(57)【要約】【課題】  液体燃料を直接燃料とする燃料電池、特に巻き込み型の燃料電池において、出力電圧を高めることができる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との間に狭持される電解質膜１０２と、第２の導電性膜１０３上に設けられた絶縁膜１０４とを備えたシートを巻き込むことによって複数のセル部を有する燃料電池であって、前記セル部の第１の導電性膜１０１と該セル部に隣接するセル部の第２の導電性膜１０３が金属箔１０５によって接続されている。【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、第１の導電性膜と第２の導電性膜との間に狭持される電解質膜と、第２の導電性膜上に設けられた絶縁膜とを備えたシートを巻き込むことによって複数のセル部を有する燃料電池であって、前記セル部の第１の導電性膜と該セル部に隣接するセル部の第３の導電性膜が金属箔によって接続されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記シートが渦巻き状に巻き込まれていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
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、第１の導電性膜と第２の導電性膜との間に狭持される電解質膜と、第２の導電性膜上に設けられた絶縁膜とを備えたシートを前記第１の導電性膜の一部と絶縁膜の一部との間に金属箔が狭持されるように２つに折り返し、これを巻き込むことを特徴とする燃料電池の製造方法。
【請求項４】
前記シートを２つに折り返し、これを渦巻き状に巻き込むことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池の製造方法。
【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】
メタノールを直接燃料とした従来のモバイル機器用燃料電池は図７に示すように、燃料極１０１上に電解質膜１０２を介して空気電極１０３が積層された積層体３０１を，図中破線で示す部分で折り曲げ、これを巻き込むことによってセルを構成している。このセルは、図６に示すように単セルのため、出力電圧が０．３〜０．７Ｖ程度であり負荷の電子回路の電源電圧に合わせた電圧を供給することができず、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバーターなどを必要としていた。また、同一の電力を低電圧で供給する場合、供給する電流が大きくなり、燃料電池の出力に直列に発生する抵抗によって抵抗×電流の二乗に相当する損失が生じ、効率が低下するという問題があった。
【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】
【０００５】
本発明は、液体燃料を直接燃料とする燃料電池、特に巻き込み型の燃料電池において、出力電圧を高めることができる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】
【０００６】
上記目的を解決するために、請求項１に記載の燃料電池は、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、第１の導電性膜と第２の導電性膜との間に狭持される電解質膜と、第２の導電性膜上に設けられた絶縁膜とを備えたシートを巻き込むことによって複数のセル部を有する燃料電池であって、前記セル部の第１の導電性膜と該セル部に隣接するセル部の第３の導電性膜が金属箔によって接続されていることを特徴とする。
【０００７】
請求項１に記載の燃料電池は、第１の導電性膜、電解質膜、第２の導電性膜及び絶縁膜からなる４層のシートを巻き込んだ構造からなっており、複数のセル部を構成することができ、これらのセル部の導電性膜を金属箔によって接続しており、コンパクトな構造で、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、各セル部は小さな内部抵抗で直列に接続されため、出力電圧が高められる。
【０００８】
請求項２に記載の燃料電池は、前記シートが渦巻き状に巻き込まれていることを特徴とする。
【０００９】
請求項２に記載の燃料電池は、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、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、燃料電池の温度が高温に維持される。
【００１０】
請求項３に記載の燃料電池の製造方法は、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、第１の導電性膜と第２の導電性膜との間に狭持される電解質膜と、第２の導電性膜上に設けられた絶縁膜とを備えたシートを前記第１の導電性膜の一部と絶縁膜の一部との間に金属箔が狭持されるように２つに折り返し、これを巻き込むことを特徴とする。
【００１１】
請求項３の記載の燃料電池の製造方法は、帯状の４層構造のシートを用意し、これに金属箔を挟む込むようにして２つ折りにすることによって各セル部は金属箔によって接続されるコンパクトな構造となる。
【００１２】
請求項４に記載の燃料電池の製造方法は、前記シートを２つに折り返し、これを渦巻き状に巻き込むことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の燃料電池の製造方法は、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、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、温度が高温に維持される燃料電池を簡便に製造することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、液体燃料を直接燃料とする燃料電池、特に巻き込み型の燃料電池において、出力電圧を高めることができる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】
【００１５】
本発明の第一の実施の形態について図面を用いて説明する。図１は、第１の実施の形態における燃料電池の要部構成を示す断面図、第２図は第１図の底面図である。図において、第１の導電性膜１０１、第２の導電性膜の１０３の間には、電解質膜１０２が挟持されており、第１導電性膜１０１に隣接する第１導電性膜１０１との間には、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。一方の第１導電性膜１０１の一部には金属箔１０５が挟み込まれ、この金属箔が隣接する第１導電性膜１０１に接続されている。
