WO2008072363A1

WO2008072363A1 - 固体高分子型燃料電池

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Publication number: WO2008072363A1
Application number: PCT/JP2007/001230
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Inventors: Kenji Kobayashi; Shoji Sekino
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Abstract

　固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜１と、固体高分子電解質膜１の一方の面に接して配された燃料極２と、他方の面に接して配された酸素極３と、固体高分子電解質膜１、燃料極２、及び酸素極３よりなるＭＥＡ１２を内包するとともに、液体を透過させず気体を透過させる気液分離膜４と、を備える。また、気液分離膜４の端面が封止され、ＭＥＡ１２が気液分離膜４の外部と遮蔽され、燃料極２及び酸素極３は、端部から延在した電極端子部を有し、電極端子部は、気液分離膜４の端部から気液分離膜４の外部に露出している。このような構成により、燃料極２に相対する気液分離膜４を通して燃料極２に燃料が気化供給され、燃料極２の側面に位置する気液分離膜４を通して燃料極２からの反応生成物が排出され、酸素極３に相対する気液分離膜４を通して酸素極３に少なくとも酸素が供給される。

Description

明細書

固体高分子型燃料電池

技術分野

[0001] 本発明は、液体燃料を気化供給して用いる固体高分子型燃料電池及びその製造方法に関する。

背景技術

[0002] アルコール燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型、軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子機器用電源として開発が活発に進められている。この中でも高いエネルギー密度が得られているメタノール燃料を用いた固体高分子型燃料電池の開発が中心となっている。

[0003] 固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料極と酸素極とで挟持した構造の電極—電解質膜接合体（MEA ; M em b r a n e a n d E l e c t r o d e A s s em b l y) を備えている。液体燃料を直接燃料極に供給するタイプの燃料電池は、直接型燃料電池と呼ばれ、供給された液体燃料を燃料極に担持された触媒上で分解して陽イオン、電子及び中間生成物を生成させる。さらにこのタイプの燃料電池は、生成した陽イオンが固体高分子電解質膜を透過して酸素極側に移動し、生成した電子が外部負荷を経て酸素極側に移動し、これらが酸素極で空気中の酸素と反応して発電する。例えば、液体燃料としてメタノール水溶液をそのまま使用するダイレクトメタノ一ル型燃料電池（以下、 DM FCという。）では、式（1 ) で表される反応が燃料極で起こり、式（2) で表される反応が酸素極で起こる。これらの式（1 ) 及び式（2) から明らかなように、 DM FCでは、理論上、燃料極で 1モルのメタノールと 1モルの水とが反応して 1モルの反応生成物（二酸化炭素）が生成され、このとき水素イオン及び電子も生成されるため、燃料であるメタノール水溶液中のメタノールの理論濃度は体積％で約 70 V o I %となる。 [0004] C H₃0 H + H₂0 → C0₂ + 6 H+ + 6 e_ ( 1 ) [0005] 6 H+ + 6 e_ + 3/2 0₂ → 3 H₂0 (2)

[0006] しかし、燃料濃度が高くなり、燃料極へのアルコール燃料の供給量が水の供給量に比べて相対的に多くなる場合、アルコール燃料が式（1 ) で表される反応に寄与することなく固体高分子電解質膜を透過してしまう「クロスォ一バー現象」が起こり、酸素極電極触媒と反応して発電容量や発電電力が低下することが知られている。

[0007] クロスオーバーを抑制するための技術として、例えば、 M E Aの燃料極部前に液体燃料を気化させる多孔質体などよりなる燃料気化層を配置することで、供給された液体燃料を気化供給する燃料電池が開示されている（特許文献 1参照）。特許文献 1の記載によれば、「このように燃料を気化して供給することで、燃料気化層内の気体燃料はほぼ飽和状態に保たれるので、電池反応による燃料気化層中の気体燃料の消費分だけ燃料浸透層から液体燃料が気化し、さらに気化分だけ液体燃料が毛管力によってセル内に導入される。このように、燃料供給量は燃料消費量に連動しているため、未反応で電池の外に排出される燃料は殆ど無く、従来の液体燃料電池のように、燃料出口側の処理系を必要としない。」との効果がうたわれている。

[0008] また、本願発明者らは、特許文献 1では燃料極で発生した CO ₂ガスが燃料極と気液分離膜の間に溜まることで安定した発電が難しいという問題点を見出し、この問題を解決すべく、燃料極側部のシール材に排出口を設けて発生する C O ₂ガスを効率よく排出することができる構造を備えた燃料電池、及び燃料電池システムとして提案した（特許文献 2参照）。

