(57)【要約】【課題】酸性物質の負極への付着による発電効率の低下や、不快臭の発生を低減する。【解決手段】電解質部材９を狭持する一対の電極７，８のうち、負極８側に水素含有物質を供給し、正極７側に酸素含有物質を供給する燃料電池で、負極８に対して供給する燃料のｐＨを７以上とすることで、負極８の周囲をアルカリ性とし、中和反応を利用することで発電により負極８側で発生する酸性物質を除去し、発電によって生じる酸性物質が負極８に付着することを抑制するようにした。【選択図】    図２
2004273220.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質部材を狭持する一対の電極と、
前記一対の電極のうち負極に対して供給されて水素原子を含有する燃料が流れる燃料流路と、
前記一対の電極のうち正極に対して供給されて酸素原子を含有する酸素含有物質が流れる酸素流路と、
を具備し、
前記正極に対して供給される燃料のｐＨは７以上に調整されている燃料電池。
【請求項２】
前記負極に対して供給される燃料のｐＨは、緩衝溶液を用いて調整されている請求項１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、燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
水素と酸素との化学反応によって発生する電気エネルギーを取り出すことで発電を行う燃料電池がある。この燃料電池は、エネルギー効率が良く、また、ガソリンを燃焼させる動力源とは異なり、温室効果ガスとなる二酸化炭素や大気汚染の原因となる窒素酸化物を排出しないという利点を有している。
【０００３】
このような燃料電池には、燃料極に対してメタノールやエタノール等のアルコール類を燃料として直接供給するタイプのメタノール直接供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）やエタノール直接供給型燃料電池（ＤＥＦＣ）等がある。このような燃料電池では、一般的に、メタノールやエタノール等の燃料を蒸留水によって希釈して用いる。
【０００４】
従来、例えば、アルカリ領域に入らない範囲内でカソード（酸素極）側よりも高くなるように、アノード（燃料極）側のｐＨを制御することで、両極の間におけるｐＨの偏差に応じて変化するセルの起電力を向上させるようにした燃料電池がある（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００１−１７６５３０公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、アルコール類を燃料として直接供給するタイプの燃料電池では、負極において、メタノールやエタノール等のアルコールが酸化反応を受け、ＣＯやＣＯ２が発生する。
【０００７】
従来の燃料電池では、発生したＣＯやＣＯ２が燃料極面に吸着され、負極面がＣＯやＣＯ２によって被覆された状態となると、ＣＯやＣＯ２が吸着された箇所での吸着以降の反応が阻害され、発電を継続する程発電効率が低下してしまうという不具合がある。
【０００８】
また、アルコール類を燃料として直接供給するタイプの燃料電池では、発電に際して、ＣＯやＣＯ２の他に、ＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物が生成される。
【０００９】
発電に際して発生する各種の化合物は、一部が外部に放出されるが、これらの物質は人体に有害である。
【００１０】
特許文献１に開示された技術では、アルカリ領域に入らない範囲でアノード（燃料極）側のｐＨを制御しており、発電に際して負極において発生する各種の酸性物質を良好に除去することは困難である。
【００１１】
本発明の目的は、酸性物質の負極への付着による発電効率の低下や、不快臭の発生を低減することである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の発明の燃料電池は、電解質部材を狭持する一対の電極と、前記一対の電極のうち負極に対して供給されて水素原子を含有する燃料が流れる燃料流路と、前記一対の電極のうち正極に対して供給されて酸素原子を含有する酸素含有物質が流れる酸素流路と、を具備し、前記正極に対して供給される燃料のｐＨは７以上に調整されている。
