(57)【要約】【課題】、供給される燃料にアルカリ性電解質を含まないようにすることにより、アルカリ型燃料電池の安全性を向上させること。【解決手段】有機液体燃料を用いるアルカリ型の燃料電池において、燃料極触媒層１２と燃料極拡散電極１１からなる燃料極１０と、酸化剤極触媒層２２と酸化剤極拡散電極２１からなる酸化剤極２０と、燃料極１０と酸化剤極２０の間に配されるとともに水酸化物イオンが透過可能なセパレータ３０と、供給される燃料５０と燃料極１０の間に配されるとともに燃料極１０側から燃料５０側へのアルカリ性電解質の透過を抑制する電解質透過抑制膜６１と、を備える。電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間の領域には、アルカリ性電解質を含む水溶液を有する。供給される燃料５０は、アルカリ性電解質を含有しない有機液体燃料である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極触媒層と燃料極拡散電極からなる燃料極と、
酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散電極からなる酸化剤極と、
前記燃料極と前記酸化剤極の間に配されるとともに水酸化物イオンが透過可能なセパレータと、
供給される燃料と前記燃料極の間に配されるとともに前記燃料極側から前記燃料側へのアルカリ性電解質の透過を抑制する電解質透過抑制膜と、
を備え、
前記電解質透過抑制膜と前記酸化剤極の間の領域にアルカリ性電解質を含む水溶液を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記酸化剤極の外部側の面に配されるとともに前記酸化剤極からの水分蒸発を抑制する乾燥防止層を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
供給される前記燃料と前記燃料極の間に配されるとともに前記燃料側から前記燃料極側への前記燃料の透過を抑制する燃料透過抑制膜を備えることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池。
【請求項４】
供給される前記燃料は、アルカリ性電解質を含有しない有機液体燃料であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、有機液体燃料を用いるアルカリ型の燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
固体高分子型燃料電池は、燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体高分子電解質膜から構成され、燃料極には燃料が供給され、酸化剤極には酸化剤が供給されて電気化学反応により発電する。固体高分子電解質膜、燃料極、及び酸化剤極の構造体は、ＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）と称される。燃料極および酸化剤極は、拡散電極と、拡散電極表面に備えられた触媒層とを含む。燃料としては、一般的には水素が用いられるが、近年、安価で取り扱いの容易な有機液体であるメタノールの使用が拡大している。メタノールを燃料とした燃料電池には、メタノールを改質して水素を生成させるメタノール改質型燃料電池や、メタノールを燃料として直接利用する直接型燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）があり、それらの開発も盛んに行われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
燃料電池には、電解質膜を透過するイオンの種類がプロトンである酸型燃料電池と、水酸化物イオンであるアルカリ型燃料電池の２種類がある。アルカリ型燃料電池の場合は、燃料としてメタノールを用いた場合、燃料極での反応では、理想的には以下の化学式１のようになる。
【０００４】
（化１）
燃料極；  ＣＨ３ＯＨ  ＋  ６ＯＨ−  →  ５Ｈ２Ｏ  ＋  ＣＯ２↑  ＋  ６ｅ−
【０００５】
また、酸化剤極での反応は以下の化学式２のようになる。
【０００６】
（化２）
酸化剤極；  ３／２Ｏ２  ＋  ３Ｈ２Ｏ  ＋  ６ｅ−  →  ６ＯＨ−
【０００７】
このようなアルカリ型燃料電池は、カソード触媒の高価な貴金属系以外の触媒を使用することが可能になるために、燃料電池の低コスト化が期待でき、また、燃料電池本来のエネルギー密度が非常に高いという特徴も有する。
【０００８】
酸型燃料電池用途には、ナフィオンを代表とする燃料電池用の高性能の固体高分子型電解質が存在する。ところが、アルカリ型燃料電池には、効率よく水酸化物イオンを輸送できる固体高分子型の電解質が存在しない。このため、アルカリ型燃料電池では、酸型燃料電池のように、触媒と固体高分子電解質の混合物からなる燃料極および酸化剤極と、これらの間に設けられた固体高分子電解質膜から構成されるＭＥＡを基本とする燃料電池セルで、発電をすることができない。
