JP2011008959A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】出力を向上することが可能な燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体２と、膜電極接合体のアノード側に配置されアノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構３と、膜電極接合体のカソード側に配置され膜電極接合体の周辺部の外側で燃料供給機構に締結されたカバープレート２１と、を備え、膜電極接合体の中央部２Ｃが膜電極接合体の周辺部２Ｐよりも強い圧力で加圧されたことを特徴とする燃料電池。
【選択図】 図２

Description

この発明は、液体燃料を用いた燃料電池の技術に関する。

近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を充電なしで長時間使用可能とするために、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。このような燃料電池は、燃料と空気（特に酸素）を供給するだけで発電することができ、燃料を補給することにより連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化により携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。

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）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。

例えば、特許文献１によれば、複数の高粒子密度領域及び複数の低粒子密度領域を含む多孔質拡散媒体を組み込んだ燃料電池に関する技術が開示されている。また、特許文献２によれば、ガス流路に沿った形状であって密度の高い第１の基材と密度の低い第２の基材が面方向に組み合わされた拡散層を備えた燃料電池に関する技術が開示されている。また、特許文献３によれば、一方の面から他方の面にわたる貫通孔を複数有し、且つ貫通孔の密度及び／又は孔径が面方向に異なる酸素極側ガス拡散層電極基材を備えた高分子電解質型燃料電池に関する技術が開示されている。

膜電極接合体と集電部との間の電気的な接続は、通常、導電性物質同士の平面的な接触によって行なわれる。この電気的な接触を確保するためには、集電部が膜電極接合体に対して一定以上の圧力で押さえられている必要がある。

ところが、膜電極接合体において発電反応を行なうと、膜電極接合体の温度が上昇するために、燃料電池を構成する部材が熱膨張したり、或いは発電反応によって二酸化炭素（ＣＯ_２）等のガスが発生するために燃料電池内の圧力が高まったりすることにより、各構成部材が変形などを生じてしまい、膜電極接合体を押さえる圧力が減少し、膜電極接合体と集電部との間の接触抵抗が増加するおそれがある。この接触抵抗が増加すると、オーム損のために燃料電池から得られる電力が減少することになる。

このような問題を解決するために、燃料電池を構成する部材の厚さや強度を増加し、部材の熱膨張やガス圧力の増加を生じても部材の変形を生じにくくすることにより、膜電極接合体を押さえる圧力の減少を最小限にすることも提案されているが、燃料電池全体の重量や体積が増加することとなり、燃料電池を携帯機器の電源として用いるためには必ずしも好ましいものではない。

特表２００６−５１３５４５号公報 特開２００８−１３０３８９号公報 特開２００５−０３８７３８号公報

この発明の目的は、出力を向上することが可能な燃料電池を提供することにある。

この発明の一態様によれば、
アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、
前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
前記膜電極接合体のカソード側に配置され、前記膜電極接合体の周辺部の外側で前記燃料供給機構に締結されたカバープレートと、を備え、
前記膜電極接合体の中央部が前記膜電極接合体の周辺部よりも強い圧力で加圧されたことを特徴とする燃料電池が提供される。

この発明によれば、出力を向上することが可能な燃料電池を提供することができる。

図１は、この発明の一実施の形態に係る燃料電池のカソード側の外観を示す平面図である。 図２は、図１に示した燃料電池を第１方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。 図３は、図１に示した燃料電池を第２方向に沿って切断した断面構造を概略的に示す図である。 図４は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体が加圧された状態を説明するための図である。 図５は、図１に示した燃料電池に適用可能な膜電極接合体をプレス接合により製造した状態を説明するための図である。 図６は、本実施形態における燃料電池の他の構成例を概略的に示す断面図である。 図７は、本実施形態における燃料電池の他の構成例を概略的に示す断面図である。 図８は、本実施形態における燃料電池の他の構成例を概略的に示す断面図である。 図９は、本実施形態における燃料電池の他の構成例を概略的に示す断面図である。

以下、この発明の一実施の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は、この実施の形態に係る燃料電池（ＤＭＦＣ）１のカソード側の外観を示す平面図である。

この燃料電池１は、略矩形平板状に形成されている。図１に示す平面図では、燃料電池１は、長方形状であり、第１方向Ｘに沿って延びた一対の長辺Ｌ１及び長辺Ｌ２と、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿って延びた一対の短辺Ｓ１及び短辺Ｓ２と、を有している。

燃料電池１は、起電部を構成する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）２を備えている。この膜電極接合体２は、略矩形状に形成されている。このような膜電極接合体２は、その詳細な構造については後に説明するが、複数、たとえば４つの単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を備えている。単セルＣＬ１乃至ＣＬ４のそれぞれは、同一平面上において、第１方向Ｘに沿って延在した略長方形状であり、第２方向Ｙに間隔をおいて並んで配置されている。

膜電極接合体２のカソード側における燃料電池１の表面には、カバープレート２１が配置されている。カバープレート２１は、外観が略矩形状であり、例えばステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。このカバープレート２１には、主として酸化剤である空気、特に酸素の取り込みを可能とする複数の開口部２１Ｈが形成されている。

