JP2016207575A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】過酸化水素の発生を抑制でき、出力特性に優れ、損傷を抑制できる燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料電池１に、電解質層５と、電解質層５の厚み方向一方側に配置され、燃料が供給される燃料側電極６と、電解質層５の厚み方向他方側に配置され、酸素が供給される酸素側電極７と、電解質層５および酸素側電極７の間に配置され、電解質層５を通過した燃料を分解する燃料分解層１８とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

従来、車両などに搭載される燃料電池として、水素ガスなどの気体燃料や、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジンなどの液体燃料を使用する燃料電池が知られている。このような燃料電池は、電解質層と、電解質層の両側にそれぞれ積層されるアノードおよびカソードとを備える単位セルが複数積層されたスタック構造として構成されている。

このような燃料電池として、より具体的には、例えば、アニオン交換膜からなる電解質層と、電解質層を挟んで対向配置される燃料側電極および酸素側電極とを備え、燃料側電極には燃料側流路を介して燃料が供給され、また、酸素側電極には酸素側流路を介して酸素が供給される燃料電池が、提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

特開２０１０−２２５４７１号公報

しかし、特許文献１の燃料電池では、燃料側電極に供給される燃料が、電解質層に浸透および通過（透過）し、酸素側電極側に漏出（クロスリーク）する場合がある。

このような場合、漏出された燃料が酸素側電極において酸素と反応し、過酸化水素を発生させる場合があり、生じた過酸化水素によって、燃料電池（単位セル）の出力特性の低下や、燃料電池（単位セル）の損傷を惹起する場合がある。

本発明の目的は、過酸化水素の発生を抑制でき、出力特性に優れ、損傷を抑制できる燃料電池を提供することにある。

本発明の燃料電池は、電解質層と、前記電解質層の厚み方向一方側に配置され、燃料が供給される燃料側電極と、前記電解質層の厚み方向他方側に配置され、酸素が供給される酸素側電極と、前記電解質層および前記酸素側電極の間に配置され、前記電解質層を通過した燃料を分解する燃料分解層とを備えることを特徴としている。

本発明の燃料電池によれば、電解質層および酸素側電極の間に燃料分解層が配置されるため、燃料側電極に供給される燃料が、電解質層に浸透および通過（透過）し、酸素側電極側に漏出（クロスリーク）する場合にも、漏出した燃料が酸素側電極に到達する前に、燃料分解層において分解される。これにより、漏出された燃料が酸素側電極において酸素と反応することを抑制することができる。

そのため、本発明の燃料電池によれば、過酸化水素の発生を抑制できる。その結果、燃料電池は、出力特性に優れ、また、本発明によれば、燃料電池の損傷を抑制できる。

図１は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成図である。 図２は、図１に示す燃料電池を製造するための製造工程図であって、図２Ａは、電解質層に燃料側電極および燃料分解層を形成する工程、図２Ｂは、カソード側拡散シートに酸素側電極を積層する工程を、それぞれ示す。 図３は、図２に続いて、図１に示す燃料電池を製造するための製造工程図であって、図３Ｃは、膜・電極接合体にアノード側拡散シートおよびカソード側拡散シートを積層する工程、図３Ｄは、膜・電極接合体に、燃料供給部材および空気供給部材を組み付ける工程を、それぞれ示す。 実施例および比較例における過酸化水素の発生量を示すグラフである。 実施例および比較例における電流密度とセル電圧との関係を示すグラフである。

１．燃料電池
図１において、燃料電池１は、液体または気体の燃料成分、好ましくは、液体の燃料成分が直接供給される燃料電池である。

燃料電池１に供給される燃料成分としては、例えば、水素、メタノール、ジメチルエーテル、ヒドラジン（水加ヒドラジン、無水ヒドラジンなどを含む）などが挙げられる。

燃料成分として、好ましくは、ヒドラジンが挙げられる。また、燃料成分としてヒドラジンが用いられる場合、電池性能の向上を図る観点から、好ましくは、添加剤（例えば、水酸化カリウムなどのアルカリ金属水酸化物など）が、適宜の割合で添加される。

