(57)【要約】【課題】パッシブ・セミパッシブ型の燃料電池における発電性能の向上、燃料電池の小型化に寄与することができると共に、燃料のクロスオーバーによる燃料の損失を防止できる燃料電池を提供する。【解決手段】液体燃料を収容する燃料タンク１０と、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セル２０と、燃料拡散体３０とを少なくとも備え、燃料タンク１０から発電セル２０の燃料極層に液体燃料を燃料拡散体３０を介して供給するものであって、上記燃料拡散体３０には、供給燃料が燃料極層２１に直接接触しないように発電セル２０との間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部３５を備えると共に、段差によって形成される空間部は外部と連通部を有し、かつ、上記段差部３５の底面には毛管力を有する毛管力部３６としてなることを特徴とする燃料電池Ａ。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を収容する燃料タンクと、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とを少なくとも備え、燃料タンクから発電セルの燃料極層に液体燃料を燃料拡散体を介して供給する燃料電池であって、上記燃料拡散体には、供給燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セルとの間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部を備えると共に、段差によって形成される空間部は外部と連通部を有し、かつ、上記段差部の底面は毛管力を有する毛管力部としてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
液体燃料を収容する燃料タンクと、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とを少なくとも備え、燃料タンクから発電セルの燃料極層に液体燃料を燃料拡散体を介して供給する燃料電池であって、上記燃料拡散体には、供給燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セルとの間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部を備えると共に、段差によって形成される空間部は外部と連通部を有し、かつ、上記段差部の底面は親水化処理すると共に、壁面は撥水化処理してなることを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
液体燃料を収容する燃料タンクと、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とを少なくとも備え、燃料タンクから発電セルの燃料極層に液体燃料を燃料拡散体を介して供給する燃料電池であって、上記燃料拡散体には、毛管力のある多孔体を備えると共に、該多孔体の燃料極層側の表面部を撥水化処理して供給燃料が燃料極層に直接接触しない構成としてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とは積層していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項５】
毛管力部は、毛管力のある流路であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項６】
毛管力部は、毛管力のある多孔体であることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項７】
燃料拡散体は、少なくとも段差部の底面が面方向にガス透過率１０−８（ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓ・ｍｍＨｇ）以下である緻密層を有することを特徴とする請求項１〜６の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項８】
燃料タンクから燃料極層への液体燃料の供給が燃料供給体、燃料拡散体を介して行われることを特徴とする請求項１〜７の何れか一つに記載の燃料電池。
【請求項９】
空気極層の上面に、空気の流通及び水の排出ができる溝部を有する被覆部材が配置されていることを特徴とする請求項１〜８の何れか一つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を使用する燃料電池に関し、更に詳しくは、所謂、パッシブ・セミパッシブ型の燃料電池における発電性能の向上、燃料電池の小型化に寄与することができると共に、燃料のクロスオーバーによる燃料の損失を防止できる燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり種々の形式のものが開発されている。
【０００３】
近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に、メタノールと水を含む液体燃料を直接供給するだけで発電できる燃料電池が注目されてきている（例えば、特許文献１〜３参照）。
【０００４】
これらの中でも、液体燃料の供給に毛管力を利用した各液体燃料電池等が知られている（例えば、特許文献４及び５参照）。
これらの各特許文献に記載される液体燃料電池、所謂、パッシブ・セミパッシブ型燃料電池等は、発電セルに燃料を毛管力によって供給する方式であるため、燃料供給用のポンプ等を設ける必要が無く、発電機の小型化が期待できる燃料供給方式である。
【０００５】
