(57)【要約】【課題】発電にともなって生成した水によって酸素の供給が阻害されることを抑制したダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置を提供すること。【解決手段】メタノール水溶液と酸素との電気化学反応によって発電をおこなう発電部２のカソード側に、前記電気化学反応にともなって水が生成するダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置において、水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜５の一方の面が前記発電部２のカソード側に接触して設けられるとともに、前記発電部２のカソード側に接触している前記多孔質膜５の少なくとも一部分に、前記多孔質膜５の一方の面と他方の面とを連通し、前記孔に比較して前記水の透過性が高い複数の連通孔５ｂが形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノール水溶液と酸素との電気化学反応によって発電をおこなう発電部のカソード側に、前記電気化学反応にともなって水が生成するダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置において、
水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜の一方の面が前記発電部のカソード側に接触して設けられるとともに、
前記発電部のカソード側に接触している前記多孔質膜の少なくとも一部分に、前記多孔質膜の一方の面と他方の面とを連通し、前記孔に比較して前記水の透過性が高い複数の連通孔が形成されている
ことを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置。
【請求項２】
前記多孔質膜は、撥水性を有する合成樹脂材料によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載のダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置。
【請求項３】
前記発電部は、電解質膜と、その電解質膜を挟んで設けられた触媒層と、それら触媒層の電解質膜側とは反対側の表面にそれぞれ設けられたガス拡散層と、それらガス拡散層の触媒層側とは反対側の表面にそれぞれ設けられた集電板とを備え、
前記発電部のカソード側に設けられたガス拡散層は撥水処理が施されており、前記カソード側に設けられた集電板に前記多孔質膜が接触して設けられている
ことを特徴とする請求項１または２に記載のダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置。
【請求項４】
前記撥水性を有する合成樹脂材料は、膜状に形成された延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンおよびシリコンゴムを含むことを特徴とする請求項２に記載のダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置。
【請求項５】
前記カソード側のガス拡散層は、粉末状のポリテトラフルオロエチレンと炭素微粒子とによって構成され、アノードとカソードとの間で水圧差を生じさせる多孔層を備えていることを特徴とする請求項３に記載のダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置。
【請求項６】
前記発電部のカソード側に設けられたガス拡散層の撥水処理は、ポリテトラフルオロエチレンを含む溶液に前記カソード側のガス拡散層を含浸させることにより、前記カソード側のガス拡散層の表面に前記ポリテトラフルオロエチレンを被覆させる処理であることを特徴とする請求項３に記載のダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ダイレクトメタノール型燃料電池の発電部における水分量を調整する装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
電気化学反応によって電力を発生させる燃料電池の一例として、メタノールを燃料に用いるダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣと記す。）が知られている。ＤＭＦＣは、アノードにおいて下記の（１）式に示す触媒反応が生じてプロトンと電子とを生じ、そのプロトンと電子とがカソードにおいて下記の（２）式に示す触媒反応を生じることにより発電するように構成されている。
【０００３】
アノードにおける触媒反応
