(57)【要約】【課題】発電部の表面積を増大させるとともに、発電反応により燃料極側で発生するガス成分の除去性を高め、発電効率や経時的な安定性を向上させる。【解決手段】燃料電池１は、複数の単セル２、２…を備えた起電部３と燃料供給部４および液体燃料の収容室５を備えている。複数の単セル２、２…は、屈曲が交互に繰り返された断面波形等の形状の電解質膜８の主面に沿って、互いに分離して配置されている。各単セル２、２…の間に位置する電解質膜８の屈曲部には、アノード６側に生じたガス成分をカソード７側に逃がすガス抜き孔８ａが貫通して設けられている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と該電解質膜を挟んで対向して設けられた燃料極および空気極をそれぞれ有する膜電極接合体から成り、共通して設けられた前記電解質膜の主面に沿って互いに分離して配設された複数の単セルを有する起電部と、前記単セルを構成する膜電極接合体の前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを備え、
前記電解質膜は前記単セルの配設部の間で山折りと谷折りの屈曲が交互に繰り返された断面波形形状あるいはジグザク形状を有し、
かつ前記電解質膜の屈曲部に、前記膜電極接合体の燃料極側に生じたガス成分を前記空気極側に逃がすガス抜き孔が設けられていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記燃料供給機構は、気液分離層を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記単セルは、前記燃料極側と前記空気極側にそれぞれ設けられた集電層を介して電気的に接続されていることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料はメタノール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１項記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液体燃料を用いた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することが可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
【０００３】
直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：ＤＭＦＣ）は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯用電子機器の電源として有望視されている。ＤＭＦＣにおける燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式や、燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式などが知られている。
【０００４】
これらのうちで内部気化型等のパッシブ方式は、ＤＭＦＣの小型化の点で特に有利である。パッシブ型ＤＭＦＣにおいては、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）を、箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
そして、前記膜電極接合体（ＭＥＡ）から成る単セル（単電池）一つでは、実用的に十分な電力を得ることができないため、複数の単セルをセパレータを介して連結しスタック構造としたものが提案されている。また、複数の単セルを１枚の電解質膜の平面内に所定の間隔をおいて配置し、電気的に接続した構造の燃料電池も知られている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）。
【０００６】
しかし、前者のスタック構造の燃料電池では、装置全体が巨大化して大重量になってしまうという問題があった。また、後者の燃料電池においても、できるだけ大型化することなく発電に係る部分の表面積を増大し、出力を向上させることが要求されている。そのため、単セルをジグザク状に形成することが検討されている（例えば、特許文献４、特許文献５参照）。
【０００７】
さらに、燃料収容部から直接または流路を介して導入された高濃度のメタノール燃料等を気化させて燃料極に供給する場合、ＭＥＡの燃料極側ではガス化した燃料を閉じ込めつつ、発電反応に基づいて生じる炭酸ガスや水蒸気等のガス成分を系外に放出する必要がある。このような点に関して、従来のパッシブ型等のＤＭＦＣでは、燃料極側の容器側面にガス抜き孔を設け、ガス成分を系外に放出することが検討されている（例えば、特許文献６参照）。
【０００８】
