(57)【要約】【課題】クロスオーバーやフラッディングが発生せず、高出力で長時間使用可能な燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜と、カソードと、アノードと、燃料供給制御膜を介して前記アノードに気体状の燃料を供給する燃料供給部と、前記カソードの前記固体高分子電解質膜に接する面と反対側の面に設けられた湿度調整層と、を備えた固体高分子型燃料電池であって、前記湿度調整層は、前記カソードの前記固体高分子電解質膜に接する面と反対側の面側に設けられた通気性の保湿層と、規則的もしくは不規則的に配置された貫通孔を有し前記保湿層に接するように設けられたカバー部材と、を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。【選択図】図１
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【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に接して配されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に接して配されたアノードと、
燃料供給制御膜を介して前記アノードに気体状の燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソードの前記固体高分子電解質膜に接する面と反対側の面（Ａ）に設けられた湿度調整層と、
を備えた固体高分子型燃料電池であって、
前記湿度調整層は、前記反対側の面（Ａ）に設けられた通気性の保湿層と、貫通孔を有し前記保湿層を覆うように設けられたカバー部材と、を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記カバー部材の前記保湿層側の面における前記貫通孔の開口率が、１０％〜３０％であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記カバー部材の前記保湿層側の面における前記貫通孔の断面が、直径０．０５ｍｍ〜５．０ｍｍの円形、又は一辺が０．０５ｍｍ〜５．０ｍｍの四角形であることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記カバー部材が導電性を有し、
前記カバー部材の前記保湿層側の面と反対側の面に接するようにカソード集電体を有することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
前記カバー部材が、カソード集電体として機能することを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
前記カバー部材が、絶縁材料からなることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項７】
前記カバー部材の前記保湿層側の面と反対側の面上に、凸状突起からなる冷却フィンを有することを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】
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に接して配された複数のカソードと、各カソードにそれぞれ対向するように前記固体高分子電解質膜の他方の面に接して配された複数のアノードと、
燃料供給制御膜を介して前記複数のアノードに気体状の燃料を供給する燃料供給部と、
前記複数のカソードの前記固体高分子電解質膜に接する面と反対側の面（Ａ）に設けられた湿度調整層と、
を備えた固体高分子型燃料電池スタックであって、
前記湿度調整層は、前記反対側の面（Ａ）に設けられた通気性の保湿層と、貫通孔を有し前記保湿層を覆うように設けられたカバー部材と、を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項９】
前記カソードへ気体状の酸化剤を供給するための供給口を備え、かつ前記固体高分子型燃料電池スタックの全体を覆う筐体を更に有し、
前記供給口を介して前記筐体内部に空気を送風可能なように、前記固体高分子型燃料電池スタックと前記筐体との間に間隙を設けたことを特徴とする請求項８に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【請求項１０】
請求項８又は９に記載の固体高分子型燃料電池スタックを搭載した、携帯用電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池、固体高分子型燃料電池を備えた固体高分子型燃料電池スタック及び携帯用電子機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
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（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ。以下、ＭＥＡという。）を備えている。
【０００３】
このタイプの燃料電池の発電メカニズムは以下のようなものである。まず、供給された液体燃料がアノードに担持された触媒上で分解してプロトン、電子及び中間生成物を生成し、生成したプロトンが固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動する。また、上記電極反応によって生成した電子が外部負荷を経てカソード側に移動し、固体高分子電解質膜を透過してカソード側に移動してきたプロトン及びカソード側に供給された空気中に含まれる酸素と反応して反応生成物が生じる。この際、反応によって生じる電力を利用することによって発電するというものである。
【０００４】
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。
【０００５】
ＣＨ3ＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  →ＣＯ2  ＋  ６Ｈ+  ＋  ６ｅ-・・・（式１）
６Ｈ+  ＋  ６ｅ-  ＋  ３／２Ｏ2  →  ３Ｈ2Ｏ・・・（式２）
液体燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型、軽量化が容易であり、またエネルギー密度が非常に高いという特徴があるため、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。
【０００６】
例えば、ＰＣや携帯電話のような電子機器電源として用いることを検討されているが、そのためには、単一のＭＥＡでは出力が小さいため、複数の燃料電池セルを連結することによって、必要な電力を得ることができる（以下、複数の固体高分子型燃料電池を連結したものを固体高分子型燃料電池スタックといい、この固体高分子型燃料電池スタックを構成する最小の電池ユニットを燃料電池セルと記載する）。このように液体燃料を用いた固体高分子型燃料電池では、携帯用電子機器として用いた場合のように、長時間安定して出力が得られることができる。
【０００７】
しかしながら、ＤＭＦＣでは、ＭＥＡのカソード側に燃料が回り込む現象（以下、クロスオーバーという。）が起こり、カソードからの燃料揮発もしくはカソード触媒のＣＯ被毒による電圧低下という形で、燃料が無駄に費やされてしまう場合があった。
【０００８】
このようなクロスオーバーを低減化する方法としては、特許第３４１３１１１号明細書（特許文献１）や特開２００１−１０２０７０号公報（特許文献２）では、燃料気化層と、供給された液体燃料を前記燃料気化層に供給する燃料浸透層を備えた燃料電池に関する技術が提案されている。このように燃料を気化供給する方法を用いれば、クロスオーバーを抑制することができるので、上記のような燃料の無駄な消費を低減できる。
【０００９】
しかしながら、アノードに供給される燃料として気化燃料を用いた場合、アノードに液体燃料を供給する場合と比べて、ＭＥＡ中の水分不足がより顕著となる場合があった。すなわち、液体燃料をアノードに供給する場合にはメタノール水溶液の形で供給されるため、電池内にある程度の水分を供給することが可能であった。一方、アノードに気化燃料を供給するタイプの燃料電池では、気化燃料中に含まれる水分量が非常に少なくなる。このため、電池に供給される水分も少ないものとなってしまうためである。
【００１０】
このように特許文献１や２に記載されているような気化燃料による燃料供給では、直接、液体燃料をアノードに供給する方法（以下、直液供給という。）に比べてより顕著にアノード、カソードおよび固体高分子電解質膜が水不足となりうる。このような水不足が起こると、電池反応に必要なプロトン移動が妨げられ、長時間安定した発電を継続することが困難となる。
【００１１】
更に、一般的な構造の固体高分子型燃料電池、特にパッシブ型燃料電池においては、カソードに空気を供給する必要があるため、できるかぎりカソードの空気が供給される側の面を露出することが必要となる。しかし、カソードが露出していると、露出したカソードの面から発電に必要な水分の揮発が頻繁に起こり、アノード、カソード及び固体高分子電解質膜（ＭＥＡ全体）中の水分が不足する傾向がより顕著となる。
【００１２】
