(57)【要約】【課題】アノード（燃料極）に供給する水量を増加させることができるとともに、カソード触媒層における酸化性ガスの拡散の低下を抑制し、高出力が得られる燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池１は、アノード（燃料極）１３、カソード（空気極）１６、これらに挟持された電解質膜１７とを有する燃料電池セル１０と、カソード（空気極）１６に積層して配置される保湿層５０と、保湿層５０に積層して配置される、空気導入口６１を有する表面カバー６０とを備える。また、カソード（空気極）１６のカソード触媒層１４が、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａと、第１の触媒層１４ａ以外の部分を構成する第２の触媒層１４ｂとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
前記空気極に積層して配置される保湿層と、
前記保湿層に積層して配置される、空気導入口を有する表面カバーと
を備える燃料電池であって、
前記空気極のカソード触媒層が、
前記表面カバーの空気導入口に対応して位置する第１の触媒層と、
前記第１の触媒層以外の部分を構成する第２の触媒層と
を備えることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記第１の触媒層は、前記第２の触媒層よりも触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合が低いことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１の触媒層は、前記第２の触媒層よりも気孔率が高いことを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記カソード触媒層は、それぞれ別個に形成された前記第１の触媒層と前記第２の触媒層とを組み合わせて構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記カソード触媒層の第２の触媒層は、前記第１の触媒層の所定の部分を圧縮して構成されたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記カソード触媒層の表面における前記第１の触媒層の面積の合計が、前記表面カバーの空気導入口の面積の合計の０．５〜１．５倍であり、かつ前記表面カバーの空気導入口に対応して位置する前記第１の触媒層において、燃料電池の厚さ方向にみたときに、前記空気導入口と前記第１の触媒層とが重なる部分の面積の合計が、前記空気導入口の面積の合計の０．３倍以上であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら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、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell：ＤＭＦＣ）は、小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式や、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。
【０００４】
アノード（燃料極）に燃料を供給する手段としては、さまざまな方法が採用可能である。燃料供給手段として、例えば、メタノール水溶液等の液体燃料をアノード導電層の下に直接流通させる方式等が挙げられる。さらには、燃料電池の外部においてメタノール等を蒸発させて気体燃料を生じさせ、その気体燃料をアノード導電層の下に流通させる外部気化型や、燃料収容部に純メタノールやメタノール水溶液等の液体燃料を収容し、この液体燃料を電池内部で気化させてアノードに供給する内部気化型等の燃料供給手段が挙げられる。
【０００５】
一方、カソード（空気極）に酸化剤である空気を供給する手段としては、空気をファンやブロワにより強制的に供給するアクティブ型や、大気からの自然拡散のみにより供給する自発呼吸（パッシブ）型などが挙げられる。
【０００６】
これらのうち、内部気化型等のパッシブ方式はＤＭＦＣの小型化に対して特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えばアノード（燃料極）、電解質膜およびカソード（空気極）を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００７】
ここで、膜電極接合体は、アノード触媒層とアノードガス拡散層とを有するアノード（燃料極）と、カソード触媒層とカソードガス拡散層とを有するカソード（空気極）と、アノード触媒層とカソード触媒層とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性を有する電解質膜とから構成される。また、膜電極接合体は、アノード（燃料極）側に配置されるアノード導電層と、カソード（空気極）側に配置されるカソード導電層とに挟持されている。
【０００８】
燃料収容部から流路を介して燃料供給部に供給された液体燃料は、液体燃料のまま、もしくは液体燃料と液体燃料が気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層およびアノード導電層を介して燃料電池セルのアノードガス拡散層に供給される。アノードガス拡散層に供給された燃料は、アノードガス拡散層で拡散してアノード触媒層に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  …式（１）
【０００９】
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、メタノールは、カソード触媒層で生成した水や電解質膜中の水と上記した式（１）の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
【００１０】
この反応で生成した電子（ｅ−）は、集電体を経由して外部に導かれ、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（空気極）に導かれる。また、上記した式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜を経てカソードに導かれる。カソード（空気極）には、保湿層を介して、酸化剤ガスとして空気が供給される。カソード（空気極）に到達した電子（ｅ−）とプロトン（Ｈ＋）は、カソード触媒層で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ−＋６Ｈ＋  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
【００１１】
上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力を燃料電池において得るためには、式（２）によってカソード触媒層で生成した水（Ｈ２Ｏ）のうち少なくとも一部が、電解質膜を透過してアノード触媒層に拡散し、上記した式（１）の反応によって消費されるというサイクルが、円滑に行なわれる必要がある。
