JP2006318712A

JP2006318712A - 燃料電池

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Publication number: JP2006318712A
Application number: JP2005138980A
Authority: JP
Inventors: Nobuyasu Negishi; 信保根岸; Yuichi Yoshida; 勇一吉田; Koichi Kawamura; 公一川村; Kenichi Takahashi; 賢一高橋
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2005-05-11
Filing date: 2005-05-11
Publication date: 2006-11-24

Abstract

【課題】アノード触媒層において発生する生成ガスを適宜に放出可能であり、この生成ガスの発生による内圧の上昇を抑制するとともに、起電部と集電部との密着性を維持して、電池出力の低下を抑制することができる燃料電池を提供すること目的とする。
【解決手段】
アノード導電層１７と気液分離膜２２との間に、有底筒状の底部をアノード導電層１７に接触させて配設され、この底部に液体燃料タンク２１からの気化した燃料ガスをアノード触媒層１１側に導く開口部２４が形成され、側壁に排気口２５が開口された支持部材２３と、排気口２５に対応して設けられ、支持部材２３内の空間から排気口２５を介して生成ガスを排出する内圧逃がし部材２６とを具備し、アノード触媒層１１から発生した生成ガスを間歇的に外部に排出し、起電部と集電部との密着性を維持することで電池出力の低下を抑制する。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体燃料を気化させた気化燃料を利用する液体燃料直接供給型の燃料電池に係り、特に、電池反応の進行に伴ってアノード触媒層から発生する二酸化炭素を含む生成ガスを適宜外部に放出可能な燃料電池に関する。

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、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器において、燃料電池を電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤の供給により発電することができ、燃料のみを交換して取り付ければ、連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化が実現すれば携帯電子機器の作動に極めて有利なものとなる。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギ密度が高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、改質器も不要なことから小型化を図ることが可能である。さらに、燃料の取り扱いも水素燃料に比べて安全で容易であり、小型機器用電源として有望である。

直接メタノール型燃料電池の燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロワ等で燃料電池内に送り込む気体供給型、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型、さらに、内部気化型等が知られている。

例えば、内部気化型の直接メタノール型燃料電池は、液体燃料を保持する燃料浸透層中に燃料の気化成分を拡散させる燃料気化層を備え、液体燃料のうち気化した燃料が燃料極（アノード）に供給される（例えば、特許文献１参照。）。
特許第３４１３１１１号公報

上記した内部気化型の直接メタノール型燃料電池では、メタノールが電池外部に漏洩するのを防止するために、燃料タンクからアノード触媒層に至る経路は、ほぼ気密に形成されている。また、アノード触媒層では、例えば、メタノールの内部改質反応が生じ、二酸化炭素が生成され、その生成量は発電量の増加に伴って増加する。そのため、燃料気化層とアノード触媒層との間に形成された空間における内圧が経時的に増加して、相対的に気化した燃料の分圧が減少し、電池出力が低下するという問題があった。

さらに、直接メタノール型燃料電池では、電解質膜が使用され、この電解質膜は、水分等を含んで膨潤するため、起電部が集電部等と密接することができなくなり、電池の出力が低下するという問題があった。また、膨潤した電解質膜には、たわみ等が生じることがあり、これによって起電部と集電部等との密接性がさらに低下し、電池の出力が低下するという問題があった。

そこで、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、アノード触媒層において発生する生成ガスを適宜に放出可能であり、この生成ガスの発生による内圧の上昇を抑制するとともに、起電部と集電部との密着性を維持して、電池出力の低下を抑制することができる燃料電池を提供すること目的とする。

上記目的を達成するために、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タンクと、前記液体燃料タンク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透過させる気液分離膜と、アノード触媒層、カソード触媒層、および前記アノード触媒層と前記カソード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と、前記膜電極接合体のアノード触媒層およびカソード触媒層の表面に、それぞれ配設された導電層と、前記アノード触媒層側の導電層と前記気液分離膜との間に、有底筒状の底部を前記アノード触媒層側の導電層に接触させて配設され、前記底部に前記気化成分を前記アノード触媒層側に導く少なくとも１つの開口が形成され、側壁に少なくとも１つの排気口が形成された支持部材と、前記支持部材の排気口に対応して設けられ、前記支持部材内の空間から前記排気口を介して、前記アノード触媒層において生成した生成ガスを排出する内圧逃がし部材とを具備したことを特徴とする。

