JP2009140830A

JP2009140830A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2009140830A
Application number: JP2007317583A
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: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-25

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】カソード触媒層１２を含むカソード６と、アノード触媒層８及びアノード拡散層１１を含むアノード５と、前記カソード触媒層１２及び前記アノード触媒層８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た親水性層９と、前記親水性層９と前記アノード拡散層１１との間に配置され、前記アノード拡散層１１よりも高い撥水度を有する導電性多孔質層１０とをさらに備え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、特に小型の液体燃料直接供給型燃料電池に好適なものである。

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。なお、特許文献１に記載の発明は、燃料に水素ガスを使用する固体高分子型燃料電池であり、また、特許文献１では、保水層をガス拡散層と直接接触させることで、ガス拡散層を構成する炭素繊維によるアノード触媒層や固体電解質膜の損傷を防止している。
特開２００６−８５９８４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、カソード触媒層を含むカソードと、アノード触媒層及びアノード拡散層を含むアノードと、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層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た親水性層と、前記親水性層と前記アノード拡散層との間に配置され、前記アノード拡散層よりも高い撥水度を有する導電性多孔質層とをさらに備え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、燃料極触媒層における電解質膜と対向する面と反対側の面に、親水性層が積層されているため、空気極から還流された発電生成水を親水性層で保持することができる。さらに、親水性層には、燃料極ガス拡散層よりも高い撥水度を有する導電性多孔質層（以下、高撥水導電性多孔質層と称す）が隣接して配置されているため、親水性層を通過した水が燃料極ガス拡散層まで戻らず、親水性層と高撥水導電性多孔質層との界面でも水を保持することができる。

その結果、燃料極ガス拡散層を通じて燃料極触媒層に供給される燃料と水との混合が、親水性層でもなされるため、燃料濃度を一定に保つことがより容易になる。さらに、燃料極触媒層が還流水の影響により水濃度過多となるのを回避することができる。

これらの結果、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、高撥水導電性多孔質層の厚みを５０〜３００μｍにし、かつ親水性層の厚みを２５〜１００μｍにすることによって、出力性能をさらに向上することができる。

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に積層された親水性層９と、親水性層９に積層された導電性多孔質層１０と、導電性多孔質層１０に積層された燃料極ガス拡散層１１とを有する。

ここで、導電性多孔質層１０の撥水度は、燃料極ガス拡散層１１の撥水度に比して大きくなっている（以下、導電性多孔質層１０を高撥水導電性多孔質層１０と呼ぶ）。高撥水導電性多孔質層１０は、例えば図３に示すように、カーボンペーパーからなる導電性多孔質基材１０ａと、導電性多孔質基材１０ａの両面に形成され、炭素材料及び撥水剤を含むと共に撥水性と導電性とを有する多孔質層１０ｂとを有する。

撥水剤には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂等を挙げることができる。多孔質層１０ｂの表面の撥水度は、例えば、撥水剤の配合量によって調整することが可能である。

炭素材料は、燃料極ガス拡散層１１と燃料極触媒層８との導通を良好にすることができる。炭素材料の形態は、特に限定されるものではないが、例えば、粒子、繊維などを使用することができる。

高撥水導電性多孔質層１０は、例えば、以下に説明する方法で作製される。基材としてのカーボンペーパーに、炭素材料と撥水剤とを含むスラリーをスプレーコート法にて塗布し、乾燥することにより、高撥水導電性多孔質層１０が得られる。あるいは、カーボンペーパー以外の基材に上記スラリーをスプレーコート法にて塗布し、乾燥させた後、得られた層を基材から剥離することによっても、高撥水導電性多孔質層１０を作製することが可能である。すなわち、高撥水導電性多孔質層１０には、カーボンペーパーを含むもの、あるいは含まないものを使用することができる。また、カーボンペーパーの片面のみにスラリーを塗布することによっても、高撥水導電性多孔質層１０が得られる。

親水性層９には、この表面に純水を滴下した後に30分〜１時間放置した際に水を吸収し、撥水しなかったものを使用することができる。撥水処理のなされていないカーボンペーパーにおいても純水を滴下した直後は撥水しているように見えるが、30分から1時間放置すると水はカーボンペーパーに吸収される。比較として、撥水処理したカーボンペーパーに純水を滴下したところ、1時間放置しても水は撥水されたままである。

