(57)【要約】【課題】長期間に亘って安定な出力を維持する燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】燃料極１１、１２と、空気極１３、１４と、燃料極１１、１２と空気極１３、１４とに挟持された電解質膜１５とからなる膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０の燃料極１１、１２側に配置され、燃料極１３、１４に燃料を供給するための燃料供給機構４０と、膜電極接合体１０の空気極１３、１４側に配置され、空気極１３、１４で生成した水を含浸する保湿層２０と、保湿層２０の表面に接し、外気へ熱を放散する放熱部材２３と、を備え、放熱部材２３は、膜電極接合体１０の平面方向において空気極１３、１４の温度が高い領域に対応して配置された第１放熱部材２２と、空気極１３、１４の温度が低い領域に対応して配置された第２放熱部材２１とを備え、発電時に第１放熱部材２２からの放熱量が第２放熱部材２１からの放熱量よりも大きくなるように構成されている燃料電池。【選択図】      図１
2009187797.tif 000002
【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からなる膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、
前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、
前記保湿層の表面に接し、外気へ熱を放散する放熱部材と、を備え、
前記放熱部材は、前記膜電極接合体の平面方向において前記空気極の温度が高い領域に対応して配置された第１放熱部材と、前記空気極の温度が低い領域に対応して配置された第２放熱部材とを備え、
発電時に前記第１放熱部材からの放熱量が前記第２放熱部材からの放熱量よりも大きくなるように構成されている燃料電池。
【請求項２】
前記第１放熱部材は、前記第２放熱部材よりも外気に接する表面積が大きい請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１放熱部材は、前記第２放熱部材よりも前記保湿層の表面に接する面積が大きい請求項１又は請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１放熱部材は、前記第２放熱部材よりも熱伝導率が高い請求項１乃至３記載のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記膜電極接合体の平面方向において、前記第１放熱部材は前記空気極の中央部に接するように配置され、前記第２放熱部材は前記空気極の周辺部に接するように配置されている請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に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しない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と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いえる。
【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期待されている。
【０００４】
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、また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。
【０００５】
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。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や、燃料電池の外部で、メタノール等を蒸発させて気体燃料を生じ、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、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、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が考えられる。
【０００６】
また、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）型などが考えられる。
【０００７】
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、例えば燃料極、電解質膜および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）。膜電極接合体は、燃料極側に配置されるアノード導電層と、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。
【０００９】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ−  …式（１）
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、電解質膜を経てカソードに導かれる。カソードには、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。
【００１１】
（３／２）Ｏ２＋６ｅ−＋６Ｈ+  →  ３Ｈ２Ｏ  …式（２）
