JP7302818B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池には様々な種類があり、その中には、液体の燃料を改質せずに燃料極に直接投入する直接液体型燃料電池がある。直接液体型燃料電池は、燃料を酸化する燃料極と、空気などの酸化剤ガスを還元する空気極と、空気極と燃料極との間にイオン伝導を行う電解質膜とを備えている。ここで、燃料極はアノードで、空気極はカソードである。燃料極および空気極の両方の電極では、電極の酸化還元反応の速度を促進させる電極触媒を含む触媒層が設けられている。

例えば特許文献１には、空気極のカソード電極とカソード側の集電体との間に、多孔質であり、かつ撥水性を有する撥水性多孔質体を配置した燃料電池が開示されている。特許文献１に記載の燃料電池では、空気極に撥水性多孔質体が配置されたことにより、カソード側の撥水性が変化し、燃料貯留槽からカソードへの水の透過量が増加し、燃料極の触媒層の触媒材質の表面の吸着物が洗い流される。これにより、時間の経過に伴う燃料電池の出力の低下が抑制される。

特開２０１２－１９５１３１号公報

直接液体型燃料電池では、燃料極に設けられた燃料流入口から燃料が供給され、燃料極内に形成された燃料通路に燃料を流しながら燃料極内に燃料を拡散させて酸化反応を促進させて発電し、燃料極に設けられた燃料流出口から使用済の燃料が回収されている。ギ酸またはアルコールを含む液体を燃料として使用する直接液体型燃料電池の燃料極内では酸化反応によって二酸化炭素が発生する。燃料極内で発生した二酸化炭素は、燃料極内での燃料の拡散を阻害して酸化反応しにくくするので、燃料電池の出力を低下させる。また燃料極内で発生した二酸化炭素は、燃料極に供給された燃料の通路である燃料通路内に侵入する場合がある。大量の二酸化炭素が気泡となって燃料通路内に侵入すると、燃料通路内での燃料の流れが阻害され、燃料電池の出力が低下する。

従って、燃料極内で発生した二酸化炭素の、燃料極内での拡散と、燃料通路内への侵入と、を抑制することが望まれている。しかし特許文献１に記載の撥水性多孔質体は、空気極に設けられているので、燃料極内で発生した二酸化炭素の燃料極内での拡散の抑制や、当該二酸化炭素の燃料通路内への侵入の抑制を行うことが困難である。

本発明は、このような点に鑑みて創案されたものであり、燃料極内で発生した二酸化炭素が、燃料極内へ拡散することと、燃料極内の燃料通路内へ侵入することと、を抑制することで、出力（発電量）の低下を抑制することができる燃料電池を提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の第１の発明は、ギ酸またはアルコールを含む液体を燃料とする直接液体型の燃料電池であって、燃料極触媒層と燃料極拡散層と燃料極集電体とを有する燃料極と、空気極触媒層と空気極拡散層と空気極集電体とを有する空気極と、前記燃料極の前記燃料極触媒層と前記空気極の前記空気極触媒層とに挟まれた電解質膜と、を有し、前記燃料極集電体には、前記燃料が供給される燃料流入口と、前記燃料が排出される燃料流出口と、が設けられており、前記燃料極集電体における前記燃料極拡散層の側の面である燃料流通面には、前記燃料を、前記燃料極拡散層に接触させながら前記燃料流通面に沿って前記燃料流入口から前記燃料流出口へと導く燃料流通溝が形成されており、前記燃料極拡散層と前記燃料極触媒層は、親水領域と、前記親水領域よりも親水性が劣る非親水領域と、を有しており、前記燃料流通溝の少なくとも一部と対向している前記燃料極拡散層の位置から、前記燃料極集電体から前記空気極集電体に向かう方向である積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記燃料極拡散層の個所と前記燃料極触媒層の個所は、前記親水領域とされている、燃料電池である。

次に、本発明の第２の発明は、上記第１の発明に係る燃料電池であって、前記燃料流通溝は、複数の流通溝部と複数の折り返し溝部とを有しており、それぞれの前記流通溝部は、前記燃料流通面における一方縁部の側から、前記一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成されており、単数または隣り合う複数の前記流通溝部にて、複数の流通溝部グループが形成され、隣り合う前記流通溝部グループに流れる燃料が逆方向となるように、隣り合う前記流通溝部グループの前記一方縁部の側の端部、あるいは、隣り合う前記流通溝部グループの前記他方縁部の側の端部、がそれぞれの前記折り返し溝部にて接続されており、少なくとも前記流通溝部と対向している前記燃料極拡散層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記燃料極拡散層の個所と前記燃料極触媒層の個所は、前記親水領域とされている、燃料電池である。

次に、本発明の第３の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る燃料電池であって、前記燃料極拡散層と前記燃料極触媒層の前記非親水領域には、撥水溶液が沁み込んだ状態とされている、あるいは、前記燃料極拡散層と前記燃料極触媒層の前記非親水領域における前記燃料極集電体の側の面には、撥水コーティングが施されている、燃料電池である。

次に、本発明の第４の発明は、上記第３の発明に係る燃料電池であって、前記空気極集電体には、酸素を含む空気が供給される空気流入口と、前記空気が排出される空気流出口と、が設けられており、前記空気極集電体における前記空気極拡散層の側の面である空気流通面には、前記空気を、前記空気極拡散層に接触させながら前記空気流通面に沿って前記空気流入口から前記空気流出口へと導く空気流通溝が形成されており、前記空気極拡散層と前記空気極触媒層は、空気極親水領域と、前記空気極親水領域よりも親水性が劣る空気極非親水領域と、を有しており、前記空気流通溝の少なくとも一部と対向している前記空気極拡散層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記空気極拡散層の個所と前記空気極触媒層の個所は、前記空気極非親水領域とされている、燃料電池である。

次に、本発明の第５の発明は、上記第１の発明または第２の発明に係る燃料電池であって、前記燃料極拡散層と前記燃料極触媒層の前記親水領域は、小径の繊維または小径の粒子の少なくとも一方にて層状に形成されており、前記燃料極拡散層と前記燃料極触媒層の前記非親水領域は、前記親水領域の繊維よりも大径の繊維または前記親水領域の粒子よりも大径の粒子の少なくとも一方にて層状に形成されているとともに、隣り合う前記繊維または前記粒子との隙間が前記親水領域における前記隙間よりも広くなるように形成されている、燃料電池である。

次に、本発明の第６の発明は、上記第５の発明に係る燃料電池であって、前記空気極集電体には、酸素を含む空気が供給される空気流入口と、前記空気が排出される空気流出口と、が設けられており、前記空気極集電体における前記空気極拡散層の側の面である空気流通面には、前記空気を、前記空気極拡散層に接触させながら前記空気流通面に沿って前記空気流入口から前記空気流出口へと導く空気流通溝が形成されており、前記空気極拡散層と前記空気極触媒層は、空気極親水領域と、前記空気極親水領域よりも親水性が劣る空気極非親水領域と、を有しており、前記空気流通溝の少なくとも一部と対向している前記空気極拡散層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記空気極拡散層の個所と前記空気極触媒層の個所は、前記空気極非親水領域とされている、燃料電池である。

次に、本発明の第７の発明は、ギ酸またはアルコールを含む液体を燃料とする直接液体型の燃料電池であって、燃料極触媒層と燃料極拡散層が一体とされた燃料極一体層と、燃料極集電体と、を有する燃料極と、空気極触媒層と空気極拡散層が一体とされた空気極一体層と空気極集電体、あるいは、空気極触媒層と空気極拡散層と空気極集電体、を有する空気極と、前記燃料極の前記燃料極一体層と前記空気極の前記空気極一体層とに挟まれた電解質膜、あるいは、前記燃料極の前記燃料極一体層と前記空気極の前記空気極触媒層とに挟まれた電解質膜と、を有し、前記燃料極集電体には、前記燃料が供給される燃料流入口と、前記燃料が排出される燃料流出口と、が設けられており、前記燃料極集電体における前記燃料極一体層の側の面である燃料流通面には、前記燃料を、前記燃料極一体層に接触させながら前記燃料流通面に沿って前記燃料流入口から前記燃料流出口へと導く燃料流通溝が形成されており、前記燃料極一体層は、親水領域と、前記親水領域よりも親水性が劣る非親水領域と、を有しており、前記燃料流通溝の少なくとも一部と対向している前記燃料極一体層の位置から、前記燃料極集電体から前記空気極集電体に向かう方向である積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記燃料極一体層の個所は、前記親水領域とされている、燃料電池である。