本願出願人は、パッシブ・セミパッシブ型の燃料電池における液体燃料を発電セルに効率よく供給することができる燃料電池として、例えば、液体燃料を貯留する燃料貯留体と、前記液体燃料を発電に供する発電セルと、前記燃料貯留体から発電セルへ連続した流路を有する燃料供給体とを備えた燃料電池において、前記燃料供給体の流路を、有底の断面形状の流路であって、前記液体燃料を誘導し得る毛管力を有する流路を備えてなることを特徴とする燃料電池（例えば、特許文献６参照）、並びに、少なくとも空気極側集電層と、空気極触媒層と、高分子電解質膜と、燃料極触媒層と、燃料極側集電層とを備えると共に、燃料極側集電層の液体燃料側に、多孔質体からなる多孔質体層を備えた燃料電池であって、前記多孔質体層は、差圧１００ｋＰａのときの通気速度（空塔基準の値）が１０ｃｍ／ｓ〜５０００ｃｍ／ｓであり、かつ、燃料極触媒層への燃料の拡散媒体及び電極反応進行時に電極反応生成物である二酸化炭素と水蒸気と液体燃料の蒸気とからなるガス類の排出抵抗体になると共に、電極反応進行時に多孔質体層中又は多孔質体層表面に上記ガス類の界面を形成して燃料極触媒層と多孔質体層の間にガス類層が形成され、更に、前記多孔質体層と燃料極側集電層との間に密閉空間層が設けられている燃料電池（例えば、特許文献７参照）が知られている。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献６の燃料電池は、従来にない発電効率を備えた燃料電池であるが、供給燃料が燃料極層に直接接触する構造となるため、液体燃料の濃度が高い場合などに液体燃料のクロスオーバーにより燃料の一部が損失してしまうことがあり、非発電時において制御することができないなどの若干の課題があるのが現状である。
また、上記特許文献７の燃料電池も、従来にない発電効率を備えた燃料電池であるが、多孔質体層と燃料極側集電層との間に密閉空間層が設けられている構造であり、本発明とは基本構造が異なり、発生する二酸化炭素の排出が複雑となる等の若干の課題があるのが現状である。
【特許文献１】特開平５−２５８７６０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献２】特開平５−３０７９７０号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献３】特開２００１−３１３０４７号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献４】特開平６−１８８００８号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献５】特開２００１−９３５５１号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献６】特開２００７−２１４０５５号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【特許文献７】ＷＯ−Ａ１−２００７１１１２０１号公報（特許請求の範囲、実施例等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上記従来のパッシブ・セミパッシブ型の燃料電池における液体燃料の供給の課題及び現状に鑑み、これを解消するためになされたものであり、パッシブ・セミパッシブ型の燃料電池における発電性能の向上、燃料電池の小型化に寄与することができると共に、燃料のクロスオーバーによる燃料の損失を防止することができる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記従来の課題等について、鋭意検討した結果、液体燃料を収容する燃料タンクと、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とを少なくとも備え、燃料タンクから発電セルの燃料極層に液体燃料を燃料拡散体を介して供給する燃料電池において、上記燃料拡散体を特定構造等とすることにより、上記目的の燃料電池が得られることに成功し、本発明を完成するに至ったのである。
【０００９】
すなわち、本発明は、次の（１）〜（９）に存する。
（１）  液体燃料を収容する燃料タンクと、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とを少なくとも備え、燃料タンクから発電セルの燃料極層に液体燃料を燃料拡散体を介して供給する燃料電池であって、上記燃料拡散体には、供給燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セルとの間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部を備えると共に、段差によって形成される空間部は外部と連通部を有し、かつ、上記段差部の底面は毛管力を有する毛管力部としてなることを特徴とする燃料電池。
（２）  液体燃料を収容する燃料タンクと、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とを少なくとも備え、燃料タンクから発電セルの燃料極層に液体燃料を燃料拡散体を介して供給する燃料電池であって、上記燃料拡散体には、供給燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セルとの間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部を備えると共に、段差によって形成される空間部は外部と連通部を有し、かつ、上記段差部の底面は親水化処理すると共に、壁面は撥水化処理してなることを特徴とする燃料電池。
（３）  液体燃料を収容する燃料タンクと、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とを少なくとも備え、燃料タンクから発電セルの燃料極層に液体燃料を燃料拡散体を介して供給する燃料電池であって、上記燃料拡散体には、毛管力のある多孔体を備えると共に、該多孔体の燃料極層側の表面部を撥水化処理して供給燃料が燃料極層に直接接触しない構成としてなることを特徴とする燃料電池。
（４）  空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とは積層していることを特徴とする上記（１）〜（３）の何れか一つに記載の燃料電池。
