燃料電池
【課題】適用する電子機器に合わせて燃料電池構造の設計変更を容易に、柔軟に行なうことができる燃料電池を提供する。
【解決手段】アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で有する膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるためのセル内燃料流路１０ａがアノード極側表面に配された、アノード極側に配置される流路板１０を含む２以上の燃料電池セル１０１を同一平面上に配置してなる燃料電池セル集合体と、セル内燃料流路１０ａのそれぞれに接続され、各燃料電池セル１０１への液体燃料の分配を行なうセル外燃料流路１５５を有する燃料分配部１５０とを備える燃料電池である。
【解決手段】アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で有する膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるためのセル内燃料流路１０ａがアノード極側表面に配された、アノード極側に配置される流路板１０を含む２以上の燃料電池セル１０１を同一平面上に配置してなる燃料電池セル集合体と、セル内燃料流路１０ａのそれぞれに接続され、各燃料電池セル１０１への液体燃料の分配を行なうセル外燃料流路１５５を有する燃料分配部１５０とを備える燃料電池である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セルを同一平面上に配置した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、情報化社会を支える携帯用電子機器の新規電源として実用化の期待が高まっている。燃料電池は、使用する電解質材料や燃料の分類から、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、ダイレクトアルコール型等に分類される。特に、電解質材料に固体高分子であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池およびダイレクトアルコール型燃料電池は、常温で高い発電効率が得られることから、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての実用化が検討されている。
【０００３】
燃料としてアルコールまたはアルコール水溶液を使用するダイレクトアルコール型燃料電池は、燃料がガスである場合と比較して、燃料貯蔵室を比較的簡易に設計できるなどの理由から、燃料電池の構造の簡略化、省スペース化が可能であり、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての期待が特に高い。
【０００４】
燃料電池においては、１つの燃料電池セルでは不十分である電力を、携帯用電子機器の新規電源として十分な程度にまで高めるために、複数の燃料電池セルを電気的に接続して組み合わせる（スタック化するなど）ことが従来行なわれている。その一例が、たとえば特許文献１および２に記載されるような、複数の燃料電池セルを同一平面上に配置した燃料電池（以下、「平面集積型燃料電池」ともいう。）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−７９５０６号公報
【特許文献２】特開２００６−９３１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
携帯用電子機器等の電子機器用の電源として平面集積型燃料電池を適用することを想定した場合、適用され得る様々な電子機器における限られた燃料電池収容スペースの形状や面積などに合わせて、平面集積型燃料電池構造の設計を柔軟に行なえることは極めて有意義である。これは、燃料電池の生産効率の向上（生産工程の簡略化）および生産コスト削減に大きく寄与するためである。
【０００７】
一般的に、上記特許文献１および２に記載されるような従来の平面集積型燃料電池は、複数の燃料電池セルが１つの燃料供給部を共有する構造を採っている。ここでいう燃料供給部とは、各燃料電池セルに供給される燃料を収容するかまたは流通させる部位をいい、特許文献１における液体燃料貯蔵部３や特許文献２におけるバイポーラープレート２０がこれに相当する。しかしこのような構造の場合、燃料電池収容スペースの形状や面積が異なる電子機器に適用するためには、燃料電池セルの集積形態を設計変更するだけでは足りず、燃料供給部全体およびこれに付随する系統を設計し直す必要が生じ、電子機器に合わせた燃料電池構造の設計変更が容易ではなく、燃料電池の生産効率および生産コストの面で不利であった。
【０００８】
そこで本発明の目的は、適用する電子機器に合わせて燃料電池構造の設計変更を容易に、柔軟に行なうことができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題の解決手段として本発明は、各燃料電池セル自体に燃料を流通させる燃料流路を付与することによってモジュール化が図られた燃料電池セルを用いた平面集積型燃料電池を提供するものである。すなわち、従来１つの部材で構築されていた燃料供給部を２つに分離し、一方の部分を、各燃料電池セルまで燃料を誘導（分配）するための燃料流路としての役割を担う燃料電池セルとは独立した部位（燃料分配部）として構築するとともに、他方の部分を、燃料電池セル面内で拡散流通させる役割を担う燃料流路として燃料電池セル内に組み込むことで燃料電池セルを、当該燃料流路を有するセルとしてモジュール化し、当該モジュール（燃料流路を有する燃料電池セル）と上記燃料分配部とを結合させることにより平面集積型燃料電池を構築する。
【００１０】
かかる平面集積型燃料電池によれば、モジュールを設計変更することなく、モジュールの数や配置パターンおよび必要に応じて燃料分配部のみを設計変更することによって、容易に燃料電池収容スペースの形状や面積が異なる電子機器に平面集積型燃料電池を適用することができる。
【００１１】
すなわち本発明は、アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で有する膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるためのセル内燃料流路がアノード極側表面に配された、アノード極側に配置される流路板を含む２以上の燃料電池セルを同一平面上に配置してなる燃料電池セル集合体と、セル内燃料流路のそれぞれに接続され、各燃料電池セルへの液体燃料の分配を行なうセル外燃料流路を有する燃料分配部とを備える燃料電池を提供する。
【００１２】
１つの実施形態において燃料分配部は、液体燃料を導入するための導入口を有しており、それが有するセル外燃料流路は、該導入口と接続される幹流路、および、該幹流路と各セル内燃料流路とを接続する枝流路から構成される。
【００１３】
１つの実施形態において燃料電池セル集合体は、ライン状に配列した２以上の燃料電池セルからなる。この場合、該２以上の燃料電池セルが有するセル内燃料流路のセル外燃料流路に接続される端部のすべてを燃料電池セル集合体の同一の側面に配置するとともに、燃料分配部が有するセル外燃料流路のセル内燃料流路に接続される端部のすべてを燃料分配部の同一の側面に配置し、燃料分配部を、燃料電池セル集合体の上記側面と燃料分配部の上記側面とが対向するように配置することが好ましい。また、該２以上の燃料電池セルが有するセル内燃料流路のセル外燃料流路に接続される端部のすべてを燃料板の同一の主面に配置するとともに、燃料分配部が有するセル外燃料流路のセル内燃料流路に接続される端部のすべてを燃料分配部の同一の面に配置し、燃料分配部を、そのセル外燃料流路の上記端部上にセル内燃料流路の上記端部が配置されるように、燃料板に部分的に積層して燃料電池を構築してもよい。
【００１４】
燃料電池セルは、膜電極複合体と流路板との間に配置され、液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層と、セル内燃料流路を覆うように気液分離層と流路板との間に配置され、水に対する接触角が７０度未満である介在層とをさらに備えるもの、または、セル内燃料流路を覆うように流路板におけるアノード極側表面上に配置され、液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層をさらに備えるものであることができる。
【００１５】
燃料電池セルは、アノード極上に積層されるアノード集電層と、カソード極上に積層されるカソード集電層とをさらに含むことができる。本発明の燃料電池は、たとえばダイレクトアルコール型燃料電池である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、適用する電子機器に合わせて燃料電池構造の設計変更を容易に、柔軟に行なうことができる燃料電池を提供することができる。本発明の燃料電池は、電子機器、とりわけ携帯電子機器用の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る燃料電池の一例を示す概略上面図である。
【図２】図１に示されるＩＩ−ＩＩ線における概略断面図である。
【図３】図２に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面図である。
【図４】図１に示されるＩＶ−ＩＶ線における概略断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の他の一例を示す概略断面図である。
【図６】流路板の一例を示す概略上面図である。
【図７】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図８】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図９】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１０】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１１】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１２】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１３】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１４】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１５】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１６】気化燃料板の一例を示す概略上面図および概略断面図である。
【図１７】気化燃料板の他の例を示す概略上面図および概略断面図である。
【図１８】本発明に係る燃料電池に用いる燃料電池セルの他の一例を示す概略断面図である。
【図１９】図１０に示される燃料電池セルが備える第２介在層を示す概略上面図である。
【図２０】実施例１で作製した燃料電池を示す概略断面図である。
【図２１】実施例１で用いた燃料分配部を示す概略斜視図である。
【図２２】実施例１で作製した燃料電池における出力電圧の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の燃料電池を実施の形態を示して詳細に説明する。
図１は本発明に係る燃料電池の一例を示す概略上面図であり、図２は図１に示されるＩＩ−ＩＩ線における概略断面図、図３は図２に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面図である。また、図４は図１に示されるＩＶ−ＩＶ線における概略断面図である。
【００１９】
これらの図面に示される燃料電池１００は、同一平面上に配置された３つの燃料電池セル１０１を含む平面集積型燃料電池であり、具体的には、３つの燃料電池セル１０１をライン状に配列してなる燃料電池セル集合体１１０と、燃料電池セル集合体１１０の側面に隣接して配置された燃料分配部１５０とから構成される。燃料電池１００を構成する燃料電池セルは、電気的に直列接続または並列接続される。本発明において燃料電池セル集合体とは、燃料電池を構成するすべての燃料電池セルの総称である。
【００２０】
図２を参照して、燃料電池セル集合体１１０を構成する燃料電池セル１０１は、アノード極２、電解質膜１およびカソード極３をこの順で有する膜電極複合体４；アノード極２上に積層され、これに電気的に接続されたアノード集電層５；カソード極３上に積層され、これに電気的に接続されたカソード集電層６；アノード集電層５に接するようにアノード集電層５上に積層されるアノード保湿層７；カソード集電層６に接するようにカソード集電層６上に積層されるカソード保湿層８；アノード極２側（アノード極２の下方）に配置され、液体燃料を流通させる（燃料電池セル面内で拡散流通させる）ためのセル内燃料流路１０ａがアノード極２側表面に配された流路板１０；膜電極複合体４と流路板１０との間に配置され、液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層１２；気液分離層１２とアノード保湿層７との間に配置され、気化燃料収容部９ａを具備する気化燃料板９；および、セル内燃料流路１０ａを覆うように気液分離層１２と流路板１０との間に配置される介在層１１から構成されている。
【００２１】
このように燃料電池セル１０１は、燃料電池セル面内で拡散流通させる役割を担う燃料流路（セル内燃料流路１０ａ）が組み込まれたモジュールとして構成されている。当該モジュールを燃料分配部１５０と結合させることにより平面集積型の燃料電池１００が構築されている。
【００２２】
図３および図４を参照して、燃料分配部１５０は、導入口１５１を通して導入された液体燃料を各燃料電池セルに分配するための、燃料電池セル１０１とは独立した部材であり、その内部に、セル内燃料流路１０ａのそれぞれに接続されるセル外燃料流路１５５を有する。たとえば、セル外燃料流路１５５は、導入口１５１と接続された幹流路１５２、および、幹流路１５２と各セル内燃料流路１０ａとを接続する枝流路１５３から構成することができる。図１〜４に示される実施形態において燃料分配部１５０は、各燃料電池セル１０１が有するセル内燃料流路１０ａの入口端部（セル外燃料流路１５５に接続される端部）が配置された燃料電池セル集合体１１０側面に隣接して付設された略直方体形状の部材である。導入口１５１は、燃料分配部１５０の長手方向（燃料電池セルの配列方向と平行）に関しておよそ中央部に設けられている。
【００２３】
以上に示される実施形態に代表される本発明の燃料電池は、セル内燃料流路を有する燃料電池セルをモジュールとして使用したものであるので、モジュールの数や配置パターンおよび必要に応じて燃料分配部の形状等のみを設計変更することによって、容易に燃料電池収容スペースの形状や面積が異なる電子機器に適用することができる。このような燃料電池構造設計の柔軟性は、燃料電池の生産効率の向上（生産工程の簡略化）および生産コスト削減に極めて有効である。
【００２４】
燃料電池を構成する複数の燃料電池セルはどのような配置形態を採っていてもよいが、燃料電池面積の低減および燃料分配部との結合の容易さを考慮すると、図１〜４に示される実施形態のようにライン状に配列されることが好ましい。この際、燃料分配部との結合の容易さに鑑み、複数の燃料電池セルが有するセル内燃料流路の入口端部（セル外燃料流路に接続される端部）のすべてがライン状の燃料電池集合体の同一の外面に配置されるような配向で複数の燃料電池セルを配列することが好ましい。たとえば図１〜４に示される実施形態のように、セル内燃料流路の入口端部のすべてが燃料電池集合体の同一の側面Ｘに配置されるように複数の燃料電池セルを配列するとともに、燃料分配部が有するセル外燃料流路の出口端部（セル内燃料流路に接続される端部を意味し、図１〜４に示される実施形態においては枝流路１５３の出口端部）のすべてを燃料分配部の同一の側面Ｙに配置するようにし、燃料分配部を側面Ｘと側面Ｙとが対向するようにライン状の燃料電池集合体の側方に配置することができる。
【００２５】
燃料電池（燃料電池セル集合体）が有する燃料電池セルの数は２以上であれば特に制限されないが、好ましくは３以上である。図５は、燃料電池セル集合体１１０がライン状に配列された４つの燃料電池セルからなる形態を示す図３と同様の概略断面図である。燃料電池セル集合体１１０は、ライン状に配列された複数の燃料電池セルからなるセル列を２以上有していてもよい。たとえば、１つの燃料分配部の対向する２つの側面にそれぞれ上記セル列を結合させることが挙げられる。また、本発明の燃料電池は、２以上の燃料分配部を含むこともできる。１つの燃料電池セルと他の１つの燃料電池セルとの間に燃料分配部を介在させた形態も本発明に含まれる。
【００２６】
次に、本発明の燃料電池を構成する各部材等について詳細に説明する。
（１）燃料電池セル
〔電解質膜〕
膜電極複合体４を構成する電解質膜１は、アノード極２からカソード極３へプロトンを伝達する機能と、アノード極２とカソード極３との電気的絶縁性を保ち、短絡を防止する機能を有する。電解質膜の材質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子社製）などが挙げられる。また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系電解質膜などを用いることもできる。
【００２７】
無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどからなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、パーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジット膜などが挙げられる。電解質膜１の厚みはたとえば１〜２００μｍである。
【００２８】
〔アノード極およびカソード極〕
