(57)【要約】【課題】  発電反応によってカソードで生成された水は、カソードの拡散層中や表面および集電板や締付板のスリットに滞留するために酸素の拡散や浸透を妨げる。これにより、燃料電池のセル電圧，出力密度を低下するとともにセル寿命を短くするという課題がある。【解決手段】  燃料電池表面に親水化処理を施し、カソードの生成水を拡散層から除去すると同時に、発電システム筐体表面も親水化処理を施し、生成水の蒸発面積を増加して蒸発を促進する。【選択図】図２
2008108526.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードとに挟持される固体高分子電解質とを有する燃料電池において、前記カソードから電気を集電するカソード側集電板及び／又は前記カソード側集電板を覆うカソード側端板の一部又は全部の表面が親水化されている燃料電池。
【請求項２】
前記カソード側集電板と前記カソード側端板との少なくとも外気に接する表面が親水化されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソード側集電板の開口部とカソード側の締付板の開口部と前記締付板の外表面が親水化されている請求項３記載の燃料電池。
【請求項４】
請求項１記載の親水化された表面と水との接触角が０°以上３０°以下である燃料電池。
【請求項５】
請求項１記載の燃料電池を囲う筐体の内壁面の一部又は全部が親水化されている燃料電池発電システム。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池の親水化された表面と、前記燃料電池を囲う筐体の親水化された表面とを接続する保水性基材を有する燃料電池発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
アノード，電解質膜，カソード，拡散層から構成され、アノードで燃料が酸化され、カソードで酸素が還元される燃料電池に関する。また、このような燃料電池を含む発電装置や、小型の携帯用電源およびこのような電源を用いた電気機器または電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子技術の進歩によって、電話器，ブックタイプパーソナルコンピュータ，オーディオ・ビジュアル機器、或いは、モバイル用情報端末機器などの電気機器，電子機器及び小型化された携帯用電子機器などの急速な普及が進んでいる。
【０００３】
従来こうした携帯用電子機器は一次電池または二次電池によって駆動するシステムであった。二次電池では、シール鉛バッテリーからＮｉ／Ｃｄ電池，Ｎｉ／水素電池、更にはＬｉイオン電池へと新型二次電池の出現や小型化／軽量化及び高エネルギー密度化技術によって発展してきている。しかし、二次電池は一定量の電力使用後には充電することが必須であり、充電設備と充電時間が必要となるために携帯用電子機器の長時間連続駆動には多くの問題が残されている。今後、携帯用電子機器は増加する情報量とその高速化に対応してより高エネルギー密度の電源、即ち、連続使用時間の長い電源を必要とする方向に向かっており、充電を必要としない小型発電機（マイクロ発電機）の必要性が高まっている。
【０００４】
こうした要請に対応するものとして燃料電池電源が提案されている。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に直接電器エネルギーに変換するものである。通常のエンジン発電機などの内燃機関を用いたような動力部を必要とせず、小型発電デバイスとしての可能性を秘めている。また、燃料電池は燃料を補給するだけで発電を継続することが可能なので、これまでの二次電池に見られるような充電のために使用中の携帯用電子機器の駆動を停止することを不要とできる。
【０００５】
このような燃料電池の中でパーフルオロカーボンスルフォン酸系の電解質膜を用いてアノードで水素ガスを酸化し、カソードで酸素を還元して発電する固体高分子形燃料電池
(ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell) は出力密度が高い電池として知られている。
【０００６】
この燃料電池をより小型化するために例えば特許文献１に示されるように、中空糸形の電解質の内面と外面にアノード及びカソード電極を付設した円筒状電池の集合体とし、円筒内部と外部にそれぞれ水素ガスと空気を供給する小型ＰＥＦＣ発電装置が提案されている。
【０００７】
