JPH06188008A

JPH06188008A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH06188008A
Application number: JP5054274A
Authority: JP
Inventors: Shuji Yamada; 修司山田; Motoi Kanda; 基神田; Masao Yamamoto; 正夫山本; Nobukazu Suzuki; 信和鈴木; Ryoko Kanazawa; 良子金澤; Akinori Motomiya; 明典本宮; Takeshi Kondo; 雄近藤; Takeshi Uchida; 健内田; Koji Hashimoto; 幸二橋本; Hiroichi Niki; 博一仁木
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1992-04-01
Filing date: 1993-03-15
Publication date: 1994-07-08

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】液体燃料と酸化剤ガスの供給システムを簡易
化し、構造を簡素化し、高効率を維持し、小形化する。【構成】燃料極２、酸化剤極３およびこれら両電極
２，３に挟持された電解質層を有する起電部４を複数個
積層したスタック６を備え、燃料として液体燃料を用い
た燃料電池において、スタック６の外周面のうち、燃料
極の端面を含み、かつ垂直方向に流す酸化剤ガスの流れ
と平行に配置された少なくとも一つの面に沿って、酸化
剤ガスの流れと直交するような方向に、起電部４構成部
品の端面に液体燃料が直接接する液体燃料導入路を設
け、液体燃料導入路内の液体燃料は毛管力により燃料極
に供給される燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、燃料電池、特に小型化に
適した燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、単独の発電装置としては効
率がいいことから最近注目されている。燃料電池は、燃
料としてガスを使用するリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩
型燃料電池、固体電解質型燃料電池、アルカリ性電解液
型燃料電池等と、燃料として液体を使用するメタノ−ル
燃料電池、ヒドラジン燃料電池等とに大別される。これ
らの燃料電池は、主に電力用発電機や大型機器を動かす
ための動力源を対象にしているため、ガスや液体の燃
料、あるいは酸化剤ガスを電池内に導入するためのコン
プレッサやポンプ等が必要であり、システムとして複雑
であるばかりでなく、これらの導入のために電力を消費
する。

【０００３】液体燃料としてメタノールを用いたメタノ
ール燃料電池を例として説明すると、メタノール燃料電
池のシステムでは、燃料はメタノールタンクからポンプ
で電池本体に送られ、また酸化剤である空気はブロワに
より電池本体に送られる。特にこの電池では、溶解燃料
として、燃料となるメタノールと電解質である例えば希
硫酸との混合液体を、メタノール制御器や酸制御器を介
してポンプで電池本体に圧送するため、そのシステムは
一層複雑になっている。このような複雑さは他の燃料電
池についても同様で、いずれのシステムでも燃料や酸化
剤ガスを送るためにブロワやポンプが必要となる。この
ようなシステムの複雑さは、現在の燃料電池が電力用や
大型機器の動力源等として、大容量の電力を対象にして
いるためであり、これを達成するために大量の燃料や酸
化剤ガスを流さなければならず、よってポンプやブロワ
等が必要となる。

【０００４】一方、社会的な動向として、ＯＡ機器、オ
−ディオ機器、無線機器等の各種機器は、半導体技術の
発達と共に小形化され、さらにポータブル性が要求され
ている。このような要求を満足するための発電源として
は、手軽な一次電池や二次電池等が使用されている。し
かし、一次電池や二次電池は、機能上使用時間に制限が
あり、このような電池を用いたＯＡ機器等では当然使用
時間が限定される。これらの電池を使用した場合、電池
の放電が終った後に、電池を交換してＯＡ機器等を動か
すことはできるものの、一次電池ではその重量に対して
使用時間が短く、ポ−タブルな機器には不向きである。
また、二次電池では放電が終ると充電できる半面、充電
のために電源が必要で使用場所が制限されるのみなら
ず、充電に時間がかかるという欠点がある。特に、二次
電池を組み込んだＯＡ機器等では、電池の放電が終って
も電池を交換することが困難なため、機器の使用時間の
制限はまぬがれない。このように、各種小型機器を長時
間作動させるには、従来の一次電池や二次電池の延長で
は対応が難しく、より長時間の作動に向いた電池が要求
されている。

【０００５】このような問題の一つの解決策として、上
述したような燃料電池がある。燃料電池は、燃料と酸化
剤を供給するだけで発電することができるという利点を
有するだけでなく、燃料を交換すれば連続して発電でき
るという利点を有しているため、小形化ができれば消費
電力が小さいＯＡ機器等の小形機器の作動に極めて有利
なシステムといえる。

【０００６】燃料電池は、酸化剤として空気が使用でき
るため、酸化剤の観点からは使用場所や使用時間等に制
限を受けることはないが、燃料としてガスを使用する場
合は、ＯＡ機器等の消費電力が小さいとはいえ、ガスの
密度を考えると発電に要するガス量は大きく、電池の小
形化には不向きである。これに対して、液体燃料はガス
に比べると密度が高く、小形機器用燃料電池の燃料とし
ては圧倒的に有利である。従って、液体燃料を用いた燃
料電池が小形化できれば、従来にない長時間作動が可能
な小形装置用の電源が実現できる。このような小形装置
用電源を実現する上での障害は、前述したように、従来
の液体燃料を用いたシステムでは、液体燃料を電池本体
に送り込むためにポンプが、また酸化剤ガスを送り込む
ためにブロワ等が必要であるため、システムとしては複
雑で、このままの構造では小形化することが困難なこと
にある。

【０００７】さらに、リン酸型燃料電池や溶融炭酸塩型
燃料電池、さらに固体電解質型燃料電池等の従来の燃料
電池においては、ポンプやブロワで電池に供給されたガ
スは、酸化剤極と燃料極に隣接して設けられたガスチャ
ンネルを通して各電極に導入される。この場合、大量の
燃料ガスと酸化剤ガスをポンプやブロワに負荷を与えな
いように流すという観点から、ガスチャンネルのガス流
路はできるだけ圧損が生じないように大きな溝形状にし
てある。例えば、溶融炭酸塩型燃料電池のガスチャンネ
ルでは、通常 2mmを超えるような深さの溝が形成され
る。このことは、メタノール燃料電池のような液体燃料
を用いる燃料電池でも同じであり、特にメタノール燃料
電池では、上述したリン酸型燃料電池等とは異なり、電
解質層および燃料極に電解質である例えば硫酸と燃料に
なるメタノールとの混合体を流すため、圧損に関しては
ガスを燃料とする場合よりさらに大きな値となる。この
ように、従来の燃料電池は、ポンプやブロワでガスや液
体を送り込むために、ガスチャンネルの溝形状を大きく
せざるを得ず、逆に溝形状を小さくするとポンプやブロ
ワが大きくなる等、これまでの技術の延長では小形化は
達成できないという問題がある。

【０００８】上述したような点に対処し、小形化への対
応を図った燃料電池として、液体燃料の供給に毛管力を
利用した液体燃料電池（特開昭59-66066号公報参照）が
提案されている。この液体燃料電池は、紙、木綿、アス
ベスト、ガラス等の有機あるいは無機繊維材料や、アク
リル、ナイロン等の合成繊維を基材とした毛細管材料の
毛管力で、液体燃料を下部に設けた燃料貯蔵室から上部
に向って一方向に吸い上げてアノードに供給し、かつ酸
化剤ガスを燃料の供給方向と同じ方向に流す平行流方式
の電池である。この電池では、燃料貯蔵室を下部に設け
ると共に、酸化剤ガスを垂直方向に流すために電池の下
部にはガスの取入れ口が必要であり、従って燃料貯蔵室
とスタック底面との間に隙間を設けた構造となってい
る。またこの方式では、毛細管材料の一部を機械的に絞
り込んで燃料の供給を制御できるように、その構成材料
は上述したような柔軟性を有する繊維で構成されてい
る。さらにこの電池は、上述したような電気的に絶縁性
の材料で構成した毛細管材料がアノード側集電体の一部
に、集電体と密着するように埋め込まれた構造となって
いる。

【０００９】上記した液体燃料電池は、毛管力で液体燃
料を燃料極に供給するため、従来の燃料電池よりは小形
化に適するものの、複数の問題を含んでおり、それらの
改善が求められている。例えば、上記公報に記載されて
いるように、液体燃料はアノード（燃料極）中では水平
方向に透過あるいは浸透するものの、上向き方向には毛
細管作用を示さないという構造上の制約を有している。
また上述したように、この方式の電池では、スタック底
面と燃料貯蔵室の間に隙間が必要で、かつ繊維状の毛細
管材料を燃料貯蔵部に挿入する構造であるため、毛細管
材料と燃料貯蔵室とのシ−ルが難しくなると共に、スタ
ックと燃料貯蔵室を一体化して固定する構造にしなけれ
ばならない。しかも、一体化に際しては燃料貯蔵室上部
に、毛細管材料を導入するための複数の入り口を設けな
ければならず、構造が複雑になるばかりでなく、その製
造は極めて困難であるという欠点がある。さらに言うな
らば、この固定構造体においては、酸化剤を流すために
少なくともスタック底面の酸化剤極部分にスリットを開
ける必要があることも構造を複雑にしている。

【００１０】また液体燃料は、前述したように、下部か
ら上部へ一方向の毛細管作用で供給されるため、燃料極
の上部まで燃料が供給されるのに時間がかかる上に、電
池の形状に制約を受けることになる。すなわち電流を大
きくするには、電極や電解質板等の起電部品の面積を大
きくする必要があるが、この方式のように高さに制限が
存在する場合は、起電部品の幅を大きくせざるを得ず、
電池形状に制約が生じる。さらに、この電池では絶縁性
の毛細管材料が燃料極側の集電体中の一部に埋め込まれ
ているため、電池反応の結果得られた電子は集電体を流
れざるを得ず、電気が集中するばかりでなく、電気の流
れる経路が長くなって電気的なロスを生ずるという欠点
がある。

【００１１】一方、電池の締め付けに関しては、従来の
大出力、大面積の燃料電池では電池部品間の接触をよく
して性能の向上を図るために、均一に力が加わる大型の
締め付け装置を用いていた。例えば、商用のリン酸型燃
料電池や溶融炭酸塩型燃料電池の電池面積は、おおよそ
５０００〜１００００cm²で、これを部品間の接触がよ
くなるように締め付けるためには、概ね１５〜３０ton
の締め付け荷重を有する装置で締め付けなければならな
い。よって、従来の燃料電池に用いられてきた締め付け
装置は、いずれも複雑で大掛かりな装置であり、小形化
を図ろうとする燃料電池には適さない。

【００１２】一方、従来の燃料電池のシステムを複雑に
する要因の一つとして電極表面で反応生成物として生成
する水の除去の問題がある。燃料電池においては一方の
電極で、電極反応の生成物として水が生じるが、この水
を電極表面から除去する必要がある。生成物である電極
表面に滞留していることは、補給されるべき物質の供給
を妨げ、結果として反応効率を低下させる。

【００１３】特に、パーフルオロカーボンスルホン酸
（商品名：Nafion:Du Pont社製）などのプロトン導電性
膜を電解質として用いた固体高分子電解質型燃料電池
は、比較的低温（室温〜１００℃）で作動するため、小
形機器用の電源として期待できるが、このような１００
℃以下の低温で作動する燃料電池においては、酸化剤極
で生じる水は液体の状態で生成するため、揮散し難く電
極表面での水の滞留の問題は一層深刻なものとなる。

【００１４】従来の燃料電池では、電池本体の側面に空
気供給ダクトを設け、その反対面に空気排気ダクトを配
置し、この空気排気ダクトの壁面に生成水を結露させて
生成水の回収を行っていた。図４２に従来の燃料電池の
概略図を示す。

【００１５】すなわち図４２に示すように、燃料電池本
体８１の側面に、ブロアー８２を取り付けた空気供給ダ
クト８３と、その反対側に空気排出ダクト８４を設置
し、この空気排出ダクト８４の下に生成水回収ダクト５
４を設け、これらを空気入り口８６と空気出口８７の開
いた電池ケース５７内に収納する。空気の供給は、ブロ
アー８２にて行ない、生成水を含んだ空気は空気排出ダ
クト８４内に送られ、この空気排出ダクト８４の内壁面
に生成水が結露し、結露した生成水は下部の生成水回収
タンク８５に回収され、排出空気は空気出口８７を通っ
て外部に排出される。

【００１６】上記のような生成水の回収方法を、期待さ
れるような小形の燃料電池に適用すると、ブロアー自体
の駆動電力やブロアーの体積が無視できなくなり、高い
充電効率や小型であることなどの長所が失われてしま
う。他にも生成水の回収方法は提案されているが、生成
水をいったん気化させる方法では気化熱に相当するエネ
ルギーを供給する必要があり、原理的にエネルギー効率
は良くならない。

【００１７】したがって小形の燃料電池を実現するため
には、特別な動力やエネルギーを用いることなく、酸化
剤極から生成する水を除去する機構が必要となる。

【００１８】一方、燃料電池のシステムを複雑にする別
の要因としてその構造上の問題がある。

【００１９】図４３にリン酸型燃料電池を例としてその
一般的な積層構造を示す。この場合、酸化剤極３８、電
解質層３６、燃料極３７からなる起電部の相互間にセパ
レータもしくはインターコネクタと呼ばれる導電板３９
を置き、これによって各起電部を直列に接続し、必要な
電圧を確保している。この構造はリン酸型燃料電池に限
らず、溶融炭酸塩型燃料電池、さらに固体高分子電解質
型燃料電池などにも応用されている。このような構造の
燃料電池においては、ポンプやブロワなどを用いて電池
に供給された燃料もしくは酸化剤としての空気は、酸化
剤極板と燃料極板に隣接して設けられたセパレータを通
して各電極に導入される。この場合、大量の燃料と酸化
剤ガス等の反応物質をポンプやブロワに負荷を与えない
ように流すという観点から、セパレータまたは電極板の
ガス流路はできるだけ圧損が生じないようにある程度の
深さを有する溝形状にしてある。特にメタノール等の液
体燃料を用いた場合には、上述したリン酸型燃料電池と
は異なり液体状の燃料を流すため、圧損に関しては、ガ
スを燃料とする場合よりさらに大きな値となる。

【００２０】このように従来の構造の燃料電池では、こ
の反応物質の流路としてセパレータなどに溝等を形成す
る必要があるためある程度の厚さを要し、本来の発電部
である電解質層と燃料および酸化剤極の反応触媒および
集電体以外の占める体積を大きくせざるを得ない。仮
に、流路として作用する電極板ないしセパレータを薄く
小さくしたとしてもこの場合には狭い流路を通して反応
物質を供給するためにポンプ、ブロワなどに負担がかか
り、それらの機構を大きくせざるを得ない。

【００２１】このようなことから、本来の起電部である
電解質層と燃料極および酸化剤極の反応触媒および集電
体以外の占める体積をできるだけ小さく抑え、燃料電池
全体の小形化を図る方策として例えば複数の起電部を厚
さ方向に垂直に、すなわち横並べに並べて、その端部で
互いに直列になるように接続する方法が考えられる。こ
の場合には複数の起電部に対し、１つの空間から反応物
質の供給、生成物の回収が行え、またセパレータが不要
になるばかりでなく、電極板にも流路としての機能を持
たせる必要がないため省略ないし薄くすることができ
る。このような考え方はすでに特開昭６３−１４１２６
６号公報、特開昭６３−１４１２７０号公報などに開示
されている。

【００２２】しかしながらこのような構成の燃料電池で
は以下に示されるような問題が生じる。

【００２３】通常の燃料電池では電解質層からの電解質
中の成分の流出・蒸発を補い、あるいは乾燥を防止する
ために供給する反応物質に電解質層中に含有される物と
同種の電解質や水蒸気が混入されている。

【００２４】中でも、前述のパーフルオロカーボンスル
ホン酸（商品名：Nafion Du Pont社製）などのプロトン
導電性膜等を電解質として用いた固体高分子電解質型燃
料電池は、稼働時に、燃料極から酸化剤極へ、イオンと
共に水が流れるので、次第に燃料極側の水分が不足し、
効率が低下する。したがって燃料極に供給する燃料中に
は、メタノール等の液体の場合は液体の電解質を、水素
ガスの場合は、水蒸気を混入させて供給していた。

【００２５】一方、他方の電極においては水の生成が起
こる。前述の固体高分子型燃料電池においては、酸化剤
極側は、電極反応により生成する水の他、燃料極から流
れてくる水が存在するので水分が過剰になる。

【００２６】この様な反応物質に混入して供給した水や
電解質、あるいは生成した水は、複数の発電素子間をイ
オン的に結合・短絡させ、電池電圧の低下を引き起こす
原因となる。特に、上記水や電解質が液体の状態で存在
すると、その問題は顕著である。

【００２７】前述の如く、複数の発電素子を横並びに並
べ、その端部を直列に接続した構成の燃料電池は、燃料
の供給空間、生成物の回収空間を共有し、かつ電極間の
距離が短いためこのような電圧ロスの問題は一層深刻で
ある。

【００２８】図２８に、２個の発電部を横並びに並べか
つ直列に接続した場合の概略図を示す。図２８において
３７は燃料極、６０は電解質層、３８は酸化剤極であ
り、２つの起電部５５はリード５７によって電気的に直
列に接続されている。二つの発電部の燃料極３７ａ、３
７ｂ及び酸化剤極同志は、隣り合っている。燃料の供給
及び生成物の排出は、両発電部とも一つの空間から行う
ことができる。図２８においては燃料の供給は燃料流路
５８から、酸化剤ガスの供給は酸化剤流路５９にて行っ
ている。

