JP2007194111A - 固体高分子型燃料電池およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料を気化して供給する平面スタック型の燃料電池において、発生する二酸化炭素を効率よく排出することができる構造を備えた、小型で高性能な燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】複数の発電素子が、固体高分子型電解質膜３の主面及び裏面で、燃料極と酸化剤極とが交互となるように配置された平面スタック構造において、隣接する燃料極と酸化剤極との間に通気部を設ける。電池反応により燃料極１で発生する二酸化炭素を、通気部を介して燃料電池外部に排出する。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、燃料にメタノール等の液体燃料を用いた燃料電池に関し、特に、複数の発電素子が、同一平面上に配置された平面スタック型の固体高分子型燃料電池に関する。

固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟持した構造の電極−電解質膜接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ。以下、ＭＥＡという。）により構成され、燃料極に燃料として水素やアルコール等を供給し、酸化剤極に空気又は酸素を供給して電気化学反応を起こさせることにより電力を取り出す装置である。

固体高分子型燃料電池のうち、アルコール等の液体燃料を改質せずに直接燃料極に供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれる。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液を使用するダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという。）では、下記化学式１〜３で表される電池反応により発電が行われるため、燃料極側では二酸化炭素が発生する。
（化学式１）；燃料極： ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻
（化学式２）；酸化剤極： ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ ＋ ３／２Ｏ_２ → ３Ｈ_２Ｏ
（化学式３）；電池反応： ＣＨ_３ＯＨ ＋ ３／２Ｏ_２ → ＣＯ_２ ＋ ２Ｈ_２Ｏ

燃料極に接触した燃料は燃料極上に固定された触媒粒子の作用により分解されて二酸化炭素とプロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）に分離し、プロトンは固体高分子電解質膜を通過して酸化剤極上で空気中の酸素と反応して、水を生成する。このとき、電子が外部負荷を通って燃料極から酸化剤極に移動することにより電力が取り出される。

こうしたＤＭＦＣでは、燃料として液体を使用するため、水素などのガスを使用するものより燃料のエネルギー密度を高めることができ、燃料タンクの容積を小さくすることができる。また、改質器が不要なため小型化、軽量化が容易であり、小型機器用の発電装置として期待されている。その反面、燃料極に液体燃料が直接接触するため、メタノールと水が未反応のまま固体高分子電解質膜を通過して酸化剤極側に到達してしまうクロスオーバーが起こり、その結果、発電時の電圧低下や、燃料利用効率の低下を招くことがあった。また、燃料極で発生した二酸化炭素を効率良く排出できず、燃料容器内の圧力が高くなり、液体燃料の漏出や、クロスオーバーの増大、電池性能の低下などが起こることがあった。即ち、二酸化炭素を効率よく排出することのできる技術の提供が望まれている。

上記と関連して、特許文献１には、液体燃料をＰＴＦＥ多孔質体等の気液分離膜を通じて気化させた燃料を燃料極に供給することが記載されている。

また、特許文献２は、分離膜を介して炭酸ガスを選択的に燃料容器外へ排出する燃料電池、を開示している。

一般に、燃料電池は単一のセルでは得られる電圧が低いために、複数のセルを積層させて直列接続させた燃料電池スタックとして、必要な電圧を得ている。複数の燃料電池セルを積層させる方式としては、燃料電池の単位セルがセルの厚み方向に積層したバイポーラ型と、燃料電池の単位セルが平面的に並ぶ平面スタック型とが知られている。平面スタック型燃料電池は、バイポーラ型に比べて電池の厚さを薄くすることができるため、小型化、薄型化が求められる小型機器用の発電装置に適した構造である。

このような平面スタック型燃料電池として、特許文献３には、酸素電極層とプロトン伝導体層と燃料電極層とが積層構造をなし、該酸素電極層と該燃料電極層との間に該プロトン伝導体層が位置する発電素子が複数設けられ、隣り合う一の該発電素子の層と他の該発電素子の層とが、積層方向と直交する層方向に略同一平面上に配列されて直列接続され、該一の発電素子の該プロトン伝導体層と該他の発電素子の該プロトン伝導体層とが同一平面上に配列される平面配列型電気化学素子ユニットにおいて、該プロトン伝導体層の一方の側において、略同一平面上の該一の発電素子の該燃料電極層と該他の発電素子の該酸素電極層とが交互に配置され、該プロトン伝導体層の他方の側において、略同一平面上に該一の発電素子の該酸素電極層と該他の発電素子の該燃料電極層とが交互に配置されていることを特徴とする平面配列型電気化学素子ユニット、が記載されている。

また、特許文献４は、プロトン導電体膜の表裏両面の各々に、燃料極と空気極とを交互に所定の配列方向に沿って複数設けて、プロトン導電体膜の表裏で燃料極と空気極とが対抗するようにし、プロトン導電体膜に関して同一面上で隣接した位置にあり、かつ前記の配列方向に関して所定の向きにある、燃料極と空気極とを電気的に接続することにより、燃料極と空気極とのペアを形成した、直接型燃料電池、を開示している。

また、特許文献５は、プロトン導電性の電解質膜を介して一対の空気極と燃料極とが接合された電極−膜接合体の燃料極側に液体燃料を供給し、空気極側に空気を供給する直接液体供給型燃料電池において、同一平面上に複数の電極−膜接合体を構成し、これらの複数の電極−膜接合体の隣接した空気極、燃料極間を直列もしくは並列に接続し、その同一面上に構成された複数の燃料極には同一の燃料貯蔵部から毛細管体によって燃料が供給されるとともに、その同一平面上に構成された複数の空気極を覆って空気極室を構成し、その空気極にファンもしくはブロアによって空気を供給することを特徴とする直接液体供給型燃料電池、を開示している。

特開２００１−１５１３０号公報 特開２００１−１０２０７０号公報 特開２００２−１５１１３４号公報

しかしながら、多孔質体を通じて燃料極に燃料を気化供給する場合、燃料極で発生した二酸化炭素が多孔質体を透過して燃料供給側に逆流することがあった。逆流により、燃料の気化供給が妨げられることがあった。

また、多孔質体から二酸化炭素がスムーズに抜けず、燃料極と多孔質体の間に二酸化炭素ガスが充満することによって燃料極への燃料供給が不十分となることがあった。このように、燃料極への燃料供給が不十分となると、発電が不安定になる。特に、二酸化炭素の発生は高電流で発電させるほど増大するので、高電流領域において高出力で安定した発電を長時間維持することが望まれる。

また、分離膜を介して二酸化炭素を選択的に排出させる場合、燃料極で発生した二酸化炭素は液体燃料保持部と燃料極の間に滞りやすく、その結果、燃料極への燃料供給が妨げられ、高電流域で安定した発電を長時間維持することが難しい。

