(57)【要約】【課題】電池を小型化しても液体燃料の漏れが発生せず、安定的に発電できる液体燃料電池を提供する。【解決手段】酸素を還元する正極４ａと、燃料を酸化する負極４ｃと、正極４ａと負極４ｃとの間に設けられた固体電解質層４ｂとを備えた液体燃料電池であって、固体電解質層４ｂの面積が、負極４ｃの面積に対して、１５０％以上２５０％以下の大きさであり、負極側から見て固体電解質層４ｂが露出している部分に、液体燃料の漏液防止用のパッキン８が配置された液体燃料電池とする。また、正極４ａと負極４ｃとが固体電解質層４ｂの中心部に配置され、正極４ａ、負極４ｃ及び固体電解質層４ｂが、それぞれ矩形状に形成されていることが好ましい。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質とを備えた液体燃料電池であって、
前記固体電解質の面積が、前記負極の面積に対して、１５０％以上２５０％以下の大きさであり、
前記負極側から見て前記固体電解質が露出している部分に、液体燃料の漏液防止用のシール材が配置されていることを特徴とする液体燃料電池。
【請求項２】
前記正極と前記負極とが、前記固体電解質の中心部に配置されている請求項１に記載の液体燃料電池。
【請求項３】
前記正極、前記負極、及び前記固体電解質が、それぞれ矩形状に形成されている請求項１又は２に記載の液体燃料電池。
【請求項４】
前記正極と、前記負極と、前記固体電解質とが、電極・電解質一体化物を形成し、複数の前記電極・電解質一体化物が同一平面上に配置されている請求項１〜３のいずれかに記載の液体燃料電池。
【請求項５】
液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部をさらに備えた請求項１〜４のいずれかに記載の液体燃料電池。
【請求項６】
前記液体燃料が、メタノール水溶液である請求項１〜５のいずれかに記載の液体燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として液体を用いた液体燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池として、燃料電池が挙げられるが、従来の燃料電池では、単電池を積層して構成されているため、嵩高くなり、また酸素及び燃料をそれぞれの正極及び負極へ流通させて供給しなければならず、燃料供給のための補器を必要とする。その結果、リチウムイオン電池などの小型二次電池に比べ、はるかに大きくなってしまい、小型ポータブル電源として用いるには問題があった。
【０００４】
ここで、酸素及び燃料を強制的に流通させる補器を除去することで出力は低下するものの、燃料電池の小型化を図ることはできる。しかし、各電極・電解質一体化物を積み重ねていく積層構造を有する燃料電池では、小型化には限界がある。一方、複数の電極・電解質一体化物を正極（空気極）と負極（燃料極）とがそれぞれ平面状になるように配置すると、燃料タンクを共有でき、空気との接触も良好となり、さらに上記積層構造に比べて電池を小型化できる（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−５６８５５号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、その場合、各電極・電解質一体化物を電気的に直列に接続すると、特に液体燃料を用いる場合に各電極・電解質一体化物の間から液体燃料の漏れが発生するという問題が生じる。
【０００７】
本発明は、小型化しても液体燃料の漏れが発生せず、安定的に発電できる液体燃料電池を提供する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に配置された固体電解質とを備えた液体燃料電池であって、
前記固体電解質の面積が、前記負極の面積に対して、１５０％以上２５０％以下の大きさであり、
前記負極側から見て前記固体電解質が露出している部分に、液体燃料の漏液防止用のシール材が配置されている液体燃料電池を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１０】
本発明の液体燃料電池の一形態は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、正極と負極との間に配置された固体電解質とを備えた液体燃料電池であって、固体電解質の面積が、負極の面積に対して、１５０％以上２５０％以下の大きさ、より好ましくは１７０％以上２３０％以下の大きさ、さらに好ましくは１８０％以上２２０％以下の大きさに設定され、負極側から見て固体電解質が露出している部分に、液体燃料の漏液防止用のシール材が配置されている。
【００１１】
