(57)【要約】【課題】液体燃料を使用した燃料電池において、液体燃料保持部材が例えば、２００ｍｍ×２５０ｍｍといった大面積であっても、液体燃料保持部を形成できるとともに、使用時の衝撃や、熱膨張の不整合に伴う変形割れの問題が生じにくく、長時間に亘り液体燃料を保持するとともに、燃料電池本体に液体燃料を安定して供給できる液体燃料保持部材を得る。【解決手段】液体燃料保持部材を、結晶相の主成分がコージェライトからなるセラッミク材料で構成し、好ましくは、該液体燃料保持部材の気孔率を２０〜９５％、平均細孔径を０．５〜４００μｍとする。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
結晶相の主成分がコージェライトからなることを特徴とする燃料電池用液体燃料保持部材。
【請求項２】
気孔率が２０〜９５％、平均細孔径が０．５〜４００μｍであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用液体燃料保持部材。
【請求項３】
燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して形成され、液体燃料を含浸、保持して前記アノードに液体燃料を補給する複数の孔を有する液体燃料保持部材が充填されている燃料電池において、前記液体燃料保持部材の結晶相の主成分がコージェライトからなることを特徴とする燃料電池。
【請求項４】
前記液体燃料保持部材の気孔率が２０〜９５％、平均細孔径が０．５〜４００μｍであることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して形成され、液体燃料を含浸、保持して前記アノードに液体燃料を補給する複数の孔を有する液体燃料保持部材が充填されている燃料電池において、前記液体燃料保持部材及び燃料を酸化するアノードが形成されている電解質膜の少なくとも一部が、離間することにより燃料の供給を遮断できる構造を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項６】
前記液体燃料保持部材の結晶相の主成分がコージェライトからなることを特徴とする請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記液体燃料保持部材の気孔率が２０〜９５％、平均細孔径が０．５〜４００μｍであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はメタノールなどの液体燃料を用いて発電する液体燃料電池に使用される燃料の保持或は供給を行う部材に関するものである。
【０００２】
【従来技術】
近年、電子機器の分野においては、技術の進歩により、携帯電話、携帯情報端末に代表される小型の携帯用電子機器が急速に発達しつつある。それに伴い、それらに使用出来る小型で長時間の使用が可能な電池が求められている。このような電池としては、従来の使い捨ての一次電池から、何回も繰り返し充放電の可能な二次電池が主流になりつつある。その二次電池としては、ニッケル水素二次電池があり、その高性能化が進められており、さらに高性能なリチウムイオン二次電池の実用化が進んできており、ある程度の性能は得られている。しかし、携帯用電子機器の性能は飛躍的に向上してきており、それにともない使用する電気量も増大してきているため、携帯用電子機器用として十分な連続使用時間を保証することが出来る高性能の電池が必要とされていた。そこで、二次電池に代わる次の電池として、燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池は、通常水素ガスを燃料として用いるが、水素ガスはその保管に高圧タンクを必要とするため保管の問題や、単位体積当りのエネルギー密度が低いなどの問題がある。そのために、エネルギー密度が高く取扱いも容易なメタノールなどの液体燃料を用いた液体燃料電池は、小型化も可能であることから、上記のような携帯用電子機器用等の電池として期待され、検討されている。
【０００４】
この液体燃料電池の運転に当たってはアノードに逐次燃料を供給する必要があり、従来はポンプ等の補機を用いて供給する方式が採用されていた。しかしながら、補機を使用するためには駆動電源が必要であり、駆動電源のために燃料電池自体の電気を消費してしまう問題や、補機のために小型、軽量化が難しい等の問題があった。さらに使用状態で傾いた時に場合によっては、アノードへの燃料供給が途切れるという問題に加えて、燃料電池から外部電流の取り出しを止めても（スイッチを切っても）燃料（メタノール）が電解質膜に接触している限り、燃料は電解質膜に供給され続け、燃料が浪費されるという問題があった。また、クロスオーバーと呼ばれる燃料（メタノール）が電界質膜を通してカソード側に浸透する現象により、発電効率が低下する問題もあった。
【０００５】