しかしながら、携帯用電子機器の電源に適用する場合には、燃料が水素ガスであるために容積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要がある。
【０００８】
また、このシステムでは燃料ガスや酸化剤ガス（空気など）を発電装置に送り込む装置や、電池性能を維持のために電解質膜を加湿する装置などの補機が必要であり、発電システムが複雑な構成で電源を小型化するには十分とは言えない。
【０００９】
燃料の体積エネルギー密度をあげるには液体燃料を用いること、燃料や酸化剤などを電池に供給する補機を無くする単純構成とすることは有効であり、幾つかの提案がなされている。最近の例としては特許文献２，３に示されているようなメタノールと水を燃料とする直接形メタノール燃料電池(ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell) が提案されている。
【００１０】
【特許文献１】特開平９−２２３５０７号公報
【特許文献２】特開２０００−２６８８３５号公報
【特許文献３】特開２０００−２６８８３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
固体高分子型燃料電池は、一般的に固体高分子電解質膜の両面にアノード，カソードとなる触媒金属を担持した担持カーボンの層（以下、単に電極触媒層と述べる）が配置された構造を中心に構成されており、これを電極／固体高分子電解質膜接合体（ＭＥＡ：
Membrane  Electrode  Assembly ）と呼ぶ。ここでアノード，カソードの固体高分子電解質膜とは反対の面には、燃料である水素やメタノールあるいは空気や酸素の拡散を円滑に行うために拡散層が配置される。
【００１２】
また、さらにその外側には集電のための集電板およびＭＥＡと拡散層と集電板を締め付けるための締付板が配置される。ここで、アノード側の締付板は、メタノールを保持し、アノードへメタノールを供給するメタノールタンクとしての機能を持つ。
【００１３】
例えば、メタノール水溶液を燃料とする燃料電池では以下に示す電気化学反応でメタノールの持っている化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。アノード電極側では供給されたメタノール水溶液が（１）式にしたがって反応して炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
【００１４】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-  …（１）
生成された水素イオンは電解質膜中をアノードからカソード側に移動し、カソード電極上で空気中から拡散してきた酸素ガスと電極上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。
【００１５】
６Ｈ+＋３／２Ｏ2＋６ｅ- → ３Ｈ2Ｏ  …（２）
従って発電に伴う全化学反応は（３）式に示すようにメタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、化学反応式はメタノールの火炎燃焼と同じになる。
【００１６】
ＣＨ3ＯＨ＋３／２Ｏ2 → ＣＯ2＋３Ｈ2Ｏ  …（３）
従って、ＤＭＦＣでは、アノードやカソードへのメタノールや酸素の拡散や浸透を円滑に行う必要がある。しかし、発電反応によってカソードで生成された水は、カソードの拡散層中や表面および集電板や締付板のスリットに滞留するために酸素の拡散や浸透を妨げる。これにより、ＤＭＦＣのセル電圧，出力密度を低下するとともにセル寿命を短くするという課題がある。したがって、カソードで生成した水を効率よく排出する必要がある。
【００１７】
本発明の目的は、発電反応によってカソードで生成した水の滞留を防止し、高性能で長寿命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】
【００１８】
ＰＥＦＣや比較的出力の大きいＤＭＦＣは、カソード側の酸素の供給をファンやブロアで空気を送出することに行う。このとき、過剰量の空気をカソードに供給することにより、カソードの拡散層から排出される生成水を搬送または蒸発させて運び出すことができる。
【００１９】
しかし、出力が数Ｗ程度のＤＭＦＣにおいては、ファンやブロア等の補機を動かす電力を電池の出力から賄うと、電池システム全体の発電効率が極端に低下する。このため、出力が小さいＤＭＦＣは、カソードへ空気を供給するためのファンやブロア等を排除し、自然拡散のみで発電するシステムが採用されている。
