(57)【要約】【課題】  衛生的な、または、利用者に不快感を与えない燃料電池を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明の燃料電池１００は、アノード１０とカソード１６とアノード１０及びカソード１６に挟持される電解質層１４とを有するセル１２と、セル１２を内部に保持する筐体２４と、を備える燃料電池１００において、筐体２４は、抗菌機能を有することを特徴とする。また、アノード１０とカソード１６とアノード１０及びカソード１６に挟持される電解質層１４とを有するセル１２と、セル１２を内部に保持する筐体２４と、を備える燃料電池１００において、筐体２４は、親水機能を有することを特徴とする。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードと前記アノード及び前記カソードに挟持される電解質層とを有するセルと、前記セルを内部に保持する筐体と、を備える燃料電池において、
前記筐体は、抗菌機能を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
アノードとカソードと前記アノード及び前記カソードに挟持される電解質層とを有するセルと、前記セルを内部に保持する筐体と、を備える燃料電池において、
前記筐体は、親水機能を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の燃料電池において、
前記筐体は、前記カソードから生成される反応生成物を排出するカソード生成物排出部を備え、
前記カソード生成物排出部は、抗菌機能および／または親水機能を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池において、
前記筐体は、光触媒を含むことにより、抗菌機能および／または親水機能を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項５】
請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池において、
前記アノードへ供給する燃料は、液体燃料であることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、具体的には、携帯機器に用いる燃料電池であって抗菌機能を有する燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。
【０００３】
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。
【０００４】
特許文献１に開示されているような平面形の燃料電池は、小型、軽量が要求される携帯機器への利用が期待されているが、カソードからの生成水が、カソード側生成物排出孔を通って、直接排出されるため、衛生面での問題や利用者へ不快感を与えるなどの問題を抱えている。一方、日本人の衛生意識の高さから、利用者が直接接触する物に対して、特許文献２に開示されているような抗菌加工を施す技術の開発も進められている。
【特許文献１】特開２００３−２８２１３１号公報
【特許文献２】特開２００５−１０５０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の燃料電池は、上記にように、カソードからの生成水が、カソード側生成物排出孔を通って、直接排出されるため、衛生面での問題や利用者へ不快感を与えるなどの問題があった。また、カソード側生成物排出孔に液体の水が滞留することによって、空気などの反応流体の供給が阻害され、燃料電池の出力が低下してしまうという問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、燃料電池の筐体、特に水蒸気を含む水、二酸化炭素、空気などの反応生成物あるいは反応流体が流通する流通孔が配された部分に所定の機能を保持させることにより、衛生的な、または、利用者に不快感を与えない燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、アノードとカソードと前記アノード及び前記カソードに挟持される電解質層とを有するセルと、前記セルを内部に保持する筐体と、を備える燃料電池において、前記筐体は、抗菌機能を有することを特徴とする。ここで、抗菌機能とは、細菌などの微生物の増殖を抑える機能をいい、微生物が増殖するのに必要となる栄養分（有機物）あるいは微生物の細胞を分解するなどにより、増殖を抑えることが可能となる。これにより、燃料電池を衛生的に維持することができる。
【０００８】
