(57)【要約】【課題】気液分離膜を用いて気化供給する燃料電池において、気液分離膜への不純物付着を低減させることのできる固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面上に接触して配置されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面上に接触して配置されたアノードと、アノードへ供給される燃料を、液体の状態で一時的に保持する液体燃料保持部と、前記液体燃料保持部と前記アノードとの間に配置され、燃料の気体成分のみを選択的に透過させて前記アノードへ供給する気液分離膜と、を具備する。前記気液分離膜と前記液体燃料保持部とは接触しており、前記液体燃料保持部は、導電性を有している。【選択図】図１
2007273218.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、
前記固体高分子電解質膜の一方の面上に接触して配置されたカソードと、
前記固体高分子電解質膜の他方の面上に接触して配置されたアノードと、
アノードへ供給される燃料を、液体の状態で一時的に保持する液体燃料保持部と、
前記液体燃料保持部と前記アノードとの間に配置され、燃料の気体成分のみを選択的に透過させて前記アノードへ供給する気液分離膜と、
を具備し、
前記気液分離膜と前記液体燃料保持部とは接触しており、
前記液体燃料保持部は、導電性を有している
固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
請求項１に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記液体燃料保持部の表面抵抗値は、０（Ω）より大きく、１０１２（Ω）以下である
固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記液体燃料保持部は、高分子発泡体である
固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
請求項３に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記液体燃料保持部は、気孔率が５０％以上９５％以下である
固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
請求項３又は４に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記液体燃料保持部は、連続した３次元的な細孔構造を有している
固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
請求項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、
前記液体燃料保持部は、表面の全面で前記気液分離膜と密着している
固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
請求項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、
前記液体燃料保持部は、接地されている
固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
請求項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、
前記液体燃料保持部は、弾性体である
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、電解質膜として固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源としての研究開発が活発に進められている。
【０００３】
固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜をアノードとカソードとで挟持した構造の電極−電解質膜接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を備えている。液体燃料を直接アノードに供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれ、供給された液体燃料をアノードに担持された触媒上で分解して陽イオン、電子及び中間生成物を生成させる。さらにこのタイプの燃料電池では、生成した陽イオンは固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動し、生成した電子は外部負荷を経てカソード側に移動し、これらがカソードで空気中の酸素と反応して発電する。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣという。）では、下式１で表される反応がアノードで起こり、下式２で表される反応がカソードで起こる。
