JP2010113985A - 燃料電池およびこれに用いる酸素電極ならびに電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】発電特性を向上させることが可能な燃料電池および、これを用いた電子機器を提供する。
【解決手段】酸素電極２０と燃料電極１０との間に燃料・電解質流路３０を備える。酸素電極２０を構成する集電体２３の表面には接着性フィルム４０Ａを間にして外装部材２４が接着されている。接着性フィルム４０Ａには溝加工が施され、集電体２３と外装部材２４との間で空気流路４０が設けられている。空気流路４０を通じて酸素電極２０に空気（酸素）が供給される。空気流路４０に対応する集電体２３表面には撥水領域６０が設けられている。接着性フィルム４０Ａを用いることにより集電体２３との間で強固な接着が行われ、密着性が保持されると共に水の排出能力が向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、メタノールを直接燃料電極に供給して反応させる直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）などの燃料電池およびこれに用いる酸素電極、ならび燃料電池を備えた電子機器に関する。

近年、モバイル機器は高性能化に伴って消費電力が増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池に代わる電池として、燃料電池が有力視されている。燃料電池は、用いられる電解質によって、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ；Alkaline Fuel Cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；Phosphoric Acid Fuel Cell ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Electrolyte Fuel Cell ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）などに分類される。

燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の可燃性物質を用いることができる。しかし、水素などの気体燃料は、貯蔵用のボンベなどが必要になるため、小型化には適していない。一方、メタノールなどの液体燃料は、貯蔵しやすい点で有利である。とりわけ、ＤＭＦＣには、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易であるという利点がある。

ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギー密度は、理論的に４．８ｋＷ／Ｌであり、一般的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の１０倍以上である。すなわち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を多いに持っている。以上のことから、ＤＭＦＣは、種々の燃料電池の中で最も、モバイル機器や電気自動車などのエネルギー源として使用される可能性が高い。

しかしながら、液体電解質および固体電解質を使用するＤＭＦＣに共通する問題が存在する。まず、燃料電極での反応で生成する水素イオン（プロトン）は、膜中あるいは電解液中を水と共に酸素電極に向かって移動する現象、すなわち、電気浸透が起こる。また、酸素電極における反応では水が生成するため、水が過剰となり、酸素電極側でフラッディングが起こる。そのため、酸素ガスの供給が阻害され、発電特性が著しく低下するという問題が存在する。

フラッディングを抑制するためには、一般的に、多孔質炭素材料が酸素極側のガス拡散基材として使用される。その材料の撥水性を高めるためにＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）のディスパージョンに浸漬後、引き上げ、乾燥および焼結することでＰＴＦＥおよび炭素材料の複合体を作製し、その表面に触媒担持を行う。また、この拡散基材に直接接触させるセパレータ材料も、炭素材料から形成されている場合が多く、撥水性を高めるためにセパレータに形成されている酸化ガス通流溝の内面に撥水処理を施すことがある。

しかしながら、液体電解質および固体電解質を使用する燃料電池の水管理に求められる撥水性レベル、撥水性の構造などは、燃料電池の運転条件等に左右されることから、最適なガス拡散基材および最適な撥水構造は、燃料電池そのものに依存する。

そこで、酸化ガスが流れる酸化ガス通流溝を形成すると共に、この酸化ガス流通溝をガス導入口からガス排出口に向けて漸次深くなるようにし、その傾斜を利用して生じた凝結水等の余剰水を排出するという構造の燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平８−１３８６９６号公報

しかしながら、生じた水を酸化ガス流通溝の傾斜によって排出させる方法では、凝結水等の余剰水の排出機能は十分とは言えない。その結果、フラッディング状態を十分に改善することができず、酸素電極への酸素ガスの供給が阻害され、そのため発電特性が低下するという問題があった。

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、発電特性を向上させることが可能な燃料電池およびこれを用いた電子機器を提供することにある。

本発明の第２の目的は、燃料電池に好適な酸素電極を提供することにある。

本発明による燃料電池は、酸素電極および燃料電極と共に空気流路形成部材を備えている。酸素電極は、互いに対向して第１面および第２面を有すると共に、その第１面側に集電体が配設されている。空気流路形成部材はこの集電体とともに空気流路を形成する。集電体の表面には、この空気流路の少なくとも一部に対応して撥水領域が設けられている。燃料電極は酸素電極の第２面側に設けられる。