【００１２】
これを実現するため、カソード（空気極）の近傍に、カソード触媒層において生成した水を含浸して蒸散を抑止する保湿層を配置し、カソード触媒層の水分保持量がアノード触媒層の水分保持量よりも多い状態を構成し、浸透圧現象を利用してカソード触媒層で生成した水を電解質膜を通してアノード触媒層に供給している。
【００１３】
上記のような、カソード（空気極）からアノード（燃料極）に水を供給する燃料電池では、アノード（燃料極）への水の供給量を増加させ、上記した式（１）の反応を促進して出力を向上させるために、カソード触媒層中のプロトン伝導性樹脂の量を増やしてカソード触媒層の親水性を上げたり、カソード触媒層の気孔率を下げたりして、カソード触媒層で発生した水が水蒸気として外気へ蒸散するのを抑制する方法が採られている（例えば、特許文献２−３参照。）。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特開２００７−８０７２５号公報
【特許文献３】特開２００７−８０７２６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、上記した従来の燃料電池のような、カソード触媒層中のプロトン伝導性樹脂の量を増やしてカソード触媒層の親水性を上げたり、カソード触媒層の気孔率を下げたりして、カソード触媒層で発生した水が水蒸気として外気へ蒸散するのを抑制する構成において、カソード触媒層の気孔が発生した水で塞がれ、カソード触媒層における空気の拡散性が低下することがあった。これによって、上記した式（２）の反応が生じ難くなり、燃料電池の出力が低下するという問題点があった。一方、カソード触媒層における空気の拡散性を向上させるために、カソード触媒層中のプロトン伝導性樹脂の量を減らしたり、カソード触媒層の気孔率を上げると、アノード（燃料極）に供給される水の量が減少し、結果として燃料電池の出力が低下していた。
【００１５】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、アノード（燃料極）に供給する水量を増加させることができるとともに、カソード触媒層における酸化性ガスの拡散の低下を抑制し、高出力が得られ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】
【００１６】
本発明の一態様によれば、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記空気極に積層して配置される保湿層と、前記保湿層に積層して配置される、空気導入口を有する表面カバーとを備える燃料電池であって、前記空気極のカソード触媒層が、前記表面カバーの空気導入口に対応して位置する第１の触媒層と、前記第１の触媒層以外の部分を構成する第２の触媒層とを備えることを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る燃料電池によれば、アノード（燃料極）に供給する水量を増加させることができるとともに、カソード触媒層における酸化性ガスの拡散の低下を抑制し、高出力が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る一実施の形態の燃料電池１の構成を示す断面図である。図２は、カソード触媒層１４の平面図である。図３は、本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池１においてポンプ７０を備えた場合の構成を示す断面図である。
【００２０】
図１に示すように、燃料電池１は、起電部を構成する燃料電池セル１０と、この燃料電池セル１０のアノード（燃料極）側およびカソード（空気極）側にそれぞれ設けられたアノード導電層１８、カソード導電層１９と、このアノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１を有する燃料分配層３０と、この燃料分配層３０の燃料電池セル１０側とは異なる側に配置され、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０と、カソード導電層１９に積層された保湿層５０と、この保湿層５０に積層された、複数の空気導入口６１を有する表面カバー６０とを備える。
【００２１】
燃料電池セル１０は、いわゆる膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）であり、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード（空気極）１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性を有する電解質膜１７とから構成される。
【００２２】
アノード触媒層１１に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層１１として、具体的には、例えば、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。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。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。なお、アノード触媒層１１およびカソード触媒層１４は、プロトン伝導性の電解質を含有している。
【００２３】
カソード触媒層１４は、図１および図２に示すように、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａと、この第１の触媒層１４ａ以外の部分を構成する第２の触媒層１４ｂとから構成されている。
【００２４】
ここで、第１の触媒層１４ａは、第２の触媒層１４ｂよりも、触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合が低くなるように構成している。このように、第１の触媒層１４ａを第２の触媒層１４ｂよりも、触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合が低くなるように構成するこことで、第１の触媒層１４ａにおいて空気の拡散性の向上を図ることができる。また、第２の触媒層１４ｂによって、カソード触媒層１４で生成された水が水蒸気として外気へ蒸散されるのを抑制することができる。また、第１の触媒層１４ａは、第２の触媒層１４ｂよりも、気孔率が高くなるように構成している。このように、第１の触媒層１４ａを第２の触媒層１４ｂよりも、気孔率が高くなるように構成するこことで、第１の触媒層１４ａにおいて空気の拡散性の向上を図ることができる。また、第２の触媒層１４ｂによって、カソード触媒層１４で生成された水が水蒸気として外気へ蒸散されるのを抑制することができる。なお、第１の触媒層１４ａは、第２の触媒層１４ｂよりも、触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合を低く、かつ気孔率を高く構成してもよい。
