(57)【要約】【課題】燃料電池のアノード極の三相界面を適正な状態として燃料電池の発電性能を向上させる。【解決手段】燃料電池は、電解質と、電解質の両側に配置されたアノード極とカソード極と、アノード極に接するように形成され燃料が流通する燃料流路とを備える。燃料流路に流通する燃料には、燃料と共にイオン伝導性を有する材料が混合されている。例えば、燃料流路には、燃料供給手段から燃料が供給されると共に、イオン伝導性材料供給手段から、イオン伝導性を有する材料を供給されるようにする。【選択図】図２
2008218397.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質と、
前記電解質の両側に配置された、アノード極とカソード極と、
前記アノード極に接するように形成され、燃料が流通する燃料流路と、
を備え、
前記燃料には、イオン伝導性を有する材料が混合されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料と共に、イオン伝導性を有する材料を供給するイオン伝導性材料供給手段と、
を、更に備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記イオン伝導性を有する材料は、前記電解質を構成する物質と同一の物質を含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記電解質は、陰イオンを透過させる電解液を含むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記電解質は、陰イオン交換膜であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項６】
前記イオン伝導性を有する材料は、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムであることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記イオン伝導性を有する材料は、トリエタノールアミンであることを特徴とする請求項４又は５に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記燃料は、アルコール、メタン、アンモニア、及び、水素により構成される群のうちのいずれか１の燃料であることを特徴とする請求項４から７のいずれか１項記載の燃料電池。
【請求項９】
前記燃料は、メタノール又はエタノールであることを特徴とする請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記イオン伝導性を有する材料の、前記燃料に対する割合は、0より大きく20%以下であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は燃料電池に関する。より具体的には、一対の電極のそれぞれに供給された燃料と酸素との電気化学反応により発電する燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在、燃料電池としては、アルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体電解質型、固体高分子型などがある。例えば、特開２００２−８７０６号公報には、アルカリ型燃料電池が開示されている。
【０００３】
このアルカリ型燃料電池は、酸素極と水素極と両電極間に挟まれるマトリックスとを有している。マトリックスは不導体膜に水酸化カリウム規定溶液を含浸したものである。この燃料電池においては、水素極に接するようにして反応室が設けられている。水素極には、反応室内で生成された水素が供給される。酸素極には大気が供給される。
【０００４】
水素又は大気が各電極に供給されると、酸素極では、酸素分子が、水素極から取り出された電子を受け取ると共に水と反応し、いくつかの段階を経て水酸化物イオンが生成される。水酸化物イオンは水酸化カリウム規定溶液中を移動して水素極に到達する。一方、水素極では水素ガスが触媒電極に吸着して水素原子となる。水素原子は水酸化物イオンと反応する。その結果、水素極では水が生成されると共に電子が放出される。
【０００５】
