JPWO2008068887A1 - Fuel cell - Google Patents

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Abstract

燃料電池１０は、燃料極触媒層１１および燃料極触媒層１１の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層１２を備える燃料極、空気極触媒層１３および空気極触媒層１３の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層１４を備える空気極、および燃料極触媒層１１と空気極触媒層１３とに挟持された電解質膜１５から構成される膜電極接合体１６を備える。また、燃料極ガス拡散層１２の気孔率は、空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定されている。The fuel cell 10 includes a fuel electrode, an air electrode catalyst layer 13, and an air electrode catalyst layer 13 each having a fuel electrode gas diffusion layer 12 provided facing one surface of the fuel electrode catalyst layer 11 and the fuel electrode catalyst layer 11. A membrane electrode assembly 16 comprising an air electrode having an air electrode gas diffusion layer 14 provided facing one surface, and an electrolyte membrane 15 sandwiched between the fuel electrode catalyst layer 11 and the air electrode catalyst layer 13. Is provided. The porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is set to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14.

Description

本発明は、燃料電池、特に小型の液体燃料直接供給型の燃料電池に関する。   The present invention relates to a fuel cell, and more particularly to a small liquid fuel direct supply type fuel cell.

近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。   2. Description of the Related Art In recent years, electronic devices have been reduced in size, performance, and portability due to advances in electronic technology. In portable electronic devices, there is an increasing demand for higher energy density of batteries used. For this reason, there is a demand for a secondary battery having a high capacity while being lightweight and small.

このような二次電池への要求に対して、例えば、リチウムイオン二次電池が開発されてきた。また、携帯電子機器のオペレーション時間は、さらに増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池では、材料の観点からも構造の観点からもエネルギ密度の向上はほぼ限界にきており、更なる要求に対応できなくなりつつある。   In response to the demand for such secondary batteries, for example, lithium ion secondary batteries have been developed. In addition, the operation time of portable electronic devices tends to increase further, and in lithium ion secondary batteries, the improvement in energy density is almost limited from the viewpoints of materials and structure, which is further demanded. It is becoming impossible to respond.

このような状況のもと、リチウムイオン二次電池に代わって、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（ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。   Under such circumstances, small fuel cells are attracting attention instead of lithium ion secondary batteries. In particular, a direct methanol fuel cell (DMFC) using methanol as a fuel is more difficult to handle hydrogen gas than a fuel cell using hydrogen gas, and reforms organic fuel to generate hydrogen. There is no need for a device to create, and it is excellent in miniaturization.

ＤＭＦＣでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。   In DMFC, methanol is oxidatively decomposed at the fuel electrode to generate carbon dioxide, protons and electrons. On the other hand, in the air electrode, water is generated by oxygen obtained from air, protons supplied from the fuel electrode through the electrolyte membrane, and electrons supplied from the fuel electrode through an external circuit. In addition, power is supplied by electrons passing through the external circuit.

ＤＭＦＣにおいては、このような構成で発電を進めるために、メタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロワが補器として備えられ、システムとして複雑な形態を成したＤＭＦＣが開発されてきた。そのため、この構造のＤＭＦＣでは、小型化を図ることは難しかった。   In the DMFC, in order to advance power generation with such a configuration, a pump for supplying methanol and a blower for feeding air are provided as auxiliary devices, and a DMFC having a complicated form as a system has been developed. Therefore, it is difficult to reduce the size of the DMFC having this structure.

そこで、メタノールをポンプで供給するのではなく、メタノール収容室と発電素子の間にメタノールの分子を通す膜を設け、メタノールを透過させる代わりに、メタノール収容室を発電素子の近傍まで近づけることで小型化が進められた。また、例えば、ＷＯ２００５／１１２１７２公報には、空気の取り入れについては、ブロワを用いず、発電素子に直接取り付けた吸気口を設置することで、小型ＤＭＦＣを構築する技術が開示されている。しかし、このような小型ＤＭＦＣは、機構が簡略化された代わりに、温度などの外部環境要因の影響を受けた場合、発電素子に一定量のメタノールを送ることが難しくなっている。このため、出力を安定して高く発現することが困難となっていた。   Therefore, instead of supplying methanol with a pump, a membrane that allows methanol molecules to pass between the methanol storage chamber and the power generation element is provided, and instead of allowing methanol to permeate, the methanol storage chamber is brought close to the vicinity of the power generation element. Progress was made. Further, for example, WO2005 / 112172 discloses a technique for constructing a small DMFC by installing an intake port directly attached to a power generation element without using a blower for intake of air. However, it is difficult for such a small DMFC to send a certain amount of methanol to the power generation element when it is affected by external environmental factors such as temperature instead of the mechanism being simplified. For this reason, it has been difficult to achieve stable and high output.

また、特開２００４−１７１８４４公報には、このようなメタノールの供給量を制御するために、燃料収容室部分と負極の間に多孔体を設置し、メタノール供給量を絞る技術が開示されている。   Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-171844 discloses a technique for reducing the methanol supply amount by installing a porous body between the fuel storage chamber and the negative electrode in order to control the supply amount of methanol. .

しかしながら、上記した従来の燃料電池の構成では、機構が簡略化された代わりに、反応によって生成した水が燃料に混入して燃料濃度が低下し、発電素子に一定濃度の燃料を供給することが難しかった。このため、出力を安定して高く発現することが困難であった。
ＷＯ２００５／１１２１７２公報 特開２００４−１７１８４４公報 However, in the configuration of the conventional fuel cell described above, instead of simplifying the mechanism, water generated by the reaction is mixed into the fuel, the fuel concentration is lowered, and a constant concentration of fuel is supplied to the power generation element. was difficult. For this reason, it has been difficult to achieve a stable and high output.
WO2005 / 112172 publication JP 2004-171844 A

そこで、本発明の目的は、燃料濃度の低下を抑制しながら燃料極に燃料を供給することができ、長期の連続使用において安定した出力を維持できる燃料電池を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell that can supply fuel to the fuel electrode while suppressing a decrease in fuel concentration and can maintain a stable output in long-term continuous use.

本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池が提供される。   According to one aspect of the present invention, a fuel electrode, an air electrode catalyst layer, and the air electrode catalyst layer comprising a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode gas diffusion layer provided facing one surface of the fuel electrode catalyst layer. A membrane electrode assembly comprising an air electrode provided with an air electrode gas diffusion layer provided facing one surface of the electrode, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer The fuel cell is characterized in that the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer is smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer.

また、本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池が提供される。   Further, according to one aspect of the present invention, a fuel electrode, an air electrode catalyst layer, and the air electrode provided with a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode gas diffusion layer provided facing one surface of the fuel electrode catalyst layer. A membrane electrode assembly comprising an air electrode having an air electrode gas diffusion layer provided facing one side of the catalyst layer, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer The fuel cell is characterized in that the porosity of the fuel electrode catalyst layer is smaller than the porosity of the air electrode catalyst layer.

さらに、本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池が提供される。   Furthermore, according to one aspect of the present invention, the fuel electrode, the air electrode catalyst layer, and the air electrode provided with a fuel electrode catalyst layer and a fuel electrode gas diffusion layer provided facing one surface of the fuel electrode catalyst layer. A membrane electrode assembly comprising an air electrode having an air electrode gas diffusion layer provided facing one side of the catalyst layer, and an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer The fuel electrode gas diffusion layer has a porosity smaller than that of the air electrode gas diffusion layer, and the fuel electrode catalyst layer has a porosity of the air electrode catalyst layer. A fuel cell is provided that is smaller than the porosity.

また、本発明の燃料電池は、液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備してもよい。   Further, the fuel cell of the present invention is disposed so as to close the opening of the liquid fuel storage chamber, the liquid fuel storage chamber having an opening for storing the liquid fuel and deriving the vaporized component of the liquid fuel, A gas-liquid separation membrane that allows the vaporized component of the liquid fuel to permeate toward the fuel electrode gas diffusion layer of the fuel electrode may be provided.

また、本発明の燃料電池は、前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備してもよい。   The fuel cell of the present invention is disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly, and contains a fuel distribution mechanism that distributes and supplies fuel to the fuel electrode gas diffusion layer of the fuel electrode, and contains liquid fuel. You may comprise the said fuel distribution mechanism and the fuel accommodating part connected via the flow path.

本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池の断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section of the direct methanol type fuel cell of one embodiment which concerns on this invention. 本発明に係る一実施の形態の他の構成の直接メタノール型の燃料電池の断面を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the cross section of the direct methanol type fuel cell of other composition of one embodiment concerning the present invention. 燃料分配機構の構成を模式的に示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of a fuel distribution mechanism typically.

符号の説明Explanation of symbols

１０…燃料電池、１１…燃料極触媒層、１２…燃料極ガス拡散層、１３…空気極触媒層、１４…空気極ガス拡散層、１５…電解質膜、１６…膜電極接合体、１７…燃料極導電層、１８…空気極導電層、１９…燃料極シール材、２０…空気極シール材、２１…液体燃料収容室、２２…気液分離膜、２３、２５…フレーム、２４…気化燃料収容室、２６…保湿層、２７…表面カバー層、２８…空気導入口。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Fuel cell, 11 ... Fuel electrode catalyst layer, 12 ... Fuel electrode gas diffusion layer, 13 ... Air electrode catalyst layer, 14 ... Air electrode gas diffusion layer, 15 ... Electrolyte membrane, 16 ... Membrane electrode assembly, 17 ... Fuel Electrode conductive layer, 18 ... Air electrode conductive layer, 19 ... Fuel electrode sealing material, 20 ... Air electrode sealing material, 21 ... Liquid fuel storage chamber, 22 ... Gas-liquid separation membrane, 23, 25 ... Frame, 24 ... Vaporized fuel storage Chamber, 26 ... moisturizing layer, 27 ... surface cover layer, 28 ... air inlet.

以下、本発明の一実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図１は、本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池１０の断面を模式的に示した図である。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a cross section of a direct methanol fuel cell 10 according to an embodiment of the present invention.

