(57)【要約】【課題】発電部の湿潤状態を維持するとともに、発電部のカソード側に過剰な水が存在することにより発電部に対する酸素の供給が阻害されることを抑制すること。【解決手段】  湿潤状態で発電をおこなう発電部９の水分濃度を所定濃度に保持する湿度調整層１１を備えているダイレクトメタノール型燃料電池１において、前記湿度調整層１１は、前記発電部９のカソード側に一体化あるいは接触して配置されており、疎水性あるいは撥水性を有する材料によってフィルムあるいはプレート形状に形成され、かつ、その厚さ方向に、前記発電部９から前記発電部９の外部に向けた前記発電にともなう熱によって蒸気化した水の透過量あるいは透過率に比較して、前記発電部９に向けた空気の透過量あるいは透過率が大きくなるように調整された複数の連通孔１２が形成されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
湿潤状態で発電をおこなう発電部の水分濃度を所定濃度に保持する湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池において、
前記湿度調整層は、前記発電部のカソード側に一体化あるいは接触して配置されており、疎水性あるいは撥水性を有する材料によってフィルムあるいはプレート形状に形成され、かつ、その厚さ方向に、前記発電部から前記発電部の外部に向けた前記発電にともなう熱によって蒸気化した水の透過量あるいは透過率に比較して、前記発電部に向けた空気の透過量あるいは透過率が大きくなるように調整された複数の連通孔が形成されている
ことを特徴とする湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池。
【請求項２】
前記疎水性あるいは撥水性を有する材料は、合成樹脂材料を含み、
前記フィルムあるいはプレートの前記発電部側の面における前記連通孔の直径が、前記発電部とは反対側の面における前記連通孔の直径に比較して小さく形成されている
ことを特徴とする請求項１に記載の湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池。
【請求項３】
前記合成樹脂材料は、前記メタノールに対する耐薬品性および耐熱性を有する材料を含む
ことを特徴とする請求項２に記載の湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池。
【請求項４】
前記合成樹脂材料は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾ−ルのいずれかを含む
ことを特徴とする請求項２または３に記載の湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池。
【請求項５】
前記フィルムあるいはプレートの厚みは、５０〜５０００μｍであり、
前記連通孔の直径は、０．１〜０．３μｍである
ことを特徴とする請求項１または２に記載の湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池。
【請求項６】
前記湿度調整層は、前記フィルムあるいはプレート形状に形成された前記合成樹脂材料を複数組み合わせて構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、発電部の湿潤状態を維持する湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料を酸化させて電力を発生させる燃料電池の一例として、メタノールを燃料に用いるダイレクトメタノール型燃料電池（以下、ＤＭＦＣと記す。）が知られている。ＤＭＦＣは、アノードにおいて下記の（１）式に示す触媒反応が生じてプロトンと電子とを生じ、そのプロトンと電子とがカソードにおいて下記の（２）式に示す触媒反応を生じることにより発電するように構成されている。
【０００３】
アノードにおける触媒反応
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２  ＋  ６Ｈ十  十  ６ｅー          …（１）式
【０００４】
カソードにおける触媒反応
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅー  →  ３Ｈ２Ｏ                  …（２）式
【０００５】