また、電解質膜の一面上で、燃料極と酸化剤極とが交互となるように配置された平面スタック型の固体高分子型燃料電池においては、燃料極と酸化剤極とが同一平面上で隣接することとなる。このとき、燃料極側に供給される燃料と、酸化剤極に供給される酸化剤ガスとの混合を避ける為に、両者の間はシール性を有する部材を配置して遮断されていた。燃料極の周囲はシール部材で密閉されることになるので、燃料極で発生した二酸化炭素は燃料流路へ逆流することがあった。

即ち、電解質膜の一面上で燃料極と酸化剤極とが交互になるように配置された平面スタック型の燃料電池においても、燃料極で発生した二酸化炭素を効率よく排出することのできる技術の提供が望まれる。

よって、本発明の目的は、平面スタック型の燃料電池において、燃料極で発生した二酸化炭素を効率よく排出する技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、燃料極と酸化剤極とが交互になるように配置された平面スタック型の燃料電池において、燃料極で発生した二酸化炭素が効率よく排出される固体高分子型燃料電池を提供することにある。

本発明の他の目的は、平面スタック型の燃料電池において、燃料極で発生した二酸化炭素を効率よく排出する技術を提供することにある。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明に係る固体高分子型燃料電池（１５）は、複数の発電素子（１０）と、電気接続部（５）と、絶縁部（６）と、通気部（１６）と、を有する。複数の発電素子（１０）は、共通の固体高分子電解質膜（３）を有する。複数の発電素子（１０）の各々は、更に、燃料極（１）と、酸化剤極（２）とを有する。各発電素子（１０）において、燃料極（１）と酸化剤極（２）とは、固体高分子電解質膜（３）を挟むようにして配置されている。複数の発電素子（１０）は、固体高分子電解質膜（３）の主面上で燃料極（１）と酸化剤極（２）とが交互に並ぶように配置される。固体高分子電解質膜（３）の主面上において、隣接する燃料極（１）と酸化剤極（２）との間には、電気接続部（５）又は絶縁部（６）
が交互となるように設けられている。固体高分子電解質膜（３）の裏面上において、その主面上の燃料極（１）に対向する位置には酸化剤極（２）が配置され、その主面上の酸化剤極（２）に対向する位置には燃料極（１）が配置され、その主面上の電気接続部（５）に対向する位置には絶縁部（６）が配置され、その主面上の絶縁部（６）に対向する位置には電気接続部（５）が配置されている。電気接続部（５）は、隣接する燃料極（１）と酸化剤極（２）との間を電気的に接続する。絶縁部（６）は、隣接する燃料極（１）と酸化剤極（２）との間を絶縁する。複数の発電素子（１０）は直列に電気接続されている。酸化剤極（２）は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路（２ｃ）に接続されている。通気部（１６）は、燃料極（１）で発生した二酸化炭素を、複数の発電素子（１０）の平面方向側外周部から外部へ排出するか、又は、隣接する酸化剤極（２）に接続された酸化剤流路（2ｃ）に排出するように設けられている。

上述の構成に依れば、通気部（１６）を介して、燃料極（１）で発生した二酸化炭素は外部又は酸化剤ガス流路に効率よく排出される。

また、燃料極（１）は、固体高分子電解質膜（３）上に密接するアノード触媒層（１ｂ）と、アノード触媒層（１ｂ）上に設けられたアノードガス拡散電極（１ａ）と、を有する。酸化剤極（２）は、固体高分子電解質膜（３）上に密接するカソード触媒層（２ｂ）と、カソード触媒層（２ｂ）上に設けられたカソードガス拡散電極（１ａ）と、を有する。

また、通気部（１６）は、絶縁部（６）によって絶縁された燃料極（１）と酸化剤極（２）間に設けられた空隙である。通気部（１６）は、アノードガス拡散電極（１ａ）に接続されている。通気部（１６）は、複数の発電素子（１０）の平面方向外周部で外部に連通する。燃料極（１）で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極（１ａ）から通気部（１６）を介して外部へ排出される。

上述の構成に依れば、燃料極（１）で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極（１ａ）から通気部（１６）を介して外部へ排出される。二酸化炭素は、燃料流路側へ逆流しないので、燃料の供給が妨げられず、燃料流路内の圧力も上昇しない。よって、安定した発電を長時間維持することができる。

また、本発明の一形態において、アノードガス拡散電極（１ａ）は、アノード触媒層（１ｂ）の全面を覆う。アノードガス拡散電極（１ａ）は、アノード触媒層（１ｂ）より平面方向に広い。通気部（１６）は、アノードガス拡散電極（１ａ）がアノード触媒層（１ｂ）からはみ出した部分の下に形成された空隙を含む。燃料極（１）で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極（１ａ）においてアノード触媒層（１ｂ）からはみ出た部分の下部から通気部（１６）を介して外部へ排出される。

本発明に係る固体高分子型燃料電池（１５）は、更に、多孔質体（１４）と、気液分離膜（４）と、燃料流路（１ｃ）と、を備える。多孔質体（１４）は、電気接続部（５）及び絶縁部（６）の上に設けられている。気液分離膜（４）は、２つの多孔質体（１４）の上から、燃料極（１）を間隙（２０）を介して覆うように設けられている。燃料流路（１ｃ）は、気液分離膜（４）の燃料極（１）とは反対側の面に接続されるように設けられている。気液分離膜（４）と燃料極（１）との間に形成された間隙（２０）は、多孔質体（１４）を介して、隣接する酸化剤極（２）に接続された酸化剤流路（2ｃ）と連通する。燃料極（１）で発生した二酸化炭素は、気液分離膜（４）との間に形成された間隙（２０）と、多孔質体（１４）と、を介して酸化剤流路（２ｃ）へ排出される。

上述の構成によっても、燃料極（１）で発生した二酸化炭素は酸化剤流路（２ｃ）へと排出される為に、燃料流路側へ逆流しない。よって、安定した発電を長時間維持することができる。

また、電気接続部（５）は、気体が通過不可能な非多孔質の導電性材料で構成される。電気接続部（５）は、アノードガス拡散電極（１a）及びカソードガス拡散電極（1ｂ）の双方に接合されていることが好ましい。

また、電気接続部（５）は、ガスシール性を有するガスシール部（７）である。電気接続部（５）と、電気接続部（５）を介して隣接するアノードガス拡散電極（１ａ）とカソードガス拡散電極（２ａ）とは、単一の部材であるガス拡散電極（１７）から形成されている。

単一のガス拡散電極（１７）を燃料極（１）と酸化剤極（２）とで直接共有すれば、新たに電気接続部（５）を設ける必要がないため、燃料電池スタックの作製が容易になる。又、電気接続部（５）とガス拡散電極（１７）との接合部における接触抵抗がないため、電圧ロスを抑えることができる。ガスシール部（７）はガス拡散電極を通した燃料と酸化剤の混合を抑制するために形成される。