図１に示すように、燃料電池１０は、燃料極触媒層１１および燃料極ガス拡散層１２からなる燃料極と、空気極触媒層１３および空気極ガス拡散層１４からなる空気極と、燃料極触媒層１１と空気極触媒層１３との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１５とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１６を起電部として備えている。   As shown in FIG. 1, a fuel cell 10 includes a fuel electrode composed of a fuel electrode catalyst layer 11 and a fuel electrode gas diffusion layer 12, an air electrode composed of an air electrode catalyst layer 13 and an air electrode gas diffusion layer 14, and a fuel electrode. A membrane electrode assembly (MEA) 16 comprising a proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 15 sandwiched between the catalyst layer 11 and the air electrode catalyst layer 13 is provided as an electromotive portion. ing.

燃料極触媒層１１および空気極触媒層１３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、燃料極触媒層１１として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなど、空気極触媒層１３として、白金やＰｔ−Ｎｉなどを用いることが好ましいが、これらに限定されるものではない。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、あるいは無担持触媒を使用してもよい。   Examples of the catalyst contained in the fuel electrode catalyst layer 11 and the air electrode catalyst layer 13 include, for example, platinum group elements such as Pt, Ru, Rh, Ir, Os, and Pd, as well as alloys containing platinum group elements. And so on. Specifically, Pt—Ru or Pt—Mo having strong resistance to methanol or carbon monoxide is used as the fuel electrode catalyst layer 11, and platinum or Pt—Ni is used as the air electrode catalyst layer 13. Although preferable, it is not limited to these. Further, a supported catalyst using a conductive support such as a carbon material or an unsupported catalyst may be used.

また、燃料極触媒層１１および空気極触媒層１３は、所定の気孔率を有して構成され、燃料極触媒層１１の気孔率は、空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定されている。具体的には、燃料極触媒層１１の気孔率は、空気極触媒層１３の気孔率の２０〜８０％であり、好ましくは、４０〜７０％、さらに好ましくは５０〜７０％である。ここで、空気極触媒層１３の気孔率に対する燃料極触媒層１１の気孔率の割合をこの範囲に設定するのは、この割合が２０％よりも小さい場合には、燃料極触媒層１１自体へのメタノール燃料浸透性が低下し、改質反応が促進されないからである。また、この割合が８０％より大きい場合には、気化したメタノール燃料が燃料極触媒層１１を透過し、電解質膜１５も透過して空気極触媒層１３までクロスオーバーしてしまい、不要な反応を起こして出力電位を下げてしまうためである。また、一方で電解質膜１５を透過してきた水が燃料極ガス拡散層１２を通過し、その後気化して液体燃料収容室２１に混入してしまうからである。   The fuel electrode catalyst layer 11 and the air electrode catalyst layer 13 are configured to have a predetermined porosity, and the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 is set to be smaller than the porosity of the air electrode catalyst layer 13. Yes. Specifically, the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 is 20 to 80% of the porosity of the air electrode catalyst layer 13, preferably 40 to 70%, more preferably 50 to 70%. Here, the ratio of the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 to the porosity of the air electrode catalyst layer 13 is set within this range. When this ratio is smaller than 20%, the fuel electrode catalyst layer 11 itself is set. This is because the methanol fuel permeability is reduced and the reforming reaction is not accelerated. If this ratio is greater than 80%, the vaporized methanol fuel permeates the fuel electrode catalyst layer 11 and also passes through the electrolyte membrane 15 and crosses over to the air electrode catalyst layer 13, causing unnecessary reactions. This is because the output potential is lowered. On the other hand, the water that has permeated through the electrolyte membrane 15 passes through the fuel electrode gas diffusion layer 12 and is then vaporized and mixed into the liquid fuel storage chamber 21.

電解質膜１５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、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などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。   Examples of the proton conductive material that constitutes the electrolyte membrane 15 include fluorinated resins having a sulfonic acid group, such as perfluorosulfonic acid polymer (Nafion (trade name, manufactured by DuPont), Flemion (trade name, Asahi Glass Co., Ltd.)), sulfonic acid group-containing hydrocarbon resins, and inorganic substances such as tungstic acid and phosphotungstic acid, but are not limited thereto.

燃料極触媒層１１に積層された燃料極ガス拡散層１２は、燃料極触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層１１の集電体も兼ねている。一方、空気極触媒層１３に積層された空気極ガス拡散層１４は、空気極触媒層１３に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、空気極触媒層１３の集電体も兼ねている。   The fuel electrode gas diffusion layer 12 laminated on the fuel electrode catalyst layer 11 serves to uniformly supply fuel to the fuel electrode catalyst layer 11 and also serves as a current collector for the fuel electrode catalyst layer 11. On the other hand, the air electrode gas diffusion layer 14 laminated on the air electrode catalyst layer 13 serves to uniformly supply the oxidant to the air electrode catalyst layer 13 and also serves as a current collector for the air electrode catalyst layer 13. Yes.

また、燃料極ガス拡散層１２および空気極ガス拡散層１４は、ガスを通過させるため、多孔質体からなる公知の導電性材料で構成される。燃料極ガス拡散層１２および空気極ガス拡散層１４は、例えば、カーボンペーパー、カーボン織布などで構成されるが、これらに限定されるものではない。例えば、燃料極ガス拡散層１２や空気極ガス拡散層１４は、気孔率を調整することができる材料で構成されることが好ましく、例えば圧縮することで体積、すなわち密度を変化させることが可能なカーボンペーパーなどを用いることが好ましい。また、燃料極ガス拡散層１２の気孔率は、空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定されている。具体的には、燃料極ガス拡散層１２の気孔率は、空気極ガス拡散層１４の気孔率の２０〜８０％であり、好ましくは、４０〜７０％、さらに好ましくは５０〜７０％である。ここで、空気極ガス拡散層１４の気孔率に対する燃料極ガス拡散層１２の気孔率の割合をこの範囲に設定するのは、この割合が２０％よりも小さい場合には、燃料極ガス拡散層１２を介して適量の気化燃料を燃料極触媒層１１に供給することが困難となるからである。また、この割合が８０％より大きい場合には、気化したメタノール燃料が過剰に燃料極触媒層１１に供給されてしまい、過剰なメタノール燃料が燃料極触媒層１１を透過し、電解質膜１５も透過して空気極触媒層１３までクロスオーバーしてしまい、不要な反応を起こして出力電位を下げてしまうためである。また、一方で電解質膜１５を透過してきた水が燃料極ガス拡散層１２を通過し、その後気化して液体燃料収容室２１に混入してしまうからである。   The fuel electrode gas diffusion layer 12 and the air electrode gas diffusion layer 14 are made of a known conductive material made of a porous material in order to allow gas to pass therethrough. The fuel electrode gas diffusion layer 12 and the air electrode gas diffusion layer 14 are made of, for example, carbon paper, carbon woven fabric, or the like, but are not limited thereto. For example, the fuel electrode gas diffusion layer 12 and the air electrode gas diffusion layer 14 are preferably made of a material capable of adjusting the porosity. For example, the volume, that is, the density can be changed by compression. It is preferable to use carbon paper or the like. The porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is set to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14. Specifically, the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is 20 to 80% of the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14, preferably 40 to 70%, more preferably 50 to 70%. . Here, the ratio of the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 to the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14 is set in this range when the ratio is less than 20%. This is because it becomes difficult to supply an appropriate amount of vaporized fuel to the fuel electrode catalyst layer 11 via 12. Further, when this ratio is larger than 80%, the vaporized methanol fuel is excessively supplied to the fuel electrode catalyst layer 11, and the excess methanol fuel permeates the fuel electrode catalyst layer 11 and also passes through the electrolyte membrane 15. This is because the air electrode catalyst layer 13 crosses over, causing an unnecessary reaction and lowering the output potential. On the other hand, the water that has permeated through the electrolyte membrane 15 passes through the fuel electrode gas diffusion layer 12 and is then vaporized and mixed into the liquid fuel storage chamber 21.

なお、燃料極触媒層１１の気孔率を、空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定した場合においても、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を、空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定してもよい。   Even when the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 is set to be smaller than the porosity of the air electrode catalyst layer 13, the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is more than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14. May be set smaller.

また、燃料極ガス拡散層１２には、燃料極導電層１７が積層され、空気極ガス拡散層１４には、空気極導電層１８が積層されている。燃料極導電層１７および空気極導電層１８は、例えば、白金、金などの貴金属、ニッケル、ステンレス鋼などの耐食性金属などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体を用いることが好ましく、また、金やカーボンなどの導電性材料を異種金属で表面処理した材料、銅やステンレス鋼に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することが可能である。なお、燃料極導電層１７および空気極導電層１８は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。   Further, a fuel electrode conductive layer 17 is stacked on the fuel electrode gas diffusion layer 12, and an air electrode conductive layer 18 is stacked on the air electrode gas diffusion layer 14. As the fuel electrode conductive layer 17 and the air electrode conductive layer 18, for example, a porous layer (for example, mesh) or a foil body made of a metal material such as a noble metal such as platinum or gold, a corrosion-resistant metal such as nickel or stainless steel, or the like is used. Preferably, a material obtained by surface-treating a conductive material such as gold or carbon with a different metal, or a composite material obtained by coating copper or stainless steel with a good conductive metal such as gold can be used. The fuel electrode conductive layer 17 and the air electrode conductive layer 18 are configured so that fuel and oxidant do not leak from the peripheral edges thereof.

