(57)【要約】【課題】出力特性の向上に寄与できる液体燃料直接供給形燃料電池を得る。【解決手段】プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃料を、前記正極に酸化剤ガスを供給して発電を行う液体燃料直接供給形燃料電池において、前記液体燃料に粘度調整剤を含有させてなる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃料を、前記正極に酸化剤ガスを供給して発電を行う液体燃料直接供給形燃料電池において、前記液体燃料は粘度調整剤を含有していることを特徴とする液体燃料直接供給形燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の液体燃料直接供給形燃料電池において、粘度調整剤はセルロースエーテル、寒天、ゼラチンから選択された少なくとも一つであることを特徴とする液体燃料直接供給形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料としての有機溶媒と水を直接供給して発電することができる液体燃料直接供給形燃料電池に関するもので、さらに詳しく言えば、その出力特性の向上に寄与でき、安定した運転の継続が容易にできる液体燃料直接供給形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になっており、その対策の一つとして、液体燃料としての有機溶媒と水を直接供給して発電することができる液体燃料直接供給形燃料電池の開発が活発に行われている。特に、液体燃料としてメタノールを用い、その改質、ガス化を行うことなく直接発電する直接メタノール形燃料電池は構造がシンプルであり、小型化、軽量化が容易であり、携帯形小型電子機器用やコンピュータ用などのコンシューマー電源をはじめ、種々の分散型電源や可搬型電源として有望である。
【０００３】
このような液体燃料直接供給形燃料電池は、プロトン導電性を有する固体高分子電解質膜からなる電解質を介して両側に正極（空気極）と負極（燃料極）を接合した膜／電極接合体（ＭＥＡ）を正極側（空気極側）セパレータと負極側（燃料極側）セパレータとで挟持したセルが複数個積層されて構成される。この正極側（空気極側）セパレータと負極側（燃料極側）セパレータは、前記正極（空気極）に酸化剤ガスを供給し、前記負極（燃料極）に液体燃料を供給する役割を果たすとともに、酸化剤ガスと液体燃料とが電解質を介して行う電気化学反応によって生成する反応生成物を排出する役割も果たしている。
【０００４】
すなわち、直接メタノール形燃料電池では、負極（燃料極）側にメタノール水溶液を供給し、正極（空気極）側に酸化剤ガスとしての空気を供給すると、負極（燃料極）ではメタノールと水が反応して二酸化炭素を生成するとともに水素イオンと電子を放出し、正極（空気極）では空気中の酸素が電解質を通過してきた前記水素イオンと電子を取り込んで水を生成し、外部回路に起電力を生じさせる。そして、生成した水は反応に寄与しなかった空気とともに正極（空気極）側から排出され、二酸化炭素は反応に寄与しなかったメタノール水溶液とともに負極（燃料極）側から排出される。
【０００５】
上記した直接メタノール形燃料電池では、その出力特性を向上させる点から言えば、メタノール水溶液の濃度を高くするのが好ましいが、濃度を高くすると、メタノールが電解質を透過（クロスオーバー）する量が多くなってメタノールの利用効率が低下するだけでなく、透過したメタノールが正極（空気極）の過電圧を増大させ、電池電圧を低下させるため、通常は、この濃度を３重量％程度としている。
【０００６】
上記した問題を解決する方法として、電解質の膜厚を大きくし、メタノール透過量を減少させるといった方法が報告されているが、電解質の膜厚を大きくすると、それだけ電解質の抵抗が大きくなって、出力特性を向上させるには至っていなかった。
【０００７】
また、電解質の膜中に白金を分散させ、負極（燃料極）側から正極（空気極）側に透過するメタノールを、正極（空気極）側から拡散した酸素によって酸化させるといった方法も報告されているが、電解質の膜中に白金を分散させる工程が複雑で、燃料電池のコストアップにつながり、好ましいものではなかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