【００１３】
したがって、負極周囲がアルカリ性となるため、発電により負極側で発生する酸性物質を中和する反応を生じさせることができる。
【００１４】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の燃料電池において、前記負極に対して供給される燃料のｐＨは、緩衝溶液を用いて調整されている。
【００１５】
したがって、発電により負極側で発生する酸性物質の中和反応に伴う負極周囲のｐＨの変動を緩衝することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態では、燃料電池として、メタノールおよびエタノール直接供給型燃料電池（以降、単に燃料電池とする）への適用例を示す。
【００１７】
図１は本実施の形態の燃料電池の原理的構成例を示す概略図である。本実施の形態の燃料電池１は、複数のセル２と、各セル２間に設けられたセパレータ３とを備えている。複数のセル２は、それぞれセパレータ３を介在させて積層されており、積層方向において両端側となるセパレータ３Ａ，３Ｂには、配線４，５を介して負荷６が接続されている。
【００１８】
セル２の数は、必要とする出力に応じて適宜設定され、単一であっても複数であってもよく、限定されるものではない。セパレータ３の数は、積層するセル２の数に応じて適宜設定される。
【００１９】
セパレータ３は、発電に際して発生する水素や酸素の透過を遮断する一方で、電子の通過を許容して隣り合うセル２を電気的に接続する機能を果たす。
【００２０】
図２は、各セル２の構成を示す分解斜視図である。各セル２は、対向配置される一対の電極７，８と、これらの電極７，８間に介在された電解質部材としての電解質層９とを有している。本実施の形態では、電極７が正極、電極８が負極とされている。以降、電極７を酸素極７、電極８を燃料極８として説明する。
【００２１】
酸素極７は、四角形状の複数の溝１０を有している。溝１０は、平行に形成されている。酸素極７において、溝１０以外の部分（凸部）は、セパレータ３に直接当接されている。酸素極７は、カーボン含有樹脂等により導体として構成されており、セパレータ３に直接当接する部分が外部引出し端子（正極側端子）として機能する。酸素極７において、セパレータ３に当接しない部分は、セパレータ３とともに酸素流路としての流路１１を形成する。
【００２２】
流路１１には、酸素含有物質である空気を酸素極７に供給する図示しない空気供給源が連通されている。燃料電池における発電に際しては、この空気供給源より流路１１に対して空気が供給される。
【００２３】
燃料極８は、基本的には、酸素極７と同様の構成を有しており、図２に示すように、四角形状の複数の溝１２を有している。溝１２は、平行に形成されている。燃料極８において、溝１２以外の部分（凸部）は、セパレータ３に直接当接されている。燃料極８は、カーボン含有樹脂等により導体として構成されており、セパレータ３に直接当接する部分が外部引出し端子（負極側端子）として機能する。燃料極８において、セパレータ３に当接しない部分は、セパレータ３とともに燃料流路としての流路１３を形成する。
【００２４】
流路１３には、水素原子を含有する燃料であるメタノールあるいはエタノール燃料を供給する図示しない燃料供給源が連通されている。燃料電池における発電に際しては、この燃料供給源より流路１３に対してメタノールあるいはエタノール燃料が供給される。
【００２５】
燃料極８に供給するメタノールあるいはエタノール燃料は、蒸留水によって所定濃度に希釈されている。ここで、所定濃度とは、クロスオーバーを起こさない濃度を意味する。メタノールあるいはエタノール燃料の希釈に用いる蒸留水は、不純物を含まないあるいは不純物の少ない蒸留水が好適である。
【００２６】
なお、本実施の形態では、水素原子を含有する燃料としてメタノールあるいはエタノール燃料について説明したが、水素原子を含有する燃料としてはメタノールやエタノールに限るものではなく、例えば、イソプロピルアルコール等の各種液体燃料を、水素原子を含有する燃料として用いることができる。以降、本実施の形態では、メタノール燃料を用いた場合について説明する。