また、上記従来技術の燃料電池によれば、水素極に供給される水素は反応室で生成されるため炭素が含まれない構造とされている。上記従来技術においては、このように炭素を含まない純水素を供給可能な構造とすることで、電解質の変質による燃料電池の特性の低下を防止している。
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−８７０６号公報
【特許文献２】特開２００６−２３６７７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記従来技術においては、供給される燃料が反応室で生成された純水素に限定される。従って、燃料電池の総出力は結局、反応室における純水素の生成量に限定されることとなる。一般にアルカリ型燃料電池は低温での反応に優れ100℃以下の動作域で高い発電効率を発揮するが、今後の燃料電池の多方面での様々な環境下での利用を考慮すれば、燃料電池の更なる総出力の向上、出力密度や出力効率の向上が望まれる。また、このことはアルカリ型燃料電池に限るものではなく、他の型の燃料電池についても言えることである。
【０００８】
従って、この発明は上記の課題を解決することを目的として、燃料電池のアノード極において適正な三相界面を維持することで発電性能が向上するよう改良された燃料電池を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
第１の発明は、上記の目的を達成するため、燃料電池であって、
電解質と、
前記電解質の両側に配置された、アノード極とカソード極と、
前記アノード極に接するように形成され、燃料が流通する燃料流路と、
を備え、
前記燃料には、イオン伝導性を有する材料が混合されている。
【００１０】
第２の発明は、第１の発明において、
前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、
前記燃料と共に、イオン伝導性を有する材料を供給するイオン伝導性材料供給手段と、
を、更に備えることを特徴とする。
【００１１】
第３の発明は、第１又は第２の発明において、前記イオン伝導性を有する材料は、前記電解質を構成する物質と同一の物質を含む。
【００１２】
第４の発明は、第１から第３のいずれか１の発明において、前記電解質は、陰イオンを透過させる電解液を含む。
【００１３】
第５の発明は、第１から第３のいずれか１の発明において、前記電解質は、陰イオン交換膜である。
【００１４】
第６の発明は、第４又は第５の発明において、前記イオン伝導性を有する材料は、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムである。
【００１５】
第７の発明は、第４又は第５の発明において、前記イオン伝導性を有する材料は、トリエタノールアミンである。
【００１６】
第８の発明は、第４から第７のいずれか１の発明において、前記燃料は、アルコール、メタン、アンモニア、及び、水素により構成される群のうちのいずれか１の燃料である。
【００１７】
第９の発明は、第８の発明において、前記燃料は、メタノール又はエタノールである。
【００１８】
第１０の発明は、第１から第９のいずれか１の発明において、
前記イオン伝導性を有する材料の、前記燃料に対する割合は、0より大きく20%以下である。
【発明の効果】
【００１９】
第１の発明によれば、燃料電池のアノード極の流路に流通する燃料には、イオン伝導性を有する材料が混合されている。これにより、アノード極の電解質が存在しない部分あるいは電解質が流出、劣化した部分に、新たにイオン伝導性を有する材料を供給することができる。これにより、アノード極の三相界面を適正な状態とし、反応場の面積を増大させた状態に維持することができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２０】
第２の発明よれば、燃料電池は燃料流路に燃料を供給する燃料供給手段と、燃料と共にイオン伝導性を有する材料を供給するイオン伝導性材料供給手段とを備えている。これにより、燃料と共に供給されるイオン伝導性を有する材料が流出あるいは劣化して三相界面を維持できない状態となっても、新たなイオン伝導性材料を供給することができる。従って、三相界面を適正な状態で維持することができ、反応場の面積を増大させた状態で維持することができる。従って、燃料電池の発電性能を向上させることができる。
【００２１】
