(57)【要約】【課題】  運転性能の安定化にも寄与でき、エネルギー効率の向上に寄与できる直接メタノール形燃料電池を得る。【解決手段】  プロトン導電性固体高分子電解質を電解質に用い、前記電解質の一方の面に設けた燃料極側にメタノール水溶液を燃料として供給し、前記電解質の他方の面に設けた空気極側に空気を酸化剤ガスとして供給し、前記空気極側に空気を供給する手段が屈曲部を有した溝幅aの溝を有したものであり、少なくとも一つの屈曲部が、溝の内壁に対してａ／２以上、３ａ／２以下の曲率半径の面取部を有し、溝の外壁に対してａ／２以上、５ａ／２以下の曲率半径の面取部を有しており、前記屈曲部を有した溝幅aの溝はセパレータ板に形成された蛇行した溝であり、さらに、燃料極側に燃料を供給する手段が屈曲部を有した溝幅bの溝を有したものであり、少なくとも一つの屈曲部が、溝の内壁に対してｂ／２以上、３ｂ／２以下の曲率半径の面取部を有し、溝の外壁に対してｂ／２以上、５ｂ／２以下の曲率半径の面取部を有しており、前記屈曲部を有した溝幅bの溝はセパレータ板に形成された蛇行した溝である。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性固体高分子電解質を電解質に用い、前記電解質の一方の面に設けた燃料極側にメタノール水溶液を燃料として供給し、前記電解質の他方の面に設けた空気極側に空気を酸化剤ガスとして供給する直接メタノール形燃料電池であって、前記空気極側に空気を供給する手段または燃料極側に燃料を供給する手段の少なくとも一方が、所定の曲率半径の面取部を設けた屈曲部を有した溝からなることを特徴とする直接メタノール形燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の直接メタノール形燃料電池において、空気極側に空気を供給する手段が屈曲部を有した溝幅aの溝を有したものであり、少なくとも一つの屈曲部が、溝の内壁に対してａ／２以上、３ａ／２以下の曲率半径の面取部を有し、溝の外壁に対してa／２以上、５ａ／２以下の曲率半径の面取部を有していることを特徴とする直接メタノール形燃料電池。
【請求項３】
請求項２記載の直接メタノール形燃料電池において、屈曲部を有した溝幅aの溝はセパレータ板に形成された蛇行した溝であることを特徴とする直接メタノール形燃料電池。
【請求項４】
請求項２または３記載の直接メタノール形燃料電池において、燃料極側に燃料を供給する手段が屈曲部を有した溝幅ｂの溝を有したものであり、少なくとも一つの屈曲部が、溝の内壁に対してｂ／２以上、３ｂ／２以下の曲率半径の面取部を有し、溝の外壁に対してｂ／２以上、５ｂ／２以下の曲率半径の面取部を有していることを特徴とする直接メタノール形燃料電池。
【請求項５】
請求項４記載の直接メタノール形燃料電池において、屈曲部を有した溝幅ｂの溝はセパレータ板に形成された蛇行した溝であることを特徴とする直接メタノール形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロトン導電性固体高分子電解質を電解質に用い、前記電解質の一方の面に設けた燃料極側にメタノール水溶液を燃料として供給し、前記電解質の他方の面に設けた空気極側に空気を酸化剤ガスとして供給する直接メタノール形燃料電池に関するもので、さらに詳しく言えば、燃料または空気が流れる際の圧力損失が低減でき、生成水による空気極の反応面積の減少が抑制できる直接メタノール形燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール形燃料電池は、従来検討されてきた固体高分子型燃料電池と比べて、液体のメタノール水溶液を、ガス化または改質を行うことなく直接発電できるという特徴を持っており、分散型電源・ポータブル電源・小型携帯機器用電源として注目されている。このような直接メタノール形燃料電池は、電解質としてのプロトン導電性固体高分子電解質膜の一方の面に燃料極触媒層とガス拡散層を配置し、他方の面に空気極触媒層とガス拡散層を配置して一体化した膜電極接合体（以下、ＭＥＡという）を、前記燃料極触媒層に燃料を供給する手段を有し、前記空気極触媒層に空気を供給する手段を有したセパレータ板によって挟持して積層した構造のもの（以下、燃料電池スタックという）が今日一般的になっている。
【０００３】
