(57)【要約】【課題】隣接するアノード間又はカソード間の短絡を防ぐ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】電解質膜１７と、電解質膜１７の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノード触媒層１１及びアノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２を有するアノード１３と、電解質膜１７の他方の面にアノード触媒層１１のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード触媒層１４及びカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有するカソード１６と、によって構成された複数の単セルＣを備えた膜電極接合体２を備え、隣接する一方の単セルＣのアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４の少なくとも一方の厚さは、他方の単セルＣに向かうにしたがって薄くなることを特徴とする。【選択図】      図４
2010157390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、
前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノード触媒層及び前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層を有するアノードと、
前記電解質膜の他方の面に前記アノード触媒層のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、によって構成された複数の単セルを備えた膜電極接合体を備え、
隣接する一方の単セルの前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方の厚さは、他方の単セルに向かうにしたがって薄くなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記アノード触媒層の前記電解質膜に接する底面の面積は、前記アノード触媒層の前記アノードガス拡散層に接する上面の面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記アノード触媒層の前記底面と前記上面とを接続する側面を有し、
隣接する前記アノード触媒層の互いに向かい合う前記側面は、それぞれ傾斜面であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノード触媒層の前記底面と前記側面との間の傾斜角度は、３０°以上８０°以下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５】
前記カソード触媒層の前記電解質膜に接する底面の面積は、前記カソード触媒層の前記カソードガス拡散層に接する上面の面積より大きいことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード触媒層は、前記底面と前記上面とを接続する側面を有し、
隣接する前記カソード触媒層の互いに向かい合う前記側面は、それぞれ傾斜面であることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カソード触媒層の前記底面と前記側面との間の傾斜角度は、３０°以上８０°以下であることを特徴とする請求項６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、小型の燃料電池が注目を集めている。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、有望視されている。
【０００３】
ＤＭＦＣは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えている。このようなＤＭＦＣのアノードでは、導入されたメタノールが酸化分解され、プロトン、電子および二酸化炭素が生成される。一方、カソードでは、空気中の酸素とアノード側から移動してきたプロトンとアノードから外部回路を通じて供給される電子とが反応して水が生成される。また、外部回路を通る電子によって電力が供給される。
【０００４】
このようなＤＭＦＣにおいて、アノードとカソードとの間での短絡を防ぐために、膜電極接合体の端部がその積層方向において傾斜している構成が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、面圧分布の不均一による性能の低下を防止するために、ガス拡散層接合体の縁部に積層方向に段差を形成し、段差を補填する厚さで段差に保護膜を被覆する構成が開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【特許文献１】特開２００７−２１３８３０号公報
【特許文献２】特開２００５−１４９８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、ＤＭＦＣによって発電される電圧は、可逆損失無しのセル電圧において、１．２１Ｖと一般的な電池よりも低い。このため、ＤＭＦＣは、複数の単セルを重ね合わせたり、並べたりし、各単セルを直列につなぎ、電圧を上げるという手法をとっている。特に、省スペース化が要求される燃料電池の場合には、複数の単セルは並列に並べられ、アノードとカソードとを金属導体の電極でつなげることにより直列に接続する場合が多い。
【０００６】
しかしながら、複数の単セルを並列に並べる場合には、アノード触媒層やカソード触媒層から脱落した触媒により、隣接するアノード間又はカソード間で短絡してしまい所定の電圧を確保できないおそれがある。
【０００７】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、隣接するアノード間又はカソード間の短絡を防ぐ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】
【０００８】
この発明の態様による燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノード触媒層及び前記アノード触媒層に積層されたアノードガス拡散層を有するアノードと、前記電解質膜の他方の面に前記アノード触媒層のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、によって構成された複数の単セルを備えた膜電極接合体を備え、隣接する一方の単セルの前記アノード触媒層及び前記カソード触媒層の少なくとも一方の厚さは、他方の単セルに向かうにしたがって薄くなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、隣接するアノード間又はカソード間の短絡を防ぐことが可能な燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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。