【００２５】
カソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。カソード触媒層１４として、具体的には、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ等を用いることが好ましい。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。触媒は、炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００２６】
また、（１）カソード触媒層１４において、第１の触媒層１４ａの面積の合計、すなわちカソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計が、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の０．５〜１．５倍となり、かつ（２）表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときに、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計が、空気導入口６１の面積の合計の０．３倍以上となるように構成することが好ましい。（２）を換言すると、表面カバー６０をカソード触媒層１４の表面に正射投影したときに、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計が、空気導入口６１の面積の合計の０．３倍以上となるように構成することが好ましい。
【００２７】
ここで、この範囲とすることが好ましいのは、第１の触媒層１４ａの面積の合計が表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の０．５倍よりも小さい場合には、第１の触媒層１４ａによる空気の拡散性の向上の効果が十分に得られないためであり、１．５倍よりも大きいときには第２の触媒層１４ｂによる水蒸気の外気への蒸散抑制の効果が十分に得られないためであるからであり、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計が、空気導入口６１の面積の合計の０．３倍よりも小さい場合には、上記した２つの効果の双方とも得られないからである。なお、上記（２）における範囲の上限値は１倍であり、この１倍となるのは、各空気導入口６１に第１の触媒層１４ａが重なるように構成されたときである。
【００２８】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性材料としては、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、プロトン伝導性の電解質膜１７は、これらに限られるものではない。
【００２９】
アノード触媒層１１に積層されるアノードガス拡散層１２は、アノード触媒層１１に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層１１の集電体も兼ねている。カソード触媒層１４に積層されるカソードガス拡散層１５は、カソード触媒層１４に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層１４の集電体も兼ねている。また、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５は、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボンシルク等の多孔性炭素質材、チタン、チタン合金、ステンレス、金などの金属材料からなる多孔質体またはメッシュなどで構成される。
【００３０】
アノードガス拡散層１２の表面に積層されたアノード導電層１８、およびカソードガス拡散層１５の表面に積層されたカソード導電層１９は、例えば、Ａｕのような導電金属材料からなるメッシュ、多孔質膜等で構成される。これらの中でも、アノード導電層１８やカソード導電層１９は、燃料電池セル１０に対応して開口された複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料電池セル１０に対向して設けられている燃料分配層３０の開口部３１からの燃料を燃料電池セル１０に導く。なお、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜１７とアノード導電層１８およびカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０が介在されており、これらによって燃料電池セル１０からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。なお、ここでは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を備えた燃料電池１を示しているが、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を設けずに、上記したようにアノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５を拡散層として機能させるとともに、導電層として機能させてもよい。
【００３１】
保湿層５０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸して、水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の均一拡散を促進するものである。この保湿層５０は、例えば、ポリエチレン多孔質膜等からなる平板で構成される。
【００３２】
表面カバー６０は、空気の取入れ量を調整するものであり、その調整は、空気導入口６１の個数や大きさ等を変更することで行われる。表面カバー６０は、例えば、ＳＵＳ３０４またはＳＵＳ３１６Ｌのようなステンレス合金、チタンまたはチタン合金のような金属で構成されることが好ましい。
【００３３】
燃料供給機構４０は、燃料収容部４１と、燃料供給部本体４２と、流路４４とを主に備える。
【００３４】
燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に対応した液体燃料Ｆが収容されている。この燃料収容部４１は、液体燃料Ｆによって溶解や変質を生じることがない材料で構成される。燃料収容部４１を構成する材料として、具体的には、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などが使用される。なお、図示しないが、燃料収容部４１には液体燃料Ｆを供給するための燃料供給口が設けられている。
【００３５】
液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、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、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部４１には、燃料電池セル１０に応じた液体燃料が収容される。
