(57)【要約】【課題】発電時間に伴う経時劣化を低減できる、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池の提供を目的とする。【解決手段】アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池１は、アノード電極４で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体５を備えた構成としてある。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池において、
アノード電極で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記気液分離性多孔質体が、前記アノード電極に、直接的に又は間接的に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記気液分離性多孔質体が、前記アノード電極の１／１０以上１／２以下の面積を覆うことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記気液分離性多孔質体が、帯状に形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記気液分離性多孔質体の、前記アルコール燃料と接する部分が、撥水性又は撥油性を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記アノード電極に、親水性多孔質体が、直接的に又は間接的に設けられ、前記親水性多孔質体が、前記アノード電極に前記アルコール燃料を供給することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記親水性多孔質体と前記気液分離性多孔質体が、仕切り部材により仕切られたことを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
【請求項８】
前記親水性多孔質体と前記アノード電極との間に、カチオン伝導性のイオン伝導性多孔質体を有することを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池。
【請求項９】
前記親水性多孔質体と前記アノード電極との間に、アニオン伝導性のイオン伝導性多孔質体を有し、かつ、前記アルコール燃料が、強アルカリ性であることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池。
【請求項１０】
アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池から給電される電子装置において、
前記燃料電池が、アノード電極で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体を備えたことを特徴とする電子装置。
【請求項１１】
前記気液分離性多孔質体が、前記アノード電極に、直接的に又は間接的に設けられたことを特徴とする請求項１０に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタノールを含むアルコール燃料を使用し、固体高分子電解質膜としてアニオン伝導性のイオン交換膜を用いるアルカリ型の燃料電池、及び、この燃料電池から給電される電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
メタノールなどの液体燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型化及び軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子装置の電源として、研究開発が活発に進められている。
【０００３】
また、本発明に関連して、様々な技術が開示されている。
たとえば、特許文献１には、燃料供給部と、燃料の気化成分を透過させる気液分離膜と、燃料極、空気極、及び、燃料極と空気極とに挟持された電解質膜から構成される起電部と、起電部の燃料極側と気液分離膜との間に配設された疎水性の多孔膜と、多孔膜の気液分離膜側に配設され、燃料極に供給する燃料濃度を調整する燃料濃度調整層とを具備した燃料電池の技術が開示されている。
【０００４】
また、特許文献２には、イオノマーが沈積されている多孔質の不活性な担持体からなる多孔質の親水性膜であって、この膜が電気化学電池において、イオン伝導性および高い透水性を有し、イオノマーが非晶質の形態であり、酸の形態の親水性基を有する多孔質の親水性膜の技術が開示されている。
【０００５】
