WO2008068887A1

WO2008068887A1 - 燃料電池

Info

Publication number: WO2008068887A1
Application number: PCT/JP2007/001279
Authority: WO
Inventors: Jun Momma; Asako Sato; Yuichi Yoshida
Original assignee: Kabushiki Kaisha Toshiba
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2007-11-21
Publication date: 2008-06-12
Also published as: JPWO2008068887A1; TW200836394A

Abstract

　燃料電池１０は、燃料極触媒層１１および燃料極触媒層１１の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層１２を備える燃料極、空気極触媒層１３および空気極触媒層１３の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層１４を備える空気極、および燃料極触媒層１１と空気極触媒層１３とに挟持された電解質膜１５から構成される膜電極接合体１６を備える。また、燃料極ガス拡散層１２の気孔率は、空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定されている。

Description

明細書

燃料電池

技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池、特に小型の液体燃料直接供給型の燃料電池に関する背景技術

[0002] 近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高工ネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。

[0003] このような二次電池への要求に対して、例えば、リチウムイオン二次電池が開発されてきた。また、携帯電子機器のオペレーション時間は、さらに増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池では、材料の観点からも構造の観点からもエネルギ密度の向上はほぼ限界にきており、更なる要求に対応できなくなりつつある。

[0004] このような状況のもと、リチウムイオン二次電池に代わって、小型の燃料電池が注目を集めている。特に、メタノールを燃料として用いた直接メタノ —ル型燃料電池（DMFC ; D i r e c t Me t h a n o l F u e l C e I I ) は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。

[0005] DMFCでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。

[0006] DM FCにおいては、このような構成で発電を進めるために、メタノールを供給するポンプゃ空気を送り込むブロワが補器として備えられ、システムとして複雑な形態を成した DM FCが開発されてきた。そのため、この構造の DM FCでは、小型化を図ることは難しかった。

[0007] そこで、メタノールをポンプで供給するのではなく、メタノール収容室と発電素子の間にメタノールの分子を通す膜を設け、メタノールを透過させる代わりに、メタノール収容室を発電素子の近傍まで近づけることで小型化が進められた。また、例えば、 WO2005/1 1 21 72公報には、空気の取り入れについては、ブロワを用いず、発電素子に直接取り付けた吸気口を設置することで、小型 DMFCを構築する技術が開示されている。しかし、このような小型 DMFCは、機構が簡略化された代わりに、温度などの外部環境要因の影響を受けた場合、発電素子に一定量のメタノールを送ることが難しくなつている。このため、出力を安定して高く発現することが困難となつていた。

[0008] また、特開 2004— 1 7 1 844公報には、このようなメタノールの供給量を制御するために、燃料収容室部分と負極の間に多孔体を設置し、メタノール供給量を絞る技術が開示されている。

[0009] しかしながら、上記した従来の燃料電池の構成では、機構が簡略化された代わりに、反応によって生成した水が燃料に混入して燃料濃度が低下し、発電素子に一定濃度の燃料を供給することが難しかった。このため、出力を安定して高く発現することが困難であった。

特許文献 1 ： WO2005/1 1 21 72公報

特許文献 2：特開 2004 _ 1 7 1 844公報

発明の開示

[0010] そこで、本発明の目的は、燃料濃度の低下を抑制しながら燃料極に燃料を供給することができ、長期の連続使用において安定した出力を維持できる燃料電池を提供することである。

[0011] 本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池が提供される。

[0012] また、本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徵とする燃料電池が提供される。

[0013] さらに、本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池が提供される。

[0014] また、本発明の燃料電池は、液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備してもよい。

[0015] また、本発明の燃料電池は、前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備してもよい。図面の簡単な説明

[0016] [図 1]本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池の断面を模式的に示した図である。

[図 2]本発明に係る一実施の形態の他の構成の直接メタノール型の燃料電池の断面を模式的に示した図である。

[図 3]燃料分配機構の構成を模式的に示す斜視図である。

符号の説明

[0017] 1 0…燃料電池、 1 1…燃料極触媒層、 1 2…燃料極ガス拡散層、 1 3— 空気極触媒層、 1 4…空気極ガス拡散層、 1 5…電解質膜、 1 6…膜電極接合体、 1 7…燃料極導電層、 1 8…空気極導電層、 1 9…燃料極シール材、 20…空気極シール材、 2 1…液体燃料収容室、 22…気液分離膜、 23、 25…フレーム、 24…気化燃料収容室、 26…保湿層、 27…表面カバ一層、 28…空気導入口。

発明を実施するための最良の形態

[0018] 以下、本発明の一実施の形態について図を参照して説明する。

[0019] 図 1は、本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池 1 0の断面を模式的に示した図である。

[0020] 図 1に示すように、燃料電池 1 0は、燃料極触媒層 1 1および燃料極ガス拡散層 1 2からなる燃料極と、空気極触媒層 1 3および空気極ガス拡散層 1 4からなる空気極と、燃料極触媒層 1 1 と空気極触媒層 1 3との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜 1 5とから構成される膜電極接合体 (MEA : M em b r a n e E l e c t r o d e A s s em b I y) 1 6を起電部として備えている。

