(57)【要約】  燃料電池１０は、燃料極触媒層１１および燃料極触媒層１１の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層１２を備える燃料極、空気極触媒層１３および空気極触媒層１３の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層１４を備える空気極、および燃料極触媒層１１と空気極触媒層１３とに挟持された電解質膜１５から構成される膜電極接合体１６を備える。また、燃料極ガス拡散層１２の気孔率は、空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、
前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池において、
前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率の２０〜８０％であることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、
前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項３記載の燃料電池において、
前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率の２０〜８０％であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、
前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
請求項５記載の燃料電池において、
前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率の２０〜８０％であり、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率の２０〜８０％であることを特徴とする燃料電池。
【請求項７】
請求項１記載の燃料電池において、
液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項８】
請求項３記載の燃料電池において、
液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項９】
請求項５記載の燃料電池において、
液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１０】
請求項１記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１１】
請求項３記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１２】
請求項５記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１３】
請求項１０記載の燃料電池において、
前記液体燃料が、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または液体のメタノールであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１４】
請求項１１記載の燃料電池において、
前記液体燃料が、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または液体のメタノールであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１５】
請求項１２記載の燃料電池において、
前記液体燃料が、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または液体のメタノールであることを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
請求項１記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の空気極側に、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１７】
請求項３記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の空気極側に、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１８】
請求項５記載の燃料電池において、
前記膜電極接合体の空気極側に、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項１９】
請求項１６記載の燃料電池において、
前記保湿層の空気極側とは異なる側に、複数の空気導入口を有する表面層を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２０】
請求項１７記載の燃料電池において、
前記保湿層の空気極側とは異なる側に、複数の空気導入口を有する表面層を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２１】
請求項１８記載の燃料電池において、
前記保湿層の空気極側とは異なる側に、複数の空気導入口を有する表面層を具備することを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池、特に小型の液体燃料直接供給型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギ密度化の要求が強まっている。このため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。【０００３】
このような二次電池への要求に対して、例えば、リチウムイオン二次電池が開発されてきた。また、携帯電子機器のオペレーション時間は、さらに増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池では、材料の観点からも構造の観点からもエネルギ密度の向上はほぼ限界にきており、更なる要求に対応できなくなりつつある。【０００４】
このような状況のもと、リチウムイオン二次電池に代わって、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（ＤＭＦＣ；Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、水素ガスを使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。【０００５】
