(57)【要約】      （修正有）【課題】直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）の燃料極で発生する二酸化炭素を効率よく系外に排出して、燃料電池の発電効率を維持し、長期にわたり安全・安定運転を行う。【解決手段】５０℃での二酸化炭素の透過量が１０，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以上でありメタノールの透過量が２５，０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下である気液分離膜１２、あるいは超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体からなる気液分離膜を用いて、燃料極で発生する二酸化炭素を系外に排出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
差圧法ガス透過試験により測定した５０℃における二酸化炭素の透過量が１０，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以上であり、カップ法により測定した５０℃におけるメタノールの透過度が２５，０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下である、燃料電池用気液分離膜。
【請求項２】
超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体からなる、請求項１に記載の燃料電池用気液分離膜。
【請求項３】
超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体からなる、燃料電池用気液分離膜。
【請求項４】
厚みが、１μｍ〜１００μｍである、請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池用気液分離膜。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の気液分離膜を備えた、燃料電池。
【請求項６】
上記燃料電池において、上記気液分離膜よりも外側に有孔支持体を積層した、請求項５記載の燃料電池。
【請求項７】
メタノールを燃料に用いる、請求項５または６に記載の燃料電池。  
【請求項８】
請求項５から７のいずれか１項に記載の燃料電池を使用する、携帯用電子機器
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池の分野に好適に使用される気液分離膜に関する。特に燃料電池システムが小型化でき低温で運転が可能な高分子電解質型燃料電池の中でも、メタノール等の有機液体の水溶液を燃料として直接供給する燃料電池に好適に用いられる気液分離膜に関する。さらに本発明は、そのような気液分離膜を用いた液体燃料直接供給型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、発電効率やエネルギー密度が高く、環境負荷が小さい等の特徴から、近年活発に開発が行われている。自動車用あるいは家庭用コージェネレーション用途として高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）が注目されているが、ノートパソコンやデジタルカメラ等の携帯電子機器向けとしては燃料の水素の貯蔵・供給に問題がある。そこで携帯電子機器用途としては、高分子電解質型燃料電池の中でも、液体燃料を供給し燃料極の触媒で液体燃料から直接水素を生成する液体燃料直接供給型の燃料電池が有力視されている。
この型の燃料電池の燃料としては、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の水溶液が検討されているが、理論エネルギー密度の高さからメタノールが本命視されており、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）と呼ばれている。
以下ではメタノール水溶液を燃料とするＤＭＦＣを代表例として説明するが、本発明で開発した燃料電池用気液分離膜は、エタノールやジメチルエーテル等の他の液体燃料にも好適に用いることが出来ることは言うまでもない。
【０００３】
