(57)【要約】【課題】燃料流路から供給された燃料が高分子電解質膜を通過し、カソードで酸化されるメタノールクロスオーバーなどの現象を簡易な手段で抑制し、燃料の利用効率と、発電電圧や発電効率などの発電性能とに優れた燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１を挟むアノード２３およびカソード２５と、燃料流路を有するアノード側セパレータ１７と、酸化剤流路を有するカソード側セパレータ２１と、アノード側セパレータ１７およびカソード側セパレータ２１と高分子電解質膜１１の周縁部との間に介在されるガスケット２６、２７と、を備える燃料電池３０において、アノード２３を構成するアノード触媒層３１の法線方向から見た正投影面積が、アノード２３を構成するアノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積よりも大きくなるように設定する。【選択図】図２
2010170892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、
前記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、
前記アノードに燃料を供給する燃料流路を有するアノード側セパレータと、
前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有するカソード側セパレータと、
前記アノード側セパレータと前記高分子電解質膜の周縁部との間、および前記カソード側セパレータと前記高分子電解質膜の周縁部との間の少なくともいずれかに介在され、前記アノードまたは前記カソードを囲み、一対の前記セパレータとともに前記高分子電解質膜をその厚さ方向に加圧するガスケットと、を備え、
前記アノードが、前記高分子電解質膜と接するアノード触媒層と、前記アノード側セパレータと接するアノード拡散層と、を含み、
前記アノード拡散層が、前記アノード触媒層と接するアノード撥水層と、前記アノード側セパレータと接するアノード多孔質基材と、を含み、
前記アノード触媒層の法線方向から見た正投影面積が、前記アノード多孔質基材の法線方向から見た正投影面積よりも大きい、燃料電池。
【請求項２】
前記アノード触媒層が、前記アノード拡散層の端面の少なくとも一部を被覆している、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード撥水層が、前記アノード多孔質基材の端面の少なくとも一部を被覆している、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記ガスケットが、前記カソード側セパレータと前記高分子電解質膜の周縁部との間に介在されており、かつ、
前記高分子電解質膜の周縁部が、前記アノード拡散層の端部で屈曲して前記アノード側セパレータに接するとともに、前記アノード触媒層のうち前記アノード拡散層の端面を被覆している部分を被覆している、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記ガスケットが前記高分子電解質膜の周縁部を前記アノード側セパレータに押しつけている、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノード触媒層が前記アノード拡散層の端面全体を被覆している、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記アノード撥水層が前記アノード多孔質基材の端面全体を被覆している、請求項３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、直接燃料酸化型燃料電池に関し、詳しくは、直接メタノール型燃料電池などにおけるセル構造の改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、使用される電解質の種類によって、固体高分子型、リン酸型、アルカリ型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに分類される。なかでも固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、動作温度が低く、出力密度が高いことから、車載用電源や家庭用コージェネレーションシステムなどで実用化されつつある。
【０００３】
また、近年、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）などの携帯用小型電子機器における電源として、燃料電池を用いることが検討されている。燃料電池は燃料の補充によって発電可能であることから、充電が必要な二次電池に代えることで、機器の利便性をさらに向上させることが期待できる。そして、動作温度の低いＰＥＦＣは、携帯用小型電子機器用の電源としても注目されている。
【０００４】
ＰＥＦＣのなかでも直接燃料酸化型燃料電池は、常温で液体の燃料を使用し、この燃料を水素に改質することなく、直接酸化して電気エネルギーを取り出すことから、改質器が不要で、小型化が容易である。また、この直接燃料酸化型燃料電池のなかでも、燃料としてメタノールを用いる直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）は、エネルギー効率や出力の観点より、上述の分野における電源として最も有望視されている。
【０００５】
ＤＭＦＣのアノードおよびカソードでの反応は、それぞれ、下記反応式（１）および（２）で示される。カソードに導入される酸素は、一般に、大気中から取り入れられる。
アノード：  ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-    …（１）
カソード：  ３／２Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ    …（２）
【０００６】
ＤＭＦＣなどの固体高分子型燃料電池は、例えば、図１に示すように、高分子電解質膜１１を挟んで、アノード触媒層１２とカソード触媒層１３とが対向している。アノード触媒層１２には、高分子電解質膜１１と反対側の表面に、アノード撥水層１４およびアノード多孔質基材１５からなるアノード拡散層１６と、アノード側セパレータ１７とが、この順に積層されている。また、カソード触媒層１３には、高分子電解質膜１１と反対側の表面に、カソード撥水層１８およびカソード多孔質基材１９からなるカソード拡散層２０と、カソード側セパレータ２１とが、この順に積層されている。そして、これらの積層体は、セルと呼ばれる基本構成を形成している。なお、高分子電解質膜１１と一対の触媒層１２、１３とからなる構成は、燃料電池の発電を担っており、ＣＣＭ（Catalyst Coated Membrane）と呼ばれている。また、ＣＣＭと一対の拡散層１６、２０とからなる構成は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly；ＭＥＡ）と呼ばれている。一対の拡散層１６、２０は、供給される燃料および空気の均一な分散や、生成物である水および二酸化炭素の円滑な排出を担っている。
【０００７】
また、図１に示す燃料電池１０において、アノード側セパレータ１７は、隣接するアノード多孔質基材１５との接触面に溝状の凹部を備えており、この凹部はＭＥＡに燃料を供給するための燃料流路２２を形成している。また、カソード側セパレータ２１は、隣接するカソード多孔質基材１９との接触面に溝状の凹部を備えており、この凹部はＭＥＡに酸化剤（空気）を供給するための酸化剤流路（空気流路）２４を形成している。なお、燃料流路２２から燃料が供給されるアノード多孔質基材１５と、アノード撥水層１４と、アノード触媒層１２とが、アノード２３を形成し、空気流路から空気が供給されるカソード多孔質基材１９と、カソード撥水層１８と、カソード触媒層１３とが、カソード２５を形成する。
【０００８】