また、燃料極導電層１７と電解質膜１５との間には、矩形枠状を有する燃料極シール材１９が配置されるとともに、燃料極触媒層１１および燃料極ガス拡散層１２の周囲を囲んでいる。一方、空気極導電層１８と電解質膜１５との間には、矩形枠状を有する空気極シール材２０が配置されるとともに、空気極触媒層１３および空気極ガス拡散層１４の周囲を囲んでいる。燃料極シール材１９および空気極シール材２０は、例えば、ゴム製のＯリングなどで構成され、膜電極接合体１６からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、燃料極シール材１９および空気極シール材２０の形状は、矩形枠状に限られず、燃料電池１０の外縁形に対応するように適宜に構成される。   A fuel electrode sealing material 19 having a rectangular frame shape is disposed between the fuel electrode conductive layer 17 and the electrolyte membrane 15 and surrounds the fuel electrode catalyst layer 11 and the fuel electrode gas diffusion layer 12. Yes. On the other hand, an air electrode sealing material 20 having a rectangular frame shape is disposed between the air electrode conductive layer 18 and the electrolyte membrane 15, and surrounds the air electrode catalyst layer 13 and the air electrode gas diffusion layer 14. Yes. The fuel electrode sealing material 19 and the air electrode sealing material 20 are composed of, for example, a rubber O-ring or the like, and prevent fuel leakage and oxidant leakage from the membrane electrode assembly 16. Note that the shapes of the fuel electrode sealing material 19 and the air electrode sealing material 20 are not limited to the rectangular frame shape, and are appropriately configured to correspond to the outer edge shape of the fuel cell 10.

また、図１に示すように、液体燃料Ｆを収容する液体燃料収容室２１の開口部を覆うように、気液分離膜２２が配設されている。この気液分離膜２２上には、燃料電池１０の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム２３（ここでは矩形のフレーム）が配置されている。そして、このフレーム２３上には、上記した燃料極導電層１７および空気極導電層１８を備えた膜電極接合体１６が、燃料極導電層１７がフレーム２３上となるように積層配置されている。ここで、フレーム２３は、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。   Further, as shown in FIG. 1, a gas-liquid separation membrane 22 is disposed so as to cover the opening of the liquid fuel storage chamber 21 that stores the liquid fuel F. On the gas-liquid separation membrane 22, a frame 23 (here, a rectangular frame) configured in a shape corresponding to the outer edge shape of the fuel cell 10 is disposed. On the frame 23, the membrane electrode assembly 16 provided with the fuel electrode conductive layer 17 and the air electrode conductive layer 18 is laminated and disposed so that the fuel electrode conductive layer 17 is on the frame 23. . Here, the frame 23 is made of an electrically insulating material, and is specifically formed of a thermoplastic polyester resin such as polyethylene terephthalate (PET).

また、液体燃料収容室２１に貯留される液体燃料Ｆは、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。また、純メタノールの純度は、９５重量％以上１００重量％以下にすることが好ましい。また、液体燃料Ｆの気化成分とは、液体燃料Ｆとして液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料Ｆ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気を意味する。   The liquid fuel F stored in the liquid fuel storage chamber 21 is a methanol aqueous solution having a concentration exceeding 50 mol% or pure methanol. The purity of pure methanol is preferably 95% by weight or more and 100% by weight or less. The vaporized component of the liquid fuel F means vaporized methanol when liquid methanol is used as the liquid fuel F, and the vaporized component of methanol when an aqueous methanol solution is used as the liquid fuel F. It means an air-fuel mixture consisting of water vaporization components.

また、気液分離膜２２、燃料極導電層１７およびフレーム２３で囲まれた空間である気化燃料収容室２４は、気液分離膜２２を透過してきた液体燃料Ｆの気化成分を一時的に収容し、さらに気化成分における燃料の濃度分布を均一にする空間として機能する。   The vaporized fuel storage chamber 24, which is a space surrounded by the gas-liquid separation film 22, the fuel electrode conductive layer 17 and the frame 23, temporarily stores the vaporized component of the liquid fuel F that has permeated the gas-liquid separation film 22. Furthermore, it functions as a space for making the fuel concentration distribution in the vaporized component uniform.

また、上記した気液分離膜２２は、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を燃料極触媒層１１側に透過させるものである。この気液分離膜２２は、液体燃料Ｆに対して不活性で溶解しない材料でシート状に構成され、具体的には、シリコーンゴム、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（ＰＴＦＥ）、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）微多孔膜などの材料で構成される。なお、気液分離膜２２は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。   Further, the gas-liquid separation membrane 22 described above separates the vaporized component of the liquid fuel F and the liquid fuel F, and allows the vaporized component to permeate the fuel electrode catalyst layer 11 side. The gas-liquid separation membrane 22 is formed in a sheet shape with a material that is inert to the liquid fuel F and does not dissolve, and specifically, silicone rubber, low-density polyethylene (LDPE) thin film, polyvinyl chloride (PVC) thin film. , Polyethylene terephthalate (PET) thin film, fluororesin (for example, polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), etc.), etc. The gas-liquid separation membrane 22 is configured so that fuel or the like does not leak from the periphery.

一方、空気極導電層１８上には、燃料電池１０の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム２５（ここでは矩形のフレーム）を介して、保湿層２６が積層されている。また、保湿層２６上には、表面層として機能し、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口２８が複数個形成された表面カバー層２７が積層されている。この表面カバー層２７は、膜電極接合体１６を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属で形成される。また、フレーム２５は、上記したフレーム２３と同様に、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。   On the other hand, a moisturizing layer 26 is laminated on the air electrode conductive layer 18 via a frame 25 (here, a rectangular frame) configured in a shape corresponding to the outer edge shape of the fuel cell 10. On the moisturizing layer 26, a surface cover layer 27 that functions as a surface layer and is formed with a plurality of air inlets 28 for taking in air as an oxidant is laminated. Since the surface cover layer 27 also plays a role of pressurizing the laminated body including the membrane electrode assembly 16 and improving its adhesion, it is made of a metal such as SUS304, for example. Similarly to the frame 23 described above, the frame 25 is made of an electrically insulating material. Specifically, the frame 25 is made of, for example, a thermoplastic polyester resin such as polyethylene terephthalate (PET).

また、保湿層２６は、空気極触媒層１３において生成した水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制する役割をなすとともに、空気極ガス拡散層１４に酸化剤を均一に導入することにより、空気極触媒層１３への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての機能も有している。この保湿層２６は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成され、その最大の孔径が２０〜５０μｍ程度の膜が使用される。最大の孔径をこの範囲とするのは、孔径が２０μｍより小さい場合には空気透過量が低下するためであり、５０μｍより大きい場合には水分蒸発が過多となるからである。なお、浸透圧現象による空気極触媒層１３側から燃料極触媒層１１側への水の移動は、保湿層２６上に設置された表面カバー層２７における空気導入口２８の個数やサイズを変えて、開口部の面積などを調整することで制御することができる。   The moisturizing layer 26 impregnates part of the water generated in the air electrode catalyst layer 13 to suppress water evaporation and uniformly introduces an oxidant into the air electrode gas diffusion layer 14. Therefore, it also has a function as an auxiliary diffusion layer that promotes uniform diffusion of the oxidant into the air electrode catalyst layer 13. The moisturizing layer 26 is made of, for example, a material such as a polyethylene porous film, and a film having a maximum pore diameter of about 20 to 50 μm is used. The reason for setting the maximum pore diameter in this range is that the air permeation amount decreases when the pore diameter is smaller than 20 μm, and the moisture evaporation is excessive when the pore diameter is larger than 50 μm. In addition, the movement of water from the air electrode catalyst layer 13 side to the fuel electrode catalyst layer 11 side due to the osmotic pressure phenomenon changes the number and size of the air inlets 28 in the surface cover layer 27 installed on the moisturizing layer 26. It can be controlled by adjusting the area of the opening.

なお、燃料電池１０の構成は、上記した構成に限られるものではなく、例えば、燃料極導電層１７とフレーム２３との間に疎水性の多孔膜を設けてもよい。この多孔膜を設けることで、多孔膜を介する燃料極ガス拡散層１２側から気化燃料収容室２４側への水の侵入を防止することができる。具体的な多孔膜の材料として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、撥水化処理したシリコーンシートなどが挙げられる。   The configuration of the fuel cell 10 is not limited to the above-described configuration. For example, a hydrophobic porous film may be provided between the fuel electrode conductive layer 17 and the frame 23. By providing this porous film, it is possible to prevent water from entering from the fuel electrode gas diffusion layer 12 side to the vaporized fuel storage chamber 24 side via the porous film. Specific examples of the material for the porous film include polytetrafluoroethylene (PTFE) and a water-repellent treated silicone sheet.

また、この気液分離膜２２のさらに液体燃料収容室２１側に、気液分離膜２２と同様の気液分離機能を有し、さらに燃料の気化成分の透過量を調整する透過量調整膜を設けてもよい。この透過量調整膜による気化成分の透過量の調整は、透過量調整膜に設けられた開孔部の径を調整して行われる。この透過量調整膜は、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどの材料で構成することができる。この透過量調整膜を設けることで、燃料極触媒層１１側に供給される燃料の気化成分の供給量を調整することができる。   Further, a permeation adjustment membrane that has a gas-liquid separation function similar to that of the gas-liquid separation membrane 22 and further adjusts the permeation amount of the vaporized component of the fuel on the liquid fuel storage chamber 21 side of the gas-liquid separation membrane 22. It may be provided. The adjustment of the permeation amount of the vaporized component by the permeation amount adjusting film is performed by adjusting the diameter of the opening provided in the permeation amount adjusting film. This permeation amount adjusting film can be made of, for example, a material such as polyethylene terephthalate. By providing this permeation amount adjusting film, it is possible to adjust the supply amount of the vaporized component of the fuel supplied to the fuel electrode catalyst layer 11 side.

次に、上記した燃料電池１０における作用について説明する。   Next, the operation of the fuel cell 10 described above will be described.