【００３６】
燃料供給部本体４２は、供給された液体燃料Ｆを燃料分配層３０に対して均一に供給するために、液体燃料Ｆを平坦に分散させるための凹部からなる燃料供給部４３を備えている。この燃料供給部４３は、配管等で構成される液体燃料Ｆの流路４４を介して燃料収容部４１と接続されている。
【００３７】
燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路４４を介して燃料供給部４３まで落下させて送液することができる。また、流路４４に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４３まで送液してもよい。さらに、図３に示すように、流路４４の一部にポンプ７０を介在させて、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４３まで強制的に送液してもよい。
【００３８】
このポンプ７０は、燃料収容部４１から燃料供給部４３に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、燃料電池セル１０に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このポンプ７０を備えた燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは構成が異なり、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なる、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ７０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Ｆ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。ロータリベーンポンプは、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。上記したようにポンプ７０を設ける場合、ポンプ７０は、制御手段（図示しない）と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部４３に供給される液体燃料Ｆの供給量が制御される。
【００３９】
燃料分配層３０は、例えば、複数の開口部３１が形成された平板で構成され、アノードガス拡散層１２と燃料供給部４３との間に挟持される。この燃料分配層３０は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。また、燃料分配層３０は、例えば、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、その気化成分を燃料電池セル１０側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが用いられる。
【００４０】
次に、上記した、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとから構成されるカソード触媒層１４の形成方法について説明する。ここで、カソード触媒層１４を形成する方法として（ａ）〜（ｅ）の５つの方法を例示するが、これらの形成方法に限定されるものではない。
【００４１】
（ａ）まず、２枚のカソードガス拡散層（第１のカソードガス拡散層および第２のカソードガス拡散層）を用意する。この２枚のカソードガス拡散層の厚さや性状等は同一のものであってもよい。第１のカソードガス拡散層には、第１の触媒層１４ａの組成を有する触媒ペーストを全面に塗布して乾燥させ、第１の触媒層１４ａを形成する。第２のカソードガス拡散層には、第２の触媒層１４ｂの組成を有する触媒ペーストを全面に塗布して乾燥させ、第２の触媒層１４ｂを形成する。
【００４２】
その後、第２の触媒層１４ｂを形成した第２のカソードガス拡散層を、表面カバー６０の空気導入口６１に対応する位置、すなわち表面カバー６０の空気導入口６１と同じ位置に貫通口を形成する。一方、第１の触媒層１４ａを形成した第１のカソードガス拡散層を、表面カバー６０の空気導入口６１と同じ形状に切り取る。続いて、第２のカソードガス拡散層に形成した貫通口に、第１のカソードガス拡散層から切り取ったものを嵌め込む。このような方法で、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとから構成されるカソード触媒層１４を形成することができる。
【００４３】
（ｂ）まず、カソードガス拡散層を構成する基板上に、第１の触媒層１４ａを塗布する形状に切り抜いた第１のマスクを配置し、第１の触媒層１４ａの組成を有する触媒ペーストを塗布する。このペーストが乾燥した後、第１のマスクを除去する。これによって、基板上の所定の位置に第１の触媒層１４ａが形成される。
【００４４】
続いて、第１の触媒層１４ａが形成された基板上に、第２の触媒層１４ｂを塗布する形状に切り抜いた第２のマスクを配置し、第２の触媒層１４ｂの組成を有する触媒ペーストを塗布する。このペーストが乾燥した後、第２のマスクを除去する。このような方法で、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとから構成されるカソード触媒層１４を形成することができる。なお、第１の触媒層１４ａおよび第２の触媒層１４ｂを形成する順番は、特に限定されるものではなく、第２の触媒層１４ｂを先に形成してもよい。
【００４５】
（ｃ）エアスプレーやインクジェットプリンタのように、第１の触媒層１４ａおよび第２の触媒層１４ｂを形成する触媒ペーストをカソードガス拡散層を構成する基板上に直接噴霧して触媒層を形成する塗布装置を用い、第１の触媒層１４ａおよび第２の触媒層１４ｂを形成する触媒ペーストをそれぞれ所定の位置に塗布する。そして、塗布された触媒ペーストを乾燥させる。このような方法で、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとから構成されるカソード触媒層１４を形成することができる。
【００４６】
（ｄ）まず、カソードガス拡散層を構成する基板上に、第１の触媒層１４ａの組成を有する触媒ペーストを全面に塗布して乾燥させ、第１の触媒層１４ａを形成する。この第１の触媒層１４ａ上に、第２の触媒層１４ｂを塗布する形状に切り抜いたマスクを配置し、プロトン伝導性樹脂のみを分散させた溶液を塗布する。この溶液が乾燥した後、マスクを除去すると、プロトン伝導性樹脂のみを分散させた溶液が塗布された部分が第２の触媒層１４ｂとなり、塗布されなかった部分が第１の触媒層１４ａとなる。このような方法で、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとから構成されるカソード触媒層１４を形成することができる。
【００４７】
