(57)【要約】　　　（修正有）【課題】液体燃料を燃料とする燃料電池において、工数を増大させないで燃料電池セルの温度を比較的高温に保てる燃料電池とその製法を提供する。【解決手段】燃料電池セル部を、燃料極電極になる導電性膜と、それに接して形成された電解質膜と、さらに電解質膜上に接して形成された空気極電極になる導電性膜とからなる三層構造のシートで構成し、その三層構造のシートを二つ折りにして、巻き込んで製造する。これにより、セル部の容積に比較して表面積を小さく形成でき、燃料電池反応を比較的高温に保ち、高出力の発電ができる。また、空気極電極および燃料極電極は、各々三層構造のシートのおもて面およびうら面で一体として形成されるため、電極同士の接続を行う必要もなく、セル部製造コストの増大や信頼性の低下をきたさない。【選択図】　図１
2004111343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料を燃料として用いる燃料電池において、当該燃料電池のセル部が、燃料極電極となる触媒が担持された海綿状の第一の導電性膜上に接して電解質膜を有し、さらに当該電解質膜上に接して空気極電極となる触媒が担持された海綿状の第二の導電性膜を有する三層構造のシートから構成されることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
請求範囲第一項の燃料電池において、上記三層構造のシートを二つ折りして、巻き込んでセルとすることを特徴とする燃料電池およびその製法。
【請求項３】
請求範囲第一項の燃料電池において、上記三層構造のシート２枚を燃料極電極となる触媒が担持された海綿状の第一の導電性膜同士が接するように重ね合わせて、巻き込んでセルとすることを特徴とする燃料電池およびその製法。
【請求項４】
請求範囲第二項および第三項の燃料電池において、上記三層構造のシートをセルの中心部は緩く、周辺部はきつく巻くことを特徴とする燃料電池およびその製法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を燃料とする燃料電池に係るもので、特にモバイル機器等で用いる小形の燃料電池のセル構造とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
モバイル機器等では、高機能化に伴い消費電力が年々増大し、エネルギー密度の高い電力源が必要とされている。このため、液体燃料を直接燃料として利用する燃料電池の開発がにわかに脚光を浴びている。現行のリチウムイオン電池等の二次電池に比較して、液体燃料を燃料とする燃料電池では一桁以上のエネルギー密度が期待できる（例えば、Ｃ．Ｈｅｂｌｉｎｇ　ｅｔ　ａｌ．，“Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍａｒｋｅｔｓ　ｏｆ　Ｐｏｒｔａｂｌｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌｓ，”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　７ｔｈ　Ｇｒｏｖｅ　Ｆｕｅｌ　Ｃｅｌｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｌｏｎｄｏｎ，Ｏ７．１，２００１．９や日経エレクトロニクス，２００１年１０月２２日号，ｐ．１１７参照）。
【０００３】
モバイル機器用燃料電池の従来のセル構造は、図５に示すように燃料極電極４０１と空気極電極４０２で電解質膜４０３を挟み込むことによって単位セル４０４が構成されている。なお、電極にはＰｔ等の触媒が担持されている。また、液体燃料としてはメタノールが多く使用されている。燃料極電極では、
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ
の反応が起こり、空気極電極では
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→　３Ｈ２Ｏ
の反応が起こる。燃料極電極４０１で発生した水素イオンは電解質膜４０３を通って空気極電極４０２に到達し、一方燃料極電極４０１で発生した電子は外部回路を通って空気極電極４０２に到達する。この外部回路を通る電子が電気エネルギーとして働くことになる。また、この燃料電池の反応はセル部の温度が高い場合に活発になり、高い出力が得られる（例えばＭ．Ｂａｌｄａｕｆ，“Ｓｔａｔｕｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ａｄｉｒｅｃｔ　ｍｅｔｈａｎｏｌ　ｆｕｅｌ　ｃｅｌｌ，”Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｐｏｗｅｒ　Ｓｏｕｒｃｅｓ，ｖｏｌ．８４．ｐｐ．１６１−１６６，１９９９）。
【０００４】
