(57)【要約】【課題】外部環境が変化した場合でも高い発電性能を維持することができ、燃料電池システムの小型化が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】アノード導電層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード導電層、およびカソード拡散層がこの順に積層されてなり、カソード拡散層は、水膨潤性繊維および非水膨潤性繊維が配されてなる織物構造を有している燃料電池である。また、織物構造は、水膨潤性繊維が経糸または緯糸のいずれか一方に配されてなることが好ましい。また、水膨潤性繊維の水分の吸収量の増加に伴ってカソード拡散層の通気性が増加することが好ましい。【選択図】図１
2008181797.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード導電層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード導電層、およびカソード拡散層がこの順に積層されてなり、
前記カソード拡散層は、水膨潤性繊維および非水膨潤性繊維が配されてなる織物構造を有していることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記織物構造は、前記水膨潤性繊維が経糸または緯糸のいずれか一方に配されてなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記水膨潤性繊維の水分の吸収量の増加に伴って前記カソード拡散層の通気性が増加することを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記織物構造は、水膨潤性繊維が芯部に配され、非水膨潤性繊維が鞘部に配されてなる芯鞘繊維構造を含むことを特徴とする、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソード拡散層の表面が撥水性を有してなることを特徴とする、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード触媒層の少なくとも一部が前記カソード拡散層と接していることを特徴とする、請求項１から５のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カソード拡散層が複数の層から構成されていることを特徴とする、請求項１から６のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項８】
前記カソード拡散層の前記カソード触媒層と接する層に非水膨潤性繊維から構成される層が配置されていることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記カソード触媒層および前記カソード導電層の少なくとも一方が前記カソード拡散層と接合されていることを特徴とする、請求項１から８のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記アノード導電層の前記アノード触媒層側と反対側の表面上にアノード拡散層および燃料透過層がこの順に積層されており、前記アノード拡散層には前記アノード拡散層を貫通する貫通孔が設けられていることを特徴とする、請求項１から９のいずれかに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に、外部環境が変化した場合でも高い発電性能を維持することができ、燃料電池システムの小型化が可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報化社会を支える携帯電子機器の小型電源として、単独の発電装置として高い発電効率が得られる可能性を秘めていることから、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、アノードで水素ガスやメタノール水溶液等の燃料を酸化し、カソードで空気中の酸素を還元するという電気化学反応を利用し、携帯電子機器等に電子を供給する化学電池である。
【０００３】
多種ある燃料電池の中でも、電解質膜としてプロトン交換したイオン交換膜を用いる固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；以下、「ＰＥＭＦＣ」という。）は、１００℃以下の低温動作においても高い発電効率が得られ、リン酸型燃料電池や固体酸化物型燃料電池等の高温で動作させる燃料電池に比べて外部から熱を与える必要がなく、大掛かりな補機類を必要としないことから、小型電源として実用化の可能性を秘めている。
【０００４】
このようなＰＥＭＦＣに供給される燃料としては、高圧ガスボンベを用いた水素ガスや、有機液体燃料を改質器により分解して得られる水素ガスと二酸化炭素ガスとの混合ガス等が用いられる。
【０００５】
ＰＥＭＦＣのアノードにメタノール水溶液を供給し、メタノール水溶液から直接プロトンと電子とを取り出すことにより発電を行なう直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ；以下、「ＤＭＦＣ」という。）は、改質器を必要としないことから、ＰＥＭＦＣ以上に小型電源として実用化の可能性を秘めている。さらには、大気圧下で液体であるメタノール水溶液を燃料として用いていることから、高圧ガスボンベを用いることなく、高い体積エネルギ密度を有した燃料を簡易容器で取り扱うことができ、小型電源として安全性に優れるとともに、燃料容器を小さくすることが可能である。そのため、ＤＭＦＣは、携帯電子機器の小型電源への応用、特に携帯電子機器用の２次電池代替用途という観点から注目が集まっている。
【０００６】
ＤＭＦＣではアノードおよびカソードでそれぞれ以下のような反応が起きる。
アノード：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
カソード：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
理論的に、メタノールと水とは１：１のモル比で反応するため、アノードへはメタノールの他に水を供給する必要がある。また、燃料濃度の高い液体燃料を使用する場合には、電解質として使用される固体高分子電解質膜での燃料のクロスオーバーによる発電性能の減少が大きいため、一般的に、３〜１０質量％の低濃度のメタノール水溶液が使用される。
【０００７】
メタノールと水は、予めメタノールと水との混合物として燃料タンクに貯蔵しておくこともできるが、カソードで生成した水を回収してアノードに供給すれば高濃度のメタノールを燃料タンクに貯蔵することができるので、燃料タンクの小型化を図ることができる。
【０００８】
