(57)【要約】【課題】小型、薄型化および軽量化が実現可能であり、反応生成物を良好に排出し得る燃料電池を用いた燃料電池スタックを提供する。【解決手段】第１および第２の燃料電池とを少なくとも有し、第１の燃料電池は電解質膜とこれを挟持するアノード触媒層およびカソード触媒層とを備え、アノード極側にアノード集電層を備える燃料電池であり、アノード集電層は、アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路と、アノード触媒層での反応により生じる反応生成物を排出するための貫通孔とを有し、第１の燃料電池と第２の燃料電池とは、第１の燃料電池のアノード極側と、第２の燃料電池のカソード極側とが対向するように積層されている燃料電池スタックである。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の燃料電池と第２の燃料電池とを少なくとも有する燃料電池スタックであって、
前記第１の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード触媒層およびカソード触媒層とを備え、少なくともアノード極側にアノード集電層を備える燃料電池であり、
前記アノード集電層は、前記アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路と、前記アノード触媒層における反応により生じる反応生成物を排出するための貫通孔とを有し、
前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池とは、前記第１の燃料電池のアノード極側と、前記第２の燃料電池のカソード極側とが対向するように積層されている燃料電池スタック。
【請求項２】
前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池とは、第１の介在層を介して積層されており、
前記第１の介在層は、１または複数の空洞部を有し、
前記第１の燃料電池が有する少なくとも１つの前記貫通孔は、前記空洞部と連通している請求項１に記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記燃料流路は、前記アノード集電層の、前記アノード触媒層側の面に形成された１または２以上の溝から構成される請求項１または２に記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記第１の燃料電池は、前記燃料を透過し得る層であって、前記溝の開口部を覆うように形成される層を有する請求項３に記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記燃料を透過し得る層は、感光性樹脂からなる請求項４に記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第１の燃料電池は、前記アノード触媒層と前記アノード集電層との間に、親水性を有する多孔質層をさらに備える請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記アノード触媒層と前記燃料を透過し得る層との間に、前記親水性を有する多孔質層を備える請求項６に記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１の燃料電池は、前記アノード集電層の前記アノード触媒層側と反対側の面、および／または前記貫通孔内に撥水性を有する多孔質層を備える請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
前記第１の燃料電池は、カソード極側にカソード集電層および／またはカソードガス拡散層をさらに備える請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１０】
第１の燃料電池と第２の燃料電池とを少なくとも有する燃料電池スタックであって、
前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード触媒層およびカソード触媒層とを備え、少なくともアノード極側にアノード集電層を備える燃料電池であり、
前記アノード集電層は、前記アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路と、前記アノード触媒層における反応により生じる反応生成物を排出するための貫通孔とを有し、
前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池とは、前記第１の燃料電池のアノード極側と、前記第２の燃料電池のアノード極側とが対向するように、かつ、第２の介在層を介して積層されており、
前記第２の介在層は、１または複数の空洞部を有し、
前記第１の燃料電池が有する少なくとも１つの前記貫通孔および前記第２の燃料電池が有する少なくとも１つの前記貫通孔は、それぞれ前記空洞部と連通している燃料電池スタック。
【請求項１１】
前記第２の介在層は、前記貫通孔から排出される前記反応生成物中の有機化合物成分を吸着する材料を含有する請求項１０に記載の燃料電池スタック。
【請求項１２】
前記第２の介在層は、前記貫通孔から排出される前記反応生成物中の有機化合物成分を燃焼させるための触媒を含有する請求項１０または１１に記載の燃料電池スタック。
【請求項１３】
前記燃料流路は、前記アノード集電層の、前記アノード触媒層側の面に形成された１または２以上の溝から構成される請求項１０〜１２のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１４】
前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、前記燃料を透過し得る層であって、前記溝の開口部を覆うように形成される層を有する請求項１３に記載の燃料電池スタック。
【請求項１５】
前記燃料を透過し得る層は、感光性樹脂からなる請求項１４に記載の燃料電池スタック。
【請求項１６】
前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、前記アノード触媒層と前記アノード集電層との間に、親水性を有する多孔質層をさらに備える請求項１０〜１５のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１７】
前記アノード触媒層と前記燃料を透過し得る層との間に、前記親水性を有する多孔質層を備える請求項１６に記載の燃料電池スタック。
【請求項１８】
前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、前記アノード集電層の前記アノード触媒層側と反対側の面、および／または前記貫通孔内に撥水性を有する多孔質層を備える請求項１０〜１６のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項１９】
前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、カソード極側にカソード集電層および／またはカソードガス拡散層をさらに備える請求項１０〜１８のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【請求項２０】
請求項１〜１９のいずれかに記載の燃料電池スタックが有する第１の燃料電池を製造するための方法であって、
集電体に燃料流路と貫通孔とを形成して、アノード集電層を得る第１工程と、
アノード触媒層およびカソード触媒層を形成する第２工程と、
少なくとも前記アノード集電層、前記アノード触媒層、電解質膜、および前記カソード触媒層をこの順で積層し、一体化させる第３工程と、を含む燃料電池の製造方法。
【請求項２１】
前記一体化は、熱圧着により行われる請求項２０に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２２】
前記第３工程において、少なくとも前記アノード集電層、前記アノード触媒層、電解質膜、前記カソード触媒層、ならびにカソードガス拡散層および／またはカソード集電層を積層し、一体化させる請求項２０に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２３】
前記一体化させる工程において、前記アノード集電層、前記カソード集電層、または前記カソードガス拡散層のうちのいずれかの層の少なくとも一方の面に接着層が形成され、熱圧着により前記接着層を介して前記いずれかの層とそれに隣接する層とが一体化される請求項２２に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２４】
前記接着層は、親水性を有する多孔質層である請求項２３に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２５】
前記接着層は、撥水性を有する多孔質層である請求項２３に記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２６】
前記接着層は、導電性を有する請求項２３〜２５のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２７】
前記接着層は、高分子の接着剤と導電性粒子との混合物からなる請求項２３〜２６のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【請求項２８】
前記第１工程の後に、燃料を透過し得る層を形成する工程をさらに備え、
前記燃料を透過し得る層を形成する工程は、感光性樹脂からなるフィルムを前記アノード集電層上に積層した後、前記燃料流路上の感光性樹脂以外の感光性樹脂のうち少なくとも一部を除去する工程を含む請求項２０〜２７のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池およびその製造方法に関する。また、本発明は、当該燃料電池を用いた燃料電池スタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、情報化社会を支える携帯用電子機器等の電源として、単独の発電装置として高い発電効率と高いエネルギー密度の観点から、燃料電池に対する期待が高まっている。燃料電池は、アノード極において還元剤、すなわち燃料（たとえば水素、メタノール、エタノール、ヒドラジン、ホルマリン、ギ酸など）を、カソード極において酸化剤（たとえば、空気中の酸素）を、それぞれ電気化学的に酸化・還元し、この反応を通じて発電するものである。
【０００３】
しかしながら、燃料電池は体積あたりの出力密度が低いという課題を有しており、燃料電池の小型化、軽量化のために高出力密度の燃料電池が望まれてきた。
【０００４】