また、本発明の燃料電池は、アノードとカソードと前記アノード及び前記カソードに挟持される電解質層とを有するセルと、前記セルを内部に保持する筐体と、を備える燃料電池において、前記筐体は、親水機能を有することを特徴とする。ここで、親水機能とは、水となじみ易くする機能をいい、具体的には、筐体と水との接触角（液体が固体に接触しているとき、液体の自由表面が固体の平面となす角度）が９０°以下となるように、筐体に親水処理を施すことにより、親水機能を持たせることができる。これにより、筐体に水滴がついても薄く広がって蒸発しやすくなり、利用者が快適に燃料電池を利用することができる。また、筐体に設けられた、空気などの反応流体や、二酸化炭素あるいは生成水などの反応生成物が流通する流通孔に水滴がついても、薄く広がることで流通孔を塞ぐことなく、スムーズに反応流体や反応生成物を流通させることができる。
【０００９】
そして、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の燃料電池において、前記筐体は、前記カソードから生成される反応生成物を排出するカソード生成物排出部を備え、前記カソード生成物排出部は、抗菌機能および／または親水機能を有することを特徴とする。これにより、特に反応生成物として生成水が排出されるカソード側生成物排出孔あるいはその周辺部において、抗菌機能および／または親水機能を有するので、衛生的で利用者に不快感を与えない燃料電池を提供することができる。
【００１０】
請求項４記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の燃料電池において、前記筐体は、光触媒を含むことにより、抗菌機能および／または親水機能を有することを特徴とする。ここで、光触媒とは、光エネルギーを吸収し、光を吸収しない別の物質に化学反応を起こさせる物質をいい、太陽や蛍光灯などの光が当たると、その表面で強力な酸化力が生まれ、接触してくる有機化合物や細菌などを分解することができる。具体的には、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化スズ、酸化鉄、酸化ジルコニウム、酸化タングステン、酸化クロム、酸化モリブデン、酸化ルテニウム、酸化ゲルマニウム、酸化鉛、酸化カドミウム、酸化銅、酸化バナジウム、酸化ニオブ、酸化タンタル、酸化マンガン、酸化ロジウム、酸化ニッケル、酸化レニウム、チタン酸ストロンチウムなどが挙げられ、抗菌機能と親水機能の両機能を有するものもある。
【００１１】
請求項５記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池において、前記アノードへ供給する燃料は、液体燃料であることを特徴とする。ここで、液体燃料としては、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール、エチレングリコール、ジメチルエーテルが挙げられ、特にメタノールを直接アノードへ供給するＤＭＦＣは、携帯機器用電源への利用が期待されており、利用者が直接筐体に手を触れる機会も多く、抗菌機能および／または親水機能を有する燃料電池は有用であると考えられる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、衛生的なまたは、利用者に不快感を与えない、燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明の燃料電池１００の基本構成について、図を用いて説明する。
【００１４】
図１は本発明の燃料電池１００の外観を模式的に表した斜視図、図２は燃料電池１００のアノード側の筐体２４ａを外したときの分解斜視図、図３は燃料電池１００内部の構造を模式的に表した図１におけるＡ−Ａ’断面の断面図である。本実施の形態において、燃料電池１００は、アノード１０にメタノール水溶液あるいは純メタノール（以下、「メタノール燃料」と記載する）が供給されるＤＭＦＣである。発電部である膜−電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｏｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）１２は、電解質膜１４がアノード１０とカソード１６とに挟持され形成される。本実施の形態では、１枚の電解質膜１４に複数個のアノード（１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、…）１０とこれらのアノードと対向するように複数個のカソード（１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、…）１６とが配されており、図示しない配線などによって、例えばアノード１０ａとカソード１６ｂとを接続することにより、各ＭＥＡ１２は直列に接続されている。
【００１５】