【００１１】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、から主として構成されている。
【００１２】
すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、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を有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４及びカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層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。
【００１３】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（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１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。また、触媒は、炭素材料のような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。
【００１４】
アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４は、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂（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）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸、硝酸リチウムなどの無機物等のプロトン導電剤を含んでいても良い。
【００１５】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、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、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００１６】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１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１１の集電機能を有するものである。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤（空気あるいは酸素）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１４の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。
【００１７】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード１３側及びカソード１６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おり、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。
【００１８】
膜電極接合体２のカソード１６側には、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、カソード触媒層１４への空気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。この板状体２０は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００１９】
上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。
【００２０】
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。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００２１】
燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料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。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。この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。
【００２２】
燃料供給機構３は、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。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。
【００２３】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。
【００２４】
燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。
【００２５】
燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００２６】
さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
【００２７】
膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。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を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。
【００２８】
燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
【００２９】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材を配置しても良い。
【００３０】
また、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体を配置しても良い。
【００３１】
燃料収容部４には、膜電極接合体２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。なお、液体燃料は、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に応じた液体燃料が収容される。
【００３２】
さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。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。
【００３３】
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。
【００３４】
この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。
【００３５】
すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
【００３６】
上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、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。
【００３７】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
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携帯用電子機器等を動作させた後、集電体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。
【００３８】
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。
【００３９】
ところで、この実施の形態においては、図２及び図３に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面において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の他方の面においてアノード１３のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード１６と、を備えている。ここでは、アノード１３及びカソード１６がそれぞれ４個である場合を示している。
【００４０】
これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルＣ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）をなしている。ここでは、単セルＣ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）のそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向Ｄ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。
【００４１】
図２及び図３に示したような複数の単セルＣ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）を有する膜電極接合体２においては、各単セルＣ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）は、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【００４２】
すなわち、この集電体１８は、図１に示したように、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。図２などに示した膜電極接合体２に対応するために、集電体１８は、それぞれ４個のアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。
【００４３】
アノード集電体１８Ａのそれぞれは、各単セルＣ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）においてアノードガス拡散層１２に積層されている。また、カソード集電体１８Ｃのそれぞれは、各単セルＣ（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）においてカソードガス拡散層１５に積層されている。アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃとしては、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属材料からなる多孔質膜（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することができる。
【００４４】
本実施の形態において、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４の少なくとも一方の厚さは、外側に向かうにしたがって薄くなる。
【００４５】
図２に示すように、単セルＣの各々のアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４は、その端部の厚さが次第に薄くなるような台形状の断面を有するように形成されている。換言すると、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４は、電解質膜１７に接する底面よりも上面の面積が小さいテーパー状に形成されている。
【００４６】
より詳細には、図４に示すように、アノード触媒層１１の電解質膜１７に接する底面１１Ｂ１の面積は、アノード触媒層１１のアノードガス拡散層１２に接する上面１１Ｂ２の面積より大きい。アノード触媒層１１は、底面１１Ｂ１と上面１１Ｂ２とを接続する側面１１ａを有している。隣接するアノード触媒層１１の向かい合う側面１１ａは、傾斜面である。
【００４７】
また、アノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１と接する底面１２Ｂ１の面積は、アノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１と接する面と反対側の上面１２Ｂ２の面積より大きいことが好ましい。アノードガス拡散層１２は、底面１２Ｂ１と上面１２Ｂ２とを接続する側面１２ａを有している。側面１２ａは、アノード触媒層１１の側面１１ａと接続された傾斜面である。
