JP2010146994A - 燃料電池システムおよびそれを備えた電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型であって出力が高く、しかも液漏れの起こりにくい燃料電池システムおよびそれを搭載した電子機器を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池システムは、カソード極と電解質膜とアノード極とをこの順で含む単位電池を２以上備える燃料電池スタックと、上記のカソード極と空間的に連通するように燃料電池スタックの外表面に配置され、カソード極から発生する水を吸収する吸水部材と、吸水部材を加熱する発熱源とを備えることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池システムおよびそれを備えた電子機器に関し、特に小型で出力が高く、かつ液漏れを防止することができる燃料電池システムおよびそれを備えた電子機器に関する。

近年、情報化社会を支える携帯電子機器等に用いられる小型電源として、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、アノード極で燃料（たとえば水素、メタノール、エタノール、ヒドラジン、ホルマリン、ギ酸等）を酸化し、カソード極で空気中の酸素を還元するという電気化学反応を利用して、携帯電子機器等に電子を供給する化学電池であり、単独の発電装置で高い発電効率を得ることができる。

多種ある燃料電池の中でも、電解質膜としてプロトン交換したイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell）は、１００℃以下の低温動作においても高い発電効率が得られる。このことから、リン酸型燃料電池や固体酸化物型燃料電池等の高温で動作させる燃料電池に比べて、外部から熱を与える必要がないという点、および大掛かりな補機類を必要としないという点等から、小型電源として実用化されることが期待されている。

このようなＰＥＭＦＣに用いられる燃料は、高圧ガスボンベを用いた水素ガスや、有機液体燃料を改質器により分解して得られる水素ガスと二酸化炭素ガスとの混合ガス等を用いることが一般的である。

一方、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、アノード極にメタノール水溶液を供給し、メタノール水溶液から直接プロトンと電子とを取り出すことにより発電を行なうため、改質器を備える必要がない。このためＤＭＦＣは、ＰＥＭＦＣ以上に小型化することができ、小型電源として実用化する上では特に有効な燃料電池とも言われている。

さらに、ＤＭＦＣは大気圧下で液体であるメタノール水溶液を燃料として用いることから、高圧ガスボンベを用いることなく、高い体積エネルギ密度を有した燃料を小型の簡易容器で取り扱うことができ、小型電源として用いた場合の安全性の面でも優れている。そのため、ＤＭＦＣは携帯電子機器のような小型電源への応用、特に携帯電子機器用の２次電池代替用途として注目が集まっている。

ＤＭＦＣではアノード極およびカソード極でそれぞれ以下のような反応が起きる。
アノード極：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-
カソード極：Ｏ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏ
このように、ＤＭＦＣはアノード極側では二酸化炭素が気体として生成し、カソード極側では水が生成する。通常、カソード極の反応で生成した生成水は水蒸気としてカソード極の空気中へ拡散により放出されるが、水蒸気量が飽和蒸気圧に達すると、蒸発できない結露水が液滴としてカソード極に留まり、空気の供給経路を阻害してしまい、ひいてはＤＭＦＣの出力を低下させるという問題がある。さらに、カソード極で発生した結露水が多くなると、この結露水が燃料電池の外に漏洩するという問題もある。

この課題に対して、特許文献１では、ＤＭＦＣを構成する燃料電池（以下においては「単位電池」とも称する）のうち、隣接する２つの単位電池の間に生成水を吸水するための多孔質体を設ける構造が開示されている。このような構造にすることにより、多孔質体が単位電池で生成した水を吸水し、その後多孔質体から水が蒸発して電子機器の外部へ放出することから、単位電池で生成した水の液漏れを防止することができる。しかしながら、この構造のＤＭＦＣを長期間使用した場合には、多孔質体の吸水能が飽和状態に達した後に、再び生成水の液漏れが生じるという問題があった。

そこで、特許文献２では、単位電池を構成する層のうちの１層に吸水層を設け、カソード極で生成する水を吸水層が直接吸水することにより、生成水の液漏れを防止する手段が開示されている。この方法によれば、燃料電池の出力低下を防止するとともに液漏れをも効果的に防止することもできる。しかしながら、特許文献１と同様吸水層の吸水能が限界に達すると、やはり液漏れが生じるという問題は残されていた。

上記の液漏れの問題を解決すべく、特許文献３では、燃料電池を構成する壁面の一面にシート状の吸水部材を設ける構造の燃料電池が開示されている。この燃料電池は、シート状の吸水部材の一方の面では単位電池で生成した水を毛細管作用により吸い上げて吸水し、他方の面では吸水した水を蒸発する構造となっている。かかる構造によれば、燃料電池からの生成水の液漏れをさらに防止することはできるものの、特に燃料電池を長時間使用したときには、高い確率で液漏れが生じていた。
特開２００２−１５７６３号公報 特開２００３−３３１９００号公報 特開２００６−１７９４７０号公報

上記の特許文献１〜３を集約すると、単位電池の内部もしくは外部に吸水部材を設けることにより、一時的には生成水の液漏れを防止することができるものの、吸水部材の単位時間あたりに吸水する量が、単位時間あたりに放出できる水の量を上回ると、一定時間経過後に吸水部材の吸水能が飽和に達し、その後の使用により液漏れが生じるという共通の課題を有していた。

このような液漏れを防止する手法として、吸水部材そのものの体積を増やすことにより、吸水部材の飽和吸水能を向上させることを以って、液漏れを防止することも考えられる。しかし、この手法では燃料電池システム自体が大型化してしまうため、小型の携帯用電子機器に用いる上では適した構造とはいえない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、吸水部材の単位時間あたりに放出できる水の量を増加させることにより、小型であって出力が高く、しかも液漏れの起こりにくい燃料電池システムおよびそれを搭載した電子機器を提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、カソード極と電解質膜とアノード極とをこの順で含む単位電池を２以上備える燃料電池スタックと、上記のカソード極と空間的に連通するように燃料電池スタックの外表面に配置され、カソード極から発生する水を吸収する吸水部材と、吸水部材を加熱する発熱源とを備えることを特徴とする。

また、吸水部材および発熱源に接するように配置され、発熱源からの熱を吸水部材に伝導する熱伝導部材をさらに備えることが好ましい。

また、シート状の熱伝導部材と、熱伝導部材上に積層されたシート状の吸水部材と、吸水部材上に配置された燃料電池スタックとを備えることが好ましい。

また、燃料電池スタックは、２以上の単位電池を、同一平面内に隙間を設けて配置してなる燃料電池層と、単位電池と交差するように配置される２以上のスペーサからなるスペーサ層とを交互に積層されてなることが好ましい。

また、単位電池は、カソード極と電解質膜とアノード極とアノード集電層とをこの順に含むことが好ましい。

また、スペーサの表面の一部を被覆し、かつ吸水部材と接するように形成された、吸水性材料からなる層を有することが好ましい。

また、吸水性材料からなる層の毛管力は、吸水部材の毛管力よりも小さいことが好ましい。

本発明は、上記の燃料電池システムを有する電子機器であって、燃料電池システムの発熱源は、電子機器を構成する電子部品である。

本発明によれば、小型であって出力が高く、しかも長時間使用しても液漏れが生じにくい燃料電池システムを提供することができる。また、電子機器の発熱源の過昇温による電子機器の損傷を防止することができ、信頼性の高い燃料電池システムを搭載した電子機器を提供することもできる。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。

（第一の実施の形態）
＜燃料電池システム＞
図１は、本発明の燃料電池システムの好ましい一例を模式的に示す図である。本発明の燃料電池システム１０は、図１に示されるように、カソード極と電解質膜とアノード極とをこの順で含む単位電池１０１を２以上備える燃料電池スタック１１と、燃料電池スタック１１の外表面に上記のカソード極と空間的に連通するように配置され、カソード極で発生する水を吸収する吸水部材１４と、吸水部材１４を加熱する発熱源１２とを備えることを特徴とする。

