燃料電池
【課題】安定した高い出力（発電性能）を有し、小型化が可能な燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池１は、アノード（燃料極）１３、カソード（空気極）１６およびこれらに挟持された電解質膜１７を有するＭＥＡ１０と、このＭＥＡ１０のアノード側に配置された燃料供給機構３０を備えている。そして、アノード側とカソード側の少なくとも一方において、３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有する層を有している。
【解決手段】燃料電池１は、アノード（燃料極）１３、カソード（空気極）１６およびこれらに挟持された電解質膜１７を有するＭＥＡ１０と、このＭＥＡ１０のアノード側に配置された燃料供給機構３０を備えている。そして、アノード側とカソード側の少なくとも一方において、３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有する層を有している。
【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、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギー密度化への要求が高まっている。そのため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。
【０００３】
このような状況のもとで、リチウムイオン二次電池に代わって小型の燃料電池が注目を集めている。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料として使用し、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出すことができる。そのため、水素ガスを使用する燃料電池に比べて、水素ガス取り扱いの困難さがないうえに、有機燃料を改質して水素を作り出すための改質器が不要で小型化が可能であり、かつ出力密度が高いので、携帯機器用の電源として有望視されている。
【０００４】
ＤＭＦＣの主発電部は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と呼ばれ、それぞれがガス拡散層と触媒層を備える燃料極（アノード）と空気極（カソード）、およびアノードの触媒層とカソードの触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の高分子電解質膜を有する。電池反応は触媒層において進行する。具体的には、アノード触媒層で水の供給のもとに燃料の酸化分解反応が進行し、プロトン（水素イオン）および電子が生成される。このプロトンは高分子電解質膜を経てカソード触媒層に達し、一方電子は外部回路を通ってカソード触媒層に達する。そしてカソード触媒層において、供給された空気中の酸素が前記プロトンおよび電子と反応し、酸素が還元されて水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このように構成されるＤＭＦＣにおいては、アノードでの反応に必要な水を供給するために、カソードの上に保湿層を設けて水の蒸散を抑制し、カソード触媒層で生成した水の一部をアノード側へ拡散させる構造が採られている。そして、出力を上げるために、保湿層を厚くするなどの方法で水の蒸散量を低減し、カソードからアノードへの水の拡散量を増やすことが考えられている。
【０００６】
また、発電時の発熱を抑制して電池性能を維持するために、熱を可逆的に吸熱（蓄熱）する潜熱蓄熱剤を含む部材を容器表面などに配置した燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特開２００４−１８６０９７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、保湿層を厚くして水の蒸散量を抑える方法は、燃料電池の小型化、ポータブル化の要請に逆行するものであり、携帯用電子機器への搭載が難しかった。したがって、保湿層の厚さを増大させることなく、ＭＥＡで十分な水を生成して滞留させ、出力を向上させる方法が求められている。また、特許文献２に記載された方法でも、小型で安定した高い出力の燃料電池を得ることはできなかった。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、安定した高い出力（発電性能）を有し、小型化が可能な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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様の燃料電池は、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、前記アノードと前記カソードとに挟持されたプロトン伝導性の電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構を備えた燃料電池であり、前記アノードと該アノードより外側からなるアノード側および／または前記カソードと該カソードより外側からなるカソード側に、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の態様の燃料電池は、燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の態様の燃料電池は、燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４の態様の燃料電池は、燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、３５℃より高く運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有し、かつ前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、前記相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池によれば、電気抵抗（インピーダンス）を低くすることができ、安定した高い出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る燃料電池１の一実施形態の構成を示す断面図である。
【００１５】
図１に示すように、実施形態の燃料電池１は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード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プロトン伝導性を有する電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）１０を有している。また、このＭＥＡ１０のアノード１３より外側に、アノード導電層１８と、アノード１３（アノード触媒層１１）に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構３０を備えている。さらに、ＭＥＡ１０のカソード１６より外側に、カソード導電層１９と保湿層２０、および保湿層２０の上に積層された複数の空気導入口２１ａを有する表面カバー層２１を備えている。また、燃料供給機構３０は、アノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１ａを有する燃料分配層３１と、この燃料分配層３１に液体燃料Ｆを供給する燃料供給部本体３２を有している。
【００１６】
そして、このような燃料電池１のアノード側とカソード側の少なくとも一方において、３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料（以下、低温型潜熱蓄熱材料と示す。）を含有する層を有している。なお、燃料電池１のアノード側とは、アノード１３およびアノード１３より外側（電解質膜１７と反対側）の部位を意味し、カソード側とは、カソード１６およびカソード１６より外側（電解質膜１７と反対側）の部位を意味する。
【００１７】
潜熱蓄熱材料は、発生した熱を潜熱として蓄熱し、所定の温度（相変化温度）を境にして凝固と融解という相変化を繰り返すものである。実施形態においては、潜熱蓄熱材料として、相転移温度が３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度（通常４０〜５５℃）よりも低い低温型潜熱蓄熱材料が使用される。
【００１８】
低温型潜熱蓄熱材料しては、例えば、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカンなどのノルマルパラフィンやそのエマルジョン、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料等が挙げられる。これらのノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料は、ノルマルパラフィンの分子量を調整することで、３５℃を超えて燃料電池１の運転温度未満の温度範囲で相転移温度を任意にかつ精確に設定することができる。また、このマイクロカプセル化した潜熱蓄熱材料は、分散安定性の高い水性スラリーあるいは分散媒を取り除いた粉体として取り扱うことができ、燃料電池１を構成する部材に容易に含有させることができるという利点がある。
【００１９】
実施形態の燃料電池１のアノード側においては、アノード触媒層１１および燃料供給機構３０を構成する部材（例えば、燃料分配層３１および燃料供給部本体３２など）のうちの少なくとも一つが、低温型潜熱蓄熱材料を含有しているか、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を有している。より具体的には、アノード触媒層１１および燃料分配層３１においては、これらの層自体に前記した低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）が含有されている。また、燃料供給部本体３２に対しては、低温型潜熱蓄熱材料を含有する層（例えば、ノルマルパラフィンのマイクロカプセルを樹脂に混合し成形したシート）を外周面に設置する態様が採られている。さらに、燃料供給機構３０を構成する部材の間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂シートを配置する態様を採ることもできる。
【００２０】
カソード側においては、カソード触媒層１４、保湿層２０、表面カバー層２１のうちの少なくとも一つが、低温型潜熱蓄熱材料を含有しているか、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を有している。より具体的には、カソード触媒層１４および保湿層２０においては、これらの層自体に低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）が含有された態様が採られている。また、保湿層２０と表面カバー層２１との間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂シートを配置する態様を採ることもできる。
【００２１】
なお、燃料電池１のアノード側とカソード側の両方の側において、低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設ける必要はなく、少なくとも一方の側で低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設けるように構成すれば、抵抗の低減および出力向上の効果をあげることができる。特に、カソード１６側に低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を配置することが望ましい。
【００２２】
燃料電池１のアノード側とカソード側の少なくとも一方に低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設けることにより、以下に示す理由で、セル抵抗を低くし出力を向上させることができる。
【００２３】
