(57)【要約】【課題】高出力性能を有する燃料電池を提供すること。【解決手段】燃料と、燃料極拡散電極と燃料極触媒層とからなる燃料極と、固体高分子電解質膜と、セパレータと、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散電極からなる酸化剤極とがこの順で積層された構造を有し、前記セパレータと前記酸化剤極とは、液体アルカリ性電解質を含むことを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
2009110904.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料と、
燃料極拡散電極と燃料極触媒層とからなる燃料極と、
固体高分子電解質膜と、
セパレータと、
酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散電極からなる酸化剤極とがこの順で積層された構造を有し、
前記セパレータと前記酸化剤極とは、液体アルカリ性電解質を含むことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記酸化剤極の外側に配置され、前記酸化剤極からの水分蒸発を抑制する乾燥防止層をさらに備え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】
前記乾燥防止層が、撥水性材料または保水性材料を含むことを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料と前記燃料極との間に配置され、前記燃料極への前記燃料の透過を抑制する燃料透過抑制層をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料透過抑制層が、撥水性多孔質材料または親水性非多孔質材料を含むことを特徴とする、請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料極で発生する二酸化炭素を外部に排出するための二酸化炭素排出孔をさらに備えることを特徴とする、請求項１〜５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、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子電解質型燃料電池は、燃料極および酸化剤極、ならびにこれらの間に設けられた固体高分子電解質膜から構成され、このような構成は、膜／電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ、ＭＥＡ）と呼ばれる。この燃料極には燃料が供給され、酸化剤極には酸化剤が供給されて、電気化学反応により発電する。燃料極および酸化剤極は、拡散電極と、この拡散電極の表面に設けられる触媒層とを含む。燃料としては、一般的に水素が用いられているが、近年、安価で取り扱いの容易な有機液体であるメタノールが用いられている。近年では、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型の燃料電池や、メタノールを燃料として直接利用する直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の開発が行われている。
【０００３】
燃料電池には、電解質膜を透過するイオンが、水素イオンである酸型燃料電池と、このイオンが水酸イオンであるアルカリ型燃料電池の二種類がある。
【０００４】
酸型燃料電池の場合、燃料としてメタノールを用いると、燃料極では以下の式（１）の反応が起こり、酸化剤極では以下の式（２）の反応が起こる。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２↑  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  ・・・（１）
３／２Ｏ２  ＋  ６Ｈ＋  ＋  ６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ  ・・・（２）
【０００５】
アルカリ型燃料電池の場合、燃料としてメタノールを用いると、燃料極では以下の式（３）の反応が起こり、酸化剤極では以下の式（４）の反応が起こる。
ＣＨ３ＯＨ  ＋  ６ＯＨ−  →  ５Ｈ２Ｏ  ＋  ＣＯ２↑  ＋  ６ｅ−  ・・・（３）
３／２Ｏ２  ＋  ３Ｈ２Ｏ  ＋  ６ｅ−  →  ６ＯＨ−  ・・・（４）
【０００６】
