(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜の両面にそれぞれ設けられるアノード電極及びカソード電極を備えるメンブレイン電極アセンブリと、
前記アノード電極及び前記カソード電極とそれぞれ対向するように設置され、内面に流路が形成された導電性アノードプレート及び導電性カソードプレートと、
前記導電性カソードプレートの流路を横切るように、前記カソード電極の一部表面に形成され、前記流路上における前記カソード電極の表面に集まった水を吸収して、吸収した水を前記カソードプレートと接触するように移動させる親水性部材と、
を備え、
前記カソードプレートは、親水性であり、前記親水性部材が移動させた水を吸収することを特徴とする、直接液体燃料電池。
【請求項２】
前記親水性部材は、規則性メソポーラスシリカとＰＶｄＦとが混合された溶液を用いて前記カソード電極の一部表面をコーティングすることにより、前記カソード電極の一部表面に形成されることを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池。
【請求項３】
前記カソードプレートの一側に設置され、前記カソードプレートが吸収した水を吸収する吸湿部材をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池。
【請求項４】
前記吸湿部材の一端に連結され、前記吸湿部材が吸収した水を前記アノード電極に循環させるウォーターポンプをさらに備えることを特徴とする、請求項３に記載の直接液体燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直接液体燃料電池に係り、さらに詳細には、カソード電極で生成された水が酸素供給通路をふさぐことを防止する構造を有する直接液体燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接液体燃料電池は、メタノール、エタノールなどの有機化合物燃料と酸化剤である酸素（空気内の酸素）との電気化学反応によって電気を生成する発電装置であって、エネルギー密度及び電力密度が非常に高く、メタノールなど液体燃料を直接使用するため、燃料改質器など周辺装置が不要であり、燃料の保存及び供給が容易であるという長所を有する。
【０００３】
直接液体燃料電池の単位セルは、図１に示されたように、アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在してメンブレイン電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）構造を形成する。各アノード電極２及びカソード電極３の構造は、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層２２、３２と、燃料の酸化／還元反応が起きる触媒層２１、３１と、電極支持体２３、３３と、を備える。電極支持体２３、３３の上部には、導電性プレート４、５が設置され、導電性プレート４、５には、流路４１、５１が形成されている。
【０００４】
直接液体燃料電池のうち、メタノールと水とを混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ、以下ＤＭＦＣ）の電極反応は、燃料が酸化されるアノード反応と水素イオン及び酸素の還元によるカソード反応とで構成され、反応式は、次の通りである。
【０００５】
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−（アノード反応）・・・（反応式１）
【０００６】
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ（カソード反応）・・・（反応式２）
【０００７】
ＣＨ３ＯＨ＋３／２Ｏ２→２Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２（総括反応）・・・（反応式３）
【０００８】
酸化反応（反応式１）が起きるアノード電極２では、メタノールと水との反応によって二酸化炭素、６個の水素イオン及び電子が生成され、生成された水素イオンは、水素イオン交換膜１を経てカソード電極３に伝えられる。還元反応（反応式２）が起きるカソード電極３では、水素イオンと外部回路を通じて伝えられた電子及び酸素間の反応によって水が生成される。したがって、ＤＭＦＣ総括反応（反応式３）は、メタノールと酸素とが反応して水及び二酸化炭素を生成する反応となる。
【０００９】
ＤＭＦＣの単位セルの発生電圧は、理論的には１．２Ｖ程度であるが、常温、常圧条件で開回路電圧は、１Ｖ以下となり、実際の作動電圧は、活性化過電圧及び抵抗過電圧による電圧降下が起きるために０．４〜０．６Ｖほどとなる。したがって、所望の容量の電圧を得るためには、数枚の単位セルを直列に連結しなければならない。このような単位セルの連結は、一つの電解質膜に複数の単位セルを形成するモノポーラタイプと、複数の単位セルを積層したスタックタイプがある。
【００１０】
導電性プレート４のカソード電極３と対面する面には、流路４１が形成されている。カソード電極３で生成された水が電極支持体３３の表面に形成されて大きい水滴になると、空気の通路をふさぐために発生電力が不安定になる。
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６８９０６８０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を改善するために創出されたものであって、カソード電極に酸素を供給する流路上の電極支持体に形成された水を容易に除去する構造を備えた直接液体燃料電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
