JP2005353605A - 燃料電池およびその燃料電池を搭載した携帯型電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化剤極で発生した水を効率よく除去する。
【解決手段】 燃料電池本体１００は、固体電解質膜１１４と、固体電解質膜１１４に配設された燃料極１０２および酸化剤極１０８を有する。燃料電池本体１００は、酸化剤極１０８で発生した水を燃料電池本体１００の外部に排出する排水部材６６４をさらに含む。排水部材６６４は、吸水性シートにより構成され、酸化剤極１０８で発生した水を吸収するとともに吸収した水を燃料電池本体１００外部に導出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池および燃料電池の運転方法、ならびにその燃料電池を搭載した携帯型電気機器に関する。

固体電解質型燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体電解質膜から構成され、燃料極には燃料が、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。燃料極および酸化剤極は、基材と、基材表面に備えられた触媒層とを含む。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易なメタノールを原料として、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型や、メタノールを燃料として直接利用する直接型の燃料電池の開発も盛んに行われている。

燃料として水素を用いた場合、燃料極での反応は以下の式（１）のようになる。
３Ｈ_２ → ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ （１）

燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応は以下の式（２）のようになる。
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋ ＋ ＣＯ_２ ＋ ６ｅ⁻ （２）

また、いずれの場合も、酸化剤極での反応は以下の式（３）のようになる。
３／２Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ （３）

特に、直接型の燃料電池では、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化および軽量化を図ることができ、携帯型の電気機器へ適用することの利点が大きい。また、液体のメタノール水溶液を燃料とするため、エネルギー密度が非常に高いという特徴がある。

このような燃料電池において、上記式（３）に示すように、酸化剤極では水が生成する。また、固体電解質膜として固体高分子膜を用いた場合、燃料極で発生した水素イオンとともに水も固体電解質膜を通って酸化剤極に達する。さらに、液体燃料を使用する直接型の燃料電池においては、燃料中に水が含まれるため、固体電解質膜を通過する水の量が多くなる。酸化剤極の電極表面に水が滞留すると、電極のガス透過性が低下することによる発電効率の低下や、有効な触媒の表面が減少することによる出力の低下が生じる。したがって、燃料電池を効率よく運転するためには、酸化剤極からの排水効率を高める必要がある。

従来、酸化剤極の電極表面から水を排除する方法として、たとえば、電極領域に対向する部分に、ガス流通用溝を備えた多孔質吸水性カーボン材である吸水体を組み込んで形成された燃料電池が開示されている（特許文献１）。

また、たとえば、ガス供給用マニホールドに吸水体を設けた燃料電池が開示されている（特許文献２）。

また、電極基材あるいはガス流路に吸水体を組み込んだ燃料電池が開示されている（特許文献３）。
特開平１０−２９４１１６号公報 特開２００１−１５５７５９号公報 特開平７−３２６３６１号公報

しかしながら、上述した従来の燃料電池では、吸水体が酸化剤極から水を除去するように構成されているが、吸水体に吸収された水はそのまま吸水体内部に貯蔵され続ける。そのため、電池性能を長時間にわたって維持することは困難となるという問題点があった。さらに、吸水体は、水を吸収することにより膨張するため、ガス流路の閉塞がおこり、電池の出力が低下するという問題点もある。

特に、燃料電池を携帯型の電気機器に搭載した場合、室温下で運転することが要求される。しかし、室温下では水の蒸気圧が低下するため、吸水体に吸収された水がほとんど蒸散しない。そのため、このような問題がより顕著となる。

さらに、燃料電池を発電させる際の電流密度を大きくすると、酸化剤極における水の発生量はより多くなる。そのため、効率よく水を除去する手段を設ける技術が望まれる。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、本発明の目的は、燃料電池の酸化剤極から水を効率よく除去する技術を提供することにある。本発明の別の目的は、室温下での運転であっても、酸化剤極に発生した水を速やかに除去する技術を提供することである。本発明の別の目的は、燃料電池を携帯型の電気機器に搭載した場合であっても、酸化剤極に発生した水を効率よく除去する技術を提供することである。本発明の別の目的は、燃料電池の性能を長時間維持させる技術を提供することである。