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、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、前記カソード触媒層の水分保持量が前記アノード触媒層の水分保持量よりも多い状態を形成し、浸透圧現象を利用して前記カソード触媒層で生成した水を前記電解質膜を通して前記アノード触媒層に供給している。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のような、保湿層を利用してカソードからアノードへの水の供給を促進する燃料電池では、カソードからアノードに供給する水の量を多くするために、保湿層の膜電極接合体に接する側と、外気に接する側との間の温度差を大きくし、保湿層の内部で水蒸気が凝縮（液化）して液体の水を生成する作用を促進するのが良い。このためには、保湿層の厚さは厚いほど良いが、保湿層の厚さが厚くなると、外気から保湿層を透過してカソードに供給される酸素の量が減少したり、カソードから外気への放熱量が少なくなり、カソードの温度が過剰に上昇したりする場合があった。
【００１４】
一方、保湿層の厚さ方向での温度差が過剰に大きくなると、燃料電池の発電中は常に、カソード触媒層に大量の水分を保持した状態となり、この状態で発電を長期間続けていると、カソード触媒層の気孔が水で塞がれ、カソード触媒層における空気の拡散性が劣化し、発電特性が低下する場合があった。
【００１５】
このため、カソードからアノードへ充分な量の水を供給し、かつ、カソード触媒層における空気の拡散性の劣化を防ぐために、保湿層の厚さ方向での温度差には最適値が存在する。この保湿層の厚さ方向での温度差の最適値は、燃料電池の発電中のカソードの温度と密接な関係がある。
【００１６】
カソードの温度が高い場合、そのカソード触媒層における水の蒸気圧は高くなり、水蒸気は保湿層を透過して外気へ蒸散しやすい。その蒸散を抑制して、アノードに充分な量の水を供給するためには、保湿層の厚さ方向での温度差を大きくする必要がある。
【００１７】
一方、カソードの温度が低い場合、そのカソード触媒層における水の蒸気圧は低くなり、水蒸気が外気へ蒸散することが抑制され、カソード触媒層中で凝縮（液化）して気孔を塞ぐため、いわゆるフラッディングが発生しやすくなる。そのため、保湿層の厚さ方向での温度差を小さくする必要がある。
【００１８】
ところが、カソードの温度は全ての場所で等しいとは限らず、膜電極接合体の平面方向で温度分布が生じることがある。このような温度分布が生じる原因としては、燃料分配層から膜電極接合体に供給される燃料の量が不均一であることや、膜電極接合体で発生した熱が外気へ放散される量が不均一であること等が考えられる。多くの場合、膜電極接合体の平面方向において、カソードの中央部で温度が高く、周辺部で温度が低くなる。
【００１９】
このとき、保湿層の厚さ方向での温度差が、膜電極接合体の平面方向で全て同じであると、カソードの温度が高い部分では、カソードからアノードへ供給される水の量が不足する場合がある。その場合、上記した式（１）の反応が円滑に行なわれなくなり、燃料電池の出力が低下することとなる。一方、カソードの温度が低い部分では、カソード触媒層中における水の凝縮が生じやすくなる。その場合、発電時間と共に燃料電池の出力が低下することとなる。
【００２０】
本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであって、膜電極接合体を構成するカソード中に保持される水の量と、カソードからアノードに供給される水の量とを、平面方向の全ての部分において適切な範囲に維持することにより、長期間に亘って安定な出力を維持す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】
【００２１】
本発明の態様による燃料電池は、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からなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極に燃料を供給するための燃料供給機構と、前記膜電極接合体の前記空気極側に配置され、前記空気極で生成した水を含浸する保湿層と、前記保湿層の表面に接し、外気へ熱を放散する放熱部材と、を備え、前記放熱部材は、前記膜電極接合体の平面方向において前記空気極の温度が高い領域に対応して配置された第１放熱部材と、前記空気極の温度が低い領域に対応して配置された第２放熱部材とを備え、発電時に前記第１放熱部材からの放熱量が前記第２放熱部材からの放熱量よりも大きくなるように構成されている。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、長期間に亘って安定な出力を維持する燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、本発明の一実施形態に係る燃料電池について図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池は膜電極接合体１０を有している。膜電極接合体１０は、アノード（燃料極）と、カソード（空気極）と、アノードとカソードとの間に挟持された電解質膜１５とを有している。
【００２４】
アノードは、アノードガス拡散層１２と、アノードガス拡散層１２上に配置されたアノード触媒層１１とを有している。カソードは、カソードガス拡散層１４と、カソードガス拡散層１４上に配置されたカソード触媒層１３とを有している。膜電極接合体１０のアノード側にはアノード導電層１６が配置されている。また膜電極接合体１０のカソード側にはカソード導電層１７が配置されている。
【００２５】
本実施形態に係る燃料電池では、アノードは、例えば以下の製法により製造される。まず、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。
【００２６】
上記のようにして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に塗布することにより、厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を形成することができる。
【００２７】
本実施形態に係る燃料電池では、カソードは、例えば以下の製法により製造される。まず、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。
【００２８】
