JP2008310995A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】温度が上昇した場合であっても発電部分に供給するメタノール量を抑制しながら供給することができ、温度が低下した際には、従来の出力を発現できる小型の燃料電池を提供する。
【解決手段】空気極と燃料極との間に電解質膜を配置した膜電極接合体を備える起電部と、前記起電部の燃料極側に配置された燃料収容室と、前記起電部と前記燃料収容室の間に配置された燃料の気化成分を起電部側に透過させる気液分離膜と、を具備する燃料電池であって、前記起電部と前記気液分離膜との間に、前記気液分離膜と間隙を有した状態で配置された複数の燃料供給口を有する開口部材と、前記気液分離膜に配置され、前記燃料供給口に近接して向き合い、前記気液分離膜が前記液体燃料収容室から圧力を受けて前記起電部側に変位したときに燃料の気化成分が前記燃料供給口を通流するのを妨げる通流抑制部材と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、携帯機器の動作に有効な平面配置の燃料電池に係り、特に小型の内部気化型直接メタノール燃料電池に関する。

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、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯機器においては、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、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。

このような二次電池への要求に対して、例えば、リチウムイオン二次電池が開発されてきた。また、携帯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）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、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等が必要なく、小型化に優れていると考えられる。

ＤＭＦＣでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、およ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、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。

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や空気を送り込むブロワが補器として備えられ、システムとして複雑な形態をもつＤＭＦＣが開発されてきている。そのため、この構造のＤＭＦＣでは、小型化を図ることは難しかった。

そこで、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す膜を設け、メタノールを透過させる代わりに、メタノールタンクを発電素子の近傍まで近づけることで小型化が進められた。また、空気の取り入れについては、ブロワを用いず、発電素子に直接取り付けた吸気口を設置することで、小型ＤＭＦＣが構築された。

しかし、このように小型のＤＭＦＣでは、機構が簡略化された代わりに、温度などの外部環境要因の影響を受けたときに、発電素子に一定量のメタノールを送ることが難しくなっている。このため、出力を安定して高く発現することが困難となっていた。

このようなメタノールの供給量を制御するために、例えば特許文献１に記載された燃料では、燃料タンク部分と負極との間に多孔体を挿入して、多孔体による流動抵抗によりメタノール供給量を絞るようにしている。
特開２００４−１７１８４４号公報

しかしながら、上記特許文献１の燃料電池の構成では、機構が簡略化された代わりに温度などの状態量を制御することが難しくなってきている。例えば特許文献１の燃料電池では、メタノール供給量を絞る技術は示されているが、このような構造では環境温度の上昇や燃料電池自身の駆動による温度上昇が生じると、燃料であるメタノールの蒸発量が増加し、結果としてメタノール供給量が増加してしまう。そうなるとクロスオーバー現象も増加し、ますます過大な発熱を生じ、結果として出力低下を招いてしまう欠点を有していた。さらに、温度上昇した場合に合わせてメタノール供給量を絞ってしまうと、今度は常温での運転時にメタノールの供給量が不足し、ＤＭＦＣとしての出力が低く抑えられてしまう。

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、温度が上昇した場合であっても発電部分に供給するメタノール量を抑制しながら供給することができ、温度が低下した際には、従来の出力を発現できる小型の燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、空気極と燃料極との間に電解質膜を配置した膜電極接合体を備える起電部と、前記起電部の燃料極側に配置された燃料収容室と、前記起電部と前記燃料収容室の間に配置された燃料の気化成分を透過させる気液分離膜と、を具備する燃料電池であって、
前記起電部と前記気液分離膜との間に、前記気液分離膜と間隙を有した状態で配置された複数の燃料供給口を有する開口部材と、
前記気液分離膜に取り付けられ、前記燃料供給口に近接して向き合い、前記気液分離膜が前記液体燃料収容室から圧力を受けて前記起電部側に変位したときに燃料の気化成分が前記燃料供給口を通流するのを妨げる通流抑制部材と、を有することを特徴とする。

