JP2007250339A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】メタノールクロスオーバーを抑制することができ、寿命が長い燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池の起電部をなす膜電極接合体において、燃料極（アノード極）と空気極（カソード極）との間に、電解質板１５を設ける。電解質板１５は、複数の貫通孔３２が形成された基体部３１と、貫通孔３２内に充填された電解質材料３３とから構成する。基体部３１は、貫通孔３２を形成したシリコン基板の表面に、熱酸化処理によりシリコン酸化膜を形成して作製する。電解質材料３３には、メタノール分子を通過させず、プロトン（Ｈ＋）は通過可能なプロトン伝導性材料であるパーフルオロスルホン酸重合体を使用する。そして、貫通孔３２の配列密度を、中央領域３５において低くし、周辺領域３７において高くする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、液体燃料直接供給型の燃料電池に関する。
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、特に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、軽量且つ小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。
二次電池に対するこのような要求を満たすべく、従来より、リチウムイオン二次電池が開発されている。しかしながら、携帯用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。
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ール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、水素ガスを使用する燃料電池と比べて、水素ガスを取り扱う困難さがなく、また有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要ないため、小型化しやすいと考えられている。
ＤＭＦＣにおいては、燃料極（アノード極）、固体の電解質板、空気極（カソード極）がこの順に相互に隣接して設けられている。そして、燃料極においては、メタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトン及び電子が生成される。一方、空気極においては、空気から得られる酸素、燃料極から電解質板を介して供給されるプロトン、及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、このとき、電子が外部回路を通ることによって、この外部回路に電力が供給される。
従来のＤＭＦＣ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及び空気を送り込むブロワが補器として備えられ、全体として複雑な構成をなしていた。このため、この構造のＤＭＦＣでは、小型化を図ることが困難であった。
そこで、近年、メタノールをポンプで供給するのではなく、メタノールタンクと発電素子との間にメタノールの分子を通過させる膜を設けることにより、メタノールタンクと発電素子との間の距離を縮める技術が開発されている。また、空気の取り入れについては、ブロワを用いず、発電素子に吸気口を直接取り付ける技術が開発されている。このようにして、ＤＭＦＣからポンプ及びブロワを除くことにより、ＤＭＦＣの大幅な小型化を図ることができる（例えば、特許文献１参照。）。
しかしながら、このようなＤＭＦＣにおいては、構成が簡略化されて小型化が図られた代わりに、温度等の外部環境要因の影響を受けやすく、例えば温度が上昇した場合に、アノード極とカソード極との間の電解質板をメタノールが透過してしまう現象、いわゆる「メタノールクロスオーバー」といわれる現象が起こり、発電効率が著しく低下してしまうという問題がある。
また、このようなＤＭＦＣにおいては、反応速度が面内でばらつくという問題がある。反応速度が面内でばらつくと、電解質板において、他の領域よりも温度が高くなる領域又はプロトンの通過量が多くなる領域が生じる。そうすると、この領域が他の領域よりも早く劣化してしまうため、電解質板全体として寿命が短くなってしまう。
特開２００２−１０５２２０号公報
本発明は、メタノールクロスオーバーを抑制することができ、寿命が長い燃料電池を提供することを目的とする。
本発明の一態様によれば、燃料と酸素とを反応させて発電する燃料電池であって、アノード極と、カソード極と、前記アノード極と前記カソード極との間に設けられた電解質板と、を備え、前記電解質板は、複数の貫通孔が形成された基体部と、前記貫通孔内に充填されプロトンが通過可能であり前記燃料の通過を阻止する電解質材料と、を有し、前記電解質板における前記貫通孔の開口率は、前記アノード極と前記カソード極との間の反応が定常状態になったときに、前記電解質板の温度が面内で均一になるように分布していることを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明の他の一態様によれば、燃料と酸素とを反応させて発電する燃料電池であって、アノード極と、カソード極と、前記アノード極と前記カソード極との間に設けられた電解質板と、を備え、前記電解質板は、複数の貫通孔が形成された基体部と、前記貫通孔内に充填されプロトンが通過可能であり前記燃料の通過を阻止する電解質材料と、を有し、前記電解質板における前記貫通孔の開口率は、前記アノード極と前記カソード極との間の反応が定常状態になったときに、前記電解質板のプロトン通過密度が面内で均一になるように分布していることを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明の更に他の一態様によれば、燃料と酸素とを反応させて発電する燃料電池であって、アノード極と、カソード極と、前記アノード極と前記カソード極との間に設けられプロトンが通過可能な電解質板と、を備え、前記電解質板は、複数の貫通孔が形成された基体部と、前記貫通孔内に充填されプロトンが通過可能であり前記燃料の通過を阻止する電解質材料と、を有し、前記アノード極に対して燃料を供給する燃料供給口が前記アノード極から見て前記電解質板の反対側に配置されており、前記電解質板の中央領域における前記貫通孔の開口率は、前記電解質板の周辺領域における前記貫通孔の開口率よりも低いことを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明の更に他の一態様によれば、燃料と酸素とを反応させて発電する燃料電池であって、アノード極と、カソード極と、前記アノード極と前記カソード極との間に設けられプロトンが通過可能な電解質板と、を備え、前記電解質板は、複数の貫通孔が形成された基体部と、前記貫通孔内に充填されプロトンが通過可能であり前記燃料の通過を阻止する電解質材料と、を有し、前記アノード極に対して燃料を供給する燃料供給口が前記アノード極の一方の端部側に配置されており、前記電解質板の前記一方の端部側の領域における前記貫通孔の開口率は、前記電解質板の他方の端部側の領域における前記貫通孔の開口率よりも低いことを特徴とする燃料電池が提供される。
