JP2009117082A - 燃料電池及び燃料電池の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】出力を向上することが可能であるとともに、十分な出力を長期にわたって安定して得ることを可能にした燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供する。
【解決手段】アノード１３と、カソード１６と、アノード１３とカソード１６とに挟持された電解質膜１７とを有する膜電極接合体を備え、少なくともカソード１６およびアノード１３のいずれか一方は、ガス拡散層１５と、ガス拡散層１５上に形成され電解質膜に対向する触媒層１４とを有し、触媒層１４の電解質膜側に形成された孔Ｈに電解質膜と同一のプロトン伝導性を有する充填材５０が充填され、電解質膜１７と充填材５０とが接触する。
【選択図】図４Ａ

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池及び燃料電池の製造方法に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。

直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。

このような燃料電池は、高分子電解質膜を介してアノード（燃料極）及びカソード（空気極）を対向配置した膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えている。より詳しく説明すると、各電極は、ガス拡散層及び触媒層を備えて構成され、触媒層を高分子電解質膜に向けて接合されている。このような膜電極接合体において、化学反応を起こす部位である触媒層と高分子電解質膜との接合部分は、膜電極接合体の抵抗や反応効率を大きく左右するポイントとなり得る。

アノード及びカソードの製造に当っては、多種多様な触媒を使用し、反応効率の改善を図ってきている。一般に、触媒層は、溶剤と触媒とを混合した材料を塗布した後に乾燥することによって形成される。このようにして形成された触媒層の表面にひび割れが発生しやすい。このような触媒層のひび割れ部分は、電解質膜から離間しており、原理的には発電反応に寄与しない。

このような触媒層のひび割れ対策の一つとして、特許文献１によれば、ひび割れしない程度の厚みの触媒層を形成し、２回以上に分けて転写する手法が開示されている。

また、アノード触媒層及び／又はカソード触媒層の製造時にひび割れを生じた状態で、所定の形状に切断、分割を行った後、電解質膜を挟んでそれぞれアノード及びカソードを配置し、加熱しつつ加圧することにより膜電極接合体を製造した際には、電極表面の崩れや剥離を生じる場合があり、歩留り低下の要因となっていた。
特開２００７−０８０５４８号公報

この発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、その目的は、出力を向上することが可能であるとともに、十分な出力を長期にわたって安定して得ることを可能にし、さらに製造時の歩留りも向上した燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供することにある。

この発明の第１の態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備え、
前記アノード及び前記カソードは、ガス拡散層と、前記ガス拡散層上に形成され前記電解質膜に対向する触媒層とを有し、
少なくとも前記カソードまたは前記アノードのいずれか一方において、前記触媒層の前記電解質膜側に形成された孔に、前記電解質膜と同一のプロトン伝導性を有する充填材が充填され、前記電解質膜と前記充填材とが接触することを特徴とする。

この発明の第２の態様による燃料電池の製造方法は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備えた燃料電池の製造方法であって、
少なくとも前記カソードまたは前記アノードのいずれか一方は、
ガス拡散層上に触媒層を塗布する工程と、
塗布した触媒層を乾燥する工程と、
乾燥した触媒層の前記電解質膜側に形成された孔に、前記電解質膜と同一のプロトン伝導性を有する充填材を充填する工程と、を経て製造され、
前記電解質膜と前記充填材とが接触することを特徴とする。

この発明によれば、触媒層の電解質膜側に形成された孔に、電解質膜と同一のプロトン伝導性を有する充填材を充填し、電解質膜と充填材とが接触することにより、電解質膜から離間していた（つまり電解質膜と接触していなかった）部分でもプロトン伝導が可能となり、発電反応に寄与する。このため、出力を向上することが可能であるとともに、十分な出力を長期にわたって安定して得ることを可能にした燃料電池及び燃料電池の製造方法を提供することができる。

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池及びその製造方法について図面を参照して説明する。

図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。なお、この実施の形態においては、燃料電池１として、内部気化型のパッシブ方式について説明するが、この方式に限定されるものではない。

燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体２を備えている。すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。

アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。

電解質膜１７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パーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（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等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。

アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１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１１の集電体としての機能も兼ね備えている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４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１４の集電体としての機能も兼ね備えている。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの多孔質基材で構成されている。

アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これらの導電層としては、例えば金（Ａｕ）、ニッケルなどの導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質層、薄層または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。

