(57)【要約】【課題】発電により生成される水を効率よく外部に排出することが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】第１の電極と第２の電極とが電解質層を挟んで設置された発電部を有する燃料電池であって、前記発電部で生成される生成水を吸収するための親水性ととともに、吸収された該生成水を乾燥させるための疎水性を有する吸撥水部を有することを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極と第２の電極とで電解質層を挟持してなる発電部を有する燃料電池であって、
親水性と疎水性とを併せ持つ吸撥水部を筐体内に有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記吸撥水部を構成する材料は、親水性を示す官能基を有するフッ素系ポリマーよりなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記吸撥水部を構成する材料は、少なくとも、スルホン酸基、カルボン酸基、および水酸基のうちのいずれか１つを有することを特徴とする請求項２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記吸撥水部を構成する材料は、抗菌剤を含むことを特徴とする請求項１乃至３のうち、いずれか１項記載の燃料電池。
【請求項５】
前記吸撥水部は、繊維状アクリル系ポリマーとフッ素系ポリマーとを含むことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電により水が生成される燃料電池、および該燃料電池による発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ポータブル機器の高性能化・多機能化は著しく、軽量小型化や長時間オペレーションを可能にするために従来のＮｉ-Ｃｄ電池やニッケル水素電池等にかわり，高いエネルギー密度を有するリチウムイオン二次電池が広く採用されてきている。
【０００３】
しかし、昨今の高度情報通信網の普及による携帯機器の情報通信機能強化やオペレーション時間の増加などから、さらに高容量化された電池が切望され、リチウムイオン電池と比較して数倍の高容量化が期待される燃料電池に注目が集まっている。
【０００４】
燃料電池は、例えば、りん酸型、固体電解質型、溶融炭酸塩型、高分子固体電解質型などに分類されるが、携帯用小型燃料電池には、室温付近での動作が可能な高分子固体電解質型燃料電池が適している。
【０００５】
上記の高分子固体電解質型の燃料電池においては、直接電極上にメタノールなどの有機燃料を供給することでエネルギー密度を向上させた、いわゆるダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）が特に小型化・軽量化に適している。
【０００６】
ダイレクトメタノール方式では、燃料極上の触媒によりメタノール水溶液からプロトン（Ｈ＋）と二酸化炭素が生成され、プロトンは高分子固体電解質膜中を透過して酸素と化合して水を生成する。ここで、燃料極、空気極を外部回路に接続することで電力が取り出すことができる。
【特許文献１】特開２００５−６３７７４号公報
【特許文献２】特開２００３−２０３６６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、燃料電池においては、空気極（酸素極）で水（水蒸気）が生成されることが特徴であり、生成される水の処理が困難となる場合が生じていた。例えば、生成された水は、空気極から燃料電池の外部へ放出されるか、または、回収して燃料側へ戻す方法がとられる場合がある。
【０００８】
しかし、生成される水の量が多くなると、燃料電池の周囲の環境（例えば電気回路や電子部品など）において結露が発生し、燃料電池の使用環境を悪化させてしまう問題が発生する場合がある。また、生成水を回収する過程では、燃料電池筐体内壁などで生成水が結露することがあり、結露水による電子回路や構成材料の腐食が懸念される。
【０００９】
