(57)【要約】【課題】膜電極接合体の温度が必要以上に高くなることなく、高い出力を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】燃料極１３、１４、１７と、空気極１１、１２、１６と、燃料極１３、１４、１７と空気極１１、１２、１６とに挟持された電解質膜１５とを備えた膜電極接合体１０と、膜電極接合体１０の燃料極側に配置され、燃料極１３、１４、１７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の空気極側に配置され、空気極１１、１２、１６で生成した水を含浸する保湿層２０と、を備え、保湿層２０の少なくとも一部に、２０保湿層を構成する材料よりも熱伝導率の高い熱伝導材２１、２２が配置されている燃料電池。【選択図】  図１
2009134928.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を備えた膜電極接合体と、
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、を備え、
前記保湿層の少なくとも一部に、前記保湿層を構成する材料よりも熱伝導率の高い熱伝導材が配置されている燃料電池。
【請求項２】
前記保湿層の外気側に、空気導入口を有するカバープレートが配設され、前記熱伝導材は、前記カバープレートの空気導入口とは異なる位置に配置されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記熱伝導材の少なくとも一部が、前記カバープレートの少なくとも一部と接触している請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記熱伝導材は、前記保湿層を厚さ方向に貫通するように配置された請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記熱伝導材は、前記空気極の温度が高い第１領域上において前記保湿層に配置された第１熱伝導材と、前記空気極の温度が前記第１領域よりも低い領域上において前記保湿層に配置された第２熱伝導材と、を有し、
前記第１熱伝導材は、前記第２熱伝導材よりも、熱伝導率または熱伝導断面積の少なくともいずれか一方が大きくなるよう構成された請求項１乃至請求項４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、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。
【０００４】
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）。
【０００５】
燃料収容部は、例えば流路を介して燃料供給部に接続されている。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（燃料極）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。
【０００６】
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。
【０００７】
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、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。
【０００８】
（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。
【０００９】
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】
【００１０】
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は、保湿層の厚さは厚いほど良い。
【００１１】
しかし、保湿層は通常、多孔質性の樹脂などの熱伝導率の低い材料で構成されており、保湿層の厚さを厚くすると、上記式（２）で示されるカソード触媒層における反応によって発生した熱が外気へ放散されにくくなり、発電反応を続けているとカソード触媒層の温度が上昇していき、更に膜電極接合体全体の温度が上昇していくことになる。
【００１２】
この膜電極接合体の温度上昇を防ぐために、膜電極接合体の少なくとも一部の温度を検知する温度検知手段を設け、その検知された温度が予め設定された値を上回った場合には、膜電極接合体に供給される燃料を遮断したり、燃料の供給量を減少させたりすることが行なわれる。
【００１３】
しかしこの場合、燃料の供給量を減少させるとアノード触媒層における上記式（１）で示される反応が減少するため、結果として燃料電池で発生する出力（電力）が低下することになる。
【００１４】
また、通常の燃料電池では、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ているのが一般的である。このような温度分布が生じる原因としては、膜電極接合体に供給される燃料の量の不均一や、膜電極接合体で発生した熱が外気へ放散される量の不均一などが考えられ、多くの場合、膜電極接合体の中央部で温度が高く、周辺部で温度が低くなる。
【００１５】
このとき、上記の温度検知手段が、膜電極接合体の中央部に設けられている場合、その中央部の温度が予め設定された温度を上回ると、周辺部ではまだ設定された温度に達していなくても、燃料の供給が遮断もしくは減少し、燃料電池で発電される出力（電力）は低い値に抑えられることになる。一方、温度検知手段が膜電極接合体の周辺部に設けられている場合、その周辺部の温度が予め設定された温度を上回ったときは、中央部の温度は更に高い温度になっており、膜電極接合体を構成する材料や周辺に配置される材料の少なくとも一部が、熱によって変形や変質を生じる可能性がある。
【００１６】
