JP2003297372A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型化が容易で、かつ燃料極の気密性を保持
し、高い差圧にも耐え、機械的強度と共に柔軟性も有す
る高出力の燃料電池を提供する。 【解決手段】 電解質として高分子電解質膜（１）をチ
ューブ状に形成し、その内側面に燃料極を、そしてその
外側表面に空気極を設け、その一方あるいは両方に触媒
を担持した炭素繊維（２）を配置した燃料電池。
し、高い差圧にも耐え、機械的強度と共に柔軟性も有す
る高出力の燃料電池を提供する。 【解決手段】 電解質として高分子電解質膜（１）をチ
ューブ状に形成し、その内側面に燃料極を、そしてその
外側表面に空気極を設け、その一方あるいは両方に触媒
を担持した炭素繊維（２）を配置した燃料電池。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、チューブ状高分子
電解質膜を用いる低温型燃料電池に関するものである。
電解質膜を用いる低温型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池には、固体高分子型、アルカリ
型、リン酸型、直接型メタノール燃料電池等のような作
動温度が300℃以下の低温型燃料電池があり、その中
で、特に固体高分子型燃料電池、直接型メタノール燃料
電池のように高分子膜を電解質とするものは、電解質が
液体でないことにより数々のメリットを有している。例
えば、燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気あるいは酸素）
間で差圧が生じても何ら問題なく運転でき、電解質膜の
厚さを数１０マイクロメーター以下にすることによって
出力の向上とコンパクト性、スタッキング性を同時に実
現でき、また始動性、負荷応答性に優れるなど、将来の
電気自動車や家庭用据え置き電源などへの応用が最近注
目されている。更に、上記の応用分野以外にも、携帯機
器や可搬型電源など小型電池としての応用が期待されて
きている。２次電池に比べると、燃料電池は燃料が供給
されれば瞬時に電力を得ることができるので、充電に要
する時間を短縮できるとともに、コスト面でも充分競合
できるものである。
型、リン酸型、直接型メタノール燃料電池等のような作
動温度が300℃以下の低温型燃料電池があり、その中
で、特に固体高分子型燃料電池、直接型メタノール燃料
電池のように高分子膜を電解質とするものは、電解質が
液体でないことにより数々のメリットを有している。例
えば、燃料ガスおよび酸化剤ガス（空気あるいは酸素）
間で差圧が生じても何ら問題なく運転でき、電解質膜の
厚さを数１０マイクロメーター以下にすることによって
出力の向上とコンパクト性、スタッキング性を同時に実
現でき、また始動性、負荷応答性に優れるなど、将来の
電気自動車や家庭用据え置き電源などへの応用が最近注
目されている。更に、上記の応用分野以外にも、携帯機
器や可搬型電源など小型電池としての応用が期待されて
きている。２次電池に比べると、燃料電池は燃料が供給
されれば瞬時に電力を得ることができるので、充電に要
する時間を短縮できるとともに、コスト面でも充分競合
できるものである。
【０００３】これまでの燃料電池は、電解質（平面状板
または平膜）の両側にそれぞれ燃料極、空気極（酸素
極）となる触媒層を配置し、更に燃料ガスおよび空気
（酸素ガス）の流れる流路を形成した炭素あるいは金属
製のセパレータ材料で挟み込むことによって、単セルと
呼ばれるユニットを作製することにより構成されてい
る。セルとセルの間にはセパレータがはさまれ、セルを
積層した時に燃料極に入る水素と空気極に入る空気とが
混合するのを防ぐ役割を果たすと共に、二つのセルを直
列につなぐための電子導電体の役割も果たすものであ
る。このような単セルを必要な数だけ重ね合わせること
によって燃料電池スタックを組み立て、更に燃料及び酸
化剤ガスを供給する装置及び制御装置等と一体化して燃
料電池とし、これにより発電を行うものである。
または平膜）の両側にそれぞれ燃料極、空気極（酸素
極）となる触媒層を配置し、更に燃料ガスおよび空気
（酸素ガス）の流れる流路を形成した炭素あるいは金属
