(57)【要約】【課題】  有機燃料を電極に直接供給する燃料電池において、燃料の消費効率を向上させること。【解決手段】  燃料電池は、燃料極及び空気極と、燃料極と空気極に挟まれた固体電解質膜とからなる発電部と、有機燃料液を気化させる気化膜を有する気化部とを備える。燃料を有機燃料液のまま燃料極へ供給せずに、燃料を気化させて供給するので、有機物のクロスオーバを効果的に抑制し、燃料が無駄に消費されることを軽減できる。有機燃料液は、メタノールでもよい。一実施例では、気化膜にマスク部材が更に設けられる。これにより、有機燃料液の気化速度を遅くし、気化された燃料が過剰に燃料極に供給されることを抑制できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン伝導性を有する固体電解質膜にアノードおよびカソードが配置された発電部と、
燃料極に供給する有機燃料を気化する気化膜を含む燃料供給部と、
を有する燃料電池において、
該気化膜よりも燃料透過性の小さなマスク部材が、前記気化膜に密着して配置されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記マスク部材が、所定の開口比率を有するように複数の開口部が設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記マスク部材の開口形状が、前記マスク部材の中心部に対し、前記マスク部材の端部の方が大きく傾斜配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記マスク部材が多数のマスク要素を含み、
前記気化膜の表面に対する前記マスク要素の占める割合が、前記有機燃料液の気化する速度を定める
ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】
前記マスク部材を構成する多数のマスク要素の面密度が、前記気化膜の中央部と周辺部で異なる
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】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に燃料電池に関し、特に有機燃料を使用する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯電話に代表される携帯機器における情報通信機能の進歩は著しく、消費電力の増加、長時間オペレーション化が進み、その電池には一層の高容量化が切望されている。しかし、現在ほとんどの携帯機器に搭載されているリチウムイオン二次電池では、材料面、構造面から性能向上がほぼ限界に近づきつつある。これに対し、新規の高容量駆動電源として、燃料の理論容量が大きくリチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待されるダイレクトメタノール型燃料電池に注目が集まっている。これは、電解質に高分子固体電解質を用い、燃料として有機燃料から改質された水素を供給することなく、直接電極上にメタノールなどの有機燃料を供給することでエネルギー密度を向上させた燃料電池であり、軽量小型化に適している。
【０００３】
図１に示されるように、ダイレクトメタノール方式では、燃料極側にメタノール水溶液が供給され、燃料極に配置された触媒によりメタノール水溶液からプロトン（Ｈ＋）と二酸化炭素（ＣＯ２）が生成される。触媒には、例えばカーボン（Ｃ）に、白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金を担持させたものが主に使用されている。プロトンは高分子固体電解質膜中を透過し、空気極側で、酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極及び空気極を外部回路に接続する（負荷に接続する）ことで電力が取り出せる。生成された水は空気極からそのまま系外へ、或いは回収して燃料極側へ供給されることにより、空気極から排出される。この種の従来の燃料電池については、例えば特許文献１，２，３に記載されている。
【特許文献１】特開２００３−２２３９２１号公報
【特許文献２】特開２００３−２９７４０１号公報