電解質膜１の一方の表面に積層されるアノード極２および他方の表面に積層されるカソード極３にはそれぞれ、少なくとも触媒と電解質とを含有する多孔質層からなる触媒層が設けられる。アノード極２において触媒（アノード触媒）は、燃料からプロトンと電子とを生成する反応を触媒し、電解質は、生成したプロトンを電解質膜１へ伝導する機能を有する。カソード極３において触媒は、電解質を伝導してきたプロトンと酸化剤（空気など）から水を生成する反応を触媒する。
【００２９】
アノード極２およびカソード極３の触媒は、カーボンやチタン等の導電体の表面に担持されたものでもよく、なかでも、水酸基やカルボキシル基等の親水性官能基を有するカーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていることが好ましい。これにより、アノード極２およびカソード極３の保水性を向上させることができる。保水性の向上により、プロトン移動に伴う電解質膜１の抵抗や、アノード極２およびカソード極３における電位分布を改善することができる。
【００３０】
アノード極２およびカソード極３はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノード導電性多孔質層（アノードガス拡散層）、カソード導電性多孔質層（カソードガス拡散層）を備えていてもよい。これらの導電性多孔質層は、アノード極２、カソード極３に供給されるガス（気化燃料または酸化剤）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。より具体的には、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびにカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
【００３１】
〔アノード集電層およびカソード集電層〕
アノード集電層５、カソード集電層６はそれぞれ、アノード極２上、カソード極３上に積層される。アノード集電層５およびカソード集電層６はそれぞれ、アノード極２、カソード極３における電子を集電する機能と、電気的配線を行なう機能とを有する。集電層の材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下が抑制されることから、金属であることが好ましく、なかでも、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属であることがより好ましい。このような金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；およびこれらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などが挙げられる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。なお、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層が、たとえば金属等からなり、導電性が比較的高い場合には、アノード集電層およびカソード集電層は省略されてもよい。
【００３２】
より具体的には、アノード集電層５は、気化燃料をアノード極２へ誘導するための厚み方向に貫通する貫通孔（開口）を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。この貫通孔は、アノード極２の触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）を気化燃料収容部９ａ側へ誘導するための経路としても機能する。同様に、カソード集電層６は、酸化剤（たとえば燃料電池外部の空気）をカソード極３の触媒層に供給するための厚み方向に貫通する貫通孔（開口）を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。
【００３３】
〔流路板〕
図３を参照して、流路板１０は、液体燃料を流通させるためのセル内燃料流路１０ａがアノード極２側表面に形成された板状体であり、燃料電池のアノード極２側に配置される。セル内燃料流路１０ａは、たとえば上記板状体の一方の表面に形成された溝（凹部）からなることができる。セル内燃料流路１０ａの形状（パターン）は特に制限されず、アノード極２全面にできるだけ均一に気化燃料を供給できるよう、流路板表面のできるだけ広い範囲にわたって、均一に配置することが好ましい。
【００３４】
図６〜図１５に流路パターンの好ましい例を示す。図６〜図１５に示される流路板１０のセル内燃料流路１０ａ（斜線部）はいずれも溝（凹部）からなる。図６に示されるセル内燃料流路１０ａ（図３および図５に示したものと同じである）は、４箇所でセル外燃料流路と接続される（流路入口を４つ有している）。セル外燃料流路と接続される４つの流路は一旦一つの流路に集約され、この流路から５本の流路が枝状に等間隔を置いて延びている。このような流路構造は、セル外燃料流路と接続されるいずれかの接続箇所からの液体燃料の流入が気泡混入などにより困難な場合であっても、他の接続箇所から流入した液体燃料をセル内燃料流路１０ａ全体に行き渡らせることができる点で有利である。なお、図６の燃料電池セル１０の周縁部に描かれている○（計７個）は、各部材間の締結に用いるネジ孔を示している（図３、５、７〜１５、２０も同様）。
【００３５】
図７に示される例では、図６の流路と比較して流路幅を小さくして毛細管力を高めるとともに、流路の角部にＲ（曲率）をつけて液体燃料移送の圧力損失を低減させている。これにより、液体燃料をセル内燃料流路１０ａ全体により容易に行き渡らせることができる。
【００３６】
図８に示されるセル内燃料流路は、液体燃料が流路板１０の側面から流入するのではなく上面から流入してくる点において図７と相違する。すなわち、セル内燃料流路１０ａの４つの入口端部が流路板１０の側面ではなく一方の表面（主面）上に配置される。かかる流路板を用いる場合、燃料分配部が有するセル外燃料流路のセル内燃料流路に接続される出口端部のすべてを同一の面に配置し、燃料分配部におけるセル外燃料流路の出口端部が配置された部分を、セル内燃料流路１０ａの上記入口端部が配置された流路板主面部分の上に積層させる（つまり、セル内燃料流路の入口端部とセル外燃料流路の出口端部とが積層方向に連結するように、燃料分配部と燃料板とを部分的に重ね合わせる）。このような流路板と燃料分配部との結合形態によれば、燃料電池の各構成部材を接合、締結するために印加される力の方向（構成部材の積層方向）に、セル外燃料流路からセル内燃料流路への液体燃料の流入が生じるので、これらの燃料流路の接続部での液漏れをより有効に防止することができる。
【００３７】
図９に示されるセル内燃料流路は、分岐部分を有さない直線状の複数の流路からなる。このような流路形状は、液体燃料移送の圧力損失の低減に有利である。図１０に示されるセル内燃料流路は、流路の分岐部分をできるだけ少なくしている点において図７と相違する。これにより、分岐前の流路内に気泡が噛み込み、分岐流路への液体燃料の進入が阻害され得るという不具合を低減させることができる。
【００３８】
図１１に示されるセル内燃料流路では、図中のＡの部分にて流路幅を小さくして圧力損失を高めている。この流路構造によれば、セル内燃料流路１０ａにおける４つの入口端部のすべてから液体燃料を流入させた後、それぞれの分岐流路へ液体燃料が進入するようになるため、各分岐流路へより均一に液体燃料を供給することができる。図１２に示されるセル内燃料流路は、図１１における分岐流路の流路幅を大きくし、分岐流路における液体燃料移送の圧力損失の低減させたものである。
【００３９】
図１３に示される例は、網目状のセル内燃料流路を有する。この流路構造によれば、いずれかの箇所に気泡の噛み込みが生じても、液体燃料をセル内燃料流路１０ａ全体に行き渡らせることができる。
【００４０】
図１４に示される例は、流路板表面に形成された大きな凹部からなる槽型のセル内燃料流路１０ａを有する。この流路構造によれば、十分な量の燃料をアノード極全体に均一に供給することがより容易となる。このような槽型流路においては、流路板の構造的強化を図るために、図１５に示されるように縦方向および／または横方向に梁を設けてもよい。なお、図１４において、領域Ｍ、領域Ｎはともに凹部であるが、領域Ｎの深さをより大きくしている。また図１５においても、領域Ｍ’（同種のハッチングが付されている領域も同様）、領域Ｎ’（同種のハッチングが付されている領域も同様）はともに凹部であるが、領域Ｎ’の深さをより大きくしている。
【００４１】
セル内燃料流路の幅および深さは特に制限されないが、たとえばそれぞれ０．２〜１．５ｍｍ程度（とりわけ槽型流路の場合はこれより大きくなり得る）、０．１〜０．６ｍｍ程度である。
【００４２】
流路板１０は、プラスチック材料または金属材料などから作製することができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。
【００４３】
〔気化燃料板〕
図１６（ａ）は燃料電池セル１０１で用いられている気化燃料板９を示す概略上面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示されるＸＶＩ−ＸＶＩ線における概略断面図である。気化燃料板９は、膜電極複合体４と気液分離層１２との間に気化燃料を収容するための空間（すなわち、気化燃料収容部９ａ）を形成するための部材である。図２の例において気化燃料板９は、アノード保湿層７に接するようにアノード保湿層７と気液分離層１２との間に配置されている。気化燃料板９は、厚み方向に貫通する貫通口である気化燃料収容部９ａ、および、気化燃料収容部９ａと気化燃料板９外部とを連通する連通経路９ｂを有する。連通経路９ｂは、アノード極２で生成した副生ガス（ＣＯ2ガス等）を燃料電池外部に排出させるための経路である。
【００４４】
図１６に示される気化燃料板９において連通経路９ｂは、気化燃料板９の周縁部に設けられ、気化燃料収容部９ａから該周縁部の端面まで延びる溝（凹部）からなる。連通経路９ｂの出口は、たとえば燃料分配部１５０が結合される燃料電池側面に対向する側面に設けられる（図４参照）。
【００４５】
セル内燃料流路１０ａ上に気液分離層１２を介して気化燃料収容部９ａを設けることにより、アノード極２に供給される気化燃料濃度のアノード極面内における均一化および気化燃料量の最適化が促進される。
【００４６】
気化燃料収容部９ａを設けることは以下の点でも有利である。
（ｉ）気化燃料収容部９ａ内に存在する空気層により、発電部（膜電極複合体）とセル内燃料流路１０ａとの間の断熱を図ることができる。これにより、セル内燃料流路１０ａ内の液体燃料の温度が過度に上昇することによるクロスオーバーを抑制できる。このことは、電池内部温度の暴走および内圧上昇の抑制に寄与する。
【００４７】
（ｉｉ）アノード極２で生成したＣＯ2ガス等の副生ガスは、発電により生じた熱を伴って気化燃料収容部９ａ内に到達し、続いて連通経路９ｂを通って、燃料電池セル外部に排出される。これにより、燃料電池セル内部に蓄積される熱量を大幅に低減することができるため、セル内燃料流路１０ａを含めて燃料電池セル全体としての過度の温度上昇を抑制することができる。このこともまた、電池内部温度の暴走および内圧上昇の抑制に寄与する。特に、気化燃料板９に連通経路９ｂ（副生ガスの排出口）を設けていることにより、セル内燃料流路１０ａへの熱の伝達が起こりにくく、したがってセル内燃料流路１０ａ内の液体燃料の過度の温度上昇ならびに、これに伴うクロスオーバーおよび温度暴走がより生じにくい。
【００４８】
（ｉｉｉ）連通経路９ｂより副生ガスを良好に排出することができるため、副生ガスの排出不良による燃料供給阻害を抑制することができ、アノード極２への燃料供給を良好に行なうことができる。これにより、安定した発電特性を得ることができる。また、連通経路９ｂより副生ガスを良好に排出することができるため、副生ガスのセル内燃料流路１０ａ内への侵入を抑制することができる。これにより、アノード極２に対して、十分な量の気化燃料を安定して供給することができるようになるため、燃料電池の出力安定性を向上させることができる。
【００４９】
気化燃料板９の厚みは、たとえば、１００〜１０００μｍ程度とすることができ、１００〜３００μｍ程度まで薄くした場合であっても、上記のような効果を十分に得ることができる。
【００５０】
気化燃料板９が有する貫通口（気化燃料収容部９ａ）は、発電部とセル内燃料流路１０ａとの間の断熱性の観点から、図１６に示されるように、気化燃料板９の面積に対する開口率をできるだけ大きくすることが好ましく、したがって気化燃料板９はできるだけ大きな貫通口を有する枠形状（ロの字状）を有することが好ましい。
【００５１】
貫通口の開口率、すなわち、気化燃料板９の面積に対する貫通口の開口面積（後述するように、気化燃料板９は２以上の貫通口を有していてもよく、その場合にはそれらの開口面積の合計）の割合は、好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上である。貫通口の開口率を大きくすることは、気化燃料収容部９ａの、アノード極２に供給される燃料濃度を均一化する機能を高める上でも有利であり、アノード極２への十分な燃料供給を確保する上でも有利である。なお、貫通口の開口率は、通常、９０％以下である。
【００５２】
連通経路９ｂは、気化燃料板９の周縁部に設けられる溝（凹部）に限定されるものではなく、厚み方向に貫通する貫通穴であってもよいが、強度の観点から、溝（凹部）からなることが好ましい。気化燃料板９の強度の観点から、連通経路９ｂの深さは気化燃料板９の厚みの７５％程度までとすることが好ましい。
【００５３】
図１７（ａ）は気化燃料板の他の例を示す概略上面図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）に示されるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線における概略断面図である。図１７に示されるように、気化燃料板は２以上の貫通口を有していてもよい。図１７に示される気化燃料板９９は、縦横２列に配列された合計４つの貫通口９９ａを有する。これは、大きな貫通口の縦方向および横方向に梁を設け、４つに分割したものということもできる。このような複数の貫通口を有する（梁を設けた）気化燃料板は、面内方向の剛性が向上するため、衝撃等に対する強度に優れる燃料電池が得られる点において有利である。また、図１６に示されるような梁を設けない構造と比較して、気化燃料板の上下に配置される部材の熱などに起因する膨張等による貫通口の閉塞がより生じにくい点においても有利である。
【００５４】
気化燃料板が２以上の貫通口を有する場合、その周縁部に設けられる連通経路は、貫通口ごとに、貫通口の数と同じ数だけ設けてもよいし、貫通口の数より少ない、もしくは多い数の連通経路を設けることもできる。図１７の例においては、４つの貫通口９９ａに対して２つの連通経路９９ｂが設けられている。このように、貫通口ごとに連通経路を設けなくてもよいが、その場合には、図１７に示されるように、連通経路９９ｂが設けられていない貫通口（図１７（ａ）における下２つの貫通口９９ａ）は、接続経路９９ｃによって、連通経路９９ｂが設けられた貫通口（図１７（ａ）における上２つの貫通口９９ａ）に空間的に接続される。接続経路９９ｃは、連通経路９９ｂと同様、貫通口間の梁に設けられた溝（凹部）であることができる（図１７（ｂ）参照）。接続経路９９ｃを設けることにより、連通経路９９ｂが設けられていない貫通口内に入った副生ガスを、連通経路９９ｂを通して外部に排出することができる。
【００５５】
気化燃料板の貫通口（気化燃料収容部）に到達した副生ガスの外部への排出効率を向上させるために、あるいは、気化燃料板の、アノード極２に供給される燃料の濃度を均一化する機能を高めるために、連通経路９９ｂが設けられた貫通口同士および／または連通経路９９ｂが設けられていない貫通口同士を空間的に接続する接続経路９９ｄを設けることも好ましい（図１７（ａ）参照）。
【００５６】
連通経路の断面積（２以上の連通経路を有する場合にはこれらの断面積の合計）Ｓ1と、気化燃料板の側面の合計面積Ｓ0との比Ｓ1／Ｓ0は、副生ガスおよびこれに伴う熱の排出を行なうために０より大きくすることが必要であり、好ましくは０．００２以上である。また、好ましくは０．３未満、より好ましくは０．１未満、さらに好ましくは０．０５未満である。当該比が０．３以上になると、燃料の漏洩や空気の混入が起こりやすくなり、発電の安定性が低下するおそれがある。
【００５７】
連通経路のすべてを燃料分配部１５０が結合される燃料電池側面に対向する側面に設ける場合など、気化燃料板が有する４つの周縁部のうち、いずれか１つの周縁部にのみ１または２以上の連通経路を設ける場合において、連通経路の断面積（２以上の連通経路を有する場合にはこれらの断面積の合計）Ｓ1と、連通経路が設けられる周縁部における側面の断面積Ｓ2との比Ｓ1／Ｓ2は、上記と同様の理由から、好ましくは０．００８以上である。
【００５８】
気化燃料板の材質は、プラスチック、金属または非多孔質性のカーボン材料などであることができる。プラスチックとしては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金を用いることができる。
【００５９】
上記のなかでも、気化燃料板は、金属、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）またはポリイミド（ＰＩ）などの剛性が大きい材質からなることが好ましい。剛性が大きい気化燃料板を用いると、ホットプレス（熱圧着）により気化燃料板とこれに隣接する部材との接合が可能になるため、燃料電池の厚みや発電特性のばらつきを低減することができる。また、ホットプレス時において、連通経路の閉塞を有効に防止することができる。
【００６０】
なお、気化燃料板は省略されてもよいが、上述の効果を得るために気化燃料板を設置することが好ましい。
【００６１】
〔気液分離層〕
膜電極複合体４と流路板１０との間であって、後述する介在層１１のアノード極２側表面上に配置される気液分離層１２は、気化燃料透過性（液体燃料の気化成分を透過できる性質）かつ液体燃料不透過性の疎水性を有する多孔質層であり、アノード極２への燃料の気化供給を可能とする気液分離能を有する層である。気液分離層１２は、アノード極２へ供給される気化燃料の量または濃度を適切量に制御（制限）するとともに、均一化する機能をも有する。気液分離層１２を設けることにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、発電部に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。
