JP2002056856A

JP2002056856A - 液体燃料を用いる燃料電池

Info

Publication number: JP2002056856A
Application number: JP2000244958A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Suzuki; 修一鈴木; Takamasa Matsubayashi; 孝昌松林; Yukinori Akiyama; 幸徳秋山; Yoshito Konno; 義人近野; Ikuro Yonezu; 育郎米津
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2000-08-11
Filing date: 2000-08-11
Publication date: 2002-02-22

Abstract

(57)【要約】【課題】ガス発生が起こる液体燃料を用いても安定し
た性能が得られる、液体直接供給型の燃料電池を提供す
ること。【解決手段】液体燃料は、固体高分子電解質膜１と燃
料極２Ａの触媒層との界面部分において形成された溝８
Ａに沿って触媒層２２に接触した状態で流れながら触媒
層２２に供給される（矢印Ｙ_ME）。そして、燃料極２Ａ
で発生した二酸化炭素などのガスは、溝８Ａを流れる液
体燃料中に速やかに拡散するとともにその流束によって
電池外部に排出される（矢印Ｙ_CO2）。このため、液体
燃料は、二酸化炭素による気泡によってその拡散が妨げ
られることがなく、燃料極２Ａに速やかに且つ均一的に
拡散される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体燃料を用いた
液体直接供給型の燃料電池に関し、特に、液体燃料を供
給する構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は水素などの燃料と空気などの
酸化剤ガスをセル内で電気化学的に反応させ電力を発生
させるようにしたものである。燃料電池は使用される電
解質の種類によって数種類に分類される。このうち、電
解質に固体分子膜を用いるタイプは固体高分子型燃料電
池（ＰＥＦＣ）と呼ばれ、１００℃以下でも作動させる
ことができるため扱いが容易である。このＰＥＦＣの燃
料としてメタノールなどの液体燃料を選択した場合、水
素などに比べ燃料の容積あたりのエネルギーが高いの
で、自動車などの移動体用途、携帯機器の電源用途など
での使用に適している。特に、液体供給型の直接型メタ
ノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、燃料であるメタノール
を改質することなく直接負極に供給するもので、炭化水
素の改質器を使用している燃料電池と比較して、システ
ム全体を小型、軽量化できる利点がある。

【０００３】ＤＭＦＣは、一般には、ナフィオン（Ｄｕ
Ｐｏｎｔ社の登録商標）に代表される水素イオン導伝
性を有する固体高分子電解質膜の両主表面側を、触媒部
を取り付けた２つの多孔性電極で挟んだ構造を持つ。そ
して、作動時には、負極（いわゆる燃料極）にメタノー
ルが直接供給され、正極（いわゆる空気極）には酸素又
は空気が供給される。これにより、負極では、メタノー
ルと水とが反応して二酸化炭素と水素イオンを生じ、正
極では、酸素と水素イオンとが反応して水が生成する。
この全反応は、つまり、メタノールと酸素とから水と二
酸化炭素が生成する反応である。燃料となるメタノール
は循環させて用いるのが一般的で、未反応のメタノール
は燃料電池本体外部で回収され、メタノールの濃度を再
調製したのち、再び燃料電池本体に供給される。

【０００４】固体高分子電解質膜を用いるＤＭＦＣの構
成の一例を図５に模式的に図示した断面図である。この
図に示すように、固体高分子電解質膜１と燃料極２及び
空気極３とからなる電極接合体が、燃料又は空気を供給
するための流路を設けたセパレータ４（燃料極２との接
触部は省略）及びセパレータ５、並びにシール／固定用
のパッキン７を備えたセル枠体６０、６１で固定されて
単位セルが構成される。このセル枠体６０、６１には後
述されるセパレータ４、５に通ずる、反応／生成物を供
給／排出するための通路が備わっている。セパレータ４
及びセパレータ５には、燃料又は空気を流すための流路
８、５Ａが設けられており、また、燃料極２及び空気極
３に接触して集電を行なう役割も有している。燃料は導
入路９から電池に導入され負極側のセパレータ４に形成
された流路８を通じ、未反応分の二酸化炭素排ガスは排
出路１０から電池外に排出される。

