(57)【要約】【課題】安定した出力が得られる単位体積あたりの出力が高い小型化が可能な燃料電池を提供する。【解決手段】すくなくとも第１方向と第２方向に連続孔を有した中空状の電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成された還元剤極と、電解質膜の他方の表面に形成された酸化剤極とを備え、還元剤極に接するように還元剤供給空間が設けられ、酸化剤極に接するように酸化剤供給空間が設けられてなる燃料電池に関する。【選択図】図１
2009117294.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１方向とこれに交差する第２方向に連続孔を有した中空状の電解質膜と、
前記電解質膜の一方の表面に形成された還元剤極と、
前記電解質膜の他方の表面に形成された酸化剤極と、
を備え、
前記還元剤極に接するように還元剤供給空間が設けられ、
前記酸化剤極に接するように酸化剤供給空間が設けられてなる燃料電池。
【請求項２】
前記第１方向の連続孔と前記第２方向の連続孔は、直交されてなる請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記第１方向または前記第２方向のいずれかに交差する第３方向にさらに連続孔を有した中空状の電解質膜が設けられてなる請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１方向の連続孔または前記第２方向の連続孔のいずれかと前記第３方向の連続孔は、直交されてなる請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項５】
複数の管状の単位構造を備える前記燃料電池であって、
前記単位構造は、管状の電解質膜と、
前記電解質膜の内面または外面のどちらかの面に形成された還元剤極と、
前記電解質膜の他方の表面に形成された酸化剤極と、
を備え、
前記電解質膜は、前記第１方向と、これに交差する前記第２方向に連通して、前記単位構造の内面によって形成される中空部が連通して連続孔を形成しており、
前記還元剤極に接するように還元剤供給空間が設けられ、
前記酸化剤極に接するように酸化剤供給空間が設けられてなる請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記電解質膜は、前記第１方向と、これに交差する第２方向のいずれかに交差する第３方向にさらに連通して、前記単位構造の内面によって形成される中空部が連通して連続孔を形成している請求項５に記載の燃料電池。
【請求項７】
長手方向が第１方向である複数の管状の単位構造を備える前記燃料電池であって、
前記単位構造は、管状の電解質膜と、
前記電解質膜の内面または外面のどちらかの面に形成された還元剤極と、
前記電解質膜の他方の表面に形成された酸化剤極と、
を備え、
前記電解質膜は、前記第１方向に交差する前記第２方向に、さらに中空部を形成するように形成され、
第１方向の管状の前記電解質膜と第２方向の中空部を形成する電解質膜とによって、前記還元剤供給空間と酸化剤供給空間とは分離されている請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記還元剤極に接するように細孔を備えた多孔質支持体が設けられ、
前記細孔が前記還元剤供給空間をなす請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項９】
前記多孔質支持体は、中空状である請求項８に記載の燃料電池。
【請求項１０】
前記多孔質支持体が連続孔を有し、
前記連続孔内に前記還元剤極と前記電解質膜と前記酸化剤極とがこの順に設けられ、
前記還元剤極に接する前記細孔が還元剤供給空間を形成し、
前記酸化剤極に接する前記連続孔が酸化剤供給空間を形成し、
前記連続孔は前記多孔質支持体内で、少なくとも第１方向とこれに交差する第２方向とに分岐している請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１１】
前記多孔質支持体は、電気伝導性を有する請求項８〜１０のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１２】
前記多孔質支持体は、金属発泡体または金属焼結体である請求項１１に記載の燃料電池。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれかに記載の燃料電池を複数備え、
前記複数の燃料電池が電気的に接続されてなる燃料電池。
【請求項１４】
前記酸化剤供給空間または前記還元剤供給空間のいずれかをそれぞれ形成する第１の空間領域と第２の空間領域が存し、
より大きな物体の通過が可能な空間領域の方を前記酸化剤供給空間とする請求項１〜１３のいずれかに記載の燃料電池。
【請求項１５】
前記酸化剤供給空間となる空間領域に対して他方の空間領域を前記還元剤供給空間とする請求項１４に記載の燃料電池。
【請求項１６】
前記還元剤供給空間に液体燃料が供給され、
前記酸化剤供給空間に気体燃料が供給されてなる請求項１４または１５に記載の燃料電池。
【請求項１７】
前記液体燃料は炭素数３以下のアルコールであり、
前記気体燃料は空気である請求項１６に記載の燃料電池。
【請求項１８】
前記液体燃料はメタノール水溶液である請求項１６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、小型化が可能な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、携帯電話、ノートパソコン等に応用が期待される小型電源（バッテリ）や、小規模発電施設による電力の分散化等に応用が期待される発電装置として、小型であっても高い発電効率を得ることができることから、燃料電池に対する期待が高まっている。
燃料電池は、燃料の持つ化学エネルギーを電気化学的に直接電気エネルギーに変化することができるため、通常の火力発電などの蒸気タービンやエンジン発電機などの内燃機関のような動力部を必要とせず、小型発電装置としての可能性を秘めている。
【０００３】
一般に燃料電池は、電解質や燃料の種類から大きく数種類に分類されるが、その中でも、パーフルオロカーボンスルホン酸系の陽イオン交換膜に代表される電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池（Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、電解質膜が室温でも高いイオン伝導性を有しかつ薄膜であるため、作動温度が室温付近でも比較的高い発電効率が得られることから、より小型の発電装置の実現が期待されている。
【０００４】
固体高分子型燃料電池は、還元剤極に水素ガスが供給されると、
Ｈ2  →  ２Ｈ+  ＋  ２ｅ-の酸化反応が起こり、水素ガスはプロトンと電子に分解され、プロトンは電解質膜を経て酸化剤極に伝達される。
【０００５】
また、酸化剤極に空気が供給されると、空気中に含まれる酸素により、
Ｏ2  ＋  ４Ｈ+  ＋  ４ｅ-  →  ２Ｈ2Ｏの還元反応が起こり、プロトンと空気中の酸素とが反応して水が生成する。
このときに、電子は照明設備や電子機器などの外部負荷を通じて、還元剤極から酸化剤極に流れることにより電力として利用することができる。
【０００６】
また、固体高分子型燃料電池の中でも、還元剤にメタノール水溶液を用いて、還元剤極でメタノール水溶液を直接プロトンと電子に分解させることにより発電を行なう、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ）は、常温常圧で高いエネルギー密度を有する液体燃料を還元剤とすることで、さらに小型の発電装置の実現が期待されている。
【０００７】
直接メタノール型燃料電池は、還元剤極にメタノール水溶液が供給されると、
ＣＨ3ＯＨ  ＋  Ｈ2Ｏ  →  ＣＯ2↑  ＋  ６Ｈ+  ＋  ６ｅ-の酸化反応が起こり、メタノール水溶液はプロトンと電子と、さらに二酸化炭素ガスに分解される。
【０００８】
小型の発電装置を実現するために特許文献１（特開平９−２２３５０７号公報）には、中空糸形の電解質膜の内面と外面に還元剤極と酸化剤極を設けた円筒状の燃料電池同士を、同じ側の極が接するように１方向に束ねて配列された集合体が提案されている。
【０００９】
特許文献２（特開２００４−２６５８７２号公報）には、中空支持体の外周面に還元剤極、電解質膜、酸化剤極が設けられた筒状の燃料電池を、１方向に複数配列された燃料電池が提案されている。
【００１０】
このように、筒状の燃料電池の外面同士が接するように１方向に配列されることにより、単位体積あたりの還元剤極および酸化剤極の総面積を大きくとることができるため、燃料電池を小型化することができる。
【特許文献１】特開平９−２２３５０７号公報