本発明の燃料電池によれば、環境温度あるいは自己発熱による温度上昇が生じた際に、気液分離膜が燃料の蒸発圧力を主要因として開口部材に押し付けられる。例えば、燃料として用いられるメタノールの蒸気圧は、図７に示すように温度が上昇するに従って指数級数的に増加する。ちなみにメタノールの沸点（約６２℃）における蒸気圧は約０．１ＭＰａであり、８０℃あたりの温度では約０．２ＭＰａである。このようにメタノール蒸気圧の上昇により気液分離膜が開口部材に押し付けられた際に、開口部材の燃料供給口に対応する形状の通流抑制部材が気液分離膜の表面において開口部材の燃料供給口に相当する位置に配置されているので、これによりメタノール気化成分の通流が妨げられ、燃料極への燃料供給量が抑制される。

なお、通流抑制部材は、水道のパッキンや蛸の吸盤のような形状とすることが望ましいが、その他に種々の形状とすることができる。また、通流抑制部材を、気液分離膜の表面ではなく開口部材の開口部のほうに配置するようにしてもよい、また、通流抑制部材を、気液分離膜の表面および開口部材の開口部の両方に配置するようにしてもよい。

気液分離膜が開口部材の燃料供給口に密着した際に、気化した燃料の通流を妨げる通流抑制部材によって、発電部の温度が上がり、メタノール蒸気圧が上昇した場合には発電部へのメタノール供給量が抑制される。一方、発電部の温度が下がれば、メタノール蒸気圧が下がるので、通流抑制部材が燃料供給口から離れ、メタノール供給量が元の状態に復帰する。

本発明によれば、周囲温度あるいはＤＭＦＣ温度が上昇し、メタノールの蒸気圧が増加したとしても、発電部分に供給するメタノール量を抑制することができ、メタノールのクロスオーバー現象を抑制して、出力が低下しにくい小型の燃料電池が提供される。このような本発明の燃料電池は、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機、ノートパソコンなどのコードレス携帯機器用として好適な電源となる。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態を説明する。

図１、図５および図６は、気液分離膜２５および開口部材２３の燃料供給口２７のそれぞれに通流抑制部材３１，３２を配置した燃料電池１Ａを示し、図２、図３および図４は気液分離膜２５に通流抑制部材３１を配置した他の実施形態の燃料電池１Ｂを示す。両実施形態において同様の作用を示す場合には併せて説明する。

図１に示すように、燃料電池１Ａは、アノード触媒層３とアノードガス拡散層５からなる燃料極と、カソード触媒層２とカソードガス拡散層４からなる空気極と、アノード触媒層３とカソード触媒層２との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜６とを有する膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly ）１０を備えている。このＭＥＡ１０に集電体となるアノード導電層７ｂおよびカソード導電層７ａを貼り合わせると、起電部２０を得ることができる。

アノード触媒層３およびカソード触媒層２に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、アノード触媒層３として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなど、カソード触媒層２として、白金やＰｔ−Ｎｉなどを用いることが好ましいが、これらに限られるわけではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。

電解質膜６を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）、フレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

アノード触媒層３に積層されるアノードガス拡散層５は、アノード触媒層３に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層３の集電体の機能も兼ね備えている。一方、カソード触媒層２に積層されるカソードガス拡散層４は、カソード触媒層２に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層２の集電体の機能も兼ね備えている。さらに、アノードガス拡散層５には、アノード導電層７ｂが積層され、カソードガス拡散層４にはカソード導電層７ａが積層されている。アノード導電層７ｂおよびカソード導電層７ａは、例えば、金（Ａｕ）などの導電金属材料からなるメッシュなどの多孔質層で構成される。

電解質膜６とアノード導電層７ｂとの間、および電解質膜６とカソード導電層７ａとの間には、シール部材としてゴム製のＯリング８ａ，８ｂがそれぞれ設けられ、ＭＥＡ１０からの燃料の漏れ出しや酸化剤の漏れ出しを防止している。なお、アノード導電層７ｂには、疎水性の多孔膜２６が積層されていてもよい。