ＤＭＦＣは、メタノール水溶液（ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ）と酸素（Ｏ２）の化学反応により発電する。燃料となるメタノール水溶液はアノード（燃料極）の触媒で水素イオン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）と二酸化炭素（ＣＯ２）に分解される。
このとき発生したｅ−が外部電極から取り出されることで発電し、Ｈ＋は高分子電解質膜を通りカソード（空気極）へ到達し、空気極の触媒によりＯ２が解離したＯ−と反応してＨ２Ｏとなり、空気極から排出される。
最小構成単位である単セルは、デュポン社製の商品名“ナフィオン”に代表される高分子電解質膜を燃料極と空気極の両電極で挟んだ構造になっている。両電極はそれぞれメタノール水溶液および酸素が拡散するように多孔質構造となっており、触媒層を介して高分子電解質膜と接している。
【０００４】
ＤＭＦＣでは燃料極のＰｔ／Ｒｕ触媒により、ＣＨ３ＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  →  ６Ｈ＋  ＋  ＣＯ２  ＋  ６ｅ−  の電極反応が進行する。Ｐｔ表面に吸着したＣＨ３ＯＨが順次Ｈ＋とｅ−を放出しながらアルデヒドを経由してＣＯとなり、ＲｕにＨ２Ｏが解離吸着して生じたＯＨ−基がＰｔ上に吸着したＣＯをＣＯ２に酸化する。
ＣＯ２が脱離した触媒表面に新たにＣＨ３ＯＨが供給されることで反応が継続するが、燃料極近傍のＣＯ２濃度が高くなると脱離速度が低下し、Ｈ＋の生成反応も遅くなるので、ＤＭＦＣの発電効率を維持するにはＣＯ２の除去が重要である。
【０００５】
ＣＯ２の蓄積が進行していない段階では、生成したＣＯ２は燃料のメタノール水溶液中に溶解しているが、飽和溶解度に達すると燃料液体中に気泡として発生する。なお飽和溶解度はメタノールの濃度、温度、圧力に依存する。
燃料液体中に気泡が発生すると、例えば燃料液体の濃度センサや液面センサ等に付着してこれらの計測値を狂わせ、燃料電池の運転条件が最適値から外れ発電効率が低下するという問題がある。
携帯機器向けの小型のＤＭＦＣでは、燃料液体の流路は狭いため発生した気泡により燃料の供給が阻害され発電が停止することも生じる。
また燃料電池が密閉系であると、最悪の場合内圧が上昇して燃料電池自体が破壊される恐れがある。破壊に至らないまでも接合部が剥離して燃料が漏洩する恐れがあり、漏洩した燃料が燃料電池を搭載している携帯電子機器に悪影響を与える恐れもある。
【０００６】
上記のようにＤＭＦＣを安定・安全に運転するためには、燃料極から発生する二酸化炭素を適切に除去してやる必要がある。この様な要求に対応するため、アノードが外気に触れる箇所を、液体は遮断し気体は透過させる気液分離膜でシールすることが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３１７７７３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来提案されていた気液分離膜は、ポリエチレンテレフタレートやポリテトラフルオロエチレン等の耐薬品性および撥水性に優れた合成樹脂材料を用いた多孔質膜に、更に表面に撥水処理を加えたもの等であった。しかし、これらの素材は、いずれも、燃料電池用気液分離膜として必ずしも適当なものではなく、ガスを十分に排出できない場合や、長時間の使用の際に、液体漏れやガスの蓄積等の現象を生ずる場合があった。そこで、十分な液体の遮断性と、十分な気体の透過性とを兼ね備えた、燃料電池用気液分離膜の実現が強く望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者らは、鋭意検討の結果、特定の物性を具備したフィルムが、上記の課題を解決し燃料電池用気液分離膜として好適であることを見出し、本発明の第１の形態に至った。また、本発明者らは、特定の材料系からなるフィルムが、上記の課題を解決し燃料電池用気液分離膜として好適であることを見出し、本発明の第２の形態に至った。本発明者らは、さらに、本発明の気液分離膜の好適な態様、および、本発明の気液分離膜を用いた燃料電池の好適な態様を見出し、これらを本発明の好ましい実施態様として提案するものである。
【０００９】
即ち、本発明の第１の形態は、