酸型燃料電池のＭＥＡに用いられる電解質材料としては、ナフィオン（登録商標）等の高性能な固体高分子電解質材料が既に開発されている。またさらにＭＥＡ化が容易な材料の研究が広くなされている。しかし、酸化剤極の触媒層に用いることができる触媒金属としては、耐酸性に優れた白金系触媒しか見出されていない。白金系触媒を用いると、燃料電池のコストが高くなるという問題がある。
【０００７】
これに対して、アルカリ型燃料電池は、酸化剤極触媒に高価な貴金属系以外の触媒を使用することが可能であるため、燃料電池の低コスト化が期待できる。また、酸型燃料電池と同様に、燃料電池本来のエネルギー密度が非常に高いという特徴を有する。
【０００８】
しかし、アルカリ型燃料電池については、酸型燃料電池で使用されているナフィオン（登録商標）を代表とする高性能な燃料電池用の固体高分子電解質が、現在開発されていない。このため、アルカリ型燃料電池では、酸型燃料電池のような、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体高分子電解質膜から構成される固体高分子電解質膜−電極構造体（ＭＥＡ）を基本構造とする燃料電池セルを、酸型燃料電池と同様には作製することができない。
【０００９】
そこで、アルカリ型燃料電池においては一般に、燃料極触媒層と燃料極拡散層とからなる燃料極と、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散層とからなる酸化剤極との間に、電解質膜の代わりにセパレータと称される、燃料極と酸化剤極とを分離する層状の膜を備える電極構造体が使用される。また、この構造体全体が、アルカリ性電解質を含む燃料で満たされる。
【００１０】
アルカリ型燃料電池において、燃料中にアルカリ性電解質が含まれることにより、式（３）の反応が円滑に進まないという問題がある。
すなわち、従来のアルカリ型燃料電池では、燃料極側触媒層はアルカリ性になっており、このため、式（３）の反応で生成されるＣＯ２は、実際には気体として放出されるのではなく、燃料極側にある燃料中に炭酸イオンとして溶解してしまう。このために、この燃料中に存在していた水酸イオンは、ＣＯ２との反応により消費される。このため、長時間の発電を行うと、水酸イオン濃度が変化して、安定した発電を行うことができない。
【００１１】
これに対して、酸型燃料電池の場合、燃料極が酸性状態であり、式（１）の反応で生じるＣＯ２は系外に排出され、発電の安定性は良い。しかし、前述のように、酸化剤極に用いられる触媒が白金系合金に限られるという欠点があった。
【００１２】
これらの欠点を補うために、特許文献１では、燃料極と酸化剤極との間に設けられる電解質膜の燃料極側にカチオン交換性部分を設け、酸化剤極側にアニオン交換性部分を設けたバイポーラ型燃料電池が提案されている。このバイポーラ型の燃料電池において、燃料極では式（１）の反応が起こり、酸化剤極では式（４）の反応が生じる。この燃料極で生成した水素イオンと、酸化剤極で生成した水酸イオンとは、電解質膜中で、式（５）で示されるように反応して、水が生成する。
６Ｈ＋  ＋  ６ＯＨ−  →  ６Ｈ２Ｏ  ・・・（５）
【００１３】
このバイポーラ型燃料電池において、燃料極は酸性状態に保たれるため、ＣＯ２を燃料極から系外に放出することができる。また、酸化剤極はアルカリ性に保たれるため、非白金系触媒の使用が可能となる。
【００１４】
【特許文献１】特開平７−３３５２３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
しかし、特許文献１のＭＥＡを実際に構成するには、アニオン交換性電解質が必要となるが、現在使用できる固体高分子型のアニオン電解質材料は、水酸イオン伝導性特性が低く、このため燃料電池の出力が低くなる。
【００１６】
そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、高出力性能を有する燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決する本発明によれば、燃料と、燃料極拡散電極と燃料極触媒層とからなる燃料極と、固体高分子電解質膜と、セパレータと、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散電極からなる酸化剤極とがこの順で積層された構造を有し、前記セパレータと前記酸化剤極とは、液体アルカリ性電解質を含むことを特徴とする燃料電池が提供される。
【００１８】
この燃料電池において、セパレータと酸化剤極とが液体アルカリ性電解質を含むことにより、燃料極では式（１）の反応が起こり、酸化剤極では式（４）の反応が生じる。このセパレータおよび酸化剤極における水酸イオンは、極性基を介して伝達されるだけでなく、この液体アルカリ性電解質自体が拡散することにより伝達される。これにより、従来の固体高分子アニオン電解質の水酸イオン伝導性に比べて高い水酸イオン伝導性が得られる。したがって、高出力性能を有する燃料電池が得られる。