一般的に、溶融炭酸塩電池のような高温燃料電池を除き、固体高分子型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、直接メタノール型燃料電池、アルカリ型燃料電池等の従来の燃料電池においては、還元剤（燃料）を供給するためのアノード流路が形成されたアノードセパレータ、アノード触媒層から電子の収集を行なうアノード集電体、アノードガス拡散層、アノード触媒層、電解質膜、カソード触媒層、カソードガス拡散層、カソード触媒層へ電子を供与するカソード集電体および、酸化剤を供給するためのカソード流路が形成されたカソードセパレータをこの順で積層した平面構造からなる単位電池で構成されている。各単位電池は、低電圧で高電流を生み出す。一般に、アノードセパレータおよびカソードセパレータは、還元剤および酸化剤を別々に、それぞれアノード触媒層、カソード触媒層に供給する役割とともに、電気的に導電性を有する材料を用い、それぞれアノード集電体、カソード集電体の役割を担う。通常、燃料電池は、個々の単位電池の電圧が低いことから、個々の単位電池のアノード極とカソード極とを交互に接触させて積層し、単位電池が積層された、高電圧を出力可能な燃料電池スタックとして構成される。
【０００５】
種々ある燃料電池の方式の中でも、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行なう、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、以下、ＤＭＦＣという。）は、改質器を必要としないこと、また、ガス燃料に比べ、体積エネルギー密度の高い液体メタノールを使用することから、水素に代表される高圧ガスボンベに比べメタノール燃料容器を小さくすることが可能であるため、小型機器用電源への応用、特に、携帯機器用の二次電池代替用途という観点で注目が集まっている。また、ＤＭＦＣは燃料が液体であるため、従来の燃料電池システムではデッドスペースとなっていた狭い婉曲空間部を燃料スペースとして使用することが可能であり、デザインの制約を受けずに、携帯用小型電子機器に利用可能であるというメリットを有する。
【０００６】
一般にＤＭＦＣにおいては、アノード極およびカソード極で以下のような反応が起きる。
アノード極：ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ-
カソード極：Ｏ2＋４Ｈ+＋４ｅ-→２Ｈ2Ｏ
このように、ＤＭＦＣにおいては、アノード極側で二酸化炭素が気体として生成し、カソード極側では水が生成する。通常、燃料が有機化合物である場合、二酸化炭素などの反応生成物を生成するため、燃料の供給と反応生成物の除去とを行なわなければならない。一般にＤＭＦＣにおいて、二酸化炭素ガスは、燃料であるアノード極側のメタノール水溶液の流路に気泡として溜まり、メタノール水溶液の流れに乗って排出される。
【０００７】
従来、排出される二酸化炭素ガスとメタノール水溶液の混合物とを分離するために、別途、気液分離装置などを設けて、分離されたメタノール水溶液を再度燃料として活用することが行なわれていた。しかし、この場合、燃料電池システムが大型化、重量化してしまうという問題点がある。
【０００８】
特許文献１には、電解質膜にアノードとカソードとが配されたセルと、一方の主面に形成されたリブを介して該セルを挟持する一対のプレートとを備え、該アノード側に液体燃料を供給するとともに、該カソード側に酸化剤ガスを供給することによって発電する燃料電池であって、該アノード側プレートのリブとリブとの間に複数の流路が形成され、当該複数の流路の中から選択された１以上からなる第１の流路に該液体燃料を供給するとともに、該複数の流路における該第１の流路以外の第２の流路に発電に伴って生成する生成ガスを排出する燃料電池が開示されている。
【０００９】
かかる構成によれば、第１の流路に供給された燃料のうち、未使用のまま燃料電池外に排出される燃料の量を抑制することができるので、気液分離装置などを不要とすることが可能である。したがって、ある程度の小型化、軽量化が実現され得る。しかしながら、特許文献１に記載の燃料電池に関しても、燃料電池の小型化、薄型化、軽量化、および発電効率の向上という観点からは改善の余地がある。
【００１０】
すなわち、特許文献１に記載の燃料電池においては、二酸化炭素を排出するための流路と燃料を供給するための流路とが一枚のプレートに複数の流路として形成されているため、二酸化炭素を排出するための流路は、プレートの端まで連通しなければならない。したがって、プレートと燃料電池のアノードとの間で、メタノール水溶液、水蒸気およびメタノール蒸気が、二酸化炭素を排出するための流路に入り、該流路内の蒸気圧を高めることが懸念される。このことは、二酸化炭素を排出するための流路内に結露したメタノール水溶液や、隣接するメタノール水溶液の流路から流入するメタノール水溶液により、二酸化炭素を排出するための流路内にメタノール水溶液が溜まり、二酸化炭素の排出が悪くなる問題を生じさせる。二酸化炭素が良好に排出されず、流路内部で二酸化炭素の圧力が高まると、電解質膜や、膜電極複合体を物理的に変形させる恐れが生じる。その結果、良好な接触抵抗が得られなくなるなど、発電特性の早期劣化を招く。そのため、特許文献１に記載の燃料電池においては、二酸化炭素を排出するための流路の空間体積を大きくする必要があり、燃料電池の小型化、薄型化および軽量化を制限していた。
【００１１】
また、特許文献１に記載の燃料電池においては、二酸化炭素を排出するための流路が形成されていることにより、メタノール水溶液をアノード触媒層または拡散層に供給する面積が低減するため、アノード触媒層全体に均一に燃料を供給することができないという問題が生じ得る。このことは、局所的に燃料が不足となることを意味し、発電効率の低下を招く。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第３８７７５１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
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、その目的とするところは、小型、薄型化および軽量化が実現可能であり、反応生成物を良好に排出し得る燃料電池およびその製造方法、ならびに該燃料電池を用いた燃料電池スタックを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は次のとおりである。
［１］第１の燃料電池と第２の燃料電池とを少なくとも有する燃料電池スタックであって、
前記第１の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード触媒層およびカソード触媒層とを備え、少なくともアノード極側にアノード集電層を備える燃料電池であり、
前記アノード集電層は、前記アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路と、前記アノード触媒層における反応により生じる反応生成物を排出するための貫通孔とを有し、
前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池とは、前記第１の燃料電池のアノード極側と、前記第２の燃料電池のカソード極側とが対向するように積層されている燃料電池スタック。
【００１５】
［２］前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池とは、第１の介在層を介して積層されており、
前記第１の介在層は、１または複数の空洞部を有し、
前記第１の燃料電池が有する少なくとも１つの前記貫通孔は、前記空洞部と連通している［１］に記載の燃料電池スタック。
【００１６】
［３］前記燃料流路は、前記アノード集電層の、前記アノード触媒層側の面に形成された１または２以上の溝から構成される［１］または［２］に記載の燃料電池スタック。
【００１７】
［４］前記第１の燃料電池は、前記燃料を透過し得る層であって、前記溝の開口部を覆うように形成される層を有する［３］に記載の燃料電池スタック。
【００１８】
［５］前記燃料を透過し得る層は、感光性樹脂からなる［４］に記載の燃料電池スタック。
【００１９】
［６］前記第１の燃料電池は、前記アノード触媒層と前記アノード集電層との間に、親水性を有する多孔質層をさらに備える［１］〜［５］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【００２０】
［７］前記アノード触媒層と前記燃料を透過し得る層との間に、前記親水性を有する多孔質層を備える［６］に記載の燃料電池スタック。
【００２１】
［８］前記第１の燃料電池は、前記アノード集電層の前記アノード触媒層側と反対側の面、および／または前記貫通孔内に撥水性を有する多孔質層を備える［１］〜［６］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【００２２】
［９］前記第１の燃料電池は、カソード極側にカソード集電層および／またはカソードガス拡散層をさらに備える［１］〜［８］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【００２３】
［１０］第１の燃料電池と第２の燃料電池とを少なくとも有する燃料電池スタックであって、
前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、電解質膜と、前記電解質膜を挟持するアノード触媒層およびカソード触媒層とを備え、少なくともアノード極側にアノード集電層を備える燃料電池であり、
前記アノード集電層は、前記アノード触媒層に燃料を供給するための燃料流路と、前記アノード触媒層における反応により生じる反応生成物を排出するための貫通孔とを有し、
前記第１の燃料電池と前記第２の燃料電池とは、前記第１の燃料電池のアノード極側と、前記第２の燃料電池のアノード極側とが対向するように、かつ、第２の介在層を介して積層されており、
前記第２の介在層は、１または複数の空洞部を有し、
前記第１の燃料電池が有する少なくとも１つの前記貫通孔および前記第２の燃料電池が有する少なくとも１つの前記貫通孔は、それぞれ前記空洞部と連通している燃料電池スタック。
【００２４】
［１１］前記第２の介在層は、前記貫通孔から排出される前記反応生成物中の有機化合物成分を吸着する材料を含有する［１０］に記載の燃料電池スタック。
【００２５】
［１２］前記第２の介在層は、前記貫通孔から排出される前記反応生成物中の有機化合物成分を燃焼させるための触媒を含有する［１０］または［１１］に記載の燃料電池スタック。
【００２６】
［１３］前記燃料流路は、前記アノード集電層の、前記アノード触媒層側の面に形成された１または２以上の溝から構成される［１０］〜［１２］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【００２７】
［１４］前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、前記燃料を透過し得る層であって、前記溝の開口部を覆うように形成される層を有する［１３］に記載の燃料電池スタック。