この燃料電池によれば、支持部材の排気口および内圧逃がし部材とによって、アノード触媒層から発生した生成ガスを間歇的に外部に排出して内圧を低下させ、支持部材を備えて、膜電極接合体と導電層との密着性を維持することで、電池出力の低下を抑制することができる。

本発明の燃料電池によれば、アノード触媒層において発生する生成ガスを適宜に放出可能であり、この生成ガスの発生による内圧の上昇を抑制するとともに、起電部と集電部との密着性を維持して、電池出力の低下を抑制することができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
図１には、第１の実施の形態の直接メタノール型の燃料電池１０の断面図が模式的に示されている。また、図２には、燃料電池１０の側面図が模式的に示されている。

図１に示すように、燃料電池１０は、アノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２からなるアノード極と、カソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１４からなるカソード極と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１３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１５とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１６を起電部として構成している。

アノード触媒層１１およびカソード触媒層１３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ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、アノード触媒層１１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Ｐｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなど、カソード触媒層１３として、白金やＰｔ−Ｎｉなどを用いることが好ましいが、これらに限られるわけではない。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。

電解質膜１５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、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂（ナフィオン（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。

アノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層１３に積層されたカソードガス拡散層１４は、カソード触媒層１３に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１３の集電体も兼ねている。そして、アノードガス拡散層１２には、アノード導電層１７が積層され、カソードガス拡散層１４には、カソード導電層１８が積層されている。アノード導電層１７およびカソード導電層１８は、例えば、金などの導電金属材料からなるメッシュなどの多孔質層や薄膜で構成される。

電解質膜１５とアノード導電層１７との間、および電解質膜１５とカソード導電層１８との間には、ゴム製のＯリング１９、２０が介在し、膜電極接合体１６からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。

また、液体燃料タンク２１の開口部を覆うように配設された気液分離膜２２とアノード導電層１７との間には、有底筒状の支持部材２３が、その底部をアノード導電層１７に接触させて配設されている。

支持部材２３の底部には、液体燃料タンク２１からの液体燃料Ｆの気化成分をアノード触媒層１１側に導くための開口部２４が形成されている。さらに、図２に示すように、支持部材２３の側壁には、支持部材２３内の圧抜きを行う際に、アノード触媒層１１において生成された生成ガスを外部に排出するための排気口２５が形成されている。この排気口２５は、少なくとも１つ形成されていればよく、ここでは、１２個の排気口２５が形成された一例を示している。また、ここでは、排気口２５は、円形を有しているが、この形状に限られるものではなく、例えば三角形、矩形、多角形などの形状を有してもよい。また、支持部材２３は、電気絶縁部材で形成され、具体的には、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン、ビクトレックス社の登録商標）のような熱可塑性樹脂などで形成される。

また、図１に示すように、支持部材２３内には、支持部材２３の排気口２５に対応する位置の内周面に接するように内圧逃がし部材２６が配設されている。また、内圧逃がし部材２６の上面は、支持部材２３の内底部面に接するように配設されている。このように、内圧逃がし部材２６は、排気口２５を閉塞するように配設されている。この内圧逃がし部材２６は、アノード触媒層１１において生成された二酸化炭素を含む生成ガスが支持部材２３内に溜まり、支持部材２３内の圧力が上昇して所定の圧力になると、排気口２５と支持部材２３内とを連通させ、生成ガスを外部に排気させる機能を有するものである。なお、内圧逃がし部材２６の構成については後に詳細に説明する。

液体燃料タンク２１の開口部を覆うように配設された気液分離膜２２は、液体燃料Ｆの気化成分のみを透過し液体燃料を透過させない膜である。この気液分離膜２２の材料として、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素樹脂などが挙げられる。

液体燃料タンク２１に貯留される液体燃料Ｆは、濃度が５０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、９５重量％以上１００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として液体のエタノールを使用した場合には、気化したエタノールを意味し、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。