すなわち、相転移温度である融点が運転温度（通常４０〜５５℃）よりも低い低温型潜熱蓄熱材料を含有する層が設けられた燃料電池１においては、運転（発電）の起動時に、ＭＥＡ１０の温度が相転移温度（融点）を超えた時点で、前記潜熱蓄熱材料がＭＥＡ１０からの発熱を吸収し、固体から液体への相転移（融解）を生じる。そして、この相転移（融解）が完了するまでの間は、ＭＥＡ１０の温度の上昇が抑えられるので、保湿層２０等を通っての水の蒸散が抑制され、カソード１６に滞留する水の量およびカソード１６からアノード１３へ拡散する水の量が増大する。そして、このようなＭＥＡ１０における水量の増大により、燃料電池のセル抵抗（インピーダンス）が低下し、出力が向上する。
【００２４】
なお、潜熱蓄熱材料の相転移温度（融点）が３５℃よりも低いと、夏季など気温が高い場合に、未使用時でも潜熱蓄熱剤材料が融解し、燃料電池１の運転時に潜熱蓄熱材料の吸熱作用（潜熱蓄熱作用）を利用することができない場合がある。したがって、３５℃より高い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を使用する。また、実施形態において使用する低温型潜熱蓄熱材料は、燃料電池１の運転温度よりも低い相転移温度を有するものであるので、運転温度により使用可能な潜熱蓄熱材料が変わる。すなわち、相転移温度が所定の値（例えば５０℃）の潜熱蓄熱材料は、運転温度が相転移温度（５０℃）を超える燃料電池１に使用した場合には、セル抵抗を低くし出力を向上させる効果を発揮することができるが、相転移温度（５０℃）以下の運転温度では前記効果を上げることができない。したがって、５０℃以下の温度で運転される燃料電池１の低温型潜熱蓄熱材料としては、使用することができない。
【００２５】
ＭＥＡ１０を構成するアノード触媒層１１およびカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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。アノード触媒としては、例えば、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。カソード触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ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。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。このようなアノード触媒層１１および／またはカソード触媒層１４には、前記した低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）を含有させることができる。
【００２６】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性の材料としては、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、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。電解質膜１７は、具体的には、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）、アシプレックス（商品名、旭化成工業社製）等により構成される。なお、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く、例えば、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂膜などのプロトンを輸送可能な電解質膜で構成することができる。
【００２７】
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に燃料ガスである水素含有ガスを均一に供給する機能を有するとともに、アノード触媒層１１の集電体としての機能も兼ね備えている。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に酸化剤である酸素含有ガスを均一に供給する機能を有するとともに、カソード触媒層１４の集電体としての機能も兼ね備えている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５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、原料ガス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ー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、カーボンペーパー、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。
【００２８】
このように構成されるＭＥＡ１０のアノードガス拡散層１２には、アノード導電層１８が積層され、カソードガス拡散層１５にはカソード導電層１９が積層されている。
【００２９】
アノード導電層１８とカソード導電層１９は、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）のような電気特性および化学安定性に優れた導電性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等で構成される。中でも、複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料分配層３１の開口部３１ａから送られる燃料がＭＥＡ１０に導かれる。なお、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜１７とアノード導電層１８との間および電解質膜１７とカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２２が介在されており、これらによってＭＥＡ１０からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、ここでは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を備えた燃料電池１を示しているが、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を設けずに、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５を導電層として機能させてもよい。
【００３０】
カソード導電層１９の上には、保湿層２０が積層されている。保湿層２０は、カソード触媒層１４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１３へ拡散させる機能を有する。また、カソードガス拡散層１５に酸化剤である空気を均一に導入し、カソード触媒層１４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２０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。この保湿層２０に、前記した低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）を含有させることができる。
【００３１】
保湿層２０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２１ａが複数個形成された表面カバー層２１が配置されている。表面カバー層２１は、ＭＥＡ１０や保湿層２０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。保湿層２０と表面カバー層２１との間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層（塗付層など）、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂層（シート）を配置することができる。
【００３２】
ＭＥＡ１０のアノード側に燃料供給機構３０が配置されている。燃料供給機構３０は、アノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１ａを有する燃料分配層３１と、この燃料分配層３１のＭＥＡ１０側とは異なる側に配置され燃料分配層３１に液体燃料Ｆを供給する燃料供給部本体３２と、燃料収容部３３と、流路３４、および流路３４に介挿されたポンプ３５を備えている。
【００３３】
燃料収容部３３には、ＭＥＡ１０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く、例えば、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液などを用いてもよい。これらの液体燃料Ｆの中でも、メタノール水溶液は、炭素数が１で反応の際に発生するのが二酸化炭素であり、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができる。そのため、液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を使用するのが好ましい。
【００３４】
液体燃料Ｆは、燃料成分の濃度が１００ｗｔ％から数ｗｔ％までの範囲で種々の濃度のものを用いることができるが、特にメタノール水溶液の場合は、燃料であるメタノール濃度が６０ｗｔ％以上のものを使用することが望ましい。その理由は、より少ない体積の燃料で発電することができるからである。
【００３５】
燃料供給部本体３２は、供給された液体燃料Ｆを燃料分配層３１に対して均一に供給するために、凹部からなる燃料供給部３６を備えている。この燃料供給部３６は、配管等で構成される流路３４を介して燃料収容部３３と接続されている。燃料供給部３６には、燃料収容部３３から流路３４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３１およびアノード導電層１８を介してＭＥＡ１０に供給される。燃料供給部本体３２の外周に、前記低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂層（シート）を配置することができる。
【００３６】
流路３４は、燃料供給部３６や燃料収容部３３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３６や燃料収容部３３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３６は、流路３４等を介して燃料収容部３３と連通されていればよい。
【００３７】
流路３４の一部にはポンプ３５が介挿されており、燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆは燃料供給部３６まで強制的に送液される。流路３４にポンプ３５を介在させず、燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆを重力を利用して燃料供給部３６まで落下させて送液してもよい。また、流路３４に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部３６まで送液してもよい。
【００３８】
このポンプ３５は、燃料収容部３３から燃料供給部３６に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、ＭＥＡ１０に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このようなポンプ３５を備えた燃料電池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構成が異なる。また、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なり、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ３５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Ｆ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。ロータリベーンポンプは、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。このポンプ３５は、制御手段（図示しない）と電気的に接続されており、この制御手段によって、燃料供給部３６に供給される液体燃料Ｆの供給量が制御される。
