(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極と、この燃料極に積層して形成された液体燃料保持部と、この液体燃料保持部に接続された導入管と、この導入管の側壁に設けられ炭酸ガスおよび液体燃料を分離し前記燃料極から生成される炭酸ガスを選択的に前記導入管外に排出する分離膜とを有し、
前記液体燃料保持部は、液体燃料を保持しつつ、前記燃料極において生成される前記炭酸ガスを、前記液体燃料保持部から前記導入管を経て前記分離膜から放出させることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記分離膜は、細孔径０．０５μｍ以上４．００以下、気孔率６０％以上９５％以下の多孔質体であることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記分離膜は、フッ素樹脂を含有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池に関するものであり、特に小型の携帯用の燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、単独の発電装置としては効率が良いことから注目されている。燃料電池は燃料と酸化剤を供給することで発電でき、酸化剤として空気を用いれば燃料を交換することで連続して発電できるという利点を有している。
【０００３】
燃料電池は、燃料としてガスを利用するものと、液体を利用するものとに大別できるが、ガスを使用する場合、発電に要するガスの体積は大きく、小型機器用の燃料電池としては適さない。
【０００４】
このため小型機器用の発電装置として液体燃料を用いた燃料電池が注目されている。
【０００５】
液体燃料を用いる燃料電池として、例えば燃料にメタノールに代表されるアルコール等を使用した液体燃料電池がある。例えばメタノールを使用したメタノール燃料電池においては、下記に示す反応により発電を行うため、アノード（燃料極）側ではＣＯ２が発生する。
【０００６】
燃料極：  ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
酸化剤極：  ３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ
電池反応：ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２  →  ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ
燃料極に接触した燃料は、二酸化炭素とプロトンとに分離され、プロトンは電解質膜を経て酸化剤極側に伝達される。酸化剤極側に取り込まれた空気中の酸素ガスが、前記プロトンと反応して水蒸気となる。このときに、電子が外部負荷を通って燃料極から酸化剤極に移動し電力として取出される。
【０００７】
メタノール燃料電池においては、通常、メタノール及び水からなる液体燃料を改質器などを用いて蒸気化あるいは水素化し、蒸気の状態でアノードに供給している。さらにこの系においては、燃料の濃度を一定にするために蒸気化した液体燃料を循環させるための循環装置が必要である。このように改質型の燃料電池においては、改質器や、循環装置などを必要とするために装置の大型化を招いていた。
【０００８】
一方、カソードに対して酸化剤ガスを供給すると共に、液体燃料を蒸気化せずに直接アノードに供給することで電池反応を発生させることも可能であるが、このような燃料電池においては、燃料を循環させる必要性がない反面、電池反応で発生するＣＯ２ガスは、電池セル内からの放出が為されないために、セル内の圧力が高まり、液体燃料の液漏れや、電池性能の低下などの問題が生じるが、これまで、反応生成物として生成されるガスの処理について十分に考慮されていなかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述したように、従来の液体燃料を用いる燃料電池においては、反応生成物として生成されるガスの処理が十分に考えられていなかった。本発明は、液体燃料を用いる燃料電池であって、燃料を循環させない方式の燃料電池にも使用し得る燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向配置された燃料極および酸化剤極と、この燃料極に積層して形成された液体燃料保持部と、この液体燃料保持部に接続された導入管と、この導入管の側壁に設けられ炭酸ガスおよび液体燃料を分離し前記燃料極から生成される炭酸ガスを選択的に前記導入管外に排出する分離膜とを有し、前記液体燃料保持部は、液体燃料を保持しつつ、前記燃料極において生成される前記炭酸ガスを、前記液体燃料保持部から前記導入管を経て前記分離膜から放出させることを特徴とする燃料電池である。
【００１１】
このように、導入管に分離膜を形成することで、電池反応で生成する炭酸ガスを導入管外に放出できるために、導入管の内圧の上昇を抑止し、導入管からの液体燃料の漏出を防ぐことが可能となる。
【００１２】
また、前記分離膜は、細孔径０．０５μｍ以上４．００以下、気孔率６０％以上９５％以下の多孔質体を使用することが好ましい。
【００１３】
また、前記分離膜は、フッ素樹脂を含有することが好ましい。
【００１４】
