燃料電池
【課題】安定して高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 アノード触媒層１１及びアノード触媒層１１の上に配置されたアノードガス拡散層１２を有するアノード１３と、カソード触媒層１４及びカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有するカソード１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に挟持された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２と、膜電極接合体２のアノード１３に燃料を供給する燃料供給機構３と、を備え、アノードガス拡散層１２の燃料供給機構３と対向する燃料供給面１２Ａの表面粗さは、アノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂの表面粗さより大きいことを特徴とする。
【解決手段】 アノード触媒層１１及びアノード触媒層１１の上に配置されたアノードガス拡散層１２を有するアノード１３と、カソード触媒層１４及びカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有するカソード１６と、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に挟持された電解質膜１７と、を有する膜電極接合体２と、膜電極接合体２のアノード１３に燃料を供給する燃料供給機構３と、を備え、アノードガス拡散層１２の燃料供給機構３と対向する燃料供給面１２Ａの表面粗さは、アノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂの表面粗さより大きいことを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【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】
例えば、メタノールを燃料として用いた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。
【０００４】
ＤＭＦＣは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えている。アノードに燃料としてのメタノールを供給すると、メタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトン及び電子が生成される。一方、カソードに空気を導入すると、空気中の酸素とアノード側から移動してきたプロトンとアノードから外部回路を通じて供給される電子とが反応して水を生成するとともに、外部回路を通る電子によって電力が供給される。
【０００５】
このような構成で発電を促進するために、メタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロワを補器として備えたシステムとして複雑な形態を成したＤＭＦＣが開発されてきたが、小型化を図ることはきわめて難しい。
【０００６】
そこで、ブロワを用いず、発電素子に直接取り付けた吸気口を設置する構造による小型のＤＭＦＣが開示されている（例えば、特許文献１）。また、メタノールの供給量を制御するために、燃料収容室部分と負極の間に多孔体を設置し、メタノール供給量を絞る技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
また、空孔をもつカーボン基体に触媒を染み込ませることによって触媒層を形成する方法が開示されており、且つ、電解質膜に直接触媒を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献３）。しかしながら、触媒としては、一般的に白金（Ｐｔ）などの高価な貴金属が用いられることが多い。このため、触媒量を抑制し、高効率で高出力を生む方法が必要とされる。
【０００８】
そこで、アノード触媒層とアノードガス拡散層との間にカーボン粒子と固体高分子電解質よりなる吸水層を設けた技術が開示されている（例えば、特許文献４）。
【特許文献１】特開２００７−１５７４６２号公報
【特許文献２】特開２００４−１７１８４４号公報
【特許文献３】米国特許公報ＵＳ６，２２１，５２３Ｂ１
【特許文献４】特開２００６−８５９８４号公報、
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した特許文献４のような構成においては、カーボン粒子と固体分子電解質の量のバランスに注意をして作成する必要がある。また、作動中の燃料電池において、メタノールの濃度変化に対しても最適なバランスがくずれてしまうことがある。そのため、出力にばらつきが生じやすく、十分に触媒量を抑制することが困難である。
【００１０】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、安定して高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の第１態様による燃料電池は、
アノード触媒層及び前記アノード触媒層の上に配置されたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記アノードガス拡散層の前記燃料供給機構と対向する燃料供給面の表面粗さは、前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする。
【００１２】
この発明の第２態様による燃料電池は、
アノード触媒層及び前記アノード触媒層の上に配置されたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構との間で前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を備え、
前記カソードガス拡散層の前記カバープレートと対向する空気供給面の表面粗さは、前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、安定して高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００１４】
すなわち、この発明の第１態様によれば、アノードガス拡散層は、その燃料供給機構と対向する燃料供給面の表面粗さがアノード触媒層と対向する面の表面粗さより大きく形成されている。これにより、燃料供給面の表面積を拡大することができ、燃料供給機構から供給された燃料の引き込み速度を速くすることが可能となる。したがって、補器を必要とすることなく、効率よくアノード触媒層に燃料を供給することができ、触媒量を抑制しても、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００１５】
また、この発明の第２態様によれば、カソードガス拡散層は、そのカバープレートと対向する空気供給面の表面粗さがカソード触媒層と対向する面の表面粗さより大きく形成されている。これにより、空気供給面の表面積を拡大することができ、カバープレート側からの空気（あるいは酸素）の取り込み及び発電反応によって生成した二酸化炭素の放出を促進することが可能となる。したがって、補器を必要とすることなく、発電反応に必要な酸素を効率よくカソード触媒層に供給することができ、触媒量を抑制しても、安定して高出力を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。
【００１８】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、から主として構成されている。
【００１９】
すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１及びアノード触媒層１１の上に配置されたアノードガス拡散層１２を有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４及びカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有するカソード（空気極／酸化剤極）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）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。
【００２０】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（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には、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。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ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。また、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。
【００２１】
アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４は、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）、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、タングステン酸やリンタングステン酸、硝酸リチウムなどの無機物等のプロトン導電剤を含んでいても良い。
【００２２】
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。
【００２３】
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の集電機能を有するものである。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（空気あるいは酸素）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の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。
【００２４】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード１３側及びカソード１６側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００２５】
膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００２６】
上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。
【００２７】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００２８】
燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。
【００２９】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。
【００３０】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。複数の燃料排出口３３には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過しない気液分離膜を配置してもよい。
【００３１】
細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。
【００３２】
燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００３３】
さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
【００３４】
膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。
【００３５】
燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
【００３６】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材を配置しても良い。
【００３７】
また、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体を配置しても良い。
【００３８】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、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。なお、液体燃料は、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４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。
【００３９】
さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。
【００４０】
この実施の形態の燃料電池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異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００４１】
