JPWO2006101033A1 - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

カソード触媒層２とアノード触媒層３との間にプロトン伝導性膜６を配置した膜電極接合体１と、上記カソード触媒層２に空気を供給する空気導入口１４を有する外装ケース１５と、上記膜電極接合体１のカソード触媒層２側に配置したカソード導電層７ａと、上記膜電極接合体１のアノード触媒層３側に配置したアノード導電層７ｂと、液体燃料の気化成分を上記アノード触媒層３に供給する燃料を貯留する液体燃料タンク９とを具備する燃料電池であって、上記アノード導電層７ｂおよび膜電極接合体１を支持し外装ケース１５側に押圧する支持突起１６が液体燃料タンク９の底部から突設されていることを特徴とする燃料電池である。上記構成によれば、液体燃料の気化成分をアノード触媒層に供給する方式の燃料電池であり、特に発電部の変形が少なく良好な電池特性を発揮できる燃料電池を提供できる。

Description

本発明は、液体燃料を気化させた気化燃料をアノード触媒層に供給する方式の燃料電池に係り、特に発電部の変形が少なく良好な電池特性を発揮できる燃料電池に関する。

近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤としての空気とを供給するだけで発電することが可能であり、実質的に燃料のみを補給すれば長時間連続して発電できるという利点を有しているため、小型化が実現すれば携帯電子機器の作動電源として極めて有利なシステムといえる。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）は、エネルギー密度が高いメタノールを燃料として用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、改質器も不要なことから小型化が可能であり、燃料の取り扱いも水素ガスを燃料として使用する電池と比較して容易なことから小型機器用電源として有望である。

上記ＤＭＦＣにおける燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣと、更に、特許文献１に示すような内部気化型ＤＭＦＣ等が知られている。

特許文献１に示す内部気化型ＤＭＦＣは、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を拡散させるための燃料気化層とを備えるもので、気化した液体燃料が燃料気化層から燃料極に供給される。特許文献１に記載された燃料電池では、液体燃料としてメタノールと水が１：１のモル比で混合されたメタノール水溶液が使用され、メタノールと水の双方を気化ガスの形で燃料極に供給している。

特許第３４１３１１１号公報

このような特許文献１に示す従来の内部気化型ＤＭＦＣによると、軟質な発電部が変形し易く集電特性が変化し易いために十分に高い出力特性を得られなかった。すなわち、発電部を構成する膜電極接合体やそれに接合される導電層がいずれも軟弾性または可撓性を有する薄体材料や金属箔で形成されている一方、上記発電部に対向する液体燃料タンクの上部には気化燃料を貯留する空間が形成されているために、外装ケースと燃料タンクとの締め付け圧を高くしても、発電部が対向する液体燃料タンクの上部空間側に発電部が撓み易くなり、発電部を構成する膜電極接合体内の部材相互間の密着度が低下し、また発電部から電流を取り出す集電体との集電特性が変化し、電池出力が低下し易い問題点があった。

また、上記発電部の変形を防止するために、剛性が高い押え板をアノード導電層側に配置した構成も実用化されているが、この押え板によって燃料電池の小型化が困難になる問題点もあった。

発明の開示
本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、液体燃料の気化成分をアノード触媒層に供給する方式を採用した燃料電池の発電部の変形を効果的に防止でき良好な電池特性を発揮できる燃料電池を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、カソード触媒層とアノード触媒層との間にプロトン伝導性膜を配置した膜電極接合体と、上記カソード触媒層に空気を供給する空気導入口を有する外部ケースと、上記膜電極接合体のカソード触媒層側に配置したカソード導電層と、上記膜電極接合体のアノード触媒層側に配置したアノード導電層と、液体燃料の気化成分を上記アノード触媒層に供給する燃料を貯留する液体燃料タンクとを具備する燃料電池であって、上記アノード導電層および膜電極接合体を支持し外装ケース側に押圧する支持突起が液体燃料タンクの底部から突設されていることを特徴とする。

上記燃料電池によれば、発電部を構成する膜電極接合体やそれに接合される導電層が支持突起によって外装ケース側に押圧されるために、発電部が対向する液体燃料タンクの上部空間側に発電部が撓むことが効果的に防止でき、発電部を構成する部材相互間の密着度が高まる。そのため集電特性が変化することが少なく、電池出力特性を向上させることができる。