また、膜電極接合体の温度が高くなると、燃料供給機構を構成する燃料分配層や燃料供給部の近傍の温度も上昇し、液体燃料の蒸気圧が高くなって、アノードに、式（１）の反応で必要となる量以上の液体燃料又は液体燃料の気化成分が供給されることになる。式（１）の反応で消費されなかった液体燃料の気化成分は、電解質膜を透過してカソードに達し、カソードに供給されている空気中の酸素と、直接燃焼反応を生じて酸素を消費する。液体燃料がメタノールである場合、この直接燃焼反応は以下の式（３）で表される。
【００１７】
ＣＨ３ＯＨ＋（３／２）Ｏ２  →  ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ  …式（３）
この直接燃焼反応によって酸素が消費されると、式（２）で表される、カソードにおける発電反応に必要な酸素の量が不足し、結果として、燃料電池における発電が円滑に行なわれなくなり、燃料電池の出力は低下する。
【００１８】
本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであって、膜電極接合体の温度が必要以上に高くなることなく、高い出力を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】
【００１９】
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を備えた膜電極接合体と、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、を備え、前記保湿層の少なくとも一部に、前記保湿層を構成する材料よりも熱伝導率の高い熱伝導材が配置されている。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、膜電極接合体の温度が必要以上に高くなることなく、高い出力を得られ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】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。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（例えば、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を得ることができる。
【００２５】
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。
【００２６】
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を得ることができる。
【００２７】
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。
【００２８】
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を得た。
【００２９】
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１８の内側に相当する位置に、直径０．５ｍｍのガス排出孔（図示せず）を２箇所に設けても良い。
【００３０】
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。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。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１８を挟持して膜電極接合体１０にシールを施した。
【００３１】
カソード導電層１７の上には、カソードで生成した水を含浸する保湿層２０が配置されている。本実施形態に係る燃料電池では、保湿層２０は保湿材料と保湿層を構成する材料よりも熱伝導率の高い熱伝導材２１、２２とから成る。すなわち、保湿層２０の少なくとも一部に保湿層材料よりも熱伝導率の高い熱伝導材２２、２１が配置されている。熱伝導材２１は、前記カソードの温度が低い領域上において保湿層２０に配置されている。熱伝導材２２は、前記カソードの温度が高くなりやすい領域上において保湿層２０に配置されている。
【００３２】
本実施形態に係る燃料電池では、熱伝導材２２が保湿層２０の中央部分に配置され、熱伝導材２１は熱伝導材２２が埋設された周囲において保湿層２０に配置されている。カソードの温度が高くなりやすい領域上に配置された熱伝導材２２は、熱伝導材２１よりも、熱伝導率または熱伝導断面積（例えば、熱伝導率が同等であっても熱伝導方向の断面積が大きければ熱伝導効率は高くなる）の少なくともいずれか一方が大きくなるよう構成されている。
【００３３】
本実施形態に係る燃料電池では、保湿層２０として、例えば厚さが１．０ｍｍで、透気度が２．０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、長さ４４ｍｍ、幅３４ｍｍの長方形に切り、積層した。この保湿層２０には、周辺部の熱伝導材２１および中央部の熱伝導材２２を配置するため、熱伝導材２１、２２がそれぞれ嵌り込む大きさの穴が設けられている。熱伝導材２１、２２は、保湿層２０の穴に配置（埋設）され、保湿層２０の厚さ方向（Ｚ方向）に貫通している。
【００３４】
周辺部の熱伝導材２１は例えば、厚さ１．０ｍｍ、幅１．０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４。２０℃における熱伝導率１５Ｗ／ｍＫ）製角材の表面を、厚さ５０μｍのポリイミド樹脂（同０．３Ｗ／ｍＫ）のフィルムで被覆して作成した。中央部の熱伝導材２２は、厚さ１．０ｍｍ、幅２．０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）製角材の表面を、同様に厚さ５０μｍのポリイミド樹脂のフィルムで被覆して作成した。なお、本実施形態に係る燃料電池において、熱伝導材２１、２２の幅とは、図２に示す熱伝導材２１、２２のＹ方向の長さであって、熱伝導材２１、２２の厚さとは図１に示す熱伝導材２１、２２のＺ方向の長さである。
【００３５】