すなわち、フッ素樹脂層を表面に有する分離膜、あるいはフッ素樹脂で処理した原料を成型した分離膜を用いれば、液体燃料に対する分離膜の濡れ性が悪くなるために、液体燃料の漏出をより確実に防止することが可能となる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明においては、燃料極において反応生成されるＣＯ２などのガスを、燃料電池外部に放出させるために、液体燃料保持部の一部に気体分離膜を配し、液体燃料保持部内の液体燃料を保持しつつ、液体燃料保持部内の気体のみを外部に放出させることを可能にしたものである。
【００１６】
以下、本発明の液体燃料電池の一例を図面を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の燃料電池の一例を示す概略断面図である。
【００１８】
同図において、電解質板１は燃料極（アノード）２と酸化剤極（カソード）３とにより挟持されており、これら電解質板１、燃料極２および酸化剤極３によって起電部４が構成されている。ここで、燃料極２は燃料を、酸化剤極３は酸化剤ガスを流通させると共に電子を通すように、導電性の多孔質体で形成されている。この起電部４は複数個重ねられて燃料容器５内に収容されている。
【００１９】
各起電部４の燃料極２には液体燃料が、酸化剤極３には酸化剤ガスが供給される。前記液体燃料としてはアルコール類や、アルコール類と水との混合液が、前記酸化剤ガスとしては酸素ガスや、空気などが通常用いられる。
【００２０】
前記液体燃料は、燃料極２に隣接された燃料容器５の壁部５ａ又は各起電部４間を分離する起電部４の隔壁４ａとの間に形成される。液体燃料が通過できる程度の細孔を有する多孔質体で形成された液体燃料保持部７に保持されるとともに、燃料極２と接触している。また液体燃料保持部７は導入管９と接続されており、導入管９から液体燃料保持部７へ液体燃料が毛管力で供給される。また、液体燃料保持部７と燃料極２との間に空間を設け、液体燃料を気化させた状態で燃料極に供給することもできる。なお、本発明に係る燃料容器５は、導入管９、液体燃料保持部７および気化部の隔壁から構成されている。
【００２１】
また、酸化剤極３に供給される酸化剤は、通常酸素や空気などが使用され、これらの酸化剤ガスは、酸化剤極に隣接して設けられたセパレータ６の酸化剤ガス供給溝８から供給される。
【００２２】
図１においては、酸化剤ガス供給溝８はセパレータ６に切削加工を施すことで成形されている。この構成の場合には、セパレータ６を液体燃料保持部７を構成する隔壁４ａとして使用することも可能である。
【００２３】
本発明においては、燃料容器５の導入管９の一部に炭酸ガスと液体燃料を分離する機能を有する分離膜１０が配置される。この分離膜１０は、その一部が燃料容器内の燃料と接し、かつ、他の一部が燃料電池外に露出している位置であれば、特にその配置場所は限定されない。すなわち、前述した導入管９、液体燃料保持部７あるいは気化部の隔壁のいずれに配置してもよい。
【００２４】
例えば、導入管９の側壁に設ければ、大面積の分離膜を形成することができる。また、液体燃料保持部７の奥の端部などは、生成ガスが溜まりやすいため、液体燃料保持部７の端部に分離膜１０を形成することが望ましい。また、液体燃料保持部７を形成する隔壁５や、燃料極２と隔壁４ａを封止するシール部材４ｂに分離膜１０を用いることも可能である。
【００２５】
本発明に係る分離膜は、前述のように炭酸ガスと液体燃料とを分離できるものであれば特に制限されずに使用することができる。例えば、多孔質体を用いることができ、メタノール電池の場合においては、二酸化炭素の分子径よりも大きく、メタノールの分子径よりも小さな細孔径の多孔質体を用いることが好ましく、具体的には０．０５μｍ〜４．００μｍ程度の細孔径の多孔質体を用いることが好ましい。
【００２６】
さらに、前記多孔質体としては、気孔率が６０％以上、９５％以下の範囲とすることが望ましい。気孔率が６０％未満であると、分離膜中を通過できるガスの量が不十分になる可能性があり、９５％以下にすると機械的な強度が十分でなくなる恐れや、細孔径の分布のバラツキなどにより液体燃料を漏出する恐れがある。
【００２７】
また、多孔質体の表面を液体燃料に対して濡れ性の低い撥水材料で表面処理を施したり、多孔質体を形成する原料粉として液体燃料との濡れ性の低い撥水材料を使用することが好ましい。このようにすることで、多孔質体の細孔径が多少大きくなっても、多孔質体を浸透して液体燃料を燃料容器の外側へ漏出することはなく、液体燃料と電池反応で生成されるガスとの分離を安定して行うことができる。
【００２８】
具体的には、多孔質体の表面に、液体燃料に対して濡れ性の悪い、フッ素樹脂などを含有する材料で被膜を形成したり、フッ素樹脂を含有する撥水材料で被覆した原料粉を用いて多孔質体を成形すればよい。
【００２９】
液体燃料に対して濡れ性の悪い材料で被覆した場合においては、樹脂製の多孔質体を分離膜として使用できるが、撥水処理を施さない場合には、樹脂製の分離膜はメタノールなどの液体燃料で膨潤する恐れがある。そのため、このような場合には分離膜として無機系の材料を使用することが望ましい。例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＣ、ＺｒＯ２などのが使用できる。
【００３０】
また、分離膜の形状は、電池反応で生成されるガスを外部に排出できる構成であれば特に限定されない。例えば、図１に示すセパレータ６を電池反応で生成するガスを透過できる多孔質体にすることで、酸化剤ガス供給溝８を介して電池外部に排出することも可能である。
【００３１】
