(57)【要約】【課題】  出力特性に優れた燃料電池セル及び燃料電池を提供する。【解決手段】  燃料電池セルは、アノード２１と、カソード２４と、電解質膜２７と、を含んだ膜電極接合体３を有する起電部と、燃料供給部７とを備える。カソード２４が燃料供給部７と対向するよう起電部を配置した状態で、燃料供給部７がカソード２４側に濃度が９９重量％以上のメタノールを０．２μＬ／（min・cm２）の速度で３時間連続して供給し続けた場合の最後の３０分の開回路電圧の１セル当たりの平均値が０．４Ｖ以下となるように起電部の少なくともアノード２１側が選択性を有する。膜電極接合体３は、アノード２１側での反応生成物をカソード２４側へ逃がすことができ、カソード２４側での反応生成物をアノード２１側へ導入することができるように設けられている。【選択図】図１
2012059628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードと、カソードと、前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜と、を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、
前記アノードに対して前記電解質膜の反対側に配置され、前記アノードに燃料を供給する燃料供給部と、を備え、
前記カソードが前記燃料供給部と対向するよう前記起電部を配置した状態で、前記燃料供給部が前記カソード側に濃度が９９重量％以上のメタノールを０．２μＬ／（min・cm２）の速度で３時間連続して供給し続けた場合の最後の３０分の開回路電圧の１セル当たりの平均値が０．４Ｖ以下となるように前記起電部の少なくとも前記アノード側が選択性を有し、
前記膜電極接合体は、前記アノード側での反応生成物を前記カソード側へ逃がすことができ、前記カソード側での反応生成物を前記アノード側へ導入することができるように設けられている燃料電池セル。
【請求項２】
前記燃料供給部は、前記アノードと対向した燃料排出面を有した燃料排出板と、前記燃料排出板の周縁部に設けられ、前記燃料排出面を越えて突出し、前記膜電極接合体の周縁と対向した枠状の周壁と、を有し、
前記アノード、カソード及び電解質膜の周縁は、前記周壁に隙間を置いて位置し、前記隙間に開放されている請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記膜電極接合体は、前記アノード、カソード及び電解質膜を貫通して形成された貫通孔をさらに含み、
前記膜電極接合体の平面に沿った前記貫通孔の断面積は、３．１４ｍｍ２以上である請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
前記電解質膜は、複数の貫通孔を有し、
前記複数の貫通孔は、前記電解質膜の平面に沿った方向に、互いに２０ｍｍ以下の間隔を置いて位置し、
前記電解質膜の平面に沿った各貫通孔の断面積は、７．８×１０−５ｍｍ２以上、２．０×１０−３ｍｍ２以下である請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項５】
前記燃料は、濃度が６４重量％以上のメタノール水溶液又は純メタノールである請求項１乃至４の何れか１項に記載の燃料電池セル。
【請求項６】
アノードと、カソードと、前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜と、を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、前記アノードに対して前記電解質膜の反対側に配置され、前記アノードに燃料を供給する燃料供給部と、を具備した燃料電池セルと、
前記燃料を収容するとともに前記燃料を前記燃料供給部に与える燃料供給源と、を備え、
前記カソードが前記燃料供給部と対向するよう前記起電部を配置した状態で、前記燃料供給部が前記カソード側に濃度が９９重量％以上のメタノールを０．２μＬ／（min・cm２）の速度で３時間連続して供給し続けた場合の最後の３０分の開回路電圧の１セル当たりの平均値が０．４Ｖ以下となるように前記起電部の少なくとも前記アノード側が選択性を有し、
前記膜電極接合体は、前記アノード側での反応生成物を前記カソード側へ逃がすことができ、前記カソード側での反応生成物を前記アノード側へ導入することができるように設けられている燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、燃料電池セル及び燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の携帯用電子機器の電源に、燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は、携帯用電子機器を、充電なしで長時間使用可能とするものである。燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化ができれば携帯電子機器の長時間の作動に極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、改質器等が不要なため小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望である。