（１）式および（２）式に示したように、ＤＭＦＣは、アノードにおける触媒反応でメタノール１分子に対して水１分子が必要とされ、カソードにおける触媒反応で水３分子が生成される。ＤＭＦＣ全体の反応としては、水１分子がアノードにおけるメタノールの触媒反応に用いられるとしても、水２分子が余ることになる。また、ＤＭＦＣでは、メタノールのクロスオーバー現象が生じると、これにともなってアノード側からカソード側へ水もクロスオーバーすることが知られている。
【０００６】
そのため、ＤＭＦＣでは、発電部における水分量が不足したり、カソードにおける水分量が過剰になって発電部に対する空気の供給が阻害されたりするとＤＭＦＣの性能が低下するので、カソードにおける水分量を調整することが従来検討されている。その一例が特許文献１ないし３に記載されている。特許文献１ないし３に記載された装置は、疎水性であって、マイクロメーターオーダーの細孔を有するエレメントをカソード側のガス拡散層（以下、ＧＤＬと記す。）と燃料電池セルの外部から取り込んだ空気（酸素）を濾過するフィルタとの間に配置するように構成されている。そして、このエレメントによりアノードとカソードとの間で水圧差を生じさせ、その水圧差によりカソード側で生成した水を発電部の電解質膜を透過させてアノード側に戻すように構成されている。また、周辺技術として、特許文献４には、前述したエレメントを炭素粒子とＰＴＦＥの粒子とによって形成することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０２０９１５４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００８／００３２１８２号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００９／００２３０４６号明細書
【特許文献４】米国特許出願公開第２００６／０２０４８３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した特許文献１ないし３に記載された発明によれば、アノードとカソードとの間の水圧差によりアノードからカソードへの水の移動を制限できる。しかしながら、ＤＭＦＣでは原理的にカソードで水が生成するため、特許文献１ないし３に記載された構成では、カソードにおける水分量が過剰になる可能性があるだけでなく、カソードに多量の水が存在することにより発電部に対する空気の供給が阻害される可能性があった。特に蒸気化したメタノールを発電部に供給するように構成されたＤＭＦＣでは、発電部における水分が不足したり、発電部のカソード側で多量の水が生成され、これが空気の供給を妨げる可能性があり、未だ改良の余地があった。
【０００９】
この発明は上記の技術的課題に着目してなされたものであり、簡易な構成で発電部における水分量と発電部に対する空気供給量とを両立させることのできる湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、請求項１の発明は、湿潤状態で発電をおこなう発電部の水分濃度を所定濃度に保持する湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池において、前記湿度調整層は、前記発電部のカソード側に一体化あるいは接触して配置されており、疎水性あるいは撥水性を有する材料によってフィルムあるいはプレート形状に形成され、かつ、その厚さ方向に、前記発電部から前記発電部の外部に向けた前記発電にともなう熱によって蒸気化した水の透過量あるいは透過率に比較して、前記発電部に向けた空気の透過量あるいは透過率が大きくなるように調整された複数の連通孔が形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記疎水性あるいは撥水性を有する材料は、合成樹脂材料を含み、前記フィルムあるいはプレートの前記発電部側の面における前記連通孔の直径が、前記発電部とは反対側の面における前記連通孔の直径に比較して小さく形成されていることを特徴とする湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池である。
【００１２】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記合成樹脂材料は、前記メタノールに対する耐薬品性および耐熱性を有する材料を含むことを特徴とする湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池である。
