(57)【要約】 【課題】切削加工やプレス加工による流路フリーで、ミクロンオーダーの流路が内在し、従来に比べて厚さを薄くすることが可能なセパレータを備えた出力密度を向上した直接メタノール型燃料電池を提供する。【解決手段】メタノール水溶液が燃料として供給されるアノードと、酸化性ガスが供給されるカソードと、アノードとカソードの間に介在される電解質膜と、電解質膜と反対側のアノード面に配置された第１セパレータと、前記電解質膜と反対側の前記カソード面に配置された第２セパレータとを備え、前記第１、第２のセパレータはカルボニル基が結合された環状官能基を有する第１ビニルモノマーとカルボキシル基を有する第２ビニルモノマーと芳香族基を有する第３ビニルモノマーとの共重合体、およびこの共重合体に分散された炭素粉末を含む膜である直接メタノール型燃料電池。【選択図】図１
2011249125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノール水溶液が燃料として供給されるアノードと、酸化性ガスが供給されるカソードと、前記アノードとカソードの間に介在される電解質膜と、前記電解質膜と反対側の前記アノード面に配置された第１セパレータと、前記電解質膜と反対側の前記カソード面に配置された第２セパレータとを備え、
前記第１、第２のセパレータはカルボニル基が結合された環状官能基を有する第１ビニルモノマーとカルボキシル基を有する第２ビニルモノマーと芳香族基を有する第３ビニルモノマーとの共重合体、およびこの共重合体に分散された炭素粉末を含む膜であることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項２】
前記共重合体が下記一般式（Ｉ）で表されることを特徴とする請求項１記載の直接メタノール型燃料電池。
【化１】
2011249125.tif 000007
ただし、式中のＲ1は炭素数１〜２０のアルキル基、Ｒ2は芳香族基で、ｌ，ｍ，ｎはそれぞれ第１、第２、第３のモノマー（１）、（２）、（３）の重合度を示し、それぞれｌ＝１０〜３００、ｍ＝１５０〜６００，ｎ＝５０〜２００である。
【請求項３】
前記一般式（Ｉ）のＲ2である芳香族基は下記構造式を持つことを特徴とする請求項２記載の直接メタノール型燃料電池。
【化２】
2011249125.tif 000008
【請求項４】
前記炭素粉末が平均粒径３〜３００μｍであることを特徴とする請求項１記載の直接メタノール型燃料電池。
【請求項５】
前記第１、第２のセパレータはさらに電解質材料を含むことを特徴とする請求項１記載の直接メタノール型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、直接メタノール型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接メタノール型燃料電池は、メタノール水溶液が燃料として供給されるアノードと、酸化性ガスが供給されるカソードと、これらの極間に介在される電解質膜と、前記アノードに配置され、燃料流路を有する燃料用セパレータと、前記カソードに配置され、酸化性ガス流路を有するカソード用セパレータとを備える。各セパレータは、従来、カーボンプレート、ＳＵＳプレートが用いられ、切削加工やプレス加工により数ミリの深さの流路を形成している。
【０００３】
しかしながら、各セパレータは数ミリの深さの流路が形成されるために、厚さを薄くすることは困難であった。その結果、このセパレータを備えた燃料電池は全体の厚さが増大するために、出力密度が低下する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６４６４３号公報
