(57)【要約】【課題】燃料電池の筐体外への漏水を防止する。【解決手段】この燃料電池は、アノードとカソードと、アノードとカソードとの間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜と、アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、カソードで生成した水の蒸散を抑止する保湿層を備えた燃料電池であり、保湿層の外側に気液選択透過層を有する。別の態様の燃料電池は、保湿層の外側に吸水層を有する。【選択図】図１
2010170938.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、前記アノードと前記カソードとの間に挟持されたプロトン伝導性を有する電解質膜と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードの外側に配置され該カソードで生成した水の蒸散を抑止する保湿層を備えた燃料電池であり、
前記保湿層の外側に気液選択透過層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記気液選択透過層は、ＪＩＳ  Ｐ−８１１７−１９９８に規定される測定方法による透気度が０．５〜３．５秒／１００ｃｍ３である気液選択性材料から成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記気液選択透過層は、ＪＩＳ  Ｌ１０９９−２００６  Ａ−１に規定される測定方法による透湿度が１０００〜４００００ｇ／（ｍ２・２４ｈｒ）である気液選択性材料から成ることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記カソード側の最外層に空気導入口を有する表面層を備えており、該表面層と前記保湿層との間に前記気液選択透過層を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、前記アノードと前記カソードとの間に挟持されたプロトン伝導性を有する電解質膜と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードの外側に配置され該カソードで生成した水の蒸散を抑止する保湿層を備えた燃料電池であり、
前記保湿層の外側に吸水層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
前記カソード側の最外層に空気導入口を有する表面層を備えており、該表面層と前記保湿層との間に前記吸水層を有することを特徴とする請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記吸水層は、前記表面層の前記空気導入口に対応する位置に空気導入用の開口を有することを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特にメタノールなどの液体燃料を使用した直接メタノール型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話などの電子機器は半導体技術の発達とともに小型化されており、これらの電子機器の電源に燃料電池を用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができるシステムである。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に使用し、電極触媒上でメタノールから直接電流を取り出すことができ、改質器も不要なことから、小型機器用電源として有望視されている。
【０００３】
ＤＭＦＣにおける燃料の供給方法として、液体燃料を気化させてからブロアなどで燃料電池内に送り込む気体供給型と、５０ｍｏｌ％以下の濃度の液体燃料をそのままポンプなどで燃料電池内に送り込む液体供給型、さらに、燃料電池内部で５０ｍｏｌ％以上の濃度の液体燃料を気化させる内部気化型などが知られている。
【０００４】
内部気化型ＤＭＦＣは、アノード（燃料極）とカソード（空気極）と、アノードとカソードとの間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜と、液体燃料を保持する燃料浸透層と、保持された液体燃料のうち気化成分を拡散させるための気液分離膜とを備えており、気化した燃料が気液分離膜からアノード（アノード触媒層）に供給されるように構成されている。
【０００５】
アノード触媒層では、式（１）に示すように、気化したメタノールと水とが反応して二酸化炭素および水素イオン（プロトン）を生成する。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  ………（１）
【０００６】
カソード触媒層では、式（２）に示すように、水の発生を伴う反応が進行する。
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ    ………（２）
また、カソード触媒層では、アノード側からカソード側へ拡散したメタノールが直接酸化されることで水を生成する。これらの水は、カソードと酸素取り入れ口との間に具備された保湿層によって再びカソードに戻り、自己拡散することによってアノード側へ供給される。そして、アノード触媒層における前記式（１）の反応に必要な水として利用される。
