(57)【要約】      （修正有）【課題】電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することが可能な電解質膜・電極接合体の製造方法、該電解質膜・電極接合体の製造方法を用いて製造された電解質膜・電極接合体及び該電解質膜・電極接合体を有する燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜・電極接合体の製造方法は、弾性体を用いて、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体を加圧することにより電解質膜と電極とを接合させ、弾性体は、加圧される方向に対して垂直な方向への変形を吸収又は抑制する材料からなる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも電解質膜及び電極が接合されている電解質膜・電極接合体を製造する電解質膜・電極接合体の製造方法において、
弾性体を用いて、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体を加圧することにより前記電解質膜と前記電極とを接合させ、
前記弾性体は、前記加圧される方向に対して垂直な方向への変形を吸収又は抑制する材料からなることを特徴とする電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項２】
前記弾性体は、多孔質体であることを特徴とする請求項１に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項３】
前記多孔質体の空孔の方向は、前記加圧される方向に対して平行であることを特徴とする請求項２に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項４】
前記弾性体は、フィラーを含有することを特徴とする請求項１に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項５】
前記フィラーの配向方向は、前記加圧される方向に対して垂直であることを特徴とする請求項４に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項６】
少なくとも電解質膜及び電極が接合されている電解質膜・電極接合体を製造する電解質膜・電極接合体の製造方法において、
弾性体と、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体との間に滑り層が設けられた状態で、前記弾性体を用いて前記積層体を加圧することにより前記電解質膜と前記電極とを接合させることを特徴とする電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項７】
前記滑り層は、可とう性を有し、
前記滑り層の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みは、前記弾性体の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みより小さいことを特徴とする請求項６に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項８】
前記滑り層は、基材の表面に、少なくとも滑り剤を有し、
前記基材の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みは、前記弾性体の前記加圧する方向に対して垂直な方向の歪みより小さいことを特徴とする請求項６又は７に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項９】
前記基材は、木材繊維であることを特徴とする請求項８に記載の固体電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項１０】
前記滑り剤は、パラフィンであることを特徴とする請求項８又は９に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項１１】
前記滑り層の厚さは、３０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項１２】
前記積層体は、電解質膜、電極及び多孔質電極が積層されており、
前記電極と前記多孔質電極とを、さらに接合させることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項１３】
前記積層体を加圧する際に加熱することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法で製造されていることを特徴とする電解質膜・電極接合体。
【請求項１５】
請求項１４に記載の電解質膜・電極接合体を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項１６】