[0009] さらに、燃料のメタノール濃度を高めた場合には、燃料極でメタノールに対して水の供給が不足して出力を高くできないという課題があることも明らかになつてきた。そこで、本願発明者らは、式（2) で示した酸素極で発生した生成水を燃料極に戻して利用する燃料電池、及び燃料電池システムを開発した。例えば、酸素極の上に撥水性多孔質体を具備することで酸素極の生成水の蒸散を抑制する ME A構造を備えた燃料電池、及び燃料電池システムを提案した。これにより、酸素極で精製された水の一部が燃料極に戻り、燃料極での水不足が解消されて出力を高くすることができる。

[0010] 以上のように、液体燃料を気化供給し、さらに、酸素極の生成水の蒸発を抑制する技術を用いることで、高濃度のメタノール燃料を用いても優れた発電特性が得られる。

[001 1 ] 特許文献 1 ：特開 2 0 0 0 - 1 0 6 2 0 1号公報

特許文献 2：特開 2 0 0 6 _ 3 1 8 7 0 8号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0012] しかしながら、これらの燃料電池が有するそれぞれの機能を果たす 3つの各構成要素をそのまま組み合わせるだけでは M E A構造が複雑になり、生産性が低くなるとともに、コストが上昇するという問題が起こりうる。また、各構成要素が個別になっているので M E Aが外部に露出する部分が生じることで、内部で発生した生成水及び生成物が外部に放出され、長期的な発電特性及び保管特性が大幅に低下するおそれがある。

[0013] 本発明の第 1の課題は、簡素な構造にして、生産性の向上と小型軽量化を実現する気化供給型燃料電池を提供することである。

[0014] 本発明の第 2の課題は、外部への生成物の漏洩を低減して、発電特性の長期安定性及び保管特性を大幅に改善できる燃料電池を提供することである。課題を解決するための手段

[0015] 本発明の第 1の視点においては、固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜の一方の面に接して配された燃料極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に接して配された酸素極と、前記固体高分子電解質膜、前記燃料極、及び前記酸素極よりなる接合体を内包するとともに、液体を透過させず気体を透過させる気液分離膜と、を備えることを特徴とする。

[001 6] 本発明の第 2の視点においては、前記固体高分子型燃料電池において、前記接合体を直列または並列に接続したュニットを前記気液分離膜で内包したことを特徴とする。

[001 7] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記気液分離膜の端面が封止され、前記接合体が前記気液分離膜の外部と遮蔽されていることが好ましい。

[0018] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記接合体は、折り返された 1枚の前記気液分離膜によって内包され、前記気液分離膜の開放端部が封止されていることが好ましい。

[001 9] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極及び前記酸素極は、端部から延在した電極端子部を有し、前記電極端子部は、前記気液分離膜の端部から前記気液分離膜の外部に露出していることが好ましい。

[0020] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極及び前記酸素極側に相対する前記気液分離膜の上に配設された細孔板を備えることが好ましい。

[0021 ] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極に相対する前記気液分離膜を通して前記燃料極に燃料が気化供給されることが好ましい。

[0022] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極の側面に位置する前記気液分離膜を通して前記燃料極からの反応生成物が排出されることが好ましい。

[0023] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極と前記酸素極が重ならない領域の前記固体高分子電解質膜の両面上に、前記燃料極と前記酸素極の厚み分のスぺーザが設けられていることが好ましい。

[0024] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記燃料極側に配された前記スぺーサは、前記燃料極からの反応生成物を排出するための開口部を有することが好ましい。

[0025] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、前記酸素極に相対する前記気液分離膜を通して前記酸素極に少なくとも酸素が供給されることが好ましい。

[0026] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、相対する前記酸素極と前記気液分離膜の間に保湿層を備えることが好ましい。

[0027] 本発明の前記固体高分子型燃料電池において、相対する前記燃料極と前記気液分離膜の間に撥水性又は親水性の多孔質体を備えることが好ましい。発明の効果

[0028] 本発明によれば、気液分離膜で接合体を内包する簡素な構造によって気化供給型燃料電池が製造でき、生産性の向上と部材点数の削減により、小型軽量化を図ることが可能となる。また、気化供給型に必要な燃料極への気化供給、燃料極からの C O ₂ガス排出、及び酸素極での生成水蒸発防止の 3つの機能をひとつの部材で実現することができる。

[0029] また、内包する 1枚の気液分離膜で封止した構造となり、接合体内部で発生した液体状の生成物が外部に漏れる確率を低下させて燃料供給バランスを安定させることが可能となる。その結果として、非常に簡素な構造にもかかわらず、長期的に優れた発電特性及び保管特性を確保することが可能となる