また、ガスシール部（７）には、隣接するアノードガス拡散電極（１ａ）とカソードガス拡散電極（１ｂ）との間を接続するガスシール部通気孔（１８）が設けられている。絶縁部（６）には、絶縁部（６）を介して隣接するアノードガス拡散電極（１ａ）とカソードガス拡散電極（１ｂ）との間を接続する絶縁部通気孔（１９）が設けられている。燃料極（１）で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極（１ａ）から、ガスシール部通気孔（１８）又は絶縁部通気孔（１９）を介して、隣接するカソードガス拡散電極（２ａ）へ排出される。カソードガス拡散電極（２ａ）へ排出された二酸化炭素は、酸化剤流路（２ｃ）へと排出される。

本発明に依れば、燃料極で発生した二酸化炭素が効率よく排出される固体高分子型燃料電池が提供される。

更に本発明に依れば、平面スタック型の燃料電池において、燃料極で発生した二酸化炭素を効率よく排出することのできる固体高分子型燃料電池が提供される。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１Ａは、本実施の形態における固体高分子型燃料電池１の断面図である。図３は、固体高分子型燃料電池１５の平面図である。図１Ａに示されるように、固体高分子型燃料電池１５は、複数の発電素子１０、電気接続部５、絶縁部６、通気部１６、酸化剤流路２ｃ、燃料流路１ｃ、気液分離膜４、流路板１２、及びスペーサ−１１を備えている。

図１Ａに示されるように、複数の発電素子１０において、一の固体高分子電解質膜３が共通に用いられている。各発電素子１０は、燃料極１と酸化剤極２とを有している。各発電素子１０において、燃料極１と酸化剤極２とは、固体高分子電解質膜３を挟むようにして配置されている。このように配置された複数の発電素子１０を、以下にＭＥＡユニットと記載する場合がある。このようなＭＥＡユニットが、流路板１２によって挟まれることで、固体高分子型燃料電池１５を構成している。

図３は、固体高分子型燃料電池１５の上面図である。実際には、流路板１２で覆われていて内部は見えないが、説明の便宜上、固体高分子電解質膜３の主面上における、絶縁部６、燃料極１、酸化剤極２、及び電気接続部５等の位置関係を透視させて示している。各発電素子１０は矩形状である。複数の発電素子１０は、長辺同士をとなり合わせて、短辺方向に並んでいる。ここで、隣り合う発電素子１０では、燃料極１と酸化剤極２とが隣接するように配列されている。即ち、固体高分子電解質膜３の主面上において、燃料極１と酸化剤極２が交互となるように配置されている。このように配置された複数の発電素子１０は、配列方向に直列となるように電気的に接続されている。

図１Ａに示される様に、複数の発電素子１０のうち、両端に位置する発電素子１０には、正極端子８及び負極端子９が接続されている。正極端子８及び負極端子９は、外部負荷（図示されていない）に接続されている。正極端子８から負極端子９へ電流が流れて、固体高分子型燃料電池１５から電力が取り出される。

固体高分子型燃料電池１５の外周部には、ＭＥＡユニットの厚さに応じた隙間が生じるが、この隙間は絶縁部６やスペーサー１１によって埋められている。これにより、外部への燃料漏れが防止される。

図１Ｂは、複数の発電素子１０のうち、隣接する２つの発電素子１０部分を拡大して示した断面図である。燃料極１はアノードガス拡散電極１ａとアノード触媒層１ｂとを有している。固体高分子電解質膜３上で、アノード触媒層１ｂとアノードガス拡散電極１ａが、この順に積層している。酸化剤極２はカソードガス拡散電極２ａとカソード触媒層２ｂとを有している。固体高分子電解質膜３上で、カソード触媒層２ｂ、カソードガス拡散電極２ａが、この順に積層している。

図１Ａ及び図３に示されるように、隣り合う発電素子１０間には、電気接続部５又は絶縁部６が設けられている。ここで、電気接続部５及び絶縁部６は、固体高分子電解質膜３の主面上で交互となるように設けられている。また、主面と裏面において、電気接続部５と絶縁部６とが固体高分子電解質膜３を介して対向するように設けられている。電気接続部５は、一の発電素子１０のアノードガス拡散電極１ａと、隣接する発電素子１０のカソードガス拡散電極２ａとを電気的に接続している。一方、絶縁部６は、燃料極１ａと隣接する酸化剤極２ａとを絶縁している。

尚、固体高分子電解質膜３の裏面側でも同様に、電気接続部５又は絶縁部が、隣接する発電素子１０の間に設けられている。但し、主面側の電気接続部５と対向する位置には絶縁部６が設けられ、主面側の絶縁部６に対向する位置には電気絶縁部５が設けられている。

このようにして、複数の発電素子１０は、短辺方向に直列に接続されている。

絶縁部６は、隣接する燃料極１と酸化剤極２を電気的に隔離するために設けられるもので、燃料極１と酸化剤極２の間の一部又は全部を耐食性のある絶縁性の材料で仕切ることにより形成することができる。絶縁部６の厚みは、アノードガス拡散電極１ａの厚みよりも薄い。アノードガス拡散電極１ａに対する絶縁部６の厚さの比は、特に限定されないが、二酸化炭素が効果的に抜ければよく、０．２〜０．５の値が望ましい。また、図３に示されるように、絶縁部６は、固体高分子型燃料電池１５の外周部にも設けられることもある。これにより、外部と各発電素子１０との間が絶縁される。

尚、絶縁部６は、両電極間を樹脂で仕切るのではなく、単に燃料極１と酸化剤極２の間に空隙を設けて絶縁部６としてもよい。

図１Ｂを参照する。絶縁部６の厚みがアノードガス拡散電極１ａの厚みよりも薄いか、あるいは空隙であることによって、絶縁部６の両側に位置するアノードガス拡散電極１ａとカソードガス拡散電極２ａとの間には、空隙である通気部１６が形成されている。即ち、絶縁部６と固体電解質膜３との間に形成された空隙が通気部１６である。絶縁部６はアノードガス拡散電極１ａより薄いので、アノードガス拡散電極１ａは通気部１６と接続している。これにより、図１Ｂ中、矢印で示されるように、アノードガス拡散電極１ａで発生した二酸化炭素が通気部１６へ排出される。

一方、電気接続部５は、アノードガス拡散電極１ａと同じ厚みであり、同じ高さに設けられている。電気接続部５と固体高分子電解質膜３との間には、アノード触媒層１ｂと同じ厚みを有する空間が形成されているが、アノードガス拡散電極１ａに接続されてはいない。よって、特には二酸化炭素の排出には寄与していない。但し、電気接続部５の厚みを、絶縁部６と同様にアノードガス拡散電極１ａよりも薄くし、その空間をアノードガス拡散電極１ａと接続させてもよい。このようにすれば、一の燃料極１において、絶縁部６側と電気接続部５側との双方から二酸化炭素を排出することができる。よって、より効率よく二酸化炭素が排出される。

