(57)【要約】【課題】電池の内部抵抗を低減させて高出力の燃料電池を提供する。【解決手段】加圧後の正極集電体３と負極集電体６との間の距離から加圧後の電解質層４ｃの厚さを引いた値をＡ、加圧前の正極拡散層４ａの厚さと加圧前の負極拡散層４ｅの厚さとの和をＢ、加圧前の正極触媒層４ｂの厚さと加圧前の負極触媒層４ｄの厚さとの和をＣ、およびＡ＝ｘＢ＋Ｃとした場合、正極と負極とが、正極集電体３と負極集電体６との間で、ｘが０．１以上０．８以下の範囲になるように加圧されている燃料電池とする。また、負極触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの質量が、正極触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの質量に対して、１２０％以上５００％以下とした燃料電池とする。【選択図】  図１
2004235085.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質と、前記正極と接する正極集電体と、前記負極と接する負極集電体とを含む燃料電池であって、
前記正極および前記負極が、それぞれ拡散層と、触媒層とを含み、
前記正極集電体と前記負極集電体との間に、前記正極の拡散層と触媒層、前記負極の拡散層と触媒層、および前記電解質が加圧状態で配置され、
加圧後の前記正極集電体と前記負極集電体との間の距離から加圧後の前記電解質の厚さを引いた値をＡ、加圧前の前記正極の拡散層の厚さと加圧前の前記負極の拡散層の厚さとの和をＢ、加圧前の前記正極の触媒層の厚さと加圧前の前記負極の触媒層の厚さとの和をＣ、およびＡ＝ｘＢ＋Ｃとした場合、
前記正極と前記負極とが、前記正極集電体と前記負極集電体との間で、ｘが０．１以上０．８以下の範囲になるように加圧されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
凹部を含むカバー板と、凹部を含む燃料貯蔵部と、貫通孔を含むパッキンとをさらに含み、前記正極が前記カバー板の凹部に配置され、前記負極が前記燃料貯蔵部の凹部に配置され、前記燃料貯蔵部の凹部の周囲に前記パッキンが配置されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記正極と、前記負極と、前記電解質とが、電極・電解質一体化物を形成している請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質とを含む燃料電池であって、
前記正極および前記負極が、それぞれ触媒層を含み、
前記負極の触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの質量が、前記正極の触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの質量に対して、１２０％以上５００％以下であることを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記正極と、前記負極と、前記電解質とが、電極・電解質一体化物を形成し、複数の前記電極・電解質一体化物が同一平面上に配置されている請求項４に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で上記要望に応え得る電池として、燃料電池が期待されている。中でも、液体燃料であるメタノールを直接電池の反応に利用する直接メタノール型燃料電池は、電池本体に空気を供給するブロアや燃料を供給するポンプを用いなくてもよいため、小型化が可能であり、将来のポータブル電源として有望である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２６８８３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この直接メタノール型燃料電池には現在のところ多くの課題が存在し、実用化には至っていない。その課題の一つは電池の内部抵抗が大きいために出力が低いことである。この電池の内部抵抗には、電子抵抗、反応抵抗、拡散抵抗などが含まれる。電子抵抗は電子の流れを阻害する抵抗であり、反応抵抗は主として負極でのメタノール酸化を阻害する抵抗であり、拡散抵抗は酸素や燃料の移動を阻害する抵抗である。従って、直接メタノール型燃料電池の出力を高めて実用化するには、これらの内部抵抗を総合的に低減することが重要となる。
【０００６】
そこで、本発明は、加圧前と加圧後の電極の寸法関係を特定範囲に限定すること、また正極と負極の触媒量の関係を特定範囲に限定することにより、電池の内部抵抗を低減させて高出力の燃料電池を提供するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質と、前記正極と接する正極集電体と、前記負極と接する負極集電体とを含む燃料電池であって、
前記正極および前記負極が、それぞれ拡散層と、触媒層とを含み、
前記正極集電体と前記負極集電体との間に、前記正極の拡散層と触媒層、前記負極の拡散層と触媒層、および前記電解質が加圧状態で配置され、
加圧後の前記正極集電体と前記負極集電体との間の距離から加圧後の前記電解質の厚さを引いた値をＡ、加圧前の前記正極の拡散層の厚さと加圧前の前記負極の拡散層の厚さとの和をＢ、加圧前の前記正極の触媒層の厚さと加圧前の前記負極の触媒層の厚さとの和をＣ、およびＡ＝ｘＢ＋Ｃとした場合、
前記正極と前記負極とが、前記正極集電体と前記負極集電体との間で、ｘが０．１以上０．８以下の範囲になるように加圧されていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の第２の燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質とを含む燃料電池であって、
前記正極および前記負極が、それぞれ触媒層を含み、
前記負極の触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの質量が、前記正極の触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの質量に対して、１２０％以上５００％以下であることを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の第１の燃料電池の実施の形態を説明する。
【００１０】
本発明の第１の燃料電池の一形態は、加圧後の正極集電体と負極集電体との間の距離から加圧後の電解質の厚さを引いた値をＡ、加圧前の正極の拡散層の厚さと加圧前の負極の拡散層の厚さとの和をＢ、加圧前の正極の触媒層の厚さと加圧前の負極の触媒層の厚さとの和をＣ、およびＡ＝ｘＢ＋Ｃとした場合、正極と負極が正極集電体と負極集電体との間で、ｘが０．１以上０．８以下、より好ましくは０．２以上０．６以下、さらに好ましくは０．２５以上０．５以下の範囲になるように加圧されている。
【００１１】
このように、Ａ＝０．１×Ｂ＋ＣからＡ＝０．８×Ｂ＋Ｃの範囲になるように加圧することにより、正極の拡散層と触媒層および負極の拡散層と触媒層が適度な加圧状態を維持できるため、前述の内部抵抗の中でも特に電子抵抗と拡散抵抗を低減でき、燃料電池の出力を向上できる。即ち、この加圧をＡ＝０．８×Ｂ＋Ｃの状態よりも小さくした場合（ｘが０．８を超える場合）には、電極と集電体との接触が緩くなって電子抵抗が増大する。また、この加圧をＡ＝０．１×Ｂ＋Ｃの状態よりも大きくした場合（ｘが０．１未満の場合）には、電極内の細孔がつぶれ、その数が減少し、電極反応に必要な空気や燃料の拡散性が低下し、拡散抵抗が増大する。
【００１２】
また、本実施形態の燃料電池は、凹部を含むカバー板と、凹部を含む燃料貯蔵部と、貫通孔を含むパッキンとをさらに含み、正極がカバー板の凹部に配置され、負極が燃料貯蔵部の凹部に配置され、燃料貯蔵部の凹部の周囲にはパッキンが配置されていることが好ましい。パッキンを備えることにより、カバー板と燃料貯蔵部とを加圧した場合に密閉性が高まり、燃料の漏液が確実に防止できる。
【００１３】
