(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも空気極側集電層と、空気極触媒層と、高分子電解質膜と、燃料極触媒層と、燃料極側集電層と、濃度１７Ｍ以上のメタノール水溶液である液体燃料を収容する液体燃料貯留槽とを備えると共に、該液体燃料貯留槽を上方、前記空気極側集電層及び空気極触媒層を下方に配置し、前記燃料極側集電層と前記液体燃料貯留槽との間に、疎水性ではない多孔質体からなる多孔質体層を備えた燃料電池であって、前記多孔質体層は、差圧１００ｋＰａのときの通気速度（空塔基準の値）が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、前記燃料極触媒層への燃料の拡散媒体及び電極反応進行時に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類の排出抵抗体になると共に、電極反応進行時に多孔質体層中又は多孔質体層表面に上記ガス類の界面を形成して前記燃料極触媒層と多孔質体層の間にガス類層が形成され、更に、前記多孔質体層と燃料極側集電層との間に側面のみ密閉した空間層が設けられていることを特徴とするメタノール燃料電池。
【請求項２】
前記多孔質体層は、差圧１００ｋＰａのときの通気速度（空塔基準の値）が１０ｃｍ／ｓ〜１０００ｃｍ／ｓである請求項１に記載のメタノール燃料電池。
【請求項３】
前記燃料極側集電層は、貫通孔が形成された集電板から構成される請求項１又は２に記載のメタノール燃料電池。
【請求項４】
前記多孔質体層が炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料、金属材料の少なくとも１種の材料から構成される請求項１〜３の何れか一つに記載のメタノール燃料電池。
【請求項５】
前記多孔質体層が炭素材料又はセラミックス材料から構成される請求項４に記載のメタノール燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を使用する燃料電池に関し、更に詳しくは、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、高濃度液体燃料を利用して高出力、高エネルギー密度を達成することができる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり種々の形式のものが開発されている。【０００３】
近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に、メタノールと水を含む液体燃料を直接供給するだけで発電できる燃料電池が注目されてきている（例えば、特許文献１〜３参照）。
これらの中でも、液体燃料の供給に毛管力を利用した各液体燃料電池等が知られている（例えば、特許文献４及び５参照）。
これらの各特許文献に記載される液体燃料電池、所謂、パッシブ型燃料電池は、発電セルに燃料を毛管力によって供給する方式であるため、燃料供給用のポンプやバルブ等を設ける必要が無く、発電機の小型化が期待できる燃料供給方式である。【０００４】
これらの小型携帯機器用の電源としての直接メタノール燃料電池の開発では、メタノールが未反応のまま電解質膜を透過してしまい、燃料の損失と電極性能の低下を引き起こす「メタノールクロスオーバー」の問題があった。その結果、利用される燃料の濃度は、１〜３Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）と低く、燃料電池システムのエネルギー密度も理論値（４８００Ｗｈ／Ｌ）に較べ大幅に低いものであった。
この問題の解決策として、従来、低メタノールクロスオーバー電解質の開発や高濃度メタノールを水と希釈して調整した後、電極に供給するなどのシステム上の解決策が採られてきている。【０００５】
しかしながら、前者の低メタノールクロスオーバー電解質の開発は、１０Ｍ以上の高濃度メタノールを利用する実用的な膜は未だ見当たらないのが現状である。また、後者の高濃度メタノールを水と希釈して調整したものは、メタノール濃度センサーや希釈装置、アルコールタンクと水タンクの併設などシステムが複雑となり、また、その分システム容量が増し、装置全体のエネルギー密度を小さくするという課題がある。【０００６】
一方、本発明者らは、多孔質炭素板の毛管力を利用し、多孔質炭素板を燃料電池の支持体、集電体、液供給及びガス排出媒体とする燃料電池を提案している（例えば、特許文献６参照）。
この構造の燃料電池は、従来にない特性、機能を有するものであるが、発電時に電極面から多孔質体を通しての生成二酸化炭素の排出抵抗に局所的なむらが生じ、メタノール燃料が液体として電極膜に接触する部分があることで、１０ｍｏｌ／Ｌを超える高濃度のメタノール等の液体燃料を利用するとメタノールクロスオーバーの低減効果を大きく発揮できないことがあり、その出力は小さく、大きな出力を得ることができないという若干の課題がある。
