(57)【要約】【課題】エネルギー密度が向上できる直接形燃料電池を得る。【解決手段】プロトン導電性の高分子膜からなる電解質を介して一対の空気極と燃料極とが接合された電極−膜接合体１０を、燃料極側に液体燃料を供給し、燃料極側から反応生成物を排出するための燃料流路２１、２３を有するセパレーター板２０と、空気極側に空気を供給し、空気極側から反応生成物を排出するための空気流路２２、２４を有するセパレーター板２０とで挟持して積層したセルスタック１を備えるとともに、液体燃料を貯蔵した燃料タンク２を備え、前記燃料流路２１、２３の少なくとも一部を燃料タンク２内に開放し、液体燃料がセルスタック１内に導入されるように前記セルスタック１を配置する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性の高分子膜からなる電解質を介して一対の空気極と燃料極とが接合された電極−膜接合体を、燃料極側に液体燃料を供給し、燃料極側から反応生成物を排出するための燃料流路を有するセパレーター板と、空気極側に空気を供給し、空気極側から反応生成物を排出するための空気流路を有するセパレーター板とで挟持して積層したセルスタックを備えるとともに、液体燃料を貯蔵した燃料タンクを備え、前記燃料流路の少なくとも一部を燃料タンク内に開放し、液体燃料がセルスタック内に導入されるように前記セルスタックを配置したことを特徴とする直接形燃料電池。
【請求項２】
請求項１記載の直接形燃料電池において、前記空気流路の少なくとも一部を大気に対して開放し、空気がセルスタック内に導入されるように前記セルスタックを配置したことを特徴とする直接形燃料電池。
【請求項３】
請求項１または２記載の直接形燃料電池において、セルスタックの全部を液体燃料中に浸漬したことを特徴とする直接形燃料電池。
【請求項４】
請求項１または２記載の直接形燃料電池において、セルスタックの一部を液体燃料中に浸漬したことを特徴とする直接形燃料電池。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の直接形燃料電池において、大気に対して開放された空気流路の開放部と燃料タンク内に開放された燃料流路の開放部とをセルスタックに独立して設けたことを特徴とする直接形燃料電池。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の直接形燃料電池において、燃料タンクがセルスタックの収納容器を兼ねることを特徴とする直接形燃料電池。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の直接形燃料電池において、燃料タンクに液体燃料の補給口を設けたことを特徴とする直接形燃料電池。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかに記載の直接形燃料電池において、液体燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする直接形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、有機溶媒と水を直接供給して発電を行うことができる直接形燃料電池に関するもので、さらに詳しく言えば、その構造に関するもので、携帯電話、ノートパソコン等の携帯型の電子機器に最適な小型の直接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、その対策のひとつとして直接形燃料電池の開発が活発に行われている。特に、メタノール水溶液を燃料に用い、改質や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、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易であり、携帯電話やコンピューター等の小型コンシューマ用電源として有望である。
【０００３】
直接メタノール形燃料電池では、燃料供給側に３％程度の濃度のメタノール水溶液を供給すると、電池反応によって二酸化炭素が発生し、この二酸化炭素が未反応燃料とともに燃料排出側から排出される。一方、空気供給側に酸化剤として空気を供給すると、電池反応によって水が発生し、この水が未反応の空気とともに空気排出側から排出される。
【０００４】
上記のような直接メタノール燃料電池を小型コンシューマー用途に適応するためには、従来、この用途に用いられてきたリチウムイオン電池やニッケル水素電池等の２次電池と同等以上の特性をもち、かつ価格においてもこれらの電池と競合できる程度であることが不可欠であった。
【０００５】
たとえば、特性においては、エネルギー密度の向上が不可欠であり、直接メタノール形燃料電池では、セルスタック、燃料タンク、燃料ポンプ、空気ポンプをはじめ、燃料排出側から排出される二酸化炭素を分離するための気液分離装置や空気排出側から排出される水を保管するための水タンクといった多くの周辺部品を必要とし、これらを少なくしてシンプルな構造にすることが重要な課題であった。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−１００３１５号公報