このような問題点を解決するために、カソードの空気が供給される側の面を、水分の蒸発を防止する層で被覆する方法が考えられる。しかしながら、このようにカソードの空気が供給される側の面のかなりの部分を水分の蒸発を防止する層で被覆すると、カソード反応によって生成した水分が大量にカソード中に残留してしまう場合があった。このようにカソード中に大量の水分が残留すると水が空気の供給路をふさぎ、カソード反応に必要な酸素等がカソードへ十分に供給されなくなってしまう、フラッディングと呼ばれる現象が起こり問題となっていた。
【００１３】
このフラッディングを解消する方法としていくつかの方法が提案されている。特開２００３−３３１９００号公報（特許文献３）では、カソード集電体上と筐体の間隙部分に、酸素が透過できる程度に吸水材を並べることによって吸水層を形成し、フラッディングを抑制した燃料電池が提案されている。しかしながら、特許文献３の燃料電池では吸水材が乾燥状態にあるときは、十分な吸水によってフラッディングを抑制することができるが、吸水材が吸水限界まで水を吸収してしまうとそれ以上に水分を吸収できなくなってしまう。また、吸水層が大量の水分を吸収すると水分がカソードへの酸素の透過経路をふさぎ、カソードへ十分な量の酸素供給が行われなくなってしまう。更に、吸収材として吸水により膨張して変形するような材料を用いた場合、ＭＥＡ自体に機械的な内部応力が発生し、ＭＥＡ自体を破損させてしまったり、吸収材の特性を変化させる場合があった。
【００１４】
また、特開２００３−６８３３０号公報（特許文献４）では、カソード上に、導電性材料と保水性材料からなる保水性樹脂層を形成し、その保水性樹脂層に複数の貫通孔を設けた燃料電池が提案されている。この燃料電池においては保水性樹脂が乾燥防止及び通電という特性を兼ね備えているが、この燃料電池においても特許文献３に記載の燃料電池と同様、吸水することによって保水性樹脂は膨潤し酸素の通気性を悪化させることとなってしまう。このため、特許文献４の燃料電池では実質的にフラッディングを解決することは不可能であった。また、吸水するほど保水性樹脂は吸水しにくくなるため、長時間発電させた際には吸水能力が低下して貫通孔に水が溜まると共に、保水性樹脂層の吸水率に伴ってその表面および内部構造が変化するため導電性が大きく変化し、安定した集電が困難となっていた。
【特許文献１】特許第３４１３１１１号明細書
【特許文献２】特開２００１−１０２０７０号公報
【特許文献３】特開２００３−３３１９００号公報
【特許文献４】特開２００３−６８３３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
以上のように、クロスオーバーを防止するためには、アノードへの燃料供給方法を気体供給とする必要があるが、この気体供給では電池内に供給される水分量が少なく、電池内の水分含量が小さくなってしまう。
【００１６】
この電池内の水分の不足は、カソードへの空気供給量を多くするため、カソードを露出させたときにより顕著となる。そこで、このカソードの露出による水分の揮散を防止するため、カソード上に保水層などの層を設けた構造が多く提案されている。しかし、いずれの方法を用いても、吸水層は単調的に吸水して含水率を増加させるにすぎず、吸水層が吸水限界まで吸水をした場合には、それ以上の水分が生じても全く吸水ができなかった。また、吸水による変形によって吸水層の特性が大きく変化し、カソード側への酸化剤（酸素等）の供給を阻害するフラッディング現象が発生していた。
【００１７】
このように従来の吸水層は主に単調的に水分の吸水を行うものであり、ＭＥＡ内の含水率や湿度等に応じて水分の放出や吸収を行う、いわゆる電池内の含水率や湿度の調整機能を有するものではなかった。
【００１８】
そこで、本発明者は鋭意検討を行った結果、上記のような含水率や湿度の調整機能を発現させるためには、カソードの酸化剤が供給される側の面に、保湿層とカバー部材という水分保持機能の異なる層を設けることによって、含水率や湿度の調整機能を発現することができることを発見した。
【００１９】
すなわち、この保湿層は適度な吸水能力を有し、電池内を適度な湿度（含水率）に保つ機能を有する。ただ、吸水層単独からなる場合、周囲の温度環境、湿度環境によっては吸水した吸水層から水分の揮散が起こってしまう。従って、一部にしか貫通孔を有さないカバー部材を更に保湿層の外側に設けることによって、保湿層のカバー部材に覆われた貫通孔以外の部分は外気と遮断されているため、吸水した水分の揮散が起こらず保湿層は所定量まで水分を保持し続けることができる。
【００２０】
この保湿層は電池内の水分量、湿度に応じて以下のように機能する。
保湿層が吸水する水分含量等が所定量を超えて高くなったときか、電池内の水分含量が少ないときには、保湿層と電池内（カソード、アノード、固体高分子電解質膜等）との間に大きな水分量（湿度）の差が生じる。この水分量（湿度）の差を駆動力として保湿層から電池内に水分が供給され電池内の含水率を大きくすることが可能となる。
【００２１】
また、電池内の水分含量が多いときには、保湿層と電池内（カソード、アノード、固体高分子電解質膜等）との間に大きな水分量（湿度）の差が生じないか、又は小さい。このため、保湿層から電池内への水分移動は起こらない。
【００２２】
一方、保湿層の水分含量が大きいときには、保湿層と外気との間には大きな水分量（湿度）の差が生じる。このため、この水分量（湿度）の差を駆動力として保湿層からカバー部材を介して電池外への水分移動が起こる。このため、保湿層が必要以上に吸水したことによるフラッディングや保湿層の変形が起こらない。
【００２３】
本発明ではこのように、保湿層とカバー部材からなる湿度調整層を設けることによって、保湿層中に適度な水分を保持することが可能となる。また、電池内の水分の変動に応じて保湿層と電池内との間で水分の吸収・放出を行い、電池内の水分量（湿度）を適度な範囲に保持することができる。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記課題を解決するため、本発明は以下の構成を有することを特徴とする。
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に接して配されたカソードと、前記固体高分子電解質膜の他方の面に接して配されたアノードと、
燃料供給制御膜を介して前記アノードに気体状の燃料を供給する燃料供給部と、
前記カソードの前記固体高分子電解質膜に接する面と反対側の面（Ａ）に設けられた湿度調整層と、
を備えた固体高分子型燃料電池であって、
前記湿度調整層は、前記反対側の面（Ａ）に設けられた通気性の保湿層と、貫通孔を有し前記保湿層を覆うように設けられたカバー部材と、を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【００２５】
２．前記カバー部材の前記保湿層側の面における前記貫通孔の開口率が、１０％〜３０％であることを特徴とする上記１に記載の固体高分子型燃料電池。
３．前記カバー部材の前記保湿層側の面における前記貫通孔の断面が、直径０．０５ｍｍ〜５．０ｍｍの円形、又は一辺が０．０５ｍｍ〜５．０ｍｍの四角形であることを特徴とする上記１又は２に記載の固体高分子型燃料電池。
【００２６】
４．前記カバー部材が導電性を有し、
前記カバー部材の前記保湿層側の面と反対側の面に接するようにカソード集電体を有することを特徴とする上記１〜３の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【００２７】
５．前記カバー部材が、カソード集電体として機能することを特徴とする上記１〜３の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
６．前記カバー部材が、絶縁材料からなることを特徴とする上記１〜３の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【００２８】
７．前記カバー部材の前記保湿層側の面と反対側の面上に、凸状突起からなる冷却フィンを有することを特徴とする上記１〜６の何れか１項に記載の固体高分子型燃料電池。
【００２９】
８．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に接して配された複数のカソードと、各カソードにそれぞれ対向するように前記固体高分子電解質膜の他方の面に接して配された複数のアノードと、
燃料供給制御膜を介して前記複数のアノードに気体状の燃料を供給する燃料供給部と、
前記複数のカソードの前記固体高分子電解質膜に接する面と反対側の面（Ａ）に設けられた湿度調整層と、
を備えた固体高分子型燃料電池スタックであって、
前記湿度調整層は、前記反対側の面（Ａ）に設けられた通気性の保湿層と、貫通孔を有し前記保湿層を覆うように設けられたカバー部材と、を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池スタック。
【００３０】
９．前記カソードへ気体状の酸化剤を供給するための供給口を備え、かつ前記固体高分子型燃料電池スタックの全体を覆う筐体を更に有し、
前記供給口を介して前記筐体内部に空気を送風可能なように、前記固体高分子型燃料電池スタックと前記筐体との間に間隙を設けたことを特徴とする上記８に記載の固体高分子型燃料電池スタック。
【００３１】
