JP2009099491A - 燃料電池システムおよび電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】外部から水素を供給することなく燃料電池による発電を持続させることを可能とする燃料電池システムおよびそれを備えた電子機器を提供する。
【解決手段】電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成された燃料極と、電解質膜の他方の表面に形成された空気極とを有した燃料電池と、燃料電池の発電反応によって空気極で生成した水蒸気を含む空気を蓄積する空気室と、燃料を保持する燃料室と、水蒸気を含む空気と水素発生材料とを反応させることにより水素を生成する水素生成機構と、燃料室と水素生成機構に介在し水素生成機構から水素を分離して燃料室に供給する水素分離機構と、水蒸気を含む空気を空気室から水素生成機構に導入する導入機構とを備える燃料電池システムならびに該燃料電池システムを備える電子機器に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、良好な発電特性を有する燃料電池が組み込まれた燃料電池システム、および該燃料電池システムを搭載した電子機器に関する。

近年、エネルギ問題や環境問題が注目を浴びており、これらの問題の解決手段のひとつとして高効率発電可能な燃料電池の利用が挙げられる。燃料電池は、燃料に水素を利用する場合、排出されるのは水だけである。したがって、石油など化石燃料を燃やすことで生じる窒素化合物（ＮＯ_x）や硫黄化合物（ＳＯ_x）などの有害物質や、地球温暖化のひとつの原因といわれる二酸化炭素（ＣＯ₂）の排出を抑えることのできる高効率な発電システムである。また主として燃料に使われる水素は、昨今枯渇が懸念されている化石燃料に代わりうるクリーンエネルギとして注目されており、地球環境の保護や循環型社会の構築に貢献する可能性を秘めている。

固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下「ＰＥＦＣ」と称する）は、固体高分子膜を用いた燃料電池の一形態で、常温で出力が高く小型化しやすいという利点がある。ＰＥＦＣに代表される燃料電池は、典型的に、燃料極、燃料拡散層、燃料極導電層、電解質膜、空気極、空気拡散層および空気極導電層を有する。そして、該燃料極に水素、該空気極には空気を導入し、下記の反応から電気エネルギを外部に取り出す。

燃料極：Ｈ₂→２Ｈ＋＋２ｅ^-（酸化反応）
空気極：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（還元反応）
ＰＥＦＣの実用化に向けた技術的課題のひとつとして、燃料電池のエネルギ密度の不足があげられる。これは、現状、燃料極の酸化反応において最も高い反応速度を有する燃料は水素であることに起因する。水素は常温で気体であるため体積あたりの密度が低く、高圧ボンベ方式で水素を燃料電池に供給する場合、燃料電池システムの大型化が避けられないためである。したがって、高圧ボンベ方式の燃料電池システムは、携帯・通信機器などの用途には適さないとされる。

そのため、燃料電池システム内で水素を生成させ供給する手段を導入し、燃料電池システムの小型化が図られている。水素を生成させ供給する手段としては、例えばエネルギ密度の高い炭化水素系燃料の高温改質による水素生成や、水素吸蔵合金からの水素生成、または水素発生材料の加水分解、もしくは酸化による水素生成などが挙げられる。

この内、炭化水素系燃料の高温改質や水素吸蔵合金からの水素生成には外部からの加熱が必要となる。炭化水素系燃料または水素吸蔵合金を利用する燃料電池システムにおいて、この加熱に必要となるエネルギは、燃料の燃焼熱を利用するもの、または燃料電池の発電エネルギを利用するものがある。これに対し水素発生材料の加水分解、もしくは酸化には加熱が不要で、常温で水素を生成することが可能である。したがって、水素発生材料を利用する燃料電池システムにおいては、複雑な加熱構造および断熱構造を省くことができる。

しかし、水素発生材料の加水分解、もしくは酸化による水素生成には他の問題点を有しており、そのひとつとして、水素を発生させるために相応の水が必要となる点が挙げられる。以下に、代表的な水素発生材料の加水分解、もしくは酸化反応を示す。

ＣａＨ₂＋２Ｈ₂Ｏ→Ｃａ（ＯＨ）₂＋２Ｈ₂
ＮａＢＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＮａＢＯ₂＋４Ｈ₂
ＮＨ₃ＢＨ₃＋２Ｈ₂Ｏ→ＮＨ₄ ⁺＋ＢＯ₂ ^-＋３Ｈ₂
Ａｌ＋３Ｈ₂Ｏ→Ａｌ（ＯＨ）₃＋３／２Ｈ₂
一般的に利用される水素発生材料は、重量・体積あたりのエネルギ密度が高いが、水素発生材料と反応に必要となる水とを合わせた燃料電池システムにおいては、重量・体積あたりのエネルギ密度が低くなってしまう問題がある。特に、携帯電子機器に適した小型の燃料電池システムでは、生成した水素から得られる発電の電気エネルギを、水素発生材料と水とをあわせた重量・体積で割ったエネルギ密度が高くなるよう水素発生材料を選択することが重要となる。

この問題に対し、燃料電池の発電で生じた生成物の水（水蒸気）を水素発生材料に供給する構造を有する燃料電池システムが特許文献１に提案されている。この構造では、水素生成に必要となる水を燃料電池システム内で生成した水から賄うため、水の携行が不要となる。水素発生材料から生成した水素は燃料電池に供給され、その水素を酸化し発電することによって再び水が生成するといった循環の利用形態となり、外部から水素を加えることを必要とせず燃料電池の動作を持続することが可能である。
特表２００６−５０３４１４号公報

しかし、上述した特許文献１による水供給システムをＰＥＦＣで実現するためには、空気極で生成した水蒸気を含む空気を水素発生材料に供給することとなる。この場合、水素発生材料から生成した水素と水蒸気を含む空気とを分離することができないため水素と水蒸気を含む空気との混合気体を燃料電池の燃料極に供給することとなる。そうすると、混合気体の単位体積当たりに含まれる水素の密度が低いため燃料電池で得られる出力密度が低い他、燃料極に空気が混入すると燃料極で下記に示すように水素と空気中に含まれる酸素とが反応する。

Ｈ₂＋１／２Ｏ₂→Ｈ₂Ｏ
この反応は水素の燃焼反応であり、当該燃焼反応に用いられたエネルギは、電気エネルギとして外部に取り出すことができない。つまり、この燃焼反応で消費される水素は発電に寄与できず、結果的に水素の利用効率を落としてしまう。また、上述の燃焼反応のため燃料極の反応場が少なくなり、燃料電池の出力密度が低くなる。このため、特許文献１では空気極で水が生じるＰＥＦＣより、例えば燃料極で液体としての水が生じる固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ）での利用が最も利益を得る形態であると記載されている。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、水素発生材料から得られる水素の利用効率を向上させる水素分離のための手段、またその水素分離機構、また本発明の水素分離機構を設けることによって得られる出力密度の高い燃料電池システムおよび電子機器を提供することを目的とする。