（ｅ）まず、カソードガス拡散層を構成する基板上に、第１の触媒層１４ａの組成を有する触媒ペーストを全面に塗布して乾燥させ、第１の触媒層１４ａを形成する。この第１の触媒層１４ａ上に、第２の触媒層１４ｂを形成する部分と同一の形状に切り抜いた硬質の板を配置し、プレス機、万力または重石等によりカソード触媒層を圧縮する。続いて、硬質の板を除去すると、硬質の板で圧縮された部分が第２の触媒層１４ｂとなり、圧縮されなかった部分が第１の触媒層１４ａとなる。このような方法で、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとから構成されるカソード触媒層１４を形成することができる。
【００４８】
次に、上記した燃料電池１における作用について説明する。
【００４９】
燃料収容部４１から流路４４を介して燃料供給部４３に向かって導出された液体燃料Ｆは、燃料供給部４３に供給され、液体燃料Ｆのまま、もしくは液体燃料Ｆと液体燃料Ｆが気化した気化燃料が混在する状態で、燃料分配層３０およびアノード導電層１８を介して燃料電池セル１０のアノードガス拡散層１２に供給される。アノードガス拡散層１２に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２で拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、この式（１）は前述した式（１）と同じである。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ-  …式（１）
【００５０】
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、メタノールは、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水と上記した式（１）の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。
【００５１】
この反応で生成した電子（ｅ-）は、集電体を経由して外部に導かれ、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（空気極）１６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１７を経てカソード（空気極）１６に導かれる。カソード（空気極）１６には酸化剤として空気が供給される。カソード（空気極）１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成する。なお、この式（２）は前述した式（２）と同じである。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ-＋６Ｈ+  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
【００５２】
なお、カソード（空気極）１６のカソード触媒層１４における第１の触媒層１４ａによって主に空気の拡散性が向上される。
【００５３】
上記した内部改質反応が円滑に行なわれ、高出力で安定した出力を燃料電池１において得ることができる。
【００５４】
上記した本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池１によれば、カソード触媒層１４を第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとから構成し、第１の触媒層１４ａを、第２の触媒層１４ｂよりも、触媒層中に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合を低く、および／または気孔率を高く構成することで、第１の触媒層１４ａにおいて空気の拡散性の向上を図ることができる。また、第１の触媒層１４ａを表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置させることで、第１の触媒層１４ａにおける空気の拡散性をより向上させることができる。さらに、第２の触媒層１４ｂによって、カソード触媒層１４で生成された水が水蒸気として外気へ蒸散されるのを抑制し、十分な水をアノード（燃料極）１３に供給することができる。また、このような構成のカソード触媒層１４を備える燃料電池１では、高出力で、かつ安定した出力を得ることができる。
【００５５】
次に、本発明に係る燃料電池が優れた出力特性を有することを実施例および比較例に基づいて説明する。
【００５６】
（実施例１）
実施例１で使用した燃料電池は、図３に示した燃料電池１と同一の構成を備えるものであるので、図３を参照して説明する。
【００５７】
まず、燃料電池セル１０の作製方法について説明する。
【００５８】
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を得た。
【００５９】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１００μｍの第１の触媒層１４ａを得た。ここで、第１の触媒層１４ａの乾燥後における、第１の触媒層１４ａに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、２２重量％であった。また、第１の触媒層１４ａの気孔率を、水銀圧入法で測定した結果、４０％であった。なお、触媒層の気孔率は、島津オートポア９５２０形を用い、初期圧力約７ｋＰａ（細孔直径約１８０μｍ相当）の条件で測定した。このとき、第１の触媒層１４ａを塗布する前のカソードガス拡散層１５のみを試料として測定した全細孔容積と、第１の触媒層１４ａを塗布し乾燥した後のカソードガス拡散層１５を試料として測定した全細孔容積との差が、第１の触媒層１４ａのみの細孔容積に等しいとみなし、この第１の触媒層１４ａのみの細孔容積の値から、第１の触媒層１４ａの気孔率を算出した。
【００６０】
また、カソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに、上記した第１の触媒層１４ａを形成する場合と同様にして調製したペーストを塗布することにより、厚さが１００μｍの第２の触媒層１４ｂを得た。ここで、第２の触媒層１４ｂの乾燥後における、第２の触媒層１４ｂに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、３０重量％であった。また、第２の触媒層１４ｂの気孔率を、上記した水銀圧入法で測定した結果、３０％であった。
【００６１】
第２の触媒層１４ｂを塗布したカソードガス拡散層１５の外形を長方形（４０ｍｍ×３０ｍｍ）に形成し、かつ第２の触媒層１４ｂを塗布したカソードガス拡散層１５における、後述する表面カバー６０に形成された空気導入口６１と同じ位置に、直径が３ｍｍの４８個の円形の穴を均等に形成した。続いて、第１の触媒層１４ａを塗布したカソードガス拡散層１５から直径が３ｍｍの円板を４８個切り抜き、これらを第２の触媒層１４ｂを塗布したカソードガス拡散層１５に形成した穴に、触媒層の表面が同一平面になるように嵌め込んだ。これにより、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとを備えるカソード触媒層１４を得た。なお、アノード触媒層１１およびカソード触媒層１４は同形同大である。