なお、図２及び図３に示した例においては、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７を４個のアノード１３及び４個のカソード１６によってそれぞれ挟持し、これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせ（単位セル）を電気的に直列に接続したＭＥＡ構造のものを示しているが、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず、単体で構成しても良いし、他の構造であっても良い。

電解質膜１７のアノード側及びカソード側には、それぞれゴム製のＯリングなどのシール材１９が配置されており、これらによって膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２に対して液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構３を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部３０を備えている。この燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するものである。膜電極接合体２は、たとえば矩形の平面形状を有し、燃料収容部３０も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３と対向する面に設けられた開口部３０Ａを有している。すなわち、燃料収容部３０は、その上面全面が開口された箱状容器となっている。このような燃料収容部３０の内部には、膜電極接合体２に対応した液体燃料Ｆが収容されている。

液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、膜電極接合体２に応じた液体燃料Ｆが使用される。

燃料収容部３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。燃料収容部３０は、液体燃料Ｆの残量を外部から目視することが可能なように透明樹脂によって形成されることが望ましい。また、このような透明樹脂は、耐メタノール性などを有していることが好ましい。なお、燃料収容部３０は、全体を透明樹脂で形成しても良いし、その一部を透明樹脂で形成しても良い。

上述した透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホンなどが挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂などのオレフィン系樹脂などで構成した燃料収容部３０を除外するものではない。

燃料収容部３０の開口部３０Ａと膜電極接合体２との間には、図１に示したように、気液分離膜４が設置されていてもよい。この気液分離膜４は、燃料収容部３０の開口部３０Ａを塞ぐように配置され、液体燃料Ｆの気化成分を透過するとともに液体燃料Ｆを透過させない膜によって形成されている。これにより、燃料収容部３０内で気化した液体燃料Ｆの気化成分は、燃料収容部３０の開口部３０Ａ及び気液分離膜４を介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。

このような気液分離膜４の構成材料としては、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂などが挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、例えば液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を適用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分とからなる混合気を意味し、液体燃料Ｆとして純メタノールを適用した場合には、メタノールの気化成分を意味する。

膜電極接合体２のカソード１６上には、保湿層２０が配置されているが省略しても良い。この保湿層２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソードガス拡散層１５に酸化剤（空気）を均一に導入することで、カソード触媒層１４への酸化剤の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿層２０は、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。

また、この実施の形態において、燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２のカソード（空気極）１６側に配置されたカバー部材１８を備えている。このカバー部材１８は、外観が略箱状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバー部材１８は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口（空気導入孔）１８Ａを有している。

このようなカバー部材１８は、気液分離膜４、膜電極接合体２、及び、保湿層２０を覆うようにして燃料収容部３０に固定されている。つまり、膜電極接合体２は、燃料収容部３０とカバー部材１８との間に配置されている。そして、このカバー部材１８は、膜電極接合体２を支持する支持体として機能する。

上述したような構成の燃料電池１においては、以下のようなプロセスによって発電する。

すなわち、燃料収容部３０内のメタノール燃料などの液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が気液分離膜４を透過して膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２内において、液体燃料Ｆの気化成分は、アノードガス拡散層１２で拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１に供給された気化成分は、下記の（１）式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
なお、メタノール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３０から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、上記した（１）式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。

この内部改質反応で生成された電子（ｅ^-）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。

一方、カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、カバー部材１８に設けられた開口１８Ａから導入された空気は、保湿層２０及びカソードガス拡散層１５を通過し、カソード触媒層１４へと供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。

ところで、この実施の形態に係る膜電極接合体２においては、図４Ａに示すように、少なくともカソード１６またはアノード１３のいずれか（図４Ａにおいては両方）において、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の電解質膜１７側に形成された孔Ｈに、電解質膜１７と同一のプロトン伝導性を有する充填材５０が充填されている。この充填材５０は、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）を電解質膜１７に接着させた際に電解質膜１７と接触する。このような充填材５０としては、電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料と同一材料を適用可能である。

すなわち、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）は、溶剤と触媒とを混合した材料を塗布した後に乾燥することによって形成される。このようにして形成されたカソード触媒層１４（アノード触媒層１１）においては、ひび割れが発生しやすい。特に、このようなひび割れがカソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の表面（つまり電解質膜１７との対向面）側に形成された場合、ひび割れ部分におけるカソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の側面などは、電解質膜１７と接触しない。このため、ひび割れ部分では、プロトン伝導経路が断たれ、発電反応に寄与していない。