なお、膜電極接合体２のアノード側には、膜電極接合体２に燃料を供給する燃料供給機構（図示しない）が配置されている。カバープレート２１は、燃料供給機構との間に膜電極接合体２を保持した状態で、燃料電池１の各長辺Ｌ１及びＬ２、及び、各短辺Ｓ１及びＳ２において燃料供給機構に締結されている。

膜電極接合体２の中央部２Ｃは、膜電極接合体２の周辺部２Ｐよりも強い圧力で加圧されている。本実施形態では、中央部２Ｃに対応する位置には、加圧部材４０が配置されている。この加圧部材４０は、膜電極接合体２の設置面積よりも小さい面積に亘って配置されている。あるいは、この加圧部材４０は、中央部２Ｃの面積と略同等の面積に亘って配置されている。周辺部２Ｐに対応する位置には、加圧部材４０は配置されていない。ここに示した例では、加圧部材４０の形状は、第１方向Ｘと平行な長軸を有するとともに第２方向Ｙと平行な短軸を有する楕円形である。

なお、中央部２Ｃとは、膜電極接合体２の二次元平面視野において、複数の単セルの全てを囲む仮想の最小円の中心を含む領域である。本実施の形態においては、中央部２Ｃとは、複数並んだ単セルＣＬ１乃至ＣＬ４を囲む仮想の最小円の中心を囲む領域である。そして、本実施の形態のように並列に単セルが並んだ構造においては、その領域は、中心を挟んで配置された単セルのそれぞれの中心（ここでは単セルＣＬ２及びＣＬ３のそれぞれの中心Ｏ２及びＯ３）を含む領域とすることが好ましい。周辺部２Ｐとは、中央部２Ｃを囲む領域であり、中央部２Ｃよりもカバープレート２１と燃料供給機構との締結位置に近い領域、つまり、燃料電池１の各長辺Ｌ１及びＬ２、及び、各短辺Ｓ１及びＳ２の近傍の領域である。

図２は、図１に示した燃料電池１を第１方向Ｘに沿って切断した断面を示す図であり、図３は、図１に示した燃料電池１を第２方向Ｙに沿って切断した断面を示す図である。

燃料電池１の膜電極接合体２は、アノード触媒層１１とアノードガス拡散層１２とが積層されたアノード（燃料極）１３と、カソード触媒層１４とカソードガス拡散層１５とが積層されたカソード（空気極あるいは酸化剤極）１６と、アノード１３のアノード触媒層１１とカソード１６のカソード触媒層１４とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜１７と、を備えて構成されている。

この実施の形態においては、図３に示すように、膜電極接合体２は、単一の電解質膜１７における一方の面１７Ａの上に間隔をおいて配置された４つのアノード１３１〜１３４と、電解質膜１７における他方の面１７Ｂの上に間隔をおいて配置された４つのカソード１６１〜１６４とを有している。電解質膜１７を挟んで互いに対向するアノード１３１〜１３４とカソード１６１〜１６４との各組み合わせは、それぞれ単セルを構成している。

すなわち、アノード１３１とカソード１６１とは、電解質膜１７を挟んで対向するように配置されており、１組の単セルを構成している。同様に、アノード１３２とカソード１６２とが対向するように配置され、アノード１３３とカソード１６３とが対向するように配置され、アノード１３４とカソード１６４とが対向するように配置されており、４組の単セルが同一平面上に配列されている。なお、膜電極接合体２の構造は、この例に限らず他の構造であっても良い。

このような膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持されている。各単セルは、集電体１８によって電気的に直列に接続されている。集電体１８は、ベース絶縁層ＢＦ、膜電極接合体２のアノード１３の側に配置された複数のアノード集電部Ａ、及び、膜電極接合体２のカソード１６の側に配置された複数のカソード集電部Ｃを有している。アノード集電部Ａとカソード集電部Ｃは、同数である。ここに示した例では、集電体１８は、４つのアノード集電部Ａ１〜Ａ４、及び、４つのカソード集電部Ｃ１〜Ｃ４を有している。

これらのアノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃは、例えば、金、銅、ニッケルなどの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体、あるいはステンレス鋼（ＳＵＳ）などの導電性金属材料に金などの良導電性金属を被覆した複合材などをそれぞれ使用して形成可能であり、さらには、金属材料などからなる導体層を被覆層によって被覆しても良い。被覆層は、導電性を有するとともに導体層の腐食を抑制する材料、例えば炭素を含有した樹脂組成物などによって形成可能である。なお、ベース絶縁層ＢＦは、例えばポリイミド（ＰＩ）によって形成されている。

膜電極接合体２が集電体１８によって挟持されている状態では、アノード集電部Ａ１は、アノード１３１のアノードガス拡散層１２に重なり、電気的に接続されている。同様に、アノード集電部Ａ２はアノード１３２のアノードガス拡散層１２に重なり、アノード集電部Ａ３はアノード１３３のアノードガス拡散層１２に重なり、アノード集電部Ａ４はアノード１３４のアノードガス拡散層１２に重なり、それぞれ電気的に接続されている。

また、カソード集電部Ｃ１は、カソード１６１のカソードガス拡散層１５に重なり、電気的に接続されている。同様に、カソード集電部Ｃ２はカソード１６２のカソードガス拡散層１５に重なり、カソード集電部Ｃ３はカソード１６３のカソードガス拡散層１５に重なり、カソード集電部Ｃ４はカソード１６４のカソードガス拡散層１５に重なり、それぞれ電気的に接続されている。

