(57)【要約】【課題】電解質膜と電極（触媒層）との界面における密着性を高めることによって、出力特性やその維持性を向上させた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池は、燃料極と、空気極と、これら燃料極および空気極に挟持された電解質膜１１とを有する膜電極接合体を備える起電部を具備する。電解質膜１１は燃料極および空気極との接触面にそれぞれ交差するように設けられた筋状傷１３を有する。燃料電池は液体燃料を収容する燃料収容部と、燃料収容部から燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と、
液体燃料を収容する燃料収容部と、
前記燃料収容部から前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを具備し、
前記電解質膜は前記燃料極および前記空気極との接触面にそれぞれ交差する筋状傷が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記電解質膜はプロトン伝導性の高分子膜からなることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または請求項２記載の燃料電池において、
前記筋状傷１３は０．５〜２０μｍの範囲の深さを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１または請求項２記載の燃料電池において、
前記電解質膜に設けられた前記筋状傷は、第１の筋状傷と、前記第１の筋状傷より深さが浅い第２の筋状傷とを有し、かつ前記第１の筋状傷および前記第２の筋状傷はそれぞれ交差するように設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池において、
前記第１の筋状傷は１〜１０μｍの範囲の深さを有し、前記第２の筋状傷は１μｍ以下の深さを有することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池において、
前記電解質膜の前記接触面には繊維状の表面処理体を擦りつけることにより前記筋状傷が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源や充電器として有望視されている。ＤＭＦＣにおいては、アノード電極（アノード触媒層：燃料極）／プロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜／カソード電極（カソード触媒層：空気極）の積層構造を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）が用いられている。
【０００３】
ＭＥＡを備える燃料電池において、アノード電極側に供給されるメタノール等の燃料は電極中に含まれる触媒で分解されて水素イオンを生じさせる。水素イオンはプロトン伝導性電解質膜を経由してカソード電極側に移動し、カソード電極に供給される空気中の酸素と結合して水を生成する。この反応における水素イオンのアノード電極からカソード電極への移動に基づいて発電が行われる。このような電極反応において、電解質膜と各電極との界面におけるプロトン伝導性を高めると共にそのような状態を維持することが、燃料電池の出力向上、並びに出力特性の維持のために重要となる。
【０００４】
電解質膜とアノード電極およびカソード電極との界面におけるプロトン伝導性は、各界面の密着性を高めることで維持することができる。このような点に対して、例えば電解質膜の電極との接触面を粗面化し、電解質膜と電極（触媒層）との密着性を高めることが提案されている（特許文献１，２参照）。特許文献１には、粗面を有する金属箔を電解質膜に圧着し、金属箔の粗面を電解質膜に転写した後、金属箔を溶解除去する方法が記載されている。特許文献２にはエッチング処理、サンドブラスト処理、大気圧コロナ放電処理、大気圧プラズマ処理等を適用して、電解質膜の表面を粗面化することが記載されている。
【０００５】
表面を粗面化した電解質膜は燃料電池の出力の向上に寄与するものの、従来の粗面化処理では燃料電池の出力特性の維持に対して必ずしも十分な効果は得られていない。すなわち、電解質膜は燃料電池の発電動作に伴って、吸収する水分の量により膨張と収縮を繰り返す。電解質膜が膨張と収縮を繰り返すと、電解質膜と電極（触媒層）との界面にはせん断応力のような密着力を低下させる力、すなわち界面を剥離させる力が発生する。従来の電解質膜の粗面化処理では継続的に付加される応力に対して界面の密着性を維持することができず、これにより燃料電池の出力特性が劣化しやすいという問題を招いている。
【特許文献１】特開２００３−０６８３２８号公報
