(57)【要約】【課題】出力を向上することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】  アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、膜電極接合体を挟持するとともにベース絶縁層上にアノードに電流を流すアノード集電部及びカソードに電流を流すカソード集電部を有する集電体と、アノードとアノード集電部との間及びカソードとカソード集電部との間の少なくとも一方に配置され導電性を有するとともに、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度が６０以下の導電層と、を備えたことを特徴とする燃料電池。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するとともに、ベース絶縁層上に、前記アノードに電流を流すアノード集電部及び前記カソードに電流を流すカソード集電部を有する集電体と、
前記アノードと前記アノード集電部との間、及び、前記カソードと前記カソード集電部との間の少なくとも一方に配置され、導電性を有するとともに、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度が６０以下の導電層と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記導電層は、炭素質の材料を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記導電層は、グラファイトシートであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード集電部及び前記カソード集電部のそれぞれは、前記ベース絶縁層の同一面に形成された導体層と、前記導体層を被覆する導電性の被覆層と、を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記被覆層は、炭素を含有した樹脂組成物であることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を充電なしで長時間使用可能とするために、これらの携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。このような燃料電池は、燃料と空気（特に酸素）を供給するだけで発電することができ、燃料を補給することにより連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化により携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。
【０００３】
特に、メタノールを燃料として用いた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として有望視されている。
【０００４】
例えば、特許文献１によれば、燃料電池に適用される配線回路基板として、ベース絶縁層上に設けられた導体層の表面を、炭素を含有した樹脂組成物からなる被覆層によって被覆する技術が開示されている。
【０００５】
また、特許文献２によれば、燃料電池に適用される配線回路基板として、ベース絶縁層上に設けられた導体層とこの導体層を覆うように形成された金属層との界面をカバー絶縁層によって覆う技術が開示されている。
【０００６】
いずれの配線回路基板も、導体層は一対の集電部を備えており、これらの一対の集電部の間には、燃料極、空気極、及び、電解質膜からなる電極膜（膜電極接合体）が配置されている。
【０００７】
膜電極接合体と集電部との間の電気的な接続は、通常、導電性物質同士の平面的な接触によって行なわれる。この電気的な接触を確保するためには、集電部が膜電極接合体に対して一定以上の圧力で押さえられている必要がある。
【０００８】
ところが、膜電極接合体において発電反応を行なうと、膜電極接合体の温度が上昇するために、燃料電池を構成する部材が熱膨張したり、或いは発電反応によって二酸化炭素（ＣＯ２）等のガスが発生するために燃料電池内の圧力が高まったりすることにより、膜電極接合体を押さえる圧力が減少し、膜電極接合体と集電部との間の接触抵抗が増加するおそれがある。この接触抵抗が増加すると、オーム損のために燃料電池から得られる電力が減少することになる。
【０００９】
このような問題を解決するために、燃料電池を構成する部材の厚さや強度を増加し、部材の熱膨張やガス圧力の増加を生じても部材の変形を生じにくくすることにより、膜電極接合体を押さえる圧力の減少を最小限にすることも提案されているが、燃料電池全体の重量や体積が増加することとなり、燃料電池を携帯機器の電源として用いるためには必ずしも好ましいものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００８−３００２３８号公報
【特許文献２】特開２００８−２７０４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
この発明の目的は、出力を向上することが可能な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】
【００１２】
この発明の一態様によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を挟持するとともに、ベース絶縁層上に、前記アノードに電流を流すアノード集電部及び前記カソードに電流を流すカソード集電部を有する集電体と、
前記アノードと前記アノード集電部との間、及び、前記カソードと前記カソード集電部との間の少なくとも一方に配置され、導電性を有するとともに、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度が６０以下の導電層と、
を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、出力を向上することが可能な燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池を第１方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。
【図３】図３は、図１に示した燃料電池を第２方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。
【図４】図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な集電体の構成を概略的に示す平面図である。
【図５】図５は、カソード、カソード集電部、及び、導電層を概略的に示す分解斜視図である。
