(57)【要約】【課題】  燃料濃度を検知或いは推定し、燃料濃度を制御せずに運転時に長期に渡って出力を安定にできる燃料電池電源システムの提供を目的とする。【解決手段】  燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードとが電解質膜を介して構成され、液体を燃料とした単電池を複数装着し、前記複数の単電池を電気的に結合した燃料電池電源システムにおいて、液体燃料透過性が70mA/cm2以下である電解質膜を用い、供給する液体燃料濃度が15wt％以上であることを特徴とする燃料電池電源システムを用いることにより、同伴水、クロスオーバー燃料等のバランスが取れ、燃料濃度が一定となり、長期間に渡って安定した出力が得られる。【選択図】図２
2006216447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードとが電解質膜を介して配置され、液体燃料が供給される単セルの複数個を電気的に結合した燃料電池電源システムにおいて、前記電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を備え、15wt％以上の濃度の液体燃料を供給して発電を行うようにしたことを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池電源システムにおいて、前記燃料として15wt％〜60wt％の濃度の液体燃料が供給されることを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項３】
請求項１記載の燃料電池電源システムにおいて、前記電解質膜のイオン伝導性が0.005〜0.2S/cmであることを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項４】
請求項１記載の燃料電池電源システムにおいて、前記電解質膜が炭化水素系電解質膜であることを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項５】
請求項４記載の燃料電池電源システムにおいて、前記炭化水素系電解質膜がスルホアルキル化芳香族炭化水素系電解質膜であることを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項６】
請求項１記載の燃料電池電源システムにおいて、前記液体燃料がカートリッジで供給されるようにしたことを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項７】
燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して配置された単セルを複数個装着して電気的に結合し、液体燃料を供給して発電を行うようにした燃料電池電源システムの運転方法において、前記電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を用い、15wt％〜60wt％の濃度の液体燃料を供給するようにしたことを特徴とする燃料電池電源システムの運転方法。
【請求項８】
請求項７記載の燃料電池電源システムの運転方法において、前記カソードで発生する水を自然呼気で除去するようにしたことを特徴とする燃料電池電源システムの運転方法。
【請求項９】
電解質膜を挟んでアノードとカソードを有し、90wt％以上の濃度の液体燃料を保持し、前記カソードからの発生水を前記液体燃料と混合し、且つ、前記アノードに継続的に供給する液体燃料供給系を有する燃料電池電源システムであって、前記電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を備えたことを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項１０】
請求項９記載の燃料電池電源システムにおいて、前記電解質膜の直前で液体燃料の濃度を15wt％〜60wt％に調整することを特徴とする燃料電池電源システム。
【請求項１１】
燃料を酸化するアノ−ドと酸素を還元するカソ−ドとが電解質膜を介して配置された、液体を燃料とする単セルの複数個を電気的に結合した燃料電池電源システムを装着した電子機器であって、前記電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を備え、15wt％以上の濃度の液体燃料を供給して発電を行うようにしたことを特徴とする燃料電池電源システムを装着した電子機器。
【請求項１２】
請求項１１記載の電子機器が、携帯情報端末、モバイル用ノートブック型パーソナルコンピュータ、携帯用電話またはカムコーダーであることを特徴とする電子機器。
【請求項１３】
請求項１記載の燃料電池電源システムを組み込んだ屋外ポータブル電源。
【請求項１４】
請求項１記載の燃料電池電源システムを装着した自動車。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質膜を挟んでアノ−ドとカソ−ドが配置された単セルの複数個を電気的に結合し、メタノール、ジメチルエーテル、エチレングリコール等の液体燃料を供給して発電を行うようにした燃料電池電源システムと、その運転方法に関する。本発明は、小型の携帯用燃料電池電源システムとして好適である。
【背景技術】
【０００２】
最近の電子技術の進歩によって、携帯用電話器、ブックタイプパーソナルコンピュータ、オーデイオ・ビジュアル機器、或いはモバイル用情報端末機器などは小型化され、携帯用電子機器として急速な普及が進んでいる。従来、このような携帯用電子機器は二次電池によって駆動されてきた。しかし、二次電池の場合、一定量の電力使用後に充電することが必須であり、充電装置と比較的長い充電時間が必要になるという問題がある。
【０００３】
最近、携帯用電子機器の電源として燃料電池を使用することが考えられている。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に直接電気エネルギーに変換するもので、動力部を必要としないため、小型発電デバイスとしての実現性は高い。又、燃料電池は燃料のみを交換、或いは補充すれば連続して発電でき、二次電池の場合に見られるように充電のために一時、携帯用電子機器の動作を停止するということが不要である。
【０００４】
携帯電子機器用の燃料電池として、パーフロロカーボンスルホン酸系樹脂の電解質膜を用いてアノ−ドで水素ガスを酸化し、カソ−ドで酸素を還元して発電する高出力密度の固体高分子形燃料電池(PEFC：Polymer Electrolyte Fuel Cell)が開発されつつある。しかしながら、PEFCの場合、燃料が水素ガスであるために燃料の体積エネルギー密度が低く、燃料タンクの体積を大きくする必要があり、小型化には不向きである。これに対して、液体燃料はガスに比べると密度が高く、小型機器用燃料電池の燃料として有利である。従って、メタノール、エタノール、プロパノール、ジメチルエーテル或いはエチレングリコール等の液体燃料を用いた燃料電池が、長時間作動が可能な小型電子機器用の電源として期待される。メタノールを燃料として用いる燃料電池としては、例えば、スルホン化ポリエーテルスルホン系電解質膜を用い、20wt％のメタノール燃料を吸上げ材方式で供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
液体燃料を用いた燃料電池電源の一例として、標準的なメタノール燃料電池（DMFC）を取り上げてDMFC電源を説明する。DMFCでは、アノ−ド触媒層に供給されたメタノール水溶液が（１）式に従って反応して、炭酸ガスと水素イオンと電子に解離する。
【０００６】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−          …（１）
生成された水素イオンは、固体高分子電解質膜中をアノ−ドからカソ−ド側に移動し、カソ−ド触媒層上で空気中から拡散してきた酸素ガスと、カソ−ド触媒層上の電子と（２）式に従って反応して水を生成する。
【０００７】
６Ｈ＋＋３／２Ｏ２＋６ｅ− → ３Ｈ２Ｏ               …（２）
従って、発電に伴う全化学反応は（３）式に示すように、メタノールが酸素によって酸化されて炭酸ガスと水を生成し、化学反応式は形式上メタノールの火炎燃焼と同じになる。
【０００８】
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２ → ＣＯ２＋３Ｈ２Ｏ           …（３）
メタノール水溶液を燃料とする燃料電池では、上述の電気化学反応でメタノールの有する化学エネルギーが直接電気エネルギーに変換される形で発電される。しかしながら、DMFCに供給されたメタノール水溶液のすべてがアノ−ドで使用されることは殆ど無く、一部は電池の外部に排出されてしまう。このため、メタノール水溶液の利用効率は一般に低い。燃料電池から排出されたメタノール水溶液をメタノール水溶液容器に戻すことも考えられるが、アノ−ド触媒層中でメタノールと水は１対１で消費されるため、燃料電池の外部へ排出されたメタノール水溶液をメタノール水溶液容器に戻すと、メタノール水溶液容器内のメタノール水溶液の濃度が次第に薄くなる。そのため、電池内部でメタノール不足を生じ、起電力が急激に減少するという問題を生じる。
【０００９】
そこで、メタノール水溶液の濃度をセンサで検知し、メタノール水溶液の濃度を所定の濃度になるように制御することが考えられている。
【００１０】