【００２９】この場合、一つの発電部の燃料極３７ａ
と、この発電部の酸化剤極３８ａと同電位の燃料極３７
ｂとの間には、電位勾配が生じている。また酸化剤極３
８ａと酸化剤極３８ｂとの間にも同様に電位の勾配が生
じている。

【００３０】このとき両起電部表面つまり、燃料流路５
８、酸化剤流路３９に電解質として作用する物質が存在
していると前述の電位勾配にしたがってイオンの移動が
起こり、これが漏洩電流として作用して電圧ロスが生じ
る。

【００３１】したがって、上記の如く、複数の発電部を
横並びにして直列に接続し、燃料供給空間、生成物の回
収空間を共通とする構造によって、燃料電池の小形化を
図る場合には、各発電部間に生じる電圧ロスにより電池
の効率が低下してしまうため、このような電圧ロスを低
減する必要がある。

【００３２】一方、一般に燃料電池に供給する燃料とし
ては、水素ガス等の気体かメタノール、ヒドラジン等の
液体がある。燃料としてガスを使用する場合は、ＯＡ機
器等の消費電力が小さいとはいえ、ガスの密度を考える
と発電に要するガス量は大きく、電池の小型化には不向
きである。これに対して液体燃料はガスに比べると、密
度が高く、小形機器用の燃料電池の燃料としては、圧倒
的に有利である。従って液体燃料を用いた燃料電池が小
形化できれば、従来にない長時間作動が可能な小形装置
用の電源が実現できる。

【００３３】液体燃料の中でも、メタノール、エタノー
ルなどのＣ１〜Ｃ２化合物は安価であり、沸点も適度に
高いので、安全面から手軽に用いることができる。しか
し、そのような電池における技術的難点として、電極触
媒の開発がある。すなわち、メタノールのような炭素を
含む燃料のアノード酸化においては、触媒活性の高い白
金でも、時間の経過と共に反応の中間生成物が電極表面
に強固に吸着する被毒現象が現れ、大幅な触媒能の低下
をもたらすため、実用上重大な問題点となっている。

【００３４】そのため耐被毒性に優れた電極触媒が検討
されているが、いまだ十分な特性を得るには至っていな
い。そのため、長時間、安定して高出力が得られる燃料
電池は今のところ得られていない。したがってメタノー
ル等の有機燃料を用いた燃料電池の場合、電極表面の被
毒現象を抑制する必要がある。

【００３５】上述したように、一般的な従来型の燃料電
池はシステムが複雑で、そのままの構成では小形化が困
難であるという問題を有している。一方、毛管力を利用
した従来の液体燃料電池は、構成上は小形化に適するも
のの、構造が複雑でかつ構造上の制約も多いために、例
えば小形機器用の電源等に適するような小形化は達成さ
れていない。また、電池部品の締め付け方法、生成した
水の排出、および起電部間の接続等についても、燃料電
池の小形化への対応が求められている。さらに液体燃料
を用いた場合に電極表面の被毒についても対応が求めら
れている。

【００３６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の従来の
燃料電池における上記課題を解決し、小形機器の電源と
して有用な小形燃料電池を提供するために行われたもの
で、本発明の目的の第１は、液体燃料および酸化剤ガス
の供給システムを簡易化すると共に、構造を簡素化する
ことによって、高効率を維持した上で小形化することを
可能にした燃料電池を提供することにある。

【００３７】目的の第２は、燃料電池の動作に伴って生
成する水の排出を、特別な動力やエネルギーを用いるこ
となく行い小形化に適した燃料電池を提供することにあ
る。さらに、目的の第３は、起電部間のイオン伝導を最
小限に抑え、燃料電池の小型化に適した起電部間の接続
を行っても電圧ロスが少なく十分実用に適した燃料電池
を提供することにある。さらに、目的の第４は、小形の
燃料電池に用いる燃料として適したメタノール等の液体
有機燃料を用いた場合に、電極表面に生じる被毒現象を
抑え、長時間安定した出力が得られる燃料電池を提供す
ることにある。

【００３８】

【課題を解決するための手段および作用】本発明は上述
の目的を達成するために行われたもので、目的の第１で
ある原料供給システムの簡易化にする第１の燃料電池
は、燃料極、酸化剤極およびこれら両電極に挟持された
電解質板を有する起電部を複数積層したスタックを具備
し、燃料として液体燃料を用いると共に、酸化剤ガスを
前記スタックの積層面に沿って垂直方向に流すよう構成
した燃料電池において、前記スタックの外周面のうち、
前記燃料極の端面を含み、かつ前記酸化剤ガスの流れと
平行に配置された少なくとも 1つの面に沿って、前記酸
化剤ガスの流れと直交するような方向に、前記燃料極の
端面に前記液体燃料が直接接する液体燃料導入路を設
け、該液体燃料を毛管力で前記燃料極に供給するよう構
成したことを特徴としている。

【００３９】第２の燃料電池は、燃料極、酸化剤極およ
び両電極に挟持された電解質板を有する起電部をセパレ
ータを介して複数積層したスタックを具備し、燃料とし
て液体燃料を用いると共に、酸化剤ガスを前記スタック
の積層面に沿って垂直方向に流すよう構成した燃料電池
において、前記セパレータの前記酸化剤極と接する面
に、前記酸化剤ガスを垂直方向に流す酸化剤ガス供給溝
を設け、かつ、前記スタックの外周面のうち、前記燃料
極の端面を含み、かつ前記酸化剤ガスの流れと平行に配
置された少なくとも 1つの面に沿って、前記酸化剤ガス
の流れと直交するような方向に、前記燃料極の端面に前
記液体燃料が直接接する液体燃料導入路を設け、前記酸
化剤ガスを前記酸化剤ガス供給溝を介して供給すると共
に、前記液体燃料を前記燃料極となる多孔質体の毛管力
で、該燃料極に供給するよう構成したことを特徴として
いる。

【００４０】さらに、第３の燃料電池は、燃料極、酸化
剤極および両電極に挟持された電解質板を有する起電部
をセパレータを介して複数積層したスタックを具備し、
燃料として液体燃料を用いると共に、酸化剤ガスを前記
スタックの積層面に沿って垂直方向に流すよう構成した
燃料電池において、前記セパレータの前記酸化剤極と接
する面に、前記酸化剤ガスを垂直方向に流す酸化剤ガス
供給溝を設け、かつ、前記スタックの外周面のうち、前
記燃料極の端面を含み、かつ前記酸化剤ガスの流れと平
行に配置された少なくとも 1つの面に沿って、前記酸化
剤ガスの流れと直交するような方向に液体燃料導入路を
設けると共に、前記セパレータの前記燃料極と接する面
に、前記液体燃料導入路に向けて一端が開口された液体
燃料供給溝を設け、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供
給溝を介して供給すると共に、前記液体燃料を少なくと
も前記液体燃料供給溝の毛管力で、該燃料極に供給する
よう構成したことを特徴としている。

【００４１】またさらに、第４の燃料電池は、燃料極、
酸化剤極およびこれら両電極に挟持された電解質板を有
する起電部を複数積層したスタックを具備し、燃料とし
て液体燃料を用いると共に、酸化剤ガスを前記スタック
の積層面に沿って垂直方向に流すよう構成した燃料電池
において、前記燃料極の前記酸化剤極と接する面に、前
記酸化剤ガスを垂直方向に流す酸化剤ガス供給溝を設
け、かつ、前記スタックの外周面のうち、前記燃料極の
端面を含み、かつ前記酸化剤ガスの流れと平行に配置さ
れた少なくとも 1つの面に沿って、前記酸化剤ガスの流
れと直交するような方向に、前記燃料極の端面に前記液
体燃料が直接接する液体燃料導入路を設け、前記酸化剤
ガスを前記酸化剤ガス供給溝を介して供給すると共に、
前記液体燃料を前記燃料極となる多孔質体の毛管力で、
該燃料極に供給するよう構成したことを特徴としてい
る。

【００４２】またさらに、第５の燃料電池は、燃料極、
酸化剤極およびこれら両電極に挟持された電解質板を有
する起電部を複数積層したスタックを具備し、燃料とし
て液体燃料を用いると共に、酸化剤ガスを前記スタック
の積層面に沿って垂直方向に流すよう構成した燃料電池
において、前記酸化剤極に、前記酸化剤ガスを垂直方向
に流す酸化剤ガス供給溝を設け、かつ、前記スタックの
外周面のうち、前記燃料極の端面を含み、かつ前記酸化
剤ガスの流れと平行に配置された少なくとも 1つの面に
沿って、前記酸化剤ガスの流れと直交するような方向
に、前記燃料極の端面に前記液体燃料が直接接する液体
燃料導入路を設け、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供
給溝を介して供給すると共に、前記液体燃料を前記燃料
極となる多孔質体の毛管力で、該燃料極に供給するよう
構成したことを特徴としている。

【００４３】またさらに、第６の燃料電池は、燃料極、
酸化剤極およびこれら両電極に挟持された電解質板を有
する起電部を複数積層したスタックを具備する燃料電池
において、前記スタックは、その少なくとも積層方向が
ゴム弾性を示す材料で締め付けられていることを特徴と
している。

【００４４】本発明の以上の燃料電池においては、まず
酸化剤ガスをスタックに対して垂直方向に流すよう構成
しているため、酸化剤ガスを効果的に流すことができ
る。また、液体燃料導入路を、酸化剤ガスの流れと平行
に配置されたスタック外周面に沿って、酸化剤ガスの流
れと直交するような方向に設け、この液体燃料導入路内
に導入された液体燃料を毛管力で燃料極に供給するよう
構成しているため、酸化剤ガスの流れを阻害することな
く、液体燃料の毛管力による確実な供給が可能となる。
また、構造を簡素化することができると共に、構成上の
制約も少ない。これらにより、ポンプやブロワ等の補助
部品を特に用いることなく、酸化剤ガスおよび液体燃料
を円滑に供給することができ、よって小形化を図ること
が可能となる。

【００４５】本願の第２の目的である生成水の排出方法
の改善された燃料電池は、下記の構成を有するものであ
る。

【００４６】即ち、燃料極と、酸化剤極と及びこれらの
両電極に挟持された電解質層を有する発電部と、酸化剤
極に接して設けられ酸化剤極から生じる水を吸収する第
１の多孔体と、第１の多孔体に接して設けられ第１の多
孔体が保持する水を吸収する第２の多孔体は水の流れる
方向に沿って平均細孔径が小さくなるように構成されて
いることを特徴とする燃料電池である。

【００４７】例えば、メタノール等の液体燃料を用いた
燃料電池においては、以下に示す機構で燃料電池として
作動する。

【００４８】メタノール等の燃料は燃料極に供給され、
酸化剤極には酸素が供給される。メタノールを例とした
場合次のような反応が起こる。

【００４９】燃料極（アノード）：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ
→ ＣＯ₂＋6 Ｈ₊＋6 ｅ酸化剤極（カソード）： 3/2Ｏ₂＋6 Ｈ⁺＋6 ｅ →
3 Ｈ₂Ｏ全反応：ＣＨ₃ＯＨ＋ 3/2Ｏ₂ → ＣＯ₂＋2 Ｈ2 Ｏすなわち、燃料極ではメタノールが水と等モル反応し、
炭酸ガスとプロトンを生じ、プロトンは固体高分子電解
質膜を通って燃料極で酸素と反応して３モルの水を生成
する。合計では、メタノールと酸素が反応して２モルの
水を生成する。このような反応をスムースに行わせるに
は少なくとも生成する水をすみやかに除去する必要があ
る。

【００５０】また、小形機器用の電源を想定した場合、
特別な動力なしにこれを行う必要がある。

【００５１】そのために本願発明における、酸化剤極の
構造は多孔体を酸化剤極表面に接するよう設けるか、あ
るいは酸化剤極自体を多孔体とし、多孔体の毛細管現象
の作用で酸化剤極に生じた水を吸収する。さらに水の回
収は、酸化剤極表面に接するよう設けられた多孔体ある
いは多孔体からなる酸化剤極自体よりも毛細管力の強い
多孔体、すなわち平均細孔径が前記多孔体より小さい多
孔体を酸化剤極表面に接するよう設けられた多孔体ある
いは多孔体よりなる酸化剤に接触させる。それにより水
がスムースに酸化剤極表面より除去されるものである。

【００５２】本発明は、特に酸化剤極で生成する水が液
体である温度、すなわち約１００℃以下の温度で作動す
る燃料電池に適用すると有効である。すなわち、多孔体
の毛細管現象による水の吸収は、水が液体の場合に有効
に作用するためである。

【００５３】作動温度が約１００℃以下の燃料電池とし
ては、アルカリ型燃料電池、特殊な運転条件下における
リン酸型燃料電池、固体高分子電解質型燃料電池などが
ある。特に固体高分子電解質型燃料電池に使用される固
体高分子電解質はイオン交換能を有する高分子化合物か
らなり、これを膜状に形成したものは電解液の流失が無
く、アノードとカソードの反応物質の混合を防止され、
燃料電池系を小型化、単純化する上で適している。現状
ではプロトン電導性の固体高分子膜が実用化している
が、アニオン電導膜を使用してもよい。

【００５４】また、燃料電池の小型化を考慮した場合、
燃料としては水素ガス等の使用が可能である。例えば水
素吸蔵合金に吸蔵された水素ガスを用いてもよい。しか
し常温で液体であるメタノール、エタノールのようなア
ルコール類あるいはヒドラジンあるいはアミン酸のよう
な燃料を使用することが実用上好ましい。

【００５５】本願の目的の第３である起電部間の電圧ロ
スの少ない燃料電池は下記のような構成を有している。
即ち、燃料極と酸化剤極およびこれらの電極に挟持され
た電解質層を有する起電部を備え、複数の起電部が直列
に接続され、各起電部の燃料極が共通の燃料流路から燃
料が供給され、かつ各起電部の燃料極の電極面が前記燃
料流路に面しているか、または各起電部の酸化剤極が共
通の酸化剤流路から酸化剤が供給され、かつ各起電部の
酸化剤極の電極面が前記酸化剤流路に面している構造の
燃料電池において、前記の電解質層が吸水性もしくは保
水性物を含有していることを特徴とするものである。

【００５６】すなわち、以上の燃料電池においては、起
電部の電解質層として通常の電解質の主要構成物質であ
るイオン交換能力を有する化合物の他に、膜内部に水分
を供給・保持し、あるいは濃度勾配にしたがって水分を
通過させることが可能な吸水性もしくは保水性物質を並
存させたものが用いられる。

【００５７】以上のように本発明に係る電解質層は自ら
吸水性ないし保水性を示すため一方の電極触媒表面で生
成した水を速やかに吸収して触媒表面を常に反応性物質
と接触できる状態に保つと共に、吸収した水は電解質中
を濃度勾配にしたがって拡散し、他方の電極表面の乾燥
を防止する働きも示す。さらにこの過程において電解質
自体も外部からの水分の添加無しに常に有効なイオン解
離、イオン伝導特性を維持できるという優れた性質を示
す。

【００５８】したがって、この電解質層を用いた燃料層
では、供給する反応物質中には水を混入させずに電解質
中に水を供給出来、また、酸化剤極において生じた水は
すみやかに吸収されるため、電解質層以外でのイオン伝
導を小さく抑えることができる。

【００５９】本発明に係る吸水性もしくは保水性物質と
しては、澱粉、アクリロニトリル共重合体、架橋アクリ
ル酸塩、架橋ポリエチレンオキサイド等の吸水性高分子
化合物、シリカヒドロゲル、変成蛋白質（ゼラチン）等
のゲル状化合物などが利用できる。

【００６０】また、電解質としては、固体高分子電解質
の場合に本願発明の顕著な効果が得られる。固体高分子
電解質としては、プロトン導電性固体高分子電解質とし
て、パーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー（商品
名：Nafion( 米国Du Pont 社製）スルホン酸基を有する
ポリスチレン系の陽イオン交換膜が挙げられる。

【００６１】このような起電部を用いることにより、本
発明の骨子である酸化剤極および燃料極に供給する反応
物質のいずれの中にも電解質として作用する物質を不可
避混入粒以上は含まず、かつ複数の起電部の端部を互い
に直列に接続した構成である燃料電池を実現することが
できる。

【００６２】次に、複数の発電素子の端部を互いに直列
に接続する方法としては各発電素子の集電体を溶接・導
電性接着剤などにより直接接続する方法、反応物質の混
合・漏れ電流を防止するために導電板などを介して接続
する方法、あるいは発電部を作製する際に複数の発電部
を予め直列接続されるように一体化させて作製する方法
などが採用できる。

【００６３】さらに、これらの方法において電解質の漏
れを抑えるために複数の起電部の接続部分を撥水処理す
ることも有効である。

【００６４】次に本願の目的の第４である電極表面に生
じる被毒現象を抑えるための燃料電池は、燃料極と酸化
剤極及びこれら両電極に挟持された電解質層を備えた燃
料電池において、燃料極をアノーディックに分極させる
機構を備えたことを特徴とするものである。

【００６５】即ち、本発明においては、燃料電池の運転
時に燃料極表面の被毒生成物が生じた場合に、燃料極に
対極を接続しアノーディックに分極させ、前記被毒生成
物を酸化除去するものである。それにより、長時間安定
した出力の得られる燃料電池が得られる。