本発明によれば、メタノールクロスオーバーを抑制することができ、寿命が長い燃料電池を実現することができる。
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
先ず、本発明の第１の実施形態について説明する。
図１は、本実施形態に係る燃料電池を例示する断面図である。
本実施形態に係る燃料電池１０は、例えば直接メタノール型燃料電池である。この燃料電池１０においては、燃料極触媒層１１及び燃料極ガス拡散層１２からなる燃料極（アノード極）と、空気極触媒層１３及び空気極ガス拡散層１４からなる空気極（カソード極）とが設けられている。また、燃料極触媒層１１と空気極触媒層１３とにより挟持され、プロトン（水素イオン）伝導性を持つ電解質板１５が設けられている。燃料極、電解質板及び空気極の形状はいずれも平板状である。そして、燃料極、電解質板１５、空気極がこの順に積層されて膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１６が構成されており、この膜電極接合体１６が燃料電池１０の起電部となっている。
電解質板１５には、複数の貫通孔が形成されており、各貫通孔には、プロトンは通過させるが燃料の通過は阻止する電解質材料が埋め込まれている。そして、電解質板１５の中央領域における貫通孔の開口率は、周辺領域における貫通孔の開口率よりも低い。
本実施形態に係る燃料電池１０においては、液体燃料タンク２６に保持された液体の燃料１００が気化して、膜電極接合体１６の燃料極に供給される。一方、外部の大気から酸素が膜電極接合体１６の空気極に取り込まれる。そして、膜電極接合体１６において、燃料と酸素とが反応することにより、発電が行われる。
このとき、膜電極接合体１６の中央部は周辺部よりも放熱されにくいため、仮に、電解質板１５の貫通孔の開口率が面内で均一であると、膜電極接合体１６の中央領域は周辺領域よりも温度が高くなる。これにより、膜電極接合体１６の中央領域では周辺領域よりも発電反応が促進され、中央領域の温度が更に上昇する。この結果、電解質板１５の中央領域は周辺領域よりも早く劣化してしまう。
これに対して、本実施形態によれば、電解質板１５の中央領域における貫通孔の開口率を、周辺領域における開口率よりも低くしているため、中央領域においては周辺領域よりもプロトンの通過が抑制される。この結果、膜電極接合体１６における発電反応、すなわち、アノード極とカソード極との間の反応が定常状態になったときに、電解質板１５の温度分布が面内で均一になる。このため、電解質板１５において、一部の領域が他の領域よりも早く劣化することがなくなり、電解質板１５全体の寿命が延びる。
このように、本実施形態によれば、電解質板１５の温度を面内で均一にすると共に、発電反応が中央領域で集中して進行することを防止できる。これにより、電解質板の寿命が長い燃料電池を実現することができる。すなわち、本実施形態に係る燃料電池１０は、反応が一部の領域に集中しないため、従来の燃料電池と比較して電池としての寿命が長い。
以下、本実施形態を具現化するための具体例について説明する。
先ず、本実施形態の第１の具体例について説明する。
図２は、本具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。
電解質板１５においては、平板状の基体部３１が設けられており、基体部３１には複数の貫通孔３２が形成されている。そして、貫通孔３２内には、電解質材料３３が充填されている。基体部３１は、例えば、貫通孔３２を形成したシリコン基板の表面に、熱酸化処理によりシリコン酸化膜を形成して作製されたものである。電解質材料３３は、燃料、例えば、メタノールの通過を阻止し、プロトン、すなわち、水素イオン（Ｈ＋）の通過を許容するプロトン伝導性材料である。電解質材料３３は、例えば、スルホン酸基を有する樹脂材料であり、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体であり、例えば、デュポン社製ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、商品名）又は旭硝子社製フレミオン（商品名）等である。
なお、電解質材料３３はプロトン伝導性を持つ材料であればよく、例えば、スルホン酸基、カルボキシル基及び水酸基からなる群から選択された１種類以上の官能基を有する有機材料であればよい。電解質材料３３内には、これらの官能基によって分子サイズの微小孔が形成されるため、この微小孔を通じてプロトンが移動することができる。なお、この微小孔の大きさは、プロトン及び水分子は通過できるが、メタノール分子は通過できないような大きさである。
また、電解質材料３３はフッ素系樹脂であってもよく、炭化水素系樹脂であってもよい。フッ素系樹脂とすることにより、耐酸化性及び耐薬品性を向上させることができる。
更に、電解質材料３３は、スルホン酸基、カルボキシル基及び水酸基のうち２種類以上の官能基が反応したエステル基又はエーテル基を含有していてもよく、ポリテトラフルオロエチレンを主成分とするものであってもよい。
基体部３１は、その主面に垂直な方向から見て、中央領域３５、中間領域３６及び周辺領域３７の３つの領域に分けられている。中央領域３５は、基体部３１の主面の中心を含む楕円状の領域であり、中間領域３６は中央領域３５を囲む楕円環状の領域であり、周辺領域３７は中間領域３６を囲み基体部３１の端縁を含む枠状の領域である。そして、貫通孔３２の配列密度は領域間で異なっており、中央領域３５が最も低く、周辺領域３７が最も高くなっている。一方、貫通孔３２の直径は、いずれの領域でも同一である。この結果、電解質板１５の貫通孔３２による開口率は、中央領域３５が最も低く、周辺領域３７が最も高くなっている。すなわち、中央領域３５における貫通孔３２の開口率は中間領域３６よりも低く、中間領域３６における貫通孔３２の開口率は周辺領域３７よりも低い。なお、電解質板の主面におけるある領域の開口率とは、この領域の全面積に対する貫通孔の合計面積の比である。
次に、燃料電池１０における膜電極接合体１６以外の部分の構成について説明する。
燃料極ガス拡散層１２における燃料極触媒層１１の反対側（以下、「燃料側」という）の面上には、燃料極導電層１７が積層されており、空気極ガス拡散層１４における空気極触媒層１３の反対側（以下、「空気側」という）の面上には、空気極導電層１８が積層されている。電解質板１５と燃料極導電層１７との間の部分における周辺部には、ゴム製のＯリング１９が設けられており、電解質板１５と空気極導電層１８との間の部分における周辺部には、ゴム製のＯリング２０が設けられている。Ｏリング１９及び２０により、膜電極接合体１６からの燃料漏れ及び酸化剤漏れが防止されている。なお、この燃料電池１０においては、燃料は例えばメタノール又はメタノール水溶液であり、酸化剤は例えば空気である。
また、燃料極導電層１７の燃料側には、疎水性の多孔膜２１、高分子膨潤膜２２がこの順に積層されている。そして、さらにその燃料側には、燃料電池１０の外形に対応した形状、例えば矩形に成形されたフレーム２３が設けられている。一方、空気極導電層１８の空気側には、燃料電池１０の外形に対応した形状、例えば矩形に成形されたフレーム２４が設けられている。フレーム２３及び２４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等で形成されている。フレーム２３及び２４により、高分子膨潤膜２２、多孔膜２１、燃料極導電層１７、膜電極接合体１６、空気極導電層１８からなる積層体が挟持されている。