（反応式１）；ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−
（反応式２）；６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ＋  ３／２  Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ
【０００４】
（メタノール水溶液の理論濃度）
これらの式１及び２から明らかなように、ＤＭＦＣでは、理論上、アノードで１モルのメタノールと１モルの水とが反応して１モルの反応生成物（二酸化炭素）が生成される。このとき、水素イオン及び電子も生成されるため、燃料であるメタノール水溶液中のメタノールの理論濃度は体積％で約７０ｖｏｌ％となる。
【０００５】
（クロスオーバーについて）
しかし、従来、アノードに供給されるメタノール濃度が高くなると、メタノールが上記式１で表される反応に寄与することなく固体高分子電解質膜を透過してしまう「クロスオーバー」が起こり、発電容量や発電電力が低下することが知られている。クロスオーバーが大きくなると、（ａ）出力（電圧）が下がってしまう、（ｂ）燃料の利用効率が悪くなってしまう、（ｃ）発熱量が大きくなってＭＥＡの温度が上がるため、燃料温度が必要以上に上昇してクロスオーバーがさらに加速され、更なる温度上昇を引き起こしてしまう、等の問題が生じ易くなる。
【０００６】
上記と関連して、特許文献１は、ＤＭＦＣの出力密度を向上させるための技術を開示している。特許文献４は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、その正極とその負極との間に配置された固体電解質とを備えた液体燃料電池用発電素子であって、その正極及びその負極が、それぞれ厚さ２０μｍ以上の触媒層を含み、その夫々の触媒層の少なくとも一方は、細孔径０．３μｍ〜２．０μｍの細孔を有し、その細孔の細孔容積が、全細孔に対して４％以上であることを特徴とする液体燃料電池用発電素子、を開示している。
【０００７】
ＭＥＡの出力を高くするためには電解質膜のプロトン伝導を高くする必要があるが、これはメタノールの透過速度が高くなることにもつながる。このため、必要な出力を確保しようとすると、２０ｖｏｌ％程度のメタノール水溶液を用いてもクロスオーバーの影響を受けるのが現状である。逆に、さらに低濃度メタノール水溶液を用いることによってクロスオーバーを低減することは容易になるが、このような低濃度メタノール水溶液を液体燃料として用いると、液体燃料の単位質量当たりの発電量が少なくなるため、固体高分子型燃料電池のエネルギー密度を高めることができなくなるという問題が生じる。したがって、エネルギー密度の高い固体高分子型燃料電池を得るためには、理論上最適なメタノール濃度（７０ｖｏｌ％）にできるだけ近い液体燃料を用いて必要な燃料だけを消費してかつクロスオーバーを抑制する機構が必要となる。
【０００８】
このようなＭＥＡへの燃料供給を最適化させる先行技術としては、例えば特許文献２に記載のものが挙げられる。特許文献１には、酸化剤極と、この酸化剤極上に形成された電解質板と、この電解質板上に形成された燃料極と、この燃料極上に設けられた液体とガスを分離する分離膜と、この分離膜に接続される液体燃料保持部とを具備することを特徴とする燃料電池、が開示されている。
【０００９】
また、関連する技術として、特許文献３は、電解質層の両側に正極及び負極が対設され、負極側に、液体燃料を含浸して保持する液体燃料含浸層をさらに備える燃料電池であって、導電性多孔性材料からなり、負極へ液体燃料及び気体燃料を分配する燃料分配層を、負極と液体燃料含浸層との間に備えてなる燃料電池、を開示している。
【００１０】
また、液体吸収保持部材の材質に関して、特許文献４は、空孔の周囲に金属粉末が焼結した骨格を有する多孔質焼結体からなることを特徴とする多孔質液体吸収保持部材、を開示している。
【００１１】
また、燃料電池システムの小型化と高出力化を行う為の技術として、特許文献５は、電気導電性を有する炭素質多孔体を基材とし、該基材の表面に電極／電解質／電極の各層を形成した単位セル又は該単位セルを２以上連結した連結体を供え、上記基材に液体燃料を浸透させるとともに、基材の外表面に形成される電極面を空気に曝す構造を具備してなることを特徴とする燃料電池、を開示している。
【特許文献１】特開２００５−１８３３６８号  公報
【特許文献２】特開２００１−１５１３０号  公報
【特許文献３】特開２００３−６８３２５号  公報
【特許文献４】特開２００４−１８３０５５号  公報