次に、本発明の第８の発明は、上記第７の発明に係る燃料電池であって、前記燃料流通溝は、複数の流通溝部と複数の折り返し溝部とを有しており、それぞれの前記流通溝部は、前記燃料流通面における一方縁部の側から、前記一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成されており、単数または隣り合う複数の前記流通溝部にて、複数の流通溝部グループが形成され、隣り合う前記流通溝部グループに流れる燃料が逆方向となるように、隣り合う前記流通溝部グループの前記一方縁部の側の端部、あるいは、隣り合う前記流通溝部グループの前記他方縁部の側の端部、がそれぞれの前記折り返し溝部にて接続されており、少なくとも前記流通溝部と対向している前記燃料極一体層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記燃料極一体層の個所は、前記親水領域とされている、燃料電池である。

次に、本発明の第９の発明は、上記第７の発明または第８の発明に係る燃料電池であって、前記燃料極一体層は、前記燃料極触媒層を形成可能な触媒繊維または触媒粒子の少なくとも一方を含んでおり、前記燃料極一体層の前記親水領域は、小径の前記触媒繊維または小径の前記触媒粒子を含んで層状に形成されており、前記燃料極一体層の前記非親水領域は、前記親水領域の前記触媒繊維よりも大径の前記触媒繊維または前記親水領域の前記触媒粒子よりも大径の前記触媒粒子を含んで層状に形成されているとともに、隣り合う前記触媒繊維または前記触媒粒子との隙間が前記親水領域における前記隙間よりも広くなるように形成されている、燃料電池である。

次に、本発明の第１０の発明は、上記第９の発明に係る燃料電池であって、前記空気極集電体には、酸素を含む空気が供給される空気流入口と、前記空気が排出される空気流出口と、が設けられており、前記空気極集電体における前記空気極一体層あるいは前記空気極拡散層の側の面である空気流通面には、前記空気を、前記空気極一体層あるいは前記空気極拡散層に接触させながら前記空気流通面に沿って前記空気流入口から前記空気流出口へと導く空気流通溝が形成されており、前記空気極一体層、あるいは、前記空気極拡散層と前記空気極触媒層は、空気極親水領域と、前記空気極親水領域よりも親水性が劣る空気極非親水領域と、を有しており、前記空気流通溝の少なくとも一部と対向している前記空気極一体層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記空気極一体層の個所は、前記空気極非親水領域とされている、あるいは、前記空気流通溝の少なくとも一部と対向している前記空気極拡散層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記空気極拡散層の個所と前記空気極触媒層の個所は、前記空気極非親水領域とされている、燃料電池である。

第１の発明によれば、燃料流通溝の少なくとも一部と対向している燃料極拡散層の位置から、積層方向に沿って電解質膜へと続く燃料極拡散層の個所と燃料極触媒層の個所が、親水領域とされている。そして、燃料極内で発生した二酸化炭素は、親水領域よりも非親水領域に拡散される。従って、燃料極内で発生した二酸化炭素が燃料極内の全体に拡散されることを抑制し、親水領域にて燃料を燃料極触媒層へと拡散させることできる。また、燃料流通溝の少なくとも一部と対向している燃料極拡散層の個所は親水領域とされているので、燃料極内で発生した二酸化炭素が燃料通路溝内へ侵入することを抑制することができる。これにより、燃料電池の出力（発電量）の低下を抑制することができる。

第２の発明によれば、少なくとも流通溝部と対向している燃料極拡散層の位置から、積層方向に沿って電解質膜へと続く燃料極拡散層の個所と燃料極触媒層の個所が、親水領域とされている。また燃料流通溝のほとんどが流通溝部であるので、より多くの燃料を親水領域にて燃料極触媒層へと拡散させることができる。従って、燃料電池の出力（発電量）の低下を、より抑制することができる。

第３の発明によれば、非親水領域を、比較的容易に実現することができる。

第４の発明によれば、燃料極に親水領域と非親水領域を作るだけでなく、空気極にも空気極親水領域と空気極非親水領域を作る。空気極では、大気（酸素）を空気極内に拡散させて酸化還元反応を促進させ、空気極内では水が発生する。空気極内で発生した水は、空気極内での大気（酸素）の拡散を阻害する。従って、空気極内で発生した水が空気極内に拡散することはあまり好ましくない。第４の発明では、空気極内で発生した水を空気極親水領域に拡散させ、空気極非親水領域に大気（酸素）を拡散させる。従って、空気極での酸化還元反応をより促進させ、燃料電池の出力（発電量）の低下を抑制することができる。

第５の発明によれば、隣り合う隙間が小さくなる小径の繊維または小径の粒子にて液体燃料の浸透を促進できる親水領域を構成する。そして、隣り合う隙間が大きくなる大径の繊維または大径の粒子にて二酸化炭素がより流れやすくなる非親水領域を構成する。従って、親水領域と非親水領域を、比較的容易に実現することができる。

第６の発明によれば、空気極非親水領域を適切な個所（空気流通溝の少なくとも一部と対向する個所）に形成することで、空気極内で発生した水に阻害されることなく、大気（酸素）を空気極内の空気極非親水領域にて適切に拡散させることができる。従って、燃料電池の出力（発電量）の低下を抑制することができる。

第７の発明によれば、第１の発明と同様、燃料流通溝の少なくとも一部と対向している燃料極一体層の位置から、積層方向に沿って電解質膜へと続く燃料極一体層の個所が、親水領域とされている。そして、燃料極内で発生した二酸化炭素は、親水領域よりも非親水領域に拡散される。従って、燃料極内で発生した二酸化炭素が燃料極内の全体に拡散されることを抑制し、親水領域にて燃料を燃料極一体層へ拡散させることできる。また、燃料流通溝の少なくとも一部と対向している燃料極一体層の個所は親水領域とされているので、燃料極内で発生した二酸化炭素が燃料通路溝内へ侵入することを抑制することができる。これにより、燃料電池の出力（発電量）の低下を抑制することができる。また、燃料極触媒層と燃料極拡散層の代わりに燃料極一体層を用いることで、燃料極をよりシンプル、かつ、より薄く構成することができる。

第８の発明によれば、少なくとも流通溝部と対向している燃料極一体層の位置から、積層方向に沿って電解質膜へと続く燃料極一体層の個所が、親水領域とされている。また燃料流通溝のほとんどが流通溝部であるので、より多くの燃料を親水領域にて燃料極一体層へ拡散させることができる。従って、燃料電池の出力（発電量）の低下を、より抑制することができる。

第９の発明によれば、隣り合う隙間が小さくなる小径の触媒繊維または小径の触媒粒子にて液体燃料の浸透を促進できる親水領域を構成する。そして、隣り合う隙間が大きくなる大径の触媒繊維または大径の触媒粒子にて二酸化炭素がより流れやすくなる非親水領域を構成する。従って、親水領域と非親水領域を、比較的容易に実現することができる。

第１０の発明によれば、空気極非親水領域を適切な個所（空気流通溝の少なくとも一部と対向する個所）に形成することで、空気極内で発生した水に阻害されることなく、大気（酸素）を空気極内の空気極非親水領域にて適切に拡散させることができる。従って、燃料電池の出力（発電量）の低下を抑制することができる。

