燃料電池
【課題】出力性能が向上された燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体1と、アノードガス拡散層9に面して設けられ、燃料取入れ面を有する燃料導入部30と、前記燃料取入れ面に面した燃料排出口22を有し、前記燃料排出口22を通して前記燃料導入部30に燃料を供給する燃料供給部2と、カソードガス拡散層12に面して設けられ、外表面に酸化剤を取入れるための開口を有する酸化剤導入部40を含み、前記膜電極接合体1の厚さ（TM）が700μｍ以上900μｍ以下の範囲であり、前記外表面から前記取入れ面までの厚さ（TC）と、前記膜電極接合体1の厚さ（TM）の比（TC／TM）が、２．３以上４．５以下の範囲であることを特徴とする。
【解決手段】膜電極接合体1と、アノードガス拡散層9に面して設けられ、燃料取入れ面を有する燃料導入部30と、前記燃料取入れ面に面した燃料排出口22を有し、前記燃料排出口22を通して前記燃料導入部30に燃料を供給する燃料供給部2と、カソードガス拡散層12に面して設けられ、外表面に酸化剤を取入れるための開口を有する酸化剤導入部40を含み、前記膜電極接合体1の厚さ（TM）が700μｍ以上900μｍ以下の範囲であり、前記外表面から前記取入れ面までの厚さ（TC）と、前記膜電極接合体1の厚さ（TM）の比（TC／TM）が、２．３以上４．５以下の範囲であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に液体燃料を用いた直接供給型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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、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、水素ガスを燃料として使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。
【０００３】
ＤＭＦＣでは、アノード（燃料極）においてメタノールの酸化分解反応（内部改質反応）が生じ、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成する。一方、カソード（空気極）では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成する。
【０００４】
発電反応により空気極で生成した水は電解質膜を透過して空気極側から燃料極側へ拡散し、メタノールの酸化分解に利用される。この水が不足すると、メタノールの内部改質反応の反応抵抗が高くなるため、十分な出力特性を得られなくなる。しかしながら、空気極で生成した水を効率良く燃料極側へ移行させるために空気極の保湿性を高めると、空気極の透気度が低下する。空気極の透気度が低いと、空気極への空気の流入が制限され、出力低下をもたらすという不都合がある。
【０００５】
そこで、これまでに、空気極を構成する層と燃料極を構成する層との関係を規定する提案がなされている。例えば特許文献１には、アノード触媒層の平均厚みがカソード触媒層の平均厚みよりも小さい燃料電池用膜-電極接合体が開示されている（請求項１、２及び４）。また、特許文献２には、アノード側の触媒層の平均厚さ／カソード側の触媒層の平均厚さが０．１〜０．６の関係を有する燃料電池が開示されている（請求項９）。特許文献３には、カソード側ガス拡散電極及びカソード側触媒電極の少なくとも一方の厚みが、アノード側ガス拡散電極及びアノード側触媒電極の少なくとも一方の厚みに比べて厚いことを特徴とする燃料電池が開示されている（請求項３）。特許文献４には、アノード触媒層の平均厚みが、カソード触媒層の平均厚みの１／１０〜１／２である燃料電池用膜電極接合体が開示されている（請求項４）。特許文献５には、アノード側触媒層がカソード側触媒層よりも、厚さが薄く形成されている膜電極接合体が開示されている（請求項１）。特許文献６には、空気極の電極触媒層の厚さが１００μｍ〜３５０μｍである燃料電池用電極、及び、燃料極の電極触媒層の厚さが５０μｍ〜２５０μｍである燃料電池用電極が開示されている（請求項８及び９）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００５／１０６９９４号公報
【特許文献２】特開2006-179463号公報
【特許文献３】特開2002-367655号公報
【特許文献４】特開2008-176990号公報
【特許文献５】特開2008-277005号公報
【特許文献６】特開平07-201334号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、出力性能が向上され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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、アノード触媒層及び前記アノード触媒層の一方の面に面して設けられたアノードガス拡散層を備えるアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層の一方の面に面して設けられたカソードガス拡散層を備えるカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配置された電解質膜とを含む膜電極接合体、
前記アノードガス拡散層に面して設けられ、燃料取入れ面を有する燃料導入部、
前記燃料取入れ面に面した燃料排出口を有し、前記燃料排出口を通して前記燃料導入部に燃料を供給する燃料供給部、及び、
前記カソードガス拡散層に面して設けられ、外表面に酸化剤を取入れるための開口を有する酸化剤導入部を含み、
前記膜電極接合体の厚さ（TM）が700μｍ以上900μｍ以下の範囲であり、
前記外表面から前記取入れ面までの厚さ（TC）と、前記膜電極接合体の厚さ（TM）の比（TC／TM）が、２．３以上４．５以下の範囲であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、出力性能が向上された燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池の燃料供給部を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１の一部を拡大した断面模式図である。
【図４】図４は、本発明の燃料電池の一実施態様を示す断面模式図である。
【図５】図５は、実施例１における初期出力の測定結果を示す。
【図６】図６は、実施例１における出力維持率の測定結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の燃料電池について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池100の内部透視断面図であり、図２は、図１の燃料電池の燃料供給部2を示す斜視図である。
【００１２】
図１に示す燃料電池100は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly:MEA）1と、MEA1に燃料を導入するための燃料導入部30と、MEA1に酸化剤を導入するための酸化剤導入部40と、燃料を燃料導入部30に供給するための燃料供給部2と、燃料供給部2に供給する液体燃料Fが収容される燃料収容部3と、燃料供給部2と燃料収容部3とを接続する流路4とから主として構成されている。
【００１３】
MEA1は、アノード（燃料極）5と、カソード（空気極）6と、燃料極5及び空気極6の間に配置されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜7とから構成される。
【００１４】
燃料極5は、電解質膜7の一方の面と対向している燃料極触媒層8と、燃料極触媒層8に積層された燃料極ガス拡散層9とを有する。空気極6は、電解質膜7の他方の面と対向している空気極触媒層11と、空気極触媒層11に積層された空気極ガス拡散層12とを有する。
【００１５】
電解質膜7にはプロトン伝導性材料が含まれ、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（デュポン社製の商品名ナフィオン(登録商標）や旭硝子社製の商品名フレミオン(登録商標）のようなパーフルオロスルホン酸重合体等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、無機物（例えば、タングステン酸、リンタングステン酸、硝酸リチウムなど）等が用いられるが、これらに限定されるものではない。
【００１６】
燃料極触媒層8および空気極触媒層11には、触媒及びプロトン伝導性材料が含まれる。触媒は、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の単体金属、白金族元素を含有する合金などが用いられる。具体的には、燃料極側の触媒として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなど、空気極側の触媒として、白金やＰｔ−Ｎｉなどが好適に用いられるが、これらに限定されるものではない。上記の触媒は、炭素材料のような導電性担持体に担持された担持触媒として使用することもでき、あるいは単独で無担持触媒として使用することもできる。触媒層に含まれるプロトン伝導性材料は、上記の電解質膜7に含まれるものと同様であってよい。
【００１７】
燃料極ガス拡散層9は、燃料極触媒層8に燃料ガスを均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層8の集電体も兼ねている。空気極ガス拡散層12は、空気極触媒層11に酸化剤ガスを均一に供給する役割を果たすと同時に、空気極触媒層11の集電体も兼ねている。燃料極ガス拡散層9及び空気極ガス拡散層12は、導電性を有し、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを拡散させ得る物質により形成され、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。
【００１８】
なお、ガス拡散層を形成するカーボンは、黒鉛化されたカーボンであることが好ましい。黒鉛化されたカーボンは、Ｆｅ等の不純物が減少している。よって、黒鉛化されたカーボンを使用することにより、触媒の被毒を減少させ、発電性能を向上させることができる。ガス拡散層を形成するカーボンにおけるＦｅ残留量は10ppm以下であることが望ましい。
【００１９】
燃料導入部30は、燃料供給部2の燃料排出口22から排出された燃料をMEA1に供給する機能を有し、燃料極ガス拡散層9と燃料供給部2との間に配置される構成がこの燃料導入部30に含まれる。燃料導入部30は、燃料極ガス拡散層9に面して設けられ、燃料供給部2の燃料排出口22と接する燃料取入れ面を有する。ここで燃料取入れ面とは、燃料供給部2の燃料排出口22と接する層の燃料排出口22側の表面を指す。
【００２０】
図１に示す燃料導入部30には、導電層14及び燃料拡散層19が含まれている。しかしながらこれに限定されず、燃料拡散層19が含まれなくてもよく、或いは他の層を含んでいてもよい。
【００２１】
導電層14は、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などから構成される。燃料拡散層19は、燃料ガスの均一な拡散を促進し、燃料極触媒層8へ燃料ガスを均一に供給するために備えられ、例えば多孔質材などから構成されてよい。
【００２２】
酸化剤導入部40は、外部から空気などの酸化剤を取入れ、MEA1に供給する機能を有し、燃料電池の外装（例えばカバープレート）から、空気極ガス拡散層12に隣接して配置される構成がこの酸化剤導入部40に含まれる。酸化剤導入部40は、空気極ガス拡散層12に面して設けられ、外表面に酸化剤を取入れるための開口を有する。
【００２３】
図１に示す酸化剤導入部40には、導電層13、保湿層18及びカバープレート16が含まれている。カバープレート16は最も外側に配置され、酸化剤である空気を取入れるための開口部を有している（図示は省略）。このようなカバープレート16を備えることにより、酸化剤を供給するためのブロワを用いることなく、酸化剤をカソード６に自然供給することができる。なお、酸化剤は、空気に限定されるものではなく、Ｏ2を含むガスを使用することも可能である。
【００２４】
カバープレート16と空気極ガス拡散層12の間には、導電層13及び保湿層18が含まれる。しかしながらこれに限定されず、保湿層18が含まれなくてもよく、或いは、例えば多孔質層のような他の層を含んでいてもよい。導電層13は、上述した燃料導入部30に含まれる導電層14と同様のものであってよい。保湿層18は、空気極触媒層11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、カバープレート16の開口部から取り込んだ空気の空気極触媒層11への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するための層であってよい。また多孔質層は、発電反応により空気極で生成して燃料極側に移行した水を、燃料極において保持するための層であってよい。
【００２５】
燃料供給部2は、燃料導入部30に面して配置され、燃料収容部3から供給された燃料を燃料導入部30へ排出する。燃料供給部2には、例えば、燃料分配機構2が使用される。
【００２６】
