(57)【要約】【課題】酸化剤極への燃料透過が抑制された燃料電池を提供する。【解決手段】固体電解質膜８と、前記固体電解質膜８に形成され、気化燃料が供給される燃料極触媒層５と、前記固体電解質膜８に前記燃料極触媒層５の周囲を囲むように形成された燃料極用疎水性絶縁層１０と、前記固体電解質膜８の前記燃料極触媒層５が形成されたのと反対側の面に設けられた酸化剤極触媒層２と、前記固体電解質膜８の前記反対側の面に前記酸化剤極触媒層２の周囲を囲むように形成された酸化剤極用疎水性絶縁層９とを具備することを特徴とする燃料電池。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体電解質膜と、
前記固体電解質膜に形成され、気化燃料が供給される燃料極触媒層と、
前記固体電解質膜に前記燃料極触媒層の周囲を囲むように形成された燃料極用疎水性絶縁層と、
前記固体電解質膜の前記燃料極触媒層が形成されたのと反対側の面に設けられた酸化剤極触媒層と、
前記固体電解質膜の前記反対側の面に前記酸化剤極触媒層の周囲を囲むように形成された酸化剤極用疎水性絶縁層と
を具備することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料極触媒層に積層された燃料極拡散層と、前記酸化剤極触媒層に積層された酸化剤極拡散層とをさらに備え、前記燃料極用疎水性絶縁層の厚さは、前記燃料極触媒層と前記燃料極拡散層の合計厚さ以下であり、前記酸化剤極用疎水性絶縁層の厚さは、前記酸化剤極触媒層と前記酸化剤極拡散層の合計厚さ以下であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記燃料極用疎水性絶縁層及び前記酸化剤極用疎水性絶縁層は、接着性と疎水性を有する高分子材料をそれぞれ含有することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を気化させた気化燃料が供給される燃料極触媒層を備えた燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料のみを交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化が出来れば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；direct methanol fuel cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、改質器も不要なことから小型化が可能であり、燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望である。
【０００３】
ＤＭＦＣの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣ、更に、燃料電池内で液体燃料を気化して使用する内部気化型ＤＭＦＣ等が知られている。このうち、内部気化型ＤＭＦＣでは、燃料供給のためのポンプやブロア等の大掛かりな装備を設ける必要がないことから、燃料のメタノール濃度を濃くして液体燃料タンクの小型化が達成できれば、高エネルギー密度の小型燃料電池の実現が可能である。
【０００４】
しかしながら、この内部気化型ＤＭＦＣには、燃料のメタノール濃度を濃くするに従ってメタノールクロスオーバ量が多くなるという問題点がある。
【０００５】
ところで、特許文献１は、膨張黒鉛シートからなる不浸透性プレートの片面または両面に、複数本の平行なリブを有する炭素繊維体からなるリブ部材及び該リブ部材の両側の位置に緻密質の炭素材からなるシールプレートを接合してなるセパレータを使用することにより、リン酸型燃料電池のガス漏れが抑制されることを開示している。
【０００６】
一方、特許文献２は、膨張黒鉛材、炭素繊維材あるいは導電性ゴムからなる導電性柔軟部をセパレータに形成することにより、膜電極複合体とセパレータとの電気的、熱的接触性が良好になることを開示している。
【特許文献１】特開平３−１３８８６５号公報
【特許文献２】特開２００３−２４３００２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、酸化剤極への燃料透過が抑制された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】
上記の内部気化型ＤＭＦＣでは、メタノールも水も気化させて燃料極に供給しているが、水はメタノールに比べて蒸気圧が低いため、液体燃料を高濃度にすると水供給量が著しく不足し、燃料極での内部改質反応（ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ−）の反応抵抗が大きくなる。この反応抵抗を下げるために固体電解質膜の厚さを薄くすると、酸化剤極で生成した水分の燃料極への拡散を促すことが可能であるものの、固体電解質膜のメタノール透過性が大きくなり、メタノールクロスオーバ量が多くなるのである。
