(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、触媒層と、ガス拡散層と、集電体とがこの順に積層されてなり、前記集電体に関して前記ガス拡散層とは反対側に、調湿層が設けられており、前記調湿層がシート状の高吸放湿性合成繊維からなっている燃料電池。
【請求項２】
前記調湿層が前記集電体に接して配置されている、請求項１に記載した燃料電池。
【請求項３】
前記調湿層が正極側及び／又は負極側に配置されている、請求項１に記載した燃料電池。
【請求項４】
前記触媒層と前記ガス拡散層との間に撥水層が設けられている、請求項１に記載した燃料電池。
【請求項５】
前記撥水層が正極側及び負極側にそれぞれ設けられている、請求項４に記載した燃料電池。
【請求項６】
前記撥水層が、撥水処理された導電体からなる、請求項４に記載した燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば小型の電子機器の電源として好適な燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、電子機器の電源として様々な１次電池および２次電池が用いられている。そして、これらの電池の特性を示す１つの判断方法にエネルギー密度がある。このエネルギー密度とは、電池の単位質量又は単位体積当りのエネルギー容量のことである。
【０００３】
近年、電子機器が小型化及び高性能化するにつれて、これに用いられる電源の高容量化及び高出力化のうち、特に高容量化の必要性が大きくなってきているが、従来の１次電池および２次電池では、電子機器の駆動に十分なエネルギーを供給することが困難になっている。
【０００４】
このような現状を打開する解決策として、よりエネルギー密度が高い電池の開発が急務とされており、燃料電池は、その候補の１つとして注目されている。
【０００５】
この燃料電池は、例えば、負極、正極及び電解質膜等からなり、負極側に燃料が供給され、正極側に空気又は酸素が供給される構造である。この結果、燃料が酸化され、酸素が還元される酸化還元反応が、負極上及び正極上でそれぞれ起こり、燃料が持つ化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて取り出される。
【０００６】
既に、様々な種類の燃料電池が提案又は試作され、一部のものは実用的に製造され、利用されている。これ等の燃料電池は、用いられる電解質によって、例えば、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ）及び固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）等に分類される。
【０００７】
また、これらの燃料電池の燃料としては、例えば、水素やメタノール等の種々の可燃性物質を用いることができる。しかしながら、水素等の気体燃料は、貯蔵用のボンベ等が必要になるため、小型化には不適当である。
【０００８】
一方、メタノール等の液体燃料は、液体（水溶液）にし、貯蔵し易いという利点がある。このメタノールのエネルギー密度は、理論的には４．８ｋＷ／Ｌであり、一般的なリチウムイオン２次電池のエネルギー密度の１０倍以上である。即ち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン２次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性があるといえる。
【０００９】
更に、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）のうち、燃料としてメタノールを直接負極に供給する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、燃料から水素を取り出すための改質器を必要としないことから、構成がシンプルになり、小型化が容易であるという利点もある。
【００１０】
また、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）には、常温常圧下（３０℃〜１３０℃）という、他の燃料電池に比べて低い温度で作動させることができるという利点がある。
【００１１】
さらに、ＤＭＦＣを始めとする燃料電池は、燃料を供給することで連続して使用し続けることができるため、従来の２次電池と異なり、充電時間を必要としないという利点も有している。また、燃料電池は、有害な廃棄物を生成せず、クリーンであるという特長も有している。
【００１２】