製のセパレータ材料で挟み込むことによって、単セルと
呼ばれるユニットを作製することにより構成されてい
る。セルとセルの間にはセパレータがはさまれ、セルを
積層した時に燃料極に入る水素と空気極に入る空気とが
混合するのを防ぐ役割を果たすと共に、二つのセルを直
列につなぐための電子導電体の役割も果たすものであ
る。このような単セルを必要な数だけ重ね合わせること
によって燃料電池スタックを組み立て、更に燃料及び酸
化剤ガスを供給する装置及び制御装置等と一体化して燃
料電池とし、これにより発電を行うものである。
【０００４】しかしながら、このような平面型燃料電池
構成では、大面積の電極（燃料極、空気極）を幾枚も重
ねるという設計に適してはいても、小型化という要請に
は答えることができず、大きな欠点となっている。最
近、平面型の単セルのみを並列に並べるという設計も提
案されており、このような場合小型チップを作製するこ
とが容易で、電池を組み込む小型機器の形状によっては
メリットを有することもあるが、種々の小型機器の形状
に柔軟に対応できるとは言い難い。特に、燃料極をどの
ようにシールし燃料の漏れを防ぐかといった課題が残さ
れている。
構成では、大面積の電極（燃料極、空気極）を幾枚も重
ねるという設計に適してはいても、小型化という要請に
は答えることができず、大きな欠点となっている。最
近、平面型の単セルのみを並列に並べるという設計も提
案されており、このような場合小型チップを作製するこ
とが容易で、電池を組み込む小型機器の形状によっては
メリットを有することもあるが、種々の小型機器の形状
に柔軟に対応できるとは言い難い。特に、燃料極をどの
ようにシールし燃料の漏れを防ぐかといった課題が残さ
れている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、このような
事情に鑑み、小型化が容易で、かつ燃料極の気密性を保
持し、高い差圧にも耐え、機械的強度と共に柔軟性も有
する高出力の燃料電池を提供することを目的とする。
事情に鑑み、小型化が容易で、かつ燃料極の気密性を保
持し、高い差圧にも耐え、機械的強度と共に柔軟性も有
する高出力の燃料電池を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明者らは鋭意検討を
重ねた結果、従来平板型で積層されていた高分子電解質
膜をチューブ状（中空）に形成して使用し、かつチュー
ブの内側面（壁面）及び／又は外側面（壁面）に触媒を
担持したカーボン繊維を設けそれぞれ燃料極および空気
極とすることにより、燃料極の気密性が容易に保持で
き、また触媒担持性も良く、スタックを組み立てるに当
たってもその形状に柔軟性があり、しかも高い電池出力
が実現できる、生産性に優れた小型化が容易な燃料電池
を提供することができることを見出した。本発明はこの
ような知見に基づきなされるに至ったものである。
重ねた結果、従来平板型で積層されていた高分子電解質
膜をチューブ状（中空）に形成して使用し、かつチュー
ブの内側面（壁面）及び／又は外側面（壁面）に触媒を
担持したカーボン繊維を設けそれぞれ燃料極および空気
極とすることにより、燃料極の気密性が容易に保持で
き、また触媒担持性も良く、スタックを組み立てるに当
たってもその形状に柔軟性があり、しかも高い電池出力
が実現できる、生産性に優れた小型化が容易な燃料電池
を提供することができることを見出した。本発明はこの
ような知見に基づきなされるに至ったものである。
【０００７】すなわち、本発明は、（１）チューブ状高
分子電解質膜の内外側面のうち一方側面に燃料極を、他
方側面に空気極を設けた燃料電池であって、燃料極、空
気極の一方あるいは両方に触媒を担持した炭素繊維を配
置したことを特徴とする燃料電池、（２）前記の触媒を
担持した炭素繊維が、チューブ状高分子電解質膜に熱圧
着されたことを特徴とする（１）項に記載の燃料電池、
（３）チューブ状高分子電解質膜の表面に、前記の触媒
を担持した炭素繊維を塗布したことを特徴とする（１）
項に記載の燃料電池、（４）チューブ状高分子電解質膜
の表面に、前記の触媒を担持した炭素繊維を予め布状に
編んでかつ円筒形状にしたものを織り込んだことを特徴