[0030] また、液体生成物が外部に漏洩しない構造は、携帯電話やノート P C等の電子機器に利用するにあたって、安全性や信頼性の面からもその効果は非常に大きいといえる。

[0031 ] さらに、酸素極から燃料極への生成水の逆拡散がより促進することで長期的に安定した発電特性と保管特性を実現することが可能となる。

図面の簡単な説明

[0032] 上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。

[0033] [図 1 ]本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを模式的に示した工程平面図（a ) および（b ) 、及びその断面図（c ) および（d ) である

[図 2]本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの構成を模式的に示した展開斜視図である。 [図 3]本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの組み立てた後の構成を模式的に示した断面図である。

[図 4]本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを直列に接続した直列ュニット型構造を模式的に示した平面図（気液分離膜を展開した状態）である。

[図 5]本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを直列に接続した直列ユニット型構造を模式的に示した断面図（組立後の状態）である。

[図 6]本発明の実施例 1に係る固体高分子型燃料電池（単セル構造）の構成を模式的に示した工程平面図（a ) および（b ) である。

[図 7]本発明の実施例 2に係る固体高分子型燃料電池（直列ュニット型構造）の構成を模式的に示した工程平面図（a ) および（b ) である。

[図 8]本発明の実施例 3に係る固体高分子型燃料電池（単セル構造）の構成を模式的に示した工程平面図（a ) および（b ) である。

[図 9]本発明の実施例 3に係る固体高分子型燃料電池（直列ュニット型構造）の構成を模式的に示した工程平面図（a ) および（b ) である。

[図 10]実施例 1、 3及び比較例で作製した燃料電池セルを用いて定電流試験による長期的な発電試験を行った結果を模式的に示したグラフである。

発明を実施するための最良の形態

[0034] 本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池について図面を用いて説明する。図 1は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを模式的に示した工程平面図及び断面図である。

図 2は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの構成を模式的に示した展開斜視図である。図 3は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルの組み立てた後の構成を模式的に示した断面図である。なお、本発明は、これらの図面及び以下で説明する実施形態に限定されるものではない。

[0035] 固体高分子型燃料電池は、図 1 ( a ) 及び（c ) に示すように、固体高分子電解質膜 1を燃料極 2と酸素極 3で狭持して構成された M E A 1 2 (電解質膜—電極接合体； M em b r a n e a n d E l e c t r o d e A s s em b I y) を気液分離膜 4で覆い、続けて図 1 (b) 及び（d) に示すようにして、気液分離膜 4の端面（周縁部）を封止したセル構造であり、基本的な概念である。

[0036] ここで、固体高分子電解質膜 1は、特に限定されないが、後述の実施例でも使用する市販のもの（例えば、ナフイオン）を用いることができる。燃料極 2及び酸素極 3は、図 2、図 3に示すように、いずれも、触媒を担持させた炭素粒子を含む触媒ペースト（触媒層 2 b、及び 3 b) を、多孔質基材である金属メッシュあるいはカーボンクロス等よりなる多孔質支持体 2 a、及び 3 aの片側の面に塗布して作製される。作製された燃料極 2及び酸素極 3 は触媒層 2 b、及び 3 b側が固体高分子電解質膜 1側になるように配置され、固体高分子電解質膜 1を燃料極 2と酸素極 3で挟持した状態で熱圧着することにより ME A 1 2が形成される。

[0037] 燃料極 2及び酸素極 3に用いる多孔質支持体 2 a、及び 3 aには、集電の役割も果し、かつ、外部に電気を取り出せるようにするため、燃料極 2及び酸素極 3それぞれの端部の一部から外部に延在した電極端子部がそれぞれ設けられている。燃料極 2及び酸素極 3の電極端子部は、互いに重ならないようにすることが望ましい。燃料極 2及び酸素極 3は、図 2、図 3のように、より簡易な構造を確保するため多孔質支持体 2 a、及び 3 aと触媒層 2 b、及び 3 bで一体化することが望ましい。なお、燃料極 2及び酸素極 3の電極端子部には、触媒層 2 b、及び 3 bが形成されていない。