【００６２】
上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：nafion膜、デュポン社製）を配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態でホットプレスを施すことにより、燃料電池セル１０を得た。
【００６３】
続いて、この燃料電池セル１０を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を形成した。なお、電解質膜１７とアノード導電層１８との間、電解質膜１７とカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２０を挟持してシールを施した。
【００６４】
また、保湿層５０として、厚さが１ｍｍで、透気度が２秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が２０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを、長方形（４４ｍｍ×３４ｍｍ）に切断してカソード導電層１９に積層した。外気からカソード（空気極）１６に供給される空気は、この保湿層５０を透過することとなる。
【００６５】
この保湿層５０の上に、外形が長方形（４４ｍｍ×３４ｍｍ）で、直径が３ｍｍの円形の空気導入口６１が均等に４８個形成された厚さが１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置して表面カバー６０とした。
【００６６】
このとき、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときに、各空気導入口６１に第１の触媒層１４ａが重なるように構成し、カソード触媒層１４のそれ以外の部分を第２の触媒層１４ｂで構成した。したがって、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の１倍であった。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の１倍であった。
【００６７】
また、ポンプ７０としてしごきポンプを使用し、流路４４の一部を一定方向にしごいて、圧力を生じさせて、燃料収容部４１に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部４３に送液した。ここで、しごきポンプの回転数を、燃料電池１に流れる電流によって制御する制御回路を構成し、燃料電池１で電気化学反応を生じるのに必要な燃料供給量（電流１Ａにつき、１分間当りのメタノールの供給量３．３ｍｇ）の１．４倍の燃料が常に供給されるように制御した。
【００６８】
そして、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記した燃料電池１に、純度９９.９重量％の純メタノールを、上記の供給量となるように供給した。外部負荷としての定電圧電源を接続して、燃料電池１の出力電圧が０．３Ｖで一定になるように、燃料電池１に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池１から得られる出力密度を測定した。ここで、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１の面積とカソード触媒層１４の面積（第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂの面積の和）が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しい。
【００６９】
表１に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【００７０】
（実施例２）
実施例２で使用した燃料電池１では、カソード触媒層１４の作製方法が実施例１で使用した燃料電池１と異なるが、他の構成は実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。なお、実施例１のカソード触媒層１４と同様に、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の１倍とした。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の１倍とした。
【００７１】
カソード触媒層１４の作製方法について説明する。
【００７２】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。カソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパ上に第１の触媒層１４ａを塗布する形状に切り抜いた第１のマスクを配置し、上記得られたペーストを塗布した。このペーストが乾燥した後、第１のマスクを除去すると、所定の位置に第１の触媒層１４ａが得られた。ここで、第１の触媒層１４ａの乾燥後における、第１の触媒層１４ａに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、２２重量％であった。また、第１の触媒層１４ａの気孔率を、実施例１と同様に水銀圧入法で測定した結果、４０％であった。
【００７３】
続いて、第１の触媒層１４ａが形成されたカソードガス拡散層１５上に、第２の触媒層１４ｂを塗布する形状に切り抜いた第２のマスクを配置し、上記と同様にして調製した触媒ペーストを塗布した。このペーストが乾燥後、第２のマスクを除去すると、所定の位置に第２の触媒層１４ｂが得られた。ここで、第２の触媒層１４ｂの乾燥後における、第２の触媒層１４ｂに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、３０重量％であった。また、第２の触媒層１４ｂの気孔率を、上記した水銀圧入法で測定した結果、３０％であった。
【００７４】
このように、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとを備えるカソード触媒層１４を得た。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００７５】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【００７６】
（実施例３）
実施例３で使用した燃料電池１では、カソード触媒層１４の作製方法が実施例１で使用した燃料電池１と異なるが、他の構成は実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。なお、実施例１のカソード触媒層１４と同様に、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の１倍とした。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の１倍とした。