膜電極接合体２は、電解質膜１７と集電体１８との間のアノード１３の側及びカソード１６の側にそれぞれ配置されたゴム製のＯリング等のシール部材１９によってシールされている。これにより、膜電極接合体２からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。

なお、膜電極接合体２において、電解質膜１７のうち、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４にともに接しておらず、且つシール部材１９の内側に相当する位置に、１個乃至複数個のガス排出孔（図示せず）を設けても良い。このようなガス排出孔は、電解質膜１７の一方の面１７Ａから他方の面１７Ｂまで貫通し、アノード１３の側とカソード１６の側とを連通している。

膜電極接合体２のカソード１６の側において、集電体１８とカバープレート２１との間には、通気性を有する絶縁材料によって形成された板状体２０が配置されている。この板状体２０は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体２０は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カバープレート２１の開口部２１Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。このような板状体２０は、例えば、ポリエチレン製多孔質フィルム等からなる平板で構成される。

加圧部材４０は、板状体２０とカバープレート２１との間に配置されている。この加圧部材４０は、膜電極接合体２の中央部２Ｃに対応して配置されている。膜電極接合体２の周辺部２Ｐに対応した板状体２０とカバープレート２１との間には、加圧部材４０は配置されていない。

ここに示す例では、加圧部材４０は、略均一な厚さの平板状であり、例えば、ステンレス板によって構成されている。また、この加圧部材４０は、板状体２０の側とカバープレート２１の側とを貫通する貫通孔４０Ｈを有している。貫通孔４０Ｈのそれぞれは、カバープレート２１の開口部２１Ｈと同じ位置に形成され、開口部２１Ｈと略同一の形状を有している。つまり、貫通孔４０Ｈと開口部２１Ｈとは連通している。

さらに、加圧部材４０は、その周縁部にテーパーを有している。すなわち、加圧部材４０の周縁部の厚さは、外方に向かうにしたがって次第に薄くなっている。この加圧部材４０のカバープレート２１に接触する面積は、加圧部材４０の板状体２０と接触する面積より大きい。

燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３の側に配置されている。つまり、膜電極接合体２は、アノード１３の側に配置された燃料供給機構３とカソード１６の側に配置されたカバープレート２１との間に配置されている。燃料供給機構３は、膜電極接合体２のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されているが、特に、特定の構成に限定されるものではない。このような燃料供給機構３は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部４と流路５を介して接続されている。

以下に、燃料供給機構３の一例について説明する。

燃料供給機構３は、箱状に形成された容器３０、及び、膜電極接合体２のアノード１３の面方向に燃料を分散並びに拡散させつつ供給する燃料供給部３１を備えている。容器３０は、燃料導入口３０Ａを有しており、この燃料導入口３０Ａと流路５とが接続されている。燃料供給部３１は、例えば、１つの燃料注入口３２と、複数の燃料排出口３３とを有する平板で構成されている。燃料注入口３２と燃料排出口３３とは、細管あるいは溝のような燃料通路３４を介して接続されている。燃料注入口３２は、燃料導入口３０Ａと直接接続されているが、他の燃料通路を介して接続されていても良い。燃料排出口３３は、膜電極接合体２のアノード１３に対向している。

カバープレート２１は、膜電極接合体２の周辺部２Ｐよりも外側で、カシメ、ネジ止め、リベット継手などの手法により容器３０に締結されている。例えば、図３に示した例では、カバープレート２１は、容器３０の側壁３５に沿って折り曲げられ、容器３０の底部３６を抱え込むようにカシメられている。

このような燃料供給部３１は、容器３０の底部３６とアノードガス拡散層１２との間に配置されている。この燃料供給部３１は、液体燃料Ｆの気化成分や液体燃料Ｆを透過させない材料で形成され、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形成される。また、燃料供給部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、その気化成分を膜電極接合体２の側へ透過させる気液分離膜で構成されてもよい。気液分離膜には、例えば、シリコーンゴム、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）薄膜、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）薄膜、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）薄膜、フッ素樹脂（たとえばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）など）微多孔膜などが適用可能である。

流路５は、配管などで構成されているが、燃料供給部３１や燃料収容部４と独立した配管に限られるものではない。例えば、流路５は、燃料供給部３１や燃料収容部４を積層して一体化する場合、これらを繋ぐ液体燃料Ｆの燃料流路であってもよい。すなわち、燃料供給部３１は、流路等を介して燃料収容部４と連通されていればよい。

燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料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。なお、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Ｆであってもよい。いずれにしても、燃料収容部４には、膜電極接合体２に応じた液体燃料Ｆが収容される。

燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆは、重力を利用して流路５を介して燃料供給部３１で落下させて送液することができる。また、流路５に多孔体等を充填して、毛細管現象により燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部３１まで送液してもよい。

さらに、燃料供給機構３と燃料収容部４とを繋げる流路５、あるいは、燃料導入口３０Ａと燃料注入口３２との間の燃料通路にポンプ６を介在させて、燃料収容部４に収容された液体燃料Ｆを燃料供給部３１まで強制的に送液してもよい。ポンプ６は、燃料を循環させる循環ポンプではなく、あくまでも燃料収容部４から燃料供給部３１に液体燃料Ｆを送液する燃料供給ポンプである。燃料供給部３１から膜電極接合体２に供給された燃料は、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部４に戻されることはない。ポンプ６の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料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なものが好ましい。