本発明による酸素電極は、触媒層上に拡散層を間にして集電体を備えた構造を有する。集電体の表面には空気流路形成部材が設けられ、空気流路が形成される。集電体表面の、この空気流路の少なくとも一部に対応する位置に撥水領域を有している。

本発明による電子機器は、上記本発明の燃料電池を備えたものである。

本発明の燃料電池および電子機器では、酸素電極で発生した水が集電体に設けられた撥水領域により撥水され、効果的に排出される。

本発明の燃料電池および電子機器によれば、酸素電極の集電体に撥水領域を設けるようにしたので、酸素電極で発生する水の排出能力を向上させることができる。また、上記撥水領域を集電体上の空気流路以外の領域に撥水領域を設けないようにしたので、集電体全面に撥水領域（撥水層）を設けた場合と比較して、空気の漏れを防止し、水の排出能力をさらに向上させることができる。従って、酸素電極でのフラッディングを抑制し、発電特性を向上することが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

［燃料電池の構成例］
図１は本発明の一実施の形態に係る燃料電池１１０の断面構造を表すものである。この燃料電池１１０は、いわゆる直接型メタノールフロー型燃料電池（ＤＭＦＦＣ；Direct Methanol Flow Based Fuel Cell）であり、燃料電極１０と酸素電極２０とが対向配置された構成を有している。図２は、図１の拡散層２２、集電体２３、接着性フィルム４０Ａおよび撥水領域６０を分解して斜視するものである。

酸素電極２０の表面（第１面）には空気すなわち酸素を供給するための空気流路４０が設けられている。一方、酸素電極２０の裏面（第２面）側には、燃料電極１０との間に、燃料・電解質混合液を流通させるための燃料・電解質流路３０が設けられている。燃料電極１０および酸素電極２０の外側には、外装部材１４，２４がそれぞれ設けられている。

燃料電極１０は、集電体１３上に拡散層１２および触媒層１１をこの順に積層したものである。酸素電極２０も同様に、集電体２３上に拡散層２２および触媒層２１をこの順に積層した構成を有している。これら触媒層１１および触媒層２１が燃料・電解質流路３０に面している。

酸素電極２０に設けられた機能層５１は、燃料・電解液と触媒層２１との間のイオンパスを保ちつつ、燃料クロスオーバーによって酸素電極２０で起こる過電圧を防ぐ機能（過電圧抑制層）を有するものである。また、酸素電極２０のフラッディングを抑制する（フラッディング抑制層）と共に、触媒層２１と電解液との直接接触による酸素電極２０のヒビや穴などの劣化を抑える劣化防止層でもある。機能層５１を設けることにより、酸素電極２０の燃料クロスオーバーならびにフラッディング状態を緩和あるいは無効化することができる。

機能層５１は、例えば多孔質材料により構成されている。多孔質の有する細孔により、燃料を含む電解液と触媒層２１との間のイオンパスを確保することができる。多孔質としては、具体的には、金属，カーボン，ポリイミドなどの樹脂，あるいはセラミックが挙げられ、これらの複数の材料よりなるブレンド層でもよい。樹脂は、撥水性あるいは親水性を問わない。機能層５１の厚みは、例えば、約１μｍ〜１００μｍであるが、なるべく薄いほうが望ましい。

機能層５１の細孔としては、例えばナノメートルからミクロメートルの径を有するものが好ましいが、特に限定されない。

機能層５１は、また、プロトン伝導体などのイオン伝導体により構成されていてもよい。プロトン伝導体としては、例えば、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）、ポリスチレンスルホン酸、フラーレンベースの伝導体、固体酸、またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。

拡散層１２，２２は、例えば、カーボンクロス，カーボンペーパーまたはカーボンシートにより構成されている。これらの拡散層１２，２２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などにより撥水化処理が行われていることが望ましい。但し、拡散層１２，２２は必ずしも設ける必要はなく、触媒層１１，２１を直接集電体１３，２３上に形成するようにしてもよい。

触媒層１１，２１は、触媒として、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）などの金属の単体または合金、有機錯体、酵素などを含んで構成されている。

触媒層１１，２１には、上記触媒に加えて、プロトン伝導体およびバインダーが含まれていてもよい。プロトン伝導体としては、上述したポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）または、その他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。バインダーは、触媒層１１，２１の強度や柔軟性を保つために添加されるものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの樹脂が挙げられる。