燃料分配機構2は、図２に示すように、液体燃料が流路4を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口21と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口22とを有する燃料分配板23を備えている。燃料分配板23の内部には、燃料注入口21から導かれた液体燃料の通路となる空隙部24が設けられている。複数の燃料排出口22は燃料通路として機能する空隙部24にそれぞれ直接接続されている。
【００２７】
燃料分配板23は、例えば、液体燃料の気化成分や液体燃料を透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。
【００２８】
複数の燃料排出口22には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。気液分離体は燃料分配機構2と燃料導入部30との間に気液分離膜等として設置してもよい。
【００２９】
燃料排出口22はMEA1の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板23の燃料極5と対向する面に複数設けられている。燃料排出口22の個数は２個以上であればよいが、MEA1の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cm2の燃料排出口22が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口22の個数が0.1個/cm2未満であると、MEA1に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口22の個数を１０個/cm2を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。
【００３０】
燃料分配機構2は、流路4を介して燃料収容部3と接続されており、燃料収容部3から流路4を介して液体燃料が導入される。流路4は、例えば、燃料分配機構2や燃料収容部3と独立した配管であってよいが、これに限定されない。例えば、燃料分配機構2と燃料収容部3とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。
【００３１】
燃料収容部3から燃料分配機構2に供給された液体燃料は、空隙部24に入り、複数の燃料排出口22に導かれる。そして、液体燃料の気化成分が複数の燃料排出口22から燃料導入部30に向けて排出される。燃料分配機構2の空隙部24はバッファとして機能するため、複数の燃料排出口22からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。そして、複数の燃料排出口22はMEA1の全面に燃料が供給されるように配置されているため、MEA1に対する燃料供給量を均一化することができる。
【００３２】
燃料分配機構2から均一に放出された燃料は、燃料導入部30を介してMEA1に導入される。MEA1において燃料は燃料極ガス拡散層9を拡散して燃料極触媒層8に供給される。
【００３３】
燃料としてメタノール燃料を使用する場合には、次の式（Ａ）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
【００３４】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− …式（Ａ）
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜7を伝導し、空気極触媒層11に到達する。酸化剤導入部40を介してMEA1に導入される気体燃料（たとえば空気）は、空気極ガス拡散層12を拡散して、空気極触媒に供給される。空気極触媒に供給された空気は、次の式（Ｂ）に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
【００３５】
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ …式（Ｂ）
発電反応により生じた水は、空気極6から電解質膜7を通して燃料極触媒層8に供給される。
【００３６】
電解質膜7とカバープレート16の間、及び、電解質膜7と燃料分配機構2との間には、それぞれゴム製のＯリング15が介在されており、これらによってMEA1からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００３７】
燃料収容部3には、MEA1に対応した液体燃料Fが収容されている。液体燃料Fとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Fは必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Fは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部3にはMEA1に応じた液体燃料Fが収容される。
【００３８】
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、複数の燃料排出口22を有する燃料分配機構2の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、燃料電池は、濃度が８０％以上のメタノール水溶液もしくは純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。
【００３９】
液体燃料を燃料収容部3から燃料分配機構2まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部3から燃料分配機構2まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路4を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部3から燃料分配機構2まで送液することができる。或いは、図１に示すように、流路にポンプ17を設置し、ポンプ17によって燃料収容部3から燃料分配機構2へ送液してもよい。また或いは、燃料分配機構2からMEA1への燃料供給が行われる構成とし、ポンプ17に代えて燃料遮断バルブを配置することも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路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。
【００４０】
図３は、図１における酸化剤導入部40、MEA1、及び燃料導入部30の部分を拡大した断面模式図である。
本発明の燃料電池100では、MEA1の厚さ（TM）が700μｍ以上900μｍ以下の範囲である。また、酸化剤導入部40の外表面から燃料導入部30の取入れ面までの厚さ（TC）と、MEA1の厚さ（TM）の比（TC／TM）が２．３以上４．５以下の範囲である。
【００４１】
TC／TMが２．３以上４．５以下であると、燃料導入部30から、燃料極ガス拡散層9及び燃料極触媒層8に対して、面内で燃料が均一に過不足無く供給され、且つ、酸化剤導入部40から、空気極ガス拡散層12及び空気極触媒層11に対して、面内で酸化剤が均一に過不足無く供給されることにより、燃料極5及び空気極6のそれぞれにおける反応のバランスがとれ、これによって出力が向上される。また、燃料及び酸化剤の供給のバランスが良いために両極の反応レベルが安定し、長期にわたり安定した出力を得ることができる。
【００４２】
TC／TMが２．３未満であると、燃料導入部30及び酸化剤導入部40の厚さが十分に確保されず、燃料及び酸化剤が面内で均一に供給できなくなり、出力が低下する。一方、TC／TMが４．５を越えると、燃料導入部30及び酸化剤導入部40の厚さが大きすぎ、燃料及び酸化剤が面内で均一に供給できなくなり、出力が低下する。
【００４３】
MEA1の厚さ（TM）は、燃料極5及び空気極6のそれぞれの触媒層及びガス拡散層の厚さ、及び、電解質膜7の厚さを変化させることにより調整することができる。また、酸化剤導入部40の外表面から燃料導入部30の取入れ面までの厚さ（TC）は、酸化剤導入部40及び燃料導入部30に含まれる各層の厚さを変化させることにより調整することができる。また或いは、酸化剤導入部40及び燃料導入部30に任意の層を追加または除去することにより調整してもよい。
【００４４】
また、燃料導入部の厚さ（Af）と、MEA1の厚さ（TM）の比（Af／TM）が０．３以上１以下の範囲であることが好ましい。Af／TMが０．３〜１の範囲内であると、燃料導入部30から燃料極ガス拡散層9及び燃料極触媒層8に燃料がより均一に供給され、またよりバランスよく供給されるため、出力がさらに向上される。
【００４５】
またさらに、酸化剤導入部の厚さ（Co）と、MEA1の厚さ（TM）の比（Co／TM）が１以上２．５以下の範囲であることが好ましい。Co／TMが１〜２．５の範囲内であると、酸化剤導入部40から空気極ガス拡散層12及び空気極触媒層11に酸化剤がより均一に供給され、またよりバランスよく供給されるため、出力がさらに向上される。
【００４６】
本発明の一つの態様において、空気極6の厚さ（Cd）と、燃料極5の厚さ（Ad）の比（Cd／Ad）は、０．４以上０．７以下の範囲であることが好ましい。
空気極6の厚さ（Cd）が薄すぎる場合、反応により生成した水が蒸発してしまい、燃料極5に移動する水の量が減少し、燃料極5における反応が低下する。しかしながら、空気極6の厚さ（Cd）が厚すぎる場合、空気極6においてフラッディングが生じやすくなり、また、空気を取込み難くなる。一方、燃料極5の厚さ（Ad）が薄すぎる場合、空気極6から移動した水を保持できず、出力が低下する。しかしながら、燃料極5の厚さ（Ad）は厚すぎても反応に寄与しない。
【００４７】
よって、空気極6の厚さ（Cd）と燃料極5の厚さ（Ad）のバランスが重要となる。Cd／Adが０．４〜０．７の範囲内であると、空気極6及び燃料極5のそれぞれにおける反応のバランスが良く、出力が向上するとともに、長期にわたり安定した出力を得ることができる。
【００４８】
空気極6の厚さ（Cd）と、燃料極5の厚さ（Ad）は、それぞれの触媒層及びガス拡散層の厚さを変化させることにより調整することができる。触媒層は、基材（例えばガス拡散層）に触媒を塗布する際に、塗布量を変化させることによって厚さを調整することができる。
【００４９】
本発明の一つの態様において、燃料極触媒層8の厚さ（As）と、燃料極5の厚さ（Ad）の比（As／Ad）は、０．１以上０．６以下の範囲であることが好ましい。
燃料極触媒層8の厚さ（As）を厚くすることにより、燃料と触媒との接触機会を増大させ、燃料極5における反応効率を高めることができる。しかし、燃料極触媒層8の厚さ（As）が厚すぎると、プロトン導電性が低下する。よって、燃料極触媒層8の厚さ（As）は燃料極5の厚さ（Ad）に対して一定の率以下であることが望ましい。
【００５０】
As／Adが０．１以上であると、燃料極触媒層8に含まれる触媒量が十分であり、反応効率が良好となるため出力が向上される。また、As／Adが０．６以下であると、プロトン導電性が低下せず、また燃料極ガス拡散層9の厚さも確保できるため、燃料の拡散性も良好である。そのため、燃料のクロスオーバーの発生が抑制され、燃料効率が向上される。以上のような理由により、As／Adを０．１〜０．６の範囲にすることにより、長期にわたり安定した出力を得ることができる。
【００５１】
また、燃料極5の厚さ（Ad）を330μｍ以上650μｍ以下の範囲にすることにより、さらに長期安定性を向上させることができる。
【００５２】
燃料極触媒層8の厚さ（As）は、燃料極触媒層8の基材に塗布する触媒の塗布量を変化させることによって調整することができる。また、燃料極5の厚さ（Ad）は、燃料極触媒層8の厚さ（As）か、燃料極ガス拡散層9の厚さ（Ag）を変化させることによって調整することができる。燃料極ガス拡散層9の厚さ（Ag）は、ガス拡散層として用いるカーボンペーパー等の厚さや圧縮率を変化させることによって調整することができる。
【００５３】
本発明の一つの態様において、カソード触媒層11の厚さ（Cs）と、カソード6の厚さ（Cd）の比（Cs／Cd）は、０．１以上０．５以下の範囲であることが好ましい。
空気極触媒層11の厚さ（Cs）を厚くすることにより、酸化剤と触媒との接触機会を増大させ、空気極6における反応効率を高めることができる。しかし、空気極触媒層11の厚さ（Cs）が厚すぎると、プロトン導電性が低下する。よって、空気極触媒層11の厚さ（Cs）は空気極6の厚さ（Cd）に対して一定の率以下であることが望ましい。
【００５４】
Cs／Cdが０．１以上であると、空気極触媒層11に含まれる触媒量が十分であり、反応効率が良好となるため出力が向上される。また、Cs／Cdが０．５以下であると、高いプロトン導電性が得られる。また、空気極ガス拡散層12においてフラッディングが抑制され、空気の取り入れ効率が良好である。よって、長期にわたり安定した出力を得ることができる。
【００５５】
また、空気極6の厚さ（Cd）を250μｍ以上400μｍ以下の範囲にすることにより、さらに長期安定性を向上させることができる。
【００５６】
空気極触媒層11の厚さ（Cs）は、空気極触媒層11の基材に塗布する触媒の塗布量を変化させることによって調整することができる。また、空気極6の厚さ（Cd）は、空気極触媒層11の厚さ（Cs）か、空気極ガス拡散層12の厚さ（Cg）を変化させることによって調整することができる。空気極ガス拡散層12の厚さ（Cg）は、ガス拡散層として用いるカーボンペーパー等の厚さや圧縮率を変化させることによって調整することができる。