［１］  差圧法ガス透過試験により測定した５０℃における二酸化炭素の透過量が１０，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以上であり、カップ法により測定した５０℃におけるメタノールの透過度が２５，０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下である、燃料電池用気液分離膜に関する。
【００１０】
また、下記［２］は、本発明の好ましい実施態様の１つである。
［２］  超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体からなる、上記［１］に記載の燃料電池用気液分離膜。ここで、「からなる」とは、当該気液分離膜の全部が超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体で構成されている場合、および当該気液分離膜の一部が超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体で構成されている場合、の双方を含む趣旨である。
【００１１】
また、本発明の第２の形態は、
［３］  超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体からなる、燃料電池用気液分離膜に関する。ここで、「からなる」とは、当該気液分離膜の全部が超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体で構成されている場合、および当該気液分離膜の一部が超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体で構成されている場合、の双方を含む趣旨である。
【００１２】
また、下記［４］から［８］は、それぞれ本発明の好ましい実施態様の１つである。
［４］  厚みが、１μｍ〜１００μｍである、上記［１］または［３］のいずれか１項に記載の燃料電池用気液分離膜。
［５］  上記［１］から［４］のいずれか１項に記載の気液分離膜を備えた、燃料電池。
［６］  上記燃料電池において、上記燃料電池用気液分離膜よりも外側に有孔支持体を燃料電池外側に積層した、上記［５］に記載の燃料電池。
［７］  メタノールを燃料に用いる、上記［５］または［６］に記載の燃料電池。
［８］  上記［５］から［７］のいずれか１項に記載の燃料電池を内蔵または使用する、携帯用電子機器。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、燃料電池用気液分離膜の分野において、十分な液体の遮断性と、十分な気体の透過性とを兼ね備えた、燃料電池用気液分離膜が提供される。
本発明を応用することで、優れた性能を有する燃料電池および携帯用電子機器を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を詳細に説明するが、まず、本発明の第１の形態である燃料電池用気液分離膜について説明する。
本発明の第１の形態である燃料電池用気液分離膜は、ＪＩＳ  Ｋ７１２６のＡ法として規定されている差圧法ガス透過試験に準じて測定した５０℃における二酸化炭素の透過量が１０，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以上であり、かつ、カップ法により測定した５０℃におけるメタノールの透過度が２５，０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下である。
二酸化炭素の透過量は、５０℃における、単位圧力、単位時間、単位面積あたりの二酸化炭素の透過量として定義される。具体的には、二酸化炭素の透過量は、差圧法ガス透過試験機（東洋精機製ＭＴＣ−３型）を使用し、試験温度５０℃、試験湿度０％ＲＨ、測定面積３８．４６ｃｍ２の条件で、透過度が高いため、マニュアル測定により測定される。
【００１５】
二酸化炭素の透過量が１０，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以上であると、例えば燃料電池の燃料極側のシール材に本発明の気液分離膜を使用した際に、燃料極で発生する二酸化炭素等の気体を燃料容器外に有効に排出して電池内圧の上昇を防止をすることが可能になり、燃料電池を長期間運転した際に電池性能を維持でき、また燃料等の液体の漏出を防止することができるので好ましい。
