(57)【要約】【課題】カソード触媒層の周縁部におけるフラッディングの発生を抑制し、長期間に亘って安定に出力を維持できる燃料電池を提供する。【解決手段】アノード１１、１２と、カソード１３、１４と、アノード１１、１２とカソード１３、１４とに挟持された電解質膜１５とからなる膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０のアノード１１、１２側に配置され、アノード１１、１２に燃料を供給するための燃料供給機構４０と、膜電極接合体１０のカソード１３、１４側に配置され、カソード１３、１４で生成した水を含浸する保湿層２１とを備え、カソード１３、１４に電流を流すためのカソード導電層１７が、カソード１３、１４と保湿層２１との間に介在された燃料電池であって、カソード１３、１４の外周よりも外側であって、カソード１３、１４の外周からカソード１３、１４の厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７で覆われている割合が９０％以下である燃料電池。【選択図】図１
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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、前記アノードと前記カソードとに挟持された電解質膜とからなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、前記アノードに燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソードで生成した水を含浸する保湿層とを備え、
前記カソードに電流を流すためのカソード導電層が、前記カソードと前記保湿層との間に介在された燃料電池であって、
前記カソードの外周よりも外側であって、前記カソードの外周から前記カソードの厚さの２倍に等しい距離までの前記膜電極接合体の領域のうち、前記カソード導電層で覆われている割合が９０％以下である燃料電池。
【請求項２】
前記カソード導電層の形状を固定するための固定層をさらに有し、
前記カソードの外周よりも外側であって、前記カソードの外周から前記カソードの厚さの２倍に等しい距離までの前記膜電極接合体の領域のうち、前記導電体層と前記固定層のうち少なくとも１つで覆われている割合が９０％以下である請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソード導電層は、少なくとも前記カソードの外周よりも外側であって、前記カソードの外周から前記カソードの厚さの２倍に等しい距離までの領域を含む開口部を備える請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
複数のアノードと、前記複数のアノードと対となる複数のカソードと、前記複数のアノードと前記複数のカソードとに挟持された電解質膜とからなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記複数のアノード側に配置され、前記複数のアノードに燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記複数のカソード側に配置され、前記複数のカソードで生成した水を含浸する保湿層とを備え、
前記複数のカソードに電流を流すためのカソード導電層が、前記複数のカソードと前記保湿層との間に介在された燃料電池であって、
各カソードの外周よりも外側であって、前記各カソードの外周から前記カソードの厚さの２倍に等しい距離までの前記膜電極接合体の領域のうち、前記カソード導電層で覆われている割合が９０％以下である燃料電池。
【請求項５】
前記カソード導電層は、少なくとも前記各カソードの外周よりも外側であって、前記各カソードの外周から前記各カソードの厚さの２倍に等しい距離までの領域を含む開口部を備える請求項４記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、特に液体燃料を用いる燃料電池に関する。
【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長時間充電しないで使用可能とするために、これら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。燃料電池は燃料と空気とを供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば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、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
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期待されている。
【０００４】
ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００５】
アノード（燃料極）に燃料を供給する手段としては、さまざまな方法が採用可能である。例えば、メタノール水溶液等の液体燃料を、アノード導電層の下に直接流通させる方式や、燃料電池の外部で、メタノール等を蒸発させて気体燃料を生じ、その気体燃料をアノード導電層の下に流通させる外部気化型、燃料収容部に純メタノールやメタノール水溶液等の液体燃料を収容し、液体燃料を電池内部で気化させてアノードに供給する内部気化型等が考えられる。
【０００６】
また、カソード（空気極）に酸化剤である空気を供給する手段としては、空気をファンやブロワにより強制的に供給するアクティブ型や、大気からの自然拡散のみにより供給する自発呼吸（パッシブ）型などが考えられる。
【０００７】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば特許文献１参照）。膜電極接合体は、燃料極側に配置されるアノード導電層と、空気極側に配置されるカソード導電層とに挟持されている。
