(57)【要約】【課題】直接型燃料電池の発電において生じる有害排出物を触媒燃焼により効果的に浄化するとともに、空気流路の水詰りを防止することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】本発明による燃料電池は、膜電極接合体と、導電性材料からなるアノード流路板及びカソード流路板とを含む単セルを複数個積層した燃料電池スタックを備えている。ここで、アノード流路板の端部にはアノード触媒層よりも外側に延びたアノード延出部が形成され、そのアノード延出部の少なくとも一部に空気中の酸素との燃焼反応によりメタノールまたはホルムアルデヒドを分解する燃焼触媒が配置されている。一方、カソード流路板の端部には、アノード外延部に対向するカソード延出部が形成され、カソード延出部のアノード延出部と対向する面に親水性領域が形成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノード触媒層及びカソード触媒層と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層とを含む膜電極接合体と、
前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層側とは反対側に配置され、凹部を有し、前記アノードガス拡散層表面と前記凹部により、液体燃料を供給するための燃料流路を形成させる、導電性材料からなるアノード流路板と、
前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層側とは反対側に配置され、凹部を有し、前記カソードガス拡散層表面と前記凹部により、酸化剤を供給するための酸化剤流路を形成させる、導電性材料からなるカソード流路板と、
を含む単セルを複数個積層した燃料電池スタックを備え、
前記アノード流路板の端部に、前記アノード触媒層よりも外側に前記積層方向と交差する方向に延びたアノード延出部が形成され、前記アノード延出部の少なくとも一部に酸素との燃焼反応によりメタノールまたはホルムアルデヒドを分解することができる燃焼触媒が配置され、
前記カソード流路板の端部に、前記カソード触媒層よりも外側に前記積層方向と交差する方向に延びたカソード延出部が形成され、前記カソード延出部の、前記アノード延出部と対向する面の少なくとも一部に親水性領域が形成されている
ことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード延出部および前記アノード延出部の間に空気を供給するための空気供給手段をさらに有する、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソード延出部と、前記カソード延出部に対向する前記アノード延出部との間隔が、２．５ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記カソード延出部または前記アノード延出部の少なくとも一方が、燃料電池の発電により発生する熱を逃がすための放熱フィンである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記親水性領域が、アルミナ、シリカ、酸化スズ、および酸化イリジウムスズからなる群から選ばれる少なくとも１つの無機酸化物膜、または不織布からなるものである、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記親水性領域の水滴接触角が４０°以下である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記燃焼触媒が、白金、パラジウム、または白金−パラジウム合金から選ばれる少なくとも１つの材料から構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃焼触媒が、撥水材を含む、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項９】
酸化剤流路の少なくとも一部に親水性領域が形成されている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
情報化社会を支える携帯用電子機器の電源として、直接型メタノール燃料電池（以下、ＤＭＦＣということがある）に代表される燃料電池が開発されている。一般的な燃料電池の構造を以下に説明する。
【０００３】
燃料電池は、電解質膜の両面に、触媒と導電性多孔質とを含む電極を接合した膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；以下、ＭＥＡという）を起電部とするものが一般的である。このＭＥＡを、燃料あるいは酸化剤（一般には空気）を供給するための溝を備えた一対の導電性流路板で挟んだものが１組の燃料電池（単セル）となる。一般的には、燃料電池は複数の単セルが積層された構造を有する。
