JP2007157462A - 燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】部品点数を削減して、複数の電極を電気的に容易に接続することができるとともに、簡易に製作することができる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】電解質膜１５と、電解質膜１５の一方の面に複数配設された酸素を還元する空気極と、電解質膜１５の他方の面の各空気極に対向させて配設された燃料を酸化する燃料極とを具備し、電解質膜１５の空気極と燃料極とが対向する所定位置に開口部４００、４０１が形成され、開口部４００、４０１を通じて、空気極とこの空気極に対向する燃料極に隣接する燃料極とが電気的に接合されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、同一平面上に並べた複数の電極を容易に電気的に直列に接続することができる燃料電池およびその製造方法に関する。

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、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エ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。

このような状況のもと、小型の燃料電池が注目を集めている。例えば、メタノールを燃料として用いた直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）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などが必要なく、小型化に優れていると考えられる。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。

このような燃料電池では、１つの燃料電池セルからの電池出力が小さいため、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続して、電池出力を上げる工夫がなされている。従来の燃料電池では、リード線やリード板などを用い、電解質膜の外側を経由して複数の燃料電池セルの電極間を電気的に接続する方法などが採用されている。また、従来の燃料電池では、同一平面上に並べた複数の電極を電気的に直列に接続するために、隣り合う電極間の電解質膜に溝穴を形成し、この溝穴に配線部材を通して、隣り合うアノード電極とカソード電極とを接続していた（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１４６０９２号公報

上記した従来の燃料電池では、電極間をリード線やリード板などを用い、電解質膜の外側を経由して接続するため、部品点数が増加し、組み立てに手間がかかる上、リード線やリード板の分だけ燃料電池全体の体積が増加していた。そのため燃料電池全体の小型化を図ることは難しかった。また、従来の燃料電池では、隣り合うアノード電極とカソード電極とを接続するために、配線部材を電解質膜に形成された溝穴を通し、この配線部材の一端側を一方の燃料電池セルのアノード電極に接続し、この配線部材の他端側をそれと隣り合う燃料電池セルのカソード電極に接続して、電気的に直列に接続していたため、製造工程が煩雑であり、部品点数の削減を図ることができなかった。また、溝穴に絶縁シール材を充填する工程も必要であり、さらに製造工程を煩雑にするとともに、溝穴の周囲を完全に遮断してガス漏れを防止することは困難であるなどの問題があった。

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、部品点数を削減して、隣接する燃料電池セルを容易に電気的に直列に接続することができるとともに、簡易に製作することができる燃料電池およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に複数配設された酸素を還元する空気極と、前記電解質膜の他方の面の前記各空気極に対向させて配設された燃料を酸化する燃料極とを具備する燃料電池であって、前記電解質膜の前記空気極と前記燃料極とが対向する所定位置に開口部が形成され、前記開口部を通じて、前記空気極と前記空気極に対向する燃料極に隣接する燃料極とが接触していることを特徴とする。

この燃料電池によれば、空気極と、この空気極に対向する燃料極に隣接する燃料極とを接触させることで、配線などを介さずに、各極間を電気的に直列に接続することができる。

また、本発明の燃料電池の製造方法は、電解質膜の所定の領域に複数の開口部を形成する開口部形成工程と、前記開口部が形成された電解質膜の一方の面に複数の空気極を配設し、前記電解質膜の他方の面の前記各空気極に対向させて燃料極を配設し、前記空気極および前記燃料極を前記電解質膜に熱圧着するとともに、前記開口部を通じて、前記空気極と前記空気極に対向する燃料極に隣接する燃料極とを熱圧着する熱圧着工程とを具備することを特徴とする。

この燃料電池の製造方法によれば、開口部を通じて、空気極と、この空気極に対向する燃料極に隣接する燃料極とを熱圧着することで、配線などを介さずに、各極間を電気的に直列に接続することができる。

本発明の燃料電池およびその製造方法によれば、部品点数を削減して、隣接する燃料電池セルを容易に電気的に直列に接続することができるとともに、簡易に製作することができる。

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。

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の断面を模式的に示した図である。図２は、膜電極接合体１６の構成を示す分解斜視図である。図３Ａおよび図３Ｂは、膜電極接合体１６の各製造工程における図２のＡ−Ａ断面を模式的に示した図である。図４は、他の膜電極接合体１６の構成を示す断面図である。