燃料電池１は、膜・電極接合体２、膜・電極接合体２の一方側（アノード側）に配置された燃料供給部材３、および、膜・電極接合体２の他方側（カソード側）に配置された空気供給部材４を有する燃料電池セル（単位セル）が、複数積層されたスタック構造に形成されている。なお、図１では、複数の単位セルのうち１つだけを燃料電池１として表し、その他の単位セルについては省略している。

膜・電極接合体２は、電解質層５と、電解質層５の厚み方向一方側に配置され、燃料が供給される燃料側電極６と、電解質層５の厚み方向他方側に配置され、酸素が供給される酸素側電極７と、電解質層５および酸素側電極７の間に配置され、後述するように電解質層５を通過した燃料を分解する燃料分解層１８とを備えている。

電解質層５は、アニオン交換型の高分子電解質層（アニオン交換膜）、または、カチオン交換型の高分子電解質層（カチオン交換膜）、から形成されている。好ましくは、アニオン交換膜を用いて形成されている。

アニオン交換膜としては、アニオン成分（例えば、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）など）が移動可能な媒体であれば、特に限定されず、例えば、４級アンモニウム基、ピリジニウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜（アニオン交換樹脂）が挙げられる。

アニオン交換膜を形成する固体高分子としては、例えば、ポリスチレンおよびその変性体などの炭化水素系の固体高分子膜などが挙げられる。また、アニオン交換膜を形成する固体高分子のガラス転移温度（Ｔｇ）は、例えば、８０〜２００℃、好ましくは、１００〜２００℃である。

また、アニオン交換膜を形成する固体高分子は、その分子構造において、架橋構造を有していてもよい。

また、アニオン交換膜は、市販品として入手可能であり、例えば、セレミオン（旭硝子社製）、ネオセプタ（アストム社製）などが挙げられる。

燃料側電極６は、アノード側触媒層であって、電解質層５の一方面に直接積層されている。

燃料側電極６は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。また、触媒担体を用いずに、触媒を、直接、燃料側電極６として形成してもよい。

触媒としては、特に制限されず、例えば、白金族元素（ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ））、鉄族元素（鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ））などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素や、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの周期表第１１（ＩＢ）族元素などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、ニッケル、コバルト、白金が挙げられ、より好ましくは、ニッケルが挙げられる。また、これらは、単独使用または２種以上併用することができる。

触媒担体としては、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。

燃料側電極６の厚みは、例えば、１０〜２００μｍ、好ましくは、２０〜１００μｍである。

また、燃料側電極６において、触媒の担持量は、例えば、０．０５ｍｇ／ｃｍ^２以上、好ましくは、０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上であり、例えば、１０ｍｇ／ｃｍ^２以下、好ましくは、５ｍｇ／ｃｍ^２以下である。

酸素側電極７は、カソード側触媒層であって、例えば、燃料側電極６と同様に、触媒を担持した触媒担体により形成されている。

また、酸素側電極７は、例えば、錯体形成有機化合物および／または導電性高分子とカーボンとからなる複合体（以下、この複合体を「カーボンコンポジット」という。）に、遷移金属が担持されている材料により形成されてもよい。

遷移金属としては、例えば、スカンジウム（Ｓｃ）、チタン（Ｔｉ）、バナジウム（Ｖ）、クロム（Ｃｒ）、マンガン（Ｍｎ）、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ニオブ（Ｎｂ）、モリブデン（Ｍｏ）、テクネチウム（Ｔｃ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、銀（Ａｇ）、ランタン（Ｌａ）、ハフニウム（Ｈｆ）、タンタル（Ｔａ）、タングステン（Ｗ）、レニウム（Ｒｅ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）などが挙げられる。これらのうち、好ましくは、鉄が挙げられる。また、これらは、単独使用または２種以上併用することができる。

