(57)【要約】【課題】カソード触媒層に効率よく液体燃料を供給することができ、発電効率の向上を図ることができる燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料電池３に、電解質膜６４と、液体燃料が供給されるアノード電極６５と、酸素が供給されるカソード電極６６と、アノード電極６５と向かい合うように配置され、複数の気孔９０を有するアノード側拡散層６７とを備える。そして、複数の気孔９０のサイズを、下方から上方に向かうに従って、大きくなるように形成し、アノード電極６５に、下方から上方に向かって、液体燃料を供給する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質層と、
前記電解質層の厚み方向の一方面に配置され、液体燃料が供給されるアノード触媒層と、
前記電解質層の厚み方向の他方面に配置され、酸素が供給されるカソード触媒層と、
前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の少なくともいずれか一方と前記厚み方向に向かい合うように配置され、複数の気孔を有するガス拡散層とを備え、
前記アノード触媒層は、前記厚み方向と直交する直交方向の一方から他方に向かって、液体燃料が供給されるように構成され、
前記複数の気孔のサイズは、前記直交方向の一方から他方に向かうに従って、大きくなることを特徴とする、燃料電池。
【請求項２】
前記複数の気孔のサイズは、前記直交方向の一方から他方に向かうに従って、連続的に大きくなることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記ガス拡散層は、前記アノード触媒層の前記厚み方向の一方側に配置されていることを特徴とする、請求項１または２に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、車両などに搭載される燃料電池、詳しくは、ガス拡散層を備える燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、燃料電池として、液体燃料が供給されるアノードと、空気が供給されるカソードとが、固体高分子膜からなる電解質膜を挟んで対向配置されている固体高分子形燃料電池が知られている。
【０００３】
また、燃料電池に採用される電極および電解質膜として、電解質膜と、電解質膜の一方面に接合されたアノード電極（燃料側触媒層）と、電解質膜の他方面に接合されたカソード電極（空気側触媒層）とを備える膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）が知られている。
【０００４】
例えば、膜・電極接合体と、膜・電極接合体の一方側に積層されるアノード側ＧＤＬ一体型シールと、膜・電極接合体の他方側に積層されるカソード側ＧＤＬ一体型シールとを備え、アノード側ＧＤＬ一体型シールが、ガス透過性材料からなるアノード側拡散層を備え、カソード側ＧＤＬ一体型シールが、ガス透過性材料からなるカソード側拡散層を備える燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−５１０３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかるに、特許文献１に記載の燃料電池では、空気が、カソード側拡散層を介して、カソードに供給され、液体燃料が、アノード側拡散層を介して、アノードに供給される。これにより、カソードにおいて、酸素と水とが反応して水酸化物イオンが、生成される。そして、その水酸化物イオンが、膜・電極接合体を通過して、アノードにおいて、液体燃料と反応し、起電力が生じる。
【０００７】
ここで、アノードでは、水酸化物イオンと液体燃料との反応によりガスが発生するので、アノードに供給される液体燃料には、液体燃料の供給方向下流において、供給方向上流よりも多くのガスが含まれる。そのため、アノードに対する液体燃料の供給量は、液体燃料の供給方向下流において相対的に少なく、供給方向上流において相対的に多い。
【０００８】
また、アノードに供給される液体燃料は、アノードにおいて反応することなく電解質膜を透過して、カソードに漏出する場合がある。このようなカソードに漏出する液体燃料の量は、液体燃料中に含まれるガスの量が多いと相対的に少なく、液体燃料中に含まれるガスの量が少ないと相対的に多くなる。そのため、カソードに漏出する液体燃料の量は、液体燃料の供給方向上流において、相対的に多くの液体燃料が、カソードに漏出してしまう。
【０００９】