液体燃料収容室２１内の液体燃料Ｆ（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蒸気の混合気は、気液分離膜２２を透過し、気化燃料収容室２４に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。気化燃料収容室２４に一旦収容された混合気は、燃料極導電層１７を通過し、さらに燃料極ガス拡散層１２で拡散され、燃料極触媒層１１に供給される。燃料極触媒層１１に供給された混合気は、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− …式（１）The liquid fuel F (for example, aqueous methanol solution) in the liquid fuel storage chamber 21 is vaporized, and the vaporized mixture of methanol and water vapor passes through the gas-liquid separation membrane 22 and is temporarily stored in the vaporized fuel storage chamber 24, and the concentration Distribution is made uniform. The air-fuel mixture once stored in the vaporized fuel storage chamber 24 passes through the fuel electrode conductive layer 17, is further diffused in the fuel electrode gas diffusion layer 12, and is supplied to the fuel electrode catalyst layer 11. The air-fuel mixture supplied to the fuel electrode catalyst layer 11 causes an internal reforming reaction of methanol represented by the following formula (1).
CH 3 OH + H 2 O → CO 2 + 6H + + 6e − Formula (1)

なお、液体燃料Ｆとして、純メタノールを使用した場合には、液体燃料収容室２１からの水蒸気の供給がないため、空気極触媒層１３で生成した水や電解質膜１５中の水などがメタノールと上記した式（１）の内部改質反応を生じるか、または上記した式（１）の内部改質反応によらず、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る。   In addition, when pure methanol is used as the liquid fuel F, since water vapor is not supplied from the liquid fuel storage chamber 21, water generated in the air electrode catalyst layer 13, water in the electrolyte membrane 15 and the like are methanol and The internal reforming reaction of the above formula (1) is generated, or the internal reforming reaction is generated by another reaction mechanism that does not require water, regardless of the internal reforming reaction of the above formula (1).

内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜１５を伝導し、空気極触媒層１３に到達する。表面カバー層２７の空気導入口２８から取り入れられた空気は、保湿層２６、空気極導電層１８、空気極ガス拡散層１４を拡散して、空気極触媒層１３に供給される。空気極触媒層１３に供給された空気は、次の式（２）に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ …式（２）Protons (H + ) generated by the internal reforming reaction are conducted through the electrolyte membrane 15 and reach the air electrode catalyst layer 13. The air taken in from the air inlet 28 of the surface cover layer 27 diffuses through the moisture retaining layer 26, the air electrode conductive layer 18, and the air electrode gas diffusion layer 14 and is supplied to the air electrode catalyst layer 13. The air supplied to the air electrode catalyst layer 13 causes the reaction shown in the following formula (2). By this reaction, water is generated and a power generation reaction occurs.
(3/2) O 2 + 6H + + 6e − → 3H 2 O Formula (2)

この反応によって空気極触媒層１３中に生成した水は、空気極ガス拡散層１４を拡散して保湿層２６に到達し、一部の水は、保湿層２６上に設けられた表面カバー層２７の空気導入口２８から蒸散されるが、残りの水は保湿層２６に一旦停滞し、空気極ガス拡散層１４を通過して空気極触媒層１３に達する。さらに、式（２）の反応が進行すると、生成される水量が増し、空気極触媒層１３中の水分貯蔵量が増加する。この場合には、式（２）の反応の進行に伴って、空気極触媒層１３の水分貯蔵量が、燃料極触媒層１１の水分貯蔵量よりも多い状態となる。その結果、浸透圧現象によって、空気極触媒層１３に生成した水が、電解質膜１５を通過して燃料極触媒層１１に移動する現象が促進される。そのため、燃料極触媒層１１への水分の供給を液体燃料収容室２１から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式（１）におけるメタノールの内部改質反応を促進させることができる。   The water produced in the air electrode catalyst layer 13 by this reaction diffuses in the air electrode gas diffusion layer 14 and reaches the moisture retention layer 26, and a part of the water is a surface cover layer 27 provided on the moisture retention layer 26. The remaining water temporarily stagnates in the moisturizing layer 26, passes through the air electrode gas diffusion layer 14, and reaches the air electrode catalyst layer 13. Furthermore, when the reaction of Formula (2) proceeds, the amount of water produced increases and the amount of water stored in the air electrode catalyst layer 13 increases. In this case, the water storage amount of the air electrode catalyst layer 13 becomes larger than the water storage amount of the fuel electrode catalyst layer 11 as the reaction of the formula (2) proceeds. As a result, a phenomenon in which water generated in the air electrode catalyst layer 13 moves to the fuel electrode catalyst layer 11 through the electrolyte membrane 15 by the osmotic pressure phenomenon is promoted. Therefore, as compared with the case where the supply of moisture to the fuel electrode catalyst layer 11 is dependent only on water vapor evaporated from the liquid fuel storage chamber 21, the supply of moisture is promoted, and the internal reforming reaction of methanol in the above-described equation (1) Can be promoted.

また、一般に、空気極側から燃料極側に透過した水の一部は、燃料極ガス拡散層１２を通過して、水蒸気となり気液分離膜２２を透過して液体燃料収容室２１内に流入する。液体燃料収容室２１内に流入する水の量が多いと、液体燃料収容室２１内のメタノール濃度の低下などを引き起こし、結果として燃料極触媒層１１へのメタノール供給量が不足して出力劣化を生じる。しかしながら、本発明では、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定することで、電解質膜１５を透過してきた水が、燃料極ガス拡散層１２を通過し難くなるため、燃料極ガス拡散層１２より液体燃料収容室２１側で生じる燃料濃度の低下が抑制される。また、燃料極内には、式（２）の反応を進行させるための水を留めることができるので、燃料極ガス拡散層１２を透過してきた気化したメタノールとの化学反応を維持することができる。そのため、長期間に亘り安定した出力密度を維持することが可能となる。   In general, part of the water that has permeated from the air electrode side to the fuel electrode side passes through the fuel electrode gas diffusion layer 12, becomes water vapor, passes through the gas-liquid separation membrane 22, and flows into the liquid fuel storage chamber 21. To do. When the amount of water flowing into the liquid fuel storage chamber 21 is large, the concentration of methanol in the liquid fuel storage chamber 21 is lowered, resulting in a shortage of methanol supply to the fuel electrode catalyst layer 11 and output degradation. Arise. However, in the present invention, by setting the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14, the water that has permeated the electrolyte membrane 15 causes the fuel electrode gas diffusion layer 12 to pass through. Since it becomes difficult to pass, the fall of the fuel concentration which arises in the liquid fuel storage chamber 21 side from the fuel electrode gas diffusion layer 12 is suppressed. Further, since water for advancing the reaction of the formula (2) can be retained in the fuel electrode, the chemical reaction with the vaporized methanol that has permeated the fuel electrode gas diffusion layer 12 can be maintained. . For this reason, it is possible to maintain a stable output density over a long period of time.

一方、空気極においては、空気極触媒層１３で生じる反応に必要な酸素を空気中から多く取り込む必要がある。本発明では、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定することで、前述した式（２）における反応に十分な量の酸素が供給される。これによっても、長期間に亘り安定した出力密度を維持することが可能となる。   On the other hand, in the air electrode, it is necessary to take in a large amount of oxygen necessary for the reaction occurring in the air electrode catalyst layer 13 from the air. In the present invention, by setting the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14, a sufficient amount of oxygen is supplied for the reaction in the aforementioned equation (2). This also makes it possible to maintain a stable power density over a long period of time.

また、液体燃料Ｆとして、メタノールの濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、空気極触媒層１３から燃料極触媒層１１に移動してきた水を内部改質反応に使用することができるので、燃料極触媒層１１への水の供給を安定して行うことが可能となる。これによって、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低下することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料収容室２１の小型化を図ることも可能である。   Further, even when a methanol aqueous solution having a methanol concentration exceeding 50 mol% or pure methanol is used as the liquid fuel F, the water that has moved from the air electrode catalyst layer 13 to the fuel electrode catalyst layer 11 is used for the internal reforming reaction. Since it can be used, it becomes possible to stably supply water to the fuel electrode catalyst layer 11. Thereby, the reaction resistance of the internal reforming reaction of methanol can be further reduced, and the long-term output characteristics and load current characteristics can be further improved. Further, the liquid fuel storage chamber 21 can be downsized.

なお、ここでは、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定した場合について説明したが、燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定した場合についても同様の効果が得られる。さらに、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定し、かつ燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定した場合についても同様の効果が得られる。   Here, the case where the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is set to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14 has been described, but the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 is the same as that of the air electrode catalyst layer 13. The same effect can be obtained when the porosity is set smaller than the porosity. Further, the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is set to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14, and the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 is set to be smaller than the porosity of the air electrode catalyst layer 13. The same effect can be obtained in some cases.

上記したように、一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池１０によれば、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定すること、および／または燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定することで、空気極で生成された水を燃料極内に留めることができ、燃料極ガス拡散層１２より液体燃料収容室２１側にこの水が侵入するのを抑制することができる。これによって、燃料極ガス拡散層１２より液体燃料収容室２１側で生じる燃料濃度の低下を抑制することができ、燃料極触媒層１１へ所定の濃度の燃料を供給することができるので、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。   As described above, according to the direct methanol fuel cell 10 of the embodiment, the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is set to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14, and / or By setting the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 to be smaller than the porosity of the air electrode catalyst layer 13, water generated at the air electrode can be retained in the fuel electrode, and the liquid can be more liquid than the fuel electrode gas diffusion layer 12. This water can be prevented from entering the fuel storage chamber 21 side. As a result, a decrease in fuel concentration that occurs on the liquid fuel storage chamber 21 side from the fuel electrode gas diffusion layer 12 can be suppressed, and a predetermined concentration of fuel can be supplied to the fuel electrode catalyst layer 11. It is possible to suppress a decrease in the output of the fuel cell.

また、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定すること、および／または燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定することで、空気極触媒層１３で生じる反応に十分な量の酸素を供給することができ、これによっても、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。   Further, the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is set to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14 and / or the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 is set to be lower than the porosity of the air electrode catalyst layer 13. By setting it to a small value, it is possible to supply a sufficient amount of oxygen for the reaction that occurs in the air electrode catalyst layer 13, and it is also possible to suppress a decrease in the output of the fuel cell due to continuous operation.

なお、上記した実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料は、これらに限られるものではない。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、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、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。また、燃料電池はアクティブ型の燃料電池、さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができ、パッシブ型の燃料電池を用いた場合と同様の作用効果が得られる。   In the above-described embodiment, a direct methanol fuel cell using a methanol aqueous solution or pure methanol as the liquid fuel has been described. However, the liquid fuel is not limited to these. For example, ethanol fuel such as ethanol aqueous solution or pure ethanol, propanol fuel such as propanol aqueous solution or pure propanol, glycol fuel such as glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel may be used. In any case, liquid fuel corresponding to the fuel cell is accommodated. In addition, the present invention can be applied to an active fuel cell, and also to a semi-passive fuel cell using a pump or the like for a part of fuel supply, etc. The same operation effect as the case where there was was obtained.