【００６２】
気液分離層１２としては、使用する燃料に関して気液分離能を有するものであれば特に制限されないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔質膜または多孔質シートを挙げることができ、具体的には、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルムである日東電工（株）製テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕の「ＮＴＦ２０２６Ａ−Ｎ０６」や「ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」が例示できる。
【００６３】
気化燃料透過性および液体燃料不透過性を付与する観点から、気液分離層１２が有する細孔の最大細孔径は、０．１〜１０μｍであることが好ましく、０．５〜５μｍであることがより好ましい。最大細孔径は、後述する介在層１１と同様、メタノール等を用いてバブルポイントを測定することにより求めることができる。気液分離層１２は、後述する水に対する接触角が、通常８０度以上であり、より典型的には９０度以上である。
【００６４】
気液分離層１２の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、気液分離層１２の厚みは５００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以下であることがより好ましい。
【００６５】
〔介在層〕
流路板１０のアノード極２側表面（したがってセル内燃料流路１０ａを形成する溝（凹部））を覆うように気液分離層１２と流路板１０との間に配置される介在層１１は、水に対する接触角が７０度未満の親水性を有する層であることが好ましい。このような層を、セル内燃料流路１０ａを覆うように配置することによって、液体燃料は、介在層１１が有する親水性に基づいてセル内燃料流路１０ａ内に引き込まれるため、セル内燃料流路１０ａの内部における液体燃料の圧力損失を低減させることができる。これによりセル内燃料流路１０ａへの燃料供給効率および流路板１０面内における液体燃料の拡散性、ひいてはアノード極２への気化燃料の供給効率およびアノード極２面内での燃料供給の均一性をより向上させることができる。介在層１１の水に対する接触角は、ＪＩＳ Ｒ ３２５７（基板ガラス表面のぬれ性試験）に準拠して測定される。
【００６６】
介在層１１は、液体燃料に対して毛細管作用を示すことが好ましく、セル内燃料流路１０ａ内液体燃料の圧力損失をより効果的に低減できるよう、比較的大きな毛細管力を有することがより好ましい。このような観点から、介在層１１は細孔を有することが好ましく、その最大細孔径は、１μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍ以下であることがより好ましい。最大細孔径は、後述するバブルポイントを測定することで得られるが、それ以外の手法としては水銀圧入法によって測定することができる。ただし、水銀圧入法では０．００５μｍ〜５００μｍの細孔分布しか測定できないため、この範囲外の細孔は存在しない、もしくは無視できる場合に有効な測定手段である。
【００６７】
介在層１１は、特に制限されないが、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが、たとえば５ｋＰａ以上程度であることができる。より高い毛細管力を付与する場合には、バブルポイントは高いことが好ましい。このような観点から、バブルポイントは３０ｋＰａ以上であってよく、さらには５０ｋＰａ以上であってよい。
【００６８】
一方で、発電中にセル内燃料流路１０ａまたはセル外燃料流路中の液体燃料内に生じた気泡を介在層１１および気液分離層１２を介して気化燃料収容部９ａ側に逃がし、燃料電池セル外に排出できるようにすることを考慮した実施形態においては、介在層１１のバブルポイントは低いことが好ましい。このような実施形態においては、主に介在層１１の親水性（表面の濡れ性）が、セル内燃料流路１０ａの内部における液体燃料の圧力損失の低減に寄与する。
【００６９】
また、介在層１１の設置は、介在層１１内に液体燃料を保持できることにより、アノード極２で発生した副生ガスのセル内燃料流路１０ａ内への侵入を効果的に防止することができるという点でも有利である。また、アノード極２で発生した副生ガスがセル内燃料流路１０ａ内へ浸入することを防止できることは、副生ガスの燃料電池外部への排出ルートが、気化燃料板の連通経路からの排出ルートに絞られることを意味しており、したがって、連通経路からの副生ガスの排出およびこれに伴う熱の排出を促進させることができるとともに、セル内燃料流路１０ａへの熱の伝達をより効果的に抑制することができる。これにより、セル内燃料流路１０ａを含めて燃料電池全体としての過度の温度上昇ならびに、これに伴うクロスオーバーおよび温度暴走をより効果的に抑制することが可能になる。
【００７０】
バブルポイントとは、液媒体で濡らした層（膜）の裏側から空気圧をかけたときに、層（膜）の表面に気泡の発生が認められる最小圧力である。バブルポイントΔＰは、下記式（１）：
ΔＰ［Ｐａ］＝４γｃｏｓθ／ｄ （１）
（γは測定媒体の表面張力［Ｎ／ｍ］、θは層（膜）の素材と測定媒体との接触角、ｄは層（膜）が有する最大細孔径である。）
によって定義される。本発明においてバブルポイントは、測定媒体をメタノールとし、ＪＩＳ Ｋ ３８３２に準拠して測定される。
【００７１】
介在層１１としては、たとえば、高分子材料、金属材料または無機材料などからなる多孔質層や、高分子膜を挙げることができ、具体例を示せば以下のとおりである。
【００７２】
１）次の材料からなる多孔質層。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；アクリル系樹脂；ＡＢＳ樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；セルロースアセテート、ニトロセルロース、イオン交換セルロース等のセルロース系樹脂；ナイロン；ポリカーボネート系樹脂；ポリ塩化ビニル等の塩素系樹脂；ポリエーテルエーテルケトン；ポリエーテルスルホン；ガラス；セラミックス；ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチール等の金属材料。多孔質層は、これらの材料からなる発泡体、焼結体、不織布または繊維（ガラス繊維等）などであることができる。
【００７３】
２）次の材料からなる高分子膜。パーフルオロスルホン酸系重合体；スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系重合体などの電解質膜材料として用いることができるもの。これらの高分子膜は、３次元的に絡み合う高分子間の隙間として、ナノオーダーの細孔を有している。
【００７４】
以上に掲げた材料のうち、疎水性材料を基材として用いる場合には、親水性官能基を導入するなどの方法により親水化処理を施し、細孔表面の水に対する濡れ性を高めることにより、接触角を７０度未満に調整することができる。
【００７５】
介在層１１の厚みは特に制限されないが、燃料電池の薄型化の観点から、好ましくは２０〜５００μｍであり、より好ましくは５０〜２００μｍである。
【００７６】
本発明の燃料電池を構成する燃料電池セル１０１は、介在層１１を有していなくてもよい。この場合、セル内燃料流路１０ａを覆うように流路板１０のアノード極２側表面上に直接、気液分離層１２が積層される。この構成によれば、発電時の温度上昇により液体燃料中の溶存気体から気泡が生じても、これを気化燃料収容部９ａ側へ押し出すことができるため、当該気泡によるセル内燃料流路１０ａの閉塞を防止することができる。一方、介在層１１を設ける場合には、上記のように比較的バブルポイントの低いものを用いるか、上記気泡を排出させるための経路を燃料電池セル内に設けることが好ましい（たとえば、セル内燃料流路１０ａ末端と燃料電池セル外とを連通する経路など）。
【００７７】
〔第２介在層〕
燃料電池セル１０１が介在層１１を備える場合において、介在層１１（以下、第１介在層１１とも称する）と気液分離層１２との間に第２介在層１３を介在させてもよい。図１８に第２介在層１３を備える燃料電池セルの一例を示す。図１８に示される燃料電池セル２０１は、第１介在層１１と気液分離層１２との間に第２介在層１３を有すること以外は図２に示される燃料電池セル１０１と同様である。図１９は、燃料電池セル２０１で使用されている第２介在層１３を示す概略上面図である。
【００７８】
第２介在層１３は、液体燃料が透過可能な厚み方向に貫通する貫通孔を有する層であり、少なくとも第１介在層１１と気液分離層１２とを密着性良く面接合する役割を担い、好ましくは気液分離層１２側への液体燃料透過量を調整（制限）する機能を有する。第２介在層１３としては、たとえば図１９に示されるような、厚み方向に貫通する貫通孔を有する非多孔性シート（フィルム）を用いることができ、その材料としては熱可塑性樹脂が好ましく例示できる。これを用いて、第１介在層／第２介在層／気液分離層からなる積層体を熱圧着することにより、各層間を密着性良く面接合することができる。第２介在層１３として、厚み方向に貫通する貫通孔を有し、面接合が可能な非多孔性シートを有する燃料電池セルは、以下の点において有利である。
【００７９】
（ｉ）第２介在層１３を介して第１介在層１１と気液分離層１２とを密着性良く接合することができるため、第１介在層１１と気液分離層１２との間に副生ガスが滞留することがなく、気液分離層１２面内における気化燃料透過量のバラツキを抑制することができ、これによりアノード極２に対して均一な燃料供給を行なうことができる。
【００８０】
（ｉｉ）第２介在層１３に形成される貫通孔の数や開孔径により、気液分離層１２側への液体燃料透過量、ひいてはアノード極２への気化燃料供給量を適切な量に調整（制限）することができる。これにより、燃料のクロスオーバーの防止または抑制、および燃料供給の安定化を図ることができる。貫通孔の数は特に制限されないが、複数個存在することが好ましく、気液分離層１２面内における気化燃料透過量を均一化する観点から、貫通孔を第２介在層１３面内において均一に分布させることが好ましい。貫通孔の開孔径（直径）は、たとえば、０．１〜５ｍｍ程度とすることができる。
【００８１】
上述の熱可塑性樹脂シートのほか、第２介在層１３は、たとえば次のものから形成されるものであってもよい。
【００８２】
１）接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層、たとえば、ホットメルト系接着剤や硬化型接着剤などの接着剤から形成される多孔質層。当該接着剤を用いる場合、第２介在層１３は、接着剤層、すなわち、当該接着剤またはその硬化物からなる多孔質層である。気液分離層１２側への液体燃料透過量は、多孔質層が有する細孔によって調整（制限）される。
【００８３】
２）厚み方向に貫通する貫通孔を有する、好ましくは非多孔性の金属板を含むもの。この場合、金属板の両面には、第１介在層１１および気液分離層１２との良好な密着性を確保するために、接着剤層が形成され、したがって、第２介在層１３は、接着剤層／金属板／接着剤層の３層構造となる。接着剤層は、接着剤またはその硬化物からなる多孔質層である。接着剤は、ホットメルト系接着剤や硬化型接着剤などであることができる。気液分離層１２側への液体燃料透過量は、熱可塑性樹脂シートの場合と同様、金属板に形成される貫通孔の数や開孔径により調整（制御）できる。接着剤層は貫通孔を塞がないように形成されることが好ましい。
【００８４】
〔カソード保湿層およびアノード保湿層〕
カソード保湿層８は、カソード極３上、好ましくはカソード集電層６上に配置される、カソード極３で発生した水が、カソード極３側から燃料電池セル外に蒸散することを防止するための任意で設けられる層である。カソード保湿層８を設けることにより、カソード極３で生じた水を燃料電池セル外部に蒸散させることなく、効率的に電解質膜１を介してアノード極２に戻し、アノード極２での反応に有効利用させることができる。
【００８５】
アノード保湿層７は、アノード極２またはアノード集電層５と気化燃料収容部９ａとの間に配置される、アノード極２内の水分が、アノード極２側から膜電極複合体外に（たとえば気化燃料収容部９ａへ）蒸散することを防止し、アノード極２内に保持させるための任意で設けられる層である。アノード保湿層７を設けることにより、カソード極３で発生し、電解質膜１を介してアノード極２に到達した水を膜電極複合体外に蒸散させることなくアノード極２内に良好に保持することができる。これにより当該水がアノード極２での反応に有効に利用されるため、アノード極２での反応効率が向上し、高い発電特性を安定して発揮することができる。とりわけ、カソード保湿層８との併用により、当該効果をより効果的に得ることができる。
【００８６】
また、カソード保湿層８およびアノード保湿層７の設置は、電解質膜１の乾燥、ならびにこれに伴うセル抵抗の増大および発電特性の低下を防止するうえでも有効である。
【００８７】
カソード保湿層８およびアノード保湿層７は、気化燃料または燃料電池外部からの酸化剤（空気など）等を透過できるよう気体透過性であり、水に対して不溶性であって、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有する材料から構成される。具体的には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；アクリル系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；ポリウレタン系樹脂；ポリアミド系樹脂；ポリアセタール系樹脂；ポリカーボネート系樹脂；ポリ塩化ビニル等の塩素系樹脂；ポリエーテル系樹脂；ポリフェニレン系樹脂；撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔性膜（多孔質層）であることができる。これらの保湿層は、上記高分子からなる発泡体、繊維束、織繊維、不織繊維、あるいはこれらの組み合わせなどであることができる。
【００８８】
カソード保湿層８は、燃料電池外部からの酸化剤（空気など）を透過できるよう気体透過性であり、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有していることが望まれることから、その気孔率は、３０％以上９０％以下であることが好ましく、５０％以上８０％以下であることがより好ましい。気孔率が９０％を超える場合、カソード極３で発生した水を燃料電池セル内に保持することが困難となり得る。一方、気孔率が３０％未満である場合、燃料電池外部からの酸化剤（空気など）の拡散が阻害され、カソード極３における発電特性が低下しやすい。
【００８９】
アノード保湿層７は、気化燃料および触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）などを透過できるような気体透過性であり、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有していることが望まれることから、その気孔率は、５０％以上９０％以下であることが好ましく、６０％以上８０％以下であることがより好ましい。気孔率が９０％を超える場合、カソード極３で発生し、電解質膜１を介してアノード極２に到達した水を膜電極複合体内に保持することが困難となり得る。一方、気孔率が５０％未満である場合、気化燃料および触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）などの拡散が阻害され、アノード極２における発電特性が低下しやすい。
【００９０】
カソード保湿層８およびアノード保湿層７の気孔率は、当該保湿層の容積と重量を測定し、当該保湿層の比重を求め、これと素材の比重より、下記式（２）：
気孔率（％）＝〔１−（保湿層の比重／素材比重）〕×１００ （２）
により算出することができる。
【００９１】
カソード保湿層８およびアノード保湿層７の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、５００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以下であることがより好ましい。
【００９２】
カソード保湿層８およびアノード保湿層７は、それ自身が高い吸水性を有して、一旦吸収した液状の水を取り込んで外部に放出しないような性質を有しないことが望まれることから、撥水性を有することが好ましい。このような観点から、カソード保湿層８およびアノード保湿層７は、上記の中でも、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔性膜（多孔質層）であることが好ましい。具体的には、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルムである日東電工（株）製テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕の「ＮＴＦ２０２６Ａ−Ｎ０６」や「ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」が例示できる。
【００９３】
アノード保湿層７は、アノード極２上にアノード集電層５を配置し、このアノード集電層５に接するようにアノード集電層５上に積層されることが好ましい。これにより、アノード極２内の水分が膜電極複合体外に蒸散されることをより効果的に防止することができる。
【００９４】
なお、カソード保湿層８およびアノード保湿層７は必要に応じて設けられるものであり、これらの少なくともいずれか一方を省略してもよい。
【００９５】
（２）燃料分配部