燃料電池１Ａの外縁形に対応した形状を有する１対のフレーム２３，２４によって、カソード導電層７ｂを含むその間の積層体が挟持されている。一方のフレーム２３が開口部材を兼ねており、これが気液分離膜２５に近接配置され、複数の燃料供給口２７を有している。開口部材２３と気液分離膜２５との間には流量制御スペース３６が形成されている。この流量制御スペース３６は例えば幅が約１〜３ｍｍの狭い間隙である。

開口部材２３は、メタノールが通過する複数の燃料供給口２７を有し、この燃料供給口２７からＭＥＡ１０にメタノールの気化成分を供給するとともに、ＭＥＡ１０自体を支える構造となっている。一方、フレーム２４は、空気を取り込むための複数の開口２４ａを有するとともに、ＭＥＡ１０に所定の押圧力を印加するようになっている。これらのフレーム２３，２４は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）あるいはポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような樹脂で形成される。

また、起電部２０の下部には、気液分離膜２５を介して燃料供給手段として機能する燃料収容室３９が配置されている。燃料収容室３９から、気液分離膜２５直下まで液体燃料を移送するために、毛細管現象を利用しても構わない。具体的には図示していないが、メタノール吸収性の良い不織布や繊維を固めた材料、紙系材料などが使用できる。また、このような毛細管現象による液体燃料移送材料を用いた場合に、燃料収容室３９に蓋を被せ、この液体燃料移送材料のみが燃料収容室３９の蓋から出る形で、液体燃料を気液分離膜２５の直下まで運ぶという形態を取るようにしても良い。なお、燃料収容室３９には、外部より燃料を導入するための燃料導入口１２が設けられている。

気液分離膜２５は、液体燃料収容室３９内の燃料の気化成分を導出するために設けられた開口を塞ぐように配設されている。気液分離膜２５は、燃料の気化成分と液体成分とを分離し、さらに液体燃料を気化させるもので、具体的には、例えば、シリコーンゴムなどの材料で構成することができる。

通流抑制部材３１は、図２および図３に示すように、開口部材２３に形成された複数の燃料供給口２７にそれぞれ対応する位置に、すなわち燃料供給口２７と１対１に向き合うところに位置するように気液分離膜２５の表面に接着されていてもよい。なお、通流抑制部材３１は、開口部材２３の燃料供給口２７に対応するすべての部分に対して必ずしも設置する必要はない。通流抑制部材３１は、燃料供給口２７を部分的に塞ぐものであってもよく、また複数の燃料供給口２７のうちの一部を塞ぐものであってよい。

通流抑制部材３１は、例えば図４に示すように燃料供給口２７に対応した形状を有し、メタノール液と接触しても膨潤しにくい耐メタノール性の高いゴム系の樹脂からなり、バルブ機能を有するパッキングとして燃料供給口２７を塞ぐように開口部材２３密着するものである。起電部２０の温度が上昇せず液体燃料収容室３９の温度が上昇せず液体燃料収容室３９内のメタノール蒸気圧が増加していない場合には、図２の（ａ）および図３の（ａ）に示すように燃料供給口２７と気液分離膜２５（さらには通流抑制部材３１）は離間している。そして、起電部２０の温度が上昇して液体燃料収容室３９内のメタノール蒸気圧が増加すると、図２の（ｂ）および図３の（ｂ）に示すように、気液分離膜２５が蒸気圧で押されて開口部材２３に当接し、通流抑制部材３１が燃料供給口２７を塞ぐ。この場合に、通流抑制部材３１は、全ての燃料供給口２７を完全に塞ぐのではなく、開口面積比率で燃料供給口２７の５０〜９０％を塞ぐようにすることが望ましい。燃料供給口２７を１００％塞いでしまうと、発電部２０への燃料の供給がなくなり、反応が突然停止して出力がゼロになるシャットダウン現象を生じるおそれがあるため、面積比率で９０％を上限として通流抑制部材３１により燃料供給口２７を塞ぐ。このように発電部２０ではある程度の反応を続けながら、通流抑制部材３１により発電部２０への燃料の供給を適正量に絞って抑制する必要がある。一方、通流抑制部材３１で塞がれる燃料供給口２７が面積比率で５０％を下回ると、発電部２０の温度を迅速に下げる効果が低下する。

