(57)【要約】【課題】  液体燃料を直接燃料とする燃料電池において、コンパクトで出力電圧が高く、高性能且つ製造が容易な燃料電池を提供する。【解決手段】  液体燃料が供給される燃料極電極を構成する第１の導電性膜１０１と、空気が供給される空気極電極を構成する第２の導電性膜１０３と、第１の導電性膜１０１と第２の導電性膜１０３とに挟持された電解質膜１０２と、から構成されたシート１０５を備え、シート１０５が、第１の導電性膜１０１及び第２の導電性膜１０３のいずれか一方の膜同士が対向するように第１の折り目に従って折り重ねられており、更に、第１の折り目と直交する複数の第２の折り目に従って表裏交互に折り曲げられて構成される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料が供給される燃料極電極を構成する第１の導電性膜と、空気が供給される空気極電極を構成する第２の導電性膜と、前記第１の導電性膜と前記第２の導電性膜とに挟持された電解質膜と、から構成されたシートを備えた燃料電池であって、
前記シートが、前記第１の導電性膜及び前記第２の導電性膜のいずれか一方の膜同士が対向するように第１の折り目に従って折り重ねられており、更に、前記第１の折り目と直交する複数の第２の折り目に従って表裏交互に折り曲げられた燃料電池。
【請求項２】
前記第１の導電性膜及び前記第２の導電性膜が、前記第１の折り目及び前記第２の折り目の少なくとも一方に従って分割された請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記シートの第２の折り目毎に絶縁体を挟持した請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記絶縁体を介して対向する前記第１の導電性膜と前記第２の導電性膜とが導体によって接続された請求項３に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記絶縁体を介して第２の導電性膜へ空気を供給する請求項３又は４に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記シートが貫通孔を有する請求項１から５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記液体燃料が、メタノール水溶液である請求項１から６のいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料を燃料とする燃料電池に関し、特にモバイル機器等に搭載可能な小型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、モバイル機器等では、高機能化に伴って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、メタノール等の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。液体燃料を直接燃料として利用した燃料電池は、現行のリチウムイオン電池等の二次電池と比較して一桁以上のエネルギー密度が期待できる（例えば、非特許文献１及び２参照。）。
【０００３】
直接燃料として用いられる液体燃料としては、メタノール水溶液（ＣＨ3ＯＨ／Ｈ2Ｏ溶液）が多く使用されている。メタノールを直接燃料として用いた燃料電池では、燃料極電極に燃料であるメタノール水溶液が供給されると、燃料極電極で、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。
この一連の反応では、メタノール１モル当たり、燃料極電極で１３０．９７ｋＪの吸熱が、空気極電極では８５７．５２ｋＪの発熱が起こる。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、非特許文献３参照。）。
【０００４】
一方、従来の燃料電池では、平板型のセルが多く用いられている。しかし、係る平板型セルは、単セルで出力できる電圧が０．３Ｖ〜０．７Ｖ程度と低いことが課題とされている。例えば、出力電圧が低いと、燃料電池単独では、１〜５Ｖ程度の負荷を持つ電子回路の電源電圧にみあった電圧を供給することができず、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータ等が必要となる。また、一定の電流を低電圧で供給する場合、平板型のセルを用いた燃料電池では供給する電流が大きくなり、燃料電池の出力と直列に寄生する抵抗によって、抵抗×電流の２乗の損失が生じ、エネルギー効率が低下するといった問題もある。
【０００５】
更に、出力電圧を高めるために平板型のセルを直列に接続しようとすると、セルを一つずつ接続する必要があるため、燃料電池のサイズが多くなりすぎたり、複数のセルの位置合わせ等が必要となり、製造工程が増加して製造効率が低下するといった問題もある。