また、本実施形態の燃料電池は、正極と、負極と、電解質とが、電極・電解質一体化物を形成していることが好ましい。電池製造時の構成部品の取り扱いが容易となるからである。
【００１４】
次に、本発明の第１の燃料電池の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１５】
（実施形態１ａ）
図１は、本発明の第１の燃料電池の一形態における加圧前の状態の断面模式図である。
【００１６】
図１において、本実施形態の燃料電池は、カバー板１と燃料タンク５（燃料貯蔵部）との間に電極・電解質一体化物４を備えている。この電極・電解質一体化物４においては、電解質層４ｃのカバー板１側には正極拡散層４ａと正極触媒層４ｂ、および電解質層４ｃの燃料タンク５側には負極触媒層４ｄと負極拡散層４ｅが配置されている。なお、電解質層４ｃは、ほぼカバー板１および燃料タンク５を覆う大きさに形成されている。
【００１７】
また、カバー板１には、外部から空気を取り込むための空気孔２が複数設けられている。そのカバー板１の電極側には凹部９が設けられ、その凹部９の底面にはリード線３ａを取り付けた正極集電体３が配置されている。燃料タンク５には、電極に燃料を供給する燃料供給孔７が複数設けられている。その燃料タンク５の電極側には、凹部１０が設けられ、その凹部１０の底面にはリード線６ａを取り付けた負極集電体６が配置されている。また、燃料タンク５内には液体燃料５ａが貯蔵されており、さらに凹部１０の周囲には燃料の漏液防止のための貫通孔８ａを備えたパッキン８が配置されている。なお、電池の両端には、加圧締付用のボルト１１とナット１２とが備えられている。
【００１８】
この加圧前の正極拡散層４ａの厚さと加圧前の負極拡散層４ｅの厚さとの和を例えばＢ、また加圧前の正極触媒層４ｂの厚さと加圧前の負極触媒層４ｄの厚さとの和を例えばＣとしておく。
【００１９】
この図１の状態から徐々にボルト１１にナット１２をねじ込んでカバー板１と燃料タンク５とを締め付け、電極・電解質一体化物４を正極集電体３と負極集電体６の間で加圧する。これにより、カバー板１の凹部９の内部に正極拡散層４ａと正極触媒層４ｂとが加圧されて収納され、正極拡散層４ａと正極触媒層４ｂとが一体となって正極を構成する。また、燃料タンク５の凹部１０内とパッキン８の貫通孔８ａ内には、負極触媒層４ｄと負極拡散層４ｅとが加圧されて収納され、負極触媒層４ｄと負極拡散層４ｅとが一体となって負極を構成する。また、正極の拡散層４ａ、触媒層４ｂと負極の拡散層４ｅ、触媒層４ｄとは、加圧によりその厚さが減少する。一方、電解質層４ｃとパッキン８も加圧されるが、ほとんどその厚さは変化しない。
【００２０】
この加圧後の正極集電体３と負極集電体６との間の距離から加圧後の電解質層４ｃの厚さを引いた値を例えばＡとする。
【００２１】
ここで、カバー板１と燃料タンク５との加圧の程度は、実際の圧力を測定することが困難である。そこで、加圧前の正極拡散層４ａの厚さと加圧前の負極拡散層４ｅの厚さとの和Ｂと、加圧前の正極触媒層４ｂの厚さと加圧前の負極触媒層４ｄの厚さとの和Ｃと、加圧後の正極集電体３と負極集電体６との間の距離から加圧後の電解質層４ｃの厚さを引いた値Ａとの関係で圧力を制御した。即ち、加圧後においてＡ＝０．１×Ｂ＋ＣからＡ＝０．８×Ｂ＋Ｃの範囲になるように各電極の厚さ関係を規定した。これにより、圧力を測定しなくても、あらかじめ集電体間の間隔を設定し、その間隔に対して電極の厚さを調整するだけで、一定の圧力を電極・電解質一体化物４に加えることができる。
【００２２】
負極は、例えば、多孔性の炭素材料からなる負極拡散層４ｅと、触媒を担持した炭素粉末、プロトン伝導性物質、およびフッ素樹脂バインダからなる負極触媒層４ｄとを積層して構成される。負極は液体燃料である例えばメタノールを酸化する機能を有しており、その触媒には、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムまたは金などと白金との合金微粒子などが用いられるが、これらに限定されない。この触媒の担体である炭素粉末は、例えばＢＥＴ法による比表面積が１０〜２０００ｍ２／ｇのカーボンブラックを用いることができる。この炭素粉末に触媒を例えばコロイド法を用いて担持する。炭素粉末と触媒との割合は炭素粉末１００質量部に対し、触媒を５〜４００質量部とすることが好ましい。この範囲内であれば、十分な触媒活性が得られ、触媒活性が低下することもない。プロトン伝導性物質としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂やスルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などスルホン酸基を有する樹脂を用いることができるが、これらに限定されない。このようなプロトン伝導性物質の割合は、触媒を担持する炭素粉末１００質量部に対し、２〜２００質量部とすることが好ましい。この範囲内であれば、十分なプロトン伝導性が得られ、電子抵抗が大きくならず、電池性能が低下しない。フッ素樹脂バインダとしては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体、ポリビニリデンフルオライドおよびクロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体などを用いることができる。このバインダの割合は、触媒を担持する炭素粉末１００質量部に対し、０．０１〜１００質量部とすることが好ましい。この範囲内であれば、十分な結着性が得られ、電子抵抗が大きくならず、電池性能が低下しない。
【００２３】
以上の材料を用いた負極の製造方法について説明する。先ず、上記触媒を担持した炭素粉末、プロトン伝導性物質、フッ素樹脂バインダ、および水と有機溶剤とを均一に分散してスラリーとする。このスラリーの固形分量は、スラリーの全質量１００質量部に対して１〜７０質量部とするのが好ましい。この範囲内であれば適度な粘性が得られるからである。これらの材料の分散は、例えばボールミル、ホモジナイザー、超音波分散機などを用いて行なうことができるが、これらに限定されない。また、上記有機溶剤としては、例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、ブタノールなどが使用できる。
【００２４】
その後、上記で得られたスラリーを、多孔性の炭素材料からなる負極拡散層４ｅに塗布して乾燥する。続いて熱プレスを行なうことで、バインダが溶融結着し、負極が形成される。熱プレスの温度はバインダの種類によって異なるが、使用するバインダのガラス転移点以上、ガラス転移点を２０℃上回る温度以下に設定することが好ましい。プレスの圧力は３〜５０ＭＰａが好ましい。３ＭＰａ未満では電極の成形が十分でなく、５０ＭＰａを超えると電極内の細孔がつぶれてしまい、電池性能が低下するからである。
【００２５】
また、正極は、例えば、多孔性の炭素材料からなる正極拡散層４ａと、触媒を担持した炭素粉末、プロトン伝導性物質およびフッ素樹脂バインダからなる正極触媒層４ｂとを積層して構成される。正極は、酸素を還元する機能を有しており、例えば負極と同様に構成することができる。
【００２６】
次に、電解質層４ｃについて説明する。この電解質層４ｃは、電子伝導性を持たずプロトンを輸送することが可能な材料により構成される。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン”（商品名）、旭硝子社製の“フレミオン”（商品名）、旭化成工業社製の“アシプレックス”（商品名）などにより電解質層４ｃを構成することができる。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜などからも構成することができる。
【００２７】