なお、カソード導電層１７と保湿層２０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は出来るだけ密着していることが望ましい。そのため、保湿層２０に配置する熱伝導材２１および２２は、保湿層２０と厚さを等しくして、保湿層２０と熱伝導材２１および２２が、カソード導電層１７に均一にかつ隙間なく密着するように構成することが望ましい。
【００３６】
この保湿層２０の上に、例えば直径３ｍｍの円形の空気導入口２４を４８個形成した厚さ１．０ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を積層し、カバープレート２３とした。前記した周辺部の熱伝導材２１および中央部の熱伝導材２２は、いずれも、その表面の一部がカバープレート２３に接触している。ここで、カバープレート２３、空気導入口２４、および周辺部の熱伝導材２１、中央部の熱伝導材２２の相互の位置関係は、例えば図２および図３に示すようにカバープレートの空気導入口２４とは異なる位置に配置されていることが好ましい。この構成により、より良好に熱伝導を行わせることができる。ここで、図２は、保湿層２０の面方向に長尺の熱伝導材２１，２２を配置したものであり、図３は、保湿層２０Ｎ厚さ方向に柱状の熱伝導材２１，２２を配置したものである。
【００３７】
熱伝導材２１，２２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、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ナイロン（デュポン社商品名）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）、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（ＰＩ）、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。また、これらの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。
【００３８】
また、熱伝導材２１，２２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（同２０４Ｗ／ｍＫ）、タングステン（同１９８Ｗ／ｍＫ）は熱伝導率が高いために好ましい。
【００３９】
但し、熱伝導材２１，２２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（同１５Ｗ／ｍＫ）等の腐食しにくい材料を用いるか、または、熱伝導材の表面に、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、液体燃料に溶解しない塗料で塗装する等のことが行なわれる。コーティングを施すための樹脂もしくはゴムとしては、上記した材料が使用可能である。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。
【００４０】
また、膜電極接合体１０が、複数の小部分に分割され、それら小部分が相互に電気的に直列または並列に接続されている場合は、熱伝導材２１，２２を介して電気的な短絡が生じないように、熱伝導材が絶縁性の材料で構成されているか、または熱伝導材の少なくとも表面が絶縁性の材料で覆われていることが望ましい。熱伝導材の表面を覆うための絶縁性の材料としては、上記したような樹脂もしくはゴム、塗料等が使用可能である。
【００４１】
図２および図３においては、熱伝導材２１をカソードの温度が低い領域上において保湿層２０に配置されて、熱伝導材２２をカソードの温度が高くなりやすい領域上において保湿層２０に配置されている２種類の熱伝導材を配置した構成で説明したが、３種類以上の熱伝導材を配置しても良い。また、カソード温度が高くなりやすい温度領域に１種類の熱伝導材を配置した構成であっても良い。
【００４２】
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。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。
【００４３】
なお、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。
【００４４】
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と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。
【００４５】
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、図１に示すように、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。
【００４６】
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、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ；ヴィクトレックス社商標）等で構成される。
【００４７】
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。
【００４８】
[実施例]
以下、本発明の実施例を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。
【００４９】
（第１実施例）
第１実施例に係る燃料電池について図１および図２を参照して以下に説明する。
【００５０】
本実施例に係る燃料電池は、保湿層２０の中央部に配設される熱伝導材２２として、厚さ１．０ｍｍ、幅１．０ｍｍのステンレス（２０℃における熱伝導率１５Ｗ／ｍＫ）製角材の表面を、厚さ５０μｍのポリイミド樹脂（同０．３Ｗ／ｍＫ）のフィルムで被覆したものを用いている。この燃料電池に、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。
【００５１】
上記した条件の下で、燃料電池から得られる出力密度Ｐ０を計測した。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。