第３の発明よれば、前記イオン伝導性を有する材料は電解質を構成する物質と同一の物質を含んで構成される。これにより、アノード極の三相界面が形成されていない部分あるいは三相界面の電解質が劣化した部分に、電解質を供給することができるため、三相界面を適正な状態に形成、維持することができる。
【００２２】
第４、第５の発明によれば、電解質は陰イオンを透過させる。つまり、アルカリ型の燃料電池において本発明を適用することができ、アルカリ電池のアノード極の三相界面を確実に維持することで、発電性能を向上させることができる。
【００２３】
第６の発明によれば、イオン伝導性を有する材料は、水酸化カリウム又は水酸化ナトリウムである。これにより、アルカリ型の燃料電池のアノード極の三相界面が形成されていない部分あるいは劣化した部分に、適正な三相界面を形成することができ、燃料電池の発電性能の向上を図ることができる。
【００２４】
第７の発明によれば、イオン伝導性を有する材料は、トリエタノールアミンである。これにより、アルカリ型の燃料電池のアノード極の三相界面が形成されていない部分あるいは劣化した部分に、適正な三相界面を形成することができ、燃料電池の発電性能の向上を図ることができると共に、イオン伝導性を有する材料による燃料電池の劣化を防ぐことができる。
【００２５】
第８の発明によれば、燃料は、アルコール、メタン、アンモニア、及び、水素のいずれかである。このような燃料を用いる場合にも、より確実に三相界面を形成して反応場の面積を十分に確保することで、より発電性能を向上させることができる。
【００２６】
第９の発明によれば、燃料は、メタノール又はエタノールである。このような燃料を用いる場合にも、より確実に三相界面を形成して反応場の面積を十分に確保することができる。同時に、これらの燃料は液体燃料であるため、容易にイオン伝導性材料を混合させることができ、発電性能をより確実に向上させることができる。
【００２７】
第１０の発明によれば、イオン伝導性を有する材料の燃料に対する割合は、0より大きく20%以下とされる。この範囲にイオン伝導性材料の割合を維持することで、確実に三相界面を維持、形成できる状態を確保しつつ、発電に必要な燃料の量を確保することができる。従って、燃料電池の発電性能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】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、同一または相当する部分には同一符号を付してその説明を簡略化ないし省略する。
【００２９】
実施の形態．
図１は、この発明の燃料電池の構成について説明するための図である。図１に示す燃料電池はアルカリ型燃料電池である。燃料電池はアニオン交換膜１０（電解質）を有している。アニオン交換膜１０の両側にはアノード極２０及びカソード極３０が配置されている。アノード極２０には燃料経路４０が接続され、燃料経路４０には燃料供給源４２（燃料供給手段及びイオン伝導性材料供給手段）が接続されている。燃料供給源４２から、燃料経路４０を介してアノード極２０に燃料が供給され、アノード極２０から未反応の燃料を含む未反応燃料が排出される。一方、カソード極３０には酸素経路５０が接続されている。酸素経路５０を介してカソード極３０に大気が供給され、カソード極３０から未反応の酸素を含む大気オフガスが排出される。
【００３０】
燃料電池の発電の際にはアノード極２０には燃料として少なくとも水素を含む燃料が供給される。一方、カソード極３０には大気（又は酸素）が供給される。アノード極に燃料が供給されると、後述するアノード極触媒層の機能により燃料中の水素原子と、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオンとが反応して水が生成される共に、電子が放出される。アノード極２０での反応は、次式（１）のようになる。
Ｈ２＋２ＯＨ−  →  ２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−        ・・・・（１）
【００３１】
一方、カソード極３０に大気が供給されると、大気中の酸素分子は後述するカソード極触媒層の機能により、いくつかの段階を経て、電極から電子を受け取って水酸化物イオンが生成される。カソード極３０での反応は、次式（２）のようになる。
