(57)【要約】【課題】出力を安定化することが可能であるとともに、長寿命化が可能な燃料電池を提供すること。【解決手段】アノード１３と、カソード１６と、アノードとカソードとの間に挟持された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２と、膜電極接合体２のアノード１３に燃料を供給する燃料供給機構３と、膜電極接合体２のアノード１３と燃料供給機構３との間に配置された保水層４０と、を備えたことを特徴とする。【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の間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記アノードと前記燃料供給機構との間に配置された保水層と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記保水層は、吸水速度が２０ｍｍ以上の材料によって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記保水層は、前記アノードと対向する単一のセグメントによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記保水層は、前記アノードと対向する複数のセグメントによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記保水層は、前記アノードの設置面積に対して８０％以上の面積で前記アノードと対向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６】
前記保水層は、前記アノードに積層された集電体に重なって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７】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１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長時間充電なし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】
例えば、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。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。
【０００４】
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（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を、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）。また、ＤＭＦＣの燃料電池セルと燃料収容部とを流路を介して接続することも検討されている（例えば、特許文献２及び３参照）。
【０００５】
燃料収容部から直接もしくは流路を介して導入された高濃度のメタノール燃料等を気化させて燃料極に供給する場合、ＭＥＡの燃料極側では気化した燃料を閉じ込めつつ、燃料極側の発電反応に基づいて生成された二酸化炭素ガスや、過剰な水蒸気等のガス成分を系外に放出する必要がある。このような点に対して、従来のパッシブ型等のＤＭＦＣでは燃料極側の側壁に排気口を設け、ガス成分を系外に放出することが検討されている（例えば、特許文献４参照）。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特表２００５−５１８６４６号公報
【特許文献３】特開２００６−０８５９５２号公報
【特許文献４】特開２００６−３１８７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池においては、安定して高い出力を得るために、発電反応によって生成された不要な生成物を系外に効率的に排出することに加え、燃料の気化成分など発電反応に必要な物質を安定してＭＥＡに供給することが求められている。
【０００７】
この発明の目的は、安定して高い出力を得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】
【０００８】
この発明の態様による燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノードと前記カソードとの間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記アノードと前記燃料供給機構との間に配置された保水層と、
を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
この発明によれば、安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００１０】
すなわち、この発明の燃料電池によれば、膜電極接合体と燃料供給機構との間に保水層を備えたことにより、カソード側で生成した水をトラップし、燃料供給機構への水の流入を抑制することが可能となるとともに、アノードに対して発電反応に必要な水を安定的に供給することが可能となる。
【００１１】
これにより、燃料供給機構から供給される燃料が希釈されにくく、発電反応を促進することができ、安定して高い出力を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。
【００１３】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。
【００１４】
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。
【００１５】
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とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード側及びカソード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。
【００２０】
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（液体及び気体を含む）の一部が含浸されてアノード側への水の還流量と外部への水の蒸散量とのバランスを制御するとともに、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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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、膜電極接合体２を保持するとともに、燃料導入口３０Ａを有している。この燃料導入口３０Ａは、流路５と接続されている。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。
【００２４】
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。
【００２５】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、膜電極接合体２のアノード側に配置され、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。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。
【００２６】
細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