【００２８】
［１５］前記燃料を透過し得る層は、感光性樹脂からなる［１４］に記載の燃料電池スタック。
【００２９】
［１６］前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、前記アノード触媒層と前記アノード集電層との間に、親水性を有する多孔質層をさらに備える［１０］〜［１５］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【００３０】
［１７］前記アノード触媒層と前記燃料を透過し得る層との間に、前記親水性を有する多孔質層を備える［１６］に記載の燃料電池スタック。
【００３１】
［１８］前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、前記アノード集電層の前記アノード触媒層側と反対側の面、および／または前記貫通孔内に撥水性を有する多孔質層を備える［１０］〜［１６］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【００３２】
［１９］前記第１の燃料電池および前記第２の燃料電池は、カソード極側にカソード集電層および／またはカソードガス拡散層をさらに備える［１０］〜［１８］のいずれかに記載の燃料電池スタック。
【００３３】
［２０］［１］〜［１９］のいずれかに記載の燃料電池スタックが有する第１の燃料電池を製造するための方法であって、
集電体に燃料流路と貫通孔とを形成して、アノード集電層を得る第１工程と、
アノード触媒層およびカソード触媒層を形成する第２工程と、
少なくとも前記アノード集電層、前記アノード触媒層、電解質膜、および前記カソード触媒層をこの順で積層し、一体化させる第３工程と、を含む燃料電池の製造方法。
【００３４】
［２１］前記一体化は、熱圧着により行われる［２０］に記載の燃料電池の製造方法。
［２２］前記第３工程において、少なくとも前記アノード集電層、前記アノード触媒層、電解質膜、前記カソード触媒層、ならびにカソードガス拡散層および／またはカソード集電層を積層し、一体化させる［２０］に記載の燃料電池の製造方法。
【００３５】
［２３］前記一体化させる工程において、前記アノード集電層、前記カソード集電層、または前記カソードガス拡散層のうちのいずれかの層の少なくとも一方の面に接着層が形成され、熱圧着により前記接着層を介して前記いずれかの層とそれに隣接する層とが一体化される［２２］に記載の燃料電池の製造方法。
【００３６】
［２４］前記接着層は、親水性を有する多孔質層である［２３］に記載の燃料電池の製造方法。
【００３７】
［２５］前記接着層は、撥水性を有する多孔質層である［２３］に記載の燃料電池の製造方法。
【００３８】
［２６］前記接着層は、導電性を有する［２３］〜［２５］のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【００３９】
［２７］前記接着層は、高分子の接着剤と導電性粒子との混合物からなる［２３］〜［２６］のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【００４０】
［２８］前記第１工程の後に、燃料を透過し得る層を形成する工程をさらに備え、
前記燃料を透過し得る層を形成する工程は、感光性樹脂からなるフィルムを前記アノード集電層上に積層した後、前記燃料流路上の感光性樹脂以外の感光性樹脂のうち少なくとも一部を除去する工程を含む［２０］〜［２７］のいずれかに記載の燃料電池の製造方法。
【発明の効果】
【００４１】
本発明によれば、小型、薄型化および軽量化が実現可能であり、反応生成物を良好に排出し得る燃料電池およびその製造方法、ならびに該燃料電池を用いた燃料電池スタックが提供される。また、本発明によれば、発電効率が向上され、出力密度が高い燃料電池および燃料電池スタックが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の燃料電池の好ましい一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の燃料電池の別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。
【図３】図２に示される燃料電池におけるアノード集電層の概略上面図である。
【図４】本発明の燃料電池の別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の燃料電池の別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池スタックの好ましい一例を模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の燃料電池スタックの別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の燃料電池スタックのさらに別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。
【図９】実施例１の燃料電池の分解斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
＜＜燃料電池＞＞
以下、本発明の燃料電池を実施の形態を示して詳細に説明する。以下に示す実施形態はいずれも、メタノールから直接プロトンを取り出すことにより発電を行なう直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、燃料としてメタノール水溶液、酸化剤として空気（具体的には空気中の酸素）を用いるものである。ただし、本発明においては、燃料電池の形式は、ＤＭＦＣに限定されるものはなく、上述した他の形式にも適用することができる。また、燃料および酸化剤も特に限定されるものではない。
【００４４】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の燃料電池の好ましい一例を模式的に示す断面図である。図１に示される燃料電池は、電解質膜１０１と、電解質膜１０１の一方の表面に配置されたアノード触媒層１０２と、電解質膜１０１の他方の表面に配置されたカソード触媒層１０３と、アノード触媒層１０２の電解質膜１０１に対向する面とは反対の面に接して配置されたアノード集電層１０４と、カソード触媒層１０３の電解質膜１０１に対向する面とは反対の面に接して配置されたカソードガス拡散層１０５と、カソードガス拡散層１０５に接着層１２０を介して配置されたカソード集電層１０６とから構成される。アノード集電層１０４は、燃料輸送用の空間である燃料流路１０８と、アノード触媒層１０２における反応により生じる反応生成物を排出するための貫通孔１０９とを備えており、貫通孔１０９は、アノード集電層１０４を層厚方向に貫通している。また、カソード集電層１０６は、層厚方向に貫通する貫通孔１０７を備える。燃料であるメタノール水溶液は、燃料流路１０８を通ってアノード触媒層１０２に供給され、生成した二酸化炭素は、アノード集電層１０４の貫通孔１０９を通って、外部に排出される。また、酸化剤としての空気は、大気中からカソードガス拡散層１０５を通じてカソード触媒層１０３に供給される。以下、各層について詳細に説明する。
【００４５】
＜電解質膜＞
電解質膜１０１は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されないが、好ましくは従来公知の適宜の高分子膜、無機膜またはコンポジット膜にて形成される。高分子膜としては、たとえばパーフルオロスルホン酸系電解質膜（ナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）：デュポン社製）、ダウ膜（ダウ・ケミカル社製）、アシプレックス（ＡＣＩＰＬＥＸ（登録商標）：旭化成社製）、フレミオン（登録商標：旭硝子社製））のほか、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどの炭化水素系電解質膜などが挙げられる。無機膜としては、たとえば、リン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどが挙げられる。また、コンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜（ゴアセレクト（登録商標）：ゴア社製）が挙げられる。
【００４６】
燃料電池が１００℃付近もしくはそれ以上の温度になる場合には、電解質膜の材料として、低含水時でも高いイオン伝導性を有する、スルホン化ポリイミド、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム、イオン性液体（常温溶融塩）等を用い、これらを膜化して用いることが好ましい。電解質膜は、プロトン伝導率が１０-5Ｓ／ｃｍ以上であることが好ましく、パーフルオロスルホン酸ポリマーや炭化水素系ポリマーなどのプロトン伝導率が１０-3Ｓ／ｃｍ以上の高分子電解質膜を用いることがより好ましい。
【００４７】
＜アノード触媒層およびカソード触媒層＞
アノード触媒層１０２は、燃料の酸化を促進する触媒を備え、該触媒上で燃料が酸化反応を起こすことにより、プロトンと電子を生成する。また、カソード触媒層１０３は、酸化剤の還元を促進する触媒を備え、該触媒上で酸化剤がプロトンと電子を取り込み、還元反応が起きる。
【００４８】
アノード触媒層１０２およびカソード触媒層１０３としては、たとえば、触媒を担持した担持体と電解質とを含むものを用いることができる。この場合、アノード触媒層１０２におけるアノード触媒は、たとえばメタノールと水とから、プロトンと電子とを生成する反応速度を促進させる機能を有し、電解質は、生成したプロトンを電解質膜１０１へ伝導する機能を有し、アノード担持体は、生成した電子をアノード集電層１０４へ導電する機能を有する。一方、カソード触媒層１０３におけるカソード触媒は、酸素とプロトンと電子とから、水を生成する反応速度を促進する機能を有し、電解質は、電解質膜１０１からカソード触媒近傍にプロトンを伝導する機能を有し、カソード担持体は、カソードガス拡散層１０５からカソード触媒に電子を導電する機能を有する。なお、アノード担持体およびカソード担持体は、電子伝導の機能を有するが、触媒も電子伝導性を有するため、必ずしも担持体を設ける必要はなく、この場合、アノード集電層１０４もしくはカソードガス拡散層１０５への電子授受は、それぞれアノード触媒、カソード触媒が行なう。
【００４９】
アノード触媒およびカソード触媒としては、たとえば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒなどの貴金属や、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒなどの卑金属、これら貴金属、卑金属の酸化物、炭化物、炭窒化物、およびカーボンが例示できる。これら材料の、単独もしくは２種類以上の組み合わせを触媒として用いることができる。アノード触媒およびカソード触媒は必ずしも同種類のものに限定されず、異なる物質を用いることができる。
