JP2004206885A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】クロスオーバーを抑制することができる燃料電池を提供する。
【解決手段】電解質１１を介して燃料極１２と酸化剤極１３とが設けられ、燃料極１２に隣接して燃料室１５が設けられている。燃料室１５には、メタノール水溶液などの液体燃料１５Ａが収納されている。燃料室１５の燃料極１２の側には、膜状の高分子化合物あるいは多孔質体よりなる保持体１５Ｂが設けられている。高分子化合物は液体燃料１５Ａに溶解あるいは膨潤してゲル状となることにより、液体燃料１５Ａを保持する。これにより、液体燃料１５Ａが燃料極１２に過剰に供給されることが抑制され、クロスオーバーが防止される。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を用いる燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、発電効率が高く、反応生成物が原理的には水（Ｈ₂ Ｏ）のみであり、環境性にも優れているエネルギー供給源として、燃料電池が注目されている。このような燃料電池は用いられる電解質の種類により、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型等の低温作動燃料電池と溶融炭酸塩型、固体酸化物型の高温動作燃料電池に大別される。なかでも、電解質に固体高分子を用いた固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）はコンパクトな構造で高密度・高出力が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく車両用等の電源としても広く研究され、実用化が大いに期待されている。
【０００３】
また、燃料電池の燃料としてメタノール水溶液などの液体を燃料極に直接供給し、酸化剤極（空気極）に酸化剤ガス（空気）を供給することにより、発電を行う直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ：Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌｓ）が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この直接メタノール型燃料電池はメタノール水溶液が水と反応して水素イオンが得られ、この水素イオンがプロトン伝導性イオン交換膜内を移動することにより、外部に電気エネルギーが得られる構造となっている。また、直接メタノール型燃料電池は燃料のアルコールを改質またはガス化しないで直接発電に利用できるため、構造がシンプルで小型化、軽量化が容易であることから、分散型電源やポータブル型電源用として注目されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−５０２２０５号公報
【特許文献２】
特開平１０−４０９３６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、直接メタノール型燃料電池では、メタノールなどの燃料が電解質を透過して酸化剤極に移動するクロスオーバーという現象が知られており、それにより発電効率が低下してしまうという問題があった。従来も、このクロスオーバーを防止するために、電解質の間にメタノールを酸化させるための酸化触媒層を設けるなどの方法が報告されているが（例えば、特許文献２参照。）、クロスオーバーを完全に防止することは難しく、更なる改善が求められていた。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、クロスオーバーを抑制することができる燃料電池を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の燃料電池は、電解質を介して燃料極と酸化剤極とが設けられたものであって、燃料極に隣接して燃料室を備え、この燃料室に液体燃料と高分子化合物とを有するものである。
【０００８】
本発明による第１の燃料電池では、高分子化合物により液体燃料が保持され、クロスオーバーが抑制される。なお、燃料室は、高分子化合物を燃料極の側に膜状に有していてもよく、全体に有していてもよい。また、液体燃料は、メタノール、エタノールおよびジメチルエーテルのうちの少なくとも１種を含むもの、あるいは、多価アルコールとアルカリ水溶液とを含むものが好ましい。更に、燃料室は取り外し可能とされていてもよい。
【０００９】
本発明による第２の燃料電池は、電解質を介して燃料極と酸化剤極とが設けられたものであって、燃料極に隣接して燃料室を備え、この燃料室に、液体燃料と、この燃料室内に全体が収納された多孔質体とを有するものである。
