(57)【要約】【課題】燃料電池のセルユニット内におけるクロスオーバーを低減すると共に、セルユニットのシール性を十分に確保することができ、セル特性の向上を図ることができる燃料電池を提供する。【解決手段】本発明の燃料電池１は、燃料極３に液体燃料を供給し、空気極２に酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させるものであって、燃料極３と空気極２間に、複数枚重合した電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃを挟持した構成とする。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して前記液体燃料と前記酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池において、
前記アノードと前記カソード間に、複数枚重合した電解質膜を挟持した構成とすることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記各電解質膜は、前記アノードと前記カソードにより挟持された部分が接合され、前記アノードと前記カソードにより挟持した部分以外の部分は、各膜間が分離した構造とされることを特徴とする請求項１の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を直接燃料電池に供給し、電力を発生させる燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、電極反応によって燃料（水素など）が有する化学エネルギーを直接電気エネルギーとして取り出すものであり、反応生成物は原理的には水のみであるため、環境への悪影響が殆どない発電システムである。従来では、燃料として原料ガスを水素リッチガスまで改質したものが用いられていたため、発電システムに改質装置を設けなければ成らず、装置が大型化する問題があった。係る装置の大型化を解消するため、液体燃料を直接燃料電池に供給し、電力を発生させる燃料電池が開発されている。
【０００３】
以下、図６及び図７を参照して従来の燃料電池１００について説明する。燃料電池１００は、アルコールなどの有機物を直接燃料極１０３に供給し、電力を発生させる方式を採用したものである。燃料電池１００は、例えば固体高分子の陽イオン交換体を電解質膜１０２とし、当該電解質膜１０２の両側を空気極１０１と燃料極１０３により挟持し、セルを構成している。電解質膜１０２は、燃料極１０３及び空気極１０１よりも所定寸法分だけ大きく形成されているものとする。
【０００４】
そして、このセルの両側には、それぞれ燃料又は空気を流通させるためのチャネル１０５又は１０４が形成されたセパレータ１０７、１０６が設けられ、セルユニット１０８が構成される。また、係る燃料電池１００では、燃料極１０３側、空気極１０１側に別々に供給される燃料と空気が、混合しないようにシールする必要があるため、セルユニット１０８は電極１０１、１０３より大きな電解質膜１０２を空気極１０１、燃料極１０３で挟持した構造を採用し、電極１０１、１０３外縁から食み出した電解質膜１０２をゴムパッキンなどのガスケット１１０、１１１で挟んでシールしている。
【０００５】
以上の構成で、燃料極１０３にはメタノール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの有機液体燃料を供給し、空気極１０１には酸化剤として空気を供給する。燃料極１０３では有機燃料の電気化学的な酸化反応が生じ、プロトン（Ｈ＋）が生成する。当該プロトンは、電解質膜１０２中を移動して空気極１０１に到達し、係る際に電気が外部回路に取り出され、電気エネルギーとして利用される。他方、空気極１０１では電解質膜１０２を介して移動してきたプロトンと空気中の酸素が反応し水が生成される。
【０００６】
一般に、電解質膜１０２は、陽イオン交換体であるパーフルオロスルホン酸系高分子膜などが用いられる。当該電解質膜１０２がプロトン誘導性を持つためには、電解質膜１０２が十分に含水している必要がある。そこで、通常、プロトン伝導に必要な水分は液体燃料中の水分と空気極１０１側の反応生成水によって補給されている。
【０００７】
しかしながら、パーフルオロスルホン酸系高分子電解質膜では、図６に矢印で示す如く燃料極１０３に供給した燃料が未反応のまま電解質膜１０２を透過し、空気極１０１に移動するクロスオーバーと呼ばれる現象が生じる。このクロスオーバーした燃料は空気極１０１上で酸化され電圧の低下を招き、電池１００の出力低下の原因となる。そのため、かかるクロスオーバーを消滅、若しくは、できる限り低減することが望まれている。
【０００８】
そこで、上述した如きクロスオーバーの発生を抑制するため、電解質膜の膜厚を厚くすることが考えられる。しかし、電解質膜１０２は含水により膨潤し体積変化を生ずると、図７に示す如く一方の方向に加わる応力が増大する問題がある。また、電解質膜１０２は、水と接触している部分と接触していない部分とでは膨潤量が異なり、これに起因して波立ったように変形する問題がある。この変形は膜厚が厚いほど顕著になる傾向がある。
【０００９】
そのため、上述した如く電解質膜１０２が波だったように変形していると、ガスケット１１０、１１１によるシール性が低下し、燃料極１０３側と、空気極１０１側から供給される燃料や空気が電極１０１、１０３にて反応する前に外部に漏洩してしまう問題があった。