【００１９】
また、酸化剤極はアルカリ性電解質を含むため、酸化剤極触媒層もまたアルカリ性となる。これにより、低コストな非白金系触媒を用いることができるため、燃料電池を低コストで製造することができる。
【００２０】
さらに、固体高分子電解質膜は酸性であるため、電池反応（式（１）の反応）で生じるＣＯ２は気体として系外に放出される。したがって、安定した発電を行うことができる燃料電池を得ることができる。
【００２１】
また、本発明の燃料電池は、上記酸化剤極の外側に配置され、上記酸化剤極からの水分蒸発を抑制する乾燥防止層をさらに備えてもよい。
上記構成により、酸化剤極からの水分蒸発が抑制でき、水分状態を維持でき、安定した発電が可能となる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池は、上記燃料と上記燃料極との間に配置され、上記燃料極への上記燃料の透過を抑制する燃料透過抑制層をさらに備えてもよい。
上記構成により、燃料が酸化剤極側に無駄に拡散するのを抑制でき、より長時間の発電が可能となる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、高出力性能を有する低コストの燃料電池が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
図面を参照しつつ、本発明の燃料電池について以下に詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
【００２５】
（第一の実施形態）
図１は、第一の実施形態による燃料電池１の単セル構造を模式的に示す断面図である。燃料電池１は、燃料極拡散電極１１と燃料極触媒層１２とからなる燃料極１０、固体高分子電解質膜３１、セパレータ３０、および酸化剤極触媒層２２と酸化剤極拡散電極２１とからなる酸化剤極２０がこの順で積層された構造体を有する。この構造体は、燃料４０を収容する容器５０の開口部を密封するように、燃料極１０が燃料４０に接した状態で、容器５０の開口部に装着されている。セパレータ３０および酸化剤極２０は、アルカリ性電解質を含有する。
【００２６】
燃料極１０は、燃料極拡散電極１１および燃料極触媒層１２からなる二層構造を有する。本実施形態において、この燃料極１０は、燃料極拡散電極１１が燃料４０に面するように配置される。燃料極触媒層１２は、固体高分子電解質膜３１に面し、この電解質膜３１に接して配置される。この燃料極１０には、燃料４０が供給される。
【００２７】
燃料極拡散電極１１の材料には、カーボンペーパー、カーボン成形体、カートン焼結体、燒結金属、発泡金属、金属繊維シート等の導電性多孔性材料が用いられる。中でも、燃料極１０の集電特性を向上させることができることから、燒結金属、発泡金属、金属繊維シート等の金属材料が好ましい。
【００２８】
燃料極触媒層１２は、触媒を担持した炭素粒子を含み、この燃料極触媒層１２は燃料極拡散電極１１上に形成される。触媒としては、例えば、白金、金、銀、鉄、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、もしくはイットリウム、またはこれらの合金が挙げられる。燃料極触媒層１２はまた、水素イオン伝導性固体高分子電解質を含んでもよい。
【００２９】
酸化剤極２０は、酸化剤極拡散電極２１および酸化剤極触媒層２２からなる二層構造を有する。本実施形態において、この酸化剤極２０は、酸化剤極触媒層２２がセパレータ３０に面し、酸化剤極拡散電極２１が外部側に面するように配置される。酸化剤極２０には、空気または酸素等の酸化剤が供給される。
【００３０】
酸化剤極拡散電極２１の材料には、燃料極拡散電極１１の材料と同様に、カーボンペーパー、カーボン成形体、カートン焼結体、燒結金属、発泡金属、金属繊維シート等の導電性多孔性材料が用いられる。中でも、燃料極１０の集電特性を向上させることができることから、燒結金属、発泡金属、金属繊維シート等の金属材料が好ましい。
【００３１】
酸化剤極触媒層２２は、触媒を担持した炭素粒子を含み、この酸化剤極触媒層２２は酸化剤極拡散電極２１上に形成される。酸化剤極触媒層２２に用いられる触媒としては、燃料極触媒層１２のものと同様の触媒が使用できる。なお、酸化剤極触媒層２２の触媒と燃料極触媒層１２の触媒とは、同一であっても異なっていてもよい。酸化剤極触媒層２２はまた、水酸イオン伝導性固体高分子電解質を含んでもよい。
【００３２】
燃料４０としては、例えば、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、もしくはその他のアルコール類、またはシクロパラフィン等の液体炭化水素；ホルマリン、ギ酸、またはヒドラジン等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、有機液体燃料を含む水溶液であってもよい。