本発明によれば、燃料極および酸化剤極と、燃料極および酸化剤極の間に配設された固体電解質膜と、を含む燃料電池セルと、酸化剤極で発生した水を燃料電池セルの外部に排出する排出手段と、を含むことを特徴とする燃料電池が提供される。

排出手段は、酸化剤極側に設けられる。排出手段は、酸化剤極の周囲に設けることができる。排出手段は、吸水性および速乾性を有する材料により構成することができる。また、排出手段は、燃料電池の外部まで延在して設けることができる。これにより、排出手段が吸収した水を燃料電池の外部に移動することができ、燃料電池セルの外部において水を蒸散させることができる。

本発明の燃料電池において、排出手段は、水を液体のまま燃料電池セルの外部に排出することができる。これにより、常温下においても、酸化剤極で発生した水を燃料電池セルの外部に排出することができ、外部において水を蒸散させることができる。

本発明の燃料電池において、排出手段は、酸化剤極で発生した水を吸収するとともに、吸収した水を燃料電池セルの外部に導出することができる。排出手段は、たとえばポリエステル、レーヨン、ナイロン、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリベンズイミダゾール、または綿等を含むことができる。また、排出手段は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体や多孔質金属等により構成することもできる。排出手段は、たとえば毛細管現象により吸収した水を燃料電池セルの外部に導出することができる。

本発明の燃料電池において、排出手段は、少なくとも一部が酸化剤極に接して設けられてよい。これにより、酸化剤極で発生した水を効率よく吸収することができる。

本発明の燃料電池において、排出手段は、燃料電池セルの外部に露出した領域を含むことができる。これにより、排出手段に吸収された水を適切に蒸散させることができる。

本発明の燃料電池において、酸化剤極は、燃料極よりも面積が大きく形成されてよい。これにより、排出手段が酸化剤極と接する領域を広くとっても電池特性に影響を与えることがないため、酸化剤極で発生した水を効率よく吸収することができる。

本発明の燃料電池において、排出手段は、吸水性シートを含むことができる。吸水性シートは、織布、不織布、または紙により構成することができる。吸水性シートは、たとえば、ポリエステル、レーヨン、ナイロン、綿等を含むことができる。

本発明の燃料電池において、酸化剤極は、吸水性シートと固体電解質膜との間に配設され、吸水性シートは、固体電解質膜および酸化剤極よりも面積が大きく形成され、燃料電池セルの外部に露出した領域を含むことができる。これにより、吸水性シートは、酸化剤極で発生した水を効率よく吸収することができるとともに、吸収した水を燃料電池セルの外部に導出して蒸散させることができる。

本発明の燃料電池において、吸水性シートは、酸化剤極表面が開口するように形成された開口部を含むことができる。これにより、酸化剤極表面に吸水性シートを配設した場合であっても、酸化剤極に酸化剤を適切に供給することができる。

吸水性シートは、帯状の複数の開口部を含むこともできる。これにより、酸化剤極に酸化剤を供給することができるとともに、酸化剤極表面に発生した水を効率よく吸収することができる。

本発明の燃料電池において、排出手段は、燃料を吸収して保持する燃料保持部材を含むことができる。本発明の燃料電池において、燃料保持部材は、燃料電池セルの外部に設けられてよい。

保持部材は、吸水性および止水性を有する材料により構成することができる。保持部材は、吸水性ポリマーにより構成することができる。吸水性ポリマーとしては、とくに制限はなく、既知の吸水性ポリマーを用いることができるが、たとえばポリアクリル酸ナトリウム塩等を用いることができる。また、綿等にこのような吸水性ポリマーを直接紡糸した合繊を用いて保持部材を構成することもできる。

このようにすれば、排出手段が吸収した水は、保持部材に吸収されるので、排出手段は、酸化剤極で発生した水を速やかに吸収することができる。また、吸収した水が速やかに排除されるので、排出手段は、連続的に効率よく水を吸収することができる。

本発明の燃料電池において、酸化剤極側に設けられ、開口部が形成された集電体をさらに含むことができ、排出手段の一部は、開口部において、燃料電池セルの外部に露出して構成することができる。このようにすれば、排出手段が吸収した水が開口部から蒸散するので、排出手段は、酸化剤極で発生した水を速やかに吸収することができる。