更に、フレーム２３の燃料側には、液体燃料の気化成分のみを透過させ液体成分を透過させない気液分離膜２５が積層されており、さらにその燃料側には、燃料供給部として機能する液体燃料タンク２６が設けられている。液体燃料タンク２６は、その内部に液体の燃料１００を保持し、この液体の燃料１００を気化させるものである。燃料１００は、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液又は純メタノールである。純メタノールの場合は、その純度が９５質量％以上であることが好ましい。液体燃料タンク２６の一面は開口されており、この開口が気化した燃料を導出するための燃料供給口となっている。従って、燃料極（アノード極）に対して燃料を供給する燃料供給口は、燃料極から見て、電解質板１５の反対側に配置されている。そして、気液分離膜２５は、この燃料供給口を塞ぐように配設されている。気液分離膜２５は、例えば、シリコーンゴム等により形成されている。
高分子膨潤膜２２と気液分離膜２５との間におけるフレーム２３により囲まれた空間は、気化した燃料を一時的に収容し、その濃度分布を均一化する燃料収容室２７となっている。なお、液体燃料の気化成分とは、液体燃料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。
更にまた、フレーム２４の空気側には、保湿層２８が積層されており、さらにその空気側には、表面層２９が設けられている。表面層２９には、酸化剤としての空気を取り入れるための空気導入口３０が複数個形成されている。表面層２９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のような合金又は金属により形成されている。
以下、燃料電池１０を構成する各要素について、より詳細に説明する。
燃料極触媒層１１及び空気極触媒層１３には、それぞれ燃料極及び空気極において化学反応を促進するための触媒が含有されている。この触媒は、例えば、白金族元素であるＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ若しくはＰｄ等の単体金属、又はこれらの白金族元素を含有する合金等である。具体的には、燃料極触媒層１１に含まれる触媒としては、メタノール及び一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−Ｒｕ又はＰｔ−Ｍｏ等が好ましく、空気極触媒層１３に含まれる触媒としては、Ｐｔ又はＰｔ−Ｎｉ等が好ましい。また、触媒として、例えば炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、又は無担持触媒を使用してもよい。
燃料極ガス拡散層１２は、燃料極触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと共に、燃料極触媒層１１の集電体も兼ねている。一方、空気極ガス拡散層１４は、空気極触媒層１３に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと共に、空気極触媒層１３の集電体も兼ねている。燃料極導電層１７及び空気極導電層１８は、導電材料からなる多孔質層により構成されており、例えば、金からなるメッシュにより構成されている。
多孔膜２１は疎水性を有し、燃料極ガス拡散層１２側から高分子膨潤膜２２側への水の移動を防止し、一方で、高分子膨潤膜２２側から燃料極ガス拡散層１２側への液体燃料の気化成分の透過を可能にするものである。具体的な多孔膜２１の材料としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、撥水化処理したシリコーンシート等が挙げられる。
多孔膜２１を燃料極導電層１７と高分子膨潤膜２２との間に配設することで、例えば、浸透圧現象によって、空気極触媒層１３で生成した水が電解質板１５を通過して燃料極触媒層１１に移動する反応が促進されるような場合に、その移動してきた水が、高分子膨潤膜２２及びそれよりも燃料側に侵入することを防止できる。これによって、例えば、燃料収容室２７等が水に満たされることによって空間が減少することを阻止でき、液体燃料タンク２６内における燃料１００の気化を妨げることなく進行させることができる。また、燃料極触媒層１１と多孔膜２１との間に水を保持することで、燃料極触媒層１１に水を補給することも可能である。これは、液体燃料タンク２６から水分が供給されない場合、例えば燃料として純メタノールを使用する場合に特に有効である。なお、浸透圧現象による空気極触媒層１３側から燃料極触媒層１１側への水の移動は、表面層２９の空気導入口３０の個数やサイズを変えて、開口面積等を調整することにより調整可能である。
高分子膨潤膜２２は、燃料極触媒層１１へ供給する燃料の濃度及び供給量等を調整する燃料濃度調整層として機能するものである。すなわち、高分子膨潤膜２２は、液体燃料タンク２６内で気化し、気液分離膜２５を通過した気相のメタノールを、吸収できる限界濃度、つまり飽和濃度に達するまで吸収し、飽和濃度を超えた分のメタノールを燃料極触媒層１１側へ供給するものである。高分子膨潤膜２２を構成する材料として、水酸基、カルボキシル基、スルホン基などの官能基を有する高分子材料、例えば、セルロース系、アクリル系、ビニルの高分子材料を用いることができる。具体的には、セルロース系ではメチルセルロース等、アクリル系ではポリブチルメタクリレート等、ビニル系ではポリビニルブチラート等が挙げられる。
高分子膨潤膜２２を形成する高分子材料は、水酸基、カルボキシル基、スルホン基などの官能基を有するため極性を有し、クーロン力によりメタノールと結合する。このため、外部温度の変動によって燃料タンク２６において気化するメタノールの量が変動しても、高分子膨潤膜２２がこのメタノール量の変動を吸収することができ、外部温度等によらず、ほぼ一定量のメタノールを燃料極触媒層１１へ供給することができる。なお、高分子膨潤膜２２におけるメタノールの飽和量は、高分子膨潤膜２２を形成する高分子の官能基等によっても異なるが、例えば、高分子膨潤膜２２の厚さを調整すること等によって調節することができる。
また、高分子膨潤膜２２は、所定の範囲における温度変化に伴って、非ゲル膜状態からゲル膜状態に可逆的に変化する。例えば、高分子膨潤膜２２をメチルセルロースにより形成した場合、メチルセルロースは常温では非ゲル状態にあり、温度が約５０〜７０℃まで上昇すると、熱ゲル化効果によりゲル化する。この熱ゲル化効果は温度に対して可逆性があり、温度が常温に戻るとゲル化は解消され、元の非ゲル状態に戻る。
このため、燃料電池１０の作動温度が例えば５０〜７０℃となり、液体燃料タンク２６においてメタノールの気化が促進され、気体のメタノールが供給過多になった場合でも、高分子膨潤膜２２がゲル化するため、高分子膨潤膜２２内におけるメタノールの拡散速度が低下し、燃料極にメタノールが過剰に供給されることを防止できる。一方、温度が常温に低下し、液体燃料タンク２６におけるメタノールの気化量が通常の量まで減少したときは、高分子膨潤膜２２が元の非ゲル状態の高分子膜に戻り、メタノールの拡散速度が通常のレベルまで回復する。