アルコールを含有する燃料を用いて発電することを特徴とする請求項１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする請求項１６に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜・電極接合体の製造方法、電解質膜・電極接合体及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
温暖化ガスに代表される環境問題の観点から、クリーンエネルギー源としての燃料電池が急ピッチで開発されている。特に、固体電解質型燃料電池は、低温作動や小型で高出力密度であることから、研究開発が活発に進められている。その中でも、電極と電解質の均一な接合や高い接合強度は、燃料電池の安定稼動に重要である。そのために、シリコーンゴムを加圧装置との間に介してプレスした方法が考案されているが、従来技術では加圧によるシリコーンゴムの変形により電極が損傷したり、電解質にしわが発生したりする等の不具合が起こっていた。また、セパレータで挟持される電極周縁の電解質膜は、一般的なホットプレス法では、しわが発生しやすく、発生したしわは、燃料電池のガスシール性に影響を及ぼすことが知られている。そこで、電解質膜の電極周縁部に耐熱性弾性部材を介在させて加圧及び加熱する手法（特許文献１参照）、加圧板と電池素子との間に弾性体からなる緩衝材を介在させた状態で加圧する手法（特許文献２参照）等が知られている。
【０００３】
しかしながら、上記従来技術は、電極や電解質膜の均一な加圧が不十分となり、作製される電解質膜・電極接合体の形状が変形しやすいという問題を有している。
【特許文献１】特開２００２−２６０６８４号公報
【特許文献２】特開２００１−２８３９１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上記の従来技術が有する問題に鑑み、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することが可能な電解質膜・電極接合体の製造方法、該電解質膜・電極接合体の製造方法を用いて製造された電解質膜・電極接合体及び該電解質膜・電極接合体を有す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】
【０００５】
請求項１に記載の発明は、少なくとも電解質膜及び電極が接合されている電解質膜・電極接合体を製造する電解質膜・電極接合体の製造方法において、弾性体を用いて、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体を加圧することにより前記電解質膜と前記電極とを接合させ、前記弾性体は、前記加圧される方向に対して垂直な方向への変形を吸収又は抑制する材料からなることを特徴とする。
【０００６】
請求項１に記載の発明によれば、弾性体を用いて、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体を加圧することにより前記電解質膜と前記電極とを接合させ、前記弾性体は、前記加圧される方向に対して垂直な方向への変形を吸収又は抑制する材料からなるので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することが可能な電解質膜・電極接合体の製造方法を提供することができる。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記弾性体は、多孔質体であることを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載の発明によれば、前記弾性体は、多孔質体であるので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記多孔質体の空孔の方向は、前記加圧される方向に対して平行であることを特徴とする。
【００１０】
請求項３に記載の発明によれば、前記多孔質体の空孔の方向は、前記加圧される方向に対して平行であるので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記弾性体は、フィラーを含有することを特徴とする。
【００１２】
請求項４に記載の発明によれば、前記弾性体は、フィラーを含有するので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。
