燃料電池
【課題】ＭＥＡに供給される燃料や空気の供給量を増大し、燃料電池の出力を高める。また、燃料電池の発電反応の効率や経時的な安定性を向上させる。
【解決手段】燃料電池は、アノード４とカソード７および電解質膜８と、アノード４とカソード７の外側に配置されたシール材１１を有するＭＥＡ１と、このＭＥＡ１に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構１４とを備えている。そして、ＭＥＡ１のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方の側で、シール材１１と電極との間に電極面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部Ｓが設けられている。
【解決手段】燃料電池は、アノード４とカソード７および電解質膜８と、アノード４とカソード７の外側に配置されたシール材１１を有するＭＥＡ１と、このＭＥＡ１に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構１４とを備えている。そして、ＭＥＡ１のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方の側で、シール材１１と電極との間に電極面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部Ｓが設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は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などの電子機器を長時間充電することなく使用するため、これらの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できるという特徴を有している。したがって、燃料電池を小型化することができれば、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特に期待されている。ＤＭＦＣにおける燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型などのアクティブ方式、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（アノード）に供給する内部気化型などのパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうちで内部気化型などのパッシブ方式は、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、燃料極（アノード）、電解質膜および空気極（カソード）を有する膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）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】
このようなパッシブ方式では、燃料の供給量を確保するため、アクティブ方式に比べて濃度の高いメタノールが使用されるが、アノードでの反応に必要な水（Ｈ２Ｏ）はカソードで生成される水がアノードに逆拡散されることにより供給される。
【０００６】
しかし、液体の状態で導入された燃料は一旦気化してからＭＥＡに供給されるため、燃料の供給量がアクティブ方式に比べて制限される。また、パッシブ型の燃料電池では、アクティブ方式で燃料が供給される場合には発生する送液圧力が生じないため、反応促進の観点から、アノード反応で生じた二酸化炭素を速やかに反応系外に逃がすことが重要となる。さらに、カソードへの空気（酸素）の供給も自然の対流に依っており、強制的に給気を行うことができないため、カソード側で空気や熱の滞留により反応性が低下するおそれがあった。
【０００７】
また、パッシブ型の燃料電池では、アノード側の電極反応で発生した二酸化炭素を外気へ放出する必要があるため、従来はアノード側の容器側面にガス抜き孔を設け、ガス成分を系外に放出することが検討されていた。さらに別の構成として、電解質膜にガス抜き孔を設け、アノード側で生じた二酸化炭素をカソード側に逃がすことも検討されている。
【０００８】
しかし、このような構成では、アノードに供給された燃料ガスの一部や、カソード触媒層からアノード触媒層へ拡散してきた水（Ｈ２Ｏ）の一部が、二酸化炭素とともにガス抜き孔を通って排出されるため、アノード側の反応が十分に行なわれなくなり、出力が低下するという問題があった。この問題は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の温度が高く、アノード側に存在する燃料（メタノール）や水の飽和蒸気圧が高くなるほど、メタノールや水が蒸気としてガス抜き孔から排出されやすくなるため、顕著になっていた。
【０００９】
さらに、アノード側から排出される水の量が多くなり、ＭＥＡが含有する水の量が減少すると、電解質膜におけるプロトン（Ｈ＋）の伝導度が低下し、燃料電池の出力が低下するという問題もあった。
【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】
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（ＭＥＡ）に供給される反応物質である燃料や空気の供給量を増大し、高出力の燃料電池を提供することを目的とする。また、発電反応に伴って膜電極接合体（ＭＥＡ）のアノード側で発生するガス成分の除去性を高めることによって、発電反応の効率や経時的な安定性が向した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】
【００１１】
本発明の態様に係る燃料電池は、燃料極（アノード）および空気極（カソード）と、前記燃料極と前記空気極に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜と、前記燃料極および前記空気極の側面の外側にそれぞれ周設されたシール部を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）と、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部に収容された前記液体燃料を前記膜電極接合体の前記燃料極に供給する燃料供給機構とを具備する燃料電池において、前記膜電極接合体の前記燃料極側と前記空気極側の少なくとも一方において、前記シール部と前記燃料極または前記空気極との間に、該燃料極または空気極の面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の態様に係る燃料電池によれば、膜電極接合体（ＭＥＡ）に供給される反応物質である燃料や空気の供給量が増大され、安定的に高い出力が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の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、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１を有している。
【００１４】
ＭＥＡ１は、アノード触媒層２とアノードガス拡散層３を有するアノード４と、カソード触媒層５とカソードガス拡散層６を有するカソード７、およびアノード触媒層２とカソード触媒層５との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜８を備えている。
【００１５】
アノード触媒層２とカソード触媒層５は、電極反応を媒介する触媒が配置される部位であり、触媒成分を含有する。触媒成分としては、例えば、白金族元素であるＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄなどの単体金属、これらの白金族元素を含有する合金などが挙げられる。アノード触媒層２とカソード触媒層５とに含まれる触媒成分は同一であっても異なっていてもよく、組成は特に限定されない。アノード触媒層２は、触媒活性の観点からは白金、白金合金、パラジウム合金などを多く含有することが好ましく、製造コストの観点からはパラジウム合金（例えばパラジウム−コバルト合金）を多く含有することが好ましい。カソード触媒層５は、触媒活性の観点から白金または白金合金（例えば、白金−イリジウム合金や白金−ロジウム合金）を多く含むことが好ましい。これらの触媒の微粒子を導電性担体に担持した担持触媒を使用してもよい。導電性担体としては、活性炭や黒鉛などの粒子状のカーボン、または繊維状のカーボンが使用される。
【００１６】
アノード触媒層２およびカソード触媒層５には、前記触媒成分とともに、プロトン伝導性を有する電解質を含有することができる。プロトン伝導性の電解質は、発電の進行に伴って移動する（アノード触媒層→電解質膜→カソード触媒層）プロトンの移動度を向上させる役割を果たす。触媒層に含有されるプロトン伝導性の電解質としては、後述する電解質膜８を構成する高分子電解質と同種のものを使用することができる。
【００１７】
アノード触媒層２およびカソード触媒層５における前記触媒成分、導電性担体であるカーボン材料、およびプロトン伝導性の電解質の配合割合については、特に限定されない。また、アノード触媒層２とカソード触媒層５は、必ずしも１層である必要はなく、２層以上が積層された多層構造であってもよい。このとき、各層の間で、例えば触媒含有量やカーボン材料の種類を変化させてもよい。
【００１８】
アノードガス拡散層３とカソードガス拡散層６は、ＭＥＡ１に供給されたガス（アノード４では燃料ガスであるメタノール含有ガス、カソード７では酸素剤含有ガス、例えば空気）を拡散させて、触媒層へと供給する機能を有する。すなわち、アノードガス拡散層３は、アノード触媒層２に燃料ガスを均一に供給する機能を有する。また、アノード触媒層２の集電体としての機能も兼ね備えている。カソードガス拡散層６は、カソード触媒層５に酸化剤である空気を均一に供給する機能を有し、カソード触媒層５の集電体としての機能も兼ね備えている。
【００１９】
アノードガス拡散層３とカソードガス拡散層６は、それぞれ導電性材料から構成されている。導電性材料としては公知の材料を用いることができるが、燃料ガスおよび空気を触媒へ効率的に輸送するために、多孔質のカーボン織布またはカーボンペーパを用いることが好ましい。アノードガス拡散層３とカソードガス拡散層６の具体的な形態としては、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどが挙げられる。
【００２０】
プロトン伝導性の電解質膜８は、アノード触媒層２とカソード触媒層５との間に配置される。プロトン伝導性の電解質膜８としては、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体のようなスルホン酸基を有するフッ素系樹脂（商品名ナフィオン（デュポン社製）、商品名フレミオン（旭硝子社製）など）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
このように構成されるＭＥＡ１のアノードガス拡散層３には、アノード導電層９が積層され、カソードガス拡散層６には、カソード導電層１０が積層されている。アノード導電層９とカソード導電層１０は、燃料や酸化剤（空気）などを流通させる貫通孔を有している。アノード導電層９とカソード導電層１０の構成材料としては、例えば、金、ニッケルなどの導電性金属からなる多孔質膜（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。また、グラファイト（黒鉛）等の炭素材料も使用することができる。
【００２２】
プロトン伝導性の電解質膜８とアノード導電層９との間であってアノード４（アノード触媒層２とアノードガス拡散層３）の周囲には、例えば断面がＯ字状で平面形状が矩形枠状のシール材（Ｏリング）１１が設けられている。また、プロトン伝導性の電解質膜８とカソード導電層１０との間であってカソード７（カソード触媒層５とカソードガス拡散層６）の周囲にも、同じ形状のシール材（Ｏリング）１１が設けられている。これらのシール材１１は、ＭＥＡ１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止するためのものであり、例えばゴムなどの弾性体で構成されている。
【００２３】
第１の実施形態においては、図２および図３（ａ），（ｂ）に示すように、ＭＥＡ１のアノード４側およびカソード７側において、シール材１１と電極（アノード４またはカソード７）の周端部との間に、電極（アノード４またはカソード７）の面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部Ｓが設けられている。なお、この実施形態では、アノード４側とカソード７側の両方に空間部Ｓが設けられた構成を示したが、どちらか一方の側だけに空間部Ｓを設けてもよい。
【００２４】