一般的には、ポンプ等の電力を必要とする補機を用いてカソードで生成した水を回収し、回収した生成水をアノードへ供給しているが、ポンプ等の補機を用いると、燃料電池の小型化が制限される。したがって、ポンプ等の補機を用いずに、電解質膜中におけるカソード−アノード間の水分の濃度勾配を利用して、アノードに水を輸送することが燃料電池システムの小型化に有効である。
【０００９】
水分の濃度勾配を利用して、アノードへの水の輸送を安定して行なうためには、電解質膜中におけるカソード側の水分濃度を高く維持しておく必要があり、そのためには、カソード触媒層の雰囲気の湿度や水分濃度を高く保っておく必要がある。
【００１０】
しかしながら、水分の放出を抑えるためにカソード拡散層の通気性を小さくした場合には、カソードに供給される外部環境の空気の湿度が高くなったときに、カソード拡散層内の水分量が過剰になってフラッディングによる出力低下が起きて燃料電池の発電性能が低下してしまう。
【００１１】
また、カソードに供給される外部環境の空気の湿度が高くなることを考慮してカソード拡散層の通気性を確保した場合には、運転温度が高くなったときまたは外部環境の空気の湿度が低下したときに、カソード触媒層の雰囲気の相対湿度が低下し、水の蒸発が促進されて、電解質膜中に適切な水分の濃度勾配を維持することが困難である。
【００１２】
このような事情に鑑みて、たとえば特許文献１には、種々のセンサ等による制御を用いることなく燃料電池内の水分量に応じて拡散層中の水の排出性を変化させることができる燃料電池が開示されている。具体的には、特許文献１の燃料電池は、電解質膜の両面にそれぞれ拡散層と触媒層とが順次積層されているとともに、電解質膜を挟持するように２つのセパレータが設置されており、２つのセパレータの間隙に水分の吸収量によって体積を増減させる吸水性樹脂を設けた構造を有している。
【００１３】
すなわち、燃料電池内の水分量が増加した場合には、吸水性樹脂が水分を吸収することによってその体積が増大し、セパレータが電解質膜を押え付ける力が小さくなって拡散層の厚さが増大するため、水分が拡散層内を移動しやすくなり、拡散層中の水の排出性が大きくなる。
【００１４】
一方、燃料電池内の水分量が減少した場合には、吸水性樹脂から水分が蒸発することによってその体積が減少し、セパレータが電解質膜を押え付ける力が大きくなって拡散層の厚さが減少するため、水分が拡散層内を移動しにくくなり、拡散層中の水の排出性が小さくなる。
【特許文献１】特開２００６−１７２９６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかしながら、上述した特許文献１の燃料電池においては、吸水性樹脂が配置されている箇所の水分の状態のみによって拡散層の厚さが制御されるため、吸水性樹脂が配置されている箇所だけ水分量の過不足が極端に起こった場合には、拡散層の厚さの制御を適切に行なうことができず、外部環境の変化に対応しきれずに発電性能が低下するという問題があった。
【００１６】
このような水分の偏在による拡散層の厚さの制御の不具合を防止するためには、発電領域に均一に分散するように吸水性樹脂を複数配置する必要があることから、発電領域において発電に寄与しない領域が増え、発電性能が低下してしまうという問題があった。
【００１７】
また、上記の不具合を防止するためには吸水性樹脂を電解質膜を貫くように設置する必要があるため、シール構造も複雑になってしまうという問題もあった。
【００１８】
そこで、本発明の目的は、外部環境が変化した場合でも高い発電性能を維持することができ、燃料電池システムの小型化が可能な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】
【００１９】
本発明は、アノード導電層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソード導電層、およびカソード拡散層がこの順に積層されてなり、カソード拡散層は、水膨潤性繊維および非水膨潤性繊維が配されてなる織物構造を有している燃料電池である。
【００２０】
ここで、本発明の燃料電池において、織物構造は、水膨潤性繊維が経糸または緯糸のいずれか一方に配されてなることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池において、水膨潤性繊維の水分の吸収量の増加に伴ってカソード拡散層の通気性が増加することが好ましい。
【００２２】
また、本発明の燃料電池において、織物構造は、水膨潤性繊維が芯部に配され、非水膨潤性繊維が鞘部に配されてなる芯鞘繊維構造を含むことが好ましい。
【００２３】
また、本発明の燃料電池においては、カソード拡散層の表面が撥水性を有してなることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の燃料電池においては、カソード触媒層の少なくとも一部がカソード拡散層と接していることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の燃料電池においては、カソード拡散層が複数の層から構成されていることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の燃料電池においては、カソード拡散層のカソード触媒層と接する層に非水膨潤性繊維から構成される層が配置されていることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の燃料電池においては、カソード触媒層およびカソード導電層の少なくとも一方がカソード拡散層と接合されていることが好ましい。
【００２８】
また、本発明の燃料電池においては、アノード導電層のアノード触媒層側と反対側の表面上にアノード拡散層および燃料透過層がこの順に積層されており、アノード拡散層にはアノード拡散層を貫通する貫通孔が設けられていることが好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、外部環境が変化した場合でも高い発電性能を維持することができ、燃料電池システムの小型化が可能な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】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、本発明の図面において、同一の参照符号は、同一部分または相当部分を表わすものとする。
【００３１】
＜第１実施形態＞
図１に、本発明の第１実施形態における燃料電池の模式的な分解斜視図を示す。また、図２に、図１に示す本発明の第１実施形態における燃料電池の模式的な断面図を示す。ここで、本発明の第１実施形態における燃料電池１は、アノード導電層２ａ、アノード触媒層３ａ、電解質膜４、カソード触媒層３ｂ、カソード導電層２ｂおよびカソード拡散層５がこの順に積層された構成を有している。
【００３２】
このような構成を有する燃料電池１のアノード側に燃料としてたとえばメタノール水溶液が供給された場合には、メタノール水溶液はアノード触媒層３ａで以下の酸化反応を起こして、電子とプロトンと二酸化炭素とに分解される。