【特許文献１】特開2003-323904号公報（要約）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、液体燃料を用いる燃料電池電源システムにおいて、液体燃料の組成を一定に保ち、安定した出力が長期間に渡って得られるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは燃料電池の液体燃料濃度が変化する原因を詳細に検討し、液体燃料濃度制御機構の簡略化を図った結果、本発明に至った。液体燃料濃度が変化する主な原因としては、アノ−ド電極における（１）式の発電に伴う燃料と水の消費、Ｈ＋がアノ−ド電極からカソ−ド電極へ移動する際の随伴水、燃料のクロスオ−バ−、および水のクロスオ−バ−の４点が挙げられる。
【００１３】
アノ−ド電極における前記（１）式による発電に伴う燃料と水の消費は、燃料電池発電時のみに起き、発電に不可欠な現象で、発電量から消費量を見積ることができる。Ｈ＋の移動に伴う随伴水も、同様に燃料電池発電時のみに起き、発電に不可欠な現象で、水和プロトン(随伴水)の移動量の温度、燃料濃度依存性を予め求めておけば、発電量から随伴水の量を簡単に見積ることが可能である。燃料のクロスオ−バ−は液体燃料が高分子電解質膜に接していると起こり、言わば、電池の自己放電に相当する現象である。液体燃料のクロスオ−バ−量は、電解質膜の材質、膜厚、燃料の濃度、温度、液体燃料及び空気(酸素)供給量等に依存する為、簡単に計算で見積ることは困難である。一方、水のクロスオ−バ−は少なく、無視することができる。
【００１４】
前記の原因を詳細に検討した結果、電解質膜として液体燃料透過性が70mA/cm2以下、好ましくは0.02〜70mA/cm2である電解質膜を用い、供給する液体燃料濃度を15wt％以上にすることを見出した。これにより、燃料電池内の液体燃料濃度を推定し、液体燃料濃度を制御する機構を設けないでも、一定時間後に液体燃料濃度が15〜20wt％とほぼ一定となり、安定な出力が得られる様になることが分かった。液体燃料濃度が60wt％を超えると燃料のクロスオ−バ−量が多くなり、非効率的で好ましくない。
【００１５】
又、液体燃料透過性が70mA/cm2以下、好ましくは0.02〜70mA/cm2である電解質膜を用いることにより、カソードで発生する水蒸気や水の量が少なくなり、それらの強制除去や回収等を行わず、自然呼気だけでも酸素の閉塞が無くなって安定した運転ができるようになり、水蒸気や水がPDA、パソコン或いは携帯電話等に悪影響を及ぼすことが無くなる効果も現われた。
【００１６】
以上のことから、本発明は、燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードとが電解質膜を介して配置され、液体燃料が供給される単セルの複数個を電気的に結合した燃料電池電源システムにおいて、前記電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を備え、15wt％以上の濃度の液体燃料を供給して発電を行うようにしたことを特徴とする燃料電池電源システムにある。
【００１７】
また、燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して配置された単セルを複数個装着して電気的に結合し、液体燃料を供給して発電を行うようにした燃料電池電源システムの運転方法において、前記電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を用い、15wt％〜60wt％の濃度の液体燃料を供給するようにしたことを特徴とする燃料電池電源システムの運転方法にある。
【００１８】
また、電解質膜を挟んでアノードとカソードを有し、90wt％以上の濃度の液体燃料を保持し、前記カソードからの発生水を前記液体燃料と混合し、且つ、前記アノードに継続的に供給する液体燃料供給系を有する燃料電池電源システムであって、前記電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を備えたことを特徴とする燃料電池電源システムにある。
【００１９】
また、燃料を酸化するアノ−ドと酸素を還元するカソ−ドとが電解質膜を介して配置された、液体を燃料とする単セルの複数個を電気的に結合した燃料電池電源システムを装着した電子機器であって、前記電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を備え、15wt％以上の濃度の液体燃料を供給して発電を行うようにしたことを特徴とする燃料電池電源システムを装着した電子機器にある。
【発明の効果】
【００２０】
本発明により、燃料電池内の液体燃料濃度を検知或いは推定し、液体燃料濃度を制御する機構を設けないでも、一定時間後に液体燃料濃度がほぼ一定となって、安定な出力が得られるようになった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明において、液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を用いることにより、カソードで発生する水蒸気や水の量が少なくなり、それらの強制除去や回収等を行わずに、自然呼気だけでも酸素の閉塞が無くなって安定した運転ができるようになり、水蒸気や水がPDA、パソコンや携帯電話等に悪影響を及ぼすことが無くなる。
【００２２】
また、本発明の燃料電池電源システムを、二次電池搭載の携帯電話器、携帯用パーソナルコンピュータ、携帯用オーデイオ、ビジュアル機器、その他の携帯用情報端末に付設するバッテリーチャージャーとして用いる、或いは二次電池を搭載することなく直接内蔵電源とすることによって、これらの電子機器は長時間使用が可能となり、燃料の補給によって連続使用が可能となる。
【００２３】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明の要点は、電解質膜として液体燃料透過性が70mA/cm2以下、好ましくは0.02〜70mA/cm2である電解質膜を用い、供給する液体燃料濃度を15wt％以上にすることにある。本発明に用いられる電解質膜としては液体燃料透過性が70mA/cm2以下、好ましくは0.02〜70mA/cm2である電解質膜であれば、特に制限は無い。そのような電解質膜としては例えば、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンポリマー、スルホン化ポリスルフィッド、スルホン化ポリフェニレン等のスルホン化エンジニアプラスチック系電解質膜がある。また、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルケトン、スルホアルキル化ポリエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン、スルホアルキル化ポリスルホン、スルホアルキル化ポリスルフィッド、スルホアルキル化ポリフェニレン、スルホアルキル化ポリエーテルエーテルスルホン等のスルホアルキル化エンジニアプラスチック系電解質膜がある。また、スルホアルキルエーテル化ポリフェニレン等の炭化水素系電解質膜等がある。これらの中では、液体燃料透過性、イオン伝導度、膨潤性等の観点からスルホアルキル化炭化水素系電解質膜、スルホアルキルエーテル化炭化水素系電解質膜が好ましい。タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物、ケイタングステン酸、ケイモリブデン酸、タングストリン酸、モリブデン酸などの水素イオン導電性無機物を、耐熱性樹脂にミクロ分散した複合電解質膜等を用いることによって、より高温域まで運転できる燃料電池とすることもできる。上記した水和型の酸性電解質膜は、一般に膨潤によって膜の変形が生じ、また、イオン導電性の高い膜では機械強度が十分でない場合が生じる。このような場合には、機械強度、耐久性、耐熱性に優れた繊維を不織布或いは織布状で芯材として用いるか、電解質膜製造時に、これらの繊維をフィラーとして添加、補強することが望ましい。又、電解質膜の燃料透過性を低減するためにポリベンズイミダゾール類に硫酸、リン酸、スルホン酸類、或いはフォスフォン酸類をドープした膜を使用することもできる。また、本発明に用いられる固体高分子電解質膜を製造する際に、通常の高分子に使用される可塑剤、安定剤、離型剤等の添加剤を、本発明の目的に反しない範囲内で使用できる。
【００２４】
固体高分子電解質膜のスルホン酸当量としては0.5〜2.0ミリ当量／g乾燥樹脂、更には0.8〜1.5ミリ当量／g乾燥樹脂の範囲が好ましい。スルホン酸当量が上記の範囲より低い場合には膜のイオン伝導抵抗が大きくなり、一方、高い場合にはメタノール水溶液等の燃料水溶液に溶解しやすくなるので好ましくない。固体高分子電解質膜の厚みは特に制限はないが10〜300μmが好ましい。特に15〜200μmが好ましい。実用に耐える膜の強度を得るには10μmより厚い方が好ましく、膜抵抗の低減つまり発電性能向上のためには200μmよりも薄い方が好ましい。溶液キャスト法の場合、膜厚は溶液濃度あるいは基板上への塗布厚により制御できる。溶融状態より製膜する場合、溶融プレス法あるいは溶融押し出し法等で得た所定厚さのフィルムを所定の倍率に延伸することで膜厚を制御できる。
【００２５】
DMFCに用いる際のMEAに使用される電極は、触媒金属の微粒子を担持した導電材により構成されるが、必要に応じて撥水剤や結着剤が含まれていてもよい。また、触媒を担持していない導電材と必要に応じて含まれる撥水剤や結着剤とからなる層を、触媒層の外側に形成してもよい。電極に使用される触媒金属としては、液体燃料の酸化反応および酸素の還元反応を促進する金属であればいずれのものでもよく、例えば、白金、金、銀、パラジウム、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、鉄、コバルト、ニッケル、クロム、タングステン、マンガン、バナジウム、チタンあるいはそれらの合金が挙げられる。このような触媒の中で、特に白金が多くの場合に用いられる。触媒となる金属の粒径は、通常は10〜300オングストロームである。これらの触媒はカーボン等の担体に付着させた方が、触媒の使用量が少なくコスト的に有利である。触媒の担持量は電極が成形された状態で0.01〜10mg/cm2が好ましい。