【特許文献２】特開２００５−０６３８３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、電解質膜と電極（触媒層）との界面における密着性を高めることによって、出力特性やその維持性を向上させた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体を備える起電部と、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部から前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを具備し、前記電解質膜は前記燃料極および前記空気極との接触面にそれぞれ交差する筋状傷が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の態様に係る燃料電池においては、電解質膜の燃料極および空気極との接触面に設けられた交差状の筋状傷によって、電解質膜と電極（燃料極および空気極）との界面の密着性を高めている。これによって、電解質膜の膨張と収縮に伴う界面での剥離が抑制され、出力特性やその維持性を向上させた燃料電池を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す断面図である。図１に示す燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）を備える起電部２と、起電部２に燃料を供給する燃料供給機構３と、液体燃料を収容する燃料収容部４とから主として構成されている。
【００１０】
起電部２は、アノード触媒層５とアノードガス拡散層６とを有するアノード（燃料極）７と、カソード触媒層８とカソードガス拡散層９とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１０と、アノード触媒層５とカソード触媒層８とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１１とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）１２とを有している。電解質膜１１はアノード触媒層５およびカソード触媒層８と接触している。電解質膜１１はアノード触媒層５およびカソード触媒層８との接触面を有している。
【００１１】
電解質膜１１は例えばプロトン（水素イオン）伝導性の高分子膜により構成される。プロトン伝導性の高分子材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料が挙げられる。プロトン伝導性の高分子膜は例えば２０〜１３０μｍの範囲の厚さを有する。
【００１２】
アノード触媒層５やカソード触媒層８に含有される触媒としては、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層５にはメタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有し、かつメタノールから水素を引き抜く脱水素反応を生じさせやすいＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等のＰｔ合金を用いることが好ましい。カソード触媒層８にはＰｔ、Ｐｔ−Ｎｉ等のＰｔ合金、Ｐｄ、Ｐｄ−Ｐｔ等のＰｄ合金を用いることが好ましい。触媒は炭素材料等の導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１３】
アノード触媒層５に積層されるアノードガス拡散層６は、アノード触媒層５に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層５の集電機能を有するものである。カソード触媒層８に積層されるカソードガス拡散層９は、カソード触媒層８に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層８の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層６やカソードガス拡散層９は、例えばカーボンペーパーやカーボンクロス等の導電性を有する多孔質基材で構成されている。
【００１４】
アノード７／電解質膜１１／カソード１０の積層構造を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）１２は、例えば以下のようにして作製される。まず、導電性多孔質基材からなるアノードガス拡散層６上に、アノード７用の電極成形用塗料（貴金属触媒やそれを担持した担持体を溶媒中に分散させたもの、必要に応じてプロトン伝導性の樹脂溶液等を含む）を塗布してアノード触媒層５を形成する。同様に、導電性多孔質基材からなるカソードガス拡散層９上に、カソード１０用の電極成形用塗料を塗布してカソード触媒層８を形成する。
【００１５】
