(57)【要約】【課題】生成物の排出性能及び反応物の供給性能を向上させることで、高出力の直接メタノール型燃料電池を提供する。【解決手段】膜電極接合体は、中心に高分子電解質膜、その両外側に電極が配置され、その一方がアノード、他方がカソードである。また、セパレーターは、膜電極接合体と接する面が金属多孔体で置き換えられている。従来型の直接メタノール型燃料電池のセパレーターは、膜電極接合体との接触面に溝状の流路が設けられており、この流路によって生成物の排出及び反応物の供給がなされていたが、本発明においては金属多孔体がこの機能を代替するため流路を必要としない。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側に設置されるセパレーターから成る直接メタノール型燃料電池。
【請求項２】
前記セパレーター面は、金属多孔体である前記直接メタノール型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セパレーターの一部を金属多孔体で置き換えた直接メタノール型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタノール水溶液を燃料として直接利用する直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は、構造が簡単であるとともに、可搬性やエネルギー密度に優れる液体燃料を使用する点で有利であるが、水素燃料電池と比べると出力密度および発電効率が劣ることが欠点となっている。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池の性能向上のためには、生成物（アノードにおいては二酸化炭素、カソードにおいては水）の排出をスムーズに行うことが必要となる。つまり、セパレーターと膜電極接合体の間の接触抵抗を低減し、セパレーター流路内を流れる生成物の流速を確保することが求められており、流路の幅や本数に工夫を施す試み（非特許文献１）や、ガス拡散層に金属多孔体を用いる試み（特許文献１）がなされている。
【特許文献１】特開２００３−２８２０６８号公報
【非特許文献１】首藤登志夫：ＤＭＦＣにおけるアノード、 カソードのセパレータ流路形状と出力の関係，Ｍａｔｅｒｉａｌ  Ｓｔａｇｅ，Ｖｏｌ．２，Ｎｏ．１０，ｐｐ．６０−６３，（２００３）。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の方法を用いても、流路を持つセパレーターはそのリブ部の膜電極接合体には反応物（アノードにおいてはメタノール水溶液、カソードにおいては空気又は酸素）が供給されにくいという問題が残る。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、生成物の排出問題と、反応物の供給問題を同時に解決し、高出力の直接メタノール型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】
本発明の直接メタノール型燃料電池は、膜電極接合体と、前記膜電極接合体の外側に設置されるセパレーターからなり、前記膜電極接合体と接合する前記セパレーター面は、金属多孔体で置き換えられている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、生成物の排出性能及び反応物の供給性能を向上させることができるので、直接メタノール型燃料電池の発電効率及び出力を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明の直接メタノール型燃料電池は、膜電極接合体（１）と、その外側に設置されるセパレーター（２）とから成る直接メタノール型燃料電池である。
【０００９】
図１は、本発明の直接メタノール型燃料電池１００の一例を示す断面模式図である。図２は、図１を説明するため、構成要素毎に分離した状態を示している。以下、図２を用いて本発明の構成について詳細に述べる。
【００１０】
図２において、膜電極接合体２００は、中心に高分子電解質膜２１０、その両外側に電極が配置され、その一方がアノード２２０、他方がカソード２３０である。ここで、膜電極接合体を構成する各部材は、標準的な直接メタノール型燃料電池の性能を満たすものであればよい。また、セパレーター２５０は、膜電極接合体２００と接する面が金属多孔体１６０で置き換えられている。金属多孔体２６０を形成する材料は、耐腐食性を有し、空孔率が８５％以上の合金であることが望ましく、例えば、特許文献１に記載の金属多孔体を用いても良い。
【００１１】
なお、従来型の直接メタノール型燃料電池のセパレーターにおける膜電極接合体との接触面は、生成物の排出及び反応物の供給のために溝状の流路が設けられているが、本発明においてはこの流路を必要としない。
【実施例】
【００１２】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００１３】
［セパレーターの構成］
従来型のセパレーター３００と、本発明のセパレーター４００の違いについて説明する。図３は従来型のセパレーター３００の一例を示している。従来型のセパレーター３００は、生成物の排出と反応物の供給をする流路３１０を設けることでその機能を維持している。一方、本発明のセパレーター４００は、図４に示すように流路を設ける代わりに、金属多孔体４１０を填め込むことでその機能を代替している。