カバー板１は、例えば、ＰＴＦＥ、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのプラスチックや、ガラスエポキシ樹脂、またステンレス鋼などの耐食性金属を絶縁体で被覆したものから構成されている。正極集電体３の材質としては、例えば白金、金、ステンレス、ニッケル、または金などと白金との合金などが用いられる。燃料としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが用いられる。燃料タンク５は、例えば、ＰＴＦＥ、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのプラスチックや、ガラスエポキシ樹脂、またステンレス鋼などの耐食性金属を絶縁体で被覆したものから構成されている。負極集電体６の材質は、例えば白金、金、ステンレス、ニッケル、または金などと白金との合金などが用いられる。さらに、燃料供給孔７の周辺部には、パッキン８が設けられている。
【００２８】
カバー板１と燃料タンク５で、各電極・電解質一体化物４を挟みこむだけでは、燃料供給孔７から供給される液体燃料５ａが外部へ漏れてしまう。そこで、パッキン８を設けることによって、燃料タンク５と電極・電解質一体化物４との隙間から液体燃料５ａが漏れることを防止することができる。パッキン８は、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッソゴムなどのゴムや、ＰＴＦＥ樹脂などから構成されている。
【００２９】
（実施形態１ｂ）
図２は、本発明の第１の燃料電池の他の形態における加圧前の状態の断面模式図である。本実施形態は、カバー板１の凹部９（図１）と燃料タンク５の凹部１０（図１）を設けずに、パッキン８を厚くした以外は、実施形態１ａと同様にして燃料電池を作製した。
【００３０】
（実施形態１ｃ）
図３は、本発明の第１の燃料電池のさらに他の形態における加圧前の状態の断面模式図である。本実施形態は、燃料タンク５の凹部１０（図１）を設けずに、パッキン８を少し厚くした以外は、実施形態１ａと同様にして燃料電池を作製した。
【００３１】
次に、本発明の第２の燃料電池の実施の形態を説明する。
【００３２】
本発明の第２の燃料電池の一形態は、負極の触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの質量が、正極の触媒層に含まれる触媒の単位面積当たりの質量に対して、１２０％以上５００％以下、より好ましくは１２５％以上４００％以下、さらに好ましくは１３０％以上３００％以下としたものである。
【００３３】
これにより、負極における燃料の酸化がスムーズとなるため、前述の内部抵抗の中でも特に負極の反応抵抗を低減でき、燃料電池の出力を向上できる。即ち、本実施形態の燃料電池は、正極では酸素ガスが反応し、負極では液体燃料が反応する。従来は、正極の触媒量と負極の触媒量は同量とされていた。しかし、正極に対して相対的に分極の大きな負極での反応は正極での反応に比べて反応抵抗が大きいため、正極の触媒量と負極の触媒量を同量としたのでは、正極では必要最少限の触媒量以上を使用する場合もあり、逆に負極では触媒量が不足して反応抵抗が増加する場合もあった。そこで、負極の触媒量を正極の触媒量に比べて一定の範囲で増加させることにより、負極での反応抵抗を確実に低減させたものである。上記値が１２０％未満の場合には、正極に対して相対的に分極の大きな負極の性能が十分に得られず、また５００％を超えると相対的に正極の分極が大きくなり、ともに燃料電池の出力が低下する。
【００３４】
また、本実施形態の燃料電池は、正極と、負極と、電解質とが、電極・電解質一体化物を形成し、複数の電極・電解質一体化物が同一平面上に配置されていることが好ましい。これにより、電池の厚さを薄くすることが可能となるからである。
【００３５】
次に、本発明の第２の燃料電池の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００３６】
（実施形態２）
図４は、本発明の第２の燃料電池の一形態の断面模式図である。図４において、正極２８は、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層２８ａと、触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層２８ｂとを積層して構成されており、前述の実施形態１と同様にして構成される。
【００３７】
電解質層３０は、前述の実施形態１ａと同様に電子伝導性を持たずプロトンを輸送することが可能な材料により構成される。
【００３８】
負極２９は、拡散層２９ａと触媒層２９ｂとからなり、実施形態１ａと同様に構成される。ただし、負極２９の触媒層２９ｂに含まれる触媒の単位面積当たりの質量は、正極２８の触媒層２８ｂに含まれる触媒の単位面積当たりの質量に対して、１２０％以上５００％以下となるように設定してある。
【００３９】
上記正極２８、上記負極２９および上記電解質層３０は、積層されて電極・電解質一体化物を構成している。また、この電極・電解質一体化物は同一電池容器内の同一平面上に複数個備えられている。
【００４０】
負極２９の電解質層３０と反対側には液体燃料２４を貯蔵する燃料タンク２３が隣接して設けられている。液体燃料２４としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが用いられる。燃料タンク２３は、例えば、ＰＴＦＥ、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの樹脂や、ステンレス鋼などの耐食性金属から構成されている。ただし、燃料タンク２３を金属で構成する際には、同一電池容器内に配置されているそれぞれの負極同士が電気的に短絡しないように絶縁体を導入する必要がある。燃料タンク２３の負極２９と接する部分には燃料供給孔２３ａが設けられており、この部分から液体燃料２４が負極２９へと供給される。また、液体燃料を含浸して保持し且つ負極２９に液体燃料を供給する燃料吸い上げ材２５が、負極２９と接する個所を含む燃料タンク２３の内部に設けられている。これにより、液体燃料２４が消費されても、液体燃料２４と負極２９との接触が維持されるため、液体燃料２４を最後まで使い切ることができる。燃料吸い上げ材２５としては、ガラス繊維を用いることができるが、燃料の含浸によって寸法が余り変化せず、化学的にも安定なものであれば他の材料を用いてもよい。
【００４１】
正極２８の電解質層３０と反対側にはカバー板２２が設けられており、カバー板２２の正極２８と接する部分には空気孔２１が設けられている。これにより、空気孔２１を通して大気中の酸素が正極２８と接することになる。カバー板２２の端部には、カバー板２２と燃料タンク２３を貫通する構造を持つ気液分離孔兼燃料充填口２６ｂが設けられている。この気液分離孔兼燃料充填口２６ｂの燃料タンク２３と反対側には脱着可能な気液分離膜２６ａが設けられている。この気液分離膜２６ａは細孔を持つＰＴＦＥ製シートからなり、放電反応で生成した二酸化炭素などを、燃料を漏液させることなく燃料タンク２３から放出させることができる。また、気液分離膜２６ａを脱着可能とすることで、燃料を補充する時の充填口ともなる。気液分離孔兼燃料充填口２６ｂ、カバー板２２および空気孔２１は、例えば、燃料タンク２３と同様の材料から構成することができる。
【００４２】
正極２８と接する箇所から、隣接する負極２９と接する箇所に渡って集電体２７が設置されており、正極２８と隣接する電極・電解質一体化物の負極２９は電気的に接続されている。集電体２７は隣接する電極・電解質一体化物を電気的に直列に接続する役割を持ち、同一電池容器内に並べられた全ての電極・電解質一体化物は集電体２７によって電気的に直列に接続される。集電体２７は、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどから構成することができる。
【００４３】
【実施例】
先ず、本発明の第１の燃料電池を実施例に基づき具体的に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００４４】
（実施例１）
以下のようにして、図１と類似の構造の燃料電池を作製した。
【００４５】