【特許文献２】特開２００４−２６５８７２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかし、燃料電池の外面同士が近接する箇所は、還元剤または酸化剤が非常に供給されにくくなるため、還元剤極および酸化剤極の単位面積あたりの出力（ｍＷ／ｃｍ2）が低くなり、結果的に燃料電池を十分に小型化することが難しいという問題がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、少なくとも第１方向とこれに交差する第２方向に連続孔を有した中空状の電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成された還元剤極と、電解質膜の他方の表面に形成された酸化剤極と、を備え、還元剤極に接するように還元剤供給空間が設けられ、酸化剤極に接するように酸化剤供給空間が設けられてなる燃料電池に関する。
【００１３】
また、本発明の燃料電池において、第１方向の連続孔と第２方向の連続孔は、直交されてなることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の燃料電池において、第１方向または第２方向のいずれかに交差する第３方向にさらに連続孔を有した中空状の電解質膜が設けられてなることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の燃料電池において、第１方向の連続孔または第２方向の連続孔のいずれかと第３方向の連続孔は、直交されてなることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の燃料電池において、複数の管状の単位構造を備える燃料電池であって、単位構造は、管状の電解質膜と、電解質膜の内面または外面のどちらかの面に形成された還元剤極と、電解質膜の他方の表面に形成された酸化剤極とを備え、電解質膜は、第１方向と、これに交差する第２方向に連通して、単位構造の内面によって形成される中空部が連通して連続孔を形成しており、還元剤極に接するように還元剤供給空間が設けられ、酸化剤極に接するように酸化剤供給空間が設けられてなることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の燃料電池において、電解質膜は、第１方向と、これに交差する第２方向のいずれかに交差する第３方向にさらに連通して、単位構造の内面によって形成される中空部が連通して連続孔を形成していることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の燃料電池において、長手方向が第１方向である複数の管状の単位構造を備える燃料電池であって、単位構造は、管状の電解質膜と、電解質膜の内面または外面のどちらかの面に形成された還元剤極と、電解質膜の他方の表面に形成された酸化剤極と、を備え、電解質膜は、第１方向に交差する第２方向に、さらに中空部を形成するように形成され、第１方向の管状の電解質膜と第２方向の中空部を形成する電解質膜とによって、還元剤供給空間と酸化剤供給空間とは分離されていることが好ましい。
【００１９】
また、本発明の燃料電池において、還元剤極に接するように細孔を備えた多孔質支持体が設けられ、細孔が還元剤供給空間をなすことが好ましい。
【００２０】
また、本発明の燃料電池において、多孔質支持体は、中空状であることが好ましい。
また、本発明の燃料電池において、多孔質支持体が連続孔を有し、連続孔内に還元剤極と電解質膜と酸化剤極とがこの順に設けられ、還元剤極に接する細孔が還元剤供給空間を形成し、酸化剤極に接する連続孔が酸化剤供給空間を形成し、連続孔は多孔質支持体内で、少なくとも第１方向とこれに交差する第２方向とに分岐していることが好ましい。
【００２１】
また、本発明の燃料電池において、多孔質支持体は、電気伝導性を有することが好ましい。
【００２２】
また、本発明の燃料電池において、多孔質支持体は、金属発泡体または金属焼結体であることが好ましい。
【００２３】
また、本発明の燃料電池において、上述のような燃料電池を複数備え、複数の燃料電池が電気的に接続されてなる燃料電池であることが好ましい。
【００２４】
また、本発明の燃料電池において、酸化剤供給空間または還元剤供給空間のいずれかをそれぞれ形成する第１の空間領域と第２の空間領域が存し、より大きな物体の通過が可能な空間領域の方を酸化剤供給空間とすることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の燃料電池において、酸化剤供給空間となる空間領域に対して他方の空間領域を還元剤供給空間とすることが好ましい。
【００２６】
また、本発明の燃料電池において、還元剤供給空間に液体燃料が供給され、酸化剤供給空間に気体燃料が供給されてなることが好ましい。
【００２７】
また、本発明の燃料電池において、液体燃料は炭素数３以下のアルコールであり、気体燃料は空気であることが好ましい。
【００２８】
また、本発明の燃料電池において、液体燃料はメタノール水溶液であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、燃料電池の外面同士が近接する箇所においても還元剤および酸化剤の供給や生成物の排出を促進することで、還元剤極および酸化剤極の単位面積あたりの出力（ｍＷ／ｃｍ2）を高く維持したまま、単位体積あたりの還元剤極および酸化剤極の面積を大きくとることにより、出力の安定した小型の燃料電池を提供することができる。
【００３０】
また、燃料電池を近接させずに所定の距離を設ける場合であっても、第２方向や第３方向に燃料電池が形成されているため、単位体積あたりの還元剤極および酸化剤極の面積を大きくとることにより、出力の安定した小型の燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
＜燃料電池の構造＞
本発明の燃料電池は、少なくとも第１方向とこれに交差する第２方向に連続孔を有した中空状の電解質膜と、電解質膜の一方の表面に形成された還元剤極と、電解質膜の他方の表面に形成された酸化剤極を備え、還元剤極に接するように還元剤供給空間が設けられ、酸化剤極に接するように酸化剤供給空間が設けられている。
【００３２】
ここで、連続孔を有した中空状の電解質膜とは、その断面形状が多角形系、円形、楕円形等であって、典型的に筒状、チューブ形状のことを意味する。
【００３３】
また、中空状の電解質膜を第１方向および第２方向に配列し、おのおの電解質膜の交差部位において、中空部（内部）が共有化されることにより、第１方向と第２方向に連続孔が設けられている。
【００３４】
さらに、第３方向に中空状の電解質膜を配列し、第１方向と第２方向の電解質膜の交差部位または、少なくとも第２方向に配列した電解質膜との交差部位において、中空部（内部）が共有化されることにより、第１方向と第２方向と第３方向に連続孔を設けることもできる。
【００３５】
なお、本発明において、電解質膜の厚さは１〜１０００μｍ、還元剤極の厚さは１〜５００μｍ、還元剤極の厚さは１〜５００μｍであることが好ましい。
【００３６】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には、同一の参照符号を付し、その説明は繰り返さない。また、図面における長さ、大きさ、幅などの寸法関係は、図面の明瞭化と簡略化のために適宜に変更されており、実際の寸法を表してはいない。
【００３７】
＜実施の形態１＞
≪構造≫
図１は、本発明の実施の形態１に従った燃料電池の模式的な斜視図である。図２は、図１中の平面１に沿った断面図である。図３は、図１中の平面２に沿った断面図である。以下、図１〜図３に基づいて説明する。
【００３８】
まず、図１に示すように、燃料電池１０は、複数の管状の単位構造を備える。該単位構造は、図１中二次元方向の第１方向、および該第１方向に交差する第２方向に複数設けられている。本実施の形態においては、該第１方向と該第２方向とは、垂直に交差している。そして、該単位構造は、管状の電解質膜と、電解質膜の内面に形成された還元剤極と、電解質膜の外面に形成された酸化剤極とを備える。電解質膜は、第１方向と、これに交差する第２方向に連通して、該単位構造の内面によって形成される中空部が連通して連続孔を形成している。また、燃料電池１０は、該還元剤極に接するように内面で形成された内部に還元剤供給空間１１が設けられ、該酸化剤極に接するようにの外面に酸化剤供給空間１２が設けられている。つまり、燃料電池１０は、管状の単位構造の中心内部より、還元剤供給空間１１、還元剤極、電解質膜、酸化剤極、そして酸化剤供給空間１２の順で構成されている。図１においては、該燃料電池１０を複数積層して、各燃料電池の酸化剤極と還元剤極を直列に接続した燃料電池を形成している。
【００３９】
次に、図２および図３に基づいて、燃料電池１０の構造についてさらに詳述する。本実施の形態においては、燃料電池１０が備える第１方向が長手方向となる単位構造は、１２個である。また、燃料電池１０が備える第２方向が長手方向となる単位構造は、９個である。該単位構造は、管状の電解質膜２０と、電解質膜２０の内面に形成された還元剤極２１と、電解質膜２０の外面に形成された酸化剤極２２とを備える。該電解質膜２０の厚さは、一定である必要はなく、薄いところと厚いところとが混在する構成であってもよい。また、還元剤極２１は、電解質膜２０の内面の全面に形成される必要はなく、厚さが一定である必要はない。また、酸化剤極２２は、電解質膜２０の外面の全面に形成される必要はなく、厚さが一定である必要はない。