【００３９】
ここで、ポンプ３５の送液量は、燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液量が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料Ｆの量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ３５の停止時間が長くなる。そのため、ＭＥＡ１０への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ３５の下流側に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。
【００４０】
一方、ポンプ３５の送液量が１０μＬ／分未満であると、運転立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ３５を使用することが好ましい。ポンプ３５の送液量は１０μＬ／分〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ３５には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。
【００４１】
燃料分配層３１は、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、複数の開口部３１ａが形成された平板で構成される。燃料分配層３１は、具体的には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、アノード導電層１８と燃料供給部本体３２との間に挟持される。この燃料分配層３１に、前記した低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）を含有させることができる。
【００４２】
また、燃料分配層３１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ＭＥＡ１０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、フッ素樹脂（例えば、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）の微多孔膜などが用いられる。燃料供給部３２ａに導入された液体燃料Ｆは、燃料分配層３１の複数の開口部３１ａからアノード１３の全面に対して供給される。このように、燃料分配層３１によって、アノード１３に供給される燃料供給量を均一化することが可能となる。
【００４３】
次に、このように構成される実施形態において、アノード触媒層１１およびカソード触媒層１４に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた構成の燃料電池１を製造する方法を、次に示す。まず、アノード触媒を、例えば以下に示すようにして製造する。
【００４４】
すなわち、カーボンなどの導電性担体を、白金族元素の単体や白金族元素の合金を構成する金属の化合物を含む水溶液またはスラリーと接触させ、この金属化合物またはそのイオンを導電性担体上に吸着させる。そして、スラリー等を高速で撹拌しながら、適当な固定化剤、例えば水酸化ナトリウム、アンモニア、ヒドラジン、ギ酸、クエン酸、ホルマリン、メタノール、エタノール、プロパノールなどの希釈溶液をゆっくりと滴下し、金属塩として、または一部還元された金属微粒子として導電性担持体上に担持させる。次に乾燥し、還元ガスあるいは不活性ガス雰囲気で熱処理を行うことにより、アノード触媒を製造する。
【００４５】
次いで、得られたアノード触媒と、相転移温度が３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度よりも低い（例えば４０℃）低温型潜熱蓄熱材料を、プロトン伝導性の電解質の溶液と混合し、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールおよびグリセリン、エチレングリコールなどの分散媒を加えて粘度調整を行い、アノード触媒層形成用スラリー（以下、アノード触媒スラリーと示す。）とする。
【００４６】
こうして得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層１２となるカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材の上に、吸引ろ過法、スプレー法、ロールコータ法、バーコータ法などを用いて塗布し乾燥させて、アノード触媒層１１とする。なお、このようにしてアノードガス拡散層１２上にアノード触媒層１１が形成されたものがアノード１３となる。
【００４７】
また、同様にしてカソード１６を形成する。すなわち、前記アノード触媒と同様にしてカソード触媒を製造し、得られたカソード触媒と、相転移温度が３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度よりも低い（例えば４０℃）低温型潜熱蓄熱材料を、プロトン伝導性の電解質の溶液と混合し、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールおよびグリセリン、エチレングリコールなどの分散媒を加えて粘度調整を行い、カソード触媒層形成用スラリー（以下、カソード触媒スラリーと示す。）とする。
【００４８】
次いで、得られたカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層１５となるカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材の上に、吸引ろ過法、スプレー法、ロールコータ法、バーコータ法などを用いて塗布し乾燥させて、カソード触媒層１４とする。こうしてカソードガス拡散層１５上にカソード触媒層１４が形成されたものがカソード１６となる。
【００４９】
次に、こうして得られたアノード１３（アノード触媒層１１）とカソード１６（カソード触媒層１４）の間にプロトン伝導性の電解質膜１７を挟み込んだ後、これらをロールまたはプレスによって熱圧着することにより、ＭＥＡ１０が得られる。さらに、このＭＥＡ１０にアノード導電層１８およびカソード導電層１９を積層する。そして、ＭＥＡ１０のアノード側に燃料供給機構３０を配置し、カソード側に保湿層２０、表面カバー層２１を順に重ね合わせて一体化することにより、燃料電池１を製造することができる。
【００５０】
次に、実施形態に示した燃料電池１の作用について説明する。
【００５１】
燃料収容部３３から流路３４を通って燃料供給部３６に供給された液体燃料Ｆ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３１およびアノード導電層１８を介してＭＥＡ１０のアノードガス拡散層１２に供給される。アノードガス拡散層１２に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２で拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１では、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− ……式（１）
【００５２】
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１４で生成した水や電解質膜１７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。この式（１）に示す反応によって発生した熱の一部は、アノード触媒層１１、燃料分配層３１などに含有された低温型潜熱蓄熱材料により吸熱（蓄熱）される。そして、この潜熱蓄熱材料の相転移が完了するまでの間は、アノード１３の温度の上昇が抑えられる。また、この吸熱（蓄熱）によって、式（１）の反応に必要な水の蒸散が抑えられるため、メタノールの内部改質反応が促進されるようになる。
【００５３】
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１６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。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ−＋６Ｈ＋ → ３Ｈ２Ｏ ……式（２）
【００５４】
この式（２）に示す反応によって発生した熱の一部は、カソード触媒層１４、保湿層２０などに含有された低温型潜熱蓄熱材料により吸熱（蓄熱）される。そして、この潜熱蓄熱材料の相転移が完了するまでの間は、カソード１６の温度上昇が抑えられるので、保湿層２０を通っての水の蒸散が抑制され、カソード１６に滞留する水の量が増大する。そして、カソード１６に滞留する水量の増大により、アノード１３への水の拡散量が増大し、アノード１３に含有される水の量も増大する。
【００５５】
このようなカソード１６およびアノード１３における水の含有量の増大により、実施形態の燃料電池１では、セル抵抗（インピーダンス）が低下し、出力が向上する。また、実施形態において、燃料電池１を構成するアノード触媒層１１、カソード触媒層１４、保湿層２０などが低温型潜熱蓄熱材料を含有するように構成された態様では、潜熱蓄熱材料を含有する部材（樹脂シートなど）を別に配置する構成に比べて、製造の際の工程追加を必要とせず、また燃料電池全体の厚さや体積を増大させることがないという利点がある。
【００５６】
上述した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、上述した実施形態は、燃料電池本体の構成として燃料の供給にポンプを使用したセミパッシブ型のものを例に挙げて説明したが、内部気化型のような純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。
【実施例】
【００５７】
次に、本発明に係る燃料電池が優れた出力特性を有することを実施例１〜５および比較例１，２に基づいて説明する。
【００５８】
実施例１
カーボン担体であるケッチェン（Ketjen）ＥＣＰ（商品名、ライオン社製）に、アノード触媒金属であるＰｔ−Ｒｕ合金（Ｒｕ６０ａｔ．％）を担持させ、ナトリウムボロハイドライドを用いて液相還元した後、５００℃不活性雰囲気で１時間固溶体化処理を行い、アノード触媒を製造した。
【００５９】
次いで、このアノード触媒と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０（商品名、デュポン社製）および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、アノード触媒の含有割合（重量割合）とナフィオンの含有割合（重量割合）との比が３７：６３になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−１２０、東レ（株）製、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層（厚さ２００μｍ）を形成した。こうしてアノードを作製した。
【００６０】
また、カーボン担体であるケッチェンＥＣＰに、カソード触媒金属であるＰｔを担持させ、アノード触媒と同様にしてカソード触媒を製造した。次いで、このカソード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン（商品名ＨＳカプセル−Ｐ、三菱製紙（株）製）（相転移温度４０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０（商品名、デュポン社製）、および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、カソード触媒の含有割合（重量割合）とナフィオンの含有割合（重量割合）との比が７４：２６になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が１５０ジュールになるように調整した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−０９０、東レ（株）製、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層（厚さ８０μｍ）を形成した。こうしてカソードを作製した。
