JP2009129830A

JP2009129830A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009129830A
Application number: JP2007306082A
Authority: JP
Inventors: Takashi Chigusa; 尚千草; Hitoshi Koda; 仁甲田; Katsumi Ichikawa; 勝美市川; Shinichi Onodera; 小野寺　　真一; Akiko Fujisawa; 晶子藤澤; Shinichi Kamibayashi; 信一上林; Naoyuki Takazawa; 直之高澤
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Electronic Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Development and Engineering Corp
Priority date: 2007-11-27
Filing date: 2007-11-27
Publication date: 2009-06-11

Abstract

【課題】出力性能が改善された燃料電池を提供する。
【解決手段】カソード６と、アノード５と、前記カソード６及び前記アノード５の間に配置された電解質膜７とを具備する燃料電池であって、前記アノード５は、前記電解質膜７と対向しているアノード触媒層８と、前記アノード触媒層８の前記電解質膜７と対向している面と反対側の面に積層され、互いに撥水度の異なる複数のアノード拡散層とを具備し、前記複数のアノード拡散層は、前記アノード触媒層８から離れる方向に前記撥水度が大きくなるように積層されていることを特徴とする燃料電池。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関するものである。

近年、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（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：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。

ＤＭＦＣでは、アノード（例えば燃料極）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する。一方、カソード（例えば空気極）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する。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。

ここで、出力を安定して高くする方法として、触媒量の増加という考えがある。

しかしながら、触媒は一般的にＰｔなどの貴金属が用いられることもあり、高価となる傾向があるため、触媒量を抑制しながら高出力を生む方法が望ましい。

そこで、特許文献１には、アノード触媒層とガス拡散層との間にカーボン粒子と固体高分子電解質よりなる保水層を設けた技術が開示されている。

しかしながら、上記構成の保水層では、固体高分子電解質が水分保持を担っているため、水分保持量が、カーボン粒子と固体高分子電解質の量のバランスだけでなく、運転中の温度変化やメタノール濃度変化の影響を受けて変動し易い。そのため、結果的に出力ばらつきが生じやすく、触媒量を十分に抑えることが困難であった。

ところで、特許文献２には、燃料極触媒層２に第１のガス拡散層７ａ及び第２のガス拡散層７ｂを積層すると共に、第１のガス拡散層７ａの撥水性を第２のガス拡散層７ｂ及び燃料極触媒層２の撥水性より高くすることが記載されている。この特許文献２では、上記構成により、燃料極触媒層２の乾燥が防止されると共に、燃料極触媒層２内に過度の水が滞留するのが抑制されるとしている。
特開２００６−８５９８４号公報特開２００３−３３１８５０号公報

本発明は、出力性能が改善された燃料電池を提供しようとするものである。

本発明に係る燃料電池は、カソードと、アノードと、前記カソード及び前記アノードの間に配置された電解質膜とを具備する燃料電池であって、
前記アノードは、前記電解質膜と対向しているアノード触媒層と、前記アノード触媒層の前記電解質膜と対向している面と反対側の面に積層され、互いに撥水度の異なる複数のアノード拡散層とを具備し、前記複数のアノード拡散層は、前記アノード触媒層から離れる方向に前記撥水度が大きくなるように積層されていることを特徴とする。

本発明によれば、出力性能が改善された燃料電池を提供することができる。

本発明では、互いに撥水度の異なる複数のアノード拡散層を使用し、これらのアノード拡散層を、その撥水度がアノード触媒層から離れる方向に大きくなるように配置しているため、(i)アノード触媒層の近くに位置するアノード拡散層に水を保持させることができる。また、(ii)アノード拡散層が持つ多孔質構造に水を保持させることができるため、水を液体の状態で保持することができ、運転中の温度変化による保持量の変動を少なくすることができる。