【００５７】
本発明の一つの態様において、燃料極ガス拡散層9の厚さ（Ag）と、空気極ガス拡散層12の厚さ（Cg）の比（Ag／Cg）は、０．４以上１．２以下の範囲であることが好ましい。
Ag／Cgが０．４〜１．２の範囲内であると、燃料極5における燃料の拡散と、空気極6における空気の拡散とのバランスが良好であり、出力が向上されるとともに、長期にわたり安定した出力を得ることができる。上記の比（Ag／Cg）は、０．５以上１以下の範囲であることがより好ましい。
【００５８】
また、燃料と空気の供給のバランスの観点から、燃料ガス拡散層9の厚さ（Ag）は、100μｍ以上500μｍ以下であることが好ましく、空気極ガス拡散層12の厚さ（Cg）は、100μｍ以上360μｍ以下であることが好ましい。
【００５９】
また、燃料極ガス拡散層9と、空気極ガス拡散層12は、それぞれ撥水処理されていることが好ましい。燃料極ガス拡散層9が撥水処理されている場合、燃料極5における水の保持能力を向上させることができる。空気極ガス拡散層12が撥水処理されている場合、空気極6において発電反応により生成した水の燃料極5への移行効率を向上させることができるとともに、余分な水分を効率よく排出することができる。燃料極ガス拡散層9及び空気極ガス拡散層12の撥水度は、撥水処理に用いる撥水剤溶液の濃度を調節してガス拡散層に含まれる撥水剤量を変化させることによって制御することができる。
【００６０】
撥水処理は、例えば次のように行われる。まず、撥水剤を所定の濃度で含む撥水剤溶液中に、ガス拡散層（例えば、カーボンペーパー）を浸漬して、ガス拡散層に撥水剤を含ませる。次いで、ガス拡散層を乾燥した後、加熱して撥水剤を焼結させる。撥水剤には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂を用いることができる。
【００６１】
ガス拡散層（GDL）中の撥水剤の含有量は、下式（１）によって算出することができる。
【００６２】
撥水剤含有量［wt%］＝GDLに含まれる撥水剤量／（GDLに含まれる撥水剤量＋GDL重量）×100 式（２）
本発明の一つの態様において、燃料極触媒層8の厚さ（As）と、空気極触媒層11の厚さ（Cs）の比（As／Cs）は、２以上５以下の範囲であり、且つ、空気極触媒層11の厚さ（Cs）が100μｍ以下であることが好ましい。
【００６３】
As／Csが２〜５の範囲であり、また空気極触媒層11の厚さ（Cs）が100μｍ以下であると、燃料極触媒層8と空気極触媒層11における反応のバランスが良好であり、出力が向上するとともに長期安定性が向上される。
【００６４】
以上に説明した各構成部材の厚さは、以下の方法で測定される。
ＭＥＡを燃料電池から取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込む。この樹脂に埋め込んだＭＥＡをその断面が平坦になるよう研磨し測定試料とする。例えば電極が矩形状の場合、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から長手方向の長さの１０％中央寄りの位置の合計３箇所の切断面を取り出す。以降の結果は、それら３箇所の平均値とする。
【００６５】
測定試料について、切断面のＳＥＩ（２次電子像）、ＢＥＩ（反射電子像）によるＳＥＭ写真(1000倍)を確認し、視野で見られた像内の中央部から視野の左右２５％内の対象物の断面を９等分した位置（10箇所）の厚みおよびこの範囲における最大厚みと最小厚みを測定し、その平均値をその平均厚みとし、これを、各構成部材の厚さとする。
【００６６】
本実施形態に係る燃料電池は、図１〜図３に示す構造に限定されるものではなく、例えば、図４に示す構成にすることができる。なお、図１〜図３で説明したのと同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００６７】
燃料導入部30の燃料拡散層19は、燃料分配機構2側から、拡散シート（日東電工製の商品名サンマップ）51、気液分離膜52、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜53がこの順番で積層されたものである。拡散シート51の表面は、燃料分配機構2の燃料排出口22と接している。燃料導入部30は、燃料拡散層19と、導電層14とからなる。
【００６８】
酸化剤導入部40は、空気極6側から、導電層13、ＰＴＦＥ膜54、保湿層１８、補強板55、カバープレート56がこの順番に積層されたものである。補強板55及びカバープレート56は、例えば、ＳＵＳから形成され、いずれも、酸化剤である空気を取り入れるための開口部（図示しない）を複数有している。ＰＴＦＥ膜54は、空気極触媒層11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共に、空気極触媒層11への空気の均一拡散を促進する。
【００６９】
燃料導入部30は、燃料分配機構2の燃料排出口22と接する表面を有し、燃料排出口22から排出された燃料を気化燃料として燃料極5に均一に拡散させる役割をなす。燃料導入部30は、例えば、燃料分配機構2側から、拡散シート（日東電工製の商品名サンマップ）、気液分離膜、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜がこの順番で積層されたものである。気液分離膜は、液体燃料の気化成分と液体燃料とを分離し、その気化成分をアノード（燃料極）側に通過させるものである。この気液分離膜は、液体燃料に対して不活性で溶解しない材料でシート状に構成され、具体的には、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（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）微多孔膜などの材料で構成される。また、気液分離膜は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。ＰＴＦＥ膜は、水蒸気の透過を抑制し、燃料極に過剰量の水蒸気が供給されるのを防止する。
【００７０】
なお、気液分離膜と燃料極との間に、樹脂製のフレーム（図示しない）を設けてもよい。フレームで囲まれた空間は、気液分離膜を拡散してきた気化燃料を一時的に収容する気化燃料収容室（いわゆる蒸気だまり）として機能するとともに、膜電極接合体を密着させる補強板としても機能する。この気化燃料収容室および気液分離膜の透過メタノール量抑制効果により、一度に多量の気化燃料が燃料極触媒層に供給されるのを回避することができる。なお、フレームは、短形のフレームで、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）等の耐薬性の高いエンジニアリングプラスチックで構成される。
【００７１】
本発明に適用可能な燃料電池は、その形態から、液体燃料と酸化剤の供給をポンプなどの補器を用いて行うアクティブ型燃料電池、液体燃料の気化成分をアノードに供給するパッシブ型（内部気化型）燃料電池、前述した図１に示すセミパッシブ型の燃料電池などが挙げられる。アクティブ型燃料電池では、メタノール水溶液からなる燃料について、その量が一定になるようにポンプで調整しながらＭＥＡのアノードへ供給する一方、カソードに対しても空気をポンプで供給する方式が採られる。パッシブ型燃料電池では、ＭＥＡの燃料極に気化したメタノールを自然供給で送り、一方空気極に対しても外部の空気を自然供給することで、ポンプなどの余計な機器を装備しない方式が採られる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部から膜電極接合体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では、燃料を循環させないことから、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、セミパッシブ型の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられる。
【００７２】
なお、燃料供給手段として機能するポンプの種類は、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。上記したようにポンプを設ける場合、ポンプは、制御手段（図示しない）と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部に供給される液体燃料の供給量が制御される。
【実施例】
【００７３】
（実施例１）
MEAの厚さ（TM）と、酸化剤導入部の外表面から燃料導入部の取入れ面までの厚さ（TC）とMEA1の厚さ（TM）の比（TC／TM）を変化させて燃料電池を作製し、初期出力及び出力維持率を測定した。
【００７４】
燃料電池は次のように作製した。
燃料極ガス拡散層として、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を圧縮加工して用いた。白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子８％とＤＥ２０２０（デュポン社製）と溶媒をホモジナイザで混合して約２０％固形分のスラリーを作製した。このスラリーを、カーボンペーパーの一方の面にダイコーターを用いて塗布した。次いでこれを常温乾燥し、燃料極を作製した。
【００７５】
空気極ガス拡散層として、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０９０）を用いた。白金を50wt%担持したカーボン粒子７％と、ＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合して約１５％のスラリーを作製した。このスラリーを、カーボンペーパーの一方の面にダイコーター法により塗布した。次いでこれを８０℃で乾燥し、空気極を作製した。
【００７６】
電解質膜として、固体電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用いた。最初にこの電解質膜と空気極を触媒層が電解質膜側になるように重ね合わせ、さらに、電解質膜の空気極を重ね合わせた面と逆の面に触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度が１５０℃、圧力が４０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、MEAを作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。また、燃料極及び空気極のそれぞれについて、カーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させてMEAの厚さを調整し、実施例1-1〜1-3及び比較例1-1〜1-4とした。
【００７７】
実施例1-1〜1-3及び比較例1-1〜1-4のそれぞれについて、MEAの中央部および両端から長手方向の長さの１０％中央寄りの位置の合計3箇所の厚みをマイクロメーターで測定し、その平均値をMEA厚みとした。実施例1-1〜1-3及び比較例1-1〜1-4のMEAの厚みは表１に示した。また、実施例1-1の燃料極触媒層の厚みは１２０μｍであり、空気極触媒層の厚みは５０μｍであり、燃料極ガス拡散層の厚みは３５０μｍであり、空気極ガス拡散層の厚みは２６０μｍであった。電解質膜は厚さが５０μｍのものを用いた。
【００７８】
燃料極導電層及び空気極導電層として、空気及び気化したメタノールを取り入れるための複数の開口を有する厚さが６０μｍの金箔を用い、MEAを挟んで積層体を形成した。この積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。MEAの空気極側と一方のフレームとの間、MEAの燃料極側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【００７９】
燃料極側のフレームは、気液分離膜を介して、燃料分配機構にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上には、気孔率が２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。保湿層の厚さは７５０μｍであった。この保湿層上にカバープレートを配置し、ネジ止めによって固定した。カバープレートには、空気取り入れのための空気導入口（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を用いた。
【００８０】
各実施例及び比較例の燃料電池について、カバープレートの外表面から、気液分離膜までの厚さを前述の測定方法でマイクロメーターにより測定した。測定された値に基づいて、外表面から取入れ面までの厚さ（TC）とMEAの厚さ（TM）の比（TC／TM）を計算した。
【００８１】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、初期出力を測定した。また、５００時間後の出力を測定し、出力維持率を算出した。
【００８２】
実施例1-1〜1-3及び比較例1-1〜1-4のTM値、TC／TM値、初期出力及び出力維持率を表１に示した。なお、表１における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【００８３】
【表１】
【００８４】
