JP2008235026A

JP2008235026A - 燃料分布調整方法、燃料分布調整膜、燃料分布調整膜の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法

Info

Publication number: JP2008235026A
Application number: JP2007073377A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Terada; 貴洋寺田; Yasutada Nakagawa; 泰忠中川; Yuji Sasaki; 裕司笹木; Yuichi Yoshida; 勇一吉田
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2008-10-02
Also published as: US20080233439A1; US8354200B2; CN101271977B; KR20080085762A; CN101271977A; DE102007045284A1

Abstract

【課題】本発明は、膜電極接合体への燃料供給量の分布を調整することで、膜電極接合体における温度分布を均一にすることができる燃料分布調整方法、燃料分布調整膜、燃料分布調整膜の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】燃料電池の膜電極接合体の燃料供給側に設けられた膜により、前記膜電極接合体における温度分布が略均一となるように前記膜電極接合体への燃料供給量の分布を調整すること、を特徴とする燃料分布調整方法が提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料分布調整方法、燃料分布調整膜、燃料分布調整膜の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法に関する。

近年の電子技術の進歩に伴い、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、これに使用される電池の小型化、高エネルギー密度化の要求が高まっている。そのような中、小型軽量でありながら高容量の燃料電池が注目されている。特に、メタノールを燃料とする直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べて、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の必要がないため、小型化に適している。

この直接メタノール形燃料電池においては、燃料極（アノード極）、固体の電解質膜、酸化剤極（カソード極）がこの順に相互に隣接して設けられ膜電極接合体を形成している。そして、燃料極側に燃料（メタノール）を供給し、電解質膜近傍の触媒で燃料（メタノール）を反応させて、プロトン（Ｈ^＋）と電子（ｅ⁻）とを取り出している。ここで、燃料電池の電気特性を向上させるために、燃料極側に燃料（メタノール）を均一に供給する技術が提案されている（特許文献１，２を参照）。

しかしながら、特許文献１、２に開示されている技術においては、膜電極接合体における温度分布が考慮されていなかった。そのため、燃料極側に燃料（メタノール）を均一に供給するだけでは、燃料電池の電気特性の向上、特に、出力の向上に課題を有していた。
特開２００６−１９６４３０号公報独国特許出願公開第１９８５３９１１号明細書

本発明は、膜電極接合体への燃料供給量の分布を調整することで、膜電極接合体における温度分布を均一にすることができる燃料分布調整方法、燃料分布調整膜、燃料分布調整膜の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法を提供する。

本発明の一態様によれば、燃料電池の膜電極接合体の燃料供給側に設けられた膜により、前記膜電極接合体における温度分布が略均一となるように前記膜電極接合体への燃料供給量の分布を調整すること、を特徴とする燃料分布調整方法が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、燃料電池の膜電極接合体の燃料供給側に設けられた膜であって、前記膜には前記膜電極接合体における温度分布が略均一となるような開孔が設けられていること、を特徴とする燃料分布調整膜が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、ベースとなる膜を形成し、前記膜に燃料電池の膜電極接合体における温度分布が略均一となるような開孔を設けること、を特徴とする燃料分布調整膜の製造方法が提供される。

また、本発明の他の一態様によれば、膜電極接合体と、上記のいずれかに記載の燃料分布調整膜とを備えること、を特徴とする燃料電池が提供される。

さらにまた、本発明の他の一態様によれば、上記に記載の燃料電池の製造方法であって、上記のいずれかに記載の製造方法により燃料分布調整膜を製造すること、を特徴とする燃料電池の製造方法が提供される。

本発明によれば、膜電極接合体への燃料供給量の分布を調整することで、膜電極接合体における温度分布を均一にすることができる燃料分布調整方法、燃料分布調整膜、燃料分布調整膜の製造方法、燃料電池、および燃料電池の製造方法が提供される。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をする。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための模式断面図である。
尚、説明の便宜上、直接メタノール型燃料電池を例にとって説明する。
図１に示すように、燃料電池１には、複数の燃料極（アノード極）６と、それと同数の酸化剤極（カソード極）８とが設けられている。また、燃料極６と、酸化剤極８とに挟持された電解質膜７が設けられている。燃料極６、電解質膜７及び酸化剤極８の形状はいずれも平板状である。そして、燃料極６、電解質膜７、酸化剤極８がこの順に積層されて膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）９が形成されており、この膜電極接合体９が燃料電池１の起電部となっている。そして、各膜電極接合体９は、すべて電気的に直列接続されており、各膜電極接合体９で発生した電力の総和が、燃料電池１の電力となる。