【００１０】
本発明による第２の燃料電池では、多孔質体により液体燃料が保持され、クロスオーバーが抑制される。なお、多孔質体は燃料極の側に設けられてもよく、全体に設けられてもよい。また、液体燃料は、メタノール、エタノールおよびジメチルエーテルのうちの少なくとも１種を含むもの、あるいは、多価アルコールとアルカリ水溶液とを含むものが好ましい。更に、燃料室は取り外し可能とされていてもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１２】
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の構成を表すものである。この燃料電池は、電解質１１を介して設けられた燃料極１２と酸化剤極１３とを有している。これら電解質１１，燃料極１２および酸化剤極１３は、外装部材１４の内部に収納されている。外装部材１４の内部には、燃料極１２に隣接して燃料室１５が設けられると共に、酸化剤極１３に隣接して酸化剤室１６が設けられている。
【００１３】
電解質１１は、例えば、プロトン伝導性高分子膜により構成されている。プロトン伝導性高分子膜としては、例えば、スルホン酸基（−ＳＯ₃ Ｈ）を有するパーフルオロカーボン重合体の膜や、プロトン伝導性の粉末を樹脂に分散させたコンポジット膜や、あるいはプロトン伝導性無機材料と高分子材料とを合成したハイブリッド膜が挙げられる。また、常温溶融塩を高分子材料に分散させた常温溶融塩複合膜を用いることも可能である。
【００１４】
燃料極１２および酸化剤極１３は、例えば、カーボンペーパーなどよりなる集電体に、白金（Ｐｔ）あるいはルテニウム（Ｒｕ）などの触媒を含む触媒層が形成された構成を有している。触媒層は、例えば、触媒を担持させたカーボンブラックをプロトン伝導材料に分散させたものにより構成されている。
【００１５】
燃料室１５は、密閉されており、液体燃料１５Ａを有している。液体燃料１５Ａは、外装部材１４に設けられた注入孔１４Ａから燃料室１５に注入されるようになっており、注入孔１４Ａには栓１４Ｂが配設されている。注入孔１４Ａは、また、液体燃料１５Ａの注入時などに、反応により生じた二酸化炭素（ＣＯ₂ ）を燃料室１５から排出する排気孔としての機能も有している。液体燃料１５Ａはメタノール，エタノールおよびジメチルエーテルのうちの少なくとも１種と水とを含むもの、あるいは、多価アルコールとアルカリ水溶液とを含むものが好ましい。多価アルコールとしては、エチレングリコール，グリセロール，エリトリトールあるいはキシリトールなどが挙げられ、特にはエチレングリコールが好ましい。また、アルカリ水溶液としては、水酸化カリウム水溶液あるいは炭酸カリウム水溶液などが挙げられ、特には水酸化カリウムが好ましい。
【００１６】
燃料室１５は、また、燃料極１２の側に膜状の高分子化合物あるいは多孔質体よりなる保持体１５Ｂを有している。保持体１５Ｂは、液体燃料１５Ａを保持することによりクロスオーバーを抑制するためのものである。なお、保持体１５Ｂは燃料極１２に隣接して全体が燃料室１５に収納されていることが好ましい。この場合の隣接というのは、完全に接触している場合のみでなく、燃料極１２への液体燃料１５Ａの移動を制御することができる程度の隙間があってもよい。また、保持体１５Ｂは燃料極１２の全面に対応して設けられていることが好ましいが、一部に対応して設けられていてもよい。
【００１７】
保持体１５Ｂを構成する高分子化合物としては、液体燃料に溶解あるいは膨潤するものであり、液体燃料との親和力による吸液状態で高い安定性を有するものが好ましい。液体燃料に対する溶解あるいは膨潤は、水に対するものでも、有機化合物に対するものでも、その両方に対するものでもよい。これにより高分子化合物は、液体燃料を保持していわゆるゲル状となっている。高分子化合物は架橋していてもしていなくてもよく、その分子量は１万以上、特には１０万以上が好ましい。分子量が小さいと十分な粘性が得られず、クロスオーバーを十分に抑制することができないからである。
【００１８】
また、高分子化合物は、ノニオン系、カチオン系、あるいはアニオン系のいずれでもよいが、ノニオン系が好ましい。アニオン系高分子化合物の場合には、プロトン伝導性高分子材料、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体に、アニオン系高分子化合物のイオン、例えばナトリウムイオン（Ｎａ⁺ ）が結合し、プロトン伝導性が低下してしまうおそれがあるからである。また、カチオン系高分子化合物の場合には、例えば塩化物イオン（Ｃｌ^- ）などのハロゲン化物イオンがプロトン（Ｈ⁺ ）と反応して溶出し、発電効率が低下してしまうおそれがあるからである。