【００５０】
アノード触媒層１０２およびカソード触媒層１０３に用いられる担持体は、電気伝導性の高い炭素系材料であることが好ましく、たとえば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック（登録商標）、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。また、炭素系材料の他に、Ｐｔ、Ｒｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒなどの貴金属、Ｎｉ、Ｖ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｍｏ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｗ、Ｚｒなどの卑金属、および、これら貴金属、卑金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物が例示できる。これら材料の、単独もしくは２種類以上の組み合わせを担持体として用いることができる。また、プロトン伝導性を付与した材料、具体的には硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウムなどを、担持体として用いてもよい。本発明におけるアノード触媒層に用いられる担持体は表面が親水性であることが好ましい。表面を親水化する方法しては、表面をカルボキシル基やヒドロキシル基などの親水性の官能基で修飾させる方法を好ましく用いることができる。具体例としては、カーボン表面のグラフト重合による表面修飾やシランカップリング剤による表面修飾などが挙げられる。これにより、アノード触媒層がメタノール水溶液をその細孔内に保持するため、燃料やプロトンの拡散がよくなると共に、貫通孔１０９から進入する酸素が触媒まで到達する量を少なくすることができ、酸素がアノード触媒層で反応することにより生じる出力特性の低下を防ぐことができる。
【００５１】
アノード触媒層１０２およびカソード触媒層１０３に用いられる電解質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されないが、メタノール等の燃料によって溶解しない固体もしくはゲルであることが好ましい。具体的には、スルホン酸、リン酸基などの強酸基やカルボキシル基などの弱酸基を有する有機高分子が好ましい。かかる有機高分子として、含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製））、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオン（旭化成社製））、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、イオン性液体（常温溶融塩）、スルホン化イミド、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸（ＡＭＰＳ）などが例示される。また、上述したプロトン伝導性を付与した担持体を用いる場合には、該担持体がプロトン伝導を行なうため、必ずしも電解質は必要ではない。
【００５２】
アノード触媒層１０２およびカソード触媒層１０３の厚みは、プロトン伝導の抵抗および電子伝導の抵抗を小さくし、燃料（たとえばメタノール）または酸化剤（たとえば酸素）の拡散抵抗を低減するために、それぞれ０．２ｍｍ以下とすることが好ましい。また、燃料電池としての出力を向上させるためには十分な触媒を担持させる必要があるため、それぞれ少なくとも０．１μｍ以上とすることが好ましい。
【００５３】
＜アノード集電層＞
アノード集電層１０４は、アノード触媒層１０２と電子の授受を行なう機能を有する。本発明においてアノード集電層１０４は、アノード集電体１１０に、燃料流路１０８と、アノード触媒層１０２における反応により生じる反応生成物を排出するための貫通孔１０９とを形成した構成を有している。アノード集電体１１０に用いられる好適な材質としては、カーボン材料、導電性高分子、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金等を挙げることができる。より好ましくは、Ｐｔ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｗからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含む。かかる元素を含むことにより、アノード集電層１０４の比抵抗が小さくなるため、アノード集電層１０４の抵抗による電圧低下を軽減し、より高い発電特性を得ることが可能となる。Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ等の、酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性炭窒化物、導電性酸化物等を表面コーティングとして用いることができる。これにより、燃料電池の寿命を延ばすことができる。
【００５４】
アノード集電層１０４は、層厚方向に貫通している貫通孔１０９を有する。アノード触媒層１０２で生成した二酸化炭素等の反応生成物は気泡となり、大きくなったところで貫通孔１０９から外部に排出される。当該貫通孔により、反応生成物が燃料電池外に最短の距離で排出されるため、反応生成物の排出効率を向上させることができる。また、反応生成物の排出経路が液体によって塞がれることがなく、排出経路は確保されるため、アノード集電層を薄くすることができる。
【００５５】
貫通孔１０９の断面形状は、特に制限されず、たとえば円状、楕円状、四角状、三角状等とすることができる。貫通孔の内径は、１０μｍ〜１ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、貫通孔間の距離（ピッチ）は、１００μｍ〜１０ｍｍの範囲とすることが好ましい。燃料であるメタノール水溶液の漏れを防止する観点からは、貫通孔の内径は、５００μｍ未満とすることが好ましい。また、二酸化炭素の排出効率の観点からは、貫通孔の内径は１００μｍ以上であり、貫通孔間の距離は１ｍｍ未満であることが好ましい。貫通孔の数およびその断面積は、アノード集電体１１０の電気抵抗およびアノード集電体１１０とアノード触媒層１０２との接触面積等を考慮して決定することが好ましい。貫通孔は、たとえば上記した材質からなる板あるいは箔に、エッチング等により貫通する穴を設けることにより形成することができる。なお、複数の貫通孔は、互いに連通していてもよい。
【００５６】
燃料流路１０８は、アノード触媒層１０２に燃料を供給するための流路であり、上記貫通孔１０９とは別途に形成されている。これにより、燃料の供給と二酸化炭素の排出とを分離して行なうことができる。また、本発明において、アノード集電層１０４は、燃料の供給および二酸化炭素の排出の両機能を兼ね備えている。このことは、燃料電池の小型化、薄型化、および軽量化に寄与する。
【００５７】
燃料流路１０８の形状は特に制限されず、たとえばその断面形状は、図１に示されるように四角形状である。燃料流路１０８は、アノード集電層１０４の、アノード触媒層１０２側の面に１または２以上の溝を形成することにより形成することができる。燃料流路の幅および断面積は、好ましくは０．１〜１ｍｍの幅で、断面積が０．０１〜１ｍｍ2であり、アノード集電体１１０の電気抵抗およびアノード集電体１１０とアノード触媒層１０２との接触面積等を考慮して決定することが好ましい。
【００５８】
アノード触媒層１０２と、アノード集電層１０４のアノード集電体１１０とが接触していない領域の長さは、最大で１ｍｍ未満であることが好ましい。また、アノード触媒層１０２と、アノード集電層１０４のアノード集電体１１０とが接触する面積は、アノード触媒層のアノード集電層１０４側表面積の２０％以上であることが好ましい。アノード触媒層１０２とアノード集電層１０４との間に別の層を介在させる場合においても同様である。
【００５９】
本発明においては、燃料流路１０８をアノード集電体１１０上に網目状に形成することができる。そして、網目状に形成された燃料流路１０８によって囲まれた領域に貫通孔１０９が形成される。二酸化炭素の排出口である貫通孔を穴形状とすることにより、微細で複雑な燃料流路を作製することができ、これにより、メタノール水溶液をアノード触媒層１０２に均一に供給することができ、したがって、発電ムラを少なくすることができる。発電ムラが生じると、局所的な発熱や燃料不足による高分子の分解など、燃料電池の寿命を短くする問題が生じるが、本発明においてはこのような問題も解消され得る。
【００６０】
＜カソードガス拡散層＞
カソードガス拡散層１０５は、導電性の多孔質体からなることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンクロス、金属発泡体、金属焼結体、金属繊維の不織布などを用いることができる。
【００６１】
＜カソード集電層＞
カソード集電層１０６は、カソード触媒層１０３と電子の授受を行なう機能を有し、カソード集電体１１１に、燃料電池の外部とカソードガス拡散層１０５とを連通する貫通孔１０７を形成してなる。一般的に、燃料電池の発電時においては、カソード集電層１０６は、アノード集電層１０４よりも高い電位に保たれるため、カソード集電体１１１の材質は、アノード集電体１１０と同等またはそれ以上の耐腐食性を備えていることが好ましい。
【００６２】
カソード集電体１１１の材質は、アノード集電体１１０と同様の材質とされてもよいが、好ましくは、たとえば、カーボン材料、導電性高分子、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｃｒ等の金属およびこれらの金属の窒化物、炭化物等、ならびにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔの合金等を用いる。また、Ｃｕ、Ａｇ、Ｚｎ、Ｎｉ等の酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、耐腐食性を有する貴金属および金属材質や、導電性高分子、導電性酸化物、導電性窒化物、導電性炭化物等、導電性炭窒化物を表面コーティングとして用いることができる。
【００６３】
カソード集電層１０６の形状は、燃料電池周囲の空気中の酸素をカソードガス拡散層１０５まで供給することが可能な貫通孔を有していれば特に限定はない。ただし、燃料電池を積層して燃料電池スタックとする場合には、積層される燃料電池層同士の接触部位に位置するカソード触媒層まで酸素を供給させるために、カソード集電層１０６内部に、積層方向および積層方向に対して垂直方向に連通している孔を有していることが好ましい。このようなものとしては、たとえば発泡金属、金属織物、金属焼結体、カーボンペーパー、カーボンクロスなどを挙げることができる。なお、本発明の燃料電池および燃料電池スタックにおいては、カソード集電層１０６が省略されてもよい。