現在、ＤＭＦＣなどの直接燃料酸化型燃料電池において解決すべき技術的課題としては、燃料流路から供給され、アノード２３と高分子電解質膜１１とを透過し、カソード２５に到達した燃料（メタノール水溶液など）が、カソード触媒層１３で酸化される現象を抑制することが挙げられる。上記現象は、例えば、メタノールクロスオーバー（ＭＣＯ）と呼ばれ、燃料の利用効率を低下させる原因となっている。また、カソード２５での燃料の酸化反応は、酸素の還元反応と混成電位を形成し、カソード２５の電位を低下させることから、発電電圧や発電効率の低下を招く。
【０００９】
そこで、ＤＭＦＣにおいては、ＭＣＯを低減させるため、メタノールの透過量が抑制された高分子電解質膜が盛んに開発されている。しかし、現在実用化されている高分子電解質膜は、膜内に存在する水を介してプロトンを伝導する。このため、高分子電解質には水の存在が不可欠であって、水とともにメタノールが高分子電解質膜を透過することを十分に防止できない。
【００１０】
一方、電解質膜中のメタノールの移動は、主として濃度拡散によるものである。このため、ＭＣＯの程度（ＭＣＯ量）は、高分子電解質膜１１のアノード２３側表面とカソード２５側表面とにおけるメタノールの濃度差に大きく依存することが知られている。そして、高分子電解質膜１１のカソード２５側表面におけるメタノール濃度は、透過したメタノールがカソード２５で速やかに酸化されることから、無視できるほど小さいと考えられる。このため、結局のところ、ＭＣＯ量は、高分子電解質膜１１のアノード２３側表面におけるメタノール濃度に大きく依存することになる。
【００１１】
また、アノード２３においては、アノード触媒層１２内での酸化反応によってメタノールが消費される一方で、アノード撥水層１４の物質拡散抵抗によってメタノールの拡散速度が制御される。このため、一般に、高分子電解質膜１１のアノード２３側表面におけるメタノール濃度は、燃料流路２２におけるメタノール濃度に比べて極めて小さい。
【００１２】
しかし、ＭＥＡの構造的な問題から、高分子電解質膜１１のアノード２３側表面におけるメタノール濃度が、燃料流路２２におけるメタノール濃度に比べて小さくならない部分が生じる。すなわち、通常、アノード２３やカソード２５の周囲は、燃料や空気の漏出を防止するガスケット２６で取り囲まれているが、アノード２３やカソード２５の端面をガスケット２６で隙間なく密封することは製造プロセス上困難である。このため、アノード２３やカソード２５の端面と、ガスケット２６との間には、多少の隙間が生じており、燃料流路から燃料の供給を受けるアノード多孔質基材１５と、高分子電解質膜１１との間に、アノード触媒層１２やアノード撥水層１４が存在しない領域が存在する。この領域では、燃料流路から供給されたメタノールが、その濃度を保ったまま、高分子電解質膜１１に到達し、その内部を透過する。そして、このことにより、高分子電解質膜１１のアノード２３側表面とカソード２５側表面におけるメタノールの濃度勾配が増加し、その結果、局部的にＭＣＯ量が大きくなる。
【００１３】
一方、上述の技術的課題に対し、特許文献１には、多孔質基材とガスケットとを、接着剤を使用して接合する燃料電池の製造方法が記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２０３６４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
特許文献１に記載の製造方法をＤＭＦＣなどの直接燃料酸化型燃料電池に適用すれば、アノード２３やカソード２５の端面とガスケット２６との間の隙間を高濃度の燃料（メタノール水溶液など）が通過するのを防止することができる。それゆえ、特許文献１に記載の製造方法は、ＭＣＯ量の増加を防止する上で有効である。
【００１５】
しかしながら、一般的に燃料電池は、有機物やカチオンの混入を嫌う。有機物は、アノード触媒層１２などで触媒の表面に吸着して触媒活性を低下させるからであり、カチオンは、高分子電解質膜１１のイオン交換基を交換してプロトン伝導度を低下させるからである。そして、特許文献１に記載の製造方法のように、多孔質基材とガスケットとを接着剤で接合する場合には、接着剤の成分や接合時に混入した不純物などから有機物やカチオンが放出され、触媒層の触媒活性や高分子電解質膜のイオン伝導度が経時的に低下するという不具合がある。また、特許文献１に記載の製造方法では、極めて高い寸法精度で接着剤を塗布する必要があるため、製造工程が煩雑かつ困難になる。
【００１６】
そこで、本発明は、上記技術的課題を解決し、メタノールクロスオーバーなどの、燃料流路から供給された燃料が高分子電解質膜を通過し、カソードで酸化される現象を簡易な手段によって抑制し、燃料の利用効率と、発電電圧や発電効率などの発電性能とに優れた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】
【００１７】
上記課題を解決するために、本発明の燃料電池は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜と、上記高分子電解質膜を挟むアノードおよびカソードと、上記アノードに燃料を供給する燃料流路を有するアノード側セパレータと、上記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有するカソード側セパレータと、上記アノード側セパレータと上記高分子電解質膜の周縁部との間、および上記カソード側セパレータと上記高分子電解質膜の周縁部との間の少なくともいずれかに介在され、上記アノードまたは上記カソードを囲み、一対の上記セパレータとともに上記高分子電解質膜をその厚さ方向に加圧するガスケットと、を備え、上記アノードが、上記高分子電解質膜と接するアノード触媒層と、上記アノード側セパレータと接するアノード拡散層と、を含み、上記アノード拡散層が、上記アノード触媒層と接するアノード撥水層と、上記アノード側セパレータと接するアノード多孔質基材と、を含み、上記アノード触媒層の法線方向から見た正投影面積が、上記アノード多孔質基材の法線方向から見た正投影面積よりも大きいことを特徴とする。
【００１８】
燃料電池のＭＥＡは、一般に、高分子電解質膜と一対の触媒層とからなるＣＣＭを、アノード拡散層およびカソード拡散層と接合することによって形成される。例えば、まず、アノード触媒層の形成材料を高分子電解質膜の一方の表面に塗布し、さらに、カソード触媒層の形成材料を高分子電解質膜の他方の表面に塗布し、これらを乾燥させることによってＣＣＭを形成する。また、アノード撥水層およびカソード撥水層の形成材料を、それぞれアノード多孔質基材およびカソード多孔質基材の一方側表面に塗布することにより、アノード拡散層とカソード拡散層とを形成する。その後、アノード拡散層と、ＣＣＭと、カソード拡散層とを重ね合わせ、熱プレス法などの方法で接合することにより、ＭＥＡが形成される。
【００１９】
ここで、アノード触媒層の法線方向から見た正投影面積がアノード多孔質基材の法線方向から見た正投影面積よりも大きい構成は、例えば、ＣＣＭの形成時に、アノード触媒層の形成材料の塗布領域を広く設定して、アノード触媒層の面積を、アノード多孔質基材の面積よりも広くするという簡易な方法によって達成することができる。
【００２０】
また、アノード触媒層の法線方向から見た正投影面積をアノード多孔質基材の法線方向から見た正投影面積よりも大きく設定したときは、たとえ、アノード多孔質基材の端面とガスケットとの間に隙間が生じたとしても、その隙間に対応する高分子電解質膜上にアノード触媒層が存在することになる。
【００２１】
それゆえ、燃料流路からアノード多孔質基材へと供給された燃料が、高分子電解質膜に到達し、高分子電解質膜を透過してカソード触媒層で酸化される、という現象を抑制することができる。そして、このことにより、燃料の利用効率や、発電電圧や発電効率などの発電性能に優れた燃料電池を得ることができる。
【００２２】
上記燃料電池においては、アノード触媒層がアノード拡散層の端面の少なくとも一部を被覆しているか、または、アノード撥水層が上記アノード多孔質基材の端面の少なくとも一部を被覆していることが好ましい。この場合、燃料流路からアノード多孔質基材へと供給された燃料が高分子電解質膜に到達することを、より一層確実に抑制することができる。さらに、このことにより、燃料の利用効率や、発電電圧や発電効率などの発電性能が極めて優れた燃料電池を得ることができる。
【００２３】