【０００４】
燃料電池は、空気および燃料を供給すると内部で化学反応が起り、発電する。空気は空気ポンプやファンで、燃料は循環燃料ポンプで供給するのが一般的である。燃料は、目的に応じて、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールと水との混合溶液が用いられる。例えば燃料がメタノール水溶液の場合、燃料電池の燃料極（アノード）で生じる反応は、反応式（１）で表される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−     ・・・（１）
【０００５】
一方、空気極（カソード）で生じる反応は、反応式（２）で表される。
６Ｈ＋＋６ｅ−＋３／２Ｏ２  →３Ｈ２Ｏ        ・・・（２）
【０００６】
燃料電池に使用される電解質膜はプロトン（Ｈ＋）を選択的に通す膜なので、アノード極における反応式（１）で生じたプロトンは電解質膜を通過してカソードに到達する。一方、アノード極における反応式（１）で生じた電子は、燃料電池の外部回路を通ってカソード極に到達し、反応式（２）の反応が成立する。結局、燃料電池全体における反応は、メタノールと水および酸素が反応し、二酸化炭素と水が出来る反応である。
【０００７】
このように燃料電池は燃料と空気とを消費し、生成した物質と熱を外部に排出しながら発電するものであるが、上記アノード電極側に供給された燃料中のメタノールの一部は、未反応のまま、拡散などによりプロトン導電性電解質膜や触媒層中を通過してカソード極側へ移動し（クロスオーバー現象）、排出される場合がある。
【０００８】
メタノールは一般的に有害物であり危険物であり、多くの国々の職業的健康暴露限度として、１日平均８時間および週４０時間、２００ｖｏｌ−ｐｐｍの時間加重平均値を超えない暴露であれば、作業者に有害な影響を与えないと考えられている。しかし、燃料電池が一般生活で日常的に使われるようになる場合、慢性的な中毒を防止するために更に規制が厳しくなることが予想される。人によっては３０ｐｐｍでも臭気を感じる場合もあり、都市部での大気中でも数十ｐｐｂ程度と報告されている点から考慮すると、将来的な規制は数ｐｐｍ以下になる可能性が高い。このために、発電運転において未反応のまま排出されるメタノールを低減させるための処理は今後必須となると考えられる。
【０００９】
また、発電反応においては、未反応メタノール以外にも、カソード極側から種々の有害物質が排出される可能性がある。上記カソード側に移動したメタノールは、カソード電極に供給されている酸化剤により酸化されるが、完全酸化されるまでの反応中間体と考えられているホルムアルデヒド、蟻酸あるいは蟻酸メチルなどが、反応副生成物として生成される可能性がある。これ等の反応副生成物の生成量は、未反応のまま排出されるメタノールに比較して微量である。しかし、シックハウス症候群の誘因物質として注目されているホルムアルデヒドは、特に厳しい規制値が設定されているなどの理由から、ＤＭＦＣ発電装置の実用化にあっては、それらの反応副生成物を低減させる対策が必要不可欠といえる。
【００１０】
そこで、現在、ＤＭＦＣシステムにおいては、有害排出物であるメタノール排出ガス及び上述した反応副生成物を浄化する方法が種々に検討されている。
【００１１】
例えば特許文献１には、アノード極およびカソード極の電気化学反応によって生成した反応生成物から気体と液体を分離する気液分離槽を設け、分離された気体成分を回収して大気に排出する気体成分回収手段に副生成物を吸収または分解するフィルター（吸着剤、貴金属系触媒、銀系触媒、光化学触媒をハニカム層に担持させたもの等）を備える構成が開示されている。
【００１２】
しかしながら、このような構成では、気液を分離するための手段が必要であるが、本発明者らの知る限りそのような有効な方法は現在のところ見当たらない。このため、排出ガス中に気化した状態もしくは微小な液滴の状態で混入する有害物質をフィルターで完全に捕捉し、さらに有害物質の大気中への散逸を抑制するためにはさらなる検討が必要である。
また、この文献に記載された燃料電池の構成においては、排出ガスの分解フィルター通過時の圧力損失が大きくなるため、吐出圧の高いポンプ等が必要となり、システム全体の大型化や電力ロスの増大を招いてしまい好ましくない。
【００１３】
そこで、燃焼触媒を備えた触媒燃焼器を設け、有害排出物であるメタノール排出ガス及び上述した反応副生成物を触媒燃焼により効果的に浄化する方法も開示されている。
【００１４】
特許文献２では、触媒燃焼器が、触媒付基材からなる邪魔板を複数箇所設置させている燃焼室からなり、排出された燃料を空気と共に燃焼室に導入することで燃焼浄化する構成が開示されている。
【００１５】
また、特許文献３には、触媒燃焼器が、触媒層付多孔質シートで分割された二つの燃焼室からなり、一方の燃焼室には、排出された燃料が導入される導入口のみが設けられており、他方の燃焼室には、空気が導入される導入口と、触媒燃焼後の水及び二酸化炭素を含んだ空気が排出される排出口とが設けられている構造が開示されている。