燃料極６及び酸化剤極８には、化学反応を促進するための触媒が、それぞれ含有されている。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６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、酸化剤極８に含まれる触媒としては、Ｐｔ又はＰｔ−Ｎｉ等が好ましい。また、触媒としては、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。

電解質膜７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（Ｈ^＋）は通過させるが、燃料の通過は阻止する電解質材料が充填されている。そのような電解質材料としては、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体のようなスルホン酸基を有する樹脂材料を例示することができる。具体的には、例えば、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ、商品名）や旭硝子社製のフレミオン（商品名）等を例示することができる。

尚、電解質材料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。電解質材料の内部には、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（Ｈ^＋）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（Ｈ^＋）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となっている。

また、電解質材料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。この場合、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。

燃料極６における電解質膜７とは反対側の面上には、ガス拡散膜５と、燃料極集電体４と、燃料分布調整膜１５と、多孔質膜３と、保液膜２とがこの順番で積層されている。

ガス拡散膜５は、燃料極６に燃料を均一に供給する役割を果たし、燃料極集電体４は、燃料極６側の集電体としての役割を果たす。燃料極集電体４は、導電材料からなる多孔質膜により構成されており、例えば、複数の開孔を有する金箔や金からなるメッシュにより構成されている。

燃料分布調整膜１５は、各膜電極接合体９で発生した電力の総和が最大となるように、保液膜２側から燃料極６側へ供給される燃料の面内分布を調整する。燃料分布調整膜１５は、耐熱性、燃料に対する耐性のある有機材料、無機材料、もしくはこれらの複合材料から構成されるものとすることができる。

具体的には、有機材料として、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、テトラフルオロエチレン−プロピレン共重合体、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、ポリビニリデンフルオライド、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルコキシエチレン共重合体、ポリスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリレート、ポリエーテルスルフォン、ポリシラザンなどを、無機材料として、酸化シリコン、炭化シリコン、窒化シリコン、アルミナ、酸化ジルコニウム、セリア、酸化鉛、酸化ビスマス、酸化ホウ素などを、複合材料として、ポリプロピレンにガラス繊維や有機繊維を複合混入させたものなど、を例示することができる。

また、燃料分布調整膜１５は、膜電極接合体９の燃料供給側に設けられていればよく、設けられる位置は適宜変更することができる。また、燃料分布調整膜１５は、多孔質膜３、燃料極集電体４、ガス拡散膜５の内部に内蔵されるようにしてもよい。
また、多孔質膜３の機能と燃料分布調整膜１５の機能、燃料極集電体４の機能と燃料分布調整膜１５の機能、ガス拡散膜５の機能と燃料分布調整膜１５の機能、とを一体化するようにしてもよい。例えば、燃料極集電体４の開孔率を所定の領域毎に変えて、燃料供給量の分布を調整するようにしてもよい。また、燃料分布調整膜１５を複数の箇所に設けるようにすることもできる。

多孔質膜３は、疎水性を有し、ガス拡散膜５側から保液膜２側への水の移動を防止し、一方で、保液膜２側からガス拡散膜５側への燃料の気化成分の透過を可能とするものである。多孔質膜３の材料を例示するものとすれば、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を挙げることができる。

この多孔質膜３をガス拡散膜５と保液膜２との間に配設することで、例えば、浸透圧現象によって、酸化剤極８で生成された水が電解質膜７を通過して燃料極６に移動することが促進されるような場合においても、その移動してきた水が、保液膜２及びそれよりも燃料供給側に侵入することを防止することができる。これによって、例えば、図示しない燃料タンク内における燃料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６と多孔質膜３との間に水を保持することで、燃料極６に水を補給することも可能である。これは、図示しない燃料タンク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などに特に有効である。

保液膜２は、燃料極６に燃料を供給するフェルト状のシートであり、その側端部には、図示しない燃料タンクから燃料を補給する補給部１３が設けられている。

図示しない燃料タンクに貯留されている燃料は、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とすることができる。