ポンプ６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、ロータリーベーンポンプ、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。
【００４２】
ロータリーベーンポンプは、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。
【００４３】
なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。
【００４４】
また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
【００４５】
また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
【００４６】
この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。
【００４７】
すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
【００４８】
上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を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で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。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、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００４９】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
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、集電体を経由してカソード１６に導かれる。（１）式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１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００５０】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2 → ３Ｈ2Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００５１】
ところで、この実施の形態においては、図２及び図３に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面において間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面においてアノード１３のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード１６と、を備えている。ここでは、アノード１３及びカソード１６がそれぞれ４個である場合を示している。
【００５２】
これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。ここでは、単セルＣのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。
【００５３】
図２及び図３に示したような複数の単セルＣを有する膜電極接合体２においては、各単セルＣは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【００５４】
すなわち、この集電体１８は、図１に示したように、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。図２などに示した膜電極接合体２に対応するために、集電体１８は、それぞれ４個のアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。
【００５５】
アノード集電体１８Ａのそれぞれは、各単セルＣにおいてアノードガス拡散層１２に積層されている。また、カソード集電体１８Ｃのそれぞれは、各単セルＣにおいてカソードガス拡散層１５に積層されている。アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃとしては、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属材料からなる多孔質膜（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。
【００５６】
≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る燃料電池１において、図４に示すように、アノードガス拡散層１２の燃料供給機構３と対向する燃料供給面１２Ａの表面粗さは、アノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１に対向する面１２Ｂの表面粗さより大きく形成されている。ここでは、燃料供給面１２Ａは、アノード集電体１８Ａと接触するように配置されている。なお、図４では、主要部のみを図示している。
【００５７】
ここでの表面粗さとは、表面の凹凸の程度を表し、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１によって定義されている。この表面粗さには、対象物の表面からランダムに抜き取った各部分における算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚがある。算術平均粗さＲａは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取った部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。最大高さＲｚは、断面曲線から基準長さを抜き取った部分の最大高さである。この基準長さは、傷とみなされるような並みはずれて高い山や深い谷のない部分から、基準長さだけを抜き取って求めた値である。
【００５８】
この第１実施形態において、燃料供給面１２Ａの表面粗さは、算術平均粗さＲａ＞１５ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＞２００ｕｍである。
【００５９】
すなわち、この実施の形態においては、アノードガス拡散層１２の一方の表面が積極的に粗くなるように加工を施している。加工の手法としては、例えば、紙やすりを用いて粗くしたり、エンボス加工を施したりする手法が適用可能である。粗くする加工を何ら施さなかったアノードガス拡散層１２の表面の表面粗さは、概ね平坦であり、算術平均粗さＲａで１０〜１５ｕｍであり、また、最大高さＲｚで１３０〜１６０ｕｍであった。
【００６０】
アノード側において、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａが平坦である場合、燃料との界面においては燃料と触れ合う接触面積がそれほど大きくないため、必要以上に燃料を供給しても、アノードガス拡散層１２に入り込む量は限られている。このため、アノード触媒層１１に取り込まれる燃料が限られているため、触媒が効率的に作用せず、安定して高出力を得ることが困難となる。
【００６１】
これに対して、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さを大きくすることによって、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面積が大きくなる。つまり、アノードガス拡散層１２において、燃料と触れ合う表面積が大きくなる。なお、アノードガス拡散層１２に流入する燃料は気体、つまり気化した燃料であることが望ましい。
【００６２】
これにより、気化されている燃料の引き込みが早くなり、反応速度を速くすることが可能となる。つまり、アノード触媒層１１における触媒を効率よく作用させることが可能となる。したがって、第１実施形態に係る燃料電池１によれば、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００６３】
≪第２実施形態≫
第２実施形態に係る燃料電池１において、図５に示すように、カソードガス拡散層１５のカバープレート２１と対向する空気供給面１５Ａの表面粗さは、カソードガス拡散層１５のカソード触媒層１４に対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されている。ここでは、空気供給面１５Ａは、カソード集電体１８Ｃと接触するように配置されている。なお、図５では、主要部のみを図示している。
【００６４】
この第２実施形態において、空気供給面１５Ａの表面粗さは、算術平均粗さＲａ＞１５ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＞２００ｕｍである。
【００６５】
カソードガス拡散層１５の一方の表面を、積極的に粗くするための加工方法については第１実施形態で説明した通りである。
【００６６】
このように、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さを大きくすることによって、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面積が大きくなる。これにより、発電反応に必要な空気（あるいは酸素）の取り込み及び発電反応によって生成した二酸化炭素の放出が促進され、反応速度を速くすることが可能となる。つまり、カソード触媒層１４における触媒を効率よく作用させることが可能となる。したがって、第２実施形態に係る燃料電池１によれば、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００６７】
≪第３実施形態≫
第３実施形態に係る燃料電池１は、第１実施形態に係る燃料電池１の構成と第２実施形態に係る燃料電池１の構成とを組み合わせた構成である。つまり、図６に示すように、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さは、アノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１に対向する面１２Ｂの表面粗さより大きく形成されており、且つ、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さは、カソードガス拡散層１５のカソード触媒層１４に対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されている。なお、図６では、主要部のみを図示している。
【００６８】
このように、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さを大きくし、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さを大きくすることによって、第１実施形態に係る燃料電池１及び第２実施形態に係る燃料電池１と同様の効果を得ることが可能となる。つまり、第３実施形態に係る燃料電池１によれば、アノード１３側及びカソード１６側の双方でバランスよく触媒を作用させることができ、さらに、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００６９】
なお、本実施形態においては、以下の方法にて、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５の表面粗さを測定することができる。
【００７０】
まず、膜電極接合体２をエポキシ樹脂で固め、膜電極接合体２の断面が見えるように切断する。このとき、電極が矩形状の場合においては、膜電極接合体２を長手方向と直交する方向の中央部において長手方向と平行に切断する。そして、その切断面の中央部および両端部から１０％中央寄りの位置の合計３箇所の断面をそれぞれ切り取り樹脂に埋め込む。したがって、本発明の数値はそれら測定箇所３箇所で得られた値の平均値となる。そして、顕微鏡を用いて、それらサンプルの断面を１０倍で観察し、凹凸３回分となる範囲を特定し、その範囲に２点（仮に、Ａ点及びＢ点とする）の印をつける。さらに、顕微鏡を用いて、２００倍で観察し、Ａ点からＢ点までの距離を基準長さとしてアノードガス拡散層１２又はカソードガス拡散層１５の外表面側（つまり燃料供給面又は空気供給面の断面）を観察し、ＡＢ間の凹凸を測定して算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚを求めることができる。
【００７１】
≪効果の検証−１≫
次に、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さを大きくした燃料電池１、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さを大きくした燃料電池１及びアノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａ及びカソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さを大きくした燃料電池１についての効果を検証した。
【００７２】
