(57)【要約】【課題】燃料クロスオーバーを抑え、酸素電極側での過電圧の発生を抑えることができる燃料電池およびこれを用いた電子機器を提供する。【解決手段】燃料電極１０と酸素電極２０の間に燃料・電解液流路３０を設け、燃料・電解質混合液を同一流路で流通させる。酸素電極２０を、集電体２１上の拡散層２２および触媒層２３の積層構造とし、触媒層２３には、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒として、例えばパラジウム（Ｐｄ）、およびパラジウム系の合金を含ませる。酸素電極２０で燃料が酸化されなくなり、燃料クロスオーバーによる特性劣化が抑えられる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電極と、
前記燃料電極に対向配置されると共に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含む酸素電極と、
前記燃料電極と前記酸素電極との間に設けられ、少なくとも電解質を流通させる電解質流路と
を備えた燃料電池。
【請求項２】
前記酸素電極は、集電体上に前記選択性触媒を含む触媒層を有するものであり、前記触媒層が前記電解質流路に面している請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電解質流路は、電解質と共に燃料を流通させる燃料・電解質流路である請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記選択性触媒は、パラジウムまたはパラジウム合金である請求項１ないし３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
集電体上に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含む触媒層を有し、
燃料電極と酸素電極との間に少なくとも電解質を流通させる電解質流路を有する燃料電池の前記酸素電極として用いられる電極。
【請求項６】
燃料電極と酸素電極との間に少なくとも電解質を流通させる電解質流路を有する燃料電池を備え、
前記酸素電極が、集電体上に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含む触媒層を有する電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを直接燃料電極に供給して反応させる直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）などの酸素電極として用いる電極、およびこの電極を用いた燃料電池、並びにこの燃料電池を備えた電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電池の特性を示す指標として、エネルギー密度と出力密度とがある。エネルギー密度とは電池の単位質量あたりのエネルギー蓄積量であり、出力密度とは電池の単位質量あたりの出力量である。リチウムイオン二次電池は、比較的高いエネルギー密度と極めて高い出力密度という二つの特徴を併せもっており、完成度も高いことから、モバイル機器の電源として広く採用されている。しかし、近年、モバイル機器は高性能化にともなって消費電力が増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池にも更なるエネルギー密度および出力密度の向上が求められている。
【０００３】
その解決策として、正極および負極を構成する電極材料の変更、電極材料の塗布方法の改善、電極材料の封入方法の改善などが挙げられ、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させる研究が行われている。しかし、実用化に向けてのハードルはまだ高い。また、現在のリチウムイオン二次電池に使用されている構成材料が変わらない限り、大幅なエネルギー密度の向上を期待することは難しい。
【０００４】
このため、リチウムイオン二次電池に代わる、よりエネルギー密度の高い電池の開発が急務とされており、燃料電池はその候補の一つとして有力視されている。
【０００５】
燃料電池は、アノード（燃料電極）とカソード（酸素電極）との間に電解質が配置された構成を有し、燃料電極には燃料、酸素電極には空気または酸素がそれぞれ供給される。この結果、燃料電極および酸素電極において燃料が酸素によって酸化される酸化還元反応が起こり、燃料がもつ化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて取り出される。
【０００６】