そして、空間部Ｓのアノード４側とカソード７側を分けるように、耐燃料性（例えば、耐メタノール性）の有機フィルム（図示を省略する。）が設けられる。このような構造において、アノード４側の空間部Ｓは、前記有機フィルムとシール材１１およびアノード４の端面に三方を囲まれる空間であり、カソード７側の空間部Ｓは、前記有機フィルムとシール材１１およびカソード７の端面に三方を囲まれる空間である。
【００２５】
プロトン伝導性の電解質膜８の面積を大きくし、電解質膜８の周端部がシール材１１に達するように構成することもできる。この構成では、アノード４側とカソード７側を分ける前記有機フィルムを配置する必要がない。そして、電解質膜８の面積を大きくした部分には触媒層が積層されていないので、この領域は保水に関与することが可能になる。そのため、カソード７側からアノード４側に戻る（拡散する）水の量を増やすことができ、より高い出力を得ることができる。
【００２６】
このように、ＭＥＡ１のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方に空間部Ｓを設けることで、燃料のアノード４への取り入れ口、あるいは酸化剤である空気のカソード７への取り入れ口を広げることができ、反応物質のＭＥＡ１への供給量を増大させることができる。その結果、単位触媒量当りの出力を上げることができる。空間部Ｓの底面積が電極（アノード４またはカソード７）の面積の０．２倍未満である場合には、反応物質の供給量を十分に増大させることができない。また、空間部Ｓの底面積１１が電極面積の１．３倍を超える場合には、燃料電池の体積全体に対する発電部である電極の占める体積が小さくなりすぎるため、燃料供給や発熱のバランスがとりにくい。いずれの場合も高出力を得ることが難しい。
【００２７】
このように構成されるＭＥＡ１のカソード導電層１０の上には、保湿層１２が積層・配置されている。保湿層１２は、アノード４での反応に必要な水を供給するために、カソード触媒層５で生成した水の蒸散を抑制し、生成した水の一部をアノード４側へ拡散させる機能を有する。また、カソードガス拡散層６に酸化剤である空気を均一に導入し、カソード触媒層５への酸化剤の均一な拡散を促進する補助拡散層としての機能も有している。保湿層１２としては、例えば多孔質ポリエチレン膜などを使用することができる。
【００２８】
保湿層１２の上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口１３ａが複数個形成された表面カバー（カバープレート）１３が配置されている。表面カバー１３は、ＭＥＡ１や保湿層１２を加圧し密着性を高める役割も果たしており、例えばＳＵＳ３０４のような金属から構成されている。
【００２９】
表面カバー１３の表面や側面あるいはその近傍には、表面カバー１３から外気への放熱を促進するために放熱体（図示を省略する。）を設けても良い。放熱体の構成材料としては、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や、アルミナ、窒化アルミニウム、陶磁器、ガラス等のセラミック類を使用することができる。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。
【００３０】
放熱体の構成材料としては、熱伝導率が高く薄くても強度が高いという点から、金属が最も望ましい。熱伝導率の高さの点で、銅（２０℃における熱伝導率が３７０Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（２０℃における熱伝導率が２０４Ｗ／ｍＫ）、タングステン（２０℃における熱伝導率１９８Ｗ／ｍＫ）が特に好ましい。さらに、表面にアルマイト処理（陽極酸化処理）が施されたアルミニウムの使用が好ましく、特に、外気への熱放射率を上げるために表面に黒色アルマイト処理がなされたものを使用することが好ましい。
【００３１】
放熱体は、表面カバー１３と一体の材料から製造してもよく、また別に製造された部材を、溶接やボルト、リベット、カシメ、はんだ付け、ろう付け、接着、嵌合などの手段で表面カバー１３に固定してもよい。さらに、表面カバー１３と放熱体とは必ずしも固定されていなくてもよく、熱伝導が十分に行なわれるならば単に接触しているだけでもよい。表面カバー１３と放熱体との間に、熱伝導性グリースを塗布したり、熱伝導性接着剤で固定したりすることもできる。
【００３２】
ＭＥＡ１のアノード４側には、燃料供給機構１４が配置されている。燃料供給機構１４は、燃料収容部１５と燃料供給部１６と燃料分配層１７、および配管のような流路１８を備えている。
【００３３】
燃料収容部１５には液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、メタノール水溶液または純メタノールが好適なものとして挙げられる。また、濃度が５０ｍｏｌ％以上となるものが好適に用いられるが、必ずしも限定されない。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。
【００３４】
燃料供給部１６は、配管等で構成される流路１８を介して燃料収容部１５と接続されており、燃料収容部１５から流路１８を介して燃料供給部１６に液体燃料Ｆが導入される。流路１８は、燃料供給部１６や燃料収容部１５から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１６と燃料収容部１５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。
【００３５】
燃料供給部１６は、液体燃料Ｆが流入する燃料注入口１６ａを有しており、そのアノード４（アノード導電層９）に接する側に、複数の燃料排出口１７ａを有する燃料分配層１７が配置されている。
【００３６】
燃料収容部１５に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用し流路１８を介して燃料供給部１６まで落下させて送液することができる。また、流路１８に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料供給部１６まで送液してもよい。さらに、流路１８の一部にポンプを介在させ、燃料収容部１５に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部１６まで強制的に送液してもよい。
【００３７】
燃料分配層１７は、アノード導電層９と燃料供給部１６との間に挟持されている。燃料分配層１７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、ポリイミド系樹脂のような、液体燃料Ｆやその気化成分を透過させない材料で構成されており、複数の開口（燃料排出口１７ａ）を有する。また、この燃料分配層１７は、液体燃料Ｆとその気化成分とを分離し、液体燃料Ｆの気化成分をＭＥＡ１側へ透過させる機能を有する気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜としては、例えば、シリコーンゴム薄膜、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、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）等のフッ素系樹脂の微多孔膜などが用いられる。
【００３８】
このように構成される第１の実施形態の燃料電池においては、ＭＥＡ１のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方において、シール材１１と電極であるアノード４またはカソード７の周端部との間に、電極であるアノード４またはカソード７の面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部Ｓが設けられており、この空間部Ｓの形成により、酸化剤である空気のカソード７への取り入れ口、あるいは燃料のアノード４への取り入れ口が広げられているので、反応物質である空気や燃料のＭＥＡ１への供給量を増大させることができる。したがって、燃料電池の出力を向上させることができ、また長期に亘って高出力を維持することができる。
【００３９】
次に、本発明の燃料電池の第２および第３の実施形態について説明する。図４は第２の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１を示し、図５および図６は、第３の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１を示している。なお、これらの図では、保湿層、表面カバー、燃料供給部、燃料収容部などが図示されていないが、第２および第３の実施形態の燃料電池はこれらの要素を具備している。そして、各要素の具体的な構成は、前述した第１の実施形態の燃料電池と同様である。
【００４０】
第２の実施形態においては、図４に示すように、プロトン伝導性の電解質膜８のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方の面側で、電極（アノード４またはカソード７）が積層されていない領域、すなわち電極の周端部とシール材１１との間の空間部Ｓに対応する領域に、燃料透過性のない有機フィルム１９が貼付されている。なお、図４では、電解質膜８のアノード４側の面だけに有機フィルム１９が貼付された構成を示したが、カソード７側の面に貼付してもよく、また両面に貼付してもよい。燃料透過性のない有機フィルム１９としては、１００℃までの耐熱性と耐燃料性を有する有機フィルムが好ましく、具体的には、粘着層を有するポリイミド樹脂テープやテフロン（（登録商標）ポリテトラフルオロエチレン）テープ等が例示される。このような有機フィルム１９は、電解質膜８に熱圧着されていてもよい。
【００４１】
このように構成される第２の実施形態の燃料電池においては、アノード４側からカソード７側への燃料のクロスオーバーが抑制されるので、出力電圧が向上する。有機フィルム１９の大きさは、電解質膜８のシール材１１の配設位置までの露出された領域全体を覆う大きさとすることが好ましい。電解質膜８に積層される有機フィルム１９が小さすぎると、有機フィルム１９の周縁部とシール材１１との間に挟まれた領域の電解質膜８が、膨張・収縮による応力で裂けるおそれがある。また、特にアノード４側に積層して燃料のクロスオーバーを抑制する構成では、有機フィルム１９を貼付するのではなく、電極の周端部とシール材１１との間の電解質膜８上に、触媒層そのものを塗布してもよい。
【００４２】
第３の実施形態においては、図５および図６に示すように、プロトン伝導性の電解質膜８が貫通孔（ガス抜き孔）２０を有している。この貫通孔（ガス抜き孔）２０は、発電反応に伴ってアノード４側に発生するガス成分をカソード７側に逃がすためのものであり、電解質膜８のアノード４またはカソード７が積層された領域の周端部と、シール部材１１が配設された部位との間、すなわち電極の周端部とシール材１１との間の空間部Ｓに対応する領域に、１個あるいは複数個設けられている。そして、このガス抜き孔２０の位置における飽和水蒸気圧と、電解質膜８のカソード７側で飽和水蒸気圧が最も高い（すなわち温度が最も高い）位置における飽和水蒸気圧との比が、０．８以下となっている。また、ガス抜き孔２０の位置における飽和燃料蒸気圧（例えば飽和メタノール蒸気圧）と、電解質膜８のカソード７側で飽和燃料蒸気圧が最も高い位置における飽和燃料蒸気圧との比も、０．８以下となっている。なお、電解質膜８がシール材１１に達する面積を持たず、耐燃料性の有機フィルムを電解質膜８の周端部から外側に延出するように配置した構成では、この耐燃料性の有機フィルムに貫通孔（ガス抜き孔）を設けてもよい。
【００４３】
このように構成される第３の実施形態においては、電解質膜８に形成されたガス抜き孔２０を通って、発電反応でアノード４側に発生した二酸化炭素や水蒸気等のガス成分がカソード７側へ放出され、さらに系外に効率よく放出される。したがって、電極反応を促進して出力を向上させることができ、さらに発電の効率や経時的な安定性を向上させることができる。また、アノード４側で発生する二酸化炭素等のガス成分が、アノード４側でシール材１１との間の空間部Ｓに溜まることがないので、アノード４側の圧力増大によって電極周りの電解質膜８に応力がかかり断裂が生じる、などの問題の発生を防止することができる。
【００４４】
電解質膜８のガス抜き孔２０は、最も近接した電極（アノード４またはカソード７）の周端部との距離が３ｍｍ以上となるような位置に形成することが望ましい。このように、ガス抜き孔２０を電極から所定の長さ以上離して配置することにより、アノード４側のシール材１１との間の空間部Ｓでガス成分の流れを作ることができる。そのため、電極反応に供される物質や生成する物質の拡散が容易になるという利点がある。
【００４５】
さらに、アノード４側のガス成分の電池外への放出を阻害しないように、図７に示すように、表面カバー１３において、電解質膜８のガス抜き孔２０に相当する位置にガス抜き用の開孔１３ｂを形成することができる。そして、このようなガス抜き用開孔１３ｂに近接するように、表面カバー１５の上にアルミニウム製の放熱板２１を配置することができる。このような構成では、電解質膜８のガス抜き孔２０から外部への熱放出性の大きい経路が形成されるので、ガス抜き孔２０の位置における熱放出が効果的になされる。したがって、ガス抜き孔２０の位置における飽和水蒸気圧が大幅に減少する結果、カソード７側で飽和水蒸気圧が最も高い位置における飽和水蒸気圧との比を０．８以下に調整することができる。また、飽和燃料蒸気圧についても、飽和水蒸気圧と同様なことがいえる。