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
そして、上記の反応により発生した電子はアノード導電層２ａにより集電され、図示しない外部負荷を経由してカソード導電層２ｂへと移動する。また、プロトンは電解質膜４を経由してカソード触媒層３ｂへと移動する。
【００３３】
一方、カソード側では燃料電池１の外部の空気がカソード拡散層５を通ってカソード触媒層３ｂに供給されるとともに、カソード導電層２ｂから電子がカソード触媒層３ｂに供給され、さらに電解質膜４からプロトンがカソード触媒層３ｂに供給される。そして、カソード触媒層３ｂにおいては、上記の空気中の酸素と電子とプロトンとが以下の還元反応を起こして水を生成する。
Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
そして、上記の反応によりカソード触媒層３ｂで生成された水はカソード拡散層５を通って燃料電池１の外部に排出されるため、カソード拡散層５が水排出の抵抗となり、カソード触媒層３ｂにおける水分濃度は高く保たれ、その水分濃度に応じて水が電解質膜４に溶け込んでいく。そして、電解質膜４の内部において、カソード触媒層３ｂ側の水分濃度がアノード触媒層３ａ側の水分濃度よりも高くなった場合には、電解質膜４の内部におけるカソード触媒層３ｂ側の水がアノード触媒層３ａ側へと拡散していく。
【００３４】
図３（ａ）および図３（ｂ）に、本発明の第１実施形態の燃料電池１を構成するカソード拡散層５の一例の模式的な平面図を示す。ここで、カソード拡散層５は、水膨潤性繊維５ａと非水膨潤性繊維５ｂとを有している。
【００３５】
上記の構成を有するカソード拡散層５においては、カソード拡散層５内の湿度が低下した場合には水膨潤性繊維５ａが水を放出して収縮するため、たとえば図３（ａ）に示すように、非水膨潤性繊維５ｂの間隔がＬ１と短くなってカソード拡散層５の通気性が低下し、カソード触媒層３ｂから生成される水の放出を抑制することができる。また、カソード拡散層５内の湿度が増加した場合には水膨潤性繊維５ａが水を吸収して膨潤するため、たとえば図３（ｂ）に示すように、非水膨潤性繊維５ｂの間隔がＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）と長くなってカソード拡散層５の通気性が大きくなり、水分の過飽和状態によるフラッディングを抑制することができる。
【００３６】
したがって、本発明の燃料電池１においては、外部環境が変化した場合でも、上記のようにカソード拡散層５の通気性を適切に制御することができ、フラッディングによる発電効率の低下を抑止しつつ、カソード触媒層３ｂにおける水分濃度を高く保つことができることから、外部環境が変化した場合でも高い発電性能を維持することができる。
【００３７】
また、本発明の燃料電池１においては、アノード触媒層３ａに拡散する水を液体燃料としてのメタノール水溶液の生成に利用することによって燃料タンクの小型化を図ることができることから、本発明の燃料電池１を含む燃料電池システムの小型化も可能となる。
【００３８】
また、本発明の燃料電池１においては、カソード拡散層５の通気性を制御するためにカソード拡散層５以外の部材を必要としないことから、燃料電池１の作製に必要な部品点数を減少させることが可能であり、燃料電池１の組み立て工程が簡素化されることによって燃料電池１の生産性を向上させることも可能となる。
【００３９】
また、上記においては、燃料としてメタノール水溶液を用いた場合について説明したが、本発明の燃料電池１に供給される燃料はこれに限定されるものではない。本発明の燃料電池１に供給される燃料としては、水素を含む有機燃料を好ましく用いることができ、この有機燃料は排ガスとの混合物や２種以上の液体からなる混合液体燃料とされてもよい。本発明の燃料電池１に供給される燃料としては、たとえば、メタノールまたはエタノール等の低級アルコール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、ホルムアルデヒド、ギ酸メチル、ギ酸、アセトンおよびトルエン等から選択される１種または２種以上の混合物を用いることができる。
【００４０】
以下に、本発明の燃料電池１を構成する各構成部材について説明する。
（電解質膜４）
本発明の燃料電池１を構成する電解質膜４としては、たとえば、従来から公知の固体高分子電解質膜を用いることができる。電解質膜４に用いられる固体高分子電解質膜としては、パーフルオロスルフォン酸ポリマーまたは炭化水素系ポリマー等からなる固体高分子電解質膜が好適に用いられる。
【００４１】
また、電解質膜４に用いられる固体高分子電解質膜としては、燃料電池１においてより高い発電性能が得られる点で、プロトン伝導率が１×１０-5Ｓ／ｃｍ以上である固体高分子電解質膜を用いることが好ましく、１×１０-3Ｓ／ｃｍ以上である固体高分子電解質膜を用いることがより好ましい。
【００４２】
また、電解質膜４の厚さは、電解質膜４の抵抗を小さくしてより高い発電性能が得られる点で２００μｍ以下であることが好ましく、燃料のクロスオーバーの抑止効果が高くなる点で１μｍ以上であることが好ましい。
【００４３】
（アノード触媒層３ａ、カソード触媒層３ｂ）
本発明の燃料電池１を構成するアノード触媒層３ａおよびカソード触媒層３ｂとしては、たとえば、触媒と、この触媒を担持した導電性粒子と、イオン導電性バインダと、から構成されるものを用いることができる。
【００４４】
ここで、触媒としては、たとえば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、ＯｓまたはＩｒ等の貴金属若しくはＮｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、ＣｕまたはＺｎ等の卑金属を単独または２種以上組み合わせて用いることができる。
【００４５】
また、導電性粒子としては、たとえば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンまたはフラーレン等の炭素粒子を用いることができる。
【００４６】
また、イオン導電性バインダとしては、たとえば、上述した電解質膜４に用いられる固体高分子電解質膜と同様の材質からなる高分子電解質を用いることができる。
【００４７】
また、アノード触媒層３ａおよびカソード触媒層３ｂの厚さはそれぞれ、プロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗を小さくするとともに触媒層の内部まで燃料または酸素の供給を良好に行なうことができる点で０．１ｍｍ以下であることが好ましく、十分な触媒担持量を得ることにより出力電圧を良好に向上させることができる点で０．１μｍ以上であることがより好ましい。
【００４８】
また、本発明においては、カソード触媒層３ｂの少なくとも一部がカソード拡散層５と接していることが好ましい。この場合には、カソード触媒層３ｂ内の湿度とカソード拡散層５内の湿度とが近い状態にあるため、カソード拡散層５を構成する水膨潤性繊維５ａが水の吸収および放出をより適切に行なうことができる傾向にある。