一方、酸化剤極８における電解質膜７とは反対側の面上には、ガス拡散膜１０と、酸化剤極側集電体１１と、多孔質保湿膜１２とがこの順番で積層されている。
ガス拡散膜１０は、酸化剤極８に酸化剤（酸素）を均一に供給する役割を果たし、酸化剤極側集電体１１は、酸化剤極８側の集電体としての役割を果たす。酸化剤極側集電体１１は、導電材料からなる多孔質膜により構成されており、例えば、複数の開孔を有する金箔や金からなるメッシュにより構成されている。

多孔質保湿膜１２は、空気極８において生成され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、ガス拡散膜１０に酸化剤（空気）を均一に導入することにより、空気極８への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散膜としての機能も有している。この多孔質保湿膜１２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ミクロンである膜を使用することができる。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、燃料分布調整膜１５について説明をする。
まず、燃料分布調整膜１５の必要性について説明をする。
高い出力密度の燃料電池を得るためには、膜電極接合体９への燃料の供給量を適正に保つ必要がある。この場合、適正量より多い燃料が膜電極接合体９に供給されると、反応しきれない燃料が酸化剤極８側に移動してしまい、酸化剤極８の触媒表面積が低減するため電圧損失が増大するおそれがある。逆に、供給される燃料が適正量より過度に少ない場合にも、反応エネルギーが大きくなり過ぎて、電圧損失が増大するおそれがある。

しかしながら、単に、燃料極６への燃料供給量を均一にしたとしても、燃料電池の出力が最大とはならないことが判明した。
本発明者は検討の結果、出力密度は、電流密度と電圧とに加えて、起電部分（膜電極接合体９部分）における温度分布の影響を受けるとの知見を得た。

図２は、電圧の温度依存性を説明するための模式グラフ図である。
図２に示すように、電圧Ｖは電流密度Ｉと各起電部分（膜電極接合体９部分）における温度Ｔとの関数であり、下記の（１）式で表すことができる。

Ｖ＝ｆ（Ｉ、Ｔ) （１）

また、電流密度Ｉは、供給された燃料のうち、発電に寄与するものの濃度ａの関数として、以下の（２）式で表すことができる。

Ｉ＝ｇ（ａ）（２）

ここで、各起電部分（各膜電極接合体９部分）における出力密度ｗは（１）式と（２）式の積で表される。また、起電部分（膜電極接合体９部分）全体の出力Ｗは、各起電部分の出力密度ｗの総和となる。

そのため、起電部分全体の出力Ｗを最大とするためには、以下の（３）式で表されるＷが最大となるような条件で発電を行えばよいことになる。

Ｗ＝ΣＶ・Ｉ＝Σｆ（Ｉ、Ｔ)・Ｉ（３）

ここで、電流密度Ｉは、燃料の濃度ａの関数であるから、使用燃料の種類などでほぼ決定することができる。そのため、出力Ｗを温度Ｔの関数と考えることができる。
一方、起電部分（膜電極接合体９部分）においては、化学反応による熱が発生するが、周辺領域では外気への放熱が起きるため中心部分に比べて温度上昇が小さくなる。その結果、各起電部分（各膜電極接合体９部分）において均等な発熱が生じた場合であっても、起電部分（膜電極接合体９部分）の中央領域における温度が高く、周辺領域における温度が低くなるという温度分布の不均一が生じる。このような場合、中央領域と周辺領域とでは発電効率が変わってしまうため、全体としては高い出力を得ることができないおそれが生じる。すなわち、例えば、中央領域の温度を発電に最も適した温度としても、周辺領域はその温度より低くなるためこの部分の出力が低下し、燃料電池全体としては高い出力を得ることができないおそれが生じる。

本発明者はさらなる検討の結果、起電部分（膜電極接合体９部分）への燃料供給量の分布を調整することで、起電部分（膜電極接合体９部分）の温度分布を均一化し、かつ、その温度を発電にとって最適な温度とすることができれば、全体として高い出力が得られるとの知見を得た。
そのため、そのような起電部分（膜電極接合体９部分）への燃料供給を行うことができる燃料分布調整膜１５が必要となる。

図３は、領域毎に開孔率を変える場合を例示するための模式図である。
図３に示すように、燃料分布調整膜１５ａは矩形形状の板状体である。また、燃料分布調整膜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を囲み燃料分布調整膜１５ａの端縁を含む矩形の枠状としている。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、中間領域３６がその間となっている。そのため、燃料分布調整膜１５ａ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、中間領域３６がその間となっている。

