(57)【要約】【課題】電解質層の水分管理を必要としない極めて簡便なダイレクトメタノール型の燃料電池セルを提供することである。また、メタノールが電解質層を透過することがなく、常時安定的に機能するダイレクトメタノール型の燃料電池セルを提供することである。【解決手段】燃料となるメタノールを直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池セルを、固体高分子からなる電解質層１と、この電解質層１の一面側に設けられた、水素をイオン化する触媒機能を備えた第１の電極層２と、この第１の電極層２と電解質層１との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第１の金属膜４と、電解質層１の他面側に設けられた触媒機能を有する第２の電極層３と、この第２の電極層３と電解質層１との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第２の金属膜５と、を具備してなる構造とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料となるメタノールを直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池セルであって、
固体高分子からなる電解質層と、
この電解質層の一面側に設けられた、水素をイオン化する触媒機能を備えた第１の電極層と、
この第１の電極層と前記電解質層との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第１の金属膜と、
前記電解質層の他面側に設けられた触媒機能を有する第２の電極層と、
この第２の電極層と前記電解質層との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第２の金属膜と
を具備してなることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
第１の金属膜および第２の金属膜は、パラジウムと、ランタンおよびニッケルの合金とから構成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
第１の電極層および第２の電極層は、カーボン粒子と白金粒子との混成物から構成されたものであることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は燃料電池セル、すなわち外部から連続的に供給される活物質の化学エネルギーを電気エネルギーに変換するのに用いられる電気化学的発電装置に関するものである。ことに本発明は、燃料となるメタノールを改質せずに、燃料極に直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池セルに関するものである。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
固体高分子型の燃料電池は、コンパクトで発電効率に優れるうえ、低温で作動することから応用範囲が広く、本格的な実用化に向けて研究が進められている。なかでも、メタノールを燃料極に直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池は、改質器が不要であることから、システムの大幅な小型化や簡素化が図れる。このため、たとえば携帯用電子機器の電源として、その早急な実用化が待たれている。
【０００３】
さて、固体高分子型燃料電池の単セル（以下、「燃料電池セル」と言う）は、特殊なプラスチックからなる電解質層を二つの板状電極で挟んだ構造となっている。一方の電極すなわち燃料極に、燃料となるメタノール水溶液が供給されると、電極が有する触媒作用によってメタノールは水と反応して、二酸化炭素と水素イオンが生じる。このうち水素イオンは、電解質層を経て、もう一方の電極すなわち酸素極に達するが、この酸素極には酸素が供給されている。また、メタノールと水が反応する際に放出された電子も酸素極に供給される。したがって、水素イオンは酸素極において酸素と反応して水を生じる。この反応の際、電子が燃料極から酸素極に絶えず移動するため外部回路には電流が流れ、この結果、燃料電池セルには電力が発生する。
【０００４】
しかしながら、こうした従来型の燃料電池セルには、次のような問題があった。すなわち、固体高分子型の燃料電池セルは、それがダイレクトメタノール型のものであるか否かを問わず、電解質層を適度な湿潤状態に保つことが不可欠である。このため、常に細心の注意を払って電解質層の水分管理を行わねばならない。また、従来型の燃料電池セルでは、燃料極に供給したメタノールが電解質層を透過して、そのまま酸素極側に到達してしまうことがあり、これが発電機能の低下を招く大きな原因となっている。