上記（i）及び(ii)の結果、アノード拡散層を通してアノード触媒層に供給される燃料を水と混合するバッファ層としての機能を、アノード拡散層に持たせることができる。このため、運転中の燃料濃度を安定化させることができる。また、このアノード拡散層の上部にアノード触媒層が位置するため、アノード触媒層がいわゆる水濃度過多による効率低下となるのを防ぐことができる。これらの結果、燃料電池の出力を一定にかつ上昇させることが可能となる。さらに、アノード触媒層中の触媒を効率良く使用することが可能となり、触媒量の抑制も可能となる。

最小撥水度を有するアノード拡散層は、厚さが１００μｍ以上、３００μｍ以下であることが好ましい。これは以下に説明する理由によるものである。厚さを１００μｍ未満にすると、バッファ層としての役目を十分に果たさない恐れがある。一方、厚さが３００μｍを超えると、燃料が十分にアノード触媒層にいきわたらずに出力が出ない恐れがある。厚さのより好ましい範囲は、１５０μｍ以上、２５０μｍ以下である。

以下、本発明の一実施形態を図面を参照して説明する。

図１に示す燃料電池は、膜電極接合体１と、この膜電極接合体１に燃料を供給する燃料分配機構２と、液体燃料を収容する燃料収容部３と、これら燃料分配機構２と燃料収容部３とを接続する流路４とから主として構成されている。

膜電極接合体１は、図１及び図３に示すように、アノード（燃料極）５と、カソード（空気極）６と、燃料極５及び空気極６の間に配置されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜７とから構成される。燃料極５は、電解質膜７の一方の面と対向している燃料極触媒層８と、燃料極触媒層８に積層された第１の燃料極ガス拡散層９と、第１の燃料極ガス拡散層９に積層された第２の燃料極ガス拡散層１０とを有する。

ここで、燃料極触媒層８との距離が遠い第２の燃料極ガス拡散層１０の撥水度が、燃料極触媒層８と接している第１の燃料極ガス拡散層９の撥水度に比して大きくなっている。

第２の燃料極ガス拡散層１０には、例えば、撥水処理の施された導電性多孔質基材を使用することができる。また、この場合、第１の燃料極ガス拡散層９には、例えば、撥水処理の施されていない導電性多孔質基材を使用することができる。導電性多孔質基材としては、燃料極触媒層８に燃料を均一に供給すると共に燃料極触媒層８の集電体としての機能から、例えば、カーボンペーパーを挙げることができる。また、撥水処理には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素樹脂を使用することができる。

また、第１の燃料極ガス拡散層９および第２の燃料極ガス拡散層１０の厚さについては限定されるものではないが、各層は平均して１００μｍ以上であることが望ましい。第１の燃料極ガス拡散層９および第２の燃料極ガス拡散層１０の厚さは、それぞれ、１００〜３００μｍの範囲内にあることが望ましい。

一方、空気極６は、電解質膜７の他方の面と対向している空気極触媒層１１と、空気極触媒層１１に積層された空気極ガス拡散層１２とを有する。空気極ガス拡散層１２は、空気極触媒層１１に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、空気極触媒層１１の集電体も兼ねている。空気極ガス拡散層１２には、例えば、撥水処理の施された導電性多孔質基材を使用することができる。導電性多孔質基材及び撥水処理には、燃料極ガス拡散層で説明したのと同様なものを挙げることができる。

燃料極触媒層８および空気極触媒層１１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、燃料極側の触媒として、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、空気極側の触媒として、白金やＰｔ−Ｎｉなどを用いることが好ましいが、これらに限定されるものではない。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。

また、燃料極触媒層８および空気極触媒層１１に含まれるプロトン導電剤は、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（デュポン社製の商品名ナフィオン(登録商標）や旭硝子社製の商品名フレミオン(登録商標）のようなパーフルオロスルホン酸重合体等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、無機物（例えば、タングステン酸、リンタングステン酸、硝酸リチウムなど）等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。電解質膜７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フッ素系樹脂（デュポン社製の商品名ナフィオンや旭硝子社製の商品名フレミオンのようなパーフルオロスルホン酸重合体等）、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。