【非特許文献１】C. Hebling et al., 「Technology and Markets of Portable Fuel Cells,」 Proceedings of 7th Grove Fuel Cell Symposium, London, O7.1, 2001.9
【非特許文献２】「日経エレクトロニクス」、日経ＢＰ社、２００１年１０月２２日号，ｐ．１１７
【非特許文献３】M. Baldauf, 「Status of the development of a direct methanol fuel cell,」、Journal of Power Sources, vol.84. p.161-166, 1999
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、液体燃料を直接燃料とする燃料電池において、コンパクトで出力電圧が高く、高性能且つ製造が容易な燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を解決するために、本発明の燃料電池は、液体燃料が供給される燃料極電極を構成する第１の導電性膜と、空気が供給される空気極電極を構成する第２の導電性膜と、前記第１の導電性膜と前記第２の導電製膜とに挟持された電解質膜と、から構成されたシートを備えた燃料電池であって、前記シートが、前記第１の導電性膜及び前記第２の導電性膜のいずれか一方の膜同士が対向するように第１の折り目に従って折り重ねられており、更に、前記第１の折り目と直交する複数の第２の折り目に従って表裏交互に折り曲げられて構成される。
【０００８】
本発明の燃料電池は、第１の導電性膜、電解質膜及び第２の導電性膜をこの順に積層した３層構造のシートをセルとして用いており、係るシートを折り曲げることで、セルをコンパクトに構成することができる。このように本発明の燃料電池は、セルの構造がコンパクトであることから、後述のように第１の導電性膜及び第２の導電性膜を分割したり、シート状のセルを複数直列に接続することで容易に出力電圧を高めることができる。本発明の燃料電池は、電池セルの容積と比較して表面積を小さく形成することができることから、第２の導電性膜における反応で発生した熱をむやみに放出することなく、温度を高温に維持することができる。尚、本発明においては、第一の折り目に従って前記シートを折り重ねる際に、第１の導電性膜が密着するように折り重ねて、シートの内側に燃料極電極が形成されるように構成することが好ましい。尚、第２の折り目は、第１の折り目と完全に直交している必要はなく、略直交するものであればよい。
【０００９】
本発明の燃料電池は、前記第１の導電性膜及び前記第２の導電性膜が、前記第１の折り目及び第２の折り目の少なくとも一方に従って分割されるように構成することができる。本発明の燃料電池によれば、第１及び第２の導電性膜が第１及び第２の折り目の少なくとも一方、好ましくは第２の折り目に従って分割される、即ち、第２の折り目となりうる部位において分割されるように配置された第１及び第２の導電性膜を有する前記シートを用いて本発明の燃料電池を構成することで、複数のセルを有する燃料電池とすることができる。これにより、各セル部を小さな内部抵抗で直列に接続することができることから、燃料電池の出力電圧を高めることができる。また、本発明の燃料電池は、複数のセルを一枚のシートで形成することが可能であるため、これらのセルの各導電性膜を金属箔によって接続することができ、各セルを接続するための配線等を必要とすることなく、生産性が高い。また、本発明の燃料電池は、第１及び第２の導電性膜を分割してシート上に構成する際に、導電性膜を同一のサイズに形成することができ、別のシートを用いる必要がないため、各セルの接着を必要とせず、位置合わせをする必要がないため、更に生産性を高めることができる。
【００１０】
また、本発明の燃料電池は、前記シートの第２の折り目毎に絶縁体を挟持して構成するのが好ましい。これにより、特に第１及び第２の導電性膜を分割した場合に複数のセルを独立して形成することができる。また、絶縁体に多孔質のものを用いる、又は絶縁体に隙間を設けることにより、導電性膜への空気の供給を円滑に行うことができ、出力を向上させることができる。
【００１１】
更に、本発明の燃料電池は、前記絶縁体を介して対向する前記第１の導電性膜と前記第２の導電性膜とを導体によって接続することができる。これにより、複数のセルを直列に接続することができ、燃料電池の出力電圧を高めることができる。尚、前記導体としては、金属箔等を好適に用いることができる。このように、一枚のシート上に構成される複数のセルを金属箔によって接続することで、各セル部を接続するための配線等を必要とすることなく、コンパクトに複数セル構造の燃料電池を製造することができる。
【００１２】