本発明は、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成された燃料極と、電解質膜の他方の表面に形成された空気極とを有した燃料電池と、燃料電池の発電反応によって空気極で生成した水蒸気を含む空気を蓄積する空気室と、燃料を保持する燃料室と、水蒸気を含む空気と水素発生材料とを反応させることにより水素を生成する水素生成機構と、燃料室と水素生成機構に介在し水素生成機構から水素を分離して燃料室に供給する水素分離機構と、水蒸気を含む空気を空気室から水素生成機構に導入する導入機構とを備える、燃料電池システムに関する。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素生成機構における水素発生材料の加水分解、または酸化反応によって生じる熱を燃料電池に供給する、熱供給機構をさらに備えることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、導入機構は、水素生成機構に導入する水蒸気量を調節する弁を含むことが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、空気供給ファンを備えることが好ましい。
また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素生成機構における内圧Ｐ１は、燃料室における内圧Ｐ２よりも大きいことが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素生成機構および燃料室の少なくとも一方に、内圧Ｐ１および内圧Ｐ２の圧力を調整するリーク弁を設けることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素生成機構における水素発生材料の配置は、水蒸気を含む空気が導入される上流よりも下流ほど、水素発生材料間の空隙が小さく配置されていることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、内圧Ｐ１と内圧Ｐ２の圧力調整のために、水素発生材料が水素の生成に必要となる水蒸気の化学量論数より、生成する水素の化学量論数が大きい水素発生材料を有し、かつ空気室と水素生成機構との間に逆止弁を設けることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素発生材料は、
一般式 ＭＨ_4-nで表される水素化物、
一般式 Ｍ（ＢＨ₄）_4-nで表される水素化物、
一般式 Ｍ（ＡｌＨ₄）_4-nで表される水素化物、
（ここで、Ｍは周期表１Ａ族のアルカリ金属、２Ａ族のアルカリ土類金属であり、ｎは０〜３の整数である）、
ＮＨ₃ＢＨ₃、ならびに、Ａｌ、ＦｅおよびＭｇから選ばれる金属微粒子の群の中から選ばれる１種または２種以上の混合物であることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素発生材料は、ＬｉＨ、ＮａＨ、ＫＨ、ＭｇＨ₂、ＣａＨ₂、ＡｌＨ₃、ＬｉＢＨ₄、ＮａＢＨ₄、ＬｉＡｌＨ₄およびＮａＡｌＨ₄から選ばれる１種以上の化合物であることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素発生材料は、ＮａＢＨ₄、ＬｉＢＨ₄およびＮＨ₃ＢＨ₃から選ばれる１種または２種以上の混合物であることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、水素分離機構は、ポリイミドまたはポリスルホンからなる高分子膜、多孔質セラミックスからなる無機多孔質膜、および、ニオブ、タンタルまたはバナジウムからなる金属支持体、もしくは多孔質硝子、多孔質セラミックスまたは多孔質酸化アルミニウムからなる無機多孔質支持体の表面に、パラジウム、もしくはパラジウム合金を被覆させた合金膜、から選ばれるいずれかであることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料室に保持された燃料は、メタノール、エタノール、ジメトキシメタン、ギ酸、ギ酸メチル、ジメチルエーテル、ブタン、アスコルビン酸、ヒドラジン、アンモニア、亜硫酸、亜硫酸水素塩、チオ硫酸塩、亜ジチオン酸塩、次亜リン酸および亜リン酸から選択される１種または２種以上の混合物であることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料室に保持された燃料は、気体燃料であることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、気体燃料が、水素、ジメチルエーテル、ブタン、およびアンモニアから選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料は、液体燃料、または固体燃料を液体に溶解させたものであり、メタノール、エタノール、ジメトキシメタン、ギ酸、ギ酸メチル、アスコルビン酸およびヒドラジンから選ばれる少なくとも１つであることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、燃料室内に気液分離膜をさらに備えていることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、気液分離膜は、多孔質層であることが好ましい。

また、本発明の燃料電池システムにおいて、複数の燃料電池を備え、水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とを隔てる仕切りを有し、燃料室における燃料が供給される燃料電池と、水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とが供給される燃料電池とを備えることが好ましい。

また、本発明は、上述の燃料電池システムを備える電子機器に関する。

本発明の燃料電池システムは、水素分離機構を備えるために、水素発生材料から生成した水素を空気と分離し燃料電池に供給することができるため、燃料電池から高い出力密度が得られる他、発生させた水素の利用効率を向上させることが可能となる。そして、燃料電池システムの体積および重量を抑えることができ、燃料電池を含む燃料電池システム全体の軽量化、小型化を図ることができる。

さらに、水素発生材料の加水分解、または酸化反応によって生じる熱を利用し、燃料および燃料電池を容易に昇温することができるため、燃料電池から得られる出力密度を向上させることができる。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一
または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。

＜燃料電池システムの基本的構成＞
図１は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした斜視図である。以下、図１に基づいて説明する。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池１０と、空気室５０と、燃料室８０と、水素生成機構３０と、水素分離機構２０と、導入機構９０とを主に備える。燃料電池１０は、電解質膜５と、電解質膜５の一方の表面に形成された燃料極４と、電解質膜５の他方の面に形成された空気極６とを主として有する。そして、燃料電池１０は、さらに燃料極４側に燃料拡散層３および燃料極導電層２を有し、空気極６側に空気拡散層７および空気極導電層８を有する。

燃料電池１０における発電反応としては、下記に示すように、正極である空気極６側において還元反応が起こり、負極である燃料極４側において酸化反応が起こる。

燃料極：Ｈ₂→２Ｈ＋＋２ｅ^-（酸化反応）
空気極：１／２Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏ（還元反応）
空気室５０は、燃料電池１０の発電反応によって空気極６で生成した水蒸気を含む空気を蓄積することができるスペースである。また、燃料室８０は、燃料電池１０の発電反応に必要な水素等の燃料を保持することができるスペースである。

そして、空気室５０と水素生成機構３０とは、導入機構９０によって連結されており、空気室５０に蓄積された水蒸気を含む空気は、導入機構９０によって水素生成機構３０に導入される。水素生成機構３０には、水素発生材料４０が保持されており、水素生成機構３０において、上述の水蒸気を含む空気と水素発生材料４０とが反応を起こし、水素を生成する。

導入機構９０には弁６０を含むことができる。この際、導入機構９０によって、空気室５０から水素生成機構３０に導入される水蒸気を含む空気の量は、該弁６０の開閉によって調整することができる。

水素生成機構３０は、燃料室８０と隣接し、水素生成機構３０と燃料室８０との間には、水素分離機構２０が介在する。図１に示す構成において、水素生成機構３０と燃料室８０とは水素分離機構２０によって隔てられている。このとき、水素生成機構３０と燃料室８０との間は完全に水素分離機構２０によって遮断されていることが好ましい。そして、水素分離機構２０は、水素生成機構３０に導入される水蒸気を含む空気と生成された水素との混合物から、水素を分離し、燃料室８０に供給するものである。水素分離機構２０としては、水素を透過し、水素以外の気体等を透過しないものを用いることができる。水素分離機構２０として、たとえば、水素分離膜を用いることができ、具体的にはポリイミドまたはポリスルホンからなる高分子膜、多孔質セラミックスからなる無機多孔質膜、および、ニオブ、タンタルまたはバナジウムからなる金属支持体、もしくは多孔質硝子、多孔質セラミックスまたは多孔質酸化アルミニウムからなる無機多孔質支持体の表面に、パラジウム、もしくはパラジウム合金を被覆させた合金膜、から選ばれるいずれかであることが好ましい。

また、図１の構成において、水素分離機構２０は、水素生成機構３０における水素発生材料の加水分解、または酸化反応によって生じる熱を燃料室に伝熱し、燃料電池１０に供給する熱供給機構としての役割も果たす。該熱は、燃料電池１０に供給されることで、燃料電池システムの発電効率は向上し、出力密度を向上することができる。

