JP2004103262A

JP2004103262A - 液体燃料電池

Info

Publication number: JP2004103262A
Application number: JP2002259354A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kayano; 柏野　博志; Tatsu Nagai; 長井　龍; Shoji Nishihara; 西原　昭二; Yasuo Arishima; 有島　康夫; Shinsuke Shibata; 柴田　進介
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-04
Also published as: JP4007883B2

Abstract

【課題】電池を小型化しても液体燃料の漏れが発生せず、かつ安定的に発電できる液体燃料電池を提供する。
【解決手段】酸素を還元する正極４ａと、燃料を酸化する負極と、前記正極４ａと前記負極との間に設けられた電解質層４ｂとからなる電極・電解質一体化物４を備えるとともに、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部５と蓋部１とを備えた液体燃料電池であって、前記液体燃料貯蔵部５と前記蓋部１とが電気的絶縁体から形成され、前記電極・電解質一体化物４が前記液体燃料貯蔵部５と前記蓋部１との間に平面状に複数個配置され、集電体３、６が前記液体燃料貯蔵部５と前記蓋部１との内面にそれぞれ薄膜状に配置され、前記各電極・電解質一体化物４が前記集電体３、６によって電気的に直列に接続されている液体燃料電池とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として液体を用いた液体燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、空気電池、燃料電池などが考えられる（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第３４１９９００号明細書
【特許文献２】
特公昭３７−１０５４号公報
【０００５】
空気電池は、空気中の酸素を正極の活物質として利用する電池であり、電池内容積の大半を負極の充填に費やすことが可能であることから、エネルギー密度を増加させるためには好適な電池であると考えられる。しかし、この空気電池には、電解液として使用するアルカリ溶液が空気中の二酸化炭素と反応して劣化してしまうために自己放電が大きいという問題がある。
【０００６】
一方、従来の燃料電池では、単電池を積層して構成されているため、嵩高くなり、また酸素および燃料をそれぞれの正極および負極へ流通させて供給しなければならず、燃料供給のための補器を必要とする。その結果、リチウムイオン電池などの小型二次電池に比べ、はるかに大きくなってしまい、小型ポータブル電源として用いるには問題があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、酸素および燃料を強制的に流通させる補器を除去することで出力は低下するものの、燃料電池の小型化を図ることはできる。しかし、各電極・電解質一体化物を積み重ねていく積層構造を有する燃料電池では、小型化には限界がある。
【０００８】
一方、複数の電極・電解質一体化物を正極（空気極）と負極（燃料極）とがそれぞれ平面状になるように配置すると、燃料タンクを共有でき、空気との接触も良好となり、さらに前記積層構造に比べて電池を小型化できる。しかし、その場合、各電極・電解質一体化物を電気的に直列に接続すると、各電極・電解質一体化物の間から液体燃料の漏れが発生するという問題がある。
【０００９】
本発明は、小型化しても液体燃料の漏れが発生せず、かつ安定的に発電できる液体燃料電池を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とからなる電極・電解質一体化物を備えるとともに、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と蓋部とを備えた液体燃料電池であって、
前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とが電気的絶縁体から形成され、
前記電極・電解質一体化物が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との間に平面状に複数個配置され、
集電体が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との内面にそれぞれ薄膜状に配置され、
前記各電極・電解質一体化物が前記集電体によって電気的に直列に接続されていることを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とからなる電極・電解質一体化物を備えるとともに、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と蓋部とを備えている。前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とは電気的絶縁体から形成され、前記電極・電解質一体化物は前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との間に平面状に複数個配置されている。また、集電体が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との内面にそれぞれ薄膜状に配置され、前記各電極・電解質一体化物が前記集電体によって電気的に直列に接続されている。
【００１３】