【００４６】
次に、本発明の第４〜第７の実施形態について図面を参照して説明する。図８〜図１１は、本発明の第４〜第７の実施形態におけるＭＥＡ１を示している。なお、これらの図では、保湿層、表面カバー、燃料供給部、燃料収容部などが図示されていないが、第４〜第７の実施形態の燃料電池はこれらの要素を具備している。各要素の具体的な構成は、前述した第１の実施形態の燃料電池と同様である。
【００４７】
図８に示す第４の実施形態においては、電解質膜８のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方の面側に、電極（アノード４またはカソード７）の周端部とシール材１１との間の空間部Ｓを埋めるように、耐燃料性の高い絶縁性樹脂から成るスペーサ２２が配置されている。特に、図示したように、アノード４側にスペーサ２２を配置することが好ましい。耐燃料性の高い絶縁性樹脂としては、テフロン（登録商標）のようなフッ素系樹脂が挙げられる。空間部Ｓに挿入・配置されるスペーサ２２は、空間部Ｓを隙間なく埋めている必要はなく、平面形状、厚さ等において、空間部Ｓに対して０．５〜２．０ｍｍ程度のクリアランスがあってもよい。
【００４８】
触媒層が塗布されていない電解質膜８が、液体、気体を問わず高濃度の燃料と接触した場合には、電解質膜８が膨潤してＭＥＡ１の構造が破壊されるおそれがあるが、第４の実施形態においては、空間部Ｓへのスペーサ２２の挿入・配置により、空間部Ｓの内圧の変化などにより電解質膜８が変形して燃料供給部に接触するなどの事態が生じることがなくなる。したがって、電池の出力特性を安定化させることができる。
【００４９】
第５の実施形態においては、図９に示すように、電解質膜８の電極（アノード４またはカソード７）が積層された領域とシール部材１１が配設された部位との間に、ガス抜き孔２０が形成されており、また第４の実施形態と同様に、電解質膜８のアノード４側の面にスペーサ２２が配置されている。そしてこのスペーサ２２に、アノード４の周端部とガス抜き孔２０を連通させるように溝２２ａが形成されている。
【００５０】
このように構成される第５の実施形態の燃料電池においては、ＭＥＡ１のアノード４側に発生した二酸化炭素や水蒸気等のガス成分が、スペーサ２２に形成された溝２２ａに導かれてガス抜き孔２０に達し、さらにこのガス抜き孔２０を通ってカソード７側に放出される。したがって、アノード４側からカソード７側へのガスの放出が速やかになされるので、電極反応が促進され出力が向上する。
【００５１】
第６の実施形態においては、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、電極（アノード４およびカソード７）の平面形状が凹部を有する多角形となっており、同じ面積の正方形の１．２〜５倍の周囲長を有するように構成されている。なお、図中の数値は、電極（アノード４およびカソード７）の各部分の長さ（ｃｍ）を例示したものである。
【００５２】
このように構成される第６の実施形態の燃料電池においては、電極（アノード４およびカソード７）が凹部を持つ多角形の平面形状を有しているので、凹部のない矩形の電極を有する燃料電池に比べて、反応物質である空気や燃料のＭＥＡ１の供給量をさらに増大させることができ、出力をよりいっそう向上させることができる。すなわち、第１の実施形態の燃料電池では、電極（アノード４またはカソード７）の周りに空間部Ｓがあることによって、反応物質の供給量が増大するが、電極の平面形状が矩形で周囲長が同じ面積の正方形の１．２倍以下の場合には、電極周囲の空間部Ｓに拡散した燃料が一時的に電極のエッジ部分に集中し、濃度が高くなりすぎることがある。そのため、燃料を有効に消費することができず、電極構造がダメージを受けるおそれがある。また、電極が凹部を持つ多角形の平面形状を有していても、凹部の数が多すぎたり幅が狭すぎたりして、電極の周囲長が同じ面積の正方形の５倍以上になると、電極幅が極端に細い部分や幅の狭い空間部Ｓが存在することになり、反応物質や反応生成物の拡散が妨げられる。その結果出力の低下を招くおそれがある。
【００５３】
第７の実施形態の燃料電池においては、アノード４および／またはカソード７の外周端面（側周面）が、１５０〜２００℃の温度で加熱処理されている。
【００５４】
この第７の実施形態の燃料電池においては、反応物質である空気や燃料のＭＥＡ１への供給量をさらに増大させることができ、出力をよりいっそう向上させることができる。すなわち、電極（アノード４またはカソード７）周りの空間部Ｓに拡散された反応物質は、電極の外周から燃料として供給されるため、電極のエッジ部分でのメタノール等の燃料濃度が高くなる。そのため、電極中にプロトンパスとして含まれている有機高分子電解質を溶解し、あるいは電極構造を破壊するおそれがある。アノード４および／またはカソード７の外周端面に１５０〜２００℃の温度で加熱処理を施すことにより、前記した電極のエッジ部分を強化し、濃度の高い燃料による有機高分子電解質の溶解、あるいは電極構造の破壊を防止することができる。温度が１５０℃より低いと、有機高分子電解質の強化が不十分であり、２００℃以上の温度で処理すると、処理により構造変化が起こりプロトンパスとしての機能が低下するおそれがある。
【００５５】
上述した各実施形態の燃料電池は、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。さらに、上述した各実施形態は、燃料電池本体の構成としてパッシブ型の燃料電池を例に挙げて説明したが、燃料供給など一部にポンプなどを用いたセミパッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部からＭＥＡ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に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、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、装置の小型化などを損なうものではない。また、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なるため、セミパッシブ方式の燃料電池と呼称される。
【実施例】
【００５６】
次に、本発明の燃料電池の具体例およびその評価結果について記載する。なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されない。
【００５７】
実施例１
図１に構成を示す燃料電池を、以下に示すように作製した。まず、アノード触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性の電解質であるパーフルオロカーボンスルホン酸の溶液と、分散媒である水およびメトキシプロパノールを加えてアノード触媒（Ｐｔ−Ｒｕ）担持カーボンを分散させ、アノード触媒スラリーを調製した。
【００５８】
次いで、このアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層３である多孔質カーボンペーパ（３０ｍｍ×２０ｍｍの長方形状）の上に均一に塗布して乾燥させ、厚さ１００μｍのアノード触媒層２を形成した。
【００５９】
また、カソード触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、パーフルオロカーボンスルホン酸の溶液と分散媒である水およびメトキシプロパノールを加えてカソード触媒（Ｐｔ）担持カーボンを分散させ、カソード触媒スラリーを調製した。
【００６０】
次いで、このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層６である多孔質カーボンペーパ（３０ｍｍ×２０ｍｍの長方形状）の上に均一に塗布して乾燥させ、厚さ１００μｍのカソード触媒層５を形成した。なお、アノードガス拡散層３としての多孔質カーボンペーパと、カソードガス拡散層６としての多孔質カーボンペーパとは、同形同大で厚さが等しくなっており、これらのガス拡散層の上に形成されたアノード触媒層２とカソード触媒層５も、同形同大で厚さが等しくなっている。
【００６１】
次に、こうして形成されたアノード触媒層２とカソード触媒層５との間に、プロトン伝導性の電解質膜８であるナフィオン膜（デュポン社製、４４ｍｍ×３４ｍｍの長方形状で厚さ３０μｍ、含水率１０〜２０重量％）を挟み込み、ホットプレスを行い、膜電極接合体（ＭＥＡ）１を作製した。
【００６２】
こうして得られたＭＥＡ１を、アノード導電層９およびカソード導電層１０である複数の開孔を有する金箔（４４ｍｍ×３４ｍｍの長方形状）で両面側からそれぞれ挟み込んだ後、電解質膜８とアノード導電層９との間、および電解質膜８とカソード導電層１０との間に、シール材１１である長方形枠状のゴム製Ｏリング（幅２ｍｍで外形が４４ｍｍ×３４ｍｍ）を、それぞれ以下に示すように挿入しシールを施した。
【００６３】
すなわち、図２および図３に示すように、長方形枠状のＯリング（シール材１１）の長辺部と短辺部が、アノードガス拡散層３とアノード触媒層２から成るアノード４およびカソードガス拡散層６とカソード触媒層５から成るカソード７の長辺および短辺とそれぞれ平行になり、かつアノード４およびカソード７の長辺および短辺の各周端部からの距離がいずれも５ｍｍで均等となるように、Ｏリング（シール材１１）を配置した。このＭＥＡ１において、カソード７およびアノード４の面積はそれぞれ６ｃｍ２であり、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間の空間部Ｓの底面積は６ｃｍ２となっている。すなわち、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間には、電極の面積（６ｃｍ２）の１．０倍の底面積を有する空間部Ｓが設けられている。
【００６４】
次に、カソード導電層１０の上に保湿層１２として、厚さ１．０ｍｍで透気度（ＪＩＳ Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）が２．０秒／１００ｃｍ３、透湿度（ＪＩＳ Ｌ−１０９９Ａ−１に規定の測定方法による）が２０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒの多孔質ポリエチレンフィルム（４４ｍｍ×３４ｍｍの長方形状）を積層した後、その上に表面カバー１３として、直径３ｍｍの円形の空気導入口１３ａが面内均等に４８個設けられたステンレス（ＳＵＳ３０４）板（厚さ１ｍｍ、４４ｍｍ×３４ｍｍの長方形状）を積層し、ボルトで固定した。
【００６５】
また、アノード導電層９の下に、燃料分配層１７と燃料供給部１６と燃料収容部１５および流路１８を備える燃料供給機構１４を設け、図１に示すパッシブ型の燃料電池を作製した。
【００６６】
実施例２
図４に示すように、ＭＥＡ１の電極（カソード７およびアノード４）の周端部から外側に延出されているプロトン伝導性の電解質膜８のアノード４側の面に、耐熱性と耐燃料性を有する有機フィルム１９としてカプトン（登録商標；ポリイミド樹脂）テープ（厚さ０．５ｍｍ、幅７ｍｍ）を貼り着けた。それ以外は実施例１と同様にしてＭＥＡ１を作製し、燃料電池を組み立てた。
【００６７】
実施例３
図１１に示すように、ＭＥＡ１の電解質膜８の以下に示す位置に、直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を２個設けた。２個のガス抜き孔２０は、最も近接する電極（例えばカソード７）の周端部からの距離が５ｍｍであり、Ｏリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合い接する位置にそれぞれ形成した。また、カソード導電層１０において、電解質膜８のガス抜き孔２０に相当する位置に直径０．５ｍｍの孔を形成するとともに、保湿層１２および表面カバー１３においても、ガス抜き孔２０に相当する位置に直径１ｍｍの孔を設け、排出されるガスの流出を阻害しないようにした。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００６８】
実施例４
図６に示すように、ＭＥＡ１の電解質膜８において、最も近接する電極（例えばカソード７）の周端部からの距離が３ｍｍであり、かつＯリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合う位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は実施例３と同様にして燃料電池を作製した。
【００６９】
実施例５
