(57)【要約】【課題】  触媒層の厚さを厚くしても、触媒層深部までの燃料や酸素の供給、触媒層深部からの二酸化炭素や水の排出を円滑に保つことができる液体燃料電池用発電素子を提供する。【解決手段】  酸素を還元する正極２と、燃料を酸化する負極１と、正極２と負極１との間に配置された固体電解質膜３とを備え、負極１及び正極２は、厚さが３０μｍ以上の触媒層１ｂ、２ｂを含み、触媒層１ｂ、２ｂは、触媒と、繊維状物質と、プロトン伝導性物質とを含み、前記繊維状物質の長さは、触媒層１ｂ、２ｂの厚さの０．１倍以上である液体燃料電池用発電素子とし、その液体燃料電池用発電素子を用いて液体燃料電池を構成する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質とを備えた液体燃料電池用発電素子であって、
前記負極は、厚さが３０μｍ以上の触媒層を含み、
前記触媒層は、触媒と、繊維状物質と、プロトン伝導性物質とを含み、
前記繊維状物質の長さは、前記触媒層の厚さの０．１倍以上であることを特徴とする液体燃料電池用発電素子。
【請求項２】
前記正極は、厚さが３０μｍ以上の触媒層を含み、前記触媒層は、触媒と、繊維状物質と、プロトン伝導性物質とを含み、前記繊維状物質の長さは、前記触媒層の厚さの０．１倍以上である請求項１に記載の液体燃料電池用発電素子。
【請求項３】
前記繊維状物質の長さは、前記触媒層の厚さの０．１倍以上１倍以下である請求項１又は２に記載の液体燃料電池用発電素子。
【請求項４】
前記触媒層中の前記繊維状物質の含有量は、前記触媒１００重量部に対して、０．０１重量部以上１００重量部以下である請求項１又は２に記載の液体燃料電池用発電素子。
【請求項５】
前記繊維状物質のアスペクト比は、１０以上である請求項１〜４のいずれかに記載の液体燃料電池用発電素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の液体燃料電池用発電素子を備えていることを特徴とする液体燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料電池用発電素子及びそれを用いた液体燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウムイオン二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で上記要望に応え得る電池として、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に水素、メタノールなどの燃料を用いる固体高分子型燃料電池が、リチウムイオン二次電池よりも高エネルギー密度が期待できることから注目されている。なかでも、液体燃料であるメタノールを直接電池の反応に利用する直接メタノール型燃料電池は、電池本体に空気を供給するブロアや燃料を供給するポンプなどを用いなくてもよいため、小型化が可能であり、将来のポータブル電源として有望である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
上記直接メタノール型燃料電池の電極は、正極、負極ともにカーボン粉末上に貴金属粒子を高分散した触媒、プロトン交換樹脂などから構成されている。この燃料電池の放電時において正極では酸素の還元により水が生成し、負極ではメタノールの酸化により二酸化炭素が生成するため、正極、負極ともにガス及び液体の拡散が重要となる。
【０００５】
一方、車用及び家庭用電源として開発されている固体高分子型燃料電池は、燃料に水素を用いる点が大きく異なる。また、水素を用いる固体高分子型燃料電池の電極厚みは１０〜３０μｍ未満であり、直接メタノール型燃料電池の電極厚みより薄いという違いもある。しかし、それ以外の構成は直接メタノール型燃料電池とほぼ同様である。そのため、水素を用いる固体高分子型燃料電池の技術の一部を直接メタノール型燃料電池にも適応することが可能となる。
【０００６】
従来、水素を用いる固体高分子型燃料電池では、電極のガス拡散性を高め、放電反応をスムーズにすることが検討されてきた。例えば、除去可能な物質を含有させて電極を形成し、その後にその物質を除去することにより、電極中に細孔を形成してガス拡散性を高めることが種々提案されている。具体的には、水溶性短繊維の使用（特許文献２）、酸で溶解する物質の使用（特許文献３）、昇華性物質の使用（特許文献４）、可溶性物質の使用（特許文献５）、可溶性の配向性物質の使用（特許文献６）などにより、電極中に細孔を形成してガス拡散性を高めることが提案されている。
【０００７】