上記の特許文献１（特開２００５−６３７７４号公報）には、発電による生成水を回収するための回収容器が連結された燃料電池が開示されている。しかし、上記の特許文献１に係る燃料電池では、回収容器を設置するためのスペースが必要になり、また、燃料電池（回収容器）の構造が複雑になる問題があった。このため、携帯用の小型燃料電池に上記の構造を適用するのは困難である。
【００１０】
また、上記の特許文献２（特開２００３−２０３６６８号公報）には、発電による生成水を吸水性ポリマーに吸収させる回収カートリッジ（回収装置）を有する燃料電池が開示されている。しかし、上記の燃料電池では、回収カートリッジを設置するためのスペースが必要となって小型化対応が困難となるとともに、回収カートリッジの交換が必要となる問題があった。上記の回収カートリッジに用いられる吸水性ポリマーは一般的に吸水性能は高いものの吸水後に水分を自然蒸発させる速度（乾燥速度）が遅い問題がある。このため、上記の構造では、回収カートリッジを定期的に交換することが不可避となってしまう。
【００１１】
そこで、本発明では、上記の問題を解決した、新規で有用な燃料電池と、燃料電池による発電方法を提供することを統括的課題としている。
【００１２】
本発明の具体的な課題は、発電により生成される水を効率よく外部に排出することが可能な燃料電池と、発電により生成される水を効率よく燃料電池の外部に排出することが可能となる燃料電池による発電方法とを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の観点では、上記の課題を、第１の電極と第２の電極とで電解質層を挟持してなる発電部を有する燃料電池であって、親水性と疎水性とを併せ持つ吸撥水部を筐体内に有することを特徴とする燃料電池により、解決する。
【００１４】
本発明によれば、発電により生成される水を効率よく外部に排出することが可能な燃料電池を提供することが可能となる。また、吸撥水部を繊維状の構造とすると、吸撥水部の表面積を大きくでき、吸水、撥水効率を上げることが可能となる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、発電により生成される水を効率よく外部に排出することが可能な燃料電池と、発電により生成される水を効率よく燃料電池の外部に排出することが可能となる燃料電池による発電方法とを提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明に係る燃料電池は、第１の電極と第２の電極とで電解質層を挟持してなる発電部を有する燃料電池であって、親水性と疎水性とを併せ持つ吸撥水部を筐体内に有することを特徴としている。
【００１７】
従来用いられていた、例えば生成水を吸収するための吸水材料（例えば吸水ポリマーなど）は、吸収した生成水を速やかに乾燥させることが困難であり、例えば乾燥して再利用するためにはヒータにより加熱するなどの工程を要していた。
【００１８】
そこで、本発明による燃料電池では、発電により生成される生成水を吸収するための親水性ととともに、吸収された該生成水を乾燥させるための疎水性を有する吸撥水部を設けている。
【００１９】
上記の吸撥水部は、発電中においては、生成された生成水を効率よく吸着・保持するとともに、発電終了後には、吸収された生成水を効率よく乾燥（蒸発）させることができる。
【００２０】
このため、本発明に係る燃料電池は、単純な構造であって小型化に対応可能であるとともに、効率よく発電により生成される水を燃料電池外部に排出することが可能な構造となっている。
【００２１】
例えば、上記の吸撥水部を構成する材料は、分子内に親水性を示す官能基を有し、さらに分子内に疎水性（撥水性）を示す官能基や主鎖などを有するものを用いることが好ましい。上記の親水性を示す官能基としては、例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、および水酸基がある。
【００２２】
また、疎水性（撥水性）を有する材料としては、例えば、フッ素系ポリマー（フッ素化されたポリマー）がある。このため、上記の吸撥水部を構成する材料は、吸水性示す官能基（例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、および水酸基など）を有するフッ素系ポリマーより構成することができる。
【００２３】