次に、上記した膜電極接合体１６を備える、本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池の他の構成について図２および図３を参照して説明する。   Next, another configuration of the direct methanol fuel cell according to one embodiment of the present invention including the membrane electrode assembly 16 described above will be described with reference to FIGS. 2 and 3.

図２は、本発明に係る一実施の形態の他の構成の直接メタノール型の燃料電池１００の断面を模式的に示した図である。図３は、燃料分配機構１３０の構成を模式的に示す斜視図である。なお、上記した一実施の形態の燃料電池１０の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。   FIG. 2 is a diagram schematically showing a cross section of a direct methanol fuel cell 100 having another configuration according to an embodiment of the present invention. FIG. 3 is a perspective view schematically showing the configuration of the fuel distribution mechanism 130. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component same as the structure of the fuel cell 10 of one embodiment mentioned above, and the overlapping description is abbreviate | omitted or simplified.

図２に示すように、膜電極接合体１６は、燃料極触媒層１１および燃料極ガス拡散層１２からなる燃料極と、空気極触媒層１３および空気極ガス拡散層１４からなる空気極と、燃料極触媒層１１と空気極触媒層１３との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１５とから構成される。   As shown in FIG. 2, the membrane electrode assembly 16 includes a fuel electrode composed of the fuel electrode catalyst layer 11 and the fuel electrode gas diffusion layer 12, an air electrode composed of the air electrode catalyst layer 13 and the air electrode gas diffusion layer 14, A proton (hydrogen ion) conductive electrolyte membrane 15 is sandwiched between the fuel electrode catalyst layer 11 and the air electrode catalyst layer 13.

電解質膜１５と後述する燃料分配機構１３０の間には、燃料極シール材１９が、電解質膜１５と表面カバー層２７との間には、空気極シール材２０が介在されており、これらによって膜電極接合体１６からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、表面カバー層２７には、酸化剤である空気を取入れるための空気導入口２８が形成されている。表面カバー層２７と空気極１１１との間には、必要に応じて保湿層等が配置される。保湿層は、空気極触媒層１３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、空気極触媒層１３への空気の均一拡散を促進するものである。   A fuel electrode sealing material 19 is interposed between the electrolyte membrane 15 and a fuel distribution mechanism 130, which will be described later, and an air electrode sealing material 20 is interposed between the electrolyte membrane 15 and the surface cover layer 27. Fuel leakage and oxidant leakage from the electrode assembly 16 are prevented. The surface cover layer 27 has an air inlet 28 for taking in air as an oxidant. A moisture retention layer or the like is disposed between the surface cover layer 27 and the air electrode 111 as necessary. The moisturizing layer is impregnated with a part of the water generated in the air electrode catalyst layer 13 to suppress water evaporation and promote uniform diffusion of air to the air electrode catalyst layer 13.

なお、膜電極接合体１６を構成する各層の材料、燃料極シール材１９、空気極シール材２０、表面カバー層２７などを構成する材料は、前述した一実施の形態の燃料電池１０を構成するそれぞれに対応する材料と同じである。   In addition, the material of each layer which comprises the membrane electrode assembly 16, the fuel electrode sealing material 19, the air electrode sealing material 20, the surface cover layer 27, and the like constitute the fuel cell 10 of the above-described embodiment. It is the same as the material corresponding to each.

膜電極接合体１６の燃料極側には、燃料分配機構１３０が配置されている。燃料分配機構１３０には、配管のような燃料の流路１３１を介して燃料収容部１３２が接続されている。   A fuel distribution mechanism 130 is disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly 16. A fuel storage portion 132 is connected to the fuel distribution mechanism 130 via a fuel flow path 131 such as a pipe.

燃料収容部１３２には、膜電極接合体１６に対応した液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆ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。液体燃料Ｆ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Ｆ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１３２には燃料電池１００に応じた燃料が収容される。   The fuel storage portion 132 stores the liquid fuel F corresponding to the membrane electrode assembly 16. Examples of the liquid fuel F include methanol fuels such as methanol aqueous solutions having various concentrations and pure methanol. The liquid fuel F is not necessarily limited to methanol fuel. The liquid fuel F may be, for example, an ethanol fuel such as an ethanol aqueous solution or pure ethanol, a propanol fuel such as a propanol aqueous solution or pure propanol, a glycol fuel such as a glycol aqueous solution or pure glycol, dimethyl ether, formic acid, or other liquid fuel. In any case, fuel corresponding to the fuel cell 100 is stored in the fuel storage portion 132.

燃料分配機構１３０には、燃料収容部１３２から流路１３１を介して液体燃料Ｆが導入される。流路１３１は、燃料分配機構１３０や燃料収容部１３２と独立した配管で構成されることに限られるものではない。例えば、燃料分配機構１３０と燃料収容部１３２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１３０は、流路１３１を介して燃料収容部１３２と接続されていればよい。   Liquid fuel F is introduced into the fuel distribution mechanism 130 from the fuel storage portion 132 through the flow path 131. The flow path 131 is not limited to being constituted by piping independent of the fuel distribution mechanism 130 and the fuel storage part 132. For example, when the fuel distribution mechanism 130 and the fuel storage portion 132 are stacked and integrated, a liquid fuel flow path connecting them may be used. The fuel distribution mechanism 130 only needs to be connected to the fuel storage portion 132 via the flow path 131.

ここで、図３に示すように、燃料分配機構１３０は、液体燃料Ｆが流路１３１を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口１３３と、液体燃料Ｆやその気化成分を排出する複数個の燃料排出口１３４とを有する燃料分配板１３５を備えている。また、図２に示すように、燃料分配板１３５の内部には、燃料注入口１３３から導かれた液体燃料Ｆの通路となる空隙部１３６が設けられている。複数の燃料排出口１３４は、燃料通路として機能する空隙部１３６にそれぞれ直接連通している。   Here, as shown in FIG. 3, the fuel distribution mechanism 130 includes at least one fuel inlet 133 into which the liquid fuel F flows through the flow path 131, and a plurality of the liquid fuel F and its vaporized components that are discharged. A fuel distribution plate 135 having a fuel discharge port 134 is provided. Further, as shown in FIG. 2, a gap 136 serving as a passage for the liquid fuel F guided from the fuel injection port 133 is provided inside the fuel distribution plate 135. The plurality of fuel discharge ports 134 are in direct communication with the gaps 136 that function as fuel passages.

燃料注入口１３３から燃料分配機構１３０に導入された液体燃料Ｆは、燃料通路として機能する空隙部１３６に流入し、空隙部１３６を介して複数の燃料排出口１３４のそれぞれに導かれる。複数の燃料排出口１３４には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分を透過しない気液分離体（図示しない）を配置してもよい。これによって、膜電極接合体１６の燃料極１１０には、燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は、燃料分配機構１３０と燃料極１１０との間に気液分離膜として設置してもよい。液体燃料Ｆの気化成分は、複数の燃料排出口１３４から燃料極１１０に向けて排出される。   The liquid fuel F introduced into the fuel distribution mechanism 130 from the fuel inlet 133 flows into the gap portion 136 that functions as a fuel passage, and is guided to each of the plurality of fuel discharge ports 134 via the gap portion 136. For example, a gas-liquid separator (not shown) that transmits only the vaporized component of the fuel and does not transmit the liquid component may be disposed in the plurality of fuel discharge ports 134. As a result, the vaporized component of the fuel is supplied to the fuel electrode 110 of the membrane electrode assembly 16. The gas-liquid separator may be installed as a gas-liquid separation film between the fuel distribution mechanism 130 and the fuel electrode 110. The vaporized component of the liquid fuel F is discharged from the plurality of fuel discharge ports 134 toward the fuel electrode 110.

燃料排出口１３４は、膜電極接合体１６の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板１３５の燃料極１１０と接する面に複数設けられている。燃料排出口１３４の個数は２個以上であればよいが、膜電極接合体１６の面内における燃料供給量を均一化するために、０．１〜１０個／ｃｍ２の燃料排出口１３４が存在するように形成することが好ましい。A plurality of fuel discharge ports 134 are provided on the surface of the fuel distribution plate 135 in contact with the fuel electrode 110 so that fuel can be supplied to the entire membrane electrode assembly 16. The number of the fuel discharge ports 134 may be two or more, but in order to make the fuel supply amount in the plane of the membrane electrode assembly 16 uniform, 0.1 to 10 / cm 2 fuel discharge ports 134 are provided. It is preferable to form it so that it exists.

燃料分配機構１３０と燃料収容部１３２の間を接続する流路１３１には、ポンプ１３７が挿入されている。このポンプ１３７は、液体燃料Ｆを循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１３２から燃料分配機構１３０へ液体燃料Ｆを移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１３７で必要時に液体燃料Ｆを送液することによって、燃料供給量の制御性を高める。この場合、ポンプ１３７としては、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリーベーンポンプは、モータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは、電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは、電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは、柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、液体燃料Ｆをしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。   A pump 137 is inserted into the flow path 131 that connects between the fuel distribution mechanism 130 and the fuel storage portion 132. The pump 137 is not a circulation pump through which the liquid fuel F is circulated, but is a fuel supply pump that transfers the liquid fuel F from the fuel storage unit 132 to the fuel distribution mechanism 130 to the last. By supplying the liquid fuel F with such a pump 137 when necessary, the controllability of the fuel supply amount is improved. In this case, as the pump 137, a rotary vane pump, an electroosmotic pump, a diaphragm pump, a squeezing pump, etc. are used from the viewpoint that a small amount of liquid fuel F can be fed with good controllability and can be reduced in size and weight. It is preferable to do. The rotary vane pump feeds liquid by rotating wings with a motor. The electroosmotic flow pump uses a sintered porous body such as silica that causes an electroosmotic flow phenomenon. A diaphragm pump drives a diaphragm with an electromagnet or piezoelectric ceramics to send liquid. The ironing pump presses a part of the flexible fuel flow path and irons the liquid fuel F. Among these, it is more preferable to use an electroosmotic pump or a diaphragm pump having piezoelectric ceramics from the viewpoint of driving power, size, and the like.