また、アノード触媒層がアノード拡散層の端面の少なくとも一部を被覆している場合において、上記燃料電池は、ガスケットが、カソード側セパレータと高分子電解質膜の周縁部との間に介在されており、かつ、高分子電解質膜の周縁部が、上記アノード拡散層の端部で屈曲してアノード側セパレータに接するとともに、上記アノード触媒層のうち上記アノード拡散層の端面を被覆している部分を被覆していてもよい。この場合においても、燃料流路からアノード多孔質基材へと供給された燃料が高分子電解質膜に到達することを、より一層確実に抑制することができる。
【００２４】
また、アノード触媒層がアノード拡散層の端面の少なくとも一部を被覆している場合において、上記燃料電池は、ガスケットが高分子電解質膜の周縁部を上記アノード側セパレータに押しつけていることが好ましい。この場合、燃料電池の単セル内での密閉性を高めることができる。
【００２５】
上記燃料電池においては、アノード触媒層がアノード拡散層の端面全体を被覆しているか、または、アノード撥水層がアノード多孔質基材の端面全体を被覆していることが好ましい。この場合においても、燃料流路からアノード多孔質基材へと供給された燃料が高分子電解質膜に到達することを、より一層確実に抑制することができる。
【発明の効果】
【００２６】
以上のように、本発明によれば、アノードの端面とガスケットとの間の隙間において高濃度の燃料がそのまま高分子電解質膜を通過するという現象を抑制することができる。それゆえ、燃料電池に関し、燃料の利用効率の低下や、発電電圧や発電効率の低下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】
【００２７】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下の説明において、複数の実施形態を通じて同一または同種の部分には、同一の符号を示す。
【００２８】
本発明に係る燃料電池の第１の実施形態を示す図２を参照して、燃料電池３０は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１を挟み対向して配置されるアノード２３およびカソード２５と、アノード２３の高分子電解質膜１１とは反対側に配置されるアノード側セパレータ１７と、カソード２５の高分子電解質膜１１とは反対側に配置されるカソード側セパレータ２１と、アノード側セパレータ１７と高分子電解質膜１１との間、およびカソード側セパレータ２１と高分子電解質膜１１との間に介在される一対のガスケット２６、２７と、を備えている。
【００２９】
アノード２３は、高分子電解質膜１１と接するアノード触媒層３１と、アノード側セパレータ１７と接するアノード拡散層１６とを有している。アノード拡散層１６は、さらに、アノード触媒層３１と接するアノード撥水層１４と、アノード側セパレータ１７と接するアノード多孔質基材１５とを有している。
【００３０】
カソード２５は、高分子電解質膜１１と接するカソード触媒層１３と、カソード側セパレータ２１と接するカソード拡散層２０とを有している。カソード拡散層２０は、さらに、カソード触媒層１３と接するカソード撥水層１８と、カソード側セパレータ２１と接するカソード多孔質基材１９とを有している。
【００３１】
図２は、燃料電池の模式的断面図である。それゆえ、図２において示されていないが、高分子電解質膜１１は、フィルム状またはシート状であって、平面視において矩形状の部材である。そして、この高分子電解質膜１１の表面に積層されるアノード触媒層３１、アノード拡散層１６、カソード触媒層１３、およびカソード拡散層２０は、いずれの層も、平面視において矩形状に形成されている。なお、高分子電解質膜、アノード触媒層、アノード拡散層、カソード触媒層、およびカソード拡散層の形状は、平面視で矩形状に限定されず、燃料電池全体の所望の形状に応じて設定すればよい。具体的には、矩形状のほか、例えば、三角形、六角形などの多角形状といった適宜の形状を選択することができる。
【００３２】
高分子電解質膜１１としては、水素イオン伝導性を有していること以外は特に限定されないが、本発明の分野で公知の各種高分子電解質膜を用いることができる。なお、現在、流通している固体電解質膜は、主として、プロトン伝導タイプのものである。
【００３３】
高分子電解質膜１１の具体例としては、フッ素系高分子膜などが挙げられ、さらに具体的には、例えば、パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）などのパーフルオロスルホン酸ポリマーを含有するフィルムなどが挙げられる。また、上記パーフルオロスルホン酸ポリマーを含有するフィルムの具体例としては、ナフィオン膜（商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」、デュポン社製）などが挙げられる。
【００３４】
なお、高分子電解質膜１１は、燃料電池３０に用いられる燃料（メタノールなど）のクロスオーバーを低減する効果を有しているものが好ましく、このような材料としては、上記フッ素系高分子膜のほかに、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｓ−ＰＥＥＫ）などのフッ素原子を含まない炭化水素系ポリマーや、無機物・有機物複合膜などが挙げられる。
【００３５】
アノード触媒層３１は、上述の反応式（１）に示す反応を促進するための触媒と、高分子電解質膜１１とのイオン伝導性を確保するための高分子電解質と、を含んでいる。
アノード触媒層３１に含まれる触媒としては、例えば、白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金、Ｐｔとルテニウム酸化物との混合物、ＰｔとＲｕと他の金属元素（例えば、イリジウム（Ｉｒ）など）との３元合金などが挙げられる。ＰｔとＲｕとの合金において、ＰｔとＲｕとの原子比は、これに限定されないが、好ましくは、１：１である。アノード触媒層３１に含まれる触媒は、上記合金の微粉末として用いてもよく、カーボンブラックなどの電子導電性を有する粉末に上記合金を付着させたものを用いてもよい。
アノード触媒層３１に含まれる高分子電解質としては、例えば、パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）、スルホン化ポリエーテルスルホン（Ｈ+型）、アミノ化ポリエーテルスルホン（ＯＨ-型）などが挙げられる。
【００３６】
カソード触媒層１３は、上述の反応式（２）に示す反応を促進するための触媒と、高分子電解質膜１１とのイオン伝導性を確保するための高分子電解質と、を含んでいる。
カソード触媒層１３に含まれる触媒としては、例えば、Ｐｔ単体、または、Ｐｔとコバルト、鉄などの遷移金属との合金が挙げられる。カソード触媒層１３に含まれる触媒は、上記金属または合金の微粉末として用いてもよく、カーボンブラックなどの電子導電性を有する粉末に上記金属または合金を付着させたものを用いてもよい。
カソード触媒層１３に含まれる高分子電解質としては、アノード触媒層３１に含まれる高分子電解質として例示したものと同様のものが挙げられる。
【００３７】
アノード触媒層３１およびカソード触媒層１３は、まず、触媒と、高分子電解質とを適当な分散媒に分散させ、こうして得られたインクを高分子電解質膜１１に塗布して乾燥させることにより、得ることができる。塗布の手段としては、例えば、スプレー法、スキージ法などが挙げられる。
【００３８】
また、アノード触媒層３１と、高分子電解質膜１１と、カソード触媒層１３との積層体（すなわち、ＣＣＭ）は、まず、上記インクを樹脂シートの表面に塗布して乾燥させ、こうして得られたアノード触媒層３１およびカソード触媒層１３を、高分子電解質膜１１のそれぞれの面に配置し、熱プレスによって樹脂シートから高分子電解質膜１１へと転写することで作製することもできる。
【００３９】
アノード拡散層１６およびカソード拡散層２０は、それぞれ、撥水処理が施された多孔質基材と、この多孔質基材の表面に形成された、撥水性の高い材料からなる撥水層と、を備えている。
アノード多孔質基材１５およびカソード多孔質基材１９に用いられる多孔質基材としては、例えば、炭素繊維からなるカーボンペーパー、カーボンクロス、カーボン不織布（カーボンフェルト）や、耐腐食性を有する金属メッシュ、発泡金属などが挙げられる。