また、燃料電池１は、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に配置されるとともに膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持板を備えていても良い。
【００３２】
また、燃料電池１は、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に配置された少なくとも１つの多孔体を備えていても良い。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００３８】
なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。
【００３９】
また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
【００４０】
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。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
この実施の形態において、図２及び図３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に配置された単一のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面１７Ｃにアノード１３と対向するように配置された単一のカソード１６と、を備えている。アノード１３とカソード１６との組み合わせは、電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。
【００４７】
また、図４及び図５に示した例では、膜電極接合体２は、複数の単セルＣを有し、単セルＣのそれぞれは、電解質膜１７の平面内において分離して配置されている。すなわち、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａ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１７Ｃ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。
【００４８】
ここに示した例では、単セルＣ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、これらの例に限らず他の構造であっても良い。
【００４９】
図４などに示したような複数の単セルＣを有する膜電極接合体２においては、各単セルＣは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【００５０】
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４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。
【００５１】
アノード集電体１８Ａのそれぞれは、各単セルＣ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することができる。
【００５２】
特に、この実施の形態においては、燃料電池１は、膜電極接合体２のアノード１３と燃料供給機構３との間に配置された保水層４０を備えている。この保水層４０は、カソード側の発電反応において生成した水をトラップする機能を有する材料、例えば、ポリフェノール、ポリアクリル酸ナトリウム、不織布、ポリエステルなどの材料の他、包摂化合物などの材料によって形成されている。
【００５３】
このような保水層４０は、ＪＩＳ  Ｌ  １９０７：２００４の繊維製品の吸水性試験方法のパイレック法で規定される試験方法により測定された吸水速度が２０ｍｍ以上の材料によって形成されたものである。なお、完成製品に本実施形態の保水層４０が含まれるか否かの検証においては、完成製品を分解して膜電極接合体と燃料供給機構との間に配置された層の材料を特定し、これと全く同一の材料を用意し、用意した材料から必要な数の試験片を採取して上記試験方法により吸水速度を測定することによって、検証可能である。
【００５４】
例えば、フェノール系高分子、発泡ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）について、それぞれ大きさ２００ｍｍ×２５ｍｍの帯状の試験片をそれぞれ５枚採取し、２５℃、５０％ＲＨの環境下で２０℃±２℃の純水及びメタノールに浸漬し、１０分間放置した後に、純水及びメタノールが上昇した高さを測定したところ、次のような結果が得られた。
【００５５】
フェノール系高分子については、水の吸水速度が４６ｍｍでありメタノールの吸水速度が５８ｍｍであった。発泡ポリエチレンについては、水の吸水速度が３ｍｍでありメタノールの吸水速度が１３ｍｍであった。ＰＴＦＥについては、水の吸水速度が０ｍｍでありメタノールの吸水速度が８ｍｍであった。
【００５６】
本実施形態においては、フェノール系高分子のように、水に対する吸水速度が２０ｍｍ以上の材料が保水層４０として好適である。
【００５７】
図１に示した例では、保水層４０は、アノード１３に積層された集電体１８のアノード集電体１８Ａに重なっている。つまり、保水層４０は、膜電極接合体２とは別体であり、集電体１８よりも外側つまり燃料供給機構３の燃料供給部３１に対向している。なお、保水層４０は、燃料分配板３１Ａに接触していても良いし、燃料分配板３１Ａとの間に空間つまり燃料拡散室３１Ｂを形成するように配置されても良い。また、保水層４０と燃料供給機構３との間に、上述したような支持板や多孔体が配置されていても良い。
【００５８】
燃料電池においては、高出力化への要求に伴い、膜電極接合体２に対して燃料の気化成分のみならず、発電反応に必要な物質、すなわち空気（酸素）及び水をバランスよく安定的に供給する必要がある。特に、水については、膜電極接合体２のカソード側において生成した還流水で補うが、通常の燃料電池の構成においては、膜電極接合体２のアノード側で水をトラップさせておくことが困難であり、アノード触媒層１１における発電反応において十分な水を必要とする場合に、水が不足して膜電極接合体２の十分な発電能力が発揮できず、出力増大の妨げとなるおそれがある。
【００５９】
そこで、本実施形態によれば、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間に保水層４０を配置したことにより、カソード側において生成されアノード側に還流した水を保水層４０によってトラップすることができる。このように、膜電極接合体２のアノード近傍において、保水層４０によってアノード側の発電反応に必要な水をトラップしておくことにより、必要なときに十分な水をアノードに供給することができる。
【００６０】
これにより、膜電極接合体２に対してバランスよく安定して水を供給することが可能となり、膜電極接合体２の発電能力を十分に発揮させ、安定的に出力を向上することが可能となる。
【００６１】
また、燃料供給機構３への還流水の流入を抑制することが可能となる。すなわち、燃料供給機構３に流入した水が燃料と混ざってしまった場合、水の蒸気圧よりも燃料例えばメタノールの蒸気圧の方が高いため、水の蒸散が抑制され、アノードに対して発電反応に必要な十分な水が供給されず、また、燃料供給機構３において燃料が希釈されてしまう。
【００６２】
このため、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間に保水層４０を配置したことにより、燃料供給機構３への水の流入を抑制することができ、効率よく発電反応を生起させることが可能となる。
【００６３】