錯体形成有機化合物は、金属原子に配位することによって、当該金属原子と錯体を形成する有機化合物であって、例えば、ピロール、ポルフィリン、テトラメトキシフェニルポルフィリン、ジベンゾテトラアザアヌレン、フタロシアニン、コリン、クロリン、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジンなどの錯体形成有機化合物またはこれらの重合体が挙げられる。これらのうち、好ましくは、ピロールの重合体であるポリピロール、フェナントロリン、サルコミン、ナイカルバジンが挙げられる。また、これらは、単独使用または２種以上併用することができる。

導電性高分子としては、上記錯体形成有機化合物と重複する化合物もあるが、例えば、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアセチレン、ポリビニルカルバゾール、ポリトリフェニルアミン、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリキノキサリン、ポリフェニルキノキサリン、ポリイソチアナフテン、ポリピリジンジイル、ポリチエニレン、ポリパラフェニレン、ポリフルラン、ポリアセン、ポリフラン、ポリアズレン、ポリインドール、ポリジアミノアントラキノンなどが挙げられる。これらのうち、好ましくは、ポリピロールが挙げられる。また、これらは、単独使用または２種以上併用することができる。

酸素側電極７の厚みは、例えば、１０〜３００μｍ、好ましくは、２０〜１５０μｍである。

また、酸素側電極７において、触媒の担持量は、例えば、０．０５ｍｇ／ｃｍ^２以上、好ましくは、０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上であり、例えば、１０ｍｇ／ｃｍ^２以下、好ましくは、５ｍｇ／ｃｍ^２以下である。

燃料分解層１８は、後述するように、燃料側電極６に供給される燃料が、酸素側電極７側に漏出（クロスリーク）する場合において、その漏出した燃料を分解するために設けられており、電解質層５と酸素側電極７との間に介在されている。

つまり、燃料分解層１８は、電解質層５の他方面に直接積層され、酸素側電極７は、燃料分解層１８の他方面に直接積層されている。

燃料分解層１８は、具体的には、燃料を分解可能な触媒層であって、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。また、触媒担体を用いずに、触媒を、直接、燃料側電極６として形成してもよい。

触媒としては、特に制限されず、例えば、上記した燃料側電極６における触媒と同様、
白金族元素（ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、パラジウム（Ｐｄ）、オスミウム（Ｏｓ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ））、鉄族元素（鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ））などの周期表第８〜１０（ＶIII）族元素や、例えば、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）などの周期表第１１（ＩＢ）族元素などが挙げられる。

これらのうち、好ましくは、上記した燃料側電極６に用いられる触媒と同じ触媒が挙げられ、具体的には、好ましくは、ニッケル、コバルト、白金が挙げられ、より好ましくは、ニッケルが挙げられる。また、これらは、単独使用または２種以上併用することができる。

触媒担体としては、例えば、カーボンなどの多孔質物質が挙げられる。

燃料分解層１８の厚みは、例えば、１０〜２００μｍ、好ましくは、２０〜１００μｍである。

また、燃料分解層１８において、触媒の担持量は、例えば、０．０１ｍｇ／ｃｍ^２以上、好ましくは、０．１ｍｇ／ｃｍ^２以上であり、例えば、５ｍｇ／ｃｍ^２以下、好ましくは、２ｍｇ／ｃｍ^２以下である。

また、燃料分解層１８における触媒の担持量は、燃料側電極６における触媒の担持量に対して、例えば、０．１質量％以上、好ましくは、１質量％以上であり、例えば、８０質量％以下、好ましくは、６０質量％以下である。

また、膜・電極接合体２は、さらに、燃料側電極６に積層されるアノード側拡散シート８、および、酸素側電極７に積層されるカソード側拡散シート９を備えることができる。

アノード側拡散シート８は、ガス拡散層（ＧＤＬ）としてのアノード側ＧＤＬ１６と、アノード側ＧＤＬ１６に積層されるマイクロポーラス層（ＭＰＬ）としてのアノード側ＭＰＬ１７とを備えている。

アノード側ＧＤＬ１６は、ガス透過性材料から形成されている。

ガス透過性材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維不織布などが挙げられる。好ましくは、カーボンクロスが挙げられる。また、ガス透過性材料は、必要によりフッ素処理されていてもよい。