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  十  ６ｅ−          …（１）式
【０００４】
カソードにおける触媒反応
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ                  …（２）式
【０００５】
前述した（１）式および（２）式に示したように、ＤＭＦＣは反応生成物として二酸化炭素１分子と水３分子とを生じ、特に反応にともなって生じる水分子は、水１分子が（１）式に示した触媒反応に用いられるとしても、水２分子が余ることになる。
【０００６】
また、燃料には、水で希釈されたメタノール水溶液を用いているため、いわゆるメタノールのクロスオーバーやプロトンの移動にともなって水もアノード側からカソード側へクロスオーバーすることが知られている。
【０００７】
そのため、カソード側の水分量を調整することが従来検討されており、その一例が特許文献１ないし３に記載されている。特許文献１ないし３に記載された装置は、疎水性であって、マイクロメーターオーダーの細孔を有するエレメントをカソード側に配置するように構成されている。より具体的には、そのエレメントは、カソード側のガス拡散層（以下、ＧＤＬと記す。）とセルの外部から取り込んだ空気（酸素）を濾過するフィルタとの間に配置されており、アノードとカソードの間で水圧差を生じさせるように構成されている。そして、その水圧差によりカソード側で生成した水を発電部の電解質膜側に戻し、すなわち、電解質膜を透過させてアノード側に戻すように構成されている。
【０００８】
また、周辺技術として、特許文献４には、湿度調節ができるように構成されたカソード側エンドプレートが記載されている。より具体的には、カソード側エンドプレートの開口部周辺を発電部に対して相対的に低温の外気で冷却することにより、発電部で生成して蒸気化した水を凝縮させ、その凝縮した水を発電部に戻すように構成されている。非特許文献１には、厚みの薄い電解質膜を用いることによって、カソード側からアノード側への水の透過性が向上するように構成された発明が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第７２８２２９３号明細書
【特許文献２】米国特許第７５４１１０９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／００２３０４６号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００８／０２９２９２７号明細書
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】Ｇ．Ｑ．ＬＵ、外２名、「Ｗａｔｅｒ  Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ  Ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｎａｆｉｏｎ  １１２  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｉｎ  ＤＭＦＣｓ」、エレクトロケミカル  アンド  ソリッドーステート  レターズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、（ＵＳＡ）、２００５年、第８巻、第１号、ｐ．Ａ１ーＡ４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上述した特許文献１ないし３に記載された発明によれば、アノード側からカソード側への水のクロスオーバーを低減できる。しかしながら、ＤＭＦＣは、前述したように、原理的に反応生成物として水を生成するから、特許文献１ないし３に記載された構成では、アノード側の水分濃度の上昇を招く虞があり、この点で改良の余地があった。
【００１２】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、水のクロスオーバーを低減できるとともに、発電にともなって生成した水によって酸素の供給が阻害されて発電量が低下することを抑制できるダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応によって発電をおこなう発電部のカソード側に、前記電気化学反応にともなって水が生成するダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置において、水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜の一方の面が前記発電部のカソード側に接触して設けられるとともに、前記発電部のカソード側に接触している前記多孔質膜の少なくとも一部分に、前記多孔質膜の一方の面と他方の面とを連通し、前記孔に比較して前記水の透過性が高い複数の連通孔が形成されていることを特徴とするものである。