(57)【要約】【課題】３次元構造のＭＥＡを有し、燃料極に供給される燃料の供給量を制御できる燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１００は、燃料極１０と、酸化剤極２０と、燃料極１０と酸化剤極２０との間に挟まれた固体電解質膜３０と、燃料制御部材４０とを備える。燃料極１０は、燃料液５０を収容する燃料極拡散電極１１と、該燃料極拡散電極１１を覆う燃料極触媒層１２とを有する。酸化剤極２０は、酸化剤６０を収容する酸化剤極拡散電極２１と、該酸化剤極拡散電極２１を覆う酸化剤極触媒層２２とを有する。燃料制御部材４０は、燃料液５０と燃料極拡散電極１１との間に配置され、燃料液５０の供給量を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料液を収容する燃料極拡散電極と、該燃料極拡散電極を覆う燃料極触媒層とを有する燃料極と、
酸化剤を収容する酸化剤極拡散電極と、該酸化剤極拡散電極を覆う酸化剤極触媒層とを有する酸化剤極と、
前記燃料極と前記酸化剤極との間に挟まれた固体電解質膜とを備え、
前記燃料液と前記燃料極拡散電極との間に、燃料液の供給量を制御する燃料制御部材を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料制御部材が、前記燃料極拡散電極に接する気液分離膜と、前記燃料液を吸収して膨張し、前記気液分離膜の内側から前記気液分離膜を支持する支持チューブとを含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記支持チューブがウレタンであり、
前記気液分離膜は、撥水性の多孔質膜、及び親水性の非多孔質膜の少なくとも一方を含む、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記撥水性の多孔質膜が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン又はポリイミドから形成され、
前記親水性の非多孔質膜が、スルフォン酸を有する固体高分子電解質膜である、請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料制御部材の一方の端部から燃料液が供給される、請求項１〜４の何れか一に記載の燃料電池。
【請求項６】
複数の燃料極に含まれる燃料制御部材の前記一方の端部が互いに結合される、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃料制御部材が、前記燃料極拡散電極の内面に形成された多孔性膜を含む、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記酸化剤極拡散電極の内面に気液分離膜が形成されている、請求項１〜７の何れか一に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、更に詳しくは、固体高分子電解質を用いた固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池（以下、燃料電池）は、燃料が供給される燃料極と、酸化剤が供給される酸化剤極と、燃料極と酸化剤極との間に挟まれた固体高分子電解質膜とから成る構造体を備える。この構造体は、発電素子（発電ユニット）として機能しており、固体高分子電解質膜−電極構造体（ＭＥＡ；Membrane and Electrode Assembly）と称される。
【０００３】
一般的に、燃料極に供給される燃料としては、水素が用いられている。しかし、近年、安価で取り扱いが容易なメタノールを原料とし、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型の燃料電池や、メタノールを燃料として直接利用するダイレクトメタノール型の燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）の開発が盛んに行われている。
【０００４】