また、空気室５０において、空気供給ファン７０によって外部の空気を供給することができ、水素生成機構３０において、導入機構９０によって導入された水蒸気を含む空気を適宜排出する排出口が設けられている。空気供給ファン７０は、空気極６にも空気を供給する役割を有する。

また、水素生成機構３０で生成した水素が空気極６側に拡散し、空気極６で酸化されることを防ぐため、気体の流れ方向が空気室５０から水素生成機構３０の方向となるよう送風するための空気供給ファン７０を適宜設定することが好ましい。

次に、本発明の燃料電池システムの動作について説明する。まず、上述に示した燃料電池１０における発電反応として、正極である空気極６側において還元反応が起こり、負極である燃料極４側において酸化反応が起こる。このとき、空気拡散層７は、空気極６に均一に空気を供給する役割および空気極６で生成した水（水蒸気）を排出しやすくする役割を有し、燃料拡散層３は、燃料極４に均一に燃料を供給する役割を有する。そして、燃料電池１０の発電反応による電気エネルギは、空気極導電層８および燃料極導電層２に電気的に接続する金属ワイヤ等によって、外部に取り出すことが可能である。空気極６で生成された水蒸気は、空気室５０に蓄積される。同時に空気供給ファン７０によって空気室５０に外部の空気が供給される。そして、空気室５０内の水蒸気を含む空気は、導入機構９０によって水素生成機構３０に導入される。このとき、弁６０によって水素生成機構３０に導入される水蒸気を含む空気量を制御することができる。つまり、水素生成機構３０に導入される水蒸気の量を制御することができる。

水素生成機構３０には、水素発生材料４０が備えられており、該水蒸気と水素発生材料４０とが反応を起こすことによって、水素が生成される。上述の弁６０で水素生成機構３０に導入される水蒸気の量を制御することで、生成される水素量を制御することができる。また、燃料電池１０の発電を止めたい場合は、弁６０を閉じ水蒸気の供給を停止する方法を取ることも可能である。そして、生成された水素は、水素分離機構２０によって分離され、水素のみが燃料室８０に供給される。また、同時に水素が発生する際には、水素発生材料４０の加水分解、または酸化反応によって熱が生じる。水素生成機構３０における、該熱は、燃料電池に供給される。具体的には、図１の構成においては、該熱は、熱供給機構としての役割も有する水素分離機構２０を介して燃料室８０に伝熱される。この熱供給機構によって燃料室８０に供給された熱は、燃料および燃料電池を昇温するために用いられる。また、燃料室８０には、あらかじめ燃料が保持されており、該燃料に由来した水素も燃料室８０に保持されている。なお、あらかじめ燃料室８０に燃料を保持していない場合には、水素発生材料４０の加水分解、もしくは酸化に必要となる最初の水（水蒸気）が燃料電池の発電による生成水から賄うことができないこととなる。この場合、最初の水は、燃料電池の発電による生成水ではなく空気供給ファン７０から空気室５０に供給される空気に元々含まれている水蒸気のみとなり、水素生成機構３０で生成する水素量が外気の水蒸気量、つまり湿度に影響されることとなる。外気の湿度は常に一定ではないため、安定した持続的な発電ができないため、燃料室８０にはあらかじめ燃料が保持されていることが好ましい。

本発明における水素発生材料４０は、主として水素と化合した化合物のことであり、熱分解もしくは加水分解、もしくは酸化反応で水素を生成する性質を有する。水素発生材料４０は、自然に分解して水素を発生しない安定な粉末状であることが好ましい。水素発生材料４０の粒子径は、１μｍ〜５ｍｍであることが好ましく、さらに１μｍ〜１００μｍであることが好ましい。これは、粒子径が小さいほど水素発生材料の表面に露出する面積が大きくなり、反応速度を向上させることが可能となるためである。なお、水素発生材料４０の粒子径は、径によって光学顕微鏡や走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）や透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）で確認することができる。

本発明における水素発生材料４０としては、
一般式 ＭＨ_4-nで表わされる水素化物、
一般式 Ｍ（ＢＨ₄）_4-nで表される水素化物、
一般式 Ｍ（ＡｌＨ₄）_4-nで表される水素化物、
（ここで、Ｍは周期表１Ａ族のアルカリ金属、２Ａ族のアルカリ土類金属であり、ｎは０〜３の整数である）、
ＮＨ₃ＢＨ₃、ならびに、Ａｌ、ＦｅおよびＭｇから選ばれる金属微粒子の群の中から選ばれる１種または２種以上の混合物であることが好ましい。

また、一般式 ＭＨ_4-nで表わされる水素化物の具体例としては、ＬｉＨ、ＮａＨ、ＫＨ、ＭｇＨ₂、ＣａＨ₂およびＡｌＨ₃が挙げられ、一般式 Ｍ（ＢＨ₄）_4-nで表される水素化物の具体例としては、ＬｉＢＨ₄およびＮａＢＨ₄が挙げられ、一般式 Ｍ（ＡｌＨ₄）_4-nで表される水素化物の具体例としては、ＬｉＡｌＨ₄およびＮａＡｌＨ₄が挙げられる。

また、水素発生材料は、ＮａＢＨ₄、ＬｉＢＨ₄およびＮＨ₃ＢＨ₃から選ばれる１種または２種以上の混合物であることが特に好ましい。これは、後述する「形態３」に記載する理由からである。

本発明における燃料室８０に保持された燃料としては、水素のほか、メタノールおよび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、ジメチルエーテルなどのエーテル類、ブタンおよびアスコルビン酸などの炭化水素系化合物、ならびに、ヒドラジン、アンモニア、亜硫酸、亜硫酸水素塩、チオ硫酸塩、亜ジチオン酸塩、次亜リン酸および亜リン酸などの無機化合物から選択される１種または２種以上の混合物が例示できる。

また、本発明における燃料電池１０における電解質膜５と、燃料極４と、空気極６と、燃料拡散層３、燃料極導電層２、空気拡散層７および空気極導電層８については、従来用いられている材料を適宜用いることが可能である。また、取り扱いを容易にする、また部材間の界面の電気抵抗を低減するといった目的から、該部材が一体化されることにより燃料電池が構成されることが好ましい。たとえば、下から空気極導電層８、空気拡散層７、空気極６、電解質膜５、燃料極４、燃料拡散層３、燃料極導電層２の順に積層し、この積層体を、ホットプレス機を用い層厚方向に電解質膜や触媒層中の電解質の軟化温度やガラス転移温度を超える温度で熱圧着することで、各部材が化学結合やアンカー効果や粘着力等により接合された状態となり、一体化することができる。

電解質膜５には、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（デュポン社製）、ダウ膜（ダウ・ケミカル社製）、アシプレックス（旭化成社製）、フレミオン（旭硝子社製））や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などの炭化水素系電解質膜などが挙げられ、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が挙げられる。また、コンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜（ゴア社製）が挙げられる。電解質膜はプロトン伝導率が１０^-5Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、より好ましくは、パーフルオロスルホン酸ポリマーや炭化水素系ポリマーなどのプロトン伝導率が１０^-3Ｓ／ｃｍ以上の高分子電解質膜を用いることが望ましい。