これ等のことから、種々の燃料電池の中でＰＥＦＣのうち、特にＤＭＦＣは、種々の燃料電池の中で最も電子機器、とりわけ小型携帯電子機器の電源として適していると考えられている。
【００１３】
このＤＭＦＣは、燃料電池本体へのメタノール液体燃料の供給方法によって、メタノール液体燃料をそのまま燃料電池本体に供給するメタノール液体供給型と、メタノール液体燃料を気化させてから燃料電池本体に供給するメタノール気化供給型とに大別される。
【００１４】
例えば、メタノール気化供給型のＤＭＦＣは、メタノール液体供給型のＤＭＦＣに比して、燃料供給ポンプ、空気供給ブロア等の補機動力を必ずしも必要としないし、水にメタノールが連行され易いために生じるメタノールクロスオーバーを抑制することが可能である。更には、正極側で生じ、そこから逆拡散してきた水（Ｈ2Ｏ）を負極側の反応に使用できるために、水のフラッディングをも抑制できるというメリットがある。
【００１５】
なお、上記のメタノールクロスオーバーとは、メタノールが負極側から電解質膜を透過して正極側に到達してしまう現象のことである。即ち、負極側に供給したメタノールが、負極側で全て反応せず、電解質膜を透過して正極側に到達し、正極側で消費される現象である。このメタノールクロスオーバーが生じると、透過したメタノールは正極側の触媒層上で酸化される。正極側でのメタノール酸化反応は、負極側での酸化反応と同じであるが、ＤＭＦＣの出力電圧を低下させる原因になる。
【００１６】
また、メタノールが負極側で発電に使われず、正極側で浪費されるので、回路に取り出せる電気量がその分だけ減少する。また、正極側の触媒層は、Ｐｔ−Ｒｕ合金触媒ではなく、Ｐｔ触媒であることが多いので、正極側の触媒層の表面に一酸化炭素（ＣＯ）が吸着され易く、触媒層の被毒が生じるなどの不都合がある。
【００１７】
図６は、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）６２Ａの構成の１例を示す概略断面図である。
【００１８】
この装置６２Ａにおいて、固体の高分子電解質膜である電解質膜５１は、その両面に負極５２と正極５３とが図示省略した触媒層等と共に接合され、膜・電極接合体（ＭＥＡ：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）５４を形成している。
【００１９】
通常、高分子電解質膜５１としては、例えば、デュポン社のナフィオン（登録商標）に代表されるようなパーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。また、負極５２としては、触媒である白金（Ｐｔ）やルテニウム（Ｒｕ）を担持した炭素材料等からなる多孔質電極が用いられる。また、正極５３としては、触媒である白金（Ｐｔ）を担持した炭素材料等からなる多孔質電極が用いられる。
【００２０】
また、膜・電極接合体（ＭＥＡ）５４は、ＤＭＦＣ６２Ａの発電部をなし、セル上半部５７とセル下半部５８との間に挟持されて、ＤＭＦＣ６２Ａに組み込まれている。
【００２１】
また、セル上半部５７及びセル下半部５８には、それぞれガス供給管５９及び６０が設けられており、ガス供給管５９からはメタノール、またガス供給管６０からは空気又は酸素が供給される。各ガスは、それぞれ、図示省略した通気孔を有するガス供給部５５および５６を通過して、負極５２及び正極５３へ供給される。ガス供給部５５は、負極５２とセル上半部５７とを電気的に接続し、ガス供給部５６は、正極５３とセル下半部５８とを電気的に接続する。
【００２２】
発電は、上述のガスを供給しながら、セル上半部５７及びセル下半部５８に接続されている外部回路６１を閉じることで行う。この時、負極５２では次式（１）
ＣＨ3ＯＨ + Ｈ2Ｏ → ＣＯ2 + ６ｅ- + ６Ｈ+          （１）
の反応によりメタノール（ＣＨ3ＯＨ）が二酸化炭素（ＣＯ2）と水素イオン（Ｈ+：プロトン）とに分解され、負極５２に電子（６ｅ-）を与える。生じた水素イオンは、高分子電解質膜５１を介して正極５３側へ移動する。
【００２３】
次に、正極５３側へ移動した水素イオン（Ｈ+）は、正極５３に供給される酸素(３／２)Ｏ2と次式（２）
(３／２)Ｏ2 + ６ｅ- + ６Ｈ+ → ３Ｈ2Ｏ              （２）
のように反応し、水（３Ｈ2Ｏ）を生成する。このとき、酸素（(３／２)Ｏ2）は、正極５３から電子（６ｅ-）を取り込み、還元される。
【００２４】
ここで、ＤＭＦＣ６２Ａの全体で起こる反応は、下記の反応式（３）で示す通りである。