【特許文献１】特開平５−２５８７６０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献２】特開平５−３０７９７０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献３】特開２００１−３１３０４７号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献４】特開平６−１８８００８号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献５】特開２００１−９３５５１号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献６】特開２００５−２５１７１５号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来の燃料電池における課題及び現状に鑑み、これを解消するためになされたものであり、液体燃料のクロスオーバーによる損失を防ぎ、高濃度液体燃料を利用して高出力、高エネルギー密度を発揮することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、少なくとも空気極触媒層、空気極側集電層、高分子電解質膜、燃料極触媒層、燃料極側集電層とを備え、燃料極側集電層の液体燃料側に、多孔質体からなる多孔質体層を設けた燃料電池であって、前記多孔質体層、並びに、燃料極側集電層を特定構造等とすることにより、上記目的の燃料電池が得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。【０００９】  すなわち、本発明は、次の（１）〜（５）に存する。（１）  少なくとも空気極側集電層と、空気極触媒層と、高分子電解質膜と、燃料極触媒層と、燃料極側集電層と、濃度１７Ｍ以上のメタノール水溶液である液体燃料を収容する液体燃料貯留槽とを備えると共に、該液体燃料貯留槽を上方、前記空気極側集電層及び空気極触媒層を下方に配置し、前記燃料極側集電層と前記液体燃料貯留槽との間に、疎水性ではない多孔質体からなる多孔質体層を備えた燃料電池であって、前記多孔質体層は、差圧１００ｋＰａのときの通気速度（空塔基準の値）が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、前記燃料極触媒層への燃料の拡散媒体及び電極反応進行時に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類の排出抵抗体になると共に、電極反応進行時に多孔質体層中又は多孔質体層表面に上記ガス類の界面を形成して前記燃料極触媒層と多孔質体層の間にガス類層が形成され、更に、前記多孔質体層と燃料極側集電層との間に側面のみ密閉した空間層が設けられていることを特徴とするメタノール燃料電池。（２）  前記多孔質体層は、差圧１００ｋＰａのときの通気速度（空塔基準の値）が１０ｃｍ／ｓ〜１０００ｃｍ／ｓである上記（１）に記載のメタノール燃料電池。（３）  前記燃料極側集電層は、貫通孔が形成された集電板から構成される上記（１）又は（２）に記載のメタノール燃料電池。（４）  前記多孔質体層が炭素材料、ガラス材料、セラミックス材料、高分子材料、金属材料の少なくとも１種の材料から構成される上記（１）〜（３）の何れか一つに記載のメタノール燃料電池。（５）  前記多孔質体層が炭素材料又はセラミックス材料から構成される上記（４）に記載のメタノール燃料電池。 
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、多孔質体層が、差圧１００ｋＰａのときの通気速度（空塔基準の値）が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、燃料極触媒層への燃料の拡散媒体及び電極反応進行時に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類の排出抵抗体になると共に、電極反応進行時に多孔質体層中又は多孔質体層表面に上記ガス類の界面を形成して燃料極触媒層と多孔質体層の間にガス類層が形成され、更に、前記多孔質体層と燃料極側集電層との間に側面のみ密閉した空間層が設けられる構成となるので、多孔質体層の外側からの液体燃料及び水の透過速度を低減させ、液体燃料の
クロスオーバーによる損失を防ぎ、高濃度液体燃料を利用して高出力、高エネルギー密度
を発揮することができる燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】（ａ）は本発明の燃料電池の実施形態の要部を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大断面図である。
【図２】（ａ）は本発明の燃料電池の実施形態の全体を示す縦断面図、（ｂ）は（ａ）の底面図である。
【図３】本発明の燃料極側集電層の平面図である。
【図４】本発明の燃料電池の別の実施形態の要部を示す縦断面図である。
【図５】本発明の燃料電池の別の実施形態の要部を示す縦断面図である。
【図６】多孔質体Ｙ１を用いて発電実験を行ったときの、電池電圧０．２Ｖにおける電流密度の時間変化のメタノール濃度依存性を示す特性図である。
【図７】多孔質体Ｙ１を用いて発電実験を行ったときの、発電開始５時間後の電流値のメタノール濃度依存性を異なる電池電圧（０．１Ｖ、０．２Ｖ、０．３Ｖ）について表した特性図である。
【図８】多孔質体Ｙ１を用いて発電実験を行ったときの、電池電圧０．２Ｖにおけるメタノール透過流束の結果を示す特性図である。
【符号の説明】
【００１２】
Ａ    燃料電池
１０    空気極側集電層
１１    空気極触媒層
１２    高分子電解質膜
１３    燃料極触媒層
１４    燃料極側集電層
２０    多孔質体層
３０    ホルダー体
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳しく説明する。
図１〜図３は、本発明の実施形態を示す燃料電池Ａを示すものである。
実施形態を示す燃料電池Ａは、図１及び２に示すように、少なくとも空気極側集電層１０、空気極触媒層１１、高分子電解質膜１２、燃料極触媒層１３、燃料極側集電層１４とを備えると共に、燃料極側集電層１４の液体燃料側に、多孔質体からなる多孔質体層２０を備えたものであり、これらは、液体燃料を収容するホルダー体３０に取り付けられる構造となるものである。【００１４】