しかしながら、これらの構成によれば、排出燃料及び空気が触媒燃焼器を通過する際の圧力損失の増加を回避することができるものの、触媒燃焼部が大型化するため、システム全体の小型・軽量化が困難であり、改良の余地があった。
【００１６】
さらに、ＤＭＦＣではカソード極側で生成した水の他にアノード極側からカソード極側へ通り抜けてしまう水を含め、多量の水がカソード極に出てくるために、カソード極側の排出ガス中の水蒸気濃度が高くなる傾向にある。そのため、その水蒸気が飽和し、さらには触媒燃焼部で結露することがある。この結露はガスの流れを阻害するために発電効率が低下するという問題を起こすことがある。そして、この触媒燃焼部における結露は上記した排出ガスの浄化処理をも妨げ、排出される有害排出物を充分に抑制できないという問題を引き起こすこともある。
【００１７】
ところで、前述したように燃料電池は供給された燃料と空気とを反応させ、生成した物質と熱を外部に排出しながら電力を供給するものである。したがって、燃料電池内で物質の滞りなく流れさせることが高い出力を維持するために非常に重要である。特に、ＤＭＦＣではカソード極で反応により生成した水に加えて、アノード極側から電解質膜を通過してカソード極側へ移動する水がカソード極から排出される。カソード極には、一般に複数の比較的狭い溝を備えた流路板により空気が供給されるが、カソード側から排出される水が完全に外部に排出されずにカソード流路中に滞留すると、ガス流路が水詰まりを起こし、空気の供給が阻害され、電池性能が低下してしまうという問題がある。
燃料電池のガス流路の水詰まり解消を目的とした技術は、例えば特許文献４〜６に開示されている。
【００１８】
特許文献４は燃料に水素ガスを用いるタイプの固体高分子型燃料電池に関するものであり、ガス流路壁面に親水性の領域と撥水性の領域を設けて、撥水性の領域で水滴を弾かせてアノード側のガス流路を確保するというものである。
【００１９】
特許文献５は多孔質部および緻密質部を有する燃料電池セパレータを開示するものであり、ガス流路の一部または全部を多孔質部で形成するものである。この技術は、ガス流路に親水処理を施すことにより吸水性を向上させ、カソード側のガス流路を確保するというものである。
【００２０】
特許文献６は燃料に水素ガスを用いるタイプの固体高分子型燃料電池に関するものであり、セパレータに形成されたガス流路およびこれと対面する拡散層表面の双方に親水化処理を施し、アノード側またはカソード側のガス流路を確保するというものである。
【００２１】
しかしながら、これらの燃料電池では、燃料ガス流路で発生する水滴による流路の閉塞は低減できるとしても、前述した触媒燃焼部の結露による有害排出物の浄化不良を十分に改善できるものではないと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】特開２００３−２２３９２０号公報
【特許文献２】特開２００５−２５９５６８号公報
【特許文献３】特開２００５−２５９６４０号公報
【特許文献４】特開平１１−９７０４１号公報
【特許文献５】特開２００４−７９１９６号公報
【特許文献６】特開２００８−１８６６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明は、運転時に生じる有害排出物が少なく、発電効率の低下が少ない直接型燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本願発明の態様によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の両側にそれぞれ配置されたアノード触媒層及びカソード触媒層と、前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の前記電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層及びカソードガス拡散層とを含む膜電極接合体と、
前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層側とは反対側に配置され、凹部を有し、前記アノードガス拡散層表面と前記凹部により、液体燃料を供給するための燃料流路を形成させる導電性材料からなるアノード流路板と、
前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層側とは反対側に配置され、凹部を有し、前記カソードガス拡散層表面と前記凹部により、酸化剤を供給するための酸化剤流路を形成させる導電性材料からなるカソード流路板と、
を含む単セルを複数個積層した燃料電池スタックを備え、