【０００７】
このように、ＤＭＦＣでは発電時に水が発生し、この水がアノード反応に必要な水として利用され、一部はカソードと酸素取り入れ口との間に配置された保湿層を透過し、水蒸気（気体）として筐体外に拡散される。しかし、消費（反応）電流が大きくなり水の発生量が増大した場合、あるいは、低温もしくは高湿のような水蒸気が凝結しやすい環境下では、水蒸気（気体）として大気中に拡散しきれず、凝結した水が筐体外へ漏水するという問題があった（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−３３１９００公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、外部への漏水が防止された燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の態様の燃料電池は、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、前記アノードと前記カソードとの間に挟持されたプロトン伝導性を有する電解質膜と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードの外側に配置され該カソードで生成した水の蒸散を抑止する保湿層を備えた燃料電池であり、前記保湿層の外側に気液選択透過層を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第２の態様の燃料電池は、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、前記アノードと前記カソードとの間に挟持されたプロトン伝導性を有する電解質膜と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードの外側に配置され該カソードで生成した水の蒸散を抑止する保湿層を備えた燃料電池であり、前記保湿層の外側に吸水層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の第１の態様の燃料電池によれば、保湿層の外側に気液選択透過層が配置されているので、消費（反応）電流が大きくなり水の発生量が増大した場合において、あるいは低温もしくは高湿のような水蒸気が凝結しやすい環境下においては、凝結した水が気液選択透過層により透過を遮断・抑制され、液体の水として外部に漏出（漏水）することがない。したがって、長期に亘って安定した高い出力を得ることができる。なお、気液選択透過層により透過を遮断された液体状態の水は、カソードの熱などにより気化され、気体（水蒸気）として気液選択透過層を透過して外部に放出される。
【００１３】
また、第２の態様の燃料電池によれば、保湿層の外側に吸水層が配置されているので、保湿層中などで凝結した水は吸水層により吸収され保持され、外部に漏水することがない。したがって、長期に亘って安定した高い出力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施形態の構成を示す縦断面図である。
【図２】王研式（背圧式）透気抵抗度測定機の模式図である。
【図３】図２に示す測定機の流路を示す図である。
【図４】ガーレ式測定機の流路を示す図である。
【図５】本発明に係る燃料電池の第２の実施形態の構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る燃料電池の第１の実施形態の構成を示す断面図である。
【００１６】
第１の実施形態の燃料電池２０は、図１に示すように、アノード触媒層１とアノードガス拡散層２を有するアノード３と、カソード触媒層４とカソードガス拡散層５を有するカソード６、およびアノード触媒層１とカソード触媒層４との間に挟持されたプロトン伝導性を有する電解質膜７とから構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）８を備えている。また、このＭＥＡ８のカソード６の外側に、カソード導電層９と保湿層１０、および複数の空気導入口１１ａを有する表面カバー層１１を備えており、保湿層１０と表面カバー層１１との間に、気液選択透過層１２が配置されている。さらに、ＭＥＡ８のアノード３の外側に、アノード導電層１３と気液分離膜１４およびアノード３（アノード触媒層１）に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構３０を備えている。
【００１７】
アノード触媒層１とカソード触媒層４は、いずれも、触媒とプロトン伝導性を有する電解質とを含有している。アノード触媒層１に含有されるアノード触媒、ならびにカソード触媒層４に含有されるカソード触媒としては、例えば、白金族元素であるＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄなどの単体金属、これらの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、アノード触媒として、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などの合金を、カソード触媒として、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏなどの合金のような金属触媒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、これらの触媒の微粒子を導電性担体に担持した担持触媒を使用してもよい。導電性担体としては、活性炭や黒鉛などの粒子状のカーボンまたは繊維状のカーボンが使用される。