【０００８】
燃料収容部から流路を介して燃料供給部に供給された液体燃料は、液体燃料のまま、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、燃料分配層およびアノード導電層を介して燃料電池セルのアノードガス拡散層に供給される。アノードガス拡散層に供給された燃料は、アノードガス拡散層で拡散してアノード触媒層に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
【０００９】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …式（１）
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、メタノールは、カソード触媒層で生成した水や電解質膜中の水と上記した式（１）の内部改質反応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。
【００１０】
この反応で生成した電子（ｅ−）は、導電層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、カソードに導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜を経てカソードに導かれる。カソードには、保湿層を介して、酸化剤ガスとして空気が供給される。カソードに到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
【００１１】
（３／２）Ｏ２＋６ｅ−＋６Ｈ＋  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力を燃料電池において得るためには、式（２）によってカソード触媒層で生成した水（Ｈ２Ｏ）のうち少なくとも一部が、電解質膜を透過してアノード触媒層に拡散し、式（１）の反応によって消費されるというサイクルが、円滑に行なわれる必要がある。
【００１２】
これを実現するため、カソードの近傍に、カソード触媒層において生成した水を含浸して蒸散を抑止する保湿層を配置し、前記カソード触媒層の水分保持量が前記アノード触媒層の水分保持量よりも多い状態を形成し、浸透圧現象を利用して前記カソード触媒層で生成した水を前記電解質膜を通して前記アノード触媒層に供給している。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のような、保湿層を利用してカソードからアノードへの水の供給を促進する燃料電池では、燃料電池の発電中は常に、カソード触媒層に大量の水分を保持した状態となり、この状態で発電を長期間続けていると、カソード触媒層の気孔が水で塞がれ、カソード触媒層における空気の拡散性が低下する、いわゆるフラッディングを生じ、発電特性が低下するという問題点がある。
【００１４】
このフラッディングの発生のしやすさは、燃料電池の発電中のカソードの温度と密接な関係がある。カソードの温度が高い場合、そのカソード触媒層における水の蒸気圧は高いため、水蒸気は保湿層を透過して外気へ蒸散しやすい。一方、カソードの温度が低い場合、そのカソード触媒層やその周辺における水の蒸気圧は低く、水蒸気は外気へは余り蒸散せず、フラッディングが発生しやすい。
【００１５】
ところが、通常の燃料電池では、カソードの温度は全ての場所で等しいとは限らず、膜電極接合体の平面方向（図１に示すＸ−Ｙ方向）で温度分布が生じているのが一般的である。特に、カソード触媒層と、その周辺の空間の境目に当たる部分では、温度が急激に変化するために水蒸気の凝縮が生じやすく、従ってカソード触媒層のうち周縁部においては特にフラッディングを生じやすい傾向があった。
【００１６】
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであって、その目的は、カソード触媒層の周縁部におけるフラッディングの発生を抑制し、長期間に亘って安定に出力を維持できる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】
【００１７】
本発明の態様による燃料電池は、アノードと、カソードと、前記アノードとカソードとに挟持された電解質膜とからなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、前記アノードに燃料を供給するための燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソードで生成した水を含浸する保湿層とを備え、前記カソードに電流を流すためのカソード導電層が、前記カソードと前記保湿層との間に介在された燃料電池であって、前記カソードの外周よりも外側であって、前記カソードの外周から前記カソードの厚さの２倍に等しい距離までの膜電極接合体の領域のうち、前記カソード導電層で覆われている割合が９０％以下である。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、カソード触媒層の周縁部におけるフラッディングの発生を抑制し、長期間に亘って安定に出力を維持できる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】
【００１９】
以下、本発明の一実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。本発明の一実施形態に係る燃料電池は、例えば図１に示すように、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に挟持された電解質膜１５とからなる膜電極接合体１０とを備える。
【００２０】