【００４８】
アノード触媒層１１の底面１１Ｂ１と側面１１ａとの間の傾斜角度θ１は、アノードガス拡散層１２の底面１２Ｂ１と側面１２ａとの間の傾斜角度θ２とが同じであり、ともに鋭角である。
【００４９】
カソード触媒層１４の電解質膜１７に接する底面１４Ｂ１の面積は、カソード触媒層１４のカソードガス拡散層１５に接する上面１４Ｂ２の面積より大きい。カソード触媒層１４は、底面１４Ｂ１と上面１４Ｂ２とを接続する側面１４ａを有している。隣接するカソード触媒層１４の向かい合う側面１４ａは、傾斜面である。
【００５０】
また、カソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５のカソード触媒層１４と接する底面１５Ｂ１の面積は、カソードガス拡散層１５のカソード触媒層１４と接する面と反対側の上面１５Ｂ２の面積より大きいことが好ましい。カソードガス拡散層１５は、底面１５Ｂ１と上面１５Ｂ２とを接続する側面１５ａを有している。側面１５ａは、カソード触媒層１４の側面１４ａと接続された傾斜面である。
【００５１】
カソード触媒層１４の底面１４Ｂ１と側面１４ａとの間の傾斜角度θ３は、カソードガス拡散層１５の底面１５Ｂ１と側面１５ａとの間の傾斜角度θ４とが同じであり、ともに鋭角である。
【００５２】
図３及び図４に示すように、隣接する単セルＣ２及び単セルＣ３に着目すると、一方の単セルＣ２のアノード触媒層１１の厚さは、他方の単セルＣ３に向かうにしたがって薄くなる。つまり、単セルＣ２のアノード触媒層１１における単セルＣ３のアノード触媒層１１と向かう合う辺Ｌ２に沿って形成された側面１１ａは、傾斜面となる。同様に、単セルＣ３のアノード触媒層１１における単セルＣ２のアノード触媒層１１と向かう合う辺Ｌ３に沿って形成された側面１１ａも、傾斜面となる。各単セルＣにおいて、互いに向かい合うアノード触媒層１１の側面１１ａは、いずれも傾斜面となっている。
【００５３】
また、一方の単セルＣ２のカソード触媒層１４の厚さは、他方の単セルＣ３に向かうにしたがって薄くなる。つまり、単セルＣ２のカソード触媒層１４における単セルＣ３のカソード触媒層１４と向かう合う辺Ｌ２に沿って形成された側面１４ａは、傾斜面となる。同様に、単セルＣ３のカソード触媒層１４における単セルＣ２のカソード触媒層１４と向かう合う辺Ｌ３に沿って形成された側面１４ａも、傾斜面となる。各単セルＣにおいて、互いに向かい合うカソード触媒層１４の側面１４ａは、いずれも傾斜面となっている。
【００５４】
なお、各単セルＣにおいて、互いに向かい合っていないアノード触媒層１１の側面１１ａ及びカソード触媒層１４の側面１４ａは、傾斜面でなくても良い。たとえば、図３において、単セルＣ２の単セルＣ１及び単セルＣ３と隣接しない辺Ｓ２に沿った側面は、傾斜面でなくてもよい。また、単セルＣ１及び単セルＣ４の外側を向いた側面も傾斜面でなくても良い。
【００５５】
このように、アノード触媒層１１の側面１１ａ及びカソード触媒層１４の側面１４ａがなだらかな傾斜面であることにより、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４からの触媒の脱落を防止することが可能となる。また、互いに隣接するアノード触媒層１１の向かい合う側面１１ａが傾斜面であることにより、アノード触媒層１１間への触媒の脱落を防止することが可能となる。また、互いに隣接するカソード触媒層１４の向かい合う側面１４ａが傾斜面であることにより、カソード触媒層１４間への触媒の脱落を防止することが可能となる。
【００５６】
なお、アノード触媒層１１における触媒の脱落のみを防止する場合には、隣接する一方の単セルのアノード触媒層１１の厚さが他方の単セルに向かうにしたがって薄くなるように構成されている。また、カソード触媒層１４における触媒の脱落のみを防止する場合には、隣接する一方の単セルのカソード触媒層１４の厚さが他方の単セルに向かうにしたがって薄くなるように構成されている。
【００５７】
これにより、アノード触媒層１１から脱落した触媒が隣接するアノード触媒層１１に接触するのを防止することが可能となる。また、カソード触媒層１４から脱落した触媒が隣接するカソード触媒層１４に接触するのを防止することが可能となる。したがって、燃料電池１の運転中において、隣接する単セルＣのアノード１３間及びカソード１６間の短絡を防止することが可能となる。
【００５８】
アノード触媒層１１の傾斜角度θ１及びカソード触媒層１４の傾斜角度θ３には、最適な角度がある。この実施の形態においては、アノード触媒層１１の傾斜角度θ１及びカソード触媒層１４の傾斜角度θ３の最適な角度は、３０°以上８０°以下である。
【００５９】
次に、燃料電池１のアノード触媒層１１の傾斜角度θ１及びカソード触媒層１４の傾斜角度θ３の最適な角度を検証した。
【００６０】
まず、アノードガス拡散層１２用のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０３０〜１２０）を用意した。そして、カーボンペーパーを平板プレスにて厚さ方向に厚さが１／２になるまで圧縮した。このときのカーボンペーパーの圧縮前の気孔率は、アルキメデス法を用いて測定したところ７５％であった。また、カーボンペーパーの圧縮後の気孔率は、外形寸法と重量測定により計算したところ４０．５％であった。
【００６１】
次に、触媒である白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子１０重量部に対し、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）の固形分が１重量部、さらに溶媒を加えてホモジナイザで混合し、固形分として約１５％のスラリーを作製した。上述したアノードガス拡散層１２の上にスラリーをダイコータースプレーコート法にて塗布し、乾燥させ、アノード触媒層１１を形成した。これにより、アノード１３を得た。
【００６２】
また、カソードガス拡散層１５用のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−６０）を用意した。このときのカーボンペーパーの気孔率は、７５％であった。
【００６３】
次に、触媒である白金微粒子を担持したカーボン粒子とナフィオン溶液ＤＥ２０２０（デュポン社製）と溶媒をホモジナイザで混合して約１５％固形分のスラリーを作製した。上述したカソードガス拡散層１５の上にスラリーをダイコータースプレーコート法にて塗布し、乾燥させ、カソード触媒層１４を形成した。これにより、カソード１６を得た。
【００６４】
そして、アノード１３及びカソード１６をそれぞれカッターナイフで所定のサイズにカットした。このとき、切断面の角度が変わるように種々の角度の刃のカッターナイフを用いてアノード１３及びカソード１６をカットした。
【００６５】