空気極側集電層１０は、空気極側の集電層であり、例えば、ステンレス製、チタン製及び金、白金やニッケルなどを表面に耐食性導電メッキ処理を施した真鍮、銅などの金属製の集電板から構成されるものであり、図２（ｂ）に示すように、空気極側集電層１０には通気用スリット状開口部１０ａ，１０ａ…、取付孔１０ｂ、１０ｂ…が形成され、隅部には、空気極端子１０ｃが設けられている。上記通気用スリット状開口部１０ａ，１０ａは、１ｍｍのスリット間隔を空けて幅２ｍｍのスリット状の開口部５本と両側の開口部の幅が３ｍｍの２本とにより形成されている。本実施形態では、厚さ２ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０３）から構成されている。
空気極触媒層１１は、例えば、カーボンペーパーなどの多孔質構造からなるシート状炭素多孔体に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を塗布などにより担持させたものである。
高分子電解質膜１２は、プロトン伝導性又は水酸化物イオン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン１１２、同１１７（Ｎａｆｉｏｎ、以上、Ｄｕ  ｐｏｎｔ社製）等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられる他、耐熱性、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、無機化合物をプロトン伝導材料とし、ポリマーを膜材料としたコンポジット（複合）膜、具体的には、無機化合物としてゼオライトを用い、ポリマーとしてスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜、炭化水素系グラフト膜なども用いることができる。【００１５】
燃料極触媒層１３は、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスなどの多孔質構造からなるシート状炭素多孔体に、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）触媒、イリジウム−ルテニウム（Ｉｒ−Ｒｕ）触媒、白金−スズ（Ｐｔ−Ｓｎ）触媒などを塗布等により担持させたものである。【００１６】
燃料極側集電層１４は、燃料極側の集電層であり、ステンレス製などの金属製の集電板から構成されている。この燃料極側集電層１４には、電極反応進行時（電流発生時）に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類（以下、単に「ガス類」という場合がある。）が通過する排出孔となる多数の貫通孔１４ａ，１４ａ……が形成され、また、隅部には、燃料極端子１４ｂが設けられている。
この貫通孔１４ａ，１４ａ…の形状は、ガス類が通過等となる形状であれば、特に限定されず、上下面の開口部が円形や楕円形状となる貫通孔、上下面の開口部が方形状形状となる貫通孔、上下面の開口部が異なる形状となる貫通孔などが挙げられる。
この貫通孔１４ａ，１４ａ…の開口部の大きさは、燃料電池の大きさ、発電量などにより変動するものであるが、０．０５〜１０ｍｍであるものが好ましく、また、貫通孔１４ａ，１４ａ…が占める割合は、燃料極側集電層１４の全体積に対して、５〜９９％となるものが好ましい。【００１７】
また、貫通孔１４ａ，１４ａ……が形成される燃料極側集電層１４の厚さは、ガス類層の形成保持及び装置小型化の点から、０．０５〜５ｍｍとなるものが好ましい。
本実施形態では、厚さ２ｍｍのステンレス鋼板（ＳＵＳ３０３）から構成され、図３（ｂ）に示すように空気極側集電層１０と同様に、１ｍｍのスリット間隔を空けて幅２ｍｍのスリット状の貫通孔１４ａ，１４ａ…を５本と両側の貫通孔のスリット幅が３ｍｍの２本が形成されるものであり、その開口部領域全体の大きさは触媒層（２２ｍｍ角）に重なるように２２ｍｍ×２２ｍｍの領域であり、この貫通孔１４ａ，１４ａ…が占める割合は、開口部領域全体に対して７５％となるものを用いた。【００１８】
本実施形態の多孔質体からなる多孔質体層２０は、燃料極の触媒層の外側（図１及び２は上側）に配置されるものであり、差圧１００ｋＰａのときの通気速度（空塔基準の値、以下では通気速度は空塔基準を意味する。）が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、燃料極触媒層への燃料の拡散媒体、そして電極反応進行時に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類の排出抵抗体になると共に、電極反応進行時に多孔質体層中又は多孔質体層表面に上記ガス類の界面を形成して燃料極触媒層と多孔質体層の間にガス類層が形成されるものである。
上記多孔質体層２０において、差圧１００ｋＰａのときの通気速度は、好ましくは、１０ｃｍ／ｓ〜１０００ｃｍ／ｓ、更に好ましくは、５０ｃｍ／ｓ〜１０００ｃｍ／ｓであるものが望ましい。
この差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ未満であると、触媒層への燃料の供給速度が小さくなるため電流密度を大きくできず、低い出力密度となり、一方、５０００ｃｍ／ｓを越えると、ガス類層を安定に形成できず、メタノールクロスオーバー等が大きくなり、高い濃度のメタノール等が利用できなくなり、好ましくない。【００１９】
