JP2008065986A

JP2008065986A - 直接メタノール型燃料電池

Info

Publication number: JP2008065986A
Application number: JP2006239272A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Akasaka; 芳浩赤坂; Yoshihiko Nakano; 義彦中野; Hiroyasu Sumino; 裕康角野
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-09-04
Filing date: 2006-09-04
Publication date: 2008-03-21

Abstract

【課題】長時間の稼動においても、十分な電池特性を得ることができる直接メタノール型燃料電池の提供。
【解決手段】アノード中間層１２とアノード触媒層１３との接触界面、及び、カソード中間層１５とカソード触媒層１６との接触界面を凹凸形状で構成する。
【選択図】図２

Description

本発明は、直接メタノール型燃料電池に関する。

燃料電池は、電池内で水素やメタノール等の燃料を電気化学的に酸化させることにより、燃料の化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換して取り出すものであり、火力発電のように燃料の燃焼によるＮＯｘやＳＯｘなどの発生が無いため、クリーンな電気エネルギー供給源として注目されている。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、水素を燃料とするガス燃料用固体高分子燃料電池（ＰＥＭＦＣ）などの他の燃料電池に比べ、小型化、軽量化が可能であり、最近では、ノートパソコンや携帯電話などの携帯機器の電源として、様々な研究がなされている。

このような燃料電池では、電池出力の向上が大きな課題となっており、このような課題を解決するにあたり、例えば、燃料極又は酸素極、ないしは、その両方に、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、ポリエチレン等の撥水性材料含有層を設ける技術が開示されている（例えば、特許文献１、２）。
特開２００１−２８３８７５公報特開２００４−３９４１６公報

しかしながら、特許文献１、２に記載されている撥水性材料は、燃料電池の稼動により徐々に劣化する傾向があり、長時間の稼動の際、電池特性が徐々に低下し、十分な電池特性が得られないという問題があった。

そこで、本発明は、長時間の稼動においても、十分な電池特性を得ることができる直接メタノール型燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る直接メタノール型燃料電池は、アノード拡散層と、前記アノード拡散層に接合され、撥水性及び導電性を有するアノード中間層と、前記アノード中間層の前記アノード拡散層が設けられた面に対向する面に設けられたアノード触媒層と、を備えた燃料極と、カソード拡散層と、前記カソード拡散層に接合され、撥水性及び導電性を有するカソード中間層と、前記カソード中間層の前記カソード拡散層が設けられた面に対向する面に設けられたカソード触媒層と、を備えた酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極との間に挟持され、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層に接するプロトン伝導性膜と、を有し、前記アノード中間層と前記アノード触媒層との接触界面は、前記アノード中間層が前記アノード触媒層側に突出する第１凸部と、前記第１凸部に隣接して設けられ、前記アノード触媒層が前記アノード中間層側に突出する第２凸部と、を有する第１凹凸部が複数設けられた凹凸形状で構成され、前記カソード中間層と前記カソード触媒層との接触界面は、前記カソード中間層が前記カソード触媒層側に突出する第３凸部と、前記第３凸部に隣接して設けられ、前記カソード触媒層が前記カソード中間層側に突出する第４凸部と、を有する第２凹凸部が複数設けられた凹凸形状で構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、長時間の稼動においても、十分な電池特性を得ることができる直接メタノール型燃料電池が提供される。

最初に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）について説明する。直接メタノール型燃料電池の膜電極複合体（燃料電池起電部）は、一般的に、アノード集電体、アノード触媒層、プロトン伝導性膜、カソード触媒層及びカソード集電体がこの順番で順次積層されたものから構成される。集電体は多孔質導電性材料であり、触媒層へ液体燃料或いは酸化剤ガスを供給する役割もあるため、拡散層とも呼ばれている（以下、拡散層という）。触媒層は、例えば、触媒活性物質と導電性物質とプロトン伝導性物質とを含有する多孔質層から構成される。例えば、触媒層が導電性物質を担持体とした担持触媒の場合、触媒層は、担持触媒とプロトン伝導性物質とを含む多孔質層で構成されている。また、拡散層と触媒層とを総称して電極とも呼び、アノード拡散層とアノード触媒層とで燃料極、カソード拡散層とカソード触媒層とで酸化剤極（酸素極）とも呼ばれる（以下、燃料極、酸化剤極という）。