上記のようにして得られたペーストを、カソードガス拡散層１４としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、例えば厚さが１００μｍのカソード触媒層１３を形成することができる。
【００２９】
なお、本実施形態に係る燃料電池では、アノードガス拡散層１２と、カソードガス拡散層１４とは、略同形同大で厚さも略等しく、これらのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１およびカソード触媒層１３も略同形同大である。
【００３０】
上記したように形成したアノード触媒層１１とカソード触媒層１３との間に、電解質膜１５として例えば厚さが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１３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膜電極接合体１０を製造した。
【００３１】
本実施形態に係る燃料電池では、膜電極接合体１０において、電解質膜１５のうち、アノード触媒層１１とカソード触媒層１３にともに接しておらず、かつ以下で述べるＯリング１９の内側に相当する位置に、ガス排出孔（図示せず）を設けても良い。
【００３２】
続いて、この膜電極接合体１０を、複数の開孔を有するアノード導電層１６およびカソード導電層１７をそれぞれアノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１の反対の面、およびカソードガス拡散層１４のカソード触媒層１３の反対の面に形成した。
【００３３】
これらアノード導電層１６およびカソード導電層１７は、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用することができる。
【００３４】
なお、電解質膜１５とアノード導電層１６との間、電解質膜１５とカソード導電層１７との間には、それぞれゴム製のＯリング１９を挟持させて膜電極接合体１０にシールを施した。
【００３５】
カソード導電層１７の上には、保湿層２０として、例えば厚さが０．７５ｍｍで、透気度が１．７秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が３０００ｇ／（ｍ２・２４ｈ）（ＪＩＳ  Ｌ−１０９９  Ａ−１に規定の測定方法による）、ショア硬度がＤ４４のポリエチレン製多孔質フィルムを、積層した。
【００３６】
外気からカソードに供給される空気は、この保湿層２０を透過することとなる。この保湿層２０の上に、放熱部材として表面カバー２３を積層した。本実施形態に係る燃料電池では、表面カバー２３は、例えば一辺の長さ３ｍｍの正方形の空気導入口２４を均等に４８個形成した、厚さ１．０ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）である。
【００３７】
本実施形態に係る燃料電池では、表面カバー２３は、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１を有している。これら第１放熱部材２２および第２放熱部材２１は、発電時に第１放熱部材２２からの放熱量が第２放熱部材２１からの放熱量よりも大きくなるように構成されている。
【００３８】
第１放熱部材２２からの放熱量を第２放熱部材２１からの放熱量よりも大きくするには、例えば、第１放熱部材２２の外気に接する表面積が、第２放熱部材２１よりも大きくなるように構成されていても良い。また、第１放熱部材２２が、第２放熱部材２１よりも保湿層２０の表面に接する面積が大きくなるように構成されていても良い。また、第１放熱部材２２が、第２放熱部材２１よりも熱伝導率が高い材料で構成されていても良い。
【００３９】
第１放熱部材２２は、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）において、発電時にカソードの温度が高くなる第１領域に対応して配置されている。第２放熱部材２１は、発電時にカソードの温度が第１領域よりも低くなる第２領域に対応して配置されている。
【００４０】
放熱部材としては、液体燃料や水、酸素等によって溶解や腐食、酸化等を生じることがなく、かつ熱伝導率の高い物質で構成されることが望ましい。具体的には、ステンレス、銅、アルミニウム、タングステン、モリブデン等の金属またはこれら金属の合金、アルミナセラミックス、窒化アルミニウム、陶磁器、ガラス等のセラミック類が使用可能である。また、樹脂に炭素や金属等の粉末を混合した熱伝導性樹脂も使用可能である。
【００４１】
また、放熱部材としては、熱伝導率が高く、かつ肉厚が薄くても強度が高いという点からは、金属が最も望ましい。特に、銅（２０℃における熱伝導率３７０Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（２０℃における熱伝導率２０４Ｗ／ｍＫ）、タングステン（２０℃における熱伝導率１９８Ｗ／ｍＫ）は熱伝導率が高いために好ましい。好ましくは、更にその表面にアルマイト処理（陽極酸化処理）したものが使用される。外気への放射率を上げるためには、特に、表面を黒色アルマイト処理をすることが好ましい。
【００４２】
但し、熱伝導材として金属材料を用いた場合、カソードで生成した水や、大気中に含まれる酸素や水蒸気等によって酸化、腐食を生じる可能性がある。それを防ぐために、ステンレス（２０℃における熱伝導率１５Ｗ／ｍＫ）等の腐食しにくい材料を用いるか、または、放熱部材の表面に、金などの酸化しにくい金属をメッキしたり、樹脂もしくはゴムでコーティングを施したり、液体燃料の蒸気に溶解しない塗料で塗装する等のことが行なわれる。
【００４３】
上記のようにコーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、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）、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、シリコーン樹脂等の樹脂、エチレン・プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム等のゴムが使用可能である。これら樹脂やゴムは金属に比べて熱伝導率が低いため、コーティングを施す場合には、コーティングする樹脂もしくはゴムはできるだけ薄くするのが望ましい。