１/２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−  →  ２ＯＨ−        ・・・・（２）
【００３２】
以上のようなアノード極２０側とカソード極３０側における反応をまとめると、燃料電池全体では次式（３）のように水の生成反応が起き、このときの電子が両極側の集電板を介して移動し、これにより電流が流れて発電することになる。
Ｈ２＋１/２Ｏ２  →  Ｈ２Ｏ        ・・・・（３）
【００３３】
このようなアルカリ型の燃料電池において、アニオン交換膜１０は、カソード極３０の触媒電極で生成される水酸化物イオン(OH-)をアノード極２０に移動させることができる媒体であれば特に限定されない。具体的にアニオン交換膜１０としては、例えば、１〜３級アミノ基、４級アンモニウム基、ピリジル基、イミダゾール基、４級ビリジウム基、４級イミダゾリウム基などのアニオン交換基を有する固体高分子膜(アニオン交換樹脂)があげられる。また、固体高分子の膜としては、例えば、炭化水素系及びフッ素系樹脂などがあげられる
【００３４】
図２は、図１の点線(A)で囲む部分を拡大した図である。図２に示すように、アノード極２０は、アノード極触媒層２２と集電板２４を有している。アノード極２０に供給された燃料は、集電板２４を通過してアノード極触媒層２２全面に供給される。アノード極触媒層２２は、供給される燃料中から水素原子を取り出し、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオンと反応させて水(H2O)を生成すると共に、集電板２４に電子(e-)を放出する触媒としての機能を有する。
【００３５】
同様にカソード極３０はカソード極触媒層と集電板とを有している。カソード極３０に供給される大気は、集電板を通過してカソード極触媒層全面に供給される。カソード極触媒層は、集電板から電子(e-)を受け取って、酸素(O2)と水(H2O)とから水酸化物イオンを生成させる機能を有している。
【００３６】
各電極触媒層の構成材料はそれぞれ上記の機能を有するものであれば、特に限定されるものではない。電極触媒層の構成材料としては、例えば、鉄(Fe)、白金(Pt)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)より形成されたもの、あるいは、これらの金属のいずれかをカーボン等の担体に担持させたもの、あるいは、これらの金属原子を中心金属とする有機金属錯体、あるいは、このような有機金属錯体と担体に担持させたもの等があげられる。また、各電極触媒層の表面には多孔質等で構成された拡散層を配置することもできる。
【００３７】
図２においては、金属触媒である触媒粒子２２ｂ、２２ｃを担体２２ａに担持させたものを、アニオン交換膜１０と同様の組成を有する電解質に混ぜてアニオン交換膜１０表面に塗布することにより形成されたアノード極触媒層２２を例として説明する。
【００３８】
この燃料電池の電気化学反応中において、アニオン交換膜１０を通過した水酸化物イオンは、アノード極触媒層２２に存在する電解質中を移動して触媒粒子２２ｂに到達する。一方、供給された燃料が触媒粒子２２ｂに吸着すると、分解されて水素原子が生成される。触媒粒子２２ｂにおいては、生成された水素原子と水酸化物イオンとが上記（１）のような反応を起こす。
【００３９】
しかし、このような電気化学反応は、アノード極触媒層２２に電解質（あるいはアニオン交換膜）と触媒粒子２２ｂと燃料が共に存在する適正な三相界面が形成されている場合に起こるものである。例えば、図２の触媒粒子２２ｃのように周りに電解質が存在しない場合、触媒粒子２２ｃには水酸化物イオンが移動して来ることができない。このため触媒粒子２２ｃは反応場として機能せず未使用な状態となる。つまり、触媒粒子２２ｃが存在しても、適正な三相界面が形成されていない部分では反応を起こすことができない。従って、燃料電池の発電性能をより向上させるためには、反応場として機能していない触媒粒子２２ｃを少なくして、適正な状態の三相界面の面積（つまり反応場の面積）を増大させることが好ましい。
【００４０】