ここで、「空間的に連通する」とは、カソード極と吸水部材とが当接していてもよいし、カソード極と吸水部材とが当接していなくてもよいが、カソード極と吸水部材とが当接していない場合、カソード極と吸水部材との間が空間で満たされており（すなわち、これらの間になんらの部材も存在せず）、上記のカソード極で発生した水が重力により落下したときに、当該水が吸水部材以外の部材に接触することなく、吸水部材に直接落下する位置関係に吸水部材が存在していることを意味するものである。ただし、カソード極と吸水部材とが当接していない場合、カソード極で発生した水が吸水部材により吸収できる程度の距離の範囲内に吸水部材が設けられているものとする。

本発明の燃料電池システム１０は、発熱源１２が吸水部材１４を昇温することにより、吸水部材１４に含まれる水の蒸発速度が高められ、吸水部材１４の吸水能を高めることを以って、燃料電池スタックの液漏れを防止することができる。

なお、図１においては、２つの単位電池１０１を備えた燃料電池スタック１１の例を示しているが、３つ以上の単位電池１０１を備える燃料電池スタック１１の場合であっても本発明の効果が示されることは言うまでもない。

そして、図１に示されるように、吸水部材１４および発熱源１２に接するように配置され、発熱源１２からの熱を吸水部材１４に伝導する熱伝導部材１３をさらに備えることが好ましい。このように熱伝導部材１３を設けることにより、発熱源１２から発せられた熱を吸水部材１４に効率的に伝導させることができ、吸水部材１４に含まれる水の蒸発速度を高めることができ、さらに燃料電池スタック１１からの液漏れを防止することができる。

また、本発明の燃料電池システムは、図１に示されるように、シート状の熱伝導部材１３と、熱伝導部材１３上に積層されたシート状の吸水部材１４と、吸水部材１４上に配置された燃料電池スタック１１とを備えることが好ましい。このような形態の燃料電池スタック１１は、発熱源１２の熱を熱伝導部材１３を介してより効率的に吸水部材１４に伝導させることができ、吸水部材１４に含まれる水がさらに蒸発しやすくなり、吸水部材１４の吸水能をより高めることができる。

なお、ここでの「シート状」とは、長尺状のもののことを意味し、その表裏の面積に対して、厚みが十分に小さいものであればいかなる形状のものをも含み得るものとする。

＜燃料電池スタック＞
本発明の燃料電池システム１０に用いられる燃料電池スタック１１は、カソード極と電解質膜とアノード極とをこの順で含む単位電池１０１を２以上備えることを特徴とする。なお、図１においては、２つの単位電池１０１を備えた燃料電池スタック１１が示されているが、この形態のみに限られるものではなく、さらに単位電池１０１を備えたものであっても本発明の効果が得られることは言うまでもない。

＜吸水部材＞
本発明の燃料電池システムに用いられる吸水部材１４は、図１に示されるように単位電池１０１のカソード極で発生した水を外部に漏洩しないように吸水するために設けられるものである。このため、本発明の燃料電池システム１０において、上記のカソード極と空間的に連通するように、燃料電池スタック１１の外表面に吸水部材１４を配置することが好ましい。さらに、単位電池１０１で生成した水を効率よく吸水部材１４に吸収するという観点から、吸水部材１４は燃料電池スタック１１が配置された位置の重力方向の下向きに設けられていることが好ましい。

このような位置関係に吸水部材１４を配置することにより、単位電池１０１のカソード極で生成した水のうち、水蒸気として大気中に放出されなかった結露水が重力で下方へ移動し吸水部材１４に吸水されることとなる。

ここで、吸水部材１４に用いられる材料としては、水および液体燃料に溶解しないものであれば特に限定されることなくいかなるものを用いることもできるが、金属等の無機物質または高分子材料等の有機物質からなる多孔質体を用いることが好ましい。このような多孔質体としては、発泡体、繊維束、織繊維、不織繊維、多孔質焼結体、あるいはこれらの材料を組み合わせたものを挙げることができる。このような材料の多孔質体を用いることにより、多孔質体の細孔内に水が吸水されて保持され、水を保持した多孔質体が発熱源で加熱されることにより、多孔質体の細孔内から水分を大気に気化させる効率を高めることができ、以って燃料電池スタックからの液漏れを防止することができる。

吸水部材１４として金属等の無機物質からなる多孔質体を用いる場合、単位電池１０１のカソード極およびアノード極が短絡することを防止するという観点から、金属等の無機物質からなる多孔質体の導電性を遮断するように絶縁性の材料を組み合わせることが好ましい。ここで、吸水部材１４に組み合わせる絶縁性の材料としては、親水性であるとともに耐薬品性をも有するという観点から、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリエチレン、アクリル等を用いることが好ましい。

また、吸水部材１４として高分子材料等の有機物質からなる多孔質体を用いる場合、高分子材料等の有機物質からなる多孔質体としては、たとえば、天然繊維、ポリエステル、ポリエチレン、ポリウレタン、アクリル、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル、およびポリフェニレンからなる群より選択される１種または２種以上の組み合わせからなる繊維束、織繊維、不織繊維を用いることがより好ましい。

＜発熱源＞
本発明の燃料電池システムに用いられる発熱源１２は、吸水部材１４が吸水した水分を大気に気化させるために、吸水部材１４と直接もしくは後述する熱伝導部材１３を介して間接的に接触して設けられるものであり、発熱源１２自体が高温となるものである。

このような発熱源１２は、それ自体が高温となるものであればどのようなものでもよく、いかなる形態で燃料電池システム内に含まれていてもよいが、本発明の燃料電池システムを電子機器に搭載する場合、発熱源１２は電子機器の筐体内部に設けられている電子部品であることが好ましい。ここでの電子部品とは、電子機器の使用により高温となるものであればいかなるものでもよく、たとえば電子機器用の中央処理装置（ＣＰＵ：Central Processing Unit）や、パワーアンプ、無線回路等が挙げられる。

電子機器の電子部品を発熱源として用いることにより、燃料電池システムの発熱源１２を別個に設ける必要もなく、しかも発熱源１２を駆動するのに使用する電力を省くことができるため、燃料電池システムを小型化することができる。しかも、電子機器の電子部品（燃料電池システム１０の「発熱源１２」を意味する）の熱は吸水部材１４の気化熱として大気に放熱されるため、電子機器に備えられる電子部品の過昇温により電子機器の動作が不安定になるのを抑制する効果もある。

＜熱伝導部材＞
本発明の燃料電池システムにおいては、図１に示されるように吸水部材１４および発熱源１２に接するように配置され、発熱源１２からの熱を吸水部材１４に伝導する熱伝導部材１３をさらに備えることが好ましい。このような熱伝導部材１３を設けることにより、発熱源１２からの熱を効率よく吸水部材１４に伝導することができ、吸水部材１４に含まれる水分を効率的に気化させることができることを以って、吸水部材１４の吸水能を高めることができる。

ここで、熱伝導部材１３は、熱伝導性を有するものであれば特に材質および形状は限定されないが、高効率に吸水部材１４に熱を導電させるという観点からシート状であることが好ましい。また、熱伝導部材１３は、熱伝導性の高いカーボンブラック、金属、金属酸化物、金属窒化物、および金属炭化物からなる群より選択される１種以上を含む複合シートであることが好ましく、たとえばアルミニウム、銅等を主成分として含有する合金に、カーボンナノチューブや気相成長法炭素繊維（ＶＧＣＦ：Vapor Grown Carbon Fiber）等から選択させる充填フィラーを含有してなる複合シート、またはシリコーン樹脂、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、およびポリプロピレンからなる群より選択される１種以上からなるマトリクス材料に、熱伝導性が高い材料からなる充填フィラーを充填してなる複合シートを用いることがより好ましい。

また、吸水部材１４と熱伝導部材１３との接合面は、燃料電池スタック１１の重力方向下部に位置することが好ましい。当該接合面を燃料電池スタック１１の重力方向下部の位置に設けることにより、吸水部材１４と熱伝導部材１３との接合面で気化したあたたかい空気が、燃料電池スタック１１の下部から積層した単位電池１０１の間に流れ込み、煙突効果による上昇気流が生じ、動力を使わずに燃料電池スタック１１の下部から空気を取り込むことができる。