通流抑制部材３１に用いる耐メタノール性の高いゴム系樹脂として、エチレンプロピレン系ゴム（ＥＰＭ、ＥＰＤＭ）、ビニルメチルシリコーンゴム（ＶＭＱ、ＦＶＭＱ）、フッ素ゴム（ＦＫＭ、ＦＥＰＭ、ＦＦＫＭ）などを挙げることができるが、このうち特にエチレンプロピレン系ゴムであるＥＰＤＭを用いることが好ましい。但し、他の耐メタノール性の高いゴム材料を用いても、本発明の主旨を損ねるものではない。この耐メタノール性の高いゴムを用いて、例えば弁構造を作製し、開口部材２３の燃料供給口２７に設置することで、気液分離膜２５が開口部材２３に密着したときに弁が押され、メタノール燃料の透過を制限することができる。

また、図１、図５、図６に示すように、開口部材２３の燃料供給口２７を囲うように耐メタノール性の高いゴムを用いてパッキン受け３２の構造を形成する一方で、気液分離膜２５の表面に、同様の耐メタノール性の高いゴムを用いて、開口部材２３の燃料供給口２７に形成されたパッキン受け３２に嵌合するパッキン３１を設けることができる。パッキン３１とパッキン受け３２とは狭い流量制御スペース３６内で向き合っている。このようにパッキングのような嵌め込み構造３１，３２とすることにより、気液分離膜２５が開口部材２３に密着したときに、メタノール気化成分の通流をさらに適正に制限することができる。

ここで、液体燃料収容室３９に貯留される液体燃料４９は、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールが好ましい。また、純メタノールの純度は、９５質量％以上１００質量％以下にすることが好ましい。また、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体を意味する。

アノードガス拡散層５は多孔質の板状カーボンからなるが、気化したメタノールがこのガス拡散層５を透過してアノード触媒層３に至る。アノード触媒層３ではカソード側から電解質膜６を透過してきた水とメタノールとが反応する。その際、一部のメタノールは電解質膜６を透過してカソード側へ移動する。

一方、カソードガス拡散層４は、酸化物質である酸素を空気中から多く取り込む必要がある。カソード触媒層２内でも酸素を反応に使用するために、気孔率を高く保つ必要がある。

カソード側のフレーム２４の上には保湿板２８が積層され、保湿板２８のさらに上にはカバープレート２１が設けられている。カバープレート２１は、酸化剤である空気を取り入れるための多数の通気孔２２が開口する表面層である。カバープレート２１は、ＭＥＡ１０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、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）のような金属材料でつくられている。保湿板２８は、カソード触媒層２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なすとともに、カソードガス拡散層４に酸化剤（空気）を均一に導入することにより、カソード触媒層２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。

保湿板２８は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成され、その最大の孔径が２０〜５０μｍ程度の膜が使用される。最大の孔径をこの範囲とするのは、孔径が２０μｍより小さい場合には空気透過量が低下するためであり、５０μｍより大きい場合には水分蒸発が過多となるからである。なお、保湿板２８は、任意の構成部材であり、保湿板２８を用いることなく燃料電池１Ａを作製することもできる。その場合は、カソード側のフレーム２４上にカバープレート２１を設けて、カソード触媒層２の水分貯蔵量や水の蒸散量を調整することが好ましい。

液体燃料収容室構造体３９およびカバープレート２１に用いる樹脂材料として、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの液体燃料で膨潤等を生じにくい硬質の樹脂を用いることが望ましい。また、加熱溶着される樹脂材料として、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエーテルナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）を用いることが望ましい。

なお、図２においては、開口部材とＭＥＡ２０との間にはフレーム２９により気化室３７を設けており、気液分離膜２５を透過した気化燃料のＭＥＡへの濃度分布を均一にしている。

また、図２において、４２は気化室２７に残留した二酸化炭素などを排出するためのガス抜き孔、４４は、燃料収容室３９へ燃料を導入するための燃料導入口１２に設けられたカプラーである。

