(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性の高分子電解質よりなる電解質を介して負極と正極とを配し、前記負極に液体燃料が供給され、前記正極に酸化剤ガスが供給されるように構成された単電池セルまたはこの単電池セルを複数個積層したセルスタックからなる発電ユニットと、この発電ユニットを挟持するエンドプレートとを備えた液体燃料直接供給形燃料電池であって、前記エンドプレートは、その一部または全部が炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂であり、前記発電ユニットは、負極から出力を得るための負極端子板と正極から出力を得るための正極端子板を介して前記エンドプレートによって挟持されるとともに、前記負極端子板と前記正極端子板は、その一部または全部が炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂であることを特徴とする液体燃料直接供給形燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液体燃料直接供給形燃料電池に関するもので、さらに詳しく言えば、有機溶媒と水からなる液体燃料を直接供給して発電することができ、長期間の運転に耐えられる、長寿命な液体燃料直接供給形燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、環境問題や資源問題への対策が重要になってきており、その対策の一つとして燃料電池の開発が活発になってきている。このような燃料電池のなかで、有機溶媒と水からなる液体燃料、特にメタノールを用い、それを改質、ガス化することなく直接発電に利用する直接メタノール形燃料電池は、構造がシンプルであって、小型化、軽量化が容易であるということから、小型携帯用電源やコンピューター用電源等の小型電源として有望である。
【０００３】
このような液体燃料直接供給形燃料電池は、電解質の両側に正極および負極を接合した単電池セルまたはこの単電池セルを複数個積層したセルスタックを、負極に液体燃料を供給するための負極側セパレータおよび正極に酸化剤ガスを供給するための正極側セパレータとともに挟持して構成されており、直接メタノール形燃料電池では、負極側に、液体燃料としての濃度が３％程度のメタノール水溶液を供給し、正極側に、酸化剤ガスとしての空気を供給すると、負極側では電気化学反応で二酸化炭素が生成し、正極側では電気化学反応で水が生成し、外部に起電力が得られる。また、直接メタノール形燃料電池以外にも、エタノール、イソプロピルアルコール、ジメチルエーテル、エチレングリコール等の各種有機化合物を液体燃料とする液体燃料直接供給形燃料電池が検討されている。
【０００４】
上記した液体燃料直接供給形燃料電池、そのなかでも直接メタノール形燃料電池は種々の電源としての応用が期待されているため、良好な発電特性とともに、長期間安定して作動するという長寿命が求められていて、その電解質にはデュポン社のナフィオン（登録商標）に代表されるような、プロトン導電性の固体高分子膜が用いられる。このようなプロトン導電性の固体高分子膜は、テフロン（登録商標）のような主鎖骨格にスルホン基等のイオン結合性の強い官能基を有する側鎖が結合した構造になっており、このスルホン基の先端にプロトン（水素イオン）が結合し、このプロトンが移動することによって電荷が運ばれて起電力を生じる機能を備えている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
一方、上記した液体燃料直接供給形燃料電池では、負極側の電気化学反応で生成した二酸化炭素と正極側の電気化学反応で生成した水に、負極側から固体高分子膜を透過した未反応の燃料と正極側から固体高分子膜を透過した空気が混在して排出され、さらに、この排出された廃液は、それを有効に利用するため、二酸化炭素と空気を除去した後それに燃料を添加して再度用いる燃料リサイクルに利用されるのが通常である。
【０００６】
ところが、直接メタノール形燃料電池に代表される液体燃料直接供給形燃料電池は、長期間使用を継続すると、その配管系の金属材料で腐食が発生し、その腐食生成物が燃料リサイクルによって液体燃料中に混在して循環し、固体高分子膜のスルホン基と前記腐食生成物の金属イオンとが強固に結合して電解質膜としての機能を喪失させてプロトン導電性を低下させ、その結果、電池の分極が大きくなって寿命に至ることがわかった。
【０００７】
また、上記した燃料電池では、蟻酸等の酸がその放電時の副生成物として生成し、これによって循環する液体燃料中のｐＨが３程度まで低下し、その酸性化も前述した腐食を進行させる要因になることがわかった。
【０００８】