この差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、燃料の拡散媒体、そして電極反応進行時に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類の排出抵抗体になると共に、電極反応進行時に多孔質体層中又は多孔質体層表面に上記ガス類の界面を形成して燃料極触媒層と多孔質体層の間にガス類層が形成される多孔質体層２０とするためには、多孔質体の材質、厚さ、平均細孔径、孔形状、気孔率、細孔内表面濡れ性などを好適に組み合わせることにより構成でき、例えば、その厚さを０．１〜１０ｍｍ、平均細孔径を０．１〜１０００μｍ、気孔率は５〜９９％、表面疎水性とし、材質として、例えば、炭素材料、ガラス材料、セラミック材料、フッ素樹脂などの高分子材料、金属材料を板状、布状、微粒子充填層としたものなどを好適に組み合わせることにより構成することができる。【００２０】
用いる多孔質体層２０の材質としては、例えば、炭素材料、ガラス材料、セラミック材料、フッ素樹脂などの高分子材料、金属材料を板状、布状、微粒子充填層としたものが挙げられ、好ましくは、耐腐食性、寸法安定性を有する点から炭素材料、セラミック材料の無機材料の多孔質体が望ましい。【００２１】
具体的な炭素材料より構成される多孔質体層としては、アモルファス炭素、アモルファス炭素と炭素粉末との複合体、等方性高密度炭素成形体、炭素繊維抄紙成形体、活性炭素成形体などが挙げられ、更に好ましくは、成形性、コスト、所望の物性が容易に得られる点等から、アモルファス炭素、アモルファス炭素と炭素粉末との複合体により構成されるものが望ましい。
アモルファス炭素は、焼成により５％以上の炭化収率を示すもので、例えば、ポリ塩化ビニル、塩素化塩化ビニル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、セルロース、アラビアガムなどの天然高分子物質等から選ばれる少なくとも１種の原料を焼成することなどにより得られる。
また、炭素粉末としては、例えば、黒鉛、タール状物質を更に乾留して得られるピッチ、炭素繊維、カーボンナノチューブ、メソカーボンマイクロビーズから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
上記アモルファス炭素と炭素粉末との複合体は、全量に対して、粒径を調整したアモルファス炭素原料５０〜１００重量％と炭素粉末０〜５０重量％とを混合したものを、例えば、不活性雰囲気中で７００℃以上で炭素化することなどにより得られる。【００２２】
上記炭素質の多孔質体層２０の製法としては、例えば、熱融着可能な上述の樹脂粒子を任意の形状の型に入れ、加熱等により融着し、不活性雰囲気中で焼成することなどにより、また、結合材である樹脂と炭素粉末である黒鉛などを混合・混練したものを粉砕・造粒し、任意の形状の型に入れプレス成形し、不活性雰囲気中で焼成することなどにより、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、燃料極触媒層への燃料の拡散媒体、そして電極反応進行時に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類の排出抵抗体になると共に、電極反応進行時に多孔質体層中又は多孔質体層表面に上記ガス類の界面を形成して燃料極触媒層と多孔質体層の間にガス類層が形成される多孔質体層を製造することができる。【００２３】
ガラス材料としては、例えば、軟質ガラス、耐熱ガラスなどが挙げられ、セラミック材料としては、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト、ジルコニアなどが挙げられ、高分子材料としては、例えば、フッ素樹脂、ペット樹脂、ポリスチレンなどが挙げられ、金属材料としては、例えば、ステンレス、チタン、ニッケルなどが挙げられる。
上記ガラス材料の多孔質体層２０の製法としては、例えば、粉粒状ガラスを焼結固化することにより製造でき、セラミック材料の多孔質体層２０の製法としては、例えば、粉粒状セラミック材料の焼結固化により製造でき、高分子材料の多孔質体層２０の製法としては、例えば、繊維状高分子材料のフェルト、布や織物への構造体化、溶融高分子材料の発泡体化、粉粒状高分子材料の焼結固化により製造することができ、金属材料の多孔質体層２０の製法としては、例えば、膜面に細孔を多数形成しメッシュ状にしたシートを複数枚積層したものや、粉粒状勤続材料の焼結固化により製造することができる。
本実施形態の多孔質体層２０は、厚さ１ｍｍ及び２ｍｍの２種、平均細孔径２μｍ及び２０μｍの２種、気孔率５５％、材質はアモルファス炭素又はＣＮＴ／アモルファス炭素複合体であり、ガス透過性及び自己形状を保持するのに十分な強度を有するものとなっている。【００２４】
ホルダー体３０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、一方側が開口した断面凹状の形状となって内部が液体燃料Ｆを収容する液体燃料収容部３１となっており、該液体燃料収容部３１の上部には、蓋部を有する液体燃料注入孔／ガス排出孔３２が形成されると共に、収容部３１の開口面周縁に多孔質体層２０を収容する収容段部３３が形成されている。
このホルダー体３０の収容段部３３に多孔質体層２０を装着し、次に、該多孔質体層２０に空気極触媒層１１、高分子電解質膜１２及び燃料極触媒層１３をホットプレスなどにより接合した電極膜接合体（ＭＥＡ）を空気極側集電層１０と燃料極側集電層１４とにより挟持したものを接合することにより、本実施形態では、空気極側集電層１０に設けられる取付孔１０ｂ、１０ｂ…に取付部材１５，１５…を取り付けることにより、多孔質体層２０、電極膜接合体を挟持した空気極側集電層１０及び燃料極側集電層１４がホルダー体３０に取り付けられた燃料電池が構成されることとなる。なお、３４、３５はシリコーンゴム製のラバーパッキンである。