１０．上記８又は９に記載の固体高分子型燃料電池スタックを搭載した、携帯用電子機器。
【００３２】
ここで、「保湿層」とは親水性の基を有する材料からなり、該親水性の基と水との引力により電池の使用条件下においては水分を保持する機能を有する層のことを表す。
また、「通気性」とは保湿層がその一方の面から他方の面まで連通する空隙を有し、実質的に該保湿層の一方の面から他方の面まで酸化剤及び水分の移動が可能となっていることを表す。この空隙は保湿層が繊維から形成されている場合、繊維間に形成されるものである。
【００３３】
「カバー部材」とは、主に保湿層が外気に露出する部分を少なくし保湿層からの水分の蒸散を防止する機能を有する部材のことを表す。カバー部材は人工的に形成された貫通孔を有し、該カバー部材の一方の面から他方の面までの酸化剤及び水分の移動が可能となっている。
【発明の効果】
【００３４】
本発明の燃料電池では、液体燃料を燃料制御膜を透過させてアノードに気化供給するためクロスオーバーによる燃料揮発は低減される。また、一般的にこのような燃料気化供給を行うとカソード等電池内における水不足が起こりやすくなるが、カソード面上に湿度調整層を設けることによってカソード等電池内における水不足を解消することができる。
【００３５】
さらに、カバー部材の開口率を１０〜３０％に設定することによって、保湿層中にフラッディングにならない程度に水分を保持することができる。特に、複数の燃料電池セルから構成させた平面型スタック構造をとり、そのカソード面上への空気流をファンなどによって送風する発電条件の場合、開口率を１０〜３０％に設定することによって、最適な発電状態を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
以下、本発明の燃料電池システム１について図面を参照しつつ説明する。図１〜図３は、本発明の燃料電池セル（固体高分子型燃料電池）１１の断面図である。図４は、シール部材４３および４４の概略図である。図５〜図７は、燃料電池セル１１の構成部材である湿度調整層１４を構成するカバー部材５２、又はカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の概念図である。図６および図７には、本発明の他の形態のカバー部材及びそのＡ−Ａ’およびＢ−Ｂ’における断面図を図示した。図８は燃料電池セル１１を配置した平面型スタック構造（固体高分子型燃料電池スタック）の概略図である。図９は、図８に示した固体高分子型燃料電池スタックのＣ−Ｃ’における断面図である。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く、図１〜図９に示したものに限定されない。
【００３７】
（燃料電池セル）
本発明の燃料電池セル１１を例示して詳しく説明する。なお、以下に説明する燃料電池セル１１は、その一例であって、本発明が以下の燃料電池セルに限定されるものではない。図１〜図３は、燃料電池セル１１の断面図である。図４は、この燃料電池セルのシール部材４３およびＣＯ2排部位をもつシール部材４４の一例を示す模式図である。
【００３８】
燃料電池セル１１は、図１〜図３に示すように、固体高分子電解質膜３３と、固体高分子電解質膜３３の一方の面上にその面に接して配されたカソード３１と、他方の面上に接して配されたアノード３２と、カソード３１及びアノード３２にそれぞれ接して配されたカソード集電体４１及びアノード集電体４２と、固体高分子電解質膜３３の周縁に配されてその固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２等で挟持されたシール部材４３を少なくとも備えた構成からなるものである。
【００３９】
また、この燃料電池には燃料供給制御膜５３を介して燃料が気化供給されるため、液体燃料を気化してアノード３２に供給する燃料供給制御膜５３を含む構成となっている。図３の燃料電池では、アノード３２での電気的反応により生成した生成物を排出する手段として、ＣＯ2排出部位をもつシール部材４４を、上記の燃料電池セル１１の構造中に併設させている。
【００４０】
なお、固体高分子電解質膜３３、カソード３１及びアノード３２は、ＭＥＡ１３を構成し、そのＭＥＡの上下面には、カソード集電体４１とアノード集電体４２がシール部材４３をそれぞれ挟んで構成されている。なお、カソード３１及びアノード３２はそれぞれ固体高分子電解質膜３３と反対側の面の少なくとも一部がカソード集電体４１とアノード集電体４２に接していれば良く、固体高分子電解質膜３３と反対側の面の全面がカソード集電体４１とアノード集電体４２に接している必要はない。
【００４１】
固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２とで挟持されたシール部材に関しては、図４（Ｂ）のような形状のシール部材４４を用いることができる。シール部材４４に関しては、少なくともその一辺にＣＯ2排出部位４４１を設け、アノードの電極反応によって生じたＣＯ2を速やかに排出することができるようになっている。ＣＯ2排出部位４４１に関しては、そのシール部材４４の複数の辺に設けてもよい。また、ＣＯ2を燃料タンク部１２に戻しても十分な出力が得られる場合には、シール部材４４の代わりに、シール部材４３を用いることも可能である（図１および図２）。
【００４２】
その他の部位に関しては、特に断りの無い限り、図４（Ａ）に図示したシール部材４３のように隙間（ＣＯ2排出部位）の無い形状とすることができる。本発明の燃料電池セル１１は、このような構成からなるセル構造を有し、そのセル構造の周縁部を貫通するように複数のネジでフレーム１０に止められる構造を基本とする。燃料電池セル１１をフレーム１０に止める手段としては、ネジ止めに限らず、接着などの方法を用いることができ、燃料電池セル１１から液体燃料が漏れず、かつ集電できるような構造であれば、アノード３２に燃料が届く程度の距離に設置されていればよい。カソード３１の上面には、湿度調整層１４が配置され、湿度調整層１４は、保湿層５１およびカバー部材５２で構成されている。
【００４３】
保湿層５１としては、セルロース繊維などの適度な吸水性と蒸散性を兼ね備えた素材を用いることができる。また、カバー部材５２としては金属製もしくはプラスチック製などの素材を用いることができる。
【００４４】
カバー部材の固定方法としては、図５のカバー部材５２及び５２１のように部材中にネジ穴を設けずカソード３１の上面のみを被覆しカバー部材５２自身はテープなどで固定するだけでもよいが、図６に示したように部材中にネジ穴４５を形成しカソード集電体４１の上にまで配置してネジで固定しても良い。また、図２，３及び７に示したように、カバー部材とカソード集電体４１を一体化した構造５２１とし、そのカソード３１側の面に保湿層５１を挿入できる形状とすることによって、カソード側の抵抗を低下させても良い。
【００４５】
（ＭＥＡ）
ＭＥＡ１３は、固体高分子電解質膜３３をカソード３１とアノード３２とで挟持した構造からなるものである。固体高分子電解質膜３３としては、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。固体高分子電解質膜３３の構成材料としては、スルホン酸基、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好ましく、その具体例としては、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、例えば、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。
【００４６】
（カソード）
カソード３１は、上記式２に示すように、酸素を還元して水にする電極であり、例えば、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触媒層をカーボンペーパー等の基材上に塗布等で形成することにより得ることができる。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、例えば含浸法を適用することができる。
【００４７】
触媒層が形成される基材としては、固体高分子電解質膜を用いることもできるし、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、導電性を有する多孔性物質を用いることもできる。カーボンペーパー等の基材を用いた場合には、基材上に触媒層を形成してカソード３１を得た後に、ホットプレス等の方法によって、触媒層が固体高分子電解質膜３３と接する向きでカソード３１を固体高分子電解質膜３３に接合することが好ましい。カソード３１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。
【００４８】
（アノード）
アノード３２は、上記式１に示すように、メタノール水溶液と水から水素イオンとＣＯ2と電子を生成する電極であり、上記のカソード３１と同様にして構成される。アノード３２を構成する触媒層や基材は、カソード３１を構成する触媒層や基材と同じであっても異なっていても良い。アノード３２の単位面積当たりの触媒量も、カソードの場合と同様、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。
【００４９】
（集電体）