【０００５】図６に前記電極接合体の分解斜視図を示
す。この図６に示すように、電極接合体は、固体高分子
電解質膜１がその両主表面にそれぞれ配置された燃料極
２及び空気極３で挟み込まれた状態になっており、通
常、ホットプレスなどの融着手段を用いて一体化されて
いる。燃料極２及び空気極３は、電極基板上に電極触媒
作用を持つ触媒層を備えたものが一般的である。この電
極基板は燃料又は酸化剤ガス及び水蒸気、二酸化炭素排
ガスの通路となっており、かつ集電の機能も有していな
ければならず、一般的にカーボンペーパのような導電性
の多孔質体に撥水性物質を添加したものが知られる。触
媒層は多くの場合に白金微粒子を含む触媒と撥水性物質
から構成され、触媒を混合してペースト或いはインク状
にしたのち、電極基板の片面（固体高分子電解質膜１と
接触する面）上に担持される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ここで、負極触媒層側
では電極反応によって発生する二酸化炭素が蓄積するた
め、多孔質の電極基板を介して、セパレータ側に速やか
に拡散させなければならない。しかし、セパレータ側で
は液体状の燃料が循環されており、電極基板を介して触
媒層側に燃料が供給されるため、電極基板の多孔部は液
体の燃料が浸透しており、負極で生成した二酸化炭素が
電極基板の多孔部や触媒層に気泡となって滞留しやす
く、散逸しにくい。生成二酸化炭素が気泡となって滞留
すると、滞留した部分では燃料の供給がスムーズに行わ
れず、有効な電極面積が減少し、性能の低下をもたら
す。この生成二酸化炭素が電極内から排出されれば性能
は回復するが、滞留と排出が不定期に繰返されるため、
安定な性能が得られにくい。

【０００７】これを避けるために、電池温度を高温にし
て電池内で燃料を気化させたり、液体燃料を蒸発させて
供給する方法があるが、生成二酸化炭素は拡散しやすく
なるものの、液体燃料を蒸発させるための装置と熱量が
別途必要となり、システム全体の効率の低下と大型化を
招くため、携帯機器用などへの適用が難しくなる。以上
のことはＤＭＦＣに限らず、液体の状態で燃料を供給し
て電池反応によりガス発生を伴うタイプの燃料電池（大
概の有機燃料は負極で酸化され二酸化炭素を生じる）に
も同様に当てはまる。従って、液体の状態で燃料を供給
する燃料電池を効率的に発電させるには、触媒層で発生
する排ガスを速やかに拡散させることが重要となる。本
発明は、このような課題に鑑みてなされたものであっ
て、ガス発生が起こる液体燃料を用いても安定した性能
が得られる、液体直接供給型の燃料電池を提供すること
を目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、電解質に触媒部を備えた燃料極及び酸化
剤極を配してなるセルを有した燃料電池であって、電解
質と燃料極の触媒部の境界部分において、電解質又は触
媒部表面に液体燃料供給用の流路溝が形成されているこ
とを特徴とする。

【０００９】これにより、従来のように、燃料極側の多
孔性の電極基板を経由させることなく、液体燃料は流路
から直接的に燃料極の触媒層略全体に供給されることに
なるので、触媒層で発生したガスが速やかに触媒層から
液流に拡散移動し、系外に排出される。しかも、電池温
度を高温にして電池内で燃料を気化させたり、液体燃料
を蒸発させて供給するなど、システム全体の効率の低下
と大型化を招くこともない。

【００１０】なお、単純に触媒層を一般に支持する導電
性の電極基板（燃料拡散板）を取り除いて、触媒層を流
路側に露出させて当該触媒層に液体燃料を接触させるよ
うにして供給することでも、本発明のように触媒層で発
生したガスを速やかに拡散させ、かつ、系外に排出させ
ることはできると思われるが、この場合には集電性が低
下し期待するほどの性能の向上は望めない。その点、本
発明は、電極基板背面に燃料を流さないので、集電機能
を低下させることなくガス拡散・排出性の向上を図るこ
とができる。

【００１１】ここで、前記液体燃料は電極反応によって
ガス発生を伴う成分を含むものが一般的であり、また、
その場合に本発明の意義がある。液体燃料からの反応生
成物がいくつか存在する場合（例えば、二酸化炭素に到
る中間生成物としてぎ酸がある）でも、電極反応によっ
てガス成分を生じる液体燃料であれば本発明は有効であ
る。