既に、さまざまな種類の燃料電池が提案または試作され、一部は実用化されている。これらの燃料電池は、用いられる電解質によって、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ；Alkaline Fuel Cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；Phosphoric Acid Fuel Cell ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Electrolyte Fuel Cell ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）などに分類される。このうち、ＰＥＦＣは、他の型式のものと比較して低い温度、例えば３０℃〜１３０℃程度の温度で動作させることができる。
【０００７】
燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の可燃性物質を用いることができる。しかし、水素などの気体燃料は、貯蔵用のボンベなどが必要になるため、小型化には適していない。一方、メタノールなどの液体燃料は、貯蔵しやすい点で有利である。とりわけ、ＤＭＦＣには、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易であるという利点がある。
【０００８】
ＤＭＦＣでは、燃料のメタノールは、通常、低濃度または高濃度の水溶液として、もしくは純メタノールの気体の状態で燃料電極に供給され、燃料電極の触媒層で二酸化炭素に酸化される。このとき生じたプロトンは、燃料電極と酸素電極とを隔てる電解質膜を通って酸素電極へ移動し、酸素電極で酸素と反応して水を生成する。燃料電極、酸素電極およびＤＭＦＣ全体で起こる反応は、化１で表される。
【０００９】
（化１）
燃料電極：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６ｅ−＋６Ｈ＋
酸素電極：（３／２）Ｏ２＋６ｅ−＋６Ｈ＋→３Ｈ２Ｏ
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ３ＯＨ＋（３／２）Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
【００１０】
ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギー密度は、理論的に４．８ｋＷ／Ｌであり、一般的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の１０倍以上である。すなわち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を多いに持っている。以上のことから、ＤＭＦＣは、種々の燃料電池のなかで最も、モバイル機器や電気自動車などのエネルギー源として使用される可能性が高い。
【００１１】
しかしながら、ＤＭＦＣには、理論電圧は１．２３Ｖであるにもかかわらず、実際に発電しているときの出力電圧は約０．６Ｖ以下に低下してしまうという問題がある。出力電圧が低下する原因は、ＤＭＦＣの内部抵抗によって生じる電圧降下であって、ＤＭＦＣには、両電極で生じる反応に伴う抵抗、物質の移動に伴う抵抗、プロトンが電解質膜を移動する際に生じる抵抗、更に接触抵抗などの内部抵抗が存在している。メタノールの酸化から電気エネルギーとして実際に取り出すことのできるエネルギーは、発電時の出力電圧と、回路を流れる電気量との積で表されるから、発電時の出力電圧が低下すると、実際に取り出すことのできるエネルギーはその分小さくなってしまう。なお、メタノールの酸化によって回路に取り出せる電気量は、メタノールの全量が化１に従って燃料電極で酸化されるなら、ＤＭＦＣ内のメタノール量に比例する。
【００１２】
また、ＤＭＦＣには、メタノールクロスオーバー（燃料クロスオーバー）の問題がある。メタノールクロスオーバーとは、燃料電極側と酸素電極側とのメタノールの濃度差によってメタノールが拡散移動する現象と、プロトンの移動にともなって引き起こされる水の移動によって、水和したメタノールが運搬される電気浸透現象との二つの機構によって、メタノールが燃料電極側から電解質膜を透過して酸素電極側に到達してしまう現象である。
【００１３】
メタノールクロスオーバーが生じると、透過したメタノールは酸素電極の触媒層で酸化される。酸素電極側でのメタノール酸化反応は、上述した燃料電極側での酸化反応と同じであるが、ＤＭＦＣの出力電圧を低下させる原因になる。また、メタノールが燃料電極側で発電に使われず、酸素電極側で浪費されるので、回路に取り出せる電気量がその分減少してしまう。更に、酸素電極の触媒層は白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒ではなく、白金（Ｐｔ）触媒であることから、触媒表面に一酸化炭素（ＣＯ）が吸着されやすく、触媒の被毒が生じるなどの不都合もある。
【００１４】
このようにＤＭＦＣには、内部抵抗とメタノールクロスオーバーとによって生じる電圧低下、およびメタノールクロスオーバーによる燃料の浪費という二つの問題があり、これらはＤＭＦＣの発電効率を低下させる原因になっている。そこで、ＤＭＦＣの発電効率を高めるために、ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究・開発や、ＤＭＦＣの運転条件を最適化する研究・開発が精力的に行われている。