図１２に示すように、ＭＥＡ１の電極（カソード７およびアノード４）の短辺と、電解質膜８を含むそれ以外の各層およびＯリング（シール材１１）の長辺が平行になり、電極（カソード７およびアノード４）の長辺と、電解質膜８等の各層およびＯリング（シール材１１）の短辺が平行になるように各層を配置した。そして、電解質膜８において、最も近接する電極（例えばカソード７）の周端部からの距離が１０ｍｍであり、かつＯリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合い接する位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は実施例２と同様として燃料電池を作製した。
【００７０】
実施例６
ＭＥＡ１の電解質膜８において、Ｏリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合う位置で、最も近接する電極（例えばカソード７）の周端部からの距離が１ｍｍである位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７１】
実施例７
ＭＥＡ１の電解質膜８において、Ｏリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合う位置で最も近接するカソードの周端部からの距離が５ｍｍである位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けるとともに、図７に示すように、表面カバー１３の上に、放熱板２１としてアルミニウム板（厚さ１ｍｍ、１０×１０ｍｍの正方形状）を表面カバー１３のガス抜き用開孔１３ｂに近接するように配置し、ボルトで固定した。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７２】
実施例８
図８に示すように、ＭＥＡ１のアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（アノード４）との間の空間部Ｓに、スペーサ２２としてアノード４と同じ厚さのテフロン（（登録商標）テトラフルオロエチレン）板を配置し、空間部Ｓの大部分を閉塞した。それ以外は実施例３と同様にして燃料電池を作製した。
【００７３】
実施例９
図９に示すように、ＭＥＡ１のアノード４側の空間部Ｓに配置されたスペーサ２２であるテフロン（登録商標）板に、アノード４の周端部と電解質膜８のガス抜き孔２０を連通させる溝２２ａ（幅１ｍｍ）を形成した。なお、この溝２２ａの深さは、アノード４の厚さと一致するようにした。それ以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。
【００７４】
実施例１０
図１０（ｂ）に示すように、凹部を持つ多角形の平面形状を有する電極（アノード４およびカソード７）を用いた。この電極は、周囲長が１５ｃｍであり、同面積の正方形の周囲長（９．８ｃｍ）の約１．５３倍の外周を有している。また、ＭＥＡ１の電解質膜８において、Ｏリング（シール材１１）の短辺部の中央に向き合う位置で最も近接するカソード７の周端部からの距離が７ｍｍである位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は、実施例３と同様にして燃料電池を作製した。
【００７５】
実施例１１
ホットプレスによりアノード４およびカソード７を電解質膜８に熱圧着した後、幅が５ｍｍでアノード４およびカソード７の外形と同一の外形を有する銅製の枠体を用い、１８０℃で２分間ＭＥＡを再プレスした。それ以外は、実施例８と同様にして燃料電池を作製した。
【００７６】
実施例１２
カソードガス拡散層６およびアノードガス拡散層３として、２３．１ｍｍ×３４．６ｍｍの多孔質カーボンペーパを使用し、カソード７およびアノード４の面積を８ｃｍ２とした。そして、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間に、カソード７およびアノード４の面積（８ｃｍ２）の０．５倍の底面積（４ｃｍ２）を有する空間部Ｓが設けられるようにした。また、ＭＥＡ１の電解質膜８において、Ｏリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合う位置で最も近接するカソード７の周端部からの距離が２．５ｍｍである位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７７】
比較例１
カソードガス拡散層６およびアノードガス拡散層３として、２６．４ｍｍ×３９．７ｍｍの多孔質カーボンペーパを使用し、カソード７およびアノード４の面積を１０．５ｃｍ２とした。そして、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間に、カソード７およびアノード４の面積（１０．５ｃｍ２）の０．１２倍の断面積（１．２６ｃｍ２）を有する空間部Ｓが設けられるようにした。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７８】
比較例２
カソードガス拡散層６およびアノードガス拡散層３として、１４．１ｍｍ×２１．２ｍｍの多孔質カーボンペーパを使用し、カソード７およびアノード４の面積を３ｃｍ２とした。そして、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間に、カソード７およびアノード４の面積（３ｃｍ２）の３．０倍の断面積（９．０ｃｍ２）を有する空間部Ｓが設けられているようにした。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７９】
次に、実施例１〜１２および比較例１，２で得られた燃料電池において、温度２５℃、湿度５０％ＲＨの環境下で、燃料収容部に純度９９．９９％のメタノールを供給した。また、外部負荷として可変電流電源を接続し、燃料電池に流れる電流がゼロから次第に大きくなるように制御した。電流の制御は、電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りに流れる電流値（ｍＡ／ｃｍ２））が、１分間につき１０ｍＡ／ｃｍ２ずつ増加するように行なった。
【００８０】
すなわち、電流を流し始めてから１５分後には、１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度となるように制御した。なお、発電部の面積とは、アノード触媒層とカソード触媒層とが対向している部分の面積である。実施例１〜１２および比較例１，２の燃料電池では、アノード触媒層とカソード触媒層の面積が等しく、かつ面積全体に亘って対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しくなる。そして、燃料電池の出力電圧を測定し、その測定値が０．２Ｖに達したところで、電流の増加を終了させるようにした。また、１０００時間後の出力を測定し、初期出力を１００としたときの比率を算出した。そして、この値を出力維持率とした。
【００８１】
次に、可変電流電源の代わりに定電圧電源を接続し、燃料電池の出力電圧が０．３Ｖで一定になるように電流を制御しながら発電を行なわせ、そのときの出力密度を測定した。ここで、燃料電池の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、電流密度に出力電圧を乗じたものである。そして、この定電圧発電を２４時間継続して行い、２４時間の出力密度の平均値を燃料電池の出力密度の値とした。測定結果を前記した出力維持率の値とともに、表１に示す。なお、燃料電池の出力密度は、比較例１の値を１００とした相対値で示してある。
【００８２】
さらに、実施例３〜７の燃料電池において、上記の条件で定電圧発電を行っている間、カソードガス拡散層の中央（長方形の対角線の交点）の位置と、電解質膜に設けたガス抜き孔の位置にそれぞれ熱電対を挿入し、温度を測定した。そして、測定した温度から、水およびメタノールの飽和蒸気圧曲線のグラフを用いて、ガス抜き孔の位置における飽和水蒸気圧Ｐ1とカソードガス拡散層の中央部における飽和水蒸気圧Ｐ2との比、およびガス抜き孔の位置における飽和メタノール蒸気圧Ｐ3とカソードガス拡散層の中央部における飽和メタノール蒸気圧Ｐ4との比をそれぞれ求めた。これらの結果も表１に示す。
【００８３】
【表１】
【００８４】
表１から、実施例１〜１２で得られた燃料電池は、比較例１，２の燃料電池に比べて出力密度が高くなっているうえに、出力の維持率も大幅に向上していることがわかる。
【００８５】
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合せたり、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】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池のＭＥＡ１の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池のＭＥＡ１を示し、図３（ａ）はカソード７側の平面図であり、図３（ｂ）はアノード４側の平面図である。
【図４】第２の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】第３の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図５に示すＭＥＡ１のカソード７側の平面図である。
【図７】第３の実施形態の燃料電池において、放熱板を配置した構成を示す平面図である。
【図８】第４の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】第５の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１の構成を模式的に示す平面図である。
【図１０】第６の実施形態の燃料電池における電極の形状の例を示す平面図である。
【図１１】実施例３におけるＭＥＡ１の構成を示す平面図である。
【図１２】実施例５におけるＭＥＡ１の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…ＭＥＡ、２…アノード触媒層、３…アノードガス拡散層、４…アノード、５…カソード触媒層、６…カソードガス拡散層、７…カソード、８…電解質膜、１１…シール材（Ｏリング）、１２…保湿層、１３…表面カバー、１５…燃料収容部、１６…燃料供給部、１７…燃料分配層、Ｓ…空間部、１９…有機フィルム、２０…ガス抜き孔、２１…放熱板、２２…スペーサ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は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などの電子機器を長時間充電することなく使用するため、これらの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できるという特徴を有している。したがって、燃料電池を小型化することができれば、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特に期待されている。ＤＭＦＣにおける燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型などのアクティブ方式、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（アノード）に供給する内部気化型などのパッシブ方式が知られている。
【０００４】
これらのうちで内部気化型などのパッシブ方式は、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、燃料極（アノード）、電解質膜および空気極（カソード）を有する膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）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】
このようなパッシブ方式では、燃料の供給量を確保するため、アクティブ方式に比べて濃度の高いメタノールが使用されるが、アノードでの反応に必要な水（Ｈ２Ｏ）はカソードで生成される水がアノードに逆拡散されることにより供給される。
【０００６】
しかし、液体の状態で導入された燃料は一旦気化してからＭＥＡに供給されるため、燃料の供給量がアクティブ方式に比べて制限される。また、パッシブ型の燃料電池では、アクティブ方式で燃料が供給される場合には発生する送液圧力が生じないため、反応促進の観点から、アノード反応で生じた二酸化炭素を速やかに反応系外に逃がすことが重要となる。さらに、カソードへの空気（酸素）の供給も自然の対流に依っており、強制的に給気を行うことができないため、カソード側で空気や熱の滞留により反応性が低下するおそれがあった。
【０００７】
また、パッシブ型の燃料電池では、アノード側の電極反応で発生した二酸化炭素を外気へ放出する必要があるため、従来はアノード側の容器側面にガス抜き孔を設け、ガス成分を系外に放出することが検討されていた。さらに別の構成として、電解質膜にガス抜き孔を設け、アノード側で生じた二酸化炭素をカソード側に逃がすことも検討されている。
【０００８】