このような構造とすることにより、パッシブセルのようにカソード極への空気供給に動力を用いない場合でも、燃料電池スタックへの空気供給を効率的に行なうことができ、安定して高出力を得ることができる。また、外部から燃料電池スタック１１内に低温で乾いた空気を取り込みやすくもなるため、吸水部材１４とその周囲の空気との間で、燃料電池スタック内の熱交換が活発になり、吸水部材１４に含まれる水の気化も促進される。以下、燃料電池スタックを構成する単位電池を説明する。

＜単位電池＞
図３は、図１の単位電池１０１の好ましい一例を示す模式的な断面図である。本発明において単位電池１０１とは、燃料電池スタックを構成する１ユニットであって、図３に示されるように、アノード極１０３と電解質膜１０２とカソード極１０４とをこの順に含む膜電極複合体１０６（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を含むものである。この単位電池１０１は、発電機能の付与またはその他の目的のために、必要に応じて膜電極複合体１０６以外に他の構成部材を備えてもよく、たとえば、アノード集電層１０５、カソード集電層（図示せず）、セパレータ（図示せず）等を備えていてもよい。

すなわち、本発明の燃料電池スタック１１の燃料電池層を構成する単位電池１０１がアノード集電層１０５を含む場合、図３に示されるように、単位電池１０１は、カソード極１０４と電解質膜１０２とアノード極１０３とアノード集電層１０５とをこの順に含むことが好ましい。このようにアノード集電層１０５を含むことにより、アノード極１０３で発生した電子の授受を効率的に行なうことができる。

ここで、単位電池１０１にアノード集電層１０５を設ける場合、図３に示されるようにアノード集電層は燃料輸送用の空間である燃料流路１０７を備えるものを用いることが好ましい。図３の単位電池１０１において、燃料としてメタノール水溶液を用いる場合、メタノール水溶液は燃料流路１０７を通ってアノード極１０３に供給され、アノード極１０３でＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-と反応して水素イオンと電子とを発生する。ここで生成した水素イオンは、電解質膜１０２を通じてカソード極１０４へ移動する。一方、大気中から空気が酸化剤としてカソード極１０４に供給されて、カソード極１０４でＯ₂＋４Ｈ⁺＋４ｅ^-→２Ｈ₂Ｏと反応して水を発生する。このようにアノード極１０３で発生した電子がカソード極１０４に流れる電子の流れを、外部回路を介して電流として取り出すことにより、単位電池１０１から電気エネルギーを得ることができる。

＜燃料＞
本発明の単位電池１０１に供給される燃料としては、電気分解により電力を得ることができるものであれば気体燃料、液体燃料のいずれを用いてもよく、このような気体燃料としては、水素、ＤＭＥ、メタン、ブタン、アンモニア等を挙げることができる。また、液体燃料としては、メタノール、エタノール等のアルコール類、ジメトキシメタン等のアセタール類、ギ酸等のカルボン酸類、ギ酸メチル等のエステル類、ヒドラジン等を挙げることができる。なお、上述の液体燃料は、常温で液体である燃料を挙げているが、液体燃料を気化して気相供給してもよい。上述した気体燃料および液体燃料は１種に限定されず、２種以上の混合物であってもよいが、体積あたりのエネルギー密度の観点から液体燃料の特にメタノールが好ましく用いられる。

＜酸化剤＞
一方、本発明の燃料電池スタックに供給される酸化剤としては、酸素、過酸化水素、硝酸を用いることが好ましいが、酸化剤のコストの観点から、空気中の酸素を用いることがより好ましい。以下に単位電池１０１を構成する各層を説明するにあたり、説明の便宜上、燃料としてメタノール、酸化剤として空気を用いた場合を記載する場合があるが、これらの材料を用いた場合に限定されるものではない。

＜電解質膜＞
本発明において、単位電池１０１を構成する電解質膜１０２は、アノード極１０３で発生したプロトンを伝導してカソード極１０４に透過させるものであって、電気的絶縁性を有する材質のものであれば従来公知のいかなる材質のものを用いることもでき、たとえば高分子膜、無機膜、またはコンポジット膜により形成することができる。

電解質膜１０２に用いられ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（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）：デュポン社製）、ダウ膜（ダウ・ケミカル社製）、アシプレックス（ＡＣＩＰＬＥＸ（登録商標）：旭化成社製）、フレミオン（登録商標）：旭硝子社製）の他、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質膜等を挙げることができる。

また、電解質膜１０２に用いられる無機膜としては、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等を挙げることができる。

また、電解質膜１０２に用いられるコンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜（ゴアセレクト（登録商標）：ジャパンゴアテックス株式会社製）を挙げることができる。

また、燃料電池スタック（または単位電池１０１）が１００℃付近もしくはそれ以上の温度にも対応できるという観点から、低含水時でも高いイオン伝導性を有する電解質膜１０２の材料を用いることが好ましく、このような電解質膜１０２の材料としては、たとえばスルホン化ポリイミド、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ：2-Acrylamido-2-MethylPropaneSulfonic acid）、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、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム、イオン性液体（常温溶融塩）等を膜化して用いることが好ましい。

このような電解質膜１０２は、プロトン伝導率が１０^-5Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、パーフルオロスルホン酸ポリマや炭化水素系ポリマ等の高分子の電解質膜のようにプロトン伝導率が１０^-3Ｓ／ｃｍ以上のものを用いることがより好ましい。

＜アノード極およびカソード極＞
本発明の燃料電池システムに用いられる単位電池１０１のアノード極１０３は、燃料の酸化を促進するアノード触媒を含むアノード触媒層（図示せず）を少なくとも備える。そして、当該アノード触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子を生成する。なお、アノード極１０３はアノード触媒層とは別にアノード集電層１０５側（電解質膜１０２とは反対側）に、アノード多孔質基体（図示せず）を積層した構造であることが好ましい。

一方、本発明の燃料電池システムに用いられる単位電池１０１のカソード極１０４は、酸化剤の還元を促進するカソード触媒を含むカソード触媒層（図示せず）を少なくとも備える。そして、当該カソード触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応を起こすことにより水を生成する。カソード極１０４は電解質膜１０２とは反対側にカソード触媒層とは別にさらにカソード多孔質基体（図示せず）を積層した構造であることが好ましい。

＜アノード触媒層およびカソード触媒層＞
アノード触媒層は、燃料の酸化を促進するアノード触媒を少なくとも含み、さらにアノード担持体とアノード電解質とを含むことが好ましい。一方、カソード触媒層は、酸素とプロトンと電子とから、水を生成する反応速度を促進するカソード触媒を少なくとも含み、さらにカソード担持体とカソード電解質とを含むことが好ましい。

アノード触媒層およびカソード触媒層の厚みはそれぞれ０．１μｍ以上０．２ｍｍ以下とすることが好ましい。アノード触媒層およびカソード触媒層の厚みが０．１μｍ未満であると、燃料電池スタック（または単位電池）の出力を向上させるだけの触媒量をアノード触媒層およびカソード触媒層に担持できない虞があり、０．２ｍｍを超えるとプロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗が大きくなったり、液体燃料（たとえばメタノール）または酸化剤（たとえば酸素）の拡散抵抗が増加したりする虞がある。

以下の（１）〜（３）には、アノード触媒層およびカソード触媒層に含まれるものを説明する。

（１）アノード触媒およびカソード触媒
アノード触媒は、燃料としてメタノール水溶液を用いる場合、メタノールと水からプロトンと電子を生成する反応の速度を促進する機能を有するものであり、カソード触媒は、酸素とプロトンと電子から水を生成する反応の反応速度を促進する機能を有するものである。

アノード触媒およびカソード触媒は必ずしも同種類のものに限定されず、異なる種類の材料を用いることができる。このようなアノード触媒およびカソード触媒としては、たとえばＰｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ等の貴金属、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒ等の卑金属、これらの貴金属または卑金属の酸化物、炭化物および炭窒化物、もしくはカーボンからなる群より選択された材料の１種または２種類以上の組み合わせのものを触媒として用いることができる。

（２）アノード担持体およびカソード担持体
アノード担持体は、アノード極１０３で生成した電子をアノード多孔質基体へ導電する機能を有するものであり、カソード担持体はカソード多孔質基体からカソード触媒層に電子を導電する機能を有するものである。