（５）  毛管力部は、毛管力のある流路であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の燃料電池。
（６）  毛管力部は、毛管力のある多孔体であることを特徴とする上記（１）又は（２）記載の燃料電池。
（７）  燃料拡散体は、少なくとも段差部の底面が面方向にガス透過率１０−８（ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓ・ｍｍＨｇ）以下である緻密層を有することを特徴とする上記（１）〜（６）の何れか一つに記載の燃料電池。
（８）  燃料タンクから燃料極層への液体燃料の供給が燃料供給体、燃料拡散体を介して行われることを特徴とする上記（１）〜（７）の何れか一つに記載の燃料電池。
（９）  空気極層の上面に、空気の流通及び水の排出ができる溝部を有する被覆部材が配置されていることを特徴とする上記（１）〜（８）の何れか一つに記載の燃料電池。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、パッシブ・セミパッシブ型の燃料電池における発電性能の向上、燃料電池の小型化に寄与することができると共に、燃料のクロスオーバーによる燃料の損失を防止することができ、高濃度液体燃料を利用して高出力、高エネルギー密度を発揮することができる燃料電池が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら、詳しく説明する。
図１〜図４は、本発明の第１実施形態となる燃料電池を示すものであり、図１（ａ）は、燃料電池の概略斜視図、（ｂ）はその縦断面図、（ｃ）は発電セルの縦断面図、図２（ａ）は、燃料拡散体の平面態様で示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図、図３は、燃料タンクと燃料供給体を示す分解斜視図、図４は被覆部材を示す斜視図である。
【００１２】
本実施形態の燃料電池Ａは、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、液体燃料を収容する燃料タンク１０と、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セル２０と、燃料拡散体３０とを少なくとも備え、燃料タンク１０から発電セル２０の燃料極層に液体燃料を燃料拡散体３０介して供給するものであり、上記燃料拡散体３０には、供給燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セル２０との間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部３５を備えると共に、該段差部３５の底面は毛管力を有する毛管力部３６としてなるものである。
また、上記発電セル２０の最上層となる空気極層２３の上面に、空気の流通及び水の排出ができる溝部を有する被覆部材４０が配置されている。
【００１３】
液体燃料を収容する燃料タンク１０としては、例えば、タンク内に直接液体燃料が充填され、タンクの端部に設けられた空気置換孔を有するスリット弁やバルブ弁などの弁機構及び該弁機構に挿入される燃料誘導部材を介して又は直接燃料供給体１５に供給する構造となるもの、または、タンク内に液体燃料を吸蔵する吸蔵体（中綿）が収容され、タンクの端部に設けられた吸蔵体（中綿）に連結される燃料誘導部材を介して又は直接吸蔵体から燃料供給体１５に液体燃料を供給する構造となるものが挙げられ、燃料タンク１０内の液体燃料を、液漏れがなく且つスムーズに燃料供給体１５等に供給できる構造となるものであれば、特に限定されない。
【００１４】
また、用いる燃料供給体１５は、図３に示すように、燃料タンク１０から燃料拡散体３０に燃料を供給する部材であり、例えば、１）樹脂粒子焼結体、樹脂繊維焼結体などの焼結体、２）フェルトやスポンジなどの発砲体、または、３）天然繊維、獣毛繊維、ポリアセタール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリオレフィン径樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリフェニレン系樹脂などの１種又は２種以上の組合せからなる繊維芯やこれらの繊維が束ねられた繊維束等の毛管力を持つ棒状体や板状体が挙げられる。また、中空のパイプ形状で燃料拡散体３０との接触側を上記毛管力を持つ材料で塞いだものでもよい。
これらの燃料供給体１５は、液体タンク１０内の弁機構等を備えた供給孔１１内に挿入されて後述する燃料拡散体３０に連結される構造となる。
【００１５】
液体タンク１０に直接又は吸蔵体により収容される液体燃料としては、例えば、メタノールと水とからなるメタノール水溶液が挙げられるが、発電セル２０の燃料極層２１において燃料として供給された化合物から効率良く水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）が得られるものであれば、液体燃料は特に限定されず、燃料極層２１の構造などにもよるが、メタノール水溶液の他に、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール水溶液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液、エチレングリコール、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、ショ糖水溶液などの液体燃料も用いることができる。
また、これらの液体燃料の濃度は、燃料電池の構造、特性等により種々の濃度の液体燃料を用いることができ、例えば、１〜１００％濃度の液体燃料を用いることができる。
【００１６】