【００６１】
次に、プロトン伝導性の電解質膜としてナフィオンＮＲＥ−２１２ＣＳ（商品名、デュポン社製）を使用し、この電解質膜と前記アノード（電極面積１２ｃｍ２）およびカソード（電極面積１２ｃｍ２）を、アノード触媒層とカソード触媒層がそれぞれ電解質膜側になるように重ね合わせた後、加熱温度１５０℃、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ２、加圧時間５分間の条件でプレスし、ＭＥＡを作製した。そして、このようにして作製されたＭＥＡを用いて、図１に示す燃料電池を作製した。なお、保湿層としては、厚さ１．０ｍｍの多孔質ポリエチレン膜を使用した。
【００６２】
実施例２
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の配合量を、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が５００ジュールになるように調整した。それ以外は実施例１と同様にして、カソードを作製した。また、実施例１と同様にして、アノードを作製した。
【００６３】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００６４】
実施例３
実施例１と同様にして製造されたアノード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン（商品名ＨＳカプセル−Ｐ）（相転移温度４０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０、および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、アノード触媒とナフィオンの含有割合（重量割合）の比が３７：６３になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が１５０ジュールになるように調整した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−１２０、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層（厚さ２００μｍ）を形成した。こうしてアノードを作製した。
【００６５】
また、実施例１と同様にして製造されたカソード触媒と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、カソード触媒とナフィオンの含有割合（重量割合）の比が７４：２６になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−０９０、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層（厚さ８０μｍ）を形成した。こうしてカソードを作製した。
【００６６】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００６７】
実施例４
アノード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の配合量を、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が５００ジュールになるように調整した。それ以外は実施例３と同様にして、アノードを作製した。また、実施例３と同様にして、カソードを作製した。
【００６８】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００６９】
実施例５
実施例１と同様にして製造されたアノード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン（商品名ＨＳカプセル−Ｐ）（相転移温度４０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、アノード触媒とナフィオンの含有割合（重量割合）の比が３７：６３になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が１５０ジュールになるように調整した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−１２０、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層（厚さ２００μｍ）を形成した。こうしてアノードを作製した。
【００７０】
また、実施例１と同様にして製造されたカソード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン（商品名ＨＳカプセル−Ｐ）（相転移温度４０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、カソード触媒とナフィオンの含有割合（重量割合）の比が７４：２６になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が１５０ジュールになるように調整した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−０９０、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層（厚さ８０μｍ）を形成した。こうしてカソードを作製した。
【００７１】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００７２】
比較例１
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料を配合せず、カソード触媒とナフィオン溶液ＤＥ２０２０および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を混合した。それ以外は実施例１と同様にしてカソード触媒スラリーを調製し、このカソード触媒スラリーを用いてカソード触媒層を形成し、カソードを作製した。また、実施例１と同様にして、アノードガス拡散層上にアノード触媒層を形成し、アノードを作製した。
【００７３】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００７４】
比較例２
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の代わりに、燃料電池の運転温度以上の相転移温度を有する潜熱蓄熱材料（商品名ＨＳカプセル−Ｐ）（相転移温度６０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）を、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が５００ジュールになるように配合した。それ以外は実施例１と同様にしてカソード触媒スラリーを調製し、このカソード触媒スラリーを用いてカソード触媒層を形成し、カソードを作製した。また、実施例１と同様にして、アノードガス拡散層上にアノード触媒層を形成し、アノードを作製した。
【００７５】
こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００７６】
次に、実施例１〜５および比較例１，２で得られた燃料電池の燃料収容部に純度９９．９９％のメタノールを供給した。そして、運転温度５５℃−０．３５Ｖ定電位で運転させ、２時間運転後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。また、運転停止後に１ｋＨｚの交流インピーダンスを測定し、面積抵抗率（Ω・ｃｍ２）を求めた。結果を表１に示す。
【００７７】
【表１】
【００７８】
表１の結果から、以下のことがわかった。すなわち、アノード触媒層および／またはカソード触媒層が、３５℃より高くかつ燃料電池の運転温度（５５℃）よりも低い相転移温度を有する低温型潜熱蓄熱材料を含むように構成された実施例１〜５の燃料電池では、いずれの触媒層も低温型潜熱蓄熱材料を含有しない比較例１の燃料電池に比べて、面積抵抗率が低下しており、出力密度が向上していた。また、カソード触媒層に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例１，２の燃料電池の方が、アノード触媒層にのみ低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例３，４の燃料電池に比べて面積抵抗率が低くなっており、出力密度がより高くなっていた。さらに、アノード触媒層とカソード触媒層の両に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例５の燃料電池において、潜熱蓄熱材料の含有量に比して出力密度の向上効果が高くなっており、アノードとカソードの両側で低温型潜熱蓄熱材料を含有させることにより、少ない含有量で効率的に出力を向上できることがわかった。
【００７９】
さらに、カソード触媒層に、燃料電池の運転温度（５５℃）よりも高い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料（相転移温度６０℃）を含むように構成した比較例２の燃料電池では、潜熱蓄熱材料を含有しない比較例１の燃料電池に比べて、抵抗（面積抵抗率）の低下がほとんど見られず、カソード触媒層に触媒以外の異物となる材料を含有させていることになるので、比較例１の燃料電池よりもかえって出力密度が低下した。
【００８０】
なお、実施例１〜５の燃料電池において、電気抵抗（面積抵抗率）の低下および出力（出力密度）向上の効果は１００時間以上継続するが、その後次第に抵抗が上昇し出力も低下した。しかし、再び燃料電池を起動し運転した時には、同様の効果が得られ、面積抵抗率が低下し出力密度が向上した。
【００８１】
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、燃料電池セルに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、すべてが液体燃料、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】
【００８２】
【図１】本発明に係る燃料電池の一実施形態の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１…燃料電池、１０…ＭＥＡ、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極）、１７…電解質膜、１８…アノード導電層、１９…カソード導電層、２０…保湿層、２１…表面カバー層、２２…Ｏリング、３０…燃料供給機構、３１…燃料分配層、３２…燃料供給部本体、３３…燃料収容部、３４…流路、３５…ポンプ、３６…燃料供給部。
【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、電子技術の進歩により、電子機器の小型化、高性能化、ポータブル化が進んでおり、携帯用電子機器においては、使用される電池の高エネルギー密度化への要求が高まっている。そのため、軽量で小型でありながら高容量の二次電池が要求されている。
【０００３】
このような状況のもとで、リチウムイオン二次電池に代わって小型の燃料電池が注目を集めている。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料として使用し、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出すことができる。そのため、水素ガスを使用する燃料電池に比べて、水素ガス取り扱いの困難さがないうえに、有機燃料を改質して水素を作り出すための改質器が不要で小型化が可能であり、かつ出力密度が高いので、携帯機器用の電源として有望視されている。
【０００４】