まず、アノードガス拡散層１２用のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を用意した。そして、４つのアノードガス拡散層１２のサンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを用意した。何も施さないカーボンペーパーをサンプルＡ（Ｒａ＝１５μｍ、Ｒｚ＝１６０μｍ）とした。片面を紙やすり（♯１８０）を用いて粗くしたカーボンペーパーをサンプルＢ（Ｒａ＝２５μｍ、Ｒｚ＝２３０μｍ）とした。エンボス加工したカーボンペーパーをサンプルＣ（Ｒａ＝８０μｍ、Ｒｚ＝４５０μｍ）とした。片面を紙やすり（♯１８０）を用いて粗くし、さらに、エンボス加工したカーボンペーパーをサンプルＤ（Ｒａ＝１０５μｍ、Ｒｚ＝５２０μｍ）とした。
【００７３】
カソードガス拡散層１５用のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−９０）を用意した。そして、４つのカソードガス拡散層１５のサンプルＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈを用意した。何も施さないカーボンペーパーをサンプルＥ（Ｒａ＝１０μｍ、Ｒｚ＝１３０μｍ）とした。片面を紙やすり（♯１８０）を用いて粗くしたカーボンペーパーをサンプルＦ（Ｒａ＝２０μｍ、Ｒｚ＝２５０μｍ）とした。エンボス加工したカーボンペーパーをサンプルＧ（Ｒａ＝９０μｍ、Ｒｚ＝４７０μｍ）とした。片面を紙やすり（♯１８０）を用いて粗くし、さらに、エンボス加工したカーボンペーパーをサンプルＨ（Ｒａ＝１１０μｍ、Ｒｚ＝５５０μｍ）とした。
【００７４】
そして、触媒である白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子１０重量部に対し、ナフィオン溶液（デュポン社製ＤＥ２０２０）の固形分が１重量部、さらに溶媒を加えてホモジナイザで混合し、固形分として約１５％のスラリーを作製した。
【００７５】
上述したアノードガス拡散層１２用のサンプルＡ乃至Ｄのそれぞれの何も施していない面に上述したスラリーをバーコード法により塗布してアノード触媒層１１を形成した。
【００７６】
一方、触媒である白金微粒子を担持したカーボン粒子とナフィオン溶液（デュポン社製ＤＥ２０２０）と、さらに溶媒を加えてホモジナイザで混合し、固形分として約１５％のスラリーを作製した。
【００７７】
上述したカソードガス拡散層１５用のサンプルＥ乃至Ｈのそれぞれの何も施していない面に上述したスラリーをバーコード法により塗布してカソード触媒層１４を形成した。
【００７８】
続いて、電解質膜１７として固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、最初にこの電解質膜１７とカソード１６とをカソード触媒層１４が電解質膜１７側を向くように重ね合わせる。続いて、電解質膜１７のカソード１６を重ね合わせた面とは反対の面に、アノード触媒層１１が電解質膜側を向くようにアノード１３を重ね合わせる。その後、温度１５０℃のホットプレスにて、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で加圧して、膜電極接合体２を形成した。
【００７９】
なお、電極面積は、アノード１３及びカソード１６ともに１２ｃｍ２とした。
【００８０】
ここでは、アノードガス拡散層１２のサンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤと、カソードガス拡散層１５のサンプルＥ、Ｆ、Ｇ及びＨとをそれぞれ組み合わせて、膜電極接合体２を形成した。
【００８１】
続いて、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する集電体１８として機能する金箔で膜電極接合体２を挟み、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを形成した。
【００８２】
そして、膜電極接合体２、アノード集電体１８Ａ、カソード集電体１８Ｃが積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体２のカソード１６側と一方のフレームとの間、膜電極接合体２のアノード１３側と他方のフレームとの間には、それぞれシール部材１９として機能するゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【００８３】
また、アノード１３側のフレームは、気液分離膜を介して、燃料供給機構３にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ０．１ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、カソード１６側のフレーム上には、気孔率が３０％の保湿層として機能する板状体２０を配置した。この板状体２０の上には、カバープレート２１として、空気取り入れのための空気導入孔（口径４ｍｍ、口数６４個）２１Ａが形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置してネジ止めによって固定した。このようにして燃料電池１を組み立てた。
【００８４】
このような燃料電池１の燃料収容室に純メタノールを５ｍｌ注入した。そして、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、電流値と電圧値とを測定し、最大出力密度を求めた。この図７に測定結果を示す。
【００８５】
図７に示すように、何も加工を施していないアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５を備えた燃料電池１である比較例の最大出力密度は、２８ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＡ及びサンプルＥ）であった。
【００８６】
これに対して、アノード側において、燃料供給面１２Ａの表面粗さがアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂの表面粗さより大きく形成されたアノードガス拡散層１２を備えた燃料電池１については、その最大出力密度は、３８ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＢ及びサンプルＥ）、３９ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＣ及びサンプルＥ）、３３ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＤ及びサンプルＥ）であり、比較例の燃料電池１の最大出力密度と比較して大きいことが分かる。
【００８７】
この結果から、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さがアノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂより大きく形成されると、高出力化が可能となることが確認された。
【００８８】
一方、カソード側において、空気供給面１５Ａの表面粗さがカソード触媒層１４と対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されたカソードガス拡散層１５を備えた燃料電池１については、その最大出力密度は、３６ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＡ及びサンプルＦ）、３６ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＡ及びサンプルＧ）、３２ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＡ及びサンプルＨ）であり、比較例の燃料電池１の最大出力密度と比較して大きいことが分かる。
【００８９】
この結果から、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さがカソードガス拡散層１５のカソード触媒層１４と対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されると、高出力化が可能となることが確認された。
【００９０】
なお、図７に示すように、燃料供給面１２Ａの表面粗さがアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂの表面粗さより大きく形成されたアノードガス拡散層１２及び空気供給面１５Ａの表面粗さがカソード触媒層１４と対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されているカソードガス拡散層１５を備えた燃料電池１の最大出力密度は、それぞれ以下の通りであった。
【００９１】
すなわち、４１ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＢ及びサンプルＦ）、３８ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＢ及びサンプルＧ）、３３ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＢ及びサンプルＨ）、４２ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＣ及びサンプルＦ）、４０ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＣ及びサンプルＧ）、３４ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＣ及びサンプルＨ）、３４ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＤ及びサンプルＦ）、３４ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＤ及びサンプルＧ）、３２ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＤ及びサンプルＨ）であって、いずれの組み合わせにおいても、最大出力密度は、比較例の燃料電池１の最大出力密度と比較して大きいことが分かる。
【００９２】
この結果から、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さ及びカソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さが、算術平均粗さＲａ＞１５ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＞２００ｕｍであることにより、高出力化が可能となることが確認された。
【００９３】
なお、これらの燃料供給面１２Ａ及び空気供給面１５Ａについて、表面粗さが大きいほど高出力化が可能であるわけではなく、最大出力密度として３５ｍＷ／ｃｍ２以上を得るためには、燃料供給面１２Ａ及び空気供給面１５Ａの表面粗さが算術平均粗さＲａ＜１００μｍ、かつ、最大高さＲｚ＜５００μｍであることが望ましい。
【００９４】
≪第４実施形態≫
第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態の何れの実施形態においても、アノード１３は、さらに、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２との間に多孔質層２３を備えていてもよい。第４実施形態に係る燃料電池１において、第３実施形態に係る燃料電池１の構成に多孔質層２３を組み合わせた場合には、図８に示すように構成される。
【００９５】
多孔質層２３は、特に材質は限定されないが、王研式透気度試験機での透気抵抗度が２０〜５００ガーレー秒である材料を用いて形成することが望ましい。この多孔質層２３を構成する材料としては、特に、導電性と撥水性とを保つような材料であるカーボンとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）との混合物などが好適である。また、多孔質層２３の膜厚は、透気抵抗度で限定されるが、可能であれば平均して５０〜３００μｍであることが望ましい。
【００９６】
上述した発電反応において、アノード触媒層１１中及びカソード１６から電解質膜１７を介して還流した水は、アノード触媒層１１を通り、アノードガス拡散層１２に戻ってしまうことがある。アノードガス拡散層１２はこの還流水を燃料供給機構３まで戻さないように、撥水処理を行い、燃料タンクからの燃料濃度を一定にするようにしている。このため、還流水は撥水性のアノードガス拡散層１２上に存在し、アノード触媒層１１との界面では、極端に燃料濃度が低下してしまう。
【００９７】
そこで、この第４実施形態のように、アノードガス拡散層１２とアノード触媒層１１との間にさらに撥水剤とカーボンを混合したような多孔質層２３を配置したことにより、アノードガス拡散層１２への還流水の戻りを抑制することができる。また、上述したような透気抵抗度の多孔質層２３を適用することにより、気化した燃料が多孔質層２３を通る際に、透気に抵抗がかかるため、燃料供給機構３からの燃料が必要以上にアノード触媒層１１に届かず、燃料供給機構からの供給量を調整することが可能となる。これにより、別途ポンプなどの補器を必要とせずに、燃料を十分に反応させることが可能となる。
【００９８】
このように、アノードガス拡散層１２とアノード触媒層１１との間に多孔質層２３が配置されているため、アノードガス拡散層１２から液体燃料が供給されたとしても、多孔質層２３で気化が促進される。このため、燃料供給機構３とアノード１３との間に気液分離膜を配置する必要がなく、また燃料拡散室３１Ｂも不要となることから、燃料電池１の厚さを薄くすることが可能となる。