【００１６】
本発明の気液分離膜の二酸化炭素透過量は、好ましくは１０，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以上、さらに好ましくは１５，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以上である。本発明の主たる目的を達成する観点からは、本発明の気液分離膜の二酸化炭素の透過量は高いほど好ましく、特に上限は存在しないが、燃料、酸化剤、各極等の汚染等を避ける観点からは、１，０００，０００，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以下、望ましくは１００，０００，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以下であることが好ましい。
【００１７】
メタノールの透過度は、５０℃における、単位時間、単位面積あたりのメタノールの透過量として定義される。具体的には、メタノールの透過度は、カップ法により測定される。より具体的には、ステンレス製の直径３０ｍｍ（透過面積＝０．０００７０７ｍ２）のカップに２０ｍｌのメタノールを入れポリテトラフルオロエチレン製パッキンを介して直径４０ｍｍ以上の気液分離膜試料を置き、ステンレス製のリング状のフランジで挟さみネジで固定する。このカップを倒置して気液分離膜試料に接液した状態で５０℃の高温槽に入れ、一定時間毎に取り出して重量を測定しメタノールの透過量を算出する。フランジからネジの頭部が突出しているので倒置した際、気液分離膜試料と高温槽との間にネジの頭部の高さだけ空隙が生じ、当該空隙から透過したメタノールは散逸する。
【００１８】
メタノールの透過度が２５，０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下であると、例えば、燃料電池からの燃料等の漏出を有効に防止することが可能になり、安定した運転が可能になり、また、周囲の機器等への悪影響も防止できるので、好ましい。
本発明の気液分離膜のメタノール透過度は、好ましくは１０，０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下、さらに好ましくは５，０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下である。本発明の主たる目的を達成する観点からは、本発明の気液分離膜のメタノール透過度は低いほど好ましい。
【００１９】
本発明の第１の形態である燃料電池用気液分離膜は、二酸化炭素の透過量およびメタノールの透過度が上記範囲内にあれば良く、特に材質に制限はないが、超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体からなることが好ましい。
【００２０】
次に、本発明の第２の形態である燃料電池用気液分離膜について説明する。
本発明の第２の形態である燃料電池用気液分離膜は、超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体からなる。ここで、「からなる」とは、当該気液分離膜の全部が超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体で構成されている場合、および当該気液分離膜の一部が超高分子量ポリオレフィン、および／または４−メチル−１−ペンテン（共）重合体で構成されている場合、の双方を含む趣旨である。
本発明の第１の形態である燃料電池用気液分離膜において好ましく使用され、また、本発明の第２の形態である燃料電池用気液分離膜において２つの選択肢のうちの１つとして使用される超高分子量ポリオレフィン （Ａ）は、炭素数２〜１２のα-オレフィンの単独重合体または共重合体であって、デカリン溶媒中１３５℃で測定した極限粘度［η］が４．０ｄ１／ｇ以上であるものをいう。超高分子量ポリオレフィンの極限粘度［η］は、好ましくは５．０ｄ１／ｇ以上、更に好ましくは６．０ｄ１／ｇ以上である。
【００２１】
デカリン溶媒中１３５℃での極限粘度［η］が４．０ｄ１／ｇ以上であると、十分な引張強度、衝撃強度、耐磨耗性等の機械的強度を有し好ましい。極限粘度［η］の上限は特に限定はされないが、１５．０ｄ１／ｇ以下であれば、インフレーション成形等で薄膜成形が可能な範囲にあり、気液分離膜に成型し易く好ましい。