その結果、アノードに対する液体燃料の供給量が、液体燃料の供給方向下流において、さらに低下してしまい、発電効率が低下してしまうという不具合がある。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、アノード触媒層に効率よく液体燃料を供給することができ、発電効率の向上を図ることができる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】
【００１１】
本発明の燃料電池は、電解質層と、前記電解質層の厚み方向の一方面に配置され、液体燃料が供給されるアノード触媒層と、前記電解質層の厚み方向の他方面に配置され、酸素が供給されるカソード触媒層と、前記アノード触媒層および前記カソード触媒層の少なくともいずれか一方と前記厚み方向に向かい合うように配置され、複数の気孔を有するガス拡散層とを備え、前記アノード触媒層は、前記厚み方向と直交する直交方向の一方から他方に向かって、液体燃料が供給されるように構成され、前記複数の気孔のサイズは、前記直交方向の一方から他方に向かうに従って、大きくなることを特徴としている。
【００１２】
また、前記複数の気孔のサイズは、前記直交方向の一方から他方に向かうに従って、連続的に大きくなることが好適である。
【００１３】
また、前記ガス拡散層は、前記アノード触媒層の前記厚み方向の一方側に配置されていることが好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池では、アノード触媒層に、直交方向の一方から他方に向かって、液体燃料が供給される。そのため、複数の気孔のサイズは、液体燃料の供給方向の上流から下流に向かうに従って大きくなる。つまり、複数の気孔のサイズは、液体燃料の供給方向の上流において相対的に小さく、液体燃料の供給方向の下流において相対的に大きい。
【００１５】
このような複数の気孔を有するガス拡散層を、アノード触媒層と向かい合うように配置すると、液体燃料が、複数の気孔を通過してアノード触媒層に供給される。ここで、複数の気孔のうち、液体燃料の供給方向の上流にある気孔のサイズが相対的に小さいので、液体燃料の供給方向の上流において、アノード触媒層に液体燃料が過度に供給されることを抑制でき、カソード触媒層に液体燃料が漏出することを抑制できる。
【００１６】
一方、複数の気孔のうち、液体燃料の供給方向の下流にある気孔のサイズが相対的に大きいので、液体燃料の供給方向の下流において、液体燃料中に含まれるガスが増加しても、液体燃料を効率よく、アノード触媒層に供給することができる。
【００１７】
また、複数の気孔を有するガス拡散層が、カソード触媒層と向かい合うように配置すると、空気が、複数の気孔を通過して、カソード触媒層に供給される。ここで、複数の気孔のうち、液体燃料の供給方向の上流にある気孔のサイズが相対的に小さいので、例え、液体燃料がカソード触媒層に漏出しても、その液体燃料が、気孔を介して、カソード触媒層と向かい合うガス拡散層から排出されることを抑制できる。その結果、カソード触媒層と向かい合うガス拡散層が、水分を含む液体燃料をトラップして、発電効率を向上させる。
【００１８】
これらによって、発電効率の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】図１は、本発明の燃料電池の一実施形態を搭載した電動車両の概略構成図を示す。
【図２】図２は、図１に示す燃料電池のセルを示す概略構成図である。
【図３】図３Ａは、図２に示すカソード側拡散層およびアノード側拡散層を作製するための加工シートを示す概略図である。図３Ｂは、図２に示すカソード側拡散層およびアノード側拡散層を示す概略図である。
【図４】図４は、本発明に係るカソード側拡散層およびアノード側拡散層の変形例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
１．電動車両の全体構成
図１に示すように、電動車両１は、燃料電池３およびバッテリー５３を選択的に動力源とするハイブリッド車両であって、燃料電池システム２を搭載している。
【００２１】
燃料電池システム２は、燃料電池３と、燃料給排部４と、空気給排部５と、制御部６と、動力部７とを備えている。
（１）燃料電池
燃料電池３は、液体燃料が直接供給される直接液体燃料形燃料電池であり、電動車両１の中央下側に配置されている。
（２）燃料給排部
燃料給排部４は、電動車両１において燃料電池３の後側に配置されている。燃料給排部４は、燃料タンク２１と、燃料供給ライン２３と、燃料還流ライン２４と、排気ライン２５とを備えている。
【００２２】
燃料タンク２１は、燃料電池３の後側に間隔を隔てて配置されている。燃料タンク２１は、略ボックス形状を有し、燃料成分を含む液体燃料を貯蔵するように構成されている。