また上記燃料電池において、前記支持突起の断面積が液体燃料タンクの断面積に占める面積比率が３〜５０％の範囲であることが好ましい。この支持突起の面積比率が３％未満と過小な場合には、支持突起によるアノード導電層および膜電極接合体を外装ケース側に押圧する作用が不十分であり、発電部の撓みが解消せず、構成部材相互の密着性が不十分になると共に、アノードとカソードの電極間のインピーダンスが高くなり電池特性が低下してしまう。一方、上記支持突起の面積比率が５０％を超えるように過大になると、液体燃料タンク内に占める支持突起の体積が相対的に増加するために、燃料ガスの流通容積（燃料パス）が減少し燃料供給量も減少してしまうために、電池出力が低下する。したがって、上記支持突起の面積比率は３〜５０％の範囲とされるが、４〜４０％の範囲がより好ましく、５〜３０％の範囲がさらに好ましい。

なお、上記支持突起の数は１本に限らず複数本を分散して立設すると良い。特に複数のアノード導電層が形成される場合に、その幅方向の各中央部に支持突起の先端部が当接し、かつそのような支持突起がアノード導電層の長手方向に間隔をおいて複数本配置されるように構成することにより、発電部に生じる応力を分散させることが可能になるので好ましい。この場合、支持突起の断面積は、各支持突起の断面積の合計値を意味することは言うまでもない。

さらに上記燃料電池において、前記外装ケースに形成された空気導入口の中心軸が、前記支持突起の中心軸から偏移していることが好ましい。この空気導入口の中心軸が、前記支持突起の中心軸と一致するように構成した場合には、支持突起による支持押圧力が外装ケースに作用せずに、薄い発電部を介して空気導入口から逃げ易くなり、発電部の構成部材相互を密着させる押圧力が不十分となり、集電性が悪化し発電特性が低下してしまう。

また上記燃料電池において、前記支持突起が液体燃料タンクからアノード導電層への方向に縮径していることが好ましい。この支持突起の側面の傾斜角度は中心軸線に対して１〜３度程度で十分である。

上記支持突起は円柱状、円錐台状または四角柱状であれば、燃料タンク内における燃料の流路抵抗を低くすることが可能である。特に上記支持突起が液体燃料タンクからアノード導電層への方向に縮径するように構成することにより、燃料タンクと支持突起とを射出成形等により一体に成形した場合に支持突起に抜き角が形成されるため、成形品を成形型から容易に取り出すことが可能になる。

上記支持突起の形状としては、円柱状、円錐台状または四角柱状など膜電極接合体を支持できる構造であれば、その形状は特に限定されるものではない。

具体的には、例えば図５に示すように液体燃料タンク９の底部から立設される複数の梁状の突起板１７、１７を井桁状に組み合わせても良い。この突起板１７は、例えば図６に示すように、液体燃料タンク９の底面に対向して液体燃料の流通穴１８が複数形成されており、また底部には固定突起１９が形成されており、さらに上縁部には直交する他の突起板１７（図５における縦方向の突起板）を嵌め込むための溝２０が形成されている。上記突起板１７の下部に形成された固定突起１９を、液体燃料タンク９の底部に形成した嵌合穴２１に嵌合させることにより、突起板１７が液体燃料タンク９に一体的に固定される。

上記突起板１７による取り付け構造によれば、液体燃料タンク９内における液体燃料が流通穴１８を通り移動自在であるために、液体燃料の移動流路が十分に確保できる。

また、膜電極接合体を支持する前記支持突起１６の液体燃料タンク９への取り付け構造としては、図７〜図９に示す方式を採用することもできる。すなわち、図７に示すように支持突起１６ａの下端面に形成した固定突起１９を、液体燃料タンク９の底部に形成した嵌合穴２１に嵌合させることにより、支持突起１６ａが液体燃料タンク９に一体的に固定される。

さらに図８に示すように、立設する複数の支持突起１６ｂと、それらの支持突起１６ｂの配置間隔を規定する基板２２と、この基板２２の背面に形成する固定突起１９とを一体に成形した成形体を調製し、上記固定突起１９を、液体燃料タンク９の底部に形成した嵌合穴２１に嵌合させることにより、各支持突起１６ｂが液体燃料タンク９に一体的に固定される。

また図９に示すように、立設する複数の支持突起１６ｃと、それらの支持突起１６ｃの配置間隔を規定する基板２２ａとを一体に成形した成形体を調製し、この成形体の基板２２ａを、液体燃料タンク９の底部に樹脂溶着させることにより、溶着部２３を介して基板２２ａおよび各支持突起１６ｃが液体燃料タンク９に一体的に固定される構造でも良い。