【００３３】
酸化剤としては、通常、空気が用いられるが、酸素ガスを用いるとより高い出力を得ることができる。
【００３４】
固体高分子電解質膜３１は、燃料極触媒層１２で生成した水素イオンを酸化剤極２０へ移動させる役割を有する。このため、この電解質膜３１は、水素イオン伝導性が高い膜であることが望ましい。また、電解質膜３１は、化学的に安定であり、機械的強度が高い膜であることが望ましい。このような電解質膜材料としては、好ましくは、スルホン基、もしくはリン酸基等の強酸基、またはカルボキシル基等の弱酸基等の極性基を有する有機高分子が挙げられる。このような有機高分子としては、例えば、スルホン化ポリ（４−フェノキシベンゾイル−１，４−フェニレン）、アルキルスルホン化ポリベンゾイミダゾール等の芳香族縮合系高分子；スルホン基含有パーフルオロカーボン（例えば、ナフィオン（登録商標）（デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製））；カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（例えば、フレミオンＳ膜（登録商標）（旭硝子社製））が挙げられる。
【００３５】
セパレータ３０は、固体高分子電解質膜３１と酸化剤極触媒層２２とを隔てるとともに、これらの間でアルカリ性電解質を含む水溶液を介して、水酸イオンを透過させる役割を有する。このため、セパレータ３０の材料は、水酸イオン透過性であれば、多孔膜であっても稠密な膜であってもよい。しかし、固体高分子電解質膜３１と酸化剤極触媒層２２とを分離できなければ、酸性状態にある固体高分子電解質膜３１により酸化剤極触媒層２２が酸性となり、その結果、この燃料電池１はバイポーラ型燃料電池として作動できなくなる。したがって、セパレータ３０の厚さは、１μｍ以上が望ましく、１０μｍ以上１００μｍ以下の範囲がさらに望ましい。セパレータ３０の材料としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の多孔膜が挙げられる。
【００３６】
セパレータ３０および酸化剤極２０は、アルカリ性電解質で満たされる。バイポーラ型の燃料電池において、アルカリ性電解質は、固体高分子電解質膜３１を通って拡散して燃料極１０に浸透してはならない。このため、このアルカリ性電解質は、固体高分子電解質膜３１を透過しにくい材料であることが望ましい。
【００３７】
水素イオン伝導性を有する固体高分子電解質膜３１は、アニオン型の極性基を有する高分子鎖から構成される膜であり、これは水を含む。このため、アルカリ性電解質中のカチオンがアルカリ金属のように小さい場合、このカチオンが電解質膜３１内を拡散し、燃料極触媒層１２に到達してしまう。一方、アルカリ性電解質中のカチオンが分子である場合、このカチオンのサイズを大きくして、電解質膜３１内の拡散を抑制することが可能である。しかし、カチオンのサイズが大きすぎると、セパレータ３１内のアルカリ性電解質の拡散が阻害されるため、水酸イオンの輸送能が低下し、燃料電池の発電性能が低下する。このため、アルカリ性電解質中のカチオンの分子サイズは、０．５ｎｍ以上５ｎｍ以下の範囲が最適である。このようなアルカリ性電解質としては、水酸化アルキルアンモニウムおよび水酸化ベンジルアルキルアンモニウム等が挙げられる。
【００３８】
以下に、本実施形態に係る燃料電池の製造方法について説明する。本実施形態では、燃料電池１が、燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０、および固体高分子電解質膜３１を含むＭＥＡ構造を有する場合を説明する。
【００３９】
まず、燃料極１０および酸化剤極２０を作製する。これらは、例えば、カーボンペーパーから構成される拡散電極上に、触媒物質とバインダとを含む触媒層を形成することにより得られる。より詳細には、まず、炭素粒子へ触媒を担持する。この工程は、一般的に用いられる含浸法により行うことができる。次に、触媒を担持させた炭素粒子とバインダとを適切な溶媒中に分散させて、ペーストを得、これを燃料極拡散電極１１または酸化剤極拡散電極２１に塗布し、乾燥させる。これにより、燃料極触媒層１２が形成された燃料極１０および酸化剤極触媒層２２が形成された酸化剤極２０を作製することができる。
【００４０】
ここで、バインダとしては、燃料極触媒層１２では、ナフィオン等の水素イオン伝導性を有する固体電解質が用いられ、酸化剤極触媒層２２では、ＰＴＦＥ微粒子が用いられ得る。
【００４１】
