(57)【要約】  固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜１と、固体高分子電解質膜１の一方の面に接して配された燃料極２と、他方の面に接して配された酸素極３と、固体高分子電解質膜１、燃料極２、及び酸素極３よりなるＭＥＡ１２を内包するとともに、液体を透過させず気体を透過させる気液分離膜４と、を備える。また、気液分離膜４の端面が封止され、ＭＥＡ１２が気液分離膜４の外部と遮蔽され、燃料極２及び酸素極３は、端部から延在した電極端子部を有し、電極端子部は、気液分離膜４の端部から気液分離膜４の外部に露出している。このような構成により、燃料極２に相対する気液分離膜４を通して燃料極２に燃料が気化供給され、燃料極２の側面に位置する気液分離膜４を通して燃料極２からの反応生成物が排出され、酸素極３に相対する気液分離膜４を通して酸素極３に少なくとも酸素が供給される。
2008072363.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面に接して配された燃料極と、
前記固体高分子電解質膜の他方の面に接して配された酸素極と、
前記固体高分子電解質膜、前記燃料極、及び前記酸素極よりなる接合体を内包するとともに、液体を透過させず気体を透過させる気液分離膜と、を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記接合体を直列または並列に接続したユニットを前記気液分離膜で内包したことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記気液分離膜の端面が封止され、
前記接合体が前記気液分離膜の外部と遮蔽されていることを特徴とする請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記接合体は、折り返された１枚の前記気液分離膜によって内包され、
前記気液分離膜の開放端部が封止されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記燃料極及び前記酸素極は、前記燃料極及び前記酸素極それぞれの端部から延在した電極端子部をそれぞれ有し、
前記電極端子部は、前記気液分離膜の端部から前記気液分離膜の外部に露出していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記燃料極及び前記酸素極側に相対する前記気液分離膜の上に配設された細孔板を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記燃料極に相対する前記気液分離膜を通して前記燃料極に燃料が気化供給されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
前記燃料極の側面に位置する前記気液分離膜を通して前記燃料極からの反応生成物が排出されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】
前記燃料極と前記酸素極が重ならない領域の前記固体高分子電解質膜の両面上に、前記燃料極と前記酸素極の厚み分のスペーサが設けられていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料極側に配された前記スペーサは、前記燃料極からの反応生成物を排出するための開口部を有することを特徴とする請求項９記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１１】
前記酸素極に相対する前記気液分離膜を通して前記酸素極に少なくとも酸素が供給されることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１２】
相対する前記酸素極と前記気液分離膜の間に保湿層を備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項１３】