燃料分配部１５０は、導入口１５１を通して導入された液体燃料を各燃料電池セルに分配するための、燃料電池セル１０１とは独立した部材であり、その内部に、セル内燃料流路１０ａのそれぞれに接続されるセル外燃料流路１５５を有する。このように、アノード極の直下領域に液体燃料を行き渡らせる燃料流路（セル内燃料流路）を燃料電池セルの一部として燃料電池セル内に組み込む一方で、各燃料電池セルに液体燃料を分配するための燃料流路（セル外燃料流路）を、燃料電池セルとは独立した部材で形成することにより、燃料電池セルのモジュール化を図ることができる。
【００９６】
セル外燃料流路１５５は、たとえば図３に示されるように、たとえば上面などに設けられた導入口１５１と接続された幹流路１５２、および、幹流路１５２と各セル内燃料流路とを接続する枝流路１５３から構成することができる。燃料分配部１５０は、導入口１５１を１つのみ有していてもよいし、２以上有していてもよい。また、燃料分配部１５０は、タンク様の中空部材であって、たとえば上面などに導入口１５１が設けられ、燃料電池セルと結合される側面に各セル内燃料流路と連結される貫通孔を設けたものであってもよい（中空部分が幹流路、貫通孔が枝流路に相当する）。
【００９７】
燃料分配部１５０の外形形状は特に制限されず、適用する電子機器が有する燃料電池収容スペースの形状や面積、モジュール（燃料電池セル）の数や配列形態などを考慮して適宜の形状とされる。燃料分配部１５０は、各種プラスチック材料、金属材料、合金材料などから構成することができる。
【００９８】
導入口１５１には、通常、流路を介して液体燃料を貯蔵する燃料タンク（図示せず）が接続される。燃料タンクからのセル外燃料流路およびセル内燃料流路への燃料供給は、通常、送液ポンプを用いて行なうが、送液ポンプ等の補機を用いないパッシブ供給であってもよい。
【００９９】
（３）燃料電池セルと燃料分配部との結合
たとえば図１〜４に示される実施形態のように、セル内燃料流路１０ａの入口端部のすべてをライン状の燃料電池集合体１１０における同一の側面Ｘに配置するとともに、燃料分配部１５０が有するセル外燃料流路１５５の出口端部のすべてを燃料分配部１５０の同一の側面Ｙに配置して、燃料分配部１５０を側面Ｘと側面Ｙとが対向するようにライン状の燃料電池集合体の側方に配置する場合、必要に応じてセル内燃料流路１０ａとセル外燃料流路１５５との接続部分にパッキンなど（両面テープ等でもよい）を挟み、ネジ締結などを利用することにより燃料電池セルと燃料分配部とを結合させることができる。
【０１００】
また、図８に示されるような燃料板１０を用いる場合には、燃料分配部１５０におけるセル外燃料流路１５５の出口端部が配置される部分に、燃料板１０におけるセル内燃料流路１０ａの入口端部が配置される部分を、必要に応じてセル内燃料流路１０ａとセル外燃料流路１５５との接続部分にパッキンなど（両面テープ等でもよい）を介して重ね合わせ、ネジ締結などを利用することにより燃料電池セルと燃料分配部とを結合させることができる。
【０１０１】
（４）燃料電池のタイプ
本発明の燃料電池は、固体高分子型燃料電池またダイレクトアルコール型燃料電池などであることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池（とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池）として好適である。本発明の燃料電池において使用することのできる液体燃料としては、たとえば、メタノール、エタノールなどのアルコール類；ジメトキシメタンなどのアセタール類；ギ酸などのカルボン酸類；ギ酸メチルなどのエステル類；ならびにこれらの水溶液を挙げることができる。液体燃料は１種に限定されず、２種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さなどの点から、メタノール水溶液または純メタノールが好ましく用いられる。また、カソード極に供給される酸化剤ガスとしては、空気または酸素ガスが好適であり、特に空気が好ましい。
【０１０２】
本発明の燃料電池は、電子機器、特には、携帯電話、電子手帳、ノート型パソコンに代表される携帯機器などの小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。
【実施例】
【０１０３】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１０４】
＜実施例１＞
以下の手順で、図２０に示される構成の燃料電池を作製した。図２０は図３と同様の概略断面図であり、セル外燃料流路およびセル内燃料流路の形状を示したものである。本実施例で作製した平面集積型燃料電池は、ライン状に配列された４つの燃料電池セルからなるセル列を２つ含むこと以外は図５に示される燃料電池と同様である。これらのセル列は、燃料分配部１５０の対向する２つの側面にそれぞれ結合されている。２つのセル列のセル内燃料流路に接続できるよう、セル外燃料流路１５５は、幹流路１５２から当該両側面に延びる枝流路１５３を有している。本実施例で用いた燃料電池セル１０１のセル構造は、図２に示される構造と同様である。
【０１０５】
（１）膜電極複合体の作製
Ｐｔ担持量３２．５重量％、Ｒｕ担持量１６．９重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、電解質である２０重量％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、ｎ−プロパノールと、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でフッ素系樹脂製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、アノード極用の触媒ペーストを作製した。また、Ｐｔ担持量４６．８重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いること以外はアノード極用の触媒ペーストと同様にして、カソード極用の触媒ペーストを作製した。
【０１０６】
ついで、片面に撥水性を有する多孔質層が形成されたカーボンペーパー（２５ＢＣ、ＳＧＬ社製）を縦３５ｍｍ、横４０ｍｍに切断した後、その多孔質層上に、上記のアノード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約３ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦３０ｍｍ、横３５ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、アノード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にアノード触媒層が形成された、厚み約２００μｍのアノード極２を作製した。また、同じサイズのカーボンペーパーの多孔質層上に、上記のカソード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約１ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦３０ｍｍ、横３５ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、カソード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にカソード触媒層が形成された、厚み約７０μｍのカソード極３を作製した。
【０１０７】
次に、厚み約１７５μｍのパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜（ナフィオン（登録商標）１１７、デュポン社製）を縦３５ｍｍ、横４０ｍｍに切断して電解質膜１とし、上記アノード極２と電解質膜１と上記カソード極３をこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜１に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、２分間の熱圧着を行ない、アノード極２およびカソード極３を電解質膜１に接合した。上記重ね合わせは、アノード極２とカソード極３の電解質膜１の面内における位置が一致するように、かつアノード極２と電解質膜１とカソード極３の中心が一致するように行なった。ついで、得られた積層体の外周部を切断することにより、縦２２ｍｍ、横２６ｍｍの膜電極複合体（ＭＥＡ）４を作製した。
【０１０８】
（２）集電層の積層
縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．１ｍｍのステンレス板（ＮＳＳ４４５Ｍ２、日新製鋼社製）を用意し、この中央領域に、開孔径φ０．６ｍｍである複数の開孔（開孔パターン：千鳥６０°ピッチ０．８ｍｍ）を、フォトレジストマスクを用いたウェットエッチングにて両面から加工することにより、厚み方向に貫通する貫通孔を複数備えるステンレス板を２枚作製し、これらをアノード集電層５およびカソード集電層６とした。
【０１０９】
次に、上記アノード集電層５をアノード極２上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層するとともに、カソード集電層６をカソード極３上に、同じ導電性接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合して、ＭＥＡ−集電層積層体を作製した。
【０１１０】
（３）保湿層の接合
アノード保湿層７およびカソード保湿層８として、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」、縦２２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．２ｍｍ、気孔率７５％）を２枚用意した。これらの保湿層をＭＥＡ−集電層積層体のアノード集電層５およびカソード集電層６上に、ポリオレフィンからなる接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合した。これらの保湿層は、ＭＥＡの直上または直下に配置されるように接合した。
【０１１１】
（４）介在層と気液分離層との接合
介在層１１として、縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．１ｍｍのポリフッ化ビニリデンからなる多孔質フィルム（ＭＩＬＬＩＰＯＲＥ製のデュラポアメンブレンフィルター）を用いた。この多孔質フィルムの水に対する接触角は７０度未満であった。また、この多孔質フィルムが有する細孔の最大細孔径は０．１μｍであり、またＪＩＳ Ｋ ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、１１５ｋＰａであった。
【０１１２】
また、気液分離層１２として、縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．２ｍｍのポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」）を用いた。この多孔質フィルムの水に対する接触角は１２０度程度であった。この多孔質フィルムのＪＩＳ Ｋ ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、１８ｋＰａであった。
【０１１３】
上記介在層１１上に気液分離層１２を積層し、すべての側面の層境界部を接着剤で接合した。
【０１１４】
（５）気化燃料板の接合
エッチング加工により、図１７に示される形状を有する縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．２ｍｍのＳＵＳ製の気化燃料板９９を作製した（連通経路９９ｂおよび接続経路９９ｃ，９９ｄはすべて溝（凹部）からなる）。貫通口９９ａの開口率は、４個の合計で６３％であり、連通経路９９ｂの断面積の２個の合計と気化燃料板側面の合計面積との比は０．０４である。気化燃料板９９の溝形成面とは反対側の面に上記の介在層１１と気液分離層１２との接合体を、その気液分離層１２側が気化燃料板９９に対向するように積層し、熱圧着によりこれらを接合した。
【０１１５】
（６）流路板の接合
図２０に示したような流路パターンを有するセル内燃料流路１０ａ（流路幅１．５ｍｍ、深さ０．４ｍｍ）を備えた縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．６ｍｍのＳＵＳ製の流路板１０を用意した。気化燃料板９９／気液分離層１２／介在層１１の接合体の介在層１１上にポリオレフィン系接着剤を介して流路板１０を積層した後、熱圧着を行なうことにより、該接合体と流路板１０とを接合した。
【０１１６】
（７）燃料電池セルの作製
気化燃料板９９上に、上で作製した保湿層を有するＭＥＡ−集電層積層体を積層し、熱圧着によりこれらを接合した。最後に、端面にエポキシ樹脂を塗布し硬化させることにより封止層を形成して燃料電池セル１０１を得た。合計８つの燃料電池セル１０１を作製した。
【０１１７】
（８）燃料分配部の作製
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）からなる、図２１に示すような外形形状を有し（外形縦５６ｍｍ、横１１０ｍｍ、高さ５０ｍｍ）、中央の凸部に図２０に示すようなパターンのセル外燃料流路１５５が形成された燃料分配部１５０を作製した。凸部上面の長手方向中央部に導入口１５１が形成されている。導入口１５１は、セル外燃料流路１５５の幹流路１５２に連通する貫通口である。
【０１１８】
（９）平面集積型燃料電池の作製
図２０に示すように、８つの燃料電池セル１０１と燃料分配部１５０とを結合し（ネジ孔が合致するように）、平面集積型燃料電池を作製した。結合は、セル内燃料流路とセル外燃料流路との接続部での液漏れを防止するため、燃料電池セル−燃料分配部間に両面テープを配置し、さらにネジにて締結することにより行なった（図２０中の○はネジ孔を示している）。
【０１１９】
（燃料電池の発電特性評価）
メタノール濃度２０Ｍのメタノール水溶液を燃料とし、送液ポンプを用いて導入口１５１からセル外燃料流路１５５、さらにセル内燃料流路に燃料供給を行なって燃料電池を発電させ、発電開始後２０００秒までの出力電圧の変化を測定した。結果を図２２に示す。取り出し電流値は、発電開始から段階的に大きくしていき、発電開始後約２５０秒〜発電開始後約１７５０秒において、０．３Ａの定電流とした。結果を図２２に示す。図２２に示されるとおり、出力電圧は、０．３Ａの定電流稼動時において３Ｖ以上の値で安定しており、良好な発電特性を有することが確認された。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 電解質膜、２ アノード極、３ カソード極、４ 膜電極複合体、５ アノード集電層、６ カソード集電層、７ アノード保湿層、８ カソード保湿層、９，９９ 気化燃料板、９ａ，９９ａ 気化燃料収容部（貫通口）、９ｂ，９９ｂ 連通経路、１０ 流路板、１０ａ セル内燃料流路、１１ 介在層（第１介在層）、１２ 気液分離層、１３ 第２介在層、９９ｃ，９９ｄ 接続経路、１００ 燃料電池、１０１，２０１ 燃料電池セル、１１０ 燃料電池セル集合体、１５０ 燃料分配部、１５１ 導入口、１５２ 幹流路、１５３ 枝流路、１５５ セル外燃料流路。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の燃料電池セルを同一平面上に配置した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、情報化社会を支える携帯用電子機器の新規電源として実用化の期待が高まっている。燃料電池は、使用する電解質材料や燃料の分類から、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型、ダイレクトアルコール型等に分類される。特に、電解質材料に固体高分子であるイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池およびダイレクトアルコール型燃料電池は、常温で高い発電効率が得られることから、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての実用化が検討されている。
【０００３】
燃料としてアルコールまたはアルコール水溶液を使用するダイレクトアルコール型燃料電池は、燃料がガスである場合と比較して、燃料貯蔵室を比較的簡易に設計できるなどの理由から、燃料電池の構造の簡略化、省スペース化が可能であり、携帯用電子機器への応用を目的とした小型燃料電池としての期待が特に高い。
【０００４】
燃料電池においては、１つの燃料電池セルでは不十分である電力を、携帯用電子機器の新規電源として十分な程度にまで高めるために、複数の燃料電池セルを電気的に接続して組み合わせる（スタック化するなど）ことが従来行なわれている。その一例が、たとえば特許文献１および２に記載されるような、複数の燃料電池セルを同一平面上に配置した燃料電池（以下、「平面集積型燃料電池」ともいう。）である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−７９５０６号公報
【特許文献２】特開２００６−９３１１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
携帯用電子機器等の電子機器用の電源として平面集積型燃料電池を適用することを想定した場合、適用され得る様々な電子機器における限られた燃料電池収容スペースの形状や面積などに合わせて、平面集積型燃料電池構造の設計を柔軟に行なえることは極めて有意義である。これは、燃料電池の生産効率の向上（生産工程の簡略化）および生産コスト削減に大きく寄与するためである。
【０００７】
一般的に、上記特許文献１および２に記載されるような従来の平面集積型燃料電池は、複数の燃料電池セルが１つの燃料供給部を共有する構造を採っている。ここでいう燃料供給部とは、各燃料電池セルに供給される燃料を収容するかまたは流通させる部位をいい、特許文献１における液体燃料貯蔵部３や特許文献２におけるバイポーラープレート２０がこれに相当する。しかしこのような構造の場合、燃料電池収容スペースの形状や面積が異なる電子機器に適用するためには、燃料電池セルの集積形態を設計変更するだけでは足りず、燃料供給部全体およびこれに付随する系統を設計し直す必要が生じ、電子機器に合わせた燃料電池構造の設計変更が容易ではなく、燃料電池の生産効率および生産コストの面で不利であった。