発電セル２０は、後述する燃料拡散体３０上に配置されるものであり、図１（ｃ）に示すように、下面側から燃料極層２１、電解質層２２、空気極層２３が順次積層されたものである。燃料極層（燃料電極体）２１は、例えば、三次元網目構造若しくは点焼結構造よりなり、アモルファス炭素と炭素粉末とで構成される炭素複合成形体、等方性高密度炭素成形体、炭素繊維抄紙成形体、活性炭素成形体などを用いることができる。また、この燃料極層２１の外表面部には、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）触媒、イリジウム−ルテニウム（Ｉｒ−Ｒｕ）触媒、白金−スズ（Ｐｔ−Ｓｎ）触媒などが当該金属イオンや金属錯体などの金属微粒子前駆体を含んだ溶液を含浸や浸漬処理後還元処理する方法や金属微粒子の電析法などにより形成されている。
【００１７】
電解質層（電解質膜）２２としては、プロトン伝導性又は水酸化物イオン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン（Nafion、Du pont社製）を初めとするフッ素系イオン交換膜が挙げられる他、耐熱性、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、無機化合物をプロトン伝導材料とし、ポリマーを膜材料としたコンポジット（複合）膜、具体的には、無機化合物としてゼオライトを用い、ポリマーとしてスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜、炭化水素系グラフト膜などが挙げられる。
また、空気極層２３としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を上述の金属微粒子前駆体を含んだ溶液等を用いた方法で担持させた多孔質構造からなる炭素多孔体が挙げられる。
【００１８】
本実施形態の燃料拡散体３０は、前記液体タンク１０から誘導された液体燃料を発電セル２０の燃料極層２１に供給する機能を有するものであり、燃料供給体１５により供給される燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セル２０との間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する凹状の段差部３５を備えると共に、該段差部３５の底面は毛管力を有する毛管力部３６としてなるものである。燃料タンク１０側の側面部には、燃料供給体１５が挿通する貫通孔３１が形成されている。該貫通孔３１は、燃料供給体１５との間に若干の連通部（隙間）を持たせるよう設計され、気体の流通が可能な連通部（隙間）３３が形成されている。これにより、段差によって形成される空間部３４は外部と気体の流通が可能となっている。
この燃料拡散体３０には、図１（ｂ）及び図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、その表面部に発電セル（ＭＥＡ）２０を収めるために、深さ０．１ｍｍ程度の方形形状の段部３２が形成されており、更に、図１（ｂ）に示すように、組み立てた状態で供給される燃料が発電セル２０に直接触れないように、少なくとも深さが０．１ｍｍ以上の段差部３５、好ましくは、深さが０．１〜０．５ｍｍの段差部３５が形成されている。本実施形態では、深さ０．５ｍｍの凹状の段差部３５が形成されており、その段差部３５の底面には燃料供給体１５に連結されると共に、液体燃料を底面のほぼ全面に行き渡らせることができるように、図２（ａ）に示すように、細溝から構成される毛管力を有する流路となる毛管力部３６，３６…が形成されている。
更に、このときの段差部３５の形状は、発電セル２０が自重で撓んで燃料拡散体３０の段底に触れないように幅を２０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下、更に好ましくは、２〜１０ｍｍにすることが好ましい。段差部３７の長さは、燃料電池の大きさ等にもよるが、２０〜８０ｍｍ程度である。
【００１９】
用いる燃料拡散体３０は、好ましくは、液体燃料の効率的な供給の点から、段差部３５の少なくとも底面に、面方向にガス透過率１０−８（ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓ・ｍｍＨｇ）以下である緻密層、好ましくは、ガス透過率１×１０−１０〜１×１０−８（ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓ・ｍｍＨｇ）となる緻密層を有することが望ましい。
本実施形態では、燃料拡散体３０の全体がガス透過率６．６５×１０−１３（ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓ・ｍｍＨｇ）となる緻密層で形成されている。
また、この燃料電池Ａでは、発電セル２０を収めるために３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で深さ０．１ｍｍの段部３２が形成されており、その段部３２内に燃料が発電セル２０に直接触れないよう、６ｍｍ×２５ｍｍ×深さ０．５ｍｍの段差部３５を９ｍｍ間隔で３本形成してなるものである。３本の段差部３５の底面には、それぞれ幅６０μｍ×深さ５０μｍの細溝からなる毛管力部３６を等間隔で３本形成してなるものである。なお、段差部３５の深さが０．１ｍｍ未満であると、供給燃料が燃料極層２１に直接接触することがあり、液体燃料のクロスオーバーにより燃料の一部が損失してしまうことがあり、好ましくない。
また、燃料タンク１０から供給される液体燃料は、燃料供給体１５を介して燃料拡散体３０における段差部３５の毛管力部３６に効率よく供給されるように、燃料供給体１５の毛管力、段差部３５の毛管力部３６の毛管力等は好適に設定されている。
【００２０】
燃料拡散体３０の材質としては、導電性材料であれば炭素素材でも金属素材でもその他の材料でもよい。好ましくは、材料表面の親水化及び撥水化が容易で且つ加工もしくは成形が容易なものであれば更によい。例えば、有機高分子樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂）などの高分子材料、各種炭素材料、セラミック材料、金属材料、ガラス材料、木材、岩石、セメント、粘土およびその焼成物などが挙げられるが、加工のしやすさ、扱いやすさなどの点から有機高分子樹脂（熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂など）、各種炭素材料、金属が好ましい。