また、アノード側ＧＤＬ１６は、ガスを透過させるための気孔を有している。例えば、ガス透過性材料として用いられるカーボンクロスは、カーボン繊維の束を、織ることにより得られる。そのため、カーボン繊維を束ねることにより生じる繊維間の空隙（比較的小さい孔）や、さらには、編み目（比較的大きい孔）などとして、気孔を有する。

また、このようなアノード側ＧＤＬ１６は、集電体としても作用する。

また、アノード側ＧＤＬ１６は、市販品として入手可能であり、例えば、Ｂ−１ Ｃａｒｂｏｎ Ｃｌｏｔｈ Ｔｙｐｅ Ａ Ｎｏ ｗｅｔ ｐｒｏｏｆｉｎｇ（ＢＡＳＦ社製）、ＥＬＡＴ（登録商標） ＬＴ １４００−Ｗ（ＢＡＳＦ社製）などが挙げられる。

アノード側ＧＤＬ１６の厚みは、例えば、０．０５ｍｍ以上、好ましくは、０．１０ｍｍ以上であり、例えば、０．６０ｍｍ以下、好ましくは、０．５０ｍｍ以下である。

アノード側ＭＰＬ１７は、例えば、カーボン粒子およびバインダ樹脂から形成されている。

カーボン粒子としては、特に制限されないが、例えば、オイルファーネスブラック、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、チャンネルブラックなどのカーボンブラック、例えば、黒鉛、炭素繊維などが挙げられる。

これらカーボン粒子は、単独使用または２種類以上併用することができる。

カーボン粒子の一次粒子の平均粒子径（測定方法：レーザー回折式粒度分布測定法）は、例えば、５ｎｍ以上であり、例えば、１００ｎｍ以下、好ましくは、５０ｎｍ以下である。

バインダ樹脂は、カーボン粒子間を結着させ、アノード側ＭＰＬ１７の強度を確保することができれば、特に制限されないが、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、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）などが挙げられる。好ましくは、ポリテトラフルオロエチレンが挙げられる。

これらバインダ樹脂は、単独使用または２種類以上併用することができる。

アノード側ＭＰＬ１７において、カーボン粒子とバインダ樹脂との含有割合は、目的および用途に応じて、適宜設定される。

アノード側ＭＰＬ１７の厚みは、例えば、０．０１ｍｍ以上、好ましくは、０．０２ｍｍ以上であり、例えば、０．２０ｍｍ以下、好ましくは、０．１０ｍｍ以下である。

このようなアノード側拡散シート８は、公知の方法により得ることができる。

そして、アノード側拡散シート８は、アノード側ＭＰＬ１７が燃料側電極６の一方面に直接積層され、また、アノード側ＧＤＬ１６がアノード側ＭＰＬ１７の一方面、アノード側ＭＰＬ１７の周側面、および、燃料側電極６の周側面を被覆するように、燃料側電極６に対して設けられる。

カソード側拡散シート９は、ガス拡散層（ＧＤＬ）としてのカソード側ＧＤＬ１９と、カソード側ＧＤＬ１９に積層されるマイクロポーラス層（ＭＰＬ）としてのカソード側ＭＰＬ２０とを備えている。

カソード側ＧＤＬ１９としては、例えば、アノード側ＧＤＬ１６として例示した、ガス透過性材料などが挙げられる。カソード側ＧＤＬ１９として、好ましくは、カーボンクロスが挙げられる。

また、カソード側ＧＤＬ１９は、アノード側ＧＤＬ１６と同様に、ガスを透過させるための気孔を有している。また、カソード側ＧＤＬ１９は、アノード側ＧＤＬ１６と同様に、集電体としても作用する。