前記目的を達成するために、本発明の直接液体燃料電池は、電解質膜の両面にそれぞれ設けられるアノード電極及びカソード電極を備えるメンブレイン電極アセンブリと、前記アノード電極及び前記カソード電極とそれぞれ対向するように設置され、内面に流路が形成された導電性アノードプレート及び導電性カソードプレートと、前記導電性カソードプレートの流路を横切るように、前記カソード電極の一部表面に形成され、前記流路上における前記カソード電極の表面に集まった水を吸収して、吸収した水を前記カソードプレートと接触するように移動させる親水性部材と、を備え、前記カソードプレートは、親水性であり、前記親水性部材が移動させた水を吸収することを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、前記親水性部材は、規則性メソポーラスシリカとＰＶｄＦとが混合された溶液を用いて前記カソード電極の一部表面をコーティングすることにより、前記カソード電極の一部表面に形成される。
【００１５】
前記親水性部材の幅は、０．１〜５ｍｍであり、前記親水性部材間の間隔は、１〜１０ｍｍであることが望ましい。
【００１６】
前記親水性部材は、前記カソード電極の面積の５〜５０％を占めることが望ましい。
【００１７】
前記親水性部材は、前記カソードプレートの流路と４５°以上の角をなすことが望ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明による直接液体燃料電池は、カソード電極と導電性プレートと間に親水性部材が形成されて、カソード電極で生成された水が親水性の導電性プレートに移動し、次いで導電性プレートに吸収された水が吸湿部材に移動するので、カソード電極への空気供給が円滑になり、したがって、燃料電池の出力電圧が安定的に維持される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、添付された図面を参照しながら本発明による直接液体燃料電池の望ましい実施形態を詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００２０】
図２は、本実施形態にかかる直接液体燃料電池の一部構造を概略的に示す断面図であり、図３は、図２のカソードプレートに接触するストライプ状の親水性部材を示す斜視図である。従来の構成要素と実質的に同じ構成要素については、同じ参照番号を使用し、その詳細な説明は省略する。
【００２１】
図２を参照すれば、本実施形態にかかる直接液体燃料電池は、電解質膜１の両面にそれぞれ設けられるアノード電極２及びカソード電極３を備えるメンブレイン電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、前記アノード電極２及び前記カソード電極３とそれぞれ対向するように設置され、内面に流路４１、５１が形成された導電性アノードプレート５及び導電性カソードプレート４とを備える。
【００２２】
カソード電極３は、触媒層３１、拡散層３２、及び電極支持層３３からなっている。電極支持層３３は、カーボン支持層から形成されうる。導電性カソードプレート４は、複数の溝である流路４１を形成する突出部４４が形成されている。電極支持層３３の表面には、流路４１を横切るように親水性部材５０がストライプ状にコーティングされる。前記カソードプレート４は、親水性物質からなる。
【００２３】
図３を参照すれば、空気が流れる領域である流路４１を形成する突出部４４が平行に配置されている。親水性部材５０は、流路を横切るようにカソード電極３上に形成される。図４は、電極支持層３３上に形成されたストライプ状の親水性部材５０を示す写真である。
【００２４】
前記親水性部材５０は、中型多孔性シリカ（Ｏｒｄｅｒｅｄ  Ｍｅｓｏｐｏｒｏｕｓ  Ｓｉｌｉｃａ：ＯＭＳ）とＰＶｄＦ（ポリフッ化ビニリデン）とが混合された溶液から形成されうる。また、親水性部材５０の幅は、０．１〜５ｍｍ程度で形成され、親水性部材５０間の間隔は、１〜１０ｍｍであることが望ましい。前記親水性部材５０は、前記カソード電極３の表面積の５〜５０％であることが望ましい。前記親水性部材５０は、流路４１と４５〜９０°の角をなして形成されることが望ましい。
【００２５】
一方、前記カソードプレート４には、前記カソードプレート４に吸収された水を吸収する吸湿部材６０、例えば多孔性フォームがその一側に設置されることが望ましい。前記吸湿部材６０には、水をアノード電極２に循環させるウォーターポンプ（図示せず）がさらに設置されうる。
【００２６】
本実施形態にかかる直接液体燃料電池の作用を図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
カソード電極３反応で生成された水は、拡散層３２を経て電極支持層３３に集まる。電極支持層３３に集まった水滴（図２のＷ）は、図２に示されたように、接触した親水性部材５０に吸収されて、カソードプレート４の突出部４４に移動する。次いで、突出部４４に吸収された水は、吸湿部材６０方向に移動する。したがって、カソード電極反応で生成された水がカソードプレート４の流路４１から容易に除去されるので、カソードプレート４から電極支持層３３への空気の流れを妨げず、したがって燃料電池の性能向上と安全性に寄与する。
【００２８】
図５Ａ〜図５Ｄは、本実施形態にかかる燃料電池を製造する過程を説明する断面図である。
【００２９】
図５Ａを参照すれば、カーボン支持体（カーボン紙）３３を２０ｗｔ％のＰＴＦＥが含まれるようにＰＴＦＥ溶液に浸漬する。次に、カーボン紙３３上に５０％ＰＴＦＥ溶液を混合したカーボンスラリーを１．５ｍｇ／ｃｍ２厚さにスプレーした後、３５０℃で３０分間熱処理してカーボン拡散層３２を形成する。