このように、高分子膨潤膜２２におけるメタノールの拡散速度が、温度に関して負の相関関係を持つため、温度が上昇して燃料の気化量が増加しても、気化燃料が過剰に燃料極触媒層１１に供給されることがなく、メタノールクロスオーバ（ＭＣＯ）の発生を抑制することができる。このように、外部温度等によらず、ほぼ一定量のメタノールを燃料極触媒層１１側へ供給することができる。
保湿層２８は、空気極触媒層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果たすとともに、空気極ガス拡散層１４に酸化剤（空気）を均一に導入することにより、空気極触媒層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２８には、例えば、ポリエチレン多孔質膜等の材料からなり、その最大の孔径が例えば２０〜５０ミクロンである膜が使用されている。最大の孔径をこの範囲とする理由は、孔径が２０ミクロンよりも小さいと空気透過性が低下し、５０ミクロンよりも大きいと水分蒸発が過度となるからである。
次に、上述の如く構成された本具体例に係る燃料電池の動作について説明する。
先ず、燃料極と空気極とを外部回路（図示せず）に接続する。また、液体燃料タンク２６に液体燃料１００、例えば、メタノール水溶液を注入し、表面層２９の空気導入口３０が空気に接するようにする。
これにより、液体燃料タンク２６内でメタノール水溶液が気化し、メタノール蒸気と水蒸気との混合気が発生する。この混合気が、液体燃料タンク２６の開口から流出し、気液分離膜２５を透過し、気化燃料収容室２７に一旦収容される。この混合気は、気化燃料収容室２７内において濃度分布が均一化された後、高分子膨潤膜２２内に侵入し、高分子膨潤膜２２にメタノール分子が吸着される。そして、高分子膨潤膜２２が飽和状態に達すると、高分子膨潤膜２２からメタノールが放出され、水蒸気とともに多孔膜２１、燃料極導電層１７を通過し、さらに燃料極ガス拡散層１２で拡散され、燃料極触媒層１１に供給される。
燃料極触媒層１１に供給された混合気は、下記化学式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。

ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− …（１）
なお、液体燃料として純メタノールを使用する場合には、液体燃料タンク２６からの水蒸気の供給がないため、後述するように空気極触媒層１３で生成され、電解質板１５を介して燃料極触媒層１１に供給された水を、上記化学式（１）の反応に利用する。又は、上記化学式（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させる。
上記化学式（１）に示す内部改質反応で生成された電子（ｅ−）は、外部回路を介して、空気極触媒層１３に到達する。また、プロトン（Ｈ＋）は、電解質板１５内を伝導し、空気極触媒層１３に到達する。一方、酸化剤としての空気が、表面層２９の空気導入口３０から取り入れられ、保湿層２８及び空気極導電層１８を通過し、空気極ガス拡散層１４内において拡散され、空気極触媒層１３に供給される。
空気極触媒層１３に供給された電子、プロトン及び空気中の酸素は、下記化学式（２）に示す反応を生じる。

（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ …（２）

この反応により生成した水は、電解質板１５を介して燃料極触媒層１１に供給され、上記化学式（１）に示す反応に利用される。
このように、上記化学式（１）及び（２）示す発電反応により、メタノール及び空気中の酸素から水及び二酸化炭素が生成されると共に、外部回路に電力が供給される。
このとき、上述の発電反応により熱が発生する。仮に、電解質板１５に基体部３１が設けられておらず、電解質板１５全体が電解質材料３３により形成されていると、発電反応に伴う熱により電解質材料３３が膨張し、電解質材料３３に形成されている微小孔も拡がってしまうため、この微小孔内をメタノール分子が通過できるようになってしまう。これにより、メタノールクロスオーバーが発生する。
これに対して、本具体例によれば、電解質材料３３が基体部３１の貫通孔３２内に埋め込まれているため、電解質材料３３がその周囲を拘束され、熱膨張が抑えられる。これにより、電解質材料３３の微小孔の拡がりも抑えられ、メタノールクロスオーバーの発生を抑制できる。このため、初期発電性能が良好であり、また、発電及び休止を繰り返して長期間使用した場合でも、電極と電解質材料との界面の接合性が健全に保たれるため、高い出力特性を維持することができる。
また、膜電極接合体１６の中央部は周辺部と比べて放熱されにくいため、仮に電解質板１５の基体部３１において、同一の大きさの貫通孔３２が面内で均一に形成されていると、膜電極接合体１６の中央領域は周辺領域よりも温度が高くなる。これにより、膜電極接合体１６の中央領域では周辺領域よりも上述の発電反応が促進され、中央領域の温度が更に上昇する。この結果、電解質板１５の中央領域は周辺領域よりもさらに温度が高くなり、より早く劣化してしまう。
これに対して、本具体例によれば、上述の如く、電解質板１５の中央領域３５における貫通孔３２の開口率が周辺領域３７よりも低い。このため、中央領域３５においては、周辺領域３７と比較してプロトンの通過が抑制される。これにより、膜電極接合体１６の中央領域３５では周辺領域３７よりも上述の発電反応が抑制され、発熱量が少なくなる。この結果、膜電極接合体１６における発電反応、すなわち、アノード極とカソード極との間の反応が定常状態になったときに、電解質板１５の温度分布が面内で均一になる。このため、電解質板１５において、一部の領域が他の領域よりも早く劣化することがなくなり、電解質板１５全体の寿命が延びる。
また、本具体例においては、燃料電池１０に保湿層２８及び表面層２９を設け、表面層２９に空気導入口３０を形成することにより、燃料電池１０の電流出力密度を向上させることができる。以下、この動作について説明する。
上述の発電反応によって空気極触媒層１３中に生成した水は、空気極ガス拡散層１４内を拡散して保湿層２８に到達する。保湿層２８に到達した水の一部は、表面層２９の空気導入口３０から外部に蒸散されるが、残部は表面層２９によって蒸散が阻害される。そして、上記化学式（２）に示す反応が進行すると、表面層２９によって蒸散が阻害される水量が増し、空気極触媒層１３中の水分貯蔵量が増加し、空気極触媒層１３の水分貯蔵量が燃料極触媒層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、空気極触媒層１３で生成した水が、電解質板１５を通過して燃料極触媒層１１に移動しやすくなる。このため、燃料極触媒層１１への水分の供給を液体燃料タンク２６から気化した水蒸気のみに頼る場合と比べて、燃料極触媒層１１への水分の供給が促され、上記化学式（１）に示す内部改質反応を促進することができる。この結果、燃料電池１０の電流出力密度を高くすることができると共に、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。
次に、本具体例の効果について説明する。