ＣＨ3ＯＨ + (３／２)Ｏ2 → ＣＯ2 + ２Ｈ2Ｏ          （３）
【００２５】
発電に際して、上述の反応式（３）において発生する反応熱の一部は熱として放出されるので、発電は発熱を伴うことが知られている。なお、上述においては、１００％のメタノール（ＣＨ3ＯＨ）を気化した状態で負極５２側に供給する気化供給型の例を示したが、メタノールを、低濃度又は高濃度の水溶液等として供給してもよい。また、正極５３側に、酸素以外の酸化剤を供給することも可能である。
【００２６】
また、高分子電解質膜５１中における水素イオン（Ｈ+：プロトン）の移動については、高分子電解質膜５１中に存在する水分が大きく関与していることが知られており、高分子電解質膜５１中に含まれる水分の量が多いほど、水素イオンの移動が容易に行われる。高分子電解質膜５１中の水分は、水素イオンの移動につれて、負極５２側から正極５３側へ移動し、この結果、負極５２側の高分子電解質膜５１中の水分量は徐々に減少することが知られている。
【００２７】
また、ＤＭＦＣ６２Ａでは、上述の反応式（１）に示されているように、負極５２での電極反応でも水が消費されるので、負極５２に水分を供給する必要がある。このため、多くのＤＭＦＣでは、例えば、負極５２に水溶液としてメタノールを供給し、減少する水分を補う方法がとられている。
【００２８】
一方、例えば、高分子電解質膜５１の厚さを十分薄くしておけば、正極５３で発生した水を負極５２側へ逆拡散させ、負極５２での電極反応で消費される水を供給すると共に、高分子電解質膜５１を自己加湿ＳＨ（Ｓｅｌｆ  Ｈｕｍｉｄｉｆｙｉｎｇ）させ、高分子電解質膜５１に高いプロトン伝導性を発揮させることもできる。
【００２９】
次に、図７に、他の燃料電池６２Ｂの模式図を示す。
【００３０】
この燃料電池６２Ｂは、負極５２、電解質膜５１及び正極５３がこの順に積層されてなる膜・電極接合体（ＭＥＡ）５４と、ガス拡散層６３と、集電体６４とにより構成されている。
【００３１】
ここで、電解質膜５１は、例えば、イオン伝導性のある電解質膜からなるものとし、特に限定されるものではないが、例えば、ナフィオン（登録商標、デュポン社製）が好適な例として挙げられる。また、電解質膜５１の膜厚は２０μｍ〜２００μｍ程度が好ましく、膜厚が２０μｍ未満であると燃料のクロスオーバー量が増大することがあり、一方、２００μｍを超えると、イオン伝導性が低下し易く、機能低下を招く可能性がある。
【００３２】
また、ガス拡散層６３は、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス等の電気導電性を有しかつ液体又は気体を透過する材料からなり、シート状であることが好ましい。
【００３３】
また、集電体６４は、電気導電性に優れた材料からなるのが好ましく、燃料や空気をポンプでＭＥＡ５４に供給する場合、それらの通り道である流路が形成されている形状のものや、メッシュ状の形状になっているものが好適である。
【００３４】
この燃料電池セル６２Ｂにおいて、負極５２には燃料としての例えばメタノール（水は含まない）が気体の状態で供給され、正極５３には例えば空気が供給される。これにより、負極５２及び正極５３でそれぞれ、以下に示す反応が発生し、負極５２で発生したプロトン（Ｈ+）は電解質膜５１内を流れ、また、電子は、外部回路６１を流れることによりバッテリーとして機能する。
【００３５】
負極５２：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
正極５３：（３／２）Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ
【００３６】
しかしながら、正極５３における生成水（Ｈ2Ｏ）量が少ない低電流密度域における運転時（反応初期）は、クロスオーバーしたメタノール（ＣＨ3ＯＨ）が正極５３側で酸化されるときの発熱反応により、電解質膜５１の乾燥が生じてその内部抵抗が上昇すると共に、生成水の蒸発で逆拡散水が確保され難いという不具合が生じる恐れがある。そして、このような発熱反応によって一旦電解質膜５１の乾燥が始まると、更にそれがメタノールクロスオーバーを加速させるため、発熱による内部抵抗の上昇が進行し、燃料電池６２Ｂの出力低下への悪循環の引き金となる。
【００３７】
これに対応するために、図８に示すように、カーボン繊維等の基材に親水性処理を施して得られた親水部６６の両面側に、撥水カーボン層からなる撥水部６５Ａ及び６５Ｂを形成した構造の正極５３を有する燃料電池６２Ｃが知られており、この燃料電池６２Ｃにおける正極５３での水の生成及び酸化ガスの移動の様子が示されている（後述の特許文献１を参照）。