【００１８】
これらの触媒とともにアノード触媒層１およびカソード触媒層４に含有されるプロトン伝導性を有する電解質としては、例えば、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体のようなフッ素系樹脂や、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂などの有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸などの無機系材料が挙げられる。具体的には、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）、アシプレックス（商品名；旭化成工業社製）などが例示される。なお、プロトン伝導性を有する電解質はこれらに限定されるものではなく、例えば、トリフルオロスチレン誘導体の共重合体、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂のような、水素イオン（プロトン）およびメタノールを輸送可能な電解質を使用することができる。
【００１９】
本発明の実施形態においては、このように構成されるアノード触媒層１にアノードガス拡散層２が積層されており、カソード触媒層４にカソードガス拡散層５が積層されている。アノードガス拡散層２は、アノード触媒層１に燃料を均一に供給する役割を果たすとともに、アノード触媒層１の集電体としての役割も果たしている。カソードガス拡散層５はカソード触媒層４に酸化剤である空気を均一に供給する役割を果たすとともに、カソード触媒層４の集電体としての役割も果たしている。これらのアノードガス拡散層２およびカソードガス拡散層５は、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、カーボンシルクなどの多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成されている。
【００２０】
アノード触媒層１とカソード触媒層４との間に、プロトン伝導性を有する電解質膜７が挟持されている。プロトン伝導性を有する電解質膜７を構成する材料としては、アノード触媒層１とカソード触媒層４に含有される電解質と同じものを挙げることができる、すなわち、ナフィオンやフレミオンなどのスルホン酸基を有するフッ素系樹脂（パーフルオロカーボン重合体）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂などの有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸などの無機系材料が挙げられる。なお、プロトン伝導性の電解質膜７はこれらに限定されるものではない。
【００２１】
また、アノードガス拡散層２の外側にアノード導電層１３が積層され、カソードガス拡散層５の外側にカソード導電層９が積層されている。アノード導電層１３とカソード導電層９は、例えばＡｕ、Ｎｉのような電気特性と化学的安定性に優れた導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）、または箔体、薄膜、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などで構成される。特にアノード導電層１３は、複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して燃料をＭＥＡ８に導く。なお、図１ではカソード導電層９を備えた燃料電池を示しているが、カソード導電層９を別に設けずに、カソードガス拡散層５を導電層として機能させてもよい。
【００２２】
プロトン伝導性の電解質膜７とアノード導電層１３との間であってアノード触媒層１とアノードガス拡散層２の周囲には、例えば断面がＯ字状であり、平面形状が矩形枠状のシール材２１が設けられている。また、プロトン伝導性の電解質膜７とカソード導電層９との間であってカソード触媒層４とカソードガス拡散層５の周囲にも、同じ形状のシール材２１が設けられている。これらのシール材２１は、ＭＥＡ８からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止するものであり、例えばゴムなどの弾性体で構成されている。
【００２３】
カソード導電層９の上には、保湿層１０が積層されている。保湿層１０は、カソード触媒層４で生成された水の一部を含んでおり、水の蒸散を抑制する機能を有している。また、酸化剤である空気をカソードガス拡散層５に均一に導入し、カソード触媒層４への酸化剤（空気）の均一な拡散を促進する機能をも有している。保湿層１０は、例えば多孔質ポリエチレン膜などにより構成することができる。
【００２４】
保湿層１０の上には、気液選択性材料から構成される気液選択透過層１２が配置されている。気液選択透過層１２は、高い気体透過性を有し液体透過性が低く、かつメタノールや水に対して不活性で溶解しない材料により、保湿層１０の全面を覆うようにシート（膜）状に形成されることが好ましいが、これに限定されるものではない。