【特許文献３】特開２０００−３５３５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この種の発電システムでは、いくらかのメタノールが、分解されずに高分子固体電解質膜を通過し、空気極側で酸素と反応し、発熱するという問題がある（このような現象は、メタノールのクロスオーバとして知られている。）。従って、燃料電池に負荷が接続されているか否かによらず、燃料（メタノール）が無駄に消費されてしまう問題がある。高分子電解質膜の材料を適切に選択することで、メタノールのクロスオーバを軽減することも検討されているが、クロスオーバを申し分なく抑制するには至っていない。また、有機燃料を気化させ気相で供給する燃料電池系においても、その燃料供給量の制御が困難であり、良好な発電特性を得るには至っていない。
【０００５】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その課題は、気相で有機燃料を供給する燃料電池において、気相燃料の供給を容易にし、気相燃料の供給速度を制御可能にし、燃料の発電効率を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明では、燃料極及び空気極の間に固体電解質膜を挟む発電部と、有機燃料液を気化させる気化膜とを備える燃料電池が使用され、燃料極への燃料供給速度を調節する燃料遮断性のマスク材料が気化膜に設けられる。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、有機燃料を気化させ、燃料を気相で電極に供給する燃料電池において、燃料遮断性のマスク部材を燃料気化膜に設けることで、燃料供給量の制御が容易に行うことができ、発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の一形態によれば、発電部の燃料極側に、有機燃料液を気化させる気化膜が設けられる。燃料を有機燃料液のまま燃料極へ供給せずに、燃料を気化させて供給するので、有機物のクロスオーバを効果的に抑制し、燃料が無駄に消費されることを軽減できる。有機燃料液はメタノールが適しており、燃料濃度は発電において最適な範囲で用いられる。
【０００９】
本発明の一態様によれば、前記気化膜にマスク部材が設けられる。これにより、有機燃料液の気化速度を遅くし、気化された燃料が過剰に燃料極に供給されることを抑制できる。前記気化膜の表面に対する前記マスク部材の占める割合は、前記有機燃料液の気化する速度を定める。
【００１０】
前記マスク部材は、多数のマスク要素から構成されてもよい。マスク要素の各々は、有機物の通過を妨げる材料より成る。前記多数のマスク要素の面密度は、前記気化膜の中央部と周辺部で異なってもよい。これにより、有機燃料液の気化速度を面内で均一化させ、発電効率の向上に寄与することができる。前記多数のマスク要素の面密度は、前記気化膜の中央部で高く、周辺部で低くなるように傾斜配置されていてもよい。気化膜の中央部で盛んな気化を抑制し、周辺部の気化速度に合わせることができる。
【００１１】
本発明の一態様によれば、前記気化膜は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、セルロース、スルホン化ポリイミド及びスルホン化ポリエーテルより成る群から選択された１以上の材料から構成されてもよい。本発明の一態様によれば、前記マスク部材が、前記気化膜材料よりも燃料透過性の小さいフッ素ゴム又はシリコーンゴム、或いはこれらと有機燃料の透過を妨げる微粒子、例えばシリカやカーボンなどの微粒子とを含んだ混合物でもよい。マスク部材は様々な材料から構成されてもよいが、気化膜とマスク部材の密着性を強くする観点からは、両者は同質の材料から構成されることが望ましい。
【実施例１】
【００１２】
図２は、本発明の一実施例による燃料電池の断面図を示す。燃料電池筐体２１により包囲される燃料電池は、燃料タンク２３と、気化膜２５と、マスク層３２と、燃料拡散部２７と、発電部２９とを有する。発電部２９は、燃料極２０と、空気極２２と、それらの間に挟まれた固体電解質膜２４とを有する。
【００１３】
燃料タンク２３には、例えばメタノール水溶液より成る有機燃料が蓄えられている。
【００１４】
気化膜２５は、燃料タンク側から有機燃料液を吸収し、他方の側から気化した有機燃料を放出する。気化膜２５は、このような機能を有する適切ないかなる材料から構成されてもよいが、メタノールを含む有機溶媒に非溶解性の性質を備えることを要する。具体的には、シリコーンゴム、フッ素ゴム、セルロース膜、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリエーテル等の材料で気化膜２５を形成することができる。本実施例では、２００μｍの膜厚のシリコーンゴム（信越シリコーン社製）が使用される。