本発明の燃料電池において、酸化極は、表面に撥水処理を施して形成することができる。撥水処理は、たとえば、酸化極の電極基材をポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン、シラン等の疎水性溶液へ浸漬させることにより行うことができる。

本発明の燃料電池において、固体電解質膜は、固体高分子膜により構成することができる。固体電解質膜として固体高分子膜を用いた場合に、酸化剤極で発生する水の量が増加するが、本発明の燃料電池によれば、酸化剤極で発生した水を除去することができるので、燃料電池を連続的に効率よく運転することができる。

本発明の燃料電池において、燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の液体燃料を用いることができる。燃料として液体燃料を用いた場合に、酸化剤極で発生する水の量が増加するが、本発明の燃料電池によれば、酸化剤極で発生した水を除去することができるので、燃料電池を連続的に効率よく運転することができる。

本発明によれば、上記したいずれかの燃料電池を搭載したことを特徴とする携帯型電気機器が提供される。燃料電池を携帯型電気機器に搭載した場合、室温下で運転することが要求されるが、本発明の燃料電池によれば、酸化剤極で発生した水を液体のまま燃料電池の外部に導出することができるので、室温下であっても酸化剤極で発生した水を効率よく除去することができる。

本発明によれば、燃料極および酸化剤極と、燃料極および酸化剤極の間に配設された固体電解質膜と、を含む燃料電池の運転方法であって、酸化剤極で発生した水を燃料電池の外部に排出させながら燃料電池を運転することを特徴とする燃料電池の運転方法が提供される。

本発明の燃料電池の運転方法において、水を液体のまま燃料電池外部に排出することができる。

本発明によれば、燃料電池の酸化剤極から水を効率よく除去する技術を提供することができる。これにより、出力安定性に優れた燃料電池を提供することができる。

以下の実施の形態で説明する燃料電池の用途は特に限定されないが、たとえば携帯電話、ノート型等の携帯型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、ナビゲーションシステム、ポータブル音楽再生プレーヤー等の小型電気機器に適切に用いられる。

（第一の実施の形態）
図１は、本発明の第一の実施の形態における燃料電池本体を模式的に示した断面図である。燃料電池本体１００は、単数または複数の膜−電極接合体（ＭＥＡ：membrane electrode assembly）１０１を有する。膜−電極接合体１０１は、燃料極１０２、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４を含む。膜−電極接合体１０１の燃料極１０２には燃料極側集電体１３２が、酸化剤極１０８には酸化剤極側集電体１３４がそれぞれ設けられる。固体電解質膜１１４と燃料極側集電体１３２との間には、燃料極１０２を取り囲むように絶縁シート６６０が、固体電解質膜１１４と酸化剤極側集電体１３４との間には、酸化剤極１０８を取り囲むように絶縁シート６６２が設けられる。膜−電極接合体１０１の酸化剤極１０８側には、酸化剤極１０８表面から膜−電極接合体１０１の外部まで延在する排水部材６６４が設けられている。酸化剤極１０８と酸化剤極側集電体１３４との間には、これらの間を電気的に導通させる導電性のメッシュ部材１３６が設けられる。

固体電解質膜１１４は、燃料極１０２と酸化剤極１０８を隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体電解質膜１１４は、水素イオンの伝導性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体電解質膜１１４を構成する材料としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１,４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）（登録商標）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製）（登録商標））；等が例示される。

燃料極１０２および酸化剤極１０８は、それぞれ、触媒を担持した炭素粒子と固体電解質の微粒子とを含む燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２をそれぞれ基体１０４および基体１１０上に形成した構成とすることができる。

燃料極側触媒層１０６の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等が例示される。酸化剤極１０８に用いる酸化剤極側触媒層１１２の触媒としては、燃料極側触媒層１０６と同様のものを用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。

触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）（登録商標）、ＸＣ７２（Vulcan社製）等）、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等が例示される。

燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２における固体電解質の微粒子は、同一のものであっても異なるものであってもよい。ここで、固体電解質の微粒子は、固体電解質膜１１４と同じ材料を用いることができるが、固体電解質膜１１４とは異なる材料や、複数の材料を用いることもできる。