ＤＭＦＣでは、燃料としてメタノールが燃料極に供給され、酸化剤として酸素（空気）が酸化剤極に供給される。その結果として、燃料極及び酸化剤極では次式で示される電気化学反応（電極反応）が起こり、発電が行われる。
【０００５】
【化１】
2010205488.tif 000003
【０００６】
このように、ＤＭＦＣでは、メタノール水溶液から水素イオンを得ることができるので、改質器等が不要になり、小型化及び軽量化を図ることができる。さらに、液体のメタノール水溶液を燃料として利用するので、エネルギー密度が非常に高いという利点がある。
【０００７】
このようなＤＭＦＣを、例えば、携帯機器等の電子機器用の電源に応用するためには、発電出力を向上させ、かつ、ＭＥＡの小型化を図る技術が必須となる。特許文献１には、一般的な平面状のＭＥＡに代えて、凹凸状に入り組んだ形状のＭＥＡを用いた燃料電池が記載されている。
【０００８】
特許文献１に記載の燃料電池では、凹凸状に入り組んだ形状のＭＥＡを用いることで、燃料電池セルの有効平坦面積に対するＭＥＡの表面積を増加させ、燃料電池本体の体積増加を僅かに抑えながら、発電出力を高めることができる。
【０００９】
特許文献１に記載の燃料電池で、上記形状の凹凸の度合いを増してゆくと、凹凸形状を形成する前の平面の垂直方向に発電部分を備えた３次元構造のＭＥＡを実現できる。３次元構造のＭＥＡでは、垂直方向に燃料極と酸化剤極とが互いに入り組んで突き出した形状となる。しかし、突き出した部分の先端にまで燃料や酸化剤を供給することは困難であり、突き出す度合いには自ずと限界がある。なお、上記３次元構造のＭＥＡは、燃料極と酸化剤極とが互いに突き出した部分の横断面が、チューブ形状の燃料極及び酸化剤極とが混在した蜂の巣状の部分構造を有する。
【００１０】
特許文献２には、蜂の巣状の部分構造を有するＭＥＡを備えた燃料電池が記載されている。特許文献２に記載のＭＥＡは、筒状ケーシング内にプロトン伝導性の電解質が充填され、この電解質を挟んで、チューブ形状の燃料極及び酸化剤極が互いに隣接して配置され束ねられた３次元構造を有する。特許文献２に記載のＭＥＡでは、チューブ形状の燃料極及び酸化剤極に、燃料及び酸化剤をそれぞれ供給することで発電が可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００２−１８４４２６号公報
【特許文献２】特開２００１−３１９６６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１，２に記載の３次元構造を有するＭＥＡは、通常の平面構造を有するＭＥＡのように、単一の電解質膜を用いるのではなく、それぞれの極間に電解質を充填し、或いは、触媒層を形成した電極に電解質を塗布し、それらを接合している。この構造により、燃料極と酸化剤極を分離している。このため、３次元構造を有するＭＥＡでは、平面状に成形した膜を用いる平面構造を有するＭＥＡとは異なり、燃料極と酸化剤極とを分離する電解質材料の物質の隔離性（隔壁性ともいう）を良好にすることが困難となる。物質の隔壁性とは、燃料極と酸化剤極との間でプロトン（水素イオン）のみを透過させ、燃料等を透過させない性質をいう。液体燃料を直接利用するＤＭＦＣでは、この隔壁性の不足により、燃料が電解質膜を透過してしまい、燃料極に供給される燃料の制御が困難になり、発電不能状態に陥るという問題があった。
【００１３】
本発明者らは、電解質材料の物質の隔離性を向上させることが困難である点を考慮した結果、燃料極に供給される燃料の供給量を適度に制限することで、結果的に、電解質を透過する燃料の量を抑制するという着想を得た。
【００１４】
本発明は、３次元構造のＭＥＡを有し、燃料極に供給される燃料の供給量を制御できる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記目的を達成するために、本発明は、燃料液を収容する燃料極拡散電極と、該燃料極拡散電極を覆う燃料極触媒層とを有する燃料極と、
酸化剤を収容する酸化剤極拡散電極と、該酸化剤極拡散電極を覆う酸化剤極触媒層とを有する酸化剤極と、