【００３８】
この燃料電池６２Ｃにおいて、正極５３を構成するガス拡散性電極基材は、親水処理を施されたカーボンクロスからなる親水部６６を形成する。また、正極５３は、電解質膜５１側の表面に撥水部６５Ａが塗布形成され、酸化ガス（酸素又は空気）流路側の表面に撥水部６５Ｂが塗布形成されている。
【００３９】
電解質膜５１側において電池反応によって生じた生成水（Ｈ2Ｏ）の一部は、撥水部６５Ａによって弾かれて電解質膜５１側に押し戻され、電解質膜５１が乾燥してしまうことを防止する。また、残りの生成水（Ｈ2Ｏ）は撥水部６５Ａを経て親水部６６に吸収され、この親水部６６から撥水部６５Ｂを経てガス流路側へ導かれて酸化ガス（酸素又は空気）中に蒸散する。酸素又は空気は、正極５３の撥水部６５Ｂ、親水部６６及び撥水部６５Ａを順次経て、ガス流路側から電解質膜５１側へと移動する。
【００４０】
この燃料電池６２Ｃによれば、排水性と、電解質膜５１及び電極触媒層への給水性とを両立させ、かつガス透過性（拡散性）も確保することができる。
【００４１】
また、図９に示すように、吸水性樹脂、吸水性無機物の粒状体又は短繊維により、積極的かつ多量に水分の吸収が可能な吸水性を電極全体に亘って発揮できる電極を用いた燃料電池６２Ｄが公開されている（後述の特許文献２を参照）。
【００４２】
この燃料電池６２Ｄは、固体高分子電解質膜からなる高分子電解質膜７２と、この電解質膜７２に密着したカソード側触媒（反応）層７３Ａ、アノード側触媒（反応）層７３Ｂ及びこれらの各触媒層７３Ａ及び７３Ｂに密着したカソード７４及びアノード７１、集電体６８Ａ及び６８Ｂ、セパレータ６７Ａ及び６７Ｂを具備する。
【００４３】
カソード７４及びアノード７１は、例えば、カーボン短繊維のプレス成形を電極基材（例えば、厚さ約０．５ｍｍ）とする電極であり、導電性とガス透過性とを有する。
【００４４】
また、カソード７４は、例えば、カーボン短繊維と、親水基（−ＣＯＯ−）により高い吸水性を有する架橋ポリアクリル酸塩の微細粒子との混合工程、撹拌工程及びプレス成形工程を経て形成され、電極基材中に架橋ポリアクリル酸塩の微細粒子を分散保持する構造である。これにより、カソード７４において、この分散した架橋ポリアクリル酸塩の微細粒子により、積極的かつ多量に水分を給水することができる。
【００４５】
この燃料電池６２Ｄにおいては、水のフラッディング対策（水分除去効果）として吸水性樹脂を含有させている。ただし、もしカソードガスが加湿されずに供給されるような場合に、高分子電解質膜７２に至る前にガスを加湿できる付属的な効果もある。
【００４６】
【特許文献１】特開平９−２４５８００（８頁右欄４１行目〜９頁左欄１１行目、図１）
【特許文献２】特開平７−３２６３６１（４頁右欄８行目〜５頁右欄１７行目、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４７】
しかしながら、図８に示した特許文献１や図９に示した特許文献２において提案された従来の技術では、吸水により体積が変化する特性を有する吸水性材料を集電体（電極）中に含有させているため、吸水性材料の水分の吸放出により集電体の機械的強度が低下し、集電体の電極構造が崩れてしまい、結果として燃料電池としての性能劣化が起こる恐れがある。
【００４８】
このように集電体の電極構造が崩れてしまうと、電極内の電子伝導パス及びイオン伝導パスが不良になって内部抵抗が上昇すると共に、絶縁体である吸水性材料が抵抗体として働くことでさらにそれが助長され、結果として、この部分において電圧及び電気エネルギーの損失が生じてしまう。
【００４９】
これにより、保水を目的として吸水性材料を電極中に含有させたのに、電極構造の崩壊が引き起こす抵抗上昇によるエネルギー損失分がジュール熱、つまり熱となってしまうために、吸水性材料を電極中に含有させた効果が十分に得られなくなる恐れがある。
【００５０】
特に、小型携帯機器の動力源としてＤＭＦＣを用いる場合には、燃料電池自体も小型化する必要があり、それに伴って放熱面積も小さくなる。従って、電解質膜の乾燥によるメタノールクロスオーバーの加速化が引き起こす発熱、及び、構成部材の内部抵抗の増大によって生じるジュール熱の発生を極力抑えることが必然的に要求される。
【００５１】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、電極の抵抗上昇を十分に抑制して発熱及び乾燥を防止し、高エネルギー効率であって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】