アノードは、アノードガス拡散層１２と、アノードガス拡散層１２上に配置されたアノード触媒層１１とを有している。カソードは、カソードガス拡散層１４と、カソードガス拡散層１４上に配置されたカソード触媒層１３とを有している。
【００２１】
膜電極接合体１０のアノード側には、アノードに燃料を供給するための燃料供給機構４０が配置されている。膜電極接合体１０のカソード側には、カソードで生成した水を含浸する保湿層２１が配置されている。カソードと保湿層２１との間には、カソードに電流を流すためのカソード導電層１７が介在されている。
【００２２】
ここで、本実施形態に係る燃料電池は、カソードガス拡散層１４およびカソード触媒層１３（以下、この２つを合わせて「カソード」と称する）の外周よりも外側であって、前記カソードの外周から前記カソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７で覆われている割合が９０％以下である燃料電池。以下に、本実施形態に係る燃料電池の実施例について説明する。
【００２３】
（第１実施例）
以下、第１実施例に係る燃料電池について説明する。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。
【００２４】
上記のようにして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（厚さ３７０μｍ、４０ｍｍ×３０ｍｍの略矩形状）に塗布することにより、厚さが（Ｚ方向の幅）１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【００２５】
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１４としての多孔質カーボンペーパ（厚さ２８０μｍ、４０ｍｍ×３０ｍｍの略矩形状）に塗布することにより、厚さが７０μｍのカソード触媒層１３を得た。なお、アノードガス拡散層１２と、カソードガス拡散層１４とは、同形同大で、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１およびカソード触媒層１３も同形同大である。
【００２６】
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１３との間に、電解質膜１５として厚さ（Ｚ方向の幅）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）を配置し、上記したアノード触媒層１１とカソード触媒層１３とを相互に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１０を得た。
【００２７】
続いて、この膜電極接合体１０を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層１６およびカソード導電層１７を形成した。このカソード導電層１７の形状は図２に示す通りで、外形が４４ｍｍ（Ｘ方向の幅）×３４ｍｍ（Ｙ方向の幅）の略矩形状で、後述する表面カバー２２の空気導入口２３と合わせた位置に直径３ｍｍの円形の穴１７Ｈを４８個設けてある。更に、カソードガス拡散層１４の外周に沿った位置に、長手方向と略直交する方向における幅Ｄ３、Ｄ５が略１ｍｍのスリット（開口部）１７Ａおよびスリット１７Ｂを合計６ヶ所に設けてある。
【００２８】
スリット１７Ａの長手方向の幅Ｄ２は略１８ｍｍであって、スリット１７Ｂの長手方向の幅Ｄ４は略１６ｍｍである。スリット１７Ａは、カソードの長手方向（Ｘ方向）と略直交する方向に延びるとともに互いに対向する２つの周縁に沿って、１つずつ配置されている。スリット１７Ｂは、カソードの長手方向（Ｘ方向）に延びるとともに互いに対向する２つの周縁のそれぞれに沿って、２つずつ並んで配置されている。
【００２９】
この構成において、カソードの外周から、以下のようにして求めたカソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域の面積のうち、カソード導電層１７で覆われている割合は、２９．５％である。
【００３０】
ホットプレスを施した後の膜電極接合体１０のカソードの厚さは、以下のようにして求めることができる。
【００３１】
すなわち、ホットプレスを施した後の膜電極接合体１０の一部を切断し、顕微鏡観察用の樹脂に包埋して研磨することにより、膜電極接合体１０の断面を露出させることができる。この露出した膜電極接合体１０の断面を、光学顕微鏡、電子顕微鏡、その他の適切な手段で観察し、カソードガス拡散層１４およびカソード触媒層１３の厚さを実測することができる。
【００３２】
この実測において好ましいのは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ：scanning electron microscope）を用いて、５０〜１０００倍の倍率で観察し、カソード触媒層１３と電解質膜１５との界面から、カソードガス拡散層１４と包埋した樹脂との界面までの距離をカソードの厚さとすることである。
【００３３】
なお、膜電極接合体１０のカソードの厚さが、場所により異なる可能性のある場合には、複数の箇所を切断して、上記のようにしてカソードの厚さを実測し、それらの平均値を求めることが望ましい。
【００３４】
本実施例においては、膜電極接合体１０の中心部付近１箇所と、膜電極接合体１０の端部付近の２箇所の合計３箇所のカソードの厚さを実測して、それらの平均値を求めた結果、ホットプレス後のカソードの厚さとして３００μｍを得た。
【００３５】
ホットプレス後のカソードの厚さの値が、ホットプレス前のカソードガス拡散層１４とカソード触媒層１３の厚さの合計３４０μｍよりも減少しているのは、ホットプレスによってカソードガス拡散層１４とカソード触媒層１３とが共に圧縮され、厚さが減少したためと考えられる。
【００３６】