上述の如く、本具体例によれば、電解質板１５の中央領域３５における貫通孔３２の開口率を周辺領域３７よりも低くすることにより、電解質板１５の温度を面内で均一にすると共に、発電反応が中央領域で集中して進行することを防止できる。これにより、反応が一部の領域に集中しないため、従来の燃料電池と比較して寿命が長い燃料電池を実現することができる。
また、本具体例によれば、保湿層２８及び表面層２９を設けることにより、空気極触媒層１３において生成された水を、燃料極触媒層１１に効率的に移動させて、内部改質反応に利用することができる。このため、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又は純メタノールを使用する場合でも、燃料極触媒層１１に安定して水を供給することが可能となる。これによって、メタノールの内部改質反応の反応抵抗を低下させることができ、長期出力特性及び負荷電流特性を改善することができる。また、液体燃料におけるメタノール濃度を高めることができるため、液体燃料タンク２６の小型化を図ることも可能である。
更に、本具体例においては、気液分離膜２５と多孔膜２１との間に高分子膨潤膜２２を設けているため、高分子膨潤膜２２が気化したメタノールを吸収して、飽和状態となった後、このメタノールを燃料極触媒層１１側に放出する。これによって、液体燃料タンク２６におけるメタノール気化量の変動を緩和して、燃料極触媒層１１に対して安定的に所定濃度のメタノールを供給することができる。
更にまた、高分子膨潤膜２２は、所定の範囲における温度変化に伴って、非ゲル膜状態からゲル膜状態に可逆的に変化するため、外部温度等によらず、ほぼ一定の濃度のメタノールを燃料極触媒層１１へ供給することができる。また、多孔膜２１が疎水性を有しているため、燃料極触媒層１１内の水が高分子膨潤膜２２内及び気液分離膜２５内へ侵入することを防止できる。
次に、第１の実施形態の第２の具体例について説明する。
図３は、本具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。
本具体例に係る燃料電池は、前述の第１の具体例に係る燃料電池と比較して、電解質板の構成が異なっている。すなわち、本具体例における電解質板１５ａにおいては、電解質板１５ａの主面に垂直な方向から見て、中央領域３５の形状が矩形状であり、中間領域３６の形状が中央領域３５を囲む矩形の枠状であり、周辺領域３７の形状が中間領域３６を囲み電解質板１５ａの端縁を含む矩形の枠状である。そして、貫通孔３２の配列密度は領域間で異なっており、中央領域３５が最も低く、周辺領域３７が最も高くなっており、従って、電解質板１５の貫通孔３２による開口率は、中央領域３５が最も低く、周辺領域３７が最も高くなっている。本変形例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の具体例と同様である。
次に、第１の実施形態の第３の具体例について説明する。
図４は、本具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。
本具体例に係る燃料電池は、前述の第１の具体例に係る燃料電池と比較して、電解質板の構成が異なっている。すなわち、本具体例における電解質板１５ｂは、前述の第２の具体例と同様に、矩形状の中央領域３５、矩形の枠状の中間領域３６及び周辺領域３７に分けられており、各領域間で貫通孔３２の直径が異なっている。すなわち、中央領域３５における貫通孔３２の直径は、中間領域３６における貫通孔３２の直径よりも小さく、中間領域３６における貫通孔３２の直径は、周辺領域３７における貫通孔３２の直径よりも小さい。一方、貫通孔３２の配列密度は、各領域間で同一である。このため、電解質板１５の貫通孔３２による開口率は、中央領域３５が最も低く、周辺領域３７が最も高くなっている。本具体例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の具体例と同様である。
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。
図５は、本実施形態に係る燃料電池を例示する断面図である。
本実施形態に係る燃料電池４０には、平板状の膜電極接合体（ＭＥＡ）４１が設けられている。そして、この膜電極接合体４１においては、燃料極４２及び空気極４３が設けられており、燃料極４２と空気極４３との間に平板状の電解質板４４が配置されている。燃料極４２及び空気極４３の構成は、前述の第１の実施形態と同様である。
また、膜電極接合体４１の燃料極４２側には、燃料側部４５が設けられている。燃料側部４５においては、第１の実施形態と同様に、燃料極導電層１７（図１参照）、多孔膜２１（図１参照）、高分子膨潤膜２２（図１参照）及びフレームが設けられている。一方、膜電極接合体４１の空気極４３側には、空気側部４６が設けられている。空気側部４６においては、第１の実施形態と同様に、空気極導電層１８（図１参照）、フレーム、保湿層２８（図１参照）及び表面層３０（図１参照）が設けられている。
そして、燃料側部４５、膜電極接合体４１及び空気側部４６からなる積層体の一方の側端部側には、燃料１００を保持する燃料タンク４７が設けられている。燃料タンク４７における燃料側部４５に接する部分には、燃料供給口４８が形成されている。燃料供給口４８は、アノード極である燃料極４２に対して気化した燃料を供給するものである。このように、燃料供給口４８は、燃料極４２の一方の端部側に配置されている。なお、燃料供給口４８内には気液分離膜（図示せず）が設けられている。
電解質板４４には、複数の貫通孔が形成されており、各貫通孔には、プロトンは通過させるが燃料の通過は阻止する電解質材料が埋め込まれている。そして、電解質板４４の燃料供給口４８側の領域における貫通孔の開口率は、燃料供給口４８から遠い側の領域における貫通孔の開口率よりも低い。
本実施形態によれば、電解質板４４において、燃料供給口４８側の領域における貫通孔の開口率がその反対側の領域における開口率よりも低くなっているため、燃料供給口４８側の領域では、プロトンの通過が相対的に抑制される。これにより、燃料供給口４８からの距離の差に起因する燃料供給量の不均一性が相殺され、電解質板４４を通過するプロトンの密度が面内で均一になる。これにより、膜電極接合体４１における発電反応も面内で均一になる。このように、本実施形態に係る燃料電池４０においては、電池内で反応が一部に集中しないため、従来の燃料電池と比較して電池としての寿命が延びる。本実施形態における上記以外の動作及び効果は、前述の第１の実施形態と同様である。
以下、本第２の実施形態を具現化するための具体例について説明する。
先ず、本実施形態の第１の具体例について説明する。
図６は、本具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。
電解質板４４は、平板状の基体部３１に複数の貫通孔３２が形成され、各貫通孔３２の内部に電解質材料３３が充填されて構成されている。基体部３１は、その長手方向に沿ってほぼ等幅に３つの領域に分けられている。すなわち、基体部３１における燃料タンク４７が配置されている側の端部からその反対側の端部に向かって、第１領域５１、第２領域５２及び第３領域５３がこの順に配列されている。領域５１〜５３の形状は相互にほぼ同じであり、いずれも矩形である。