また、電極中に空孔形成物質を含有させることにより、電極中に細孔を形成してガス拡散性を高めることも提案されている。例えば、繊維状物質の導入（特許文献７、特許文献８及び特許文献９）、粒径の異なるカーボンの使用（特許文献１０）などにより、電極中に細孔を形成してガス拡散性を高めることが提案されている。
【０００８】
以上の提案により、電極厚みが１０〜３０μｍ未満である水素を用いる固体高分子型燃料電池のガス拡散性を良好にし、出力密度を向上することが可能であるとの結果が得られている。
【特許文献１】特開２０００−２６８８３６号公報
【特許文献２】特開平０８−１８０８７９号公報
【特許文献３】特開平０９−１２０８２１号公報
【特許文献４】特開平０９−１９９１３８号公報
【特許文献５】特開平１０−１８９００５号公報
【特許文献６】特開平１０−１８９０１２号公報
【特許文献７】特開平１０−２２３２３３号公報
【特許文献８】特開２００３−１２３７６９号公報
【特許文献９】特開２００３−１５１５６４号公報
【特許文献１０】特開平１０−２４１７０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、直接メタノール型燃料電池は、負極でのメタノールの酸化反応速度が非常に遅いため、それを補うために負極の触媒量を多くし、反応表面積を増加させなければならない。また、固体高分子電解質として、プロトン伝導性固体高分子膜などを用いた場合、メタノールなどの液体燃料が電解質膜を通して正極側に透過してしまうというクロスオーバー現象が生じる。この現象が生じると、正極の触媒上でメタノールと酸素とが直接反応(燃焼)してしまい、本来の電池反応である正極での酸素の還元反応で使用する触媒表面積が減少することになる。これを補うため、負極と同じく、正極の触媒量も多くする必要がある。将来的に、クロスオーバーの問題が解決されれば、正極の触媒量を低減することも可能であるが、現時点では困難である。そこで、現時点で必要な白金触媒量は、正極及び負極ともに、水素を燃料とした場合では０．３〜０．５ｍｇ／ｃｍ2程度が一般的であるのに対し、メタノールを燃料とした場合には５〜１５ｍｇ／ｃｍ2を要するのが現状である。そして、電極層の触媒量を増加させるためには、電極層の厚膜化が不可欠であことから、直接メタノール型燃料電池の電極の厚みは１００μｍ以上になる場合もあり、水素を用いる固体高分子型燃料電池の電極厚みである１０〜３０μｍ未満よりもかなり厚くなる。従って、水素を用いる固体高分子型燃料電池のガス拡散性を高め、放電反応をスムーズにするための前述の提案（特許文献２〜１０）をそのまま直接メタノール型燃料電池に適用しても、電極の厚み方向へのガス拡散性が不十分となる。
【００１０】
また、直接メタノール型燃料電池の触媒層において、この厚膜化と同等以上に重要なことは、電池反応を効率良く進行させるため、燃料と酸素、及び反応生成物である二酸化炭素や水が触媒層を通して良好に分布、移動できることである。そのためには、触媒層が、この条件を満足する多孔性構造を備えていることがより必要となる。
【００１１】
そこで、本発明は、触媒層の厚さを厚くしても、触媒層深部までの燃料や酸素の供給、触媒層深部からの二酸化炭素や水の排出を円滑に保ち、電池特性を改善させることができる液体燃料電池用発電素子を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の液体燃料電池用発電素子は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質とを備えた液体燃料電池用発電素子であって、前記負極は、厚さが３０μｍ以上の触媒層を含み、前記触媒層は、触媒と、繊維状物質と、プロトン伝導性物質とを含み、前記繊維状物質の長さは、前記触媒層の厚さの０．１倍以上であることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明の液体燃料電池は、上記液体燃料電池用発電素子を備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、触媒層の厚さを厚くしても触媒層中の物質移動の円滑さを維持でき、高い放電特性を有する液体燃料電池用発電素子を提供することができる。また、本発明の液体燃料電池は、上記液体燃料電池用発電素子を用いることにより、高出力と出力安定性を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
＜液体燃料電池用発電素子の実施の形態＞
本発明の液体燃料電池用発電素子の一例は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、上記正極と上記負極との間に配置された固体電解質とを備えた液体燃料電池用発電素子である。また、上記負極は、厚さが３０μｍ以上の負極触媒層を含み、上記負極触媒層は、触媒と、繊維状物質と、プロトン伝導性物質とを含み、上記繊維状物質の長さは、上記負極触媒層の厚さの０．１倍以上である。さらに、上記正極は、厚さが３０μｍ以上の正極触媒層を含み、上記正極触媒層は、触媒と、繊維状物質と、プロトン伝導性物質とを含み、上記繊維状物質の長さは、上記正極触媒層の厚さの０．１倍以上である。