固体電解質の面積が負極の面積に対して１５０％未満では、液体燃料の漏液防止用のシール材を配置する面積が十分に確保できなくなり、液体燃料が漏れる恐れがある。また、２５０％を超えると電池全体が大きくなってしまい、電池を小型化することができなくなる。
【００１２】
また、正極と負極とは、固体電解質の中心部に配置されていることが好ましい。漏液防止用のシール材の配置が容易となるからである。ここで、正極と負極とが固体電解質の中心部に配置されるとは、正極と負極とが固体電解質からはみ出さずに、かつ、正極と負極の外周と固体電解質の外周とで形成される環状部が前後・左右で対象になるように配置されることをいう。
【００１３】
上記の正極、負極、固体電解質の形状は、矩形（長方形）、正方形、楕円形などとすることができるが、矩形状とすることが好ましい。
【００１４】
また、正極と負極とは、固体電解質を介して相互に接合されて電極・電解質一体化物を形成し、この複数の電極・電解質一体化物が同一平面上に配置されていることが好ましい。これにより、電池の厚さをより薄くすることができる。
【００１５】
また、本実施形態の液体燃料電池は、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部をさらに備えていることが好ましい。これにより、一定時間燃料の補給が不要となるため、液体燃料電池を携帯電子機器の電源として使用できるようになる。
【００１６】
また、液体燃料としては、メタノール水溶液、エタノール水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などを使用できるが、中でもメタノール水溶液が特に好ましい。放電特性と価格の両面から考えて、現在最も優れているからである。
【００１７】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００１８】
図１は、本発明の液体燃料電池の一例を示す分解斜視図である。電極・電解質一体化物４は、矩形シート状の正極４ａと、矩形シート状の負極（図示せず）と、正極４ａと負極との間に設けられた矩形シート状の固体電解質層４ｂとから構成されている。図２は、電極・電解質一体化物４の一例を負極４ｃ側から見た斜視図である。固体電解質層４ｂの面積は、正極４ａ及び負極４ｃの面積に対して、１５０％以上２５０％以下の大きさに設定してある。この固体電解質層４ｂの負極４ｃからはみ出た部分に、後述する液体燃料の漏液防止用のシール材であるパッキン８が配置される。
【００１９】
正極４ａは、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層と、触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層とを積層して構成される。正極は酸素を還元する機能を有しており、その触媒には、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウム又は金などと白金との合金微粒子などが用いられる。また、触媒層には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子やプロトン交換樹脂粒子が含まれる場合がある。プロトン交換樹脂粒子としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂やスルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などを用いることができる。拡散層の触媒層側には撥水性向上のため、ＰＴＦＥ樹脂粒子を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００２０】
固体電解質層４ｂは、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成される。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン”（商品名）、旭硝子社製の“フレミオン”（商品名）、旭化成工業社製の“アシプレックス”（商品名）などにより固体電解質層４ｂを構成することができる。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜などからも構成することができる。
【００２１】
負極４ｃは、拡散層と触媒層とからなり、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を酸化する機能を有しており、例えば、正極と同様に構成することができる。
【００２２】
上記正極４ａ、固体電解質層４ｂ、負極４ｃは、ホットプレスなどにより接合され、電極・電解質一体化物４が形成されている。
【００２３】