【００５２】
即ち、本発明は、電解質層と、触媒層と、ガス拡散層と、集電体とがこの順に積層されてなる燃料電池において、前記集電体に関して前記ガス拡散層とは反対側に、調湿層が設けられていることを特徴とする燃料電池に係わるものである。
【発明の効果】
【００５３】
本発明によれば、前記集電体（電極）とは別に前記調湿層が設けられているために、前記調湿層における水分の吸放出作用によって発電部に対し常に十分な水分を供給でき、しかもこれを前記集電体の電極構造を損なうことなしに行える。従って、前記集電体の機械的強度の低下や内部抵抗の上昇を防止することができ、また前記集電体には絶縁性の吸水性材料が含有されることを要しないためにその内部抵抗の上昇を更に抑えることができ、発熱及び乾燥の防止と共に高出力特性の保持が可能となる。また、燃料電池の小型化によって放熱面積が減少しても、十分に放熱することができるので、高エネルギー化と同時に小型化も可能となる。
【００５４】
このように、前記調湿層における水分の吸放出作用によって、前記電解質層を乾燥させずに保湿することができるため、燃料極側の触媒層から前記電解質層を透過して酸素極側の触媒層に移動するプロトンの動きを促進することができる。
【００５５】
また、ＤＭＦＣに用いる場合には、メタノールクロスオーバーの発生によって生じる発熱による前記電解質層の乾燥（内部抵抗の上昇）も抑制でき、メタノールクロスオーバーの発生それ自体を抑制できるため、前記燃料極側の前記触媒層に十分な燃料（メタノール）を供給することができ、前記燃料極側の前記触媒層における反応効率を上げて、エネルギー効率を上げることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５６】
本発明においては、前記調湿層の機能を十二分に発揮させるために、前記調湿層が前記集電体に接して配置されているのが望ましい。
【００５７】
また、前記電解質層等の保湿のために、前記調湿層が正極側及び／又は負極側に配置されているのが望ましい。
【００５８】
また、前記調湿層が、水分を保持するために、吸水性を有する吸水性材料からなるのが望ましい。
【００５９】
この場合に、前記吸水性材料が、吸水性樹脂或いは吸水性無機物の粒状体又は短繊維のシートからなるのがよい。
【００６０】
更に、前記吸水性材料が、シート状の吸放湿性繊維であるのが望ましい。
【００６１】
また、前記電解質層等から前記燃料電池の外部方向に向かって拡散される水分を前記電解質層側に逆拡散させるために、前記触媒層と前記ガス拡散層との間に撥水層が設けられているのが望ましい。
【００６２】
この場合に、前記撥水層が正極側及び負極側にそれぞれ設けられているのがよい。
【００６３】
更には、前記触媒層と前記集電体との間での電子の移動を容易にする上で、前記撥水層が、撥水処理された導電体からなるのが望ましい。
【００６４】
なお、前記撥水層とは、水分を主に撥水するが実質的に水分を吸収しない層を意味し、前記調湿層とは、一定量の水分を保水する構造を有し、かつその水分を吸収及び放出することのできる層であって、それぞれの層の役割は明確に異なる。
【００６５】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面参照下に具体的かつ詳細に説明する。
【００６６】
第１の実施の形態
図１に、本発明の第１の実施の形態を示す。
【００６７】
本実施の形態による燃料電池１Ａにおいては、固体高分子電解質膜２の両主面に、Ｐｔ等の触媒を担持した触媒層３Ａ及び触媒層３Ｂが配置され、これらの外側に、撥水層４Ａ及び撥水層４Ｂをそれぞれガス拡散基材８Ａ及び８Ｂ上に有するガス拡散層５Ａ及びガス拡散層５Ｂが配置されている。また、これらのガス拡散層の外側に集電体６Ａ及び集電体６Ｂがそれぞれ配置されている。更に、集電体６Ａ及び集電体６Ｂのそれぞれの外側に調湿層９Ａ及び調湿層９Ｂが配置されている。
【００６８】
これらの調湿層９Ａ及び調湿層９Ｂの外側に、通気孔１０Ａを有する正極側の筐体板７Ａ、及び通気孔１０Ｂを有する負極側の筐体板７Ｂが設けられている。筐体板７Ｂの外側には、例えば液体メタノール１１を収容したメタノールタンク１２が設けられ、燃料電池１Ａの側面はケーシング１４によって密閉されている。
【００６９】
ここで、調湿層９Ａ及び９Ｂの材質を、例えば、高吸放湿性繊維の不織布（東洋紡績（株）社製のモイスファイン）とするのが望ましい。しかし、汎用の吸水性樹脂を用いることもできる。
【００７０】