【００１３】
請求項４の発明は、請求項２または３の発明において、前記合成樹脂材料は、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾ−ルのいずれかを含むことを特徴とする湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池である。
【００１４】
請求項５の発明は、請求項１または２の発明において、前記フィルムあるいはプレートの厚みは、５０〜５０００μｍであり、前記連通孔の直径は、０．１〜０．３μｍである
ことを特徴とする湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池である。
【００１５】
請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記湿度調整層は、前記フィルムあるいはプレート形状に形成された前記合成樹脂材料を複数組み合わせて構成されることを特徴とする湿度調整層を備えているダイレクトメタノール型燃料電池である。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、湿度調整層は、発電部のカソード側に一体化あるいは接触して配置されており、疎水性あるいは撥水性を有する材料によってフィルムあるいはプレート形状に形成されるとともに、発電部からその外部に向けた発電にともなう熱によって蒸気化した水の透過量あるいは透過率に比較して、発電部に向けた空気の透過量あるいは透過率が大きくなるように調整された複数の連通孔が形成されている。そのため、発電部における液相の水は、湿度調整層の疎水性あるいは撥水性により発電部に戻すことができる。蒸気化した水の透過量あるいは透過率に比較して空気に透過量あるいは透過率が大きくなるように連通孔が形成されているので、発電部で蒸気化した水は、湿度調整層の連通孔を通って発電部の外部に排出できるとともに、発電部に対する空気の供給を確保できる。その結果、発電部に過剰な水が存在したり、湿度調整層に液相の水の膜が形成されることにより、発電部に対する空気の供給が阻害されることを防止もしくは抑制できる。また、発電部における湿度を所定湿度に維持できることにより、発電にともなう熱によって発電部が過乾燥状態になることを防止もしくは抑制できる。メタノールのクロスオーバーにともなう発電部のアノード側からカソード側への水の移動を、すなわち水のクロスオーバーを低減できる。連通孔の大きさ、すなわち直径や湿度調整層における連通孔の密度、膜厚などを調整することにより、蒸気化した水および空気の透過量あるいは透過率を制御することができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、疎水性あるいは撥水性を有する合成樹脂材料を用いてフィルムあるいはプレート形状の湿度調整層を形成することにより、液相の水を発電部に戻すことができる。すなわち、液相の水の移動を規制できる。また、その疎水性あるいは撥水性により液相の水の膜が湿度調整層に形成されることを防止もしくは抑制し、発電部に対する空気の供給を確保できる。湿度調整層における発電部側の連通孔の直径は、これとは反対側の面における連通孔の直径よりも小さく形成されている。そのため、蒸気化した水を発電部の外部に排出できるとともに、発電部に対する空気の供給を確保できる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項２の発明による効果と同様の効果に加えて、疎水性あるいは撥水性に加えて、メタノールに対する耐薬品性および耐熱性を備えた湿度調整層を形成することができる。
【００１９】
請求項４の発明によれば、請求項２まやは３の発明による効果と同様の効果に加えて、合成樹脂材料にポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾ−ルのいずれかを用いることにより、疎水性あるいは撥水性を有するとともに、メタノールに対する耐薬品性、耐熱性を備えた湿度調整膜を形成することができる。
【００２０】