【００４０】
アノード撥水層１４およびカソード撥水層１８の形成に用いられる高撥水性材料としては、例えば、フッ素系高分子、フッ化黒鉛などが挙げられ、さらに具体的には、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）粒子などが挙げられる。
【００４１】
アノード拡散層１６およびカソード拡散層２０は、次のようにして得ることができる。まず、例えば、フッ素系高分子などの高撥水性材料と、例えば、カーボンブラック（ファーネスブラック、アセチレンブラックなど）、黒鉛粉末、多孔質金属粉末などの、導電性を有しかつ微細孔を形成することのできる材料と、適当な分散媒と、を混合し、攪拌する。そして、こうして得られたインクを、撥水処理が施された多孔質基材の表面に塗布して乾燥させる。塗布の手段としては、例えば、スクリーン印刷法、スキージ法などが挙げられる。
【００４２】
また、こうして得られたアノード拡散層１６とカソード拡散層２０とは、アノード触媒層３１と、高分子電解質膜１１と、カソード触媒層１３との積層体（ＣＣＭ）のそれぞれの表面に配置され、熱プレスによって接合される。こうして、アノード２３と、高分子電解質膜１１と、カソード２５とが、この順で積層された膜電極接合体（ＭＥＡ）が得られる。
【００４３】
アノード側セパレータ１７およびカソード側セパレータ２１は、例えば、黒鉛などのカーボン材料からなっており、燃料（メタノール水溶液など）や酸化剤（空気、酸素など）の流路を形成するための溝状の凹部を備えている。
アノード側セパレータ１７の表面の凹部は、アノード多孔質基材１５との間で、燃料流路２２を形成する。一方、カソード側セパレータ２１の表面の凹部は、カソード多孔質基材１９との間で、空気流路２４を形成する。
【００４４】
アノード側セパレータ１７の燃料流路２２およびカソード側セパレータ２１の空気流路２４は、例えば、セパレータの表面を溝状に切削して形成される。また、燃料流路２２および空気流路２４は、セパレータ自体の成形時（射出成形、圧縮成形など）に成形することもできる。
【００４５】
ガスケット２６、２７としては、例えば、ＰＴＦＥ、四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体（ＦＥＰ）などのフッ素系高分子や、フッ素ゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム（ＥＰＤＭ）などの合成ゴム、シリコーンエラストマーなどが挙げられる。
各ガスケット２６、２７は、ＰＴＦＥなどからなるシートの中央部分に、膜電極接合体（ＭＥＡ）と同じ面積のくり抜き部を備えている。そして、一対のガスケット２６、２７は、それぞれアノード触媒層３１およびカソード触媒層１３の端面と接するようにして、ＭＥＡの表面に配置される。
さらに、一対のガスケット２６、２７は、一対のセパレータ１７、２１とともに、高分子電解質膜１１をその厚さ方向に加圧している。
【００４６】
アノード２３、高分子電解質膜１１、およびカソード２５からなる膜電極接合体（ＭＥＡ）と、このＭＥＡの両側に配置される一対のセパレータ１７、２１とで構成されるセルは、さらに、各セパレータの外側にそれぞれ端板２８を配置した上で、図示しないボルトやバネなどによって加圧締結される。熱プレスによって接合されたＭＥＡと一対のセパレータ１７、２１との界面は、接着性に乏しい。しかしながら、上記のようにしてセルを加圧締結することにより、互いの接着性を高めることができ、ＭＥＡと一対のセパレータ１７、２１との間の接触抵抗を低減させることができる。
また、上記セルは、複数積層することにより、スタックとして使用することもできる。
【００４７】
図２の燃料電池３０においては、アノード触媒層３１の法線方向から見た正投影面積が、アノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積よりも大きくなるように設定されている。
【００４８】
アノード多孔質基材１５の端面とガスケット２６との間には、例えば、アノード２３を形成する各層の寸法ばらつき、ズレといった製造工程上の要因によって、隙間が生じ得る。しかし、アノード触媒層３１とアノード多孔質基材１５との正投影面積を上記のように設定することで、上記隙間のうちアノード多孔質基材１５と高分子電解質膜１１との間に、必ずアノード触媒層３１が存在することになる。
それゆえ、燃料流路２２からアノード多孔質基材１５へと供給された燃料が、アノード触媒層３１を経ることなく高分子電解質膜１１に到達し、高分子電解質膜１１を透過してカソード触媒層１３で酸化される、という現象（例えば、ＭＣＯ）を抑制することができる。
【００４９】
アノード触媒層３１の法線方向から見た正投影面積と、アノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積との差については、特に限定されない。しかし、上記の実施形態においては、アノード触媒層３１の端面の位置と、アノード側のガスケット２６の端面の位置との差ができる限り小さくなるような設定が好ましい。この端面の位置の差は、アノード触媒層３１の大きさ、ガスケット２６のくり抜き部の寸法精度、それらを配置するときの位置合わせの寸法精度などに依存する。例えば、アノード触媒層３１の大きさと、ガスケット２６のくり抜き部の寸法精度とが、アノード触媒層３１の端面の位置とガスケット２６の端面の位置との差として±０．１ｍｍであって、それらの位置合わせの寸法精度が±０．１ｍｍであるとする。この場合において、高分子電解質膜１１の表面に沿う方向でのアノード触媒層３１の長さ（平面視におけるアノード触媒層３１の任意の一辺の長さ）は、アノード多孔質基材１５の対応する長さ（対応する一辺の長さ）に対し、０．２ｍｍ以上、好ましくは、０．３〜０．４ｍｍ程度、大きく設定することが好ましい。
【００５０】
また、アノード２３側に配置されるガスケット２６は、アノード触媒層３１のアノード拡散層１６側表面と接した状態で、カソード側のガスケット２７とともに、高分子電解質膜１１をその厚さ方向に加圧していてもよい。この場合、ガスケット２６とアノード触媒層３１との間に空隙が生じることを、確実に防止することができる。
【００５１】
図２に示す燃料電池３０の構成は、燃料の利用効率や、発電電圧や発電効率などの発電性能を向上させる上で好適である。
【００５２】
本発明に係る燃料電池の第２の実施形態を示す図３を参照して、燃料電池３２は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１を挟み対向して配置されるアノード２３およびカソード２５と、アノード２３の高分子電解質膜１１とは反対側に配置されるアノード側セパレータ１７と、カソード２５の高分子電解質膜１１とは反対側に配置されるカソード側セパレータ２１と、アノード側セパレータ１７と高分子電解質膜１１との間、およびカソード側セパレータ２１と高分子電解質膜１１との間に介在される一対のガスケット２６、２７と、を備えている。
【００５３】
図３の燃料電池３２において、アノード２３は、高分子電解質膜１１と接するアノード触媒層３３と、アノード側セパレータ１７と接するアノード拡散層１６とを有している。
図３の燃料電池３２において、高分子電解質膜１１と、アノード２３におけるアノード拡散層１６と、カソード２５と、アノード側セパレータ１７と、カソード側セパレータ２１と、一対のガスケット２６、２７と、端板２８とについては、図２の燃料電池３０と同様である。
【００５４】
アノード触媒層３３は、上述の反応式（１）に示す反応を促進するための触媒と、高分子電解質膜１１とのイオン伝導性を確保するための高分子電解質と、を含んでいる。
アノード触媒層３３に含まれる触媒としては、図２のアノード触媒層３１に含まれる触媒として例示したものと同様のものが挙げられる。
【００５５】
図３の燃料電池３２では、アノード触媒層３３が、アノード拡散層１６の端面全体を被覆している。アノード拡散層１６の端面全体をアノード触媒層３３で被覆させるために、アノード触媒層３３は、アノード拡散層１６のアノード撥水層１４側表面に対し、アノード触媒層形成用インクを塗布し、乾燥させることにより形成される。具体的に、アノード触媒層形成用インクの塗布時において、アノード拡散層１６の端面をマスクで被覆せず、当該端面が露出した状態でアノード触媒層形成用インクを塗布する。このようにして塗布することにより、アノード拡散層１６のアノード撥水層１４側表面だけでなく、アノード拡散層１６の端面にも、アノード触媒層３３を形成することができる。