【００２６】
燃料電池として用いる際の電解質膜と電極を接合する方法についても特に制限はなく、公知の方法を適用することが可能である。MEAの製作方法として、例えば、カーボンに担持させた白金触媒紛とポリテトラフロロエチレン懸濁液とを混ぜ、カーボンペーパーに塗布、熱処理して触媒層を形成し、次いで、バインダーとして電解質膜と同一の電解質溶液或いはふっ素系電解質を触媒層に塗布し、電解質膜とホットプレスで一体化する方法がある。この他、電解質膜と同一の電解質溶液を予め白金触媒紛にコーテイングする方法、触媒ペーストを印刷する方法、スプレー法、インクジェット法で電解質膜の方に塗布する方法、電解質膜に電極を無電解鍍金する方法、電解質膜に白金族の金属錯イオンを吸着させた後に還元する方法等がある。これらのうち、触媒ペーストをインクジェット法で電解質膜に塗布する方法が触媒のロスが少なく優れている。
【００２７】
導電材としては、電子導伝性物質であればいずれのものでも良く、例えば各種金属や炭素材料などが挙げられる。炭素材料としては、例えば、ファーネスブラック、チャンネルブラック或いはアセチレンブラック等のカーボンブラック、活性炭、黒鉛等が挙げられ、これらが単独あるいは混合して使用される。撥水剤としては、例えばふっ素化カーボン等が使用できる。バインダーとしては、電解質膜と同系統の炭化水素電解質の溶液を用いることが接着性の観点から好ましいが、他の各種樹脂を用いても差し支えない。また、撥水性を有する含ふっ素樹脂、例えばポリテトラフロロエチレン、テトラフロロエチレン−パーフロロアルキルビニルエーテル共重合体、およびテトラフロロエチレン−ヘキサフロロプロピレン共重合体を加えてもよい。
【００２８】
DMFCは、以上のように形成されたMEAの外側に、燃料流路と酸化剤流路を形成する溝付きの集電体としての燃料配流板と酸化剤配流板を配したものを単セルとし、このような単セルを複数個、冷却板等を介して積層することにより構成される。単セルを接続するのに、積層する以外に平面で接続する方法がある。単セルを接続する方法は、そのどちらでも特に制限は無い。
【００２９】
燃料電池は、高い温度で作動させる方が、電極の触媒活性が上がり、電極過電圧が減少するため望ましいが、特に作動温度には制限は無い。液体燃料を気化させて高温で作動させることも可能である。
【００３０】
アノ−ド、電解質膜、カソ−ドから構成される複数の単セルを作製し、各単セルを導電性のインターコネクタで直列に接続することで高電圧化を図る。本発明では、燃料に体積エネルギー密度の高いメタノール水溶液等の液体燃料を用いることによって、燃料や酸化剤を強制供給する補機を用いることなく、又、燃料電池を強制冷却するための補機を用いることなく運転し、長時間発電を継続できる小型電源を実現することができる。この小型電源を、例えば携帯電話機、ブックタイプパーソナルコンピュータ或いは携帯用ビデオカメラなどの電源として内蔵することによって駆動することができ、予め用意された燃料を逐次補給することによって長時間の連続使用が可能となる。又、前記の場合よりも燃料補給の頻度を大幅に少なく使用する目的で、この小型電源を例えば二次電池搭載の携帯電話機、ブックタイプパーソナルコンピュータ或いは携帯用ビデオカメラの充電器と結合して、それらの収納ケースの一部に装着することによって、バッテリーチャージャーとして用いることは有効である。この場合、携帯用電子機器使用時には、収納ケースより取り出して二次電池で駆動し、使用しない時にはケースに収納することによって、ケースに内蔵された小型燃料電池発電装置が充電器を介して結合されて二次電池を充電する。こうすることによって、燃料タンクの容積を大きくでき、燃料補給の頻度は大幅に少なくすることができる。
【００３１】
以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明は、ここに開示した実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００３２】
（１）クロロメチル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、30gのポリエーテルスルホン(PES)、テトラクロロエタン250mlを入れ、更にクロロメチルメチルエーテル40mlを加えた後、無水塩化錫（IV）1mlとテトラクロロエタン20mlの混合溶液を滴下し、80℃に加熱して90分間加熱撹拌した。次いで、反応溶液をメタノール1リットル中に落とし、ポリマーを析出させた。析出した沈殿をミキサーで粉砕してメタノールで洗浄し、クロロメチル化ポリエーテルスルホンを得た。核磁気共鳴スペクトルによるクロロメチル基の導入率〈（化１）における全構造単位（ｘ及びｙの合計）に対するクロロメチル基の導入された構造単位の割合〉は36％であった。
【００３３】
【化１】
2006216447.tif 000003
【００３４】
（２）アセチルチオ化ポリエーテルスルホンの合成
得られたクロロメチル化ポリエーテルスルホンを、撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた１０００ｍｌの４ツ口丸底フラスコに入れ、Ｎ−メチルピロリドン600mlを加えた。これに、チオ酢酸カリウム9ｇとＮ−メチルピロリドン（NMP）50mlの溶液を加え、80℃に加熱し3時間加熱撹拌した。次いで、反応液を水1リットル中に落とし、ポリマーを析出させた。析出させた沈殿をミキサーで粉砕し、水で洗浄した後、加熱乾燥してアセチルチオ化ポリエーテルスルホン32ｇを得た。
（３）スルホメチル化ポリエーテルスルホンの合成
得られたアセチルチオ化ポリエーテルスルホン20ｇを、撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの４ツ口丸底フラスコに入れ、さらに酢酸300mlを加えた。過酸化水素水20mlを加え、45℃に加熱し4時間加熱撹拌した。次いで、6規定の水酸化ナトリウム水溶液1リットル中に、冷却しながら前記の反応溶液を加え、しばらく撹拌した。ポリマーをろ過し、アルカリ成分が抜けるまで水で洗浄した。その後、1規定の塩酸300mlにポリマーを加え、しばらく撹拌した。ポリマーをろ過し、酸成分が抜けるまで水で洗浄し、減圧乾燥することで、定量的にスルホメチル化ポリエーテルスルホン20ｇを得た。NMRのメチレンプロトンのケミカルシフトが3.78ppmにシフトしていることにより、スルホメチル基の存在を確認した。スルホメチル基の導入率〈（化２）における全構造単位（ｘ及びｙの合計）に対するスルホメチル基の導入された構造単位の割合〉は、クロロメチル基の導入率から36％であった。
【００３５】
【化２】
2006216447.tif 000004
【００３６】
（４）電解質膜の作製
前記（３）で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンを5wt％の濃度になるようにジメチルアセトアミド−メトキシエタノールの混合溶媒（1：1）に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚42μmのスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜を作製した。この電解質膜の室温におけるメタノール透過性は12mA/cm2、イオン伝導性が0.053S/cmであった。
（５）電解質膜/電極接合体（MEA）の作製
MEA〈1〉の作製：炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１/１の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt％分散担持した触媒粉末と、30wt％の前記（３）で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒とからなるスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約30μmの触媒層を形成し、アノ−ド多孔質膜を得た。次に、炭素担体上に30wt％の白金微粒子を担持した触媒粉末と、前記（３）で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒よりなるバインダーとを含む、水/アルコール混合溶媒のスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約10μmの触媒層を形成し、カソ−ド多孔質膜を得た。こうして作製したアノ−ド多孔質膜及びカソ−ド多孔質膜を、それぞれ10mm幅×20mm長さに切り出してアノ−ド電極及びカソ−ド電極とした。アノ−ド電極表面に5wt％の前記（３）で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約0.5ml浸透させた後に、16ｍｍ幅×33ｍｍ長さにカットした前記（４）で作製したスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜の発電部に接合し、約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥した。次にカソ−ド電極表面に5wt％の前記（３）で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約0.5ml浸透させた後に、前記電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して、約１kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥することによってMEA〈1〉を作製した。