本発明の燃料電池は、前記絶縁体を介して第２の導電性膜へ空気を供給することができる。本発明の燃料電池は、前記絶縁体を介して、第２の導電性膜に空気を供給することで、第２の導電性膜への空気の供給を円滑に行うことができ、出力を向上させることができる。空気が絶縁体を介して第２の導電性膜に供給されるようにするには、上述のように、絶縁体として、多孔質のもの、又は隙間を設けられたものを用いることができる。
【００１３】
本発明の燃料電池は、前記シートが貫通孔を有するように構成することができる。本発明の燃料電池によれば、前記シートを一方の側（例えば、第１の導電性膜側）から他方の側（第２の導電性膜側）に貫通する貫通孔を有することで、例えば、前記シートが、第１の導電性膜が密着するように（第１の導電性膜が内側となるように）、第１の折り目に従って折り重ねられている場合に、貫通孔を通じて、燃料極電極で発生した二酸化炭素（ＣＯ2）等を前記シートの折り重ねられた内側から外側に向かって容易に排出することができる。このように二酸化炭素を排出できるように構成すると、発生した二酸化炭素が触媒上にとどまることがないため、反応を阻害せず、出力の低減を防ぐことができる。
【００１４】
本発明の燃料電池は、前記液体燃料として、メタノール水溶液を用いることができる。本発明の燃料電池によれば、直接燃料としてメタノール水溶液を用いることで、効率的に電力を発生することができる。また、メタノールが電解質膜を通過して空気極電極に達するクロスオーバーを防止する観点から、上記メタノール溶液の濃度は、３質量％程度のものが好ましい。但し、本発明の燃料電池に用いられる液体燃料はメタノール水溶液に限定されるものではない
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、液体燃料を直接燃料とする燃料電池において、コンパクトで出力電圧が高く、高性能且つ製造が容易な燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態における燃料電池の要部構成を概略的に示す斜視図であり、図２は、図１の底面図である。図１及び図２において、燃料電池１００は、水素ガスが供給され燃料極電極を形成する第１の導電性膜１０１と、プロトン伝導性を有する電解質膜１０２と、空気が供給され空気極電極を形成する第２の導電性膜１０３と、を備え、第１の導電性膜１０１と第２の導電性膜１０２との間に電解質膜１０２が挟持された積層構造を有するシート１０５をセルとして備えている。
【００１７】
また、図２に示すように隣接する第２導電性膜１０３の間には、絶縁膜１０４が介在し、それぞれのセル部を分割した構成となっている。更に、図１及び図２に示すように本発明の燃料電池１００には、折り重ねられたシート１０５の内部から外部まで貫通する複数の貫通孔１０６が設けられており、第１の導電性膜１０１（燃料極電極）で発生したＣＯ2を、貫通孔１０６を通じてシート１０５の内部から外部へ排出できるように構成されている。
【００１８】
図２に示すように、燃料電池１００は、第１の導電性膜１０１が対向するように、即ち、第１の導電性膜１０１Ａと第１の導電性膜１０１Ｂとや第１の導電性膜１０１Ｃと第１の導電性膜１０１Ｄとが対向するように、折り重ねられたシート１０５が、表裏交互に折り曲げられてセル部が形成されている。第１の導電性膜１０１Ｂと第２の導電性膜１０３Ｃとや第１の導電性膜１０１Ｄと第２の導電性膜１０３Ｅとのように、絶縁膜１０４を介して対向する第１の導電性膜と第２の導電性膜とは、金属箔１０７Ａ又はＢによって接続されている。この際、例えば、金属箔１０７Ａの端部は、一端が第１の導電性膜１０１Ａと第１の導電性膜１０１Ｂとの間、他端が絶縁膜１０４と第２の導電性膜１０３Ｃとの間に挟み込まれている。
【００１９】
シート１０５について図３を用いて説明する。図３は、本発明におけるシートを説明するための要部概略図である。図３において、シート１０５は、電解質膜１０２の一方の面上に複数の第２の導電性膜１０３が形成されており、更に、他方の面（裏面）上に、第１の導電性膜１０１が形成されて構成されている。本発明においてシート１０５は、図３における点線Ａを折り目（第１の折り目）として、矢印ａの方向に折り重ねられている。この際、第１の導電性膜が設けられている側が折り重ねられたシート１０５の内側となる。更に、本発明におけるシート１０５は、点線Ａと直交する点線Ｂ及びＣを折り目（第２の折り目）として、矢印ｂ及びｃの方向に裏表交互に折り曲げられて構成されている。
【００２０】
続いて本発明の燃料電池を製造する方法について説明する。
図３に示すように、電解質膜１０２上には、帯状の第２の導電性膜の１０３が所定の間隔をおいて熱圧着法等によって貼りつけられている。また、これらの第２の導電性膜１０３面上と電解質膜１０２面上には第２の導電性膜１０３の長さ方向に直交する方向に帯状の絶縁膜１０４が貼り付けられており、所定の間隔を置いて貫通孔１０６が設けられている。更に、第１の導電性膜１０１の表面には金属箔１０７が第１の導電性膜１０１の一部を覆い且つ第１の導電性膜１０１の外側に露出するように貼り付けられている。