【００２０】
このようなシステムでは、前述のように過剰量の空気をカソードに供給することによって生成水の処理を行うことができない。
【００２１】
そこで、本発明ではカソード側の集電板および締付板の表面に親水化処理を施し、カソードからの生成水をカソード側拡散層から集電板および締付板を介して燃料電池外表面へ除去する。
【００２２】
また、燃料電池の外表面にも親水化処理を施し、カソードからの生成水を燃料電池外表面に移動・展開させて水の蒸発面積を増加させることにより生成水の蒸発量を増加する。
【００２３】
さらに、燃料電池の外表面から繋がる燃料電池発電システム筐体にも親水化処理を施し、カソードからの生成水を燃料電池発電システム筐体表面に移動・展開させて水の蒸発面積を増加させることにより生成水の蒸発量を増加する。
【００２４】
このとき、親水化処理を行った部分の水との接触角が５０°以下であることが望ましい。
【００２５】
また、燃料電池の外表面から燃料電池発電システム筐体への水の移動を容易にするために、これらの接続部分に保水性基材を設置することが望ましい。
【発明の効果】
【００２６】
燃料電池の外表面および燃料電池発電システム筐体発電に親水処理を施し、カソードで生成する水の蒸発面積を増やすことによって生成水の蒸発量を増加することにより、カソードで生成する水の処理量を向上してカソードのおける生成水の滞留を防止し、セル電圧，出力密度を向上するとともにセル寿命の長寿命化を達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
本発明による実施の形態について図面を用いて述べる。
【００２８】
図１に本形態の燃料電池の一例を示す。図１中、１は締付板、２は集電板、３はガスケットである。また、図２に本形態の燃料電池断面の一例を示す。図２中、４は固体高分子電解質膜、５はアノード、６はカソード、７ａはアノード拡散層、７ｃはカソード拡散層である。
【００２９】
アノード５及びカソード６を固体高分子電解質膜４に形成（接合）し、一体化したものを電極／固体高分子電解質膜接合体(ＭＥＡ：Membrane  Electrode  Assembly) と呼ぶ。
【００３０】
締付板１は燃料電池組み立て時に面圧が均一にかかるように平滑であり、集電板２と外部が相互に短絡しないように絶縁された構造となり、メタノール水溶液に腐蝕され難い材質であれば特に限定は無い。高密度塩化ビニル，高密度ポリエチレン，高密度ポリプロピレン，エポキシ樹脂，ポリエーテルエーテルケトン類，ポリエーテルスルフォン類，ポリカーボネート或いはこれらをガラス繊維で繊維強化したものを用いると良い。また、炭素板や鋼，ニッケル、その他軽量なアルミニウム，マグネシウムなどの合金材料、或いは、銅−アルミニウムなどに代表される金属間化合物や各種のステンレススチールを用い、表面を不導体化する方法や樹脂を塗布して絶縁化する方法を用いることが出来る。また、カソード側の締付板は空気極に十分酸素が供給されるように孔を空ける必要がある。この孔の開口率は通常５０％であるが、空気極に十分酸素が供給されるように２０％以上の開効率があればよい。また、８０％以上になると発電パネルの強度が弱くなるので、８０％以下が望ましい。
【００３１】
集電板２はチタン板を金メッキ処理したものを用いたが、導電性を有し、メタノール水溶液に腐蝕され難い材質であればよく、炭素板やステンレススチール，チタン，タンタルなどの金属系板、或いはこれらの金属系材料と他の金属例えば、炭素鋼，ステンレススチール，銅，ニッケル等のクラッドなどの複合材料などを用いることが出来る。更に、金属系集電板においては、加工された集電板の通電接触部に金などの耐食性貴金属をメッキすることや、導電性炭素塗料などを塗布して実装時の接触抵抗を低減することは電池の出力密度向上と長期性能安定性の確保には有効である。また、締付板１に樹脂材料を使用する場合、締付板の強度向上のために集電板２との一体成形を行うことも可能である。また、カソード側の締付板は空気極に十分酸素が供給されるように孔を空ける必要がある。この孔の開口率は通常５０％であるが、空気極に十分酸素が供給されるように２０％以上の開効率があればよい。また、８０％以上になると発電パネルの強度が弱くなるので、８０％以下が望ましい。
【００３２】
ガスケット３は絶縁性があり、水素やメタノールの透過が少なく、機密性が保たれる材質であればよく、例えばブチルゴム，バイトンゴム，エチレンプロピレンジエン三元共重合体（ＥＰＤＭ）ゴム等が挙げられる。