次に、上記した工程で作製したアノード７とカソード１０とで、プロトン伝導性の高分子膜等からなる電解質膜１１を挟持する。アノード７およびカソード１０はそれぞれ各触媒層５、８が電解質膜１１と接するように積層される。このようなアノード７とカソード１０とで電解質膜１１を挟持した積層体をホットプレスし、各界面を接合することによってＭＥＡ１２を作製する。ここで、燃料電池１の出力特性やその維持性は、ＭＥＡ１２の各界面における密着性、すなわちアノード触媒層５と電解質膜１１との界面およびカソード触媒層８と電解質膜１１との界面の密着性に影響される。
【００１６】
この実施形態では図２に示すように、電解質膜１１の表裏面（アノード触媒層５およびカソード触媒層８との接触面）に、アノード触媒層５およびカソード触媒層８との密着性を向上させる筋状傷１３を設けている。筋状傷１３は一方向に形成された筋状傷１３Ａとそれと交差する方向に形成された筋状傷１３Ｂとを有している。筋状傷１３Ｂは例えば筋状傷１３Ａと直交もしくはそれに近い方向に形成される。筋状傷１３Ａおよび筋状傷１３Ｂの形成方向はこれ限られるものではなく、交差する方向に形成されていればよい。
【００１７】
筋状傷１３は０．５〜２０μｍの範囲の深さと０．０５〜０．５ｍｍの範囲の間隔とを有することが好ましい。筋状傷１３の長さや形成範囲は電解質膜１１のアノード触媒層５やカソード触媒層８との接触面を覆うように形成されていればよいが、電解質膜１１の膜強度等を低下させない範囲で、電解質膜１１の表裏面全面に筋状傷１３を形成してもよい。筋状傷１３の断面形状は凹部状となっていれば特に限定されるものではなく、Ｖ字状、Ｕ字状、角溝状等、種々の断面形状を有する筋状傷１３を適用することができる。
【００１８】
このような細かな筋状傷１３を電解質膜１１の表裏面それぞれに形成し、アノード触媒層５やカソード触媒層８との接触面積（電解質膜１１の表面積）を拡大することによって、電解質膜１１と各触媒層５、８との密着性を向上させることができる。さらに、電解質膜１１とアノード触媒層５およびカソード触媒層８との界面の面積を拡大することで、各電極７、１０における触媒反応の効率を高めることができる。これらによって、燃料電池１の出力特性やその維持性を向上させることが可能となる。
【００１９】
特に、筋状傷１３は交差するように設けられているため、筋状傷１３の模様が升目模様のようになる。すなわち、交差する筋状傷１３による模様はその一つ一つの形がブロックのようになるため、電解質膜１１の膨張と収縮に伴って発生する応力、すなわち界面の密着力を低下させるせん断応力等を適度に分散させることができる。これによって、燃料電池１の出力特性、特に出力劣化の要因となる電解質膜１１と各触媒層５、８との界面剥離を抑制することができる。従って、各界面におけるプロトン伝導性が安定に維持され、燃料電池１の出力特性やその維持性を向上させることが可能となる。
【００２０】
筋状傷１３は電解質膜１１の表面にラビング布のような繊維状の表面処理体を擦りつけることにより形成される。ラビング布は、例えば地布とそれに起毛状態で織り込まれたパイルとを有するベルベット織物（もしくはそれ以外の織物）からなり、主として起毛部分でラビング処理がなされる。このようなラビング布の起毛部分（パイル）の太さや長さ、さらにラビング処理時の圧力等を調整することによって、所望の深さや間隔を有する筋状傷１３を電解質膜１１の表面に形成することができる。
【００２１】
図３および図４はラビング布を適用した筋状傷の形成装置１００を示している。これらの図に示す筋状傷の形成装置１００は、第１の形成部１０１Ａと第２の形成部１０１Ｂとを有している。これら筋状傷の形成部１０１Ａ、１０１Ｂはそれぞれ上下一対のローラ１０２Ａ、１０３Ａ、１０２Ｂ、１０３Ｂで構成されている。上ローラ１０２Ａ、１０２Ｂの表面にはそれぞれ電解質膜１１に筋状傷を形成するラビング布が取り付けられている。下ローラ１０３Ａ、１０３Ｂは電解質膜１１を押圧しつつ進行させる送りローラである。
【００２２】
電解質膜１１は上ローラ１０２Ａ、１０２Ｂと下ローラ１０３Ａ、１０３Ｂとに挟持された状態で矢印Ｘ方向に送られる。第１および第２の形成部１０１Ａ、１０１Ｂにおいて、ラビング布を有する上ローラ１０２Ａ、１０２Ｂを電解質膜１１の表面に擦りつけることによって、電解質膜１１の表面に筋状傷が形成される。ここで、上ローラ１０２Ａ、１０２Ｂはそれぞれ電解質膜１１の送り方向に対して所定の角度（３０°程度）で配置されている。さらに、上ローラ１０２Ａ、１０２Ｂは電解質膜１１の送り方向に揺動可能とされている。矢印Ｙは上ローラ１０２Ａ、１０２Ｂの揺動方向である。
【００２３】
さらに、第１の形成部１０１Ａの上ローラ１０２Ａと第２の形成部１０１Ｂの上ローラ１０２Ｂとは電解質膜１１の送り方向に対する角度が異なっている。例えば第１の形成部１０１Ａのローラ角度を＋３０°としたとき、第２の形成部１０１Ｂのローラ角度は−３０°とされている。従って、第２の形成部１０１Ｂで形成される筋状傷の角度（電解質膜１１の長手方向に対する角度）は、第１の形成部１０１Ａで形成される筋状傷の角度と異なることになる。その結果として、第１の形成部１０１Ａと第２の形成部１０１Ｂを順に通過した電解質膜１１の表面には交差する筋状傷１３が形成される。