【００１６】
上記触媒層に上記繊維状物質を含有させることにより、電極中に最適な細孔を形成でき、これにより、触媒層の厚さを厚くしても、触媒層深部までの燃料や酸素の供給、触媒層深部からの二酸化炭素や水の排出を円滑に保つことができる。
【００１７】
上記繊維状物質としては、インジウム−錫複合酸化物（ＩＴＯ）などの金属酸化物からなる針状体、気相成長法で形成したカーボン繊維、又はカーボン、金属、金属酸化物などで被覆した樹脂繊維などを使用できるが、これらに限定はされない。また、樹脂繊維に被覆する金属としては、金、白金などが挙げられ、樹脂繊維に被覆する金属酸化物としては、ＩＴＯ、ＳｉＯ2などが挙げられるが、これらに限定はされない。また、繊維状物質は、導電性を有することがより好ましい。
【００１８】
上記触媒層の厚さは、３０μｍ以上５００μｍ以下が好ましく、５０μｍ以上２００μｍ以下がより好ましい。この範囲内であれば、必要な触媒量を確保できるとともに、燃料と酸素、及び反応生成物である二酸化炭素や水が触媒層を通して良好に分布、移動でき、放電特性も低下しないからである。
【００１９】
上記繊維状物質の長さは、上記負極触媒層の厚さの０．１倍以上１倍以下であることが好ましく、０．２倍以上０．５倍以下がより好ましい。上記繊維状物質の長さが、上記負極触媒層の厚さの０．１倍を下回ると、繊維状物質を導入して形成した細孔が電極内部で閉塞孔となり易く、触媒層深部までの燃料や酸素の供給、触媒層深部からの二酸化炭素や水の排出を有効に行うことができなくなる。また、１倍を超えると、触媒層中で繊維状物質がかさ高くなるために、触媒層中に均一に分散することが困難となる場合もある。
【００２０】
また、上記と同様に、上記繊維状物質の長さは、上記正極触媒層の厚さの０．１倍以上１倍以下が好ましく、０．２倍以上０．５倍以下がより好ましい。
【００２１】
上記繊維状物質のアスペクト比は、１０以上であることが好ましく、１００以上がより好ましい。この範囲内であれば、電極中に含有された繊維状物質が、種々の物質拡散に寄与する細孔を効率よく形成できるからである。ここで、アスペクト比とは、繊維状物質の繊維長さＬを繊維幅（繊維直径）Ｄで除したＬ／Ｄの値をいう。
【００２２】
また、上記触媒層中の上記繊維状物質の含有量は、上記触媒１００重量部に対して、０．０１重量部以上１００重量部以下であることが好ましく、１重量部以上１０重量部以下がより好ましい。この範囲内であれば、種々の物質拡散に寄与する細孔を充分形成でき、触媒層の厚さも適度に保持でき、放電性能が低下しないからである。
【００２３】
また、上記繊維状物質の表面には、上記触媒を担持させることが好ましい。これにより、触媒の実効反応面積を向上させることが可能となり、さらに放電性能の向上が図れる。また、必要に応じて繊維状物質に親水化処理又は撥水化処理を行うこともできる。親水化処理方法としては、例えばシランカップリング剤により繊維状物質の表面を処理する方法を用いることができるが、これに限定されるものではない。また、撥水化処理方法としては、例えば繊維状物質の表面をフッ化処理する方法を用いることができるが、これに限定されるものではない。
【００２４】
上記負極は、メタノールを酸化する機能を有しており、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層と、触媒を担持した炭素粉末、プロトン伝導性物質及び上記繊維状物質からなる触媒層とを積層して構成される。
【００２５】
上記多孔性の炭素材料としては、例えば、カーボンクロス、カーボンペーパーなどを使用することができる。
【００２６】
上記触媒としては、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム又は金などと白金との合金微粒子などが用いられるが、これらに限定されるものではない。また、上記触媒は、金属単体として単独で用いることもできるが、炭素粉末などの担体に触媒微粒子を高担持して用いることもできる。
【００２７】
上記触媒の担体である炭素粉末としては、例えばＢＥＴ比表面積が１０〜２０００ｍ2／ｇのカーボンブラックが用いられる。この炭素粉末に上記触媒を例えばコロイド法を用いて担持する。炭素粉末と触媒の重量比は、炭素粉末１００重量部に対し、触媒を５〜４００重量部とすることが好ましい。この範囲内であれば、十分な触媒活性が得られ、また触媒の粒径が大きくなりすぎず、触媒活性が低下しないからである。