【００６６】さらに通常燃料電池においては、燃料極、
酸化剤極および電解質からなる起電部を複数個直列に接
続して用いている。この場合には、前記分極操作を各起
電部ごとにローテーションとして行うことが好ましい。
これにより運転を中断することなく、被毒生成物の除去
を行うことができる。

【００６７】

【実施例】以下、本発明の実施態様について説明する。
まず、本願の目的の第１である、液体燃料および酸化剤
ガスの供給システムの簡素化、ならびに構造の簡素化に
より、高効率維持した上で小型化された燃料電池につい
て説明する。

【００６８】図１は、一実施例の燃料電池の要部構成を
示す一部切り欠き斜視図である。同図において、１は燃
料極（アノード）２と酸化剤極（カソード）３とにより
挟持された電解質板であり、これら電解質板１、燃料極
２および酸化剤極３によって起電部４が構成されてい
る。ここで、燃料極２および酸化剤極３は、燃料や酸化
剤ガスを流通させると共に電子を通すように、導電性の
多孔質体で形成されている。

【００６９】そして、上記したような起電部４をセパレ
ータ５を介して複数積層することにより、電池本体とな
るスタック６が構成されている。このスタック６は、基
本的には起電部４の積層面が垂直方向に対して平行とな
るように設置される。なお、上記セパレータ５は、発生
した電子を伝導する集電板の機能も果たすため、導電性
材料により形成される。さらに必要に応じて、燃料極２
や酸化剤極３と電解質板１との間に、層状、島状、ある
いは粒状等の触媒層を形成することもあるが、本発明は
このような触媒層の有無に制約を受けるものではない。
また、燃料極２や酸化剤極３自体を触媒電極としてもよ
い。

【００７０】ここで、本発明の燃料電池において、動力
を必要とせずに酸化剤ガス例えば空気を効果的に流すた
めには、酸化剤ガスがスタック６に対して垂直方向に流
れるような構造とする必要がある。特に、スタック６の
下部から上部に向かって酸化剤ガスを流すことにより、
電池反応を生じた結果発生する熱で、酸化剤ガスは極め
て円滑に流れることになる。そこで、この実施例では、
セパレータ５の酸化剤極３と接する面に、酸化剤ガスを
垂直方向（図中、ｚ方向）に流す酸化剤ガス供給溝７を
連続溝として設けている。

【００７１】また、ガスの密度は液体に比べると著しく
小さいため、電池反応に必要な液体燃料と酸化剤ガスの
バランスを考えると、液体燃料の供給より酸化剤ガスの
供給を増す構造にすることが効率、性能、ひいては電池
の小形化のために有利である。この観点からは、酸化剤
ガス供給溝７の断面積を大きくするほど有利になるが、
溝断面積を大きくするために溝幅を大きくし過ぎると、
電気的な接触面積が小さくなってロスが生じ、また深さ
を深くし過ぎると、電極厚さもしくはセパレータ５の厚
さが厚くなって小型化には不利となる。また、溝の断面
積を小さくして溝数を多くすると、ガス供給溝７内での
酸化剤ガスの圧力損失が大きくなり、酸化剤ガスを円滑
に流すことが困難となる。従って、溝７の幅としては
０．５〜２０mm程度が、また溝７の深さとしては０．２
〜２mm程度が好ましい。なお、これら酸化剤ガス供給溝
７の形状は、後述する燃料ガスの供給方法等を考慮して
決定するものとする。

【００７２】上述したように、この実施例におけるセパ
レータ５は、酸化剤ガスを流すチャンネルとしての機能
を併せ持つものである。このように、セパレータとチャ
ンネルの両方の機能を有する部品５（以下、チャンネル
兼用セパレータと記す）を用いることにより、より部品
点数を削減することができ、小形化をより一層図ること
が可能となる。なお、上記セパレータ５に代えて通常の
チャンネルを用いることも可能である。

【００７３】上記したようなチャンネル兼用セパレータ
５は、孔のない金属板で形成してもよいし、また多孔質
体であってもよく、液体燃料と酸化剤ガスとを分離し得
るものであればよい。なお、多孔質体を用いる場合に
は、液体燃料が酸化剤極３に侵入しないように、チャン
ネル兼用セパレータ５の燃料極側の面および酸化剤極側
の面の少なくとも一方の孔を塞ぐことが好ましい。さら
に、酸化剤ガスの流れをよくするために、多孔質体から
なるチャンネル兼用セパレータ５の孔径は、酸化剤極３
となる多孔質体の孔径より大きく設定することが好まし
い。

【００７４】さらに、酸化剤ガス供給溝７の形は、上述
したような条件を満足するものであれば特に制約を受け
るものではなく、例えば図２に示すように、金属薄板を
プレスや圧延等で折り曲げ加工したチャンネル兼用セパ
レータ８を用いることも可能である。このようなセパレ
ータ８は、酸化剤極３側に酸化剤ガス供給溝７が設けら
れると共に、燃料極２側にも連続溝９を設けることがで
きる。また、チャンネル兼用セパレータ５（８）に酸化
剤ガス供給溝７を設けると共に、酸化剤極３にも酸化剤
ガスを垂直方向に流す溝を設けることも可能である。

【００７５】上記したスタック６の少なくとも１つの側
面には、この面に沿って液体燃料導入路１０が形成され
るように、燃料導入路構成部材１１が設置されている。
そして、上記液体燃料導入路１０内に導入された液体燃
料（通常、電解質である例えば希硫酸と燃料となるメタ
ノールとの混合液体）は、スタック６の側面から毛管力
で燃料極２に供給される。ここで、酸化剤ガスを下部か
ら上部に向って流す際に、液体燃料導入路１０をスタッ
ク６の上部もしくは下部に設けると、スタック６の構造
が極めて複雑となる。よって、液体燃料導入路１０は、
スタック６の外周面のうち、上下面を除いた４つの面の
いずれかに沿って設けると共に、酸化剤ガスの流れと直
交するような方向（図中、ｘ方向）に設けることが重要
である。また、液体燃料導入路１０中の液体燃料を毛管
力でスタック６の側面から燃料極２に供給するために
は、上記した４つのスタック側面のうち、起電部４の端
面で構成される２つの側面の少なくとも一方（例えば側
面４ａ）に沿って、液体燃料導入路１０を設ける。すな
わち、上記液体燃料導入路１０は、スタック６の外周面
のうち、起電部４の端面で構成される面、換言すると燃
料極２の端面を含む面で、かつ酸化剤ガスの流れと平行
に配置された少なくとも１つの面４ａに沿って、酸化剤
ガスの流れと直交するような方向に設けられている。ま
た、毛管力で液体燃料を燃料極２に供給するために、液
体燃料導入路１０内に導入された液体燃料が、上記起電
部端面４ａに直接接触するような構成とされている。

【００７６】これらによって、酸化剤ガスの流れを阻害
することなく、燃料極２の端部全面を液体燃料と接する
構造とすることができ、液体燃料導入路１０中の液体燃
料を毛管力で円滑に燃料極２に供給することが可能とな
る。そして、この実施例の燃料電池は、酸化剤ガスの供
給方向（ｚ方向）と液体燃料のスタック６端面への導入
方向とを基本的には直交させているために、構造を簡素
化することができると共に、構造上の制約が少なく、よ
って小形化することが可能となる。

【００７７】なお、上記燃料導入路構成部材１１は、ス
タック６の締め付け部材と共通としてもよいし、また別
途設けることも可能である等、その構成や材料は特に限
定されるものではない。ただし、燃料導入路構成部材１
１のスタック６側面と接する部分は、電池間の短絡を防
ぐために、絶縁されていなければならない。これは、例
えば燃料導入路構成部材１１自体を絶縁材料で構成した
り、あるいは燃料導入路構成部材１１とスタック６との
間に絶縁材料を介在させることにより行う。

【００７８】上述した液体燃料導入路１０の形状は、基
本的には図示を省略した燃料貯蔵タンクから液体燃料が
導入され、この導入された液体燃料が燃料極２に毛管力
で供給されるものであればよい。燃料貯蔵タンクから液
体燃料導入路１０に液体燃料を供給する方法の一つに、
燃料貯蔵タンクの液体燃料を自然落下させて、液体燃料
導入路１０に導入する方法がある。この方法は、スタッ
ク６の上面より高い位置に燃料貯蔵タンクを設けなけれ
ばならないという構造上の制約を除けば、液体燃料導入
路１０に確実に液体燃料を導入することができる。他の
方法としては、液体燃料導入路１０の毛管力で、燃料貯
蔵タンクから液体燃料を引き込む方法が挙げられる。こ
の方法によれば、燃料貯蔵タンクと液体燃料導入路１０
との接続点、つまり液体燃料導入路１０に設けられた燃
料入口の位置を、スタック６の上面より高くする必要が
なくなり、例えば上記自然落下法と組み合せると、燃料
タンクの設置場所を自在に設定することができるという
利点がある。

【００７９】液体燃料導入路１０に毛管力を付与するに
は、液体燃料の種類や燃料導入路構成部材１１の材質に
よって異なるものの、液体燃料導入路１０の隙間（図
中、ｔで示す）を０．２〜５mm程度とすることが好まし
い。液体燃料導入路１０の隙間ｔが０．２mm未満となる
と、液体燃料の供給不足を生じるおそれがあり、また 5
mmを超えると、十分な毛管力が得られないおそれが生じ
る。さらに、電池の作動を長期間止めた際に、液体燃料
導入路１０内の液体燃料は揮散して無駄になることや、
揮散に伴う臭気等を考慮すると、液体燃料導入路１０の
体積は小さい方が有利である。また、毛管力を向上させ
ることも考慮して、液体燃料導入路１０の隙間ｔは３mm
以下とすることがより好ましい。

【００８０】ただし、毛管力で液体燃料導入路１０に導
入された液体燃料を、引き続き円滑に毛管力で燃料極２
に供給するためには、液体燃料導入路１０の毛管力より
燃料極２への毛管力のほうが大きくなるように設定する
ことが重要である。さらに、液体燃料導入路１０の毛管
力を向上させるために、その内部に絶縁性の多孔質体や
繊維を配置してもよい。この場合、上記液体燃料導入路
１０の隙間ｔは５mmを超えてもよい。なお、液体燃料導
入路１０の数は、スタック６の側面に沿って１つに限定
されるものではなく、他方のスタック側面にも液体燃料
導入路１０を形成することも可能である。

【００８１】また、上述したような燃料貯蔵タンクは、
電池本体から着脱可能とすることができる。これによ
り、燃料貯蔵タンクを交換することで、電池の作動を継
続して長時間行うことが可能となる。この場合、電池交
換時にも装置を継続して作動させるために、燃料貯蔵タ
ンクを切り離した際に、電池内に燃料が残っている必要
がある。このような燃料貯蔵部は、液体燃料導入路１０
と燃料極２への供給部、あるいは燃料極２自体であり、
燃料貯蔵タンクの交換時間を考えると、残存する燃料の
量は少なくとも１分以上は装置を作動できる量とするこ
とが望ましい。また、燃料貯蔵タンクから液体燃料導入
路１０への液体燃料の供給は、上述したような自然落下
や、タンク内の内圧等で液体燃料を押し出すような構成
としてもよいし、また液体燃料導入路１０の毛管力で燃
料を引き出すような構成とすることもできる。この場
合、自然落下やタンク内の内圧による場合には、燃料貯
蔵タンクの出口隙間は液体燃料導入路１０の隙間に制約
されないが、毛管力による場合は液体燃料導入路１０の
隙間より燃料貯蔵タンクの出口隙間を大きくすることが
望ましい。

【００８２】上述したような方法によって、液体燃料導
入路１０内に導入された液体燃料は、毛管力により燃料
極２に供給される。この液体燃料を燃料極２側に引き込
むための毛管力としては、まず燃料極２となる多孔質体
自体の毛管力が挙げられる。このような毛管力を利用す
る場合、多孔質体である燃料極２の孔を連結させた、い
わゆる連続孔とし、その孔径を制御すると共に、液体燃
料導入路１０側の燃料極２側面から少なくとも他の一面
まで連続した連通孔とすることにより、液体燃料を横方
向でも円滑に毛管力で供給することが可能となる。ま
た、電池面積が大きくなると、液体燃料の供給速度が遅
くなるばかりでなく、液体燃料の入り口側で集中的に電
池反応が進行するため、液体燃料導入路１０から遠くな
るほど燃料の供給量が減少するおそれがある。このよう
な場合には、前述した条件を満足する他方のスタック面
にも液体燃料導入路１０を設けることが有効である。

【００８３】燃料極２となる多孔質体の孔径等は、液体
燃料導入路１０内の液体燃料を引き込み得るものであれ
ばよく、特に限定されるものではないが、液体燃料導入
路１０の隙間を考慮した上で、０．２〜３００μm 程度
とすることが好ましい。また、多孔質体における孔の連
続性の指標となる孔の体積は、３５〜８０％程度とする
ことが好ましい。孔径を０．２μm より小さくすると、
燃料極２の製造が困難となり、また３００μm を超える
と毛管力が低下してしまう。また、孔の体積が３５ %未
満となると連続孔の量が減り、閉鎖された孔が増えるた
め、毛管力を十分に得ることができなくなる。逆に、孔
の体積が８０％を超えると、連続孔の量は増加するもの
の、強度的に弱くなると共に製造が困難となる。実用的
には、孔径は０．５〜１００μm の範囲、また孔の体積
は４５〜７５％の範囲とすることが望ましい。

【００８４】また、液体燃料を毛管力で燃料極２内に引
き込むためには、燃料極２中の空気が引き込まれた液体
燃料で追い出されるように、液体燃料導入路１０側の側
面以外の側面の少なくとも一つを開放することが好まし
い。ただし、燃料極２の上記した面以外の側面は、液体
燃料の揮発を抑制する上で塞ぐことが好ましい。

【００８５】液体燃料を燃料極２側に引き込むための毛
管力としては、上述した燃料極２となる多孔質体自体の
毛管力に限らず、例えば図３に示すように、チャンネル
兼用セパレータ５の燃料極２と接する面に、液体燃料供
給溝１２を連続溝として水平方向（図中、ｙ方向）に設
け、この液体燃料供給溝１２の毛管力を利用して液体燃
料を燃料極２側に引き込むよう構成することも可能であ
る。この場合、液体燃料導入路１０は、少なくとも液体
燃料供給溝１２の開放端部と液体燃料が直接接するよう
に設けるものとする。また、液体燃料供給溝１２の毛管
力と燃料極２となる多孔質体自体の毛管力とを併用する
ことも可能である。

【００８６】上記液体燃料供給溝１２の形状は、毛管力
が発揮できれば特に制約を受けるものではないが、少な
くとも溝１２による毛管力を燃料極２の毛管力より小さ
くする必要がある。もし溝１２の毛管力が燃料極２のそ
れより大きいと、液体燃料導入路１０中の液体燃料は、
液体燃料供給溝１２内には供給されるものの、燃料極２
には供給することができなくなる。液体燃料供給溝１２
の形状は、チャンネル兼用セパレータ５の構成材料と液
体燃料との濡れ性によって異なるものの、その幅は０．
２〜１０mmの範囲とすることが好ましい。

【００８７】液体燃料供給溝１２の幅が１０mmを超える
と、毛管力が小さくなり、結局燃料極２の毛管力が主体
となって、液体燃料供給溝１２を形成した意味がなくな
る。逆に、溝１２の幅が０．２mm未満となると、毛管力
は向上するものの、液体燃料の供給が電池反応に追い付
かなくなる上に、通常の製法では溝を切るのが難しく、
特殊な製法が必要になる。溝の深さについても同様で、
溝の深さとしては０．１〜２mmの範囲とすることが好ま
しい。特に、溝１２の深さを深くしすぎると、チャンネ
ル兼用セパレータ５の肉厚を厚くせざるを得ず、その結
果小型化を阻害することとなる。さらに、燃料の供給を
止めて発電を中止した際に、多量の液体燃料が残存して
いると、揮散して無駄になるばかりでなく、揮散に伴っ
て臭気を発するおそれがあるため、溝の深さは１mm以下
とすることがより好ましい。また溝の幅は、同様な理由
に加えて電気的な接触を多くするため、５mm以下とする
ことがより好ましく、望ましくは３mm以下である。

【００８８】また、上記液体燃料供給溝１２は、液体燃
料導入路１０からその毛管力で液体燃料を引き込むもの
であるため、前述したように、燃料貯蔵タンクから液体
燃料導入路１０にその毛管力で液体燃料を導入する場合
には、液体燃料導入路１０の毛管力より液体燃料供給溝
１２の毛管力のほうが大きくなるように設定する。この
ような毛管力の差は、基本的には液体燃料導入路１０と
液体燃料供給溝１２の断面積、およびセパレータ５の構
成材料と燃料導入路構成部材１１の材料で決まるもので
あるが、望ましくは液体燃料導入路１０の隙間ｔより液
体燃料供給溝１２の幅および深さの少なくとも一方を小
さくすることが好ましい。このように、液体燃料供給溝
１２の形状は、燃料極２となる多孔質体や液体燃料導入
路１０の形状を考慮した上で設定するものとする。ま
た、液体燃料供給溝１２の形状は、酸化剤ガス供給溝７
の形状をも考慮する必要があり、例えば酸化剤ガス供給
溝７の幅および深さが液体燃料供給溝１２のそれより
１．１〜２０倍程度となるように設定することが好まし
い。さらに望ましくは１．２〜１０倍程度である。