ＤＭＦＣの主発電部は、膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）と呼ばれ、それぞれがガス拡散層と触媒層を備える燃料極（アノード）と空気極（カソード）、およびアノードの触媒層とカソードの触媒層との間に挟持されたプロトン伝導性の高分子電解質膜を有する。電池反応は触媒層において進行する。具体的には、アノード触媒層で水の供給のもとに燃料の酸化分解反応が進行し、プロトン（水素イオン）および電子が生成される。このプロトンは高分子電解質膜を経てカソード触媒層に達し、一方電子は外部回路を通ってカソード触媒層に達する。そしてカソード触媒層において、供給された空気中の酸素が前記プロトンおよび電子と反応し、酸素が還元されて水が生成される。また、この外部回路を通る電子によって、電力が供給されることになる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このように構成されるＤＭＦＣにおいては、アノードでの反応に必要な水を供給するために、カソードの上に保湿層を設けて水の蒸散を抑制し、カソード触媒層で生成した水の一部をアノード側へ拡散させる構造が採られている。そして、出力を上げるために、保湿層を厚くするなどの方法で水の蒸散量を低減し、カソードからアノードへの水の拡散量を増やすことが考えられている。
【０００６】
また、発電時の発熱を抑制して電池性能を維持するために、熱を可逆的に吸熱（蓄熱）する潜熱蓄熱剤を含む部材を容器表面などに配置した燃料電池が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特開２００４−１８６０９７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、保湿層を厚くして水の蒸散量を抑える方法は、燃料電池の小型化、ポータブル化の要請に逆行するものであり、携帯用電子機器への搭載が難しかった。したがって、保湿層の厚さを増大させることなく、ＭＥＡで十分な水を生成して滞留させ、出力を向上させる方法が求められている。また、特許文献２に記載された方法でも、小型で安定した高い出力の燃料電池を得ることはできなかった。
【０００８】
本発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、安定した高い出力（発電性能）を有し、小型化が可能な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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様の燃料電池は、燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、前記アノードと前記カソードとに挟持されたプロトン伝導性の電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構を備えた燃料電池であり、前記アノードと該アノードより外側からなるアノード側および／または前記カソードと該カソードより外側からなるカソード側に、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。
【００１０】
本発明の第２の態様の燃料電池は、燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明の第３の態様の燃料電池は、燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第４の態様の燃料電池は、燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、３５℃より高く運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有し、かつ前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、前記相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る燃料電池によれば、電気抵抗（インピーダンス）を低くすることができ、安定した高い出力を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る燃料電池１の一実施形態の構成を示す断面図である。
【００１５】
図１に示すように、実施形態の燃料電池１は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とを有するアノード１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とを有するカソード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プロトン伝導性を有する電解質膜１７とから構成される膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly：ＭＥＡ）１０を有している。また、このＭＥＡ１０のアノード１３より外側に、アノード導電層１８と、アノード１３（アノード触媒層１１）に液体燃料Ｆを供給する燃料供給機構３０を備えている。さらに、ＭＥＡ１０のカソード１６より外側に、カソード導電層１９と保湿層２０、および保湿層２０の上に積層された複数の空気導入口２１ａを有する表面カバー層２１を備えている。また、燃料供給機構３０は、アノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１ａを有する燃料分配層３１と、この燃料分配層３１に液体燃料Ｆを供給する燃料供給部本体３２を有している。
【００１６】
そして、このような燃料電池１のアノード側とカソード側の少なくとも一方において、３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料（以下、低温型潜熱蓄熱材料と示す。）を含有する層を有している。なお、燃料電池１のアノード側とは、アノード１３およびアノード１３より外側（電解質膜１７と反対側）の部位を意味し、カソード側とは、カソード１６およびカソード１６より外側（電解質膜１７と反対側）の部位を意味する。
【００１７】
潜熱蓄熱材料は、発生した熱を潜熱として蓄熱し、所定の温度（相変化温度）を境にして凝固と融解という相変化を繰り返すものである。実施形態においては、潜熱蓄熱材料として、相転移温度が３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度（通常４０〜５５℃）よりも低い低温型潜熱蓄熱材料が使用される。
【００１８】
低温型潜熱蓄熱材料しては、例えば、ペンタデカン、ヘキサデカン、ヘプタデカン、オクタデカンなどのノルマルパラフィンやそのエマルジョン、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料等が挙げられる。これらのノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料は、ノルマルパラフィンの分子量を調整することで、３５℃を超えて燃料電池１の運転温度未満の温度範囲で相転移温度を任意にかつ精確に設定することができる。また、このマイクロカプセル化した潜熱蓄熱材料は、分散安定性の高い水性スラリーあるいは分散媒を取り除いた粉体として取り扱うことができ、燃料電池１を構成する部材に容易に含有させることができるという利点がある。
【００１９】
実施形態の燃料電池１のアノード側においては、アノード触媒層１１および燃料供給機構３０を構成する部材（例えば、燃料分配層３１および燃料供給部本体３２など）のうちの少なくとも一つが、低温型潜熱蓄熱材料を含有しているか、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を有している。より具体的には、アノード触媒層１１および燃料分配層３１においては、これらの層自体に前記した低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）が含有されている。また、燃料供給部本体３２に対しては、低温型潜熱蓄熱材料を含有する層（例えば、ノルマルパラフィンのマイクロカプセルを樹脂に混合し成形したシート）を外周面に設置する態様が採られている。さらに、燃料供給機構３０を構成する部材の間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂シートを配置する態様を採ることもできる。
【００２０】
カソード側においては、カソード触媒層１４、保湿層２０、表面カバー層２１のうちの少なくとも一つが、低温型潜熱蓄熱材料を含有しているか、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を有している。より具体的には、カソード触媒層１４および保湿層２０においては、これらの層自体に低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）が含有された態様が採られている。また、保湿層２０と表面カバー層２１との間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂シートを配置する態様を採ることもできる。
【００２１】
なお、燃料電池１のアノード側とカソード側の両方の側において、低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設ける必要はなく、少なくとも一方の側で低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設けるように構成すれば、抵抗の低減および出力向上の効果をあげることができる。特に、カソード１６側に低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を配置することが望ましい。
【００２２】
燃料電池１のアノード側とカソード側の少なくとも一方に低温型潜熱蓄熱材料を含有する層を設けることにより、以下に示す理由で、セル抵抗を低くし出力を向上させることができる。
【００２３】
すなわち、相転移温度である融点が運転温度（通常４０〜５５℃）よりも低い低温型潜熱蓄熱材料を含有する層が設けられた燃料電池１においては、運転（発電）の起動時に、ＭＥＡ１０の温度が相転移温度（融点）を超えた時点で、前記潜熱蓄熱材料がＭＥＡ１０からの発熱を吸収し、固体から液体への相転移（融解）を生じる。そして、この相転移（融解）が完了するまでの間は、ＭＥＡ１０の温度の上昇が抑えられるので、保湿層２０等を通っての水の蒸散が抑制され、カソード１６に滞留する水の量およびカソード１６からアノード１３へ拡散する水の量が増大する。そして、このようなＭＥＡ１０における水量の増大により、燃料電池のセル抵抗（インピーダンス）が低下し、出力が向上する。
【００２４】
なお、潜熱蓄熱材料の相転移温度（融点）が３５℃よりも低いと、夏季など気温が高い場合に、未使用時でも潜熱蓄熱剤材料が融解し、燃料電池１の運転時に潜熱蓄熱材料の吸熱作用（潜熱蓄熱作用）を利用することができない場合がある。したがって、３５℃より高い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を使用する。また、実施形態において使用する低温型潜熱蓄熱材料は、燃料電池１の運転温度よりも低い相転移温度を有するものであるので、運転温度により使用可能な潜熱蓄熱材料が変わる。すなわち、相転移温度が所定の値（例えば５０℃）の潜熱蓄熱材料は、運転温度が相転移温度（５０℃）を超える燃料電池１に使用した場合には、セル抵抗を低くし出力を向上させる効果を発揮することができるが、相転移温度（５０℃）以下の運転温度では前記効果を上げることができない。したがって、５０℃以下の温度で運転される燃料電池１の低温型潜熱蓄熱材料としては、使用することができない。
【００２５】