[0021] 燃料極触媒層 1 1および空気極触媒層 1 3に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、 P t、 R u、 R h、 I r、 O s、 P d等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、燃料極触媒層 1 1 として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有する P t _R uや P t— Moなど、空気極触媒層 1 3として、白金や P t -N i などを用いることが好ましいが、これらに限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。

[0022] また、燃料極触媒層 1 1および空気極触媒層 1 3は、所定の気孔率を有して構成され、燃料極触媒層 1 1の気孔率は、空気極触媒層 1 3の気孔率よりも小さく設定されている。具体的には、燃料極触媒層 1 1の気孔率は、空気極触媒層 1 3の気孔率の 2 0〜 8 0 %であり、好ましくは、 4 0〜 7 0 %、さらに好ましくは 5 0〜 7 0 %である。ここで、空気極触媒層 1 3の気孔率に対する燃料極触媒層 1 1の気孔率の割合をこの範囲に設定するのは、この割合が 2 0 %よりも小さい場合には、燃料極触媒層 1 1 自体へのメタノール燃料浸透性が低下し、改質反応が促進されないからである。また、この割合が 8 0 %より大きい場合には、気化したメタノール燃料が燃料極触媒層 1 1 を透過し、電解質膜 1 5も透過して空気極触媒層 1 3までクロスオーバーしてしまい、不要な反応を起こして出力電位を下げてしまうためである。また、一方で電解質膜 1 5を透過してきた水が燃料極ガス拡散層 1 2を通過し、その後気化して液体燃料収容室 2 1に混入してしまうからである。

[0023] 電解質膜 1 5を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルォロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂（ナフイオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない

[0024] 燃料極触媒層 1 1に積層された燃料極ガス拡散層 1 2は、燃料極触媒層 1

1に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層 1 1の集電体も兼ねている。一方、空気極触媒層 1 3に積層された空気極ガス拡散層 1 4は、空気極触媒層 1 3に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、空気極触媒層 1 3の集電体も兼ねている。

[0025] また、燃料極ガス拡散層 1 2および空気極ガス拡散層 1 4は、ガスを通過させるため、多孔質体からなる公知の導電性材料で構成される。燃料極ガス拡散層 1 2および空気極ガス拡散層 1 4は、例えば、カーボンペーパー、力一ボン織布などで構成されるが、これらに限定されるものではない。例えば、燃料極ガス拡散層 1 2や空気極ガス拡散層 1 4は、気孔率を調整することができる材料で構成されることが好ましく、例えば圧縮することで体積、すなわち密度を変化させることが可能なカーボンペーパーなどを用いることが好ましい。また、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率は、空気極ガス拡散層 1 4 の気孔率よりも小さく設定されている。具体的には、燃料極ガス拡散層 1 2 の気孔率は、空気極ガス拡散層 1 4の気孔率の 2 0〜 8 0 %であり、好ましくは、 4 0〜7 0 %、さらに好ましくは 5 0〜7 0 %である。ここで、空気極ガス拡散層 1 4の気孔率に対する燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率の割合をこの範囲に設定するのは、この割合が 2 0 %よりも小さい場合には、燃料極ガス拡散層 1 2を介して適量の気化燃料を燃料極触媒層 1 1に供給することが困難となるからである。また、この割合が 8 0 <½より大きい場合には、気化したメタノール燃料が過剰に燃料極触媒層 1 1に供給されてしまい、過剰なメタノール燃料が燃料極触媒層 1 1を透過し、電解質膜 1 5も透過して空気極触媒層 1 3までクロスオーバ一してしまい、不要な反応を起こして出力電位を下げてしまうためである。また、一方で電解質膜 1 5を透過してきた水が燃料極ガス拡散層 1 2を通過し、その後気化して液体燃料収容室 2 1に；'昆入してしまうからである。

[0026] なお、燃料極触媒層 1 1の気孔率を、空気極触媒層 1 3の気孔率よりも小さく設定した場合においても、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率を、空気極ガス拡散層 1 4の気孔率よりも小さく設定してもよい。

[0027] また、燃料極ガス拡散層 1 2には、燃料極導電層 1 7が積層され、空気極ガス拡散層 1 4には、空気極導電層 1 8が積層されている。燃料極導電層 1 7および空気極導電層 1 8は、例えば、白金、金などの貴金属、ニッケル、ステンレス鋼などの耐食性金属などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体を用いることが好ましく、また、金やカーボンなどの導電性材料を異種金属で表面処理した材料、銅やステンレス鋼に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することが可能である。なお、燃料極導電層 1 7および空気極導電層 1 8は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。