【００７７】
カソード触媒層１４の作製方法について説明する。
【００７８】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストを、カソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布して乾燥させ、第１の触媒層１４ａを得た。ここで、第１の触媒層１４ａの乾燥後における、第１の触媒層１４ａに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、２６重量％であった。
【００７９】
形成された第１の触媒層１４ａ上に、外形が長方形（４０ｍｍ×３０ｍｍ）の表面カバー６０に形成された空気導入口６１と同じ位置になるよう、直径が３ｍｍの円形の穴を均等に４８個形成した厚さが１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置し、プレス機により４０ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で垂直に圧縮した。この後、ステンレス板を除去すると、ステンレス板で圧縮された部分が第２の触媒層１４ｂを構成し、ステンレス板で圧縮されなかった部分が第１の触媒層１４ａを構成した。それぞれの気孔率を、実施例１と同様に水銀圧入法で測定した結果、第１の触媒層１４ａは３５％であり、第２の触媒層１４ｂが２０％であった。なお、第２の触媒層１４ｂの乾燥後における、第２の触媒層１４ｂに含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、第１の触媒層１４ａと同じ２６重量％である。
【００８０】
このように、第１の触媒層１４ａと第２の触媒層１４ｂとを備えるカソード触媒層１４を得た。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００８１】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【００８２】
（実施例４）
第１の触媒層１４ａの直径を２．２ｍｍとし、その第１の触媒層１４ａを、表面カバー６０の空気導入口６１とそれぞれの中心が一致するように配置した以外は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００８３】
このとき、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の０．５４倍であった。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の０．５４倍であった。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００８４】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【００８５】
（実施例５）
第１の触媒層１４ａの直径を３．６ｍｍとし、その第１の触媒層１４ａを、表面カバー６０の空気導入口６１とそれぞれの中心が一致するように配置した以外は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００８６】
このとき、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の１．４４倍であった。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の１．４４倍であった。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００８７】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【００８８】
（実施例６）
図４は、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、実施例６で使用したカソード触媒層１４における第１の触媒層１４ａと表面カバー６０の空気導入口６１との重なり状態を模式的に示した平面図である。
【００８９】
第１の触媒層１４ａの直径を３ｍｍとし、図４に示すように、各第１の触媒層１４ａの中心Ｘが、各第１の触媒層１４ａに対応する、表面カバー６０の空気導入口６１の円周上に位置する（第１の触媒層１４ａの中心Ｘと、表面カバー６０の空気導入口６１の中心Ｙとの距離が１．５ｍｍとなり位置）ように配置した以外は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００９０】
このとき、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の１倍、すなわちカソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計と、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計とを等しく構成した。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の０．３９倍であった。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００９１】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、後述する比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【００９２】
（比較例１）
比較例１で使用した燃料電池では、カソード触媒層１４が第１の触媒層１４ａおよび第２の触媒層１４ｂから構成されず、１種の触媒層で構成されており、他の構成は実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。すなわち、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の「０」倍となる。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の「０」倍となる。
【００９３】
カソード触媒層１４の作製方法について説明する。
【００９４】
カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。カソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパ上に、得られたペーストを塗布して乾燥させ、カソード触媒層１４を得た。ここで、乾燥後における、カソード触媒層１４に含まれるプロトン伝導性樹脂の割合は、２６重量％であった。また、カソード触媒層１４の気孔率を、実施例１と同様に水銀圧入法で測定した結果、３５％であった。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００９５】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、本比較例１における出力密度を１００として示されている。また、ここでは、カソード触媒層１４は、１種の触媒層で構成されているため、表１における第１の触媒層および第２の触媒層におけるプロトン伝導性樹脂の割合および気孔率の欄の値を同じ値としている。