正極は以下のようにして作製した。先ず、ライオンアクゾ社製の“ケッチェンブラックＥＣ”（商品名）を５０質量部、平均粒子径３ｎｍの白金微粒子を５０質量部担持した白金担持カーボンを１０質量部、エレクトロケミ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ）社製のプロトン伝導性物質“ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）”（商品名、固形分濃度５質量％）を７５質量部、バインダとしてダイキン社製のポリテトラフルオロエチレンエマルジョン溶液“Ｄ１”（商品名、エマルジョン濃度６０質量％）を１０質量部および水を５質量部準備した。これらをホモジナイザーで混合分散し、拡散層であるカーボンクロス（厚さ３５０μｍ）に白金量が１ｍｇ／ｃｍ２になるように塗布して乾燥した。次に、１２０℃、１０ＭＰａの条件で２分間熱プレスを行ない電極として成型し、正極を得た。
【００４６】
負極は以下のように作製した。先ず、上記“ケッチェンブラックＥＣ”を５０質量部、平均粒子径３ｎｍの白金ルテニウム合金（合金比１：１）微粒子を５０質量部担持した白金担持カーボンを１０質量部、上記“ナフィオン”を７５質量部、バインダとして上記ポリテトラフルオロエチレンエマルジョン溶液“Ｄ１”を５質量部および水を１０質量部準備した。これらをホモジナイザーで均一に混合分散し、拡散層であるカーボンクロス（厚さ３５０μｍ）に白金ルテニウム量が１ｍｇ／ｃｍ２になるように塗布して乾燥した。次に、１２０℃、１０ＭＰａの条件で２分間熱プレスを行ない電極として成型し、負極を得た。
【００４７】
電極の大きさは正極、負極ともに縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ３９０μｍとした。従って、各触媒層の厚さは４０μｍである。
【００４８】
電解質層は、デュポン社製の“ナフィオン１１７”（商品名）を用い、正極および負極でこの電解質層を挟持し、１２０℃、１０ＭＰａの条件で３分間熱プレスを行ない、電極・電解質一体化物を作製した。
【００４９】
正極の外側にはカバー板を配置した。カバー板は、縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ２ｍｍで、電極と接する側の中央部に縦３２ｍｍ、横３２ｍｍの正方形の窪み（凹部）が１００μｍの深さで設けられたステンレス（ＳＵＳ３１６）に絶縁性の塗膜として日本ペイント社製のフェノール樹脂系塗料“マイカスＡ”（商品名）を塗布したもので構成した。カバー板には空気孔が設けられ、その空気孔と接する部分に正極集電体を配置した。正極集電体は縦３０ｍｍ、横３０ｍｍ、厚さ１００μｍの金メッシュにリード線を取り付けたものを用いた。
【００５０】
負極の外側には液体燃料を貯蔵する燃料タンクを設けた。液体燃料としては、５質量％のメタノール水溶液を用いた。燃料タンクは、縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、奥行き３０ｍｍの箱状で、電極と接する側の中央部に縦３２ｍｍ、横３２ｍｍの正方形の窪み（凹部）が１００μｍの深さで設けられたステンレス（ＳＵＳ３１６、厚さ２ｍｍ）に絶縁性の塗膜として上記フェノール樹脂系塗料“マイカスＡ”を塗布したもので形成した。また、燃料タンクには燃料供給孔を設け、その燃料供給孔と接する部分に負極集電体を配置した。負極集電体は正極集電体と同様の寸法および材質で構成した。
【００５１】
さらに、燃料タンクの窪みの周辺部には、燃料漏れ防止のためのパッキンを配置した。パッキンは、縦６０ｍｍ、横６０ｍｍ、厚さ１５０μｍで、中央部に縦３２ｍｍ、横３２ｍｍの正方形の穴が電極収納のために空けられたシリコーンゴム製のパッキンで構成した。
【００５２】
次に、ボルトとナットでカバー板と燃料タンクとを締め付けた。
【００５３】
以上より、本実施例では、加圧後の正極集電体と負極集電体との間の距離から加圧後の電解質の厚さを引いた値Ａは、カバー板の窪みの深さ（１００μｍ）と燃料タンクの窪みの深さ（１００μｍ）とパッキンの厚さ（１５０μｍ）との和から、正極集電体の厚さ（１００μｍ）と負極集電体の厚さ（１００μｍ）との和を引いた１５０μｍとなる。
【００５４】
また、加圧前の正極の拡散層の厚さ（３５０μｍ）と加圧前の負極の拡散層の厚さ（３５０μｍ）との和Ｂは、７００μｍとなる。さらに、加圧前の正極の触媒層の厚さ（４０μｍ）と加圧前の負極の触媒層の厚さ（４０μｍ）との和Ｃは、８０μｍとなる。
【００５５】
従って、本実施例では、Ａ＝０．１０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧されていることになる。
【００５６】
（実施例２）
本実施例は、パッキンの厚さを２２０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．２０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００５７】
（実施例３）
本実施例は、パッキンの厚さを３００μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．３１×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００５８】
（実施例４）
本実施例は、パッキンの厚さを３６０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．４０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００５９】
（実施例５）
本実施例は、パッキンの厚さを４３０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．５０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００６０】
（実施例６）
本実施例は、パッキンの厚さを５００μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．６０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００６１】
（実施例７）
本実施例は、パッキンの厚さを６３０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．７９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００６２】
（比較例１）
本比較例は、パッキンの厚さを１２０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．０６×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００６３】
（比較例２）
本比較例は、パッキンの厚さを７００μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．８９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００６４】
（比較例３）
本比較例は、パッキンの厚さを７８０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝１．００×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００６５】
（実施例８）
以下のようにして、図２と同様の構造の燃料電池を作製した。
【００６６】
カバー板および燃料タンクには窪みを設けず、パッキンの厚さを３５０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
【００６７】
本実施例では、加圧後の正極集電体と負極集電体との間の距離から加圧後の電解質の厚さを引いた値Ａは、パッキンの厚さ（３５０μｍ）から、正極集電体の厚さ（１００μｍ）と負極集電体の厚さ（１００μｍ）との和を引いた１５０μｍとなる。従って、本実施例では、Ａ＝０．１０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧されていることになる。
【００６８】
（実施例９）