しかし、このような構成では、アノードに供給された燃料ガスの一部や、カソード触媒層からアノード触媒層へ拡散してきた水（Ｈ２Ｏ）の一部が、二酸化炭素とともにガス抜き孔を通って排出されるため、アノード側の反応が十分に行なわれなくなり、出力が低下するという問題があった。この問題は、膜電極接合体（ＭＥＡ）の温度が高く、アノード側に存在する燃料（メタノール）や水の飽和蒸気圧が高くなるほど、メタノールや水が蒸気としてガス抜き孔から排出されやすくなるため、顕著になっていた。
【０００９】
さらに、アノード側から排出される水の量が多くなり、ＭＥＡが含有する水の量が減少すると、電解質膜におけるプロトン（Ｈ＋）の伝導度が低下し、燃料電池の出力が低下するという問題もあった。
【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】
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（ＭＥＡ）に供給される反応物質である燃料や空気の供給量を増大し、高出力の燃料電池を提供することを目的とする。また、発電反応に伴って膜電極接合体（ＭＥＡ）のアノード側で発生するガス成分の除去性を高めることによって、発電反応の効率や経時的な安定性が向した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】
【００１１】
本発明の態様に係る燃料電池は、燃料極（アノード）および空気極（カソード）と、前記燃料極と前記空気極に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜と、前記燃料極および前記空気極の側面の外側にそれぞれ周設されたシール部を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）と、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部に収容された前記液体燃料を前記膜電極接合体の前記燃料極に供給する燃料供給機構とを具備する燃料電池において、前記膜電極接合体の前記燃料極側と前記空気極側の少なくとも一方において、前記シール部と前記燃料極または前記空気極との間に、該燃料極または空気極の面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部が設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の態様に係る燃料電池によれば、膜電極接合体（ＭＥＡ）に供給される反応物質である燃料や空気の供給量が増大され、安定的に高い出力が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の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、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１を有している。
【００１４】
ＭＥＡ１は、アノード触媒層２とアノードガス拡散層３を有するアノード４と、カソード触媒層５とカソードガス拡散層６を有するカソード７、およびアノード触媒層２とカソード触媒層５との間に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜８を備えている。
【００１５】
アノード触媒層２とカソード触媒層５は、電極反応を媒介する触媒が配置される部位であり、触媒成分を含有する。触媒成分としては、例えば、白金族元素であるＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄなどの単体金属、これらの白金族元素を含有する合金などが挙げられる。アノード触媒層２とカソード触媒層５とに含まれる触媒成分は同一であっても異なっていてもよく、組成は特に限定されない。アノード触媒層２は、触媒活性の観点からは白金、白金合金、パラジウム合金などを多く含有することが好ましく、製造コストの観点からはパラジウム合金（例えばパラジウム−コバルト合金）を多く含有することが好ましい。カソード触媒層５は、触媒活性の観点から白金または白金合金（例えば、白金−イリジウム合金や白金−ロジウム合金）を多く含むことが好ましい。これらの触媒の微粒子を導電性担体に担持した担持触媒を使用してもよい。導電性担体としては、活性炭や黒鉛などの粒子状のカーボン、または繊維状のカーボンが使用される。
【００１６】
アノード触媒層２およびカソード触媒層５には、前記触媒成分とともに、プロトン伝導性を有する電解質を含有することができる。プロトン伝導性の電解質は、発電の進行に伴って移動する（アノード触媒層→電解質膜→カソード触媒層）プロトンの移動度を向上させる役割を果たす。触媒層に含有されるプロトン伝導性の電解質としては、後述する電解質膜８を構成する高分子電解質と同種のものを使用することができる。
【００１７】
アノード触媒層２およびカソード触媒層５における前記触媒成分、導電性担体であるカーボン材料、およびプロトン伝導性の電解質の配合割合については、特に限定されない。また、アノード触媒層２とカソード触媒層５は、必ずしも１層である必要はなく、２層以上が積層された多層構造であってもよい。このとき、各層の間で、例えば触媒含有量やカーボン材料の種類を変化させてもよい。
【００１８】
アノードガス拡散層３とカソードガス拡散層６は、ＭＥＡ１に供給されたガス（アノード４では燃料ガスであるメタノール含有ガス、カソード７では酸素剤含有ガス、例えば空気）を拡散させて、触媒層へと供給する機能を有する。すなわち、アノードガス拡散層３は、アノード触媒層２に燃料ガスを均一に供給する機能を有する。また、アノード触媒層２の集電体としての機能も兼ね備えている。カソードガス拡散層６は、カソード触媒層５に酸化剤である空気を均一に供給する機能を有し、カソード触媒層５の集電体としての機能も兼ね備えている。
【００１９】
アノードガス拡散層３とカソードガス拡散層６は、それぞれ導電性材料から構成されている。導電性材料としては公知の材料を用いることができるが、燃料ガスおよび空気を触媒へ効率的に輸送するために、多孔質のカーボン織布またはカーボンペーパを用いることが好ましい。アノードガス拡散層３とカソードガス拡散層６の具体的な形態としては、カーボンペーパ、カーボンクロス、カーボン不織布、炭素製の織物、紙状抄紙体、フェルトなどが挙げられる。
【００２０】
プロトン伝導性の電解質膜８は、アノード触媒層２とカソード触媒層５との間に配置される。プロトン伝導性の電解質膜８としては、例えば、パーフルオロスルホン酸重合体のようなスルホン酸基を有するフッ素系樹脂（商品名ナフィオン（デュポン社製）、商品名フレミオン（旭硝子社製）など）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂などが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
このように構成されるＭＥＡ１のアノードガス拡散層３には、アノード導電層９が積層され、カソードガス拡散層６には、カソード導電層１０が積層されている。アノード導電層９とカソード導電層１０は、燃料や酸化剤（空気）などを流通させる貫通孔を有している。アノード導電層９とカソード導電層１０の構成材料としては、例えば、金、ニッケルなどの導電性金属からなる多孔質膜（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。また、グラファイト（黒鉛）等の炭素材料も使用することができる。
【００２２】
プロトン伝導性の電解質膜８とアノード導電層９との間であってアノード４（アノード触媒層２とアノードガス拡散層３）の周囲には、例えば断面がＯ字状で平面形状が矩形枠状のシール材（Ｏリング）１１が設けられている。また、プロトン伝導性の電解質膜８とカソード導電層１０との間であってカソード７（カソード触媒層５とカソードガス拡散層６）の周囲にも、同じ形状のシール材（Ｏリング）１１が設けられている。これらのシール材１１は、ＭＥＡ１からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止するためのものであり、例えばゴムなどの弾性体で構成されている。
【００２３】
第１の実施形態においては、図２および図３（ａ），（ｂ）に示すように、ＭＥＡ１のアノード４側およびカソード７側において、シール材１１と電極（アノード４またはカソード７）の周端部との間に、電極（アノード４またはカソード７）の面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部Ｓが設けられている。なお、この実施形態では、アノード４側とカソード７側の両方に空間部Ｓが設けられた構成を示したが、どちらか一方の側だけに空間部Ｓを設けてもよい。
【００２４】
そして、空間部Ｓのアノード４側とカソード７側を分けるように、耐燃料性（例えば、耐メタノール性）の有機フィルム（図示を省略する。）が設けられる。このような構造において、アノード４側の空間部Ｓは、前記有機フィルムとシール材１１およびアノード４の端面に三方を囲まれる空間であり、カソード７側の空間部Ｓは、前記有機フィルムとシール材１１およびカソード７の端面に三方を囲まれる空間である。
【００２５】
プロトン伝導性の電解質膜８の面積を大きくし、電解質膜８の周端部がシール材１１に達するように構成することもできる。この構成では、アノード４側とカソード７側を分ける前記有機フィルムを配置する必要がない。そして、電解質膜８の面積を大きくした部分には触媒層が積層されていないので、この領域は保水に関与することが可能になる。そのため、カソード７側からアノード４側に戻る（拡散する）水の量を増やすことができ、より高い出力を得ることができる。
【００２６】
このように、ＭＥＡ１のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方に空間部Ｓを設けることで、燃料のアノード４への取り入れ口、あるいは酸化剤である空気のカソード７への取り入れ口を広げることができ、反応物質のＭＥＡ１への供給量を増大させることができる。その結果、単位触媒量当りの出力を上げることができる。空間部Ｓの底面積が電極（アノード４またはカソード７）の面積の０．２倍未満である場合には、反応物質の供給量を十分に増大させることができない。また、空間部Ｓの底面積１１が電極面積の１．３倍を超える場合には、燃料電池の体積全体に対する発電部である電極の占める体積が小さくなりすぎるため、燃料供給や発熱のバランスがとりにくい。いずれの場合も高出力を得ることが難しい。
【００２７】
このように構成されるＭＥＡ１のカソード導電層１０の上には、保湿層１２が積層・配置されている。保湿層１２は、アノード４での反応に必要な水を供給するために、カソード触媒層５で生成した水の蒸散を抑制し、生成した水の一部をアノード４側へ拡散させる機能を有する。また、カソードガス拡散層６に酸化剤である空気を均一に導入し、カソード触媒層５への酸化剤の均一な拡散を促進する補助拡散層としての機能も有している。保湿層１２としては、例えば多孔質ポリエチレン膜などを使用することができる。
【００２８】
保湿層１２の上には、酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口１３ａが複数個形成された表面カバー（カバープレート）１３が配置されている。表面カバー１３は、ＭＥＡ１や保湿層１２を加圧し密着性を高める役割も果たしており、例えばＳＵＳ３０４のような金属から構成されている。
【００２９】
表面カバー１３の表面や側面あるいはその近傍には、表面カバー１３から外気への放熱を促進するために放熱体（図示を省略する。）を設けても良い。放熱体の構成材料としては、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や、アルミナ、窒化アルミニウム、陶磁器、ガラス等のセラミック類を使用することができる。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。
【００３０】
放熱体の構成材料としては、熱伝導率が高く薄くても強度が高いという点から、金属が最も望ましい。熱伝導率の高さの点で、銅（２０℃における熱伝導率が３７０Ｗ／ｍＫ）、アルミニウム（２０℃における熱伝導率が２０４Ｗ／ｍＫ）、タングステン（２０℃における熱伝導率１９８Ｗ／ｍＫ）が特に好ましい。さらに、表面にアルマイト処理（陽極酸化処理）が施されたアルミニウムの使用が好ましく、特に、外気への熱放射率を上げるために表面に黒色アルマイト処理がなされたものを使用することが好ましい。
【００３１】
放熱体は、表面カバー１３と一体の材料から製造してもよく、また別に製造された部材を、溶接やボルト、リベット、カシメ、はんだ付け、ろう付け、接着、嵌合などの手段で表面カバー１３に固定してもよい。さらに、表面カバー１３と放熱体とは必ずしも固定されていなくてもよく、熱伝導が十分に行なわれるならば単に接触しているだけでもよい。表面カバー１３と放熱体との間に、熱伝導性グリースを塗布したり、熱伝導性接着剤で固定したりすることもできる。
【００３２】