この実施の形態の燃料電池１は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、液体燃料の供給にポンプ６を使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。図１に示す燃料電池１は、例えばセミパッシブ型と呼称される方式を適用したものである。

また、燃料供給機構３において、ポンプ６と直列に燃料遮断バルブを配置してもよい。また、燃料収容部４や流路５には、燃料収容部４内の圧力を外気とバランスさせるバランスバルブを装着してもよい。

上述した燃料電池１においては、燃料収容部４から流路５を介して燃料供給部３１に導入された液体燃料Ｆは、液体燃料Ｆのまま、もしくは液体燃料Ｆと液体燃料Ｆが気化した気化成分とが混在する状態で、燃料供給部３１の燃料排出口３３から集電体１８のアノード集電部Ａを介して膜電極接合体２のアノード１３に供給される。

アノード１３に供給された燃料は、アノードガス拡散層１２を拡散してアノード触媒層１１に供給される。液体燃料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で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層１４で生成した水や電解質膜１７中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる、あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- …（１）
この反応で生成した電子（ｅ^-）は、集電体１８を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、集電体１８を経由してカソード１６に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ⁺）は、電解質膜１７を経てカソード１６に導かれる。カソード１６には、酸化剤として空気が供給される。カソード１６に到達した電子（ｅ^-）とプロトン（Ｈ⁺）は、カソード触媒層１４で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。

６ｅ^-＋６Ｈ⁺＋（３／２）Ｏ₂ → ３Ｈ₂Ｏ …（２）
上述した燃料電池１の発電反応において、発電する電力を増大させるためには触媒反応を円滑に行わせるとともに、膜電極接合体２の電極全体に均一に燃料を供給し、電極全体をより有効に発電に寄与させることが重要となる。

上述したような構成によれば、板状体２０とカバープレート２１との間において、膜電極接合体２の中央部２Ｃに対応する位置に加圧部材４０が配置されているため、カバープレート２１と燃料供給機構３とが締結された際に、膜電極接合体２の中央部２Ｃは、膜電極接合体２の周辺部２Ｐよりも強い圧力で加圧される。

このため、膜電極接合体２における発電反応にともなった膜電極接合体２の温度上昇に起因して燃料電池１を構成する部材が熱膨張したり、発電反応にともなって発生したガスにより燃料電池内の圧力が高まったりしても、膜電極接合体２の中央部２Ｃにおいて、アノードガス拡散層１２とアノード集電部Ａとを密着した状態に保持することができるとともに、カソードガス拡散層１５とカソード集電部Ｃとを密着した状態に保持することができる。このため、膜電極接合体２と集電体１８との間の接触抵抗の増加が抑制できる。したがって、燃料電池１の出力を向上することが可能となる。また、安定して高い出力を維持することが可能となる。

なお、膜電極接合体２の周辺部２Ｐにおいては、中央部２Ｃと比較して、カバープレート２１と燃料供給機構３との締結位置に近いため、熱膨張などに起因した変形が小さい。このため、周辺部２Ｐにおいては、発電反応に伴って膜電極接合体２と集電体１８との間の接触抵抗の増加の影響は極めて小さい。

また、上述した例では、加圧部材４０の周縁部には、テーパーが形成されているため、加圧部材４０を挟んだ状態でカバープレート２１が燃料供給機構３に締結された際に生じた加圧力は、膜電極接合体２の中央部２Ｃに対しては略均等に加わるとともに、中央部２Ｃから周辺部２Ｐに向かうにしたがって次第に弱くなる。このため、膜電極接合体２の面内における加圧力の差が緩和される。

また、上述した例では、加圧部材４０に形成された貫通孔４０Ｈは、カバープレート２１の開口部２１Ｈに連通している。このため、貫通孔４０Ｈを介してカソード触媒層１４に向けて発電反応に必要な酸素を供給することが可能となるとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や過剰な水蒸気などの気体を外部に排出することが可能となる。

一方で、膜電極接合体２の中央部２Ｃでは、周辺部２Ｐと比較して、発電反応に伴って温度が高くなるため、発電反応に必要な還流水が少なく、また、クロスオーバー量が多い傾向にある。本実施形態では、中央部２Ｃが周辺部２Ｐよりも強い圧力で加圧されているため、中央部２Ｃにおける還流水の増加や、クロスオーバーの抑制を図ることが可能となる。このため、燃料電池１の出力を向上することが可能となる。

ここで、図４を参照しながら、膜電極接合体２が加圧された状態について説明する。なお、図４では、説明に必要な構成のみを模式的に図示している（図２および図３で説明した板状体２０は図示していない）。膜電極接合体２には、アノード１３、カソード１６、及び、電解質膜１７が含まれている。加圧前の状態の膜電極接合体２は、中央部２Ｃ及び周辺部２Ｐともに略一定の厚さｔ０を有している。膜電極接合体２の中央部２Ｃが加圧部材４０によって加圧された状態では、膜電極接合体２の中央部２Ｃの厚さｔ１は周辺部２Ｐの厚さｔ２より薄い。また、膜電極接合体２の中央部２Ｃの密度は、周辺部２Ｐの密度より高い。