さらに、特許文献３には、燃料極と酸化剤極との間に透過膜を介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、さらに、燃料極における透過膜側の反対側に設けられ、燃料を通流させるための第１の流路部と、燃料極と透過膜との間に燃料を通流させるための第２の流路部とを備えた燃料電池の技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献４には、液体燃料を収容する燃料タンクと、燃料極、空気極、及び、燃料極と空気極とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体と、所定値以上の流路抵抗を有し、燃料タンクから液体燃料を導出する燃料流路と、燃料流路から導出された液体燃料を含浸する燃料含浸部と、燃料含浸部から供給された液体燃料の気化成分を透過して燃料極側に導く気液分離膜とを具備する燃料電池の技術が開示されている。
【０００７】
ところで、固体高分子型燃料電池としては、一般的に、ナフィオン（デュポン株式会社の登録商標）に代表されるプロトン伝導性の固体高分子膜を用いた酸型の燃料電池がよく知られている。
この酸型の固体高分子型燃料電池は、非常に優れた特性を示すが、酸化還元反応を促進させるための触媒として、白金などの貴金属以外高い触媒活性かつ耐久性を有する物質が見つかっていないことが問題となっている。また、白金などの貴金属類は、埋蔵量が少なく、かつ、非常に高価であるために、一般製品として普及する際に、大きな障壁になると予測されている。
さらに、アノード電極にアルコール燃料を用いた場合、アノード電極に供給した燃料が反応に寄与することなく固体高分子電解質膜を透過してしまう「クロスオーバー現象」が起こる。これにより、白金触媒がアルコール酸化と酸素還元の両方の性質をもつために、カソード触媒能が低下し、発電量や耐久性などの性能が大幅に低下する問題も知られている。
【０００８】
一方、酸型の燃料電池に対して、アルカリ型の燃料電池が知られている。このアルカリ型の燃料電池は、ＯＨイオンを伝導させるものであり、貴金属以外の触媒でも過電圧が低いために、白金と同程度の触媒活性及び耐久性が得られることが大きな特徴である。
また、アルカリ型の燃料電池の発電セルは、酸型の燃料電池の発電セルとほぼ同じ構造となるが、発電する反応機構は、酸型とは大きく異なる。
【０００９】
すなわち、アノード電極とカソード電極とで、固体高分子電解質膜を挟持する構造を有する電極−電解質膜接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を用いる点は、共通する。
ただし、アノード電極に、アルコール燃料（たとえば、メタノール）を供給し、カソード電極に、酸素（たとえば、空気）及び水を供給すると、アノード電極において、下記式（１）の反応が起こり、カソード電極において、下記式（２）の反応が起こる。
アノード電極における反応：
ＣＨ３ＯＨ＋８ＯＨ−  →  ＣＯ３２−＋６ｅ−＋６Ｈ２Ｏ            式（１）
カソード電極における反応：
３／２Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ＋６ｅ−  →  ６ＯＨ−                      式（２）
【００１０】
上記の式（２）に示すように、カソード電極では、カソード触媒上で酸素と水が反応してＯＨイオンを生成して、これがアニオン伝導性を有する固体高分子電解質膜を移動してアノード電極に達する。
次に、上記の式（１）に示すように、アノード電極では、アノード触媒上でアルコール燃料が分解されて、発生した水素イオンと移動してきたＯＨイオンとが結合し、最終的に水を生成する。
このように、本発明のアルカリ型燃料電池では、カソード電極に水が供給され、アノード電極で水が生成される。したがって、アルカリ型燃料電池は、アノード電極に水が供給され、カソード電極で水が生成される酸型燃料電池とは逆の反応系となっている。
【特許文献１】特開２００６−２６９１２６号公報
【特許文献２】特開２００２−３３４７０７号公報
【特許文献３】特開２００５−２２８６４７号公報
【特許文献４】特開２００７−０７３３４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池は、発電に伴う経時変化が、酸型の燃料電池と比較すると非常に大きいという問題があった。
また、アルカリ型の燃料電池において、現時点では、酸型の燃料電池に用いられるナフィオン（デュポン株式会社の登録商標）のような高い伝導性を有する材料は、存在しない。このため、ＫＯＨなどのアルカリ剤を添加した強アルカリ性のアルコール水溶液燃料を用いるのが一般的である。この場合、初期的なセル電圧が高いので、経時変化が相対的に大きくなるといった問題があった。
【００１２】
そこで、本発明者は、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池の研究を行ったところ、非常に高い発電特性及びクロスオーバーの影響を低減できる可能性を見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決すべく、発電時間に伴う経時劣化を低減できる、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池及び電子装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池であり、アノード電極で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体を備えている。