[0028] また、燃料極導電層 1 7と電解質膜 1 5との間には、矩形枠状を有する燃料極シール材 1 9が配置されるとともに、燃料極触媒層 1 1および燃料極ガス拡散層 1 2の周囲を囲んでいる。一方、空気極導電層 1 8と電解質膜 1 5 との間には、矩形枠状を有する空気極シール材 2 0が配置されるとともに、空気極触媒層 1 3および空気極ガス拡散層 1 4の周囲を囲んでいる。燃料極シール材 1 9および空気極シール材 2 0は、例えば、ゴム製の Oリングなどで構成され、膜電極接合体 1 6からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、燃料極シール材 1 9および空気極シール材 2 0の形状は、矩形枠状に限られず、燃料電池 1 0の外縁形に対応するように適宜に構成される

[0029] また、図 1に示すように、液体燃料 Fを収容する液体燃料収容室 2 1の開口部を覆うように、気液分離膜 2 2が配設されている。この気液分離膜 2 2 上には、燃料電池 1 0の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム 2 3 ( ここでは矩形のフレーム）が配置されている。そして、このフレーム 2 3上には、上記した燃料極導電層 1 7および空気極導電層 1 8を備えた膜電極接合体 1 6力燃料極導電層 1 7がフレーム 2 3上となるように積層配置されている。ここで、フレーム 2 3は、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えばポリエチレンテレフタレ一ト（P E T ) のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。

[0030] また、液体燃料収容室 2 1に貯留される液体燃料 Fは、濃度が 5 0モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。また、純メタノールの純度は、 9 5重量％以上 1 0 0重量％以下にすることが好ましい。また、液体燃料 Fの気化成分とは、液体燃料 Fとして液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料 Fとしてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。

[0031 ] また、気液分離膜 2 2、燃料極導電層 1 7およびフレーム 2 3で囲まれた空間である気化燃料収容室 2 4は、気液分離膜 2 2を透過してきた液体燃料 Fの気化成分を一時的に収容し、さらに気化成分における燃料の濃度分布を均一にする空間として機能する。

[0032] また、上記した気液分離膜 2 2は、液体燃料 Fの気化成分と液体燃料 Fとを分離し、その気化成分を燃料極触媒層 1 1側に透過させるものである。この気液分離膜 2 2は、液体燃料 Fに対して不活性で溶解しない材料でシ一ト状に構成され、具体的には、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（L D P E ) 薄膜、ポリ塩化ビニル（P V C ) 薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ P E T ) 薄膜、フッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルォロエチレン（P T F E ) 、テトラフルォロエチレン■パ_フルォロアルキルビニルエーテル共重合体（P F A ) など）微多孔膜などの材料で構成される。なお、気液分離膜 2 2は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。

[0033] 一方、空気極導電層 1 8上には、燃料電池 1 0の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム 2 5 (ここでは矩形のフレーム）を介して、保湿層 2 6 が積層されている。また、保湿層 2 6上には、表面層として機能し、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口 2 8が複数個形成された表面カバ —層 2 7が積層されている。この表面カバ一層 2 7は、膜電極接合体 1 6を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、 S U S 3 0 4のような金属で形成される。また、フレーム 2 5は、上記したフレーム 2 3と同様に、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレ一ト（P E T ) のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。

[0034] また、保湿層 2 6は、空気極触媒層 1 3において生成した水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制する役割をなすとともに、空気極ガス拡散層 1 4に酸化剤を均一に導入することにより、空気極触媒層 1 3への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての機能も有している。この保湿層 2 6は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成され、その最大の孔径が 2 0〜5 0 m程度の膜が使用される。最大の孔径をこの範囲とするのは、孔径が 2 0 mより小さい場合には空気透過量が低下するためであり、 5 0 mより大きい場合には水分蒸発が過多となるからである。なお、浸透圧現象による空気極触媒層 1 3側から燃料極触媒層 1 1側への水の移動は、保湿層 2 6上に設置された表面カバー層 2 7における空気導入口 2 8の個数やサイズを変えて、開口部の面積などを調整することで制御することができる。

[0035] なお、燃料電池 1 0の構成は、上記した構成に限られるものではなく、例えば、燃料極導電層 1 7とフレーム 2 3との間に疎水性の多孔膜を設けてもよい。この多孔膜を設けることで、多孔膜を介する燃料極ガス拡散層 1 2側から気化燃料収容室 2 4側への水の侵入を防止することができる。具体的な多孔膜の材料として、例えば、ポリテトラフルォロエチレン（P T F E ) 、撥水化処理したシリコーンシ一トなどが挙げられる。

[0036] また、この気液分離膜 2 2のさらに液体燃料収容室 2 1側に、気液分離膜 2 2と同様の気液分離機能を有し、さらに燃料の気化成分の透過量を調整する透過量調整膜を設けてもよい。この透過量調整膜による気化成分の透過量の調整は、透過量調整膜に設けられた開孔部の径を調整して行われる。この透過量調整膜は、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどの材料で構成することができる。この透過量調整膜を設けることで、燃料極触媒層 1 1側に供給される燃料の気化成分の供給量を調整することができる。