アノード触媒層形成用インクとしては、図２のアノード触媒層３１の形成に用いられるインクと同様のものが挙げられる。
【００５６】
図３の燃料電池３２においては、アノード触媒層３３の法線方向から見た正投影面積が、アノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積よりも大きくなるように設定されている。
このように設定されることで、アノード多孔質基材１５の端面とガスケット２６との間の隙間のうち、アノード多孔質基材１５と高分子電解質膜１１との間に、必ずアノード触媒層３３が存在することになる。しかも、図３の燃料電池３２の場合は、アノード拡散層１６の端面の一部が、アノード触媒層３３によって被覆されている。
【００５７】
それゆえ、燃料流路２２からアノード多孔質基材１５へと供給された燃料が、アノード触媒層３３を経ることなく高分子電解質膜１１に到達し、高分子電解質膜１１を透過してカソード触媒層１３で酸化される、という現象（例えば、ＭＣＯ）を、より一層確実に抑制することができる。
【００５８】
アノード触媒層３３の法線方向から見た正投影面積と、アノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積との差については、特に限定されない。しかし、上記の実施形態においては、高分子電解質膜１１の表面に沿う方向でのアノード触媒層３３の長さ（任意の一辺の長さ）と、アノード多孔質基材１５の対応する長さ（対応する一辺の長さ）との関係を、図２の燃料電池３０におけるアノード触媒層３１とアノード多孔質基材１５との関係と同様に設定することが好ましい。
【００５９】
図３に示す燃料電池３２の構成は、燃料の利用効率や、発電電圧や発電効率などの発電性能を向上させる上で極めて好適である。
【００６０】
本発明に係る燃料電池の第３の実施形態を示す図４を参照して、燃料電池３４は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜１１と、高分子電解質膜１１を挟み対向して配置されるアノード２３およびカソード２５と、アノード２３の高分子電解質膜１１とは反対側に配置されるアノード側セパレータ１７と、カソード２５の高分子電解質膜１１とは反対側に配置されるカソード側セパレータ２１と、アノード側セパレータ１７と高分子電解質膜１１との間、およびカソード側セパレータ２１と高分子電解質膜１１との間に介在される一対のガスケット２６、２７と、を備えている。
【００６１】
図４の燃料電池３４において、アノード２３は、高分子電解質膜１１と接するアノード触媒層３１と、アノード側セパレータ１７と接するアノード拡散層１６とを有している。  そして、アノード拡散層１６は、さらに、アノード触媒層３１と接するアノード撥水層３５と、アノード側セパレータ１７と接するアノード多孔質基材１５とを有している。
図４の燃料電池３４において、高分子電解質膜１１と、アノード２３におけるアノード多孔質基材１５およびアノード触媒層３１と、カソード２５と、アノード側セパレータ１７と、カソード側セパレータ２１と、一対のガスケット２６、２７と、端板２８とについては、図２の燃料電池３０と同様である。
【００６２】
図４の燃料電池３４では、アノード撥水層３５が、アノード多孔質基材１５の端面全体を被覆している。
アノード多孔質基材１５の端面全体をアノード撥水層３５で被覆させるために、アノード撥水層３５は、次のようにして形成される。例えば、アノード拡散層１６の形成時において、アノード多孔質基材１５の端面にマスクで被覆せず、当該端面が露出した状態で、アノード撥水層形成用インクを塗布する。これにより、アノード多孔質基材１５のアノード触媒層３１側表面だけでなく、その端面においても、アノード撥水層３５を形成することができる。
アノード撥水層形成用インクとしては、図２のアノード撥水層１４の形成に用いられるインクと同様のものが挙げられる。
【００６３】
図４の燃料電池３４においては、アノード触媒層３１の法線方向から見た正投影面積が、アノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積よりも大きくなるように設定されている。
このように設定されることで、アノード多孔質基材１５の端面とガスケット２６との間の隙間のうち、アノード多孔質基材１５と高分子電解質膜１１との間に、必ずアノード触媒層３１が存在することになる。しかも、図４の燃料電池３４の場合は、アノード多孔質基材１５の端面の一部が、アノード撥水層３５によって被覆されている。
【００６４】
それゆえ、燃料流路２２からアノード多孔質基材１５へと供給された燃料が、アノード触媒層３１を経ることなく高分子電解質膜１１に到達し、高分子電解質膜１１を透過してカソード触媒層１３で酸化される、という現象（例えば、ＭＣＯ）を、より一層確実に抑制することができる。
【００６５】
アノード触媒層３１の法線方向から見た正投影面積と、アノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積との差については、特に限定されない。しかし、上記の実施形態においては、高分子電解質膜１１の表面に沿う方向でのアノード触媒層３１の長さ（任意の一辺の長さ）と、アノード多孔質基材１５の対応する長さ（対応する一辺の長さ）との関係を、図２の燃料電池３０の場合と同様に設定することが好ましい。
【００６６】
図４に示す燃料電池３４の構成は、燃料の利用効率や、発電電圧や発電効率などの発電性能を向上させる上で極めて好適である。
【００６７】
本発明に係る燃料電池の第４の実施形態を示す図５を参照して、燃料電池３６は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜３７と、高分子電解質膜３７を挟み対向して配置されるアノード２３およびカソード２５と、アノード２３の高分子電解質膜３７とは反対側に配置されるアノード側セパレータ１７と、カソード２５の高分子電解質膜３７とは反対側に配置されるカソード側セパレータ２１と、カソード側セパレータ２１と高分子電解質膜３７との間に介在されるガスケット３９と、を備えている。
【００６８】
図５の燃料電池３６において、アノード２３は、高分子電解質膜３７と接するアノード触媒層３８と、アノード側セパレータ１７と接するアノード拡散層１６とを有している。
図５の燃料電池３６において、アノード２３におけるアノード拡散層１６と、カソード２５と、アノード側セパレータ１７と、カソード側セパレータ２１と、端板２８とについては、図２の燃料電池３０と同様である。
高分子電解質膜３７は、アノード２３の周囲で屈曲していること以外は、図２の燃料電池３０における高分子電解質膜１１と同じである。
【００６９】
図５の燃料電池３６では、高分子電解質膜３７の周縁部が、アノード側セパレータ１７に向かって屈曲し、アノード側セパレータ１７に接している。また、アノード触媒層３８は、高分子電解質膜３７とともにアノード側セパレータ１７に向かって屈曲しており、アノード拡散層１６の端面の一部を被覆している。
【００７０】
また、図５の燃料電池３６では、ガスケット３９が、高分子電解質膜３７とカソード側セパレータ２１との間にのみ設けられている。このガスケット３９の頂部は、高分子電解質膜３７の周縁部を、アノード側セパレータ１７に押しつけている。
【００７１】
高分子電解質膜３７を屈曲させ、高分子電解質膜３７とカソード側セパレータ２１との間にのみガスケット３９を配置することで、ガスケットの数を減らすことができ、材料コストの低減を図ることができる。また、セルの組立てプロセスを簡略化できるメリットもある。この場合において、カソード２５の封止は、ガスケット３９と高分子電解質膜３７との圧迫によって確保され、アノード２３の封止は、高分子電解質膜３７とアノード側セパレータ１７との圧迫によって確保される。
【００７２】