【００１０】
そこで、従来では種々の提案（例えば特許文献１又は特許文献２を参照）がなされている。特許文献１に記載の燃料電池は、電解質膜を無機膜と有機膜の２層構造にすることにより有機燃料であるメタノールのクロスオーバーを抑制するものである。特許文献２に記載の燃料電池は、水素−空気系の燃料電池について出力向上の観点から、電解質膜の膜厚を電極に接する部分を周縁部分に比べて薄く形成することにより、イオン導電性の改善を図る試みがなされている。
【００１１】
【特許文献１】
特開２０００−１０６２０２号公報
【特許文献２】
特開平８−１８５８７号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した如き特許文献１に記載の燃料電池では、メタノール透過防止手段により、ある程度のメタノール透過抑制は期待できるが、２種類の異なる電解質膜により表裏の体積変化が相違するため、周縁での変形が大きくなり、シール代を低減した場合のシールを確保するのが困難であった。
【００１３】
他方、特許文献２に記載の技術では、アルコールなどの有機物を直接供給する方式を採用した場合、クロスオーバーを抑えるため電解質膜を厚くする必要があるため、当該特許文献に規定されている周辺部の厚みよりも厚い電解質膜を使用する必要がある。そのため、電解質膜の強度は問題とはならずに、膜の変形によるシール性の確保の困難さが問題となる。
【００１４】
また、昨今、燃料電池は、小型装置への応用が注目されている。特に、携帯電話に応用される場合には、エネルギー密度が高い方が有利となるため、電池出力の向上と共に、電池サイズのコンパクト化が重要な課題とされている。そのため、電池のコンパクト化には、発電に寄与しないシール部分の占める割合をできる限り少なくしたいという要求がある。
【００１５】
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、燃料電池のセルユニット内におけるクロスオーバーを低減すると共に、セルユニットのシール性を十分に確保することができ、セル特性の向上を図ることができる燃料電池を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させるものであって、アノードとカソード間に、複数枚重合した電解質膜を挟持した構成とすることを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明の燃料電池は、上記発明において、各電解質膜は、アノードとカソードにより挟持された部分が接合され、アノードとカソードにより挟持した部分以外の部分は、各膜間が分離した構造とされることを特徴とする。
【００１８】
本発明によれば、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池において、アノードとカソード間に、複数枚重合した電解質膜を挟持した構成とするので、アノードとカソードにより狭持された部分の電解質膜の膜厚を確保することができるようになり、電解質膜の液体燃料の透過を減少することができ、クロスオーバーによる電圧低下を抑制することができるようになる。
【００１９】
請求項２の発明の燃料電池は、上記発明において、各電解質膜は、アノードとカソードにより挟持された部分が接合され、アノードとカソードにより挟持した部分以外の部分は、各膜間が分離した構造とされるので、アノードとカソードにより挟持された部分は接合されていることから、膜間でプロトン導電パスを形成することができるようになる。
【００２０】
また、アノードとカソードにより狭持された以外の部分の各電解質膜は、これら膜が分離した構造とされているため、各電解質膜が含水することにより膨潤した場合であっても、極力変形量を最小限とすることができるようになる。そのため、これら電解質膜の周縁部をシール材などにより密着してセルユニット内をガスシールする場合であっても、均一に電解質膜の周縁部をシールすることができ、アノード及びカソードが設けられていない部分で膜が分離していることから、燃料の拡散による移動を妨げ、そのため、液体燃料がアノード側からカソード側に移行するクロスオーバーをより一層、改善することができるようになる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。本実施例における燃料電池１は、メタノールやＤＭＥ（ジメチルエーテル）などの液体有機燃料を図示しない燃料供給源から直接燃料極３に供給し、空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）を空気極２に供給することにより、電力を発生させるダイレクトメタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ）である。本実施例における燃料電池１の構成について図１を参照して説明する。図１は、燃料電池１の構成を示す要部組立図である。
【００２２】
燃料電池１は、電解質膜７の両面に燃料極（アノード）３と空気極（カソード）２とが配されたセル１０と、該セル１０を挟持する一対のリブ付きセパレータ８、９などから構成される。
【００２３】
これらセパレータ８、９は、緻密なカーボン板を加工した導電性を有する基板により構成されている。アノード側のセパレータ９には、複数本の溝によりアノードチャネル（燃料流路）１２が形成されていると共に、カソード側のセパレータ８には、同じく複数本の溝によりカソードチャネル（空気流路）１１が形成されている。