表１から、TM値が700〜900μｍの範囲であり、TC／TM値が2.3〜4.5の範囲である場合に、比較例と比べて初期出力が高く、また500時間後の出力維持率も高いことが示された。
【００８５】
（実施例２）
空気極の厚さ（Cd）と、燃料極の厚さ（Ad）の比（Cd／Ad）を変化させて燃料電池を作製し、初期出力及び出力維持率を測定した。
【００８６】
燃料電池は、実施例１と同様に作製した。空気極の厚さ（Cd）と燃料極の厚さ（Ad）は、それぞれカーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させて調整し、実施例2-1〜2-6及び比較例2-1〜2-2とした。
【００８７】
各実施例及び比較例の燃料電池について、断面をマイクロスコープで観察し、空気極の厚さ（Cd）と燃料極の厚さ（Ad）を測定した。測定された値に基づいて、厚さの比（Cd／Ad）を計算した。
【００８８】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で初期出力を測定した。また、500時間後の出力を測定し、出力維持率を算出した。
【００８９】
実施例2-1〜2-6及び比較例2-1〜2-2のCd／Ad値、初期出力及び出力維持率を表２及び３に示した。なお、表３における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【００９０】
【表２】
【００９１】
【表３】
【００９２】
表２及び３から、Cd／Ad値が0.4〜0.7の範囲である場合に、比較例と比べて初期出力が高く、また500時間後の出力維持率も高いことが示された。
【００９３】
（実施例３）
燃料極触媒層の厚さ（As）と、燃料極の厚さ（Ad）の比（As／Ad）を変化させて燃料電池を作製し、長時間の平均出力を測定した。
【００９４】
燃料電池は実施例１と同様に作製した。燃料極触媒層の厚さ（As）はカーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させて調整し、実施例3-1〜3-8及び比較例3-1〜3-4とした。
【００９５】
実施例3-1〜3-8及び比較例3-1〜3-4のそれぞれについて、MEAの中央部および両端から長手方向の長さの１０％中央寄りの位置の合計3箇所の厚みをマイクロメーターで測定し、その平均値をMEA厚みとした。また、断面をマイクロスコープで観察し、燃料極触媒層の厚さ（As）と、燃料極の厚さ（Ad）を測定した。測定された値に基づいて、厚みの比（As／Ad）を計算した。
【００９６】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定し、１００時間の平均出力を算出した。
【００９７】
実施例3-1〜3-10及び比較例3-1〜3-2のAs値、Ad値、As／Ad値、及び１００時間の平均出力を表４及び５に示した。また、使用した電解質膜の厚さ（Te）を表５に示した。なお、表５における平均出力は、実施例1-1の初期出力の値を100とした相対値で表わしている。
【００９８】
【表４】
【００９９】
【表５】
【０１００】
表４及び５から、As／Ad値が0.1〜0.6の範囲である場合に、比較例と比べて１００時間の平均出力が高いことが示された。また、燃料極の厚さ（Ad）が330〜650μｍの範囲である実施例3-2〜3-7はより平均出力が高いことが示された。
【０１０１】
（実施例４）
空気極触媒層の厚さ（Cs）と、空気極の厚さ（Cd）の比（Cs／Cd）を変化させて燃料電池を作製し、長時間の平均出力を測定した。
【０１０２】
燃料電池は実施例１と同様に作製した。空気極触媒層の厚さ（Cs）はカーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させて調整し、実施例4-1〜4-10及び比較例4-1〜4-2とした。
【０１０３】
実施例4-1〜4-10及び比較例4-1〜4-2のそれぞれについて、MEAの厚みを前述の測定方法でマイクロメーターにより測定した。また、断面をマイクロスコープで観察し、空気極触媒層の厚さ（Cs）と、空気極の厚さ（Cd）を測定した。測定された値に基づいて、厚みの比（Cs／Cd）を計算した。
【０１０４】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定し、１００時間の平均出力を算出した。
【０１０５】
実施例4-1〜4-10及び比較例4-1〜4-2のCs値、Cd値、Cs／Cd値、及び１００時間の平均出力を表６及び７に示した。また、使用した電解質膜の厚さ（Te）を表７に示した。なお、表７における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【０１０６】
【表６】
【０１０７】
【表７】
【０１０８】
表６及び７から、Cs／Cd値が0.1〜0.5の範囲である場合に、比較例と比べて１００時間の平均出力が高いことが示された。また、空気極の厚さ（Cd）が250〜400μｍの範囲である実施例4-2〜4-7はより平均出力が高いことが示された。
【０１０９】
（実施例５）
燃料極触媒層の厚さ（As）と燃料極の厚さ（Ad）、空気極触媒層の厚さ（Cs）と空気極の厚さ（Cd）を変化させ、As／Ad値が0.1〜0.6の範囲内であり、Cs／Cd値が0.1〜0.5の範囲内である実施例5-1及び5-2の燃料電池を実施例３及び４と同様に作製した。実施例5-1及び5-2について、実施例４と同様に１００時間の平均出力を測定した。その結果を表８に示す。なお、表８における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【０１１０】
【表８】
【０１１１】
表８から、As／Ad値が0.1〜0.6の範囲内であり、Cs／Cd値が0.1〜0.5の範囲内である燃料電池は、１００時間の平均出力が高いことが示された。
【０１１２】
（実施例６）
燃料極ガス拡散層の厚さ（Ag）と、空気極ガス拡散層の厚さ（Cg）の比（Ag／Cg）を変化させて燃料電池を作製し、初期出力を測定した。
【０１１３】
燃料電池は実施例１と同様に作製した。但し、燃料極ガス拡散層と空気極ガス拡散層のそれぞれを撥水処理した。燃料極ガス拡散層の撥水剤含有量は１０ｗｔ％であり、空気極ガス拡散層の撥水剤含有量は４０ｗｔ％とした。
【０１１４】
燃料極ガス拡散層の厚さ（Ag）及び空気極ガス拡散層の厚さ（Cg）を、用いるカーボンペーパーの種類又は圧縮率を変化させて調整し、実施例6-1〜6-31及び比較例6-1〜6-5とした。
【０１１５】
実施例6-1〜6-31及び比較例6-1〜6-5のそれぞれについて、断面をマイクロスコープで観察し、燃料極ガス拡散層の厚さ（Ag）と、空気極ガス拡散層の厚さ（Cg）を測定した。測定された値に基づいて、厚みの比（Ag／Cg）を計算した。
【０１１６】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で出力を測定した。
【０１１７】
実施例6-1〜6-31及び比較例6-1〜6-5のAg値、Cg値、Ag／Cg値及び初期出力を表９及び１０に示した。なお、表１０における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【０１１８】
【表９】
【０１１９】
【表１０】
【０１２０】
表９及び１０から、Ag／Cg値が0.4〜1.2の範囲である場合に、比較例と比べて初期出力が高いことが示された。また、Ag／Cgが、0.5〜1.0である実施例6-1〜6-24はより出力が高いことが示された。
【０１２１】
（実施例７）
燃料極ガス拡散層と、空気極ガス拡散層の撥水剤含有量を変化させて燃料電池を作製し、初期出力を測定した。Ag／Cg値が0.76である燃料電池を実施例６と同様に作製し、撥水剤含有量と初期出力の関係を測定した結果を表１１に示した。また、Ag／Cg値が1である燃料電池を実施例６と同様に作製し、撥水剤含有量と初期出力の関係を測定した結果を表１２に示した。表１１及び１２では、実施例1-1の燃料電池の初期出力を１００とした相対値で示した。
【０１２２】
表から分かるように、燃料極ガス拡散層及び空気極ガス拡散層の何れかの撥水剤含有量が５ｗｔ％以上である場合、０ｗｔ％の場合と比較して初期出力が高かった。
【０１２３】
【表１１】
【０１２４】
【表１２】
【０１２５】
（実施例８）
燃料極触媒層の厚さ（As）と、空気極触媒層の厚さ（Cs）の比（As／Cs）を変化させて燃料電池を作製し、初期出力及び出力維持率を測定した。
燃料電池は、実施例１と同様に作製した。但し、燃料極ガス拡散層として厚さが350μｍであるカーボンペーパーを用いた。また、空気極ガス拡散層として厚さが250μｍであるカーボンペーパーを用いた。また電解質膜として厚さが45μｍである固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用いた。
【０１２６】
燃料極触媒層の厚さ（As）と空気極触媒層の厚さ（Cs）は、それぞれカーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させて調整し、実施例8-1〜8-12及び比較例8-1〜8-4とした。
【０１２７】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で初期出力を測定した。また５００時間後の出力を測定し、出力維持率を算出した。
【０１２８】
実施例8-1〜8-12及び比較例8-1〜8-4のAs値、Cs値、As／Cs値、初期出力及び５００時間の出力維持率を表１３及び１４に示した。なお、表１４における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【０１２９】
【表１３】
【０１３０】
【表１４】
【０１３１】
表１３及び１４から、As／Cs値が2〜5の範囲であり、Cs値が100μｍ以下である場合に、比較例と比べて初期出力及び５００時間の出力維持率が高いことが示された。
【０１３２】
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い。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組み合せたり、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。
【０１３３】
また、MEAへ供給される燃料の気体においても、全て液体燃料の気体を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる
【符号の説明】
【０１３４】
1…膜電極接合体（ＭＥＡ）、2…燃料供給部（燃料分配機構）、3…燃料収容部、4…流路、5…アノード（燃料極）、6…カソード（空気極）、7…電解質膜、8…燃料極触媒層、9…燃料極ガス拡散層、11…空気極触媒層、12…空気極ガス拡散層、13,14…導電層、15…Ｏリング、16…カバープレート、17…ポンプ、18…保湿層、19…燃料拡散層、21…燃料注入口、22…燃料排出口、23…燃料分配板、24…空隙部、30…燃料導入部、40…酸化剤導入部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に液体燃料を用いた直接供給型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、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、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、水素ガスを燃料として使用する燃料電池に比べ、水素ガスの取り扱いの困難さや、有機燃料を改質して水素を作り出す装置等が必要なく、小型化に優れている。
【０００３】
ＤＭＦＣでは、アノード（燃料極）においてメタノールの酸化分解反応（内部改質反応）が生じ、二酸化炭素、プロトンおよび電子が生成する。一方、カソード（空気極）では、空気から得られる酸素と、電解質膜を経て燃料極から供給されるプロトン、および燃料極から外部回路を通じて供給される電子によって水が生成する。
【０００４】
発電反応により空気極で生成した水は電解質膜を透過して空気極側から燃料極側へ拡散し、メタノールの酸化分解に利用される。この水が不足すると、メタノールの内部改質反応の反応抵抗が高くなるため、十分な出力特性を得られなくなる。しかしながら、空気極で生成した水を効率良く燃料極側へ移行させるために空気極の保湿性を高めると、空気極の透気度が低下する。空気極の透気度が低いと、空気極への空気の流入が制限され、出力低下をもたらすという不都合がある。
【０００５】
そこで、これまでに、空気極を構成する層と燃料極を構成する層との関係を規定する提案がなされている。例えば特許文献１には、アノード触媒層の平均厚みがカソード触媒層の平均厚みよりも小さい燃料電池用膜-電極接合体が開示されている（請求項１、２及び４）。また、特許文献２には、アノード側の触媒層の平均厚さ／カソード側の触媒層の平均厚さが０．１〜０．６の関係を有する燃料電池が開示されている（請求項９）。特許文献３には、カソード側ガス拡散電極及びカソード側触媒電極の少なくとも一方の厚みが、アノード側ガス拡散電極及びアノード側触媒電極の少なくとも一方の厚みに比べて厚いことを特徴とする燃料電池が開示されている（請求項３）。特許文献４には、アノード触媒層の平均厚みが、カソード触媒層の平均厚みの１／１０〜１／２である燃料電池用膜電極接合体が開示されている（請求項４）。特許文献５には、アノード側触媒層がカソード側触媒層よりも、厚さが薄く形成されている膜電極接合体が開示されている（請求項１）。特許文献６には、空気極の電極触媒層の厚さが１００μｍ〜３５０μｍである燃料電池用電極、及び、燃料極の電極触媒層の厚さが５０μｍ〜２５０μｍである燃料電池用電極が開示されている（請求項８及び９）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２００５／１０６９９４号公報