集電体１３は、例えば、電気伝導性を有するポーラス材料や板状部材、具体的にはチタン（Ｔｉ）メッシュやチタン板等により構成されている。

集電体２３は、例えば、チタンメッシュやチタン板等にパンチング加工を行った多孔体により構成されている。これは、酸素電極２０で起こる反応は、空気（酸素）を必要とし、酸素電極２０を透過しなくてはならないためである。従って、酸素電極２０を構成する集電体２３、拡散層２２および触媒層２１は、多孔体であることが好ましい。なお、集電体２３の材料は、チタンには限られず、他の金属を用いてもよい。

集電体２３の空気流路４０側において、空気が流れる流路部分は撥水処理され、空気が流れない部分（樹脂フィルム流路と集電体の接触部分＝リブ等）は撥水処理されていない。すなわち、集電体２３の表面には空気流路４０に沿って撥水領域６０が形成されている。撥水領域６０は、空気流路４０に対応する領域すべてに形成されていることが好ましいが、選択的に形成されていてもよい。

外装部材１４，２４は、例えば、厚みが１ｍｍであり、チタン（Ｔｉ）板などの金属板、樹脂板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４，２４の厚みは薄ければ薄いほうが望ましい。また、外部材料を集電体１３，２３に使用してもよい。

燃料・電解質流路３０は、例えば、樹脂シート３０Ａを加工することにより微細な流路を形成したものであり、酸素電極２０と対面する燃料電極１０の片側に接着されている。この燃料・電解質流路３０には、外装部材１４に設けられた燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂから貫通孔５０Ａおよび貫通孔５０Ｂを介して燃料および電解質を含む流動体、例えば、メタノール硫酸混合液が供給されるようになっている。なお、流路の本数や形状は限定されるものではなく、例えば蛇形、並列型としてもよい。更に、流路の幅、高さおよび長さについても特には限定されないが、小さい方が望ましい。燃料・電解質流路３０内では、燃料および電解質を混合させた状態で流通させるようにしてもよく、あるいは燃料と電解液を層分離した状態で流通させてもよい。

空気流路４０は、例えば接着性フィルム４０Ａ（空気流路形成部材）により形成されている。本実施の形態では、この接着性フィルム４０Ａを用いることにより集電体２３と強固な接着が行われる。空気流路４０では、外装部材２４に設けられた空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂから貫通孔５０Ｃおよび貫通孔５０Ｄを介して、自然換気あるいはファン、ポンプおよびブロワなどの強制的供給法により空気が供給されるようになっている。空気流路４０の構造もまた、燃料・電解質流路３０と同様に限定されない。

上記燃料電池１１０は、例えば、次のようにして製造することができる。

［燃料電池の製造方法例］
まず、触媒として、例えば白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１１を形成する。この触媒層１１を、上述した材料よりなる拡散層１２に熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体１３の一面に拡散層１２および触媒層１１をホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成する。なお、上述したように拡散層１２を形成せずに、集電体１３に触媒層１１を直接形成するようにしてもよい。

また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２１を形成する。この触媒層２１を、上述した材料よりなる拡散層２２に熱圧着する。続いて、触媒層２１の拡散層２２が形成されていない面に、上述した材料よりなる機能層５１を形成する。更に、上述した材料よりなる集電体２３を拡散層２２に熱圧着すると共に、集電体２３の拡散層２２とは反対側に、空気が流れる流路状に撥水領域６０を形成する。一方、接着性フィルム４０Ａを用意し、この接着性フィルム４０Ａに空気流路４０を形成したのち、これを集電体２３の撥水領域６０が形成された面に熱圧着する。

続いて、接着性のある樹脂シート３０Ａを用意し、この樹脂シートに流路を形成して燃料・電解質流路３０を形成し、燃料電極１０の酸素電極２０に対向する面に熱圧着する。

次いで、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製する。外装部材１４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂ並びに貫通孔５０Ａ，５０Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂ並びに貫通孔５０Ｃ，５０Ｄを設ける。

その後、熱圧着した燃料・電解質流路３０に、酸素電極２０を接着し、外装部材１４，２４に収納する。これにより図１および図２に示した燃料電池セル１１０が完成する。

次に、上記燃料電池１１０の作用・効果について説明する。

この燃料電池１１０では、燃料・電解質流路３０により燃料および電解質が燃料電極１０に供給されると、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは燃料・電解質流路３０を通って酸素電極２０に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極１０、酸素電極２０および燃料電池１１０全体で起こる反応は、式１〜３で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて、電力として取り出される。なお、燃料電極１０で発生する二酸化炭素および酸素電極２０で発生する水は、燃料・電解質流路３０に流出して取り除かれる。