第２の燃料極ガス拡散層１０及び空気極ガス拡散層１２には、必要に応じて導電層１３が積層される。これら導電層１３としては、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）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などが用いられる。電解質膜７と燃料分配機構２およびカバープレート１４との間には、それぞれゴム製のＯリング１５が介在されており、これらによって膜電極接合体（ＭＥＡ）１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。

図示を省略したが、カバープレート１４は酸化剤である空気を取入れるための開口を有している。カバープレート１４とカソード６との間には、必要に応じて保湿層や表面層が配置される。保湿層は空気極触媒層１１で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、空気極触媒層１１への空気の均一拡散を促進するものである。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさ等が調整された複数の空気導入口を有している。

燃料収容部３には、膜電極接合体１に対応した液体燃料が収容されている。液体燃料としては、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。液体燃料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、燃料収容部３には膜電極接合体１に応じた液体燃料が収容される。

液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、複数の燃料排出口２２を有する燃料分配機構２の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、燃料電池は、濃度が８０％以上のメタノール水溶液もしくは純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。

膜電極接合体１のアノード（燃料極）５側には、燃料分配機構２が配置されている。燃料分配機構２は配管のような液体燃料の流路４を介して燃料収容部３と接続されている。燃料分配機構２には燃料収容部３から流路４を介して液体燃料が導入される。流路４は燃料分配機構２や燃料収容部３と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料分配機構２と燃料収容部３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。燃料分配機構２は流路４を介して燃料収容部３と接続されていればよい。

液体燃料を燃料収容部３から燃料分配機構２まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部３から燃料分配機構２まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路４を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部３から燃料分配機構２まで送液することができる。さらに、燃料収容部３から燃料分配機構２への送液は、図１に示すように、ポンプ１６で実施してもよい。あるいは、燃料分配機構２から膜電極接合体１への燃料供給が行われる構成であればポンプ１６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。

燃料分配機構２は、図２に示すように、液体燃料が流路４を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口２１と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口２２とを有する燃料分配板２３を備えている。燃料分配板２３の内部には図１に示すように、燃料注入口２１から導かれた液体燃料の通路となる空隙部２４が設けられている。複数の燃料排出口２２は燃料通路として機能する空隙部２４にそれぞれ直接接続されている。

燃料注入口２１から燃料分配機構２に導入された液体燃料は空隙部２４に入り、この燃料通路として機能する空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２にそれぞれ導かれる。複数の燃料排出口２２には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。これによって、膜電極接合体１の燃料極５には液体燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は燃料分配機構２と燃料極５との間に気液分離膜等として設置してもよい。液体燃料の気化成分は複数の燃料排出口２２から燃料極５の複数個所に向けて排出される。

燃料排出口２２は膜電極接合体１の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板２３の燃料極５と対向する面に複数設けられている。燃料排出口２２の個数は２個以上であればよいが、膜電極接合体１の面内における燃料供給量を均一化する上で、０．１〜１０個／ｃｍ²の燃料排出口２２が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口２２の個数が０．１個／ｃｍ²未満であると、膜電極接合体１に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口２２の個数を１０個／ｃｍ²を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。

上述した燃料分配機構２に導入された液体燃料は空隙部２４を介して複数の燃料排出口２２に導かれる。燃料分配機構２の空隙部２４はバッファとして機能するため、複数の燃料排出口２２からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。そして、複数の燃料排出口２２は膜電極接合体１の全面に燃料が供給されるように配置されているため、膜電極接合体１に対する燃料供給量を均一化することができる。