【０００４】
ＤＭＦＣの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣ、液体燃料をセル内で気化させる内部気化型ＤＭＦＣ等が知られている。
【０００５】
内部気化型ＤＭＦＣでは、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を燃料気化層（アノードガス拡散層）において拡散させ、拡散された気化燃料がアノード触媒層に供給され、カソード触媒層側からの空気と電解質膜において発電反応する。
【０００６】
なお、液体供給型ＤＭＦＣでは、セルと燃料収容部とを流路を介して接続する技術が知られている。液体燃料を、流路を介してセルに供給することによって、流路の形状や径等に基づいて液体燃料の供給量を調整することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２４３８００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記特許文献１において、膜電極接合体は、ガス抜き孔を有している。アノード側に生じたガス成分をカソード側に逃がすことができることから、燃料電池セルは出力の安定性を高めることができる。しかしながら、上記燃料電池セルは出力の向上を図るものではない。このため、高い出力を安定して得ることができる、出力特性に優れた燃料電池セルが求められている。  
この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、出力特性に優れた燃料電池セル及び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】
【０００９】
一実施形態に係る燃料電池セルは、
アノードと、カソードと、前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜と、を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、
前記アノードに対して前記電解質膜の反対側に配置され、前記アノードに燃料を供給する燃料供給部と、を備え、
前記カソードが前記燃料供給部と対向するよう前記起電部を配置した状態で、前記燃料供給部が前記カソード側に濃度が９９重量％以上のメタノールを０．２μＬ／（min・cm２）の速度で３時間連続して供給し続けた場合の最後の３０分の開回路電圧の１セル当たりの平均値が０．４Ｖ以下となるように前記起電部の少なくとも前記アノード側が選択性を有し、
前記膜電極接合体は、前記アノード側での反応生成物を前記カソード側へ逃がすことができ、前記カソード側での反応生成物を前記アノード側へ導入することができるように設けられている。
【００１０】
また、一実施形態に係る燃料電池は、
アノードと、カソードと、前記アノード及びカソード間に挟持された電解質膜と、を含んだ膜電極接合体を有する起電部と、前記アノードに対して前記電解質膜の反対側に配置され、前記アノードに燃料を供給する燃料供給部と、を具備した燃料電池セルと、
前記燃料を収容するとともに前記燃料を前記燃料供給部に与える燃料供給源と、を備え、
前記カソードが前記燃料供給部と対向するよう前記起電部を配置した状態で、前記燃料供給部が前記カソード側に濃度が９９重量％以上のメタノールを０．２μＬ／（min・cm２）の速度で３時間連続して供給し続けた場合の最後の３０分の開回路電圧の１セル当たりの平均値が０．４Ｖ以下となるように前記起電部の少なくとも前記アノード側が選択性を有し、
前記膜電極接合体は、前記アノード側での反応生成物を前記カソード側へ逃がすことができ、前記カソード側での反応生成物を前記アノード側へ導入することができるように設けられている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る燃料電池を示す概略断面図である。
【図２】図２は、図１に示した膜電極接合体を示す平面図である。
【図３】図３は、図１に示したアノード導電層を示す平面図である。
【図４】図４は、図１に示したカソード導電層を示す平面図である。
【図５】図５は、上記燃料電池における経過時間に対する（１）出力密度、（２）制御温度、（３）セル抵抗の変化をグラフで示した図である。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る燃料電池を示す概略断面図である。
【図７】図７は、図６に示した膜電極接合体を示す平面図である。
【図８】図８は、図６及び図７に示した膜電極接合体を拡大して示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、図面を参照しながら第１の実施形態に係る燃料電池について詳細に説明する。この実施形態において、直接メタノール型の燃料電池について説明する。  
図１に示すように、燃料電池は、燃料電池セル１と、燃料を収容するとともに燃料を燃料電池セル１に与える燃料供給源２とを備えている。
【００１３】