【００３３】
固体高分子電解質膜４には水素イオン導電性材料を用いると大気中の炭酸ガスの影響を受けることなく安定な燃料電池を実現できる。このような材料としてポリパーフルオロスチレンスルフォン酸，パーフルオロカーボン系スルフォン酸などに代表されるスルフォン酸化したフッ素系ポリマーやポリスチレンスルフォン酸，スルフォン酸化ポリエーテルスルフォン類，スルフォン酸化ポリエーテルエーテルケトン類などの炭化水素系ポリマーをスルフォン化した材料或いは炭化水素系ポリマーをアルキルスルフォン酸化した材料を用いることができる。これらの材料を電解質膜として用いれば一般に燃料電池を８０℃以下の温度で作動することができる。また、タングステン酸化物水和物，ジルコニウム酸化物水和物，スズ酸化物水和物などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂若しくはスルフォン酸化樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで作動する燃料電池とすることもできる。特にスルフォン酸化されたポリエーテルスルフォン類，ポリエーテルエーテルスルフォン類或いは水素イオン導電性無機物を用いた複合電解質類は、ポリパーフルオロカーボンスルフォン酸類に比較して燃料のメタノール透過性の低い電解質膜として好ましい。いずれにしても水素イオン伝導性が高く、メタノール透過性の低い電解質膜を用いると燃料の発電利用率が高くなるため本形態の効果である高性能化及び長時間発電をより高いレベルで達成することができる。
【００３４】
拡散層７には、撥水化処理したカーボンペーパーあるいはカーボンクロス，金属多孔体などガスや液体の拡散と電子導電性が両立できる材料を用いる。
【００３５】
親水化処理層８は、燃料電池の各部材の一部分のみを親水化する必要がある。すなわち、集電板の端子などを親水化すると短絡する可能性があるため、このような部分は親水化しないほうがよい。
【００３６】
この部材親水化層の形成は次の３工程からなる。（１）マスク形成。（２）親水化処理。（３）マスク除去。
（１）マスク成形
親水化する必要のない部分をマスクする。簡易的にはマスキングテープないしはシールによりマスクを行う。また、多量の材料の処理をする場合や微細な位置制御が必要な場合などは印刷法が好適である。印刷方法は燃料電池の部材を用紙の代わりに印刷機ないしはインクジェットプリンタ等に入れ、マスク剤を印刷する方法，マスク剤を孔版印刷する方法等がある。マスク剤は親水処理の後に除去する必要があるので、水ないしは有機溶媒に易溶性で簡便に除去できるものが好適である。また、当該マスク剤を除去した際に発生する廃液が環境に対して負荷が少ないものであればさらに好適である。例えば、有機溶媒に溶解するマスク剤は、オフセット印刷用インクないしはレーザープリンター用トナーの一部等がある。しかしマスク方法は水溶性のインクを用いるオフィスないしは家庭用のインクジェットプリンタが好適である。それは、当該プリンタ用インクが水に易溶性であり且つ吐出の位置精度が高く、また廃液処理が容易なためである。
（２）親水化処理
燃料電池の各部材には金属，プラスチック，ガラス等が用いられる。これらの親水化処理方法について説明する。
１）基材が金属の場合に適用する方法
基材が金属の場合、水との接触角が７０°以上のものが多い。アルミの場合、水との接触角は９０〜９５°程度である。またステンレスは種類にもよるが水との接触角はおおむね７０〜９５°程度である。これらを親水化する場合は塩酸，硝酸，硫酸等に浸漬することで接触角を低下させることができる。アルミの場合は３０重量％の硝酸と５重量％の塩酸の混合液に５〜１０分間程度浸漬すると接触角が１０〜２０°程度に下がる。またステンレスの場合も、ＳＵＳ３０４，３１６等は３０重量％の硝酸に５〜１０分間程度浸漬すると接触角が１０〜２０°程度に下がる。その他Ｆｅ−４２Ｎｉでは１５重量％の硝酸に１〜２分間程度浸漬すると接触角が１０°以下に下がる。
【００３７】
その他の方法としては酸素プラズマで処理する方法が挙げられる。酸素分圧１Torr、高周波電源の出力３００Ｗ、処理時間３分間でアルミ，ステンレスは水との接触角が２０°以下になった。
２）基材がガラス・石英の場合に適用する方法
基材がガラスや石英の場合は酸素プラズマで処理したり、塩基性の溶液に浸漬する等の方法により親水性を向上させることが可能である。酸素プラズマの場合、酸素分圧１Torr，高周波電源の出力３００Ｗ，処理時間３分間で水との接触角が１０°以下になった。また塩基性の溶液として１重量％の水酸化ナトリウムの水溶液を用いた場合、５分間浸漬後、水との接触角は２０°以下になった。