【００１３】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記フィラーの配向方向は、前記加圧される方向に対して垂直であることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明によれば、前記フィラーの配向方向は、前記加圧される方向に対して垂直であるので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、少なくとも電解質膜及び電極が接合されている電解質膜・電極接合体を製造する電解質膜・電極接合体の製造方法において、弾性体と、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体との間に滑り層が設けられた状態で、前記弾性体を用いて前記積層体を加圧することにより前記電解質膜と前記電極とを接合させることを特徴とする。
【００１６】
請求項６に記載の発明によれば、弾性体と、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体との間に滑り層が設けられた状態で、前記弾性体を用いて前記積層体を加圧することにより前記電解質膜と前記電極とを接合させるので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することが可能な電解質膜・電極接合体の製造方法を提供することができる。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記滑り層は、可とう性を有し、前記滑り層の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みは、前記弾性体の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みより小さいことを特徴とする。
【００１８】
請求項７に記載の発明によれば、前記滑り層は、可とう性を有し、前記滑り層の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みは、前記弾性体の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みより小さいので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。
【００１９】
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記滑り層は、基材の表面に、少なくとも滑り剤を有し、前記基材の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みは、前記弾性体の前記加圧する方向に対して垂直な方向の歪みより小さいことを特徴とする。
【００２０】
請求項８に記載の発明によれば、前記滑り層は、基材の表面に、少なくとも滑り剤を有し、前記基材の前記加圧される方向に対して垂直な方向の歪みは、前記弾性体の前記加圧する方向に対して垂直な方向の歪みより小さいので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、請求項８に記載の固体電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記基材は、木材繊維であることを特徴とする。
【００２２】
請求項９に記載の発明によれば、前記基材は、木材繊維であるので、コストを低減することができる。
【００２３】
請求項１０に記載の発明は、請求項８又は９に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記滑り剤は、パラフィンであることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０に記載の発明によれば、前記滑り剤は、パラフィンであるので、コストを低減することができる。
【００２５】
請求項１１に記載の発明は、請求項８乃至１０のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記滑り層の厚さは、３０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする。
【００２６】
請求項１１に記載の発明によれば、前記滑り層の厚さは、３０μｍ以上５００μｍ以下であるので、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。
【００２７】
請求項１２に記載の発明は、請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記積層体は、電解質膜、電極及び多孔質電極が積層されており、前記電極と前記多孔質電極方とを、さらに接合させることを特徴とする。
【００２８】
請求項１２に記載の発明によれば、前記積層体は、電解質膜、電極及び多孔質電極が積層されており、前記電極と前記多孔質電極とを、さらに接合させるので、電解質膜、電極及び多孔質電極の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。
【００２９】