燃料電極１０：ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２ ＋６ｅ⁻＋６Ｈ^＋ …（１）
酸素電極２０：（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻＋６Ｈ^＋→３Ｈ_２Ｏ …（２）
燃料電池１１０全体：ＣＨ_３ＯＨ＋（３／２）Ｏ_２→ＣＯ_２ ＋２Ｈ_２Ｏ …（３）

本実施の形態では、集電体２３の空気が流れる面に、空気流路４０に沿って撥水処理を施した撥水領域６０が設けられていることにより、空気流路４０へ透過してきた水が、燃料・電解質流路４０へ逆流することなく、排出される。また、撥水処理により、空気流路４０へ透過してきた水は、玉状となるため、効率よく燃料電池１１０の外部へ排出される。

更に、集電体２３では、空気流路４０に沿った部分のみが撥水処理されていることにより、接着性フィルム４０Ａを用いて形成された空気流路４０は、集電体２３と強固に接着される。従って、空気の流れが均一化され、空気漏れのない空気流路４０が形成されると共に、酸素極側で発生する水の排出能力がさらに向上する。

以上のように、本実施の形態では、空気流路４０側に面した集電体２３上に空気流路４０に沿って撥水領域６０を形成するようにしたので、酸素電極２０で発生した水の排出能力を向上させることができる。また、集電体２３は、空気流路４０に沿った部分のみが撥水処理されるようにしたので、空気流路４０との密着性が保持されると共に、酸素電極側で発生する水の排出能力が大幅に向上する。よって、酸素電極２０におけるフラッディングを抑制すると共に、発電特性を向上させることが可能となる。

（適用例）
次に、上記燃料電池１１０の適用例について説明する。

［燃料電池システムの構成例］
図３は本発明の燃料電池１１０を備えた燃料電池システムを有する電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、またはノート型ＰＣ（Personal Computer ）であり、燃料電池システム１と、この燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。

燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１１０と、この燃料電池１１０の運転状態を測定する測定部１２０と、測定部１２０による測定結果に基づいて燃料電池１１０の運転条件を決定する制御部１３０とを備えている。この燃料電池システム１は、また、燃料電池１１０に燃料および電解質を含む流動体を供給する燃料・電解質供給部１４０と、例えばメタノールなどの燃料のみを燃料・電解質貯蔵部１４１に供給する燃料供給部１５０とを備えている。なお、燃料電池１１０における燃料・電解質流路３０は、外装部材１４に設けられた燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを介して燃料・電解質供給部１４０に連結されており、燃料・電解質供給部１４０から流動体が供給されるようになっている。

測定部１２０は、燃料電池１１０の動作電圧および動作電流を測定するものであり、例えば、燃料電池１１０の動作電圧を測定する電圧測定回路１２１と、動作電流を測定する電流測定回路１２２と、得られた測定結果を制御部１３０に送るための通信ライン１２３とを有している。

制御部１３０は、測定部１２０の測定結果に基づいて、燃料電池１１０の運転条件として燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御を行うものであり、例えば、演算部１３１、記憶（メモリ）部１３２、通信部１３３および通信ライン１３４を有している。ここで、燃料・電解質供給パラメータには、例えば、燃料・電解質を含む流動体の供給流速が含まれる。燃料供給パラメータは、例えば、燃料の供給流速および供給量を含み、必要に応じて供給濃度を含んでいてもよい。制御部１３０は、例えばマイクロコンピュータにより構成することができる。

演算部１３１は、測定部１２０で得られた測定結果から燃料電池１１０の出力を算出し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定するものである。具体的には、演算部１３１は、記憶部１３２に入力された各種測定結果から一定間隔でサンプリングしたアノード電位、カソード電位、出力電圧および出力電流を平均して、平均アノード電位、平均カソード電位、平均出力電圧および平均出力電流を算出し、記憶部１３２に入力すると共に、記憶部１３２に保存されている各種平均値を相互比較し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを判定するようになっている。

記憶部１３２は、測定部１２０から送られてきた各種測定値や、演算部１３１により算出された各種平均値などを記憶するものである。

通信部１３３は、通信ライン１２３を介して測定部１２０から測定結果を受け取り、記憶部１３２に入力する機能と、通信ライン１３４を介して燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０に燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定する信号をそれぞれ出力する機能とを有している。