上記液体燃料タンクと支持突起とを構成する材料としては、液体燃料タンクが樹脂または金属で形成される場合には、金属製または樹脂製の支持突起を組み合わせることが好適である。液体燃料タンクを金属で形成する場合には、金型プレス加工、エッチング加工、切削加工等によって作製される。また、液体燃料タンクを樹脂で形成する場合には、切削加工、射出成形加工等によって作製される。一方、支持突起は、樹脂または金属いずれの場合でも、切削加工や金型加工等によって作製される。

上記金属材料としては、ステンレス鋼やセラミックス材料等の耐薬品性が高い材料を採用することが好ましい。また、通常の金属材に耐薬品性コーティング層を施工した材料でも良い。一方、樹脂材料としては、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）等の耐薬品性を有する熱可塑性プラスチック材料が好適に使用できる。

さらに上記燃料電池において、前記カソード触媒層において生成した水の蒸散を抑止する保湿板を、前記外装ケースと前記カソード触媒層との間に配置して構成することが好ましい。

また上記燃料電池において、前記液体燃料は、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液もしくは液体のメタノールであることが好ましい。

さらに上記燃料電池において、前記プロトン伝導性膜は、パーフルオロカーボン系樹脂を含有し、その厚さが１００μｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る燃料電池によれば、発電部を構成する膜電極接合体やそれに接合される導電層が支持突起によって外装ケース側に押圧されるために、発電部が対向する液体燃料タンクの上部空間側に発電部が撓むことが効果的に防止でき、発電部を構成する部材相互間の密着度が高まる。そのため集電特性が変化することが少なく、電池出力特性を向上させることができる。

本発明者らは発電部の撓みを防止できる電池構造について鋭意研究を重ねた結果、特にアノード導電層および膜電極接合体を支持し外装ケース側に押圧する支持突起を液体燃料タンクの底部から突設したときに、発電部が対向する液体燃料タンクの上部空間側に発電部が撓むことが効果的に防止でき、また発電部を構成する部材相互間の密着度が高まり、集電特性が変化せず一定に保持することができ、電池の出力特性を向上させることができるという知見を得た。

また、従来のように上記発電部の変形を防止するために、剛性が高い押え板を別途アノード導電層側に配置する必要もなく、燃料タンクと外装ケースにより発電部を挟み込むことができ電池構成を簡略化できるという知見も得られた。

以下、本発明に係る燃料電池の一実施形態である直接メタノール型燃料電池について添付図面を参照して説明する。

まず、第一の実施形態について説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の構成を示す模式的な断面図である。図２は本実施形態に係る燃料電池の組立て状態を示す斜視分解図である。

図１および図２に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１は、カソード触媒層２及びカソードガス拡散層４からなるカソード極と、アノード触媒層３及びアノードガス拡散層５からなるアノード極と、カソード触媒層２とアノード触媒層３の間に配置されるプロトン伝導性の電解質膜６とを備えるものである。

カソード触媒層２及びアノード触媒層３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。アノード触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、カソード触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものでは無い。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を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。

プロトン伝導性電解質膜６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フッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定される物ではない。

図１に示すように、上記カソード触媒層２はカソードガス拡散層４の下面側に積層される一方、アノード触媒層３はアノードガス拡散層５の上面側に積層されている。カソードガス拡散層４はカソード触媒層２に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、カソード触媒層２の集電体も兼ねている。一方、アノードガス拡散層５はアノード触媒層３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３の集電体も兼ねている。カソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂは、それぞれ、カソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５と接している。カソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂには、例えば、金などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）をそれぞれ使用することが出来る。

矩形枠状のカソードシール材８ａは、カソード導電層７ａとプロトン伝導性電解質膜６との間に位置すると共に、カソード触媒層２及びカソードガス拡散層４の周囲を気密に囲んでいる。一方、矩形枠状のアノードシール材８ｂは、アノード導電層７ｂとプロトン伝導性電解質膜６との間に位置すると共に、アノード触媒層３及びアノードガス拡散層５の周囲を気密に囲んでいる。カソードシール材８ａ及びアノードシール材８ｂは、膜電極接合体１からの燃料漏れ及び酸化剤漏れを防止するためのオーリングである。