本実施例は、パッキンの厚さを４２０μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．２０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００６９】
（実施例１０）
本実施例は、パッキンの厚さを５００μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．３１×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００７０】
（実施例１１）
本実施例は、パッキンの厚さを５６０μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．４０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００７１】
（実施例１２）
本実施例は、パッキンの厚さを６３０μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．５０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００７２】
（実施例１３）
本実施例は、パッキンの厚さを７００μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．６０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００７３】
（実施例１４）
本実施例は、パッキンの厚さを８３０μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．７９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００７４】
（比較例４）
本比較例は、パッキンの厚さを３２０μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．０６×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００７５】
（比較例５）
本比較例は、パッキンの厚さを９００μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．８９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００７６】
（比較例６）
本比較例は、パッキンの厚さを９８０μｍとした以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝１．００×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００７７】
（実施例１５）
以下のようにして、図３と類似の構造の燃料電池を作製した。
【００７８】
燃料タンクには窪みを設けず、パッキンの厚さを２５０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
【００７９】
本実施例では、加圧後の正極集電体と負極集電体との間の距離から加圧後の電解質の厚さを引いた値Ａは、カバー板の窪みの深さ（１００μｍ）とパッキンの厚さ（２５０μｍ）との和から、正極集電体の厚さ（１００μｍ）と負極集電体の厚さ（１００μｍ）との和を引いた１５０μｍとなる。従って、本実施例では、Ａ＝０．１０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧されていることになる。
【００８０】
（実施例１６）
本実施例は、パッキンの厚さを３２０μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．２０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８１】
（実施例１７）
本実施例は、パッキンの厚さを４００μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．３１×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８２】
（実施例１８）
本実施例は、パッキンの厚さを４６０μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．４０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８３】
（実施例１９）
本実施例は、パッキンの厚さを５３０μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．５０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８４】
（実施例２０）
本実施例は、パッキンの厚さを６００μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．６０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８５】
（実施例２１）
本実施例は、パッキンの厚さを７３０μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．７９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８６】
（比較例７）
本比較例は、パッキンの厚さを２２０μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．０６×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８７】
（比較例８）
本比較例は、パッキンの厚さを８００μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．８９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８８】
（比較例９）
本比較例は、パッキンの厚さを８８０μｍとした以外は実施例１５と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝１．００×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００８９】
（実施例２２）
本実施例は、正極の白金量を５ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量を５ｍｇ／ｃｍ２、正極、負極の厚さをそれぞれ５５０μｍ（拡散層厚さ３５０μｍ、触媒層厚さ２００μｍ）、パッキンの厚さを４７０μｍとした以外は実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
【００９０】
以上より、本実施例では、加圧後の正極集電体と負極集電体との間の距離から加圧後の電解質の厚さを引いた値Ａは、カバー板の窪みの深さ（１００μｍ）と燃料タンクの窪みの深さ（１００μｍ）とパッキンの厚さ（４７０μｍ）との和から、正極集電体の厚さ（１００μｍ）と負極集電体の厚さ（１００μｍ）との和を引いた４７０μｍとなる。
【００９１】
また、加圧前の正極の拡散層の厚さ（３５０μｍ）と加圧前の負極の拡散層の厚さ（３５０μｍ）との和Ｂは、７００μｍとなる。さらに、加圧前の正極の触媒層の厚さ（２００μｍ）と加圧前の負極の触媒層の厚さ（２００μｍ）との和Ｃは、４００μｍとなる。
【００９２】
従って、本実施例では、Ａ＝０．１０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧されていることになる。
【００９３】
（実施例２３）
本実施例は、パッキンの厚さを５４０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．２０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００９４】