請求項１３に記載の発明は、請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法において、前記積層体を加圧する際に加熱することを特徴とする。
【００３０】
請求項１３に記載の発明によれば、前記積層体を加圧する際に加熱するので、電解質膜・電極接合体の接合強度を高めることができる。
【００３１】
請求項１４に記載の発明は、電解質膜・電極接合体において、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法で製造されていることを特徴とする。
【００３２】
請求項１４に記載の発明によれば、請求項１乃至１３のいずれか一項に記載の電解質膜・電極接合体の製造方法で製造されているので、電極及び電解質膜の損傷及び変形が抑制され、接合強度が良好な電解質膜・電極接合体を提供することができる。
【００３３】
請求項１５に記載の発明は、燃料電池において、請求項１４に記載の電解質膜・電極接合体を有することを特徴とする。
【００３４】
請求項１５に記載の発明によれば、請求項１４に記載の電解質膜・電極接合体を有するので、シール性が良好な燃料電池を提供することができる。
【００３５】
請求項１６に記載の発明は、請求項１５に記載の燃料電池において、アルコールを含有する燃料を用いて発電することを特徴とする。
【００３６】
請求項１６に記載の発明によれば、アルコールを含有する燃料を用いて発電するので、体積エネルギー密度の高い燃料を有する燃料電池を得ることができる。
【００３７】
請求項１７に記載の発明は、請求項１６に記載の燃料電池において、前記アルコールは、エタノールであることを特徴とする。
【００３８】
請求項１７に記載の発明によれば、前記アルコールは、エタノールであるので、環境安全性が高い燃料を有する燃料電池を得ることができる。
【発明の効果】
【００３９】
本発明によれば、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することが可能な電解質膜・電極接合体の製造方法、該電解質膜・電極接合体の製造方法を用いて製造された電解質膜・電極接合体及び該電解質膜・電極接合体を有する燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
次に、本発明を実施するための最良の形態を図面と共に説明する。
【００４１】
図１に、プロトン伝導型固体高分子電解質を使用した燃料電池の発電概念図を示す。基本的構成要素として、中心に電解質膜１１が存在し、その両側にアノード１２及びカソード１３が配置された電解質膜・電極接合体（以下、ＭＥＡという）を有している。プロトン伝導型の電解質膜１１が使用される場合は、アノード１２側にプロトン源となる燃料（水素、アルコール等）が供給され、アノード１２内の触媒作用により燃料から水素イオンが発生する。この時、発生する電子は、外部回路に流れ出る。発生した水素イオンは、電解質膜１１中を伝搬し、アノード１２に達する。アノード１２に酸化剤（空気、酸素等）が供給されることにより、水素イオンと酸素と外部回路を流れて来る電子とが反応し、水を生成する。以上が発電の概念で、燃料として、水素を用いた場合の反応式は、以下のようになる。
【００４２】
アノード反応：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード反応：２Ｈ＋＋１／２Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ
全反応：Ｈ２＋１／２Ｏ２→Ｈ２Ｏ
電極反応が進行させるためには、ＭＥＡにおいて、電極と触媒と電解質膜の界面が十分に接合されている必要がある。電解質膜・電極接合体は、燃料及び酸化剤を供給するセパレータ１４に挟持されており、燃料電池の発電反応が行われる。電解質膜１１に接合される電極としては、少なくとも触媒を担持したカーボン粒子の層を用いることができ、図１に示すように、燃料を拡散する拡散層と一体となっていてもよい。
【００４３】
ＭＥＡの製造方法としては、平板によるホットプレスが一般的であるが、電解質膜に電極を積層した面を均一に加圧することは困難である。このため、加圧部材として、弾性体を用いて、電極と電解質膜との積層体を加圧する方法が知られている。しかしながら、従来の弾性体を用いた加圧方法では、弾性体が加圧方向に対して垂直な方向に変形するため、電極と電解質膜との積層体が、弾性体の変形に追随してしまうことにより、電極が破損したり、電極周辺にしわ等の歪みが生じたりする等、セパレータで挟持する際にガスシール性等に問題がある。つまり、従来の加圧部材である弾性体は、加圧方向に対して垂直な方向に変形することにより、弾性体に印加された圧力を分散させる。このため、印加する圧力が大きくなる程、加圧方向に対して垂直な方向への変形が大きくなり、弾性体が接触する電極や電極周辺部に変形を生じさせる。
【００４４】