燃料電池セル１は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）３を有する起電部と、アノード集電体３１と、カソード集電体３４と、燃料極支持板６と、燃料供給機構としての燃料供給部７と、保湿板９と、カバープレート１５とを備えている。
【００１４】
図１及び図２に示すように、膜電極接合体３は、燃料極としてのアノード２１と、アノード２１に所定の隙間を置いて対向配置された空気極としてのカソード２４と、アノード２１及びカソード２４間に挟持された電解質膜２７とを有している。
【００１５】
燃料電池は、さらに燃料８２を収容するとともに流路８３により燃料分配機構８に燃料を供給する燃料収容部８１と、ポンプ８４が取り付けられた流路８３とを備えている。この実施形態の燃料電池では、燃料分配機構８から膜電極接合体３に供給された燃料８２は発電反応に消費されてしまい、その後に循環して燃料分配機構８あるいは燃料収容部８１に戻されることはない。このタイプの燃料電池は燃料を循環させないことから、従来のアクティブ方式とは異なる方式であり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ８４を使用しているが、発電部の構造は従来の内部気化型のような純パッシブ方式と同一であるため、この方式の燃料電池はいわばセミパッシブ型と呼ぶことができる。
【００１６】
この実施形態において、膜電極接合体３は矩形状の発電領域Ｒ１を有している。発電領域Ｒ１は、発電に有効な１つの有効領域Ｒ２を有している。有効領域Ｒ２は、矩形状であり、発電領域Ｒ１に重なっている。この実施形態において、有効領域Ｒ２は、長さＬが３０ｍｍ、幅Ｗが４０ｍｍである。  
また、膜電極接合体３は１つの発電素子２０を有している。発電素子２０は、矩形状であり、有効領域Ｒ２に重なっている。
【００１７】
アノード２１は、アノード触媒層２２と、アノード触媒層２２に積層されたアノードガス拡散層２３とを有している。カソード２４は、カソード触媒層２５と、カソード触媒層２５に積層されたカソードガス拡散層２６とを有している。
【００１８】
アノード触媒層２２は、アノードガス拡散層２３を介して供給される燃料を酸化させ燃料から電子とプロトンとを取り出すものである。カソード触媒層２５は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層２２において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものである。
【００１９】
カソード触媒層２５に含有される触媒としては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐｔ−Ｐｄ合金、Ｐｔ−Ｃｏ合金等が挙げられる。アノード触媒層２２に含有される触媒としては、過剰な電解質を混合したＰｔ−Ｒｕ合金等が挙げられる。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。
【００２０】
電解質膜２７はプロトン導電膜である。電解質膜２７は、アノード触媒層２２において発生したプロトンをカソード触媒層２５に輸送するためのものである。電解質膜２７は、電子伝導性が非常に低く、プロトンを輸送することが可能なプロトン伝導性の材料で形成されている。
【００２１】
電解質膜２７を形成する材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の材料はこれらに限られるものではない。
【００２２】
アノードガス拡散層２３は、アノード触媒層２２に燃料を均一に供給する役割を果たし、アノード触媒層２２の集電機能を有している。カソードガス拡散層２６は、カソード触媒層２５に酸化剤を均一に供給する役割を果たし、カソード触媒層２５の集機能を有している。アノードガス拡散層２３及びカソードガス拡散層２６は多孔質基材で構成されている。
【００２３】
図１、図３及び図４に示すように、アノード集電体３１及びカソード集電体３４は、例えば、金、ニッケル等の金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）又は箔体、あるいは銅などの導電性金属材料に耐食性が高いカーボンペーストを被覆した複合材等をそれぞれ使用することができる。
【００２４】
アノード集電体３１は、アノードガス拡散層２３の形状に合わせて形成されている。この実施形態において、アノード集電体３１は矩形状に形成されている。端子３３は、アノード集電体３１の周縁から延出して形成されている。アノード集電体３１は、複数の燃料通過孔３２を有している。
【００２５】
カソード集電体３４は、カソードガス拡散層２６の形状に合わせて形成されている。この実施形態において、カソード集電体３４は矩形状に形成されている。端子３６は、カソード集電体３４の周縁から延出して形成されている。カソード集電体３４は、複数の通気孔３５を有している。  
これらアノード集電体３１はアノードガス拡散層２３に接続され、カソード集電体３４はカソードガス拡散層２６に接続されている。
【００２６】