前記アノード流路板の端部に、前記アノード触媒層よりも外側に前記積層方向と交差する方向に延びたアノード延出部が形成され、前記アノード延出部の少なくとも一部に空気中の酸素との燃焼反応によりメタノールまたはホルムアルデヒドを分解することができる燃焼触媒が配置され、
前記カソード流路板の端部に、前記アノード触媒層よりも外側に前記積層方向と交差する方向に延びたカソード延出部が形成され、前記カソード延出部の、前記アノード延出部に対抗する面の少なくとも一部に親水性領域が形成されている
ことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、直接型燃料電池の発電において生じる有害排出物が触媒燃焼により効果的に浄化されるために、外部に排出される有害物が少なく、かつ、空気流路の水詰りが防止されているために、連続運転時の発電効率低下が少ない燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の実施の形態に係る燃料電池の一例を示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る燃料電池の一例を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る燃料電池のアノード流路板の一例を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る燃料電池のカソード流路板の一例を示す平面図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る燃料電池のカソード流路板の一例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なる場合があることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００２８】
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００２９】
〔第１の実施の形態〕
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の説明においては、燃料にメタノール水溶液を用いた直接メタノール型燃料電池を一例として説明する。
【００３０】
図１及び図２は、本発明による第１の実施の形態に係る燃料電池の発電スタックの単セル１００ａに相当する部分の断面模式図である。
【００３１】
本発明の実施の形態に係る燃料電池は、起電部として、電解質膜１と、この電解質膜１の両側にそれぞれ配置されたアノード触媒層２及びカソード触媒層３と、アノード触媒層２及びカソード触媒層３の電解質膜側とは反対側にそれぞれ配置されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５とを含む膜電極接合体６を有する。そして、アノードガス拡散層４のアノード触媒層側とは反対側には、凹凸を有する、導電性材料からなるアノード流路板８ａが配置されている。そして、アノードガス拡散層４の表面と、それに対向する、アノード流路板８ａの凹部とにより、液体燃料を供給するための燃料流路７が形成される。一方、カソードガス拡散層５のカソード触媒層側とは反対側には、凹凸を有する、導電性材料からなるカソード流路板１０ａが配置されている。そして、カソードガス拡散層５の表面と、それに対向する凹部とにより酸化剤を供給するための酸化剤流路（空気１０１が流れる流路であり、図１の断面に平行な方向に配置されている）が形成される。ここで、アノード流路板８ａおよびカソード流路板１０ａは、それぞれ薄板状の塑性を有するものであることが好ましい。
【００３２】
なお、本発明では、膜電極接合体の両面にアノード流路板及びカソード流路板を積層した際に、膜電極接合体と接する側の表面に突出している場合を「凸」とし、窪んでいる場合を「凹」として説明している。そして、凹部は一般的には溝状の構造を有している。
【００３３】
本発明の一実施態様である燃料電池は、膜電極複合体６とアノード流路板８ａとカソード流路板１０ａとで構成された単セル１００ａを含んでいる。一般に、燃料電池は単セル１００ａを複数個積層した燃料電池スタックを備えている。一般的に、燃料電池は上記したような部材を必須としたものであるが、本発明の一実施態様による燃料電池は、さらなる特徴的な構造を有する。
【００３４】
本発明の一実施態様による燃料電池においては、アノード流路板８ａは、その両端にスタックの積層方向と交差する方向に延びた一対のアノード延出部１１を有し、アノード延出部１１の少なくとも一部に空気中の酸素との燃焼反応によりメタノールまたはホルムアルデヒドを分解する燃焼触媒１２が配置されている。一方、カソード流路板１０ａは、その両端にスタックの積層方向と交差する方向に延びた一対のカソード延出部１３を有し、酸化剤流路及びアノード延出部１１と対向する面のカソード延出部１３に親水性領域１４が形成されている。本発明の一実施態様による燃料電池は、このようにアノード延出部に配置された燃焼触媒と、カソード延出部に形成された親水性領域とが、比較的近傍に、かつ離間して配置されていることを特徴の一つとしている。このような構造により、起電部の反応によって生じた水は親水性領域に局在し、燃焼触媒が水にぬれにくくなる。この結果、燃焼触媒が失活することを防ぐことができる。