電解質膜１５とアノード導電層１６との間、電解質膜１５とカソード導電層１７との間には、それぞれゴム製で幅が１ｍｍ、外形が４４ｍｍ×３４ｍｍの略矩形状であるＯリング１９を挟持してシールを施した。その上で、電解質膜１５のうち、Ｏリング１９の短辺中央に接する位置２ヶ所に、直径０．５ｍｍのガス抜き穴２０をそれぞれ設けた。
【００３７】
カソード導電層１７の上には、保湿層２１と、この保湿層２１に積層された、複数の空気導入口２３を有する表面カバー２２とを有する。
【００３８】
保湿層２１は次のように作成した。まず、厚さ（Ｚ方向の幅）が１．０ｍｍで、気孔率２６％、透気度が２．０秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が２０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  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（Ｘ方向の幅）が４４ｍｍ、幅（Ｙ方向の幅）が３４ｍｍの略矩形状に切り、保湿層２１を作成した。
【００３９】
この保湿層２１の上に表面カバー２２を配置した。表面カバー２２は、外形が４４ｍｍ×３４ｍｍの略矩形状で厚さが１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）に、直径が３ｍｍの円形の空気導入口２３を均等に４８個形成し、作成した。
【００４０】
なお、保湿層２１、表面カバー２２のいずれにも、ガス抜き穴２０に相当する位置に、直径１ｍｍの穴を設け、ガス抜き穴２０から排出されるガスを阻害しないようにした。
【００４１】
一方、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０は、図１に示すように、燃料収容部４１と、燃料供給部４２と、流路４３とを主に備える。
【００４２】
燃料収容部４１には、燃料電池セル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、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Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。
【００４３】
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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４１には、燃料電池セルに応じた液体燃料が収容される。
【００４４】
燃料供給部４２は、配管等で構成される液体燃料Ｆの流路４３を介して燃料収容部４１と接続されている。燃料供給部４２には、燃料収容部４１から流路４３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が気化した気化成分は、燃料分配層３０およびアノード導電層１６を介して膜電極接合体１０に供給される。
【００４５】
流路４３は、燃料供給部４２や燃料収容部４１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４２や燃料収容部４１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４２は、流路等を介して燃料収容部４１と連通されていればよい。
【００４６】
燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路４３を介して燃料供給部４２まで落下させて送液することができる。また、流路４３に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４２まで送液してもよい。さらに、図１に示すように、流路４３の一部にポンプ４４を介在させて、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４２まで強制的に送液してもよい。
【００４７】
燃料分配層３０は、例えば、複数の開口部３１が形成された平板で構成され、アノードガス拡散層１２と燃料供給部４２との間に挟持される。この燃料分配層３０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構成され、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構成される。
【００４８】
また、燃料分配層３０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１０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）微多孔膜などが用いられる。
【００４９】
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、燃料電池の出力電圧が０．３５Ｖで一定になるように、燃料電池に流れる電流を制御した。
【００５０】
上記した条件の下、１０００時間発電を行った後の燃料電池の出力密度Ｐ１、および、発電を開始したときの燃料電池の出力密度Ｐ０を計測した。そして、出力密度Ｐ１の、出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出した。
【００５１】
ここで、燃料電池の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池に流れる電流密度（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１３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１３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に等しい。
【００５２】
上記算出した出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．９０（９０％）であった。
【００５３】