このようなひび割れは、カソード触媒層１４およびアノード触媒層１１いずれにおいても発生しうるが、アノード触媒層１１よりもバインダ量が少ないカソード触媒層１４において顕著に発生する傾向にある。

そこで、少なくともカソード触媒層１４の電解質膜１７側に形成されたひび割れなどの孔（つまり、電解質膜１７から離間した凹部）Ｈに充填材５０が充填されていることが好ましい。これにより、カソード触媒層１４の表面の凹凸が平滑化され、カソード触媒層１４の凸部は電解質膜１７と直接接触し、また、カソード触媒層１４の凹部は充填材５０を介して電解質膜１７と接触する。つまり、充填材５０と電解質膜１７とが接触することにより、電解質膜１７と直接接触していなかった部分（つまり、孔Ｈの側面などの内面）にプロトン伝導経路を形成することが可能となる。

これにより、従来発電反応に寄与していなかったカソード触媒層１４の孔においても、プロトン伝導が可能となり、発電に寄与するようになる。このため、出力を向上することが可能となるとともに、長期にわたって安定した出力を得ることができ、信頼性を向上することが可能となる。

また、カソード触媒層１４の孔を塞ぐことにより、電極表面が頑強となり所定の形状に切断、分割を行った後、電解質膜を挟んでそれぞれアノード及びカソードを配置し、加熱しつつ加圧した場合においても電極表面の崩れや剥離を生じることがなく、歩留りを向上することが可能となる。

図４Ａに示した例では、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の電解質膜１７側に形成された孔Ｈに充填材５０を充填した例について説明したが、この例に限定されない。

すなわち、図４Ｂに示すように、充填材５０は、孔Ｈに充填されるとともにカソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の電解質膜１７側の表面を覆うように配置しても良い。このような充填材５０は、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）を電解質膜１７に対向配置させた際に電解質膜１７と接触する。

このような図４Ｂに示した例においては、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の電解質膜１７側に形成された孔Ｈのみならず、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の表面が充填材５０によって覆われているため、カソード触媒層１４の表面の凹凸が平滑化され、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の凸部及び凹部は充填材５０を介して電解質膜１７と接触する。

このような構成であっても、充填材５０と電解質膜１７とが接触することにより、電解質膜１７と直接接触していなかった部分（つまり、孔Ｈの側面などの内面）にプロトン伝導経路を形成することが可能となる。このため、図４Ａに示した例と同様の効果が得られる。

また、孔Ｈの深さについては、特に限定されるものではなく、例えばカソード触媒層１４（アノード触媒層１１）をガス拡散層１５まで貫通（つまり、孔Ｈの深さとカソード触媒層１４の厚みが同一）していても良いし、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の中途までで留まって（つまり、孔Ｈの深さがカソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の厚みよりも小さい）いてもよい。孔Ｈがガス拡散層１５まで貫通している場合には、充填材５０は、孔Ｈの側面とガス拡散層１５とを接合するように充填されている。このような構成により、プロトン伝導経路を確保することが可能となる。

図４Ａ及び図４Ｂに示したような断面は、膜電極接合体を樹脂によって固め、切断した後に断面を削り、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって観察したときに確認することが可能である。

次に、上述した構造の膜電極接合体２の製造方法について説明する。なお、ここで説明する製造方法は一例であって、他の工程が追加になってもよいし、説明した工程が他の工程に置換されても良い。

図５に示すように、まず、ガス拡散層の上に触媒層を塗布する。すなわち、ガス拡散層として機能するカーボンペーパー上に、溶剤、触媒などを混合して調製したペーストを塗布する。そして、塗布したペーストを乾燥する。これにより、ガス拡散層に積層された触媒層が形成される。このようにして形成された触媒層にはひび割れなどの孔が形成されることがある。

そこで、続いて、乾燥した触媒層の表面（つまり、電解質膜に接着する側）に液状の充填材を塗布またはスプレーした後、その充填材を硬化させる。これにより、触媒層の表面側に孔が形成されていた場合には、その孔に充填材が充填される。このとき、充填材は、孔にのみ充填されるようにしてもよいし、触媒層の表面全体を覆うように厚塗りしても良い。カソード１６または／およびアノード１３は、このような充填材の充填工程を経て形成される。