【００８９】上記液体燃料供給溝１２は、必ずしも水平
に設けなければならないものではなく、垂直方向（ｚ方
向）に向かって45度〜90度の範囲で傾けて形成してもよ
い。ただし、傾きが大きくなると、液体燃料供給溝１２
の形成領域が狭くなり、それだけ有効な燃料供給路は減
少することになるため、傾きとしては30度以下にするこ
とが望ましい。なお、液体燃料導入路１０をスタック６
の両面に設ける場合はこの限りでない。

【００９０】このように、チャンネル兼用セパレータ５
に例えば水平方向に延びる液体燃料供給溝１２を設ける
ことによって、燃料極２の端部全面から液体燃料が燃料
極２に供給されると共に、溝１２を通して燃料極２の横
方向にも同時に燃料を供給できるため、液体燃料導入路
１０内の液体燃料を、より一層円滑に燃料極２に供給す
ることが可能となる。これにより、起電部４全面で均一
に電池反応を進行させることが可能となり、高効率を達
成することができる。なお、上記した実施例では、チャ
ンネル兼用セパレータ５に酸化剤ガス供給溝７と液体燃
料供給溝１２の両方を形成したものについて説明した
が、燃料極２および酸化剤極３に対して個々にチャンネ
ルを設置してもよい。このような場合には、両チャンネ
ル間にガスを透過させない導電性板を設置したり、少な
くとも一方のチャンネルの面の孔を塞ぐ等によって、液
体燃料と酸化剤ガスとの分離を図るようにする。ただ
し、部品点数の削減、ひいてはより一層の小形化を可能
とするためには、チャンネルを兼用することが好まし
い。

【００９１】また、液体燃料導入路１０から燃料極２に
毛管力で液体燃料を引き込むにあたって、毛管力の向上
は重要である。毛管力は、前述したように毛管通路の隙
間が小さく、かつ毛管通路の液体燃料に対する濡れ性が
大きいほど大きくなる。毛管通路の液体燃料に対する濡
れ性を大きくする観点からは、毛管力を起こす毛管部表
面の改良が有効で、特に該表面に酸化被膜を設けること
が有効である。すなわち、燃料極２の多孔質体内表面や
チヤンネル兼用セパレータ５に設けた液体燃料供給溝１
２の内面に酸化被膜を設けることによって、毛管力は著
しく大きくなり、液体燃料を電池内に引き込む速度が速
くなるばかりでなく、液体燃料の到達距離を延ばすこと
ができる。これにより、燃料電池の面積が大きくても対
応できるようになるばかりでなく、電池を立ち上げる際
の所要時間を短くすることができる。ただし、上記酸化
被膜は、多孔質体の空孔率を低下させないように形成す
ることが好ましい。特に、液体燃料導入路１０と接する
燃料極２の端面では、酸化被膜の形成により液体燃料の
入口を塞がないようにすることが重要である。

【００９２】ところで、燃料極２は、電池反応の結果発
生した電子を伝導しなければならない。従って、燃料極
２表面に設けられる酸化被膜は、上記電子伝導を阻害し
てはならない。燃料極２に設ける酸化被膜が絶縁性であ
るならば、燃料極２のセパレータ５やチャンネル等と接
触する面の表面を除いて酸化被膜を形成する。また、液
体燃料供給溝１２内に酸化被膜を設ける場合において
も、その内表面に限定して酸化被膜を形成する。

【００９３】また、液体燃料導入路１０への液体燃料の
導入を毛管力で行う場合には、液体燃料導入路１０の内
表面についても酸化被膜の形成が有効である。

【００９４】このような酸化被膜の形成方法としては、
酸化雰囲気中や水蒸気雰囲気中で温度を上げて金属の表
面を酸化させる方法や、アルカリ等の薬品で処理する方
法等が挙げられる。また、酸化被膜の除去は、その部分
を機械的方法、例えば研摩や切削等により行うことがで
きる。

【００９５】上記した各実施例においては、チヤンネル
兼用セパレータ５を介して起電部４を積層したスタック
６を有する燃料電池について説明したが、本発明の燃料
電池においてセパレータやチャンネルは必ずしも必要な
ものではない。例えば、図４に示すように、電解質板１
を燃料極２と酸化剤極３とで挟持した起電部４を、直接
複数積層してスタック１３を構成することも可能であ
る。この際、酸化剤ガス供給溝７は、例えば図４に示し
たように、燃料極２の酸化剤極３と接する面に垂直方向
に連続溝として形成したり、また図５に示すように、酸
化剤極３の燃料極２と接する面に垂直方向に形成する。
また、図６に示すように、酸化剤極３の電解質板１と接
する面に酸化剤ガス供給溝７を設けてもよい。さらに
は、酸化剤ガス供給溝７は電解質板１や燃料極２に接し
ていなくともよい。このように、燃料極２や酸化剤極３
に直接、酸化剤ガス供給溝７を形成することによって
も、酸化剤ガスを円滑に流すことができる。なお、これ
ら以外の構成、すなわち液体燃料導入路１０等は、前述
した実施例の燃料電池と同様な構成とされている。そし
て、上記構成とすることにより、部品点数をより削減す
ることができるため、より一層小形化を図ることができ
る。

【００９６】また、上記したように燃料極２と酸化剤極
３とが直接接するような構成とする場合には、燃料極２
から酸化剤極３に液体燃料が引き込まれることを防止す
る必要がある。酸化剤極３に液体燃料が引き込まれる
と、酸化剤ガスが流れにくくなり、電池反応を阻害する
ことになるためである。上記した酸化剤極３への液体燃
料の侵入を防止する方法としては、基本的には酸化剤極
３となる多孔質体の孔径を、液体燃料を毛管現象で引き
込まないような大きさに制御すればよい。ただし、適用
する機器によっては、上記孔径を毛管現象で液体燃料を
引き込むような大きさにしなければならない場合があ
る。そのような場合には、酸化剤ガス供給溝７が燃料極
２または酸化剤極３のいずれに形成されているかにかか
わらず、燃料極２となる多孔質体の酸化剤極３側の面の
孔を塞げばよい。ただし、酸化剤極３に酸化剤ガス供給
溝７を設ける場合、酸化剤極３の溝７を除く燃料極２側
の面の孔を塞いでもよいが、液体燃料が酸化剤ガス供給
溝７の側面を通して酸化剤極３に侵入するおそれがあ
り、この場合は酸化剤極３の燃料極２との接触面および
酸化剤ガス供給溝７の側面の孔を塞ぐことが好ましい。

【００９７】上記孔を塞ぐ方法としては、燃料極２と酸
化剤極３との導通を阻害しない材料をスラリー状にして
塗布したり、当該面に研摩や研削等の加工を施し、その
際に多孔質体に生ずる塑性変形で孔を塞ぐ方法や、さら
には電子ビームやレーザにより当該面を溶融、凝固させ
る方法等が挙げられる。また、酸化剤ガス供給溝７を酸
化剤極３に形成する場合には、燃料極２と酸化剤極３と
の界面に、液体燃料を通さない例えば金属板等の導電性
材料を挟むことによっても、酸化剤極３に液体燃料が侵
入することを防止することができる。

【００９８】ところで、上記した各実施例の燃料電池
は、いずれも液体燃料導入路１０中の液体燃料が多孔質
体である酸化剤極３の端部や電解質板１の端部に直接接
する構造となっている。特に、酸化剤極３は、多孔質体
でなければガスを電解質板１に供給できないため、その
端部で液体燃料と接する場合には、液体燃料が酸化剤極
３に毛管力で引き込まれ、引き込まれた液体燃料は酸化
剤ガスの通路を閉塞させることとなる。従って、液体燃
料が酸化剤極３の端部から入り込むのを防ぐ必要があ
る。

【００９９】酸化剤極３への液体燃料の侵入の防止は、
基本的には酸化剤極３となる多孔質体の孔径を、液体燃
料を毛管力で引き込まないような大きさに制御すればよ
い。ただし、適用する機器によっては、上記孔径を毛管
力で液体燃料を引き込むような大きさとしなければなら
ない場合がある。このような場合の液体燃料の侵入防止
は、例えば酸化剤極３の液体燃料導入路１０側の面の孔
を塞いだり、あるいは酸化剤極３の液体燃料導入路１０
と接する面をシ−ル部材で覆う等の方法により行う。こ
れらの具体的な方法としては、例えば金属、無機物、セ
ラミックス、有機物等の板、箔、膜等で側面を被覆した
り、これらの単独もしくは複合粉末等をスラリ−状に塗
布する方法等が例示される。また、前述した塑性変形を
利用する方法や溶融、凝固させる方法を適用することも
可能である。

【０１００】また、後者の酸化剤極３の側面をシ−ル部
材で覆う方法としては、セパレータ５やチャンネル等を
用いる場合には、例えば図７に示すように、酸化剤極３
および電解質板１の側面に位置するように、燃料極２と
チャンネル兼用セパレータ５とでシ−ル部材１４を挟む
方法が挙げられる。この場合、シ−ル部材１４が電子伝
導性を持っていると、燃料極２間の短絡が起って出力が
得られなくなるため、シ−ル部材１４は絶縁性材料で形
成する。なお、シ−ル部材１４は、必ずしも燃料極２と
チャンネル兼用セパレータ５との間に挟まなければなら
ないものではなく、例えば燃料極２間に挟んだり、ある
いは酸化剤極３の側面のみに挟むこともできる。

【０１０１】また、セパレータやチャンネル等を用いな
い場合には、例えば図８に示すように、燃料極２間に同
様なシール部材１４を挟むことにより、酸化剤極３の側
面をシ−ル部材で覆うことができる。この際、シール部
材１４を酸化剤極３の側面のみに挟むこともできる。

【０１０２】ところで、起電部４を積層したスタック６
（１３）では、起電部４間の電気的な接触を確保するた
め、スタック６（１３）を締め付けなければならない。
この場合、上記シール部材１４をゴム弾性を有する材料
で構成することにより、換言すれば起電部４を締め付け
た際に、起電部４部品やチャンネル兼用セパレータ５
（以下、スタック構成部品と記す）間に挟んだシール部
材１４がゴム弾性的に変形することにより、上記した電
気的な接触を確実に得ることができると共に、液体燃料
のシール効果を得ることができる。

【０１０３】すなわち、スタック構成部品間に挟む材料
が変形しない剛体材料の場合、この剛体材料の厚さがそ
れにより覆われるスタック構成部品の厚さより薄けれ
ば、スタック構成部品と剛体材料との間に隙間ができる
ため、液体燃料のシールはできない。逆に、剛体材料の
厚さがそれにより覆われるスタック構成部品の厚さより
厚ければ、スタック６（１３）を締め付けても、酸化剤
極３や電解質板１等の間に隙間ができて、電気的な接触
が確保できなくなる。原理的には、上記した厚さが同じ
であれば、電気的な接触と液体燃料のシールの両立は可
能であるが、実際には起電部４部品の厚さを厳密に一定
にすることは困難である。

【０１０４】これに対して、スタック構成部品間に挟む
シール部材１４にゴム弾性を持たせることにより、スタ
ック６（１３）を締め付けた際にシール部材１４の変形
で、スタック構成部品の厚さとシール部材１４の厚さの
差を吸収させることができる。これにより、電気的な接
触と液体燃料のシール性を確実に得ることとが可能とな
る。ゴム弾性材料としては、例えば生ゴムやテフロン製
のゴム等、ゴム弾性を発揮するものであれば種々の材料
を使用することができる。

【０１０５】また、上述したようにスタック構成部品間
にシール部材１４を挟む場合、酸化剤極３への液体燃料
の侵入をさらに確実に防止するためには、図９に示すよ
うに、酸化剤極３とシール部材１４との間に隙間１５を
形成し、シール部材１４と酸化剤極３とが直接接しない
ような構成とすることが効果的である。これにより、万
一シールの不具合部から液体燃料が洩れた際にも、液体
燃料が直接酸化剤極３に引き込まれるのを避けることが
できる。さらに、液体燃料の酸化剤極３への混入防止を
確実にするには、酸化剤極３の側面の孔を塞ぐことであ
る。

【０１０６】なお、酸化剤極３の液体燃料導入路１０と
反対側の側面は、ゴム弾性を有するシール部材を必ずし
も設ける必要はなく、絶縁性の電池収納部材の一部をシ
ール材として兼用してもよい。この場合、酸化剤極３へ
の液体燃料の侵入を防ぐ観点から、少なくとも酸化剤極
３の端部と電池収納部材との間に隙間を設けることが好
ましい。

【０１０７】ところで、図１ないし図９においては、燃
料極２、電解質板１および酸化剤極３が平面で接してい
る場合を示したが、電池面積を大きくするために、それ
ぞれの接触面を曲線状としてもよい。図１０には、燃料
極２と電解質板１との接触面が波状である場合を示す。
波状面は、燃料極２と電解質板１との接触面、もしくは
酸化剤極３と電解質板１との接触面の少なくとも一方に
形成されていればよいが、電池反応の観点からは燃料極
２と電解質板１との接触面が波形をしていることがより
好ましい。

【０１０８】また、本発明の燃料電池においては、さら
に燃料極の電解質板と接する面に、垂直方向の溝を設け
ることにより、燃料極での液体燃料の分解反応により生
じた二酸化炭素を効率よく排出させることができる。

【０１０９】本発明の燃料電池においては、前述したよ
うに、スタック６（１３）は起電部４間の電気的な接触
を確保するために締め付けなければならない。この締め
付けには、従来の燃料電池と同様な方法を適用すること
も可能であるが、図１１に示すようにスタック１６を、
絶縁性を示しかつゴム弾性を有する材料で形成した電池
締め付け部材１７で締め付けるような構成とすることも
可能である。このような電池締め付け部材１７を用いる
ことにより、スタック１６の締め付けを容易にかつ確実
に行うことが可能となる。

【０１１０】上記したように電池締め付け部材１７を用
いる際、その内寸法はスタック１６を締め付けるため
に、スタック１６の外寸法より小さくする。そして、電
池締め付け部材１７を広げ、その中にスタック１６を挿
入した後、電池締め付け部材１７を広げている力を解放
し、ゴム弾性材料の復元力でスタック１６を締め付け
る。この場合、液体燃料導入路１０は、図１１に示すよ
うに、電池締め付け部材１７に設けてもよいし、電池締
め付け部材１７とは別部品として形成することも可能で
ある。

【０１１１】ところで、上記したゴム弾性を示す材料で
形成した電池締め付け部材１７は、前述の各実施例で示
したメタノール燃料電池に限らず、各種の燃料電池に使
用することができる。ただし、ゴム弾性材料の耐熱温度
が燃料電池の運転温度以上であることが適用条件とな
る。このようなことから、一般的な耐熱性ゴム材料を使
用する場合には、上述したメタノール燃料電池をはじめ
として、例えばリン酸型燃料電池、固体高分子電解質型
燃料電池、アルカリ性電解液型燃料電池、ヒドラジン燃
料電池等に適用することが可能である。また、ゴム弾性
を示す材料としては各種のゴムに限らず、金属製スプリ
ング等を用いることも可能である。このような場合に
は、溶融炭酸塩型燃料電池や固体電解質型燃料電池等に
も適用することができる。

【０１１２】上述したゴム弾性を示す材料で形成した電
池締め付け部材を、一般的な燃料電池に適用する場合に
は、例えば図１２に示すように、燃料極、酸化剤極およ
びこれら両電極に挟持された電解質板、さらに必要に応
じてガスチャンネルを有する起電部（セル）を、必要に
応じてセパレータを介して複数積層したスタック１８の
周囲を、上述した実施例と同様に、ゴム弾性を示す材料
で形成した電池締め付け部品１９で締め付ける。

【０１１３】図１２では、スタック１８の４周囲から電
池締め付け部品１９で均一に締め付けた例を示したが、
締め付け力は少なくともスタック１８の積層方向に加わ
るような構成であればよい。すなわち、スタック１８を
締め付ける本来の目的は、各電池部品間の接触をよく
し、部品間の接触抵抗に起因する電気抵抗を極力小さく
することにあるため、その締め付け力は少なくともスタ
ック１８の積層方向に加わっていればよい。そこで、図
１３に示すように、スタック１８の積層方向にゴム弾性
部品２０ａを設けた電池締め付け部品２０等を用いるこ
とも可能である。

【０１１４】図１２に示したように、スタック１８の外
周面全てをゴム弾性材料で覆う場合には、電池締め付け
部品１９は断熱材としても機能する。また、図１３に示
したように、スタック１８の側面の一部を開放するよう
な電池締め付け部品２０の場合には、その開放部２０ｂ
から電池反応で生じた熱を外部に逃がすことができる。
これらは、燃料電池の使用形態に応じて選択することが
でき、例えば初期の稼働性の向上を図る場合や、燃料電
池からの放熱が周囲の部品等に対して悪影響を及ぼすよ
うな場合には、図１２に示したような電池締め付け部品
１９が好適である。また、過度の蓄熱が燃料電池に悪影
響を及ぼすような場合には、図１３に示したような電池
締め付け部品２０が好適である。なお、図１２に示した
ような電池締め付け部品１９を用いる場合には、別途燃
料電池の冷却機構を設けて使用することもできる。