【００３７】
MEA〈2〉の作製：アノ−ド多孔質膜は上記と同様にして作製した。カソード多孔質膜は、炭素担体上に30wt％の白金微粒子を担持した触媒粉末と、30wt％パーフロロカーボンスルホン酸（商品名：Nafion117、DuPont社製）電解質のバインダーとを含む水/アルコール混合溶媒のスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約10μmの触媒層を形成することによって作製した。アノ−ド多孔質膜及びカソ−ド多孔質膜を、それぞれ10mm幅×20mm長さに切り出してアノ−ド電極及びカソ−ド電極とした。アノ−ド電極表面に5重量％の前記（３）で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約0.5ml浸透させた後に、16mm幅×33mm長さにカットした前記（４）で作製したスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜の発電部に接合し、約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥した。次にカソ−ド電極表面に5重量％のナフィオン117アルコール水溶液（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20：40：40の混合溶媒：Fluka Chemika社製）を約0.5ml浸透させた後に、前記電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して、約１kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥することによってMEA〈2〉を作製した。
【００３８】
MEA〈3〉の作製：炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１/１の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt％分散担持した触媒粉末と、30wt％パーフロロカーボンスルホン酸（商品名：Nafion117、DuPont社製）電解質のバインダーとを含む水/アルコール混合溶媒（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20：40：40の混合溶媒）のスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約30μmの触媒層を形成し、アノ−ド多孔質膜を得た。炭素担体上に30wt％の白金微粒子を担持した触媒粉末と、30wt％パーフロロカーボンスルホン酸（商品名：Nafion117、DuPont社製）電解質のバインダーを含む水/アルコール混合溶媒のスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約10μmの触媒層を形成し、カソ−ド多孔質膜を得た。こうして作製したアノ−ド多孔質膜及びカソ−ド多孔質膜を、それぞれ10mm幅×20mm長さに切り出してアノ−ド電極及びカソ−ド電極とした。アノ−ド電極表面に5重量％のナフィオン117アルコール水溶液（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20：40：40の混合溶媒：Fluka Chemika社製）を約0.5ml浸透させた後に、16mm幅×33mm長さにカットした前記（４）で作製したスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜の発電部に接合し、約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥した。次にカソ−ド電極表面に5重量％のナフィオン117アルコール水溶液（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20：40：40の混合溶媒：Fluka Chemika社製）を約0.5ml浸透させた後に、前記電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して、約１kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥することによってMEA〈3〉を作製した。
（６）燃料電池（DMFC）電源システムの製造
燃料電池電源システムの概略構成図を図１に示す。固体高分子電解質膜2の両面にアノ−ド触媒層3及びカソ−ド触媒層4を一体化接合した電解質膜/電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）の両側に、それぞれアノ−ド集電体5、カソ−ド集電体6が密着されている。空気流路板7はカソ−ド集電体6側に配置され、空気供給口8と空気排出口9とを有する空気流路10が形成されている。空気供給口8は、酸化剤11としての空気を供給するブロアや送気ポンプ等の酸化剤供給手段12に接続されている。一方、燃料流路板13はアノ−ド集電体5側に配置されている。燃料流路板13には燃料供給口14と燃料排出口15とを有する燃料流路16が形成されている。メタノール水溶液容器17は、送液ポンプ18を介して燃料供給口14に接続されている。送液ポンプ18によりメタノール水溶液容器17から送られたメタノール水溶液は、燃料流路板13の燃料供給口14を通して燃料流路板13の溝の部分（燃料流路16）を流れる。燃料流路板13の凸の部分はアノ−ドカーボンペーパーのようなアノ−ド集電体5に接しており、燃料流路16を流れるメタノール水溶液がアノ−ド集電体5に浸み込むことにより、アノ−ド触媒層3にメタノール水溶液が供給される。メタノール水溶液と水とが反応することによって解離した電子は、集電体を通ってDC-DCコンバータ25で昇圧され、リチウムイオン二次電池又はスーパーキャパシタ26を経て、外部回路27に接続される。また、リチウムイオン二次電池又はスーパーキャパシタ26は、制御装置20や送液ポンプ18，22，24等の補器の電源28を作動させている。効率上、発生した電子の一部は、集電体を通って直接、制御装置20や送液ポンプ18，22，24等の補器の電源28を作動させることもある。
【００３９】
図１に示したDMFC電源システムのMEAに、それぞれ前記（５）で作製したMEA〈1〉,〈2〉,〈3〉の各々を組み込んで、DMFC電源システムを作製した。水容器21に直結した送液ポンプ22及び、メタノール溶液容器23に直結した送液ポンプ24を止め、最初にメタノール水溶液容器17中に20wt％のメタノール水溶液を入れて、送液ポンプ18を用いてメタノール水溶液を循環させて、100mA/cm2の負荷をかけながらメタノール水溶液の濃度の経時変化を追跡した。温度はいずれも約30℃であった。MEA〈1〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図２に示し、MEA〈2〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図３に示し、MEA〈3〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図４に示す。いずれの場合もメタノール濃度が17wt％前後で安定している。このことから、電解質膜として液体燃料透過性が12mA/cm2である電解質膜を用い、供給する液体燃料濃度20wt％以上にすることにより、燃料電池内の液体燃料濃度を検出し、制御する機構を設けないでも、一定時間後に液体燃料濃度がほぼ一定となり、安定な出力が得られることがわかる。
[比較例１]
（１）電極触媒被覆用溶液及び電解質膜/電極接合体（MEA）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１/１の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt％分散担持した触媒粉末と、30wt％パーフロロカーボンスルホン酸（商品名：Nafion117、DuPont社製）電解質のバインダーを含む水/アルコール混合溶媒（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20：40：40の混合溶媒）のスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約30μmの触媒層を形成し、アノ−ド多孔質膜を得た。炭素担体上に30wt％の白金微粒子を担持した触媒粉末と、30wt％パーフロロカーボンスルホン酸（商品名：Nafion117、DuPont社製）電解質のバインダーを含む水/アルコール混合溶媒のスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約10μmの触媒層を形成し、カソ−ド多孔質膜を得た。こうして作製したアノ−ド多孔質膜及びカソ−ド多孔質膜を、それぞれ10mm幅×20mm長さに切り出してアノ−ド電極及びカソ−ド電極とした。アノ−ド電極表面に5重量％のナフィオン117アルコール水溶液（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20：40：40の混合溶媒：Fluka Chemika社製）を約0.5ml浸透させた後に、16mm幅×33mm長さにカットしたナフィオン115電解質膜（膜厚125μm）の発電部に接合し、約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥した。次にカソ−ド電極表面に5重量％のナフィオン115アルコール水溶液（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20：40：40の混合溶媒：Fluka Chemika社製）を約0.5ml浸透させた後に、前記電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して、約１kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥することによってMEA〈4〉を作製した。