アノード触媒層にメタノール及び水からなる混合燃料が、カソード触媒層に空気（酸素）が供給されると、それぞれの電極内の触媒層において化学式（１）及び化学式（２）で示す触媒反応が生じる。そのため、触媒層は反応層とも呼ばれている。

燃料極：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- ・・・（１）
酸化剤極：６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂＋６ｅ^- → ３Ｈ₂Ｏ・・・（２）
アノードでは、メタノールと水が反応して、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。プロトンは、電解質膜を通ってカソードに到達する。カソードでは、酸素と、プロトンと、外部回路を経由してカソードに到達した電子とが結合して、水が生成される。または、ＤＭＦＣでは、液体燃料貯蔵部から燃料極の触媒層にメタノールと水を液体（メタノール水溶液）の状態で供給することにより、触媒上でプロトン（Ｈ^＋）、電子（ｅ⁻）、および二酸化炭素が生成され（反応式：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-）、プロトンは高分子固体電解質膜中を透過して酸化剤極の触媒層で酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極、酸化剤極を外部回路に接続することで、発生した電子により電力が取り出せる。生成した水は空気極から系外へ放出される。一方、燃料極で発生した二酸化炭素は、液体燃料を直接セルに供給する場合には燃料液相中を拡散し、ガスのみを透過するガス透過膜を介して燃料電池の系外へ排出される。

このような燃料電池において、優れた電池特性を得るためには、それぞれの電極に、スムーズに適量な燃料が供給されること、触媒活性物質とプロトン伝導性物質と燃料との三相界面で電極触媒反応が素早く多く発生すること、電子とプロトンとをスムーズに移動させること、反応生成物を素早く排出すること等が求められる。

本発明者は、長時間の稼動における電池特性の低下について、鋭意研究を重ねた結果、燃料極内では液体燃料の供給と生成ガスの排出とが徐々に滞ること、酸化剤極内では生成水が澱むことにより生じていると考え、本発明を創作するに至った。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。以下の図面の記載において、同一の部分には同一の符号を付し、重複する記載は省略する。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものと異なる。更に、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている。

図１に本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の平面図、図２に図１のＡ−Ａ線で切った断面図をそれぞれ示す。

本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池は、図１及び図２に示すように、アノード拡散層１１と、アノード拡散層１１に接合されたアノード中間層１２と、アノード中間層１２のアノード拡散層１１が設けられた面に対向する面に設けられたアノード触媒層１３とを備える燃料極４と、カソード拡散層１４と、カソード拡散層１４に接合されたカソード中間層１５と、カソード中間層１５のカソード拡散層１４が設けられた面に対向する面に設けられたカソード触媒層１６とを備える酸化剤極５と、燃料極４と酸化剤極５との間に挟持され、アノード触媒層１３及びカソード触媒層１６に接するプロトン伝導性膜１０とで構成されている。

すなわち、本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池は、プロトン伝導性膜１０と、プロトン伝導性膜１０に接するアノード触媒層１３及びカソード触媒層１６とで、上述した化学反応を起こして電気を発生させる反応空間を構成しており、また、プロトン伝導性膜１０と、プロトン伝導性膜１０を挟持する燃料極４及び酸化剤極５とで、膜電極複合体５０を構成している。

アノード拡散層１１は、図示しない燃料供給部から供給された液体燃料（メタノール及び水）を燃料電池内に拡散させて、アノード中間層１２に均一に供給する役割を備えており、また、アノード触媒層１３で発生した電気の通り道になっている。アノード拡散層１１は、例えば、炭素繊維や、カーボンペーパー等の多孔質の導電性材料で構成されている。

アノード中間層１２は、アノード拡散層１１の撥水性を調整する役割を備えており、また、アノード拡散層１１に供給された液体燃料と、アノード触媒層１３で発生した電気の通り道となっている。アノード中間層１２は、撥水性材料と導電性材料との混合体で構成されている。ここでいう撥水性材料は、例えば、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−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(ＰＦＡ)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(ＦＥＰ)、ポリクロロトリフルオロエチレン(ＰＣＴＦＥ)、ポリフッ化ビニリデン(ＰＶＤＦ)、ポリフッ化ビニル(ＰＶＦ)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(ＥＴＦＥ)などが挙げられる。また、導電性材料は、導電性カーボンが好適に用いられる。導電性カーボンとしては、例えば、ファーネスブラック、アセチレンブラック、黒鉛化ブラックなどが挙げられる。アノード中間層１２を構成する導電性カーボンのＤＢＰ吸油量の範囲は、例えば、１３０〜２５０ｍｌ／１００ｇである。