【００９９】
さらに、図８に示すように、第４実施形態に係る燃料電池１は、アノードガス拡散層１２と燃料供給機構３との間に、吸液層２２を備えていても良い。この吸液層２２を構成する材料としては、燃料を十分吸液できるようなものであれば良く、特に、耐溶剤性に優れたポリエチレン多孔質層などが望ましい。
【０１００】
このような構成によれば、燃料供給機構３からアノード１３に向かって流入する液体燃料は、吸液層２２により吸収され、さらに、表面積が拡大された燃料供給面１２Ａからアノードガス拡散層１２に吸収される。このとき、吸液層２２によって吸収された液体燃料は、毛細管現象により、アノードガス拡散層１２に均一に吸収され易くなり、吸液層２２から多孔質層２３までのパスの間で液体燃料の気化をさらに促進することが可能となる。
【０１０１】
≪効果の検証−２≫
次に、多孔質層２３及び吸液層２２を備えた燃料電池１についての効果を検証した。
【０１０２】
まず、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態と同様の手順により、４つのアノードガス拡散層１２のサンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ、４つのカソードガス拡散層１５のサンプルＥ、Ｆ、Ｇ及びＨを用意した。
【０１０３】
そして、カーボン粒子と６０％ＰＴＥＥ溶液を１：１の割合で混ぜ、超音波及びスターラーで攪拌混合したものをカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０６０）に条件を変更してスプレー塗布した後に、温度３５０度で焼成し、４つの多孔質層２３のサンプルを作製した。
【０１０４】
それぞれのサンプルについて、王研式透気抵抗度測定器で測定したところ、各サンプルの透気抵抗度は以下の通りであった。すなわち、サンプル１（１８ガーレー秒）、サンプル２（２２ガーレー秒）、サンプル３（４８０ガーレー秒）及びサンプル４（５２０ガーレー秒）であった。
【０１０５】
そして、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態と同様の手順によりアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４を形成するためのスラリーを作製した。そして、サンプル１乃至４のそれぞれの多孔質層２３の上に、スラリーをバーコート法により塗布してアノード触媒層１１を形成した。また一方で、カソードガス拡散層１５の上に、スラリーをバーコート法により塗布してカソード触媒層１４を形成した。
【０１０６】
そして、電解質膜１７とカソード１６とをカソード触媒層１４が電解質膜側を向くように重ね合わせる。続いて、電解質膜１７のカソード１６を重ね合わせた面とは反対の面に、アノード触媒層１１が電解質膜側を向くように多孔質層２３を重ね合わせ、この多孔質層２３の上にさらにアノードガス拡散層１２を重ね合わせる。その後、温度１５０℃のホットプレスにて、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧して、膜電極接合体２を形成した。
【０１０７】
なお、電極面積は、アノード１３及びカソード１６ともに１２ｃｍ２とした。
【０１０８】
なお、アノードガス拡散層１２のサンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤと、カソードガス拡散層１５のサンプルＥ、Ｆ、Ｇ及びＨとをそれぞれ組み合わせ、さらに多孔質のサンプル１、２、３及び４をそれぞれ組み合わせ、膜電極接合体２を形成した。
【０１０９】
続いて、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する集電体１８として機能する金箔で膜電極接合体２を挟み、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを形成した。
【０１１０】
膜電極接合体２、アノード集電体１８Ａ、アノード集電体１８Ａと膜電極接合体２との間に吸液層２２として機能する０．２ｍｍの膜厚のポリエチレン多孔質膜、カソード集電体１８Ｃが積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体２のカソード１６側と一方のフレームとの間、膜電極接合体２のアノード１３側と他方のフレームとの間には、それぞれシール部材１９として機能するゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【０１１１】
また、アノード１３側のフレームは、燃料供給機構３にネジ止めによって固定した。一方、カソード１６側のフレーム上には、気孔率が３０％の保湿層として機能する板状体２０を配置した。この板状体２０の上には、カバープレート２１として、空気取り入れのための空気導入孔（口径４ｍｍ、口数６４個）２１Ａが形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置してネジ止めによって固定した。このようにして燃料電池１を組み立てた。
【０１１２】
このような燃料電池１の燃料収容室に純メタノールを５ｍｌ注入した。そして、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、電流値と電圧値とを測定し、出力の最大値を求めた。この図９に測定結果を示す。
【０１１３】
図９に示すように、サンプル１及び４の多孔質層を組み合わせた構成では、いずれも出力密度が３０ｍＷ／ｃｍ２を下回り、しかも、図７に示したような多孔質層を組み合わせる前の構成よりも出力密度が低下した。
【０１１４】
一方で、サンプル２及び３の多孔質層を組み合わせた構成では、図７に示したような多孔質層を組み合わせる前の構成よりも概ね高い出力密度が得られた。
【０１１５】
この結果から、多孔質層２３の透気抵抗度が２０〜５００ガーレー秒であることにより、高出力化が可能となることが確認された。
【０１１６】
また、サンプル２及び３については、燃料供給面１２Ａの表面粗さがアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂより大きく形成されたアノードガス拡散層１２（つまりサンプルＢ、Ｃ、Ｄ）と、空気供給面１５Ａの表面粗さがカソード触媒層１４と対向する面１５Ｂより大きく形成されているカソードガス拡散層１５（つまりサンプルＦ、Ｇ、Ｈ）とを組み合わせた燃料電池１の最大出力密度が高く、特に、図７を参照しながら規定した表面粗さの範囲のサンプル（サンプルＢ及びＣと、サンプルＦ及びＧとの組み合わせ）については、４０ｍＷ／ｃｍ２以上の出力密度が得られた。
【０１１７】
以上説明したように本実施形態によれば、安定して高出力を得ることが可能な燃料電池１を提供することが可能となる。
【０１１８】
上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【０１１９】
さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【０１２０】
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、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、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したりする等、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】
【０１２１】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、第２実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図６】図６は、第３実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図７】図７は、アノードガス拡散層の燃料供給面の表面粗さ及びカソードガス拡散層の空気供給面の表面粗さを大きくしたことによる効果の検証結果を示す図である。
【図８】図８は、第４実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図９】図９は、吸液層及び多孔質を配置したことによる効果の検証結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１…燃料電池 ２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １２Ａ…燃料供給面
１３…アノード
１４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １５Ａ…空気供給面
１６…カソード
１７…電解質膜
２２…吸液層 ２３…多孔質層
【技術分野】
【０００１】
この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。
【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】
例えば、メタノールを燃料として用いた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。
【０００４】
ＤＭＦＣは、アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持させた構造の膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を備えている。アノードに燃料としてのメタノールを供給すると、メタノールが酸化分解され、二酸化炭素、プロトン及び電子が生成される。一方、カソードに空気を導入すると、空気中の酸素とアノード側から移動してきたプロトンとアノードから外部回路を通じて供給される電子とが反応して水を生成するとともに、外部回路を通る電子によって電力が供給される。
【０００５】
このような構成で発電を促進するために、メタノールを供給するポンプや空気を送り込むブロワを補器として備えたシステムとして複雑な形態を成したＤＭＦＣが開発されてきたが、小型化を図ることはきわめて難しい。
【０００６】
そこで、ブロワを用いず、発電素子に直接取り付けた吸気口を設置する構造による小型のＤＭＦＣが開示されている（例えば、特許文献１）。また、メタノールの供給量を制御するために、燃料収容室部分と負極の間に多孔体を設置し、メタノール供給量を絞る技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【０００７】
また、空孔をもつカーボン基体に触媒を染み込ませることによって触媒層を形成する方法が開示されており、且つ、電解質膜に直接触媒を形成する方法が開示されている（例えば、特許文献３）。しかしながら、触媒としては、一般的に白金（Ｐｔ）などの高価な貴金属が用いられることが多い。このため、触媒量を抑制し、高効率で高出力を生む方法が必要とされる。
【０００８】
そこで、アノード触媒層とアノードガス拡散層との間にカーボン粒子と固体高分子電解質よりなる吸水層を設けた技術が開示されている（例えば、特許文献４）。
【特許文献１】特開２００７−１５７４６２号公報
【特許文献２】特開２００４−１７１８４４号公報
【特許文献３】米国特許公報ＵＳ６，２２１，５２３Ｂ１
【特許文献４】特開２００６−８５９８４号公報、
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した特許文献４のような構成においては、カーボン粒子と固体分子電解質の量のバランスに注意をして作成する必要がある。また、作動中の燃料電池において、メタノールの濃度変化に対しても最適なバランスがくずれてしまうことがある。そのため、出力にばらつきが生じやすく、十分に触媒量を抑制することが困難である。
【００１０】
この発明は、上述した問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、安定して高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明の第１態様による燃料電池は、
アノード触媒層及び前記アノード触媒層の上に配置されたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記アノードガス拡散層の前記燃料供給機構と対向する燃料供給面の表面粗さは、前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする。
【００１２】
この発明の第２態様による燃料電池は、
アノード触媒層及び前記アノード触媒層の上に配置されたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構との間で前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を備え、
前記カソードガス拡散層の前記カバープレートと対向する空気供給面の表面粗さは、前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、安定して高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００１４】