【０００９】
そこで、一般にアルカリ型燃料電池では、燃料極触媒層と燃料極拡散層からなる燃料極と、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散層からなる酸化剤極の間に、電解質膜の代わりにセパレータと称する燃料極と酸化剤極を分離する層状の膜を有する構造体を形成し、この構造体全体が、アルカリ性電解質が溶解した燃料で満たされる形態をとっている。
【００１０】
このため、このようなアルカリ型燃料電池に供給する燃料には、アルカリ性電解質が含まれている。
【００１１】
【特許文献１】特表２００２−５００８０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、アルカリ型燃料電池において、燃料中に電解質成分であるアルカリが含まれることは、燃料電池を一般的に普及させるためには好ましくない。つまり、燃料電池の燃料は、一般のユーザが交換することを想定しなければならないところ、カートリッジ型の燃料交換システムにしたとしても、液漏れの危険性を完全に回避することは不可能であり、一般ユーザが燃料を直接触れなければならない事態が発生する可能性がある。このような場合においては、燃料が比較的安全な有機液体水溶液で、電解質であるアルカリを含まないことが望まれる。
【００１３】
本発明の主な課題は、供給される燃料にアルカリ性電解質を含まないようにすることにより、アルカリ型燃料電池の安全性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の第１の視点においては、有機液体燃料を用いるアルカリ型の燃料電池において、燃料極触媒層と燃料極拡散電極からなる燃料極と、酸化剤極触媒層と酸化剤極拡散電極からなる酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極の間に配されるとともに水酸化物イオンが透過可能なセパレータと、供給される燃料と前記燃料極の間に配されるとともに前記燃料極側から前記燃料側へのアルカリ性電解質の透過を抑制する電解質透過抑制膜と、を備え、前記電解質透過抑制膜と前記酸化剤極の間の領域にアルカリ性電解質を含む水溶液を有することを特徴とする。
【００１５】
本発明の前記燃料電池において、前記酸化剤極の外部側の面に配されるとともに前記酸化剤極からの水分蒸発を抑制する乾燥防止層を備えることが好ましい。
【００１６】
本発明の前記燃料電池において、供給される前記燃料と前記燃料極の間に配されるとともに前記燃料側から前記燃料極側への前記燃料の透過を抑制する燃料透過抑制膜を備えることが好ましい。
【００１７】
本発明の前記燃料電池において、供給される前記燃料は、アルカリ性電解質を含有しない有機液体燃料であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、アルカリ型の燃料電池においてアルカリ性電解質を含まない燃料を供給することにより、発電を維持することが可能となる。また、一般ユーザが交換しなければならない燃料を、比較的安全な有機液体の水溶液と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】
【００１９】
（実施形態１）
本発明の実施形態１に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図１は、本発明の実施形態１に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【００２０】
図１を参照すると、燃料電池は、アルカリ型の燃料電池であり、単セルにおいて、燃料極１０および酸化剤極２０と、これらの間に設けられたセパレータ３０から構成された構造体（積層体）を有する。この構造体は、燃料５０を収容する容器４０の開口部を密封するように、燃料極１０を燃料５０側に向けた状態で容器４０の開口部に装着されている。燃料極１０と燃料５０との間に電解質透過抑制膜６１が設けられている。電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間の領域には、アルカリ性電解質を含有する水溶液を有する。容器４０には、燃料極１０で発生する二酸化炭素を外部に排出するためのＣＯ２排出孔４０ａが形成されている。
【００２１】
燃料極１０は、燃料極拡散電極１１と燃料極触媒層１２の２層構造になっている。燃料極拡散電極１１は、燃料５０側に配され、電解質透過抑制膜６１と接している。燃料極触媒層１２は、セパレータ３０側に配され、セパレータ３０と接している。燃料極１０には、燃料５０が電解質透過抑制膜６１を透過して供給される。
【００２２】