【００４０】
本実施の形態においては、該単位構造の内面に還元剤供給空間１１が形成され、該単位構造の外面に酸化剤供給空間１２が形成されている。燃料電池１０における還元剤供給空間１１と酸化剤供給空間１２との関係については、後述する。
【００４１】
燃料電池１０が備える単位構造における電解質膜２０は、イオンを伝達する機能と、還元剤極２１と酸化剤極２２との電気的絶縁性を保ち短絡を防止する機能を有した、中空形状からなる。該電解質膜２２の形状は、中空形状であれば特に限定されない。したがって、具体的には、図２に示す断面において、単位構造における内面および外面が構成する形状は、多角形、円形、楕円形等の断面形状を適宜選択することができる。また、たとえば、内面の断面形状を正方形、外面の断面形状を円形と、内面の断面形状と外面の断面形状とを異なる形状にすることも容易に可能である。なお、断面形状が多角形の中空状の電解質膜を用いることが好ましい。このとき、円筒状の電解質膜よりも、さらに単位体積あたりの還元剤極および酸化剤極の面積を大きくとることができるため、燃料電池を小型化することができるためである。
【００４２】
また、第１方向と第２方向とは、二次元空間において、交差する関係であればよい。したがって、垂直に交差する必要はない。また、複数の第１方向が長手方向となる単位構造どうしは、該二次元空間において、平行に並列した関係である。また、複数の第２方向が長手方向となる単位構造どうしは、該二次元空間において、平行に並列した関係である。
【００４３】
また、図１においては、第１方向および第２方向に配列した同一直径の単位構造について説明したが、それぞれの単位構造が必ずしも同一直径である必要はなく、第１方向に対して第２方向を形成するときに、燃料電池１０の還元剤極２１および酸化剤極２２の総面積が大きくなるように適宜設計することが可能である。
【００４４】
本実施の形態では、管状の単位構造の内部中心より、還元剤供給空間１１、還元剤極２１、電解質膜２０、酸化剤極２２、酸化剤供給空間１２の順で構成された燃料電池１０の例を示しているが、電解質膜２０を中心に還元剤極２１と酸化剤極２２とを任意に入れ替えることもでき、管状の電解質膜２０の外面に還元剤極２１または酸化剤極２２のどちらを形成するかは、用いる酸化剤および還元剤の種類や、酸化剤極２１および還元剤極２２の反応活性の高さ等により選定することができる。
【００４５】
≪動作≫
該還元剤供給空間１１に、たとえば水素ガスやメタンガスなどの気体燃料である還元剤や、メタノール水溶液やエタノール水溶液等の液体燃料である還元剤が供給されることで、該還元剤は該還元剤極２１に達する。たとえば、カチオン伝導性の電解質膜２０を用いた該燃料電池１０が固体高分子型燃料電池を構成し、かつ還元剤として水素ガスを用いた場合には生成物はプロトンである。また、該燃料電池１０が直接メタノール型燃料電池を構成し、かつ還元剤としてメタノール水溶液を用いた場合には、生成物はプロトンと二酸化炭素ガスである。また、該燃料電池１０が固体酸化物型燃料電池を構成し、かつ還元剤としてメタンガスを用いた場合には、生成物は二酸化炭素ガスと水である。これらの生成物については、アニオン伝導性の電解質膜２０を用いる場合には、上記と異なることが知られている。
【００４６】
このとき、従来の１方向のみからの還元剤の供給に比べ、本発明の燃料電池１０は、第１方向および第２方向からの２方向より還元剤が供給されるため、還元剤極２１において還元剤の供給不足が起こりにくい。また、第１方向と第２方向の２方向から生成物が排出されるため、十分な生成物の除去を行なうことができる。これにより、還元剤極２１に還元剤を十分に供給することができ、燃料電池１０の出力を安定させることができる。
【００４７】
一般的に、管状の単位構造であって、その中心内部より、還元剤供給空間、還元剤極、電解質膜、酸化剤極、そして酸化剤供給空間の順で構成された構造のものを、従来技術のように１方向に束ねて配列された構造からなる燃料電池では、当該配列構造を維持しつつ十分な酸化剤を供給するために、本発明における酸化剤供給空間１２に該当する該燃料電池の酸化剤極が近接する空間に多孔質材を充填し、該空間を維持させることが知られている。従来技術の燃料電池では、上述の配列構造を十分に維持するために低い気孔率の多孔質材を充填すると、酸化剤供給空間の気孔率が低下してしまい十分な酸化剤の供給が維持できなくなることが知られている。
【００４８】
本実施の形態では、第１方向に配列された単位構造と第２方向に配列された単位構造における電解質膜２０の外面に形成された酸化剤極２２の周囲に酸素供給空間１２が形成される。第２方向に配列された単位構造が第１方向に配列された単位構造を支持する構成であり、配列構造全体の強度が向上するため、該酸素供給空間１２に多孔質材を充填しなくとも、十分な酸化剤供給が可能な燃料電池を提供することができる。
【００４９】
本実施形態の燃料電池１０は、従来の燃料電池に比べ、動作時に発生する単位体積あたりの熱量の増加量が、放熱面積の増加量よりも大きくなるため、燃料電池１０の温度は増加する。これにより、還元剤極２１および酸化剤極２２の反応速度が増大するため、該燃料電池１０の単位面積あたりの出力（ｍＷ／ｃｍ2）を大きくすることができ、燃料電池１０をさらに、小型化することができる。
【００５０】
≪酸化剤供給空間と還元剤供給空間との関係≫
図４は、本発明の実施の形態１の別の局面に従った燃料電池の模式的な斜視図である。図５は、本発明の実施の形態１の燃料電池を第１方向から見た模式的な平面図である。図６は、本発明の実施の形態１の燃料電池を第２方向から見た模式的な平面図である。以下、図４〜図６に基づいて本実施形態の酸化剤供給空間と還元剤供給空間との関係について説明する。
【００５１】
まず、図４に示すように、本実施の形態における燃料電池１０は円筒状の管状の単位構造を含むものに限定されるものではなく、中空部を有した正方形の角筒状の管状の単位構造を複数個配列した燃料電池であってもよい。
【００５２】
次に、数式を用いて燃料電池１０の還元剤極および酸化剤極の総面積が大きくなることについて、図４の燃料電池１０を例として説明をする。すなわち、従来の燃料電池のように第１方向のみに配列された中空状の電解質膜に対して、本発明の燃料電池１０のようにさらに第２方向の中空状の電解質膜を付与する場合の、発電に係わる部分である、還元剤極および還元剤供給空間１１と、酸化剤極および酸化剤供給空間と表面積の比較を行なう。
【００５３】
図４において、中空状の単位構造の断面における外面が形成する正方形の一辺をＲ１とし、第２方向の隣接する単位構造の外面どうしの間隔をＬ１とする。
【００５４】
第２方向の単位構造の最小の繰り返し単位（図４中の破線部）において、第２方向の中空状の電解質膜の付与によって第１方向に配列された中空状の電解質膜の減少する表面積は、２×Ｒ１×Ｒ１であらわされる。一方、第２方向の中空状の電解質膜の付与による表面積の増加は、４×Ｌ１×Ｒ１であらわされる。したがって、２×Ｒ１×Ｒ１＜４×Ｌ１×Ｒ１、すなわち、Ｒ１＜２×Ｌ１の条件を満たすとき、燃料電池の還元剤極および酸化剤極の総面積を従来よりも大きくすることが可能となる。
【００５５】
次に、本発明の燃料電池の構造において、管状の単位構造に対していずれの表面に対向する空間領域を酸化剤供給空間もしくは還元剤供給空間にすべきかの選択手順について図５および図６に基づいて詳細に説明する。
【００５６】
酸化剤供給空間または還元剤供給空間のいずれかを形成する領域は、中空状の電解質が有する連続孔の向きである第１方向もしくは第２方向から本発明の燃料電池を見たときに、燃料電池の構成部材である電解質膜、還元剤極および酸化剤極以外の空間領域で定義される。
【００５７】
すなわち、図５に示されるように、本実施の形態１の燃料電池１０を第１方向から見た場合、管状の還元剤極、電解質膜および酸化剤極からなる単位構造の内面で囲まれ形成された領域３１および単位構造の外面で挟まれ形成された領域３２が上述した空間領域である。なお、図５における領域３２の長手方向の端部は、点線までとする。図６に示されるように、また、本実施の形態１の燃料電池１０を第２方向から見た場合、交差する第１方向および第２方向の単位構造の外面で囲まれて形成された領域３３も上述した空間領域となる。なお、図６における領域３３の端部は、点線までとする。そして、領域３２と領域３３とは互いに連通した同一空間である第１の空間領域をなし、領域３１は単位構造を挟んで第１の空間領域に対峙する第２の空間領域となる。
【００５８】