図１に示すように、燃料電池１は、３つの燃料電池セル１０からなる燃料電池セル群１００と、液体燃料Ｆを収容し開口を有する液体燃料タンク３０と、液体燃料タンク３０の開口部分に配設された気液分離膜４０と、燃料電池セル群１００に面して、フレーム４５によって気液分離膜４０と所定の間隔をあけて配設された燃料分配層５０とから主に構成されている。なお、ここでは、３つの燃料電池セル１０を備える燃料電池１について説明するが、燃料電池セル１０の設置数はこれに限られるものではなく、電池出力などの要求に対応して適宜に燃料電池セル１０の設置数は設定される。

各燃料電池セル１０は、アノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２からなる燃料極と、カソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１４からなる空気極と、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。なお、電解質膜１５は、各燃料電池セル１０に共通の構成となっている。

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。

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などが挙げられるが、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の集電体としての機能も兼ね備えている。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の集電体としての機能も兼ね備えている。

ここで、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１４は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。

アノードシール材１９は、矩形枠状を有し、燃料分配層５０と電解質膜１５との間に位置する燃料電池セル群１００のアノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２の周囲を囲んでいる。一方、カソードシール材２０は、矩形枠状を有し、フレーム２１と電解質膜１５との間に位置する燃料電池セル群１００のカソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１４の周囲を囲んでいる。アノードシール材１９およびカソードシール材２０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１６からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、アノードシール材１９およびカソードシール材２０の形状は、矩形枠状に限られず、燃料電池セル群１００の外縁形に対応するように適宜に構成される。

また、カソードガス拡散層１４上には、燃料電池１の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム２１（ここでは矩形のフレーム）を介して、保湿層２２が積層されている。また、保湿層２２上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口２４が複数個形成された表面カバー２３が積層されている。なお、フレーム２１、保湿層２２および表面カバー２３は、各燃料電池セル１０に共通の構成となっている。

表面カバー２３は、膜電極接合体１６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、ＳＵＳ３０４のような金属で形成される。また、フレーム２１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ート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。

また、保湿層２２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２２は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成される。

なお、燃料電池セル１０は、各燃料電池セル１０の燃料極が同方向になるように複数並設されて燃料電池セル群１００を構成し、各燃料電池セル１０は、電気的に直列に接続されている。

燃料分配層５０は、燃料電池セル１０の燃料極側に燃料電池セル群１００に面して設けられている。この燃料分配層は、各燃料電池セル１０へ燃料を分配して均一に供給するもので、燃料分配層には、各燃料電池セル１０に対応して、燃料を通過させる燃料通過口５１が形成されている。この燃料通過口５１の形状は、円形、三角形、矩形、多角形などや、スリット形状としてもよい。また、燃料分配層５０は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない薄板状の材料で構成されている。燃料分配層５０を形成する具体的な材料として、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）のような熱硬化性樹脂、チタンやステンレスのような金属材料、セラミックスのような無機材料などが挙げられる。

また、図１に示すように、液体燃料Ｆを収容する液体燃料タンク３０の開口部を覆うように配設された気液分離膜４０上には、燃料電池１の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム４５（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４５の一方の面に、燃料分配層５０が接するように積層配置されている。

また、気液分離膜４０、燃料分配層５０およびフレーム４５で囲まれた気化燃料収容室６０は、気液分離膜４０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。ここで、フレーム４５は、上記したフレーム２１と同様に、電気絶縁材料で構成され、具体的には、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。

気液分離膜４０は、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分をアノード触媒層１１側に透過させるものである。具体的には、気液分離膜４０は、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、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（ＰＦＡ）など）微多孔膜などの材料で構成される。なお、気液分離膜４０は、それらの周縁から燃料などが漏れないように構成されている。

ここで、液体燃料タンク３０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。

次に、図２を参照して、膜電極接合体１６の構成について詳細に説明する。

膜電極接合体１６は、前述したように、アノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２ａ、１２ｂ、１２ｃからなる燃料極と、カソード触媒層１３およびカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂ、１４ｃからなる空気極と、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とから構成されている。

図２に示すように、アノードガス拡散層１２ａは、表面が長方形の薄板形状を有し、その電解質膜１５に接する面には、全体に亘ってアノード触媒層１１が形成されている。また、他の２つのアノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃは、表面が長方形で、アノードガス拡散層１２ａよりも長い薄板形状を有し、その電解質膜１５に接する面は、アノード触媒層１１が形成された面（アノード触媒層形成面２００ａ）と、アノード触媒層１１が形成されていない面（アノード触媒層非形成面２００ｂ）とに区分される。