とする（１）項に記載の燃料電池、および（５）携帯用
機器の電源として利用することを特徴とする（１）〜
（４）のいずれか１項に記載の燃料電池を提供するもの
である。
分子電解質膜の内外側面のうち一方側面に燃料極を、他
方側面に空気極を設けた燃料電池であって、燃料極、空
気極の一方あるいは両方に触媒を担持した炭素繊維を配
置したことを特徴とする燃料電池、（２）前記の触媒を
担持した炭素繊維が、チューブ状高分子電解質膜に熱圧
着されたことを特徴とする（１）項に記載の燃料電池、
（３）チューブ状高分子電解質膜の表面に、前記の触媒
を担持した炭素繊維を塗布したことを特徴とする（１）
項に記載の燃料電池、（４）チューブ状高分子電解質膜
の表面に、前記の触媒を担持した炭素繊維を予め布状に
編んでかつ円筒形状にしたものを織り込んだことを特徴
とする（１）項に記載の燃料電池、および（５）携帯用
機器の電源として利用することを特徴とする（１）〜
（４）のいずれか１項に記載の燃料電池を提供するもの
である。
【０００８】
【発明の実施の形態】本発明の燃料電池の好ましい実施
態様を図面にしたがって説明する。図１は本発明を具現
化したもので、白金・ルテニウム合金（原子組成50:5
0）を担持した炭素繊維を燃料極に取り込み、直接型メ
タノール燃料電池を構成した一実施態様である。１はパ
ーフルオロスルフォン酸系の高分子電解質でできたチュ
ーブ状膜であり、内側には白金・ルテニウム合金（原子
組成50:50）を担持した炭素繊維２が充填してある。ま
た、ここには1.0 M硫酸と3 Mメタノール溶液が満たされ
ている。これによって、チューブ状膜の内側は燃料極を
構成する。チューブ状膜の外側面には白金粒子３が化学
メッキ法により析出固定されて空気極（酸素極）を構成
し、外部の空気に接するようにする。４および５はそれ
ぞれチューブの内側、および外側の触媒層に接続された
外部端子であり、燃料電池の出力端子に相当する。燃料
電池のユニットをいくつか直列に接続する必要のある場
合には、端子４および５同士を次々に接続することで解
決できる。
態様を図面にしたがって説明する。図１は本発明を具現
化したもので、白金・ルテニウム合金（原子組成50:5
0）を担持した炭素繊維を燃料極に取り込み、直接型メ
タノール燃料電池を構成した一実施態様である。１はパ
ーフルオロスルフォン酸系の高分子電解質でできたチュ
ーブ状膜であり、内側には白金・ルテニウム合金（原子
組成50:50）を担持した炭素繊維２が充填してある。ま
た、ここには1.0 M硫酸と3 Mメタノール溶液が満たされ
ている。これによって、チューブ状膜の内側は燃料極を
構成する。チューブ状膜の外側面には白金粒子３が化学
メッキ法により析出固定されて空気極（酸素極）を構成
し、外部の空気に接するようにする。４および５はそれ
ぞれチューブの内側、および外側の触媒層に接続された
外部端子であり、燃料電池の出力端子に相当する。燃料
電池のユニットをいくつか直列に接続する必要のある場
合には、端子４および５同士を次々に接続することで解
決できる。
【０００９】図２はチューブ内部をガス状の燃料、例え
ば水素、メタノールガスなどとするときに適した燃料電
池の一実施態様である。１１はパーフルオロスルフォン
酸系の高分子電解質でできたチューブ状膜であり、その
内側面及び外側面には、白金・ルテニウム合金（原子組
成50:50）を担持した炭素繊維１２を網状に編んだもの
又は白金を担持した炭素繊維１３を網状に編んだものが
それぞれ配置されている。網状の炭素繊維１２及び１３
は、チューブ状高分子電解質膜表面に塗布又は圧着され
ることにより固定される。また、チューブ状高分子電解
質膜の作製時、即ち溶融状態から延伸して引き出す際
に、網状の炭素繊維１２及び１３を埋め込んで成型して
もよい。この際に、炭素繊維１２と１３とが接触しない
ように、絶縁性ポリマーなどでできた多孔性網状チュー
ブ又は不織布を炭素繊維１２と１３との間にスペーサー
として組み込むことが好ましい。チューブの内側には水
素ガスまたはメタノールガスが導入され、１２は燃料極
の触媒となる。チューブの外側面には白金担持炭素繊維
１３が固定されており、外部の空気に接することによっ
て空気極を構成する。その他は図１と同様である。