【０００８】
そこで本発明の目的は、適用する電子機器に合わせて燃料電池構造の設計変更を容易に、柔軟に行なうことができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題の解決手段として本発明は、各燃料電池セル自体に燃料を流通させる燃料流路を付与することによってモジュール化が図られた燃料電池セルを用いた平面集積型燃料電池を提供するものである。すなわち、従来１つの部材で構築されていた燃料供給部を２つに分離し、一方の部分を、各燃料電池セルまで燃料を誘導（分配）するための燃料流路としての役割を担う燃料電池セルとは独立した部位（燃料分配部）として構築するとともに、他方の部分を、燃料電池セル面内で拡散流通させる役割を担う燃料流路として燃料電池セル内に組み込むことで燃料電池セルを、当該燃料流路を有するセルとしてモジュール化し、当該モジュール（燃料流路を有する燃料電池セル）と上記燃料分配部とを結合させることにより平面集積型燃料電池を構築する。
【００１０】
かかる平面集積型燃料電池によれば、モジュールを設計変更することなく、モジュールの数や配置パターンおよび必要に応じて燃料分配部のみを設計変更することによって、容易に燃料電池収容スペースの形状や面積が異なる電子機器に平面集積型燃料電池を適用することができる。
【００１１】
すなわち本発明は、アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で有する膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるためのセル内燃料流路がアノード極側表面に配された、アノード極側に配置される流路板を含む２以上の燃料電池セルを同一平面上に配置してなる燃料電池セル集合体と、セル内燃料流路のそれぞれに接続され、各燃料電池セルへの液体燃料の分配を行なうセル外燃料流路を有する燃料分配部とを備える燃料電池を提供する。
【００１２】
１つの実施形態において燃料分配部は、液体燃料を導入するための導入口を有しており、それが有するセル外燃料流路は、該導入口と接続される幹流路、および、該幹流路と各セル内燃料流路とを接続する枝流路から構成される。
【００１３】
１つの実施形態において燃料電池セル集合体は、ライン状に配列した２以上の燃料電池セルからなる。この場合、該２以上の燃料電池セルが有するセル内燃料流路のセル外燃料流路に接続される端部のすべてを燃料電池セル集合体の同一の側面に配置するとともに、燃料分配部が有するセル外燃料流路のセル内燃料流路に接続される端部のすべてを燃料分配部の同一の側面に配置し、燃料分配部を、燃料電池セル集合体の上記側面と燃料分配部の上記側面とが対向するように配置することが好ましい。また、該２以上の燃料電池セルが有するセル内燃料流路のセル外燃料流路に接続される端部のすべてを燃料板の同一の主面に配置するとともに、燃料分配部が有するセル外燃料流路のセル内燃料流路に接続される端部のすべてを燃料分配部の同一の面に配置し、燃料分配部を、そのセル外燃料流路の上記端部上にセル内燃料流路の上記端部が配置されるように、燃料板に部分的に積層して燃料電池を構築してもよい。
【００１４】
燃料電池セルは、膜電極複合体と流路板との間に配置され、液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層と、セル内燃料流路を覆うように気液分離層と流路板との間に配置され、水に対する接触角が７０度未満である介在層とをさらに備えるもの、または、セル内燃料流路を覆うように流路板におけるアノード極側表面上に配置され、液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層をさらに備えるものであることができる。
【００１５】
燃料電池セルは、アノード極上に積層されるアノード集電層と、カソード極上に積層されるカソード集電層とをさらに含むことができる。本発明の燃料電池は、たとえばダイレクトアルコール型燃料電池である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、適用する電子機器に合わせて燃料電池構造の設計変更を容易に、柔軟に行なうことができる燃料電池を提供することができる。本発明の燃料電池は、電子機器、とりわけ携帯電子機器用の電源として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る燃料電池の一例を示す概略上面図である。
【図２】図１に示されるＩＩ−ＩＩ線における概略断面図である。
【図３】図２に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面図である。
【図４】図１に示されるＩＶ−ＩＶ線における概略断面図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の他の一例を示す概略断面図である。
【図６】流路板の一例を示す概略上面図である。
【図７】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図８】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図９】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１０】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１１】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１２】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１３】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１４】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１５】流路板の他の一例を示す概略上面図である。
【図１６】気化燃料板の一例を示す概略上面図および概略断面図である。
【図１７】気化燃料板の他の例を示す概略上面図および概略断面図である。
【図１８】本発明に係る燃料電池に用いる燃料電池セルの他の一例を示す概略断面図である。
【図１９】図１０に示される燃料電池セルが備える第２介在層を示す概略上面図である。
【図２０】実施例１で作製した燃料電池を示す概略断面図である。
【図２１】実施例１で用いた燃料分配部を示す概略斜視図である。
【図２２】実施例１で作製した燃料電池における出力電圧の変化を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の燃料電池を実施の形態を示して詳細に説明する。
図１は本発明に係る燃料電池の一例を示す概略上面図であり、図２は図１に示されるＩＩ−ＩＩ線における概略断面図、図３は図２に示されるＩＩＩ−ＩＩＩ線における概略断面図である。また、図４は図１に示されるＩＶ−ＩＶ線における概略断面図である。
【００１９】
これらの図面に示される燃料電池１００は、同一平面上に配置された３つの燃料電池セル１０１を含む平面集積型燃料電池であり、具体的には、３つの燃料電池セル１０１をライン状に配列してなる燃料電池セル集合体１１０と、燃料電池セル集合体１１０の側面に隣接して配置された燃料分配部１５０とから構成される。燃料電池１００を構成する燃料電池セルは、電気的に直列接続または並列接続される。本発明において燃料電池セル集合体とは、燃料電池を構成するすべての燃料電池セルの総称である。
【００２０】
図２を参照して、燃料電池セル集合体１１０を構成する燃料電池セル１０１は、アノード極２、電解質膜１およびカソード極３をこの順で有する膜電極複合体４；アノード極２上に積層され、これに電気的に接続されたアノード集電層５；カソード極３上に積層され、これに電気的に接続されたカソード集電層６；アノード集電層５に接するようにアノード集電層５上に積層されるアノード保湿層７；カソード集電層６に接するようにカソード集電層６上に積層されるカソード保湿層８；アノード極２側（アノード極２の下方）に配置され、液体燃料を流通させる（燃料電池セル面内で拡散流通させる）ためのセル内燃料流路１０ａがアノード極２側表面に配された流路板１０；膜電極複合体４と流路板１０との間に配置され、液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層１２；気液分離層１２とアノード保湿層７との間に配置され、気化燃料収容部９ａを具備する気化燃料板９；および、セル内燃料流路１０ａを覆うように気液分離層１２と流路板１０との間に配置される介在層１１から構成されている。
【００２１】
このように燃料電池セル１０１は、燃料電池セル面内で拡散流通させる役割を担う燃料流路（セル内燃料流路１０ａ）が組み込まれたモジュールとして構成されている。当該モジュールを燃料分配部１５０と結合させることにより平面集積型の燃料電池１００が構築されている。
【００２２】
図３および図４を参照して、燃料分配部１５０は、導入口１５１を通して導入された液体燃料を各燃料電池セルに分配するための、燃料電池セル１０１とは独立した部材であり、その内部に、セル内燃料流路１０ａのそれぞれに接続されるセル外燃料流路１５５を有する。たとえば、セル外燃料流路１５５は、導入口１５１と接続された幹流路１５２、および、幹流路１５２と各セル内燃料流路１０ａとを接続する枝流路１５３から構成することができる。図１〜４に示される実施形態において燃料分配部１５０は、各燃料電池セル１０１が有するセル内燃料流路１０ａの入口端部（セル外燃料流路１５５に接続される端部）が配置された燃料電池セル集合体１１０側面に隣接して付設された略直方体形状の部材である。導入口１５１は、燃料分配部１５０の長手方向（燃料電池セルの配列方向と平行）に関しておよそ中央部に設けられている。
【００２３】
以上に示される実施形態に代表される本発明の燃料電池は、セル内燃料流路を有する燃料電池セルをモジュールとして使用したものであるので、モジュールの数や配置パターンおよび必要に応じて燃料分配部の形状等のみを設計変更することによって、容易に燃料電池収容スペースの形状や面積が異なる電子機器に適用することができる。このような燃料電池構造設計の柔軟性は、燃料電池の生産効率の向上（生産工程の簡略化）および生産コスト削減に極めて有効である。
【００２４】
燃料電池を構成する複数の燃料電池セルはどのような配置形態を採っていてもよいが、燃料電池面積の低減および燃料分配部との結合の容易さを考慮すると、図１〜４に示される実施形態のようにライン状に配列されることが好ましい。この際、燃料分配部との結合の容易さに鑑み、複数の燃料電池セルが有するセル内燃料流路の入口端部（セル外燃料流路に接続される端部）のすべてがライン状の燃料電池集合体の同一の外面に配置されるような配向で複数の燃料電池セルを配列することが好ましい。たとえば図１〜４に示される実施形態のように、セル内燃料流路の入口端部のすべてが燃料電池集合体の同一の側面Ｘに配置されるように複数の燃料電池セルを配列するとともに、燃料分配部が有するセル外燃料流路の出口端部（セル内燃料流路に接続される端部を意味し、図１〜４に示される実施形態においては枝流路１５３の出口端部）のすべてを燃料分配部の同一の側面Ｙに配置するようにし、燃料分配部を側面Ｘと側面Ｙとが対向するようにライン状の燃料電池集合体の側方に配置することができる。
【００２５】
燃料電池（燃料電池セル集合体）が有する燃料電池セルの数は２以上であれば特に制限されないが、好ましくは３以上である。図５は、燃料電池セル集合体１１０がライン状に配列された４つの燃料電池セルからなる形態を示す図３と同様の概略断面図である。燃料電池セル集合体１１０は、ライン状に配列された複数の燃料電池セルからなるセル列を２以上有していてもよい。たとえば、１つの燃料分配部の対向する２つの側面にそれぞれ上記セル列を結合させることが挙げられる。また、本発明の燃料電池は、２以上の燃料分配部を含むこともできる。１つの燃料電池セルと他の１つの燃料電池セルとの間に燃料分配部を介在させた形態も本発明に含まれる。
【００２６】
次に、本発明の燃料電池を構成する各部材等について詳細に説明する。
（１）燃料電池セル
〔電解質膜〕
膜電極複合体４を構成する電解質膜１は、アノード極２からカソード極３へプロトンを伝達する機能と、アノード極２とカソード極３との電気的絶縁性を保ち、短絡を防止する機能を有する。電解質膜の材質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、たとえば、パーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）、アシプレックス（登録商標、旭化成社製）、フレミオン（登録商標、旭硝子社製）などが挙げられる。また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系電解質膜などを用いることもできる。
【００２７】
無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどからなる膜が挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、パーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジット膜などが挙げられる。電解質膜１の厚みはたとえば１〜２００μｍである。
【００２８】
〔アノード極およびカソード極〕
電解質膜１の一方の表面に積層されるアノード極２および他方の表面に積層されるカソード極３にはそれぞれ、少なくとも触媒と電解質とを含有する多孔質層からなる触媒層が設けられる。アノード極２において触媒（アノード触媒）は、燃料からプロトンと電子とを生成する反応を触媒し、電解質は、生成したプロトンを電解質膜１へ伝導する機能を有する。カソード極３において触媒は、電解質を伝導してきたプロトンと酸化剤（空気など）から水を生成する反応を触媒する。
【００２９】
アノード極２およびカソード極３の触媒は、カーボンやチタン等の導電体の表面に担持されたものでもよく、なかでも、水酸基やカルボキシル基等の親水性官能基を有するカーボンやチタン等の導電体の表面に担持されていることが好ましい。これにより、アノード極２およびカソード極３の保水性を向上させることができる。保水性の向上により、プロトン移動に伴う電解質膜１の抵抗や、アノード極２およびカソード極３における電位分布を改善することができる。
【００３０】
アノード極２およびカソード極３はそれぞれ、触媒層上に積層されるアノード導電性多孔質層（アノードガス拡散層）、カソード導電性多孔質層（カソードガス拡散層）を備えていてもよい。これらの導電性多孔質層は、アノード極２、カソード極３に供給されるガス（気化燃料または酸化剤）を面内において拡散させる機能を有するとともに、触媒層と電子の授受を行なう機能を有する。アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層としては、比抵抗が小さく、電圧の低下が抑制されることから、カーボン材料；導電性高分子；Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；これらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などからなる多孔質材料を用いることが好ましい。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。より具体的には、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層として、たとえば、上記貴金属、遷移金属または合金からなる発泡金属、金属織物および金属焼結体；ならびにカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン粒子を含有するエポキシ樹脂膜などを好適に用いることができる。
【００３１】
〔アノード集電層およびカソード集電層〕
アノード集電層５、カソード集電層６はそれぞれ、アノード極２上、カソード極３上に積層される。アノード集電層５およびカソード集電層６はそれぞれ、アノード極２、カソード極３における電子を集電する機能と、電気的配線を行なう機能とを有する。集電層の材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下が抑制されることから、金属であることが好ましく、なかでも、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属であることがより好ましい。このような金属としては、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属；Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の遷移金属；およびこれらの金属の窒化物または炭化物等；ならびに、ステンレスに代表されるこれらの金属を含有する合金などが挙げられる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄなどの耐腐食性を有する貴金属、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等により表面処理（皮膜形成）を行なってもよい。なお、アノード導電性多孔質層およびカソード導電性多孔質層が、たとえば金属等からなり、導電性が比較的高い場合には、アノード集電層およびカソード集電層は省略されてもよい。
【００３２】
より具体的には、アノード集電層５は、気化燃料をアノード極２へ誘導するための厚み方向に貫通する貫通孔（開口）を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。この貫通孔は、アノード極２の触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）を気化燃料収容部９ａ側へ誘導するための経路としても機能する。同様に、カソード集電層６は、酸化剤（たとえば燃料電池外部の空気）をカソード極３の触媒層に供給するための厚み方向に貫通する貫通孔（開口）を複数備える、上記金属材料などからなるメッシュ形状またはパンチングメタル形状を有する平板であることができる。