また、親水性層９は、燃料の拡散を速やかにする観点から、多孔質構造を有することが望ましい。

具体的には、親水性層９には、炭素材料と電解質とを含むもの、あるいは撥水処理のなされていないカーボンペーパーを使用することができる。このような構成の親水性層９は、十分な親水性と多孔質構造を持つだけでなく、導電性を有するため、燃料極ガス拡散層１１と燃料極触媒層８との導通を良好にすることができる。電解質には、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、タングステン酸やリンタングステン酸あるいは硝酸リチウム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。

燃料極ガス拡散層１１は、燃料極触媒層８に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層８の集電体も兼ねている。燃料極ガス拡散層１１は、例えば、カーボンペーパーから形成される。カーボンペーパーには、撥水性を付与しても良いし、撥水性を付与しなくてもよいが、高撥水導電性多孔質層１０よりも低い撥水度を有する必要がある。なお、撥水処理には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂等を使用することができる。

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１２と、空気極触媒層１２に積層された空気極ガス拡散層１３とを有する。空気極ガス拡散層１３は、空気極触媒層１２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１２の集電体も兼ねている。空気極ガス拡散層１３には、例えば、撥水処理の施されたカーボンペーパーを使用することができる。撥水処理には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂を使用することができる。

燃料極触媒層８および空気極触媒層１２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、空気極触媒層１２及び電解質膜７に含まれ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、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。

燃料極ガス拡散層１１及び空気極ガス拡散層１３には、必要に応じて導電層１４が積層される。これら導電層１４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１５との間には、それぞれゴム製のＯリング１６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１５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１５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１２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１２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１７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１７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、燃料極ガス拡散層１１、高撥水導電性多孔質層１０及び親水性層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１２に到達する。空気極ガス拡散層１３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１３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が電解質膜７と対向している面と反対側に位置する面に、親水性層９が積層されているため、燃料極触媒層８で保持しきれなかった水を親水性層９で保持することができる。さらに、親水性層９には、燃料極ガス拡散層１１よりも撥水度の高い導電性多孔質層１０が積層されているため、親水性層９で保持されなかった水が燃料極ガス拡散層１１内に到達するのが防止され、親水性層９と高撥水導電性多孔質層１０との界面でも水を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だけで保持するのではなく、親水性層９と、親水性層９と高撥水導電性多孔質層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、空気極６からの還流水の保持を、燃料極触媒層８と親水性層９とが主に担うことにより、燃料極触媒層８の界面に水が溜まるのを回避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、前述したように空気極６からの還流水は、親水性層９と高撥水導電性多孔質層１０との界面に留まり、燃料極ガス拡散層１１内まで戻らないため、燃料収容部３内の液体燃料に水が混入するのを回避することができ、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。

高撥水導電性多孔質層１０及び親水性層９の厚さは特に限定されるものではないが、発明者らが種々の実験を行った結果、高撥水導電性多孔質層１０の厚みは５０〜３００μｍ、その直上の親水性層９の厚みは２５〜１００μｍ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。

高撥水導電性多孔質層１０の厚さを５０μｍ未満にすると、燃料濃度調整機構が十分に利かない恐れがある。また、高撥水導電性多孔質層１０の厚さが３００μｍを超えると、燃料が十分に燃料極触媒層８にいきわたらない可能性がある。一方、親水性層９の厚さを２５μｍ未満にすると、燃料極触媒層８における水濃度過多を十分に防ぐことができない恐れがある。また、親水性層９の厚さが１００μｍを超えると、燃料が十分に燃料極触媒層８にいきわたらず、高出力を得られない可能性がある。

従って、高撥水導電性多孔質層１０の厚みを５０〜３００μｍにし、かつ親水性層９の厚みを２５〜１００μｍにすることによって、燃料濃度調整機構としての効果を十分に発揮させることができると共に、燃料極触媒層８における水濃度過多を十分に防ぐことができるため、出力性能をさらに向上することができる。さらに好ましい範囲は、高撥水導電性多孔質層１０の厚さが１５０〜２５０μｍで、親水性層９の厚さが５０〜８０μｍである。