燃料極拡散電極１１には、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の導電性多孔性材料を用いることができる。このうち、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の金属を用いることにより、燃料極１０の集電特性を向上させることができる。
【００２３】
燃料極触媒層１２は、触媒を担持した炭素粒子を含み、燃料極拡散電極１１上に形成した構成とすることができる。燃料極触媒層１２の触媒には、例えば、白金、金、銀、鉄、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、コバルト、ニッケル、レニウム、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウム、またはこれらの合金等を用いることができる。また、燃料極触媒層１２には、水酸化物イオン伝導性固体高分子型電解質を含むことも可能である。
【００２４】
酸化剤極２０は、酸化剤極拡散電極２１と酸化剤極触媒層２２の２層構造になっている。酸化剤極拡散電極２１は、外部側に配されている。酸化剤極触媒層２２は、セパレータ３０側に配され、セパレータ３０と接している。酸化剤極２０には、酸化剤が供給される。
【００２５】
酸化剤極拡散電極２１には、燃料極拡散電極１１と同様に、カーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の導電性多孔性材料を用いることができ、焼結金属、発泡金属、金属繊維シート等の金属を用いることにより、酸化剤極２０の集電特性を向上させることができる。
【００２６】
酸化剤極触媒層２２は、触媒を担持した炭素粒子を含み、酸化剤極拡散電極２１上に形成した構成とすることができる。酸化剤極触媒層２２の触媒としては、燃料極触媒層１２と同様のものを用いることができ、同様の物質を使用することができる。なお、酸化剤極触媒層２２の触媒は、燃料極触媒層１２の触媒と同じものを用いても異なるものを用いてもどちらでもよい。また、酸化剤極触媒層２２には、水酸化物イオン伝導性固体高分子型電解質を含むことも可能である。
【００２７】
ここで、燃料５０には、メタノール、エタノール、ジメチルエーテル、または他のアルコール類、シクロパラフィン等の液体炭化水素等、ホルマリン、ギ酸、あるいはヒドラジン等の有機液体燃料を用いることができる。有機液体燃料は、有機液体燃料を含む水溶液とすることができる。また、酸化剤には、通常、空気を用いることができるが、酸素ガスを用いると高い出力を得ることができる。
【００２８】
セパレータ３０は、燃料極１０と酸化剤極２０を隔てるとともに、両電極の間でアルカリ性電解質を含む水溶液を介して、水酸化物イオンを透過させる役割を有する。このため、セパレータ３０は、少なくとも水酸化物イオンの伝導性を透過させることができれば、多孔膜であっても、稠密な膜であってもよい。セパレータ３０を構成する材料として、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの多孔膜を用いることができ、水酸化物イオンを輸送できる陰イオン交換樹脂膜を好適に用いることができる。
【００２９】
電解質透過抑制膜６１は、燃料極１０と酸化剤極２０とセパレータ３０から構成される構造体（燃料極１０）側から燃料５０側へのアルカリ性電解質の透過を抑制する膜である。電解質透過抑制膜６１の機能は、液体中に含まれるアルカリ性電解質成分のみの透過を抑制し、燃料５０中に含まれるアルコールなどの有機液体燃料や、水の透過を抑制しないことである。電解質透過抑制膜６１の材料としては、水酸化物イオンの透過を抑制する、もしくは、透過できないものである。水酸化物イオンの透過を抑制する膜として、陰イオン交換樹脂膜を用いることができる。陰イオン交換樹脂膜は、陰イオンである水酸化物イオンを透過することは可能であるが、対イオンの陽イオンの透過が抑制されるために、水酸化物イオンは、膜間の電荷中性を保つために、燃料５０側へのその透過が抑制される。
【００３０】
電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間のアルカリ性電解質を含む水溶液は、酸化剤極２０で生成される水酸化物イオンをセパレータ３０で透過して燃料極１０に輸送する役割がある。
【００３１】
燃料５０は、電解質透過抑制膜６１を挟んで燃料極１０の反対側にある容器４０内にある燃料５０から供給される。電解質透過抑制膜６１は燃料５０を透過させるので、燃料極１０に必要な燃料５０を供給することができる。一方、電解質透過抑制膜６１は電解質成分の透過を抑制するので、電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間に存在するアルカリ電解質成分が、燃料５０側に拡散することを最小に抑える。このため、容器４０内の燃料５０には電解質成分をほとんど含まない状態を維持することができ、電解質透過抑制膜６１は発電に必要な有機液体水溶液である燃料５０のみを燃料極１０側に供給するだけで、発電を定常的に継続することができる。
