JP2010257700A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質膜１７と、電解質膜１７の一方の面に配置されたアノード触媒層１１およびアノードガス拡散層１２を有するアノード１３と、電解質膜１７の他方の面に配置されたカソード触媒層１４およびカソードガス拡散層１５を有するカソード１６と、によって構成された膜電極接合体２と、アノードガス拡散層１２に接触するアノード集電部１８Ａと、その面内において第１方向の熱伝導率が第１方向に直交する第２方向の熱伝導率より高い高熱伝導性熱伝導体によって形成されるとともにカソードガス拡散層１５に接触するカソード集電部１８Ｃと、カソード集電部１８Ｃから第１方向Ｄ１に向かって延びた延出電極と、を有する集電体１８と、を備えたことを特徴とする燃料電池。
【選択図】図１

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。

近年、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（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、有望視されている。

ＤＭＦＣは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えている。このようなＤＭＦＣのアノードでは、導入されたメタノールが酸化分解され、プロトン、電子および二酸化炭素が生成される。一方、カソードでは、空気中の酸素とアノード側から移動してきたプロトンとアノードから外部回路を通じて供給される電子とが反応して水が生成される。また、外部回路を通る電子によって電力が供給される。

ＤＭＦＣでは、電子の集電効率を向上させるために集電体が用いられている。例えば、特許文献１では、炭素粒子などを含む多孔質導電性シートを集電体として用いる技術が開示されている。また、特許文献２では、撥水性を付与した炭素繊維ならびに導電性および撥水性を付与したパルプから構成された集電体が開示されている。また、特許文献３では、炭素繊維の集合体から成る集電体の構成が開示されている。さらに、例えば、特許文献４では、金属炭化皮膜を形成して成る集電体の構成が開示されている。

ところで、燃料としてメタノールを用いた発電反応では、カソードで生成された水を効率よくアノード側に供給し、アノード側での触媒作用に利用されることが望まれる。しかしながら、発電反応によるカソード側での温度上昇により、生成した水が蒸発してしまい、アノード側に供給すべき水が不足してしまうことがある。この場合、燃料電池の出力の低下を招くおそれがある。

特開２００１−１９６０８５号公報 特開２００２−３５８９８１号公報 特開２００５−２０３２３８号公報 特開２００５−２５１４９０号公報

この発明の目的は、出力の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供することにある。

この発明の第１態様によれば、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層および前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層を有するアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層および前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、によって構成された膜電極接合体と、前記アノードガス拡散層に接触するアノード集電部と、その面内において第１方向の熱伝導率が第１方向に直交する第２方向の熱伝導率より高い高熱伝導性熱伝導体によって形成されるとともに前記カソードガス拡散層に接触するカソード集電部と、前記カソード集電部から第１方向に向かって延びた延出電極と、を有する集電体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。

この発明の第２態様によれば、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層および前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層を有するアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層および前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、によって構成された膜電極接合体と、前記アノードガス拡散層に接触するアノード集電部と、その面内において第１方向の熱伝導率が第１方向に直交する第２方向の熱伝導率より高い高熱伝導性熱伝導体によって形成された第１導電層および前記第１導電層と前記カソードガス拡散層との間に配置されるとともに前記カソードガス拡散層と接触する第２導電層を有するカソード集電部と、前記カソード集電部から第１方向に向かって延びた延出電極と、を有する集電体と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。

この発明によれば、出力の低下を抑制することが可能な燃料電池を提供することができる。

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、第１実施形態に係る燃料電池の集電体の構造を概略的に示す分解斜視図である。 図３は、第２実施形態に係る燃料電池の集電体の構造を概略的に示す分解斜視図である。 図４は、第２実施形態に係る燃料電池の膜電極接合体および集電体の構造を概略的に示す断面図である。 図５は、第３実施形態に係る燃料電池の膜電極接合体および集電体の構造を概略的に示す断面図である。 図６は、第４実施形態に係る燃料電池の膜電極接合体および集電体の構造を概略的に示す断面図である。 図７は、カソード集電部の少なくとも一部を熱伝導率に異方性を有する高熱電導性によって形成したことによる効果の検証結果を示す図である。

以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。

図１に示すように、燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、から主として構成されている。

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およびアノード触媒層１１の上に配置されたアノードガス拡散層１２を有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４およびカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５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。また、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。

アノード触媒層１１およびカソード触媒層１４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、硝酸リチウムなどの無機物等のプロトン導電剤を含んでいても良い。