そこで、この実施の形態の燃料電池においては、燃料供給源４２において燃料にイオン伝導性を有する材料（以下「伝導補助剤」）を混合し、伝導補助剤が混合された燃料を供給する。つまり、燃料と共に電解質膜であるアニオン交換膜１０と同様の機能を有する材料をアノード極触媒層２２に供給する。これにより触媒粒子２２ｂ、２２ｃに伝導補助剤と燃料とが供給されることとなる。その結果、電解質が存在しない部分あるいは流出や劣化により三相界面が維持できなくなった触媒粒子２２ｃのような部分にも、新たな電解質として伝導補助剤が供給される。その結果、多くの触媒粒子２２ｂ、２２ｃにおいて適正な三相界面を形成することができ、アノード極２０における反応場の面積を増大させることができる。
【００４１】
具体的に、燃料に混入させるイオン伝導性を有する材料としては、アノード極触媒２２中で水酸化物イオンを移動させる機能を有するもの、即ちアノード極触媒層２２をアルカリ雰囲気とするものであれば良い。従って、例えば、伝導補助剤としては、水酸化カリウムあるいは水酸化ナトリウム等の溶液や、あるいは、アニオン交換膜１０を構成する物質と同一の材料を用いることができる。
【００４２】
このような伝導補助剤は燃料と共に燃料経路４０を流通させることでアノード極２０に供給すればよい。これにより、例えば三相界面が形成されていない部分や劣化している部分にも常に新たな電解質を供給することができる。従って、三相界面を適正な状態に維持して、反応場の面積を増大させた状態で維持することができる。これにより燃料電池の発電性能を高く維持することができる。
【００４３】
燃料としては、水素を含有しアノード極２０において水素原子を抽出することができるものであればよい。従って、例えば、アルコール、バイオアルコール、あるいはメタンやアンモニア等を用いることができる。アルコールとしてはメタノールやエタノール、バイオエタノール等を用いることができる。但し、伝導補助剤を混合させて供給するものであるため、エタノールのように常温で液体であるものが好ましい。また、エタノールであれば比較的安価に入手可能な材料であるため、燃料電池のコストダウンにおいても有効である。
【００４４】
なお、実施の形態では、燃料電池としてアニオン交換膜１０を用いたアルカリ型燃料電池を用いる場合について説明した。しかし、この発明はアルカリ型燃料電池に限るものではなく、例えばPEMのようにプロトンを移動させる固体高分子膜をイオン交換膜として用いた燃料電池に適用することができる。この場合には、プロトンが膜中を移動してカソード極側に移動するため、燃料中にプロトンを移動させる機能を有する材料を混合させる。
【００４５】
また、図１ではアニオン交換膜１０を一対の電極（アノード極２０及びカソード極３０）で挟み、各電極に燃料経路４０と大気経路５０とを配置して構成された燃料電池について説明した。しかし、この発明において燃料電池の構成はこれに限るものではなく、例えば、電解質膜と一対の電極とからなる膜-電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）がセパレータで分離されて複数積層された構造を有するものであってもよい。この場合にも、各ＭＥＡのアノード極に燃料を供給する流路内に、伝導補助剤を混合した燃料を流通させるようにすれば、各ＭＥＡのアノード極で適正な三相界面を形成することができる。
【００４６】
また、実施の形態では、未反応燃料が外部に排出される場合について説明した。しかし、この発明においてはこれに限るものではない。例えば、未反応燃料が排出される配管に、燃料経路の上流側に接続する循環経路を接続し、未反応燃料が新たに供給される燃料及び伝導補助剤と共に循環して用いられるようにすることができる。
【００４７】
またこのように循環経路を有する構造とした場合、伝導補助剤が劣化の少ない性質のものであれば、新たに燃料供給源４２から供給する燃料には伝導補助剤を加えないようにしてもよい。この場合にも燃料経路を循環する燃料内に予め伝導補助剤を混合しておくことで、繰り返し伝導補助剤を流通させることができる。従って、常に伝導補助剤を燃料と共に供給しなくても、三相界面を適正に維持する効果を得ることができる。またこのようにする場合、伝導補助剤の劣化のタイミング等を考慮して所定のタイミングにおいてのみ伝導補助剤を燃料に混合し燃料供給源４２から新たに供給する構成とすることもできる。
【００４８】
[実施例１]