（実施例２４）
本実施例は、パッキンの厚さを６２０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．３１×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００９５】
（実施例２５）
本実施例は、パッキンの厚さを６８０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．４０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００９６】
（実施例２６）
本実施例は、パッキンの厚さを７５０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．５０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００９７】
（実施例２７）
本実施例は、パッキンの厚さを８２０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．６０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００９８】
（実施例２８）
本実施例は、パッキンの厚さを９５０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．７９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【００９９】
（比較例１０）
本比較例は、パッキンの厚さを４４０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．０６×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１００】
（比較例１１）
本比較例は、パッキンの厚さを１０２０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．８９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１０１】
（比較例１２）
本比較例は、パッキンの厚さを１１００μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝１．００×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１０２】
（実施例２９）
カバー板および燃料タンクには窪みを設けず、パッキンの厚さを６７０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。
【０１０３】
本実施例では、加圧後の正極集電体と負極集電体との間の距離から加圧後の電解質の厚さを引いた値Ａは、パッキンの厚さ（６７０μｍ）から、正極集電体の厚さ（１００μｍ）と負極集電体の厚さ（１００μｍ）との和を引いた４７０μｍとなる。従って、本実施例では、Ａ＝０．１０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧されていることになる。
【０１０４】
（実施例３０）
本実施例は、パッキンの厚さを７４０μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．２０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１０５】
（実施例３１）
本実施例は、パッキンの厚さを８２０μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．３１×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１０６】
（実施例３２）
本実施例は、パッキンの厚さを８８０μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．４０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１０７】
（実施例３３）
本実施例は、パッキンの厚さを９５０μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．５０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１０８】
（実施例３４）
本実施例は、パッキンの厚さを１０２０μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．６０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１０９】
（実施例３５）
本実施例は、パッキンの厚さを１１５０μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．７９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１１０】
（比較例１３）
本比較例は、パッキンの厚さを６４０μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．０６×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１１１】
（比較例１４）
本比較例は、パッキンの厚さを１２２０μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．８９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１１２】
（比較例１５）
本比較例は、パッキンの厚さを１３００μｍとした以外は実施例２９と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝１．００×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１１３】
（実施例３６）
燃料タンクには窪みを設けず、パッキンの厚さを５７０μｍとした以外は実施例２２と同様にして燃料電池を作製した。
【０１１４】
本実施例では、加圧後の正極集電体と負極集電体との間の距離から加圧後の電解質の厚さを引いた値Ａは、カバー板の窪みの深さ（１００μｍ）とパッキンの厚さ（５７０μｍ）との和から、正極集電体の厚さ（１００μｍ）と負極集電体の厚さ（１００μｍ）との和を引いた４７０μｍとなる。従って、本実施例では、Ａ＝０．１０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧されていることになる。
【０１１５】
（実施例３７）
本実施例は、パッキンの厚さを６４０μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．２０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１１６】
（実施例３８）
本実施例は、パッキンの厚さを７２０μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．３１×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１１７】
（実施例３９）
本実施例は、パッキンの厚さを７８０μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．４０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１１８】
（実施例４０）
本実施例は、パッキンの厚さを８５０μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．５０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１１９】