【０１１５】また、図１２や図１３に示した電池締め付
け部品１９、２０を用いる場合に、スタック１８の面方
向の締め付け力が大きすぎると、スタック１８の角部に
過度の力が加わり、角部が損傷を受ける可能性がある。
このため、基本的にはスタック１８の面方向への力で、
角部が損傷しない範囲に締め付け力を調整する必要があ
るが、スタック１８の角部を剛性材料で覆った後、電池
締め付け部品１９、２０で締め付けることが好ましい。
特に、図１４に示すように、スタック１８より大面積の
剛性部材２１を、スタック１８の積層方向の両端面に設
置し、その上からゴム弾性材料からなる電池締め付け部
品１９（２０）で締め付けることによって、スッタク１
８の各角部１８ａにかかる力をほとんど無視できる程度
にまで低減することができる。なお、剛性材料がセル間
を短絡させるような構造の場合、例えば剛性材料がスタ
ック１８の角部を囲むように折り込んだ構造の場合に
は、スッタク１８との間で絶縁を図る必要がある。ただ
し、剛性材料を電気の取り出し板と兼用する場合には、
導電性の１枚板であることが好ましい。

【０１１６】電池締め付け部品の構造としては、図１２
や図１３に示したものに限らず、上述したように、少な
くともスタックの積層方向をゴム弾性で締め付けられる
構造であればよく、例えば図１５や図１６に示すよう
に、ゴム弾性材料と剛性材料とを組み合わせて電池締め
付け部品を構成することも可能である。

【０１１７】図１５は、スタック１８の積層方向の両端
面にそれぞれ剛性部材２２を配置し、これら剛性部材２
２間を、スタック１８の側面を覆うようなゴム弾性部品
２３で接続すると共に、スタック１８を積層方向に締め
付けた構造を示している。また、図１６は、スタック１
８の積層方向の両端面にそれぞれ剛性部材２２を配置
し、これら剛性部材２２を含めた周囲を帯状のゴム弾性
部品２４で締め付けた構造を示している。このように、
ゴム弾性材料と剛性材料との組み合わせは、少なくとも
スタックの積層方向がゴム弾性で締め付けられていれば
よく、各種の組み合わせを使用することができる。

【０１１８】上述したような各種の電池締め付け部品
は、スタック１８が外部マニホールド方式であればマニ
ホールドの上から締め付けてもよい。この場合、図１１
に示したように、電池締め付け部品の一部をマニホール
ドと兼用することもできる。

【０１１９】また、上述した各種の電池締め付け部品
は、スタックを締め付けるために、少なくともスタック
の積層方向に対応する内寸法を、スタックの積層方向外
寸法より小さくする必要があり、実際に締め付けを行う
場合には、電池締め付け部品を一旦広げ、その中にスタ
ックを挿入した後、電池締め付け部品を広げている力を
解放しなければならない。この際、電池締め付け部品を
広げ、かつスタック挿入後に力を解放することを容易に
するために、図１７に示すように、電池締め付け部品２
５の内側４隅に広げるための切り欠き２５ａを設けてお
くことが好ましい。上記した４隅の切り欠き２５ａに電
池締め付け部品２５を広げるための棒を差し込み、力を
解放した後に棒を引き抜くことによって、容易にスタッ
クを締め付けることが可能となる。また、図１４に示し
たように、スタック１８より大面積の剛性部材２１を両
端面に設置し、電池締め付け部品１９とスタック１８と
の間に形成される空間を利用して、電池締め付け部品１
９を広げると共に、力の解放を容易にすることもでき
る。

【０１２０】なお、上述した電池締め付け部品に用いる
ゴム弾性材料としては、絶縁性を有すると共に、スタッ
クの積層方向に必要な締め付け力が得られるものであれ
ば、種々のゴム材料を用いることができ、例えば生ゴム
やテフロン製ゴムが例示される。また、燃料電池の種類
によって、耐熱性、耐酸性や耐アルカリ性を有するゴム
材料を使用する。

【０１２１】上述したようなゴム弾性でスタックの少な
くとも積層方向を締め付ける電池締め付け部品を用いる
ことによって、従来のボルト締め方式等に比べて、締め
付け作業が容易になり、かつ締め付け部品自体の小形、
軽量化を図ることができるため、燃料電池の小形化に大
きく寄与する。また、締め付け力を容易に調整すること
ができるため、各種の燃料電池に対する対応が容易であ
る。

【０１２２】また、本発明の燃料電池は、前述したよう
に燃料極２および酸化剤極３における触媒層の有無等に
限定されるものではないが、毛管力で燃料極２に液体燃
料を供給する構成であるため、燃料極２側の酸化反応の
効率を高めると共に、生成するプロトンの移動性を高め
ることが好ましい。このような要求を満たす方法として
は、例えば燃料極２を、耐熱耐酸性の担持体上に概ね互
いに重ならないで島状に燃料酸化触媒を存在させ、少な
くとも燃料酸化触媒の表面に耐熱耐酸性のプロトン伝導
性物質を存在させた燃料酸化触媒粒子で構成する方法が
挙げられる。

【０１２３】上述したような燃料酸化触媒粒子の具体例
としては、 (a) 耐熱耐酸性の担持体上に、概ね互いに重ならない
で島状に燃料酸化触媒を存在させ、少なくとも該燃料酸
化触媒の表面を耐熱耐酸性のプロトン伝導性薄膜で覆っ
た燃料酸化触媒粒子。

【０１２４】(b) 耐熱耐酸性の担持体上に、概ね互い
に重ならないで島状に燃料酸化触媒を存在させ、少なく
とも該燃料酸化触媒の表面を耐熱耐酸性を有する高分子
ネットワークでプロトン伝導性物質を保持させた薄膜で
覆った燃料酸化触媒粒子等が例示される。

【０１２５】上記 (a)および (b)のいずれにおいても、
燃料極２は基本的には、燃料酸化触媒を担持したカーボ
ン粒子やTiカーバイド等からなる担持体の多孔質体によ
って構成される。具体的には、上記燃料酸化触媒を担持
した担持体からなる燃料酸化触媒粒子を、ポリテトラフ
ルオロエチレンのような疎水性樹脂結合剤により保持し
た多孔質体によって構成する。そして、上記燃料酸化触
媒粒子が上記 (a)および (b)のいずれかの薄膜で覆われ
ているものである。上記燃料酸化触媒としては貴金属触
媒、例えばＰｔ、Ｐｄ等の白金族金属と共に、Ｐｔ−Ｒ
ｕ合金、Ｐｔ−Ａｕ合金、Ｐｔ−Ｓｎ合金、Ｐｔ−Ｒｅ
合金、Ｐｔ−Ｍｏ合金、Ｐｔ−Ｔｉ合金等を用いること
ができる。

【０１２６】上記 (a)の燃料酸化触媒粒子は、図１８に
示すように、カーボン粒子やＴｉカーバイド等の耐熱耐
酸性を有する導電性粒子からなる担持体粒子２６の表面
に、上記したような燃料酸化触媒２７を島状に存在さ
せ、この燃料酸化触媒２７および担持体粒子２６の表面
を耐熱耐酸性のプロトン伝導性薄膜２８で覆ったもので
ある。プロトン伝導性薄膜２８は、少なくとも燃料酸化
触媒２７の表面を覆っていれば効果は得られるが、図１
８に示すように、担持体粒子２６の表面を含めて全体を
プロトン伝導性薄膜２８で覆うことによって、担持体粒
子２６の腐食をも防止することができ、長寿命化を図る
ことが可能となる。

【０１２７】上記したプロトン伝導性薄膜２８は、耐熱
耐酸性の材料であれば有機材料、無機材料を問わない。
その中でも、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオ
ン交換樹脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸
樹脂が好適である。また、プロトン伝導性薄膜２８の膜
厚は、１μm 以下とすることが好ましい。膜厚があまり
厚いと、逆に反応を阻害する可能性がある。燃料酸化触
媒の表面をプロトン伝導性薄膜で覆う方法としては、上
記したようなイオン交換樹脂を溶液化し、これを被覆す
る方法が一般的であり、かつ簡便である。中でも厚さ１
μm 以下の極めて薄く、かつ均一な薄膜を形成する方法
として、溶液化したイオン交換樹脂を用いた電解被覆法
が優れている。

【０１２８】また、上記 (b)の燃料酸化触媒粒子は、図
１９に示すように、上記 (a)と同様な担持体粒子２６の
表面に島状に存在させた燃料酸化触媒２７および担持体
粒子２６の表面を、耐熱耐酸性を有する高分子ネットワ
ーク２９内にプロトン伝導性物質３０を保持させた薄膜
３１で覆ったものである。

【０１２９】上記した高分子ネットワーク２９として
は、耐熱耐酸性を有すると共に、担持体や燃料酸化触媒
との結合力に優れるものであれば種々の高分子材料を用
いることができる。担持体や燃料酸化触媒との結合力を
考慮すると、特に電解重合によるポリアニリン、ポリピ
ロール、ポリフェニレンサルファイド等が好適である。
また、この高分子ネットワーク２９中に保持されるプロ
トン伝導性物質３０は、耐熱耐酸性の材料であれば種々
の材料を用いることができ、例えばプロトン伝導性を有
するモノマーやポリマーが用いられる。プロトン伝導性
モノマーとしては、例えばトリフルオロメタンスルホン
酸、テトラフルオロエタンジスルホン酸等のフッ素化ス
ルホン酸の誘導体、(HO)₂OP (CF₂) PO(OH)₂、(HO)₂
OP (CF₂）₂PO(OH)₂等のフッ素化二リン酸の誘導体、
(CF₃SO₂CH₂SO₂CF₂CF₂）₂、CF₃SO₂NHSO₂ C₄F
₉等のフッ素化スルホニル酸の誘導体が例示される。ま
た、同様な性質を有するプロトン伝導性ポリマーとして
は、有機系の含フッ素高分子を骨格とするイオン交換樹
脂、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂等が
例示される。実際上は、ナフィオン117(商品名、デュポ
ン社製）やＤＯＷ膜（商品名、ダウ・ケミカル社製）等
を溶液化し、これに含まれるポリマー分子を高分子ネッ
トワークに保持させることによって用いる。

【０１３０】このような高分子ネットワーク２９でプロ
トン伝導性物質３０を保持した薄膜３１の形成方法とし
ては、上述したように電解重合を用いることが好まし
い。例えば、燃料酸化触媒を担持する担持体により、多
孔質状の電極基体を作製し、これを電解重合の一方の電
極として、高分子ネットワーク材料およびプロトン伝導
性物質を含む電解浴中に投入し、上記電極と対極間に通
電して電解重合を行う。これにより、プロトン伝導性物
質を内部に取り込みつつ高分子ネットワークが形成さ
れ、かつそのような物質が電極基体内に取り込まれる。
このような電解重合によって、担持体上の燃料酸化触媒
表面は、高分子ネットワークでプロトン伝導性物質を保
持する薄膜によって覆われる。この際、電解重合はパル
ス状の電流を流して行うことが好ましい。これにより、
電極基体のμm オーダーの微細孔内に、効率よくプロト
ン伝導性物質を保持する高分子ネットワークを取り込ま
せることができる。なお、プロトン伝導性物質は、燃料
電池の電解質中に予め添加しておき、電池反応時に高分
子ネットワーク中に取り込ませることもできる。また、
膜厚は流す電気量で制御可能であり、上記 (a)における
プロトン伝導性薄膜２８と同程度とすることが好まし
い。上述したような燃料極を用いた燃料電池では、図２
０に示すように、燃料極中の燃料酸化触媒２７の表面を
覆う耐熱耐酸性のプロトン伝導性薄膜２８や耐熱耐酸性
を有する高分子ネットワーク内にプロトン伝導性物質を
保持させた薄膜３１が、液体燃料の酸化反応により生成
したプロトン（Ｈ⁺）の移動通路として機能するため、
毛管現象で燃料極に引き込んだ液体燃料を高効率で反応
させることができ、燃料極の高性能化を図ることが可能
となる。さらに、プロトン伝導性を有する薄膜２８、３
１中のプロトンの存在によって、燃料を例えばメタノー
ル＋水系とすることが可能となる。よって、燃料電池構
成材料の耐酸性を考慮する必要がなくなりコスト低減に
寄与する。また、構成材料の寿命特性も向上する。ま
た、さらにプロトン伝導性を有する薄膜２８、３１が、
ナフィオン１１７で代表されるような含水性膜の場合に
は、燃料（例えばメタノール＋水または希硫酸）を気体
として供給しても膜の吸水性により、燃料酸化触媒能を
発揮することができる。

【０１３１】次に、本発明の目的の第一である簡素化か
つ小形化された燃料電池の具体例およびその評価結果に
ついて述べる。

【０１３２】実施例１図１に示した構成を有する液体燃料電池を、以下に示す
要領で作製した。まず、平均孔径が２０μm の６０mm×
５０mmの多孔質体を燃料極２として用いると共に、平均
孔径が３０μm の同形状の多孔質体を酸化剤極３として
用い、これらで電解質板１を挟持した。これらを、酸化
剤ガス供給溝７の形状が深さ０．７mm、幅１０mmである
金属板製のチャンネル兼用セパレータ５を介して、積層
数が１０となるように積層してスタック６を作製した。
なお、酸化剤極３の液体燃料導入路１０と接する面の孔
は、研摩紙で研摩して塞いだ。また、液体燃料導入路１
０の形状は隙間１mmとした。

【０１３３】このようにして得た液体燃料電池に、液体
燃料としてメタノールと希硫酸との混合液を導入したと
ころ、燃料極２全面に液体燃料が供給され、また空気も
円滑に流れ、良好に電池反応を進行させることができ
た。

【０１３４】また、燃料極２となる多孔質体の内表面に
酸化被膜を設けて、同様に燃料電池を作製したところ、
より液体燃料の供給を円滑に行うことができ、さらに良
好に電池反応を進行させることができた。

【０１３５】酸化被膜の形成による毛管力の向上を測定
するために、以下の試験を行った。表面に酸化被膜を形
成した２枚の銅板を、両板の隙間が１mmとなるようにし
て模擬燃料導入路を作製し、これをメタノール中に浸漬
し、酸化被膜のない銅板の場合と比較した。その結果、
酸化被膜を有する銅板では、メタノールの上昇高さが酸
化被膜がない銅板の上昇高さの約５倍となった。また、
同じ距離までメタノールが上昇するまでの時間を測定し
たところ、酸化被膜を有する銅板は酸化被膜がない銅板
の約１／８であった。次に、平均孔径が２０μm のニッ
ケル多孔質体の内表面に酸化被膜を形成した後、側面以
外の表面の酸化被膜を研摩で除去し、これをメタノール
中に浸漬して、メタノールの上昇高さが１０mmの高さま
でメタノールが上昇するまでの時間とを測定した。その
結果、酸化被膜を有するNi多孔質体では、酸化被膜のな
いNi多孔質体に比べて、上昇高さは約３倍、時間は約１
／５であった。以上の試験結果から、毛管力の向上に酸
化被膜の形成が有効であることが分かる。

【０１３６】さらに、上記液体燃料電池において、図９
に示すごとく燃料極２間に厚さ５mmのテフロンゴム製シ
ール部材１４を配置すると共に、図１１に示すごとくゴ
ム製の電池締め付け部材１７でスタック６（１６）を締
め付ける以外は、同様にして液体燃料電池を作製した。
この液体燃料電池に対しても、同様に液体燃料の供給を
行ったところ、酸化剤極３には液体燃料は侵入せず、シ
ール部材１４の効果を確認することができた。また、ス
タック構成部品間には緩みもなく、電池締め付け部材１
７の有用性が確認できた。

【０１３７】実施例２上記実施例１においては、チャンネル兼用セパレータ５
の燃料極側の面に、深さ０．５mm、幅０．５mmの液体燃
料供給溝１２を設ける以外は、同様の液体燃料電池（図
３に示した燃料電池）を作製した。この液体燃料電池に
対しても、同様に液体燃料の導入を行ったところ、燃料
極２全面に液体燃料がスムーズに供給され、良好に電池
反応を進行させることができた。

【０１３８】実施例３図４に示した構成を有する液体燃料電池を、以下に示す
要領で作製した。まず、平均孔径が２０μm の６０mm×
５０mmの多孔質体に、深さ０．７mm、幅１０mmの酸化剤
ガス供給溝７を形成すると共に、溝形成面の孔を研摩紙
で研摩して塞いで燃料極２とした。また、平均孔径が３
０μm の同形状の多孔質体の一側面の孔を研摩紙で研摩
して塞いで酸化剤極３とした。これらで電解質板１を挟
持し、積層数が10となるように積層してスタック１３を
作製した。なお、液体燃料導入路１０の形状は、隙間
１．５mmとした。

【０１３９】このようにして得た液体燃料電池に、液体
燃料としてメタノールと希硫酸との混合液を導入したと
ころ、燃料極２全面に液体燃料が供給され、また空気も
円滑に流れ、良好に電池反応を進行させることができ
た。

【０１４０】また、実施例１と同様にして、酸化被膜の
効果およびシール部材１４の効果を確認したところ、実
施例１と同様に良好な結果が得られた。さらに、酸化剤
極３に酸化剤ガス供給溝７を形成して、同様な液体燃料
電池（図５に示した燃料電池）を作製したところ、同様
な結果が得られた。