請求項５の発明によれば、請求項１または２の発明による効果と同様の効果に加えて、湿度調整層の厚みおよび連通孔の直径を調整することにより、任意の蒸気化した水および空気の透過量あるいは透過率を有する湿度調整層を形成できる。例えば、薄い湿度調整層を形成したり連通孔の直径を大きくすれば、蒸気化した水の排出が容易になり、発電部における湿度を下げることができる。これとは反対に、厚い湿度調整層を形成したり連通孔の直径を小さくすれば、蒸気化した水の排出を制限し易くなり、発電部における湿度を維持し易くなる。
【００２１】
請求項６の発明によれば、請求項１の発明による効果と同様の効果に加えて、複数の湿度調整層を組み合わせることにより、一つの湿度調整層で発電部の湿度を維持する場合に比較して蒸気化した水の排出を制限でき、発電部における湿度を維持し易くなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】この発明に係る湿度調整層を適用したＭＥＡの要部構成を模式的に示す図である。
【図２】この発明に係る湿度調整層の断面図を模式的に示す図である。
【図３】連通孔の形状を左右対称に構成した例を模式的に示す図である。
【図４】連通孔の形状を左右非対称に構成した例を模式的に示す図である。
【図５】この発明の実施例の発電特性を示す図である。
【図６】この発明の比較例の発電特性を示す図である。
【図７】ＤＭＦＣの構成を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
つぎにこの発明を具体的に説明する。この発明は、発電部の水分量あるいは湿度を発電に適した水分量あるいは湿度にするとともに、発電部のカソードで生成する水が原因となって発電部に対する酸素を含む空気の供給が妨げられないようにする湿度調整層に関するものである。すなわち、この発明の湿度調整層は、発電部を発電に適した湿潤状態にするとともに、発電部における過剰な水を排出して空気の供給を確保し、また、メタノールのクロスオーバーにともなう水の移動を規制するものである。したがって、湿度調整層は、発電部のカソード側に一体化あるいは接触して設けることができる。
【００２４】
湿度調整層は、疎水性あるいは撥水性を有し、かつＤＭＦＣの燃料として使用するメタノールに対する耐薬品性およびＤＭＦＣの動作温度範囲での耐熱性を有する合成樹脂材料を使用してフィルムあるいはプレート形状に形成することができる。合成樹脂材料は、摂氏１００度前後でも熱安定性を有することが望ましい。合成樹脂材料の一例を挙げると、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリベンゾイミダゾ−ルなどを使用することができる。この発明に係る湿度調整層には、複数の連通孔が形成されており、各連通孔は、一方の面における孔の直径が他方の面における孔の直径に比較して小さく形成してもよく、連通孔の直径や湿度調整層における連通孔の密度、孔の深さ（すなわち、湿度調整層の厚み）などを調整することにより、蒸気化した水および空気の透過量あるいは透過率を調整できるようになっている。蒸気化した水および空気の透過量あるいは透過率は、複数の湿度調整層を組み合わせることによっても調整することができる。
【００２５】
このような構成の湿度調整層を発電部のカソード側に配置すると、ＤＭＦＣの発電部における液相の水は、湿度調整層の疎水性あるいは撥水性により弾かれてその移動が規制されて発電部に留まる。連通孔は、蒸気化した水の透過量あるいは透過率に比較して空気の透過量あるいは透過率が大きくなるように形成されているので、発電部の発電にともなう熱によって蒸気化した水は、湿度調整層の連通孔を通って発電部の外部に排出できるとともに、発電部に対する空気の供給を確保できる。その結果、発電部に過剰な水が存在することが要因となって発電部や湿度調整層に液相の水の膜が形成され、発電部に対する空気の供給が阻害されることを防止もしくは抑制できる。発電部を湿潤状態に維持できることにより、発電にともなう熱によって発電部が過乾燥状態になることを防止もしくは抑制できる。
【００２６】
つぎにこの発明を図面を参照しながら具体的に説明する。図７に、ＤＭＦＣの構成を模式的に示してある。ＤＭＦＣ１は、電解質膜２を挟んで両側に、それぞれ触媒層３，４が設けられている。アノード側の触媒層３は、前述した（１）式で示したように、触媒の存在下でメタノールと水と反応させるように構成されており、例えば、チタン、ステンレス（ＳＵＳ）などによって形成されたメッシュ構造体の表面に白金およびルテニウムの等量混合物が被覆されて形成されている。
【００２７】
