JP5111857B2

JP5111857B2 - 燃料電池

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Publication number: JP5111857B2
Application number: JP2006547815A
Authority: JP
Inventors: 信保根岸; 賢一高橋; 博史菅
Original assignee: Toshiba Corp
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Priority date: 2004-11-25
Filing date: 2005-11-24
Publication date: 2013-01-09
Anticipated expiration: 2025-11-24
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Description

本発明は、液体燃料を気化させた気化燃料をアノード触媒層に供給する方式の燃料電池に係り、特に組立作業が容易であり導電層から成るカソード用およびアノード用の集電体を効率的に、かつ高い位置精度で形成することが可能な燃料電池に関する。

近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することが可能であり、燃料のみを補充交換すれば連続して発電できるという利点を有しているため、小型化が実現すれば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ；ｄｉｒｅｃｔｍｅｔｈａｎｏｌｆｕｅｌｃｅｌｌ）は、エネルギー密度が高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、改質器も不要なことから特に小型化が可能であり、燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて安全で容易なことから小型機器用電源として有望である。

ＤＭＦＣの燃料の供給方法としては、液体燃料を気化してからブロア等で燃料電池内に送り込む気体供給型ＤＭＦＣと、液体燃料をそのままポンプ等で燃料電池内に送り込む液体供給型ＤＭＦＣと、更には特許文献１に示すような内部気化型ＤＭＦＣ等が知られている。

特許文献１に示す内部気化型ＤＭＦＣは、液体燃料を保持する燃料浸透層と、燃料浸透層中に保持された液体燃料のうち気化成分を拡散させるための燃料気化層とを備えるもので、気化した液体燃料が燃料気化層から燃料極（アノード）に供給される。特許文献１では、液体燃料としてメタノールと水が１：１のモル比で混合されたメタノール水溶液が使用され、メタノールと水の双方を気化ガスの形で燃料極に供給している。

このような特許文献１に示す内部気化型ＤＭＦＣによると、十分に高い出力特性を得られなかった。水はメタノールに比べて蒸気圧が低く、水の気化速度はメタノールの気化速度に比べて遅いため、メタノールも水も気化によって燃料極に供給しようとすると、メタノール供給量に対する水の相対的な供給量が不足する。その結果、メタノールを内部改質する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のである。

特許第３４１３１１１号公報

発明の開示
また、上記特許文献１に示す従来の内部気化型ＤＭＦＣにおいては、膜電極接合体のアノード触媒層側にアノード導電層を配置する操作と、カソード触媒層側カソード導電層を配置する操作とを個別に実施していたため、電池の組立てが煩雑となり組立工数の増加に伴って製造原価が上昇する問題点があった。

また、発電特性に応じて触媒層を複雑形状に形成した場合には、その触媒層に合わせた形状を有する導電層（集電体）を形成することが困難であり、燃料が通過する集電体部分の面積を制御することが困難であった。そのために、アノード触媒層に供給する燃料を一定に制御することも困難であり、安定した電池特性を発揮させることができないという問題点もあった。

さらに、集電体の形状・寸法に大きなばらつきが生じ易く、また位置決めが容易にできないために、導電層の位置ずれによる短絡などによって電池の不良率が高くなる問題点もあった。

本発明の目的は、液体燃料の気化成分をアノード触媒層に供給する方式を有する小型燃料電池の集電体部の組立て構造を簡素にし、特に組立作業が容易であり導電層から成るカソード用およびアノード用の集電体を効率的に、かつ高い位置精度で形成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。

上記目的を達成するために、本発明に係る燃料電池は、カソード触媒層とアノード触媒層との間にプロトン伝導性膜を配置した膜電極接合体と、上記膜電極接合体のカソード触媒層側に配置したカソード導電層と、上記カソード触媒層に空気を供給する空気導入口を有する外部ケースと、上記膜電極接合体のアノード触媒層側に配置したアノード導電層と、上記アノード触媒層に供給する液体燃料を貯留する液体燃料タンクとを具備する燃料電池であって、上記カソード導電層およびアノード導電層は１枚の絶縁性フィルム上に一体化された状態で二つ折りにされており、二つ折りにされた内部空間に上記膜電極接合体が収容されており、上記カソード触媒層において生成した水の蒸散を防止する保湿板が上記カソード導電層と外部ケースとの間に積層されていることを特徴とする。