なお、周辺部２Ｐの厚さｔ２は、加圧前の厚さｔ０と略同等もしくは厚さｔ０よりもわずかに薄い程度である。また、膜電極接合体２の周辺部２Ｐの密度は、加圧前の膜電極接合体２の密度とほぼ同等もしくはわずかに高い程度である。

上述したような膜電極接合体２の加圧状態は、加圧部材４０に拠るものに限らず、膜電極接合体２の製造過程においても作り出すことができる。例えば、図５に示すように、電解質膜１７の一方の面１７Ａにアノード１３を配置し、他方の面１７Ｂにカソード１６を配置した状態でプレス接合する際、中央部２Ｃのプレス圧力を周辺部２Ｐのプレス圧力より高く設定する。このプレス後に得られた膜電極接合体２には、プレス圧力の差の痕跡が残り、中央部２Ｃの厚さｔ１が周辺部２Ｐの厚さｔ２よりも薄く、また、中央部２Ｃの密度が周辺部２Ｐの密度よりも高くなる。このため、燃料電池１が特に加圧部材４０を備えていなくても、加圧部材４０を備えた場合と同様の効果が得られる。

上述した本実施形態では、加圧部材４０が板状体２０とカバープレート２１との間に配置された場合について説明したが、加圧部材４０は、カソード１６とカバープレート２１との間のいずれの位置に配置されても良い。

また、図６に示すように、加圧部材４０は、膜電極接合体２と燃料供給機構３との間に配置されても良い。ここでは、加圧部材４０は、燃料供給部３１と集電体１８との間に配置されているが、アノード１３と燃料供給部３１との間のいずれの位置に配置されても良い。このような構成においても、カバープレート２１が燃料供給機構３に締結された際に生じる加圧力は、膜電極接合体２の周辺部２Ｐよりも中央部２Ｃに強く加わり、加圧部材４０がカソード１６の側に配置された場合と同様の効果が得られる。

ここに示す例では、加圧部材４０は、略均一な厚さの平板状であり、例えば、ステンレス板によって構成されている。また、この加圧部材４０は、燃料供給部３１の側と集電体１８の側とを貫通する貫通孔４０Ｈを有している。貫通孔４０Ｈのそれぞれは、燃料供給部３１に形成された燃料排出口３３と同じ位置に形成され、燃料排出口３３と略同一の形状を有している。

さらに、加圧部材４０は、その周縁部にテーパーを有している。すなわち、加圧部材４０の周縁部の厚さは、外方に向かうにしたがって次第に薄くなっている。このとき、加圧部材４０の燃料供給部３１に接触する面積は、加圧部材４０の集電体１８と接触する面積より大きい。

なお、膜電極接合体２のアノード１３の側に配置される加圧部材４０については、例えば、ポリプロピレンなどの耐メタノール性を有する材料によって形成されることが望ましい。

図７に示すように、加圧部材４０は、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側の双方に配置されても良い。ここで、カソード１６の側に配置される加圧部材４０は図３などを参照して説明したものが適用可能であり、また、アノード１３の側に配置される加圧部材４０は図６などを参照して説明したものが適用可能である。

加圧部材４０は、平板状に限らず、種々の形態が適用可能である。

図８に示すように、加圧部材４０は、膜電極接合体２の中央部２Ｃに向かって下に凸となる反り形状を有するものであっても良い。このような加圧部材４０は、例えばステンレス板をプレス加工することによって形成可能である。ここで適用される加圧部材４０についても、貫通孔４０Ｈが形成されている。また、加圧部材４０の周縁部については、傾斜した平面あるいは曲面が形成され、テーパーと同等に機能する。

図９に示すように、加圧部材４０は、柔軟性、伸縮性、または可撓性のうちの少なくとも一つを有する材料によって形成されても良い。このような加圧部材４０は、例えば多孔質ポリエチレン板によって形成可能である。ここで適用される加圧部材４０については、通気性を有しており、貫通孔を形成する必要はない。

この加圧部材４０は、板状体２０とカバープレート２１との間に挟持される前の状態では、略均一な厚さを有している。加圧部材４０が板状体２０とカバープレート２１との間に配置され、しかも、カバープレート２１が膜電極接合体２の周囲で燃料供給機構３と締結された際には、加圧部材４０は、変形して、膜電極接合体２の中央部２Ｃから周辺部２Ｐに向かうにしたがって厚さが薄くなる。これは、カバープレート２１によって加圧部材４０が加圧される加圧力はカバープレート２１と燃料供給機構３との締結位置に近いほど強いためである。

なお、加圧部材４０は、均一な厚さではなく、膜電極接合体２の中央部２Ｃを周辺部２Ｐより強く加圧可能な形状、例えば中央の厚さが周辺の厚さより厚い形状などに予め成形されていても良い。

図８及び図９に示した例では、膜電極接合体２のカソード１６の側についてのみ加圧部材４０が配置されているが、図６に示した例のように、アノード１３の側についてのみ加圧部材４０が配置されても良いし、図７に示した例のように、アノード１３の側及びカソード１６の側の双方に加圧部材４０が配置されても良い。