カソード側の触媒層４は、前述した（２）式で示したように、触媒の存在下で酸素およびアノードから電解質膜を透過して移動したプロトンならびにアノードから電気回路を通って移動してきた電子を反応させるように構成されており、例えば、チタン、ステンレス（ＳＵＳ）などによって形成されたメッシュ構造体の表面に白金が被覆されて形成されている。
【００２８】
触媒層３，４を挟んで両側に、ガス拡散層（ＧＤＬ）５，６が設けられている。アノード側のＧＤＬ５は、アノード側の触媒層３の全体に亘って燃料として使用するメタノールを均一に拡散させて供給するための空隙を確保するものである。カソード側のＧＤＬ６は、カソード側の触媒層４の全体に亘って酸素を含む空気を均一に拡散させて供給するための空隙を確保するものである。したがって、各ＧＤＬ５，６は、例えば、カーボンメッシュやカーボンクロスなどによって形成することができる。また、各ＧＤＬ５，６は、液相のメタノールや水が付着することにより、燃料および空気の拡散あるいは流動が阻害されないように撥水処理を施すことが好ましい。その撥水処理は、カーボンメッシュやカーボンクロスの表面にＰＴＦＥを被覆させる処理などの従来知られている処理であってよい。
【００２９】
各ＧＤＬ５，６における電解質膜２側とは反対側に、集電板７，８がそれぞれ設けられている。集電板７，８は、アノードの触媒反応で生じた電子をカソードに移動させるとともに、発電した電力を外部に取り出すためのものである。したがって、集電板７，８は導電性材料によって構成することが好ましい。また、チタンやステンレス（ＳＵＳ）などの金属製のメッシュ構造体に白金や金などの導電性材料を被覆して構成してもよい。
【００３０】
前述した電解質膜２および各触媒層３，４ならびに各ＧＤＬ５，６そして集電板７，８を重ね合わせ、例えばホットプレス機で加熱加圧することにより一体構造化してＤＭＦＣ１の発電部（以下、ＭＥＡと記す。）９が形成されている。
【００３１】
ＭＥＡ９を挟んで両側に、バイポーラ−プレート１０が配置されている。バイポーラープレート１０は、例えば合成樹脂材料もしくは合成樹脂材料と繊維との複合材料によって構成される繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）によって形成されている。バイポーラ−プレート１０の一方の面には、ＭＥＡ９側に開口して複数の蛇行した細溝形状の燃料供給チャンネル（図示せず）が形成されている。燃料供給チャンネルには、ポンプ（図示せず）によってメタノールが送液されるようになっている。バイポーラ−プレート１０の他方の面には、ＭＥＡ９側に開口して互いに平行な複数の細溝形状の空気供給チャンネル（図示せず）が形成されている。空気供給チャンネルには、ファン（図示せず）によって空気が供給されるようになっている。
【００３２】
図１に、この発明に係る湿度調整層を適用したＭＥＡの要部構成を模式的に示してある。図１において、湿度調整層１１は、ＭＥＡ９のカソード側に一体化あるいは接触して設けられている。湿度調整層１１は、ＭＥＡ９における液相の水の移動を規制あるいは抑制し、かつ、ＭＥＡ９の発電にともなう熱によって蒸気化した水をＭＥＡ９から排出することにより、ＭＥＡ９を発電に適した湿潤状態に維持するとともに、ＭＥＡ９に多量の水が留まることを防止もしくは抑制し、さらにＭＥＡ９に対する空気の供給を確保するものである。湿度調整層１１の厚み方向には、複数の連通孔１２が形成されている。連通孔１２は、発電にともなう熱によって蒸気化した水およびＭＥＡ９に供給する空気の供給路として機能するとともに、ＭＥＡ９における液相の水の移動を防止もしくは抑制するためのものである。
【００３３】
図２に、この発明に係る湿度調整層の断面図を示してある。図２に示したように、湿度調整層１１は、ＭＥＡ９のカソード側に設けられている。湿度調整層１１は、疎水性あるいは撥水性を有し、かつ燃料として使用するメタノールに対する耐薬品性およびＭＥＡ９の動作温度範囲での耐熱性を有する合成樹脂材料を使用してフィルムあるいはプレート形状に形成されている。湿度調整層１１の厚み方向には、複数の連通孔１２が形成されている。連通孔１２は、発電にともなう熱によって蒸気化した水およびＭＥＡ９に供給する空気の供給路として機能するとともに、ＭＥＡ９における液相の水の移動を防止もしくは抑制するものである。そのため、ＭＥＡ９側の面における連通孔１２の直径は、蒸気化した水に比較して液相の水が流動し難い大きさであり、その大きさは、予め実験やシミュレーションなどにより求めておくことができる。また、連通孔１２は、ＭＥＡ９において蒸気化した水の透過量あるいは透過率に比較して、ＭＥＡ９に供給する空気の透過量あるいは透過率が高くなるようになっている。さらにまた、図２において、ＭＥＡ９側とは反対側の連通孔１２の直径は、ＭＥＡ９側の面における連通孔１２の直径に比較して大きく形成されている。