【００４４】
第１放熱部材２２および第２放熱部材２１は、塊状の材料から切削加工によって作成しても、鋳造や鍛造、押し出し加工等によって所定の形に表面カバー２３本体と一体作成しても、或いは、板材や角材、線材等を組み合わせて作成しても良い。
【００４５】
第１放熱部材２２および第２放熱部材２１を板材等の組み合わせによって作成する場合、部材同士の接合部分における熱伝導を良くするために、部材同士ができるだけ大きな面積で接触するように構成することが望ましい。更に、接触した部材同士を溶接等で固定することが望ましい。溶接等による固定が難しい場合や、部材同士の直接接触する面積が大きく取ることが難しい場合などは、部材同士の間に熱伝導性グリス（通称サーマルグリース）を塗布したり、熱伝導性接着剤で固定しても良い。
【００４６】
膜電極接合体１０のアノード側には、燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給するための燃料供給機構４０が配置されている。燃料分配層３０に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構４０は、図１に示すように、燃料収容部４１と、燃料供給部４２と、流路４３とを主に備える。
【００４７】
燃料収容部４１には、燃料電池セルに対応した液体燃料Ｆが収容されている。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、燃料電池セルに応じた液体燃料が収容される。
【００４８】
燃料供給部４２は、配管等で構成される液体燃料Ｆの流路４３を介して燃料収容部４１と接続されている。燃料供給部４２には、燃料収容部４１から流路４３を介して液体燃料Ｆが導入され、導入された液体燃料Ｆおよび／またはこの液体燃料Ｆが気化した気化成分は、燃料分配層３０およびアノード導電層１６を介して膜電極接合体１０に供給される。流路４３は、燃料供給部４２や燃料収容部４１と独立した配管に限られるものではない。例えば、燃料供給部４２や燃料収容部４１を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの流路であってもよい。すなわち、燃料供給部４２は、流路等を介して燃料収容部４１と連通されていればよい。
【００４９】
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４３を介して燃料供給部４２まで落下させて送液することができる。また、流路４３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４２まで送液してもよい。さらに、流路４３の一部にポンプ４４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４２まで強制的に送液してもよい。
【００５０】
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４２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。
【００５１】
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、その気化成分を膜電極接合体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。
【００５２】
[実施例]
以下、本発明の実施例にかかる燃料電池について図面を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において、前述の実施形態に係る燃料電池と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
【００５３】
（第１実施例）
本実施例に係る燃料電池を以下のように作成した。最初に、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。
【００５４】
次に、アノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（８０ｍｍ×１０ｍｍの長方形）を用意し、このアノードガス拡散層１２に上記のようにして得られたペーストを塗布することにより厚さが１００μｍのアノード触媒層１１を形成した。
【００５５】
続いて、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。
【００５６】
次に、カソードガス拡散層１４としての多孔質カーボンペーパを用意し、このカソードガス拡散層１４に上記のようにして得られたペーストを塗布することにより、厚さが１００μｍのカソード触媒層１３を形成した。
【００５７】
なお、アノードガス拡散層１２とカソードガス拡散層１４とは同形同大であり、これらのガス拡散層１２、１４に塗布されたアノード触媒層１１およびカソード触媒層１３も同形同大である。
【００５８】
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１３との間に、電解質膜１５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、上記したアノード触媒層１１とカソード触媒層１３とを各４枚ずつ、相互に対向し、かつ隣り合うアノード触媒層同士の間、カソード触媒層同士の間は１ｍｍずつの間隔を隔てて平行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、膜電極接合体１０を形成した。
【００５９】
続いて、この膜電極接合体１０を、複数の開孔を有する金箔で挟み、アノード導電層１６およびカソード導電層１７を形成した。また、このアノード導電層１６とカソード導電層１７とには、上記の各４枚ずつのアノード触媒層とカソード触媒層が電気的に直列に接続されるように、膜電極接合体１０の外部で配線が施されている。なお、電解質膜１５とアノード導電層１６との間、電解質膜１５とカソード導電層１７との間には、それぞれゴム製のＯリング１９を挟持してシールを施した。