【００２３】
燃料成分としては、例えば、分子中に水素原子を含有する含水素液体燃料が挙げられ、具体的には、メタノールなどのアルコール類、ジメチルエーテルなどのアルキル基を有するエーテル類、ヒドラジン類などが挙げられ、好ましくは、アルコール類およびヒドラジン類が挙げられ、さらに好ましくは、ヒドラジン類が挙げられる。
【００２４】
ヒドラジン類としては、例えば、ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２）、水加ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ２ＮＨ２）２ＣＯ２）、塩酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・ＨＣｌ）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ２ＮＨ２・Ｈ２ＳＯ４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ３ＮＨＮＨ２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ３）２ＮＮＨ２、ＣＨ３ＮＨＮＨＣＨ３）、カルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ２）２ＣＯ）などが挙げられる。
【００２５】
このようなヒドラジン類のうち、好ましくは、炭素を含まないヒドラジン類、すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどが挙げられる。ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジンなどは、ＣＯおよびＣＯ２の生成がなく、触媒の被毒が生じないことから、耐久性の向上を図ることができ、実質的なゼロエミッションを実現することができる。
【００２６】
このような燃料成分は、単独または２種類以上組み合わせて用いることができる。
【００２７】
燃料供給ライン２３は、燃料タンク２１から燃料電池３へ液体燃料を供給するための配管である。燃料供給ライン２３の供給方向上流端は、燃料タンク２１の下端部に接続されている。燃料供給ライン２３の供給方向下流端は、燃料電池３の燃料供給口８２（後述、図２参照）に接続されている。燃料供給ライン２３は、第１ポンプ２６を備えている。
【００２８】
第１ポンプ２６は、燃料供給ライン２３の途中に介在されている。第１ポンプ２６としては、例えば、ロータリーポンプ、ギヤポンプなどの回転式ポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプなどの往復式ポンプなど、公知の送液ポンプが挙げられる。第１ポンプ２６は、駆動することにより、燃料タンク２１内の液体燃料を燃料電池３に供給する。
【００２９】
燃料還流ライン２４は、燃料電池３から燃料タンク２１へ液体燃料を還流するための配管である。燃料還流ライン２４の還流方向上流端は、燃料電池３の燃料排出口８３（後述、図２参照）に接続されている。燃料還流ライン２４の還流方向下流端は、燃料タンク２１の上端部に接続されている。燃料還流ライン２４は、気液分離器２７を備えている。
【００３０】
気液分離器２７は、燃料還流ライン２４の途中に介在されている。気液分離器２７は、液体燃料とガス（気体）とを分離する。
【００３１】
排気ライン２５は、気液分離器２７で分離されたガスを電動車両１から外へ排気するための配管である。排気ライン２５の排気方向上流端は、気液分離器２７に接続されている。排気ライン２５の排気方向下流端は、大気開放されている。なお、排気ライン２５の途中には、ガスを無害化および無臭化するための図示しない浄化装置が介在されている。
（３）空気給排部
空気給排部５は、電動車両１において燃料電池３の前側に配置されている。空気給排部５は、空気供給ライン４１と、空気排出ライン４２とを備えている。
【００３２】
空気供給ライン４１は、電動車両１の外から燃料電池３へ空気を供給するための配管である。空気供給ライン４１の供給方向上流端は、大気開放されている。空気供給ライン４１の供給方向下流端は、燃料電池３の空気供給口８５（後述、図２参照）に接続されている。空気供給ライン４１は、第２ポンプ４３を備えている。
【００３３】
第２ポンプ４３は、空気供給ライン４１の途中に介在されている。第２ポンプ４３としては、例えば、エアコンプレッサなどの公知の送気ポンプが挙げられる。第２ポンプ４３は、駆動することにより、電動車両１外からの空気を燃料電池３に供給する。なお、空気供給ライン４１の途中には、空気供給ライン４１を通過する空気を加湿するための図示しない加湿装置が接続（介在）されている。
