JP2001102070A

JP2001102070A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2001102070A
Application number: JP28066099A
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: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-13
Anticipated expiration: 2019-09-30
Also published as: JP3623409B2

Abstract

(57)【要約】【課題】液体燃料を用いる燃料電池であって、電池反
応で発生する炭酸ガスによる燃料容器の内圧上昇に起因
する液体燃料の漏出を防止し、高性能、高寿命の燃料電
池の提供。【解決手段】電解質板１を挟んで燃料極２および酸化
剤極３を対向させ、燃料容器５からメタノールと水の混
合液体燃料を燃料極２に供給し、酸化剤極３に空気を供
給する。燃料容器５に炭酸ガスおよび液体燃料を分離す
る分離膜１０を設けることで、電解質膜１を介して燃料
と空気が反応し、燃料容器１０内部に発生する炭酸ガス
のみを分離膜によって放出することで、燃料容器１０の
内圧上昇を防止し、燃料電池からの液体燃料の漏出を防
ぐ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関する
ものであり、特に小型の携帯用の燃料電池に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、単独の発電装置としては効
率が良いことから注目されている。燃料電池は燃料と酸
化剤を供給することで発電でき、酸化剤として空気を用
いれば燃料を交換することで連続して発電できるという
利点を有している。

【０００３】燃料電池は、燃料としてガスを利用するも
のと、液体を利用するものとに大別できるが、ガスを使
用する場合、発電に要するガスの体積は大きく、小型機
器用の燃料電池としては適さない。

【０００４】このため小型機器用の発電装置として液体
燃料を用いた燃料電池が注目されている。

【０００５】液体燃料を用いる燃料電池として、例えば
燃料にメタノールに代表されるアルコール等を使用した
液体燃料電池がある。例えばメタノールを使用したメタ
ノール燃料電池においては、下記に示す反応により発電
を行うため、アノード（燃料極）側ではＣＯ₂が発生す
る。

【０００６】燃料極：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- 酸化剤極： 3/2Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ^- → ３Ｈ₂Ｏ電池反応：ＣＨ₃ＯＨ＋3/2Ｏ₂ → ＣＯ₂＋Ｈ₂Ｏ燃料極に接触した燃料は、二酸化炭素とプロトンとに分
離され、プロトンは電解質膜を経て酸化剤極側に伝達さ
れる。酸化剤極側に取り込まれた空気中の酸素ガスが、
前記プロトンと反応して水蒸気となる。このときに、電
子が外部負荷を通って燃料極から酸化剤極に移動し電力
として取出される。

【０００７】メタノール燃料電池においては、通常、メ
タノール及び水からなる液体燃料を改質器などを用いて
蒸気化あるいは水素化し、蒸気の状態でアノードに供給
している。さらにこの系においては、燃料の濃度を一定
にするために蒸気化した液体燃料を循環させるための循
環装置が必要である。このように改質型の燃料電池にお
いては、改質器や、循環装置などを必要とするために装
置の大型化を招いていた。

【０００８】一方、カソードに対して酸化剤ガスを供給
すると共に、液体燃料を蒸気化せずに直接アノードに供
給することで電池反応を発生させることも可能である
が、このような燃料電池においては、燃料を循環させる
必要性がない反面、電池反応で発生するＣＯ₂ガスは、
電池セル内からの放出が為されないために、セル内の圧
力が高まり、液体燃料の液漏れや、電池性能の低下など
の問題が生じるが、これまで、反応生成物として生成さ
れるガスの処理について十分に考慮されていなかった。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の液体燃料を用いる燃料電池においては、反応生成物と
して生成されるガスの処理が十分に考えられていなかっ
た。本発明は、液体燃料を用いる燃料電池であって、燃
料を循環させない方式の燃料電池にも使用し得る燃料電
池を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、電解質膜と、
この電解質膜を挟んで対向配置された燃料極および酸化
剤極と、液体燃料を前記燃料極表面で保持するための燃
料容器と、前記燃料容器に設けられ、炭酸ガスおよび液
体燃料を分離し、前記燃料極から生成される炭酸ガスを
選択的に前記燃料容器外に排出する分離膜とを有するこ
とを特徴とする燃料電池である。