【特許文献２】
特開２００２−３４３３７８号公報
【０００７】
前記特許文献１では、燃料タンクの表面にモノリシック形のセルを複数貼り付けた電池構造が提案され、前記特許文献２では、中空状の燃料タンクの外側に空気極を配した構造が提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
直接メタノール形燃料電池のような直接形燃料電池を、リチウムイオン電池やニッケル水素電池等の２次電池に対して遜色ないものとするためには、前述した周辺部品を少なくして、そのエネルギー密度の向上することが課題の一つであった。
【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、プロトン導電性の高分子膜からなる電解質を介して一対の空気極と燃料極とが接合された電極−膜接合体を、燃料極側に液体燃料を供給し、燃料極側から反応生成物を排出するための燃料流路を有するセパレーター板と、空気極側に空気を供給し、空気極側から反応生成物を排出するための空気流路を有するセパレーター板とで挟持して積層したセルスタックを備えるとともに、液体燃料を貯蔵した燃料タンクを備え、前記燃料流路の少なくとも一部を燃料タンク内に開放し、液体燃料がセルスタック内に導入されるように前記セルスタックを配置した直接形燃料電池であり、請求項２記載の発明は、請求項１記載の直接形燃料電池において、前記空気流路の少なくとも一部を大気に対して開放し、空気がセルスタック内に導入されるように前記セルスタックを配置したことを特徴とし、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の直接形燃料電池において、セルスタックの全部を液体燃料中に浸漬したことを特徴とし、請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の直接形燃料電池において、セルスタックの一部を液体燃料中に浸漬したことを特徴とし、請求項５記載の発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の直接形燃料電池において、大気に対して開放された空気流路の開放部と燃料タンク内に開放された燃料流路の開放部とをセルスタックに独立して設けたことを特徴とし、請求項６記載の発明は、請求項１〜５のいずれかに記載の直接形燃料電池において、燃料タンクがセルスタックの収納容器を兼ねることを特徴とし、請求項７記載の発明は、請求項１〜６のいずれかに記載の直接形燃料電池において、燃料タンクに液体燃料の補給口を設けたことを特徴とし、請求項８記載の発明は、請求項１〜７のいずれかに記載の直接形燃料電池において、液体燃料がメタノール水溶液であることを特徴とする。
【００１０】
上記した直接形燃料電池では、セルスタックを燃料タンク内に配置して、燃料タンクをセルスタックの収納容器を兼ねるようにして、セルスタックと燃料タンクを一体化できるので、コンパクト化を図ることができる。なお、セルスタックを配置する位置は燃料タンク内の中央部だけでなく、上部または下部の任意にできるが、生成した二酸化炭素を上部の空間に蓄積する場合には、上部に配置すると、そのための空間が狭くなるので、中央部より下方に配置するのが好ましい。また、燃料極で生成した二酸化炭素を燃料タンク内に排出し、その移動による液体燃料の拡散または対流で継続的に燃料極側に液体燃料を供給するようにできるので、気液分離器を設けて液体燃料と二酸化炭素を分離する必要がなくなる。なお、燃料流路の少なくとも一部を燃料タンク内に開放する、というのは、セルスタックの全部または一部を液体燃料中に浸漬したことを言い、全部を浸漬した場合は、前述した二酸化炭素の移動による液体燃料の拡散または対流で継続的に燃料極側に液体燃料を供給することができ、一部を浸漬した場合は、前述した二酸化炭素の移動による液体燃料の拡散または対流に加えて、毛管現象による液体燃料の移動で継続的に燃料極側に液体燃料を供給することができる程度に液体燃料中に浸漬されていればよい。また、大気に対して開放された空気流路の開放部と燃料タンク内に開放された燃料流路の開放部とをセルスタックに独立して設けたことにより、各開放部から空気と液体燃料とが互いに混じり合うことなく供給することができる。また、燃料タンクに液体燃料の補給口を設けることにより、反応によって液体燃料の濃度が低下しても、新たに液体燃料を補給することによって継続的に使用することができる。
【００１１】
また、燃料流路が燃料タンク内に開放するように配置され、この開放部を通して燃料極に液体燃料を拡散もしくは対流によって供給することができるので、燃料ポンプを不要にできる。
【００１２】