カソード集電体４１及びアノード集電体４２は、カソード３１及びアノード３２上にそれぞれ接して配され、電子の取出効率及び電子の供給効率を高めるように作用する。これらの集電体４１，４２は、図１に示すように、ＭＥＡの周縁部に接する枠形状のものであってもよいし、ＭＥＡの全面に接する平板状又はメッシュ状等のものであってもよい。
【００５０】
また、図２および図３に示したように、カソード集電体４１に関しては、カバー部材５２と一体化した構造（カソード集電体として機能するカバー部材５２）とし、カソード３１とカソード集電体４１の接触部における接触抵抗をなくす構造にすることが望ましいが、カバー部材５１を導電性にし、カバー部材５１とカソード集電体４１と電気的に接触させることによって接触面における抵抗を低減させることも可能である。これらの集電体４１，４２および５２１の材料としては、例えば、ステンレス鋼、焼結金属、発泡金属等、又はこれらの金属に高導電性金属材料をメッキ処理したものやカーボン材料などの導電体等を用いることができる。
【００５１】
（シール部材）
本発明の燃料電池セル１１には、シール機能を有するシール部材が複数設けられている。例えば、図１および図２に示すように、（ｉ）固体高分子電解質膜３３とカソード
集電体４１との間には、カソード３１の厚さとほぼ同じ厚さからなるシール部材４３がセル構造の周縁に枠状に設けられており、（ｉｉ）固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２との間には、アノード３２の厚さとほぼ同じ厚さからなるシール部材４３がセル構造の周縁に枠状に設けられており、（ｉｉｉ）アノード集電体４２とフレーム１０との間には、任意の厚みをもつシール部材４３が設けられている。
【００５２】
また、ＣＯ2を固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２の間で排出する燃料電池セル１１（図３）においては、上記（ｉｉ）の部分に関してのみ、（ｉｉ）固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２との間に、アノード３２の厚さとほぼ同じ厚さからなるシール部材４４がセル構造の周縁に枠状に設けられている。また、（ｉｖ）燃料供給制御膜５３とフレーム１０との間には、シール部材４３と同様のシール部材がセル構造の周縁に枠状に設けられていてもよいが、必ずしも必要ではない。
【００５３】
シール部材４３および４４は、ＰＴＦＥ、ＰＥＴ、ＰＥＥＫ、塩化ビニル等のプラスチック素材や、テフロンゴム、シリコンゴム、ブチルゴム等のゴム素材で形成することができる。シール部材には、必要に応じて、シール性、絶縁性及び弾性を有するものが好ましく、通常はシール機能を有するゴムやプラスチックで形成されており、少なくとも燃料漏れ等を起こさない程度のシール機能を有することが望ましい。ただし、シール部材４４に関しては、必ずしもシール効果を有する必要が無いため、均一に集電できるような構造であるならばワッシャー状の部材やメッシュ状の部材をスペーサーとして挿入することも可能である。
【００５４】
ＣＯ2排出部位４４１は、図４（Ｂ）に示すように、四角形の枠形状の一辺のみに形成させるのもよいし、対向する２辺に設けられているものであってもよいし、四辺に設けられているものであってもよく、その形状および配置は各燃料電池セル１１によって同一である必要はない。また、ＣＯ2排出部位４４１の個数や大きさは、特に限定されないが、少なくともＣＯ2が効果的に排出される個数と大きさであることが好ましい。
【００５５】
（燃料供給制御膜）
燃料供給制御膜５３は、一方の面において液体状のメタノール水溶液と接触しており、このメタノール水溶液中の水分子及びメタノール分子が、燃料供給制御膜５３中を拡散（浸透）していき、他方の面から気化してアノードに供給されるものであり、アノード３２への燃料供給量を調整するように作用する。その結果、アノード３２に最適な燃料を供給することができ、安定した発電を継続することができる。なお、この燃料供給制御膜５３には、燃料タンク１２から燃料が供給され、他方の面からの気化はＭＥＡの電池反応によって生じた熱によって促進される。
【００５６】
燃料供給制御膜５３は、燃料保持能をもつウィッキング材６０を挿入した燃料タンク部１２上部に固定され、ＭＥＡ１３のアノード３２に接するか、もしくは近接している。燃料供給制御膜５３としては、高分子多孔質体や高分子電解質膜などを用いることができるが、ＰＴＦＥ多孔質体などの疎水性気液分離膜が最適である。
【００５７】
燃料供給制御膜５３への燃料供給量は、少なくともＭＥＡにおけるメタノールの消費量と同程度以上である必要があり、その供給量は、基本的には、その気液分離膜がもつ膜厚および気孔率の違いといった膜本来の性質や、温度および湿度といった外的要因に起因するメタノールの透過率によって決定される。なお、燃料供給制御膜としては、ＣＯ2排出機構を併設する限り、必ずしも疎水性である必要は無く、親水性の多孔質膜などを用いることができる。また、ＣＯ2排出部位４４１がある場合は、燃料タンク部１２内部の燃料供給圧が、アノード３２で発生したＣＯ2による圧力と比べて十分高くなるため、ウィッキング材６０は必ずしも必須の構成とはならない。
【００５８】
（燃料タンク部）
燃料タンク部１２には、燃料インレット２３が設けられている。燃料は、燃料インレット２３から燃料タンク部１２に供給され、その一部が燃料供給制御膜５３を透過してアノード３２へと供給される。アノード３２に供給されなかった燃料については、燃料アウトレット２４を通じて燃料循環系等にもどされる。
【００５９】
（ウィッキング材）
燃料タンク内部にはウィッキング材６０と呼ばれる燃料保持材が挿入されている。ウィッキング材６０は、主に毛細管現象により液体燃料であるメタノール水溶液を吸収し、かつ保持することを目的としている。ウィッキング材６０としては、例えば、織布、不織布、繊維マット、繊維ウェブ、発泡プラスチック等を用いることができ、特に、親水性ウレタン発泡材や親水性ガラス繊維等の親水性材料を用いることが好ましい。ウィッキング材６０の燃料タンク部１２内部での配置に関しては、図１〜図３に示したように、燃料タンク部１２に余分な空間を設けないほうが望ましい。ただし、図１〜図３において、ウィッキング材６０と燃料供給制御膜５３は構造的には接しているが、その間には液体燃料は流れることができるだけの余裕はあるものとする。
【００６０】
（湿度調整層）
湿度調整層１４は、カソード表面と隣接する保湿層５１とカバー部材５２とで構成され、カソードの湿度を発電に最適な条件にするように作用する。
【００６１】
また、保湿層５１とカソード３１とは、互いに接していることが好ましいが、所望の支持部材やスペーサーを用いてカソード３１と保湿層５１とを互いに離隔させることも可能である。保湿層５１は、カソード３１表面全面を、実質的に被覆していれば性能上問題はない。
【００６２】
なお、カソード上に設けられた層が保湿層５１のみの場合、カソード上で生じた水が蒸散してしまう。このため、保湿層のみの構成では、長時間安定した発電を継続することは難しく、保湿層５１とカバー部材５２とを併用することにより初めてカソードからの水の蒸散を効果的に防止することができる。このため、本発明においては、保湿層５１とカバー部材５２とを併用して湿度調整層１４を形成させることは必須の構成である。また、本発明の湿度調整層の構成では、フラッディングは起こらない。
【００６３】
特に、本発明の燃料電池では電池反応に必要な水分の保持と、大量の酸化剤（酸素等）の供給が可能なため、高負荷のものに用いても安定した出力を得ることができる。例えば、発電時に１００Ａ／ｃｍ2以上の高電流が流れる場合や、５０ｍＬ／ｃｍ2以上の比較的強い送風条件下で発電する場合であっても高い安定した出力を得ることができる。
以下、カバー部材及び保湿層について更に詳細に説明する。
【００６４】
（ａ）カバー部材
カバー部材５２は、上記の保湿層５１を覆うようにして設けられる。このカバー部材５２としては、金属製やプラスチック製の穴あき板やメッシュなどが適当である。カバー部材に用いる材質としては例えば、ステンレスなどの耐腐食性部材、チタン・アルミニウムなどの軽金属、及びこれらの部材に絶縁性塗料を塗布して全表面又は一部に絶縁性を付与した部材を挙げることができる。また、アクリル、ＰＴＦＥなどのプラスチックを用いても良い。
【００６５】
カバー部材は保湿層を覆うように設けられており、主に保湿層が露出することによる保湿層から外気への水分の蒸散を防止する機能を有するものである。なお、カバー部材は実質的に保湿層を覆っていればよく、カバー部材と保湿層間に若干の空隙等が存在しても良い。カバー部材は、その構成材料によっては更に吸水する（水分を保持する）機能を有していても良い。また、カバー部材は人工的に貫通方向、断面形状、断面径、間隔等を制御した貫通孔を有し、該貫通孔を介して電池内に空気や水分が出入りできるようになっている。
【００６６】
カバー部材５２に金属などの導電体を用いた場合、図１に示したように、カソード集電体４１と接触させることによって、カソード集電体４１との接触抵抗を低下させる機能を持たせることもできる。さらには、図２および図３に示したように、カソード集電体と一体化した（カソード集電体として機能する）カバー部材５２１を用いることによって、カソード集電体４１とカバー部材５２の間の接触抵抗（界面での抵抗）をなくすことができる。