そして、６つのアノード１３のサンプルＡ１（θ１＝３０°）、サンプルＡ２（θ１＝４５°）、サンプルＡ３（θ１＝６０°）、サンプルＡ４（θ１＝７５°）、サンプルＡ５（θ１＝８０°）及びサンプルＡ６（θ１＝９０°）を用意した。
【００６６】
また、６つのカソード１６のサンプルＢ１（θ３＝３０°）、サンプルＢ２（θ３＝４５°）、サンプルＢ３（θ３＝６０°）、サンプルＢ４（θ３＝７５°）、サンプルＢ５（θ３＝８０°）及びサンプルＢ６（θ３＝９０°）を用意した。
【００６７】
なお、アノード触媒層１１の傾斜角度θ１及びカソード触媒層１４の傾斜角度θ３は、切断面を１０倍から１００倍で観察し、断面分析を行うことによって測定可能である。
【００６８】
そして、電解質膜１７として固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、最初にこの電解質膜１７とカソード１６とをカソード触媒層１４が電解質膜１７側を向くよう重ね合わせる。続いて、電解質膜１７のカソード１６を重ね合わせた面とは反対の面に、アノード触媒層１１が電解質膜１７側を向くようにアノード１３を重ね合わせる。その後、温度が１５０℃、圧力が３０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、膜電極接合体２を形成した。
【００６９】
なお、電極面積は、アノード１３及びカソード１６ともに１ｃｍ×８ｃｍの８ｃｍ２とした。そして、アノード１３及びカソード１６は、それぞれ１．２ｍｍ間隔で４列に並べて配置した。
【００７０】
ここで、サンプルＡ１乃至サンプルＡ６、サンプルＢ１乃至サンプルＢ６のアノード１３間及びカソード１６間を観察した。
【００７１】
続いて、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する集電体１８として機能する金箔で膜電極接合体２を挟み、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを形成した。
【００７２】
そして、膜電極接合体２、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃが積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体２のカソード１６側と一方のフレームとの間、膜電極接合体２のアノード１３側と他方のフレームとの間には、それぞれシール部材１９として機能するゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【００７３】
また、アノード１３側のフレームは、気液分離膜を介して、燃料供給機構３にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ０．１ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、カソード１６側のフレーム上には、気孔率が３０％の保湿層として機能する板状体２０を配置した。この板状体２０の上には、カバープレート２１として、空気の取り入れのための空気導入孔（口径４ｍｍ、口数６４個）２１Ａが形成された厚さ２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置してネジ止めによって固定した。このようにして燃料電池１を組み立てた。
【００７４】
このような燃料電池１の燃料収容室に純メタノールを注入した。そして、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、燃料電池１を５００ｈｒ運転させた。５００ｈｒ運転後の膜電極接合体２を取り出し観察し、さらに、サンプルＡ１乃至Ａ５及びＡ６を備えた燃料電池１のアノード触媒層１１の剥離距離Ｌ、サンプルＢ１乃至Ｂ６を備えた燃料電池１のカソード触媒層１４の剥離距離Ｌを測定した。
【００７５】
図５に示すように、アノード触媒層１１の剥離距離Ｌとは、アノード触媒層１１の底面の端部と、アノード触媒層１１から最も離れた位置に脱落した触媒との間の距離である。カソード触媒層１４の剥離距離Ｌとは、カソード触媒層１４の底面の端部と、カソード触媒層１４から最も離れた位置に脱落した触媒との間の距離である。この測定結果を図６及び図７に示す。
【００７６】
膜電極接合体２の形成時（初期）のアノード１３側の状態については以下の通りである。サンプルＡ１において、アノード触媒層１１からの触媒の脱落が確認され、また、アノード触媒層１１の剥離が確認された。サンプルＡ２乃至サンプルＡ５において、アノード触媒層１１の剥離がなく、アノード触媒層１１からの触媒の脱落もなかった。サンプルＡ６において、アノード触媒層１１からの触媒の脱落が確認され、また、アノード触媒層１１の剥離が確認された。ここで、アノード触媒層１１の剥離とは、アノード触媒層１１の一部が電解質膜１７あるいはアノードガス拡散層１２から剥がれることをいう。
【００７７】
膜電極接合体２の形成時（初期）のカソード１６側の状態については以下の通りである。サンプルＢ１において、カソード触媒層１４からの触媒の脱落が確認され、また、カソード触媒層１４の剥離が確認された。サンプルＢ２乃至サンプルＢ５において、カソード触媒層１４の剥離がなく、カソード触媒層１４からの触媒の脱落もなかった。サンプルＢ６において、カソード触媒層１４からの触媒の脱落が確認され、また、カソード触媒層１４の剥離が確認された。ここで、カソード触媒層１４の剥離とは、カソード触媒層１４の一部が電解質膜１７あるいはカソードガス拡散層１５から剥がれることをいう。
【００７８】
次に、燃料電池１を５００ｈｒ運転後のアノード１３側の状態については以下の通りである。サンプルＡ１において、アノード触媒層１１からの触媒の脱落が初期よりも増えた。サンプルＡ２において、アノード触媒層１１の剥離がややあり、アノード触媒層１１からの触媒の脱落もややあった。サンプルＡ３乃至サンプルＡ５において、アノード触媒層１１の剥離がなく、アノード触媒層１１からの触媒の脱落もなかった。サンプルＡ６において、アノード触媒層１１からの触媒の脱落が初期よりも増えた。
【００７９】
燃料電池１を５００ｈｒ運転後のカソード１６側の状態については以下の通りである。サンプルＢ１において、カソード触媒層１４からの触媒の脱落が初期よりも増えた。サンプルＢ２において、カソード触媒層１４の剥離がややあり、カソード触媒層１４からの触媒の脱落もややあった。サンプルＢ３及びサンプルＢ４において、カソード触媒層１４の剥離がなく、カソード触媒層１４からの触媒の脱落もなかった。サンプルＢ５において、カソード触媒層１４の剥離がややあり、カソード触媒層１４からの触媒の脱落もややあった。サンプルＢ６において、カソード触媒層１４からの触媒の脱落が初期よりも増えた。
【００８０】