[0038] さらに、固体高分子電解質膜 1は、燃料極 2と酸素極 3よりも大きめにして、燃料極 2と酸素極 3とが短絡しないようにするのが望ましい。

[0039] 燃料極 2と酸素極 3が重ならない領域の固体高分子電解質膜 1の両面上には、燃料極 2と酸素極 3の厚み分のスぺーサ 5、及び 6が設けられている。スぺーサ 5、及び 6は、燃料極 2、酸素極 3の外周に配置され、燃料極 2、酸素極 3の電極端子部と重なる部分では燃料極 2、酸素極 3の電極端子部の気液分離膜 4側の面に迂回して配置される。これによつて、燃料極 2と酸素極 3との短絡を防止することができ、燃料極 2と酸素極 3を通して燃料が透過するのを相当に抑制することができる。スぺーサ 5、及び 6は、後述するように燃料極 2のガス排出口 5 aとしての役割や、気液分離膜 4と一体化する際の製造工程において必要となる。

[0040] スぺーサ 5、及び 6に用いる材料は、ある程度の絶縁性とシール性を有していれば特に限定されないが、例えばシリコンゴム、 P P S製などの樹脂、高分子多孔質体などを用いることができる。

[0041 ] ここで、燃料極 2側に用いるスぺ一サ 5には、反応過程で燃料極 2から発生した C 0 ₂ガスを外部に排出するための排出口 5 aが設けられている。排出口 5 aは、スぺ一サ 5を部分的に切り取るか、微小な貫通穴を設けることで形成することができる。なお、排出口 5 aの開口率は、発電量（C 0 ₂ガスの発生量）に応じて適宜決めるものである。排出口 5 aの開口位置は、 4辺全てに形成してもよいが、気液分離膜 4との一体化と、封止後の密閉性を高めるために封止しない 1辺だけに形成することが望ましい。

[0042] なお、スぺ一サ 5、及び 6に難燃性樹脂などの変形しにくい材料を用いる場合には、燃料極 2及び酸素極 3の電極端子部を気液分離膜 4の外部に取り出すための開口部ないし切欠部を設けてもよい。このような開口部ないし切欠部は、燃料極 2及び酸素極 3の形状に応じてスぺーサ 5、 6に溝を設けることで形成することができる。

[0043] ここで、本実施形態で用いる M E Aの形状は、特に限定されず、上記に説明したひとつの M E A 1 2を何段にも直列に電気的に接合した直列ュニット型構造や、 M E A 1 2を並列に並べた並列ユニット型構造にもそのまま用いることができる。

[0044] 例えば、図 4、図 5は、本発明の実施形態に係る固体高分子型燃料電池のセルを直列に接続した直列ュニット型構造を模式的に示した平面図（気液分離膜 4を展開した状態）、及びその断面図（組立後の状態）である。ここで、 M E A 1 4 aの燃料極 2と隣の M E A 1 4 bの酸素極 3とが燃料極—酸素極接続部材 1 3によって電気的に接続されている。 M E A 1 4 bの燃料極 2 と隣の M E A 1 4 cの酸素極 3も燃料極 _酸素極接続部材 1 3によって電気的に接続されている。この場合、最終端に集電のための電極端子部（M E A 1 4 aの酸素極 3の電極端子部、 M E A 1 4 cの燃料極 2の電極端子部）を設けておく必要がある。電極端子部は、気液分離膜 4の端部から気液分離膜 4の外部に露出している。また、固体高分子電解質膜 1も燃料極 2や酸素極 3よりも大きめにしておき、燃料極 2と酸素極 3が重ならない領域の固体高分子電解質膜 1の両面上にスぺーサ 5、及び 6を配置する。この際、隣り合う燃料極 2同士及び酸素極 3同士が短絡しないように配置しなければならなしゝ。また、燃料極 2側のスぺ一サ 5には、 C 0 ₂ガスの排出口 5 aを M E A 1 4 a、 1 4 b、及び 1 4 cごとに設けておく。

[0045] このように形成した M E A 1 2 (スぺ一サ 5、及び 6を含む）を、折り返された 1枚の気液分離膜 4によって内包して、気液分離膜 4の開放端部となる M E A 1 2の 3辺を封止する（図 1参照）。

[0046] 本実施形態において、気液分離膜 4に用いる材料としては、化学的に安定なポリテトラフロロエチレン（P T F E ) などのフッ素樹脂などが挙げられるが、一般的に絶縁性であり必要な燃料供給量が確保できるものであれば特に制限されるものではない。

[0047] ここで、本実施形態では発電部（M E A 1 2とスぺ一サ 5、及び 6の組立体）を気液分離膜 4で内包する際に、気液分離膜 4に相対する酸素極 3の面上に生成水の蒸発を抑制するために親水性の多孔質体等よりなる保湿材料（保湿層）を適宜、配置することもできる。その結果、簡素な構造でも保湿力を調整することが可能となる。ここで用いる保湿材料としては、繊維マット、親水性セルロース繊維、ガラス繊維等などが挙げられる。