ＤＭＦＣでは、燃料極においてメタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成される。一方、空気極では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる。【０００６】
ＤＭＦＣにおいては、このような構成で発電を進めるために、メタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロワが補器として備えられ、システムとして複雑な形態を成したＤＭＦＣが開発されてきた。そのため、この構造のＤＭＦＣでは、小型化を図ることは難しかった。【０００７】
そこで、メタノールをポンプで供給するのではなく、メタノール収容室と発電素子の間にメタノールの分子を通す膜を設け、メタノールを透過させる代わりに、メタノール収容室を発電素子の近傍まで近づけることで小型化が進められた。また、例えば、ＷＯ２００５／１１２１７２公報には、空気の取り入れについては、ブロワを用いず、発電素子に直接取り付けた吸気口を設置することで、小型ＤＭＦＣを構築する技術が開示されている。しかし、このような小型ＤＭＦＣは、機構が簡略化された代わりに、温度などの外部環境要因の影響を受けた場合、発電素子に一定量のメタノールを送ることが難しくなっている。このため、出力を安定して高く発現することが困難となっていた。【０００８】
また、特開２００４−１７１８４４公報には、このようなメタノールの供給量を制御するために、燃料収容室部分と負極の間に多孔体を設置し、メタノール供給量を絞る技術が開示されている。【０００９】
しかしながら、上記した従来の燃料電池の構成では、機構が簡略化された代わりに、反応によって生成した水が燃料に混入して燃料濃度が低下し、発電素子に一定濃度の燃料を供給することが難しかった。このため、出力を安定して高く発現することが困難であった。
【特許文献１】ＷＯ２００５／１１２１７２公報
【特許文献２】特開２００４−１７１８４４公報
【発明の開示】
【００１０】
そこで、本発明の目的は、燃料濃度の低下を抑制しながら燃料極に燃料を供給することができ、長期の連続使用において安定した出力を維持できる燃料電池を提供することである。
【００１１】
本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１２】
また、本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１３】
さらに、本発明の一態様によれば、燃料極触媒層および前記燃料極触媒層の一方の面に面して設けられた燃料極ガス拡散層を備える燃料極、空気極触媒層および前記空気極触媒層の一方の面に面して設けられた空気極ガス拡散層を備える空気極、および前記燃料極触媒層と前記空気極触媒層とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体を具備する燃料電池であって、前記燃料極ガス拡散層の気孔率が、前記空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく、かつ前記燃料極触媒層の気孔率が、前記空気極触媒層の気孔率よりも小さいことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１４】
また、本発明の燃料電池は、液体燃料を収容し、前記液体燃料の気化成分を導出するための開口を有する液体燃料収容室と、前記液体燃料収容室の開口を塞ぐように配設され、前記液体燃料の気化成分を前記燃料極の燃料極ガス拡散層に向かって透過させる気液分離膜とを具備してもよい。
【００１５】
また、本発明の燃料電池は、前記膜電極接合体の燃料極側に配置され、前記燃料極の燃料極ガス拡散層に燃料を分配して供給する燃料分配機構と、液体燃料を収容し、前記燃料分配機構と流路を介して接続された燃料収容部とを具備してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池の断面を模式的に示した図である。
【図２】本発明に係る一実施の形態の他の構成の直接メタノール型の燃料電池の断面を模式的に示した図である。
【図３】燃料分配機構の構成を模式的に示す斜視図である。
【符号の説明】
【００１７】
１０…燃料電池、１１…燃料極触媒層、１２…燃料極ガス拡散層、１３…空気極触媒層、１４…空気極ガス拡散層、１５…電解質膜、１６…膜電極接合体、１７…燃料極導電層、１８…空気極導電層、１９…燃料極シール材、２０…空気極シール材、２１…液体燃料収容室、２２…気液分離膜、２３、２５…フレーム、２４…気化燃料収容室、２６…保湿層、２７…表面カバー層、２８…空気導入口。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の一実施の形態について図を参照して説明する。【００１９】
図１は、本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池１０の断面を模式的に示した図である。【００２０】
図１に示すように、燃料電池１０は、燃料極触媒層１１および燃料極ガス拡散層１２からなる燃料極と、空気極触媒層１３および空気極ガス拡散層１４からなる空気極と、燃料極触媒層１１と空気極触媒層１３との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１５とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）１６を起電部として備えている。【００２１】
燃料極触媒層１１および空気極触媒層１３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の単体金属、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。具体的には、燃料極触媒層１１として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなど、空気極触媒層１３として、白金やＰｔ−Ｎｉなどを用いることが好ましいが、これらに限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒、あるいは無担持触媒を使用してもよい。【００２２】