カソードガス拡散層１４ｃは、表面が長方形の薄板形状を有し、その電解質膜１５に接する面には、全体に亘ってカソード触媒層１３が形成されている。また、カソードガス拡散層１４ｃは、電解質膜１５を介して、アノードガス拡散層１２ｃのアノード触媒層形成面２００ａに対向する位置に配設されている。また、他の２つのカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂの電解質膜１５に接する面は、カソード触媒層１３が形成された面（カソード触媒層形成面３００ａ）と、カソード触媒層１３が形成されていない面（カソード触媒層非形成面３００ｂ）とに区分される。また、２つのカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂにおいて、カソード触媒層非形成面３００ｂを有する薄板は、カソード触媒層形成面３００ａを有する薄板の長手方向の中心とずらして形成されている。すなわち、カソードガス拡散層１４ａにおいては、カソード触媒層形成面３００ａは、電解質膜１５を介して、アノードガス拡散層１２ａに対向する位置に形成され、カソード触媒層非形成面３００ｂは、電解質膜１５に形成された開口部４００を介して、アノードガス拡散層１２ｂのアノード触媒層非形成面２００ｂに対向する位置に形成されている。カソードガス拡散層１４ｂにおいては、カソード触媒層形成面３００ａは、電解質膜１５を介して、アノードガス拡散層１２ｂに対向する位置に形成され、カソード触媒層非形成面３００ｂは、電解質膜１５に形成された開口部４０１を介して、アノードガス拡散層１２ｃのアノード触媒層非形成面２００ｂに対向する位置に形成されている。

各燃料極においてはアノード触媒層１１が形成された側が、各空気極においてはカソード触媒層１３が形成された側が、電解質膜１５に熱圧着されている。また、アノードガス拡散層１２ｂのアノード触媒層非形成面２００ｂとカソードガス拡散層１４ａのカソード触媒層非形成面３００ｂは、開口部４００を通して接合されている。また、アノードガス拡散層１２ｃのアノード触媒層非形成面２００ｂとカソードガス拡散層１４ｂのカソード触媒層非形成面３００ｂは、開口部４０１を通して接合されている。このように接合することで、各膜電極接合体１６が電気的に直列に接続される。

次に、膜電極接合体１６の製造工程について、図３Ａおよび図３Ｂを参照して説明する。

まず、電解質膜１５に開口部４００を形成する（図３Ａ参照）。続いて、アノードガス拡散層１２ａの一方の表面に形成されたアノード触媒層１１を電解質膜１５に対して所定の位置に配設し、さらに、カソードガス拡散層１４ａを、カソード触媒層形成面３００ａが電解質膜１５を介して、アノードガス拡散層１２ａに対向する位置に、かつカソード触媒層非形成面３００ｂが電解質膜１５に形成された開口部４００を介して、アノードガス拡散層１２ｂのアノード触媒層非形成面２００ｂに対向する位置に配設する。そして、熱圧着により、燃料極および空気極を電解質膜１５に接合し、アノードガス拡散層１２ｂのアノード触媒層非形成面２００ｂとカソードガス拡散層１４ａのカソード触媒層非形成面３００ｂが開口部４００を通して接合する（図３Ｂ参照）。

上記した製造工程を実施することで、複数の膜電極接合体１６が製作される。なお、ここでは、図２のＡ−Ａ断面に基づいて説明したが、上記した製造方法により、備えられる燃料電池セル１０の数に対応して、開口部が形成され、燃料極および空気極が熱圧着される。

また、前述したように、アノードガス拡散層１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよびカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂ、１４ｃは、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金等の金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成され、所定の気孔率を有しているため、熱圧着された後も開口部４００、４０１を通してガスなどを透過することがある。そのため、熱圧着後、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃのアノード触媒層非形成面２００ｂを有する部分および／またはカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂのカソード触媒層非形成面３００ｂを有する部分に、導電性およびガス不透過性の導電不透過部材を含浸させて、開口部４００、４０１を介してガスなどが透過しない構成にすることが好ましい。

導電不透過部材として、例えば、ポリアセチレンなどの導電性樹脂材料、金、ステンレス、チタンなどの金属材料、黒鉛、グラッシーカーボンなどの炭素材料などを用いることができる。例えば、これらの導電不透過部材を粉体にして、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃのアノード触媒層非形成面２００ｂを有する部分および／またはカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂのカソード触媒層非形成面３００ｂを有する部分に含浸させてもよい。また、これらの導電不透過部材を粉体にし、それをポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン等の熱可塑性樹脂、エポキシ等の熱硬化性樹脂、アセトン、キシレン、トルエン、酢酸エチル等の揮発性溶剤に、アクリル樹脂、ポリスチレン等の樹脂を溶解したペースト、あるいはラッカー、エナメル、ワニスなどの塗料などの固化剤と混合した混合体を、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃのアノード触媒層非形成面２００ｂを有する部分および／またはカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂのカソード触媒層非形成面３００ｂを有する部分に含浸させてもよい。