３）基材が樹脂の場合に適用する方法
基材が樹脂の場合は酸素プラズマで処理したり、酸・塩基性の溶液に浸漬する等の方法により親水性を向上させることが可能である。
【００３８】
酸素プラズマを用いる場合、例えばポリスチレン，アクリル樹脂，スチレン／アクリル樹脂，ポリエステル樹脂，アセタール樹脂，ポリカーボネート，ポリエーテルスルホン，ポリサルホン，ポリエーテルサルホン等では、酸素分圧１Torr，高周波電源の出力１００Ｗ，処理時間１分間の条件で水との接触角が２０°以下になった。
【００３９】
塩基性の溶液への浸漬はアクリル樹脂，スチレン／アクリル樹脂，ポリエステル樹脂，アセタール樹脂，ポリカーボネート等のように分子内にエステル結合を有する材料の場合に特に有効である。これは表面、及びその近傍にあるエステル結合を切断することで親水性の高いカルボン酸塩残基、及び・或いは水酸基が生成することで総じて表面の親水性が高まるためである。またポリイミドやポリアミド等のアミノ基とカルボキシル基の縮合により重合する樹脂の場合は、塩酸等の酸に浸漬することで重合時に反応せず残ったアミノ基を親水性の高いアンモニウム塩構造にしたり、水酸化ナトリウム水溶液に浸漬することで重合時に反応せず残ったカルボキシル基を親水性の高いカルボン酸塩にすることで総じて表面の親水性を高めることができる。酸・塩基性の溶液への浸漬は溶液の温度が高いほど、また濃度が高い親水化が敏速に進行する傾向がある。しかし高温・高濃度化は基材へのダメージを与えやすいので注意が必要である。
４）種々の基材に適用する方法
基材が金属，ガラス、あるいは樹脂であっても処理可能な親水化方法としては親水性を発揮させる塗料を塗布する方法が挙げられる。これら材料は一般にａ）〜ｄ）に示すものが挙げられるがこれ以外も特に限定は受けない。また塗料以外の汎用的な方法をｅ）に示す。
ａ）水溶性高分子材料の溶液
水溶性の高分子としてはポリエチレングリコール，ポリビニルアルコール，ポリアクリル酸，ポリアクリル酸塩，ポリアリルアミン，ポリアリルアミンの塩酸塩，デンプン等が挙げられる。分子内に水酸基，アミノ基，カルボキシル基，塩構造の残基等親水性の残基を有しているものが挙げられる。これらの水溶液、あるいは有機溶媒の溶液を調製し塗料とする。これをセルの基材に塗布し、乾燥させることで親水塗膜を形成する。これら水溶性高分子の中では特にポリエチレングリコールを塗布した表面の接触角を低下させる傾向が強い。用いる高分子は分子量が大きいほど光散乱の少ない平滑な親水膜が形成できるので好ましい。また処理する表面の撥水性が高い場合は塗料が弾かれてしまうため、結果として平坦な膜を形成できない。これは溶媒が水の場合は用いる高分子の溶液の表面張力が大きくなるためである。そこでこれら塗料を塗布する前に予め酸素プラズマ処理をしておくと、平坦な塗膜が形成しやすい。ところでポリエチレングリコールはテトラヒドロフラン等の有機溶媒に溶解する。そのためこの溶液の表面張力は同じポリエチレングリコールの水溶液に比べて小さく、撥水性の高いアルミ等の表面にも塗布しやすい。
ｂ）親水性粒子を含んだ塗料
親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子を含んだ分散液とアルコキシシランの溶液を混ぜたものを塗料として用いる。この塗料を用いる場合、セルの基材に塗布後に加熱することで製膜が完了する。この塗料で主に親水性を発揮するのは親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子であり、アルコキシシランは主にこれら粒子の保持体として機能する。そのため親水性を高めるには親水性アルミナ粒子や親水性シリカ粒子の割合を大きくすることで対処することができる。またアルコキシシランの割合を大きくすることで膜の物理的強度は向上する。アルコキシシランはある程度分子間で架橋していた方が、塗布後の加熱で揮発する割合が減るので好ましい。またアルコキシシランには分子間の重合を促進させるために塩酸等を加えることがあるが、親水性シリカの場合は分散を良好にするため、その分散液は塩基性になっている場合がある。そのため両者を混ぜた場合、親水性シリカが凝集することがあるので混合した場合の液性と親水性シリカの分散の状況には注意する。この点アルミナの場合には分散液は主に酸性であるため混合の際のトラブルが少ない。