【００２８】
プロトン伝導性物質としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができるが、これらに限定されるものではない。このようなプロトン伝導性物質の含有量は、触媒担持炭素粉末１００重量部に対し、２〜２００重量部とすることが好ましい。この範囲内であれば、十分なプロトン伝導性が得られ、また電気抵抗が大きくならず、電池性能が低下しないからである。
【００２９】
上記プロトン伝導性物質は、バインダとしても機能するため、必ずしもさらにバインダを添加する必要はないが、上記負極触媒層には、イオン伝導性を持たないフッ素樹脂バインダを添加してもよい。イオン伝導性を持たないフッ素樹脂バインダとしては、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）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）などを用いることができるが、これらに限定されることはない。上記バインダの粒径としては、０．０１〜１００μｍが好ましい。０．０１μｍ未満では、十分な結着性が得られず、１００μｍを超えると、かさ高くなるために触媒中に均一に分散することができないからである。また、上記バインダの添加量としては、触媒担持炭素粉末１００重量部に対し、０．０１〜１００重量部とすることが好ましい。０．０１重量部未満では、十分な結着性が得られず、１００重量部を超えると電気抵抗が大きくなり、電池性能が低下するからである。
【００３０】
上記正極は、酸素を還元する機能を有しており、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層と、触媒を担持した炭素粉末、プロトン伝導性物質及び上記繊維状物質からなる触媒層とを積層して構成される。また、負極と同様に正極の触媒層にフッ素樹脂バインダを添加してもよい。これらの正極の材料としては、前述した負極と同様の材料を用いることができる。なお、正極の触媒層にフッ素樹脂バインダを用いない場合には、正極の拡散層に用いる多孔性の炭素材料としては、撥水処理を行ったものを用いるのが好ましい。正極に撥水性を付与するためである。撥水処理としては、多孔性の炭素材料にフッ素樹脂などを塗布することにより行うことができる。
【００３１】
本実施形態では、正極と負極の間に固体電解質兼セパレータとして機能する電解質膜を配置する。電解質膜は、電子伝導性を持たずプロトンを輸送することが可能な材料により構成される。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン膜”（商品名）、旭硝子社製の“フレミオン膜” （商品名）、旭化成工業社製の“アシプレックス膜” （商品名）などの固体高分子電解質膜により構成することができる。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜などの固体高分子電解質膜からも構成することができる。
【００３２】
次に、以上の負極材料及び正極材料（電極材料）を用いた電極の製造方法の一例について説明する。先ず、前述の電極材料と水と有機溶剤とを均一に分散してスラリーとする。このスラリーの固形分量は、スラリーの全重量１００重量部に対して１〜７０重量部とするのが好ましい。１重量部未満では十分な粘性が得られないため作業性が悪く、７０重量部を超えると粘性が高くなりすぎて作業性が悪くなるからである。これらの電極材料の分散は、例えばボールミル、ホモジナイザー、超音波分散機などを用いて行うことができるが、これらに限定されない。また、上記有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどが使用できる。
【００３３】
その後、上記で得られたスラリーを、多孔性の炭素材料からなる拡散層に塗布して乾燥する。続いて、熱プレスを行うことで、有機樹脂成分が溶融結着し、電極が形成される。熱プレスの温度は、有機樹脂成分の種類によって異なるが、使用する有機樹脂成分のガラス転移点以上、ガラス転移点を２０℃上回る温度以下（有機樹脂成分の分解温度以下）に設定することが好ましい。プレスの圧力は３〜５０ＭＰａが好ましい。３ＭＰａ未満では電極の成形が十分でなく、５０ＭＰａを超えると電極内のポアがつぶれてしまい、電池性能が低下するからである。
【００３４】
続いて、このようにして作製した正極及び負極で前述の電解質膜を挟持し、熱プレスで圧着して電極・電解質一体化物を作製する。熱プレスの温度は、１００〜１８０℃に設定することが好ましい。プレスの圧力は３〜５０ＭＰａが好ましい。１００℃未満、３ＭＰａ未満では電極・電解質一体化物の形成が十分でなく、１８０℃及び５０ＭＰａを超えると電極内のポアがつぶれてしまい、電池性能が低下するからである。