【００６４】
以上のような構造を有する燃料電池において、アノード側では、燃料が燃料流路１０８を通じてアノード触媒層１０２に到達し、アノード触媒層１０２で燃料の酸化反応が起き、プロトンおよび電子を生成する。生成した電子は、アノード集電層１０４へ流れ、プロトンは電解質膜１０１を介して、カソード触媒層１０３へと移動する。一方、カソード側では、燃料電池内部へ供給された空気が、カソード集電層１０６およびカソードガス拡散層１０５を介してカソード触媒層１０３に供給される。カソード触媒層１０３にて、酸素とプロトンと電子により還元反応が起き、水が生成される。
【００６５】
本発明の燃料電池においては、カソード集電層、カソードガス拡散層、カソード触媒層、電解質膜、アノード触媒層、アノード集電層が一体化されて積層されていることが好ましい。一体化することにより、外部からの押さえ圧がなくても、各層の密接な接触が確保され、隣接する層間での良好な電子または物質の輸送を行なうことが可能となる。これにより、燃料電池の構成部材を締結する部材が必要でなくなるため、燃料電池を小型化、薄型化、軽量化することができる。ここで、本発明における「一体化」とは、燃料電池の各部材が外部から圧力を加えなくとも分離しない状態のことをいい、具体的には化学結合やアンカー効果や粘着力等により接合された状態のことをいう。また、カソード集電層１０６とカソードガス拡散層１０５とは、接着層１２０を介して積層されていることが一体化の上ではより好ましい。接着層１２０は導電性であることが好ましく、導電性粒子と高分子接着剤との混合物からなることが好ましい。
【００６６】
（第２の実施形態）
図２は、本発明の燃料電池の別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。図２に示される燃料電池は、燃料透過層２１２を設けたこと以外は、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。以下、燃料透過層について詳細に説明する。
【００６７】
＜燃料透過層＞
燃料透過層２１２は、燃料を透過し得る層であって、その厚さ方向に燃料の拡散抵抗を有し、燃料の透過流束を制限する機能を有している。燃料透過層２１２は、図２に示されるように、燃料流路２０８の開口部を覆うように、アノード集電層２０４とアノード触媒層２０２との間に形成される。燃料透過層を設けることにより、たとえば次のような効果を得ることができる。
【００６８】
第１に、アノード集電層２０４を薄くすることができ、これにより、燃料電池の小型化、薄型化が達成される。燃料電池の小型化、薄型化のためには、ポンプ等の補機を用いることなく、毛細管力を利用して燃料を供給できるようにすることが好ましい。ポンプを用いる場合、燃料であるメタノール水溶液を送液する際の圧力損失を低減するために、燃料流路径を大きくせざるを得ず、燃料電池の小型化を図ることが困難である。あるいは燃料流路径を小さくした場合には、ポンプ自体の大型化や消費電力の増加を避けることができず、同様に燃料電池の小型化を図ることは困難である。アノード集電層に設ける燃料流路を細くし、毛細管力によりメタノール水溶液を供給することにより、アノード集電層を薄くすることができ、これにより燃料電池の小型化、薄型化が達成できる。ここで、毛細管力によりメタノール水溶液を供給するためには、高濃度（水：メタノールのモル比＝１：１程度）のメタノール水溶液を供給しなければならない。低濃度では、すぐにメタノール不足となり、水ばかりが残存することとなるからである。ところが、高濃度のメタノール水溶液を供給すると、アノード側のメタノールがカソード側に拡散するクロスオーバー現象が生じてしまい、カソード側でメタノールの酸化反応が生じることにより、燃料電池の出力特性が低下する問題が生じる。また、カソードで酸化されるメタノールは発電されないため、メタノールの利用効率が低下するという問題も生じる。
【００６９】
燃料透過層を図２に示されるような位置に設けると、毛細管力によってアノード触媒層近傍まで到達した高濃度のメタノール水溶液は、燃料透過層によって透過流束が制限される。アノード触媒層においては、メタノールは発電により消費されるから、それらの結果、アノード触媒層でのメタノール濃度を低くすることができる。すなわち、燃料透過層を設けることにより、上記問題を生じさせることなく、燃料としての高濃度のメタノール水溶液を毛細管力により供給することが可能となり、燃料電池の小型化、薄型化を図ることが可能となる。さらに、燃料流路の深さが浅いと、燃料流路上に配置されるアノード触媒層などの材料が燃料流路内に埋まってしまい燃料が供給されにくくなるので、燃料流路の深さを確保するようにアノード集電体の厚みを厚くしなければならないという問題が生じる。この燃料透過層によれば、アノード触媒層などの材料が燃料流路内を塞いでしまうという問題を回避できるので、アノード集電体の厚みを薄くすることができる。
【００７０】
第２に、高濃度のメタノール水溶液を燃料として用いることができることから、燃料タンクを小さくすることができる。なお、カソード側で生成した水を利用する場合は、燃料として１００％のメタノールを供給することもできる。すなわち、カソード側で生成した水は、電解質膜を通ってアノード触媒層に拡散するため、当該水と、燃料透過層を介して供給されたメタノールとの反応により発電させることができる。
【００７１】
第３に、燃料透過層を介して燃料が供給されることにより、二酸化炭素が燃料流路に溜まることがなく、燃料を安定して供給することができる。これにより、燃料流路に二酸化炭素が溜まり、メタノール水溶液のアノード触媒層への供給が阻害されることにより燃料電池の出力が低下するという問題を回避することができる。第４に、燃料の透過流束が制限されるため、燃料漏れを生じにくくすることができる。
【００７２】
燃料透過層は、上記したように、その厚さ方向に燃料の拡散抵抗を有し、燃料の透過流束を制限する機能を有し、より好ましくは、気体を透過しない材料からなる。燃料透過層は、このような機能を有していれば形状面において特に限定されず、たとえば、その厚さ方向に貫通した微細孔を設けることにより燃料の透過機能を付与してもよい。燃料がメタノール水溶液の場合、燃料透過層は、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜にて形成されることが好ましい。高分子膜としては、たとえばシリコンゴム、パーフルオロスルホン酸系電解質膜（ナフィオン（デュポン社製）、ダウ膜（ダウ・ケミカル社製）、アシプレックス（旭化成社製）、フレミオン（旭硝子社製））やスルホン化ポリイミド、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトンなどの炭化水素系電解質膜などが例示できる。無機膜としては、たとえば多孔質ガラス、多孔質ジルコニア、多孔質アルミナなどが例示できる。コンポジット膜としては、たとえばゴアセレクト膜（ゴア社製）が例示できる。また、貫通した微細孔を設けた燃料透過層としては、感光性樹脂からなる燃料透過層が例示できる。感光性樹脂としては、耐酸性、耐メタノール性を有するネガ型の感光性樹脂が好ましく、エポキシ系の感光性樹脂、ポリイミド系の感光性樹脂、ポリアクリル系の感光性樹脂などが好ましい。紫外線もしくはＸ線によって重合、硬化する感光性樹脂を用いる場合、紫外線もしくはＸ線不透過性のマスクを利用して、層圧方向に円柱形の貫通孔、もしくはスリット状の貫通孔を設けることができる。
【００７３】
図３は、図２に示される燃料電池におけるアノード集電層の概略上面図である。網目状に形成された燃料流路（図示せず）上に、燃料透過層２１２が形成されている。また、燃料流路で囲まれた領域には二酸化炭素を排出するための貫通孔２０９が形成されている。燃料透過層に感光性樹脂を用いることにより、フォトリソグラフィにより、数１０〜数１００μｍ程度の幅を有し、数１０〜数１００μｍ程度の微細なピッチの燃料流路であっても、該燃料流路上に容易に燃料透過層を形成することができる。燃料の透過量を制御するために、燃料透過層の厚み方向に貫通した、数μｍ〜数１００μｍ程度の微細孔を感光性樹脂に設ける場合も、同様に遮光マスクを用いることで形成できる。
【００７４】
以上のように、燃料透過層をパターニングすることで微細な燃料流路であっても、アノード集電体の表面を露出させることができ、アノード触媒層とアノード集電体との間の導電経路を確保することができる。これにより、集電層の厚み方向に燃料電池を積層しても、導電経路を最短にした状態でスタック化することができる。ここで、燃料透過層がアノード集電体上全面を覆う場合、二酸化炭素の排出経路や電子の導電経路は、アノード触媒層の面方向になるため、二酸化炭素排出のために燃料電池の厚みが厚くなったり、電子の導電経路が長くなることによる抵抗損失で燃料電池の出力密度が低下するという問題が生じるが、上述した燃料透過層のパターニングによりこれを回避することができる。また、二酸化炭素の排出経路をアノード集電体に貫通孔として形成することにより、図３のように燃料流路を網目状に微細に形成できると共に、その流路を覆う燃料透過層の膜も網目状に形成することができるため、燃料透過層の強度や燃料透過層とアノード集電体との間の接着強度を向上させることもできる。
【００７５】
なお、燃料の供給を外部動力のポンプを使用せずに行なう場合、形成した燃料流路の燃料の流れ方向に対し下流となる燃料流路片端部は開口状態となり得る。燃料流路片端部からの燃料の流出を抑制するため、該開口部は閉口処理されることが好ましい。閉口処理に用いられる材料としては、たとえば、ＰＴＦＥ（ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）やＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｆｌｕｏｌｉｄｅ）等のフッ素系高分子と炭素材料との混合物からなる多孔質層を挙げることができる。
【００７６】
（第３の実施形態）
図４は、本発明の燃料電池の別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。図４（ａ）に示される燃料電池は、アノード触媒層４０２とアノード集電層４０４との間に親水性多孔質層４２０を設けたこと以外は、上記第１の実施形態と同様の構成を有している。また、図４（ｂ）に示される燃料電池は、アノード触媒層４０２と燃料透過層４１２との間に親水性多孔質層４２０を設けたこと以外は、上記第２の実施形態と同様の構成を有している。以下、親水性多孔質層について詳細に説明する。
【００７７】
＜親水性多孔質層＞
