(57)【要約】  燃料極と酸化剤極とによって固体高分子電解質膜が挟まれた構造を有する膜・電極接合体と、前記膜・電極接合体の前記酸化剤極側に設けられ、前記酸化剤極へ酸化剤を供給する為の酸化剤流路と、前記酸化剤極と前記前記酸化剤流路との間に設けられ、水蒸気透過性を有する撥水性膜とを具備する。これにより、液滴の付着、接触による酸化剤ガス供給阻害が抑制された固体高分子型燃料電池が提供される。
2007123066.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極とによって固体高分子電解質膜が挟まれた構造を有する膜・電極接合体と、
前記膜・電極接合体の前記酸化剤極側に設けられ、前記酸化剤極へ酸化剤を供給する為の酸化剤流路と、
前記酸化剤極と前記前記酸化剤流路との間に設けられ、水蒸気透過性を有する撥水性膜と、
を具備する
固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求の範囲１に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜は、多孔質膜である
固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求の範囲１又は２に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜は、前記酸化剤極と密着している
固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求の範囲１又は２に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記酸化剤極と前記撥水性膜との間には空隙が設けられている
固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
請求の範囲１乃至４のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜の空気透過速度は、発電時の前記酸化剤極における最大の空気消費速度よりも大きく、
前記撥水性膜の水蒸気透過速度は、発電時の酸化剤極における最大の水生成速度よりも大きい
固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
請求の範囲１乃至５のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜の水に対する接触角度は、９０度以上である
固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
請求の範囲１乃至６のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜は、ポリテトラフルオロエチレンを含む
固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
請求の範囲１乃至７のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
更に、
液体燃料を気化して前記燃料極に供給する燃料気化部
を具備する
固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学的な反応により発電する固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質膜を燃料極と酸化剤極とで挟持した構造の膜・電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ。以下、ＭＥＡと記載する。）を有する固体高分子型燃料電池が知られている。この固体高分子型燃料電池は、燃料極に燃料として水素やアルコール等が供給され、酸化剤極に空気又は酸素（酸化剤ガス）が供給されて電気化学反応を起こし、電力を取り出す装置である。【０００３】
固体高分子型燃料電池では、燃料極に水素やアルコールなどの燃料が送り込まれると、燃料は燃料極上に固定された触媒粒子の作用により分解されてプロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）に分離される。プロトンは固体高分子電解質膜を通過して酸化剤極上で空気中の酸素と反応して、水を生成する。このとき、電子が外部負荷を通って燃料極から酸化剤極に移動することにより電力が取り出される。一方、酸化剤極で生成した水は、電池反応に伴う反応熱により蒸発して水蒸気となって酸化剤流路に放出される。【０００４】