[0048] 同様に、本実施形態では、燃料極 2に相対する気液分離膜 4を通して燃料極 2に燃料が気化供給される。これにより発電が可能となる。また、気液分離膜 4に相対する燃料極 2の面上に燃料の透過能を抑制するため（燃料供給量や燃料濃度を調整するため）に撥水性または親水性の多孔質体を適宜、配置することもできる。撥水性の多孔質体として、例えば、 P T F E多孔質体を用いることができる。親水性の多孔質体として、例えば、親水基（スルホン基）を有するスチレンジビニルベンゼン系膜、ナフイオン膜などを用いることができる。これによつて、 C0₂ガスの排出口 5 aに相対する気液分離膜 4とのガス透過性を個別に調整することも可能となる。

[0049] このように、気液分離膜 4で MEA 1 2を内包する形態として図 6 (a) および（b) に示した例が挙げられる。図 6では、気液分離膜 4 (図 6 (a ) ) を半分に折り畳んで ME A 1 2 (スぺーサ 5、及び 6を含む）を包み込み（図 6 (b) ) 、その後、気液分離膜 4の開放端部となる MEA 1 2の 3 辺の外周にある接着部分 4 aに接着剤などを用いて熱圧着して封止することによって発電部分が得られる。この場合、気液分離膜 4の折り返し部分に、 C0₂ガスの排出口 5 aに対応する排出口を設けることが望ましい。

[0050] なお、発電部分をそのまま図 3のように燃料タンク 1 0に取り付けて発電することが可能あるが、発電時の生成物発生によって ME A 1 2内部の内圧が上昇して気液分離膜 4が膨張する問題が生じる。そこで、燃料極 2及び酸素極 3に相対する気液分離膜 4に接するように細孔板 8、及び 9を設ける。これにより、この問題を解決することができる。

[0051] 細孔板 8、及び 9の開口率は、発電に必要な燃料供給が行えるように適宜決めることができるが、押さえ板の役割を果たせるように 50 %以下であることが望ましい。また、燃料極 2及び酸素極 3の開口率はそれぞれ異なっていてもよい。細孔板 8、及び 9の材質として、燃料極 2及び酸素極 3と絶縁できるような材質そのもの、もしくは絶縁性を有する材料で表面が被覆されたものが望ましい。

[0052] この細孔板 8、及び 9は、気液分離膜 4に接着剤などで固定してもよいし、気液分離膜 4で内包した MEA 1 2と燃料タンク 1 0などとともに熱圧着することで、燃料電池セルを製造することが可能である。このようにして、単 MEA 1 2を用いた燃料電池が得られる（図 3参照）。

[0053] 図 4、図 5の例では、図 7のように形成した気液分離膜 4を用いて、半分に気液分離膜 4 (図 7 (a) ) を折り畳んで MEA 1 4 (スぺーサ 5、及び 6を含む）を包み込み（図 7 (b) ) 、その後、気液分離膜 4の開放端部となる ME A 1 4の 3辺の外周にある接着部分 4 aに接着剤などを用いて熱圧着して封止することによって発電部分が得られる。その後、燃料極 2及び酸素極 3に相対する気液分離膜 4に接するように細孔板 8、及び 9を設け、細孔板 8側に燃料タンク 1 0を取り付ける。このようにして、直列ユニット型構造の ME A 1 4を用いた燃料電池が得られる（図 5参照）。

実施例

[0054] (実施例 1 )

次に、本発明の実施例 1に係る固体高分子型燃料電池について具体例を用いて説明する。図 2、図 3に示した単セル構造を有する固体高分子型燃料電池を以下の手順で作製する（図 6参照）。

[0055] 酸素極 3の作製について、まず、炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラック E C 600 J D) に粒子径が 3〜 5 n mの範囲内にある白金微粒子を重量比で 55%担持させた触媒担持炭素微粒子を用意し、この触媒担持炭素微粒子 1 gにデュポン社製の 5重量％ナフイオン溶液（商品名； DE521 、「ナフイオン」はデュポン社の登録商標）を適量加え、攪拌して、酸素極用の触媒ペースト（酸素極触媒層 3 bに対応）を得る。この触媒ペーストを金属製の多孔質支持体 3 aの上に 1〜8mg/cm²の量で塗布した後、乾燥させて酸素極 3を作製する。ここで、多孔質支持体 3 aには、 S US 31 6 L製の金属メッシュ（厚さ 0. 5mm、気孔率 50 %) を用いている。また、金属メッシュの形状は、 4 X 4 c m²の正方形の端面に長さ 1 Omm、幅 5 mmの電極端子部が設けられており、この電極端子部以外の部分に触媒べ一ス卜が塗布されている。