【特許文献２】特開2006-179463号公報
【特許文献３】特開2002-367655号公報
【特許文献４】特開2008-176990号公報
【特許文献５】特開2008-277005号公報
【特許文献６】特開平07-201334号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、出力性能が向上され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】
【０００８】
本発明に係る燃料電池は、アノード触媒層及び前記アノード触媒層の一方の面に面して設けられたアノードガス拡散層を備えるアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層の一方の面に面して設けられたカソードガス拡散層を備えるカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配置された電解質膜とを含む膜電極接合体、
前記アノードガス拡散層に面して設けられ、燃料取入れ面を有する燃料導入部、
前記燃料取入れ面に面した燃料排出口を有し、前記燃料排出口を通して前記燃料導入部に燃料を供給する燃料供給部、及び、
前記カソードガス拡散層に面して設けられ、外表面に酸化剤を取入れるための開口を有する酸化剤導入部を含み、
前記膜電極接合体の厚さ（TM）が700μｍ以上900μｍ以下の範囲であり、
前記外表面から前記取入れ面までの厚さ（TC）と、前記膜電極接合体の厚さ（TM）の比（TC／TM）が、２．３以上４．５以下の範囲であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、出力性能が向上された燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、本実施形態に係る燃料電池を示す内部透視断面図である。
【図２】図２は、図１の燃料電池の燃料供給部を示す斜視図である。
【図３】図３は、図１の一部を拡大した断面模式図である。
【図４】図４は、本発明の燃料電池の一実施態様を示す断面模式図である。
【図５】図５は、実施例１における初期出力の測定結果を示す。
【図６】図６は、実施例１における出力維持率の測定結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の燃料電池について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池100の内部透視断面図であり、図２は、図１の燃料電池の燃料供給部2を示す斜視図である。
【００１２】
図１に示す燃料電池100は、膜電極接合体（Membrane Electrode Assembly:MEA）1と、MEA1に燃料を導入するための燃料導入部30と、MEA1に酸化剤を導入するための酸化剤導入部40と、燃料を燃料導入部30に供給するための燃料供給部2と、燃料供給部2に供給する液体燃料Fが収容される燃料収容部3と、燃料供給部2と燃料収容部3とを接続する流路4とから主として構成されている。
【００１３】
MEA1は、アノード（燃料極）5と、カソード（空気極）6と、燃料極5及び空気極6の間に配置されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜7とから構成される。
【００１４】
燃料極5は、電解質膜7の一方の面と対向している燃料極触媒層8と、燃料極触媒層8に積層された燃料極ガス拡散層9とを有する。空気極6は、電解質膜7の他方の面と対向している空気極触媒層11と、空気極触媒層11に積層された空気極ガス拡散層12とを有する。
【００１５】
電解質膜7にはプロトン伝導性材料が含まれ、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（デュポン社製の商品名ナフィオン(登録商標）や旭硝子社製の商品名フレミオン(登録商標）のようなパーフルオロスルホン酸重合体等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂、無機物（例えば、タングステン酸、リンタングステン酸、硝酸リチウムなど）等が用いられるが、これらに限定されるものではない。
【００１６】
燃料極触媒層8および空気極触媒層11には、触媒及びプロトン伝導性材料が含まれる。触媒は、例えば、白金族元素である、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の単体金属、白金族元素を含有する合金などが用いられる。具体的には、燃料極側の触媒として、メタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏなど、空気極側の触媒として、白金やＰｔ−Ｎｉなどが好適に用いられるが、これらに限定されるものではない。上記の触媒は、炭素材料のような導電性担持体に担持された担持触媒として使用することもでき、あるいは単独で無担持触媒として使用することもできる。触媒層に含まれるプロトン伝導性材料は、上記の電解質膜7に含まれるものと同様であってよい。
【００１７】
燃料極ガス拡散層9は、燃料極触媒層8に燃料ガスを均一に供給する役割を果たすと同時に、燃料極触媒層8の集電体も兼ねている。空気極ガス拡散層12は、空気極触媒層11に酸化剤ガスを均一に供給する役割を果たすと同時に、空気極触媒層11の集電体も兼ねている。燃料極ガス拡散層9及び空気極ガス拡散層12は、導電性を有し、燃料ガスや酸化剤ガスなどの反応ガスを拡散させ得る物質により形成され、例えば、カーボンペーパーやカーボンクロスから形成される。
【００１８】
なお、ガス拡散層を形成するカーボンは、黒鉛化されたカーボンであることが好ましい。黒鉛化されたカーボンは、Ｆｅ等の不純物が減少している。よって、黒鉛化されたカーボンを使用することにより、触媒の被毒を減少させ、発電性能を向上させることができる。ガス拡散層を形成するカーボンにおけるＦｅ残留量は10ppm以下であることが望ましい。
【００１９】
燃料導入部30は、燃料供給部2の燃料排出口22から排出された燃料をMEA1に供給する機能を有し、燃料極ガス拡散層9と燃料供給部2との間に配置される構成がこの燃料導入部30に含まれる。燃料導入部30は、燃料極ガス拡散層9に面して設けられ、燃料供給部2の燃料排出口22と接する燃料取入れ面を有する。ここで燃料取入れ面とは、燃料供給部2の燃料排出口22と接する層の燃料排出口22側の表面を指す。
【００２０】
図１に示す燃料導入部30には、導電層14及び燃料拡散層19が含まれている。しかしながらこれに限定されず、燃料拡散層19が含まれなくてもよく、或いは他の層を含んでいてもよい。
【００２１】
導電層14は、例えば、金、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などから構成される。燃料拡散層19は、燃料ガスの均一な拡散を促進し、燃料極触媒層8へ燃料ガスを均一に供給するために備えられ、例えば多孔質材などから構成されてよい。
【００２２】
酸化剤導入部40は、外部から空気などの酸化剤を取入れ、MEA1に供給する機能を有し、燃料電池の外装（例えばカバープレート）から、空気極ガス拡散層12に隣接して配置される構成がこの酸化剤導入部40に含まれる。酸化剤導入部40は、空気極ガス拡散層12に面して設けられ、外表面に酸化剤を取入れるための開口を有する。
【００２３】
図１に示す酸化剤導入部40には、導電層13、保湿層18及びカバープレート16が含まれている。カバープレート16は最も外側に配置され、酸化剤である空気を取入れるための開口部を有している（図示は省略）。このようなカバープレート16を備えることにより、酸化剤を供給するためのブロワを用いることなく、酸化剤をカソード６に自然供給することができる。なお、酸化剤は、空気に限定されるものではなく、Ｏ2を含むガスを使用することも可能である。
【００２４】
カバープレート16と空気極ガス拡散層12の間には、導電層13及び保湿層18が含まれる。しかしながらこれに限定されず、保湿層18が含まれなくてもよく、或いは、例えば多孔質層のような他の層を含んでいてもよい。導電層13は、上述した燃料導入部30に含まれる導電層14と同様のものであってよい。保湿層18は、空気極触媒層11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、カバープレート16の開口部から取り込んだ空気の空気極触媒層11への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するための層であってよい。また多孔質層は、発電反応により空気極で生成して燃料極側に移行した水を、燃料極において保持するための層であってよい。
【００２５】
燃料供給部2は、燃料導入部30に面して配置され、燃料収容部3から供給された燃料を燃料導入部30へ排出する。燃料供給部2には、例えば、燃料分配機構2が使用される。
【００２６】
燃料分配機構2は、図２に示すように、液体燃料が流路4を介して流入する少なくとも１個の燃料注入口21と、液体燃料やその気化成分を排出する複数個の燃料排出口22とを有する燃料分配板23を備えている。燃料分配板23の内部には、燃料注入口21から導かれた液体燃料の通路となる空隙部24が設けられている。複数の燃料排出口22は燃料通路として機能する空隙部24にそれぞれ直接接続されている。
【００２７】
燃料分配板23は、例えば、液体燃料の気化成分や液体燃料を透過させない材料で構成され、具体的には、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）樹脂、ポリイミド系樹脂等で構成される。
【００２８】
複数の燃料排出口22には、例えば液体燃料の気化成分のみを透過し、液体成分は透過させない気液分離体（図示せず）を配置してもよい。気液分離体は燃料分配機構2と燃料導入部30との間に気液分離膜等として設置してもよい。
【００２９】
燃料排出口22はMEA1の全体に燃料を供給することが可能なように、燃料分配板23の燃料極5と対向する面に複数設けられている。燃料排出口22の個数は２個以上であればよいが、MEA1の面内における燃料供給量を均一化する上で、0.1〜10個/cm2の燃料排出口22が存在するように形成することが好ましい。燃料排出口22の個数が0.1個/cm2未満であると、MEA1に対する燃料供給量を十分に均一化することができない。燃料排出口22の個数を１０個/cm2を超えて形成しても、それ以上の効果が得られない。
【００３０】
燃料分配機構2は、流路4を介して燃料収容部3と接続されており、燃料収容部3から流路4を介して液体燃料が導入される。流路4は、例えば、燃料分配機構2や燃料収容部3と独立した配管であってよいが、これに限定されない。例えば、燃料分配機構2と燃料収容部3とを積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料の流路であってもよい。
【００３１】
燃料収容部3から燃料分配機構2に供給された液体燃料は、空隙部24に入り、複数の燃料排出口22に導かれる。そして、液体燃料の気化成分が複数の燃料排出口22から燃料導入部30に向けて排出される。燃料分配機構2の空隙部24はバッファとして機能するため、複数の燃料排出口22からそれぞれ規定濃度の燃料が排出される。そして、複数の燃料排出口22はMEA1の全面に燃料が供給されるように配置されているため、MEA1に対する燃料供給量を均一化することができる。
【００３２】
燃料分配機構2から均一に放出された燃料は、燃料導入部30を介してMEA1に導入される。MEA1において燃料は燃料極ガス拡散層9を拡散して燃料極触媒層8に供給される。
【００３３】
燃料としてメタノール燃料を使用する場合には、次の式（Ａ）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。
【００３４】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− …式（Ａ）
内部改質反応で生成されたプロトン（Ｈ＋）は、電解質膜7を伝導し、空気極触媒層11に到達する。酸化剤導入部40を介してMEA1に導入される気体燃料（たとえば空気）は、空気極ガス拡散層12を拡散して、空気極触媒に供給される。空気極触媒に供給された空気は、次の式（Ｂ）に示す反応を生じる。この反応によって、水が生成され、発電反応が生じる。
【００３５】
（３／２）Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ …式（Ｂ）
発電反応により生じた水は、空気極6から電解質膜7を通して燃料極触媒層8に供給される。
【００３６】
電解質膜7とカバープレート16の間、及び、電解質膜7と燃料分配機構2との間には、それぞれゴム製のＯリング15が介在されており、これらによってMEA1からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００３７】