このような材料の例としては、スルホン化されたフッ素化ポリエーテル、末端カルボキシル化されたフッ素化ポリエーテルなどがある。
【００２４】
また、疎水性（撥水性）を有する材料としては、フッ素系ポリマーに限定されず、例えばポリイミドなどの樹脂材料を用いることも可能である。すなわち、上記の吸撥水部を構成する材料を、吸水性示す官能基（例えば、スルホン酸基、カルボン酸基、および水酸基など）を有するポリイミドより構成することも可能である。このような材料の例としては、スルホン化ポリイミドがある。
【００２５】
また、上記の吸撥水部を構成する材料として、疎水性（撥水性）ポリマー、親水性（吸水性）ポリマとが混合され、サブミクロン程度に相分離したミクロドメイン構造のポリマーナノコンポジットを用いることも可能である。
【００２６】
また、上記の吸撥水部に用いる材料は、例えば乾燥速度が、１ｍｇ／ｃｍ２／ｈ以上であることが好ましい。
【００２７】
次に、上記の吸撥水部を有する燃料電池の構成の一例について、図面に基づき、説明する。
【００２８】
図１は、発電部１１を有する燃料電池１０を模式的に示した図であり、図２は当該発電部１１のＡ−Ａ’断面図である。図１、図２を参照するに、前記燃料電池１０の概略は、筐体部２１の内部に、発電を行う発電部１１が収納された構造を有している。
【００２９】
前記発電部１１は、筐体状の電池容器１２内に、集電体１３、第１の電極（触媒）１４、（固体）電解質層１５、第２の電極（触媒）１６、および集電体１７が、積層されて収納された構造になっている。
【００３０】
前記第１の電極１４と前記第２の電極１６とは前記電解質層１５を挟んで対向するようにして設置され、さらに前記第１の電極１４の外側（電解質層１５と逆の側）に集電体１３が、前記第２の電極１６の外側（電解質層と逆の側）に前記集電体１７が設置されている。
【００３１】
前記第１の電極１４は、例えば燃料極（水素極）と呼ばれる場合があり、水素を含む燃料（例えばメタノールなど）または水素が供給される。前記第２の電極１７は、例えば空気極（酸素極）と呼ばれる場合があり、酸素を含む空気（または酸素でもよい）が供給される。
【００３２】
上記の燃料電池１０の場合、前記第１の電極１４には、前記筐体部２１の外側に設置された燃料タンク２６から、供給路２６Ａ、さらに前記集電体１３に形成された溝部（図示せず）を介して、メタノール（メタノール水溶液）が供給される。
【００３３】
また、前記第２の電極１６には、集電体１７に形成された溝部（図示せず）から酸素を含む空気が供給される。
【００３４】
また、前記第１の電極１４は触媒を含んでおり、該第１の電極１４ではメタノールからプロトンと二酸化炭素が生成される。当該第１の電極１４で生成されたプロトンは前記電解質層１５を透過して、前記第２の電極１６に達する。
【００３５】
該第２の電極１６は触媒を含んでおり、前記第１の電極１４から到達したプロトンは酸素と結合し、その結果、水が生成される（文中、ここで生成される水を生成水と呼んでいる）。この場合、前記集電体１３、１７を外部回路に接続することで、電力を取り出すことができる構造になっている。
【００３６】
また、筐体部２１の内部には、隔壁部２２によって該発電部１１と隔絶されて制御部２３が収納されている。前記制御部２３は、燃料電池の動作を制御する機能を有している。
【００３７】
上記の燃料電池１０では、前記筐体部２１の内壁面に、吸撥水部２７が設置されていることが特徴である。前記吸撥水部２７は、先に説明したように、発電により生成される生成水を吸収するための親水性ととともに、吸収された該生成水を乾燥させるための疎水性を有している。
【００３８】
このため、前記発電部１１が発電中の場合、前記第２の電極（空気極）１６の側で生成された生成水を効率よく吸着（吸収）し、さらに吸着した生成水を保持することができる。また、発電終了後には、当該吸撥水部２７は、吸収された生成水を効率よく乾燥（蒸発）させることができる機能を有している。したがって、上記の燃料電池１０は、発電により生成される水を効率よく外部に排出することが可能となっている。
【００３９】
また、前記吸撥水部２７に抗菌剤を添加しておくことで、微量の残留水による燃料電池内での微生物などの繁殖を防止することも可能である。抗菌剤としては、イソチアン酸アリル系、キトサン系、ヒノキチオールなどの有機系抗菌剤や、銀系をはじめとする無機抗菌剤などを用いることができる。