【０００９】
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を重ねた結果、固体電解質膜に、燃料極触媒層と酸化剤極触媒層それぞれの周囲を取り囲むように、疎水性の絶縁層を形成すると、酸化剤極への燃料透過が抑制されるだけでなく、酸化剤極触媒層で生成した水の燃料極触媒層への戻りが良くなるために内部改質反応の反応抵抗も改善できることを見出した。
【００１０】
すなわち、本発明は、固体電解質膜と、
前記固体電解質膜に形成され、気化燃料が供給される燃料極触媒層と、
前記固体電解質膜に前記燃料極触媒層の周囲を囲むように形成された燃料極用疎水性絶縁層と、
前記固体電解質膜の前記燃料極触媒層が形成されたのと反対側の面に設けられた酸化剤極触媒層と、
前記固体電解質膜の前記反対側の面に前記酸化剤極触媒層の周囲を囲むように形成された酸化剤極用疎水性絶縁層と
を具備することを特徴とするものである。
【００１１】
本発明によれば、固体電解質膜の両面に形成した酸化剤極用疎水性絶縁層と燃料極用疎水性絶縁層とによって、触媒層や固体電解質膜からの水分の蒸発を抑制することができるため、酸化剤極から燃料極への水拡散を促すことができ、高濃度の液体燃料を使用しても内部改質反応の反応抵抗を低く抑えることができる。また、これら疎水性絶縁層によると、液体燃料を高濃度にしても酸化剤極への燃料透過を抑制することが可能である。
【００１２】
これらの結果、高濃度の液体燃料、特に化学量論比を超える濃厚な燃料を使用した際にも高い出力特性を得ることができるため、小型で高エネルギー密度の燃料電池を実現することができる。
【００１３】
また、酸化剤極触媒層で発生した水を燃料極触媒層における液体燃料の内部改質反応に使用できるため、酸化剤極触媒層で発生した水の燃料電池外への排出等の処理が軽減できると共に、液体燃料への水の供給のための特別な構成を必要とせず、簡便な構成の燃料電池を提供することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、酸化剤極への燃料透過が抑制された燃料電池を提供することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の燃料電池で使用され得る固体電解質膜、燃料極触媒層、燃料極拡散層、酸化剤極触媒層、酸化剤極拡散層、燃料極用疎水性絶縁層、酸化剤極用疎水性絶縁層、液体燃料について説明する。
【００１６】
（１）固体電解質膜
固体電解質膜は、プロトン伝導性材料を主成分として含むものが好ましい。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フッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、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物ではない。
【００１７】
固体電解質膜の厚さは、１００μｍ以下にすることが望ましい。これにより、酸化剤極触媒層から燃料極触媒層への水拡散を促すことが可能になり、出力特性をさらに向上することができる。但し、固体電解質膜の厚さを１０μｍ未満にすると、疎水性絶縁層で電解質膜を補強しても電解質膜の破断が生じやすくなることから、固体電解質膜の厚さは１０〜１００μｍの範囲にすることがより好ましい。より好ましくは、１０〜８０μｍの範囲である。
【００１８】
（２）燃料極触媒層及び酸化剤極触媒層
酸化剤極触媒層及び燃料極触媒層に含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。燃料極触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、酸化剤極触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものでは無い。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を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。
【００１９】
（３）燃料極拡散層及び酸化剤極拡散層
燃料極拡散層及び酸化剤極拡散層は、例えば、カーボンペーパからそれぞれ形成することが可能である。
【００２０】
燃料極拡散層の厚さは、例えば、３８０〜４３０μｍの範囲にすることができる。また、酸化剤極拡散層の厚さは、例えば、３５０〜３８０μｍの範囲にすることができる。
【００２１】
（４）燃料極用疎水性絶縁層および酸化剤極用疎水性絶縁層