なお、図６乃至図９においては、説明に必要な構成のみを模式的に図示している。

いずれにしても、加圧部材４０は、燃料電池１に組み込まれる前、もしくは、燃料電池１に組み込まれた後には、膜電極接合体２の中央部２Ｃに対応する位置の厚さが膜電極接合体２の周辺部２Ｐに対応する位置の厚さより厚い。これにより、中央部２Ｃが周辺部２Ｐよりも強く加圧されるため、膜電極接合体２と集電体１８との間の接触抵抗の増大が抑制され、また、中央部２Ｃにおける還流水の増加や、クロスオーバーの抑制を図ることが可能となる。

上述した加圧部材４０は、楕円形の外形を有していたが、加圧部材４０の形状はこれに限らない。例えば、加圧部材４０は、円形、半径の等しい二つの円を共通外接線でつないだ長円形、膜電極接合体２の外形と略相似形である多角形、または、多角形の角の少なくとも一つを丸めた外形を有していても良い。いずれの外形を有する加圧部材４０についても、膜電極接合体２の外形寸法より小さく形成され、膜電極接合体２の中央部２Ｃに対応して配置されている。

また図２、図３、図７乃至図９において、加圧部材４０は板状体２０とカバープレート２１の間に配置された構成としているが、加圧部材４０による膜電極接合体２の加圧の作用をより有効に得るためには、集電体１８の直上、すなわち集電体１８と板状体４０の間に配置されてもよい。なお、この場合には、膜電極接合体２を必要以上に加圧することによる電極の破損を注意する必要がある。

このような加圧部材４０による電極の破損発生の可能性を低減するには、加圧部材４０は板状体２０とカバープレート２１の間に配置された構成とし、加圧部材４０と膜電極接合体２との間に適度に柔軟性を有する板状体４０を介して、加圧部材４０による加圧を行った方がよい。

以下に、実施例について説明する。

（実施例１）
アノード用触媒粒子（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、アノード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをアノードガス拡散層１２としての多孔質カーボンペーパ（８１ｍｍ×９．７ｍｍの長方形）に塗布することにより、厚さが１２０μｍのアノード触媒層１１を得た。

カソード用触媒粒子（Ｐｔ）を担持したカーボンブラックに、プロトン伝導性樹脂としてパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と、分散媒として水およびメトキシプロパノールを添加し、カソード用触媒粒子を担持したカーボンブラックを分散させてペーストを調製した。得られたペーストをカソードガス拡散層１５としての多孔質カーボンペーパに塗布することにより、厚さが１２０μｍのカソード触媒層１４を得た。

なお、アノードガス拡散層１２及びカソードガス拡散層１５は、同一形状かつ同一の大きさであり、厚さも等しく、それぞれのガス拡散層に塗布されたアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４も同一形状かつ同一の大きさである。

上記したように作製したアノード触媒層１１とカソード触媒層１４との間に、電解質膜１７として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０重量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（商品名：ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を、４つのアノードガス拡散層１２および４つのカソードガス拡散層１５が、それぞれの長手方向が略平行で、その間隔が１．２ｍｍとなるように並んで配置されるように配置し、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向するように位置を合わせた状態で、ホットプレスを施すことにより、電解質膜１７にアノード触媒層１１及びカソード触媒層１４が接合された膜電極接合体２を得た。

ポリイミドによって形成されたベース絶縁層ＢＦの同一面上に、４つのアノード集電部Ａ及び４つのカソード集電部Ｃを形成した。アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃのそれぞれは、厚さが０．０１ｍｍであって、外形が８１ｍｍ×９．７ｍｍの長方形であり、導体層である銅箔に、炭素を含有する樹脂組成物で被覆することによって形成されている。カソード集電部Ｃの各々には、カバープレート２１の開口部２１Ｈと同じ位置に貫通孔が形成されている。アノード集電部Ａの各々には、燃料供給部３１の燃料排出口３３に対応した位置に貫通孔が形成されている。これにより、集電体１８を得た。

膜電極接合体２は、集電体１８によって挟持され、アノードガス拡散層１２とアノード集電部Ａとが重なり、カソードガス拡散層１５とカソード集電部Ｃとが重なっている。アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃのそれぞれには、膜電極接合体２におけるそれぞれのアノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが電気的に直列に接続されるように配線が施されている。

膜電極接合体２の電解質膜１７と集電体１８との間には、アノード側及びカソード側の双方について、シール部材１９として、それぞれ幅が２ｍｍのゴム製のＯリングを挟持してシールを施した。また、板状体２０として、厚さが０．７５ｍｍであり、透気度が３．０秒／１００ｃｍ^３（ＪＩＳ Ｐ−８１１７に規定の測定方法による）であり、透湿度が３０００ｇ／（ｍ^２・２４ｈ）（ＪＩＳ Ｌ−１０９９ Ａ−１に規定の測定方法による）のポリエチレン製多孔質フィルムを、長さ８５ｍｍ、幅４６．６ｍｍの長方形に切り、集電体１８とカバープレート２１との間に積層した。外気からカソード１６に供給される空気は、この板状体２０を透過することとなる。