そこで、本発明のＭＥＡの製造方法においては、加圧方向に対して垂直な方向への変形を吸収又は抑制する弾性体を介して、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体を加圧することにより、電解質膜と電極とを接合する。これにより、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制し、良好に加圧することができる。なお、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体とは、電解質膜及び電極の数や大きさに係わらず、電解質膜及び電極が積層されている積層体を意味する。
【００４５】
また、本発明のＭＥＡの製造方法としては、電解質膜とキャリア上に積層された電極との加圧接合、電極材料がドライ又は液体状で塗布された電解質膜の加圧接合、多孔質電極上に積層された電極と電解質膜との接合、電解質膜と接合している電極と多孔質電極との接合等が挙げられる。
【００４６】
図２に、本発明のＭＥＡの製造方法の一例を示す。図２は、平板２１を用いて電解質膜２２と電極２３とを加圧接合する装置であって、平板２１上に弾性体２４を設けた加圧部材を用いて、電解質膜２２及び電極２３を加圧する。
【００４７】
図３に、本発明のＭＥＡの製造方法の一例を示す。ここでは、連続的な生産工程を示し、ローラ状の弾性体３１を用いて、電解質膜３２と電極３３とを加圧接合する。
【００４８】
本発明で使用される弾性体の材料としては、天然ゴム、合成ゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴム等が挙げられるが、弾性体は、多孔質体であることが好ましい。これにより、加圧の際に生じる加圧方向に対して垂直な方向への変形を空孔部で吸収することができる。
【００４９】
また、多孔質体の空孔の配列方向は、加圧方向に対して平行であることが好ましい。ここで、加圧方向に対して平行とは、加圧方向又は加圧方向に近い方向であることを意味する。一例として、弾性体の加圧方向と加圧方向に垂直な方向のそれぞれ断面において、空孔率が最も高くなる断面を選んだとき、加圧方向に直交する断面に比べて加圧方向の断面の空孔率の方が高い状態が挙げられる。このような構造の多孔質体を用いると、加圧力が空孔率の少ない加圧方向に直交する断面を伝わるため、加圧面に力が伝わり易い。さらに、加圧方向に対して垂直な方向への変形が空孔に吸収されやすいため、加圧している電極の破損を防止できる。
【００５０】
また、弾性体は、フィラーを含有することができる。フィラーの配向方向は、加圧方向に対して垂直であることが好ましい。ここで、加圧方向に対して垂直とは、加圧方向に垂直な方向又は加圧方向に対して垂直な方向に近い方向であることを意味する。このことにより、弾性体の加圧方向に対して垂直な方向への変形が抑制される。なお、フィラーは、可とう性を有することが好ましく、フィラーの加圧方向に対して垂直な方向の歪みは、弾性体の加圧方向に対して垂直な方向の歪みより小さいことが好ましい。
【００５１】
本発明の電解質膜・電極接合体の製造方法は、弾性体及び少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体の間に滑り層が設けられた状態で、弾性体を用いて積層体を加圧することにより電解質膜と電極とを接合させる。このように、滑り層を設けることにより、弾性体の変形に、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体が追随しにくくなり、電極及び電解質膜の損傷及び変形を抑制することができる。
【００５２】
上記のように、滑り層を設けることにより、加圧時に、加圧方向に対して垂直な方向に変形する弾性体と、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体との接着が抑制される。また、加圧方向に対して垂直な方向に滑りが良いため、弾性体の変形に対して、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体を追随しにくくする効果がある。なお、滑り層としては、離型性を有する材料を用いることもできる。
【００５３】
滑り層の形態としては、粉体や液体であってもよく、弾性体に滑り層が形成されて一体となっていてもよい。滑り層の材料としては、二硫化タングステン、窒化ホウ素等の無機材料、テフロン（登録商標）等のフッ素系材料、シリコーン、パラフィン、グリシン等が挙げられる。
【００５４】
また、滑り層は、可とう性を有するシート状等であることが好ましい。この場合、滑り層の加圧方向に対して垂直な方向の歪みは、弾性体の加圧方向に対して垂直な方向の歪みより小さいことが好ましい。これにより、滑り層が接している電解質膜及び電極の変形及び破壊を抑制することができる。
【００５５】