燃料極用疎水性絶縁層および酸化剤極用疎水性絶縁層は、それぞれ、疎水性高分子材料を含有するものが望ましい。疎水性高分子材料は、固体電解質膜との接着強度を確保する観点、特に後述する塗工法もしくは熱圧着法で形成する場合には、接着性を有することが望ましい。また、耐メタノール性のような化学安定性が高いことが好ましい。
【００２２】
接着性と耐メタノール性を有する疎水性高分子材料としては、例えば、フッ素含有樹脂およびフッ素含有ゴム（例えば、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）−ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）コポリマー、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）−ヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）−ヘキサフルオロアセトン（ＨＦＡ）のコポリマー、テトラフルオロエチレン（ＴＦＥ）−ポリプロピレン（ＰＰ）コポリマー、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル等）、フッ素系表面処理剤、シリコン含有樹脂およびシリコン含有ゴム（例えば、シアノシリコンゴム）などを挙げることができる。使用する疎水性高分子材料の種類は、１種類もしくは２種類以上にすることが望ましい。例えばナフィオン（登録商標）膜（Du Pont社）のようなスルホン酸基を有するフッ素系樹脂の膜を固体電解質膜として採用した場合は、固体電解質膜との接着強度が高くなり、かつメタノール透過量も少なくなることから、フッ素含有樹脂、フッ素含有ゴムあるいはフッ素系表面処理剤が好ましい。
【００２３】
燃料極用疎水性絶縁層および酸化剤極用疎水性絶縁層は、互いに同じ種類の材料から形成されていても、異なる種類の材料から形成されていても良い。疎水性絶縁層の疎水度を異ならせることにより、必要とする特性が強化された燃料電池を実現することができる。例えば、燃料極用疎水性絶縁層の疎水性を高くすることにより、メタノール透過抑制効果を高くすることができ、また、酸化剤極用疎水性絶縁層の疎水性を高くすることにより、酸化剤極から燃料極への水拡散を促すことが可能である。
【００２４】
燃料極用疎水性絶縁層の厚さは、燃料極触媒層の厚さ以上で、かつ燃料極触媒層と燃料極拡散層の合計厚さ以下にすることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。燃料極用疎水性絶縁層の厚さを燃料極触媒層の厚さと同等もしくはそれ以上にすることによって、燃料の透過と水分の蒸発をさらに抑制することができる。燃料極用疎水性絶縁層が厚い方が、燃料透過と水分蒸発を抑制する効果が高くなるものの、燃料極触媒層と燃料極拡散層の合計厚さを超えると、燃料極および燃料極側集電体との接触不良による燃料電池出力特性の低下が起こりやすく、また燃料電池全体の厚さが増大して容積あたりの出力が低下する恐れがある。
【００２５】
燃料極用疎水性絶縁層の厚さは、例えば、４００〜４５０μｍの範囲にすることができる。
【００２６】
酸化剤極用疎水性絶縁層の厚さは、酸化剤極触媒層の厚さ以上で、かつ酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散層の合計厚さ以下であることが望ましい。これは以下に説明する理由によるものである。酸化剤極用疎水性絶縁層の厚さを酸化剤極触媒層の厚さと同等もしくはそれ以上にすることによって、燃料透過と水分蒸発をさらに抑制することができる。酸化剤極用疎水性絶縁層が厚い方が、燃料透過と水分蒸発を抑制する効果が高くなるものの、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散層の合計厚さを超えると、酸化剤極および酸化剤極側集電体との接触不良による燃料電池出力特性の低下が起こりやすくなる。酸化剤極側で生じた水によるフラッディングが起こりやすく、また、酸素が充分に供給されないことによる出力の低下、燃料電池全体の厚さが増大することによる容積あたりの出力低下も生じる恐れがある。
【００２７】
酸化剤極用疎水性絶縁層の厚さは、例えば、３５０〜４００μｍの範囲にすることができる。
【００２８】
疎水性絶縁層の形成方法としては、塗工法、熱圧着法、接着法などを採用することができる。
【００２９】
（Ａ）塗工法
疎水性高分子樹脂を適切な溶剤で溶解後、あらかじめ形成した膜電極複合体の固体電解質膜上に塗工し、乾燥することにより得る方法である。固体電解質膜表面に均一に塗布するために、塗工前に固体電解質膜上にプラズマ処理、サンドブラスト処理、カップリング処理、酸処理、アルカリ処理等の表面処理を施しても良い。また、接着強度を高くするために、塗工し、乾燥した後に熱プレスを実施しても良い。熱プレス温度は、例えば、８０〜１５０℃の範囲にすることが可能である。
【００３０】