尚、絶縁部６として樹脂等の材料を用いた仕切りではなく、空隙とした場合には、アノードガス拡散電極１ａとカソードガス拡散電極２ａとの間の絶縁部６自体が通気部１６となる。

通気部１６は、発電素子１０の長辺（図１Ｂ中、紙面に対して垂直方向）に延在している。そして、固体高分子型で燃料電池１５の外周部において、外部と連通している。既述したように、固体高分子型燃料電池１５の外周部は、絶縁部６やスペーサー１１によって隙間が埋められているが、通気部１６の両端に位置する部分には開口が設けられている。その開口を介して、通気部１６は、長辺方向両端部にて、即ち固体高分子型燃料電池１５の外周部にて、外部に連通している。

気液分離膜４は、図１Ｂに示される様に、アノードガス拡散電極１ａの上（固体高分子電解質膜３の反対側）に設けられている。気液分離膜４上に燃料流路１ｃが接続されている。燃料流路１ｃは、流路板１２において燃料極１上に対応する位置に設けられた凹部であり、燃料が流れるようになっている。燃料流路１ｃにメタノール水溶液等の液体燃料を流すと、気液分離膜４を介して燃料が気化し、気化した燃料が燃料極１に供給される。気液分離膜４としては、ＰＴＦＥ多孔質膜などのような撥水性の多孔質膜が好適に用いられる。

カソードガス拡散電極２ａ上には酸化剤流路２ｃが接続されている。酸化剤流路２ｃは、流路板１２において酸化剤極２上に位置する部分に設けられた凹部である。空気等の酸化剤ガスが酸化剤流路２ｃからカソードガス拡散電極２ａに供給されるようになっている。

流路板１２は、燃料極１と酸化剤極２とが交互に配置され、既述のように複数の発電素子１０が平面状に直列接続されて構成されたＭＥＡユニットを挟んでいる。また、図には示していないが、ＭＥＡユニットと流路板１２の間には、燃料漏れを防止するためのシール部材が配置される場合もある。そのシール部材としては、シール性、絶縁性及び弾性を有するものが好ましく、通常はシール機能を有するゴム状素材、例えばシリコンゴム、ブチルゴム、フッ素樹脂系ゴム等のゴム素材が好適に用いられる。シール部材を設けることで、液体燃料の漏れをより効果的に防ぐことができる。ＭＥＡユニットの両側を流路板１２で挟持する方法としては、流路板１２の周縁部を貫通するように複数のネジで２枚の流路板１２をネジ止めしたり、あるいは、流路板１２とＭＥＡユニットを接着剤等で接着する方法などが挙げられる。

図１Ａに示される様に、スペーサー１１は固体高分子型燃料電池１５内に生じた隙間や、厚みのバラツキなどを吸収する目的で設けられる。材質としては、上記のシール部材と同じものを用いることができる。スペーサー１１は、例えば、両端に位置する発電素子と外部との間の隙間に設けられている。

続いて、上述の構成部材の素材について説明する。

固体高分子電解質膜３としては、燃料に対する耐食性を有すると共に、水素イオン（プロトン）の伝導性が高く、かつ、電子伝導性をもたない高分子膜が好適に使用される。固体高分子電解質膜１１の構成材料としては、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有するイオン交換樹脂が好ましく、その具体例としては、パーフルオロスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリイミド系樹脂等が挙げられる。より具体的には、例えば、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族系高分子からなる固体高分子電解質膜を挙げることができる。固体高分子電解質膜の膜厚は、その材質や燃料電池の用途等に応じて、１０〜３００μｍ程度の範囲内で適宜選定可能である。

酸化剤極２は、酸素を還元して水にする電極であり、例えば、触媒をカーボン等の担体に担持させた粒子（粉末を含む）又は担体を有さない触媒単体と、プロトン伝導体との混合物である触媒層（カソード触媒層（２ｂ））をカーボンペーパー等のガス拡散電極上（カソードガス拡散電極２ａ）に塗布等で形成することにより得ることができる。その触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、モリブデン、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等が挙げられる。触媒は、１種のみでも、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。触媒を担持する粒子としては、アセチレンブラック、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の炭素系材料が例示される。粒子の大きさは、例えば炭素系材料が粒状物であるときには、０．０１〜０．１μｍ程度の範囲内、好ましくは０．０２〜０．０６μｍ程度の範囲内で適宜選定される。粒子に触媒を担持させるには、例えばコロイド法を適用することができる。

燃料極１は、メタノールと水から水素イオンと二酸化炭素と電子を生成する電極であり、上記の酸化剤極２と同様に触媒層（アノード触媒層１ｂ）と、ガス拡散電極（アノードガス拡散電極１ａ）とを有している。アノード及びカソードの単位面積当たりの触媒量は、触媒の種類や大きさ等に応じて、１ｍｇ／ｃｍ^２ 〜２０ｍｇ／ｃｍ^２ 程度の範囲内で適宜選定可能である。

ガス拡散電極１ａ，２ａ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、導電性を有する多孔質体を用いることができ、厚さ１００μｍ〜３００μｍ、気孔率４０％〜９０％のものが好適に用いられる。

電気接続部５は導電性が高く、耐食性があり、ガスシール性を有している材料が用いられる。例えば、ステンレスや貴金属などが好適に用いられる。

絶縁部６や流路板１２としては、耐食性のある絶縁性の材料が用いられる。例えば、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのポリオレフィン、ポリカーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリスルフォン、シリコーンなどの樹脂、あるいは、シリカやアルミナなどのセラミックスが挙げられる。

燃料流路１ｃから供給される液体燃料としてはメタノールと水の混合水溶液が一般的に用いられる。また、酸化剤流路２ｃから供給される酸化剤としては空気が一般的に使用される。液体燃料や酸化剤の供給はポンプやブロワーなどの補機を用いて行うことができる。燃料流路１ｃや酸化剤流路２ｃは、複数の発電素子１０を直列に接続するように形成してもよいし、複数の流路に分岐して各発電素子へ流れるように並列に形成してもよい。また、補機は使用せずに、酸化剤流路２ｃを全面あるいは部分的に大気に開放して空気を取り入れてもよい。また、燃料流路１ｃには、ウィッキング材と呼ばれる燃料保持材を用いて毛細管現象によりメタノール水溶液を燃料極１に供給することもできる。その燃料保持材としては、例えば、親水性ウレタン発泡材や親水性ガラス繊維等の親水性の発泡材料や多孔質材料が好適に用いられる。

電気接続部５は、燃料極１と酸化剤極２のガス拡散電極同士を耐食性を有する金属材料で接合する事で形成することができる。このようにして、燃料極１と酸化剤極２との間が、ガスシール性を有しつつも、電気的に接続させることができる。

