(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の空気極を外部に通気させ、かつ前記空気極で発生した水を回収するための、燃料電池用水回収膜であって、
超高分子量ポリエチレン粉末を焼結して得た超高分子量ポリエチレン多孔質膜である、燃料電池用水回収膜。
【請求項２】
前記超高分子量ポリエチレン多孔質膜の厚さが、０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下である、請求項１に記載の燃料電池用水回収膜。
【請求項３】
前記超高分子量ポリエチレン多孔質膜が、１７μｍの平均孔径と、２５％の気孔率とを有する、請求項１または２に記載の燃料電池用水回収膜。
【請求項４】
前記超高分子量ポリエチレン多孔質膜の通気度が、４ｃｍ3／ｃｍ2・秒以上８ｃｍ3／ｃｍ2・秒以下である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池用水回収膜。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池用水回収膜を備えた燃料電池。
【請求項６】
ダイレクトメタノール型の燃料電池である請求項５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、燃料電池用の水回収膜および燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
携帯型電話機およびノート型計算機といった携帯型情報端末の電源として、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目されている。
【０００３】
ＤＭＦＣは、単位セルとして、固体高分子電解質膜と、当該膜を挟むように配置された燃料極および空気極と、を有する。燃料極では、下記の式（１）に示すように、メタノールと水とが１：１のモル比で反応し、二酸化炭素と水素イオンと電子とが発生する。二酸化炭素は、二酸化炭素排出口から装置外部に排出される。水素イオンは、電解質膜を経由して空気極に送られる。電子は、燃料電池セルに接続された外部回路を経由して空気極に送られる。空気極では、下記の式（２）に示すように、燃料極で生じた水素イオンおよび電子と、空気中の酸素とが反応する。こうして、空気極側に水（水蒸気）が発生する。
〔化１〕
ＣＨ3ＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2  ＋  ６Ｈ+  ＋  ６ｅ-    ・・・（１）
〔化２〕
１．５Ｏ2  ＋  ６Ｈ+  ＋  ６ｅ-  →  ３Ｈ2Ｏ    ・・・（２）
【０００４】
従来型のＤＭＦＣにおいて、空気極で発生した水は全て電池外に排出されていた。特許文献１に記載のＤＭＦＣでは、空気極で発生する水蒸気を、熱交換室の壁面および当該室内に配置された熱交換部材（例えば、金属製のフィン）に凝結させて集め、吸水性ポリマーシートに吸収させた状態で廃棄することによって、電池外に排出する。こうした方式のＤＭＦＣでは、燃料極において必要になる水が別途用意される。このため、貯水タンクの容量を大きくしないと電池を長時間駆動できないという問題があった。
【０００５】
上記の式（１）および式（２）に示すように、燃料極で消費されるメタノールおよび水と、空気極で発生する水とのモル比は１：１：３である。そこで、ＤＭＦＣの軽量化と長時間駆動とを両立させる観点から、空気極で発生する水分子のうち約１／３を回収し、燃料極で消費される水として活用するＤＭＦＣが提案されている（特許文献２）。特許文献２に記載のＤＭＦＣは、空気極から排出される空気および水蒸気を取り入れる水分回収機構を備えており、当該機構内に配置されたコールドトラップに水蒸気を凝結させることによって、空気極で発生した水を回収する。コールドトラップは、例えば熱電素子によって構成された状態、また例えば放熱フィンに接続された状態にあり、水分回収機構内の雰囲気温度よりも表面温度が低くなるように制御される。
【特許文献１】特開２００６−５４１３５号公報
【特許文献２】特開２００４−１５２５６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に記載の燃料電池は、空気極で発生する水を活用する機構を備えることによって軽量化されているものの、さらなる軽量化の観点からは未だ改善の余地がある。特許文献１に記載の燃料電池は、水蒸気の凝結と空気極の外気への通気とに別々の手段が用いられており、仮に、空気極で発生する水を活用する機構を形成したとしても、やはり、さらに軽量化できる余地がある。
【０００７】
本発明は、燃料電池の軽量化に適する新たな水回収膜の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）多孔質膜が、多孔質膜の材料として一般に使用される樹脂（例えば、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン）の多孔質膜に比べて、膜表面に水蒸気が凝結しやすいこと、換言すれば、膜表面に結露が発生しやすいことを見出した。こうした傾向は、ＵＨＭＷＰＥが結露の発生に適した比熱容量を有すること、さらにはＵＨＭＷＰＥ多孔質膜がＵＨＭＷＰＥ粉末の焼結体であることに起因すると考えられる。ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、膜表面に結露が発生した状態にあっても一定の通気性を確保しやすい。また、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、他の樹脂材料による多孔質膜と同様、粉塵の透過を防止できる。
【０００９】
本発明は、こうした知見に基づき、燃料電池の空気極を外部に通気させ、かつ前記空気極で発生した水を回収するための、燃料電池用水回収膜であって、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜からなる、燃料電池用水回収膜を提供する。また、本発明は、別の側面から、上記の本発明による水回収膜を備えた燃料電池を提供する。