【００２４】
そして、電解質膜７の外周部と、セパレータ８、９の外周部との間に、シール材としてのガスケット１３、１４を介在させた後、上記セル１０をセパレータ８、９で両側から挟み付けることでセルユニット５を構成する。更に、係るセルユニット５を複数積層し、その積層されたセルユニット５の両端を図示しないエンドプレートにて挟持することで燃料電池１としている。
【００２５】
また、上記セパレータ８、９の角隅部には、液体燃料又は反応ガスの供給・排出用のマニホールドを構成する貫通孔１６、１７、１８、１９が形成されている。このうち貫通孔１７、１９はセパレータ９のアノードチャネル１２と連通し、貫通孔１６、１８はセパレータ８のカソードチャネル１１と連通している。
【００２６】
本実施例において、前記電解質膜７は、複数枚（図２及び図４では３枚として示す。）の電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃを重合することにより構成されている。これら電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、例えば、陽イオン交換体であるパーフルオロスルホン酸系高分子膜（例えば、商品名Ｎａｆｉｏｎ）により構成されており、各電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃの厚さは、例えば２５μｍ程度であるものとする。また、各電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、前記燃料極３び空気極２よりも所定寸法分だけ、即ち、電池１自体の小型化を図る上で不都合を生じない程度だけ、大きく形成されているものとする。
【００２７】
尚、本実施例において、各電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、陽イオン交換体として、Ｎａｆｉｏｎ（商品名）を使用しているが、これ以外にも、スルホン酸基、水酸基などを付与した含フッ素ポリマーや炭化水素系ポリマーや、ポリベンゾイミダゾールを始めとする塩基性官能基を有するポリマーやそれらの複合体を使用しても良いものとする。また、本実施例では、全て同一の材料により構成された電解質膜を用いているが、異なる材料により構成された電解質膜を組み合わせて用いても良いものとする。更にまた、本実施例では、各電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃの厚さは、全て２５μｍ程度のものを使用しているが、異なる厚さに形成された電解質膜を組み合わせて用いても良いものとする。
【００２８】
他方、燃料極３及び空気極２は、それぞれ白金系の触媒が担持されたカーボンから成る触媒層と、撥水処理を施したカーボンペーパーにカーボン粒子が充填されたガス拡散層とが積層された構造とされている。
【００２９】
そして、セル１０は、図４に示す如く上述した如き各電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃを重ね合わせた状態で、各電極２、３で挟持し、ホットプレスにより密着成形することにより構成される。これにより、各電極２、３で挟持された部分の電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃ同士は溶着し、プロトン導電パスを形成すると共に、各電極２、３にて挟持された部分以外の部分、即ち、電極２、３の周縁から食み出した部分の電解質膜７Ａ、７Ｂ及び７Ｃは、各膜間が分離した構造とされる。
【００３０】
以上の構成により、燃料電池１は、セルユニット５の液体燃料供給用のマニホールドに液体燃料が供給され、酸化剤ガス供給用のマニホールドに空気が供給される。そして、液体燃料供給用のマニホールドに供給された液体燃料は、各アノードチャネル１２に分配され燃料極３に供給される。他方、酸化剤ガス供給用のマニホールドに供給された空気は、各カソードチャネル１１から空気極２に供給される。そして、余剰のガスは、酸化剤ガス排出用のマニホールドから排出される。
【００３１】
燃料極３と空気極２にそれぞれ液体燃料と空気（酸化剤ガス）が供給され、液体燃料と空気中の酸素が下記化学式▲１▼及び▲２▼の酸化還元反応を生ずることで電力を発生される。
【００３２】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  ・・・・▲１▼
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ                ・・・・▲２▼
【００３３】
ここで発電される電力は、発電制御を司る制御手段として図示しない制御装置により制御されるものとする。
【００３４】
ここで、本実施例では、燃料極３側で生成されたプロトン（Ｈ＋）が空気極２側に伝導する際の通路となる電解質膜７は、詳細は上述した如く各電極２、３で挟持された部分の電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃ同士は溶着し、一定の厚さを備えているため、十分なプロトン導電パスを確保することができる。
【００３５】