【００３４】
空気排出ライン４２は、燃料電池３から電動車両１の外へ空気を排出するための配管である。空気排出ライン４２の排出方向上流端は、燃料電池３の空気排出口８６（後述、図２参照）に接続されている。空気排出ライン４２の排出方向下流端は、大気開放されている。
（４）制御部
制御部６は、ＥＣＵ５１を備えている。
【００３５】
ＥＣＵ５１は、電動車両１における電気的な制御を実行するコントロールユニット（すなわち、Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｕｎｉｔ）であり、ＣＰＵ、ＲＯＭおよびＲＡＭなどを備えるマイクロコンピュータから構成されている。
【００３６】
ＥＣＵ５１は、第１ポンプ２６および第２ポンプ４３のそれぞれと電気的に接続されている。
（５）動力部
動力部７は、電動車両１の前端部において、いわゆるエンジンルーム内に配置されている。動力部７は、モータ５２と、バッテリー５３とを備えている。
【００３７】
モータ５２は、燃料電池３に電気的に接続されている。モータ５２は、燃料電池３から出力される電気エネルギーを電動車両１の駆動力として機械エネルギーに変換する。モータ５２としては、例えば、三相誘導電動機、三相同期電動機などの公知の三相電動機などが挙げられる。
【００３８】
バッテリー５３は、燃料電池３とモータ５２との間の配線に電気的に接続されている。バッテリー５３としては、例えば、ニッケル水素電池や、リチウムイオン電池などの公知の二次電池などが挙げられる。
【００３９】
２．燃料電池
燃料電池３は、図２に示すように、膜・電極接合体６１と、膜・電極接合体６１の一方側（アノード側）に配置される燃料供給部材６２と、膜・電極接合体６１の他方側（カソード側）に配置される空気供給部材６３と、膜・電極接合体６１と燃料供給部材６２との間に配置される、ガス拡散層の一例としてのアノード側拡散層６７と、膜・電極接合体６１と空気供給部材６３との間に配置される、ガス拡散層の一例としてのカソード側拡散層６８とを有する燃料電池セル（単位セル）が、複数積層されたスタック構造に形成されている（図１参照）。なお、図２では、複数の単位セルのうち１つだけを燃料電池３として表し、その他の単位セルについては省略している。
【００４０】
膜・電極接合体６１は、電解質層の一例としての電解質膜６４、電解質膜６４の厚み方向の一方面に配置されるアノード触媒層の一例としてのアノード電極６５、および、電解質膜６４の厚み方向の他方面に配置されるカソード触媒層の一例としてのカソード電極６６を備えている。
【００４１】
なお、以下の説明において、電解質膜６４の厚み方向（図２における紙面左右方向）を、単に厚み方向とし、厚み方向および上下方向の両方向と直交する方向を幅方向とする。また、上下方向は、直交方向の一例であり、下方が直交方向の一方、上方が直交方向の他方方の一例である。
【００４２】
電解質膜６４は、アニオン交換型またはカチオン交換型の高分子電解質膜から形成されている。
【００４３】
電解質膜６４の厚みは、例えば、５μｍ以上、好ましくは、１０μｍ以上、例えば、５０μｍ以下、好ましくは、３５μｍ以下である。
【００４４】
アノード電極６５は、例えば、触媒を担持した触媒担体により形成されている。また、触媒担体を用いずに、触媒を、直接、アノード電極６５として形成してもよい。
【００４５】
アノード電極６５の厚みは、例えば、１０μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上、例えば、２００μｍ以下、好ましくは、１００μｍ以下である。
【００４６】
カソード電極６６は、例えば、アノード電極６５と同様に、触媒を担持した触媒担体により形成されている。
【００４７】
また、カソード電極６６は、例えば、錯体形成有機化合物および／または導電性高分子とカーボンとからなる複合体（以下、この複合体を「カーボンコンポジット」という。）に、遷移金属が担持されている材料により形成されてもよい。
【００４８】
カソード電極６６の厚みは、例えば、１０μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上、例えば、３００μｍ以下、好ましくは、１５０μｍ以下である。
【００４９】
アノード側拡散層６７は、アノード電極６５に対して一方側に積層（配置）され、アノード電極６５に対して厚み方向一方側から向かい合うように配置されている。
【００５０】