また上記燃料電池において、前記カソード導電層およびアノード導電層は、カソード触媒層およびアノード触媒層の形状に対応して複数の導電パターンから成るように構成することもできる。

さらに、上記燃料電池において、前記絶縁性フィルムおよびカソード導電層には、空気をカソード触媒層に供給する空気流通口が穿設されており、この空気流通口の中心軸が、外部ケースに形成された空気導入口の中心軸と略一致するように構成することが好ましい。

本発明に係る燃料電池によれば、カソード導電層およびアノード導電層が１枚の絶縁性フィルム上に一体化された状態で形成されているため、カソード導電層およびアノード導電層を個別に形成する場合と比較して導電層の形成工程が半減させることができる。さらに、カソード導電層およびアノード導電層を貼り付けた１枚の絶縁性フィルムが二つ折りにされており、この二つ折りにされた内部空間に膜電極接合体が収容される構造であるため、膜電極接合体のカソード触媒層およびアノード触媒層に高い位置精度で対向するようにカソード導電層およびアノード導電層を配置することが可能になり、また位置決めが容易になり導電層の位置ずれによる短絡などによる電池の不良率を低減することができる。

また、発電特性に応じて触媒層を複雑形状に形成した場合においても、その触媒層に合わせた形状を有する導電層（集電体）を形成することおよび位置決めすることが容易であり、燃料が通過する集電体部分の面積を制御することが容易になる。そのために、アノード触媒層に供給する燃料を一定に制御することができ、安定した電池特性を発揮させることができる。

本発明の実施形態に係る直接メタノール型燃料電池の構造例を示す模式的な断面図。燃料電池の導電層を固定するための絶縁性フィルムの形状例を示す平面図。燃料電池の導電層を絶縁性フィルム上に固定した状態を示す平面図。導電層を固定した絶縁性フィルムを二つ折りにして、その内部空間に膜電極接合体を収容する操作を示す断面図。導電層を固定した絶縁性フィルムを二つ折りにして、その内部空間に膜電極接合体を収容し密着させて形成した発電部の断面図。発電部の上下にそれぞれ外装ケースおよび燃料タンクを装着して燃料電池を組み立てる状態を示す斜視分解図。

本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、液体燃料の気化成分をアノード触媒層に供給するための燃料気化層を具備した燃料電池において、カソード導電層およびアノード導電層を１枚の絶縁性フィルム上に一体化して形成することにより、カソード導電層およびアノード導電層を個別に形成する場合と比較して導電層の形成工程を大幅に簡素化することができるという知見を得た。さらに、カソード導電層およびアノード導電層を一体化した１枚の絶縁性フィルムを二つ折りにし、この二つ折りにした内部空間に膜電極接合体を収容する構造とすることにより、カソード触媒層およびアノード触媒層に対して高い位置精度で対向するようにカソード導電層およびアノード導電層を配置でき、また位置決めが容易になり導電層の位置ずれによる短絡などによる電池の不良率を低減することができるという知見を得た。

以下、本発明に係る燃料電池の一実施形態である直接メタノール型燃料電池について、添付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直接メタノール型燃料電池の構成例を示す模式的な断面図である。

すなわち、本実施形態に係る燃料電池は、カソード触媒層２とアノード触媒層３との間にプロトン伝導性膜６を配置した膜電極接合体（ＭＥＡ）１と、上記膜電極接合体１のカソード触媒層２側に配置したカソード導電層７ａと、上記カソード触媒層２に空気を供給する空気導入口１４を有する外部ケース１５と、上記膜電極接合体１のアノード触媒層３側に配置したアノード導電層７ｂと、上記アノード触媒層３に供給する液体燃料を貯留する液体燃料タンク９とを具備する燃料電池であって、上記カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂは１枚の絶縁性フィルム１６上に一体化された状態で二つ折りにされており、二つ折りにされた内部空間に上記膜電極接合体１が収容されて構成されている。