【００４９】
（アノード導電層２ａ、カソード導電層２ｂ）
本発明の燃料電池１を構成するアノード導電層２ａは、アノード触媒層３ａと電子の授受を行なう機能を有している。また、本発明の燃料電池１を構成するカソード導電層２ｂは、カソード触媒層３ｂと電子の授受を行なう機能を有している。また、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂはそれぞれ取り出し電極としての機能も有している。
【００５０】
また、アノード導電層２ａの材質およびカソード導電層２ｂの材質にはそれぞれアノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂ自体の抵抗による電圧低下を抑制する観点から、Ａｕ、Ａｇ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｗ、ＳｎおよびＴｉからなる群から選択された少なくとも１種を含む金属を用いることが好ましく、なかでもＡｕ、Ｃｕ、ＴｉおよびＳｎからなる群から選択された少なくとも１種を含む金属を用いることがより好ましい。アノード導電層２ａの材質およびカソード導電層２ｂの材質にそれぞれ上記の金属を用いることによって、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂの比抵抗が小さくなるため、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂの抵抗による電圧低下が軽減され、より高い発電性能を得ることができる。
【００５１】
また、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂの厚さはそれぞれアノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂ自体の抵抗による電圧低下を抑制できる点で０．１μｍ以上であることが好ましい。
【００５２】
また、本発明においては、カソード触媒層３ｂおよびカソード導電層２ｂの少なくとも一方がカソード拡散層５と接合されていることが好ましい。この場合には、カソード拡散層５の剥離を有効に防止することができるとともに、カソード触媒層３ｂ内の湿度の状態が迅速にカソード拡散層５に伝達されないことからくる水膨潤性繊維５ａの不良動作を有効に抑止することができる傾向にある。
【００５３】
ここで、カソード触媒層３ｂおよびカソード導電層２ｂの少なくとも一方とカソード拡散層５とを接合する方法としては、たとえば、化学結合、アンカー効果または粘着力等により接合する方法が用いられ、より詳細には、粘着剤で接合する方法または高分子重合反応による接着剤で接合する方法等を用いることができる。
【００５４】
また、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂはそれぞれ、これらの層の厚さ方向に貫通する貫通孔を有する形状を有していることが好ましい。このような形状としては、たとえば、板若しくは箔に複数の孔を空けた形状、メッシュ形状、またはエキスパンドメタル形状等が挙げられる。
【００５５】
アノード導電層２ａが上記の貫通孔を有する場合には、アノード導電層２ａの貫通孔を介してアノード触媒層３ａに液体燃料等の燃料が効率良く供給される点で有利となる傾向にある。
【００５６】
また、カソード導電層２ｂが上記の貫通孔を有する場合には、カソード導電層２ｂの貫通孔を介してカソード触媒層３ｂに空気中の酸素が効率良く供給される点で有利となる傾向にある。また、カソード導電層２ｂが上記の貫通孔を有する場合には、カソード触媒層３ｂで発生した水がカソード導電層２ｂの貫通孔を介してカソード拡散層５へと効率良く排出することができる傾向もある。さらに、カソード導電層２ｂが上記の貫通孔を有する場合には、貫通孔の部位において、カソード拡散層５とカソード触媒層３ｂとを簡便に接合させることも可能となる点でも好ましい。
【００５７】
また、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂについてそれぞれ腐食による劣化が問題となる場合には、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂに、酸性水溶液雰囲気下または酸素雰囲気下で金属イオンが溶出せず、かつ不導体層を形成しないような耐腐食性を有した材質として、たとえば、Ａｕ、Ｐｔ、ＰｄまたはＲｕ等の貴金属またはカーボン等をコーティングすることもできる。これにより、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂからの金属イオンの溶出を抑制することができる傾向にあり、アノード触媒層３ａ中、カソード触媒層３ｂ中および電解質膜４中への金属イオンの混入を抑制することができる傾向にある。また、アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂがそれぞれ不導体層を形成することも低減されるため、燃料電池１の長期信頼性を得ることも可能となる。
【００５８】
（カソード拡散層５）
本発明の燃料電池１を構成するカソード拡散層５は、上述したように、水膨潤性繊維５ａと非水膨潤性繊維５ｂとから構成することができる。本発明において、水膨潤性繊維５ａは下記の式（１）により算出される膨潤率（％）が５％以上の繊維であり、非水膨潤性繊維５ｂは下記の式（１）により算出される膨潤率（％）が５％未満の繊維である。
【００５９】
膨潤率（％）＝１００×{（湿潤時の繊維長さ）−（乾燥時の繊維長さ）}／（乾燥時の繊維長さ）  …（１）
ここで、枠周が１．１２５ｍの巻き返し枠を用いて０．８８ｍＮ／ｄｔｅｘ（０．１ｇ／ｄｅ）の荷重をかけて一定の速度で巻き返し、巻き数が１０回のかせを作り、かせ取りした繊維を温度２０℃、湿度６５ＲＨ％の環境下に２４時間放置（乾燥時）し、これに非弾性繊維の場合には１．７６ｍＮ／ｄｔｅｘ（２００ｍｇ／ｄｅ）、弾性繊維の場合には０．００８８ｍＮ／ｄｔｅｘ（１ｍｇ／ｄｅ）の荷重をかけて測定した繊維長（ｍｍ）を上記の式（１）における乾燥時の繊維長さとする。
【００６０】
また、乾燥時の繊維を水温２０℃の水中に５分間浸漬させた後（湿潤時）に水中により引き上げ、これに非弾性繊維の場合には１．７６ｍＮ／ｄｔｅｘ（２００ｍｇ／ｄｅ）、弾性繊維の場合には０．００８８ｍＮ／ｄｔｅｘ（１ｍｇ／ｄｅ）の荷重をかけて測定した繊維長（ｍｍ）を上記の式（１）における湿潤時の繊維長さとする。
【００６１】
なお、上記において、非弾性繊維とは破断伸度が２００％以下の繊維のことであり、弾性繊維とは破断伸度が２００％よりも大きい繊維のことである。なお、破断強度（％）は、下記の式（２）により算出することができる。
【００６２】
破断強度（％）＝{１００×（繊維を引き伸ばしていって繊維が破断したときの繊維長）／（繊維を引き伸ばす前の繊維長）}  …（２）