アノード担持体およびカソード担持体は、電気伝導性を有する材料であればどのような材料を用いてもよいが、電気伝導性の高い炭素系材料を用いることが好ましく、電気伝導性の高い炭素系材料としては、たとえばアセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等を挙げることができる。また、これらの炭素系材料の他に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ等の貴金属、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒ等の卑金属、これら貴金属または卑金属の酸化物、炭化物、窒化物および炭窒化物からなる群より選択された材料の１種または２種類以上の組み合わせたものを担持体として用いることができる。

また、アノード担持体およびカソード担持体は、プロトン伝導性を付与した材料であってもよく、このようにプロトン伝導性を付与した材料としては、たとえば硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウム等を挙げることができる。

また、アノード担持体の表面は親水性であることが好ましい。アノード担持体の表面を親水性にすることにより、アノード触媒層の細孔内に燃料（メタノール水溶液）を保持しやすくなり、燃料やプロトンのアノード触媒層中での拡散性がよくなる。ここで、アノード担持体の表面を親水化する方法しては、アノード担持体の表面をカルボキシル基やヒドロキシル基等の親水性の官能基により修飾する方法を挙げることができる。

このようなアノード担持体の表面を親水化する方法としては、たとえばカーボン表面をグラフト重合することによる表面修飾、シランカップリング剤による表面修飾等が挙げられる。なお、アノード触媒およびカソード触媒のいずれもが電子伝導性を有するため、アノード担持体およびカソード担持体を設けなくてもよい。

（３）アノード電解質およびカソード電解質
アノード電解質は、アノード極１０３で生成したプロトンを電解質膜１０２へ伝導する機能を有し、カソード電解質は、電解質膜１０２から透過したプロトンをカソード触媒層近傍に伝導する機能を有する。

アノード電解質およびカソード電解質は、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いかなるものをも使用することができるが、メタノール等の燃料により溶解しない固体もしくはゲルであることが好ましい。このようなアノード電解質およびカソード電解質は、スルホン酸、リン酸基などの強酸基やカルボキシル基などの弱酸基を有する有機高分子であることが好ましく、たとえば含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（登録商標）（デュポン株式会社製））、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（登録商標）（旭化成株式会社製））、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、イオン性液体（常温溶融塩）、スルホン化イミド、ＡＭＰＳ等を挙げることができる。

なお、アノード担持体およびカソード担持体として、プロトン伝導性を有するものを用いる場合には、これらによりプロトンを伝導することができるため、別個にアノード電解質およびカソード電解質を設けなくてもよい。

＜アノード多孔質基体およびカソード多孔質基体＞
アノード多孔質基体は、メタノールと水とをアノード触媒層へ供給することを可能とする空隙を形成するとともに、アノード担持体からアノード集電層１０５へ電子を導電する機能を有する。一方、カソード多孔質基体は、大気中の酸素をカソード触媒層へ供給し、効率よく生成水を外部へ排出することを可能とする空隙を形成するとともに、カソード担持体から外部配線（図示せず）への電子を導電するという機能を有する。

アノード多孔質基体およびカソード多孔質基体は、導電性の材料からなることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンクロス、金属発泡体、金属焼結体、金属繊維の不織布等を用いることができる。ここで、金属発泡体、金属焼結体、金属繊維の不織布に用いられる金属としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒなどの貴金属、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒなどの卑金属、および、これら貴金属、卑金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物を１種または２種以上を含む材料を挙げることができる。アノード多孔質基体およびカソード多孔質基体が設けられる場合、アノード多孔質基体は、アノード極１０３におけるアノード集電層１０５側（電解質膜１０２側と反対側）に配置され、カソード多孔質基体は、カソード極１０４における単位電池外側（電解質膜１０２側と反対側）に配置される。

なお、アノード多孔質基体およびカソード多孔質基体は、必ずしも設ける必要はなく、たとえば、アノード触媒層はアノード集電層と電子の授受を行なうように、アノード触媒層が電解質膜１０２に直接形成されていてもよく、カソード触媒層は外部配線と電子の授受を行なうように、カソード触媒層が電解質膜１０２に直接形成されていてもよい。

＜アノード集電層＞
本発明において、燃料電池層を構成する単位電池１０１は、アノード極１０３で発生した電子の授受を行なう機能を有するアノード集電層１０５をさらに含むことが好ましい。

このようなアノード集電層１０５は、その表裏面のうちのアノード極１０３と接する面に、１または２以上の溝が形成された燃料流路１０７を有することが好ましい。アノード集電層１０５に設けられる燃料流路１０７の形状は特に限定されることなくいかなる形状のものを用いることもできるが、アノード集電層１０５の電気抵抗およびアノード集電層１０５とアノード極１０３との接触面積等を考慮して燃料流路１０７の形状を決定することが好ましい。燃料流路１０７はたとえば図３に示されるように燃料流路１０７の燃料が流れる方向に対しての断面形状は四角形状であってもよい。

燃料流路１０７の燃料が流れる方向に対する断面が四角形状の場合、この四角形状の面積は０．０１ｍｍ²以上１ｍｍ²以下であることが好ましい。この面積が０．０１ｍｍ²未満であると、液体を流す圧力損失が大きくなるため燃料供給装置が大型化するという問題があり、１ｍｍ²を超えると、燃料電池スタックが大型化するという問題がある。

また、上記の燃料流路の断面の四角形状のうちのアノード極１０３と接する部分の長さを燃料流路の幅とすると、燃料流路の幅は、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが好ましい。燃料流路の幅が０．１ｍｍ未満であると、燃料流路からアノード極１０３への燃料の供給効率が低下するという問題があり、１ｍｍを超えると、アノード極と接触するアノード集電層のエッジ幅が短くなるため構造安定性が乏しくなる。

また、アノード極１０３の表裏の両面のうちのアノード集電層１０５と接する側の面の面積の２０％以上が、アノード集電層１０５と接触することが好ましい。なお、アノード極１０３とアノード集電層１０５との間に別の層が介在し、アノード極１０３とアノード集電層１０５とが直接接しない場合であっても、上記の面積の関係は同様である。この面積が２０％未満の場合、アノード集電層１０５とアノード極１０３との接触面積が低下することによりオーミック抵抗が増大するという問題がある。

アノード集電層１０５に用いられる材質は、導電性を示すものであればどのようなものを用いてもよいが、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、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を挙げることができる。

ここで、アノード集電層１０５に用いられる材質は、アノード集電層１０５の抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得るという観点から、比抵抗が小さい材質を用いることが好ましく、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことがより好ましい。

なお、アノード集電層１０５に用いられる材質として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることにより、アノード集電層１０５の表面の腐食を防止することができ、単位電池およびこれを用いた燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。

（第二の実施の形態）
図２は、本発明の燃料電池システムの好ましい一例を模式的に示す図である。本発明の燃料電池システムは、単位電池２０１を２以上備える燃料電池スタックと、単位電池２０１のカソード極と空間的に連通するように燃料電池スタックの外表面に配置され、上述のカソード極から発生する水を吸収する吸水部材２４と、吸水部材２４を加熱する発熱源２２と、吸水部材２４および発熱源２２に接するように配置され、発熱源２２からの熱を吸水部材２４に伝導する熱伝導部材２３とを備えるものである。

本発明の燃料電池システム２０に用いられる燃料電池スタックは、図２に示されるように、１または２以上の単位電池２０１を、同一平面内に隙間を設けて配置してなる燃料電池層２１と、上記単位電池２０１と交差するように配置される１または２以上のスペーサ２０６からなるスペーサ層２６とを交互に積層されてなるものであることが好ましい。なお、図２においては、２層の燃料電池層２１の間にスペーサ層２６が形成されるものが示されているが、この形態のみに限られるものではなく、さらに燃料電池層２１とスペーサ層２６とを交互に積層したものであっても本発明の範囲に含まれ、これらの最多積層数は特に限定されない。

このように燃料電池層２１の間にスペーサ２０６を設けることにより、燃料電池層２１の同一平面内に設けられた隙間２１４および燃料電池層２１の間の空間部２１０が３次元的に連通することとなり、燃料電池スタック内での空気の拡散性を向上することができる。すなわち、燃料電池スタック内に入った空気が、連通した隙間２１４および空間部２１０を通して自然対流されて、燃料電池スタックに含まれる単位電池２０１のカソード極に空気が供給されやすくなる。しかも、空気の拡散性を向上することにより、吸水部材２４に含まれる水の蒸発を促進する効果も得られる。