燃料極拡散電極１１または酸化剤極拡散電極２１へのペーストの塗布は、特に制限されないが、例えば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷により行われる。ペーストは、拡散電極上に、約１μｍ〜２ｍｍの厚さで塗布される。塗布後、このペーストを、使用されたバインダに応じた加熱温度および加熱時間で加熱して乾燥させる。
【００４２】
次に、セパレータ３０および固体高分子電解質膜３１を、燃料極１０と酸化剤極２０とで挟み、ホットプレスして電極構造体を得る。このとき、燃料極１０の触媒層１２が設けられた面と電解質膜３１とが対向し、酸化剤極２０の触媒層２２が設けられた面とセパレータ３０とが対向するようにする。また、ホットプレスの条件は、使用される材料に応じて異なり、例えば、触媒層（１２、２２）に使用されるバインダの軟化温度より高い温度で行われる。具体的には、温度１００℃〜２５０℃、圧力５ｋｇｆ／ｃｍ２〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２、時間１０秒〜３００秒の条件が用いられる。セパレータ３０には、前述のＰＴＦＥ多孔膜等が用いられ、固体高分子電解質膜３１には、ナフィオン（登録商標）または炭化水素系電解質膜等が用いられ得る。
【００４３】
このように得られたＭＥＡ構造体を、燃料極拡散電極１１を燃料容器５０に装着することにより、ＭＥＡ構造体を備える燃料電池１が得られる。
【００４４】
セパレータ３０および酸化剤極２０の間には、アルカリ性電解質を含む水溶液を注入する。例えば、燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０および固体高分子電解質膜３１を含むＭＥＡ構造体を容器５０に装着した後に、アルカリ性電解質を含む水溶液を注入することができる。
【００４５】
本実施形態において、容器５０内にアルカリ性電解質を含まない燃料４０を供給することができる。これにより、燃料電池の発電を維持することが可能となる。また、一般ユーザが交換しなければならない燃料４０を、比較的安全な有機液体の水溶液とすることができる。
【００４６】
（第二の実施形態）
図２は、第二の実施形態による燃料電池２の単セル構造を模式的に示す断面図である。この燃料電池２は、酸化剤極２０からの水分蒸発を抑制するための乾燥防止層６２を備える。その他の構成は、上記第一の実施形態における燃料電池１と同様である。
【００４７】
乾燥防止層６２は、酸化剤極２０の酸化剤が供給される側に設けられる。乾燥防止層６２には、気液分離膜を用いることができる。気液分離膜は、一般に、多孔質である。また、この気液分離膜は、酸化剤極２０で生成する液体の水は透過せず、酸素などの気体の酸化剤は透過できる材料であることが好ましい。または、この乾燥防止層６２は、気液分離膜で被覆した多孔質材料であってもよい。このような気液分離膜を用いることにより、必要以上の気体の出入りが抑制され、乾燥を防止することができる。気液分離膜には、例えば、撥水性材料を好適に用いることができる。このような材料としては、例えば、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、およびテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のパーフルオロポリマー；ポリメタクリル酸１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロオクチル、およびポリアクリル酸１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル等のポリフルオロアルキルアクリレート；ポリフッ化ビニル、ポリフッ化エチレンプロピレン等のフルオロオレフィン；ならびにポリ塩化ビニリデン、ポリアセタール、およびブタジエンとアクリロニトリルとの共重合体が挙げられる。
【００４８】
または、乾燥防止層６２として、保水性を有するシート部材を用いてもよい。このようなシート部材は、酸化剤極２０の表面に設けられる。あるいは、酸化剤極２０の表面に、多孔質基剤を配置し、その表面に保水性ポリマー溶液を塗布し、乾燥させて、乾燥防止層としてもよい。
【００４９】
乾燥防止層６２としては、保水性を有するセルロース繊維シートと酸化剤供給孔を有する板状部材から構成される層を用いてもよい。ここで、酸化剤供給孔を有する板状部材としては、酸化剤供給孔を有するアルミニウム板またはステンレス板等の金属板、あるいは酸化剤供給孔を有するＰＴＦＥ板等のプラスチック板を使用できる。酸化剤供給孔の孔径は、例えば、１μｍ以上であり、好ましくは、１０μｍ以上である。上記範囲とすることにより、酸化剤を確実に酸化剤極２０に供給することができる。また、酸化剤供給孔の孔径は、例えば、５０００μｍ以下であり、好ましくは、１００μｍ以下である。また、酸化剤供給孔を有する板状部材の開口率は、例えば、１０％以上であり、好ましくは、３０％以上である。上記範囲とすることにより、酸化剤を酸化剤極２０に確実に供給することができる。また、保水性を有するセルロース繊維シートの開口率は、例えば、９０％以下であり、好ましくは、７０％以下である。上記範囲とすることにより、燃料電池２内の水が外部に流出するのを抑制できる。