集電体を液体燃料貯蔵部と蓋部との内面にそれぞれ薄膜状に配置することにより、液体燃料貯蔵部および蓋部と、集電体との隙間がなくなり、液体燃料の漏れを防止できる。また、液体燃料貯蔵部および蓋部と、集電体とを一体化することにより、電池を組み立てる際に集電体がずれるという問題もなくなり、かつ部品数も減らすことができ、電池の組み立てが容易になる。また、電極・電解質一体化物を液体燃料貯蔵部と蓋部との間に平面状に複数個配置することにより、液体燃料貯蔵部を共有できるとともに、積層型電池に比べて電池を小型化できる。さらに、液体燃料貯蔵部と蓋部とを電気的絶縁体により形成することにより、電極・電解質一体化物相互間の短絡を防止できる。
【００１４】
また、本発明の液体燃料電池は、前記集電体の厚みが０．５〜５０μｍであることが好ましく、より好ましくは５〜３０μｍの範囲である。これにより、液体燃料貯蔵部と蓋部との間に優れた液密性を付与できるとともに、集電体の電気抵抗を低減できる。
【００１５】
また、本発明の液体燃料電池は、前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とがそれぞれ樹脂、および金属に電気的絶縁性物質を被覆した一体化物から選択される少なくとも１種類からなることが好ましい。さらに、この金属のヤング率は１０００００ＭＰａ以上であることが好ましい。これにより、液体燃料貯蔵部と蓋部の強度が大きくなるため、より大きな圧力で液体燃料貯蔵部と蓋部とを接合することができ、より確実に液体燃料の漏れを防止することができる。
【００１６】
また、本発明の液体燃料電池は、前記金属が炭素鋼、合金鋼、超硬合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金およびニッケル合金からなる群から選択された少なくとも１種類であることが好ましい。これらは、耐久性および強度に優れているからである。
【００１７】
また、本発明の液体燃料電池は、前記電気的絶縁性物質が高分子ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂および塩化ゴムからなる群から選択された少なくとも１種類であることが好ましい。これらは、強度および電気的絶縁性に優れているからである。前記電気的絶縁性物質の膜厚（層厚）は、０．１〜５００μｍの範囲が好ましい。
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
【００１９】
（実施形態１）
図１に本発明の実施形態１の液体燃料電池の分解構成図を示す。
【００２０】
電極・電解質一体化物４は、正極４ａと、負極（図示せず）と、正極４ａと負極との間に設けられた電解質層４ｂとから構成されている。正極４ａは、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層と、触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層とを積層して構成される。正極は酸素を還元する機能を有しており、その触媒には、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムまたは金などと白金との合金微粒子などが用いられる。また、触媒層には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子やプロトン交換樹脂粒子が含まれる場合がある。プロトン交換樹脂粒子としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂やスルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などを用いることができる。拡散層の触媒層側には撥水性向上のため、ＰＴＦＥ樹脂粒子を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００２１】
電解質層４ｂは、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成される。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン”（商品名）、旭硝子社製の“フレミオン”（商品名）、旭化成工業社製の“アシプレックス”（商品名）などにより電解質層４ｂを構成することができる。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜などからも構成することができる。
【００２２】
負極は、拡散層と触媒層とからなり、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を酸化する機能を有しており、例えば、正極と同様に構成することができる。
【００２３】
上記正極４ａ、電解質層４ｂ、負極は、ホットプレス等により接合され、電極・電解質一体化物４が形成されている。
【００２４】
正極４ａの電解質層４ｂと反対側には蓋部となるカバー板１が配置される。カバー板１は、例えば、ＰＴＦＥ、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアリルアミド、ポリアリルエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミド、ポリフタルアミドなどの合成樹脂や、ガラスエポキシ樹脂などで形成できる。
【００２５】
さらに、カバー板１の強度をより向上させたい場合には、カバー板１は、金属に電気的絶縁性物質を被覆したものから形成することもできる。その金属としては、例えば、ヤング率が１０００００ＭＰａ以上の炭素鋼、合金鋼、超硬合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金などが用いられる。
【００２６】
上記合金鋼としては、ニッケル鋼、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼などを用いることができる。上記超硬合金は、金属元素炭化物粉末と金属粉末とを焼結した焼結金属であり、周期表で４〜６族金属の炭化物と、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏなどの金属との焼結体などを用いることができる。上記アルミニウム合金としては、ジュラルミン、超ジュラルミン、超々ジュラルミンなどを用いることができる。上記マグネシウム合金としては、Ｍｇ−Ａｌ系合金、Ｍｇ−Ｚｎ系合金、Ｍｇ−希土類元素系合金などを用いることができる。上記チタン合金としては、α型、α＋β型、β型のいずれも用いることができる。