燃料分配機構２から均一に放出された燃料は、第２の燃料極ガス拡散層１０及び第１の燃料極ガス拡散層９を拡散して燃料極触媒層８に供給される。燃料としてメタノール燃料を使用する場合には、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる必要がある。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …式（１）
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜７を伝導し、空気極触媒層１１に到達する。空気極ガス拡散層１２から供給される気体燃料（たとえば空気）は、空気極ガス拡散層１２を拡散して、空気極触媒に供給される。空気極触媒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）
発電反応により生じた水は、空気極６から電解質膜７を通して燃料極触媒層８に還流する。本実施形態においては、燃料極触媒層８から離れた位置にある第２の燃料極ガス拡散層１０の撥水度を、燃料極触媒層８と接している第１の燃料極ガス拡散層９の撥水度に比して大きくしているため、燃料極触媒層８で保持しきれなかった水を第１の燃料極ガス拡散層９が持つ多孔質構造で保持することができる。また、第２の燃料極ガス拡散層１０の撥水度が第１の燃料極ガス拡散層９よりも大きいため、第１の燃料極ガス拡散層９で保持しきれなかった水を、第１の燃料極ガス拡散層９と第２の燃料極ガス拡散層１０との界面に保持することができる。

従って、空気極６からの還流水を燃料極触媒層８により保持するだけでなく、第１の燃料極ガス拡散層９と、第１の燃料極ガス拡散層９の第２の燃料極ガス拡散層１０との界面とによっても保持することができるため、これらが燃料を一定の好ましい液体濃度にすることができるいわゆるバッファ層としての役目を果たし、燃料分配機構２から放出された燃料と水との混合が容易になる。その結果、前述した（１）の内部改質反応の反応抵抗を小さくすることができる。

また、第１の燃料極ガス拡散層９と、第１の燃料極ガス拡散層９の第２の燃料極ガス拡散層１０との界面とによっても水を保持することができるため、燃料極触媒層８がいわゆる水濃度過多による効率低下となるのを防ぐことができる。

さらに、空気極６からの還流水が第２の燃料極ガス拡散層１０を通り抜け、燃料収容部３内の液体燃料に混入するのを回避することができるため、燃料収容部３内の液体燃料濃度を一定に保つことができる。

従って、内部改質反応の反応抵抗の低下と、燃料極触媒層８の効率低下と、燃料収容部３内の液体燃料濃度低下とを抑制することができるため、燃料電池の出力を向上することができると共に、長期間に亘って一定の出力を保つことができる。

また、第１の燃料極ガス拡散層９の厚さを１００μｍ以上、３００μｍ以下にすることによって、バッファ層としての役目が十分なものとなり、出力をさらに向上することができる。

なお、前述した図１では、燃料極ガス拡散層が二層の例を説明したが、燃料極ガス拡散層の層数はこれに限らず、三層以上にすることができる。

ここで、第１の燃料極ガス拡散層９と第２の燃料極ガス拡散層１０の撥水度の測定方法を説明する。

まず、膜電極接合体１の最外層表面（第２の燃料極ガス拡散層１０の表面）の撥水度を調べるため、水の接触角を以下に説明する方法で測定する。次に、膜電極接合体１の表面をマイクロスコープとマイクロメータで注意深く確認しながら住友３Ｍ製ポリッシングフィルム３Ｍ２９１Ｘで削り、接触角が低下し、変化が見られなくなったところの接触角を測定し、この値を第１の燃料極ガス拡散層９の撥水度とする。

水の接触角θは、図４に示すように、液滴ＤＲと測定対象物Ｘ（ガス拡散層）とが接触する点Ｐにおける液滴ＤＲの表面カーブに対する接線Ｌと測定対象物Ｘの表面とが成す角である。

この接触角θは以下のように測定する。最初に、図５に示すように、マイクロシリンジＭで、純水の液滴ＤＲを形成する。本実施形態の場合、液滴（水滴）ＤＲは約０．５マイクロリットルである。

次に、図６に示すように、液滴ＤＲの底を測定対象物Ｘに付ける。そして、マイクロシリンジＭを測定対象物Ｘから離すと、測定対象物Ｘの表面に図７に示すように液滴ＤＲが付着する。この状態で、３０００ｍｓ後に、液滴ＤＲの高さｈと、液滴ＤＲの半径ｒを測定する。ここで、液滴ＤＲの高さｈとは、測定対象物Ｘの界面と液滴ＤＲの頂点との距離である。

接触角θは、図４に示すθ１（＝ａｒｃｔａｎ（ｒ／ｈ））の２倍に等しいことから、測定された水滴ＤＲの高さｈおよび半径ｒから、下記の式（Ａ）を用いて接触角θの値が算出される。