【００３５】
これらに加え、燃料および空気１０１のリークを抑制するためにアノードガスケット１５、およびカソードガスケット１６を有するのが一般的である。
【００３６】
〔アノード触媒層、カソード触媒層〕
この電解質膜１の両側にはアノード触媒層２及びカソード触媒層３が配置される。メタノール水溶液を燃料とする場合、アノード触媒層２には、例えばＰｔ−Ｒｕ触媒を用いることができる。また、カソード触媒層３には例えばＰｔ触媒を用いることができる。
【００３７】
アノード触媒層は、例えば前記Ｐｔ−Ｒｕ触媒をパーフルオルスルホン酸樹脂溶液（ナフィオン溶液（商標名、デュポン社製））、水、及びエチレングリコールと混合して分散させた後、電解質膜上にスプレー法によって塗布することで作製することができる。
【００３８】
また、カソード触媒は、例えば前記Ｐｔ触媒をパーフルオルスルホン酸樹脂溶液（ナフィオン溶液（商標、デュポン社製））、水、及びエチレングリコールと混合して分散させた後、電解質膜上にスプレー法によって塗布することで作製することができる。
【００３９】
〔アノードガス拡散層、カソードガス拡散層〕
アノード触媒層２及びカソード触媒層３の電解質膜側とは反対側にそれぞれアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５が配置される。アノードガス拡散層４およびカソードガス拡散層５にはカーボンペーパー、カーボンクロスもしくはカーボン不織布等を用いることができる。ガス拡散層に主としてカーボン粉末とＰＴＦＥから成るカーボン緻密撥水層（マイクロポーラスレイヤーとも呼ばれる）を設けても良い。
【００４０】
アノードガス拡散層４はアノード触媒層２への燃料供給、生成物排出、および集電を円滑に行う機能を提供するものである。カソードガス拡散層５はカソード触媒層３への空気供給、生成物排出、集電を円滑に行う機能を提供するものである。
【００４１】
〔膜電極接合体のスタック方法〕
膜電極接合体６は、例えば、アノード触媒層２及びカソード触媒層３が両面に塗布された電解質膜１と、アノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５とを接合して作製される。あるいは、電解質膜１と、アノード触媒層２が塗布されたアノードガス拡散層４及びカソード触媒層３が塗布されたカソードガス拡散層５とを接合してもよい。それぞれ高い圧力で接合することにより、アノード触媒層２及びカソード触媒層３と接する界面の接触抵抗を低減することができる。
【００４２】
〔アノード流路板〕
アノード流路板８ａは、薄板状の塑性を有する導電性材料から構成される。図１に示すように、アノード流路板８ａは、アノードガス拡散層４と対向する表面側に、プレス加工によって形成された凹部１７ａ、１７ｂ、および１７ｃ及び凸部１８ａ、および１８ｂを有している。凹部１７ａ、１７ｂ、および１７ｃは、メタノール等の液体燃料を供給するための燃料流路７として利用される。図３に示すように、凹部１７ａ、１７ｂ、および１７ｃは、それぞれ一体化した１本のサーペンタイン流路をなしていてもよい。凹部１７ａ、１７ｂ、および１７ｃは、それぞれ独立した並行流路であってもよい。液体燃料は、燃料供給口（マニホールド）１９から供給され、燃料流路７としての凹部１７ａ、１７ｂ、および１７ｃを通って燃料排出口２０（マニホールド）に排出される。
【００４３】
アノード流路板８ａの凸部１８ａ、および１８ｂには、アノード触媒層２で生成された気体を回収するための回収孔２１が設けられている。
【００４４】
更に、アノード流路板８ａの凹部１７ａ、１７ｂ、および１７ｃの背部と第１の単セルと隣接する第２の単セルのカソード流路板１０ｂとの接触部分、及び第１の単セルのアノード流路板８ａの凸部１８ａ、および１８ｂの背部と第２の単セルのカソード流路板１０ｂとの間に設けられた空間領域に、アノード触媒層２で生成された気体が流通する気体流路２２が設けられている。
【００４５】
凸部１８ａ、および１８ｂに回収孔２１が設けられることにより、アノード反応により発生する気体を、回収孔２１を介して効率よくアノード流路板８ａの背面側へ排出でき、さらにはその気体を、気体流路２２および気体排出用マニホールド２３を経由して外部に排出することにより、単セル１００ａの内部（アノード流路板８ａの表面上）で気泡を回収する場合よりも圧力損失を小さくすることができるので好ましい。また、このような構造によって、これまで有効活用されていなかったスペースを有効活用でき、燃料電池全体の小型化も容易になる。
【００４６】