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記多孔質膜は、撥水性を有する合成樹脂材料によって形成されていることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１または２の発明において、前記発電部は、電解質膜と、その電解質膜を挟んで設けられた触媒層と、それら触媒層の電解質膜側とは反対側の表面にそれぞれ設けられたガス拡散層と、それらガス拡散層の触媒層側とは反対側の表面にそれぞれ設けられた集電板とを備え、前記発電部のカソード側に設けられたガス拡散層は撥水処理が施されており、前記カソード側に設けられた集電板に前記多孔質膜が接触して設けられていることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。
【００１６】
請求項４の発明は、請求項２の発明において、前記撥水性を有する合成樹脂材料は、膜状に形成された延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンおよびシリコンゴムを含むことを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項３の発明において、前記カソード側のガス拡散層は、粉末状のポリテトラフルオロエチレンと炭素微粒子とによって構成され、アノードとカソードとの間で水圧差を生じさせる多孔層を備えていることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。
【００１８】
請求項６の発明は、請求項３の発明において、前記発電部のカソード側に設けられたガス拡散層の撥水処理は、ポリテトラフルオロエチレンを含む溶液に前記カソード側のガス拡散層を含浸させることにより、前記カソード側のガス拡散層の表面に前記ポリテトラフルオロエチレンを被覆させる処理であることを特徴とするダイレクトメタノール型燃料電池の水分量調整装置である。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１の発明によれば、水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜に、その孔よりも水の透過性が高い連通孔が形成されている。そのため、水のクロスオーバーによるアノード側からカソード側への水の移動を低減できるとともに、発電部において電気化学反応にともなって生成した水の少なくとも一部を、発電部側の一方の面から他方の面に流通させることができる。言い換えれば、発電部のカソード側における過剰な水を発電部からその外部に排出することができる。その結果、アノード側における水分濃度の上昇を低減できるとともに、過剰な水によって酸素の供給が妨げられることを抑制することができる。すなわち、水のクロスオーバーによってカソード側に移動した水や電気化学反応にともなって生成した水による発電量の低下を抑制することができる。
【００２０】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、多孔質膜に撥水性を有する合成樹脂材料を用いることにより、撥水処理が不要な多孔質膜を形成することができる。また、その撥水性により、水のクロスオーバーによってカソード側に水が移動することを防止もしくは抑制することができる。
【００２１】
請求項３の発明によれば、請求項１または２の発明による効果と同様の効果に加えて、カソード側のガス拡散層は撥水処理が施されており、また、そのガス拡散層に接触して多孔質膜が設けられている。その結果、水のクロスオーバーによってカソード側に水が移動することを防止もしくは抑制することができる。また、カソード側のガス拡散層で生成した水を連通孔から速やかに排出できるので、カソード側のガス拡散層が水に浸漬されることを抑制できる。また、これにより発電部におけるカソード側に酸素の供給を維持することができる。さらにまた、発電量の低下を抑制することができる。
【００２２】
請求項４の発明によれば、請求項２の発明による効果と同様の効果に加えて、合成樹脂材料に延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレンおよびシリコンゴムを用いることにより、撥水性を有し、水に比較して気体の透過性が高い孔を有する多孔質膜を形成することができる。また、耐薬品性、温度安定性を備えた多孔質膜を形成することができる。
【００２３】