θ＝２×｛ａｒｃｔａｎ（ｒ／ｈ）｝式（Ａ）
上記のように算出された接触角θは、その値が大きいほど、測定対象物の撥水度が高いことを示し、その値が小さいほど測定対象物の撥水度が低いことを示している。

本発明に適用可能な燃料電池は、その形態から、液体燃料と酸化剤の供給をポンプなどの補器を用いて行うアクティブ型燃料電池、液体燃料の気化成分をアノードに供給するパッシブ型（内部気化型）燃料電池、前述した図１〜図３に示すセミパッシブ型の燃料電池などが挙げられる。アクティブ型燃料電池では、メタノール水溶液からなる燃料について、その量が一定になるようにポンプで調整しながらＭＥＡのアノードへ供給する一方、カソードに対しても空気をポンプで供給する方式が採られる。パッシブ型燃料電池では、ＭＥＡのアノードに気化したメタノールを自然供給で送り、一方カソードに対しても外部の空気を自然供給することで、ポンプなどの余計な機器を装備しない方式が採られる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部から膜電極接合体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。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、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、セミパッシブ型の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体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。

[実施例]
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

（実施例１）
＜燃料極ガス拡散層の作製＞
まず、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０３０〜１２０）を平板プレスにて厚さ方向に厚さが１／２になるまで圧縮した。なお、このカーボンペーパーの圧縮前の気孔率は、アルキメデス法を用いて測定したところ、７５％であった。また、このカーボンペーパーの圧縮後の気孔率は、外形寸法と重量測定により計算した結果、４０．５％であった。このカーボンペーパーを２枚用意した。一方のカーボンペーパーにＰＴＦＥ２０％溶液を含浸させ、1昼夜自然乾燥させた後、アルゴン雰囲気下で３８０℃で焼成し、撥水性を有する第２の燃料極ガス拡散層とした。

また、残りのカーボンペーパーについては、撥水処理を行わず、無撥水の第１の燃料極ガス拡散層とした。

撥水性を有する第２の燃料極ガス拡散層及び無撥水の第１の燃料極ガス拡散層、それぞれの厚さを下記表１に示す。

＜燃料極触媒層の作製＞
また、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子１０重量部に対し、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）の固形分が１重量部、さらに溶媒を加えてホモジナイザで混合して固形分として約１５％のスラリーを作製した。得られたスラリーを無撥水の第１の燃料極ガス拡散層の一方の面にダイコータースプレーコート法にて塗布、乾燥し、燃料極触媒層を形成した。

＜空気極の作製＞
白金微粒子を担持したカーボン粒子とナフィオン溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と溶媒をホモジナイザで混合して約１５％固形分のスラリーを作製した。得られたスラリーを、空気極ガス拡散層としての気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−６０）の一方の面にダイコーターを用いて塗布した。そしてこれを常温乾燥して空気極触媒層を形成した。

＜膜電極接合体の作製＞
電解質膜として、固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、最初にこの電解質膜と空気極を触媒層が電解質膜側になるように重ね合わせ、続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、その下に撥水性の第２の燃料極ガス拡散層をさらに重ね合わせ、温度が１５０℃、圧力が３０ｋｇｆ／ｃｍ²の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ²とした。

＜燃料電池の組み立て＞
続いて、この膜電極接合体を、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金箔で挟み、燃料極導電層および空気極導電層を形成した。

上記の膜電極接合体（ＭＥＡ）、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体の空気極側と一方のフレームとの間、膜電極接合体の燃料極側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。

また、燃料極側のフレームは、気液分離膜を介して、液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ０．１ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上には、気孔率が２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上には、空気取り入れのための空気導入口（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を形成し、ネジ止めによって固定した。

上記したように形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定した。その結果を下記表１に示す。

（実施例２〜１６）
撥水性を有する第２の燃料極ガス拡散層及び無撥水の第１の燃料極ガス拡散層の厚さを下記表１に示すように設定すること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な燃料電池を作製し、出力の評価を行った。その結果を下記表１に示す。