（第２実施例）
以下に、第２実施例に係る燃料電池について説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施例に係る燃料電池の同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
【００５４】
図３に示すように、カソード導電層１７に設けたスリット１７Ａ、１７Ｂの長手方向と略直交する方向の幅Ｄ３、Ｄ５を、いずれも略０．４５ｍｍとなるようにした以外は、第１実施例に係る燃料電池と同様である。このとき、カソードの外周から、カソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７で覆われている割合は、４７．１％である。
【００５５】
この第２実施例に係る燃料電池において、上記と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．８８（８８％）であった。
【００５６】
また、この実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９６％であった。
【００５７】
（第３実施例）
以下に、第３実施例に係る燃料電池について説明する。図４に示すように、カソード導電層１７に設けたスリット１７Ａ、１７Ｂの長手方向の幅Ｄ２、Ｄ４を、いずれも第１実施例に係る燃料電池の場合よりも長くなるようにした以外は、第１実施例と同様である。スリット１７Ａの長手方向の幅Ｄ２は略２８ｍｍであって、スリット１７Ｂの長手方向の幅Ｄ４は略１９ｍｍである。
【００５８】
このとき、カソードの外周から、カソードの厚さの２倍に等しい距離までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７で覆われている割合は、８．５％である。
【００５９】
この第３実施例に係る燃料電池において、上記と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．９１（９１％）であった。
【００６０】
また、この実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して１０２％であった。
【００６１】
（第４実施例）
以下に、第４実施例に係る燃料電池について説明する。本実施例に係る燃料電池は、カソード導電層１７の外形を固定するための固定層１８を備えている。図５に示すように、固定層１８は、カソード導電層１７と保湿層２１との間に配置されている。カソード導電層１７は外形が４０ｍｍ×３４ｍｍの略矩形状であり、固定層１８としての、外形が４４ｍｍ×３３ｍｍの略矩形状で厚さが２０μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製のフィルムに接着されている。
【００６２】
従って、カソード側のＯリング１９は、固定層１８と電解質膜１５とに接するように設けられる。固定層１８には、図２と同様にスリット１８Ａ、１８Ｂを設けたが、カソード導電層１７にはスリットは設けられていない。
【００６３】
それ以外は第１実施例に係る燃料電池と同様である。従って、カソードの外周から、カソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７または固定層１８のうち少なくとも一方で覆われている割合は、２９．５％である。
【００６４】
この第４実施例に係る燃料電池において、上記と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．９０（９０％）であった。
【００６５】
また、この実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例の燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して１００％であった。
【００６６】
（第５実施例）
以下に、第５実施例に係る燃料電池について説明する。図６に示すように、カソード導電層１７に設けたスリット１７Ａ、１７Ｂを、いずれも、カソードの外周と略直交する方向において、カソードの外周から略０．４ｍｍ隔てた位置に設けた以外は、第１実施例に係る燃料電池と同様である。このとき、カソードの外周から、カソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７で覆われている割合は、７６．５％である。
【００６７】
この第５実施例に係る燃料電池において、上記と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．８２（８２％）であった。
【００６８】
また、この第５実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９２％であった。
【００６９】
（第１比較例）
以下に、第１比較例に係る燃料電池について説明する。本比較例に係る燃料電池は、カソード導電層１７に、スリット１７Ａ、１７Ｂを設けていない以外は、第１実施例に係る燃料電池と同様である。このとき、カソードの外周から、カソードの厚さの２倍と等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７で覆われている割合は、１００％である。
【００７０】
この比較例の燃料電池において、上記と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．７５（７５％）であった。
【００７１】
また、この第１比較例の燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例の燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９０％であった。
【００７２】
（第２比較例）