カソード側拡散層６８は、カソード電極６６に対して他方側に積層（配置）され、カソード電極６６に対して厚み方向他方側から向かい合うように配置されている。
【００５１】
燃料供給部材６２は、ガス不透過性の導電性部材からなり、アノード電極６５に液体燃料を供給する。燃料供給部材６２には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、燃料供給部材６２は、溝の形成された表面が、アノード側拡散層６７を介して、アノード電極６５に対向接触されている。これにより、アノード電極６５の一方面と燃料供給部材６２の他方面（溝の形成された表面）との間には、アノード電極６５全体に燃料成分を接触させるための燃料供給路８１が形成される。
【００５２】
燃料供給路８１には、燃料成分を燃料供給部材６２内に流入させるための燃料供給口８２が下端部に形成され、燃料成分を燃料供給部材６２から排出するための燃料排出口８３が上端部に形成されている。
【００５３】
空気供給部材６３は、ガス不透過性の導電性部材からなり、カソード電極６６に空気を供給する。空気供給部材６３には、その表面から凹む、例えば、葛折状などの溝が形成されている。そして、空気供給部材６３は、溝の形成された表面が、カソード側拡散層６８を介して、カソード電極６６に対向接触されている。これにより、カソード電極６６の他方面と空気供給部材６３の一方面（溝の形成された表面）との間には、カソード電極６６全体に空気を接触させるための空気供給路８４が形成される。
【００５４】
空気供給路８４には、空気を空気供給部材６３内に流入させるための空気供給口８５が上端部に形成され、空気を空気供給部材６３から排出するための空気排出口８６が下端部に形成されている。
３．アノード側拡散層およびカソード側拡散層
アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれは、図３Ｂに示すように、厚み方向から見て、略矩形状、より具体的には、上下方向に延びる略長方形状を有している。
【００５５】
アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれは、ガスを透過させるための気孔９０を有するガス拡散層（ＧＤＬ）であって、ガス透過性材料から形成されている。
【００５６】
ガス透過性材料としては、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、炭素繊維不織布などが挙げられる。また、ガス透過性材料は、必要によりフッ素処理されていてもよい。このようなガス透過性材料の中では、好ましくは、カーボンペーパーおよびカーボンクロスが挙げられる。なお、カーボンペーパーは、カーボン繊維の束９１を織ることにより調製される。
【００５７】
例えば、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれが、カーボンクロスから形成される場合、カーボンクロスの織目が、複数の気孔９０として構成される。
【００５８】
複数の気孔９０は、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれの全体にわたって配置されている。複数の気孔９０のぞれぞれの形状は、特に制限されないが、気孔９０がカーボンクロスの織目である場合、厚み方向から見て略矩形状である。
【００５９】
このような複数の気孔９０のサイズは、下方から上方に向かうに従って、連続的に大きくなる。
【００６０】
つまり、複数の気孔９０は、サイズが互いに異なる複数の気孔９０を含んでおり、より具体的には、最もサイズの小さい最小気孔９０Ａと、最もサイズの大きい最大気孔９０Ｂと、サイズが最小気孔９０Ａよりも大きく、かつ、最大気孔９０Ｂよりも小さい中気孔９０Ｃとを含んでいる。
【００６１】
最小気孔９０Ａは、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれの下端部に配置されている。
【００６２】
最小気孔９０Ａの幅方向の寸法Ｌ１は、例えば、１５μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上、例えば、３０μｍ以下、好ましくは、２５μｍ以下である。最小気孔９０Ａの上下方向の寸法Ｌ２は、例えば、１５μｍ以上、好ましくは、２０μｍ以上、例えば、３０μｍ以下、好ましくは、２５μｍ以下である。
【００６３】
また、最小気孔９０Ａの開口面積は、アノード側拡散層６７またはカソード側拡散層６８の面積に対して、例えば、５．６２５×１０−７％以上、好ましくは、１．０×１０−６％以上、例えば、２．２５×１０−６％以下、好ましくは、１．５６×１０−６％以下である。