（２）燃料電池（DMFC）電源システムの製造
図１に示すDMFC電源システムのMEAに前記MEA〈4〉を組み込んで、DMFC電源システムを作製した。水容器21に直結した送液ポンプ22及び、メタノール溶液容器23に直結した送液ポンプ24を止め、最初にメタノール水溶液容器17中に20wt％のメタノール水溶液を入れて、送液ポンプ18を用いてメタノール水溶液を循環させて、100mA/cm2の負荷をかけながらメタノール水溶液の濃度の経時変化を追跡した。その結果、図５に示す様に時間の経過と共にメタノール濃度が下がり続け、最終的にはメタノール濃度がほぼ零となり、発電しなくなった。図５からパーフロロスルホン酸電解質膜を用いたMEAを組み込んだDMFC電源システムは、燃料電池内の液体燃料濃度を検出し、メタノール濃度を制御しないと、燃料濃度が下がり続け、安定な出力が得ることができない。尚、ナフィオン115電解質膜の室温におけるメタノール透過性は100mA/cm2、イオン伝導性が0.085S/cmであった。
【００４０】
以上のことから、メタノール透過性が12mA/cm2である電解質膜からなるMEAを用い、供給するメタノール燃料濃度20wt％以上にした燃料電池電源システムは、メタノール透過性が100mA/cm2であるパーフロロスルホン酸電解質膜からなるMEAを用い、供給するメタノール燃料濃度20wt％にした燃料電池電源システムと異なり、メタノール水溶液濃度を検出して制御する機構を設けないでも、一定時間後にメタノール水溶液濃度がほぼ一定となり、安定な出力が得られることがわかる。
【実施例２】
【００４１】
（１）スルホプロピル化ポリエーテルスルホンの合成
撹拌機、温度計、塩化カルシウム管を接続した還流冷却器をつけた500mlの四つ口丸底フラスコの内部を窒素置換した後、21.6gのポリエーテルスルホン(PES)、12.2ｇ（0.1モル）のプロパンサルトン、乾燥した50mlのニトロベンゼンを入れた。撹拌しながら約30分かけて、14.7g（0.11モル）の無水塩化アルミニウムを加えた。無水塩化アルミニウムの添加終了後、8時間還流した。次いで、反応物を25mlの濃塩酸を添加した氷水500mlに注ぎ、反応を停止させた。反応溶液を1リットルの脱イオン水にゆっくりと滴下することで、スルホプロピル化ポリエーテルスルホンを析出させ、濾過回収した。析出した沈澱は、ミキサーによる脱イオン水洗浄と吸引濾過による回収操作を、濾液が中性になるまで繰り返した後、120℃にて一晩減圧乾燥した。得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホンのイオン交換基当量は1.1meq/gであった。
（２）電解質膜の作製
前記（１）で得られた生成物を、濃度を変えてN,N’−ジメチルホルムアミド−シクロヘキサノン−メチルエチルケトン混合溶媒（体積比20：80：25）に溶解した。この溶液をスピンコートによりガラス上に展開し、風乾した後、80℃で真空乾燥して膜厚14、21、31、42、63、103及び202μmの電解質膜を作成した。得られた電解質膜の特性を表1に示す。
【００４２】
【表１】
2006216447.tif 000005
【００４３】
（３）電解質膜/電極接合体（MEA）の作製
炭素担体上に白金とルテニウムの原子比が１/１の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt％分散担持した触媒粉末と、30wt％の前記（１）で得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒とからなるスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約30μmの触媒層を形成し、アノ−ド多孔質膜を得た。炭素担体上に30wt％の白金微粒子を担持した触媒粉末と、前記（１）で得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒のバインダーとを含む水/アルコール混合溶媒のスラリーを調整して、スクリーン印刷法でポリイミドフィルム上に厚さ約10μmの触媒層を形成し、カソ−ド多孔質膜を得た。こうして作製したアノ−ド多孔質膜及びカソ−ド多孔質膜を、それぞれ10mm幅×20mm長さに切り出してアノ−ド電極及びカソ−ド電極とした。アノ−ド電極表面に5重量％の前記（１）で得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質の1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約0.5ml浸透させた後に、16mm幅×33mm長さにカットした前記（２）で得られた厚さの異なるスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質膜の発電部に接合し、約1kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥した。次にカソ−ド電極表面に5重量％の前記（１）で得られたスルホプロピル化ポリエーテルスルホン電解質の1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶媒を約0.5ml浸透させた後に、前記電解質膜に先に接合したアノ−ド層と重なるように接合して、約１kgの荷重をかけて80℃で3時間乾燥することによってMEA〈5〉〜MEA〈11〉を作製した。MEA〈5〉〜MEA〈11〉は電解質膜の膜厚に違いがある。
（３）燃料電池（DMFC）電源システムの製造
図１に示すDMFC電源システムのMEAに、それぞれ前記（２）で作製したMEA〈5〉〜MEA〈11〉を組み込んで、DMFC電源システムを作製した。水容器21に直結した送液ポンプ22及び、メタノール溶液容器23に直結した送液ポンプ24を止め、最初にメタノール水溶液容器17中に20wt％のメタノール水溶液を入れて、送液ポンプ18を用いてメタノール水溶液を循環させて、100mA/cm2の負荷をかけながらメタノール水溶液の濃度の経時変化を追跡した。メタノール水溶液の濃度の経時変化を図６に示す。いずれの場合もメタノール濃度が17wt%前後で安定している。図６から、電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜20mA/cm2である電解質膜を用い、供給する液体燃料濃度20wt％以上にすることにより、燃料電池内の液体燃料濃度を検出し、制御する機構を設けないでも、数時間後に液体燃料濃度がほぼ一定となり、安定な出力が得られることがわかる。
【実施例３】
【００４４】
（１）スルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜の作製
ポリエーテルスルホン、クロロメチルメチルエーテル、無水塩化錫の仕込み比率を変えた以外、実施例１の（１）クロロメチル化ポリエーテルスルホンの合成と同じ合成実験を行い、クロロメチル基の導入率の異なるクロロメチル化ポリエーテルスルホン5種類を合成した。実施例１の（２）アセチルチオ化ポリエーテルスルホンの合成と（３）スルホメチル化ポリエーテルスルホンの合成と同じ実験を行って、得られたクロロメチル化ポリエーテルスルホンのクロロメチル基をアセチルチオ化し、次いでスルホメチル化ポリエーテルスルホンとした。実施例１の（４）電解質膜の作製と同様にして得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンを成膜化し、約40μmのスルホメチル化ポリエーテルスルホン電解質膜を得た。得られた膜の特性を表２に示す。
【００４５】
【表２】
2006216447.tif 000006
【００４６】
（３）電解質膜/電極接合体（MEA）の作製
40wt％の白金−ルテニウム担持カーボンに、実施例１の（３）で得られたスルホメチル化ポリエーテルスルホンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶液を、白金−ルテニウム触媒と高分子電解質との重量比が2：1となるように添加し、均一に分散させてペースト（電極触媒被覆用溶液）を調整した。この電極触媒被覆用溶液を実施例３の（１）で得られた電解質膜の片側に塗布した後、乾燥して白金−ルテニウム担持量6mg/cm2のアノード電極を作製した。又、40wt％の白金担持カーボンに、実施例１の（３）のスルホメチル化ポリエーテルスルホンの1-プロパノール、2-プロパノールとメトキシエタノールの混合溶液を、白金触媒と高分子電解質との重量比が2：1となるように添加し、均一に分散させてペースト（電極触媒被覆用溶液）を調整した。この電極触媒被覆用溶液を電解質膜の反対側に塗布した後、乾燥して白金担持量2mg/cm2のカノード電極を作製し、MEA〈12〉〜MEA〈18〉を作製した。
（３）燃料電池（DMFC）電源システムの製造