図２には、５つの単位電池２０１を同一平面内に隙間を設けて配置してなる燃料電池層２１が２層と、２層の燃料電池層２１の間に単位電池２０１と交差するように配置される４つのスペーサ２０６からなるスペーサ層２６とからなる燃料電池スタックの構造が示されているが、図３の単位電池の数およびスペーサの数はいずれも一例であって、その数は特に限定されない。

＜単位電池＞
本発明において、上記の単位電池２０１の形状は隙間２１４の厚さを均一に確保するという観点から、長辺と短辺を有する短冊形状のものであることが好ましく、特に単位電池２０１の積層面の少なくとも一辺の長さを有する短冊形状であることが好ましい。単位電池２０１の形状が短冊柱状であれば、その単位電池２０１の断面形状は特に制限されず、たとえば楕円状、四角状等とすることができる。

本発明において、燃料電池スタックの燃料電池層２１は、単位電池２０１が同一平面内に隙間２１４を設けて長辺同士が対向するように配置される。そして、各単位電池２０１はカソード極およびアノード極が同一方向に配置される。すなわち、隣接する燃料電池層２１のうちの一方の燃料電池層２１に含まれる単位電池２０１のカソード極と、他方の燃料電池層２１に含まれるアノード極が対向するように配置される。

図２に示される燃料電池スタックにおいて、単位電池２０１のカソード極の表面に生じた結露水は、液滴として重力方向に落下して吸水部材２４に保持されるか、もしくはスペーサ２０６の壁面をつたって吸水部材２４に吸水される。

＜スペーサ層＞
本発明において、スペーサ層２６は、その表裏に接して配置される燃料電池層２１のうちの一方の燃料電池層２１に含まれる単位電池２０１のカソード極と、他方の燃料電池層２１に含まれる単位電池２０１のアノード集電層との間に配置される。

スペーサ層２６と吸水部材２４との位置関係は、燃料電池層２１に空間部２１０を形成するものであれば特に限定されずいかなる位置にスペーサ層２６を設けてもよいが、スペーサ層２６と吸水部材２４とが直交するように配置されることが好ましい。このように配置することにより、単位電池２０１のカソード極で発生した結露水がスペーサ２０６の壁面をつたい、吸水部材１４への吸水を効率的に行なうことができる。なお、スペーサ層２６と吸水部材２４とは必ずしも接していなくてもよく、スペーサ層２６が吸水部材２４とは分離して設けられていても本発明の効果は示される。

スペーサ層２６は、１または２以上のスペーサ２０６が同一平面内に配置されてなるものである。スペーサ層２６は、燃料電池層２１の間の空間部２１０を確保することができるものであれば、スペーサ２０６の個数は特に限定されず、１または２以上のスペーサ２０６によりスペーサ層２６を構成することができる。ただし、単位電池２０１の隙間２１４を３次元的に連通させることができるという観点から、スペーサ層２６は、２以上のスペーサ２０６により構成することが好ましい。

また、スペーサ層２６に２以上のスペーサ２０６を設ける場合、図３に示すように各スペーサ２０６は間隔を設けて配置されることが好ましい。このようにスペーサ２０６を配置することにより、同一平面内に設けられた隙間２１４および燃料電池層２１の間の空間部２１０が３次元的に連通することとなり、燃料電池スタック内での空気の拡散性を向上することができる。すなわち、燃料電池スタック内の隙間２１４および空間部２１０に位置する空気が、連通した隙間２１４および空間部２１０を通して自然対流または拡散されて、燃料電池スタックの内部に供給されやすくなり、当該空間部２１０を通じて燃料電池層２１の単位電池２０１のカソード極に大気中の酸素を供給することができる。

さらに、図２のような燃料電池スタックの構造とすることにより燃料電池スタック内の空間部２１０および隙間２１４に位置する空気が、単位電池の発電に起因する熱で温められることにより、連通した隙間２１４および空間部２１０内で重力方向とは反対の方向に熱対流が生じて外部へ放出され、燃料電池スタックの側面や下面から空気が効率的に吸入するように供給されて、カソード極での還元反応を促進するという効果も得られる。

このような熱対流が生じることにより燃料電池スタックの内部に空気を極給することができることから、従来の燃料電池システムのように空気供給のためのエアポンプ、ファン等の補機を別途に設けなくてもよくなり、燃料電池システムを小型化することができる。また、たとえエアポンプ、ファン等の補機を設けても、エアポンプ、ファン等の補機からの風量を低減させることができることから、燃料電池システムの低消費電力の低減に寄与する他、燃料電池システムを小型化することもできる。

＜スペーサ＞
スペーサ層２６を形成するスペーサ２０６は、空気流通用の開口を有するような多孔質のものを用いることが好ましい。スペーサ２０６に多孔質のものを用いることにより、燃料電池スタック内での空気の循環を活発にし、燃料電池スタック内に空気を取り込みやすくすることができるとともに、吸水部材２４の水の蒸発速度を高める効果も得られる。

また、多孔質のスペーサ２０６を用いる場合、多孔質のスペーサ２０６は撥水性であることが好ましい。撥水性のスペーサ２０６を用いることにより、スペーサ２０６内部の空気流通用の開口が水に埋まることを防止することができ、スペーサ２０６に多孔質のものを用いる効果を持続させることができる。このとき、スペーサ２０６は吸水部材２４に触れていないことが好ましい。

スペーサ層２６に配置されるスペーサ２０６は、スペーサ２０６と隣接するアノード集電層と一体化されていることが好ましい。このようなスペーサ２０６とアノード集電層とを一体化するための方法としては、熱硬化性樹脂等の接着剤を用いた接着、拡散接合、超音波接合、レーザー溶接等が挙げられる。なお、ここでの「一体化」とは、外部から圧力を加えなくとも分離しない状態のことをいい、具体的には化学結合、アンカー効果、粘着力等によりアノード集電層とスペーサ２０６とが接合された状態のことをいう。

スペーサ２０６は、燃料電池スタックに外力が加わっても燃料電池層の間の空間部２１０を確保できる強度を保つものであれば特に限定されることなくいかなるものをも使用することができるが、導電性材料のものを用いることが好ましい。導電性材料のものを用いることにより、他に外部配線を設けることなく、隣接する２層の燃料電池層のうちの一方の燃料電池層の単位電池のアノード集電層と、他方の燃料電池層の単位電池のカソード極とを電気的に接続することにより直列接続することができ、燃料電池スタックを小型化することができる。

スペーサ２０６に用いられる材質は、アノード集電層と同様の材質を用いることが好ましく、このような材料としてカーボン材料、導電性高分子、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を挙げることができる。

ここで、スペーサ２０６に用いられる材質は、スペーサの抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得るという観点から、比抵抗の小さい材質であることが好ましく、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことがより好ましい。

なお、スペーサ２０６に用いられる材質として、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等のように酸性雰囲気下で腐食しやすい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングすることにより、スペーサ２０６の腐食を防止することができることを以って単位電池２０１およびこれを用いた燃料電池スタックの寿命を延ばすことができる。

スペーサ２０６の形状は、積層する燃料電池層の間に酸素を供給するための空間部２１０を確保できるものであれば特に限定なくいかなる形状のものも使用することができるが、空間部２１０の厚さを均一に確保し、空間部２１０の容積を大きくするという観点から、スペーサ２０６はいずれも長辺と短辺を有する短冊形状のものであることが好ましく、特に単位電池の積層面の少なくとも一辺の長さを有する短冊形状であることが好ましい。スペーサ２０６の形状が短冊柱状であれば、そのスペーサ２０６の断面形状は特に制限されず、たとえば楕円状、四角状等とすることができる。

スペーサ２０６が隣接する燃料電池層間の電気的接続の役割を果たす導電性材料を含む場合は、スペーサ２０６の形状は直方体形状であることが好ましい。スペーサ２０６を直方体形状とすることにより、スペーサ２０６に隣接する表裏の燃料電池層と面同士で接触させることができるため、電気的な接触抵抗を低減させることができる。