また、ガス拡散層５Ａは、触媒層３Ａの外側に、撥水処理による撥水層４Ａを有するガス拡散基材８Ａが積層されて成り、同様にガス拡散層５Ｂは、触媒層３Ｂの外側に、撥水処理による撥水層４Ｂを有するガス拡散基材８Ｂが積層されて成る。
【００７１】
ガス拡散基材８Ａ及び８Ｂは、例えば、東レ（株）社製のカーボンペーパーＴＰＧ−Ｈ−０９０から成る。
【００７２】
そして、撥水層４Ａ及び４Ｂは、例えば、カーボンペーパーからなるガス拡散基材８Ａ及びガス拡散基材８Ｂに施した撥水処理層を指すものとする。
【００７３】
この撥水処理層は、以下の手順で作製することができる。例えば、純水で希釈して所定の濃度としたダイキン工業（株）社製のポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」と略す。）系分散液（ネオフロン（登録商標））を、上記のカーボンペーパーＴＰＧ−Ｈ−０９０の片面に塗布し、その後に乾燥する。
【００７４】
次に、その他の各構成部分の材質を詳細に説明する。
【００７５】
高分子電解質膜２は、例えば、固体高分子材料であるフッ素系樹脂により形成されたプロトン伝導性のイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝導性を示すものであり、具体例としてナフィオン（登録商標）膜を用いることができる。
【００７６】
各触媒層３Ａ及び３Ｂは、高分子電解質膜２の表面に、次のようにして形成することができる。例えば、触媒としての白金又は白金と他の金属とからなる合金を担持したカーボン粉を作製し、このカーボン粉を適当な有機溶剤に分散させ、電解質溶液を適量添加してペースト化し、このペーストを膜形成して得たシートを高分子電解質膜２上にプレスする。
【００７７】
各集電体６Ａ及び６Ｂは、例えば、炭素繊維からなるカーボンクロス（例えば、日本カーボン（株）製、ＧＦ−２０−Ｐ７、平織）により形成することができる。
【００７８】
本実施の形態では、発電の際に、正極側に酸素又は空気を供給し、負極側にメタノールタンク１２内の１００％の液体メタノール１１を気化して供給する。負極側の反応に必要な水は、正極側で生成された水の一部を逆拡散させて用いる。
【００７９】
本実施の形態によれば、集電体６Ａ及び６Ｂとは別に、ガス拡散層５Ａ及び５Ｂとは反対側に調湿層９Ａ及び９Ｂがそれぞれ設けられているために、調湿層９Ａ及び９Ｂにおいて水分の吸放出を行えるので、集電体６Ａ及び６Ｂの機械的強度の低下や内部抵抗の上昇を防止することができ、燃料電池１Ａとしての性能劣化を防止することができる。即ち、調湿層６Ａ及び６Ｂにおける水分の吸放出作用によって発電部に対し常に十分な水分を供給でき、しかもこれを集電体６Ａ及び６Ｂの電極構造を損なうことなしに行えるので、これらの集電体の機能的強度の低下や内部抵抗の上昇を防止することができ、また各集電体には絶縁性の吸水性材料が含有されることを要しないためにその内部抵抗の上昇を更に抑えることができ、発熱及び乾燥の防止と共に高出力特性の保持が可能となる。また、燃料電池の小型化によって放熱面積が減少しても、十分に放熱することができるので、高エネルギー化と同時に小型化も可能となる。
【００８０】
また、メタノールクロスオーバーの発生によって生じる発熱による電解質膜２の乾燥（内部抵抗の上昇）も抑制でき、メタノールクロスオーバーの発生それ自体を抑制できるため、燃料極側の触媒層３Ｂに十分な燃料（メタノール）１１を供給することができ、燃料極側の触媒層３Ｂにおける反応効率を上げて、エネルギー効率を上げることができる。
【００８１】
また、撥水層４Ａ及び４Ｂを有するために、高分子電解質膜２から拡散される水分を高分子電解質膜２側に逆拡散することができる。この結果、高分子電解質膜２を一層乾燥させずに保湿できると共に、負極側の触媒層３Ｂでの反応に必要な水分をより多く供給することができる。但し、これらの撥水層４Ａ及び４Ｂは水分を内部へ押し戻す作用があるが、押し戻しきれない水分が存在する。しかし、これを調湿層９Ａ及び９Ｂが吸湿し、雰囲気の変化により、吸湿と放湿を繰り返し、熱の上昇によって内部の湿度が低下すると、放湿するため、保湿効果を発揮することができる。
【００８２】
第２の実施の形態
図２に、本発明の第２の実施の形態を示す。
【００８３】
本実施の形態による燃料電池１Ｂでは、負極側の調湿層９Ｂが除去されていること以外は、上述した第１の実施の形態と同様である。
【００８４】
本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果が得られるが、これは調湿層による上述した効果は、正極側に設置するだけで十分に得られることを意味する。
【００８５】