次に、上記燃料電池１Ａの作用について説明する。

液体燃料収容室３９内の液体燃料（例えば、メタノール水溶液）が気化し気液分離膜２５を透過し、流量制御スペース３６（および図２の構成においては気化室３７も）に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。流量制御スペース３６（および気化室３７）に一旦収容された燃料は、多孔膜２６、アノード導電層７ｂを通過し、さらにアノードガス拡散層５で拡散され、アノード触媒層３に供給される。アノード触媒層３に供給された燃料は、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …式（１）
なお、液体燃料として、純メタノールを使用した場合には、燃料収容部３９からの水蒸気の供給がないため、カソード触媒層２で生成した水や電解質膜６中の水等がメタノールと上記した式（１）の内部改質反応を生じるか、または上記した式（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る。

内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜６を伝導し、カソード触媒層２に到達する。カバープレート２１の通気孔２２から取り入れられた空気は、保湿板２８、カソード導電層７ａ、カソードガス拡散層４を拡散して、カソード触媒層２に供給される。カソード触媒層２に供給された空気は、次の式（２）に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。

（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ …式（２）
この反応によってカソード触媒層２中に生成した水は、カソードガス拡散層４を拡散して保湿板２８に到達し、一部の水は、保湿板２８上に設けられたカバープレート２１の通気孔２２から蒸散されるが、残りの水はカバープレート２１によって蒸散が阻害される。特に、式（２）の反応が進行すると、カバープレート２１によって蒸散が阻害される水量が増し、カソード触媒層２中の水分貯蔵量が増加する。この場合には、式（２）の反応の進行に伴って、カソード触媒層２の水分貯蔵量が、アノード触媒層３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、カソード触媒層２に生成した水が、電解質膜６を通過してアノード触媒層３に移動する反応が促進される。そのため、前述した式（１）におけるメタノールの内部改質反応を促進させることができる。これによって、出力密度を高くすることができるとともに、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。

また、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、または純メタノールを使用する場合でも、カソード触媒層２からアノード触媒層３に移動してきた水を内部改質反応に使用することができるので、アノード触媒層３への水の供給を安定して行うことが可能となる。これによって、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低下することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、燃料収容室３９の小型化を図ることも可能である。

上記したように、本実施形態の直接メタノール型の燃料電池１Ａ，１Ｂによれば、気孔率の低いアノードガス拡散層５を用いて起電部２０を構成することで、カソードで生成された水をアノードに留めおき、燃料収容室３９に至ることを抑制することが可能となる。その結果、燃料であるメタノールの濃度低下を防止し、メタノール供給不足になることを回避することで、連続運転しても燃料電池の出力低下を抑えることができる。またアノードガス拡散層５のかわりに、アノード触媒層３の気孔率を低減させても同様の効果を得ることができる。さらに、アノードガス拡散層５とアノード触媒層３との両方について気孔率を低減しても、効果を得ることができる。

なお、上記した各実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料は、これらに限られるものではない。例えば、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料を用いた液体燃料直接供給型の燃料電池にも応用することができる。

次に、温度上昇等によって燃料の蒸気圧が上昇することにより、気液分離膜２５が開口部材２３に密着した際に、気化した燃料の通流を妨げる構造部材を気液分離膜の表面、あるいは開口部材の開口部（燃料供給口）、あるいはその両方に配置することで、メタノール燃料の過度な供給を妨げ、優れた特性が得られることを以下の実施例で説明する。

（実施例１）
実施例１として図１に示す（但し、通流抑制部材３２を配置せず）燃料電池を次のように作製した。

まず、白金担持グラファイト粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これをカソードガス拡散層４である圧縮加工されたカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−９０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥してカソード触媒層２を形成し、空気極（カソード）を作製した。次に、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これをアノードガス拡散層５であるカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥してアノード触媒層３を形成し、燃料極（アノード）を作製した。

電解質膜６として、固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、この電解質膜６を、空気極および燃料極で挟持し、温度が１２０℃、圧力が３０ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ^２とした。

次いで、この膜電極接合体１０の空気極側および燃料極側に、空気および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アノード導電層７ｂおよびカソード導電層７ａを配置した。

