(57)【要約】【課題】十分な出力を長期にわたって安定して得ることを可能にした燃料電池を提供すること。【解決手段】  カソード触媒層と、液体燃料の気化成分が供給されるアノード触媒層１１と、カソード触媒層とアノード触媒層１１の間に配置された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２を備えた燃料電池において、  アノード触媒層１１は、電解質膜１７と接する面に形成された溝Ｇを有することを特徴とする。【選択図】      図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード触媒層と、
液体燃料の気化成分が供給されるアノード触媒層と、
前記カソード触媒層と前記アノード触媒層の間に配置された電解質膜と、を有する膜電極接合体を備え、
前記アノード触媒層は、前記電解質膜と接する面に形成された溝を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記溝は、前記アノード触媒層における端辺に至るように形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記溝は、直線状または格子状に形成されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記膜電極接合体は、前記溝によって形成された空洞を有し、
前記空洞は、前記アノード触媒層における端面まで貫通していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記溝の深さは、前記アノード触媒層の厚さの５０％以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記溝の幅は、０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記溝の間隔は、２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記アノード触媒層中のアイオノマー量は、全固形分の４０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記膜電極接合体に供給される液体燃料は、メタノール燃料であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記メタノール燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、燃料電池に係り、特に液体燃料を気化させた気化燃料をアノード触媒層に供給する方式の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
このような燃料電池は、高分子電解質膜を介してアノード（燃料極）及びカソード（空気極）を対向配置した膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えている。より詳しく説明すると、各電極は、ガス拡散層及び触媒層を備えて構成され、触媒層を高分子電解質膜に向けて接合されている。このような膜電極接合体において、化学反応を起こす部位である触媒層とここで生じたプロトンの移動経路となるアイオノマー、及び、高分子電解質膜の接着部分は、膜電極接合体の抵抗や反応効率を大きく左右するポイントとなり得る。
【０００５】
従来、接着面積を大きくし、密着性を向上させるために電極表面もしくは高分子電解質膜表面に凹凸をつけるという技術が提案されている（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００６】
一方、アイオノマーと電解質膜は、同じ分子式からなる物質を用いてもその性状のため、含水時の膨張係数が異なる場合がほとんどである。このため、気化燃料供給方式（カソードで生成した水の逆拡散により与水される方式）の自発呼吸型ＤＭＦＣでは、長時間の間欠的な使用により電解質膜／触媒層界面での接合にストレスが生ずる場合がある。
【０００７】
また、このような自発呼吸型ＤＭＦＣでは、燃料供給圧力がないため、長期の使用においてはアノード触媒層のポア（微小空洞）にアノードで発生した二酸化炭素（ＣＯ２）ガスが淀んでしまうおそれがある。このように、アノード側での反応に伴って発生したガスが蓄積されると、膜電極接合体が変形して膜電極接合体と集電体との間の接触抵抗が著しく増大してしまうことがある。このような場合には、十分な出力が得られなくなるおそれがある。
【特許文献１】特開２００５−１７４５６５号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０１６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この発明は、上述した課題に鑑みなされたものであって、十分な出力を長期にわたって安定して得ることを可能にし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】
【０００９】
この発明の態様による燃料電池は、
カソード触媒層と、
液体燃料の気化成分が供給されるアノード触媒層と、
前記カソード触媒層と前記アノード触媒層の間に配置された電解質膜と、を有する膜電極接合体を備え、
前記アノード触媒層は、前記電解質膜と接する面に形成された溝を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、十分な出力を長期にわたって安定して得ることを可能にした燃料電池を提供することができる。
【００１１】
すなわち、膜電極接合体において、アノード触媒層の電解質膜と接する面に溝を形成したことにより、含水時の膨張係数のちがう２種類の有機物層間の接着に緩衝作用を持たせることができ、長時間駆動時の接着界面のストレスを緩和することができる。これにより、界面の劣化による抵抗の増大を軽減することができる。