燃料極１０２、酸化剤極１０８ともに、基体１０４および基体１１０としては、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の多孔性基体を用いることができる。燃料極１０２において、基体１０４における二酸化炭素の気泡の滞留は発電効率の低下の原因となる。この気泡滞留の原因は、気泡を覆う水分が基体１０４に付着して留まっているためである。そこで、基体１０４の表面に、親水性コート材あるいは疎水性コート材による表面処理を行うことが好ましい。親水性コート材により表面処理することで、基体１０４の表面における燃料の流動性が高められる。これにより二酸化炭素の気泡は燃料１２４とともに移動しやすくなる。また、疎水性コート材により処理することにより、基体１０４の表面に、気泡の形成の原因となる水分の付着を軽減できる。したがって、基体１０４の表面上における気泡の形成を軽減できる。親水性コート材としては、例えば酸化チタン、酸化ケイ素などが挙げられる。一方、疎水性コート材としては、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、シランなどが例示される。基体１１０の表面も同様に表面処理を行うことができる。とくに、基体１１０の表面を疎水性コート剤で表面処理することにより、酸化剤極１０８表面に水が滞留しにくくなり、酸化剤極１０８表面から効率よく水を除去することができる。

酸化剤極側集電体１３４には酸化剤の取入口１３５が設けられている。また、酸化剤極１０８と酸化剤極側集電体１３４の間にはメッシュ状のメッシュ部材１３６が設けられている。これにより、酸化剤極１０８に効率よく酸化剤を供給することができるとともに、酸化剤極１０８と酸化剤極側集電体１３４との間の電気的導通をとることができる。

絶縁シート６６０および絶縁シート６６２は、たとえばシリコンゴムにより構成することができる。排水部材６６４は、酸化剤極１０８で発生した水を膜−電極接合体１０１の外部に排出する。排水部材６６４としては、織布、不織布、または紙により構成された吸水性シートを用いることができる。本実施の形態における排水部材６６４としては、吸水率が高く、また吸収した水を内部に保持することなく、膜−電極接合体１０１の外部に導出することのできるものが好ましく用いられる。排水部材６６４は、たとえばポリエステル、レーヨン、ナイロン、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリスルホン、ポリスルフィド、ポリベンズイミダゾール、または綿等を含むことができる。また、排水部材６６４は、シリカ多孔体やアルミナ多孔体などのセラミックス多孔体や多孔質金属等により構成することもできる。

次に、本実施の形態における燃料電池本体１００の製造方法を説明する。
固体電解質膜１１４をたとえば有機高分子材料で構成する場合、固体電解質膜１１４は、有機高分子材料を溶媒に溶解ないし分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。

燃料極１０２および酸化剤極１０８は、たとえば以下の方法で得ることができる。まず、一般的に用いられている含浸法によって炭素粒子に触媒を担持させる。次に触媒を担持させた炭素粒子と固体電解質の微粒子を溶媒に分散させ、ペースト状としたのち、親水性コート剤または疎水性コート剤による表面処理を行った基体１０４または基体１１０に塗布する。基体１０４または基体１１０へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷法等の方法を用いることができる。ペーストを塗布した後、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分で乾燥させることによって燃料極１０２および酸化剤極１０８が得られる。

次に、固体電解質膜１１４を、燃料極１０２および酸化剤極１０８で挟み、ホットプレスすることにより、膜−電極接合体１０１を得る。このとき、燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２が固体電解質膜１１４と接するようにする。たとえば固体電解質膜１１４や燃料極側触媒層１０６および酸化剤極側触媒層１１２中の固体電解質の微粒子を有機高分子で構成する場合、ホットプレスの条件は、これらの有機高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、たとえば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１００ｋｇ／ｃｍ^２、時間１０秒〜３００秒とする。以上のようにして、膜−電極接合体１０１が形成される。

図２は、図１に示した膜−電極接合体１０１の酸化剤極１０８側を示す側面図である。図２（ａ）に示すように、以上のようにして得られた膜−電極接合体１０１の酸化剤極１０８側に、開口部６６５が形成された排水部材６６４を配設する。排水部材６６４は、酸化剤極１０８および固体電解質膜１１４よりも大きく形成される。また、排水部材６６４の開口部６６５は、酸化剤極１０８よりもわずかに小さく形成される。これにより、排水部材６６４を酸化剤極１０８に配設したときに、酸化剤極１０８が開口部６６５から露出するとともに、酸化剤極１０８表面の周辺部分が排水部材６６４と接するようになる。