【００１５】
ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究では、電解質膜および燃料電極側の触媒などに関するものが挙げられる。電解質膜については、現在、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂膜（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）が一般的に用いられているが、これよりも高いプロトン伝導率と高いメタノール透過阻止性能とを有するものとして、フッ素系高分子膜、炭化水素系高分子電解質膜またはハイドロゲルベース電解質膜などが検討されている。燃料電極側の触媒に関しては、現在一般的に用いられている白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒よりも高活性な触媒の研究開発が行われている。
【００１６】
このような燃料電池の構成材料の特性向上は、燃料電池の発電効率を向上させる手段として的確である。しかしながら、上述した二つの問題を打破するような最適な触媒が見つからないと同様、最適な電解質膜も見つかっていないのが現状である。
【００１７】
一方、特許文献１では、電解質膜に代えて、液状の電解質（電解液）を用いる技術が開示されている。電解液は、酸素電極と燃料電極との間に静止している場合もあるが、酸素電極と燃料電極との間に設けられた流路を流れ、外部に出た後、再び流路内に戻され循環するようになっている場合もある。
【特許文献１】特開昭５９−１９１２６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献１に記載されている電解液非循環型燃料電池、または、これと同じ構造を有する電解液循環型燃料電池では、燃料クロスオーバーが起こり、酸素電極側で過電圧が生じる。これは燃料を含む流動体が未反応のまま燃料電極をくぐり抜け、更に発電中、ある流速で流れている、若しくは、静止している液体電解質を通り抜けて酸素電極に到達し、燃料が酸化されるためである。燃料クロスオーバーを抑制するためには、ほぼすべての燃料が燃料電極をくぐりぬける際に反応すれば良く、また、燃料濃度の最適化を行えば著しく抑制することができる。
【００１９】
上記の構造は、クロスオーバー抑制構造として非常に優れているが、電解液と燃料を含む液体とを完全に分離する構造であるため、必ず、酸素電極と燃料電極との間に電解質用流路を、酸素電極に対面していない燃料電極面に燃料用流路を形成する必要がある。従って、上記の燃料電池を作製する際には、燃料と電解液を分離するために二つの流路が必要となり、燃料電池を発電させる際には、電解液と燃料の両液体が循環している場合、両液体に対して細かい制御が必要となるため、構造および制御が若干複雑化する。
【００２０】
液体電解質を使用する燃料電池の中で最も簡単な構造として、溶解した燃料を含む“燃料・電解質混合液”を燃料電極と酸素電極の間に供給する構造があげられる。つまり、一つの流路を形成すれば良く、非常に簡素な構造となる。
【００２１】
しかしながら、この方法では致命的な問題点も存在する。燃料電極と酸素電極の間に電解液中に溶解した燃料を含む混合液を供給することから、燃料が直接酸素電極側に供給されることとなる。従って、燃料クロスオーバーが常に起こっている状態となり、酸素電極側で過電圧が生じることから、通常の白金系の触媒を酸素極側に使用する燃料電池では、深刻な問題であることは言うまでもない。
【００２２】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、燃料クロスオーバーの影響を抑制し、酸素電極側での過電圧による特性劣化を防止することができる燃料電池およびこれを用いた電子機器を提供することにある。
【００２３】
本発明の第２の目的は、上記燃料電池の酸素電極として好適に用いることのできる電極を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明による燃料電池は、燃料電極と、燃料電極に対向配置されると共に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含む酸素電極と、燃料電極と酸素電極との間に設けられ、少なくとも電解質を流通させる電解質流路とを備えたものである。
【００２５】
本発明による電極は、上記本発明の燃料電池の酸素電極として用いられるもので、集電体上に、燃料と反応しない選択性触媒を含む触媒層を有するものである。
【００２６】
本発明による電子機器は、上記本発明の燃料電池を備えたものである。
【００２７】