このように、直接メタノール形燃料電池では、出力特性を向上させるために、メタノール水溶液の濃度を高くすることが困難であるという問題があり、本発明の目的は、電解質の膜厚を小さくしても、メタノールの透過が生じにくく、濃度が３重量％以上のメタノール水溶液を用いても、出力特性が低下しない直接メタノール形燃料電池を提供し、さらにメタノール水溶液以外の液体燃料を用いた液体燃料直接供給形燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１記載の発明は、プロトン導電性固体高分子膜からなる電解質を介して負極と正極とを対設し、前記負極に液体燃料を、前記正極に酸化剤ガスを供給して発電を行う液体燃料直接供給形燃料電池において、前記液体燃料は粘度調整剤を含有していることを特徴とし、請求項２記載の発明は、請求項１記載の液体燃料直接供給形燃料電池において、粘度調整剤はセルロースエーテル、寒天、ゼラチンから選択された少なくとも一つであることを特徴とし、これにより、粘度調整剤と液体燃料とが水素結合によって強く結合し、この結合を乖離させるだけのエネルギーがないと液体燃料が電解質を透過することができないため、濃度が３重量％以上の液体燃料を用いても、その透過量を減少させることができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、その実施の形態に基づいて説明する。
【００１１】
なお、本発明は、以下の評価試験の結果によって得られたものである。すなわち、粘度調整剤に、セルロースエーテルの一種であるカルボキシメチルセルロースを用い、これを液体燃料直接供給形燃料電池の一種である直接メタノール形燃料電池に適用し、液体燃料としてのメタノール水溶液中にこれを添加したものを用いることによって濃度が３重量％以上のメタノール水溶液を用いても、出力特性が低下しないことを確認した結果によるものである。
【００１２】
すなわち、カルボキシメチルセルロースを蒸留水に添加し、攪拌しながら温度を約８０℃にして、完全に溶解させた後自然冷却して、濃度が０．２５重量％のカルボキシメチルセルロース溶液を調製する。次に、この溶液中に濃度が９９．８重量％の試薬用メタノールを所定量添加して、メタノールの濃度が３重量％になるように調製し、さらに攪拌したもの（実施例１）と、同様にメタノールの濃度が１０重量％になるように調製し、さらに攪拌したもの（実施例２）と、同様にメタノールの濃度が２０重量％になるように調製し、さらに攪拌したもの（実施例３）とを準備した。
【００１３】
これに対し、蒸留水に濃度が９９．８重量％の前記試薬用メタノールを所定量添加して、メタノールの濃度が３重量％になるように調製したもの（比較例１）と、同様にメタノールの濃度が１０重量％になるように調製したもの（比較例２）と、同様にメタノールの濃度が２０重量％になるように調製したもの（比較例３）とを準備した。
【００１４】
（評価試験１）
ナフィオン（登録商標）を電解質に、白金−ルテニウム触媒を担持した炭素粉末をカーボンペーパーに塗布したものを負極に、白金触媒を担持した炭素粉末をカーボンペーパーに塗布したものを正極に用いて直接メタノール形燃料電池の膜−電極複合体（ＭＥＡ）を作製し、正極側に正極側セパレータを、負極側に負極側セパレータを配置して、前記膜−電極複合体（ＭＥＡ）を挟持したセルの負極に、上記実施例１〜３および比較例１〜３で得たメタノール水溶液を、それぞれ６ミリリットル／分で供給し、その正極に、空気をそれぞれ５００ミリリットル／分で供給し、室温（２５℃）下において電流−電圧特性を測定し、結果を図１に示す。
【００１５】
図１から、粘度調製剤を添加した実施例１〜３のメタノール水溶液を用いた直接メタノール形燃料電池と、粘度調整剤を添加しない比較例１〜３のメタノール水溶液を用いた直接メタノール形燃料電池とを比較すると、メタノールの濃度が１０重量％のものと２０重量％のものは、粘度調製剤を添加したことによって、その出力特性（電池電圧）が向上できることがわかる。なお、メタノールの濃度が３重量％のものでは、粘度調製剤を添加したことによって、その出力特性（電池電圧）はやや低下している。
【００１６】
（評価試験２）
電解質としてのナフィオン（登録商標）の膜厚を２００μｍ、１３０μｍ、５０μｍとした、評価試験１と同様の直接メタノール形燃料電池のセルを作製し、その負極に、上記実施例２のメタノール水溶液を、それぞれ６ミリリットル／分で供給し、その正極に、空気をそれぞれ５００ミリリットル／分で供給し、室温（２５℃）下において電流−電圧特性を測定し、結果を図２に示す。
【００１７】
図２から、粘度調整剤を添加してメタノールの濃度を１０重量％にした実施例２のメタノール水溶液を用いた直接メタノール形燃料電池では、電解質を透過するメタノールの量が少ないため、膜厚が２００μｍより薄い１３０μｍ、５０μｍのものを使用しても、その分極が小さく、膜抵抗も低下するため、出力特性（電池電圧）が向上できることがわかる。
【００１８】
（評価試験３）