【００１５】
マスク層３２は、気化膜２５の燃料拡散部側に設けられる。マスク層３２は、気化膜２５との密着性に優れ、メタノールのような有機燃料の通過を完全に又は部分的に遮蔽する性質を有する材料で構成される。具体的には、マスク層３２は、モノマーの溶液を気化膜２５全面に塗布，パターニングし、気化膜２５上に設けた。マスク層３２は、燃料中の有機物の透過を遮るシリカ微粒子を５０％以上含有したシリコーンゴム等で形成され、パターニングには、スクリーン印刷、フォトリソグラフィその他の当該技術分野で周知のパターニング技術が使用されてもよいが、本実施例ではスクリーン印刷を用いた。その後、約１５０℃の熱処理を行うことで、気化膜２５にマスク３２が固定された。
【００１６】
図３は、本実施例で使用されるマスク層３２の平面図（燃料拡散部側から眺めた図）及びその端面図を示す。図示されているように、マスク層３２は、多数の円盤状のマスク要素より成り、これらのマスク要素は燃料の進行を完全に又は部分的に妨げる。従って、気化膜の全表面に対するマスク要素全体の占める割合を調整することで、気化速度を調整することができる。その割合が小さければ気化速度が大きく、割合が大きければ気化速度は小さくなる。一例として、このマスクを用いることで、燃料の透過率、即ち気化速度を１／５に減らすことができる（マスク要素が燃料の進行を完全に遮断するならば、気化膜表面の４／５をマスク要素全体が占めるようにすればよい。）。
【００１７】
図２の燃料拡散部２７は、気化した有機燃料を発電部２９の燃料極２０に与える。燃料拡散部２７は、燃料によって腐食したり劣化したりしない多孔質体より成る。より具体的には、燃料拡散部２７は、セラミックス多孔体、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布等の多孔質体、フッ素樹脂製の多孔質体、ポリプロピレン性の多孔質体等で形成されてもよい。本実施例では、２８０μｍの厚みのカーボンペーパー（東レ社製）が使用された。
【００１８】
燃料極２０では、気化した有機燃料と不図示の触媒との化学反応により、プロトン（Ｈ＋）が生成され、固体電解質膜２４に与えられる。本実施例では白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金がカーボン（Ｃ）上に担持された触媒（田中貴金属社製、担持量５４％）が、燃料極側の触媒に使用された。プロトンは固体電解質膜２４を通過し、空気極２２に到達する。固体電解質膜２４には、スルホン化ポリエーテルであるＮａｆｉｏｎ１１７（デュポン社製）が使用された。空気極２２では、外気に含まれる酸素が、空気極触媒で還元され、プロトンと、負荷の側からの電子との化学反応により、水（Ｈ２Ｏ）が生成され、電力が取り出される。本実施例では白金（Ｐｔ）がカーボン（Ｃ）上に担持された触媒（田中貴金属社製、５０％）が、空気極側の触媒に使用された。なお、必要に応じて、燃料極２０の近辺で適切な量の水分が確保されるように、保湿材料がその近辺に設けられてもよい。
【００１９】
本実施例によれば、燃料極２０に燃料が気化膜マスクにより供給速度が制御されて気相で供給されるので、それが液体で供給される場合に比べて、メタノールが過剰に固体電解質膜に流入することを顕著に低減できる。従って、メタノールのクロスオーバを低減することができ、有機燃料が無駄に消費されることなく、効果的に発電効率を向上させることができる。
【実施例２】
【００２０】
ところで、気化膜の面内温度分布は必ずしも一様ではない。場合によっては、気化膜周囲は燃料電池筐体に近いため、気化膜の周囲は比較的低温になり、中央付近で比較的高温になる。或いは、空気極側での発熱に起因して筐体が高温になり、気化膜の周辺部が比較的高温になる場合もある。いずれにせよ、燃料電池の用途や仕様等に応じて、気化膜の面内温度分布に非一様性が生じるかもしれない。仮に、気化膜の中央付近での燃料の気化が、周辺付近に比べて激しく起こっていたとする。このような不均一性は、燃料極、高分子固体電解質層及び空気極における動作や化学反応にも反映し、燃料電池の一部を他の部分よりも重点的に使用することになる。その結果、燃料電池の使用効率が悪化することに加えて、燃料電池の寿命が縮むことにもなる。
【００２１】