相対する前記燃料極と前記気液分離膜の間に撥水性又は親水性の多孔質体を備えることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を気化供給して用いる固体高分子型燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アルコール燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源として開発が活発に進められている。この中でも高いエネルギー密度が得られているメタノール燃料を用いた固体高分子型燃料電池の開発が中心となっている。【０００３】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した構造の電極−電解質膜接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えている。液体燃料を直接燃料極に供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれ、供給された液体燃料を燃料極に担持された触媒上で分解して陽イオン、電子及び中間生成物を生成させる。さらにこのタイプの燃料電池は、生成した陽イオンが固体高分子電解質膜を透過して酸素極側に移動し、生成した電子が外部負荷を経て酸素極側に移動し、これらが酸素極で空気中の酸素と反応して発電する。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという。）では、式（１）で表される反応が燃料極で起こり、式（２）で表される反応が酸素極で起こる。これらの式（１）及び式（２）から明らかなように、ＤＭＦＣでは、理論上、燃料極で１モルのメタノールと１モルの水とが反応して１モルの反応生成物（二酸化炭素）が生成され、このとき水素イオン及び電子も生成されるため、燃料であるメタノール水溶液中のメタノールの理論濃度は体積％で約７０ｖｏｌ％となる。【０００４】
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−        （１）【０００５】
６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ＋  ３／２  Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ        （２）【０００６】
しかし、燃料濃度が高くなり、燃料極へのアルコール燃料の供給量が水の供給量に比べて相対的に多くなる場合、アルコール燃料が式（１）で表される反応に寄与することなく固体高分子電解質膜を透過してしまう「クロスオーバー現象」が起こり、酸素極電極触媒と反応して発電容量や発電電力が低下することが知られている。【０００７】
クロスオーバーを抑制するための技術として、例えば、ＭＥＡの燃料極部前に液体燃料を気化させる多孔質体などよりなる燃料気化層を配置することで、供給された液体燃料を気化供給する燃料電池が開示されている（特許文献１参照）。特許文献１の記載によれば、「このように燃料を気化して供給することで、燃料気化層内の気体燃料はほぼ飽和状態に保たれるので、電池反応による燃料気化層中の気体燃料の消費分だけ燃料浸透層から液体燃料が気化し、さらに気化分だけ液体燃料が毛管力によってセル内に導入される。このように、燃料供給量は燃料消費量に連動しているため、未反応で電池の外に排出される燃料は殆ど無く、従来の液体燃料電池のように、燃料出口側の処理系を必要としない。」との効果がうたわれている。【０００８】
また、本願発明者らは、特許文献１では燃料極で発生したＣＯ２ガスが燃料極と気液分離膜の間に溜まることで安定した発電が難しいという問題点を見出し、この問題を解決すべく、燃料極側部のシール材に排出口を設けて発生するＣＯ２ガスを効率よく排出することができる構造を備えた燃料電池、及び燃料電池システムとして提案した（特許文献２参照）。【０００９】
さらに、燃料のメタノール濃度を高めた場合には、燃料極でメタノールに対して水の供給が不足して出力を高くできないという課題があることも明らかになってきた。そこで、本願発明者らは、式（２）で示した酸素極で発生した生成水を燃料極に戻して利用する燃料電池、及び燃料電池システムを開発した。例えば、酸素極の上に撥水性多孔質体を具備することで酸素極の生成水の蒸散を抑制するＭＥＡ構造を備えた燃料電池、及び燃料電池システムを提案した。これにより、酸素極で精製された水の一部が燃料極に戻り、燃料極での水不足が解消されて出力を高くすることができる。【００１０】
以上のように、液体燃料を気化供給し、さらに、酸素極の生成水の蒸発を抑制する技術を用いることで、高濃度のメタノール燃料を用いても優れた発電特性が得られる。【００１１】
【特許文献１】特開２０００−１０６２０１号公報
【特許文献２】特開２００６−３１８７０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、これらの燃料電池が有するそれぞれの機能を果たす３つの各構成要素をそのまま組み合わせるだけではＭＥＡ構造が複雑になり、生産性が低くなるとともに、コストが上昇するという問題が起こりうる。また、各構成要素が個別になっているのでＭＥＡが外部に露出する部分が生じることで、内部で発生した生成水及び生成物が外部に放出され、長期的な発電特性及び保管特性が大幅に低下するおそれがある。【００１３】