一方、カソード導電層１８上には、保湿層２７が積層され、さらに表面層２８が積層されている。

表面層２８は、酸化剤である空気の取り入れる量を調整する機能を有し、その調整は、表面層２８に形成された空気導入口２９の個数やサイズ等を変更することで行う。また、表面層２８に形成された空気導入口２９は、上記した支持部材２３に形成された開口部２４に対応する位置、つまり、表面層２８と支持部材２３との間の部材がないとした場合に、それぞれの開口部２４と空気導入口２９とが重なり合う位置に形成されることが好ましい。このように双方の開口を配置することで、カソード触媒層１３で生成された水をアノード触媒層１１に供給する本システムにおいては、アノード触媒層１１に多くの燃料が供給される電解質膜１５を挟んだカソード触媒層１３上に多くの酸化剤を供給することにより発電効率を高めることができる。また、それぞれの開口面積は、適宜に用途によって設定され、それぞれの開口面積が同じ場合も、異なる場合もある。

また、表面層２８は、膜電極接合体１６を含む積層体を、上記した支持部材２３との間に加圧して、各層の密着性を高める役割も果たしている。そのため、表面層２８は、例えば、ＳＵＳ３０４などのような金属から形成される。これによって、例えば、膜電極接合体１６と、アノード導電層１７およびカソード導電層１８との密着性を維持することができる。

保湿層２７は、カソード触媒層１３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、カソードガス拡散層１４に酸化剤を均一に導入することにより、カソード触媒層１３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２７は、例えば、多孔質構造の部材で構成され、具体的な材料として、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどが挙げられる。なお、保湿層２７は、設置されることが好ましいが、保湿層２７を用いずに燃料電池１０を構成してもよい。その際には、カソード導電層１８上に、絶縁部材を介して表面層２８を設置して、カソード触媒層１３の水の透気度、透湿度を調整する。

次に、上記した内圧逃がし部材２６について、図３〜図５を参照して詳細に説明する。

図３には、図２のＡ−Ａ断面図を示している。また、図４には、通常時における内圧逃がし部材２６を排気口２５を介して外部から見たときの平面図を示している。図５には、支持部材２３内が高圧になった時における内圧逃がし部材２６を排気口２５を介して外部から見たときの平面図を示している。

ここで、内圧逃がし部材２６は、軟質の弾性体で構成され、具体的には、軟質のシリコンゴム、ニトリルブタジエンラバーゴム（ＮＢＲ）などのゴムシート材が好適である。

このゴム等の弾性体の硬度は、日本工業規格（ＪＩＳＫ６３０１Ａ：１９９７）で表される硬度４０°〜７０°の範囲であることが好ましい。この弾性体の硬度が４０°未満の過度に柔軟な場合には、スリットを形成しても弾性体の大きな弾性によりスリットが開かなくなり、支持部材２３内の圧力が所定の圧力に達しても、解放動作を行うことが困難となる。また、このような内圧が高い状態での動作は、燃料電池における他のシール構造を破壊する恐れがある。一方、弾性体の硬度が７０°を超える場合には、弾性体が変形し難くなり、内圧の変化に対応して弾性体が変形しなくなり、内圧逃がし部材としての機能を有さなくなる。そのため、弾性体の硬度は、４０°〜７０°の範囲に設定され、さらに好ましい範囲は、５０°〜６０°である。

図３に示すように、内圧逃がし部材２６は、支持部材２３の内側形状に対応した形状を有する環状部材で形成され、この環状部材の上部に、排気口２５に対応させて複数のスリット３０が形成されている。また、スリット３０の高さは、５０μｍ〜１００μｍの範囲であることが好ましい。スリット３０の高さがこの範囲で好ましいのは、５０μｍより低い場合には、スリットからガスが抜けにくく内圧が上昇し過ぎることがあり、１００μｍを超える場合には、ガスが抜け過ぎて、燃料利用効率が低下することがあるからである。

内圧逃がし部材２６は、支持部材２３内の圧力が低い場合には、図４に示すように、スリット３０は、閉じられた状態になっている。一方、メタノールの内部改質反応が進み、アノード触媒層１１において生成された二酸化炭素を含む生成ガスが支持部材２３内に溜まり、支持部材２３内の圧力が上昇すると、図５に示すように、スリット３０が開き、支持部材２３内の生成ガスを外部に排出する。そして、この排出によって、支持部材２３内の圧力が低下し、再びスリット３０は、閉じられた状態になる。これによって、二酸化炭素を含む生成ガスによる支持部材２３内の圧力の上昇に伴う電池出力の低下を抑制することができる。