このような直接メタノール形燃料電池において、前述した燃料を供給する手段は、燃料極側に燃料を供給する機能に加えて廃燃料と燃料極の反応生成物である二酸化炭素を電池の外部に排出する機能を有しており、前述した空気を供給する手段は、空気極側に空気を供給する機能に加えて廃空気と空気極の反応生成物である水を電池の外部に排出する機能を有しており、通常は、ＭＥＡに接触するセパレータ板の表面に複数の溝が形成されている。また、このような溝は、ＭＥＡのガス拡散層に形成することもできる（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００２−１６４０５８公報
【０００４】
また、燃料電池の性能は、前述した溝の形状や、該溝に空気もしくは燃料を供給する速度によって左右されるため、この溝の形状について、さまざまな提案がなされてきた（非特許文献１参照）。
【非特許文献１】ユアサ時報No.９０（２００１年４月２５日発行）
【０００５】
前記非特許文献１には、空気極および燃料極の溝の形状を種々変化させた際の燃料電池の特性を調査した結果が開示されている。これによれば、燃料極側、空気極側のいずれにおいても、1枚のセパレータ板の中で、独立した平行流路（溝）の数が多いほど平行流路間で流量のバラツキが増大して特性を低下させる結果が得られ、特に、空気極側においては、流れる空気の線速度が大きいほど、空気極の反応生成物である水を外部に排出する効果が大きくなって特性が向上する結果が得られることがわかる。従って、燃料極側、空気極のいずれにおいても、平行流路の数を少なくし、流路を蛇行させることによって、燃料および空気の線速度を大きくすれば、特性の向上が期待できることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、線速度を大きくし、かつ流路を蛇行させると、流体が流れることによる圧力損失は増大する。すなわち、空気極側の圧力損失が増大すると、空気を燃料電池スタックに送り込むために用いるポンプやブロアなどの機器の消費電力が増加し、燃料極側の圧力損失が増大すると、燃料を燃料電池スタックに送り込むために用いるポンプの消費電力が増加し、燃料電池スタックに、これらのポンプやブロアなどの機器を加えたシステム全体のエネルギー効率が低下する。また、これに加えて、システムが大型化して、体積エネルギー効率がさらに低下する。このため、流体の線速度を大きくすると、システムのエネルギー効率が低下するという問題があった。
【０００７】
また、燃料極側においては、燃料の線速度を大きくすることにより、燃料としてのメタノールと水が電解質を透過して空気極側にクロスオーバーする量が増加し、有効に利用できる燃料が減少するという問題もあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上記した問題に鑑みてなされたもので、その目的は、直接メタノール形燃料電池において、空気もしくは燃料を供給するための種々の溝の形状に適用でき、その溝の形状によって発生する空気もしくは燃料が流れることによる圧力損失を低減させることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、プロトン導電性固体高分子電解質を電解質に用い、前記電解質の一方の面に設けた燃料極側にメタノール水溶液を燃料として供給し、前記電解質の他方の面に設けた空気極側に空気を酸化剤ガスとして供給する直接メタノール形燃料電池であって、前記空気極側に空気を供給する手段または燃料極側に燃料を供給する手段の少なくとも一方が、所定の曲率半径の面取部を設けた屈曲部を有した溝からなる直接メタノール形燃料電池（請求項１）である。
【００１０】
また、本発明は、前記空気極側に空気を供給する手段が屈曲部を有した溝幅aの溝を有したものであり、少なくとも一つの屈曲部が、溝の内壁に対してａ／２以上、３ａ／２以下の曲率半径の面取部を有し、溝の外壁に対してａ／２以上、５ａ／２以下の曲率半径の面取部を有している直接メタノール形燃料電池（請求項２）であり、前記屈曲部を有した溝幅aの溝はセパレータ板に形成された蛇行した溝である直接メタノール形燃料電池（請求項３）である。
【００１１】
また、本発明は、さらに、燃料極側に燃料を供給する手段が屈曲部を有した溝幅bの溝を有したものであり、少なくとも一つの屈曲部が、溝の内壁に対してｂ／２以上、３ｂ／２以下の曲率半径の面取部を有し、溝の外壁に対してｂ／２以上、５ｂ／２以下の曲率半径の面取部を有している直接メタノール形燃料電池である（請求項４）であり、前記屈曲部を有した溝幅bの溝はセパレータ板に形成された蛇行した溝である直接メタノール形燃料電池（請求項５）である。