膜電極接合体１の下方には、液体燃料タンク９が配置されている。液体燃料タンク９内の底部には、上記アノード導電層７ｂおよび膜電極接合体１を支持し外装ケース１５側に押圧する複数本の支持突起１６が突設されている。各支持突起１６は液体燃料タンク９からアノード導電層７ｂへの方向に縮径する形状に形成されている。この複数本の支持突起１６の基底部における断面積の合計値が液体燃料タンク９の空間部の断面積に占める面積比率は７％とされている。

一方、膜電極接合体１の上面側には、後述する保湿板１３を介して外装ケース１５が装着されており、この外装ケース１５には電池内に空気を導入するための空気導入口１４が穿設されている。なお、上記外装ケース１５に形成された空気導入口１４の中心軸Ｃ１が、前記支持突起１６の中心軸Ｃ２から偏移するように両者の位置が規定されている。具体的には、隣接する複数の空気導入口１４、１４の中間位置に、支持突起１６の中心軸Ｃ２が位置するようにして、空気導入口１４の中心軸Ｃ１と支持突起１６の中心軸Ｃ２とが一致しないように両者の位置が規定されている。

前記液体燃料タンク９内には、液体のメタノールあるいはメタノール水溶液などの液体燃料Ｌが収容されている。液体燃料タンク９の開口端に液体燃料の気化成分のみを透過させて、液体燃料は透過できない燃料気化層１７が配置されている。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合ガスを意味する。

一方、膜電極接合体１の上部に積層されたカソード導電層７ａ上には、カソード触媒層において生成した水の蒸散を抑止する保湿板１３を積層しても良い。酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口１４が複数個形成された外装ケース１５は、保湿板１３の上に積層されている。外装ケース１５は、膜電極接合体１を含むスタックを加圧してその密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属から形成される。保湿板１３は、カソード触媒層２において生成した水の蒸散を抑止する役割をなすと共に、カソードガス拡散層４に酸化剤を均一に導入することによりカソード触媒層２への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての役割も果たしている。

上述したような構成を有する実施形態に係る直接メタノール型燃料電池によれば、液体燃料タンク９内の液体燃料（例えばメタノール水溶液）が気化し、気化したメタノールと水が気液分離膜１０を拡散し、気化燃料収容室１２に一旦収容され、そこから徐々にアノードガス拡散層５を拡散してアノード触媒層３に供給され、以下の反応式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。

また、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料気化層からの水の供給がないため、カソード触媒層２に混入したメタノールの酸化反応により生成した水やプロトン伝導性電解質膜６中の水分等がメタノールと反応して前述した（１）式の内部改質反応が生じるか、あるいは前述した（１）式によらない水不使用の反応機構で内部改質反応が生じる。

これら内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）はプロトン伝導性電解質膜６を拡散してカソード触媒層３に到達する。一方、外装ケース１５の空気導入口１４から取り入れられた空気は、保湿板１３とカソードガス拡散層４を拡散してカソード触媒層２に供給される。カソード触媒層２では、下記（２）式に示す反応によって水が生成する、つまり発電反応が生じる。

発電反応が進行すると、前述した（２）式の反応などによってカソード触媒層２中に生成した水が、カソードガス拡散層４内を拡散して保湿板１３に到達し、保湿板１３によって蒸散を阻害され、カソード触媒層２中の水分貯蔵量が増加する。このため、発電反応の進行に伴ってカソード触媒層２の水分保持量がアノード触媒層３の水分保持量よりも多い状態を作り出すことができる。その結果、浸透圧現象によって、カソード触媒層２に生成した水がプロトン伝導性電解質膜６を通過してアノード触媒層３に移動する反応が促進されるため、アノード触媒層３への水供給速度を高めることができ、前述した（１）式に示すメタノールの内部改質反応を促すことができる。このため、出力密度を高くすることができると共に、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。

また、液体燃料として濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液か、純メタノールを使用することによって、内部改質反応に、カソード触媒層２からアノード触媒層３に拡散してきた水がもっぱら使用されるようになり、アノード触媒層３への水供給が安定して行なわれるようになるため、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低くすることができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上することができる。さらに、液体燃料タンクの小型化を図ることも可能である。なお、純メタノールの純度は、９５重量％以上１００重量％以下にすることが望ましい。