ところで、固体高分子型燃料電池では、単一のセルでは得られる電圧が低いために、一般に複数のセルを直列接続させた燃料電池スタックとして使用される。燃料電池スタックにおいて複数のセルの各々に酸化剤ガスを供給するにあたり、酸化剤流路が複数のセルの上を跨ぐように設けられる場合がある。このような場合、酸化剤流路上流側のセルでは、電解質膜の乾燥による電池出力の低下が起きやすくなる。従って、加湿された酸化剤ガスを送って酸化剤流路内の相対湿度を１００％近くに調整することが行われる。このとき、酸化剤流路の下流側のセルでは、相対湿度が１００％に達してしまい、凝縮水（結露水）が発生してしまうことがある。この凝縮水は酸化剤流路内でも温度が低い酸化剤流路の壁面に発生しやすい。凝縮水は、時間とともに液滴として成長し、やがて酸化剤極表面に落下して付着したり、接触したりすることがある。酸化剤極表面に液滴が付着したり接触すると、酸化剤極への酸化剤ガスの供給が妨げられることになる。よって、液滴の付着、接触による酸化剤ガス供給の阻害を抑制する為の技術が望まれる。【０００５】
上記と関連して、特開２００３−３３１９００号公報は、発電で生成した水分が、大気中に拡散しきれずに固体高分子型燃料電池から漏水するのを防ぐために、酸素透過孔及びカソード集電体間に吸水層を具備することが記載されている。【０００６】
また、特開２００４−２２２５４号公報は、発電電力の取り出し効率を向上するために、触媒層と撥水化されたガス拡散層からなるガス拡散電極で構成される燃料電極及び酸化剤電極と、この一対の電極で挟持した固体高分子電解質膜からなる発電部及び、燃料及び酸化剤を隔離するセパレータからなる単位セルを複数段積層して構成する燃料電池において、ガス拡散電極が、触媒層と、触媒層を除いて撥水処理された撥水材を含むガス拡散層とから構成される事が記載されている。ここで、その触媒層は、ガス拡散層の固体高分子電解質膜へ接触する表面に撥水処理前に形成され、撥水剤を含まないことが記載されている。【０００７】
また、特開２００４−１４０００１号公報には、固体電解質膜と、その固体電解質膜を挟持する燃料極及び酸化剤極と、その燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部とを含む燃料電池において、その酸化剤極が、基材と、その基材とその固体電解質膜との間に設けられた触媒層とを含み、その基材中に、その触媒層の側から電池外部に向かって、疎水性を有する第１の層及び親水性を有する第２の層がこの順で設けられていることが記載されている。【０００８】
また、特開２００５−３８７８０号公報には、セパレータ、ガス拡散層、及び触媒層がこの順序で積層されてなる電極を有する固体高分子型燃料電池において、ガス拡散層又は触媒層の積層面に、発電反応で生じた水を滞留させる滞留溝が形成され、滞留溝のセパレータ側に存在する層は、滞留溝に対向する箇所に形成されてなる親水性部位と、滞留溝に対向しない箇所に形成されてなる疎水性部位とからなり、セパレータは、多孔質であることが記載されている。【０００９】
また、特開平６−５２８９号公報は、少なくとも一部が発泡金属からなる電極を有することを特徴とする高分子電解質型燃料電池、を開示している。【００１０】
酸化剤極への空気供給が妨げられないように、酸化剤極自体に工夫を加える場合がある。しかしながら、酸化剤極自体の性質を変化させると、絶縁性被膜の形成により接触抵抗が増大したり、形状の変化等が諸性質に影響を与えてしまう場合がある。よって、酸化剤極への空気供給の阻害を、酸化剤極自体の性質を変化させないで防止することのできる技術が望まれる。
【発明の開示】
【００１１】
本発明の目的は、液滴の付着、接触による酸化剤ガス供給の阻害が抑制された固体高分子型燃料電池を提供することにある。
【００１２】
本発明の他の目的は、酸化剤極自体の性質を変化させないで、液滴の付着、接触による酸化剤ガス供給阻害が抑制された固体高分子型燃料電池を提供することにある。
【００１３】
本発明の固体高分子型燃料電池は、燃料極と酸化剤極とによって固体高分子電解質膜が挟まれた構造を有する膜・電極接合体と、膜・電極接合体の酸化剤極側に設けられ、酸化剤極へ酸化剤を供給する為の酸化剤流路と、酸化剤極と酸化剤流路との間に設けられ、空気透過性及び水蒸気透過性を有する撥水性膜と、を具備する。この発明によれば、撥水性膜が空気透過性を有していることにより、酸化剤ガスは撥水性膜を介して酸化剤極へ供給される。この時、酸化剤流路内の相対湿度が上昇して凝縮水が発生したとしても、その凝縮水は撥水性膜があるので酸化剤極には接触しない。また、撥水作用によって液滴が撥水性膜に接触する面積は小さくなり、酸化剤ガスの供給阻害も少ない。更に、撥水性膜の水蒸気透過性により、酸化剤極で発生した水分は酸化剤流路に排出される。酸化剤極側に水分が蓄積され、蓄積された水分が凝縮して酸化剤極に接触してしまうこともない。