【００１１】このように、燃料容器に分離膜を形成する
ことで、電池反応で生成する炭酸ガスを燃料容器外に放
出するできるために、燃料容器の内圧の上昇を抑止し、
燃料容器からの液体燃料の漏出を防ぐことが可能とな
る。

【００１２】また、前記分離膜は、細孔径０．０５μｍ
以上４．００以下、気孔率６０％以上９５％以下の多孔
質体を使用することが好ましい。

【００１３】また、前記分離膜は、フッ素樹脂を含有す
ることが好ましい。

【００１４】すなわち、フッ素樹脂層を表面に有する分
離膜、あるいはフッ素樹脂で処理した原料を成型した分
離膜を用いれば、液体燃料に対する分離膜の濡れ性が悪
くなるために、液体燃料の漏出をより確実に防止するこ
とが可能となる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明においては、燃料極におい
て反応生成されるＣＯ₂などのガスを、燃料電池外部に
放出させるために、液体燃料保持部の一部に気体分離膜
を配し、液体燃料保持部内の液体燃料を保持しつつ、液
体燃料保持部内の気体のみを外部に放出させることを可
能にしたものである。

【００１６】以下、本発明の液体燃料電池の一例を図面
を用いて説明する。

【００１７】図1は、本発明の燃料電池の一例を示す概
略断面図である。

【００１８】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とにより挟持されて
おり、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。ここで、燃料極２は
燃料を、酸化剤極３は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。
この起電部４は複数個重ねられて燃料容器５内に収容さ
れている。

【００１９】各起電部４の燃料極２には液体燃料が、酸
化剤極３には酸化剤ガスが供給される。前記液体燃料と
してはアルコール類や、アルコール類と水との混合液
が、前記酸化剤ガスとしては酸素ガスや、空気などが通
常用いられる。

【００２０】前記液体燃料は、燃料極２に隣接された燃
料容器５の壁部５ａ又は各起電部４間を分離する起電部
４の隔壁４ａとの間に形成される。液体燃料が通過でき
る程度の細孔を有する多孔質体で形成された液体燃料保
持部７に保持されるとともに、燃料極２と接触してい
る。また液体燃料保持部７は導入管９と接続されてお
り、導入管９から液体燃料保持部７へ液体燃料が毛管力
で供給される。また、液体燃料保持部７と燃料極２との
間に空間を設け、液体燃料を気化させた状態で燃料極に
供給することもできる。なお、本発明に係る燃料容器５
は、導入管９、液体燃料保持部７および気化部の隔壁か
ら構成されている。

【００２１】また、酸化剤極３に供給される酸化剤は、
通常酸素や空気などが使用され、これらの酸化剤ガス
は、酸化剤極に隣接して設けられたセパレータ６の酸化
剤ガス供給溝８から供給される。

【００２２】図１においては、酸化剤ガス供給溝８はセ
パレータ６に切削加工を施すことで成形されている。こ
の構成の場合には、セパレータ６を液体燃料保持部７を
構成する隔壁４ａとして使用することも可能である。

【００２３】本発明においては、燃料容器５の導入管９
の一部に炭酸ガスと液体燃料を分離する機能を有する分
離膜１０が配置される。この分離膜１０は、その一部が
燃料容器内の燃料と接し、かつ、他の一部が燃料電池外
に露出している位置であれば、特にその配置場所は限定
されない。すなわち、前述した導入管９、液体燃料保持
部７あるいは気化部の隔壁のいずれに配置してもよい。

【００２４】例えば、導入管９の側壁に設ければ、大面
積の分離膜を形成することができる。また、液体燃料保
持部７の奥の端部などは、生成ガスが溜まりやすいた
め、液体燃料保持部７の端部に分離膜１０を形成するこ
とが望ましい。また、液体燃料保持部７を形成する隔壁
５や、燃料極２と隔壁４ａを封止するシール部材４ｂに
分離膜１０を用いることも可能である。