【００１０】
本明細書において、「超高分子量ポリエチレン」とは、粘度平均分子量が５０万〜１０００万（好ましくは１００万〜７００万）のポリエチレンを意味する。
【発明の効果】
【００１１】
ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜を燃料電池用水回収膜に適用することによって、空気極で発生する水蒸気を高効率に凝結させること、空気極を外気に通気させること、および空気極への粉塵の侵入を防止することを１つの膜によって実現できる。したがって、本発明によれば、燃料電池を軽量化することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１Ａは、本発明による水回収膜の一例の断面図である。水回収膜１０は、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１のみによって構成された単層膜である。
【００１３】
図１Ｂは、水回収部材の一例の断面図である。水回収部材１５は、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１と、この膜と一体化された通気性補強層１３との二層膜である。通気性補強層１３の材料および構造は特に限定されないが、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１よりも通気性に優れていることが好ましい。通気性補強層１３の材料としては、ポリエチレン、ポリプロピレンといったポリオレフィン、ナイロン、アラミドといった芳香族ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートといったポリエステルを例示できる。通気性補強層１３の材料は、ステンレス鋼に代表される金属であってもよい。通気性補強層１３は、織布、不織布、ネット、メッシュなどであってよい。ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１と通気性補強層１３との一体化は接着および溶着等により行えばよい。水回収膜１５は、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１を空気極に向けた状態で使用される。
【００１４】
ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１では、後述する実施例に示すように、他の一般的な樹脂材料からなる多孔質膜に比べて膜表面に水蒸気が凝結しやすい。この理由は明らかではないが、本発明者は以下のように考えている。
【００１５】
（１）水回収膜は、空気極で発生した水蒸気を含む雰囲気に、当該雰囲気よりも低い温度に保った状態で接触させる。ここで、ＵＨＭＷＰＥの比熱容量は、２３００Ｊ／ｋｇ・℃（約０．６ｃａｌ／ｇ・℃）であり、多孔質膜の材料として一般に使用されるその他の樹脂の比熱容量に比べて顕著に大きい。例えば、ポリプロピレンの比熱容量は１９３０Ｊ／ｋｇ・℃であり、ポリテトラフルオロエチレンの比熱容量は１０５０Ｊ／ｋｇ・℃である。このため、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、膜の表面温度が上昇しにくく、より多量の水蒸気が凝結すると考えられる。なお、ダイレクトメタノール型の燃料電池の作動温度は約４０℃〜６０℃の範囲にあるため、水回収膜の温度は、当該作動温度に対して約２０℃以上低い状態（約２０℃〜４０℃の範囲）にあることが望ましい。水回収膜におけるこうした温度状態は、水回収膜を外気に露出させ空冷させることによって十分に実現できる。
【００１６】
（２）ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、後述するように、予備成形したＵＨＭＷＰＥ粉体をＵＨＭＷＰＥの融点以上の温度で焼結して得ることができる。こうして得たＵＨＭＷＰＥ粉体の焼結体であるＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、延伸による多孔質膜に比べて、雰囲気中の水分子を捕捉しやすい多孔質構造を有する状態になっていると考えられる。
【００１７】
ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１の厚さは、例えば０．２ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、また例えば０．３ｍｍ以上１ｍｍ以下、さらには０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下の範囲にあってよい。ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１の平均孔径は、例えば１０μｍ以上３５μｍ以下、さらには１５μｍ以上２５μｍ以下の範囲にあってよい。ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１の気孔率は、例えば１０％以上５０％以下、さらには２０％以上４０％以下の範囲にあってよい。ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１は、外気中の粉塵の透過を防止できる状態にあることが望ましい。ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜１１の厚さ、平均孔径および気孔率が上記の範囲にあると、水回収膜による、空気極で生じた水の高効率な回収、空気極と外気との良好な通気、および空気極への粉塵の侵入の防止を、容易に実現できる。
【００１８】