【００６０】
続いて、厚さが０．７５ｍｍで、気孔率２６％、透気度が１．７秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が３０００ｇ／（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、長さ８４ｍｍ、幅４７ｍｍの長方形に切り、カソード導電層１７の上に積層して保湿層２０を形成した。
【００６１】
なお、カソード導電層１７と保湿層２０との間に空間があると、その空間の中で水蒸気が凝縮して液体の水を生じ、カソードガス拡散層１４やカソード触媒層１３の気孔を塞いでフラッディングを生じる恐れがあるため、カソード導電層１７と保湿層２０とは出来るだけ密着させることが望ましい。
【００６２】
続いて、この保湿層２０の上に、一辺の長さが３ｍｍの正方形の空気導入口２４を均等に１２０個形成した厚さ１ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を積層し、表面カバー２３とした。なお、保湿層２０と表面カバー２３との間に空間があると、保湿層２０から表面カバー２３への熱伝導が円滑に行なわれなくなるため、保湿層２０と表面カバー２３とは出来るだけ密着させることが望ましい。
【００６３】
表面カバー２３は、図１および図２に示すように第１放熱部材２２および第２放熱部材２１を有している。本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）において、第１放熱部材２２は発電時にカソードの温度が高くなる表面カバー２３本体の中央部（第１領域）に配置され、第２放熱部材２１は発電時にカソードの温度が中央部よりも低くなる表面カバー２３本体の周辺部（第２領域）に配置されている。
【００６４】
すなわち、図２に示すように、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１は表面カバー２３本体に設けられた空気導入穴２４の間において膜電極接合体１０の長辺方向（Ｙ方向）と略平行に延びるように配置されている。
【００６５】
また、本実施例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２として、厚さ０．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、高さ２０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４。２０℃における熱伝導率１５Ｗ／ｍＫ）板を３枚用い、第２放熱部材２１として、厚さ０．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、高さ１０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を４枚用いた。
【００６６】
なお、図１および図２において、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１の厚さとはＸ方向の長さであって、長さとはＹ方向の長さであって、高さとはＺ方向の長さである。したがって、第１放熱部材２２は第２放熱部材２１よりも、外気に接する表面積が大きくなるように構成されている。すなわち、本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）における中央部の放熱面積が、周辺部よりも大きくなっている。これら第１放熱部材２２および第２放熱部材２１は、表面カバー２３本体の表面に密着するように溶接によって固定されている。
【００６７】
このような構成にすることにより、表面カバー２３本体、第１放熱部材２２、および第２放熱部材２１のいずれもが放熱部材として機能し、かつ、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）における周辺部での放熱面積よりも、中央部における放熱面積を大きくすることが可能となる。
【００６８】
上記したように作成した燃料電池に、温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、純度９９.９重量％の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池の出力電圧が０．３Ｖで一定になるように、燃料電池に流れる電流を制御した。
【００６９】
上記した条件の下、１０００時間発電を行った後の燃料電池の出力密度Ｐ１、および、発電を開始したときの燃料電池の出力密度Ｐ０を計測した。そして、出力密度Ｐ１の、出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出した。その結果を図９に示す。
【００７０】
ここで、燃料電池の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、燃料電池に流れる電流密度（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１３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とカソード触媒層１３の面積が等しく、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。
【００７１】
上記算出した出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）は、０．９０（９０％）であった。
【００７２】
また図２に示すように、この膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）における中央部の測定部Ａ２と周辺部の測定部Ａ１において、カソードガス拡散層１４とカソード導電層１７との間に熱電対を挿入し、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層１４の表面の温度を測定した。測定の結果、中央部の測定部Ａ２におけるカソードガス拡散層１４の表面の温度は５５℃で、周辺部の測定部Ａ１におけるカソードガス拡散層１４の表面の温度は５０℃であった。