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の集電機能を有するものである。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（空気あるいは酸素）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の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２およ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導電性を有する多孔質基材によって構成されている。

膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード１３側およびカソード１６側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、電解質膜１７は、シール部材１９の内側において、アノード触媒層１１およびカソード触媒層１４と対向しない位置に複数のガス排出孔（図示せず）を設けていてもよい。

膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４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ともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、例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フィルムなどが挙げられる。

上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。

燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。

燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。

すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを
有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続して構成である。この燃料分配板３１Ａは、液体燃料の液体成分や気化成分を透過させない材料、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド樹脂によって形成されている。また、燃料注入口３２には、液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過しない気液分離膜が配置されてもよい。気液分離膜として、例えばシリコンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＥＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ））微多孔質膜などが用いられる。

燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。流路５は、燃料収容部４や燃料供給部３１と独立した配管として構成されているが、流路５を介して燃料供給部３１と燃料収容部４とが連通していればよく、この構成に限定されるものではない。

燃料排出口３３は、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。

このような燃料分配板３１Ａを使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、複数の燃料排出口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、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを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も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。

膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。

燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。

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を配置しても良い。

また、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つの多孔体を配置しても良い。

燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じ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。なお、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４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。

重力を使用して、液体燃料を落下させ燃料収容部４から流路５を介して燃料供給部３１に送液することができる。また、流路５に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４に収容された液体燃料を燃料供給部３１まで送液することができる。さらに、流路５にポンプ６を介在させ、燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液することもできる。燃料供給部３１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４に戻されることはない。

この実施の形態の燃料電池１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、液体燃料の供給にポンプ６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。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。

この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の前面に対して均一に供給される。

すなわち、膜電極接合体２の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。

上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。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、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、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。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ^-）は、集電体１８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、集電体１８を経由してカソード１６に導かれる。（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。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。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の電極全体に均一に燃料を供給し、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。

ここで、第１実施形態に係る燃料電池１について説明する。第１実施形態において、集電体１８は、アノード集電部１８Ａと、カソード集電部１８Ｃと、を有する。アノード集電部１８Ａは、膜電極接合体２のアノード１３、特に、アノードガス拡散層１２に接触する。カソード集電部１８Ｃは、膜電極接合体２のカソード１６、特にカソードガス拡散層１５に接触する。

アノード集電部１８Ａは、アノード１３と略同等のサイズに形成されている。カソード集電部１８Ｃは、カソード１６と略同等のサイズに形成されている。アノード１３に接触しているアノード集電部１８Ａは、カソード１６に接触しているカソード集電部１８Ｃと対向するように配置されている。アノード集電部１８Ａとカソード集電部１８Ｃとは、膜電極接合体２を挟み込むように配置されている。なお、アノード集電部１８Ａとカソード集電部１８Ｃとは、別体である。

アノード集電部１８Ａは、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属材料、箔体、ステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金属材料を被覆した複合材料によって形成されている。アノード集電部１８Ａは、燃料供給機構３から供給された燃料のアノード１３への導入を促進するために複数の開口ＡＰ１を有している。

カソード集電部１８Ｃは、一般的な金属より熱伝導率が高い高熱伝導性カーボンなどの高熱伝導性熱伝導体によって形成されている。このカソード集電部１８Ｃは、カバープレート２１の開口部２１Ａから取り込んだ空気のカソード１６への導入を促進するために複数の開口ＡＰ２を有している。

図２は、膜電極接合体２および集電体の主要部を示す分解斜視図である。

集電体１８は、アノード集電部１８Ａおよびカソード集電部１８Ｃの他に、さらに延出電極１８ＣＥおよび１８ＡＥを備えている。これらの延出電極１８ＣＥおよび１８ＡＥは、膜電極接合体２における発電反応により発生した電力を外部に取り出すための端子である。

延出電極１８ＣＥは、カソード集電部１８Ｃから第１方向Ｄ１に向かって延びている。延出電極１８ＡＥも同様に、アノード集電部１８Ａから第１方向Ｄ１に向かって延びている。図示した例では、延出電極１８ＣＥは、延出電極１８ＡＥと反対側に延びているが、同一方向に延びていても良いし、延出電極１８ＡＥが第１方向Ｄ１以外の方向から延びていても良い。