また、滑り層は、基材の表面に、少なくとも滑り剤を有することが好ましい。基材は、厚さが薄く、柔軟で、弾性体の変形に対して変形が起こりにくい材料であることが好ましい。具体的には、植物繊維、ガラス繊維、ポリマーシート、ポリマー繊維等が挙げられ、薄くて、弾性体の変形に対して変形が少ない紙等の木材繊維を好適に用いることができる。加熱時においても変形が少なく、コストが安価である紙の表面に滑り剤を有する滑り層を、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体と弾性体の間に介在させることにより、プレス時の電極の変形を抑制することができる。
【００５６】
滑り剤としては、紙等の基材に、柔軟性を損なわずに被覆することができる材料が利用できる。具体的には、パラフィン、グリシン等の有機材料、テフロン（登録商標）等のフッ素系樹脂、シリコーン樹脂等のポリマー材料が挙げられ、安価で加工しやすいパラフィンが望ましい。
【００５７】
図４に、本発明のＭＥＡの製造方法の一例を示す。弾性体４１及び電解質膜４２と電極４３が積層されている積層体との間に滑り層４４を設け、ホットプレスの平板で弾性体４１を介してプレスする。図４（ａ）は、滑り層４４が粉体又は液体である場合であり、弾性体４１が加圧により延伸変形しても滑り層４４が滑ることで、電解質膜４２の歪みと電極４３の延伸が抑制され、破損が起こりにくくなる。
【００５８】
また、図４（ｂ）は、滑り層４４がシート状の場合であるが、基材であるシートの表面に滑り剤が存在する。ただし、シート状の滑り層４４は、弾性体４１を介して均一に加圧されるために、厚さ方向の柔軟性を有する必要がある。なお、滑り層４４は、滑り層４４と接触する部材、すなわち弾性体４１及び電極４３の少なくとも一方で滑りの効果を有するが、両面で滑りの効果を有することが好ましい。
【００５９】
本発明において、滑り層の厚さは、３０μｍ以上５００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以上１５０μｍ以下が特に好ましい。滑り層が薄い程、厚さ方向に柔軟になり、弾性体による均一な加圧を、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体に伝えることができる。滑り層の厚さが３０μｍより小さいと、滑り層が弾性体の変形や摩擦により破損することがある。また、滑り層の厚さが５００μｍより大きいと、柔軟性が低下し、弾性体による均一な加圧の効果が小さくなる。さらに、加熱を行った場合に、滑り層が熱伝導を阻害してしまい、ＭＥＡの接合強度を弱める等の悪影響を及ぼす。これらは、滑り層と弾性体の滑り易さや摩擦係数と滑り層の強度、弾性体に加える力とその歪みにより結果は異なってくるが、燃料電池のＭＥＡを加圧作製するような３０〜１５０ａｔｍの条件において、シリコーンゴムを介して加圧した場合は、上記の厚さを有する滑り層を用いることで本発明の効果を得ることができる。
【００６０】
さらに、少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体を加圧すると共に加熱することにより、電解質膜と電極との接合力がより強固なものとなる。
【００６１】
本発明において、ＭＥＡは、良好に加圧されることにより、電解質膜及び電極の界面が均一に形成されている。少なくとも電解質膜及び電極が積層されている積層体を良好に加圧し、電極に対して負荷がかからない工程とすることにより、電極の破損を抑制し、電極周辺部の電解質膜に歪みによるしわの発生が少ないシール性に優れた燃料電池が得られる。用いられる燃料としては、気体燃料、液体燃料が可能であり、水素、ガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコール等の液体燃料が使用できる。
【００６２】
また、本発明のＭＥＡは、良好な加圧により接合状態にムラが少ないため、液体燃料による電解質の膨張による剥がれが起こりにくい。このため、液体燃料の使用が可能であり、電極への、燃料の拡散性が維持される。
【００６３】
本発明の燃料電池に使用される燃料は、特に限定されないが、体積及び重量エネルギー密度に優れる燃料を使用することが好ましい。特に、体積エネルギー密度に優れる燃料が好ましい。したがって、気体燃料は、好ましくなく、液体燃料が好ましい。
【００６４】
これは、例えば、１分子の酸化反応より取り出せる電子数が水素であれば２個、メタノールであれば６個、エタノールであれば１２個であることから、各々の分子１ｍｏｌから取り出せるクーロン量はそれぞれ理論値として、９６５００×２Ｃ、９６５００×６Ｃ、９６５００×１２Ｃとなる。各々の密度、分子量を考慮し、１ｃｃ当たりのクーロン量に換算すると、水素で約９Ｃ／ｃｃ、メタノールで約１４４００Ｃ／ｃｃ、エタノールで１５２００Ｃ／ｃｃのエネルギー密度となる。このことから、常圧で水素を用いると、単位体積あたりのエネルギー密度は、著しく低くなる。メタノール及びエタノールは、酸化反応に、水がそれぞれ１分子及び３分子必要であるが、このことを加味しても液体燃料が優れることは明らかである。
【００６５】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→６Ｈ＋＋６ｅ−＋ＣＯ２