本発明の第１の課題は、簡素な構造にして、生産性の向上と小型軽量化を実現する気化供給型燃料電池を提供することである。【００１４】
本発明の第２の課題は、外部への生成物の漏洩を低減して、発電特性の長期安定性及び保管特性を大幅に改善できる燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の第１の視点においては、固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に接して配された燃料極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に接して配された酸素極と、前記固体高分子電解質膜、前記燃料極、及び前記酸素極よりなる接合体を内包するとともに、液体を透過させず気体を透過させる気液分離膜と、を備えることを特徴とする。【００１６】
本発明の第２の視点においては、前記固体高分子型燃料電池において、前記接合体を直列または並列に接続したユニットを前記気液分離膜で内包したことを特徴とする。【００１７】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記気液分離膜の端面が封止され、前記接合体が前記気液分離膜の外部と遮蔽されていることが好ましい。【００１８】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記接合体は、折り返された１枚の前記気液分離膜によって内包され、前記気液分離膜の開放端部が封止されていることが好ましい。【００１９】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極及び前記酸素極は、端部から延在した電極端子部を有し、前記電極端子部は、前記気液分離膜の端部から前記気液分離膜の外部に露出していることが好ましい。【００２０】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極及び前記酸素極側に相対する前記気液分離膜の上に配設された細孔板を備えることが好ましい。【００２１】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極に相対する前記気液分離膜を通して前記燃料極に燃料が気化供給されることが好ましい。【００２２】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極の側面に位置する前記気液分離膜を通して前記燃料極からの反応生成物が排出されることが好ましい。【００２３】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極と前記酸素極が重ならない領域の前記固体高分子電解質膜の両面上に、前記燃料極と前記酸素極の厚み分のスペーサが設けられていることが好ましい。【００２４】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極側に配された前記スペーサは、前記燃料極からの反応生成物を排出するための開口部を有することが好ましい。【００２５】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記酸素極に相対する前記気液分離膜を通して前記酸素極に少なくとも酸素が供給されることが好ましい。【００２６】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、相対する前記酸素極と前記気液分離膜の間に保湿層を備えることが好ましい。【００２７】
本発明の前記固体高分子型燃料電池において、相対する前記燃料極と前記気液分離膜の間に撥水性又は親水性の多孔質体を備えることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
本発明によれば、気液分離膜で接合体を内包する簡素な構造によって気化供給型燃料電池が製造でき、生産性の向上と部材点数の削減により、小型軽量化を図ることが可能となる。また、気化供給型に必要な燃料極への気化供給、燃料極からのＣＯ２ガス排出、及び酸素極での生成水蒸発防止の３つの機能をひとつの部材で実現することができる。【００２９】
また、内包する１枚の気液分離膜で封止した構造となり、接合体内部で発生した液体状の生成物が外部に漏れる確率を低下させて燃料供給バランスを安定させることが可能となる。その結果として、非常に簡素な構造にもかかわらず、長期的に優れた発電特性及び保管特性を確保することが可能となる。【００３０】