なお、セルやスタックの面積に占めるアノード２３およびカソード２５の面積割合を増加させるために、ガスケットの幅を著しく小さくすること、具体的には、シート状のガスケットではなく、幅の小さい線状のガスケットを使用することも考えられる。この場合において、高分子電解質膜の両側の表面に一対のガスケットを配置するとなると、これら一対のガスケットの相互位置について、極めて高い精度が要求される。それゆえ、線状のガスケットを使用する場合には、高分子電解質膜３７とカソード側セパレータ２１との間にのみガスケット３９を配置する構成が有効である。
【００７３】
図５の燃料電池３６では、アノード拡散層１６の端面をアノード触媒層３８で被覆させるために、高分子電解質膜３７上に形成されるアノード触媒層３８の面積は、アノード拡散層１６（およびアノード多孔質基材１５）の面積と比べて大きく設定されている。なお、これにより、アノード多孔質基材１５の法線方向において、アノード触媒層３８の正投影面積が、アノード多孔質基材１５の正投影面積よりも大きくなっている。
【００７４】
アノード触媒層３８の法線方向から見た正投影面積と、アノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積との差は、特に限定されない。しかし、上記の実施形態においては、上記正投影面積の差は、アノード多孔質基材１５の端面を、できるだけアノード触媒層３８で被覆することができるように設定されていることが好ましい。また、上記正投影面積の差は、アノード触媒層３８の大きさ、アノード多孔質基材１５の厚み、ガスケット３９の位置精度などに依存する。例えば、アノード触媒層３８の大きさの寸法精度（アノード触媒層３８の端部の位置精度）が±０．１ｍｍであり、アノード多孔質基材１５の厚みが０．３ｍｍであり、ガスケット３９の位置精度が±０．１ｍｍであるとする。この場合において、高分子電解質膜３７の表面に沿う方向でのアノード触媒層３８の長さ（任意の一辺の長さ）を、アノード多孔質基材１５の対応する長さ（対応する一辺の長さ）に対し、０．７ｍｍ以上、好ましくは、０．８〜０．９ｍｍ程度、大きく設定することが好ましい。このように設定することで、後述するＭＣＯなどの現象の抑制効果を十分に発揮させることができる。
【００７５】
図５の燃料電池３６において、アノード触媒層３８は、アノード拡散層１６の端面全体を被覆していない。このため、厳密には、アノード多孔質基材１５と高分子電解質膜３７とが、隙間を挟んで向かい合っている箇所（アノード触媒層３１が存在していない箇所）が存在する。そして、このことにより、燃料経路２２からアノード多孔質基材１５へと供給された燃料が、アノード触媒層３１を経ることなく高分子電解質膜３７に到達し、高分子電解質膜３７を透過してカソード触媒層１３で酸化される、という現象（例えば、ＭＣＯ）を生じるおそれがある。
【００７６】
しかしながら、図１の場合と対比して明らかなように、高分子電解質膜３７が屈曲して配置されているため、燃料が、アノード触媒層３１を経ることなく高分子電解質膜３７に到達したとしても、高分子電解質膜３７を透過することは困難である。それゆえ、ＭＣＯなどが生じたとしても、その程度は軽微である。
【００７７】
なお、ＭＣＯなどの現象を確実に抑制するには、アノード拡散層１６の端面全体が、アノード触媒層３８によって被覆されていることが好ましい。
【００７８】
図５に示す燃料電池３６の構成は、燃料の利用効率や、発電電圧や発電効率などの発電性能を向上させる上で好適である。
【００７９】
本発明に係る燃料電池の第５の実施形態を示す図６を参照して、燃料電池４０は、水素イオン伝導性を有する高分子電解質膜３７と、高分子電解質膜３７を挟み対向して配置されるアノード２３およびカソード２５と、アノード２３の高分子電解質膜３７とは反対側に配置されるアノード側セパレータ１７と、カソード２５の高分子電解質膜３７とは反対側に配置されるカソード側セパレータ２１と、カソード側セパレータ２１と高分子電解質膜３７との間に介在されるガスケット３９と、を備えている。
【００８０】
図６の燃料電池４０において、アノード２３は、高分子電解質膜３７と接するアノード触媒層４１と、アノード側セパレータ１７と接するアノード拡散層１６とを有している。
そして、アノード拡散層１６は、さらに、アノード触媒層４１と接するアノード撥水層４２と、アノード側セパレータ１７と接するアノード多孔質基材１５とを有している。
【００８１】
図６の燃料電池４０において、アノード２３におけるアノード多孔質基材１５と、カソード２５と、アノード側セパレータ１７と、カソード側セパレータ２１と、端板２８とについては、図２の燃料電池３０と同様である。また、高分子電解質膜３７については、図５の燃料電池３６と同様である。
【００８２】
図６の燃料電池４０では、アノード撥水層４２が、アノード多孔質基材１５の端面全体を被覆している。
アノード多孔質基材１５の端面をアノード撥水層４２で被覆させるには、アノード撥水層４２を、図４の燃料電池３４におけるアノード撥水層３５と同様にして形成すればよい。
【００８３】
図６の燃料電池４０では、高分子電解質膜３７の周縁部が、アノード側セパレータ１７に向かって屈曲し、アノード側セパレータ１７に接している。また、アノード触媒層４１は、高分子電解質膜３７とともにアノード側セパレータ１７に向かって屈曲しており、アノード拡散層１６の端面を被覆している。
【００８４】
また、図６の燃料電池４０では、アノード拡散層１６の端面をアノード触媒層４１で被覆させるために、高分子電解質膜３７上に形成されるアノード触媒層４１の面積が、アノード拡散層１６（特に、アノード多孔質基材１５）の面積と比べて大きく設定されている。なお、これにより、アノード多孔質基材１５の法線方向において、アノード触媒層４１の正投影面積が、アノード多孔質基材１５の正投影面積よりも大きくなっている。
【００８５】
アノード触媒層４１の法線方向から見た正投影面積と、アノード多孔質基材１５の法線方向から見た正投影面積との差は、特に限定されない。しかし、上記の実施形態においては、高分子電解質膜３７の表面に沿う方向でのアノード触媒層４１の長さ（任意の一辺の長さ）と、アノード多孔質基材１５の対応する長さ（対応する一辺の長さ）との関係を、図５の燃料電池３６におけるアノード触媒層３８とアノード多孔質基材１５との関係と同様に設定することが好ましい。
【００８６】
図６に示す燃料電池４０の構成は、燃料の利用効率や、発電電圧や発電効率などの発電性能を向上させる上で好適である。
【００８７】
図５に示す第４の実施形態や、図６に示す第５の実施形態では、高分子電解質膜１１が屈曲しており、高分子電解質膜１１の屈曲部と、アノード多孔質基材とが、極めて接近した状態となっている。しかしながら、第４および第５の実施形態によれば、燃料が、アノード拡散層１６の端面から、アノード触媒層３８、４１を経ることなく、直接に高分子電解質膜１１の表面に到達することが抑制されており、ＭＣＯ量の増加を回避することができる。
【実施例】
【００８８】
次に、実施例および比較例を挙げて本発明を説明するが、本発明は、下記の実施例によって限定されるものではない。
【００８９】
実施例１
実施例１として、上記第１の実施形態の燃料電池を作製した（図２参照）。
【００９０】
アノード触媒層３１を形成するアノード触媒粉末には、平均一次粒子径が３０ｎｍの導電性カーボン粒子に白金−ルテニウム合金（原子比１：１）を付着させたものであって、白金−ルテニウム合金の含有割合が５０重量％であるものを使用した。
カソード触媒層１３を形成するカソード触媒粉末には、平均一次粒子径が３０ｎｍの導電性カーボン粒子に白金を付着させたものであって、白金の含有割合が５０重量％であるものを使用した。
高分子電解質膜１１には、厚さ１７８μｍのフッ素系高分子膜（パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）をベースとするフィルム、商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７」、デュポン社製）を使用した。
【００９１】
上記アノード触媒粉末１０ｇと、パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）を含有する分散液（商品名：ナフィオン分散液、「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」、デュポン社製）１００ｇとを、適量の水とともに混合し、攪拌後、脱泡することによって、アノード触媒層形成用インクを得た。