[0056] 燃料極 2の作製について、燃料極 2は、酸素極 3の白金微粒子に代えて粒子径が 3〜5 n mの範囲内にある白金（P t ) —ルテニウム（R_u) 合金微粒子を用いた場合以外は酸素極 3用の触媒ペーストを得る条件と同じにして、燃料極 2用の触媒ペースト（燃料極 2の触媒層 2 bに対応）を得る。この触媒ペーストを用いた以外の構成は、酸素極 3の作製条件と同じ条件で、燃料極 2を作製している。

[0057] 次に、デュポン社製のナフイオン 1 1 7からなる 4. 5 c m X 4. 5 cm X厚さ 1 80マイクロ mの膜を固体高分子電解質膜 1 として用い、固体高分子電解質膜 1の厚さ方向の一方の面に酸素極 3を多孔質支持体 3 aが外側となる向きで配置し、固体高分子電解質膜 1の他方の面に燃料極 2を多孔質支持体 2 aが外側となる向きで配置してホットプレスする。これにより、酸素極 3及び燃料極 2が固体高分子電解質膜 1に接合して、 MEA 1 2が得られる。

[0058] 次に、 ME A 1 2における固体高分子電解質膜 1の両面の酸素極 3及び燃料極 2がない部分に、枠状でシリコンゴム（外寸法 45mm、厚さ 0. 5m m、幅 5 mmの矩形枠状）よりなるスぺ一サ 5、及び 6を取り付ける。さらに燃料極 2側のスぺ一サ 5の 1辺に、幅 2mm、長さ 5mmの大きさで 3ケ所を切り取った CO ₂ガスの排出口 5 aを形成する。

[0059] 次に、スぺ一サ 5、及び 6を取り付けた ME A 1 2を 50 cmX 95 cm の大きさの気液分離膜 4 (厚さ 1 00マイクロ m、細孔径 1マイクロ m、気孔率 60%の P T F E多孔質膜）で図 6 (a) に示したように包み込む。この際、気液分離膜 4をスぺーサ 5の排出口 5 aを設けた部分にあてて半分に折り返して包み込む（図 6 (b) ) 。

[0060] 次に、 MEA 1 2 (スぺーサ 5、及び 6を含む）を包んだ気液分離膜 4の開放端部 3辺の幅 2. 5 mmの部分をポリイミド系接着剤を塗布して熱圧着で封止する。

[0061] 以上のようにして形成した発電部を、細孔板 8、及び 9 (S U S 3 1 6 L 製、外形 5 c m X 5 c m、厚さ 0. 5mm、開口率 30%、細孔直径 1 mm ) を燃料極 2及び酸素極 3の面上に配置して、燃料極 2側の細孔板 8側に燃料タンク 1 0をネジ止めして一体化し、最終的な燃料電池を得る。なお、液体燃料 1 1は、細孔板 8と燃料タンク 1 0との間に設けたシリコンゴム製のシール材、細孔板 8とこれに相対する気液分離膜 4とで外部に漏れないようにシールされている。なお、気液分離膜 4は、貫通しないようにネジ止めする。

[0062] 実施例 1によれば、比較例（ M E Aの燃料極 2、酸素極 3、及び C O ₂ガス排出口 5 aに独立に気液分離膜 4を配置するとともに、これらを燃料タンク 1 0にネジ止めして一体化し、 C 0 ₂ガス排出口 5 aに気液分離膜 4を積層して燃料電池を形成したもの）と比較して、気液分離膜 4を各箇所に個別に成型、取り付けするため工数が少なくなる。

[0063] (実施例 2 )

次に、本発明の実施例 2に係る固体高分子型燃料電池について具体例を用いて説明する。図 4、図 5に示した直列ユニット型構造を有する固体高分子型燃料電池を以下の手順で作製する（図 7参照）。

[0064] まず、実施例 1に記載した燃料極 2及び酸素極 3をそれぞれ 3枚用意する。次に、デュポン社製のナフイオン 1 1 7からなる 1 5 c m X 5 c m X厚さ 1 8 0マイクロ mの膜を固体高分子電解質膜 1 として用意する。固体高分子電解質膜 1、燃料極 2及び酸素極 3を、図 5で示したように、固体高分子電解質膜 1の厚さ方向の一方の面に 3枚の多孔質支持体 2 aが外側となる向きで燃料極 2を配置し、ホットプレスする。この際、隣り合う燃料極 2同士が電気的な接点を持たないように、固体高分子電解質膜 1に位置決めの枠を用いる。次に、燃料極 2と固体高分子電解質膜 1 との接合体において、燃料極 2の電極端子部に相対する固体高分子電解質膜 1の部分に、燃料極 2のない面側から直径 2 m mの大きさの穴を形成する。次に、燃料極 2が接合された固体高分子電解質膜 1の燃料極 2のない面に、隣り合う酸素極 3同士が接しないように酸素極 3を 3枚配置して、再度ホットプレスする。