また、本明細書において、乾燥時とは、温度２０℃、湿度６５ＲＨ％の環境下に２４時間放置した後の状態のことをいい、湿潤時とは、水温２０℃の水中に５分間浸漬させた後の状態のことをいう。
【００６３】
水膨潤性繊維５ａとしては、たとえば、水膨潤性プラスチックまたは水膨潤性ゴム等の水膨潤性高分子を繊維状にしたもの等を用いることができ、たとえば、ポリエーテルエステルエラストマーからなるポリエーテルエステル繊維、ポリアクリル酸金属塩、ポリアクリル酸およびその共重合体、ポリメタアクリル酸およびその共重合体、ポリビニルアルコールおよびその共重合体、ポリアクリルアミドおよびその共重合体、またはポリオキシエチレン系ポリマー等を配合したポリエステル繊維、５−スルホイソフタル酸成分を共重合したポリエステル、脱アセチル化処理を行なったセルロースアセテート、エチレン性不飽和二重結合を有する無水ポリ酸性アミノ酸とスルホン酸基含有エチレン性不飽和二重結合を有する化合物との共重合体等を用いることができる。なかでも、ポリブチレンテレフタレートをハードセグメントとし、ポリオキシエチレングリコールをソフトセグメントとするポリエーテルエステルエラストマーからなるポリエーテルエステル繊維が水膨潤性だけでなく、弾性も有しているため、かかる弾性を利用して、水膨潤性繊維５ａと非水膨潤性繊維５ｂとの繊維長差を容易に設けることができる点で好ましい。
【００６４】
また、非水膨潤性繊維５ｂとしては、たとえば、木綿または麻等の天然繊維、レーヨン若しくはアセテート等のセルロース系化学繊維、ポリエチレンテレフタレート若しくはポリトリメチレンテレフタレートに代表されるポリエステル、ポリアミド、ポリアクリルニトリルまたはポリプロピレン等の合成繊維を用いることができる。なかでも、非水膨潤性繊維５ｂとしては、通常のポリエステル繊維を用いることが好ましい。
【００６５】
本発明において、カソード拡散層５は、水膨潤性繊維５ａと非水膨潤性繊維５ｂとを用いて、通常の製織方法で製織することにより作製することができる。ここで、水膨潤性繊維５ａが織物を構成する経糸および緯糸の両方に配されている場合には、湿潤時に経緯両方から繊維長が伸長してカソード拡散層５の織物構造の空隙を埋めるため、湿潤時に効果的に通気性を向上させる上では、水膨潤性繊維５ａができるだけ経糸または緯糸のいずれか一方に配されている方が好ましい。したがって、カソード拡散層５を構成する織物に含まれる水膨潤性繊維５ａの全体を１００質量部としたとき水膨潤性繊維５ａはカソード拡散層５を構成する織物の経糸に７０質量部以上および緯糸に３０質量部以下含まれるように配されているか、若しくは緯糸に７０質量部以上および経糸に３０質量部以下含まれるように配されていることが好ましく、カソード拡散層５を構成する織物の経糸または緯糸のいずれか一方のみに配されていることがより好ましい。これにより、図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、水膨潤性繊維５ａが水を吸収して膨潤することにより伸長し、隣接する非水膨潤性繊維５ｂの間隔がＬ１からＬ２に広がって、その結果、カソード拡散層５の織物構造の空隙が大きくなって通気性が向上する傾向にある。
【００６６】
このような通気性の向上の効果は、湿潤時の通気性が乾燥時と比べて３０％以上増加することが好ましく、さらには５０〜３００％増加することがより好ましい。なお、通気性は、ＪＩＳ  Ｌ  １０９６−１９９８、６．２７．１、Ａ法（フラジール形通気性試験機法）により測定されるものである。
【００６７】
なお、通気性変化率（％）は、下記の式（３）により算出することができる。
通気性変化率（％）＝１００×{（湿潤時の通気性）−（乾燥時の通気性）}／（乾燥時の通気性）  …（３）
水膨潤性繊維５ａの構造は水分を吸収および放出することによって繊維長を伸縮することができれば特に限定されないが、カソード拡散層５は水膨潤性繊維５ａが芯部に配され、非水膨潤性繊維５ｂが鞘部に配されてなる芯鞘繊維構造を含むことが好ましい。これにより、芯部に配された水膨潤性繊維５ａが乾燥して収縮した場合には、たとえば図４（ａ）の模式的平面図に示すように、鞘部に配された非水膨潤性繊維５ｂの捲縮がより立体的に膨らむ。一方、芯部に配された水膨潤性繊維５ａが水を吸収して膨潤して伸長した場合には、たとえば図４（ｂ）の模式的平面図に示すように、鞘部に配された非水膨潤性繊維５ｂが引き伸ばされて、非水膨潤性繊維５ｂの捲縮の立体性がなくなることで、通気性の変化率が向上する。
【００６８】
カソード拡散層５が、水膨潤性繊維５ａが芯部に配され、非水膨潤性繊維５ｂが鞘部に配されてなる芯鞘繊維構造を含む場合には、乾燥時における水膨潤性繊維５ａの繊維長ＬAと非水膨潤性繊維５ｂの繊維長ＬBとの比（ＬA／ＬB）が０．９以下であることが好ましく、０．２以上０．９以下であることがより好ましい。ＬA／ＬBが０．９よりも大きい場合には通気性の変化が得られにくい傾向にあり、０．２以上０．９以下である場合には通気性が大きく変化しやすい傾向にある。
【００６９】
上記の芯鞘繊維構造の作製方法としては、たとえば、従来から公知のインターレース空気加工、タスラン空気加工、カバリング加工、または複合仮撚捲縮加工等を用いることができる。なかでも、明確な芯鞘繊維構造を形成することが可能なカバリング加工を用いて芯鞘繊維構造を作製することが好ましい。
【００７０】
本発明においては、カソード拡散層５の液体による目詰まりを回避し、効率の良い気体の供給を行なうため、カソード拡散層５は撥水性の表面を有していることが好ましい。カソード拡散層５の表面を撥水性とする方法としては、たとえば、シリコーン系撥水剤またはフッ素系撥水剤等を一般に採用されているパディング法またはスプレー法等によって塗布する方法等が挙げられる。
【００７１】
また、カソード拡散層５の織物構造の織組織としては、たとえば、平織、綾織またはサテン等の織組織が好適であるが、これらに限定されないことは言うまでもない。
【００７２】
また、カソード拡散層５の製織条件としては、織物組織の拘束力が大きくなることや、糸ずれが生じることを抑止するために、織物のカバーファクターが１２００以上１９００以下の範囲内であることが好ましく、１５００以上１８００以下であることがより好ましい。カバーファクター（ＣＦ）は、下記の式（４）により算出することができる。
【００７３】
ＣＦ＝Ｔｓ・（Ｔｄ）1/2＋Ｙｓ・（Ｙｄ）1/2Ｔｄ  …（４）
なお、上記の式（４）において、Ｔｓは経糸織密度（本／２．５４ｃｍ）を示し、Ｙｓは緯糸織密度（本／２．５４ｃｍ）を示し、Ｔｄは経糸総維度（ｄｔｅｘ／１．１）を示し、Ｙｄは緯糸総維度（ｄｔｅｘ／１．１）を示す。
【００７４】
また、カソード拡散層５は複数の層から構成されていることが好ましい。これにより、カソード拡散層５を構成する層のうちカソード導電層２ｂおよび／またはカソード触媒層３ｂと接する層が、カソード導電層２ｂおよび／またはカソード触媒層３ｂに接合されることによって固定されたとしても、カソード拡散層５のうち固定されていない層がカソード拡散層５の形状変化を妨げないため、通気性を適切に変化させることができる。