前記炭素材料の素材としては、例えば、ガラス状炭素、等方性炭素材、黒鉛粉末〔高配向性熱分解黒鉛（ＨＯＰＧ）、キッシュ黒鉛、天然黒鉛、人造黒鉛、フラーレンを含む〕、炭素繊維〔気相成長炭素繊維、ＰＡＮ系炭素繊維、黒鉛繊維を含む〕、カーボンナノチューブ、膨張黒鉛シート等が挙げられる。また、これらの材料を適宜組み合わせて構成してもよいものである。
この燃料拡散体３０の厚さとしては、装置の小型化を可能にするという点から、０．４〜２．０ｍｍ、好ましくは、０．５〜１．０ｍｍ程度とすることが望ましい。
本実施形態において、燃料拡散体３０の細溝からなる毛管力部３６における必要な毛管力は、燃料の粘度や表面張力等で決まり、例えば、材質が炭素材料であり、燃料が高濃度のメタノール等濡れ性のよいものを用いるときなど、燃料の広がりが容易である場合は、必要最小限の毛管力で行うことができる。
【００２１】
被覆部材４０は、発電セル２０を含む燃料拡散体３０の上面を被覆するものである。この被覆部材４０には、発電セル２０の空気極層２３への空気の供給や反応の進行により生じる水を排出するための直線状の溝部４１が４本形成されている。この被覆部材４０は、気体および液体の流通を行えるもので自立できるものであり、電気伝導性をもつものであればよく、例えば、材質が炭素材料であるものや、炭素材料と樹脂を一体成形したもの、更には炭素材料に樹脂を含浸して得られるもの等で構成することができる。
この被覆部材４０を設けることにより、発電セル２０への空気の供給及び反応の進行により生じる水を効率よく排出して効率的な発電を発揮することができるものとなる。
【００２２】
このように構成される本実施形態の燃料電池Ａでは、燃料タンク１０から供給される液体燃料は、燃料供給体１５を介して燃料拡散体３０における段差部３５の毛管力部３６に供給され、段差部３５の底面は燃料が拡散された状態となり、この状態の液体燃料は発電セル２０の燃料極層２１に直接接触しないものであるが毛管作用等により発電セル２０の燃料極層２１に効率よく供給されることとなる。また、最上面の空気極層２３が被覆部材４０の溝部４１により空気（外気）に晒されることなるので、拡散、対流によって酸素が空気極層２３に供給され、燃料電池として発電することとなる。
本発明では、燃料拡散体３０に、供給燃料が燃料極層２１に直接接触しないように発電セル２０との間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部３５を備えると共に、該段差部３５の底面は毛管力を有する毛管力部３６としてなるものであるので、液体タンク１０から供給される燃料が燃料極層２１に直接接触しないで供給されるため、液体燃料のクロスオーバーによる燃料の損失を低減することができ、発電性能の向上を発揮でき、また、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セル２０と、燃料拡散体３０とを積層状態で構成できるので、燃料電池の小型化に寄与することができるものとなる。
更に、本実施形態の燃料電池Ａでは、燃料が直接燃料極層に接触しないので高濃度の燃料の使用ができるものとなる。
【００２３】
図５〜図８は、本発明の第２実施形態を示す燃料電池Ｂである。上記実施形態の燃料電池Ａと同様の作用・機能を有するものは、同一符号を付けてその説明を省略する（以下の実施形態においても同様）。
本実施形態の燃料電池Ｂは、燃料拡散体３０が、供給される燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セルとの間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さ、本実施形態では深さ０．５ｍｍを有する段差部３７を備えると共に、該段差部３７の底面を親水化処理すると共に、壁面を撥水化処理してなる点で、基本的に、上記実施形態の燃料電池Ａと異なるものである。
【００２４】
本実施形態の段差部３７の底面を親水化処理する方法としては、例えば、プラズマ処理、オゾン処理、フレーム処理、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理等を、段差部３７の底面に適宜採用することができる。
特に、レーザー処理、電子線による処理、イオン注入法による処理、イオンビームによる処理、イオン照射による処理としては、出力調整されたレーザー光や電子ビーム等を段差部３７の底面を走査させる要領で照射して処理することが挙げることができるが、特に限定されない。
【００２５】
好ましい親水化処理の方法としては、作業効率性、段差部３７の底面を確実に親水化処理する点から、レーザー照射処理が望ましい。用いるレーザー照射処理としては、段差部３７の底面部、例えば、レーザー処理部が少なくとも段差部３７の底面の一部又は全部に、親水性官能基形成増加と表面の粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部、好ましくは、表面の平均粗さＲａが３０μｍ未満となる凹凸部、更に好ましくは、表面の粗さ平均Ｒａが０．３〜７μｍとなる凹凸部を形成できるレーザー照射であれば、特に限定されず、例えば、ＹＡＧレーザー、炭酸ガスレーザー、エキシマレーザー、アルゴンレーザー、ルビーレーザー、ガラスレーザーなどが挙げられる。好ましくは、発振波長、汎用性の点からＹＡＧレーザーが望ましい。
レーザー照射処理は、段差部３７の底面部の一部又は全部に、−ＯＨ基，−ＣＯＯＨ基、＞Ｃ＝Ｏ基などの少なくとも１つ以上の親水性官能基を効率良く形成増加せせる点、経済性の点から、室温下（２５℃）空気雰囲気中、若しくは、少なくとも酸素を含むガス雰囲気中で行うことが好ましい。また、室温下以上の加湿状態で行ってもよいものである。
【００２６】