尚、説明の便宜上、三領域に分けているが、これに限定されるわけではなく、領域の数は適宜変更することができる。また、貫通孔３２を直孔としているが迷路状に形成されたものであってもよい。また、貫通孔３２の直径寸法は、長さ方向で一定である必要はなく、例えば、テーパ状としたり、所定の長さ毎に直径寸法を変えるようにしたものであってもよい。また、貫通孔３２の断面形状も円形に限定されるわけではなく、任意の形状とすることができる。

このように領域毎に開孔率を変えるようにすれば、中央領域３５への燃料供給量が最も少なくなり、この部分の発熱量が最も少なくなる。逆に、周辺領域３７への燃料供給量が最も多くなり、この部分の発熱量が最も多くなる。そして、中間領域３６への燃料供給量、発熱量はその中間となる。この場合、外部への放熱としては、中央領域３５が最も少なく、周辺領域３７が最も多くなる。そのため、発熱と放熱のバランスを燃料供給量で調整することにより、起電部分（膜電極接合体９部分）全域の温度を発電にとって最適な温度となるようにすることができる。

図４は、領域毎に開孔率を変える他の具体例を例示するための模式図である。図４に示すように、燃料分布調整膜１５ｂは矩形形状の板状体である。また、前述の燃料分布調整膜１５ａ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とに分けられており、各領域間で貫通孔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３２ａの直径は、中間領域３６における貫通孔３２ｂの直径よりも小さく、中間領域３６における貫通孔３２ｂの直径は、周辺領域３７における貫通孔３２ｃの直径よりも小さい。一方、貫通孔の配列密度は、各領域間で同一である。そのため、燃料分布調整膜１５ｂの貫通孔による開口率は、中央領域３５が最も低く、周辺領域３７が最も高く、中間領域３６がその中間となっている。

尚、説明の便宜上、三領域に分けているが、これに限定されるわけではなく、領域の数は適宜変更することができる。また、貫通孔を直孔としているが迷路状に形成されたものであってもよい。また、貫通孔の直径寸法は、長さ方向で一定である必要はなく、例えば、テーパ状としたり、所定の長さ毎に直径寸法を変えるようにしたものであってもよい。また、貫通孔の断面形状も円形に限定されるわけではなく、任意の形状とすることができる。

このようにして領域毎に開孔率を変えるようにすれば、中央領域３５への燃料供給量が最も少なくなり、この部分の発熱量が最も少なくなる。逆に、周辺領域３７への燃料供給量が最も多くなり、この部分の発熱量が最も多くなる。そして、中間領域３６への燃料供給量、発熱量はその中間となる。この場合、外部への放熱としては、中央領域３５が最も少なく、周辺領域３７が最も多くなる。そのため、発熱と放熱のバランスを燃料供給量で調整することにより、起電部分（膜電極接合体９部分）全域の温度を発電にとって最適な温度となるようにすることができる。

図５は、領域毎に開孔率を変える場合を例示するための模式グラフ図である。図５の横軸は、燃料分布調整膜１５の中央領域からの距離を示し、横軸が開孔率を示している。
ここで、起電部分（膜電極接合体９部分）の大きさ（燃料電池の大きさ）が変わると、外部への放熱量も変わる。そのため、図中のＡ、Ｂに示すように燃料分布調整膜１５の中央領域からの距離により、その開孔率を変える必要がある。尚、開孔率１００％は、燃料分布調整膜１５がほとんど存在しない場合を表している。

図６は、領域毎に貫通孔の長さを変える場合を例示するための模式断面図である。
図６は、矩形形状の板状体である燃料分布調整膜１５ｃの断面図である。
図６に示すように、燃料分布調整膜１５ｃの厚みは、中央領域Ｃ、中間領域Ｄ及び周辺領域Ｅとで異なるものとされている。中央領域Ｃの厚み寸法が最も薄く、周辺領域Ｅの厚み寸法が最も厚くなっており、中間領域Ｄにおいては、中央領域Ｃと周辺領域Ｅとを結ぶように傾斜面が形成されている。そして、各領域において、燃料分布調整膜１５ｃの主面に略垂直な貫通孔３２が設けられている。このようにすれば、各領域毎に貫通孔の長さを変えることができる。

そして、貫通孔の長さが長くなるほど流路抵抗が増し、燃料の供給量を減らすことができる。その結果、前述の開孔率を領域毎に変化させる場合と同様、各領域毎の燃料供給量を調整することができる。