上記したように、膜電極接合体３及びアノード集電体３１が組合さることで、燃料の気化成分は、アノード集電体３１の燃料通過孔３２を通ってアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給される。このため、燃料電池セル１は、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給するように形成されている。
【００２７】
例えば、アノード集電体３１と、燃料供給部７との間に、任意に図示しない気液分離膜を設けることにより、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給することができる。
【００２８】
酸化剤としての空気は、カバープレート１５の通気孔（図示せず）を通り、カソード集電体３４の通気孔３５を通ってカソードガス拡散層２６及びカソード触媒層２５に供給される。
【００２９】
図１に示すように、燃料極支持板６は、板状に形成されている。燃料極支持板６は、矩形状の板部５１を有している。板部５１は、アノード２１及び燃料供給部７間に挟持されている。なお、燃料極支持板６は、必要に応じて設けられていれば良い。
【００３０】
燃料極支持板６は、膜電極接合体３、より詳しくはアノード２１に燃料を通過させる複数の燃料通過孔（図示せず）を有している。上述した燃料極支持板６には、燃料として液体燃料８２の気化成分が供給される。
【００３１】
ここで、液体燃料８２としては、液体のメタノール等のメタノール燃料、又はメタノール水溶液を挙げることができる。メタノール水溶液においては、濃度が６４重量％以上のメタノール水溶液を利用することが望ましい。
【００３２】
液体燃料８２としては、これらに限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料が挙げられる。いずれにしても、カソード反応生成物である水よりも沸点の低ければ燃料として使用できる可能性がある。液体燃料８２の気化成分とは、液体燃料８２として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料８２としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合ガスを意味する。
【００３３】
燃料供給部７は、燃料分配機構８と、燃料拡散部１０とを備えている。燃料分配機構８は、アノード２１に対して電解質膜２７の反対側に配置されている。燃料拡散部１０は、アノード２１及び燃料分配機構８間に配置されている。
【００３４】
燃料分配機構８は、燃料排出板６１と、周壁６２とを有している。燃料排出板６１は、燃料注入口６３、複数の燃料排出口６４、細管６５及び燃料排出面６７を有している。  
燃料注入口６３は、燃料排出板６１の適所、例えば側面に１つ形成されている。細管６５は、燃料排出板６１に形成されている。燃料排出面６７は、アノード２１と対向した個所に位置している。
【００３５】
複数の燃料排出口６４は、燃料排出面６７に開口して設けられているとともに細管６５に繋げられている。周壁６２は、枠状に形成され、燃料排出板６１の周縁部に設けられている。周壁６２は、燃料排出面６７を越えて突出し、膜電極接合体３の周縁と対向している。
【００３６】
液体燃料８２は、燃料注入口６３から注入される。燃料分配機構８に注入された液体燃料８２は、細管６５を介して燃料排出口６４に導かれる。燃料排出口６４からは、液体燃料８２又はその気化成分が排出される。この実施の形態においては、燃料排出口６４からは液体燃料８２が排出される。
【００３７】
図１においては、燃料排出口６４は、複数個示されているが、これに限らず、１個以上形成されていればよい。燃料注入口６３は、図示した通り流路８３と直接接続されても良いし、他の燃料通路を経由して接続されていても良い。
【００３８】
燃料拡散部１０は、アノード２１及び燃料分配機構８間に配置されている。燃料拡散部１０は、燃料分配機構８から供給される液体燃料８２をより拡散してアノード２１に排出するものである。なお、燃料拡散部１０は必要に応じて設けられている。
【００３９】
燃料排出口６４から排出される液体燃料８２は、面方向に拡散された後、アノード２１に供給される。このため、液体燃料８２の供給量を平均化することができ、液体燃料８２を方向や位置に拘わりなく、アノード２１に均等に拡散させることができる。このため、膜電極接合体３における発電反応の均一性を高めることができる。
【００４０】
すなわち、アノード２１の面内における燃料の分布が平準化され、膜電極接合体３での発電反応に必要とされる燃料を全体的に過不足なく供給することができる。従って、燃料電池の大型化や複雑化等を招くことなく、膜電極接合体３で効率的に発電反応を生起させることができる。これによって、燃料電池の出力を向上させることが可能となる。言い換えると、燃料を循環させないパッシブ型燃料電池の利点を損なうことなく、出力やその安定性を高めることができる。
【００４１】
保湿板９は、カソードガス拡散層２６に対して電解質膜２７の反対側に位置している。この保湿板９は、カソード触媒層２５で生成された水の一部を含浸して、水の蒸散を抑制すると共に、カソードガス拡散層２６に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層２５への酸化剤（空気）の均一拡散を促進する機能を有している。この保湿板９は、たとえば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。この実施の形態において、保湿板９は発泡ポリエチレンシートである。