【００３５】
＜液体燃料電池の実施の形態＞
次に、本発明の液体燃料電池の実施の形態を図面に基づき説明する。図１は、本発明の液体燃料電池の各構成部品をそれぞれ結合させる前の一例を示す断面図である。負極１は、多孔性の炭素材料からなる拡散層１ａと、触媒を担持した炭素粉末、プロトン伝導性物質、繊維状物質からなる触媒層１ｂとを積層して構成されている。正極２は、撥水性を付与した多孔性の炭素材料からなる拡散層２ａと、触媒を担持した炭素粉末、プロトン伝導性物質、繊維状物質からなる触媒層２ｂとを積層して構成されている。電解質膜３は、電子伝導性を持たずプロトンを輸送することが可能な固体高分子電解質膜から構成されている。
【００３６】
負極１、正極２及び電解質膜３は、積層されて電極・電解質一体化物として構成される。即ち、電極・電解質一体化物は、負極１と、正極２と、負極１と正極２との間に設けられた電解質膜３とから構成される。
【００３７】
負極１の電解質膜３と反対側には、金属からなる負極集電板４を介して、液体燃料５を貯蔵する燃料タンク６が設けられている。液体燃料５としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが用いられる。燃料タンク６は、例えば、ＰＴＦＥ、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの樹脂や、ステンレス鋼などの耐食性金属から構成されている。負極集電板４には燃料供給孔７が設けられており、この部分から液体燃料５が負極１へと供給される。
【００３８】
正極２の電解質膜３と反対側には、金属からなる正極集電板８が設けられており、正極集電板８と正極２とが接する部分には空気孔９が設けられている。これにより、空気孔９を通して大気中の酸素が正極２と接することになる。
【００３９】
また、負極集電板４及び正極集電板８の端部には、それぞれ負極リード線１０、正極リード線１１が接続されている。さらに、上記電極・電解質一体化物の周囲には、シリコーンゴムなどからなるシール材１２が配置されている。
【００４０】
本実施形態の液体燃料電池を完成するには、上記結合前の各構成部品を電極・電解質一体化物に対して垂直に加圧して固定ればよい。
【００４１】
（実施例）
以下、本発明の液体燃料電池を実施例に基づき具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００４２】
以下のようにして、図１と同様の構造の液体燃料電池を作製した。
【００４３】
正極触媒層は以下のようにして作製した。先ず、平均粒径２ｎｍの白金微粒子（触媒）を５０重量％担持した田中貴金属工業社製の白金担持カーボン“１０Ｅ５０Ｅ”（商品名）を１０重量部、アルドリッチ（Ａｌｄｒｉｃｈ）社製のプロトン伝導性物質“ナフィオン溶液”（商品名、固形分濃度５重量％）を１２０重量部、住友金属鉱山社製の長さ３０〜１００μｍの針状ＩＴＯをボールミルで粉砕した平均長さ２０μｍ、平均直径１．５μｍの針状ＩＴＯ微粒子（繊維状物質、アスペクト比：１３）を１重量部及びイオン交換水を１０重量部準備した。これらをジェットミルで混合分散し、ＰＦＡ製の離型性シート（厚さ：５０μｍ）上に白金量が１ｍｇ／ｃｍ2になるようにアプリケータを用いて塗布して乾燥した。乾燥後に、離型性シートを剥がし取り、厚さ２９μｍの正極触媒層を得た。
【００４４】
負極触媒層は以下のように作製した。先ず、平均粒径５ｎｍの白金ルテニウム合金（合金重量比１:１）微粒子（触媒）を５４重量％担持した田中貴金属工業社製の白金ルテニウム担持カーボン“６１Ｅ５４”（商品名）を１０重量部、アルドリッチ社製のプロトン伝導性物質“ナフィオン溶液”（商品名、固形分濃度５重量％）を１５０重量部、住友金属鉱山社製の長さ３０〜１００μｍの針状ＩＴＯをボールミルで粉砕した平均長さ２０μｍ、平均直径１．５μｍの針状ＩＴＯ微粒子（繊維状物質、アスペクト比：１３）を１重量部及びイオン交換水を１０重量部準備した。これらをジェットミルで混合分散し、ＰＦＡ製の離型性シート（厚さ：５０μｍ）上に白金−ルテニウム量が１ｍｇ／ｃｍ2になるようにアプリケータを用いて塗布して乾燥した。乾燥後に、離型性シートを剥がし取り、厚さ２６μｍの負極触媒層を得た。
【００４５】
また、拡散層として東レ社製のカーボンペーパー“ＴＧＰ−Ｈ−０９０”（厚さ：２８０μｍ）と、電解質膜としてデュポン社製の固体高分子電解質膜“ナフィオン１１２”（商品名）とを準備した。
【００４６】