また、液体燃料タンク９には、メタノール等の液体燃料を注入するための燃料注入口１７が設けられている。さらに、絶縁性フィルム１６およびカソード導電層７ａには、空気をカソード触媒層２に供給する空気流通口１８が穿設されている。

より具体的には、図１に示すように、膜電極接合体（ＭＥＡ）１は、カソード触媒層２及びカソードガス拡散層４から成るカソード極と、アノード触媒層３及びアノードガス拡散層５から成るアノード極と、カソード触媒層２とアノード触媒層３の間に配置されるプロトン伝導性の電解質膜６とを備えるものである。

カソード触媒層２及びアノード触媒層３に含有される触媒としては、例えば、白金族元素の単体金属（Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金などを挙げることができる。アノード触媒には、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ、カソード触媒には、白金を用いることが望ましいが、これに限定されるものではない。また、炭素材料のような導電性担持体を使用する担持触媒を使用しても、あるいは無担持触媒を使用しても良い。

プロトン伝導性電解質膜６を構成するプロトン伝導性材料としては、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂（例えば、パーフルオロスルホン酸重合体）、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。

カソードガス拡散層４はカソード触媒層２の上面側に積層され、かつアノードガス拡散層５はアノード触媒層３の下面側に積層されている。カソードガス拡散層４はカソード触媒層２に酸化剤を均一に供給する役割を担うものであるが、カソード触媒層２の集電体も兼ねている。一方、アノードガス拡散層５はアノード触媒層３に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層３の集電体も兼ねている。カソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂは、それぞれ、カソードガス拡散層４及びアノードガス拡散層５と接している。カソード導電層７ａ及びアノード導電層７ｂを構成する材料としては、例えば、金などの金属材料からなる多孔質層（例えばメッシュ）または箔体をそれぞれ使用することが出来る。

矩形枠状のカソードシール材８ａは、カソード導電層７ａとプロトン伝導性電解質膜６との間に位置すると共に、カソード触媒層２及びカソードガス拡散層４の周囲を気密に囲んでいる。一方、矩形枠状のアノードシール材８ｂは、アノード導電層７ｂとプロトン伝導性電解質膜６との間に位置すると共に、アノード触媒層３及びアノードガス拡散層５の周囲を気密に囲んでいる。カソードシール材８ａ及びアノードシール材８ｂは、膜電極接合体１からの燃料漏れ及び酸化剤漏れを防止するためのオーリングである。

膜電極接合体１の下方には、液体燃料タンク９が配置されている。液体燃料タンク９内には、液体のメタノール等の液体燃料Ｌあるいはメタノール水溶液が収容されている。液体燃料タンク９の開口端には、燃料気化層として例えば、液体燃料の気化成分のみを透過させて、液体燃料を透過させない気液分離膜が液体燃料タンク９の開口部を覆うように配置しても良い。ここで、液体燃料の気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合ガスを意味する。

一方、膜電極接合体１の上部に積層されたカソード導電層７ａには、保湿板１３が積層されている。酸化剤である空気を取り入れるための空気導入口１４が複数個形成された外部ケース（表面層）１５は、膜電極接合体１を含むスタックを加圧してその密着性を高める役割も果たしているため、例えば、ＳＵＳ３０４のような金属から形成される。保湿板１３は、カソード触媒層２において生成した水の蒸散を防止する役割を果たすと共に、カソード拡散層４に酸化剤を均一に導入することによりカソード触媒層２への酸化剤の均一拡散を促す補助拡散層としての役割も果たしている。

上記のような燃料電池は、例えば図２〜図６に示す工程にしたがって組立て製造される。すなわち、まずアノード用およびカソード用の導電層を一体化して固定するため、図２に示すような所定形状を有し、可撓性を有する１枚の絶縁性フィルム１６を用意する。この絶縁性フィルム１６を構成する材料としては、電気絶縁性を有するポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの熱可塑性ポリエステル樹脂材料、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックスピーエルシー社商標）、パーフルオロ樹脂、フッ素樹脂、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などの各種樹脂材料を用いることができる。

次に図３に示すように、所定のパターン形状に形成した金箔等から成るカソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを、上記１枚の絶縁性フィルム１６上に例えば接着剤で貼り付けて一体化して固定する。なお、上記カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂは、めっき法、スパッタリング法や蒸着法によって形成しても良い。