【００１２】
また、膜電極接合体のアノードでの反応に伴って発生するガスをアノード触媒層の溝を介して発散することが可能となる。このため、発生したガスによる膜電極接合体の変形や微小空間へのガスの蓄積が抑制され、接触抵抗の増大を抑制することが可能となる。
【００１３】
したがって、液体燃料の気化成分が供給されるアノード触媒層を備えた燃料電池において、長期にわたって安定して十分な出力を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。なお、この実施の形態においては、燃料電池１として、内部気化方式のパッシブ型について説明するが、この方式に限定されるものではない。
【００１６】
燃料電池１は、燃料電池１の起電部を構成する膜電極接合体２を備えている。すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極／酸化剤極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。
【００１７】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（Ｐｄ）等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒は、これらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１８】
電解質膜１７を構成する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パーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００１９】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体としての機能も兼ね備えている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体としての機能も兼ね備えている。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えば多孔質基材で構成されている。
【００２０】
アノードガス拡散層１２やカソードガス拡散層１５には、必要に応じて導電層が積層される。これらの導電層としては、例えば金（Ａｕ）のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材等が用いられる。
【００２１】
なお、図２及び図３に示した例においては、膜電極接合体２は、同一の電解質膜１７上に４個のアノード１３及び４個のカソード１６をそれぞれ対向して形成し、それらを電気的に直列に接続したＭＥＡ構造のものを示しているが、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず、単体で構成しても良いし、他の構造であっても良い。
【００２２】
電解質膜１７のアノード側及びカソード側には、それぞれゴム製のＯリングなどのシール材１９が配置されており、これらによって膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
【００２３】
燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２に対して燃料Ｆを供給する燃料供給機構３を備えている。この燃料供給機構３は、燃料Ｆを収容する燃料収容部３０を備えている。この燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するものである。膜電極接合体２は、たとえば矩形の平面形状を有し、燃料収容部３０も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部３０は、膜電極接合体２のアノード１３と対向する面に設けられた開口部３０Ａを有している。すなわち、燃料収容部３０は、その上面全面が開口された箱状容器となっている。このような燃料収容部３０の内部には、膜電極接合体２に対応した液体燃料Ｆを収容している。
【００２４】
液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、膜電極接合体２に応じた液体燃料が使用される。
【００２５】
燃料収容部３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。燃料収容部３０は、液体燃料Ｆの残量を外部から目視することが可能なように透明樹脂によって形成されることが望ましい。また、このような透明樹脂は、耐メタノール性などを有していることが好ましい。なお、燃料収容部３０は、全体を透明樹脂で形成しても良いし、その一部を透明樹脂で形成しても良い。
【００２６】
上述した透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホンなどが挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂などのオレフィン系樹脂などで構成した燃料収容部３０を除外するものではない。
【００２７】
燃料収容部３０の開口部３０Ａと膜電極接合体２との間には、図１に示したように、気液分離膜４が設置されていてもよい。この気液分離膜４は、燃料収容部３０の開口部３０Ａを塞ぐように配置され、液体燃料Ｆの気化成分を透過するとともに液体燃料を透過させない膜によって形成されている。これにより、燃料収容部３０内で気化した液体燃料Ｆの気化成分は、燃料収容部３０の開口部３０Ａ及び気液分離膜４を介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。