また、燃料極触媒層１１および空気極触媒層１３は、所定の気孔率を有して構成され、燃料極触媒層１１の気孔率は、空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定されている。具体的には、燃料極触媒層１１の気孔率は、空気極触媒層１３の気孔率の２０〜８０％であり、好ましくは、４０〜７０％、さらに好ましくは５０〜７０％である。ここで、空気極触媒層１３の気孔率に対する燃料極触媒層１１の気孔率の割合をこの範囲に設定するのは、この割合が２０％よりも小さい場合には、燃料極触媒層１１自体へのメタノール燃料浸透性が低下し、改質反応が促進されないからである。また、この割合が８０％より大きい場合には、気化したメタノール燃料が燃料極触媒層１１を透過し、電解質膜１５も透過して空気極触媒層１３までクロスオーバーしてしまい、不要な反応を起こして出力電位を下げてしまうためである。また、一方で電解質膜１５を透過してきた水が燃料極ガス拡散層１２を通過し、その後気化して液体燃料収容室２１に混入してしまうからである。【００２３】
電解質膜１５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、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などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。【００２４】
燃料極触媒層１１に積層された燃料極ガス拡散層１２は、燃料極触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層１１の集電体も兼ねている。一方、空気極触媒層１３に積層された空気極ガス拡散層１４は、空気極触媒層１３に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、空気極触媒層１３の集電体も兼ねている。【００２５】
また、燃料極ガス拡散層１２および空気極ガス拡散層１４は、ガスを通過させるため、多孔質体からなる公知の導電性材料で構成される。燃料極ガス拡散層１２および空気極ガス拡散層１４は、例えば、カーボンペーパー、カーボン織布などで構成されるが、これらに限定されるものではない。例えば、燃料極ガス拡散層１２や空気極ガス拡散層１４は、気孔率を調整することができる材料で構成されることが好ましく、例えば圧縮することで体積、すなわち密度を変化させることが可能なカーボンペーパーなどを用いることが好ましい。また、燃料極ガス拡散層１２の気孔率は、空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定されている。具体的には、燃料極ガス拡散層１２の気孔率は、空気極ガス拡散層１４の気孔率の２０〜８０％であり、好ましくは、４０〜７０％、さらに好ましくは５０〜７０％である。ここで、空気極ガス拡散層１４の気孔率に対する燃料極ガス拡散層１２の気孔率の割合をこの範囲に設定するのは、この割合が２０％よりも小さい場合には、燃料極ガス拡散層１２を介して適量の気化燃料を燃料極触媒層１１に供給することが困難となるからである。また、この割合が８０％より大きい場合には、気化したメタノール燃料が過剰に燃料極触媒層１１に供給されてしまい、過剰なメタノール燃料が燃料極触媒層１１を透過し、電解質膜１５も透過して空気極触媒層１３までクロスオーバーしてしまい、不要な反応を起こして出力電位を下げてしまうためである。また、一方で電解質膜１５を透過してきた水が燃料極ガス拡散層１２を通過し、その後気化して液体燃料収容室２１に混入してしまうからである。【００２６】
なお、燃料極触媒層１１の気孔率を、空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定した場合においても、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を、空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定してもよい。【００２７】
また、燃料極ガス拡散層１２には、燃料極導電層１７が積層され、空気極ガス拡散層１４には、空気極導電層１８が積層されている。燃料極導電層１７および空気極導電層１８は、例えば、白金、金などの貴金属、ニッケル、ステンレス鋼などの耐食性金属などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体を用いることが好ましく、また、金やカーボンなどの導電性材料を異種金属で表面処理した材料、銅やステンレス鋼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可能である。なお、燃料極導電層１７および空気極導電層１８は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。【００２８】
また、燃料極導電層１７と電解質膜１５との間には、矩形枠状を有する燃料極シール材１９が配置されるとともに、燃料極触媒層１１および燃料極ガス拡散層１２の周囲を囲んでいる。一方、空気極導電層１８と電解質膜１５との間には、矩形枠状を有する空気極シール材２０が配置されるとともに、空気極触媒層１３および空気極ガス拡散層１４の周囲を囲んでいる。燃料極シール材１９および空気極シール材２０は、例えば、ゴム製のＯリングなどで構成され、膜電極接合体１６からの燃料漏れおよび酸化剤漏れを防止している。なお、燃料極シール材１９および空気極シール材２０の形状は、矩形枠状に限られず、燃料電池１０の外縁形に対応するように適宜に構成される。【００２９】
また、図１に示すように、液体燃料Ｆを収容する液体燃料収容室２１の開口部を覆うように、気液分離膜２２が配設されている。この気液分離膜２２上には、燃料電池１０の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム２３（ここでは矩形のフレーム）が配置されている。そして、このフレーム２３上には、上記した燃料極導電層１７および空気極導電層１８を備えた膜電極接合体１６が、燃料極導電層１７がフレーム２３上となるように積層配置されている。ここで、フレーム２３は、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。【００３０】
また、液体燃料収容室２１に貯留される液体燃料Ｆは、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。また、純メタノールの純度は、９５重量％以上１００重量％以下にすることが好ましい。また、液体燃料Ｆの気化成分とは、液体燃料Ｆとして液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。【００３１】
また、気液分離膜２２、燃料極導電層１７およびフレーム２３で囲まれた空間である気化燃料収容室２４は、気液分離膜２２を透過してきた液体燃料Ｆの気化成分を一時的に収容し、さらに気化成分における燃料の濃度分布を均一にする空間として機能する。【００３２】