また、上記カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂは、カソード触媒層２およびアノード触媒層３の形状に対応して複数の導電パターンから成るように構成してもよい。この構成によれば、発電特性に応じて触媒層を複雑形状に形成した場合においても、その触媒層に合わせた形状を有する導電層（集電体）を形成することが容易であり、燃料が通過する集電体部分の面積を制御することが容易になる。そのために、アノード触媒層３に供給する燃料を一定に制御することができ、安定した電池特性を発揮させることができる。

さらに、カソード導電層７ａを一体化した絶縁性フィルム１６には、カソード触媒層２に空気を供給するための空気流通口１８が穿設される。

次に図４に示すように、プロトン伝導性膜６の表面にカソード触媒層２を一体に形成する一方、裏面にアノード触媒層３を一体に形成した膜電極接合体１を調製しておく。一方、前記のようにカソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを一体化した１枚の絶縁性フィルム１６を中心部で折り曲げて二つ折りにし、二つ折りにされて形成された内部空間に上記膜電極接合体１が収容されて発電部が構成される。

上記のように膜電極接合体１と各導電層７ａ、７ｂとから成る発電部は、図５に示すように各導電層７ａ、７ｂがそれぞれカソード触媒層２およびアノード触媒層３に密着した構造を有する。

そして、図６に示すように上記のように組み立てた発電部の上部に、空気導入口１４を穿設した外部ケース１５を装着する一方、発電部の下部に液体燃料Ｌを貯留した燃料タンク９を装着することにより、図１に示すような燃料電池が効率的に製造される。

ここで、図６に示すように上記絶縁性フィルム１６およびカソード導電層７ａに、空気をカソード触媒層２に供給する空気流通口１８を穿設するとともに、この空気流通口１８の中心軸Ｃ２が、外部ケース１５に形成された空気導入口１４の中心軸Ｃ１と略一致するように構成することにより、電池発電部における空気の流通が円滑になり、電池反応を効果的に進行させることができる。

本実施形態に係る燃料電池によれば、カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂが１枚の絶縁性フィルム１６上に一体化した状態で形成されているため、カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを個別に形成する場合と比較して導電層の形成工程を大幅に簡略化させることができる。

さらに、カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを一体化した１枚の絶縁性フィルム１６が二つ折りにされており、この二つ折りにされた内部空間に膜電極接合体１が収容される構造であるため、膜電極接合体１のカソード触媒層２およびアノード触媒層３に高い位置精度で対向するようにカソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを配置することが可能になり、また位置決めが容易になり導電層７ａ、７ｂの位置ずれによる短絡などによる電池の不良率を低減することができる。

上述したような構成を有する実施形態に係る直接メタノール型燃料電池によれば、液体燃料タンク９内の液体燃料（例えばメタノール水溶液）が気化し、気化したメタノールと水が燃料タンク９内の上部空間に一旦収容され、そこから徐々にアノードガス拡散層５を拡散してアノード触媒層３に供給され、以下の反応式（１）に示すメタノールの内部改質反応を生じる。

また、液体燃料として純メタノールを使用した場合には、燃料タンク９からの水の供給がないため、カソード触媒層２に混入したメタノールの酸化反応により生成した水やプロトン伝導性電解質膜６中の水分等がメタノールと反応して前述した（１）式の内部改質反応が生じるか、あるいは前述した（１）式によらない水不使用の反応機構で内部改質反応が生じる。

上記の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）はプロトン伝導性電解質膜６を拡散してカソード触媒層２に到達する。一方、外部ケース（表面層）１５の空気導入口１４から取り入れられた空気は、保湿板１３とカソード導電層７ａの空気流通口１８を拡散し、さらにカソードガス拡散層４を拡散してカソード触媒層２に供給される。カソード触媒層２では、下記（２）式に示す反応によって水が生成する、つまり発電反応が生じる。
［化２］
（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ ……（２）
発電反応が進行すると、前述した（２）式の反応などによってカソード触媒層２中に生成した水が、カソードガス拡散層４内を拡散して保湿板１３に到達し、保湿板１３によって蒸散を阻害され、カソード触媒層２中の水分貯蔵量が増加する。このため、発電反応の進行に伴ってカソード触媒層２の水分保持量がアノード触媒層３の水分保持量よりも多い状態を作り出すことができる。その結果、浸透圧現象によって、カソード触媒層２に生成した水がプロトン伝導性電解質膜６を通過してアノード触媒層３に移動する反応が促進されるため、アノード触媒層への水供給速度を燃料気化層のみに頼っていた場合に比べて向上することができ、前述した（１）式に示すメタノールの内部改質反応を促すことができる。このため、出力密度を高くすることができると共に、その高い出力密度を長期間に亘り維持することが可能となる。