アノード触媒層１３は、アノード拡散層１１に供給された液体燃料を酸化する役割を備えている。アノード触媒層１３は、この酸化反応の促進を促す触媒、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）などの遷移金属、これらの金属の合金等で構成されている。また、必要に応じて、上述した触媒に導電性物質を担持体とした担持触媒と、プロトン伝導性物質とを含む多孔質層で構成されていてもよい。

カソード拡散層１４は、図示しない酸化剤ガス供給部から供給された酸化剤ガスを燃料電池内に拡散させて、カソード中間層１５に均一に供給する役割を備えており、また、カソード触媒層１６で発生した電気の通り道になっている。カソード拡散層１４は、アノード拡散層１１と同様な材料、例えば、炭素繊維や、カーボンペーパー等の多孔質の導電性材料で構成されている。

カソード中間層１５は、カソード拡散層１４の撥水性を調整する役割を備えており、また、カソード拡散層１４に供給された酸化剤ガスと、カソード触媒層１６で発生した電気の通り道となっている。カソード中間層１５は、アノード中間層１２と同様に、撥水性材料と導電性材料との混合体で構成されている。

カソード触媒層１６は、カソード拡散層１４に供給された酸化剤ガスを還元する役割を備えている。カソード触媒層１６は、この還元反応の促進を促す触媒、例えば、白金（Ｐｔ）、ロジウム（Ｒｕ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）などの遷移金属、これらの金属の合金等で構成されている。また、必要に応じて、上述した触媒に導電性物質を担持体とした担持触媒と、プロトン伝導性物質とを含む多孔質層で構成されていてもよい。

プロトン伝導性膜１０は、アノード触媒層１３で発生したプロトン（水素イオン）の移動媒体としての機能を備えている。プロトン伝導性膜１０は、例えば、イオン交換樹脂で構成されている。

アノード中間層１２とアノード触媒層１３との接触界面は、アノード中間層１２がアノード触媒層１３側に突出する第１凸部１２ａと、第１凸部１２ａに隣接して設けられ、アノード触媒層１３がアノード中間層１２側に突出する第２凸部１３ａとを有する第１凹凸部２０が複数設けられた凹凸形状で構成されている。また、カソード中間層１５とカソード触媒層１６との界面は、カソード中間層１５がカソード触媒層１６側に突出する第３凸部１５ａと、第３凸部１５ａに隣接して設けられ、カソード触媒層１６がカソード中間層１５側に突出する第４の凸部１６ａとを有する第２凹凸部２１が複数設けられた凹凸形状で構成されている。

プロトン伝導性膜１０とアノード触媒層１３との接触界面と平行な方向で定義される第１凸部１２ａの幅ａは、例えば、３μｍ〜６０μｍで構成されている。また、プロトン伝導性膜１０とアノード触媒層１３との接触界面と平行な方向で定義される第２凸部１３ａの幅ｂは、例えば、３μｍ〜６０μｍで構成されている。また、アノード拡散層１１とプロトン伝導性膜１０との対向する方向で定義される第１凸部１２ａ及び第２凸部１３ａの高さｔ_１は、例えば、５μｍ〜３５μｍで構成されている。

また、プロトン伝導性膜１０とカソード触媒層１６との接触界面と平行な方向で定義される第３凸部１５ａの幅ｃは、例えば、３μｍ〜６０μｍで構成されている。また、プロトン伝導性膜１０とカソード触媒層１６との接触界面と平行な方向で定義される第４凸部１６ａの幅ｄは、例えば、３μｍ〜６０μｍで構成されている。また、カソード拡散層１４とプロトン伝導性膜１０との対向する方向で定義される第３凸部１５ａ及び第４凸部１６ａの高さｔ_２は、例えば、５μｍ〜３５μｍで構成されている。