燃料極４および空気極６には、触媒を担持した担持体と電解質を含むものを用いることができる。燃料極４および空気極６に用いられる触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒなどの貴金属や、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒなどの卑金属やその酸化物、炭化物、炭窒化物や、カーボンが例示できる。これら材料の、単独もしくは２種類以上の組み合わせを触媒として用いることができる。なお、燃料極４および空気極６のそれぞれ用いる触媒は必ずしも同種類のものに限定されず、異なる物質を用いることができる。

燃料極４および空気極６に含まれる担持体としては、好適に電気伝導性の高い炭素系材料が用いられカーボンブラック（具体的には、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）など）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。また炭素系材料の他に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒなどの貴金属や、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒなどの卑金属や、その酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物が例示できる。これら材料の、単独もしくは２種類以上の組み合わせを担持体として用いることができる。また、担持体にプロトン伝導性を付与した材料、具体的には硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウムなどを用いても良い。

燃料極４および空気極６に用いられる電解質は、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ないが、燃料によって溶解しない固体もしくはゲルであることが好ましい。具体的にはスルホン酸、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が好ましい。こうした有機高分子として、含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製））、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（旭化成社製））、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、イミダゾール（Ｉｍ）とトリフルオロメタンスルホンイミド（ＨＴＦＳＩ）を有するイオン性液体（常温溶融塩）、スルホン化イミド、２アクリルアミド２メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）などが例示される。また、上述したプロトン伝導性を付与した担持体を用いる場合、担持体がプロトン伝導を行なうので必ずしも電解質は必要としない。

燃料極４および空気極６の厚みは、プロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗を小さくし、燃料または空気の拡散抵抗を低減するために０．２ｍｍ以下であることが好ましい。また、電池としての出力を向上させるため、十分な触媒を担持させる必要があり、少なくとも０．１μｍ以上であることが好ましい。

燃料拡散層３および空気拡散層７は、燃料極４および空気極６と電子の授受を行なうため導電性材料である必要があり、たとえば、カーボンブラックなどのカーボン材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒ等の金属およびこれらの金属の窒化物、炭化物等、ステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔの合金等を用いることが好ましい。また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ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、耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性酸化物、導電性窒化物、導電性炭化物等、導電性炭窒化物を表面コーティングとして用いることができる。耐腐食性の高い材料を用いることで、主に金属イオンの溶出などによる電解質膜の劣化を抑制することができるため、燃料電池の寿命を延ばすことができる。空気拡散層７は、上述した素材に加え、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）など撥水性を有したフッ素系樹脂が含まれていることが好ましい。これら撥水性の樹脂により、燃料電池の発電で生成した水を素早く空気拡散層７内から排出し、本発明で必要となる水蒸気量を増加させることができる。

燃料拡散層３および空気拡散層７の形状は、燃料もしくは空気を燃料極４および空気極６まで供給することが可能な連通孔を有していれば特に限定は無いが、積層方向および積層方向に対して垂直方向に連通している孔を有していることが好ましく、発泡金属、金属織物、金属焼結体、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンフェルトなどが挙げられる。燃料拡散層３および空気拡散層７の空隙率は、燃料もしくは空気の拡散抵抗を低減させるために１０％以上が好ましく、電気抵抗を低減させるために９５％以下が好ましく、３０％〜８５％であることがより好ましい。空隙率の測定には、例えば水銀圧入法を用いることができる。

燃料拡散層３および空気拡散層７は、燃料もしくは空気を触媒層に均一に供給するため、ホットプレス機の厚みが１０μｍ以上であることが好ましく、燃料拡散層３および空気拡散層７の厚み方向への燃料もしくは酸素の拡散抵抗を低減させるためにホットプレス後の厚みが１ｍｍ以下であることが好ましく、５０μｍ〜３００μｍであることがより好ましい。

燃料極導電層２および空気極導電層８は、燃料拡散層３および空気拡散層７と電子の授受を行なう機能を有する。該導電層に用いられる材質としては、黒鉛などのカーボン材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属や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。また、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等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、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として用いることができる。耐腐食性の高い材料を用いることで、主に金属イオンの溶出などによる電解質膜の劣化を抑制することができるため、燃料電池の寿命を延ばすことができる。また、上記の元素を含むことにより、燃料極導電層２および空気極導電層８の比抵抗が小さくなるため、燃料極導電層２および空気極導電層８の電気抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得ることが可能となる。

＜水素生成機構および燃料室の構成＞
図２〜図４は、それぞれ本発明における水素生成機構、水素分離機構および燃料室の一形態を示す断面図である。図２〜図４は、本発明の水素生成機構および燃料室の好ましい構成について説明する。なお、図２〜図４に記載されているＰ１およびＰ２は、それぞれ水素生成機構における内圧、燃料室における内圧を示す。また図２〜図４における「生成物」とは、あらかじめ燃料室に保持した燃料または水素生成機構によって生じた水素を用いた発電の際に生成した化合物を示し、「未反応物」とは燃料電池に供給される前の燃料、もしくは燃料電池で反応しなかった燃料を示す。

≪水素生成機構および燃料室の構成：形態１≫
本形態は、図２に基づいて説明する。図２における燃料室８１と、水素生成機構３１と、水素分離機構２１と、水素発生材料４１とは、上述のとおりである。本形態においては、水素生成機構３１に第１リーク弁１００が設けられ、燃料室８１に第２リーク弁１０１が設けられている。第１リーク弁１００は、水素生成機構３１における内圧Ｐ１を調整する役割を有し、第２リーク弁１０１は、燃料室８１における内圧Ｐ２を調整する役割を有する。図２においては、第１リーク弁１００および第２リーク弁１０１が設けられているが、第１リーク弁１００のみ、または第２リーク弁１０１のみが設けられていても良い。

第１リーク弁１００および第２リーク弁１０１における内圧の調整方式について特に限定はしないが、たとえば、圧力逃がし弁６１Ｂ２（株式会社ＩＢＳ取扱い）、ＲＬ３（Ｓｗａｇｅｌｏｋ製）を採用することができる。

上述の逃がし弁の動作は以下のとおりである。該弁は、適宜設定した設定応力、たとえば０．１ＭＰａ〜１．５ＭＰａの範囲の応力がかかった時に気体を逃がし、圧力を一定に保つ機能を備える。該逃がし弁は、水素生成機構３１および燃料室８１における内圧Ｐ１およびＰ２が、該設定応力未満であるとき、水素生成機構３１から気体を排出させない。しかし、該内圧Ｐ１およびＰ２が、該設定応力以上となったとき、逃がし弁から気体が開放され圧力は保持される。

内圧Ｐ１および内圧Ｐ２は、たとえば、普通形圧力計（長野計器社製）で測定することが可能である。また、第１リーク弁１００および第２リーク弁１０１として逃がし弁を用いた場合において、弁の開閉圧から読み取ることで内圧Ｐ１および内圧Ｐ２とみなすことも可能である。たとえば、０．５ＭＰａの設定圧力を設定した場合に、弁は開かず、０．４ＭＰａの設定圧力を設定した場合に弁が開くとき、内圧はおよそ０．４ＭＰａであるとみなしてよい。

本形態は、燃料電池システムが稼動している間は、水素生成機構３１の内圧Ｐ１と、燃料室８１の内圧Ｐ２との関係がＰ１＞Ｐ２となるよう第１リーク弁１００と第２リーク弁１０１とで調節することができる。該内圧Ｐ１と該内圧Ｐ２との関係がＰ１＞Ｐ２となる場合において、水素生成機構３１で生成した水素と水蒸気を含む空気との分離が容易であるため好ましい。Ｐ１＞Ｐ２の場合に該分離が容易となるのは、水素分離機構２１の水素透過の駆動力がＰ１とＰ２との差圧に依存するためであり、差圧に比例して透過する水素の流速が増大する。