また、液体燃料として濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液か、純メタノールを使用することによって、内部改質反応に、カソード触媒層２からアノード触媒層３に拡散してきた水がもっぱら使用されるようになり、アノード触媒層３への水供給が安定して進行するため、メタノールの内部改質反応の反応抵抗をさらに低減することができ、長期出力特性と負荷電流特性をより向上させることができる。さらに、液体燃料タンクの小型化を図ることも可能である。なお、純メタノールの純度は、９５質量％以上１００質量％以下にすることが望ましい。

本発明に係る燃料電池に使用される液体燃料は、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や純エタノール等のエタノール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が使用され、液体燃料タンクに収容される。

ここで、パーフルオロカーボン系のプロトン伝導性電解質膜を使用した場合における燃料電池の最大出力とプロトン伝導性電解質膜の厚さとの関係を調査した結果、高い出力特性を実現するためには、プロトン伝導性電解質膜６の厚さを１００μｍ以下にすることが望ましい。プロトン伝導性電解質膜６の厚さを１００μｍ以下にすることにより高出力が得られる理由は、カソード触媒層２からアノード触媒層３への水の拡散をさらに促すことが可能になるためである。但し、プロトン伝導性電解質膜６の厚さを１０μｍ未満にすると、電解質膜６の強度が低下する恐れがあることから、プロトン伝導性電解質膜６の厚さは１０〜１００μｍの範囲に設定することがより好ましい。より好ましくは、１０〜８０μｍの範囲である。

本発明においては、上記各実施形態に限らず、カソード触媒層２において生成した水をプロトン伝導性膜６を通して前記アノード触媒層３に供給する構成を採用することで、アノード触媒層３への水供給が促進され、かつ水供給が安定して行われるものであれば、何ら限定されるものではない。

（実施例）
以下、本発明の実施例について添付図面を参照して詳細に説明する。

＜アノード極の作製＞
アノード用触媒（Ｐｔ：Ｒｕ＝１：１）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを添加し、前記触媒担持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５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４５０μｍのアノード触媒層３を有するアノード極を作製した。

＜カソード極の作製＞
カソード用触媒（Ｐｔ）担持カーボンブラックにパーフルオロカーボンスルホン酸溶液と水及びメトキシプロパノールを加え、前記触媒担持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４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４００μｍのカソード触媒層２を有するカソード極を作製した。

アノード触媒層３とカソード触媒層２の間に、プロトン伝導性電解質膜として厚さが３０μｍで、含水率が１０〜２０質量％のパーフルオロカーボンスルホン酸膜（ｎａｆｉｏｎ膜、デュポン社製）を配置し、これらにホットプレスを施すことにより、図４に示すような膜電極接合体（ＭＥＡ）１を得た。

一方、図２に示すように、可撓性絶縁性フィルム１６としてポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルムを用意し、カソード用およびアノード用の導電層を平面上で隣接するように展開した形状に切り出した。次に、図３に示すように、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）１に形成したカソード触媒層２およびアノード触媒層３の形状に対応する所定パターン形状を有し、金箔から成るカソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを平面的に展開した導電層パターンを用意し、この導電層パターンを可撓性絶縁性フィルム１６上に接着剤にて貼り付けることで一体化して固定した。なお、一体化したカソード導電層７ａおよび絶縁性フィルム１６には、内部に酸化剤としての空気を導入するための複数の空気流通口１８を穿設した。