ここで、第１の空間領域をなす領域３２および領域３３と、第２の空間領域をなす領域３１とを比較して、より大きな物体が通過できる領域のある空間領域の方を酸化剤供給空間、大きな物体が通過できない側である他方を還元剤供給空間とすることが好ましい。この場合、還元剤として液体燃料を用いた場合に、還元剤供給空間に毛細力が有効に作用することにより、外部動力を使わずに自発的に還元剤を供給することが可能になる。たとえば、本発明の燃料電池が直接メタノール型燃料電池を構成することにより、還元剤であるメタノール等は、電解質膜で区画された領域の断面積が最も小さい供給経路内に毛細力により吸い上げられることにより、還元剤極へ供給することができる。これにより、還元剤の供給は重力の影響を受けにくいため、動作方位によらず発電させることができる。
【００５９】
領域３１、領域３２および領域３３を供給経路として通過する物体の大きさの断面寸法は、図５および図６内で示した矢印Ｒ３、矢印Ｌ３および矢印Ｌ４の寸法にそれぞれおおむね制約される。したがって、上述した本実施の形態１の場合では、領域３３が最も大きな物体が通過できる供給経路になる場合、領域３３の属する第１の空間領域を酸化剤供給空間に、他方の第２の空間領域を還元剤供給空間とすることが好ましいこととなる。
【００６０】
これに対して、単位構造の内面が形成する領域３１を大きくし、さらに図６に示す第１方向および第２方向に形成された単位構造からなる格子状の間隔を狭くすることで、領域３１の方が領域３２あるいは領域３３よりも大きな物体が通過できる供給経路になることにより、領域３１の属する第２の空間領域を酸化剤供給空間とし、領域３２および領域３３の属する第１の空間領域を還元剤供給空間としてもよい。
【００６１】
以下、燃料電池を構成する各要素の材料について説明する。
≪材料：還元剤および酸化剤≫
燃料電池１０に使用される還元剤としては、水素原子を含む気体燃料、水素原子を含む液体燃料が好ましく挙げられ、該液体燃料は、多種液体からなる混合液体燃料とされても良い。具体的な気体燃料としては、水素ガス、メタンガス、ブタンガス、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）等が例示でき、具体的な液体燃料としては、メタノール、エタノール、２−プロパノールなどの低級アルコール、ＤＭＥ（ジメチルエーテル）、ホルムアルデヒド、ギ酸メチル、ギ酸、水素化ホウ素ナトリウムなどから選択される１種または２種以上の混合物が例示できる。また、本発明において、該液体燃料は炭素数３以下のアルコールであることが好ましい。これは、炭素数４以上のアルコールになると多数の異性体を有するため、還元剤極２１における反応性が低くなってしまうことや、二酸化炭素まで反応が進まずに、中間生成物を形成することが問題となる虞があるためである。また、特に、該液体燃料はメタノール水溶液であることが好ましい。メタノールは炭素数が１であり、異なる異性体を作ることがなく、さらには結合エネルギーの高い炭素−炭素間の結合を有していないため、還元剤極２１において容易に反応させることができ、完全酸化により二酸化炭素まで容易に反応させることができる理由からである。
【００６２】
また、燃料電池１０に使用される酸化剤としては、気体または液体が好ましく挙げられ、具体的には、気体燃料として空気中の酸素、オゾンガス、液体燃料として過酸化水素水、硝酸等を用いることができる。本発明においては、該気体燃料は酸素であることが特に好ましい。これは、空気中の酸素を用いることができるため、別途酸化剤を設ける必要がなく、燃料電池を小型化することができる理由からである。
【００６３】
≪材料：電解質膜≫
電解質膜２０の材料は、イオン伝導性を有しかつ電気的絶縁性を有する材料であれば特に限定されない。たとえば、該燃料電池１０が固体高分子型燃料電池または直接メタノール型燃料電池を構成する場合には、該電解質膜２０の材料には、高分子膜、無機膜またはコンポジット膜を用いることができる。
【００６４】
該高分子膜としては、たとえばパーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン（デュポン社製、登録商標：ＮＡＦＩＯＮ）、アシプレックス（旭化成社製、登録商標：ＡＣＩＰＬＥＸ）、フレミオン（旭硝子社製、登録商標：フレミオン／ＦＬＥＭＩＯＮ）などが挙げられ、また、スチレン系グラフト重合体、トリフルオロスチレン誘導体共重合体、スルホン化ポリアリーレンエーテル、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、スルホン化ポリフォスファゼンなどの炭化水素系電解質膜なども挙げられる。
【００６５】
該無機膜としては、たとえばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウムなどが挙げられる。コンポジット膜としては、タングステン酸、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸等の無機物とポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、パーフルオロスルホン酸等の有機物とのコンポジットなどが挙げられる。
また、該燃料電池が固体酸化物型燃料電池を構成する場合には、安定化ジルコニア、セリア系酸化物、ランタンガレート系酸化物などがあげられる。
【００６６】
特に、燃料電池１０の１ｃｍ3あたりの出力が０．５Ｗ以上のときには、燃料電池１０の温度が高温になる可能性があるため、電解質膜２０の材料として、低含水時でも高いイオン伝導性を有する、スルホン化ポリイミド、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム、イオン性液体（常温溶融塩）を含んだ多孔質ガラス等を用いることが好ましい。燃料電池１０の動作に伴なう発熱により、電解質膜２０の温度が１００℃を超えても、電解質膜２０は高いイオン伝導性を維持できるため、安定した出力が得られるためである。
【００６７】
≪材料：還元剤極および酸化剤極≫
本発明の燃料電池１０における還元剤極２１は、還元触媒と電解質とから構成される。また、本発明の燃料電池１０における酸化剤極２２は、酸化触媒と電解質とから構成される。該電解質としては、上述の電解質膜２０の材料として例示した材料を用いることができる。還元触媒および酸化触媒としては、該燃料電池１０動作時の電気抵抗の低減、および該還元触媒および該酸化触媒の面積の増加を目的として、導電体に担持したものを用いることができる。
【００６８】
燃料電池１０が固体高分子型燃料電池または直接メタノール型燃料電池を構成する場合には、還元剤極２１は、該還元触媒としての白金、白金とルテニウム混合物、または白金／ルテニウム合金の微粒子を、該導電体としての炭素系粉末担体に担持したものが好ましい。また、この場合、酸化剤極２２は、酸化触媒としての白金の微粒子を、該導電体としての炭素系粉末担体に担持したものが好ましい。該炭素系粉末担体としては、球状形状に限定されず、カーボンナノチューブ、ＶＧＣＦ等の柱状や針状の形状のものも用いることができる。
【００６９】
また、燃料電池１０が固体電解質型燃料電池を構成する場合には、還元剤極２１における還元触媒は、ニッケルの微粒子を含むことが好ましい。またこの場合、酸化剤極２２における酸化触媒は、ランタンストロンチウムマンガン酸化物であることが好ましい。
【００７０】
また、該酸化剤極２２は、酸化触媒が連続状態で形成され、電子の集電体の機能を有することが好ましい。このとき、酸化剤極２２に電子を送電するための集電体を設ける必要がなくなり、酸化剤供給空間１１を最大限確保することができる。これにより、酸化剤の十分な供給ができ、安定な出力を得ることができる。
【００７１】
≪製造方法≫
まず、犠牲基体として、第１方向および第２方向に交差して形成される銅網を準備する。次に、還元剤極２１の材料となる還元触媒の分散溶液に、該銅網を完全に浸漬し、該銅線の表面についた気泡を超音波処理により除去する。その後該銅網を乾燥させる。この還元触媒の分散溶液の浸漬と乾燥処理を数回繰り返すことにより、該銅網の表面に還元剤極を形成する。
【００７２】
次に、該銅網に対して電解質膜の材料の分散溶液に浸漬した後乾燥させる工程、そして、酸化剤極の分散溶液に浸漬した後乾燥させる工程を適宜行なう。以上の工程で該銅網の表面に還元剤極、電解質膜および酸化剤極が形成される。
【００７３】
次に、該銅網を硫酸水溶液等の中に浸漬させた後、純水中で２４時間の浸漬させる工程を数回繰り返すことにより、銅網を溶解除去する。以上によって、本実施形態の燃料電池１０が作製される。また、該燃料電池を複数積層して、各燃料電池の酸化剤極と還元剤極を直列に接続してもよいし、各燃料電池間の酸化剤極どうしおよび還元剤極どうしを接続することで、複数の燃料電池を並列に接続してもよい。
【００７４】
なお、本発明においては、実施の形態１で説明した燃料電池における各材料を適宜選択して使用することができる。したがって、以下の実施の形態において、該材料についての記述は繰り返さない。
【００７５】
＜実施の形態２＞
≪構造≫
図７は、本発明の実施の形態２に従った燃料電池の模式的な斜視図である。図８は、図７中の平面３に沿った断面図である。図９は、図７中の平面４に沿った断面図である。図１０は、図７中の平面５に沿った断面図である。以下、図７〜図１０に基づいて説明する。