第１の実施の形態の燃料電池システムの全体構成を説明する図である。 第１の実施の形態の燃料電池の構成を説明する分解斜視図である。 図２における燃料極集電体に形成された燃料流通溝を説明する図である。 図２における燃料極触媒層及び燃料極拡散層に形成した親水領域と非親水領域を、図３に示す燃料流通溝の位置に対応させた様子を説明する図である。 図４に示す親水領域及び非親水領域が形成された燃料極触媒層及び燃料極拡散層の斜視図である。 図５に示す燃料極触媒層の親水領域中及び非親水領域中の繊維、粒子の例を説明する拡大図である。 図２における空気極集電体に形成された空気流通溝を説明する図である。 図２における空気極触媒層及び空気極拡散層に形成した空気極親水領域と空気極非親水領域を、図７に示す空気流通溝の位置に対応させた様子を説明する図である。 図８に示す空気極親水領域及び空気極非親水領域が形成された空気極拡散層及び空気極触媒層の斜視図である。 空気極内での酸化還元反応によって発生した水が空気極親水領域に浸透する様子、及び、燃料極内での酸化反応によって発生した二酸化炭素が非親水領域に拡散する様子を説明する図である。 第１の実施の形態において、燃料極触媒層及び燃料極拡散層に形成する親水領域及び非親水領域の別の例（別例１）を説明する図である。 第１の実施の形態において、燃料極触媒層及び燃料極拡散層に形成する親水領域及び非親水領域の別の例（別例２）を説明する図である。 第１の実施の形態において、空気極触媒層及び空気極拡散層に形成する空気極親水領域及び空気極非親水領域の別の例（別例３）を説明する図である。 第１の実施の形態において、空気極触媒層及び空気極拡散層に形成する空気極親水領域及び空気極非親水領域の別の例（別例４）を説明する図である。 第２の実施の形態の燃料電池の全体構成を説明する図である。 第２の実施の形態の燃料電池の構成を説明する分解斜視図である。 第２の実施の形態の、親水領域及び非親水領域が形成された燃料極一体層の斜視図である。 第２の実施の形態の、空気極親水領域及び空気極非親水領域が形成された空気極一体層の斜視図である。

本実施の形態にて説明する燃料電池システムの燃料電池は、ギ酸またはメタノール等のアルコールの水溶液を燃料とする直接液体型燃料電池であり、以下ではギ酸を燃料とする直接ギ酸型燃料電池を例として説明する。ここで、直接液体型燃料電池とは、液体の燃料を、改質せずに燃料極に直接投入する燃料電池を意味する。そして、直接ギ酸型燃料電池は、燃料としてギ酸を用い、ギ酸を改質せずに燃料極１０（図２参照）に直接投入する燃料電池である。なお、図中にＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸が記載されている場合、各軸は互いに直交しており、Ｚ軸方向は鉛直上方に向かう方向を示し、Ｘ軸方向とＹ軸方向は水平方向を示している。以下に、第１の実施の形態の燃料電池システム１について、図面を用いて説明する。

●［第１の実施の形態の燃料電池システム１の全体構成（図１）］
図１は、燃料電池７を含む燃料電池システム１の全体構成を示す図であり、図２は燃料電池７の構成を説明する分解斜視図である。燃料電池システム１は、図１に示すように、燃料タンク５０、ポンプ５２、燃料電池７、排液タンク６０等を有している。

燃料タンク５０には、燃料となる所定濃度のギ酸を含む液体（ギ酸水溶液）が蓄えられている。燃料となるギ酸の濃度は、例えば１０～４０［％］程度である。また燃料タンク５０には燃料供給配管５１の一方端が接続され、燃料供給配管５１の他方端は燃料電池７の燃料流入口７Ａに接続されている。

ポンプ５２は電動ポンプであり、燃料供給配管５１に設けられており、燃料タンク５０内の燃料を燃料電池７の燃料流入口７Ａに向けて圧送する。

排液タンク６０には、燃料電池７内で使用された後の燃料と、空気極２０にて発生して回収された水が蓄えられている。排液タンク６０には燃料排出配管６１の他方端が接続され、燃料排出配管６１の一方端は燃料電池７の燃料流出口７Ｂに接続されている。また排液タンク６０には、回収配管６２の他方端が接続され、回収配管６２の一方端の側は、空気極２０の下方に設けられた回収口７Ｄ（空気流出口に相当）に接続されている。さらに、排液タンク６０の上部には、内部と外部を連通する排気口（不図示）が設けられており、排液タンク６０の内部の圧力が高まると、排液タンク６０内の気体が排気口（不図示）から排液タンク６０外へ流出する。

燃料電池７は、燃料タンク５０からの燃料が流入される燃料流入口７Ａと、使用された燃料を排出する燃料流出口７Ｂとを有し、流入された燃料を用いて発電する。なお、燃料電池７の構造の詳細について、以下に説明する。

●［第１の実施の形態の燃料電池７の構造（図２）］
燃料電池７は、図２に示すように、空気極２０と燃料極１０にて電解質膜３０を挟んだ構成を有している。空気極２０は、空気極触媒層２１、空気極拡散層２２、空気極集電体２３が積層されて構成されている。燃料極１０は、燃料極触媒層１１、燃料極拡散層１２、燃料極集電体１３が積層されて構成されている。

空気極集電体２３は、厚みが約１～１０［ｍｍ］程度の導電性を有する板状の金属等である。空気極集電体２３には、周囲の空気（酸素）を空気極拡散層２２に流入させるため、圧送された空気（酸素を含む空気）を外部から供給する供給口７Ｃ（空気流入口に相当）が上方に設けられ、使用された空気と発生した水を回収する回収口７Ｄ（空気流出口に相当）が下方に設けられている。空気極集電体２３には、図１に示すように、電気負荷（例えば、電動モータ）の一方端が接続される。また、空気極集電体２３の空気極拡散層２２に接触する側の面である空気流通面２３Ａには、供給口７Ｃから供給された空気を、空気極拡散層２２に接触させながら空気流通面２３Ａに沿って供給口７Ｃから回収口７Ｄへと導く空気流通溝２３Ｂが形成されている。なお、空気流通溝２３Ｂは、後述する燃料流通溝１３Ｂと同形状とされていると、より好ましい。つまり、図２に示す積層方向ＤＲ１に沿って見た場合、燃料流通溝１３Ｂと空気流通溝２３Ｂが、ほぼ重なる形状とされていると、より好ましい。

空気極拡散層２２は、厚みが約０．０５～０．５［ｍｍ］程度の層状に形成されている。空気極拡散層２２は、水および空気を透過できるとともに、電子伝導性を有する多孔質材であり、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。空気極拡散層２２は、空気極集電体２３の供給口７Ｃ（空気流入口）から流入した空気（酸素）を、拡散させながら空気極触媒層２１に導く。外気の空気に含まれる酸素は、空気極拡散層２２に浸透して空気極触媒層２１の電極触媒粒子に到達する。

空気極触媒層２１は、厚みが約０．０５～０．５［ｍｍ］程度の層状に形成されている。空気極触媒層２１は、空気極の電極触媒粒子（不図示）と、電極触媒粒子を担持する電極触媒担持体（不図示）とを備えている。空気極２０の電極触媒粒子は、空気中の酸素を還元する反応の反応速度を促進させる触媒の粒子であり、例えば白金（Ｐｔ）粒子を用いることができる。電極触媒担持体は、電極触媒粒子を担持できるとともに、導電性を備えればよく、例えばカーボン粉末を用いることができる。燃料としてギ酸を用いた場合、空気極触媒層２１の電極触媒粒子によって、（式１）に示す酸化還元反応が進行する。なお、生成された水（Ｈ₂Ｏ）は、図１に示すように、回収口７Ｄを介して回収されて回収配管６２を経由して排液タンク６０に導かれる。
２Ｈ⁺ ＋１／２ Ｏ₂ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ （式１）

