(57)【要約】【課題】長期間に亘って安定に出力を維持でき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、１６と、空気極１３、１４、１７と、燃料極１１、１２、１６と空気極１３、１４、１７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の燃料極側に配置され、燃料極１１、１２、１６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１３、１４、１７で生成した水を含浸する保湿層２０と、を備え、保湿層２０は、膜電極接合体１０の平面方向中央部に対向して配置された第１保湿部２２と膜電極接合体１０の平面方向周辺部に対向して配置された第２保湿部２１と、を備え、第１保湿部２２の厚さは第２保湿部２１の厚さよりも薄い燃料電池。【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、を備え、
前記保湿層は、発電時において前記空気極の温度が高い領域と対向する第１保湿部と、前記空気極の温度が低い領域と対向する第２保湿部とを有し、前記第１保湿部が第２保湿部よりも薄くなるように構成された燃料電池。
【請求項２】
前記第１保湿部は前記空気極の平面方向中央部に対向して配置され、前記第２保湿部は前記空気極の平面方向周辺部に対向して前記第１保湿部を囲むように配置されている請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第２保湿部は、前記膜電極接合体の平面方向中央部に設けられた穴を備え、前記第１保湿部は前記穴に配置されている請求項１または請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記保湿層は複数の層を有し、前記第１保湿部は前記第２保湿部よりも少ない層からなる請求項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】
前記保湿層の厚さは、前記第１保湿部から前記第２保湿部へと連続的に厚くなるように構成されている請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
燃料極と、空気極と、前記燃料極と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を備え、
前記保湿層は、発電時において前記空気極の温度が高い領域と対向する第１保湿部と、前記空気極の温度が低い領域と対向する第２保湿部とを有し、前記第１保湿部の熱伝導率は前記第２保湿部の熱伝導率よりも高くなるように構成された燃料電池。
【請求項７】
前記第１保湿部は前記空気極の平面方向中央部に対向して配置され、前記第２保湿部は前記空気極の平面方向周辺部に対向して前記第１保湿部を囲むように配置されている請求項６記載の燃料電池。
【請求項８】
前記第２保湿部は、前記膜電極接合体の平面方向中央部に設けられた穴を備え、前記第１保湿部は前記穴に配置されている請求項６または請求項７記載の燃料電池。
【請求項９】
前記保湿層の気孔率は、前記第１保湿部から前記第２保湿部へと連続的に低くなるように構成されている請求項６乃至請求項８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期待されている。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極めて低い材料で構成されており、保湿層の厚さを厚くすると、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】
これを防ぐために、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。しかしこの場合、アノード触媒層における式（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。
【００１３】
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、膜電極接合体の平面方向中央部で温度が高く、平面方向周辺部で温度が低くなる。
【００１４】
このとき、上記の温度検知手段が、膜電極接合体の平面方向中央部に設けられている場合、その平面方向中央部の温度が予め設定された温度を上回ると、平面方向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。
【００１５】
一方、温度検知手段が膜電極接合体の平面方向周辺部に設けられている場合、その平面方向周辺部の温度が予め設定された温度を上回ったときは、平面方向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（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。
【００１７】
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。
【００１８】
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場合がある。
【００１９】
本発明は、上記の問題点に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】
【００２０】
本発明の第一態様による燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と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を備え、前記保湿層は、発電時において前記空気極の温度が高い領域と対向する第１保湿部と、前記空気極の温度が低い領域と対向する第２保湿部とを有し、前記第１保湿部が第２保湿部よりも薄くなるように構成されている。