【特許文献２】特願２００４−３５１８８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、切削加工やプレス加工による流路フリーで、微細な流路が形成され、従来に比べて厚さを薄くすることが可能なセパレータを備えた高出力密度の直接メタノール型燃料電池を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態によれば、メタノール水溶液が燃料として供給されるアノードと、酸化性ガスが供給されるカソードと、アノードとカソードの間に介在される電解質膜と、電解質膜と反対側のアノード面に配置された第１セパレータと、前記電解質膜と反対側の前記カソード面に配置された第２セパレータとを備え、前記第１、第２のセパレータはカルボニル基が結合された環状官能基を有する第１ビニルモノマーとカルボキシル基を有する第２ビニルモノマーと芳香族基を有する第３ビニルモノマーとの共重合体、およびこの共重合体に分散された炭素粉末を含む膜である直接メタノール型燃料電池を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係る直接メタノール型燃料電池を示す断面図。
【図２】実施例１〜６および比較例１の評価用単セルの温度５０℃における電流−電圧曲線を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、実施形態について説明する。
【０００９】
実施形態に係る直接メタノール型燃料電池は、メタノール水溶液が燃料として供給されるアノードと、酸化性ガスが供給されるカソードと、アノードとカソードの間に介在される電解質膜と、電解質膜と反対側のアノード面に配置された第１セパレータと、前記電解質膜と反対側の前記カソード面に配置された第２セパレータとを備える。第１、第２のセパレータは、カルボニル基が結合された環状官能基を有する第１ビニルモノマーとカルボキシル基を有する第２ビニルモノマーと芳香族基を有する第３ビニルモノマーとの共重合体、およびこの共重合体に分散された炭素粉末を含む膜である。
【００１０】
具体的な直接メタノール型燃料電池は、図１に示す構造を有する。
【００１１】
図中の１は、メタノール水溶液が燃料として供給されるアノード、２は酸化性ガスが供給されるカソードである。電解質膜３は、これらのアノード１とカソード２の間に介在されている。アノード１は、電解質膜３に接する触媒層１ａと、この触媒層１ａに積層されたカーボンペーパーのような拡散層１ｂとから構成されている。カソード２は、電解質膜３に接する触媒層２ａと、この触媒層２ａに積層されたカーボンペーパーのような拡散層２ｂとから構成されている。
【００１２】
第１セパレータ４は、電解質膜３と反対側のアノード１面に配置されている。第１セパレータ４は、前述した共重合体とこの共重合体に分散された炭素粉末とを含む膜で、膜構造により微細な流路が形成されている。このため、第１セパレータ４自体に形成された流路を流通する燃料は、アノード１表面を接する面を除く他の面、すなわちアノードと接する面と反対側の面および厚さ方向に沿う側面から漏れ出すおそれがある。好ましい実施態様において、第１セパレータ４はアノード１表面を接する面を除く他の面の流路末端（流路開口）が例えばホットプレスにより封止され、燃料の漏洩を防止している。
【００１３】
第２セパレータ５は、電解質膜３と反対側のカソード２面に配置されている。第２セパレータ５は、前述した第１セパレータ４と同様に膜構造により微細な流路が形成されている。このため、カソード２表面と接する面を除く他の面の流路末端（流路開口）が例えばホットプレスにより封止され、酸化性ガスの漏洩を防止している。
【００１４】
第１セパレータ４、アノード１、電解質膜３、カソード２および第２セパレータ５は図示しないボルトおよびナットで相互に固定されている。
【００１５】
好ましい実施形態において、第１、第２のセパレータは下記一般式（Ｉ）で表される共重合体とこの共重合体に分散された炭素粉末を含む膜である。
【化１】
2011249125.tif 000003
【００１６】
ただし、式中のＲ1は炭素数１〜２０のアルキル基、Ｒ2は芳香族基で、ｌ，ｍ，ｎはそれぞれ第１、第２、第３のモノマー（１）、（２）、（３）の重合度を示し、それぞれｌ＝１０〜３００、ｍ＝１００〜７００，ｎ＝２０〜２５０である。
【００１７】