図３においては、回収孔２１は、凸部１８ａ、および１８ｂに所定の間隔を有してマトリクス状に複数個設けられているが、回収孔２１の形状は、図３に示す形状に限定されることなく、他にも様々な形状が採用できることは勿論である。
【００４７】
アノード流路板８ａの厚さは、一般に０．０５〜１．０ｍｍ程度とすることができる。特に、実施の形態に係る燃料電池をモバイル電子機器用の電源として利用する場合は、軽量化・小型化の観点から、厚さを０．０５〜０．２ｍｍ、更には厚さ０．０５〜０．１ｍｍの範囲にすることが好ましい。
【００４８】
アノード流路板８ａの両端には、スタックの積層方向と交差する方向に延びた一対のアノード延出部１１が設けられている。なお、ここではアノード延出部がアノード流路板の両端に設けられた例を示したが、かならずしも両端に設ける必要はなく、一方の端部だけに設けることもできる。アノード延出部１１は、発電により発生する熱を逃がすための放熱フィンを兼ねることもできる。その場合、放熱効率を高めるため、アノード流路板の材質としては、熱伝導率の高いものが好ましい。
【００４９】
アノード流路板８ａの材料としては、公知のステンレス鋼板、ステンレス鋼を基材上に耐食性、導通性の向上を目的とした表面処理、例えばめっき処理、金等の金属薄膜の蒸着、または金薄板とのクラッド化などが施された材料、アルミニウム基材の表面をカーボンで被覆したカーボンアルミニウム複合材料等が好ましいが、一定の導電性及び熱伝導性を有するものであれば、特に限定されない。
【００５０】
〔燃焼触媒〕
本発明による一実施態様による燃料電池において、アノード延出部１１のカソード流路板１０ａと対向する面の少なくとも一部に、空気中の酸素との燃焼反応によりメタノールまたはホルムアルデヒドを分解する燃焼触媒１２が配置されている。燃焼触媒１２によりアノード電極側に供給された燃料中のメタノールの一部がクロスオーバーによって電解質膜１を通過してカソード極側へ移動した未反応メタノール、およびカソード電極において起こる燃料の酸化反応の反応副生成物であるホルムアルデヒドなどを効果的に燃焼浄化することができる。
【００５１】
燃焼触媒１２の材料としては、メタノール、ホルムアルデヒドに対し燃焼活性を有する触媒であれば任意のものを用いることができるが、特に白金、パラジウム、白金−パラジウム合金等が好ましい。
【００５２】
燃焼触媒１２の担持量としては、例えば触媒として白金を用いた場合、０．１〜５ｍｇ／ｃｍ２の範囲とするのが効果的である。
【００５３】
燃焼触媒１２をアノード延出部１１上に固定化する方法としては、バインダーを用いて固定化する方法、公知のウォッシュコート法、スパッタ法、あるいはカーボンペーパー、アルミナ等の多孔質シートにあらかじめ燃焼触媒１２を担持させた後に接着剤、バインダー、粘着テープ等を用いて固定化する方法等が考えられるが、特に限定されない。
【００５４】
燃焼触媒１２をアノード延出部１１上に固定化する際、撥水材を含む材料に担持させていてもよい。このような構成にすると、燃焼触媒１２を失活させる水が燃焼触媒１２の表面に結露することを抑制することができる。このため、燃焼触媒１２をアノード延出部１１上に固定化するためのバインダーとして、撥水性を有するものを用いることが好ましい。前記バインダーとしては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶｄＦ）等のフッ素系樹脂を挙げることができる。
【００５５】
また、この燃焼触媒を利用した燃焼反応を促進し、また未反応物や副生成物を除去するために、燃焼触媒が配置されている部分、具体的にはカソード延出部１３および前記アノード延出部１１の間に空気を供給するための空気供給手段をさらに有することが好ましい。ここでこの空気供給手段は、燃焼触媒を利用した反応で消費される空気を供給するものであるが、起電部における発電反応において消費される空気を供給する手段を兼ねることもできる。
【００５６】
〔カソード流路板〕
カソード流路板１０ａは、図４に示すように、凸部２４と、凸部２４と凸部２４との間に形成された凹部２５を有する薄板状の導電性塑性材料で構成されている。このような凹凸構造は、例えば表面をプレス加工することによって得ることができる。凹部２５は、空気又は酸素等の酸化剤を供給するための酸化剤流路として利用される。酸化剤流路の形状は特に限定されない。例えば、図４に示すような「魚の骨型」の流路であってもよいし、そのほかの、例えばストレート流路やサーペンタイン流路であってもよい。
【００５７】
カソード流路板１０ａの厚さは、前記したアノード流路板と同様に選択することができる。
【００５８】
カソード流路板１０ａの両端には、図１に示すように、スタックの積層方向と交差する方向に延びた一対のカソード延出部１３が設けられている。図１においては、カソード延出部１３はアノード延出部１１と平行に設けられている。このように平行にすることで、未反応のまま排出される燃料や反応副生成物が燃焼触媒に接触しやすくなる。ただし、燃焼触媒が十分に作用するのであれば、これらは必ずしも平行である必要はない。また、ここではカソード延出部がカソード流路板の両端に設けられた例を示したが、かならずしも両端に設ける必要はなく、一方の端部だけに設けることもできる。カソード延出部１３は、発電により発生する熱を逃がすための放熱フィンを兼ねることもできる。