ＭＥＡ１０を構成するアノード触媒層１１およびカソード触媒層１４に含有される触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、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。アノード触媒としては、例えば、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。カソード触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｎｉ、Ｐｔ−Ｃｏ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。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。このようなアノード触媒層１１および／またはカソード触媒層１４には、前記した低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）を含有させることができる。
【００２６】
電解質膜１７を構成するプロトン伝導性の材料としては、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、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。電解質膜１７は、具体的には、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）、アシプレックス（商品名、旭化成工業社製）等により構成される。なお、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く、例えば、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂膜などのプロトンを輸送可能な電解質膜で構成することができる。
【００２７】
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に燃料ガスである水素含有ガスを均一に供給する機能を有するとともに、アノード触媒層１１の集電体としての機能も兼ね備えている。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に酸化剤である酸素含有ガスを均一に供給する機能を有するとともに、カソード触媒層１４の集電体としての機能も兼ね備えている。アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５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、原料ガス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ー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、カーボンペーパー、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。
【００２８】
このように構成されるＭＥＡ１０のアノードガス拡散層１２には、アノード導電層１８が積層され、カソードガス拡散層１５にはカソード導電層１９が積層されている。
【００２９】
アノード導電層１８とカソード導電層１９は、例えば、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）のような電気特性および化学安定性に優れた導電性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等で構成される。中でも、複数の開口部を有する薄膜で構成されることが好ましく、この開口部を介して、燃料分配層３１の開口部３１ａから送られる燃料がＭＥＡ１０に導かれる。なお、アノード導電層１８およびカソード導電層１９は、それらの周縁から燃料や酸化剤が漏れないように構成されている。また、電解質膜１７とアノード導電層１８との間および電解質膜１７とカソード導電層１９との間には、それぞれゴム製のＯリング２２が介在されており、これらによってＭＥＡ１０からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、ここでは、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を備えた燃料電池１を示しているが、アノード導電層１８およびカソード導電層１９を設けずに、アノードガス拡散層１２およびカソードガス拡散層１５を導電層として機能させてもよい。
【００３０】
カソード導電層１９の上には、保湿層２０が積層されている。保湿層２０は、カソード触媒層１４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１３へ拡散させる機能を有する。また、カソードガス拡散層１５に酸化剤である空気を均一に導入し、カソード触媒層１４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２０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。この保湿層２０に、前記した低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）を含有させることができる。
【００３１】
保湿層２０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２１ａが複数個形成された表面カバー層２１が配置されている。表面カバー層２１は、ＭＥＡ１０や保湿層２０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。保湿層２０と表面カバー層２１との間に、前記低温型潜熱蓄熱材料の層（塗付層など）、あるいは低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂層（シート）を配置することができる。
【００３２】
ＭＥＡ１０のアノード側に燃料供給機構３０が配置されている。燃料供給機構３０は、アノード導電層１８に対向させて設けられた複数の開口部３１ａを有する燃料分配層３１と、この燃料分配層３１のＭＥＡ１０側とは異なる側に配置され燃料分配層３１に液体燃料Ｆを供給する燃料供給部本体３２と、燃料収容部３３と、流路３４、および流路３４に介挿されたポンプ３５を備えている。
【００３３】
燃料収容部３３には、ＭＥＡ１０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く、例えば、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液などを用いてもよい。これらの液体燃料Ｆの中でも、メタノール水溶液は、炭素数が１で反応の際に発生するのが二酸化炭素であり、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができる。そのため、液体燃料Ｆとしてメタノール水溶液を使用するのが好ましい。
【００３４】
液体燃料Ｆは、燃料成分の濃度が１００ｗｔ％から数ｗｔ％までの範囲で種々の濃度のものを用いることができるが、特にメタノール水溶液の場合は、燃料であるメタノール濃度が６０ｗｔ％以上のものを使用することが望ましい。その理由は、より少ない体積の燃料で発電することができるからである。
【００３５】
燃料供給部本体３２は、供給された液体燃料Ｆを燃料分配層３１に対して均一に供給するために、凹部からなる燃料供給部３６を備えている。この燃料供給部３６は、配管等で構成される流路３４を介して燃料収容部３３と接続されている。燃料供給部３６には、燃料収容部３３から流路３４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３１およびアノード導電層１８を介してＭＥＡ１０に供給される。燃料供給部本体３２の外周に、前記低温型潜熱蓄熱材料を含有する樹脂層（シート）を配置することができる。
【００３６】
流路３４は、燃料供給部３６や燃料収容部３３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３６や燃料収容部３３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３６は、流路３４等を介して燃料収容部３３と連通されていればよい。
【００３７】
流路３４の一部にはポンプ３５が介挿されており、燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆは燃料供給部３６まで強制的に送液される。流路３４にポンプ３５を介在させず、燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆを重力を利用して燃料供給部３６まで落下させて送液してもよい。また、流路３４に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部３３に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部３６まで送液してもよい。
【００３８】
このポンプ３５は、燃料収容部３３から燃料供給部３６に液体燃料Ｆを単に送液する供給ポンプとして機能するものであり、ＭＥＡ１０に供給された過剰な液体燃料Ｆを循環する循環ポンプとしての機能を備えるものではない。このようなポンプ３５を備えた燃料電池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構成が異なる。また、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも構成が異なり、いわゆるセミパッシブ型と呼ばれる方式に該当する。なお、燃料供給手段として機能するポンプ３５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Ｆ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。ロータリベーンポンプは、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。このポンプ３５は、制御手段（図示しない）と電気的に接続されており、この制御手段によって、燃料供給部３６に供給される液体燃料Ｆの供給量が制御される。
【００３９】
ここで、ポンプ３５の送液量は、燃料電池１の主たる対象物が小型電子機器であることから、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲とすることが好ましい。送液量が１ｍＬ／分を超えると一度に送液される液体燃料Ｆの量が多くなりすぎて、全運転期間に占めるポンプ３５の停止時間が長くなる。そのため、ＭＥＡ１０への燃料の供給量の変動が大きくなり、その結果として出力の変動が大きくなる。これを防止するためのリザーバをポンプ３５の下流側に設けてもよいが、そのような構成を適用しても燃料供給量の変動を十分に抑制することはできず、さらに装置サイズの大型化等を招いてしまう。
【００４０】
一方、ポンプ３５の送液量が１０μＬ／分未満であると、運転立ち上げ時のように燃料の消費量が増える際に供給能力不足を招くおそれがある。これによって、燃料電池１の起動特性等が低下する。このような点から、１０μＬ／分〜１ｍＬ／分の範囲の送液能力を有するポンプ３５を使用することが好ましい。ポンプ３５の送液量は１０μＬ／分〜２００μＬ／分の範囲とすることがより好ましい。このような送液量を安定して実現する上でも、ポンプ３５には電気浸透流ポンプやダイアフラムポンプを適用することが好ましい。
【００４１】
燃料分配層３１は、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、複数の開口部３１ａが形成された平板で構成される。燃料分配層３１は、具体的には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、アノード導電層１８と燃料供給部本体３２との間に挟持される。この燃料分配層３１に、前記した低温型潜熱蓄熱材料（例えば、ノルマルパラフィンをマイクロカプセル化した材料）を含有させることができる。
【００４２】
また、燃料分配層３１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ＭＥＡ１０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、フッ素樹脂（例えば、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）の微多孔膜などが用いられる。燃料供給部３２ａに導入された液体燃料Ｆは、燃料分配層３１の複数の開口部３１ａからアノード１３の全面に対して供給される。このように、燃料分配層３１によって、アノード１３に供給される燃料供給量を均一化することが可能となる。