請求項５の発明によれば、請求項３の発明による効果と同様の効果に加えて、アノードとカソードとの間に水圧差を生じさせる多孔層が、カソード側のガス拡散層に設けられている。その結果、水のクロスオーバーによるアノードからカソードへ水の移動を防止もしくは抑制することができる。また、その多孔層は多孔構造を有する炭素微粒子と撥水性を有するポリテトラフルオロエチレン粉末とによって構成されているため、その配合比率および粒子径を調整することにより、任意の多孔構造および撥水性を有する多孔層１３を形成することができる。
【００２４】
請求項６の発明によれば、請求項３の発明による効果と同様の効果に加えて、いわゆるディップコートによって、カソード側のガス拡散層の表面にポリテトラフルオロエチレンを被覆することができる。これにより、カソード側のガス拡散層に撥水性を付与することができ、カソード側のガス拡散層が水に浸漬されることを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】この発明に係る装置を適用したダイレクトメタノール型燃料電池の要部構成例を模式的に示す図である。
【図２】多孔質膜の構成例を模式的に示す図である。
【図３】この発明に係る装置を適用したダイレクトメタノール型燃料電池の作用を説明するための模式図である。
【図４】ｅＰＴＦＥ膜とこれに比較して相対的に水の透過性が高いｅＰＴＦＥ膜とによって二層に形成した多孔質膜をダイレクトメタノール型燃料電池に適用した場合の構成例を模式的に示す図である。
【図５】この発明に係る装置を適用した多孔質膜における気体および水の透過性の評価結果を示す図である。
【図６】この発明に係る装置を適用したＤＭＦＣの発電量を評価するために作製した実験機の構成例を模式的に示す図である。
【図７】この発明に係る装置を適用したダイレクトメタノール型燃料電池の発電特性を模式的に示す図である。
【図８】この発明に係る装置を適用したダイレクトメタノール型燃料電池を用いて発電をおこなった場合における異なる電流値ごとの放電圧特性を模式的に示す図である。
【図９】この発明に係る装置を適用した１６セルダイレクトメタノール型燃料電池における各セルごとの放電圧特性を模式的に示す図である。
【図１０】この発明に係る装置を適用したダイレクトメタノール型燃料電池において、多孔質膜を除いた構成のダイレクトメタノール型燃料電池の発電特性を模式的に示す図である。
【図１１】この発明に係る装置を適用したダイレクトメタノール型燃料電池において、連通孔を形成していない多孔質膜を適用した構成のダイレクトメタノール型燃料電池の発電特性を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
つぎに、この発明を、より具体的に説明する。図１に、この発明に係る装置を適用したダイレクトメタノール型燃料電池の要部構成例を模式的に示してある。図１において、ＤＭＦＣ１の発電部（以下、ＭＥＡと記す。）２を挟んでその両側に、メッシュ形状に形成された集電板（電極）３，４がＭＥＡ２に接触して設けられている。集電板３，４は、アノード側において、前述した（１）式に示す触媒反応によって生じた電子を集めてカソード側あるいは外部に伝導させるためのものであり、例えば、金、白金、チタン、ステンレス（ＳＵＳ）あるいは金および白金でコーティングされたチタン、ステンレス（ＳＵＳ）などの導電性材料によって形成されている。また、メッシュ形状の部材に導電性材料を被覆したものであってもよい。要は、ＭＥＡ２に接触して設けられて、アノード側の触媒反応によって生じた電子を伝導できるものであればよい。
【００２７】
カソード側に設けられた集電板３，４のＭＥＡ２側とは反対側の面に、水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されている多孔質膜５が設けられている。すなわち、この多孔質膜５は、いわゆる気液分離膜として作用するように構成されたものであり、例えば、撥水性を有し、かつ液体状の水の透過性（浸透性）が低く、気体の透過性が高い延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（以下、ｅＰＴＦＥと記す。）５ａによって形成されている。また、この多孔質膜５には、ＭＥＡ２の発電にともなって生成した水を、多孔質膜５におけるＭＥＡ２側の面からその反対側の面に流通（排出）させる複数の連通孔５ｂが形成されている。この連通孔５ｂは、前述した気液分離をおこなう孔に比較して、水の透過性が高くなるように形成されている。より具体的には、連通孔５ｂは、前述したｅＰＴＦＥ膜５ａに打ち抜き加工によって形成された孔であってもよく、要は、水を透過（流通）させる孔であればよい。
【００２８】