内圧Ｐ１と内圧Ｐ２との差圧は、０．１ＭＰａ〜１．０ＭＰａであることが好ましく、０．２ＭＰａ〜１．０ＭＰａであることが特に好ましい。内圧Ｐ１と内圧Ｐ２との差圧の範囲が上述の数値範囲であるとき、水素と水蒸気を含む空気との分離が容易であるからである。また、内圧Ｐ１は、０．２ＭＰａ〜１．１ＭＰａであることが好ましく、内圧Ｐ２は、常圧（０．１ＭＰａ）であることが好ましい。

また、本形態において、水素生成機構３１における水素発生材料４１の配置には特に制限はない。また、水素分離機構２１の形状にも特に制限はない。

水素生成機構３１において、水素発生材料４１が水素分離機構２１に接する薄い層を形成するよう配置する場合、水素発生材料４１の利用効率が向上する。これは、水素生成機構３１に導入された水蒸気を含む空気の圧力が、水素発生材料４１に均一にかかるためである。また、水素分離機構２１における水素の透過率を向上させるために、燃料室８１に対する水素分離機構２１の表面積を大きくすることが好ましい。したがって、たとえば、水素分離機構２１を円柱型として配する、具体的には、中空の円柱壁面が水素分離機構２１で形成され、壁内側に水素発生材料４１を有し、これを燃料室８１内に配置することで水素分離機構２１の表面積を大きくすることができる。

また、水素生成機構３１で発生した熱は、水素分離機構２１を介して燃料室８１に伝熱され、結果、燃料電池の発電効率を向上する。本形態によると、水素分離機構２１は、熱供給機構としての役割も果たす。

第１リーク弁１００および第２リーク弁の材料は、酸性雰囲気化で耐腐食性を有する材料が好ましい。具体的には、ＰＴＦＥ、ＰＶＤＦ、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体）などの耐腐食性の高いフッ素系高分子樹脂、Ａｕ、ＰｔおよびＰｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、ＺｎおよびＳｕ等の金属、Ｃ、Ｓｉ、ステンレスおよびチタン−プラチナ合金、ならびにこれらの金属の窒化物、炭化物等の合金等を用いることが好ましい。また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の金属を用いる場合には、該金属よりも高い耐腐食性を有する貴金属Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔなどでコーティングすることが好ましい。

≪水素生成機構および燃料室の構成：形態２≫
本形態は、図３に基づいて説明する。図３における燃料室８２と、水素生成機構３２と、水素分離機構２２と、水素発生材料４２とは、上述のとおりである。

そして、水素生成機構３２において、水蒸気を含む空気が導入される方向を上流、水素生成機構３２における気体が排出される方向を下流としたとき、下流における水素発生材料４２の配置の間隔は、上流における水素発生材料４２の配置の間隔よりも小さいことが好ましい。また、このとき、該上流から該下流なるにしたがって、配置された水素発生材料４２の粒子径が、小さくなることが好ましい。

本形態は、水素生成機構３２における該下流方向になるにつれて、水素生成機構３２における気体の圧力損失が大きくなる。したがって、形態１のようなリーク弁を設けることなく水素生成機構の内圧を上げることができる。その結果、水素生成機構３２の内圧Ｐ１は、燃料室８２の内圧Ｐ２よりも大きくなるため、水素と空気の分離が容易になる。本構造の場合、リーク弁を備えずに、内圧Ｐ１および内圧Ｐ２を制御することができるため、燃料電池システムの軽量化および小型化に有利である。

≪水素生成機構および燃料室の構成：形態３≫
本形態は、図４に基づいて説明する。図４における燃料室８３と、水素生成機構３３と、水素分離機構２３と、水素発生材料４３とは、上述のとおりである。

そして、水素生成機構３３において、特定の水素発生材料４３を用い、かつ、水素生成機構３３と空気室（図示せず）との間を連結する導入部（図示せず）に、逆止弁１０３を設ける。

上述の「特定の水素発生材料４３」とは、水素発生材料から水素を発生させるのに必要となる水蒸気を含む空気における水の化学量論数より、生成する水素の化学量論数が大き反応を起こす水素発生材料４３であり、たとえばＬｉＢＨ₄、ＮａＢＨ₄およびＮＨ₃ＢＨ₃が例示できる。

ＬｉＢＨ₄、ＮａＢＨ₄およびＮＨ₃ＢＨ₃を水素発生材料４３としたときの反応は、以下に示すとおりである。

ＬｉＢＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＬｉＢＯ₂＋４Ｈ₂
ＮａＢＨ₄＋２Ｈ₂Ｏ→ＮａＢＯ₂＋４Ｈ₂
ＮＨ₃ＢＨ₃＋２Ｈ₂Ｏ→ＮＨ₄ ⁺＋ＢＯ₂ ^-＋３Ｈ₂
上記に示すとおり、反応に用いられる「水」の化学量論数より、生成する水素の化学量論数の方が大きい。

そして、導入機構に設けられた逆止弁１０３は、空気室から水素生成機構３３方向へ水蒸気を含む空気を通すが、水素生成機構３３から空気室方向へ水素生成機構３３内の気体が流れることを抑制する。水蒸気を含む空気が水素生成機構３３に導入されると、水素生成機構３３内で上述のような反応が起こり、生成される水素の体積は、反応に必要な水蒸気の体積より大きくなる。すると、水素生成機構３３内の気体は、導入機構を通して空気室に逆流しようとする力が発生するが、逆止弁１０３により該気体は、空気室に逆流しにくい。したがって、水素生成機構２３内の内圧Ｐ１は上昇し、結果として内圧Ｐ１＞内圧Ｐ２となり、水素と水蒸気を含む空気との分離が容易になる。

さらに、水素分離機構の形態１から形態３のいずれの構造であっても、水素発生材料の加水分解、もしくは酸化によって熱が生じる。この熱は、水素分離機構を介して燃料室に伝達するため、燃料室の昇温が容易になる。つまり、形態１から形態３において、水素分離機構は、水素生成機構において発生した熱を燃料室に伝達し、燃料電池に供給する熱供給機構としての役割をも果たす。

また、上述した水素分離機構の形態１から形態３のいずれかの水素生成機構および燃料室は、燃料電池に接続されており、水素分離機構を通して透過した水素は、結果的に、燃料電池の燃料極に供給される。燃料電池の発電前に、燃料室にあらかじめ燃料が保持されている場合、あらかじめ保持されていた燃料と水素生成機構から生じた水素は同一の燃料電池に供給される。水素分離機構における水素の透過速度を向上させるため、あらかじめ燃料室に保持される燃料は、常温（２５℃）で気体である気体燃料であることが好ましく、水素、もしくは沸点の低い炭化水素系燃料ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、ブタン、もしくはアンモニアが例示できる。ここで、該燃料としては、常温（２５℃）で液体である液体燃料または、常温（２５℃）で固体である固体燃料を液体に融解させた燃料を選択すると、内圧Ｐ１と内圧Ｐ２の圧力差が得にくい場合があり、十分な水素の透過速度を得ることができないため気体燃料を選択することがより好ましい。ただし、燃料電池システムの形態によっては、液体燃料を用いることができる。