【００４３】
次に、このように構成される実施形態において、アノード触媒層１１およびカソード触媒層１４に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた構成の燃料電池１を製造する方法を、次に示す。まず、アノード触媒を、例えば以下に示すようにして製造する。
【００４４】
すなわち、カーボンなどの導電性担体を、白金族元素の単体や白金族元素の合金を構成する金属の化合物を含む水溶液またはスラリーと接触させ、この金属化合物またはそのイオンを導電性担体上に吸着させる。そして、スラリー等を高速で撹拌しながら、適当な固定化剤、例えば水酸化ナトリウム、アンモニア、ヒドラジン、ギ酸、クエン酸、ホルマリン、メタノール、エタノール、プロパノールなどの希釈溶液をゆっくりと滴下し、金属塩として、または一部還元された金属微粒子として導電性担持体上に担持させる。次に乾燥し、還元ガスあるいは不活性ガス雰囲気で熱処理を行うことにより、アノード触媒を製造する。
【００４５】
次いで、得られたアノード触媒と、相転移温度が３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度よりも低い（例えば４０℃）低温型潜熱蓄熱材料を、プロトン伝導性の電解質の溶液と混合し、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールおよびグリセリン、エチレングリコールなどの分散媒を加えて粘度調整を行い、アノード触媒層形成用スラリー（以下、アノード触媒スラリーと示す。）とする。
【００４６】
こうして得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層１２となるカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材の上に、吸引ろ過法、スプレー法、ロールコータ法、バーコータ法などを用いて塗布し乾燥させて、アノード触媒層１１とする。なお、このようにしてアノードガス拡散層１２上にアノード触媒層１１が形成されたものがアノード１３となる。
【００４７】
また、同様にしてカソード１６を形成する。すなわち、前記アノード触媒と同様にしてカソード触媒を製造し、得られたカソード触媒と、相転移温度が３５℃より高くかつ燃料電池１の運転温度よりも低い（例えば４０℃）低温型潜熱蓄熱材料を、プロトン伝導性の電解質の溶液と混合し、メタノール、エタノール、プロパノールなどのアルコールおよびグリセリン、エチレングリコールなどの分散媒を加えて粘度調整を行い、カソード触媒層形成用スラリー（以下、カソード触媒スラリーと示す。）とする。
【００４８】
次いで、得られたカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層１５となるカーボンペーパーやカーボンクロスなどの導電性多孔質基材の上に、吸引ろ過法、スプレー法、ロールコータ法、バーコータ法などを用いて塗布し乾燥させて、カソード触媒層１４とする。こうしてカソードガス拡散層１５上にカソード触媒層１４が形成されたものがカソード１６となる。
【００４９】
次に、こうして得られたアノード１３（アノード触媒層１１）とカソード１６（カソード触媒層１４）の間にプロトン伝導性の電解質膜１７を挟み込んだ後、これらをロールまたはプレスによって熱圧着することにより、ＭＥＡ１０が得られる。さらに、このＭＥＡ１０にアノード導電層１８およびカソード導電層１９を積層する。そして、ＭＥＡ１０のアノード側に燃料供給機構３０を配置し、カソード側に保湿層２０、表面カバー層２１を順に重ね合わせて一体化することにより、燃料電池１を製造することができる。
【００５０】
次に、実施形態に示した燃料電池１の作用について説明する。
【００５１】
燃料収容部３３から流路３４を通って燃料供給部３６に供給された液体燃料Ｆ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３１およびアノード導電層１８を介してＭＥＡ１０のアノードガス拡散層１２に供給される。アノードガス拡散層１２に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２で拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層１１では、次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− ……式（１）
【００５２】
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１４で生成した水や電解質膜１７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。この式（１）に示す反応によって発生した熱の一部は、アノード触媒層１１、燃料分配層３１などに含有された低温型潜熱蓄熱材料により吸熱（蓄熱）される。そして、この潜熱蓄熱材料の相転移が完了するまでの間は、アノード１３の温度の上昇が抑えられる。また、この吸熱（蓄熱）によって、式（１）の反応に必要な水の蒸散が抑えられるため、メタノールの内部改質反応が促進されるようになる。
【００５３】
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１６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。
（３／２）Ｏ２＋６ｅ−＋６Ｈ＋ → ３Ｈ２Ｏ ……式（２）
【００５４】
この式（２）に示す反応によって発生した熱の一部は、カソード触媒層１４、保湿層２０などに含有された低温型潜熱蓄熱材料により吸熱（蓄熱）される。そして、この潜熱蓄熱材料の相転移が完了するまでの間は、カソード１６の温度上昇が抑えられるので、保湿層２０を通っての水の蒸散が抑制され、カソード１６に滞留する水の量が増大する。そして、カソード１６に滞留する水量の増大により、アノード１３への水の拡散量が増大し、アノード１３に含有される水の量も増大する。
【００５５】
このようなカソード１６およびアノード１３における水の含有量の増大により、実施形態の燃料電池１では、セル抵抗（インピーダンス）が低下し、出力が向上する。また、実施形態において、燃料電池１を構成するアノード触媒層１１、カソード触媒層１４、保湿層２０などが低温型潜熱蓄熱材料を含有するように構成された態様では、潜熱蓄熱材料を含有する部材（樹脂シートなど）を別に配置する構成に比べて、製造の際の工程追加を必要とせず、また燃料電池全体の厚さや体積を増大させることがないという利点がある。
【００５６】
上述した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、上述した実施形態は、燃料電池本体の構成として燃料の供給にポンプを使用したセミパッシブ型のものを例に挙げて説明したが、内部気化型のような純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。
【実施例】
【００５７】
次に、本発明に係る燃料電池が優れた出力特性を有することを実施例１〜５および比較例１，２に基づいて説明する。
【００５８】
実施例１
カーボン担体であるケッチェン（Ketjen）ＥＣＰ（商品名、ライオン社製）に、アノード触媒金属であるＰｔ−Ｒｕ合金（Ｒｕ６０ａｔ．％）を担持させ、ナトリウムボロハイドライドを用いて液相還元した後、５００℃不活性雰囲気で１時間固溶体化処理を行い、アノード触媒を製造した。
【００５９】
次いで、このアノード触媒と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０（商品名、デュポン社製）および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、アノード触媒の含有割合（重量割合）とナフィオンの含有割合（重量割合）との比が３７：６３になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−１２０、東レ（株）製、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層（厚さ２００μｍ）を形成した。こうしてアノードを作製した。
【００６０】
また、カーボン担体であるケッチェンＥＣＰに、カソード触媒金属であるＰｔを担持させ、アノード触媒と同様にしてカソード触媒を製造した。次いで、このカソード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン（商品名ＨＳカプセル−Ｐ、三菱製紙（株）製）（相転移温度４０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０（商品名、デュポン社製）、および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、カソード触媒の含有割合（重量割合）とナフィオンの含有割合（重量割合）との比が７４：２６になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が１５０ジュールになるように調整した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−０９０、東レ（株）製、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層（厚さ８０μｍ）を形成した。こうしてカソードを作製した。
【００６１】
次に、プロトン伝導性の電解質膜としてナフィオンＮＲＥ−２１２ＣＳ（商品名、デュポン社製）を使用し、この電解質膜と前記アノード（電極面積１２ｃｍ２）およびカソード（電極面積１２ｃｍ２）を、アノード触媒層とカソード触媒層がそれぞれ電解質膜側になるように重ね合わせた後、加熱温度１５０℃、圧力３０ｋｇｆ／ｃｍ２、加圧時間５分間の条件でプレスし、ＭＥＡを作製した。そして、このようにして作製されたＭＥＡを用いて、図１に示す燃料電池を作製した。なお、保湿層としては、厚さ１．０ｍｍの多孔質ポリエチレン膜を使用した。
【００６２】
実施例２
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の配合量を、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が５００ジュールになるように調整した。それ以外は実施例１と同様にして、カソードを作製した。また、実施例１と同様にして、アノードを作製した。
【００６３】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００６４】
実施例３
実施例１と同様にして製造されたアノード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン（商品名ＨＳカプセル−Ｐ）（相転移温度４０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０、および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、アノード触媒とナフィオンの含有割合（重量割合）の比が３７：６３になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が１５０ジュールになるように調整した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−１２０、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層（厚さ２００μｍ）を形成した。こうしてアノードを作製した。
【００６５】
また、実施例１と同様にして製造されたカソード触媒と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、カソード触媒とナフィオンの含有割合（重量割合）の比が７４：２６になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−０９０、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層（厚さ８０μｍ）を形成した。こうしてカソードを作製した。