カソード側ＧＤＬ１９の厚みは、例えば、０．０５ｍｍ以上、好ましくは、０．１０ｍｍ以上であり、例えば、０．６０ｍｍ以下、好ましくは、０．５０ｍｍ以下である。

カソード側ＭＰＬ２０は、アノード側ＭＰＬ１７と同様に、上記したカーボン粒子および上記したバインダ樹脂から形成されている。

カソード側ＭＰＬ２０において、カーボン粒子とバインダ樹脂との含有割合は、目的および用途に応じて、適宜設定される。

カソード側ＭＰＬ２０の厚みは、例えば、０．０１ｍｍ以上、好ましくは、０．０２ｍｍ以上であり、例えば、０．２０ｍｍ以下、好ましくは、０．１０ｍｍ以下である。

このようなカソード側拡散シート９は、公知の方法により得ることができる。

そして、カソード側拡散シート９は、カソード側ＭＰＬ２０が酸素側電極７の一方面に直接積層され、また、カソード側ＧＤＬ１９がカソード側ＭＰＬ２０の一方面、カソード側ＭＰＬ２０の周側面、および、酸素側電極７の周側面を被覆するように、酸素側電極７に対して設けられる。

燃料供給部材３は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなり、燃料側電極６に液体燃料を供給する。燃料供給部材３には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、燃料供給部材３は、溝の形成された表面がアノード側拡散シート８に対向接触されている。これにより、アノード側拡散シート８の一方面と燃料供給部材３の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード側拡散シート８全体に燃料成分を接触させるための燃料供給路１０が形成される。

燃料供給路１０には、燃料成分を燃料供給部材３内に流入させるための燃料供給口１１が一端側（図１における紙面下側）に形成され、燃料成分を燃料供給部材３から排出するための燃料排出口１２が他端側（図１における紙面上側）に形成されている。

空気供給部材４は、セパレータとしても兼用され、ガス不透過性の導電性部材からなり、酸素側電極７に空気を供給する。空気供給部材４には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、空気供給部材４は、溝の形成された表面がカソード側拡散シート９に対向接触されている。これにより、カソード側拡散シート９の他方面と空気供給部材４の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード側拡散シート９全体に空気を接触させるための空気供給路１３が形成される。

空気供給路１３には、空気を空気供給部材４内に流入させるための空気供給口１４が他端側（図１における紙面上側）に形成され、空気を空気供給部材４から排出するための空気排出口１５が一端側（図１における紙面下側）に形成されている。

２．燃料電池の製造方法
図１に示される燃料電池１の製造方法では、まず、図２に示すように、電解質層５に、燃料側電極６および燃料分解層１８を積層する。

より具体的には、例えば、まず、図２Ａに示すように、公知の塗布方法により、電解質層５の一方面に燃料側電極６となる触媒インクを塗布し、乾燥させ、必要により、加圧する。これにより、電解質層５の一方面に燃料側電極６を形成（積層）する。

次いで、上記と同様の塗布方法により、電解質層５の他方面に燃料分解層１８となる触媒インクを塗布し、乾燥させ、必要により、加圧する。これにより、電解質層５の他方面に燃料分解層１８を形成（積層）する。

なお、上記の方法において、触媒インクには、触媒、電解質樹脂（アイオノマ）および溶媒などが含まれる。

また、この方法では、図２Ｂに示すように、カソード側拡散シート９に、酸素側電極７を積層する。

より具体的には、公知の塗布方法により、カソード側拡散シート９におけるカソード側ＭＰＬ２０の表面に、酸素側電極７となる触媒インクを塗布し、乾燥させ、必要により、熱処理した後、必要により、加圧する。これにより、燃料分解層１８の表面に酸素側電極７を形成（積層）する。

なお、上記の方法において、触媒インクには、触媒、電解質樹脂（アイオノマ）および溶媒などが含まれる。

次いで、この製造方法では、図３Ｃ示すように、燃料側電極６および燃料分解層１８が積層された電解質層５に対して、アノード側拡散シート８、および、酸素側電極７が積層されたカソード側拡散シート９を、積層する。

アノード側拡散シート８およびカソード側拡散シート９を積層するには、まず、燃料側電極６および燃料分解層１８が積層された電解質層５の両側に、アノード側拡散シート８およびカソード側拡散シート９を配置する。