【００７６】
本実施の形態の燃料電池４０は、長手方向が第１方向である複数の管状の単位構造を備える。該単位構造は、管状の電解質膜５０と、電解質膜５０の内面に形成された酸化剤極５２と、電解質膜５０の外面に形成された還元剤極５１とを備える。そして、燃料電池４０は、単位構造の中心内部より、酸化剤供給空間４２、酸化剤極５２、電解質膜５０、還元剤極５１そして還元剤供給空間４１の順で構成されている。
【００７７】
また、燃料電池は図８に示すような連続孔を第１方向に有した中空状の電解質膜５０であり、また、図９に示すように、該電解質膜５０の側面から貫通する連続孔が第２方向の中空状の電解質膜５０をなしている。つまり電解質膜５０は、第１方向に交差する第２方向に、さらに中空部を形成する電解質膜を備え、そして、第１方向の中空状の電解質膜５０部分と第２方向の中空状の電解質膜５０部分によって、還元剤供給空間４１と酸化剤供給空間４２とは電解質膜５０を挟んで完全に分離されている。
【００７８】
また、図示していないが、隣り合う２つの単位構造どうしの配線は、直列接続する場合には、一方の還元剤極５１ともう一方の酸化剤極５２とを接続し、並列接続する場合には、それぞれの還元剤極５１および酸化剤極５２どうしを接続することにより得られる。
【００７９】
≪酸化剤供給空間と還元剤供給空間との関係≫
図１１は、本発明の実施の形態２の燃料電池を第１方向から見た模式的な平面図である。図１２は、本発明の実施の形態２の燃料電池を第２方向から見た模式的な平面図である。以下、図１１および図１２に基づいて本実施形態の酸化剤供給空間と還元剤供給空間との関係について説明する。
【００８０】
酸化剤供給空間または還元剤供給空間のいずれかを形成する領域は、中空状の電解質が有する連続孔の向きである第１方向もしくは第２方向から本発明の燃料電池を見たときに、燃料電池の構成部材である電解質膜、還元剤極および酸化剤極以外の空間領域で定義される。
【００８１】
すなわち、図１１に示されるように、本実施の形態２の燃料電池６０を第１方向から見た場合、管状の還元剤極、電解質膜および酸化剤極からなる単位構造の内面で囲まれ形成された領域６１および単位構造の外面で挟まれ形成された領域６２が上述した空間領域である。なお、図１１における領域６２の端部は、点線までとする。図１２に示されるように、また、本実施の形態２の燃料電池６０を第２方向から見た場合、電解質膜で形成された中空部の領域６３および単位構造６０の外面で囲まれて形成された領域６４も上述した空間領域となる。なお、図１２における領域６４の端部は、点線までとする。そして、領域６２、領域６３および領域６４は互いに連通した同一空間である第１の空間領域をなし、領域６１は単位構造を挟んで第１の空間領域に対峙する第２の空間領域となる。
【００８２】
ここで、実施の形態１と同様に、第１の空間領域の３つの領域６２、領域６３および領域６４と第２の空間領域の領域６１とを比較して、より大きな物体が通過できる領域のある空間領域の方を酸化剤供給空間、大きな物体が通過できない側である他方を還元剤供給空間とするのが好ましい。この場合、還元剤として液体燃料を用いた場合に、還元剤供給空間に毛細力が有効に作用することにより、外部動力を使わずに自発的に還元剤を供給することが可能になるからである。
【００８３】
領域６１、領域６２、領域６３および領域６４を供給経路として通過する物体の大きさの断面寸法は、図１１および図１２内で示した矢印Ｒ４、矢印Ｌ５、矢印Ｒ５および矢印Ｌ６の寸法にそれぞれおおむね制約される。したがって、上述した本実施の形態２の場合では、領域６１が最も大きな物体が通過できる供給経路になる場合、領域６１の属する第２の空間領域を酸化剤供給空間に、他方の第１の空間領域を還元剤供給空間とすることが好ましいこととなる。
【００８４】
これに対して、図１１の単位構造の内面が形成する領域６１の内径を小さくすることで、領域６２の方が領域６１よりも大きな物体が通過できる供給経路になることにより、領域６２の属する第１の空間領域を酸化剤供給空間とし、領域６１の属する第１の空間領域を還元剤供給空間としてもよい。この場合、還元剤として液体燃料を供給すれば、領域６１の供給経路から毛細力により燃料供給することが可能になる。
【００８５】
酸化剤供給空間となる供給経路の領域の大きさは、０．１ｍｍから１０ｍｍの範囲であることが好ましく、還元剤供給空間となる供給経路の領域の大きさは、０．００１ｍｍから０．５ｍｍの範囲であることが好ましい。
【００８６】
≪製造方法≫
犠牲基体として銅線を用い、該銅線の直径よりも小さな直径を有した貫通孔を該銅線の長手方向に垂直に交わるように複数形成する。得られた貫通孔を有した該銅線を第１方向に複数整列させ、実施の形態１における製造方法と同様の操作を行なうことによって、製造することができる。
【００８７】
＜実施の形態３＞
≪構造≫
図１３は、本発明の実施の形態３に従った燃料電池の模式的な斜視図である。図１４は、本発明の実施の形態３の別の局面に従った燃料電池の模式的な斜視図である。以下、図３および図１４に基づいて説明する。
【００８８】
まず、図１３に示すように、本実施形態の燃料電池７０における管状の単位構造の電解質膜が、第１方向と、これに交差する第２方向のいずれかに交差する三次元空間における第３方向にさらに連通して、上述した単位構造の内面によって形成される中空部が連通して連続孔を形成している。つまり、本実施の形態の燃料電池７０は、上述した実施の形態１における燃料電池１０に対して、さらに第３方向に単位構造を備えた構造である。
【００８９】
本実施の形態においても、実施の形態１と同様に、該単位構造が有する該電解質膜の形状は、中空形状であれば特に限定されない。したがって、具体的には、図１３に示す断面において、単位構造における内面および外面が構成する形状は、多角形、円形、楕円形等の断面形状を適宜選択することができる。また、たとえば、内面の断面形状を正方形、外面の断面形状を円形と、異なる形状にすることも容易に可能である。
【００９０】
また、第３方向とは、二次元空間における第１方向および第２方向に対してさらに三次元空間方向に該第１方向および該第２方向に交差する関係であればよい。したがって、垂直に交差する必要はない。また、複数の第３方向が長手方向となる単位構造どうしは、該三次元空間において、平行に並列した関係である。
【００９１】
また、図１３においては、第１方向および第２方向に配列した同一直径の単位構造について記載されているが、それぞれの単位構造が必ずしも同一直径である必要はなく、第１方向に対して第２方向を形成するときに、燃料電池１０の還元剤極２１および酸化剤極２２の総面積が大きくなるように適宜設計することが可能である。
【００９２】
また、燃料電池７０において、電解質膜を中心に還元剤極と酸化剤極とを任意に入れ替えることもでき、管状の電解質膜の外面に還元剤極または酸化剤極のどちらを形成するかは、用いる酸化剤および還元剤の種類や、酸化剤極および還元剤極の反応活性の高さ等により選定することができる。
【００９３】
次に図１４に基づいて、本実施の形態の別の局面について説明する。
本実施形態の燃料電池は、図１３に示すように第１方向、第２方向、および第３方向の連続孔が同じ交差部位でそれぞれ互いに交差している必要は無く、図１４に示すような燃料電池８０の構成とすることもできる。図１４に示す燃料電池８０は、第１方向と第２方向および第３方向に連続孔を有した管状の電解質膜を備えること以外は、実施の形態１と同様な構成をとっている。また、第１方向の連続孔と第２方向の連続孔とが交差部位で中空部を共有するように交差し、第２方向の連続孔と第３方向の連続孔が交差部位で中空部を共有するように交差し、第１方向の連続孔と第３方向の連続孔とは交差部位で中空部を共有するようには交差していない。
【００９４】
上述した図１３および図１４の本実施形態の燃料電池では、第３方向に配列された単位構造が第１方向および第２方向に配列された単位構造を支持補強する役割を果たし、燃料電池全体の強度がさらに向上する。
【００９５】
≪動作≫
該還元剤供給空間７１に、たとえば水素ガスやメタンガスなどの気体燃料である還元剤や、メタノール水溶液やエタノール水溶液等の液体燃料である還元剤が供給されることで、該還元剤は該還元剤極に達する。このとき、従来の１方向からの還元剤の供給に比べ、本実施の形態の燃料電池７０は、第１方向と第２方向および第３方向の３方向より還元剤が供給されるため、還元剤極において還元剤の供給不足が起こりにくい。また、第１方向と第２方向および第３方向の３方向から反応物が排出されるため、十分な反応物の除去を行なうことができる。これにより、還元剤極に還元剤を十分に供給することができ、燃料電池７０の出力を安定させることができる。
【００９６】
≪製造方法≫
実施の形態１における犠牲基体を、第１方向、第２方向および第３方向を備える銅網を準備し、実施の形態１における製造方法と同様の操作を行なうことによって、製造することが可能である。
【００９７】
＜実施の形態４＞
≪構造≫