このホルダー体３０の材質としては、収容される液体燃料に対して保存安定性、耐久性を有するものであれば、特に限定されず、例えば、ステンレスなどの金属製、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの合成樹脂が挙げられる。【００２５】
上記液体燃料収容部３１に収容される液体燃料Ｆとしては、メタノールと水とからなるメタノール液が挙げられるが、燃料極触媒層１３において燃料として供給された水素が水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分解できるものであれば、液体燃料は特に限定されず、燃料極の構造などにもよるが、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ、ＣＨ３ＯＣＨ３）などのジアルキルエーテル類、エタノールなどのアルコール類及びその水溶液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、ショ糖水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液などの各水素源を有する液体燃料も用いることができる。
好ましくは、コスト、供給性、反応活性の高さなどの点から、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）などのジアルキルエーテル類、メタノール、エタノールなどのアルコール類及びその水溶液が望ましく、その濃度は、１０ｗｔ％以上（〜１００ｗｔ％）であることが好ましい。メタノール液を用いる場合、１０ｗｔ％以上、１０〜１００ｗｔ％〔濃度１００ｗｔ％＝２４．７Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）〕とすることができる。
本発明では、前記特性となる多孔質体層において、特に、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜１０００ｃｍ／ｓとなるものを用いると、更に高濃度液体燃料を利用して高出力、高エネルギー密度を発揮することができる燃料電池が得られることとなる。【００２６】
このように構成される本実施形態の燃料電池Ａでは、図１及び図２に示すように、多孔質体層２０は、燃料極触媒層１３への燃料の供給経路としての機能を有すると共に、膜接合体（ＭＥＡ）での電極反応進行時（電流発生時）に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類Ｇの排出抵抗体となるものである。この電極反応進行時の多孔質体層２０は、多孔質体層２０中又は多孔質体層２０表面に、浸透作用による液体燃料／生成され多孔質体の空隙に充填される上記ガス類の界面が形成されることとなり、燃料極触媒層１３と多孔質体層２０の間に生成されるガス類層が形成、本実施形態では、多孔質体層２０中、燃料極側集電層１４の貫通孔１４，１４…にガス類層が形成され、かつ、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓとなる構造である。このガス類層の形成、上記通気速度範囲の設定により、多孔質体層２０の外側からの液体燃料及び水の透過速度を低減することができることとなるので、液体燃料のクロスオーバーによる損失を防ぎ、高濃度の液体燃料、例えば、液体燃料が濃度１００％のメタノールを利用して高出力、高エネルギー密度を発揮することができる燃料電池が得られることとなる。
また、空気極側集電層１０、膜接合体（ＭＥＡ、空気極触媒層・高分子電解質膜・燃料極触媒層）、燃料極側集電層１４及び多孔質体層２０を平板状に形成することにより、薄板化が可能となるので、更なる小型化を可能とする高出力燃料電池が得られることとなる。
この実施形態の燃料電池Ａでは、液体燃料注入孔／ガス排出孔３２より液体燃料を補充することで、燃料の補充が簡単にできると共に、液体燃料を安定的に供給することができる。【００２７】
図４は、本発明の燃料電池の別の実施形態を示すものである。上記実施形態と同様の構成は、同一符号を示してその説明を省略する。
本実施形態の燃料電池は、燃料極側集電層１４をカーボンクロス、カーボンペーパーなどの金属製以外の貫通孔を形成しない集電板から構成した点でのみ、上記実施形態の燃料電池Ａと異なるものである。
本実施形態の燃料電池では、多孔質体層２０は、上記実施形態と同様に、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、燃料極触媒層１３への液体燃料の拡散媒体機能を有すると共に、膜接合体（ＭＥＡ）での電極反応進行時（電流発生時）に電極反応生成物であるガス類Ｇの排出抵抗体となるものである。この電極反応進行時の多孔質体層２０は、多孔質体層２０中又は多孔質体層２０表面に、浸透作用による液体燃料／生成され多孔質体の空隙に充填されるガス類の界面が形成されることとなり、多孔質体層２０中、燃料極側集電層１４中にガス類層が形成されると共に、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓとなる構造である。このガス類層の形成、上記通気速度範囲の設定により、多孔質体層２０の外側からの液体燃料及び水の透過速度を低減することができこととなるので、液体燃料のクロスオーバーによる損失を防ぎ、高濃度の液体燃料を利用して高出力、高エネルギー密度を発揮することができる燃料電池が得られることとなる。【００２８】