[0065] 以上のようにして形成された接合体における各 M E Aを電気的に接続するために、第 1の M E Aの燃料極 2と隣り合う第 2の M E Aの酸素極 3の電極端子部を抵抗溶接によって接続する。この際、各電極端子部に相対する固体高分子電解質膜 1に形成された直径 2 m mの穴を溶接する。このようにして、 3つの M E Aからなる直列ュニット型構造の M E A 1 4を得る。

[0066] 次に、固体高分子電解質膜 1が露出している部分を塞ぐようにポリプロピレン製多孔質体（気孔率 50%) よりなるスぺーサ 5、及び 6を配置する。

[0067] 次に、 MEA 1 4 (スぺ一サ 5、及び 6を含む）を、図 7のように燃料極 2側のスぺーサ 5に相対する方に接着部分が位置するように配置して（図 7 (a) ) 、気液分離膜 4で包み込む（図 7 (b) ) 。この際、気液分離膜 4 をスぺーサ 5の排出口 5 aを設けた部分にあてて半分に折り返して包み込む

[0068] 次に、燃料タンク（図 5の 1 0参照）上に細孔板（図 5の 8参照）を配置して、細孔板（図 5の 8、 9参照）におけるスぺ一サ 5、及び 6が重なる領域にポリイミド系接着剤を塗布して、最終的な発電セルの形態として燃料タンク（図 5の 1 0参照）、細孔板（図 5の 8、 9参照）、発電部を積層して熱圧着によって一体化する。

[0069] (実施例 3)

次に、本発明の実施例 2に係る固体高分子型燃料電池について具体例を用いて説明する。図 3に示した単セル構造を有する固体高分子型燃料電池を以下の手順で作製する。

[0070] まず、 MEA 1 2 (スぺ一サ 5、及び 6を含む）の作製について、実施例

1 と同様な手順で形成する。なお、実施例 2では、スぺ一サ 5、及び 6にポリプロピレン製多孔質体（外寸法 45mm、厚さ 0. 5mm、幅 5 mmの矩形枠状、気孔率 50%) を用いている。

[0071] 次に、スぺ一サ 5、及び 6を取り付けた ME A 1 2を、図 8に示すような 3辺に接着部分 4 aとなる折り返し部分が形成された気液分離膜 4で包み込み（図 8 (a) ) 、接着部分 4 aを燃料極 2側のスぺーサ 5に相対する方に折り返して、接着部分 4 aにポリイミド系接着剤を塗布して熱圧着で封止する（図 8 (b) ) 。

[0072] 次に、燃料タンク（図 3の 1 0参照）上に細孔板（図 3の 8参照）を配置して、細孔板（図 3の 8、 9参照）におけるスぺ一サ 5、及び 6が重なる領域にポリイミド系接着剤を塗布して、最終的な発電セルの形態として燃料タンク（図 3の 1 0参照）、細孔板（図 3の 8、 9参照）、発電部を積層して熱圧着によって一体化する。

[0073] なお、図 4、図 5に示した直列ユニット型構造を有する固体高分子型燃料電池についても同様に、図 9に示すような 3辺に接着部分 4 aとなる折り返し部分が形成された気液分離膜 4で包み込み（図 9 ( a ) ) 、接着部分 4 a を燃料極 2側のスぺーサ 5に相対する方に折り返して、接着部分 4 aにポリイミド系接着剤を塗布して熱圧着で封止して（図 9 ( b ) ) 作製することができる。

[0074] (実施例 4 )

次に、実施例 1、 3及び比較例に係る燃料電池セルの定電流試験について説明する。

[0075] 実施例 1、 3及び比較例で作製した燃料電池セルを用いて定電流試験による長期的な発電試験を行った結果を図 1 0に示す。燃料には、 3 0 V o I % メタノ一ル水溶液 1 Lをダイアグラムポンプで 1 0 m l /m i nの流量で循環した。また、 5 0時間ごとにポンプを一時的に止めて、随時燃料交換を行いながら試験を行った。