本発明の燃料電池では、酸素電極が、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含んでいるので、酸素電極では酸素と選択性触媒との反応のみが生じ、燃料が酸素電極に接触しても燃料と選択性触媒とが反応することはない。よって、酸素電極側での過電圧が抑制される。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の燃料電池または本発明の電極によれば、酸素電極に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含めるようにしたので、燃料クロスオーバーを抑え、酸素電極側での過電圧による特性劣化を抑制することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００３０】
図１は、本発明の一実施の形態に係る燃料電池１１０の断面構造を表すものである。この燃料電池１１０は、いわゆる直接型メタノールフロー型燃料電池（ＤＭＦＦＣ；Direct Methanol Flow Based Fuel Cell）であり、燃料電極（アノード）１０と酸素電極（カソード）２０とが対向配置された構成を有している。燃料電極１０と酸素電極２０の間には、燃料・電解質混合液(流動体Ｆ１）を流通させる燃料・電解質流路３０が設けられている。
【００３１】
燃料電極１０は、集電体１１上に拡散層１２および触媒層１３をこの順に積層したものである。一方、酸素電極２０は、集電体２１上に拡散層２２および触媒層２３をこの順に積層した構成を有している。これら触媒層１３および触媒層２３が燃料・電解質流路３０に面している。
【００３２】
集電体１１は、例えば電気伝導性を有するポーラス材や板状部材、具体的にはチタン（Ｔｉ）メッシュやチタン板などにより構成されている。集電体２１も同様に、例えばチタンメッシュやチタン板などにより構成されている。
【００３３】
拡散層１２,２２は、例えば、カーボンクロス，カーボンペーパーまたはカーボンシートにより構成されている。これらの拡散層１２，２２は、ポリテトラフルオロエチレン
（ＰＴＦＥ）などにより撥水化処理が行われていることが望ましい。但し、拡散層１２，２２は必ずしも設ける必要はなく、触媒層を直接集電体上に形成するようにしてもよい。
【００３４】
燃料電極１０側の触媒層１３は、触媒として燃料を酸化する性質を持つ、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）などの金属の単体または合金、有機錯体、酵素などにより構成されている。
【００３５】
一方、酸素電極２０側の触媒層２３は、触媒として、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含んでいる。これにより、この燃料電池１１０では、燃料クロスオーバーを抑え、酸素電極側での過電圧による特性劣化を抑えることができるようになっている。
【００３６】
選択性触媒は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）またはパラジウム系の合金であることが好ましい。具体的には、選択性触媒としては、パラジウム鉄（ＰｄＦｅ）、パラジウムニッケル（ＰｄＮｉ）、パラジウムコバルト（ＰｄＣｏ）、パラジウムクロム（ＰｄＣｒ）、パラジウム金（ＰｄＡｕ）などの二元系、パラジウムコバルト金（ＰｄＣｏＡｕ）、パラジウム鉄金（ＰｄＦｅＡｕ）などの三元系触媒、ルテニウム系合金であるルテニウムセレン（ＲｕＳｅ）が挙げられる。その他、触媒層２３には、有機錯体、酵素などが含まれる。
【００３７】
触媒層１３,２３には、上記触媒に加えて、プロトン伝導体およびバインダーが含まれていてもよい。プロトン伝導体としては、上述したポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。バインダーは、触媒層１３，２３の強度や柔軟性を保つために添加されるものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの樹脂が挙げられる。
【００３８】
燃料電極１０および酸素電極２０の外側には、外装部材１４，２４がそれぞれ設けられている。外装部材１４，２４は、例えば、厚みが１ｍｍであり、チタン（Ｔｉ）板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４，２４の厚みは薄ければ薄いほうが望ましい。
【００３９】
燃料・電解質流路３０は、例えば、樹脂シートを加工することにより微細な流路を形成したものであり、酸素電極２０と対面する燃料電極１０の面側に接着されている。この燃料・電解質流路３０には、外装部材１４に設けられた燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを介して燃料および電解質を含む流動体Ｆ１、例えばメタノール硫酸混合液が供給されるようになっている。なお、流路の本数や形状は限定されるものではなく、例えば蛇型、並列型としてもよい。更に、流路の幅，高さおよび長さについても特には限定されないが、小さい方が望ましい。燃料・電解質流路３０内では、燃料および電解質を混合させた状態で流通させるようにしてもよく、あるいは燃料と電解液を層分離した状態で流通させるようにしてもよい。