（Ｂ）熱圧着法
疎水性高分子シート（既に膜状になっているもの）を、膜電極複合体の固体電解質膜の表面に熱圧着により形成する。このとき、固体電解質膜を構成する成分を適当な溶媒に分散させたディスパージョンを接着のためにバインダーとして用いても良い。疎水性高分子シートの種類によって接着しにくい場合は、疎水性高分子シートおよび固体電解質膜の一方あるいは両方にプラズマ処理、サンドブラスト処理、カップリング処理、酸処理、アルカリ処理等の表面処理を施しても良い。
【００３１】
（Ｃ）接着法
疎水性高分子シートを、膜電極複合体の固体電解質膜の表面に接着剤で固定する。接着剤としては、例えば、耐メタノール性接着剤などを使用することが可能である。また、接着強度を高くするために、接着後に熱プレスを実施しても良い。
【００３２】
（４）液体燃料
液体燃料には、メタノール水溶液、純メタノールなどを使用することができる。液体燃料中のメタノール濃度は、５０モル％以上であることが望ましく、さらに望ましい範囲は５０モル％を超える濃度である。これにより、液体燃料タンクの小型化を図ることができると共に、エネルギー密度を高くすることが可能である。純メタノールの純度は９５重量％以上１００重量％以下にすることが望ましい
以下、本発明に係る燃料電池の一実施形態である直接メタノール型燃料電池を図面を参照して説明する。
【００３３】
図１は、本発明の一実施形態に係る直接メタノール型燃料電池を示す模式的な断面図である。
【００３４】
図１に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１は、酸化剤極触媒層２及び酸化剤極ガス拡散層３からなる酸化剤極４と、燃料極触媒層５及び燃料極ガス拡散層６からなる燃料極７と、酸化剤極触媒層２と燃料極触媒層５の間に配置されるプロトン伝導性の固体電解質膜８とを備えるものである。
【００３５】
酸化剤極触媒層２は酸化剤極ガス拡散層３上に積層されている。酸化剤極ガス拡散層３は酸化剤極触媒層２に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、酸化剤極触媒層３の集電体も兼ねている。一方、燃料極触媒層５は燃料極ガス拡散層６上に積層されている。燃料極ガス拡散層６は燃料極触媒層５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５の集電体も兼ねている。酸化剤極ガス拡散層３および燃料極ガス拡散層６は、例えば、カーボンペーパからそれぞれ形成することが可能である。
【００３６】
矩形枠状の酸化剤極用疎水性絶縁層９は、酸化剤極触媒層２と酸化剤極ガス拡散層３それぞれの側面を囲む、つまり酸化剤極４の周囲を囲むように、固体電解質膜８上に接着されている。このため、酸化剤極用疎水性絶縁層９の厚さは、酸化剤極触媒層２と酸化剤極ガス拡散層３の合計厚さと等しくなっている。一方、矩形枠状の燃料極用疎水性絶縁層１０は、固体電解質膜８の酸化剤極４が形成されているのとは反対側の面に形成され、燃料極触媒層５と燃料極ガス拡散層６双方の側面、すなわち燃料極７の周囲を囲んでいる。よって、燃料極用疎水性絶縁層１０の厚さは、燃料極触媒層５と燃料極ガス拡散層６の合計厚さと等しい。
【００３７】
燃料極７の下方には、液体燃料の気化成分を燃料極触媒層５に供給するための燃料室１１が設けられている。燃料室１１は、液体のメタノールあるいはメタノール水溶液が収容された液体燃料タンク（図示しない）と、液体燃料の気化成分のみを透過させて、液体燃料は透過できない、気液分離膜からなる燃料気化層（図示しない）とを備えるものである。気液分離膜としては、例えば、シリコーンゴムシートを挙げることができる。
【００３８】
また、燃料気化層と燃料極との間に、燃料気化層を拡散してきた気化燃料を一時的に収容しておく気化燃料収容室を設けたり、あるいは、液体燃料を一次的に保持する燃料浸透層を、液体燃料タンクと燃料気化層との間に配置することも可能である。
【００３９】
一方、酸化剤である空気を取り入れるための流路１２が形成された酸化剤極側セパレータ１３は、酸化剤極ガス拡散層３と酸化剤極用疎水性絶縁層９の双方の主面を覆うように積層されている。酸化剤極側セパレータ１３は、例えば、カーボン結着板から形成することができる。
【００４０】
上述したような構成の直接メタノール型燃料電池によれば、燃料室１１から燃料極ガス拡散層６を通して燃料極触媒層５に液体燃料（例えばメタノール水溶液）の気化成分が供給されると、以下の反応式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。
【００４１】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ−    （１）