燃料極集電体１３は、厚みが約１～１０［ｍｍ］程度の導電性を有する板状の金属等である。燃料極集電体１３は、燃料極拡散層１２に接触する燃料流通面１３Ａを有しており、燃料流通面１３Ａには、燃料極拡散層１２の側が開口された燃料流通溝１３Ｂが形成されている。燃料流通溝１３Ｂは、淀みなく燃料が流れるように、幅が狭い流路とされている。また、電子ｅ^-を回収するために、燃料流通溝１３Ｂの周囲には、燃料極拡散層１２に接触するランド部１３Ｅが形成されている。燃料極集電体１３には、図１に示すように、電気負荷（例えば、電動モータ）の他方端が接続される。

また燃料流通溝１３Ｂは、燃料極集電体１３の一方縁部（または他方縁部）から、対向する他方縁部（または一方縁部）へと略水平方向に延びる複数の流通溝部１３Ｃ（図３の符号１３Ｃ（１）～符号１３Ｃ（８）参照）を有している。また複数の流通溝部１３Ｃのそれぞれは、燃料極集電体１３の一方縁部または他方縁部の近傍に形成されて略鉛直方向に延びる折り返し溝部１３Ｄ（図３の符号１３Ｄ（１）～符号１３Ｄ（３）参照）にて接続されている。また燃料流通溝１３Ｂは、燃料極集電体１３の下方に形成された燃料流入口７Ａと、燃料極集電体１３の上方に形成された燃料流出口７Ｂと、に接続されている。

従って、燃料流入口７Ａに流入された燃料は、流通溝部１３Ｃにて一方縁部の側から他方縁部の側へと導かれ、折り返し溝部１３Ｄにて方向転換されて、次の流通溝部１３Ｃにて他方縁部の側から一方縁部の側へと導かれ、次の折り返し溝部１３Ｄにて方向転換されることを繰り返しながら、つづら折り状（ジグザグ状）とされた燃料流通溝１３Ｂ内を流れ、燃料極拡散層１２中に拡散される。

燃料極拡散層１２は、厚みが約０．０５～０．５［ｍｍ］程度の層状に形成されている。燃料極拡散層１２は、ギ酸水溶液が内部に浸透できるとともに、電子伝導性を有する多孔質材であり、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスを用いることができる。燃料極拡散層１２は、燃料極集電体１３の燃料流通面１３Ａに形成された燃料流通溝１３Ｂに流される燃料を、拡散させながら燃料極触媒層１１に導く。

燃料極触媒層１１は、厚みが約０．０５～０．５［ｍｍ］程度の層状に形成されている。燃料極触媒層１１は、電極触媒粒子（不図示）と、電極触媒粒子を担持する電極触媒担持体（不図示）とを備えている。燃料極１０の電極触媒粒子は、燃料であるギ酸の酸化反応の速度を促進させる触媒の粒子であり、例えばパラジウム（Ｐｄ）粒子を用いることができる。電極触媒担持体は、電極触媒粒子を担持できるとともに、導電性を備えればよく、例えばカーボン粉末を用いることができる。燃料としてギ酸を用いた場合、燃料極触媒層１１の電極触媒粒子によって、（式２）に示す酸化反応が進行する。
ＨＣＯＯＨ → ＣＯ₂ ＋ ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- （式２）

電解質膜３０は、厚みが約０．０１～０．３［ｍｍ］程度の薄膜状に形成されている。電解質膜３０は、燃料極１０の燃料極触媒層１１と空気極２０の空気極触媒層２１との間に挟まれており、電子伝導性を持たず、水およびＨ⁺を透過できるプロトン交換膜である。電解質膜３０には、例えば、Ｄｕ Ｐｏｎｔ社製のＮａｆｉｏｎ（登録商標）等のパーフルオロエチレンスルフォン酸系膜を用いることができる。以上で説明した、燃料極触媒層１１と、燃料極拡散層１２と、電解質膜３０と、空気極触媒層２１と、空気極拡散層２２とが接合されて一体化されたものを、本明細書では、膜／電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と記載する場合もある。

●［燃料電池の作動について］
ギ酸水溶液は、燃料タンク５０内から燃料供給配管５１に送りだされて、燃料極集電体１３の燃料流入口７Ａから、燃料流通溝１３Ｂに流入する。ギ酸水溶液は、燃料流通溝１３Ｂを流れるにつれ、燃料極拡散層１２に浸透して、燃料極触媒層１１の電極触媒粒子の表面に到達する。そして、燃料極触媒層１１の電極触媒粒子の表面上で、上記の（式２）に示すギ酸の酸化反応が進行する。

（式２）に示す、ギ酸の酸化反応で生成された二酸化炭素ＣＯ₂は、集まって泡となり燃料極１０から排出され、プロトンＨ⁺は電解質膜３０を透過して空気極触媒層２１の電極触媒粒子に到達する。また、ギ酸から生成された電子ｅ^-は、燃料極拡散層１２、燃料極触媒層１１、燃料極集電体１３を流れ、さらに、燃料極集電体１３から外部回路（電気負荷）に流れる。

電子ｅ^-は、外部回路（電気負荷）から空気極集電体２３へ流れ、さらに、空気極集電体２３、空気極拡散層２２、空気極触媒層２１を流れて空気極触媒層２１に到達する。空気極触媒層２１の電極触媒粒子表面には、外部回路（電気負荷）からのｅ^-と、電解質膜３０を透過したプロトンＨ⁺と、空気極拡散層２２を透過した外気の酸素とが到達し、上記の（式１）に示す酸化還元反応が進行し、水が生成される。

以上の様に、燃料電池７は発電する。そして、燃料極触媒層１１において、（式２）のギ酸の酸化反応で生成される二酸化炭素は、集まって泡となり、燃料極拡散層１２、燃料流通溝１３Ｂを流れて、燃料流出口７Ｂから排出され、燃料排出配管６１を経由して排液タンク６０に溜められる。

燃料極触媒層１１にて生成された二酸化炭素が燃料極拡散層１２内に広く拡散されると、燃料のギ酸水溶液が燃料極拡散層１２内に拡散されて燃料極触媒層１１に到達することを阻害するので、燃料電池７の出力の低下を招く可能性がある。また、空気極触媒層２１にて生成された水が空気極拡散層２２内に広く拡散されると、大気（酸素）が空気極拡散層２２内に拡散されて空気極触媒層２１に到達することを阻害するので、燃料電池７の出力の低下を招く可能性がある。そこで、第１の実施の形態では、以下に説明する構造を有することで、燃料電池の出力の低下を抑制する。

●［燃料極集電体１３に形成された燃料流通溝１３Ｂ（図３）］
まず図３を用いて、燃料極集電体１３の燃料流通面１３Ａに形成された燃料流通溝１３Ｂについて説明する。燃料流通溝１３Ｂは、燃料極集電体１３の下方に設けられた燃料流入口７Ａと、燃料極集電体１３の上方に設けられた燃料流出口７Ｂと、を接続しており、燃料流通面１３Ａの側が開口された溝である。そして燃料流通溝１３Ｂは、複数の流通溝部１３Ｃと、複数の折り返し溝部１３Ｄにて構成されている。図３の例は、流通溝部１３Ｃ（１）～１３Ｃ（８）と、折り返し溝部１３Ｄ（１）～１３Ｄ（３）にて構成された燃料流通溝１３Ｂの例を示している。

それぞれの流通溝部１３Ｃ（１）～１３Ｃ（８）は、燃料流通面１３Ａにおける一方縁部（例えば図３の例の左側縁部）の側から、一方縁部とは反対側となる他方縁部（例えば図３の例の右側縁部）の側へと延びるように形成されている。そして単数または隣り合う複数の流通溝部にて、複数の流通溝部グループが形成されている。図３の例では、隣り合う流通溝部１３Ｃ（１）と流通溝部１３Ｃ（２）にて流通溝部グループＧ１が形成され、隣り合う流通溝部１３Ｃ（３）と流通溝部１３Ｃ（４）にて流通溝部グループＧ２が形成されている。同様に、隣り合う２つの流通溝部にて、流通溝部グループＧ３、Ｇ４が形成されている。なお、流通溝部グループを構成する流通溝部は、２つに限定されず、単数でも２つ以上の複数でもよい。