【００２７】
また、電気的絶縁性物質としては、例えば、高分子ポリエチレン、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂、塩化ゴムなどが用いられる。
【００２８】
カバー板１の正極４ａと接する部分にそれぞれ空気孔２が設けられている。これにより、正極が空気と接することができ、酸素が正極で還元される。空気孔２の正極４ａと接する部分周辺には正極集電体３が配置されている。正極集電体３は、例えば、白金、金、ステンレス、ニッケルの微粒子、または金などと白金との合金の微粒子をエポキシ樹脂やシリコーンなどを用いてカバー板１の内面に薄膜状に接着したものや、これらの金属の微粒子とエポキシ樹脂やシリコーンなどとを混合したものをカバー板１の内面に薄膜状に塗布したものや、あるいは、これらの金属の微粒子をスパッタリング、真空蒸着、化学メッキなどによりカバー板１の内面に薄膜状に付着させたものなどが用いられる。なお、正極集電体３は矩形部１０を備えている。
【００２９】
負極の電解質層４ｂと反対側には液体燃料を貯蔵する燃料タンク５が配置される。燃料タンク５は、前記カバー板１と同様の材質で形成できる。液体燃料としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが用いられる。
【００３０】
また、燃料タンク５の負極と接する部分にそれぞれ燃料供給孔７が設けられている。これにより、液体燃料が負極と接することができ、液体燃料が負極で酸化される。燃料供給孔７の負極と接する部分周辺には負極集電体６が配置されている。負極集電体６は、前記正極集電体３と同様にして形成することができる。なお、負極集電体６は矩形部１１を備えている。
【００３１】
さらに、燃料供給孔７の周辺部には、矩形環状のパッキン８が設けられている。パッキン８を設けることによって、燃料タンク５と電極・電解質一体化物４との隙間から液体燃料が漏れることをより確実に防止することができる。パッキン８の材質としては、例えば、天然ゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコーンゴム、フッ素ゴムなどのゴムや、ＰＴＦＥ樹脂などを用いることができる。
【００３２】
また、燃料タンク５とカバー板１の周辺部には気液分離孔９が配置されている。燃料タンク５の気液分離孔９には、それぞれに気液分離膜９ａが備えられている。この気液分離膜９ａは細孔を持つＰＴＦＥ製の薄膜からなり、放電反応で生成した二酸化炭素などを、液体燃料を漏液させることなく外部に放出させることができる。
【００３３】
上記カバー板１、電極・電解質一体化物４、燃料タンク５を積層することより、負極集電体６の上に電極・電解質一体化物４と正極集電体３の矩形部１０が配置され、また、その正極集電体３の下には隣接する電極・電解質一体化物４が配置される。すなわち、正極集電体３と負極集電体６とは、その矩形部１０、１１を介して接触し、隣接する各電極・電解質一体化物４はそれぞれ電気的に直列に接続される。なお、カバー板１と燃料タンク５との接合は、図示していないがボルト・ナット等を用いて任意の圧力で行うことができる。以上により、本発明の実施形態１の液体燃料電池が構成される。
【００３４】
（実施形態２）
図２に本発明の実施形態２の液体燃料電池の分解構成図を示す。本実施形態は、正極集電体３と負極集電体６とが細帯部１２、１３を介して接触して接続されていること以外は、実施形態１と同様に構成されている。
【００３５】
【実施例】
次に、実施例により本発明をより具体的に説明する。
【００３６】
（実施例１）
以下のようにして実施形態１と同様の構成の液体燃料電池を作製した。
【００３７】
カバー板１は、縦７０ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ１ｍｍの板状のＰＴＥＦから形成した。燃料タンク５は、縦７０ｍｍ、横１００ｍｍ、深さ７ｍｍの箱状のＰＴＦＥ（厚さ２ｍｍ）から形成した。カバー板１と燃料タンク５とは１ＭＰａの圧力で接合した。正極集電体３は厚さ３０μｍのステンレス鋼を用いた。また、負極集電体６は厚さ３０μｍのステンレス鋼を用いた。なお、正極集電体と負極集電体の矩形部１０、１１の大きさは、縦４０ｍｍ、横１０ｍｍとした。
【００３８】
正極は、多孔度７８％、厚さ２８０μｍのカーボンぺーパーからなる拡散層と、粒子径３ｎｍの白金粒子を粒子径３０ｎｍのカーボン粒子に担持して形成した厚さ５０μｍの触媒層から形成した。負極は、多孔度７８％、厚さ２８０μｍのカーボンぺーパーからなる拡散層と、粒子径５ｎｍの白金−ルテニウム合金粒子を粒子径３０ｎｍのカーボン粒子に担持して形成した厚さ５０μｍの触媒層から形成した。電解質層は、デュポン社製の“ナフィオン”（商品名）を用いた。
【００３９】
液体燃料としては３質量％のメタノール水溶液を用い、パッキン８としては直径２ｍｍの矩形環状のブタジエンゴム製パッキンを用いた。
【００４０】
（実施例２）
実施例１と同様にして実施形態２と同様の構成の液体燃料電池を作製した。なお、正極集電体３と負極集電体６の細帯部１２、１３の長さは２０ｍｍ、幅は５ｍｍとした。
【００４１】
（実施例３）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともに硬質ポリ塩化ビニルで形成したこと以外は実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４２】
（実施例４）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともに硬質ポリ塩化ビニルで形成したこと以外は実施例２と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４３】