【特許文献５】特開２００５−２５１７１５号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、液体燃料から気液分離膜を介して気体成分のみを選択的に透過させる構造の燃料電池において、本発明者らが更なる検討を行ったところ、以下のような問題が存在し、そのままでは安定した発電を行えないことを見出した。
【００１３】
アノード電極へ気化供給するための気液分離膜としてはフッ素樹脂からなる多孔質体を用いた場合、このフッ素樹脂からなる多孔質膜も含めて絶縁性の多孔質膜は液体燃料が触れていない乾燥状態においては表面に大きな静電気を生じてしまう。燃料電池では運転中に内部の部材の劣化や外部からのゴミなど多かれ少なかれ微細な不純物が混入することが想定される。このような不純物は乾燥状態において大きな静電気を帯びた気液分離膜に付着しやすくなり、気液分離膜への液体燃料の供給を阻害することになる。すなわち気液分離膜が乾燥した状態から起動させた場合には、気液分離膜への燃料供給が阻害されるので、アノード電極への安定した燃料気化供給も十分行えなくなる。また、物理的な燃料阻害以外にも気液分離膜の表面状態を変質させて分離膜の透過特性を変えてしまうことも挙げられる。また、アノード電極側でも部材の剥離等が起った場合にも、気化供給する多孔質膜が乾燥すれば同様に相対する気液分離膜に不純物が付着する確率が極めて高くなることが予測され、やはり燃料供給の阻害と膜表面の変質につながる。
【００１４】
以上の理由で、気液分離膜が乾燥した状態において不純物付着による物理的な燃料阻害と膜表面の変質によって安定した燃料供給が難しくなり、発電特性の低下しやすくなる。
【００１５】
また、気液分離膜の帯電を防止するために、金属製の材料を気液分離膜に密着させたとしても、燃料電池内に発生する副生成物（蟻酸など）により腐食し、表面が酸化膜で覆われて安定するので導電性も多かれ少なかれ低下してしまう。また、一般的に金属製の材質は硬くて凹凸も大きいので、気化供給に用いる気液分離膜の膜厚が薄い場合には膜を損傷してしまうこともある。
【００１６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は気液分離膜を用いて気化供給する燃料電池において、気液分離膜への不純物付着を低減させることのできる固体高分子型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】
【００１７】
以下に、［発明を実施するための最良の形態］で使用される番号・符号を用いて、［課題を解決するための手段］を説明する。これらの番号・符号は、［特許請求の範囲］の記載と［発明を実施するための最良の形態］との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、［特許請求の範囲］に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。
【００１８】
本発明に係る固体高分子型燃料電池（１０）は、固体高分子電解質膜（５）と、固体高分子電解質膜（５）の一方の面上に接触して配置されたカソード（７）と、固体高分子電解質膜（５）の他方の面上に接触して配置されたアノード（６）と、アノード（６）へ供給される燃料を、液体の状態で一時的に保持する液体燃料保持部（１６）と、液体燃料保持部（１６）とアノード（６）との間に配置され、燃料の気体成分のみを選択的に透過させてアノード（６）へ供給する気液分離膜（２０）と、を具備する。気液分離膜（２０）と液体燃料保持部（１６）とは接触している。液体燃料保持部（１６）は、導電性を有している。
燃料保持部（１６）が導電性を有していることで、乾燥状態でも気液分離膜（２０）表面の静電気が除去される。静電気が除去されるので、気液分離膜（２０）表面への不純物の付着を著しく抑えることができる。不純物の影響を受けないので、液体燃料が枯渇して気液分離膜（２０）が乾燥したような状況から発電させる場合においても、気液分離膜（２０）に必要な液体燃料が供給され、かつ気液分離膜からアノード（６）への気化供給も安定して行うことができる。また、長期的な観点にたてば、不純物付着による気液分離膜（２０）表面の変質も防止される。すなわち、上述の構成により、燃料が枯渇した場合など気液分離膜（２０）が乾燥した状態から発電させる状況において、極めて安定した発電特性を実現することが可能となる。
【００１９】
上記の固体高分子型燃料電池（１０）において、液体燃料保持部（１６）の表面抵抗値は、０（Ω）より大きく、１０１２（Ω）以下であることが好ましい。
液体燃料保持部（１６）の表面抵抗値が１０１２（Ω）より大きくなると、不純物を付着する効果が十分に得られない傾向にある。
【００２０】
上記の固体高分子型燃料電池（１０）において、液体燃料保持部（１６）は、高分子発泡体であることが好ましい。