【００３２】
電解質透過を抑制できるメカニズムは以下のように説明される。電解質は、陽イオンと陰イオンから構成されている。アルカリ型のように、水酸化物イオンが陰イオンである場合、それに対応する陽イオンが存在する。例えば、アルカリ型燃料に加えられる電解質として、例えば、ＫＯＨを考えると陽イオンは、カリウムイオンである。カリウムイオンは、プラスの電荷を有しているために、プラス電荷を帯びた膜に対しては、クーロン反発により、膜の透過が抑制される。電解質の陽イオンが透過できない膜が存在すると、対イオンである陰イオンは、電荷の中性条件を保つために、陰イオンのみが、その膜を透過することはできなくなり、陰イオンの透過を抑制することができる。
【００３３】
これに対して、電荷を有していない有機液体で、燃料となりえるアルコールや水は、膜が電荷を帯びていても、影響を受けにくいので、膜を透過することができる。この原理により電解質のみが透過できない膜が存在する。このような膜に対応する電解質透過抑制膜６１を燃料極１０と燃料５０の間に配することにより、前述の通り、容器４０内の燃料５０に電解質を含むことのないアルカリ型燃料電池を構成することができる。
【００３４】
次に、本発明の実施形態１に係る燃料電池における燃料極、酸化剤極、セパレータ、及び電解質透過抑制膜の構造体の製造方法について説明する。
【００３５】
図１の燃料電池における燃料極、酸化剤極、セパレータ、及び電解質透過抑制膜の構造体の製造方法は、特に制限がないが、例えば、以下のようにして製造することができる。
【００３６】
まず、燃料極１０および酸化剤極２０を作製する。これらは、例えば、カーボンペーパーなどの拡散電極上に、触媒物質とバインダとを含む触媒層を形成することにより得られる。まず、炭素粒子へ触媒を担持する。この工程は、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。次に、触媒を担持させた炭素粒子とバインダを溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを燃料極拡散電極１１または酸化剤極拡散電極２１に塗布、乾燥させることによって燃料極触媒層１２または酸化剤極触媒層２２が形成された燃料極１０および酸化剤極２０を作製することができる。
【００３７】
ここで、バインダとしては、ＰＴＦＥの微粒子を用いることができる。また、ナフィオンを固体電解質としてではなく、バインダとして用いることもできる。
【００３８】
また、燃料極拡散電極１１または酸化剤極拡散電極２１へのペーストの塗布方法については、特に制限がないが、例えば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、約１μｍ〜２ｍｍの厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、使用するバインダに応じた加熱温度および加熱時間で加熱して乾燥させる。
【００３９】
次に、セパレータ３０を、燃料極１０および酸化剤極２０で挟み、ホットプレスし、電極構造体を得る。このとき、両電極の触媒層が設けられた面とセパレータ３０とが対向するようにする。また、ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、例えば、触媒層のバンイダーの軟化温度やガラス転位温度を超える温度とする。具体的には、温度１００〜２５０℃、圧力５〜１００ｋｇｆ／ｃｍ２、時間１０〜３００秒程度とする。また、セパレータ３０には、前述のようにＰＴＦＥ多孔膜や、陰イオン交換樹脂膜を用いることができる。
【００４０】
こうして得られた構造体の燃料極１０の燃料極拡散電極１１の表面に電解質透過抑制膜６１を設けることで、図１の燃料電池における燃料極、酸化剤極、セパレータ、及び電解質透過抑制膜の構造体が得られる。
【００４１】
なお、電解質透過抑制膜６１と酸化剤極２０の間にはアルカリ性電解質を含む水溶液を注入することになるが、例えば、燃料極、酸化剤極、セパレータ、及び電解質透過抑制膜の構造体を容器４０に装着した後に、ＣＯ２排出孔４０ａからアルカリ性電解質を含む水溶液を注入すればよい。
【００４２】
実施形態１によれば、アルカリ型の燃料電池において、容器４０内にアルカリ性電解質を含まない燃料５０を供給することにより、発電を維持することが可能となる。また、一般ユーザが交換しなければならない燃料５０を、比較的安全な有機液体の水溶液とすることが可能となる。
【００４３】
（実施形態２）
本発明の実施形態２に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図２は、本発明の実施形態２に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【００４４】
実施形態２に係る燃料電池は、酸化剤極２０からの水分蒸発を抑制するための乾燥防止層６２が設けられている。その他の構成は、実施形態１と同様である。