前記燃料極と前記酸化剤極との間に挟まれた固体電解質膜とを備え、
前記燃料液と前記燃料極拡散電極との間に、燃料液の供給量を制御する燃料制御部材を備えたことを特徴とする燃料電池を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の燃料電池では、３次元構造のＭＥＡを有し、燃料極に供給される燃料の供給量を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図。
【図２】図１に示す燃料電池を模式的に示す斜視図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の燃料電池は、最小基本構成として、燃料極と、酸化剤極と、固体電解質膜と、燃料制御部材とを備える。燃料極は、燃料液を収容する燃料極拡散電極と、該燃料極拡散電極を覆う燃料極触媒層とを有する。酸化剤極は、酸化剤を収容する酸化剤極拡散電極と、該酸化剤極拡散電極を覆う酸化剤極触媒層とを有する。固体電解質膜は、燃料極と酸化剤極との間に挟まれている。燃料制御部材は、燃料液と燃料極拡散電極との間に配置され、燃料液の供給量を制御する。
【００１９】
上記燃料電池では、燃料液と燃料極拡散電極との間に燃料制御部材が配置されているので、燃料の透過が促進又は抑制されて、燃料極に供給される燃料の供給量を制御できる。そのため、固体電解質膜の物質の隔離性が良好でない場合であっても、燃料極から酸化剤極に燃料が過剰に浸透することを抑制して、発電が不能となる事態を回避できる。
【００２０】
本発明の燃料電池は、燃料制御部材が、燃料極拡散電極に接する気液分離膜と、燃料液を吸収して膨張し、気液分離膜の内側から気液分離膜を支持する支持チューブとを含む構成を採用できる。この構成により、支持チューブが燃料を吸収して膨張すると、燃料制御部材が燃料極拡散電極と密着するので、燃料極に燃料を安定して供給できる。また、燃料電池の組立て時には、支持チューブが膨張していないので、燃料制御部材を燃料極内に容易に挿入できる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、支持チューブがウレタンであり、気液分離膜は、撥水性の多孔質膜、及び親水性の非多孔質膜の少なくとも一方を含む構成を採用できる。ここで、撥水性の多孔質膜が、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン又はポリイミドから形成されてもよく、また、親水性の非多孔質膜が、スルフォン酸を有する固体高分子電解質膜であってもよい。この構成により、気液分離膜が撥水性の多孔質膜であれば、燃料の透過を促進できるので、燃料が低濃度であっても、燃料極での電極反応を確実に発生させることができる。また、気液分離膜が親水性の非多孔質膜であれば、燃料の透過を抑制できるので、燃料極に燃料が過剰に供給されることを抑制できる。なお、撥水性の多孔質膜と親水性の非多孔質膜とを複数積層した気液分離膜を形成してもよく、この場合には、燃料の透過速度を全体で制御できる。
【００２２】
さらに、本発明の燃料電池は、燃料制御部材の一方の端部から燃料液が供給される構成を採用できる。この構成により、燃料極に燃料液を簡易に供給できる。
【００２３】
さらに、本発明の燃料電池は、複数の燃料極に含まれる燃料制御部材の一方の端部が互いに結合される構成を採用できる。この構成により、互いに結合された一方の端部から、複数の燃料制御部材に燃料を並列に流入させることができるので、複数の燃料極に燃料を簡易に供給できる。
【００２４】
さらに、本発明の燃料電池は、燃料制御部材が、燃料極拡散電極の内面に形成された多孔性膜を含む構成を採用できる。この構成により、燃料制御部材を別体として形成するのではなく、燃料極拡散電極の内面に、燃料極拡散電極への燃料の供給を制御する層を形成できる。
【００２５】
さらに、本発明の燃料電池は、酸化剤極拡散電極の内面に気液分離膜が形成されている構成を採用できる。この構成により、酸化剤極で生成される液体（水）の透過を阻止して、酸化剤極触媒層の湿度を保つことができる。
【００２６】