燃料収容部3には、MEA1に対応した液体燃料Fが収容されている。液体燃料Fとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。液体燃料Fは必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Fは、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部3にはMEA1に応じた液体燃料Fが収容される。
【００３８】
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、複数の燃料排出口22を有する燃料分配機構2の特徴がより顕在化するのは燃料濃度が濃い場合である。このため、燃料電池は、濃度が８０％以上のメタノール水溶液もしくは純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。
【００３９】
液体燃料を燃料収容部3から燃料分配機構2まで送る機構は特に限定されるものではない。例えば、使用時の設置場所が固定される場合には、重力を利用して液体燃料を燃料収容部3から燃料分配機構2まで落下させて送液することができる。また、多孔体等を充填した流路4を用いることによって、毛細管現象で燃料収容部3から燃料分配機構2まで送液することができる。或いは、図１に示すように、流路にポンプ17を設置し、ポンプ17によって燃料収容部3から燃料分配機構2へ送液してもよい。また或いは、燃料分配機構2からMEA1への燃料供給が行われる構成とし、ポンプ17に代えて燃料遮断バルブを配置することも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路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。
【００４０】
図３は、図１における酸化剤導入部40、MEA1、及び燃料導入部30の部分を拡大した断面模式図である。
本発明の燃料電池100では、MEA1の厚さ（TM）が700μｍ以上900μｍ以下の範囲である。また、酸化剤導入部40の外表面から燃料導入部30の取入れ面までの厚さ（TC）と、MEA1の厚さ（TM）の比（TC／TM）が２．３以上４．５以下の範囲である。
【００４１】
TC／TMが２．３以上４．５以下であると、燃料導入部30から、燃料極ガス拡散層9及び燃料極触媒層8に対して、面内で燃料が均一に過不足無く供給され、且つ、酸化剤導入部40から、空気極ガス拡散層12及び空気極触媒層11に対して、面内で酸化剤が均一に過不足無く供給されることにより、燃料極5及び空気極6のそれぞれにおける反応のバランスがとれ、これによって出力が向上される。また、燃料及び酸化剤の供給のバランスが良いために両極の反応レベルが安定し、長期にわたり安定した出力を得ることができる。
【００４２】
TC／TMが２．３未満であると、燃料導入部30及び酸化剤導入部40の厚さが十分に確保されず、燃料及び酸化剤が面内で均一に供給できなくなり、出力が低下する。一方、TC／TMが４．５を越えると、燃料導入部30及び酸化剤導入部40の厚さが大きすぎ、燃料及び酸化剤が面内で均一に供給できなくなり、出力が低下する。
【００４３】
MEA1の厚さ（TM）は、燃料極5及び空気極6のそれぞれの触媒層及びガス拡散層の厚さ、及び、電解質膜7の厚さを変化させることにより調整することができる。また、酸化剤導入部40の外表面から燃料導入部30の取入れ面までの厚さ（TC）は、酸化剤導入部40及び燃料導入部30に含まれる各層の厚さを変化させることにより調整することができる。また或いは、酸化剤導入部40及び燃料導入部30に任意の層を追加または除去することにより調整してもよい。
【００４４】
また、燃料導入部の厚さ（Af）と、MEA1の厚さ（TM）の比（Af／TM）が０．３以上１以下の範囲であることが好ましい。Af／TMが０．３〜１の範囲内であると、燃料導入部30から燃料極ガス拡散層9及び燃料極触媒層8に燃料がより均一に供給され、またよりバランスよく供給されるため、出力がさらに向上される。
【００４５】
またさらに、酸化剤導入部の厚さ（Co）と、MEA1の厚さ（TM）の比（Co／TM）が１以上２．５以下の範囲であることが好ましい。Co／TMが１〜２．５の範囲内であると、酸化剤導入部40から空気極ガス拡散層12及び空気極触媒層11に酸化剤がより均一に供給され、またよりバランスよく供給されるため、出力がさらに向上される。
【００４６】
本発明の一つの態様において、空気極6の厚さ（Cd）と、燃料極5の厚さ（Ad）の比（Cd／Ad）は、０．４以上０．７以下の範囲であることが好ましい。
空気極6の厚さ（Cd）が薄すぎる場合、反応により生成した水が蒸発してしまい、燃料極5に移動する水の量が減少し、燃料極5における反応が低下する。しかしながら、空気極6の厚さ（Cd）が厚すぎる場合、空気極6においてフラッディングが生じやすくなり、また、空気を取込み難くなる。一方、燃料極5の厚さ（Ad）が薄すぎる場合、空気極6から移動した水を保持できず、出力が低下する。しかしながら、燃料極5の厚さ（Ad）は厚すぎても反応に寄与しない。
【００４７】
よって、空気極6の厚さ（Cd）と燃料極5の厚さ（Ad）のバランスが重要となる。Cd／Adが０．４〜０．７の範囲内であると、空気極6及び燃料極5のそれぞれにおける反応のバランスが良く、出力が向上するとともに、長期にわたり安定した出力を得ることができる。
【００４８】
空気極6の厚さ（Cd）と、燃料極5の厚さ（Ad）は、それぞれの触媒層及びガス拡散層の厚さを変化させることにより調整することができる。触媒層は、基材（例えばガス拡散層）に触媒を塗布する際に、塗布量を変化させることによって厚さを調整することができる。
【００４９】
本発明の一つの態様において、燃料極触媒層8の厚さ（As）と、燃料極5の厚さ（Ad）の比（As／Ad）は、０．１以上０．６以下の範囲であることが好ましい。
燃料極触媒層8の厚さ（As）を厚くすることにより、燃料と触媒との接触機会を増大させ、燃料極5における反応効率を高めることができる。しかし、燃料極触媒層8の厚さ（As）が厚すぎると、プロトン導電性が低下する。よって、燃料極触媒層8の厚さ（As）は燃料極5の厚さ（Ad）に対して一定の率以下であることが望ましい。
【００５０】
As／Adが０．１以上であると、燃料極触媒層8に含まれる触媒量が十分であり、反応効率が良好となるため出力が向上される。また、As／Adが０．６以下であると、プロトン導電性が低下せず、また燃料極ガス拡散層9の厚さも確保できるため、燃料の拡散性も良好である。そのため、燃料のクロスオーバーの発生が抑制され、燃料効率が向上される。以上のような理由により、As／Adを０．１〜０．６の範囲にすることにより、長期にわたり安定した出力を得ることができる。
【００５１】
また、燃料極5の厚さ（Ad）を330μｍ以上650μｍ以下の範囲にすることにより、さらに長期安定性を向上させることができる。
【００５２】
燃料極触媒層8の厚さ（As）は、燃料極触媒層8の基材に塗布する触媒の塗布量を変化させることによって調整することができる。また、燃料極5の厚さ（Ad）は、燃料極触媒層8の厚さ（As）か、燃料極ガス拡散層9の厚さ（Ag）を変化させることによって調整することができる。燃料極ガス拡散層9の厚さ（Ag）は、ガス拡散層として用いるカーボンペーパー等の厚さや圧縮率を変化させることによって調整することができる。
【００５３】
本発明の一つの態様において、カソード触媒層11の厚さ（Cs）と、カソード6の厚さ（Cd）の比（Cs／Cd）は、０．１以上０．５以下の範囲であることが好ましい。
空気極触媒層11の厚さ（Cs）を厚くすることにより、酸化剤と触媒との接触機会を増大させ、空気極6における反応効率を高めることができる。しかし、空気極触媒層11の厚さ（Cs）が厚すぎると、プロトン導電性が低下する。よって、空気極触媒層11の厚さ（Cs）は空気極6の厚さ（Cd）に対して一定の率以下であることが望ましい。
【００５４】
Cs／Cdが０．１以上であると、空気極触媒層11に含まれる触媒量が十分であり、反応効率が良好となるため出力が向上される。また、Cs／Cdが０．５以下であると、高いプロトン導電性が得られる。また、空気極ガス拡散層12においてフラッディングが抑制され、空気の取り入れ効率が良好である。よって、長期にわたり安定した出力を得ることができる。
【００５５】
また、空気極6の厚さ（Cd）を250μｍ以上400μｍ以下の範囲にすることにより、さらに長期安定性を向上させることができる。
【００５６】
空気極触媒層11の厚さ（Cs）は、空気極触媒層11の基材に塗布する触媒の塗布量を変化させることによって調整することができる。また、空気極6の厚さ（Cd）は、空気極触媒層11の厚さ（Cs）か、空気極ガス拡散層12の厚さ（Cg）を変化させることによって調整することができる。空気極ガス拡散層12の厚さ（Cg）は、ガス拡散層として用いるカーボンペーパー等の厚さや圧縮率を変化させることによって調整することができる。
【００５７】
本発明の一つの態様において、燃料極ガス拡散層9の厚さ（Ag）と、空気極ガス拡散層12の厚さ（Cg）の比（Ag／Cg）は、０．４以上１．２以下の範囲であることが好ましい。
Ag／Cgが０．４〜１．２の範囲内であると、燃料極5における燃料の拡散と、空気極6における空気の拡散とのバランスが良好であり、出力が向上されるとともに、長期にわたり安定した出力を得ることができる。上記の比（Ag／Cg）は、０．５以上１以下の範囲であることがより好ましい。
【００５８】
また、燃料と空気の供給のバランスの観点から、燃料ガス拡散層9の厚さ（Ag）は、100μｍ以上500μｍ以下であることが好ましく、空気極ガス拡散層12の厚さ（Cg）は、100μｍ以上360μｍ以下であることが好ましい。
【００５９】
また、燃料極ガス拡散層9と、空気極ガス拡散層12は、それぞれ撥水処理されていることが好ましい。燃料極ガス拡散層9が撥水処理されている場合、燃料極5における水の保持能力を向上させることができる。空気極ガス拡散層12が撥水処理されている場合、空気極6において発電反応により生成した水の燃料極5への移行効率を向上させることができるとともに、余分な水分を効率よく排出することができる。燃料極ガス拡散層9及び空気極ガス拡散層12の撥水度は、撥水処理に用いる撥水剤溶液の濃度を調節してガス拡散層に含まれる撥水剤量を変化させることによって制御することができる。
【００６０】
撥水処理は、例えば次のように行われる。まず、撥水剤を所定の濃度で含む撥水剤溶液中に、ガス拡散層（例えば、カーボンペーパー）を浸漬して、ガス拡散層に撥水剤を含ませる。次いで、ガス拡散層を乾燥した後、加熱して撥水剤を焼結させる。撥水剤には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のようなフッ素系樹脂を用いることができる。
【００６１】
ガス拡散層（GDL）中の撥水剤の含有量は、下式（１）によって算出することができる。
【００６２】
撥水剤含有量［wt%］＝GDLに含まれる撥水剤量／（GDLに含まれる撥水剤量＋GDL重量）×100 式（２）
本発明の一つの態様において、燃料極触媒層8の厚さ（As）と、空気極触媒層11の厚さ（Cs）の比（As／Cs）は、２以上５以下の範囲であり、且つ、空気極触媒層11の厚さ（Cs）が100μｍ以下であることが好ましい。
【００６３】
As／Csが２〜５の範囲であり、また空気極触媒層11の厚さ（Cs）が100μｍ以下であると、燃料極触媒層8と空気極触媒層11における反応のバランスが良好であり、出力が向上するとともに長期安定性が向上される。
【００６４】
以上に説明した各構成部材の厚さは、以下の方法で測定される。
ＭＥＡを燃料電池から取り出し、切断して断面が見えるようにして樹脂に埋め込む。この樹脂に埋め込んだＭＥＡをその断面が平坦になるよう研磨し測定試料とする。例えば電極が矩形状の場合、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から長手方向の長さの１０％中央寄りの位置の合計３箇所の切断面を取り出す。以降の結果は、それら３箇所の平均値とする。
【００６５】
測定試料について、切断面のＳＥＩ（２次電子像）、ＢＥＩ（反射電子像）によるＳＥＭ写真(1000倍)を確認し、視野で見られた像内の中央部から視野の左右２５％内の対象物の断面を９等分した位置（10箇所）の厚みおよびこの範囲における最大厚みと最小厚みを測定し、その平均値をその平均厚みとし、これを、各構成部材の厚さとする。
【００６６】
本実施形態に係る燃料電池は、図１〜図３に示す構造に限定されるものではなく、例えば、図４に示す構成にすることができる。なお、図１〜図３で説明したのと同様な部材は同符号を付して説明を省略する。
【００６７】
燃料導入部30の燃料拡散層19は、燃料分配機構2側から、拡散シート（日東電工製の商品名サンマップ）51、気液分離膜52、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜53がこの順番で積層されたものである。拡散シート51の表面は、燃料分配機構2の燃料排出口22と接している。燃料導入部30は、燃料拡散層19と、導電層14とからなる。
【００６８】
酸化剤導入部40は、空気極6側から、導電層13、ＰＴＦＥ膜54、保湿層１８、補強板55、カバープレート56がこの順番に積層されたものである。補強板55及びカバープレート56は、例えば、ＳＵＳから形成され、いずれも、酸化剤である空気を取り入れるための開口部（図示しない）を複数有している。ＰＴＦＥ膜54は、空気極触媒層11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共に、空気極触媒層11への空気の均一拡散を促進する。
【００６９】