尚、説明の便宜上、三領域に分けているが、これに限定されるわけではなく、領域の数は適宜変更することができる。また、図６では、貫通孔３２の直径寸法を同一としているが、直径寸法を変化させてもよい。また、中間領域Ｄを直線状の傾斜面としたが、傾斜面は曲線で形成されていてもよく、また、階段状になっていてもよい。また、貫通孔３２を直孔としているが迷路状に形成されたものであってもよい。また、貫通孔３２の直径寸法は、長さ方向で一定である必要はなく、例えば、テーパ状としたり、所定の長さ毎に直径寸法を変えるようにしたものであってもよい。また、貫通孔３２の断面形状も円形に限定されるわけではなく、任意の形状とすることができる。

図７は、起電部分（膜電極接合体９部分）の温度分布を説明するための模式グラフ図である。
図中のＸ１は、起電部分（膜電極接合体９部分）へ均一に燃料を供給した場合の温度分布を示し、Ｙ１は、燃料分布調整膜１５を設けて各領域毎の燃料供給量を調整した場合を示している。
均一に燃料を供給した場合においては、発熱量はほぼ均等となるが、周辺領域に行くほど放熱量は多くなるので、図７のＸ１に示すように温度分布は不均一となる。これに対し、燃料分布調整膜１５を設けて、発熱量と放熱量のバランスがとれるよう各領域毎の燃料供給量を調整すれば、図７のＹ１に示すように温度分布を均一とすることができる。

図８は、起電部分（膜電極接合体９部分）の出力密度分布を説明するための模式グラフ図である。
図中のＸ２は、起電部分（膜電極接合体９部分）へ均一に燃料を供給した場合の温度分布を示し、Ｙ２は、燃料分布調整膜１５を設けて各領域毎の燃料供給量を調整した場合を示している。
均一に燃料を供給した場合においては、発熱量はほぼ均等となるが、周辺領域に行くほど放熱量は多くなるので、周辺領域の温度は中央領域に比べて低くなる。そのため、周辺領域の反応が進まず出力密度は低下する。また、中央領域においては、熱エネルギーへの変換が多くなった分だけ電気エネルギーへの変換効率が低下するという現象が現れる。そのため、中央領域においてはかえって出力密度が低下する部分が現れる。

これに対し、燃料分布調整膜１５を設けて、発熱量と放熱量のバランスがとれるよう各領域の燃料供給量を調整すれば、温度分布を均一とすることができる。そして、この温度を発電にとって最適な温度とすることで、起電部分（膜電極接合体９部分）全域で高い出力密度を得ることができる。尚、本発明者の得た知見によれば、発電にとって最適な温度は、燃料の種類や濃度、燃料電池の大きさなどにより、３０℃〜６０℃の範囲で適宜選択することができる。

ここで、本発明者が行ったシミュレーション結果によれば、周辺領域への燃料供給量を中央領域への燃料供給量の１．６倍とすれば、起電部分（膜電極接合体９部分）の温度分布を略均一とすることができた。そして、このような燃料供給量の分布を有する燃料電池の出力を測定したところ、燃料を均一に供給するものに比べて、その出力を１．５倍にすることができた。

次に、本実施の形態にかかる燃料電池の作用について説明をする。
図９は、燃料電池の作用について説明をするための模式図である。
尚、図１で説明をしたものと同様の部分には同じ符号を付し、その説明は省略する。

燃料極６側に、燃料であるメタノール水溶液が供給されると、メタノール水溶液は燃料極６の触媒により下記の(４)式の酸化反応を生ずる。そして、この反応により二酸化炭素ＣＯ_２、プロトン（Ｈ^＋）、電子（ｅ⁻）を発生させる。この際、燃料分布調整膜１５の作用により、各起電部分（各膜電極接合体９部分）への燃料供給量の調整が行われる。
プロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜７を透過して酸化剤極８側に移動する。電子（ｅ⁻）は、負荷６９を通って仕事をした後、酸化剤極８側に移動する。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ (４)

酸化剤極８側に到達したプロトン（Ｈ^＋）と、負荷６９を通って仕事をした後に酸化剤極８に側に到達した電子（ｅ⁻）とが、酸化剤極８の触媒により空気中の酸素Ｏ_２と反応して(５)式の還元反応を生じる。

６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋３／２Ｏ₂→３Ｈ₂Ｏ …(２)