スペーサ２０６の形状を直方体形状とした場合のスペーサ２０６の幅は、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。スペーサの幅が０．５ｍｍ未満であると燃料電池スタックの構造強度が十分でない虞があり、５ｍｍを超えると単位電池２０１のカソード極に酸素が十分に供給されない虞がある。

また、スペーサ２０６の厚みは、０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましく、０．２ｍｍ以上１ｍｍ以下であることがより好ましい。スペーサの厚みが０．１ｍｍ未満であるとスペーサによって形成される空間部２１０内（単位電池２０１のカソード極）への酸素供給を行なわれにくくなる虞があり、５ｍｍを超えると燃料電池スタックが大型化する傾向がある。

隣接する２層の燃料電池層２１の間に配置されるスペーサ２０６は、２層の燃料電池層２１の間の空間部２１０を確保することができれば特に数量に限定はなく、任意のスペーサ２０６の数量を選択することができるが、燃料電池スタックに外力が加わっても燃料電池層２１の間の空間部２１０を安定的に確保するという観点からも、２つ以上のスペーサ２０６からなるスペーサ層２６であることが好ましい。

（第三の実施の形態）
図４は、本発明の燃料電池システムの好ましい他の一例を模式的に示す図である。本発明の燃料電池システム３０は、図４に示されるように、燃料電池スタックの底面のみでなく側面にも吸水部材３４を備えるものであっても差し支えない。この場合、これらの吸水部材３４の一部に接するように、発熱源３２が設けられている。

図４には、吸水部材３４が燃料電池スタックの底面および側面に設けられ、吸水部材３４同士が互いに接合した構造を示しているが、このように吸水部材３４同士が接合している場合のみに限られるものではなく、分離して設けられている場合も本発明の範囲に含まれる。ただし、各吸水部材３４が分離して設けられる場合、それぞれの吸水部材に接するようにそれぞれ発熱源を設けなければ本発明の効果を十分に得ることができない。

また、図４には、３層の燃料電池層３１と２層のスペーサ層とが交互に積層された構造のものであり、各燃料電池層３１は４つの単位電池３０１を含み、各スペーサ層は３つのスペーサを含む燃料電池システム３０が示されているが、本発明はこの構造に限定されるものではない。

本実施の形態の燃料電池スタックにおいては、単位電池３０１のカソード極で生成した結露水は、重力により燃料電池スタックの下部に設けられた吸水部材３４に吸収されるかもしくは、スペーサ３０６をつたって燃料電池スタックの側面に設けられた吸水部材３４に吸収されるかのいずれかである。

＜吸水性材料からなる層＞
本実施の形態の燃料電池スタックのように、スペーサ３０６の表面の一部を被覆し、かつ吸水部材３４と接するように形成された、吸水性材料からなる層３５（以下において「生成水般水部」とも称する）を有することが好ましい。このように生成水般水部を設けることにより、カソード極で生成した結露水がスペーサ３０６の生成水般水部を介して吸水部材３４へ保持することができることから、カソード極で生成した結露水が重力で落下しにくいような場合であっても、結露水を吸水部材３４へ吸水させることができ、単位電池３０１の発電特性を安定させることができる。

なお、吸水性材料からなる層３５と吸水部材３４とが接するとは、吸水性材料からなる層の一部が吸水部材３４と接することを意味するものであり、図４のように吸水性材料からなる層の端部が吸水部材３４と接していてもよい。

吸水性材料からなる層３５は、スペーサ３０６と単位電池３０１と間の導電を確保するという観点から、スペーサ３０６の単位電池３０１に接していない面に設けることが好ましい。また、吸水性材料からなる層３５から吸水部材３４への生成水の受け渡しを円滑にするという観点から、吸水性材料からなる層３５の毛管力は、吸水部材３４の毛管力よりも小さいことが好ましい。

このような吸水性材料からなる層３５に用いられる材料は、吸水部材３４に用いられる材料と同様に水および液体燃料に溶解するものでなければ特に限定されることなくいかなるものを用いることもできるが、金属等の無機物質または高分子材料等の有機物質からなる多孔質体を用いることが好ましい。このような多孔質体としては、たとえば発泡体、繊維束、織繊維、不織繊維、多孔質焼結体、あるいはこれらの材料の組み合わせからなるものを挙げることができる。

また、吸水性材料からなる層３５に高分子材料等の有機物質からなる多孔質体を用いる場合、たとえば、天然繊維、ポリエステル、ポリエチレン、ポリウレタン、アクリル、ポリアミド、ポリオレフィン、ポリアセタール、ポリビニル、ポリカーボネート、ポリエーテル、ポリフェニレン等から選択される１種または２種以上の組み合わせからなる繊維束、織繊維、不織繊維を用いることがより好ましい。

＜電子機器＞
図５は、第一の実施の形態の燃料電池システムを搭載した電子機器の好ましい一例を模式的に示す図である。なお、図５の電子機器は携帯電話機を模式的に表したものであり、図５（ａ）は携帯電話機の背面図であり、図５（ｂ）は携帯電話機の側面図である。

本発明の燃料電池システム１０を搭載する電子機器１１０は、図５に示されるように、燃料電池スタック１１と吸水部材１４と発熱源１２と、熱伝導部材１３とから構成され、吸水部材１４は熱伝導部材１３を介して発熱源１２と接している。燃料電池スタック１１に空気供給するための開口は、図５において電子機器１１０の筐体と面していない、３側面と上面に設けられている。

この燃料電池スタック１１では、単位電池１０１のカソード極での化学反応により生じた生成水は吸水部材１４に保持され、吸水部材１４に吸収された水分は発熱源１２の熱により気化して燃料電池スタック１１の外部へ放出されるため、吸水部材１４が飽和状態になって液漏れの発生を防止することができる。

ここで、本発明の電子機器に用いられる発熱源１２は、電子機器の使用に必須の電子部品であることが好ましい。図５に示されるように、電子機器１１０の使用に必須の電子部品を燃料電池システムの発熱源１２として使用することにより、吸水部材１４に吸収された水分を効率的に気化させることができる。しかも、電子機器１１０の電子部品の過昇温を防止することもできることから、電子機器１１０の駆動を安定させることもできる。

図６は、第三の実施の形態の燃料電池システムを搭載した電子機器の好ましい一例を模式的に示す図である。なお、図６の電子機器は、ノート型パソコンを模式的に表したものであり、第三の実施の形態の燃料電池システム３０を備えるものである。この電子機器３１０は、燃料電池スタックと発熱源３２と熱伝導部材３３とを含み、燃料電池システムの吸水部材３４は熱伝導部材３３を介して発熱源３２と接している。

図６のように、燃料電池スタック中の単位電位の化学反応により生じた生成水は、燃料電池スタックの底面もしくは側面に設けられた吸水部材３４により保持され、吸水部材３４に吸収された水分は発熱源３２の熱により気化してセルの外部へ放出されるため、吸水部材３４が飽和状態になって液漏れが生じることを防止することができる。

ここで、図６に示される燃料電池システムの発熱源３２は、電子機器の使用に必須の電子部品であることが好ましい。図６においてはノート型パソコンの駆動に用いられるＣＰＵを発熱源３２として用いているが、このように電子機器３１０の使用に必須の電子部品を燃料電池システムの発熱源３２として使用することにより、吸水部材３４に吸収された水分を効率的に気化させることができる。しかも、電子機器３１０の電子部品の過昇温を防止することもできることから、電子機器３１０の駆動を安定させることもできる。

図６の電子機器においては、燃料電池スタックの６面のうち、横２面が空気取り入れ供給用の開口として開いており、燃料電池スタックの側面に位置する吸水部材３４は空気取り入れ供給用の開口がない燃料電池スタックの一面側に設けられている。

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。

（実施例１）
実施例１では、図１に示す構造の燃料電池スタック１１と同様の構造の燃料電池スタックを作製した。以下、実施例１の燃料電池スタックの作製方法について説明する。