[0037] 次に、上記した燃料電池 1 0における作用について説明する。

[0038] 液体燃料収容室 2 1内の液体燃料 F (例えば、メタノール水溶液）が気化し、気化したメタノールと水蒸気の混合気は、気液分離膜 2 2を透過し、気化燃料収容室 2 4に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。気化燃料収容室 2 4に一旦収容された混合気は、燃料極導電層 1 7を通過し、さらに燃料極ガス拡散層 1 2で拡散され、燃料極触媒層 1 1に供給される。燃料極触媒層 1 1に供給された混合気は、次の式（1 ) に示すメタノールの内部改質反応を生じる。

CH₃OH + H₂0 → C0₂+6 H + +6 e_ …式（ 1 )

[0039] なお、液体燃料 Fとして、純メタノールを使用した場合には、液体燃料収容室 2 1からの水蒸気の供給がないため、空気極触媒層 1 3で生成した水や電解質膜 1 5中の水などがメタノールと上記した式（1 ) の内部改質反応を生じるか、または上記した式（1 ) の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じる。

[0040] 内部改質反応で生成されたプロトン（H+) は、電解質膜 1 5を伝導し、空気極触媒層 1 3に到達する。表面カバー層 27の空気導入口 28から取り入れられた空気は、保湿層 26、空気極導電層 1 8、空気極ガス拡散層 1 4を拡散して、空気極触媒層 1 3に供給される。空気極触媒層 1 3に供給された空気は、次の式（2) に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。

(3/2) 0₂+6 H + +6 e_ → 3 H₂0 …式（2)

[0041] この反応によって空気極触媒層 1 3中に生成した水は、空気極ガス拡散層

1 4を拡散して保湿層 26に到達し、一部の水は、保湿層 26上に設けられた表面カバー層 27の空気導入口 28から蒸散されるが、残りの水は保湿層 26に一旦停滞し、空気極ガス拡散層 1 4を通過して空気極触媒層 1 3に達する。さらに、式（2) の反応が進行すると、生成される水量が増し、空気極触媒層 1 3中の水分貯蔵量が増加する。この場合には、式（2) の反応の進行に伴って、空気極触媒層 1 3の水分貯蔵量が、燃料極触媒層 1 1の水分貯蔵量よりも多い状態となる。その結果、浸透圧現象によって、空気極触媒層 1 3に生成した水が、電解質膜 1 5を通過して燃料極触媒層 1 1に移動する現象が促進される。そのため、燃料極触媒層 1 1への水分の供給を液体燃料収容室 2 1から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式（1 ) におけるメタノールの内部改質反応を促進させることができる。

[0042] また、一般に、空気極側から燃料極側に透過した水の一部は、燃料極ガス拡散層 1 2を通過して、水蒸気となり気液分離膜 2 2を透過して液体燃料収容室 2 1内に流入する。液体燃料収容室 2 1内に流入する水の量が多いと、液体燃料収容室 2 1内のメタノール濃度の低下などを引き起こし、結果として燃料極触媒層 1 1へのメタノール供給量が不足して出力劣化を生じる。しかしながら、本発明では、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率を空気極ガス拡散層 1 4の気孔率よりも小さく設定することで、電解質膜 1 5を透過してきた水が、燃料極ガス拡散層 1 2を通過し難くなるため、燃料極ガス拡散層 1 2 より液体燃料収容室 2 1側で生じる燃料濃度の低下が抑制される。また、燃料極内には、式（2 ) の反応を進行させるための水を留めることができるので、燃料極ガス拡散層 1 2を透過してきた気化したメタノールとの化学反応を維持することができる。そのため、長期間に亘り安定した出力密度を維持することが可能となる。

[0043] 一方、空気極においては、空気極触媒層 1 3で生じる反応に必要な酸素を空気中から多く取り込む必要がある。本発明では、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率を空気極ガス拡散層 1 4の気孔率よりも小さく設定することで、前述した式（2 ) における反応に十分な量の酸素が供給される。これによつても、長期間に亘り安定した出力密度を維持することが可能となる。

[0044] また、液体燃料 Fとして、メタノールの濃度が 5 0モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、空気極触媒層 1 3から燃料極触媒層 1 1に移動してきた水を内部改質反応に使用することができるので、燃料極触媒層 1 1への水の供給を安定して行うことが可能となる。これによつて、メタノ一ルの内部改質反応の反応抵抗をさらに低下することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料収容室 2 1の小型化を図ることも可能である。

[0045] なお、ここでは、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率を空気極ガス拡散層 1 4 の気孔率よりも小さく設定した場合について説明したが、燃料極触媒層 1 1 の気孔率を空気極触媒層 1 3の気孔率よりも小さく設定した場合についても同様の効果が得られる。さらに、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率を空気極ガス拡散層 1 4の気孔率よりも小さく設定し、かつ燃料極触媒層 1 1の気孔率を空気極触媒層 1 3の気孔率よりも小さく設定した場合についても同様の効果が得られる。