【００２４】
電解質膜１１の表面に形成される筋状傷１３は一定の深さを有するものであってもよいが、例えば図５および図６に示すように、深さが深い第１の筋状傷１３１と深さが浅い第２の筋状傷１３２とを有することが好ましい。第２の筋状傷１３２は第１の筋状傷１３１より深さが浅ければよいが、これら筋状傷１３１、１３２をより有効に機能させる上で、第１の筋状傷１３１の深さは１〜１０μｍの範囲、第２の筋状傷１３２の深さは１μｍ以下とすることが好ましい。第１の筋状傷１３１と第２の筋状傷１３２の深さに差をつけることで、各界面における触媒層５、８のくい付き状態を高めることができる。
【００２５】
第１の筋状傷（深傷）１３１と第２の筋状傷（浅傷）１３２はそれぞれ交差するように設けられている。交差する第１の筋状傷１３１をおおよそ等間隔で形成すると、第１の筋状傷１３１が格子状に形成され、全体として升目模様のようになる。第１の筋状傷１３１が交差する部分ではその一つ一つがブロックのようになる。このようなブロックの中に浅い第２の筋状傷１３２を交差するように形成する。第１の筋状傷１３１による大きなブロック内に、第２の筋状傷１３２による小さなブロックが多数形成された状態となる。
【００２６】
このように、深い第１の筋状傷１３１のブロックと浅い第２の筋状傷１３２のブロックとを組合せることによって、電解質膜１１の膨張と収縮に伴って発生する応力（せん断応力等）をより良好に分散させることができる。さらに、各触媒層５、８は電解質膜１１に深く入り込む部分と浅い部分とが形成されるため、各触媒層５、８の電解質膜１１に対するくい付き状態が良好になる。これらによって、電解質膜１１と各触媒層５、８との密着性をより一層高めることができる。従って、各界面におけるプロトン伝導性が安定して維持され、燃料電池１の出力特性やその維持性を向上させることが可能となる。
【００２７】
第１および第２の筋状傷１３１、１３２は、図７に示すような筋状傷の形成装置１１０を用いることにより形成することができる。筋状傷の形成装置１１０は図３や図４に示した形成装置１００と同様に、ラビング布を有する上ローラ１０２を電解質膜１１に擦りつけて筋状傷１３を形成するものである。筋状傷の形成装置１１０は深傷形成部１１１と浅傷形成部１１２とを備えている。これら傷形成部１１１、１１２は、それぞれ形成装置１００と同様な第１の形成部１０１Ａと第２の形成部１０１Ｂとを有している。
【００２８】
深傷形成部１１１の上ローラ１０２Ａ、１０２Ｂには、第１の筋状傷１３１の深さや間隔に応じて起毛部分（パイル）の太さや長さを調整したラビング布が取り付けられている。同様に、浅傷形成部１１２の上ローラ１０２Ａ、１０２Ｂには、第２の筋状傷１３２の深さや間隔に応じて起毛部分（パイル）の太さや長さを調整したラビング布が取り付けられている。従って、深傷形成部１１１Ａと浅傷形成部１１２を順に通過した電解質膜１１の表面には、交差する第１および第２の筋状傷１３１、１３２が形成される。
【００２９】
上述した筋状傷１３を有する電解質膜１１を用いたＭＥＡ１２を、アノード集電体１４とカソード集電体１５とで挟み込むことによって、燃料電池１の起電部２が構成される。アノードガス拡散層６はアノード集電体１４と積層され、カソードガス拡散層９はカソード集電体１５と積層される。集電体１４、１５にはＡｕやＮｉ等の導電性金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）や箔体、ステンレス鋼のような導電性金属材料にＡｕ等の良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。集電体１４、１５は燃料や酸化剤（空気）を流通させる貫通孔を有している。起電部２はＯリング等のシール部材１６でシールされており、これによりＭＥＡ１２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００３０】
起電部２は燃料拡散室１７を形成する容器１８上に配置されている。容器１８は上部が開口された箱状の形状を有している。このような容器１８の開口部側にＭＥＡ１２のアノード７が位置するように起電部２が配置されている。容器１８内には燃料拡散材１９が配置されている。燃料拡散材１９は板状の多孔質材料等で形成されており、例えばポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン等からなる樹脂製多孔質板が用いられる。燃料拡散材１９と燃料拡散室１７とは、アノード７の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部２０を構成するものである。
【００３１】