なお、ここでは、内圧逃がし部材２６を環状部材とした一例を示したが、内圧逃がし部材２６は、上部にスリットを有する直方体状の部材で構成してもよい。そして、この直方体状の部材を排気口２５の個数に対応する分用意し、各排気口２５に対応させて直方体状の部材を設置してもよい。言い換えると、図３に示した環状の内圧逃がし部材２６において、各排気口２５に対応させて配設されたスリットを形成する部分以外の部分を削除し、各排気口２５に対応して、上部にスリットを有する直方体状の部材が断続的に配設された構成としてもよい。

次に、上記した燃料電池１０における作用について説明する。

液体燃料タンク２１内の液体燃料（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２２を透過し、支持部材２３内に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。支持部材２３に一旦収容された混合気は、開口部２４、アノード導電層１７を通過し、さらにアノードガス拡散層１２で拡散され、アノード触媒層１１に供給される。アノード触媒層１１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。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …式（１）

なお、液体燃料として、純メタノールを使用した場合には、液体燃料タンク２１からの水蒸気の供給がないため、カソード触媒層１３で生成した水や電解質膜１５中の水等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。

内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜１５を伝導し、カソード触媒層１３に到達する。表面層２８の空気導入口２９から取り入れられた空気は、保湿層２７、カソード導電層１８、カソードガス拡散層１４を拡散して、カソード触媒層１３に供給される。カソード触媒層１３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）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …式（２）

この反応によってカソード触媒層１３中に生成した水は、カソードガス拡散層１４を拡散して保湿層２７に到達し、一部の水は、保湿層２７上に設けられた表面層２８の空気導入口２９から蒸散されるが、残りの水は表面層２８によって蒸散が阻害される。特に、式（２）の反応が進行すると、表面層２８によって蒸散が阻害される水量が増し、カソード触媒層１３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、カソード触媒層１３の水分貯蔵量が、アノード触媒層１１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、カソード触媒層１３に生成した水が、電解質膜１５を通過してアノード触媒層１１に移動する反応が促進される。そのため、アノード触媒層１１への水分の供給を液体燃料タンク２１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。これによって、出力密度を高くすることができるとともに、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。

また、液体燃料として、メタノールの濃度が５０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、カソード触媒層１３からアノード触媒層１１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、アノード触媒層１１への水の供給を安定して行うことが可能となる。これによって、メタノー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、液体燃料タンク２１の小型化を図ることも可能である。

一方、アノード触媒層１１におけるメタノールの内部改質反応によって生成した二酸化炭素を含む生成ガスは、支持部材２３内に蓄積されるため、支持部材２３内の圧力が経時的に上昇する。しかしながら、上記したように、本実施の形態では、内圧逃がし部材２６およびこれに対応して支持部材２３に排気口２５が備えられているので、内部改質反応の進行に伴って、アノード触媒層１１から発生した生成ガスは、内圧逃がし部材２６および排気口２５を経て外部に排出される。したがって、支持部材２３内における気化した燃料ガスの分圧が減少することがなく、また、アノード触媒層１１に供給される燃料の供給量が低下することもないので、燃料電池１０の電池出力が低下することがない。なお、内圧逃がし部材２６のスリット３０が開く際、支持部材２３内の燃料ガスは、生成ガスとともに外部に排出されるが、スリット３０の開口は一瞬であり、燃料ガスの排出量は問題とならない。

上記したように、第１の実施の形態の燃料電池１０によれば、膜電極接合体１６を含む積層体は、支持部材２３に支持され、特に、縁部のみだけでなく中央部においても支持されているので、例えば、電解質膜１５が膨潤しても、積層体の各層における密着性を維持することができる。これによって、電池出力の低下を抑制することができる。

また、内圧逃がし部材２６上に直接積層体が積層されずに、積層体は、支持部材２３によって支持されているので、内圧逃がし部材２６が内圧を低下させるために開口して変形した場合でも、積層体に影響を与えることがなく、積層体の各層における密着性を維持することができる。

さらに、燃料電池１０によれば、内圧逃がし部材２６およびこれに対応して支持部材２３に排気口２５を備えることで、アノード触媒層１１から発生した生成ガスによる支持部材２３内の内圧の上昇を防止することができる。これによって、支持部材２３内における気化した燃料ガスの分圧の減少、アノード触媒層１１に供給される燃料供給量の低下の発生を防止することができ、これらの分圧の減少、燃料供給量の低下が原因で生じる燃料電池１０の電池出力の低下を防止することができる。