アルコキシシランとしてはメチルトリメトキシシラン，エチルトリメトキシシラン，ブチルトリメトキシシラン，メチルトリエトキシシラン，エチルトリエトキシシラン，ブチルトリエトキシシラン，テトラメトキシシラン，テトラエトキシシラン等が挙げられる。なお液性や溶媒が合えばアルコキシシランの代わりにアルコキシチタンを用いても良い。アルコキシチタンとしてはテトラ−ｉ−プロピルチタネート，テトラ−ｎ−ブチルチタネート，テトラステアリルチタネート，トリエタノールアミンチタネート，チタニウムアセチルアセトネート，チタニウムエチルアセトアセテート，チタニウムラクテート，テトラオクチレングリコールチタネート等が挙げられる。またこれらの化合物が数分子重合したものも用いることが可能である。
ｃ）水溶性高分子とその架橋剤を含んだ塗料
ａ）に挙げたような水溶性高分子に架橋剤としてｂ）に挙げたアルコキシシランやアルコキシチタンを混ぜることによって親水表面を形成する塗料とすることも可能である。この場合、溶媒は水であっても良いが、基材の撥水性が高い場合は塗料を弾いてしまうため、メタノールやエタノール等のアルコール系溶媒が好適である。
ｄ）アルコキシシラン溶液とアルカリ溶液の併用
ｂ）に挙げたアルコキシシランの溶液を基材に塗布後、１２０〜１８０℃程度で数分間加熱すると基材表面に酸化ケイ素の被膜が形成する。その後アルカリ性の溶液に浸漬すると表面の親水性が高まる。最後にアルカリ性の溶液を水洗することで親水処理が終了する。アルカリ性の溶液は水酸化ナトリウム，水酸化カリウム等の水酸化物の水溶液、あるいはアルコール溶液，含水アルコール溶液を用いる。濃度は高いほど浸漬時間は短くできるが、用いる水酸化物の種類によっても異なる。水酸化ナトリウムを用いた場合、溶液濃度１重量％では浸漬時間は１〜５分間、５重量％では１０〜３０秒間程度が好適である。またアルコキシシランの溶液に用いる溶媒としてケトン系のもの（アセトンやメチルエチルケトン等）はアルコキシシランが二酸化ケイ素に変化しやすいので、アルコール系，エステル系、あるいはエーテル系の溶媒が好適である。特にアルコール系は基材が樹脂の場合、樹脂を溶解し難いので特に好適である。
ｅ）補足：塗料以外の方法
金属，ガラス・石英，樹脂等基板材料として考えられるものに紫外線照射，オゾン雰囲気下に放置する等によって、その表面を親水化することも可能である。
【００４０】
なお紫外線照射量，オゾン処理時間・濃度は基板材料によって異なる。
（３）マスク除去
親水化処理後マスクを除去する。マスクが溶解する溶媒で基材を洗浄する、加熱することによりマスクを溶解して吸引する、マスクを引き剥がす等の方法でマスクを除去する。
【００４１】
このように燃料電池の各部材に親水化処理を施すことにより、本実施形態の燃料電池構造が実現できる。
【００４２】
以下に、更に、本形態を詳しく説明するが、本実施例の趣旨とするところは、ここに開示した実施例のみに限定されるものではない。
【００４３】
（実施例１）
締付板１は集電板２と接する部分およびメタノール溶液が滞留する部分に親水化処理溶液が接しないようにマスキングテープによりマスクした。ここで、メタノールが滞留する部分とは、メタノールタンク１１の内部である。集電板２はカソード側の集電板２のみ拡散層７に通じる開口部以外の部分に親水化処理溶液が接しないようにマスキングテープによりマスクした。ガスケット３は集電板２と接する部分およびＭＥＡと拡散層７に接する部分に親水化処理溶液が接しないようにマスキングテープによりマスクした。
【００４４】
末端がグリシジル基のシランカップリング剤（チッソ社製Ｓ−５１０）（１重量部），親水性アルミナの２０重量％分散液（日産化学製Ｎo.５２０）（２０重量部）、及びエタノール（２５０重量部）を混ぜた液を調製する。この液を燃料電池を構成する締付板１，カソード側集電板２，ガスケット３のマスク形成をしなかった部分に塗布した。塗布後、１００℃で３時間加熱した。こうして各部材の表面に親水性アルミナを保持した膜が形成される。この膜の水との接触角は１０°以下であった。
【００４５】
マスキングテープを引き剥がすことによりマスクを除去した。
【００４６】
アノード５にはカーボンブラックに白金とルテニウムを１：１の原子比で、白金担持量５０ｗｔ％担持した電極触媒を用い、カソード６にはカーボンブラックに白金を５０wt％担持した電極触媒を用い、この電極触媒にDuPont社のNafion（登録商標）を溶解した
Nafionの溶液（濃度５ｗｔ％、アルドリッチ製）を、電極触媒とNafionの溶液との重量比が１：９となる割合で合せ、溶媒を揮発させながら混合し、粘稠な電極触媒スラリーを調整した。