このように、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃのアノード触媒層非形成面２００ｂを有する部分および／またはカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂのカソード触媒層非形成面３００ｂを有する部分に導電不透過部材を含浸させることで、導電性を維持したまま、ガスなどの透過を防止することができる。

また、図４に示すように、開口部４００、４０１を通して、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃのアノード触媒層非形成面２００ｂ、２００ｂとカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂのカソード触媒層非形成面３００ｂ、３００ｂを熱圧着する場合、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃとカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂとの間に、導電性およびガス不透過性の導電不透過部材４５０を介して熱圧着してもよい。

この導電不透過部材４５０は、例えば、板状などの形状を有し、例えば、ポリアセチレンなどの導電性樹脂材料、金、ステンレス、チタンなどの金属材料、黒鉛、グラッシーカーボンなどの炭素材料などを用いることができる。また、導電不透過部材４５０は、これらの材料からなる粉体を固化したもので構成されてもよいし、これらの材料からなる粉体に、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン等の熱可塑性樹脂、エポキシ等の熱硬化性樹脂、アセトン、キシレン、トルエン、酢酸エチル等の揮発性溶剤に、アクリル樹脂、ポリスチレン等の樹脂を溶解したペースト、あるいはラッカー、エナメル、ワニスなどの塗料などの固化剤と混合して固化させたもので構成されてもよい。

このように、開口部４００、４０１において、導電不透過部材４５０を介して、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃとカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂとを接合することで、導電性を維持したまま、ガスなどの透過を防止することができる。なお、導電不透過部材４５０を介して、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃとカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂとを接合する場合においても、上記したように、アノードガス拡散層１２ｂ、１２ｃのアノード触媒層非形成面２００ｂを有する部分および／またはカソードガス拡散層１４ａ、１４ｂのカソード触媒層非形成面３００ｂを有する部分に導電不透過部材を含浸させてもよい。

次に、上記した燃料電池１における作用について説明する。

液体燃料タンク３０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が、気液分離膜４０を透過し、気化燃料収容室６０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６０に一旦収容された混合気は、燃料分配層５０に各燃料電池セル１０に対応して形成された燃料通過口５１を通過して、各燃料電池セル１０内に流入する。

各燃料電池セル１０内に流入した混合気は、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）に示す酸化反応である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３０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。

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。また同時に、アノード触媒層１１で生成した電子（ｅ⁻）は、燃料電池１に接続された外部回路を流れ、外部回路の負荷（抵抗等）に対して仕事をし、カソード触媒層１３に流入する。

一方、表面カバー２３の空気導入口２４から取り入れられた空気は、保湿層２２、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、電解質膜１５を通じて拡散してきたプロトンと、外部回路を流れてきた電子とともに、還元反応である次の式（２）に示す反応を生じる。
（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …式（２）

上記した式（１）と式（２）の反応とが同時に生じることにより、燃料電池１としての発電反応が完結する。発電反応が進行すると、上述した式（２）の反応などによって、カソード触媒層１３中に生成した水（Ｈ_２Ｏ）が、カソードガス拡散層１４内を拡散し、保湿層２２に到達する。そして、保湿層２２によって蒸散を阻害され、カソード触媒層１３中の水の量が増加する。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に移動し、前述した式（１）に示すメタノールの酸化反応に用いられる。このようにして、外部から水を供給しなくても、メタノールの酸化反応を継続することができる。

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、長期の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３０の小型化を図ることも可能である。

なお、上記した一実施の形態では、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、ジメチルエーテル、ギ酸など、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。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。

上記したように、本発明の一実施の形態における燃料電池によれば、配線などを介さずに、燃料電池セル１０のアノードガス拡散層１２をそれと隣接する燃料電池セル１０のカソードガス拡散層１４に直接電気的に接続することができるので、部品点数を削減することができる。さらに、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１４を集電体としても機能させることで、従来備えていた導電層を設ける必要がなくなり、部品点数を削減、さらに製作工程の簡易化を図ることができる。

なお、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、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、本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