【００１４】
また、本発明の電子装置は、アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池から給電される電子装置であり、燃料電池が、アノード電極で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体を備えている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明のアルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池によれば、発電時間に伴う経時劣化を低減できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
［第一実施形態］
図１は、本発明の第一実施形態にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
図１において、本実施形態の燃料電池１は、固体高分子電解質膜２と、カソード電極３及びカソード側集電電極３１と、アノード電極４及びアノード側集電電極４１と、気液分離性多孔質体５と、親水性多孔質体６と、燃料タンク７１、カソード用フレーム７２及びアノード用フレーム７３とを有している。
なお、図１に示す燃料電池１は、単に「セル」又は「セル構造」とも呼称される。
また、固体高分子電解質膜２と、カソード電極３及びカソード側集電電極３１と、アノード電極４及びアノード側集電電極４１は、ＭＥＡ発電部を構成する。
【００１７】
（固体高分子電解質膜）
固体高分子電解質膜２は、アニオン伝導性を有している。
この固体高分子電解質膜２に用いるアニオン交換膜としては、たとえば、四級アンモニウム基や第３級アミン基などのアニオン交換基を有する、フッ素系イオン交換膜又は炭化水素系イオン交換膜が用いられる。
なお、固体高分子電解質膜２は、アニオン交換膜としての機能を有していればよく、たとえば、後述する実施例のように、市販のものを用いることができる。
【００１８】
（カソード電極）  
カソード電極３は、通常、触媒を担持させた炭素粒子と接合剤を含む触媒ペーストが、多孔質基材上に塗布された構成としてある。
カソード電極３に用いられる触媒としては、白金、パラジウム、銀、３d遷移金属及びこれらの合金などを挙げることができる。また、多孔質基材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、ＳＵＳ（ステンレス）やＴｉ（チタン）などの繊維マット、又は、シート状の発泡体などを用いることができる。また、上記接合剤として、たとえば、ＰＴＦＥ水溶液、ナフィオンなどのフッ素系樹脂、アニオン伝導性を有するイオン交換樹脂などを用いることができる。
なお、カソード電極３は、カーボン粒子単体のみでもよい。
また、上記カソード電極３は、後述するように、固体高分子電解質膜２の一方の面（図１においては、上面）上に、固体高分子電解質膜２と接した状態で設けられている。
【００１９】
（アノード電極）
アノード電極４は、通常、触媒を担持させた炭素粒子と接合剤を含む触媒ペーストが、多孔質基材上に塗布された構成としてある。
アノード電極４に用いられる触媒としては、白金、白金−ルテニウム、パラジウム、３ｄ遷移金属及びパラジウム−３ｄ遷移金属合金などを挙げることができる。また、多孔質基材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、ＳＵＳ（ステンレス）やＴｉ（チタン）などの繊維マット、又は、シート状の発泡体などを用いることができる。また、上記接合剤として、たとえば、ＰＴＦＥ水溶液、ナフィオンなどのフッ素系樹脂、アニオン伝導性を有するイオン交換樹脂などを用いることができる。
また、上記アノード電極４は、後述するように、固体高分子電解質膜２の他方の面（図１においては、下面）上に、固体高分子電解質膜２と接した状態で設けられている。
【００２０】
なお、上記カソード電極３及びアノード電極４の接合剤として、アニオン伝導性を有する材料を用いない場合には、アルコール液体燃料に、ＫＯＨなどのアルカリ剤を混合し、アルコール液体燃料をｐＨ１０以上のアルカリ性水溶液にする必要がある。
この場合、燃料タンク７１、カソード用フレーム７２及びアノード用フレーム７３は、耐アルカリ性を有する材料が用いられる。
【００２１】
（カソード側集電電極）  
カソード側集電電極３１は、カソード電極３の上面に、カソード電極３と接した状態で設けられている。
【００２２】
（アノード側集電電極）  
アノード側集電電極４１は、アノード電極４の上面に、アノード電極４と接した状態で設けられている。
【００２３】
ここで、上記カソード側集電電極３１及びアノード側集電電極４１の形状は、カソード電極３及びアノード電極４との接触抵抗が小さければよく、特に限定されるものではない。ただし、通常、ＭＥＡを均一に保持するために、５０％以下の開口率の有孔板が用いられる。