【００４７】
この電極触媒スラリーをテトラフルオロエチレンシートにスクリーン印刷法によって塗布し、電極触媒スラリーの溶媒を乾燥させて触媒層を形成した。触媒層中の白金量は、アノード５では単位面積当り５mg／cm2、カソード６では単位面積当り２mg／cm2とした。
【００４８】
上述の触媒層を、固体高分子電解質膜４としてDuPont社のNafionの膜（ナフィオン112（登録商標）、厚さ５０μｍ）を用い、その両面にホットプレスによって圧着してＭＥＡを作製した。
【００４９】
カソード拡散層７ｃは、撥水性を強めて、カソード近傍の水蒸気圧を高め、生成水蒸気の拡散排気と水の凝集を防ぐための撥水化した多孔質炭素基板から構成される。カソード拡散層７ｃの多孔質炭素基板には導電性で多孔質な材料が用いられる。一般的には炭素繊維の織布或いは不織布、例えば、炭素繊維織布としてはカーボンクロス（トレカクロス：東レ製）やカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）などを用い、撥水化には撥水性微粒子，撥水性フィブリル又は撥水性繊維、例えば、ポリテトラフルオロエチレンなどが用いられる。
【００５０】
多孔質炭素基板の撥水化についてより詳細に説明すれば、カーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）を所定の寸法に切り出し、予め吸水量を求めた後、このカーボンペーパーを焼き付け後の重量比が２０〜６０ｗｔ％となるように希釈したポリテトラフルオロカーボン／水分散液（Ｄ−１：ダイキン工業社製）に浸漬し、１２０℃で約１時間乾燥し、更に、空気中、２７０〜３６０℃の温度で０.５ 〜１時間焼き付け操作をする。
【００５１】
カソード拡散層７ｃの通気性及び透湿性、即ち、供給酸素及び生成水の拡散性は、ポリテトラフルオロエチレンの添加量，分散性，焼き付け温度に大きく依存するので、燃料電池の設計性能，使用環境などを考慮して適正な条件が選定される。
【００５２】
アノード拡散層７ａは導電性と多孔質の条件を満たす炭素繊維の織布或いは不織布、例えば、炭素繊維織布としてはカーボンクロス（トレカクロス：東レ製）やカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）などの材料は好適なものである。アノード拡散層70ａの機能は、水溶液燃料の供給と生成された炭酸ガスの速やかな散逸を促進するものであるため、上記した炭素多孔質基板を緩やかな酸化又は紫外線照射などによって表面を親水化する方法や、炭素多孔質基板に親水性樹脂を分散する方法、酸化チタンなどに代表される強い親水性を有する物質を分散担持する方法は、アノードで生成した炭素多孔質基板内で気泡成長するのを抑制し、燃料電池の出力密度を高めるために有効な方法である。また、アノード拡散層７ａは、上記した材料に限定されること無く、実質的に電気化学不活性な金属系材料（例えば、ステンレススチール繊維不織布，多孔質体，多孔質なチタン，タンタルなど）の多孔質材料を用いることも出来る。
【００５３】
上述のように必要な部分のみを親水化した締付板１，集電板２，ガスケット３と発電部材料であるＭＥＡと拡散層７ａ，７ｃを図２に示すように組み立て燃料電池を作製した。
【００５４】
このようにして作成した燃料電池の燃料室に３０ｗｔ％メタノール水溶液を注入し、室温で発電試験を実施したところ、時間経過とともに発電により生成した水がカソード側拡散層７ｃ表面から流れ出し、カソード側集電板２と締付板１の開口部の壁面の親水化された部分を伝って燃料電池外表面に広がることを確認した。
【００５５】
なお、少なくとも、カソード側の集電板の開口部とカソード側の締付板の開口部とその外表面が親水化されていることが好ましい。ここで、開口部とは、孔の縁又はその壁面をいう。酸素はカソード側集電板とカソード側の締付板に形成された孔を通ってカソードに供給される。一方、生成水は、カソードで発生し、この孔に滞留するため酸素がカソードに行き着くのを妨害する。カソード側の集電板の開口部とカソード側の締付板の開口部が親水化されていることにより生成水は孔に滞留することなく孔の壁面（開口部）を伝って締付板の外表面に移動する。そして、締付板の外表面も親水化されているので、生成水は締付板の外表面に移動し、表面積が広がり、外気に曝されることにより蒸発しやすくなる。
【００５６】
本実施例によれば、カソードからの生成水がカソード側拡散層から集電板及び締付板を介して燃料電池外部へ流出しやすくなり、カソードでの水の滞留を起こりにくくすることができる。