このとき、アノード側拡散シート８のアノード側ＭＰＬ１７が燃料側電極６の表面を被覆するように、アノード側拡散シート８と電解質層５とを位置合わせする。また、電解質層５に積層された燃料分解層１８と、カソード側拡散シート９に積層された酸素側電極７とが接触するように、カソード側拡散シート９と電解質層５とを位置合わせする。

そして、アノード側拡散シート８と電解質層５とカソード側拡散シート９とを密着させ、必要により加圧する。また、必要に応じて、ガスケット（図示せず）などで固定する。

これにより、電解質層５と、電解質層５の厚み方向一方側に配置される燃料側電極６と、電解質層５の厚み方向他方側に配置される酸素側電極７と、電解質層５および酸素側電極７の間に介在される燃料分解層１８とを備える膜・電極接合体２が得られる。

また、このとき、アノード側ＭＰＬ１７および燃料側電極６は、厚み方向に押圧されることによって、アノード側ＧＤＬ１６に埋設される。また、カソード側ＭＬＰ２０、酸素側電極７および燃料分解層１８は、厚み方向に押圧されることによって、カソード側ＧＤＬ１９に埋設される。

次いで、この製造方法では、図３Ｄに示すように、アノード側拡散シート８のアノード側ＧＤＬ１６に接触するように、燃料供給部材３を膜・電極接合体２に組付けるとともに、カソード側拡散シート９のカソード側ＧＤＬ１９に接触するように、空気供給部材４を膜・電極接合体２に組付ける。

燃料供給部材３および空気供給部材４の組付けでは、例えば、膜・電極接合体２の両側に、燃料供給部材３がアノード側拡散シート８のアノード側ＧＤＬ１６を被覆し、空気供給部材４がカソード側拡散シート９のカソード側ＧＤＬ１９を被覆するように、燃料供給部材３および空気供給部材４を配置して、膜・電極接合体２を挟むように、それらを固定具にて固定する。

これにより、燃料電池１の単位セルを作製することができる。

なお、必要に応じて、単位セルを複数スタックすることにより、燃料電池スタックを作製することもできる。単位セルをスタックする方法は、特に制限されず、公知の手法に準拠する。

また、上記の方法では、電解質層５に燃料側電極６および燃料分解層１８を形成し、カソード側拡散シート９に酸素側電極７を形成して、それらを積層しているが、例えば、燃料分解層１８の表面（燃料分解層１８の電解質層５側に対する反対側の表面）に、酸素側電極７となる触媒インクを塗布し、乾燥させ、必要により、加圧することにより、燃料分解層１８の表面に酸素側電極７を直接形成（積層）することもできる。

また、上記の方法では、アノード側ＧＤＬ１６とアノード側ＭＰＬ１７とからアノード拡散シート８を形成しているが、燃料成分の種類や粘度などによっては、アノードＭＰＬ１７を省略することができ、アノード側ＧＤＬ１６をアノード拡散シート８として用いることができる。

３．燃料電池による発電
図１が参照されるように、上記した燃料電池１では、燃料成分が燃料供給口１１から燃料側電極６に供給される。一方、空気が空気供給口１４から酸素側電極７に供給される。

アノード側では、燃料成分が、燃料側電極６と接触しながら燃料供給路１０を通過する。一方、カソード側では、空気が、酸素側電極７と接触しながら空気供給路１３を通過する。

そして、各電極（燃料側電極６および酸素側電極７）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、例えば、燃料成分がヒドラジンである場合には、電気化学反応は、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１） Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻
（燃料側電極６での反応）
（２） Ｏ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻→４ＯＨ⁻
（酸素側電極７での反応）
（３） Ｎ_２Ｈ_４＋Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ
（燃料電池１全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給された燃料側電極６では、ヒドラジン（Ｎ_２Ｈ_４）と酸素側電極７での反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）とが反応して、窒素（Ｎ_２）および水（Ｈ_２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ⁻）が発生する（上記式（１）参照）。