【００１４】
［実験方法］
実験では、試験用の直接メタノール型燃料電池に図３及び図４のセパレーターを組合せて使用した。燃料には５ｗｔ％のメタノール水溶液を使用し、ダイアフラム式電磁定量ポンプ（ＰｒｏＭｉｎｅｔ  ＧＶＬＡ１０００）によりアノードへ供給した。カソードガスには酸素を用い、熱式気体質量流量計（山武  ＣＭＳ０００５）により流量を測定した。アノード流量は１０ｃｃ／ｍｉｎ、カソード流量は１０００ｃｃ／ｍｉｎとした。発電特性の計測は燃料電池用インピーダンスメーター（Ｋｉｋｕｓｕｉ  ＫＦＭ２０３０）を使用した。電池およびアノード燃料の温度管理には恒温槽（４０〜８０℃）を使用した。高分子電解質膜は、ナフィオン（登録商標、デュポン社製、膜厚１７５μｍ）を用いた。その他膜電極接合体の諸元及び反応物の諸元は表１のとおりである。
【表１】
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【００１５】
本発明のセパレーター（多孔体セパレーター）に用いた金属多孔体は表２に示すような諸元のものである。これを用いて製作した部材を図４のようにセパレーターに取り付けて実験を行った。また、比較のために図３のような通常の流路を持つ従来型のステンレス製セパレーター（流路型セパレーター）を用いた実験を併せて行った。なお、多孔体セパレーター部材の厚さは流路型セパレーターの流路深さと同一とした。セパレーター内の空間体積は従来型で約２．９ｃｃ、金属多孔体で約５ｃｃである。
【表２】
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【００１６】
［実験結果］
多孔体セパレーターを使用した場合と流路型セパレーターを使用した場合の比較を行った際の結果を示す。このときの電池温度は８０℃となるよう維持した。図５は電流密度−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）、図６は電流密度−出力密度特性である。両者とも０．１Ａ／ｃｍ２付近までは同程度の性能であるが、多孔体セパレーターを用いた場合は流路型セパレーターに比べてより高い電流密度での運転が可能であることが示された。また、出力のピークが大きく向上し、より高電流密度側へ変化していることがわかる。
【００１７】
図７には交流インピーダンス測定結果（コールコールプロット）を示す。測定した電流密度条件はの０．３Ａ／ｃｍ２であり、このときの電池温度は８０℃となるよう維持した。流路型セパレーターに比べて多孔体セパレーターではプロットの弧の直径が小さく反応抵抗が低減されていることが推察される。このことが出力の向上をもたらしたものと考えられる。交流インピーダンス測定によって測定される反応抵抗には物質拡散に関する拡散分極および燃料の活性化に関する活性化分極が含まれる。多孔体セパレーターでは流路リブが無いことから反応面全体に均一な反応物供給が可能であるとともに、高い空孔率により生成物の排出が改善されたために拡散分極が低減し高電流密度での電圧差が生じたと考えられる。
【００１８】
図８には電池温度−電圧特性の測定結果を示す。測定した電流密度条件は０．２Ａ／ｃｍ２であり、このときの電池温度は４０℃、６０℃、８０℃である。何れの電池温度においても多孔体セパレーターは流路型セパレーターよりも高い電圧値を示し、その電圧差は電池温度が低温であるほど拡大することがわかる。低温ではカソード反応で生成する水が凝縮しやすくなるが、水の排出性に優れた多孔体セパレーターを使用することで発電性能が改善される。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明に係る直接メタノール型燃料電池は、従来型の直接メタノール型燃料電池に比べて優れた出力性能を示すほか、特に、低温域での発電性能の改善が見込めることから、安全性が要求されるノートパソコンや携帯型音楽プレーヤーなどの電源、携帯電話機の外付け充電器などへの適用に好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の直接メタノール型燃料電池の断面模式図。
【図２】本発明の直接メタノール型燃料電池の断面模式図。
【図３】従来型のセパレーター（流路型セパレーター）の模式図。
【図４】本発明のセパレーター（多孔体セパレーター）の模式図。
【図５】電流密度−電圧特性（Ｉ−Ｖ特性）の測定結果。
【図６】電流密度−出力密度特性の測定結果。
【図７】交流インピーダンス（コールコールプロット）の測定結果。
【図８】電池温度−電圧特性の測定結果。
【符号の説明】
【００２１】
１００  直接メタノール型燃料電池
２００  膜電極接合体
２１０  高分子電解質膜
２２０  電極（アノード）
２３０  電極（カソード）
２５０，３００，４００  セパレーター
２６０，４１０  金属多孔体
３１０  流路
【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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【図８】
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