以下、図面を参照し、本発明の例示的な実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。同図では、燃料電池のセル構造の断面を示している。また、図２は、図１に示す燃料電池を模式的に示す斜視図である。燃料電池１００は、固体高分子型燃料電池であって、燃料極１０と、酸化剤極２０と、燃料極１０と酸化剤極２０との間に挟まれた固体高分子電解質膜３０と、燃料極１０の内部に挿入された燃料供給チューブ４０とを備える。以下では、燃料極１０と酸化剤極２０とで固体高分子電解質膜３０を挟持した構造を、電極−電解質膜構造体（ＭＥＡ；Membrane and Electrode Assembly）という。
【００２７】
ＭＥＡは、発電ユニットとして機能し、図示のように、燃料極１０と酸化剤極２０とが固体高分子電解質膜３０を挟んで互いに隣接するように配置された３次元構造を有する。ここで、燃料極１０及び酸化剤極２０の断面形状は、正方形としたが、これに限らず、燃料極１０と酸化剤極２０とを張り合わせて空間を充填でき、かつ、燃料極１０同士や酸化剤極２０同士が接触しないように配置できるのであれば、他の四角形状や、三角形であってもよい。なお、三角形を断面形状とすれば、四角形に比べて断面の面内方向で潰れ難くなる。さらに、本ＭＥＡでは、燃料極１０及び酸化剤極２０をそれぞれ２つ配置したが、この数に限定されない。
【００２８】
燃料極１０は、燃料液５０が供給される電極であって、図１に示すように、チューブ形状の燃料極拡散電極１１と、燃料極拡散電極１１を覆う燃料極触媒層１２とを有する。燃料極拡散電極１１は、電気伝導性及び燃料透過性を有する。酸化剤極２０は、酸化剤６０が供給される電極であって、チューブ形状の酸化剤極拡散電極２１と、酸化剤極拡散電極２１を覆う酸化剤極触媒層２２とを有する。酸化剤極拡散電極２１は、電気伝導性及び酸化剤透過性を有する。ここで、図１に示すＭＥＡでは、燃料極１０と酸化剤極２０とが対向していない外周部分にも各触媒層１２，２２を形成したが、この外周部分には、触媒層１２，２２を必ずしも形成する必要はない。
【００２９】
燃料液５０としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等や、ホルマリン、ギ酸、ヒドラジン等の液体燃料を用いることができる。なお、これらの液体燃料を水溶液として用いてもよい。また、酸化剤６０としては、通常、空気を用いるが、酸素ガスを用いてもよい。
【００３０】
燃料極拡散電極１１及び酸化剤極拡散電極２１は、チューブ形状に成形でき、かつ、燃料透過性又は酸化剤透過性をそれぞれ有する材質であれば、適宜の材質を用いることができる。一例として、柔軟性を有するカーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の導電性多孔性材料を用いることができる。特に、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の金属を用いることで、燃料極１０及び酸化剤極２０の集電特性が向上する。
【００３１】
燃料極触媒層１２及び酸化剤極触媒層２２は、触媒を担持した炭素粒子と、固体高分子電解質とを含む。燃料極触媒層１２の触媒としては、白金、金、銀、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、鉄、銅又はこれらの合金等を用いることができる。また、酸化剤極触媒層２２の触媒としては、燃料極触媒層１２と同様の触媒を用いることができる。さらに、燃料極触媒層１２及び酸化剤極触媒層２２では、同一の触媒を用いてもよく、異なる触媒を用いてもよい。
【００３２】
燃料極触媒層１２に含まれる固体高分子電解質としては、固体高分子電解質膜３０と同じ材料を用いることができる。また、酸化剤極触媒層２２に含まれる固体高分子電解質としては、燃料極触媒層１２と同様の固体高分子電解質を用いることができるが、異なるものを用いてもよい。さらに、燃料極触媒層１２及び酸化剤極触媒層２２では、固体高分子電解質膜３０と異なる材料や、複数の材料を用いてもよい。