ば水素、メタノールガスなどとするときに適した燃料電
池の一実施態様である。１１はパーフルオロスルフォン
酸系の高分子電解質でできたチューブ状膜であり、その
内側面及び外側面には、白金・ルテニウム合金（原子組
成50:50）を担持した炭素繊維１２を網状に編んだもの
又は白金を担持した炭素繊維１３を網状に編んだものが
それぞれ配置されている。網状の炭素繊維１２及び１３
は、チューブ状高分子電解質膜表面に塗布又は圧着され
ることにより固定される。また、チューブ状高分子電解
質膜の作製時、即ち溶融状態から延伸して引き出す際
に、網状の炭素繊維１２及び１３を埋め込んで成型して
もよい。この際に、炭素繊維１２と１３とが接触しない
ように、絶縁性ポリマーなどでできた多孔性網状チュー
ブ又は不織布を炭素繊維１２と１３との間にスペーサー
として組み込むことが好ましい。チューブの内側には水
素ガスまたはメタノールガスが導入され、１２は燃料極
の触媒となる。チューブの外側面には白金担持炭素繊維
１３が固定されており、外部の空気に接することによっ
て空気極を構成する。その他は図１と同様である。
【００１０】本発明の燃料電池は、高分子電解質膜をチ
ューブ状にして形成される。チューブ状電解質膜を細く
することによって小型化に対応できるのみならず、チュ
ーブの長さや膜の厚さを適宜設計することにより、さら
にユニットを適宜接続することにより種々の出力に対応
した電池を得ることができる。チューブの内側部は気密
性に優れているので、特に燃料極を構成するのに適して
いる。更にチューブ状（中空）の高分子電解質膜は形状
柔軟性に優れているのみならず強度も保てるため、燃料
電池の設計で問題となるスタック材料の問題も解決でき
る。
ューブ状にして形成される。チューブ状電解質膜を細く
することによって小型化に対応できるのみならず、チュ
ーブの長さや膜の厚さを適宜設計することにより、さら
にユニットを適宜接続することにより種々の出力に対応
した電池を得ることができる。チューブの内側部は気密
性に優れているので、特に燃料極を構成するのに適して
いる。更にチューブ状（中空）の高分子電解質膜は形状
柔軟性に優れているのみならず強度も保てるため、燃料
電池の設計で問題となるスタック材料の問題も解決でき
る。
【００１１】使用する電解質膜材料は、上述のパーフル
オロスルフォン酸系の高分子電解質膜に限る必要はな
く、パーフルオロカルボン酸系膜、スチレンビニルベン
ゼン系膜、第４級アンモニウム系アニオン交換膜などを
適宜選択することができる。更に、電解質膜として、例
えばベンズイミダゾール系ポリマーにリン酸を配位させ
たものや、ポリアクリル酸に濃厚水酸化カリウム濃液を
含浸させた膜も有効である。そのような場合には、リン
酸型、アルカリ型などの作動温度が約300℃以下の低温
型燃料電池に対しても、チューブ状電解質を用いること
により燃料極と酸素極を遮断し、小型化を可能とした燃
料電池を構成することができる。チューブ状高分子電解
質膜の太さ、長さ、および肉厚は燃料電池に必要な出
力、適用する機器等に応じて適宜設定できるが、その範
囲は例えばチューブの内径0.2〜10mm、外径0.5〜12mm、
長さ20〜1000mmであり、好ましくは内径0.3〜5mm、外径
0.5〜7mm、長さ30〜500mmである。
オロスルフォン酸系の高分子電解質膜に限る必要はな
く、パーフルオロカルボン酸系膜、スチレンビニルベン
ゼン系膜、第４級アンモニウム系アニオン交換膜などを
適宜選択することができる。更に、電解質膜として、例
えばベンズイミダゾール系ポリマーにリン酸を配位させ
たものや、ポリアクリル酸に濃厚水酸化カリウム濃液を
含浸させた膜も有効である。そのような場合には、リン
酸型、アルカリ型などの作動温度が約300℃以下の低温
型燃料電池に対しても、チューブ状電解質を用いること
により燃料極と酸素極を遮断し、小型化を可能とした燃
料電池を構成することができる。チューブ状高分子電解
質膜の太さ、長さ、および肉厚は燃料電池に必要な出
力、適用する機器等に応じて適宜設定できるが、その範
囲は例えばチューブの内径0.2〜10mm、外径0.5〜12mm、
長さ20〜1000mmであり、好ましくは内径0.3〜5mm、外径