しかしながら、従来の燃料電池セル構造では、単位セルを平面配置する場合４０５には、放熱面積が大きくなり、燃料電池セル部の温度を比較的高温に保てず、高出力が得られない問題点があった。例えば、メタノールを燃料とした燃料電池で単位セルを平面配置した場合、単位セルの温度上昇は高々１℃から２℃程度であった。また、単位セルを積層配置とした場合４０６には、内側に配置された単位セル４０４では温度を比較的高温に保てるものの、各セルの空気極電極４０２同士および燃料極電極４０１同士を接続することが必要になり、製造コストが増大し信頼性が低下する問題点があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、液体燃料を燃料とする燃料電池において、工数を増大させないで燃料電池セルの温度を比較的高温に保てる燃料電池とその製法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明における燃料電池では、セル部を、燃料極電極になる触媒が担持された海綿状の第一の導電性膜と、それに接して形成された電解質膜と、さらに電解質膜上に接して形成された空気極電極になる触媒が担持された海綿状の第二の導電性膜とからなる三層構造のシートで構成し、その三層構造のシートを二つ折りにして、巻き込んで製造する。これにより、セル部の容積に比較して表面積を小さく形成でき、反応によって生じた熱をむやみに放熱することが無く、燃料電池反応を比較的高温に保ち、高出力の発電ができる。また、空気極電極および燃料極電極は、各々三層構造のシートのおもて面およびうら面で一体として形成されるため、従来の燃料電池における積層配置のように電極同士の接続を行う必要もなく、工数が増えることによるセル部製造コストの増大や信頼性の低下がもたらされることもない。
【０００７】
また、三層構造のシート２枚を燃料極電極になる第一の導電性膜同士を接して重ね合わせて巻き込んでセル部を形成することもできる。これにより、セル部の容積に比較して表面積を小さく形成でき、反応によって生じた熱をむやみに放熱することが無く、燃料電池反応を比較的高温に保ち、高出力の発電ができる。また、空気極電極および燃料極電極は、各々重ね合わせた２枚の三層構造のシートの内側と外側で一体として形成されるため、従来の燃料電池における積層配置のように電極同士の接続を行う必要もなく、工数が増えることによるセル部製造コストの増大や信頼性の低下がもたらされることもない。
【０００８】
また、三層構造のシートの巻き込みにおいては、中心部を比較的に緩くし、周辺部をきつく巻くことによって、燃料電池の反応点を中心部では比較的少なく、周辺部では多くして、燃料電池の反応温度をセル部全体で比較的一様にすることも、装置の局部的な劣化を抑える点において有効である。
【０００９】
【発明実施の形態】
本発明の一実施の形態における基本構成を図１に示す。燃料極電極となる触媒が担持された海綿状の第一の導電性膜１０１の上に、寸法が第一の導電性膜１０１に比べて幅方向で短く紙面に垂直な長さ方向で長い電解質膜１０２を貼り付け、さらにその上に寸法が電解質に比べて幅方向および長さ方向で共に短い触媒が担持された海綿状の第二の導電性膜１０３を貼り付けて三層構造のシート１０４を作成する。この三層構造のシート１０４を第一の導電性膜１０１を内側にして幅方向で二つ折りにし、長さ方向に巻き込んでセル部を形成する。このようにして、燃料極電極は第一の導電性膜１０１が折り込まれて構成され、空気極電極は第二の導電性膜１０３の内側の層と外側の層とが接して構成される。また、巻き込みに当たり電解質膜１０２を幅方向では第二の導電性膜１０３が接していない面１０５を内側の層と外側の層とで接着し、第一の導電性膜１０１と第二の導電性膜１０３を絶縁する。また、長さ方向では電解質膜１０２の第一の導電性膜１０１より長い部分を二つ折りにするときに接着し、同様に第一の導電性膜１０１と第二の導電性膜１０３を絶縁する。燃料となるメタノール等の液体燃料は、海綿状の第一の導電性膜１０１に毛細管現象を用いて供給する。また、第二の導電性膜１０２も海綿状であるため空気を容易に供給できる。
【００１０】
また、三層構造のシート２枚を重ね合わせても図１の構造を得ることができる。この場合、燃料極電極となる触媒が担持された海綿状の第一の導電性膜１０１の上に、寸法が第一の導電性膜１０１に比べて幅方向の下部で短く、幅方向の上部と紙面に垂直な長さ方向で長い電解質膜１０２を貼り付け、さらにその上に寸法が電解質に比べて幅方向の上部で長く幅方向の下部および長さ方向で短い触媒が担持された海綿状の第二の導電性膜１０３を貼り付けて三層構造のシート１０４を作成する。この三層構造のシート１０４を第一の導電性膜１０１を内側にして２枚を重ねて、長さ方向に巻き込んでセル部を形成する。このようにして、燃料極電極が重ねあわされたシートの内側に構成され、空気極電極が重ねあわされたシートの外側に構成される。また、重ねあわせに当たり第一の導電性膜および第二の導電性膜が接していない電解質膜１０２同士を接着することにより、第一の導電性膜１０１と第二の導電性膜１０３を絶縁する。燃料となるメタノール等の液体燃料は、海綿状の第一の導電性膜１０１に毛細管現象を用いて供給する。また、第二の導電性膜１０２も海綿状であるため空気を容易に供給できる。