多孔質膜５のＭＥＡ２側とは反対側の面に、バイポーラープレート（双極板）６が設けられており、そのカソード側には、空気（酸素）を流通させる空気供給チャンネル６ａが形成されている。そして、そのチャンネル６ａ間のリブ６ｂと多孔質膜５とが接触するようになっている。言い換えれば、多孔質膜５で空気供給チャンネル６ａの開口部６ｃを塞ぐようになっている。そして、前述した多孔質膜５に形成される連通孔５ｂは、この空気供給チャンネル６ａの開口部６ｃに対向する位置に複数形成されている。
【００２９】
なお、この多孔質膜５は、膜状に形成されたシリコンゴム、ナイロンフィルム、ポリエチレンフィルムなどであってもよい。要は、撥水性を有し、かつ水に比較して気体の透過性が高い孔が形成されたものであればよく、言い換えれば、その膜は、撥水性で、かつ水のクラスター分子が通過できない分子サイズを有する膜であればよく、さらに、そのフィルムに前述した孔に比較して水を透過（流通）させる連通孔５ｂが形成されていればよい。この多孔質膜５が、この発明に係る水分量調整装置に相当する。
【００３０】
一方、アノード側に設けられた集電板３，４のＭＥＡ２側とは反対側の面に、液相のメタノールと気相のメタノールとを分離する分離膜７が設けられている。この分離膜７のＭＥＡ２側とは反対側の面に、バイポーラープレート６が設けられており、そのアノード側に形成され、燃料を流通させる燃料供給チャンネル６ｄ間のリブ６ｅと分離膜７とが接触するようになっている。言い換えれば、分離膜７によって燃料供給チャンネル６ｄの開口部６ｆを塞ぐようになっている。
【００３１】
図２に、前述した多孔質膜５の構成例を模式的に示してある。図２に示した多孔質膜５は、前述したｅＰＴＦＥ膜５ａを挟んでその両側に、そのｅＰＴＦＥ膜５ａに比較して相対的に水の透過性（浸透性）が高いｅＰＴＦＥ膜５ｃが設けられている例を示してある。なお、多孔質膜５は、前述したｅＰＴＦＥ膜５ａのいずれか一方の面に、そのｅＰＴＦＥ膜５ａに比較して相対的に水の透過性が高いｅＰＴＦＥ膜５ｃが設けられていてもよい。この場合において、ｅＰＴＦＥ膜５ａに比較して相対的に水の透過性が高いｅＰＴＦＥ膜５ｃ側をＭＥＡ２に接触して配置することが好ましい。
【００３２】
図３は、前述したように構成されたＤＭＦＣの作用を説明するための模式図である。なお、図３に示す例は、前述した図１に示す構成の一部を変更したものであり、したがって図１に示す部分と同一の部分には図３に図１と同様の符号を付してその説明を省略する。
【００３３】
ＭＥＡ２は、電解質膜８を挟んでその両側に、それぞれ触媒層９，１０およびＧＤＬ１１，１２が設けられている。そして、そのカソード側ＧＤＬ１１側の集電板に前述した多孔質膜５が接触して設けられている。その多孔質膜５は、前述したように水の透過性が気体の透過性よりも相対的に小さいため、アノード側からカソード側にクロスオーバーによって移動した水が透過し難いようになっている。したがって、ＭＥＡ２を挟んでアノード側とカソード側との間で水圧差が生じ、これによりカソード側に移動した水や発電にともなって生成した水の一部がカソード側からアノード側に戻されるようになっている。また、水のクロスオーバーによってカソード側に移動した水や発電にともなってカソード側に生成した水の少なくとも一部は、前述した多孔質膜５に形成された連通孔５ｂから空気供給チャンネル６ａに排出されるようになっている。その結果、過剰な水をＭＥＡ２から、すなわちカソード側ＧＤＬ１１から排出することができるとともに、その過剰な水によってカソード側ＧＤＬ１１および集電板３が水に浸漬されたり、酸素の供給が妨げられることを防止もしくは抑制することができる。また、これにより、ＭＥＡ２に過剰な水が存在することによる発電のいわゆるバラツキ（不安定性）や、酸素欠乏による発電量の低下を防止もしくは抑制することができる。
【００３４】
図４に、前述したｅＰＴＦＥ膜５ａとこれに比較して相対的に水の透過性が高いｅＰＴＦＥ膜５ｃとによって二層に形成した多孔質膜５をダイレクトメタノール型燃料電池に適用した場合の構成例を模式的に示してある。図４において、ｅＰＴＦＥ膜５ａに比較して相対的に水の透過性が高いｅＰＴＦＥ膜５ｃ側がＭＥＡ２に、すなわち、カソード側ＧＤＬ１１に接触して設けられている。カソード側ＧＤＬ１１に接触してｅＰＴＦＥ膜５ｃを設けることにより、その透過性によって気体である酸素の供給を確保し、また、空気供給チャンネル６ａ側にｅＰＴＦＥ膜５ａを設けることにより、過剰な水がＭＥＡ２からカソード側に溢れ出ることを防止もしくは抑制するようになっている。また、カソード側ＧＤＬ１１には、主として炭素微粒子とＰＴＦＥ粉末とから構成される多孔層１３が被覆（形成）されており、その多孔構造によってアノードとカソードとの間で水圧差を生じさせるようになっている。