レーザー照射条件は、段差部３７の底面部に、例えば、少なくとも流路面の一部又は全部に、親水性官能基の形成増加と表面の平均粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部が形成できる照射量であれば、特に限定されるものではなく、燃料拡散体３０の原材料種、大きさ、形状等により変動するものであるが、ＹＡＧレーザーなどを用いた場合、３〜１５Ｗの間での出力調整、レーザースキャン速度の調整、レーザーパルス幅の調整、焦点距離によるレーザースポット径若しくはエネルギー密度の調整（およそ、１０３〜１０６Ｗ／ｃｍ２）、レーザー照射パターンの調整等の任意の条件調整を行うことで、目的の親水性官能基の形成増加と表面の平均粗さＲａが５０μｍ未満となる凹凸部が形成できるものとなる。
なお、上記３〜１５Ｗの間での出力調整は、レーザーの仕様、照射条件等により変動し一概には言えないが、出力が３Ｗ未満であると、親水官能基の形成増加が困難となり、また、処理に要する時間が増大したり、経時的にも親水性官能基の固定機能を発揮できないことがある。一方、出力が１５Ｗを超える照射であると、照射量が多大となり、照射部を深く削ることとなるので、目的の親水性官能基の形成増加と凹凸部を形成することができず、しかも、段差部３７の底面の寸法精度が問題となり、燃料電池の性能が不安定となる。
【００２７】
また、上記親水化処理とは別に、段差部３７の底面に連続する壁面（両側面）を疎水化処理する方法としては、例えば、フッ化ポリビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）や、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂などでコーティングする方法や、プラズマ処理による疎水化等が挙げられる。
【００２８】
本実施形態の段差部３７では、底面を親水化処理すると共に、壁面を撥水化処理してなるので、段差部３７の底面の毛管力を高めて、段差部３７の底面に素早く燃料を拡散でき、燃料の輸送速度を更に高めることができる。
また、本実施形態の燃料電池Ｂでは、段差部３７は深さが同じとなる直線状の本線部３７ａと直線状の本線部３７ａから長さ（高さ）が異なる３つの支流部３７ｂ，３７ｃ，３７ｄとから構成される点、燃料タンク１０から燃料供給体１５，１５が上記段差部３７の親水化処理した底面に連結（接触）した点、並びに、被覆部材４０の発電セル２０への空気の供給や反応の進行により生じる水を排出するための溝部４１が斜め状となる点、角部の一つが切り欠いた長方形状の発電セルが燃料拡散体３０の該発電セルを収めるための段部３１に配置することにより、上記段差部３７上に発電セル２０が積層された点で、上記実施形態の燃料電池Ａの構造と若干異なるものである。
【００２９】
このように構成される本実施形態の燃料電池Ｂでは、燃料タンク１０から供給される液体燃料は、燃料供給体１５、１５を介して燃料拡散体３０における段差部３７の親水化処理した底面３７ａ〜３７ｄに供給され、段差部３７の底面３７ａ〜３７ｄは燃料が拡散された状態で、その底面に続く両側面（壁面）は疎水化処理したものであり、この状態の液体燃料は発電セル２０の燃料極層２１に直接接触しないものであるが毛管作用等により発電セル２０の燃料極層２１に効率よく供給される。また、最上面の空気極層が被覆部材４０の斜め状の溝部４１により空気（外気）に晒されることなるので、上記実施形態の燃料電池Ａと同様に、拡散、対流によって酸素が空気極層に供給され、燃料電池として発電することとなる。
【００３０】
本実施形態では、燃料拡散体３０に、供給燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セルとの間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部３７を備えると共に、該段差部３７の底面は親水化処理されると共に、その底面に連続する両側面（壁面）は疎水化処理したものとなるので、液体タンク１０から供給される燃料が燃料極層に直接接触しないで供給されるため、液体燃料のクロスオーバーによる燃料の損失を低減することができ、発電性能の向上を発揮でき、また、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セルと、燃料拡散体とを積層状態で構成できるので、燃料電池の小型化に寄与することができるものとなる。
更に、本実施形態の燃料電池Ｂにおいても、上記実施形態の燃料電池Ａと同様に高濃度の燃料の使用ができるものとなる。
【００３１】
図９は、本発明の第３実施形態を示す燃料電池Ｃである。
本実施形態の燃料電池Ｃは、燃料拡散体３０が、段差部を形成することなく、毛管力のある多孔体３８を備えると共に、該多孔体３８の燃料極層２１側の表面部３８ａを撥水化処理、好ましくは水との接触角が１３０度以上に撥水化処理して供給燃料が燃料極層２１に直接接触しない構成とした点でのみ、上記実施形態の燃料電池Ａと異なるものである。
【００３２】
本実施形態の多孔体３８は、上述の燃料供給体１５と同様の材料で構成することができ、例えば、樹脂粒子焼結体、樹脂繊維焼結体などの焼結体や、フェルトやスポンジなどの発砲体、または、天然繊維、獣毛繊維、ポリアセタール系樹脂、ポリフェニレン系樹脂などの１種又は２種以上の組合せからなる繊維芯やこれらの繊維が束ねられた繊維束等の毛管力を持つ棒状体や板状体が挙げられる。これらの材料から構成される多孔体３８は、燃料拡散体３０の成形時に一体成形したり、成形後固着したりして燃料拡散体３０上に形成することができる。
【００３３】
この多孔体３８の燃料極層２１側の表面部３８ａには、撥水化処理、好ましくは、水との接触角が１４０度以上となるように撥水処理加工を施している。この撥水化処理加工しては、例えば、上述のフッ化ポリビニリデン、ポリテトラフルオロエチレン−コ−ヘキサフルオロプロピレン（ＦＥＰ）や、ポリテトラフルオロエチレンなどの撥水処理ができるフッ素系樹脂などでコーティングする方法を用いて調製することができる。
本実施形態の燃料拡散体３０では、発電セルを収めるために３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で深さ０．１ｍｍの段部３２が形成されており、その段部３３上に、６ｍｍ×２５ｍｍ×高さ０．２ｍｍの多孔体３８を９ｍｍ間隔で３本形成してなるものである。