【００２１】
本発明の第二態様による燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と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を備え、前記保湿層は、発電時において前記空気極の温度が高い領域と対向する第１保湿部と、前記空気極の温度が低い領域と対向する第２保湿部とを有し、前記第１保湿部の熱伝導率は前記第２保湿部の熱伝導率よりも高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に出力を維持でき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。
【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。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。
【００２６】
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。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を得ることができる。
【００２９】
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。
【００３０】
カソード導電層１７の上には、保湿層２０が積層されている。本実施形態に係る燃料電池の保湿層２０は、発電時において空気極の温度が高い領域と対向する第１保湿部２２と、空気極の温度が低い領域と対向する第２保湿部２１とを有している。第１保湿部２２は第２保湿部２１よりも薄くなるように構成されている。
【００３１】
保湿層２０は、例えば、図１に示すように、空気極の平面方向中央部に対向して配置された第１保湿部２２と、空気極の平面方向周辺部に対向して配置された第２保湿部２１とを有している。そして、第１保湿部２２は第２保湿部２１よりも薄くなるように構成されている。
【００３２】
図１に示す場合では、第２保湿部２１はその平面方向中央部に厚さ方向（Ｚ方向）に貫通する穴を有し、第１保湿部２２は第２保湿部２１に設けられた穴に嵌め込まれている。ここで、第１保湿部２２と第２保湿部２１との固定には、特に接着剤等を用いず、ポリエチレン製多孔質フィルム自体の弾力性を利用して保持されている。
【００３３】
なお、保湿層２０を作成する方法としては、上記した以外に、厚い保湿層２０の平面方向中央部の表面を削り取り、第１保湿部２２の厚さを第２保湿部２１の厚さよりも薄くする方法や、例えば図２Ｂに示すように、保湿層２０を複数の層から形成し、第２保湿部２１を第１保湿部２２よりも多くの層から形成することにより第１保湿部２２の厚さを第２保湿部２１の厚さよりも薄くする方法などが可能である。
【００３４】
保湿層２０の作成方法として、例えば厚いポリエチレン製多孔質フィルムの表面を削り取る方法を用いる場合、図１に示すように第１保湿部２２と第２保湿部２１（平面方向中央部と平面方向周辺部）とで厚さが不連続になるように作成するほか、図２Ａに示すように、第２保湿部２１から第１保湿部２２（平面方向中央部から平面方向周辺）に向けて厚さが連続的に変化するように作成することも可能である。
【００３５】
また、図２Ｂに示すように、複数の保湿層を重ねて、保湿層２０の平面方向中央部の厚さを平面方向周辺部より薄くなるようにしてもよい。例えば、厚さ１．０ｍｍのポリエチレン製多孔質フィルムの平面方向中央部の表面を０．２５ｍｍの深さで削り取り、厚さ０．７５ｍｍとする方法や、厚さ０．７５ｍｍのポリエチレン製多孔質フィルムの上に、平面方向中央部のみ厚さ０．２５ｍｍのポリエチレン製多孔質フィルムを重ねる方法などが可能である。
【００３６】
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。このため、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。上記した保湿層２０の作成方法において、平面方向周辺部の保湿層２１と平面方向中央部の保湿層２２とを嵌め合わせる際、カソード導電層１７に接する側が同一平面になるようにしたのは、このためである。
【００３７】
この保湿層２０の上にカバープレート２３を配置した。本実施形態に係る燃料電池では、カバープレート２３は、厚さ１．５ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）に、例えば直径３ｍｍの円形の空気導入口２４を均等に４８個形成し、かつ、平面方向周辺部の保湿層２１に対応する部分を０．５ｍｍの深さで彫り込んで厚さ１．０ｍｍとすることにより作成した。
【００３８】
カバープレート２３を作成する方法としては、上記した以外に、厚さが均一の板をプレス等により平面方向周辺部から平面方向中央部に向かって凹形状となるように成型する方法や、厚さ１．０ｍｍのステンレス板の平面方向中央部のみに厚さ０．５ｍｍのステンレス板を積層する方法でもよい。
【００３９】
一方、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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。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。
【００４４】
次に、本発明の第２実施形態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。図３に示すように、本実施形態に係る燃料電池の保湿層２０は、膜電極接合体１０の平面方向中央部に対向して配置された第１保湿部２２´と膜電極接合体１０の平面方向周辺部に対向して配置された第２保湿部２１´とを有している。保湿層２０は、第１保湿部２２´の熱伝導率が第２保湿部２１´の熱伝導率よりも高くなるように構成されている。なお、第１保湿部の熱伝導率は、第２保湿部の熱伝導率の１．２倍以上であって１０倍以下であることが望ましい。