この実施例１では、電解質膜としてアニオン交換膜を使用し、電極面積を36mm×36mmとし、カソード側にカーボンを担持させたFe−Co系触媒を、アノード側にはNiに担持させたFe−Ni−Co系触媒を用い、電解質膜に直接塗布してＭＥＡを作成した。また、燃料として10%エタノール水溶液を用い、このエタノール水溶液に伝導補助剤としてKOHを混合した。この例では、エタノールに混合するKOHの量を0〜20[Vol.%]の割合で変化させ、それぞれの場合の電圧[V]及び電流密度[mA/cm2]について測定した結果を表している（表１）。また、この結果を図３に示している。図３において横軸は電流密度[mA/cm2]、縦軸は電圧[V]を表している。
【表１】
2008218397.tif 000003
【００４９】
表１及び図３に示すようにKOHが混合されていない場合の電流密度は、電圧0.6[V]で2[mA/cm2]と測定された。これに対して、エタノールに伝導補助剤であるKOHを混合した場合、その混合割合が1〜20[Vol.%]の間の全ての場合において大幅に電流密度が高くなっていることがわかる。また混合させるKOHの量は10[Vol.%]の場合に、0.6[V]で215[mA/cm2]、0.8[V]で71[mA/cm2]と電流密度が最も高くなり、発電効率が最良となったことがわかる。
【００５０】
このように、燃料に伝導補助剤を混合した場合においても、電流密度を上昇させることができることが確認された。これはアニオン交換膜と同様に陰イオンを移動させることができるイオン伝導性を有する材料を伝導補助剤として供給することにより、触媒粒子と燃料と電解質とからなる三相界面を適正な状態とし、多くの触媒粒子２２ｂ、２２ｃを触媒電極（つまり反応場）として機能させることができるためであると考えられる。
【００５１】
なお、KOHは燃料経路中で燃料に含まれる炭素（あるいは一酸化炭素、二酸化炭素）と反応し劣化しやすい。従って、実施例１のようにエタノールにKOHを混合して用いる場合、伝導補助剤を循環して使用しようとしても劣化により必要な機能を発揮できない状態となることが考えられる。従って、KOH等の炭素に対する耐性の弱い伝導補助剤を用いる場合には、燃料と伝導補助剤とを循環させず、未反応燃料を常に排出するようにするか、あるいは伝導補助剤だけを選択的に分離して、排出側で未反応燃料から伝導補助剤を抽出して除去した後で、未反応燃料を循環利用するようにすることが好ましい。
【００５２】
[実施例2]
実施例2では、実施例１と同様に、電解質膜としてアニオン交換膜を、カソード側にカーボンを担持させたFe−Co系触媒を、アノード側にはNiに担持させたFe−Ni−Co系触媒を用い、電極面積を36mm×36mmとしたＭＥＡを用いた。このＭＥＡに供給する燃料として10wt%エタノール水溶液を用い、燃料に混合する伝導補助剤としてKOHを用いた。実施例２では、エタノールに混合する、エタノール水溶液とKOHとの混合液全体に対するKOHの量を0.01〜3[mol/l]の割合で変化させ、それぞれの場合の電圧[V]、出力密度[mW/cm2]、及び電流密度[mA/cm2]について測定した。この結果を図４に示している。図４において横軸は電流密度[mA/cm2]、縦軸左側は電圧[V]、縦軸右側は出力密度[mW/cm2]を表している。
【００５３】
図４に示すように、混合するKOH溶液が0.01[mol/l]と低濃度の場合、電流密度[mA/cm2]に対する電圧[V]及び出力密度[mW/cm2]は共に低く、KOHの濃度が2[mol/l]以下の範囲では、KOHの濃度が高くなるにつれて、電圧[V]、出力密度[mW/cm2]が共に高くなっている。また、特に、KOHの濃度が0.1[mol/l]以上で高い電圧[V]及び出力密度[mW/cm2]が得られ、KOH濃度が2[mol/l]において最も高くなり、発電効率が最良となることがわかる。
【００５４】
即ち、図４から、電解質であるKOHが少なすぎる場合にも、またKOHが過剰となる場合にも、高い出力効率が得られないことがわかる。これは、KOHが少ない場合、陰イオンを移動させる伝導体が不足した状態にあるため高い出力が得られず、一方、KOHが過剰となる場合には燃料の反応を阻害することとなるためであると考えられる。従って、燃料電池の発電効率をより向上させるため、反応を阻害しない範囲で伝導体の不足を補うように電解質を混合することが望ましい。
【００５５】
[実施例3]