これらの延出電極１８ＣＥおよび１８ＡＥは、帯状に形成されている。延出電極１８ＣＥの第１方向Ｄ１に直交する第２方向Ｄ２の幅は、カソード集電部１８Ｃの第２方向Ｄ２の幅より小さく形成されている。延出電極１８ＣＥは、カソード集電部１８Ｃと同一材料、つまり高熱伝導性カーボンなどの高熱伝導性熱伝導体によって形成されている場合において、延出電極１８ＣＥとカソード集電部１８Ｃとは、一体に形成されてもよい。延出電極１８ＣＥがカソード集電部１８Ｃと異なる材料、例えば金によって形成されている場合において、延出電極１８ＣＥとカソード集電部１８Ｃとは機械的および電気的に接続される。

特に、高熱伝導性カーボンは、熱伝導性に異方性を有しているため好ましい。このような高熱伝導性熱伝導体によって形成されたカソード集電部１８Ｃは、その面内において、第１方向Ｄ１の熱伝導率が第２方向Ｄ２の熱伝導率より高い。さらに、このようなカソード集電部１８Ｃは、その厚さ方向Ｄ３の熱伝導率が第２方向Ｄ２の熱伝導率より高い。

このようなカソード集電部１８Ｃを形成するための高熱伝導性熱伝導体としては、その第１方向Ｄ１の熱伝導率が５００〜２０００Ｗ／ｍｋの範囲にあるものが望ましい。なお、本実施形態で示す熱伝導率は、レーザーフラッシュ法によって測定した値である。具体的には、熱伝導率測定にはＪＩＳ Ｒ１６１１−１９９７に準拠した京都電子工業（株）製のＬＦＡ−５０２を用いた。サンプル片は、厚み方向がＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向になるようにφ１０・厚さ１ｍｍに切り取り作製。室温でレーザーフラッシュ法による厚み方向の熱導電率を測定し、高熱導電性カーボン集電体のＤ１、Ｄ２、Ｄ３方向の熱導電率を求めた。

第１実施形態によれば、発電反応に伴ってカソード１６で発生した熱は、カソード１６からカソード集電部１８Ｃに伝導される。さらに、カソード集電部１８Ｃに伝導された熱は、カソード集電部１８Ｃの第１方向Ｄ１の熱伝導率が第２方向Ｄ２の熱伝導率よりも高いため、カソード集電部１８Ｃにおいて主として第１方向Ｄ１にさらに伝導される。さらに、カソード集電部１８Ｃに伝導された熱は、カソード集電部１８Ｃの第１方向Ｄ１に向かって延出した延出電極１８ＣＥへと伝導される。つまり、カソード１６で発生した熱は、カソード集電部１８Ｃおよび延出電極１８ＣＥを経由して外部に向けて放熱される。また、このようなカソード集電部１８Ｃは、その厚さ方向Ｄ３の熱伝導率が比較的高いため、カソード１６の放熱が促進される。

このため、カソード１６の放熱効率を向上することが可能となり、適温に保持できる。したがって、カソード１６で生成した水の過剰な蒸発を抑制することが可能となる。このため、発電反応に必要な水を安定してアノード１３に供給することが可能となり、燃料電池１の出力の低下の抑制することが可能となる。

次に、第２実施形態に係る燃料電池１について説明する。第２実施形態において、上述の第１実施形態に係る燃料電池１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

第２実施形態において適用したカソード集電部１８Ｃは、厚み方向Ｄ３に複数の導電層を積層している点で第１実施形態と相違している。すなわち、図３および図４に示すように、カソード集電部１８Ｃは、第１導電層１８Ｃ１と、第２導電層１８Ｃ２と、を有している。第１導電層１８Ｃ１は、高熱伝導性カーボンによって形成されている。第１集電部１８Ｃ１は、カバープレート２１の開口部２１Ａから取り込んだ空気のカソード１６への導入を促進するために複数の第１開口ＡＰ２を有している。第２導電層１８Ｃ２は、第１導電層１８Ｃ１とカソードガス拡散層１５との間に配置されており、カソードガス拡散層１５と接触している。第２導電層１８Ｃ２は、例えば、金によって形成されている。第２導電層１８Ｃ２は、カバープレート２１の開口部２１Ａから取り込んだ空気のカソード１６への導入を促進するために複数の第２開口ＡＰ３を有している。第１開口ＡＰ２と第２開口ＡＰ３とは、連通している。第１導電層１８Ｃ１の第１方向Ｄ１の熱伝導率は、第２導電層１８Ｃ２の熱伝導率より高いことが望ましい。