【００６７】
ただし、必ずしもカバー部材５２表面および全体が導電性を持つ必要は無く、電池の構成によっては例えば、表面全体もしくは一部を絶縁塗料で塗装したり、表面に酸化処理を施して絶縁化したりするなどした、ＳＵＳやアルミニウムといった金属性パンチングシート等を用いることも可能である。
【００６８】
カバー部材５２には保湿層側の面（保湿層と実質的に接する面、保湿層と相対（対向）する側の面）における断面が、直径０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍの円形、略円形（断面の最も長い部分の長さが０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍの楕円その他曲線からなる図形）の貫通孔を設けたり、一辺が０．０５ｍｍ〜２．０ｍｍの長さを有する正方形、長方形、ひし形、略四角形の貫通孔を設けることが好ましい。このように電池構成に応じて様々な断面形状の貫通孔を設けることにより、効果的に電池内外の水分の出入を制御することができる。さらには、一辺が０．０５〜３．０ｍｍ程度からなる多角形の貫通孔を設けたり、前記円形孔、四角形孔、多角形孔を組み合わせて設けても良い。
【００６９】
図５は本発明のカバー部材の貫通孔の断面形状の一例を示したものであり、図５（Ａ）は断面が円形、図５（Ｂ）及び（Ｃ）は断面が四角形、図５（Ｄ）は断面がひし形の貫通孔を有するカバー部材を表したものである。なお、貫通孔の断面は全て同じ形状・大きさである必要はなく、異なる形状・大きさの複数種の貫通孔を設けても良い。その他、貫通孔としては五角形、六角形、楕円などの形状を有するものを用いることができる。
【００７０】
また、カバー部材には貫通孔が規則的に配置されていても、不規則に配置されていても良い。貫通孔を不規則に配置する場合、例えばカバー部材の所定部分だけに貫通孔を設けたものや、貫通孔間の間隔を不規則にしたものなどを挙げることができる。図１３は貫通孔を不規則に設けたカバー部材の一例を示したものである。バー部材の面方向に対して平行な方向に酸化剤を供給するタイプの燃料電池では、図１３のようにカカバー部材のうち燃料供給口に近い部分の貫通孔の大きさを大きく、又は貫通孔の密度を多くすることによって効果的かつ均一に酸化剤をカソード内に供給することができる。
【００７１】
更に、図１４はカバー部材をその厚み方向に平行な断面で見たものである。貫通孔はその貫通方向が図１４（ａ）で示されるようにカバー部材の厚み方向に平行となるように設けられていても、図１４（ｂ）及び（ｃ）で示されるように厚み方向と平行とならないように設けられていても良い。例えば、図１４（ｂ）及び（ｃ）で示されるような貫通孔が設けられた場合、酸化剤の供給方向７０に対して貫通孔の貫通方向が垂直となっていないため（９０°未満の角度を有するため）、酸化剤を効果的にカソード内に供給することができる。このようにカバー部材の厚み方向に平行でない貫通孔を設ける場合、貫通孔の貫通方向の角度は酸化剤（空気）の供給方向に対して６０°以下の角度で傾斜していることが好ましい。
【００７２】
なお、図１４（ｂ）、（ｃ）のように貫通孔の貫通方向が途中で変化するカバー部材は例えば、貫通方向の角度の異なる２種類のカバー部材を形成し、これらのカバー部材を貫通孔の位置合わせをしながら接合することによって形成することができる。また、厚み方向に対して斜め方向に形成されている貫通孔は、相当する方向よりレーザー開口等を行うことによって形成することができる。
【００７３】
また、貫通孔の断面積は、図１４で示されるようにカバー部材の厚み方向に向かって一定であっても良いが、厚み方向に向かって変化しても良い。例えば、図１５は貫通孔の断面積が厚み方向に向かって変化するカバー部材を表したものである。図１５（ａ）のカバー部材では貫通孔の断面積が、酸化剤の供給される側の面で大きくなっているため効果的に電池内に酸化剤を供給することができる。また、貫通孔の断面積が保湿層側の面７１で小さくなっているため、保湿層により吸水された水分の蒸散を効果的に抑制することができる。また、図１５（ｂ）及び（ｃ）のカバー部材では酸化剤の供給される側の面における貫通孔の断面積が大きくなっていると共に、貫通孔の貫通方向が酸化剤の供給方向に対して垂直でないため、この両者の複合効果により更に効果的に電池内に酸化剤を供給することができる。なお、図１５のように断面積が変化する貫通孔を有するカバー部材における開口率は、保湿層側の面７１における貫通孔の開口部分の割合を表す。
【００７４】
カバー部材５２の小孔（貫通孔）５２２が形成する開口部分（断面部分）の開口率は、カバー部材の保湿層側の面の１０〜３０％の範囲内であることが好ましく、１５〜２５％であることがより好ましく、１５〜２０％であることが更に好ましい。カバー部材の開口率がこれらの範囲内にあることによって、水の蒸発を抑制し電池内の含水率を適度に保つことができる。この結果、燃料電池を高い燃料効率に保つことができる。また、カソードへ適度な量の酸素を供給することができ、さらにはフラッディングの発生を防止できる。
【００７５】
ここで、開口率とはカバー部材のうち保湿層に接している部分において、（開口している部分の面積）／（保湿層のカバー部材側の面の面積）を表す。なお、上記開口とは貫通孔に由来する開口を表す。また、開口している部分の面積は、カバー部材の保湿層に接している面における開口部分の面積を表す。従って、カバー部材の保湿層側の面の面積が保湿層の面積よりも大きい場合、カバー部材の保湿層からはみ出ている部分は上記（保湿層のカバー部材側の面の面積）には算入しない。また、上記カバー部材の保湿層からはみ出ている部分にある開口についても、上記（開口している部分の面積）には算入しない。
【００７６】
また、図１１のカバー部材等のように厳密には、カバー部材が保湿層に接していない場合においては、上記（保湿層のカバー部材側の面の面積）及び（開口している部分の面積）とは、カバー部材を燃料電池に取り付けた後において、カバー部材の保湿層側の面のうち保湿層上にある部分に関して算出する（カバー部材の保湿層側の面のうち保湿層上に存在する部分を平坦にした部分について算出する）。
【００７７】
特に、複数の燃料電池セルから構成させた平面型スタック構造をとり、そのカソード面上への空気流をファンなどによって送風する発電条件の場合、上記の開口率に設定することによって、安定な発電状態を得ることができる。とりわけ、開口率を１０〜３０％に設定することによって、カソードへの酸素供給とカソードの保湿状態のバランスがとれるため、高負荷時における出力の安定性が得られるようになる。
【００７８】
カバー部材５２の表面は平滑でなくてもよい。例えば、図１０に示したように、カバー部材の保湿層側の面と反対側の面に、０．５ｍｍ程度の高さをもつ冷却フィン５２３を設けることによって、カバー部材５２上を流れる空気流がＭＥＡから伝わってきた熱を奪うことができ、カバー部材５２自体が冷却される。その結果、カバー部材５２の保湿層５１と接触する部分で水の凝縮が起こり、その凝縮水が保湿層５１の水分含量、湿度を上昇させるため、保湿性能が高くなる。この場合、凝縮熱によってカバー部材５２の温度上昇も考えられるが、カバー部材５２自体は空気流の送風によって常に冷却されるため、ＭＥＡ自体の温度上昇にはつながらない。この効果により、カソード３１からの水の蒸発量が減少し、燃料効率も向上する。
【００７９】
また、カバー部材に導電性をもたせることにより、カバー部材をカソード集電体と接触するように固定した際には、電気抵抗を低減化する機能も発揮できる。さらに、カソード集電体とカバー部材を一体化することにより、電気抵抗の低減化がより効果的になり、構造的にも簡略化される。ＰＣなどの携帯用電子機器では、複数の燃料電池セルを電気的に直列接続するため、単一の燃料電池セルの電気抵抗を低減できれば、大きな利得を得ることができる。
【００８０】
また、カバー部材として金属材料のような熱伝導性の高い素材を用いることによって、ファンなどで供給する空気流による冷却効果を得ることもでき、ＭＥＡおよび燃料電池セル全体の熱暴走も防ぐことができる。空気流を外気から取り込む場合には、保湿層温度と比較して、カバー部材の温度が相対的に低くなるため、高湿度環境にある保湿層内部の蒸発水は、カバー部材の内側に凝縮することができる。このように凝縮した水は、再び保湿層に液相の水として吸収され、保湿層およびカソードの湿度を高い状態に保つことになり、さらにはカソード触媒層に到達することによって、触媒層および固体電解質膜の水分量を補うため、電池反応において重要なプロトン伝導が促進される。
【００８１】
（ｂ）保湿層
本発明の保湿層は十分な空隙を有しているため、カバー部材の貫通孔を介して流入した酸化剤（空気等）は更に保湿層を通って、電池反応に必要な量を十分にカソード内に供給することができる。
【００８２】
保湿層は、カソードで生成された水が即座に蒸発してしまうことを抑制するとともに、カソード等電池内の水分量を高く保持する効果をもつ。具体的には、電池内の含水率が低くなったときには、保湿層とカソード等との水分含量の差を駆動力として保湿層に挿入した繊維質や多孔質体などの保湿材に保持された液相の水からカソードへ電池反応に必要な量の水が供給される。この水の供給は送風による空気の供給を行った場合には更に促進される。この結果、電池内のプロトンの移動や電極反応を効果的に起こらせることができる。また、高出力で発電させるほどＭＥＡには多くの水が必要となるが、保湿層の湿度が高く保たれるため、ＭＥＡからの水の蒸発は抑制され、全体の燃費が改善される。