このように、燃料極４において、アノード中間層１２とアノード触媒層１３との接触界面が凹凸形状を備えているため、アノード拡散層１１に供給された液体燃料が効率良くアノード触媒層１３に供給され、かつ、アノード触媒層１３で生成した生成ガス（ＣＯ_２）が効率よくアノード触媒層１３から排出されるため、液体燃料の供給と生成ガスの排出とのバランスを効率良い状態に保つことができる。また、酸化剤極５において、カソード中間層１５とカソード触媒層１６との接触界面が凹凸形状を備えているため、カソード拡散層１４に供給された酸化剤ガスが効率良くカソード触媒層１６に供給され、かつ、カソード触媒層１６で生成した生成水（Ｈ_２Ｏ）が効率良くカソード触媒層１６から排出されるため、酸化剤ガスの供給と生成水の排出とのバランスを効率良い状態に保つことができる。

アノード中間層１２内に占める撥水性材料の重量％は、５ｗｔ％〜６５ｗｔ％であることが好ましい。アノード中間層１２内に占める撥水性材料の重量％が５ｗｔ％未満の場合は、アノード拡散層１１の撥水性を調整できなくなるため好ましくない。また、アノード中間層１２内に占める撥水性材料の重量％が６５ｗｔ％を超える場合は、アノード中間層１２内を通過する燃料の供給が阻害されてしまい、燃料電池としての運転が不安定になるため好ましくない。

カソード中間層１５内に占める撥水性材料の重量％は、５ｗｔ％〜６５ｗｔ％であることが好ましい。カソード中間層１５内に占める撥水性材料の重量％が５ｗｔ％未満の場合は、カソード拡散層１４の撥水性を調整できなくなるため好ましくない。また、カソード中間層１５内に占める撥水性材料の重量％が６５ｗｔ％を超える場合は、カソード中間層１５内を通過する生成水の排出が阻害されてしまい、燃料電池としての運転が不安定になるため好ましくない。

なお、本実施形態では、第１凹凸部２０と、第２凹凸部２１とが、プロトン伝導性膜１０を挟んでそれぞれ対称位置に設けられた例で説明しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、それぞれ非対称に設けられていてもよい。

また、本実施形態では、第１凸部１２ａの幅ａ、第２凸部１３ａの幅ｂ、第３凸部１５ａの幅ｃ、及び第４凸部１６ａの幅ｄは、ａ＝ｂ＝ｃ＝ｄで説明したが、本発明はこれに限定されない。

更に、第１凸部１２ａ及び第２凸部１３ａの高さｔ_１、第３凸部１５ａ及び第４凸部１６ａの高さｔ_２は、ｔ_１＝ｔ_２に限定されない。

このような幅ａ、ｂ、ｃ、ｄ、高さｔ_１、ｔ_２は、燃料極４では液体燃料の供給と生成ガスの排出とのバランス、酸化剤極５では酸化剤ガスの供給と生成水の排出とのバランスにより、適時、最適な値に設計することができる。

本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池は、図３及び図４に示すように、幅ａは、幅ｂよりも大きく、幅ｃは、幅ｄよりも大きいことが好ましい。

第１凸部１２ａの幅ａを第２凸部１３ａの幅ｂより大きくすると、アノード中間層１２のアノード拡散層１１とプロトン伝導性膜１０とが対向する方向で定義される厚さｔ_Ｍ１が厚い領域が増えるため、アノード触媒層１３に対する撥水性が増加し、多くの液体燃料をより効率的にアノード触媒層１３に供給することが出来ると共に、供給された多くの液体燃料が、反応により生成される生成ガスを押し出す形でより効率的に生成ガスを排出することができる。また、第３凸部１５ａの幅ｃを第４凸部１６ａの幅ｄより大きくすると、カソード中間層１５のカソード拡散層１４とプロトン伝導性膜１０とが対向する方向で定義される厚さｔ_Ｍ2が厚い領域が増えるため、カソード中間層１５のカソード触媒層１６に対する撥水性が増加し、反応により生成された生成水をより効率的にカソード拡散層１４側に排出することができる。

幅ａは、幅ｂより２倍〜５倍の範囲内で大きいことがより好ましい。幅ａが、幅ｂより２倍未満の大きさだと、アノード中間層１２の厚さｔ_Ｍ１が厚い領域が少ないため、長時間の稼動において供給された燃料が、アノード中間層１２の撥水性材料の劣化により、徐々に燃料極４内に滞ってしまい、反応により生成された生成ガスが徐々に排出されにくくなるため、より長時間の稼動において十分な電気特性を維持することができない。また、幅ａが、幅ｂより５倍を超える大きさだと、液体燃料の供給が多くなりすぎてしまい、反応により生成された生成ガスが排出されにくくなるため好ましくない。