このような構成において、燃料収容部１３２に収容された液体燃料Ｆは、ポンプ１３７により流路１３１に移送され、燃料分配機構１３０に供給される。そして、燃料分配機構１３０から放出された燃料は、膜電極接合体１６の燃料極１１０に供給される。以後の作用は前述した燃料電池１０における作用と同じである。   In such a configuration, the liquid fuel F stored in the fuel storage unit 132 is transferred to the flow path 131 by the pump 137 and supplied to the fuel distribution mechanism 130. The fuel discharged from the fuel distribution mechanism 130 is supplied to the fuel electrode 110 of the membrane electrode assembly 16. The subsequent operation is the same as that in the fuel cell 10 described above.

なお、燃料分配機構１３０から膜電極接合体１６へ燃料の供給を行うことができる構成であれば、ポンプ１３７に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合、燃料遮断バルブは、流路１３１による液体燃料Ｆの供給を制御するために設けられる。   In addition, as long as it is the structure which can supply a fuel to the membrane electrode assembly 16 from the fuel distribution mechanism 130, it can also be set as the structure which replaces with the pump 137 and arrange | positions a fuel cutoff valve. In this case, the fuel cutoff valve is provided to control the supply of the liquid fuel F through the flow path 131.

この膜電極接合体１６を備える他の構成を有する燃料電池１００においても、前述した一実施の形態の燃料電池１０における作用効果と同様の作用効果が得られる。   Also in the fuel cell 100 having another configuration including the membrane electrode assembly 16, the same effects as those in the fuel cell 10 of the embodiment described above can be obtained.

次に、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定され、および／または燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定された燃料電池１０において、優れた出力特性が得られることを以下の実施例で説明する。   Next, the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer 12 is set to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer 14 and / or the porosity of the fuel electrode catalyst layer 11 is set to be lower than the porosity of the air electrode catalyst layer 13. The following example demonstrates that excellent output characteristics can be obtained in the fuel cell 10 set to be small.

（実施例１）
本発明に係る燃料電池を次のように作製した。
まず、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を平板プレスにて厚さ方向に厚さが１／２になるまで圧縮した。なお、このカーボンペーパーの圧縮前の気孔率は、アルキメデス法を用いて測定したところ７５％であった。また、このカーボンペーパーの圧縮後の気孔率は、外形寸法と重量測定により計算した結果、４０．５％であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層として用いた。Example 1
The fuel cell according to the present invention was produced as follows.
First, carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) was compressed with a flat plate press in the thickness direction until the thickness became 1/2. In addition, the porosity before compression of this carbon paper was 75% when measured using the Archimedes method. Moreover, the porosity after compression of this carbon paper was 40.5% as a result of calculating by external dimension and weight measurement. This carbon paper was used as a fuel electrode gas diffusion layer.

また、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である圧縮加工されたカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。この燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、７４.２％であった。   Further, a carbon particle carrying platinum ruthenium alloy fine particles and DE2020 (manufactured by DuPont) are mixed with a homogenizer to produce a slurry, which is compressed carbon paper (Toray Industries, Inc.) as a fuel electrode gas diffusion layer. It applied to one side of manufactured TGP-H-120). And this was dried at normal temperature, the fuel electrode catalyst layer was formed, and the fuel electrode was produced. The porosity of the fuel electrode catalyst layer was 74.2% as a result of calculation based on the coating film size, material density, and measured weight.

次に、白金担持グラファイト粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、８８．１％であった。なお、上記材料密度はアルキメデス法により求めた。   Next, a platinum-supported graphite particle and DE2020 (manufactured by DuPont) are mixed with a homogenizer to produce a slurry. This is a carbon paper (TGP manufactured by Toray Industries, Inc.) having a porosity of 75% as an air electrode gas diffusion layer. -H-120). And this was dried at normal temperature, the air electrode catalyst layer was formed, and the air electrode was produced. The porosity of the air electrode catalyst layer was 88.1% as a result of calculation based on the coating film size, material density, and measured weight. The material density was determined by the Archimedes method.

電解質膜として、固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、最初にこの電解質膜と空気極を触媒層が電解質膜側になるように重ね合わせ、温度が１２０℃、圧力が４０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度が１２０℃、圧力が１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。A fixed electrolyte membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont) was used as the electrolyte membrane. First, the electrolyte membrane and the air electrode were overlapped so that the catalyst layer was on the electrolyte membrane side, the temperature was 120 ° C., and the pressure was 40 kgf / cm 2. It pressed on condition of this. Subsequently, the fuel electrode is overlaid on the opposite side of the air electrode of the electrolyte membrane so that the catalyst layer is on the electrolyte membrane side, and pressing is performed at a temperature of 120 ° C. and a pressure of 10 kgf / cm 2. A membrane electrode assembly (MEA) was produced. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode.

続いて、この膜電極接合体を、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する金箔で挟み、燃料極導電層および空気極導電層を形成した。   Subsequently, the membrane electrode assembly was sandwiched between gold foils having a plurality of holes for taking in air and vaporized methanol to form a fuel electrode conductive layer and an air electrode conductive layer.

上記した膜電極接合体（ＭＥＡ）、燃料極導電層、空気極導電層が積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体の空気極側と一方のフレームとの間、膜電極接合体の燃料極側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。   The laminate in which the membrane electrode assembly (MEA), the fuel electrode conductive layer, and the air electrode conductive layer described above were stacked was sandwiched between two resin-made frames. In addition, a rubber O-ring was sandwiched between the air electrode side of the membrane electrode assembly and one frame, and between the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and the other frame, respectively. .

また、燃料極側のフレームは、気液分離膜を介して、液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上には、気孔率が２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上には、空気取り入れのための空気導入口（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。   The frame on the fuel electrode side was fixed to the liquid fuel storage chamber with screws via a gas-liquid separation membrane. A 0.2 mm thick silicone sheet was used for the gas-liquid separation membrane. On the other hand, a porous plate having a porosity of 28% was disposed on the frame on the air electrode side to form a moisture retention layer. On this moisturizing layer, a stainless steel plate (SUS304) with a thickness of 2 mm formed with air inlets (4 mm diameter, 64 holes) for air intake is arranged to form a surface cover layer and screwed Fixed by.

上記したように形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定した。また、表面層の表面に取り付けた熱電対によって、燃料電池の表面温度の最大値を測定した。   5 ml of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell formed as described above, and the maximum output value was measured from the current value and the voltage value in an environment of a temperature of 25 ° C. and a relative humidity of 50%. Moreover, the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was measured with a thermocouple attached to the surface of the surface layer.

測定の結果、出力の最大値は、１２．２ｍＷ／ｃｍ２であり、燃料電池の表面温度の最大値は、３２．４℃であった。As a result of the measurement, the maximum value of the output was 12.2 mW / cm 2 and the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was 32.4 ° C.

さらに、燃料電池の液体燃料収容室に純メタノールを１５ｍｌ注入し、電圧を０．３Ｖに規定して連続運転し、電流密度を測定することによって、連続運転時間に対する出力変化を測定した。その結果、６０時間後の出力低下率は、８．１％であった。なお、６０時間後の出力低下率とは、運転開始時における出力に対する６０時間後に運転開始時よりも低下した出力の割合である。   Further, 15 ml of pure methanol was injected into the liquid fuel storage chamber of the fuel cell, the voltage was regulated to 0.3 V, the continuous operation was performed, and the current density was measured to measure the output change with respect to the continuous operation time. As a result, the output reduction rate after 60 hours was 8.1%. The output decrease rate after 60 hours is the ratio of the output that has decreased after 60 hours from the start of operation to the output at the start of operation.

このＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだＭＥＡについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ１０点測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が６８．８％、空気極触媒層が６２．１％であった。   The MEA was taken out of the cell, cut and embedded in the resin so that the cross section was visible. The MEA embedded in this resin was polished so as to have a flat cross section and observed with an electron microscope. From the results, the thicknesses of the fuel electrode catalyst layer and the air catalyst layer were measured at 10 points, and the average thickness was determined. When the porosity of the catalyst layer was calculated from the thickness, material density and measured weight, the fuel electrode catalyst layer was 68.8% and the air electrode catalyst layer was 62.1%.

（実施例２）
実施例２で使用された燃料電池の作製において、まず、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。(Example 2)
In the production of the fuel cell used in Example 2, first, carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles and DE2020 (manufactured by DuPont) were mixed with a homogenizer to produce a slurry, and this was produced as a fuel electrode gas diffusion layer. The carbon paper having a porosity of 75% (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) was applied to one surface. And this was dried at normal temperature, the fuel electrode catalyst layer was formed, and the fuel electrode was produced.

続いて、燃料極触媒層上にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シートを配置し、その上に厚さ０．５ｍｍのシリコーンゴムシートを配置して、平板プレスで圧縮した。その結果、燃料極触媒層の厚さが２／３程度となり、燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、６６．４％であった。なお、この平板プレスにおいて、燃料極ガス拡散層の厚さは変化しなかった。   Subsequently, a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet was disposed on the fuel electrode catalyst layer, a 0.5 mm thick silicone rubber sheet was disposed thereon, and the sheet was compressed with a flat plate press. As a result, the thickness of the fuel electrode catalyst layer was about 2/3, and the porosity of the fuel electrode catalyst layer was 66.4% as a result of calculation based on the coating film size, material density, and measured weight. In this flat plate press, the thickness of the fuel electrode gas diffusion layer did not change.

次に、白金担持グラファイト粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法、材料密度および測定重量より計算した結果、８７．２％であった。   Next, a platinum-supported graphite particle and DE2020 (manufactured by DuPont) are mixed with a homogenizer to produce a slurry. This is a carbon paper (TGP manufactured by Toray Industries, Inc.) having a porosity of 75% as an air electrode gas diffusion layer. -H-120). And this was dried at normal temperature, the air electrode catalyst layer was formed, and the air electrode was produced. The porosity of the air electrode catalyst layer was 87.2% as a result of calculation from the coating film dimensions, material density and measured weight.