また、上記した気液分離膜２２は、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を燃料極触媒層１１側に透過させるものである。この気液分離膜２２は、液体燃料Ｆに対して不活性で溶解しない材料でシート状に構成され、具体的には、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（例えば、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）微多孔膜などの材料で構成される。なお、気液分離膜２２は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。【００３３】
一方、空気極導電層１８上には、燃料電池１０の外縁形に対応した形状で構成されたフレーム２５（ここでは矩形のフレーム）を介して、保湿層２６が積層されている。また、保湿層２６上には、表面層として機能し、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口２８が複数個形成された表面カバー層２７が積層されている。この表面カバー層２７は、膜電極接合体１６を含む積層体を加圧して、その密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属で形成される。また、フレーム２５は、上記したフレーム２３と同様に、電気絶縁材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）のような熱可塑性ポリエステル樹脂などで形成される。【００３４】
また、保湿層２６は、空気極触媒層１３において生成した水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制する役割をなすとともに、空気極ガス拡散層１４に酸化剤を均一に導入することにより、空気極触媒層１３への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての機能も有している。この保湿層２６は、例えば、ポリエチレン多孔質膜などの材料で構成され、その最大の孔径が２０〜５０μｍ程度の膜が使用される。最大の孔径をこの範囲とするのは、孔径が２０μｍより小さい場合には空気透過量が低下するためであり、５０μｍより大きい場合には水分蒸発が過多となるからである。なお、浸透圧現象による空気極触媒層１３側から燃料極触媒層１１側への水の移動は、保湿層２６上に設置された表面カバー層２７における空気導入口２８の個数やサイズを変えて、開口部の面積などを調整することで制御することができる。【００３５】
なお、燃料電池１０の構成は、上記した構成に限られるものではなく、例えば、燃料極導電層１７とフレーム２３との間に疎水性の多孔膜を設けてもよい。この多孔膜を設けることで、多孔膜を介する燃料極ガス拡散層１２側から気化燃料収容室２４側への水の侵入を防止することができる。具体的な多孔膜の材料として、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、撥水化処理したシリコーンシートなどが挙げられる。【００３６】
また、この気液分離膜２２のさらに液体燃料収容室２１側に、気液分離膜２２と同様の気液分離機能を有し、さらに燃料の気化成分の透過量を調整する透過量調整膜を設けてもよい。この透過量調整膜による気化成分の透過量の調整は、透過量調整膜に設けられた開孔部の径を調整して行われる。この透過量調整膜は、例えば、ポリエチレンテレフタレートなどの材料で構成することができる。この透過量調整膜を設けることで、燃料極触媒層１１側に供給される燃料の気化成分の供給量を調整することができる。【００３７】
次に、上記した燃料電池１０における作用について説明する。【００３８】
液体燃料収容室２１内の液体燃料Ｆ（例えば、メタノール水溶液）が気化し、気化したメタノールと水蒸気の混合気は、気液分離膜２２を透過し、気化燃料収容室２４に一旦収容され、濃度分布が均一にされる。気化燃料収容室２４に一旦収容された混合気は、燃料極導電層１７を通過し、さらに燃料極ガス拡散層１２で拡散され、燃料極触媒層１１に供給される。燃料極触媒層１１に供給された混合気は、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …式（１）【００３９】
なお、液体燃料Ｆとして、純メタノールを使用した場合には、液体燃料収容室２１からの水蒸気の供給がないため、空気極触媒層１３で生成した水や電解質膜１５中の水などがメタノールと上記した式（１）の内部改質反応を生じるか、または上記した式（１）の内部改質反応によらず、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る。【００４０】
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜１５を伝導し、空気極触媒層１３に到達する。表面カバー層２７の空気導入口２８から取り入れられた空気は、保湿層２６、空気極導電層１８、空気極ガス拡散層１４を拡散して、空気極触媒層１３に供給される。空気極触媒層１３に供給された空気は、次の式（２）に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）【００４１】
この反応によって空気極触媒層１３中に生成した水は、空気極ガス拡散層１４を拡散して保湿層２６に到達し、一部の水は、保湿層２６上に設けられた表面カバー層２７の空気導入口２８から蒸散されるが、残りの水は保湿層２６に一旦停滞し、空気極ガス拡散層１４を通過して空気極触媒層１３に達する。さらに、式（２）の反応が進行すると、生成される水量が増し、空気極触媒層１３中の水分貯蔵量が増加する。この場合には、式（２）の反応の進行に伴って、空気極触媒層１３の水分貯蔵量が、燃料極触媒層１１の水分貯蔵量よりも多い状態となる。その結果、浸透圧現象によって、空気極触媒層１３に生成した水が、電解質膜１５を通過して燃料極触媒層１１に移動する現象が促進される。そのため、燃料極触媒層１１への水分の供給を液体燃料収容室２１から気化した水蒸気のみに頼る場合に比べて、水分の供給が促され、前述した式（１）におけるメタノールの内部改質反応を促進させることができる。【００４２】
