JP2001015130A

JP2001015130A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2001015130A
Application number: JP11183955A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Akasaka; 芳浩赤坂; Hideyuki Ozu; 秀行大図; Morohiro Tomimatsu; 師浩富松; Kazuhiro Yasuda; 一浩安田; Masahiro Takashita; 雅弘高下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1999-06-29
Filing date: 1999-06-29
Publication date: 2001-01-19

Abstract

(57)【要約】【課題】液体燃料の供給システムの簡略化および高性
能を維持できる燃料電池の提供を目的とする。【解決手段】酸化剤極３と、この酸化剤極３上に形成
された電解質板１と、この電解質板１上に形成された燃
料極２と、この燃料極２上に設けられた液体とガスを分
離する分離膜７と、この分離膜７に接続される液体燃料
保持部１０とを具備させることで、燃料電池の反応熱を
利用して液体燃料を気化させた状態で電極に供給するこ
とが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池、特に小
型化に適した燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、単独の発電装置としては効
率がいいことから最近注目されている。燃料電池は、燃
料としてガスを使用するリン酸型燃料電池、溶融炭酸塩
型燃料電池、固体電解質型燃料電池、アルカリ性電解液
型燃料電池等と、燃料として液体を使用するメタノール
燃料電池、ヒドラジン燃料電池等とに大別される。

【０００３】一方、社会的な動向として、ＯＡ機器、オ
ーディオ機器、無線機器等の各種機器は、半導体技術の
発達と共に小型化され、さらにポータブル性が要求され
ている。このような要求を満足するための電源として
は、手軽な一次電池や二次電池等が使用されている。

【０００４】しかし、一次電池や二次電池は、機能上使
用時間に制限があり、このような電池を用いたOA機器等
では当然使用時間が限定される。一次電池を使用した場
合、電池の放電が終った後に、電池を交換してＯＡ機器
等を動かすことはできるものの、その重量に対して使用
時間が短く、ポータブルな機器には不向きである。ま
た、二次電池では放電が終ると充電できる半面、充電の
ために電源が必要で使用場所が制限されるのみならず、
充電に時間がかかるという欠点がある。このように、各
種小型機器を長時間作動させるには、従来の一次電池や
二次電池の延長では対応が難しく、より長時間の作動に
向いた電池が要求されている。

【０００５】このような問題の一つの解決策として、上
述したような燃料電池がある。燃料電池は、燃料と酸化
剤を供給するだけで発電することができるという利点を
有するだけでなく、燃料のみを交換すれば連続して発電
できるという利点を有しているため、小型化が出来れば
消費電力が小さいＯＡ機器等の小型機器の作動に極めて
有利なシステムといえる。

【０００６】燃料電池は、酸化剤として空気が使用でき
るため、酸化剤の観点からは使用場所や使用時間等に制
限を受けることはないが、燃料としてガスを使用する場
合は、ＯＡ機器等の消費電力が小さいとはいえ、ガスの
密度を考えると発電に要するガスの体積は大きく、電池
の小型化には不向きである。これに対して、液体燃料は
ガスに比べると密度が高く、小型機器用燃料電池の燃料
としては圧倒的に有利である。従って、液体燃料を用い
た燃料電池が小型化できれば、従来にない長時間作動が
可能な小型装置用の電源が実現できる。

【０００７】液体燃料としてメタノールを用いたメタノ
ール燃料電池を例として説明する。メタノール燃料電池
は電池本体への燃料供給方法によって、液体燃料をその
まま電池本体に供給する液体供給型と、気化させたメタ
ノールを電池本体に供給する気化供給型とに大別され
る。

【０００８】液体供給型のシステムでは、電極反応が液
体燃料との間で行われるため、メタノールをガス化して
電極反応を行った場合に比べ低活性で性能が低くなると
いう問題が生じる。さらに、パーフルオロスルホン酸
（商品名：Nafion DuPont社製）などのプロトン導電性
固体高分子膜などを電解質として用いた場合、メタノー
ル等の液体有機燃料を酸化剤極側に透過してしまうクロ
スオーバーの問題も生じる。

【０００９】気化供給型の場合、また液体燃料タンクか
らポンプで送られてきたメタノールなどの液体燃料を気
化器などの補器により気化し、気化された燃料をブロワ
で電池本体に供給する方法も従来知られている。しかし
ながら、この方法においても気化させるための補器を必
要とするため、装置の大型化を招くという問題が生じ
る。