【００６４】
最大気孔９０Ｂは、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれの上端部に配置されている。
【００６５】
最大気孔９０Ｂの幅方向の寸法Ｌ３は、例えば、４０μｍ以上、好ましくは、４５μｍ以上、例えば、６０μｍ以下、好ましくは、５５μｍ以下である。最大気孔９０Ｂの上下方向の寸法Ｌ４は、例えば、４５μｍ以上、好ましくは、５０μｍ以上、例えば、６０μｍ以下、好ましくは、５５μｍ以下である。
【００６６】
また、最大気孔９０Ｂの開口面積は、アノード側拡散層６７またはカソード側拡散層６８の面積に対して、例えば、４．０×１０−６％以上、好ましくは、５．０６×１０−６％以上、例えば、９．０×１０−６％以下、好ましくは、７．５６×１０−６％以下である。また、最大気孔９０Ｂの開口面積は、最小気孔９０Ａの開口面積に対して、例えば、１８０％以上、好ましくは、３２４％以上、例えば、１６００％以下、好ましくは、６２５％以下である。
【００６７】
中気孔９０Ｃは、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれにおいて、最小気孔９０Ａと最大気孔９０Ｂとの間に配置されている。
【００６８】
中気孔９０Ｃの幅方向の寸法Ｌ５は、例えば、３０μｍ以上、好ましくは、３５μｍ以上、例えば、４５μｍ以下、好ましくは、４０μｍ以下である。中気孔９０Ｃの上下方向の寸法Ｌ６は、例えば、３０μｍ以上、好ましくは、３５μｍ以上、例えば、４５μｍ以下、好ましくは、４０μｍ以下である。
【００６９】
また、中気孔９０Ｃの開口面積は、アノード側拡散層６７またはカソード側拡散層６８の面積に対して、例えば、２．２５×１０−６％以上、好ましくは、３．０６×１０−６％以上、例えば、５．０６×１０−６％以下、好ましくは、４．０×１０−６％以下である。また、中気孔９０Ｃの開口面積は、最小気孔９０Ａの開口面積に対して、例えば、１３６％以上、好ましくは、３０６．２５％以上、例えば、９００％以下、好ましくは、５０６．２５％以下であり、最大気孔９０Ｂの開口面積に対して、例えば、２５％以上、好ましくは、４１％以上、例えば、８１％以下、好ましくは、６４％以下である。
【００７０】
このように、気孔９０が厚み方向から見て矩形状である場合、複数の気孔９０の平均幅方向寸法は、例えば、２０μｍ以上、好ましくは、２５μｍ以上、例えば、３５μｍ以下、好ましくは、３０μｍ以下であり、複数の気孔９０の平均上下方向寸法は、例えば、２０μｍ以上、好ましくは、２５μｍ以上、例えば、３５μｍ以下、好ましくは、３０μｍ以下である。
【００７１】
このような複数の気孔９０の開口面積の総和は、アノード側拡散層６７またはカソード側拡散層６８の面積に対して、例えば、５０％以上、好ましくは、６０％以上、例えば、８０％以下、好ましくは、７０％以下である。
【００７２】
このようなアノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれを作製するには、例えば、図３Ａに示すように、カーボンクロスからなる加工シート９２を、厚み方向から見て、上方に向かうに従って幅狭となる略台形状に切り出す。
【００７３】
加工シート９２の下底Ｘの幅方向寸法は、加工シート９２の上底Ｙの幅方向寸法に対して、例えば、１２０％以上、好ましくは、１３０％以上、例えば、２００％以下、好ましくは、１９０％以下である。
【００７４】
加工シート９２の高さＺの上下方向寸法は、加工シート９２の下底Ｘの幅方向寸法に対して、例えば、５０％以上、好ましくは、６０％以上、例えば、１００％以下、好ましくは、９０％以下である。
【００７５】
なお、加工シート９２の複数の気孔９０（織目）のそれぞれは、互いに同一のサイズ（寸法）を有している。
【００７６】
そして、加工シート９２が厚み方向から見て略長方形となるように、加工シート９２の上側部分における幅方向両端縁を、幅方向の外方に向けて引っ張る。
【００７７】
すると、加工シート９２の複数の気孔９０（織目）のサイズが、下方から上方に向かうに従って、連続的に徐々に大きくなるように広げられる。
【００７８】
これによって、図３Ｂに示すように、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれが作製される。
４．燃料電池による発電
図１に示すように、第１ポンプ２６が作動すると、図２に示すように、液体燃料が、燃料供給口８２から燃料供給路８１に供給される。そして、液体燃料は、燃料供給路８１を下方から上方に向かって通過する。このとき、液体燃料は、図２および図３Ｂに示すように、アノード側拡散層６７の複数の気孔９０を通過して、アノード電極６５に供給される。つまり、液体燃料は、アノード電極６５に下方から上方に向かって供給され、アノード電極６５と接触する。