【００４０】
酸素電極２０の燃料・電解質流路３０とは反対側（外側）には、空気もしくは酸素を供給するための空気流路４０が設けられている。空気流路４０には、外装部材２４に設けられた空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂを介して、自然換気あるいはファン、ポンプおよびブロワなどの強制的供給法により、空気が供給されるようになっている。
【００４１】
上記燃料電池１１０は、例えば、次のようにして製造することができる。
【００４２】
まず、触媒として、例えば白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１３を形成する。この触媒層１３を、上述した材料よりなる拡散層１２に熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体１１の一面に拡散層１２および触媒層１３をホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いてそれぞれ熱圧着し、燃料電極１０を形成する。なお、上述したように拡散層１２を形成せずに、集電体１１に触媒層１３を直接形成するようにしてもよい。
【００４３】
また、触媒として、選択性触媒であるパラジウム鉄黒、あるいはパラジウム鉄担持カーボン、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２３を形成する。この触媒層２３を、上述した材料よりなる拡散層２２に熱圧着する。続いて、上述した材料よりなる集電体２１に拡散層２２および触媒層２３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、酸素電極２０を形成する。
【００４４】
次いで、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して燃料・電解質流路３０を形成する。また、上述した材料よりなる外装部材１４に、例えば樹脂製の継手よりなる燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる空気入口２４Ａおよび空気出口２４Ｂを設ける。
【００４５】
続いて、燃料電極１０の酸素電極２０に対向する面に燃料・電解質流路３０を熱圧着する。
【００４６】
その後、熱圧着した燃料・電解質流路３０に、酸素電極２０接着し、外装部材１４，２４に収納する。これにより、図１に示した燃料電池１１０が完成する。
【００４７】
次に、上記燃料電池１１０の作用について説明する。
【００４８】
燃料電池１１０では、燃料・電解質流路３０により燃料および電解質が燃料電極１０に供給されると、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは燃料・電解質流路３０を通って酸素電極２０に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極１０、酸素電極２０および燃料電池１１０全体で起こる反応は、化２で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて、電力として取り出される。なお、燃料電極１０で発生する二酸化炭素および酸素電極２０で発生する水は、燃料・電解質流路３０に流出して取り除かれる。
【００４９】
（化２）
燃料電極１０：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２ Ｏ→ＣＯ２＋６ｅ−＋６Ｈ＋
酸素電極２０：（３／２）Ｏ２＋６ｅ− ＋６Ｈ＋→３Ｈ２Ｏ
燃料電池１１０全体：ＣＨ３ＯＨ＋（３／２）Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
【００５０】
ここでは、酸素電極２０の触媒層２３が、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含んでいるので、酸素電極２０で燃料が酸化されなくなる。つまり、酸素電極２０では、化２に示した燃料電極１０で起こるメタノールの酸化反応が進まなくなる。そのため、燃料クロスオーバーによる特性劣化が抑制され、長期的に安定かつ高効率な燃料電池１１０の実現が可能となる。
【００５１】
これに対して、酸素電極に、燃料酸化能力および酸素還元能力が非常に優れている白金系触媒を用いると、前述のように、燃料電極で起きる反応が酸素電極上でも起きてしまい、過電圧を生じて燃料電池特性劣化現象が発生する（燃料クロスオーバー）。
【００５２】
図２（Ａ）は、上記燃料電池１１０の酸素電極２０に選択性触媒であるパラジウム鉄