【００３４】
このように構成される本実施形態の燃料電池Ｃでは、上記実施形態の燃料電池Ａと同様に燃料タンクから供給される液体燃料は、燃料供給体を介して燃料拡散体３０における多孔体３８に供給され、多孔体３８は燃料が拡散された状態で、その上面は撥水化処理、好ましくは、水との接触角が１４０度以上に撥水化処理して供給燃料が燃料極層に直接接触しない構成となっているので、液体タンク１０から供給される燃料が燃料極層２１に直接接触しないで供給されるため、液体燃料のクロスオーバーによる燃料の損失を低減することができ、発電性能の向上を発揮でき、また、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セル２０と、燃料拡散体３０とを積層状態で構成できるので、燃料電池の小型化に寄与することができるものとなる。
更に、本実施形態の燃料電池Ｃでは、疎水化処理した多孔質体となる燃料拡散体を用いるため、一種の半透膜層を形成することになり、多孔質体となる燃料拡散体が直接燃料極層に触れていても燃料のクロスオーバーを軽減することができる。そのため、多孔質体となる燃料拡散体が発電セルを支えることにより自重で撓むことを防ぐ効果がある。
【００３５】
図１０は、本発明の第４実施形態を示す燃料電池Ｄである。
本実施形態の燃料電池Ｄは、燃料拡散体３０を、上記実施形態の燃料電池Ａと同様に、供給燃料が燃料極層２１に直接接触しないように発電セル２０との間に空間３１を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部３５を備えると共に、該段差部３５の底面は細溝から構成される毛管力部３６とした点で構造が同じとなるものであるが、燃料タンクから供給される燃料は１つの燃料供給体１５により行われるものであり、図１０に示すように、本流となる毛管力部３６ａから支流となる毛管力部３６ｂが十字状に交差して、各々の毛管力部３６ａ…、３６ｂ…に燃料が供給されて段差部３６の底面のほぼ全面に行き渡らせることができる点で、上記実施形態の燃料電池Ａと異なるものであり、燃料電池Ａと同様に機能を発揮するものである。
【００３６】
図１１は、本発明の第５実施形態を示す燃料電池Ｅである。
本実施形態の燃料電池Ｅは、図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、１段目に、第１実施形態と同様に、一液体タンク１０から燃料供給体により供給される燃料が燃料極層に直接接触しないように発電セルとの間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する段差部３７を備えると共に、該段差部３７の底面を親水化処理すると共に、壁面を撥水化処理した第２実施形態の燃料拡散体３０を配置し〔図１１（ｂ）〕、２段目及び３段目に、下面に１段目又は２段目に配置される発電セルへの空気の供給や反応の進行により生じる水を排出するための直線状の溝部５１が形成されると共に、上面に１段目と同様の段差部３７を有する燃料拡散体５０、５０〔図１１（ｃ）〕を配置し、４段目に第１実施形態と同様に被覆部材４０を積層した点、並びに、燃料タンク１０から供給される燃料は、１段目から３段目の各燃料拡散体３０、５０、５０の各貫通孔３１に取り付けた燃料供給体（夫々３つ、合計９つ）により行われる点で、上記実施形態の燃料電池Ａ及びＢと異なるものである。なお、燃料拡散体５０は、ガス透過率１０−８（ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓ・ｍｍＨｇ）以下のものである。
【００３７】
このように構成される本実施形態の燃料電池Ｅでは、燃料タンク１０から供給される液体燃料は、各燃料供給体を介して燃料拡散体３０、５０、５０に供給されると共に、燃料拡散体３０、５０、５０に、供給燃料が各燃料極層２１に直接接触しないように各発電セル２０との間に空間を形成するための０．１ｍｍ以上の深さを有する各段差部３７を備えると共に、該各段差部３７の底面は親水化処理されると共に、その底面に連続する両側面（壁面）は疎水化処理したものとなるので、液体タンク１０から供給される燃料が各段の燃料極層２１に直接接触しないで供給されるため、液体燃料のクロスオーバーによる燃料の損失を防止することができ、発電性能の向上を発揮でき、また、空気極層、電解質層及び燃料極層を有する発電セル２０と、燃料拡散体３０とを３層以上の積層状態で構成できるので、燃料電池の小型化に寄与することができるものとなる。
【００３８】
本発明の燃料電池は、上述の如く構成されるものであるが、上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で更に種々の変更をすることができる。例えば、上記第１及び第２実施形態においては、段差部３５の毛管力部３６として、細溝、親水化処理で行ったが、第３実施形態の毛管力を有する多孔体３８を用いてもよいものである。
【実施例】
【００３９】
次に、本発明を実施例及び比較例により、更に詳述するが、本発明は下記実施例に限定されるものではない。
【００４０】
〔実施例１、図１〜図４準拠〕
下記作製法、処理方法により、燃料電池用燃料拡散体等を得た後、それを用いて燃料電池を組み立て、燃料タンクから発電セルまで液体燃料が移動する速度を測定し、発電の様子も観察した。
【００４１】
〔電池（ＭＥＡ）２０の作製〕
カーボン微粒子単体に、原子比１：１の白金／ルテニウム微粒子を６５ｗｔ％分散担持した触媒粉末と、水、グリセロール、５ｗｔ％ナフィオン１１７アルコール水溶液（和光純薬工業社製）、イソプロピルアルコールとを重量比で１：１：３：３：３の割合で混合したスラリーを３０ｍｍ×３０ｍｍのカーボンペーパー表面に厚さ約５０μｍ塗布し、乾燥させ燃料極２１を得た。
また、カーボン微粒子担体に５０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末と、水、グリセロール、ナフィンオンアルコール水溶液の混合体からなるスラリーを撥水処理した