【００１２】
上記した各発明において、蛇行した溝の屈曲部に、溝の内壁に対してａ／２以上、３ａ／２以下の曲率半径の面取部を設け、溝の外壁に対してａ／２以上、５ａ／２以下の曲率半径の面取部を設けると、「溝の内壁における面取部の曲率半径」＋「溝幅」≧「溝の外壁における面取部の曲率半径」になる。すなわち、「溝の内壁における面取部の曲率半径」＋「溝幅」＝「溝の外壁における面取部の曲率半径」の場合は、屈曲部において溝幅が一定となって空気や燃料の流れに乱れが生じず圧力損失は最小になり、「溝の内壁における面取部の曲率半径」＋「溝幅」＞「溝の外壁における面取部の曲率半径」の場合は、屈曲部において溝幅が大きくなって空気や燃料の流れに若干の乱れが生じてそれに伴う圧力損失の増大が考えられる。これに対し、「溝の内壁における面取部の曲率半径」＋「溝幅」＜「溝の外壁における面取部の曲率半径」の場合は、屈曲部において溝幅が小さくなるため、圧力損失が増大することが考えられる。このことから、「溝の内壁における面取部の曲率半径」＋「溝幅」は「溝の外壁における面取部の曲率半径」以上であるのがよい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、ＭＥＡに空気もしくは燃料を供給するためにセパレータ板に蛇行した溝を設け、その屈曲部に面取部を設けているため、該屈曲部に空気もしくは燃料が流通する際に流れに乱れが生じることがなく、面取部を設けていないものに比べて、線速度が同じであれば、空気もしくは燃料が流れる際の圧力損失を低減することができる。このため、同じ線速度で空気もしくは燃料を流す際には、ポンプを従来のものより小型化することができ、同じポンプを用いれば線速度を向上させることができるので、直接メタノール形燃料電池のエネルギー効率の向上に寄与できる。
【００１４】
さらに、屈曲部に面取部を設けることにより、溝幅方向の線速度を均一にすることができ、溝幅方向の線速度が不均一であることに起因して空気もしくは燃料の流れの一部に淀みを生じることが防止できる。特に、空気極においては、空気の流れの一部に淀みを生じると、反応生成物として生成した水が淀みに滞留し、それによって空気の流れを阻害したり、空気極の反応面積を減少させる原因になるため、このような淀みを生じないようにすることが重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を、その実施の形態に基づいて説明する。
【００１６】
図１は本発明の実施の形態を説明するために作成した試験装置の斜視図、図２はセパレータ板として機能するカーボン板の平面図を示している。試験装置は、図1に示したように、カーボン板３を、流体の漏洩を防止するためのシリコン製のパッキン２およびパッキン４を介してエンドプレート１とエンドプレート５で挟持してボルト６を挿通させて図示していないナットで締め付けて一体化したもである。前記カーボン板３には、図２に示したように、屈曲部９を一箇所設けた1本の溝７が成形され、該溝７の両端にはマニホールド８が設けられている。また、図１から明らかなように、マニホールド８の位置に対応した、エンドプレート1およびエンドプレート５の位置、パッキン２およびパッキン４の位置にもマニホールドが設けられ、これらのマニホールドを通じて溝７を両端でエンドプレートの外部と連通させている。これによって、図１の試験装置の外部からカーボン板３の溝７に流体を流すようにできる。前記溝７は、深さが０．６ｍｍであって、その外壁側における長さが１６０ｍｍで、中間の８０ｍｍの位置で所定の曲率半径を有するように直角に屈曲させている。
【００１７】
（評価試験１）
空気極用の、溝幅ａを２ｍｍとしたカーボン板３を準備し、図１に示した試験装置を組み立てた。このカーボン板３に形成した溝７の屈曲部９について、面取部を設けていないものと、溝の内壁に対してａ／２、a、３ａ／２、２ａ、５ａ／２の曲率半径を有しかつ溝の外壁に対して溝幅がaになるように面取部を設けたものとを作成し、それぞれの溝７に空気を流したときの圧力損失を測定し、結果を図３に示す。空気は、図１に示したエンドプレート1の下方のマニホールドからブロアを用いて送入し、上方のマニホールドから送出されるように開放された状態にした。空気流速は、溝７における線速度が４．０ｍ／ｓ、４．７ｍ／ｓ、５．４ｍ／ｓになるように調整した。
【００１８】