ＭＥＡ１のアノード４側には、燃料供給機構１４が配置されている。燃料供給機構１４は、燃料収容部１５と燃料供給部１６と燃料分配層１７、および配管のような流路１８を備えている。
【００３３】
燃料収容部１５には液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、メタノール水溶液または純メタノールが好適なものとして挙げられる。また、濃度が５０ｍｏｌ％以上となるものが好適に用いられるが、必ずしも限定されない。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。
【００３４】
燃料供給部１６は、配管等で構成される流路１８を介して燃料収容部１５と接続されており、燃料収容部１５から流路１８を介して燃料供給部１６に液体燃料Ｆが導入される。流路１８は、燃料供給部１６や燃料収容部１５から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１６と燃料収容部１５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。
【００３５】
燃料供給部１６は、液体燃料Ｆが流入する燃料注入口１６ａを有しており、そのアノード４（アノード導電層９）に接する側に、複数の燃料排出口１７ａを有する燃料分配層１７が配置されている。
【００３６】
燃料収容部１５に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用し流路１８を介して燃料供給部１６まで落下させて送液することができる。また、流路１８に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料供給部１６まで送液してもよい。さらに、流路１８の一部にポンプを介在させ、燃料収容部１５に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部１６まで強制的に送液してもよい。
【００３７】
燃料分配層１７は、アノード導電層９と燃料供給部１６との間に挟持されている。燃料分配層１７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、ポリイミド系樹脂のような、液体燃料Ｆやその気化成分を透過させない材料で構成されており、複数の開口（燃料排出口１７ａ）を有する。また、この燃料分配層１７は、液体燃料Ｆとその気化成分とを分離し、液体燃料Ｆの気化成分をＭＥＡ１側へ透過させる機能を有する気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜としては、例えば、シリコーンゴム薄膜、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、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）等のフッ素系樹脂の微多孔膜などが用いられる。
【００３８】
このように構成される第１の実施形態の燃料電池においては、ＭＥＡ１のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方において、シール材１１と電極であるアノード４またはカソード７の周端部との間に、電極であるアノード４またはカソード７の面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部Ｓが設けられており、この空間部Ｓの形成により、酸化剤である空気のカソード７への取り入れ口、あるいは燃料のアノード４への取り入れ口が広げられているので、反応物質である空気や燃料のＭＥＡ１への供給量を増大させることができる。したがって、燃料電池の出力を向上させることができ、また長期に亘って高出力を維持することができる。
【００３９】
次に、本発明の燃料電池の第２および第３の実施形態について説明する。図４は第２の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１を示し、図５および図６は、第３の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１を示している。なお、これらの図では、保湿層、表面カバー、燃料供給部、燃料収容部などが図示されていないが、第２および第３の実施形態の燃料電池はこれらの要素を具備している。そして、各要素の具体的な構成は、前述した第１の実施形態の燃料電池と同様である。
【００４０】
第２の実施形態においては、図４に示すように、プロトン伝導性の電解質膜８のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方の面側で、電極（アノード４またはカソード７）が積層されていない領域、すなわち電極の周端部とシール材１１との間の空間部Ｓに対応する領域に、燃料透過性のない有機フィルム１９が貼付されている。なお、図４では、電解質膜８のアノード４側の面だけに有機フィルム１９が貼付された構成を示したが、カソード７側の面に貼付してもよく、また両面に貼付してもよい。燃料透過性のない有機フィルム１９としては、１００℃までの耐熱性と耐燃料性を有する有機フィルムが好ましく、具体的には、粘着層を有するポリイミド樹脂テープやテフロン（（登録商標）ポリテトラフルオロエチレン）テープ等が例示される。このような有機フィルム１９は、電解質膜８に熱圧着されていてもよい。
【００４１】
このように構成される第２の実施形態の燃料電池においては、アノード４側からカソード７側への燃料のクロスオーバーが抑制されるので、出力電圧が向上する。有機フィルム１９の大きさは、電解質膜８のシール材１１の配設位置までの露出された領域全体を覆う大きさとすることが好ましい。電解質膜８に積層される有機フィルム１９が小さすぎると、有機フィルム１９の周縁部とシール材１１との間に挟まれた領域の電解質膜８が、膨張・収縮による応力で裂けるおそれがある。また、特にアノード４側に積層して燃料のクロスオーバーを抑制する構成では、有機フィルム１９を貼付するのではなく、電極の周端部とシール材１１との間の電解質膜８上に、触媒層そのものを塗布してもよい。
【００４２】
第３の実施形態においては、図５および図６に示すように、プロトン伝導性の電解質膜８が貫通孔（ガス抜き孔）２０を有している。この貫通孔（ガス抜き孔）２０は、発電反応に伴ってアノード４側に発生するガス成分をカソード７側に逃がすためのものであり、電解質膜８のアノード４またはカソード７が積層された領域の周端部と、シール部材１１が配設された部位との間、すなわち電極の周端部とシール材１１との間の空間部Ｓに対応する領域に、１個あるいは複数個設けられている。そして、このガス抜き孔２０の位置における飽和水蒸気圧と、電解質膜８のカソード７側で飽和水蒸気圧が最も高い（すなわち温度が最も高い）位置における飽和水蒸気圧との比が、０．８以下となっている。また、ガス抜き孔２０の位置における飽和燃料蒸気圧（例えば飽和メタノール蒸気圧）と、電解質膜８のカソード７側で飽和燃料蒸気圧が最も高い位置における飽和燃料蒸気圧との比も、０．８以下となっている。なお、電解質膜８がシール材１１に達する面積を持たず、耐燃料性の有機フィルムを電解質膜８の周端部から外側に延出するように配置した構成では、この耐燃料性の有機フィルムに貫通孔（ガス抜き孔）を設けてもよい。
【００４３】
このように構成される第３の実施形態においては、電解質膜８に形成されたガス抜き孔２０を通って、発電反応でアノード４側に発生した二酸化炭素や水蒸気等のガス成分がカソード７側へ放出され、さらに系外に効率よく放出される。したがって、電極反応を促進して出力を向上させることができ、さらに発電の効率や経時的な安定性を向上させることができる。また、アノード４側で発生する二酸化炭素等のガス成分が、アノード４側でシール材１１との間の空間部Ｓに溜まることがないので、アノード４側の圧力増大によって電極周りの電解質膜８に応力がかかり断裂が生じる、などの問題の発生を防止することができる。
【００４４】
電解質膜８のガス抜き孔２０は、最も近接した電極（アノード４またはカソード７）の周端部との距離が３ｍｍ以上となるような位置に形成することが望ましい。このように、ガス抜き孔２０を電極から所定の長さ以上離して配置することにより、アノード４側のシール材１１との間の空間部Ｓでガス成分の流れを作ることができる。そのため、電極反応に供される物質や生成する物質の拡散が容易になるという利点がある。
【００４５】
さらに、アノード４側のガス成分の電池外への放出を阻害しないように、図７に示すように、表面カバー１３において、電解質膜８のガス抜き孔２０に相当する位置にガス抜き用の開孔１３ｂを形成することができる。そして、このようなガス抜き用開孔１３ｂに近接するように、表面カバー１５の上にアルミニウム製の放熱板２１を配置することができる。このような構成では、電解質膜８のガス抜き孔２０から外部への熱放出性の大きい経路が形成されるので、ガス抜き孔２０の位置における熱放出が効果的になされる。したがって、ガス抜き孔２０の位置における飽和水蒸気圧が大幅に減少する結果、カソード７側で飽和水蒸気圧が最も高い位置における飽和水蒸気圧との比を０．８以下に調整することができる。また、飽和燃料蒸気圧についても、飽和水蒸気圧と同様なことがいえる。
【００４６】
次に、本発明の第４〜第７の実施形態について図面を参照して説明する。図８〜図１１は、本発明の第４〜第７の実施形態におけるＭＥＡ１を示している。なお、これらの図では、保湿層、表面カバー、燃料供給部、燃料収容部などが図示されていないが、第４〜第７の実施形態の燃料電池はこれらの要素を具備している。各要素の具体的な構成は、前述した第１の実施形態の燃料電池と同様である。
【００４７】
図８に示す第４の実施形態においては、電解質膜８のアノード４側とカソード７側の少なくとも一方の面側に、電極（アノード４またはカソード７）の周端部とシール材１１との間の空間部Ｓを埋めるように、耐燃料性の高い絶縁性樹脂から成るスペーサ２２が配置されている。特に、図示したように、アノード４側にスペーサ２２を配置することが好ましい。耐燃料性の高い絶縁性樹脂としては、テフロン（登録商標）のようなフッ素系樹脂が挙げられる。空間部Ｓに挿入・配置されるスペーサ２２は、空間部Ｓを隙間なく埋めている必要はなく、平面形状、厚さ等において、空間部Ｓに対して０．５〜２．０ｍｍ程度のクリアランスがあってもよい。
【００４８】
触媒層が塗布されていない電解質膜８が、液体、気体を問わず高濃度の燃料と接触した場合には、電解質膜８が膨潤してＭＥＡ１の構造が破壊されるおそれがあるが、第４の実施形態においては、空間部Ｓへのスペーサ２２の挿入・配置により、空間部Ｓの内圧の変化などにより電解質膜８が変形して燃料供給部に接触するなどの事態が生じることがなくなる。したがって、電池の出力特性を安定化させることができる。
【００４９】
第５の実施形態においては、図９に示すように、電解質膜８の電極（アノード４またはカソード７）が積層された領域とシール部材１１が配設された部位との間に、ガス抜き孔２０が形成されており、また第４の実施形態と同様に、電解質膜８のアノード４側の面にスペーサ２２が配置されている。そしてこのスペーサ２２に、アノード４の周端部とガス抜き孔２０を連通させるように溝２２ａが形成されている。
【００５０】
このように構成される第５の実施形態の燃料電池においては、ＭＥＡ１のアノード４側に発生した二酸化炭素や水蒸気等のガス成分が、スペーサ２２に形成された溝２２ａに導かれてガス抜き孔２０に達し、さらにこのガス抜き孔２０を通ってカソード７側に放出される。したがって、アノード４側からカソード７側へのガスの放出が速やかになされるので、電極反応が促進され出力が向上する。
【００５１】
第６の実施形態においては、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように、電極（アノード４およびカソード７）の平面形状が凹部を有する多角形となっており、同じ面積の正方形の１．２〜５倍の周囲長を有するように構成されている。なお、図中の数値は、電極（アノード４およびカソード７）の各部分の長さ（ｃｍ）を例示したものである。
【００５２】
このように構成される第６の実施形態の燃料電池においては、電極（アノード４およびカソード７）が凹部を持つ多角形の平面形状を有しているので、凹部のない矩形の電極を有する燃料電池に比べて、反応物質である空気や燃料のＭＥＡ１の供給量をさらに増大させることができ、出力をよりいっそう向上させることができる。すなわち、第１の実施形態の燃料電池では、電極（アノード４またはカソード７）の周りに空間部Ｓがあることによって、反応物質の供給量が増大するが、電極の平面形状が矩形で周囲長が同じ面積の正方形の１．２倍以下の場合には、電極周囲の空間部Ｓに拡散した燃料が一時的に電極のエッジ部分に集中し、濃度が高くなりすぎることがある。そのため、燃料を有効に消費することができず、電極構造がダメージを受けるおそれがある。また、電極が凹部を持つ多角形の平面形状を有していても、凹部の数が多すぎたり幅が狭すぎたりして、電極の周囲長が同じ面積の正方形の５倍以上になると、電極幅が極端に細い部分や幅の狭い空間部Ｓが存在することになり、反応物質や反応生成物の拡散が妨げられる。その結果出力の低下を招くおそれがある。