【００１０】また、燃料電池は通常複数の単電池を積層
したスタックの形で実用されるが、ポンプやブロワで燃
料を圧送すると積層方向で燃料の配流に不均一が生じ、
スタックを構成する単電池の性能がばらつく問題があ
る。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の従来の
燃料電池における上記課題を解決し、小型機器の電源と
して有用な小型燃料電池を提供するために行われたもの
で、液体燃料の供給システムを簡易化すると共に、簡素
な構造で気化された燃料を燃料極に供給することによっ
て、高性能を維持した上で小型化することを可能にした
燃料電池を提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、酸化
剤極と、この酸化剤極上に形成された電解質板と、この
電解質板上に形成された燃料極と、この燃料極上に設け
られた液体とガスを分離する分離膜と、この分離膜に接
続される液体燃料保持部とを具備する燃料電池である。

【００１３】このような構成を採用することで、燃料極
で生じる電池反応の反応熱を分離膜を介して液体燃料に
伝えることが可能になり、補器などを使用しなくとも液
体燃料を気化することが可能になり、装置の小型化を行
うことが可能となる。また、燃料極上に分離膜を配置す
るため、燃料極上に間隙を設けて気体燃料を供給する場
合に比べ電池の機械的な強度を向上させることができ
る。

【００１４】前記分離膜としては、発生した電子を伝導
する集電板として機能させるために導電性を有するステ
ンレス板枠内に撥水性を有する多孔質体、熱伝導性を有
する多孔質体、細孔径０．０５μｍ乃至４．００μｍ、
気孔率６０％乃至９５％の多孔質体、熱伝導率２０Ｗ／
ｍ・ｋ以上の多孔質体が組み込まれている状態であるこ
とが望ましい。また、電子を伝導する集電板として機能
させるために導電性を有する材料としてはＡｌ，Ｃｕ、
等金属材料、撥水性カーボンペーパーでも構わない。

【００１５】多孔質体は、細孔径、気孔率を制御するこ
とで液体燃料と、気化した燃料とを分離することが可能
である。多孔質体として撥水性を持たせると、気孔率や
細孔径を大きくすることが可能であり、気化した燃料を
効率よく燃料極へ導入することが可能となる。多孔質体
に撥水性を持たせるためには、例えば、フッ素樹脂から
なる多孔質体を使用したり、多孔質体表面にフッ素樹脂
を塗布するなどしてフッ素樹脂層を形成すればよい。

【００１６】また、多孔質体の熱伝導性を高くすること
で、燃料極で発生した反応熱を効率よく液体燃料に伝
え、気化効率を向上させ、ひいては発電効率を向上させ
ることが可能となる。

【００１７】さらに、これらの特性を併せ持つ多孔質体
を使用することがより好ましい。

【００１８】本願第２の発明は、酸化剤極、この酸化剤
極上に形成された電解質板、この電解質板上に形成され
た燃料極、およびこの燃料極上に設けられた液体とガス
を分離する分離膜とからなる複数の積層体と、前記複数
の積層体に液体燃料を供給する液体燃料保持部とを有す
る燃料電池である。

【００１９】すなわち、酸化剤極、燃料極および前記両
極に挟持される電解質板とを具備する起電部を複数個具
備する燃料電池にメタノールなどの液体燃料を気化した
状態で供給する際に、各起電部毎に液体燃料を供給した
後に、各起電部毎に気化することで、各起電部に供給さ
れる気化した燃料の濃度を調整することが可能となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００２１】図１は、一実施例の燃料電池の要部構成を
示す断面図である。

【００２２】同図において、電解質板１は燃料極（アノ
ード）２と酸化剤極（カソード）３とにより挟持され対
向配置されている。これら電解質板１、燃料極２および
酸化剤極３によって起電部４が構成されている。

【００２３】液体燃料は、液体燃料保持部１０内を図示
しない循環器によって循環されている。また、セパレー
タ５の酸化剤極３側には酸化剤導入溝８を形成して有
り、酸化剤導入溝８の一端から空気などの酸化剤を導入
し、他端から排出させることで、酸化剤極３への酸化剤
供給を行っている。