【００２８】
このような気液分離膜４の構成材料としては、例えば、シリコン、ポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素系樹脂などが挙げられる。ここで、液体燃料Ｆの気化成分とは、例えば液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を適用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分とからなる混合気を意味し、液体燃料Ｆとして純メタノールを適用した場合には、メタノールの気化成分を意味する。
【００２９】
膜電極接合体２のカソード１６上には、保湿層２０が配置されているが省略しても良い。この保湿層２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソードガス拡散層１５に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層１４への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿層２０は、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００３０】
また、この実施の形態において、燃料電池１は、さらに、膜電極接合体２のカソード（空気極）１６側に配置されたカバー部材１８を備えている。このカバー部材１８は、外観が略箱状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバー部材１８は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口（空気導入孔）１８Ａを有している。開口１８Ａは、例えば略等間隔に形成されている。
【００３１】
このようなカバー部材１８は、気液分離膜４、膜電極接合体２、及び、保湿層２０を覆うようにして燃料収容部３０に固定されている。つまり、膜電極接合体２は、燃料収容部３０とカバー部材１８との間に配置されている。そして、このカバー部材１８は、膜電極接合体２を支持する支持体として機能する。
【００３２】
上述したような構成の燃料電池１においては、以下のようなプロセスによって発電する。
【００３３】
すなわち、燃料収容部３０内のメタノール燃料などの液体燃料Ｆが気化し、この気化成分が気液分離膜４を透過して膜電極接合体２に供給される。膜電極接合体２内において、液体燃料Ｆの気化成分は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１に供給された気化成分は、下記の（１）式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。
【００３４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料収容部３０から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、上記した（１）式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００３５】
この内部改質反応で生成された電子（ｅ-）は、集電体を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード１６に導かれる。また、（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。
【００３６】
一方、カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。すなわち、カバー部材１８に設けられた開口１８Ａから導入された空気は、保湿層２０及びカソードガス拡散層１５を通過し、カソード触媒層１４へと供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００３７】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ  …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせると共に、膜電極接合体２の電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００３８】
ところで、この実施の形態に係る膜電極接合体２においては、図４に示すように、アノード触媒層１１は、電解質膜１７と接する面に形成された溝Ｇを有している。このような溝Ｇは、例えば先端が鋭利な針状の金属により電解質膜１７に接着する前のアノード触媒層１１の表面を罫描くことにより形成可能である。このようにして形成された溝Ｇは、その断面においてテーパ状となるが、アノード触媒層１１を成形する過程で型枠などを用いてＵ字状や矩形状の断面を有するように形成してもよい。
【００３９】
このようなアノード触媒層１１は、溝Ｇを有する面が電解質膜１７に接触するように接着されている。このような構成によれば、たとえ含水時の膨張係数が大幅に異なるような素材によってアノード触媒層１１及び電解質膜１７を形成した場合であっても、溝Ｇの作用により、これらの間の界面でのストレスを緩和することが可能となる。また、膜電極接合体２のアノード１３での反応に伴って発生したガス（ＣＯ２）は、溝Ｇを介して発散することが可能となる。このため、界面での接触抵抗の増大を抑制することが可能となり、液体燃料の気化成分が供給されるアノード触媒層を備えた燃料電池において、長期にわたって安定して十分な出力を得ることが可能となる。
【００４０】