電解質膜として、固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、この電解質膜を空気極と燃料極で触媒塗布層が電解質膜側になるよう挟み込み、温度が１２０℃、圧力が４０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。それ以外の構成は、実施例１の燃料電池の構成と同じである。A fixed electrolyte membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont) is used as the electrolyte membrane, and this electrolyte membrane is sandwiched between the air electrode and the fuel electrode so that the catalyst coating layer is on the electrolyte membrane side, the temperature is 120 ° C., and the pressure is 40 kgf / cm 2. The membrane electrode assembly (MEA) was produced by pressing under the above conditions. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode. Other configurations are the same as the configuration of the fuel cell of the first embodiment.

また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および６０時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。   The measurement method and measurement conditions for the maximum output value, the maximum value of the surface temperature of the fuel cell, and the output decrease rate after 60 hours are the same as those in Example 1.

測定の結果、出力の最大値は、１１．８ｍＷ／ｃｍ２であり、燃料電池の表面温度の最大値は、３１．５℃であった。また、６０時間後の出力低下率は、９．２％であった。As a result of the measurement, the maximum value of the output was 11.8 mW / cm 2 and the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was 31.5 ° C. Moreover, the output reduction rate after 60 hours was 9.2%.

このＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだＭＥＡについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ１０点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が３８．８％、空気極触媒層が６７．４％であった。   The MEA was taken out from the cell, cut and embedded in a resin so that the cross section could be seen. The MEA embedded in this resin was polished so as to have a flat cross section and observed with an electron microscope. From the results, the thicknesses of the fuel electrode catalyst layer and the air catalyst layer were measured about 10 points, respectively, and the average thickness was determined. When the porosity of the catalyst layer was calculated from the thickness, material density and measured weight, the fuel electrode catalyst layer was 38.8% and the air electrode catalyst layer was 67.4%.

（実施例３）
実施例３で使用された燃料電池の作製において、まず、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を平板プレスにて圧縮した。このカーボンペーパーの圧縮後の気孔率は、外形寸法と測定重量により計算した結果、４０．３％であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層として用いた。続いて、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である圧縮加工されたカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。(Example 3)
In preparation of the fuel cell used in Example 3, first, carbon paper (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) was compressed with a flat plate press. The porosity of the carbon paper after compression was 40.3% as a result of calculation based on the outer dimensions and the measured weight. This carbon paper was used as a fuel electrode gas diffusion layer. Subsequently, carbon particles carrying platinum ruthenium alloy fine particles and DE2020 (manufactured by DuPont) were mixed with a homogenizer to produce a slurry, which was compressed into carbon paper (Toray Industries, Inc.) as a fuel electrode gas diffusion layer. It was applied to one surface of TGP-H-120). And this was dried at normal temperature, the fuel electrode catalyst layer was formed, and the fuel electrode was produced.

続いて、燃料極触媒層上にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シートを配置し、その上に厚さ０．５ｍｍのシリコーンゴムシートを配置して、平板プレスで圧縮した。その結果、燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、６５．５％であった。なお、この平板プレスにおいて、燃料極ガス拡散層の厚さは変化しなかった。   Subsequently, a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet was disposed on the fuel electrode catalyst layer, a 0.5 mm thick silicone rubber sheet was disposed thereon, and the sheet was compressed with a flat plate press. As a result, the porosity of the fuel electrode catalyst layer was 65.5% as a result of calculation based on the coating film size, material density, and measured weight. In this flat plate press, the thickness of the fuel electrode gas diffusion layer did not change.

次に、白金担持グラファイト粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法、材料密度および測定重量より計算した結果、８８．０％であった。   Next, a platinum-supported graphite particle and DE2020 (manufactured by DuPont) are mixed with a homogenizer to produce a slurry. This is a carbon paper (TGP manufactured by Toray Industries, Inc.) having a porosity of 75% as an air electrode gas diffusion layer. -H-120). And this was dried at normal temperature, the air electrode catalyst layer was formed, and the air electrode was produced. The porosity of the air electrode catalyst layer was 88.0% as a result of calculation from the coating film dimensions, material density and measured weight.

電解質膜として、固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、この電解質膜を空気極と燃料極で触媒塗布層が電解質膜側になるよう挟み込み、温度が１２０℃、圧力が４０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。それ以外の構成は、実施例１の燃料電池の構成と同じである。A fixed electrolyte membrane Nafion 112 (manufactured by DuPont) is used as the electrolyte membrane, and this electrolyte membrane is sandwiched between the air electrode and the fuel electrode so that the catalyst coating layer is on the electrolyte membrane side, the temperature is 120 ° C., and the pressure is 40 kgf / cm 2. The membrane electrode assembly (MEA) was produced by pressing under the above conditions. The electrode area was 12 cm 2 for both the air electrode and the fuel electrode. Other configurations are the same as the configuration of the fuel cell of the first embodiment.

また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および６０時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。   The measurement method and measurement conditions for the maximum output value, the maximum value of the surface temperature of the fuel cell, and the output decrease rate after 60 hours are the same as those in Example 1.

測定の結果、出力の最大値は、１１．７ｍＷ／ｃｍ２であり、燃料電池の表面温度の最大値は、３１．２℃であった。また、６０時間後の出力低下率は、８．３％であった。As a result of the measurement, the maximum value of the output was 11.7 mW / cm 2 , and the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was 31.2 ° C. Moreover, the output reduction rate after 60 hours was 8.3%.

このＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだＭＥＡについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ１０点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が３８．１％、空気極触媒層が６９．５％であった。   The MEA was taken out from the cell, cut and embedded in a resin so that the cross section could be seen. The MEA embedded in this resin was polished so as to have a flat cross section and observed with an electron microscope. From the results, the thicknesses of the fuel electrode catalyst layer and the air catalyst layer were measured about 10 points, respectively, and the average thickness was determined. When the porosity of the catalyst layer was calculated from the thickness, material density and measured weight, the fuel electrode catalyst layer was 38.1% and the air electrode catalyst layer was 69.5%.

（比較例１）
比較例１で使用された燃料電池の構成は、気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を燃料極ガス拡散層に用いたこと以外は、実施例１の燃料電池の構成と同じである。(Comparative Example 1)
The configuration of the fuel cell used in Comparative Example 1 was the same as that of Example 1 except that carbon paper having a porosity of 75% (TGP-H-120 manufactured by Toray Industries, Inc.) was used for the anode gas diffusion layer. The configuration is the same as that of the fuel cell.

また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および６０時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。   The measurement method and measurement conditions for the maximum output value, the maximum value of the surface temperature of the fuel cell, and the output decrease rate after 60 hours are the same as those in Example 1.

測定の結果、出力の最大値は、１２ｍＷ／ｃｍ２であり、燃料電池の表面温度の最大値は、３８．６℃であった。また、６０時間後の出力低下率は、２０．５％であった。また、比較例１で使用された燃料電池では、燃料の消費が速く、液体燃料収容室の燃料が空となるまでの時間が短かった。As a result of the measurement, the maximum value of the output was 12 mW / cm 2 , and the maximum value of the surface temperature of the fuel cell was 38.6 ° C. Moreover, the output reduction rate after 60 hours was 20.5%. Further, in the fuel cell used in Comparative Example 1, fuel consumption was fast and the time until the fuel in the liquid fuel storage chamber was emptied was short.

このＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだＭＥＡについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ１０点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が６９．２％、空気極触媒層が６３．３％であった。   The MEA was taken out from the cell, cut and embedded in a resin so that the cross section could be seen. The MEA embedded in this resin was polished so as to have a flat cross section and observed with an electron microscope. From the results, the thicknesses of the fuel electrode catalyst layer and the air catalyst layer were measured about 10 points, respectively, and the average thickness was determined. When the porosity of the catalyst layer was calculated from the thickness, material density and measured weight, the fuel electrode catalyst layer was 69.2% and the air electrode catalyst layer was 63.3%.

（実施例および比較例の測定結果の検討）
表１には、上記した実施例１〜実施例３および比較例１の測定結果を示す。(Examination of measurement results of Examples and Comparative Examples)
Table 1 shows the measurement results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 described above.

Figure 2008068887
Figure 2008068887

表１に示された測定結果から、出力の最大値は、実施例１〜実施例３および比較例１ともに大きな差はなかった。また、燃料電池の表面温度の最大値は、比較例１における温度が若干高いが、実施例１〜実施例３における温度と大きな差はなかった。   From the measurement results shown in Table 1, the maximum output value was not significantly different in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1. The maximum value of the surface temperature of the fuel cell was slightly higher in Comparative Example 1, but was not significantly different from the temperatures in Examples 1 to 3.

６０時間後の出力低下率は、実施例１〜実施例３よりも比較例１の方が大きな値を示した。比較例１において６０時間後の出力低下率が高いのは、比較例１の燃料電池では、空気極側から燃料極側に透過した水の一部が、燃料極ガス拡散層を通過して水蒸気となり、気液分離膜を透過して液体燃料収容室内に流入し、液体燃料収容室内のメタノール濃度が低下したためと考えられる。一方、本発明に係る実施例１〜実施例３において６０時間後の出力低下率が低いのは、実施例１〜３の燃料電池では、燃料極ガス拡散層の気孔率を空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく設定すること、および／または燃料極触媒層の気孔率を空気極触媒層の気孔率よりも小さく設定することで、空気極側から燃料極側に透過した水の一部が、燃料極ガス拡散層を通過するのを抑制し、液体燃料収容室内のメタノール濃度の低下が抑制されたためと考えられる。また、本発明に係る燃料電池において、優れた出力特性が得られることがわかった。   The output reduction rate after 60 hours was larger in Comparative Example 1 than in Examples 1 to 3. In Comparative Example 1, the rate of decrease in output after 60 hours is high. In the fuel cell of Comparative Example 1, a part of the water that has permeated from the air electrode side to the fuel electrode side passes through the fuel electrode gas diffusion layer and becomes water vapor. This is considered to be due to the fact that the gas concentration separated into the liquid fuel storage chamber through the gas-liquid separation membrane and the methanol concentration in the liquid fuel storage chamber was lowered. On the other hand, in Examples 1 to 3 according to the present invention, the output reduction rate after 60 hours is low because in the fuel cells of Examples 1 to 3, the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer is set to the air electrode gas diffusion layer. Part of the water that has permeated from the air electrode side to the fuel electrode side by setting the porosity of the fuel electrode catalyst layer to be lower than the porosity of the air electrode catalyst layer. However, it is considered that the passage through the fuel electrode gas diffusion layer was suppressed, and the decrease in methanol concentration in the liquid fuel storage chamber was suppressed. It was also found that excellent output characteristics can be obtained in the fuel cell according to the present invention.