カバープレート２１としては、厚さが０．３ｍｍのステンレス板（ＳＵＳ３０４）を適用した。カバープレート２１は、その外形が９０ｍｍ×４８ｍｍの長方形となるように折り曲げ、燃料供給機構３の底部を抱え込むようにカシメを施し、締結した。このカバープレート２１には、一辺の長さが３．５ｍｍの正方形の１２０個の開口部２１Ｈが形成されている。

加圧部材４０として、図２に示した例のように、外形が楕円形のステンレス（ＳＵＳ３０４）板を適用した。この加圧部材４０は、長軸の長さが６５ｍｍであり、短軸の長さが３５ｍｍである。また、この加圧部材４０は、カバープレート２１と同じ位置に同一形状の貫通孔４０Ｈを有している。さらに、この加圧部材４０は、中央の厚さが０．３ｍｍであり、周縁部に向けたテーパーを有している。このような加圧部材４０は、板状体２０とカバープレート２１との間に挿入した。この加圧部材４０を挿入することによって、カバープレート２１にカシメを施すことによって生じた加圧力が、膜電極接合体２の中央部２Ｃにより強く加わる。

温度が２５℃、相対湿度が５０％の環境の下、上記したように作成した燃料電池１に、純度９９．９重量％の純メタノールを供給した。また、定電圧電源を接続して、燃料電池１の出力電圧が直列に接続した４対の単セルの中の１対あたり０．３Ｖで一定になるように、燃料電池１に流れる電流を制御し、このとき、燃料電池１から得られる出力密度を計測した。

ここで、燃料電池１の出力密度（ｍＷ／ｃｍ^２）とは、燃料電池１に流れる電流密度（発電部の面積１ｃｍ^２当りの電流値（ｍＡ／ｃｍ^２））に燃料電池１の出力電圧を乗じたものである。また、発電部の面積とは、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４とが対向している部分の面積である。本実施例では、アノード触媒層１１とカソード触媒層１４の面積が等しく、かつ完全に対向しているので、発電部の面積はこれらの触媒層の面積（８１ｍｍ×９．７ｍｍ）に等しい。

また、この燃料電池１の発電を２４時間行った後のインピーダンスの値を測定した。インピーダンスの測定には、燃料電池１の発電を中断して定電圧電源との接続を外し、代わりにＡＣミリオーム計（日置電機製のＡＣミリオームハイテスタ、型番３５６０）を接続して、周波数１ｋＨｚでの交流抵抗を測定した。

ここで測定される交流インピーダンスは、膜電極接合体２と集電体１８との接触抵抗のほか、アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃ自体の電気抵抗、アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃと交流インピーダンス測定器の端子との間の接触抵抗、及び、膜電極接合体内の電解質膜１７のイオン導電抵抗をも含む値である。但し、燃料電池１の大きさや、アノード集電部Ａ及びカソード集電部Ｃの材質や厚さ、大きさ、また電解質膜１７の材質、厚さ、大きさ等と、上記した発電条件が同じであれば、膜電極接合体２と集電体１８との間の接触抵抗以外の成分は同じ値になると考えられる。そのため、ここで測定される交流インピーダンスの値の大小は、即ち、膜電極接合体２と集電体１８との間の接触抵抗の大小を示すものであると考えられる。

（実施例２）
加圧部材４０として、図８に示した例のように、長軸の長さが６５ｍｍであり、短軸の長さが３５ｍｍである楕円形の外形を有する厚さ０．１５ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を、中央部から周辺部に向けて断面が下に凸形状となるようにプレス加工して、その表面形状が実施例１の加圧部材４０のテーパー形状と同様としたものを用意する。実施例２では、この加圧部材４０を膜電極接合体２の中央部２Ｃに対応する板状体２０とカバープレート２１との間に挿入した以外は、実施例１と同様である。なお、この実施例２においても、加圧部材４０には、カバープレート２１と同じ位置に同一形状の貫通孔４０Ｈが形成されている。この実施例２においても、実施例１と同様に出力密度及びインピーダンスを測定した。

（実施例３）
加圧部材４０として、図９に示した例のように、長軸の長さが６５ｍｍであり、短軸の長さが３５ｍｍである楕円形の外形を有するとともに柔軟性及び通気性を有する厚さ０．３ｍｍの多孔質ポリエチレン板を用意する。実施例３では、この加圧部材４０を膜電極接合体２の中央部２Ｃに対応する板状体２０とカバープレート２１との間に挿入した以外は、実施例１と同様である。この実施例３においても、実施例１と同様に出力密度及びインピーダンスを測定した。

（実施例４）
加圧部材４０として、図６に示した例のように、長軸の長さが６５ｍｍであり、短軸の長さが３５ｍｍである楕円形の外形を有するポリプロピレン板を用意する。この加圧部材４０は、中央の厚さが０．２ｍｍであり、周縁部に向けたテーパーを有している。実施例４では、この加圧部材４０を膜電極接合体２の中央部２Ｃに対応する集電体１８と燃料供給部３１との間に挿入した以外は、実施例１と同様である。なお、この実施例４においても、加圧部材４０には、燃料供給部３１の燃料排出口３３と同じ位置に同一形状の貫通孔４０Ｈが形成されている。この実施例４においても、実施例１と同様に出力密度及びインピーダンスを測定した。