燃料・電解質供給部１４０は、燃料・電解質貯蔵部１４１と、燃料・電解質供給調整部１４２と、燃料・電解質供給ライン１４３とを備えている。燃料・電解質貯蔵部１４１は、流動体を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料・電解質供給調整部１４２は流動体の供給流速を調整するものである。燃料・電解質供給調整部１４２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。

燃料供給部１５０は、燃料貯蔵部１５１と、燃料供給調整部１５２と、燃料供給ライン１５３とを有する。燃料貯蔵部１５１は、メタノールなどの燃料のみを貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料供給調整部１５２は、燃料の供給流速および供給量を調整するものである。燃料供給調整部１５２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。なお、燃料供給部１５０は、燃料の供給濃度を調整する濃度調整部（図示せず）を備えていてもよい。濃度調整部は、燃料として純（９９．９％）メタノールを用いる場合には省略することができ、より小型化することができる。

また、上記燃料電池システム１は、次のようにして製造することができる。

［燃料電池システムの製造方法例］
例えば、上記燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂと燃料供給部１５０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料供給ライン１５３で接続すると共に、燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂと燃料・電解質供給部１４０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料・電解質供給ライン１４３で接続する。これにより図３に示した燃料電池システム１が完成する。

このような燃料電池システム１では、燃料・電解質供給部１４０から燃料電池１１０に燃料および電解質を含む流動体が供給されると、燃料電池１１０から電力が取り出され、外部回路２が駆動する。燃料電池１１０の運転中には、測定部１２０により燃料電池１１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、制御部１３０により、燃料電池１１０の運転条件として上述した燃料・電解液供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御が行われる。測定部１２０による測定および制御部１３０によるパラメータ制御は頻繁に繰り返され、燃料電池１１０の特性変動に追従して流動体および燃料の供給状態が最適化される。

（実施例）
次に、上記燃料電池１１０およびこれを備えた燃料電池システム１の効果を示す実施例について説明する。

上記実施の形態と同様にして、図１に示した燃料電池１１０を作製した。まず、触媒として白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１１を形成した。この触媒層１１を、上述した材料よりなる拡散層１２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、温度１５０℃、圧力２４９ｋＰａの条件下で１０分間熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体１３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成した。

また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２１を形成した。この触媒層２１を、上述した材料よりなる拡散層２２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、燃料電極１０の触媒層１１と同様にして熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体２３を、燃料電極１０の集電体１３と同様にして熱圧着し、酸素電極２０を形成した。

集電体２３には、厚み２００μｍのチタンメッシュ（ＳＷ＝０．５、ＬＷ＝１．０）を使用し、酸素電極２０を作製する前に撥水領域６０を片面に形成した。すなわち、ＰＴＦＥディスパージョンソリューション（旭硝子株式会社、ＡＤ９３８Ｌ）を任意のパターニングでチタンメッシュの空気と接する面に吹き付けた。その後、室温で乾燥し、３７０℃、２時間の条件で焼成することにより、空気と接するチタンメッシュの片面に撥水領域６０を形成した。

酸素電極２０の空気と触れる面に、任意の形状（撥水領域６０に対応する形状）に加工した接着性樹脂フィルムを貼り付け、空気流路４０を形成した。接着性樹脂フィルムには、Ｐｙｌａｒｕｘ（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を用い、１５０℃、３分、０．２５ｋＮで熱圧着を行った。

次いで、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して燃料・電解質流路を燃料電極１０と空気電極２０との間に熱圧着した。

続いて、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、例えば、樹脂製の継手よりなる空気入口１４Ａおよび空気出口１４Ｂを設けた。外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料・電解液入口２４Ａおよび燃料・電解液出口２４Ｂを設けた。次に、燃料電極１０と酸素電極２０とを、燃料・電解液流路３０を両者の間に配置し、外装部材１４，２４に収納した。

この燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，電解液供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、図３に示した燃料電池システム１を構成した。その際、燃料・電解液供給調整部１４２および燃料供給調整部１５２をダイアフラム式定量ポンプ（株式会社ＫＮＦ社製）により構成し、それぞれのポンプからシリコーンチューブよりなる燃料・電解液供給ライン１４３を電解液入口２４Ａに直接接続し、燃料供給ライン１５３は、燃料・電解質貯蔵部に直接接続され、燃料・電解質貯蔵部内のメタノール濃度が常に１Ｍになるように、任意のメタノール量が供給された。流体の電解質には、１Ｍメタノールと1 Ｍ硫酸の混合液を用い、燃料電池には、１．０ｍｌ／ｍｉｎの流速で供給した。