【００１４】
その撥水性膜は、多孔質膜であることが好ましい。
【００１５】
一の観点において、その撥水性膜は、酸化剤極と密着していることが好ましい。
【００１６】
他の一の観点において、その酸化剤極と撥水性膜との間に空隙が設けられていることが好ましい。
【００１７】
その撥水性膜の空気透過速度は、発電時の酸化剤極における最大の空気消費速度よりも大きく、その撥水性膜の水蒸気透過速度は、発電時の酸化剤極における最大の水生成速度よりも大きいことが好ましい。
【００１８】
その撥水性膜の水に対する接触角度は、９０度以上であることが好ましい。
【００１９】
その撥水性膜は、ポリテトラフルオロエチレンを含むことが好ましい。
【００２０】
上記の固体電解質型燃料電池は、その燃料極へ供給される燃料として液体燃料が使用される場合、更に、液体燃料を気化して燃料極に供給する燃料気化部、を具備することが好ましい。
【００２１】
本発明によれば、液滴の付着、接触による酸化剤ガス供給の阻害が抑制された固体高分子型燃料電池が提供される。
【００２２】
本発明によれば、更に、酸化剤極自体の諸性質を変化させないで、液滴の付着、接触による酸化剤ガス供給阻害が抑制された固体高分子型燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、第１の実施形態における単セル構造を示す断面図である。
【図２】図２は、第２の実施形態における単セル構造を示す断面図である。
【図３】図３は、第３の実施形態における単セル構造を示す断面図である。
【図４】図４は、実施例および比較例で用いた燃料電池の特性を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態について、図面を用いて説明する。【００２５】
図１は、第１の実施形態における固体高分子型燃料電池２０の単セルの断面図である。固体高分子型燃料電池２０は、膜・電極接合体１０（以下、ＭＥＡと記載）、撥水性多孔質膜５、燃料流路４ａ、及び酸化剤流路４ｃを有している。【００２６】
ＭＥＡ１０は固体高分子電解質膜１の両面が燃料極１０ａ（アノード）と酸化剤極１０ｃ（カソード）により挟持されることで形成されている。燃料極１０ａは、固体高分子電解質膜１側に設けられたアノード触媒層２ａと、アノード触媒層２ａ上に設けられたアノードガス拡散電極３ａとを有する。酸化剤極１０ｃも同様に、固体高分子電解質膜１側に設けられたカソード触媒層２ｃと、カソード触媒層２ｃ上に設けられたカソードガス拡散電極３ｃとを有する。カソードガス拡散電極３ｃ上には、撥水性多孔質膜５が、カソードガス拡散電極３ｃに密着して設けられている。撥水性多孔質膜５上には酸化剤流路４ｃが形成されている。一方、アノードガス拡散電極３ａ上には、燃料流路４ａが設けられている。【００２７】
ＭＥＡ１０及び撥水性多孔質膜５は、筐体（図示せず）によって挟み込まれている。この筐体の内側には凹部が形成されており、この凹部が酸化剤流路４ｃ及び燃料流路４ａとなっている。燃料流路４ａは、水素やアルコールなどの燃料が供給されるように構成されている。酸化剤流路４ｃは、空気や酸素などの酸化剤ガスが供給されるように構成されている。燃料流路４ａに供給された燃料は、燃料極１０ａに供給される。一方、酸化剤流路４ｃには、空気や酸素などの酸化剤ガスが供給される。酸化剤流路４ｃに供給された酸化剤ガスは、撥水性多孔質膜５を介して酸化剤極１０ｃに供給される。【００２８】
アノード触媒層２ａでは、燃料極１０ａに供給された燃料からプロトンと電子が取り出される。アノード触媒層２ａは、触媒をカーボン等の担体に担持させた粒子（粉末を含む）又は担体を有さない触媒単体と、プロトン伝導体との混合物で構成することができる。その触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、モリブデン、ランタン、ストロンチウム、イットリウム等が挙げられる。触媒は、１種のみでも、２種類以上を組み合わせて用いてもよい。触媒を担持する粒子としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等の炭素系材料が例示される。粒子の大きさは、例えば炭素系材料が粒状物であるときには、０．０１〜０．１μｍ程度の範囲内、好ましくは０．０２〜０．０６μｍ程度の範囲内で適宜選定される。粒子に触媒を担持させるには、例えばコロイド法を適用することができる。アノード及びカソードの単位面積当たりの触媒量は、触媒の種類や大きさ等に応じて、０．１ｍｇ／ｃｍ２〜２０ｍｇ／ｃｍ２程度の範囲内で適宜選定可能である。【００２９】