【００５３】
第７の実施形態の燃料電池においては、アノード４および／またはカソード７の外周端面（側周面）が、１５０〜２００℃の温度で加熱処理されている。
【００５４】
この第７の実施形態の燃料電池においては、反応物質である空気や燃料のＭＥＡ１への供給量をさらに増大させることができ、出力をよりいっそう向上させることができる。すなわち、電極（アノード４またはカソード７）周りの空間部Ｓに拡散された反応物質は、電極の外周から燃料として供給されるため、電極のエッジ部分でのメタノール等の燃料濃度が高くなる。そのため、電極中にプロトンパスとして含まれている有機高分子電解質を溶解し、あるいは電極構造を破壊するおそれがある。アノード４および／またはカソード７の外周端面に１５０〜２００℃の温度で加熱処理を施すことにより、前記した電極のエッジ部分を強化し、濃度の高い燃料による有機高分子電解質の溶解、あるいは電極構造の破壊を防止することができる。温度が１５０℃より低いと、有機高分子電解質の強化が不十分であり、２００℃以上の温度で処理すると、処理により構造変化が起こりプロトンパスとしての機能が低下するおそれがある。
【００５５】
上述した各実施形態の燃料電池は、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。さらに、上述した各実施形態は、燃料電池本体の構成としてパッシブ型の燃料電池を例に挙げて説明したが、燃料供給など一部にポンプなどを用いたセミパッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部からＭＥＡ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に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、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、装置の小型化などを損なうものではない。また、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なるため、セミパッシブ方式の燃料電池と呼称される。
【実施例】
【００５６】
次に、本発明の燃料電池の具体例およびその評価結果について記載する。なお、本発明の技術的範囲は以下の実施例に限定されない。
【００５７】
実施例１
図１に構成を示す燃料電池を、以下に示すように作製した。まず、アノード触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性の電解質であるパーフルオロカーボンスルホン酸の溶液と、分散媒である水およびメトキシプロパノールを加えてアノード触媒（Ｐｔ−Ｒｕ）担持カーボンを分散させ、アノード触媒スラリーを調製した。
【００５８】
次いで、このアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層３である多孔質カーボンペーパ（３０ｍｍ×２０ｍｍの長方形状）の上に均一に塗布して乾燥させ、厚さ１００μｍのアノード触媒層２を形成した。
【００５９】
また、カソード触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、パーフルオロカーボンスルホン酸の溶液と分散媒である水およびメトキシプロパノールを加えてカソード触媒（Ｐｔ）担持カーボンを分散させ、カソード触媒スラリーを調製した。
【００６０】
次いで、このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層６である多孔質カーボンペーパ（３０ｍｍ×２０ｍｍの長方形状）の上に均一に塗布して乾燥させ、厚さ１００μｍのカソード触媒層５を形成した。なお、アノードガス拡散層３としての多孔質カーボンペーパと、カソードガス拡散層６としての多孔質カーボンペーパとは、同形同大で厚さが等しくなっており、これらのガス拡散層の上に形成されたアノード触媒層２とカソード触媒層５も、同形同大で厚さが等しくなっている。
【００６１】
次に、こうして形成されたアノード触媒層２とカソード触媒層５との間に、プロトン伝導性の電解質膜８であるナフィオン膜（デュポン社製、４４ｍｍ×３４ｍｍの長方形状で厚さ３０μｍ、含水率１０〜２０重量％）を挟み込み、ホットプレスを行い、膜電極接合体（ＭＥＡ）１を作製した。
【００６２】
こうして得られたＭＥＡ１を、アノード導電層９およびカソード導電層１０である複数の開孔を有する金箔（４４ｍｍ×３４ｍｍの長方形状）で両面側からそれぞれ挟み込んだ後、電解質膜８とアノード導電層９との間、および電解質膜８とカソード導電層１０との間に、シール材１１である長方形枠状のゴム製Ｏリング（幅２ｍｍで外形が４４ｍｍ×３４ｍｍ）を、それぞれ以下に示すように挿入しシールを施した。
【００６３】
すなわち、図２および図３に示すように、長方形枠状のＯリング（シール材１１）の長辺部と短辺部が、アノードガス拡散層３とアノード触媒層２から成るアノード４およびカソードガス拡散層６とカソード触媒層５から成るカソード７の長辺および短辺とそれぞれ平行になり、かつアノード４およびカソード７の長辺および短辺の各周端部からの距離がいずれも５ｍｍで均等となるように、Ｏリング（シール材１１）を配置した。このＭＥＡ１において、カソード７およびアノード４の面積はそれぞれ６ｃｍ２であり、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間の空間部Ｓの底面積は６ｃｍ２となっている。すなわち、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間には、電極の面積（６ｃｍ２）の１．０倍の底面積を有する空間部Ｓが設けられている。
【００６４】
次に、カソード導電層１０の上に保湿層１２として、厚さ１．０ｍｍで透気度（ＪＩＳ Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）が２．０秒／１００ｃｍ３、透湿度（ＪＩＳ Ｌ−１０９９Ａ−１に規定の測定方法による）が２０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒの多孔質ポリエチレンフィルム（４４ｍｍ×３４ｍｍの長方形状）を積層した後、その上に表面カバー１３として、直径３ｍｍの円形の空気導入口１３ａが面内均等に４８個設けられたステンレス（ＳＵＳ３０４）板（厚さ１ｍｍ、４４ｍｍ×３４ｍｍの長方形状）を積層し、ボルトで固定した。
【００６５】
また、アノード導電層９の下に、燃料分配層１７と燃料供給部１６と燃料収容部１５および流路１８を備える燃料供給機構１４を設け、図１に示すパッシブ型の燃料電池を作製した。
【００６６】
実施例２
図４に示すように、ＭＥＡ１の電極（カソード７およびアノード４）の周端部から外側に延出されているプロトン伝導性の電解質膜８のアノード４側の面に、耐熱性と耐燃料性を有する有機フィルム１９としてカプトン（登録商標；ポリイミド樹脂）テープ（厚さ０．５ｍｍ、幅７ｍｍ）を貼り着けた。それ以外は実施例１と同様にしてＭＥＡ１を作製し、燃料電池を組み立てた。
【００６７】
実施例３
図１１に示すように、ＭＥＡ１の電解質膜８の以下に示す位置に、直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を２個設けた。２個のガス抜き孔２０は、最も近接する電極（例えばカソード７）の周端部からの距離が５ｍｍであり、Ｏリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合い接する位置にそれぞれ形成した。また、カソード導電層１０において、電解質膜８のガス抜き孔２０に相当する位置に直径０．５ｍｍの孔を形成するとともに、保湿層１２および表面カバー１３においても、ガス抜き孔２０に相当する位置に直径１ｍｍの孔を設け、排出されるガスの流出を阻害しないようにした。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００６８】
実施例４
図６に示すように、ＭＥＡ１の電解質膜８において、最も近接する電極（例えばカソード７）の周端部からの距離が３ｍｍであり、かつＯリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合う位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は実施例３と同様にして燃料電池を作製した。
【００６９】
実施例５
図１２に示すように、ＭＥＡ１の電極（カソード７およびアノード４）の短辺と、電解質膜８を含むそれ以外の各層およびＯリング（シール材１１）の長辺が平行になり、電極（カソード７およびアノード４）の長辺と、電解質膜８等の各層およびＯリング（シール材１１）の短辺が平行になるように各層を配置した。そして、電解質膜８において、最も近接する電極（例えばカソード７）の周端部からの距離が１０ｍｍであり、かつＯリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合い接する位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は実施例２と同様として燃料電池を作製した。
【００７０】
実施例６
ＭＥＡ１の電解質膜８において、Ｏリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合う位置で、最も近接する電極（例えばカソード７）の周端部からの距離が１ｍｍである位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７１】
実施例７
ＭＥＡ１の電解質膜８において、Ｏリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合う位置で最も近接するカソードの周端部からの距離が５ｍｍである位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けるとともに、図７に示すように、表面カバー１３の上に、放熱板２１としてアルミニウム板（厚さ１ｍｍ、１０×１０ｍｍの正方形状）を表面カバー１３のガス抜き用開孔１３ｂに近接するように配置し、ボルトで固定した。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７２】
実施例８
図８に示すように、ＭＥＡ１のアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（アノード４）との間の空間部Ｓに、スペーサ２２としてアノード４と同じ厚さのテフロン（（登録商標）テトラフルオロエチレン）板を配置し、空間部Ｓの大部分を閉塞した。それ以外は実施例３と同様にして燃料電池を作製した。
【００７３】
実施例９
図９に示すように、ＭＥＡ１のアノード４側の空間部Ｓに配置されたスペーサ２２であるテフロン（登録商標）板に、アノード４の周端部と電解質膜８のガス抜き孔２０を連通させる溝２２ａ（幅１ｍｍ）を形成した。なお、この溝２２ａの深さは、アノード４の厚さと一致するようにした。それ以外は実施例８と同様にして燃料電池を作製した。
【００７４】
実施例１０
図１０（ｂ）に示すように、凹部を持つ多角形の平面形状を有する電極（アノード４およびカソード７）を用いた。この電極は、周囲長が１５ｃｍであり、同面積の正方形の周囲長（９．８ｃｍ）の約１．５３倍の外周を有している。また、ＭＥＡ１の電解質膜８において、Ｏリング（シール材１１）の短辺部の中央に向き合う位置で最も近接するカソード７の周端部からの距離が７ｍｍである位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は、実施例３と同様にして燃料電池を作製した。
【００７５】
実施例１１
ホットプレスによりアノード４およびカソード７を電解質膜８に熱圧着した後、幅が５ｍｍでアノード４およびカソード７の外形と同一の外形を有する銅製の枠体を用い、１８０℃で２分間ＭＥＡを再プレスした。それ以外は、実施例８と同様にして燃料電池を作製した。
【００７６】
実施例１２
カソードガス拡散層６およびアノードガス拡散層３として、２３．１ｍｍ×３４．６ｍｍの多孔質カーボンペーパを使用し、カソード７およびアノード４の面積を８ｃｍ２とした。そして、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間に、カソード７およびアノード４の面積（８ｃｍ２）の０．５倍の底面積（４ｃｍ２）を有する空間部Ｓが設けられるようにした。また、ＭＥＡ１の電解質膜８において、Ｏリング（シール材１１）の短辺の中央部に向き合う位置で最も近接するカソード７の周端部からの距離が２．５ｍｍである位置２ヶ所に、それぞれ直径０．５ｍｍのガス抜き孔２０を設けた。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７７】
比較例１