【図６】図６は、膜電極接合体、導電層、及び、集電体が互いに密着した状態を概略的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池（ＤＭＦＣ）１のカソード側の外観を示す平面図である。
【００１７】
この燃料電池１は、略矩形平板状に形成されている。図１に示す平面図では、燃料電池１は、長方形状であり、第１方向Ｘに沿って延びた一対の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延びた一対の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２と、を有している。
【００１８】
また、燃料電池１のカソード側の表面には、カバープレート２１が配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。このカバープレート２１には、主として酸化剤である空気、特に酸素の取り込みを可能とする複数の開口部２１Ａが形成されている。
【００１９】
図２は、図１に示した燃料電池１を第１方向Ｘに沿って切断した断面を示す図であり、図３は、図１に示した燃料電池１を第２方向Ｙに沿って切断した断面を示す図である。
【００２０】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）２、及び、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３を備えている。
【００２１】
すなわち、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とが積層されたアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とが積層されたカソード（空気極あるいは酸化剤極）１６と、アノード１３のアノード触媒層１１とカソード１６のカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７と、を備えて構成されている。
【００２２】
この実施の形態においては、図３に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７における一方の面１７Ａの上に間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂの上に間隔をおいて配置された複数のカソード１６とを有している。
【００２３】
アノード１３とカソード１６とのそれぞれは、電解質膜１７を挟んで互いに対向している。これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、単セルを構成している。ここでは、単セルのそれぞれは、同一平面上において、第１方向Ｘに沿って延在し、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。
【００２４】
ここに示した例では、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａの上に配置された４個のアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７の他方の面１７Ｂに配置された４個のカソード１６１〜１６４と、を有している。アノード１３１とカソード１６１とが対向するように配置されており、１組の単セルを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とが対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とが対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とが対向するように配置されており、４組の単セルが同一平面上に配列されている。
【００２５】
膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。各単セルは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。集電体１８は、ベース絶縁層ＢＦ、膜電極接合体２のアノード１３の側に配置された複数のアノード集電部Ａ、及び、膜電極接合体２のカソード１６の側に配置された複数のカソード集電部Ｃを有している。アノード集電部Ａとカソード集電部Ｃは、同数である。ここに示した例では、集電体１８は、４つのアノード集電部Ａ１〜Ａ４、及び、４つのカソード集電部Ｃ１〜Ｃ４を有している。
【００２６】
これらのアノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃは、例えば、金、銅、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、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をそれぞれ使用して形成可能であり、さらには、金属材料などからなる導体層を被覆層によって被覆しても良い。被覆層は、導電性を有するとともに導体層の腐食を抑制する材料、例えば炭素を含有した樹脂組成物などによって形成可能である。なお、ベース絶縁層ＢＦは、例えばポリイミド（ＰＩ）によって形成されている。
【００２７】
膜電極接合体２が集電体１８によって挟持されている状態では、アノード集電部Ａ１は、アノード１３１のアノードガス拡散層１２と対向している。同様に、アノード集電部Ａ２はアノード１３２のアノードガス拡散層１２に対向し、アノード集電部Ａ３はアノード１３３のアノードガス拡散層１２に対向し、アノード集電部Ａ４はアノード１３４のアノードガス拡散層１２に対向している。
【００２８】
また、カソード集電部Ｃ１は、カソード１６１のカソードガス拡散層１５に対向している。同様に、カソード集電部Ｃ２はカソード１６２のカソードガス拡散層１５に対向し、カソード集電部Ｃ３はカソード１６３のカソードガス拡散層１５に対向し、カソード集電部Ｃ４はカソード１６４のカソードガス拡散層１５に対向している。
【００２９】
アノード集電部Ａとアノードガス拡散層１２との間、及び、カソード集電部Ｃとカソードガス拡散層１５との間のうちの少なくとも一方には、柔軟性を有するとともに導電性を有する導電層４０が配置されている。ここに示した例では、導電層４０は、アノード集電部Ａ１〜Ａ４とアノード１３１〜１３４のそれぞれのアノードガス拡散層１２との間、及び、カソード集電部Ｃ１〜Ｃ４とカソード１６１〜１６４のそれぞれのカソードガス拡散層１５との間に配置されている。
【００３０】