こうして得られたアノード触媒層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法によって、上記高分子電解質膜１１の一方側表面に吹き付けた。吹き付け時には、高分子電解質膜１１の表面を６０℃に保持した。これにより、アノード触媒層形成用インクは、塗布中に漸次乾燥され、アノード触媒層３１を形成した。アノード触媒層３１の寸法は、吹き付け時のマスキングによって、１辺が６１ｍｍの正方形となるように調整した。
【００９２】
次に、上記カソード触媒粉末１０ｇと、パーフルオロスルホン酸／ポリテトラフルオロエチレン共重合体（Ｈ+型）を含有する分散液（前出の商品名「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）５重量％溶液」）１００ｇとを、適量の水とともに混合し、攪拌後、脱泡することによって、カソード触媒層形成用インクを得た。
こうして得られたカソード触媒層形成用インクを、上記高分子電解質膜１１の他方側表面（アノード触媒層３１の形成面とは反対側の面）に吹き付けた。吹き付けは、アノード触媒層３１の形成と同様にして行った。カソード触媒層１３の寸法は、吹き付け時のマスキングによって、１辺が６０ｍｍの正方形になるように調整した。また、アノード触媒層３１と、カソード触媒層１３とは、それぞれの中心（各触媒層の対角線の交点）が、高分子電解質膜１１の厚さ方向で一致するように設定した。
【００９３】
撥水処理が施されたカーボンペーパー（商品名「ＴＧＰ−Ｈ−０９０」、厚さ約３００μｍ、東レ株式会社製）を、希釈されたＰＴＦＥディスパージョン（商品名「Ｄ−１」、ダイキン工業株式会社製）に１分間浸漬した後、１００℃の熱風乾燥機中で乾燥させた。次いで、２７０℃の電気炉中で２時間焼成することにより、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるアノード多孔質基材１５を得た。
【００９４】
撥水処理が施されたカーボンペーパーに代えて、カーボンクロス（商品名「ＡｖＣａｒｂ（商標）１０７１ＨＣＢ」、バラードマテリアルプロダクツ社製）を使用したこと以外は、アノード多孔質基材１５の作製と同様にしてＰＴＦＥディスパージョンに浸漬し、乾燥し、かつ焼成することにより、ＰＴＦＥの含有量が１０重量％であるカソード多孔質基材１９を得た。
【００９５】
アセチレンブラックの粉末と、ＰＴＦＥディスパージョン（前出の商品名「Ｄ−１」）とを混合し、攪拌することにより、ＰＴＦＥの固形分量が１０重量％で、アセチレンブラックの含有量が９０重量％の撥水層形成用インクを得た。
こうして得られた撥水層形成用インクを、エアーブラシを使用したスプレー法によって、アノード多孔質基材１５の一方側表面に吹き付け、１００℃の恒温槽で乾燥させた。次いで、２７０℃の電気炉中で２時間焼成し、界面活性剤を除去することにより、アノード撥水層１４を形成した。カソード多孔質基材１９の一方側表面にも、上記と同様にして、撥水層形成用インクを吹き付け、乾燥し、かつ焼成することにより、カソード撥水層１８を得た。
【００９６】
アノード多孔質基材１５とアノード撥水層１４とからなるアノード拡散層１６、およびカソード多孔質基材１９とカソード撥水層１８とからなるカソード拡散層２０は、いずれも、抜き型を使用して、１辺６０ｍｍの正方形に成形した。
【００９７】
次に、得られたアノード拡散層１６と、ＣＣＭと、カソード拡散層２０とを、各撥水層１４、１８と、ＣＣＭの各触媒層３１、１３とが対向するように重ね合わせ、温度を１２５℃に設定した熱プレス装置に配置した。そして、５ＭＰａの圧力で１分間加圧し、接合することにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【００９８】
各拡散層１６、２０とＣＣＭとを重ね合わせる際には、アノード触媒層３１の中心（以下、ＭＥＡを形成する各層について、対角線の交点を中心とする。）と、アノード撥水層１４を備えるアノード拡散層１６の中心とが一致するように、位置合わせを実施した。しかし、この場合であっても、ＭＥＡを形成する各層について、中心間のずれは多少発生した。アノード触媒層３１の端辺と、アノード拡散層１６の端辺との距離を、光学顕微鏡で測定した結果、４つの辺において、それぞれ、０．３、０．４、０．７、および０．６ｍｍであった。すなわち、いずれの辺においても、アノード拡散層１６と高分子電解質膜１１との間にアノード触媒層３１が存在しない端辺は存在していなかった。
【００９９】
厚み０．２５ｍｍのエチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）のシートを、１辺が１２０ｍｍの正方形に切り出し、さらに、ＭＥＡを配置する部分として、シートの中心部分を、１辺が６２ｍｍの正方形にくり抜いた。こうして得られた２枚のガスケット２６、２７を、アノード２３側とカソード２５側との双方で、ＭＥＡを取り囲むように配置した。
【０１００】
アノード側セパレータ１７およびカソード側セパレータ２１として、厚み２ｍｍの黒鉛板の表面を切削して、メタノールを供給する燃料流路２２と、酸素を供給する空気流路２４とを形成したものを作製し、これら流路２２、２４が、それぞれアノード拡散層１６およびカソード拡散層２０に面するように配置した。燃料流路２２と空気流路２４の断面形状は、それぞれ、１ｍｍ四方になるように形成した。また、燃料流路２２および空気流路２４は、ＭＥＡの表面上を万遍なく蛇行するサーペンタイン型とした。
【０１０１】
そして、一対のセパレータ１７、２１に挟持されたＭＥＡを、さらに、厚さ１ｃｍのステンレス鋼板からなる一対の端板２８で挟み込んだ。端板２８と、各セパレータ１７、２１との間には、それぞれ、各セパレータ１７、２１側から順に、表面に金メッキが施された厚さ２ｍｍの銅板からなる集電板と、絶縁板とを配置して、電子負荷装置に接続した。端板２８は、ボルト、ナットおよびばねを用いて加圧締結した。こうして、燃料電池（ＤＭＦＣ）の単セルを得た。なお、第１の実施形態を模式的に示す図２においては、集電板と絶縁板の図示を省略している。他の図においても同様である。
【０１０２】
実施例２
実施例２として、上記第２の実施形態の燃料電池を作製した（図３参照）。
【０１０３】
実施例１と同様に調製されたアノード触媒層形成用インクを、実施例１と同様の方法で作製され、１辺が６０ｍｍの正方形となるように打ち抜かれたアノード拡散層１６のアノード撥水層１４側に、スプレー法によって塗布した。このとき、アノード拡散層１６の端面をマスキングなどで被覆せずに塗布した。これにより、アノード触媒層形成用インクがアノード拡散層１６の端面にも付着した。すなわち、アノード拡散層１６のアノード撥水層１４側の表面だけでなく、その端面においても、アノード触媒層３１が形成された。また、アノード拡散層１６の端面全体が、アノード触媒層３１によって被覆された。
その他の工程を実施例１と同様にすることで、燃料電池（ＤＭＦＣ）の単セルを得た。
【０１０４】
実施例３
実施例３として、上記第３の実施形態の燃料電池を作製した（図４参照）。
【０１０５】
実施例１と同様にして作製されたアノード多孔質基材１５を、１辺が６０ｍｍの正方形となるように打ち抜いた後、アノード撥水層形成用インクをスプレー法により塗布した。このとき、アノード多孔質基材１５の端面をマスキングなどで被覆せずに塗布した。これにより、アノード撥水層形成用インクがアノード多孔質基材１５の端面にも付着した。すなわち、アノード多孔質基材１５のアノード触媒層３３側表面だけでなく、その端面においても、アノード撥水層３５が形成された。また、アノード多孔質基材１５の端面全体が、アノード撥水層３５によって被覆された。
その他の工程を実施例１と同様にすることで、燃料電池（ＤＭＦＣ）の単セルを得た。
【０１０６】
実施例４
実施例４として、上記第４の実施形態の燃料電池を作製した（図５参照）。
【０１０７】
実施例１と同様にしてＭＥＡを作製した。アノード触媒層３８の端辺と、アノード拡散層１６の端辺との距離は、４つの辺において、それぞれ、０．３、０．４、０．７、および０．６ｍｍであって、実施例１と同等であった。