また、液体生成物が外部に漏洩しない構造は、携帯電話やノートＰＣ等の電子機器に利用するにあたって、安全性や信頼性の面からもその効果は非常に大きいといえる。【００３１】
さらに、酸素極から燃料極への生成水の逆拡散がより促進することで長期的に安定した発電特性と保管特性を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００３３】
【図１】本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを模式的に示した工程平面図（ａ）および（ｂ）、及びその断面図（ｃ）および（ｄ）である。
【図２】本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの構成を模式的に示した展開斜視図である。
【図３】本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの組み立てた後の構成を模式的に示した断面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを直列に接続した直列ユニット型構造を模式的に示した平面図（気液分離膜を展開した状態）である。
【図５】本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを直列に接続した直列ユニット型構造を模式的に示した断面図（組立後の状態）である。
【図６】本発明の実施例１に係る固体高分子型燃料電池（単セル構造）の構成を模式的に示した工程平面図（ａ）および（ｂ）である。
【図７】本発明の実施例２に係る固体高分子型燃料電池（直列ユニット型構造）の構成を模式的に示した工程平面図（ａ）および（ｂ）である。
【図８】本発明の実施例３に係る固体高分子型燃料電池（単セル構造）の構成を模式的に示した工程平面図（ａ）および（ｂ）である。
【図９】本発明の実施例３に係る固体高分子型燃料電池（直列ユニット型構造）の構成を模式的に示した工程平面図（ａ）および（ｂ）である。
【図１０】実施例１、３及び比較例で作製した燃料電池セルを用いて定電流試験による長期的な発電試験を行った結果を模式的に示したグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを模式的に示した工程平面図及び断面図である。
図２は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの構成を模式的に示した展開斜視図である。図３は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの組み立てた後の構成を模式的に示した断面図である。なお、本発明は、これらの図面及び以下で説明する実施形態に限定されるものではない。【００３５】
固体高分子型燃料電池は、図１（ａ）及び（ｃ）に示すように、固体高分子電解質膜１を燃料極２と酸素極３で狭持して構成されたＭＥＡ１２（電解質膜−電極接合体；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を気液分離膜４で覆い、続けて図１（ｂ）及び（ｄ）に示すようにして、気液分離膜４の端面（周縁部）を封止したセル構造であり、基本的な概念である。【００３６】
ここで、固体高分子電解質膜１は、特に限定されないが、後述の実施例でも使用する市販のもの（例えば、ナフィオン）を用いることができる。燃料極２及び酸素極３は、図２、図３に示すように、いずれも、触媒を担持させた炭素粒子を含む触媒ペースト（触媒層２ｂ、及び３ｂ）を、多孔質基材である金属メッシュあるいはカーボンクロス等よりなる多孔質支持体２ａ、及び３ａの片側の面に塗布して作製される。作製された燃料極２及び酸素極３は触媒層２ｂ、及び３ｂ側が固体高分子電解質膜１側になるように配置され、固体高分子電解質膜１を燃料極２と酸素極３で挟持した状態で熱圧着することによりＭＥＡ１２が形成される。【００３７】
燃料極２及び酸素極３に用いる多孔質支持体２ａ、及び３ａには、集電の役割も果し、かつ、外部に電気を取り出せるようにするため、燃料極２及び酸素極３それぞれの端部の一部から外部に延在した電極端子部がそれぞれ設けられている。燃料極２及び酸素極３の電極端子部は、互いに重ならないようにすることが望ましい。燃料極２及び酸素極３は、図２、図３のように、より簡易な構造を確保するため多孔質支持体２ａ、及び３ａと触媒層２ｂ、及び３ｂで一体化することが望ましい。なお、燃料極２及び酸素極３の電極端子部には、触媒層２ｂ、及び３ｂが形成されていない。【００３８】