なお、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料室１１からの水の供給がないため、酸化剤極触媒層２に混入したメタノールの酸化反応により生成した水や固体電解質膜８中の水分等がメタノールと反応して前述した（１）式の内部改質反応が生じるか、あるいは前述した（１）式によらない水不使用の反応機構で内部改質反応が生じる。
【００４２】
これら内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は固体電解質膜８を拡散して酸化剤極触媒層２に到達する。一方、酸化剤極側セパレータ１３の流路１２から取り入れられた空気は、酸化剤極ガス拡散層３を拡散して酸化剤極触媒層２に供給される。酸化剤極触媒層２では、下記（２）式に示す反応によって水が生成する、つまり発電反応が生じる。
【００４３】
（３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ−  →  ３Ｈ2Ｏ      （２）
発電反応が進行すると、前述した（２）式の反応などによって酸化剤極触媒層２中に水が生成する。固体電解質膜８の両面に一体化された疎水性絶縁層９，１０により、ＭＥＡ１からの水の蒸発を抑制することができるため、酸化剤極触媒層２の水分保持量が燃料極触媒層５の水分保持量よりも多い状態を作り出すことができる。その結果、浸透圧現象によって、酸化剤極触媒層２から燃料極触媒層５への水拡散が促進されるため、液体燃料中のメタノール濃度を濃くしても前述した（１）式に示すメタノールの内部改質反応を円滑に進めることができる。
【００４４】
また、燃料極触媒層５や燃料極拡散層６から未反応のメタノールが流出するが、これが固体電解質膜８へ透過するのを燃料極用疎水性絶縁層１０によって抑制することができる。万一、固体電解質膜８にメタノールが透過してしまっても、酸化剤極用疎水性絶縁層９によって、酸化剤極触媒層２への透過を阻止することができる。従って、液体燃料中のメタノール濃度を高くした際のメタノールクロスオーバ現象を少なくすることが可能となる。
【００４５】
以上のことから、メタノール濃度が高い液体燃料を使用した際にも高い出力特性を得ることが可能になる。
【００４６】
さらに、上記構成の燃料電池では、気化燃料の取り込み及び空気の取り入れにより発電時のＭＥＡ１の膨張収縮が大きく、また、ＭＥＡ１の両側をセパレータやエンドプレートで締付けてもいないため、固体電解質膜８の厚さを薄くする（例えば１００μｍ以下）と、固体電解質膜８がよれやすくなる。固体電解質膜８の両面に一体化された疎水性絶縁層９，１０が、固体電解質膜８の引っ張り強度を向上することができるため、固体電解質膜８の厚さを薄くした際の破断を抑制することができる。
【００４７】
また、疎水性絶縁層９，１０は、ガスケットの役割を兼ねることができるため、燃料電池組み立て時のＭＥＡ１のハンドリング性を向上することができる。
【００４８】
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。
【００４９】
[実施例]
以下、本発明の実施例を図面を参照して詳細に説明する。
【００５０】
（実施例１）
＜燃料極の作製＞
燃料極用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを添加し、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストを燃料極ガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが４５０μｍの燃料極触媒層を得た。
【００５１】
＜酸化剤極の作製＞
酸化剤極用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを加え、前記触媒担持カーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストを酸化剤極ガス拡散層としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより厚さが４００μｍの酸化剤極触媒層を得た。
【００５２】
燃料極触媒層と酸化剤極触媒層の間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（nafion膜、デュポン社製）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、膜電極接合体（ＭＥＡ）を得た。
【００５３】
疎水性高分子樹脂としてのフッ素系ゴムを溶剤としてのメチルイソブチルケトンに溶解することによりスラリーを調製した。得られたスラリーを、膜電極複合体の固体電解質膜上に酸化剤極の周囲を囲むように塗工し、乾燥した後、８０〜１５０℃で熱プレスすることにより、酸化剤極用疎水性絶縁層を得た。
【００５４】