また、一般に、空気極側から燃料極側に透過した水の一部は、燃料極ガス拡散層１２を通過して、水蒸気となり気液分離膜２２を透過して液体燃料収容室２１内に流入する。液体燃料収容室２１内に流入する水の量が多いと、液体燃料収容室２１内のメタノール濃度の低下などを引き起こし、結果として燃料極触媒層１１へのメタノール供給量が不足して出力劣化を生じる。しかしながら、本発明では、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定することで、電解質膜１５を透過してきた水が、燃料極ガス拡散層１２を通過し難くなるため、燃料極ガス拡散層１２より液体燃料収容室２１側で生じる燃料濃度の低下が抑制される。また、燃料極内には、式（２）の反応を進行させるための水を留めることができるので、燃料極ガス拡散層１２を透過してきた気化したメタノールとの化学反応を維持することができる。そのため、長期間に亘り安定した出力密度を維持することが可能となる。【００４３】
一方、空気極においては、空気極触媒層１３で生じる反応に必要な酸素を空気中から多く取り込む必要がある。本発明では、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定することで、前述した式（２）における反応に十分な量の酸素が供給される。これによっても、長期間に亘り安定した出力密度を維持することが可能となる。【００４４】
また、液体燃料Ｆとして、メタノールの濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールを使用する場合でも、空気極触媒層１３から燃料極触媒層１１に移動してきた水を内部改質反応に使用することができるので、燃料極触媒層１１への水の供給を安定して行うことが可能となる。これによって、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低下することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料収容室２１の小型化を図ることも可能である。【００４５】
なお、ここでは、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定した場合について説明したが、燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定した場合についても同様の効果が得られる。さらに、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定し、かつ燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定した場合についても同様の効果が得られる。【００４６】
上記したように、一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池１０によれば、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定すること、および／または燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定することで、空気極で生成された水を燃料極内に留めることができ、燃料極ガス拡散層１２より液体燃料収容室２１側にこの水が侵入するのを抑制することができる。これによって、燃料極ガス拡散層１２より液体燃料収容室２１側で生じる燃料濃度の低下を抑制することができ、燃料極触媒層１１へ所定の濃度の燃料を供給することができるので、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。【００４７】
また、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定すること、および／または燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定することで、空気極触媒層１３で生じる反応に十分な量の酸素を供給することができ、これによっても、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。【００４８】
なお、上記した実施の形態では、液体燃料に、メタノール水溶液、または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料は、これらに限られるものではない。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、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。また、燃料電池はアクティブ型の燃料電池、さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができ、パッシブ型の燃料電池を用いた場合と同様の作用効果が得られる。【００４９】
次に、上記した膜電極接合体１６を備える、本発明に係る一実施の形態の直接メタノール型の燃料電池の他の構成について図２および図３を参照して説明する。【００５０】
図２は、本発明に係る一実施の形態の他の構成の直接メタノール型の燃料電池１００の断面を模式的に示した図である。図３は、燃料分配機構１３０の構成を模式的に示す斜視図である。なお、上記した一実施の形態の燃料電池１０の構成と同一の構成部分には同一の符号を付して重複する説明を省略または簡略する。【００５１】
図２に示すように、膜電極接合体１６は、燃料極触媒層１１および燃料極ガス拡散層１２からなる燃料極と、空気極触媒層１３および空気極ガス拡散層１４からなる空気極と、燃料極触媒層１１と空気極触媒層１３との間に挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１５とから構成される。【００５２】
電解質膜１５と後述する燃料分配機構１３０の間には、燃料極シール材１９が、電解質膜１５と表面カバー層２７との間には、空気極シール材２０が介在されており、これらによって膜電極接合体１６からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、表面カバー層２７には、酸化剤である空気を取入れるための空気導入口２８が形成されている。表面カバー層２７と空気極１１１との間には、必要に応じて保湿層等が配置される。保湿層は、空気極触媒層１３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、空気極触媒層１３への空気の均一拡散を促進するものである。【００５３】
なお、膜電極接合体１６を構成する各層の材料、燃料極シール材１９、空気極シール材２０、表面カバー層２７などを構成する材料は、前述した一実施の形態の燃料電池１０を構成するそれぞれに対応する材料と同じである。【００５４】
膜電極接合体１６の燃料極側には、燃料分配機構１３０が配置されている。燃料分配機構１３０には、配管のような燃料の流路１３１を介して燃料収容部１３２が接続されている。【００５５】