【００７３】
（第２実施例）
次に本発明の第２実施例に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において上記の第１実施例に係る燃料電池と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。
【００７４】
本実施例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１は、図３に示すように、表面カバー２３本体の表面に配置されている。すなわち、第１放熱部材２２は発電時にカソードの温度が高くなる表面カバー２３本体の中央部に配置され、第２放熱部材２１は発電時にカソードの温度が中央部よりも低くなる表面カバー２３本体の周辺部に配置されている。
【００７５】
さらに、本実施例に係る燃料電池では、図３に示すように、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１は、表面カバー２３本体に設けられた空気導入穴２４の間において膜電極接合体１０の短辺方向（Ｘ方向）と略平行に延びるように配置されている。
【００７６】
本実施例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２として、厚さ０．５ｍｍ、長さ３４ｍｍ、高さ２０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を４枚用い、第２放熱部材２１として、厚さ０．５ｍｍ、長さ３４ｍｍ、高さ１０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を６枚用いた。
【００７７】
なお、図３において、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１の厚さとはＹ方向の長さであって、長さとはＸ方向の長さであって、高さとはＺ方向に長さである。したがって、本実施例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２は第２放熱部材２１よりも、外気に接する表面積が大きくなるように構成されている。すなわち、本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）における中央部の放熱面積が、周辺部よりも大きくなっている。
【００７８】
この第２実施例に係る燃料電池において、上記の第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．９２（９２％）であった。また、この第２実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９８％であった。
【００７９】
また、第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、本実施例に係る燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層１４の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部Ａ２の温度は５４℃で、周辺部の測定部Ａ１の温度は５０℃であった。
【００８０】
（第３実施例）
次に、第３実施例に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。本実施例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２を３組、第２放熱部材２１を４枚、図４および図５に示す平面図のように、表面カバー２３本体の表面に配置した。
【００８１】
本実施例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２は、第１板材２２Ａと第２板材２２Ｂとを組み合わせて形成されている。すなわち、各第１放熱部材２２は第１板材２２Ａとして厚さ０．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、高さ１０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を１枚と、第２板材２２Ｂとして厚さ０．５ｍｍ、幅５ｍｍ、高さ１０ｍｍのステンレス板を１０枚とを有している。第１板材２２Ａと第２板材２２Ｂとは、図４および図５に示すように、その長さ方向において直交するように組み合わされ、溶接で固定されている。第２放熱部材２１としては、厚さ０．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、高さ１０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を４枚用いている。
【００８２】
なお、図４および図５に示す場合において、第１放熱部材２２の第１板材２２Ａおよび第２放熱部材２１の厚さとはＸ方向の長さであって、長さとはＹ方向の長さであって、高さとはＺ方向の長さである。また、第１放熱部材２２の第２板材２２Ｂの厚さとはＹ方向の長さであって、幅とはＸ方向の長さであって、高さとはＺ方向の長さである。
【００８３】
したがって、第１放熱部材２２は第２放熱部材２１よりも、外気に接する表面積が大きくなるように構成されている。さらに、第１放熱部材２２は第２放熱部材２１よりも、表面カバー２３本体を介して保湿層２０に接する面積が大きくなるように構成されている。
【００８４】
なお、第１放熱部材２２は、図６に示すように、第１板材２２Ａと、第２板材２２Ｂとが同じ高さにないように固定しても良い。図６に示すように、第２板材２２Ｂが表面カバー２３本体の表面に接しないように第１板材２２Ａに固定されていることによって、図５に示す場合よりもさらに第１放熱部材２２の外気に接する面積を大きくすることが出来る。すなわち、本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）における中央部の放熱面積および熱伝導面積が、周辺部よりも大きくなっている。