高分子材料は耐酸性を有する化学的に安定なものが多種多様であり、発電反応の副生成物に対しても安定しているものを選定することができる。
【００２１】
上記の固体高分子型燃料電池（１０）において、液体燃料保持部（１６）は、気孔率が５０％以上９５％以下であることが好ましい。
気孔率が５０％より小さいと、液体燃料が十分に染み込まなくなり、燃料を気液分離膜側へ供給することが困難となる。一方、９５％より大きいと、燃料保持の機能が著しく損なわれる。
【００２２】
上記の固体高分子型燃料電池（１０）において、液体燃料保持部（１６）は、連続した３次元的な細孔構造を有していることが好ましい。
【００２３】
上記の固体高分子型燃料電池（１０）において、液体燃料保持部（１６）は、表面の全面で気液分離膜（２０）と密着していることが好ましい。
【００２４】
上記の固体高分子型燃料電池（１０）において、液体燃料保持部（１６）は、接地されていることが好ましい。
液体燃料保持部（１６）が接地されていることで、液体燃料保持部（１６）が除去した静電気を外部へ除くことができる。
【００２５】
上記の固体高分子型燃料電池（１０）において、液体燃料保持部（１６）は、弾性体であることが好ましい。
弾性体であることにより、気液分離膜（２０）と接触させたとしても気液分離膜（２０）に対して損傷を与えない。
【発明の効果】
【００２６】
本発明に依れば、気液分離膜を用いて気化供給する燃料電池において、気液分離膜への不純物付着を低減させることのできる固体高分子型燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の固体高分子型燃料電池について図面を参照しつつ説明する。図１は、本発明の固体高分子型燃料電池のセル構造を示す模式断面図である。なお、本発明は、これらの図面及び以下で説明する実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
本発明の固体高分子型燃料電池１０は、図１に示すように、固体高分子電解質膜５と、固体高分子電解質膜５の一方の面上にその面に接触させて配置されたカソード７と、他方の面上にその面に接触して配置されたアノード６と、カソード７及びアノード６上にそれぞれに接触して配置されたカソード集電体２及びアノード集電体１と、カソード集電体２上に配置された保湿材料９と、アノード６に供給される前に液体燃料を気化供給するための気液分離膜２０と、液体燃料を気液分離膜２０に送るために燃料を一時的に保持する液体燃料保持部１６と、を備える。
【００２９】
固体高分子電解質膜５は、カソード７及びアノード６によって挟持されている。固体高分子電解質膜５、カソード７、及びアノード６によって、ＭＥＡ３（電極−電解質膜接合体；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が構成されている。
【００３０】
ＭＥＡ３の上下面にはカソード集電体２とアノード集電体１が設けられている。アノード集電体１及びカソード集電体２は、ＭＥＡ３が発電した起電力を取り出す為に設けられている。尚、図１の断面図では、アノード集電体１及びカソード集電体２は、アノード６及びカソード７の全面を覆うように描かれているが、アノード６及びカソード７上の少なくとも一部は集電体に接触していない。集電体と接触していない部分において、アノード６には燃料が、カソード７に対しては酸化剤ガスが、それぞれ供給されるようになっている。また、アノード６やカソード７の側部には、隙間を埋め、外部と絶縁するための絶縁兼シール材１１が配置されている。
【００３１】
カソード集電体２の上には、保湿材料２１が配置されている。保湿材料２１によって、カソード７が加湿される。カソード７が乾燥した場合、イオン導電性が失われて発電効率が低下することがあるが、保湿材料２１によってイオン導電性が失われないようになっている。
【００３２】
液体燃料保持部１６は、フレームや筐体の凹部として形成された燃料タンク１５に挿入されている。気液分離膜２０は、燃料タンク１５の開口部を覆うように配置されている。そして、上述のＭＥＡ３が、気液分離膜２０を介して燃料タンク１５の開口部の上側に配置されている。ＭＥＡ３は、アノード６を燃料タンク１５側（気液分離膜２０側）として配置されている。
【００３３】
固体高分子電解質膜５の材質としては、特に限定されないが、後述の実施例でも使用する市販のものを用いることができる。
【００３４】
カソード７及びアノード６としては、いずれも、触媒を担持させた炭素粒子を含む触媒ペーストを、例えば多孔質基材であるカーボンペーパー上に塗布して作製される。作製されたカソード７及びアノード６を、触媒ペースト層側が固体高分子電解質膜５側になるように配置して圧着することにより、ＭＥＡ３が作製される。
【００３５】