【００５２】
また、この膜電極接合体の中央と周辺部の各１箇所ずつ、カソードガス拡散層１４とカソード導電層１７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、中央部におけるカソードガス拡散層１４の表面の温度は５１℃で、周辺部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。ここで、カソードガス拡散層１４の周辺部とは、保湿層２０の熱伝導材２１、２２が配置された周囲の領域と厚さ方向において重なるカソードガス拡散層１４の部分であって、カソードガス拡散層１４の中央部とは、上記の周辺部に囲まれたカソードガス拡散層１４の部分である。
【００５３】
（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１および図２を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において上述の第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。
【００５４】
本実施例に係る燃料電池は、保湿層２０の中央部に配設される熱伝導材２２として、厚さ１．０ｍｍ、幅１．０ｍｍのアルミニウム（２０℃における熱伝導率２０４Ｗ／ｍＫ）製角材の表面を、厚さ５０μｍのポリイミド樹脂（同０．３Ｗ／ｍＫ）のフィルムで被覆したものを用いている。
【００５５】
本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発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値と、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。
【００５６】
その結果、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。また、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、中央部における温度は５１℃で、周辺部における温度は４９℃であった。
【００５７】
（第３実施例）
次に、本発明の第３実施例に係る燃料電池について図１および図３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、保湿層２０の周辺部に配設された熱伝導材２１として、直径１．０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）製の丸線を長さ１．０ｍｍに切断し、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ。２０℃における熱伝導率０．２Ｗ／ｍＫ）を含む熱硬化性塗料を厚さ１０μｍになるように塗布し、加熱硬化したものを用いた。
【００５８】
また、保湿層２０の中央部に配設された熱伝導材２２として、直径２．０ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）製の丸線を長さ１．０ｍｍに切断し、同様にＰＴＦＥを含む熱硬化性塗料を厚さ１０μｍになるように塗布し、加熱硬化したものを用いた。
【００５９】
本実施例に係る燃料電池は、これら熱伝導材２１および２２を、図３に示す位置関係になるように、保湿層２０に配置した。それ以外は第１実施例に係る燃料電池と同様である。
【００６０】
上記の本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発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値と、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。
【００６１】
その結果、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。また、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、中央部における温度は５２℃で、周辺部における温度は５０℃であった。
【００６２】
（第１比較例）
次に、第１比較例に係る燃料電池について説明する。第１比較例に係る燃料電池は、保湿層２０に熱伝導材２１および２２を配置しない以外は、第１実施例に係る燃料電池と同様である。
【００６３】
この第１比較例に係る燃料電池において、第１実施例と同様に発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値と、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。
【００６４】
その結果、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１０３％であった。また、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、中央部における温度は６０℃で、周辺部における温度は５４℃であった。
【００６５】
（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。第２比較例に係る燃料電池は、中央部においてカソードガス拡散層１４の表面の温度を測定する熱電対と、流路４３を流れる燃料を遮断する燃料遮断機構を設け、さらに、カソードガス拡散層１４の中央部の温度が５０℃を上回ると流路４３を流れる燃料を遮断するように制御回路を構成した。本比較例に係る燃料電池は、上記の構成以外は第１比較例に係る燃料電池と同様である。
【００６６】
この第２比較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発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値と、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。
【００６７】