【００３３】
固体高分子電解質膜３０は、燃料極１０と酸化剤極２０との間に充填されており、燃料極１０と酸化剤極２０とを隔離すると共に、燃料極１０と酸化剤極２０との間で水素イオンを移動（透過）させる性質を有する。このため、固体高分子電解質膜３０は、水素イオンの伝導性が高く、かつ、化学的に安定しており機械的な強度が高い材質で形成されていることが好ましい。
【００３４】
固体高分子電解質膜３０を形成する材質としては、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が好ましい。また、有機高分子として、スルフォン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子、スルフォン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン「デュポン社製：登録商標」、アシプレックス「旭化成社製」）、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜「旭硝子社製：登録商標」）等が挙げられる。
【００３５】
ところで、固体高分子電解質膜３０は、水素イオンを透過させながら、燃料等を透過させない物質の隔壁性を有することが好ましい。この理由は、物質の隔離性が良好でない場合には、燃料極１０から酸化剤極２０に燃料が過剰に浸透して、発電が不能となる事態が想定されるためである。しかし、固体高分子電解質膜３０での物質の隔壁性を良好にすることは困難である。そこで、本実施形態の燃料電池１００は、燃料極１０に供給される燃料の供給量を適度に制限する手段として、上記燃料供給チューブ４０を有する。
【００３６】
燃料供給チューブ４０は、図１に示すように、燃料液５０と燃料極拡散電極１１との間に配置され、燃料極拡散電極１１を通過して燃料極触媒層１２に供給される燃料の供給量を制御する部材（燃料制御部材）である。燃料供給チューブ４０は、図２に示すように、気液分離膜４１と、その内側のチューブ支持体（支持チューブ）４２とを含む。
【００３７】
気液分離膜４１は、液体を透過させず、蒸気を透過させる気液分離性を有する。気液分離膜４１は、例えば、撥水性の多孔質膜や親水性の非多孔質膜を用いることができる。チューブ支持体４２は、気液分離膜４１の内側から気液分離膜４１を支持する。チューブ支持体４２は、燃料透過性を有し、かつ、燃料に対する化学的耐性を有する材質であれば、例えば、弾性的（柔軟性）又は剛体的な性質を有する材質の何れを用いてもよい。
【００３８】
柔軟性を有する材質でチューブ支持体４２を形成した場合には、チューブ支持体４２内に燃料液５０を流した際の燃料液５０の内圧により、燃料供給チューブ４０が膨張し、燃料供給チューブ４０と燃料極拡散電極１１とが密着する。このため、燃料供給チューブ４０から燃料極拡散電極１１を通過して燃料極触媒層１２に至るまでの燃料の拡散距離が小さくなるので、燃料が安定して供給される。特に、ウレタン等、燃料液５０を吸収して膨張する材質を用いてチューブ支持体４２を形成すると、ＭＥＡの組み立て時には、燃料供給チューブ４０が未だ膨張していないので、チューブ形状の燃料極拡散電極１１内に燃料供給チューブ４０を容易に挿入できる。次いで、チューブ支持体４２内に燃料液５０を流すと、燃料供給チューブ４０が膨張するので、燃料を安定して供給できる。なお、チューブ支持体４２が柔軟性を有することで、燃料の圧力によりチューブ支持体４２は、結果的に円柱形状になる。
【００３９】
また、剛体的な材質、例えば、多孔質の金属、セラミック又はプラスチック等でチューブ支持体４２を形成した場合には、剛体的な燃料供給チューブ４０を形成できる。燃料供給チューブ４０が剛体的であれば、チューブ形状の燃料極拡散電極１１内に簡単に挿入することができ、ＭＥＡの組み立てが容易となる。
【００４０】
気液分離膜４１で用いられる撥水性の多孔質膜としては、例えば、燃料中の燃料成分がメタノールと水の混合溶液である場合には、ポリテトラフルオロエチレンの多孔質膜、疎水処理を施したポリエチレンの多孔質膜、又は疎水処理を施したポリイミドの多孔質膜等をチューブ形状に加工したものを用いることができる。