この後、図２（ｂ）に示すように、排水部材６６４の酸化剤極１０８と接する面とは反対側の面にメッシュ部材１３６（図２では不図示）および酸化剤極側集電体１３４が配設される。酸化剤極側集電体１３４は、固体電解質膜１１４にたとえばネジ留めされ、これにより、排水部材６６４、絶縁シート６６２、メッシュ部材１３６が固体電解質膜１１４に固定される。燃料極１０２側においても、燃料極１０２の固体電解質膜１１４と接する面とは反対側の面に燃料極側集電体１３２が配設される。

また、得られた膜−電極接合体１０１を積み重ねることにより、複数の膜−電極接合体１０１が直列に接続された燃料電池セルスタックを含む燃料電池本体１００を得ることができる。

このように構成された燃料電池本体１００において、各膜−電極接合体１０１の燃料極１０２には、燃料が供給される。また、各膜−電極接合体１０１の酸化剤極１０８には、酸化剤が供給される。燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の液体燃料を用いることができる。液体燃料は、水溶液とすることができる。また、燃料にはアルカリを加えることもできる。これにより、水素イオンのイオン伝導性を高めることができる。酸化剤としては、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを供給してもよい。

このように、本実施の形態においては、排水部材６６４が、酸化剤極１０８と一部が接するように設けられるとともに、固体電解質膜１１４や酸化剤極側集電体１３４よりも大きく形成されているので、排水部材６６４は、酸化剤極１０８で発生した水を吸収するとともに吸収した水を膜−電極接合体１０１の外部に放出することができる。これにより、酸化剤極１０８で発生した水を効率よく酸化剤極１０８表面から除去することができる。

（第二の実施の形態）
図３は、本発明の第二の実施の形態における燃料電池本体を示す図である。図３（ａ）は、燃料電池本体１００の断面図である。本実施の形態において、排水部材６６４の形状が第一の実施の形態において図１および図２を参照して説明した燃料電池本体１００と異なる。本実施の形態において、図１および図２に示した燃料電池本体１００と同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。図３（ｂ）は、固体電解質膜１１４および酸化剤極１０８上に排水部材６６４が配設された状態を示す側面図である。

図示したように、本実施の形態における排水部材６６４には、複数のストライプ状の開口部６６６が形成される。このようにすれば、排水部材６６４が酸化剤極１０８表面と接する領域が広くなるため、排水部材６６４は、より速やかに酸化剤極１０８表面に生成した水を吸収することができる。

（第三の実施の形態）
図４は、本発明の第三の実施の形態における燃料電池本体を示す上面図である。本実施の形態において、酸化剤極側集電体１３４の形状が第一の実施の形態において図１および図２を参照して説明した燃料電池本体１００と異なる。本実施の形態において、図１および図２に示した燃料電池本体１００と同様の構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図示したように、本実施の形態における酸化剤極側集電体１３４には、複数の開口部６６８が形成される。複数の開口部６６８は、酸化剤極側集電体１３４を酸化剤極１０８上に配設したときに酸化剤極１０８の周囲に位置するように形成される。ここで、酸化剤極側集電体１３４の開口率は約２２〜２５％とすることができる。このようにすれば、排水部材６６４が外部と接する領域が広くなるので、排水部材６６４が吸収した水を速やかに蒸散させることができる。また、排水部材６６４中の水分を蒸散させることができるため、燃料電池の連続運転を行っても、排水部材６６４の水の吸水率を維持することもできる。

（第四の実施の形態）
図５は、本発明の第四の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。本実施の形態では、排水部材６６４が第一の実施の形態において図１および図２を参照して説明した燃料電池本体１００と異なる。本実施の形態においても、燃料電池本体は、図１および図２に示した燃料電池本体１００と同様の構成を有する。図５（ａ）は、排水部材６６４を示す図である。本実施の形態において、排水部材６６４は燃料吸水部材６７０を含む。排水部材６６４には、固体電解質膜１１４および酸化剤極側集電体１３４の間に配設されたときに、固体電解質膜１１４および酸化剤極側集電体１３４の周囲に位置する領域に燃料吸水部材６７０が設けられている。燃料吸水部材６７０は、たとえば、吸水性ポリマーと綿の合繊により構成することができる。本実施の形態における吸水性ポリマーとしては、とくに制限はなく、既知の吸水性ポリマーを用いることができるが、たとえばポリアクリル酸ナトリウム塩等を用いることができる。燃料吸水部材６７０は、シート状に形成された排水部材６６４の周囲部分に接合される。