それぞれの折り返し溝部１３Ｄ（１）～１３Ｄ（３）は、隣り合う流通溝部グループに流れる燃料が逆方向となるように、隣り合う流通溝部グループの一方縁部（例えば図３の例の左側縁部）の側の端部、あるいは、隣り合う流通溝部グループの他方縁部（例えば図３の例の右側縁部）の側の端部、を接続している。図３の例では、折り返し溝部１３Ｄ（１）は、隣り合う流通溝部グループＧ１と流通溝部グループＧ２の一方縁部の側の端部を、流通溝部グループＧ１を流れる燃料の方向と、流通溝部グループＧ２を流れる燃料の方向が逆方向となるように接続している。同様に、折り返し溝部１３Ｄ（２）は隣り合う流通溝部グループＧ２と流通溝部グループＧ３の他方縁部の側の端部を接続し、折り返し溝部１３Ｄ（３）は隣り合う流通溝部グループＧ３と流通溝部グループＧ４の一方縁部の側の端部を接続している。

●［燃料流通溝１３Ｂの位置に対応させた親水領域と非親水領域を有する燃料極拡散層１２と燃料極触媒層１１（図４～図６）］
図４及び図５に示すように、燃料極触媒層１１は、親水領域１１Ａと非親水領域１１ＢがＺ軸方向に沿って（燃料流通面１３Ａに沿って流通溝部１３Ｃに直交する方向に沿って）交互に積層されて構成されている。同様に、燃料極拡散層１２は、親水領域１２Ａと非親水領域１２ＢがＺ軸方向に沿って（燃料流通面１３Ａに沿って流通溝部１３Ｃに直交する方向に沿って）交互に積層されて構成されている。親水領域１１Ａ、１２Ａは、親水性を有する領域であり、非親水領域１１Ｂ、１２Ｂは、親水領域１１Ａ、１２Ａよりも親水性が劣る領域である。

また図４（及び図５）に示すように、燃料極触媒層１１の親水領域１１Ａと燃料極拡散層１２の親水領域１２Ａは、Ｚ軸方向（親水領域と非親水領域が交互に積層された領域積層方向ＤＲ２）において位置が一致している。そして親水領域１１Ａ、１２Ａの個所は、流通溝部１３Ｃに対向している燃料極拡散層１２の位置から、燃料極集電体１３から空気極集電体２３に向かう方向である積層方向ＤＲ１（図２におけるＹ軸方向とは反対の方向）に沿って電解質膜３０（図２参照）へと続いている。

図１０に示すように、流通溝部１３Ｃに流れている燃料は、燃料極拡散層１２の親水領域１２Ａに浸透して、燃料極触媒層１１の親水領域１１Ａに浸透する。また、燃料極触媒層１１にて生成された二酸化炭素は、燃料極触媒層１１の非親水領域１１Ｂと燃料極拡散層１２の非親水領域１２Ｂに誘導される。

なお、燃料極触媒層１１の親水領域１１Ａの範囲（図４におけるＸＺ平面上の範囲）、燃料極拡散層１２の親水領域１２Ａの範囲（図４におけるＸＺ平面上の範囲）は、図４に示す例に限定されない。例えば図１１に示すように、流通溝部１３Ｃと折り返し溝部１３Ｄを含む燃料流通溝１３Ｂを覆う範囲でもよいし、図１２に示すように流通溝部１３Ｃの一部を覆う範囲でもよい。従って、親水領域１１Ａ、１２Ａは、空気極集電体２３から燃料極集電体１３の方向を見た場合に、流通溝部１３Ｃの少なくとも一部と対向している範囲（流通溝部１３Ｃの少なくとも一部を覆う範囲）であればよい。

また図６は、燃料極触媒層１１の親水領域１１Ａ、非親水領域１１Ｂの拡大図の例を示している。燃料極触媒層１１の親水領域１１Ａは、小径の電極触媒粒子１１Ｇ、小径の電極触媒繊維１１Ｈ、小径の担持体粒子１１Ｌ、小径の担持体繊維１１Ｋにて層状に形成されており、隣り合う粒子または繊維との隙間は、非親水領域１１Ｂにおける隙間よりも狭い（密とされている）。従って、親水領域１１Ａは、非親水領域１１Ｂよりも液体が浸透しやすい。

燃料極触媒層１１の非親水領域１１Ｂは、大径の電極触媒粒子１１Ｃ、大径の電極触媒繊維１１Ｄ、大径の担持体粒子１１Ｅ、大径の担持体繊維１１Ｆにて層状に形成されており、隣り合う粒子または繊維との隙間は、親水領域１１Ａにおける隙間よりも広い（疎とされている）。従って、非親水領域１１Ｂは、親水領域１１Ａよりも液体が浸透しにくい（親水性が劣る）。電極触媒繊維１１Ｈ、１１Ｄ、電極触媒粒子１１Ｇ、１１Ｃは、燃料極触媒層を形成可能な触媒繊維、触媒粒子に相当している。

同様に、燃料極拡散層１２の親水領域１２Ａは小径のカーボン粒子と小径のカーボン繊維にて層状に形成され、燃料極拡散層１２の非親水領域１２Ｂは大径のカーボン粒子と大径のカーボン繊維にて層状に形成されている。

上記の説明では、粒子と繊維を混在させた例を説明したが、燃料極触媒層１１と燃料極拡散層１２の親水領域１１Ａ、１２Ａは、小径の繊維または小径の粒子の少なくとも一方にて層状に形成されていればよい。また燃料極触媒層１１と燃料極拡散層１２の非親水領域１１Ｂ、１２Ｂは、親水領域の繊維よりも大径の繊維または親水領域の粒子よりも大径の粒子の少なくとも一方にて層状に形成されて、隣り合う繊維または粒子の隙間が、親水領域における隙間よりも広くなるように形成されていればよい。

なお、粒子や繊維の径の大きさで親水領域と非親水領域を区別するのでなく、非親水領域を撥水領域としてもよい。この場合、撥水領域（非親水領域）としたい場所を開口したマスキング部材で覆って、撥水溶液を沁み込ませたり（撥水溶液が沁み込んだ状態としたり）、撥水コーティングを施したりする。なお撥水コーティングを施す場合は、燃料極拡散層１２と燃料極触媒層１１における燃料極集電体１３の側の面に撥水コーティングを施す。

撥水溶液や撥水コーティングに用いる撥水剤としては、各種の撥水剤を用いることができる。例えば、商品名テフロン（登録商標）として知られている、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）を使用することができる。その他にも、ＦＥＰ（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）、ＰＦＡ（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）、ＥＴＦＥ（テトラフルオロエチレン・エチレン共重合体）、ＰＶＤＦ（ポリビニリデンフルオライド）、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフルオロエチレン）、ＥＣＴＦＥ（クロロトリフルオロエチレン・エチレン共重合体）等、各種のフッ素含有樹脂を使用することができる。

●［空気極集電体２３に形成された空気流通溝２３Ｂ（図７）］
次に図７を用いて、空気極集電体２３の空気流通面２３Ａに形成された空気流通溝２３Ｂについて説明する。空気流通溝２３Ｂは、燃料流通溝１３Ｂとほぼ同じ形状とされている。空気流通溝２３Ｂは、空気極集電体２３の上方に設けられた供給口７Ｃ（空気流入口に相当）と、空気極集電体２３の下方に設けられた回収口７Ｄ（空気流出口に相当）と、を接続しており、空気流通面２３Ａの側が開口された溝である。そして空気流通溝２３Ｂは、複数の空気極流通溝部２３Ｃと、複数の空気極折り返し溝部２３Ｄにて構成されている。図７の例は、空気極流通溝部２３Ｃ（１）～２３Ｃ（８）と、空気極折り返し溝部２３Ｄ（１）～２３Ｄ（３）にて構成された空気流通溝２３Ｂの例を示している。