（第２の実施の形態）
図６には、第２の実施の形態の直接メタノール型の燃料電池７０の断面図が模式的に示されている。

第２の実施の形態の燃料電池７０では、支持部材７１の構成、および液体燃料タンク２１内に、気液分離膜２２を介してこの支持部材７１を支持する柱部材７２が設けられたこと以外は、第１の実施の形態の燃料電池１０の構成と同じである。そこで、第１の実施の形態の燃料電池１０の構成と同一部分には同一符号を付して、重複する説明を省略する。

図６に示すように、支持部材７１は、有底筒状の形状を有し、その底部をアノード導電層１７に接触させて配設されている。

支持部材７１の底部には、液体燃料タンク２１からの液体燃料Ｆの気化成分をアノード触媒層１１側に導くための開口部２４が形成されている。また、支持部材７１の内底部には、この開口部２４を避けて、気液分離膜２２側に突出する凸部７１ａが形成されている。さらに、支持部材７１の側壁には、支持部材７１内の圧抜きを行う際に、アノード触媒層１１において生成された二酸化炭素を含む生成ガスを外部に排出するための排気口２５が形成されている。この排気口２５は、少なくとも１つ形成されていればよい。また、支持部材７１は、電気絶縁部材で形成され、具体的には、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン、ビクトレックス社の登録商標）のような熱可塑性樹脂などで形成される。

また、図６に示すように、第１の実施の形態の燃料電池１０と同様に、支持部材７１内には、支持部材７１の排気口２５に対応する位置の内周面に接するように内圧逃がし部材２６が配設されている。また、内圧逃がし部材２６の上面は、支持部材７１の内底部面に接するように配設されている。このように、内圧逃がし部材２６は、排気口２５を閉塞するように配設されている。

また、液体燃料タンク２１の底部には、支持部材７１の凸部７１ａを、気液分離膜２２を介して支持する柱部材７２が立設されている。この柱部材７２は、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）などで形成された柱体からなる部材である。なお、柱部材７２は、液体燃料タンク２１と一体的に形成されてもよい。

第２の実施の形態の燃料電池７０では、柱部材７２によって、気液分離膜２２を介して支持部材７１を支持することができるので、支持部材７１自体が撓むことなく、膜電極接合体１６を含む積層体を支持することができる。これによって、積層体を支持部材７１と表面層２８との間に、より的確に挟持することが可能となり、積層体の各層における密着性を維持することができる。これによって、電池出力の低下を抑制することができる。

なお、上記した各実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノー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、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテル等、または、これらの水溶液を用いた液体燃料直接供給型の燃料電池にも応用することができる。

また、内圧逃がし部材の構成は、上記した実施の形態に示した構成に限られるものではなく、アノード触媒層１１から発生した生成ガスを、支持部材の側壁から外部に間歇的に排出できる構造であればよい。

次に、支持部材、内圧逃がし部材を備えることで、電池出力の低下を抑制することができることを以下の実施例で説明する。

（実施例１）
実施例１では、図６に示す燃料電池７０を次のように作製した。

アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックに、パーフルオロカーボンスルホン酸溶液、水、メトキシプロパノールを添加し、触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが４００μｍのアノード触媒層１１を有するアノード極を作製した。

カソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックに、パーフルオロカーボンスルホン酸溶液、水、メトキシプロパノールを添加し、触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１４としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが４００μｍのカソード触媒層１３を有するカソード極を作製した。

アノード触媒層１１とカソード触媒層１３との間に、プロトン伝導性の電解質膜１５として、厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（nafion膜、デュポン社製）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、膜電極接合体１６を得た。

また、膜電極接合体１６の両面に、厚さが２０μｍの金箔を厚さが３５μｍのアクリル樹脂系の粘着材で厚さが５０μmのＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）フィルム上に貼り付け、金箔を補強したカソード導電層１８およびアノード導電層１７を形成した。

保湿板２７として、厚さが５００μｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ^３（ＪＩＳＰ−８１１７）で、透湿度が４０００ｇ／（ｍ^２・２４ｈ）（ＪＩＳＬ−１０９９Ａ−１法）のポリエチレン製多孔質フィルムを用意した。

表面層２８として、厚さが３００μｍのＳＵＳ３０４材からなる平板を用い、口径が４．５ｍｍの空気導入口２９を５０個形成した。

支持部材７１は、ＰＥＥＫ（ポリ・エーテル・エーテル・ケトン）で形成し、支持部材の厚さを１．５ｍｍ、底部の厚さを１ｍｍ、排気口２５の口径を０．９ｍｍとした。また、支持部材の内底部に形成された凸部７１ａの高さは０．５ｍｍとした。