（ＰｄＦｅ）を使用した場合の電流−電圧特性、図２（Ｂ）は同じく電流−電力特性をそれぞれ表したものである。なお、図２（Ａ），図２（Ｂ）では、燃料・電解質混合液の燃料濃度を０．５Ｍとした場合と、１．０Ｍとした場合とを比較して示しており、いずれの場合も電解質である硫酸の濃度は０．５Ｍとしている。
【００５３】
図２（Ａ），図２（Ｂ）から分かるように、選択性触媒であるパラジウム鉄（ＰｄＦｅ）を酸素電極２０に使用した場合には、電流−電圧特性、電流−電力特性のいずれについても非常に優れた結果が得られた。なお、触媒として白金を用いたところ、燃料・電解質混合液を供給直後に、燃料クロスオーバーの影響により発電が停止してしまい、計測不可能となった。
【００５４】
また、燃料・電解質混合液の燃料濃度が０．５Ｍの場合と１．０Ｍの場合とを比較すると、燃料濃度を１．０Ｍに上げた場合のほうが特性が向上した。このことから、燃料濃度を上昇した場合においても酸素電極２０で生じる燃料クロスオーバーの影響を受けることなく、燃料電極の触媒活性が向上していることが伺える。
【００５５】
図３は、空気流路４０の出口２４Ｂから排出されるエアーに含まれるメタノールを検知し、その濃度と発電電流の関係を調べた結果を表したものである。ここでは、酸素電極２０にパラジウム鉄（ＰｄＦｅ）を用いた際のメタノール酸化の選択性を、酸素電極２０に白金（Ｐｔ）を用いた場合と比較している。なお、燃料・電解質混合液の燃料濃度は共に０．５Ｍメタノールである。
【００５６】
図３から、空気流路４０の出口２４Ｂにおいてパラジウム鉄（ＰｄＦｅ）を酸素電極２０として用いた場合、白金（Ｐｔ）を用いた場合よりも高いメタノール濃度を検出していることが分かる。これは、パラジウム鉄（ＰｄＦｅ）を酸素電極２０に用いた場合、メタノールの酸化反応が起こらないため酸素電極２０でメタノールが消費されずに、空気流路出口２４で検出されたからであると考えられる。また、パラジウム鉄（ＰｄＦｅ）曲線と白金（Ｐｔ）曲線との差は、メタノールクロスオーバーによる酸素電極２０で発生する過電圧の差を示しており、この過電圧の発生が燃料電池の特性を大幅に低下させる原因となる。
【００５７】
すなわち、酸素電極２０が選択性触媒であるパラジウム鉄（ＰｄＦｅ）を含むようにすれば、酸素電極２０における過電圧を抑え、特性劣化を抑制することができることが分かった。なお、ここではＰｄＦｅの結果を示したが、前述した選択性触媒のいずれかであれば、同様の特性を有するので、同様の結果を得ることができる。
【００５８】
このように本実施の形態の燃料電池１１０では、酸素電極２０に、燃料とは反応しないが酸素と反応する選択性触媒を含むようにしたので、白金系触媒を用いた場合に致命的な問題となる燃料クロスオーバーによる特性劣化、触媒の耐久性の低下、触媒の反応面の被毒による触媒能力の低下などを抑えることができる。これにより消費電力の大きな多機能、高性能な電子機器にも好適に用いることが可能となる。とりわけ、燃料・電解質混合液を酸素電極２０と燃料電極１０の間に直接供給する場合に極めて好適である。
【００５９】
特に、燃料・電解質流路３０により、燃料と電解質とを同一の流路で流通させるようにしたので、一つの流路で燃料と電解質とを供給することができ、燃料と電解質とを別々の流路で流通させる場合に比べて、簡易な構造となり、薄型化を実現しやすくなる。更に、電解質膜が不要となり、温度や湿度に影響されることなく発電を行うことができると共に、電解質膜を用いた場合に比べてイオン伝導度（プロトン伝導度）を高めることができる。また、電解質膜の劣化や、電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性の低下の虞もなくなり、酸素電極におけるフラッディングや水分管理などの問題も解消できる。
【００６０】
次に、上記燃料電池１１０の適用例について説明する。
【００６１】
（適用例）
図４は、上記燃料電池１１０を用いた電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、ノート型ＰＣ（Personal Computer）などであり、燃料電池システム１とこの燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。
【００６２】
燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１１０と、この燃料電池１１０の運転状態を測定する測定部１２０と、測定部１２０による測定結果に基づいて燃料電池１１０の運転条件を決定する制御部１３０とを備えている。この燃料電池システム１は、また、燃料電池１１０に燃料および電解質を含む流動体Ｆ１を供給する燃料・電解質供給部１４０と、例えばメタノールなどの燃料Ｆ２のみを燃料・電解質貯蔵部１４１に供給する燃料供給部１５０とを備えている。なお、燃料電池１１０における燃料・電解質流路３０は、外装部材１４に設けられた燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂを介して燃料・電解質供給部１４０に連結されており、燃料・電解質供給部１４０から流動体Ｆ１が供給されるようになっている。