カソード触媒層２ｃでは、酸化剤極１０ｃに供給された酸化剤ガスが、プロトンや電子と反応して、水が生成される。カソード触媒層２ｃは、アノード触媒層２ａと同様のものを用いることができる。【００３０】
アノードガス拡散電極３ａ、カソードガス拡散電極３ｃは、燃料や酸化剤ガスをアノード触媒層２ａやカソード触媒層２ｃへ拡散させるためのものである。これらの材質としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属等の導電性を有する多孔質体を用いることができる。厚さは、１００μｍ〜３００μｍのものが好適に用いられる。また、気孔率４０％〜９０％のものが好適に用いられる。【００３１】
固体高分子電解質膜１としては、燃料に対する耐食性を有すると共に、プロトンの伝導性が高く、かつ、電子伝導性をもたない高分子膜が好適に使用される。こうした固体高分子電解質膜１として、スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有するイオン交換樹脂が挙げられる。そのイオン交換樹脂の具体例としては、パーフルオロスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸系樹脂、スルホン化ポリイミド系樹脂等が挙げられる。より具体的には、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリスルホン、スルホン化ポリイミド、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族系高分子からなる固体高分子電解質膜を挙げることができる。固体高分子電解質膜１の膜厚は、その材質や燃料電池の用途等に応じて、１０〜３００μｍ程度の範囲内で適宜選定可能である。【００３２】
撥水性多孔質膜５は発電反応で消費される空気消費速度よりも高い空気透過性を有している。高い空気透過性を有していることにより、酸化剤流路４ｃから酸化剤極１０ｃへの酸化剤供給が、撥水性多孔質膜５によって遮られない。撥水性多孔質膜５としては、発電条件にも依存するが、通気度（ガーレー試験法ＪＩＳ  Ｐ８１１７）が２０ｓｅｃ以下であるものが好適に用いられる。【００３３】
撥水性多孔質膜５は、発電反応により酸化剤極１０ｃで発生する水蒸気の生成速度よりも高い水蒸気透過性を有している。水蒸気透過性を有していることにより、酸化剤極１０ｃで生成した水分が酸化剤流路４ｃへと排出される。その結果、水分が酸化剤極１０ｃに付着して酸化剤ガスの供給を阻害することがない。撥水性多孔質膜５としては、発電条件にも依存するが、透湿度（ＪＩＳ  Ｋ７１２９Ａ）が７０００（ｇ／ｍ２・ｄａｙ）以上のものが好適に用いられる。【００３４】
撥水性多孔質膜５は、多孔質体である。その形状としては、厚さ１０〜１００μｍ、孔径０．１〜３μｍ、気孔率７０〜９０％のものが好適に用いられる。このような形状のものを用いると、高い空気透過性、水蒸気透過性を得る事ができる。また、撥水性多孔質膜５の表面はカソードガス拡散電極３ｃと比較して、十分に平滑である。【００３５】
撥水性多孔質膜５は撥水性を有している。撥水性を有していることにより、酸化剤流路４ｃで発生した結露水の液滴が撥水性多孔質膜５に付着したとしても、液滴が広がらない。その結果、酸化剤ガスの供給阻害が最小限に抑えられる。撥水性の尺度としては、水に対する接触角が９０度以上であることが望ましい。【００３６】
撥水性多孔質膜５の材料としては、例えばポリエチレンやポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、あるいはそれらの共重合体からなる多孔質膜、撥水処理したポリエーテルスルホン、アクリル共重合体などを用いることができる。これらのなかでも、ＰＴＦＥ多孔質膜は撥水性、耐薬品性、機械的特性などの点で優れており、撥水性多孔質膜５としてより好ましい。なお、撥水性多孔質膜５は異なる種類の膜が積層された多層膜であってもよい。多層膜の場合、酸化剤流路４ｃ側の面が十分な撥水性を有していれば、酸化剤極１０ｃ側の面は親水性を有していても構わない。【００３７】