液体燃料供給に関する問題を解決するため、特許文献１に記載の液体燃料電池の発明では、図１に示すような構造を有している。図１は液体燃料電池の構造を示す断面図で、１は電極触媒を担持した多孔質基体からなり液体燃料が供給されるアノード、２は電極触媒が担持され、かつ酸化剤が供給されるカソード、３は電解質、４は酸化剤室、５はアノード側集電体、６はカソード側集電体、７は燃料貯槽室、８は液体燃料、９は毛細管材料により形成された液体燃料保持部材である。この特許文献１に記載の発明の特徴は、液体燃料電池において、アノード１の集電側の面に、液体燃料８がアノードの最上端部まで到達するのに十分な高さに位置するよう、毛細管作用を示す液体燃料保持部材９を接触させ、かつ該液体燃料保持部材９の一端を液体燃料８に接するようにしたことである。
【０００６】
特許文献１に記載の発明において、毛細管作用を示す液体燃料保持部材９としては、例えば紙、木綿、アスベスト、ガラス等の有機或は無機繊維基材、アクリル繊維、芳香族ポリアミド繊維、芳香族ポリアミド繊維、ナイロン繊維、ポリアミドイミド繊維、ポリエステル繊維、ポリプロピレン繊維などの合成繊維基材等が用いられ、材質的に特に好ましいのは耐酸性或は耐アルカリ性のものとされている。さらには、上記繊維質基材の他に、例えばアルミナ或はシリカなどの無機粉末の焼結体のような多孔質板を用いることもできるとしている。
【０００７】
また、特許文献２に記載の燃料電池の発明では、液体燃料保持部材として、粒子やフィラーからなる多孔質体の記載があり、より具体的には液体燃料を引き込むための毛管力を考慮し、孔径を０．０１〜１５０μｍ程度とし、孔の体積を２０〜９０％とするとの記載がある。
【０００８】
【特許文献１】
特開昭５９−０６６０６６号公報
【特許文献２】
特開２０００−１０６２０１号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年出現が待たれているようなノートパソコンに採用されるような液体燃料電池の場合は、燃料電池そのものが、薄型と成らざるを得ないため、多数の電池本体を平面実装し、しかも実装面積を大きくするため、液体燃料を供給すべき範囲も、例えば２００ｍｍ×２５０ｍｍ程度に大面積化している。従って、液体燃料を燃料タンクから燃料電池本体へ毛細管作用を示す液体燃料保持部材を使って供給しようとした場合、２００ｍｍ×２５０ｍｍ×１ｍｍのように大型化する必要があった。
【００１０】
この毛細管作用を示す液体燃料保持部材を、例えば特許文献１に記載されているような従来技術に開示されているアクリル繊維やアルミナ粉末焼結体を適用して、２００ｍｍ×２５０ｍｍ×１ｍｍの液体燃料保持部材を作成し、実際に燃料電池として使用してみると、アクリル繊維を用いた場合には、材質そのものの強度がないため、保形性が悪く保持部材自体が形成できなかったり、アルミナ粉末焼結体を適用した場合には、使用時の衝撃などにより液体燃料保持部材が割れるという問題が発生する場合があった。さらに液体燃料保持部材の材質によっては、燃料である例えばメタノールにより液体燃料保持部材が腐食されるという問題が発生する場合もあった。
【００１１】
さらに液体燃料電池は他の燃料電池に比較して比較的低温で、その発電が起こることが知られているが、実際は発電中は１００℃程度まで温度が上昇することにより、液体燃料保持部材も温度が上昇する。液体燃料保持部材は液体燃料が外部に漏れることを防止するために、保持部材と容器及びアノードを完全に密着させる必要があり、このために、温度の上昇にともなう液体燃料保持部材、アノード、容器それぞれの熱膨張の不整合により液体燃料保持部材の変形割れにつながることがあることが判明した。
【００１２】
また、従来技術では、電流を取り出さない状態においても、液体燃料が燃料電池本体の電解質膜と接触し続けるため、燃料の浪費が避けられない構造となっている。
【００１３】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みてなされたもので、例えば、２００ｍｍ×２５０ｍｍといった大面積であっても、液体燃料保持部を形成できるとともに、使用時の衝撃や、熱膨張の不整合に伴う変形割れの問題が生じにくく、長時間に亘り液体燃料を保持するとともに、燃料電池本体に液体燃料を安定して供給できる毛細管特性を示す液体燃料保持部材を提供することを目的とする。さらに電流を取り出さない時には、燃料の浪費を防ぐことのできる燃料電池を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、２００ｍｍ×２５０ｍｍのような大面積の液体燃料保持部材を形成可能で、しかも割れや腐食を防止可能な液体燃料保持部材の開発に関して、鋭意検討を行った結果、液体燃料保持部材にはできるだけ熱膨張係数が小さな材料が必要であることから、セラミック材料の一種であるコージェライトを用いることにより、液体燃料保持部材とアノード及び容器との熱膨張の違いによる破損を防止できるとともに、強度も高いことから液体燃料保持部の保形性も高く、かつ使用時の衝撃等による破損も起きにくく、液体燃料であるメタノールによる腐食問題も解決できることを見出し、本発明に想到した。
【００１５】
