電池。
ｈ１≦（Ｌ１×γ１×ｃｏｓθ１）／（ｓ１×ρ１×ｇ） ………（Ｉ）
【請求項３】
前記燃料誘導体部の流路の断面形状が、長方形の一辺を欠いた形状の有底の断面形状の流路である請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料誘導体部の流路の一部が、管状である請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料誘導体部の流路表面を親水化処理してなる請求項１〜４の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記親水化処理がプラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理の何れか一つから選ばれる請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料誘導体部のうち、流路表面以外の部分を疎水処理してなる請求項１〜６の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料誘導体部の流路の一部に、渦巻き型の流路、波型の流路及びつづら折状の流路の何れか一つを有する請求項１〜７の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記多孔質体部の親水性面と接する燃料誘導体部が渦巻き型の流路面、若しくは波型の流路面、又はつづら折状の流路面である請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料誘導体部及び／又は多孔質体部が、炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料から選ばれる少なくとも１種から構成される請求項１〜９の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料供給体は、平板状である請求項１〜１０の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記燃料供給体の厚さが、０．０５〜３０ｍｍである請求項１〜１１の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記燃料極層と、前記燃料供給体との間に多孔質体層を設けた請求項１〜１２の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記多孔質体層がガス排出層を兼ねる請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記多孔質体層の厚さは、０．０５〜５ｍｍである請求項１３又は１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記多孔質体層は、炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料から選ばれる少なくとも１種から構成される請求項１３〜１５の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記多孔質体層には、少なくとも孔径５０μｍ以下の孔が形成されている請求項１４〜１６の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記燃料貯留体から、前記発電セルに至る液体燃料供給体上の何れかの部分に燃料供給の遮断機構を設けた請求項１〜１７の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１】
空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、該発電セルと液体燃料を貯留する燃料貯留体とを接続する液体燃料供給体とを少なくとも備える燃料電池であって、前記液体燃料供給体は、少なくとも、液体燃料を誘導し得る毛管力を有する有底の断面形状の流路を備えた燃料誘導体部と、疎水性面と親水性面を有する多孔質体部との積層体から構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料誘導体部の流路において、有底の断面形状の流路の断面線長をＬ１、有底の断面形状の流路部分の断面積をｓ１、液体燃料の比重をρ１、液体燃料の表面張力をγ１、液体燃料と流路表面との接触角をθ１、重力加速度をｇとした場合、前記燃料供給板部の流路の長さｈ１が下記式（Ｉ）で表される範囲の流路を備えてなる請求項１に記載の燃料電池。
ｈ１≦（Ｌ１×γ１×ｃｏｓθ１）／（ｓ１×ρ１×ｇ） ………（Ｉ）
【請求項３】
前記燃料誘導体部の流路の断面形状が、長方形の一辺を欠いた形状の有底の断面形状の流路である請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料誘導体部の流路の一部が、管状である請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料誘導体部の流路表面を親水化処理してなる請求項１〜４の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記親水化処理がプラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理の何れか一つから選ばれる請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料誘導体部のうち、流路表面以外の部分を疎水処理してなる請求項１〜６の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料誘導体部の流路の一部に、渦巻き型の流路、波型の流路及びつづら折状の流路の何れか一つを有する請求項１〜７の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記多孔質体部の親水性面と接する燃料誘導体部が渦巻き型の流路面、若しくは波型の流路面、又はつづら折状の流路面である請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料誘導体部及び／又は多孔質体部が、炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料から選ばれる少なくとも１種から構成される請求項１〜９の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料供給体は、平板状である請求項１〜１０の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記燃料供給体の厚さが、０．０５〜３０ｍｍである請求項１〜１１の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１３】
前記燃料極層と、前記燃料供給体との間に多孔質体層を設けた請求項１〜１２の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１４】
前記多孔質体層がガス排出層を兼ねる請求項１３に記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記多孔質体層の厚さは、０．０５〜５ｍｍである請求項１３又は１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記多孔質体層は、炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料から選ばれる少なくとも１種から構成される請求項１３〜１５の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記多孔質体層には、少なくとも孔径５０μｍ以下の孔が形成されている請求項１４〜１６の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記燃料貯留体から、前記発電セルに至る液体燃料供給体上の何れかの部分に燃料供給の遮断機構を設けた請求項１〜１７の何れか一つに記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００７−２６５６８３（Ｐ２００７−２６５６８３Ａ）
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−８６４１９（Ｐ２００６−８６４１９）
【出願日】平成１８年３月２７日（２００６．３．２７）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（０００００５９５７）三菱鉛筆株式会社 (692)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月１１日（２００７．１０．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月２７日（２００６．３．２７）
【出願人】（５０４１４５３６４）国立大学法人群馬大学 (352)
【出願人】（０００００５９５７）三菱鉛筆株式会社 (692)
【Ｆターム（参考）】
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