JP2008305708A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高電流を取り出すことで高出力が実現される燃料電池を提供する。
【解決手段】液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成され、燃料極触媒層を少なくとも有する燃料極と、電解質膜の他方の表面に形成され、空気極触媒層を少なくとも有する空気極と、燃料極に接して形成された分離層とを少なくとも備え、分離層は、液体燃料と気体とを分離する層であり、燃料極および／または分離層の少なくとも一部が電気導電性の電子取り出し層として形成される燃料電池に関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高電流を取り出すことによって高出力の実現が可能な燃料電池に関する。

近年、情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、単独の発電装置として効率がよいことから、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、燃料極において燃料を、空気極において空気中の酸素を、それぞれ電気化学的に酸化・還元し、この反応を通じて発電する。また、上記反応の逆反応を利用することで純水を電気分解し、水素と酸素とを発生させる電気分解装置も検討されている。

多種ある燃料電池の中でも、電解質として固体高分子イオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、「ＰＥＦＣ」ともいう）は、電解質膜が薄膜であり、また反応温度が１００℃以下と、リン酸型や固体酸化物型などの燃料電池に比べ比較的低温である。このため、大掛かりな補機類を必要としないことから、小型な燃料電池システムの実現が可能である。

固体高分子型燃料電池の中でも、燃料極にメタノール水溶液を供給し、該メタノール水溶液から直接プロトンと電子を取り出すことにより発電を行なう、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、「ＤＭＦＣ」ともいう）は、改質器等の大掛かりな補機類を必要としないことから、小型電源としての実用化の可能性を秘めている。さらに、直接メタノール型燃料電池においては、常温常圧で液体であるメタノール水溶液を燃料として用いることによって、高圧ガスボンベを用いることなく高い体積エネルギー密度を有する燃料を簡易容器で取り扱うことができるため、小型電源における安全性に優れるとともに燃料容器を小さくすることが可能である。このため、携帯電子機器等の電子機器における小型電源への応用、特に、携帯電子機器用の２次電池代替用途という観点で注目が集まっている。また、液体燃料を用いた燃料電池は、たとえばエタノール、プロパノールといった、より高い体積エネルギー密度およびより高い引火点を有しかつ安全性にも優れる液体燃料を将来的に利用できる可能性を有している。

燃料電池においては、燃料極において燃料を、空気極において空気中の酸素を、それぞれ電気化学的に酸化・還元することにより発電させる。燃料極にメタノール水溶液等の液体燃料を供給すると、燃料極に接触した液体燃料が酸化されて、二酸化炭素ガスなどのガスおよびプロトンに分離される。たとえばメタノール水溶液の場合では、
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂↑＋６Ｈ⁺＋６ｅ^-
の酸化反応により、二酸化炭素ガスが燃料極側で発生する。

プロトンは電解質膜を経て空気極側に伝達される。空気極においては、該プロトンと空気中の酸素とが反応して水が生成する。このときに、電子が外部負荷を通って燃料極から空気極に移動し、電力として取り出される。

液体燃料を用いた燃料電池は上記のような機構を有するため、燃料極はメタノール水溶液等の液体燃料と二酸化炭素ガスなどの燃料極で生成した排ガスとの気液混合状態となり、該排ガスを燃料電池の外部に排出するためのガス排出孔を設ける必要がある。また、燃料極に過剰に供給された液体燃料の一部は、電解質膜を透過し空気極に到達することにより発電効率の低下を引き起こす、クロスオーバー現象が起こる。

特許文献１には、燃料極に液体燃料が過剰に供給されることを抑制する目的で、燃料極に隣接して燃料室を備え、該燃料室に液体燃料と高分子材料とを有する燃料電池が提案されている。
特開２００４−２０６８８５号公報

燃料極はメタノール水溶液等の液体燃料と二酸化炭素ガス等の燃料極で生成した排ガスとの気液混合状態となるため、排ガスを燃料電池の外部に排出するためのガス排出孔を設ける必要がある。しかしこの場合、該ガス排出孔からメタノール水溶液等の液体燃料が漏洩するという問題がある。

また、特許文献１の技術では、燃料室に絶縁性である高分子材料を有しているため、該高分子材料によって燃料極から層厚方向に電子を取り出すための電気伝導パスが損なわれており、高電流を取り出せないために高出力が得られないという問題がある。

本発明は上記の課題を解決し、液体燃料の漏洩の抑制が可能で、かつ高電流を取り出すことによる高出力の実現が可能な燃料電池を提供することを目的とする。

本発明は、液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成され、燃料極触媒層を少なくとも有する燃料極と、電解質膜の他方の表面に形成され、空気極触媒層を少なくとも有する空気極と、燃料極に接して形成された分離層とを少なくとも備え、分離層は、液体燃料と気体とを分離する層であり、燃料極および／または分離層の少なくとも一部が電気導電性の集電層として形成される燃料電池に関する。

本発明の燃料電池において、分離層は、非多孔膜であることが好ましい。
本発明の燃料電池においては、集電層が分離層を含むことが好ましい。この場合、分離層は、導電性高分子膜であることが好ましい。

本発明の燃料電池においては、分離層を挟んで燃料極と対向するように形成された燃料極セパレータをさらに備え、該燃料極セパレータが電気導電性の材質からなり、該分離層と該燃料極セパレータとは電気的に接続されていることができる。

また、本発明の燃料電池においては、分離層を挟んで燃料極と対向するように形成された燃料極セパレータをさらに備え、該燃料極セパレータが電気絶縁性の材質からなることができる。

また、本発明の燃料電池において、燃料極は燃料極導電層をさらに有し、集電層が燃料極導電層を含むことが好ましい。この場合、分離層は、電気絶縁性の材質からなることが好ましい。また該分離層が電気絶縁性の材質からなる場合、分離層を挟んで燃料極と対向するように形成された燃料極セパレータをさらに備え、該燃料極セパレータが電気絶縁性の材質からなることができる。

また、上記集電層が上記燃料極導電層を含む場合、分離層は、高分子膜であることが好ましい。さらに、該高分子膜は、有機高分子膜であることが好ましい。さらに、該有機高分子膜は、固体高分子電解質膜であることが好ましい。さらに、該固体高分子電解質膜は、炭化水素系固体高分子電解質膜であることが好ましい。

さらに、該炭化水素系固体高分子電解質膜は、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリスチレンからなる群から選ばれる１以上の電解質材料からなることが好ましい。

さらに、該燃料極導電層は、層厚方向に貫通する複数の開孔部を有する多孔質金属層であることが好ましい。

該多孔質金属層は、面方向に連続孔を有することが好ましい。
該多孔質金属層は、メッシュ、発泡体、焼結体のいずれかであることが好ましい。

多孔質金属層は、表面に凹凸形状を有することが好ましい。
本発明の燃料電池において、燃料極触媒層は、触媒粒子と電解質とを少なくとも有し、電解質は分離層に接して形成されてなることが好ましい。

本発明はまた、液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成され、燃料極触媒層を少なくとも有する燃料極と、電解質膜の他方の表面に形成され、空気極触媒層を少なくとも有する空気極と、燃料極に接して形成された分離層とを少なくとも備え、分離層は、液体燃料と気体とを分離する層であり、燃料極で生成した電子が、燃料極から層厚方向、面方向の順に移動することによって燃料電池の外部に取り出されるように電子伝導パスが形成されてなる、燃料電池を提供する。

本発明はまた、液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池であって、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成され、燃料極触媒層を少なくとも有する燃料極と、電解質膜の他方の表面に形成され、空気極触媒層を少なくとも有する空気極と、燃料極に接して形成された分離層とを少なくとも備え、分離層は、液体燃料と気体とを分離する層であり、燃料極で生成した電子が、燃料極から層厚方向、面方向、層厚方向の順に移動することによって燃料電池の外部に取り出されるように電子伝導パスが形成されてなる、燃料電池を提供する。