【００７９】
また、図１に示すように、第２ポンプ４３が作動すると、図２に示すように、空気が、空気供給口８５から空気供給路８４に供給される。そして、空気は、空気供給路８４を上方から下方に向かって通過する。このとき、空気は、図２および図３Ｂに示すように、カソード側拡散層６８の複数の気孔９０を通過して、カソード電極６６に供給される。つまり、空気は、カソード電極６６に上方から下方に向かって供給され、カソード電極６６と接触する。
【００８０】
そして、各電極（アノード電極６５およびカソード電極６６）において電気化学反応が生じ、起電力が発生する。例えば、電解質膜６４がアニオン交換型の固体高分子膜であり、燃料成分がヒドラジンである場合には、電気化学反応は、下記式（１）〜（３）の通りとなる。
（１）  Ｎ２Ｈ４＋４ＯＨ−→Ｎ２＋４Ｈ２Ｏ＋４ｅ−（アノード電極６５での反応）
（２）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−        （カソード電極６６での反応）
（３）  Ｎ２Ｈ４＋Ｏ２→Ｎ２＋２Ｈ２Ｏ          （燃料電池３全体での反応）
すなわち、ヒドラジンが供給されたアノード電極６５では、ヒドラジン（Ｎ２Ｈ４）とカソード電極６６での反応で生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）とが反応して、窒素（Ｎ２）および水（Ｈ２Ｏ）が生成するとともに、電子（ｅ−）が発生する（上記式（１）参照）。
【００８１】
そして、カソード電極６６では、電子（ｅ−）と、水（Ｈ２Ｏ）と、空気供給路８４を流れる空気中の酸素（Ｏ２）とが反応して、水酸化物イオン（ＯＨ−）が生成する（上記式（２）参照）。
【００８２】
生成した水酸化物イオン（ＯＨ−）は、電解質膜６４を通過してアノード電極６５に到達し、上記式（１）の反応が生じる。
【００８３】
そして、このようなアノード電極６５およびカソード電極６６での電気化学的反応が連続的に生じることによって、燃料電池３全体として上記式（３）で表わされる反応が生じて、燃料電池３に起電力が発生する。すなわち、燃料電池３は、燃料成分を消費して発電する。
【００８４】
また、上記の電気化学的反応は、電解質膜６４がアニオン交換型の固体高分子膜であり、液体燃料がメタノールである場合には、下記式（４）〜（６）の通りとなる。
（４）  ＣＨ３ＯＨ＋６ＯＨ−→ＣＯ２＋５Ｈ２Ｏ＋６ｅ−（アノード電極６５での反応）
（５）  Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−            （カソード電極６６での反応）
（６）  ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ    （燃料電池３全体での反応）
５．作用効果
燃料電池３では、図２に示すように、アノード電極６５に下方から上方に向かって、液体燃料が供給される。つまり、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれにおいて、複数の気孔９０のサイズは、図３Ｂに示すように、液体燃料の供給方向Ｓの上流から下流に向かうに従って大きくなる。そのため、複数の気孔９０のサイズは、液体燃料の供給方向Ｓの上流において相対的に小さく、液体燃料の供給方向Ｓの下流において相対的に大きい。
【００８５】
上記の発電動作において、アノード側拡散層６７に液体燃料が供給されると、液体燃料は、図２および図３Ｂに示すように、複数の気孔９０を通過してアノード電極６５に供給される。ここで、複数の気孔９０のうち、液体燃料の供給方向Ｓの上流にある気孔９０、つまり、下方の気孔９０（例えば、最小気孔９０Ａ）のサイズは、相対的に小さい。
【００８６】
これにより、液体燃料の供給方向Ｓの上流において、アノード電極６５に液体燃料が過度に供給されることを抑制でき、カソード電極６６に液体燃料が漏出することを抑制できる。
【００８７】
一方、複数の気孔９０のうち、液体燃料の供給方向Ｓの下流にある気孔９０、つまり、上方の気孔９０（例えば、最大気孔９０Ｂ）のサイズは、相対的に大きい。
【００８８】
そのため、上記式（１）や（４）において示すように、アノード電極６５での反応によりガスが発生し、液体燃料中に含まれるガスが増加しても、液体燃料の供給方向Ｓの下流において、供給方向Ｓの上流よりも相対的に多く、液体燃料をアノード電極６５に供給できる。つまり、液体燃料を効率よく、アノード電極６５に供給することができる。