【００２５】
気液選択透過層１２を構成する気液選択性材料としては、ＪＩＳ  Ｐ−８１１７−１９９８に規定された測定方法による透気度が０．５〜３．５秒／１００ｃｍ３の範囲のものを使用することが好ましい。この透気度測定方法について以下に説明する。
【００２６】
まず、多孔質層の透気度（透気抵抗度）について説明する。透気抵抗度は、王研式透気度試験機により測定される。透気抵抗度の単位であるガーレ秒は、ガーレ法（ＪＩＳ  Ｐ８１１７）に準ずるもので、圧力差０．０１３２ｋｇｆ／ｃｍ２の下で１００ｃｍ３の空気が６４．５ｃｍ２広さの紙（サンプル）を通過する時間（秒）を意味する。
【００２７】
王研式透気度試験機の規格は、J. TAPPI  NO5B（紙パルプ技術協会規格）であり、型式はEGO-2Sである。また、測定端の直径はφ３０ｍｍでノズル型名はG,100、またはφ１０ｍｍでノズル型名は1/10G,100である。以下に測定原理を図２〜図５を参照して説明する。
【００２８】
図２は、王研式（背圧式）透気度測定機を示す模式図である。測定端１０１には、測定サンプル１０２（例えば気液選択透過層）が配置されている。測定端１０１には、細管１０３を介して水柱圧力計１０４が接続されている。水柱圧力計１０４は、細管１０３に接続された側圧室（Ｂ室）１０５と、ノズルと呼ばれる細管１０６を介して接続された定圧室（Ａ室）１０７とを有する。水柱圧力計１０４の定圧室（Ａ室）１０７は、細管１０８を介して外部圧縮源１０９に接続されている。細管１０８には、圧力ゲージ１１０が設けられている。
【００２９】
測定サンプル１０２には、外部圧縮源１０９から配管１０８、定圧室（Ａ室）１０７、細管１０６、側圧室（Ｂ室）１０５、および細管１０３を通して供給された空気圧が加わる。外部圧縮源１０９から供給された時点での空気圧は、圧力ゲージ１１０により測定される。空気圧が加わるのと反対側の面に加わる圧力は、大気圧に保たれる。
【００３０】
測定サンプル１０２を透過する空気圧は、水柱圧力計１０４により測定される。測定サンプル１０２のガーレの透気度ＴＧは、以下に説明する原理に基づいて得られる。
【００３１】
図３に、図２の測定機の流路に関する図を示す。図３では、図２と同様な部材については同符号を付しているが、側圧室（Ｂ室）１０５の右側に接続されている細管１１１は、測定サンプル１０２を見立てたものである。
【００３２】
図３に関して、両細管内の流れが層流の場合は、流量と差圧の関係はハーゲン＝ポアゼイユの法則に従う。また、流速が小さい場合は、流路系に連続の法則が適用できる。
【００３３】
ＱＣ＝Ｑ＝π／８μ・（ＰＣ−Ｐ）・Ｒ４／Ｌ  …（１）
Ｑ＝π／８μ・Ｐ・ｒ４／ｌ  …（２）
ＰＣは定圧室（Ａ室）１０７の圧力で、５００ｍｍＨ２Ｏの定圧に保たれている。Ｐは側圧室（Ｂ室）１０５の圧力、ＱＣはノズル１０６での流量（ｃｍ３／ｓｅｃ）、Ｑは細管１１１での流量（ｃｍ３／ｓｅｃ）、Ｌはノズル１０６の長さ（ｍｍ）、ｌは細管１１１の長さ（ｍｍ）、Ｒはノズル１０６の内径（ｍｍ）、ｒは細管１１１の内径（ｍｍ）、μは空気の粘性係数である。
【００３４】
図４は、ガーレ式測定機の流路についての模式図であり、定圧ＰＧに保たれるＧ室１１２の空気が細管１１３を通じて大気中に放出されることを示している。また、細管１１３は、測定サンプル１０２を見立てたものである。図４のＧ室１１２および細管１１３は、図２で説明したと同様な法則に従う。
【００３５】
ＱＧ＝π／８μ・ＰＧ・ｒ４／ｌ  …（３）
ＴＧ＝１００／ＱＧ…（４）
ＰＧ＝４Ｗ／πＤ２＝０．０１３２（ｋｇｆ／ｃｍ２）＝１．２９（ｋＰａ）…（５）
ＰＧは、ＪＩＳ  Ｐ８１１７により規定される測定部の内筒（Ｗ＝５６７ｇ，Ｄ＝７４ｍｍ）から算出される。ＱＧは細管１１３での流量（ｃｍ３／ｓｅｃ）で、ＴＧは透気度（ｓｅｃ）である。
【００３６】
上記の式（１），（２），（３），（４）より、ＴＧとＰの関係は次式（６）で与えられる。測定機の定数Ｋが決定されれば、図２の水柱圧力計に直接ガーレの透気度ＴＧを見積もることができる。
【００３７】
ＴＧ＝８００μ／πＰＧ・Ｌ／Ｒ４・Ｐ／（ＰＣ−Ｐ）
＝Ｋ・Ｐ／（ＰＣ−Ｐ）…（６）
ここで、Ｋは測定機の定数（Ｋ＝８００μ／πＰＧ・Ｌ／Ｒ４）であり、細管１０６の長さＬ（ｍｍ）および内径Ｒ（ｍｍ）は設計上定められる。
【００３８】
また、気液選択透過層１２を構成する気液選択性材料は、１０００〜４００００ｇ／（ｍ２・２４ｈｒ）の範囲の透湿度を有することが好ましい。ここで、透湿度は、所定の温度・湿度雰囲気において膜を透過する水蒸気の質量（ｇ）をその膜の単位面積（１ｍ２）および２４時間当たりに換算した値を示す。具体的には、ＪＩＳ  Ｌ１０９９に規定する透湿度試験方法で、吸湿剤として塩化カルシウムを使用したＡ−１法に準拠して測定される値を、膜厚が１０μｍ当りに換算した値を示す。
【００３９】
気液選択透過層１２を構成する気液選択性材料の透湿度が１０００ｇ／（ｍ２・２４ｈｒ）未満の場合には、気液選択透過層１２の透湿性が低くなりすぎるため、燃料電池２０内部に水などの液体が過剰に溜まり、フラッディング（水溜まり）による燃料電池の性能の低下を引き起こす。また、透湿度が４００００ｇ／（ｍ２・２４ｈｒ）を超える場合には、外部への漏水を十分に防止することができない。
【００４０】