（実施例４１）
本実施例は、パッキンの厚さを９２０μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．６０×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１２０】
（実施例４２）
本実施例は、パッキンの厚さを１０５０μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本実施例では、Ａ＝０．７９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１２１】
（比較例１６）
本比較例は、パッキンの厚さを５４０μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．０６×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１２２】
（比較例１７）
本比較例は、パッキンの厚さを１１２０μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝０．８９×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１２３】
（比較例１８）
本比較例は、パッキンの厚さを１２００μｍとした以外は実施例３６と同様にして燃料電池を作製した。本比較例では、Ａ＝１．００×Ｂ＋Ｃの状態で加圧した。
【０１２４】
以上のように作製した各燃料電池に対して、温度２０℃の下で５００ｍＡの電流を印加したときの作動電圧を測定した。その結果を表１、表２に示す。なお、表１、表２のｘは、式Ａ＝ｘＢ＋ＣにおけるＢの係数ｘである。
【０１２５】
【表１】
2004235085.tif 000003
【０１２６】
【表２】
2004235085.tif 000004
【０１２７】
触媒量が１ｍｇ／ｃｍ２の場合は表１から明らかなように、実施例１〜２１が示した電圧に比べ、比較例１〜９が示した作動電圧は低かった。これは、比較例１、４および７では、電極・電解質一体化物への加圧が大きすぎて、電極が押しつぶされて電極内部への空気とメタノールの拡散が不十分となって、拡散抵抗が増加したためと考えられる。また、比較例２、３、５、６、８および９では、電極・電解質一体化物への加圧がないか、または加圧が小さすぎて、電極と集電体の接触が不十分となって、電子抵抗が増加したためと考えられる。
【０１２８】
触媒量が５ｍｇ／ｃｍ２の場合は表２から明らかなように、実施例２２〜４２が示した電圧に比べ、比較例１０〜１８の示した電圧は低い。これも表１の場合と同様に考えることができる。
【０１２９】
これらの結果より、Ａ＝０．１×Ｂ＋ＣからＡ＝０．８×Ｂ＋Ｃの範囲内で加圧することにより、正極の拡散層と触媒層および負極の拡散層と触媒層が適度な加圧状態を維持できるため、電池の内部抵抗の中でも特に電子抵抗と拡散抵抗を低減でき、燃料電池の出力を向上できることが分かる。
【０１３０】
次に、本発明の第２の燃料電池を実施例に基づき具体的に説明する。
【０１３１】
（実施例４３）
以下のようにして、図４と同様の構造の燃料電池を作製した。
【０１３２】
正極は以下のようにして作製した。先ず、ライオンアクゾ社製の“ケッチェンブラックＥＣ”（商品名）を５０質量部、平均粒子径３ｎｍの白金微粒子を５０質量部担持した白金担持カーボンを１０質量部、エレクトロケミ（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ）社製のプロトン伝導性物質“ナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）”（商品名、固形分濃度５質量％）を７５質量部、バインダとしてダイキン社製のポリテトラフルオロエチレンエマルジョン溶液“Ｄ１”（商品名、エマルジョン濃度６０質量％）を１０質量部および水を５質量部準備した。これらをホモジナイザーで混合分散し、拡散層であるカーボンクロスに白金量が０．４５ｍｇ／ｃｍ２になるように塗布して乾燥した。次に、１２０℃、１０ＭＰａの条件で２分間熱プレスを行ない電極として成型し、正極を得た。
【０１３３】
負極は以下のように作製した。先ず、上記“ケッチェンブラックＥＣ”を５０質量部、平均粒子径３ｎｍの白金ルテニウム合金（合金比１：１）微粒子を５０質量部担持した白金担持カーボンを１０質量部、上記“ナフィオン”を７５質量部、バインダとして上記ポリテトラフルオロエチレンエマルジョン溶液“Ｄ１”を５質量部および水を１０質量部準備した。これらをホモジナイザーで均一に混合分散し、拡散層であるカーボンクロスに白金ルテニウム量が０．５５ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：１２２％）になるように塗布して乾燥した。次に、１２０℃、１０ＭＰａの条件で２分間熱プレスを行ない電極として成型し、負極を得た。
【０１３４】
電解質層は、デュポン社製の“ナフィオン１１７”（商品名）を用い、正極および負極でこの電解質層を挟持し、１２０℃、１０ＭＰａの条件で３分間熱プレスを行ない、電極・電解質一体化物を作製した。なお、電極面積は正極、負極ともに１０ｃｍ２とした。
【０１３５】
正極の電解質層と反対側に設けられているカバー板および燃料タンクは、ステンレス（ＳＵＳ３１６）に絶縁性の塗膜として日本ペイント社製のフェノール樹脂系塗料“マイカスＡ”（商品名）を塗布したもので構成した。正極集電体は厚さ１０μｍの金製のシートからなり、エポキシ樹脂を用いて正極と接着した。液体燃料としては、５質量％のメタノール水溶液を用いた。負極集電体は正極集電体と同様の材質で構成した。気液分離膜は細孔を持つＰＴＦＥ製の膜から構成した。
【０１３６】
（実施例４４）
本実施例は、正極の白金量が０．３３ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が０．６７ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：２０３％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１３７】
（実施例４５）
本実施例は、正極の白金量が０．２５ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が０．７５ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：３００％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１３８】
（実施例４６）
本実施例は、正極の白金量が０．２ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が０．８ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：４００％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１３９】
（実施例４７）
本実施例は、正極の白金量が０．１７ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が０．８３ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：４８８％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４０】
（比較例１９）
本比較例は、正極の白金量が０．６ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が０．４ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：６７％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４１】
（比較例２０）