【００２７】
本実施の形態では、燃料極８に供給するメタノール燃料のｐＨが、７以上、すなわち、アルカリ性に設定されている。
【００２８】
このようなメタノール燃料は、例えば、水酸化ナトリウムＮａＯＨを蒸留水に溶解させたアルカリ溶液を、メタノール燃料に混合させることによりｐＨ７以上のアルカリ性を有するメタノール燃料とすることができる。なお、蒸留水にＮａＯＨを溶解させたアルカリ溶液に限るものではなく、例えば、蒸留水に水酸化カリウムＫＯＨや水酸化カルシウムＣａ（ＯＨ）２を溶解させることにより作成した溶液をアルカリ溶液として用いてもよい。
【００２９】
また、アルカリ溶液としては、これらに限るものではなく、メタノール燃料のｐＨの変動を緩衝する緩衝液を用いてもよい。この場合、上述のアルカリ溶液によりｐＨを調整した溶液に対して緩衝液を混合することで、緩衝作用を持たせてもよいし、緩衝溶液によってｐＨを調整してもよい。
【００３０】
ここで、緩衝液とは、例えば、メタノール燃料中の酸性物質の割合が増加したり、メタノール燃料中のアルカリ性物質が減少したりして、メタノール燃料のｐＨを変動させるような変化が生じた場合にも、該メタノール燃料のｐＨ変動を抑制するような作用を奏する溶液である。
【００３１】
緩衝液としては、例えば、硼酸塩と塩酸とを混合した硼酸塩／塩酸混合溶液や、硼酸と塩化カリウムと水酸化ナトリウムとを混合した硼酸／塩化カリウム／水酸化ナトリウム混合溶液を用いることが可能である。また、各種緩衝液が調整するｐＨは事前に調整しておくことにより、任意のｐＨとすることができる。
【００３２】
このような構成において、発電に際しては、図示しない燃料供給源によりメタノール燃料を流路１３中に供給するとともに、図示しない空気供給源により空気を流路１１中に供給する。
【００３３】
流路１３中に供給されたメタノール燃料は、燃料極８を介して電解質層９に接触し、電解質層９の作用によって遊離される。これにより、燃料極８側では、水素イオンが発生する。発生した水素イオンは、電解質層９を通過して、酸素極８へ移動する。また、遊離した電子は、燃料極８に接続された配線４，５中を伝導して酸素極７へ移動する。
【００３４】
酸素極７では、電解質層９を移動してきた水素イオンと、図示しない酸素供給源より供給される空気中に含まれる酸素と、配線４，５中を伝導して酸素極７へ移動してきた電子とによる水の生成反応が生じる。
【００３５】
燃料電池１では、水素イオンから遊離した電子が配線４，５中を伝導して酸素極へ移動することを利用し、配線４，５中を伝導する電子に対し負荷６で仕事を行わせることで電流を発生させている。
【００３６】
ところで、メタノールやエタノール等を燃料として用いる場合、燃料極８においてアルコールが酸化反応を受けると、ＣＯやＣＯ２が発生する。
【００３７】
燃料極８側において発生したＣＯやＣＯ２は、燃料極８に吸着され燃料極８を被覆することがある。
【００３８】
ＣＯやＣＯ２が燃料極８に吸着されると、ＣＯやＣＯ２によって被覆された箇所における吸着以降の反応が阻害され、従来では、発電の継続に応じて発電効率が低下してしまうという不具合を生じている。
【００３９】
また、発電に際して発生するＣＯやＣＯ２は、人体に有害であるが、従来の燃料電池ではこれらの一部が外部に放出されるような構造となっている。しかしながら、人体に有害であるとされるＣＯやＣＯ２は、より安全に処理されることが望ましい。
【００４０】
これに対し本実施の形態では、ｐＨがアルカリ性になるように調整したメタノール燃料を用いて発電を行っているため、燃料極８周囲がアルカリ性となっている。このため、発電に際して、ＣＯやＣＯ２等の酸性を示す生成物（酸性物質）が生成されると、生成された酸性物質を中和する反応が生じる。
【００４１】
これによって、例えば、ＣＯやＣＯ２といった発電によって生じる酸性物質が中和反応を利用して除去されるので、燃料極８に付着することを抑制することができ、酸性物質の燃料極８への付着による発電効率の低下や、不快臭の発生を低減することができる。
【００４２】