このような第２実施形態においても、発電反応に伴ってカソード１６で発生した熱は、第２導電層１８Ｃ２に伝導された後に、第１導電層１８Ｃ１に伝導され、速やかに延出電極１８ＣＥを経由して外部に向けて放熱される。つまり、カソード１６で生成した水の過剰な蒸発を抑制することが可能となる。このため、発電反応に必要な水を安定してアノード１３に供給することが可能となり、燃料電池１の出力の低下の抑制することが可能となり、第１実施形態と同様の効果が得られる。

次に、第３実施形態に係る燃料電池１について説明する。第３実施形態において、上述の第１実施形態に係る燃料電池１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

第３実施形態において適用したカソード集電部１８Ｃは、第１実施形態のカソード集電部１８Ｃの形状が異なる。すなわち、図５に示すように、カソード集電部１８Ｃは、延出電極１８ＣＥに向かって厚さが厚くなるように形成されている。このカソード集電部１８Ｃの一方の主平面は、傾斜面Ｓである。つまり、カソード集電部１８Ｃは、延出電極１８ＣＥに近接する側の厚さが厚く延出電極１８ＣＥから離れるにしたがって次第に厚さが薄くなるテーパー状の断面を有する。カソード集電部１８Ｃの傾斜面Ｓと対向する主平面は、カソード１６と接触している。さらに、カソード集電部１８Ｃは、第１方向Ｄ１の熱伝導率が厚さ方向Ｄ３の熱伝導率よりも高い。

このような第３実施形態によれば、カソード集電部１８Ｃの厚さの薄い領域では、延出電極１８ＣＥまでの距離が長いが、厚さ方向Ｄ３の熱伝導率よりも第１方向Ｄ１の熱伝導率が高いため、発電反応に伴ってカソード１６で発生した熱は、カソード集電部１８Ｃに伝導された後にその面内で拡散し、延出電極１８ＣＥへと速やかに伝導される。

カソード集電部１８Ｃの厚さの厚い領域では、延出電極１８ＣＥまでの距離が短いため、カソード１６で発生した熱は、カソード集電部１８Ｃに伝導された後にその厚さ方向Ｄ３に拡散するより先に主として面内で拡散し、延出電極１８ＣＥへと速やかに伝導される。したがって、第１実施形態と同様の効果が得られる。

ここでは、カソード集電部１８Ｃの傾斜面Ｓと対向する面がカソード１６と接触している例を説明したが、カソード集電部１８Ｃの傾斜面Ｓがカソード１６と接触してもよい。このような構成においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。

次に、第４実施形態に係る燃料電池１について説明する。第４実施形態において、上述の第１実施形態に係る燃料電池１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

第４実施形態において適用した第１導電層１８Ｃ１および第２導電層１８Ｃ２は、第２実施形態の第１導電層１８Ｃ１および第２導電層１８Ｃ２の形状が異なる。すなわち、図６に示すように、第１導電層１８Ｃ１は、延出電極１８ＣＥに向かって厚さが厚くなるように形成されている。このような第１導電層１８Ｃ１の一方の主平面は、第１傾斜面Ｓ１である。第２導電層１８Ｃ２は、延出電極１８ＣＥに向かって厚さが薄くなるように形成されている。このような第２導電層１８Ｃ２の一方の主平面は、第２傾斜面Ｓ２である。第１傾斜面Ｓ１と第２傾斜面Ｓ２とは、互いに接触している。第２導電層１８Ｃ２の第２傾斜面Ｓ２と対向する面は、カソード１６と接触している。さらに、第１導電層１８Ｃ１は、第１方向Ｄ１の熱伝導率が厚さ方向Ｄ３の熱伝導率よりも高い。

このような第４実施形態においても、発電反応に伴ってカソード１６で発生した熱は、第２導電層１８Ｃ２および第１導電層１８Ｃ１を経て延出電極１８ＣＥへと速やかに伝導される。このため、第１実施形態と同様の効果が得られる。

次に、カソード集電部１８Ｃの少なくとも一部を高熱伝導性カーボンによって形成した燃料電池１について効果を検証した。

まず、４０ｍｍ×３０ｍｍのアノードガス拡散層１２用の多孔質のカーボンペーパーを用意した。次に、アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。上述したアノードガス拡散層１２の上にペーストを塗布し、厚さ１００μｍのアノード触媒層１１を形成した。これにより、アノード１３を得た。

また、４０ｍｍ×３０ｍｍのカソードガス拡散層１５用の多孔質のカーボンペーパーを用意した。次に、カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。上述したカソードガス拡散層１５の上にペーストを塗布し、厚さ１００μｍのカソード触媒層１４を形成した。これにより、カソード１６を得た。