しかしながら、ＤＭＦＣの容器側面にガス抜き孔を設けた場合、発生したガス成分が周辺部から抜けていくことになるため、ＭＥＡの中央付近で生成したガス成分を十分に除去することができず、安定した発電特性を得ることができないという問題があった。また、ＭＥＡの周辺部は中央付近に比べて温度が低くなるため、水蒸気の凝結によるガス抜き孔の閉塞が生じやすく、これにより経時的に安定した出力特性が得られないという問題もあった。
【特許文献１】国際公開第２００５／１１２１７２号パンフレット
【特許文献２】特開２００２−０１５７６３号公報
【特許文献３】特開２００７−０２６８７３号公報
【特許文献４】特開２００３−３３１８６０号公報
【特許文献５】特開２００６−１５６２２３号公報
【特許文献６】特開２００６−１０８０２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、装置全体の体積をできるだけ増大させずに発電部の表面積を増大させることによって、コンパクトで発電の出力が向上された燃料電池を提供することにある。また、発電反応に伴ってＭＥＡの燃料極側で発生するガス成分の除去性を高めることによって、発電反応の効率や経時的な安定性を向上させることができる燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の態様に係る燃料電池は、電解質膜と該電解質膜を挟んで対向して設けられた燃料極および空気極をそれぞれ有する膜電極接合体から成り、共通して設けられた前記電解質膜の主面に沿って互いに分離して配設された複数の単セルを有する起電部と、前記単セルを構成する膜電極接合体の前記燃料極に燃料を供給する燃料供給機構とを備え、前記電解質膜は前記単セルの配設部の間で山折りと谷折りの屈曲が交互に繰り返された断面波形形状あるいはジグザク形状を有し、かつ前記電解質膜の屈曲部に、前記膜電極接合体の燃料極側に生じたガス成分を前記空気極側に逃がすガス抜き孔が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の態様に係る燃料電池は、断面波形またはジグザク形の電解質膜の主面に沿って、複数の単セルが互いに所定の間隔をおいて分離して配置された構造を有しているので、複数の単セルが平面状の電解質膜の面内に配置された燃料電池に比べて、限られたスペース（容積）に多くの単セルを配置して発電部の表面積を増大させることができる。したがって、燃料電池全体を大型化することなく、発電出力を向上することができる。
【００１２】
また、発電反応に基づいて膜電極接合体の燃料極側に発生する炭酸ガスや水蒸気等のガス成分を、電解質膜の屈曲部に設けたガス抜き孔から効率よく空気極側へ放出することができるので、発電反応の効率や経時的な安定性等を向上させ、高出力の連続的な発電を維持することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の燃料電池の一実施形態の構成を示す断面図である。また、図２は、図１に示す燃料電池の起電部の構成を示す分解斜視図である。
【００１４】
図１に示す燃料電池１は、複数の単セル２、２…を備えた起電部３と、起電部３に燃料を供給する燃料供給部４と、液体燃料Ｆを収容する燃料収容室５とから主として構成されている。
【００１５】
各単セル２、２…は、アノード触媒層とアノードガス拡散層とを有するアノード（燃料極）６と、カソード触媒層とカソードガス拡散層とを有するカソード（空気極／酸化剤極）７、およびアノード６の触媒層（アノード触媒層）とカソード７の触媒層（カソード触媒層）とで挟持されたプロトン（水素イオン）伝導性の電解質膜８とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ）を有している。
【００１６】
ここで、アノード触媒層やカソード触媒層に含有される触媒としては、例えばＰｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層には、メタノールや一酸化炭素等に対して強い耐性を有するＰｔ−ＲｕやＰｔ−Ｍｏ等を用いることが好ましい。カソード触媒層には、ＰｔやＰｔ−Ｎｉ等を用いることが好ましい。ただし、触媒はこれらに限定されるものではなく、触媒活性を有する各種の物質を使用することができる。これらの触媒は、炭素材料等の導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
【００１７】
電解質膜８を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂（ナフィオン（商品名、デュポン社製）やフレミオン（商品名、旭硝子社製）等）、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜８はこれらに限られるものではない。
【００１８】