さらに、このような現象は、従来の、燃料にガスを用いていた固体高分子形燃料電池でも見受けられたが、上記した燃料電池では液体燃料を使用しているため、腐食生成物と固体高分子膜とが容易に接触し、それによる電解質膜としての機能を喪失させる現象も顕著になることもわかった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記した腐食を防止するため、配管系の金属材料の耐食性を向上させる方法が講じられてきたが、燃料電池の長寿命化を達成するには不十分であるという問題があった。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、液体燃料直接供給形燃料電池では、単電池セルまたはこの単電池セルを複数個積層したセルスタック、正極側セパレータ、負極側セパレータから配管系に至るエンドプレートなどの金属材料が液体燃料と接触する構造であり、配管系の耐食性を向上させても、エンドプレートなどの金属材料が腐食され、その腐食生成物による不純物イオンが電解質膜としての機能を喪失させることを助長してプロトン導電性を低下させ、燃料電池の長寿命化の妨げになることに着目してなされたものである。
【００１１】
すなわち、請求項１記載の発明は、プロトン導電性の高分子電解質よりなる電解質を介して負極と正極とを配し、前記負極に液体燃料が供給され、前記正極に酸化剤ガスが供給されるように構成された単電池セルまたはこの単電池セルを複数個積層したセルスタックからなる発電ユニットと、この発電ユニットを挟持するエンドプレートとを備えた液体燃料直接供給形燃料電池であって、前記エンドプレートは、その一部または全部が炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂であり、前記発電ユニットは、負極から出力を得るための負極端子板と正極から出力を得るための正極端子板を介して前記エンドプレートによって挟持されるとともに、前記負極端子板と前記正極端子板とは、その一部または全部が炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂であることを特徴としている。これにより、エンドプレートの腐食を防止することができ、腐食生成物が液体燃料中に混在して循環することがなくなり、燃料電池の長寿命化に寄与することができる。また、これにより、エンドプレートだけでなく、負極端子板と正極端子板の腐食を防止することができ、燃料電池の長寿命化に寄与することができる。
【００１３】
また、本発明の液体燃料直接供給形燃料電池において、炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂である材料を用いることにより、燃料電池の長寿命化、軽量化、コスト低減に寄与することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を、その実施の形態に基づいて説明する。
【００１５】
本発明の実施の形態に係る液体燃料直接供給形燃料電池は、図１に示したように、電解質１１の両面に負極１２と正極１３とが設けられ、電解質１１に接触しない負極１２の外側面に設けられた負極側セパレータ１４と、電解質１１に接触しない正極１３の外側面に設けられた正極側セパレータ１５とによって挟持され、これらのセパレータ１４，１５の外側面には負極端子板１６と正極端子板１７が配された構造の発電ユニット１０を備え、これがエンドプレート１８と締め付け用ボルト１９とで締め付けられている。そして、前記エンドプレート１８には液体燃料を供給する液体燃料供給口１と、発電ユニット１０の電気化学反応によって生成した、負極からの反応生成物を排出する反応生成物排出口２とが設けられており、負極端子板１６、正極端子板１７、エンドプレート１８の一部または全部を炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂であるようにしている。
【００１６】
図１に示した発電ユニット１０は、プロトン導電性の高分子電解質よりなる電解質１１を介して負極１２と正極１３とを配し、前記負極１２に液体燃料が供給され、前記正極１３に酸化剤ガスが供給されるように構成された単電池セルであるが、この単電池セルが複数個積層されたセルスタックであってもよい。
【００１７】
このような液体燃料直接供給形燃料電池では、液体燃料はエンドプレート１８の液体燃料供給口１から供給され、負極端子板１６の一つの貫通口とそれに連通する負極側セパレータ１４の一つのマニホールドを通過して負極１２に供給され、酸化剤ガスとしての空気は正極側セパレータ１５の正極側に設けられた流路を通じて大気の自然拡散または自然対流によって正極１３に供給され、電解質１１を介した電気化学反応によって起電力を発生させる。そして、負極側の電気化学反応に寄与した液体燃料とそれによって生成した二酸化炭素は負極側セパレータ１４の他のマニホールドとそれに連通する負極端子板１６の他の貫通口を通過して反応生成物排出口２から排出される。正極側の電気化学反応に寄与した空気とそれによって生成した水とは正極側セパレータ１５の流路を通って外部に排出され、外部に設けたトレイ等によって回収するようにしている。
【００１８】