【００２５】本発明に係る分離膜は、前述のように炭酸
ガスと液体燃料とを分離できるものであれば特に制限さ
れずに使用することができる。例えば、多孔質体を用い
ることができ、メタノール電池の場合においては、二酸
化炭素の分子径よりも大きく、メタノールの分子径より
も小さな細孔径の多孔質体を用いることが好ましく、具
体的には０．０５μｍ〜４．００μｍ程度の細孔径の多
孔質体を用いることが好ましい。

【００２６】さらに、前記多孔質体としては、気孔率が
６０％以上、９５％以下の範囲とすることが望ましい。
気孔率が６０％未満であると、分離膜中を通過できるガ
スの量が不十分になる可能性があり、９５％以下にする
と機械的な強度が十分でなくなる恐れや、細孔径の分布
のバラツキなどにより液体燃料を漏出する恐れがある。

【００２７】また、多孔質体の表面を液体燃料に対して
濡れ性の低い撥水材料で表面処理を施したり、多孔質体
を形成する原料粉として液体燃料との濡れ性の低い撥水
材料を使用することが好ましい。このようにすること
で、多孔質体の細孔径が多少大きくなっても、多孔質体
を浸透して液体燃料を燃料容器の外側へ漏出することは
なく、液体燃料と電池反応で生成されるガスとの分離を
安定して行うことができる。

【００２８】具体的には、多孔質体の表面に、液体燃料
に対して濡れ性の悪い、フッ素樹脂などを含有する材料
で被膜を形成したり、フッ素樹脂を含有する撥水材料で
被覆した原料粉を用いて多孔質体を成形すればよい。

【００２９】液体燃料に対して濡れ性の悪い材料で被覆
した場合においては、樹脂製の多孔質体を分離膜として
使用できるが、撥水処理を施さない場合には、樹脂製の
分離膜はメタノールなどの液体燃料で膨潤する恐れがあ
る。そのため、このような場合には分離膜として無機系
の材料を使用することが望ましい。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃、
ＳｉＣ、ＺｒＯ₂などのが使用できる。

【００３０】また、分離膜の形状は、電池反応で生成さ
れるガスを外部に排出できる構成であれば特に限定され
ない。例えば、図1に示すセパレータ６を電池反応で生
成するガスを透過できる多孔質体にすることで、酸化剤
ガス供給溝８を介して電池外部に排出することも可能で
ある。

【００３１】このように、炭酸ガスと液体燃料を分離で
きる分離膜を燃料容器に設けたことで、反応により発生
するガスを選択的に透過排出させ液体燃料の漏洩を防ぐ
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。これは、撥水性を有する多孔質材料で構成されてい
る分離膜の微細な孔がガスは通し、接触角の大きい水な
どの液体をはじくことにより防水と通気性を同時に発揮
することにより可能となる。

【００３２】このような構成にすることで、燃料容器内
に発生する炭酸ガスに起因する、燃料容器の内圧上昇を
抑制することが可能になる。

【００３３】

【実施例】実施例１図２は、本実施例で用いた燃料電池の断面図である。

【００３４】以下、本発明の実施例を、図面を参照しな
がら説明する。

【００３５】図中、電解質膜は燃料極および酸化剤極と
からなる起電部２４が、液体燃料保持部２７を有する液
体燃料セパレータ２５および酸化剤ガス供給溝２８を有
する酸化剤ガスセパレータ２６とによって挟持された構
造となっている。

【００３６】また、液体燃料保持部２７の端部に位置す
る液体燃料セパレータの一部に分離膜からなるシール部
材２９を配置することで、液体燃料が液体燃料保持部２
７から漏出するのを防ぐと共に、発生するガスをシール
部材２９から放出する構成にしてある。

【００３７】本実施例においては、電解質膜としてナフ
ィオン１１７（Ｄｕｐｏｎｔ社製）を用いた。燃料極
は、テフロン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／ｃｍ2：Ｅ−ＴＥＫ製、商品名ＥＬＡ
Ｔ）を有する多孔質体を用いた。酸化剤極としては、テ
フロン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、４．０
ｍｇ／ｃｍ²）を有する多孔質体を用いた。