そして、貫通孔３２の配列密度は領域間で異なっており、第１領域５１が最も低く、第３領域５３が最も高くなっている。一方、貫通孔３２の直径は、いずれの領域でも同一である。この結果、電解質板４４の貫通孔３２による開口率は、第１領域５１が最も低く、第２領域５２が次いで低く、第３領域５３が最も高い。本具体例における上記以外の構成は、前述の第１の実施形態の第１の具体例と同様である。
次に、上述の如く構成された本具体例に係る燃料電池の動作について説明する。
燃料電池４０においては、燃料側部４５、膜電極接合体４１及び空気側部４６からなる積層体の一方の側端部側に燃料タンク４７が配置されており、この燃料タンク４７の燃料供給口４８から燃料側部４５に対して燃料が供給される。このため、燃料極４２において、燃料タンク４７側の端部は、その反対側の端部よりも燃料の供給量が多くなる。
従って、仮に電解質板４４の基体部３１において、同一の大きさの貫通孔３２が面内で均一に形成されていると、膜電極接合体４１の燃料タンク４７側の領域（第１領域５１）は、その反対側の領域（第３領域５３）よりも発電反応量が多くなり、発熱量も多くなる。この結果、電解質板４４における燃料タンク４７側の領域は、その反対側の領域よりも早く劣化してしまう。
これに対して、本具体例によれば、上述の如く、電解質板４４の第１領域５１における貫通孔３２の開口率は、第３領域５３における開口率よりも低くなっている。このため、第１領域５１においては、第３領域５３と比較してプロトンの通過が抑制される。すなわち、第１領域５１におけるプロトンの通過抵抗は、第３領域５３におけるプロトンの通過抵抗よりも大きくなっている。この結果、燃料極４２に対する燃料供給量の不均一性が、電解質板４４におけるプロトンの通過抵抗の不均一性によって相殺され、電解質板４４の電解質材料３３を通過するプロトンの通過密度は、電解質板４４の面内で均一になる。これにより、膜電極接合体４１における発電反応も面内で均一になる。このように、本具体例に係る燃料電池においては、電池内で反応が一部に集中しないため、従来の燃料電池と比較して電池としての寿命が延びる。本具体例における上記以外の動作は、前述の第１の実施形態の第１の具体例と同様である。
次に、本具体例の効果について説明する。
上述の如く、本具体例によれば、電解質板４４の燃料供給口４８側の領域（第１領域５１）における貫通孔３２の開口率を、その反対側の領域（第３領域５３）における貫通孔３２の開口率よりも低くしているため、電解質板４４におけるプロトンの通過密度が面内で均一になり、発電反応が燃料供給口４８側の領域で集中して進行することを防止できる。これにより、電解質板４４において、一部の領域が他の領域よりも早く劣化することがなくなり、電解質板４４全体の寿命が延び、従って、寿命が長い燃料電池を実現することができる。本具体例における上記以外の効果は、前述の第１の実施形態の第１の具体例と同様である。
次に、第２の実施形態の第２の具体例について説明する。
図７は、本具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。
本具体例に係る燃料電池は、前述の第２の実施形態の第１の具体例に係る燃料電池と比較して、電解質板の構成が異なっている。本具体例における電解質板４４ａは、前述の第１の具体例と同様に、燃料タンク４７側から順に、第１領域５１、第２領域５２及び第３領域５３に分けられている。そして、各領域間で貫通孔３２の直径が異なっている。すなわち、第１領域５１における貫通孔３２の直径は、第２領域５２における貫通孔３２の直径よりも小さく、第２領域５２における貫通孔３２の直径は、第３領域５３における貫通孔３２の直径よりも小さい。一方、貫通孔３２の配列密度は、各領域間で同一である。このため、電解質板４４ａの貫通孔３２による開口率は、第１領域５１が最も低く、第３領域５３が最も高くなっている。本具体例における上記以外の構成、動作及び効果は、前述の第１の具体例と同様である。
なお、前述の各実施形態においては、電解質板を３つの領域に分け、領域間で貫通孔の配列密度又は直径を異ならせる例を示したが、電解質板は２つ又は４つ以上の領域に分けてもよい。また、領域間で、貫通孔の配列密度及び直径の双方を異ならせてもよい。更に、前述の各実施形態においては、貫通孔の配列密度又は直径が段階的に変化している例を示したが、貫通孔の配列密度又は直径は連続的に変化していてもよい。これにより、電解質板における開口率を連続的に変化させることができ、電解質板の温度又はプロトンの通過密度をより精度よく均一化させることができる。
また、前述の各実施形態において、高分子膨潤膜２２の剥離及び落下を防止するために、高分子膨潤膜２２と気液分離膜２５との間に多孔質膜（図示せず）を配設してもよい。この多孔質膜は、高分子膨潤膜２２の液体燃料タンク２６側の面に接するように配設することが好ましい。この多孔質膜は、例えば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の材料により形成し、その最大の孔径を例えば１０乃至１００ミクロンとすることが好ましい。最大の孔径をこの範囲とする理由は、孔径が１０ミクロンより小さい場合には、メタノールの透過度が低くなりすぎ、１００ミクロンより大きい場合には、液体のメタノールが通過してしまうからである。
更に、気液分離膜２５の燃料側に、気液分離膜２５と同様の気液分離機能を有し、且つ燃料の気化成分の透過量を調整することができる透過量調整膜（図示せず）を設けてもよい。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により形成することができる。また、この透過量調整膜による気化成分の透過量の調整は、透過量調整膜の開口率を変更することで行うことができる。このような透過量調整膜を設けることで、燃料極への燃料の供給量を調整することができる。
更にまた、上述の如く、電流出力特性を向上させるためには、保湿層２８を設けることが好ましいが、燃料電池の小型化及び低コスト化を図るためには、保湿層２８を設けずに燃料電池１０を構成してもよい。その場合には、フレーム２４上に表面層２９を配置して、空気極触媒層１３の水分貯蔵量及び水の蒸散量を調整することが好ましいが、表面層２９を用いずに燃料電池１０を構成してもよい。
更にまた、気化燃料の濃度分布を均一にするためには、気化燃料収容室２７を設けることが好ましいが、燃料電池のより一層の小型化を図るために、気化燃料収容室２７を設けずに燃料電池１０を構成してもよい。
更にまた、前述の各実施形態においては、電解質板の基体部３１をシリコン基板の表面に熱酸化膜を形成することにより作製する例を示したが、本発明はこれに限定されず、ある程度の剛性があり、化学的に安定な絶縁材料であれば、基体部３１の材料として使用することができる。例えば、基体部３１をシリコン基板の表面に窒化シリコン膜を形成することにより作製してもよく、又は、基体部３１を、酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等のセラミックス材料により形成してもよい。