すなわち、この発明の第１態様によれば、アノードガス拡散層は、その燃料供給機構と対向する燃料供給面の表面粗さがアノード触媒層と対向する面の表面粗さより大きく形成されている。これにより、燃料供給面の表面積を拡大することができ、燃料供給機構から供給された燃料の引き込み速度を速くすることが可能となる。したがって、補器を必要とすることなく、効率よくアノード触媒層に燃料を供給することができ、触媒量を抑制しても、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００１５】
また、この発明の第２態様によれば、カソードガス拡散層は、そのカバープレートと対向する空気供給面の表面粗さがカソード触媒層と対向する面の表面粗さより大きく形成されている。これにより、空気供給面の表面積を拡大することができ、カバープレート側からの空気（あるいは酸素）の取り込み及び発電反応によって生成した二酸化炭素の放出を促進することが可能となる。したがって、補器を必要とすることなく、発電反応に必要な酸素を効率よくカソード触媒層に供給することができ、触媒量を抑制しても、安定して高出力を得ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、この発明の一実施の形態に係る燃料電池に関する技術について図面を参照して説明する。
【００１７】
図１は、この実施の形態に係る燃料電池１の構造を概略的に示す断面図である。
【００１８】
燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（ＭＥＡ）２と、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構３と、から主として構成されている。
【００１９】
すなわち、燃料電池１において、膜電極接合体２は、アノード触媒層１１及びアノード触媒層１１の上に配置されたアノードガス拡散層１２を有するアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４及びカソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有するカソード（空気極／酸化剤極）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）伝導性の電解質膜１７とを備えて構成されている。
【００２０】
アノード触媒層１１やカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば白金（Ｐｔ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）、イリジウム（Ｉｒ）、オスミウム（Ｏｓ）、パラジウム（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には、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。カソード触媒層１４には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ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。また、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。
【００２１】
アノード触媒層１１及びカソード触媒層１４は、例えば、スルホン酸基を有する、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体等のフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）、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、タングステン酸やリンタングステン酸、硝酸リチウムなどの無機物等のプロトン導電剤を含んでいても良い。
【００２２】
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。
【００２３】
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の集電機能を有するものである。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（空気あるいは酸素）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の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、例えばカーボンペーパーなどの導電性を有する多孔質基材によって構成されている。
【００２４】
膜電極接合体２は、電解質膜１７のアノード１３側及びカソード１６側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされており、これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００２５】
膜電極接合体２のカソード１６側には、絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソード触媒層１４への空気の取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。この板状体２０は、例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としては、ポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体などが挙げられる。
【００２６】
上述した膜電極接合体２は、燃料供給機構３とカバープレート２１との間に配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状のものであり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。また、カバープレート２１は、酸化剤である空気を取入れるための複数の開口部（空気導入孔）２１Ａを有している。
【００２７】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。
【００２８】
燃料供給機構３は、例えば、箱状に形成された容器３０を備えている。この燃料供給機構３は、液体燃料を収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。この容器３０は、例えば樹脂製容器によって構成される。容器３０を形成する材料としては、液体燃料に対する耐性を有している材料が選択される。
【００２９】
燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。ここでは、特に、燃料供給部３１が燃料分配板３１Ａを備えた構成について説明するが、燃料供給部３１は他の構成であっても良い。
【００３０】
すなわち、燃料分配板３１Ａは、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有しており、細管３４のような燃料通路を介して燃料注入口３２と燃料排出口３３とを接続した構成である。燃料通路は、燃料分配板３１Ａ内に形成した細管３４に代えて燃料流通溝等で構成してもよい。この場合、燃料流通溝を有する流路板を複数の燃料排出口を有する拡散板で覆うことによって、燃料分配板３１Ａを構成することも可能である。複数の燃料排出口３３には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過しない気液分離膜を配置してもよい。
【００３１】
細管３４の一端（始端部）には、燃料注入口３２が設けられている。細管３４は、途中で複数に分岐しており、これらの分岐した細管３４の各終端部に燃料排出口３３がそれぞれ設けられている。燃料注入口３２は、容器３０の燃料導入口３０Ａと連通している。これにより、燃料分配板３１Ａの燃料注入口３２が流路５を介して燃料収容部４に接続される。燃料排出口３３は、例えば１２８箇所にあり、液体燃料もしくはその気化成分を排出する。
【００３２】
燃料注入口３２から注入された液体燃料は、複数に分岐した細管３４を介して複数の燃料排出口３３にそれぞれ導かれる。このような燃料分配板３１Ａを使用することによって、燃料注入口３２から注入された液体燃料を方向や位置に係わりなく、複数の燃料排出口３３に均等に分配することができる。従って、膜電極接合体２の面内における発電反応の均一性をより一層高めることが可能となる。
【００３３】
さらに、細管３４で燃料注入口３２と複数の燃料排出口３３とを接続することによって、燃料電池１の特定箇所により多くの燃料を供給するような設計も可能となる。これは、膜電極接合体２の発電度合いの均一性の向上等に寄与する。
【００３４】
膜電極接合体２は、そのアノード１３が上述したような燃料分配板３１Ａの燃料排出口３３に対向するように配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構３との間に膜電極接合体２を保持した状態で容器３０に対してカシメあるいはネジ止めなどの手法により固定されている。これにより、燃料電池（ＤＭＦＣ）１の発電ユニットが構成されている。
【００３５】
燃料供給部３１は、燃料分配板３１Ａと膜電極接合体２との間に燃料拡散室３１Ｂとして機能する空間を形成するような構成であることが望ましい。この燃料拡散室３１Ｂは、燃料排出口３３から液体燃料が排出されたとしても気化を促進するとともに、面方向への拡散を促進する機能を有している。
【００３６】
膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、膜電極接合体２をアノード１３側から支持する支持部材を配置しても良い。
【００３７】
また、膜電極接合体２と燃料供給部３１との間には、少なくとも１つの多孔体を配置しても良い。
【００３８】
燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容されている。液体燃料としては、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。なお、液体燃料は、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４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料が収容される。
【００３９】
さらに、流路５には、ポンプ６が介在していても良い。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料を送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。
【００４０】
この実施の形態の燃料電池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異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。
【００４１】
ポンプ６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、ロータリーベーンポンプ、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。
【００４２】
ロータリーベーンポンプは、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。
【００４３】
なお、ポンプ６と燃料供給部３１との間にリザーバを設けてもよい。
【００４４】
また、燃料電池１の安定性や信頼性を高めるために、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。燃料遮断バルブには、電磁石、モータ、形状記憶合金、圧電セラミックス、バイメタル等をアクチュエータとして、開閉動作を電気信号で制御することが可能な電気駆動バルブが適用される。燃料遮断バルブは、状態保持機能を有するラッチタイプのバルブであることが好ましい。
【００４５】
また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。燃料収容部４から燃料供給機構３で膜電極接合体２に燃料を供給する場合、ポンプ６に代えて燃料遮断バルブのみを配置した構成とすることも可能である。この際の燃料遮断バルブは、流路５による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
【００４６】
この実施の形態の燃料電池１においては、ポンプ６を用いて燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料が間欠的に送液される。ポンプ６で送液された液体燃料は、燃料供給部３１を経て膜電極接合体２のアノード１３の全面に対して均一に供給される。
【００４７】
すなわち、複数の単セルＣの各アノード１３の平面方向に対して均一に燃料が供給され、これにより発電反応が生起される。燃料供給用（送液用）のポンプ６の運転動作は、燃料電池１の出力、温度情報、電力供給先である電子機器の運転情報等に基づいて制御することが好ましい。
【００４８】
上述したように、燃料供給部３１から放出された燃料は、膜電極接合体２のアノード１３に供給される。膜電極接合体２内において、燃料は、アノードガス拡散層１２を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で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。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、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