また、膜電極複合体の固体電解質膜の反対側の面に、前述したスラリーを燃料極の周囲を囲むように塗工し、乾燥した後、８０〜１５０℃で熱プレスすることにより、燃料極用疎水性絶縁層を得た。
【００５５】
得られた膜電極接合体と、酸化剤極側セパレータ及び燃料室を用いて前述した図１に示す構造を有する内部気化型の直接メタノール型燃料電池を組み立てた。この際、燃料タンクには、純度が９９．９重量％の純メタノールを２ｍＬ収容した。
【００５６】
（実施例２）
疎水性高分子樹脂の種類をフッ素系樹脂に変更すること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様にして直接メタノール型燃料電池を組み立てた。
【００５７】
（実施例３）
ハイドロフルオロエーテルを溶剤としてフッ素系表面処理剤を主なコーティング材料として使用すること以外は、前述した実施例１で説明したのと同様にして直接メタノール型燃料電池を組み立てた。
【００５８】
（比較例１）
疎水性絶縁層を形成しないこと以外は、前述した実施例１で説明したのと同様にして直接メタノール型燃料電池を組み立てた。
【００５９】
まず、実施例１〜３の燃料電池について、JIS K-6854（接着剤のはく離接着強さ試験方法）に記載のT形はく離試験を実施し、疎水性絶縁層と固体電解質膜との接着強度を求めたところ、実施例１〜３の疎水性絶縁層は固体電解質膜に十分な接着強度で固定されていることを確認することができた。実際に、実施例１〜３の燃料電池を室温にて一定負荷で発電を行ったところ、発電中に疎水性絶縁層が剥離することはなかった。
【００６０】
また、T形はく離試験の結果を図２に示す。図２の縦軸は相対はく離荷重で、横軸はＧ（dyn/cm2）の相対値を示す。図２に示すように、T形はく離試験の結果、疎水性高分子の種類により、はく離強度が異なり、固体電解質膜との接着強度の点からは実施例３が望ましいことがわかった。
【００６１】
また、実施例１〜３及び比較例１の燃料電池について、メタノールクロスオーバ量の測定を行った。試験用セルを供試する膜で仕切り、片方のセルに純メタノールを所定量入れ、もう片方のセルに純水を入れた。室温で一定時間経過後、純水を入れたセル側のメタノール濃度をガスクロマトグラフィーで測定し、メタノールの透過量を求め、その結果を図３に示す。図３の縦軸は、相対的なメタノール透過量を表し、横軸は相対時間を示す。
【００６２】
なお、供試する膜は、実施例１〜３については、酸化剤極と燃料極が形成されていない固体電解質膜を用意し、その両方の面全体に各実施例と同様な手順で疎水性絶縁層を形成した三層膜を使用した。また、比較例１については、固体電解質膜のみを使用したが、固体電解質膜の厚さは、実施例１〜３の場合に使用した三層膜と同じ厚さに設定した。
【００６３】
図３から明らかなように、固体電解質膜の両面に疎水性絶縁層を形成した実施例１〜３では、疎水性絶縁層を形成せずに固体電解質膜を厚くした比較例に比して、メタノール透過量が少なく、メタノールクロスオーバ抑制に有効であることが理解できる。実施例１〜３の中でも、実施例３がメタノールクロスオーバ抑制の点から望ましい。
【００６４】
以上説明した通り、実施例１〜３の燃料電池によると、図２において確認したように、固体電解質膜上の酸化剤極の周囲を囲むように酸化剤極用疎水性絶縁層が一体化されており、かつ固体電解質膜の反対側の面に形成された燃料極の周囲を囲むように燃料極用疎水性絶縁層が一体化されているため、ＭＥＡからの水分の蒸発を抑制することができ、酸化剤極から燃料極への水拡散を良好にすることができる。同時に、燃料電池組立て時や発電時の固体電解質膜の破断を抑えることが可能となる。
【００６５】
また、前述した図３において確認したように、実施例１〜３の燃料電池によると、メタノールクロスオーバを抑制することができる。
【００６６】
以上のことから、実施例１〜３の燃料電池によると、液体燃料中のメタノール濃度を５０モル％よりも多くした際にも高い出力特性を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の一実施形態に係る直接メタノール型燃料電池を示す模式的な断面図。
【図２】実施例１〜３の直接メタノール型燃料電池についてのＴ形はく離試験の結果を示す特性図。
【図３】実施例１〜３及び比較例の直接メタノール型燃料電池についてのメタノールクロスオーバ試験の結果を示す特性図。
【符号の説明】
【００６８】
１…膜電極接合体（ＭＥＡ）、２…酸化剤極触媒層、３…酸化剤極ガス拡散層、４…酸化剤極、５…燃料極触媒層、６…燃料極ガス拡散層、７…燃料極、８…固体電解質膜、９…酸化剤極用疎水性絶縁層、１０…燃料極用疎水性絶縁層、１１…燃料室、１２…酸化剤流路、１３…酸化剤極側セパレータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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