【００８５】
上記の第３実施例に係る燃料電池において、第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．９０（９０％）であった。また、この本実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して１００％であった。
【００８６】
また、第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層１４の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部Ａ２の温度は５５℃で、周辺部の測定部Ａ１の温度は５０℃であった。
【００８７】
（第４実施例）
次に、本発明の第４実施例に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。本実施例に係る燃料電池では、図７に示すように、第１放熱部材２２として、厚さ２．０ｍｍ、長さ５０ｍｍ、高さ１０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を３枚用いた以外は、第１実施例に係る燃料電池と同様である。
【００８８】
なお、図７に示す場合において、第１放熱部材２２の厚さとはＸ方向の長さであって、長さとはＹ方向の長さであって、高さとはＺ方向の長さである。したがって、第１放熱部材２２は第２放熱部材２１よりも、外気に接する表面積が大きくなるように構成されている。さらに、第１放熱部材２２は第２放熱部材２１よりも、表面カバー２３本体を介して保湿層２０に接する面積が大きくなるように構成されている。すなわち、本実施例に係る燃料電池では、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）における中央部の放熱面積および熱伝導面積が、周辺部よりも大きくなっている。
【００８９】
この第４実施例に係る燃料電池において、上記の第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．９０（９０％）であった。また、本実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９７％であった。
【００９０】
また、第１実施例に係る燃料電池の場合と同様に、本実施例に係る燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層１４の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部Ａ２の温度は５６℃で、周辺部の測定部Ａ１の温度は５１℃であった。
【００９１】
（第５実施例）
次に、本発明の第５実施例に係る燃料電池について図面を参照して以下に説明する。本実施例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２として、厚さ０．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、高さ１０ｍｍのアルミニウム（２０℃における熱伝導率２０４Ｗ／ｍＫ）板を３枚用いた以外は、第１実施例に係る燃料電池同様である。
【００９２】
但し、アルミニウム板とステンレス板の溶接は困難であるため、本実施例に係る燃料電池では、図８に示すように、第１放熱部材２２は、表面カバー２３本体に接する位置を折り曲げて、その長さ方向に略直交する断面が略Ｌ字形状となるようにしている。すなわち、第１放熱部材２２の断面を略Ｌ字状とし表面カバー２３本体と接する面積を大きくしている。
【００９３】
第１放熱部材２２の表面カバー２３本体との接着面には熱伝導性接着剤（Arctic Silver社製の型番ＴＡ−０１。２０℃における熱伝導率７．５Ｗ／ｍＫ）を塗布し、表面カバー２３の表面に接着した。
【００９４】
この第５実施例に係る燃料電池において、上記の第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．９０（９０％）であった。また、この第５実施例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して１０２％であった。
【００９５】
また、上記の第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層１４の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部Ａ２の温度は５３℃で、周辺部の測定部Ａ１の温度は４９℃であった。
【００９６】
（第１比較例）
次に、第１比較例に係る燃料電池につい説明する。本比較例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１を設けず、表面カバー２３本体のみを放熱部材として使用している。上記の点以外は、第１実施例に係る燃料電池と同様である。
【００９７】
この第１比較例の燃料電池において、上記の第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．９０（９０％）であった。また、この第１比較例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９０％であった。
【００９８】
また、上記の第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層１４の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部Ａ２の温度は５７℃で、周辺部の測定部Ａ１の温度は５２℃であった。
【００９９】
（第２比較例）