また、本実施形態の燃料電池１は、カソード側集電電極３１及びアノード側集電電極４１を設けているが、この構成に限定されるものではない。たとえば、カソード側集電電極３１及びアノード側集電電極４１を設けないで、カソード電極３及びアノード電極４に用いた多孔質基材を、直接、集電電極として用いることも可能である。
【００２４】
次に、上記の固体高分子電解質膜２、カソード電極３及びアノード電極４は、カソード電極３及びアノード電極４の触媒ペースト層が、固体高分子電解質膜２と当接するように配置され、圧着される。これにより、固体高分子電解質膜２、カソード電極３及びアノード電極４からなる、ＭＥＡ（電極−電解質膜接合体：Ｍｅｍｂｒａｎｅ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ）が得られる。このＭＥＡは、上記の式（１）及び式（２）に示す反応によって、発電する。
なお、本実施形態では、このＭＥＡの上下面に、カソード側集電電極３１及びアノード側集電電極４１が、環状のカソード用フレーム７２及びアノード用フレーム７３をそれぞれ挟むようにして固定されている。
【００２５】
（気液分離性多孔質体）  
気液分離性多孔質体５は、気液分離性を有する多孔質材料からなり、この多孔質材料として、ポリテトラフルオロエチレン（適宜、ＰＴＦＥと略称する。）などのフッ素系樹脂やポリオレフィン樹脂などが用いられる。
この気液分離性多孔質体５は、アノード電極４と対向する燃料タンク７１内の一部に（図１においては、燃料タンク７１の右側に）、収容されている。
また、気液分離性多孔質体５は、アノード側集電電極４１を介して、アノード電極４と連通するように設けられている。すなわち、気液分離性多孔質体５は、間接的に（アノード側集電電極４１を介して）、アノード電極４に設けられている。ここで、気液分離性多孔質体５は、気液分離性多孔質体５とアノード側集電電極４１との間に隙間が生じないように、アノード側集電電極４１に密着した状態で設けられている。このようにすると、上記隙間を通って、アルコール燃料が気液分離性多孔質体５に侵入することを防止することができる。
【００２６】
この気液分離性多孔質体５には、ほぼアルコール燃料が侵入しないので、気液分離性多孔質体５は、アノード電極４で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして効果的に外部に放出することができる。
また、好ましくは、気液分離性多孔質体５は、多孔質体の空孔率が５０％以下、また、平均口径が１μｍ以下であるとよい。このようにすると、アルコール燃料が侵入した場合であっても、アルコール燃料の蒸発を抑えることができる。
【００２７】
気液分離性多孔質体５は、アノード電極４のほぼ１／３の面積を覆う大きさとしてある。ここで、アノード電極４の面積とは、図１においては、アノード電極４が固体高分子電解質膜２と接触している面積をいう。
ここで、好ましくは、気液分離性多孔質体５が、アノード電極４の１／１０以上１／２以下の面積を覆うとよい。このようにすると、気液分離性多孔質体５が、二酸化炭素ガスを効果的に回収し、電圧の経時変化を抑制でき、かつ、アノード電極４に効果的に発電するためのアルコール燃料を供給することができる。すなわち、上記の数値限定の理由は、１／１０未満では、気液分離性多孔質体５が、二酸化炭素ガスを十分に回収できないからであり、また、１／２を超えると、アノード電極４にアルコール燃料が十分に供給されなくなるからである。
【００２８】
また、好ましくは、気液分離性多孔質体５の、アルコール燃料と接する部分が、撥水性又は撥油性を有するとよい。本実施形態では、気液分離性多孔質体５の、アノード側集電電極４１と接触する面、及び、親水性多孔質体６と接触する面に、非晶質フルオロポリマー処理等によって、撥油処理を施してある。これにより、水及びアルコール燃料が、（気液分離性多孔質体５と対向する領域の）アノード電極４及び親水性多孔質体６から、気液分離性多孔質体５の内部に侵入するのをほぼ防止でき、気液分離性多孔質体５が、十分な気液分離性を発揮でき、効率よく二酸化炭素ガスを外部に排出することができる。
【００２９】
（親水性多孔質体）  
親水性多孔質体６は、通常、ウレタン発泡体などの耐アルカリ性を有する材料が用いられる。この親水性多孔質体６は、メタノール、エタノール、エチレングリコールなどのアルコール燃料を貯蔵し、アノード電極４に供給する。
また、親水性多孔質体６は、空孔率が８０％以上であるとよい。このようにすると、アノード電極４に十分なアルコール燃料を供給することができ、アノード電極４内部のエネルギー密度を高めることができる。
【００３０】
本実施形態の燃料電池１は、燃料タンク７１内の、気液分離性多孔質体５が設けられていない空間に、アルコール燃料をほぼ均一にアノード電極４に供給するための親水性多孔質体６を収容している。
また、親水性多孔質体６は、アノード側集電電極４１を介して、アノード電極４と連通するように設けられている。すなわち、親水性多孔質体６は、間接的に（アノード側集電電極４１を介して）、アノード電極４に設けられている。