図１５は、本発明の実施の形態４に従って図２に示す燃料電池にさらに多孔質支持体を備えた断面図である。図１６は、本発明の実施の形態４に従って図３に示す燃料電池にさらに多孔質支持体を備えた断面図である。図１７は、本発明の実施の形態４の別の局面に従った燃料電池の模式的な断面図である。以下、図１５〜図１７に基づいて説明する。
【００９８】
まず、図１５および図１６に基づいて説明する。本実施の形態における燃料電池９０は、図１〜図３に示した複数の管状の単位構造を備える燃料電池１０における還元剤供給空間１１に、多孔質支持体２５を設けたものである。つまり、本実施の形態の燃料電池９０は、実施の形態１の燃料電池１０において、還元剤供給空間１１が多孔質支持体２５で充填された構成に相当する。本実施の形態における燃料電池９０は、管状の単位構造の中心内部より、多孔質支持体２５、還元剤極２１、電解質膜２０、酸化剤極２２、そして酸化剤供給空間１２の順で構成されている。
【００９９】
このとき、電解質膜２０は該多孔質支持体２５により補強されるため、実施の形態１に比べてさらに薄膜の電解質膜２０を使用することができる。薄膜の電解質膜２０を用いることで、燃料電池９０の動作時におけるオーミック抵抗が低減し、還元剤極２１および酸化剤極２２の単位面積あたりの出力密度（ｍＷ／ｃｍ2）が向上することにより、燃料電池９０をさらに小型化することができる。
【０１００】
また、本実施の形態において、該多孔質支持体２５の細孔が該還元剤供給空間をなしている。該多孔質支持体２５の材質や細孔径を適切に選択することによって、還元剤として液体燃料を選択した場合に、液体燃料と接触角が小さい材質を該多孔質支持体２５の材質として用い、該多孔質支持体２５の細孔径を小さくすることにより、該還元剤供給空間に十分な毛細力を生じさせることができる。これにより、還元剤の供給が重力の影響を受けにくくなり、動作方位によらず発電させることができる。
【０１０１】
ここでいう接触角とは、固体表面上で液滴が固体に接するとき、固体と液体とが接する点における液体表面に対する接線が、固体表面となす角で、液体を含む側の角度を接触角にする。
【０１０２】
次に、図１７に基づいて、本実施形態の別の局面について説明する。図１７に示す燃料電池における多孔質支持体２５は、上述した電解質膜２０の内面に形成され、かつ中空状である。そして、多孔質支持体２５の中空部は、還元剤極２１で発生した排ガスの排出を促進する排気口２６としての役割を果たす。つまり、管状の単位の中心内部より、排気口２６、多孔質支持体２５、還元剤極２１、電解質膜２０、酸化剤極２２、そして酸化剤供給空間１２の順で構成されている。多孔質支持体２５が形成する排気口２６は、図１７に示す断面図のように必ずしも、多孔質支持体２５の中心に形成される必要はない。
【０１０３】
≪動作≫
本実施の形態における燃料電池９０の動作は、上述した実施の形態１と同様である。
【０１０４】
≪材料：多孔質支持体≫
多孔質支持体２５としては、高分子の発泡体、高分子の不織体およびガラス粒子の焼結体など電気絶縁性の多孔質材、あるいは、金属発泡体、金属焼結体、カーボンの発泡体および金属糸の不織体など電気伝導性の多孔質材を用いることができる。
【０１０５】
特に、多孔質支持体２５の材質は、電気伝導性を有するものから構成されることが好ましい。燃料電池９０の動作時に、該還元剤極２１から電子を集電して、該電子が外部負荷に至るまでのオーミック抵抗による電圧の低下を抑制することができるためである。
【０１０６】
また、多孔質支持体２５の形状を形成するにあたっては、多孔質支持体２５の材料として、金属発泡体または金属焼結体を選択することが好ましい。また、燃料電池９０において、該金属発泡体または該金属焼結体は、細孔径や気孔率を容易に制御できるうえで好ましい。還元剤として、液体燃料を選択する場合に、接触角の大小にあわせて、細孔径や気孔率を任意に設定することができるため、多孔質支持体２５が形成する還元剤供給空間に十分な毛細力を生じさせることができる。該接触角は、選択する液体燃料や、多孔質支持体２５の材質によりことなる。
【０１０７】
≪製造方法≫
実施の形態１における犠牲基体として、第１方向および第２方向を備える金属焼結体を準備し、実施の形態１における製造方法と同様の操作を行なうことによって、製造することが可能である。
【０１０８】
該金属焼結体は、あらかじめ、たとえばメタクリル酸メチル樹脂（アクリル樹脂）等のプラスチックのブロックを準備し、第１方向および第２方向の貫通孔を設けることにより鋳型とする。次に、金属粉末とプラスチック素材からなる造孔剤を混合したスラリーを、該貫通孔に射出成形した後、プラスチックの該鋳型と該造孔剤の除去（脱脂）する。最後に、焼成を行なうことにより金属粒子どうしを焼結させることにより、第１方向および第２方向を備える金属焼結体を得ることが可能である。
【０１０９】
なお、本実施の形態では、図２および図３に示す燃料電池にさらに多孔質支持体を備えたものを例として説明したが、さらに第３方向にも多孔質支持体を備え、図１３および図１４に示す燃料電池に適用できるようにすることも可能である。この場合、上述した製造方法と同様に、第１方向、第２方向および第３方向の貫通孔を設けた鋳型に射出成形することで形成した第１方向、第２方向および第３方向を備えた金属焼結体を利用することによって、製造することが容易に可能である。
【０１１０】
＜実施の形態５＞
≪構成≫
図１８は、本発明の実施の形態５に従った燃料電池の模式的な一部分の斜視図である。図１９は、図１８の一部の模式的な拡大図である。以下、図１８および図１９に基づいて説明する。
【０１１１】
本実施の形態の燃料電池は、図１８に示すように多孔質支持体３５として金属焼結体を用いた構成である。本発明の燃料電池は、多孔質支持体３５としての金属焼結体の細孔が還元剤供給空間を構成し、金属焼結体に設けられた連続孔の内部に酸化剤供給空間９２を構成している。そして、該金属焼結体の連続孔の内部中心から酸化剤供給空間９２、酸化剤極１０２、電解質膜１００、還元剤極１０１そして多孔質支持体３５の順で構成されている。
【０１１２】
本実施の形態の燃料電池は、後述する製造方法によって多孔質支持体３５の内部に連続孔がランダムに形成されている。連続孔は必ずしも直線的に形成されるもののみではなく、屈曲した連続孔も存在する。また、連続孔の大きさは形成方向に必ずしも同一径ではなく、異なる連続孔間の大きさも不均一である。
【０１１３】
ここで、ひとつの連続孔は多孔質支持体３５の内部において、他のいずれかの連続孔と連通して形成されているのが好ましい。この際、一の連続孔内部に形成された酸化剤極１０２、電解質膜１００、および還元剤極１０１が第１方向に配列された単位構造をなし、これと連通している他の連続孔内部に形成された酸化剤極１０２、電解質膜１００、および還元剤極１０１が第１方向と交差する第２方向もしくは第３方向に配列された単位構造を形成している。
【０１１４】
≪動作≫
図２０および図２１は、本実施の形態の燃料電池の動作を説明するための模式的な斜視図である。また、図２２は、本実施の形態の燃料電池の別の局面に従った動作を説明するための模式的な斜視図である。以下、図２０〜図２２に基づいて説明する。
【０１１５】
図２０に示すように本実施の形態の燃料電池は、図１８に示すような多孔質支持体３５に形成された連続孔に由来する酸化剤供給空間９２を有している。当該構造は、連続孔を有する多孔質支持体３５に還元剤極１０１／電解質膜１００／酸化剤極１０２が形成された構成であるので、燃料電池の表面は酸化剤極１０２が被覆した構造をなす。
【０１１６】
さらに、燃料電池の端部に燃料を供給するための供給部５５が設けられており、供給部５５においては酸化剤供給空間９２が存せず、燃料電池の一側面を成す切断面７を備えている。切断面７では、ほぼ全面に多孔質支持体３５が露出しており、還元剤極１０１／電解質膜１００／酸化剤極１０２は切断面７の外周部分のみに部分的に露出している。そして、この切断面７に液体燃料を触れさせることで、露出した多孔質支持体３５から燃料電池の内部に毛管力によって液体燃料が浸透し、燃料電池の全体にわたって還元剤極１０１に該液体燃料を供給することができる。
【０１１７】
燃料供給のための供給部は、燃料電池の一部領域に設けられていれば、図２０に示すように必ずしも燃料電池の一側面側すべてに設ける必要はない。たとえば、図２２に示すように、燃料電池の一部である角部に供給部６５を備えることもできる。供給部６５は切断面８を有し、切断面８ではほぼ全面に多孔質支持体３５が露出している。そして、切断面８から液体燃料が還元剤極１０１に供給される。そして、切断面８の外周部分には、還元剤極１０１／電解質膜１００／酸化剤極１０２が露出している。
【０１１８】
≪酸化剤供給空間と還元剤供給空間との関係≫
次に、本実施の形態の燃料電池の構造において、金属焼結体が備える細孔と金属焼結体に設けられた連続孔といずれを酸化剤供給空間もしくは還元剤供給空間にそれぞれすべきかの選択手順について図１９に基づいて、詳細に説明する。
【０１１９】