【０１４１】次に、本発明における燃料酸化触媒の具体
例およびその評価結果について説明する。

【０１４２】実施例４燃料酸化触媒の原材料として、１００ m²/gの比表面積
を有する熱処理済み導電性カーボンブラックVulcan XC-
72R(商品名、キャボット社製）に白金触媒を２０重量％
担持させたものを用意した。この燃料酸化触媒原料の表
面に、パーフルオロカーボンスルフォン酸樹脂の一つで
あるナフィオン１１７（商品名、デュポン社製）を溶液
状にしたナフィオン溶液（ナフィオン１１７を低級アル
コールと水の混合溶媒に溶かしたもの、濃度約５重量
％）を透析することにより得られた希釈ナフィオン溶液
（濃度約０．０１重量％）を用いて、膜厚約１μm のプ
ロトン伝導性薄膜を形成した（以下、修飾触媒と呼
ぶ）。

【０１４３】上記した修飾触媒を、ポリテトラフルオロ
エチレン水系懸濁液ＴＦＥ−３０（商品名、デュポン社
製）中に超音波によって分散させた。次に、この混合懸
濁液に三塩化アルミニウムを添加して、綿状の塊を凝集
析出させた。この修飾触媒（乾燥重量基準で７０％）と
ポリテトラフルオロエチレンとを含む綿状の混合塊を、
カーボンペーパー上に担持させ、プレス後乾燥させ、窒
素中３００℃で２０分間焼成して電極とした。得られた
電極は、電極単位面積（１cm²）当たり１．５mgの白金
を含むように調整した。

【０１４４】このようにして得た燃料極を用い、かつ１
モル硫酸に１モルメタノールを加えた水溶液を液体燃料
として、６０℃にて燃料極ハーフセル特性を測定した。
その結果、燃料極の限界電流密度は１００ mA/cm²と、
分極特性に優れ、高性能であることが確認できた。

【０１４５】比較例１実施例４と同様の燃料酸化触媒の原材料をプロトン伝導
性膜で覆うことなく、それ以外は実施例４と同様にして
燃料極を得た。得られた燃料極のハーフセル特性を実施
例４と同様にして測定したところ、燃料極の限界電流密
度は６０ mA/cm²であった。

【０１４６】実施例５実施例４と同一の燃料酸化触媒を用意し、この燃料酸化
触媒原料をポリテトラフルオロエチレン水系懸濁液ＴＦ
Ｅ−３０（商品名、デュポン社製）中に超音波によって
分散させた。次に、この混合懸濁液に三塩化アルミニウ
ムを添加して、綿状の塊を凝集析出させた。この触媒原
料（乾燥重量基準で７０％）とポリテトラフルオロエチ
レンとを含む綿状の混合塊を、カーボンペーパー上に担
持させ、プレス後乾燥させ、窒素中３００℃で２０分間
焼成して電極基体とした。

【０１４７】次に、上記電極基体を用いて、以下に示す
手順にしたがって電解重合を行い、高分子ネットワーク
内にプロトン伝導性モノマーが保持された薄膜を、触媒
の表面に形成した。なお、高分子ネットワークとしては
ポリアニリンを用い、またプロトン伝導性モノマーとし
てはトリフルオロメタンスルホン酸を用いた。まず、ア
ニリン１モル／１とトリフルオロメタンスルホン酸２モ
ル／１との混合液からなる電解重合液を収容した電解槽
内に、対極と上記電極基体を動作電極として投入した。
電解重合液の温度を０℃に保ちながら、２ mA/cm²の定
電流で５分間通電した後、さらに２０ mA/cm²の定電流
で10分間通電して電解重合を行った。このようにして、
ポリアニリンネットワーク中にトリフルオロメタンスル
ホン酸が保持された薄膜を触媒の表面に形成し、燃料極
用電極を得た。

【０１４８】実施例６実施例５と同様にして作製した電極基体を用いると共
に、高分子ネットワーク内に実施例５のプロトン伝導性
モノマーに代えてプロトン伝導性ポリマーが保持された
薄膜を、実施例５と同様な電解重合によって触媒の表面
に形成した。なお、高分子ネットワークとしてはポリア
ニリンを用い、またプロトン伝導性ポリマーとしてはナ
フィオン１１７（商品名、デュポン社製）を用いた。電
解重合の条件は、トリフルオロメタンスルホン酸をナフ
ィオン１１７に変更する以外は同一とした。このように
して、ポリアニリンネットワーク中にナフィオン１１７
が保持された薄膜を触媒の表面に形成し、燃料極用電極
を得た。

【０１４９】上記により得た実施例５および実施例６の
電極の燃料極ハーフセル特性を、実施例４と同様にして
それぞれ測定した。その結果、実施例５の燃料極の限界
電流密度は１０２ mA/cm²、実施例６の燃料極の限界電
流密度は９５ mA/cm²と、いずれも分極特性に優れ、高
性能であることが確認できた。

【０１５０】実施例７実施例５と同様にして作製した電極基体を用いて、以下
に示す手順にしたがって電解重合を行った。なお、高分
子ネットワークおよびプロトン伝導性モノマーは、実施
例５と同材質とした。まず、アニリン１モル／１とホウ
フッ化水素酸 2モル/lとの混合液からなる電解重合液を
収容した電解槽内に、対極と上記電極基体を動作電極と
して投入し、実施例５と同一条件で電解重合を行った。
このようにして、ポリアニリンネットワーク膜を触媒の
表面に形成した。

【０１５１】このようにして得た燃料極を用い、かつ１
モル硫酸に１モルメタノールを加えた水溶液にトリフル
オロメタンスルホン酸を１ vol％添加したものを液体燃
料として、６０℃にて燃料極ハーフセル特性を測定し
た。

【０１５２】実施例８実施例７と同様にして作製した電極を用いると共に、１
モル硫酸に１モルメタノールを加えた水溶液にナフィオ
ン１１７を１ vol％添加したものを液体燃料として、６
０℃にて燃料極ハーフセル特性を測定した。

【０１５３】実施例７および実施例８の限界電流密度
は、それぞ９８ mA/cm²、９３ mA/cm²であり、いずれ
も分極特性に優れ、高性能であることが確認できた。

【０１５４】実施例９実施例５と同様に作製した電極基体を用いて、以下に示
す手順にしたがって、実施例５とは若干異なり矩形パル
ス電流を印加しながら電解重合を行い、高分子ネットワ
ーク内にプロトン伝導性モノマーが保持された薄膜を、
触媒の表面に形成した。なお、高分子ネットワークとし
てはポリアニリンを用い、またプロトン伝導性モノマー
としてはトリフルオロメタンスルホン酸を用いた。ま
ず、アニリン１モル／１とトリフルオロメタンスルホン
酸２モル／１との混合液からなる電解重合液を収容した
電解槽内に、対極と上記電極基体を動作電極として投入
した。電解重合液の温度を０℃に保ちながら、矩形パル
ス電流を用いて通電電気量５m クーロン／cm²でパルス
電解重合を行った。この時の条件としては、電流密度５
mA/cm²、パルスオンタイム５msec、パルスオフタイム
２０msec（duty cycle: ０．２）である。このようにし
て、ポリアニリンネットワーク中にトリフルオロメタン
スルホン酸が保持された薄膜を触媒の表面に形成して、
燃料極用電極を得た。

【０１５５】実施例１０実施例９と同様にして作製した電極基体を用いると共
に、高分子ネットワーク内に実施例９のプロトン伝導性
モノマーに代えてプロトン伝導性ポリマーが保持された
薄膜を、実施例９と同様な電解重合によって触媒の表面
に形成した。なお、高分子ネットワークとしてはポリア
ニリンを用い、またプロトン伝導性ポリマーとしてはナ
フィオン１１７（商品名、デュポン社製）を用いた。電
解重合の条件は、トリフルオロメタンスルホン酸をナフ
ィオン１１７に変更する以外は同一とした。このように
して、ポリアニリンネットワーク中にナフィオン１１７
が保持された薄膜を触媒の表面に形成し、燃料極用電極
を得た。

【０１５６】上記により得た実施例９および実施例１０
の電極の燃料極ハーフセル特性を、実施例４と同様にし
てそれぞれ測定したところ、これらの燃料極の限界電流
密度は、それぞ１０５ mA/cm²、１０３ mA/cm²であ
り、いずれも分極特性に優れ、高性能であることが確認
できた。

【０１５７】実施例１１実施例５と同様にして作製した電極基体を用いて、以下
に示す手順にしたがって電解重合を行った。なお、高分
子ネットワークおよびプロトン伝導性モノマーは、実施
例９と同材質とした。まず、アニリン１モル／１とホウ
フッ化水素酸２モル／１との混合液からなる電解重合液
を収容した電解槽内に、対極と上記電極基体を動作電極
として投入し、実施例９と同一条件で電解重合を行っ
た。このようにして、ポリアニリンネットワーク膜を触
媒の表面に形成した。

【０１５８】このようにして得た電極を用い、かつ１モ
ル硫酸に１モルメタノールを加えた水溶液にトリフルオ
ロメタンスルホン酸を１ vol％添加したものを液体燃料
として、６０℃にて燃料極ハーフセル特性を測定した。
このハーフセル特性は、実施例７とほぼ同等の特性が得
られた。

【０１５９】実施例１２実施例１１と同様にして作製した電極を用いると共に、
１モル硫酸に１モルメタノールを加えた水溶液にナフィ
オン１１７を１ vol％添加したものを液体燃料として、
６０℃にて燃料極ハーフセル特性を測定した。このハー
フセル特性は、実施例８とほぼ同等の特性が得られた。

【０１６０】以上説明したように、本発明の燃料電池に
よれば、ポンプやブロア等を用いることなく、液体燃料
および酸化剤ガスを円滑に供給することができる。これ
により、システムの簡易化と構造の簡素化が達成でき、
よって従来困難とされていた小形の燃料電池を提供する
ことが可能となる。

【０１６１】次ぎに、本発明の目的の第二の、即ち燃料
電池の動作に伴って生成する水の排出に関する本発明の
実施態様を以下に述べる。

【０１６２】図面を用いて本願発明に適した小形燃料電
池の一例を示す。

【０１６３】小形燃料電池の構造の一例を示す斜視図を
図２１に示す。基本的には燃料電池本体３２と、燃料カ
ートリッジと３３、燃料拡散室３４および発生する水の
回収及び拡散を容易にするための水回収室３５とからな
っている。以下、これらの構成内容を詳細に説明する。

【０１６４】図２２に燃料電池本体３２の斜視図を示
す。燃料電池本体３２は図２２に示すような燃料電池の
発電部が積層された積層された構造となっている。図２
２に示すように燃料電池本体３２は電解質３６、燃料極
３７、酸化剤極３８、からなる起電部が積層され、各起
電部はセパレータ３９で分離されている構成となってい
る。

【０１６５】酸化剤極３８は、生成した水を吸収するた
め多孔体より成っている。また燃料極３７も特別な動力
なしに燃料の供給を行うために、多孔体構造とし毛細管
現象を利用してメタノール等の液体燃料供給を行うこと
が燃料電池の小形化を行う上で好ましい。

【０１６６】また、図２１において３５は水回収室で、
発生する水の回収を容易にするがための部所であり、こ
の中に多孔体（水回収ウィック）を配置する。

【０１６７】水回収ウィックは、酸化剤極３８に接する
様設けられている。また水回収ウィックは、酸化剤極よ
りも平均細孔径が小さい多孔体が用いられている。

【０１６８】燃料供給は燃料カートリッジ３３を用いて
行う。図２３に図２１に示した燃料電池の断面図を示
す。カートリッジ３３は燃料収納スペース４０と水収納
スペース４１の２室に分離し、それぞれ燃料（水を同時
に必要分だけ含む）と燃料電池本体から生成する水を入
れることができる。水収納スペースの内部４１には無機
または有機繊維等からなる多孔体を予め入れておく。前
記水回収室内３５のウィックは、燃料カートリッジを装
置した際には燃料カートリッジ内の水収納スペース４１
０の水保持ウィックと接するようにする。このとき水保
持ウィックは前記水回収ウィックよりも平均細孔径が小
さい多孔質体を用いる。

【０１６９】このような構造をとることで、生成した水
は最終的に燃料カートリッジ３３へ回収される。水回収
室３５は独立に存在しなくてもよく、燃料電池本体の構
造中に形成することもできるが、この場合でも水回収ウ
ィックはその中に配置しておくことが必要である。

【０１７０】一方、燃料の供給についても毛細管現象を
利用して行う場合には以下に示す構造にすることが好ま
しい。燃料電池本体の燃料導入側面には燃料拡散室３４
を設け、この中に無機あるいは有機繊維等からなるウィ
ックを入れておく。ウィックは燃料極の燃料導入面と接
しており、燃料カートリッジから供給される燃料は一度
この燃料拡散室３４のウィックに供給されてから、毛細
管の作用で燃料極へ分配される。なお、燃料拡散室３４
は必ずしも燃料電池本体と別個に存在する必要はなく、
燃料電池本体の構造中に形成しておいてもよい。また、
燃料拡散ウィックは必ずしも配置しなくてもよく、液体
状態の燃料が燃料電池本体の燃料導入面に直接送られて
もよい。

【０１７１】上述したような燃料カートリッジは燃料本
体に装着・脱着自在な構造とすることが好ましい。装着
したときには燃料収納スペースと燃料拡散室の燃料拡散
ウィックが接触して燃料が供給され、同時に水回収室の
水回収ウィックと水収納スペースの水保持ウィックとが
接触できるような構造とする。逆に、脱着した場合は、
それらの接触がたたれ、燃料カートリッジ側と燃料分散
室および水回収室側とが遮断され、それぞれが外界と遮
断できるような構造とする。

【０１７２】以上のような形で燃料の供給又は水の回収
に使用される多孔体（ウィック）は、毛細管の作用、す
なわち表面張力の作用で液体を吸引する構造となってお
り、このとき、それぞれの多孔体を、その平均細孔径の
値が液体の流れ方向に向かって、徐々に小さくなるよう
に配置することで、液体の流れをスムースにできる。平
均細孔径が小さくなることはそれだけ表面張力によって
液体を引っ張る力が大きくなる。したがって、多孔体を
連続的に配置し、それぞれの多孔体の平均細孔径が徐々
に小さくなるようにすれば、その方向に向かって流体は
スムースに流れることになる。

【０１７３】この場合、たとえば、燃料供給経路に関し
ては、燃料拡散ウィック（無機・有機繊維など）の平均
細孔径を１００μm 程度、燃料極（ニッケル等の金属多
孔体）を３０μm 程度とする。一方、水の回収経路に関
しては、酸化剤極（ニッケル等の金属多孔体）の平均細
孔径を５０μm 程度とし、水回収ウィック（無機・有機
繊維など）は３０μm 程度としておくことで、それぞれ
の流体に関してその必要な方向への流動をスムースに行
える。これらのウィックの平均細孔径は保持させるべき
燃料電池の性能に合わせて適宜、変えることができる。

【０１７４】また、このとき、多孔体の多孔度は、流体
の流れ方向に向かって徐々に大きくなるように配置する
ことが好ましい。多孔度が大きくなると、多孔度中に保
持可能な流体の体積が多くなり、流体の移動速度を速や
かにすることができる。ただし多孔体に関しては、平均
細孔径（Ｄ）、比表面積（Ｓｐ）、多孔度（Ｅ）は、Ｄ＝（１／Ｓｐ）・（４Ｅ／（１−Ｅ））の関係にあり、上記の関係式を満たす様、多孔体の比表
面積及び多孔度を選定する必要がある。

【０１７５】上記の前述の燃料電池の構成例には回収し
た酸化剤極からの水を、燃料カートリッジ中の水収納ス
ペース中に回収する小型燃料電池について示したが、場
合によっては、回収した水を、燃料電池の外部に散逸さ
せることもあり得る。

【０１７６】図２４に酸化剤極より回収した水を外部に
散逸させる場合の小型燃料電池の構成の一例を示す斜視
図を示す。

【０１７７】具体的には、燃料電池本体３２と、燃料カ
ートリッジ３３と水散逸機構４３と動力器４４水回収室
３５（図示せず）より成る。また、一対の正極及び負極
の端子４２を適当な位置に配置している。燃料電池本体
３２は、図２２に示される燃料極、酸化剤極、電解質層
からなるｇ起電部が積層されている。

【０１７８】水散逸機構４３は、酸化剤極で生成した水
を散逸させるための機構を収納している。動力器４４
は、水散逸機構を作動させるための動力器、あるいは電
子回路を収納している。図２５は、図２１を燃料カート
リッジ３３の方向から見た燃料電池を、燃料電池本体１
が存在する場所で切断した場合の断面を示す。

【０１７９】４は水回収室であり、酸化剤極で発生する
水の回収及び拡散を容易にするための部所で、この中に
多孔体（ウィック）を配置する。水回収ウィックは酸化
剤極よりも平均細孔径が小さく燃料電池本体３２中の酸
化剤極に接する様設けられている。

【０１８０】図２５に示した水回収室３５へ送られる水
は、水蒸気と水の両者が含まれ、燃料電池の運転条件に
よってその存在量比が異なる。水蒸気についてはそのま
ま散逸するので問題はなく、いま問題としているのは水
の形態で生成するものである。水回収室３５内に存在さ
せた多孔体（水回収ウィック）は、多孔度が５０％以上
になるようにし、水拡散機構によって多孔の間に捕獲さ
れた水が散逸しやすい状況にしておく。