実施例３では、実施例１と同様に、電解質膜としてアニオン交換膜を、カソード側にカーボンを担持させたFe−Co系触媒を、アノード側にはNiに担持させたFe−Ni−Co系触媒を用い、電極面積を36mm×36mmとしたＭＥＡを用いた。このＭＥＡに供給する燃料としてエタノール水溶液を用い、燃料に混合する伝導補助剤としてKOHを用いた。KOHの濃度は5〜20[%]とすることが好ましいが、実施例３では、エタノール水溶液に混合するKOHの、エタノール水溶液とKOHの混合液全体に対する濃度を約10wt%としている。実施例３では、エタノール水溶液の濃度が10[wt%]の場合と、5[wt%]の場合について、電圧[V]，出力密度[mW/cm2]、及び電流密度[mA/cm2]を測定している。この結果を図５に示す。図５において横軸は電流密度[mA/cm2]、縦軸左側は電圧[V]、縦軸右側は出力密度[mW/cm2]を表している。
【００５６】
図５から、エタノールの濃度が10[wt%]の高濃度の場合の方が、濃度が5[wt%]の低濃度の場合と比較して電圧[V]、出力密度[mW/cm2]共に高くなっていることがわかる。これは、エタノールが少なすぎる場合には燃料不足が起きて出力が低下するためであると考えられる。一方、エタノールの濃度が高すぎる場合には、水の割合が減少して反応場が減少して、出力が低下すると予想される。従って、燃料電池の発電効率を向上させるためには、燃料不足を起こさない範囲で、ある程度の反応場を確保するべくエタノールの濃度を最適濃度に設定して供給することが望まれる。好適には、エタノール水溶液の濃度は5-20[wt%]程度であることが望ましい。
【００５７】
[実施例４]
実施例４では、燃料として10%エタノール水溶液を用い、このエタノール水溶液に伝導補助剤としてアニオン交換膜１０と同じ組成を有する膜を混合した。固体高分子膜であるアニオン交換膜はエタノールに溶解する。表２は、エタノールに混合する伝導補助剤の量を0〜5[Vol.%]の割合で変化させ、それぞれの場合の電圧[V]及び電流密度[mA/cm2]について測定した結果を表している。なお、表２において、「電解質Solution」と表示されているのが、エタノールに溶解したアニオン交換膜であり、この実施例４における伝導補助剤である。また、この結果を図６にグラフとして示している。図６において横軸は電流密度[mA/cm2]、縦軸は電圧[V]を表している。
【表２】
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【００５８】
表２及び図６に示すように、エタノールに伝導補助剤が混合されていない場合の電流密度は0.6Vで5[mA/cm2]と測定された。これに対しエタノールに伝導補助剤を混合した場合、その混合割合が0〜5[Vol.%]の間の全ての場合において大幅に電流密度が高くなっていることがわかる。また混合させる伝導補助剤の量は2[Vol.%]の場合に、0.6[V]で113[mA/cm2]、0.8[V]で45[mA/cm2]と電流密度が最も高くなり、発電効率が最良となったことがわかる。
【００５９】
このように、燃料に伝導補助剤を混合した場合においても、電流密度を上昇させることができることが確認された。これはアニオン交換膜１０と同様の成分である伝導補助剤を供給することで、触媒粒子と燃料と電解質とからなる三相界面を適切に維持し、多くの触媒粒子２２ｂ、２２ｃを触媒電極（反応場）として機能させることができるためであると考えられる。
【００６０】
また、アニオン交換膜１０は炭素による被毒の少ない物質である。つまり、アニオン交換膜１０と同一の伝導補助剤を用いた場合、エタノールのように炭素を有する燃料を用いても、伝導補助剤の被毒を避けることができる。燃料として炭素を有するアルコール燃料、バイオアルコール燃料等を用い、未反応燃料をそのまま循環させて用いる場合には、実施例２のように炭素に対する耐性の強い伝導補助剤を混合することが好ましい。
【００６１】
また、この発明においては、実施例４のように燃料電池内で、アニオン交換膜１０と伝導補助剤とが同一の物質であるものでなくてもよい。つまり、アニオン交換膜１０とは異なるものであって、アニオン交換膜としての機能を有する他の交換膜を伝導補助剤として用いることができる。
【００６２】
[実施例５]
実施例５では、燃料として10[wt%]エタノール水溶液を用い、このエタノール水溶液に伝導補助剤として、KOHに替えて、下記の化学式（化１）出示されるトリエタノールアミン（C6H15NO3）溶液を用いる。
【化１】
2008218397.tif 000005
【００６３】