上記のような固体高分子型燃料電池の作用について説明する。起電時において、燃料流路４ａには水素やアルコール等の燃料が供給される。一方、酸化剤流路４ｃには、空気や酸素などの酸化剤ガスが供給される。【００３８】
燃料流路４ａに供給された燃料は、アノードガス拡散電極３ａを介してアノード触媒層２ａに供給される。燃料は、アノード触媒層２ａにおいて分解され、これによりプロトンと電子が生成される。電子は、外部回路（図示せず）へ導き出され、外部回路を介して酸化剤極に流れ込む。プロトンは、固体高分子電解質膜１を介して酸化剤極１０ｃに達し、酸化剤極１０ｃに供給された酸化剤ガスと反応し、水が生成される。【００３９】
ここで、酸化剤流路４ｃの相対湿度が１００％を超えて、酸化剤流路４ｃの壁面などに凝縮水が生成したとしても、撥水性多孔質膜５が存在するために酸化剤極１０ｃ表面に直接に水が接触することはない。また、撥水性多孔質膜５に液滴が接触しても液滴は球状となり膜面に広がらない。その結果、酸化剤ガスの供給の滞りを最小限に抑えることができる。更に、撥水性多孔質膜５の表面は平滑であるため、撥水性多孔質膜５表面に付着した液滴は、酸化剤流路４ｃ内の酸化剤ガスの流れによってスムーズに排出される。【００４０】
なお、撥水性多孔質膜５の空気透過性を発電時の酸化剤極における最大の空気消費速度よりも大きくし、撥水性多孔質膜５の水蒸気透過性を発電時の酸化剤極における最大の水生成速度よりも大きくしておけば、発電に必要な空気の取り込みと発電によって発生する水蒸気の排出が十分に行われることになる。その結果、撥水性多孔質膜５を設けても電池出力の低下はほとんど起きない。【００４１】
また、本実施形態では撥水性多孔質膜５がカソードガス拡散電極３ｃに密着して設けられている。これにより、カソードガス拡散電極３ｃで発生した熱は、撥水性多孔質膜５に効率的に伝えられる。その結果、撥水性多孔質膜５の内部や表面において、水蒸気の凝縮が起きにくくなる。これにより、撥水性多孔質膜５における酸化剤ガスや水蒸気の透過が、凝縮水によって阻害されるのを更に抑制することができる。【００４２】
（第２の実施形態）
続いて、本発明の第２の実施形態について説明する。図２は、第２の実施形態における固体高分子型燃料電池の単セルの断面図である。本実施形態では、第１の実施形態と比較して、カソードガス拡散電極３ｃと撥水性多孔質膜５の間に設けられたスペーサー６が追加されている。スペーサー６は、ＭＥＡ１０の外周部に対応して、枠状に設けられている。このスペーサ−６によって、撥水性多孔質膜５とカソードガス拡散電極３ｃとの間には、空隙７が形成されている。このスペーサー６と空隙７以外の構成は第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。【００４３】
本実施の形態に依れば、カソードガス拡散電極３ｃと撥水性多孔質膜５との間の空隙７があるので、撥水性多孔質膜５を介して酸化剤極１０ｃに供給される酸化剤ガスの濃度を、位置に依らず均一にすることができる。即ち、撥水性多孔質膜５上に液滴が接触しても、局所的に酸化剤ガスの供給が阻害されることがなく、酸化剤極１０ｃに供給される酸化剤ガスの局所的な濃度低下を抑えることができる。【００４４】
空隙７の厚さとしては０．１〜０．５ｍｍの間にあることが望ましい。０．１ｍｍ以下であると、酸化剤ガスの供給が空隙７を介しても完全に均一化させることが難しくなる。一方、０．５ｍｍよりも厚いと、酸化剤ガスが十分に供給されにくくなる。【００４５】
尚、本実施の形態では、撥水性多孔質膜５は、発熱するカソードガス拡散電極３ｃと空隙７を介しているために、第１の実施形態のものよりもやや温度が低下する。従って、第１の実施形態よりも撥水性多孔質膜５の内部や表面における水蒸気の凝縮が起きやすくなることがある。こうした点を考慮し、撥水性多孔質膜５の厚さを薄くしたりや孔径や気孔率大きくするなど、その構成に応じて、撥水性多孔質膜５の形状は適宜調整することが望ましい。【００４６】
（第３の実施形態）
続いて、本発明の第３の実施形態について説明する。図３は、第３の実施形態における固体高分子型燃料電池の単セルの断面図である。第１の実施形態と比較して、燃料極１０ａと燃料流路４ａとの間に設けられた燃料気化部８が追加されている。また、本実施形態の固体高分子型燃料電池は、燃料としてメタノール水溶液等の液体燃料が改質などされずに直接供給される、ダイレクトメタノール型燃料電池であるものとする。これら以外の点については、第１の実施の形態と同様であり、説明を省略する。【００４７】
燃料気化部８は、燃料流路４ａを流れる液体燃料に対して気液分離を行う。即ち、液体燃料（メタノール）は燃料気化部８によって気化され、気体成分のみが選択的に燃料極１０ａに供給される。【００４８】