このような不都合に対処するため、本発明の第２実施例では、マスク層３２のマスクパターンが適切に調整される。例えば、気化膜の中央付近での燃料の気化が、周辺付近に比べて激しく起こるような状況が予想されるとする。この場合には、図４に示されるように、気化膜２５の中央付近でマスク要素が多くの面積を占め、周辺部ではマスク要素が少ない面積を占めるように、マスク層３２がパターニングされる。上述したように、気化膜３２上でマスク要素の占める割合は、気化速度に影響する。従って、図示の例では、マスク層３２は、中央付近の気化速度が遅く、周辺での気化速度が速くなるように機能する。気化膜３２の面内温度分布が一様でなかったとしても、マスク層３２のマスクパターンで気化速度を調整することができ、燃料極へ一様な速度及び密度で燃料を供給することができる。その結果、燃料電池の使用効率及び寿命の劣化を効果的に軽減することができる。図４のマスクパターンに限らず、用途に応じて様々なマスクパターンが採用されてもよい。
【００２２】
図５は、本発明の実施例による燃料電池の特性を示す。横軸は、燃料電池に接続された負荷に流れる電流密度を表し、縦軸は負荷に供給される電力を表す。従って、理想的には放物線状の特性が示される。図中、Ａで示される四角印の一群のプロット点で表現されるグラフは、実施例１による燃料電池に対するグラフであり、この燃料電池は図３に示されるようなパターンのマスク層を有する。Ｂで示される丸印の一群のプロット点で表現されるグラフは、実施例２による燃料電池に対するグラフであり、この燃料電池は図４に示されるようなパターンのマスク層を有する。横軸及び縦軸の数値は、Ｂで示されるグラフのピーク電流密度及び出力密度がそれぞれ１になるように、規格化されている。グラフのピークは、燃料電池から取り出すことのできる最大電力を示すので、ピークの出力密度が大きいほど、発電効率が良い。図示されているように、気化速度の面内均一性に配慮した実施例２に関するグラフＢは、それに配慮していない実施例に関するグラフＡよりも大きなピークを有する。従って、実施例２の燃料電池は、実施例１の燃料電池より優れた発電特性を示すことが分かる。
【００２３】
以下、本発明により教示される手段を例示的に列挙する。
【００２４】
（付記１）
プロトン伝導性を有する固体電解質膜にアノードおよびカソードが配置された発電部と、
燃料極に供給する有機燃料を気化する気化膜を含む燃料供給部と、
を有する燃料電池において、
該気化膜よりも燃料透過性の小さなマスク部材が、前記気化膜に密着して配置されていることを特徴とする燃料電池。
【００２５】
（付記２）
前記マスク部材が、所定の開口比率を有するように複数の開口部が設けられていることを特徴とする付記１記載の燃料電池。
【００２６】
（付記３）
前記マスク部材の開口形状が、前記マスク部材の中心部に対し、前記マスク部材の端部の方が大きく傾斜配置されていることを特徴とする付記１または２に記載の燃料電池。
【００２７】
（付記４）
前記マスク部材が多数のマスク要素を含み、
前記気化膜の表面に対する前記マスク要素の占める割合が、前記有機燃料液の気化する速度を定める
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。
【００２８】
（付記５）
前記マスク部材を構成する多数のマスク要素の面密度が、前記気化膜の中央部と周辺部で異なる
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。
【００２９】
（付記６）
前記気化膜が、シリコーンゴム、フッ素ゴム、セルロース、スルホン化ポリイミド及びスルホン化ポリエーテルより成る群から選択された１以上の材料より成る
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。
【００３０】
（付記７）
前記マスク部材が、前記有機燃料中の有機物の進行を妨げる微粒子と、フッ素ゴム又はシリコーンゴムとの混合物を含む
ことを特徴とする付記１記載の燃料電池。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】燃料電池の動作原理を示す図である。
【図２】本発明の一実施例による燃料電池を示す図である。
【図３】マスク層の平面図及び断面図を示す図である。
【図４】別のマスク層の平面図を示す。
【図５】本発明の実施例による燃料電池の特性を示す。
【符号の説明】
【００３２】
２０  燃料極
２１  燃料電池筐体
２２  空気極
２３  燃料タンク
２４  高分子固体電解質膜
２５  気化膜
２７  燃料拡散部
２９  発電部
３２  マスク層
【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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