上述した溝Ｇは、どのようなパターンに形成しても良いが、アノード触媒層１１における端辺に至るように形成されることが望ましい。すなわち、図５Ａに示すように、溝Ｇがアノード触媒層１１の表面において直線状に形成された場合、例えば、アノード触媒層１１における一端辺１１Ａを始点とし、この端辺１１Ａに対向する端辺１１Ｂを終点とするような溝Ｇが形成される。このように、溝Ｇが少なくとも一端辺に至るように形成されたことにより、アノード１３での反応に伴って発生したガス（ＣＯ２）を外部に排出することが可能となる。図５Ａに示した例の場合、溝Ｇは、対向する両端辺に至るように形成されているため、これらの両端辺からガスを排出することが可能となり、排出効率の向上を図ることができる。
【００４１】
また、図５Ｂに示すように、溝Ｇがアノード触媒層１１の表面において格子状に形成された場合、例えば、アノード触媒層１１における一端辺１１Ａを始点とし、この端辺１１Ａに対向する端辺１１Ｂを終点とするような溝Ｇ１に加えて、他の端辺１１Ｃを始点とし、この端辺１１Ｃに対向する端辺１１Ｄを終点とするような溝Ｇ２が形成される。このような例の場合には、溝Ｇは、アノード触媒層１１の四方の端辺にそれぞれ至るように形成されているため、これらの各端辺からガスを排出することが可能となり、ガスの排出効率をさらに向上することが可能となる。
【００４２】
なお、このような溝Ｇを有するアノード触媒層１１を用いて膜電極接合体２を構成した場合には、アノード触媒層１１の溝Ｇが電解質膜１７と間で定常的に空洞Ｐを形成されていることが望ましい。そして、この空洞Ｐがアノード触媒層１１の端面まで貫通していることにより、アノード１３での反応に伴ってアノード触媒層１１の表面付近で発生したガスを速やかに外部に排出することが可能となる。このため、ガスが蓄積されることによるアノード触媒層１１の構造破壊及び燃料供給効率の低下を軽減することができる。
【００４３】
上述したようなアノード触媒層１１における溝Ｇについて、図４に示すように、溝Ｇの深さＧＤは、アノード触媒層１１の厚さ１１Ｔの５０％以上であることが望ましい。すなわち、溝Ｇの深さＧＤがアノード触媒層１１の厚さ１１Ｔの５０％未満である場合、溝Ｇによる緩衝作用の効果が接着界面またはアノード触媒層１１の一部にしか働かず、逆に、アノード触媒層１１においてその厚み方向や面内の方向での応力の違いにより内部で破壊が起こる可能性がある。このため、溝Ｇの深さＧＤは、アノード触媒層１１の厚さ１１Ｔの５０％以上であることが望ましい。但し、溝Ｇがアノード触媒層１１を貫通することは望ましくないため、溝Ｇの深さＧＤの上限は、アノード触媒層１１の厚さ１１Ｔの１００％未満ということになる。
【００４４】
また、溝Ｇがアノード触媒層１１の一部に偏って形成されている場合にも同様の不具合を生ずるおそれがあり、溝Ｇは、アノード触媒層１１の表面において全体的に略均一に分布するように形成されることが望ましい。
【００４５】
また、溝Ｇの幅ＧＷは、０．５ｍｍ以下であることが望ましい。溝Ｇの幅ＧＷが極端に大きくなると、電解質膜１７との接触面積が大幅に縮小してしまい、結果として安定した出力が得られなくなる。しかしながら、アノード触媒層１１を電解質膜１７に接着した後も溝Ｇが空洞Ｐを形成するように残るような十分な幅ＧＷが必要であるため、０．５ｍｍ以下であることが望ましい。
【００４６】
さらに、溝Ｇの間隔ＧＳは、２ｍｍ以下であることが望ましい。溝Ｇの間隔ＧＳが極端に大きくなると、溝Ｇによるアノード触媒層１１と電解質膜１７との間でのストレスを緩和しにくくなるので望ましくない。このため、ストレスを効果的に緩和するとともに、アノード１３で発生したガスを効果的に排出するためには、溝Ｇの間隔ＧＳは、２ｍｍ以下であることが望ましく、アノード触媒層１１を電解質膜１７に接着した後も溝Ｇが空洞Ｐとして残っていることが望ましい。
【００４７】
また、アノード触媒層１１について、アノード触媒層１１の中のアイオノマー（Ｉｏｎｏｍｅｒ）の量は、全固形分の４０ｗｔ％以上であることが望ましい。すなわち、アイオノマー量が４０ｗｔ％未満であると、長時間の使用によりアノード触媒層１１に隙間やひび割れが生じやすく、液体燃料としてメタノールを使用した場合、アノード１３側で有効に消費されるメタノール量が減少し、メタノールクロスオーバー量が増加する。また、アノード１３が十分な保水性を有するように構成する意味でも、アイオノマー量は、４０％以上であることが望ましく、より好ましくは、全固形分の６０％以上とすることである。また、塗布工程や乾燥工程の影響で、アノード触媒層１１中のアイオノマー分布に偏りがある場合には、アイオノマー量を４０ｗｔ％以上に高めることが特に有効である。
【００４８】
上述した実施の形態においては、膜電極接合体２のアノード側に燃料収容部３０を備えた内部気化型のような純パッシブ方式の燃料電池について説明したが、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部、及び、この燃料供給部に対して供給される燃料を収容する燃料収容部を備えたセミパッシブ型と称される方式の燃料電池についても同様の構成を適用することにより、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００４９】
例えば、図６に示す例では、燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３側に配置され、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給する燃料供給部３１を備えている。また、この燃料供給機構３は、燃料供給部３１に供給される液体燃料を収容する図示しない燃料収容部を備えている。燃料収容部は、膜電極接合体２に対応した液体燃料を収容している。
【００５０】