気液分離膜２０は、液体燃料をアノード６に気化供給するために設けられている。気液分離膜２０は、絶縁性である。気液分離膜２０は、高分子多孔質体である。具体的には、ポリテトラフロロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂などが挙げられる。気液分離膜２０としては、絶縁性であり必要な燃料供給量ができるものであれば他のものも使用することができる。例えば、高分子多孔質体にイオン伝導体を注入した細孔フィリング膜など部分的に絶縁性も有する膜も用いることができる。
【００３６】
気液分離膜２０の厚みは、例えば、１ｍｍ以下のものを用いることができる。このような範囲では、気液分離を確実に行い、且つ、後述する液体燃料保持部１６の帯電除去効果を、気液分離膜２０のアノード６側の構成部材にまで及ぼすことができる。アノード６側の構成部材の帯電が除去されるので、アノード６に対するゴミや不純物の付着が抑制される。
【００３７】
液体燃料保持部１６は、気液分離膜２０に接触している。燃料保持部１６は、液体燃料（メタノール）を一時的に保持し、気液分離膜２０に供給する。ここで、気液分離膜２０への燃料供給は保持材の毛管現象を利用してもよいし、ポンプなどの外部補器によって液体燃料を連続的に燃料タンク１５内部に循環させてもよい。
【００３８】
液体燃料保持部１６は、導電性を有している。気液分離膜２０は、絶縁性をもつので、乾燥状態においては強く帯電しているために燃料電池内部に発生したゴミや不純物などが膜表面に付着しやすくなる。気液分離膜２０へのゴミや不純物の付着は、物理的な燃料供給阻害は勿論、長期的にみれば膜表面の変質にもつながることがある。気液分離膜２０と接触する液体燃料保持部１６が、導電性を有していることで、乾燥状態における気液分離膜２０の帯電を除去して膜表面への不純物の付着を著しく低下させることができる。また、気液分離膜２０が薄ければ、アノード電極側の帯電防止を行うことも可能とである。液体燃料保持部１６の表面抵抗値は、１０１２（Ω）以下であることが好ましい。表面抵抗値が１０１２（Ω）を超えると、気液分離膜２０の帯電除去が十分とならず、ゴミや不純物の付着が起こる場合がある。
【００３９】
液体燃料保持部１６は、発泡体である。液体燃料保持部１６は、必ずしも全体が均一な気孔率となっている必要はない。使用する液体燃料の濃度や用途等に応じ、表面と内部との間での気孔率に差を持たせて、液体燃料の供給を制御する場合もある。但し、燃料保持の観点から、液体燃料保持部１６全体としての気孔率は、５０％以上９５％以下が望ましい。気孔率が５０％より小さくなると、燃料が染み込みにくくなり、アノード側への液体燃料の供給が困難になる場合がある。一方、９５％より大きいと、燃料保持の機能が著しく損なわれる。
【００４０】
また、液体燃料保持部１６は、細孔が３次元的に連続した発泡体構造である。連続した３次元的な細孔構造は、燃料保持力が強く、液体燃料を一時的に保持する上で好ましい。
【００４１】
また、液体燃料保持部１６の発泡体構造の孔径は、３０μｍ以上〜１００μｍ以下のものが望ましい。孔径が３０μｍより小さいと、液体燃料が液体燃料保持部１６に染み込みにくくなり、アノード側への液体燃料の供給が困難となる。一方１００μｍよりも大きいと、液体燃料の燃料保持力が十分に得られないことがある。
【００４２】
液体燃料保持部１６は、高分子体であることが好ましい。また、液体燃料保持部１６は、弾性力を有する材料であることが好ましい。更に、燃料電池の発電反応の際に、副生成物として発生する蟻酸に対する耐性を有する点で、耐酸性を有するものが好ましい。
【００４３】
上述のような機能を有する液体燃料保持部１６の材料として、具体的には、耐メタノール特性のあるポリウレタンや架橋したポリビニルアルコール重合体から成る高分子材料にカーボン、グラファイト、金属などの微粒子からなる導電性フィラーをねりあわせて発泡させたもの、及びポリオレフィンなどの導電性高分子そのものを発泡体にしたもの、が挙げられる。
【００４４】
液体燃料保持部１６の表面粗さは、小さいものほど好ましい。表面粗さが小さいことで、気液分離膜２０の表面と接触する面積が増大するので、気液分離膜２０の帯電除去をより効果的に行うことができる。
【００４５】
液体燃料保持部１６は、接地されている。具体的には、液体燃料保持部１６は、接地用配材２２を介してアース２３に接続されている。液体燃料保持部１６の接地は、筐体や部品に用いられている金属と接続したり、燃料電池を組み込む電子機器の短絡部分に接続することで行うことができる。
【００４６】