一方、絶縁部６は、ＭＥＡユニット作製後に隣接する燃料極１と酸化剤極２のガス拡散電極の隙間とその周囲にそのガス拡散電極よりも厚さが薄い樹脂やセラミックからなる絶縁板やシール部材を接着したり、熱接合することにより形成することができる。あるいは、上述の絶縁板やシール部材を流路板１２に気液分離膜４とともに予め接合し、ＭＥＡユニットをこの流路板１２で挟持することによっても、通気部１６を備えた同様な構造を形成することが可能である。

続いて、本実施の形態に係る固体高分子型燃料電池１５における、二酸化炭素の排出経路について説明する。

図１Ｂにおける矢印は、燃料極１で発生した二酸化炭素の流れを示している。既述のように、燃料極１では、発電時において二酸化炭素が発生する。発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極１ａの側部から通気部１６へ排出される。通気部１６へ導かれた二酸化炭素は、図３に矢印で示されるように、長辺方向側両端部において外部へ排出される。

本発明のように同一平面上に燃料極と酸化剤極を交互に配列して直列接続させるタイプの燃料電池スタック構造では、例えば、気体燃料として水素ガスのような燃料を用いた場合、燃料ガスのリークを防止するために隣接する燃料極と酸化剤極との間には高いシール性能が要求される。又、液体燃料を直接燃料極に供給する場合も、燃料漏れが起こらないようにするために完全にシールされていることが望まれる。

これに対し、本願発明では、反応生成物である二酸化炭素を外部へ放出するために、敢えてシールを部分的になくした構造にしている。気化燃料のリークは生じるが、その量はわずかであり、それよりも二酸化炭素を排出させる手段を設ける方が燃料電池スタックの電池性能を向上させることができる。

以上述べたように、本実施の形態によれば、メタノール水溶液を気化して供給する平面スタック型の燃料電池において、気液分離膜と固体高分子電解質膜との間に通気部１６を備えることで、燃料極で発生した二酸化炭素の排出が効率的に行われ、気液分離膜を介した液体燃料の気化供給がスムーズに行われるため、長時間安定した高出力発電を維持することができる。

また、二酸化炭素を排出するために、ＭＥＡユニットに対して流路構造を外付けしていないので、新たな容積を取らない。よって、燃料電池の小型化の要求に対しても有利である。

（第２の実施形態）
図２Ａは、第２の実施形態における固体高分子型燃料電池の断面図である。図２Ｂは、図２Ａにおいて、隣接する２つの発電素子の部分を拡大した断面図である。本実施の形態では、第１の実施形態と比較して、アノードガス拡散電極１ａ、カソードガス拡散電極２ａの広さが工夫されている。尚、構成の詳細な説明にあたり、第１の実施形態と同様の構成については説明が省略される。

アノードガス拡散電極１ａは、アノード触媒層１ｂよりも広く形成されている。同様に、カソードガス拡散電極２ａも、カソード触媒層２ｂよりも広く形成されている。このようにして、アノードガス拡散電極１ａがアノード触媒層１ｂから若干はみ出している。同様に、カソードガス拡散電極２ａもカソード触媒層２ｂから若干はみ出している。

絶縁部６の厚みはアノードガス拡散電極１ａの厚みと同じであり、アノードガス拡散電極１ａと同じ高さに設けられている。絶縁部６は樹脂等の材料で形成されている。

上述のような構成により、絶縁部６と固体高分子電解質膜３との間には、アノード触媒層１ｂの厚さと同じ厚さの空隙が通気部１６として形成される。同様に、電気接続部５と固体高分子電解質膜３との間にも空隙が生じ、通気部１６を形成している。通気部１６は、アノードガス拡散電極１ａがアノード触媒層１ｂからはみ出した部分の下部（固体高分子電解質膜３側）で、アノードガス拡散電極１ａに接続されている。尚、通気部１６は第１の実施形態と同様に、発電素子１０の長辺方向両端部において外部と連通している。

続いて、本実施の形態における二酸化炭素の排出経路について説明する。図２Ｂ中、矢印は二酸化炭素の流れの方向を示している。燃料極１で発生した二酸化炭素は、アノードガス拡散電極１aにおいて、はみ出した部分の下部（固体高分子電解質膜３側）から通気部１６へ排出される。通気部１６へ排出された二酸化炭素は、第１の実施形態と同様に、長辺方向の両端部（固体高分子型燃料電池１５の外周部）から外部に排出される。

本実施の形態に依れば、第１の実施形態と同様に、燃料極で発生した二酸化炭素を燃料流路側に戻さずに燃料電池外部へスムーズに排出することができる。尚、アノードガス拡散電極１ａに対するアノード触媒層１ｂの面積比は８０％〜９５％が好ましい。このような範囲とすることで、よりスムーズに二酸化炭素を外部へ排出することができる。

（第３の実施形態）
図４Ａ、Ｂ、図５に、第３の実施形態における固体高分子型燃料電池１５の構成を示す。図５は、固体高分子電解質膜３の主面上での各構成の配置を説明する図である。図４Ａは図５のＡ−Ａ´断面図である。図４Ｂは、図４Ａにおいて隣接する２つの発電素子１０の部分を拡大した図である。本実施の形態においては、第１の実施形態に対して、（１）アノードガス拡散電極１ａ及びカソードガス拡散電極２ａが単一の部材（ガス拡散電極１７）を共有した構造である点、（２）絶縁部６及び電気接続部５（ガスシール部７）に通気孔が設けられている点、について工夫がなされている。以下にこれらの構成の詳細を説明する。尚、第１の実施形態と同様の構成については、説明を省略する場合がある。

図４Ａに示されるように、一の発電素子１０のアノードガス拡散電極１ａは、隣接する他の一の発電素子１０のカソードガス拡散電極２ａと同一の部材であるガス拡散電極１７により形成されている。即ち、一のガス拡散電極１７が、２つの発電素子１０で共通に用いられている。

ガス拡散電極１７の中央部には、ガスシール部７が設けられている。ここで、ガスシール部７は、第１の実施形態における電気接続部５に対応する位置に設けられている。ガス拡散電極１７は、ガスシール部７によってアノードガス拡散電極１ａとカソードガス拡散電極２ａとに分割されている。即ち、本実施の形態ではガスシール部７が電気接続部５となっている。ガスシール部７は、ガスシール性を有し、燃料と酸化剤の混合を抑制する。ガスシール部７は、ガスシール性を有しているが、絶縁性は有さず、アノードガス拡散電極１ａとカソードガス拡散電極２ａとは電気的に接続されている。

ガスシール部７は、熱硬化性のシール剤をガス拡散電極１７に塗布することにより形成することができる。そのシール剤としては、例えば、シリコーン系やオレフィン系のものが好適に用いることができる。又は、金や白金のような耐食性を有する金属微粒子からなる導電性ペーストをガス拡散電極に塗布して焼結させることにより形成してもよい。