隣接するアノード１３及びカソード１６の間隔は、それぞれ１．２ｍｍであるため、触媒の剥離距離Ｌが０．２ｍｍ未満である場合において、隣接するアノード１３間及びカソード１６間で短絡していないため、さらに燃料電池１の運転を続けても短絡する可能性は非常に低い。図６及び図７では、剥離距離Ｌが０．１ｍｍ未満である場合の評価を「○」とし、剥離距離Ｌが０．１ｍｍ以上０．２ｍｍ未満である場合の評価を「○−」とした。
【００８１】
剥離距離Ｌが０．２ｍｍ以上０．４未満である場合において、隣接するアノード１３間及びカソード１６間で短絡する可能性は低い。図６及び図７では、剥離距離Ｌが０．２ｍｍ以上０．３ｍｍ未満である場合の評価を「△」とし、剥離距離Ｌが０．３ｍｍ以上０．４ｍｍ未満である場合の評価を「△−」とした。
【００８２】
剥離距離が０．６ｍｍ以上である場合において、隣接するアノード１３間及びカソード１６間で短絡してしまう。また、剥離距離Ｌが０．４ｍｍ以上０．６ｍｍ未満である場合において隣接するアノード１３間及びカソード１６間で短絡する可能性は低いがさらに燃料電池１の運転を続けると短絡するおそれがある。図６及び図７では、剥離距離Ｌが０．４ｍｍ以上である場合の評価を「×」とした。
【００８３】
図６に示すように、サンプルＡ６において、５００ｈｒ運転後の触媒の剥離距離Ｌは０．５ｍｍであり、評価は「×」であった。
【００８４】
これに対して、サンプルＡ１において、剥離距離Ｌは０．２５ｍｍであり、評価は「△」であった。サンプルＡ２において、剥離距離Ｌは０．１ｍｍであり、評価は「○−」であった。サンプルＡ３において、剥離距離Ｌは０．０５ｍｍ以下であり、評価は「○」であった。サンプルＡ４において、剥離距離Ｌは０．０５ｍｍ以下であり、評価「○」であった。サンプルＡ５において、剥離距離Ｌ０．２ｍｍであり、評価は「△」であった。
【００８５】
これらの結果から、アノード触媒層１１の側面１１ａが傾斜面を有することによって、アノード触媒層１１の剥離距離Ｌが小さくなることが確認された。つまり、アノード触媒層１１の傾斜角度θ１は、３０°以上８０°以下にすることが望ましく、さらに４５°以上７５°以下とするとより望ましい。
【００８６】
一方、図７に示すように、サンプルＢ６において、５００ｈｒｈの触媒の剥離距離Ｌは、０．６ｍｍであり、評価は「×」であった。
【００８７】
これに対して、サンプルＢ１において、剥離距離Ｌは０．３ｍｍであり、評価は「△−」であった。サンプルＢ２において、剥離距離Ｌは０．１５ｍｍであり、評価は「○−」であった。サンプルＢ３において、剥離距離Ｌは０．０５ｍｍ以下であり、評価は「○」であった。サンプルＢ４において、剥離距離Ｌは０．１ｍｍであり、評価「○−」であった。サンプルＢ５において、剥離距離Ｌは０．２５ｍｍであり、評価は「△」であった。
【００８８】
この結果から、カソード触媒層１４の側面１４ａが傾斜面を有することによって、カソード触媒層１４の剥離距離Ｌが小さくなることが確認された。つまり、カソード触媒層１４の傾斜角度θ３は、３０°以上８０°以下にすることが望ましく、さらに４５°以上７５°以下とするとより望ましい。
【００８９】
以上説明したように、本実施形態によれば、隣接するアノード１３及びカソード１６間の短絡を防止することが可能な燃料電池１を提供することが可能となる。
【００９０】
上述した本実施形態において、アノード触媒層１１の側面１１ａの傾斜角度θ１とアノードガス拡散層１２の側面１２ａの傾斜角度θ２とが同じであり（θ１＝θ２）、カソード触媒層１４の側面１４ａの傾斜角度θ３とカソードガス拡散層１５の側面１５ａの傾斜角度θ４とが同じである（θ３＝θ４）例について説明したが、図８に示すように、アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４の側面１１ａ、１４ａのみが傾斜面であってもよい（θ２＝９０°、θ４＝９０°）。
【００９１】
また、図９に示すように、アノード触媒層１１の側面１１ａの傾斜角度θ１とアノードガス拡散層１２の側面１２ａの傾斜角度θ２は異なっていてもよい（θ１≠θ２）。同様に、図９に示すように、カソード触媒層１４の側面１４ａの傾斜角度θ３とカソードガス拡散層１５の側面１５ａの傾斜角度θ４とが異なっていてもよい（θ３≠θ４）。
【００９２】
上述した本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、各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、各実施形態は、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。
【００９３】
さらに、上述した各実施形態は、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。
【００９４】
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、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。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。
【図４】図４は、図２に示したＡ部を拡大した断面図である。
【図５】図５は、アノード触媒層の剥離距離及びカソード触媒層の剥離距離を示した図である。
【図６】図６は、アノード触媒層に傾斜面を形成することによる効果の検証結果を示す図である。
【図７】図７は、カソード触媒層に傾斜面に形成することによる効果の検証結果を示す図である。
【図８】図８は、本実施の形態に係る燃料電池の膜電極接合体の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図９】図９は、本実施の形態に係る燃料電池の膜電極接合体の他の構造を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
【００９６】
１…燃料電池  ２…膜電極接合体  ３…燃料供給機構  １１…アノード触媒層  １２…アノードガス拡散層  １３…アノード  １４…カソード触媒層  １５…カソードガス拡散層  １６…カソード  １７…電解質膜  １１ａ、１４ａ…傾斜面  Ｃ…単セル
【図１】
2010157390.tif 000003
【図２】
2010157390.tif 000004
【図３】
2010157390.tif 000005
【図４】
2010157390.tif 000006
【図５】
2010157390.tif 000007
【図６】
2010157390.tif 000008
【図７】
2010157390.tif 000009
【図８】
2010157390.tif 000010
【図９】
2010157390.tif 000011