カソードガス拡散層６およびアノードガス拡散層３として、２６．４ｍｍ×３９．７ｍｍの多孔質カーボンペーパを使用し、カソード７およびアノード４の面積を１０．５ｃｍ２とした。そして、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間に、カソード７およびアノード４の面積（１０．５ｃｍ２）の０．１２倍の断面積（１．２６ｃｍ２）を有する空間部Ｓが設けられるようにした。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７８】
比較例２
カソードガス拡散層６およびアノードガス拡散層３として、１４．１ｍｍ×２１．２ｍｍの多孔質カーボンペーパを使用し、カソード７およびアノード４の面積を３ｃｍ２とした。そして、カソード７側およびアノード４側のＯリング（シール材１１）と電極（カソード７およびアノード４）との間に、カソード７およびアノード４の面積（３ｃｍ２）の３．０倍の断面積（９．０ｃｍ２）を有する空間部Ｓが設けられているようにした。それ以外は実施例２と同様にして燃料電池を作製した。
【００７９】
次に、実施例１〜１２および比較例１，２で得られた燃料電池において、温度２５℃、湿度５０％ＲＨの環境下で、燃料収容部に純度９９．９９％のメタノールを供給した。また、外部負荷として可変電流電源を接続し、燃料電池に流れる電流がゼロから次第に大きくなるように制御した。電流の制御は、電流密度（発電部の面積１ｃｍ２当りに流れる電流値（ｍＡ／ｃｍ２））が、１分間につき１０ｍＡ／ｃｍ２ずつ増加するように行なった。
【００８０】
すなわち、電流を流し始めてから１５分後には、１５０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度となるように制御した。なお、発電部の面積とは、アノード触媒層とカソード触媒層とが対向している部分の面積である。実施例１〜１２および比較例１，２の燃料電池では、アノード触媒層とカソード触媒層の面積が等しく、かつ面積全体に亘って対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積に等しくなる。そして、燃料電池の出力電圧を測定し、その測定値が０．２Ｖに達したところで、電流の増加を終了させるようにした。また、１０００時間後の出力を測定し、初期出力を１００としたときの比率を算出した。そして、この値を出力維持率とした。
【００８１】
次に、可変電流電源の代わりに定電圧電源を接続し、燃料電池の出力電圧が０．３Ｖで一定になるように電流を制御しながら発電を行なわせ、そのときの出力密度を測定した。ここで、燃料電池の出力密度（ｍＷ／ｃｍ２）とは、電流密度に出力電圧を乗じたものである。そして、この定電圧発電を２４時間継続して行い、２４時間の出力密度の平均値を燃料電池の出力密度の値とした。測定結果を前記した出力維持率の値とともに、表１に示す。なお、燃料電池の出力密度は、比較例１の値を１００とした相対値で示してある。
【００８２】
さらに、実施例３〜７の燃料電池において、上記の条件で定電圧発電を行っている間、カソードガス拡散層の中央（長方形の対角線の交点）の位置と、電解質膜に設けたガス抜き孔の位置にそれぞれ熱電対を挿入し、温度を測定した。そして、測定した温度から、水およびメタノールの飽和蒸気圧曲線のグラフを用いて、ガス抜き孔の位置における飽和水蒸気圧Ｐ1とカソードガス拡散層の中央部における飽和水蒸気圧Ｐ2との比、およびガス抜き孔の位置における飽和メタノール蒸気圧Ｐ3とカソードガス拡散層の中央部における飽和メタノール蒸気圧Ｐ4との比をそれぞれ求めた。これらの結果も表１に示す。
【００８３】
【表１】
【００８４】
表１から、実施例１〜１２で得られた燃料電池は、比較例１，２の燃料電池に比べて出力密度が高くなっているうえに、出力の維持率も大幅に向上していることがわかる。
【００８５】
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合せたり、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】
【００８６】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池のＭＥＡ１の構成を模式的に示す断面図である。
【図３】図１に示す燃料電池のＭＥＡ１を示し、図３（ａ）はカソード７側の平面図であり、図３（ｂ）はアノード４側の平面図である。
【図４】第２の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１の構成を模式的に示す断面図である。
【図５】第３の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１の構成を模式的に示す断面図である。
【図６】図５に示すＭＥＡ１のカソード７側の平面図である。
【図７】第３の実施形態の燃料電池において、放熱板を配置した構成を示す平面図である。
【図８】第４の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１の構成を模式的に示す断面図である。
【図９】第５の実施形態の燃料電池におけるＭＥＡ１の構成を模式的に示す平面図である。
【図１０】第６の実施形態の燃料電池における電極の形状の例を示す平面図である。
【図１１】実施例３におけるＭＥＡ１の構成を示す平面図である。
【図１２】実施例５におけるＭＥＡ１の構成を示す平面図である。
【符号の説明】
【００８７】
１…ＭＥＡ、２…アノード触媒層、３…アノードガス拡散層、４…アノード、５…カソード触媒層、６…カソードガス拡散層、７…カソード、８…電解質膜、１１…シール材（Ｏリング）、１２…保湿層、１３…表面カバー、１５…燃料収容部、１６…燃料供給部、１７…燃料分配層、Ｓ…空間部、１９…有機フィルム、２０…ガス抜き孔、２１…放熱板、２２…スペーサ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極（アノード）および空気極（カソード）と、前記燃料極と前記空気極に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜と、前記燃料極および前記空気極の側面の外側にそれぞれ周設されたシール部を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）と、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部に収容された前記液体燃料を前記膜電極接合体の前記燃料極に供給する燃料供給機構とを具備する燃料電池において、
前記膜電極接合体の前記燃料極側と前記空気極側の少なくとも一方において、前記シール部と前記燃料極または前記空気極との間に、該燃料極または空気極の面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜は、周端部が前記シール部に達する面積を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記膜電極接合体の前記燃料極側および前記空気極側の少なくとも一方において、前記電解質膜の前記燃料極または前記空気極によって挟持されていない領域に、燃料透過性のない層が配設されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電解質膜は、前記燃料極または前記空気極によって挟持されていない領域に、前記燃料極側に生じたガス成分を前記空気極側に逃がすガス抜き孔を有することを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電解質膜の前記ガス抜き孔の位置における飽和水蒸気圧と、前記空気極側で飽和水蒸気圧が最も高い位置における飽和水蒸気圧との比が、０．８以下であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガス抜き孔と該ガス抜き孔に最も近接した前記燃料極または空気極の周端部との距離は、３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガス抜き孔には外部への熱放出路が接続されていることを特徴とする請求項４乃至６記載のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記膜電極接合体の前記燃料極側の前記空間部に、耐燃料性の高い絶縁性樹脂から成るスペーサ部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項９】
前記スペーサ部材は、前記燃料極の周端部と前記電解質膜の前記ガス抜き孔を連通させる溝を有することを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料極および前記空気極の平面形状は、同面積の正方形の１．２〜５倍の周囲長を有する形状であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料極および前記空気極の少なくとも一方の外周端面が、１５０〜２００℃の温度で加熱処理されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項１】
燃料極（アノード）および空気極（カソード）と、前記燃料極と前記空気極に挟持されたプロトン伝導性の電解質膜と、前記燃料極および前記空気極の側面の外側にそれぞれ周設されたシール部を有する膜電極接合体（ＭＥＡ）と、液体燃料を収容する燃料収容部と、前記燃料収容部に収容された前記液体燃料を前記膜電極接合体の前記燃料極に供給する燃料供給機構とを具備する燃料電池において、
前記膜電極接合体の前記燃料極側と前記空気極側の少なくとも一方において、前記シール部と前記燃料極または前記空気極との間に、該燃料極または空気極の面積の０．２〜１．３倍の底面積を有する空間部が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電解質膜は、周端部が前記シール部に達する面積を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記膜電極接合体の前記燃料極側および前記空気極側の少なくとも一方において、前記電解質膜の前記燃料極または前記空気極によって挟持されていない領域に、燃料透過性のない層が配設されていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電解質膜は、前記燃料極または前記空気極によって挟持されていない領域に、前記燃料極側に生じたガス成分を前記空気極側に逃がすガス抜き孔を有することを特徴とする請求項２または３記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電解質膜の前記ガス抜き孔の位置における飽和水蒸気圧と、前記空気極側で飽和水蒸気圧が最も高い位置における飽和水蒸気圧との比が、０．８以下であることを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
【請求項６】
前記ガス抜き孔と該ガス抜き孔に最も近接した前記燃料極または空気極の周端部との距離は、３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項４または５記載の燃料電池。
【請求項７】
前記ガス抜き孔には外部への熱放出路が接続されていることを特徴とする請求項４乃至６記載のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項８】
前記膜電極接合体の前記燃料極側の前記空間部に、耐燃料性の高い絶縁性樹脂から成るスペーサ部材が配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項９】
前記スペーサ部材は、前記燃料極の周端部と前記電解質膜の前記ガス抜き孔を連通させる溝を有することを特徴とする請求項８記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記燃料極および前記空気極の平面形状は、同面積の正方形の１．２〜５倍の周囲長を有する形状であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記燃料極および前記空気極の少なくとも一方の外周端面が、１５０〜２００℃の温度で加熱処理されていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１０−３３８３９（Ｐ２０１０−３３８３９Ａ）
【公開日】平成２２年２月１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１９３８９０（Ｐ２００８−１９３８９０）
【出願日】平成２０年７月２８日（２００８．７．２８）
【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１２日（２０１０．２．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月２８日（２００８．７．２８）
【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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