上述した構成を有する固体高分子型燃料電池の発電時の動作について説明する。アノード６側への液体燃料（メタノール）の供給は、次のようにして行われる。まず、液体燃料が、燃料タンク部１５内に供給される。燃料タンク部１５内に供給された液体燃料は、液体燃料保持部１６によって保持される。液体燃料保持部１６によって保持された液体燃料は、気液分離膜２０に供給される。気液分離膜２０において、液体燃料が気化し、気化した成分のみが透過する。気液分離膜２０を透過した気体成分が、アノード６に供給される。燃料の供給を受けて、アノード６では下記反応式３で示される反応が起こる。
（反応式３）；ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−
【００４７】
一方、カソード７側へは、保湿材料２１を介して酸化剤ガス（空気）が供給される。酸化剤ガスの供給を受けて、カソード７では下記反応式４で示される反応が起こる。
（反応式４）；６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ＋  ３／２  Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ
【００４８】
反応式３、４に示される発電反応で発生した電力は、アノード集電体１及びカソード２集電体によって外部へ取り出される。
【００４９】
以上説明したように、本発明に係る固体高分子型燃料電池によれば、液体燃料保持部１６として、導電性を有した高分子発泡体を用いることで、乾燥した状態における気液分離膜２０の帯電を除去することができる。気液分離膜２０の帯電が除去されるので、不純物やゴミが気液分離膜２０に付着しない。よって、気液分離膜２０を介した燃料の供給が不純物やゴミによって阻害されることもない。即ち、気液分離膜２０が乾燥した状態から、燃料を供給して発電反応を起こす際にも、スムーズに発電反応を起こすことができる。また、不純物やゴミが気液分離膜２０と反応することによる気液分離膜２０の変質も防止される。
【００５０】
（実施例１）
以下、本発明者らによって行われた実験結果を示すことにより、本発明の固体高分子型燃料電池を具体的に説明する。
【００５１】
図１に示した構造を有する単セル燃料電池を以下の手順で作製した。先ず、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５５％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、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）を適量加え、攪拌して、カソード７形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを基材としてのカーボンペーパー（東レ社製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）上に１〜８ｍｇ／ｃｍ２の量で塗布した後、乾燥させて、４ｃｍ×４ｃｍのカソード７を作製した。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６０ａｔ％）を用いた以外は上記カソード７形成用の触媒ペーストを得る条件と同じにしてアノード６形成用の触媒ペーストを得た。この触媒ペーストを用いた以外は上記カソード７の作製条件と同じ条件で、アノード電極６を作製した。
【００５２】
次に、デュポン社製のナフィオン１１７からなる８ｃｍ×８ｃｍ×厚さ１８０μｍの膜を固体高分子電解質膜５として用い、この膜の厚さ方向の一方の面に上記カソード５をカーボンペーパーが外側となる向きで配置し、他の面に上記アノード６をカーボンペーパーが外側となる向きで配置して、各カーボンペーパーの外側からホットプレスした。これによりカソード７及びアノード６が固体高分子電解質膜５に接合して、ＭＥＡ３（電極−電解質膜接合体）が得られた。
【００５３】
次に、カソード７とアノード６の上に、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）製で外寸法６ｃｍ２、厚さ１ｍｍ、幅１１ｍｍの矩形枠状の枠板からなる集電電極（アノード集電体１、カソード集電体２）を配置した。また、固体高分子電解質膜５と集電電極（アノード集電体１、カソード集電体２）との間には絶縁兼シール材１１としてシリコンゴム製（外寸法６ｃｍ２、厚さ０．２ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状）を配した。ここでアノード集電体１側のシリコンゴムには二酸化炭素を排出する通気口（ＣＯ２ガス排出口１４）として、幅２ｍｍの切り込みを枠の各辺に２箇所ずつ、計８個設けた。
【００５４】
次いで、気液分離膜２０となるフッ素系多孔質膜として厚さ２５μｍ、細孔径１ｕｍ、気孔率８５％のＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）多孔質膜とＰＰ（ポリプロピレン）製で外寸法６ｃｍ２、高さ８ｍｍ、内寸法４４ｍｍ２、深さ３ｍｍのフレームに設けられた燃料タンク１５も用意した。