【００１９】
このような高分子化合物の具体例としては、例えば、ポリビニルアルコール、ポリ−２−ヒドロキシエチルメタクリレート、ポリ−２−ヒドロキシエチルアクリレート、ポリエチレングリコール、ポリビニルメチルエーテル、ポリビニルピロリドン、ポリアクリルアミド、ポリジメチルアクリルアミド、ポリ−Ｎ−ビニルアセドアミド、あるいはこれらの共重合体が挙げられる。ただし、液体燃料が多価アルコールとアルカリ水溶液とを含む場合、耐アルカリ性を有さない高分子化合物、例えば、ポリ−２−ヒドロキシエチルメタクリレート、ポリ−２−ヒドロキシエチルアクリレート、ポリアクリルアミド、ポリジメチルアクリルアミドといったものは除外される。
【００２０】
多孔質体としては、例えば、樹脂製の微多孔部材あるいはスポンジ状部材、または合成樹脂不織布が好ましい。構成材料は、燃料電池の動作温度および条件を満たすための耐溶剤性、耐水性、耐薬品性、および耐熱性を有するものであれば、特に限定されない。好ましい材料としては、例えば、ポリフッ化ビニリデンなどのフッ素系樹脂、ポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、ポリスルホン、ポリエーテルエーテルケトンが挙げられる。ただし、液体燃料が多価アルコールとアルカリ水溶液とを含む場合、耐アルカリ性を有さない樹脂、例えば、ポリイミドといったものは除外される。
【００２１】
酸化剤室１６は、外装部材１４に設けられた流通孔１４Ｃを介して外部と連通しており、自然換気により空気を酸化剤極１３に供給することができるようになっている。
【００２２】
この燃料電池では、燃料室１５の液体燃料１５Ａが保持体１５Ｂを通って燃料極１２に供給され、反応により二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質１１を通って酸化剤極１３に移動し、電子および酸化剤室１６から供給された空気中の酸素（Ｏ₂ ）と反応して、水を生成する。その際、燃料室１５では、保持体１５Ｂにより液体燃料１５Ａが保持されるので、燃料極１２に液体燃料１５Ａが必要以上に供給されることが抑えられ、クロスオーバーが抑制される。
【００２３】
このように本実施の形態によれば、燃料室１５に高分子化合物あるいは多孔質体よりなる保持体１５Ｂを有するようにしたので、保持体１５Ｂにより液体燃料１５Ａを保持することができ、燃料極１２に液体燃料１５Ａが過剰に供給されることを抑制することができる。よって、クロスオーバーを抑制することができ、発電効率を向上させることができると共に、安定性を向上させることができる。
【００２４】
また、この燃料電池によれば、クロスオーバーを抑制するための構造が簡単で、小型化および軽量化が容易であり、また燃料室１５に液体燃料１５Ａを補充することも容易にできるので、携帯用電源として利用することができる。
【００２５】
（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の構成を表すものである。この燃料電池は、保持体２５Ｂを燃料室１５の全体に有していることを除き、第１の実施の形態と同一の構成を有している。よって、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。
【００２６】
この燃料電池は、第１の実施の形態と同様に作用し、同様の効果を有している。更に、この燃料電池によれば、保持体２５Ｂを燃料室１５の全体に有しているので、液体燃料１５Ａの漏れを防止することができる。
【００２７】
（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の構成を表すものである。この燃料電池は、燃料室３５が密閉されていないことを除き、第１の実施の形態と同一の構成・作用・効果を有している。よって、第１の実施の形態と同一の構成要素には同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。
【００２８】
外装部材３４には、注入孔１４Ａに代えて、燃料室３５に液体燃料１５Ａを供給すると共に発生した二酸化炭素を排出する流通孔３４Ａが設けられている。流通孔３４Ａは、燃料室３５とは別に設けられた図示しない燃料貯蔵部に接続されており、図示しないポンプなどにより燃料貯蔵部から燃料室３５に液体燃料１５Ａが供給されるようになっている。
【００２９】
なお、第２の実施の形態に係る燃料電池についても、図４に示したように、燃料室３５に図示しない燃料貯蔵部を接続して、図示しないポンプなどにより液体燃料１５Ａを燃料貯蔵部から供給するようにしてもよい。その際、保持体２５Ｂに高分子化合物を用いる場合には、燃料貯蔵部から液体燃料１５Ａを供給するようにしてもよいが、高分子化合物の保持体２５Ｂと液体燃料１５Ａとを含むゲル状の燃料混合物を供給するようにしてもよい。