まず、燃料電池スタック１１を構成する単位電池１０１に用いられる電解質膜として、幅２５ｍｍ×長さ２５ｍｍ、厚さが約１７５μｍの電解質膜（商品名：Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７（デュポン株式会社製））を用意した。次に、Ｐｔ担持量が３２．５質量％で、Ｒｕ担持量が１６．９質量％のＰｔとＲｕからなる粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（商品名：ＴＥＣ６６Ｅ５０（田中貴金属工業株式会社製））と、２０質量％のＮａｆｉｏｎ（登録商標）を含むアルコール溶液（シグマアルドリッチジャパン株式会社製）と、イソプロパノールと、アルミナボールと、を質量比で０．５：１．５：１．６：１００の割合でテフロン容器に入れ、攪拌脱機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、アノード触媒ペーストを作製した。

また、Ｐｔ担持量が４６．８質量％のＰｔ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（商品名：ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ（田中貴金属工業株式会社製））を用いたこと以外はアノード触媒ペーストと同様の方法によりカソード触媒ペーストを作製した。

次に、アノード極の基体として、外形が２３ｍｍ×２３ｍｍで、片面にフッ素系の樹脂と炭素粒子からなる層で撥水処理されたカーボンペーパー（商品名：２５ＢＣ（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製））を用い、カーボンペーパーの撥水処理が施されている面に、上記で作製したアノード触媒ペーストを触媒担持量が２ｍｇ／ｃｍ²となるように、幅２３ｍｍ×長さ２３ｍｍの正方形状の開口部を有するスクリーン印刷版を用いて、カーボンペーパーのマイクロポーラスレイヤーが形成されている面の全面にスクリーン印刷した。その後、スクリーン印刷されたアノード触媒ペーストを室温で乾燥させて、約５０μｍの厚さのアノード触媒層を有するアノード極を作製した。

また、アノード極と同様の方法により、上記と同様のカーボンペーパーを用いて上記で得られたカソード触媒ペーストをスクリーン印刷し、約５０μｍの厚さのカソード触媒層を有するカソード極を形成した。以上の工程により単位電池を構成する電解質膜と、アノード極と、カソード極とを作製した。

次に、図２に示されるように上記で得られた電解質膜１０２を挟んで、電解質膜１０２の中心でアノード極１０３とカソード極１０４が重なり、アノード触媒層とカソード触媒層が電解質膜１０２と接するように、下からアノード極１０３、電解質膜１０２、カソード極１０４の順に積層し、これを５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形型の貫通穴を有する１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ０．３０ｍｍの額縁状のテフロンスペーサ（テフロン（登録商標））の貫通穴に設置した。そして、１００ｍｍ×１００ｍｍであって、厚みが３ｍｍのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に１３０℃、５ｋｇｆ／ｃｍ²で２分間熱圧着し、アノード極１０３と電解質膜１０２とカソード極１０４が一体化された膜電極複合体１０６を作製した。

次に、アノード集電層１０５として、外形が２５ｍｍ×２５ｍｍで、厚さ３００μｍの耐硫酸性ステンレスＳＵＳ３１６Ｌ製の平板を用いた。当該平板をエッチング加工することにより、幅が５００μｍで深さが２００μｍの溝の燃料流路１０７を形成した。

そして、５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形型の貫通穴を有する１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの額縁状のテフロンスペーサ（テフロン（登録商標））の該貫通穴に、下からアノード集電層１０５、アノード極１０３、電解質膜１０２、カソード極１０４の順に積層したものを設置した。これを１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み３ｍｍのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に５ｋｇｆ／ｃｍ²で２分間１３０℃で熱圧着することにより一体化して、単位電池１０１を作製した。同様の方法によりもう１つの単位電池１０１を作製して、図１に示すように単位電池１０１の間の層間距離を５ｍｍとして配置してなるものを燃料電池スタック１１とした。

次に、燃料電池システムの吸水部材１４を作製した。吸水部材１４の材料には、低沸点ポリエステルバインダと吸水ポリマーを含有した目付け６００ｇ／ｃｍ²のポリエステル製不織布（株式会社ベル開発製）を用いた。そして、当該ポリエステル製不織布を３ｍｍのスペーサを用いて、ステンレス板に挟んだ上で、１００℃、１００ｋＮで１分間ホットプレス処理し、１００ｋＮの圧力を保持したまま、７０℃まで自然冷却し、厚み３ｍｍ、比重０．１９ｇ／ｃｍ³の多孔質材料を形成した。そして、当該多孔質材料を３ｃｍ×２ｃｍの大きさに切出したものを吸水部材１４として用いた。

次に発熱源１２としてシリコンラバーヒータを用いた。そして、当該シリコンラバーヒータ上に、バーコータを用いて１００μｍの厚さのエポキシ系の熱伝導性接着剤（３Ｍ社製）を塗布して熱伝導部材１３を形成した。なお、熱伝導部材１３は接着機能をも有するものであり、この熱伝導部材１３の上に吸水部材１４を積層して、８０℃で６０分間乾燥することにより、熱伝導部材１３と吸水部材１４とを接着した。

熱伝導部材１３付近の温度をＫ熱電対でモニターしながらＰＩＤ制御によりフィードバックを行ない、シリコンラバーヒータを５０℃に設定して模擬的な発熱源１２として用いた。

次に、外径３６０μｍφ（内径１５０μｍφ）のテフロンチューブを燃料流路１０７の端部から燃料流路に挿入し、当該テフロンチューブと燃料流路１０７端部との隙間をエポキシ樹脂で埋め、乾燥させることにより燃料供給の接続部を作製した。以上により図１に示される燃料電池システムを作製した。

図７は、図１の燃料電池システム１０の燃料電池スタック１１と吸水部材１４とを筐体１００で覆ったときの燃料電池システムを示す図である。図７に示すように、燃料電池システムのうち燃料電池スタックと吸水部材とをアクリル筐体１００で覆った。このアクリル筐体１００は、外形幅３ｃｍ×奥行き２ｃｍ×高さ４ｃｍのものであり、横３面と上面に空気取り入れ供給用の開口部１５が形成されたものである。そして、当該燃料電池スタックの燃料流路に対し、３Ｍのメタノール水溶液を０．５ｃｃ／ｍｉｎの速度でポンプを用いて供給して発電させることにより発電評価を行なった。この発電評価の結果、燃料電池スタックの５分後の出力密度は４０ｍＷ／ｃｍ²であり、連続して１時間使用した後の出力密度は３０ｍＷ／ｃｍ²であった。さらに、連続して５時間使用した後においても液漏れは確認されなかった。

（比較例１）
比較例１の燃料電池システムは、実施例１の燃料電池システムのうちの熱伝導部材と、発熱源とを除いた構造のものであり、その他は実施例１と同様にして比較例１の燃料電池システムを作製した。

すなわち、比較例１の燃料電池システムは、実施例１の燃料電池スタックおよび吸水部材からなるものである。実施例１と同様の条件で発電評価を行なったところ、５分後に出力密度３５ｍＷ／ｃｍ²が得られた。しかしながら、連続して１時間使用した後の出力密度は１２ｍＷ／ｃｍ²まで低下し、連続して５時間使用した後は吸水部材から液漏れが生じていた。

実施例１と比較例１の燃料電池システムにおいて、使用を開始してから５分後の出力密度を対比すると、実施例１の方が５ｍＷ／ｃｍ²優れていることがわかった。このことから、実施例１の燃料電池システムの方が最大出力密度が優れていることがわかった。

また、実施例１と比較例１の燃料電池システムにおいて、使用を開始してから１時間経過後の出力密度を対比すると、実施例１の出力密度は比較例１の出力密度の約３倍程度優れている。このことから実施例１の燃料電池システムの方が、出力の安定性の面で優れていることがわかった。

さらに、実施例１と比較例１の燃料電池システムにおいて、使用を開始してから５時間後の状態を対比すると、実施例１の燃料電池システムは液漏れが発生していないのに対し、比較例１の燃料電池システムは液漏れが発生した。これは、比較例１の燃料電池システムが発熱源と熱伝導部材を含まないことによるものと考えられる。