上記した膜電極接合体（ＭＥＡ）１０、アノード導電層７ｂ、カソード導電層７ａが積層された積層体を樹脂製の２つのフレーム２３，２４で挟み込んだ。なお、ＭＥＡ１０の空気極側と一方のフレーム２４との間、ＭＥＡの燃料極側と他方のフレーム２３との間には、それぞれゴム製のＯリング８ａ、８ｂを挟持してシールを施した。空気極側、燃料極側のフレームともに、口径４ｍｍ、口数６４個の孔が形成されたポリエーテルエーテルケトンからなる樹脂板を用いた。

燃料極側のフレームは開口部材２３であり、気液分離膜２５を介して、燃料収容室３９にネジ止めまたはカシメによって固定した。気液分離膜２５には、厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用し、その燃料極側の開口部材２３に接する表面に、直径４．２ｍｍのエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）からなる図４に示す円盤状の厚さ０．２ｍｍの通流抑制部材（蓋材）３１を、燃料極側フレーム（開口部材）２３の燃料供給口２７の半分に一致するよう、一つおきになる配列に接着した。これらの通流抑制部材３１によって、気液分離膜２５が燃料極側フレーム（開口部材）２３に密着した際に、燃料極側フレーム（開口部材）２３の燃料供給口２７の半分を塞いでメタノール気化成分の通流を抑制することを確認した。

一方、空気極側のフレーム２４の上には、気孔率が２８％の多孔質の板を配置し、保湿板２８とした。この保湿板２８上には、空気取り入れのための空気導入口（通気孔）２２（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー層となるカバープレート２１を形成し、ネジ止めによって固定した。

上記のように形成された燃料電池を、温度２５℃、３５℃、４０℃、４５℃の各温度の恒温槽にそれぞれ１時間入れ、その後、燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノール液を５ｍｌ注入した。そのまま恒温槽内で発電を行い、電流値と電圧値を測定して、それらの値から最大出力値を算出した。

測定結果から得られた燃料電池のピーク出力（最大出力；ｍＷ／ｃｍ²）を、恒温槽の温度に対しプロットした結果を図８に示す。図中にて特性線Ａが本実施例１の燃料電池の出力特性の結果を示す。実施例１では、温度上昇とともに最大出力値も上昇し、４５℃の条件でも１８．２ｍＷ／ｃｍ２の出力を発現することができた。

（実施例２）
実施例２として図１に示す（但し、通流抑制部材３１を配置せず）の燃料電池を次のように作製した。

燃料極側のフレーム（開口部材）２３の気液分離膜２５側の面に対し、開口部材２３に開けた孔の半数３２個に対して、中央孔３２ａと凹所３２ｂと有する直径４．５ｍｍで全体の厚さが０．５ｍｍのドーナツ状のエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）からなる通流抑制部材（受蓋）３２を設置した。この通流抑制部材（受蓋）３２の一部に円盤状のエチレンプロピレンゴムからなる厚さ０．１ｍｍのシート３２ｃが固定され開閉可能な構造となっている。そして、このシート３２ｃの突起（図示せず）が通流抑制部材（受蓋）３２の凹所３２ｂに嵌合され、密閉される構成となっている。なお、シート３２ｃを通流抑制部材（受蓋）３２に押し付けないと、シート３２ｃの突起が通流抑制部材（受蓋）の凹所３２ｂに嵌まり込まず、密閉が不十分となる構造になっている。一方で、気液分離膜２５の表面には何も設置せず、ただのシリコーンシートとした。それ以外は実施例１と同様にして、実施例２の燃料電池を作製した。

上記したように形成された燃料電池を、温度２５℃、３５℃、４０℃、４５℃の各温度の恒温槽にそれぞれ１時間入れ、その後、燃料電池の液体燃料タンクに、純メタノールを５ｍｌ注入した。そのまま恒温槽内で発電を行い、電流値と電圧値を測定して、それらの値から最大出力値を算出した。

測定結果から得られた最大出力を、恒温槽の温度に対しプロットした結果を図８に示す。図中にて特性線Ｃが本実施例２の燃料電池の出力特性の結果を示す。実施例２では、温度上昇とともに最大出力値も上昇し、４５℃の条件でも１７．７ｍＷ／ｃｍ２の出力を発現することができた。