【００３０】
（第４の実施の形態）
図５は本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池の構成を表すものである。この燃料電池は、燃料室４５が燃料極１２と分離して取り外し可能とされたことを除き、他は第２の実施の形態と同一の構成・作用・効果を有している。よって、第２の実施の形態と同一の構成要素には同一の符合を付し、詳細な説明を省略する。
【００３１】
この燃料電池では、外装部材４４が本体４４Ａとカートリッジ部４４Ｂとに分割できるようになっている。本体４４Ａとカートリッジ部４４Ｂとの接合部には係止部４４Ｃが設けられており、それを嵌め合わせることにより、本体４４Ａとカートリッジ部４４Ｂとを一体化できるようになっている。本体４４Ａの内部には、燃料極１２，電解質１１，酸化剤極１３および酸化剤室１６が設けられ、本体４４Ａのカートリッジ部４４Ｂとの接合部には燃料極１２が露出されている。
【００３２】
カートリッジ部４４Ｂの内部には、燃料室４５が設けられており、カートリッジ部４４Ｂの本体４４Ａとの接合部には、保持体２５Ｂを支持する支持膜４７が配設されている。支持膜４７には、保持体２５Ｂを燃料極１２に接触させ、液体燃料１５Ａを燃料極１２に供給するための開口４７Ａが設けられている。支持膜４７は、例えば樹脂あるいは金属などよりなるメッシュ体により構成されることが好ましく、中でも、耐酸性、耐アルカリ性および耐溶剤性に優れるフッ素系樹脂により構成されることが好ましい。なお、保持体２５Ｂは、液体燃料１５Ａが燃料室４５から漏れださない程度の保持力を有するように調製されている。カートリッジ部４４Ｂを取り外す際に液体燃料１５Ａが漏れないようにするためである。
【００３３】
このように本実施の形態によれば、燃料室４５を有するカートリッジ部４４Ｂを本体４４Ａから分離して取り外し可能とするようにしたので、カートリッジ部４４Ｂを交換するか、あるいは取り外して液体燃料１５Ａを注入するだけで、簡単に液体燃料１５Ａを補充することができ、携帯用電源として利用することができる。
【００３４】
【実施例】
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。
【００３５】
（実施例１）
図２に示したような燃料電池を作製した。まず、液体燃料１５Ａである１ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液に、保持体１５Ｂであるノニオン性吸水剤の樹脂を５質量％溶解し、ゲル状の燃料混合物を作製した。次いで、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体を２０質量％の含有量でエタノール溶液に溶解し、この混合溶液に、白金とルテニウムとをＰｔ／Ｒｕ＝５６／４４の質量比で混合したものをカーボンブラックに３３質量％担持させて分散させ、これを厚み２００μｍのカーボンペーパー上に塗布、乾燥することにより、触媒層を有する燃料極１２を作製した。続いて、白金を５０質量％担持させたカーボンブラックを、燃料極１２と同様の混合溶液に分散させ、これを厚み２００μｍのカーボンペーパー上に塗布、乾燥することにより、触媒層を有する酸化剤極１３を作製した。
【００３６】
次いで、電解質１１に厚み５０μｍのスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体の膜を用い、燃料極１２と電解質１１と酸化剤極１３とを触媒層が電解質１１に接触するようにして積層して、電池性能測定用セルに組み込んだ。そののち、燃料室１５に室温で、上記ゲル状の燃料混合物を導入し、燃料電池を作製した。作製した燃料電池について開回路電圧を測定したところ、開回路電圧は０．４９Ｖであり、その後安定していた。
【００３７】
（実施例２）
保持体１５Ｂとしてポリフッ化ビニリデンよりなる多孔質体を用いた以外は、実施例１と同様にして燃料電池を得た。実施例２の燃料電池についても開回路電圧を測定したところ、開回路電圧は０．４９Ｖであり、その後安定していた。
【００３８】
（比較例）
保持体１５Ｂを用いず、１ｍｏｌ／ｌのメタノール水溶液のみを燃料室に注入した以外は、実施例１と同様にして燃料電池を得た。比較例１の燃料電池についても開回路電圧を測定したところ、開回路電圧は０．４９Ｖであり、その後電圧は徐々に低下していった。
【００３９】
以上の結果を比較すると、実施例１，２および比較例の電流および電圧特性はほぼ同等であり、出力特性に差はみられないが、実施例１，２では開回路電圧が安定しているのに対して、比較例では開回路電圧の低下がみられた。これはクロスオーバーによるものと考えられる。すなわち、液体燃料１５Ａを保持する高分子化合物あるいは多孔質体を燃料室１５に有するようにすれば、クロスオーバーを抑制することができ、安定性を向上させることができることが分かった。