【００４０】
また、前記筐体部２１には、前記吸撥水部２７から蒸発した水が効率よく燃料電池外部（前記筐体部２１の外部）に排出されるように、通気口２４が設けられている。前記通気口２４は、例えばメッシュ形状、または多孔形状よりなる。
【００４１】
上記の吸撥水部２７は、例えば従来のカートリッジ式の生成水回収装置に比べて設置スペースが小さくてすみ、また構造が単純である特徴を有している。このため、上記の燃料電池１０は、単純な構造であるとともに小型化に対応可能であり、効率よく発電により生成される水を燃料電池外部に排出することが可能な構造となっている。
【００４２】
例えば、近年の高性能化した情報通信に係るポータブル機器では、電池の容量増大とともに電池の小型化が求められており、上記の吸撥水部を有する燃料電池はこのような要求に応えるものである。
【００４３】
また、上記の吸撥水部２７は、前記筐体部２１の内壁面に、例えば数十μｍ〜数百μｍ程度の厚さとなるようにコーティングされることが好ましい。また、一般的に燃料電池には温度分布があり、温度が高い部分と低い部分が存在する。この場合、前記吸撥水部２７は、温度が低くなる部分（生成水の結露が起こりやすい部分）には厚く形成されることが好ましい。すなわち、前記筐体部２１の内壁面で、発電時の温度に対応した厚さで前記吸撥水部２７がコーティングされていることが好ましい。
【００４４】
図３は、上記の燃料電池を用いた発電方法の概略を示すフローチャートである。
【００４５】
まず、ステップ１（図中Ｓ１と表記、以下同様）では、前記第１の電極１４にメタノールを供給するとともに、前記第２の電極１６に空気を供給し、前記発電部１１において発電が行われる（発電工程）。この場合、先に説明したように、前記第１の電極１４ではメタノールからプロトンと二酸化炭素が生成され、前記第２の電極１６に到達した当該プロトンは酸素と結合し、その結果、水が生成される。
【００４６】
発電により生成された生成水は、前記筐体部２１の内壁面にコーティングされた前記吸撥水部２７により、吸収・保持される。このため、燃料電池内部や、燃料電池の周囲では結露の発生が抑制され、燃料電池の動作の信頼性が確保される。
【００４７】
次に、ステップ２に示す工程において、前記第１の電極１４へのエタノールの供給と、前記第２の電極１６への空気の供給が停止され、発電部１１による発電が停止される。この工程において、前記吸撥水部２７で吸着・保持されていた生成水は、速やかに蒸発・乾燥される（乾燥工程）。
【００４８】
前記吸撥水部２７から蒸発した生成水は、前記通気口２４から、燃料電池の外部に排出される。前記吸撥水部２７は、疎水性（撥水性）を有する材料からなり、吸収した生成水の蒸発速度が大きいため、本ステップでは速やかに吸収した生成水を蒸発させることができる。
【００４９】
次に、必要に応じて処理をステップ１に戻し、再び発電工程を実施することができる。すなわち、必要に応じてステップ１〜ステップ２の処理を繰り返し実施することができる。上記の発電方法では、前記吸撥水部２７により吸収した生成水を排出（回収）するために特に動作（エネルギー）を必要とせず、効率よく燃料電池を稼働させることができる。また、カートリッジの交換やバルブの切り替えなどのメンテナンスが不要であり、使用方法が単純である特徴がある。
【００５０】
次に、上記の燃料電池１０を製造し、吸撥水部による吸水・乾燥の効果を調べた結果について説明する。ただし、以下の文中で、先に説明した部位には同一の参照符号を用い、詳細な説明を省略する。
【実施例１】
【００５１】
まず、以下のようにして、前記第１の電極１４（燃料極触媒層）を作成した。ケッチェンブラック(ライオン社製EC)に、粒径２〜５ｎｍ程度のＰｔ触媒を約５０％担持させた燃料極触媒粒子と、バインダー、および溶剤とをボールミルで混合・脱泡しペースト状とした。これを、カーボンペーパーに塗布し、８０℃で３０分間乾燥し、第１の電極１４を作製した。
【００５２】
同様にして、第２の電極１６（空気極触媒層）を作成した。ケッチェンブラック(ライオン社製EC)に、粒径２〜５ｎｍ程度のＰｔＲｕ触媒を約５０％担持させた燃料極触媒粒子と、バインダー、および溶剤とをボールミルで混合・脱泡しペースト状とした。これを、カーボンペーパーに塗布し、１００℃で６０分間乾燥し、第２の電極１６を作製した。