【００４９】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ → ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- …（１）
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、集電体を経由してカソード１６に導かれる。（１）式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１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
【００５０】
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ2 → ３Ｈ2Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。
【００５１】
ところで、この実施の形態においては、図２及び図３に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７の一方の面において間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、電解質膜１７の他方の面においてアノード１３のそれぞれと対向するように間隔をおいて配置された複数のカソード１６と、を備えている。ここでは、アノード１３及びカソード１６がそれぞれ４個である場合を示している。
【００５２】
これらのアノード１３とカソード１６との各組み合わせは、それぞれ電解質膜１７を挟持し、単セルＣをなしている。ここでは、単セルＣのそれぞれは、同一平面上において、その長手方向と直交する方向に間隔をおいて並んで配置されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。
【００５３】
図２及び図３に示したような複数の単セルＣを有する膜電極接合体２においては、各単セルＣは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。
【００５４】
すなわち、この集電体１８は、図１に示したように、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。図２などに示した膜電極接合体２に対応するために、集電体１８は、それぞれ４個のアノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを有している。
【００５５】
アノード集電体１８Ａのそれぞれは、各単セルＣにおいてアノードガス拡散層１２に積層されている。また、カソード集電体１８Ｃのそれぞれは、各単セルＣにおいてカソードガス拡散層１５に積層されている。アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃとしては、例えば金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などの金属材料からなる多孔質膜（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。
【００５６】
≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る燃料電池１において、図４に示すように、アノードガス拡散層１２の燃料供給機構３と対向する燃料供給面１２Ａの表面粗さは、アノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１に対向する面１２Ｂの表面粗さより大きく形成されている。ここでは、燃料供給面１２Ａは、アノード集電体１８Ａと接触するように配置されている。なお、図４では、主要部のみを図示している。
【００５７】
ここでの表面粗さとは、表面の凹凸の程度を表し、ＪＩＳ Ｂ ０６０１−２００１によって定義されている。この表面粗さには、対象物の表面からランダムに抜き取った各部分における算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚがある。算術平均粗さＲａは、粗さ曲線から、その平均線の方向に基準長さだけ抜き取り、この抜き取った部分の平均線から測定曲線までの偏差の絶対値を合計し、平均した値である。最大高さＲｚは、断面曲線から基準長さを抜き取った部分の最大高さである。この基準長さは、傷とみなされるような並みはずれて高い山や深い谷のない部分から、基準長さだけを抜き取って求めた値である。
【００５８】
この第１実施形態において、燃料供給面１２Ａの表面粗さは、算術平均粗さＲａ＞１５ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＞２００ｕｍである。
【００５９】
すなわち、この実施の形態においては、アノードガス拡散層１２の一方の表面が積極的に粗くなるように加工を施している。加工の手法としては、例えば、紙やすりを用いて粗くしたり、エンボス加工を施したりする手法が適用可能である。粗くする加工を何ら施さなかったアノードガス拡散層１２の表面の表面粗さは、概ね平坦であり、算術平均粗さＲａで１０〜１５ｕｍであり、また、最大高さＲｚで１３０〜１６０ｕｍであった。
【００６０】
アノード側において、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａが平坦である場合、燃料との界面においては燃料と触れ合う接触面積がそれほど大きくないため、必要以上に燃料を供給しても、アノードガス拡散層１２に入り込む量は限られている。このため、アノード触媒層１１に取り込まれる燃料が限られているため、触媒が効率的に作用せず、安定して高出力を得ることが困難となる。
【００６１】
これに対して、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さを大きくすることによって、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面積が大きくなる。つまり、アノードガス拡散層１２において、燃料と触れ合う表面積が大きくなる。なお、アノードガス拡散層１２に流入する燃料は気体、つまり気化した燃料であることが望ましい。
【００６２】
これにより、気化されている燃料の引き込みが早くなり、反応速度を速くすることが可能となる。つまり、アノード触媒層１１における触媒を効率よく作用させることが可能となる。したがって、第１実施形態に係る燃料電池１によれば、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００６３】
≪第２実施形態≫
第２実施形態に係る燃料電池１において、図５に示すように、カソードガス拡散層１５のカバープレート２１と対向する空気供給面１５Ａの表面粗さは、カソードガス拡散層１５のカソード触媒層１４に対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されている。ここでは、空気供給面１５Ａは、カソード集電体１８Ｃと接触するように配置されている。なお、図５では、主要部のみを図示している。
【００６４】
この第２実施形態において、空気供給面１５Ａの表面粗さは、算術平均粗さＲａ＞１５ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＞２００ｕｍである。
【００６５】
カソードガス拡散層１５の一方の表面を、積極的に粗くするための加工方法については第１実施形態で説明した通りである。
【００６６】
このように、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さを大きくすることによって、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面積が大きくなる。これにより、発電反応に必要な空気（あるいは酸素）の取り込み及び発電反応によって生成した二酸化炭素の放出が促進され、反応速度を速くすることが可能となる。つまり、カソード触媒層１４における触媒を効率よく作用させることが可能となる。したがって、第２実施形態に係る燃料電池１によれば、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００６７】
≪第３実施形態≫
第３実施形態に係る燃料電池１は、第１実施形態に係る燃料電池１の構成と第２実施形態に係る燃料電池１の構成とを組み合わせた構成である。つまり、図６に示すように、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さは、アノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１に対向する面１２Ｂの表面粗さより大きく形成されており、且つ、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さは、カソードガス拡散層１５のカソード触媒層１４に対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されている。なお、図６では、主要部のみを図示している。
【００６８】
このように、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さを大きくし、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さを大きくすることによって、第１実施形態に係る燃料電池１及び第２実施形態に係る燃料電池１と同様の効果を得ることが可能となる。つまり、第３実施形態に係る燃料電池１によれば、アノード１３側及びカソード１６側の双方でバランスよく触媒を作用させることができ、さらに、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００６９】
なお、本実施形態においては、以下の方法にて、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５の表面粗さを測定することができる。
【００７０】
まず、膜電極接合体２をエポキシ樹脂で固め、膜電極接合体２の断面が見えるように切断する。このとき、電極が矩形状の場合においては、膜電極接合体２を長手方向と直交する方向の中央部において長手方向と平行に切断する。そして、その切断面の中央部および両端部から１０％中央寄りの位置の合計３箇所の断面をそれぞれ切り取り樹脂に埋め込む。したがって、本発明の数値はそれら測定箇所３箇所で得られた値の平均値となる。そして、顕微鏡を用いて、それらサンプルの断面を１０倍で観察し、凹凸３回分となる範囲を特定し、その範囲に２点（仮に、Ａ点及びＢ点とする）の印をつける。さらに、顕微鏡を用いて、２００倍で観察し、Ａ点からＢ点までの距離を基準長さとしてアノードガス拡散層１２又はカソードガス拡散層１５の外表面側（つまり燃料供給面又は空気供給面の断面）を観察し、ＡＢ間の凹凸を測定して算術平均粗さＲａ及び最大高さＲｚを求めることができる。
【００７１】
≪効果の検証−１≫
次に、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さを大きくした燃料電池１、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さを大きくした燃料電池１及びアノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａ及びカソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さを大きくした燃料電池１についての効果を検証した。
【００７２】
まず、アノードガス拡散層１２用のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を用意した。そして、４つのアノードガス拡散層１２のサンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤを用意した。何も施さないカーボンペーパーをサンプルＡ（Ｒａ＝１５μｍ、Ｒｚ＝１６０μｍ）とした。片面を紙やすり（♯１８０）を用いて粗くしたカーボンペーパーをサンプルＢ（Ｒａ＝２５μｍ、Ｒｚ＝２３０μｍ）とした。エンボス加工したカーボンペーパーをサンプルＣ（Ｒａ＝８０μｍ、Ｒｚ＝４５０μｍ）とした。片面を紙やすり（♯１８０）を用いて粗くし、さらに、エンボス加工したカーボンペーパーをサンプルＤ（Ｒａ＝１０５μｍ、Ｒｚ＝５２０μｍ）とした。
【００７３】
カソードガス拡散層１５用のカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−９０）を用意した。そして、４つのカソードガス拡散層１５のサンプルＥ、Ｆ、Ｇ、Ｈを用意した。何も施さないカーボンペーパーをサンプルＥ（Ｒａ＝１０μｍ、Ｒｚ＝１３０μｍ）とした。片面を紙やすり（♯１８０）を用いて粗くしたカーボンペーパーをサンプルＦ（Ｒａ＝２０μｍ、Ｒｚ＝２５０μｍ）とした。エンボス加工したカーボンペーパーをサンプルＧ（Ｒａ＝９０μｍ、Ｒｚ＝４７０μｍ）とした。片面を紙やすり（♯１８０）を用いて粗くし、さらに、エンボス加工したカーボンペーパーをサンプルＨ（Ｒａ＝１１０μｍ、Ｒｚ＝５５０μｍ）とした。
【００７４】
そして、触媒である白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子１０重量部に対し、ナフィオン溶液（デュポン社製ＤＥ２０２０）の固形分が１重量部、さらに溶媒を加えてホモジナイザで混合し、固形分として約１５％のスラリーを作製した。
【００７５】