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。 膜電極接合体の構成を示す分解斜視図。 膜電極接合体の各製造工程における図２のＡ−Ａ断面を模式的に示した図。 膜電極接合体の各製造工程における図２のＡ−Ａ断面を模式的に示した図。 他の膜電極接合体の構成を示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池、１０…燃料電池セル、１１…アノード触媒層、１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ…アノードガス拡散層、１３…カソード触媒層、１４、１４ａ、１４ｂ、１４ｃ…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…アノードシール材、２０…カソードシール材、２２…保湿層、２３…表面カバー、２４…空気導入口、３０…液体燃料タンク、４０…気液分離膜、２１、４５…フレーム、５０…燃料分配層、５１…燃料通過口、６０…気化燃料収容室、１００…燃料電池セル群、２００ａ…アノード触媒層形成面、２００ｂ…アノード触媒層非形成面、３００ａ…カソード触媒層形成面、３００ｂ…カソード触媒層非形成面、４００、４０１…開口部、Ｆ…液体燃料。

Claims (10)

1. 電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の面に複数配設された酸素を還元する空気極と、
   前記電解質膜の他方の面の前記各空気極に対向させて配設された燃料を酸化する燃料極と
   を具備する燃料電池であって、
   前記電解質膜の前記空気極と前記燃料極とが対向する所定位置に開口部が形成され、前記開口部を通じて、前記空気極と前記空気極に対向する燃料極に隣接する燃料極とが接触していることを特徴とする燃料電池。
2. 前記空気極が、カソード拡散層の表面の所定領域にカソード触媒層を積層して構成され、前記カソード触媒層が前記電解質膜に接触し、
   前記燃料極が、アノード拡散層の表面の所定領域にアノード触媒層を積層して構成され、前記アノード触媒層が前記電解質膜に接触し、
   前記カソード拡散層と前記アノード拡散層とが前記開口部を通じて接触していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記空気極が、カソード拡散層の表面の所定領域にカソード触媒層を積層して構成され、前記カソード触媒層が前記電解質膜に接触し、
   前記燃料極が、アノード拡散層の表面の所定領域にアノード触媒層を積層して構成され、前記アノード触媒層が前記電解質膜に接触し、
   前記カソード拡散層と前記アノード拡散層とが、前記開口部を通じ、導電性およびガス不透過性を有する導電不透過部材を介して接触していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記導電不透過部材が、導電性樹脂材料、金属材料および炭素材料から選ばれる少なくとも１つの材料からなることを特徴とする請求項３記載の燃料電池。
5. 前記カソード拡散層の前記カソード触媒層が積層されていない領域および／または前記アノード拡散層の前記アノード触媒層が積層されていない領域に、導電性およびガス不透過性を有する導電不透過部材を含浸していることを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池。
6. 前記導電不透過部材が、導電性樹脂材料、金属材料および炭素材料から選ばれる少なくとも１つの材料からなる粉体、または前記粉体と固化剤との混合体であることを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
7. 電解質膜の所定の領域に複数の開口部を形成する開口部形成工程と、
   前記開口部が形成された電解質膜の一方の面に複数の空気極を配設し、前記電解質膜の他方の面の前記各空気極に対向させて燃料極を配設し、前記空気極および前記燃料極を前記電解質膜に熱圧着するとともに、前記開口部を通じて、前記空気極と前記空気極に対向する燃料極に隣接する燃料極とを熱圧着する熱圧着工程と
   を具備することを特徴とする燃料電池の製造方法。
8. 前記空気極が、カソード拡散層の表面の所定領域にカソード触媒層を積層して構成され、前記燃料極が、アノード拡散層の表面の所定領域にアノード触媒層を積層して構成され、
   前記熱圧着工程において、
   前記カソード触媒層を前記電解質膜に圧着し、前記アノード触媒層を前記電解質膜に圧着し、前記カソード拡散層と前記アノード拡散層とを前記開口部を通じて圧着することを特徴とする請求項７記載の燃料電池の製造方法。
9. 前記空気極が、カソード拡散層の表面の所定領域にカソード触媒層を積層して構成され、前記燃料極が、アノード拡散層の表面の所定領域にアノード触媒層を積層して構成され、
   前記熱圧着工程において、
   前記カソード触媒層を前記電解質膜に圧着し、前記アノード触媒層を前記電解質膜に圧着し、前記カソード拡散層と前記アノード拡散層とを前記開口部を通じ、導電性およびガス不透過性を有する導電不透過部材を介して圧着することを特徴とする請求項７記載の燃料電池の製造方法。
10. 前記熱圧着工程後、前記カソード拡散層の前記カソード触媒層が積層されていない領域および／または前記アノード拡散層の前記アノード触媒層が積層されていない領域に、導電性およびガス不透過性を有する導電不透過部材を含浸する導電不透過部材含浸工程をさらに具備することを特徴とする請求項８または９記載の燃料電池の製造方法。

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