結露発生時における空気極と外気との良好な通気状態は、水回収膜の主面の面積が広いほど、換言すれば、面形状が矩形の場合には、縦方向の長さおよび横方向の長さを大きく設定するほど、より確実に得られる。主面の面積は、燃料電池の発電容量等によるが、例えば１０００ｍｍ2以上、さらには１５００ｍｍ2以上の範囲にあってよい。
【００１９】
ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、耐摩耗性および離形性に優れ、低い摩擦係数を有する通気性膜である。従来、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、例えば、異方性導電フィルムを介した電子部品の接合作業時の圧着離型シート、また例えば、光ピックアップ装置においてレンズと光情報記録媒体との接触を防止するための保護シートといった、接触対象物の破損防止および優れた耐久性が要求される用途に適用されてきた。しかし、本発明におけるように、膜表面による水蒸気の凝結のしやすさに着目した用途はこれまでに知られていない。
【００２０】
ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜の原料としては、粘度平均分子量が５０万〜１０００万、好ましくは１００万〜７００万のＵＨＭＷＰＥを用いる。こうしたＵＨＭＷＰＥは、商品名「ハイゼックスミリオン」（三井石油化学工業社製）、商品名「ホスタレンＧＵＲ」（ティコナ社製）として市販されている。ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、焼結法によって、こうしたＵＨＭＷＰＥから焼結体を形成することによって得る。焼結法としては、本発明者が先に提案した方法（特許第２０２００２６号）を例示できる。具体的には、まず、ＵＨＭＷＰＥ粉末を金型に充填し、ＵＨＭＷＰＥ粉末の融点よりも低い温度で加熱した後加圧することによって、予備成形物を形成する。この予備成形物を減圧雰囲気中に放置することによって内部の空気を除去する。続いて、ＵＨＭＷＰＥの融点以上に加熱した水蒸気雰囲気中で焼結した後、冷却することによって、ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜を得る。なお、特許第２０２００２６号に記載の焼結法によれば、不純物の少ない粉末状の原料に何も添加せずに焼結のみを行うため、不純物が含まれないクリーンな原反シートが得られる。ＵＨＭＷＰＥ多孔質膜は、商品名「サンマップ」（日東電工株式会社製）として入手できる。
【００２１】
本発明による水回収膜および水回収部材は、ＤＭＦＣ、特にパッシブ型のＤＭＦＣに好適に適用できる。図２は、本発明による燃料電池の一例を示す模式図である。燃料電池２０は、パッシブ型ＤＭＦＣであり、燃料極２１、固体高分子電解質膜２２、空気極２３、本発明による水回収膜１０、回収水処理機構２４および燃料室２５を有している。水回収膜１０は、図２に示すように、空気極２３と外気との間に配置することが望ましい。回収水処理機構２４は、燃料室２５から燃料極２１に導入される燃料（メタノール）３モルに対し１モルの割合で、水回収膜１０を介して回収された水の一部を燃料極２１に導入し、回収された水のうち不要な水を外気に蒸散させる。水回収膜１０に凝結させた水は、例えば、毛管現象を生じ得る管を、当該管の一方の端部が水回収膜に接し、他方の端部が回収水処理機構２４に挿入されるように配置し、当該管を介して水を水回収膜１０から回収水処理機構２４に送ることによって回収できる。燃料電池２０は、水回収膜１０に代えて、本発明による水回収部材１５を備えた状態にあってもよい。
【００２２】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。
【００２３】
（実施例１）
厚さ０．５ｍｍのＵＨＭＷＰＥ多孔質膜（日東電工株式会社製サンマップ）を用意した。表１に、この膜の気孔率および通気度といった各種特性を示す。この膜の平均孔径は１７μｍである。以降の実施例および比較例についての各種特性も表１に示す。
【００２４】
（実施例２）
厚さ１．０ｍｍのＵＨＭＷＰＥ多孔質膜（日東電工株式会社製サンマップ）を用意した。この膜の平均孔径も１７μｍである。
【００２５】
（比較例１）
厚さ１．０ｍｍのポリプロピレン（ＰＰ）不織布を用意した。
【００２６】
（比較例２）
厚さ０．２ｍｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）メッシュを用意した。
【００２７】
〔結露試験〕
１０℃に冷却した状態にある実施例１〜２および比較例１〜２の膜を、湿度８５％、温度３０℃の雰囲気中に１０分間保持した。その後、それぞれの膜において凝結した水（結露水）の質量を測定した。結果を表１に示す。
【００２８】
【表１】
0005252943.tif 000002
【００２９】
表１に示すように、実施例１〜２の膜により、比較例１〜２の膜に比べて多くの水が回収された。
【産業上の利用可能性】
【００３０】
本発明は、燃料電池の軽量化に適した水回収膜を提供するものとして、燃料電池の軽量化が要求される各分野において多大な利用価値を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１Ａ】本発明による水回収膜の一例の断面図である。
【図１Ｂ】水回収部材の一例の断面図である。
【図２】本発明による燃料電池の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００３２】
１０  水回収膜
１１  超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷＰＥ）多孔質膜
１３  通気性補強層
１５  水回収部材
２０  燃料電池
２１  燃料極
２２  固体高分子電解質膜
２３  空気極
２４  回収水処理機構
２５  燃料室
【図１Ａ】
0005252943.tif 000003
【図１Ｂ】
0005252943.tif 000004
【図２】
0005252943.tif 000005