【００１２】ここで、前記液体燃料を含む溶液を酸性と
することが望ましい。上記のように電解質又は触媒部表
面に液体燃料供給用の流路溝を設けると、溝が形成され
た部分では、触媒部と固体高分子膜とは接触していない
ので、そのぶん両者間の水素イオン導伝性は若干低下す
ることになるが、溶液を酸性とすることでこれを補うこ
とができる。

【００１３】ここで、前記液体燃料供給用の流路溝に
は、当該溝形状を保持するための中空構造の支持体を設
けることができる。電解質の組成などによって程度は異
なるが、電解質に固体高分子電解質膜を用いたときに
は、その膜組成によっては、水やメタノールによって膨
潤する性質を持つ場合がある。従って、溝形状を維持す
るための支持体を設けることにより、膨潤した電解質が
流路溝を塞ぐことがないようにすることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかる実施の形
態のＤＭＦＣについて図面を参照しながら具体的に説明
する。 <ＤＭＦＣの概略>図１は、本実施の形態にかかるＤＭＦ
Ｃ₁の構成を示す断面図である。

【００１５】この図に示すＤＭＦＣ₁は、上記した従来
のＤＭＦＣ（図５）と基本構成は同様であるが、燃料極
２Ａの固体高分子電解質膜側の表面に燃料を供給するた
めの溝８Ａが設けられていることと、燃料極側セパレー
タ４Ａには燃料が流れる溝がなく集電ためにのみ用いら
れることが異なる。導入路９、排出路１０の端は燃料極
２Ａに設けられた溝８Ａと連結しており、ポンプ等の装
置をセル外部に接続して、液体を導入・排出できる。但
し、燃料極の固体高分子膜側に溝８Ａを設けているた
め、固体高分子電解質膜１との接触面積が少なく、水素
イオン導伝性は若干低下する。電流密度が小さければ特
に問題はないが、供給する液体に酸性の溶液を用いれ
ば、水素イオンの伝達能力を補うことができる。その際
には導入路９、排出路１０は内壁にフッ素系樹脂など耐
酸性のものを用いることが望ましい。

【００１６】図２に、電極接合体の部分の分解斜視図
（図（ａ））及び水平断面図（図（ｂ）；図（ａ）のｘ
-ｘ線を含む水平断面図）を示した。この図に示すよう
に、燃料極２Ａは、燃料の流路となるストライプ状の複
数本の溝８Ａ₁を片面に設けた電極基材２１の溝形成表
面に触媒層２２を備えたもので、触媒層２２表面で溝８
Ａ₁に対応した箇所に複数本の前記溝８Ａ（図中では、
溝の数が４本しかないがこの数は任意であり、もっと数
は多くても構わない）がストライプ状に形成されてい
る。

【００１７】そして、溝８Ａにメタノール水溶液が、セ
パレータ５に形成された溝５Ａに空気が供給されること
で、上記したような、メタノールと酸素とから発電が行
なわれ、水と二酸化炭素が生成する。なお、上記説明で
は単セルの構造を示しただけであるが、出力要求に応じ
てこれらを複数個組み合わせて用いることもできる。

【００１８】<ＤＭＦＣの詳細>上記構成のＤＭＦＣ₁に
おいて、液体燃料は、固体高分子電解質膜１と燃料極２
Ａの触媒層との界面部分において形成された溝８Ａに沿
って触媒層２２に接触した状態で流れながら触媒層２２
に供給される（図2中矢印Ｙ_ME）。そして、燃料極２Ａ
で発生した二酸化炭素は、従来のように、多孔性の電極
基板を経由させて触媒層に液体燃料を供給する場合のよ
うな、燃料供給する多数の孔の封鎖による二酸化炭素が
気泡となって触媒層内や電極基板の孔内部や触媒層と電
極基板との界面部に滞留するという現象が生じず、溝８
Ａを流れる液体燃料中に速やかに拡散移動するとともに
その流束によって電池外部に排出される（図２中矢印Ｙ
_CO2）。このため、液体燃料は、二酸化炭素による気泡
によってその拡散が妨げられることがなく、燃料極２Ａ
に速やかに且つ均一的に拡散される。