第３の実施の形態
図３に、本発明の第３の実施の形態を示す。
【００８６】
本実施の形態による燃料電池１Ｃでは、正極側の調湿層９Ａが除去されている以外は、上述した第１の実施の形態と同様である。
【００８７】
本実施の形態においては、上述した第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果が得られると考えられる。
【００８８】
第４の実施の形態
図４に、本発明の第４の実施の形態を示す。
【００８９】
本実施の形態による燃料電池１Ｄでは、撥水層４Ａ及び４Ｂが除去されていること以外は、上述した第１の実施の形態と同様である。
【００９０】
本実施の形態においては、撥水層がなくても、調湿層によって、上述した第１の実施の形態で述べたのと同様の作用及び効果が一定程度得られる。
【実施例】
【００９１】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に説明する。
【００９２】
実施例１
まず、図１に示したような燃料電池１Ａを作製した。以下において、燃料電池１Ａの構造は上述した実施の形態で説明したので、調湿層９Ａ及び９Ｂ以外の説明は省略する。
【００９３】
本例においては、調湿層９Ａ及び９Ｂの材質を、高吸放湿性繊維の不織布（東洋紡績（株）社製のモイスファイン）とした。以下、他の実施例２及び３においても、調湿層９Ａ及び９Ｂの材質の材質は同様である。
【００９４】
実施例２
負極側の調湿層９Ｂが除去されていること以外は、上記の実施例１と同様にして図２に示したような燃料電池１Ｂを作製した。
【００９５】
実施例３
正極側の調湿層６Ａが除去されていること以外は、上記の実施例１と同様にして図３に示したような燃料電池１Ｃを作製した。
【００９６】
実施例４
調湿層６Ａ及び６Ｂの材質を、汎用吸水性樹脂であるヘキサヒドロキシセルロースをシート状に成形したものに変更したこと以外は、上記の実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
【００９７】
実施例５
調湿層６Ａ及び６Ｂの材質を、ランシールＦ（東洋紡社製）をシート状に成形したものに変更したこと以外は、上記の実施例１と同様にして燃料電池を作製した。
【００９８】
実施例６
撥水層４Ａ及び４Ｂが形成されていないガス拡散層が設けられていること以外は、上記の実施例１と同様にして図４に示したような燃料電池１Ｄを作製した。
【００９９】
比較例１
調湿層９Ａ及び９Ｂが構成部材から除かれていること以外は、実施例１と同様にして図５に示す燃料電池１Ｅを作製した。
【０１００】
上記の実施例１〜６及び比較例１の構成を有し、電極サイズが１３ｃｍ×１３ｃｍの各燃料電池を用いて、３００ｍＡの定電流発電を室温で行い、燃料電池の電圧が０Ｖとなったところで発電を終了した。
【０１０１】
燃料には、０．２ccの無希釈のメタノール１１を用い、燃料供給口付近の燃料タンク１２より直接気化させることで供給した。それぞれの発電時間、発電終了時の温度、及び電流遮断法より求めた発電開始１０分後のバルク抵抗値をそれぞれ表１に示す。
【０１０２】
【表１】
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【０１０３】
上記の表１によれば、実施例１〜６に比して、比較例１は顕著に発電時間が短く、かつ、発電終了時の温度及び発電１０分後のバルク抵抗値が共に高いことが分る。
【０１０４】
即ち、実施例１〜６では、調湿層９Ａ及び／又は９Ｂの存在によって、メタノールクロスオーバーによって生じる発熱がもたらす高分子電解質膜２の乾燥（内部抵抗値の上昇）という悪循環が抑制可能となり、保湿の効果が得られている。
【０１０５】
また、発熱が抑制可能となったことにより、メタノールクロスオーバー量の増大傾向も抑制可能となり、燃費が向上し、発電時間が延びている。
【０１０６】
なお、実施例３に比して実施例２は、顕著に発電時間が長く、発電終了時の温度及び発電１０分後のバルク抵抗値も低くなっている。これは、調湿層は負極側よりも正極側に配置した方が、上述の保湿効果をより発揮することを意味する。
【０１０７】
また、実施例４より実施例１の方が上述の保湿効果が高い。即ち、調湿層の材質に汎用の吸水性樹脂を用いるよりも、吸放湿繊維を用いた方が有利である。
【０１０８】
メタノールクロスオーバーによる発熱及びジュール熱については、まず、高分子電解質膜２から水分が蒸発し拡散した後に、正極側の撥水層４Ａで内部へ水分を押し戻そうとするが、どうしても押し戻しきれない水分がある。それを正極側に配置した調湿層９Ａがキャッチすることができる。この時の作用は吸湿となる。