図２及び図３に示した例のように、膜電極接合体２が単一のアノード１３を備えた構成に対しては、保水層４０は、図６及び図７に示すように、単一のアノード１３と対向する単一のセグメントによって形成されていても良い。また、図４及び図５に示した例のように、膜電極接合体２が複数のアノード１３を備えた構成に対しても、同様に、保水層４０は、複数のアノード１３に跨って対向する単一のセグメントによって形成されていても良い。
【００６４】
また、図２及び図３に示した例のように、膜電極接合体２が単一のアノード１３を備えた構成に対しては、保水層４０は、図８及び図９に示すように、単一のアノード１３と対向する複数のセグメントによって形成されていても良い。ここに示した例では、保水層４０は、４つのセグメント４０Ａ、４０Ｂ、４０Ｃ、４０Ｄによって構成されている。また、図４及び図５に示した例のように、膜電極接合体２が複数のアノード１３を備えた構成に対しても、同様に、保水層４０は、各アノード１３に対向する複数のセグメントによって形成されていても良い。
【００６５】
なお、上述した図６乃至図９では、集電体を省略しているが、保水層４０とアノード１３におけるアノードガス拡散層１２との間には、アノード集電体１８Ａが配置されていても良い。
【００６６】
このように、いかなる形状の保水層４０であっても、保水層を設けなかった構成と比較して出力の向上が期待できる。
【００６７】
また、このような保水層４０は、アノード１３の設置面積に対して、８０％以上の面積でアノード１３と対向していることが望ましい。ここで、アノード１３の設置面積とは、図７及び図９に示したような膜電極接合体２の平面図において、電解質膜１７の上に設置されたアノード１３の面積である。保水層４０は、単一のセグメントによって形成されている場合であっても、複数のセグメントによって形成されている場合であっても、８０％以上の面積でアノード１３と対向することにより、更なる出力の向上が期待できる。
【００６８】
≪実施例≫
（実施例１）
実施例１に係る膜電極接合体２は、図２などに示したような単一の単セルＣを備えた構成であって、しかも、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間には、図６などに示したような単一のセグメントからなる保水層４０を配置した。この実施例１においては、保水層４０は、アノード１３の設置面積に対して９０％の面積でアノード１３と対向している。
【００６９】
（実施例２）
実施例２に係る膜電極接合体２は、図２などに示したような単一の単セルＣを備えた構成であって、しかも、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間には、図８などに示したような複数のセグメントからなる保水層４０を配置した。この実施例２においては、保水層４０は、アノード１３の設置面積に対して複数設置したセグメントの面積の合計が９０％の面積でアノード１３と対向している。
【００７０】
（実施例３）
実施例３に係る膜電極接合体２は、図２などに示したような単一の単セルＣを備えた構成であって、しかも、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間には、図６などに示したような単一のセグメントからなる保水層４０を配置した。この実施例３においては、保水層４０は、アノード１３の設置面積に対して８０％より小さい７５％の面積でアノード１３と対向している。
【００７１】
（実施例４）
実施例４に係る膜電極接合体２は、図２などに示したような単一の単セルＣを備えた構成であって、しかも、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間には、図８などに示したような複数のセグメントからなる保水層４０を配置した。この実施例４においては、保水層４０は、アノード１３の設置面積に対して８０％より小さい複数設置したセグメントの面積の合計が７５％の面積でアノード１３と対向している。
【００７２】
なお、実施例１乃至４については、保水層４０としてフェノール系高分子としてユニベックス（商品名）を使用した。
【００７３】
（比較例１）
比較例１に係る膜電極接合体は、図２などに示したような単一の単セルＣを備えた構成であって、保水層に相当するものを備えていない構成とした。
【００７４】
（比較例２）
比較例２に係る膜電極接合体は、図２などに示したような単一の単セルＣを備えた構成であって、しかも、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間には、発泡ポリエチレンとしてサンマップ（商品名）を配置した。
【００７５】
《性能評価》
上述した各膜電極接合体を備えた燃料電池を組み立てて、性能評価を行った。この性能評価は、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で行った。燃料収容部には純メタノールを注入し、一定電圧で発電を行い、出力電圧を測定した。出力については、１０時間での平均出力を算出した。
【００７６】
比較例１の平均出力を１００％としたとき、比較例２の平均出力は１０３％であった。サンマップは、吸水速度からして本実施形態の保水層４０に適した材料ではないが、保水層を全く配置していない比較例１と比較して出力向上が確認された。
【００７７】
実施例１の平均出力は１２３％であり、実施例２の平均出力は１２１％であり、実施例３の平均出力は１０６％であり、実施例４の平均出力は１０５％であった。このように、実施例１乃至４では、いずれも比較例１及び２よりも高い出力が得られ、保水層４０として適当な吸水速度を有する材料を用いたことにより、出力が向上することが確認できた。
【００７８】
また、実施例１及び２と、実施例３及び４とを比較すると、保水層４０がアノード１３と８０％以上の面積で対向している場合に高い出力を得られることが確認できた。
【００７９】
以上説明したように、この実施の形態によれば、発電反応に必要な物質を安定的に供給することにより、長期にわたって安定して高い出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００８０】
上述した各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。
【００８１】
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。
【００８２】
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】
【００８３】
【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例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適用可能な膜電極接合体の構造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１に示した燃料電池に適用可能な他の膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図５】図５は、図４に示した膜電極接合体の平面図である。
【図６】図６は、保水層を備えた燃料電池の主要な構成の一例を説明するための概略断面図である。
【図７】図７は、図６に示した膜電極接合体及び保水層の概略平面図である。
【図８】図８は、保水層を備えた燃料電池の主要な構成の他の例を説明するための概略断面図である。
【図９】図９は、図８に示した膜電極接合体及び保水層の概略平面図である。
【符号の説明】
【００８４】
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
１８…集電体  １８Ａ…アノード集電体  １８Ｃ…カソード集電体
３１…燃料供給部
４０…保水層
【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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