上述したアノードガス拡散層１２用のサンプルＡ乃至Ｄのそれぞれの何も施していない面に上述したスラリーをバーコード法により塗布してアノード触媒層１１を形成した。
【００７６】
一方、触媒である白金微粒子を担持したカーボン粒子とナフィオン溶液（デュポン社製ＤＥ２０２０）と、さらに溶媒を加えてホモジナイザで混合し、固形分として約１５％のスラリーを作製した。
【００７７】
上述したカソードガス拡散層１５用のサンプルＥ乃至Ｈのそれぞれの何も施していない面に上述したスラリーをバーコード法により塗布してカソード触媒層１４を形成した。
【００７８】
続いて、電解質膜１７として固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用い、最初にこの電解質膜１７とカソード１６とをカソード触媒層１４が電解質膜１７側を向くように重ね合わせる。続いて、電解質膜１７のカソード１６を重ね合わせた面とは反対の面に、アノード触媒層１１が電解質膜側を向くようにアノード１３を重ね合わせる。その後、温度１５０℃のホットプレスにて、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件で加圧して、膜電極接合体２を形成した。
【００７９】
なお、電極面積は、アノード１３及びカソード１６ともに１２ｃｍ２とした。
【００８０】
ここでは、アノードガス拡散層１２のサンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤと、カソードガス拡散層１５のサンプルＥ、Ｆ、Ｇ及びＨとをそれぞれ組み合わせて、膜電極接合体２を形成した。
【００８１】
続いて、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する集電体１８として機能する金箔で膜電極接合体２を挟み、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを形成した。
【００８２】
そして、膜電極接合体２、アノード集電体１８Ａ、カソード集電体１８Ｃが積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体２のカソード１６側と一方のフレームとの間、膜電極接合体２のアノード１３側と他方のフレームとの間には、それぞれシール部材１９として機能するゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【００８３】
また、アノード１３側のフレームは、気液分離膜を介して、燃料供給機構３にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ０．１ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、カソード１６側のフレーム上には、気孔率が３０％の保湿層として機能する板状体２０を配置した。この板状体２０の上には、カバープレート２１として、空気取り入れのための空気導入孔（口径４ｍｍ、口数６４個）２１Ａが形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置してネジ止めによって固定した。このようにして燃料電池１を組み立てた。
【００８４】
このような燃料電池１の燃料収容室に純メタノールを５ｍｌ注入した。そして、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、電流値と電圧値とを測定し、最大出力密度を求めた。この図７に測定結果を示す。
【００８５】
図７に示すように、何も加工を施していないアノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５を備えた燃料電池１である比較例の最大出力密度は、２８ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＡ及びサンプルＥ）であった。
【００８６】
これに対して、アノード側において、燃料供給面１２Ａの表面粗さがアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂの表面粗さより大きく形成されたアノードガス拡散層１２を備えた燃料電池１については、その最大出力密度は、３８ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＢ及びサンプルＥ）、３９ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＣ及びサンプルＥ）、３３ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＤ及びサンプルＥ）であり、比較例の燃料電池１の最大出力密度と比較して大きいことが分かる。
【００８７】
この結果から、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さがアノードガス拡散層１２のアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂより大きく形成されると、高出力化が可能となることが確認された。
【００８８】
一方、カソード側において、空気供給面１５Ａの表面粗さがカソード触媒層１４と対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されたカソードガス拡散層１５を備えた燃料電池１については、その最大出力密度は、３６ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＡ及びサンプルＦ）、３６ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＡ及びサンプルＧ）、３２ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＡ及びサンプルＨ）であり、比較例の燃料電池１の最大出力密度と比較して大きいことが分かる。
【００８９】
この結果から、カソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さがカソードガス拡散層１５のカソード触媒層１４と対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されると、高出力化が可能となることが確認された。
【００９０】
なお、図７に示すように、燃料供給面１２Ａの表面粗さがアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂの表面粗さより大きく形成されたアノードガス拡散層１２及び空気供給面１５Ａの表面粗さがカソード触媒層１４と対向する面１５Ｂの表面粗さより大きく形成されているカソードガス拡散層１５を備えた燃料電池１の最大出力密度は、それぞれ以下の通りであった。
【００９１】
すなわち、４１ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＢ及びサンプルＦ）、３８ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＢ及びサンプルＧ）、３３ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＢ及びサンプルＨ）、４２ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＣ及びサンプルＦ）、４０ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＣ及びサンプルＧ）、３４ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＣ及びサンプルＨ）、３４ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＤ及びサンプルＦ）、３４ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＤ及びサンプルＧ）、３２ｍＷ／ｃｍ２（サンプルＤ及びサンプルＨ）であって、いずれの組み合わせにおいても、最大出力密度は、比較例の燃料電池１の最大出力密度と比較して大きいことが分かる。
【００９２】
この結果から、アノードガス拡散層１２の燃料供給面１２Ａの表面粗さ及びカソードガス拡散層１５の空気供給面１５Ａの表面粗さが、算術平均粗さＲａ＞１５ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＞２００ｕｍであることにより、高出力化が可能となることが確認された。
【００９３】
なお、これらの燃料供給面１２Ａ及び空気供給面１５Ａについて、表面粗さが大きいほど高出力化が可能であるわけではなく、最大出力密度として３５ｍＷ／ｃｍ２以上を得るためには、燃料供給面１２Ａ及び空気供給面１５Ａの表面粗さが算術平均粗さＲａ＜１００μｍ、かつ、最大高さＲｚ＜５００μｍであることが望ましい。
【００９４】
≪第４実施形態≫
第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態の何れの実施形態においても、アノード１３は、さらに、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２との間に多孔質層２３を備えていてもよい。第４実施形態に係る燃料電池１において、第３実施形態に係る燃料電池１の構成に多孔質層２３を組み合わせた場合には、図８に示すように構成される。
【００９５】
多孔質層２３は、特に材質は限定されないが、王研式透気度試験機での透気抵抗度が２０〜５００ガーレー秒である材料を用いて形成することが望ましい。この多孔質層２３を構成する材料としては、特に、導電性と撥水性とを保つような材料であるカーボンとポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）との混合物などが好適である。また、多孔質層２３の膜厚は、透気抵抗度で限定されるが、可能であれば平均して５０〜３００μｍであることが望ましい。
【００９６】
上述した発電反応において、アノード触媒層１１中及びカソード１６から電解質膜１７を介して還流した水は、アノード触媒層１１を通り、アノードガス拡散層１２に戻ってしまうことがある。アノードガス拡散層１２はこの還流水を燃料供給機構３まで戻さないように、撥水処理を行い、燃料タンクからの燃料濃度を一定にするようにしている。このため、還流水は撥水性のアノードガス拡散層１２上に存在し、アノード触媒層１１との界面では、極端に燃料濃度が低下してしまう。
【００９７】
そこで、この第４実施形態のように、アノードガス拡散層１２とアノード触媒層１１との間にさらに撥水剤とカーボンを混合したような多孔質層２３を配置したことにより、アノードガス拡散層１２への還流水の戻りを抑制することができる。また、上述したような透気抵抗度の多孔質層２３を適用することにより、気化した燃料が多孔質層２３を通る際に、透気に抵抗がかかるため、燃料供給機構３からの燃料が必要以上にアノード触媒層１１に届かず、燃料供給機構からの供給量を調整することが可能となる。これにより、別途ポンプなどの補器を必要とせずに、燃料を十分に反応させることが可能となる。
【００９８】
このように、アノードガス拡散層１２とアノード触媒層１１との間に多孔質層２３が配置されているため、アノードガス拡散層１２から液体燃料が供給されたとしても、多孔質層２３で気化が促進される。このため、燃料供給機構３とアノード１３との間に気液分離膜を配置する必要がなく、また燃料拡散室３１Ｂも不要となることから、燃料電池１の厚さを薄くすることが可能となる。
【００９９】
さらに、図８に示すように、第４実施形態に係る燃料電池１は、アノードガス拡散層１２と燃料供給機構３との間に、吸液層２２を備えていても良い。この吸液層２２を構成する材料としては、燃料を十分吸液できるようなものであれば良く、特に、耐溶剤性に優れたポリエチレン多孔質層などが望ましい。
【０１００】
このような構成によれば、燃料供給機構３からアノード１３に向かって流入する液体燃料は、吸液層２２により吸収され、さらに、表面積が拡大された燃料供給面１２Ａからアノードガス拡散層１２に吸収される。このとき、吸液層２２によって吸収された液体燃料は、毛細管現象により、アノードガス拡散層１２に均一に吸収され易くなり、吸液層２２から多孔質層２３までのパスの間で液体燃料の気化をさらに促進することが可能となる。
【０１０１】
≪効果の検証−２≫
次に、多孔質層２３及び吸液層２２を備えた燃料電池１についての効果を検証した。
【０１０２】
まず、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態と同様の手順により、４つのアノードガス拡散層１２のサンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤ、４つのカソードガス拡散層１５のサンプルＥ、Ｆ、Ｇ及びＨを用意した。
【０１０３】
そして、カーボン粒子と６０％ＰＴＥＥ溶液を１：１の割合で混ぜ、超音波及びスターラーで攪拌混合したものをカーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０６０）に条件を変更してスプレー塗布した後に、温度３５０度で焼成し、４つの多孔質層２３のサンプルを作製した。
【０１０４】
それぞれのサンプルについて、王研式透気抵抗度測定器で測定したところ、各サンプルの透気抵抗度は以下の通りであった。すなわち、サンプル１（１８ガーレー秒）、サンプル２（２２ガーレー秒）、サンプル３（４８０ガーレー秒）及びサンプル４（５２０ガーレー秒）であった。
【０１０５】