【００６６】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００６７】
実施例４
アノード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の配合量を、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が５００ジュールになるように調整した。それ以外は実施例３と同様にして、アノードを作製した。また、実施例３と同様にして、カソードを作製した。
【００６８】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００６９】
実施例５
実施例１と同様にして製造されたアノード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン（商品名ＨＳカプセル−Ｐ）（相転移温度４０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、アノード触媒とナフィオンの含有割合（重量割合）の比が３７：６３になるように混合し、アノード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるアノード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が１５０ジュールになるように調整した。得られたアノード触媒スラリーを、アノードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−１２０、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布した後乾燥させ、アノード触媒層（厚さ２００μｍ）を形成した。こうしてアノードを作製した。
【００７０】
また、実施例１と同様にして製造されたカソード触媒と、低温型潜熱蓄熱材料であるマイクロカプセルに封入されたノルマルパラフィン（商品名ＨＳカプセル−Ｐ）（相転移温度４０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）と、ナフィオン溶液ＤＥ２０２０および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を、カソード触媒とナフィオンの含有割合（重量割合）の比が７４：２６になるように混合し、カソード触媒スラリーを調製した。なお、低温型潜熱蓄熱材料の配合量は、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が１５０ジュールになるように調整した。このカソード触媒スラリーを、カソードガス拡散層となるカーボンペーパー（商品名ＴＧＰ−Ｈ−０９０、４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）の一方の面にバーコータを用いて塗布し乾燥させ、カソード触媒層（厚さ８０μｍ）を形成した。こうしてカソードを作製した。
【００７１】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００７２】
比較例１
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料を配合せず、カソード触媒とナフィオン溶液ＤＥ２０２０および溶媒（１−プロパノール、２−プロパノールおよびグリセリン）を混合した。それ以外は実施例１と同様にしてカソード触媒スラリーを調製し、このカソード触媒スラリーを用いてカソード触媒層を形成し、カソードを作製した。また、実施例１と同様にして、アノードガス拡散層上にアノード触媒層を形成し、アノードを作製した。
【００７３】
次に、こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００７４】
比較例２
カソード触媒スラリーの調製において、低温型潜熱蓄熱材料の代わりに、燃料電池の運転温度以上の相転移温度を有する潜熱蓄熱材料（商品名ＨＳカプセル−Ｐ）（相転移温度６０℃、吸熱量（蓄熱量）１７０ジュール／ｇ）を、最終的に形成されるカソード触媒層中に含有される潜熱蓄熱材料の吸熱量（蓄熱量）が５００ジュールになるように配合した。それ以外は実施例１と同様にしてカソード触媒スラリーを調製し、このカソード触媒スラリーを用いてカソード触媒層を形成し、カソードを作製した。また、実施例１と同様にして、アノードガス拡散層上にアノード触媒層を形成し、アノードを作製した。
【００７５】
こうして得られたアノードおよびカソードを用いて、実施例１と同様にして図１に示す燃料電池を作製した。
【００７６】
次に、実施例１〜５および比較例１，２で得られた燃料電池の燃料収容部に純度９９．９９％のメタノールを供給した。そして、運転温度５５℃−０．３５Ｖ定電位で運転させ、２時間運転後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。また、運転停止後に１ｋＨｚの交流インピーダンスを測定し、面積抵抗率（Ω・ｃｍ２）を求めた。結果を表１に示す。
【００７７】
【表１】
【００７８】
表１の結果から、以下のことがわかった。すなわち、アノード触媒層および／またはカソード触媒層が、３５℃より高くかつ燃料電池の運転温度（５５℃）よりも低い相転移温度を有する低温型潜熱蓄熱材料を含むように構成された実施例１〜５の燃料電池では、いずれの触媒層も低温型潜熱蓄熱材料を含有しない比較例１の燃料電池に比べて、面積抵抗率が低下しており、出力密度が向上していた。また、カソード触媒層に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例１，２の燃料電池の方が、アノード触媒層にのみ低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例３，４の燃料電池に比べて面積抵抗率が低くなっており、出力密度がより高くなっていた。さらに、アノード触媒層とカソード触媒層の両に低温型潜熱蓄熱材料を含有させた実施例５の燃料電池において、潜熱蓄熱材料の含有量に比して出力密度の向上効果が高くなっており、アノードとカソードの両側で低温型潜熱蓄熱材料を含有させることにより、少ない含有量で効率的に出力を向上できることがわかった。
【００７９】
さらに、カソード触媒層に、燃料電池の運転温度（５５℃）よりも高い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料（相転移温度６０℃）を含むように構成した比較例２の燃料電池では、潜熱蓄熱材料を含有しない比較例１の燃料電池に比べて、抵抗（面積抵抗率）の低下がほとんど見られず、カソード触媒層に触媒以外の異物となる材料を含有させていることになるので、比較例１の燃料電池よりもかえって出力密度が低下した。
【００８０】
なお、実施例１〜５の燃料電池において、電気抵抗（面積抵抗率）の低下および出力（出力密度）向上の効果は１００時間以上継続するが、その後次第に抵抗が上昇し出力も低下した。しかし、再び燃料電池を起動し運転した時には、同様の効果が得られ、面積抵抗率が低下し出力密度が向上した。
【００８１】
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、燃料電池セルに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、すべてが液体燃料、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】
【００８２】
【図１】本発明に係る燃料電池の一実施形態の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００８３】
１…燃料電池、１０…ＭＥＡ、１１…アノード触媒層、１２…アノードガス拡散層、１３…アノード（燃料極）、１４…カソード触媒層、１５…カソードガス拡散層、１６…カソード（空気極）、１７…電解質膜、１８…アノード導電層、１９…カソード導電層、２０…保湿層、２１…表面カバー層、２２…Ｏリング、３０…燃料供給機構、３１…燃料分配層、３２…燃料供給部本体、３３…燃料収容部、３４…流路、３５…ポンプ、３６…燃料供給部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極（アノード）と、空気極（カソード）と、前記アノードと前記カソードとに挟持されたプロトン伝導性の電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構を備えた燃料電池であり、
前記アノードと該アノードより外側からなるアノード側および／または前記カソードと該カソードより外側からなるカソード側に、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、３５℃より高く運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有し、かつ
前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、前記相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記燃料における燃料成分の濃度が６０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１乃至４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）と、空気極（カソード）と、前記アノードと前記カソードとに挟持されたプロトン伝導性の電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記アノードに燃料を供給する燃料供給機構を備えた燃料電池であり、
前記アノードと該アノードより外側からなるアノード側および／または前記カソードと該カソードより外側からなるカソード側に、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、３５℃より高くかつ運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
燃料極（アノード）触媒層を有する燃料極（アノード）と、空気極（カソード）触媒層を有する空気極（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プロトン伝導性の電解質膜を有する膜電極接合体と、前記アノードより外側に配置され前記アノード触媒層に燃料を供給する燃料供給機構と、前記カソードより外側に配置された空気導入口を有する表面層と、前記表面層と前記カソードとの間に配置され、前記カソード触媒層で生成した水の蒸散を抑止する保湿層とを備えた燃料電池であり、
前記カソード触媒層、前記保湿層、前記表面層のうちの少なくとも一つが、３５℃より高く運転温度よりも低い相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有し、かつ
前記アノード触媒層と前記燃料供給機構を構成する部材の少なくとも一つが、前記相転移温度を有する潜熱蓄熱材料を含有するか、あるいは前記潜熱蓄熱材料を含有する層を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
前記燃料における燃料成分の濃度が６０ｗｔ％以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の燃料電池。
【図１】
【公開番号】特開２０１０−７３６０８（Ｐ２０１０−７３６０８Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２４２１６８（Ｐ２００８−２４２１６８）
【出願日】平成２０年９月２２日（２００８．９．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月２２日（２００８．９．２２）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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