アノード１３の側に配置された導電層４０は、アノード集電部Ａ及びアノードガス拡散層１２に密着し、両者を電気的に接続している。このような導電層４０は、アノード集電部Ａまたはアノードガス拡散層１２に貼り付けられていることが望ましい。また、カソード１６の側に配置された導電層４０は、カソード集電部Ｃ及びカソードガス拡散層１５に密着し、両者を電気的に接続している。このような導電層４０は、カソード集電部Ｃまたはカソードガス拡散層１５に貼り付けられていることが望ましい。
【００３１】
この導電層４０としては、燃料電池１に適用される液体燃料や水、酸素、反応生成物等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがない安定性を有し、体積抵抗率が低く、且つＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度が６０以下の物質で構成されることが望ましい。具体的には、導電層４０としては、グラファイト（黒鉛）等の炭素質の材料が使用でき、特に、粉砕した黒鉛をシート状に圧延したグラファイトシート等が適している。また、導電層４０の他の例としては、導電性ゴムなども使用可能である。
【００３２】
膜電極接合体２は、電解質膜１７と集電体１８との間のアノード１３の側及びカソード１６の側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされている。これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００３３】
なお、膜電極接合体２において、電解質膜１７のうち、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４にともに接しておらず、且つシール部材１９の内側に相当する位置に、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。このようなガス排出孔は、電解質膜１７の一方の面１７Ａから他方の面１７Ｂまで貫通し、アノード１３の側とカソード１６の側とを連通している。
【００３４】
膜電極接合体２のカソード１６の側において、集電体１８とカバープレート２１との間には、通気性を有する絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４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ともに、カバープレート２１の開口部２１Ａから取り込んだ空気のカソード触媒層１４への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。このような板状体２０は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成可能である。
【００３５】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の側に配置されている。つまり、膜電極接合体２は、アノード１３の側に配置された燃料供給機構３とカソード１６の側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で、燃料供給機構３に対してカシメ、ネジ止め、リベット継手などの手法により固定されている。
【００３６】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。このような燃料供給機構３は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。
【００３７】
以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００３８】
燃料供給機構３は、箱状に形成された容器３０、及び、膜電極接合体２のアノード１３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３１を備えている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。燃料供給部３１は、例えば、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有する平板で構成されている。燃料注入口３２と燃料排出口３３とは、細管あるいは溝のような燃料通路３４を介して接続されている。燃料注入口３２は、燃料導入口３０Ａと直接接続されているが、他の燃料通路を介して接続されていても良い。燃料排出口３３は、膜電極接合体２のアノード１３に対向している。
【００３９】
このような燃料供給部３１は、容器３０の底部３５とアノードガス拡散層１２との間に配置されている。この燃料供給部３１は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない材料で形成され、具体的には、例えば、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、ポリイミド系樹脂等で形成される。また、燃料供給部３１は、例えば、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を膜電極接合体２の側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、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（たと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）微多孔膜などが適用可能である。
【００４０】
流路５は、配管などで構成されているが、燃料供給部３１や燃料収容部４と独立した配管に限られるものではない。例えば、流路５は、燃料供給部３１や燃料収容部４を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの燃料流路であってもよい。すなわち、燃料供給部３１は、種々の形態の燃料流路等を介して燃料収容部４と連通されていればよい。
【００４１】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆ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。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えば、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Ｆであってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料Ｆが収容される。
【００４２】
燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路５を介して燃料供給部３１で落下させて送液することができる。また、流路５に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部３１まで送液してもよい。