本発明の燃料電池においては、分離層が設けられることにより液体燃料の漏洩の抑制が可能である。また、燃料極および／または分離層の少なくとも一部が電気導電性の集電層として形成されていることによって燃料電池の層厚方向に電子伝導パスが形成されているため、該層厚方向に電子を取り出すことによって取り出しロスを低減し、高電流の取り出しが可能となって高出力を実現することができる。

本発明の燃料電池は、電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成された燃料極と、電解質膜の他方の表面に形成された空気極と、燃料極に接して形成された分離層とを少なくとも備え、該分離層は、液体燃料と気体とを分離する層である。

液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池においては、燃料極および空気極がそれぞれ燃料極触媒層および空気極触媒層を有し、典型的には、燃料極側に設けられた燃料供給部から燃料極に液体燃料を供給し、燃料極触媒層において液体燃料を酸化してプロトンを発生させる。本発明において用いられる分離層は液体燃料と気体とを分離するものであるため、燃料極での反応において発生したガスの燃料供給部への混入を防止できる。これにより、液体燃料の供給の阻害要因になる、燃料供給部における排ガスによる気泡の成長度合を緩和することができ、排ガスが燃料供給部内に混入した場合に問題となる内圧上昇による液体燃料の漏洩を効果的に防止することができる。

本発明の燃料電池においては、燃料極および／または分離層の少なくとも一部が電気導電性の集電層として形成されている。これにより、燃料極触媒層からの燃料電池の層厚方向の電子伝導パスが形成されるため、燃料極触媒層から電子を取り出す際の取り出しロスを低減し、高電流の取り出しが可能となる。

なおここで、本明細書において燃料電池の層厚方向（本明細書において、単に層厚方向ともいう）とはたとえば電解質膜の層厚方向と平行の方向を意味し、燃料電池の面方向（本明細書において、単に面方向ともいう）とは該層厚方向と垂直をなす方向を意味する。

本発明の燃料電池は、典型的には、分離層を挟んで燃料極と対向するように形成された燃料極セパレータを備えることができる。分離層と燃料極セパレータとは、たとえば圧接、接合等によって固定されることができる。燃料極セパレータは、電気導電性、電気絶縁性いずれの材質からなるものも使用でき、後述のように、所望の電流取り出し方向に応じて適宜選択できる。

本発明の第１の態様としては、集電層が分離層を含むことができる。この場合、分離層が集電層を兼ねることとなる。集電層が分離層を含む態様では、電気導電性の材質からなる燃料極セパレータ（以下、「電気導電性の燃料極セパレータ」ともいう）、電気絶縁性の材質からなる燃料極セパレータ（以下、「電気絶縁性の燃料極セパレータ」ともいう）、のいずれも使用できる。

集電層が分離層を含む態様においては、燃料極導電層の有無にかかわらず、燃料極から分離層まで層厚方向に電流を取り出すことができる。よってこの態様において、電気導電性の燃料極セパレータを用い、分離層と燃料極セパレータとが電気的に接続されるように構成する場合、燃料極から分離層および燃料極セパレータの内部を経由して燃料電池の外部まで、層厚方向に電流を取り出すことが可能であるとともに、燃料極から分離層および／または燃料極セパレータまで該層厚方向に取り出した電流を、分離層および／または燃料極セパレータの内部を面方向に経由して燃料電池の外部まで送ることも可能である。なおこの場合、分離層および／または燃料極セパレータの内部を面方向、層厚方向の順に経由して燃料電池の外部まで電流が送られても良い。

また、電気絶縁性の燃料極セパレータを用いる場合には、たとえば、少なくとも分離層によって構成される電気導電性の層である集電層を燃料電池の外部まで連続するように形成し、燃料極から分離層まで層厚方向に取り出した電流を、分離層の内部を面方向に経由して燃料電池の外部まで送ることが可能である。

なお、分離層と燃料極セパレータとが電気的に接続されるような構成は、分離層と燃料極セパレータとが直接または電気導電性物質を介して接するように形成されることにより実現され得る。

一方、本発明の第２の態様としては、燃料極が燃料極触媒層と燃料極導電層とを少なくとも有し、かつ集電層が燃料極導電層を含むことができる。この場合、燃料極導電層が層厚方向での電子伝導パスを形成するため、燃料極導電層が集電層としての機能を有する。この態様において、分離層が電気導電性の材質からなる場合、または分離層が電気絶縁性の材質からなるが該分離層の層厚方向に他の部材によって電子伝導パスが形成されている場合には、上述の第１の態様で説明した構成が好ましく採用され得る。

また、分離層が電気絶縁性の材質からなり、かつ上述の他の部材が形成されていない場合には、燃料極触媒層から燃料極導電層まで層厚方向に取り出された電流は、燃料極導電層の内部を面方向に経由して燃料電池の外部に送られる。この場合、燃料極セパレータは電気導電性を有さなくても良く、典型的には、電気絶縁性の燃料極セパレータが使用され得る。

すなわち、本発明の燃料電池においては、層厚方向の電子伝導パスを形成することにより電流を燃料極から集電層まで層厚方向に取り出せるため、電流の取り出しロスが低減されて高電流の取り出しが可能となり、高出力を実現できる。

本発明によって提供される燃料電池は、典型的には、上記のような燃料電池を単位セルとし、該単位セルを複数スタックした構造として製造される。燃料電池の外部まで層厚方向に電流を取り出す態様は取り出しロスが特に少なく、高出力が要求される用途において特に好適である。一方、燃料極触媒層から層厚方向に取り出した電流を燃料電池の外部まで面方向に送る態様は、たとえば平面型にスタックした構造、すなわち燃料電池の面方向に複数の単位セルを並べた構造として薄型化を図る用途等において好適である。すなわち、燃料極触媒層から層厚方向に取り出した電流を燃料電池の外部に送る際の取り出し方向は用途に応じて適宜選択することができる。

本発明の燃料電池は、液体燃料が分離層を介して燃料極に供給される構成のため、分離層の形状および構成材料を制御することにより、燃料極に供給される液体燃料の量を所望の範囲に制限することもできる。また燃料極に液体燃料を供給するために液体燃料が通過する経路の面積を低減できる。これにより、高濃度の液体燃料を供給した場合にも燃料極触媒層の電解質に含浸される液体燃料の濃度を一定以下の低濃度に保つことができ、電解質膜を液体燃料が透過した場合に生じる発電効率の低下、すなわちクロスオーバー現象を抑制でき、燃料電池の発電特性の低下が抑制されるという効果も付与される。

さらに、本発明の燃料電池においては、分離層を形成することにより、液体燃料を供給する経路と燃料極で生成した排ガスを排出する経路とが燃料電池内で分離できるため、液体燃料の供給を妨げることなく排ガスを排出できる。これにより、燃料極触媒層に液体燃料を安定して供給でき、安定な燃料電池の発電特性が維持できるという効果が得られる。

ここで、液体燃料と気体とを分離する層とは、たとえば液体燃料を透過させ易くかつ排ガスを透過させ難い材料で形成されていたり、燃料極で発生する排ガスを面方向に十分に排出し易くする材料で形成されていること等によって、液体燃料と気体とが分離層を隔てて分離された状態で存在することを可能とする層であり、典型的には、液体燃料と気体とのうち液体燃料を選択的に透過させる層、すなわち層厚方向において液体燃料が排ガスよりも優先的に透過するように構成されている層を意味し、より典型的には、液体燃料および排ガスのうち実質的に液体燃料のみを透過させる層を意味する。分離層は、後に詳述するような非多孔膜であることが好ましい。