【００７５】
また、カソード拡散層５が複数の層から構成されている場合には、カソード導電層２ｂおよび／またはカソード触媒層３ｂと接する層に非水膨潤性繊維５ｂのみから構成される層が配置されていることがより好ましい。
【００７６】
この場合には、カソード拡散層５のうちカソード導電層２ｂおよび／またはカソード触媒層３ｂと接する層が水分の吸収または放出によって、膨潤または収縮による繊維長の変化がほとんどないため、カソード拡散層５の剥離や脱落を抑制することができる傾向にある。
【００７７】
＜第２実施形態＞
図５に、本発明の第２実施形態における燃料電池の模式的な断面図を示す。ここで、本発明の第２実施形態における燃料電池１は、アノード触媒層３ａの表面上にアノード拡散層６および燃料透過層７がこの順序で積層されていること以外は第１実施形態における燃料電池１と同様の構成となっている。
【００７８】
以下に、本発明の第２実施形態における燃料電池１を構成するアノード拡散層６および燃料透過層７についてそれぞれ説明する。
【００７９】
（アノード拡散層６）
本発明の燃料電池１を構成するアノード拡散層６としては、燃料透過層７を透過した燃料をアノード触媒層３ａに透過させ、かつアノード触媒層３ａにおいて生成する二酸化炭素を外部へと排出させることが可能な貫通孔を有している層であれば特に限定されず用いることができる。
【００８０】
ここで、アノード拡散層６の空孔率（％）は５％以上であることが好ましく、３０％以上であることがより好ましい。なお、アノード拡散層６の空孔率（％）は、アノード拡散層６の体積と質量とからアノード拡散層６の比重を求め、これとアノード拡散層６を構成する材料自体の比重とから下記の式（５）により算出することができる。
【００８１】
空孔率（％）＝１００×{１−（アノード拡散層６の比重／アノード拡散層６を構成する材料自体の比重）}  …（５）
アノード拡散層６としては、たとえば、カーボンペーパーに代表されるカーボン繊維または金属繊維の不織布、カーボン繊維を束ねて編み上げたクロス、またはポリテトラフルオロエチレンを結着剤としカーボン粒子や金属粒子を分散させた撥水性多孔質シート等の電子導電性の材質を用いることができる。アノード拡散層６として電子導電性の材質を用いた場合には、アノード触媒層３ａから電子を受け取り、アノード導電層２ａに電子を受け渡すことを促進することが可能となる。一方、燃料電池１の外部との電気的短絡を抑制することを目的とする場合には、たとえば、ポリエチレンテレフタレート等の高分子からなる繊維を束ねて編み上げた布や不織布、またはポリテトラフルオロエチレン若しくはポリイミド等の多孔質シート等の絶縁性である材質を用いることが好ましい。
【００８２】
また、カソード側から拡散によって輸送されてきた水分がアノード拡散層６および燃料透過層７を透過して燃料タンクへ侵入するのを防ぐため、アノード拡散層６は撥水性であることがより好ましく、たとえば、上述の材料の表面に撥水化処理をしたもの、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）または撥水化処理をしたシリコーンシート等の多孔質体をアノード拡散層６に用いることができる。
【００８３】
（燃料透過層７）
本発明の燃料電池１を構成する燃料透過層７としては、たとえば、液体燃料に溶解することなく液体燃料を透過させ、液体燃料の濃度や供給量等を調整する燃料濃度調整層として機能するとともに、アノード触媒層３ａにおいて生成する二酸化炭素を透過させ難い材料からなる層を用いることができる。
【００８４】
燃料透過層７としては、たとえば、ヒドロキシル基、アミノ基、カルボキシル基、スルホン基、リン酸基、エーテル基、ケトン基またはシラノール基等の官能基を有する高分子膜を用いることができ、より詳細には、ハイドロキシエチルメタクリレート、ポリビニルリドン、ジメチルアクリルアミドまたはグリセロールメタクリレート等の高分子材料を組み合わせて共重合させた膜を用いることが好ましい。
【００８５】
また、燃料透過層７に撥水性を有する材料を用いる場合には、たとえば、オレフィン系樹脂、芳香族ポリエステル樹脂若しくはフッ素系樹脂等の疎水性の化学繊維で形成された不織布、発泡体、焼結体、またはカーボン繊維の表面が撥水化処理されたカーボン多孔質体等の無機多孔質膜を用いることもできる。
【００８６】
また、燃料透過層７としては、非多孔質性の炭化水素系固体高分子膜を用いることが好ましい。液体燃料の透過性が比較的低い燃料透過層７の構成材料としては、たとえば、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレンエーテルまたはスルホン化ポリスチレン等を用いることができる。
【００８７】
また、燃料透過層７を介して燃料を供給することにより、高濃度の燃料を含む液体燃料を用いた場合でも、アノード触媒層３ａに到達する液体燃料の供給量を低減することができ、アノード触媒層３ａにおける液体燃料の燃料濃度を低濃度に保つことが可能となる。これにより、液体燃料が電解質膜４を透過する現象を抑制することができ、液体燃料の利用効率を向上することができる。また、燃料濃度の高い液体燃料を供給することが可能となるため、液体燃料を貯蔵する燃料タンクの容積を小さくすることができ、燃料電池システムの小型化を図ることができる。
【００８８】
また、燃料濃度の高い液体燃料を用いた場合には、液体燃料に含まれる水分濃度が低減されるため、電解質膜４におけるアノード触媒層３ａ側の水分濃度を低くすることができる。これにより、電解質膜４におけるカソード触媒層３ｂ側の水分濃度とアノード触媒層３ａ側の水分濃度との間の水分濃度の勾配が大きくなり、電解質膜４内を拡散によってアノード側に輸送される水分量を効果的に増加させることができる。
【００８９】
本発明の第２実施形態の燃料電池１においては、燃料濃度の高い液体燃料を用いた場合でも燃料透過層７によりアノード触媒層３ａへの液体燃料の供給を適切に行なうことができるだけでなく、カソード拡散層５がその通気性をカソード触媒層３ｂ内の湿度の状態に合うように変化させてカソード触媒層３ｂ内の湿度を適切に制御することによって電解質膜４のカソード側の水分濃度を高く維持することができるため、外部環境が変化したとしても、高い発電性能を維持することが可能となる。
【実施例】
【００９０】
［実施例１］
本実施例では、図１に示す構造の燃料電池１と同様の構造の燃料電池（実施例１の燃料電池）を作製した。以下、実施例１の燃料電池の作製方法について説明する。
【００９１】
まず、電解質膜４として、幅４０ｍｍ×長さ４０ｍｍ、厚さが約１７５μｍのＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１７（デュポン社製）を用意した。
【００９２】