【００４５】
乾燥防止層６２は、酸化剤極２０の酸化剤が供給される側に設けられている。乾燥防止層６２には、気液分離膜を用いることができる。気液分離膜は、一般に多孔体で、酸化剤極２０で生成する液体である水の透過を阻止し、気体である酸化剤の酸素などを取り込むことができる材料で構成することができる。また、乾燥防止層６２には、多孔質体の表面を気液分離膜用の材料で覆うことによって得られる部材を用いることもできる。これらの気液分離膜を用いると、必要以上の気体の出入りが抑制されるために乾燥を防止する効果がある。気液分離膜には、例えば、撥水性の材料を好適に用いることができる。具体的には、例えば、ポリテトラフロオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）等のパーフルオロポリマー、ポリメタクリル酸１Ｈ，１Ｈ−パーフルオロオクチル、ポリアクリル酸１Ｈ，１Ｈ，２Ｈ，２Ｈ−パーフルオロデシル等のポリフルオロアルキルアクリレート、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化エチレンプロピレン等のフルオロオレフィンが挙げられる。また、ポリ塩化ビニリデン、ポリアセタール、ブタジエンとアクリルニトリルとの共重合体樹脂等を用いることもできる。
【００４６】
また、乾燥防止層６２として、酸化剤極２０の表面に保水性を有するシート部材をもちいてもよい。また、酸化剤極２０の表面に多孔質基材を配置し、その表面に保水性ポリマーの溶液を塗布し、乾燥させて乾燥防止層６２としてもよい。
【００４７】
また、乾燥防止層６２として、保水性のセルロース繊維シートと酸化剤供給孔を有する板状部材から構成されたものを用いることもできる。ここで、酸化剤供給孔を有する板とは、アルミニウム板、ステンレス板等の金属板や、酸化剤供給孔を有するＰＴＦＥ板等のプラスチック板としてもよい。酸化剤供給孔の孔径は、例えば１μｍ以上、好ましくは１０μｍ以上、とすることができる。こうすることにより、酸化剤を確実に酸化剤極２０に供給することができる。また、酸化剤供給孔の孔径は、例えば、５０００μｍ以下、好ましくは１００μｍ以下とすることができる。また、板状部材の開口率は、例えば、１０％以上、好ましくは３０％以上とすることができる。こうすることにより、酸化剤を酸化剤極２０に確実に供給する構成とすることができる。また、保水性のセルロース繊維シートの開口率は、例えば９０％以下、好ましくは７０％以下とすることができる。こうすることにより、乾燥防止層６２において水を外部に流出させないことができる。
【００４８】
実施形態２に係る燃料電池における燃料極、酸化剤極、セパレータ、電解質透過抑制膜、及び乾燥防止層の構造体の製造方法については、実施形態１の製造方法により製造された構造体の酸化剤極２０側に乾燥防止層６２を設けることで、図２の燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０、電解質透過抑制膜６１、及び乾燥防止層６２の構造体を得ることができる。
【００４９】
実施形態２によれば、実施形態１と同様な効果を奏するとともに、酸化剤極２０からの水分蒸発を抑制することができる。
【００５０】
（実施形態３）
本発明の実施形態３に係る燃料電池について図面を用いて説明する。図３は、本発明の実施形態３に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【００５１】
実施形態３に係る燃料電池は、燃料５０側から燃料極１０側への燃料５０の透過を抑制し、燃料極１０で消費される最適な量の燃料５０を供給するための燃料透過抑制膜６３が設けられている。その他の構成は、実施形態２と同様である。
【００５２】
燃料透過抑制膜６３は、燃料５０と燃料極１０との間に設けられており、電解質透過抑制膜６１の燃料５０側の面に配されている。燃料透過抑制膜６３は、燃料５０側から電極構造体への燃料の透過を抑制し、燃料極で消費される最適な量の燃料を供給する役割を有する。燃料透過抑制膜６３の材料として、例えば、撥水性の多孔質材料を用いることができる。例えば、燃料５０中の燃料成分がメタノールと水の混合溶液である場合、ポリテトラフルオロエチレンの多孔質膜、疎水処理したポリエチレンの多孔質膜、または疎水処理したポリイミドの多孔質膜等を用いることができる。このような膜を用いる場合には、燃料５０中のメタノールを燃料極１０に優先的に透過させることができる。よって、水の浪費を抑制しつつ、燃料極１０における電極反応を確実に生じさせることができる。また、燃料５０の透過を抑制する機能を有する非多孔質性の親水性膜を用いることもできる。
【００５３】
燃料透過抑制膜６３として、多孔質材料を用いる場合、厚さは１０μｍ〜３００μｍがよく、孔径は０．１μｍ〜５０μｍが好適である。気孔率は、３０％〜９０％が適応可能である。
【００５４】