【００３３】
〔流路板〕
図３を参照して、流路板１０は、液体燃料を流通させるためのセル内燃料流路１０ａがアノード極２側表面に形成された板状体であり、燃料電池のアノード極２側に配置される。セル内燃料流路１０ａは、たとえば上記板状体の一方の表面に形成された溝（凹部）からなることができる。セル内燃料流路１０ａの形状（パターン）は特に制限されず、アノード極２全面にできるだけ均一に気化燃料を供給できるよう、流路板表面のできるだけ広い範囲にわたって、均一に配置することが好ましい。
【００３４】
図６〜図１５に流路パターンの好ましい例を示す。図６〜図１５に示される流路板１０のセル内燃料流路１０ａ（斜線部）はいずれも溝（凹部）からなる。図６に示されるセル内燃料流路１０ａ（図３および図５に示したものと同じである）は、４箇所でセル外燃料流路と接続される（流路入口を４つ有している）。セル外燃料流路と接続される４つの流路は一旦一つの流路に集約され、この流路から５本の流路が枝状に等間隔を置いて延びている。このような流路構造は、セル外燃料流路と接続されるいずれかの接続箇所からの液体燃料の流入が気泡混入などにより困難な場合であっても、他の接続箇所から流入した液体燃料をセル内燃料流路１０ａ全体に行き渡らせることができる点で有利である。なお、図６の燃料電池セル１０の周縁部に描かれている○（計７個）は、各部材間の締結に用いるネジ孔を示している（図３、５、７〜１５、２０も同様）。
【００３５】
図７に示される例では、図６の流路と比較して流路幅を小さくして毛細管力を高めるとともに、流路の角部にＲ（曲率）をつけて液体燃料移送の圧力損失を低減させている。これにより、液体燃料をセル内燃料流路１０ａ全体により容易に行き渡らせることができる。
【００３６】
図８に示されるセル内燃料流路は、液体燃料が流路板１０の側面から流入するのではなく上面から流入してくる点において図７と相違する。すなわち、セル内燃料流路１０ａの４つの入口端部が流路板１０の側面ではなく一方の表面（主面）上に配置される。かかる流路板を用いる場合、燃料分配部が有するセル外燃料流路のセル内燃料流路に接続される出口端部のすべてを同一の面に配置し、燃料分配部におけるセル外燃料流路の出口端部が配置された部分を、セル内燃料流路１０ａの上記入口端部が配置された流路板主面部分の上に積層させる（つまり、セル内燃料流路の入口端部とセル外燃料流路の出口端部とが積層方向に連結するように、燃料分配部と燃料板とを部分的に重ね合わせる）。このような流路板と燃料分配部との結合形態によれば、燃料電池の各構成部材を接合、締結するために印加される力の方向（構成部材の積層方向）に、セル外燃料流路からセル内燃料流路への液体燃料の流入が生じるので、これらの燃料流路の接続部での液漏れをより有効に防止することができる。
【００３７】
図９に示されるセル内燃料流路は、分岐部分を有さない直線状の複数の流路からなる。このような流路形状は、液体燃料移送の圧力損失の低減に有利である。図１０に示されるセル内燃料流路は、流路の分岐部分をできるだけ少なくしている点において図７と相違する。これにより、分岐前の流路内に気泡が噛み込み、分岐流路への液体燃料の進入が阻害され得るという不具合を低減させることができる。
【００３８】
図１１に示されるセル内燃料流路では、図中のＡの部分にて流路幅を小さくして圧力損失を高めている。この流路構造によれば、セル内燃料流路１０ａにおける４つの入口端部のすべてから液体燃料を流入させた後、それぞれの分岐流路へ液体燃料が進入するようになるため、各分岐流路へより均一に液体燃料を供給することができる。図１２に示されるセル内燃料流路は、図１１における分岐流路の流路幅を大きくし、分岐流路における液体燃料移送の圧力損失の低減させたものである。
【００３９】
図１３に示される例は、網目状のセル内燃料流路を有する。この流路構造によれば、いずれかの箇所に気泡の噛み込みが生じても、液体燃料をセル内燃料流路１０ａ全体に行き渡らせることができる。
【００４０】
図１４に示される例は、流路板表面に形成された大きな凹部からなる槽型のセル内燃料流路１０ａを有する。この流路構造によれば、十分な量の燃料をアノード極全体に均一に供給することがより容易となる。このような槽型流路においては、流路板の構造的強化を図るために、図１５に示されるように縦方向および／または横方向に梁を設けてもよい。なお、図１４において、領域Ｍ、領域Ｎはともに凹部であるが、領域Ｎの深さをより大きくしている。また図１５においても、領域Ｍ’（同種のハッチングが付されている領域も同様）、領域Ｎ’（同種のハッチングが付されている領域も同様）はともに凹部であるが、領域Ｎ’の深さをより大きくしている。
【００４１】
セル内燃料流路の幅および深さは特に制限されないが、たとえばそれぞれ０．２〜１．５ｍｍ程度（とりわけ槽型流路の場合はこれより大きくなり得る）、０．１〜０．６ｍｍ程度である。
【００４２】
流路板１０は、プラスチック材料または金属材料などから作製することができる。プラスチック材料としては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属材料としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金材料を用いることができる。
【００４３】
〔気化燃料板〕
図１６（ａ）は燃料電池セル１０１で用いられている気化燃料板９を示す概略上面図であり、図１６（ｂ）は図１６（ａ）に示されるＸＶＩ−ＸＶＩ線における概略断面図である。気化燃料板９は、膜電極複合体４と気液分離層１２との間に気化燃料を収容するための空間（すなわち、気化燃料収容部９ａ）を形成するための部材である。図２の例において気化燃料板９は、アノード保湿層７に接するようにアノード保湿層７と気液分離層１２との間に配置されている。気化燃料板９は、厚み方向に貫通する貫通口である気化燃料収容部９ａ、および、気化燃料収容部９ａと気化燃料板９外部とを連通する連通経路９ｂを有する。連通経路９ｂは、アノード極２で生成した副生ガス（ＣＯ2ガス等）を燃料電池外部に排出させるための経路である。
【００４４】
図１６に示される気化燃料板９において連通経路９ｂは、気化燃料板９の周縁部に設けられ、気化燃料収容部９ａから該周縁部の端面まで延びる溝（凹部）からなる。連通経路９ｂの出口は、たとえば燃料分配部１５０が結合される燃料電池側面に対向する側面に設けられる（図４参照）。
【００４５】
セル内燃料流路１０ａ上に気液分離層１２を介して気化燃料収容部９ａを設けることにより、アノード極２に供給される気化燃料濃度のアノード極面内における均一化および気化燃料量の最適化が促進される。
【００４６】
気化燃料収容部９ａを設けることは以下の点でも有利である。
（ｉ）気化燃料収容部９ａ内に存在する空気層により、発電部（膜電極複合体）とセル内燃料流路１０ａとの間の断熱を図ることができる。これにより、セル内燃料流路１０ａ内の液体燃料の温度が過度に上昇することによるクロスオーバーを抑制できる。このことは、電池内部温度の暴走および内圧上昇の抑制に寄与する。
【００４７】
（ｉｉ）アノード極２で生成したＣＯ2ガス等の副生ガスは、発電により生じた熱を伴って気化燃料収容部９ａ内に到達し、続いて連通経路９ｂを通って、燃料電池セル外部に排出される。これにより、燃料電池セル内部に蓄積される熱量を大幅に低減することができるため、セル内燃料流路１０ａを含めて燃料電池セル全体としての過度の温度上昇を抑制することができる。このこともまた、電池内部温度の暴走および内圧上昇の抑制に寄与する。特に、気化燃料板９に連通経路９ｂ（副生ガスの排出口）を設けていることにより、セル内燃料流路１０ａへの熱の伝達が起こりにくく、したがってセル内燃料流路１０ａ内の液体燃料の過度の温度上昇ならびに、これに伴うクロスオーバーおよび温度暴走がより生じにくい。
【００４８】
（ｉｉｉ）連通経路９ｂより副生ガスを良好に排出することができるため、副生ガスの排出不良による燃料供給阻害を抑制することができ、アノード極２への燃料供給を良好に行なうことができる。これにより、安定した発電特性を得ることができる。また、連通経路９ｂより副生ガスを良好に排出することができるため、副生ガスのセル内燃料流路１０ａ内への侵入を抑制することができる。これにより、アノード極２に対して、十分な量の気化燃料を安定して供給することができるようになるため、燃料電池の出力安定性を向上させることができる。
【００４９】
気化燃料板９の厚みは、たとえば、１００〜１０００μｍ程度とすることができ、１００〜３００μｍ程度まで薄くした場合であっても、上記のような効果を十分に得ることができる。
【００５０】
気化燃料板９が有する貫通口（気化燃料収容部９ａ）は、発電部とセル内燃料流路１０ａとの間の断熱性の観点から、図１６に示されるように、気化燃料板９の面積に対する開口率をできるだけ大きくすることが好ましく、したがって気化燃料板９はできるだけ大きな貫通口を有する枠形状（ロの字状）を有することが好ましい。
【００５１】
貫通口の開口率、すなわち、気化燃料板９の面積に対する貫通口の開口面積（後述するように、気化燃料板９は２以上の貫通口を有していてもよく、その場合にはそれらの開口面積の合計）の割合は、好ましくは５０％以上、より好ましくは６０％以上である。貫通口の開口率を大きくすることは、気化燃料収容部９ａの、アノード極２に供給される燃料濃度を均一化する機能を高める上でも有利であり、アノード極２への十分な燃料供給を確保する上でも有利である。なお、貫通口の開口率は、通常、９０％以下である。
【００５２】
連通経路９ｂは、気化燃料板９の周縁部に設けられる溝（凹部）に限定されるものではなく、厚み方向に貫通する貫通穴であってもよいが、強度の観点から、溝（凹部）からなることが好ましい。気化燃料板９の強度の観点から、連通経路９ｂの深さは気化燃料板９の厚みの７５％程度までとすることが好ましい。
【００５３】
図１７（ａ）は気化燃料板の他の例を示す概略上面図であり、図１７（ｂ）は図１７（ａ）に示されるＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線における概略断面図である。図１７に示されるように、気化燃料板は２以上の貫通口を有していてもよい。図１７に示される気化燃料板９９は、縦横２列に配列された合計４つの貫通口９９ａを有する。これは、大きな貫通口の縦方向および横方向に梁を設け、４つに分割したものということもできる。このような複数の貫通口を有する（梁を設けた）気化燃料板は、面内方向の剛性が向上するため、衝撃等に対する強度に優れる燃料電池が得られる点において有利である。また、図１６に示されるような梁を設けない構造と比較して、気化燃料板の上下に配置される部材の熱などに起因する膨張等による貫通口の閉塞がより生じにくい点においても有利である。
【００５４】
気化燃料板が２以上の貫通口を有する場合、その周縁部に設けられる連通経路は、貫通口ごとに、貫通口の数と同じ数だけ設けてもよいし、貫通口の数より少ない、もしくは多い数の連通経路を設けることもできる。図１７の例においては、４つの貫通口９９ａに対して２つの連通経路９９ｂが設けられている。このように、貫通口ごとに連通経路を設けなくてもよいが、その場合には、図１７に示されるように、連通経路９９ｂが設けられていない貫通口（図１７（ａ）における下２つの貫通口９９ａ）は、接続経路９９ｃによって、連通経路９９ｂが設けられた貫通口（図１７（ａ）における上２つの貫通口９９ａ）に空間的に接続される。接続経路９９ｃは、連通経路９９ｂと同様、貫通口間の梁に設けられた溝（凹部）であることができる（図１７（ｂ）参照）。接続経路９９ｃを設けることにより、連通経路９９ｂが設けられていない貫通口内に入った副生ガスを、連通経路９９ｂを通して外部に排出することができる。
【００５５】
気化燃料板の貫通口（気化燃料収容部）に到達した副生ガスの外部への排出効率を向上させるために、あるいは、気化燃料板の、アノード極２に供給される燃料の濃度を均一化する機能を高めるために、連通経路９９ｂが設けられた貫通口同士および／または連通経路９９ｂが設けられていない貫通口同士を空間的に接続する接続経路９９ｄを設けることも好ましい（図１７（ａ）参照）。
【００５６】
連通経路の断面積（２以上の連通経路を有する場合にはこれらの断面積の合計）Ｓ1と、気化燃料板の側面の合計面積Ｓ0との比Ｓ1／Ｓ0は、副生ガスおよびこれに伴う熱の排出を行なうために０より大きくすることが必要であり、好ましくは０．００２以上である。また、好ましくは０．３未満、より好ましくは０．１未満、さらに好ましくは０．０５未満である。当該比が０．３以上になると、燃料の漏洩や空気の混入が起こりやすくなり、発電の安定性が低下するおそれがある。
【００５７】
連通経路のすべてを燃料分配部１５０が結合される燃料電池側面に対向する側面に設ける場合など、気化燃料板が有する４つの周縁部のうち、いずれか１つの周縁部にのみ１または２以上の連通経路を設ける場合において、連通経路の断面積（２以上の連通経路を有する場合にはこれらの断面積の合計）Ｓ1と、連通経路が設けられる周縁部における側面の断面積Ｓ2との比Ｓ1／Ｓ2は、上記と同様の理由から、好ましくは０．００８以上である。
【００５８】
気化燃料板の材質は、プラスチック、金属または非多孔質性のカーボン材料などであることができる。プラスチックとしては、たとえば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などを挙げることができる。金属としては、たとえば、チタン、アルミニウム等のほか、ステンレス、マグネシウム合金等の合金を用いることができる。
【００５９】
上記のなかでも、気化燃料板は、金属、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）またはポリイミド（ＰＩ）などの剛性が大きい材質からなることが好ましい。剛性が大きい気化燃料板を用いると、ホットプレス（熱圧着）により気化燃料板とこれに隣接する部材との接合が可能になるため、燃料電池の厚みや発電特性のばらつきを低減することができる。また、ホットプレス時において、連通経路の閉塞を有効に防止することができる。
【００６０】
なお、気化燃料板は省略されてもよいが、上述の効果を得るために気化燃料板を設置することが好ましい。
【００６１】
〔気液分離層〕
膜電極複合体４と流路板１０との間であって、後述する介在層１１のアノード極２側表面上に配置される気液分離層１２は、気化燃料透過性（液体燃料の気化成分を透過できる性質）かつ液体燃料不透過性の疎水性を有する多孔質層であり、アノード極２への燃料の気化供給を可能とする気液分離能を有する層である。気液分離層１２は、アノード極２へ供給される気化燃料の量または濃度を適切量に制御（制限）するとともに、均一化する機能をも有する。気液分離層１２を設けることにより、燃料のクロスオーバーを効果的に抑制でき、発電部に温度ムラが生じにくく、安定した発電状態を維持することができる。
【００６２】
気液分離層１２としては、使用する燃料に関して気液分離能を有するものであれば特に制限されないが、たとえば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン等のフッ素系樹脂、撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔質膜または多孔質シートを挙げることができ、具体的には、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルムである日東電工（株）製テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕の「ＮＴＦ２０２６Ａ−Ｎ０６」や「ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」が例示できる。
【００６３】
気化燃料透過性および液体燃料不透過性を付与する観点から、気液分離層１２が有する細孔の最大細孔径は、０．１〜１０μｍであることが好ましく、０．５〜５μｍであることがより好ましい。最大細孔径は、後述する介在層１１と同様、メタノール等を用いてバブルポイントを測定することにより求めることができる。気液分離層１２は、後述する水に対する接触角が、通常８０度以上であり、より典型的には９０度以上である。
【００６４】
気液分離層１２の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、気液分離層１２の厚みは５００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以下であることがより好ましい。
【００６５】
〔介在層〕
流路板１０のアノード極２側表面（したがってセル内燃料流路１０ａを形成する溝（凹部））を覆うように気液分離層１２と流路板１０との間に配置される介在層１１は、水に対する接触角が７０度未満の親水性を有する層であることが好ましい。このような層を、セル内燃料流路１０ａを覆うように配置することによって、液体燃料は、介在層１１が有する親水性に基づいてセル内燃料流路１０ａ内に引き込まれるため、セル内燃料流路１０ａの内部における液体燃料の圧力損失を低減させることができる。これによりセル内燃料流路１０ａへの燃料供給効率および流路板１０面内における液体燃料の拡散性、ひいてはアノード極２への気化燃料の供給効率およびアノード極２面内での燃料供給の均一性をより向上させることができる。介在層１１の水に対する接触角は、ＪＩＳ Ｒ ３２５７（基板ガラス表面のぬれ性試験）に準拠して測定される。
【００６６】
介在層１１は、液体燃料に対して毛細管作用を示すことが好ましく、セル内燃料流路１０ａ内液体燃料の圧力損失をより効果的に低減できるよう、比較的大きな毛細管力を有することがより好ましい。このような観点から、介在層１１は細孔を有することが好ましく、その最大細孔径は、１μｍ以下であることが好ましく、０．７μｍ以下であることがより好ましい。最大細孔径は、後述するバブルポイントを測定することで得られるが、それ以外の手法としては水銀圧入法によって測定することができる。ただし、水銀圧入法では０．００５μｍ〜５００μｍの細孔分布しか測定できないため、この範囲外の細孔は存在しない、もしくは無視できる場合に有効な測定手段である。