デカリン溶媒中１３５℃での極限粘度［η］は、具体的には、ＡＳＴＭ  Ｄ４０２０に従い測定される。
【００２２】
本発明の燃料電池用気液分離膜に超高分子量ポリオレフィンを用いると、気液分離膜が、十分なガス透過性と強度とを両立させることができ、好ましい。
本発明で用いることのできる超高分子量ポリオレフィンは、炭素数２〜１２のα-オレフィンの単独重合体または共重合体である。このようなα-オレフィンとしては、具体的に、エチレン、プロピレン、1−ペンテン、1−ヘキセン、1−オクテン、1−デセン、1−ドデセン、4−メチル−1−ペンテン、3−メチル−1−ペンテンなどが挙げられる。これらのうち、エチレンの単独重合体またはエチレンを主成分としてなるエチレンと他のα-オレフィンとの共重合体が特に好ましい。なお、本発明で用いることのできる超高分子量ポリオレフィンは、本発明の目的を損なわない範囲で、上記の各種αオレフィン以外のモノマーをも共重合したものであっても良い。本発明で用いることのできる超高分子量ポリオレフィンは、従来公知の方法で適宜製造することが可能であり、製法に特に制限はないが、例えば、特開平０６−２３４８１１号公報に記載の方法で製造することができる。
【００２３】
本発明の燃料電池用気液分離膜においては、超高分子量ポリオレフィンは、１種類を単独で使用しても良いし、２種類以上を組み合わせて使用しても良い。また、より低分子量の同種または異種のモノマーから得られたポリオレフィンと組み合わせて、ブレンドなどの形で使用することも可能である。さらに、本発明の燃料電池用気液分離膜に超高分子量ポリオレフィンを用いるにあたっては、本発明の目的を損なわない範囲で、可塑剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、安定剤、充填剤、顔料、染料、帯電防止剤、抗菌剤、防黴剤、難燃剤、及び分散剤等から選ばれる１種類または２種類以上の添加剤を添加することができる。
【００２４】
超高分子量ポリオレフィンを用いて、本発明の燃料電池用気液分離膜を製造する方法には特に制限はなく、本発明の目的を損なわない範囲で従来公知のフィルム製造方法を適宜採用することができる。例えば、特公平４−１６３３０号公報、特公平６−５５４３３号公報または、特開平９−１８３１５６号公報に記載の方法を適宜採用することができる。
【００２５】
本発明の第１の形態である燃料電池用気液分離膜において好ましく使用され、また、本発明の第２の形態である燃料電池用気液分離膜において２つの選択肢のうちの１つとして使用される４−メチル−１−ペンテン（共）重合体としては、４−メチル−１ −ペンテンの単独重合体、もしくは４−メチル−１ −ペンテンと他のα−オレフィンとの共重合体が用いられる。共重合体を用いる場合、共重合成分である他のα−オレフィンとしては、エチレン、プロピレン、１−ブテン、１−ヘキセン、１−オクテン、１−デセン、１−ドデセン、１−テトラデセン、１−ヘキサデセン、１−オクタデセン、１−エイコセン等の炭素数が２乃至２０のα−オレフィンを例示できる。好ましい共重合成分は、１−ドデセン、１−テトラデセン、１−ヘキサデセン、１−オクタデセン或いは１−エイコセンである。該共重合体として、上記αーオレフィンを２種以上組み合わせて共重合させた３元系以上の共重合体を用いても良い。特に、４−メチル−１ −ペンテンを８０重量％以上の量で含有する４−メチル−１ −ペンテンを主体とした共重合体の使用が好ましい。共重合成分（他のα−オレフィン）の含有量が２０重量％を越えると４−メチル−１ −ペンテン（共）重合体の融点が低下し、耐熱性が低下する傾向を有するので、本発明の目的との関係で共重合成分の含有量を適宜調整することが望ましい。
【００２６】
４−メチル−１−ペンテン（共）重合体は、気体の透過性が比較的高いため、膜を多孔質にしなくとも、あるいは膜厚を極端に薄くしなくとも、本発明において求められる二酸化炭素透過性を確保することができる。このため、多孔質に起因する液体の漏出や、極端に薄い膜厚に起因する機械的強度の低下を避けながら、十分な二酸化炭素透過性を具備することが出来るので、本発明の気液分離膜の素材として好適である。
【００２７】