以下、具体的な実施の形態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。

＜実施の形態１＞
図５は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。以下、図５に基づいて説明する。

本実施の形態の燃料電池システムは、図１における燃料電池システムと基本的な構成は同じである。ただし、水素生成機構および燃料室の構成については、上述した形態１から形態３のいずれかを用いてもよい。

なお、図４記載の水素分離を行なう際、水素生成機構３０に水蒸気を含む空気を導入する量を調整する弁６０は、上述した図４における逆止弁１０３よりも、空気室５０に近い方向に形成されていることが好ましい。該弁６０と該逆止弁１０３を逆に配置した場合、水素発生機構３０で水素が発生した際に水素発生機構３０内が昇圧するため、弁６０が昇圧に耐えられるような構造や材質にする必要が生じてしまうためである。

＜実施の形態２＞
図６は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。以下、図６に基づいて説明する。

本実施の形態の燃料電池システムは、実施の形態１における燃料電池システムと基本的な構成は同じである。そして、水素生成機構および燃料室の構成については、上述した形態１から形態３のいずれかを用いてもよい。

本実施の形態においては、燃料室８０内に気液分離膜１０４をさらに備えた点において、実施の形態１と異なる。気液分離膜１０４は、燃料室８０に対して燃料電池１０の積層方向と平行に、燃料室８０を二分するように備えられることが好ましい。気液分離膜１０４とは、主に、燃料やその水溶液からなる液体の不透過性および、水素分離機構２０からの気体（水素）透過性の性質を有する膜のことをいう。気液分離膜１０４が燃料室８０に備えられることによって、燃料室８０における燃料と水素分離機構２０とが接触することを防ぎ、水素分離機構２０における水素の透過速度が阻害されにくい。また、燃料もしくは燃料電池の発電で生じた副生成物が酸性である場合は、これらが水素分離機構２０に直接触れないため、水素分離機構２０に含まれる金属の腐食劣化を抑制する効果が得られる。本実施の形態においては、あらかじめ燃料室に保持される燃料には、液体燃料を選択することができる。水素生成機構３０で生じた水素は燃料室８０に到達するが、該液体燃料は気液分離膜１０４を備えることによって水素分離機構２０に接しないためである。また、液体燃料は、体積あたりの水素含有量が高く、燃料のもつエネルギ密度が高い。

該液体燃料としては、特に限定はされないが、常温（２５℃）で液体である燃料、または常温（２５℃）で固体である固体燃料を水などの液体に溶解させた燃料であることが好ましい。該液体燃料には、具体的に、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、もしくはアスコルビン酸、ヒドラジンが挙げられる。

気液分離膜１０４は、後述する多孔質材料が好ましく、さらに燃料や燃料電池の発電で生じた副生成物が酸性である場合は、耐腐食性の高い材料を用いることが好ましい。具体的には、ＰＴＦＥやＰＶＤＦ等を代表するフッ素系樹脂に、カーボンブラック（具体的には、ＸＣ７２（Ｖｕｌｃａｎ社製）など）、ケッチェンブラック、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などの含有物を導入した混合物からなる多孔質層が例示できる。上述したカーボン系の含有物は、かさ密度が大きいため、材料間に間隙が生じ、多孔質の層を形成することができる。そして、気液分離膜１０４は、１０〜５００μｍの厚さであることが好ましい。

＜実施の形態３＞
図７は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。以下、図７に基づいて説明する。

なお、以下、第１燃料電池および第２燃料電池を組み込んだ燃料電池システムについて記載するが、これらの構成は、上述した燃料電池と同じ構成である。

本実施の形態の燃料電池システムは、第１燃料電池１１と、第２燃料電池１２と、第１燃料室８４と、第２燃料室８５と、第１空気室５４と、第２空気室５５と、第１導入機構９１と、第２導入機構９２と、第１弁６１と、第２弁６２と、水素生成機構３４とを基本的に備える。水素生成機構３４には水素発生材料４４が備えられ、第１燃料室８４と水素生成機構３４とは、仕切り１１０によって隔てられ、第２燃料室８５と水素生成機構３４とは、水素分離機構２４によって隔てられている。

第１燃料室８４および第１空気室５４は、第１燃料電池１１に隣接しており、第２燃料室８５および第２空気室５５は、第２燃料電池１２に隣接している。そして、第１燃料室８４と第２燃料室８５とが、水素分離機構２４と仕切り１１０とによって隔てられており、水素分離機構２４と仕切り１１０とによって水素生成機構３４が形成されている。なお、仕切り１１０は、水素生成機構３４と第１燃料室８４との間を完全に遮断していることが好ましい。

また、第１空気室５４における水蒸気を含む空気は、導入機構９１によって水素生成機構３４に導入され、第２空気室５５における水蒸気を含む空気は、導入機構９２によって水素生成機構３４に導入される。導入機構９１によって導入される水蒸気を含む空気量は、第１弁６１によって制御され、導入機構９２によって導入される水蒸気を含む空気量は、第２弁６２によって制御される。

第１燃料室８４には、あらかじめ燃料が保持されることが好ましい。水素生成機構３４と第１燃料室８４とは、仕切り１１０によって隔てられており、水素生成機構３４で生成された水素は、第１燃料電池１１に供給されず、第１燃料室８４に、燃料が保持されなければ、第１燃料電池１１は稼動しないためである。

そして、第２燃料室８５にはあらかじめ燃料が保持されることが好ましいが、第１燃料室８４にあらかじめ燃料が保持されていれば、第２燃料室８５に燃料を保持する必要はない。これは、第１燃料室８４にあらかじめ燃料が保持されている場合には、第１燃料電池１１が稼動し、第１空気室５４には水蒸気を含む空気が蓄積され、導入機構９１によって水素生成機構３４に当該水蒸気を含む空気が導入される。このとき、水素生成機構３４において、水素が生成され、生成された水素は水素分離機構２４を通じて第２燃料室８５に供給される。すると、第２燃料電池１２が発電を開始するため、継続的な運転が可能だからである。

実施の形態１および実施の形態２において、燃料室８０にあらかじめ保持される燃料が水素以外である場合、あらかじめ保持される燃料、および、該燃料の酸化反応等で生じる反応中間体によって、燃料極４における水素酸化の反応するためのスペースが十分に得られない可能性がある。このときに限って、燃料電池における発電効率の低下という問題が起こる虞がある。本実施の形態は、上記のような問題を解決するために、より高出力の燃料電池システムを提供できる形態である。

たとえば、第１燃料室８４にあらかじめ保持された燃料が水素以外の場合でも、第１燃料室８４における燃料と水素生成機構３４で生成した水素とが仕切り１１０によって互いに混ざりあうことなく、上述の第１燃料室８４に保持された燃料と水素は、第１燃料電池１１または第２燃料電池１２に別々に供給される。したがって、本実施の形態によると第１燃料室８４および第２燃料室８５における水素の酸化が阻害されず、結果として第１燃料電池１１および第２燃料電池１２から高出力を得ることができる。

また、第１燃料室８４には、水素生成機構３４で生成された水素は供給されないが、水素生成機構３４で生じた反応熱が仕切り１１０を通して伝熱される。つまり、仕切り１１０は、第１燃料電池１１に熱を供給する熱供給機構の役割も果たす。また、水素生成機構３４は、第２燃料電池１２に熱を供給する熱供給機構の役割をも果たす。熱供給機構によって、第１燃料電池１１および第２燃料電池１２の発電効率が向上する。