【００５７】
（実施例２）
実施例１で親水化した燃料電池に加え、燃料電池を囲う筐体９の内側について実施例１と同様な方法にてマスクを形成し、親水化処理溶液を調整して親水化し、マスクを除去した。
【００５８】
図４は、筐体９を含めた燃料電池システムを示す。筐体９に燃料電池を設置し、燃料電池の燃料室に３０ｗｔ％メタノール水溶液を注入し、室温で発電試験を実施したところ、時間経過とともに発電により生成した水がカソード側拡散層７ｃ表面から流れ出し、カソード側集電板２と締付板１の開口部の壁面の親水化した部分を伝って燃料電池外表面に広がり、さらに燃料電池と接した筐体９内部の親水化した部分に広がることを確認した。
【００５９】
（実施例３）
実施例１の親水処理で用いる液を以下の２種類の組成のものにする以外は実施例１と同様にしてマイクロファクトリーを作製した。２種類の液の組成は以下の通り。
【００６０】
１）：末端がグリシジル基のシランカップリング剤（チッソ社製Ｓ−５１０）（１重量部）、親水性アルミナの２０重量％分散液（日産化学製Ｎo.５２０）（２重量部）、及びエタノール（５０重量部）を混ぜた液。
【００６１】
２）：末端がグリシジル基のシランカップリング剤（チッソ社製Ｓ−５１０）（１重量部）、親水性アルミナの２０重量％分散液（日産化学製Ｎo.５２０）（５重量部）、及びエタノール（５０重量部）を混ぜた液。
【００６２】
また用いた基材の種類はポリカーボネート，ガラス、及びＳＵＳ３０４である。その結果１）の液を用いて親水処理後のこれら基材の水との接触角はいずれも３２〜３４°であった。これら親水処理を行った基材表面に徐々に水を滴下した場合、材料表面の約９０％程度に水が広がった。続いて２）の液を用いて親水処理後のこれら基材の水との接触角はいずれも２８〜３０°であった。これら親水処理を行った基材表面に徐々に水を滴下した場合、材料表面が完全に水で覆われた。このことから親水部分の水との接触角は３０°以下である必要のあることが示された。
【００６３】
（実施例４）
実施例２のように燃料電池および燃料電池発電システム筐体９に親水処理を施し、燃料電池から燃料電池システム筐体にカソード生成水が広がるように構成した場合、燃料電池と燃料電池発電システム筐体９の間に隙間が生じると燃料電池から燃料電池システム筐体に円滑にカソード生成水が移動しなくなる現象が確認された。
【００６４】
そこで、図５に示すように燃料電池および燃料電池発電システム筐体９に接するように水分輸送基材１０を設置した。
【００６５】
水分輸送基材としては毛細管作用を示せば特に制限は無い。そのようなものとして例えば、ポリプロピレン，ポリエチレン，ポリ塩化ビニール，アクリル，芳香族ポリアミド，芳香族ポリアラミド，ポリスルホン，ポリエーテルスルホン，ポリエーテルケトン，ポリフェニレンサルフィッド，ポリアミドイミド，ポリウレタン，ポリスチレン，ポリエステル，エポキシ，フェノール，シリコーン等の有機連通気泡多孔体，連通気泡多孔質セラミックス，焼結法，メッキ法，発泡法，加圧鋳造法によって製造される金属連通気泡多孔体等がある。
【００６６】
このようにした場合、燃料電池外表面のカソード生成水が水分輸送基材を通して燃料電池発電システム筐体９内部の親水化した部分に円滑に広がることを確認した。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の燃料電池の一実施例を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池の一実施例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池の一実施例を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池の一実施例を示す図である。
【図５】本発明の燃料電池の一実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  締付板
２  集電板
３  ガスケット
４  固体高分子電解質膜
５  アノード
６  カソード
７  拡散層
８  親水化処理層
９  筐体
１０  水分輸送基材
１１  メタノールタンク
【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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