0.5〜7mm、長さ30〜500mmである。
【００１２】本発明の燃料電池は、チューブ状高分子電
解質膜の内外側面のうち一方側面に燃料極が、他方側面
に空気極が設けられ、該チューブ状高分子電解質膜の内
外側面には触媒が担持される。本発明の燃料電池におい
て、該チューブ状高分子電解質膜の内外側面への触媒の
担持は、チューブ状高分子電解質膜の内側面及び／又は
外側面に、触媒を担持した炭素繊維を配置することによ
り行う。これにより電気伝導性に優れた触媒層を構成す
ることができる。また、このチューブ状高分子電解質膜
に張り付けられた炭素繊維は電池の強度を保つ上でも有
効なため、燃料電池の機械的性質を向上させることもで
きる。
解質膜の内外側面のうち一方側面に燃料極が、他方側面
に空気極が設けられ、該チューブ状高分子電解質膜の内
外側面には触媒が担持される。本発明の燃料電池におい
て、該チューブ状高分子電解質膜の内外側面への触媒の
担持は、チューブ状高分子電解質膜の内側面及び／又は
外側面に、触媒を担持した炭素繊維を配置することによ
り行う。これにより電気伝導性に優れた触媒層を構成す
ることができる。また、このチューブ状高分子電解質膜
に張り付けられた炭素繊維は電池の強度を保つ上でも有
効なため、燃料電池の機械的性質を向上させることもで
きる。
【００１３】燃料極および空気極は、チューブ状膜の内
外側面どちらに設けてもよいが、内側面を燃料極に、外
側面を空気極とするのが好ましい。燃料極および空気極
の触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニ
ウムおよびイリジウム等の白金族金属が好ましい。
外側面どちらに設けてもよいが、内側面を燃料極に、外
側面を空気極とするのが好ましい。燃料極および空気極
の触媒としては、白金、ロジウム、パラジウム、ルテニ
ウムおよびイリジウム等の白金族金属が好ましい。
【００１４】触媒を担持した炭素繊維を配置することに
よりチューブ状高分子電解質膜の内側面及び／又は外側
面に触媒を担持させる場合、上記の触媒金属の少なくと
も一つが炭素繊維に担持され、高分子膜の内側表面及び
／又は外側表面に固定される。これらの触媒金属は炭素
繊維の表面に微粒子状に分散していることが好ましい。
炭素繊維として、好ましくは外径1〜100μm、より好ま
しくは5〜20μmの柔軟性のあるものが適している。長さ
はチューブ状電解質膜の長さによって適宜決められる。
炭素繊維の形状は、糸状のもの、網状に編んだもの、布
状のものなどが用いられる。
よりチューブ状高分子電解質膜の内側面及び／又は外側
面に触媒を担持させる場合、上記の触媒金属の少なくと
も一つが炭素繊維に担持され、高分子膜の内側表面及び
／又は外側表面に固定される。これらの触媒金属は炭素
繊維の表面に微粒子状に分散していることが好ましい。
炭素繊維として、好ましくは外径1〜100μm、より好ま
しくは5〜20μmの柔軟性のあるものが適している。長さ
はチューブ状電解質膜の長さによって適宜決められる。
炭素繊維の形状は、糸状のもの、網状に編んだもの、布
状のものなどが用いられる。
【００１５】炭素繊維の配置は、高分子電解質膜の内外
膜面に塗布、冷圧着または熱圧着して固定することがで
きる。炭素繊維を塗布する場合、高分子電解質溶液を含
ませた状態でチューブ状電解質膜の壁面に固定し、乾燥
させる。炭素繊維を冷圧着する場合は、好ましくは10〜
100℃、より好ましくは25〜80℃でプレス機又はロール
機を用い、好ましくは圧力30〜100kg/cm2により圧着を
行う。炭素繊維を熱圧着する場合は、好ましくは100〜2
00℃、より好ましくは120〜140℃でプレス機又はロール
機を用い、好ましくは圧力1〜50kg/cm2により圧着を行
う。その際、炭素繊維に高分子電解質溶液を含ませてお
くことが好ましい。
膜面に塗布、冷圧着または熱圧着して固定することがで
きる。炭素繊維を塗布する場合、高分子電解質溶液を含
ませた状態でチューブ状電解質膜の壁面に固定し、乾燥
させる。炭素繊維を冷圧着する場合は、好ましくは10〜
100℃、より好ましくは25〜80℃でプレス機又はロール
機を用い、好ましくは圧力30〜100kg/cm2により圧着を