燃料透過抑制膜６３として、非多孔質性の親水性膜を用いる場合、例えば、スルフォン酸を有する固体高分子電解質膜を用いることができる。
【００５５】
実施形態３に係る燃料電池における燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０、電解質透過抑制膜６１、乾燥防止層６２、及び燃料透過抑制膜６３の構造体の製造方法については、実施形態２の製造方法により製造された構造体の電解質透過抑制膜６１の燃料５０側に燃料透過抑制膜６３を設けることで、図３の燃料極１０、酸化剤極２０、セパレータ３０、電解質透過抑制膜６１、乾燥防止層６２、及び燃料透過抑制膜６３の構造体を得ることができる。または、電解質透過抑制膜６１と燃料透過抑制膜６３を重ねて設けることもできる。この場合、燃料５０と燃料極１０の間において、燃料５０、燃料透過抑制膜６３、電解質透過抑制膜６１、燃料極１０の順番だけでなく、燃料５０、電解質透過抑制膜６１、燃料透過抑制膜６３、燃料極１０の順番でもよい。
【００５６】
実施形態３によれば、実施形態１、２と同様な効果を奏するとともに、燃料５０側から電極構造体への燃料５０の透過を調整し、燃料極１０で消費される最適な量の燃料５０を供給することができる。
【００５７】
なお、実施形態１〜３は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、また、そうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【実施例】
【００５８】
次に、本発明の実施例に係る燃料電池について比較例を用いて説明する。
【００５９】
実施例では、図４に示すように構成要素の異なる３種類の燃料電池セルを作製し、燃料中にアルカリ電解質がある場合について、その出力特性の評価を行った。また、比較例では、図４に示すように構成要素が同様な燃料電池セルを作製し、燃料中にアルカリ電解質がある場合とない場合について、その出力特性の評価を行った。
【００６０】
実施例および比較例の燃料電池は、燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体の構成が共通し、以下のようにして製造した。まず、ルテニウム−白金合金を担持したケッチェンブラック１００ｍｇを水で失活させた後、デュポン社製５％ナフィオン溶液３ｍｌを加え、超音波混合器で５０℃にて３時間攪拌して触媒ペーストとした。ルテニウム−白金合金の組成は５０ａｔｏｍ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末の重量比は１：１とした。このペーストを１ｃｍ×１ｃｍのカーボンペーパー（ＴＧＰ−Ｈ−１２０：東レ社製）上に２ｍｇ／ｃｍ２塗布し、８０℃で乾燥させ、燃料極とした。また、触媒金属として白金を用い、燃料極と同様の方法を用いて酸化剤極を作製した。得られた燃料極と酸化剤極の間に多孔性ＰＴＦＥ膜よりなるセパレータを配置して、温度１５０℃、圧力１０ｋｇｆ／ｃｍ２（１０秒間）の条件でホットプレスし、得られた構造体を得た。ナフィオンは、固体電解質の役割ではなく触媒の結着剤として用いている。
【００６１】
電解質透過抑制膜（図１〜３の６１に対応）には、陰イオン交換膜を用いた。
【００６２】
また、乾燥防止層（図２〜３の６２に対応）には、セルロース繊維シートと穴あき金属板を張り合わせたものを用いた。セルロース繊維シートとして、膜厚２００μｍ、細孔サイズ１μｍ、空隙率８０％のセルロース繊維シートを用いた。また、穴あき金属板として、直径１０００μｍの孔を表面全面に設け、開口率８０％としたステンレス板を用いた。
【００６３】
また、燃料透過抑制膜（図３の６３に対応）としては、ＰＴＦＥ膜を用い、そのＰＴＦＥシートとして、膜厚８０μｍ、細孔サイズ３００ｎｍの多孔質ＰＴＦＥシートを用いた。
【００６４】
各試料の構成および評価結果を図４に示す。
【００６５】
比較例１および比較例２は、電解質透過抑制膜、乾燥防止層、及び燃料透過抑制膜のない燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体をパッシブ型燃料容器に固定した発電ユニットから構成されている（図４参照）。比較例１では、燃料中にアルカリ電解質を溶解させていない１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。比較例２では、燃料中にアルカリ電解質ＫＯＨを２モル/Ｌ溶解させた１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。
【００６６】
実施例１は、実施形態１（図１参照）に対応する燃料電池であり、電解質透過抑制膜を有し、かつ、乾燥防止層および燃料透過抑制膜のない燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体をパッシブ型燃料容器に固定した発電ユニットから構成されている（図４参照）。実施例１では、燃料中にアルカリ電解質ＫＯＨを２モル/Ｌ溶解させた１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。
