(57)【要約】【課題】複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池における発電容量低下を抑制し、小型かつ簡単な構造で高容量の燃料電池を可能にする。【解決手段】燃料補給が可能な共通燃料タンク１２を備えるとともに、直列接続された複数の燃料電池セルＭＥＡ１〜５の燃料極が上記共通燃料タンク１２内の燃料１１に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池において、燃料１１の補充経路にイオン交換樹脂２６を介在させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料補給が可能な共通燃料タンクを備えるとともに、直列接続された複数の燃料電池セルの燃料極が上記共通燃料タンク内の燃料に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池において、燃料の補充経路にイオン交換樹脂を介在させたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【請求項２】
燃料補給が可能な共通燃料タンクを備えるとともに、直列接続された複数の燃料電池セルの燃料極が上記共通燃料タンク内の燃料に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池において、上記共通燃料タンク内にイオン交換樹脂を配置し、タンク内の燃料のイオン交換を行わせるようにしたことを特徴とする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】
本発明は、直接メタノール型燃料電池に関し、とくに、複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えたものに適用して有効なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話やノート型パソコンに代表される携帯機器では、多機能化による消費電力の増加と、使用時間・頻度の増加が著しく高まっている。これにともない、その機器に搭載される電源すなわち電池に対して、高容量化、携帯利便性の要求が増大している。また、環境問題の見地からクリーンエネルギーに対する要求も高まっている。
【０００３】
そのような要求に応える電源として燃料電池が注目されている。これは、燃料と空気（酸素）を供給することにより電気エネルギーを取り出す発電デバイスであり、とくに、燃料が液体である液体燃料型燃料電池は、燃料の携帯利便性にすぐれ、エネルギー容量密度も高いという特長を有する。中でもメタノール水溶液を燃料として用いる直接メタノール型燃料電池は次世代携帯電源候補として期待が高く、様々な開発が進められている。
【０００４】
しかし、燃料電池、とくに直接メタノール型燃料電池は単セル電圧が低いので、機器から要求される作動電圧を確保するためには、複数セルを直列接続したモジュールでの使用が主流となる。積層モジュールは単セルの状態よりもサイズが肥大化するが、特長の一つである携帯利便性を損なわないようにするため、モジュールの小型化と構造の簡略化が様々な手段により進められている。
【０００５】
代表的なモジュール構造としては、たとえば特許文献１に記載されているように、燃料電池セルを平面方向に配列した構造いわゆる平面積層構造が挙げられる。この構造は各セルの燃料タンクを共通化できるので、モジュールの小型化・構造簡略化をはかる上で非常に有利である。具体的には、複数の膜電極集合体（ＭＥＡ）の燃料極が平型燃料タンクの壁面をなすように並べて配置され、空気極は外気に解放されており、隣接し合うＭＥＡの燃料極と空気極が順に電気接続されている構造である。
【０００６】
この構造では、複数のＭＥＡの燃料極が同じタンク内の燃料（メタノール水溶液）に共通に浸漬される。使用時には、液体燃料カートリッジなどの装填により燃料がタンク壁面の一部をなす各燃料極へ供給される一方、空気極に外気から酸素が自然拡散供給されることにより発電が行われる。
【特許文献１】特開２００３−３１７７４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した平面積層構造の直接メタノール型燃料電池では、次のような問題を生じることが本発明者らによりあきらかとされた。
【０００８】
すなわち、出力電圧を高めるために燃料電池セルの積層数（直列接続数）を増やして行くと、直列接続の両端に位置する電池セルの燃料極間にかかる電位差もその数に応じて増大する。これにともない、燃料極が浸漬されているメタノール水溶液（燃料）に印加される電位差も高くなる。
【０００９】
このとき、メタノール水溶液（燃料）の電気伝導度が高いと、燃料極同士を電極にして燃料の電気分解が生じてしまう。この電気分解に必要となる電気容量は燃料電池本体から供給される。このため、本来であれば外部接続機器に供給されるはずの電気容量が、燃料の電気分解に費やされることになってしまい、セルとしての発電容量（発電電気容量）が実質的に低下してしまうという問題が生じる。
【００１０】