【００４５】
本実施形態に係る燃料電池は、上記の構成以外は上述の第１実施形態にかかる燃料電池と同様である。
【００４６】
[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。
【００４７】
（第１実施例）
本実施例に係る燃料電池では、保湿層２０は次のように作成した。まず、厚さが１．０ｍｍで、気孔率２６％、熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫ、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、その中央に一辺の長さ１０ｍｍの正方形の穴を厚さ方向に貫通するように設け、平面方向周辺部の第２保湿部２１とした。
【００４８】
次に、厚さが０．５ｍｍ、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）である以外は保湿層２１と同じであるポリエチレン製多孔質フィルムを、一辺の長さ１０ｍｍの正方形に切り、平面方向中央部の第１保湿部２２とした。
【００４９】
この平面方向中央部の第1保湿部２２を、平面方向周辺部の第２保湿部２１の中央に設けた長方形の穴に嵌め込み、カソード導電層１７に接する側が同一平面となるようにして、保湿層２０を作成した。ここで、平面方向周辺部の第２保湿部２１と平面方向中央部の第１保湿部２２との固定には、特に接着剤等を用いず、ポリエチレン製多孔質フィルム自体の弾力性を利用して保持されているのみである。
【００５０】
なお、保湿層２０を作成する方法としては、上記した以外に、厚さ１．０ｍｍのポリエチレン製多孔質フィルムの平面方向中央部の表面を０．５ｍｍの深さで削り取り、厚さ０．５ｍｍとする方法や、例えば図２Ｂに示すように、厚さ０．５ｍｍのポリエチレン製多孔質フィルムの上に、平面方向周辺部のみ厚さ０．５ｍｍのポリエチレン製多孔質フィルムを重ねる方法などが可能である。
【００５１】
保湿層２０の作成方法として、厚いポリエチレン製多孔質フィルムの表面を削り取る方法を用いる場合、図１に示すように平面方向周辺部と平面方向中央部とで厚さが不連続になるように作成するほか、図２Ａに示すように平面方向周辺部から平面方向中央部に向けて厚さが連続的に変化するように作成することも可能である。
【００５２】
上記のように作成した燃料電池について、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。
【００５３】
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。
【００５４】
また、この膜電極接合体の平面方向中央部と平面方向周辺部の各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、平面方向中央部のカソードガス拡散層１４の表面の温度は５１℃で、平面方向周辺部のカソードガス拡散層１４の表面の温度は５０℃であった。
【００５５】
（第２実施例）
次に、第２実施形態に係る燃料電池の実施例について図面を参照して以下に説明する。本実施例にかかる燃料電池は、平面方向中央部の第１保湿部２２として、厚さが１．０ｍｍで、気孔率２６％、熱伝導率０．３Ｗ／ｍＫ、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用いた。またカバープレート２３として、厚さが１．０ｍｍで均一であるステンレス板を用いた。上記の構成以外は、第１実施例にかかる燃料電池と同様である。
【００５６】
この第２実施例の燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第1実施例の燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して１００％であった。また、本実施例にかか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、平面方向中央部の温度は５１℃で、平面方向周辺部の温度は５１℃であった。
【００５７】
[比較例]
以下、本発明の比較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。
【００５８】
（第１比較例）
本比較例に係る燃料電池では、保湿層２０として、厚さが１．０ｍｍで、気孔率２６％、熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫ、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の長方形に切ったものを用いた。またカバープレート２３として、厚さが１．０ｍｍで均一であるステンレス板を用いた。上記の構成以外は、第１実施例にかかる燃料電池と同様である。
【００５９】
この燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第1実施例の燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して７３％であった。また、本比較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、その平面方向における平面方向中央部の温度は６０℃で、平面方向周辺部の温度は５６℃であった。
【００６０】
（第２比較例）
本比較例に係る燃料電池では、カソードガス拡散層１４の平面方向における平面方向中央部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、平面方向中央部のカソードガス拡散層の温度が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。上記の以外の構成は第1比較例にかかる燃料電池と同様である。