図１に示したDMFC電源システムのMEAに、前記（２）で作製したMEA〈12〉〜MEA〈18〉の各々を組み込んで、DMFC電源システムを作製した。水容器21に直結した送液ポンプ22及び、メタノール溶液容器23に直結した送液ポンプ24を止め、最初にメタノール水溶液容器17中に20wt％のメタノール水溶液を入れて、送液ポンプ18を用いてメタノール水溶液を循環させて、100mA/cm2の負荷をかけながらメタノール水溶液の濃度の経時変化を追跡した。MEA〈12〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図７に示し、MEA〈13〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図８に示し、MEA〈14〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図９に示す。また、MEA〈15〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図１０に示し、MEA〈16〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図１１に示し、MEA〈17〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図１２に示し、MEA〈18〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール水溶液濃度の経時変化を図１３に示す。いずれの場合も、メタノール濃度が17wt％前後で安定している。このことから、電解質膜として液体燃料透過性が0.02〜70mA/cm2である電解質膜を用い、供給する液体燃料濃度15wt％以上にすることにより、燃料電池内の液体燃料濃度を検出し、制御する機構を設けないでも、一定時間後に液体燃料濃度がほぼ一定となり、安定な出力が得られることがわかる。
【実施例４】
【００４７】
図１に示すDMFC電源システムのMEAに実施例３のMEA〈14〉を組み込んでDMFC電源システムを作製した。水容器21に直結した送液ポンプ22及び、メタノール溶液容器23に直結した送液ポンプ24を止め、最初にメタノール水溶液容器17中に濃度を10、15、20、25、30、50、60wt％としたメタノール水溶液をそれぞれ入れて、送液ポンプ18を用いてメタノール水溶液を循環させて、100mA/cm2の負荷をかけながらメタノール水溶液の濃度の経時変化を追跡した。その結果を図１４に示す。図１４から、電解質膜として液体燃料透過性が12mA/cm2である電解質膜を用い、供給する液体燃料濃度15wt％以上にすることにより、燃料電池内の液体燃料濃度を検出し、制御する機構を設けないでも、一定時間後に液体燃料濃度がほぼ一定となり、安定な出力が得られることがわかる。
【実施例５】
【００４８】
（１）燃料電池電源システムの製造
図１５に本実施例にかかる電源システムの構成を示す。電源システムは、燃料電池101、燃料カートリッジタンク102、出力端子103及び排ガス口104から構成されている。排ガス口104からはアノード側で生成された炭酸ガスを燃料室112（図１６）から排気するために形成されている。燃料カートリッジタンク102は、高圧液化ガス、高圧ガス又はバネなどの圧力によって燃料を送り出す方式のものであり、燃料を図１６に示す燃料室112に供給するとともに、燃料室内を液体燃料で大気圧よりも高い圧力に維持するシステムになっている。発電に伴って、燃料室112の燃料が消費されると圧力により燃料カートリッジ102から消費された量の燃料が補給される。電池出力は直流／直流変換器105を介して負荷機器に電力を供給する方式をとっている。燃料電池101、燃料カートリッジタンク102の燃料残量、直流／直流変換器105などの運転時及び停止時の状況にかかわる信号を得て、直流／直流変換器105を制御し、必要に応じて警告信号を出力するように設定された制御器106をもって、電源システムが構成されている。また、制御器106は、必要によっては電池電圧、出力電流、電池温度などの電源の運転状態を負荷機器に表示することができ、燃料カートリッジタンク102の残量が所定値を下回る状況になった場合、或いは空気拡散量などが所定の範囲から外れた場合には、直流／直流変換器105から負荷への電力供給を停止するとともに、音響、音声、パイロットランプ又は文字表示などの異常警報を駆動する。正常運転時においても、燃料カートリッジタンク102の燃料残量信号を受けて、負荷機器に燃料残量表示が出来る。図１６に本発明にかかる一実施例による燃料電池の部品構成を示す。燃料電池101は、燃料カートリッジホルダー114を備えた燃料室112の両側に、それぞれアノード端板113ａ、ガスケット107、拡散層付きのMEA111、ガスケット107、カソード端板113ｃが積層された構造を有する。積層体を面内の加圧力が略均一になるようにネジ115（図１７）で一体化、固定して、燃料電池101が作製される。このとき、MEA111は実施例１で作製したMEA〈1〉を用いた。図１７に積層、固定された燃料室の両面に、片面６枚の拡散層付きのMEA111を平面上に並べた発電部を有する燃料電池の外観を示す。燃料電池101は、燃料室102の両面にそれぞれ複数の単セルが直列接続され、両面の直列単セル群はさらに接続端子116で直列接続され、出力端子103から電力を取り出す構造になっている。図１７において、燃料は、燃料カートリッジタンク102から高圧液化ガス、高圧ガス又はバネなどによって加圧供給され、アノードで生成した炭酸ガスは、ここには図示されず、図１９にその一実施例として示す排ガスモジュール130を介して排ガス口104から排出される。この排ガスモジュール130は、気液分離機能を持ち、排ガスを捕集する機能を持っている。一方、酸化剤である空気は空気拡散スリット122ｃからの拡散で供給され、カソードで生成した水はこのスリット122ｃを通して拡散、排気される。電池を一体化するための締め付け方法は、本実施例で開示したネジによる締め付けに限定されることなく、この電池を筐体内に挿入して筐体からの圧縮力によって達成することや、その他の方法で達成することが出来る。
【００４９】
図１８に本発明の実施形態にかかる燃料室112の構造を示す。燃料室112には燃料を分配するための複数のリブ121が設けられ、リブ支持板123の支持を受けて両面貫通のスリット122ａを形成している。リブ支持板123は、燃料室112の厚さよりは十分に薄く、この部分にも燃料分配のための溝部が形成され、且つ、この支持板には、図１９に開示する気液分離管131を支持する支持孔124が設けられている。また、燃料室112には、排ガス口104、電池締め付け用ネジ孔125ａ、燃料カートリッジ受け口126、及び燃料カートリッジホルダー114が設けられている。燃料室112の材料はMEA装着時に面圧が均一にかかるように平滑であり、面内に設置される複数の電池が相互に短絡しないように絶縁された構造となれば特に限定はない。高密度塩化ビニル、高密度ポリエチレン、高密度ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリカーボネート或いはこれらをガラス繊維強化したものを用いると良い。また、炭素板や鋼、ニッケル、その他軽量なアルミニウム、マグネシウムなどの合金材料、或いは、銅−アルミニウムなどに代表される金属間化合物や各種のステンレススチールを用い、表面を不導体化する方法や樹脂を塗布して絶縁化する方法を用いることが出来る。
【００５０】
燃料や酸化剤ガスなどの流体を分配するスリット122ａは、図１７では平行溝構造をとっているが、その他の構造を選択することも可能で、流体が面内で均一に分配される構造であれば特に限定されるものではない。また、図１７では電池構成部材をネジによって均一に締め付けて、電気的接触と液体燃料のシールを図っているが、これも本実施例に限定されることなく、例えば、電池部材をそれぞれ接着性高分子フィルムで張り合わせて、電池を筐体などで加圧、締め付けする方法などは、電源を軽量、薄型化を図る上で有効な方法である。
【００５１】
図２０に本発明による実施例として、図１８に示した構造の燃料室112と、図１９に示した排ガスモジュール130を組み合わせた燃料室の外観を示す。排ガスモジュール130の各々の気液分離管131は、燃料室112に設けられたリブ支持板123の支持孔124を通して固定され、モジュール基板132は排ガス口104に接続されて、それぞれの気液分離管131に回収されたガスを電池外に排気する機能を持っている。このような構造をとることによって、気液分離管は炭酸ガスが発生するアノードの近傍で対向する２つのアノードとほぼ等距離に設置されることになる。このため、燃料カートリッジを装着すると、燃料室内は所定の圧力で燃料が満たされた状態になり、発電しないときには、気液分離管の撥水性によって、その細孔内に燃料が特定の圧力に達するまでは進入できないために、特定圧以下では燃料の漏洩がない。また、燃料内溶存ガスの脱気や発電開始とともに、発生する炭酸ガスは気液分離管に捕捉されて、液体燃料の圧力で電池外へ排気される。したがって、用いられる気液分離管の膜厚、平均細孔経、細孔分布及び開口率は、燃料カートリッジの初期圧及び最終圧と電池の最大出力時の炭酸ガス発生量から選択されて用いられる。
【００５２】
図２１に燃料室に接合されるアノード端板113ａの構造を示す。アノード端板113ａは、同一面内に６個の単セルを配置し、直列に電気接続するため３種の電子伝導性と耐食性を持ったカレントコレクタ142ａ、142ｂ、142ｃと絶縁シート141が一体化、接合され、それぞれのカレントコレクタには、複数のスリット122ｂが設けられている。絶縁シート141には、電池部品の一体化、締め付けのために、複数のネジ孔125ｂが設けられている。また、アノード端板113ａを構成する絶縁シート141は、面内に配置されたカレントコレクタ142がそれぞれ一体化接合でき、絶縁性、平面性を確保できる材料であれば特に限定はない。高密度塩化ビニル、高密度ポリエチレン、高密度ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリカーボネート、ポリイミド系樹脂或いはこれらをガラス繊維強化したものを用いると良い。また、鋼、ニッケル、その他の軽量なアルミニウム、マグネシウムなどの合金材料、或いは、銅−アルミニウムなどに代表される金属間化合物や各種のステンレススチールを用い、表面を不導体化する方法や樹脂を塗布して絶縁化する方法を用い、カレントコレクタ142と接合することが出来る。