燃料気化部８としては気液分離膜や水蒸気透過膜が好適に用いられる。気液分離膜としては発電に必要な気化燃料が供給されるガス透過性能を有していればよく、撥水性多孔質膜５と同じものも用いることができる。また、非多孔性の水蒸気透過膜も用いることができる。具体的にはイオン交換基を有する高分子電解質膜を用いることができる。イオン交換基を有する高分子電解質膜を用いた場合、イオンの水和作用により、膜の燃料流路４ａ側の燃料が濃度拡散によって燃料極１０ａに透過し、気化した燃料が燃料極１０ａに供給される。【００４９】
なお、燃料気化部８を燃料電池スタック外部に別に設けておき、気化した燃料を燃料流路に流すように構成してもよい。【００５０】
ダイレクトメタノール型の燃料電池では、液体燃料をそのまま燃料極１０ａに供給すると、燃料極１０ａにおいて水分が過剰となることがある。過剰の水分は、固体高分子電解質膜１を介して酸化剤極１０ｃへクロスオーバーし、酸化剤極１０ｃに過剰な水分が供給されることになる。このような場合、酸化剤極１０ｃで蒸発しきれなかった水がカソードガス拡散電極３ｃと撥水性多孔質膜５の間に溜まり、空気の取り込みが阻害される可能性がある。【００５１】
本実施の形態に依れば、燃料気化部８を設けることによって、液体燃料が気化されて燃料極１０ａに供給される。その結果、液体燃料は燃料極１０ａに直接接触しない。また、必要以上に燃料が供給されないので、クロスオーバー量を減らすことができる。クロスオーバーする水分量が減るので、酸化剤極１０ｃにおける水の結露が抑制される。よって、第１の実施の形態で成された工夫である、撥水性多孔質膜５を設けることによる酸化剤ガス供給阻害の防止効果を、相乗的に高めることができる。【００５２】
なお、酸化剤流路４ｃに供給する空気の加湿の程度や、流量、温度などの条件によっては、酸化剤流路４ｃ内の空気の湿度が十分とならずに固体高分子電解質膜１が乾燥してイオン伝導率が低下し、電池出力の低下を招く場合がある。このような場合、酸化剤極１０ｃと撥水性多孔質膜５の間に保湿層（図示せず）を設けてもよい。保温層によって、酸化剤極からの水分の蒸散が抑制され、固体高分子電解質膜の乾燥を防止することができる。保湿層としては、セルロースなどの繊維状樹脂やポリウレタンなどの発泡質樹脂、あるいは、ガラスウールなどの無機材料の多孔質体を好適に用いることができる。【００５３】
以下、本発明者らによって実験された実施例について説明する。【００５４】
（実施例１）
炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意した。この触媒担持炭素微粒子１ｇにデュポン社製の５重量％ナフィオン溶液（商品名；ＤＥ５２１、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標）を加え、攪拌して、カソード形成用の触媒ペーストを得た。一方、白金微粒子に代えて粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金微粒子（Ｒｕの割合は５０ａｔ％）を用いた以外は上記カソード形成用の触媒ペーストと同じ条件にて、アノード形成用の触媒ペーストを得た。カソード形成用の触媒ペーストを１〜８ｍｇ／ｃｍ２の塗工量で４ｃｍ×４ｃｍのカソードガス拡散電極３ｃ上に塗布し、乾燥させてカソード触媒層２ｃを形成した。同様に、アノード形成用の触媒ペーストを用いて、アノードガス拡散電極３ａ上にアノード触媒層２ａを形成した。【００５５】
次に、デュポン社製のナフィオン１１７（数平均分子量は２５００００）からなる５ｃｍ×５ｃｍ×厚さ１８０μｍの膜を固体高分子電解質膜１を用意した。上述のようにして作製した触媒層付きの電極を、触媒層側が固体高分子電解質膜１となるように配置し、固体高分子電解質膜１を両側からホットプレスした。これにより、燃料極１０ａ及び酸化剤極１０ｃが固体高分子電解質膜１に接合されたＭＥＡ１０を得た。【００５６】
作製したＭＥＡ１０のカソードガス拡散電極３ｃ側に撥水性多孔質膜５（孔径０．６μｍ、厚さ２５μｍ、気孔率８５％）を、アノードガス拡散電極３ａ側に気液分離膜８（既述の撥水性多孔質膜５と同じ膜）を密着させて配置した。さらに、酸化剤流路４ｃと燃料流路４ａがそれぞれ形成された箱型の樹脂枠を用意した。撥水性多孔質膜５、気液分離膜５の配置されたＭＥＡ１０を、両側からその樹脂枠によって挟み込み、図３に示す構成の単セルを得た。なお、図には示していないがアノードガス拡散電極３ａとカソードガス拡散電極３ｃには電流端子を接続し、樹脂枠には燃料あるいは酸化剤の供給口と排出口が設けてある。このようにして作製した１０個の単セルの各電流端子を直列接続し、燃料（酸化剤）の吸入口と排出口を直列に連結することによって、各セルが直列接続された燃料電池スタックを用意した。【００５７】