このように、炭酸ガスと液体燃料を分離できる分離膜を燃料容器に設けたことで、反応により発生するガスを選択的に透過排出させ液体燃料の漏洩を防ぐことにより電池性能・寿命の低下を防止することができる。これは、撥水性を有する多孔質材料で構成されている分離膜の微細な孔がガスは通し、接触角の大きい水などの液体をはじくことにより防水と通気性を同時に発揮することにより可能となる。
【００３２】
このような構成にすることで、燃料容器内に発生する炭酸ガスに起因する、燃料容器の内圧上昇を抑制することが可能になる。
【００３３】
【実施例】
実施例１
図２は、本実施例で用いた燃料電池の断面図である。
【００３４】
以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明する。
【００３５】
図中、電解質膜は燃料極および酸化剤極とからなる起電部２４が、液体燃料保持部２７を有する液体燃料セパレータ２５および酸化剤ガス供給溝２８を有する酸化剤ガスセパレータ２６とによって挟持された構造となっている。
【００３６】
また、液体燃料保持部２７の端部に位置する液体燃料セパレータの一部に分離膜からなるシール部材２９を配置することで、液体燃料が液体燃料保持部２７から漏出するのを防ぐと共に、発生するガスをシール部材２９から放出する構成にしてある。
【００３７】
本実施例においては、電解質膜としてナフィオン１１７（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を用いた。燃料極は、テフロン処理したカーボン層を塗布したカーボンクロス表面に膜厚５０μｍの触媒層（Ｐｔ／Ｒｕ＝１／１、４．０ｍｇ／ｃｍ２：Ｅ−ＴＥＫ製、商品名ＥＬＡＴ）を有する多孔質体を用いた。酸化剤極としては、テフロン処理したカーボン層を塗布したカーボンクロス表面に膜厚５０μｍの触媒層（Ｐｔ  Ｂｌａｃｋ、４．０ｍｇ／ｃｍ２）を有する多孔質体を用いた。
【００３８】
酸化剤ガスセパレータ２６および、燃料容器となる液体燃料セパレータ２５は、厚さが４ｍｍのカーボン製の板を用い、それぞれの電極と接する面に幅１ｍｍ深さ１ｍｍの溝を設け、液体燃料保持部２７および酸化剤ガス供給溝２８を加工してある。
【００３９】
シール部材２９ａは、本発明に係る分離膜として、厚さ７０μｍ、細孔径０．１μｍ、気孔率６８％のポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）からなる多孔質体を準備した。
【００４０】
さらに、この燃料電池の積層方向に２ｋｇｆ／ｃｍ２の圧力で加圧してこれらを固定した。
【００４１】
液体燃料セパレータ２５の溝である液体燃料保持部２７には一端が閉塞され、他端から液体燃料としてメタノールと水とからなる混合溶液をその利用率が６０％になるように供給した。また、酸化剤ガスセパレータ２６の溝である酸化剤ガス供給溝２８に、送風器を取りつけ酸化剤ガスとしての空気をその利用率が２０％となるように供給した。このようにして、この燃料電池を運転温度５５℃で起動させた。
【００４２】
この電池を４００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で出力させた時の特性の径時変化を図３の実線に示す。
【００４３】
図３に示すとおり、本実施例の燃料電池においては、長時間にわたり高電圧を維持することが可能であった。
【００４４】
また、実験後に液体燃料保持部内を確認したが、炭酸ガスは確認できず、分離膜２９を介して排出されたものと考えられる。
【００４５】
また、シール部材からの液体燃料の漏出もみられなかった。
【００４６】
比較例
シール部材２９として、多孔質体を用いなかったことを除き、実施例１と同様の燃料電池を作製し、実施例１と同じ条件でこの燃料電池を駆動させた。
【００４７】
その結果を図３に併記する。
【００４８】
図示するように、比較例の電池では、運転開始後１６０分で出力が大きく低下しはじめ、約７０分後には運転不能になった。
【００４９】
また、運転途中からシール部材からメタノールおよび水からなる混合溶液と、炭酸ガスが漏出されていた。
【００５０】
これは、電池反応で生成された炭酸ガスが燃料容器内に蓄積され、燃料容器の内圧が高まったためにシール部から混合溶液と炭酸ガスが漏出したものと思われる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、起電部に燃料を供給する導入管に液体とガスとを分離する膜を形成することで、燃料極で発生した炭酸ガスを導入管外へ排出することが可能なために、燃料を再循環する必要がなく、また液体燃料の漏出を防ぐことが可能となり、ひいては燃料電池の性能や寿命の低下を防止することが可能となる。したがって、長期間にわたって高性能を維持できる燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の断面図である。
【図２】実施例に用いた燃料電池の断面図である。
【図３】実施例および比較例で用いた燃料電池の特性を示す図である。
【符号の説明】
１・・・電解質板
２・・・燃料極
３・・・酸化剤極
４、２４・・・起電部
６・・・セパレータ
７、２７・・・液体燃料保持部
８、２８・・・酸化剤ガス供給溝
９・・・導入管
１０・・・分離膜
２９シール部材
【図１】
0003623409.tif 000002
【図２】
0003623409.tif 000003
【図３】
0003623409.tif 000004