【００５９】
〔親水性領域〕
本発明の一実施態様による燃料電池の、アノード延出部１１と対向する面のカソード延出部１３には、親水性領域１４が設けられている。このように親水性領域１４を設けることで、膜電極接合体６から排出される水は親水性領域１４を通じてカソード延出部１３に移送される。カソード延出部１３から水は発電スタックの系外へ除去される。このとき酸化剤流路表面も親水性とされていることが好ましい。そのような構造とすることで、比較的狭い酸化剤流路において結露が起こっても、水は速やかにカソード延出部に移動し、そこから系外へ除去される。このとき、空気供給手段１０２から供給される空気１０１が、その表面に水を備えたカソード延出部１３に接触し、カソード延出部１３ら水を気化して排出する構造となっている。このことにより、「カソード延出部１３からの水の除去」と「カソード流路板１０の冷却」の両方の機能及び効果を持たせることができる。水の気化熱を利用して、カソード流路板１０ａを冷却することができるからである。一方でカソード延出部が冷却フィンの機能を兼ねている場合には、その熱によって水の気化が迅速に行われるので好ましい。その場合、カソード流路板の材質としては、水の気化により奪われる熱を補うために、熱伝導率の高いものが好ましい。
【００６０】
カソード流路板１０ａの材料としては、前述したアノード流路板８ａと同様なものを使用することができる。すなわち、公知のステンレス鋼板、ステンレス鋼を基材上に耐食性、導通性の向上を目的とした表面処理、例えばめっき処理、金等の金属薄膜の蒸着または金薄板とのクラッド化などが施された材料、アルミニウム基材の表面をカーボンで被覆したカーボンアルミニウム複合材料等が好ましいが、一定の導電性及び熱伝導性を有するものであれば、特に限定されない。
【００６１】
本発明によれば、親水性領域１４により結露した水が速やかに気化されるために、酸化剤流路の水詰りを防止することが可能となる。その上、膜電極接合体６から排出される水は親水性領域１４に選択的に移動しカソード延出部１３に移送されるため、カソード延出部１３と対向するアノード延出部上に配置された燃焼触媒１２が水によって失活するのを回避できる。そのため、直接型燃料電池の発電において生じる有害排出物を触媒燃焼により効果的に浄化することができる。
【００６２】
カソード延出部１３とカソード延出部１３に対向するアノード延出部１１との間隔は、燃料電池スタック全体の大きさを小さくするという観点からは狭くすることが好ましい。このような観点から、本発明においては、カソード延出部１３とアノード延出部１１との間隔が２．５ｍｍ以下であることが好ましい。一方、その間隔を過度に狭くすると、結露水による流路の閉塞や、燃焼電極の濡れが発生する可能性が高くなるが、本発明においては親水領域１４を設けることによりアノード延出部１１上に配置された燃焼触媒１２が膜電極接合体６から排出される水によって失活するのをより効果的に回避することができ、かつ結露した水が流路を閉塞することが防止されるので、前記間隔を２．５ｍｍ以下としても結露水による発電効率の低下が起こりにくい。したがって、燃料電池スタックのサイズを小さくしながら発電効率を高く維持することができるのである。一方、カソード延出部１３とアノード延出部１１との間隔が２．５ｍｍ以下としても、親水領域１４を設けないと、結露により生じた水が外部に排出されずに滞留し、流路を閉塞したり、燃焼触媒を濡らしてしまう恐れがある。なお、カソード延出部とアノード延出部との間隔とは、カソード延出部に設けられた親水性領域と、前記カソード延出部に対向する前記アノード延出部上に配置された燃焼触媒の間の最も近接している箇所の距離をいう。
【００６３】
親水性領域１４は、例えばカソード延出部１３をシリカ被膜で被覆することにより形成させることができる。シリカ被膜を形成する方法としては、公知の任意の方法を用いることができる。例えば、ポリシラザンの有機溶媒溶液を塗布液として塗布し、大気中の水分との反応によりシリカ被膜を形成する方法（ポリシラザン法）、ゾルゲル法、水ガラス法、スパッタ法、またはナノサイズに制御したシリカをバインダーと共に水・アルコール溶媒に分散させたシリカ組成物を塗布する方法等が挙げられる。
【００６４】
親水性領域１４にシリカ組成物などを塗布する方法としては、スプレーコート、スピンコート、ディップコート、インクジェットなどの方法を採用することが可能である。
【００６５】
シリカ組成物等を塗布して親水性領域を形成させる際、スタックを構成する各セル間の電気的コンタクトを確保するために、凸部２４上にシリカ被膜が形成されないよう、凸部２４にマスキングをして塗布することが好ましい。シリカが絶縁性のため、凸部２４にシリカ被膜が形成されてしまうと、カソード流路板１０ａの電気抵抗が増大してしまうためである。