【０００５】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、電解質層の水分管理を必要としない極めて簡便なダイレクトメタノール型の燃料電池セルを提供することである。また、メタノールが電解質層を透過することがなく、常時安定的に機能するダイレクトメタノール型の燃料電池セルを提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するべく鋭意研究を推し進めた本発明者は、電解質層の二つの主面を、メタノールや水は透過させないが、水素イオンは透過させる膜で被覆することを考えた。すなわち、水分の出入りがないよう密閉された状態で有効に機能する電解質層構造を採用することが必須であるとの結論に到達した。本発明者は、こうした技術的思想に基づいて更に研究を進め、その結果、従来型燃料電池セルにおいて電解質層に相当する部位を、▲１▼固体高分子からなる電解質層（たとえばフッ素樹脂系のイオン交換膜）と、▲２▼この電解質層を左右から挟む、水素イオンのみを透過させる金属膜とを備えた構造とすればよいことを見出した。
【０００７】
燃料電池セルをこのように構成した場合、メタノールと水の化学反応で生じた水素イオンは、燃料極と酸素極との間の水素濃淡差圧により、電解質層を介して燃料極から酸素極側へと動いていく。ところで、この電解質層の二つの主面は金属膜によって被覆されており、したがって電解質層に水分が出入りすることはない。それゆえ電解質層の乾燥が抑えられ、手間のかかる水分管理は一切不要となる。つまり、こうした構造を採用することで、電解質層の水分管理を必要としない極めて簡便な燃料電池セルを提供できる。
【０００８】
そのうえ電解質層は、上述したとおり水素イオンのみを透過させる二つの金属膜によって挟み込まれているので、水素イオンよりも大きなイオンや原子、分子などは、それを通り抜けることができない。したがって、メタノールは電解質層を透過することはもちろん、そこに浸入することさえも不可能となっており、この結果、本発明に係る燃料電池セルは常時安定的に機能する。
【０００９】
本発明は、こうした新知見に基づいてなされたものであり、上記の課題は、
燃料となるメタノールを直接供給するダイレクトメタノール型の燃料電池セルであって、
固体高分子からなる電解質層と、
この電解質層の一面側に設けられた、水素をイオン化する触媒機能を備えた第１の電極層と、
この第１の電極層と前記電解質層との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第１の金属膜と、
前記電解質層の他面側に設けられた触媒機能を有する第２の電極層と、
この第２の電極層と前記電解質層との間に設けられた、水素イオンのみを透過させる第２の金属膜と
を具備してなることを特徴とする燃料電池セルによって解決される。
【００１０】
なお、上記第１の金属膜および第２の金属膜としては、パラジウムと、ランタンおよびニッケルの合金とから構成されたものが挙げられる。また、上記第１の電極層および第２の電極層としては、カーボン粒子と白金粒子との混成物から構成されたもの（多孔質板）が挙げられる。
【００１１】
本発明に係る燃料電池セルは、第１の電極層との間にメタノール水溶液などを流入させるための空隙が形成されるよう、この第１の電極層を挟んで電解質層と対向する状態で設けられた第１の支持体と、第２の電極層との間に酸素（空気）を流入させるための空隙が形成されるよう、この第２の電極層を挟んで電解質層と対向する状態で設けられた第２の支持体と、をさらに具備してなることが好ましい。この場合、ある燃料電池セルの第１の支持体と、別の燃料電池セルの第２の支持体とが隣接するよう複数の燃料電池セルが一列に積層されることになる。これによって、規定の発電能力を持ったスタックが形成される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１を用いて、本発明の一実施形態を具体的に説明する。なお、同図は本実施形態に係る燃料電池セルの構造を示す概略断面図である。本実施形態に係る燃料電池セル（以下、本燃料電池セルと言う）は、一次電池や二次電池（蓄電池）に替わって、各種電子機器、特に携帯用電子機器の電源として用いられるものである。正確に言うと、本燃料電池セルが所定の数だけ一列に積層されてできる燃料電池スタックが、所要の発電能力を発揮することになる。
【００１３】
本燃料電池セルはダイレクトメタノール型のものであり、燃料となるメタノール（ＣＨ３ＯＨ）を水溶液の形で燃料極に直接供給し、一方、酸素極には酸素（空気）を供給してやることで機能するよう構成されている。本燃料電池セルは主要構成要素として、固体高分子からなる電解質層１、この電解質層１の一面側に設けられた第１の電極層２、そして電解質層１の他面側に設けられた第２の電極層３を具備する。本実施形態では、電解質層１としてフッ素樹脂系のイオン交換膜、たとえばデュポン社製のナフィオン（商品名）を用いた。
【００１４】
電解質層１と第１の電極層２との間には、厚さ数μｍ程度の第１の金属膜４が設けられている。つまり電解質層１の一面側には、第１の金属膜４および第１の電極層２が順に積層されている。こうした点については、電解質層１の他面側についても同じである。すなわち、電解質層１と第２の電極層３との間にも、厚さ数μｍ程度の第２の金属膜５が設けられている。つまり電解質層１の他面側には、第２の金属膜５および第２の電極層３が順に積層されている。本構造を採用した結果、事実上、電解質層１および第１、第２の金属膜４，５からなる積層体が、従来型燃料電池セルにおける電解質層としての役割を果たすことになる。
【００１５】