電解質としてのナフィオン（登録商標）の膜厚を２００μｍ、１３０μｍ、５０μｍとした、評価試験１と同様の直接メタノール形燃料電池の単電池セルを作製し、その負極に、上記比較例２のメタノール水溶液を、それぞれ６ミリリットル／分で供給し、その正極に、空気をそれぞれ５００ミリリットル／分で供給し、室温（２５℃）下において電流―電圧特性を測定し、結果を図３に示す。
【００１９】
図３から、粘度調整剤を添加しないでメタノールの濃度を１０重量％にした比較例２のメタノール水溶液を用いた直接メタノール形燃料電池では、電解質の膜厚が２００μｍより薄い１３０μｍ、５０μｍのもので、そのメタノールの透過量が増加し、出力特性（電池電圧）が低下することがわかる。
【００２０】
上記した評価試験１〜３で作製したものは、粘度調整剤に、セルロースエーテルの一種であるカルボキシメチルセルロースを用いているが、これ以外のセルロースエーテルを粘度調整剤に用いてもよい。すなわち、メチルセルロース、エチルセルロース等がよい。また、セルロースエーテル以外のものを粘度調整剤に用いてもよい。すなわち、寒天やゼラチン等でもよい。また、粘度調整剤を液体燃料中に含有させる場合、これによってセパレータに設けた流路の圧損が増大しないように、選択する粘度調整剤に応じて、その粘度を２５〜５０センチポイズの範囲で定めるのがよい。
【００２１】
上記した評価試験１〜３は室温（２５℃）下において行ったものであるが、温度を高くすると、触媒の活性も高まるため、出力は上昇するものの、メタノールの透過量は増加するため、運転効率は低下することになる。そのため、電池を運転する温度は出力と運転効率の両者のバランスを考慮したうえで定めるのがよい。
【００２２】
本発明は、上述したように、液体燃料中に粘度調整剤を含有させて運転を継続すると、メタノールの濃度の低下によって粘度調整剤は徐々に濃縮され、必要に応じて、外部より、高濃度のメタノールを供給し、粘度調整剤の濃度とメタノールの濃度が所定の範囲に維持されるようにしなければならないものの、このように液体燃料中に粘度調整剤を含有させておくことにより、この粘度調整剤が被膜の作用をして、正極で生成される水の蒸発を防止することができるだけでなく、メタノールの気化が防止できる効果もある。そのため、水の蒸発防止が図れることにより、それを再利用のために回収することも容易であるだけでなく、メタノールの気化防止が図れることにより、外部より高濃度のメタノールを供給する回数も少なくできるという点からも、安定した運転の継続が可能となる。すなわち、粘度調整剤を含有させておいて、メタノールの濃度を高くして運転する方が、粘度調整剤を含有させないで、メタノールの濃度が低くして運転するより優位であると言える。
【００２３】
また、このように、粘度調整剤を含有させた液体燃料を用いた場合、燃料電池の運転を停止し、液体燃料を抜き取る場合であっても、粘度調整剤を含有させていることにより、固体高分子電解質膜からなる電解質の表面が乾燥するのを防止することができ、この点からも本発明は優位である。
【００２４】
上記した実施の形態は、メタノールを用いる直接メタノール形燃料電池について説明したが、他の液体燃料を用いたものにも適用することができる。すなわち、エタノール、ブタノール、イソプロピルアルコールなどを液体燃料を用いた各種の燃料電池にも適用することができる。
【００２５】
【発明の効果】
上記した如く、本発明は、液体燃料中に粘度調整剤を含有させることにより、電解質の膜厚を薄くしても、メタノールの透過量が増加することはなく、メタノールの濃度が３重量％以上であっても、正極の分極を抑制することができるから、出力特性の向上に寄与することができる。
【００２６】
また、本発明は、液体燃料中に粘度調整剤を含有させて運転を継続すると、メタノールの濃度の低下によって粘度調整剤は徐々に濃縮され、必要に応じて、外部より、高濃度のメタノールを供給し、粘度調整剤の濃度とメタノール水溶液の濃度が所定の範囲に維持されるようにしなければならないものの、正極で生成される水の蒸発防止やメタノールの気化防止といった効果もあるため、安定した運転の継続に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】液体燃料中に粘度調整剤を含有させた場合と含有させない場合とについて、メタノールの濃度を変化させて出力特性（電池電圧）を測定した結果を示した図である。
【図２】粘度調整剤を含有させてメタノールの濃度を１０重量％にしたときに、電解質の膜厚を変化させて出力特性（電池電圧）を測定した結果を示した図である。
【図３】粘度調整剤を含有させないでメタノールの濃度を１０重量％にしたときに、電解質の膜厚を変化させて出力特性（電池電圧）を測定した結果を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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