以下、本発明に係る燃料電池の構成について、直接メタノール型燃料電池を例にとり、図面を参照して説明するが、本発明はこれに限るものではない。なお以下の図面において同一の参照符号を付した部位は同様の機能を有し説明を繰返さない。本発明の燃料電池に使用され得る液体燃料としては、水素を含む有機燃料が好ましく挙げられ、該有機燃料は、多種液体からなる混合液体燃料とされても良い。具体的な液体燃料としては、メタノール、エタノール、２−プロパノールなどの低級アルコール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、ホルムアルデヒド、ギ酸メチル、ギ酸、アセトン、トルエンなどから選択される１種または２種以上の混合物が例示できる。以下、液体燃料としてメタノールを用いる場合を例に、本発明の典型的な態様について説明するが、本発明はこれに限定されない。

＜実施の形態１＞
図１は、本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。図１に示す燃料電池１００は、電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の表面に形成された燃料極１０２と、電解質膜１０１の他方の表面に形成された空気極１０３と、燃料極１０２に接して形成された分離層１０４とを少なくとも備える。

図１に示す燃料電池における分離層は電気導電性の材質からなる。これにより、分離層が本発明の集電層として機能して燃料電池の層厚方向の電子伝導パスを形成し、高電流の取り出しを可能とする。

図１において、燃料極側では、燃料供給部（図示せず）から供給される液体燃料は分離層１０４に浸透し、該分離層１０４を透過して燃料極１０２に達する。燃料極は、典型的には少なくとも燃料極触媒層を有し、液体燃料として供給されたメタノールは、燃料極触媒層における酸化反応によって、電子とプロトンと、排ガスである二酸化炭素ガスとに分解される。

本発明においては、液体燃料を選択的に透過させる分離層を設けるため、燃料極で生じた排ガスである二酸化炭素ガスは、分離層を通過せず、燃料供給部に混入することはない。排ガスは、たとえば燃料極の内部等を伝って燃料電池の外部に排出される。以下、燃料電池を構成する各要素の典型的な態様について説明する。

（分離層）
本発明において使用される分離層としては、たとえば液体浸透膜のように液体燃料を浸透拡散により通過させる層や、内部の空隙を経て毛細管流によって液体燃料を通過させる多孔質層、さらに、層厚方向に貫通する開孔を有することにより該開孔から液体燃料を通過させる層を例示できるが、分離層は非多孔膜であることが好ましい。非多孔膜は、上記の液体浸透膜として使用でき、燃料極への液体燃料の透過量を制限する機能をも有することができるため、使用する非多孔膜の種類を選択することによって、燃料極への液体燃料の供給量を容易に制御できる。これにより、たとえばプロトン伝導性が非常に高い電解質を含む燃料極触媒層を形成するような場合にも、分離層によって燃料極への液体燃料の供給速度を調整し、該電解質の溶解を抑制することができる。

電気導電性の分離層としては、たとえば導電性高分子膜を好ましく例示できる。導電性高分子膜としては、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリフェニレン、ポリフェニレンビニレン、ポリアニリン等を例示できる。特に液体燃料や水への安定性が良い点で、ポリピロールが好ましい。

本発明の燃料電池で使用される分離層と液体燃料とは、該液体燃料に対する分離層の膨潤率が１２０％以下となるように組み合されることが好ましい。この場合、分離層に高濃度の液体燃料が直接接触しても、燃料極と分離層との接合部に応力差が生じにくく、接合部の剥離を抑制することができる。これにより、剥離によって燃料極と分離層との間に空間が生じることが抑制され、燃料極に対してより安定して液体燃料を供給できる。

なお、本明細書において、分離層の膨潤率とは、乾燥状態での分離層の所定の方向の長さに対する、液体燃料中での同方向の長さの比率で表される。

また、分離層の構成材料が液体燃料に対して十分な耐溶解性を持たない場合には、電子線照射、放射線照射等により高分子材料中の立体的な網目構造を増やすことで、液体燃料への溶解性を抑制することも出来る。

（電解質膜）
本発明の燃料電池における電解質膜は、燃料極から空気極へプロトンを伝達する機能と、燃料極と空気極との電気的絶縁性を保ち短絡を防止する機能を有する。

電解質膜の材質は、プロトン伝導性を有しかつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されず、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。高分子膜としては、たとえばパーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン（デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製）、フレミオン（旭硝子社製）などが挙げられ、また、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどの炭化水素系電解質膜なども挙げられる。無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどが挙げられる。コンポジット膜としては、スルホン化ポリイミド系ポリマー、タングステン酸等の無機物とポリイミド等の有機物とのコンポジットなどが挙げられ、具体的にはゴアセレクト膜（ゴア社製）や細孔フィリング電解質膜などが挙げられる。

（燃料極）
図２は、図１に示す燃料電池の燃料極側の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。本発明の燃料電池においては、燃料極が触媒粒子と電解質とを少なくとも有し、該電解質が分離層に接して形成されることが好ましい。図２において、燃料極１０２は燃料極触媒層からなり、触媒粒子１１が導電性粒子１２に担持された触媒担持導電体と、電解質１３とから構成される。触媒粒子１１は、液体燃料をプロトンと電子とに分解し、電解質１３は、生成した該プロトンを電解質膜１０１へ伝導し、導電性粒子１２は生成した電子を電気導電性の分離層１０４へ導電する。また、燃料極１０２で生成した排ガスは、細孔Ｐを面方向に通過すること等によって燃料電池の外部に排出される。

なお、本発明において、触媒粒子１１を連続状態で存在させることによって燃料極１０２内で生成した電子を分離層１０４まで導電する場合には、導電性粒子１２は必ずしも用いなくても良い。

電解質１３は、液体燃料の分解により生成したプロトンを伝導する機能と液体燃料を含浸する機能とを有する。電解質１３は分離層１０４に接合されていることが好ましい。この場合、分離層１０４に含浸された液体燃料を、細孔Ｐに漏洩させることなく電解質１３に含浸させることが可能となり、触媒粒子１１には液体燃料が電解質１３を介して供給される。

図２に示す構成においては、電解質１３が液体燃料を含浸させる力を推進力として、液体燃料は分離層１０４から電解質１３に供給される。このため、液体燃料は電解質１３に含浸する量よりも多く供給されることがなく、細孔Ｐ中に液体燃料が漏洩することはない。これにより、細孔Ｐが常に気相状態に保たれ、燃料極１０２内から燃料電池の外部まで、液相を介さない気相の連続した孔が排ガスの排気通路として形成されることができる。このため、液体燃料の燃料電池の外部への漏洩を防止しつつ、触媒粒子１１で生成する排ガスを燃料電池の外部に排出するための圧力損失を限りなく小さくすることが可能となり、燃料極１０２内の圧力の上昇を良好に抑制することが可能となる。

燃料極の電解質においては、一般に、プロトン伝導性と液体燃料への溶解性とがトレードオフ関係にある。このため、高い発電特性を得るためには電解質の酸性官能基濃度を増加させ、プロトン伝導性を向上させることが求められるが、酸性官能基濃度を高くした場合、トレードオフ関係にある液体燃料への溶解性が増加するため、電解質が液体燃料に溶解してしまい高い発電特性を維持できない問題がある。

分離層１０４が電解質１３に接して形成されている場合、電解質１３に含浸できる量の液体燃料しか燃料極１０２に供給されないため、燃料極１０２中の電解質１３としては、液体燃料に溶解しやすい材料も選択できる。すなわち、高い発電特性を得るために酸性官能基を増加させることで液体燃料への溶解性が増大してしまう材料であっても電解質として用いることが可能となる。

本発明においては、燃料極１０２が層厚方向および面方向の連続孔としての細孔を有することが好ましい。この場合、燃料極１０２と分離層１０４との界面の細孔や、燃料極１０２内部の細孔を伝って排ガスを燃料電池の外部に排出することが可能となる。