（比較例１〜４）
無撥水性の第１の燃料極ガス拡散層を使用せず、撥水性の第２の燃料極ガス拡散層に直接、燃料極触媒層を形成すること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な燃料電池を作製し、出力の評価を行った。その結果を下記表１に示す。

（比較例５〜８）
撥水性の第２の燃料極ガス拡散層を使用しないこと以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な燃料電池を作製し、出力の評価を行った。その結果を下記表１に示す。

表１から明らかな通りに、燃料極触媒層からの距離が遠い方向に燃料極ガス拡散層の撥水度が大きくなっている実施例１〜１６の燃料電池は、撥水性の燃料極ガス拡散層もしくは無撥水性の燃料極ガス拡散層のいずれかが欠けている比較例１〜８の燃料電池に比して、出力が高くなる。特に、無撥水性の燃料極ガス拡散層が１００〜３００μｍである実施例５〜１２の燃料電池は、３４ｍＷ／ｃｍ²以上の出力特性を示し、良好であることがわかる。

また、比較例９として、燃料極触媒層、撥水性の第２の燃料極ガス拡散層（厚さ１００μｍ）、無撥水性の第１の燃料極ガス拡散層（厚さ１００μｍ）の順番に位置を変更すること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様な燃料電池を作製し、出力の評価を行ったところ、１４ｍＷ／ｃｍ²であった。これは、燃料極触媒層から離れる方向に撥水度を小さくすると、空気極からの還流水が撥水性の燃料極ガス拡散層上に溜まり、燃料極触媒層と撥水性の燃料極ガス拡散層との界面における燃料濃度が極端に低下してしまうからである。

上記実施例の燃料電池から膜電極接合体（ＭＥＡ）を取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込み、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で200倍にてＥＰＭＡ断面分析を行い、燃料極ガス拡散層のフッ素マッピングを行ったところ、撥水性の第２の燃料極ガス拡散層と無撥水性の第１の燃料極ガス拡散層との間の界面を確認することができ、燃料極ガス拡散層に撥水があるものとないものの二層構造であることを確認できた。

なお、本発明は上記実施形態そのまま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。また、アクティブ型燃料電池及びセミパッシブ型の燃料電池においても、上記した説明と同様の作用効果が得られる。ＭＥＡへ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図。図１の燃料電池の燃料分配機構を示す斜視図。図１の燃料電池の膜電極接合体の拡大断面図。本実施形態に係る燃料電池に用いる多孔質層の表面の接触角を測定する方法を説明するための模式図。本実施形態に係る燃料電池に用いる多孔質層の表面の接触角を測定する方法を説明するための模式図。本実施形態に係る燃料電池に用いる多孔質層の表面の接触角を測定する方法を説明するための模式図。本実施形態に係る燃料電池に用いる多孔質層の表面の接触角を測定する方法を説明するための模式図。

符号の説明

１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２…燃料分配機構、３…燃料収容部、４…流路、５…アノード（燃料極）、６…カソード（空気極）、７…電解質膜、８…燃料極触媒層、９…第１の燃料極ガス拡散層、１０…第２の燃料極ガス拡散層、１１…空気極触媒層、１２…空気極ガス拡散層、１３…導電層、１４…カバープレート、１５…Ｏリング、１６…ポンプ、２１…燃料注入口、２２…燃料排出口、２３…燃料分配板、２４…空隙部。

Claims

カソードと、アノードと、前記カソード及び前記アノードの間に配置された電解質膜とを具備する燃料電池であって、
前記アノードは、前記電解質膜と対向しているアノード触媒層と、前記アノード触媒層の前記電解質膜と対向している面と反対側の面に積層され、互いに撥水度の異なる複数のアノード拡散層とを具備し、前記複数のアノード拡散層は、前記アノード触媒層から離れる方向に前記撥水度が大きくなるように積層されていることを特徴とする燃料電池。
最小撥水度を有するアノード拡散層の厚さは、１００μｍ以上、３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。