【００６３】
測定部１２０は、燃料電池１１０の動作電圧および動作電流を測定するものであり、例えば、燃料電池１１０の動作電圧を測定する電圧測定回路１２１と、動作電流を測定する電流測定回路１２２と、得られた測定結果を制御部１３０に送るための通信ライン１２３とを有している。
【００６４】
制御部１３０は、測定部１２０の測定結果に基づいて、燃料電池１１０の運転条件として燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御を行うものであり、例えば、演算部１３１、記憶（メモリ）部１３２、通信部１３３および通信ライン１３４を有している。ここで、燃料・電解質供給パラメータには、例えば、燃料・電解質を含む流動体Ｆ１の供給流速が含まれる。燃料供給パラメータは、例えば、燃料Ｆ２の供給流速および供給量を含み、必要に応じて供給濃度を含んでいてもよい。制御部１３０は、例えばマイクロコンピュータにより構成することができる。
【００６５】
演算部１３１は、測定部１２０で得られた測定結果から燃料電池１１０の出力を算出し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定するものである。具体的には、演算部１３１は、記憶部１３２に入力された各種測定結果から一定間隔でサンプリングしたアノード電位、カソード電位、出力電圧および出力電流を平均して、平均アノード電位、平均カソード電位、平均出力電圧および平均出力電流を算出し、記憶部１３２に入力すると共に、記憶部１３２に保存されている各種平均値を相互比較し、燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを判定するようになっている。
【００６６】
記憶部１３２は、測定部１２０から送られてきた各種測定値や、演算部１３１により算出された各種平均値などを記憶するものである。
【００６７】
通信部１３３は、通信ライン１２３を介して測定部１２０から測定結果を受け取り、記憶部１３２に入力する機能と、通信ライン１３４を介して燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０に燃料・電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定する信号をそれぞれ出力する機能とを有している。
【００６８】
燃料・電解質供給部１４０は、燃料・電解質貯蔵部１４１と、燃料・電解質供給調整部１４２と、燃料・電解質供給ライン１４３とを備えている。燃料・電解質貯蔵部１４１は、流動体Ｆ１を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料・電解質供給調整部１４２は流動体Ｆ１の供給流速を調整するものである。燃料・電解質供給調整部１４２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。
【００６９】
燃料供給部１５０は、燃料貯蔵部１５１と、燃料供給調整部１５２と、燃料供給ライン１５３とを有する。燃料貯蔵部１５１は、メタノールなどの燃料Ｆ２のみを貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料供給調整部１５２は、燃料Ｆ２の供給流速および供給量を調整するものである。燃料供給調整部１５２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。なお、燃料供給部１５０は、燃料Ｆ２の供給濃度を調整する濃度調整部（図示せず）を備えていてもよい。濃度調整部は、燃料Ｆ２として純（９９．９％）メタノールを用いる場合には省略することができ、より小型化することができる。
【００７０】
また、上記燃料電池システム１は、次のようにして製造することができる。例えば、上記燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，燃料・電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂと燃料供給部１５０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料供給ライン１５３で接続すると共に、燃料・電解質入口１４Ａおよび燃料・電解質出口１４Ｂと燃料・電解質供給部１４０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料・電解質供給ライン１４３で接続する。これにより図４に示した燃料電池システム１が完成する。
【００７１】