図５（ｂ）は、図５（ａ）に示した排水部材６６４上に、第三の実施の形態で説明した酸化剤極側集電体１３４と同様に構成された酸化剤極側集電体１３４を配設した状態を示す図である。このようにすれば、排水部材６６４が吸収した水は、酸化剤極側集電体１３４の開口部６６８から蒸散するとともに排水部材６６４の周辺部分に接合された燃料吸水部材６７０に吸収されるので、排水部材６６４は、酸化剤極１０８で発生した水を速やかに吸収することができる。また、吸収した水が速やかに排除されるので、排水部材６６４は、連続的に効率よく水を吸収することができる。

（第五の実施の形態）
図７は、本発明の第五の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。本実施の形態では、酸化剤極１０８の大きさが燃料極１０２よりも大きい点で第一の実施の形態および第二の実施の形態で説明した燃料電池本体１００と異なる。図７（ａ）は図１に示した第一の実施の形態における燃料電池本体１００を本実施の形態に適用した例、図７（ｂ）は、図３に示した第三の実施の形態における燃料電池本体１００を本実施の形態に適用した例を示す。本実施の形態において、酸化剤極１０８が燃料極１０２よりも大きく形成されるので、燃料極１０２および酸化剤極１０８を、固体電解質膜１１４を挟むようにして対向して配設したときに、酸化剤極１０８には燃料極１０２と対向しない領域が設けられる。このような領域に排水部材６６４を設けても燃料電池本体１００の電極反応には影響を及ぼさない。そのため、排水部材６６４が酸化剤極１０８表面と接する面積を広く取ることができ、酸化剤極１０８で発生した水を効率よく除去することができる。また、第三の実施の形態で説明したように、複数の開口部６６８を有する酸化剤極側集電体１３４を用いた場合、酸化剤極側集電体１３４の開口率を高くすることができ、排水部材６６４が吸収した水を効率よく蒸散させることができる。

（実施例１）
図１に示した構成の燃料電池本体１００を製造した。ここで、膜−電極接合体１０１の基体１０４および基体１１０の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍとした。排水部材６６４としては、ポリエステル糸の織布（大きさ５２．５ｍｍ×５２．５ｍｍ、厚さ０．３ｍｍ、開口部６６５の大きさ９ｍｍ×９ｍｍ）を用いた。燃料極側集電体１３２および酸化剤極側集電体１３４の大きさは、３２．５ｍｍ×３２．５ｍｍとした。排水部材６６４の開口部６６５は、酸化剤極１０８の基体１１０上に位置するように配設した。

以上のようにして製造した燃料電池本体１００の燃料極１０２側には、燃料として１０体積％のメタノール水溶液を供給し、酸化剤極１０８側には１気圧の空気を自然吸入により供給した。この条件で、運転温度を２５℃、電流密度を６５ｍＡ／ｃｍ^２で発電運転を行った。図６に、本発電運転により得られたセル電位の経時変化を示す。

（参照例１）
実施例１と同様の構成で、排水部材６６４を設けていない燃料電池本体を製造して、実施例１と同様の条件で発電運転を行った。この結果も図６に示す。

以上の構成の燃料電池では、運転開始から約２０分後に安定な動作が開始されるため、運転開始から２０分後のセル電位を初期値とする。比較例１の燃料電池では、運転開始から約２００分後にセル電位が初期値に比べて約５０％低下し、運転開始から約１２００分後には約９０％低下した。一方、実施例１の燃料電池では、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べて２０％以内に抑えることができた。

これらの燃料電池について、酸化極側の液滴の有無を観察したところ、比較例１の燃料電池では多くの液滴が基材およびガス流路に付着、滞留しているのが観察されたが、実施例１の燃料電池では液滴の形成は認められなかった。