【００３１】
また、親水性多孔質体６は、親水性を有しているので、アルコール燃料が減ってきたとき、親水性多孔質体６から気液分離性多孔質体５に移動しようとするアルコール燃料を低減させる効果を奏する。したがって、本実施形態では、アルコール燃料が、気液分離性多孔質体５に移動しにくくなるように、燃料タンク７１内の、気液分離性多孔質体５が設けられていない空間全てに、親水性多孔質体６を埋め尽くした構造としてある。
【００３２】
また、好ましくは、気液分離性多孔質体５と親水性多孔質体６の間に、仕切り部材、たとえば、隔壁（図示せず）などを設けて、気液分離性多孔質体５と親水性多孔質体６を分離してもよい。
このようにすると、気液分離性多孔質体５と親水性多孔質体６とが、完全に分離されるので、親水性多孔質体６から気液分離性多孔質体５にアルコール燃料が移動できなくなる。これにより、親水性多孔質体６から気液分離性多孔質体５にアルコール燃料が移動し、移動したアルコール燃料が気液分離性多孔質体５において蒸発するといった不具合を防止することができる。
【００３３】
また、たとえば、上記隔壁は、燃料タンク７１を射出成形するなどして、容易に形成できる。これにより、燃料タンク７１は、気液分離性多孔質体５と親水性多孔質体６を、分離した状態で収容する二つの空間を有することができる。また、射出成形することにより、製造原価のコストダウンを図ることができる。
【００３４】
また、図示してないが、親水性多孔質体６とアノード側集電電極４１との間に、親水性多孔質体６を覆う形状のカチオン伝導性のイオン伝導性多孔質体（図示せず）を設けてもよい。
すなわち、使用されるアルコール燃料が中性であって、ＭＥＡのカソード電極３及びアノード電極４にアニオン伝導性の接合剤が用いられている場合、カチオン伝導性のイオン伝導性多孔質体を用いることが望ましい。このカチオン伝導性を有するイオン伝導性多孔質体の材料としては、スルホン酸基を有する、フッ素系イオン交換樹脂及び炭化水素系イオン交換樹脂などを挙げることができる。また、このイオン伝導性多孔質体は、一般的に、厚さが２０μｍ〜０.５ｍｍのものが用いられ、また、アルコール燃料を保持でいるように、含水率が２０％以上のものが用いられる。
このようにすると、アノード電極４で発生した炭酸イオンが、親水性多孔質体６のアルコール燃料に拡散するのを抑制し、二酸化炭素としての外部への放出を促進できる。また、アノード電極４内のＯＨイオンが、親水性多孔質体６のアルコール燃料に拡散するのを抑制するので、燃料電池１の発電効率の低下を防止することができる。
【００３５】
（燃料タンク）
燃料タンク７１は、皿状の形状としてあり、親水性多孔質体６側の側面に、燃料注入口７１１が形成され、さらに、気液分離性多孔質体５側の側面に、二酸化炭素ガス放出口７１２が形成されている。
また、使用するアルコール燃料は、燃料注入口７１１から注入され、さらに、二酸化炭素ガス放出口７１２からは、二酸化炭素ガスが放出される。
以上のように用意したＭＥＡ発電部と燃料タンク７１などを積層し、ネジ止めあるいは接着剤などで一体化して、図１に示す燃料電池１（発電セル）となる。
なお、図示してないが、燃料電池１は、アルカリ型の燃料電池としてあるので、カソード側集電電極３１の外側に、カソード電極３に水を供給するためのポンプ及び水タンクからなる外部装置を設けてもよいし、あるいは、固体高分子電解質膜２を通して、アノード電極４側にある生成された水をカソード電極３側へ浸透させることにより、カソード電極３に水を供給してもよい。また、カソード電極３には、送風ファンなどの外部装置、あるいは、自然吸気によって、空気も供給される。
【００３６】
次に、上記構成の燃料電池１の動作について、説明する。
燃料電池１（発電セル）は、燃料注入口７１１からアルコール燃料（本実施形態では、メタノールを使用する。）が注入されると、親水性多孔質体６がアルコール燃料を吸収し、アノード電極４にアルコール燃料を供給する。
ここで、アルコール燃料は、まず、アノード電極４の、親水性多孔質体６と対向する領域に供給されるが、このアルコール燃料は、アノード電極４の毛細管現象により、アノード電極４の、気液分離性多孔質体５と対向する領域にも供給される。
また、カソード電極３には、上述した外部装置などを用いて、水及び空気が供給される。
【００３７】
次に、カソード電極３において、下記の式（２）の反応が起こり、ＯＨイオンが、固体高分子電解質膜２を通ってアノード電極４に移動し、電子は、外部回路（図示せず）を通ってアノード電極４に移動する。そして、アノード電極４において、下記の式（１）の反応が起こり、炭酸イオンと水が生成される。このとき、電流が、アノード電極４からカソード電極３に流れ、燃料電池１が発電する。
アノード電極４における反応：
ＣＨ３ＯＨ＋８ＯＨ−  →  ＣＯ３２−＋６ｅ−＋６Ｈ２Ｏ            式（１）
カソード電極３における反応：
３／２Ｏ２＋６Ｈ２Ｏ＋６ｅ−  →  ６ＯＨ−                      式（２）
【００３８】