正極４ａの固体電解質層４ｂと反対側には蓋部となるカバー板１が配置される。カバー板１は、例えば、ＰＴＦＥ、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアリルアミド、ポリアリルエーテルケトン、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、ポリエーテルイミド、ポリフタルアミドなどの合成樹脂や、ガラスエポキシ樹脂などで形成できる。
【００２４】
さらに、カバー板１の強度をより向上させたい場合には、カバー板１は、金属に電気的絶縁性物質を被覆したものから形成することもできる。その金属としては、例えば、ヤング率が１０００００ＭＰａ以上の炭素鋼、合金鋼、超硬合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金などが用いられる。
【００２５】
また、電気的絶縁性物質としては、例えば、高分子ポリエチレン、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、塩化ゴムなどが用いられる。
【００２６】
カバー板１の正極４ａと接する部分にそれぞれ空気孔２が設けられている。これにより、正極が空気と接することができ、酸素が正極で還元される。空気孔２の正極４ａと接する部分周辺にはメッシュ状の正極集電体３が配置されている。正極集電体３は、例えば、白金、金、ステンレス、ニッケルなどの微粒子、又は金などと白金との合金の微粒子をエポキシ樹脂やシリコーンなどを用いてカバー板１の内面に薄膜状に接着したものや、これらの金属の微粒子とエポキシ樹脂やシリコーンなどとを混合したものをカバー板１の内面に薄膜状に塗布したものや、あるいは、これらの金属の微粒子をスパッタリング、真空蒸着、化学メッキなどによりカバー板１の内面に薄膜状に付着させたものなどが用いられる。なお、正極集電体３は板状の矩形部１０を備えている。
【００２７】
負極４ｃの固体電解質層４ｂと反対側には液体燃料を貯蔵する燃料タンク５が配置される。燃料タンク５は、上記カバー板１と同様の材質で形成できる。液体燃料としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが用いられる。
【００２８】
また、燃料タンク５の負極４ｃと接する部分にそれぞれ燃料供給孔７が設けられている。これにより、液体燃料が負極と接することができ、液体燃料が負極で酸化される。燃料供給孔７の負極４ｃと接する部分周辺にはメッシュ状の負極集電体６が配置されている。負極集電体６は、正極集電体３と同様にして形成することができる。なお、負極集電体６は板状の矩形部１１を備えている。
【００２９】
さらに、燃料供給孔７の周辺部には、矩形環状のパッキン８が設けられている。このパッキン８は液体燃料の漏液防止用のシール材であり、固体電解質層４ｂの負極４ｃからはみ出た部分と、燃料供給孔７の周辺部との間に配置される。これにより、燃料タンク５と電極・電解質一体化物４との隙間から液体燃料が漏れることをより確実に防止することができる。パッキン８の材質としては、例えば、天然ゴム、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、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどのゴムや、ＰＴＦＥ樹脂などを用いることができる。
【００３０】
また、燃料タンク５とカバー板１の周辺部には気液分離孔９が配置されている。燃料タンク５の気液分離孔９には、それぞれに気液分離膜９ａが備えられている。この気液分離膜９ａは細孔を持つＰＴＦＥ製の薄膜からなり、放電反応で生成した二酸化炭素などを、液体燃料を漏液させることなく外部に放出させることができる。
【００３１】
上記カバー板１、電極・電解質一体化物４、燃料タンク５を積層することより、負極集電体６の上に電極・電解質一体化物４と隣接する正極集電体３の矩形部１０が配置され、また、その正極集電体３の下には電極・電解質一体化物４が配置される。即ち、正極集電体３と負極集電体６とは、その矩形部１０、１１を介して接触し、隣接する各電極・電解質一体化物４はそれぞれ電気的に直列に接続される。なお、カバー板１と燃料タンク５との接合は、図示していないがボルト・ナット等を用いて任意の圧力で行うことができる。以上により、本発明の液体燃料電池の一例が構成される。
【００３２】
【実施例】
次に、実施例により本発明をより具体的に説明する。
【００３３】
（実施例１）
以下のようにして図１と同様の構成の液体燃料電池を作製した。
【００３４】
正極は、多孔度７８％、厚さ２８０μｍのカーボンぺーパーからなる拡散層と、粒子径３ｎｍの白金粒子を粒子径３０ｎｍのカーボン粒子に担持して形成した厚さ５０μｍの触媒層から形成した。負極は、多孔度７８％、厚さ２８０μｍのカーボンぺーパーからなる拡散層と、粒子径５ｎｍの白金−ルテニウム合金粒子を粒子径３０ｎｍのカーボン粒子に担持して形成した厚さ５０μｍの触媒層から形成した。固体電解質層は、デュポン社製の“ナフィオン”（商品名）を用いた。