【００２４】ここで、燃料極2および酸化剤極3は、気化
した燃料や酸化剤ガスを流通させると共に電子を通すよ
うに、導電性の多孔質体で形成されている。

【００２５】本発明においては、燃料極２表面に、図２
に示した導電性を有するカーボンペーパーに気体と液体
燃料とを分離する多孔質体１１をステンレス性の枠１２
に組み込んで形成されている分離膜７を配置している。
そして分離膜７には液体燃料を保持する燃料保持部が接
続されている。

【００２６】燃料極２では、電池反応によるの反応熱が
生じ、この反応熱により液体燃料保持部６と分離膜７と
の界面で液体燃料が気化する。さらに、気化した燃料の
みが多孔質体の細孔を通過し、燃料極２に提供される。

【００２７】前記分離膜には、液体燃料を透過せず、液
体燃料が気化したガスを透過させる機能を有するもので
あれば特に限定されずに用いることができる。

【００２８】例えば細孔径０．０５μｍ乃至４．００μ
ｍ、気孔率６０％乃至９５％の多孔質体を用いればよ
い。細孔径が０．０５μｍ未満あるいは気孔率６０％以
下であると、前記気化したガスの透過率が低く、発電効
率が低下する恐れがある。前記ガスの透過率を向上させ
るためには、細孔径が大きく、気孔率の高い多孔質体を
使用することが望ましいが、細孔径が４．００を超え
る、あるいは気孔率９５％を超える多孔質体を使用する
と液体燃料が分離膜を透過し、直接燃料極に達してしま
う恐れがある。

【００２９】また、撥水性の高い多孔質体を用いること
で、より大きな細孔径を有し、より気孔率の高い多孔質
体を用いることが可能となる。撥水性を有する多孔質体
を得るためには、たとえば多孔質体を構成する粒子より
も撥水性の高い塗布液により表面処理した多孔質体を用
いたり、多孔質体を構成する粒子自体にフッ素樹脂など
撥水性の高い材料を使用すればよい。

【００３０】また、燃料極で発生した反応熱を効率よく
液体燃料に伝えるためには、分離膜として熱伝導率の高
い材料を選択することが望ましく、具体的には２０Ｗ／
ｍ・Ｋ以上の熱伝導性を有する材料を選択することが望
ましい。例えばカーボン焼結体や、Ａｌ_２Ｏ_３焼結体、
金属製の焼結体を使用することができる。また、熱伝導
を効率的に行うこと、燃料電池の小型化の面から分離膜
の膜厚は１ｃｍ以下とすることが望ましい。

【００３１】このように、分離膜７、起電部４とからな
る単電池はセパレータ５を介して積層することでスタッ
ク９を得ることができる。

【００３２】また、必要に応じて、燃料極2や酸化剤極3
と電解質板1との間に、層状、島状、あるいは粒状等の
触媒層を形成することもあるが、本発明はこのような触
媒層の有無に制約を受けるものではない。また、燃料極
2や酸化剤極3自体を触媒電極としてもよい。前記触媒電
極は、触媒層単独でもよいが、導電性のペーパーやクロ
ス等の支持体の上に触媒層を形成したような多層構造を
持つものでもよい。

【００３３】

【実施例】実施例１以下、本発明の実施例を、図面を参照しながら説明す
る。

【００３４】本実施例は、単電池として行ったことを除
けば図１に示した燃料電池と同様の燃料電池を用いた。

【００３５】図示するように、起電部４は、電解質板１
と、電解質板１を挟むように設けられた燃料極２および
酸化剤極３とからなる接合体を用いた。

【００３６】電解質板１は、５０ｍｍ×５０ｍｍ、膜厚
０．１８ｍｍの高分子電解質膜であるナフィオン１１７
（デュポン製）を用いた。燃料極２は、撥水処理したカ
ーボン層を塗布したカーボンクロス表面に膜厚５０μｍ
の触媒層（Ｐｔ／Ｒｕ＝１／１、４．０ｍｇ／ｃｍ^２：
Ｅ−ＴＥＫ製、商品名ＥＬＡＴを有する多孔質体であ
り、３３ｍｍ×３３ｍｍ、膜厚０．４ｍｍのサイズを用
いた。