【００５３】
次に、作成した第１の電極１４、第２の電極１６を、電解質層１５を構成する、膜厚１７５μｍのパーフルオロアルキルスルホン酸Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）変性物の両側に配置してホットプレスによって接合した。さらに、上記の接合された積層構造を集電体１３，１７で挟持し、前記電池容器１２に収納することで前記発電部１１を作製した。
【００５４】
次に、前記筐体部２１の内壁面に、前記吸撥水部２７として、スルホン化フッ素ポリマー（Ｎａｆｉｏｎ(登録商標、ＤｕＰｏｎｔ社製)）を接着し、前記発電部１１、前記制御部２３を前記筐体部２１に配置し、図１〜図２に示す燃料電池を製造した。
【００５５】
次に、上記の燃料電池１０を用いて、図３に示したフローチャートに従って、発電工程を３時間、乾燥工程を４時間行うことを繰り返した。
【００５６】
上記の発電工程と乾燥工程を５回繰り返す実験を行ったが、本実施例に係る燃料電池１０では、燃料電池内部において液滴などの現象は発生せず、良好に燃料電池が動作することが確認された。
【００５７】
また、比較のため、上記の燃料電池１０において、吸撥水部の材料を、通常のアクリル酸系の吸水性ポリマーに換え、筐体内面に厚み２００μｍとなるようにコーティングして実験を行ったところ、５回未満の繰り返し発電によって、燃料電池内部の吸水性ポリマーの吸水量が飽和し、その後の発電時には液滴の存在が認められた。
【実施例２】
【００５８】
実施例１における吸撥水部２７の材料を、以下に示す吸撥水性ポリマーとした。まず、繊維径３０μｍ、目付け３０ｇ／ｍ２とした繊維状アクリル系ポリマー（帝人社製、ＢＥＬＬ  ＯＡＳＩＳ）に、フッ素系ポリマー溶液を用いて一方の面よりスプレーコーティングを施し、吸撥水性ポリマーを形成した。次に、当該吸撥水性ポリマーの、フッ素系ポリマーコーティングを施した面が筐体部側となるように筐体部に接着し、実施例１と同様の発電試験を行った。本実施例に係る場合においても、燃料電池内部において液滴などの現象は発生せず、良好に燃料電池が動作することが確認された。
【００５９】
また、図４は、実施例１、実施例２に係る吸撥水部２７を構成する材料（スルホン化フッ素ポリマー、および、繊維状アクリル系ポリマーとフッ素系ポリマーとを含む材料）と、従来のアクリル酸系の吸水性ポリマーの乾燥速度を比較した図である。
【００６０】
図４を参照するに、実施例１、実施例２に係る吸撥水部を構成する材料は、従来の吸水性ポリマーに比べて著しく乾燥速度が大きいことがわかる。
【実施例３】
【００６１】
また、本発明に係る燃料電池は、上記の構造に限定されず、様々に変形・変更することが可能である。図５は、本発明の実施例３による燃料電池１０Ａを模式的に示した図である。ただし図中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００６２】
図５を参照するに、本実施例による燃料電池１０Ａでは、実施例１の筐体部２１に相当する筐体部３１を有し、該筐体部３１の底面に、生成水の流路３２が形成されている。さらに該流路３２は、生成水を保持する生成水保持部３４に接続されている。また、前記流路３２と前記生成水保持部３４の間には、逆流防止部３３が設けられている。
【００６３】
また、前記筐体部３１の上面（前記流路３２に対向する側）には、実施例1の吸撥水部２７に相当する吸撥水部３５がコーティングされている。さらに、当該吸撥水部３５は、前記生成水保持部３４に接続された構造になっている。
【００６４】
上記の燃料電池１０Ａは、当該流路３２により、生成水の回収が容易となるとともに、生成水保持部３４を有しているために生成水の吸収容量が大きい特徴を有している。当該生成水保持部３４には、例えば従来の吸水性ポリマーなどを用いてもよい。
【００６５】
さらに、当該生成水保持部３４には、撥水性（疎水性）を有する吸撥水部３５が接続されており、前記生成水保持部３４に保持された生成水を速やかに蒸発させ、前記筐体部３１に形成された通気口３６から、燃料電池外部に排出することが可能となっている。また、前記吸撥水部３５も生成水の吸収・保持を行う機能を有する。
【００６６】