以下に、第２比較例に係る燃料電池について説明する。本比較例に係る燃料電池では、カソード導電層１７に設けたスリット１７Ａ、１７Ｂが、いずれも、カソードの外周と略直交する方向において、カソードの外周から０．５５ｍｍ隔てた位置に設けてある以外は、第５実施例に係る燃料電池と同様である。このとき、カソードの外周から、カソードの厚さの２倍と等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７で覆われている割合は、９４．１％である。
【００７３】
この第２比較例に係る燃料電池において、上記と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．７６（７６％）であった。
【００７４】
また、この第２比較例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９０％であった。
【００７５】
上記第１乃至第５実施例および第１乃至第２比較例に係る燃料電池の評価結果を図７に示す。図７に示すように、カソードの外周からカソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７または固定層１８のうち少なくとも一方で覆われている割合が９０％以下である第１乃至第５実施例に係る燃料電池では、いずれも、発電を開始したときの出力密度、発電を１０００時間行なった後の出力密度の、発電開始時の出力密度に対する比率ともに、第１乃至第２比較例に係る燃料電池よりも高くなっている。
【００７６】
これは、カソード触媒層と、その周辺の空間の境目に相当する部分では、温度が急激に変化するために水蒸気の凝縮が生じやすいが、カソードの外周からカソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７または固定層１８のうち少なくとも一方で覆われている割合が９０％以下とすることによって、水蒸気が凝縮することなく、カソード導電層１７あるいは固定層１８によって覆われていない部分から保湿層２１へと移動し、フラッティングが抑制されるためであると考えられる。
【００７７】
また、カソードの外周からカソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの領域とするのは、カソードが厚くなると、カソード触媒層とその周辺の空間の境目に相当する部分が大きくなり、カソードが薄くなると、カソード触媒層とその周辺の空間の境目に相当する部分が小さくなるため、この境目の部分で凝縮した水蒸気によるフラッティングを回避するために、カソード導電層１７または固定層１８のうち少なくとも一方で覆われている割合を考慮すべき膜電極接合体１０の領域は、カソードの厚さに応じて変更させことが好ましいと考えられるからである。
【００７８】
図７に示すように、カソードの外周からカソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域が、カソード導電層１７あるいは固定層１８のいずれかによって覆われている割合が大きくなるほど発電を開始したときの出力密度、発電を１０００時間行なった後の出力密度の、発電開始時の出力密度に対する比率が低くなっていることから、カソードの外周からカソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの領域において、カソード導電層１７あるいは固定層１８にスリット等の開口部を設けることによって、フラッティングの発生を抑制することが可能であることが分かる。
【００７９】
すなわち、上記の結果から、本実施形態に係る燃料電池によれば、カソード触媒層の周縁部におけるフラッディングの発生を抑制し、長期間に亘って安定に出力を維持できる燃料電池を提供することができる。
【００８０】
以下、本発明の他の実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。本実施形態に係る燃料電池は、図８に示すように、複数のアノードおよび複数のカソードを備えている。図８に示す場合では、４対のアノードおよびカソードを備えている。以下に、本実施形態の実施例について図面を参照して説明する。
【００８１】
（第６実施例）
以下に、第６実施例に係る燃料電池について説明する。本実施例に係る燃料電池は、図８に示すように、アノードガス拡散層１２、カソードガス拡散層１４の外形を、いずれも８１ｍｍ×９．７ｍｍの略矩形状とし、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１４が、それぞれの長手方向（Ｙ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ホットプレスを施し、膜電極接合体１０を作成した。ホットプレス後のカソードの厚さを上記の方法で測定したところ、３００μｍであった。
【００８２】
Ｏリング１９は、図８に示す断面の幅２ｍｍで、外形が８５ｍｍ×４６．６ｍｍの略矩形状であり、ガス抜き穴２０は、略平行に並んだアノードガス拡散層の間の電解質膜１５に、４箇所に設けた。
【００８３】
カソード導電層１７および固定層１８は、図９に示す形状で、上記した４対のアノード触媒層１１とカソード触媒層１３とが電気的に直列に接続されるように、形成されている。また、固定層１８に１２個のスリット１８Ｃが設けられている。
【００８４】
スリット１８Ｃは、カソード導電層１７の長手方向（Ｙ方向）と略直交する方向（Ｘ方向）において、カソード導電層１７間に配置されている。各スリット１８Ｃの長手方向は、カソード導電層１７の長手方向（Ｙ方向）と略平行であって、各スリット１８Ｃの長手方向の幅Ｄ６は略８ｍｍであって、長手方向に略直交する方向の幅Ｄ７は略０．６ｍｍである。
【００８５】
保湿層２１の外形は、８５ｍｍ（Ｙ方向の幅）×４６．６ｍｍ（Ｘ方向の幅）の略矩形状で、表面カバー２２は、外形が９０ｍｍ（Ｙ方向の幅）×４８ｍｍ（Ｘ方向の幅）の略矩形状で厚さ（Ｚ方向の幅）が０．３ｍｍのステンレス板に、一辺が３．５ｍｍの略正方形の空気導入口２３を１２０個形成し、作成した。