（実施例３）
実施例３として図１に示す燃料電池を次のように作製した。

燃料極側のフレーム（開口部材）２３の気液分離２５側の面に対し、開口部材２３に開けた孔の半数３２個に対して、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）からなる通流抑制部材（受蓋）３２を設置した。一方、気液分離膜２５であるシリコーンシートに、前記通流抑制部材（受蓋）３２に対応する箇所にエチレンプロピレンゴム（ＥＰＤＭ）から成る通流抑制部材（蓋材）３１をそれぞれ設置した。エチレンプロピレンゴムからなる通流抑制部材（受蓋）３２は、図６に示すように直径４．５ｍｍで全体の厚さが０．2ｍｍ、中央孔３２ａを有するドーナツ形状の部材である。一方、気液分離膜２５であるシリコーンシートの表面に、通流抑制部材（受蓋）３２に相対するように設置された通流抑制部材（蓋材）３１は、図４に示すものと同様の円盤シートであり、直径４．５ｍｍ厚さ０．２ｍｍのエチレンプロピレンゴムからなる。燃料極側のフレーム（開口部材）２３の気液分離膜側の面の燃料供給口２７に設置したドーナツ状の通流抑制部材（受蓋）３２と、気液分離膜であるシリコーンシート上に設置した通流抑制部材（蓋材）３１は、密着すると燃料供給口２７を塞ぐことが可能な構造となっている。それ以外は実施例１と同様にして、実施例３の燃料電池を作製した。

上記したように形成された燃料電池を、温度２５℃、３５℃、４０℃、４５℃の各温度の恒温槽にそれぞれ１時間入れ、その後、燃料電池の液体燃料タンクに、純メタノールを５ｍｌ注入した。そのまま恒温槽内で発電を行い、電流値と電圧値を測定して、それらの値から最大出力値を算出した。

測定結果から得られた最大出力を、恒温槽の温度に対しプロットした結果を図８に示す。図中にて特性線Ｂが本実施例３の燃料電池の出力特性の結果を示す。実施例３では、温度上昇とともに最大出力値も上昇し、４５℃の条件でも１８．０ｍＷ／ｃｍ２の出力を発現することができた。

（比較例１）
比較例１の燃料電池を次のように作製した。

通流抑制部材を何も設置せず、そのまま組み込んだ以外は、実施例１と同様にして、比較例１の燃料電池を作製した。このようにして形成された燃料電池を、温度２５℃、３５℃、４０℃、４５℃の各温度の恒温槽にそれぞれ１時間入れ、その後、燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを５ｍｌ注入した。そのまま恒温槽内で発電を行い、電流値と電圧値を測定して、それらの値から最大出力値を算出した。

測定結果から得られた最大出力を、恒温槽の温度に対しプロットした結果を図８に示した。図中にて特性線Ｄが比較例の燃料電池の出力特性の結果を示す。図から明らかなように、比較例では、２５℃、３５℃では最大出力値も１６ｍＷ／ｃｍ²前後の値が観測されたが、４０℃にしても出力が上昇せず、逆にメタノール蒸気が絞られることなくＭＥＡに送られるためクロスオーバー反応によって燃料電池自体が発熱してしまい、出力が出なくなる状態を示した。さらに４５℃の条件では、クロスオーバーによる発熱反応が支配的となり、出力が急激に低下した。