また、幅ｃは、幅ｄより２倍〜５倍の範囲内で大きいことがより好ましい。幅ｃが、幅ｄより２倍未満の大きさだと、カソード中間層１５の厚さｔ_Ｍ２が厚い領域が少ないため、反応により生成した生成水が、カソード中間層１５の撥水性材料の劣化により、長時間の稼動において徐々に酸化剤極５内に滞ってしまうため、より長時間の稼動において十分な電気特性を維持することができない。また、幅ｃが、幅ｄより５倍を超える大きさだと、反応により生成された生成水が排出されやすくなるものの、これにより、酸化剤ガスの供給がされにくくなるため、より長時間の稼動において十分な電気特性を維持することができない。

次に、本実施形態に係る具体的な実施例について説明する。なお、本発明はこの実施例に限定されるものではない。

（実施例）
はじめに、２５０ｍｌポリポットにφ１０のジルコニアボール４０ｇとφ５φのジルコニアボール２０ｇを秤量して投入し、次に粒状アセチレンブラック（電気化学工業製）２ｇ、純水３０ｇ、濃度５４ｗｔテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）（三井ヂュポンフロロケミカル製）５．６ｇ、１-プロパノール１２ｇ、２−プロパノール１２ｇをポリエチレン製ポットに秤量して入れ、ペイントシャーカーで２時間撹拌混合処理を行ってアノード中間層およびカソード中間層用のスラリーを作製した。

次に、厚み３７０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）をカソード拡散層用基体として用いた。前記カーボンペーパーに先に調整してあったカソード中間層用のスラリーを拡散層上に乾燥時の厚みが１５μｍになる条件で、スクリーンマスクを用いて平滑層を形成することにより塗布し、次に、スクリーンメッシュを用いて平滑層上にスラリーを塗布し、スクリーンメッシュを取外し、凹凸を形成する。室温乾燥後、３００℃で１０分間、アルゴン雰囲気中で熱処理を実施し、酸素極側電極用基体を作成した。

得られたカソード中間層の断面をＳＥＭ観察し、凹凸の形状を確認したところ、第３凸部の幅ｃは１００μｍ、第４凸部の幅ｄは１０μｍ、第３凸部及び第４凸部の高さｔ_２は１０μｍ、カソード中間層の厚みｔ_Ｍ２は、３０μｍであった。

次に、ケッチェンブラックＥＣを塩化白金酸と塩化ルテニウム酸とを等モル溶解した水溶液に浸漬し、還元処理によってカーボン粉末の表面に白金−ルテニウム触媒を担持させた。このＰｔ−Ｒｕ担持カーボン粉末を、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０（デュポン製）と１-プロパノールとボールミルで混合して、カソード触媒層用スラリーを作製した。このスラリーを、先に作成した電極用基体上にギャップ６５０μｍのＫウエッジバーを用いて塗布し、室温乾燥させて、カソード触媒層を形成し、酸化剤極を作製した。

次に、粒子状カーボンの上に５０重量％のＰｔ微粒子が担持されている粒子状担持触媒を１ｇと、純水２ｇとを良く攪拌した。さらに、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０を４．５ｇと２−エトキシエタノール１０ｇを添加し、良く攪拌した後、卓上型ボールミルで分散し、アノード触媒層用スラリーを作製した。

アノード拡散層用の基材として、厚み３７０μｍのカーボンペーパー（東レ（株）製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）を用いた。前記カーボンペーパーに先に調整してあったアノード中間層用のスラリーを拡散層上に乾燥時の厚みが１５μｍになる条件でスクリーンマスクを用いて平滑層が形成されるように塗布する。次に、スクリーンメッシュを用いて平滑層上にスラリーを塗布し、スクリーンメッシュを取外し、凹凸を形成する。室温乾燥後、３００℃で１０分間、アルゴン雰囲気中で熱処理を実施し、燃料極側電極用基体を作成した。

得られたアノード中間層１２の断面をＳＥＭ観察し、凹凸の形状を確認したところ、第１凸部の幅ａは５０μｍ、第２凸部の幅ｂは５μｍ、第１凸部及び第２凸部の高さｔ_１は１０μｍ、アノード中間層１２の厚みｔ_Ｍ１は、３０μｍであった。

次に、この電極用基体に、先ほど作製したアノード触媒層用スラリーを１５０μｍバーコーターを用い、Ｋコントロルコーターで塗布し、風乾して触媒ローディング密度が２ｍｇ／ｃｍ²のアノード触媒層を形成し、燃料極を作製した。