【００３５】
このように多孔質膜５を二層に構成することにより、気体の透過性を確保するとともに、ＭＥＡ２から過剰な水がカソード側に溢れ出てカソード側ＧＤＬ１１およびカソード側集電板３が浸漬されることを防止もしくは抑制することができる。また、これにより、ＭＥＡ２に過剰な水が存在することによる発電のいわゆるバラツキ（不安定性）や、酸素欠乏による発電量の低下を防止もしくは抑制することができる。
【００３６】
一般的に、気体および水の透過性は、孔のサイズおよび空隙率ならびに膜厚によって変化する。ｅＰＴＦＥ膜５ａは、ｅＰＴＦＥ膜５ｃよりも相対的に孔のサイズが小さく、気体および水の透過性が低い。言い換えれば、ｅＰＴＦＥ膜５ａは、ｅＰＴＦＥ膜５ｃよりもその多孔構造によって保持される水分量（含水率）が少なく、これにともなって空気の透過性も低い。これとは反対に、ｅＰＴＦＥ膜５ｃは、ｅＰＴＦＥ膜５ａよりも相対的に孔のサイズが大きく、気体および水の透過性が高い。言い換えれば、ｅＰＴＦＥ膜５ｃは、ｅＰＴＦＥ膜５ａよりもその多孔構造によって保持される水分量（含水率）が多く、これにともなって空気の透過性も高い。すなわち、気体の透過性は水の透過性と同様に変化する。
【００３７】
図５に、多孔質膜５における気体および水の透過性を評価した結果を示してある。図５から、孔のサイズが小さいほど、気体および水の透過性（浸透性）が減少することが認められた。
【実施例１】
【００３８】
前述した多孔質膜５を適用したＤＭＦＣ１の実験機を作製し、その発電量を評価した。図６には、その評価に用いたＤＭＦＣ１の実験機の構成例を模式的に示してある。発電部は、実質的な燃料電池に相当する部分であり、高分子電解質膜８を備え、その電解質膜８と電極（集電板）３，４とを一体化した膜・電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）２により構成されている。ＭＥＡ２は、その電解質膜８に、パーフルオロスルホン酸系高分子膜であるＮａｆｉｏｎ  １０６（登録商標）を用いた。なお、電解質膜８には、ポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）を用いることもできる。電解質膜８を挟んで、カソード側の触媒層（膜）９には、白金を主成分として構成されたものを用いた。また、アノード側の触媒層（膜）１０には、白金と酸化ルテニウムとの等量混合物によって構成されたものを用いた。
【００３９】
触媒層９，１０は、前述した白金粉末と酸化ルテニウム粉末との等量混合物もしくは白金粉末をそれぞれアルコール類と混合してインク化（スラリー化）し、これをスクリーン印刷機によりテフロン（登録商標）シート上にプリントして作製した。次いで、このテフロン（登録商標）シート上に作製した触媒膜を前述したパーフルオロスルホン酸系高分子膜に重ね合わせ、ホットプレス機で１６０℃、６分間、加熱加圧した。その後、その加圧状態を保った状態で静置して室温まで冷却し、触媒層９，１０を電解質膜８に転写した。
【００４０】
これらの触媒層９，１０における前述した電解質膜８とは反対側の表面には、それぞれＧＤＬ１１，１２が設けられている。ＧＤＬ１１，１２は、触媒層９，１０に燃料であるメタノールや酸素（酸化剤）を流通させる空隙（空間）を確保するためのものであり、したがって、ＧＤＬ１１，１２には、それぞれ撥水処理が施されたカーボンクロスを用いた。具体的に説明すると、ＧＤＬ１１，１２には、粒径１μｍのＰＴＦＥ粉末をアルコール、トルエンなどの有機溶媒にて構成された溶媒あるいは水に懸濁化させて作製した６０％ＰＴＦＥ溶液にカーボンクロスを浸漬し、ついで１２０℃、６０分間乾燥させることにより、カーボンクロスの表面にＰＴＦＥが被覆されたものを用いた。
【００４１】
また、カソード側ＧＤＬ１１には、主として炭素微粒子とＰＴＦＥ粉末とから構成され、アノードとカソードとの間で水圧差を生じさせる多孔層１３を更に被覆（形成）させた。具体的に説明すると、先ず、炭素微粒子よりも粒径の小さいＰＴＦＥ粒子をコロイド状態になるように溶液調整し、このＰＴＦＥ粒子のコロイド溶液に炭素微粒子を浸漬させた。ついで、これを室温から２００℃の温度範囲で乾燥させることにより、炭素微粒子の表面にＰＴＦＥ粒子を担持させた。そして、このＰＴＦＥ粒子を担持した炭素微粒子を、アルコールなどの溶媒を用いてインク化してカソード側ＧＤＬ１１に塗布し、室温から１００℃の温度範囲で真空乾燥させることにより、カソード側ＧＤＬ１１に多孔層１３を被覆（形成）させた。なお、その多孔層１３は、その６０％がＰＴＦＥであり、厚みが３０μｍになるように調整した。
【００４２】