【００３４】
図３に、連通孔の形状を左右対称に構成した例を示してある。連通孔１２をシリンダ形状あるいは円柱形状もしくは角柱形状などの形状にすると、図３に示したように、孔の断面の長手方向全体に亘って断面積、直径などがほぼ一定になる。そのため、左右対称の連通孔１２を形成すると、湿度調整層１１は、孔の大きさ（直径）、形状、密度、孔の深さ（すなわち、湿度調整層の厚み）などに依存していずれの面でも同じような選択的な物質移動特性を示すようになる。
【００３５】
図４に、連通孔の形状を左右非対称に構成した例を示してあり、連通孔１２は、円錐形状、じょうご形状などの孔の長手方向で一方の端部側から他方の端部側にかけて断面積、直径などが次第に大きくなったり、小さくなったりするように形成されている。そのため、左右非対称の連通孔１２を形成すると、湿度調整層１１は、各面における孔の大きさ（直径）、形状、密度、孔の深さ（すなわち、湿度調整層の厚み）などに依存して各面で異なった選択的な物質移動特性を示すようになる。
【００３６】
このような連通孔１２は、延伸法、トラックエッチング法、テンプレートリーチング法などの従来知られている種々の表面加工技術によって形成することができる。図４に示すような非対称の連通孔１２をエッチング法によって形成する場合には、湿度調整層１１として機能させるフィルムあるいはプレートの各面を異なるエッチング液で浸漬してエッチングをおこなえばよい。
【００３７】
図２および図４に示すような非対称の連通孔が形成された湿度調整層１１をＤＭＦＣ１に使用すると、ＭＥＡ９における液相の水は、湿度調整層１１の疎水性あるいは撥水性により弾かれたり、湿度調整層１１の連通孔１２を透過することができずにＭＥＡ９に留まる。ＭＥＡ９の発電にともなう熱によって蒸気化した水は、図２に矢印Ａを用いて示したように、湿度調整層１１の連通孔１２を通って空気供給チャンネルに排出される。また、空気供給チャンネルを流動する空気は、図２に矢印Ｂを用いて示したように、湿度調整層１１の連通孔１２を通ってＭＥＡ９に供給される。その結果、ＭＥＡ９に過剰な水が存在することが要因となってＭＥＡ９における発電が阻害されたり、湿度調整層１１に液相の水の膜が形成されてＭＥＡ９に対する空気の供給が阻害されたりすることを防止もしくは抑制できる。また、湿度調整層１１に形成する連通孔１２の直径や密度、孔の深さ（すなわち、湿度調整層１１の厚み）を調整することにより、ＭＥＡ９を設計した湿潤状態に維持できるので発電によってＭＥＡ９が過乾燥状態になることを防止もしくは抑制できる。ＭＥＡ９の湿潤状態を維持しつつＭＥＡ９に対する空気の供給を確保できる。
【実施例】
【００３８】
前述した湿度調整層を適用したＤＭＦＣの実験機を作成し、その発電特性を評価した。電解質膜２には、厚さ４０μｍのパーフロロ系の延伸多孔質ＰＴＦＥ含浸膜を使用した。アノード側の触媒層３には、チタン、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属製のメッシュ構造体に白金とルテニウムとの等量混合物を６ｍｇ／ｃｍ２になるように固定したものを用いた。カソード側の触媒層４には、チタン、ステンレス（ＳＵＳ）などの金属製のメッシュ構造体に白金を３ｍｇ／ｃｍ２になるように固定したものを用いた。各ＧＤＬ５，６には、カーボン紙を使用した。
【００３９】
液体に比較して気体の透過量あるいは透過率が高い多孔質層をカソード側ＧＤＬ６に形成した。多孔質層は、気液分離層として機能するとともに、この発明に係る湿度調整層１１の機能を補助するものであり、主として炭素粒子とＰＴＦＥ粒子とをカーボン紙に含浸させることにより被覆して形成した。
【００４０】