なお、アノードガス拡散層１２とカソードガス拡散層１５とは、大きさ、厚さが等しく、同じ形状を有している。また、アノードガス拡散層１２の上に形成されたアノード触媒層１１と、カソードガス拡散層１５の上に形成されたカソード触媒層１４とは、大きさ、厚さが等しく、同じ形状を有している。

そして、電解質膜１７として、パーフルオロカーボンスルホン酸膜（ナフィオン膜、デュポン社製）を用い、この電解質膜１７とカソード１６とをカソード触媒層１４が電解質膜１７側を向くように重ね合わせる。そして、電解質膜１７のカソード１６を重ね合わせた面とは反対の面に、アノード触媒層１１が電解質膜１７側を向くようにアノード１３を重ね合わせる。その後、電解質膜１７をアノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが重ね合わされた状態で、ホットプレスを施すことにより、膜電極接合体２を得た。

サンプルＡにおいて、直径３ｍｍの円形の開口ＡＰ２が均等に３６個形成された、４０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの熱伝導性の異方性を有する高熱伝導性カーボン（ＰＹＲＯＩＤ ＨＴ、商品名、東京カソード研究所製）によってカソード集電部１８Ｃを形成した。このカソード集電部１８Ｃをカソードガス拡散層１５の上に配置した。このとき、カソード集電部１８Ｃは、面内において、第１方向Ｄ１の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍ・Ｋであり、第２方向Ｄ２の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さ方向Ｄ３の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍ・Ｋであった。延出電極１８ＣＥは、カソード集電部１８Ｃから第１方向Ｄ１に向かって延びている。

サンプルＢにおいて、カソード集電部１８Ｃは、第２導電層１８Ｃ２として直径３ｍｍの円形の開口ＡＰ３を均等に３６個形成された、４０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの金フィルムと、直径３ｍｍの円形の開口ＡＰ２を均等に３６個形成された、４０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの伝導率の異方性を有する高熱伝導性カーボンによって形成された第１導電層１８Ｃ１と、を有している。第２導電層１８Ｃ２をカソードガス拡散層１５の上に配置し、第１導電層１８Ｃ１を第２導電層１８Ｃ２の上に配置した。このとき、第１導電層１８Ｃ１は、面内において、第１方向Ｄ１の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍ・Ｋであり、第２方向Ｄ２の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さ方向Ｄ３の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍ・Ｋであった。延出電極１８ＣＥは、第１導電層１８Ｃ１から第１方向Ｄ１に向かって延びている。

サンプルＣにおいて、カソード集電部１８Ｃを直径３ｍｍの円形の開口ＡＰ２を均等に３６個形成された、４０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍの金フィルムによって形成した。金フィルムをカソードガス拡散層１５の上に配置した。延出電極１８ＣＥは、金フィルムから延出している。

サンプルＤにおいて、カソード集電部１８Ｃを直径３ｍｍの円形の開口ＡＰ２を均等に３６個形成された、４０ｍｍ×３０ｍｍ、厚さ０．７ｍｍの伝導率の異方性を有する高熱伝導性カーボンによって形成した。カソード集電部１８Ｃをカソードガス拡散層１５の上に配置した。このとき、カソード集電部１８Ｃは、面内において、第１方向Ｄ１の熱伝導率が４０Ｗ／ｍ・Ｋであり、第２方向Ｄ２の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍ・Ｋであり、厚さ方向Ｄ３の熱伝導率が１５００Ｗ／ｍ・Ｋであった。延出電極１８ＣＥは、カソード集電部１８Ｃから第１方向Ｄ１に向かって延びている。

続いて、アノードガス拡散層１２の上にアノード集電部を配置する。

カソード集電部の上に、板状体２０（保湿層として機能する）として、厚さ１．０ｍｍ、４０ｍｍ×３０ｍｍ、透気度２０秒／１００ｃｍ^３（ＪＩＳ Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度２０００ｇ／（ｍ^２・２４ｈ）（ＪＩＳ Ｌ−１０９９ Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを配置する。

そして、保湿層の上にカバープレート２１として、厚さ１．０ｍｍ、４４ｍｍ×３４ｍｍ、直径３ｍｍの円形の開口部２１Ａを均等に３６個形成されたステンレス（ＳＵＳ３０４）を配置し、固定した。このようにして燃料電池１を組み立てた。