パーフルオロカーボン系のプロトン伝導性電解質膜を使用した燃料電池における最大出力とプロトン伝導性電解質膜の厚さとの関係を調査すると、プロトン伝導性電解質膜６の厚さを１００μｍ以下の範囲とすることにより、電池の最大出力を高くすることができることが確認されている。このようにプロトン伝導性電解質膜６の厚さを１００μｍ以下にすることにより高出力が得られる理由は、カソード触媒層２からアノード触媒層３への水の拡散をさらに促すことが可能になったためである。但し、プロトン伝導性電解質膜６の厚さを１０μｍ未満にすると、電解質膜４の強度が低下する恐れがあることから、プロトン伝導性電解質膜６の厚さは１０〜１００μｍの範囲にすることがより好ましい。より好ましくは、１０〜８０μｍの範囲である。

本実施形態に係る燃料電池によれば、発電部を構成する膜電極接合体１やそれに接合される導電層７ａ、７ｂが支持突起１６によって外装ケース１５側に押圧されるために、発電部が対向する液体燃料タンク９の上部空間側に発電部が撓むことが効果的に防止でき、発電部を構成する部材相互間の密着度が高まる。そのため集電特性が変化することが少なく、電池出力特性を向上させることができる。

また、支持突起１６の断面積が液体燃料タンク９の断面積に占める面積比率を１０％と適正に設定しているため、支持突起１６によるアノード導電層７ｂおよび膜電極接合体１を外装ケース１５側に押圧する作用が十分に発揮され、発電部の撓みが解消し構成部材相互の密着性が十分になると共に、アノードとカソードの電極間のインピーダンスが低くなり電池特性が向上する。

また間隔をおいて複数の支持突起１６を分散して立設しているため、発電部に生じる応力を分散させることが可能になった。さらに、前記外装ケース１５に形成された空気導入口１４の中心軸Ｃ１が、支持突起１６の中心軸Ｃ２から偏移するように配置されているために、支持突起１６による支持押圧力が薄い発電部を介して空気導入口１４から逃げることがなく、外装ケース１５に効果的に作用する。したがって、発電部の構成部材相互を密着させる押圧力が十分となり、集電性が低下することが少ない。

さらに、支持突起１６が液体燃料タンク９からアノード導電層７ｂへの方向に縮径するように構成されているため、液体燃料タンク９と支持突起１６とを射出成形等により一体に成形した場合に支持突起１６に抜き角が形成されるため、成形品を成形型から容易に取り出すことが可能になる。

本発明においては、上記各実施形態に限らず、カソード触媒層２において生成した水をプロトン伝導性膜６を通して前記アノード触媒層３に供給する構成を採用することで、アノード触媒層３への水供給が促進され、かつ水供給が安定して行われるものであれば、何ら限定されるものではない。

なお、液体燃料タンク９に収容す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く、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、蟻酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、液体燃料タンク９には、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。

［実施例］
以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。

（実施例１）
＜アノード極の作製＞
アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールとを添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが４５０μｍのアノード触媒層を得た。

＜カソード極の作製＞
カソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールとを加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが４００μｍであるカソード触媒層を得た。

アノード触媒層とカソード触媒層との間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０質量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。また、カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂとして、所定形状の金箔をカソードガス拡散層４およびアノードガス拡散層５に貼り付けた。

燃料気化層として厚さが１００μｍ、硬度５０°（ＪＩＳ Ｋ ６２５３）のシリコーンゴムを用意した。

一方、保湿板として厚さが５００μｍであり、透気度が２秒／１００ｃｍ^３（ＪＩＳ Ｐ−８１１７）であり、透湿度が４０００ｇ／ｍ^２・２４ｈ（ＪＩＳ Ｌ−１０９９ Ａ−１法）のポリエチレン製多孔質フィルムを用意した。

一方、軸方向に３度の傾斜角度（抜き角）で側面を形成した支持突起を複数本突設した液体燃料タンクを多数用意した。なお、各液体燃料タンクにおける各支持突起の断面積の合計値が、液体燃料タンクの断面積に占める面積比率が３〜６５％の範囲で変化するように各液体燃料タンクを調製した。

得られた膜電極接合体１、カソード導電層７ａ、アノード導電層７ｂ、保湿板１３、液体燃料タンク９、燃料気化層１７を積層固定して前述した図１に示す構造を有する実施例に係る内部気化型の直接メタノール型燃料電池を組み立てた。この際、燃料タンクには、純度が９９．９重量％の純メタノールを２ｍＬ収容した。