【００２１】
図３の１ａ−１ｂ線断面図である図４に示すように、電解質膜１０２の第２の導電性膜１０３を設けた面と反対側の面には、中央部（図中、破線で示す）を除く部分に所定の間隔をおいて、第１の導電性膜１０１が熱圧着法等によって貼り付けられている。また上述のように、金属箔１０７は第１の導電性膜の１０１の一部を覆い、且つ、第１の導電性膜１０１の外側に露出するように設けられている。
【００２２】
次に図４に示す４層構造のシート１０５を、図中破線で示す線（図３における点線Ａと同じ：第１の折り目）に沿って矢印ａで示す方向に２つ折りとして、図５に示すようにシート１０５を折り重ねる。この際、金属箔１０７は、図４における矢印ｄで示す方向に絶縁膜１０４を挟むように折り返す。次いで、シート１０５を図５に示すような状態から、図３における点線Ａと直行する点線Ｂ及びＣを折り目（第２の折り目）として、図６に示すように表裏交互に折り曲げることで、貫通孔１０６が設けられた本発明の燃料電池１００に用いられるシート１０５を形成することができる。この際、シート１０５を折り曲げることによって形成される複数の矩形状のセル（例えば、図２におけるセル２０１Ａ及び２０１Ｂ）は、金属箔１０７によって一方の第１の導電性膜と他方の第２の導電性膜とが接続されている。また、図７に示すように、上述のようにしてシート１０５を折りたたんで本発明の燃料電池を作製した場合、各点線Ｂ及びＣにおける第２の折り目毎に絶縁膜１０４が挟持されて構成される。
【００２３】
したがって、図３に示す第２の導電性膜１０３（２０２Ａ部分）と金属箔１０７（２０２Ｂ部分）は、シートを２つ折りとし、かつシートを巻き込んだ状態では、互いに接合されている。また、図１〜３においては、シート表面の要部のみを示しているが、電解質膜１０２は、図面上右側に連続したシートを形成しており、このシート状の電解質膜１０２の長さ方向に所定の間隔においてそれぞれの面に順次第１の導電性膜１０１と第２の導電性膜１０３とが貼り付けられている。そして、これらの第１の導電性膜１０１の幅と第２の導電性膜１０３の幅とは、図２で示す各セルを構成する矩形状のそれぞれの長辺及び短辺の長さに相当するように設定される。
【００２４】
次に本発明の燃料電池を形成する素材について説明する。
本発明において、第１の導電性膜１０１は、毛細管現象によって供給されたメタノールから水素イオンと電子とを放出させる役割を担う。第１の導電性膜１０１は、燃料極電極となる触媒を担持し海綿状構造を有する。上記触媒としては、メタノールと水とから水素イオン及び電子を放出させる反応に用いられる公知の触媒を適宜選定して用いることができる。上記触媒としては、例えば、Ｐｔ、Ｐｔ−Ｒｕ合金等を用いることができる。また、第１の導電性膜１０１は、例えば、海綿状材料に担持した触媒と、電解質膜１０２に用いられる高分子膜の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。これにより、あらかじめ導電性膜１０１と電解質膜１０２とが一体となるため、位置合わせ、接合等の製造工程を省略することができる。
【００２５】
電解質膜１０２は、第１の導電性膜１０１で発生した電子と水素イオンとのうち、水素イオンのみを通過させる膜であり、例えば、パーフルオロスルホン酸膜等の高分子膜で構成することができる。上記固体高分子膜としては、ナフィオン膜（デュポン社商標名）、フレミオン膜（旭硝子（株）商標名）、アシプレックス膜（旭硝子（株）商標名）等の市販品を好適に用いることができる。
【００２６】
第２の導電性膜１０３には、酸素を含む空気が供給され、第２の導電性膜１０３は、空気極電極となる触媒を担持しており、第１の導電性膜１０１と同様に海綿状構造を有する部材で形成することができる。上記触媒としては、酸素と水イオンと電子とから水を生成する反応に用いられる公知の触媒を適宜選定して用いることができる。具体的に上記触媒としては、例えば、Ｐｔ等を用いることができる。また、第２の導電性膜１０３は、上述の海綿状材料を用いることができ、この材料に担持した触媒と、電解質膜１０２に用いられる高分子膜の溶液と、結合剤等とを混合することで形成することができる。これにより、あらかじめ導電性膜１０３と電解質膜１０２とが一体となるため、位置合わせ、接合等の製造工程をなくすことができる。
【００２７】
上記導電性膜１０１及び導電性膜１０３に用いられる海綿状材料としては、多孔質カーボンシート、多孔質プラスチックシート又はガラスウールなどを用いて形成されており、導電性の観点から多孔質カーボンシートを用いることが望ましい。導電性膜１０１において、海綿状材料の多孔質構造中にメタノールを一定時間留めることで、電池セルからの発熱を十分にメタノールに伝えることができ、メタノールの加熱効率を高めることにより触媒が活性化され、セル出力を向上させることができる。