ところで、空気中にはＣＯ２が存在しており、このＣＯ２が燃料装置１に用いる液体燃料中に溶解してしまうことがある。このように、エタノール燃料中にＣＯ２が溶解した場合、エタノール燃料のｐＨが酸性に傾いて、弱酸性を示すことがある。
【００４３】
これに対し、本実施の形態のように、メタノール燃料をはじめとする各種液体燃料のｐＨが７以上となるように調整することにより、雰囲気中のＣＯ２濃度や環境温度等に左右されることなく、燃料極８側で発生するＣＯやＣＯ２といった発電によって生じる酸性物質を中和反応を利用して除去し、これらの酸性物質が燃料極８に付着することを抑制することができる。これにより、酸性物質の燃料極８への付着による発電効率の低下や、不快臭の発生を安定して低減することができる。
【００４４】
また、発電に際しては、ＣＯやＣＯ２のみでなく、ＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物も生成される。発電に際して生成されるＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物は、上述のＣＯやＣＯ２のように電極に付着して発電効率を低下させるばかりではなく、人体に対し有害であり、一般的にはその臭気もまた不快とされている。発電に際して生成されるＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物は酸性を示す。
【００４５】
発電に際して生成されるＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物は酸性を示すため、本実施の形態の燃料電池によれば、発電に際して生成されるＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物を吸収することができ、発電時の不快臭の発生を低減することができる。
【００４６】
これに対し、上述したように、メタノール燃料を緩衝溶液を用いてアルカリ性にした場合、発電に際して生成される酸性物質の中和反応を利用して酸性物質を除去することにより、発電により燃料極８側で発生する酸性物質を中和に伴う燃料極８周囲のｐＨの変動を緩衝することができる。
【００４７】
これによって、発電により燃料極８で発生する酸性物質を長期間に亘って除去することができ、酸性物質の燃料極８への付着による発電効率の低下や、不快臭の発生を長期に亘って低減することができる。
【００４８】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。本実施例においては、水素原子を含有する燃料としてエタノール燃料を用い、ｐＨが７以上に設定されたエタノール燃料（実施例）と、ｐＨの調整を行わないエタノール燃料（比較例１，２，３）とを用いて発電を行い、この発電に際しての判定事項を取得することにより、ｐＨの調整の有無による発電時の相違を判定した。
【００４９】
（実施例）
ガラスビーカー中で、市販のＮａＯＨ約４ｇを１Ｌの蒸留水に溶解させ、アルカリ性溶液を調整した。
【００５０】
同様に、ガラスビーカー中で、ＫＯＨ約４ｇを１Ｌの蒸留水に溶解させたアルカリ性溶液と、Ｃａ（ＯＨ）２約４ｇを１Ｌの蒸留水に溶解させたアルカリ性溶液を作成する。
【００５１】
これらのアルカリ溶液のｐＨは、いずれも７以上を示す。なお、表１では、代表値として、ｐＨが１０に調整されたメタノール燃料について示してある。
【００５２】
このアルカリ性溶液を、燃料電池に対して供給するメタノールに添加し初期燃料とする。
【００５３】
（比較例１，２，３）
表１に示すように、それぞれｐＨの異なる３種類の燃料を調整した。本実施例では、比較例１，２，３に関して、水素原子を含有する燃料としてのエタノール燃料中に、ＨＮＯ３をそれぞれ添加し、比較例１，２，３のエタノール燃料のｐＨがいずれも７より小さくなるように調整した。
【００５４】
これらのメタノール燃料を用いて発電を行った結果を、表１に示す。
【００５５】
【表１】
2004273220.tif 000003
【００５６】