このように、親水性と疎水性を有する吸撥水部と、例えば従来の吸湿性ポリマーや、または筐体部の内部の生成水の流路などの構造を、様々に組み合わせて用いることが可能である。この場合、生成水の回収効率が良好となるとともに、生成水の吸収容量を大きくとることが可能となる。
【００６７】
また、上記の実施例では、高分子固体電解質型の燃料電池を例にとって説明したが、これに限定されるものでない。例えば、他の固体電解質を用いた固体電解質型、りん酸型、溶融炭酸塩型の燃料電池にも本発明を適用可能である。また、燃料極に供給される燃料は、メタノールに限定されず、他の様々な燃料を用いることが可能であることは明らかである。
【００６８】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明は上記の特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した要旨内において様々な変形・変更が可能である。
（付記１）
第１の電極と第２の電極とで電解質層を挟持してなる発電部を有する燃料電池であって、
親水性と疎水性とを併せ持つ吸撥水部を筐体内に有することを特徴とする燃料電池。
（付記２）
前記吸撥水部を構成する材料は、親水性を示す官能基を有するフッ素系ポリマーよりなることを特徴とする付記１記載の燃料電池。
（付記３）
前記吸撥水部を構成する材料は、親水性を示す官能基を有するポリイミドでよりなることを特徴とする付記１記載の燃料電池。
（付記４）
前記吸撥水部を構成する材料は、少なくとも、スルホン酸基、カルボン酸基、および水酸基のうちのいずれか１つを有することを特徴とする付記２または３記載の燃料電池。
（付記５）
前記吸撥水部を構成する材料は、抗菌剤を含むことを特徴とする付記１乃至４のうち、いずれか１項記載の燃料電池。
（付記６）
前記吸撥水部は、前記発電部を内部に保持する前記筐体の内壁面に設置されることを特徴とする付記１乃至５のうち、いずれか１項記載の燃料電池。
（付記７）
前記筐体には、前記吸撥水部から蒸発した前記生成水の排出を容易とするための通気口が形成されていることを特徴とする付記６記載の燃料電池。
（付記８）
前記吸撥水部は、繊維状アクリル系ポリマーとフッ素系ポリマーとを含むことを特徴とする付記１記載の燃料電池。
（付記９）
第１の電極と第２の電極とで電解質層を挟持してなる発電部を有する燃料電池による発電方法であって、
前記燃料電池は、親水性と疎水性とを併せ持つ吸撥水部を筐体内に有し、
前記発電部で発電を行うとともに、前記吸撥水部で前記発電に伴って生成される生成水を吸収する発電工程と、
前記生成水を乾燥させる乾燥工程と、を有することを特徴とする燃料電池による発電方法。
（付記１０）
前記発電工程と前記乾燥工程とが交互に繰り返し実施されることを特徴とする付記９記載の燃料電池による発電方法。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明によれば、発電により生成される水を効率よく外部に排出することが可能な燃料電池と、発電により生成される水を効率よく燃料電池の外部に排出することが可能となる燃料電池による発電方法とを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】吸撥水部を有する燃料電池を模式的に示した図である。
【図２】図１の燃料電池の断面図である。
【図３】燃料電池による発電方法を示す図である。
【図４】吸撥水部の乾燥水分量を示す図である。
【図５】図１の燃料電池の変形例である。
【符号の説明】
【００７１】
１０ ，１０Ａ  燃料電池
１１  発電部
１２  電池容器
１３  集電板
１４  空気極
１５  電解質
１６  燃料極
１７  集電板
２１  筐体
２２  隔壁
２３  制御部
２４  通気口
２６  燃料タンク
２７  吸撥水部
３１  筐体
３２  流路
３３  逆流防止部
３４  生成水保持部
３５  吸撥水部
３６  通気口
【図１】
2007227029.tif 000003
【図２】
2007227029.tif 000004
【図３】
2007227029.tif 000005
【図４】
2007227029.tif 000006
【図５】
2007227029.tif 000007