[0046] 上記したように、一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池 1 0によれば、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率を空気極ガス拡散層 1 4の気孔率よりも小さく設定すること、および/または燃料極触媒層 1 1の気孔率を空気極触媒層 1 3の気孔率よりも小さく設定することで、空気極で生成された水を燃料極内に留めることができ、燃料極ガス拡散層 1 2より液体燃料収容室 2 1 側にこの水が侵入するのを抑制することができる。これによつて、燃料極ガス拡散層 1 2より液体燃料収容室 2 1側で生じる燃料濃度の低下を抑制することができ、燃料極触媒層 1 1へ所定の濃度の燃料を供給することができるので、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。

[0047] また、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率を空気極ガス拡散層 1 4の気孔率よりも小さく設定すること、および/または燃料極触媒層 1 1の気孔率を空気極触媒層 1 3の気孔率よりも小さく設定することで、空気極触媒層 1 3で生じる反応に十分な量の酸素を供給することができ、これによつても、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。

[0048] なお、上記した実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノ一ルを使用した直接メタノ一ル型の燃料電池について説明したが、液体燃料は、これらに限られるものではない。例えば、エタノール水溶液や純ェタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液ゃ純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルェ一テル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。また、燃料電池はアクティブ型の燃料電池、さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができ、パッシブ型の燃料電池を用いた場合と同様の作用効果が得られる。

[0049] 次に、上記した膜電極接合体 1 6を備える、本発明に係る一実施の形態の直接メタノ一ル型の燃料電池の他の構成について図 2および図 3を参照して説明する。

[0050] 図 2は、本発明に係る一実施の形態の他の構成の直接メタノール型の燃料電池 1 0 0の断面を模式的に示した図である。図 3は、燃料分配機構 1 3 0 の構成を模式的に示す斜視図である。なお、上記した一実施の形態の燃料電池 1 0の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。

[0051 ] 図 2に示すように、膜電極接合体 1 6は、燃料極触媒層 1 1および燃料極ガス拡散層 1 2からなる燃料極と、空気極触媒層 1 3および空気極ガス拡散層 1 4からなる空気極と、燃料極触媒層 1 1 と空気極触媒層 1 3との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜 1 5とから構成される。

[0052] 電解質膜 1 5と後述する燃料分配機構 1 3 0の間には、燃料極シール材 1 9力電解質膜 1 5と表面カバ一層 2 7との間には、空気極シール材 2 0が介在されており、これらによって膜電極接合体 1 6からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、表面カバ一層 2 7には、酸化剤である空気を取入れるための空気導入口 2 8が形成されている。表面カバー層 2 7と空気極 1 1 1 との間には、必要に応じて保湿層等が配置される。保湿層は、空気極触媒層 1 3で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制するとともに、空気極触媒層 1 3への空気の均一拡散を促進するものである。

[0053] なお、膜電極接合体 1 6を構成する各層の材料、燃料極シール材 1 9、空気極シール材 2 0、表面カバー層 2 7などを構成する材料は、前述した一実施の形態の燃料電池 1 0を構成するそれぞれに対応する材料と同じである。

[0054] 膜電極接合体 1 6の燃料極側には、燃料分配機構 1 3 0が配置されている。燃料分配機構 1 3 0には、配管のような燃料の流路 1 3 1を介して燃料収容部 1 3 2が接続されている。

[0055] 燃料収容部 1 3 2には、膜電極接合体 1 6に対応した液体燃料 Fが収容されている。液体燃料 Fとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料 Fは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料 Fは、例えばエタノール水溶液ゃ純ェタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液ゃ純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部 1 3 2には燃料電池 1 0 0に応じた燃料が収容される。

[0056] 燃料分配機構 1 3 0には、燃料収容部 1 3 2から流路 1 3 1を介して液体燃料 Fが導入される。流路 1 3 1は、燃料分配機構 1 3 0や燃料収容部 1 3 2と独立した配管で構成されることに限られるものではない。例えば、燃料分配機構 1 3 0と燃料収容部 1 3 2とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構 1 3 0は、流路 1 3 1を介して燃料収容部 1 3 2と接続されていればよい。

[0057] ここで、図 3に示すように、燃料分配機構 1 3 0は、液体燃料 Fが流路 1 3 1を介して流入する少なくとも 1個の燃料注入口 1 3 3と、液体燃料 Fやその気化成分を排出する複数個の燃料排出口 1 3 4とを有する燃料分配板 1 3 5を備えている。また、図 2に示すように、燃料分配板 1 3 5の内部には、燃料注入口 1 3 3から導かれた液体燃料 Fの通路となる空隙部 1 3 6が設けられている。複数の燃料排出口 1 3 4は、燃料通路として機能する空隙部 1 3 6にそれぞれ直接連通している。

[0058] 燃料注入口 1 3 3から燃料分配機構 1 3 0に導入された液体燃料 Fは、燃料通路として機能する空隙部 1 3 6に流入し、空隙部 1 3 6を介して複数の燃料排出口 1 3 4のそれぞれに導かれる。複数の燃料排出口 1 3 4には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分を透過しない気液分離体（図示しない）を配置してもよい。これによつて、膜電極接合体 1 6の燃料極 1 1 0には、燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は、燃料分配機構 1 3 0と燃料極 1 1 0との間に気液分離膜として設置してもよい。液体燃料 Fの気化成分は、複数の燃料排出口 1 3 4から燃料極 1 1 0に向けて排出される。