次に、Ｐｔ担持量が３２．５質量％で、Ｒｕ担持量が１６．９質量％のＰｔ粒子とＲｕ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製ＴＥＣ６６Ｅ５０）と、２０質量％のＮａｆｉｏｎ（登録商標）を含むアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、イソプロパノールと、アルミナボールと、を質量比で０．５：１．５：１．６：１００の割合でテフロン（登録商標）容器に入れ、攪拌脱機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、アノード触媒ペーストを作製した。
【００９３】
また、Ｐｔ担持量が４６．８質量％のＰｔ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（田中貴金属社製ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ）を用いたこと以外はアノード触媒ペーストと同様にしてカソード触媒ペーストを作製した。
【００９４】
続いて、上記で作製したアノード触媒ペーストを上記のＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１７の一方の表面に触媒担持量が２ｍｇ／ｃｍ2となるように幅２３ｍｍ×長さ２３ｍｍの正方形状の開口部を有するスクリーン印刷版を用いてアノード触媒ペーストがＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１７の上記表面の中心に形成されるようにスクリーン印刷した。その後、スクリーン印刷されたアノード触媒ペーストを室温にて乾燥させて、約２０μｍの厚さのアノード触媒層３ａを形成した。
【００９５】
また、アノード触媒ペーストと同様にして上記のＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１７の他方の表面にアノード触媒層３ａと対称となる位置にカソード触媒ペーストをスクリーン印刷し、約２０μｍの厚さのカソード触媒層３ｂを形成した。
【００９６】
以後、上記でＮａｆｉｏｎ（登録商標）１１７の表面にアノード触媒層３ａおよびカソード触媒層３ｂを形成したものを、ＣＣＭ（Ｃａｔａｌｙｓｔ  Ｃｏａｔｅｄ  Ｍｅｍｂｒａｎｅ）と記載する。
【００９７】
また、ハードセグメントとしてポリブチレンテレフタレートを５０質量％およびソフトセグメントとして数平均分子量が４０００のポリオキシエチレングリコールを５０質量％含むポリエーテルエステルを２３０℃で溶融し、所定の紡糸口金より吐出量３．０５ｇ／分で押出した。この押出したポリエーテルエステルを２個のゴデットロールを介して７０５ｍ／分で引取り、さらに７５０ｍ／分（巻取りドラフト１．０６）で巻取り、水膨潤性繊維（４４ｄｔｅｘ／１フィラメント）を得た。この水膨潤性繊維の膨潤率は２５％であった。
【００９８】
一方、非水膨潤性繊維として、膨潤率が１％以下である通常のポリエチレンテレフタレートからなるマルチフィラメント糸に通常の仮撚捲縮加工を施した仮撚捲縮加工糸（５６ｄｔｅｘ／１４４フィラメント）を用意した。
【００９９】
次いで、通常のカバリング機を用いて、上記のポリエーテルエステル繊維からなる水膨潤性繊維を芯部とし、上記の仮撚捲縮加工糸からなる非水膨潤性繊維を鞘部として、芯部のドラフト率３００％（３倍）、カバリング数１０００回／ｍにて通常のカバリング加工を行ない、芯鞘繊維構造を有する複合繊維（８０ｄｔｅｘ／１４５フィラメント）を得た。この芯鞘繊維構造を有する複合繊維において、水膨潤性繊維の繊維長さをＡとし、非水膨潤性繊維の繊維長さをＢとしたとき、ＡとＢとの比（Ａ／Ｂ）は０．２９となった。
【０１００】
次いで、非水膨潤性繊維として膨潤率が１％以下である通常のポリエチレンテレフタレートからなるマルチフィラメント糸に通常の仮撚捲縮加工を施した仮撚捲縮加工糸（８４ｄｔｅｘ／７２フィラメント）を経糸に配し、上記のポリエーテルエステル繊維からなる水膨潤性繊維を緯糸に配して、経糸織密度が９２本／２．５４ｃｍ、緯糸織密度が９０本／２．５４ｃｍの織密度にて通常の製織方法により平織組織の織物を得た。そして、この織物に常法の加工を施した。この得られた織物において、カバーファクター（ＣＦ）は１６００とした。
【０１０１】
次いで、上記のようにして得られた織物中に、パーフルオロアルキルアクリレートコポリマーからなるフッ素系撥水剤をパディング法にて含浸させ、マングルで絞った後、１７０℃で３分間の熱処理をし、フッ素系撥水剤を１０質量％付着させる条件で撥水加工を施した。その後、タンブラーによる揉み込み加工を施し、繊維間の拘束を解除した。
【０１０２】
そして、上記の工程を経て得られた織物を幅２３ｍｍ×長さ２３ｍｍの正方形状に切り出してカソード拡散層５とした。このカソード拡散層５のカソード導電層２ｂおよびカソード触媒層３ｂ側となる表面に上述のようにして作製したカソード触媒ペーストをバーコータを用いて均一に塗布し、室温雰囲気下で３０分間乾燥させた。
【０１０３】
アノード導電層２ａおよびカソード導電層２ｂとして、線径が７０μｍφで、１００ｍｅｓｈの金メッシュ（ニラコ社製）を幅２３ｍｍ×長さ５０ｍｍの矩形状に切り出して用いた。
【０１０４】
上記の金メッシュを２枚用意し、この２枚の金メッシュでＣＣＭを挟むようにしてＣＣＭの触媒層面（アノード触媒層３ａの表面およびカソード触媒層３ｂの表面）と金メッシュの端部とを重ね合わせた。そして、上記カソード拡散層５のカソード触媒ペーストを塗布した面をカソード導電層２ｂとなる金メッシュの外側からカソード触媒層３ｂと同じ位置に合わせるようにして重ね、５００μｍのステンレススペーサを配置し、１３０℃の温度、５ｋＮの圧力で２分間ホットプレスをすることによって図１に示す構造を有する実施例１の燃料電池を作製した。このとき、２枚の金メッシュは互いに異なる方向にＣＣＭからはみ出すようにして重ね合わせた。
【０１０５】
次に、アノード筐体として、中心に幅２３ｍｍ×長さ２３ｍｍ、深さ５ｍｍの液溜めとして用いられる窪みを有する幅６０ｍｍ×長さ６０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのアクリル板を用意した。そして、アクリル板を通して燃料を供給することができるように、アクリル板の中心に内径１ｍｍのチューブコネクタの取り付け加工を行なった。
【０１０６】
また、カソード筐体として、中心に幅２３ｍｍ×長さ２３ｍｍの開口部を有する幅６０ｍｍ×長さ６０ｍｍ、厚さ５ｍｍのアクリル板を用意した。
【０１０７】
そして、アノード筐体の中心とアノード導電層２ａの中心とが重なるようにアノード筐体を配置するとともに、カソード筐体の中心とカソード拡散層５の中心とが重なるようにカソード筐体を配置した後、アノード筐体およびカソード筐体の外周部をそれぞれ固定した。
【０１０８】
上記のアノード筐体およびカソード筐体の固定後の実施例１の燃料電池を恒温恒湿槽内に設置し、アノード筐体のチューブコネクタ部にペリスタポンプ（アトー株式会社製）を接続し、このペリスタポンプを用いてメタノール濃度が２０質量％のメタノール水溶液を１．２ｃｃ／ｍｉｎの供給量で供給するとともに、カソード筐体は大気中に開放した。