【００４２】
カバープレート１５は、保湿板９に対してカソード集電体３４の反対側に位置している。カバープレート１５は、外観が略箱状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート１５は、酸化剤である空気を取入れるための複数の通気孔（図示せず）を有している。
【００４３】
上述した燃料拡散部１０、燃料極支持板６、膜電極接合体３、アノード集電体３１、カソード集電体３４及び保湿板９は、それぞれの側面が周壁６２によって覆われている。カバープレート１５は、例えば周縁から外側に延出した複数の延出部を有しており、燃料電池セル１は、これら延出部が燃料分配機構８の外面にかしめ加工あるいはねじ止めされることにより完成する。
【００４４】
図１に示すように、燃料供給源２は、燃料収容部８１を備えている。燃料収容部８１には液体燃料８２が収容されている。燃料供給源２は、流路８３及びポンプ８４をさらに備えている。流路８３は例えばチューブ状に形成され、燃料収容部８１及び燃料注入口６３に接続されている。このため、燃料供給部７には燃料収容部８１から流路８３を介して液体燃料８２が導入される。
【００４５】
ポンプ８４は、流路８３の途中に挿入されている。ポンプ８４は燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部８１から燃料供給部７に液体燃料８２を送液する燃料供給ポンプである。このようなポンプ８４で必要時に液体燃料８２を送液することによって、燃料供給量の制御性を高めることができる。
【００４６】
ポンプ８４の種類は特に限定されるものではないが、少量の液体燃料８２を制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能という観点から、ロータリーポンプ（ロータリーベーンポンプ）、電気浸透流ポンプ、ダイアフラムポンプ、しごきポンプ等を使用することが好ましい。
【００４７】
ロータリーポンプはモータで羽を回転させて送液するものである。電気浸透流ポンプは電気浸透流現象を起こすシリカ等の焼結多孔体を用いたものである。ダイアフラムポンプは電磁石や圧電セラミックスによりダイアフラムを駆動して送液するものである。しごきポンプは柔軟性を有する燃料流路の一部を圧迫し、燃料をしごき送るものである。これらのうち、駆動電力や大きさ等の観点から、電気浸透流ポンプや圧電セラミックスを有するダイアフラムポンプを使用することがより好ましい。
【００４８】
ポンプ８４は、必要時動作させて燃料収容部８１から燃料供給部７に液体燃料８２を供給する。このように、ポンプ８４で燃料収容部８１から燃料供給部７まで液体燃料８２を送液する場合においても、燃料供給部７は有効に機能するため、膜電極接合体３に対する燃料供給量を均一化することが可能となる。
【００４９】
また、燃料供給部７から膜電極接合体３への燃料供給が行われる構成であればポンプ８４に代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。  
上記のように、燃料電池が形成されている。
【００５０】
次に、上記膜電極接合体３について詳しく説明する。  
図１及び図２に示すように、カソード２４が燃料排出面６７と対向するよう起電部（膜電極接合体３）を配置した状態で、燃料供給部７がカソード２４側に濃度が９９重量％以上のメタノールを０．２μＬ／（min・cm２）の速度で３時間連続して供給し続けた場合の最後の３０分の開回路電圧の平均値が１セル当たり０．４Ｖ以下となるように起電部の少なくともアノード２１側が選択性を有している。
【００５１】
膜電極接合体３は、アノード２１側での反応生成物（ガス成分；ＣＯ２）をカソード２４側へ逃がすことができ、カソード２４側での反応生成物（水蒸気；Ｈ２Ｏ）をアノード２１側へ導入することができるように設けられている。
【００５２】
アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７は、同一のサイズに形成され、これらの周縁は、互いに重なっている。膜電極接合体３は、アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７を貫通して形成された貫通孔ｈ１をさらに含んでいる。膜電極接合体３の平面に沿った貫通孔ｈ１の断面形状は円形状である。貫通孔ｈ１において、直径は２ｍｍであり、断面積は３．１４ｍｍ２である。
【００５３】
上記燃料電池セル１は、シールレス構造を採っているため、燃料電池セル１は、膜電極接合体３を液密にシールするための絶縁性のＯリング（シール材）を有していない。アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７の周縁は、周壁６２に隙間を置いて位置している。この実施形態において、アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７の周縁は、全周に亘って周壁６２に隙間を置いて位置している。アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７の周縁は、上記のようにＯリングでシールされてはおらず、上記隙間に開放（露出）されている。