燃料電池の燃料極から排出される排ガスには一般に液体燃料の蒸気も含まれているが、本発明においては、排ガスが燃料極から液体燃料室に戻らずに排出されるため、該排ガスは燃料極１０２の電解質に接触しながら排出されることとなる。よって、高濃度の液体燃料を使用した場合にも、液体燃料中を通って排ガスが排出される構成と比較して、燃料電池外部に排出される排ガス中の液体燃料の蒸気の濃度は著しく低減される。

触媒粒子は、液体燃料の分解のための触媒としての機能を有し、たとえばＰｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒなどの貴金属や、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎなどの卑金属を、単独もしくは２種類以上の組合せで好ましく用いることができる。

触媒粒子は、触媒能に優れ、触媒作用に優れる点で、たとえば、材質がＰｔを主成分とする貴金属であり、形状が粒子径１０ｎｍ以下の粒子であることが好ましい。

導電性粒子は、触媒粒子を担持する機能と、電子を伝導する機能とを有する。導電性粒子の材質としては、酸性雰囲気下の所定電位で耐腐食性がある導電性を有した材質が好ましい。具体的には、たとえばアセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ファーネスブラック等の炭素粒子、ＶＧＣＦ、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン等の炭素繊維、導電性を有する無機材料、Ｐｔ、Ａｕ、Ｐｄ等の貴金属粒子、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｃｒ等の耐腐食性を有した金属の粒子および繊維、等を用いることができる。

電解質としては、たとえばナフィオン（デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製）、フレミオン（旭硝子社製）、その他の燃料電池の電解質膜に用いられる電解質材料、などを用いることができる。撥水性を付与するためにＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）を添加したり、親水性を付与するために、金属酸化物であるシリカ粒子、チタン粒子、または、吸湿性樹脂等を添加したりしてもよい。

（空気極）
空気極は少なくとも空気極触媒層を有し、空気極の構成は、燃料極で上述したのと同様の構成を好ましく採用できる。なお、燃料極触媒層と空気極触媒層との材質および形状は同一でも良いし異なっていても良い。

なお本発明においては空気極を覆うように多孔質層を形成しても良い。これにより、空気極触媒層における水の生成によって該空気極触媒層が水膜で覆われた際の大気中の空気の供給の阻害や、水が著しく速く蒸発することによる空気極触媒層の乾燥を防止できる。

該多孔質層の材質および形状は、大気中の酸素を透過させて空気極触媒層に供給することが可能であれば特に限定されない。たとえば、カーボンペーパーに代表されるカーボン繊維や金属繊維の不織布、カーボン繊維を束ねて編み上げたクロス、ポリテトラフルオロエチレンを結着剤としカーボン粒子や金属粒子を分散させた撥水性多孔質シート等の電子導電性の材質を用いることができる。電子導電性の材質を用いた場合には、燃料極から電子を受け取り、空気極に電子を受け渡すことを促進することが可能となる。一方、燃料電池の外部との電気的短絡を抑制することを目的とする場合には、ポリエチレンテレフタレート等のポリエステル等の高分子繊維を束ねて編み上げた布や不織布、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミドの多孔質シート等の絶縁性の材質を用いることが好ましい。

なお、本発明において、分離層と燃料極触媒層とは接合されていることが好ましい。この場合、燃料極での排ガスの発生によって燃料極の内圧が上昇しても、分離層と燃料極との解離を防止できる。なお、本明細書における接合とは、外部から力を加えない状態で分離しない状態に形成することをいい、具体的には化学結合やアンカー効果や粘着力により接合された状態のことをいう。接合するための方法としては、たとえば、ホットプレス法等によって３次元的なアンカー効果で接合する方法等を例示できる。この場合、ボルトやナットなどにより締め付けを行なって外部圧をかけることなく、分離層と燃料極触媒層との電気的な接触を良好に保つことができる。該外部圧をかけない方法は、面内圧力のばらつきが生じ難く安定した発電特性が付与できる点でも有利である。また、該外部圧をかけない方法は、燃料の供給を阻害しない点でも有利である。

＜実施の形態２＞
図３は、本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。図３に示す燃料電池２００においては、電解質１０１の一方の表面に燃料極２０２が、他方の表面に空気極１０３がそれぞれ形成され、燃料極２０２に接して分離層２０４が形成されている。本発明においては、燃料極触媒層から燃料電池外部への層厚方向の電子伝導パスが形成されるように集電層が存在すれば良く、燃料極はたとえば図３に示す燃料極拡散層のような他の構成要素を有しても良い。図３に示す燃料電池において、燃料極２０２は燃料極触媒層２０２ａと燃料極拡散層２０２ｂとからなるが、燃料極触媒層２０２ａは、分離層２０４と接するように形成されている。燃料電池２００においては、燃料極拡散層２０２ｂが形成されていることによって、分離層２０４と燃料極触媒層２０２ａとが接する面積を低減し、燃料極触媒層２０２ａへの液体燃料の供給量が抑制されるという効果が得られる。また、燃料極拡散層２０２ｂを燃料電池の外部まで連続させることにより、燃料極２０２で発生した排ガスの排出を促進させるという効果が得られる。

燃料極拡散層としては、カーボンペーパーに代表されるカーボン繊維や金属繊維の不織布、カーボン繊維を束ねて編み上げたクロス、ポリテトラフルオロエチレンを結着剤としカーボン粒子や金属粒子を分散させた撥水性多孔質シート等の材質からなるものを好ましく使用できる。

図４は、図３に示す燃料電池の燃料極側の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。図４に示すように、燃料極２０２において、燃料極触媒層２０２ａは、触媒粒子１１が導電性粒子１２に担持された触媒担持導電体と、電解質１３とから構成される。

燃料極拡散層は燃料極触媒層に接するように設けられることが好ましい。また、燃料極拡散層は分離層に接するように設けられることが好ましい。これらの態様は、それぞれ、液体燃料の燃料極触媒層へのより均一な供給に寄与する。

燃料極拡散層は、たとえば図４に示すように、層厚方向に貫通する開孔部を有し、燃料極触媒層と分離層とが該開孔部で接するように構成されることが好ましい。この場合、分離層から電流を取り出す際の取り出しロスの低減効果を良好に得ることができる。

なお、本実施の形態において上記した以外については実施の形態１と同様の構成を採用できここでは説明を繰返さない。

＜実施の形態３＞
図５は、本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、液体燃料および空気の供給および排ガスの排出の好ましい態様について例示する。図５に示す燃料電池３００は、電解質膜１０１の一方の面に燃料極１０２が、他方の面に空気極１０３が、それぞれ形成され、燃料極１０２に接して分離層１０４が形成されている。また、分離層１０４に接して燃料極セパレータ３０５が設けられ、電解質膜１０１および空気極１０２に接して空気極セパレータ３０６が設けられている。

燃料極側では、燃料極セパレータ３０５に形成された燃料供給孔３０７から導入された液体燃料が燃料供給流路３０８を経て分離層に接触する。これにより、分離層から燃料極１０２に液体燃料が供給される。また未反応の液体燃料は燃料排出孔３０９から燃料電池外部に排出される。

空気極側では、空気極セパレータ３０６に形成された空気供給孔３１０から導入された空気が空気供給流路３１１を経て空気極１０３に供給される。未反応の空気は、空気排出孔３１２から燃料電池外部に排出される。

（セパレータ）
燃料極セパレータおよび空気極セパレータ（以下、これらをまとめて単にセパレータとも記載する）としては、液体燃料に溶解することなく、液体燃料やその蒸気を透過させることがなければ特に限定されない。たとえば、液体燃料として、メタノール等の低級アルコールを用いるときには、アクリル、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等のプラスチック素材を用いることが好ましい。また、液体燃料として、プラスチックの溶解性が高いアセトンやトルエン等の有機溶剤を用いる時には、チタン、ステンレス、アルミニウム等の金属素材を用いることが好ましい。