行う。炭素繊維を熱圧着する場合は、好ましくは100〜2
00℃、より好ましくは120〜140℃でプレス機又はロール
機を用い、好ましくは圧力1〜50kg/cm2により圧着を行
う。その際、炭素繊維に高分子電解質溶液を含ませてお
くことが好ましい。
【００１６】さらに、炭素繊維の配置は、触媒担持炭素
繊維をチューブ状膜の内側に充填したり、予め網状炭素
繊維を編んでおき、これをチューブ状高分子電解質膜の
作製時、即ち溶融状態から延伸して引き出す際に、網状
炭素繊維を埋め込んで成型したりすることにより行うこ
ともできる。炭素繊維を充填する場合、ガイドとなる器
具をとりつけたチューブ状高分子電解質膜の中に挿入す
る。炭素繊維の配置としては、上記の、炭素繊維を網状
に編んでおき、チューブ状高分子電解質膜作製時に、網
状炭素繊維を埋め込んで成型する方法が好ましい。この
際、前述したチューブ状スペーサーを網状炭素繊維と一
体化し、溶融状高分子電解質をここに埋め込みながら延
伸−引き出す方法がより好ましい。
繊維をチューブ状膜の内側に充填したり、予め網状炭素
繊維を編んでおき、これをチューブ状高分子電解質膜の
作製時、即ち溶融状態から延伸して引き出す際に、網状
炭素繊維を埋め込んで成型したりすることにより行うこ
ともできる。炭素繊維を充填する場合、ガイドとなる器
具をとりつけたチューブ状高分子電解質膜の中に挿入す
る。炭素繊維の配置としては、上記の、炭素繊維を網状
に編んでおき、チューブ状高分子電解質膜作製時に、網
状炭素繊維を埋め込んで成型する方法が好ましい。この
際、前述したチューブ状スペーサーを網状炭素繊維と一
体化し、溶融状高分子電解質をここに埋め込みながら延
伸−引き出す方法がより好ましい。
【００１７】触媒担持炭素繊維を固定しない側の燃料極
あるいは空気極の触媒の担持法については、固体高分子
型燃料電池を構成するに際して従来から用いられている
技術、および固体高分子膜を用いた水電解法における電
極を構成するに際して従来から用いられている技術（特
開昭５５−３８９３４号公報参照）などを適宜採用する
ことができる。
あるいは空気極の触媒の担持法については、固体高分子
型燃料電池を構成するに際して従来から用いられている
技術、および固体高分子膜を用いた水電解法における電
極を構成するに際して従来から用いられている技術（特
開昭５５−３８９３４号公報参照）などを適宜採用する
ことができる。
【００１８】燃料は、気体または液体状態でチューブ状
高分子電解質膜内側または外側の燃料極と接触させる。
酸化剤はチューブ状高分子電解質膜の空気極側を通し空
気極と接触させる。電解質がチューブ状膜であるため、
チューブの内側部は気密であり漏れはなく、特別な流路
やセパレータなどを用いなくても燃料と酸化剤との混合
のおそれがない。また、炭素繊維を配置することによっ
て、チューブ状膜の機械的強度が向上し大きな差圧に耐
えるため、ガス圧の制御や加圧を容易に行うことができ
る。
高分子電解質膜内側または外側の燃料極と接触させる。
酸化剤はチューブ状高分子電解質膜の空気極側を通し空
気極と接触させる。電解質がチューブ状膜であるため、
チューブの内側部は気密であり漏れはなく、特別な流路
やセパレータなどを用いなくても燃料と酸化剤との混合
のおそれがない。また、炭素繊維を配置することによっ
て、チューブ状膜の機械的強度が向上し大きな差圧に耐
えるため、ガス圧の制御や加圧を容易に行うことができ
る。
【００１９】本発明の燃料電池は、小型化が容易であ
り、しかも出力密度が高く、作動温度が100℃以下と低
く、長期的な耐久性が期待でき、取り扱いが容易である
ことから、電話機、ビデオカメラ、ノート型パソコンな
どの携帯用機器や可搬型の電源として利用することがで
きる。
り、しかも出力密度が高く、作動温度が100℃以下と低
く、長期的な耐久性が期待でき、取り扱いが容易である
ことから、電話機、ビデオカメラ、ノート型パソコンな
どの携帯用機器や可搬型の電源として利用することがで
きる。
【００２０】
【実施例】次に、本発明の実施例を図面を参照してさら
に詳細に説明する。 実施例１ 図１に示した設計に従って、内径0.3mm、外径0.5mm、長
さ30mmのチューブ状電解質膜（旭硝子エンジニアリング