（実施例５）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともにポリプロピレンで形成したこと以外は実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４４】
（実施例６）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともにポリプロピレンで形成したこと以外は実施例２と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４５】
（実施例７）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともにポリエチレンで形成したこと以外は実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４６】
（実施例８）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともにポリエチレンで形成したこと以外は実施例２と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４７】
（実施例９）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともにガラスエポキシ樹脂で形成したこと以外は実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４８】
（実施例１０）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともにガラスエポキシ樹脂で形成したこと以外は実施例２と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００４９】
（実施例１１）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともにステンレス鋼にフェノール樹脂塗料を厚さ１００μｍに塗布して形成し、カバー板１と燃料タンク５とを１０ＭＰａの圧力で接合したこと以外は実施例１と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００５０】
（実施例１２）
カバー板１と燃料タンク５とを、ともにステンレス鋼にエポキシ樹脂塗料を厚さ１００μｍに塗布して形成し、カバー板１と燃料タンク５とを１０ＭＰａの圧力で接合したこと以外は実施例２と同様にして液体燃料電池を作製した。
【００５１】
以上のように作製した実施例１から１２の電池を空気孔２が下になるように電池を設置したところ、全ての電池で液体燃料の漏れは認められなかった。
【００５２】
次に、上記設置状態の電池を１００Ｈｚの正弦波で１０分間振動させたところ、実施例１から１０の電池では、若干の液体燃料の漏れが認められたが、実施例１１と１２の電池では、全く液体燃料の漏れは認められなかった。
【００５３】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、電池を小型化しても液体燃料の漏れが発生せず、かつ安定的に発電できる液体燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１の液体燃料電池の分解構成図である。
【図２】本発明の実施形態２の液体燃料電池の分解構成図である。
【符号の説明】
１　カバー板
２　空気孔
３　正極集電体
４　電極・電解質一体化物
４ａ　正極
４ｂ　電解質層
５　燃料タンク
６　負極集電体
７　燃料供給孔
８　パッキン
９　気液分離孔
９ａ　気液分離膜
１０　正極集電体の矩形部
１１　負極集電体の矩形部
１２　正極集電体の細帯部
１３　負極集電体の細帯部

Claims

酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とからなる電極・電解質一体化物を備えるとともに、液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部と蓋部とを備えた液体燃料電池であって、
前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とが電気的絶縁体から形成され、
前記電極・電解質一体化物が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との間に平面状に複数個配置され、
集電体が前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部との内面にそれぞれ薄膜状に配置され、
前記各電極・電解質一体化物が前記集電体によって電気的に直列に接続されていることを特徴とする液体燃料電池。
前記集電体の厚みが、０．５〜５０μｍである請求項１に記載の液体燃料電池。
前記液体燃料貯蔵部と前記蓋部とは、それぞれ樹脂、および金属に電気的絶縁性物質を被覆した一体化物から選択される少なくとも１種類からなる請求項１または２に記載の液体燃料電池。
前記金属のヤング率が、１０００００ＭＰａ以上である請求項３に記載の液体燃料電池。
前記金属が、炭素鋼、合金鋼、超硬合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金およびニッケル合金からなる群から選択された少なくとも１種類である請求項３または４に記載の液体燃料電池。
前記電気的絶縁性物質が、高分子ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アルキド樹脂、ビニル樹脂、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂、アクリル樹脂および塩化ゴムからなる群から選択された少なくとも１種類である請求項３に記載の液体燃料電池。