一般式（Ｉ）のＲ1であるアルキル基は直鎖状アルキル基であることが好ましい。
【００１８】
一般式（Ｉ）のＲ2である芳香族基は下記構造式（Ａ）を有することが好ましい。
【化２】
2011249125.tif 000004
【００１９】
一般式（Ｉ）のｌ、ｍ、ｎはそれぞれｌ＝５０〜２５０、ｍ＝１５０〜６００、ｎ＝５０〜２００であることが好ましい。
【００２０】
好ましい実施形態において、炭素粉末は平均粒径が３〜３００μｍ、より好ましくは２０〜１００μｍである。
【００２１】
好ましい実施形態において、第１、第２のセパレータ中に占める共重合体および炭素粉末の割合はそれぞれ２〜４０重量％、１〜３０重量％、より好ましくはそれぞれ５〜１５重量％、４〜１２重量％である。
【００２２】
好ましい実施形態において、第１、第２のセパレータはさらに電解質材料を含むことを許容する。電解質材料の例は、パーフルオロアルキルスルホン酸重合体である。
【００２３】
以上説明した実施形態によれば、第１、第２のセパレータをカルボニル基が結合された環状官能基を有する第１ビニルモノマーとカルボキシル基を有する第２ビニルモノマーと芳香族基を有する第３ビニルモノマーとの共重合体、およびこの共重合体に分散された炭素粉末を含む膜にすることによって、膜自体に微細な流路を形成することができる。
【００２４】
すなわち、第１、第２のセパレータは共重合体中における第１ビニルモノマーの環状官能基が膜内で幾つか組み合って多数の環を作るとともに、これらの環がそれらの空洞が連通するように相互に繋がって流路を形成する。つまり、第１、第２のセパレータは膜構造により微細な流路が形成されている。その結果、第１セパレータ（アノード側）においてメタノールが前記流路を流通し、アノードとの界面でＨ+としてアノードに供給される。第２セパレータ（カソード側）において酸素が前記流路を流通し、カソードの界面でＯ-としてカソードに供給される。
【００２５】
また、共重合体中における第２ビニルモノマーのカルボキシル基は第１セパレータ（アノード側）においてプロトン（Ｈ+）の伝導性を高める。
【００２６】
さらに、共重合体中における第３ビニルモノマーの芳香族基が各セパレータの耐熱性を向上する。
【００２７】
このような流路は、第１、第２のセパレータが前記共重合体として前記一般式（Ｉ）で表されるものを用いた場合において、より安定的に形成できる。
【００２８】
このように実施形態に係る燃料電池の第１、第２のセパレータは、切削加工またはプレス加工フリーでその膜構造により微細（例えばミクロンオーダー）な流路が形成されているため、従来のセパレータのような切削加工またはプレス加工による数ミリの深さの流路形成が不要になる。このため、第１、第２のセパレータは、従来のセパレータに比べて厚さを著しく薄くできる。例えば、切削加工またはプレス加工による流路を有する従来のセパレータは４ｍｍ前後の厚さを有するのに対し、実施形態に用いる第１、第２のセパレータは１００〜３００μｍの厚さに薄くできる。その結果、例えばスタック構造の燃料電池では全体の厚さを薄くして重量低下を達成して出力密度を増大できる。
【００２９】
また、切削加工またはプレス加工により形成された流路を有する従来のセパレータは、その流路での液滴詰り（フラッディング）現象が起こる。実施形態に係る燃料電池の第１、第２のセパレータはその膜構造により微細な流路が形成されているため、フラッディング現象を低減して信頼性を向できる。
【００３０】
以下、実施例を詳細に説明する。なお、実施例中の「部」は「重量部」である。
【００３１】
（実施例１）
［ハイドロゲルの調製］
オーバーヘッドスターラー、ジムロート冷却管を取り付けた丸底反応容器に乾燥テトラヒドロフラン３０部を入れた。反応容器の上から酢酸ビニルトロピノンエステル１００部と酢酸ビニル（Ｒ1＝ＣＨ2）１２２部を加え、さらにスチレン-（３−アミノ−４−チオール）チオケトン２部およびアゾビスブチロニトリル１部を添加した。その後、室温下で1時間攪拌した。生成された沈殿物をグラスフィルタＧ３により吸引ろ過することによりハイドロゲルを得た。
【００３２】