＜膜電極複合体（ＭＥＡ）の作製＞
燃料極、酸化剤極それぞれを電極面積が１０ｃｍ²になるよう、３．２×３．２ｃｍの正方形に切り取り、カソード電極とアノード電極の間にプロトン伝導性固体高分子膜としてナフィオン１１７を挟んで、１２５℃、５分、１５ｋｇ／ｃｍ²の圧力で熱圧着して、膜電極複合体を作製した。

この膜電極複合体と流路板とを用いて直接メタノール型燃料電池の単セルを作製した。この単セルに燃料としての１Ｍメタノール水溶液を流量０．６ｍｌ／ｍｉｎ．でアノード極に供給すると共に、カソード極に空気を１００ｍｌ／ｍｉｎ．で供給し、セルを７０℃に維持した状態で１５０ｍＡ／ｃｍ²電流密度時のセル電圧とクロスオーバー率を測定した。この測定条件において、１５０ｍＡ／ｃｍ²の電流密度で１０時間の発電試験を実施し、発電安定性を電位降下により評価した。その結果を、図５に示す。

（比較例）
アノード中間層及びカソード中間層の中間層形成の際、スラリー塗布に用いるコーターをギャップ１００μｍのフラットバーを用い作成することを除き、その他は、同様な方法で膜電極複合体を作成し、実施例と同様な発電試験を実施し、発電安定性を電位降下により評価した。その結果を、図５に示す。

図５を見ても分かるように、比較例では長時間の稼動により徐々に電位降下が発生する傾向が確認されたが、実施例では長時間（５時間以上）稼動を行っても大きい電位降下は確認されなかった。

本実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の平面図。図１のＡ−Ａ線で切った断面図。本実施形態の他の形態に係る直接メタノール型燃料電池の平面図。図１のＢ−Ｂ線で切った断面図。実施例及び比較例の発電安定性に係る結果図。

符号の説明

４燃料極
５酸素極
１０プロトン伝導性膜
１１アノード拡散層
１２アノード中間層
１２ａ第１凸部
１３アノード触媒層
１３ａ第２凸部
１４カソード拡散層
１５カソード中間層
１５ａ第３凸部
１６カソード触媒層
１６ａ第４凸部
２０第１凹凸部
２１第２凹凸部

Claims

アノード拡散層と、前記アノード拡散層に接合され、撥水性及び導電性を有するアノード中間層と、前記アノード中間層の前記アノード拡散層が設けられた面に対向する面に設けられたアノード触媒層と、を備えた燃料極と、
カソード拡散層と、前記カソード拡散層に接合され、撥水性及び導電性を有するカソード中間層と、前記カソード中間層の前記カソード拡散層が設けられた面に対向する面に設けられたカソード触媒層と、を備えた酸化剤極と、
前記燃料極と前記酸化剤極との間に挟持され、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層に接するプロトン伝導性膜と、を有し、
前記アノード中間層と前記アノード触媒層との接触界面は、前記アノード中間層が前記アノード触媒層側に突出する第１凸部と、前記第１凸部に隣接して設けられ、前記アノード触媒層が前記アノード中間層側に突出する第２凸部と、を有する第１凹凸部が複数設けられた凹凸形状で構成され、
前記カソード中間層と前記カソード触媒層との接触界面は、前記カソード中間層が前記カソード触媒層側に突出する第３凸部と、前記第３凸部に隣接して設けられ、前記カソード触媒層が前記カソード中間層側に突出する第４凸部と、を有する第２凹凸部が複数設けられた凹凸形状で構成されていることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
前記第１凸部の幅は前記第２凸部の幅よりも大きく、前記第３凸部の幅は前記第４凸部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の直接メタノール型燃料電池。
前記第１凸部の幅は前記第２凸部の幅よりも２倍から５倍の範囲内で大きく、前記第３凸部の幅は前記第４凸部の幅よりも２倍から５倍の範囲内で大きいことを特徴とする請求項１に記載の直接メタノール型燃料電池。
前記アノード中間層及び前記カソード中間層は、それぞれ撥水性材料と導電性材料との混合体で構成されており、前記アノード中間層及び前記カソード中間層それぞれに含まれる前記撥水性材料の重量％は、５ｗｔ％〜６５ｗｔ％の範囲内で構成されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池。