【００６１】
この燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第１実施例の燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して９３％であった。また、本比較例にかか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、平面方向中央部の温度は５２℃で、平面方向周辺部の温度は４８℃であった。
【００６２】
（第３比較例）
本比較例にかかる燃料電池は、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。またカバープレート２３として、厚さが１．０ｍｍで均一であるステンレス板を用いた。上記の構成以外は第1実施例にかかる燃料電池と同様である。
【００６３】
この燃料電池において、発電を開始したときの出力密度Ｐ０の値は、第1実施例の燃料電池の出力密度Ｐ０の値に対して８８％であった。また、本比較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、平面方向中央部の温度は５１℃で、平面方向周辺部の温度は４８℃であった。
【００６４】
上述した第1乃至第２実施例にかかる燃料電池、および、第１乃至第３比較例にかかる燃料電池についての評価結果の一例を図４に示す。図４に示すように、保湿層２０を、平面方向中央部、平面方向周辺部ともに厚さ１．０ｍｍ、熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫで均一とした第１比較例では、発電を開始したときの出力密度は第１乃至第２実施例よりも低くなっている。
【００６５】
しかも、第１比較例に係る燃料電池では、カソードガス拡散層１４の平面方向中央部における表面の温度は６０℃に達しており、膜電極接合体１０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。
【００６６】
また、カソードガス拡散層１４の平面方向中央部における表面の温度は、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。
【００６７】
また、カソードガス拡散層１４の平面方向中央部の表面の温度が５０℃を上回った場合に、燃料供給を遮断するように構成した第２比較例にかかる燃料電池、および、保湿層２０を、平面方向中央部、平面方向周辺部ともに厚さ０．５ｍｍ、熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫで均一とした第３比較例にかかる燃料電池では、カソードガス拡散層１４の表面の温度は第１乃至第２実施例にかかる燃料電池と同程度である。しかし、第２乃至第３比較例にかかる燃料電池では、発電を開始したときの出力密度が第１乃至第２実施例にかかる燃料電池に比べて低下している。
【００６８】
第２比較例にかかる燃料電池においては、カソードガス拡散層１４の平面方向中央部の表面の温度が５０℃を上回ると燃料供給が遮断されるため、第１比較例にかか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。しかし、同時にアノードの平面方向周辺部に供給される燃料も遮断されるため、平面方向周辺部では逆に、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、出力が低下したと考えられる。
【００６９】
第３比較例にかかる燃料電池においては、保湿層２０の厚さが平面方向中央部、平面方向周辺部ともに厚さ０．５ｍｍ、熱伝導率０．１Ｗ／ｍＫであって、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、第３比較例にかかる燃料電池では、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。
【００７０】
上記のことから、上記の第１乃至第２実施形態に係る燃料電池によれば、長期間に亘って安定に出力を維持できる燃料電池を提供することができる。
【００７１】
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。例えば、図１に示す第１保湿部２２および第２保湿部は複数の層から構成されていても良い。また、保湿層２０は、図２Ｂに示すように複数の層から成るとともに、図２Ａに示すように平面方向周辺部と平面方向中央部との厚さが連続的に変化するように構成されていても良い。その場合であっても上記の実施形態に係る燃料電池と同様の効果が得られる。
【００７２】
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】
【００７３】
【図１】本発明の第１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２Ａ】図１に示す燃料電池の保湿層の他の構成例を説明するための図。
【図２Ｂ】図１に示す燃料電池の保湿層の他の構成例を説明するための図。
【図３】本発明の第２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４】本発明の第１乃至第２実施例、および、第１乃至第３比較例にかか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】
【００７４】
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、２０…保湿層、２１…第２保湿部、２２…第１保湿部、４０…燃料供給機構
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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