図５は、本発明の燃料電池の別の実施形態を示すものである。
本実施形態の燃料電池は、多孔質体層２０と燃料極側集電層１４との間に側面のみ密閉した空間層２５を設けた点でのみ、上記図４の実施形態の燃料電池と異なるものである。
側面のみ密閉した空間層２５の厚さは、クロスオーバーを抑制するためにガス層の厚みを確保する点から、０．０５〜１０ｍｍとすることが望ましい。
本実施形態の燃料電池では、多孔質体層２０は、上記実施形態と同様に、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、燃料極触媒層１３への燃料の供給経路としての機能を有すると共に、膜接合体（ＭＥＡ）での電極反応進行時（電流発生時）に電極反応生成物であるガス類Ｇの排出抵抗体となるものである。この電極反応進行時の多孔質体層２０は、多孔質体層２０中又は多孔質体層２０表面に、浸透作用による液体燃料／生成され多孔質体の空隙に充填される上記ガス類の界面が形成されることとなり、燃料極触媒層１３と多孔質体層２０の間に生成されるガス類層が形成、本実施形態では、多孔質体層２０中、燃料極側集電層１４の貫通孔１４，１４…にガス類層が形成され、かつ、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓとなる構造である。このガス類層の形成、上記通気速度範囲の設定により、多孔質体層２０の外側からの液体燃料及び水の透過速度を低減することができこととなるので、液体燃料のクロスオーバーによる損失を防ぎ、高濃度の液体燃料を利用して高出力、高エネルギー密度を発揮することができる燃料電池が得られることとなる。
また、この側面のみ密閉した空間層２５を設けることにより、多孔質体中のガス排出抵抗を一定にしながら、燃料貯留槽３１から燃料極側触媒層１３までのメタノール等の燃料の拡散供給抵抗を大きくすることができる。
【００２９】
本発明の燃料電池は、上述の如く構成され、作用効果を発揮するものであるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々の態様で実施することもできる。
例えば、上記実施形態において、燃料極側触媒層１３はカーボンペーパー上に触媒を塗布したものとしたが、多孔質体２０が導電性のものであれば、多孔質体２０の表面に直接触媒を塗布、あるいはメッキ法、スパッタリング法などで付着させても良いものである。
【実施例】
【００３０】
次に、試験例となる実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記実施例等に限定されるものではない。【００３１】
〔試験例１〕
図１及び図２に準拠する直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）を作製した発電試験を行った。
用いた多孔質体、膜接合体（ＭＥＡ）などは下記に示すとおりである。【００３２】
下記の各製造法等により下記構成となる５種の多孔質体（Ｓ１，Ｓ２，Ｙ１，Ｙ２、Ｙ０．２）、セラミックプレート（電解隔膜）、メタル箔、金属板を得た。
（多孔質体Ｓ１の製造方法）
組成物として、フラン樹脂（日立化成社製、ヒタフランＶＦ−３０３）３６重量％に、乾留ピッチ（呉羽化学工業社製、ＫＨ−１Ｐ）１４重量％とカーボンナノチューブ（昭和電工社製、ＶＧＣＦ）、ＰＭＭＡ（粒径６０μｍ）２０重量％を混合機中で混練し、該組成物を、粉砕分級して粉末化し、プレス機にて圧縮成形し、成形体を得た。
次いで、該成形体を炭素前駆体処理の後、不活性ガス雰囲気中で１０００℃で焼成して炭素質多孔質体を得た。
得られた炭素質の多孔質体を加工し、平均細孔径２μｍ、気孔率５１％、幅３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ×厚み１．１ｍｍの炭素質多孔質体を得た。【００３３】
（多孔質体Ｓ２の製造方法）
上記Ｓ１タイプの製造により得られた炭素質の多孔質体を加工し、平均細孔径２μｍ、気孔率５１％、幅３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ×厚み２．０ｍｍの炭素質多孔質体を得た。上記Ｓ１タイプとは、厚さのみが異なるものである。【００３４】
（多孔質体Ｙ１の製造方法）
塩素化塩化ビニル樹脂粉末（日本カーバイド社製、Ｔ−７４１）を５０μｍ〜３００μｍの範囲で分級し、型に投入した後、不活性ガス雰囲気中で１０００℃まで焼成することで、粉末粒子が融着し、連続気泡を有する炭素質多孔質体を得た。
得られた炭素質の多孔質体を加工し、平均細孔径２０μｍ、気孔率５５％、幅３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ×厚み１．０ｍｍの炭素質多孔質体を得た。
（多孔質体Ｙ２、Ｙ０．２の製造方法）
上記Ｙ１タイプの製造により得られた炭素質の多孔質体を加工し、平均細孔径２０μｍ、気孔率５５％、幅３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ×厚み２．１ｍｍの炭素質多孔質体Ｙ２、並びに、平均細孔径２０μｍ、気孔率５５％、幅３０ｍｍ×長さ３０ｍｍ×厚み０．２ｍｍの炭素質多孔質体Ｙ０．２を得た。上記Ｙ１タイプとは、夫々厚さのみが異なるものである。
【００３５】
（セラミックプレート）
平均細孔径０．４μｍ、空隙率０．３２を有する多孔質アルミナの電解隔膜板（ニッカトー社製）、厚さ２．０ｍｍ
（メタル箔）
ニッケル箔に直径８０μｍの孔を開口比２５％で開け、金メッキを施したもので、厚さは、０．００８ｍｍ（８μｍ）である。
（金属板）
厚さ２．０ｍｍのステンレス板に開口比７５％となるように直径２〜４ｍｍの孔を開け、金メッキを施したもの。【００３６】