［第１、第２のセパレータの作製］
得られたハイドロゲル３０部に平均粒子径が３μｍのカーボン粉末５部を加え、さらにジメチルホルムアミド２０部を加えた後、ホモジナイザーで攪拌することにより粘稠性のセパレータ用原料を調製した。得られた原料をキャスティングし、乾燥することにより厚さ２００μｍの第１セパレータを作製した。同様な方法により厚さ２００μｍの第２セパレータを作製した。
【００３３】
［アノード電極の作製］
白金ルテニウム担持炭素粉末２０部および５％パーフルオロアルキルスルホン酸重合体（デュポン社製商標名：ナフィオン（Nafion））溶液８０部を混合、分散させてスラリーを調製した。得られたスラリーをカーボンペーパー（東レ社製：ＴＰＧ−Ｈ−１２０）上にコーターを用いて白金ルテニウムの担持量が２ｍｇ／ｃｍ2になるよう塗布して厚さ１００μｍのアノードを作製した。
【００３４】
［カソードの作製］
ケッチェンブラック１０部に１％塩化白金酸水溶液１００部を添加し、攪拌した。溶液全体の粘土が増大したところで５％ヒドラジン水溶液１００部を添加し攪拌することにより白金を炭素粉末に担持させた。得られた触媒粉末３０部と５％パーフルオロアルキルスルホン酸重合体（デュポン社製商標名：Nafion）溶液１００部を攪拌させながら溶液の粘度が増大したところでカーボンペーパーに触媒担持量が１ｍｇ／ｃｍ2になるように塗布して厚さ１００μｍのカソード電極を作製した。
【００３５】
［膜電極の作製］
得られたアノードおよびカソードをそれらの触媒層が対向するように配置し、これらの電極間に厚さ１５０μｍの高分子電解質膜（デュポン社製Nafion117）を配置した。その後、積層物をホットプレスして電極面積５ｃｍ2の膜電極を作製した。
【００３６】
［単セルの組立］
得られた膜電極を前記第１セパレータと前記第２セパレータで挟み、ボルト締めすることにより総厚さ７５０μｍの評価用単セルを組立てた。なお、ボルト締めに先立って第１、第２のセパレータ膜電極と反対側の面および側面を矩形皿型のホットプレートを用いて８０℃で１分熱処理をすることによって各セパレータの膜構造により形成された流路の前記面および側面に位置する流路末端（流路開口）を封止した。
【００３７】
（実施例２）
酢酸ビニルの代わりにＲ1＝ＣＨ2ＣＨ2のビニルカルボン酸を用いた以外、実施例１と同様な方法でハイドロゲルを得た。得られたハイドロゲルを用いて実施例１と同様な方法で厚さ２００μｍの第１、第２のセパレータを作製し、その後実施例１と同様な方法により評価用単セルを組立てた。
【００３８】
（実施例３）
酢酸ビニルの代わりにＲ1＝（ＣＨ2）3のビニルカルボン酸を用いた以外、実施例１と同様な方法でハイドロゲルを得た。得られたハイドロゲルを用いて実施例１と同様な方法で厚さ２００μｍの第１、第２のセパレータを作製し、その後実施例１と同様な方法により評価用単セルを組立てた。
【００３９】
（実施例４）
酢酸ビニルの代わりにＲ1＝（ＣＨ2）5のビニルカルボン酸を用いた以外、実施例１と同様な方法でハイドロゲルを得た。得られたハイドロゲルを用いて実施例１と同様な方法で厚さ２００μｍの第１、第２のセパレータを作製し、その後実施例１と同様な方法により評価用単セルを組立てた。
【００４０】
（実施例５）
酢酸ビニルの代わりにＲ1＝（ＣＨ2）10のビニルカルボン酸を用いた以外、実施例１と同様な方法でハイドロゲルを得た。得られたハイドロゲルを用いて実施例１と同様な方法で厚さ２００μｍの第１、第２のセパレータを作製し、その後実施例１と同様な方法により評価用単セルを組立てた。
【００４１】
（実施例６）
酢酸ビニルの代わりにＲ1＝（ＣＨ2）15のビニルカルボン酸を用いた以外、実施例１と同様な方法でハイドロゲルを得た。得られたハイドロゲルを用いて実施例１と同様な方法で厚さ２００μｍの第１、第２のセパレータを作製し、その後第１、第２のセパレータを用いて実施例１と同様な方法により評価用単セルを組立てた。
【００４２】
実施例１〜６で得られたハイドロゲル（共重合体）のＩＲ同定結果を下記表１に示す。なお、各ハイドロゲルの一般式（Ｉ）のＲ1，Ｒ2およびｌ，ｍ，ｎを同表１に示す。