［評価］
図４は、撥水領域６０を設けた燃料電池１１０の電流に対する電圧および電力の特性を示している。

空気出口２４Ｂに圧力計を設けることで圧力を測定しているが、測定時の圧力損失は、撥水領域６０を設けることで従来の撥水領域を持たない燃料電池と比較して、１０〜２０％低下し、改善していることがわかった。このことは、従来の燃料電池より水の排出が効率よく行われているためと考えられる。

図５は、撥水領域６０の有無による燃料電池１１０の長期特性を示している。集電体２３上に撥水領域６０があることで、発電時間と共に、発電特性が非常に安定していることがわかる。

以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態等に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態等では、機能層５１を設けたが、なくてもよい。

また、上記実施の形態等では、燃料電極１０，酸素電極２０，燃料・電解質流路３０および空気流路４０の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料・電解質流路３０は、上記実施の形態で説明したような樹脂シートを加工して流路を形成したもののほか、多孔質などのシートにより構成してもよい。又、燃料・電解質流路３０の替わりに電解質膜を配置しても良い。

更に、燃料および電解液を含む流動体は、プロトン（Ｈ+ ）伝導性を有するもの、例えば、硫酸のほか、リン酸またはイオン性液体のみに限定されず、アルカリ系電解液でもよい。さらに、上記一実施の形態で説明した燃料は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他のアルコール、もしくは砂糖燃料でもよい。

また、上記実施の形態等では、酸素電極２０へ空気を供給する場合について説明したが、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。更に、電子機器に用いられる燃料電池システム１において、燃料電池１１０一つを備えた構成を例に挙げて説明したが、燃料電池１１０を複数備えるようにしてもよい。これにより、より高出力となり、消費電力の大きな電子機器にも好適に用いることができる。また、各構成要素の材料および厚み、または燃料電池ユニット１１０の運転条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の運転条件としてもよい。

また、上記実施の形態等では、燃料電池として直接型メタノール燃料電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、水素など液体燃料以外の物質を燃料として用いる燃料電池、例えばＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell ：固体高分子型燃料電池）、アルカリ型燃料電池、あるいはグルコースなどの砂糖燃料を利用した酵素電池などにも適用可能である。

本発明の一実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。 図１に示した燃料電池の酸素電極を構成する集電体および撥水領域の分解斜視図である。 図１に示した燃料電池を備えた燃料電池システムの概略構成を表す図である。 撥水領域を設けた燃料電池の特性図である。 撥水領域の有無による燃料電池の長期特性である。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…燃料電極、１１，２１…集電体、１１Ａ，１１Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ…集電端子、１２，２２…拡散層、１３，２３…触媒層、２０…酸素電極、１４，２４…外装部材、３０…燃料・電解液流路、４０…空気流路、４０Ａ…接着フィルム、６０…撥水領域、１１０…燃料電池、１１２…燃料電池スタック、１２０…測定部、１３０…制御部、１４０…燃料・電解液供給部、１５０…燃料供給部。

Claims (6)

1. 互いに対向して第１面および第２面を有すると共に、前記第１面側に集電体を有する酸素電極と、
   前記集電体とともに空気流路を形成する空気流路形成部材と、
   前記空気流路の少なくとも一部に対応して前記集電体に形成された撥水領域と、
   前記酸素電極の第２面側に配設された燃料電極と
   を備えた燃料電池。
2. 前記空気流路形成部材は空気流路用の溝を有する接着性フィルムであり、前記集電体に接着されている
   請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記撥水領域は、前記空気流路に沿った全領域に形成されている
   請求項１に記載の燃料電池。
4. 前記酸素電極の集電体は、金属材料からなる多孔体である
   請求項１に記載の燃料電池。
5. 触媒層上に拡散層を間にして集電体を備え、
   前記集電体側に前記集電体とともに空気流路を形成する空気流路形成部材が設けられると共に、前記集電体表面の前記空気流路の少なくとも一部に対応する位置に撥水領域を有し、
   前記触媒層側に配置される燃料電極とともに燃料電池を構成する酸素電極。
6. 燃料電池を備え、前記燃料電池は、
   互いに対向して第１面および第２面を有すると共に、前記第１面に集電体を有する酸素電極と、
   前記集電体とともに空気流路を形成する空気流路形成部材と、
   前記空気流路の少なくとも一部に対応して前記集電体表面に形成された撥水領域と、
   前記酸素電極の第２面側に配設された燃料電極と
   を備えた電子機器。

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