【０１８１】水の散逸機構４３としては、小型の横流フ
ァンを備え、これを作動させて水の散逸を行う方法が適
用できる。

【０１８２】また小形の横流ファンのかわりに圧電体か
らなる振動素子を備えその振動によって生成水を霧散さ
せてもよい。

【０１８３】またヒータ機能を設けて生成水の一部を加
熱させて体積膨脹させ、これにより、排水弁を作動させ
残りの生成水を強制的に排出させてもよい。

【０１８４】圧電体からなる振動素子は生成水を霧散さ
せるが、気化させないので気化熱は必要としない。圧電
体からなる振動素子自体は極めて小型薄型に伴うことが
できる。したがって小型高効率という特徴を損なうこと
がない。

【０１８５】生成水の一部だけを気化させる方法では、
全部気化させるのに比較して格段に少ないエネルギーで
すむ。

【０１８６】次にこれまでに述べてきた構成の燃料電池
の作動をスムースに行われるようにするために好ましい
燃料極、電解質層、酸化剤極の詳細な構造を図２６に示
す。

【０１８７】燃料極３７に関しては、燃料の導入面４５
はスタックする方向を除いた４側面のうち１側面だけと
し、この面から対向する面の方向に向け、電解質層３６
と接する燃料極３７平面上の途中から炭酸ガスを逃がす
ための複数個の溝４６を形成する。燃料は多孔体の中を
毛細管によってスムースに運ばれて全面に拡散し、反応
によって生じた炭酸ガスは溝４６を通して外部に運ばれ
る。この場合、燃料が外部へ漏洩することを防止するた
めに、燃料供給を行わない他の３側面４７、４８、４９
の表面孔を閉塞しておく。

【０１８８】一方、酸化剤極３８も同様な多孔体で構成
するが、この場合は、燃料極の燃料が導入される方向と
同一側面５０の表面の孔は完全に閉塞しておき、この面
からの燃料の進入を防ぐ。そして、電解質層３６と接す
る側の酸化剤極面には直行する方向に複数の溝５１を形
成し、この溝の切込みは孔を閉塞した側面以外の３側面
５２、５３、５４まで届くように形成しておく。この３
側面は空気を取り込むためのものであり、少なくともそ
のうち２側面以上から実際に空気を取り込むようにす
る。ここで酸化剤極で生成する水は多孔体の孔を閉塞し
た面と隣合う一つの側面（この場合、５４）から逃がす
ようにする。空気を３側面から取り入れる構造は、酸素
の濃度を高めて燃料極反応よりも遅い酸化剤極反応速度
を上げるためである。

【０１８９】以上、本願発明の酸化剤極に生ずる水の回
収、排出を含めた小形燃料電池の例について述べてき
た。上記の例においては、いづれも燃料電池本体への燃
料の供給に燃料カートリッジを用いて小型、携帯機器に
適した構造となっている。

【０１９０】機器によって必要とする電圧が異なる場合
があり、高い電圧を要する場合は、積層する燃料電池の
起電部の数を増加させる必要がある。または、機器によ
っては発電体の形状に対する要求から、燃料電池を一例
の配置のみでは済まされないことがある。その場合は、
図２７に示すように、燃料カートリッジ３３の収納位置
の周囲に燃料電池本体３２の燃料供給面が集合する構造
とし、そこの燃料拡散室３４が設置されるようにする。
このことにより、燃料供給の通路が短くなると同時に、
水回収室３５からの距離も近くなり、信頼性の高い発電
体が得られる。

【０１９１】本願発明によれば特別な動力を用いること
なく酸化剤極上に生成した水はすみやかに除去され、効
率良く燃料電池の運転を持続させることができる。

【０１９２】特に固体高分子膜を電解質として用いた場
合には、作動温度が１００℃以下であり、生成する水は
ほとんど液体状であるが本発明によれば、液体状態の水
分は特にすみやかに除去することができる。また、燃料
電池を傾ける、逆さにする等動かした場合にも一旦回収
した水の飛散・逆流は防止でき、小型、携帯用機器の電
源として適した燃料電池となる。

【０１９３】また前述したように、燃料の供給にも多孔
質体による毛細管現象を利用した燃料供給法を用いた燃
料電池は、燃料の供給、水の排出にも特別な動力を必要
としていないため、いっそう小形化が可能となる。

【０１９４】本発明の第３の目的を達成するための発明
は、燃料極と酸化剤極およびこれら両電極に挟持された
電解質層を有する起電部を備え、複数の起電部が直列に
接続され、各起電部の燃料極が共通の燃料流路から燃料
が供給されかつ各起電部の燃料極の電極面が前記燃料流
路に面しているか、または、各起電部の酸化剤極が共通
の酸化剤流路から酸化剤が供給されかつ各起電部の酸化
剤極の電極面が前記酸化剤流路に面している構造の燃料
電池であって、前記電解質層が吸水性もしくは保水性物
質を含有していることを特徴とする燃料電池である。

【０１９５】図２８に図示した燃料電池の構成図によ
り、以下に説明する。

【０１９６】本発明に係る燃料極と酸化剤極およびこれ
ら両電極に挟持された電解質層を有する起電部を備え、
複数の起電部が直列に接続され、各起電部の燃料極が共
通の燃料流路から燃料が供給されかつ各起電部の燃料極
の電極面が前記燃料流路に面しているか、または、各起
電部の酸化剤極が共通の酸化剤流路から酸化剤が供給さ
れかつ各起電部の酸化剤極の電極面が前記酸化剤流路に
面している構造の燃料電池とは、例えば、図２８に示さ
れる様に酸化剤極３８、燃料極３７、及び電解質層６０
から構成される起電部５５を、燃料極が同一面上にある
様に横並びに並べ、隣り合った起電部５５の燃料極３７
と酸化剤極３８を、接続用導電体５７で接続することに
より直列に接続した構造が挙げられる。このような構造
の電池においては、燃料は両起電部共、共通の燃料流路
５８から燃料極３７の電極面に供給される。また、酸化
剤である空気は、両起電部共通の酸化剤流路５９から酸
化剤極３８の電極面に供給される。

【０１９７】またこの他にも、円筒型の起電部を直列に
接続した構造の燃料電池が挙げられる。図２９に本発明
に係る別の燃料電池の断面構成図を示す。起電部５５は
円筒状であり円筒の内側から燃料極３７電解質層３６、
酸化剤極３８が形成されている。

【０１９８】１つの起電部５５は外側の酸化剤極３８が
別の起電部の内側にある燃料極３７と接する様、重ねら
れて構成されている。このような構造の燃料電池におい
て燃料は円筒の内側に形成される燃料流路５８に供給さ
れ燃料極３７の電極面に供給される。酸化剤である空気
は、円筒の外側から酸化剤極３８に供給される。また燃
料極を円筒の外側とし、酸化剤極を円筒の外側にし、円
筒の外側から燃料を供給する構造もある。

【０１９９】図４４に本発明に係る別の燃料電池の斜視
図を示す。

【０２００】１つの起電部５５は円筒状であり円筒の内
側から燃料極３７、電解質層３６、酸化剤極３８が形成
されている。このような円筒状の起電部５５が複数個、
接続用導電体５７により直列に接続されている。このよ
うな構造の燃料電池において、燃料は円筒状の各起電部
の内側に形成される燃料流路５８に供給され、燃料極３
７の電極面に供給される。酸化剤である空気は、円筒の
外側の、各起電部共通の酸化剤流路５９から酸化剤極３
８表面に供給される。また、このように円筒状の起電部
を並べた構造の燃料電池において、燃料極を同筒の外側
とし、酸化剤極を円筒の外側となる様に構成し、円筒の
外側の各起電部共通の燃料流路から燃料を供給する構造
もある。

【０２０１】従来燃料極に供給する燃料、又は酸化剤極
に供給する酸化剤等の反応物質に水や電解質を混入させ
ることは不可避であり、これらがイオン伝導担体となる
電解質として作用するため、通常上記のような構成の燃
料電池では複数の起電部間の電圧ロスも除去不可能なも
のとされてきた。

【０２０２】この問題を解決する手段として、本願発明
においては、起電部の電解質層として通常の電解質の主
構成物質であるイオン交換能を有する化合物の他に膜内
に水分を供給・保持し、あるいは濃度勾配にしたがって
水分を通過させ得る吸水性もしくは保水性物質を並存さ
せたものを用いていることを特徴としている。

【０２０３】本発明の燃料電池に用いる電解質層の構成
及び機構を模式図によって説明する。図３０にプロトン
導電性の固体高分子を用いた電解質層の構造模式図を示
す。図３０において、電解質層６０は、固体高分子電解
質６１内に吸水性もしくは、保水性物質６２が保持され
ている。

【０２０４】図３１にこの電解質内での物質移動の模式
図を示す。図３１で明らかなように本発明に係る電解質
層は高分子固体電解質本来のイオン（プロトン）導電性
を示すと共に、吸水性もしくは保水性物質の働きにより
自ら吸水性ないし保水性を示すため酸化剤表面で生成し
た水を速やかに吸収して電極に常に反応物質と接触でき
る状態に保ち、同時に膜内および燃料極表面の乾燥を防
止する働きも示す。

【０２０５】つまり、燃料極側で生成したプロトンは、
固体高分子電解質のプロトン導電性により参加剤極側
（矢印６３の方向）に輸送される。また、酸化剤極側で
生成した水は、吸水性もしくは保水性物質の働きによ
り、矢印６４のごとく、燃料極表面及び電解質内に送ら
れ水分が保持される。

【０２０６】以上のように本発明に係る電解質層は自ら
吸水性ないし保水性を示すため一方の電極触媒表面で生
成した水を速やかに吸収して触媒表面を常に反応性物質
と接触できる状態に保つ共に、吸収した水は電解質中を
濃度勾配にしたがって拡散し、他方の電極表面の乾燥を
防止する働きも示す。さらにこの過程において電解質自
体も外部からの水分の添加無しに常に有効なイオン解
離、イオン伝導特性を維持できるという優れた性質を示
す。

【０２０７】したがって、この電解質層を用いた燃料極
では、供給する反応物質中には水を混入させずに電解質
中に水を供給出来、また、酸化剤極において生じた水は
すみやかに吸収されるため、電解質層以外でのイオン伝
導を小さく抑えることができる。

【０２０８】本発明に係る吸水性もしくは保水性物質と
しては、澱粉、アクリロニトリル共重合体、架橋アクリ
ル酸塩、架橋ポリエチレンオキサイド等の吸水性高分子
化合物、シリカヒドロゲル、変成蛋白質（ゼラチン）等
のゲル状化合物などが利用できる。

【０２０９】また、電解質としては、固体高分子電解質
の場合に本願発明の顕著な効果が得られる。

【０２１０】固体高分子電解質としては、プロトン導電
性固体高分子電解質として、パーフルオロカーボンスル
ホン酸ポリマー（商品名：Nafion( 米国Du Pont 社製）
スルホン酸基を有するポリスチレン系の陽イオン交換膜
が挙げられる。このような起電部を用いることにより、
本発明の骨子である酸化剤極および燃料極に供給する反
応物質のいずれの中にも電解質として作用する物質を不
可避混入量以上は含まず、かつ複数の起電部の端部を互
いに直列に接続した構成である燃料電池を実現すること
ができる。

【０２１１】次に、複数の発電素子の端部を互いに直列
に接続する方法としては各発電素子の集電体を溶接・導
電性接着剤などにより直接接続する方法、反応物質の混
合や漏れ電流を防止するために導電板などを介して接続
する方法、あるいは起電部を作製する際に複数の起電部
を予め直列接続されるように一体化させて作製する方法
などが採用できる。

【０２１２】さらに、これらの方法において電解質の漏
れを抑えるために複数の起電部の接続部分を撥水処理す
ることも有効である。

【０２１３】次に本願の目的の第４に関する発明につい
て以下に説明する。本発明はメタノールなどの炭素含有
燃料を燃料極に直接供給する。例えばメタノール燃料電
池に係り、燃料極に前記炭素含有燃料供給した際に生じ
る燃料極表面の被毒を抑制するためのものである。

【０２１４】本願の第４の目的に関する発明は、燃料極
と酸化剤極及びこれら両電極に挟持された電解質層を備
えた燃料電池において、燃料極をアノーディックに分極
させる機構を備えたことを特徴とする燃料電池である。

【０２１５】すなわち本発明においては、燃料電池の運
転時に燃料極表面の被毒生成物を生じた場合に、燃料極
に対極を接続し、アノーディックに分極させ前記被毒生
成物を酸化除去するものである。それにより、長時間安
定した出力の得られる燃料電池となる。

【０２１６】さらに通常燃料電池においては、燃料極、
酸化剤極電解質極からなる起電部を複数個直列に接続し
て用いている。この場合は、前記分極操作を各発電部ご
とにローテーションして行うことが好ましい。運転を中
断することなく、被毒生成物の除去が行える。

【０２１７】以下に本発明の第２、第３および第４の目
的を達成する本発明の燃料電池に関して、実施例を説明
する。

【０２１８】実施例１３図２４に示すような燃料電池よる発電体を構成した。定
格としては作動電圧３Ｖ６Ｗで１０ｈの容量（６０Ｗ
ｈ）とした。燃料電池本体中に積層された起電部の数は
８個である。各起電部の構造は図２２に示す通りであ
る。

【０２１９】固体高分子電解質３６は厚さ１００μm の
商品名ナフィオンを使用し、その両側の表面に白金触媒
を無電解メッキ法により付着させ、ＰＴＦＥ（テフロ
ン）の分散液をスプレイにて適量付与した。その両側か
ら図２２に示す構造の燃料極３７および酸化剤極３８を
配置して、ニッケル板からなるセパレータ３９を用い
た、燃料極３７、酸化剤極３８とも板状Ｎｉの多孔体を
使用し、燃料極は細孔径分布が４０〜６０μm での範囲
にあり、中央値で５０μm の程度の平均細孔径を持って
いる。カソードは同様に５０μm 程度の平均細孔径をも
っている。なお、固体高分子電解質層と接する燃料極と
酸化剤極の表面には、やはり白金の触媒と適量のＰＴＦ
Ｅを付与した。燃料極３７の燃料を含浸させる面と同一
面にある酸化剤極と固体高分子電解質膜３６およびセパ
レータ３９の側面は、（酸化剤極についてはその面の孔
を閉塞した後）耐アルコール性の保護膜を塗布して、そ
こからはアルコールが侵入しないようにした。図２５に
図２１に示した燃料電池の断面図を示す。

【０２２０】燃料拡散室３４は樹脂製で、この内部に樹
脂性繊維多孔体（材質フェノール樹脂の微粒子とポリエ
ステル布織布の複合材料で、平均細孔径１００μm 程
度）からなる燃料拡散ウィックを入れておく。一方、水
回収室３５はやはり同一材料の樹脂性多孔体（平均細孔
径４０μm 程度、多孔度５０％程度）の水回収ウィック
を挿入しておく。水散逸機構４３としては横流ファンを
使用した。

【０２２１】燃料カートリッジにはモル数比で、メタノ
ール：水＝１：２を入れた（理論的には１：１であるが
固体高分子電解質をウェットに保持するために水を倍量
とした）。

【０２２２】比較例２比較例２として、次のような発電体を構成した。すなわ
ち、実施例１３と同様の構成の発電体であるが、酸化剤
極３８、水回収ウィックの平均細孔径がやはり５０μm
を用いた構造の燃料電池を構成した。

【０２２３】比較例３比較例３として、次のような発電体を構成した。すなわ
ち、実施例１３と同様の構成の発電体であるが、水回収
ウィックを取り付けなかった点が異なった燃料電池を構
成した。

【０２２４】以上の電池を常温で、２Ａ放電にて作動さ
せた結果を図３２に示す。比較例２、比較例３では放電
が短時間で終了し、定格どおりの特性が出なかった。こ
れは生成した水が十分に速く燃料電池本体から取り除か
れないために、水が滞留し後続の反応を阻止したためと
考えられる。

【０２２５】これらに対して実施例１３では定格どうり
の放電が可能であった。放電中に電圧が少しづつ低下し
たが、全く問題のないほどであった。さらに、燃料がす
べて使用し尽くした。

【０２２６】なお、上記実施例で述べた材料は、それだ
けで留まらず、多くの材料が使用可能である。例えば、
燃料極や酸化剤極に使用する材料は、ニッケル金属に限
らず、耐酸性のある材料、例えば、ステンレス系材料、
アルミニウムないしは銅をベースにした合金、あるいは
タングステン、チタン等のバルブメタル材料でもよく、
さらには炭素材料、あるいはＳｉＣ等の複合材料からな
る多孔体であればよい。あるいは樹脂多孔体の表面を適
当な耐酸性の金属等で被覆した材料でもよい。その場
合、多孔度としては３０〜８０％程度、平均細孔径とし
ては１μｍから１００μm 程度が適当である。これらの
下限値以下になると実質十分な多孔を実現できなくな
り、液体が含浸して行かないようになる。また上限値を
越えると材料の機械的強度が低下し、また多孔そのもの
が大きくなりすぎて液体保持材料としての意味がなくな
る。