それぞれの空気極流通溝部２３Ｃ（１）～２３Ｃ（８）は、空気流通面２３Ａにおける一方縁部（例えば図７の例の左側縁部）の側から、一方縁部とは反対側となる他方縁部（例えば図７の例の右側縁部）の側へと延びるように形成されている。そして単数または隣り合う複数の空気極流通溝部にて、複数の空気極流通溝部グループが形成されている。図７の例では、隣り合う空気極流通溝部２３Ｃ（１）と空気極流通溝部２３Ｃ（２）にて空気極流通溝部グループＧ１Ａが形成され、隣り合う空気極流通溝部２３Ｃ（３）と空気極流通溝部２３Ｃ（４）にて空気極流通溝部グループＧ２Ａが形成されている。同様に、隣り合う２つの空気極流通溝部にて、空気極流通溝部グループＧ３Ａ、Ｇ４Ａが形成されている。なお、空気極流通溝部グループを構成する空気極流通溝部は、２つに限定されず、単数でも２つ以上の複数でもよい。

それぞれの空気極折り返し溝部２３Ｄ（１）～２３Ｄ（３）は、隣り合う空気極流通溝部グループに流れる空気が逆方向となるように、隣り合う空気極流通溝部グループの一方縁部（例えば図７の例の左側縁部）の側の端部、あるいは、隣り合う空気極流通溝部グループの他方縁部（例えば図７の例の右側縁部）の側の端部、を接続している。図７の例では、空気極折り返し溝部２３Ｄ（１）は、隣り合う空気極流通溝部グループＧ１Ａと空気極流通溝部グループＧ２Ａの一方縁部の側の端部を、空気極流通溝部グループＧ１Ａを流れる空気の方向と、空気極流通溝部グループＧ２Ａを流れる空気の方向が逆方向となるように接続している。同様に、空気極折り返し溝部２３Ｄ（２）は隣り合う空気極流通溝部グループＧ２Ａと空気極流通溝部グループＧ３Ａの他方縁部の側の端部を接続し、空気極折り返し溝部２３Ｄ（３）は隣り合う空気極流通溝部グループＧ３Ａと空気極流通溝部グループＧ４Ａの一方縁部の側の端部を接続している。

●［空気流通溝２３Ｂの位置に対応させた空気極親水領域と空気極非親水領域を有する空気極拡散層２２と空気極触媒層２１（図８、図９）］
図８及び図９に示すように、空気極触媒層２１は、空気極親水領域２１Ａと空気極非親水領域２１ＢがＺ軸方向に沿って（空気流通面２３Ａに沿って空気極流通溝部２３Ｃに直交する方向に沿って）交互に積層されて構成されている。同様に、空気極拡散層２２は、空気極親水領域２２Ａと空気極非親水領域２２ＢがＺ軸方向に沿って（空気流通面２３Ａに沿って空気極流通溝部２３Ｃに直交する方向に沿って）交互に積層されて構成されている。空気極親水領域２１Ａ、２２Ａは、親水性を有する領域であり、空気極非親水領域２１Ｂ、２２Ｂは、空気極親水領域２１Ａ、２２Ａよりも親水性が劣る領域である。

また図８（及び図９）に示すように、空気極触媒層２１の空気極親水領域２１Ａと空気極拡散層２２の空気極親水領域２２Ａは、Ｚ軸方向（空気極親水領域と空気極非親水領域が交互に積層された領域積層方向ＤＲ２）において位置が一致している。そして空気極親水領域２１Ａ、２２Ａの個所は、空気極流通溝部２３Ｃに対向している空気極拡散層２２の位置から、燃料極集電体１３から空気極集電体２３に向かう方向である積層方向ＤＲ１（図２におけるＹ軸方向とは反対の方向）に沿って電解質膜３０（図２参照）へと続いている。

図１０に示すように、空気極流通溝部２３Ｃに流れている空気は、空気極拡散層２２の空気極非親水領域２２Ｂ中に拡散して、空気極触媒層２１の空気極非親水領域２１Ｂ中に拡散する。また、空気極触媒層２１にて生成された水は、空気極触媒層２１の空気極親水領域２１Ａから空気極拡散層２２の空気極親水領域２２Ａへと浸透する。

なお、空気極触媒層２１の空気極非親水領域２１Ｂの範囲（図８におけるＸＺ平面上の範囲）、空気極拡散層２２の空気極非親水領域２２Ｂの範囲（図８におけるＸＺ平面上の範囲）は、図８に示す例に限定されない。例えば図１３に示すように、空気極流通溝部２３Ｃと空気極折り返し溝部２３Ｄを含む空気流通溝２３Ｂを覆う範囲でもよいし、図１４に示すように空気極流通溝部２３Ｃの一部を覆う範囲でもよい。従って、空気極非親水領域２１Ｂ、２２Ｂは、空気極集電体２３から燃料極集電体１３の方向を見た場合に、空気極流通溝部２３Ｃの少なくとも一部と対向している範囲（空気極流通溝部２３Ｃの少なくとも一部を覆う範囲）であればよい。

また、空気極親水領域２１Ａ、２２Ａ、空気極非親水領域２１Ｂ、２２Ｂは、上述した径の異なる粒子や繊維、撥水溶液や撥水コーティングにて同様に実現可能であり、これらについては上述したとおりであるので、説明を省略する。

以上に説明したように、第１の実施の形態の燃料電池７の燃料極拡散層１２及び燃料極触媒層１１は、燃料を親水領域１１Ａ、１２Ａに積極的に誘導し、発生した二酸化炭素を非親水領域１１Ｂ、１２Ｂに積極的に誘導する。従って、燃料極触媒層１１に向けた燃料の拡散が二酸化炭素に阻害されることを、抑制することができる。また、第１の実施の形態の燃料電池７の空気極拡散層２２及び空気極触媒層２１は、大気（酸素）を空気極非親水領域２２Ｂ、２１Ｂに積極的に誘導し、発生した水を空気極親水領域２１Ａ、２２Ａに積極的に誘導する。従って、空気極触媒層２１に向けた大気（酸素）の拡散が水に阻害されることを、抑制することができる。これにより、燃料電池７の出力（発電量）の低下を抑制することができる。

●［第２の実施の形態の燃料電池７ＡＢの構造（図１５、図１６）］
第２の実施の形態の燃料電池システムは、図１に示す第１の実施の形態の燃料電池システム１における燃料電池７を燃料電池７ＡＢに置き換えたものである。つまり、第１の実施の形態と第２の実施の形態は、燃料電池７（図１、図２参照）が燃料電池７ＡＢ（図１５、図１６参照）に置き換えられている。燃料電池７ＡＢは、燃料極拡散層１２と燃料極触媒層１１（図２参照）の代わりに燃料極一体層１４が用いられ、空気極拡散層２２と空気極触媒層２１（図２参照）の代わりに空気極一体層２４が用いられている点が、燃料電池７（図２参照）とは異なる。以下、燃料電池７ＡＢの構造の相違点について主に説明する。

図１５は、燃料電池７ＡＢの斜視図を示しており、図１６は、図１５の燃料電池７ＡＢの分解斜視図を示している。第２の実施の形態の燃料電池７ＡＢは、第１の実施の形態の燃料電池７（図２参照）と同様、空気極２０と燃料極１０にて電解質膜３０を挟んだ構成を有している。なお、空気極２０は、空気極一体層２４、空気極集電体２３が積層されて構成されている。燃料極１０は、燃料極一体層１４、燃料極集電体１３が積層されて構成されている。空気極一体層２４は、空気極拡散層２２と空気極触媒層２１（図２参照）が一体とされて形成されており、空気極拡散層２２と空気極触媒層２１（図２参照）と同様の機能を有する。燃料極一体層１４は、燃料極拡散層１２と燃料極触媒層１１（図２参照）が一体とされて形成されており、燃料極拡散層１２と燃料極触媒層１１（図２参照）と同様の機能を有する。なお、空気極一体層２４の厚さは、空気極拡散層２２と空気極触媒層２１の厚さよりも薄く、燃料極一体層１４の厚さは、燃料極拡散層１２と燃料極触媒層１１の厚さよりも薄い。従って、燃料電池７ＡＢの厚さ（積層方向ＤＲ１の厚さ）は、燃料電池７（図１参照）の厚さ（積層方向ＤＲ１の厚さ）よりも薄いので、燃料電池がより小型化されている。