ここで、高撥水導電性多孔質層１０と燃料極ガス拡散層１１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（燃料極ガス拡散層１１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、接触角が増加し、変化が見られなくなったところの接触角を測定し、この値を高撥水導電性多孔質層１０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（ガス拡散層もしくは多孔質層）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燃料極ガス拡散層とした。得られた燃料極ガス拡散層の表面の水の接触角を前述した方法にて測定したところ、１４５度であった。

＜高撥水導電性多孔質層の作製＞
カーボン粒子（vulcan製）とＰＴＦＥ６０％とを混合した固形分量が約５％のスラリーを調製した。圧縮処理を行わないカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０３０〜１２０）の両面にスラリーをスプレーコート法にて塗布した後、乾燥させることにより、高撥水導電性多孔質層を形成した。得られた高撥水導電性多孔質層の表面の水の接触角を前述した方法にて測定したところ、１５０度で、燃料極ガス拡散層の撥水度よりも大きかった。高撥水導電性多孔質層の厚さを下記表１に示す。

＜親水性層の作製＞
カーボン粒子（ケッチェンブラック）を、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂溶液としてのナフィオン溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）に分散させ、固形分量が約１５％のスラリーを調製した。得られたスラリーを高撥水導電性多孔質層上にバーコート法により塗布した後、乾燥させることにより多孔質構造の親水性層を形成した。親水性層の厚さを下記表１に示す。なお、この親水性層は、表面に純水を滴下した後に30分〜１時間放置した際に水を吸収し、撥水しなかった。

＜燃料極触媒層の作製＞
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、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）を固形分換算で１重量部と、溶媒とを加えてホモジナイザで混合することにより、固形分量が約１５％のスラリーを作製した。これを親水性層の上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、溶媒とをホモジナイザで混合して固形分量が約１５％のスラリーを作製した。得られたスラリーを気孔率が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、固体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触媒層と親水性層とを重ね合わせ、その下に高撥水導電性多孔質層及び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３０％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）
親水性層及び高撥水導電性多孔質層の厚さを下記表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）
親水性層及び高撥水導電性多孔質層を使用せず、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２〜５）
高撥水導電性多孔質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。

（比較例６〜９）
親水性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、燃料極触媒層と燃料極ガス拡散層との間に親水性層及び高撥水導電性多孔質層を設けた実施例１〜１６の燃料電池は、親水性層もしくは高撥水導電性多孔質層のいずれか又は両者が欠けている比較例１〜９の燃料電池に比して、出力が高くなる。特に、高撥水導電性多孔質層の厚さが５０〜３００μｍ、親水性層の厚さが２５〜１００μｍである実施例２，３，６，７，１０，１１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。

なお、比較例２〜５のように高撥水導電性多孔質層が設けられていない場合には、空気極から還流した水が燃料極ガス拡散層中にまで戻り、燃料収容部内の液体燃料の濃度が水で希釈されるため、出力が低下したものと考えられる。また、比較例６〜９のように親水性層が設けられていない場合には、燃料極触媒層が高撥水導電性多孔質層の直上に存在するため、触媒層内の高撥水導電性多孔質層との界面で水が溜まり、水濃度過多による効率低下を生じ、出力が低下したものと考えられる。

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、燃料極ガス拡散層、高撥水導電性多孔質層、親水性層の三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…親水性層、１０…高撥水導電性多孔質層、１０ａ…導電性多孔質基材、１０ｂ…多孔質層、１１…燃料極ガス拡散層、１２…空気極触媒層、１３…空気極ガス拡散層、１４…導電層、１５…カバープレート、１６…Ｏリング、１７…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

カソード触媒層を含むカソードと、アノード触媒層及びアノード拡散層を含むアノードと、前記カソード触媒層及び前記アノード触媒層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た親水性層と、前記親水性層と前記アノード拡散層との間に配置され、前記アノード拡散層よりも高い撥水度を有する導電性多孔質層とをさらに備えることを特徴とする燃料電池。
前記親水性層の厚さが２５μｍ以上、１００μｍ以下で、かつ前記導電性多孔質層の厚さが５０μｍ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。