すなわち、本発明の燃料電池用液体燃料保持部材は、結晶相の主成分がコージェライトからなることを特徴とする。また、本発明の燃料電池用液体燃料保持部材の気孔率が２０〜９５％、平均細孔径が０．５〜４００μｍであると良い。
【００１６】
また、本発明の燃料電池は、燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して形成され、液体燃料を含浸、保持して前記アノードに液体燃料を補給する複数の孔を有する液体燃料保持部材が充填されている燃料電池において、前記液体燃料保持部材の結晶相の主成分がコージェライトからなることを特徴とする。本発明の燃料電池に用いられる液体燃料保持部材の気孔率が２０〜９５％、平均細孔径が０．５〜４００μｍであると良い。
【００１７】
さらに本発明の燃料電池は、燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して形成され、液体燃料を含浸、保持して前記アノードに液体燃料を補給する複数の孔を有する液体燃料保持部材が充填されている燃料電池において、液体燃料保持部材及び燃料を酸化するアノードが形成されている電解質膜の少なくとも一部が、離間することにより燃料の供給を遮断できる構造を有することを特徴とする。本発明の燃料電池に用いられる液体燃料保持部材の結晶相の主成分がコージェライトからなると良く、さらに該液体燃料保持部材の気孔率が２０〜９５％、平均細孔径が０．５〜４００μｍであると好適である。
【００１８】
【作用】
本発明の燃料電池用液体燃料保持部材は、結晶相の主成分がコージェライトからなることから、剛性が高く保形性に優れている。さらに、高強度を有することから、燃料電池として使用時の衝撃などにより割れることが少なくなる。さらに熱膨張係数が３×１０−６／℃以下であることから、燃料電池として使用中に容器などとの熱膨張の不整合により液体燃料保持部材の変形割れが起き難くなる。また、コージェライトはシリカ、アルミナ、マグネシア等の酸化物セラミックスを出発原料としていることから、液体燃料である例えばメタノールに対する耐食性に優れている。
【００１９】
本発明の液体燃料保持部材において、気孔率２０〜９５％、平均細孔径０．５〜４００μｍが良いとするのは、液体燃料保持部材中において液体燃料の毛細管作用の役割を担う、細孔の量と大きさを示す気孔率及び平均細孔径が、気孔率２０〜９５％、平均細孔径０．５〜４００μｍの範囲であれば、２００ｍｍ×２５０ｍｍのような大面積に亘り、液体燃料を保持しつつ、安定して電池本体に供給できるからである。ここで気孔率が２０％未満であると、保持できる液体量が少なくなるため、電池の出力が低下し好ましくなく、気孔率が９５％を超えると、部材自体の強度が低下するため、製造が難しくなるとともに、使用時に破損することがあるので好ましくない。一方、平均細孔径が０．５μｍ未満であると、電池本体へ液体燃料を供給する経路が小さくなり、電池の出力低下につながることから好ましくなく、平均細孔径が４００μｍを超えると、部材の強度が低下し、製造が難しくなるとともに、使用時に破損することがあるので好ましくない。
【００２０】
液体燃料保持部材に用いられるコージェライトは、その主成分の化学組成がＳｉＯ２：４２〜５６質量％、Ａｌ２Ｏ３：３０〜４５質量％、ＭｇＯ：１２〜１６質量％であり、結晶相の主成分がコージェライトからなると良い。また、液体燃料保持部材を構成するコージェライト以外の材料としては、本発明が液体燃料に直接触れることから、耐食性に優れた材料を使用することが好ましく、窒化珪素、炭化珪素、アルミナ、ムライト、ジルコニア及びＬＡＳからなる群から選ばれた少なくとも１種からなるセラミック材料を用いることが好ましい。
【００２１】
さらに本発明の燃料電池は、燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して形成され、液体燃料を含浸、保持して前記アノードに液体燃料を補給する複数の孔を有する液体燃料保持部材が充填されている燃料電池において、上述した本発明の液体燃料保持部材を用いることにより、液体燃料保持部材が燃料電池として使用時の衝撃等により割れることが少なく、かつ変形割れが生じにくい。
【００２２】
さらに本発明の別の発明の燃料電池は、燃料を酸化するアノードと酸素を還元するカソードが電解質膜を介して形成され、液体燃料を含浸、保持して前記アノードに液体燃料を補給する複数の孔を有する液体燃料保持部材が充填されている燃料電池において、前記液体燃料保持部材及び燃料を酸化するアノードが形成されている電解質膜の少なくとも一部が、離間することにより燃料の供給を遮断できる構造を有していることから、燃料電池として使用しない、すなわち電力を取り出さない状態で放置しても、液体燃料の浪費を防ぐことができる。この液体燃料保持部材及び燃料を酸化するアノードが形成されている電解質膜の少なくとも一部が、離間するためには、液体燃料保持部材と電解質膜の間を離間してもよく、また液体燃料保持部材の一部を離間してもよい。また、その方法は機械的に離間させたり、間に燃料を通さない物質を介在させて離間させること等により行うことができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態につき説明する。