３０ｍｍ×３０ｍｍのカーボンペーパー表面に厚さ約５０μｍ塗布し、乾燥させ空気極２３を得た。
更に、厚さ５０μｍのナフィオン１１７電解質膜を３０ｍｍ×３０ｍｍ長さに切り出し電解質膜２３とした。
この電解質膜を燃料極及び空気極で挟み込み、１３０℃−８０ｋｇｆ／ｃｍ2で３分間熱プレスを行い電池（ＭＥＡ）を作製した。
【００４２】
〔燃料拡散体３０の作製〕
燃料拡散体には、Ｆ２０板（三菱鉛筆製炭素材料：固有抵抗４．０Ωｃｍ１０−３、ガス透過係率６．６５×１０−１３ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）を加工して得た。
図２に示すように、ＭＥＡを収めるために３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で０．１ｍｍ程度の段部３２を持たせた。さらに、その段差内に燃料がＭＥＡに直接触れないよう、６ｍｍ×２５ｍｍ×０．５ｍｍの段差部３５を３本形成した。３本の段差の底面にはそれぞれ幅６０μｍ×深さ５０μｍの細溝を３本形成した。
燃料供給口として燃料供給体を通す貫通孔３１を段部３２の溝底に突き当たるような形状に加工した。
【００４３】
〔燃料供給体１５の作製〕
燃料供給体は、繊維束芯を燃料拡散体に形成した貫通孔（燃料供給孔）に収まる形状にカットしたものを用いた。大きさは、直径２ｍｍ×長さ４ｍｍである。
〔被覆部材４０の作製〕
被覆部材は、Ｆ２０板（三菱鉛筆製炭素材料：固有抵抗４．０Ωｃｍ１０−３  、ガス透過係率６．６５×１０−１３ｃｍ３・ｃｍ／ｃｍ２・ｓｅｃ・ｃｍＨｇ）を加工して得た。また、図４に示すように、幅４ｍｍ、深さ１．５ｍｍの溝を４本形成した。
〔燃料電池の組み立て〕
上記ＭＥＡ・燃料拡散体と燃料供給体及び被覆部材を組み立てて燃料電池セルを作製した。なお、燃料拡散体３０の貫通孔３１（直径２．２ｍｍ×長さ３ｍｍ）には、燃料供給体１５との間に若干の連通部（隙間）を持たせるよう設計され、気体の流通が可能な連通部（隙間）３３が形成されている。
【００４４】
〔実験１〕
燃料に９５％メタノール４ｍｌを用いて発電実験を行った。
〔結果１〕
１６．５ｍＷ／ｃｍ２の出力が得られた。また、２時間安定して出力が得られた。
【００４５】
〔比較例１、（図１、図３、図４、図１２準拠）〕
実施例１の燃料拡散体の段差部３５を形成しない図１２に示す燃料拡散体Ｘを用いて、実施例１と同様にして発電実験をした。
この燃料拡散体Ｘは、実施例１と同様に、Ｆ２０板を加工して得たものであり、ＭＥＡを収めるために３０ｍｍ×３０ｍｍの面積で０．１ｍｍ程度の段部３２を持たせ、さらに、その段差内に燃料がＭＥＡが直接触れるようになし、その底面にはそれぞれ幅６０μｍ×深さ５０μｍの細溝３６ｃを３本×３組形成した。なお、３９は燃料供給用の段差である。
これらの細溝３６ｃは、図１２（ｃ）に示すように、燃料供給口として燃料供給体を通す貫通孔３１まで延長されて燃料タンクからの液体燃料を供給できる構造となっている。
この比較例１の燃料電池は、１１ｍＷ／ｃｍ２の出力が得られたが、すぐに出力低下が見られた。
【００４６】
上記の結果から明らかなように、本発明範囲となる燃料拡散体を用いた実施例１の燃料電池は、本発明の範囲外となる比較例１の燃料拡散体を用いた燃料電池に較べて、優れた燃料の輸送速度、並びに、安定した発電性能を有することが判明した。
【００４７】
固体高分子型などの燃料電池において、発電性能の向上、燃料のクロスオーバーによる損失の低減、燃料電池の小型化に有用な燃料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の燃料電池の第１実施形態を示すものであり、（ａ）は、燃料電池の概略斜視図、（ｂ）はその縦断面図、（ｃ）は発電セルの縦断面図である。
【図２】（ａ）は、燃料拡散体の平面態様で示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図、（ｃ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図である。
【図３】燃料タンクと燃料供給体を示す分解斜視図である。
【図４】被覆部材を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２実施形態を示すものであり、燃料電池の概略斜視図である。
【図６】本発明の第２実施形態の燃料電池に用いる燃料供給体の斜視図である。
【図７】本発明の第２実施形態の燃料電池に用いる燃料拡散体の平面態様で示す斜視図である。
【図８】本発明の第２実施形態の燃料電池に用いる被覆部材を示す斜視図である。
【図９】（ａ）は、本発明の第３実施形態の燃料電池に用いる燃料拡散体の平面態様で示す斜視図、（ｂ）はその縦断面図、（ｃ）はその横断面図である。
【図１０】本発明の第４実施形態の燃料電池に用いる燃料拡散体の平面態様で示す斜視図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の第５実施形態の燃料電池の概略斜視図、（ｂ）は１段目の燃料拡散体の斜視図、（ｃ）は２段目及び３段目の燃料拡散体の斜視図である。
【図１２】（ａ）は、比較例１に用いる燃料拡散体の斜視図、（ｂ）は縦断面図、（ｃ）は（ｂ）の腰部を示す縦断面図である。
【符号の説明】
【００４９】
１０  燃料タンク
２０  発電セル
２１  燃料極層
２２  電解質層
２３  空気極層
３０  燃料拡散体
３５  段差部
３６  毛管力部
４０  被覆部材
【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】
2009104992.tif 000010
【図９】
2009104992.tif 000011
【図１０】
2009104992.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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