Ｃ２Ｈ５ＯＨ＋３Ｈ２Ｏ→１２Ｈ＋＋１２ｅ−＋２ＣＯ２
高圧状態の水素又は液体水素を使用することも可能であるが、容器を堅牢にする必要があり、容器を含めたエネルギー密度を考慮すると、常温常圧で液体又は固体の燃料が優れている。
【００６６】
具体的には、水素吸蔵合金に蓄えた水素、ガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコール等の固体燃料又は液体燃料が使用できるが、燃料電池の小型化が可能な点、体積エネルギー密度に優れる点より、アルコール燃料を使用することが好ましい。アルコール燃料を使用することにより、燃料電池の駆動時間を向上させた携帯型燃料電池に用いることができる。中でも、炭素数が４以下であるアルコールを使用することが好ましく、安全性が高く、生合成が可能である点（環境面）から、エタノールを使用することがさらに好ましい。
【００６７】
図５に、本発明の燃料電池の一例を示す。全体的構成を内装した筐体５０を備えており、この筐体５０内に燃料電池セル５１が配置されている。燃料電池セル５１は、メタノールを電気化学的に酸化する触媒（メタノール酸化電極触媒）を有するアノード（燃料極）５２と酸素を選択的に電気化学的還元する触媒（酸素還元電極触媒）を有するカソード（空気極）５３との間に電解質膜５４を挟み込んだ構成で例示している。
【００６８】
燃料電池セル５１におけるアノード５２に対して燃料としてのメタノールを供給するために、筐体５０内には燃料供給手段が備えられている。すなわち、筐体５０内にはメタノールを収容した燃料タンク５５が設けられており、燃料タンク５５内のメタノールは、燃料タンク５５に接続した燃料ポンプ５６によって混合タンク５７に送出されるものである。
【００６９】
混合タンク５７は、燃料タンク５５から燃料ポンプ５６によって送出されたメタノールと燃料電池セル５１から回収された水とを混合するものである。そして、この混合タンク５７内のメタノール水溶液を燃料電池セル５１のアノード５２に供給するために、混合タンク５７とアノード５２とを接続した燃料供給路５８には循環ポンプ５９が配置されている。
【００７０】
燃料であるメタノールと空気とが送り込まれた燃料電池セル５１では、アノード５２とカソード５３との間に電力が生じると共に、アノード５２には二酸化炭素が発生し、カソード５３には水が発生する。アノード５２で発生した二酸化炭素とカソード５３で発生した水とは混合タンク５７に戻される。そして、水は、燃料タンク５５から送られてくるメタノールを希釈するために用いられ、余分な水は、水蒸気として、二酸化炭素と共に混合タンク５７から排出される。発電により燃料であるメタノールが消費されるので、混合タンク５７内のメタノールの濃度を一定に保つため、濃度が薄くなると、燃料ポンプ５６を間欠動作させて高濃度のメタノールを混合タンク５７内に送り込む。また、混合タンク５７内のメタノール水溶液の量が少なくなると、水ポンプ６０を間欠動作させて水を混合タンク５７内に送り込む。
【００７１】
燃料電池セル５１におけるカソード５３において生成した水（蒸気）を回収するために、カソード５３の出口側に接続した排出路６１は、凝縮器６２に接続されており、凝縮器６２の排気口６３は筐体５０の外部に開放されている。そして、燃料電池セル５１のカソード５３へ空気を供給するための空気供給手段であるブロワー６４が設けられている。
【００７２】
以上のような構成において、循環ポンプ５９によって燃料電池セル５１のアノード５２にメタノール水溶液を供給し、また、空気供給手段であるブロワー６４によってカソード５３に空気を供給して燃料電池セル５１において発電が行われると、カソード５３には水（蒸気）が生成される。
【００７３】
カソード５３において生成した水（蒸気）及び空気中の窒素、未反応の酸素は排出路６１を経て凝縮器６２へ流出する。そして、吸気口６５から流入した外気との間において熱交換が行われ、蒸気は凝縮されて水となり、凝縮器６２内に溜ると共に、空気及び水蒸気の一部は冷却されて排気口６３から筐体の外部へ排出されることになる。凝縮器６２内の凝縮された水及び燃料電池セル５１のアノード５２からの排出物は、水タンク６６へ送給される。
【実施例】
【００７４】
（実施例１）
電極用インクとして、白金担持カーボンと電解質溶液（ナフィオン溶液；Ｄｕｐｏｎｔ社製）を混合し、ペーストを作製した。作製したインクをキャリア用テフロン（登録商標）シートに塗布し、加熱乾燥を行った。得られた電極を電解質膜ナフィオン１１５（Ｄｕｐｏｎｔ社製）の両側に置き、弾性体である発泡ポリウレタン（厚さ２ｍｍ、気孔径５〜７μｍ、気孔率８０％）を介して、１３０℃、６０ａｔｍで約５分間ホットプレスした後、冷却し、ＭＥＡを取り出した。
【００７５】
得られたＭＥＡは、電極や電極周辺の電解質膜において、変形やしわが無く、弾性体と電極の接着も無かった。
（実施例２）