【０１０９】
そして、０．１Ａ／ｃｍ2の負荷をかけ、温度を２５℃とした状態で、湿度を順に６０％ＲＨで１時間、３０％ＲＨで１時間、９８％ＲＨで１時間保持して、発電性能を評価したところ、出力電圧は湿度６０％ＲＨでは１時間保持後に０．２５Ｖ、湿度３０％ＲＨでは１時間保持後に０．２７Ｖ、湿度９８％ＲＨでは１時間保持後に０．２４Ｖであった。
【０１１０】
［比較例１］
カソード拡散層５としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン製３５ＢＣ）を用い、ホットプレス時に５００μｍのステンレススペーサを配置したこと以外は実施例１と同様にして比較例１の燃料電池を作製した。そして、実施例１と同様にして、比較例１の燃料電池にアノード筐体およびカソード筐体を固定した。
【０１１１】
上記のアノード筐体およびカソード筐体の固定後の比較例１の燃料電池について、実施例１と同様にして発電性能を評価した。その結果、比較例１の燃料電池の出力電圧は湿度６０％ＲＨでは１時間保持後に０．２３Ｖ、湿度３０％ＲＨでは１時間保持後に０．１９Ｖ、湿度９８％ＲＨでは１時間保持後に０．１６Ｖであった。湿度３０％ＲＨではカソード拡散層５の表面温度が４０℃から５０℃に上昇した。
【０１１２】
実施例１と比較例１の燃料電池との発電性能の評価結果を比較したところ、実施例１の燃料電池は比較例１の燃料電池と比べて外部の相対湿度が変化しても安定した出力電圧を維持することがわかった。
【０１１３】
また、比較例１の燃料電池が実施例１の燃料電池と比べて出力電圧が低下した理由としては、湿度３０％ＲＨ時においては電解質膜４の乾燥および燃料のクロスオーバーが原因であると考えられ、湿度９８％ＲＨ時においてはフラッディングが原因であると考えられる。
【０１１４】
したがって、実施例１の燃料電池においては、湿度３０％ＲＨの低湿度時にはカソード拡散層５の通気性が小さくなって電解質膜４からの水分の蒸発を抑制し、電解質膜４のカソード側の水分濃度を高く維持することでアノード側への水分の輸送量を確保できていると考えられる。
【０１１５】
また、実施例１の燃料電池においては、湿度９８％ＲＨの高湿度時にはカソード拡散層５の通気性が大きくなって、カソード拡散層５の水分の排出性が大きくなり、フラッディングが抑制されたためであると考えられる。
【０１１６】
［実施例２］
本実施例では、図５に示す構造の燃料電池１と同様の構造の燃料電池（実施例２の燃料電池）を作製した。
【０１１７】
アノード拡散層６として、カーボンペーパー（ＳＧＬカーボン社製３５ＢＣ）を幅２３ｍｍ×長さ２３ｍｍの正方形状に切り出したものを用意した。そして、このカーボンペーパーからなるアノード拡散層６をアノード導電層２ａとなる金メッシュの外側からアノード触媒層３ａと同じ位置に合わせるようにして重ねた。ここで、アノード拡散層６のマイクロポーラスレイヤーをアノード導電層２ａと接する側に向けて重ねた。
【０１１８】
その後、厚さ６００μｍのステンレススペーサを配置し、ホットプレスをすることによってアノード拡散層６をアノード導電層２ａと接合させた。
【０１１９】
また、燃料透過層７として炭化水素系固体高分子膜（トクヤマ製）を用意し、アノード拡散層６の外側にアノード拡散層６と接するようにして燃料透過層７を配置して、アノード筐体およびカソード筐体を固定した。これにより、アノード筐体およびカソード筐体で固定された実施例２の燃料電池を作製した。なお、上記以外は、実施例１と同様にして実施例２の燃料電池が作製された。
【０１２０】
そして、メタノール濃度が６４質量％のメタノール水溶液を供給したこと以外は実施例１と同様にして発電性能を評価した。その結果、実施例２の燃料電池の出力電圧は湿度６０％ＲＨでは１時間保持後に０．２４Ｖ、湿度３０％ＲＨでは１時間保持後に０．２０Ｖ、湿度９８％ＲＨでは１時間保持後に０．２６Ｖであった。
【０１２１】
［比較例２］
カソード拡散層５としてカーボンペーパー（ＳＧＬカーボン製３５ＢＣ）を用い、ホットプレス時に６００μｍのステンレススペーサを配置したこと以外は実施例２と同様にしてアノード筐体およびカソード筐体に固定された比較例２の燃料電池を作製した。
【０１２２】
上記のアノード筐体およびカソード筐体の固定後の比較例２の燃料電池について、実施例２と同様にして発電性能を評価した。その結果、比較例２の燃料電池の出力電圧は湿度６０％ＲＨでは１時間保持後に０．２０Ｖ、湿度３０％ＲＨでは１時間保持後に０．０２Ｖ、湿度９８％ＲＨでは１時間保持後に０．１４Ｖであった。湿度３０％ＲＨではカソード拡散層５の表面温度が４０℃から６５℃に上昇した。
【０１２３】
実施例２と比較例２の燃料電池との発電性能の評価結果を比較したところ、実施例２の燃料電池は比較例２の燃料電池と比べて燃料濃度の高い燃料を供給して外部の相対湿度が変化しても安定した出力電圧を維持することがわかった。
【０１２４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【０１２５】
本発明の燃料電池によれば、他の部材を必要とすることなく、カソード拡散層の通気性を変化させて、水分の濃度勾配による電解質膜のカソード側からアノード側への水の輸送による拡散を効果的に発現させるのに好適なカソード触媒層内の湿度を維持することができることから、外部環境が変化しても安定して高い発電性能を維持することができる。
【０１２６】
また、本発明の燃料電池によれば、カソード側からアノード側への水の輸送により、燃料濃度の高い液体燃料を供給して発電させることが可能であることから、燃料タンクの小型化を図ることができ、本発明の燃料電池を含む燃料電池システムの小型化も可能となる。
【０１２７】
本発明の燃料電池および本発明の燃料電池を含む燃料電池システムは、たとえば、携帯電子機器用の小型電源に好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２８】
【図１】本発明の燃料電池の一例の模式的な分解斜視図である。
【図２】図１に示す燃料電池の模式的な断面図である。
【図３】本発明の燃料電池に用いられるカソード拡散層の一例の模式的な平面図である。
【図４】本発明の燃料電池に用いられるカソード拡散層の他の一例の模式的な平面図である。
【図５】本発明の燃料電池の他の一例の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【０１２９】
１  燃料電池、２ａ  アノード導電層、２ｂ  カソード導電層、３ａ  アノード触媒層、３ｂ  カソード触媒層、４  電解質膜、５  カソード拡散層、５ａ  水膨潤性繊維、５ｂ  非水膨潤性繊維、６  アノード拡散層、７  燃料透過層。
【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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