【００４１】
気液分離膜４１として撥水性の多孔質膜を用いると、例えば、水に比べてメタノールが相対的により透過するので、燃料の透過が促進される。つまり、低濃度のメタノールを用いた場合であっても、水の浪費を抑制しつつ、燃料極１０の電極反応を確実に発生させることができる。また、多孔質膜は、厚さが１０μｍ〜３００μｍ、孔径が０．１μｍ〜５０μｍであれば好ましい。また、気孔率は、３０％〜９０％であれば適用可能である。
【００４２】
また、気液分離膜４１で用いられる親水性の非多孔質膜としては、例えば、スルフォン酸を有する固体高分子電解質膜を用いることができる。気液分離膜４１として親水性の非多孔質膜を用いると、例えば、メタノールに比べて水が相対的により透過するので、燃料の透過が抑制される。つまり、燃料極１０に燃料が過剰に供給されることを抑制できる。さらに、撥水性の多孔質膜と親水性の非多孔質膜とを複数積層して気液分離膜４１を形成してもよく、この場合には、燃料の透過速度を精度よく調整できる。
【００４３】
燃料供給チューブ４０のチューブ支持体４２内に燃料液５０が供給されると、燃料液５０は、チューブ支持体４２を透過し、さらに、気液分離膜４１を蒸気として透過することになる。そして、燃料供給チューブ４０を透過した燃料は、燃料極拡散電極１１から燃料極触媒層１２に供給される。なお、酸化剤６０は、酸化剤極拡散電極２１の内部に供給され、酸化剤極拡散電極２１を透過して、酸化剤極触媒層２２に供給される。
【００４４】
つまり、燃料電池１００では、燃料極１０に燃料供給チューブ４０が挿入されているので、燃料供給チューブ４０の燃料の透過性を好適に選択することで、燃料極１０への燃料の供給量が最適になるように制御できる。従って、燃料電池１００では、固体高分子電解質膜３０の物質の隔壁性が良好でない場合であっても、燃料極１０から酸化剤極２０への燃料の過剰な透過を抑制でき、発電が阻害されることを回避できる。
【００４５】
また、燃料極１０に燃料供給チューブ４０を挿入しているので、例えば、燃料供給チューブ４０の一方の端部と、他の燃料極１０に挿入された燃料供給チューブ４０の一方の端部とを結合することで、各燃料供給チューブ４０に燃料液５０を並列的に供給する並列流路を簡易に形成できる。この並列流路を用いることにより、３次元構造を有するＭＥＡで、燃料極１０に燃料を簡便に供給できる。さらに、並列流路に限らず、各燃料供給チューブ４０を直列に結合した直列流路を形成してもよい。この場合には、流路が長くなり、流路抵抗が増すものの、各燃料極１０に燃料を確実に供給できる。
【００４６】
ここで、燃料供給チューブ４０としては、円柱状のチューブ支持体４２の表面に、多孔性材料を塗布して形成してもよく、また、チューブ支持体４２の表面を撥水処理して形成してもよい。さらに、燃料極１０に供給される燃料の供給量を適度に制限する手段としては、燃料供給チューブ４０に限られない。即ち、チューブ形状の燃料極拡散電極１１の内面に多孔性材料を塗布して、燃料の供給を制御する層を形成してもよい。但し、この場合には、燃料極拡散電極１１の両端で燃料の漏れがないように、作製する必要がある。
【００４７】
次に、燃料電池１００の作製方法について説明する。まず、金属繊維シート等の拡散電極用材料をチューブ形状に加工して燃料極拡散電極１１及び酸化剤極拡散電極２１を作製し、その表面に触媒物質と固体高分子電解質とを含む燃料極触媒層１２及び酸化剤極触媒層２２を形成する。これにより、燃料極１０及び酸化剤極２０が作製される。
【００４８】
具体的には、まず、触媒物質を作製するために炭素粒子へ触媒を担持する。この工程は、一般的な含浸法により行われる。次に、触媒を担持させた炭素粒子と固体高分子電解質とを溶媒に分散させ、ペースト状とする。続いて、このペーストをチューブ形状の燃料極拡散電極１１又は酸化剤極拡散電極２１の表面に塗布し、乾燥させる。これにより、燃料極拡散電極１１及び酸化剤極拡散電極２１の表面に、燃料極触媒層１２及び酸化剤極触媒層２２が形成された燃料極１０及び酸化剤極２０が作製される。
【００４９】