【０１０９】
この調湿層９Ａに用いた吸放湿繊維は、雰囲気の変化により吸湿と放湿を繰り返すが、熱が上がってきて内部の湿度が下がると、放湿するため、保湿の効果を発揮する。
【０１１０】
吸放湿繊維（特に、モイスファイン）が、汎用の吸水性樹脂よりも上述の効果が高いことが上記の実験結果から分る。
【０１１１】
これは、吸湿と放湿の臨界湿度が吸放湿性繊維の方が低湿度側にあるためであることが要因であると考えられる。即ち、吸湿から放湿に切り替わる湿度がより低いために、乾燥度合いが低いうちに放湿され、保湿効果が得やすいからである。
【０１１２】
また、負極側の反応には水分が必要であるが、この反応には、正極側で生成された水分が逆拡散してきたもの（逆拡散水）を使用している。
【０１１３】
しかし、負極側で使われずに通り過ぎてメタノールタンク１２側まで拡散してこようとする水分が存在する。そこで、負極側の撥水層４Ｂで内部へ水分を押し戻そうとするが、どうしても戻しきれない水分がある。それを負極側に配置した調湿層９Ｂがキャッチする。この時の作用は吸湿である。そして、内部の湿度が下がると、放湿して保湿の効果を発揮することができる。
【０１１４】
ただし、逆拡散が阻害されるほどの熱が出始めると、効果を発揮できないので、調湿層を正極側に配置した場合よりは効果が低いと考えられる。
【０１１５】
即ち、正極側と負極側との両方に調湿層９Ａ及び９Ｂを設置すると、上述の保湿効果が最も良好に得られるが、正極側に設置した調湿層９Ａの効果は、負極側に設置するより高い。
【０１１６】
以上、本発明を実施の形態及び実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの例に何ら限定されるものではなく、発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能であることは言うまでもない。
【０１１７】
例えば、調湿層９Ａ及び９Ｂの材質は、十分な水分吸放出特性があれば、上述の材質以外のものを使用してよい。また、調湿層９Ａ及び９Ｂの厚さ及び形成方法等も少なくとも上述の実施例等と同等の効果があれば、任意に変更することができる。
【０１１８】
また、燃料電池の動作開始時には、燃料としてメタノールに水を適量添加して、負極側の反応を促進させるようにしてもよい。
【０１１９】
また、燃料電池に使用する燃料については、メタノール以外にも、水素型燃料電池等の他の種類の燃料を用いてもよいし、燃料電池の複数個を直列又は並列に接続することもできる。
【０１２０】
また、本発明は、触媒に酵素、微生物などを用い、糖質、脂質、蛋白質などを燃料として利用するバイオ燃料電池にも適用可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２１】
本発明の燃料電池は、小型化及び高容量化を必要とする電子機器の電源に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１２２】
【図１】本発明の第１の実施の形態による燃料電池の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による燃料電池の断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態による燃料電池の断面図である。
【図４】本発明の第４の実施の形態による燃料電池の断面図である。
【図５】比較例による燃料電池の断面図である。
【図６】従来の燃料電池の断面図である。
【図７】同、別の燃料電池の概略断面図である。
【図８】特許文献１による燃料電池の要部断面図である。
【図９】特許文献２による燃料電池の概略断面図である。
【符号の説明】
【０１２３】
１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ、１Ｅ…燃料電池、２…高分子電解質膜、
３Ａ、３Ｂ…触媒層、４Ａ、４Ｂ…撥水層、５Ａ、５Ｂ、…ガス拡散層、
６Ａ、６Ｂ…集電体、７Ａ、７Ｂ…筐体板、８Ａ、８Ｂ…ガス拡散基材、
９Ａ、９Ｂ…調湿層、１０Ａ、１０Ｂ…通気孔、１１…メタノール、
１２…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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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