【００１９】従って、排ガスが滞留することによる電極
面積の減少が起こらず、効率良く発電が行なわれる。な
お、以上のように液体燃料は、溝８Ａから直接触媒層２
２に拡散され、二酸化炭素も溝８Ａを流れる液体燃料の
流束により排出されるので、電極基板２１は、従来のも
のと異なり、ガス透過性を備えていなくても良い。従っ
て、燃料極２Aは、従来のリブ付きセパレータ板のリブ
のある表面に触媒層を設けたものと等しい構成とするこ
ともできる。この場合には燃料電池の構成部材数を減少
させることができる。

【００２０】また、供給する液体燃料のメタノール濃度
や、用いる固体高分子電解質膜の組成によっては、固体
高分子電解質膜が膨潤し、液体燃料の供給溝を塞ぐ可能
性があるので、液体燃料の流路が確実に確保されるよう
に、例えば、壁面に多数の小孔が形成されたテフロン
（登録商標）管などを燃料流路をなす溝８Ａ内にこれに
沿うように配置しておくこともできる。

【００２１】なお、液体燃料供給用の溝８Ａを複数本形
成し、その溝に液体燃料を流すと、リブの頂部に位置す
る触媒層には液体燃料が供給されず有効な電極反応面積
が低下するのではないかと思われるが、溝に対応する触
媒層には直接的に液体燃料が供給され、また、溝と対応
しない部分のリブの頂部に位置する触媒層にも、電解質
への液体燃料の浸透作用によって、電解質を経由して触
媒層に供給されることから、触媒層全体として均一的な
反応が行われ有効な電極反応面積は低下することがな
い。特に、電解質に水素イオン導伝性を有する固体高分
子膜を用い、液体燃料にメタノールなどのアルコール系
の液体を用いた場合に浸透作用は強いものがある。

【００２２】また、上記説明では、燃料極は、リブが予
め形成された電極基板と、この上に形成された触媒層と
からなるものであったが、これに限られず、多孔質の平
板の電極基板に触媒層を浸透させ、基板中に充分な量の
触媒層を残す程度に、基板表面にリブを切削等により形
成したものであっても構わない。 <変形例>液体燃料を供給する経路は、上記のように燃料
極２Ａの触媒層２２と固体高分子電解質膜１との界面部
分に形成された溝８Ａから供給したが、これに限られず
以下のような態様も考えられる。

【００２３】図３（図２の（ｂ）に相当する図）に変形
例を示す。この図に示すように、燃料極の触媒層の表面
に溝８Ａを設けるのではなく、燃料極２Ａは、従来の平
板状のものとし、固体高分子電解質膜１の表面に溝１Ａ
を例えばストライプ状に形成することによっても、液体
燃料の流路８Ａを形成することもできる。そして、この
電極基板２１と触媒層２２との間に形成された溝８Ａに
液体燃料を流すと、上記同様に液体燃料の拡散・二酸化
炭素の拡散の作用効果を奏する。

【００２４】<実施例>以上の実施の形態に基づいて各要
素の材料等を具体的に規定したＤＭＦＣを作製した。そ
の具体的な内容は以下のとおりである。まず、電極基板
２１として、幅２ｍｍ、深さ２ｍｍの溝を２ｍｍ間隔と
なるように成形した、５ｃｍ角のカーボン製の緻密なセ
パレータ（電極基体）を作製した。これに白金とルテニ
ウムの原子比１：１からなる合金を担持した炭素粉末と
固体高分子電解質のアルコール分散液と、バインダとな
るポリテトラフルオロエチレン溶液からなる触媒スラリ
ーを、セパレータの凸面側全面（溝部を含む）にに塗布
し、乾燥させ、ホットプレスし、燃料極２を作製した。
空気極３は、撥水処理済みのカーボンペーパの表面に、
白金を担持した炭素粉末と固体高分子電解質とバインダ
とからなるポリテトラフルオロエチレンからなる触媒ス
ラリーを塗布し、８０℃で１時間乾燥して作製された。
ここで、燃料極の白金量は約１．２ｍｇ／ｃｍ²、空気
極の白金量は約０．８ｍｇ／ｃｍ²となるようにした。
これらを固体高分子電解質膜であるナフィオン１１７膜
に対して、電極の触媒を取り付けた面がナフィオン側に
なるようにして挟み、１４０℃、２分間ホットプレスし
て接合して膜電極接合体が出来上る。これを燃料極側の
セパレータ４A、空気極側のセパレータ５、及びパッキ
ン７を備えたセル枠体６０A、６１（図１参照）及びリ
ード（不図示）と組み合せ、図１に示すＤＭＦＣ単セル
が作製される。