これら触媒層９，１０における電解質膜８側とは反対側に、それぞれ集電板３，４が設けられている。この集電板３，４はチタン製のメッシュ構造体に白金メッキが施されたものを用いた。なお、メッシュ構造体の表面に白金もしくは金などの導電性材料を被覆する場合に、イオンプレーティング法を用いることが好ましい。集電板３，４は燃料および酸化剤（酸素）に暴露されるので、要は、ピンホールなどの欠損を生じさせずに、均一な被膜を形成することができる方法であればよい。
【００４３】
これら各層および集電板３，４を重ね合わせてホットプレス機で加熱加圧することにより、一体構造化してＭＥＡ２を作製した。ＭＥＡ２のカソード側に、前述した多孔質膜５が設けられている。その多孔質膜５は、前述した図４に示したように、ｅＰＴＦＥ膜５ａとｅＰＴＦＥ膜５ｃとによって二層に形成されたものを用いた。ｅＰＴＦＥ膜５ａに比較して相対的に水の透過性が高いｅＰＴＦＥ膜５ｃ側が、カソード側集電板３に接触して設けられている。また、ｅＰＴＦＥ膜５ａには、例えばその周縁に連通孔５ｂが形成されており、その連通孔５ｂは、前述したようにバイポーラープレート６の空気供給チャンネル６ａの開口部６ｃに対向する位置に複数形成されている。なお、連通孔５ｂの数および孔の大きさならびにその配置を調整することにより、連通孔５ｂから排出させる水の量を調整することができる。
【００４４】
そして、ＭＥＡ２およびそのカソード側に設けられた多孔質膜５を挟んでその両側に、バイポーラープレート６がそれぞれ設けられている。バイポーラープレート６は、例えば繊維あるいは樹脂とプラスチック（合成樹脂）との複合材料によって構成されるいわゆる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）であって、例えば繊維が敷き詰められた型にプラスチック樹脂を注入して成形するインジェクション成形などによって形成されている。バイポーラープレート６のカソード側には、外部から取り入れた空気を流通させるための空気供給チャンネル６ａが互いに平行な直線形状に形成されている。その空気供給チャンネル６ａの幅は、１．０ｍｍ、リブ６ｂの幅は１．０ｍｍになるように作製した。
【００４５】
一方、アノード側には、燃料タンク（図示せず）に貯留されたメタノール水溶液を流通させるための燃料供給チャンネル６ｄが蛇状に蛇行して形成されている。その燃料供給チャンネル６ｄの幅は、２．０ｍｍ、リブ６ｅの幅は１．２ｍｍになるように作製した。なお、これらの空気供給チャンネル６ａと燃料供給チャンネルとは、空気供給チャンネル６ａの直線部分と燃料供給チャンネル６ｄの直線部分とが互いに直交するように形成されている。
【００４６】
そして、これらを樹脂製のエンドプレート（図示せず）により挟み込んで固定化し実験機を作製し、その継続的な放電圧もしくは放電流を測定し、その発電特性を評価した。なお、空気供給チャンネル６ａに空気（酸素）を供給するために、消費電力が０．３Ｗの小型ファンを用いた。また、燃料には水で希釈した２ｗｔ％メタノール水溶液を用い、その送液にダイアフラムポンプを用いた。
【００４７】
図７に、前述したように作製した本発明例のＤＭＦＣ１の実験機の発電特性を示してある。ＤＭＦＣ１の実験機は、室温で稼働（発電）させ、電圧を０．４Ｖで一定にした場合の放電流を計測した。図７に示したように、約９時間に亘って発電を継続したが、約９時間後において１．０Ａ以上の電流値が認められ、また、明らかな電流値の低下あるいは大きな変動は認められなかった。すなわち、連通孔５ｂが形成された多孔質膜５をカソード側に設けることにより、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によってカソード側ＧＤＬ１１が浸漬され、また、それらの水によって酸素の供給が妨げられることが防止もしくは抑制されることが確認された。また、連通孔５ｂを流通した水は、バイポーラープレート６の空気供給チャンネル６ａから排出されることが確認された。言い換えれば、連通孔５ｂが形成された多孔質膜５をカソード側に設けることにより、発電量の低下を防止もしくは抑制できることが確認された。
【００４８】
図８に、前述したように作製した本発明例のＤＭＦＣ１の実験機を用いて発電をおこなった場合における異なる電流値ごとの放電圧特性を示してある。ＤＭＦＣ１の実験機は、室温で稼働（発電）させ、電流値を１．０Ａ，１．３Ａ，１．５Ａ，１．７Ａにした場合の放電圧を計測した。図８に示したように、長時間に亘って、低電流領域では放電圧に大きな変化は認められず、安定して発電がおこなわれていることが認められた。電流値を１．７Ａに設定した場合に、いくぶん放電圧に変化が見られたが、大きな放電圧の低下は認められなかった。すなわち、連通孔５ｂが形成された多孔質膜５をカソード側に設けることにより、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によってカソード側ＧＤＬ１１が浸漬され、また、それらの水によって酸素の供給が妨げられることが防止もしくは抑制されることが確認された。言い換えれば、連通孔５ｂが形成された多孔質膜５をカソード側に設けることにより、発電量の低下を防止もしくは抑制できることが確認された。