次に図４に示すように、カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを貼り付けることで一体化して固定した１枚の絶縁性フィルム１６を中心部で折り曲げて二つ折りにし、二つ折りにされて形成された内部空間に上記膜電極接合体１が収容して、発電部２０を構成した。このとき対向するカソード導電層７ａとカソード触媒層２およびアノード導電層７ｂとアノード触媒層３の各パターンの相対位置は、図５に示すように絶縁性フィルム１６の折り曲げ位置によって一義的に規定されるため、組み合わせの位地決め精度が高い。

次に図６に示すように、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）から成り、発電部２０に供給する空気を取り入れる複数の空気導入口１４を穿設した外部ケース１５を用意した。ここで、外部ケース１５に穿設した空気導入口１４の中心軸Ｃ１が、発電部２０形成した空気流通口１８の中心軸Ｃ２と一致するように構成した。そして、発電部２０の上部に外部ケース１５を一体的に固定する一方、下部に燃料タンク９を装着した。さらに、燃料注入口１７から燃料タンク９に、純度が９９．９質量％の純メタノールを２ｍＬ注入することにより、図１に示す構造を有する内部気化型の実施例に係る直接メタノール型燃料電池を組み立てた。

（比較例）
一方、実施例のようにカソード導電層およびアノード導電層を１枚の絶縁性フィルム上に貼り付けて形成することなく、カソード導電層およびアノード導電層を個別に形成し、それぞれカソード触媒層およびアノード触媒層に順次積層して発電部を形成した点以外は実施例と同様な手順で同一寸法を有する比較例に係る直接メタノール型燃料電池を組み立てた。

実施例に係る燃料電池によれば、カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂが１枚の絶縁性フィルム１６上に貼り付けられた状態で形成されているため、カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを個別に形成する場合と比較して導電層の形成工程を大幅に簡略化させることができた。

さらに、カソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを一体化した１枚の絶縁性フィルム１６が二つ折りにされており、この二つ折りにされた内部空間に膜電極接合体１が収容される構造であるため、膜電極接合体１のカソード触媒層２およびアノード触媒層３に高い位置精度で対向するようにカソード導電層７ａおよびアノード導電層７ｂを配置することが可能になり、また位置決めが容易になり導電層７ａ、７ｂの位置ずれによる短絡などによる電池の不良率をほぼゼロに低減することができた。

これに対して、カソード導電層およびアノード導電層を個別に形成し、それぞれカソード触媒層およびアノード触媒層に順次積層して発電部を形成した比較例に係る燃料電池においては、導電層（電極）がよれて位置決め精度が低下し易く、集電体の位地ずれによる短絡等の不良率が４〜６％にも達すると共に、位置合わせに要する作業時間が実施例と比較して６５％まで上昇した。

したがって、本実施例によれば、二つ折りにされた内部空間に膜電極接合体が収容される構造であるため、膜電極接合体のカソード触媒層およびアノード触媒層に高い位置精度で対向するようにカソード導電層およびアノード導電層を配置することが可能になり、また位置決めが容易になり導電層の位置ずれによる短絡などによる電池の不良率を低減する等の顕著な効果が発揮された。

Claims

カソード触媒層とアノード触媒層との間にプロトン伝導性膜を配置した膜電極接合体と、上記膜電極接合体のカソード触媒層側に配置したカソード導電層と、上記カソード触媒層に空気を供給する空気導入口を有する外部ケースと、上記膜電極接合体のアノード触媒層側に配置したアノード導電層と、上記アノード触媒層に供給する液体燃料を貯留する液体燃料タンクとを具備する燃料電池であって、上記カソード導電層およびアノード導電層は１枚の絶縁性フィルム上に一体化された状態で二つ折りにされており、二つ折りにされた内部空間に上記膜電極接合体が収容されており、上記カソード触媒層において生成した水の蒸散を防止する保湿板が上記カソード導電層と外部ケースとの間に積層されていることを特徴とする燃料電池。
前記カソード導電層およびアノード導電層は、カソード触媒層およびアノード触媒層の形状に対応して複数の導電パターンから成ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記絶縁性フィルムおよびカソード導電層には、空気をカソード触媒層に供給する空気流通口が穿設されており、この空気流通口の中心軸が、外部ケースに形成された空気導入口の中心軸と略一致するように構成したことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。