本発明の実施の形態１および実施の形態２で説明したように、本発明の燃料電池の構造に対して、酸化剤供給空間または還元剤供給空間のいずれかを形成する供給空間は、中空状の電解質１００が有する連続孔の向きから本発明の燃料電池を見た場合に、電解質膜１００、還元剤極１０１、および酸化剤極１０２以外の空間領域で定義され、その空間領域の大小関係から酸化剤供給空間若しくは還元剤供給空間のいずれかが好適かを選択することができる。
【０１２０】
すなわち、図１８に示される本実施の形態の燃料電池の断面をある１方向から見た場合、図１９の電解質膜１００が形成する中空部内の領域１１１、および多孔質支持体３５が有する細孔である領域１１２が当該空間領域になる。この際、領域１１１および領域１１２のうち、より大きな物体が通過できる領域である供給経路を酸化剤供給空間とするのが好ましい。また、領域１１１および領域１１２のうち、小さな物体しか通過できない側の領域である供給経路を還元剤供給空間とするのが好ましい。本実施の形態においては、領域１１１の方が大きいのでこの供給経路を酸化剤供給空間とし、また、領域１１２が小さいのでこの供給経路を還元剤供給空間とするのが望ましい。この場合、還元剤として液体燃料を供給すれば、領域１１２の供給経路から毛細力により燃料供給することが可能になる。
【０１２１】
また、金属焼結体の細孔の形状として一般的にクローズド構造とオープン構造が知られており、本発明の燃料電池においては、オープン構造を有した細孔を有する金属焼結体を用いることが好ましい。ここで、オープン構造とは、金属焼結体の細孔が外部と連続した構造であり、クローズド構造とは、金属焼結体の細孔が外部とは連続しておらず、細孔が独立した状態の構造である。
【０１２２】
≪製造方法≫
まず、図１８の構成の製造方法について説明する。図１８における多孔質支持体３５の細孔の形成と同時に、酸化剤供給空間９２を形成する。具体的には、金属粉末射出成形において、酸化剤供給空間９２を形成するために０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲に粒径分布を有する細孔形成剤を添加することにより、酸化剤供給空間９２を有した多孔質支持体３５を形成することができる。
【０１２３】
そして、該多孔質支持体３５における酸化剤供給空間９２に、還元剤極１０１、電解質膜１００および酸化剤極１０２を形成する。形成方法は、実施の形態１における製造方法と同様の操作を行なうことによって、製造することが可能である。
【０１２４】
次に、図２０の燃料電池の製造方法について説明する。まず、図１８の構成の製造方法と同様に、金属粉末射出成形において細孔形成剤を添加することにより、多孔質支持体３５の細孔の形成と同時に酸化剤供給空間９２が形成された多孔質支持体３５を形成する。この際、燃料電池の端部である一側面側には細孔形成剤を添加せず、当該領域には酸化剤供給空間９２が形成されない多孔質支持体３５を形成する。該多孔質支持体３５に還元剤極１０１、電解質膜１００および酸化剤極１０２を形成することで、図２１に示すように、燃料電池の端部側に酸化剤供給空間９２の無い供給部５５を有する構造を形成することができる。
【０１２５】
そして、形成した端部の供給部５５を切断することにより切断面７を露出させることで、図２０の燃料電池を製造することができる。
【０１２６】
また、燃料電池の端部側のみ酸化剤供給空間９２が形成されない多孔質支持体３５を形成する製造方法として上述した方法以外にたとえば、あらかじめ酸化剤供給空間９２が形成された多孔質支持体３５と、酸化剤供給空間９２が形成されない多孔質支持体３５とを接合することにより形成することもできる。すなわち、上述の２つの多孔質支持体３５を金属粉末射出成形で夫々作製した後に両者を接合させ、酸化剤供給空間９２が形成されない多孔質支持体３５の方を燃料電池の供給部５５とするものである。上述の２つの多孔質支持体３５間の接合方法には、導電性接着剤や金属拡散接合を用いることができる。特に超音波や高電圧による金属拡散接合は、接合界面の電気的接合がよく、多孔質支持体３５の細孔の連続性を好適に維持できるため好ましい。
【０１２７】
＜実施の形態６＞
≪構造≫
図２３は、本発明の実施の形態６に従った燃料電池の模式的な斜視図である。図２４は、図２３中の平面６に沿った断面図である。以下、図２３および図２４に基づいて説明する。
【０１２８】
本発明の燃料電池は、第１方向と第２方向および第３方向に連続孔を有した管状の電解質膜１３０と、該電解質膜１３０の内面に形成された酸化剤極１３２と、該電解質膜１３０の外面に形成された還元剤極１３１が形成されている。また、該還元剤極１３１の外周に多孔質支持体４５が設けられ、該酸化剤極１３１の内面に酸化剤供給空間１２２が設けられている。つまりは、酸化剤供給空間１２２側から、酸化剤極１３２、電解質膜１３０、還元剤極１３１、還元剤供給空間の順で構成されている。
【０１２９】
≪動作≫
本実施の形態の燃料電池は、上述した他の実施の形態と同様に動作することができる。具体的には、酸化剤供給空間１２２に対して酸化剤を供給し、多孔質支持体４５の細孔に還元剤が行き渡るようにすることで動作することができる。
【０１３０】
≪製造方法≫
本実施の形態の燃料電池１２０は、たとえば以下の工程（１）〜工程（５）により作製することができる。
【０１３１】
工程（１）細孔を備えた多孔質支持体４５に酸化剤供給空間となる連続孔を形成する工程。
【０１３２】
工程（２）還元触媒と電解質とをあらかじめ揮発性有機溶媒に分散させた還元触媒の分散溶液を塗布し、該酸化剤供給空間１２２となる連続孔の表面に還元剤極１３１を作製する工程。
【０１３３】
工程（３）電解質をあらかじめ揮発性有機溶媒に分散させた電解質の分散溶液を塗布し、該還元剤極１３１の表面に電解質膜１３０を作製する工程。
【０１３４】
工程（４）酸化触媒と電解質とをあらかじめ揮発性有機溶媒に分散させた酸化触媒の分散溶液を塗布し、該電解質膜１３０の表面に酸化剤極１３２を作製する工程。
【０１３５】
工程（５）酸化剤極１３２の導電層（集電体）を形成する工程。
工程（１）において、まず、直方体形で、細孔を備えた多孔質支持体４５を準備する。そして、多孔質支持体４５に、第１方向とこれに交差する第２方向および第３方向に連続孔を形成する。多孔質支持体４５に連続孔を形成する方法として、たとえばドリル加工、レーザ加工、放電加工またはウォータージェット加工などを用いて、多孔質支持体４５に酸化剤供給空間１２２を形成することができる。具体的には、該直方体形の対向しあう面どうしを貫通するように酸化剤供給空間１２２を形成することができる。
【０１３６】
工程（２）〜工程（４）において、多孔質支持体４５を還元触媒の分散溶液、電解質の分散溶液および酸化触媒の分散溶液に浸漬し、外気圧を減圧することにより、上述のさまざまな分散溶液を酸化剤供給空間となる連続孔に注入することができる。また、それぞれの該分散溶液を注入後には、２０℃から１００℃にて１時間から１２時間の乾燥を行った後、１３０℃から２００℃で焼成することが好ましい。また、１回の浸漬で十分な還元剤極１３１および酸化剤極１３２における触媒量や、還元剤極１３１、電解質膜１３０および酸化剤極１３２の厚さが得られない場合には、数回の浸漬と乾燥を繰り返すことが好ましい。なお、上述のさまざまな分散溶液を浸漬する際には、外気圧の減圧を制御することで、該多孔質支持体４５の細孔には該分散溶液が注入されることなく、酸化剤供給空間１２２にのみ還元剤極１３１、電解質膜１３０および酸化剤極１３２の材料を注入することができる。
【０１３７】
工程（５）において、酸化剤極１３２上に貴金属めっきを施したり、貴金属導電性ペーストを外気圧を減圧にし注入することにより、酸化剤極１３２上に導電層（集電体）を形成することができる。また、上述の工程（４）において、酸化触媒の分散溶液に貴金属粒子を用いることで、燃料電池１２０の動作時に十分に低い抵抗値が得られる場合は、該工程（５）は省略してもよい。
【０１３８】
以下、実施例を挙げて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【０１３９】
＜実施例１＞
本実施例について、図２３および図２４に基づいて説明する。また、実施の形態６で上述した工程（１）〜工程（５）に従って以下説明する。
【０１４０】
工程（１）
まず、多孔質支持体４５として、約１０μｍから１００μｍの細孔径分布、約５０％から６０％の気孔率を有した、縦１０×横１０×長さ１０ｍｍのチタン粒子焼結体を準備した。該チタン粒子焼結体の上面、側面、前面の３面から、直径１ｍｍφのドリルによりピッチ２ｍｍで各面から３６箇所の酸化剤供給空間１２２となる連続孔を対向する面どうしが貫通するように形成した。
【０１４１】
工程（２）
Ｐｔ担持量が３２．５ｗｔ％およびＲｕ担持量が１６．９ｗｔ％の触媒担持カーボン粒子（ＴＥＣ６６Ｅ５０、田中貴金属社製）と、２０ｗｔ％のナフィオンのアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、揮発性有機溶媒であるイソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、還元触媒の分散溶液を作製した。
【０１４２】