【００３８】酸化剤ガスセパレータ２６および、燃料容
器となる液体燃料セパレータ２５は、厚さが４ｍｍのカ
ーボン製の板を用い、それぞれの電極と接する面に幅１
ｍｍ深さ１ｍｍの溝を設け、液体燃料保持部２７および
酸化剤ガス供給溝２８を加工してある。

【００３９】シール部材２９ａは、本発明に係る分離膜
として、厚さ７０μｍ、細孔径０．１μｍ、気孔率６８
％のポリエチレンテレフタレート（ＰＴＦＥ）からなる
多孔質体を準備した。

【００４０】さらに、この燃料電池の積層方向に２ｋｇ
ｆ／ｃｍ²の圧力で加圧してこれらを固定した。

【００４１】液体燃料セパレータ２５の溝である液体燃
料保持部２７には一端が閉塞され、他端から液体燃料と
してメタノールと水とからなる混合溶液をその利用率が
６０％になるように供給した。また、酸化剤ガスセパレ
ータ２６の溝である酸化剤ガス供給溝２８に、送風器を
取りつけ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た。このようにして、この燃料電池
を運転温度５５℃で起動させた。

【００４２】この電池を４００ｍＡ／ｃｍ²の電流密度
で出力させた時の特性の径時変化を図３の実線に示す。

【００４３】図３に示すとおり、本実施例の燃料電池に
おいては、長時間にわたり高電圧を維持することが可能
であった。

【００４４】また、実験後に液体燃料保持部内を確認し
たが、炭酸ガスは確認できず、分離膜２９を介して排出
されたものと考えられる。

【００４５】また、シール部材からの液体燃料の漏出も
みられなかった。

【００４６】比較例シール部材２９として、多孔質体を用いなかったことを
除き、実施例1と同様の燃料電池を作製し、実施例１と
同じ条件でこの燃料電池を駆動させた。

【００４７】その結果を図３に併記する。

【００４８】図示するように、比較例の電池では、運転
開始後１６０分で出力が大きく低下しはじめ、約７０分
後には運転不能になった。

【００４９】また、運転途中からシール部材からメタノ
ールおよび水からなる混合溶液と、炭酸ガスが漏出され
ていた。

【００５０】これは、電池反応で生成された炭酸ガスが
燃料容器内に蓄積され、燃料容器の内圧が高まったため
にシール部から混合溶液と炭酸ガスが漏出したものと思
われる。

【００５１】

【発明の効果】本発明によれば、起電部に燃料を供給す
る燃料容器に液体とガスとを分離する膜を形成すること
で、燃料極で発生した炭酸ガスを燃料容器外へ排出する
ことが可能なために、燃料を再循環する必要がなく、ま
た液体燃料の漏出を防ぐことが可能となり、ひいては燃
料電池の性能や寿命の低下を防止することが可能とな
る。したがって、長期間にわたって高性能を維持できる
燃料電池を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の断面図である。

【図２】実施例に用いた燃料電池の断面図である。

【図３】実施例および比較例で用いた燃料電池の特性
を示す図である。

【符号の説明】

１・・・電解質板２・・・燃料極３・・・酸化剤極４、２４・・・起電部６・・・セパレータ７、２７・・・液体燃料保持部８、２８・・・酸化剤ガス供給溝９・・・導入管１０・・・分離膜２９シール部材

───────────────────────────────────────────────────── 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 CC00 CC03 CX04 EE19 HH04 5H027 AA08 BA16

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜と、この電解質膜を挟んで対向配置された燃料極および酸化
剤極と、液体燃料を前記燃料極表面で保持するための燃料容器
と、前記燃料容器に設けられ、炭酸ガスおよび液体燃料を分
離し、前記燃料極から生成される炭酸ガスを選択的に前
記燃料容器外に排出する分離膜とを有することを特徴と
する燃料電池。
【請求項２】前記分離膜は、細孔径０．０５μｍ以上
４．００以下、気孔率６０％以上９５％以下の多孔質体
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３】前記分離膜は、フッ素樹脂を含有すること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池。