本実施の形態では電気導電性の分離層を設ける場合を示している。この場合、導電性セパレータを用いることによって燃料電池の層厚方向に電流を取り出すことができる。導電性セパレータとしては、カーボン、チタン、ステンレス、アルミニウム等を用いることが特に好ましい。

一方、電気導電性の分離層を燃料電池の外部まで連続するように形成する場合には、燃料電池の層厚方向に取り出した電流を、該分離層の面方向に燃料電池の外部まで送ることができるため、燃料電池の外部との電気的短絡を抑制する点で絶縁性セパレータを好ましく使用できる。絶縁性セパレータとしては、アクリル、ポリエチレンテレフタレート、アクリロニトリル、ポリカーボネート等を用いることが特に好ましい。

なお、本実施の形態において上記した以外については実施の形態１と同様の構成を採用できここでは説明を繰返さない。

＜実施の形態４＞
本実施の形態においては、燃料極が燃料極触媒層と燃料極導電層とを少なくとも有する場合について説明する。この場合、少なくとも燃料極導電層が本発明の集電層として機能する。すなわち、燃料極導電層は集電層としての作用を有し、燃料極触媒層から層厚方向に電流を取り出すことによって、取り出しロスを低減して高出力を実現することが可能となる。

図６は、本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。図６に示す燃料電池４００は、電解質膜４０１と、該電解質膜４０１の一方の表面に形成された燃料極４０２と、電解質膜４０１の他方の表面に形成された空気極４０３と、燃料極に接して形成された分離層４０４とを備える。燃料極４０２は、燃料極触媒層４０２ａと燃料極導電層ｃとからなり、燃料極導電層４０２ｃは、燃料電池の外部まで連続するように形成されている。

集電層が燃料極導電層を含む場合にも、分離層は非多孔膜であることが好ましい。非多孔膜は、上記の液体浸透膜として使用でき、燃料極への液体燃料の透過量を制限する機能をも有することができるため、使用する非多孔膜の種類を選択することによって、燃料極への液体燃料の供給量を容易に制御できる点で有利である。

燃料極導電層が燃料極触媒層に接しかつ燃料電池の外部まで連続するように形成される場合、分離層が電気絶縁性の材質からなることが好ましい。この場合、燃料極導電層を集電層として用いる際の取り出しロスを一層低減できる。この場合の燃料極導電層は、図６に示すように面方向において燃料極からはみ出すように形成されることによって燃料電池の外部まで連続する形状とされ、燃料極触媒層から層厚方向に取り出した電流を燃料電池外部まで面方向に送るように形成されることが好ましい。

上記のような電気絶縁性の分離層としては、たとえば絶縁性の高分子膜を好ましく例示できる。該高分子膜は、柔軟性と強度とを併せ持ち、破断によって電気絶縁性が失われ難い点で特に有機高分子膜であることが好ましい。さらに、電解質膜とプロトン伝導経路の連続性が保たれていない燃料極触媒層中の触媒粒子の利用効率も向上させることができる点で、該有機高分子膜は固体高分子電解質膜であることが特に好ましい。

固体高分子電解質膜としては、たとえば炭化水素系固体高分子電解質膜等を例示できる。炭化水素系固体高分子電解質膜は液体燃料の透過性が高すぎないため、高濃度の液体燃料を用いた際にも、燃料極に到達する液体燃料の供給量を所望の程度に制限することが容易である。これにより、燃料電池の電解質膜を液体燃料が透過する現象（すなわちクロスオーバー現象）を抑制することができる。

固体高分子電解質膜の具体例としては、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリスチレン、パーフルオロスルホン酸ポリマー、等の高いプロトン伝導性を有した固体高分子電解質膜が挙げられる。

特に、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレンエーテル、およびスルホン化ポリスチレンからなる群から選ばれる１以上の固体高分子電解質からなる炭化水素系固体高分子電解質膜は好ましい。

また、分離層には、たとえば、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基、スルホン基、リン酸基、エーテル基、ケトン基等の官能基を有した高分子膜を用いても良い。具体的には、ハイドロキシエチルメタクリレート、ポリビニルリドン、ジメチルアクリルアミド、グリセロールメタクリレート等の高分子材料を組み合わせて共重合させた膜を用いることが好ましい。

なお本実施の形態においても、燃料極は、図２および図４を参照して前述したように、触媒粒子と電解質とを少なくとも有し、電解質は分離層に接して形成されていることが好ましい。

（燃料極導電層）
分離層４０４を透過して供給された液体燃料は、燃料極触媒層４０２ａに到達する。本発明の燃料電池における燃料極導電層４０２ｃは、燃料極触媒層４０２ａから電子を集電する機能と、電気的配線を行なう機能とを有する。燃料極導電層４０２ｃの材質は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下が抑制される点で金属が好ましく、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する金属材質であればより好ましい。具体的には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｃ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属やＳｉおよびこれらの窒化物、炭化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を用いることが好ましく、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことがより好ましい。

また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等を表面コーティングとして用いることができる。この場合燃料電池の寿命を延ばすことができる。

本発明において、燃料極導電層の形状は、液体燃料を燃料極触媒層に効率良く供給できるとともに燃料極で生成した排ガスの排出効率が良好である点で、層厚方向に貫通する複数の開孔部を有する多孔質金属層であることが好ましく、具体的には、板や箔に複数の穴を開けた多孔質金属層等を例示できる。

また、該多孔質金属層は、燃料極で生成した排ガスの排出を促進させるために、面方向、すなわち層厚方向と垂直をなす方向に連続孔を有することが好ましく、発泡体、焼結体、不織布、線を編んだメッシュ等の多孔質金属層はより好ましい。特に、メッシュ、発泡体および焼結体のいずれかである多孔質金属層が好ましい。

また、本発明において燃料極導電層が多孔質金属層である場合、該多孔質金属層は凹凸形状を形成することがより好ましい。図７は、図６に示す燃料電池の燃料極側の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。図７に示すように燃料極導電層４０２ｃに凹凸形状を形成することによって、燃料電池の作製工程において、分離層や燃料極触媒層により細孔Ｐが完全に埋め尽くされないようにすることが好ましい。たとえば、ホットプレス処理により燃料電池を作製する場合においては、凹凸形状の平均深さを１０μｍ以上とすることが好ましい。

燃料極導電層が燃料電池の外部まで面方向に引き出されている場合、分離層４０４や燃料極触媒層４０２ａにより該凹凸形状が完全に埋められずに細孔Ｐが形成されると、該細孔Ｐから排ガスを燃料電池外部に効率良く排出できる点で有利である。

さらに燃料極導電層４０２ｃが面方向に連続孔を有する場合には、燃料極導電層４０２ｃ内の該連続孔の内部を排ガスが移動することによっても、排ガスが燃料電池外部に排出され得る。

この場合、燃料極導電層４０２ｃは層厚方向および面方向に連続した空隙を有しており、燃料極導電層４０２ｃ内部の空隙も排ガスの排気通路となり得るため、排ガスの排出をさらに促進させることが可能となる。

層厚方向および面方向に連続した空隙を有する燃料極導電層を用いた場合には、分離層が直接燃料電池の外部と接していなくとも、排ガスは燃料極導電層４０２ｃを面方向に通過し、燃料電池の外部に排出されることができる。

燃料極触媒層と燃料極導電層とは接合されていることが好ましい。燃料極触媒層での発電反応により得られた電子は燃料極導電層において集電され外部に取り出される。燃料極触媒層と燃料極導電層とが接合される場合、外部圧力がない状態においても燃料極触媒層と燃料極導電層との電気的な接続が良好に実現されるため、電流の取り出しロスを低減できる。また、面方向での圧力のばらつきが生じ難いため安定した発電特性が付与される点でも有利である。また、該外部圧力をかけない方法は燃料の供給を阻害しない点でも有利である。