燃料導入部30は、燃料分配機構2の燃料排出口22と接する表面を有し、燃料排出口22から排出された燃料を気化燃料として燃料極5に均一に拡散させる役割をなす。燃料導入部30は、例えば、燃料分配機構2側から、拡散シート（日東電工製の商品名サンマップ）、気液分離膜、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）膜がこの順番で積層されたものである。気液分離膜は、液体燃料の気化成分と液体燃料とを分離し、その気化成分をアノード（燃料極）側に通過させるものである。この気液分離膜は、液体燃料に対して不活性で溶解しない材料でシート状に構成され、具体的には、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（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）微多孔膜などの材料で構成される。また、気液分離膜は、周縁から燃料などが漏れないように構成されている。ＰＴＦＥ膜は、水蒸気の透過を抑制し、燃料極に過剰量の水蒸気が供給されるのを防止する。
【００７０】
なお、気液分離膜と燃料極との間に、樹脂製のフレーム（図示しない）を設けてもよい。フレームで囲まれた空間は、気液分離膜を拡散してきた気化燃料を一時的に収容する気化燃料収容室（いわゆる蒸気だまり）として機能するとともに、膜電極接合体を密着させる補強板としても機能する。この気化燃料収容室および気液分離膜の透過メタノール量抑制効果により、一度に多量の気化燃料が燃料極触媒層に供給されるのを回避することができる。なお、フレームは、短形のフレームで、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス社商標）等の耐薬性の高いエンジニアリングプラスチックで構成される。
【００７１】
本発明に適用可能な燃料電池は、その形態から、液体燃料と酸化剤の供給をポンプなどの補器を用いて行うアクティブ型燃料電池、液体燃料の気化成分をアノードに供給するパッシブ型（内部気化型）燃料電池、前述した図１に示すセミパッシブ型の燃料電池などが挙げられる。アクティブ型燃料電池では、メタノール水溶液からなる燃料について、その量が一定になるようにポンプで調整しながらＭＥＡのアノードへ供給する一方、カソードに対しても空気をポンプで供給する方式が採られる。パッシブ型燃料電池では、ＭＥＡの燃料極に気化したメタノールを自然供給で送り、一方空気極に対しても外部の空気を自然供給することで、ポンプなどの余計な機器を装備しない方式が採られる。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料収容部から膜電極接合体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では、燃料を循環させないことから、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、セミパッシブ型の燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であればポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられる。
【００７２】
なお、燃料供給手段として機能するポンプの種類は、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。上記したようにポンプを設ける場合、ポンプは、制御手段（図示しない）と電気的に接続され、この制御手段によって、燃料供給部に供給される液体燃料の供給量が制御される。
【実施例】
【００７３】
（実施例１）
MEAの厚さ（TM）と、酸化剤導入部の外表面から燃料導入部の取入れ面までの厚さ（TC）とMEA1の厚さ（TM）の比（TC／TM）を変化させて燃料電池を作製し、初期出力及び出力維持率を測定した。
【００７４】
燃料電池は次のように作製した。
燃料極ガス拡散層として、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−１２０）を圧縮加工して用いた。白金ルテニウム合金微粒子を担持したカーボン粒子８％とＤＥ２０２０（デュポン社製）と溶媒をホモジナイザで混合して約２０％固形分のスラリーを作製した。このスラリーを、カーボンペーパーの一方の面にダイコーターを用いて塗布した。次いでこれを常温乾燥し、燃料極を作製した。
【００７５】
空気極ガス拡散層として、カーボンペーパー（東レ（株）製ＴＧＰ−Ｈ−０９０）を用いた。白金を50wt%担持したカーボン粒子７％と、ＤＥ２０２０（デュポン社製）とをホモジナイザで混合して約１５％のスラリーを作製した。このスラリーを、カーボンペーパーの一方の面にダイコーター法により塗布した。次いでこれを８０℃で乾燥し、空気極を作製した。
【００７６】
電解質膜として、固体電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用いた。最初にこの電解質膜と空気極を触媒層が電解質膜側になるように重ね合わせ、さらに、電解質膜の空気極を重ね合わせた面と逆の面に触媒層が電解質膜側になるように燃料極を重ね合わせ、温度が１５０℃、圧力が４０ｋｇｆ／ｃｍ２の条件でプレスし、MEAを作製した。なお、電極面積は、空気極、燃料極ともに１２ｃｍ２とした。また、燃料極及び空気極のそれぞれについて、カーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させてMEAの厚さを調整し、実施例1-1〜1-3及び比較例1-1〜1-4とした。
【００７７】
実施例1-1〜1-3及び比較例1-1〜1-4のそれぞれについて、MEAの中央部および両端から長手方向の長さの１０％中央寄りの位置の合計3箇所の厚みをマイクロメーターで測定し、その平均値をMEA厚みとした。実施例1-1〜1-3及び比較例1-1〜1-4のMEAの厚みは表１に示した。また、実施例1-1の燃料極触媒層の厚みは１２０μｍであり、空気極触媒層の厚みは５０μｍであり、燃料極ガス拡散層の厚みは３５０μｍであり、空気極ガス拡散層の厚みは２６０μｍであった。電解質膜は厚さが５０μｍのものを用いた。
【００７８】
燃料極導電層及び空気極導電層として、空気及び気化したメタノールを取り入れるための複数の開口を有する厚さが６０μｍの金箔を用い、MEAを挟んで積層体を形成した。この積層体を樹脂製の２つのフレームで挟み込んだ。MEAの空気極側と一方のフレームとの間、MEAの燃料極側と他方のフレームとの間には、それぞれゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。
【００７９】
燃料極側のフレームは、気液分離膜を介して、燃料分配機構にネジ止めによって固定した。気液分離膜には、厚さ０．２ｍｍのシリコーンシートを使用した。一方、空気極側のフレーム上には、気孔率が２８％の多孔質板を配置し、保湿層を形成した。保湿層の厚さは７５０μｍであった。この保湿層上にカバープレートを配置し、ネジ止めによって固定した。カバープレートには、空気取り入れのための空気導入口（口径４ｍｍ、口数６４個）が形成された厚さが２ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を用いた。
【００８０】
各実施例及び比較例の燃料電池について、カバープレートの外表面から、気液分離膜までの厚さを前述の測定方法でマイクロメーターにより測定した。測定された値に基づいて、外表面から取入れ面までの厚さ（TC）とMEAの厚さ（TM）の比（TC／TM）を計算した。
【００８１】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、初期出力を測定した。また、５００時間後の出力を測定し、出力維持率を算出した。
【００８２】
実施例1-1〜1-3及び比較例1-1〜1-4のTM値、TC／TM値、初期出力及び出力維持率を表１に示した。なお、表１における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【００８３】
【表１】
【００８４】
表１から、TM値が700〜900μｍの範囲であり、TC／TM値が2.3〜4.5の範囲である場合に、比較例と比べて初期出力が高く、また500時間後の出力維持率も高いことが示された。
【００８５】
（実施例２）
空気極の厚さ（Cd）と、燃料極の厚さ（Ad）の比（Cd／Ad）を変化させて燃料電池を作製し、初期出力及び出力維持率を測定した。
【００８６】
燃料電池は、実施例１と同様に作製した。空気極の厚さ（Cd）と燃料極の厚さ（Ad）は、それぞれカーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させて調整し、実施例2-1〜2-6及び比較例2-1〜2-2とした。
【００８７】
各実施例及び比較例の燃料電池について、断面をマイクロスコープで観察し、空気極の厚さ（Cd）と燃料極の厚さ（Ad）を測定した。測定された値に基づいて、厚さの比（Cd／Ad）を計算した。
【００８８】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で初期出力を測定した。また、500時間後の出力を測定し、出力維持率を算出した。
【００８９】
実施例2-1〜2-6及び比較例2-1〜2-2のCd／Ad値、初期出力及び出力維持率を表２及び３に示した。なお、表３における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【００９０】
【表２】
【００９１】
【表３】
【００９２】
表２及び３から、Cd／Ad値が0.4〜0.7の範囲である場合に、比較例と比べて初期出力が高く、また500時間後の出力維持率も高いことが示された。
【００９３】
（実施例３）
燃料極触媒層の厚さ（As）と、燃料極の厚さ（Ad）の比（As／Ad）を変化させて燃料電池を作製し、長時間の平均出力を測定した。
【００９４】
燃料電池は実施例１と同様に作製した。燃料極触媒層の厚さ（As）はカーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させて調整し、実施例3-1〜3-8及び比較例3-1〜3-4とした。
【００９５】
実施例3-1〜3-8及び比較例3-1〜3-4のそれぞれについて、MEAの中央部および両端から長手方向の長さの１０％中央寄りの位置の合計3箇所の厚みをマイクロメーターで測定し、その平均値をMEA厚みとした。また、断面をマイクロスコープで観察し、燃料極触媒層の厚さ（As）と、燃料極の厚さ（Ad）を測定した。測定された値に基づいて、厚みの比（As／Ad）を計算した。
【００９６】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定し、１００時間の平均出力を算出した。
【００９７】
実施例3-1〜3-10及び比較例3-1〜3-2のAs値、Ad値、As／Ad値、及び１００時間の平均出力を表４及び５に示した。また、使用した電解質膜の厚さ（Te）を表５に示した。なお、表５における平均出力は、実施例1-1の初期出力の値を100とした相対値で表わしている。
【００９８】
【表４】
【００９９】
【表５】
【０１００】
表４及び５から、As／Ad値が0.1〜0.6の範囲である場合に、比較例と比べて１００時間の平均出力が高いことが示された。また、燃料極の厚さ（Ad）が330〜650μｍの範囲である実施例3-2〜3-7はより平均出力が高いことが示された。
【０１０１】
（実施例４）
空気極触媒層の厚さ（Cs）と、空気極の厚さ（Cd）の比（Cs／Cd）を変化させて燃料電池を作製し、長時間の平均出力を測定した。
【０１０２】
燃料電池は実施例１と同様に作製した。空気極触媒層の厚さ（Cs）はカーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させて調整し、実施例4-1〜4-10及び比較例4-1〜4-2とした。
【０１０３】
実施例4-1〜4-10及び比較例4-1〜4-2のそれぞれについて、MEAの厚みを前述の測定方法でマイクロメーターにより測定した。また、断面をマイクロスコープで観察し、空気極触媒層の厚さ（Cs）と、空気極の厚さ（Cd）を測定した。測定された値に基づいて、厚みの比（Cs／Cd）を計算した。
【０１０４】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で、出力の最大値を電流値と電圧値から測定し、１００時間の平均出力を算出した。
【０１０５】
実施例4-1〜4-10及び比較例4-1〜4-2のCs値、Cd値、Cs／Cd値、及び１００時間の平均出力を表６及び７に示した。また、使用した電解質膜の厚さ（Te）を表７に示した。なお、表７における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【０１０６】
【表６】
【０１０７】
【表７】
【０１０８】
表６及び７から、Cs／Cd値が0.1〜0.5の範囲である場合に、比較例と比べて１００時間の平均出力が高いことが示された。また、空気極の厚さ（Cd）が250〜400μｍの範囲である実施例4-2〜4-7はより平均出力が高いことが示された。
【０１０９】
（実施例５）
燃料極触媒層の厚さ（As）と燃料極の厚さ（Ad）、空気極触媒層の厚さ（Cs）と空気極の厚さ（Cd）を変化させ、As／Ad値が0.1〜0.6の範囲内であり、Cs／Cd値が0.1〜0.5の範囲内である実施例5-1及び5-2の燃料電池を実施例３及び４と同様に作製した。実施例5-1及び5-2について、実施例４と同様に１００時間の平均出力を測定した。その結果を表８に示す。なお、表８における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【０１１０】