更にまた、前述の各実施形態においては、電解質材料３３を有機材料とする例を示したが、電解質材料３３は、タングステン酸又はリンタングステン酸等の無機材料であってもよい。このような無機材料においては、プロトンは結晶粒界に沿って移動する。この場合、タングステン酸又はリンタングステン酸等の無機材料は強度が低く、それ単体では板状の部材を構成することが困難であるが、この無機材料を基体部３１に形成された貫通孔３２内に埋め込むことにより、電解質板を構成することができる。なお、電解質材料３３に無機材料を使用した場合であっても、貫通孔３２の開口率を上述のように分布させることにより、電解質板の温度を均一化し、寿命を延ばすことができる。
更にまた、前述の各実施形態においては、液体燃料としてメタノール水溶液又は純メタノールを使用する例を示したが、本発明はこれに限定されず、液体燃料として例えば、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール若しくはジメチルエーテル又はこれらの水溶液を使用してもよい。またさらに、液体燃料としては、ブドウ糖や砂糖など糖類の水溶液なども用いることができる。
以下、本発明の実施例の効果を、比較例と比較して説明する。
図８は、比較例に係る燃料電池の電解質板を示す平面図である。
本発明の実施例として、前述の第１の実施形態の第１の具体例において説明したような燃料電池、すなわち、電解質板において開口率が不均一となっている燃料電池を作製した。また、比較例として、図８に示すように、電解質板６０の基体部６１に同じ大きさの貫通孔６２が均一に形成されており、貫通孔６２による開口率が面内で均一となっている燃料電池を作製した。なお、貫通孔６２の内部には、電解質材料６３が埋め込まれている。更に、他の比較例として、電解質板の替わりに連続的な電解質膜（ナフィオン膜）を設けた燃料電池も作製した。そして、これらの燃料電池の特性を評価した。
以下、本発明の実施例に係る燃料電池及び比較例に係る燃料電池の製造方法について説明する。両燃料電池は、電解質板に形成する貫通孔の分布以外の構成は相互に等しく、その製造方法も共通である。なお、以下の説明においては、説明をわかりやすくするために、燃料電池を構成する各構成要素に、図１及び図２に示す符号を付して記載する。
先ず、白金担持グラファイト粒子と溶液状のパーフルオロスルホン酸樹脂とをホモジナイザにより混合して、スラリを作製した。そして、このスラリを、空気極ガス拡散層となるカーボンペーパーに塗布した。そして、塗布したスラリを常温で乾燥させ、空気極を作製した。すなわち、スラリを乾燥させたものが空気極触媒層１３となり、カーボンペーパーが空気極ガス拡散層１４となった。
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溶液状のパーフルオロスルホン酸樹脂とをホモジナイザにより混合して、スラリを作製した。そして、このスラリを、燃料極ガス拡散層となるカーボンペーパーに塗布した。そして、これを常温で乾燥させ、燃料極を作製した。すなわち、スラリを乾燥させたものが燃料極触媒層１１となり、カーボンペーパーが燃料極ガス拡散層１２となった。
電解質板１５は以下のように作製した。先ず、Ｎ型のシリコン基板を用意した。このシリコン基板の主面の結晶方位は（１，０，０）面である。そして、このシリコン基板を熱酸化することにより、表面に厚さが１００ナノメートルの熱酸化膜を形成した。
次に、このシリコン基板上に、リソグラフィー法により貫通孔のパターンが形成されたレジストを成膜した。このとき、本発明の実施例の電解質板を形成する際には、レジストのパターンを図２に示すようなパターンとし、比較例の電解質板を形成する際には、図８に示すようなパターンとした。そして、このレジストをマスクとして、バッファードふっ酸により、酸化シリコン膜をエッチングして選択的に除去してパターニングした。次に、硫酸／過酸化水素水によりレジストを剥離した。
次に、パターニングされたシリコン酸化膜をマスクとして、ＫＯＨ水溶液によりシリコン基板をエッチングして、シリコン基板の主面にピットを形成した。次に、エタノール／ふっ酸中で光異方性エッチングを行い、ピットの位置を選択的にエッチングした。その後、シリコン基板の裏面の全面を、ふっ硝酸によりエッチングし、シリコン基板を減厚した。これにより、ピットの形成位置に貫通孔３２を形成した。次に、このシリコン基板を８００℃の温度に加熱して熱酸化処理を行い、シリコン基板の表面に酸化シリコン膜を形成した。これにより、基体部３１を作製した。
次に、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂、具体的には、デュポン社製ナフィオン（商品名）を、電解質材料３３として、貫通孔３２内に充填した。これにより、電解質板１５を作製した。
このようにして作製した電解質板１５を、前述の空気極及び燃料極で挟持した。このとき、空気極触媒層１３及び燃料極触媒層１１が電解質板１５に接触するようにした。そして、温度が１２０℃、圧力が３０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）１６を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。
次に、この膜電極接合体１６を、複数の孔を有する２枚の金箔で挟んだ。この金箔が燃料極導電層１７及び空気極導電層１８となり、金箔に形成された孔が、気化したメタノール及び空気を取り入れるための孔となった。
次に、燃料極導電層１７の表面上に、疎水性のポリテトラフルオロエチレンからなる多孔膜２１を形成した。さらに、その多孔膜２１の燃料極導電層側とは異なる側（燃料側）の表面に、水に溶かしたメチルセルロースを約２０ミクロンの厚さに塗布し、常温で十分に乾燥させた。これにより、高分子膨潤層２２を形成した。
このようにして作製された高分子膨潤層２２、多孔膜２１、燃料極導電層１７、膜電極接合体１６、空気極導電層１８がこの順に積層された積層体を、樹脂製の２つのフレーム２３及び２４により挟み込んだ。そして、電解質板１５と燃料極側のフレーム２３との間にＯリング１９を配置し、電解質板１５と空気極側のフレーム２４との間にＯリング２０を配置して、シールを施した。
次に、このフレーム及びＯリングを含む積層体のフレーム２３側に、シリコーンシートからなる気液分離膜２５と、液体燃料タンク２６とを配置して、フレーム２３を、気液分離膜２５を介して、液体燃料タンク２６にネジ止めによって固定した。
一方、空気極側のフレーム２４上に、多孔質板を配置し、保湿層２８を形成した。そして、ステンレス（ＳＵＳ３０４）からなり、直径が４ミリメートルの開口部が６４個形成され、厚さが２ミリメートルであるステンレス板を用意し、保湿層２８の空気側に配置して、フレーム２４にネジ止めによって固定した。これにより、このステンレス板が表面層２９となり、ステンレス板に形成された開口部が、空気取り入れのための空気導入口３０となった。
このようにして、燃料電池１０を作製した。
上述のように作製した燃料電池１０の表面層２９の表面に、熱電対を取り付けた。また、液体燃料タンク２６に、純メタノールを５ミリリットル注入した。そして、温度が２５℃、相対湿度が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、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。更に、燃料電池１０を、発電及び休止のサイクルを繰り返して一定時間駆動させた後、ＭＡＥ部分を取り出して観察した。