空気極集電体２３には、周囲の空気（酸素）を空気極一体層２４に流入させるため、圧送された空気（酸素を含む空気）を外部から供給する供給口７Ｃ（空気流入口に相当）が上方に設けられ、使用された空気と発生した水を回収する回収口７Ｄ（空気流出口に相当）が下方に設けられている。

●［燃料極流通溝の位置に対応させた親水領域と非親水領域を有する燃料極一体層１４（図１７）］
燃料極一体層１４は、図５に示す燃料極触媒層１１の親水領域１１Ａ、非親水領域１１Ｂのそれぞれと同じ位置が、図１７に示すように親水領域１４Ａ、非親水領域１４Ｂとされている。そして親水領域１４Ａの個所は、流通溝部１３Ｃ（図３、図１６参照）に対向している燃料極一体層１４の位置から、燃料極集電体１３から空気極集電体２３に向かう方向である積層方向ＤＲ１（図１６におけるＹ軸方向とは反対の方向）に沿って電解質膜３０（図１６参照）へと続いている。

また親水領域１４Ａは、図６に示す小径の電極触媒繊維１１Ｈまたは電極触媒粒子１１Ｇの少なくとも一方にて層状に形成され、非親水領域１４Ｂは、図６に示す大径の電極触媒繊維１１Ｄまたは電極触媒粒子１１Ｃの少なくとも一方にて層状に形成されている。なお、電極触媒繊維１１Ｈ、１１Ｄ、電極触媒粒子１１Ｇ、１１Ｃは、燃料極触媒層を形成可能な触媒繊維、触媒粒子に相当している。非親水領域１４Ｂにおける隣り合う繊維の隙間は、親水領域１４Ａにおける隣り合う繊維の隙間よりも広い。従って、非親水領域１４Ｂは、親水領域１４Ａよりも液体が浸透しにくい（親水性が劣る）。

なお第１の実施の形態と同様に、径が異なる電極触媒繊維でなく、径が異なる電極触媒粒子にて（または径が異なる電極触媒繊維と電極触媒粒子を混合させて）親水領域１４Ａと非親水領域１４Ｂを構成してもよいし、撥水溶液や撥水コーティングにて親水領域１４Ａと非親水領域１４Ｂを構成してもよい。また図１１、図１２に示すように親水領域を形成してもよい。

●［空気極流通溝の位置に対応させた空気極親水領域と空気極非親水領域を有する空気極一体層２４（図１８）］
空気極一体層２４は、図９に示す空気極触媒層２１の空気極親水領域２１Ａ、空気極非親水領域２１Ｂのそれぞれと同じ位置が、図１８に示すように空気極親水領域２４Ａ、空気極非親水領域２４Ｂとされている。そして空気極親水領域２４Ａの個所は、空気極流通溝部２３Ｃ（図３、図１６参照）に対向している空気極一体層２４の位置から、燃料極集電体１３から空気極集電体２３に向かう方向である積層方向ＤＲ１（図１６におけるＹ軸方向とは反対の方向）に沿って電解質膜３０（図１６参照）へと続いている。

また空気極親水領域２４Ａは、小径の電極触媒繊維にて層状に形成され、空気極非親水領域２４Ｂは、大径の電極触媒繊維にて層状に形成されている。空気極非親水領域２４Ｂにおける隣り合う繊維の隙間は、空気極親水領域２４Ａにおける隣り合う繊維の隙間よりも広い。従って、空気極非親水領域２４Ｂは、空気極親水領域２４Ａよりも液体が浸透しにくい（親水性が劣る）。

なお第１の実施の形態と同様に、径が異なる電極触媒繊維でなく、径が異なる電極触媒粒子にて（または径が異なる電極触媒繊維と電極触媒粒子を混合させて）空気極親水領域２４Ａと空気極非親水領域２４Ｂを構成してもよいし、撥水溶液や撥水コーティングにて空気極親水領域２４Ａと空気極非親水領域２４Ｂを構成してもよい。また図１３、図１４に示すように、空気極非親水領域を形成してもよい。

以上の構成により、第１の実施の形態と同様、燃料を親水領域１４Ａに積極的に誘導し、発生した二酸化炭素を非親水領域１４Ｂに積極的に誘導する。従って、燃料極一体層１４に向けた燃料の拡散が二酸化炭素に阻害されることを、抑制することができる。また第１の実施の形態と同様、大気（酸素）を空気極非親水領域２４Ｂに積極的に誘導し、発生した水を空気極親水領域２４Ａに積極的に誘導する。従って、空気極一体層２４に向けた大気（酸素）の拡散が水に阻害されることを、抑制することができる。これにより、燃料電池７ＡＢの出力（発電量）の低下を抑制することができる。

本発明の、燃料電池７、７ＡＢは、本実施の形態で説明した構成、構造、形状、外観等に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲で種々の変更、追加、削除が可能である。例えば、ギ酸の代わりにメタノール等のアルコールを含む液体を燃料としてもよい。

第２の実施の形態では、燃料極一体層と空気極一体層を有する燃料電池の例を説明したが、空気極一体層の代わりに空気極拡散層と空気極触媒層を有する燃料電池であってもよい。また、第１及び第２の実施の形態の説明では、燃料極１０に親水領域と非親水領域を設けることに加えて、空気極２０に空気極親水領域と空気極非親水領域を設ける例を説明したが、燃料極１０に親水領域と非親水領域を設ければ、空気極２０に空気極親水領域と空気極非親水領域を設けなくてもよい。

本実施の形態の説明では、流通溝部グループＧ１～Ｇ４のそれぞれに２本の流通溝部１３Ｃ、空気極流通溝部Ｇ１Ａ～Ｇ４Ａのそれぞれに２本の空気極流通溝部２３Ｃ、を有する例を説明したが１つの流通溝部グループ、空気極流通溝部グループに、何本の流通溝部、空気極流通溝部が含まれていてもよい。また本実施の形態の説明では、燃料流通溝１３Ｂと空気流通溝２３Ｂが、ほぼ同一形状（ほぼ重なる形状）の例を説明したが、燃料流通溝１３Ｂと空気流通溝２３Ｂの形状は、異なる形状であってもよい。

また燃料極の親水領域と非親水領域の構造や作成方法、空気極の空気極親水領域と空気極非親水領域の構造や作成方法は、本実施の形態にて説明した構造や作成方法でなくてもよい。

１ 燃料電池システム
７、７ＡＢ 燃料電池
７Ａ 燃料流入口
７Ｂ 燃料流出口
７Ｃ 供給口（空気流入口）
７Ｄ 回収口（空気流出口）
１０ 燃料極
１１ 燃料極触媒層
１１Ａ、１２Ａ 親水領域
１１Ｂ、１２Ｂ 非親水領域
１１Ｃ、１１Ｇ 電極触媒粒子（触媒粒子）
１１Ｄ、１１Ｈ 電極触媒繊維（触媒繊維）
１１Ｅ、１１Ｌ 担持体粒子
１１Ｆ、１１Ｋ 担持体繊維
１２ 燃料極拡散層
１３ 燃料極集電体
１３Ａ 燃料流通面
１３Ｂ 燃料流通溝
１３Ｃ 流通溝部
１３Ｄ 折り返し溝部
１３Ｅ ランド部
１４ 燃料極一体層
１４Ａ 親水領域
１４Ｂ 非親水領域
２０ 空気極
２１ 空気極触媒層
２１Ａ、２２Ａ 空気極親水領域
２１Ｂ、２２Ｂ 空気極非親水領域
２２ 空気極拡散層
２２Ｍ 大気側面
２３ 空気極集電体
２３Ａ 空気流通面
２３Ｂ 空気流通溝
２３Ｃ 空気極流通溝部
２３Ｄ 空気極折り返し溝部
２４ 空気極一体層
２４Ａ 空気極親水領域
２４Ｂ 空気極非親水領域
２４Ｍ 大気側面
３０ 電解質膜
５０ 燃料タンク
５１ 燃料供給配管
５２ ポンプ
６０ 排液タンク
６１ 燃料排出配管
６２ 回収配管
ＤＲ１ 積層方向
ＤＲ２ 領域積層方向
Ｇ１～Ｇ４ 流通溝部グループ