集電板７，８には、チタンのメッシュ構造体に白金を被覆したものを使用した。アノード側の集電板７と燃料供給チャンネルとの間には、メタノールバリヤーとして機能するパーベーパレイション膜を配置した。パーベーパレイション膜は、膜の表面で液相のメタノールを蒸気化して気相のメタノールをＭＥＡ９に供給するものであり、例えば延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ｅＰＴＦＥ）もしくはシリコン、ポリエチレンなどによって膜（フィルム）状に形成されている。パーベーパレイション膜は、疎水性を有していてもよく、その撥水作用によって液相の水およびメタノールを弾くようになっている。
【００４１】
これらを積層化し、また一体化して構成したＭＥＡ９をバイポーラープレート１０によって挟んでさらに積層化し、これをエンドプレート（図示せず）で挟み込んで固定化してＤＭＦＣ１の実験機を作成した。一方のエンドプレートには、空気供給チャンネルを形成し、他方のエンドプレートには、燃料供給チャンネルを形成した。なお、バイポーラープレート１０およびエンドプレートは、任意の合成樹脂材料によって形成した。また、消費電力が０．３Ｗの小型ファンを用いて空気供給チャンネルに空気を供給した。燃料には、無希釈のメタノールを使用し、小型液体ポンプを使用して燃料供給チャンネルに送液した。
【００４２】
湿度調整層１１は、多層構造とした。具体的には、湿度調整層１１は、そのＭＥＡ９に対向する側に、すなわち電解質膜２側に、厚さ０．３８ｍｍ、連通孔の直径が１．５μｍ、空隙率が４０％の多孔質ＰＴＦＥを配置し、これの外側に、厚さ０．２ｍｍ、連通孔の直径が０．２２μｍのポリプロピレンを配置して構成した。
【比較例】
【００４３】
上記の実施例の構成から、湿度調整層１１を取り外した以外は、上記の実施例と同様の構成にした。
【評価】
【００４４】
図５に、上記の実施例のように構成したＤＭＦＣの発電特性を示してある。図５に示すＤＭＦＣ１の発電特性は、ＤＭＦＣ１の出力電圧を０．４Ｖで一定にし、ＭＥＡ９の温度を摂氏４８度で安定させた場合の発電特性である。実線は、ＤＭＦＣ１の内部抵抗（出力インピーダンスと呼ばれることがある。）を示しており、ＤＭＦＣ１が発電を開始してから数時間経過した後もほぼ一定であることが認められた。また、破線は、ＤＭＦＣ１の出力密度を示しており、ＤＭＦＣ１が発電を開始してから数時間経過した後もほぼ一定であることが認められた。これらの結果は、ＤＭＦＣ１が安定して発電をおこなっていることを示しており、すなわち、ＭＥＡ９の湿潤状態が安定していることを示している。
【００４５】
図６に、上記の比較例のように構成したＤＭＦＣの発電特性を示してある。図６に示すＤＭＦＣ１の発電特性は、ＤＭＦＣ１の出力電圧を０．４Ｖで一定にし、ＭＥＡ９の温度を摂氏４８度で安定させた場合の発電特性である。実線は、ＤＭＦＣ１の内部抵抗を示しており、内部抵抗値は、ＤＭＦＣ１の発電開始直後から徐々に増大することが認められた。また、破線は、ＤＭＦＣ１の出力密度を示しており、内部抵抗値の増大にともなって、出力密度は、ＤＭＦＣ１の発電開始直後から徐々に減少することが認められた。これらの結果は、電解質膜２が過乾燥状態となっていることを示しており、また、カソード側ＧＤＬ６の周囲で多量の水が蒸気化していることを示している。すなわち、比較例は、湿度調整層１１が設けられていないことにより、電解質膜２を湿潤状態に維持できず、また、カソード側ＧＤＬ６における過剰な水を減少させることができずに空気の供給不足が生じていることを示している。
【００４６】
したがって、本発明例によれば、ＭＥＡのカソード側に湿度調整層を設けることにより、ＭＥＡにおける液相の水は、湿度調整層の疎水性あるいは撥水性により弾かれてその移動が規制されてＭＥＡに留まり、ＭＥＡの湿潤状態を維持することができる。また、ＭＥＡの発電にともなう熱によって蒸気化した水は、湿度調整層の連通孔を通ってＭＥＡの外部に排出されるので、ＭＥＡのカソード側に過剰な水が存在することが要因となってＭＥＡや湿度調整層に液相の水の膜が形成され、ＭＥＡに対する空気の供給が阻害されることを防止もしくは抑制できる。すなわち、湿度調整層を設けることにより、ＭＥＡの湿潤状態を維持できるとともにＭＥＡに対する空気の供給量を確保でき、安定して発電をおこなうことができる。
【符号の説明】
【００４７】
１…ＤＭＦＣ、  ２…電解質膜、  ５，６…ＧＤＬ、  ９…ＭＥＡ、  １１…湿度調整層、  １２…連通孔。
【図１】
2012059617.tif 000003
【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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