燃料供給部３１と燃料収容部とは、図示しない配管のような液体燃料の流路を介して接続されている。つまり、燃料供給部３１には、燃料収容部から流路を介して液体燃料が導入される。流路は、燃料供給部３１や燃料収容部と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部３１と燃料収容部とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。
【００５１】
燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する燃料供給口３３と、燃料注入口３２と燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。ここで示した燃料供給部３１の例では、燃料注入口３２及び燃料供給口３３は、それぞれ１箇所である。
【００５２】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材４１が配置されている。
【００５３】
なお、このような支持部材４１は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては支持部材４１を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間に支持部材４１を配置したことにより、燃料供給口３３から膜電極接合体２までの距離を確保することができる。このため、燃料供給口３３から供給された液体燃料の気化を促進するのに十分な容量を確保することができ、気体の状態の燃料を広範囲にわたって拡散させることが可能である。これにより、アノード１３の面内における燃料の分布を平準化することが可能となり、膜電極接合体２での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。したがって、燃料電池１の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体２で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池１の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させない燃料電池１の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
【００５４】
また、支持部材４１により膜電極接合体２を支持するとともに、支持部材４１とカバー部材１８との間で膜電極接合体２を保持するため、膜電極接合体２の撓みなどの変形を抑制することができ、起電部と集電体との密着性を高めて出力の低下を抑制することが可能となる。
【００５５】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体４２が配置されている。多孔体４２の構成材料としては、各種樹脂が使用され、多孔質状態の樹脂フィルム等が多孔体４２として用いられる。このような多孔体４２は、複数の多孔膜を積層して配置してもよい。すなわち、主にある一方向への拡散性が高い多孔体と、これに交差する（あるいは直交する）方向への拡散性が高い多孔体とを組み合わせて適用しても良い。
【００５６】
なお、このような多孔体４２は、省略しても良いが、このようなセミパッシブ方式においては、多孔体４２を適用することにより以下のような効果が得られる。すなわち、多孔体４２を配置することによって、アノード１３に対する燃料供給量をより一層平均化することができる。すなわち、燃料供給部３１の燃料供給口３３から供給された液体燃料は一旦多孔体４２に吸収され、多孔体４２の内部で面内方向に拡散する。この後、多孔体４２から支持部材４１を介してアノード１３に燃料が供給されるため、燃料供給量をより一層平均化することが可能となる。
【００５７】
そして、図１に示した例と同様に、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１として、電解質膜１７に接する面に溝を有するアノード触媒層１１を適用している。このような構成であっても、図１に示した例と同様の効果が得られる。
【００５８】
図７に示した例では、燃料供給機構３を構成する燃料供給部３１は、その底部に、液体燃料が流路を介して注入される燃料注入口３２と、燃料注入口３２から注入された液体燃料やその気化成分を供給する複数の燃料供給口３３と、燃料注入口３２と各燃料供給口３３とを繋ぐ細管３４と、を有している。
【００５９】
このような構成の燃料供給機構３においては、燃料注入口３２から燃料供給部３１内に注入された液体燃料を、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料供給口３３にそれぞれ導くことが可能である。つまり、このような燃料供給機構３を適用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料供給口３３に均等に分配することができる。したがって、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００６０】
さらに、燃料注入口３２と複数の燃料供給口３３とを細管３４で接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計が可能となる。例えば、装置装着上の都合から燃料電池１の半分の放熱がよくなってしまうような場合、従来では温度分布が生じてしまい、平均出力の低下が避けられない。これに対して、細管３４の形成パターンを調整し、予め放熱のよい部分に燃料供給口３３を密に配置することによって、その部分での発電に伴う発熱を多くすることができる。これによって、面内の発電度合いを均一化することができ、出力低下を抑制することが可能となる。
【００６１】