さらに、固体高分子電解質膜１は、燃料極２と酸素極３よりも大きめにして、燃料極２と酸素極３とが短絡しないようにするのが望ましい。【００３９】
燃料極２と酸素極３が重ならない領域の固体高分子電解質膜１の両面上には、燃料極２と酸素極３の厚み分のスペーサ５、及び６が設けられている。スペーサ５、及び６は、燃料極２、酸素極３の外周に配置され、燃料極２、酸素極３の電極端子部と重なる部分では燃料極２、酸素極３の電極端子部の気液分離膜４側の面に迂回して配置される。これによって、燃料極２と酸素極３との短絡を防止することができ、燃料極２と酸素極３を通して燃料が透過するのを相当に抑制することができる。スペーサ５、及び６は、後述するように燃料極２のガス排出口５ａとしての役割や、気液分離膜４と一体化する際の製造工程において必要となる。【００４０】
スペーサ５、及び６に用いる材料は、ある程度の絶縁性とシール性を有していれば特に限定されないが、例えばシリコンゴム、ＰＰＳ製などの樹脂、高分子多孔質体などを用いることができる。【００４１】
ここで、燃料極２側に用いるスペーサ５には、反応過程で燃料極２から発生したＣＯ２ガスを外部に排出するための排出口５ａが設けられている。排出口５ａは、スペーサ５を部分的に切り取るか、微小な貫通穴を設けることで形成することができる。なお、排出口５ａの開口率は、発電量（ＣＯ２ガスの発生量）に応じて適宜決めるものである。排出口５ａの開口位置は、４辺全てに形成してもよいが、気液分離膜４との一体化と、封止後の密閉性を高めるために封止しない１辺だけに形成することが望ましい。【００４２】
なお、スペーサ５、及び６に難燃性樹脂などの変形しにくい材料を用いる場合には、燃料極２及び酸素極３の電極端子部を気液分離膜４の外部に取り出すための開口部ないし切欠部を設けてもよい。このような開口部ないし切欠部は、燃料極２及び酸素極３の形状に応じてスペーサ５、６に溝を設けることで形成することができる。【００４３】
ここで、本実施形態で用いるＭＥＡの形状は、特に限定されず、上記に説明したひとつのＭＥＡ１２を何段にも直列に電気的に接合した直列ユニット型構造や、ＭＥＡ１２を並列に並べた並列ユニット型構造にもそのまま用いることができる。【００４４】
例えば、図４、図５は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを直列に接続した直列ユニット型構造を模式的に示した平面図（気液分離膜４を展開した状態）、及びその断面図（組立後の状態）である。ここで、ＭＥＡ１４ａの燃料極２と隣のＭＥＡ１４ｂの酸素極３とが燃料極−酸素極接続部材１３によって電気的に接続されている。ＭＥＡ１４ｂの燃料極２と隣のＭＥＡ１４ｃの酸素極３も燃料極−酸素極接続部材１３によって電気的に接続されている。この場合、最終端に集電のための電極端子部（ＭＥＡ１４ａの酸素極３の電極端子部、ＭＥＡ１４ｃの燃料極２の電極端子部）を設けておく必要がある。電極端子部は、気液分離膜４の端部から気液分離膜４の外部に露出している。また、固体高分子電解質膜１も燃料極２や酸素極３よりも大きめにしておき、燃料極２と酸素極３が重ならない領域の固体高分子電解質膜１の両面上にスペーサ５、及び６を配置する。この際、隣り合う燃料極２同士及び酸素極３同士が短絡しないように配置しなければならない。また、燃料極２側のスペーサ５には、ＣＯ２ガスの排出口５ａをＭＥＡ１４ａ、１４ｂ、及び１４ｃごとに設けておく。【００４５】
このように形成したＭＥＡ１２（スペーサ５、及び６を含む）を、折り返された１枚の気液分離膜４によって内包して、気液分離膜４の開放端部となるＭＥＡ１２の３辺を封止する（図１参照）。【００４６】
本実施形態において、気液分離膜４に用いる材料としては、化学的に安定なポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂などが挙げられるが、一般的に絶縁性であり必要な燃料供給量が確保できるものであれば特に制限されるものではない。【００４７】
ここで、本実施形態では発電部（ＭＥＡ１２とスペーサ５、及び６の組立体）を気液分離膜４で内包する際に、気液分離膜４に相対する酸素極３の面上に生成水の蒸発を抑制するために親水性の多孔質体等よりなる保湿材料（保湿層）を適宜、配置することもできる。その結果、簡素な構造でも保湿力を調整することが可能となる。ここで用いる保湿材料としては、繊維マット、親水性セルロース繊維、ガラス繊維等などが挙げられる。【００４８】