[0059] 燃料排出口 1 3 4は、膜電極接合体 1 6の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板 1 3 5の燃料極 1 1 0と接する面に複数設けられている。燃料排出口 1 3 4の個数は 2個以上であればよいが、膜電極接合体 1 6の面内における燃料供給量を均一化するために、 0 . 1〜 1 0個/ c m ²の燃料排出口 1 3 4が存在するように形成することが好ましい。

[0060] 燃料分配機構 1 3 0と燃料収容部 1 3 2の間を接続する流路 1 3 1には、ポンプ 1 3 7が挿入されている。このポンプ 1 3 7は、液体燃料 Fを循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部 1 3 2から燃料分配機構 1 3 0へ液体燃料 Fを移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ 1 3 7で必要時に液体燃料 Fを送液することによって、燃料供給量の制御性を高める。この場合、ポンプ 1 3 7としては、少量の液体燃料 Fを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーべーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーべ一ンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリ力等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、液体燃料 Fをしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプゃ圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。

[0061 ] このような構成において、燃料収容部 1 3 2に収容された液体燃料 Fは、ポンプ 1 3 7により流路 1 3 1に移送され、燃料分配機構 1 3 0に供給される。そして、燃料分配機構 1 3 0から放出された燃料は、膜電極接合体 1 6 の燃料極 1 1 0に供給される。以後の作用は前述した燃料電池 1 0における作用と同じである。

[0062] なお、燃料分配機構 1 3 0から膜電極接合体 1 6へ燃料の供給を行うことができる構成であれば、ポンプ 1 3 7に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合、燃料遮断バルブは、流路 1 3 1による液体燃料 Fの供給を制御するために設けられる。

[0063] この膜電極接合体 1 6を備える他の構成を有する燃料電池 1 00においても、前述した一実施の形態の燃料電池 1 0における作用効果と同様の作用効果が得られる。

[0064] 次に、燃料極ガス拡散層 1 2の気孔率を空気極ガス拡散層 1 4の気孔率よりも小さく設定され、およびまたは燃料極触媒層 1 1の気孔率を空気極触媒層 1 3の気孔率よりも小さく設定された燃料電池 1 0において、優れた出力特性が得られることを以下の実施例で説明する。

[0065] (実施例 1 )

本発明に係る燃料電池を次のように作製した。

まず、力一ポンぺ一パ一（東レ（株）製 TGP— H— 1 20) を平板プレスにて厚さ方向に厚さが 1 /2になるまで圧縮した。なお、この力一ポンぺ —パーの圧縮前の気孔率は、アルキメデス法を用いて測定したところ 75% であった。また、このカーボンペーパーの圧縮後の気孔率は、外形寸法と重量測定により計算した結果、 40. 5%であった。この力一ポンぺ一パ一を燃料極ガス拡散層として用いた。

[0066] また、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子と D E 2020

(デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である圧縮加工されたカーボンペーパー（東レ（株）製 TGP -H- 1 20) の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。この燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、 74. 20/0であった。

[0067] 次に、白金担持グラフアイト粒子と DE2020 (デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が 75%の力一ポンぺ一パ一（東レ（株）製 TGP— H— 1 20) の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、 88. 1 %であった。なお、上記材料密度はアルキメデス法により求めた。

[0068] 電解質膜として、固定電解質膜ナフイオン 1 1 2 (デュポン社製）を用い、最初にこの電解質膜と空気極を触媒層が電解質膜側になるように重ね合わせ、温度が 1 20°C、圧力が 40 k g f /c m²の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度が 1 20°C、圧力が 1 O k g f /cm²の条件でプレスし、膜電極接合体（MEA) を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに 1 2 c m²とした。

[0069] 続いて、この膜電極接合体を、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する金箔で挟み、燃料極導電層および空気極導電層を形成した。

[0070] 上記した膜電極接合体（MEA) 、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の 2つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体の空気極側と一方のフレームとの間、膜電極接合体の燃料極側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製の Oリングを挟持してシールを施した。

[0071] また、燃料極側のフレームは、気液分離膜を介して、液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ 0. 2 mmのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上には、気孔率が 28%の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上には、空気取り入れのための空気導入口（口径 4mm、口数 64個）が形成された厚さが 2 mmのステンレス板（S US 304) を配置して表面カバ一層を形成し、ネジ止めによつて固定した。

[0072] 上記したように形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを 5m I注入し、温度 25°C、相対湿度 50%の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定した。また、表面層の表面に取り付けた熱電対によって、燃料電池の表面温度の最大値を測定した。