【００９６】
（比較例２）
第１の触媒層１４ａの直径を２ｍｍとし、その第１の触媒層１４ａを、表面カバー６０の空気導入口６１とそれぞれの中心が一致するように配置した以外は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００９７】
このとき、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の０．４４倍であった。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の０．４４倍であった。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【００９８】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【００９９】
（比較例３）
第１の触媒層１４ａの直径を４ｍｍとし、その第１の触媒層１４ａを、表面カバー６０の空気導入口６１とそれぞれの中心が一致するように配置した以外は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【０１００】
このとき、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の１．７８倍であった。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の１．７８倍であった。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【０１０１】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【０１０２】
（比較例４）
図５は、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、比較例４で使用したカソード触媒層１４における第１の触媒層１４ａと表面カバー６０の空気導入口６１との重なり状態を模式的に示した平面図である。
【０１０３】
第１の触媒層１４ａの直径を３ｍｍとし、図５に示すように、各第１の触媒層１４ａの中心Ｘと、各第１の触媒層１４ａに対応する、表面カバー６０の空気導入口６１の中心Ｙとの距離が２．１ｍｍとなるように配置した以外は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【０１０４】
このとき、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計は、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の１倍、すなわちカソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計と、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計とを等しく構成した。また、表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計は、空気導入口６１の面積の合計の０．１８倍であった。また、他の燃料電池１の構成部分の作製方法は、実施例１で使用した燃料電池１と同じとした。
【０１０５】
また、出力密度の測定方法、測定条件および算出方法等は、実施例１におけるものと同じであった。表１に測定結果を示す。なお、ここでは、比較例１における出力密度を１００としたときの、相対出力密度が示されている。
【０１０６】
（実施例１〜実施例６、比較例１〜比較例４のまとめ）
表１に、実施例１〜実施例６、比較例１〜比較例４における相対出力密度を示す。
【０１０７】
【表１】
2009295542.tif 000003
【０１０８】
表１に示すように、実施例１〜実施例６における燃料電池では、比較例１〜比較例４における燃料電池に比べて、相対出力密度が高いことがわかった。すなわち、カソード触媒層１４の表面における第１の触媒層１４ａの面積の合計が、表面カバー６０の空気導入口６１の面積の合計の０．５〜１．５倍であり、かつ表面カバー６０の空気導入口６１に対応して位置する第１の触媒層１４ａにおいて、燃料電池１の厚さ方向にみたときの、空気導入口６１と第１の触媒層１４ａとが重なる部分の面積の合計が、空気導入口６１の面積の合計の０．３倍以上となる条件で相対出力密度が高いことがわかった。
【０１０９】
なお、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、例えば、液体燃料をアノード導電層の下に直接流通させる方式、燃料電池の外部で液体燃料を蒸発させ、気化した気体燃料をアノード導電層の下に流通させる外部気化型、燃料収容部に液体燃料を収容し、液体燃料を電池内部で気化させてアノード触媒層に供給する内部気化型等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また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する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明に係る一実施の形態の燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】カソード触媒層の平面図。
【図３】本発明に係る第１の実施の形態の燃料電池においてポンプを備えた場合の構成を示す断面図。
【図４】燃料電池の厚さ方向にみたときの、実施例６で使用したカソード触媒層における第１の触媒層と表面カバーの空気導入口との重なり状態を模式的に示した平面図。
【図５】燃料電池の厚さ方向にみたときの、比較例４で使用したカソード触媒層における第１の触媒層と表面カバーの空気導入口との重なり状態を模式的に示した平面図。
【符号の説明】
【０１１１】
１…燃料電池、１０…燃料電池セル、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１４ａ…第１の触媒層、１４ｂ…第２の触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極）、１７…電解質膜、１８…アノード導電層、１９…カソード導電層、２０…Ｏリング、３０…燃料分配層、３１…開口部、４０…燃料供給機構、４１…燃料収容部、４２…燃料供給部本体、４３…燃料供給部、４４…流路、５０…保湿層、６０…表面カバー、６１…空気導入口、Ｆ…液体燃料。
【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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