【００５５】
次に液体燃料保持部１６に用いる導電性の高分子発泡体として、ポリウレタンとカーボンフィラーから成る導電性ポリウレタン連続発泡体（表面抵抗１０６Ω、気孔率８５％、孔径５０ｕｍ）を４ｃｍ２，厚さ３ｍｍに成型して用意した。これを燃料タンク１５内部に組み込んだ。最終的にはアノード集電体１側にＰＴＦＥ膜、導電性ウレタン連続発泡体、及び燃料タンク１５の順番で配置した。
【００５６】
この燃料タンク１５に燃料の出入り口（図示せず）を設けて、３００ｍｌの１５ｖｏｌ％メタノール水溶液を入れた外部燃料容器（図示せず）とダイアグラムポンプ（図示せず）とをシリコンチューブ（図示せず）で接続した。
【００５７】
また、液体燃料保持部１６を外部と短絡させるために、燃料タンク１５の側面にΦ５ｍｍの穴を設けて、ここにステンレス製のネジ（図示せず）を燃料保持部１５に接するように配置した。また、ネジ穴には液体燃料が漏れないようにＯリングでシールしてある。ネジは、接地されるように配置した。
【００５８】
一方、カソード７の上方には、繊維マットからなる保湿材料１１を設けた。この保湿材料２１は、保湿層として機能するものであり、３５ｍｍ角に加工したセルロース繊維シートをカソード７上に置き、さらに保温材として、外寸法６ｃｍ２、厚さ０．５ｍｍ，穴径３ｍｍで開口率２０％の穴あき板を載せて、カソード集電体２に固定した。
【００５９】
これらの各部材のうち、保湿材料２１を除いて全体をネジ止めして一体化した。なお、このときに使用されるネジ（図示せず）は、電気的な漏洩防止のために樹脂製のネジを用いた。こうして、ＭＥＡ３、カソード集電体２、アノード集電体１、シール材１１、気液分離膜２０、液体燃料保持部１６が一体化され、図１に示す断面構造を持つ固体高分子型燃料電池１０を得た。
【００６０】
上記の固体高分子型燃料電池１０は６０ｍＡ／ｃｍ２の負荷をかけて１００時間発電した後に、液体燃料を取り除いて４０℃のオーブンで２４時間乾燥した。次いで、気液分離膜２０が乾燥したドライアップ状態から液体燃料を供給し、１０分間循環させた後、６０ｍＡ／ｃｍ２の負荷をかけて再び燃料電池セルの発電特性を確認した。図２にはその際の発電の時間変化を示したグラフであり、符号３２を付して示されている。
【００６１】
図２に示される様に、燃料供給が行われＭＥＡ３が湿潤して出力が上昇して、その後は高い電圧が安定して得られているのがわかる。また、燃料の単位時間当たりの減少量から消費量を見積もったところは０．５ｇ／ｈとなり液体燃料燃料が理想的にアノード６に気化供給されていた。このように、導電性ポリウレタン発泡体を燃料保持部に用いた場合には、安定した燃料供給及び発電特性が得られた。さらに、発電後、燃料電池セルを分解したところ気液分離膜２０には不純物などの付着はわずかで、膜表面はほぼ１００％利用できる状態であった。
【００６２】
（比較例１）
次に、比較例１として、実施例１の燃料保持部に抵抗が１０１５（Ω）と、導電性を持たせていない通常のポリウレタン連続発泡体を用いて、実施例１と同じ手順で発電させた場合の特性を確認した。結果は、実施例１と重ねて、符号３１を付して図２に示している。図２からわかるように、比較例１では初期から電圧が低く、また時間とともに電圧が低下してしまった。分解後、気液分離膜表面には実施例１と比べると析出物が多く確認され、膜表面の７０％しか利用できない状態であった。ここで、析出物は主にアノード電極側に相対する膜表面で多くみられ、蛍光Ｘ線分析からカーボンが主成分であることから、カーボン電極あるいは触媒中のカーボンから剥離して付着したものと考えられる。
【００６３】
このように比較例１の結果をあわせると、本実施例では液体燃料保持部１６に導電性を有する高分子発泡体を用いることで不純物の付着が防止でき、結果として安定した発電が実現できたことが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池のセル構造の一例を示す模式断面図である。
【図２】実施例１及び比較例１で示した燃料電池の時間−電圧特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６５】
１    アノード集電体
２    カソード集電体
３    ＭＥＡ
５    固体高分子電解質膜
６    アノード
７    カソード
１０  固体高分子型燃料電池
１１  絶縁兼シール材
１４  ＣＯ２ガス排出口
１５  燃料タンク
１６  液体燃料保持部
２０  気液分離膜
２１  保湿材料
２２  接地用配材
２３  アース
３１  比較例１
３２  実施例１
【図１】
2007273218.tif 000003
【図２】
2007273218.tif 000004