同様に、本実施形態では、燃料極２に相対する気液分離膜４を通して燃料極２に燃料が気化供給される。これにより発電が可能となる。また、気液分離膜４に相対する燃料極２の面上に燃料の透過能を抑制するため（燃料供給量や燃料濃度を調整するため）に撥水性または親水性の多孔質体を適宜、配置することもできる。撥水性の多孔質体として、例えば、ＰＴＦＥ多孔質体を用いることができる。親水性の多孔質体として、例えば、親水基（スルホン基）を有するスチレンジビニルベンゼン系膜、ナフィオン膜などを用いることができる。これによって、ＣＯ２ガスの排出口５ａに相対する気液分離膜４とのガス透過性を個別に調整することも可能となる。【００４９】
このように、気液分離膜４でＭＥＡ１２を内包する形態として図６（ａ）および（ｂ）に示した例が挙げられる。図６では、気液分離膜４（図６（ａ））を半分に折り畳んでＭＥＡ１２（スペーサ５、及び６を含む）を包み込み（図６（ｂ））、その後、気液分離膜４の開放端部となるＭＥＡ１２の３辺の外周にある接着部分４ａに接着剤などを用いて熱圧着して封止することによって発電部分が得られる。この場合、気液分離膜４の折り返し部分に、ＣＯ２ガスの排出口５ａに対応する排出口を設けることが望ましい。【００５０】
なお、発電部分をそのまま図３のように燃料タンク１０に取り付けて発電することが可能あるが、発電時の生成物発生によってＭＥＡ１２内部の内圧が上昇して気液分離膜４が膨張する問題が生じる。そこで、燃料極２及び酸素極３に相対する気液分離膜４に接するように細孔板８、及び９を設ける。これにより、この問題を解決することができる。【００５１】
細孔板８、及び９の開口率は、発電に必要な燃料供給が行えるように適宜決めることができるが、押さえ板の役割を果たせるように５０％以下であることが望ましい。また、燃料極２及び酸素極３の開口率はそれぞれ異なっていてもよい。細孔板８、及び９の材質として、燃料極２及び酸素極３と絶縁できるような材質そのもの、もしくは絶縁性を有する材料で表面が被覆されたものが望ましい。【００５２】
この細孔板８、及び９は、気液分離膜４に接着剤などで固定してもよいし、気液分離膜４で内包したＭＥＡ１２と燃料タンク１０などとともに熱圧着することで、燃料電池セルを製造することが可能である。このようにして、単ＭＥＡ１２を用いた燃料電池が得られる（図３参照）。【００５３】
図４、図５の例では、図７のように形成した気液分離膜４を用いて、半分に気液分離膜４（図７（ａ））を折り畳んでＭＥＡ１４（スペーサ５、及び６を含む）を包み込み（図７（ｂ））、その後、気液分離膜４の開放端部となるＭＥＡ１４の３辺の外周にある接着部分４ａに接着剤などを用いて熱圧着して封止することによって発電部分が得られる。その後、燃料極２及び酸素極３に相対する気液分離膜４に接するように細孔板８、及び９を設け、細孔板８側に燃料タンク１０を取り付ける。このようにして、直列ユニット型構造のＭＥＡ１４を用いた燃料電池が得られる（図５参照）。
【実施例】
【００５４】
（実施例１）
次に、本発明の実施例１に係る固体高分子型燃料電池について具体例を用いて説明する。図２、図３に示した単セル構造を有する固体高分子型燃料電池を以下の手順で作製する（図６参照）。【００５５】
酸素極３の作製について、まず、炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を重量比で５５％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子１ｇにデュポン社製の５重量％ナフィオン溶液（商品名；ＤＥ５２１、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標）を適量加え、攪拌して、酸素極用の触媒ペースト（酸素極触媒層３ｂに対応）を得る。この触媒ペーストを金属製の多孔質支持体３ａの上に１〜８ｍｇ／ｃｍ２の量で塗布した後、乾燥させて酸素極３を作製する。ここで、多孔質支持体３ａには、ＳＵＳ３１６Ｌ製の金属メッシュ（厚さ０．５ｍｍ、気孔率５０％）を用いている。また、金属メッシュの形状は、４×４ｃｍ２の正方形の端面に長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍの電極端子部が設けられており、この電極端子部以外の部分に触媒ペーストが塗布されている。【００５６】
燃料極２の作製について、燃料極２は、酸素極３の白金微粒子に代えて粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子を用いた場合以外は酸素極３用の触媒ペーストを得る条件と同じにして、燃料極２用の触媒ペースト（燃料極２の触媒層２ｂに対応）を得る。この触媒ペーストを用いた以外の構成は、酸素極３の作製条件と同じ条件で、燃料極２を作製している。【００５７】