【００４３】
さらに、燃料供給機構３と燃料収容部４とを繋げる流路５、あるいは、燃料導入口３０Ａと燃料注入口３２との間の燃料通路にポンプ６を介在させて、燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部３１まで強制的に送液してもよい。ポンプ６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３１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３１から膜電極接合体２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。ポンプ６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なものが好ましい。
【００４４】
この実施の形態の燃料電池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。また、液体燃料の供給にポンプ６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。図１に示す燃料電池１は、例えば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。
【００４５】
また、燃料供給機構３において、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。
【００４６】
上述した燃料電池１においては、燃料収容部４から流路５を介して燃料供給部３１に導入された液体燃料Ｆは、液体燃料Ｆのまま、もしくは液体燃料Ｆと液体燃料Ｆが気化した気化成分とが混在する状態で、燃料供給部３１の燃料排出口３３から集電体１８のアノード集電部Ａを介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。
【００４７】
アノード１３に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１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１１で下記の（１）式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１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式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。
【００４８】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体１８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１８を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００４９】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００５０】
図４は、集電体１８の形状を説明するための平面図である。
【００５１】
集電体１８のベース絶縁層ＢＦは、膜電極接合体２の外形寸法の概ね２倍の面積を有しており、膜電極接合体２における単セルの並び方向（つまり第２方向Ｙ）とは直交する第１方向Ｘに延出している。このような集電体１８は、図中の位置（折り曲げ線）Ｂに沿って２つに折り曲げられ、膜電極接合体２を挟持する。
【００５２】
アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃは、ベース絶縁層ＢＦの同一面に形成されている。アノード集電部Ａは、膜電極接合体２のアノード１３と同数であり、４個のアノード集電部Ａ１乃至Ａ４からなる。また、カソード集電部Ｃは、膜電極接合体２のカソード１６と同数であり、４個のカソード集電部Ｃ１乃至Ｃ４からなる。
【００５３】
アノード集電部Ａ１乃至Ａ４は、それぞれ第１方向Ｘに沿って延出し、第２方向Ｙに所定の間隔をおいて平行に配置されている。これらのアノード集電部Ａ１乃至Ａ４の第２方向Ｙに沿った間隔は、膜電極接合体２におけるアノード１３１乃至１３４の第２方向Ｙに沿った間隔と略同等である。
【００５４】
カソード集電部Ｃ１乃至Ｃ４は、それぞれ第１方向Ｘに沿って延出し、第２方向Ｙに所定の間隔をおいて平行に配置されている。これらのカソード集電部Ｃ１乃至Ｃ４の第２方向Ｙに沿った間隔は、膜電極接合体２におけるカソード１６１乃至１６４の第２方向Ｙに沿った間隔と略同等である。
【００５５】
このようなアノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃは、それぞれ複数の貫通孔Ｈを有している。なお、これらの貫通孔Ｈは、ベース絶縁層ＢＦも貫通している。アノード集電部Ａでは、貫通孔Ｈを介して燃料供給機構３から供給された燃料をアノード触媒層１１に供給することが可能となる。また、カソード集電部Ｃでは、貫通孔Ｈを介してカソード触媒層１４に酸素を供給するが可能となるとともに外部に二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体を排出することが可能となる。
【００５６】
集電体１８には、アノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣが接続されている。アノード端子ＴＡは、アノード集電部Ａ１に接続されている。カソード端子ＴＣは、カソード集電部Ｃ４に接続されている。これらのアノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣは、それぞれ集電した電子を外部に取り出す出力端子として機能する。
【００５７】
アノード端子ＴＡ及びカソード端子ＴＣに接続されていないアノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃは、それぞれ接続体Ｊによって電気的に接続されている。図４に示した例では、アノード集電部Ａ２及びカソード集電部Ｃ１は、接続体Ｊ１によって接続されている。同様に、アノード集電部Ａ３及びカソード集電部Ｃ２は、接続体Ｊ２によって接続され、アノード集電部Ａ４及びカソード集電部Ｃ３は、接続体Ｊ３によって接続されている。
【００５８】
図５は、カソード１６、導電層４０、及び、カソード集電部Ｃを概略的に示す分解斜視図である。
【００５９】