ペーストの塗布方法は、刷毛塗り、スプレー塗布等の方法を適宜用いることができる。ペーストは、約１μｍ〜５００μｍの厚さで塗布される。また、ペーストを塗布した後に行われる乾燥は、使用する固体高分子電解質に応じた温度及び時間で加熱することで行われる。なお、ＭＥＡの外周部分等、燃料極１０と酸化剤極２０が対向しない部分には触媒の塗布を行わないことが好ましい。
【００５０】
続いて、燃料極触媒層１２又は酸化剤極触媒層２２の表面に、固体高分子電解質を塗布して、固体高分子電解質膜３０を形成する。また、これに限らず、固体高分子電解質材料を溶媒に溶解又は分散させた液体に、燃料極１０又は酸化剤極２０を浸漬して、固体電解質膜３０を形成してもよい。
【００５１】
次に、固体高分子電解質膜３０が表面に形成されたチューブ形状の燃料極１０及び酸化剤極２０を互いに隣接するように束ねて、さらに、互いに密着するように圧力を加えて圧着接合することにより、蜂の巣形状の３次元構造を有するＭＥＡを作製する。なお、圧力の条件は、材料に応じて選択されるが、例えば、固体高分子電解質の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とする。一例として、温度を１００〜２５０℃、圧着部分の圧力を０．１〜１０ｋｇｆ／ｃｍ２、加圧時間を１０〜３００秒程度とする。
【００５２】
また、上記した圧着接合に限らず、燃料極１０及び酸化剤極２０を互いに隣接するように配置し、かつ、それぞれの燃料極触媒層１２及び酸化剤極触媒層２２が互いに接触しない程度の隙間が生じた状態で固定し、その隙間に固体高分子電解質ペーストを充填してもよい。このようにすれば、燃料極１０及び酸化剤極２０を加圧して圧着接合する方法に比べて、燃料極１０と酸化剤極２０間の距離を一定に調整でき、均一性のあるＭＥＡを精度よく作製できる。
【００５３】
続いて、上記ＭＥＡの燃料極１０に、燃料供給チューブ４０を挿入することにより、燃料電池１００が得られる。
【００５４】
（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。燃料電池１００Ａは、酸化剤極拡散電極２１の内面に乾燥防止層７０を形成した点で、上記燃料電池１００と異なる。乾燥防止層７０は、酸化剤極触媒層２２の湿度を好適に保つための層であり、気液分離膜を用いて形成される。
【００５５】
気液分離膜としては、多孔質体であり、酸化剤極２０で生成する液体（水）の透過を阻止して酸化剤極触媒層２２の湿度を保ち、かつ、気体である酸化剤の酸素等を取り込むことができる材料を適宜用いることができる。このため、気液分離膜には、撥水性の材料を用いることができる。
【００５６】
乾燥防止層７０の材料としては、一例として、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のパーフルオロポリマー、ポリメタクリル酸１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロオクチル、ポリアクリル酸１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル等のポリフルオロアルキルアクリレート、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化エチレンプロピレン等のフルオロオレフィンが挙げられる。また、ポリ塩化ビニリデン、ポリアセタール、ブタジエンとアクリルニトリルとの共重合体樹脂等を用いることもできる。なお、酸化剤極拡散電極２１の内面に上記材料を塗布して覆うようにしてもよい。
【００５７】
上記各実施形態では、燃料極１０及び酸化剤極２０の断面形状が正方形である場合を示したが、これに限らず、燃料極１０から酸化剤極２０への水素イオンの移動に支障がない断面形状や配列であれば、燃料供給チューブ４０を配置することで、燃料極１０に供給される燃料の供給量を制御できる。
【実施例】
【００５８】
以下、実施例に基づいて本発明をより具体的に説明する。本実施例では、燃料極１０及び酸化剤極２０の断面形状が正方形であるＭＥＡを作製し、その後、出力特性（発電特性）の評価を行った。