その結果、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例の燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９５％であった。また、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、中央部における温度は５２℃で、周辺部における温度は４８℃であった。
【００６８】
（第３比較例）
次に、第３比較例に係る燃料電池について以下に説明する。本比較例に係る燃料電池は、保湿層２０として、厚さが０．５ｍｍで、気孔率２６％、熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫ、透気度が１．４秒／１００ｃｍ３（ＪＩＳ  Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）で、透湿度が４０００ｇ／（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４４ｍｍ、幅３４ｍｍの長方形に切ったものを用いた。本比較例に係る燃料電池は、上記の保湿層２０の構成以外は第１比較例に係る燃料電池と同様である。
【００６９】
この第３比較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発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値と、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。
【００７０】
その結果、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８８％であった。また、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、中央部における温度は５１℃で、周辺部における温度は４８℃であった。
【００７１】
以上の第１乃至第３実施例に係る燃料電池、および、第１乃至第３比較例に係る燃料電池の出力密度とカソードガス拡散層１４の表面の温度との測定結果を図４に示す。図４に示すように、保湿層の厚さが１．０ｍｍで、熱伝導材を配置しない第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は第１乃至第３実施例に係る燃料電池よりも高い。
【００７２】
しかし、第１比較例に係る燃料電池では、中央部におけるカソードガス拡散層表面の温度は６０℃に達しており、膜電極接合体１５を構成する材料や、その周辺に配置される材料等において変形や変質を生じる可能性がある。
【００７３】
また、第１比較例に係る燃料電池では、中央部におけるカソードガス拡散層表面の温度は、液体燃料であるメタノールの沸点（６２℃）に近く、メタノールが必要量以上に気化してアノードに供給され、余剰のメタノール蒸気が電解質膜を透過してカソード触媒層に達し、カソード触媒層でメタノールと酸素の直接燃焼反応が生じて酸素を消費したため、燃料電池の出力が低下したと考えられる。
【００７４】
また、中央部のカソードガス拡散層表面の温度が５０℃を上回ると燃料を遮断するように構成した第２比較例に係る燃料電池や、保湿層２０の厚さを０．５ｍｍとした第３比較例に係る燃料電池では、カソードガス拡散層１４表面の温度は第１および第２実施例に係る燃料電池と同程度であるが、発電を開始したときの出力密度が第１および第２実施例に係る燃料電池に比べて低下している。
【００７５】
第２比較例に係る燃料電池においては、中央部のカソードガス拡散層１４表面の温度が５０℃を上回ると燃料の供給が遮断されるため、第１比較例に係る燃料電池で生じたような、必要以上の量のメタノールがアノードに供給される現象は起こらないが、同時に周辺部に供給される燃料も遮断されるため、アノードの周辺部では逆に、アノードに供給されるメタノールの量は、式（１）で示されるアノードの発電反応に必要な量に対して必ずしも充分ではない。そのため、第２比較例に係る燃料電池では、燃料電池の出力が低下したと考えられる。
【００７６】
第３比較例に係る燃料電池においては、保湿層２０の厚さが０．５ｍｍで、この保湿層２０の厚さは、カソードからアノードへの水拡散を行なわせるのに必ずしも充分ではない。そのため、式（１）で示されるアノードの発電反応が充分に行なわれず、燃料電池の出力が低下したと考えられる。
【００７７】
すなわち、上記の第１乃至第３実施例に係る燃料電池では、第１乃至第３比較例に係る燃料電池と比較して、カソードガス拡散層１4表面の温度が高くならず、かつ、高い出力をえることが出来る。したがって、上記の第１乃至第３実施例に係る燃料電池によれば、膜電極接合体の温度が必要以上に高くなることなく、高い出力を得られる燃料電池を提供することができる。
【００７８】
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。
【００７９】
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】
【００８０】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池の一構成例を概略的に示す図。
【図２】図１に示す燃料電池の保湿層の一構成例を概略的に示す図。
【図３】本発明の他の実施形態に係る燃料電池の保湿層の一構成例を概略的に示す図。
【図４】本発明の第１乃至第３実施例に係る燃料電池および第１乃至第３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】
【００８１】
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、２２…熱伝導材、３０…燃料分配層、４０…燃料供給機構
【図１】
2009134928.tif 000003
【図２】
2009134928.tif 000004
【図３】
2009134928.tif 000005
【図４】
2009134928.tif 000006