アノード１０へ供給されるメタノール燃料は、燃料電池１００の外部より、メタノール燃料供給孔２０を通って燃料室２２へ供給される。各燃料室２２は連通しており、各燃料室２２に貯蔵されるメタノール燃料から各アノード１０へ供給される。アノード１０では、式（１）に示すようなメタノールの反応が起こり、Ｈ+が電解質膜１４を介してカソード１６へ移動すると共に、電力が取り出される。
【００１６】
【化１】
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式（１）からも明らかなように、この反応により、アノード１０からは二酸化炭素が発生する。そこで、燃料室２２と、燃料電池１００のアノード側の筐体２４ａに設けられたアノード側生成物排出孔２６との間には、気液分離フィルタ３０を配置する。
【００１７】
この気液分離フィルタ３０は、気体成分を選択的に透過し、液体成分は透過させない微細な孔を有する平面状のフィルタであり、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＣＴＦＥ）、パーフロロ環状重合体、あるいは、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）などのフッ素系合成樹脂は、耐メタノール（アルコール）性を有するので、この気液分離フィルタ３０の材料として適している。
【００１８】
また、筐体２４は、軽量で剛性を有し、かつ、耐食性を有する材料が適しており、具体的には、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、シリコン樹脂、セルロース、ナイロン、ポリアミドイミド、ポリアリルアミド、ポリアリルエーテルケトン、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリオキシメチレン、ポリカーボネート、ポリグリコール酸、ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ四フッ化エチレン、硬質ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂、あるいは、アルミニウム合金、チタン合金、ステンレス鋼などの金属が適している。また、強化ガラスやスケルトン樹脂でも良い。そして、気液分離フィルタ３０と同様に、筐体２４もメタノール燃料と接触する部分を有するので、特に、メタノール燃料と接触する部分では、上記合成樹脂あるいは金属にフッ素系合成樹脂を重ね合わせた複合材料を用いると良い。さらに、３２は、燃料室２２を形成すると共に、ＭＥＡ１２を締め付ける支持部材３２であり、支持部材３２もまた筐体２４のメタノール燃料と接触する部分と同じ材料を用いると良い。
【００１９】
本実施の形態において、ＭＥＡ１２は、電解質膜１４にＮａｆｉｏｎ１１５（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を用い、この電解質膜１４の一方の面に、Ｐｔ−Ｒｕ黒と５ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）とを混合したアノード触媒ペーストを塗布してアノード１０を形成し、他方の面に、Ｐｔ黒と５ｗｔ％Ｎａｆｉｏｎ溶液（ＤｕＰｏｎｔ社製）とを混合したカソード触媒ペーストを塗布してカソード１６を形成した。本実施の形態では、電解質膜１４にＮａｆｉｏｎ１１５を用いたが、電解質膜１４はイオン伝導性を有する厚さ５０〜２００μｍの電解質膜であれば良く、本実施の形態のように、燃料にメタノール燃料を使用するＤＭＦＣの場合、メタノールが電解質膜１４を透過してカソード側へ移動する、所謂、クロスリークと呼ばれる現象を抑制できる電解質膜であれば、なお望ましい。また、アノード１０およびカソード１６を電解質膜１４上に形成する方法を採ったが、作製方法はカーボンペーパなどの電極基材上に触媒層を形成する構成および方法を用いてもよい。さらに、触媒は、メタノールからＨ+を、あるいは、Ｈ+と酸素から水を生成する触媒機能を有する触媒であれば、Ｐｔ−ＲｕやＰｔからなる粒子（Ｐｔ−Ｒｕ黒やＰｔ黒）ではなく、触媒をカーボンに担持させた触媒担持カーボンを用いてもよい。
【００２０】
カソード１６へはカソード側生成物排出孔２８を通って空気が供給され、電解質膜１４を介してカソード１６へ移動してきたＨ+と空気中の酸素との間で、式（２）に示すような反応が起こり、生成水が生成される。
【００２１】
【化２】