【００６７】
介在層１１は、特に制限されないが、測定媒体をメタノールとしたときのバブルポイントが、たとえば５ｋＰａ以上程度であることができる。より高い毛細管力を付与する場合には、バブルポイントは高いことが好ましい。このような観点から、バブルポイントは３０ｋＰａ以上であってよく、さらには５０ｋＰａ以上であってよい。
【００６８】
一方で、発電中にセル内燃料流路１０ａまたはセル外燃料流路中の液体燃料内に生じた気泡を介在層１１および気液分離層１２を介して気化燃料収容部９ａ側に逃がし、燃料電池セル外に排出できるようにすることを考慮した実施形態においては、介在層１１のバブルポイントは低いことが好ましい。このような実施形態においては、主に介在層１１の親水性（表面の濡れ性）が、セル内燃料流路１０ａの内部における液体燃料の圧力損失の低減に寄与する。
【００６９】
また、介在層１１の設置は、介在層１１内に液体燃料を保持できることにより、アノード極２で発生した副生ガスのセル内燃料流路１０ａ内への侵入を効果的に防止することができるという点でも有利である。また、アノード極２で発生した副生ガスがセル内燃料流路１０ａ内へ浸入することを防止できることは、副生ガスの燃料電池外部への排出ルートが、気化燃料板の連通経路からの排出ルートに絞られることを意味しており、したがって、連通経路からの副生ガスの排出およびこれに伴う熱の排出を促進させることができるとともに、セル内燃料流路１０ａへの熱の伝達をより効果的に抑制することができる。これにより、セル内燃料流路１０ａを含めて燃料電池全体としての過度の温度上昇ならびに、これに伴うクロスオーバーおよび温度暴走をより効果的に抑制することが可能になる。
【００７０】
バブルポイントとは、液媒体で濡らした層（膜）の裏側から空気圧をかけたときに、層（膜）の表面に気泡の発生が認められる最小圧力である。バブルポイントΔＰは、下記式（１）：
ΔＰ［Ｐａ］＝４γｃｏｓθ／ｄ （１）
（γは測定媒体の表面張力［Ｎ／ｍ］、θは層（膜）の素材と測定媒体との接触角、ｄは層（膜）が有する最大細孔径である。）
によって定義される。本発明においてバブルポイントは、測定媒体をメタノールとし、ＪＩＳ Ｋ ３８３２に準拠して測定される。
【００７１】
介在層１１としては、たとえば、高分子材料、金属材料または無機材料などからなる多孔質層や、高分子膜を挙げることができ、具体例を示せば以下のとおりである。
【００７２】
１）次の材料からなる多孔質層。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；アクリル系樹脂；ＡＢＳ樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；セルロースアセテート、ニトロセルロース、イオン交換セルロース等のセルロース系樹脂；ナイロン；ポリカーボネート系樹脂；ポリ塩化ビニル等の塩素系樹脂；ポリエーテルエーテルケトン；ポリエーテルスルホン；ガラス；セラミックス；ステンレス、チタン、タングステン、ニッケル、アルミニウム、スチール等の金属材料。多孔質層は、これらの材料からなる発泡体、焼結体、不織布または繊維（ガラス繊維等）などであることができる。
【００７３】
２）次の材料からなる高分子膜。パーフルオロスルホン酸系重合体；スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系重合体などの電解質膜材料として用いることができるもの。これらの高分子膜は、３次元的に絡み合う高分子間の隙間として、ナノオーダーの細孔を有している。
【００７４】
以上に掲げた材料のうち、疎水性材料を基材として用いる場合には、親水性官能基を導入するなどの方法により親水化処理を施し、細孔表面の水に対する濡れ性を高めることにより、接触角を７０度未満に調整することができる。
【００７５】
介在層１１の厚みは特に制限されないが、燃料電池の薄型化の観点から、好ましくは２０〜５００μｍであり、より好ましくは５０〜２００μｍである。
【００７６】
本発明の燃料電池を構成する燃料電池セル１０１は、介在層１１を有していなくてもよい。この場合、セル内燃料流路１０ａを覆うように流路板１０のアノード極２側表面上に直接、気液分離層１２が積層される。この構成によれば、発電時の温度上昇により液体燃料中の溶存気体から気泡が生じても、これを気化燃料収容部９ａ側へ押し出すことができるため、当該気泡によるセル内燃料流路１０ａの閉塞を防止することができる。一方、介在層１１を設ける場合には、上記のように比較的バブルポイントの低いものを用いるか、上記気泡を排出させるための経路を燃料電池セル内に設けることが好ましい（たとえば、セル内燃料流路１０ａ末端と燃料電池セル外とを連通する経路など）。
【００７７】
〔第２介在層〕
燃料電池セル１０１が介在層１１を備える場合において、介在層１１（以下、第１介在層１１とも称する）と気液分離層１２との間に第２介在層１３を介在させてもよい。図１８に第２介在層１３を備える燃料電池セルの一例を示す。図１８に示される燃料電池セル２０１は、第１介在層１１と気液分離層１２との間に第２介在層１３を有すること以外は図２に示される燃料電池セル１０１と同様である。図１９は、燃料電池セル２０１で使用されている第２介在層１３を示す概略上面図である。
【００７８】
第２介在層１３は、液体燃料が透過可能な厚み方向に貫通する貫通孔を有する層であり、少なくとも第１介在層１１と気液分離層１２とを密着性良く面接合する役割を担い、好ましくは気液分離層１２側への液体燃料透過量を調整（制限）する機能を有する。第２介在層１３としては、たとえば図１９に示されるような、厚み方向に貫通する貫通孔を有する非多孔性シート（フィルム）を用いることができ、その材料としては熱可塑性樹脂が好ましく例示できる。これを用いて、第１介在層／第２介在層／気液分離層からなる積層体を熱圧着することにより、各層間を密着性良く面接合することができる。第２介在層１３として、厚み方向に貫通する貫通孔を有し、面接合が可能な非多孔性シートを有する燃料電池セルは、以下の点において有利である。
【００７９】
（ｉ）第２介在層１３を介して第１介在層１１と気液分離層１２とを密着性良く接合することができるため、第１介在層１１と気液分離層１２との間に副生ガスが滞留することがなく、気液分離層１２面内における気化燃料透過量のバラツキを抑制することができ、これによりアノード極２に対して均一な燃料供給を行なうことができる。
【００８０】
（ｉｉ）第２介在層１３に形成される貫通孔の数や開孔径により、気液分離層１２側への液体燃料透過量、ひいてはアノード極２への気化燃料供給量を適切な量に調整（制限）することができる。これにより、燃料のクロスオーバーの防止または抑制、および燃料供給の安定化を図ることができる。貫通孔の数は特に制限されないが、複数個存在することが好ましく、気液分離層１２面内における気化燃料透過量を均一化する観点から、貫通孔を第２介在層１３面内において均一に分布させることが好ましい。貫通孔の開孔径（直径）は、たとえば、０．１〜５ｍｍ程度とすることができる。
【００８１】
上述の熱可塑性樹脂シートのほか、第２介在層１３は、たとえば次のものから形成されるものであってもよい。
【００８２】
１）接着性を有する樹脂または樹脂組成物から形成される多孔質層、たとえば、ホットメルト系接着剤や硬化型接着剤などの接着剤から形成される多孔質層。当該接着剤を用いる場合、第２介在層１３は、接着剤層、すなわち、当該接着剤またはその硬化物からなる多孔質層である。気液分離層１２側への液体燃料透過量は、多孔質層が有する細孔によって調整（制限）される。
【００８３】
２）厚み方向に貫通する貫通孔を有する、好ましくは非多孔性の金属板を含むもの。この場合、金属板の両面には、第１介在層１１および気液分離層１２との良好な密着性を確保するために、接着剤層が形成され、したがって、第２介在層１３は、接着剤層／金属板／接着剤層の３層構造となる。接着剤層は、接着剤またはその硬化物からなる多孔質層である。接着剤は、ホットメルト系接着剤や硬化型接着剤などであることができる。気液分離層１２側への液体燃料透過量は、熱可塑性樹脂シートの場合と同様、金属板に形成される貫通孔の数や開孔径により調整（制御）できる。接着剤層は貫通孔を塞がないように形成されることが好ましい。
【００８４】
〔カソード保湿層およびアノード保湿層〕
カソード保湿層８は、カソード極３上、好ましくはカソード集電層６上に配置される、カソード極３で発生した水が、カソード極３側から燃料電池セル外に蒸散することを防止するための任意で設けられる層である。カソード保湿層８を設けることにより、カソード極３で生じた水を燃料電池セル外部に蒸散させることなく、効率的に電解質膜１を介してアノード極２に戻し、アノード極２での反応に有効利用させることができる。
【００８５】
アノード保湿層７は、アノード極２またはアノード集電層５と気化燃料収容部９ａとの間に配置される、アノード極２内の水分が、アノード極２側から膜電極複合体外に（たとえば気化燃料収容部９ａへ）蒸散することを防止し、アノード極２内に保持させるための任意で設けられる層である。アノード保湿層７を設けることにより、カソード極３で発生し、電解質膜１を介してアノード極２に到達した水を膜電極複合体外に蒸散させることなくアノード極２内に良好に保持することができる。これにより当該水がアノード極２での反応に有効に利用されるため、アノード極２での反応効率が向上し、高い発電特性を安定して発揮することができる。とりわけ、カソード保湿層８との併用により、当該効果をより効果的に得ることができる。
【００８６】
また、カソード保湿層８およびアノード保湿層７の設置は、電解質膜１の乾燥、ならびにこれに伴うセル抵抗の増大および発電特性の低下を防止するうえでも有効である。
【００８７】
カソード保湿層８およびアノード保湿層７は、気化燃料または燃料電池外部からの酸化剤（空気など）等を透過できるよう気体透過性であり、水に対して不溶性であって、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有する材料から構成される。具体的には、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；アクリル系樹脂；ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂；ポリエチレンテレフタラート等のポリエステル系樹脂；ポリウレタン系樹脂；ポリアミド系樹脂；ポリアセタール系樹脂；ポリカーボネート系樹脂；ポリ塩化ビニル等の塩素系樹脂；ポリエーテル系樹脂；ポリフェニレン系樹脂；撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔性膜（多孔質層）であることができる。これらの保湿層は、上記高分子からなる発泡体、繊維束、織繊維、不織繊維、あるいはこれらの組み合わせなどであることができる。
【００８８】
カソード保湿層８は、燃料電池外部からの酸化剤（空気など）を透過できるよう気体透過性であり、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有していることが望まれることから、その気孔率は、３０％以上９０％以下であることが好ましく、５０％以上８０％以下であることがより好ましい。気孔率が９０％を超える場合、カソード極３で発生した水を燃料電池セル内に保持することが困難となり得る。一方、気孔率が３０％未満である場合、燃料電池外部からの酸化剤（空気など）の拡散が阻害され、カソード極３における発電特性が低下しやすい。
【００８９】
アノード保湿層７は、気化燃料および触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）などを透過できるような気体透過性であり、かつ保湿性（水を蒸散させない性質）を有していることが望まれることから、その気孔率は、５０％以上９０％以下であることが好ましく、６０％以上８０％以下であることがより好ましい。気孔率が９０％を超える場合、カソード極３で発生し、電解質膜１を介してアノード極２に到達した水を膜電極複合体内に保持することが困難となり得る。一方、気孔率が５０％未満である場合、気化燃料および触媒層で生成する副生ガス（ＣＯ2ガス等）などの拡散が阻害され、アノード極２における発電特性が低下しやすい。
【００９０】
カソード保湿層８およびアノード保湿層７の気孔率は、当該保湿層の容積と重量を測定し、当該保湿層の比重を求め、これと素材の比重より、下記式（２）：
気孔率（％）＝〔１−（保湿層の比重／素材比重）〕×１００ （２）
により算出することができる。
【００９１】
カソード保湿層８およびアノード保湿層７の厚みは特に制限されないが、上記機能を十分に発現させるために、２０μｍ以上であることが好ましく、５０μｍ以上であることがより好ましい。また、燃料電池の薄型化の観点からは、５００μｍ以下であることが好ましく、３００μｍ以下であることがより好ましい。
【００９２】
カソード保湿層８およびアノード保湿層７は、それ自身が高い吸水性を有して、一旦吸収した液状の水を取り込んで外部に放出しないような性質を有しないことが望まれることから、撥水性を有することが好ましい。このような観点から、カソード保湿層８およびアノード保湿層７は、上記の中でも、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素系樹脂；撥水化処理されたシリコーン樹脂などからなる多孔性膜（多孔質層）であることが好ましい。具体的には、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルムである日東電工（株）製テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕の「ＮＴＦ２０２６Ａ−Ｎ０６」や「ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」が例示できる。
【００９３】
アノード保湿層７は、アノード極２上にアノード集電層５を配置し、このアノード集電層５に接するようにアノード集電層５上に積層されることが好ましい。これにより、アノード極２内の水分が膜電極複合体外に蒸散されることをより効果的に防止することができる。
【００９４】
なお、カソード保湿層８およびアノード保湿層７は必要に応じて設けられるものであり、これらの少なくともいずれか一方を省略してもよい。
【００９５】
（２）燃料分配部
燃料分配部１５０は、導入口１５１を通して導入された液体燃料を各燃料電池セルに分配するための、燃料電池セル１０１とは独立した部材であり、その内部に、セル内燃料流路１０ａのそれぞれに接続されるセル外燃料流路１５５を有する。このように、アノード極の直下領域に液体燃料を行き渡らせる燃料流路（セル内燃料流路）を燃料電池セルの一部として燃料電池セル内に組み込む一方で、各燃料電池セルに液体燃料を分配するための燃料流路（セル外燃料流路）を、燃料電池セルとは独立した部材で形成することにより、燃料電池セルのモジュール化を図ることができる。
【００９６】
セル外燃料流路１５５は、たとえば図３に示されるように、たとえば上面などに設けられた導入口１５１と接続された幹流路１５２、および、幹流路１５２と各セル内燃料流路とを接続する枝流路１５３から構成することができる。燃料分配部１５０は、導入口１５１を１つのみ有していてもよいし、２以上有していてもよい。また、燃料分配部１５０は、タンク様の中空部材であって、たとえば上面などに導入口１５１が設けられ、燃料電池セルと結合される側面に各セル内燃料流路と連結される貫通孔を設けたものであってもよい（中空部分が幹流路、貫通孔が枝流路に相当する）。
【００９７】
燃料分配部１５０の外形形状は特に制限されず、適用する電子機器が有する燃料電池収容スペースの形状や面積、モジュール（燃料電池セル）の数や配列形態などを考慮して適宜の形状とされる。燃料分配部１５０は、各種プラスチック材料、金属材料、合金材料などから構成することができる。
【００９８】
導入口１５１には、通常、流路を介して液体燃料を貯蔵する燃料タンク（図示せず）が接続される。燃料タンクからのセル外燃料流路およびセル内燃料流路への燃料供給は、通常、送液ポンプを用いて行なうが、送液ポンプ等の補機を用いないパッシブ供給であってもよい。
【００９９】
（３）燃料電池セルと燃料分配部との結合
たとえば図１〜４に示される実施形態のように、セル内燃料流路１０ａの入口端部のすべてをライン状の燃料電池集合体１１０における同一の側面Ｘに配置するとともに、燃料分配部１５０が有するセル外燃料流路１５５の出口端部のすべてを燃料分配部１５０の同一の側面Ｙに配置して、燃料分配部１５０を側面Ｘと側面Ｙとが対向するようにライン状の燃料電池集合体の側方に配置する場合、必要に応じてセル内燃料流路１０ａとセル外燃料流路１５５との接続部分にパッキンなど（両面テープ等でもよい）を挟み、ネジ締結などを利用することにより燃料電池セルと燃料分配部とを結合させることができる。
【０１００】
また、図８に示されるような燃料板１０を用いる場合には、燃料分配部１５０におけるセル外燃料流路１５５の出口端部が配置される部分に、燃料板１０におけるセル内燃料流路１０ａの入口端部が配置される部分を、必要に応じてセル内燃料流路１０ａとセル外燃料流路１５５との接続部分にパッキンなど（両面テープ等でもよい）を介して重ね合わせ、ネジ締結などを利用することにより燃料電池セルと燃料分配部とを結合させることができる。
【０１０１】
（４）燃料電池のタイプ
本発明の燃料電池は、固体高分子型燃料電池またダイレクトアルコール型燃料電池などであることができ、特にダイレクトアルコール型燃料電池（とりわけ、ダイレクトメタノール型燃料電池）として好適である。本発明の燃料電池において使用することのできる液体燃料としては、たとえば、メタノール、エタノールなどのアルコール類；ジメトキシメタンなどのアセタール類；ギ酸などのカルボン酸類；ギ酸メチルなどのエステル類；ならびにこれらの水溶液を挙げることができる。液体燃料は１種に限定されず、２種以上の混合物であってもよい。コストの低さや体積あたりのエネルギー密度の高さ、発電効率の高さなどの点から、メタノール水溶液または純メタノールが好ましく用いられる。また、カソード極に供給される酸化剤ガスとしては、空気または酸素ガスが好適であり、特に空気が好ましい。