【００８６】
上記した以外は、第５実施例に係る燃料電池と同様である。このとき、カソードの外周から、カソードの厚さの２倍に等しい距離Ｄ１までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７または固定層１８のうち少なくとも一方で覆われている割合は、８７．１％である。
【００８７】
この第６実施例の燃料電池において、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、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、燃料電池の出力電圧が直列に接続した４対の中の１対あたり０．３５Ｖで一定になるように、燃料電池に流れる電流を制御した。
【００８８】
上記した条件の下、１０００時間発電を行った後の燃料電池の出力密度Ｐ１、および、発電を開始したときの燃料電池の出力密度Ｐ０を計測した。そして、出力密度Ｐ１の、出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出した。上記算出した出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．８７（８７％）であった。
【００８９】
（第３比較例）
以下に第３比較例に係る燃料電池について説明する。本比較例に係る燃料電池は、固定層１８にスリットを設けていない以外は、第６実施例に係る燃料電池と同様である。このとき、カソードの外周から、カソードの厚さの２倍に等しい距離までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層１７または固定層１８のうち少なくとも一方で覆われている割合は、１００％である。
【００９０】
この第３比較例の燃料電池において、上記と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．８０（８０％）であった。
【００９１】
また、この第３比較例の燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第６実施例の燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９７％であった。
【００９２】
上記第６実施例および第３比較例に係る燃料電池の評価結果をまとめたものが、図１０である。図１０に示すように、カソード外周からカソードの厚さの２倍に等しい距離までの膜電極接合体１０の領域のうち、カソード導電層または固定層のうち少なくとも一方で覆われている割合が９０％以下である第６実施例は、発電を開始したときの出力密度、発電を１０００時間行なった後の出力密度の、発電開始時の出力密度に対する比率ともに、第３比較例よりも高いことが示される。
【００９３】
なお、例えば第１比較例と第３比較例はどちらもカソード導電層または固定層の少なくとも一方で覆われている割合が１００％であるにもかかわらず、Ｐ１／Ｐ０の値が異なっているが、これは、電極が１対のみか４対直列か、電極面積の絶対値がいくらか、電極での発熱量と燃料電池全体からの放熱量との関係、その他多くの条件によって、Ｐ０の値、Ｐ１／Ｐ０の値、どちらも変わるためである。図７に示す場合では、Ｐ０を第１実施例に係る燃料電池の評価値を１００％とし、図１０に示す場合では、第６実施例に係る燃料電池の評価値を１００％として示したのも同じ理由によるものである。
【００９４】
ここでは、上記した各種の条件とＰ０やＰ１／Ｐ０の値との関係についての説明は省略する。したがって、図７に示す評価結果と図１０に示す評価結果については、同じ条件の下での評価結果を比較するまでに留める。
【００９５】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
【００９６】
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、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てもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の一構成例について説明するための図。
【図２】図１に示す燃料電池のカソード導電層の第１構成例について説明するための図。
【図３】図１に示す燃料電池のカソード導電層の第２構成例について説明するための図。
【図４】図１に示す燃料電池のカソード導電層の第３構成例について説明するための図。
【図５】本発明の第１実施形態にかかる燃料電池の他の構成例について説明するための図。
【図６】図５に示す燃料電池のカソード導電層の一構成例について説明するための図。
【図７】本発明の第１乃至第５実施例に係る燃料電池、および、第１乃至第２比較例に係る燃料電池の評価結果の一例について説明するための図。
【図８】本発明の第２実施形態に係る燃料電池の一構成例について説明するための図。
【図９】図８に示す燃料電池のカソード導電層の一構成例について説明するための図。
【図１０】本発明の第６実施例に係る燃料電池、および、第３比較例に係る燃料電池の評価結果の一例について説明するための図。
【符号の説明】
【００９８】
１０…膜電極接合体、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…カソード触媒層、１４…カソードガス拡散層、１５…電解質膜、１６…アノード導電層、１７…カソード導電層、１７Ａ、１７Ｂ、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ…スリット（開口部）１８…固定層
【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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