Claims (6)

1. ギ酸またはアルコールを含む液体を燃料とする直接液体型の燃料電池であって、
   燃料極触媒層と燃料極拡散層と燃料極集電体とを有する燃料極と、
   空気極触媒層と空気極拡散層と空気極集電体とを有する空気極と、
   前記燃料極の前記燃料極触媒層と前記空気極の前記空気極触媒層とに挟まれた電解質膜と、
   を有し、
   前記燃料極集電体には、前記燃料が供給される燃料流入口と、前記燃料が排出される燃料流出口と、が設けられており、
   前記燃料極集電体における前記燃料極拡散層の側の面である燃料流通面には、前記燃料を、前記燃料極拡散層に接触させながら前記燃料流通面に沿って前記燃料流入口から前記燃料流出口へと導く燃料流通溝が形成されており、
   前記燃料極拡散層と前記燃料極触媒層は、親水領域と、前記親水領域よりも親水性が劣る非親水領域と、を有しており、
   前記燃料流通溝の少なくとも一部と対向している前記燃料極拡散層の位置から、前記燃料極集電体から前記空気極集電体に向かう方向である積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記燃料極拡散層の個所と前記燃料極触媒層の個所は、前記親水領域とされており、
   前記燃料極拡散層と前記燃料極触媒層の前記親水領域は、小径の繊維または小径の粒子の少なくとも一方にて層状に形成されており、
   前記燃料極拡散層と前記燃料極触媒層の前記非親水領域は、前記親水領域の繊維よりも大径の繊維または前記親水領域の粒子よりも大径の粒子の少なくとも一方にて層状に形成されているとともに、隣り合う前記繊維または前記粒子との隙間が前記親水領域における前記隙間よりも広くなるように形成されている、
   燃料電池。
2. 請求項１に記載の燃料電池であって、
   前記燃料流通溝は、複数の流通溝部と複数の折り返し溝部とを有しており、
   それぞれの前記流通溝部は、前記燃料流通面における一方縁部の側から、前記一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成されており、
   単数または隣り合う複数の前記流通溝部にて、複数の流通溝部グループが形成され、
   隣り合う前記流通溝部グループに流れる燃料が逆方向となるように、隣り合う前記流通溝部グループの前記一方縁部の側の端部、あるいは、隣り合う前記流通溝部グループの前記他方縁部の側の端部、がそれぞれの前記折り返し溝部にて接続されており、
   少なくとも前記流通溝部と対向している前記燃料極拡散層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記燃料極拡散層の個所と前記燃料極触媒層の個所は、前記親水領域とされている、
   燃料電池。
3. 請求項１または２に記載の燃料電池であって、
   前記空気極集電体には、酸素を含む空気が供給される空気流入口と、前記空気が排出される空気流出口と、が設けられており、
   前記空気極集電体における前記空気極拡散層の側の面である空気流通面には、前記空気を、前記空気極拡散層に接触させながら前記空気流通面に沿って前記空気流入口から前記空気流出口へと導く空気流通溝が形成されており、
   前記空気極拡散層と前記空気極触媒層は、空気極親水領域と、前記空気極親水領域よりも親水性が劣る空気極非親水領域と、を有しており、
   前記空気流通溝の少なくとも一部と対向している前記空気極拡散層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記空気極拡散層の個所と前記空気極触媒層の個所は、前記空気極非親水領域とされている、
   燃料電池。
4. ギ酸またはアルコールを含む液体を燃料とする直接液体型の燃料電池であって、
   燃料極触媒層と燃料極拡散層が一体とされた燃料極一体層と、燃料極集電体と、を有する燃料極と、
   空気極触媒層と空気極拡散層が一体とされた空気極一体層と空気極集電体、あるいは、空気極触媒層と空気極拡散層と空気極集電体、を有する空気極と、
   前記燃料極の前記燃料極一体層と前記空気極の前記空気極一体層とに挟まれた電解質膜、あるいは、前記燃料極の前記燃料極一体層と前記空気極の前記空気極触媒層とに挟まれた電解質膜と、
   を有し、
   前記燃料極集電体には、前記燃料が供給される燃料流入口と、前記燃料が排出される燃料流出口と、が設けられており、
   前記燃料極集電体における前記燃料極一体層の側の面である燃料流通面には、前記燃料を、前記燃料極一体層に接触させながら前記燃料流通面に沿って前記燃料流入口から前記燃料流出口へと導く燃料流通溝が形成されており、
   前記燃料極一体層は、親水領域と、前記親水領域よりも親水性が劣る非親水領域と、を有しており、
   前記燃料流通溝の少なくとも一部と対向している前記燃料極一体層の位置から、前記燃料極集電体から前記空気極集電体に向かう方向である積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記燃料極一体層の個所は、前記親水領域とされており、
   前記燃料極一体層は、前記燃料極触媒層を形成可能な触媒繊維または触媒粒子の少なくとも一方を含んでおり、
   前記燃料極一体層の前記親水領域は、小径の前記触媒繊維または小径の前記触媒粒子を含んで層状に形成されており、
   前記燃料極一体層の前記非親水領域は、前記親水領域の前記触媒繊維よりも大径の前記触媒繊維または前記親水領域の前記触媒粒子よりも大径の前記触媒粒子を含んで層状に形成されているとともに、隣り合う前記触媒繊維または前記触媒粒子との隙間が前記親水領域における前記隙間よりも広くなるように形成されている、
   燃料電池。
5. 請求項４に記載の燃料電池であって、
   前記燃料流通溝は、複数の流通溝部と複数の折り返し溝部とを有しており、
   それぞれの前記流通溝部は、前記燃料流通面における一方縁部の側から、前記一方縁部とは反対側となる他方縁部の側へと延びるように形成されており、
   単数または隣り合う複数の前記流通溝部にて、複数の流通溝部グループが形成され、
   隣り合う前記流通溝部グループに流れる燃料が逆方向となるように、隣り合う前記流通溝部グループの前記一方縁部の側の端部、あるいは、隣り合う前記流通溝部グループの前記他方縁部の側の端部、がそれぞれの前記折り返し溝部にて接続されており、
   少なくとも前記流通溝部と対向している前記燃料極一体層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記燃料極一体層の個所は、前記親水領域とされている、
   燃料電池。
6. 請求項４または５に記載の燃料電池であって、
   前記空気極集電体には、酸素を含む空気が供給される空気流入口と、前記空気が排出される空気流出口と、が設けられており、
   前記空気極集電体における前記空気極一体層あるいは前記空気極拡散層の側の面である空気流通面には、前記空気を、前記空気極一体層あるいは前記空気極拡散層に接触させながら前記空気流通面に沿って前記空気流入口から前記空気流出口へと導く空気流通溝が形成されており、
   前記空気極一体層、あるいは、前記空気極拡散層と前記空気極触媒層は、空気極親水領域と、前記空気極親水領域よりも親水性が劣る空気極非親水領域と、を有しており、
   前記空気流通溝の少なくとも一部と対向している前記空気極一体層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記空気極一体層の個所は、前記空気極非親水領域とされている、あるいは、前記空気流通溝の少なくとも一部と対向している前記空気極拡散層の位置から、前記積層方向に沿って前記電解質膜へと続く、前記空気極拡散層の個所と前記空気極触媒層の個所は、前記空気極非親水領域とされている、
   燃料電池。
   
   

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