表１において、出力電流の低下割合とは、発電開始時の出力電流に対して、発電を開始してから１０時間程度経過後の出力電流が低下した割合を示している。表１からも判るように、アルカリ性ではないメタノール燃料を用いた場合、発電を開始してから１０時間程度が経過すると出力電流が低下したが、アルカリ性溶液を添加した初期燃料を用いることにより、アルカリ性溶液添加しない場合と比較して出力電流の低下が抑制されている。
【００５７】
ところで、燃料電池では、発電に際して、ＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物が生成される。これらの中間生成物は、燃料極に付着して発電効率を低下させるばかりではなく、人体に対し有害であり、一般的にはその臭気もまた不快とされている。なお、発電に際して生成されるＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物は酸性を示す。
【００５８】
これにより、本実施例の燃料電池によれば、発電に際して生成されるＨＣＯＯＨやＣＨ３ＣＯＯＨ等の中間生成物を吸収することができるので、発電時の不快臭の発生を低減することができる。
【００５９】
次に、緩衝液として、硼酸塩と塩酸とを混合した硼酸塩／塩酸混合溶液を調整した。この硼酸塩／塩酸混合溶液のｐＨは、８を示す。
【００６０】
同様に、緩衝液として、硼酸と塩化カリウムと水酸化ナトリウムとを混合した硼酸／塩化カリウム／水酸化ナトリウム混合溶液を２種類調整した。これらの硼酸／塩化カリウム／水酸化ナトリウム混合溶液ｐＨは、それぞれ９および１０を示す。
【００６１】
これらの緩衝液を初期燃料に加えた場合と、加えない場合とでの燃料極８側におけるｐＨを測定した。
【００６２】
この結果、緩衝液を初期燃料に加えない場合の燃料極８側におけるｐＨが４以下に変動してしまうことに対して、緩衝液を初期燃料に加えた場合の燃料極８側におけるｐＨは加えない場合よりも長時間アルカリ性を示した。つまり、緩衝液を初期燃料に加えることにより、燃料極８から発生したＣＯやＣＯ２を吸収するとともに、ＣＯやＣＯ２の吸収によるアルカリ性を呈する物質の消費によるｐＨの変動を緩衝し、発電効率を長時間に亘り高く維持することができることが判る。
【００６３】
【発明の効果】
請求項１記載の発明の燃料電池によれば、電解質部材を狭持する一対の電極と、前記一対の電極のうち負極に対して供給されて水素原子を含有する燃料が流れる燃料流路と、前記一対の電極のうち正極に対して供給されて酸素原子を含有する酸素含有物質が流れる酸素流路と、を具備し、前記負極に対して供給される燃料のｐＨは７以上に調整されているため、負極周囲をアルカリ性とし、発電により負極側で発生する酸性物質を中和する反応を利用して、例えば、ＨＣＯＯＨ、ＣＨ３ＣＯＯＨ、ＣＯあるいはＣＯ２といった発電によって生じる酸性物質を除去し、これらの酸性物質が負極に付着することを抑制することができるので、酸性物質の負極への付着による発電効率の低下や、不快臭の発生を低減することができる。
【００６４】
請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の燃料電池において、前記負極に対して供給される燃料のｐＨは、緩衝溶液を用いて調整されているため、発電により負極側で発生する酸性物質の中和反応に伴う負極周囲のｐＨの変動を緩衝することができ、発電により負極側で発生する酸性物質を長期間に亘って中和することができるので、酸性物質を長期間に亘って除去し、酸性物質の負極への付着による発電効率の低下や、不快臭の発生を長期に亘って低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の燃料電池を示す概略図である。
【図２】各セルの構成を示す分解斜視図である。
【図３】燃料電池における発電メカニズムを示す説明図である。
【符号の説明】
１        燃料電池
７        正極
８        負極
９        電解質部材
１１        酸素流路
１３        燃料流路
【図１】
2004273220.tif 000004
【図２】
2004273220.tif 000005
【図３】
2004273220.tif 000006