このような燃料電池１の燃料収容部４に純度９９．９重量％の純メタノールを供給した。温度２５℃、相対湿度５０％の環境において、定電圧電源を接続して、燃料電池１の出力電圧が０．３Ｖで一定になるように、燃料電池に流れる電流を制御し、サンプルＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの燃料電池１から得られる出力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）を計測した。ここで、燃料電池１の出力密度とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ^２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ^２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。ここでは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４との面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はアノード触媒層１１およびカソード触媒層１４の面積に等しい。サンプルＣに係る燃料電池１の出力密度に対して相対的な出力密度を図７に示す。

図７に示すように、サンプルＣに係る燃料電池１の出力密度を１００としたとき、サンプルＡに係る燃料電池１の出力密度は１２５であり、サンプルＢに係る燃料電池１の出力密度は１２０であり、サンプルＤに係る燃料電池１の出力密度は８５であった。

この測定結果から、熱伝導性に異方性を有する高熱伝導性カーボンによって形成されたカソード集電部１８Ｃを備えたサンプルＡの燃料電池１および高熱伝導性カーボンによって形成された第１導電層１８Ｃ１を有するカソード集電部１８Ｃを備えたサンプルＢの燃料電池１の出力密度は、金フィルムのみからなるカソード集電部１８Ｃを備えたサンプルＣの燃料電池１の出力密度より高くなることが確認された。また、延出電極１８ＣＥが接続される第１方向Ｄ１の熱伝導率が第２方向Ｄ２の熱伝導率より高いカソード集電部１８Ｃを備えたサンプルＡおよびＢの燃料電池１の出力密度は、延出電極１８ＣＥが接続された第１方向Ｄ１の熱伝導率が第２方向Ｄ２の熱伝導率より低いカソード集電部１８Ｃを備えたサンプルＤの燃料電池１の出力密度より高くなることが確認された。

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。

なお、燃料電池１は、電解質膜１７の一方の面に単一のアノード１３を有するとともに他方の面に単一のカソード１６を有する膜電極接合体２を集電体によって保持した構成でもよく、電解質膜１７の一方の面に複数のアノード１３を有するとともに他方の面に複数のカソード１６を有する膜電極接合体２を集電体１８によって保持するとともに電気的に直列に接続する構成であってもよい。

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 １７…電解質膜 １８Ａ…アノード集電部 １８Ｃ…カソード集電部 １８Ｃ１…導電層 １８…集電体

Claims (10)

1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層および前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層を有するアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層および前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、によって構成された膜電極接合体と、
   前記アノードガス拡散層に接触するアノード集電部と、その面内において第１方向の熱伝導率が第１方向に直交する第２方向の熱伝導率より高い高熱伝導性熱伝導体によって形成されるとともに前記カソードガス拡散層に接触するカソード集電部と、前記カソード集電部から第１方向に向かって延びた延出電極と、を有する集電体と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記高熱伝導性熱伝導体は、高熱伝導性カーボンであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記カソード集電部は、前記延出電極に向かって厚さが厚くなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に配置されたアノード触媒層および前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層を有するアノードと、前記電解質膜の他方の面に配置されたカソード触媒層および前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、によって構成された膜電極接合体と、
   前記アノードガス拡散層に接触するアノード集電部と、その面内において第１方向の熱伝導率が第１方向に直交する第２方向の熱伝導率より高い高熱伝導性熱伝導体によって形成された第１導電層および前記第１導電層と前記カソードガス拡散層との間に配置されるとともに前記カソードガス拡散層と接触する第２導電層を有するカソード集電部と、前記カソード集電部から第１方向に向かって延びた延出電極と、を有する集電体と、
   を備えたことを特徴とする燃料電池。
5. 前記高熱伝導性熱伝導体は、高熱伝導性カーボンであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記第１導電層は、前記延出電極に向かって厚さが厚くなるように形成されるとともに第１主平面を有し、
   前記第２導電層は、前記延出電極に向かって厚さが薄くなるように形成されるとともに前記第１導電層の第１主平面に接触する第２主平面を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
7. 前記第１導電層の第１方向の熱伝導率は、前記第２導電層の熱伝導率より高いことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
8. 前記高熱伝導性熱伝導体は、その厚さ方向の熱伝導率が第２方向の熱伝導率より高いことを特徴とする請求項１または請求項４に記載の燃料電池。
9. 前記高熱伝導性熱伝導体は、第１方向の熱伝導率が５００〜２０００Ｗ／ｍｋであることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の燃料電池。
10. 前記延出電極は、前記高熱伝導性カーボンによって形成されるとともに前記カソード集電部と一体に形成されることを特徴とする請求項１または請求項４に記載の燃料電池。

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