仕切り１１０は、第１燃料室８４に熱を伝熱し、第１燃料電池１１に熱を供給する熱供給機構の役割も有する。水素生成機構３４における水素発生の反応熱を第１燃料室８４に伝熱しやすいよう、伝熱性が優れ、かつ耐腐食性を有する材質が好ましい。耐腐食性の高い材料を用いることで、主に金属イオンの溶出などによる電解質膜の劣化を抑制することができるため、燃料電池の寿命を延ばすことができる。仕切り１１０は、具体的に、Ａｕ、ＰｔおよびＰｄ等の貴金属、Ｃ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、ＺｎおよびＳｕ等の金属、Ｓｉ、さらにステンレス、チタン−プラチナ合金、およびこれらの金属の窒化物、炭化物等の合金等を用いることが好ましい。また、仕切り１１０は、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の金属を用いる場合には、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔなどの耐腐食性を有する貴金属でコーティングすることで利用することができる。

＜実施の形態４＞
図８は、本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。以下、図８に基づいて説明する。

本実施の形態の燃料電池システムは、第１燃料電池１３と、第２燃料電池１４と、第１燃料室８６と、第２燃料室８７と、空気室５６と、導入機構９３と、水素生成機構３５とを基本的に備える。水素生成機構３５には水素発生材料４５が備えられ、第２燃料室８７と水素生成機構３４とは、第２燃料電池１４の層と平行に備えられた水素分離機構２５によって隔てられている。また、第１燃料室８６は、水素生成機構３５および第２燃料室８７と、第１燃料電池１３の層厚方向に垂直をなす仕切り１１１によって隔てられている。

第１燃料室８６および空気室５６は、第１燃料電池１３に隣接しており、第２燃料室８７および空気室５６は、第２燃料電池１２に隣接している。また、第１燃料電池１３と第２燃料電池１４とは、形成される層厚の方向が同じである。

また、第１燃料電池１３と第２燃料電池１４とは、空気室５６を共有している。したがって、第１燃料電池１３および第２燃料電池１４における空気極から生成された水蒸気を含む空気は、空気室５６に蓄積され、導入機構９３によって水素生成機構３５に導入される。当該水蒸気を含む空気は、弁６３によって水素生成機構４５に導入される量を制御することができる。

第１燃料室８６には、あらかじめ燃料が保持されることが好ましい。水素生成機構３５と第１燃料室８６とは、仕切り１１１によって隔てられており、水素生成機構３４で生成された水素は、第１燃料室に供給されず、第１燃料室８４に、燃料が保持されなければ、第１燃料電池１１は稼動しないためである。

そして、第２燃料室８７にはあらかじめ燃料が保持されることが好ましいが、第１燃料室８６にあらかじめ燃料が保持されていれば、第２燃料室８７に燃料を保持する必要はない。これは、第１燃料室８６にあらかじめ燃料が保持されている場合には、第１燃料電池１３が稼動し、空気室５６には水蒸気を含む空気が蓄積され、導入機構９３によって水素生成機構３５に当該水蒸気を含む空気が導入される。このとき、水素生成機構３５において、水素が生成され、生成された水素は水素分離機構２５を通じて第２燃料室８７に供給される。すると、第２燃料電池１４が発電を開始するため、継続的な運転が可能だからである。

実施の形態１および２において、燃料室８０にあらかじめ保持される燃料が水素以外である場合、あらかじめ保持される燃料、および、該燃料の酸化反応等で生じる反応中間体によって、燃料極４における水素酸化の反応するためのスペースが十分に得られない可能性がある。このときに限って、燃料電池における発電効率の低下という問題が起こる虞がある。本実施の形態は、上記のような問題を解決するために、より高出力の燃料電池システムを提供できる形態である。

さらに、本実施の形態では、実施の形態３と比較して燃料電池システムを層厚方向に薄くすることが可能である。そして、空気室５６を第１燃料電池１３および第２燃料電池１４で共有することができるため、空気供給のための圧力損失も最小限に抑えることができ、空気供給ファン７０の消費電力を低減することができる。また、実施の形態３のように第１空気室と第２空気室の各々から水素生成機構への導入機構を設ける必要はなく、ひとつの空気室５６から水素生成機構３５への導入機構９３を設けることができる。したがって、燃料電池システムの構造が簡易になり、弁６３による水蒸気を含む空気を導入する量の制御も容易になる。なお、第１燃料電池１３と第２燃料電池１４の電解質膜を共有することも可能である。

ただし、実施の形態３と比較して仕切り１１１と第１燃料室８６との接触面積が小さくなるため、水素生成機構３５で生じる熱が第１燃料室８６に伝達しにくい。仕切り１１１が熱供給機構として、第１燃料電池１３に供給する熱量は、実施の形態３と比較して低い。なお、第２燃料電池１４は実施の形態３と同様に水素分離機構２５を通して熱が伝熱され、発電効率が向上する。

第１燃料室８６と水素生成機構３５との仕切り１１１は、実施の形態３と同様の材質を用いることが好ましい。

上述した実施の形態１から実施の形態４は最小の構成を例示したに過ぎず、配置する水素生成機構の数と燃料電池の数とについて、最小の構成数以上であれば特に制限はない。例えば、実施の形態１および実施の形態２では１つの燃料電池に対して１つの水素生成機構を設ける構成を例としているが、１つの水素生成機構に対して複数個の燃料電池を備える燃料電池システムであっても良い。また、燃料電池システムは、水素生成機構と燃料電池とを複数備える構成でも構わない。実施の形態３は水素生成機構１つと燃料電池２つとによって構成されているが、水素生成機構１つに対し該水素生成機構から得られる水素を発電反応に用いる燃料電池を数多く配し、水蒸気を含む空気の供給量を増やした燃料電池システムを構築することも可能である。

つまり、複数の燃料電池を備え、水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とを隔てる仕切りを設置し、該仕切りは水素を通さない材料を選択することで、燃料室における燃料が供給される燃料電池と、水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とが供給される燃料電池とを備えられた燃料電池システムを適宜構築することができる。燃料室における燃料が供給される燃料電池と水素生成機構で生成される水素と燃料室における燃料とが供給される燃料電池とは、別個に発電反応が起こる。

また、所望の出力電圧を確保するために、実施の形態１から実施の形態４の各実施形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池システムを直列もしくは並列化することも可能であり、実施の形態１から実施の形態４の燃料電池システムを直列もしくは並列化して組み合わせて構築することも可能である。例えば、実施の形態３は、第１燃料電池１および第２燃料電池２をその層厚方向に配置し、実施の形態４は第１燃料電池および第２燃料電池をその層厚方向と垂直をなす方向に配置するが、これらを組み合わせ層厚方向、層厚方向と垂直をなす方向のそれぞれに燃料電池を複数個配置してもよい。

＜実施の形態５＞
図９は、本発明における燃料電池システムを備えた電子機器の好ましい一例を示す概略図である。以下、図９を用いて説明する。

本発明の燃料電池システム２００は、軽量で小型かつ高出力を得ることができるため、電子機器、特に、モバイル機器等の携帯電子機器に対して好適に適用されうる。図９に示される電子機器は携帯電話であるが、その他の電子機器としては、たとえば、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が例示できる。