ところで、図５に示されるように、ガスシール部７は、隣接する発電素子１０間で、長辺方向の略全体を埋めるように形成されているが、一部ではガスシール部７が設けられていない。ガスシール部７が設けられていない部分は、ガスシール部通気孔１８として、アノードガス拡散電極１ａと、隣接するカソードガス拡散電極２ａとをつないでいる。

尚、固体高分子型燃料電池１５の外周部は、スペーサー１１及び絶縁部６が配置されており、内部を密閉している。

図４Ａ、図４Ｂに示されるように、絶縁部６は、隣り合うガス拡散電極１７の間に設けられている。絶縁部６は、ガスシール部７と同様に、発電素子１０の長辺方向の略全体に渉って設けられている。但し、一部では絶縁部６が設けられておらず、空隙となっている。この空隙部分が絶縁部通気孔１９である。絶縁部通気孔１９によって、一の燃料極１と隣接する酸化剤極２との間が通気可能となっている。

絶縁部通気孔１９が設けられた絶縁部６は、ＭＥＡユニットの燃料極１及び酸化剤極２と同じ厚さで部分的に切り抜いた樹脂やセラミックからなる絶縁板やシール部材を、隣接する燃料極１と酸化剤極２の間に挿入することで形成することができる。あるいは、燃料極１と酸化剤極２の間に熱硬化性のシール剤を部分的に隙間を空けて塗布し熱硬化させることにより形成させてもよい。

尚、絶縁部６が空隙である場合には、絶縁部６全体が絶縁部通気孔１９として作用し、一の燃料電池１と隣接する酸化剤極２との間が通気可能となる。

続いて、本実施の形態における二酸化炭素の排出経路について説明する。本実施の形態では、絶縁部通気孔１９、ガスシール部通気孔１８、及びカソードガス拡散電極２ａとが通気部１６として作用する。

図５の矢印は、燃料極１で発生した二酸化炭素の流れを示している。本実施の形態に依れば、絶縁部６に少なくとも１個以上の絶縁部通気孔１９を設け、且つ、ガスシール部７に少なくとも１個以上のガスシール部通気孔１８を設けることにより、燃料極１で発生した二酸化炭素がこれらの通気孔１８、１９を介して隣接するカソードガス拡散電極２ａへ排出される。

図４Ｂにおいても同様に二酸化炭素の流れが矢印で示されている。但し、図４Ｂは、ガスシール部７及び絶縁部６を通る断面であるので、実際にはこの断面において二酸化炭素は移動しない。ガスシール部通気孔１８及び絶縁部通気孔１９を介して移動する二酸化炭素を概念的に透視させて示している。図４Ｂに示される様に、カソードガス拡散電極２ａへ排出された二酸化炭素は、酸化剤流路２ｃに排出される。このようにして、燃料極で発生した二酸化炭素は、酸化剤流路２ｃへ排出される。

即ち本実施の形態においては、ガスシール部通気孔１８、絶縁部通気孔１９、及びカソードガス拡散電極２aが通気部１６として作用する。

本実施の形態に依れば、第１、第２の実施の形態と同様に、燃料極と酸化剤極とが同一面上で交互に配置された平面スタック型の燃料電池において、二酸化炭素を効率良く排出することができる。

更に、本実施の形態に依れば、通気部１６が外気と通じていないため、燃料電池の保管中に外気が燃料電池内部に進入するのを防ぎ、保管時における電極の劣化やドライアップによる電池性能の劣化を抑制することができる。

尚、酸化剤ガスには排出された二酸化炭素が混入することになるが、発生する二酸化炭素に比べて酸化剤ガスの流量を十分に大きくすることで、二酸化炭素の混入による電池性能の劣化を抑制できる。ガスシール部通気孔１８や絶縁部通気孔１９の個数や大きさは特に限定されないが、少なくとも二酸化炭素が効果的に排出される個数と大きさであればよい。発電素子１０の長辺方向の長さに対して、ガスシール部通気孔１８及び絶縁部通気孔１９が設けられた部分の長さが、１０％〜５０％の範囲であると、二酸化炭素がより効果的に排出される。

更に、燃料容器の内圧上昇による燃料の漏出を防ぐことができるため、燃料電池スタックの性能や寿命の低下が抑えられ、高い信頼性の燃料電池を提供することが可能となる。

更に、通気孔を介して隣り合う燃料極１と酸化剤極２が連通しているので、酸化剤極２で発生した水蒸気が燃料極１側に供給される。燃料極１が加湿されるため、より安定的な発電が可能となる。

更に、アノードガス拡散電極１ａとカソードガス拡散電極２ａとが、一の部材であるガス拡散電極１７を共有しているので、新たに電気接続部を追加する工程を必要としない。よって、製造工程を簡略化することができる。また、電気接続部５とガス拡散電極との接合部における接触抵抗がないために、電圧ロスを押さえることができる。

（第４の実施形態）
図６Ａは、第４の実施形態における固体高分子型燃料電池１５の断面図である。本実施の形態では、第３の実施形態に対して、絶縁部６及びガスシール部７に通気孔が無く連続である点、燃料極１と気液分離膜４の間に多孔質体１４が挿入されている点で異なっている。その他の構成は第３の実施形態と同様であり、説明は省略される。

図６Ｂは、図６Ａにおいて、２つの発電素子１０に関する部分を拡大した断面図である。ガスシール部７の上には多孔質体１４が配置されている。ガスシール部７上に設けられた多孔質体１４は、一端で酸化剤流路２ｃに接続されている。一方、絶縁部６の上（固体高分子電解質膜３の反対側）にも多孔質体１４が配置されている。ガスシール部７上に設けられた多孔質体１４と、絶縁部６上に設けられた多孔質体１４との上に気液分離膜４が設けられている。気液分離膜４と、アノードガス拡散電極１ａとの間には、多孔質体１４の厚さほどの間隙２０が生じている。気液分離膜４の上には燃料流路１ｃが設けられている。即ち、多孔質体１４は、酸化剤流路２ｃの逆側で間隙２０に接続されている。

図６Ｂにおいて、矢印は燃料極１で発生した二酸化炭素の流れを示している。ガス拡散電極１７の燃料極１側（アノードガス拡散電極１ａ）で発生した二酸化炭素は、上側（気液分離膜４側）から間隙２０に排出される。間隙２０に排出された二酸化炭素は、側部から多孔質体１４を介して酸化剤流路２ｃへと排出される。即ち、本実施の形態においては、間隙２０及び多孔質体１４が通気部１６として作用している。

多孔質体１４は、各発電素子１０のアノードガス拡散電極１ａの平面方向外周部を取り囲むように、気液分離膜４と絶縁部６及び気液分離膜４とガスシール部７の間に挿入することができる。