本発明は以上のような問題に着目してなされたものであり、その目的は、複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池における発電容量低下を抑制し、小型かつ簡単な構造で高容量の燃料電池を可能にすることにある。
【００１１】
本発明の上記以外の目的および構成については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記課題の解決のため、次の手段を提供する。
【００１３】
（１）燃料補給が可能な共通燃料タンクを備えるとともに、直列接続された複数の燃料電池セルの燃料極が上記共通燃料タンク内の燃料に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池において、燃料の補充経路にイオン交換樹脂を介在させたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【００１４】
（２）燃料補給が可能な共通燃料タンクを備えるとともに、直列接続された複数の燃料電池セルの燃料極が上記共通燃料タンク内の燃料に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池において、上記共通燃料タンク内にイオン交換樹脂を配置し、タンク内の燃料のイオン交換を行わせるようにしたことを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
【発明の効果】
【００１５】
複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池における発電容量低下を抑制し、小型かつ簡単な構造で高容量の燃料電池が可能になる。
【００１６】
上記以外の作用／効果については、本明細書の記述および添付図面からあきらかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明の技術が適用された直接メタノール型燃料電池の第１実施形態を概略断面図で示す。同図に示す燃料電池１０は、燃料電池セルＭＥＡ１〜５を平面方向に配列した平面積層構造であって、セルＭＥＡ１〜５間で燃料タンク１２が共通化されている。セルＭＥＡ１〜５はセル外部にて直列に電気接続されている。
【００１８】
燃料タンク１２は、燃料供給口１３、気液分離膜１４、ガス排出口１５などを有し、セルＭＥＡ１〜５の負極側に配設されている。燃料電池セルＭＥＡ１〜５はそれぞれ、負極集電体１６、負極拡散層１７、負極触媒層１８、電解質膜１９、正極触媒層２０、正極拡散層２１、正極集電体２２が積層されて形成されている。
【００１９】
セルＭＥＡ１〜５の正極側には共通の空気極ケース２３が配設されている。セルＭＥＡ１〜５列の両端およびセルＭＥＡ１〜５間には電気絶縁性のパッキング材２４が配設されている。
【００２０】
さらに、同図に示す実施形態では、上記構成に加えて、燃料供給口１３と燃料タンク１２の間にイオン交換樹脂筒２５が配設されている。このイオン交換樹脂筒２５内に充填されたイオン交換樹脂２６は燃料の補充経路に介在し、燃料カートリッジ１１１からタンク１２内に供給される燃料（メタノール水溶液）１１中に含まれるイオンを吸着する。
【００２１】
上記構成では、外部から供給される燃料１１中にイオン（導電性イオン）が含まれていたとしても、そのイオンのほんどとは、燃料１１がイオン交換樹脂筒２５を通過することで吸着・除去される。この結果、タンク１２内の燃料１１の電気伝導度が確実に抑制されるようになる。
【００２２】
これにより、複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池における発電容量低下を抑制し、小型かつ簡単な構造で高容量の燃料電池が可能になる。
【００２３】
上記構成の燃料電池１０では燃料の補充経路にイオン交換樹脂２６を介在させたことにより、燃料１１の電気伝導度を確実に抑制し、電気分解による損失を低減させて、発電容量の実効的な増大を可能にしている。
【００２４】
図２は、本発明の技術が適用された直接メタノール型燃料電池の第２実施形態を概略断面図で示す。同図に示す燃料電池１０の基本構成は第１実施形態と同じである。その相違点は、イオン交換樹脂筒２５を燃料タンク１２の外壁に沿って扁平に形成したところにある。このような構成により、イオン交換樹脂筒２５を含めた燃料電池１０全体を薄型化することができる。
【００２５】
図３は、本発明の技術が適用された直接メタノール型燃料電池の第３実施形態を概略断面図で示す。この第３実施形態では、燃料タンク１２内にイオン交換樹脂２６を配置し、タンク１２内の燃料のイオン交換を行わせることを特徴とする。
【００２６】
これにより、燃料タンク１２内に供給された燃料（メタノール水溶液）１１に電気伝導度を高めるイオンが含まれていても、そのタンク１２内にてイオン吸着が行われて電気伝導度を抑制することができる。この第３実施形態では、上記イオン交換樹脂筒２５を燃料電池１０の外部に設けなくてよいことにより、電池１０の外形仕様を変更しなくてよいという利点がある。
【実施例】
【００２７】