燃料収容部１３２には、膜電極接合体１６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。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１３２には燃料電池１００に応じた燃料が収容される。【００５６】
燃料分配機構１３０には、燃料収容部１３２から流路１３１を介して液体燃料Ｆが導入される。流路１３１は、燃料分配機構１３０や燃料収容部１３２と独立した配管で構成されることに限られるものではない。例えば、燃料分配機構１３０と燃料収容部１３２とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。燃料分配機構１３０は、流路１３１を介して燃料収容部１３２と接続されていればよい。【００５７】
ここで、図３に示すように、燃料分配機構１３０は、液体燃料Ｆが流路１３１を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口１３３と、液体燃料Ｆやその気化成分を排出する複数個の燃料排出口１３４とを有する燃料分配板１３５を備えている。また、図２に示すように、燃料分配板１３５の内部には、燃料注入口１３３から導かれた液体燃料Ｆの通路となる空隙部１３６が設けられている。複数の燃料排出口１３４は、燃料通路として機能する空隙部１３６にそれぞれ直接連通している。【００５８】
燃料注入口１３３から燃料分配機構１３０に導入された液体燃料Ｆは、燃料通路として機能する空隙部１３６に流入し、空隙部１３６を介して複数の燃料排出口１３４のそれぞれに導かれる。複数の燃料排出口１３４には、例えば燃料の気化成分のみを透過し、液体成分を透過しない気液分離体（図示しない）を配置してもよい。これによって、膜電極接合体１６の燃料極１１０には、燃料の気化成分が供給される。なお、気液分離体は、燃料分配機構１３０と燃料極１１０との間に気液分離膜として設置してもよい。液体燃料Ｆの気化成分は、複数の燃料排出口１３４から燃料極１１０に向けて排出される。【００５９】
燃料排出口１３４は、膜電極接合体１６の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板１３５の燃料極１１０と接する面に複数設けられている。燃料排出口１３４の個数は２個以上であればよいが、膜電極接合体１６の面内における燃料供給量を均一化するために、０．１〜１０個／ｃｍ２の燃料排出口１３４が存在するように形成することが好ましい。【００６０】
燃料分配機構１３０と燃料収容部１３２の間を接続する流路１３１には、ポンプ１３７が挿入されている。このポンプ１３７は、液体燃料Ｆを循環される循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部１３２から燃料分配機構１３０へ液体燃料Ｆを移送する燃料供給ポンプである。このようなポンプ１３７で必要時に液体燃料Ｆを送液することによって、燃料供給量の制御性を高める。この場合、ポンプ１３７としては、少量の液体燃料Ｆ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。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、液体燃料Ｆ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。【００６１】
このような構成において、燃料収容部１３２に収容された液体燃料Ｆは、ポンプ１３７により流路１３１に移送され、燃料分配機構１３０に供給される。そして、燃料分配機構１３０から放出された燃料は、膜電極接合体１６の燃料極１１０に供給される。以後の作用は前述した燃料電池１０における作用と同じである。【００６２】
なお、燃料分配機構１３０から膜電極接合体１６へ燃料の供給を行うことができる構成であれば、ポンプ１３７に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合、燃料遮断バルブは、流路１３１による液体燃料Ｆの供給を制御するために設けられる。【００６３】
この膜電極接合体１６を備える他の構成を有する燃料電池１００においても、前述した一実施の形態の燃料電池１０における作用効果と同様の作用効果が得られる。【００６４】
次に、燃料極ガス拡散層１２の気孔率を空気極ガス拡散層１４の気孔率よりも小さく設定され、および／または燃料極触媒層１１の気孔率を空気極触媒層１３の気孔率よりも小さく設定された燃料電池１０において、優れた出力特性が得られることを以下の実施例で説明する。【００６５】
（実施例１）
本発明に係る燃料電池を次のように作製した。
まず、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）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。なお、こ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、この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結果、４０．５％であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層として用いた。【００６６】
また、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である圧縮加工されたカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。この燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、７４.２％であった。【００６７】
次に、白金担持グラファイト粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、８８．１％であった。なお、上記材料密度はアルキメデス法により求めた。【００６８】
電解質膜として、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と空気極を触媒層が電解質膜側になるように重ね合わせ、温度が１２０℃、圧力が４０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスした。続いて、電解質膜の空気極を重ね合わせたのと逆の面に触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度が１２０℃、圧力が１０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。【００６９】