【００２８】
絶縁膜１０４としては、絶縁性の物質であるプラスチック、ガラス、ゴム等を適宜選定して用いることができる。特にプラスチックのように空気を通すために容易に多孔質とできる、又は、隙間を空けられる物質が好ましい。
【００２９】
本発明において貫通孔１０６の設けられる数及びサイズはＣＯ2の排出効果を損なわない範囲であれば、特に限定はない。同様に、貫通孔１０６が設けられる位置についても、特に限定はないが、シート１０５の内側（燃料電極側）で発生したＣＯ2を、シート１０５の外側に効率良く排出させる観点から、図３及び図７等に示すよう、貫通孔１０６は第１の折り目と第２の折り目とが直行する点の近傍に設けることが好ましい。
【００３０】
金属箔１０７としては、ニッケル合金、ステンレス、アルミニウム等が好適に使用することができ、特に耐蝕性の点からステンレスが好ましい。また、ステンレス表面に金メッキを施すことで接触抵抗の低減を図ることもできる。
【００３１】
次に本発明の燃料電池の発電機構について説明する。
本発明の燃料電池による発電機構について図８を用いて説明する。図８は、図１における３ａ−３ａ’線断面図である。図示していない燃料タンクから供給されたメタノールが毛細管現象により第１の導電性膜１０１全体に供給されると、導電性膜１０１内でメタノールが触媒と接触し、水素イオンと電子とＣＯ2とを放出する。この際、ＣＯ2は、貫通孔１０６を通過して燃料電池の外部に排出されるため、触媒上での反応を阻害することがなく、出力の低下を防ぐことができる。。また、燃料電池１００は、第２の導電性膜１０３からの発生する熱によって加熱されている。このため、メタノールの供給によって電池セルの温度が低下することなく、電池セルの温度を比較的高温に維持することができる。そのため、触媒を活性化させ高出力となる。
【００３２】
第１の導電性膜１０１で放出された水素イオンは電解質膜１０２を通過して第２の導電性膜１０３にまで到達し、酸素と反応して水を生成する。この際、絶縁膜１０４を多孔質構造とし該絶縁膜１０４に空気を供給することで、絶縁膜１０４を介して第２の導電性膜１０３における空気（酸素）を供給することができる。一方、第１の導電性膜１０１で放出された電子は、金属箔１０７を通じて絶縁膜１０４を介して隣接するセルの第２の導電性膜１０３にまで移動する。このとき、すべての導電性膜、電解質膜が一つのシートであるため隣接するセルとの接着、位置あわせを必要とせず、製造工数を減少させることができる。この電子の移動により、本発明の燃料電池は、図示を省略する外部装置等に電力を供給することができる。
【００３３】
尚、第１の導電性膜１０１で生成したＣＯ2及び第２の導電性膜１０３で生成した水は、燃料電池の外部に排出される。
【００３４】
本実施の形態における燃料電池によれば、燃料極電極及び空気極電極をそれぞれ分割し、電解質膜に貫通孔を設け、この電極部分が分割されたシートを、燃料局電極を内側にして折り重ね、一端が燃料極電極に挟まれる金属箔の他端を空気極電極と絶縁膜とで挟むように表裏交互に折り曲げることで、各セルの大きさが均一であり、直列に接続され、且つ、燃料極電極で発生したＣＯ2を容易に燃料電池の外部に排出することができる。これにより、出力電圧が高く、生産性の高い燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の燃料電池の要部構成を概略的に示す斜視図である。
【図２】本発明の燃料電池の要部底面図である。
【図３】本発明におけるシートを説明するための要部概略図である。
【図４】図３の１ａ−１ｂ線に沿う断面図である。
【図５】本発明におけるシートの形態を説明するための概略図である。
【図６】本発明におけるシートの形態を説明するための別の概略図である。
【図７】本発明の燃料電池の形態を説明するための斜視図である。
【図８】図１の３ａ−３ａ’線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１００    燃料電池
１０１    第１の導電性膜
１０２    電解質膜
１０３    第２の導電性膜
１０４    絶縁膜
１０５    シート
１０６    貫通孔
１０７    金属箔
【図１】
2005251740.tif 000003
【図２】
2005251740.tif 000004
【図３】
2005251740.tif 000005
【図４】
2005251740.tif 000006
【図５】
2005251740.tif 000007
【図６】
2005251740.tif 000008
【図７】
2005251740.tif 000009
【図８】
2005251740.tif 000010