このような例の燃料電池１においても、図１に示した例と同様に、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１として、電解質膜１７に接する面に溝を有するアノード触媒層１１を適用している。このような構成であっても、図１に示した例と同様の効果が得られる。
【００６２】
次に、実施例について説明する。
【００６３】
《実施例１》
＜アノードの作製＞
アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンに、アイオノマーとして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、このアノード用触媒担持カーボンを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノード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１６０μｍ（カーボンペーパの厚さを除く）のアノード触媒層を得た。塗布したペーストが乾燥した後のアノード触媒層中でのパーフルオロカーボンスルホン酸量は、全固形分の６０％となるように調整した。そして、固化したアノード触媒層の表面を針状の金属で引っかくことにより、２ｍｍ間隔の溝を格子状に削った。溝の深さは平均して１００μｍ程度とし、溝の幅は０．１〜０．３ｍｍであった。
【００６４】
＜カソードの作製＞
カソード用触媒（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、このカソード用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カソード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１４０μｍ（カーボンペーパの厚さを除く）のカソード触媒層を得た。塗布したペーストが乾燥した後のカソード触媒層中でのパーフルオロカーボンスルホン酸量は、全固形分の３０％となるように調整した。
【００６５】
＜膜電極接合体の作製＞
アノード触媒層とカソード触媒層との間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが５０μｍ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（ナフィオン）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。
【００６６】
《実施例２》
＜アノードの作製＞
塗布したペーストが乾燥した後のアノード触媒層中でのパーフルオロカーボンスルホン酸量が、全固形分の５０％となるように調整する以外は、実施例１と同様にしてアノード触媒層を作製した。なお、カソード及びプロトン伝導性電解質膜は実施例１と同一のものを適用し、膜電極接合体を得た。
【００６７】
《比較例》
＜アノードの作製＞
アノード触媒層の表面に溝がないことを除いては、実施例１と同様にしてアノード触媒層を作製した。なお、カソード及びプロトン伝導性電解質膜は実施例１と同一のものを適用し、膜電極接合体を得た。
【００６８】
《長期出力維持特性の比較》
実施例１、２及び比較例の膜電極接合体を各１０セット作製し、０．３Ｖ定電圧での長期出力評価試験を行った。結果、図８に示すように、比較例の試験では、試験途中で急激な出力の低下を起すものが１０件中３件観察された。また、実施例１及び２では、比較例に見られたような急激な出力の低下を示すものはなかったが、実施例１の方が高出力であることが確認された。（なお、図８に示したグラフでは、実施例１の初期出力を１００％とした）
上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に適用することが好ましい。
【００６９】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また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たりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の構造の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。
【図４】図４は、図２に示した膜電極接合体におけるアノード触媒層の一部の断面を拡大した図である。
【図５Ａ】図５Ａは、アノード触媒層に形成された溝の構成例を示す平面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、アノード触媒層に形成された溝の他の構成例を示す平面図である。
【図６】図６は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図７】図７は、この発明の実施の形態に係る燃料電池の他の構造を概略的に示す断面図である。
【図８】図８は、この発明の実施例１及び２と、比較例との長期出力維持特性を比較した結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７１】
１…燃料電池  ２…膜電極接合体
１１…アノード触媒層  １２…アノードガス拡散層  １３…アノード  Ｇ…溝
１４…カソード触媒層  １５…カソードガス拡散層  １６…カソード
１７…電解質膜
１８…カバー部材  １８Ａ…開口
１９…シール材  ２０…保湿層
３…燃料供給機構  ３０…燃料収容部  ３０Ａ…開口部  ３１…燃料供給部
４１…支持部材  ４２…多孔体
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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