次に、第２比較例に係る燃料電池について説明する。本比較例に係る燃料電池では、第２放熱部材２１に、第１放熱部材２２と同じ、厚さ０．５ｍｍ、長さ５０ｍｍ、高さ２０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を用いている。上記の点以外は、第１実施例に係る燃料電池と同様である。すなわち、本比較例に係る燃料電池では、第１放熱部材２２の外気に接する面積と第２放熱部材２１の外気に接する面積とが同じである。
【０１００】
この第２比較例に係る燃料電池において、上記の第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして出力密度Ｐ１の出力密度Ｐ０に対する割合（Ｐ１／Ｐ０）を算出すると、０．８５（８５％）であった。また、この第２比較例に係る燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例に係る燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９４％であった。
【０１０１】
また、第１実施例に係る燃料電池の場合と同様にして、燃料電池が発電を行なっているときのカソードガス拡散層１４の表面の温度を測定した結果、中央部の測定部Ａ２の温度は５２℃で、周辺部の測定部Ａ１の温度は４７℃であった。
【０１０２】
第１乃至第５実施例に係る燃料電池、および第１乃至第２比較例に係る燃料電池の評価結果の一例を図９に示す。図９に示すように、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）中央部における放熱面積を、周辺部よりも大きくした第１乃至第３実施例に係る燃料電池、中央部の熱伝導断面積を周辺部よりも大きくした第４実施例に係る燃料電池、および、第１放熱部材２２の熱伝導率を第２放熱部材２１よりも大きくした第５実施例に係る燃料電池では、いずれも、発電を開始したときの出力密度と、発電を１０００時間行なった後の出力密度の両方において、第１比較例および第２比較例に係る燃料電池と同等かまたはそれよりも高くなっている。
【０１０３】
すなわち、第１乃至第５実施例に係る燃料電池が、出力が高く、かつ長期間に亘って安定に出力を維持できることが示されている。
【０１０４】
また、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１を設けず、表面カバー２３本体のみを放熱部材として用いた第１比較例に係る燃料電池では、発電を開始したときの出力密度が第１乃至第５実施例に係る燃料電池に比べて低下している。
【０１０５】
これは、第１放熱部材２２および第２放熱部材２１が無いために、カソードから外気へ放散される放熱量が少なく、カソードの温度が上昇したため、カソードからアノードへ供給される水の量が充分でなくなり、アノード触媒層１１における液体燃料の酸化反応が円滑に行なわれなかったことが原因であると考えられる。
【０１０６】
また、第１放熱部材２２と第２放熱部材２１として同一のものを用いた第２比較例に係る燃料電池では、発電を１０００時間行なった後の出力密度が第１乃至第５実施例に係る燃料電池と比べて低下している。
【０１０７】
これは、膜電極接合体１０の平面方向（Ｘ−Ｙ方向）において、周辺部では膜電極接合体１０のカソードの温度が低いにも関わらず、外気への放熱量を中央部と同じにしたため、カソードで発生した水蒸気の凝縮が必要以上に生じ、カソード触媒層中に保持される水の量が必要以上に多くなっており、発電時間が長くなると、カソード触媒層等の気孔が水で塞がれる、フラッディングを生じて出力が低下したためと考えられる。
【０１０８】
すなわち、上記の結果から、本実施形態に係る燃料電池によれば、膜電極接合体を構成するカソード中に保持される水の量と、カソードからアノードに供給される水の量とを、平面方向の全ての部分において適切な範囲に維持することにより、長期間に亘って安定な出力を維持する燃料電池を提供することができる。
【０１０９】
なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
【０１１０】
また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、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してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１１１】
【図１】本発明の第１実施例に係る燃料電池の一構成例を概略的に示す図。
【図２】本発明の第１実施例に係る燃料電池の表面カバーの一構成例を説明するための図。
【図３】本発明の第２実施例に係る燃料電池の表面カバーの一構成例を説明するための図。
【図４】本発明の第３実施例に係る燃料電池の一構成例を概略的に示す図。
【図５】本発明の第３実施例に係る燃料電池の表面カバーの一構成例を説明するための図。
【図６】本発明の第３実施例に係る燃料電池の表面カバーの他の構成例を説明するための図。
【図７】本発明の第４実施例に係る燃料電池の一構成例を概略的に示す図。
【図８】本発明の第５実施例に係る燃料電池の一構成例を概略的に示す図。
【図９】本発明の第１乃至第５実施例および第１乃至第２比較例に係る燃料電池の評価結果の一例を説明するための図。
【符号の説明】
【０１１２】
１０…膜電極接合体、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…カソード触媒層、１４…カソードガス拡散層、１５…電解質膜、１６…アノード導電層、１７…カソード導電層、２１…第２放熱部材、２２…第２放熱部材、２３…表面カバー、４０…燃料供給機構
【図１】
2009187797.tif 000003
【図２】
2009187797.tif 000004
【図３】
2009187797.tif 000005
【図４】
2009187797.tif 000006
【図５】
2009187797.tif 000007
【図６】
2009187797.tif 000008
【図７】
2009187797.tif 000009
【図８】
2009187797.tif 000010
【図９】
2009187797.tif 000011