[0073] 測定の結果、出力の最大値は、 1 2. 2 mW/ cm²であり、燃料電池の表面温度の最大値は、 32. 4°Cであった。 [0074] さらに、燃料電池の液体燃料収容室に純メタノールを 1 5m I注入し、電圧を 0. 3 Vに規定して連続運転し、電流密度を測定することによって、連続運転時間に対する出力変化を測定した。その結果、 60時間後の出力低下率は、 8. 1 %であった。なお、 60時間後の出力低下率とは、運転開始時における出力に対する 60時間後に運転開始時よりも低下した出力の割合で

[0075] この ME Αをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだ ME Aについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ 1 0点測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が 68. 8 %、空気極触媒層が 62. 1 %であった。

[0076] (実施例 2)

実施例 2で使用された燃料電池の作製において、まず、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子と D E 2020 (デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である気孔率が 75%の力一ポンぺ一パ一（東レ（株）製 TG P— H— 1 20) の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。

[0077] 続いて、燃料極触媒層上に P T F E (ポリテトラフルォロエチレン）シ一トを配置し、その上に厚さ 0. 5 mmのシリコーンゴムシートを配置して、平板プレスで圧縮した。その結果、燃料極触媒層の厚さが 2/3程度となり、燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、 66. 4%であった。なお、この平板プレスにおいて、燃料極ガス拡散層の厚さは変化しなかった。

[0078] 次に、白金担持グラフアイト粒子と D E 2020 (デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が 75%の力一ポンぺ一パ一（東レ（株）製 TG P— H— 1 20) の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法、材料密度および測定重量より計算した結果、 87. 2%であった。

[0079] 電解質膜として、固定電解質膜ナフイオン 1 1 2 (デュポン社製）を用い、この電解質膜を空気極と燃料極で触媒塗布層が電解質膜側になるよう挟み込み、温度が 1 20°C、圧力が 40 k g f /c m²の条件でプレスし、膜電極接合体（MEA) を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに 1

2 c m²とした。それ以外の構成は、実施例 1の燃料電池の構成と同じである

[0080] また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および 60時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例 1における測定方法および測定条件と同じである。

[0081] 測定の結果、出力の最大値は、 1 1. 8 mW/ cm²であり、燃料電池の表面温度の最大値は、 31. 5°Cであった。また、 60時間後の出力低下率は、 9. 2%であった。

[0082] この ME Aをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだ ME Aについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ 1 0点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が

38. 8%、空気極触媒層が 67. 4%であった。

[0083] (実施例 3)

実施例 3で使用された燃料電池の作製において、まず、カーボンペーパー (東レ（株）製 TGP— H— 1 20) を平板プレスにて圧縮した。この力一ボンペーパーの圧縮後の気孔率は、外形寸法と測定重量により計算した結果、 40. 3%であった。この力一ポンぺ一パ一を燃料極ガス拡散層として用いた。続いて、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子と D E 2 020 (デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である圧縮加工されたカーボンペーパー（東レ（株）製 TG P-H- 1 20) の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。

[0084] 続いて、燃料極触媒層上に P T F E (ポリテトラフルォロエチレン）シ一トを配置し、その上に厚さ 0. 5 mmのシリコーンゴムシートを配置して、平板プレスで圧縮した。その結果、燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、 65. 5%であった。なお、この平板プレスにおいて、燃料極ガス拡散層の厚さは変化しなかつた。

[0085] 次に、白金担持グラフアイト粒子と D E 2020 (デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が 75%の力一ポンぺ一パ一（東レ（株）製 TGP— H— 1 20) の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法、材料密度および測定重量より計算した結果、 88. 0%であった。

[0086] 電解質膜として、固定電解質膜ナフイオン 1 1 2 (デュポン社製）を用い、この電解質膜を空気極と燃料極で触媒塗布層が電解質膜側になるよう挟み込み、温度が 1 20°C、圧力が 40 k g f /c m²の条件でプレスし、膜電極接合体（MEA) を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに 1 2 c m²とした。それ以外の構成は、実施例 1の燃料電池の構成と同じである

[0087] また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および 60時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例 1における測定方法および測定条件と同じである。

[0088] 測定の結果、出力の最大値は、 1 1. 7 mW/ cm²であり、燃料電池の表面温度の最大値は、 31. 2°Cであった。また、 60時間後の出力低下率は、 8. 3%であった。

[0089] この ME Aをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだ ME Aについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ 1 0点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が

38. 1 %、空気極触媒層が 69. 5%であった。

[0090] (比較例 1 )

比較例 1で使用された燃料電池の構成は、気孔率が 75%のカーボンベーパ一 (東レ（株）製 TGP— H— 1 20) を燃料極ガス拡散層に用いたこと以外は、実施例 1の燃料電池の構成と同じである。

[0091] また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および 60時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例 1における測定方法および測定条件と同じである。

[0092] 測定の結果、出力の最大値は、 1 2 mW/ cm²であり、燃料電池の表面温度の最大値は、 38. 6°Cであった。また、 60時間後の出力低下率は、 2 0. 5%であった。また、比較例 1で使用された燃料電池では、燃料の消費が速く、液体燃料収容室の燃料が空となるまでの時間が短かった。