燃料電池システム２００は、取り出し電圧が１〜４Ｖ程度になるよう図５から図８に示す燃料電池システムと同一の構成の燃料電池システムを電気的に複数直列に接続されることが好ましい。

電子機器に搭載された燃料電池システム２００は、電子機器に適した電圧に変換する、たとえば、ＤＣ／ＤＣコンバータや瞬時電力を補うキャパシタ等の部品（図示せず）に接続され、電子機器に接続することができる。電子機器を始動する際の補助電源や最大出力をカバーするための電源として、二次電池等の燃料電池以外の電源を燃料電池とともに有することができる。

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。

本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした斜視図である。 本発明における水素生成機構、水素分離機構および燃料室の一形態を示す断面図である。 本発明における水素生成機構、水素分離機構および燃料室の一形態を示す断面図である。 本発明における水素生成機構、水素分離機構および燃料室の一形態を示す断面図である。 本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。 本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。 本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。 本発明の燃料電池システムの一形態を模式的に表わした燃料電池の層厚方向に垂直をなす面の断面図である。 本発明における燃料電池システムを備えた電子機器の好ましい一例を示す概略図である。

符号の説明

２ 燃料極導電層、３ 燃料拡散層、４ 燃料極、５ 電解質膜、６ 空気極、７ 空気拡散層、８ 空気極導電層、１０ 燃料電池、１１，１３ 第１燃料電池、１２，１４ 第２燃料電池、２０，２１，２２，２３，２４，２５ 水素分離機構、３０，３１，３２，３３，３４，３５ 水素生成機構、４０，４１，４２，４３，４４，４５ 水素発生材料、５０，５６ 空気室、５４ 第１空気室、５５ 第２空気室、６０，６３ 弁、６１ 第１弁、６２ 第２弁、７０ 空気供給ファン、８０，８１，８２，８３ 燃料室、８４，８６ 第１燃料室、８５，８７ 第２燃料室、９０，９３ 導入機構、９１ 第１導入機構、９２ 第２導入機構、１００ 第１リーク弁、１０１ 第２リーク弁、１０３ 逆止弁、１０４ 気液分離膜、１１０，１１１ 仕切り、２００ 燃料電池システム。

Claims (20)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の表面に形成された燃料極と、前記電解質膜の他方の表面に形成された空気極とを有した燃料電池と、
   前記燃料電池の発電反応によって前記空気極で生成した水蒸気を含む空気を蓄積する空気室と、
   燃料を保持する燃料室と、
   前記水蒸気を含む空気と水素発生材料とを反応させることにより水素を生成する水素生成機構と、
   前記燃料室と前記水素生成機構に介在し、前記水素生成機構から水素を分離して前記燃料室に供給する水素分離機構と、
   前記水蒸気を含む空気を前記空気室から前記水素生成機構に導入する導入機構と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 前記水素生成機構における前記水素発生材料の加水分解、または酸化反応によって生じる熱を前記燃料電池に供給する、熱供給機構をさらに備える請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記導入機構は、前記水素生成機構に導入する水蒸気量を調節する弁を含む
   請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 空気供給ファンを備える請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
5. 前記水素生成機構における内圧Ｐ１は、前記燃料室における内圧Ｐ２よりも大きい請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池システム。
6. 前記水素生成機構および前記燃料室の少なくとも一方に、前記内圧Ｐ１および前記内圧Ｐ２の圧力を調整するリーク弁を設けた請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池システム。
7. 前記水素生成機構における前記水素発生材料の配置は、
   前記水蒸気を含む空気が導入される上流よりも下流ほど、前記水素発生材料間の空隙が小さく配置されている請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池システム。
8. 前記内圧Ｐ１と前記内圧Ｐ２の圧力調整のために、前記水素発生材料が水素の生成に必要となる水蒸気の化学量論数より、生成する水素の化学量論数が大きい水素発生材料を有し、
   かつ前記空気室と前記水素生成機構との間に逆止弁を設ける請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池システム。
9. 前記水素発生材料は、
   一般式 ＭＨ_4-nで表される水素化物、
   一般式 Ｍ（ＢＨ₄）_4-nで表される水素化物、
   一般式 Ｍ（ＡｌＨ₄）_4-nで表される水素化物、
   （ここで、Ｍは周期表１Ａ族のアルカリ金属、２Ａ族のアルカリ土類金属であり、ｎは０〜３の整数である）、
   ＮＨ₃ＢＨ₃、
   ならびに、
   Ａｌ、ＦｅおよびＭｇから選ばれる金属微粒子
   の群の中から選ばれる１種または２種以上の混合物である請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池システム。
10. 前記水素発生材料は、
    ＬｉＨ、ＮａＨ、ＫＨ、ＭｇＨ₂、ＣａＨ₂、ＡｌＨ₃、ＬｉＢＨ₄、ＮａＢＨ₄、ＬｉＡｌＨ₄およびＮａＡｌＨ₄
    から選ばれる１種以上の化合物である請求項９に記載の燃料電池システム。
11. 前記水素発生材料は、ＮａＢＨ₄、ＬｉＢＨ₄およびＮＨ₃ＢＨ₃から選ばれる１種または２種以上の混合物である請求項８または９に記載の燃料電池システム。
12. 前記水素分離機構は、
    ポリイミドまたはポリスルホンからなる高分子膜、
    多孔質セラミックスからなる無機多孔質膜、および、
    ニオブ、タンタルまたはバナジウムからなる金属支持体、もしくは多孔質硝子、多孔質セラミックスまたは多孔質酸化アルミニウムからなる無機多孔質支持体の表面に、パラジウム、もしくはパラジウム合金を被覆させた合金膜、
    から選ばれるいずれかである請求項１〜１１のいずれかに記載の燃料電池システム。
13. 前記燃料室に保持された燃料は、メタノール、エタノール、ジメトキシメタン、ギ酸、ギ酸メチル、ジメチルエーテル、ブタン、アスコルビン酸、ヒドラジン、アンモニア、亜硫酸、亜硫酸水素塩、チオ硫酸塩、亜ジチオン酸塩、次亜リン酸および亜リン酸から選択される１種または２種以上の混合物である請求項１〜１２に記載の燃料電池システム。
14. 前記燃料室に保持された燃料は、気体燃料である請求項１３に記載の燃料電池システム。
15. 前記気体燃料が、水素、ジメチルエーテル、ブタン、およびアンモニアから選ばれる少なくとも１つである請求項１４に記載の燃料電池システム。
16. 前記燃料は、液体燃料、または固体燃料を液体に溶解させたものであり、
    メタノール、エタノール、ジメトキシメタン、ギ酸、ギ酸メチル、アスコルビン酸およびヒドラジンから選ばれる少なくとも１つである
    請求項１３に記載の燃料電池システム。
17. 前記燃料室内に気液分離膜をさらに備えている請求項１〜１６のいずれかに記載の燃料電池システム。
18. 前記気液分離膜は、多孔質層である請求項１７に記載の燃料電池システム。
19. 複数の前記燃料電池を備え、
    前記水素生成機構で生成される水素と前記燃料室における燃料とを隔てる仕切りを有し、
    前記燃料室における燃料が供給される前記燃料電池と、
    前記水素生成機構で生成される水素と前記燃料室における燃料とが供給される前記燃料電池とを備える
    請求項１〜１８のいずれかに記載の燃料電池システム。
20. 請求項１〜１９のいずれかに記載の燃料電池システムを備える電子機器。

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