（実施例５）
膜電極接合体２をホットプレスにより作成する際、カソードガス拡散層の中央部に、長軸の長さが６５ｍｍであり、短軸の長さが３５ｍｍである楕円形の外形を有する厚さ０．１ｍｍのステンレス（ＳＵＳ３０４）板を積層してホットプレスを施した。

この結果、ホットプレス後の膜電極接合体２の断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察したところ、ステンレス板が積層された膜電極接合体２の中央部２Ｃにおける断面ＳＥＭ観察像では、アノード触媒層１１の厚さが８０μｍ、カソード触媒層１４の厚さが８０μｍとなっていた。一方、ステンレス板が積層されなかった膜電極接合体２の周辺部２Ｐにおける断面ＳＥＭ観察像では、アノード触媒層１１の厚さが１１０μｍ、カソード触媒層１４の厚さが１１０μｍとなっていた。

このようにして作成した膜電極接合体２を用いて、実施例１と同一の加圧部材４０を実施例１と同一の位置に挿入した以外は、実施例１と同様である。この実施例５においても、実施例１と同様に出力密度及びインピーダンスを測定した。

（比較例）
この比較例では、膜電極接合体２のアノード１３の側及びカソード１６の側のいずれにも加圧部材を設けていない以外は、実施例１と同様である。なお、この比較例に適用される膜電極接合体２は、実施例５で説明したようなステンレス板を積層することなくホットプレスを施して作成したものである。この比較例においても、実施例１と同様に出力密度及びインピーダンスを測定した。

実施例１乃至５、及び、比較例における出力密度及びインピーダンスの測定結果について、比較例の値を１００とした場合の相対値で示すと以下の通りとなる。

実施例１における出力密度は１１２であり、インピーダンスは８１であった。

実施例２における出力密度は１１０であり、インピーダンスは８３であった。

実施例３における出力密度は１０９であり、インピーダンスは９０であった。

実施例４における出力密度は１１０であり、インピーダンスは８７であった。

実施例５における出力密度は１１５であり、インピーダンスは７８であった。

この測定結果から、膜電極接合体２のアノード１３の側、及び、カソード１６の側には加圧部材４０を配置することが望ましいことが確認された。

以上説明したように、この実施の形態によれば、出力を向上することを可能にした燃料電池を提供できる。

上述した実施形態の燃料電池１は、各種の液体燃料を使用した場合に効果を発揮し、液体燃料の種類や濃度は限定されるものではない。ただし、燃料を面方向に分散させつつ供給する燃料供給部３１は、特に燃料濃度が濃い場合に有効である。このため、実施形態の燃料電池１は、濃度が８０ｗｔ％以上のメタノールを液体燃料として用いた場合に、その性能や効果を特に発揮することができる。したがって、実施形態は、メタノール濃度が８０ｗｔ％以上のメタノール水溶液や純メタノールを液体燃料として用いた燃料電池１に好適である。

さらに、上述した実施形態は、本発明をセミパッシブ型の燃料電池１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られるものではなく、内部気化型の純パッシブ型の燃料電池に対しても適用可能である。

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、膜電極接合体に供給される燃料の全てが液体燃料Ｆの蒸気、全てが液体燃料Ｆ、または一部が液体状態で供給される液体燃料Ｆの蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組み合わせたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除したりする等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。

１…燃料電池
２…膜電極接合体
３…燃料供給機構
１３…アノード １６…カソード １７…電解質膜
１８…集電体 Ａ…アノード集電部 Ｃ…カソード集電部
２１…カバープレート
４０…加圧部材

Claims (10)

1. アノードとカソードとの間に電解質膜を挟持した構成の膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体のアノード側に配置され、前記アノードに向けて燃料を供給する燃料供給機構と、
   前記膜電極接合体のカソード側に配置され、前記膜電極接合体の周辺部の外側で前記燃料供給機構に締結されたカバープレートと、を備え、
   前記膜電極接合体の中央部が前記膜電極接合体の周辺部よりも強い圧力で加圧されたことを特徴とする燃料電池。
2. 前記膜電極接合体の中央部の密度は、前記膜電極接合体の周辺部の密度より高いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記膜電極接合体の中央部の厚さは、前記膜電極接合体の周辺部の厚さより薄いことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
4. さらに、前記膜電極接合体と前記カバープレートとの間、及び、前記膜電極接合体と前記燃料供給機構との間の少なくとも一方に配置され、前記膜電極接合体の中央部をその周辺部よりも強く加圧する加圧部材を備えたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記加圧部材は、前記膜電極接合体の中央部に対応する位置の厚さが前記膜電極接合体の周辺部に対応する位置の厚さより厚いことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 前記加圧部材は、円形、楕円形、長円形、前記膜電極接合体の外形と略相似形である多角形、または、多角形の角の少なくとも一つを丸めた外形を有するとともに、前記膜電極接合体の外形寸法より小さく、前記膜電極接合体の中央部に対応して配置されたことを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
7. 前記加圧部材は、平板状であり、その周縁部にテーパーを有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記加圧部材は、前記膜電極接合体の中央部に向かって下に凸となる反り形状を有することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
9. 前記加圧部材は、柔軟性、伸縮性、または可撓性のうちの少なくとも一つを有する材料によって形成されたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
10. 前記加圧部材は、貫通孔を有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。

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