【表１】
2011249125.tif 000005
【００４３】
また、実施例１〜６で得られたハイドロゲル（共重合体）１０ｍｇを内径３ｍｍ、内部高さ４ｍｍの白金製円筒型セル内に封じ込んだ。このセルを熱分析ソフトウェアＴＡ−６０ＷＳをデータ処理機に搭載した株式会社島津製作所製のＴＧ／ＤＴＡ同時測定装置ＤＴＧ−６０／６０Ｈのサンプルステージにブランクセルと同時に設置した。５℃／分の昇温条件にて室温から３００℃まで温度を上昇させたときの熱的挙動を観察しながら、分解開始温度を測定した。その結果、下記表２に示す。
【表２】
2011249125.tif 000006
【００４４】
表２から明らかなように実施例１〜６で得られたハイドロゲルの分解開始温度は１２０℃であり、この種の高分子にしては高い耐熱性を示した。
【００４５】
(比較例１）
２枚のカーボン板に切削加工によりサーペンタイン流路構造を有する第１、第２のセパレータをそれぞれ作製した。得られた第１、第２のセパレータを用いて実施例１と同様な方法により評価用単セルを組立てた。
【００４６】
［単セル評価］
実施例１〜６および比較例１の単セルのアノード側に３重量％濃度のメタノール水溶液（燃料）を５ｍＬ／分の流速でそれぞれ送液し、カソード側に空気を１０ｍＬ／分の流速でそれぞれ供給した。このとき、空気としてエタノール揮発成分が常に２００ｐｐｍ存在するものを用いた。５０℃の各単セルの電流−電圧特性を測定した。その結果を図２に示す。
図２から明らかなように実施例１〜６の単セルは、比較例１の単セルに比べて高い出力電圧を取り出すことができることがわかる。
本発明によれば、切削加工やプレス加工による流路フリーで、微細な流路が形成され、従来に比べて厚さを薄くすることが可能なセパレータを備えた高出力密度の直接メタノール型燃料電池を提供することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１…アノード、２…カソード、３…電解質膜、４…第１セパレータ、５…第２セパレータ。
【図１】
2011249125.tif 000009
【図２】
2011249125.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成23年5月26日(2011.5.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６４６４３号公報
【特許文献２】特開２００５−１１６１８０号公報
【手続補正書】
【提出日】平成23年9月30日(2011.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタノール水溶液が燃料として供給されるアノードと、酸化性ガスが供給されるカソードと、前記アノードとカソードの間に介在される電解質膜と、前記電解質膜と反対側の前記アノード面に配置された第１セパレータと、前記電解質膜と反対側の前記カソード面に配置された第２セパレータとを備え、
前記第１、第２のセパレータは下記一般式（Ｉ）で表される共重合体、およびこの共重合体に分散された炭素粉末を含む膜であることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【化１】
2011249125.tif 000011
ただし、式中のＲ1は炭素数１〜２０のアルキル基、Ｒ2は芳香族基で、ｌ，ｍ，ｎはそれぞれ第１、第２、第３のモノマー（１）、（２）、（３）の重合度を示し、それぞれｌ＝１０〜３００、ｍ＝１５０〜６００，ｎ＝５０〜２００である。
【請求項２】
前記一般式（Ｉ）のＲ2である芳香族基は下記構造式を持つことを特徴とする請求項１記載の直接メタノール型燃料電池。
【化２】
2011249125.tif 000012
【請求項３】
前記炭素粉末が平均粒径３〜３００μｍであることを特徴とする請求項１記載の直接メタノール型燃料電池。
【請求項４】
前記第１、第２のセパレータはさらに電解質材料を含むことを特徴とする請求項１記載の直接メタノール型燃料電池。