ガスケットには、厚み０．５０ｍｍのＥＰＤＭのシートを、１辺が１２０ｍｍの正方形に切り出し、ＭＥＡを配置する部分として、シートの中心部分を、１辺が６２ｍｍの正方形にくり抜いたものを使用した。こうして得られたガスケット３９を、高分子電解質膜１１とカソード側セパレータ２１との間のみで、ＭＥＡを取り囲むように配置した。
【０１０８】
こうして、燃料電池（ＤＭＦＣ）の単セルを得た。この単セルにおいて、アノード触媒層３８は、図５に示すように、アノード拡散層１６の端面を被覆する位置に配置された。なお、アノード触媒層３８は、アノード拡散層１６の端面全体を被覆していなかった。
【０１０９】
実施例５
実施例５として、上記第５の実施形態の燃料電池を作製した（図６参照）。
【０１１０】
実施例３と同様にしてアノード拡散層１６を作製し、実施例１と同様にしてＭＥＡを作製した。アノード触媒層４１の端辺と、アノード拡散層１６の端辺との距離は、４つの辺において、それぞれ、０．３、０．４、０．７、および０．６ｍｍであって、実施例１と同等であった。
ガスケットには、実施例４と同様にして作製されたものを使用し、このガスケット３９を、高分子電解質膜１１とカソード側セパレータ２１との間において、ＭＥＡを取り囲むように配置した。
【０１１１】
こうして、燃料電池（ＤＭＦＣ）の単セルを得た。この単セルにおいて、アノード触媒層４１およびアノード撥水層４２は、図６に示すように、アノード多孔質基材１５の端面を被覆する位置に配置された。
【０１１２】
比較例１
比較例１として、従来構造の燃料電池を作製した（図１参照）。
【０１１３】
実施例１と同様にして、高分子電解質膜１１上にアノード触媒層１２を作製し、１辺が６０ｍｍの正方形となるように成形した。その他の工程については、実施例１と同様にすることで、燃料電池（ＤＭＦＣ）の単セルを得た。
この比較例１の単セルにおいて、アノード触媒層１２の端辺と、アノード拡散層１６の端辺との位置関係を確認したところ、アノード触媒層１２の端辺が、その中心を基準として、アノード拡散層１６の端辺よりも０．２ｍｍ外側に外れている辺と、０．１ｍｍ外側に外れている辺とが存在していた。一方、それらの端辺と対向する端辺においては、アノード触媒層１２の端辺が、その中心を基準として、アノード拡散層１６の端辺よりも、それぞれ０．２ｍｍと０．１ｍｍ内側に寄っていた。すなわち、２辺において、アノード拡散層と電解質膜の間に、アノード触媒層が存在しない端辺が存在した。
【０１１４】
比較例２
比較例２として、図７に示す燃料電池４３を作製した。
【０１１５】
比較例１と同様にして、ＭＥＡを作製した。また、実施例４と同様のガスケット３９を、高分子電解質膜１１とカソード側セパレータ２１との間に配置して、燃料電池（ＤＭＦＣ）の単セルを得た。
この比較例２の単セルにおいて、アノード触媒層１２の端辺と、アノード拡散層１６の端辺との位置関係は、比較例１と同様であった。
【０１１６】
物性試験
以上の実施例および比較例について、発電中のメタノールクロスオーバー量を測定し、そこから燃料の利用効率を計算した。
【０１１７】
燃料電池の発電条件としては、４ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を燃料として０．３ｃｍ3／ｍｉｎの流量でチューブ式ポンプを用いてアノードに供給しつつ、３００ｃｍ3／ｍｉｎの流量で無加湿の空気をマスフローコントローラーによって制御しながらカソードに供給した。電熱線ヒータと温度コントローラを用いて各セルを６０℃環境下となるように制御した後、電子負荷装置「ＰＬＺ１６４ＷＡ」（菊水電子工業株式会社製）に接続し、定電流制御で電流密度が２００ｍＡ／ｃｍ2となるように設定して連続発電を行った。
【０１１８】
アノード側から排出される未使用の燃料が残存したメタノール水溶液と二酸化炭素からなる気液混合流体を、純水を満たした気体捕集容器に接続し、容器を氷水浴で冷却して気体と液体のメタノールを１時間にわたって捕集した。その後、気体捕集容器中のメタノール量をガスクロマトグラフ法によって測定し、アノードの物質収支を計算することで、メタノールクロスオーバー量（ＭＣＯ量）を求めた。すなわち、アノードに供給したメタノール量から、排出され捕集されたメタノール量と発電電流量から求められる電極での消費量を差し引いて、ＭＣＯ量を求めた。ＭＣＯ量は、仮に相当する量のメタノールが電極酸化された場合に発生し得る電流量に換算した数値を使用した。燃料利用率は下記の計算式によって求めた。
【０１１９】
燃料利用率＝（発電電流）／（発電電流＋ＭＣＯ量の電流換算値）
以上の結果を表１に示す。
【０１２０】
【表１】
2010170892.tif 000003
【０１２１】
表１より明らかなように、実施例１〜３の燃料電池は、比較例１の燃料電池に比べてＭＣＯ量が小さく、高い燃料利用率を得ることができた。実施例１〜３を比較すると、アノード触媒層３３がアノード拡散層１６の端面を被覆している実施例２では、実施例１に比べて、さらにＭＣＯ量が低減されていることが確認された。
【０１２２】
また、比較例１と比較例２とで、ＭＣＯ量を比較すると、比較例２の方がＭＣＯ量が大きかった。このことは、高分子電解質膜１１とアノード拡散層１６との距離が小さいほど、アノード２３の周辺部におけるＭＣＯ量の増加が顕著になることを示している。
【０１２３】
しかし、本発明の実施例４および５の燃料電池では、実施例１および２と同等に、ＭＣＯが低減されており、本発明による構成が、アノード２３周辺部におけるＭＣＯ量を著しく低減していることが確認された。
【０１２４】
さらに、実施例４と実施例５との対比により、アノード撥水層（１４、３５）がアノード多孔質基材１５の端面を被覆している実施例５の方が、ＭＣＯ量が小さく、アノード触媒層（３１、３８）によるアノード多孔質基材１５の端面の被覆による効果と、アノード撥水層（１４、３５）によるアノード多孔質基材１５の端面の被覆による効果との相乗効果が確認された。
【０１２５】
以上のように、本発明の燃料電池は、従来の構造に比べて、高い燃料利用率を得ることができ、ひいては高いエネルギー変換効率を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本発明の燃料電池は、例えば、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話、携帯情報端末（ＰＤＡ）などの携帯用小型電子機器における電源として有用である。また、電動スクータ用電源などの用途にも応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】従来の固体高分子型燃料電池の一例を示す模式的断面図である。
【図２】本発明に係る第１の燃料電池の実施形態を示す模式的断面図である。
【図３】本発明に係る第２の燃料電池の実施形態を示す模式的断面図である。
【図４】本発明に係る第３の燃料電池の実施形態を示す模式的断面図である。
【図５】本発明に係る第４の燃料電池の実施形態を示す模式的断面図である。
【図６】本発明に係る第５の燃料電池の実施形態を示す模式的断面図である。
【図７】比較例２で作製した燃料電池を示す模式的断面図である。
【符号の説明】
【０１２８】
１０、３０、３２、３４、３６、４０、４３  燃料電池
１１、３７  高分子電解質膜
１２、３１、３３、３８、４１  アノード触媒層
１３  カソード触媒層
１４、３５、４２  アノード撥水層
１５  アノード多孔質基材
１６  アノード拡散層
１７  アノード側セパレータ
１８  カソード撥水層
１９  カソード多孔質基材
２０  カソード拡散層
２１  カソード側セパレータ
２２  燃料流路
２３  アノード
２４  空気流路（酸化剤流路）
２５  カソード
２６、２７、３９  ガスケット
２８  端板
【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】
2010170892.tif 000008
【図６】
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【図７】
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