気液選択透過層１２を構成する気液選択性材料の具体例としては、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、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）等）の微多孔体などの材料が挙げられる。気液選択透過層１２は、これらの材料の薄膜により構成され、周縁から液体などが漏れないように構成される。
【００４１】
このような気液選択透過層１２の上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口１１ａが複数個形成された表面カバー層１１が配置されている。表面カバー層１１は、ＭＥＡ８や保湿層１０を加圧し密着性を高める役割も果たしている。例えばＳＵＳ３０４のような金属で構成することができるが、これに限定されない。表面カバー層１１における空気の取入れ量の調整は、空気導入口１１ａの個数や大きさなどを変えることで行われる。
【００４２】
アノード導電層１３の外側（燃料供給機構３０側）には、気液分離膜１４が配置されている。気液分離膜１４は、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料とを分離し、気化成分のみをアノード３側に通過させるものである。この気液分離膜１４は、燃料（例えばメタノール）に対して不活性で溶解しない材料で構成される。具体的には、シリコーンゴム薄膜、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により構成される。この気液分離膜１４は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。
【００４３】
気液分離膜１４とアノード導電層１３との間に、樹脂製のフレーム（図示しない）を設けてもよい。フレームで囲まれた空間は、気液分離膜１４を透過・拡散してきた燃料の気化成分を一時的に収容する気化燃料収容室（いわゆる蒸気だまり）として機能するとともに、ＭＥＡ８とアノード導電層１３を密着させる補強板としても機能する。この気化燃料収容室および気液分離膜１４の透過メタノール量抑制効果により、一度に多量の気化燃料がＭＥＡ８（アノード触媒層１）に流入するのが回避され、燃料クロスオーバーの発生が抑制される。フレームは、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社の商品名）のような耐薬品性の高いエンジニアリングプラスチックで構成される。
【００４４】
気液分離膜１４の外側に燃料供給機構３０が配置されている。燃料供給機構３０は、アノード導電層１３の開口に対向して設けられた複数の開口部３１ａを有する燃料分配層３１と、この燃料分配層３１に液体燃料Ｆを供給する燃料供給部本体３２と、燃料収容部３３と、流路３４、および流路３４に介挿されたポンプ３５を備えている。
【００４５】
燃料収容部３３には、ＭＥＡ８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、アルコール、カルボン酸およびアルデヒドからなる群から選択される一つ以上の物質の水溶液または非水溶液を使用することができる。具体的には、メタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料、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、酢酸、ホルムアルデヒドおよびアセトアルデヒドからなる群から選択される一つ以上の物質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。これらの中でも、メタノールは、炭素数が１で反応の際に発生するのが二酸化炭素であり、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができる。そのため、液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液あるいは純メタノールを使用するのが好ましい。また、濃度が５０ｍｏｌ％以上となるものが好適に用いられるが、必ずしも限定されない。
【００４６】
燃料供給部本体３２は、供給された液体燃料Ｆを燃料分配層３１に対して均一に供給するために、液体燃料を分散させるための凹部からなる燃料供給部３６を備えている。この燃料供給部３６は、配管などで構成される流路３４を介して燃料収容部３３と接続されている。燃料供給部３６には、燃料収容部３３から流路３４を介して液体燃料Ｆが導入され、導入された液体燃料Ｆおよび／またはこの液体燃料Ｆの気化成分は、燃料分配層３１を介して気液分離膜１４に供給される。そして、気液分離膜１４から気化成分のみがＭＥＡ８に供給される。
【００４７】
流路３４は、燃料供給部３６や燃料収容部３３と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部３６や燃料収容部３３を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部３６は、流路３４を介して燃料収容部３３と連通されていればよい。
【００４８】
流路３４の一部にはポンプ３５が介挿されており、燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆは燃料供給部３６まで強制的に送液される。流路３４にポンプ３５を介在させず、燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆを、重力を利用して燃料供給部３６まで落下させて送液してもよい。また、流路３４に多孔体などを充填し、毛細管現象により液体燃料Ｆを燃料供給部３６まで送液してもよい。