【００１１】
図２は本発明の燃料電池セル部の放熱表面積を示す概略図である。図２（ａ）に示す三層構造のシート１０４の寸法を長さａ、幅ｂ、厚さｄとする。平面配置で構成すると、反応に寄与する電極面積Ｓｅｐおよび放熱面積Ｓｒｐはそれぞれ以下となる。
Ｓｅｐ＝ａｂ
Ｓｒｐ＝２ａｂ
一方、図２（ｂ）に示す本発明のセル部では、巻き数をｎとして同心円で近似すると電極面積Ｓｅｃおよび放熱面積Ｓｒｃはそれぞれ以下となる。
Ｓｅｃ＝ａｂ
Ｓｒｃ＝（ｂ／２）（πｄ）（４ｎ−１）＋２π｛（ｄ／２）（４ｎ−１）｝２
但し、巻き数は以下の関係が満たされる値として算出される。
２ｂ＝πｄ｛１＋３＋・・・＋（４ｎ−３）＋（４ｎ−１）｝
例えば、三層構造のシートの寸法を数十Ｗの出力が期待できるａ＝１０００ｍｍ、ｂ＝１００ｍｍ、ｄ＝３ｍｍとすると、平面配置構造では、
Ｓｅｐ＝１×１０５ｍｍ２
Ｓｒｐ＝２×１０５ｍｍ２
となる。
一方、本発明のセル部では、
Ｓｅｃ＝１×１０５ｍｍ２
Ｓｒｃ＝０．２８×１０５ｍｍ２
となる。本発明の燃料電池セル部は、平面配置のセル部に比較して同一電極面積を持ちながら放熱面積を約１４％に低減できる。これにより、燃料電池の反応で生じた反応熱を有効にセル部内に閉じ込めることができ、反応温度を比較的高温に保つことができる。また、図２（ｃ）に示すように本発明の燃料電池ではセル部を長円形に構成することもできる。これによりセル部中心部での温度上昇を緩和し、より均一な温度分布を形成することも可能になる。
【００１２】
図３は本発明の一実施の形態における燃料電池のセル部の製作工程を示す概略図である。図３（ａ）に示すように例えば多孔質カーボン板２０１に触媒粉とフッ素樹脂を混合したペースト２０２を塗布し、乾燥した後に数百度に加熱して第一の導電性膜１０１を形成する。次に図３（ｂ）に示すようにナフィオン等の電解質膜１０２を圧着する。さらに、図３（ｃ）に示すように図３（ａ）と同様に形成した第二の導電性膜１０３を電解質膜１０２の上に圧着して三層構造のシートを形成する。そして最後に図３（ｄ）に示すように三層構造のシートを二つ折りしてセル部を形成するシートを得る。
【００１３】
図４は本発明の燃料電池を作成するためのセルの実装を示す概略図である。図１に示したセル部を容器内に収容して燃料電池を構成する。第二の導電性膜１０３は容器の金属性シール３０４に接着し正極を取り出す。金属シール３０４の一部に空気取り入れの小孔３０５を形成する。第一の導電性膜１０１は、同質材料の集電層３０６を介して負極３０２に接続される。正極となる金属シール３０４と負極３０２とは絶縁物からなるシール３０３によって絶縁される。燃料３０１は、集電層３０６と第一の導電性膜１０１の毛細管現象を利用して供給される。したがって、従来の積層配置の燃料電池セルのように電極同士の接続を行う必要もなく、工数が増えることによるセル部製造コストの増大や信頼性の低下がもたらされることもない。
【００１４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、セル部の容積に比較して表面積を小さく形成でき、反応によって生じた熱をむやみに放熱することが無く、燃料電池反応を比較的高温に保ち、高出力の発電ができる。また、空気極電極および燃料極電極は、各々三層構造のシートのおもて面およびうら面で一体として形成されるため、従来の燃料電池における積層配置のように電極同士の接続を行う必要もなく、工数が増えることによるセル部製造コストの増大や信頼性の低下がもたらされることもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池のセル部を示す概略図。
【図２】本発明の燃料電池セル部の放熱表面積を示す概略図
【図３】本発明のセルを作製する製作工程を示す概略図。
【図４】本発明の燃料電池を作製するためのセルの実装を示す概略図。
【図５】従来の燃料電池のセル構造と配置を示す概略図
【符号の説明】
１０１：第一の導電性膜
１０２：電解質膜
１０３：第二の導電性膜
１０４：三層構造のシート
１０５：電解質膜の幅方向で第二の導電性膜と接していない面
２０１：多孔質カーボン板
２０２：触媒粉とフッ素樹脂を混合したペースト
３０１：燃料
３０２：負極
３０３：絶縁物からなるシール
３０４：金属シール
３０５：空気取り入れの小孔
３０６：集電層
４０１：燃料極電極
４０２：空気極電極
４０３：電解質膜
４０４：単位セル
４０５：単位セルを平面配置する場合
４０６：単位セルを積層配置する場合
【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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