そして、燃料拡散材１９が配置された容器１８上に起電部２と保湿層２１とを積層し、さらにその上から例えばステンレス製のカバープレート２２を被せて全体を保持することによって、実施形態の燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。保湿層２１はカソード触媒層８で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層８への空気の均一拡散を促進するものである。カバープレート２２は空気導入用の開口部を有している。なお、保湿層２１とカバープレート２２との間には必要に応じて表面層が配置される。表面層は空気の取入れ量を調整するものであり、空気の取入れ量に応じて個数や大きさが調整された複数の空気導入口を有する。
【００３２】
燃料拡散材１９は容器１８に設けられた燃料注入部２３と接している。燃料注入部２３は配管のような液体燃料の流路２４を介して燃料収容部４と接続されている。燃料収容部４にはＭＥＡ１２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料はこれに限られるものではない。液体燃料は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、その他の液体燃料であってもよい。
【００３３】
流路２４にはポンプ２５が介在されている。ポンプ２５は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部２０に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部２０からＭＥＡ１２に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。燃料電池１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異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。液体燃料の供給にポンプ２５を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。燃料電池１はセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００３４】
ポンプ２５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という観点から、ロータリーベーンポンプ、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。ロータリー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等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。
【００３５】
燃料供給部２０から放出された燃料はＭＥＡ１２のアノード（燃料極）７に供給される。ＭＥＡ１２内において、燃料はアノードガス拡散層６を拡散してアノード触媒層５に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層５で下記の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、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、カソード触媒層８で生成した水や電解質膜１１中の水をメタノールと反応させて式（１）の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
【００３６】
この反応で生成した電子（ｅ-）は集電体１４を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１５を経由してカソード（空気極）１０に導かれる。式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は電解質膜１１を経てカソード１０に導かれる。カソード１０には酸化剤として空気が供給される。カソード１０に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層８で空気中の酸素と下記の式（２）にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）
【００３７】
上述した実施形態では燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部２０として、燃料拡散室１７内に配置した燃料拡散材１９を適用しているが、燃料供給部２０の構成はこれに限られるものではない。燃料供給部２０は例えば図８および図９に示すように、燃料注入口３１と複数の燃料排出口３２とを細管３３のような燃料通路で接続した燃料分配板３４で構成することも可能である。
【００３８】