【００６６】
親水性領域１４の材料は、シリカに限定されず、例えば、シリカ、アルミナ、酸化スズ、および酸化イリジウムスズからなる群か選ばれる少なくとも１つの無機酸化物膜、あるいは不織布等を用いて形成させることができる。
【００６７】
親水性領域１４は、カソード延出部１３の表面よりも親水性が高ければよい。それによって、結露が生じた場合であっても親水性領域の表面に水が広がり、結露した水が流路を塞いだり、燃焼触媒を濡らすことを防ぐことができる。より具体的には、親水性領域１４の表面は、水滴接触角が４０°以下であることが好ましい。
【００６８】
また、本発明の一実施態様では、親水性領域はカソード延出部に配置されていればよいが、酸化剤流路が親水性とされていてもよい。酸化剤流路が親水性とされていると、仮に流路において結露が起きても、水は親水性とされた表面に広がり、気化されやすく、また浸透により水がカソード延出部近傍まで浸透することが可能となる。
【００６９】
（第２の実施の形態）
さらに、本発明の他の実施の形態に係る燃料電池について説明する。本実施の形態に係る燃料電池は、図５に示すように、カソード流路板１０ａの酸化剤流路に親水性領域１４ａとしてシリカ被膜を形成し、カソード延出部１３には親水性領域１４ｂとして不織布を配置したものである。
【００７０】
前記不織布の材質としては、セルロース、レーヨン、ビニロン、ポリエステル、アラミド、ナイロンなどを挙げることができる。中でも、レーヨン、セルロース、ポリエステルは、親水性に優れるため好ましい。また、不織布として、和紙のように植物性の繊維による不織布あるいは紙、またはガラス繊維の不織布を用いることができる。これらの不織布は、所定のサイズに合わせレーザー等で切断して用いることができる。
【００７１】
不織布を親水性領域に用いる場合、その厚さとしては、一般に９０μｍ以下、好ましくは６０μｍ以下である。さらに好ましくは１０μｍ以下である。
【００７２】
本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が可能である。
本発明はこの開示から妥当な特許請求の範囲の発明特定事項によって表されるものであり、実施段階においては、その要旨を逸脱しない範囲で変形して具体化できる。
【００７３】
〔実施例１〜４および比較例１〜３〕
表１に示す構造を有する各燃料電池を組み立てた。セルの積層数は２５セルであり、定格出力は２０Ｗである。
【００７４】
実施例１〜４および比較例１〜３の各スタックについて各セルの電圧をモニターしながら定格運転を行った。
【００７５】
水詰まりの評価は、５０時間運転の後、カソード流路の水詰まりに起因する電圧低下が５０ｍＶ以上になったセルが１個以上認められたものを×、電圧低下が認められなかった場合は○とした。また、排ガス中のメタノール濃度は、定格運転時における排ガス中のメタノール濃度を赤外分光法（ＩＲ）により定量した。得られた結果は表１に示す通りであった。
【００７６】
表１に示すように、燃焼触媒と親水性領域のいずれも設けなかった比較例１では排ガス中のメタノール濃度が５５ｐｐｍとなり、カソード流路の水詰まりによるセルの電圧低下も認められた。
【００７７】
また、親水性領域は形成したものの、燃焼触媒を設けなかった比較例２では、カソード流路の水詰まりによるセルの電圧低下は認められなかったが、排ガス中のメタノール濃度は５０ｐｐｍであり、比較例１とほぼ同等であった。
【００７８】
さらに、燃焼触媒は設けたものの、親水性領域を形成せず、カソード延出部とアノード延出部の間隔を２．７５ｍｍとした比較例３においては、カソード延出部とアノード延出部の間隔が実施例１などに比べて広いにもかかわらず、水詰まりによるセルの電圧低下が認められ、排ガス中のメタノール濃度も４７ｐｐｍとなった。
【００７９】
これに対し、本発明に係る実施例１〜４の燃料電池では、カソード水詰まりを起こしたものは皆無であり、排ガス中のメタノール濃度も検出限界以下（１０ｐｐｍ以下）となり、本発明の効果が認められた。
【００８０】
【表１】
2010205593.tif 000003
【符号の説明】
【００８１】
１  電解質膜
２  アノード触媒層
３  カソード触媒層
４  アノードガス拡散層
５  カソードガス拡散層
６  膜電極接合体
７  燃料流路
８ａ  アノード流路板
１０ａ、１０ｂ  カソード流路板
１１  アノード延出部
１２  燃焼触媒
１３  カソード延出部
１４  親水性領域
１００ａ  単セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2010205593.tif 000007
【図５】
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