図３から、面取部を設けていないものの圧力損失を１００%とすると、曲率半径がａ／２の面取部を設けたものでは圧力損失が約１０％低減し、以後、曲率半径が３ａ／２の面取部を設けたものまで徐々に圧力損失が低減していることがわかる。しかしながら、曲率半径が３ａ／２以上の面取部を設けたものでは圧力損失の低減はほとんど認められないことがわかる。そして、この傾向は、空気の線速度を変化させた場合であっても同様であった。このことから、圧力損失に関しては、最適な曲率半径は溝の内壁に対してａ／２以上、３ａ／２以下とするのが好ましく、溝７を溝幅が同じになるように設計するということに関しては、溝の外壁に対してａ／２以上、５ａ／２以下とするのが好ましい。
【００１９】
（評価試験２）
燃料極用の、溝幅bを１．４ｍｍとしたカーボン板３を準備し、図1に示した試験装置を組み立てた。このカーボン板３に形成した溝７の屈曲部９について、面取部を設けていないものと、溝の内壁に対してｂ／２、ｂ、３ｂ／２、２ｂ、５ｂ／２の曲率半径を有しかつ溝の外壁に対して溝幅がbになるように面取部を設けたものとを作成し、それぞれの溝７に燃料としての３％のメタノール水溶液を流したときの圧力損失を測定し、結果を図４に示す。燃料は、図１に示したエンドプレート1の上方のマニホールドからポンプを用いて送入し、下方のマニホールドから送出されるように開放された状態にした。燃料流速は、溝７における線速度が０．０４ｍ／ｓ、０．０５ｍ／ｓ、０．０６ｍ／ｓになるように調整した。
【００２０】
図４から、面取部を設けていないものの圧力損失を１００%とすると、曲率半径がｂ／２の面取部を設けたものでは圧力損失が約１０％低減し、以後、曲率半径が３ｂ／２の面取部を設けたものまで徐々に圧力損失が低減していることがわかる。しかしながら、曲率半径が３ｂ／２以上の面取部を設けたものでは圧力損失の低減はほとんど認められないことがわかる。そして、この傾向は、空気極の場合と比較して圧力損失の低減効果は小さいものの空気極とほぼ同じであることがわかる。すなわち、燃料極の場合も、空気極の場合と同様、圧力損失に関しては、最適な曲率半径は溝の内壁に対してｂ／２以上、３ｂ／２以下とするのが好ましく、溝７を溝幅が同じになるように設計するということに関しては、溝の外壁に対してｂ／２以上、５ｂ／２以下とするのが好ましい。
【００２１】
上記した評価試験１、２の結果から、本発明によれば、カーボン板３に、圧力損失が低減できる、空気もしくは燃料を流すための溝７を設計することが可能となる。
【実施例】
【００２２】
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
【００２３】
次に、燃料電池スタックとした時の圧力損失の低減効果を確認するために、図５に示した溝構造を設けた、１辺が１００ｍｍのバイポーラ形セパレータ板を作製し、ＭＥＡとシリコン製のパッキンを介在させて５個積層し、電極端子板、エンドプレートで挟持し、ボルト締めで一体化してセルスタックとした。前記セパレータ板は、厚さが２ｍｍのカーボン製で、空気極側と燃料極側に設けた溝構造は同じで、溝幅を空気極側は２ｍｍ、燃料極側は１．４ｍｍとした。前記ＭＥＡは、燃料極を、カーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０９０）を１辺が８０ｍｍの正方形に裁断し、テフロン（登録商標）懸濁液（三井デュポンフロロケミカル製：３０Ｊ）に浸した後、乾燥機中で３６０℃、１時間焼成し、撥水処理を行ったものに、白金とルテニウムを担持した炭素粉末よりなる導電体１．００ｇを蒸留水７．００ｇと上記テフロン（登録商標）懸濁液０．２８ｇに混合し、さらにナフィオン（登録商標）溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ製：Ｎａｆｉｏｎ５ｗｔ％溶液）８．００ｇを添加して混合して作製したペーストを、触媒担持量が１．０ｍｇ／ｃｍ2になるように塗布したものとし、空気極を、上記撥水処理を行ったカーボンペーパーに、白金を担持した炭素粉末よりなる導電体１．００ｇを蒸留水７．４０ｇと上記テフロン（登録商標）懸濁液０．３２ｇに混合し、さらに上記ナフィオン（登録商標）溶液６．６４ｇを添加して混合して作製したペーストを、触媒担持量が１．０ｍｇ／ｃｍ2になるように塗布したものとし、上記空気極と燃料極とを、電解質としてのナフィオン膜（デュポン製：ＮＡＦＩＯＮ−１１７）の両面にホットプレスして一体化したものとした。