ここで、アノード電極４は、上述したように、親水性多孔質体６と対向する領域（適宜、完全に浸漬された部分と略称する。）が、親水性多孔質体６からアルコール燃料が供給され、アルコール燃料にほぼ浸漬された状態となる。一方、アノード電極４の、気液分離性多孔質体５と対向する領域（適宜、部分的に浸漬された部分と略称する。）は、アノード電極４の毛細管現象により、アルコール燃料が供給されるものの、アルコール燃料に完全に浸漬された状態とはならない。
すなわち、気液分離性多孔質体５を設けることにより、アノード電極４は、完全に浸漬された部分と部分的に浸漬された部分を有することとなる。
【００３９】
そして、完全に浸漬された部分では、アノード触媒によるアルコール酸化反応で生じた炭酸イオンは、水溶液（生成された水からなる水溶液）に容易に溶け込んでしまう。
一方、部分的に浸漬された部分では、アノード触媒によるアルコール酸化反応で生じた炭酸イオンは、溶け込む水溶液が少ないために、二酸化炭素ガスとして気液分離性多孔質体５を通じて外部へ放出される。なお、部分的に浸漬された状態では、水溶液に溶解できない余剰な炭酸イオンが、気相と液相の界面から容易に二酸化炭素ガスとして放出される。
【００４０】
すなわち、気液分離性多孔質体５を設けることにより、部分的に浸漬された部分で生成された炭酸イオンを、二酸化炭素ガスとして、効果的に外部に排出することができる。また、完全に浸漬された部分で生成された炭酸イオンは、上述したように水溶液に溶け込むが、この炭酸イオンの溶け込んだ水溶液が、循環あるいは中和作用により、部分的に浸漬された部分に移動してくると、二酸化炭素ガスとして、効果的に外部に排出される。
したがって、アノード電極４におけるｐＨの低下及びＯＨイオンの供給の滞りが低減され、触媒反応が促進される。これにより、燃料電池１は、発電時の電圧降下を著しく低減することができる。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池１は、気液分離性多孔質体５を設けることにより、生成された炭酸イオンを、二酸化炭素ガスとして、効果的に外部に排出することができる。これにより、燃料電池１は、発電時の電圧降下を著しく低減することができる。
【００４２】
また、本発明は、アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池から給電される電子装置（図示せず）の発明としても有効である。
この電子装置の燃料電池は、上記実施形態の燃料電池１であり、アノード電極４で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体５を備えている。
このようにすると、この電子装置は、発電時の電圧降下を著しく低減することができる。
なお、上記電子装置としては、たとえば、ノートブックパソコンなどの情報処理装置、ビデオカメラなどの画像装置などを挙げることができ、また、燃料電池１から給電される電子装置であれば、特に、限定されるものではない。
【００４３】
［第二実施形態］
図２は、本発明の第二実施形態にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
図２において、本実施形態の燃料電池１ａは、第一実施形態と比べて、親水性多孔質体６とアノード電極４との間に、アニオン伝導性のイオン伝導性多孔質体８を有する点、及び、アルコール燃料が、強アルカリ性である点が相違する。その他の構成は、ほぼ第一実施形態と同様としてある。
したがって、図２において、図１と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
【００４４】
燃料電池１ａは、親水性多孔質体６とアノード側集電電極４１との間に、親水性多孔質体６を覆う形状のイオン伝導性多孔質体８が設けられている。
ここで、アルコール燃料が、アルカリ剤（たとえば、ＫＯＨ）を添加され、強アルカリ性を有する場合、このイオン交換性のイオン伝導性多孔質体８に、アニオン伝導性のものが用いられる。
このアニオン伝導性を有するイオン伝導性多孔質体８の材料としては、四級アンモニウム基や第３級アミン基などのアニオン交換基を有する、フッ素系イオン交換樹脂又は炭化水素系イオン交換樹脂などを挙げることができる。
また、イオン伝導性多孔質体８は、通常、厚さが２０μｍ〜０.５ｍｍのものが用いられ、また、アルコール燃料を保持できるように、含水率が２０％以上のものが用いられる。
【００４５】
ここで、好ましくは、アルコール燃料が、イオン伝導性多孔質体８からのみアノード電極４に供給されるように、イオン伝導性多孔質体８は、親水性多孔質体６に面するアノード側集電電極４１の全面を覆い、かつ、アノード側集電電極４１に密着した状態で設けられるとよい。
このようにすると、アルコール燃料に添加されたアルカリ剤、たとえば、ＫＯＨが添加された場合には、アノード電極４にカリウムイオンが移動することを抑制でき、カリウムイオンと反応した反応生成物などによって、触媒が被毒するといった不具合を有効に防止することができる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態の燃料電池１ａは、アルカリ剤（たとえば、ＫＯＨ）が添加され、強アルカリ性を有するアルコール燃料を使用している。また、イオン伝導性多孔質体８を設けることにより、アノード電極４にカリウムイオンが移動することを抑制している。