続いて、図１に示すように、上記固体高分子電解質膜の片面に、上記拡散層１枚及び上記正極触媒層２枚（正極触媒層全体の総厚さ：５８μｍ）を配置し、また、上記固体高分子電解質膜の他面に、上記拡散層１枚及び上記負極触媒層５枚（負極触媒層全体の総厚さ：１３０μｍ）を配置し、この両側から１６０℃、１０ＭＰａの条件で３分間熱プレスを行い、電極・電解質一体化物を作製した。なお、電極面積は正極、負極ともに９ｃｍ2とした。
【００４７】
また、正極集電板は厚さ１０μｍの金製のシートから構成した。液体燃料としては、１５重量％のメタノール水溶液を用いた。負極集電板は正極集電板と同様に構成した。
【００４８】
（比較例１）
繊維状物質である上記針状ＩＴＯ微粒子を用いず、正極触媒層１枚の厚さを２８μｍ、負極触媒層１枚の厚さを２５μｍとし、正極触媒層全体として正極触媒層１枚（総厚さ：２８μｍ）、負極触媒層全体として負極触媒層１枚（総厚さ：２５μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４９】
（比較例２）
繊維状物質である上記針状ＩＴＯ微粒子を用いず、正極触媒層１枚の厚さを２８μｍ、負極触媒層１枚の厚さを２５μｍとし、正極触媒層全体として正極触媒層２枚（総厚さ：５６μｍ）、負極触媒層全体として負極触媒層５枚（総厚さ：１２５μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００５０】
（比較例３）
正極触媒層全体として正極触媒層１枚（総厚さ：２９μｍ）、負極触媒層全体として負極触媒層１枚（総厚さ：２６μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００５１】
（比較例４）
正極触媒層及び負極触媒層の上記針状ＩＴＯ微粒子の平均長さを２μｍ（アスペクト比：１．５）とした以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００５２】
（比較例５）
上記針状ＩＴＯ微粒子に代えて、粒径１０〜３０μｍの球状ＩＴＯ微粒子を用い、正極触媒層１枚の厚さを３０μｍ、負極触媒層１枚の厚さを２７μｍとし、正極触媒層全体として正極触媒層２枚（総厚さ：６０μｍ）、負極触媒層全体として負極触媒層５枚（総厚さ：１３５μｍ）を用いた以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００５３】
次に、実施例１及び比較例１〜５の液体燃料電池に対して、９００ｍＡ（１００ｍＡ／ｃｍ2）を印加し、５分後の出力密度を測定した。その結果を表１に示す。また、表１では、繊維状物質の平均長さの正極触媒層厚さに対する比率を正極比率、繊維状物質の平均長さの負極触媒層厚さに対する比率を負極比率として表した。
【００５４】
【表１】
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【００５５】
表１から、本発明に係る実施例１は、比較例１〜５に比べて出力密度がかなり向上していることが分かる。これに対して、触媒層に繊維状物質を含まない比較例１及び比較例２は、触媒層の厚さにかかわらず出力密度は低下した。一方、比較例３は、触媒層に繊維状物質を含むが、触媒層厚さが３０μｍ未満であるため、繊維状物質含有の効果が現れず、出力密度は向上しなかった。また、比較例４も、触媒層に繊維状物質を含むが、正極比率及び負極比率が０．１倍を下回るため、繊維状物質含有の効果が現れず、出力密度は向上しなかった。さらに、比較例５は、触媒層に球状物質を含有させたが、出力密度は向上しなかった。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
以上説明したように本発明は、触媒層の厚さを厚くしても、触媒層深部までの燃料や酸素の供給、触媒層深部からの二酸化炭素や水の排出を円滑に保ち、電池特性を改善させることができる液体燃料電池用発電素子を提供するができる。また、本発明の液体燃料電池用発電素子を用いた液体燃料電池は、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の電源の小型化、高容量化を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の液体燃料電池の各構成部品をそれぞれ結合させる前の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  負極
１ａ  拡散層
１ｂ  触媒層
２  正極
２ａ  拡散層
２ｂ  触媒層
３  電解質膜
４  負極集電板
５  液体燃料
６  燃料タンク
７  燃料供給孔
８  正極集電板
９  空気孔
１０  負極リード線
１１  正極リード線
１２  シール材
【図１】
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