【００６７】
実施例２は、実施形態２（図２参照）に対応する燃料電池であり、電解質透過抑制膜および乾燥防止層を有し、かつ、燃料透過抑制膜のない燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体をパッシブ型燃料容器に固定した発電ユニットから構成されている（図４参照）。実施例２では、燃料中にアルカリ電解質ＫＯＨを２モル/Ｌ溶解させた１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。
【００６８】
実施例３は、実施形態３（図３参照）に対応する燃料電池であり、電解質透過抑制膜、乾燥防止層、及び燃料透過抑制膜を有する燃料極、酸化剤極、及びセパレータよりなる構造体をパッシブ型燃料容器に固定した発電ユニットから構成されている（図４参照）。実施例３では、燃料中にアルカリ電解質ＫＯＨを２モル/Ｌ溶解させた１０ｖｏｌ％のメタノール水溶液を用いて発電評価を行った。
【００６９】
発電評価試験においては、酸化剤極は空気（１気圧）に暴露し、セル温度４０℃に設定した。それぞれのセルは電池性能評価装置にセットして、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ２での定電流放電時の電圧を評価した。また、発電時間評価としては、電流密度５０ｍＡ／ｃｍ２で、０．３５Ｖ以上の発電を継続した時間を評価した。
【００７０】
発電評価試験の結果は、図４に示すように、比較例１では、燃料にアルカリ電解質を含まないために、発電をまったく行うことができなかった。比較例２では、燃料にアルカリ電解質を含むために、発電電圧は、０．４Ｖが観測された。しかし、比較例２では電解質透過抑制膜および乾燥防止層がないために、３０分で０．３５Ｖ以上の発電電圧を維持することができなくなった。また、その後、比較例２の燃料電池の燃料側に、アルカリ電解質を含まない１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を供給したが、発電電圧が回復せず、発電を再度開始することができなかった。
【００７１】
実施例１は、比較例２と比べて、０．３５Ｖ以上の発電継続時間を２倍の６０分にまで延ばすことができた。また、その後、実施例１の燃料電池の燃料側に、アルカリ電解質を含まない１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を供給することにより発電電圧が０．３８Ｖにまで回復でき、発電を再度開始することができた。
【００７２】
実施例２は、実施例１に比べると、乾燥防止剤の効果により燃料をカソード側から無駄に蒸発させることが少なくなり、０．３５Ｖ以上の発電時間を１２０分にまで継続できた。また、その後、実施例２の燃料電池の燃料側に、アルカリ電解質を含まない１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を供給することにより、発電電圧を０．３９Ｖにまで回復でき、発電を再度開始することができた。
【００７３】
実施例３は、実施例２に比べると、燃料極側に燃料透過抑制膜を設けることにより、燃料極側で必要なだけの燃料を送り、セパレータを透過して、酸化剤極へのクロスオーバーを低減できたために、初期発電電圧を０．４２Ｖに引き上げることができ、また、発電時間を１８０分にまで継続できた。また、その後、実施例３の燃料電池の燃料側に、アルカリ電解質を含まない１０ｖｏｌ％メタノール水溶液を供給することにより、発電電圧を０．４Ｖまで回復でき、発電を再度開始することができた。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の実施形態１に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【図２】本発明の実施形態２に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【図３】本発明の実施形態３に係る燃料電池の単セル構造を模式的に示した断面図である。
【図４】各試料の構成および評価結果を示した表である。
【符号の説明】
【００７５】
１０  燃料極
１１  燃料極拡散電極
１２  燃料極触媒層
２０  酸化剤極
２１  酸化剤極拡散電極
２２  酸化剤極触媒層
３０  セパレータ
４０  容器
４０ａ  ＣＯ２排出孔
５０  燃料
６１  電解質透過抑制膜
６２  乾燥防止層
６３  燃料透過抑制膜
【図１】
2009004170.tif 000003
【図２】
2009004170.tif 000004
【図３】
2009004170.tif 000005
【図４】
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