【００４９】
ポンプ３５は、燃料収容部３３から燃料供給部３６に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、ＭＥＡ８に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このようなポンプ３５を備えた燃料電池２０は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは構成が異なる。また、内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なり、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ３５の種類は、特に限定されるものではないが、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であるという観点から、ロータリベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプなどを使用することが好ましい。ロータリベーンポンプは、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など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、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさなどの観点から、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。このポンプ３５は、制御手段（図示しない）と電気的に接続されており、この制御手段によって、燃料供給部３６に供給される液体燃料Ｆの供給量が制御される。
【００５０】
燃料分配層３１は、複数の開口部３１ａが形成された平板であり、液体燃料Ｆやその気化成分を透過させない材料で構成される。具体的には、燃料分配層３１は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂などで構成され、気液分離膜１４と燃料供給部本体３２との間に挟持される。燃料供給部本体３２に導入された液体燃料Ｆは、燃料分配層３１の複数の開口部３１ａからアノード３の全面に対して供給される。このように、燃料分配層３１によって、アノード３に供給される燃料供給量を均一化することが可能となる。
【００５１】
次に、このような第１の実施形態に示した燃料電池２０の作用について説明する。燃料収容部３３から流路３４を通って燃料供給部３６に供給された液体燃料Ｆは、液体燃料のままで、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で燃料分配層３１を通った後、気液分離膜１４を通り、気化成分のみがアノードガス拡散層２に供給される。アノードガス拡散層２に供給された燃料は、アノードガス拡散層２で拡散してアノード触媒層１に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１では、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  ……（１）
【００５２】
メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、メタノールは、カソード触媒層４で生成した水や電解質膜７中の水と前記した式（１）の内部改質反応を行うことによって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
【００５３】
この反応で生成した電子（ｅ−）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として電子機器などを動作させた後、カソード６に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜７を経てカソード６に導かれる。カソード６には酸化剤として空気が供給される。カソード６に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層４で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この反応に伴って水を生成する。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ−＋６Ｈ＋  →  ３Ｈ２Ｏ  ……（２）
【００５４】
そして、カソード触媒層４で生成した水は、空気導入口１１ａを有する表面カバー層１１との間に設けられた保湿層１０によって再びカソード６に戻るが、保湿層１０と表面カバー層１１との間には、気体透過性が高く液体透過性が低い気液選択性材料から成る気液選択透過層１２が配置されているので、消費（反応）電流が大きくなり水の発生量が増大した場合や、低温もしくは高湿のような水蒸気が凝結しやすい環境下において、保湿層１０中などで凝結した水は、気液選択透過層１２によって透過が遮断・抑制される。そのため、表面カバー層１１の空気導入口１１ａから液体の水として漏出（漏水）することがない。気液選択透過層１２によって透過を遮断・抑制された液体としての水は、カソード６側の熱などで気化され、気体（水蒸気）として気液選択透過層１２を透過して外部に放出される。