（実施例２）
図２のようにカソードガス拡散電極３ｃと撥水性多孔質膜５の間にスペーサー６（厚み０．２ｍｍ）を設けることによって、撥水性多孔質膜５をカソードガス拡散電極３ｃに密着させずに０．２ｍｍの隙間を空けて燃料電池スタックを用意した。それ以外は実施例１と同じとした。【００５８】
（比較例）
撥水性多孔質膜５を設けなかった他は、実施例と同様にして比較例の燃料電池スタックを用意した。【００５９】
（実験条件）
図４は、実施例１、２および比較例の燃料電池スタックについて、１２５ｍＡ／ｃｍ２で発電させたときの単セル当たりの平均電圧の経時変化の結果を示している。尚、燃料としては１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を用い、約３０ｃｃ／ｍｉｎの流量で燃料流路４ａに流した。酸化剤ガスとしては室温の加湿空気を用い、約６００ｃｃ／ｍｉｎの流量で酸化剤流路４ｃに流して発電させた。図４に示されるように、比較例の燃料電池は、電圧が不安定であり、時間とともに電圧が低下していく傾向を示した。これに対して、実施例１、２の燃料電池では、安定して発電が維持された。なお、図４では、実施例１と実施例２ではほぼ同じ結果を示したため、両者をまとめて実施例として記載している。【００６０】
上述の実験結果により、撥水性多孔質膜５を設けることで、酸化剤流路４ｃ内で生成した凝縮水が酸化剤極１０ｃへの空気供給阻害が効果的に防止されることが確認された。
【図１】
2007123066.tif 000003
【図２】
2007123066.tif 000004
【図３】
2007123066.tif 000005
【図４】
2007123066.tif 000006
【手続補正書】
【提出日】平成19年9月13日(2007.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と酸化剤極とによって固体高分子電解質膜が挟まれた構造を有する膜・電極接合体と、
前記膜・電極接合体の前記酸化剤極側に設けられ、前記酸化剤極へ酸化剤を供給する為の酸化剤流路と、
前記酸化剤極と前記前記酸化剤流路との間に設けられ、水蒸気透過性を有する撥水性膜と、
を具備し、
前記酸化剤極と前記撥水性膜との間には空隙が設けられている
固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求の範囲１に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜は、多孔質膜である
固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
（削除）
【請求項４】
（削除）
【請求項５】
請求の範囲１又は２に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜の空気透過速度は、発電時の前記酸化剤極における最大の空気消費速度よりも大きく、
前記撥水性膜の水蒸気透過速度は、発電時の酸化剤極における最大の水生成速度よりも大きい
固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
請求の範囲１、２及び５のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜の水に対する接触角度は、９０度以上である
固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
請求の範囲１、２、５及び６のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記撥水性膜は、ポリテトラフルオロエチレンを含む
固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
請求の範囲１、２、５、６及び７のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
更に、
液体燃料を気化して前記燃料極に供給する燃料気化部
を具備する
固体高分子型燃料電池。
【国際調査報告】
2007123066.tif 000007
2007123066.tif 000008
2007123066.tif 000009