【００３７】酸化剤極としては、撥水処理したカーボン
層を塗布したカーボンクロス表面に膜厚５０μｍの触媒
層（ＰｔＢｌａｃｋ、４．０ｍｇ／ｃｍ^２）を有する
多孔質体であり、３３ｍｍ×３３ｍｍ、膜厚０．４ｍｍ
のサイズを用いた。

【００３８】次に、燃料極２上部に厚さ９０μｍ、外寸
３３ｍｍ×３３ｍｍのステンレス枠２枚に、厚さ７０μ
ｍ、細孔径０．１μｍのＰＴＦＥ多孔質体にポリエステ
ル織布に撥水処理を施した多孔質体を組み込んだ分離膜
７を配置した。

【００３９】さらに、分離膜７上、および酸化剤極３上
には、それぞれ３３ｍｍ×３３ｍｍ、厚さ４ｍｍのカー
ボン製のセパレータ８、９を圧接し気密化した。なお、
セパレータ８、９にはそれぞれ深さ１ｍｍの溝を切削加
工して形成した。また酸化剤極側に配置されたセパレー
タ８に形成された溝には酸化剤ガスとしての空気が導入
される。燃料極側に配置されたセパレータ９に形成され
た溝には燃料としてのメタノールおよび水が、電池外部
に設けられたタンクより供給される。

【００４０】このようにして得られた燃料電池の積層方
向に２ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で加圧し固定した後、燃料
極２側に設けられたセパレータ９の溝にメタノールと水
の混合溶液をその利用率が６０％になるように供給し
た。一方、酸化剤極３側に設けられたセパレータ８の溝
に酸化剤ガスとしての空気をその利用率が２０％となる
ように供給し、運転温度を６０℃とした。

【００４１】本実施例の電池を４００ｍＡ／ｃｍ^２の電
流密度で出力させたときの特性の径時変化を図３に示
す。本実施例の電池は、運転開始当初に若干性能が低下
するものの、長時間にわたって高い性能が維持された。

【００４２】比較例１実施例１と同条件で構成し、アノード電極の燃料供給部
にガスと液体を分離する分離膜を設けない状態で運転し
た電池の特性の経時変化を図２に示す。

【００４３】比較例の電池では運転開始直後には運転不
能になった。これに対して、本実施例の電池は、長時間
にわたって高い性能が維持されている。

【００４４】

【発明の効果】本発明によると、アノード電極への燃料
供給部に液体とガスを分離する分離膜を用いることによ
り、液体ではなく水蒸気が供給される様にする事によ
り、制御が容易になり電極が液体燃料に浸漬されること
を防ぐことにより電池性能・寿命の低下を防止すること
ができる。したがって、長期間にわたって高い性能を維
持する燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である燃料電池の構成を示
す縦断面図。

【図２】分離膜の構造を示す模式図である。

【図３】同燃料電池の出力電圧の経時変化を示した特
性図。

【符号の説明】

１・・・電解質板２・・・燃料極３・・・酸化剤極４・・・起電部５・・・セパレータ６・・・液体燃料保持部７・・・分離膜８・・・酸化剤導入溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者富松師浩神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者安田一浩神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者高下雅弘神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地株式会社東芝研究開発センター内Ｆターム(参考） 5H026 AA08 CC03 EE19 HH00 HH04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸化剤極と、この酸化剤極上に形成された電解質板と、この電解質板上に形成された燃料極と、この燃料極上に設けられた液体とガスを分離する分離膜
と、この分離膜に接続される液体燃料保持部とを具備するこ
とを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記分離膜は、撥水性を有する多孔質体か
らなることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】前記分離膜は、細孔径０．０５μｍ乃至
４．００μｍ、気孔率６０％乃至９５％の多孔質体であ
ることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項４】前記分離膜は、熱伝導率２０Ｗ／ｍ・Ｋ以
上の熱伝導率を有する材料からなる多孔質体であること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項５】前記分離膜は、表面がフッ素樹脂からなる
多孔質体であることを特徴とする請求項１記載の燃料電
池。
【請求項６】酸化剤極、この酸化剤極上に形成された電
解質板、この電解質板上に形成された燃料極、およびこ
の燃料極上に設けられた液体とガスを分離する分離膜と
からなる複数の積層体と、前記複数の積層体に液体燃料
を供給する液体燃料保持部とを有することを特徴とする
燃料電池。