上記で得た５種の多孔質体（Ｓ１，Ｓ２，Ｙ１，Ｙ２、Ｙ０．２）、セラミックプレート（電解隔膜）、メタル箔、金属板の通気速度を下記測定法により測定した。
これらの通気速度を下記表１に示す。
（通気速度の測定方法）
米国Ｐｒｏｕｓ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ  Ｉｎｃ．社製のパームポロメーター：ＰＦＣ?１２００ＡＥＬを用いて圧力損失（差圧）１００ｋＰａあるいは１０ｋＰａにおける通気透過性能試験により通気速度（空気透過量）を測定した。
なお、下記表１中の空欄部〔−〕は、装置の測定範囲外となり、測定できないことを意味する。【００３７】
【表１】
0005584908.tif 000002
【００３８】
〔膜電極接合体（ＭＥＡ）の作製〕
電解質膜にはナフィオン１１２（Ｎａｆｉｏｎ１１２、デュポン社製）を用いた。燃料極及び空気極には、３０％テトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）撥水処理したカーボンクロス（東陽デクニカ社製、ＥＣ−ＣＣ１−０６０Ｔ）にケッチエンブラックとナフィオン溶液からなるインクを塗布し、乾燥させ、その上に燃料極にはＰｔ−Ｒｕブラック触媒〔ジョンソンマッセイ社製、ＨｉＳＰＥＣ  ６０００（Ｐｔ／Ｒｕ  Ｂｌａｃｋ）〕とナフィオン溶液からなる触媒インクを塗布し、空気極にはＰｔブラック触媒〔ジョンソンマッセイ社製、ＨｉＳＰＥＣ  １０００（Ｐｔ  Ｂｌａｃｋ）〕とナフィオン溶液からなる触媒インクを塗布し、乾燥させた。燃料極及び空気極の触媒層の詳細は、下記表２に示す。
電解質膜はこれらの電極で挟み、１３５℃で４０ｋｇｆ／ｃｍ２、３分の条件でホットプレスし３種のＭＥＡ（４３×４３×０．７ｍｍ）を作製した。【００３９】
【表２】
0005584908.tif 000003
【００４０】
（燃料極側集電層及び空気極側集電層）
燃料極端子を除く大きさが７０×７０×２ｍｍのＳＵＳ鋼板を用いた。貫通孔は、図３に示すように、板面中央部の２２ｍｍ×２２ｍｍの領域に１ｍｍのスリット間隔を空けて幅２ｍｍのスリット状の貫通孔１４ａ，１４ａ…を５本と両側の貫通孔のスリット幅が３ｍｍの２本が形成されたものを用いた。回帰部断面積は板面中央部の２２ｍｍ×２２ｍｍの領域全体に対して７５％であった。【００４１】
図２に示す、メタノール溶液貯留槽を有するポリカーボネート製のプラスチックホルダーに上記炭素質多孔質体を取り付け、上記貫通孔を形成したＳＵＳ３０３製集電板（厚さ２ｍｍ）、上記ＳＵＳ３０３製集電板（厚さ２ｍｍ）を介してＭＥＡの燃料極と燃料溶液の間に炭素質多孔質体を挟んだ。
発電試験の際は、メタノール溶液貯留槽３１が上方、空気極が下方になるようにホルダー３０を配置した。試験は全て、室温（２０℃）空気下にこの燃料電池を置いて行った。
メタノール溶液貯留槽に各種濃度のメタノール溶液を約７ｍｌ注入し、一定時間放置した後、再度所定の濃度のメタノール溶液を入れ替えた。その後、一定電圧下での電流値の経時変化を測定した。また、試験前後での電池全体の重量損失を天秤で測定した。更に、メタノール溶液貯留槽内に残ったメタノール濃度を測定し、試験前後の濃度変化をガスクロマトグラフィー（島津製作所社製、ＧＣ−１４Ｂ）でポリエチレングリコール６０００（Ｃ−１３８９、信和化工社製）をカラムに用いて測定した。【００４２】
そして、重量損失及び濃度変化の結果から、試験時間内でのメタノール消費量、水の消費量を算出した。更に、これに加えて試験時間内での発電量の結果を加え、下記反応式が成り立つものと仮定し、また、ホルダーの液注入／ガス排出口からガス排出に伴う重量損失は無視できるものと仮定して電解質膜を通してのメタノール透過流速を算出した。
計算で仮定した電極反応式
燃料極：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ    →    ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
空気極：１．５Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ【００４３】
下記表２に示したように、膜電極接合体ＭＥＡ−１を用いて、多孔質体Ｙ２を用いた試験、ＭＥＡ−２を用いて、多孔質体Ｙ１、Ｙ０．２の試験、ＭＥＡ−３を用いて、多孔質体Ｓ１、Ｓ２の試験を行った。
なお、メタノールの透過流速は、下記計算式により算出した。【００４４】
【数１】
0005584908.tif 000004
【００４５】
（試験例１−１）
多孔質体Ｙ１を用いて発電実験を行ったときの、電池電圧０．２Ｖにおける電流密度の時間変化のメタノール濃度（２．３０Ｍ〜２３．４２Ｍ）の依存性を図６に示す。
図６に示すように、電流値は３０分程度で安定化し、それ以降ではほぼ一定した電流値を示した。安定化した電流の値は，メタノール濃度の増大とともに上昇し、２３．４２Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）＝９３．５ｗｔ％という高濃度で最大となった。１００％に近い高濃度で、最大の性能で安定して発電できることが判った。【００４６】
（試験例１−２）
図７は、多孔質体Ｙ１を用いて発電実験を行ったときの、発電開始５時間後の電流値のメタノール濃度依存性を異なる電池電圧（０．１Ｖ、０．２Ｖ、０．３Ｖ）について表したものである。
図７に示すように、いずれの電圧でもメタノールの濃度の増大と共に、電流密度が増大した。電池電圧０．１Ｖ，０．２Ｖでは調べた濃度の最大値である約２４Ｍで最大値を示したが、電池電圧０．３Ｖでは２０Ｍを超えた濃度で電流密度が減少し，この場合は２０Ｍ程度の濃度で最大値を示した。【００４７】