アノード触媒層に積層されるアノードガス拡散層は、アノード触媒層に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層の集電機能を有するものである。カソード触媒層に積層されるカソードガス拡散層は、カソード触媒層に酸化剤である空気を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層の集電機能を有するものである。アノードガス拡散層やカソードガス拡散層は、例えばカーボンペーパーのような導電性を有する多孔質基材で構成されている。
【００１９】
そして、アノードガス拡散層の外側にはアノード集電体９が積層され、カソードガス拡散層の外側にはカソード集電体１０が積層されている。これらの集電体９、１０は、燃料や酸化剤（空気）等を流通させる貫通孔を有しており、例えばＡｕのような導電性金属材料からなるメッシュや多孔質膜等が用いられる。なお、アノード集電体９およびカソード集電体１０は、図１では図示が省略されている。
【００２０】
複数の単セル２、２…は電解質膜８を共通としている。単セル２、２…共通の電解質膜８は、山折りと谷折りの屈曲が交互に繰り返された断面波形あるいはジグザク形の形状を有しており、この共通する電解質膜８の主面に沿って複数の単セルが互いに所定の間隔をおいて分離して配置されている。すなわち、共通の電解質膜８は、単セル２、２…の配設部の間（分離部）で山折りと谷折りの屈曲が交互に繰り返された断面波形あるいはジグザク形の形状を有しており、その屈曲部の間の傾斜部に複数の単セル２、２…がそれぞれ配設されている。
【００２１】
屈曲部（山折り部および谷折り部）の角度すなわち屈曲角度（θ）は、３０〜１５０度の範囲で各屈曲部で同一とすることが好ましい。スペース的によりコンパクトでありながら燃料の均一な供給性および拡散性が高く、出力向上が得られるという点で、より好ましい屈曲角度は６０度である。屈曲角度が３０度未満では、各単セル２、２…においてアノード６全体に均一に燃料を供給することが難しい。
【００２２】
また、各単セル２、２…の間に位置する電解質膜８の屈曲部には、ガス抜き孔８ａが電解質膜８を貫通して設けられている。ガス抜き孔８ａは、発電反応に伴ってアノード６側に発生するガス成分をカソード７側に逃がすためのものである。ガス抜き孔８ａは、電解質膜８の屈曲部のうちで、山折り部または谷折り部あるいはその両方に配設することができるが、山折り部に配設することが好ましい。ガス抜き孔８ａを山折り部に配設した構造では、ガス抜き孔８ａを通ってカソード７側に放出されたガス成分がカソード７に悪影響を与えることが少ないという利点がある。
【００２３】
ガス抜き孔８ａの孔径は５０μｍ以上２ｍｍ以下とすることが好ましく、１ｍｍ以下とすることがより好ましい。ガス抜き孔８ａの孔径が５０μｍ以下であると、水蒸気の凝集による閉塞等が生じ、十分なガス抜き効果を達成することが困難となる。一方、ガス抜き孔８ａの孔径が２ｍｍ以上の場合には、この孔を通ってカソード７側に直接透過する燃料の量が多くなり、局部的な加熱状態が生じやすくなるため、出力の安定性等が低下するおそれがある。また、ガス抜き孔８ａの数は各屈曲部当り１〜４個とし、均等な間隔で配設することが好ましい。
【００２４】
また、このような電解質膜８の主面に配設された複数の単セル２、２…において、隣接する単セル２は前記したアノード集電体９およびカソード集電体１０により直列に接続されている。単セル２、２…を直列に接続するための接続用集電板１１の一例を図３に示す。この接続用集電板１１においては、複数の単セルに対応する複数のアノード集電体９、９…と複数のカソード集電体１０、１０…が、中央折り返し部を挟んで向き合って配列されており、中央折り返し部に、対応するアノード集電体９とカソード集電体１０とを電気接続する配線部１２、１２…が形成されている。この接続用集電板１１は、中央部から折り返され、アノード集電体９、９…とカソード集電体１０、１０…とで各単セル２、２…のＭＥＡを挟み込むようにして、当接・配置される。
【００２５】
さらに、このような複数の単セル２、２…を有する起電部３は、電解質膜８と同様に断面波形あるいはジグザク形の屈曲形状を有し、燃料あるいは空気を流通させる貫通孔を有するアノード側支持体１３およびカソード側支持体１４により、両側から挟みこまれて保持されている。起電部３とアノード側支持体１３およびカソード側支持体１４の間は、Ｏリング等のシール部材１５によりシールされており、これにより起電部３（ＭＥＡ）からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。なお、カソード側支持体１４は省略することができる。
【００２６】