燃料側電極６で発生した電子（ｅ⁻）は、図示しない外部回路を経由して酸素側電極７に到達する。つまり、この外部回路を通過する電子（ｅ⁻）が、電流となる。

一方、酸素側電極７では、電子（ｅ⁻）と、外部からの供給もしくは燃料電池１での反応で生成した水（Ｈ_２Ｏ）と、空気供給路１３を流れる空気中の酸素（Ｏ_２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が生成する（上記式（２）参照）。

そして、生成した水酸化物イオン（ＯＨ⁻）が、電解質層５を通過して燃料側電極６に到達し、上記と同様の反応（上記式（１）参照）が生じる。

このような燃料側電極６および酸素側電極７での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池１全体として上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池１に起電力が発生する。すなわち、燃料電池１は、燃料成分を消費して発電する。

なお、燃料成分は、上記のヒドラジンに限定されず、水素、メタノール、ジメチルエーテルなど、種々の燃料成分を用いることができる。また、用いられる燃料成分に応じて、燃料電池１の仕様（電解質層５の種類、燃料側電極６および酸素側電極７における触媒の種類など）が、適宜設定される。

４．作用および効果
燃料電池１では、燃料側電極６に供給される燃料が、燃料側電極６において反応することなく電解質層５に浸透および通過（透過）し、酸素側電極７側に漏出（クロスリーク）する場合がある。

このような場合、漏出された燃料が酸素側電極７において酸素と反応し、過酸化水素を発生させる場合がある。

具体的には、例えば、燃料としてヒドラジンが用いられる場合には、酸素側電極７において下記（４）で示される反応が生じ、過酸化水素が生じる場合がある。
（４） Ｎ_２Ｈ_４＋２Ｏ_２→Ｎ_２＋２Ｈ_２Ｏ_２
そして、このようにして生じた過酸化水素によって、燃料電池１（単位セル）の出力特性の低下や、燃料電池１（単位セル）の損傷を惹起する場合がある。

これに対して、上記の燃料電池１では、電解質層５および酸素側電極７の間に燃料分解層１８が配置される。

そのため、燃料側電極６に供給される燃料が、燃料側電極６において反応することなく電解質層５に浸透および通過（透過）し、酸素側電極７側に漏出（クロスリーク）する場合にも、漏出した燃料は、酸素側電極７に到達する前に、燃料分解層１８に到達する。そして、漏出した燃料は、燃料分解層１８において、例えば、下記式（５）で示される反応により、分解される。
（５） Ｎ_２Ｈ_４＋４ＯＨ⁻→Ｎ_２＋４Ｈ_２Ｏ＋４ｅ⁻
これにより、漏出された燃料が酸素側電極７において酸素と反応することを抑制することができる。そのため、上記の燃料電池１によれば、過酸化水素の発生を抑制できる。その結果、燃料電池１は、出力特性に優れ、燃料電池１の損傷を抑制できる。

次に、本発明を、実施例および比較例に基づいて説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。なお、「部」および「％」は、特に言及がない限り、質量基準である。また、以下の記載において用いられる配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなどの具体的数値は、上記の「発明を実施するための形態」において記載されている、それらに対応する配合割合（含有割合）、物性値、パラメータなど該当記載の上限値(「以下」、「未満」として定義されている数値）または下限値(「以上」、「超過」として定義されている数値）に代替することができる。

実施例１
（１）燃料側電極および燃料分解層を備える電解質層の作製
・燃料側電極の作製
Ｎｉ担持カーボン触媒（キャタラー社製）０．１５ｇと、溶媒（テトラヒドロフランおよび１−プロパノールの混合溶媒（質量比１：１））１．５ｇとを、超音波処理により、２５℃で１０分間分散した。

次いで、得られた混合物に、２質量％のアニオン交換樹脂の溶液（溶媒：テトラヒドロフランおよび１−プロパノールの混合溶媒（質量比１：１））１．０ｇを加え、超音波処理により、２５℃で３分間分散した。

これにより、燃料側電極となる触媒インクを調製した。

その後、得られた触媒インクを、電解質層としてのアニオン交換膜の一方側の表面に、スプレー法により塗布し、２５℃で乾燥させた。これにより、燃料側電極（アノード触媒層）を形成した。なお、アノード触媒層の触媒担持量は、２．６ｍｇ／ｃｍ^２とした。