（実施例１）
カオリン、タルク、シリカ、アルミナなどの粉末を調整して、質量比で、ＳｉＯ２：４８〜５２％、Ａｌ２Ｏ３：３３〜３７％、ＭｇＯ：１２〜１５％を含むようなコージェライト生成原料粉末とし、これにメチルセルロース、ヒドロキシプロピルメチルセルロース等のバインダー、潤滑剤、造孔材としてグラファイトを添加し、乾式で十分混合した後、規定量の水を添加、十分な混練を行って可塑化したセラミック杯土を作製した。このとき、各種の気孔率及び平均細孔径が得られるように、使用する原料粉末の粒径や添加量、及び造孔材の種類及び添加量を調整した。
【００２４】
次いで、坏土を公知の押出成形用口金を通過させることにより、板状成形体とした後、乾燥、切断、焼成操作を加えることにより、板厚１．４ｍｍ、幅２００ｍｍ、全長２５０ｍｍのコージェライト質セラミックスからなる各種板状の液体燃料保持部材を得た。板材の気孔率及び平均細孔径は、表１に示す通りであった。
【００２５】
図２に示すように、得られたコージェライト質セラミック製の液体燃料保持部材１９と燃料電池本体２０とを密着させるとともに、液体燃料保持部材１９の端部を燃料タンク１７内の液体燃料１８に浸漬して燃料電池を作製した。燃料電池は計１２個の燃料電池本体２０を１列の液体燃料保持部材１９に４個密着させ、これを合計３列、直列に連結する構成とした。なお、図２は３列のうち１列のみを示す。この燃料電池に対し液体燃料として２Ｍのメタノールを使用した際の電池出力特性を調査した。０．４Ｖ、１２０ｍＡ／ｃｍ２の出力が連続的に得られたものを合格とし判定を行ったところ、本発明に係る実施例１（表１のＮｏ．１〜６）に示した液体燃料保持部材からなる燃料電池は全て合格となった。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
（実施例２）
実施例１により得られた試験Ｎｏ．１のコージェライト質セラミックスからなる液体燃料保持部材１９を使用して、図３に示すように、この液体燃料保持部材１９と燃料電池本体２０とが、接触、または非接触の切替が可能な装置を作製した。図３（ａ）に示すように、液体燃料保持部材１９の端部を燃料タンク１７内の図示しない液体燃料に浸漬するとともに、液体燃料保持部材１９と燃料電池本体２０とを接触した状態を保つことにより、燃料電池本体２０に液体燃料を供給できる。一方、図３（ｂ）に示すように、液体燃料保持部材１９の端部を燃料タンク１７内の液体燃料に浸漬させたままで、液体燃料保持部材１９と燃料電池本体２０とを離間し、非接触とすることにより、燃料電池本体２０への燃料供給を遮断させた状態とし、燃料の浪費を抑えることができる。
【００２８】
この装置を用い、燃料電池本体２０の電解質膜とコージェライト質セラミックスからなる液体燃料保持部材１９が接触した状態（図３（ａ））、及び非接触の状態（図３（ｂ））のそれぞれについて２４時間の放置試験を行い、メタノールの消費量を調査した。その調査結果を表２に纏めた。
【００２９】
【表２】
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【００３０】
この結果より、液体燃料保持部材と燃料電池本体の電解質膜を離間しておくことが、メタノールの浪費に有効であることが分った。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の燃料電池用液体燃料保持部材によれば、熱膨張係数が小さなコージェライト質のセラミックス材料を用い、該液体燃料保持部材中の細孔の量及び細孔の大きさを精密に調整することにより、例えば、２００ｍｍ×２５０ｍｍといった大面積であっても、液体燃料保持部を形成できるとともに、使用時の衝撃や、熱膨張の不整合に伴う変形割れの問題が生じにくく、長時間に亘り液体燃料を保持できるとともに、燃料電池本体に液体燃料を安定して供給することができる。また、本発明の燃料電池によれば、液体燃料を液体燃料保持部材中に十分保持しつつ燃料電池本体に安定して供給でき、さらに電流を取り出さない時には燃料の浪費を防止できるので、長時間に亘り連続的な発電が可能な燃料電池となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の液体燃料電池を示す断面図である。
【図２】本発明の実施例１での液体燃料電池を構成する主要部材の断面模式図である。
【図３】本発明の実施例２での液体燃料電池を構成する主要部材の断面模式図である。
【符号の説明】
１：アノード
２：カソード
３：電解質
４：酸化剤室
５：アノード側集電体
６：カソード側集電体
７：燃料貯槽室
８：液体燃料
９：毛細管材料（液体燃料保持部材）
１７：燃料タンク
１８：液体燃料
１９：液体燃料保持部材
２０：燃料電池本体
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004273231.tif 000007