カソード１６とカソード集電部Ｃとの間に配置される導電層４０は、カソード集電部Ｃと略同一形状であり、カソード集電部Ｃに形成された貫通孔Ｈと同等の開口部４０Ｈを有している。これにより、たとえ導電層４０が通気性の低い材料によって形成された場合であっても、カソード集電部Ｃを介して供給された酸素のカソード触媒層１４への供給が可能となるとともに膜電極接合体２から外部への気体の排出が可能となる。図５では、カソード側について説明したが、アノード側についても同様であり、導電層４０はアノード集電部Ａと略同一形状であり、貫通孔を有している。
【００６０】
図６は、膜電極接合体２、導電層４０、及び、集電体１８が互いに密着した状態を概略的に示す断面図である。
【００６１】
膜電極接合体２において、アノード１３は、電解質膜１７の上に配置されたアノード触媒層１１及びアノード触媒層１１の上に配置されたアノードガス拡散層１２を備えている。また、カソード１６は、電解質膜１７の上に配置されたカソード触媒層１４及びカソード触媒層１４の上に配置されたカソードガス拡散層１５を備えている。
【００６２】
集電体１８において、アノード集電部Ａは、ベース絶縁層ＢＦの上に配置された導体層５１及び導体層５１の全体を被覆する被覆層５２を備えている。このようなアノード集電部Ａ及びベース絶縁層ＢＦには、貫通孔Ｈが形成されている。また、カソード集電部Ｃもアノード集電部Ａと同様に、ベース絶縁層ＢＦの上に配置された導体層５１及び導体層５１の全体を被覆する被覆層５２を備えている。被覆層５２は、導電性を有する材料によって形成されている。このようなカソード集電部Ｃ及びベース絶縁層ＢＦには、貫通孔Ｈが形成されている。アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃは、ともに同一材料によって形成されている。
【００６３】
アノード集電部Ａの被覆層５２とアノードガス拡散層１２との間には、導電層４０が配置されている。この導電層４０には、アノード集電部Ａに形成された貫通孔Ｈと連通する開口部４０Ｈが形成されている。このような導電層４０は、被覆層５２及びアノードガス拡散層１２の双方に密着している。
【００６４】
同様に、カソード集電部Ｃの被覆層５２とカソードガス拡散層１５との間には、導電層４０が配置されている。この導電層４０には、カソード集電部Ｃに形成された貫通孔Ｈと連通する開口部４０Ｈが形成されている。このような導電層４０は、被覆層５２及びカソードガス拡散層１５の双方に密着している。
【００６５】
導電層４０は、膜電極接合体２及び集電体１８の変形に追従するのに十分な柔軟性を有しており、集電体１８のアノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃや、膜電極接合体２のアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５より柔軟性が高い（つまり、ＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度が低い）。
【００６６】
このような構成によれば、膜電極接合体２における発電反応にともなった温度上昇に起因して燃料電池１を構成する部材が熱膨張したり、発電反応にともなって発生したガスにより燃料電池１の内部の圧力が高まったりしても、膜電極接合体２と集電体１８との間に両者の変形に追従する柔軟性を有する導電層４０が介在しているため、膜電極接合体２と集電体１８との間の接触抵抗の増加が抑制できる。したがって、燃料電池１の出力を向上することが可能となる。また、発電時間の経過に伴った出力の低下が抑制され、安定して高い出力を維持することが可能となる。
【００６７】
導電層４０の厚さについては、厚いほど膜電極接合体２及び集電体１８の変形に追従しやすくなるが、装置全体の薄型化や軽量化が阻害され、また、カソード側については発電反応に伴って生成した水蒸気が結露しやすくなる。したがって、導電層４０の厚さとしては、２０μｍ〜５００μｍの範囲が望ましい。
【００６８】
（実施例）
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（８１ｍｍ×９．７ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【００６９】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１４を得た。
【００７０】
なお、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、同一形状かつ同一の大きさであり、厚さも等しく、それぞれのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４も同一形状かつ同一の大きさである。
【００７１】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を、４つのアノードガス拡散層１２および４つのカソードガス拡散層１５が、それぞれの長手方向が略平行で、その間隔が１．２ｍｍとなるように並んで配置されるように配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態で、ホットプレスを施すことにより、膜電極接合体２を得た。
【００７２】
ポリイミドによって形成されたベース絶縁層ＢＦの同一面上には、４つのアノード集電部Ａ及び４つのカソード集電部Ｃを形成した。アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃのそれぞれは、厚さが０．０１ｍｍであって、外形が９０ｍｍ×１０ｍｍ（または１２ｍｍ）の長方形であり、導体層５１である銅箔に、被覆層５２として炭素を含有する樹脂組成物で被覆することによって形成されている。カソード集電部Ｃの各々には、一辺の長さが３．５ｍｍの正方形の３０個の貫通孔Ｈがカバープレート２１の開口部２１Ａと同じ位置に形成されている。アノード集電部Ａの各々には、燃料供給部３１の燃料排出口３３に対応した位置に貫通孔Ｈが形成されている。これにより、集電体１８を得た。
【００７３】
なお、アノード集電部Ａ及びカソード集電部ＣのそれぞれのＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度は１２０であった。
【００７４】
このＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度の測定方法は、以下の通りである。
【００７５】
すなわち、燃料電池を分解し、集電体１８を取り出す、そして、その集電体１８についてＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）試験を行う。
【００７６】
膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持され、アノードガス拡散層１２とアノード集電部Ａとが対向するとともに、カソードガス拡散層１５とカソード集電部Ｃとが対向している。