親水性多孔質層４２０は、燃料であるメタノール水溶液を保持し、アノード触媒層４０２に燃料の濃度をできる限り均一にして、燃料を供給するバッファとしての役割を果たし、これにより、アノード触媒層４０２に均一に燃料を供給することが可能となる。また、空気中の酸素がアノード触媒層４０２に到達するのを防ぐ役割を果たし、これにより、燃料電池の発電特性の低下を防ぐことができる。すなわち、メタノール水溶液は親水性多孔質層４２０を介してアノード触媒層４０２に供給されるが、アノード集電体４１０に形成された二酸化炭素を排出するための貫通孔４０９を介して透過してくる空気は、親水性多孔質層４２０がメタノール水溶液で満たされているため、空気が拡散するのに十分な空孔がなく透過できない。そのため、空気がアノード触媒層４０２に供給されることはなく、アノード触媒層４０２におけるメタノールの酸化反応は阻害されず、燃料電池の発電特性の低下を防ぐことができる。
【００７８】
親水性多孔質層４２０は導電性を有しており、したがって、アノード触媒層４０２から親水性多孔質層４２０を通って、アノード集電層４１０に電子が流れ、外部に取り出される。
【００７９】
発電反応により生成した副生成物の気体、たとえば二酸化炭素は常温で気体であり、反応物のメタノールおよび水と比較してその体積は非常に大きいため、アノード触媒層４０２内は昇圧される。この昇圧により、二酸化炭素は親水性多孔質層４２０を透過し、アノード集電層４０４に設けられた貫通孔４０９を経て大気に排出される。親水性多孔質層４２０を介して、アノード集電層４０４から二酸化炭素の排出が良好に行なわれることから、従来のように流路内に発生した二酸化炭素を燃料とともに排出する必要がなくなり、ポンプなどの補機を使用しなくても安定して燃料を供給することができる。
【００８０】
親水性多孔質層４２０に用いられる好ましい一例としては、アセチレンブラック、ケッチェンブラック等の炭素粒子の表面がＯＨ基やＣＯＯＨ基等の極性官能基（親水性）で化学修飾されている導電性粒子と、それらをバインダーとして機能させる親水性の高分子（たとえば、Ｎａｆｉｏｎ１１７、Ｎａｆｉｏｎ１１２、フレミオン、スルホン化ポリイミド等）との混合物を挙げることができる。また、カーボンペーパーやカーボンクロスなどの炭素の表面が同様に化学修飾されているものや、カーボンペーパーやカーボンクロスの細孔内に親水性の高分子を充填したものを用いてもよい。ここで、親水性多孔質層４２０は、アノード触媒層４０２とアノード集電体４１０とを低い電気抵抗にて接続することが好ましい。このような観点から、親水性多孔質層４２０に接する側におけるアノード触媒層４０２の触媒担持カーボンの表面をＯＨもしくはＣＯＯＨなどの極性（親水性）官能基で化学修飾することによって親水化することが好ましい。これにより、両者の間での濡れ性が良好となる。ここで、アノード触媒層４０２の表面のみを親水処理する代わりに、アノード触媒層内をも親水処理して、これを親水性多孔質層４２０としてもよい。
【００８１】
（第４の実施形態）
図５は、本発明の燃料電池の別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。図５に示される燃料電池は、アノード集電層５０４に設けられた貫通孔内に撥水性多孔質層５３０が形成されていること以外は、上記図４（ｂ）に示される燃料電池と同様の構成を有している。以下、撥水性多孔質層について詳細に説明する。
【００８２】
＜撥水性多孔質層＞
撥水性多孔質層５３０は、アノード集電層５０４の貫通孔内に充填された撥水性多孔質材料からなり、燃料電池の外部にメタノール水溶液が漏洩することを抑止するために設けられる。また、貫通孔内の充填だけに限らず、アノード集電層５０４のアノード触媒層側とは反対側の面に撥水性多孔質層が備えられてもよいし、貫通孔内及びアノード集電層５０４のアノード触媒層側とは反対側の面の両方に具備されてもよい。撥水性多孔質層５３０は、水、メタノール水溶液等の液体に対して不透過性であり、気体に対して透過性であって気液分離能を有する。撥水性多孔質層５３０は、導電性を有していることが好ましい。
【００８３】
撥水性多孔質層５３０に用いる材料としては、気液分離能を有する材料と、導電性を有する材料との混合物を用いることができる。このような混合材料としては、ＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｆｌｕｏｌｉｄｅ）等のフッ素系高分子と、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどとの混合物を挙げることができる。撥水性多孔質層は、図５に示されるように、アノード集電層５０４の貫通孔内部に形成してもよいし、または該貫通孔を塞ぐように、アノード集電層５０４表面に形成してもよい。
【００８４】
次に、本発明の燃料電池の製造方法について説明する。本発明の燃料電池は、上述したような構造を備えるものであれば、その製造方法は特に制限されるものではないが、本発明の燃料電池の製造方法によって製造されたものであることが好ましい。本発明の燃料電池の製造方法は、以下の工程を備える。
（１）集電体に燃料流路と貫通孔とを形成して、アノード集電層を得る第１工程、
（２）アノード触媒層およびカソード触媒層を形成する第２工程、
（３）少なくともアノード集電層、アノード触媒層、電解質膜、およびカソード触媒層をこの順で積層し、一体化させる第３工程。
【００８５】
第１工程は、アノード集電体に燃料流路および貫通孔を形成して、アノード集電層を形成する工程である。アノード集電体に燃料流路および貫通孔を形成する方法としては、金属板または金属箔を集電体として用いる場合には、ウエットエッチング法を用いた孔加工を好ましく用いることができる。カソード集電層を設ける場合、カソード集電層は、燃料流路を設けないこと以外はアノード集電層と同様にして形成することができる。
【００８６】
エッチング法は、プリント配線技術などに用いられるフォトエッチング工程を用いることができる。集電体のどちらか一方の面に、感光性のレジストを塗布またはラミネートして感光層を形成し、露光により残すべき集電体のレジストパターンを形成し、現像、エッチングすることで、燃料流路および貫通孔を形成することができる。このような製造方法では、複数の燃料流路および貫通孔を一度に形成することができるとともに、微細な開口パターンを加工することが可能となる。
【００８７】
なお、燃料透過層を設ける場合には、上記第１工程の後に、燃料透過層を形成する工程が設けられる。燃料透過層としては、上記したように感光性樹脂が好ましく用いられ、より好ましくはＵＶ硬化型の感光性樹脂が用いられる。さらに好ましくは耐酸性および耐メタノール性に優れた感光性樹脂が用いられる。たとえば、感光性エポキシ樹脂、感光性ポリイミド樹脂などが挙げられる。感光性樹脂を用いることにより、燃料流路と貫通孔を有する集電体の上に、該感光性樹脂のドライフィルムをラミネートすることにより感光層を形成し、現像後の感光性樹脂が燃料流路を覆う形状となるようにフォトレジスト用マスクを作製して、露光、現像を行なって、燃料流路上の感光性樹脂以外の感光性樹脂を除去し、キュアーにより完全に樹脂を硬化させる、微細な流路にも対応できる燃料透過層を形成することが可能となる。
【００８８】
第２工程は、アノード触媒層およびカソード触媒層を形成する工程である。これらの触媒層を形成する方法として、たとえば、触媒粒子と導電性粒子と電解質とを有機溶媒に分散させてなるペーストを、バーコート法、スクリーン印刷法またはスプレーコーティング法などを用いて均一に塗布し、ペースト中の有機溶媒を除去して形成する工法を採用することができる。このような製造方法では、多数の細孔を有した触媒層を形成することができ、有効な触媒粒子の表面積を増加させることが可能となる。
【００８９】
アノード触媒層は、電解質膜やアノード集電層（あるいは燃料透過層）上に直接形成することができる。また、カソード触媒層は、電解質膜やカソードガス拡散層上に直接形成することができる。これにより、あらかじめ電解質膜、集電体またはカソードガス拡散層に触媒層が一体形成されるため、密着性の良い界面を得ることが可能となる。あるいは、プラスチックフィルム等の基材に触媒層を形成した後に、電解質膜、アノード集電層またはカソードガス拡散層に転写するようにしてもよい。このような製造方法では、あらかじめ触媒層を別に形成しておくことができ、触媒粒子および導電性粒子の分散性を向上させるために用いられる有機溶媒がアノード集電層またはカソードガス拡散層の表面に絶縁層を形成させてしまうような有機溶媒であっても、上記ペーストの溶媒として用いることが可能となる。
【００９０】
第３工程は、少なくとも集電層、アノード触媒層、電解質膜、およびカソード触媒層をこの順で積層し、一体化させる工程である。上記のように、アノード集電層は、燃料透過層を含み得る。カソード触媒層上には、カソードガス拡散層が積層される。また、カソードガス拡散層上には、必要に応じて、カソード集電層が積層される。なお、カソードガス拡散層とカソード集電層の積層順序は、逆になってもよい。これらの積層体を一体化させる方法としては、ホットプレス機を用いて、電解質膜や触媒層中の電解質の軟化温度やガラス転移温度を超える温度で熱圧着する工程を採用することができる。これにより各層が化学結合やアンカー効果や粘着力等により接合された状態となり、各層間の界面の電子伝導抵抗やイオン伝導抵抗を低減することができる。この工程により、カソードガス拡散層、カソード集電層（または、カソード集電層、カソードガス拡散層）、カソード触媒層、電解質膜、アノード触媒層、アノード集電層がこの順に燃料電池の層厚方向に積層されて一体化される。熱圧着時の圧力により、アノード集電層やカソード集電層が電解質膜や触媒層を突き破ったり、アノード触媒層や親水性多孔質層が燃料透過層を破って燃料流路を埋めてしまわない様に、適切なスペーサを用意し圧力がかかり過ぎないように熱圧着をすることが好ましい。
【００９１】
また、カソード集電層とカソードガス拡散層とを接着させる場合は、カソード集電体とカソードガス拡散層との間に接着層を設けることがより好ましい。接着層を介して接合させることにより、ボルトやナット、押さえ板などの締結部材を不要とすることができ、燃料電池を小型化、軽量化、薄型化することができる。ここで、接着層は導電性であることが好ましい。これにより、カソード集電層とカソードガス拡散層との接触面が増加するため接触抵抗を低減することができ、また導電経路が最短となるため、抵抗による損失を低減させることができる。また、接着層は撥水性を有する多孔質層であることがより好ましい。これにより、カソード触媒層で生成した水が結露して、酸素が触媒層に到達することが阻害されることなく、酸素が透過できる通気孔を確保することができる。このような導電性を有し、撥水性を有する多孔質層である接着層としては、ＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｏｅｔｈｙｌｅｎｅ）、ＰＶＤＦ（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｆｌｕｏｌｉｄｅ）等のフッ素系高分子と、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどとの混合物が挙げられる。カソード集電層とカソードガス拡散層との間の接着層が多孔質材料でない場合には、酸素の通気が可能なように、カソード集電層の貫通孔を塞がないように部分的に接着層を形成することが好ましい。また、カソードガス拡散層とカソード触媒層とを接着させる場合にも、上記接着層を介して接着することが好ましい。当該接着層は導電性であることがさらに好ましく、また、撥水性を有する多孔質層であることがより好ましい。