このようにして形成されたカソード１６及びアノード１３は、洗浄された後、所望のサイズ（例えば図３に示した短冊形状）に切断される。そして、電解質膜１７を挟んでそれぞれアノード１３及びカソード１６を配置し、加熱しつつ加圧することにより全てが接合され、膜電極接合体２が製造される。このようにして製造された膜電極接合体２において、各電極の充填材は電解質膜１７と接触している。

このような製造工程を経て形成された膜電極接合体によれば、アノード１３及びカソード１６のうちの少なくとも一方については、触媒層の表面が乾燥によってひび割れした場合であっても、このひび割れによって形成された孔に電解質膜と同一成分の充填材が充填されている。このため、孔の側面すなわち触媒層の断面部についても、発電反応に寄与するともに、触媒層がひび割れしたことによって露出したガス拡散層についても、プロトン伝導が可能となる。したがって、発電効率を向上することができ、安定した出力の燃料電池を供給することができる。

また、アノード１３及びカソード１６のうちの少なくとも一方については、触媒層の孔を塞ぐことにより、電極表面が頑強となり所定の形状に切断、分割を行った後、電解質膜を挟んでそれぞれアノード及びカソードを配置し、加熱しつつ加圧した場合においても電極表面の崩れや剥離を生じることがなく、歩留りを向上することが可能となる。

上述した実施の形態においては、膜電極接合体２のアノード側に燃料収容部３０を備えた内部気化型のような純パッシブ方式の燃料電池について説明したが、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部、及び、この燃料供給部に対して供給される燃料を収容する燃料収容部を備えたセミパッシブ型と称される方式の燃料電池についても同様の構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。

例えば、図６に示す例では、燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部３１を備えている。また、この燃料供給機構３は、燃料供給部３１に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、膜電極接合体２に対応した液体燃料を収容している。

燃料供給部３１と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部３１には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部３１や燃料収容部と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部３１と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。

セミパッシブ方式の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体２に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ方式の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、このセミパッシブ方式の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。なお、このセミパッシブ方式の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体２への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。

燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口３３と、燃料注入口３２と燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。ここで示した燃料供給部３１の例では、燃料注入口３２及び燃料供給口３３は、それぞれ１箇所である。

膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材４１が配置されている。

なお、このような支持部材４１は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては支持部材４１を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材４１を配置したことにより、燃料供給口３３から膜電極接合体２までの距離を確保することができる。このため、燃料供給口３３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。

これにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体２での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体２で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池１の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。

また、支持部材４１により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材４１とカバー部材１８との間で膜電極接合体２を保持するため、膜電極接合体２の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。

膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体４２が配置されている。多孔体４２の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体４２として用いられる。このような多孔体４２は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。

なお、このような多孔体４２は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては、多孔体４２を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体４２を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部３１の燃料供給口３３から供給された液体燃料は一旦多孔体４２に吸収され、多孔体４２の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体４２から支持部材４１を介してアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。

そして、図１に示した例と同様に、膜電極接合体２は、少なくともカソード１６（アノード１３）において、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の電解質膜１７に接する面に形成された孔に充填材が充填された構造を適用している。このような構成であっても、図１に示した例と同様の効果が得られる。

図７に示した例では、燃料供給機構３を構成する燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数の燃料供給口３３と、燃料注入口３２と各燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。

このような構成の燃料供給機構３においては、燃料注入口３２から燃料供給部３１内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料供給口３３にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料供給機構３を適用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口３３に均等に分配することができる。したがって、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。

さらに、燃料注入口３２と複数の燃料供給口３３とを細管３４で接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管３４の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口３３を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。

このような例の燃料電池１においても、図１に示した例と同様に、膜電極接合体２は、少なくともカソード１６（アノード１３）において、カソード触媒層１４（アノード触媒層１１）の電解質膜１７に接する面に形成された孔に充填材が充填された構造を適用している。このような構成であっても、図１に示した例と同様の効果が得られる。

さらに、アクティブ方式の燃料電池についても同様の構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。

次に、実施例について説明する。

《実施例１》
＜アノードの作製＞
アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンに、アイオノマーとしてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを添加し、このアノード用触媒担持カーボンを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパーに塗布した後に、乾燥し、アノード触媒層を得た。さらに、充填材として液状のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ナフィオン）をカソード触媒層の表面に塗布した後に硬化させ、アノード触媒層のひび割れ部分に充填材を充填した。