【００８３】
一方、高出力で発電させるためにカソードに大量の酸素が供給された場合、電池反応により生成する水の量も増えるが、保湿層があることにより大量に生成した水は保湿層に一時的に保持される。また、この場合、保湿層中の水分含量が高い状態となった場合には、保湿層と外気との水分含量（湿度）の差を駆動力として、カバー部材の開口部を通じて保湿層から外気へ水分が放出される（蒸散する）。このため、保湿層には空気流を妨げるほど水が結露することはなくフラッディングは起こらない。
【００８４】
保湿層が高湿度に保たれることによって、カソード触媒層自体の湿度も高く保たれる。その際、カソードを構成する電極材料に、金属などの熱伝導性が高いものを用いれば、保湿層の温度と比較して、電池反応によって発熱している触媒層近傍の温度が高くなる。カソードを構成する電極内部空間において、特に保湿層に近い側の温度は、触媒層近辺と比較すると相対的に低くなるため、その温度差によっては保湿層に近い側で水の過飽和現象が起こり、カソード電極内部空間においても、気相中の水を液相の水として利用することが可能となる。この効果は供給した空気中の水分に関しても同様に起こるため、保湿材、カバー部材さらにはカソード触媒層中で結露させることによって、燃料容器部の燃料に含まれる水以外も利用することも可能となる。すなわち、供給空気中の水分自体も発電に利用することができるため、燃料効率は著しく増大することになる。
【００８５】
なお、保湿層とカソード等の電池内の部材間、及び保湿層と外気との間にどの程度の含水率又は湿度の差が生じたときに、どの程度の水分の移動（保湿層からカソード等への水分の放出、カソード等から保湿層への水分の吸収、保湿層から外気への水分の放出など）が起こるかは、外気の湿度、電池内の含水率・湿度、空気の供給量、燃料の供給量、電池内の温度、外気の温度、カバー部材の開口率などによって影響を受け、これらの因子によって決定される。
【００８６】
この保湿層５１は、例えば、織布、不織布、繊維マット、繊維ウェブ、発泡プラスチック等の親水性の材料で形成されている。これらの材料は親水性の基を有し水分を吸収する能力を有する。この吸水性能は、電池の使用条件下では質量基準で好ましくは絶乾状態時の２倍以下であることが好ましく、１〜２倍であることが好ましく、１．５〜２倍であることがより好ましい。保湿層の吸水能力がこれらの範囲内にあることによって、フラッディングの発生を効果的に防止しつつ、空気及び水を有効に透過させることが可能となる。
【００８７】
また、本発明の保湿層は吸水に伴う変形が少ないという特徴を有する。保湿層としては特に、セルロース基材の繊維質からなり、導電性をもたないものが最適であり、例えば、コットンリンターからなるベンコット（商品名）を主原料とするセルロース繊維を好ましくは５０％以上、より好ましくは７０％以上含む不職布を用いることができる。その他、レーヨン、ポリエステル、パルプなどを主原料とする不職布としても良い。また、これらの原料にベンコットを混合したものを原料としても良い。なお、保湿層が繊維から構成される場合、繊維径は５〜５０μｍであることが好ましく、この繊維間には空隙が形成されることにより通気性を有するようになる。
【００８８】
保湿層は通常の電池の使用条件下ではその構成材料が親水性であることにより水分保持機能を有し、電池内を適度な水分含量に保持する機能を有する。保湿層は乾燥時の厚さが５０〜２５０μｍであることが好ましく、１００〜２００μｍであることがより好ましい。保湿層がこれらの範囲の厚さを有することによって、保湿層を介して電池反応に必要な十分な量の酸素をカソードへ供給することができると共に、保湿層中の水分を適度な含水率に保持することができる。また、保湿層は１層又は２層以上から構成されていても良く、２層以上から構成されている場合、同一の材料から構成されていても異なる材料から構成されていても良い。また、保湿層は１０〜１００メッシュ相当の空隙を有していることが好ましく、２０〜７０メッシュ相当の空隙を有していることがより好ましい。
【００８９】
実際に携帯型電子機器に搭載される燃料電池システムにおいては、全体が筺体に包まれることが一般的であり、カソード側への空気供給のために送風する必要が生じる。このため、従来の構成の燃料電池では送風を行うことにより更にカソード側の水分は欠如しやすくなる。
【００９０】
これに対して、本願発明の燃料電池ではカソード面上にセルロース繊維などを原料とした保湿層を設け、さらにその上に円形や四角形などの小孔をもつ金属やプラスチックなどのカバー部材で被覆する構造とすることによって、送風による水分蒸発を防止し、かつ電池内を発電に適度な湿度条件に保つことができる。また、この際、カバー部材の開口率を１０〜３０％とすることによって筐体に包まれている場合など特に必要な酸素濃度が低下しやすい高出力条件や弱い送風条件においても効果的に酸素供給と水分を保持することができる。このため、上記範囲の開口率が最適となる。
【００９１】
本発明の固体高分子型燃料電池は、燃料制御膜を介した気化燃料供給型の固体高分子型燃料電池であって、上記手段を用いることによって、燃料消費量を低減化させ、かつ安定した発電状況を得ることを特徴とするものである。
【００９２】
本発明の保湿層は電池の使用温度において保湿層内を５０％ＲＨ以上に保つことが好ましく、６５％ＲＨ以上に保つことがより好ましく、８５ＲＨ％以上に保つことが更に好ましい。本発明の保湿層は、保湿層内をこれらの湿度範囲に保つことによって電池内のプロトンの移動及び電池反応を効果的に行わせることができる。
【００９３】
以上説明したように、本発明の燃料電池セル１１において、カソード３１面上に設けた湿度調整層１４を構成するカバー部材５２に関して空気を取り入れることができ、かつ水分を空気流とやり取りができる程度にあけた小孔５２２を設けることにより、フラッディングやＭＥＡの水不足を効果的に防止することができ、広い出力条件において安定した発電が可能となる。
【００９４】
また、燃料電池セルを複数、設けた燃料電池スタックとすることにより大電流を得ることができ大型装置用の電池として用いることができる。この燃料電池スタックを構成する各燃料電池セルは、隣接する燃料電池セル同士が導電性材料によって直列に接続（例えば、隣接する燃料電池セルのアノード集電体とカソード集電体の接続や、隣接する燃料電池セルのアノードとカソードを電気配線により電気的に接続）されている。なお、燃料電池スタックにおいて、固体高分子電解質膜、燃料供給部及び湿度調整層は、それぞれ各燃料電池セルに対して個別に一つづつ設けても良いし、各燃料電池セルに共通して一つのものを設けても良いが、各燃料電池セル（アノード、カソード、固体高分子電解質膜）は同一平面上に設置されている。また、燃料電池セルを同一平面上に配置するためには、基材上に燃料電池セルを配しても良い。
【００９５】
このような構成の燃料電池は、特に筐体に燃料電池スタック１５を入れ、カソード上面に空気流を流して発電させる平面型スタックにおいて効果的であり、さらには、１００ｍＡ／ｃｍ2を超えるような大電流においてより効果的である。平面型スタック構造の燃料電池システム１１は、ＰＣなどの携帯用電子機器の主電源として有望であり、将来的にはその他の汎用電子機器にも応用可能な技術となるため、本発明の技術を用いることによって、広い応用分野での使用が期待できるようになる。
【実施例】
【００９６】
以下、実施例を示すことにより、本発明の燃料電池システムを具体的に説明する。
（実施例１）
実施例１で用いた燃料電池セルの構造について以下に説明する。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５０％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）を加え、攪拌して、カソード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の塗工量で塗布し、乾燥させて、４ｃｍ×４ｃｍのカソード３１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５０原子％）を用いた以外は上記カソード形成用の触媒ペーストを得た条件と同じにしてアノード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の作製条件と同じ条件で、アノード３２を作製した。
【００９７】
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８ｃｍ×８ｃｍ×厚さ１８０μｍの膜を固体高分子電解質膜３３として用い、この膜の一方の面上に上記カソード３１をカーボンペーパーが外側（固体高分子電解質膜３３と反対側の面）となる向きで配置し、他方の面に上記アノード３２をカーボンペーパーが外側（固体高分子電解質膜３３と反対側の面）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３１及びアノード３２が固体高分子電解質膜３３に接合して、ＭＥＡ（電極−電解質膜接合体）１３を得た。
【００９８】