【００２４】
このセルスタックを６０℃の温度下において発電を行うに際し、空気極側に４リットル／分、５リットル／分、６リットル／分で酸化剤ガスとしての空気を供給し、燃料極側に３５ミリリットル／分、４０ミリリットル／分、４５ミリリットル／分で燃料として３%メタノール水溶液を供給し、まず、空気の流通による圧力損失を測定するために、空気極側の溝幅を２．０mmとした前記セパレータ板における溝の屈曲部について、（１）面取部を設けないもの、（２）溝の内壁に対して１mmの曲率半径の面取部を設けかつ溝の外壁に対して３ｍｍの曲率半径の面取部を設けたもの、（３）溝の内壁に対して２mmの曲率半径の面取部を設けかつ溝の外壁に対して４mmの曲率半径の面取部を設けたもの、（４）溝の内壁に対して３mmの曲率半径の面取部を設けかつ溝の外壁に対して５mmの曲率半径の面取部を設けたものを、それぞれ製作した。これらの面取部は、寸法上の制約から、図５に示した部位を除いたすべての溝の屈曲部に設け、面取部を設けていない場合の圧力損失を１００％として結果を表１に示す。
【００２５】
【表１】
2006066105.tif 000003
【００２６】
表１から、面取部を設けたことにより、空気の流通による圧力損失は最大で約５％低減できることがわかる。
【００２７】
次に、燃料の流通による圧力損失を測定するために、燃料極側の溝幅を１．４mmとした前記セパレータ板における溝の屈曲部について、（１）面取部を設けないもの、（２）溝の内壁に対して０．７mmの曲率半径の面取部を設けかつ溝の外壁に対して２．１ｍｍの曲率半径の面取部を設けたもの、（３）溝の内壁に対して１．４mmの曲率半径の面取部を設けかつ溝の外壁に対して２．８mmの曲率半径の面取部を有したもの、（４）溝の内壁に対して２．１mmの曲率半径の面取部を設けかつ溝の外壁に対して３．５mmの曲率半径の面取部を有したものを、それぞれ製作した。これらの面取部も、寸法上の制約から、図５に示した部位を除いたすべての溝の屈曲部に設け、面取部を設けていない場合の圧力損失を１００％として結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
2006066105.tif 000004
【００２９】
表２から、面取部を設けたことにより、燃料の流通による圧力損失は最大で約２％低減できることがわかる。
【００３０】
上記した実施例からわかるように、本発明によれば、空気または燃料の流通による圧力損失の低減を実現することが可能となり、直接メタノール形燃料電池のエネルギー効率の向上に寄与できる。
【００３１】
上記した実施例は、典型例として、蛇行した溝構造を例に説明したが、蛇行した溝構造以外の屈曲部を有した他の溝構造のものにも適用可能である。
【００３２】
また、上記した実施例は、典型例として、溝をセパレータ板に形成した例で説明したが、セパレータ板のみならず、ＭＥＡのガス拡散層に同様の流路を設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明によれば、空気または燃料の流通による圧力損失の低減を実現することが可能となり、また、屈曲部に面取部を設けることにより、溝幅方向の線速度を均一にすることができ、溝幅方向の線速度が不均一であることに起因して空気もしくは燃料の流れの一部に淀みを生じることが防止でき、特に、空気極においては、空気の流れの一部に淀みを生じると、反応生成物として生成した水が淀みに滞留し、それによって空気の流れを阻害したり、空気極の反応面積の減少が防止できるため、直接メタノール形燃料電池の運転性能の安定化にも寄与できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】試験装置の斜視図。
【図２】セパレータ板として機能するカーボン板の平面図。
【図３】評価試験１結果を示した図。
【図４】評価試験２の結果を示した図。
【図５】実施例に用いたセパレータ板の平面図。
【符号の説明】
【００３５】
１，５  エンドプレート
２，４  パッキン
３      カーボン板
６      ボルト
７      溝
８      マニホールド
９      屈曲部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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