内圧逃がし部材２６は、幅が１．５ｍｍ、高さが０．６ｍｍ、硬度が４０°のシリコンシートを用いた。スリット３０の高さｈは、５０μｍ〜１００μｍの範囲で形成した。

気液分離膜２２として、厚さが１００μｍ、硬度が５０°のシリコンシートを用いた。

なお、ここでは、柱部材７２は、液体燃料タンク２１と一体的に形成し、支持部材２３の凸部７１ａに対応して配設した。

上記したように形成された燃料電池１０の液体燃料タンクに、純メタノールを２０ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）の測定を実施した。

（比較例１）
比較例１では、図６に示す燃料電池７０において、内圧逃がし部材２６および支持部材２３の排気口２５を有さない、つまり、内圧逃がし機構を有さない構成の燃料電池を作製した。他の構成部材は、実施例１の燃料電池１０における構成と同じである。

上記した燃料電池の液体燃料タンクに、純メタノールを２０ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）の測定を実施した。

（実施例および比較例の測定結果の検討）
図７には、上記した実施例１および比較例１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）の測定結果を示す。

図７に示された測定結果から、比較例１における、内圧逃がし部材２６および支持部材２３の排気口２５を有さない、つまり、内圧逃がし機構を有さない構成の燃料電池では、時間の経過とともに出力密度が指数関数的に減少している。これに対して、内圧逃がし機構を有する実施例１の燃料電池では、時間の経過とともに出力密度は低下するものの、その低下は緩やかである。このことから、内圧逃がし機構によって、支持部材内における内圧の上昇を防止して、支持部材内における気化した燃料ガスの分圧の減少を防止することで、電池出力の低下を抑制することができることがわかった。

第１の実施の形態の燃料電池の断面図。第１の実施の形態の燃料電池の側面図。図２のＡ−Ａ断面図。通常時における内圧逃がし部材を排気口を介して外部から見たときの平面図。支持部材内が高圧になった時における内圧逃がし部材を排気口を介して外部から見たときの平面図。第２の実施の形態の燃料電池の断面図。出力密度の測定結果を示す図。

符号の説明

１０…燃料電池、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…カソード触媒層、１４…カソードガス拡散層、１５…電解質膜、１６…膜電極接合体、１７…アノード導電層、１８…カソード導電層、１９、２０…Ｏリング、２１…液体燃料タンク、２２…気液分離膜、２３…支持部材、２４…開口部、２５…排気口、２６…内圧逃がし部材、２７…保湿層、２８…表面層、２９…空気導入口、Ｆ…液体燃料。

Claims

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タンクと、
前記液体燃料タンク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透過させる気液分離膜と、
アノード触媒層、カソード触媒層、および前記アノード触媒層と前記カソード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と、
前記膜電極接合体のアノード触媒層およびカソード触媒層の表面に、それぞれ配設された導電層と、
前記アノード触媒層側の導電層と前記気液分離膜との間に、有底筒状の底部を前記アノード触媒層側の導電層に接触させて配設され、前記底部に前記気化成分を前記アノード触媒層側に導く少なくとも１つの開口が形成され、側壁に少なくとも１つの排気口が形成された支持部材と、
前記支持部材の排気口に対応して設けられ、前記支持部材内の空間から前記排気口を介して、前記アノード触媒層において生成した生成ガスを排出する内圧逃がし部材と
を具備したことを特徴とする燃料電池。
前記内圧逃がし部材は、少なくとも１つのスリットが形成された弾性部材で構成され、前記スリットが、前記支持部材内から前記排気口に面するよう配設されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記支持部材が、有底筒状の内底部から前記気液分離膜側に凸設された凸部を有し、前記気液分離膜を介して前記凸部を支持する柱部材を前記液体燃料タンク内に設置したことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記支持部材が、電気絶縁部材で構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
前記カソード触媒層の表面に配設された導電層に面して、前記カソード触媒層で生成した水の蒸発を抑制する保湿層を配設したことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
前記保湿層のカソード触媒層側とは異なる側に、前記支持部材の底部に形成された開口に対応する位置に開口された空気導入口を有する表面層を設置したことを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
前記液体燃料が、濃度が５０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請求項１乃至６のいずれか１項記載の燃料電池。