【００８９】
また、上記の発電動作において、カソード側拡散層６８に空気が供給されると、空気は、複数の気孔９０を通過して、カソード電極６６に供給される。ここで、複数の気孔９０のうち、液体燃料の供給方向Ｓの上流にある気孔９０、つまり、下方の気孔９０（例えば、最小気孔９０Ａ）のサイズは相対的に小さい。そのため、例え、液体燃料がカソード電極６６に漏出しても、その液体燃料が、下方の気孔９０を介してカソード側拡散層６８から排出されることを抑制できる。その結果、カソード側拡散層６８が、水分を含む液体燃料をトラップする。これらによって、発電効率の向上を図ることができる。
【００９０】
なお、上記の実施形態では、図３Ｂに示すように、複数の気孔９０のそれぞれが、厚み方向から見て略矩形状に形成されるが、気孔９０の形状は、特に制限されない。
【００９１】
例えば、複数の気孔９０のそれぞれは、図４に示すように、厚み方向から見て略円形状であってもよく、厚み方向から見て多角形であってもよい。
【００９２】
上記の実施形態では、図３Ｂに示すように、複数の気孔９０のサイズは、下方から上方に向かうに従って、連続的に大きくなるように構成されるが、図４に示すように、段階的に大きくなるように構成してもよい。
【００９３】
複数の気孔９０のサイズが段階的に大きくなる場合、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれは、複数の最小気孔９０Ａが形成される第１部分９３と、複数の最大気孔９０Ｂが形成される第２部分９４と、複数の中気孔９０Ｃが形成される第３部分９５とを備えている。
【００９４】
第１部分９３は、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれの下端部である。第１部分９３に形成される複数の最小気孔９０Ａのサイズは、互いに同一である。
【００９５】
第２部分９４は、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれの上端部である。第２部分９４に形成される複数の最大気孔９０Ｂのサイズは、互いに同一であり、最小気孔９０Ａのサイズよりも大きい。
【００９６】
第３部分９５は、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれの上下方向略中央部分であって、第１部分９３と第２部分９４との間の部分である。第３部分９５に形成される複数の中気孔９０Ｃのサイズは、互いに同一であり、最小気孔９０Ａのサイズよりも大きく、最大気孔９０Ｂのサイズよりも小さい。
【００９７】
このようなアノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８を作製するには、第１部分９３、第２部分９４および第３部分９５のそれぞれを別途準備して、それらを繋ぎ合わせる。
【００９８】
なお、図４では、複数の気孔９０のサイズが、下方から上方に向かうに従って、３段階で大きくなる形態を示すが、段階数はこれに限定されない。
【００９９】
このような変形例では、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれが繋ぎ目を有する。このような繋ぎ目は、液体燃料および空気の拡散を阻害するために、本変形例よりも上記の実施形態の方が好適である。
【０１００】
上記の実施形態では、アノード側拡散層６７およびカソード側拡散層６８のそれぞれが、下方から上方に向かうに従ってサイズが大きくなる複数の気孔９０を有しているが、これに限定されず、アノード側拡散層６７が有する複数の気孔９０のみを、下方から上方に向かうに従ってサイズが大きくなるようにしてもよく、カソード側拡散層６８が有する複数の気孔９０のみを、下方から上方に向かうに従ってサイズが大きくなるようにしてもよい。
【０１０１】
なお、図示しないが、カソード側拡散層６８は、カソード電極６６との間に配置されるマイクロポーラス層を備えていてもよい。
【０１０２】
これら変形例によっても、上記の実施形態と同様の作用効果を奏することができる。
【０１０３】
また、上記実施形態および変形例は、適宜組み合わせることができる。
【符号の説明】
【０１０４】
３      燃料電池
６４    電解質膜
６５    アノード電極
６６    カソード電極
６７    アノード側拡散層
６８    カソード側拡散層
９０    複数の気孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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