（実施例２）
実施例２では、図２に示す構造の燃料電池スタックと同様の構造の燃料電池スタックを作製した。以下、実施例２の燃料電池スタックの作製方法について説明する。まず、実施例１と同様の方法によって作製したカソード極と電解質膜とアノード極とからなる膜電極複合体を、外形２ｍｍ×２５ｍｍ、電極部２ｍｍ×２３ｍｍとなるようにトリミングナイフで切断して、短冊形状の膜電極複合体を作製した。

次に、アノード集電層として、外形が２ｍｍ×２５ｍｍで、厚さ３００μｍの耐硫酸性ステンレスＳＵＳ３１６Ｌ製の平板を用いた。当該平板をエッチング加工することにより、幅が８００μｍで深さが２００μｍの溝の燃料流路を形成した。

そして、５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形型の貫通穴を有する１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ０．６ｍｍの額縁状のテフロンスペーサ（テフロン（登録商標））の該貫通穴に、下からアノード集電層、アノード極、電解質膜、カソード極の順に積層したものを設置した。これを１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み３ｍｍのステンレス板で挟んだ後、１３０℃に設定してステンレス板の厚み方向に、５ｋｇｆ／ｃｍ²で２分間熱圧着することにより一体化して単位電池を作製した。これと同様の方法により総数１０個の単位電池２０１を作製した。

スペーサ２０６は、外形１×１４ｍｍ、厚み６００μｍ、空隙率８０％のチタン繊維焼結体（ベキニット株式会社製）を、厚みが４００μｍとなるようにプレス成形して作製した。

次に単位電池２０１の長辺を対向させ、対向する長辺同士の間に１ｍｍの隙間２１４を設けて、平面上に５個配置して燃料電池層２１を１層作製した。

次に、スペーサ２０６の一の面に導電性ペースト（商品名：ＣＡＲＢＯＬＬＯＩＤ ＭＲＸ―７１３Ｊ（タムラ化研株式会社製））を塗布厚が３０μｍ厚となるようにスクリーン印刷法を用いて塗布した。そして、当該スペーサ２０６を燃料電池層２１の単位電池２０１と直交するように２ｍｍピッチで４本配置してスペーサ層２６を形成し、上記で作製した燃料電池層２１上に積層した。

５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形型の貫通穴を有する１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１ｍｍの額縁状のテフロンスペーサ（テフロン（登録商標））の該貫通穴に、燃料電池層２１と４本のスペーサ２０６とを設置した。これらを１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み３ｍｍのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に１３０℃、５ｋｇｆ／ｃｍ²で３０分間熱圧着することにより、燃料電池層２１とスペーサ２０６とを一体化し、燃料電池層２１とスペーサ層２６とが各１層ずつの積層体を作製した。

続いて、上記の積層体のスペーサ層２６上にさらに燃料電池層２１を作製した。以下においては説明の便宜上、初めに形成した燃料電池層２１を「第１の燃料電池層」と称し、以下の過程で形成する燃料電池層２１のことを「第２の燃料電池層」と称するが、第１の燃料電池層および第２の燃料電池層は、燃料電池層としての性能を区別するものではない。

上記のスペーサ２０６の第１の燃料電池層と接する面とは反対側の面に、導電性ペースト（タムラ化研製：ＣＡＲＢＯＬＬＯＩＤ ＭＲＸ―７１３Ｊ）をスクリーン印刷法により、塗布厚が３０μｍ厚となるように塗布した。

次に、５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形型の貫通穴を有する１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ１．５ｍｍの額縁状のテフロンスペーサ（テフロン（登録商標））の該貫通穴に、スペーサ２０６を介して、第１の燃料電池層の単位電池と第２の燃料電池層の単位電池２０１とが同じ位置であって、第２の燃料電池層を構成する単位電池２０１のカソード極とスペーサ２０６とが対向するように配置したものを設置した。

これらを１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み３ｍｍのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に５ｋｇｆ／ｃｍ²の圧力により１３０℃で３０分間熱圧着して一体化し、上から第１の燃料電池層、スペーサ２０６、第２の燃料電池層を順に積層した積層体を作製した。

次に、実施例１と同様の条件で発電評価を行なったところ、本実施の形態の燃料電池スタックの５分後の出力密度は４４ｍＷ／ｃｍ²であり、連続して１時間使用した後の出力密度は４１ｍＷ／ｃｍ²であった。さらに、連続して５時間使用した後においても液漏れは確認されなかった。

実施例１と実施例２の燃料電池システムにおいて、使用を開始してから５分後の出力密度を対比すると、実施例２の方が４ｍＷ／ｃｍ²優れていることがわかった。このことから、実施例２の燃料電池システムの方が最大出力密度が優れているといえる。

また、実施例１と実施例２の燃料電池システムにおいて、使用を開始してから１時間経過後の出力密度を対比すると、実施例２の方が１１ｍＷ／ｃｍ²優れていることがわかった。このことから実施例２の燃料電池システムの方が、出力の安定性の面で優れているといえる。

上記のように実施例２の燃料電池システムの方が、最大出力密度および出力の安定性の観点で優れているのは、実施例２の燃料電池システムに用いられる燃料電池スタックがスペーサ層２６を含むことにより、燃料電池スタック内の空間部２１０および隙間２１４が設けられているため、より効率的な空気の循環ができたことによるものと考えられる。

以上のように本発明の実施例について説明を行なったが、上述の実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明によれば、ノート型パソコン、携帯電話、電子手帳、ポータブルゲーム機器、モバイルテレビ機器、ハンディーターミナル、ＰＤＡ、モバイルＤＶＤプレーヤ、ノートパソコン、ビデオ機器、カメラ機器、ユビキタス機器またはモバイル発電機等の電子機器用途の燃料電池システムを提供することができる。

本発明の燃料電池システムの好ましい一例を模式的に示す図である。 本発明の燃料電池システムの好ましい一例を模式的に示す図である。 本発明の燃料電池システムの燃料電池スタックを構成する単位電池の構造を模式的に示す図である。 本発明の燃料電池システムの好ましい一例を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池システムが搭載された電子機器の一例を模式的に示す図である。 本発明の燃料電池システムが搭載された電子機器の一例を模式的に示す図である。 本発明の燃料電池システムの一部を筐体で覆ったときの一例を模式的に示す図である。

符号の説明

１０，２０，３０ 燃料電池システム、１１ 燃料電池スタック、１２，２２，３２ 発熱源、１３，２３，３３ 熱伝導部材、１４，２４，３４ 吸水部材、１５ 開口部、２１，３１燃料電池層、２６ スペーサ層、３５ 吸水性材料からなる層、１００ アクリル筐体、１０１，２０１，３０１ 単位電池、１０２ 電解質膜、１０３ アノード極、１０４ カソード極、１０５ アノード集電層、１０６ 膜電極複合体、１０７ 燃料流路、１１０，３１０ 電子機器、２０６，３０６ スペーサ、２１０ 空間部、２１４ 隙間。

Claims (8)

1. カソード極と電解質膜とアノード極とをこの順で含む単位電池を２以上備える燃料電池スタックと、
   前記カソード極と空間的に連通するように前記燃料電池スタックの外表面に配置され、前記カソード極から発生する水を吸収する吸水部材と、
   前記吸水部材を加熱する発熱源とを備える燃料電池システム。
2. 前記吸水部材および前記発熱源に接するように配置され、前記発熱源からの熱を前記吸水部材に伝導する熱伝導部材をさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. シート状の熱伝導部材と、
   前記熱伝導部材上に積層されたシート状の吸水部材と、
   前記吸水部材上に配置された燃料電池スタックとを備える請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池スタックは、１以上の単位電池を、同一平面内に隙間を設けて配置してなる燃料電池層と、前記単位電池と交差するように配置される２以上のスペーサからなるスペーサ層とを交互に積層されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記単位電池は、カソード極と電解質膜とアノード極とアノード集電層とをこの順に含む、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 前記スペーサの表面の一部を被覆し、かつ前記吸水部材と接するように形成された、吸水性材料からなる層を有する請求項４に記載の燃料電池システム。
7. 前記吸水性材料からなる層の毛管力は、前記吸水部材の毛管力よりも小さい請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システムを有する電子機器であって、
   前記燃料電池システムの前記発熱源は、前記電子機器を構成する電子部品である、電子機器。

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