【実施例２】
【００４９】
前述したように構成した多孔質膜５およびＭＥＡ２を１６個（組）積層して１６セルＤＭＦＣ１を作製その発電特性を評価した。図９に、１６セルＤＭＦＣ１の各セルごとの放電圧特性を示してある。図９に示したように、約７時間に亘って各セルの放電圧を測定したが、各セルの放電圧は、０．４５Ｖ前後であり、放電圧の低下は認められなかった。これは、各セルごとの発電量が均一であり、言い換えれば、各セルごとに一様に過剰な水が排出され、また酸素が供給されていることを示している。すなわち、発電量のバラツキが小さく、各セルごとの発電量が一定である（安定している）ことが確認された。また、連通孔５ｂが形成された多孔質膜５をカソード側に設けることにより、各セルごとの発電量のバラツキを抑え、また、各セルごとの発電量の低下を防止もしくは抑制できることが確認された。
【００５０】
（比較例１）
図１０に、比較例１として、前述したように作製した本発明例のＤＭＦＣ１の実験機において、多孔質膜５を除いた構成のＤＭＦＣ１の発電特性を示してある。図１０に示したように、時間の経過とともに、電流値が低下することが認められた。この比較例１に用いた実験機を目視により確認したところ、カソード側ＧＤＬ１１およびバイポーラープレート６の空気供給チャンネル６ａに多量の水が認められた。すなわち、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によってカソード側ＧＤＬ１１および集電板３が浸漬され、また酸素の供給が妨げられたことにより発電量が低下したものと確認された。
【００５１】
（比較例２）
図１１に、比較例２として、前述したように作製した本発明例のＭＤＦＣ実験機において、連通孔５ｂを形成していない多孔質膜５を適用した構成のＤＭＦＣ１の発電特性を示してある。図１１において、比較例２の発電特性を実線で示してあり、また、従来構成のＤＭＦＣ１の発電特性を破断線で示してある。図１１に示したように、約８時間後において、本発明例のＤＭＦＣ１の実験機では０．６Ａ以上の電流値が認められた。一方、従来構成のＤＭＦＣ１は、時間の経過とともにその発電量が低下することが認められた。また、前述した比較例１と比較して、電流値の低下が小さく抑えられており、相対的に発電が安定していることが認められた。すなわち、その結果から、連通孔５ｂが形成された多孔質膜５をカソード側に配置することにより、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によるカソード側ＧＤＬ１１および集電板３の浸漬が抑制でき、また酸素の供給が妨げられることを防止もしくは抑制できることが確認された。
【００５２】
したがって、本発明例によれば、多孔質膜５（ｅＰＴＦＥ膜５ａ）は、水に比較して気体の透過性が高いので、酸化剤である酸素は多孔質膜５を透過してＭＥＡ２に供給される。また、水のクロスオーバーによってカソード側に移動した水およびＭＥＡ２で発電にともなって生成した水の一部は、主として多孔質膜５に形成された連通孔５ｂを流通し、バイポーラープレート６の空気供給チャンネル６ａを介して外部に排出される。さらにまた、過剰な水は、多孔質膜５およびカソード側ＧＤＬ１１に設けられた多孔層１３がアノードとカソードとの間で発生させる水圧差によってアノード側に戻される。
【００５３】
前述した多孔質膜５は、水の透過性よりも気体の透過性が高い多孔構造を有しているため、これにより酸素の供給を維持することができる。また、連通孔５ｂが形成されているので、この連通孔５ｂから過剰な水を排出することができる。言い換えれば、一つの多孔質膜５で酸素の供給と水の排出とを両立することができる。
【００５４】
その結果、連通孔５ｂが形成された多孔質膜５をカソード側に設けることにより、水のクロスオーバーによって移動した水および発電にともなって生成した水によってカソード側ＧＤＬ１１が浸漬され、また、それらの水によって酸素の供給が妨げられることが防止もしくは抑制される。そしてこれにより、発電量の低下を防止もしくは抑制することができる。
【符号の説明】
【００５５】
１…ＤＭＦＣ、  ２…発電部（ＭＥＡ）、  ３，４…集電板、  ５…多孔質膜、  ５ｂ…連通孔、  １３…多孔層。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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