[0093] この ME Aをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだ ME Aについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ 1 0点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が 69. 2 %、空気極触媒層が 63. 3%であった。

[0094] (実施例および比較例の測定結果の検討）

表 1には、上記した実施例 1〜実施例 3および比較例 1の測定結果を示す

[0095] ほ 1 ]

[0096] 表 1に示された測定結果から、出力の最大値は、実施例 1〜実施例 3および比較例 1 ともに大きな差はなかった。また、燃料電池の表面温度の最大値は、比較例 1における温度が若干高いが、実施例 1〜実施例 3における温度と大きな差はなかった。

[0097] 6 0時間後の出力低下率は、実施例 1〜実施例 3よりも比較例 1の方が大きな値を示した。比較例 1において 6 0時間後の出力低下率が高いのは、比較例 1の燃料電池では、空気極側から燃料極側に透過した水の一部が、燃料極ガス拡散層を通過して水蒸気となり、気液分離膜を透過して液体燃料収容室内に流入し、液体燃料収容室内のメタノール濃度が低下したためと考えられる。一方、本発明に係る実施例 1〜実施例 3において 6 0時間後の出力低下率が低いのは、実施例 1〜 3の燃料電池では、燃料極ガス拡散層の気孔率を空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく設定すること、および/または燃料極触媒層の気孔率を空気極触媒層の気孔率よりも小さく設定することで、空気極側から燃料極側に透過した水の一部が、燃料極ガス拡散層を通過するのを抑制し、液体燃料収容室内のメタノール濃度の低下が抑制されたためと考えられる。また、本発明に係る燃料電池において、優れた出力特性が得られることがわかった。

[0098] なお、結果は表記していないが、実施例 1〜実施例 3および比較例 1の燃料電池において、燃料極導電層の液体燃料収容室側の表面に疎水性を有するポリテトラフルォロエチレンからなる多孔膜を設けた場合においても、上記した各実施例および比較例における出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および 6 0時間後の出力低下率の測定結果と同様の傾向を示す測定結果が得られた。

[0099] また、ここではパッシブ型 D M F Cを用いた一例を示したが、パッシブ型に限らず反応によって生成した水を燃料極側で利用する構造のものであれば、何らその燃料電池の方式について限定されるものではない。

[0100] なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

[0101 ] また、膜電極接合体（M E A ) へ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。

産業上の利用可能性

[0102] 本発明の態様に係る燃料電池によれば、燃料極ガス拡散層の気孔率を空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく設定すること、および/または燃料極触媒層の気孔率を空気極触媒層の気孔率よりも小さく設定することで、空気極で生成された水を燃料極内に留めることができ、燃料極ガス拡散層より液体燃料収容室側にこの水が侵入するのを抑制することができる。これによつて、燃料極ガス拡散層より液体燃料収容室側で生じる燃料濃度の低下を抑制することができ、燃料極触媒層へ所定の濃度の燃料を供給することができるので、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。本発明の態様に係る燃料電池は、例えば、液体燃料直接供給型の燃料電池等に有効に利用される。

Claims

請求の範囲

[ 1 ] 燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、

前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。

[2] 請求項 1記載の燃料電池において、

前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率の 2 0 〜 8 0 %であることを特徴とする燃料電池。

[3] 燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、

前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。

[4] 請求項 3記載の燃料電池において、

前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率の 2 0〜 8 0 % であることを特徴とする燃料電池。

[5] 燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、

前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。

[6] 請求項 5記載の燃料電池において、

前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率の 2 0

〜 8 0 %であり、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率の 2 0〜 8 0 <½であることを特徴とする燃料電池。

[7] 請求項 1記載の燃料電池において、

液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備することを特徴とする燃料電池。

[8] 請求項 3記載の燃料電池において、

[9] 請求項 5記載の燃料電池において、

[10] 請求項 1記載の燃料電池において、

前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備することを特徴とする燃料電池。

[1 1 ] 請求項 3記載の燃料電池において、

[12] 請求項 5記載の燃料電池において、

[13] 請求項 1 0記載の燃料電池において、

前記液体燃料が、濃度が 5 0モル％を超えるメタノール水溶液、または液体のメタノールであることを特徴とする燃料電池。

[14] 請求項 1 1記載の燃料電池において、

[15] 請求項 1 2記載の燃料電池において、

[16] 請求項 1記載の燃料電池において、

前記膜電極接合体の空気極側に、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層を具備することを特徴とする燃料電池。

[17] 請求項 3記載の燃料電池において、

[18] 請求項 5記載の燃料電池において、

[19] 請求項 1 6記載の燃料電池において、

前記保湿層の空気極側とは異なる側に、複数の空気導入口を有する表面層を具備することを特徴とする燃料電池。請求項 1 7記載の燃料電池において、

前記保湿層の空気極側とは異なる側 ί 複数の空気導入口を有する表面層を具備することを特徴とする燃料電池。

請求項 1 8記載の燃料電池において、