【００４０】
なお、上記実施例では、液体燃料１５Ａにメタノール水溶液を用いた結果を示したが、エタノールおよびジメチルエーテルを用いた場合についても同様の結果が得られた。また、１ｍｏｌ／ｌのエチレングリコールと１ｍｏｌ／ｌの水酸化カリウム水溶液を含む液体燃料１５Ａを用いた場合についても同様の結果が得られた。ここで、多価アルコールとアルカリ水溶液とを含む液体燃料１５Ａを用いる場合には、電解質１１として、パーフルオロカーボン重合体の膜以外に炭化水素系アニオン交換膜も使用可能となる。
【００４１】
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、電解質１１，燃料極１２および酸化剤極１３の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施の形態および実施例では、酸化剤極１３への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気以外の酸素を含む酸化剤ガスを供給するようにしてもよい。
【００４３】
更に、上記実施の形態および実施例では、単セル型の燃料電池について説明したが、本発明は、複数のセルを積層した積層型のものについても適用することができる。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による燃料電池によれば、燃料室に高分子化合物あるいは多孔質体を有するようにしたので、これらにより液体燃料を保持することができ、燃料極に液体燃料が過剰に供給されることを抑制することができる。よって、クロスオーバーを抑制することができ、発電効率を向上させることができると共に、安定性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。
【図３】本発明の第３の実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態に係る他の燃料電池の構成を表す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態に係る燃料電池の構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１１…電解質、１２…燃料極、１３…酸化剤極、１４，３４，４４…外装部材、１４Ａ…注入孔、１４Ｂ…栓、１４Ｃ，３４Ａ…流通孔、１５，３５，４５…燃料室、１５Ａ…液体燃料、１５Ｂ，２５Ｂ…保持体、１６…酸化剤室、４４Ａ…本体、４４Ｂ…カートリッジ部、４４Ｃ…係止部、４７…支持膜、４７Ａ…開口。

Claims (9)

1. 電解質を介して燃料極と酸化剤極とが設けられた燃料電池であって、
   前記燃料極に隣接して燃料室を備え、
   この燃料室に液体燃料と高分子化合物とを有する
   ことを特徴とする燃料電池。
2. 前記燃料室のうち前記燃料極の側に膜状の高分子化合物を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記燃料室の全体に高分子化合物を有する
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
4. 電解質を介して燃料極と酸化剤極とが設けられた燃料電池であって、
   前記燃料極に隣接して燃料室を備え、
   この燃料室に、液体燃料と、この燃料室内に全体が収納された多孔質体とを有する
   ことを特徴とする燃料電池。
5. 前記燃料室のうち前記燃料極の側に多孔質体が設けられた
   ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
6. 前記燃料室の全体に多孔質体が設けられた
   ことを特徴とする請求項４記載の燃料電池。
7. 前記液体燃料は、メタノール、エタノールおよびジメチルエーテルのうちの少なくとも１種を含む
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池。
8. 前記液体燃料は、多価アルコールとアルカリ水溶液とを含む
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の燃料電池。
9. 前記燃料室は取り外し可能である
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の燃料電池。

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