【００９２】
また、アノード集電層とアノード触媒層とを接着させる場合は、アノード触媒層に含まれる電解質樹脂がホットプレス機の温度で軟化し、アノード集電層の貫通孔内に入り込み、アンカー効果で接着される。アノード集電層の貫通孔は熱圧着時によるアンカー効果で接着力を向上させる効果も有する。また、アノード集電層とアノード触媒層とを接着させるために、両層の間に接着層を設けて接着してもよい。この場合、接着層は導電性であることが好ましく、また親水性を有する多孔質層であることがより好ましい。親水性を有する多孔質層である接着層は、上述した親水性多孔質層（たとえば第４の実施形態の４２０等）として形成され、酸素バリアと燃料のバッファの機能をも果たす。接着層を備える場合も同様に、熱圧着により接着層に含まれる樹脂成分の軟化し、アノード集電層の貫通孔に入り込むアンカー効果で、アノード集電層とアノード触媒層との接着力が向上する。また、接着層とアノード触媒層との間も、熱圧着により、両者の高分子成分が軟化され、アンカー効果で接着することができる。
【００９３】
なお、複数の燃料電池を積層して燃料電池スタックとする場合には、上記第３工程の後、複数の燃料電池を一体化する工程が設けられる。この際、燃料電池と燃料電池、燃料電池と後述の介在層等とを導電性の接着剤を用いた接着層により接着することが好ましい。アノード集電層の貫通孔は同様にアンカー効果としての接着力を向上する効果を有する。カソード集電層の貫通孔やカソードガス拡散層の開孔によっても、同様にアンカー効果として接着力を向上させることができる。導電性接着剤において、フッ素系高分子材料などの撥水性を有する多孔質層を用いることがさらに好ましい。撥水性を有する多孔質層を用いることにより、生成水などによる水蒸気が接着層で結露しても、水をはじき、多孔質の開孔が塞がれないようにすることができる。
【００９４】
＜＜燃料電池スタック＞＞
次に、本発明の燃料電池スタックについて説明する。ここで、燃料電池スタックとは、複数の燃料電池を積層してなる燃料電池のことをいう。図６は、本発明の燃料電池スタックの好ましい一例を模式的に示す断面図である。図６に示される燃料電池スタックは、第１の燃料電池６００ｂと、第２の燃料電池６００ａとを第１の介在層６００ｃを介して積層してなる。第１の燃料電池６００ｂと第２の燃料電池６００ａとは、第１の燃料電池６００ｂのアノード極側と、第２の燃料電池６００ａのカソード極側とが対向するように積層されている。第１の燃料電池６００ｂおよび第２の燃料電池６００ａの構造はともに、カソード集電層を有しないこと以外は、図５に示される燃料電池と同様の構造を有しており、ともに本発明に係る燃料電池である。
【００９５】
第１の介在層６００ｃは、第１の燃料電池６００ｂのアノード集電体６１０および第２の燃料電池６００ａのカソードガス拡散層６０５に接して形成された複数の柱状スペーサ６４０と、柱状スペーサ間に形成される複数の空洞部６５０とから構成される。空洞部６５０は、第１の燃料電池６００ｂの貫通孔６３０と連通している。また、空洞部６５０は、第２の燃料電池６００ａのカソードガス拡散層６０５に接しているため、第１の燃料電池６００ｂの貫通孔６３０は、空洞部６５０を介して、第２の燃料電池６００ａのカソードガス拡散層６０５内の流路と連通することとなる。
【００９６】
かかる構成により、第２の燃料電池６００ａのカソード側で生成した水が蒸発して水蒸気となり、第１の燃料電池６００ｂの貫通孔６３０から侵入して、親水性多孔質層６２０にて温度差により冷却され、トラップされる。その後、第１の燃料電池６００ｂのアノード触媒層６０２にまで到達する。これにより、カソードで生成した水をアノードの反応に再利用できるため、高濃度のメタノールを燃料として使用することができる。これにより、燃料容器の体積が小さくても長時間発電することが可能となり、燃料電池のエネルギー密度を高めることができる。さらに、第１の燃料電池６００ｂのアノード触媒層６０２から生成する二酸化炭素と共に排出される微量のメタノール蒸気は、第２の燃料電池６００ａのカソード触媒層６０３に到達し、燃焼される。これにより、燃料電池の外部に排出されるメタノールの蒸気の量を従来技術に比べ減少することができる。さらに燃焼時に発生する熱を利用して、隣接する燃料電池の温度を上昇させ、発電効率を向上させることもできる。また、有機化合物が燃焼した際に生成する水をアノードの反応に利用することもできる。
【００９７】
ここで、柱状スペーサ６４０の断面形状は特に制限されず、たとえば、円状、楕円状、四角状等とすることができる。柱状スペーサ６４０は、導電性材料から形成されることが好ましい。これにより、積層方向に電気的に直列に配線することができる。また、柱状スペーサ６４０は、多孔質体からなることが好ましい。これにより柱状スペーサ６４０の中を、第１の燃料電池６００ｂの貫通孔から排出される二酸化炭素や空気が通り抜けることができる。また、柱状スペーサ６４０は、図６に示すように、第１の燃料電池６００ｂのアノード集電体６１０および第２の燃料電池６００ａのカソードガス拡散層６０５と、接着層６６０を介して積層されていることがより好ましい。
【００９８】
柱状スペーサ６４０の燃料電池への接着には、導電性の接着剤を用いることが好ましく、該導電性の接着剤は熱硬化性の高分子接着剤と、導電性良好な粉末との混合物であることがより好ましい。熱硬化性の高分子接着剤としては、株式会社スリーボンドの１１５２Ｂのポリオレフィン系高分子が挙げられ、その他にも、株式会社スリーボンド製の導電性接着剤である３３７３Ｃ（スクリーン印刷型導電性接着剤）、３３１５（一液性常温乾燥型接着剤）などが挙げられる。また、フェノール樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂が挙げられる。熱硬化性の高分子接着剤は、熱圧着時に圧力を掛けた状態で加熱重合し、その後、加圧したまま、室温まで冷却することにより、各燃料電池を良好に接合させるため、締め付け部材等を要しない。導電性良好な粉末としては、たとえば、アセチレンブラック、ケッチェンブラック、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどのカーボン系材料、Ａｕ、Ｐｔ、Ｐｄ等の貴金属、Ｔｉ、Ｔａ、Ｗ、Ｎｂ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｕ等の金属、Ｓｉ、およびこれらの窒化物、炭化物、炭窒化物等、さらにステンレス、Ｃｕ−Ｃｒ、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｔｉ−Ｐｔ等の合金の耐腐食性のある材料の粉末を挙げることができる。導電性良好な粉末は、燃料電池間を低い電子伝導抵抗で接続するのに加え、アノード触媒層から生成する二酸化炭素を、粉末と粉末の間に形成される空隙から隣接する燃料電池のカソードガス拡散層方向へ逃がし、カソードガス拡散層を通じて空洞部６５０に排出することができる。
【００９９】
図７は、本発明の燃料電池スタックの別の一例を模式的に示す断面図である。図７に示される燃料電池スタックは、第１の燃料電池７００ｂと第２の燃料電池７００ａとが、第１の燃料電池７００ｂのアノード極側と、第２の燃料電池７００ａのカソード極側とが対向するように接着して積層されている。第１の燃料電池７００ｂおよび第２の燃料電池７００ａの構造はともに、カソード集電層および接着層を有しないこと以外は、図５に示される燃料電池と同様の構造を有しており、ともに本発明に係る燃料電池である。
【０１００】
本実施形態においては、カソードガス拡散層７０５とアノード集電層７０４との間に接着層７６０を設けることが好ましく、上記した導電性接着剤を用いることが好ましい。本実施形態では、撥水性多孔質層を介してアノード集電層とカソードガス拡散層とが接合されており、撥水性多孔質層は導電性接着層として機能している。上述した一体化工程と同様に、撥水性多孔質層に含まれる樹脂成分が、熱圧着により軟化して、アンカー効果によりカソードガス拡散層がアノード集電層に接着されている。また、本実施形態においては、カソードガス拡散層は、十分に空気が供給されるように十分な厚みと、十分に高い空隙率を有することが好ましい。
【０１０１】
なお、本実施形態の燃料電池スタックにおいて、第１の燃料電池および第２の燃料電池として用いられる燃料電池は、図６および図７に示される構造のものに限定されるものではなく、上述してきた本発明の燃料電池のいずれを用いてもよい。その際、各燃料電池は、カソード集電層を有していてもよく、有していなくてもよい。また、第２の燃料電池に関しては、必ずしも本発明の燃料電池である必要はない。さらに、本発明の燃料電池スタックが３以上の燃料電池から構成され得ることはいうまでもない。
【０１０２】
図８は、本発明の燃料電池スタックの別の好ましい一例を模式的に示す断面図である。図８に示される燃料電池スタックは、第１の燃料電池８００ａと、第２の燃料電池８００ｂとを第２の介在層８００ｃを介して積層してなる。第１の燃料電池８００ａと第２の燃料電池８００ｂとは、第１の燃料電池８００ａのアノード極側と、第２の燃料電池８００ｂのアノード極側とが対向するように積層されている。第１の燃料電池８００ａおよび第２の燃料電池８００ｂの構造はともに、カソード集電層を有しないこと以外は、図５に示される燃料電池と同様の構造を有しており、ともに本発明に係る燃料電池である。
【０１０３】
第２の介在層８００ｃは、第１の燃料電池８００ａおよび第２の燃料電池８００ｂのアノード集電体８１０に接して形成された複数の柱状スペーサ８４０と、柱状スペーサ間に形成される複数の空洞部８５０とから構成される。空洞部８５０は、第１の燃料電池８００ａおよび第２の燃料電池８００ｂの貫通孔８３０とそれぞれ連通している。
【０１０４】
かかる構成により、第１の燃料電池８００ａおよび第２の燃料電池８００ｂの貫通孔８３０から排出された二酸化炭素や該二酸化炭素と共に排出される微量のメタノール等の有機化合物は、第２の介在層８００ｃの空洞部８５０内に導かれることとなる。
【０１０５】
ここで、第２の介在層８００ｃを構成する柱状スペーサ８４０は、貫通孔から排出される二酸化炭素等の反応生成物中に含まれる有機化合物成分を吸着する材料を含有することが好ましい。これにより、空洞部８５０内に導かれた二酸化炭素中に含まれる主にメタノールからなる有機化合物を吸着除去し、外部に排出しないようにすることができる。具体的には、第２の介在層８００ｃ自体を有機化合物吸着フィルターとすることができる。有機化合物吸着フィルターとしては、活性炭、吸着力強化のため表面を改質した活性炭、などを用いることができる。