次に、カソード３１とアノード３２の固体高分子電解質膜３３と反対側の面にそれぞれ、ステンレス鋼（ＳＵＳ３１６）からなる外寸法６×６ｃｍ2、厚さ１ｍｍの板からなるカソード集電体として機能するカバー部材５２１、及びアノード集電体４２を配置した。カソード集電体として機能するカバー部材５２１は、カバー部材５２１のカソード３１に接する部分には、内寸法４×４ｃｍ2、深さ０．５ｍｍの窪みが形成されている。この窪みを設けた部分には保湿層を配置した。
【００９９】
保湿層５１としては、４ｃｍ×４ｃｍのセルロース繊維マット（ベンコット（製品名）；小津産業社製）を用いた。このセルロース繊維マットの厚さは、断面の拡大写真を画像解析装置により測定したところ、３００μｍであった。
【０１００】
また、カバー部材の窪みを設けた部分には図７（Ａ）のように、直径２ｍｍの円形断面を有する貫通孔が格子状に配列して、開口率が２０％になるように形成した。なお、貫通孔は、開口を設けない部分にはマスクを設けてエッチングを行い開口率が２０％となるようにして形成した。
【０１０１】
アノード集電体４２は、１．１ｃｍの幅をもつ矩形枠状とした。なお、固体高分子電解質膜３３とアノード集電体４２との間に、シリコンゴム製の外寸法６×６ｃｍ2、厚さ０．３ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状の枠板からなるシール部材４４を配置した。このシール部材４４においては、ＣＯ2を排出する通気孔として、幅２．０ｍｍの切り込みを枠の１辺に２箇所ずつ設けた。また、固体高分子電解質３３とカソード集電体４１との間、その他のシール部材としては、シリコンゴム製の外寸法６×６ｃｍ2、厚さ０．３ｍｍ、幅１０ｍｍの矩形枠状の枠板からなるシール部材４３を配置した。
【０１０２】
図８及び９に示されるように、燃料電池システム１を構成するフレーム１０としては、外寸１５ｃｍ×３０ｃｍ×厚さ１ｃｍのＰＰ製のものを用い、そのフレーム１０内部には、燃料電池セル１１を２列×４行で並べられるように、８個の燃料タンク部１２を形成した。フレーム１０の中央には、燃料供給流路２１を設け、各燃料タンク部１２とは燃料供給分岐流路２１１で連結させている。燃料供給流路２１および燃料戻り流路２２の断面積は、２０ｍｍ2とした。燃料タンク部１２は、内寸法４×４ｃｍ、深さ３ｍｍの容器であり、その底面には、燃料供給のための燃料インレット２３が設けられ、燃料供給分岐流路２１１から燃料が供給されるようにし、その内部には、燃料保持材として、ウレタン素材からなるウィッキング材６０が入っている。燃料タンク部１２は、燃料戻り分岐流路２２１を介して、フレーム１０の外側に設けた２本の燃料戻り流路２２と連結されている。
【０１０３】
燃料供給制御膜５３としては、６ｃｍ×６ｃｍ×厚さ５０μｍのＰＴＦＥ多孔質膜（細孔径１．０μｍ，気孔率８０％）を用い、アノード集電体４２と燃料容器１２の間に挿入した。
【０１０４】
ＭＥＡ１３、カソード集電体と一体化したカバー部材５２１、保湿層５１、アノード集電体４２、シール部材４３を所定数のネジによりネジ止めして一体化し、実施例１に係る燃料電池セル１１を得た。実施例１の燃料電池スタック１５は、図８に示したような外観をもち、各燃料電池セル１１は、図９に示したような断面形状をしている。それぞれの燃料電池セル１１は、隣接する燃料電池セル１１と集電体によって、カソード端子４１１からアノード端子４２１に至るまで電気的に直列接続されている（図８では隣接する燃料電池セル１１間の接続が簡略化して示されている）。さらに、燃料電池スタック１５を二つ並べ、それらのカソード端子４１１とアノード端子４２１を接続し、燃料電池スタック１５の接続に用いていないアノード端子４２１とカソード端子４１１から、電流を取り出した。
【０１０５】
連結させた燃料電池スタック１５は、幅３１ｃｍ×長さ４０ｃｍ×厚さ１．２ｃｍのＰＰ製の筐体に導入し、燃料循環系統と電気配線を施した。筐体と燃料電池スタック１５の隙間からなるカソード面上空間に空気流が流れるように調整した。
【０１０６】
（実施例２）
実施例２では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を１０％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１０７】
（実施例３）
実施例３では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を３０％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１０８】
（実施例４）
実施例４では、図１０に示したように、空気流と平行になるように冷却フィン５２３を配置し、かつカソード集電体と一体化したカバー部材５２１を用いた。開口部分の開口率はエッチング時のマスクパターンを変えることにより３０％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１０９】
（実施例５）
実施例５で用いたカバー部材５２は、図１１に示したように、保湿層に相当する部分のカバー部材の面積が保湿層の面積よりも大きくこのカバー部材をねじ穴４５でねじ締めすることによって、中央部が膨らむようになっている。この膨らんだ部分（カバー部材）の、保湿層上に設けられた部分の開口率は２０％である。その他の条件は実施例１と同様である。
【０１１０】
図１１には、Ｅ−Ｅ’、Ｆ−Ｆ’、Ｇ−Ｇ’、Ｈ−Ｈ’における断面図も示した。Ｅ−Ｅ’およびＧ−Ｇ’で示したような周辺近傍と比較して、Ｆ−Ｆ’、Ｈ−Ｈ’で示したような中央付近の方がより大きく歪んでおり、中央が盛り上がったドーム状の形状になっている。周辺部に対して、中央部分は０．８ｍｍほど高くなっているため、カバー部材の小孔５２２は、カソード３３面に対してやや傾いて開口されている。そのため、カソード３３面に対して平行に流れてきた空気流が入り込みやすく、かつ抜けやすくなる。その結果、保湿層５１に流れ込む空気流の抵抗が小さくなるため、保湿層５１およびカソード３１への酸素供給が効果的となる。
【０１１１】
また、保湿層５１から空気がカバー部材の小孔５２２を通じて抜け出る際に、加湿された空気のほとんどがカバー部材５２に当たるため、スタックを通過して外部に排出されるはずの水分の大部分は湿度調整層１４内にとどまり、仮に抜け出てしまっても、そのほとんどが下流部に位置するより高温であり、燃料電池セル１１の湿度調整層１４に再吸収される。
【０１１２】
（実施例６）
実施例６では、図１２に示したように、枠状のカソード集電体４１の開放部分であるカソード３１面上を被覆するように、表面を塗装によって絶縁処理したステンレス製金属板を被せた。カバー部材５２の外寸は３．８×３．８ｃｍ2であり、カソード３１面の開放部分とほぼ同じ寸法となっている。カバー部材５２は、カソード集電体４１に、幅７ｍｍのカバー部材固定テープ５２４で軽く固定させた。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１１３】
カバー部材５２は、カバー部材固定テープ５２４で軽く固定してあるだけなので、その周辺部分のテープを貼っていない部分では、０．１ｍｍ程度の隙間が開いている。カソード３１に送られる空気流のほとんどはカバー部材の小孔５２２から入り込むが、それを補うように、カバー部材５２とカソード集電体４１の隙間からも空気が入り込むことができる。隙間からの空気が空気流と平行な一辺のみから入り込むと仮定すると、隙間の開口面積は、カバー部材の小孔５２２のおよそ２％程度と見積もられるが、空気流に対して平行であり、かつカソード集電体４１よりも上面にカバー部材５２の裏側が位置するため、保湿層５１に空気流が入り込むことを助ける効果は大きい。また、カバー部材の小孔５２２の２％程度の開口面積であるため、必要以上に空気流が入り込んだり、その空気流に乗せて保湿に必要な水分まで飛ばすことなく、最適な空気流供給が成され、安定した発電が可能となる。
【０１１４】
（実施例７）
実施例７では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を１５％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１１５】
（実施例８）
実施例８では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を２５％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１１６】
（実施例９）
実施例９では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を３５％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１１７】
（実施例１０）
実施例１０では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を４５％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１１８】
（実施例１１）
実施例１１では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を５％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１１９】
（実施例１２）