【００５４】
次に、上記燃料電池による発電の仕組みについて説明する。  
まず、ポンプ８４を稼動させ、燃料収容部８１から流路８３を介して燃料供給部７に液体燃料８２を導入させる。この液体燃料８２は燃料分配機構８の燃料排出口６４から排出され、燃料排出面６７及び燃料拡散部１０によって拡散される。
【００５５】
なお、例えば、アノード集電体３１と、燃料供給部７との間に、気化膜として図示しない気液分離膜を設けても良い。これにより、燃料の気化成分をアノードガス拡散層２３及びアノード触媒層２２に供給することができる。
【００５６】
膜電極接合体３内において、燃料はアノードガス拡散層２３にて拡散してアノード触媒層２２に供給される。液体燃料８２としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層２２で式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層２５で生成した水や電解質膜２７中の水をメタノールと反応させて式（１）の内部改質反応を生起させる。  
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋＋ＣＯ２＋６ｅ−  …（１）
この反応で生成した電子（ｅ−）はアノード集電体３１に接続された端子３３から外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード集電体３４に接続された端子３６からカソード２４に導かれる。また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は電解質膜２７を経てカソード２４に導かれる。カソード２４には酸化剤として空気が供給される。カソード２４に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層２５で空気中の酸素と式（２）にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００５７】
６ｅ−＋６Ｈ＋＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  …（２）
上記したように、燃料電池による発電が行われる。
【００５８】
ここで、本願発明者等は、上記第１の実施形態の燃料電池を評価するため、第１の実施形態の燃料電池及び比較例の燃料電池の出力及び電解質膜２７の１ｋＨｚのセル抵抗を測定した。出力を測定する際、液体燃料８２として純メタノールを用い、燃料収容部８１に収容された純メタノールをポンプ８４を用いて燃料排出口６４まで液送して発電を行い、出力を測定した。また、燃料電池を、温度２５℃、相対湿度５０％の環境下に配置した。
【００５９】
図５に示すように、第１の実施形態の燃料電池の出力及びセル抵抗を６時間測定し、最後の２時間の出力密度及びセル抵抗の平均値を算出したところ、出力密度は４５．２ｍＷ／ｃｍ２であり、セル抵抗は２２ｍΩであった。
【００６０】
一方、比較例において、特開２００８−２４３８００号公報に示されるガス抜き構造を有した燃料電池セルを用いた燃料電池において、同様に出力密度及びセル抵抗を算出したところ、出力密度は３４．７ｍＷ／ｃｍ２であり、セル抵抗は３５ｍΩであった。
【００６１】
上記のことから、第１の実施形態の燃料電池は、比較例の燃料電池に比べて、セル抵抗が１３ｍΩも低いことが分かる。このことから、第１の実施形態の燃料電池の方が、電解質膜２７が水で濡れていることが分かる。
【００６２】
上記のように構成された第１の実施形態に係る燃料電池によれば、燃料電池は、燃料電池セル１及び燃料供給源２を備えている。燃料電池セル１は、膜電極接合体３を有する起電部と、燃料供給部７とを備えている。起電部（膜電極接合体３）のアノード２１は上記選択性を有している。
【００６３】
膜電極接合体３は、アノード２１側に生じたガス成分（ＣＯ２等）をカソード２４側へ逃がすことができ、カソード２４側に生じた水蒸気（水）をアノード２１側へ導入することができるように設けられている。第１の実施形態において、アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７の周縁は、周壁６２に隙間を置いて位置し、上記隙間に開放されている。膜電極接合体３には、断面積が３．１４ｍｍ２の貫通孔ｈ１が形成されている。
【００６４】
発電反応に伴ってアノード２１側に発生するガス成分を、貫通孔ｈ１や上記隙間を通してカソード２４側に逃がすことができ、さらには系外に放出することができる。そして、このように、膜電極接合体３の各部で発生するガス成分を、膜電極接合体３の面内に対して均一に除去することによって、供給された燃料を膜電極接合体３全体に均一に到達させることができる。これにより、燃料電池の出力の安定性を高めることができる。
【００６５】