燃料極６側で発生した二酸化炭素（ＣＯ_２）は、残余のメタノール水溶液とともに図示しない燃料排出口から外部に排出される。また、酸化剤極８側で発生した水は、水蒸気として図示しない通気孔から排出される。

これらの反応により反応熱が発生するが、周辺領域では外気への放熱が起きるため中心部分に比べて温度上昇が小さくなる。その結果、各起電部分（各膜電極接合体９部分）において均等な発熱が生じた場合であっても、中央領域の温度が高く、周辺領域の温度が低くなるという温度分布の不均一が生じる。このような場合、中央領域と周辺領域とでは発電効率が変わるため、全体としては高い出力を得ることができないおそれがある。

本実施の形態においては、燃料分布調整膜１５を設けているので、各起電部分（各膜電極接合体９部分）への燃料供給量を調整することで、起電部分（膜電極接合体９部分）全域の温度を発電にとって最適な温度とすることができる。その結果、高い出力を有する燃料電池を得ることができる。

次に、本実施の形態に係る燃料電池１の製造方法について説明をする。
図１０は、本実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明をするためのフローチャートである。
まず、相分離法、発泡法、ゾルゲル法などの化学的、物理的方法を用いて多孔質材料層を作成する。尚、多孔質材料層は、市販の多孔質材料を適宜用いるようにしてもよい。例えば、厚さ２５マイクロメートル、開孔率４５%のポリイミド多孔膜（宇部興産製ユーピレックスＰＴ）などを用いることができる。
そして、この多孔質材料層に電解質を充填させて、電解質膜７を作成する（ステップＳ１）。電解質を充填させる方法としては、多孔質材料層を電解質溶液中に浸漬させ、これを引き上げて乾燥させ溶媒を除去する方法を例示することができる。電解質溶液としてはナフィオン（登録商標、デュポン社製）溶液を例示することができる。尚、電解質膜７は、高分子電解質材料からなる膜としてもよい。その場合は、多孔質材料層の作成や電解質の充填は不要となる。
次に、多孔質性のカーボン織布またはカーボンペーパーにＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）溶液を含浸させてガス拡散膜１０を作成する。そして、これに白金（Ｐｔ）の微粒子と、活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンと、溶剤とを混合してペースト状にしたものを塗布し、常温乾燥させることで触媒を形成させて、酸化剤極８を作成する（ステップＳ２）。

一方、多孔質性のカーボン織布またはカーボンペーパーにＰＴＦＥ（Polytetrafluoroethylene）溶液を含浸させてガス拡散膜５を作成する。そして、これに白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）の微粒子と、活性炭や黒鉛などの粒子状または繊維状のカーボンと、溶剤とを混合してペースト状にしたものを塗布し、常温乾燥させることで触媒を形成させて、燃料極６を作成する（ステップＳ３）。

次に、電解質膜７と、酸化剤極８と、燃料極６とで膜電極接合体９を形成させる。そして、ガス拡散膜５、ガス拡散膜１０を挟み込むようにして、空気または気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する金箔からなる燃料極集電体４、酸化剤極集電体１１を設ける（ステップＳ４）。

次に、燃料極集電体４の上に本実施の形態にかかる燃料分布調整膜１５を設ける（ステップＳ５）。
燃料分布調整膜１５は、耐熱性、燃料に対する耐性のある有機材料、無機材料、もしくはこれらの複合材料から構成されるベースとなる膜に、開孔を設けることで作成される。開孔を設ける方法としては、ドライエッチング法やウェットエッチング法などを用いることができる。ここでは、ベースとなる膜を無機材料からなるものとし、ウェットエッチング法を用いて開孔を設ける場合を例示する。まず、無機材料からなる膜の上に紫外線硬化型樹脂を数十マイクロメートル程度にスピンコートし、焼成、露光、現像、ポストベークを経て開孔のパターンを形成させる。その後、バッファード弗酸にてエッチングを行い、剥離液を用いてレジストを除去すれば、膜に所望の開孔を設けることができる。尚、図６で説明をしたように膜の厚さ方向を変化させる場合も、ドライエッチング法やウェットエッチング法などを用いて作成することができる。

尚、例えば、燃料極集電体４の開孔率を所定の領域毎に変えるようにして、燃料分布調整膜１５の機能を併せ持つようにすることもできる。その場合は、燃料極集電体４と燃料分布調整膜１５とが一体化されたものと考えることができる。