【００５０】
本実施形態に係る燃料電池２は、上記第一の実施形態に記載の製造方法により製造された構造体の酸化剤極２０側に乾燥防止層６２を設けることにより製造できる。
【００５１】
本実施形態に係る燃料電池２は、上記第一の実施形態のものと同様の効果を奏するとともに、酸化剤極２０からの水分蒸発を抑制できる。
【００５２】
（第三の実施形態）
図３は、第三の実施形態による燃料電池３の単セル構造を模式的に示す断面図である。この燃料電池３は、燃料４０側から燃料極１０に供給される燃料４０の透過を抑制し、燃料極１０で消費される最適な量の燃料４０を供給するための燃料透過抑制層６３を備える。その他の構成は、上記第二の実施形態における燃料電池２と同様である。
【００５３】
本実施形態において、容器５０には、好ましくは、燃料極１０で発生する二酸化炭素を外部に排出するためのＣＯ２排出孔４０ａが設けられる。
【００５４】
燃料透過抑制層６３は、燃料４０と燃料極１０との間に設けられる。燃料透過抑制層６３は、燃料４０側から燃料極１０への燃料の透過を抑制し、燃料極１０で消費されるのに最適な量の燃料を供給する役割をはたす。燃料透過抑制層６３の材料としては、例えば、撥水性の多孔質材料が挙げられる。例えば、燃料４０がメタノールと水との混合溶液である場合、燃料透過抑制層６３として、ポリテトラフルオロエチレンの多孔質膜、疎水処理したポリエチレンの多孔質膜、または疎水処理したポリイミドの多孔質膜等を用いることができる。このような膜を用いることにより、燃料４０中のメタノールを燃料極１０に優先的に透過させることができる。したがって、水の浪費は抑制され、燃料極１０における電極反応を最適条件に近づけることができる。あるいは、燃料透過抑制層６３は、燃料４０の透過を抑制する機能を有する非多孔質性の親水性膜であってもよい。
【００５５】
燃料透過抑制層６３として、多孔質材料を用いる場合、好ましくは、その厚さは１０μｍ〜３００μｍであり、孔径は０．１μｍ〜５０μｍである。また、この多孔質材料の気孔率は、３０％〜９０％であることが好ましい。
【００５６】
燃料透過抑制層６３が、非多孔質性の親水性膜である場合、例えば、スルホン酸基を有する固体高分子電解質膜または陰イオン交換膜等が用いられ得る。
【００５７】
本実施形態に係る燃料電池３は、上記第二の実施形態に記載の製造方法により製造された構造体の燃料極１０の燃料４０側に、燃料透過抑制層６３を設けることにより製造できる。
【００５８】
本実施形態に係る燃料電池３は、上記第一および第二の実施形態のものと同様の効果を奏するとともに、燃料極１０へ透過する燃料４０の量を調整し、燃料極１０で消費されるのに適切な量の燃料４０を供給することができる。
【００５９】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することができる。
【実施例】
【００６０】
本発明に係る燃料電池について、以下の実施例および比較例を参照して説明する。以下の各実施例では、表１に示すように、構成要素の異なる３種類の燃料電池セルを作製し、その出力特性の評価を行った。なお、実施例１〜３および比較例１の燃料電池における燃料極、酸化剤極およびセパレータは、共通である。
【００６１】
（実施例１）
実施例１の燃料電池を以下のようにして作製した。
まず、ルテニウム−白金合金を担持したケッチェンブラック１００ｍｇを水で失活させた後、これに、バインダとして、デュポン社製５％ナフィオン溶液３ｍｌを加え、超音波混合器で５０℃にて３時間攪拌して触媒ペーストを得た。ルテニウム−白金合金の組成は５０ａｔｏｍ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末の重量比は１：１とした。このペーストを１ｃｍ×１ｃｍのカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−１２０：東レ社製）上に２ｍｇ／ｃｍ２で塗布し、８０℃で乾燥させ、燃料極１０とした。また、触媒金属として白金を用い、バインダとして１０％微粒子ＰＴＦＥ水溶液３ｍＬを用いて、その他は燃料極１０と同様の方法を用いて酸化剤極２０を作製した。得られた燃料極１０と酸化剤極２０の間に、セパレータ３０として厚さ５０μｍの多孔性ＰＴＦＥ膜と、固体高分子電解質膜３１としての厚さ６０μｍのスチレン系炭化水素電解質膜を配置して、温度１５０℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ２（１００秒間）の条件でホットプレスし、ＭＥＡ構造体を得た。微粒子ＰＴＦＥは、触媒の結着剤として用いた。