これによってアノード電極４中に発生した炭酸イオンとカリウムイオンとの結合が抑制され、二酸化炭素ガスとしての放出を促進でき、さらに、炭酸カリウムの触媒表面への吸着を減らせるので、経時劣化を低減できる。
次に、本発明の実施例及び比較例について、説明する。
【実施例１】
【００４７】
実施例１の燃料電池は、図１に示した構造を有する第一実施形態の燃料電池１である。この燃料電池は、単セル燃料電池として、以下の手順で作製した。
先ず、炭素粒子（ライオン社製のケッチェンブラックＥＣ６００ＪＤ）に、粒子径が３〜５ｎｍの範囲内にある白金微粒子を、重量比で５５％担持させた触媒担持炭素微粒子を用意した。
この触媒担持炭素微粒子１ｇに、デュポン社製の５重量％ナフィオン溶液（商品名；ＤＥ５２１、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標）を適量加え、攪拌して、電極に用いる触媒ペーストを得た。
この触媒ペーストを、基材としてのカーボンペーパー（東レ社製のＴＧＰ−Ｈ−１２０）上に、８ｍｇ／ｃｍ２の量で１４０℃のホットプレート上で塗布し、その後、乾燥させて、縦４ｃｍ×横４ｃｍの正方形のカソード電極３及びアノード電極４を作製した。
【００４８】
次に、電解質膜である固体高分子電解質膜２として、強塩基型のアニオン交換膜であるＡＨＡ（（株）アトムス製）を用いた。
この電解質膜を、縦８ｃｍ×横８ｃｍの正方形に成型した後、一方の膜面上に、カソード電極３をカーボンペーパーが外側となる向きで配置し、もう一方の膜面上に、アノード電極４をカーボンペーパーが外側となる向きで配置して、各カーボンペーパーの外側からプレス機を用いて温度をかけずに圧着した。
これにより、カソード電極３及びアノード電極４が、固体高分子電解質膜２に接合して、ＭＥＡ（電極−電解質膜接合体）が得られた。
【００４９】
次に、カソード電極３とアノード電極４の上に、ＳＵＳ３１６ステンレス鋼板（縦６ｃｍ×横６ｃｍ、厚さ１ｍｍ、穴径１ｍｍ、開口率１０％の正方形の有孔板）からなる、カソード側集電電極３１及びアノード側集電電極４１を配置した。
また、固体高分子電解質膜２とカソード側集電電極３１との間には、フッ素樹脂製のカソード用フレーム７２（外側が縦６ｃｍ×横６ｃｍ、内側が縦４ｃｍ×横４ｃｍであり、厚さが０．２ｍｍの矩形環状体）を配置した。
さらに、固体高分子電解質膜２とアノード側集電電極４１との間には、フッ素樹脂製のアノード用フレーム７３（外側が縦６ｃｍ×横６ｃｍ、内側が縦４ｃｍ×横４ｃｍであり、厚さが０．２ｍｍの矩形環状体）を配置した。
【００５０】
燃料タンク７１として、ＰＰ製であり、外側が縦６ｃｍ×横６ｃｍ、内側が縦４ｃｍ×横４ｃｍであり、高さが８ｍｍ、深さが２ｍｍの矩形皿状体を用意した。
この燃料タンク７１の両側面の対向する二箇所の位置（合計四箇所）に、φ１ｍｍのネジ穴を形成した。
そして、燃料タンク７１の内部に、気液分離性多孔質体５として、ＰＴＦＥからなる厚さ０．５ｍｍ、空孔率２５％、口径１μｍの多孔質膜を、縦４４ｍｍ×横１４ｍｍに成形した後，これらを四枚積層させた。
次に、燃料タンク７１内の残りの空間に、親水性多孔質体６として、空孔率９０％のウレタン発泡体を埋め込んだ。
【００５１】
最後に、これらの各部材をネジ止めして一体化した。
なお、このときに使用されるネジは、電気的な漏洩防止のために、樹脂製のネジを用いた。
こうして、ＭＥＡ（固体高分子電解質膜２、カソード電極３及びアノード電極４）、カソード側集電電極３１、アノード側集電電極４１、カソード用フレーム７２、アノード用フレーム７３、並びに、気液分離性多孔質体５及び親水性多孔質体６を有する燃料タンク７１を一体化した、図１に示す断面構造を持つ燃料電池１を得た。
【００５２】
図３は、実施例１及び比較例１の発電時にけるセル電圧の時間変化を説明するためのグラフを示している。
図３に示すように、実施例１の燃料電池１は、発電開始から３０分が経過するまでの間において、電圧降下を著しく低減することができた。
すなわち、燃料電池１は、発電開始から５分が経過するまでの間において、極めて微小の電圧降下が検出されたが、発電開始後５分から３０分が経過するまでの間において、緩やかにセル電圧が上昇した。なお、セル電圧が上昇したのは、発電に伴う自己発熱による温度上昇によって、触媒活性が向上したためである。
【００５３】
［比較例１］
比較例１の燃料電池は、上記実施例１の燃料電池１と比べて、気液分離性多孔質体５を設けず、燃料タンク７１の内部の全てに、親水性多孔質体６（親水性のウレタン発泡体）を埋め込んだ構成とした点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例１の燃料電池１と同様とした。
この比較例１の燃料電池は、図３に示すように、発電開始から３０分が経過するまでの間において、ほぼ直線的に電圧降下し、３０分が経過する間に、約０．１Ｖの電圧降下が発生した。