【００３０】
図５Ｂを参照すれば、親水性部材５０を形成するための溶液を製造する。アセトンにＯＭＳ：ＰＶｄＦ＝１：１（重量比）を入れて、３０分間混合して親水性溶液を製造する。製造された親水性溶液をカーボン紙３３上にマスクを利用してスプレーする。この時、親水性溶液は、幅は０．５ｍｍ、幅間隔は３ｍｍであり、カーボン紙３３上にコーティングされて親水性部材５０を形成する。
【００３１】
次に、親水性部材５０が形成された結果物を１７０℃で３０分間熱処理する。
【００３２】
図５Ｃを参照すれば、触媒層（６ｍｇ／ｃｍ２）３１をカーボン拡散層３２上にスプレーする。次に、カソード電極３を８０℃で２時間熱処理する。
【００３３】
図５Ｄを参照すれば、前記製造されたカソード電極３と別途に形成されたアノード電極とを、電解質膜１を挟んで熱圧着する。この時、条件は１２５℃で２トン圧力で３分間圧着する。
【００３４】
図６は、本実施形態にかかる燃料電池の開路電圧テストした結果を示すグラフである。図６を参照すれば、１モルメタノールと量論比が３となるように空気を供給した。５０℃で電圧を測定し、単位セルの面積は１０ｃｍ２であった。ストライプ状の親水性部材が形成されたカソード電極を使用した燃料電池単位セルの電圧が従来の燃料電池と同じような電圧特性を示す。これは、本実施形態にかかる燃料電池でカソード電極を貫通する空気とカーボン支持体の電気導電性とが親水性部材の影響を受けないということを示す。
【００３５】
図７は、本実施形態にかかる燃料電池の０．３Ｖでの静電圧テストした結果を示すグラフである。図７を参照すれば、１モルメタノールと量論比が３となるように空気を供給した。５０℃で電流密度を測定し、単位セルの面積は１０ｃｍ２であった。ストライプ状の親水性部材が形成されたカソード電極を使用した燃料電池単位セルの電流密度が従来の燃料電池の電流密度より安定したことを示す。これは、本実施形態にかかる燃料電池におけるカソード電極では、水の流れが空気の流れを妨げないということを示す。
【００３６】
図８及び図９は、それぞれ親水性ストライプを使用した本実施形態にかかる燃料電池と親水性ストライプを使用しない従来の燃料電池の０．４Ｖでの静電圧テストした結果を示すグラフである。１モルメタノールと量論比が９または５となるように空気を供給した。５０℃で電流密度を測定し、単位セルの面積は２５ｃｍ２であった。
【００３７】
量論比が９である空気を使用した場合、従来の燃料電池（図９参照）と本実施形態にかかる燃料電池（図８参照）とが何れも安定した電流密度を示す。しかし、空気量を量論比５に減らした場合、従来燃料電池の単位セルの電流密度は、非常に不安定で次第に減少するが、ストライプ状の親水性部材が形成されたカソード電極を使用した燃料電池の単位セルの電流密度は、減少せずに非常に安定的な値を示す。これは、本実施形態にかかる燃料電池カソード電極でストライプ状の親水性部材が水を効果的に除去することによって、低い空気流量でもカーボン支持体を通過する空気の流れが妨げないということを示す。
【００３８】
本発明は、図面に示された実施形態を参考として説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は、特許請求の範囲によって決定されなければならない。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、直接液体燃料電池関連の技術分野に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】直接燃料電池の単位セル構造を示す説明図である。
【図２】直接液体燃料電池の一部構造を概略的に示す断面図である。
【図３】図２のカソードプレートに接触するストライプ状の親水性部材を示す斜視図である。
【図４】電極支持層上に形成されたストライプ状の親水性部材を写真で示す説明図である。
【図５Ａ】燃料電池を製造する過程を説明する断面図である。
【図５Ｂ】燃料電池を製造する過程を説明する断面図である。
【図５Ｃ】燃料電池を製造する過程を説明する断面図である。
【図５Ｄ】燃料電池を製造する過程を説明する断面図である。
【図６】燃料電池の開路電圧テストした結果をグラフで示す説明図である。
【図７】燃料電池の０．３Ｖでの静電圧テストした結果を示すグラフである。
【図８】親水性ストライプを使用した燃料電池の０．４Ｖでの静電圧テストした結果をグラフで示す説明図である。
【図９】親水性ストライプを使用しない従来の燃料電池の０．４Ｖでの静電圧テストした結果をグラフで示す説明図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  電解質膜
２  アノード電極
３  カソード電極
４  導電性カソードプレート
３１  触媒層
３２  拡散層
３３  電極支持層
４１  流路
４４  突出部
５０  親水性部材
【図１】
0004499690.tif 000002
【図２】
0004499690.tif 000003
【図３】
0004499690.tif 000004
【図５Ａ】
0004499690.tif 000005
【図５Ｂ】
0004499690.tif 000006
【図５Ｃ】
0004499690.tif 000007
【図５Ｄ】
0004499690.tif 000008
【図６】
0004499690.tif 000009
【図７】
0004499690.tif 000010
【図８】
0004499690.tif 000011
【図９】
0004499690.tif 000012
【図４】
0004499690.tif 000013