以上の結果から、比較例１では基材およびガス流路へ液滴が付着、滞留することによりセル電位が低下していると考えられるが、実施例１の燃料電池では、このような液滴の付着、滞留が抑制される結果、反応ガスが安定して通流し、良好な発電特性を示したものと判断される。

また、実施例１の燃料電池の排水部材６６４として、ポリエステル糸の織布の代わりに、綿、および和紙を用いて同様に発電運転を実施したが、ポリエステル糸の織布を用いた場合と同様に、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても２０％以内に抑えることができた。

（実施例２）
図３に示した構成の燃料電池本体１００を製造し、実施例１と同様の条件で発電運転を行った。この結果も図６に示す。図６に示すように、本実施例の燃料電池もセル電位の低下良好な出力安定性を示した。実施例２の燃料電池は、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても１０％以内に抑えることができた。

（実施例３）
図４に示した構成の燃料電池本体１００を製造し、実施例１と同様の条件で発電運転を行った。この結果も図６に示す。図６に示すように、本実施例の燃料電池もセル電位の低下良好な出力安定性を示した。実施例４の燃料電池は、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても５％以内に抑えることができた。

（実施例４）
図４に示した構成の燃料電池本体１００を製造した。本実施例の燃料電池は、実施例３の燃料電池と同様の構成を有するが、酸化剤極１０８側の基体１１０表面に６％ＰＴＦＥ懸濁液を浸漬することによって撥水処理を施した点で実施例３の燃料電池と異なる。実施例１と同様の条件で発電運転を行った。この結果も図６に示す。図６に示すように、本実施例の燃料電池もセル電位の低下良好な出力安定性を示した。実施例４の燃料電池は、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても５％以内に抑えることができた。
（実施例５）
図５に示した構成の燃料電池本体１００を製造した。この燃料電池の燃料極１０２側には、燃料として１０体積％のメタノール水溶液を供給し、酸化剤極１０８側には１気圧の空気を自然吸入により供給した。この条件で、運転温度を２５℃、電流密度を１３０ｍＡ／ｃｍ^２で発電運転を行った。この結果も図６に示す。

（参照例２）
実施例３と同様の構成の燃料電池を製造して、実施例５と同様の条件（電流密度１３０ｍＡ／ｃｍ^２）で発電運転を行った。この結果も図６に示す。

ここでも運転開始から２０分後のセル電位を初期値とする。実施例５および参照例２では、実施例１〜実施例４および参照例１に比べて、電流密度が２倍であるため、生成水の発生量も多くなる。参照例２では、運転開始から約１２００分後にはセル電位が初期値に比べて約９５％低下した。一方、実施例５の燃料電池では、運転開始から約１２００分後においても、セル電位の低下を初期値に比べても約５％以内に抑えることができた。

本発明の燃料電池は、酸化剤極表面に排水部材が設けられ、排水部材は外部に開放された領域を含むため、酸化剤極で発生した水を速やかに吸水、蒸散させることができる。これにより、酸化剤極表面で発生した水の滞留に起因する電池性能の低下を長時間にわたって防ぐことができる。

また、排水部材に燃料吸水部材を設けた場合、酸化剤極で生成する水の量が蒸散する水の量より多い場合であっても、生成水が燃料吸水部材６７０に吸収され、燃料吸水部材６７０中に保持されるため、排水部材６６４の吸水率を維持することができる。また、燃料吸水部材６７０は、吸水により膨張するが、燃料吸水部材６７０は燃料電池外部に設置されているため、ガス流路の閉塞も起こらない。

以上、本発明を実施の形態および実施例をもとに説明した。この実施の形態および実施例は例示であり、その各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能であり、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。以下、そうした例を説明する。

以上の実施の形態において、燃料としてはメタノール水溶液等の液体燃料を用いた例を説明したが、燃料としてはジメチルエーテル等の炭化水素系燃料から得られる改質水素、または水素を使用することができる。

以上の実施例では、燃料電池の運転温度を約２５℃としたが、本発明の燃料電池は、運転温度をたとえば８０℃程度の高温としても、好適に酸化剤極に発生した水を除去することができる。