多孔質体１４としては、撥水性であって、孔径１〜１０μｍ、気孔率４０％〜８０％の範囲であるものが望ましい。多孔質体１４の厚みは、孔径によって異なるが、二酸化炭素がスムーズに透過する厚みであればよく、実用性の観点から０．１〜１ｍｍの範囲が望ましい。

尚、多孔質体１４はガスシール部７上のみに設けてもよい。この場合、燃料電池の保管中に外気が燃料電池内部に進入するのが防止され、保管時における電極の劣化やドライアップによる電池性能の劣化を抑制することができる。

本実施の形態に依れば、第３の実施形態と同様に、燃料極１で発生した二酸化炭素を効率よく排出することができる。又、燃料極１と酸化剤極２は多孔質体１４を通して連通しているので、発電反応で酸化剤極２で発生した水蒸気が多孔質体１４を通して燃料極１側に拡散し供給される。よって、発電中に燃料極１が常に加湿された状態となり、より安定的な発電が可能となる。

また、燃料極１で発生した二酸化炭素は酸化剤流路１ｃへと抜けるため、ガスシール部７や絶縁部６に通気孔を設ける必要はない。したがって、絶縁部６は、ＭＥＡユニットの燃料極１及び酸化剤極２と同じ厚さで、連続した樹脂板やシール部材を隣接する燃料極１と酸化剤極２の間に挿入することで形成することができる。あるいは、燃料極１と酸化剤極２の間に熱硬化性のシール剤を充填して熱硬化させることにより形成させることができる。ガスシール部７や絶縁部６に通気孔を設ける必要が無いので、製造工程が簡略化される上に、第３の実施形態と同様の二酸化炭素排出効果を得ることが出きる。

尚、第１〜第４の実施形態においてなされた工夫は、夫々独立したものである必要はなく、必要に応じて複数の形態を組み合わせて使用することでも、同様の効果を奏することができる。

以下、本発明の実施例について、図面を用いて具体的に説明する。

（実施例）
実施例で用いた燃料電池スタックの構造について以下に説明する。燃料電池スタックの構造は、図６で示した構造と同じである。ガス拡散電極としては、厚さが約０．３ｍｍのカーボンペーパー（東レ社製）を使用し、長さ９０ｍｍで幅１５ｍｍ（電極Ａ）と長さ９０ｍｍで幅３２ｍｍ（電極Ｂ）の２種類の長方形状のものを用意した。また、電極Ｂの短辺の中央には長さ９０ｍｍ、幅２ｍｍで電極の長辺に平行に熱硬化性のオレフィン系シール剤をガス拡散電極内部に充填し熱硬化させることにより、ガスシール部７を形成した。

２枚の電極Ａに対して、それぞれ、アノード触媒層とカソード触媒層を形成した。電極Ｂに対しては、ガスシール部で仕切られる一方の面にアノード触媒層を、他方の面にカソード触媒層を形成したものを計４枚用意した。カソード触媒層及びアノード触媒層は以下のように作製した。なお、カソード触媒層に用いられる触媒はアノード触媒層に用いられる触媒と同一のものを使用してもよい。

炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子１ｇにデュポン社製の５重量％ナフィオン溶液（商品名；ＤＥ５２１、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標）を加え、攪拌して、カソード形成用の触媒ペーストを得る。一方、白金微粒子に代えて粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子（Ｒｕの割合は５０ａｔ％）を用いた以外は上記カソード形成用の触媒ペーストと同じ条件にしてアノード形成用の触媒ペーストを得る。カソード形成用の触媒ペーストを１〜８ｍｇ／ｃｍ^２の塗工量で上記ガス拡散電極上に塗布し、乾燥させてカソード触媒層を形成した。アノード触媒層はアノード形成用の触媒ペーストを用いて、同様にして形成した。

次に、デュポン社製のナフィオン１１７（数平均分子量は２５００００）からなる１０ｃｍ×１０ｃｍ×厚さ１８０μｍの膜を固体高分子電解質膜３として用い、この膜の一方の面に、アノード（カソード）触媒層を形成した電極Ａ１枚と電極Ｂ２枚のうち電極Ａが右端（左端）に配され、且つ、各電極が長辺を平行にして２ｍｍ間隔で燃料極と酸化剤極が交互になるように配した。他方の面は、カソード（アノード）触媒層を形成した電極Ａ１枚と電極Ｂ２枚を、上記配置を膜面に平行に１８０度回転させた配置となるように各電極を配した。これにより電極Ａは膜に対向する形でＭＥＡユニットの両端に位置し、電極Ａと電極Ｂの燃料極と酸化剤極が交互に配置され、５つの発電素子が直列接続した構成とすることができる。電極上に形成された触媒層の面を固体高分子電解質膜に向けて、上記配置で電極の外側からホットプレスすることにより、燃料極１及び酸化剤極２が固体高分子電解質膜３に接合され、ＭＥＡ（電極−電解質膜接合体）ユニットを得た。

ＭＥＡユニットの電極Ａと電極Ｂの隙間に厚さ０．３ｍｍ、幅２ｍｍ、長さ９０ｍｍのシリコンゴムを挿入し、絶縁部６を構成した。又、流路の深さ１ｍｍ、幅１５ｍｍ、長さ９０ｍｍ、流路の間隔２ｍｍの流路板１２の燃料流路に、シリコーン系の接着剤を用いて、気液分離膜４（厚み３０μｍ、気孔率８０％、孔径１μｍ）を接着した。次に、ＭＥＡユニットの両面に、長さ９０ｍｍ、幅２ｍｍの撥水処理を施したアクリル共重合体からなる多孔質膜（厚さ０．１５ｍｍ、孔径５μｍ、気孔率５０％）を絶縁部６とガスシール部７に重なるように配し、ＭＥＡユニットの周縁部にはスペーサーとしてシリコンゴムを配し、前記流路板１２を気液分離膜４と燃料極１が接するようにＭＥＡユニットの両側から挟持して、流路板の周縁部をねじ止めすることにより、所望の燃料電池スタックを得た。

（比較例）
二酸化炭素を抜くための多孔質膜４を設けなかった他は、実施例１と同様にして比較例１の燃料電池スタックを構成した。

図７に、実施例１および比較例１の燃料電池スタックについて、１２５ｍＡ／ｃｍ^２で発電させたときの電圧の経時変化を示す。液体燃料は１０ｖｏｌ％メタノール水溶液１００ｍＬをポンプを用いて３０ｍＬ／ｍｉｎの流量で供給し、酸化剤はブロワーを用いて６００ｍＬ／ｍｉｎ程度の流量で空気を供給した。このとき、燃料流路１ｃ及び酸化剤流路２ｃは各流路をそれぞれ直列に接続した。