該還元触媒の分散溶液に、連続孔を形成したチタン粒子焼結体を完全に浸漬し、真空盤（アズワン社製）に設置し、ロータリーポンプを用いて、減圧計が０．０５ＭＰａになるように装置中の大気を減圧し３０分間、減圧注入を行った。そして、該還元触媒の分散溶液から、チタン粒子焼結体を引き上げた後、室温にて３時間、６０℃にて１時間の乾燥処理をおこないイソプロパノールを完全に揮発させ、続いて、１３０℃にて１時間の焼成処理をおこなうことにより、還元剤極１３１を固定化した。この還元触媒の分散溶液の減圧注入と乾燥処理とを５回繰り返すことにより、厚さ３０μｍの還元剤極１３１を形成した。
【０１４３】
工程（３）
次に、２０ｗｔ％のナフィオンのアルコール溶液（アルドリッチ社製）に、還元剤極１３１が形成されたチタン粒子焼結体を完全に浸漬し、同様の条件で真空盤（アズワン社製）に設置し、ロータリーポンプを用いて、減圧注入した後に、乾燥処理をした。該減圧注入と該乾燥処理とを３回繰り返すことにより、還元剤極１３１上に厚さ約５０μｍの電解質膜１３０を形成した。
【０１４４】
工程（４）
次に、Ｐｔ黒（アルドリッチ社製）と、２０ｗｔ％のナフィオンのアルコール溶液（アルドリッチ社製）と、ＶＧＣＦ（昭和電工社製）と、揮発性有機溶媒であるイソプロパノールと、ジルコニアボールとを、所定の割合でＰＴＦＥ製の容器に入れ、攪拌機を用いて５００ｒｐｍで５０分間の混合を行なうことにより、酸化触媒の分散溶液を作製した。
【０１４５】
該酸化触媒の分散溶液に、電解質膜１３０を形成されたチタン粒子焼結体を完全に浸漬し、真空盤（アズワン社製）に設置し、ロータリーポンプを用いて減圧注入した後に、乾燥処理をした。該減圧注入と該乾燥処理とを数回繰り返すことにより、電解質膜１３０上に厚さ約２０μｍの酸化剤極１３２を形成した。
【０１４６】
工程（５）は省略した。
得られた燃料電池１２０の一端を切断することにより、チタン粒子焼結体を露出させ、チタン粒子焼結体の細孔に毛管力を用いて還元剤として１０ｗｔ％メタノール水溶液を供給し、連続孔に酸化剤として空気を供給した。このとき、燃料電池１２０の負荷電流１．０Ａにおける出力電圧は０．２９Ｖを示した。また、燃料電池１２０の単位体積あたりの出力密度は２９０Ｗ／Ｌとなった。
【０１４７】
＜実施例２＞
犠牲基体として、約２８０μｍφの線径、２０ｍｅｓｈの銅網（ニラコ社製）を１０×１０ｍｍのサイズに切り出し、プレス機を用いて荷重１トンで平滑化したものを用いた。
【０１４８】
そして、実施例１の還元触媒の分散溶媒に、該銅網を完全に浸漬し表面についた気泡を超音波処理により除去した。実施例１と同様に、この還元触媒分散溶液の浸漬と乾燥処理とを３回繰り返すことにより、厚さ約２０μｍの還元剤極を形成した。
【０１４９】
電解質膜の形成および酸化剤極の形成も、実施例１と同様な工程で作製した。
得られた燃料電池の４辺を切断し、最後に、１ｍｏｌ／Ｌの硫酸水溶液中で２４時間の浸漬と、純水中で２４時間の浸漬を数回繰り返すことにより、銅網を溶解除去することにより、還元剤極と酸化剤極とが形成された管状の単位構造を複数備える燃料電池を得た。
【０１５０】
該燃料電池を１５個積層し、約５０μｍφの金線を用いて各燃料電池の酸化剤極と還元剤極とを直列に接続した。
【０１５１】
そして、電解質膜の内面に形成された還元剤極に対して、還元剤として１０ｗｔ％メタノール水溶液を供給し、電解質膜の外面に形成された酸化剤極に対して、酸化剤として空気を供給した。このとき該燃料電池の負荷電流０．１０Ａにおける出力電圧は４．２Ｖを示した。また、燃料電池の単位体積あたりの出力は、３２３Ｗ／Ｌとなった。
【０１５２】
＜比較例１＞
犠牲基体として、約３００μｍφの線径の銅網（ニラコ社製）を１０ｍｍのサイズに切り出したこと以外は実施例２と同様に操作して、還元剤極と酸化剤極とが形成された中空状の電解質膜を備える燃料電池を作製した。
【０１５３】
該燃料電池を１方向に５０本束ねて、約５０μｍφの金線を用いて各燃料電池の酸化剤極と還元剤極とを並列に接続した。
【０１５４】
そして、電解質膜の内面に形成された還元剤極に対して、還元剤として１０ｗｔ％メタノール水溶液を供給し、電解質膜の外面に形成された酸化剤極に対して、酸化剤として空気を供給した。このとき該燃料電池の負荷電流０．００５Ａにおける出力電圧は４．１Ｖを示した。また、燃料電池の単位体積あたりの出力は、１６７Ｗ／Ｌとなった。
【０１５５】
比較例１と実施例１および実施例２の比較から、本発明の燃料電池は、単位体積あたりの出力密度が高く、所定の出力を得るために小型化が可能であることがわかった。
【産業上の利用可能性】
【０１５６】
小型化が可能な本発明の燃料電池および燃料電池は、携帯電話、ノートパソコンなどの携帯電子機器や、小規模発電施設などに対して好適に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【０１５７】
【図１】本発明の実施の形態１に従った燃料電池の模式的な斜視図である。
【図２】図１中の平面１に沿った断面図である。
【図３】図１中の平面２に沿った断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１の別の局面に従った燃料電池の模式的な斜視図である。
【図５】本発明の実施の形態１の燃料電池を第１方向から見た模式的な平面図である。
【図６】本発明の実施の形態１の燃料電池を第２方向から見た模式的な平面図である。
【図７】本発明の実施の形態２に従った燃料電池の模式的な斜視図である。
【図８】図７中の平面３に沿った断面図である。
【図９】図７中の平面４に沿った断面図である。
【図１０】図７中の平面５に沿った断面図である。
【図１１】本発明の実施の形態２の燃料電池を第１方向から見た模式的な平面図である。
【図１２】本発明の実施の形態２の燃料電池を第２方向から見た模式的な平面図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に従った燃料電池の模式的な斜視図である。
【図１４】本発明の実施の形態３の別の局面に従った燃料電池の模式的な斜視図である。
【図１５】本発明の実施の形態４に従って図２に示す燃料電池にさらに多孔質支持体を備えた断面図である。
【図１６】本発明の実施の形態４に従って図３に示す燃料電池にさらに多孔質支持体を備えた断面図である。
【図１７】本発明の実施の形態４の別の局面に従った燃料電池の模式的な断面図である。
【図１８】本発明の実施の形態５に従った燃料電池の模式的な一部分の斜視図である。
【図１９】図１８の一部の模式的な拡大図である。
【図２０】本発明の実施の形態５の燃料電池の動作を説明するための模式的な斜視図である。
【図２１】本発明の実施の形態５の燃料電池の動作を説明するための模式的な斜視図である。
【図２２】本発明の実施の形態５の燃料電池の別の局面に従った動作を説明するための模式的な斜視図である。
【図２３】本発明の実施の形態６に従った燃料電池の模式的な斜視図である。
【図２４】図２３中の平面６に沿った断面図である。
【符号の説明】
【０１５８】
１，２，３，４，５，６，７，８  平面、１０，４０，７０，８０，９０，１２０  燃料電池、１１，４１，７１，８１，９１  還元剤供給空間、１２，４２，７２，８２，９２，１２２  酸化剤供給空間、２０，５０，１００，１３０  電解質膜、２１，５１，１０１，１３１  還元剤極、２２，５２，１０２，１３２  酸化剤極、２５，３５，４５  多孔質支持体、２６  排気口、３０，６０  単位構造、３１，３２，３３，６１，６２，６３，６４，１１１，１１２  領域、５５，６５  供給部。
【図１】
2009117294.tif 000003
【図２】
2009117294.tif 000004
【図３】
2009117294.tif 000005
【図４】
2009117294.tif 000006
【図５】
2009117294.tif 000007
【図６】
2009117294.tif 000008
【図７】
2009117294.tif 000009
【図８】
2009117294.tif 000010
【図９】
2009117294.tif 000011
【図１０】
2009117294.tif 000012
【図１１】
2009117294.tif 000013
【図１２】
2009117294.tif 000014
【図１３】
2009117294.tif 000015
【図１４】
2009117294.tif 000016
【図１５】
2009117294.tif 000017
【図１６】
2009117294.tif 000018
【図１７】
2009117294.tif 000019
【図１８】
2009117294.tif 000020
【図１９】
2009117294.tif 000021
【図２０】
2009117294.tif 000022
【図２１】
2009117294.tif 000023
【図２２】
2009117294.tif 000024
【図２３】
2009117294.tif 000025
【図２４】
2009117294.tif 000026