また、アノード２１側での発電反応に必要なＨ２Ｏは、発電反応に伴ってカソード２４側に発生し、発生したＨ２Ｏを気相を介して効果的にアノード２１（アノード触媒層２２）に供給することができる。これにより、液体燃料８２は、濃度が６４重量％以上のメタノール水溶液又は純メタノールであってもよく、この場合でも、発電に寄与する発電素子２０の割合が減少することを抑制でき、燃料電池の出力低下を抑制することができる。  
上記したことから、電池性能の低下を抑制することができ、所望の出力を安定して得ることができるため、出力特性に優れた燃料電池セル及び燃料電池を得ることができる。
【００６６】
次に、第２の実施形態に係る燃料電池について詳細に説明する。この実施形態において、他の構成は上述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００６７】
図６乃至図８に示すように、膜電極接合体３は、アノード２１側での反応生成物（ガス成分；ＣＯ２）をカソード２４側へ逃がすことができ、カソード２４側での反応生成物（水蒸気；Ｈ２Ｏ）をアノード２１側へ導入することができるように設けられている。
【００６８】
アノード２１及びカソード２４は同一のサイズに形成され、長さが３０ｍｍ、幅が４０ｍｍである。電解質膜２７は、アノード２１及びカソード２４より大きいサイズに形成され、長さが３４ｍｍ、幅が４４ｍｍである。電解質膜２７は、アノード２１及びカソード２４から全周に亘って２ｍｍ突出している。このため、発電領域Ｒ１は、発電に有効な１つの有効領域Ｒ２と、有効領域を囲んだ非有効領域Ｒ３とを有している。
【００６９】
膜電極接合体３には、第１の実施形態に示した貫通孔ｈ１は形成されていない。電解質膜２７は、複数の貫通孔ｈ２を有している。複数の貫通孔ｈ２は、電解質膜２７にのみ形成されている。複数の貫通孔ｈ２は有効領域Ｒ２に全体的に形成されている。複数の貫通孔ｈ２は、電解質膜２７の平面に沿った方向に、互いに１ｍｍの間隔を置いて位置している。電解質膜２７の平面に沿った各貫通孔ｈ２の断面形状は円形状である。各貫通孔ｈ２において、直径は０．０５ｍｍであり、断面積は１．９６×１０−３ｍｍ２である。なお、各貫通孔ｈ２のサイズは、アノード触媒層２２及びカソード触媒層２５間に短絡が生じないように設定されている。また、電解質膜２７の厚みは、０．０５乃至０．０６ｍｍである。
【００７０】
燃料電池セル１は、絶縁性のＯリング（シール材）３８，３９を備えている。非有効領域Ｒ３の電解質膜２７は、Ｏリング３８，３９により挟持されている。Ｏリング３８，３９は、燃料電池セル１内の膜電極接合体３を液密にシールしている。これらのＯリング３８，３９によって燃料電池の内部に種々のスペースや間隙が形成されている。
【００７１】
Ｏリング３８及び３９は、例えばゴムで形成されている。Ｏリング３８は、アノード集電体３１の外周を囲むよう枠状に形成されている。Ｏリング３９は、カソード集電体３４の外周を囲むよう枠状に形成されている。ここで、Ｏリング３８は、膜電極接合体３からの燃料の漏れを防止する機能を有している。Ｏリング３９は、膜電極接合体３からの酸化剤の漏れを防止する機能を有している。
【００７２】
ここで、本願発明者等は、上記第２の実施形態の燃料電池を評価するため、第２の実施形態の燃料電池の出力及び電解質膜２７の１ｋＨｚのセル抵抗を同様に６時間測定した。そして、測定した後、最後の２時間の出力密度及びセル抵抗の平均値を算出した。算出したところ、出力密度は４２．１ｍＷ／ｃｍ２であり、セル抵抗は２３ｍΩであった。
【００７３】
上記のように構成された第２の実施形態に係る燃料電池によれば、燃料電池は、燃料電池セル１及び燃料供給源２を備えている。燃料電池セル１は、膜電極接合体３を有する起電部と、燃料供給部７とを備えている。起電部（膜電極接合体３）のアノード２１は上記選択性を有している。
【００７４】
膜電極接合体３は、アノード２１側に生じたガス成分（ＣＯ２等）をカソード２４側へ逃がすことができ、カソード２４側に生じた水蒸気（水）をアノード２１側へ導入することができるように設けられている。第２の実施形態において、膜電極接合体３はＯリング３８，３９によりシールされている。電解質膜２７には、断面積が１．９６ｍｍ２×１０−３の複数の貫通孔ｈ２が形成されている。
【００７５】
発電反応に伴ってアノード２１側に発生するガス成分を、貫通孔ｈ２を通してカソード２４側に逃がすことができ、さらには系外に放出することができる。そして、このように、膜電極接合体３の各部で発生するガス成分を、膜電極接合体３の面内に対して均一に除去することによって、供給された燃料を膜電極接合体３全体に均一に到達させることができる。これにより、燃料電池の出力の安定性を高めることができる。
【００７６】
また、アノード２１側での発電反応に必要なＨ２Ｏは、発電反応に伴ってカソード２４側に発生し、発生したＨ２Ｏを気相を介して効果的にアノード２１（アノード触媒層２２）に供給することができる。これにより、液体燃料８２は、濃度が６４重量％以上のメタノール水溶液又は純メタノールであってもよく、この場合でも、発電に寄与する発電素子２０の割合が減少することを抑制でき、燃料電池の出力低下を抑制することができる。  