そして、第１実施形態、第２実施形態及び第３実施形態と同様の手順によりアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４を形成するためのスラリーを作製した。そして、サンプル１乃至４のそれぞれの多孔質層２３の上に、スラリーをバーコート法により塗布してアノード触媒層１１を形成した。また一方で、カソードガス拡散層１５の上に、スラリーをバーコート法により塗布してカソード触媒層１４を形成した。
【０１０６】
そして、電解質膜１７とカソード１６とをカソード触媒層１４が電解質膜側を向くように重ね合わせる。続いて、電解質膜１７のカソード１６を重ね合わせた面とは反対の面に、アノード触媒層１１が電解質膜側を向くように多孔質層２３を重ね合わせ、この多孔質層２３の上にさらにアノードガス拡散層１２を重ね合わせる。その後、温度１５０℃のホットプレスにて、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ２で加圧して、膜電極接合体２を形成した。
【０１０７】
なお、電極面積は、アノード１３及びカソード１６ともに１２ｃｍ２とした。
【０１０８】
なお、アノードガス拡散層１２のサンプルＡ、Ｂ、Ｃ及びＤと、カソードガス拡散層１５のサンプルＥ、Ｆ、Ｇ及びＨとをそれぞれ組み合わせ、さらに多孔質のサンプル１、２、３及び４をそれぞれ組み合わせ、膜電極接合体２を形成した。
【０１０９】
続いて、空気および気化したメタノールを取り入れるための複数の開孔を有する集電体１８として機能する金箔で膜電極接合体２を挟み、アノード集電体１８Ａ及びカソード集電体１８Ｃを形成した。
【０１１０】
膜電極接合体２、アノード集電体１８Ａ、アノード集電体１８Ａと膜電極接合体２との間に吸液層２２として機能する０．２ｍｍの膜厚のポリエチレン多孔質膜、カソード集電体１８Ｃが積層された積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。なお、膜電極接合体２のカソード１６側と一方のフレームとの間、膜電極接合体２のアノード１３側と他方のフレームとの間には、それぞれシール部材１９として機能するゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【０１１１】
また、アノード１３側のフレームは、燃料供給機構３にネジ止めによって固定した。一方、カソード１６側のフレーム上には、気孔率が３０％の保湿層として機能する板状体２０を配置した。この板状体２０の上には、カバープレート２１として、空気取り入れのための空気導入孔（口径４ｍｍ、口数６４個）２１Ａが形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を配置してネジ止めによって固定した。このようにして燃料電池１を組み立てた。
【０１１２】
このような燃料電池１の燃料収容室に純メタノールを５ｍｌ注入した。そして、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、電流値と電圧値とを測定し、出力の最大値を求めた。この図９に測定結果を示す。
【０１１３】
図９に示すように、サンプル１及び４の多孔質層を組み合わせた構成では、いずれも出力密度が３０ｍＷ／ｃｍ２を下回り、しかも、図７に示したような多孔質層を組み合わせる前の構成よりも出力密度が低下した。
【０１１４】
一方で、サンプル２及び３の多孔質層を組み合わせた構成では、図７に示したような多孔質層を組み合わせる前の構成よりも概ね高い出力密度が得られた。
【０１１５】
この結果から、多孔質層２３の透気抵抗度が２０〜５００ガーレー秒であることにより、高出力化が可能となることが確認された。
【０１１６】
また、サンプル２及び３については、燃料供給面１２Ａの表面粗さがアノード触媒層１１と対向する面１２Ｂより大きく形成されたアノードガス拡散層１２（つまりサンプルＢ、Ｃ、Ｄ）と、空気供給面１５Ａの表面粗さがカソード触媒層１４と対向する面１５Ｂより大きく形成されているカソードガス拡散層１５（つまりサンプルＦ、Ｇ、Ｈ）とを組み合わせた燃料電池１の最大出力密度が高く、特に、図７を参照しながら規定した表面粗さの範囲のサンプル（サンプルＢ及びＣと、サンプルＦ及びＧとの組み合わせ）については、４０ｍＷ／ｃｍ２以上の出力密度が得られた。
【０１１７】
以上説明したように本実施形態によれば、安定して高出力を得ることが可能な燃料電池１を提供することが可能となる。
【０１１８】
上述した各実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、各実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、各実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。
【０１１９】
さらに、上述した各実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。
【０１２０】
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、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、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したりする等、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】
【０１２１】
【図１】図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池における膜電極接合体の一部の断面を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図２に示した膜電極接合体の平面図である。
【図４】図４は、第１実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図５】図５は、第２実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図６】図６は、第３実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図７】図７は、アノードガス拡散層の燃料供給面の表面粗さ及びカソードガス拡散層の空気供給面の表面粗さを大きくしたことによる効果の検証結果を示す図である。
【図８】図８は、第４実施形態に係る燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。
【図９】図９は、吸液層及び多孔質を配置したことによる効果の検証結果を示す図である。
【符号の説明】
【０１２２】
１…燃料電池 ２…膜電極接合体 ３…燃料供給機構
１１…アノード触媒層 １２…アノードガス拡散層 １２Ａ…燃料供給面
１３…アノード
１４…カソード触媒層 １５…カソードガス拡散層 １５Ａ…空気供給面
１６…カソード
１７…電解質膜
２２…吸液層 ２３…多孔質層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード触媒層及び前記アノード触媒層の上に配置されたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記アノードガス拡散層の前記燃料供給機構と対向する燃料供給面の表面粗さは、前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
アノード触媒層及び前記アノード触媒層の上に配置されたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構との間で前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を備え、
前記カソードガス拡散層の前記カバープレートと対向する空気供給面の表面粗さは、前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記アノードガス拡散層の前記燃料供給機構と対向する燃料供給面の表面粗さは、前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料供給面及び前記空気供給面の表面粗さは、算術平均粗さＲａ＞１５ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＞２００ｕｍであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料供給面及び前記空気供給面の表面粗さは、算術平均粗さＲａ＜１００ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＜５００ｕｍであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
さらに、前記アノードは、前記アノード触媒層と前記アノードガス拡散層との間に配置された多孔質層を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記多孔質層は、透気抵抗度が２０〜５００ガーレー秒であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
さらに、前記アノードガス拡散層と前記燃料供給機構との間に吸液層を備えたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記アノードガス拡散層の前記燃料供給面及び前記カソードガス拡散層の前記空気供給面の表面に、エンボス加工を施したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１】
アノード触媒層及び前記アノード触媒層の上に配置されたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、を備え、
前記アノードガス拡散層の前記燃料供給機構と対向する燃料供給面の表面粗さは、前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
アノード触媒層及び前記アノード触媒層の上に配置されたアノードガス拡散層を有するアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層に積層されたカソードガス拡散層を有するカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に挟持された電解質膜と、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構と、
前記燃料供給機構との間で前記膜電極接合体を保持するカバープレートと、を備え、
前記カソードガス拡散層の前記カバープレートと対向する空気供給面の表面粗さは、前記カソードガス拡散層の前記カソード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
前記アノードガス拡散層の前記燃料供給機構と対向する燃料供給面の表面粗さは、前記アノードガス拡散層の前記アノード触媒層と対向する面の表面粗さより大きいことを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料供給面及び前記空気供給面の表面粗さは、算術平均粗さＲａ＞１５ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＞２００ｕｍであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料供給面及び前記空気供給面の表面粗さは、算術平均粗さＲａ＜１００ｕｍ、かつ、最大高さＲｚ＜５００ｕｍであることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
【請求項６】
さらに、前記アノードは、前記アノード触媒層と前記アノードガス拡散層との間に配置された多孔質層を備えたことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記多孔質層は、透気抵抗度が２０〜５００ガーレー秒であることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
さらに、前記アノードガス拡散層と前記燃料供給機構との間に吸液層を備えたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記アノードガス拡散層の前記燃料供給面及び前記カソードガス拡散層の前記空気供給面の表面に、エンボス加工を施したことを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２７３７６（Ｐ２０１０−２７３７６Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８７１７９（Ｐ２００８−１８７１７９）
【出願日】平成２０年７月１８日（２００８．７．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１３３９）東芝電子エンジニアリング株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１８日（２００８．７．１８）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【出願人】（０００２２１３３９）東芝電子エンジニアリング株式会社 (238)
【Ｆターム（参考）】
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