続いて、この膜電極接合体を、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金箔で挟み、燃料極導電層および空気極導電層を形成した。【００７０】
上記した膜電極接合体（ＭＥＡ）、燃料極導電層、空気極導電層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、膜電極接合体の空気極側と一方のフレームとの間、膜電極接合体の燃料極側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。【００７１】
また、燃料極側のフレームは、気液分離膜を介して、液体燃料収容室にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上には、気孔率が２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。この保湿層上には、空気取り入れのための空気導入口（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー層を形成し、ネジ止めによって固定した。【００７２】
上記したように形成された燃料電池の液体燃料収容室に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定した。また、表面層の表面に取り付けた熱電対によって、燃料電池の表面温度の最大値を測定した。【００７３】
測定の結果、出力の最大値は、１２．２ｍＷ／ｃｍ２であり、燃料電池の表面温度の最大値は、３２．４℃であった。【００７４】
さらに、燃料電池の液体燃料収容室に純メタノールを１５ｍｌ注入し、電圧を０．３Ｖに規定して連続運転し、電流密度を測定することによって、連続運転時間に対する出力変化を測定した。その結果、６０時間後の出力低下率は、８．１％であった。なお、６０時間後の出力低下率とは、運転開始時における出力に対する６０時間後に運転開始時よりも低下した出力の割合である。【００７５】
このＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだＭＥＡについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ１０点測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が６８．８％、空気極触媒層が６２．１％であった。【００７６】
（実施例２）
実施例２で使用された燃料電池の作製において、まず、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。【００７７】
続いて、燃料極触媒層上にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シートを配置し、その上に厚さ０．５ｍｍのシリコーンゴムシートを配置して、平板プレスで圧縮した。その結果、燃料極触媒層の厚さが２／３程度となり、燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、６６．４％であった。なお、この平板プレスにおいて、燃料極ガス拡散層の厚さは変化しなかった。【００７８】
次に、白金担持グラファイト粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法、材料密度および測定重量より計算した結果、８７．２％であった。【００７９】
電解質膜として、固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、この電解質膜を空気極と燃料極で触媒塗布層が電解質膜側になるよう挟み込み、温度が１２０℃、圧力が４０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。それ以外の構成は、実施例１の燃料電池の構成と同じである。【００８０】
また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および６０時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。【００８１】
測定の結果、出力の最大値は、１１．８ｍＷ／ｃｍ２であり、燃料電池の表面温度の最大値は、３１．５℃であった。また、６０時間後の出力低下率は、９．２％であった。【００８２】
このＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだＭＥＡについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ１０点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が３８．８％、空気極触媒層が６７．４％であった。【００８３】
（実施例３）
実施例３で使用された燃料電池の作製において、まず、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を平板プレスにて圧縮した。このカーボンペーパーの圧縮後の気孔率は、外形寸法と測定重量により計算した結果、４０．３％であった。このカーボンペーパーを燃料極ガス拡散層として用いた。続いて、白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを燃料極ガス拡散層である圧縮加工されたカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温乾燥して燃料極触媒層を形成し、燃料極を作製した。【００８４】
続いて、燃料極触媒層上にＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シートを配置し、その上に厚さ０．５ｍｍのシリコーンゴムシートを配置して、平板プレスで圧縮した。その結果、燃料極触媒層の気孔率は、塗膜寸法と材料密度、測定重量により計算した結果、６５．５％であった。なお、この平板プレスにおいて、燃料極ガス拡散層の厚さは変化しなかった。【００８５】
次に、白金担持グラファイト粒子とＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合してスラリを作製し、これを空気極ガス拡散層である気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）の一方の面に塗布した。そして、これを常温で乾燥して空気極触媒層を形成し、空気極を作製した。この空気極触媒層の気孔率は、塗膜寸法、材料密度および測定重量より計算した結果、８８．０％であった。【００８６】