本発明の気液分離膜に用いることができる４−メチル−１ −ペンテン（共）重合体は、ＡＳＴＭ Ｄ１２３８に準じて荷重５．０ｋｇ，温度２６０℃の条件で測定したメルトフローレート（ＭＦＲ）が５〜５０ｇ／１０分範囲にあることが好ましい。特に、７〜３０ｇ／１０分の範囲にあることが好ましい。ＭＦＲが上記範囲にあることにより、フィルム成形が実施しやすいため、好ましい。
【００２８】
本発明の燃料電池用気液分離膜においては、４−メチル−１−ペンテン（共）重合体は、１種類を単独で使用しても良いし、２種類以上を組み合わせて使用しても良い。また、４−メチル−１−ペンテン（共）重合体以外のポリオレフィンと組み合わせて、ブレンドなどの形で使用することも可能である。さらに、本発明の燃料電池用気液分離膜に４−メチル−１−ペンテン（共）重合体を用いるにあたっては、本発明の目的を損なわない範囲で、他の樹脂、および／または、可塑剤、酸化防止剤、紫外線吸収剤、安定剤、充填剤、顔料、染料、帯電防止剤、抗菌剤、防黴剤、難燃剤、及び分散剤等から選ばれる１種類または２種類以上の添加剤を添加することができる。
【００２９】
４−メチル−１−ペンテン（共）重合体を用いて、本発明の燃料電池用気液分離膜を製造する方法には特に制限はなく、本発明の目的を損なわない範囲で従来公知のフィルム製造方法を適宜採用することができる。例えば、特開平１０−８１７１０号公報、または、特開２００１−６２８９６号公報に記載の方法を適宜採用することができる。
【００３０】
本発明の燃料電池用気液分離膜は、厚みが、１μｍ〜１００μｍであることが好ましい。さらに好ましい厚みは３μｍ〜８０μｍ、特に好ましくは５μｍ〜 ５０μｍである。膜厚が上記範囲にあると、燃料電池の薄型化や、気体分離性能と耐破膜のバランス等の観点で好ましい。
【００３１】
次に、本発明の好ましい実施形態である燃料電池について、説明する。
本発明の好ましい実施形態である燃料電池（以後、「好ましい燃料電池」という。）は、差圧法ガス透過試験により測定した５０℃における二酸化炭素の透過量が１０，０００ｃｍ３／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ以上であり、カップ法により測定した５０℃におけるメタノールの透過度が２５，０００ｇ／ｍ２・２４ｈｒ以下である、燃料電池用気液分離膜を備えている。
【００３２】
好ましい燃料電池に使用する燃料には特に制限は無く、通常の燃料電池に使用可能な液体燃料であるメタノール、エタノール、ジメチルエーテル等の水溶液を使用することができるが、コスト、入手の容易さ、反応の単純さ、エネルギー密度等の観点から、メタノールを燃料として用いることが望ましい。特に、改質器等の周辺補助機器が不要で、小型化に向いていることなどから、直接メタノール型（ＤＭＦＣ）であることが望ましい。
【００３３】
以下、ＤＭＦＣを例にとり、好ましい燃料電池について説明する。
図１に、好ましい燃料電池の一例であるＤＭＦＣの断面図を例示する。燃料電池１は筐体２で単セルを構成し、必要に応じて単セルを組み合わせた燃料電池スタックを構成しても良い。筐体２の一部は構成部材としてセパレータやバイポーラプレートと呼ばれることもある。単セルは高分子電解質膜３をアノード（燃料極６）とカソード（空気極７）とで挟んだ構造をしている。燃料であるメタノール水溶液を直接にアノード（燃料極６）に供給し、かつ空気をカソード（空気極７）に供給することによって電力を得るタイプである。そして、燃料極６と高分子電解質膜３との間には（Ｐｔ／Ｒｕ）触媒を含んだ触媒層４が挟持されており、空気極７と高分子電解質膜３との間には触媒（Ｐｔ）を含んだ触媒層５が挟持されている。燃料極６および空気極７の両電極は、それぞれメタノール及び水、酸素あるいは空気が触媒層へ到達する必要があるため多孔質構造となっている。触媒層を含んだ電極を電極と呼んでいる場合も多く、高分子電解質膜、（両触媒層）および燃料極６と空気極７との積層体を膜電極複合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ；ＭＥＡ）と呼んでいる。
【００３４】
燃料電池１の燃料極６および空気極７はアノード側外部接続端子８およびカソード側外部接続端子９にそれぞれ電気的に接続される。