（比較例１）
実施例において形成した支持突起１６を形成しない点以外は、前述した実施例と同様に処理して実施例と同一寸法を有する比較例１に係る内部気化型の直接メタノール型燃料電池を組み立てた。

（比較例２）
実施例において形成した支持突起１６を形成しない点およびアノード導電層７ｂと液体燃料タンク９との間に剛性が高い多孔金属板を介装した点以外は、実施例と同一構造を有する比較例２に係る内部気化型の直接メタノール型燃料電池を組み立てた。

上記各実施例に係る燃料電池によれば、発電部を構成する膜電極接合体１やそれに接合される導電層７ａ、７ｂが支持突起１６によって外装ケース１５側に押圧されるために、発電部が対向する液体燃料タンク９の上部空間側に発電部が撓むことが効果的に防止でき、発電部を構成する部材相互間の密着度が高まる結果、集電特性が変化することが少なく、電池出力特性を向上させることができた。

一方、比較例１に係る燃料電池では、外装ケース１５と燃料タンク９との締め付け圧を高くしても、発電部が対向する液体燃料タンク９の上部空間側に発電部の撓みが経時的に進行して発電部を構成する部材相互間の密着度が低下して集電特性が変化し電池出力が低下し易い電池が１１％程度発生し、電池特性の維持信頼性が低下する割合が多かった。

一方、比較例２に係る燃料電池では、剛性が高い多孔金属板（押え板）をアノード導電層７ｂ側に配置しているために、発電部の変形はある程度は防止できるが、この多孔金属板によって燃料気化ガスの流通が阻害されて電池特性が平均して実施例と比較して１７％程度低下することが判明した。また、剛性が高く厚さが大きい金属板を必要とするために、燃料電池の小型化・薄型化が困難になることも再確認できた。

図３は各実施例に係る燃料電池を定格運転した場合における支持突起の面積比率と電池出力の平均値との関係を示すグラフであり、図４は支持突起の面積比率と電極間のインピーダンスの平均値との関係を示すグラフである。

図３に示す結果から明らかなように、支持突起の断面積の合計値が液体燃料タンクの空間部の断面積に占める面積比率を５０％以下の範囲とすることにより、支持突起を設けない場合と比較して電池出力平均値の低下を１０％以内とすることができた。

図４に示す結果から明らかなように、支持突起の断面積の合計値が液体燃料タンクの空間部の断面積に占める面積比率を３％以上の範囲とすることにより、電極間のインピーダンスを大幅に低下させることが可能であることが判明した。

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。

本発明の一実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の構造例を示す模式的な断面図。 図１に示す実施形態に係る燃料電池の組立て状態を示す分解斜視図。 各実施例に係る燃料電池を定格運転した場合における支持突起の面積比率と電池出力の平均値との関係を示すグラフ。 各実施例に係る燃料電池における支持突起の面積比率と電極間のインピーダンスの平均値との関係を示すグラフ。 支持突起の他の構成例を示す平面図。 図５におけるＶＩ−ＶＩ矢視断面図。 支持突起を液体燃料タンクへ取り付ける構成例を示す断面図。 支持突起を液体燃料タンクへ取り付ける他の構成例を示す断面図。 支持突起を液体燃料タンクへ取り付けるその他の構成例を示す断面図。

Claims (7)

1. カソード触媒層とアノード触媒層との間にプロトン伝導性膜を配置した膜電極接合体と、上記カソード触媒層に空気を供給する空気導入口を有する外装ケースと、上記膜電極接合体のカソード触媒層側に配置したカソード導電層と、上記膜電極接合体のアノード触媒層側に配置したアノード導電層と、液体燃料の気化成分を上記アノード触媒層に供給する燃料を貯留する液体燃料タンクとを具備する燃料電池であって、上記アノード導電層および膜電極接合体を支持し外装ケース側に押圧する支持突起が液体燃料タンクの底部から突設されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記支持突起の断面積が液体燃料タンクの断面積に占める面積比率が３〜５０％であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記外装ケースに形成された空気導入口の中心軸が、前記支持突起の中心軸から偏移していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 前記支持突起が液体燃料タンクからアノード導電層への方向に縮径していることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
5. 前記カソード触媒層において生成した水の蒸散を抑止する保湿板を、前記外装ケースと前記カソード触媒層との間に配置したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
6. 前記液体燃料は、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液もしくは液体のメタノールであることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
7. 前記プロトン伝導性膜は、パーフルオロカーボン系樹脂を含有し、その厚さが１００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項記載の燃料電池。

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