【実施例２】
【００５４】
実施例２の燃料電池は、上記実施例１の燃料電池１と比べて、図示してないが、親水性多孔質体６とアノード側集電電極４１との間に、親水性多孔質体６とほぼ同じ外形を有する、固体高分子電解質膜２で用いたアニオン交換膜を設けた構成とした点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例１の燃料電池１と同様とした。
この実施例２の燃料電池は、図示してないが、実施例１の燃料電池１とほぼ同様に、発電開始から３０分が経過するまでの間において、電圧降下を著しく低減することができた。
【実施例３】
【００５５】
実施例３の燃料電池は、上記実施例１の燃料電池１と比べて、燃料タンク７１内に、8ｖｏｌ％メタノール水溶液で希釈した３Ｍ水酸化カリウムを注入して、カソード電極３をＡｉｒ−ｂｒｅａｔｈｉｎｇとして発電を行った点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例１の燃料電池１と同様とした。
この実施例３の燃料電池は、図示してないが、実施例１の燃料電池１とほぼ同様に、大きな電圧降下は起こらず、安定して発電を行うことができた。
【００５６】
［比較例２］
比較例２の燃料電池は、上記比較例１の燃料電池と比べて、燃料タンク７１内に、8ｖｏｌ％メタノール水溶液で希釈した３Ｍ水酸化カリウムを注入して、カソード電極３をＡｉｒ−ｂｒｅａｔｈｉｎｇとして発電を行った点が相違した。なお、その他の構成は、上記比較例１の燃料電池と同様とした。
この比較例２の燃料電池は、図示してないが、比較例１の燃料電池とほぼ同様に、発電開始から３０分が経過するまでの間において、ほぼ直線的に電圧降下した。
【実施例４】
【００５７】
実施例４の燃料電池は、図２に示した構造を有する第二実施形態の燃料電池１ａであり、上記実施例２の燃料電池と比べて、燃料タンク７１内に、8ｖｏｌ％メタノール水溶液で希釈した３Ｍ水酸化カリウムを注入して、カソード電極３をＡｉｒ−ｂｒｅａｔｈｉｎｇとして発電を行った点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例２の燃料電池と同様とした。
この実施例４の燃料電池は、図示してないが、実施例３の燃料電池とほぼ同様に、大きな電圧降下は起こらず、安定して発電を行うことができた。
【００５８】
上述した各実施例及び比較例から、本発明の燃料電池は、アルコール燃料を用いるアルカリ型の燃料電池で問題となっていた、セル電圧の経時変化を大幅に低減できることを実証できた。
【００５９】
以上、本発明の燃料電池及び電子装置について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る燃料電池及び電子装置は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
たとえば、気液分離性多孔質体５は、上述した形状に限定されるものではなく、たとえば、図４に示すように、複数の帯状体を配設した構成としてもよい。
すなわち、図４に示す燃料電池１ｂは、正方形の皿状の燃料タンク７１の上部に、水平方向に形成された一つの帯状の気液分離性多孔質体と、この気液分離性多孔質体から下方に延設された五つの帯状の気液分離性多孔質体とからなる気液分離性多孔質体５ｂを備えた構成としてある。
このようにすると、アノード電極４で発生する炭酸イオンを、二酸化炭素ガスとしてより効率よく外部に排出することができる。
なお、図４においては、燃料注入口７１１を燃料タンク７１の下方左側面に設け、さらに、二酸化炭素ガス放出口７１２を上方右側面に設けてあるが、この構成に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、本発明の第一実施形態にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
【図２】図２は、本発明の第二実施形態にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
【図３】図３は、実施例１及び比較例１の発電時にけるセル電圧の時間変化を説明するためのグラフを示している。
【図４】図４は、本発明の応用例にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
【符号の説明】
【００６１】
１  燃料電池
１ａ  燃料電池
１ｂ  燃料電池
２  固体高分子電解質膜
３  カソード電極
４  アノード電極
５  気液分離性多孔質体
５ｂ  気液分離性多孔質体
６  親水性多孔質体
８  イオン伝導性多孔質体
３１  カソード側集電電極
４１  アノード側集電電極
７１  燃料タンク
７２  カソード用フレーム
７３  アノード用フレーム
７１１  燃料注入口
７１２  二酸化炭素ガス放出口
【図１】
2009231195.tif 000003
【図２】
2009231195.tif 000004
【図３】
2009231195.tif 000005
【図４】
2009231195.tif 000006