実施例１２では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を４０％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１２０】
（実施例１３）
実施例１３では、エッチング時のマスクパターンを変えることによりカソード集電体と一体化したカバー部材５２１の開口率を５０％とした。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１２１】
（比較例１）
比較例１では、カバー部材を設けず保湿層のみを設けた。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１２２】
（比較例２）
比較例２では、保湿層を設けずカバー部材のみを設けた。その他の条件は、実施例１１と同様である。
【０１２３】
（比較例３）
比較例３では、保湿層を設けずカバー部材のみを設けた。その他の条件は、実施例２と同様である。
【０１２４】
（比較例４）
比較例４では、保湿層を設けずカバー部材のみを設けた。その他の条件は、実施例１と同様である。
【０１２５】
（比較例５）
比較例５では、保湿層を設けずカバー部材のみを設けた。その他の条件は、実施例３と同様である。
【０１２６】
（比較例６）
比較例６では、保湿層を設けずカバー部材のみを設けた。その他の条件は、実施例１２と同様である。
【０１２７】
（実験結果）
表１は、実施例１〜１３および比較例１〜６の実験結果をまとめた表である。具体的な実験方法を以下において説明する。
【０１２８】
【表１】
2007080776.tif 000003
【０１２９】
上述のように形成した燃料電池システム１について、１０ｖｏｌ％メタノール水溶液５００ｍＬを二つの燃料電池スタック１５に循環供給した。燃料は、各スタックからの戻り流量が１５ｍＬ／ｍｉｎになる量を、小型ポンプを用いて供給した。二つの燃料電池スタック１５は、並べて筐体の中に入れ、そのカソード面上には、筐体の内側に対して１ｍｍの距離をもつ送風空間を設けた。送風空間には、空気流をファンによって送風し、カソード面上の空間において５００ｍＬ／ｍｉｎ程度の流量となるように調整した。それぞれの実施条件において、１００ｍＡ／ｃｍ2の電流密度条件で最大３時間、発電試験を行い、発電開始後、１ｈ、２ｈ、３ｈにおける電圧値を測定した。
【０１３０】
また、各実施例・比較例における燃料消費量を測定し、下記式で表される燃料効率を算出した。
（燃料効率）＝（各実施例又は比較例における発電を開始して３時間後におけるアノードに供給される燃料の消費量）／（比較例１における発電を開始して３時間後におけるアノードに供給される燃料の消費量）
この燃料消費量は比較例１の燃料消費量を基準とした各実施例又は比較例の割合を表したものである。
【０１３１】
実施例１〜１３及び比較例１〜６に関しては、表１に示したように、３時間安定して発電できた。一方、表１の結果より同じ開口率のカバー部材のみを用いた場合、保湿層のみを用いた場合と比べて、保湿層とカバー部材を用いたときのほうが１〜３ｈの全ての時間において電圧値及び燃料効率が共に高くなっていることが分かる。
【０１３２】
このように保湿層とカバー部材を用いた実施例で高い電圧値及び燃料効率が得られるのは、カバー部材のみの燃料電池を用いた場合ではカソードの電池反応で生成した水が蒸発しやすく燃料を無駄に使ってしまい、保湿層のみの燃料電池を用いた場合では保湿層に直接、供給された空気が当たるため水分の蒸発が促進されてしまうためである。
【０１３３】
また、実施例１〜３及び７〜１３の結果より開口率が１０〜３０％の範囲内であるときに高い電圧値及び燃料効率を得ることができ、１５〜２５％でより高い電圧値及び燃料効率、１５〜２０％で最も高い電圧値及び燃料効率が得られることを確認できた。
【０１３４】
実施例４では、表面に冷却フィン５２３を設けたため保湿層５１の温度が低下しやくなる。また、カソード反応によって水分が供給されるため保湿層内の相対湿度が高くなり、より低い温度で飽和水蒸気圧になる。この結果、カソード３１中の触媒層および固体高分子電解質膜への水のフィードバックが十分になり、実施例１と同様に安定して発電することができた。なお、実施例１と比較して、実施例４の電圧がやや低いのは、冷却フィン５２３による冷却効果によって、カソード４１表面温度がやや低くなるためであると考えられる。
【０１３５】
実施例５では、カバー部材５２がドーム状の形状をしているため、空気流と非平行であたる部分の表面積が大きくなり、カバー部材の小孔５２２から保湿層５１への空気の入り込みが改善されている。その結果、カバー部材５２の冷却効果も助長され、保湿層での水の凝縮も助長され、凝縮熱の発生によって保湿層の温度が実測で３℃上昇した。このように実施例５では空気供給の改善と保湿層の温度上昇による電気化学反応温度の上昇の効果が重なり合ったこと、およびカソード反応に十分な水分がカソード触媒層に供給されたことが重なり合い、実施例１よりも全体的に電圧が高くなったものと考えられる。
【０１３６】
実施例６では、カバー部材５２とカソード集電体４１の間に０．１ｍｍ程度の隙間があるため、保湿層５１における空気整流効果によって、保湿層５１からやや水分が蒸発する影響が生じ、より長い時間では電圧が低下する傾向がみられた。それぞれの実験終了後に、湿度調整層１５をはずしてみたところ、開口率が小さいほど湿り気が多かった。
【０１３７】
特に、本発明で設定したカバー部材５２の開口率を１０％〜３０％という範囲に規定することによって、ＰＣなどの出力を多く必要とする携帯用電子機器に燃料電池システム１を用いた場合においても、高い電圧で長時間安定な発電が可能となる。また、カバー部材５２に関しては、冷却フィン５２３を設けたり、その形状をドーム状にするなどして、冷却効果や空気供給補助効果などの機能を付加することもできるため、多くの燃料電池システム１に応用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３８】
【図１】本発明の燃料電池セルの一例を示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池セルの一例を示す断面図である。
【図３】本発明の燃料電池セルの一例を示す断面図である。
【図４】燃料電池セルを構成するシール部材の一例を示す概略図である。
【図５】本発明のカバー部材の一例を示す概略図である。
【図６】本発明のカバー部材の一例を示す概略図である。
【図７】本発明のカバー部材の一例を示す概略図、およびその断面図である。
【図８】本発明の燃料電池システムの一例として示した平面型スタック構造の上面図である。
【図９】図８に示した平面型スタック構造のＣ−Ｃ’断面における断面図である。
【図１０】本発明のカバー部材の一例を示す概略図である。
【図１１】本発明のカバー部材の一例を示す概略図、およびその断面図である。
【図１２】本発明のカバー部材の一例を示す概略図、およびその断面図である。
【図１３】本発明のカバー部材の一例を示す概略図である。
【図１４】本発明のカバー部材の一例を示す概略図である。
【図１５】本発明のカバー部材の一例を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１３９】
１  燃料電池システム
１０  フレーム
１１  燃料電池セル
１２  燃料タンク部
１３  ＭＥＡ
１４  湿度調整層
１５  燃料電池スタック
２１  燃料供給流路
２１１  燃料供給分岐流路
２２  燃料戻り流路
２２１  燃料戻り分岐流路
２３  燃料インレット
３１  カソード
３２  アノード
３３  固体高分子電解質膜
４１  カソード集電体
４１１  カソード集電体端子
４２  アノード集電体
４２１  アノード集電体端子
４３  シール部材
４４  ＣＯ2排出部位をもつシール部材
４４１  ＣＯ2排出部位
４５  ネジ穴
５１  保湿層
５２  カバー部材
５２１  カソード集電体と一体化したカバー部材
５２２  カバー部材の小孔
５２３  冷却フィン
５２４  カバー部材固定テープ
５３  燃料供給制御膜
６０  ウィッキング材
【図１】
2007080776.tif 000004
【図２】
2007080776.tif 000005
【図３】
2007080776.tif 000006
【図４】
2007080776.tif 000007
【図５】
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【図６】
2007080776.tif 000009
【図７】
2007080776.tif 000010
【図８】
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【図９】
2007080776.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
2007080776.tif 000014
【図１２】
2007080776.tif 000015
【図１３】
2007080776.tif 000016
【図１４】
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【図１５】
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