上記したことから、電池性能の低下を抑制することができ、所望の出力を安定して得ることができるため、出力特性に優れた燃料電池セル及び燃料電池を得ることができる。
【００７７】
次に、第３の実施形態に係る燃料電池について詳細に説明する。この実施形態において、他の構成は上述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。  
電解質膜２７は、貫通孔ｈ１の他、複数の貫通孔ｈ２をさらに有している。複数の貫通孔ｈ２は、第２の実施形態と同様に電解質膜２７に形成されている。
【００７８】
ここで、本願発明者等は、上記第３の実施形態の燃料電池を評価するため、第３の実施形態の燃料電池の出力及び電解質膜２７の１ｋＨｚのセル抵抗を同様に６時間測定した。そして、測定した後、最後の２時間の出力密度及びセル抵抗の平均値を算出した。算出したところ、出力密度は４７．６ｍＷ／ｃｍ２であり、セル抵抗は２２ｍΩであった。
【００７９】
上記のように構成された第３の実施形態に係る燃料電池によれば、燃料電池は、燃料電池セル１及び燃料供給源２を備えている。燃料電池セル１は、膜電極接合体３を有する起電部と、燃料供給部７とを備えている。起電部（膜電極接合体３）のアノード２１は上記選択性を有している。
【００８０】
膜電極接合体３は、アノード２１側に生じたガス成分（ＣＯ２等）をカソード２４側へ逃がすことができ、カソード２４側に生じた水蒸気（水）をアノード２１側へ導入することができるように設けられている。第３の実施形態において、アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７の周縁は、周壁６２に隙間を置いて位置し、上記隙間に開放されている。膜電極接合体３には、断面積が３．１４ｍｍ２の貫通孔ｈ１と、断面積が１．９６×１０−３ｍｍ２の複数の貫通孔ｈ２とが形成されている。
【００８１】
発電反応に伴ってアノード２１側に発生するガス成分を、貫通孔ｈ１、ｈ２や上記隙間を通してカソード２４側に逃がすことができ、さらには系外に放出することができる。そして、このように、膜電極接合体３の各部で発生するガス成分を、膜電極接合体３の面内に対して均一に除去することによって、供給された燃料を膜電極接合体３全体に均一に到達させることができる。これにより、燃料電池の出力の安定性を高めることができる。
【００８２】
また、アノード２１側での発電反応に必要なＨ２Ｏは、発電反応に伴ってカソード２４側に発生し、発生したＨ２Ｏを気相を介して効果的にアノード２１（アノード触媒層２２）に供給することができる。これにより、液体燃料８２は、濃度が６４重量％以上のメタノール水溶液又は純メタノールであってもよく、この場合でも、発電に寄与する発電素子２０の割合が減少することを抑制でき、燃料電池の出力低下を抑制することができる。  
上記したことから、電池性能の低下を抑制することができ、所望の出力を安定して得ることができるため、出力特性に優れた燃料電池セル及び燃料電池を得ることができる。
【００８３】
なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【００８４】
例えば、上記第１及び第３の実施形態において、アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７の周縁は、少なくとも一部で互いに重なっていればよい。アノード２１、カソード２４及び電解質膜２７の周縁は、周壁６２に全周に亘って隙間を置いて位置しているが、これに限らず、少なくとも一部が周壁６２に隙間を置いて位置していればよい。  
上記第１及び第３の実施形態において、貫通孔ｈ１の断面積は、３．１４ｍｍ２以上であってもよく、この場合も上述した効果を得ることができる。
【００８５】
上記第２及び第３の実施形態において、複数の貫通孔ｈ２は、電解質膜２７の平面に沿った方向に、互いに２０ｍｍ以下の間隔を置いて位置し、各貫通孔ｈ２の断面積は、７．８×１０−５ｍｍ２以上、２．０×１０−３ｍｍ２以下であってもよく、この場合も上述した効果を得ることができる。
【００８６】
この発明は、直接メタノール型の燃料電池に限定されるものではなく、他の燃料電池に適用可能である。また、膜電極接合体３へ供給される液体燃料においても、全て液体燃料の蒸気を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる。
【符号の説明】
【００８７】
１…燃料電池セル、２…燃料供給源、３…膜電極接合体、７…燃料供給部、２１…アノード、２２…アノード触媒層、２３…アノードガス拡散層、２４…カソード、２５…カソード触媒層、２６…カソードガス拡散層、２７…電解質膜、３８，３９…Ｏリング（シール材）、６１…燃料排出板、６２…周壁、６３…燃料注入口、６４…燃料排出口、６５…細管、６７…燃料排出面、８１…燃料収容部、８２…液体燃料、ｈ１，ｈ２…貫通孔、Ｒ１…発電領域、Ｒ２…有効領域、Ｒ３…非有効領域。
【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】
2012059628.tif 000009
【図８】
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