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カソード１６へ空気を供給すると共に、カソ−ド１６からの生成水を排出するカソード側生成物排出孔２８は、アノード側生成物排出孔２６と総面積としては同等になるように設けられているが、アノード側生成物排出孔２６よりも径の小さい孔を多数配している。また、カソード側生成物排出孔２８の内壁およびカソード側生成物排出孔２８が設けられている部分のカソード側の筐体２４ｂ表面は、酸化チタンなどの光触媒を含む機能性コーティング材にて被覆されている。小さい孔を多数配することにより、カソード１６より排出される生成水が滴下する虞がなく、また、内壁に機能性コーティング材を被覆することにより、生成水が孔を塞ぐことなく、内壁表面に薄く広がって蒸発しやすくなると共に、微生物の繁殖などを防ぐことができる。この機能性コーティング材には、燃料電池１００に、太陽光など光触媒が機能する特定の波長を含む光が照射されないときにも、有機物分解機能あるいは抗菌機能が作用するように、銀、銅、亜鉛などの金属が含まれていると良い。さらに、筐体２４の表面全体に、機能性コーティング材を被覆すれば、燃料電池１００の利用者が、燃料電池１００に触ることにより付着する有機物を分解し、燃料電池１００に防汚機能あるいは抗菌機能を付与することができる。
【００２２】
アノード１０からカソード１６へメタノール燃料が流入することを防ぐため、複数のＭＥＡ１２を取り囲むように、Ｏリング３４（アノード側Ｏリング３４ａ、カソード側Ｏリング３４ｃ）が配されている。本実施の形態では、カソード側の筐体２４ｃと支持部材３２とによって押圧され、メタノール燃料がアノード１０からカソード１６へ流入することを防止すると共に、アノード１０へ酸素が流入することも防止している。このＯリング３４は柔軟性と耐食性を有するものが望ましく、天然ゴム、二トリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、フッ素ゴムなどが材料に適している。
【００２３】
上記の構成のほか、図示しないが、利用者がカソード１６に接触しないように、カソード１６とカソード側の筐体２４ｃとの間に、空気や生成水は流通することができる多孔質のテフロン（登録商標）シートなどを挿入すると良い。あるいは、カソード側生成物排出孔２８の径とカソード側生成物排出孔２８が設けられる部分の筐体２４の厚さとを調整する（カソード側生成物排出孔２８の径寸法に対し、筐体２４の厚さ寸法を大きくする）ことにより、利用者が燃料電池１００の筐体２４表面に触れても、カソード１６に接触することがないように筐体設計を行うことも可能である。さらに、カソード側生成物排出孔２８が設けられている部分を覆う蓋体を設けると、燃料電池１００が停止している間に、ＭＥＡ１２、特に、電解質膜１４が乾燥することを防ぐと共に、カソード１６側に埃や細菌（カビ）などの有機物が侵入することを防ぐことができる。この蓋体は、スライド式の蓋体とすると、スペースを取ることなく設けることができる。
【００２４】
また、本実施の形態では、燃料室２２はメタノール燃料で満たされた空間として説明したが、メタノール燃料を吸収するスポンジのような三次元多孔質体を燃料室２２に挿入しても良い。このような燃料吸収体としては、ナイロン、ポリエステル、レーヨン、綿、ポリエステル／レーヨン、ポリエステル／アクリル、レーヨン／ポリクラールなどからなる繊維の織布、不織布、フェルトなどが挙げられる。さらに、本実施の形態では、筐体２４に光触媒を含む機能性コーティング材を被覆する例を説明したが、筐体２４表面に銀、銅、亜鉛などの金属を被覆する、あるいは、筐体２４を形成する材料に銀、銅、亜鉛などの金属を混入させることでも、少なくとも抗菌機能を確保することはできる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
本発明は、平面形ＤＭＦＣに限らず、利用者が手に触れる機会の多い携帯機器用の燃料電池、特に、その生成水や蒸気の流通孔部分において利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明に係る燃料電池の外観を模式的に表した斜視図である。
【図２】本発明に係る燃料電池の分解斜視図である。
【図３】本発明に係る燃料電池内部の構造を模式的に表した断面図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０    アノード
１２    ＭＥＡ（セル）
１４    電解質膜（電解質層）
１６    カソード
２０    メタノール燃料供給孔
２２    燃料室
２４    筐体
２６    アノード側生成物排出孔（アノード生成物排出部）
２８    カソード側生成物排出孔（カソード生成物排出部）
３０    気液分離フィルタ
３２    支持部材
３４    Ｏリング
１００  燃料電池
【図１】
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【図２】
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【図３】
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