このような燃料電池システム１では、燃料・電解質供給部１４０から燃料電池１１０に燃料および電解質を含む流動体Ｆ１が供給されると、燃料電池１１０から電力が取り出され、外部回路２が駆動する。燃料電池１１０の運転中には、測定部１２０により燃料電池１１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、制御部１３０により、燃料電池１１０の運転条件として上述した燃料・電解液供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御が行われる。測定部１２０による測定および制御部１３０によるパラメータ制御は頻繁に繰り返され、燃料電池１１０の特性変動に追従して流動体Ｆ１および燃料Ｆ２の供給状態が最適化される。
【００７２】
この燃料電池システム１では、上記燃料電池１１０を備えているため、モバイル機器から大型装置にまで組み込めるような柔軟性の高い簡易な構成で、高出力を実現できる。よって特に、薄型で消費電力の大きな多機能・高性能の電子機器に好適に用いることができる。
【００７３】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態では、燃料電極１０，酸素電極２０，燃料・電解質流路３０および空気流路４０の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料・電解質流路３０は、上記実施の形態で説明したような樹脂シートを加工して流路を形成したもののほか、多孔体、例えば不織布などのシートにより構成し、燃料・電解質混合液をしみこませてもよい。
【００７４】
また、例えば、上記実施の形態では、燃料・電解質流路３０により、燃料電極１０と酸素電極２０の間に燃料および電解質を混合させた流動体を供給する場合を例に挙げて説明したが、これに限定されず、例えば燃料電極１０側に燃料を流通するための燃料供給流路、酸素電極２０の側に電解液を流通させるための電解液流路をそれぞれ分割して設けるようにしてもよい。もしくは、この場合、酸素電極２０の側には、電解液を流通させる流路ではなくイオン伝導性を有する電解質膜を設けるようにしてもよい。但し、上記実施の形態で説明したように、燃料と電解質とを同一の流路で流通させると、厚みの増大をより効果的に抑制することができる。
【００７５】
更に、例えば、上記実施の形態において説明した燃料および電解液を含む流動体Ｆ１は、プロトン（Ｈ＋）伝導性を有するものであれば特に限定されず、例えば、硫酸のほか、リン酸またはイオン性液体が挙げられる。さらに、実施の形態で説明した燃料Ｆ２は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他のアルコールもしくは砂糖燃料でもよい。
【００７６】
加えて、上記実施の形態では、酸素電極２０へ空気を供給する場合について説明したが、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。
【００７７】
更にまた、上記実施の形態において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池１１０の運転条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の運転条件としてもよい。
【００７８】
加えてまた、上記実施の形態では、燃料電池として直接型メタノール燃料電池を例に挙げて説明したが、これに限らず、水素など液体燃料以外の物質を燃料として用いる燃料電池、例えばＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell：固体高分子型 燃料電池）、アルカリ型燃料電池、あるいはグルコースなどの砂糖燃料を利用した酵素電池などにも適用 可能である。
【００７９】
更にまた、上記実施の形態および実施例では、単セル型の燃料電池について説明したが、本発明は、複数のセルを積層した積層型のものについても適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】本発明の一実施の形態に係る燃料電池の概略構成を表す断面図である。
【図２】図１に示した燃料電池の特性を説明するための図である。
【図３】図１に示した燃料電池の特性を説明するための図である。
【図４】図１に示した燃料電池を備えた電子機器の概略構成を表す図である。
【符号の説明】
【００８１】
１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…燃料電極、１１，２１…集電体、１２，２２…拡散層、１３，２３…触媒層、２０…酸素電極、１４，２４…外装部材、３０…燃料・電解液流路、４０…空気流路、１１０…燃料電池、１２０…測定部、１２３…通信ライン、１３０…制御部、１３１…演算部、１３２…記憶部、１３３…通信部、１３４…通信ライン、１４０…燃料・電解液供給部、１４１…燃料・電解質貯蔵部、１４２…燃料・電解質供給調整部、１４３…燃料・電解質供給ライン、１５０…燃料供給部、１５１…燃料貯蔵部、１５２…燃料供給調整部、１５３…燃料供給ライン。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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