トリエタノールアミンは、水酸化物イオンOH-を伝導する伝導補助剤の機能を有する。また、アニオン交換膜１０ではアニオン交換基として用いることもできる。具体的に、実施例５では、エタノール水溶液とトリエタノールアミンとの混合液全体に対して、10[wt%]の濃度となるようにトリエタノールアミンを追加している。
【００６４】
図７は、伝導補助剤として、KOHを濃度10[wt%]で混合して供給した場合と、トリエタノールアミンを濃度10[wt%]で混合した場合の、電流密度[mA/cm2]に対する出力密度[mW/cm2]を測定した結果を表している。また、図７において、黒四角でプロットされた曲線はKOHを用いた場合を表し、黒丸でプロットされた曲線は、トリエタノールアミンを用いた場合を表している。また、図７において横軸は電流密度[mA/cm2]、縦軸は出力密度[mW/cm2]を表している。また、この測定は室温下で行われ、カソード極には酸化剤として空気を供給している。
【００６５】
図７から、同濃度でKOHを混合させた場合と、トリエタノールアミンを混合した場合とを比較すると、トリエタノールアミンを混合した場合の方が全体に高い出力密度が得られることがわかる。
【００６６】
また、KOHは、反応性が高く燃料と共に供給された場合に炭素によってKOH自体が劣化したり、あるいはアニオン交換膜や触媒電極等の材料によってはこれらの劣化を進行させる場合がある。しかし、トリエタノールアミンはKOHと比較して、反応性が低い。従ってトリエタノールアミンを用いることにより、燃料電池の耐久性を向上させることができる。
【００６７】
また、トリエタノールアミンに替えて、伝導補助剤として他のイオン伝導性の材料を用いることができる。具体的には、例えば、下記の化学式（化２）で示されるトリエチレンジアミン（C4H12N12）、化学式（化３）で示されるテトラエチレンジアミン（C4H12N2）、化学式（化４）又は化学式（化５）で示されるようなイミダゾリウム系化合物を用いることができる。なお、これらは、トリエタノールアミンと同様に、アニオン交換膜におけるアニオン交換基として用いることができるものである。
【化２】
2008218397.tif 000006
【化３】
2008218397.tif 000007
【化４】
2008218397.tif 000008
【化５】
2008218397.tif 000009
【００６８】
上記のようにアニオン交換基として用いられる電解質を伝導補助剤として用いることで、燃料電池の耐久性を向上させることができると共に、適正な三相界面を形成し燃料電池の出力効率を高めることができる。
【００６９】
以上の実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に限定されるものではない。また、実施の形態において説明する構造や、方法におけるステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】この発明の実施の形態における燃料電池について説明するための模式図である。
【図２】この発明の実施の形態における燃料電池の一部を模式的に拡大して表示した図である。
【図３】この発明の実施例１における燃料電池の電流密度について説明するための図である。
【図４】この発明の実施例２における燃料電池の電流密度と電圧及び出力密度について説明するための図である。
【図５】この発明の実施例３における燃料電池の電流密度と電圧及び出力密度について説明するための図である。
【図６】この発明の実施例４における燃料電池の電流密度について説明するための図である。
【図７】この発明の実施例５における燃料電池の電流密度と出力密度について説明するための図である。
【符号の説明】
【００７１】
１０  アニオン交換膜
２０  アノード極
２２  集電板
２２ａ  担体
２２ｂ、２２ｃ  触媒粒子
２４  集電板
３０  カソード極
４０  燃料経路
４２  燃料供給源
５０  大気供給
【図１】
2008218397.tif 000010
【図２】
2008218397.tif 000011
【図３】
2008218397.tif 000012
【図４】
2008218397.tif 000013
【図５】
2008218397.tif 000014
【図６】
2008218397.tif 000015
【図７】
2008218397.tif 000016