【０２２７】また、ウィックについても、材質は種々の
ものが使用可能であり、概ね親水性の材質が液体を運ぶ
ためには好ましい。但しこの場合、ショート液絡や短絡
の原因になるので、材質には導電性はあってはならな
い。樹脂では、フェノール樹脂、ポリエステル樹脂、天
然セルロース等のフェルト、不織布、織布などが好まし
い。多孔度としてはやはり、下限は３０％程度、上限は
９５％程度が好ましい。

【０２２８】この場合は下限値以下では実質上の液体保
持量が低下し、上限値以上では液体保持力が低下してウ
ィックの役割を果たさなくなる。

【０２２９】実施例１４市販のパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマーからな
る固体高分子電解質膜（商品名：Nafion: 米国Du Pont
社製）の溶液（Aldrich 社製）と吸水性ポリマーである
澱粉、ポリアクリル酸ナトリウム重合体の低分子量オリ
ゴマー水溶液とから製膜した。製膜は高分子電解質と吸
水性ポリマーが固形分比率９：１になるように両溶液を
ガラス板上で混合・展開した後、加熱処理して重合の完
結と乾燥を行った。この膜の両面に白金担持カーボン粉
末とフッ化炭素の混合体からなる触媒層と集電体として
ニッケルメッシュを熱圧着し、起電部とした。

【０２３０】実施例１４では１０cm、３cmの寸法にこの
起電部を４個作製し、各々の長端辺をニッケルリボンを
介して接続し、平面４直列の発電体を作製した。図３３
にこの発電体の概形を示す。図３３において、３７は燃
料極、３８は酸化剤極、６０は固体高分子電解質と吸水
性ポリマーからなる電解質層、５７はニッケルリボンか
らなる接続用導電体である。図３４は上記起電部間の接
続部を示す断面図である。図３４において３７は燃料
極、３８は酸化剤極、６０は電解質層、５６は集電体、
５７は接続用導電体である。集電体５６と、接続用導電
体５７との接続部分はテフロンディスパージョン６５を
塗布、焼付して撥水処理をほどこした。この発電体を用
いて模擬燃料電池を製造した。その模式図を図３５に示
す。まず、上記発電体６６を模擬セル容器６７に収納
し、電極両面に空気および燃料を供給するための空気室
３８、空気入口６９、空気出口７０及び燃料室７１、燃
料入口７２、燃料出口７３を設け、模擬燃料電池を作成
した。電極両面に空気および燃料を供給して発電特性を
試験した。

【０２３１】実施例１５実施例１５では実施例１３と同様に作製した発電体の起
電部間の接続部分の全面にテフロンディスパージョン６
５を塗布・焼き付けして撥水処理を行ない、模擬燃料電
池を作製した。この場合の接続部分の模式図を図３６に
示す。

【０２３２】実施例１６また、図３７に示すようにニッケルメッシュを二つの起
電部間で共通に使用するようにしたほかは実施例１３と
同様にして発電体を作りこれを実施例１６とした。

【０２３３】以上実施例１４〜１６の模擬燃料電池の燃
料室に水素ガスを空気に空気を供給した場合の開放電圧
と０．２Ａ／cm²通電時の電圧を表１に示す。

【０２３４】比較例４固体高分子電解質中に吸水性ポリマーを含まない以外
は、実施例８と同じ模擬燃料電池を用い、その燃料室に
８０℃の温水中に通過させた水素ガスを供給した他は実
施例１３と同様の方法で電圧を測定した結果を表１に併
記する。

【０２３５】比較例５実施例１２〜１４に用いたのと同じ発電素子を５cm・５
cmの寸法に切断し、正負両極室となる２枚のニッケル粉
末の多孔性焼結板で挟んだ。これを４組作製し、各々の
間にニッケル板を挟んで積層して模擬燃料電池を作製し
た。この模擬燃料電池についても燃料極側に水素ガスを
酸化剤極側に空気を供給した場合の電圧を測定し、表１
に示す。

【０２３６】

【表１】また、実施例１４と比較例４の模擬燃料電池についての
およその寸法比較を行い、結果を表２に示す。

【０２３７】

【表２】以上のように、本発明の燃料電池は同数の発電部を積層
しても比較例のような従来型の積層方法もしくは従来行
われてきたようなイオン源となり得る湿潤反応物質を供
給する場合より高電圧で、かつ体積的にも小さく有利で
あることが分かる。

【０２３８】さらに、実施例１４の模擬燃料電池の燃料
室に６０℃に加熱したメタノールを供給して直接発電を
行った場合と、メタノールに同体積の水を加えて同様の
発電を行った場合の電圧を表３に示す。

【０２３９】

【表３】表３に示されるように、燃料極メタノールを供給した場
合でも燃料電池が作動することがわかる。したがって、
本発明の燃料電池は、各電極部間の電圧をロスの原因と
なる水を燃料と共に供給する必要がなく、電圧ロスを低
減することができることは明らかである。

【０２４０】実施例１７まず図３８に示す燃料電池を試作した。起電部７４は固
体高分子電解質７５を挟んで燃料極７６と酸化剤極７７
を配した構造となっており、さらにその外側にはそれぞ
れ燃料室７１および空気室６８を設けてある。また燃料
室７１内には、燃料極をアノーディックに分極させると
きの対極７８が設置してある。ここで、燃料極、酸化剤
極および対極にはすべて白金を、固体高分子電解質には
市販のパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー（商品
名：Nafion: 米国Du pont 社製）を用いた。アノライト
としてはメタノール１mol ／１、硫酸１mol ／１の水溶
液を用いた。

【０２４１】このセルを用いて２０ mA/cm²の電流密度
で放電特性を調べた。このとき１００分ごとに放電を中
断して、２Ｖの外部直流電源７９に燃料極７６と対極７
８をつなぎ、３分間分極操作を行い、電極をリフレッシ
ュさせた。

【０２４２】比較例６比較として、この分極操作を行わないものについても放
電特性を調べた。

【０２４３】結果を図３９に示す。連続して放電を行っ
た比較例６では、時間の経過と共に出力電圧が低下して
行くのに対し、途中に分極操作を行った実施例５の場合
は１０００分経っても高い出力電圧を維持している。

【０２４４】実施例１８比較例７実施例１７の起電部を１０セル積層した電池を試作し
た。この積層セルについて、実施例１７と同条件で放電
特性を調べた。ただしこの場合、リフレッシュ操作は、
放電中の各セルのうちから、セルを１つだけ放電回路か
ら外して分極させ残りのセルは放電を続けられるように
し、この動作を各セルでローテーションさせ、出力が中
断しないようにした。また分極のための電源は、積層し
ているセルから取り、外部の電源を用いていないでも良
いようにした。システムの概要と回路を図４０に示す。
この図では、No. ３セルをリフレッシュしている例を示
した。すなわち、放電回路からNo.3セルをはずすため、
スイッチ（Ａ）を切り換え、さらにセルの燃料極を分極
するため、スイッチ（Ｂ）を切り換え、放電中にＮｏ．
４，Ｎｏ．５，Ｎｏ．６のセルから並列に電源を取り一
定時間分極させた。そしてこのスイッチング操作を積層
した各セルでローテションさせた。分極は、実施例１１
と同様１００分間ごとに５分間行った。なお図中破線ワ
ク内のスイッチング回路は、集積回路にまとめ小型化す
ることができる。

【０２４５】このように構成した電池と、比較として
（比較例７）、全く分極操作を行わないものについてそ
の放電特性を図４１に示す。

【０２４６】実施例１７と同様に、実施例１８の場合
も、１０００分経っても高い出力電圧を連続して維持し
ている。

【０２４７】

【発明の効果】以上詳述した如く、本願発明によれば、
小型化に適した高効率な燃料電池を提供することができ
る。

【０２４８】すなわち、本願の目的の第２に関する発明
によれば、特別な動力を用いることなく、酸化剤極表面
に生じた水をすみやかに回収することができる。しか
も、多孔体を用いて吸収するため、可動式の電源として
使用しても、回収した水の逆流、飛散などが生じないた
め、小形機器用の電源として適した構造である。

【０２４９】また、本願の目的の第３に関する発明によ
れば、小型化に適した横並び型、円筒型等の構造の燃料
電池において、発明部間の電圧のロスが減少し高効率の
電源を得ることができる。

【０２５０】また、本願の目的の第４に関する発明によ
れば、小型燃料電池の燃料として適したメタノール燃料
を用いた場合に、燃料表面の被毒現象を抑え、長時間安
定した出力の得られる燃料電池が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるセパレータを有する燃
料電池の要部構成を示す一部切り欠き斜視図。

【図２】図１に示すチャンネル兼用セパレータの変形例
を説明するための図。

【図３】本発明のセパレータを有する燃料電池の他の実
施例の要部構成を示す一部切り欠き斜視図。

【図４】本発明の一実施例によるセパレータを省いた燃
料電池の要部構成を示す一部切り欠き斜視図。

【図５】本発明のセパレータを省いた燃料電池の他の実
施例の要部構成を示す一部切り欠き斜視図。

【図６】本発明のセパレータを省いた燃料電池のさらに
他の実施例の要部構成を示す一部切り欠き斜視図。

【図７】図３に示す燃料電池の変形例の要部構成を示す
一部切り欠き斜視図。

【図８】図４に示す燃料電池の変形例の要部構成を示す
一部切り欠き斜視図。

【図９】図７に示す燃料電池をさらに変形させた例の要
部構成を示す断面図。

【図１０】本発明の燃料電池の変形例の要部構成を示す
一部切り欠き斜視図。

【図１１】本発明の燃料電池の締め付け構造を示す一部
切り欠き斜視図。

【図１２】本発明の締め付け構造を有する燃料電池の構
成を模式的に示す図。

【図１３】本発明による燃料電池の締め付け構造の他の
例を模式的に示す図。

【図１４】図１２および図１３に示す燃料電池の締め付
け構造の変形例を示す図。

【図１５】本発明による燃料電池の締め付け構造のさら
に他の例を示す図。

【図１６】本発明による燃料電池の締め付け構造のさら
に他の例を示す図。

【図１７】電池締め付け部品の変形例を示す図。

【図１８】本発明の燃料電池における燃料酸化触媒粒子
の一例の要部構成を示す断面図。

【図１９】本発明の燃料電池における燃料酸化触媒粒子
の他の例の要部構成を示す断面図。

【図２０】本発明の燃料電池に用いられる燃料酸化触媒
での電極反応を説明するための断面図。

【図２１】本発明の水回収機構を含む小形燃料電池の構
造を示す斜視図。

【図２２】図２１の小形燃料電池に使用される燃料電池
本体の斜視図。

【図２３】図２１の小形燃料電池の構成を示す断面図。

【図２４】本発明の回収水散逸機構を含む小形燃料電池
の構成を示す斜視図。

【図２５】図２１の小形燃料電池の構成別の方向からみ
た断面図。

【図２６】本発明の水回収機構を含む小形燃料電池の燃
料極、電解質層、酸化剤極の構成を示す斜視図。

【図２７】本発明の回収水散逸機構を含む小形燃料電池
の構成を示す斜視図。

【図２８】本発明の燃料電池の起電部の配列構成の一例
を示す構成図。

【図２９】本発明の燃料電池の起電部の配列構成の一例
を示す構成図。

【図３０】電解質層の構造模式図。

【図３１】電解質層中の物質移動を示す模式図。

【図３２】本発明の実施例１３及び比較例３および４に
係る燃料電池の時間−電圧特性図。

【図３３】実施例１４に係る発電体の概略図。

【図３４】実施例１４に係る発電体の接続部分の概略
図。

【図３５】実施例１４に係る模擬燃料電池の断面図。

【図３６】実施例１５に係る発電体の接続部分の概略
図。

【図３７】実施例１６に係る発電体の接続部分の概略
図。

【図３８】実施例１７に係る燃料電池の構成を示す回路
図。

【図３９】実施例１７に係る燃料電池の時間−電圧特性
図。

【図４０】実施例１８に係る燃料電池の構成を示す回路
図。

【図４１】実施例１８に係る燃料電池の時間−電圧特性
図。

【図４２】従来の燃料電池の概略図。

【図４３】燃料電池の積層構造を示す斜視図。

【図４４】本発明の燃料電池の起電部の配列構成の一例
を示す構成図。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者鈴木信和神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者金澤良子神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者本宮明典神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者近藤雄神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者内田健神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者橋本幸二神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者仁木博一神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者佐々木邦彦神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者鶴田慎司神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料極、酸化剤極およびこれら両電極に
挟持された電解質板を有する起電部を複数積層したスタ
ックを具備し、燃料として液体燃料を用いると共に、酸
化剤ガスを前記スタックの積層面に沿って垂直方向に流
すよう構成した燃料電池において、前記スタックの外周面のうち、前記燃料極の端面を含
み、かつ前記酸化剤ガスの流れと平行に配置された少な
くとも１つの面に沿って、前記酸化剤ガスの流れと直交
するような方向に、前記燃料極の端面に前記液体燃料が
直接接する液体燃料導入路を設け、前記液体燃料を前記
燃料極となる多孔質体の毛管力で前記燃料極に供給する
よう構成したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記燃料極の前記酸化剤極と接する面
に、前記酸化剤ガスを垂直方向に流す酸化剤ガス供給溝
を設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料
電池。
【請求項３】前記酸化剤極に、前記酸化剤ガスを垂直
方向に流す酸化剤ガス供給溝を設けられていることを特
徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】前記液体燃料は、前記液体燃料導入路の
毛管力で燃料貯蔵タンクから導入されることを特徴とす
る請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】前記液体燃料を前記燃料極に毛管力で供
給する毛管部の表面には、酸化被膜が形成されているこ
とを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項６】前記燃料極は、耐熱耐酸性の担持体上に
概ね互いに重ならないで島状に燃料酸化触媒を存在さ
せ、少なくとも前記燃料酸化触媒の表面に耐熱耐酸性の
プロトン伝導性物質を存在させた燃料酸化触媒粒子によ
り構成されていることを特徴とする請求項１記載の燃料
電池。
【請求項７】燃料極、酸化剤極および両電極に挟持さ
れた電解質板を有する起電部をセパレータを介して複数
積層したスタックを具備し、燃料として液体燃料を用い
ると共に、酸化剤ガスを前記スタックの積層面に沿って
垂直方向に流すよう構成した燃料電池において、前記セパレータの前記酸化剤極と接する面に、前記酸化
剤ガスを垂直方向に流す酸化剤ガス供給溝を設け、かつ、前記スタックの外周面のうち、前記燃料極の端面
を含み、かつ前記酸化剤ガスの流れと平行に配置された
少なくとも１つの面に沿って、前記酸化剤ガスの流れと
直交するような方向に、前記燃料極の端面に前記液体燃
料が直接接する液体燃料導入路を設け、前記酸化剤ガスを前記酸化剤ガス供給溝を介して供給す
ると共に、前記液体燃料を前記燃料極となる多孔質体の
毛管力で、該燃料極に供給するよう構成したことを特徴
とする燃料電池。
【請求項８】前記セパレータの前記燃料極と接する面
に、前記液体燃料導入路に向けて一端が開口された液体
燃料供給溝を設けられていることを特徴とする請求項７
記載の燃料電池、。
【請求項９】前記液体燃料は、前記液体燃料導入路
の毛管力で燃料貯蔵タンクから導入されることを特徴と
する請求項７記載の燃料電池。
【請求項１０】前記液体燃料を前記燃料極に毛管力で
供給する毛管部の表面には、酸化被膜が形成されている
ことを特徴とする請求項７記載の燃料電池。
【請求項１１】前記燃料極は、耐熱耐酸性の担持体上
に概ね互いに重ならないで島状に燃料酸化触媒を存在さ
せ、少なくとも前記燃料酸化触媒の表面に耐熱耐酸性の
プロトン伝導性物質を存在させた燃料酸化触媒粒子によ
り構成されていることを特徴とする請求項７記載の燃料
電池。
【請求項１２】燃料極、酸化剤極およびこれら両電極
に挟持された電解質板を有する起電部を複数積層したス
タックを具備する燃料電池において、前記スタックは、
その少なくとも積層方向がゴム弾性を示す材料で締め付
けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】燃料電池が、主として燃料極と酸化剤
極およびこれら両電極に挟持された電解質層からなる起
電部、燃料を前記起電部に供給する燃料供給手段および
前記起電部の酸化剤極において発生した水の回収手段か
ら構成されおり、前記水回収手段は酸化剤極に接して設
けられた酸化剤極から生じる水を吸収する第１の水吸収
手段と、前記第１の水吸収手段に接して設けられた第１
の水吸収手段が吸収保持する水を吸収する第２の水吸収
手段からなり、前記第２の水吸収手段は前記第１の水吸
収手段よりも水吸収能力が大となるように設定されてい
ることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】小型燃料電池、燃料極と酸化剤極およ
びこれら両電極に挟持された電解質層からなる起電部が
複数個、接続導体により直列に接続され、各起電部の燃
料極に共通の燃料通路から燃料が供給され、かつ各発電
部の燃料極の電極面が前記燃料通路に面している構造を
有しており、前記電解質層が吸水性物質または保水性物
質を含有していることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】燃料極と酸化剤極およびこれら両電極
に挟持された電解質層からなる燃料電池において、前記
燃料電池は燃料極をアノーディックに分極させる機構を
備えていることを特徴とする燃料電池。