本燃料電池セルは、上記構成要素に加えてさらに、第１の支持体６および第２の支持体７を具備する。このうち第１の支持体６については、第１の電極層２との間にメタノール水溶液を流入させるための空隙（実際には溝）６ａが形成されるよう、第１の電極層２を挟んで、電解質層１と対向する状態で設けられている。一方、第２の支持体７については、第２の電極層３との間に酸素を流入させるための空隙（実際には溝）７ａが形成されるよう、第２の電極層３を挟んで、電解質層１と対向する状態で設けられている。本実施形態では、これら第１の支持体６および第２の支持体７として、セラミックスなどの絶縁材料から構成されたものを用いた。
【００１６】
電解質層１の一主面側に設けられた第１の電極層２は、水素をイオン化する触媒機能を備える。具体的に言うと、第１の電極層２は、カーボン粒子と、イオン化触媒機能を持つ白金粒子との混成物から構成された多孔質状の薄板である。電解質層１の他主面側に設けられた第２の電極層３についても同じく触媒機能を有する。すなわち、これもカーボン粒子と、イオン化触媒機能を持つ白金粒子との混成物から構成された多孔質状の薄板である。第１の電極層２には、セル内部での化学反応により生じた電気エネルギーを取り出すためのリード線Ｌ１が接続されており、第１の電極層２は負極として機能する。一方、第２の電極層３にも、化学反応により生じた電気エネルギーを取り出すためのリード線Ｌ２が接続されており、第２の電極層３は正極として機能する。
【００１７】
電解質層１と第１の電極層２との間に設けられた第１の金属膜４は、水素イオンのみを透過させる。さらに具体的に言うと、この第１の金属膜４は、こうした選択透過性を持つ、パラジウムと、ランタンおよびニッケルの合金（ＬａＮｉ５）とから構成された薄膜である。この点は、第２の金属膜５についても同じである。すなわち第２の金属膜５も、パラジウムと、ランタンおよびニッケルの合金とから構成されており、水素イオンのみを選択的に透過させる。したがって、第１の電極層２で生じた水素イオンだけが、図中、左から右へと移動していき、最終的に第２の電極層３に到達することになる。
【００１８】
本燃料電池セルは、実際には、複数個が一列に積層された状態で使用されるので、第１の支持体６は、図中、一点鎖線にて示す他の燃料電池セルが備える支持体（第２の支持体）７’と接した状態となる。これに対して第２の支持体７も、図中、一点鎖線にて示す他の燃料電池セルが備える支持体（第１の支持体）６’に接した状態となる。
【００１９】
上記のごとく構成された本燃料電池セルは、次のように機能する。まず、メタノール水溶液および酸素を本燃料電池セルに供給すると、第１の電極層２が有する触媒作用によって、メタノールと水が化学反応して二酸化炭素と水素イオンが生じる。ここで生じた水素イオンは、第１の電極層（以下、燃料極とも言う）２と第２の電極層（以下、酸素極とも言う）３との間の水素濃淡差圧により、電解質層１を経て、燃料極２から酸素極３側へと動いていく。すなわち水素イオンは、第１の金属膜４、電解質層１、そして第２の金属膜５を次々に透過して、酸素極３に達する。酸素極３には酸素が供給されており、また、メタノールと水の化学反応の際に生じた電子も供給されているので、水素イオンはそこで酸素と反応して水が生じる。
【００２０】
ところで、メタノールと水との化学反応の際に生じた電子は、リード線Ｌ１，Ｌ２を用いて構成される外部導通路（外部回路）に流れ込むが、これは言うまでもなく、外部導通路に電流が流れることを意味する。したがって本燃料電池セル（正確にはその集合体である燃料電池スタック）は、それに接続された電子機器Ｍを作動させることができる。
【００２１】
さて、上記構成の本燃料電池セルにあっては、電解質層１の二つの主面は金属膜４，５によって被覆されており、したがって電解質層１には水分が出入りすることはない。よって、手間のかかる水分管理は一切不要であり、本燃料電池セルは、電解質層の水分管理を必要としない極めて簡便なものとなっている。しかも、電解質層１は、水素イオンのみを透過させる二つの金属膜４，５によって挟み込まれているので、水素イオンよりも大きなイオンや原子、分子はそれを通り抜けることができない。すなわち、メタノールや被毒物質は電解質層１を透過することはもちろん、そこに浸入することさえも不可能となっており、したがって本燃料電池セルは、常時安定的に機能する。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、電解質層の水分管理を必要とせず極めて簡便であり、かつ、メタノールが電解質層を透過することがなく、常時安定的に機能するダイレクトメタノール型の燃料電池セルが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池セルの構造を示す概略断面図
【符号の説明】
１              電解質層
２              第１の電極層（燃料極）
３              第２の電極層（酸素極）
４              第１の金属膜
５              第２の金属膜
６，６’        第１の支持体
７，７’        第２の支持体
６ａ，７ａ      空隙（溝）
Ｌ１，Ｌ２      リード線
Ｍ              電子機器
【図１】
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