次に、燃料分布調整膜１５の上に多孔質膜３、保液膜２をこの順番で設け、保液膜２に補給部１３を設ける（ステップＳ６）。尚、補給部１３には、図示しない燃料タンクが接続される。

次に、酸化剤極集電体１１の上に多孔質材料からなる多孔質保湿膜１２を設ける（ステップＳ７）。

最後に、これらを適宜ケースに収納するなどして燃料電池１を形成させる（ステップＳ８）。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明をした。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。

前述の具体例に関して、当業者が適宜設計変更を加えたものも、本発明の特徴を備えている限り、本発明の範囲に包含される。
例えば、前述した燃料電池の各要素の形状、寸法、材質、配置などは、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
また、燃料電池も単一の膜電極接合体で構成されたものを図示したが、膜電極接合体を複数枚積層したスタック構造としてもよい。
また、起電部分（膜電極接合体部分）が複数設けられたものを図示したが、単一の起電部分（膜電極接合体部分）が設けられたものであってもよい。

また、燃料についてもメタノール水溶液を例示したが、これに限定されるものではない。他の燃料としては、メタノールの他にも、エタノール、プロパノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのエーテル類、シクロヘキサンなどのシクロパラフィン類、水酸基、カルボキシル基、アミノ基、アミド基などの親水基を有するシクロパラフィン類などを例示することができる。尚、このような燃料は、通常５〜９０重量％程度の水溶液として用いられる。

また、前述した各具体例が備える各要素は、可能な限りにおいて組み合わせることができ、これらを組み合わせたものも本発明の特徴を含む限り本発明の範囲に包含される。

本発明の実施の形態に係る燃料電池を説明するための模式断面図である。電圧の温度依存性を説明するための模式グラフ図である。領域毎に開孔率を変える場合を例示するための模式図である。領域毎に開孔率を変える他の具体例を例示するための模式図である。領域毎に開孔率を変える場合を例示するための模式グラフ図である。領域毎に貫通孔の長さを変える場合を例示するための模式断面図である。起電部分（膜電極接合体部分）の温度分布を説明するための模式グラフ図である。起電部分（膜電極接合体部分）の出力密度分布を説明するための模式グラフ図である。燃料電池の作用について説明をするための模式図である。本実施の形態に係る燃料電池の製造方法について説明をするためのフローチャートである。

符号の説明

１燃料電池、６燃料極（アノード極）、７電解質膜、８酸化剤極（カソード極）、９膜電極接合体、１５燃料分布調整層、１５ａ〜１５ｃ燃料分布調整層、３２貫通孔、３２ａ〜３２ｃ貫通孔

Claims

燃料電池の膜電極接合体の燃料供給側に設けられた膜により、前記膜電極接合体における温度分布が略均一となるように前記膜電極接合体への燃料供給量の分布を調整すること、を特徴とする燃料分布調整方法。
前記調整は、前記膜の開孔率を所定の領域毎に変えることにより行われること、を特徴とする請求項１記載の燃料分布調整方法。
前記調整は、前記膜に設けられた開孔の流路抵抗を所定の領域毎に変えることにより行われること、を特徴とする請求項１記載の燃料分布調整方法。
燃料電池の膜電極接合体の燃料供給側に設けられた膜であって、前記膜には前記膜電極接合体における温度分布が略均一となるような開孔が設けられていること、を特徴とする燃料分布調整膜。
前記開孔の開孔率は、前記膜の所定の領域毎に変えられていること、を特徴とする請求項４記載の燃料分布調整膜。
前記開孔の流路抵抗は、前記膜の所定の領域毎に変えられていること、を特徴とする請求項４記載の燃料分布調整膜。
ベースとなる膜を形成し、前記膜に燃料電池の膜電極接合体における温度分布が略均一となるような開孔を設けること、を特徴とする燃料分布調整膜の製造方法。
前記開孔の開孔率を、前記膜の所定の領域毎に変えること、を特徴とする請求項７記載の燃料分布調整膜の製造方法。
前記開孔の流路抵抗を、前記膜の所定の領域毎に変えること、を特徴とする請求項４記載の燃料分布調整膜の製造方法。
膜電極接合体と、請求項４〜６のいずれか１つに記載の燃料分布調整膜と、を備えたこと、を特徴とする燃料電池。
請求項１０に記載の燃料電池の製造方法であって、
請求項７〜９のいずれか１つに記載の製造方法により燃料分布調整膜を製造すること、を特徴とする燃料電池の製造方法。