・燃料分解層の作製
上記（１）燃料側電極の作製と同様にして触媒インクを調製した。

その後、得られた触媒インクを、アニオン交換膜の他方側の表面に、スプレー法により塗布し、２５℃で乾燥させた。これにより、燃料分解層を形成した。なお、燃料分解層の触媒担持量は、０．５ｍｇ／ｃｍ^２とした。

これにより、燃料側電極および燃料分解層を備える電解質層（アニオン交換膜）を得た（図２Ａ参照）。

（２）酸素側電極を備えるカソード側拡散シートの作製
・酸素側電極の作製
Ｆｅナイカルバジン錯体（ＮＰＣ−２０００、Ｐａｊａｒｉｔｏ社製）０．２ｇと、溶媒（テトラヒドロフランおよび１−プロパノールの混合溶媒（質量比１：３））１．５ｇと、４０質量％のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）溶液０．１２ｇと、４０質量％のＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体）溶液０．１２ｇとを、超音波処理により、２５℃で６０分間分散した。

これにより、酸素側電極となる触媒インクを調製した。

その後、得られた触媒インクを、カソード側拡散シートのＭＰＬ層側の表面に、ドクターブレードにより塗布し、２５℃で乾燥させた。その後、１００℃で６０分間、２６０℃で６０分間、および、３６０℃で６０分間の条件で、窒素雰囲気下において熱処理した。その後、５ＭＰａでコールドプレスし、カソード側拡散シートのＭＰＬ層側の表面に、酸素側電極（カソード触媒層）を形成した。なお、カソード触媒層の触媒担持量は、５．０ｍｇ／ｃｍ^２とした。

これにより、酸素側電極を備えるカソード側拡散シートを得た（図２Ｂ参照）。

（３）単位セルの組み立て
上記（１）で得られた燃料側電極および燃料分解層を備える電解質層と、上記（２）で得られた酸素側電極を備えるカソード側拡散シートとを、燃料分解層と酸素側電極とが接触するように接合した。また、その電解質層と、市販のアノード側拡散シートとを、燃料側電極とアノード側拡散シートのＭＰＬ層とが接触するように、接合した。そして、得られた接合体にシール材を取り付けた。その後、得られた接合体を、セパレータ（燃料供給部材および酸素供給部材）で挟み込むことにより、単位セルを組み立てた。

比較例１
燃料分解層の形成において、燃料側電極となる触媒インクに代えて、酸素側電極となる触媒インクを用いた以外は、実施例１と同様にして、単位セルを組み立てた。

試験例
燃料側電極に、燃料として水加ヒドラジン水溶液（濃度１ｍｏｌ／ｄｍ^３、添加剤として１Ｎ−ＫＯＨ含有）を、１．２ｍＬ／ｍｉｎの速度で供給し、また、酸素側電極に、５０℃の飽和加湿空気を０．１Ｌ／ｍｉｎの速度で供給することにより、単位セルを運転した。なお、単位セルの運転条件は、空気供給圧を１０ｋＰａ・ａｂｓとし、運転温度を６０℃とした。

そして、この時に酸素側電極において発生する過酸化水素を、過酸化水素濃度試験紙（菱江化学社製）により捕捉し、その量を測定した。その結果を図４に示す。

また、このときの電流密度およびセル電圧を、電子負荷（Ｓｃｒｉｂｎｅｒ社製）により測定した。その結果を図５に示す。

１ 燃料電池
６ 燃料側電極
７ 酸素側電極
１８ 燃料分解層

Claims (1)

1. 電解質層と、
   前記電解質層の厚み方向一方側に配置され、燃料が供給される燃料側電極と、
   前記電解質層の厚み方向他方側に配置され、酸素が供給される酸素側電極と、
   前記電解質層および前記酸素側電極の間に配置され、前記電解質層を通過した燃料を分解する燃料分解層と
   を備えることを特徴とする、燃料電池。

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