燃料極導電層は分離層とも接合していることがより好ましい。分離層が燃料極導電層に接合されている場合、燃料極で生成した排ガスによって燃料極の内圧が上昇しても、燃料極導電層が分離層を支えているため、燃料極触媒層と分離層との解離を抑制でき、燃料極触媒層への液体燃料の供給が阻害されず、より安定な燃料電池の発電特性が維持できる。

（空気極導電層）
本発明の燃料電池における空気極は、空気極導電層を有しても良い。この場合、一般的に燃料電池の発電時においては、燃料極導電層よりも空気極導電層は高い電位に保たれるため、空気極導電層の材質は、燃料極導電層と同等かそれ以上に耐腐食性に優れていることが好ましい。

空気極導電層の材質は、燃料極導電層と同様の材質とされても良いが、特に、たとえば、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｃ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒ等の金属およびこれらの金属の窒化物、炭化物等、ステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔの合金等を用いることが好ましい。また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ等の酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性高分子、導電性酸化物、導電性窒化物、導電性炭化物等を表面コーティングとして用いることができる。

空気極導電層の形状は、燃料極導電層について前述したのと同様の形状をそのまま採用することができるが、空気極導電層においては面方向へ排ガスの排出をする必要はないため、たとえば板や箔に複数の穴を開けた形状を好ましく用いることができる。

なお、燃料極導電層および空気極導電層は、従来公知の薄膜形成技術により形成されたものを用いることが可能である。燃料極導電層および空気極導電層の形成方法としては、下地となる層の上にそれぞれパターニングマスクを作製した後、薄膜を生成し、マスクを剥離することにより電極パターンを形成する方法が挙げられる。マスク作製技術としては、たとえばフォトリソグラフィー法などが挙げられる。薄膜形成技術としては、たとえばＭＯＣＶＤ法、スパッタ法、真空蒸着法、表面重合法、ゾルゲル法、鍍金法などの手法が挙げられる。これらの方法を用いると、線幅約十μｍ以下という精細な電極パターンを形成することができる。よって、高開孔率かつ高アスペクト比の導電層を形成することで、液体燃料の拡散性および集電性、導電性の高い燃料電池を提供することが可能となる。また、別の方法としてインクジェット印刷法も使用できる。この場合マスクを用いる必要がないため、工程が簡略化し、かつ高精細の電極パターンを形成することが可能であるため好適である。

なお、本実施の形態において上記した以外については実施の形態１と同様の構成を採用できここでは説明を繰返さない。

＜実施の形態５＞
図８は、本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。本発明において燃料極導電層が設けられる場合、燃料極は燃料極拡散層をさらに有しても良い。図８に示す燃料電池５００においては、燃料極５０２が、燃料極触媒層５０２ａ、燃料極拡散層５０２ｂ、燃料極導電層５０２ｃからなる。燃料極拡散層５０２ｂを設けることにより、分離層４０４と燃料極触媒層５０２ａとが接する面積を低減し、燃料極触媒層５０２ａへの液体燃料の供給量が抑制されるという効果が得られる。また、燃料極拡散層５０２ｂを燃料電池の外部まで連続させることにより、燃料極５０２で発生した排ガスの排出を促進させるという効果が得られる。なお、図８に示すように、燃料極拡散層５０２ｂおよび燃料極導電層５０２ｃが層厚方向に貫通する開孔を有する場合、分離層４０４と燃料極触媒層５０２ａとを接合することにより、液体燃料を効率良く燃料極触媒層５０２ａに供給でき好ましい。

なお、本実施の形態において上記した以外については実施の形態１と同様の構成を採用できここでは説明を繰返さない。

＜実施の形態６＞
図９は、本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。本実施の形態では、図７に示す燃料電池を用いる場合を例に、燃料極への液体燃料の供給および空気極への空気の供給の態様について説明する。図９に示す燃料電池６００は、図６に示す燃料電池のより具体的な態様として、分離層４０４に接して燃料極セパレータ６０５が設けられ、電解質膜４０１および空気極４０３に接して空気極セパレータ６０６が設けられた態様について示している。燃料電池６００において、燃料極側では、燃料極セパレータ６０５に形成された燃料供給孔６０７から導入された液体燃料が燃料供給流路６０８を経て分離層４０４に接触する。これにより、分離層４０４から燃料極４０２に液体燃料が供給される。また、未反応の液体燃料は燃料排出孔６０９から燃料電池外部に排出される。

空気極側では、空気極セパレータ６０６に形成された空気供給孔６１０から導入された空気が空気供給流路６１１を経て空気極４０３に供給される。また、未反応の空気は、空気排出孔６１２から燃料電池外部に排出される。

燃料極セパレータおよび空気極セパレータ（以下、これらをまとめて単にセパレータとも記載する）としては、液体燃料に溶解することなく、液体燃料やその蒸気を透過させることがなければ特に限定されない。たとえば、液体燃料として、メタノール等の低級アルコールを用いるときには、アクリル、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリ四フッ化エチレン、ポリフッ化ビニリデン等のプラスチック素材を用いることが好ましい。また、液体燃料として、プラスチックの溶解性が高いアセトンやトルエン等の有機溶剤を用いる時には、チタン、ステンレス、アルミニウム等の金属素材を用いることが好ましい。

本発明において燃料電池の外部まで連続する燃料極導電層を設ける場合、燃料電池の外部との電気的短絡を抑制する点で絶縁性セパレータを用いることが好ましい。この場合、絶縁性セパレータとして前述したような材質を好ましく採用できる。

なお、本実施の形態において上記した以外については実施の形態１と同様の構成を採用できここでは説明を繰返さない。

＜実施の形態７＞
図１０は、本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。図１０に示す燃料電池７００においては、燃料極７０２が燃料極触媒層７０２ａおよび燃料極導電層７０２ｃからなる。また燃料極導電層７０２ｃは分離層７０４を挟み込むように形成されている。燃料極導電層７０２ｃは、層厚方向に貫通する複数の開孔部を有する多孔質金属層である。このとき、燃料極セパレータとしてカーボンセパレータ等の導電性セパレータが好ましく用いられる。

なお、分離層７０４が電気導電性の材質からなる場合は、分離層７０４および燃料極導電層７０２ｃが集電層を構成し、燃料極触媒層７０２ａから層厚方向に取り出した電流は、分離層７０４を層厚方向に、燃料極導電層７０２ｃを面方向にそれぞれ流れることによって層厚方向と面方向とを経由して燃料電池外部に送られることができる。このとき導電性の燃料極セパレータを用いれば、該燃料極セパレータを介して燃料電池外部に電流を送ることができる。

一方、分離層７０４が電気絶縁性の材質からなる場合は、燃料極導電層７０２ｃが集電層を構成し、燃料極触媒層７０２ａから層厚方向に取り出した電流は、燃料極導電層７０２ｃを面方向に経由して燃料電池の外部に送られる。このとき、導電性セパレータを用いれば、分離層７０４が電気絶縁性の材質からなるものであっても、燃料極導電層７０２ｃを面方向に経由した電流が分離層７０４の外側を層厚方向に回り込み、さらに燃料極セパレータを介して層厚方向または面方向に燃料電池外部に送られることができる。

なお、本実施の形態において上記した以外については実施の形態１と同様の構成を採用できここでは説明を繰返さない。

＜実施の形態８＞
図１１は、本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。図１１に示す燃料電池８００において、燃料極８０２は燃料極触媒層８０２ａおよび燃料極導電層８０２ｃからなる。燃料極導電層８０２ｃは層厚方向に貫通する複数の開孔部を有する多孔質金属層であり、該開孔部を埋め、かつ電解質膜４０１、燃料極触媒層８０２ａおよび燃料極セパレータ６０５と接するように、分離層８０４が形成されている。このとき、燃料極セパレータとして導電性セパレータが好適に用いられる。