【００７７】
本実施例においては、アノード集電部Ａとアノードガス拡散層１２との間、及び、カソード集電部Ｃとカソードガス拡散層１５との間には、導電層４０として、厚さが５０μｍのグラファイトシート（グラフテック社製；型番ＳＳ４００−０．０５）が介在している。この導電層４０のＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度は５７であった。導電層４０は、開口部４０Ｈを有し、アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃと同一形状かつ同一の大きさに形成されている。
【００７８】
膜電極接合体２の電解質膜１７と集電体１８との間には、アノード側及びカソード側の双方について、シール部材１９として、それぞれ幅が２ｍｍのゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。また、板状体２０として、厚さが０．７５ｍｍであり、透気度が３．０秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ  ８１１７：２００９に規定の測定方法による）であり、透湿度が３０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ  １０９９：２００６  Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ８５ｍｍ、幅４６．６ｍｍの長方形に切り、集電体１８とカバープレート２１との間に積層した。外気からカソード１６に供給される空気は、この板状体２０を透過することとなる。カバープレート２１は、外形が９０ｍｍ×４８ｍｍの長方形であり、厚さが０．３ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を適用した。このカバープレート２１には、一辺の長さが３．５ｍｍの正方形の１２０個の開口部２１Ａが形成されている。
【００７９】
温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記したように作成した燃料電池１に、純度９９．９重量％の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池１の出力電圧が直列に接続した４対の単セルの中の１対あたり０．３５Ｖで一定になるように、燃料電池１に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池１から得られる出力密度を計測した。
【００８０】
ここで、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積（８１ｍｍ×９．７ｍｍ）に等しい。
【００８１】
また、この燃料電池１の発電を２４時間行った後のインピーダンスの値を測定した。インピーダンスの測定には、燃料電池１の発電を中断して定電圧電源との接続を外し、代わりにＡＣミリオーム計（日置電機製のＡＣミリオームハイテスタ、型番３５６０）を接続して、周波数１ｋＨｚでの交流抵抗を測定した。
【００８２】
（比較例１）
この比較例１は、アノード集電部Ａとアノードガス拡散層１２との間、及び、カソード集電部Ｃとカソードガス拡散層１５との間に、導電層を設けない以外は、実施例と同様である。この比較例１においても、実施例と同様に出力密度及びインピーダンスを測定した。
【００８３】
（比較例２）
この比較例２は、アノード集電部Ａとアノードガス拡散層１２との間、及び、カソード集電部Ｃとカソードガス拡散層１５との間に配置した導電層４０のＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度が８０である以外は、実施例と同様である。この比較例２においても、実施例と同様に出力密度及びインピーダンスを測定した。
【００８４】
実施例、比較例１、及び、比較例２における出力密度及びインピーダンスの測定結果について、比較例１の値を１００とした場合の相対値で示すと以下の通りとなる。実施例における出力密度は１１３であり、実施例におけるインピーダンスは７０であった。この測定結果から、アノード集電部Ａとアノードガス拡散層１２との間、及び、カソード集電部Ｃとカソードガス拡散層１５との間には導電層４０を配置することが望ましいことが確認された。
【００８５】
一方、比較例２における出力密度は１０３であり、比較例２におけるインピーダンスは９０であった。この測定結果から、アノード集電部Ａとアノードガス拡散層１２との間、及び、カソード集電部Ｃとカソードガス拡散層１５との間に配置される導電層４０のＪＩＳ  Ｋ  ６２５３：２００６で規定されるデューロメータ硬さ試験（タイプＡデューロメータ）で得られた硬度は、６０以下とすることが望ましいことが確認された。
【００８６】
以上説明したように、この実施の形態によれば、出力を向上することを可能にした燃料電池を提供できる。
【００８７】
上述した実施形態の燃料電池１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。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【００８８】
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１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く、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【００８９】
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等も特に限定されるものではなく、膜電極接合体に供給される燃料の全てが液体燃料Ｆの蒸気、全てが液体燃料Ｆ、または一部が液体状態で供給される液体燃料Ｆ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したりする等、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】
【００９０】
１…燃料電池
２…膜電極接合体
３…燃料供給機構
１３…アノード  １６…カソード  １７…電解質膜
１８…集電体  Ａ…アノード集電部  Ｃ…カソード集電部
２１…カバープレート
４０…導電層
【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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