【００５５】
次に、本発明の燃料電池の第２の実施形態について説明する。図５は、第２の実施形態に係る燃料電池２０の構成を示す断面図である。なお、図５において、図１と同一の構成要素には、同一の符号を付して説明を省略する。
【００５６】
第２の実施形態においては、空気導入口１１ａを有する表面カバー層１１と保湿層１０との間に、吸水層１５が配置されている。この吸水層１５を構成する材料としては、高吸水性高分子材料を使用することができ、特に高吸水性樹脂を使用することが好ましい。高吸水性樹脂は、水に溶けることなく自重の数倍から１０００倍の水を吸収し保持する能力を有する樹脂であり、架橋型のポリアクリル酸塩（ナトリウム）などが例示される。高吸水性樹脂の市販品としては、アクアリック（商品名；日本触媒社製）、アクアキープ（商品名；、住友精化社製）などが挙げられる。多孔質化処理や親水化処理などの高吸水性加工が施された材料を使用することができるが、高い吸水性をもつ材料であればこれらに限定されるものではない。
【００５７】
このような高吸水性高分子材料は酸素透過性を有しないので、高吸水性高分子材料から成る吸水層１５は空気導入用開口１５ａを有することが好ましい。そして、吸水層１５の空気導入用開口１５ａは、表面カバー層１１の空気導入口１１ａに対応する位置に形成されることが好ましい。
【００５８】
このように構成される第２の実施形態の燃料電池２０においては、保湿層１０と表面カバー層１１との間に高吸水性高分子材料から成る吸水層１５が配置されているので、消費（反応）電流が大きくなり水の発生量が増大した場合や、低温もしくは高湿のような水蒸気が凝結しやすい環境下においては、保湿層１０中などで凝結した水が吸水層１５によって吸収され保持される。したがって、表面カバー層１１の空気導入口１１ａから液体の水が外部に漏出（漏水）することがなく、長期に亘って安定した高い出力を得ることができる。
【００５９】
上述した実施形態の燃料電池は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。さらに、上述した実施形態は、燃料電池本体の構成として燃料の供給にポンプを使用したセミパッシブ型のものを例に挙げて説明したが、内部気化型のような純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る。
【実施例】
【００６０】
次に、本発明に係る燃料電池が優れた漏水防止性を有することを、実施例および比較例に基づいて説明する。
【００６１】
実施例１
アノード触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックと、プロトン伝導性の電解質（樹脂）であるナフィオンの溶液ＤＥ２０２０（商品名；デュポン社製）と、水およびメトキシプロパノールを混合し、アノード触媒スラリーを調製した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となる多孔質カーボンペーパー（３０ｍｍ×４０ｍｍの長方形）の一方の面に塗布した後乾燥させ、厚さ１００μｍのアノード触媒層を形成した。
【００６２】
また、カソード触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックと、プロトン伝導性の電解質（樹脂）であるナフィオンの溶液ＤＥ２０２０（商品名；デュポン社製）と、水およびメトキシプロパノールを混合し、カソード触媒スラリーを調製した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となる多孔質カーボンペーパー（アノードガス拡散層である多孔質カーボンペーパーと同形同大）の一方の面に塗布した後乾燥させ、厚さ１００μｍのカソード触媒層を形成した。
【００６３】
次に、プロトン伝導性の電解質膜として、厚さ３０μｍで含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロスルホン酸重合体を含む固体電解質膜であるナフィオン１１２（デュポン社製）を使用し、この電解質膜と前記アノード（アノードガス拡散層とアノード触媒層）およびカソード（カソードガス拡散層とカソード触媒層）を、アノード触媒層とカソード触媒層がそれぞれ電解質膜側になるように重ね合わせた後、ホットプレスを施すことによりＭＥＡを作製した。なお、電極面積は、アノード、カソードともに１４ｃｍ２とした。
【００６４】
次いで、こうして製造されたＭＥＡを使用し、図１に示す燃料電池を製造した。すなわち、ＭＥＡ８のアノード３側とカソード６側を、それぞれ複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層１３とカソード導電層９をそれぞれ形成した。そして、電解質膜７とアノード導電層１３との間、および電解質膜７とカソード導電層９との間に、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。さらに、アノード導電層１３の外側にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）からなるフレームを配設し、その外側（フレームの上）に、多孔質ポリエチレン製フィルムから成る気液分離膜１４、複数の開口３１ａを有する燃料分配層３１、および燃料供給部本体３２を順に設けた。