【０１０６】
また、第２の介在層８００ｃを構成する柱状スペーサ８４０は、貫通孔から排出される二酸化炭素等の反応生成物中に含まれる有機化合物成分を燃焼させるための触媒を含有することも好ましい。有機化合物燃焼触媒を備える場合は、排出された二酸化炭素に含まれる有機化合物を空気中の酸素と反応させ、燃焼させることができる。これにより、燃料電池の外部に主にメタノールの蒸気からなる有機化合物を排出させる量を減らすことができる。また、燃焼させた熱を燃料電池に伝えることにより、触媒反応を活性化させることができ、発電効率を向上させることができる。さらに、燃焼された有機化合物は二酸化炭素と水になるため、生成した水蒸気をアノード側の反応に利用することができる。これらの結果、従来に比べ、燃料電池外部へ有害な有機化合物を排出する量を減少させることができる。具体的には、第２の介在層８００ｃ自体を、有機化合物燃焼触媒を含有するフィルターとすることができる。有機化合物燃焼触媒としては、好ましくはＰｔの微粒子が用いられ、該触媒は担持体に担持されていることが好ましい。耐熱性向上のため、金属、金属酸化物などの多孔質体が担持体として用いられることが好ましい。なお、これらのフィルターが交換可能なように燃料電池を設計することが好ましい。
【０１０７】
なお、本実施形態の燃料電池スタックにおいて、第１の燃料電池および第２の燃料電池として用いられる燃料電池は、図８に示される構造のものに限定されるものではなく、上述してきた本発明の燃料電池のいずれを用いてもよい。その際、各燃料電池は、カソード集電層を有していてもよく、有していなくてもよい。また、本発明の燃料電池スタックが３以上の燃料電池から構成され得ることはいうまでもない。ここで、３以上の燃料電池で構成される場合、図８の構造が繰り返されてもよいし、図８に示される構造と図６および／または図７に示される構造との両方が組み合わさった構造を用いてもよい。図示しないが、図８の８００ａの上に、図６の６００ｃと６００ｂとが積層されてもよい。図８の構造の場合、図８に示す積層構造がそのままの順序で繰り返されてもよい。この際、第１の介在層６００ｃや第２の介在層８００ｃを用いてもよいし、図７に示すように第１の介在層６００ｃ若しくは第２の介在層８００ｃを用いなくてもよい。
【０１０８】
本発明の燃料電池スタックは、本発明の燃料電池および必要に応じて他の燃料電池を積層し、一体化させることにより形成される。具体的には、アノード集電体と柱状スペーサ、および／または柱状スペーサとカソードガス拡散層（またはカソード集電体）、および／またはアノード集電体とカソードガス拡散層（またはカソード集電体）の接触部位に、上記した導電性の接着剤が塗布される。そして、これらの積層体を熱圧着することにより、燃料電池が積層して一体化された燃料電池スタックを作製することができる。
【０１０９】
ここで、熱圧着による燃料電池の一体化において、燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池および柱状スペーサを積層し、一度の熱圧着によって一体化された燃料電池スタックを製造してもよく、燃料電池スタックを構成する全ての燃料電池を複数組みに分けて、それぞれの組みを熱圧着によって一体化し、一体化した組みおよび柱状スペーサを積層して再び熱圧着することによって一体化された燃料電池スタックを製造してもよい。
【０１１０】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１１１】
＜実施例１＞
図９は、実施例１の燃料電池の分解斜視図を示している。まず、次のようにしてアノード集電層を作製した。外形２５×３０ｍｍ、厚さ３００μｍの耐硫酸性ステンレスＳＵＳ３１６Ｌ製平板に、エッチング加工により、３００μｍ幅（直径）の貫通孔９０９を６００μｍピッチで一列に外形の長手方向に向かって空けた。同時にエッチング加工により、２００μｍの深さで、幅が５００μｍの溝を掘り、燃料流路９０８を形成した。貫通孔の端と、溝のエッジ間の間隔を左右それぞれ１５０μｍずつ設け、溝と貫通孔のラインを１１００μｍピッチで平行にレイアウトした。
【０１１２】
次に、厚さ４５μｍのレジスト樹脂からなるドライフィルムをアノード集電体８１０に全面ホットラミネートし、フォトレジストマスクを用いて、露光後、現像、３５０℃でキュアーすることにより燃料透過層を形成した。燃料透過層は、燃料流路９０８の幅５００μｍに対し、６５０μｍの幅を有しており、燃料流路の溝を塞ぐように形成した。この際、燃料透過層が左右７５μｍずつ溝からはみ出るようにした。ついで、燃料透過層の真ん中に、１０μｍ幅の複数の開孔を６００μｍピッチで、長手方向に一列に設けた。
【０１１３】
次に、親水性多孔質層を次のようにして作製した。炭素粒子の表面にカルボン酸基がついた東海カーボン株式会社製のアクアブラック００１と、２０ｗｔ％のナフィオンのアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、イオン交換水と、イソプロパノールと、ジルコニアビーズとを所定の割合で、ＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌脱泡機を用いて５０ｒｐｍで５０分間の混合を行ない、ジルコニアビーズを除去して親水性多孔質用ペーストを作製した。このペーストを燃料透過層が形成されたアノード集電体９１０上に５０μｍの厚さで塗布し、８０℃の乾燥機で乾燥させ、親水性多孔質層を形成した。
【０１１４】
次に、Ｐｔ担持量３２．５ｗｔ％、Ｒｕ担持量１６．９ｗｔ％のＰｔ−Ｒｕ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、２０ｗｔ％のナフィオンのアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、イオン交換水と、イソプロパノールと、ジルコニアビーズとを所定の割合で、ＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌脱泡機を用いて５０ｒｐｍで５０分間の混合を行ない、ジルコニアビーズを除去し、アノード触媒ペーストを作製した。また、Ｐｔ担持量４６．８ｗｔ％のＰｔ粒子とカーボン粒子とからなる触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ１０Ｅ５０Ｅ、田中貴金属社製）を用いて、アノード触媒ペーストと同様に、カソード触媒ペーストを作製した。
【０１１５】
電解質膜９０１として２５×２５ｍｍ、厚み約１７５μｍのナフィオン１１７膜（デュポン社製）を用い、当該電解質膜９０１に、転写法により、アノード触媒層（図示せず）とカソード触媒層（９０３）を２３×２３ｍｍの大きさで形成した。アノード触媒層の厚みは１００μｍとし、カソード触媒層の厚みは５０μｍとした。
【０１１６】
カソード集電体９１１としては線形７０μｍ、８０メッシュの平織り金メッシュを用いた。また、片面にフッ素系の樹脂と炭素粒子とからなる層で撥水処理された３００μｍの厚みのカーボンペーパーであるＧＤＬ３５ＢＣ（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製）を２３ｍｍ×２３ｍｍの大きさにし、カソードガス拡散層９０５として用いた。
【０１１７】
下からアノード集電体９１０、燃料透過層、親水性多孔質層、アノード触媒層、電解質膜９０１、カソード触媒層９０３、カソード集電体９１１、カソードガス拡散層９０５の順に積層した。５０ｍｍ×５０ｍｍの正方形型の貫通穴を有する１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚さ０．７５ｍｍの額縁状のテフロンスペーサ（テフロン（登録商標））の該貫通穴に、この積層体を設置した。これらを１００ｍｍ×１００ｍｍ、厚み３ｍｍのステンレス板で挟んだ後、ステンレス板の厚み方向に１３０℃、５ｋｇｆ／ｃｍ2で２分間熱圧着し、積層体を一体化し、燃料電池を作製した。具体的には、積層した各層の界面はアンカー効果、または触媒層に含まれるナフィオンの粘着力などで接合されている。
【０１１８】
次に、燃料供給チューブ９２０としての外径２．５ｍｍφ（内径１．５ｍｍφ）のシリコンチューブ（株式会社テックジャム製ＳＴ１．５−２．５）に２５ｍｍの切れ目を長手方向に入れ、該チューブの中心部までアノード集電体９１０の流路の端部が開いた面をそれぞれ差し込んだ。シリコン系樹脂のシール剤（コニシ株式会社製バスボンド）で隙間を埋め、乾燥させることで、燃料供給の接続部を形成した。こうして、燃料電池を作製した。
【０１１９】
ポンプを用いて、１０Ｍのメタノール水溶液を０．５ｃｃ／ｍｉｎの速度で供給して発電させたところ、最大出力密度３５ｍＷ／ｃｍ2が得られた。
【０１２０】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１２１】
１０１，２０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１  電解質膜、１０２，２０２，４０２，５０２，６０２，７０２，８０２  アノード触媒層、１０３，２０３，４０３，５０３，６０３，７０３，８０３，９０３  カソード触媒層、１０４，２０４，４０４，５０４，６０４，７０４，８０４  アノード集電層、１０５，２０５，４０５，５０５，６０５，７０５，８０５，９０５  カソードガス拡散層、１０６，２０６，４０６，５０６  カソード集電層、１０７，１０９，２０７，２０９，４０７，４０９，５０７，９０９  貫通孔、１０８，２０８，４０８，５０８，６０８，７０８，８０８，９０８  燃料流路、１１０，２１０，４１０，５１０，６１０，７１０，８１０，９１０  アノード集電体、１１１，２１１，４１１，５１１，９１１  カソード集電体、２１２，４１２，５１２，６１２，７１２，８１２  燃料透過層、４２０，５２０，６２０，７２０，８２０  親水性多孔質層、５３０，６３０，７３０，８３０  撥水性多孔質層、６００ａ，８００ｂ  第２の燃料電池、６００ｂ，８００ａ  第１の燃料電池、６００ｃ  第１の介在層、６４０，８４０  柱状スペーサ、６５０，８５０  空洞部、８００ｃ  第２の介在層、９２０  燃料供給チューブ、１２０，２２０，４３０，５４０，６６０，７６０，８６０  接着層。
【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】
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【図８】
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【図９】
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