分離層８０４が電気導電性の材質からなる場合、分離層８０４および燃料極導電層８０２ｃが集電層を構成する。一方、分離層８０４が電気絶縁性の材質からなる場合、燃料極導電層８０２ｃが集電層を構成する。上記いずれの場合も、燃料極触媒層８０２ａから層厚方向に取り出した電流を燃料電池外部に層厚方向または面方向に送ることができる。このとき導電性の燃料極セパレータを用いれば、燃料極導電層８０２ｃの開口部を分離層８０４または燃料極触媒層８０２ａで埋めることにより、分離層としての機能を維持しつつ層厚方向への電子の取り出しが可能になる。

なお、本実施の形態において上記した以外については実施の形態１と同様の構成を採用できここでは説明を繰返さない。

＜実施の形態９＞
これまで、電解質膜としてカチオン交換膜を用いた燃料電池に関して言及してきたが、本発明はアニオン交換膜を用いた燃料電池、特にアルカリ型ダイレクトアルコール燃料電池においても同様の作用を及ぼす。たとえば、アニオン交換膜を使用したアルカリ型燃料電池において燃料としてメタノールを使用した時には、下記に示す反応、
燃料極：ＣＨ₃ＯＨ＋６ＯＨ^-→ＣＯ₂＋５Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^-
空気極：３／２Ｏ₂＋３Ｈ₂Ｏ＋６ｅ^-→６ＯＨ^-
により発電を行なう。

アニオン交換膜を用いたメタノール燃料電池においては、燃料極に接触した燃料は水酸化物イオンと反応して、二酸化炭素と水とを生成する。また空気極において、酸素と水とが反応して水酸化物イオンを生成し、アニオン交換膜を経て燃料極へ伝達される。このときに、電子が外部負荷を通って燃料極から空気極に移動し電力として取り出される。

このとき、燃料極で生成した二酸化炭素からは、水酸化物イオンとの下記の反応、
反応１：ＣＯ₂＋２ＯＨ^-→ＣＯ₃ ^2-＋Ｈ₂Ｏ
を経て炭酸イオンが生成する。

アニオン交換膜を用いた燃料電池においては、上記の反応において燃料極のｐＨが下がり、燃料極のアルコール酸化活性を低下させることや、生成した炭酸イオンが電解質膜を劣化させることが課題となっている。本発明においては、燃料極で生成した排ガスは液体燃料中を通過せずに燃料極から直接面方向に排出されるため、液体燃料に触れている距離を短くし、二酸化炭素が液体燃料に溶け込む量を減らす事が可能であるため、上記の劣化を緩和することが可能である。

［実施例］
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

＜燃料電池１の作製＞
電解質膜として、４０×４０ｍｍ、厚さ約１７５μｍのナフィオン（登録商標）１１７（デュポン社製）を用いた。

触媒ペーストは以下の手順で作成した。Ｐｔ粒子とＲｕ粒子とカーボン粒子とからなる、Ｐｔ担持量が３２．５ｗｔ％、Ｒｕ担持量が１６．９ｗｔ％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、２０ｗｔ％のナフィオンのアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、イソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、燃料極用の触媒ペーストを作製した。また、Ｐｔ粒子とカーボン粒子とからなるＰｔ担持量が４６．８ｗｔ％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いて、燃料極用の触媒ペーストの作製条件と同様に、空気極用の触媒ペーストを作製した。

上記の燃料極用の触媒ペーストを、電解質膜であるナフィオン１１７の一方の面に、触媒担持量が２ｍｇ／ｃｍ²となるように、２３×２３ｍｍのウィンドウを有したスクリーン印刷版を用いて、該ナフィオン１１７の中心に燃料極用の触媒ペーストを塗布した。その後、室温にて乾燥させることで、約３０μｍの厚みの燃料極触媒層を形成した。

同様に、該ナフィオン１１７のもう一方の面の中心に、燃料極触媒層と重なる位置に、触媒担持量が１ｍｇ／ｃｍ²となるように、上記と同様の方法でスクリーン印刷を行なって、該空気極用の触媒ペーストを塗布し、室温にて乾燥させることで、約２０μｍの厚さの空気極触媒層を形成した。以後、ナフィオン１１７に燃料極触媒層および空気極触媒層を形成したものを、ＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ Ｃｕａｔｅｄ Ｍｅｍｂｒｅａｎ）と記載する。

分離層として、３−メチル−４−ピロールカルボン酸エチルと３−メチル−４−ピロールカルボン酸ブチルとの共重合体と、２，３，６，７−テトラシアノ−１，４，５，８−テトラアザナフタレンと、の混合有機溶剤（ティーエーケミカル社製）をテフロン（登録商標）シートに塗布することで、厚み約２０μｍの非多孔膜の電気導電性高分子膜を形成した。これを４０×４０ｍｍに切り出した。

該テフロン（登録商標）シート上に成膜した電気電導性高分子膜の面を、該ＣＣＭの空気極触媒層側に重ね合わせ、外周に２００μｍのステンレスのスペーサを配置し、１３０℃、８ｋＮで２分間のホットプレス処理をすることにより、各部材を一体形成し、膜電極複合体を作製した。

次に、流路幅が０．８ｍｍのサーペンタイン流路を形成したカーボンからなる１組の導電性セパレータを用い、プラスチック性の絶縁部材で絶縁性を確保しながら導電性セパレータ同士をボルトとナットとで締め付けることで膜電極複合体とセパレータとを一体化し、本発明の燃料電池である燃料電池１を作製した。

＜燃料電池２の作製＞
燃料極導電層として、金メッシュからなる多孔質金属層を用いた。また、分離層として、絶縁性高分子からなる非多孔膜であるナフィオン（登録商標）１１７（デュポン社製）を用いた。

燃料極導電層および空気極導電層として、多孔質金属層である、線径７０μｍφ、１００ｍｅｓｈの金メッシュ（ニラコ社製）を２３×５０ｍｍのサイズに切り出して用いた。以後、燃料極導電層用の金メッシュをアノード金メッシュ、空気極導電層用の金メッシュをカソード金メッシュと記載する。

多孔質層として、片面に撥水処理層を形成したカーボンペーパー（ＳＧＬ社製ＢＣ３１）を２３×２３ｍｍのサイズに切り出して用いた。

カソード金メッシュと上記のカーボンペーパーの撥水処理層面とが重なりあうように、カソード金メッシュの端部と該カーボンペーパーの端部とを合わせて、プレス機を用いて、荷重１ｔで１分間圧着し、カソード金メッシュにカーボンペーパーを仮止めした。

カソード金メッシュに仮止めしたカーボンペーパーを下面とし、ＣＣＭの空気極触媒層面とカソード金メッシュの端部とを合わせ重ね、その上からＣＣＭの燃料極触媒層とアノード金メッシュの端部とを合わせて重ねた。さらにその上から、ＣＣＭの端部とナフィオン１１７の端部とを合わせて重ねた。このとき、カソード金メッシュとアノード金メッシュとは、互いに異なる方向にＣＣＭからはみ出すように重ね合わせた。

各部材を位置あわせして重ね合わせたまま、ＣＣＭの外周に６００μｍのステンレスのスペーサを配置し、１３０℃、８ｋＮで２分間のホットプレス処理をすることにより、各部材を一体形成し、膜電極複合体を作製した。

次に、燃料極側の絶縁性セパレータとして、６０×６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのアクリル板を用い、中心を２３×２３ｍｍ、深さ５ｍｍの凹部を設ける切削加工により液体燃料室を設け、さらに該アクリル板の中心の該凹部に通じるように直径１ｍｍの穴をドリル加工により形成して、アノードアクリルセルを作製した。また、空気極側の絶縁性セパレータとして、６０×６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアクリル板の中心を切削加工により２３×２３ｍｍで完全にくり抜いたカソードアクリルセルを作製した。