【００１６】
次にこの燃料電池を製造する方法に説明し、この方法で得られる燃料電池の構造を詳細に説明する。
図３は、燃料電池を製造するためのシートの要部平面図であって、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、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が貼り付けられている。
【００１７】
また，図４及び図５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、第１の導電性膜１０１の幅方向の中央部（図中、破線で示す）を除く部分に所定の間隔をおいて、熱圧着法等により第１の導電性膜が貼り付けられ、電解質膜１０２の絶縁膜が１０４が設けられた面に対応する部分の第１の導電性膜の１０１の一部を覆うように、かつ第１の導電性膜１０１の外側に露出するようにして金属箔１０５が設けられている。
【００１８】
次に図４に示す４層構造のシートを図中、破線で示す線に沿って図中，矢印Ａで示す方向に２つ折りとし、かつ金属箔１０５を図中、矢印Ｂで示す方向に折り返す。この状態でシートを図３の絶縁膜１０４の長さ方向に沿って順次巻きこむと、図２に示すように多数の矩形状のセル部が金属箔１０５によって電極が接続された構造の渦巻き状の燃料電池を得ることができる。
【００１９】
したがって、渦巻き状の燃料電池において、図３及び図５に示す第３の導電性膜１０３（２０２A部分）と金属箔１０５（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と第２の導電性膜１０３の幅（図中、Ｌで示す）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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。上記パーフルオロフルホン酸膜としては、デュポン社製のナフィオン（Ｒ）等の市販品を好適に用いることができる。
【００２２】
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。
【００２３】
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、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ができる。
【００２４】
金属箔１０５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。
【００２５】
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１を用いて説明する。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第１の導電性膜１０１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、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。
【００２６】
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に到達し、第２の導電性膜１０３において酸素と反応して水を生成する。一方、第１の導電性膜１０１で放出された電子は、金属箔１０５を通じて第２の導電性膜１０３にまで移動する。この電子の移動により、本発明の燃料電池は、外部装置等に電力を供給することができる。
【００２７】
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。
【００２８】
本実施の形態における燃料電池によれば、燃料極電極、空気極電極をそれぞれ分割し、空気極電極上に絶縁膜を形成し、この電極部分が分割された４層構造のシートを金属箔で挟むように２つ折りし、金属箔の一部を絶縁膜の外側に折り返して巻き込むことによって，各セル部の電極が接続されるため、配線等を要することなく、各セル部が直列に接続される。したがって、小さい内部抵抗で、単電池セルの出力電圧×直列接続数に相当する高い出力電圧を得ることができる。
【００２９】
尚、電池セル巻き込みは、中心部を比較的緩く巻き込み、周辺部はきつめに巻き込むことによって、燃料電池の反応点を中心部では比較的少なくし、周辺部では多くすることで、燃料電池の反応温度を電池セル全体で均一になるようにすることができる。これにより、装置の局部的な劣化を防止することができる。
【００３０】
また、前記した実施の形態においては，多数の矩形状のセル部が金属箔１０５によって電極が接続された構造の渦巻き状の燃料電池を形成した例を示したが、本発明は、燃料極電極、空気極電極をそれぞれ分割し、空気極電極上に絶縁膜を形成し、この電極部分が分割された４層構造のシートを金属箔で挟むように２つ折りし、金属箔の一部を絶縁膜の外側に折り返して巻き込む際に、矩形状に各セル部が連続して構造とすることなく、円形状に巻き込む構造であってもよい。
【００３１】
この場合、電池セルの巻き込みの際、円形状の内周部分と外周部分とによって伸び率が異なるので、シートを形成する各材料と共に金属箔について可撓性等を配慮して材料を選定することが望ましい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態における燃料電池の基本構成を示す要部断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態における燃料電池の要部底面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態における燃料電池を製造するためのシートの平面図である。
【図４】図３の１ａ−１ｂ線に沿う断面図である。
【図５】図３の２ａ−２ｂ線に沿う断面図である。
【図６】従来の燃料電池のセル構造を示す概略的構成図である。
【図７】図６の燃料電池を製造するためのシートの断面図である。
【符号の説明】
【００３３】
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    金属箔
２０２Ａ  金属箔（接合部分）
２０２Ｂ  第２の導電性膜（接合部分）
【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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【図６】
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【図７】
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