次に、デュポン社製のナフィオン１１７からなる４．５ｃｍ×４．５ｃｍ×厚さ１８０マイクロｍの膜を固体高分子電解質膜１として用い、固体高分子電解質膜１の厚さ方向の一方の面に酸素極３を多孔質支持体３ａが外側となる向きで配置し、固体高分子電解質膜１の他方の面に燃料極２を多孔質支持体２ａが外側となる向きで配置してホットプレスする。これにより、酸素極３及び燃料極２が固体高分子電解質膜１に接合して、ＭＥＡ１２が得られる。【００５８】
次に、ＭＥＡ１２における固体高分子電解質膜１の両面の酸素極３及び燃料極２がない部分に、枠状でシリコンゴム（外寸法４５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、幅５ｍｍの矩形枠状）よりなるスペーサ５、及び６を取り付ける。さらに燃料極２側のスペーサ５の１辺に、幅２ｍｍ、長さ５ｍｍの大きさで３ケ所を切り取ったＣＯ２ガスの排出口５ａを形成する。【００５９】
次に、スペーサ５、及び６を取り付けたＭＥＡ１２を５０ｃｍ×９５ｃｍの大きさの気液分離膜４（厚さ１００マイクロｍ、細孔径１マイクロｍ、気孔率６０％のＰＴＦＥ多孔質膜）で図６（ａ）に示したように包み込む。この際、気液分離膜４をスペーサ５の排出口５ａを設けた部分にあてて半分に折り返して包み込む（図６（ｂ））。【００６０】
次に、ＭＥＡ１２（スペーサ５、及び６を含む）を包んだ気液分離膜４の開放端部３辺の幅２．５ｍｍの部分をポリイミド系接着剤を塗布して熱圧着で封止する。【００６１】
以上のようにして形成した発電部を、細孔板８、及び９（ＳＵＳ３１６Ｌ製、外形５ｃｍ×５ｃｍ、厚さ０．５ｍｍ、開口率３０％、細孔直径１ｍｍ）を燃料極２及び酸素極３の面上に配置して、燃料極２側の細孔板８側に燃料タンク１０をネジ止めして一体化し、最終的な燃料電池を得る。なお、液体燃料１１は、細孔板８と燃料タンク１０との間に設けたシリコンゴム製のシール材、細孔板８とこれに相対する気液分離膜４とで外部に漏れないようにシールされている。なお、気液分離膜４は、貫通しないようにネジ止めする。【００６２】
実施例１によれば、比較例（ＭＥＡの燃料極２、酸素極３、及びＣＯ２ガス排出口５ａに独立に気液分離膜４を配置するとともに、これらを燃料タンク１０にネジ止めして一体化し、ＣＯ２ガス排出口５ａに気液分離膜４を積層して燃料電池を形成したもの）と比較して、気液分離膜４を各箇所に個別に成型、取り付けするため工数が少なくなる。【００６３】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２に係る固体高分子型燃料電池について具体例を用いて説明する。図４、図５に示した直列ユニット型構造を有する固体高分子型燃料電池を以下の手順で作製する（図７参照）。【００６４】
まず、実施例１に記載した燃料極２及び酸素極３をそれぞれ３枚用意する。次に、デュポン社製のナフィオン１１７からなる１５ｃｍ×５ｃｍ×厚さ１８０マイクロｍの膜を固体高分子電解質膜１として用意する。固体高分子電解質膜１、燃料極２及び酸素極３を、図５で示したように、固体高分子電解質膜１の厚さ方向の一方の面に３枚の多孔質支持体２ａが外側となる向きで燃料極２を配置し、ホットプレスする。この際、隣り合う燃料極２同士が電気的な接点を持たないように、固体高分子電解質膜１に位置決めの枠を用いる。次に、燃料極２と固体高分子電解質膜１との接合体において、燃料極２の電極端子部に相対する固体高分子電解質膜１の部分に、燃料極２のない面側から直径２ｍｍの大きさの穴を形成する。次に、燃料極２が接合された固体高分子電解質膜１の燃料極２のない面に、隣り合う酸素極３同士が接しないように酸素極３を３枚配置して、再度ホットプレスする。【００６５】
以上のようにして形成された接合体における各ＭＥＡを電気的に接続するために、第１のＭＥＡの燃料極２と隣り合う第２のＭＥＡの酸素極３の電極端子部を抵抗溶接によって接続する。この際、各電極端子部に相対する固体高分子電解質膜１に形成された直径２ｍｍの穴を溶接する。このようにして、３つのＭＥＡからなる直列ユニット型構造のＭＥＡ１４を得る。【００６６】
次に、固体高分子電解質膜１が露出している部分を塞ぐようにポリプロピレン製多孔質体（気孔率５０％）よりなるスペーサ５、及び６を配置する。【００６７】
次に、ＭＥＡ１４（スペーサ５、及び６を含む）を、図７のように燃料極２側のスペーサ５に相対する方に接着部分が位置するように配置して（図７（ａ））、気液分離膜４で包み込む（図７（ｂ））。この際、気液分離膜４をスペーサ５の排出口５ａを設けた部分にあてて半分に折り返して包み込む。【００６８】