電解質膜として、固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、この電解質膜を空気極と燃料極で触媒塗布層が電解質膜側になるよう挟み込み、温度が１２０℃、圧力が４０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、膜電極接合体（ＭＥＡ）を作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。それ以外の構成は、実施例１の燃料電池の構成と同じである。【００８７】
また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および６０時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。【００８８】
測定の結果、出力の最大値は、１１．７ｍＷ／ｃｍ２であり、燃料電池の表面温度の最大値は、３１．２℃であった。また、６０時間後の出力低下率は、８．３％であった。【００８９】
このＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだＭＥＡについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ１０点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が３８．１％、空気極触媒層が６９．５％であった。【００９０】
（比較例１）
比較例１で使用された燃料電池の構成は、気孔率が７５％のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を燃料極ガス拡散層に用いたこと以外は、実施例１の燃料電池の構成と同じである。【００９１】
また、出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および６０時間後の出力低下率の測定方法および測定条件は、実施例１における測定方法および測定条件と同じである。【００９２】
測定の結果、出力の最大値は、１２ｍＷ／ｃｍ２であり、燃料電池の表面温度の最大値は、３８．６℃であった。また、６０時間後の出力低下率は、２０．５％であった。また、比較例１で使用された燃料電池では、燃料の消費が速く、液体燃料収容室の燃料が空となるまでの時間が短かった。【００９３】
このＭＥＡをセルから取り出し、切断して断面が見えるようにして、樹脂に埋め込んだ。この樹脂に埋め込んだＭＥＡについて、断面が平面になるよう研磨し、電子顕微鏡で観察した。その結果から、燃料極触媒層と空気触媒層の厚さをそれぞれ１０点程度測定し、平均厚さを求めた。この厚さ、材料密度および測定重量から触媒層の気孔率を算出したところ、燃料極触媒層が６９．２％、空気極触媒層が６３．３％であった。【００９４】
（実施例および比較例の測定結果の検討）
表１には、上記した実施例１〜実施例３および比較例１の測定結果を示す。【００９５】
【表１】
2008068887.tif 000003
【００９６】
表１に示された測定結果から、出力の最大値は、実施例１〜実施例３および比較例１ともに大きな差はなかった。また、燃料電池の表面温度の最大値は、比較例１における温度が若干高いが、実施例１〜実施例３における温度と大きな差はなかった。【００９７】
６０時間後の出力低下率は、実施例１〜実施例３よりも比較例１の方が大きな値を示した。比較例１において６０時間後の出力低下率が高いのは、比較例１の燃料電池では、空気極側から燃料極側に透過した水の一部が、燃料極ガス拡散層を通過して水蒸気となり、気液分離膜を透過して液体燃料収容室内に流入し、液体燃料収容室内のメタノール濃度が低下したためと考えられる。一方、本発明に係る実施例１〜実施例３において６０時間後の出力低下率が低いのは、実施例１〜３の燃料電池では、燃料極ガス拡散層の気孔率を空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく設定すること、および／または燃料極触媒層の気孔率を空気極触媒層の気孔率よりも小さく設定することで、空気極側から燃料極側に透過した水の一部が、燃料極ガス拡散層を通過するのを抑制し、液体燃料収容室内のメタノール濃度の低下が抑制されたためと考えられる。また、本発明に係る燃料電池において、優れた出力特性が得られることがわかった。【００９８】
なお、結果は表記していないが、実施例１〜実施例３および比較例１の燃料電池において、燃料極導電層の液体燃料収容室側の表面に疎水性を有するポリテトラフルオロエチレンからなる多孔膜を設けた場合においても、上記した各実施例および比較例における出力の最大値、燃料電池の表面温度の最大値および６０時間後の出力低下率の測定結果と同様の傾向を示す測定結果が得られた。【００９９】
また、ここではパッシブ型ＤＭＦＣを用いた一例を示したが、パッシブ型に限らず反応によって生成した水を燃料極側で利用する構造のものであれば、何らその燃料電池の方式について限定されるものではない。【０１００】
なお、本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。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わせにより、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。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。【０１０１】
また、膜電極接合体（ＭＥＡ）へ供給される液体燃料の蒸気においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の態様に係る燃料電池によれば、燃料極ガス拡散層の気孔率を空気極ガス拡散層の気孔率よりも小さく設定すること、および／または燃料極触媒層の気孔率を空気極触媒層の気孔率よりも小さく設定することで、空気極で生成された水を燃料極内に留めることができ、燃料極ガス拡散層より液体燃料収容室側にこの水が侵入するのを抑制することができる。これによって、燃料極ガス拡散層より液体燃料収容室側で生じる燃料濃度の低下を抑制することができ、燃料極触媒層へ所定の濃度の燃料を供給することができるので、連続運転による燃料電池の出力低下を抑えることができる。本発明の態様に係る燃料電池は、例えば、液体燃料直接供給型の燃料電池等に有効に利用される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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