【００３５】
正極、負極の大きさは、ともに縦４０ｍｍ、横１０ｍｍ、面積４００ｍｍ２とした。また、固体電解質層の大きさは、縦４４ｍｍ、横１４ｍｍ、面積６１６ｍｍ２とした。従って、負極の面積に対する固体電解質層の面積の割合は、１５４％となる。
【００３６】
液体燃料としては３質量％のメタノール水溶液を用い、パッキンとしては直径２ｍｍ、縦４２ｍｍ、横１２ｍｍの矩形環状のブタジエンゴム製パッキンを用いた。
【００３７】
カバー板は、縦７０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１ｍｍの板状のＰＴＥＦから形成した。燃料タンクは、縦７０ｍｍ、横１００ｍｍ、深さ７ｍｍの箱状のＰＴＦＥ（厚さ２ｍｍ）から形成した。カバー板と燃料タンクとは１ＭＰａの圧力で接合した。正極集電体は厚さ３０μｍのステンレス鋼を用いた。また、負極集電体は厚さ３０μｍのステンレス鋼を用いた。なお、正極集電体と負極集電体の全体の大きさは、縦４０ｍｍ、横２０ｍｍであり、その矩形部の大きさは、縦４０ｍｍ、横１０ｍｍとした。
【００３８】
図３に、本実施例の液体燃料電池からカバー板を除去した状態の平面図を示す。図３において、４は電極・電解質一体化物、４ａは正極、５は燃料タンクである。なお、図３では気液分離膜（９ａ）については図示を省略している。
【００３９】
（実施例２）
固体電解質層の大きさを、縦５０ｍｍ、横２０ｍｍ、面積１０００ｍｍ２とし、正極集電体と負極集電体の大きさを、縦４０ｍｍ、横１８ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。本実施例では、負極の面積に対する固体電解質層の面積の割合は、２５０％となる。
【００４０】
図４に、図３と同様にして本実施例の液体燃料電池からカバー板を除去した状態の平面図を示す。
【００４１】
（比較例１）
固体電解質層の大きさを、縦４２ｍｍ、横１２ｍｍ、面積５０４ｍｍ２とした以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。本比較例では、負極の面積に対する固体電解質層の面積の割合は、１２６％となる。
【００４２】
図５に、図３と同様にして本比較例の液体燃料電池からカバー板を除去した状態の平面図を示す。
【００４３】
（比較例２）
固体電解質層の大きさを、縦６０ｍｍ、横３０ｍｍ、面積１８００ｍｍ２とし、カバー板の大きさを、縦８０ｍｍ、横１５０ｍｍ、厚さ１ｍｍとし、燃料タンクの大きさを、縦８０ｍｍ、横１５０ｍｍ、深さ７ｍｍとし、正極集電体と負極集電体の大きさを、縦４０ｍｍ、横２４ｍｍとした以外は、実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。本比較例では、負極の面積に対する固体電解質層の面積の割合は、４５０％となる。
【００４４】
図６に、図３と同様にして本比較例の液体燃料電池からカバー板を除去した状態の平面図を示す。
【００４５】
以上のように作製した実施例１、２及び比較例１、２の液体燃料電池を１００Ｈｚの正弦波で１０分間振動させたところ、比較例１では液体燃料の漏れが認められた。また、比較例２では燃料電池の漏れは認められなかったが、電極面積は実施例１と実施例２と同じでありながら、電池のサイズが大きくなってしまった。一方、実施例１と実施例２では全く液体燃料の漏れは認められず、電池のサイズも小型を維持できた。
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、電池を小型化しても液体燃料の漏れが発生せず、安定的に発電できる液体燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体燃料電池の一例を示す分解斜視図である。
【図２】本発明の電極・電解質一体化物の一例を負極側から見た斜視図である。
【図３】実施例１の液体燃料電池からカバー板を除去した状態の平面図である。
【図４】実施例２の液体燃料電池からカバー板を除去した状態の平面図である。
【図５】比較例１の液体燃料電池からカバー板を除去した状態の平面図である。
【図６】比較例２の液体燃料電池からカバー板を除去した状態の平面図である。
【符号の説明】
１  カバー板
２  空気孔
３  正極集電体
４  電極・電解質一体化物
４ａ  正極
４ｂ  固体電解質層
４ｃ  負極
５  燃料タンク
６  負極集電体
７  燃料供給孔
８  パッキン
９  気液分離孔
９ａ  気液分離膜
１０  正極集電体の矩形部
１１  負極集電体の矩形部
【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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