分離層として形成されるナフィオン１１７がアノードアクリルセルと接するように配置し、中心を合わせるようにカソードアクリルセルをその上から重ね合わせた後、外周部を押さえつけることで、本発明の燃料電池である燃料電池２を作製した。

＜燃料電池３の作製＞
分離層として、絶縁性高分子からなる非多孔膜であるナフィオン（登録商標）１１７（デュポン社製）を用いた以外は、燃料電池１の作製と同様の方法で、比較例のための燃料電池３を作製した。

＜実施例１＞
燃料電池１において、燃料電池の外部に引出されたカーボンからなる導電性セパレータを負荷装置に電気的に接続した。次に、燃料極側のセパレータに形成した直径３ｍｍの燃料供給孔から、液体輸送ポンプを用いて濃度３ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を約０．５ｍｌ／分で供給し、１０分後に、室温中で発電特性を評価した。

＜実施例２＞
燃料電池２のアノードアクリルセルとカソードアクリルセルとの界面より、燃料電池の外部に引き出されたアノード金メッシュとカソード金メッシュとを負荷装置に電気的に接続した。次に、アノードアクリルセルに形成した直径１ｍｍの穴から、注射器を用いて濃度３ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を約２．５ｍｌ注入し、１０分後に、室温中で発電特性を評価した。

＜比較例１＞
燃料電池３を用いた他は実施例１と同様の方法で発電特性を評価した。

実施例１、実施例２および比較例１の開放電圧を負荷装置により測定した結果は、それぞれ０．７１Ｖ、０．７５Ｖ、０．６８Ｖであった。また、負荷装置の測定モードを定電圧とし電圧０．３Ｖで発電特性を評価した結果、実施例１、実施例２では、それぞれ１０３ｍＡ／ｃｍ²、１２５ｍＡ／ｃｍ²の電流密度を安定して取り出すことができた。しかし、比較例１では安定して電流を取り出すことができず、０．３Ｖの時の電流密度は１ｍＡ／ｃｍ²以下であった。

実施例１の結果から、電気導電性の分離層を設けることによって高電流の取り出しを実現できることが分かる。また実施例２の結果から、燃料極導電層を設けることによって高電流の取り出しを実現できることが分かる。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の燃料電池は、たとえばモバイル機器等の携帯電子機器等、種々の電子機器に対して好適に適用され得る。

本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 図１に示す燃料電池の燃料極側の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 図３に示す燃料電池の燃料極側の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 図６に示す燃料電池の燃料極側の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。 本発明の燃料電池の好ましい構成の例を模式的に示す断面図である。

符号の説明

１００，２００，３００，４００，５００，６００，７００，８００ 燃料電池、１０１，４０１ 電解質膜、１０２，２０２，４０２，５０２，７０２，８０２ 燃料極、１０３，４０３ 空気極、１０４，２０４，４０４，７０４，８０４ 分離層、１１ 触媒粒子、１２ 導電性粒子、１３ 電解質、２０２ａ，４０２ａ，５０２ａ，７０２ａ，８０２ａ 燃料極触媒層、２０２ｂ，５０２ｂ 燃料極拡散層、３０５，６０５ 燃料極セパレータ、３０６，６０６ 空気極セパレータ、３０７，６０７ 燃料供給孔、３０８，６０８ 燃料供給流路、３０９，６０９ 燃料排出孔、３１０，６１０ 空気供給孔、３１１，６１１ 空気供給流路、３１２，６１２ 空気排出孔、４０２ｃ，５０２ｃ，７０２ｃ，８０２ｃ 燃料極導電層。

Claims (21)

1. 液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池であって、
   電解質膜と、
   前記電解質膜の一方の表面に形成され、燃料極触媒層を少なくとも有する燃料極と、
   前記電解質膜の他方の表面に形成され、空気極触媒層を少なくとも有する空気極と、
   前記燃料極に接して形成された分離層と、
   を少なくとも備え、
   前記分離層は、液体燃料と気体とを分離する層であり、
   前記燃料極および／または前記分離層の少なくとも一部が電気導電性の集電層として形成される、燃料電池。
2. 前記分離層は、非多孔膜である、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記集電層が分離層を含む、請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記分離層は、導電性高分子膜である、請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記分離層を挟んで前記燃料極と対向するように形成された燃料極セパレータをさらに備え、
   前記燃料極セパレータが電気導電性の材質からなり、
   前記分離層と前記燃料極セパレータとは電気的に接続されている、請求項３または４に記載の燃料電池。
6. 前記分離層を挟んで前記燃料極と対向するように形成された燃料極セパレータをさらに備え、
   前記燃料極セパレータが電気絶縁性の材質からなる、請求項３または４に記載の燃料電池。
7. 前記燃料極は燃料極導電層をさらに有し、
   前記集電層が前記燃料極導電層を含む、請求項１または２に記載の燃料電池。
8. 前記分離層は、電気絶縁性の材質からなる、請求項７に記載の燃料電池。
9. 前記分離層を挟んで前記燃料極と対向するように形成された燃料極セパレータをさらに備え、
   前記燃料極セパレータが電気絶縁性の材質からなる、請求項８に記載の燃料電池。
10. 前記分離層は、高分子膜である、請求項８または９に記載の燃料電池。
11. 前記高分子膜は、有機高分子膜である、請求項１０に記載の燃料電池。
12. 前記有機高分子膜は、固体高分子電解質膜である、請求項１１に記載の燃料電池。
13. 前記固体高分子電解質膜は、炭化水素系固体高分子電解質膜である、請求項１２に記載の燃料電池。
14. 前記炭化水素系固体高分子電解質膜が、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリスチレンからなる群から選ばれる１以上の電解質材料からなる、請求項１３に記載の燃料電池。
15. 前記燃料極導電層は、層厚方向に貫通する複数の開孔部を有する多孔質金属層である、請求項７〜１４のいずれかに記載の燃料電池。
16. 前記多孔質金属層は、面方向に連続孔を有する、請求項１５に記載の燃料電池。
17. 前記多孔質金属層は、メッシュ、発泡体、焼結体のいずれかである、請求項１５または１６に記載の燃料電池。
18. 前記多孔質金属層は、表面に凹凸形状を有する、請求項１５〜１７のいずれかに記載の燃料電池。
19. 前記燃料極触媒層は、触媒粒子と電解質とを少なくとも有し、
    前記電解質は前記分離層に接して形成されてなる、請求項１〜１８のいずれかに記載の燃料電池。
20. 液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池であって、
    電解質膜と、
    前記電解質膜の一方の表面に形成され、燃料極触媒層を少なくとも有する燃料極と、
    前記電解質膜の他方の表面に形成され、空気極触媒層を少なくとも有する空気極と、
    前記燃料極に接して形成された分離層と、
    を少なくとも備え、
    前記分離層は、液体燃料と気体とを分離する層であり、
    前記燃料極で生成した電子が、前記燃料極から層厚方向、面方向の順に移動することによって燃料電池の外部に取り出されるように電子伝導パスが形成されてなる、燃料電池。
21. 液体燃料を用いて発電を行なう燃料電池であって、
    電解質膜と、
    前記電解質膜の一方の表面に形成され、燃料極触媒層を少なくとも有する燃料極と、
    前記電解質膜の他方の表面に形成され、空気極触媒層を少なくとも有する空気極と、
    前記燃料極に接して形成された分離層と、
    を少なくとも備え、
    前記分離層は、液体燃料と気体とを分離する層であり、
    前記燃料極で生成した電子が、前記燃料極から層厚方向、面方向、層厚方向の順に移動することによって燃料電池の外部に取り出されるように電子伝導パスが形成されてなる、燃料電池。

Images