Ｐｔ−Ｒｕ合金（Ｐｔ：Ｒｕモル比は１：１）担持炭素粒子からなる燃料極触媒、ナフィオン（Nafion）溶液、２−プロパノールを混合して触媒インクを作製する。この触媒インクを、カーボンペーパーからなる拡散層の片面に塗布し、Ｐｔ量が１ｍｇ／ｃｍ２となるように触媒層を形成して燃料極を作成した。また、Ｐｔ担持炭素粒子からなる空気極触媒を用いた以外は、燃料極と同様の手順により空気極を作製した。
【００２８】
これらの電極を用いて、触媒層が内側となるように電解質膜（Nafion117）を挟み込み、ホットプレスにより接着した膜電極接合体を５枚作製した。これらを空気極集電板が付いた空気極ケースに並べて配置し、その上に燃料極集電板が付いた燃料タンクを載せる。この場合、空気極集電板と燃料極集電板は空気極ケースと燃料タンクの内側に位置するように積層される。この積層体をパッケージングし、隣接する燃料電池セル（ＭＥＡ）の燃料極と空気極を順次外部接続することにより、５積層（５直列）の直接メタノール型燃料電池モジュール（燃料電池）を作製した。
【００２９】
このようにして作製したモジュールに、燃料として５ｗｔ％のメタノール水溶液を一定量注入し、定電流放電を行った。燃料はメタノール（９９．９％試薬）を希釈溶媒で希釈して調整した。その際に希釈溶媒には電気伝導度の低い燃料サンプルとして（１）蒸留水、電気伝導度の高いサンプルとして（２）０．１ｍｏｌ／ｌＮａＣｌ水溶液を用いた。
【００３０】
各サンプル（１）、（２）について、燃料注入量を１０ｍｌとし、放電電流密度２５ｍＡ／ｃｍ２、終止電圧０．２５Ｖとして放電させたときの放電電気容量を測定した。また、前述したイオン交換樹脂筒２５を燃料タンクに設け、サンプル（１）（２）の燃料を、イオン交換樹脂筒２５を通して注入し、上記条件による定電流放電を行った。これらの試験結果を表１に示す。
【００３１】
表１において、試験Ｎｏ．１、Ｎｏ．２は、サンプル（１）、（２）の燃料を、イオン交換樹脂筒２５を通さず、直接注入した場合を示す。また、試験Ｎｏ．３とＮｏ．４は、サンプル（１）（２）の燃料を、イオン交換樹脂筒２５を通して注入した場合を示す。表１中の放電電気容量は相対評価値（放電電気容量比）で示してある。
【表１】
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【００３２】
表１に示すように、燃料を、イオン交換樹脂筒２５を通さずに直接注入した場合、燃料の電気伝導度が高いサンプル、すなわち（２）の燃料を用いたときは、燃料の電気伝導度が低いサンプル、すなわち（１）の燃料を用いたときに比べ、明らかに放電電気容量が低下した。
【００３３】
しかし、燃料を、イオン交換樹脂筒２５を通して注入した場合、（２）の燃料を用いても放電電気容量の低下をほぼ確実に抑制できた。
【００３４】
上記試験結果により、直列接続された複数の燃料電池セルの燃料極が共通燃料タンク内の燃料に浸漬される構造の直接メタノール燃料電池においては、燃料の補充経路にイオン交換樹脂を介在させる、共通燃料タンク内にイオン交換樹脂を配置してタンク内の燃料のイオン交換を行わせることが、放電電気容量の低下を抑制する上でとくに有効であることが確認された。
【００３５】
以上、本発明をその代表的な実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した以外にも種々の態様が可能である。たとえば、燃料極が共通燃料タンク内の燃料に浸漬される複数の燃料電池セルは、平面方向以外に縦方向にも積層する構造であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
複数の燃料電池セルの燃料極が同一タンク内の燃料に共通に浸漬される構造を備えた直接メタノール型燃料電池における発電容量低下を抑制し、小型かつ簡単な構造で高容量の燃料電池が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明に係るよる直接メタノール型燃料電池の第１実施形態を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係るよる直接メタノール型燃料電池の第２実施形態を示す概略断面図である。
【図３】本発明に係るよる直接メタノール型燃料電池の第３実施形態を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
１０  直接メタノール型燃料電池
ＭＥＡ１〜５  燃料電池セル
１１  燃料（メタノール水溶液）
１１１  燃料カートリッジ
１２  共通の燃料タンク
１３  燃料供給口
１４  気液分離膜
１５  ガス排出口
１６  負極集電体
１７  負極拡散層
１８  負極触媒層
１９  電解質膜
２０  正極触媒層
２１  正極拡散層
２２  正極集電体
２３  共通の空気極ケース
２４  パッキング材
２５  イオン交換樹脂筒
２６  イオン交換樹脂
【図１】
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【図２】
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【図３】
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