【表８】
【０１１１】
表８から、As／Ad値が0.1〜0.6の範囲内であり、Cs／Cd値が0.1〜0.5の範囲内である燃料電池は、１００時間の平均出力が高いことが示された。
【０１１２】
（実施例６）
燃料極ガス拡散層の厚さ（Ag）と、空気極ガス拡散層の厚さ（Cg）の比（Ag／Cg）を変化させて燃料電池を作製し、初期出力を測定した。
【０１１３】
燃料電池は実施例１と同様に作製した。但し、燃料極ガス拡散層と空気極ガス拡散層のそれぞれを撥水処理した。燃料極ガス拡散層の撥水剤含有量は１０ｗｔ％であり、空気極ガス拡散層の撥水剤含有量は４０ｗｔ％とした。
【０１１４】
燃料極ガス拡散層の厚さ（Ag）及び空気極ガス拡散層の厚さ（Cg）を、用いるカーボンペーパーの種類又は圧縮率を変化させて調整し、実施例6-1〜6-31及び比較例6-1〜6-5とした。
【０１１５】
実施例6-1〜6-31及び比較例6-1〜6-5のそれぞれについて、断面をマイクロスコープで観察し、燃料極ガス拡散層の厚さ（Ag）と、空気極ガス拡散層の厚さ（Cg）を測定した。測定された値に基づいて、厚みの比（Ag／Cg）を計算した。
【０１１６】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で出力を測定した。
【０１１７】
実施例6-1〜6-31及び比較例6-1〜6-5のAg値、Cg値、Ag／Cg値及び初期出力を表９及び１０に示した。なお、表１０における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【０１１８】
【表９】
【０１１９】
【表１０】
【０１２０】
表９及び１０から、Ag／Cg値が0.4〜1.2の範囲である場合に、比較例と比べて初期出力が高いことが示された。また、Ag／Cgが、0.5〜1.0である実施例6-1〜6-24はより出力が高いことが示された。
【０１２１】
（実施例７）
燃料極ガス拡散層と、空気極ガス拡散層の撥水剤含有量を変化させて燃料電池を作製し、初期出力を測定した。Ag／Cg値が0.76である燃料電池を実施例６と同様に作製し、撥水剤含有量と初期出力の関係を測定した結果を表１１に示した。また、Ag／Cg値が1である燃料電池を実施例６と同様に作製し、撥水剤含有量と初期出力の関係を測定した結果を表１２に示した。表１１及び１２では、実施例1-1の燃料電池の初期出力を１００とした相対値で示した。
【０１２２】
表から分かるように、燃料極ガス拡散層及び空気極ガス拡散層の何れかの撥水剤含有量が５ｗｔ％以上である場合、０ｗｔ％の場合と比較して初期出力が高かった。
【０１２３】
【表１１】
【０１２４】
【表１２】
【０１２５】
（実施例８）
燃料極触媒層の厚さ（As）と、空気極触媒層の厚さ（Cs）の比（As／Cs）を変化させて燃料電池を作製し、初期出力及び出力維持率を測定した。
燃料電池は、実施例１と同様に作製した。但し、燃料極ガス拡散層として厚さが350μｍであるカーボンペーパーを用いた。また、空気極ガス拡散層として厚さが250μｍであるカーボンペーパーを用いた。また電解質膜として厚さが45μｍである固定電解質膜ナフィオン１１２（デュポン社製）を用いた。
【０１２６】
燃料極触媒層の厚さ（As）と空気極触媒層の厚さ（Cs）は、それぞれカーボンペーパーに塗布するスラリーの塗布量を変化させて調整し、実施例8-1〜8-12及び比較例8-1〜8-4とした。
【０１２７】
燃料分配機構と連結された液体燃料収容部に、純メタノールを５ｍｌ注入し、温度２５℃、相対湿度５０％の環境で初期出力を測定した。また５００時間後の出力を測定し、出力維持率を算出した。
【０１２８】
実施例8-1〜8-12及び比較例8-1〜8-4のAs値、Cs値、As／Cs値、初期出力及び５００時間の出力維持率を表１３及び１４に示した。なお、表１４における初期出力は、実施例1-1の値を100とした相対値で表わしている。
【０１２９】
【表１３】
【０１３０】
【表１４】
【０１３１】
表１３及び１４から、As／Cs値が2〜5の範囲であり、Cs値が100μｍ以下である場合に、比較例と比べて初期出力及び５００時間の出力維持率が高いことが示された。
【０１３２】
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い。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組み合せたり、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。
【０１３３】
また、MEAへ供給される燃料の気体においても、全て液体燃料の気体を供給してもよいが、一部が液体状態で供給される場合であっても本発明を適用することができる
【符号の説明】
【０１３４】
1…膜電極接合体（ＭＥＡ）、2…燃料供給部（燃料分配機構）、3…燃料収容部、4…流路、5…アノード（燃料極）、6…カソード（空気極）、7…電解質膜、8…燃料極触媒層、9…燃料極ガス拡散層、11…空気極触媒層、12…空気極ガス拡散層、13,14…導電層、15…Ｏリング、16…カバープレート、17…ポンプ、18…保湿層、19…燃料拡散層、21…燃料注入口、22…燃料排出口、23…燃料分配板、24…空隙部、30…燃料導入部、40…酸化剤導入部。
【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一方の面に面して設けられたアノードガス拡散層を備えるアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層の一方の面に面して設けられたカソードガス拡散層を備えるカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配置された電解質膜とを含む膜電極接合体、
前記アノードガス拡散層に面して設けられ、燃料取入れ面を有する燃料導入部、
前記燃料取入れ面に面した燃料排出口を有し、前記燃料排出口を通して前記燃料導入部に燃料を供給する燃料供給部、及び、
前記カソードガス拡散層に面して設けられ、外表面に酸化剤を取入れるための開口を有する酸化剤導入部、
を含み、
前記膜電極接合体の厚さ（TM）が700μｍ以上900μｍ以下の範囲であり、
前記外表面から前記取入れ面までの厚さ（TC）と、前記膜電極接合体の厚さ（TM）の比（TC／TM）が、２．３以上４．５以下の範囲であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料導入部の厚さ（Af）と、前記膜電極接合体の厚さ（TM）の比（Af／TM）が、０．３以上１以下の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記酸化剤導入部の厚さ（Co）と、前記膜電極接合体の厚さ（TM）の比（Co／TM）が、１以上２．５以下の範囲であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記カソードの厚さ（Cd）と、前記アノードの厚さ（Ad）の比（Cd／Ad）が、０．４以上０．７以下の範囲であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード触媒層の厚さ（As）と、前記アノードの厚さ（Ad）の比（As／Ad）が、０．１以上０．６以下の範囲であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノードの厚さ（Ad）が、330μｍ以上650μｍ以下の範囲であることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カソード触媒層の厚さ（Cs）と、前記カソードの厚さ（Cd）の比（Cs／Cd）が、０．１以上０．５以下の範囲であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記カソードの厚さ（Cd）が、250μｍ以上400μｍ以下の範囲であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記アノードガス拡散層の厚さ（Ag）と、前記カソードガス拡散層の厚さ（Cg）の比（Ag／Cg）が、０．４以上１．２以下の範囲であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記比（Ag／Cg）が、０．５以上１以下の範囲であることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記アノード触媒層の厚さ（As）と、前記カソード触媒層の厚さ（Cs）の比（As／Cs）が、２以上５以下の範囲であり、且つ、前記カソード触媒層の厚さ（Cs）が100μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一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一方の面に面して設けられたアノードガス拡散層を備えるアノードと、カソード触媒層及び前記カソード触媒層の一方の面に面して設けられたカソードガス拡散層を備えるカソードと、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層との間に配置された電解質膜とを含む膜電極接合体、
前記アノードガス拡散層に面して設けられ、燃料取入れ面を有する燃料導入部、
前記燃料取入れ面に面した燃料排出口を有し、前記燃料排出口を通して前記燃料導入部に燃料を供給する燃料供給部、及び、
前記カソードガス拡散層に面して設けられ、外表面に酸化剤を取入れるための開口を有する酸化剤導入部、
を含み、
前記膜電極接合体の厚さ（TM）が700μｍ以上900μｍ以下の範囲であり、
前記外表面から前記取入れ面までの厚さ（TC）と、前記膜電極接合体の厚さ（TM）の比（TC／TM）が、２．３以上４．５以下の範囲であることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料導入部の厚さ（Af）と、前記膜電極接合体の厚さ（TM）の比（Af／TM）が、０．３以上１以下の範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記酸化剤導入部の厚さ（Co）と、前記膜電極接合体の厚さ（TM）の比（Co／TM）が、１以上２．５以下の範囲であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記カソードの厚さ（Cd）と、前記アノードの厚さ（Ad）の比（Cd／Ad）が、０．４以上０．７以下の範囲であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード触媒層の厚さ（As）と、前記アノードの厚さ（Ad）の比（As／Ad）が、０．１以上０．６以下の範囲であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノードの厚さ（Ad）が、330μｍ以上650μｍ以下の範囲であることを特徴とする、請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記カソード触媒層の厚さ（Cs）と、前記カソードの厚さ（Cd）の比（Cs／Cd）が、０．１以上０．５以下の範囲であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記カソードの厚さ（Cd）が、250μｍ以上400μｍ以下の範囲であることを特徴とする、請求項７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記アノードガス拡散層の厚さ（Ag）と、前記カソードガス拡散層の厚さ（Cg）の比（Ag／Cg）が、０．４以上１．２以下の範囲であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記比（Ag／Cg）が、０．５以上１以下の範囲であることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記アノード触媒層の厚さ（As）と、前記カソード触媒層の厚さ（Cs）の比（As／Cs）が、２以上５以下の範囲であり、且つ、前記カソード触媒層の厚さ（Cs）が100μｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３の何れか一項に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−９６４６７（Ｐ２０１１−９６４６７Ａ）
【公開日】平成２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２４８３１０（Ｐ２００９−２４８３１０）
【出願日】平成２１年１０月２８日（２００９．１０．２８）
【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２３年５月１２日（２０１１．５．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１０月２８日（２００９．１０．２８）
【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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