燃料電池１の燃料極６側には燃料を収容する燃料室１０が設けられていると共に、燃料電池１の空気極７側には空気を収容する空気室１１が設けられている。燃料室は密閉系でも開放系でも良いが、開放系では携帯機器に搭載する場合は燃料流出を防ぐ機構を設ける必要がある。また燃料の供給は回分で充填しても良いし、ポンプ等を用いて循環・流通させても良い。また高濃度のメタノールと水とのタンクを別に設けておき、適当な濃度になるように予め混合してから燃料室に供給しても良い。空気室も同様に密閉系でも開放系でも良いが、通常は開放系として外部からの空気を自然循環させるか、ファン等を用いて強制循環させる。
【００３５】
燃料室１０の一部に二酸化炭素（ＣＯ２）を外部に排出させる気液分離膜１２が配置されている。なお、燃料室１０に設ける気液分離膜の場所は、この例における１２の場所に何ら限定されるものではなく、燃料室１０と外部とをつなぐことができる場所であれば、適宜設けることができる。ここで、燃料電池の内圧上昇による燃料電池用気液分離膜の変形を防止するためには、気液分離膜よりも外側に有孔支持体を積層することが好ましい。
そして、燃料電池１では、その燃料室１０に充填・給油あるいは循環・流通する燃料としてメタノール水溶液が用いられる。また、空気室１１内には、空気が図示しないフィルタを介して供給される。
そして、燃料は、触媒層６での触媒反応により、水素イオン、電子、二酸化炭素に分解される。上記水素イオンは高分子電解質膜３を通過して空気極５に移動するが、上記電子は高分子電解質膜３を通過せず外部端子８および９間に流れることにより電流が発生する。また、高分子電解質膜３を透過した上記水素イオンなどが空気極７側の触媒層５中の酸素で触媒燃焼されると、水（２Ｈ２Ｏ）が生成される。
即ち、上述した電池反応は「ＣＨ３ＯＨ＋３／２・Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ」であり、燃料室１０側に二酸化炭素が排出されると共に空気室１１側に水（水蒸気）が排出される。
本発明の気液分離膜は、二酸化炭素の透過性に優れるため、二酸化炭素発生による燃料電池の内圧上昇を低減できるとともに、燃料の漏液を低減・防止することが可能となる。
【００３６】
以上、図１に示すＤＭＦＣを例にとり、好ましい燃料電池について説明したが、本発明の気液分離膜は、それ以外の方式、設計の燃料電池にも好適に使用することができる。
本発明の好ましい実施態様である燃料電池は、小型かつ比較的単純な構造でありながら、長時間使用した際の電池性能の低下や燃料の漏出等が有効に防止される。このため、ノートパソコン、携帯電話、携帯情報端末、デジタルカメラ、携帯音楽端末等の携帯用電子機器や、パソコン、ＡＶ機器、家電製品等、車載用電子機器等の各種電子機器、に好適に使用することができる。
【００３７】
以下、本発明を実施例により具体的に説明する。本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（燃料電池用気液分離膜の評価）  
本実施例および比較例において、下記フィルムを使用して燃料電池用気液分離膜の評価を実施した。
［実施例１］
ＯＰＵＬＥＮＴ  ＴＰＸフィルム（三井化学製）の銘柄名Ｘ−２２（融点２２２℃，ＭＦＲ２０）、Ｘ−４４（融点２２８℃，ＭＦＲ２６）、Ｘ−８８（融点２３６℃，ＭＦＲ１０）のフィルムの評価を実施した。表１に結果を示す。
【表１】
2006185629.tif 000003
【００３８】
［実施例２］
特開平１０−３０６１６８に示すインフレーションフィルムの製造装置において、以下の仕様による装置を用いて超高分子量ポリエチレン製インフレーションフィルムを製造した。
装置の仕様
押出機の第１スクリュー外径５０ｍｍφ、スクリュー有効長さ１１００ｍｍ、フライトピッチ３０ｍｍ一定、スクリュー圧縮比１．８、押出機に対して立設してなるスクリューダイ有効長さ１４９０ｍｍ（Ｌ／Ｄ＝２８）、ダイ出口アウターダイ内径５３ｍｍφ、ダイ出口マンドレル外径４５ｍｍφ、Ｓ1 ／Ｓ2 ＝１．１７、Ｓ2 ／Ｓ3 ＝３．１４、スクリューダイの第２スクリュー外径７０ｍｍφ、第２スクリュー有効長さ２３８ｍｍ、フライトピッチ２５ｍｍ一定、第２スクリュー圧縮比１．０、安定棒の外径３７ｍｍφ、安定棒長さ６００ｍｍ、第２スクリュー内部、マンドレル内部及び安定棒シャフト内部に延在してなる８ｍｍφの気体流路、安定板、ピンチロール及び製品巻取機を具備してなる。
【００３９】
＜超高分子量ポリエチレンフィルムの作製＞