【００６５】
また、保湿層１０として、厚さが５００μｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７の測定方法による）、透湿度が４０００ｇ／（ｍ２・２４ｈｒ）（ＪＩＳ  Ｌ１０９９  Ａ−１の測定方法による）の多孔質ポリエチレンフィルムを用い、これをカソード導電層９の上に配置した。また、この保湿層１０の全面に、透気度が４秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７の測定方法による）で透湿度が１０００ｇ／（ｍ２・２４ｈｒ）（ＪＩＳ  Ｌ１０９９  Ａ−１の測定方法による）の多孔質ポリエチレンから成る膜（厚さ１００μｍ）を配置し、気液選択透過層１２を形成した。さらに、この気液選択透過層１２の上に、空気導入口１１ａ（直径３ｍｍ、口数６０個）が形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置し、表面カバー層１１とした。
【００６６】
ポンプ３５としてしごきポンプを使用し、流路３４の一部を一定方向にしごいて圧力を生じさせることにより、燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部３２に送液するようにした。ここで、しごきポンプの回転数を、燃料電池２０に流れる電流によって制御する制御回路を構成し、燃料電池２０で電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量（電流１Ａにつき、１分間当りのメタノールの供給量３．３ｍｇ）の１．２倍の燃料が常に供給されるように制御した。
【００６７】
このようにして図１に示す燃料電池２０を製造し、燃料収容室３３内に純メタノールを入れて発電を行わせた。そして、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で出力を測定した。また、表面カバー層１１の空気導入口１１ａからの漏水の有無を調べた。なお、設定電圧は、生成した水の漏出（漏水）が起こりやすい０．２Ｖとした。
【００６８】
電圧０．２Ｖで１００時間測定を行っても漏水は観察されず、安定した出力が得られた。さらに、発電時間が５００時間を経過しても漏水は見られなかった。
【００６９】
実施例２
保湿層１０と表面カバー層１１との間に、気液選択透過層１２の代わりに、高吸水性樹脂であるアクアキープＳＡ６０Ｓ（住友精化社製）から成るシート（厚さ１００μｍ）を配置し、吸水層１５を形成した。それ以外は実施例１と同様にして、図５に示す燃料電池２０を製造した。なお、高吸水性樹脂から成るシートには、表面カバー層１１の空気導入口１１ａに対応する位置に、同形同大の空気導入用開口１５ａを治具を用いた打ち抜き加工により形成した。
【００７０】
このように製造された実施例２の燃料電池２０について、実施例１の燃料電池と同様に発電を行わせて表面カバー層１１（空気導入口１１ａ）からの漏水の有無を調べたところ、１００時間測定を行っても漏水は認められず、安定した出力が得られた。さらに、測定を続けたところ、５００時間を経過した時点で表面カバー層１１の空気導入口１１ａから約０．７ｍｌの漏水が見られた。これは、液体としての水が、高吸水性樹脂の吸水・保持の限界量を超えて生成され、その結果吸水層１５に保持しきれなくなった水が漏出したためであると考えられる。
【００７１】
比較例
保湿層１０と表面カバー層１１との間に、気液選択透過層１２と吸水層１５のいずれも配置しなかった。それ以外は実施例１と同様にして、燃料電池を製造した。そして、製造された燃料電池について、実施例１の燃料電池と同様に発電を行わせ、表面カバー層１１からの漏水の有無を調べた。発電開始から２０時間を経過した時点で、発電反応によって生成した水が、表面カバー層１１の空気導入口１１ａから液体の水として流出し、漏水している状態が観察された。そして、１００時間発電時での漏水量は２.７ｍｌであった。
【００７２】
本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではない。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また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する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００７３】
１…アノード触媒層、２…アノードガス拡散層、３…アノード、４…カソード触媒層、５…カソードガス拡散層、６…カソード、７…電解質膜、８…ＭＥＡ、９…カソード導電層、１０…保湿層、１１…表面カバー層、１２…気液選択透過層、１３…アノード導電層、１４…気液分離膜、１５…吸水層、３０…燃料供給機構、３１…燃料分配層、３２…燃料供給部本体、３３…燃料収容部、３４…流路、３５…ポンプ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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