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の実施形態の燃料電池を模式的に示す内部透視断面図。 （ａ）は液体燃料収容室と気化室との間に圧力差が無いときの燃料電池の内部構造を示す断面模式図、（ｂ）は液体燃料収容室と気化室との間に圧力差が有るときの燃料電池の内部構造を示す断面模式図。 （ａ）は液体燃料収容室と気化室との間に圧力差が無いときの気化膜および流路板を示す拡大断面図、（ｂ）は液体燃料収容室と気化室との間に圧力差が有るときの気化膜および流路板を示す拡大断面図。 実施例１の通流抑制部材を示す斜視図。 実施例２の通流抑制部材を示す斜視図。 実施例３の通流抑制部材を示す斜視図。 メタノール蒸気圧と温度との関係を示す特性線図。 燃料電池の出力と温度との関係を示す特性線図。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ…燃料電池、２…カソード触媒層、３…アノード触媒層、
４…カソードガス拡散層、５…アノードガス拡散層、
６…電解質膜（プロトン伝導膜）、
７ａ…カソード導電層（正極集電体）、７ｂ…アノード導電層（負極集電体）、
８ａ，８ｂ…Ｏリング、１０…膜電極接合体（MEA）、
１２…燃料導入口、２０…起電部、
２１…カバープレート、２２…通気孔（空気導入口）、
２３…開口部材（フレーム）、２４…フレーム、
２５…気液分離膜、２６…多孔膜、
２７，２７ａ…燃料供給口（開口部）、
２８…保湿板、
３１…通流抑制部材（蓋材、パッキン）、３２…通流抑制部材（受蓋、パッキン受け）、
３６…流量制御スペース、３７…気化室、
３９…燃料収容室、
４２…ガス抜き穴、４４…カプラー。

Claims (6)

1. 空気極と燃料極との間に電解質膜を配置した膜電極接合体を備える起電部と、前記起電部の燃料極側に配置された燃料収容室と、前記起電部と前記燃料収容室の間に配置された燃料の気化成分を前記起電部側に透過させる気液分離膜と、を具備する燃料電池であって、
   前記起電部と前記気液分離膜との間に、前記気液分離膜と間隙を有した状態で配置された複数の燃料供給口を有する開口部材と、
   前記気液分離膜に配置され、前記燃料供給口に近接して向き合い、前記気液分離膜が前記液体燃料収容室から圧力を受けて前記起電部側に変位したときに燃料の気化成分が前記燃料供給口を通流するのを妨げる通流抑制部材と、
   を有することを特徴とする燃料電池。
2. 空気極と燃料極との間に電解質膜を配置した膜電極接合体を備える起電部と、前記起電部の燃料極側に配置された燃料収容室と、前記起電部と前記燃料収容室の間に配置された燃料の気化成分を前記起電部側に透過させる気液分離膜と、を具備する燃料電池であって、
   前記起電部と前記気液分離膜との間に、前記気液分離膜と間隙を有した状態で配置された複数の燃料供給口を有する開口部材と、
   前記開口部材に配置され、前記燃料供給口を取り囲み、前記気液分離膜が前記液体燃料収容室から圧力を受けて前記起電部側に変位したときに燃料の気化成分が前記燃料供給口を通流するのを妨げる通流抑制部材と、
   を有することを特徴とする燃料電池。
3. 空気極と燃料極との間に電解質膜を配置した膜電極接合体を備える起電部と、前記起電部の燃料極側に配置された燃料収容室と、前記起電部と前記燃料収容室の間に配置された燃料の気化成分を前記起電部側に透過させる気液分離膜と、を具備する燃料電池であって、
   前記起電部と前記気液分離膜との間に、前記気液分離膜と間隙を有した状態で配置された複数の燃料供給口を有する開口部材と、
   前記気液分離膜に配置され、前記燃料供給口に近接して向き合い、前記気液分離膜が前記液体燃料収容室から圧力を受けて前記起電部側に変位したときに燃料の気化成分が前記燃料供給口を通流するのを妨げる第１の通流抑制部材と、
   前記開口部材に配置され、前記燃料供給口を取り囲み、前記気液分離膜が前記液体燃料収容室から圧力を受けて起電部側に変位したときに燃料の気化成分が前記燃料供給口を通流するのを妨げる第２の通流抑制部材と、
   を有することを特徴とする燃料電池。
4. 前記燃料は、濃度が５０モル％を超える高濃度メタノール水溶液であるか、または純メタノール液であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
5. 前記発電部の空気極側に、前記空気極で生成された水を含浸する保湿板を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
6. 前記保湿板を間に挟んで前記起電部の空気極側と向き合い、前記発電部の空気極に空気を供給するための複数の通気孔を有するカバープレートを有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池。

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