【００２５】<比較例>燃料極の構造を空気極と同様に、
電極基体にカーボンペーパを用い、触媒層をカーボンペ
ーパ上に形成し、燃料極側セパレータに燃料を流すため
の溝が設けられていること以外は実施例と同様に図５に
示した従来のＤＭＦＣを作製した。これを上記実施例に
対する比較例とする。

【００２６】<性能の検討>実施例及び比較例について、
電池温度を７０℃として、空気極に空気を１Ｌ／minで
供給し、実施例には１ｍｏｌ／Ｌメタノール＋硝酸０．
１ｍｏｌ／Ｌの水溶液を、比較例には、１ｍｏｌ／Ｌメ
タノール水溶液をそれぞれ２０ｍＬ／ｍｉｎ供給し、Ｄ
ＭＦＣの特性を測定した。図４にＩ−Ｖ特性図を示す。

【００２７】この結果から実施例にかかるＤＭＦＣの方
が優れることが分る。これは、燃料極側触媒層が液体燃
料の液流に接触していることで、触媒層に発生したした
ガスが速やかに触媒層から液流に拡散移動し排出される
ため、排ガスの滞留による電極面積の現象が起こらない
ことによるものである。なお、当該実施形態の欄の中で
述べた本発明は、ＤＭＦＣだけではなく、ジメチルエー
テル、ホルマリンなどのその他の液体燃料を用いた燃料
電池にも適用することができ、特に反応に伴いガスを発
生するタイプの液体燃料を用いる場合に有効である。

【００２８】

【発明の効果】以上説明してきたように、本発明は、電
解質に触媒部を備えた燃料極及び酸化剤極を配してなる
セルを有した燃料電池であって、電解質と燃料極の触媒
部の境界部分において、電解質又は触媒部表面に液体燃
料供給用の流路溝が形成されていることを特徴とする。
これにより、従来のように、燃料極側の多孔性の電極基
板を経由させることなく、液体燃料は流路から直接的に
燃料極の触媒層略全体に供給されるようになるので、触
媒層で発生したガスが速やかに触媒層から液流に拡散移
動し、系外に排出される。しかも、電池温度を高温にし
て電池内で燃料を気化させたり、液体燃料を蒸発させて
供給するなど、システム全体の効率の低下と大型化を招
くこともない。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態にかかるＤＭＦＣの構成を示す断面
図である。

【図２】電極接合体の分解斜視図及び水平断面図であ
る。（a）は、分解斜視図である。（b）は、図（ａ）に
おけるｘ−ｘ線を含む水平断面図である。

【図３】変形例にかかるＤＭＦＣにおける電極接合体の
水平断面図である。

【図４】実施例及び比較例にかかるＤＭＦＣのＩ−Ｖ特
性を示した特性図である。

【図５】従来のＤＭＦＣの構成を示す断面図である。

【図６】従来のＤＭＦＣの電極接合体の分解斜視図であ
る。

【符号の説明】

１固体高分子電解質膜２，２Ａ燃料極３空気極４，４Ａセパレータ（燃料極側）５セパレータ７パッキン８燃料流路８Ａ溝（燃料供給路）９導入路（液体燃料用）１０排出路（液体燃料用）２１電極基板（燃料極）２２触媒層（燃料極）６０、６０A 燃料極側セル枠体６１空気極側セル枠体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者秋山幸徳大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者近野義人大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者米津育郎大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内Ｆターム(参考） 5H018 AA04 AA06 AA07 AS02 BB01 BB03 BB06 BB08 CC06 DD08 EE03 EE05 EE19 5H026 AA09 CC01 CC03 CX04 EE02 EE05 EE19

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質に触媒部を備えた燃料極及び酸化
剤極を配してなるセルを有した燃料電池であって、電解質と燃料極の触媒部の境界部分において、電解質又
は触媒部表面に液体燃料供給用の流路溝が形成されてい
ることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記液体燃料は電極反応によってガス発
生を伴う成分を含むことを特徴とする請求項１に記載の
燃料電池。
【請求項３】前記液体燃料を含む溶液は酸性であるこ
とを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】前記液体燃料供給用の流路溝には、当該
溝形状を保持するための中空構造の支持体が設けられて
いることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の
燃料電池。