＜カソードの作製＞
カソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックに、パーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを添加し、このカソード用触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパーに塗布した後に、乾燥し、カソード触媒層を得た。さらに、充填材として液状のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ナフィオン）をカソード触媒層の表面に塗布した後に硬化させ、カソード触媒層のひび割れ部分に充填材を充填した。

＜膜電極接合体の作製＞
アノード触媒層とカソード触媒層との間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが５０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ナフィオン）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。

《実施例２》
アノードにおいて、充填材を充填する工程を省略する以外は実施例１と同様に作製し、また、実施例１と同様に電解質膜に接合して膜電極接合体を得た。

《実施例３》
カソードにおいて、充填材を充填する工程を省略する以外は実施例１と同様に作製し、また、実施例１と同様に電解質膜に接合して膜電極接合体を得た。

《比較例》
アノード及びカソードについて、充填材を充填する工程を省略する以外は実施例と同様に作製し、また、実施例と同様に電解質膜に接合して膜電極接合体を得た。

《製造歩留りおよび出力の比較》
実施例１乃至３及び比較例の膜電極接合体を製造する際の歩留りを実施例１を１００％として相対比較で示した。また、実施例１乃至３及び比較例の膜電極接合体の最大出力を比較したところ、以下の通りであった。

実施例１ 歩留り １００％、最大出力 １９．０ｍＷ／ｃｍ^２
実施例２ 歩留り ９９％、最大出力 １９．７ｍＷ／ｃｍ^２
実施例１ 歩留り ９６％、最大出力 ２０．８ｍＷ／ｃｍ^２
比較例 歩留り ９４％、最大出力 １９．８ｍＷ／ｃｍ^２
以上の結果より明らかな通り、本発明の燃料電池は比較例の燃料電池に比較し、最大出力が比較例と同等に維持した状態で歩留りが優れている。

上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に適用することが好ましい。

なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また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たりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。 図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。 図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。 図４Ａは、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体の一部の断面を拡大した図である。 図４Ｂは、図１に示した燃料電池に適用可能な他の膜電極接合体の一部の断面を拡大した図である。 図５は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体の製造方法の一例を説明するためのフローチャートである。 図６は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。 図７は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１…燃料電池 ２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １３…アノード
１４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １６…カソード
Ｈ…孔 ５０…充填材
１７…電解質膜
１８…カバー部材 １８Ａ…開口
１９…シール材 ２０…保湿層
３…燃料供給機構 ３０…燃料収容部 ３０Ａ…開口部 ３１…燃料供給部
４１…支持部材 ４２…多孔体

Claims (8)

1. アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備え、
   前記アノード及び前記カソードは、ガス拡散層と、前記ガス拡散層上に形成され前記電解質膜に対向する触媒層とを有し、
   少なくとも前記カソードおよび前記アノードのいずれか一方において、前記触媒層の前記電解質膜側に形成された孔に、前記電解質膜と同一のプロトン伝導性を有する充填材が充填され、前記電解質膜と前記充填材とが接触することを特徴とする燃料電池。
2. 前記充填材は、前記孔に充填されるとともに前記触媒層の前記電解質膜側の表面を覆うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記孔は、前記ガス拡散層まで貫通し、
   前記充填材は、前記孔の側面と前記ガス拡散層とを接合していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記膜電極接合体は、単一の前記電解質膜を複数の前記アノード及び複数の前記カソードによって挟持し、これらの前記アノード及び前記カソードの組み合わせを電気的に接続した構造であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記膜電極接合体に供給される液体燃料は、メタノール燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
6. 前記メタノール燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
7. アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備えた燃料電池の製造方法であって、
   少なくとも前記カソードおよび前記アノードのいずれか一方は、
   ガス拡散層上に触媒層を塗布する工程と、
   塗布した触媒層を乾燥する工程と、
   乾燥した触媒層の前記電解質膜側に形成された孔に、前記電解質膜と同一のプロトン伝導性を有する充填材を充填する工程と、を経て製造され、
   前記電解質膜と前記充填材とが接触することを特徴とする燃料電池の製造方法。
8. 前記充填材を充填する工程は、液状の充填材を塗布またはスプレーした後に硬化させる工程を含むことを特徴とする請求項７に記載の燃料電池の製造方法。

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