（株）製、商品名サンセップ）の内部に0.2 Mの水素化
ホウ素ナトリウムと1 M水酸化ナトリウム混合溶液を入
れ、チューブの外面側に0.1 Mの塩化白金酸水溶液を接
触させることによって、化学メッキ法でチューブの外面
に白金の析出層を形成させた。この後チューブ全体を硫
酸溶液で洗浄し、余分な未反応物を取り除くとともに電
解質膜を酸性型とした。次に外径約10μmの炭素繊維
（ペトカ（株）社製、ポリアクリロニトリル系）の表面
に白金テトラアンミン錯体とルテニウムニトロシル硝酸
塩（原子組成50:50）を担持し、アルゴン気流中400℃で
熱処理する事により白金・ルテニウム合金40質量％担持
炭素繊維を作製した。チューブの内側にこの炭素繊維を
挿入して燃料電池を構成した。1 M硫酸と3 Mメタノール
混合溶液をチューブ内に注射器を用いて注入し、炭素繊
維を燃料極の接続端子に、一方外側に形成させた白金析
出物層を空気極として端子を接続することにより、直接
型メタノール燃料電池の単セルを構成した。得られた単
セルの電流−電位特性を図３（ａ）に、電流−出力特性
を図３（ｂ）に示す。
に詳細に説明する。 実施例１ 図１に示した設計に従って、内径0.3mm、外径0.5mm、長
さ30mmのチューブ状電解質膜（旭硝子エンジニアリング
（株）製、商品名サンセップ）の内部に0.2 Mの水素化
ホウ素ナトリウムと1 M水酸化ナトリウム混合溶液を入
れ、チューブの外面側に0.1 Mの塩化白金酸水溶液を接
触させることによって、化学メッキ法でチューブの外面
に白金の析出層を形成させた。この後チューブ全体を硫
酸溶液で洗浄し、余分な未反応物を取り除くとともに電
解質膜を酸性型とした。次に外径約10μmの炭素繊維
（ペトカ（株）社製、ポリアクリロニトリル系）の表面
に白金テトラアンミン錯体とルテニウムニトロシル硝酸
塩（原子組成50:50）を担持し、アルゴン気流中400℃で
熱処理する事により白金・ルテニウム合金40質量％担持
炭素繊維を作製した。チューブの内側にこの炭素繊維を
挿入して燃料電池を構成した。1 M硫酸と3 Mメタノール
混合溶液をチューブ内に注射器を用いて注入し、炭素繊
維を燃料極の接続端子に、一方外側に形成させた白金析
出物層を空気極として端子を接続することにより、直接
型メタノール燃料電池の単セルを構成した。得られた単
セルの電流−電位特性を図３（ａ）に、電流−出力特性
を図３（ｂ）に示す。
【００２１】実施例２
実施例１と同様に、チューブ状電解質膜の内側に白金・
ルテニウム担持炭素繊維を挿入した直接型メタノール燃
料電池の単セルを構成した。1 Mメタノールをチューブ
内に注射器を用いて注入し、炭素繊維を燃料極の接続端
子に、一方外側に形成させた白金析出物層を空気極の接
続端子にして電池を構成したときに得られた電流−電位
特性を図４（ａ）に、電流−出力特性を図４（ｂ）に示
す。
ルテニウム担持炭素繊維を挿入した直接型メタノール燃
料電池の単セルを構成した。1 Mメタノールをチューブ
内に注射器を用いて注入し、炭素繊維を燃料極の接続端
子に、一方外側に形成させた白金析出物層を空気極の接
続端子にして電池を構成したときに得られた電流−電位
特性を図４（ａ）に、電流−出力特性を図４（ｂ）に示
す。
【００２２】図３(ａ)、(ｂ)、図４(ａ)および(ｂ)か
ら、本発明の燃料電池は、電気伝導性に優れた触媒層を
有し、高い電池出力を実現できることがわかる。
ら、本発明の燃料電池は、電気伝導性に優れた触媒層を
有し、高い電池出力を実現できることがわかる。
【００２３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
チューブ状高分子電解質膜を用いた燃料電池において、
触媒を担持した炭素繊維を燃料極及び／又は空気極に用
いることにより、小型化が容易で、かつ燃料極の気密性
を保持し、高い差圧にも耐え、機械的強度と共に柔軟性
も有する高出力の燃料電池を形成できる。更に、本発明
によれば、チューブ状高分子電解質膜の機械的強度が高
く、燃料のリークや破壊を生じるなどの問題を防ぐこと
ができる。
チューブ状高分子電解質膜を用いた燃料電池において、
触媒を担持した炭素繊維を燃料極及び／又は空気極に用
いることにより、小型化が容易で、かつ燃料極の気密性