【００５３】
図２２に同一面内に複数の単セルを直列に配置するカソード端板113ｃの構造の一例を示す。カソード端板113ｃは、基板181に複数のカレントコレクタ142を接合するためのザグリ部182ａ、182ｂ、182ｃ、そのザグリ部182に酸化剤である空気及び生成物である水蒸気を拡散させるためのスリット122ｃが設けられ、更に、燃料電池部品を一体化、締め付けのためのネジ孔125ｃが設けられている。基板181は、面内に配置されたカレントコレクタ142が接合でき、絶縁性、平面性を確保でき、更にMEAと十分に低い接触抵抗となるように、面内締め付けが可能な剛性を持った材料であれば特に限定はない。高密度塩化ビニル、高密度ポリエチレン、高密度ポリプロピレン、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン類、ポリエーテルスルホン類、ポリ−カーボネート、ポリイミド系樹脂或いはこれらをガラス繊維強化したものを用いると良い。また、鋼、ニッケル、その他軽量なアルミニウム、マグネシウムなどの合金材料、或いは、銅−アルミニウムなどに代表される金属間化合物や各種のステンレススチールを用い、表面を不導体化する方法や樹脂を塗布して絶縁化する方法を用い、カレントコレクタ４２と接合することが出来る。
【００５４】
図２３に、図２２に示した基板181のザグリ部182に、図２４に開示されるカレントコレクタを接合したカソード端板113ｃの概観を示す。カソード端板113ｃは、同一面内に６個の単セルのカソードと接触、集電する６個のカレントコレクタ142と燃料電池部品を一体化、締め付けするためのネジ孔125ｃが設けられている。
【００５５】
カレントコレクタ142は、基板181のフランジ面と可能な限り、同一面を構成するように、ザグリ部182に嵌め込まれて接着剤で接合されることが望ましい。このときの接着剤には、メタノール水溶液に溶解、膨潤せず、メタノールよりも電気化学的に安定なものであれば良く、エポキシ樹脂系接着剤などは好適なものである。また、接着剤による固定に限定されること無く、例えば、ザグリ部の一部に、カレントコレクタ42に設けられたスリット122ｂの一部と或いは特別に設けられた嵌め込み孔と嵌合する突起を基板181に設けて固定することも出来る。また、カレントコレクタ142と基板181の一方の面が同一面を形成することも特に限定的なものではなく、この部分に段差が生じるような構造の場合、例えば、基板181にザグリ部182を設けることなくカレントコレクタ142を接合することも可能で、シールのために用いられるガスケットの構造、厚みを変更することで対応できる。
【００５６】
図２４に、図２１と図２３に開示したアノード端板113ａ、カソード端板113ｃに接合されるカレントコレクタの構造を示す。カレントコレクタ142は、同一面内の単セルを直列に接続するために、142ａ、142ｂ、142ｃと３種類の形状のものが用いられる。カレントコレクタ142ａは電池の出力端子103を備え、面内には燃料もしくは酸化剤である空気の拡散のためのスリット122ｂが設けられている。カレントコレクタ142ｂ及び142ｃには、同一面内の単セルを直列に接続するためのインターコネクタ151ｂ、151ｃとスリット122ｂが設けられている。更に、これらのカレントコレクタ142をアノード端板113ａに用いるときには、図２１に開示した絶縁シート141と一体化、接合するためのフィン152が設けられ、カソード端板113ｃに用いるときには、このフィン152を持たない構造のものが選択される。
【００５７】
カレントコレクタ142に用いられる材料は特に限定はないが、炭素板やステンレススチール、チタン、タンタルなどの金属系板、或いは、これらの金属系材料と他の金属、例えば炭素鋼、ステンレススチール、銅、ニッケル等のクラッドなどのように複合材料を用いることが出来る。更に、金属系カレントコレクタにおいては、加工されたカレントコレクタの通電接触部に金のような耐食性貴金属をメッキすることや、導電性炭素塗料などを塗布して、実装時の接触抵抗を低減することは、電池の出力密度向上と長期性能安定性の確保に有効である。
【００５８】
図２５（ａ）に本発明の実施例に用いるMEA160の構造を示す。電解質膜161にはアルキルスルホン酸化ポリエーテルスルホンを用いた。アノード電極162ａには炭素担体（ＸＣ７２Ｒ：キャボット社製）に白金とルテニウムを担持した触媒を用い、カソード電極162ｃには炭素担体（ＸＣ７２Ｒ：キャボット社製）に白金を担持した触媒を用いた。電解質膜と電極を接合するバインダーには、電解質膜のアルキルスルホン酸化ポリエーテルスルホンと同じ高分子で、電解質膜よりもスルホン酸化当量重量の小さいものを用いた。このようなバインダーの選択によって、電極触媒に分散される電解質の水及びメタノールのクロスオーバー量を電解質膜よりも大きくとることができ、電極触媒上への燃料拡散が促進されて、電極性能は向上する。
【００５９】
図２５（ｂ）、図２５（ｃ）に本発明に用いられるカソード拡散層170ｃ及びアノード拡散層170ａの構成を示す。カソード拡散層170ｃは、撥水性を強めて、カソード近傍の水蒸気圧を高め、生成水蒸気の拡散排気と水の凝集を防ぐための撥水層172と多孔質炭素基板171ｃから構成されている。撥水層172はカソード電極162ｃと接するように積層される。アノード拡散層170ａとアノード電極162ａの面接触に関しては特に限定は無く、多孔質炭素基板171ａを用いた。カソード拡散層170ｃの多孔質炭素基板171ｃには導電性で多孔質な材料が用いられる。一般的には炭素繊維の織布或いは不織布が用いられる。
【００６０】
カソード拡散層170ｃについて詳細に説明する。カーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）を所定の寸法に切り出す。予め吸水量を求めた後、このカーボンペーパーを焼き付け後の重量比が20〜60wt％となるように希釈したポリテトラフルオロカーボン／水分散液（Ｄ−１：ダイキン工業社製）に浸漬し、120℃で約１時間乾燥する。更に、空気中、270〜360℃の温度で0.5〜1時間焼き付け操作をする。次に、炭素粉末（ＸＣ−７２Ｒ：キャボット社製）に対して20〜60wt％となるようにポリテトラフルオロカーボン／水分散液を加えて混練する。ペースト状になった混練物を、上記のように撥水化されたカーボンペーパーの一方の面に、厚みが10〜30μmとなるように塗布する。これを120℃で約1時間乾燥した後、270〜360℃で0.5〜1時間、空気中で焼成して、カソード拡散層170ｃが得られる。カソード拡散層170ｃの通気性及び透湿性、即ち、供給酸素及び生成水の拡散性は、ポリテトラフルオロエチレンの添加量、分散性、焼き付け温度に大きく依存するので、燃料電池の設計性能、使用環境などを考慮して適正な条件が選定される。
【００６１】
アノード拡散層170ａには、導電性と多孔質の条件を満たす炭素繊維の織布或いは不織布を用いることができる。炭素繊維織布としては、例えばカーボンクロス（トレカクロス：東レ製）やカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−０６０）が好適である。アノード拡散層170ａの機能は、水溶液燃料の供給と、生成された炭酸ガスの速やかな散逸を促進することにある。このため、上記した多孔質炭素基板171ａを緩やかな酸化又は紫外線照射などによって面を親水化する方法、多孔質炭素基板171ａに親水性樹脂を分散する方法、酸化チタンなどに代表される強い親水性を有する物質を分散担持する方法などが好ましい。これらの方法は、アノードで生成した炭酸ガスが多孔質炭素基板171ａ内で気泡成長するのを抑制し、燃料電池の出力密度を高める効果がある。また、アノード拡散層170ａは、上記した材料に限定されること無く、実質的に電気化学不活性な金属系材料、例えば、ステンレススチール繊維不織布、多孔質体、多孔質なチタン、多孔質タンタルなどの多孔質材料を用いることも出来る。
【００６２】
図２６に本発明による燃料電池に用いられるガスケット190の構造を示す。ガスケット190は、複数の実装するMEAに対応した、貫通切り抜きの通電部191と締め付けネジ通すための複数のネジ孔125ｄ及びアノード端板113ａ、カソード端板のインターコネクタ151を接続する電導体を貫通させる接続孔192から構成される。ガスケット190は、アノード電極162ａに供給される燃料及びカソード電極162ｃに供給される酸化剤ガスをシールするためのものであり、通常用いられるEPDMなどの合成ゴム、フッ素系のゴム、シリコンゴムなどをガスケット材として使用することが出来る。
【００６３】
以下、実施例及び比較例を示して、前述の触媒材料をより具体的に説明する。本実施例では触媒金属として白金とルテニウムとの合金を用いるが、これに限定されるものではなく、例えば、DMFCのカソードには白金を有する触媒金属を用いることができる。
【００６４】
以下では、携帯情報端末用DMFCの一実施例を説明する。図２７に本発明によるDMFCの外観を示す。この燃料電池10１は燃料室112、図には示されていないスルホメチル化ポリエーテルスルホンを電解質膜として用いたMEA、ガスケットを挟んだカソード端板113ｃとアノード端板113ａとを有し、発電部は、燃料室112の片方の面にのみ実装されている。この燃料室112の外周には、燃料供給管128と排ガス口104が設けられている。また、アノード端板113ａ及びカソード端板113ｃの外周部には、一対の出力端子103が設けられている。電池の組み立て構成は、図１６に示した部品構成と同じで、燃料室の片面にのみ発電部を実装することと、燃料カートリッジホルダーが一体化していない点が異なる。材料は、燃料室には高圧塩化ビニル、アノード端板にはポリイミド樹脂フィルム。カソード端板にはガラス繊維強化エポキシ樹脂を用いた。