なお、結果は表記していないが、実施例１〜実施例３および比較例１の燃料電池において、燃料極導電層の液体燃料収容室側の表面に疎水性を有するポリテトラフルオロエチレンからなる多孔膜を設けた場合においても、上記した各実施例および比較例における出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および６０時間後の出力低下率の測定結果と同様の傾向を示す測定結果が得られた。   Although the results are not shown, in the fuel cells of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1, the surface of the fuel electrode conductive layer on the liquid fuel storage chamber side is made of porous polytetrafluoroethylene having hydrophobicity. Even when the membrane is provided, the measurement results showing the same tendency as the measurement results of the maximum value of the output, the maximum value of the surface temperature of the fuel cell, and the output decrease rate after 60 hours in each of the above-described examples and comparative examples. Obtained.

また、ここではパッシブ型ＤＭＦＣを用いた一例を示したが、パッシブ型に限らず反応によって生成した水を燃料極側で利用する構造のものであれば、何らその燃料電池の方式について限定されるものではない。   In addition, although an example using a passive DMFC is shown here, the system of the fuel cell is not limited as long as it has a structure that uses water generated by reaction on the fuel electrode side without being limited to the passive type. It is not a thing.

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。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

また、膜電極接合体（ＭＥＡ）へ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。   In addition, even in the liquid fuel vapor supplied to the membrane electrode assembly (MEA), all the liquid fuel vapor may be supplied, but the present invention can be applied even when a part of the liquid fuel vapor is supplied in a liquid state. Can be applied.

本発明の態様に係る燃料電池によれば、燃料極ガス拡散層の気孔率を空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく設定すること、および／または燃料極触媒層の気孔率を空気極触媒層の気孔率よりも小さく設定することで、空気極で生成された水を燃料極内に留めることができ、燃料極ガス拡散層より液体燃料収容室側にこの水が侵入するのを抑制することができる。これによって、燃料極ガス拡散層より液体燃料収容室側で生じる燃料濃度の低下を抑制することができ、燃料極触媒層へ所定の濃度の燃料を供給することができるので、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。本発明の態様に係る燃料電池は、例えば、液体燃料直接供給型の燃料電池等に有効に利用される。   According to the fuel cell of the aspect of the present invention, the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer is set to be smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer, and / or the porosity of the fuel electrode catalyst layer is set to the air electrode catalyst. By setting it to be smaller than the porosity of the layer, water generated at the air electrode can be retained in the fuel electrode, and this water is prevented from entering the liquid fuel storage chamber side from the fuel electrode gas diffusion layer. be able to. Accordingly, it is possible to suppress a decrease in the fuel concentration that occurs on the liquid fuel storage chamber side from the fuel electrode gas diffusion layer, and it is possible to supply a predetermined concentration of fuel to the fuel electrode catalyst layer. It is possible to suppress a decrease in output. The fuel cell according to an aspect of the present invention is effectively used for, for example, a liquid fuel direct supply type fuel cell.

Claims (21)

燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、
前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。Provided with the fuel electrode, the air electrode catalyst layer, and the air electrode catalyst layer facing one surface of the fuel electrode catalyst layer and the fuel electrode gas diffusion layer provided facing the one surface of the fuel electrode catalyst layer A fuel cell comprising: an air electrode comprising an air electrode gas diffusion layer, and a membrane electrode assembly composed of an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer,
The fuel cell characterized in that the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer is smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer. 請求項１記載の燃料電池において、
前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率の２０〜８０％であることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein
A fuel cell, wherein the porosity of the fuel electrode gas diffusion layer is 20 to 80% of the porosity of the air electrode gas diffusion layer. 燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、
前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。Provided with the fuel electrode, the air electrode catalyst layer, and the air electrode catalyst layer facing one surface of the fuel electrode catalyst layer and the fuel electrode gas diffusion layer provided facing the one surface of the fuel electrode catalyst layer A fuel cell comprising: an air electrode comprising an air electrode gas diffusion layer, and a membrane electrode assembly composed of an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer,
The fuel cell, wherein the porosity of the fuel electrode catalyst layer is smaller than the porosity of the air electrode catalyst layer. 請求項３記載の燃料電池において、
前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率の２０〜８０％であることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 3, wherein
A fuel cell, wherein the porosity of the fuel electrode catalyst layer is 20 to 80% of the porosity of the air electrode catalyst layer. 燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、
前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。Provided with the fuel electrode, the air electrode catalyst layer, and the air electrode catalyst layer facing one surface of the fuel electrode catalyst layer and the fuel electrode gas diffusion layer provided facing the one surface of the fuel electrode catalyst layer A fuel cell comprising: an air electrode comprising an air electrode gas diffusion layer, and a membrane electrode assembly composed of an electrolyte membrane sandwiched between the fuel electrode catalyst layer and the air electrode catalyst layer,
The porosity of the fuel electrode gas diffusion layer is smaller than the porosity of the air electrode gas diffusion layer, and the porosity of the fuel electrode catalyst layer is smaller than the porosity of the air electrode catalyst layer. Fuel cell. 請求項５記載の燃料電池において、
前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率の２０〜８０％であり、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率の２０〜８０％であることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 5, wherein
The porosity of the fuel electrode gas diffusion layer is 20 to 80% of the porosity of the air electrode gas diffusion layer, and the porosity of the fuel electrode catalyst layer is 20 to 20% of the porosity of the air electrode catalyst layer. A fuel cell characterized by being 80%. 請求項１記載の燃料電池において、
液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein
A liquid fuel containing chamber having an opening for containing the liquid fuel and deriving a vaporized component of the liquid fuel; and a liquid fuel containing chamber disposed so as to close the opening of the liquid fuel containing chamber; And a gas-liquid separation membrane that permeates toward the anode fuel electrode gas diffusion layer. 請求項３記載の燃料電池において、
液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 3, wherein
A liquid fuel containing chamber having an opening for containing the liquid fuel and deriving a vaporized component of the liquid fuel; and a liquid fuel containing chamber disposed so as to close the opening of the liquid fuel containing chamber; And a gas-liquid separation membrane that permeates toward the anode fuel electrode gas diffusion layer. 請求項５記載の燃料電池において、
液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 5, wherein
A liquid fuel containing chamber having an opening for containing the liquid fuel and deriving a vaporized component of the liquid fuel; and a liquid fuel containing chamber disposed so as to close the opening of the liquid fuel containing chamber; And a gas-liquid separation membrane that permeates toward the anode fuel electrode gas diffusion layer. 請求項１記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein
A fuel distribution mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and distributing and supplying fuel to a fuel electrode gas diffusion layer of the fuel electrode; and containing liquid fuel; and via the fuel distribution mechanism and a flow path And a fuel storage portion connected to each other. 請求項３記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 3, wherein
A fuel distribution mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and distributing and supplying fuel to a fuel electrode gas diffusion layer of the fuel electrode; and containing liquid fuel; and via the fuel distribution mechanism and a flow path And a fuel storage portion connected to each other. 請求項５記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 5, wherein
A fuel distribution mechanism disposed on the fuel electrode side of the membrane electrode assembly and distributing and supplying fuel to a fuel electrode gas diffusion layer of the fuel electrode; and containing liquid fuel; and via the fuel distribution mechanism and a flow path And a fuel storage portion connected to each other. 請求項１０記載の燃料電池において、
前記液体燃料が、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または液体のメタノールであることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 10, wherein
The fuel cell, wherein the liquid fuel is a methanol aqueous solution having a concentration exceeding 50 mol%, or liquid methanol. 請求項１１記載の燃料電池において、
前記液体燃料が、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または液体のメタノールであることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 11, wherein
The fuel cell, wherein the liquid fuel is a methanol aqueous solution having a concentration exceeding 50 mol%, or liquid methanol. 請求項１２記載の燃料電池において、
前記液体燃料が、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または液体のメタノールであることを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 12, wherein
The fuel cell, wherein the liquid fuel is a methanol aqueous solution having a concentration exceeding 50 mol%, or liquid methanol. 請求項１記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の空気極側に、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層を具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 1, wherein
A fuel cell comprising a moisture retention layer impregnated with water generated by the air electrode on the air electrode side of the membrane electrode assembly. 請求項３記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の空気極側に、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層を具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 3, wherein
A fuel cell comprising a moisture retention layer impregnated with water generated by the air electrode on the air electrode side of the membrane electrode assembly. 請求項５記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の空気極側に、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層を具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 5, wherein
A fuel cell comprising a moisture retention layer impregnated with water generated by the air electrode on the air electrode side of the membrane electrode assembly. 請求項１６記載の燃料電池において、
前記保湿層の空気極側とは異なる側に、複数の空気導入口を有する表面層を具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 16, wherein
A fuel cell comprising a surface layer having a plurality of air inlets on a side different from the air electrode side of the moisturizing layer. 請求項１７記載の燃料電池において、
前記保湿層の空気極側とは異なる側に、複数の空気導入口を有する表面層を具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 17, wherein
A fuel cell comprising a surface layer having a plurality of air inlets on a side different from the air electrode side of the moisturizing layer. 請求項１８記載の燃料電池において、
前記保湿層の空気極側とは異なる側に、複数の空気導入口を有する表面層を具備することを特徴とする燃料電池。The fuel cell according to claim 18, wherein
A fuel cell comprising a surface layer having a plurality of air inlets on a side different from the air electrode side of the moisturizing layer.
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