電極用インクとして、白金担持カーボンと電解質溶液（ナフィオン溶液）を混合し、ペーストを作製した。作製したインクを多孔質電極用のカーボンペーパーに均一に塗布し、加熱乾燥を行った。得られた電極を電解質膜ナフィオン１１５の両側に置き、電極と弾性体である発泡ポリウレタン（厚さ２ｍｍ、気孔径５〜７μｍ、気孔率５０％）との間に、滑り層として、紙基材がグリシン処理された厚さ０．５ｍｍのシートを挟んだ状態で、１３０℃、６０ａｔｍで約５分間ホットプレスした後、冷却し、ＭＥＡを取り出した。
【００７６】
滑り層は、弾性体の変形に対して延伸せず、得られたＭＥＡは、電極や電極周辺の電解質膜において、変形やしわが無く、弾性体と電極の接着も無かった。多孔質電極の破損は、観察されなかった。
（実施例３）
電極用インクとして、白金担持カーボンと電解質溶液（ナフィオン溶液）を混合し、ペーストを作製した。作製したインクを電極用のカーボンペーパーに均一に塗布し、加熱乾燥を行った。得られた電極を電解質膜ナフィオン１１５の両側に置き、電極と弾性体であるシリコーンゴムとの間に、滑り層として、紙基材の表面がパラフィン処理された厚さ１００μｍのシートを挟んだ状態で、１３０℃、６０ａｔｍで約５分間ホットプレスした後、冷却し、ＭＥＡを取り出した。
【００７７】
滑り層は、弾性体の変形に対して延伸せず、得られたＭＥＡは、電極や電極周辺の電解質膜において、変形やしわが無く、弾性体と電極の接着も無かった。
【００７８】
得られたＭＥＡをセルに狭持し、メタノール燃料を供給したところ、燃料の染み出しは確認されなかった。
（実施例４）
電極用インクとして、白金担持カーボンと電解質溶液（ナフィオン溶液）を混合し、ペーストを作製した。作製したインクを電極用のカーボンペーパーに均一に塗布し、加熱乾燥を行った。得られた電極を電解質膜ナフィオン１１５の両側に置き、電極とシリコーンゴムとの間に、滑り層として、窒化ホウ素を塗布し、１３０℃、６０ａｔｍで約５分間ホットプレスした後、冷却し、ＭＥＡを取り出した。
【００７９】
得られたＭＥＡは、電極や電極周辺の電解質膜において、変形やしわが無く、弾性体と電極の接着も無かった。
（実施例５）
電極用インクとして、白金担持カーボンと電解質溶液（ナフィオン溶液）を混合し、ペーストを作製した。作製したインクを電極用のカーボンペーパーに均一に塗布し、加熱乾燥を行った。得られた電極を電解質膜ナフィオン１１５の両側に置き、電極とシリコーンゴムとの間に、滑り層として、紙基材がグリシン処理された厚さ１ｍｍのシートを挟んだ状態で、１３０℃、６０ａｔｍで約５分間ホットプレスした後、冷却し、ＭＥＡを取り出した。
【００８０】
滑り層は、弾性体の変形に対して延伸せず、得られたＭＥＡは、電極や電極周辺の電解質膜において、変形やしわが無く、弾性体と電極の接着も無かった。
（実施例６）
電極用インクとして、白金担持カーボンと電解質溶液（ナフィオン溶液）を混合しペーストを作製した。作製したインクを電極用のカーボンペーパーに均一に塗布し、加熱乾燥を行った。得られた電極を電解質膜ナフィオン１１５の両側に置き、電極とシリコーンゴムとの間に、滑り層として、厚さ５０μｍのテフロン（登録商標）シートを挟んだ状態で、１３０℃、６０ａｔｍで約５分間ホットプレスした後、冷却し、ＭＥＡを取り出した。
【００８１】
滑り層は、弾性体の変形の履歴で延伸し、電極との接着があり、得られたＭＥＡは、電極や電極周辺の電解質膜は、延伸され、ややしわが発生した。
（比較例１）
電極用インクとして、白金担持カーボンと電解質溶液（ナフィオン溶液）を混合し、ペーストを作製した。作製したインクを電極用のカーボンペーパーに均一に塗布し、加熱乾燥を行った。得られた電極を電解質膜ナフィオン１１５の両側に置き、シリコーンゴムを介して、１３０℃、６０ａｔｍで約５分間ホットプレスした後、冷却し、ＭＥＡを取り出した。
【００８２】
得られたＭＥＡは、シリコーンゴムの延伸に追随して電極が引き伸ばされ、破断していた。また、電極周辺の電解質膜は延伸され、しわが発生した。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】燃料電池の発電概念を示す図である。
【図２】本発明のＭＥＡの製造方法の一例を示す図である。
【図３】本発明のＭＥＡの製造方法の一例を示す図である。
【図４】本発明のＭＥＡの製造方法の一例を示す図であり、（ａ）は、滑り層が粉体又は液体である図、（ｂ）は、滑り層がシート状である図である。
【図５】本発明の燃料電池の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００８４】
１１、２２、３２、４２    電解質膜
１２    アノード
１３    カソード
２１    平板
２３、３３、４３    電極
２４、３１、４１    弾性体
４４    滑り層
【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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