【００６５】
図２８に、MEAの実装レイアウトとそのA−A断面構造を示す。このDMFCには、燃料室112と一体化されたアノード端板113ａの表面スリット部に、発電部サイズが16mm×18mmで、大きさ22mm×24mmのMEAが１２枚実装される。燃料室内部には、図２９のA−A断面図に示すように、気液分離管131を組み合わせた気液分離モジュールが、燃料室112内に設けられた燃料分配溝127の中に挿入されている。気液分離モジュールの一方の端部は、排ガス口104に接続されている。又、燃料分配溝127の一方は、燃料室112の外周部に位置する燃料供給管128と接続されている。図２８には図示されていないカレントコレクタは、アノード端板113ａの外表面に、アノード端板表面と同一平面となるように接着され、単セルをそれぞれ直列接続するためのインターコネクタ151及び出力端子103が設けられている。
【００６６】
カレントコレクタ材料は0.3mm厚みのチタン板を用い、電極と接触する面は、予め表面を洗浄したあと約0.1μm程度の金を蒸着した。図２９には、MEAを固定し、それぞれの電池を直列接続するためのカソード端板113ｃの構造を示す。カソード端板113ｃは、厚さ2.5mmのガラス繊維強化エポキシ樹脂板を基板181として用いた。この板の表面には、上記と同じように金を蒸着した、厚さ0.3mm のチタン製カレントコレクタ142ａ、142ｂ、142ｃをエポキシ樹脂で接着した。基板181とカレントコレクタ140には、予め空気拡散のためのスリット122が設けられており、それぞれ連通するように接着する。
【００６７】
こうして作製した電源のサイズは、115mm×90mm×9mmである。また、この電源に組み込まれているDMFCの発電部を構成するMEAは、触媒材料として実施例１にある触媒材料を用いることにより、従来のDMFCと比較し高い出力を得ることができるものである。燃料カートリッジタンク102中のメタノール水溶液の濃度を20wt％にしたときに、燃料室112の燃料濃度が経時変化する様子を図３０に示す。図３０から、電解質膜として液体燃料透過性が12mA/cm2である電解質膜を用い、供給する液体燃料濃度20wt％以上にすることにより、燃料電池内の液体燃料濃度を検出し、制御する機構を設けないでも、一定時間後に液体燃料濃度がほぼ一定となり、安定な出力が得られた。又、アノードは自然呼気で水が凝縮することも無く、安定した出力が得られた。
【００６８】
一方、MEA〈13〉の代わりに比較例１のMEA〈4〉を用いた場合、液体燃料濃度が直ぐに低下し、安定な出力が得られなかった。又、アノードは自然呼気で水が凝縮し、酸素不足をきたし、出力が不安定で凝縮水を取り除く作業が不可欠であった。
【００６９】
実施例５で作製したDMFCを携帯用情報端末に実装した例を図３１に示す。この携帯用情報端末は、タッチパネル式入力装置が一体化された表示装置201とアンテナ203を内蔵した部分を有する。また、燃料電池10１とプロセッサ、揮発及び不揮発メモリ、電力制御部、燃料電池及び二次電池ハイブリッド制御、燃料モニタなどの電子機器及び電子回路などを実装したメインボード202とリチウムイオン二次電池206を搭載する部分を有する。前記の２つの部分と燃料カートリッジタンク102のホルダーを兼ねたカートリッジホルダー付ヒンジ204で連結された折りたたみ式の構造をとっている。
【００７０】
電源実装部は、隔壁205によって区分され、下部にメインボード202及びリチウムイオン二次電池206が収納されて、上部に燃料電池101が配置される。筐体210の上及び側壁部には空気及び電池排ガス拡散のためのスリット122ｃが設けられ、筐体内のスリット122ｃの表面には空気フィルタ207が、隔壁面には吸水性速乾材料208が設けられている。空気フィルタは気体の拡散性が高く、粉塵などの侵入を防ぐ材料であれば特に限定は無いが、合成樹脂の単糸をメッシュ状にしたもの、または、織布は目詰まりを起こすことがなく好適である。本実施例においては、撥水生の高いポリテトラフルオロエチレン単糸メッシュを用いた。
【００７１】
この携帯用情報端末に組み込まれているDMFCの発電部を構成するMEAは、触媒材料として実施例１にある触媒材料を用いることにより、従来のDMFCと比較し高い出力を得ることができるため、携帯用端末が要求できる最大出力をより大きなものとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明は、小型携帯用電源システムとしての燃料電池の普及に貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明に係る燃料電池電源システムの概略構成図。
【図２】MEA〈１〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図３】MEA〈２〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図４】MEA〈３〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図５】比較例に係るDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図６】本発明に係るDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図７】MEA〈１２〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図８】MEA〈１３〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図９】MEA〈１４〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図１０】MEA〈１５〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図１１】MEA〈１６〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図１２】MEA〈１７〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図１３】MEA〈１８〉を組み込んだDMFC電源システムのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図１４】初期メタノール濃度を変えたときのメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図１５】本発明に係る燃料電池電源システムの一実施例を示す概略図。
【図１６】本発明の燃料電池電源システムにおける電池構成の一実施例を示す斜視図。
【図１７】本発明に係るカートリッジホルダー付燃料電池電源の外観を示す斜視図。
【図１８】本発明に係る燃料電池電源システムの燃料室構造の一実施例を示す図。
【図１９】本発明に係る燃料電池電源システムの排ガスモジュールの一実施例を示す図。
【図２０】本発明に係る電源システムの燃料室/排ガスモジュール一体化構造の一実施例を示す図。
【図２１】本発明に係る電源システムのアノード端板構造の一実施例を示す図。
【図２２】本発明に係る電源システムのカソード端板構造の一実施例を示す図。
【図２３】本発明に係る電源システムのカレントコレクタ/カソード端板構造の一実施例を示す図。
【図２４】本発明に係る電源システムのアノードカレントコレクタ構造の一実施例を示す図。
【図２５】本発明に係る電源システムのMEA及び拡散層の構造の一実施例を示す図。
【図２６】本発明に係る電源システムのガスケット構造の一実施例を示す図。
【図２７】本発明に係る電源システムの燃料電池外観の一実施例を示す斜視図。
【図２８】本発明に係る電源システムにおいて、燃料室/アノード端板を一体化したものにMEAを配置した構造の一実施例を示す図。
【図２９】本発明に係る電源システムのカレントコレクタ付カソード端板構造の一実施例を示す図。
【図３０】本発明に係る電源システムにおけるメタノール濃度の経時変化を示す図。
【図３１】本発明に係る燃料電池を搭載した携帯情報端末の構造の一実施例を示す図。
【符号の説明】
【００７４】
1…DMFC、2…固体高分子電解質膜、3…アノード触媒層、4…カソード触媒層、5…アノ−ド集電体、6…カソ−ド集電体、7…空気流路板、8…空気供給口、９…空気排気口、10…空気流路、11…酸化剤、13…燃料流路板、14…燃料供給口、15…燃料排出口、16…燃料流路、17…メタノール水溶液容器、21…水容器、23…メタノール溶液容器、27…外部回路、101…燃料電池、102…燃料カートリッジタンク、103…出力端子、104…排ガス口、105…直流／直流変換器、106…制御器、107…ガスケット、111…拡散層付きのＭＥＡ、112…燃料室、113ａ…アノード端板、113ｃ…カソード端板、114…燃料カートリッジホルダー、115…ネジ、116…接続端子、201…表示装置、202…メインボード、203…アンテナ、204…カートリッジホルダー付ヒンジ、205…隔壁、206…リチウムイオン二次電池、210…筐体。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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