次に、燃料タンク（図５の１０参照）上に細孔板（図５の８参照）を配置して、細孔板（図５の８、９参照）におけるスペーサ５、及び６が重なる領域にポリイミド系接着剤を塗布して、最終的な発電セルの形態として燃料タンク（図５の１０参照）、細孔板（図５の８、９参照）、発電部を積層して熱圧着によって一体化する。【００６９】
（実施例３）
次に、本発明の実施例２に係る固体高分子型燃料電池について具体例を用いて説明する。図３に示した単セル構造を有する固体高分子型燃料電池を以下の手順で作製する。【００７０】
まず、ＭＥＡ１２（スペーサ５、及び６を含む）の作製について、実施例１と同様な手順で形成する。なお、実施例２では、スペーサ５、及び６にポリプロピレン製多孔質体（外寸法４５ｍｍ、厚さ０．５ｍｍ、幅５ｍｍの矩形枠状、気孔率５０％）を用いている。【００７１】
次に、スペーサ５、及び６を取り付けたＭＥＡ１２を、図８に示すような３辺に接着部分４ａとなる折り返し部分が形成された気液分離膜４で包み込み（図８（ａ））、接着部分４ａを燃料極２側のスペーサ５に相対する方に折り返して、接着部分４ａにポリイミド系接着剤を塗布して熱圧着で封止する（図８（ｂ））。【００７２】
次に、燃料タンク（図３の１０参照）上に細孔板（図３の８参照）を配置して、細孔板（図３の８、９参照）におけるスペーサ５、及び６が重なる領域にポリイミド系接着剤を塗布して、最終的な発電セルの形態として燃料タンク（図３の１０参照）、細孔板（図３の８、９参照）、発電部を積層して熱圧着によって一体化する。【００７３】
なお、図４、図５に示した直列ユニット型構造を有する固体高分子型燃料電池についても同様に、図９に示すような３辺に接着部分４ａとなる折り返し部分が形成された気液分離膜４で包み込み（図９（ａ））、接着部分４ａを燃料極２側のスペーサ５に相対する方に折り返して、接着部分４ａにポリイミド系接着剤を塗布して熱圧着で封止して（図９（ｂ））作製することができる。【００７４】
（実施例４）
次に、実施例１、３及び比較例に係る燃料電池セルの定電流試験について説明する。【００７５】
実施例１、３及び比較例で作製した燃料電池セルを用いて定電流試験による長期的な発電試験を行った結果を図１０に示す。燃料には、３０ｖｏｌ％メタノール水溶液１Ｌをダイアグラムポンプで１０ｍｌ／ｍｉｎの流量で循環した。また、５０時間ごとにポンプを一時的に止めて、随時燃料交換を行いながら試験を行った。【００７６】
その結果、実施例１、３では安定に発電できるのに対して、比較例（ＭＥＡの燃料極２、酸素極３、及びＣＯ２ガス排出口５ａに独立に気液分離膜４を配置するとともに、これらを燃料タンク１０にネジ止めして一体化し、ＣＯ２ガス排出口５ａに気液分離膜４を積層して燃料電池を形成したもの）では発電量が不安定であり、１００時間以上経過すると出力が不安定になり、また、出力の低下も大きいことがわかった。これは、スペーサ５、及び６（シール材）に用いたシリコンゴムが発電中に変質したために固定したネジが緩み、微小な燃料漏れが発生して、ネジ用貫通穴の部分からＭＥＡの燃料極２及び酸素極３に直接燃料が回りこんだために発電が不安定になったと考えられる。【００７７】
一方、ネジで固定されている実施例１でも、比較例と同様にネジの緩みが起こっていたが、電圧低下はみられなかった。これは、実施例１ではＭＥＡ１２を気液分離膜４で内包したことでわずかに液漏れした燃料が直接ＭＥＡに回り込まなかったためと考えられる。また、燃料タンク１０と完全一体化した実施例２ではこのような問題は起こらなかった。【００７８】
このように、本発明の実施例１、及び３を用いた気化供給型の燃料電池では、従来技術の組み合わせで構成した比較例と比較して、安定した発電特性が得られることがわかった。さらに、このような発電中の液漏れが発生しないので、保管特性も大幅に向上すると考えられる。【００７９】
（実施例５）
次に、実施例２に係る燃料電池セルの定電流試験について説明する。【００８０】
実施例２で作製した直列ユニット型構造の燃料電池を用いて、実施例４と同じ条件で定電流発電試験を行った。その結果、発電量は実施例３で作製した単ＭＥＡセルの約２．８倍となり、また、安定した発電が行えた。出力が単ＭＥＡの３倍にならないのは、接合部分の抵抗による電圧低下によると考えられる。このように本発明の直列ユニット型構造の燃料電池においても簡素な構造にもかかわらず、高い発電特性を得られる事がわかった。
【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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【国際調査報告】
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