また、空気流路が大気に対して開放するように配置されているので、この開放部を通して空気極に空気を拡散もしくは対流によって供給するようにすれば、ファンや空気ブロワーを不要にできる。なお、空気をファンや空気ブロワーを用いて供給することもできる。また、空気流路に空気を流通させる方法としては、大気に対して開放された開放部を燃料タンクに設けないで、外部マニホールド構造をセルスタックに設け、この外部マニホールド構造の配管を通じて燃料タンク内のセルスタックにブロワーや空気ファンで強制的に空気を流通させるようにすることもできる。また、前述した大気に対して開放されている開放部にブロワーや空気ファンを設けて、この開放部から空気を供給するようにしてもよいし、各セパレータ板に空気を流通させるための内部マニホールドを設けて、この内部マニホールドに通じる空気供給口から空気を供給するようにしてもよい。さらに、空気極で生成された水は、生成水回収路を設けて、重力または小型ポンプ等を用いて燃料タンク内に回収するようにすることもできる。
【００１３】
また、上記した直接形燃料電池では、液体燃料にメタノールを用いる直接メタノール形燃料電池だけでなく、エチルアルコール、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテル等の有機溶媒と水を用いた燃料電池にも適用することができる。
【００１４】
【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。
【００１５】
図１は本発明の直接形燃料電池のセル構造の一例を示した図、図２は同セルスタックの一例を示した図である。セル構造は、図１に示した如く、プロトン導電性の高分子膜からなる電解質１１を介して一対の空気極１２（図示されていないが、燃料極１３が接合された電解質１１の反対側の面に接合されている）と燃料極１３とが接合された電極−膜接合体（以下、ＭＥＡという）１０を、燃料極１３側に液体燃料を供給し、燃料極１３側から反応生成物を排出するための燃料流路２３を有するとともに空気極１２側に空気を供給し、空気極１２側から反応生成物を排出するための空気流路２２を有した２枚のセパレーター板２０で挟持したものである。なお、前記セパレーター板２０は、図１に示した如く、燃料流路２３を設けた裏面に空気流路２２が設けられ、空気流路２２を設けた裏面に燃料流路２３が設けられており、このセパレーター板２０を介して前記ＭＥＡ１０を積層して、図２に示したようなセルスタック１としている。そして、前記セルスタック１は、その最外部に、燃料流路２１のみが設けられたセパレーター板２０ａと空気流路２４のみが設けられたセパレーター板２０ｂとが配されている。なお、前記セパレーター板２０は、セパレーター板２０ａとセパレーター板２０ｂとを、各々の流路が裏表になるように貼り合わせるようにしてもよく、このようにすれば、セパレーター板は２種類になる。
【００１６】
これにより、前記セルスタック１は、図２に示した如く、上下方向に開口を形成した、直線状の燃料流路２１、２３と、前後方向に開口を形成した、直線状の空気流路２２、２４とを有した構造となり、液体燃料は上方および下方の開口から供給され、燃料極１３側からの反応生成物は上方の開口から排出されるとともに、空気は前方または後方（図２では前方）の開口から供給され、空気極１２側からの反応生成物は後方または前方（図２では後方）の開口から排出される構造となる。なお、前記各流路は互いに直交する直線状のものとしたが、これに限るものではない。
【００１７】
前記ＭＥＡ１０は以下のように作製した。すなわち、プロトン導電性の高分子電解質膜のうち、パーフルオロスルホン酸系電解質膜として一般的な、デュポン社のナフィオン膜（商品名：ナフィオン１１７）を電解質１１として用いた。また、ＰＴＦＥ溶液を含浸させて撥水処理を行ったカーボンペーパーからなるガス拡散層に、白金微粒子をアセチレンブラックからなる炭素粉末上に担持させた空気極触媒、ＰＴＦＥ樹脂およびナフィオン溶液（イソプロパノール溶媒）を混合して得た触媒ペーストを塗布して乾燥したものを空気極１２として用いた。また、同じガス拡散層に、白金−ルテニウム微粒子をアセチレンブラックからなる炭素粉末上に担持させた燃料極触媒、ＰＴＦＥ樹脂およびナフィオン溶液（イソプロパノール溶媒）を混合して得た触媒ペーストを塗布して乾燥したものを燃料極１３として用いた。前記空気極触媒には白金微粒子の含有量が４０重量％のものを用いたが、１０〜７０重量％の範囲で適宜選択できる。また、前記燃料極触媒には白金−ルテニウム微粒子の含有量が４０重量％、白金：ルテニウムの重量比が２：１のものを用いたが、白金−ルテニウム微粒子の含有量は１０〜７０重量％の範囲で適宜選択でき、白金：ルテニウムの重量比は５：１〜１：２の範囲で適宜選択できる。なお、前記空気極触媒および燃料極触媒を分散させる溶液中の、各触媒、パーフルオロスルホン酸樹脂およびＰＴＦＥ樹脂の組成については任意に定めることができる。このようにして作製した空気極１２と燃料極１３をホットプレスによって電解質１１の両面に接合してＭＥＡを作製した。
【００１８】