図８および図９に示す燃料供給部２０は、液体燃料が流入する少なくとも１個の燃料注入口３１と、液体燃料もしくはその気化成分を排出する複数個の燃料排出口３２とを有する燃料分配板３４を備えている。燃料分配板３４の内部には、液体燃料の通路として機能する細管３３が形成されている。細管３３の一端（始端部）には燃料注入口３１が設けられている。細管３３は途中で複数に分岐しており、これら分岐した細管３３の各終端部に燃料排出口３２がそれぞれ設けられている。
【００３９】
さらに、上述した実施形態は本発明をセミパッシブ型の燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではない。筋状傷１３を有する電解質膜１１を用いたＭＥＡ１２は、純パッシブ型やアクティブ型の燃料電池に対しても適用可能である。本発明はパッシブ型、セミパッシブ型、アクティブ型の燃料電池に適用することができる。これらの燃料電池において、ＭＥＡ１２の各界面における剥離を抑制し、プロトン伝導性を良好に維持することが可能である。
【実施例】
【００４０】
次に、本発明の燃料電池の具体例およびその評価結果について述べる。
【００４１】
（実施例）
まず、厚さ６０μｍのプロトン伝導性高分子膜（ナフィオン膜（デュポン社製））からなる電解質膜の表裏両面に筋状傷を形成した。得られた筋状傷は深さが０．５〜２０μｍ、間隔が０．０５〜０．５ｍｍであった。このような電解質膜をカーボンペーパー上に触媒層を塗布して形成したアノードとカソードとで挟持した。アノードおよびカソードは触媒層が筋状傷を有する電解質膜の表面と接するように配置した。これらを１５０℃×５分間の条件下で、４０ｋｇ／ｃｍ２の圧力でホットプレスすることによって、１２ｃｍ２のＭＥＡを２個作製した。
【００４２】
（比較例）
電解質膜に筋状傷を形成しない以外は実施例１と同様にしてＭＥＡを１個作製した。
【００４３】
上述した実施例のＭＥＡ（筋状傷を有する）と比較例のＭＥＡ（筋状傷を有しない）とを４０℃の純水中に水没保管し、１日毎にＭＥＡを集電体で挟み込んで起電部を形成し、この起電部と燃料拡散材とを容器に組み込んで発電ユニットを作製した。発電ユニットと燃料収容部とを燃料供給ポンプを介して接続し、燃料電池を作製して発電試験を行った。発電試験は１日毎に計４回（日）行った。各燃料電池のＭＥＡの水没保管日数と出力密度（発電試験による測定結果）との関係を図１０に示す。
【００４４】
図１０から明らかなように、実施例の燃料電池は比較例に比べて水没保管後の出力密度の低下が少ないことが分かる。このことから、実施例の燃料電池は各触媒層と電解質膜との界面接合状態が安定して優れていることが理解できる。従って、実施例の燃料電池によれば出力特性やその維持性を向上させることが可能である。
【００４５】
なお、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も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。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合せたり、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。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の実施形態による燃料電池の構成を示す図である。
【図２】電解質膜の表面状態を示す平面図である。
【図３】電解質膜に筋状傷を形成する装置の一例を示す平面図である。
【図４】図３に示す筋状傷の形成装置の正面図である。
【図５】電解質膜の表面状態の他の例を示す平面図である。
【図６】電解質膜の表面状態の他の例を示す斜視図である。
【図７】電解質膜に筋状傷を形成する装置の他の例を示す平面図である。
【図８】本発明の燃料電池に用いられる燃料供給部の他の例を示す斜視図である。
【図９】図８に示す燃料供給部の平面図である。
【図１０】実施例のＭＥＡの水没保管日数とそれを用いて構成した燃料電池の出力密度との関係を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１…燃料電池、２…起電部、３…燃料供給機構、４…燃料収容部、５…アノード触媒層、６…アノードガス拡散層、７…アノード（燃料極）、８…カソード触媒層、９…カソードガス拡散層、１０…カソード（空気極）、１１…電解質膜、１２…ＭＥＡ、１３，１３Ａ，１３Ｂ…筋状傷、１３１…第１の筋状傷（深傷）、１３２…第２の筋状傷（浅傷）、１４…アノード集電体、１５…カソード集電体、１７…燃料拡散室、１８…容器、１９…燃料拡散材、２０…燃料供給部、２１…保湿層。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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