本比較例は、正極の白金量が０．５ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が０．５ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：１００％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様に燃料電池を作製した。
【０１４２】
（比較例２１）
本比較例は、正極の白金量が０．１４ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が０．８６ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：６１４％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４３】
（比較例２２）
本比較例は、正極の白金量が０．１２ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が０．８８ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：７３３％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４４】
（実施例４８）
本実施例は、正極の白金量が２．２５ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が２．７５ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：１２２％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４５】
（実施例４９）
本実施例は、正極の白金量が１．７ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が３．３ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：１９４％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４６】
（実施例５０）
本実施例は、正極の白金量が１．２５ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が３．７５ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：３００％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４７】
（実施例５１）
本実施例は、正極の白金量が１ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が４ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：４００％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４８】
（実施例５２）
本実施例は、正極の白金量が０．８４ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が４．１６ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：４９５％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１４９】
（比較例２３）
本比較例は、正極の白金量が３ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が２ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：６７％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１５０】
（比較例２４）
本比較例は、正極の白金量が２．５ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が２．５ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：１００％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１５１】
（比較例２５）
本比較例は、正極の白金量が０．７ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が４．３ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：６１４％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１５２】
（比較例２６）
本比較例は、正極の白金量が０．６ｍｇ／ｃｍ２、負極の白金ルテニウム量が４．４ｍｇ／ｃｍ２（正極の触媒量に対する割合：７３３％）になるように塗布した以外は実施例４３と同様にして燃料電池を作製した。
【０１５３】
以上のように作製した燃料電池に対して、温度２０℃の下で２００ｍＡの電流を印加したときの出力を測定し、触媒利用率を計算した。その結果を表３に示す。ここで、触媒利用率は、電池の出力を使用した全触媒量で割って算出した値であり、これにより触媒を電池の反応にどれだけ有効に使えたかを判断することができる。
【０１５４】
なお、表３において、実施例４３〜４７および比較例１９〜２２は、正極、負極を合わせた単位面積当たりの総触媒量が１ｍｇ／ｃｍ２の場合であり、実施例４８〜５２および比較例２３〜２６は、正極、負極を合わせた単位面積当たりの総触媒量が５ｍｇ／ｃｍ２の場合である。
【０１５５】
【表３】
2004235085.tif 000005
【０１５６】
表３から明らかなように、正極に対する負極の触媒量の割合が１２０〜５００％の実施例４３〜４７および実施例４８〜５２が示した出力および触媒利用率に比べて、比較例１９〜２２および比較例２３〜２６が示した出力および触媒利用率は低かった。これは、比較例１９、２０、２３および２４では、正極に対して相対的に分極の大きな負極の性能が十分に得られなかったためと考えられる。比較例２１、２２、２５および２６は、相対的に正極の分極が大きくなってしまったためと考えられる。
【０１５７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の燃料電池は、加圧前と加圧後の電極の寸法関係を特定範囲に限定すること、また正極と負極の触媒量の関係を特定範囲に限定することにより、電池の内部抵抗を低減させて高出力の燃料電池を提供できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の燃料電池の一形態における加圧前の状態の断面模式図である。
【図２】本発明の第１の燃料電池の他の形態における加圧前の状態の断面模式図である。
【図３】本発明の第１の燃料電池のさらに他の形態における加圧前の状態の断面模式図である。
【図４】本発明の第２の燃料電池における一形態の断面模式図である。
【符号の説明】
１  カバー板
２  空気孔
３  正極集電体
３ａ  リード線
４  電極・電解質一体化物
４ａ  正極拡散層
４ｂ  正極触媒層
４ｃ  電解質層
４ｄ  負極触媒層
４ｅ  負極拡散層
５  燃料タンク
５ａ  液体燃料
６  負極集電体
６ａ  リード線
７  燃料供給孔
８  パッキン
８ａ  貫通孔
９  凹部
１０  凹部
１１  ボルト
１２  ナット
２１  空気孔
２２  カバー板
２３  燃料タンク
２３ａ  燃料供給孔
２４  液体燃料
２５  燃料吸い上げ材
２６ａ  気液分離膜
２６ｂ  気液分離孔兼燃料充填口
２７  集電体
２８  正極
２８ａ  拡散層
２８ｂ  触媒層
２９  負極
２９ａ  拡散層
２９ｂ  触媒層
３０  電解質層
【図１】
2004235085.tif 000006
【図２】
2004235085.tif 000007
【図３】
2004235085.tif 000008
【図４】
2004235085.tif 000009