このようにアノード側支持体１３により保持された起電部３のアノード側は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容室５の上に燃料供給部４を介して配置されている。すなわち、燃料収容室５の開口部を覆うように気液分離層１６が配設され、この気液分離層１６上にアノード側支持体１３により保持された起電部３が配設されており、燃料収容室５から気液分離層１６を透過してきた液体燃料Ｆの気化成分が、起電部３を構成する各単セル２、２…のアノード６に均一な濃度で供給される。気液分離層１６は、液体燃料Ｆの気化成分と液体燃料Ｆとを分離し、気化成分をアノード６側に透過させるものであり、シリコーンゴム、フッ素樹脂などの材料で構成される。なお、気液分離層１６は、起電部３のアノード集電体９とアノード側支持体１３との間に介挿することもできる。この構造では、燃料収容室５の開口部上に設ける気液分離層１６を省くことも可能である。
【００２７】
燃料収容室５内に貯留される液体燃料Ｆは、濃度が５０モル％を超えるメタノール水溶液、または純メタノールである。純メタノールの純度は、９５重量％以上１００重量％以下にすることが好ましい。液体燃料Ｆの気化成分とは、液体燃料として液体のメタノールを使用した場合には、気化したメタノールを意味し、液体燃料としてメタノール水溶液を使用した場合には、メタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気を意味する。
【００２８】
起電部３のカソード側に配設されたカソード側支持体１４の上には、必要に応じて保湿層が配置され、その上に、酸化剤である空気を取り入れるための開口１７ａを有するカバープレート１７が積層されている。保湿層は、カソード触媒層で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制すると共に、カソード触媒層への空気の均一拡散を促進するものであり、例えば多孔質構造の部材で構成される。カバープレート１７は、例えばＳＵＳ３０４のような金属で形成される。
【００２９】
このように、燃料収容室５の上に、気液分離層１６を介して起電部３、カバープレート１７等を順に配置し全体を保持することによって、実施形態のパッシブ型ＤＭＦＣ１が構成されている。
【００３０】
このように構成される実施形態の燃料電池１において、燃料収容室５から気液分離層１６を介して各単セル２のアノード６に供給された燃料は、ＭＥＡ内でアノードガス拡散層を拡散してアノード触媒層に供給される。液体燃料Ｆとしてメタノール燃料を用いた場合、アノード触媒層で下記の（１）式に示すメタノールの内部改質反応が生じる。なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、カソード触媒層で生成した水や電解質膜８中の水をメタノールと反応させて（１）式の内部改質反応を生起させる。あるいは、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ  →  ＣＯ２＋６Ｈ+＋６ｅ-  ………（１）
【００３１】
この反応で生成した電子（ｅ-）はアノード集電体９を経由して外部に導かれ、いわゆる電気として携帯用電子機器等を動作させた後、カソード集電体１０を経由してカソード７に導かれる。（１）式の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ+）は電解質膜８を経てカソード７に導かれる。カソード７には酸化剤として空気が供給される。カソード７に到達した電子（ｅ-）とプロトン（Ｈ+）は、カソード触媒層で空気中の酸素と下記の（２）式にしたがって反応し、この反応に伴って水が生成する。
６ｅ-＋６Ｈ+＋（３／２）Ｏ２  →  ３Ｈ２Ｏ  ………（２）
【００３２】
上述した燃料電池１の発電反応において、複数の単セル２、２…を有する燃料電池１の発電電力を増大させるためには、発電反応が行われる起電部３（ＭＥＡ）の電極（アノード６およびカソード７）の総表面積を増大させることが重要になる。実施形態においては、断面波形あるいはジグザク形の電解質膜８の主面に沿って、複数の単セル２、２…が互いに分離して配置された構造を有しているので、複数の単セルを電解質膜の平面内に配置した燃料電池に比べて、限られたスペースにより多くの単セルが配置されており、電極の総表面積が増大されている。したがって、発電の出力が向上される。
【００３３】
例えば、６枚の矩形の単セルを有する燃料電池の出力（投影平面積当りの出力密度）で比較すると、平面状の電解質膜の面内に単セルを配置した燃料電池における前記出力密度を１とした場合、屈曲角度１５０度で断面波形の電解質膜の主面内に単セルを配置した実施形態の燃料電池では、出力密度が１．０３６倍となる。また、実施形態で電解質膜の屈曲角度を３０度とした燃料電池では、出力密度が３．８６倍となり、極めて高い出力が得られる。
【００３４】
さらにまた、複数の単セル２、２…を有するＭＥＡに対して燃料を均一に供給し、燃料電池１の発電電力を増大させるためには、発電反応により生成される炭酸ガスや水蒸気等のガス成分を速やかに除去し、供給された燃料を均一に反応部に到達させることも肝要である。炭酸ガスや水蒸気等のガス成分はＭＥＡのアノード６側で発生するため、発電反応により生じるガス成分はアノード６側の内部圧力の増加要因となる。さらに、ガス成分自体は供給された燃料が反応部に到達することを阻害する要因となる。