また、かかる電解質膜７は、各電極２、３にて挟持された部分以外の部分、即ち、電極２、３の周縁から食み出した部分の電解質膜７Ａ、７Ｂ及び７Ｃは、各膜間が分離した構造とされているため、発電の際に生じる生成水により各膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃが含水し、膨潤した場合であっても、従来の如く積層せずに１枚の電解質膜を各電極２、３間に挟持し、当該挟持された部分の電解質膜の厚さを当該実施例と同じ厚さとした場合に比べて、電極２、３により狭持された部分以外の周縁部分で各電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃが分離しているため膨潤による変形が小さくなる（図３を参照。）。
【００３６】
そのため、ガスケット１３、１４によるシール性の向上を図ることができるようになり、燃料極３側、空気極２側に別々に供給される燃料と空気が、外部に漏洩する不都合を著しく改善することができるようになる。
【００３７】
更に、上記シール性の向上により、各電解質膜７Ａ、７Ｂ、７Ｃのガスケット１３、１４によりシールを行うシール代の部分を縮小することができ、燃料電池１自体のコンパクト化を図ることができるようになる。また、従来の燃料電池の場合と同等のシール性を確保した場合は、本実施例の燃料電池１の方が電極２、３間に挟持される部分の電解質膜７の厚みを厚くできるのでクロスオーバーの低減を図ることができるようになる。
【００３８】
尚、図５に示す如く、電極２、３間に挟持される電解質膜７の膜厚とクロスオーバーするメタノール（液体燃料）の透過量の関係を実験した実験結果によると、電解質膜７の膜厚が厚くなるほどクロスオーバーするメタノールの量が減少することが分かる。そのため、本実施例を説明する上で、厚さを２５μｍ程度の電解質膜を３枚重ねた状態（図２及び図４）のものを参照しているが、電解質膜７のプロトン導電率による最適値と、クロスオーバーするメタノール（液体燃料）の透過量に基づく電解質膜７の最適値とから、電極２、３間に挟持される電解質膜７の膜厚は１５０μｍ程度、即ち、本実施例において用いられる電解質膜を６枚重ねた程度が好ましい。
【００３９】
尚、上記各実施例では、液体燃料としてメタノールやＤＭＥを挙げているが、例えばプロパノールやブタノールなどの他の液体燃料であっても同様の効果を発揮するものとする。
【００４０】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、アノードに液体燃料を供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して液体燃料と酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池において、アノードとカソード間に、複数枚重合した電解質膜を挟持した構成とするので、アノードとカソードにより狭持された部分の電解質膜の膜厚を確保することができるようになり、電解質膜の液体燃料の透過を減少することができ、クロスオーバーによる電圧低下を抑制することができるようになる。
【００４１】
請求項２の発明の燃料電池は、上記発明において、各電解質膜は、アノードとカソードにより挟持された部分が接合され、アノードとカソードにより挟持した部分以外の部分は、各膜間が分離した構造とされるので、アノードとカソードにより挟持された部分は接合されていることから、膜間でプロトン誘導パスを形成することができるようになる。
【００４２】
また、アノードとカソードにより狭持された以外の部分の各電解質膜は、これら膜が分離した構造とされているため、各電解質膜が含水することにより膨潤した場合であっても、極力変形量を最小限とすることができるようになる。そのため、これら電解質膜の周縁部をシール材などにより密着してセルユニット内をガスシールする場合であっても、均一に電解質膜の周縁部をシールすることができ、アノード及びカソードが設けられていない部分で膜が分離していることから、燃料の拡散による移動を妨げ、そのため、液体燃料がアノード側からカソード側に移行するクロスオーバーをより一層、改善することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の構成を示す要部組立図である。
【図２】図１のセルユニットの概略断面図である。
【図３】図２の電解質膜の変形割合を示す図である。
【図４】図１のセルユニットの作成状態を示す説明図である。
【図５】電解質膜の膜厚とクロスオーバーするメタノール透過量の関係を示した図である。
【図６】従来のセルユニットの概略断面図である。
【図７】図６の電解質膜の変形割合を示す図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２  空気極（カソード）
３  燃料極（アノード）
５  セルユニット
７  電解質膜
８、９  セパレータ
１０  セル
１１  カソードチャネル
１２  アノードチャネル
１３、１４  ガスケット
１６、１７、１８、１９  貫通孔
【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】
2004327151.tif 000007
【図６】
2004327151.tif 000008
【図７】
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