超高分子量ポリエチレン［η］：５．７ｄｌ／ｇ、嵩密度：０．４５ｇ／ｃｍ3 の粉末樹脂を用い、押出機、ジョイント部（Ｊ）、ダイ基部（Ｄ１）及びダイ先端部（Ｄ２）の設定温度を各々１９７℃、１９１℃、１９０℃、１７５℃にし、第１スクリュー回転数を２１ｒｐｍ、第２スクリュー回転数を１．８ｒｐｍに設定し、ピンチロールで８．７ｍ／ｍｉｎの速度で引取りながら、第２スクリュー内部、マンドレル及び安定棒シャフトの内部に延在してなる８ｍｍφの気体流路から圧搾空気を吹込んで、パリソンをアウターダイ内径５３ｍｍφの８．９倍に膨らませて、折り幅７１０ｍｍ、厚み１０μｍからなる高分子量ポリエチレン製インフレーションフィルムを作成した。本フィルムを実験番号５とした。
さらに、本フィルムを岩本製作所製バッチ式二軸延伸機にて、延伸温度１４６℃、ＴＤ方向に延伸倍率１．７５倍、延伸速度１ｍ／ｍｉｎで延伸し、延伸後１４８℃でヒートセットを３分間実施した。延伸後のフィルムを実験番号６とした。表２に結果を示す。
【表２】
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【００４０】
［比較例１］
＜超高分子量ポリエチレン多孔フィルムの作製＞
実施例２の製造装置を使用し、ピンチロールで６．３ｍ／ｍｉｎの速度で引取る以外は、実施例２と同様な方法で、折り幅７１０ｍｍ、厚み１５μｍからなる高分子量ポリエチレン製インフレーションフィルムを作成した。本フィルムを用いて、以下のようにして多孔化処理を行った。一対のステンレス製金枠にインフレーションフィルムを挟み、ネジで上下の金枠に固定することにより、フィルムの四方を固定した。この状態で、１２０．５℃に加熱したパラフィンオイル（Ｗｉｔｃｏ社製Ｌｙｔｏｌ）に２分間浸漬した。つづいて、パラフィンオイル中から取り出した金枠に固定したフィルムをその状態で貧溶媒であるＨＦＥ７２００（３Ｍ社製）中に投入し、６０℃で５分間浸漬した。これを取り出して室温（２３℃）で風乾した後、フィルムを金枠からはずし、延伸用試料とした。さらに、本フィルムを岩本製作所製バッチ式二軸延伸機にて、延伸温度１２０℃、ＴＤ方向に延伸倍率１．８５倍、延伸速度１ｍ／ｍｉｎで延伸し、延伸後１２５℃でヒートセットを３分間実施した。得られたフィルムは、膜厚２５μ、空孔率７５％、透気度３０ｓｅｃ／１００ｍｌ（ＪＩＳ  Ｐ８１１７）、平均孔径０．１１μｍ（ＡＳＴＭ  Ｆ３１６）であった。延伸後の超高分子量ポリエチレン多孔フィルムを実験番号７とした。結果を表３に示す。
【表３】
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【００４１】
実施例で得られたフィルムの二酸化炭素透過量は、いずれも十分に大きいため、たとえば面積約０．０１ｃｍ２〜０．２ｍ２の（面積は出力・セルサイズにより適宜選択される）気液分離膜を備えた燃料電池であれば、使用機器等により設定される各出力の燃料電池を運転時発生する二酸化炭素を外部に放出するのに十分である。従って、燃料電池を長時間にわたり連続運転した際にも、二酸化炭素の蓄積による内圧の異常上昇や、それに伴う電池の性能低下、燃料の漏出等を有効に抑制することができる。また、実施例で得られたフィルムのメタノールの透過度は、いずれも十分に低く、燃料電池の内圧がある程度上昇した場合においても、燃料等の漏出を有効に抑制することができる。
【００４２】
一方、比較例で得られた多孔質フィルムのメタノールの透過度は、本発明の目的との関係からは高すぎる。このため、比較例で得られた多孔質フィルムを燃料電池に使用した場合、燃料等が漏出する。この様な燃料電池は、長時間の連続運転が困難であり、また、周辺の精密機器、精密部品にダメージを与えるおそれがある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の気液分離膜を有する燃料電池の構造を例示する断面図である。
【符号の説明】
【００４４】
１  燃料電池単セル
２  筐体
３  高分子電解質膜
４  アノード（燃料極）側Ｐｔ／Ｒｕ触媒層
５  カソード（空気極）側Ｐｔ触媒層
６  アノード（燃料極）
７  カソード（空気極）
８  アノード（燃料極）側外部端子
９  カソード（空気極）側外部端子
１０  燃料室
１１  空気室
１２  気液分離膜
１３  筐体開口部
【図１】
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