を保持し、高い差圧にも耐え、機械的強度と共に柔軟性
も有する高出力の燃料電池を形成できる。更に、本発明
によれば、チューブ状高分子電解質膜の機械的強度が高
く、燃料のリークや破壊を生じるなどの問題を防ぐこと
ができる。
【図１】図１は、本発明の液体燃料を用いた燃料電池の
斜視図である。
斜視図である。
【図２】図２は、本発明の気体燃料を用いた燃料電池の
斜視図である。
斜視図である。
【図３】図３（ａ）は本発明の燃料電池において、メタ
ノール硫酸溶液を用いたときのの電流−電位特性を示す
図であり、図３（ｂ）はその電流−出力特性を示す図で
ある。
ノール硫酸溶液を用いたときのの電流−電位特性を示す
図であり、図３（ｂ）はその電流−出力特性を示す図で
ある。
【図４】図４（ａ）は本発明の燃料電池において、メタ
ノールを用いたときの電流−電位特性を示す図であり、
図４（ｂ）はその電流−出力特性を示す図である。
ノールを用いたときの電流−電位特性を示す図であり、
図４（ｂ）はその電流−出力特性を示す図である。
１ 高分子電解質でできたチューブ状膜
２ 白金・ルテニウム合金触媒を担持した炭素繊維
３ 化学メッキ法により析出固定された白金粒子層
４ チューブの内側に接続された外部端子
５ チューブの外側に接続された外部端子
１１ 高分子電解質でできたチューブ状膜
１２ 白金・ルテニウム合金触媒を担持した炭素繊維層
１３ 白金触媒を担持した炭素繊維層
フロントページの続き
Ｆターム(参考） 5H018 AA07 AS03 AS07 BB08 CC03
DD05 EE03 EE05 EE17
5H026 AA08 BB04 CV02 CX02 CX05
EE05 EE18
Claims (5)
- 【請求項１】 チューブ状高分子電解質膜の内外側面の
うち一方側面に燃料極を、他方側面に空気極を設けた燃
料電池であって、燃料極、空気極の一方あるいは両方に
触媒を担持した炭素繊維を配置したことを特徴とする燃
料電池。 - 【請求項２】 前記の触媒を担持した炭素繊維が、チュ
ーブ状高分子電解質膜に熱圧着されたことを特徴とする
請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項３】 チューブ状高分子電解質膜の表面に、前
記の触媒を担持した炭素繊維を塗布したことを特徴とす
る請求項１に記載の燃料電池。 - 【請求項４】 チューブ状高分子電解質膜の表面に、前
記の触媒を担持した炭素繊維を予め布状に編んでかつ円
筒形状にしたものを織り込んだことを特徴とする請求項
１に記載の燃料電池。 - 【請求項５】 携帯用機器の電源として利用することを
特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電
池。
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| JP2002104642A JP3637392B2 (ja) | 2002-04-08 | 2002-04-08 | 燃料電池 |
| CA002413230A CA2413230A1 (en) | 2002-04-08 | 2002-11-29 | Fuel cell |
| US10/309,005 US6972160B2 (en) | 2002-04-08 | 2002-12-04 | Fuel cell |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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ID=28672330
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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|---|---|
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| CA (1) | CA2413230A1 (ja) |
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