[0076] その結果、実施例 1、 3では安定に発電できるのに対して、比較例（M E Aの燃料極 2、酸素極 3、及び C O ₂ガス排出口 5 aに独立に気液分離膜 4を配置するとともに、これらを燃料タンク 1 0にネジ止めして一体化し、 c o ₂ ガス排出口 5 aに気液分離膜 4を積層して燃料電池を形成したもの）では発電量が不安定であり、 1 0 0時間以上経過すると出力が不安定になり、また、出力の低下も大きいことがわかった。これは、スぺ一サ 5、及び 6 (シ一ル材）に用いたシリコンゴムが発電中に変質したために固定したネジが緩み、微小な燃料漏れが発生して、ネジ用貫通穴の部分から M E Aの燃料極 2及び酸素極 3に直接燃料が回りこんだために発電が不安定になったと考えられる。

[0077] —方、ネジで固定されている実施例 1でも、比較例と同様にネジの緩みが起こっていたが、電圧低下はみられなかった。これは、実施例 1では M E A 1 2を気液分離膜 4で内包したことでわずかに液漏れした燃料が直接 M E A に回り込まなかったためと考えられる。また、燃料タンク 1 0と完全一体化した実施例 2ではこのような問題は起こらなかつた。

[0078] このように、本発明の実施例 1、及び 3を用いた気化供給型の燃料電池では、従来技術の組み合わせで構成した比較例と比較して、安定した発電特性が得られることがわかった。さらに、このような発電中の液漏れが発生しないので、保管特性も大幅に向上すると考えられる。

[0079] (実施例 5 )

次に、実施例 2に係る燃料電池セルの定電流試験について説明する。

[0080] 実施例 2で作製した直列ュニット型構造の燃料電池を用いて、実施例 4と同じ条件で定電流発電試験を行った。その結果、発電量は実施例 3で作製した単 M E Aセルの約 2 . 8倍となり、また、安定した発電が行えた。出力が単 M E Aの 3倍にならないのは、接合部分の抵抗による電圧低下によると考えられる。このように本発明の直列ュニット型構造の燃料電池においても簡素な構造にもかかわらず、高い発電特性を得られる事がわかった。

Claims

請求の範囲

[1 ] 固体高分子電解質膜と、

前記固体高分子電解質膜の一方の面に接して配された燃料極と、前記固体高分子電解質膜の他方の面に接して配された酸素極と、前記固体高分子電解質膜、前記燃料極、及び前記酸素極よりなる接合体を内包するとともに、液体を透過させず気体を透過させる気液分離膜と、を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池。

[2] 前記接合体を直列または並列に接続したュニットを前記気液分離膜で内包したことを特徴とする請求項 1記載の固体高分子型燃料電池。

[3] 前記気液分離膜の端面が封止され、

前記接合体が前記気液分離膜の外部と遮蔽されていることを特徴とする請求項 1又は 2記載の固体高分子型燃料電池。

[4] 前記接合体は、折り返された 1枚の前記気液分離膜によって内包され、前記気液分離膜の開放端部が封止されていることを特徴とする請求項 1乃至 3のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。

[5] 前記燃料極及び前記酸素極は、前記燃料極及び前記酸素極それぞれの端部から延在した電極端子部をそれぞれ有し、

前記電極端子部は、前記気液分離膜の端部から前記気液分離膜の外部に露出していることを特徴とする請求項 1乃至 4のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。

[6] 前記燃料極及び前記酸素極側に相対する前記気液分離膜の上に配設された細孔板を備えることを特徴とする請求項 1乃至 5のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。

[7] 前記燃料極に相対する前記気液分離膜を通して前記燃料極に燃料が気化供給されることを特徴とする請求項 1乃至 6のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。

[8] 前記燃料極の側面に位置する前記気液分離膜を通して前記燃料極からの反応生成物が排出されることを特徴とする請求項 1乃至 7のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。

前記燃料極と前記酸素極が重ならない領域の前記固体高分子電解質膜の両面上に、前記燃料極と前記酸素極の厚み分のスベーサが設けられていることを特徴とする請求項 1乃至 8のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。前記燃料極側に配された前記スぺーサは、前記燃料極からの反応生成物を排出するための開口部を有することを特徴とする請求項 9記載の固体高分子型燃料電池。

前記酸素極に相対する前記気液分離膜を通して前記酸素極に少なくとも酸素が供給されることを特徴とする請求項 1乃至 1 0のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。

相対する前記酸素極と前記気液分離膜の間に保湿層を備えることを特徴とする請求項 1乃至 1 1のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。

相対する前記燃料極と前記気液分離膜の間に撥水性又は親水性の多孔質体を備えることを特徴とする請求項 1乃至 1 2のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池。