【００６２】
実施例１では、燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０および固体高分子電解質膜３１からなる構造体をパッシブ型燃料容器５０に固定して、上記燃料電池１と同様の構成の燃料電池を作製した。実施例１では、セパレータ３０と酸化剤極２０を満たすアルカリ性電解質として、濃度１０ｗｔ％のテトラブチルアンモニウム水溶液を用いた。
【００６３】
（実施例２）
乾燥防止層６２を酸化剤極２０の外側に設けたこと以外は、実施例１と同様にして、上記燃料電池２と同様の構成の燃料電池を作製した。乾燥防止層６２として、セルロース繊維シートを接着した穴あき金属板を用いた。セルロース繊維シートとして、膜厚２００μｍ、細孔サイズ１μｍ、空隙率８０％のセルロース繊維シートを用いた。穴あき金属板として、直径１０００μｍの孔が表面全体に設けられた、開口率８０％のステンレス板を用いた。
実施例２では、セパレータ３０と酸化剤極２０を満たすアルカリ性電解質として、濃度１０ｗｔ％のテトラブチルアンモニウム水溶液を用いた。
（実施例３）
燃料透過抑制層６３を燃料４０と燃料極１０との間に設けたこと以外は、実施例２と同様にして、上記燃料電池３と同様の構成の燃料電池を作製した。燃料透過抑制層６３として、膜厚８０μｍ、細孔サイズ３００ｎｍの多孔質ＰＴＦＥシートを用いた。
実施例３では、セパレータ３０と酸化剤極２０を満たすアルカリ性電解質として、濃度１０ｗｔ％のテトラブチルアンモニウム水溶液を用いた。
【００６４】
（比較例１）
比較例１では、セパレータ３０と酸化剤極２０とにアルカリ性電解質を含まないこと以外は実施例１と同様にして燃料電池セルを作製した。
【００６５】
（発電評価試験）
実施例１〜３および比較例１で得られた燃料電池の酸化剤極２０を空気（１気圧、２５℃）に曝露し、セル温度を４０℃に設定した。各セルを電池性能評価装置にセットして、電流密度１０ｍＡ／ｃｍ２における定電流放電時の電圧を測定した。燃料４０には、１０ｗｔ％のメタノール水溶液を用いた。発電継続時間は、０．２８Ｖ以上の発電電圧を維持できた時間として測定した。
各試料の構成および評価結果を表１に示す。
【００６６】
【表１】
2009110904.tif 000003
【００６７】
（結果）
実施例１の燃料電池は、バイポーラ型燃料電池として作動し得、初期電圧が０．３１Ｖであり、０．２８Ｖ以上の発電継続時間を３０分維持できることがわかった。
【００６８】
実施例２の燃料電池は、実施例１に比べると、乾燥防止層６２の効果により水分が酸化剤極２０側から無駄に蒸発することが少なくなり、０．２８Ｖ以上の発電時間を６０分にまで継続できた。また、乾燥防止層６２は、酸化剤極２０への酸素の供給を阻害することなく、初期発電電圧は０．３２Ｖになることが確認された。
【００６９】
実施例３の燃料電池は、燃料極１０側に設けられた燃料透過抑制層６３により、燃料極１０で必要なだけの燃料４０を送ることができ、燃料４０がセパレータ３０を透過して酸化剤極２０へ至るクロスオーバーを低減できたために、発電時間を１５０分にまで継続することができた。また、燃料透過抑制層６３は燃料極１０への燃料４０の供給を必要以上に阻害することがなく、初期電圧は、実施例２と同じ０．３２Ｖであることが確認された。
【００７０】
比較例１では、セパレータ３０と酸化剤極２０とがアルカリ性電解質を含まないために、発電をまったく行うことができなかった。
【図面の簡単な説明】
【００７１】
【図１】本発明の第一の実施形態に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の第二の実施形態に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の第三の実施形態に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００７２】
１  燃料電池
２  燃料電池
３  燃料電池
１０  燃料極
１１  燃料極拡散電極
１２  燃料極触媒層
２０  酸化剤極
２１  酸化剤極拡散電極
２２  酸化剤極触媒層
３０  セパレータ
３１  固体高分子電解質膜
４０  燃料
４０ａ  ＣＯ２排出孔
５０  容器
６２  乾燥防止層
６３  燃料透過抑制層
【図１】
2009110904.tif 000004
【図２】
2009110904.tif 000005
【図３】
2009110904.tif 000006