本発明は、複数の膜−電極接合体を直列接続した燃料電池スタックに適用することもできる。この場合、たとえば図８に示したように、排水部材６６４は、複数の膜−電極接合体で共有して用いることもできる。

本発明の第一の実施の形態における燃料電池本体を模式的に示した断面図である。 図１に示した膜−電極接合体の酸化剤極側を示す側面図である。 本発明の第二の実施の形態における燃料電池本体を示す図である。 本発明の第三の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。 本発明の第四の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。 実施例および比較例における燃料電池電位の経時変化を示すグラフである。 本発明の第五の実施の形態における燃料電池本体を示す側面図である。 複数の膜−電極接合体を含むスタック構造を示す図である。

符号の説明

１００ 燃料電池本体
１０１ 膜−電極接合体
１０２ 燃料極
１０４ 基体
１１０ 基体
１０６ 燃料極側触媒層
１０８ 酸化剤極
１１２ 酸化剤極側触媒層
１１４ 固体電解質膜
１３２ 燃料極側集電体
１３４ 酸化剤極側集電体
１３５ 取入口
１３６ メッシュ部材
６６０ 絶縁シート
６６２ 絶縁シート
６６４ 排水部材
６６５ 開口部
６６６ 開口部
６６８ 開口部
６７０ 燃料吸水部材

Claims (16)

1. 燃料極および酸化剤極と、前記燃料極および前記酸化剤極の間に配設された固体電解質膜と、を含む燃料電池セルと、
   前記酸化剤極で発生した水を前記燃料電池セルの外部に排出する排出手段と、を含むことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池において、
   前記排出手段は、前記水を液体のまま前記燃料電池セルの外部に排出することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池において、
   前記排出手段は、前記酸化剤極で発生した水を吸収するとともに、吸収した水を前記燃料電池セルの外部に導出することを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１乃至３いずれかに記載の燃料電池において、
   前記排出手段は、少なくとも一部が前記酸化剤極に接して設けられたことを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１乃至４いずれかに記載の燃料電池において、
   前記排出手段は、前記燃料電池セルの外部に露出した領域を含むことを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１乃至５いずれかに記載の燃料電池において、
   前記酸化剤極は、前記燃料極よりも面積が大きく形成されたことを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１乃至６いずれかに記載の燃料電池において、
   前記排出手段は、吸水性シートを含むことを特徴とする燃料電池。
8. 請求項７に記載の燃料電池において、
   前記酸化剤極は、前記吸水性シートと前記固体電解質膜との間に配設され、
   前記吸水性シートは、前記固体電解質膜および前記酸化剤極よりも面積が大きく形成され、前記燃料電池セルの外部に露出した領域を含むことを特徴とする燃料電池。
9. 請求項７または８に記載の燃料電池において、
   前記吸水性シートは、酸化剤極表面が開口するように形成された開口部を含むことを特徴とする燃料電池。
10. １乃至９いずれかに記載の燃料電池において、
    前記排出手段は、複数の前記燃料電池セルに共有に設けられたことを特徴とする燃料電池。
11. 請求項１乃至１０いずれかに記載の燃料電池において、
    前記排出手段は、前記燃料を吸収して保持する燃料保持部材を含むことを特徴とする燃料電池。
12. 請求項１１に記載の燃料電池において、
    前記燃料保持部材は、前記燃料電池セルの外部に設けられたことを特徴とする燃料電池。
13. 請求項１乃至１２いずれかに記載の燃料電池において、
    前記酸化剤極側に設けられ、開口部が形成された集電体をさらに含み、
    前記排出手段の一部は、前記開口部において、前記燃料電池セルの外部に露出したことを特徴とする燃料電池。
14. 請求項１乃至１３いずれかに記載の燃料電池を搭載したことを特徴とする携帯型電気機器。
15. 燃料極および酸化剤極と、前記燃料極および前記酸化剤極の間に配設された固体電解質膜と、を含む燃料電池の運転方法であって、
    前記酸化剤極で発生した水を前記燃料電池の外部に排出させながら前記燃料電池を運転することを特徴とする燃料電池の運転方法。
16. 請求項１５に記載の燃料電池の運転方法において、前記水を液体のまま前記燃料電池外部に排出することを特徴とする燃料電池の運転方法。
    

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