測定の結果、本発明の実施例の燃料電池における出力の最大値は１２．２ｍＷ／ｃｍ２であり、表面温度の最大値は３２．４℃であった。そして、本発明の実施例においては、駆動時間の経過に伴う出力の低下が相対的に小さかった。これに対して、前述の比較例（図８に示す均一な電解質板が設けられた燃料電池）及び他の比較例（連続的な電解質膜が設けられた燃料電池）においては、駆動時間の経過に伴う出力の低下が相対的に大きかった。また、ＭＡＥ部分を観察した結果、本発明の実施例においては、電極と電解質材料との界面が健全に保たれていた。これに対して、前述の他の比較例においては、電極と電解質膜との界面で剥離が観察された。
本発明の第１の実施形態に係る燃料電池を例示する断面図である。 第１の実施形態の第１の具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。 第１の実施形態の第２の具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。 第１の実施形態の第３の具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池を例示する断面図である。 第２の実施形態の第１の具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。 第２の実施形態の第２の具体例に係る燃料電池の電解質板を例示する平面図である。 比較例に係る燃料電池の電解質板を示す平面図である。
符号の説明
１０ 燃料電池、１１ 燃料極触媒層、１２ 燃料極ガス拡散層、１３ 空気極触媒層、１４ 空気極ガス拡散層、１５、１５ａ、１５ｂ 電解質板、１６ 膜電極接合体、１７ 燃料極導電層、１８ 空気極導電層、１９、２０ Ｏリング、２１ 多孔膜、２２ 高分子膨潤膜、２３、２４ フレーム、２５ 気液分離膜、２６ 液体燃料タンク、２７ 気化燃料収容室、２８ 保湿層、２９ 表面層、３０ 空気導入口、３１ 基体部、３２ 貫通孔、３３ 電解質材料、３５ 中央領域、３６ 中間領域、３７ 周辺領域、４０ 燃料電池、４１ 膜電極接合体、４２ 燃料極、４３ 空気極、４４、４４ａ 電解質板、４５ 燃料側部、４６ 空気側部、４７ 燃料タンク、４８ 燃料供給口、５１ 第１領域、５２ 第２領域、５３ 第３領域、６０ 電解質板、６１ 基体部、６２ 貫通孔、６３ 電解質材料、１００ 燃料

Claims (12)

  1. 燃料と酸素とを反応させて発電する燃料電池であって、
    アノード極と、
    カソード極と、
    前記アノード極と前記カソード極との間に設けられた電解質板と、
    を備え、
    前記電解質板は、
    複数の貫通孔が形成された基体部と、
    前記貫通孔内に充填されプロトンが通過可能であり前記燃料の通過を阻止する電解質材料と、
    を有し、
    前記電解質板における前記貫通孔の開口率は、前記アノード極と前記カソード極との間の反応が定常状態になったときに、前記電解質板の温度が面内で均一になるように分布していることを特徴とする燃料電池。
  2. 燃料と酸素とを反応させて発電する燃料電池であって、
    アノード極と、
    カソード極と、
    前記アノード極と前記カソード極との間に設けられた電解質板と、
    を備え、
    前記電解質板は、
    複数の貫通孔が形成された基体部と、
    前記貫通孔内に充填されプロトンが通過可能であり前記燃料の通過を阻止する電解質材料と、
    を有し、
    前記電解質板における前記貫通孔の開口率は、前記アノード極と前記カソード極との間の反応が定常状態になったときに、前記電解質板のプロトン通過密度が面内で均一になるように分布していることを特徴とする燃料電池。
  3. 前記アノード極に対して燃料を供給する燃料供給口が前記アノード極から見て前記電解質板の反対側に配置されており、前記電解質板の中央領域における前記貫通孔の開口率は、前記電解質板の周辺領域における前記貫通孔の開口率よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
  4. 前記アノード極に対して燃料を供給する燃料供給口が前記アノード極の一方の端部側に配置されており、前記電解質板の前記一方の端部側の領域における前記貫通孔の開口率は、前記電解質板の他方の端部側の領域における前記貫通孔の開口率よりも低いことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
  5. 燃料と酸素とを反応させて発電する燃料電池であって、
    アノード極と、
    カソード極と、
    前記アノード極と前記カソード極との間に設けられプロトンが通過可能な電解質板と、
    を備え、
    前記電解質板は、
    複数の貫通孔が形成された基体部と、
    前記貫通孔内に充填されプロトンが通過可能であり前記燃料の通過を阻止する電解質材料と、
    を有し、
    前記アノード極に対して燃料を供給する燃料供給口が前記アノード極から見て前記電解質板の反対側に配置されており、前記電解質板の中央領域における前記貫通孔の開口率は、前記電解質板の周辺領域における前記貫通孔の開口率よりも低いことを特徴とする燃料電池。
  6. 燃料と酸素とを反応させて発電する燃料電池であって、
    アノード極と、
    カソード極と、
    前記アノード極と前記カソード極との間に設けられプロトンが通過可能な電解質板と、
    を備え、
    前記電解質板は、
    複数の貫通孔が形成された基体部と、
    前記貫通孔内に充填されプロトンが通過可能であり前記燃料の通過を阻止する電解質材料と、
    を有し、
    前記アノード極に対して燃料を供給する燃料供給口が前記アノード極の一方の端部側に配置されており、前記電解質板の前記一方の端部側の領域における前記貫通孔の開口率は、前記電解質板の他方の端部側の領域における前記貫通孔の開口率よりも低いことを特徴とする燃料電池。
  7. 前記中央領域における前記貫通孔の配列密度は、前記周辺領域における前記貫通孔の配列密度よりも低いことを特徴とする請求項３または５に記載の燃料電池。
  8. 前記中央領域における前記貫通孔の大きさは、前記周辺領域における前記貫通孔の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項３または５に記載の燃料電池。
  9. 前記一方の端部側の領域における前記貫通孔の配列密度は、前記他方の端部側の領域における前記貫通孔の配列密度よりも低いことを特徴とする請求項４または６に記載の燃料電池。
  10. 前記一方の端部側の領域における前記貫通孔の大きさは、前記他方の端部側の領域における前記貫通孔の大きさよりも小さいことを特徴とする請求項４または６に記載の燃料電池。
  11. 前記電解質材料は、プロトン伝導性を有する有機材料であることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１つに記載の燃料電池。
  12. 前記有機材料は、スルホン酸基、カルボキシル基及び水酸基からなる群から選択された１種類以上の官能基を有することを特徴とする請求項１１記載の燃料電池。
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