（試験例１−３）
図８は、多孔質体Ｙ１を用いて発電実験を行ったときのメタノール透過流束の結果である。
図８の結果から明らかなように、メタノール濃度の増大と共に、透過速度が増大している。しかし、これらの値は比較例に示す、ガス層が形成していない場合の透過速度に比べ格段に小さいことが判った。【００４８】
（試験例１−４）
下記表３は、種々の多孔質体（Ｓ１，Ｓ２，Ｙ１，Ｙ２，Ｙ０．２）及びその他の材料の多孔質板の性質（厚さ，通気量）とそれを用いて電池電圧０．２Ｖで発電試験を行ったときの最大出力値とそれ示したメタノール濃度及びメタノール透過速度をまとめたものである。【００４９】
【表３】
0005584908.tif 000005
【００５０】
上記表３の結果を見ると、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が３３．２ｃｍ／ｓ〜８１６ｃｍ／ｓの範囲にある多孔質体（Ｓ１，Ｓ２，Ｙ１，Ｙ２）では、メタノール濃度が２２〜２４Ｍという高濃度で最大値を示し、高濃度で高い出力密度（約１６〜約３２ｍＷ／ｃｍ２）を示している。また、このときのメタノール透過流束は、高濃度メタノールにも関わらず０．０８〜０．２４ｇ／（ｍ２／ｓ）と比較的低い値に抑えられていることが判る。
一方、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１ｃｍ／ｓ以下のセラミック板では、２４Ｍの高濃度で最大値を示したが、この場合多孔質板（セラミック板）によるメタノール透過抑制が強すぎて、６ｍＷ／ｃｍ２と高い出力密度は得られなかった。
また、差圧１０ｋＰａのときの通気速度が８０００ｃｍ／ｓ以上の金属板（開口比７５％）の場合は、メタノール透過抑制がほとんど無く、最大出力値（４．６ｍＷ／ｃｍ２）を示す濃度が４Ｍと小さく、かつメタノール透過速度が０．４１ｇ／（ｍ２／ｓ）と大きいことが判った。
更に、差圧１０ｋＰａのときの通気速度が１１００ｃｍ／ｓ〜３３００ｃｍ／ｓの多孔質体Ｙ０．２やメタル箔（開口比２５％）では、上記セラミック板や金属板に較べて良好であったが、メタノール透過抑制が弱く、最大出力値を示す濃度が１０Ｍや１７Ｍと小さく、それ以上の高濃度では出力が低下した。
これらの結果等より、１００ｗｔ％に近い高濃度を利用して高い出力を得られるための多孔質体層としては、差圧１００ｋＰａのときの通気速度が１０ｃｍ／ｓ〜１０００ｃｍ／ｓが特に良いことが確認できた。【００５１】
（試験例１−５）
下記表４は、ＭＥＡに接するアノード集電板と多孔質板との間に厚さ５ｍｍの透明アクリル性のスペーサーを取り付け、スペーサーによってできＭＥＡと多孔質板の間の空間が発電中（電池電圧０．２Ｖ，最大出力を示したメタノール濃度）に液で満たされているか、ガスで満たされているかを目視で観察した結果である。【００５２】
【表４】
0005584908.tif 000006
【００５３】
上記表４を見ると、差圧１０ｋＰａのときの通気速度が８０００ｃｍ／ｓ以上の金属板（開口比７５％）以外のものでは、多孔質体の物質移動抵抗によりスペース内に液が浸透してこなかったり、当初スペース内に液が存在してもアノード反応により生成した二酸化炭素がスペース内に溜まり、液を多孔質板の外に追い出してガス類層を形成した。また、差圧１０ｋＰａの金属板（開口比７５％）では、アノード電極での生成二酸化炭素が気泡として容易に金属板を通して通り抜け、スペーサーの空間にガス類層は形成されなかった。その結果メタノール溶液がＭＥＡに直接接触し、メタノール透過速度が増大して、４Ｍという低いメタノール濃度で０．４１ｇ／（ｍ２／ｓ）という高いメタノール透過速度になった。
更に、差圧１０ｋＰａのときの通気速度が１１４８ｃｍ／ｓの多孔質体Ｙ０．２及び３３００ｃｍ／ｓのメタル箔（開口比２５％）では、最大出力を示したメタノール濃度から更にメタノール濃度を増大させると液の表面張力が下がり、液がスペーサーに侵入し易くなり、ガス層の形成が不十分となりやがて液で満たされる結果となった。
以上のことから、高濃度メタノール利用のためにはＭＥＡと多孔質板の間に二酸化炭素を主成分とするガス類層の形成が必要であることを確認した。【００５４】
（試験例１−６）
下記表５は、多孔質体Ｓ１及びＹ２を用いて行った濃度１００ｗｔ％メタノール〔２４．７Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）〕を用いた発電試験特性（電池電圧０．１〜０．３Ｖ、発電開始から５時間後の電流密度、出力密度）を示す結果である。【００５５】
【表５】
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【００５６】
上記表５の結果から明らかなように、濃度１００ｗｔ％〔２４．７Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）〕を用いても発電開始から５時間後も安定した電流密度、出力密度を示し、発電可能であることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
固体高分子型などの燃料電池において、発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に有用な燃料電池が得られる。
【図１】
0005584908.tif 000008
【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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