本発明の直接形燃料電池は、前記セルスタック１を、燃料流路２１、２３に液体燃料が流通するようにしたものである。すなわち、図３のように、セルスタック１を、燃料流路２１、２３が液体燃料を貯蔵した燃料タンク２内に開放されるように、燃料タンク２内に配置し、燃料タンク２がセルスタック１の収納容器を兼ねるようにしたものである。これにより、図４（ａ）（図３のＡ−Ａ’部断面図）のように、燃料流路２３によって形成される空間２３ａに液体燃料が流入して、それが燃料極１３に供給され、反応生成物としての二酸化炭素が上方から排出され、その移動による液体燃料の拡散または対流で燃料極１３に液体燃料を継続的に供給することができる。また、この燃料タンク２には、液体燃料の補給口を設けておけば、反応によって液体燃料の濃度が低下しても、新たに液体燃料を補給することによって継続的に使用することができる。
【００１９】
なお、排出された二酸化炭素は、液体燃料中で気泡となり、燃料タンク２の上部に蓄積されるが、燃料タンク２の上部に排気口を設けて排気するようにしてもよい。また、この排気口にテフロン（登録商標）等の撥水性の多孔体を設けておくと、この排気口から液体燃料が漏出するのを防止する効果もある。
【００２０】
また、前記直接形燃料電池は、空気流路２２、２４に空気が流通するようにしたものである。すなわち、前記図３のように、セルスタック１を、空気流路２２、２４が大気に対して開放され、前記開放部のみが樹脂接着やパッキングシール等を施すことによって液体燃料を外部に漏洩させないようにして、燃料タンク２内に配置したものである。これにより、図４（ｂ）（図３のＢ−Ｂ’部断面図）のように、空気流路２４によって形成される空間２４ａに空気が流入して、それが空気極１２に供給され、反応生成物としての水が排出される。なお、前記開放部には、テフロン（登録商標）等の撥水性の多孔体を設けておくと、生成した水の漏出が防止できる効果もある。
【００２１】
なお、排出された水は、吸水体に吸水させるようにしたり、別に回収カセットを設置しておいてそれに回収したり、燃料タンク２内に戻すようにするなどの方法があるが、これらを併用した形態にすることもできる。たとえば、燃料タンク２内に戻す場合であっても、燃料タンク２内の液体燃料の内容量が多い場合には燃料タンク２内に戻さずに回収カセットに戻したり、吸水体に吸水させるようにすることが考えられる。また、燃料タンク２内に戻すのみの場合は、戻す量を、燃料タンク２内の液体燃料の内容量に応じてコントロールする必要がある。
【００２２】
また、空気流路２２、２４に空気を流通させる方法としては、大気に対して開放された開放部を燃料タンク２に設けないで、外部マニホールド構造をセルスタック１に設け、この外部マニホールド構造の配管を通じて燃料タンク２内のセルスタック１にブロワーや空気ファンで強制的に空気を流通させるようにすることもできる。このようにすれば、外部マニホールドとセルスタック１の接続部のみに樹脂接着やパッキングシール等を施すだけで液体燃料の漏洩を防止することができる。
【００２３】
また、空気流路２２、２４に空気を流通させる方法としては、空気を自然拡散または自然対流によって供給するだけでなく、ブロワーや空気ファンで空気を強制的に流通させるようにすることもできる。この場合、前述した大気に対して開放されている開放部にブロワーや空気ファンを設けて、この開放部から空気を供給するようにしてもよいし、各セパレータ板２０、２０ａ、２０ｂに空気を流通させるための内部マニホールドを設けて、この内部マニホールドに通じる空気供給口から空気を供給するようにしてもよい。なお、内部マニホールドを設けた場合には、各セパレータ板２０、２０ｂに設ける空気流路の流路深さを小さくして、各セパレータ板２０、２０ｂを薄くすることができ、同一出力の直接形燃料電池では小型化が可能であり、同一寸法の直接形燃料電池では大容量化が可能である。また、前記開放部や空気供給口にテフロン（登録商標）等の撥水性の多孔体を設けておくと、反応によって生成した水の漏出を防止する効果がある。
【００２４】
また、大気に対して開放された空気流路の開放部と燃料タンク内に開放された燃料流路の開放部とをセルスタックに独立して設けたことにより、各開放部から空気と液体燃料とが互いに混じり合うことなく供給することができる。
【００２５】
【発明の効果】
上記した如く、本発明による直接形燃料電池の構造は、多様な周辺部品の多くを必要とせずに電池を構成することが可能となり、コンパクトな電池構成に寄与することができ、コストの低減にも大きく寄与することが可能となる。従って、携帯用電子機器用電源として最適な燃料電池を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の直接形燃料電池のセル構造の一例を示した図である。
【図２】同セルスタックの一例を示した図である。
【図３】本発明の直接形燃料電池の一部切り欠き斜視図である。
【図４】（ａ）は図３のＡ−Ａ部断面図、（ｂ）は図３のＢ−Ｂ部断面図である。
【符号の説明】
１  セルスタック
２  燃料タンク
１０  電極−膜接合体（ＭＥＡ）
２０、２０ａ、２０ｂ  セパレータ板
２１、２３  燃料流路
２２、２４  空気流路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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