【００５９】
まず、ルテニウム−白金合金を担持したケッチェンブラック１ｇを少量の水で失活させた後、デュポン社製の５％ナフィオン溶液を５０ｍｌ加え、超音波混合器で５０℃にて３時間攪拌することで、触媒ペーストを作製した。上記合金の組成は、５０ａｔｏｍ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末との重量比は１：１とした。
【００６０】
次に、断面１ｃｍ×１ｃｍ、長さ６ｃｍの金属細線マットをチューブ形状に成形して燃料極拡散電極１１を作製した。この燃料極拡散電極１１の表面のうち、両端から１ｃｍを除いた長さ４ｃｍの表面部分に、触媒ペーストを４ｍｇ／ｃｍ２でスプレー塗布し、８０℃で乾燥させた。これにより、燃料極拡散電極１１の表面に燃料極触媒層１２を形成して、燃料極１０を作製した。なお、触媒金属として白金を用いて、燃料極１０と同様の方法で酸化剤極２０を作製した。
【００６１】
続いて、燃料極触媒層１２の表面に、デュポン社製の５％ナフィオン溶液を、窒素雰囲気中、燃料極触媒層１２の表面温度を１４０℃に保った状態で、スプレー塗布した。これにより、燃料極触媒層１２の表面に約６０μｍの固体電解質膜３０を形成した。なお、酸化剤極触媒層２２の表面にも、同様の方法により固体電解質膜３０を形成した。
【００６２】
次に、上記作製した燃料極１０及び酸化剤極２０を８本ずつ用意した。これらの燃料極１０及び酸化剤極２０を互いに隣接し、かつ、４本×４本で束となるように配置した状態で、２回に分けて、環境温度１２０℃、約０．２５ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力を加えて互いに圧着させた。このようにして、ＭＥＡを作製した。
【００６３】
また、膜厚８０μｍ、細孔サイズ３００ｎｍの多孔質ＰＴＦＥシートを外周４ｃｍのチューブ状に成形することで、燃料供給チューブ４０の気液分離膜４１を作製した。また、燃料供給チューブ４０のチューブ支持体４２として、３．９ｃｍ角の角柱状のウレタンを用意した。気液分離膜４１の内部にウレタンを挿入することで、燃料供給チューブ４０を作製した。更に、この燃料供給チューブ４０を燃料極１０に挿入することで、本実施例のＭＥＡを作製した。
【００６４】
続いて、８本の燃料供給チューブ４０は、一方の端部をジョイントにより結合すると共に、ポンプにより燃料を循環させるように設定した。また、酸化剤極２０には、小型のファンにより空気を送風できるように設定した。さらに、８本の燃料極１０と８本の酸化剤極２０とを、それぞれ電気的に並列に接続結合し、結合した端子間で発電性能を評価した。
【００６５】
発電特性は、開回路電圧、及び１０ｍＡ／ｃｍ２の定電流で出力電圧を評価したものである。なお、燃料は、１０ｖ／ｖ％メタノール水溶液を用いた。酸化剤極２０には、室温環境の空気を送風した。
【００６６】
具体的には、開回路電圧が０．５６Ｖ、１０ｍＡ／ｃｍ２の定電流放電試験を行ったところ、電圧０．３２Ｖを出力した。従って、燃料供給チューブ４０を挿入したＭＥＡが、発電ユニットとして機能することが確認できた。
【００６７】
以上、本発明をその好適な実施形態に基づいて説明したが、本発明の燃料電池は、上記実施形態の構成にのみ限定されるものではなく、上記実施形態の構成から種々の修正及び変更を施したものも、本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６８】
１０：燃料極
１１：燃料極拡散電極
１２：燃料極触媒層
２０：酸化剤極
２１：酸化剤極拡散電極
２２：酸化剤極触媒層
３０：固体高分子電解質膜
４０：燃料供給チューブ（燃料制御部材）
４１：気液分離膜
４２：チューブ支持体（支持チューブ）
５０：燃料液
６０：酸化剤
７０：乾燥防止層
１００，１００Ａ：燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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