実施例に関しては、６０分程度の経過時間においても電圧低下は見られないのに対し、比較例では数分以内で発電が停止している。また、実施例では燃料流路側に二酸化炭素の流入は見られなかったが、比較例では燃料流路への二酸化炭素の流入が確認された。この結果は、ガス透過層として多孔質体を燃料極と気液分離膜の間に挿入することで、発電によって生成した二酸化炭素が、酸化剤流路側に抜けていることを示している。したがって、燃料極への燃料供給が妨げられることがないため、長時間にわたって高出力な発電を長時間維持することが可能となったものと思われる。

それに対して、比較例では、５分程度の発電時間で急激な電圧低下が発生し、発電不能となった。これは、燃料極で発生した二酸化炭素ガスによって燃料極への燃料供給が妨げられたことが原因と思われる。

なお、実施例１において図６に表される燃料電池スタック構造における本発明の効果について例示したが、図１〜図５に表される構造でも同様な特性を示すことが確認された。

第１の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の断面構成を示す図である。 図１Ａにおける２つの発電素子部分を拡大した図である。 第２の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の断面構成を示す図である。 図２Ａにおける２つの発電素子部分を拡大した図である。 第１の実施形態において、固体高分子型燃料電池の主面上での位置関係を示す図である。 第３の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の断面構成を示す図である。 図４Ａにおける２つの発電素子部分を拡大した図である。 第３の実施形態において、固体高分子型燃料電池の主面上での位置関係を示す図である。 第４の実施形態に係る固体高分子型燃料電池の断面構成を示す図である。 図６Ａにおける２つの発電素子部分を拡大した図である。 実施例および比較例で用いた燃料電池の特性である。

符号の説明

１ 燃料極（アノード）
１ａ アノードガス拡散電極
１ｂ アノード触媒層
１ｃ 燃料流路
２ 酸化剤極（カソード）
２ａ カソードガス拡散電極
２ｂ カソード触媒層
２ｃ 酸化剤流路
３ 固体高分子電解質膜
４ 気液分離膜
５ 電気接続部
６ 絶縁部
７ ガスシール部
８ 正極端子
９ 負極端子
１０ 発電素子
１１ スペーサー
１２ 流路板
１４ 多孔質体
１５ 固体高分子型燃料電池
１６ 通気部
１７ ガス拡散電極
１８ ガスシール部通気孔
１９ 絶縁部通気孔
２０ 間隙

Claims (8)

1. 複数の発電素子と、
   電気接続部と、
   絶縁部と、
   通気部と、
   を具備し、
   前記複数の発電素子は、共通の固体高分子電解質膜を有し、
   前記複数の発電素子の各々は、更に、燃料極と、酸化剤極とを有し、
   前記各発電素子において、燃料極と酸化剤極とは、前記固体高分子電解質膜を挟むようにして配置され、
   前記複数の発電素子は、前記固体高分子電解質膜の主面上で燃料極と酸化剤極とが交互に並ぶように配置され、
   前記固体高分子電解質膜の主面上において、隣接する燃料極と酸化剤極との間には、前記電気接続部又は前記絶縁部が交互となるように設けられ、
   前記固体高分子電解質膜の裏面上において、前記主面上の燃料極に対向する位置には酸化剤極が配置され、前記主面上の酸化剤極に対向する位置には燃料極が配置され、前記主面上の電気接続部に対向する位置には絶縁部が配置され、前記主面上の絶縁部に対向する位置には電気接続部が配置され、
   前記電気接続部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を電気的に接続し、
   前記絶縁部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を絶縁し、
   前記複数の発電素子は直列に電気接続されており、
   前記酸化剤極は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路に接続され、
   前記通気部は、前記燃料極で発生した二酸化炭素を、前記複数の発電素子の平面方向側外周部から外部へ排出するか、又は、隣接する酸化剤極に接続された前記酸化剤流路に排出するように設けられている
   固体高分子型燃料電池。
2. 請求項１に記載された固体高分子型燃料電池であって、
   前記燃料極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するアノード触媒層と、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散電極と、を有し、
   前記酸化剤極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するカソード触媒層と、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散電極と、を有する
   固体高分子型燃料電池。
3. 請求項２に記載された固体高分子型燃料電池であって、
   前記通気部は、前記絶縁部によって絶縁された前記燃料極と前記酸化剤極間に設けられた空隙であり、
   前記通気部は、前記アノードガス拡散電極に接続され、
   前記通気部は、前記複数の発電素子の平面方向外周部で外部に連通し、
   前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極から前記通気部を介して外部へ排出される
   固体高分子型燃料電池。
4. 請求項２又は３に記載された固体高分子型燃料電池であって、
   前記アノードガス拡散電極は、前記アノード触媒層の全面を覆い、
   前記アノードガス拡散電極は、前記アノード触媒層より平面方向に広く、
   前記通気部は、前記アノードガス拡散電極が前記アノード触媒層からはみ出した部分の下に形成された空隙を含み、
   前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極において前記アノード触媒層からはみ出た部分の下部から前記通気部を介して外部へ排出される
   固体高分子型燃料電池。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
   更に、
   多孔質体と、
   気液分離膜と、
   燃料流路と、
   を具備し、
   前記多孔質体は、前記電気接続部及び前記絶縁部の上に設けられ、
   前記気液分離膜は、２つの多孔質体の上から、前記燃料極を空隙を介して覆うように設けられ、
   前記燃料流路は、前記気液分離膜の前記燃料極とは反対側の面に接続されるように設けられ、
   前記気液分離膜と前記燃料極との間に形成された空隙は、前記多孔質体を介して、隣接する前記酸化剤極に接続された前記酸化剤流路と連通し、
   前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記気液分離膜との間に形成された空隙と、前記多孔質体と、を介して前記酸化剤流路へ排出される
   固体高分子型燃料電池。
6. 請求項２乃至４のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
   前記電気接続部は、気体が通過不可能な非多孔質の導電性材料で構成され、
   前記電気接続部は、前記アノードガス拡散電極及び前記カソードガス拡散電極の双方に接合されている
   固体高分子型燃料電池。
7. 請求項２乃至４のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
   前記電気接続部は、ガスシール性を有するガスシール部であり、
   前記電気接続部と、前記電気接続部を介して隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極とは、単一の部材であるガス拡散電極から形成されている
   固体高分子型燃料電池。
8. 請求項７に記載された固体高分子型燃料電池であって、
   前記ガスシール部には、隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極との間を接続するガスシール部通気孔が設けられ、
   前記絶縁部には、前記絶縁部を介して隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極との間を接続する絶縁部通気孔が設けられ、
   前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極から、前記ガスシール部通気孔又は前記絶縁部通気孔を介して、隣接する前記カソードガス拡散電極へ排出され、
   前記カソードガス拡散電極へ排出された二酸化炭素は、前記酸化剤流路へと排出される
   固体高分子型燃料電池。

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