【０１０２】
本発明の燃料電池は、電子機器、特には、携帯電話、電子手帳、ノート型パソコンに代表される携帯機器などの小型電子機器用の電源として好適に用いることができる。
【実施例】
【０１０３】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１０４】
＜実施例１＞
以下の手順で、図２０に示される構成の燃料電池を作製した。図２０は図３と同様の概略断面図であり、セル外燃料流路およびセル内燃料流路の形状を示したものである。本実施例で作製した平面集積型燃料電池は、ライン状に配列された４つの燃料電池セルからなるセル列を２つ含むこと以外は図５に示される燃料電池と同様である。これらのセル列は、燃料分配部１５０の対向する２つの側面にそれぞれ結合されている。２つのセル列のセル内燃料流路に接続できるよう、セル外燃料流路１５５は、幹流路１５２から当該両側面に延びる枝流路１５３を有している。本実施例で用いた燃料電池セル１０１のセル構造は、図２に示される構造と同様である。
【０１０５】
（１）膜電極複合体の作製
Ｐｔ担持量３２．５重量％、Ｒｕ担持量１６．９重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、電解質である２０重量％のナフィオン（登録商標）のアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、ｎ−プロパノールと、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でフッ素系樹脂製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、アノード極用の触媒ペーストを作製した。また、Ｐｔ担持量４６．８重量％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いること以外はアノード極用の触媒ペーストと同様にして、カソード極用の触媒ペーストを作製した。
【０１０６】
ついで、片面に撥水性を有する多孔質層が形成されたカーボンペーパー（２５ＢＣ、ＳＧＬ社製）を縦３５ｍｍ、横４０ｍｍに切断した後、その多孔質層上に、上記のアノード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約３ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦３０ｍｍ、横３５ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、アノード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にアノード触媒層が形成された、厚み約２００μｍのアノード極２を作製した。また、同じサイズのカーボンペーパーの多孔質層上に、上記のカソード極用の触媒ペーストを触媒担持量が約１ｍｇ／ｃｍ2となるように、縦３０ｍｍ、横３５ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて塗布し、乾燥させることにより、カソード導電性多孔質層であるカーボンペーパー上の中央にカソード触媒層が形成された、厚み約７０μｍのカソード極３を作製した。
【０１０７】
次に、厚み約１７５μｍのパーフルオロスルホン酸系イオン交換膜（ナフィオン（登録商標）１１７、デュポン社製）を縦３５ｍｍ、横４０ｍｍに切断して電解質膜１とし、上記アノード極２と電解質膜１と上記カソード極３をこの順で、それぞれの触媒層が電解質膜１に対向するように重ね合わせた後、１３０℃、２分間の熱圧着を行ない、アノード極２およびカソード極３を電解質膜１に接合した。上記重ね合わせは、アノード極２とカソード極３の電解質膜１の面内における位置が一致するように、かつアノード極２と電解質膜１とカソード極３の中心が一致するように行なった。ついで、得られた積層体の外周部を切断することにより、縦２２ｍｍ、横２６ｍｍの膜電極複合体（ＭＥＡ）４を作製した。
【０１０８】
（２）集電層の積層
縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．１ｍｍのステンレス板（ＮＳＳ４４５Ｍ２、日新製鋼社製）を用意し、この中央領域に、開孔径φ０．６ｍｍである複数の開孔（開孔パターン：千鳥６０°ピッチ０．８ｍｍ）を、フォトレジストマスクを用いたウェットエッチングにて両面から加工することにより、厚み方向に貫通する貫通孔を複数備えるステンレス板を２枚作製し、これらをアノード集電層５およびカソード集電層６とした。
【０１０９】
次に、上記アノード集電層５をアノード極２上に、カーボン粒子とエポキシ樹脂とからなる導電性接着剤層を介して積層するとともに、カソード集電層６をカソード極３上に、同じ導電性接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合して、ＭＥＡ−集電層積層体を作製した。
【０１１０】
（３）保湿層の接合
アノード保湿層７およびカソード保湿層８として、ポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」、縦２２ｍｍ、横２６ｍｍ、厚み０．２ｍｍ、気孔率７５％）を２枚用意した。これらの保湿層をＭＥＡ−集電層積層体のアノード集電層５およびカソード集電層６上に、ポリオレフィンからなる接着剤層を介して積層し、これらを熱圧着により接合した。これらの保湿層は、ＭＥＡの直上または直下に配置されるように接合した。
【０１１１】
（４）介在層と気液分離層との接合
介在層１１として、縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．１ｍｍのポリフッ化ビニリデンからなる多孔質フィルム（ＭＩＬＬＩＰＯＲＥ製のデュラポアメンブレンフィルター）を用いた。この多孔質フィルムの水に対する接触角は７０度未満であった。また、この多孔質フィルムが有する細孔の最大細孔径は０．１μｍであり、またＪＩＳ Ｋ ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、１１５ｋＰａであった。
【０１１２】
また、気液分離層１２として、縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．２ｍｍのポリテトラフルオロエチレンからなる多孔質フィルム（日東電工（株）製の「テミッシュ〔ＴＥＭＩＳＨ（登録商標）〕ＮＴＦ２１２２Ａ−Ｓ０６」）を用いた。この多孔質フィルムの水に対する接触角は１２０度程度であった。この多孔質フィルムのＪＩＳ Ｋ ３８３２に準拠したバブルポイントは、測定媒体をメタノールとしたとき、１８ｋＰａであった。
【０１１３】
上記介在層１１上に気液分離層１２を積層し、すべての側面の層境界部を接着剤で接合した。
【０１１４】
（５）気化燃料板の接合
エッチング加工により、図１７に示される形状を有する縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．２ｍｍのＳＵＳ製の気化燃料板９９を作製した（連通経路９９ｂおよび接続経路９９ｃ，９９ｄはすべて溝（凹部）からなる）。貫通口９９ａの開口率は、４個の合計で６３％であり、連通経路９９ｂの断面積の２個の合計と気化燃料板側面の合計面積との比は０．０４である。気化燃料板９９の溝形成面とは反対側の面に上記の介在層１１と気液分離層１２との接合体を、その気液分離層１２側が気化燃料板９９に対向するように積層し、熱圧着によりこれらを接合した。
【０１１５】
（６）流路板の接合
図２０に示したような流路パターンを有するセル内燃料流路１０ａ（流路幅１．５ｍｍ、深さ０．４ｍｍ）を備えた縦２６．５ｍｍ、横２７ｍｍ、厚み０．６ｍｍのＳＵＳ製の流路板１０を用意した。気化燃料板９９／気液分離層１２／介在層１１の接合体の介在層１１上にポリオレフィン系接着剤を介して流路板１０を積層した後、熱圧着を行なうことにより、該接合体と流路板１０とを接合した。
【０１１６】
（７）燃料電池セルの作製
気化燃料板９９上に、上で作製した保湿層を有するＭＥＡ−集電層積層体を積層し、熱圧着によりこれらを接合した。最後に、端面にエポキシ樹脂を塗布し硬化させることにより封止層を形成して燃料電池セル１０１を得た。合計８つの燃料電池セル１０１を作製した。
【０１１７】
（８）燃料分配部の作製
ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）からなる、図２１に示すような外形形状を有し（外形縦５６ｍｍ、横１１０ｍｍ、高さ５０ｍｍ）、中央の凸部に図２０に示すようなパターンのセル外燃料流路１５５が形成された燃料分配部１５０を作製した。凸部上面の長手方向中央部に導入口１５１が形成されている。導入口１５１は、セル外燃料流路１５５の幹流路１５２に連通する貫通口である。
【０１１８】
（９）平面集積型燃料電池の作製
図２０に示すように、８つの燃料電池セル１０１と燃料分配部１５０とを結合し（ネジ孔が合致するように）、平面集積型燃料電池を作製した。結合は、セル内燃料流路とセル外燃料流路との接続部での液漏れを防止するため、燃料電池セル−燃料分配部間に両面テープを配置し、さらにネジにて締結することにより行なった（図２０中の○はネジ孔を示している）。
【０１１９】
（燃料電池の発電特性評価）
メタノール濃度２０Ｍのメタノール水溶液を燃料とし、送液ポンプを用いて導入口１５１からセル外燃料流路１５５、さらにセル内燃料流路に燃料供給を行なって燃料電池を発電させ、発電開始後２０００秒までの出力電圧の変化を測定した。結果を図２２に示す。取り出し電流値は、発電開始から段階的に大きくしていき、発電開始後約２５０秒〜発電開始後約１７５０秒において、０．３Ａの定電流とした。結果を図２２に示す。図２２に示されるとおり、出力電圧は、０．３Ａの定電流稼動時において３Ｖ以上の値で安定しており、良好な発電特性を有することが確認された。
【符号の説明】
【０１２０】
１ 電解質膜、２ アノード極、３ カソード極、４ 膜電極複合体、５ アノード集電層、６ カソード集電層、７ アノード保湿層、８ カソード保湿層、９，９９ 気化燃料板、９ａ，９９ａ 気化燃料収容部（貫通口）、９ｂ，９９ｂ 連通経路、１０ 流路板、１０ａ セル内燃料流路、１１ 介在層（第１介在層）、１２ 気液分離層、１３ 第２介在層、９９ｃ，９９ｄ 接続経路、１００ 燃料電池、１０１，２０１ 燃料電池セル、１１０ 燃料電池セル集合体、１５０ 燃料分配部、１５１ 導入口、１５２ 幹流路、１５３ 枝流路、１５５ セル外燃料流路。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で有する膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるためのセル内燃料流路がアノード極側表面に配された、前記アノード極側に配置される流路板を含む２以上の燃料電池セルを同一平面上に配置してなる燃料電池セル集合体と、
前記セル内燃料流路のそれぞれに接続され、各燃料電池セルへの前記液体燃料の分配を行なうセル外燃料流路を有する燃料分配部と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
前記燃料分配部は、前記液体燃料を導入するための導入口を有しており、
前記セル外燃料流路は、前記導入口と接続される幹流路、および、前記幹流路と各セル内燃料流路とを接続する枝流路から構成される請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池セル集合体は、ライン状に配列した２以上の燃料電池セルからなる請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記２以上の燃料電池セルが有するセル内燃料流路の前記セル外燃料流路に接続される端部のすべては、前記燃料電池セル集合体の同一の側面に配置されており、
前記燃料分配部が有するセル外燃料流路の前記セル内燃料流路に接続される端部のすべては、前記燃料分配部の同一の側面に配置されており、
前記燃料分配部は、前記燃料電池セル集合体の前記側面と前記燃料分配部の前記側面とが対向するように配置される請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記２以上の燃料電池セルが有するセル内燃料流路の前記セル外燃料流路に接続される端部のすべては、前記燃料板の同一の主面に配置されており、
前記燃料分配部が有するセル外燃料流路の前記セル内燃料流路に接続される端部のすべては、前記燃料分配部の同一の面に配置されており、
前記燃料分配部は、そのセル外燃料流路の前記端部上に前記セル内燃料流路の前記端部が配置されるように、前記燃料板に部分的に積層される請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池セルは、
前記膜電極複合体と前記流路板との間に配置され、前記液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層と、
前記セル内燃料流路を覆うように前記気液分離層と前記流路板との間に配置され、水に対する接触角が７０度未満である介在層と、
をさらに備えるものである請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池セルは、前記セル内燃料流路を覆うように前記流路板におけるアノード極側表面上に配置され、前記液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層をさらに備えるものである請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料電池セルは、前記アノード極上に積層されるアノード集電層と、前記カソード極上に積層されるカソード集電層とをさらに含む請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
ダイレクトアルコール型燃料電池である請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１】
アノード極、電解質膜およびカソード極をこの順で有する膜電極複合体、ならびに、液体燃料を流通させるためのセル内燃料流路がアノード極側表面に配された、前記アノード極側に配置される流路板を含む２以上の燃料電池セルを同一平面上に配置してなる燃料電池セル集合体と、
前記セル内燃料流路のそれぞれに接続され、各燃料電池セルへの前記液体燃料の分配を行なうセル外燃料流路を有する燃料分配部と、
を備える燃料電池。
【請求項２】
前記燃料分配部は、前記液体燃料を導入するための導入口を有しており、
前記セル外燃料流路は、前記導入口と接続される幹流路、および、前記幹流路と各セル内燃料流路とを接続する枝流路から構成される請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料電池セル集合体は、ライン状に配列した２以上の燃料電池セルからなる請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記２以上の燃料電池セルが有するセル内燃料流路の前記セル外燃料流路に接続される端部のすべては、前記燃料電池セル集合体の同一の側面に配置されており、
前記燃料分配部が有するセル外燃料流路の前記セル内燃料流路に接続される端部のすべては、前記燃料分配部の同一の側面に配置されており、
前記燃料分配部は、前記燃料電池セル集合体の前記側面と前記燃料分配部の前記側面とが対向するように配置される請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記２以上の燃料電池セルが有するセル内燃料流路の前記セル外燃料流路に接続される端部のすべては、前記燃料板の同一の主面に配置されており、
前記燃料分配部が有するセル外燃料流路の前記セル内燃料流路に接続される端部のすべては、前記燃料分配部の同一の面に配置されており、
前記燃料分配部は、そのセル外燃料流路の前記端部上に前記セル内燃料流路の前記端部が配置されるように、前記燃料板に部分的に積層される請求項３に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池セルは、
前記膜電極複合体と前記流路板との間に配置され、前記液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層と、
前記セル内燃料流路を覆うように前記気液分離層と前記流路板との間に配置され、水に対する接触角が７０度未満である介在層と、
をさらに備えるものである請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料電池セルは、前記セル内燃料流路を覆うように前記流路板におけるアノード極側表面上に配置され、前記液体燃料の気化成分を透過可能な気液分離層をさらに備えるものである請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料電池セルは、前記アノード極上に積層されるアノード集電層と、前記カソード極上に積層されるカソード集電層とをさらに含む請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
ダイレクトアルコール型燃料電池である請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【公開番号】特開２０１３−３３６９１（Ｐ２０１３−３３６９１Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７００５１（Ｐ２０１１−１７００５１）
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月３日（２０１１．８．３）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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