上記した実施の形態のものは、負極端子板１６、正極端子板１７、エンドプレート１８の一部または全部を炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂であるようにしているが、負極端子板１６とエンドプレート１８との接触抵抗、負極端子板１６と負極側セパレータ１４との接触抵抗、正極端子板１７とエンドプレート１８との接触抵抗、正極端子板１７と正極側セパレータ１５との接触抵抗を小さくするために、負極端子板１６と正極端子板１７の表面を金メッキするなどの表面処理を施してもよい。
【００１９】
また、負極端子板１６、正極端子板１７の機能をエンドプレート１８に設けるようにすれば、負極端子板１６、正極端子板１７を設けずにエンドプレート１８の一部または全部を炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂である材料にするだけでよく、この場合も、前述したように、エンドプレート１８と負極側セパレータ１４との接触抵抗およびエンドプレート１８と正極側セパレータ１５との接触抵抗を小さくするために、エンドプレート１８の表面を金メッキするなどの表面処理を施してもよい。
【００２０】
なお、負極端子板１６、正極端子板１７、エンドプレート１８の一部を炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂である場合としては、液体燃料と接触するエンドプレート１８の部分、すなわち負極端子板１６または負極側セパレータ１４に接触する側の貫通口の周縁のみを炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂である材料にし、他はアルミニウムまたはステンレス等の金属を用いる場合が考えられる。
【００２２】
また、上記した実施の形態において、負極端子板１６、正極端子板１７、エンドプレート１８の一部または全部を炭素粉末と樹脂からなる複合材料であって前記樹脂がフェノール樹脂やポリテトラフルオロエチレン樹脂である材料からなるものでは、図１の液体燃料直接供給形燃料電池は、これを載置または収納する架台や容器とは絶縁しておく必要がある。
【００２３】
次に、本発明の有効性を検証するため、実際に燃料電池を作製した。従来電池として、電解質の両面に正極と負極を構成し、これを正極側セパレータと負極側セパレータ板とによって挟持し、さらにＳＵＳ３０４製の正、負極端子板およびＳＵＳ３０４製のエンドプレートを用いたものを準備し、本発明電池として、従来電池と同じ電解質の両面に正極と負極を構成し、これを同じ正極側セパレータと負極側セパレータ板とによって挟持し、さらに炭素製の正、負極端子板および炭素製のエンドプレートを用いたものを準備した。
【００２４】
このように作製した、本発明電池と従来電池を、周囲温度９０℃の下におき、濃度が３％のメタノール水溶液を４ｍｌ／分で、空気を１０００ｍｌ／分で供給し、寿命特性を比較し、結果を図２に示す。なお、反応に寄与した液体燃料については、メタノールの濃度が低下した分だけ、新たにメタノールを追加して循環させる方式とした。
【００２５】
図２より明らかなように、従来電池では、放電電流を２００ｍＡ／ｃｍ2で連続放電を行ったところ、放電開始後約３００時間で電圧が低下したのに対し、本発明電池では、同じ放電電流で放電したところ、電池の抵抗がやや大きい関係で電圧は低いものの、放電開始後５００時間経過しても電圧の低下はほとんど認められないことがわかった。
【００２６】
また、放電開始後約３００時間で電圧が低下した従来電池と、放電開始後５００時間経過した本発明電池をそれぞれ解体して、その電解質中の不純物イオンであるニッケルイオン、鉄イオン、銅イオン、クロムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンを測定したところ、本発明の電池の電解質中には前述したどのイオンもほとんど検出されなかったのに対し、従来電池の電解質中には、クロムイオン、ナトリウムイオン、カリウムイオンはほとんど検出されなかったが、ニッケルイオンは４２ｍｇ／ｌ、鉄イオンは４ｍｇ／ｌ、銅イオンは５２ｍｇ／ｌ検出され、従来電池の電解質には不純物が付着して、その機能が低下していることが認められた。
【００２７】
上記した実施の形態では、液体燃料にメタノールを用いる直接メタノール形燃料電池について説明したが、液体燃料にエチルアルコール、ブタノール、ジメチルエーテルなどの他の有機化合物を液体燃料に用いる他の液体燃料直接供給形燃料電池にも適用することができる。
【００２８】
【発明の効果】
上記したように、本発明は、直接メタノール形燃料電池などの液体燃料直接供給形燃料電池の長寿命化に寄与するところが大であり、燃料電池を長期間、安定した作動させるのに有効である。そして、本発明電池によって、小型携帯用電源やコンピューター用電源に適した小型の燃料電池を作製するうえにおいても有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体燃料直接供給形燃料電池の構造図である。
【図２】本発明電池と従来電池の放電特性を比較した図である。
【図１】
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【図２】
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