【００３５】
実施形態の燃料電池１においては、各単セル２、２…の間の電解質膜８の屈曲部にガス抜き孔８ａが電解質膜８を貫通して設けられているので、アノード６側に発生したガス成分がこのガス抜き孔８ａを通ってカソード７側に逃がされ、さらには系外に放出される。こうして、ＭＥＡの面内から均一にガス成分を除去することができ、それにより供給された燃料を各単セル２、２…に対して安定して均一にかつ十分に供給することができるため、起電部３全体で効率的にかつ継続的に発電反応を生起させることが可能となる。
【００３６】
具体例として、ＤＭＦＣの容器のアノード側面にガス抜き孔を設けて大気に内圧を放出する従来構造の燃料電池と、各単セル２、２…の間の電解質膜８の屈曲部にガス抜き孔８ａを設け、カソード７側にガス成分を放出するように構成した実施形態の燃料電池のそれぞれにおいて、室温での定電圧連続出力を行わせたところ、実施形態の燃料電池は従来からの燃料電池に比べて出力低下率が１０％程度アップした。なお、アノード側面にもガス抜き孔を設けない構造では、４時間で０．３ＭＰａまでアノード側の圧力が上昇し、メタノール燃料を送出できなくなり連続出力が困難となった。
【００３７】
なお、上記した実施の形態では、液体燃料Ｆとして、メタノール水溶液または純メタノールを使用した直接メタノール型の燃料電池について説明したが、液体燃料Ｆは、これらに限られるものではない。例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、もしくはその他の液体燃料であってもよい。
【００３８】
また、上記実施形態ではパッシブ型ＤＭＦＣを例に説明を行ったが、パッシブ型に限らず、アクティブ型の燃料電池、さらには燃料供給など一部にポンプ等を用いたセミパッシブ型の燃料電池に対しても本発明を適用することができ、パッシブ型の燃料電池を用いた場合と同様の作用効果を得ることができる。
【００３９】
セミパッシブ型の燃料電池において、燃料収容部から膜電極接合体に供給された燃料は発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部に戻されることはない。セミパッシブ型の燃料電池は、燃料を循環しないことから、従来のアクティブ方式とは異なるものであり、装置の小型化等を損なうものではない。また、燃料電池は、燃料の供給にポンプを使用しており、従来の内部気化型のような純パッシブ方式とも異なる。そのため、このようなタイプの燃料電池は、上述したようにセミパッシブ方式と呼称される。なお、このセミパッシブ型の燃料電池では、燃料収容部から膜電極接合体への燃料供給が行われる構成であれば、ポンプに代えて燃料遮断バルブを配置する構成とすることも可能である。この場合には、燃料遮断バルブは、流路による液体燃料の供給を制御するために設けられるものである。
【００４０】
すなわち、本発明は液体燃料を使用した各種の燃料電池に適用することができる。また、燃料電池の具体的な構成や燃料の供給状態等も特に限定されるものではなく、ＭＥＡに供給される燃料の全てが液体燃料の蒸気、全てが液体燃料、または一部が液体状態で供給される液体燃料の蒸気等、種々形態に本発明を適用することができる。実施段階では本発明の技術的思想を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化することができる。さらに、上記実施形態に示される複数の構成要素を適宜に組合せたり、また実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除する等、種々の変形が可能である。本発明の実施形態は本発明の技術的思想の範囲内で拡張もしくは変更することができ、この拡張、変更した実施形態も本発明の技術的範囲に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の燃料電池の一実施形態の構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す燃料電池の起電部の構成を示す分解斜視図である。
【図３】図１に示す燃料電池において、単セルを直列に接続するための接続用集電板の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４２】
１…燃料電池、２…単セル、３…起電部、４…燃料供給部、５…燃料収容室、６…アノード、７…カソード、８…電解質膜、８ａ…ガス抜き孔、９…アノード集電体、１０…カソード集電体、１１…接続用集電板、１３…アノード側支持体、１４…カソード側支持体、１６…気液分離層、１７…カバープレート。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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