JP2004127524A

JP2004127524A - 直接メタノール型燃料電池およびその製造方法

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Publication number: JP2004127524A
Application number: JP2002285388A
Authority: JP
Inventors: Maki Ishizawa; 石沢　真樹
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】広い使用温度範囲とメタノールに耐久性があり、長期間使用してもひび割れ等が生じることなく堅牢で、燃料電池システムとして必要とされる構成部分をコンパクト化し、小型、軽量化を図ると共に、信頼性の高い直接メタノール型燃料電池およびその製造方法を提供する。
【解決手段】メタノールを燃料として、メタノールの供給を受けて電気化学反応により発電する直接メタノール型燃料電池において、陽イオン導電性を有する電解質部１４を有し、電解質部１４の片面に燃料極（燃料極用触媒層１６、燃料極用集電体層１７）、異なる片面に空気極（空気極用触媒層１８、空気極用集電体層１９）を設けたプラスチック基板１３を、微細燃料流路を有する燃料極支持基板および空気流路を有する空気極支持基板で挟み込むように接合して燃料電池を構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電話等の電源として、小型、軽量で、しかも安価に製造可能な直接メタノール型燃料電池とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【非特許文献】安田和明：メタノール直接型燃料電池の未来「エネルギー・資源、Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．５，ｐｐ５３−５８，（２０００）」。
直接メタノール型燃料電池は、燃料の利便性、安全性、改質器が不要であるなどの特徴があることから、小型、携帯用電源としての研究、開発が進められている。
従来、直接メタノール型燃料電池は、図４に示すとおり、電解質膜１の両面に、燃料極２および空気極３を取り付けた膜電極複合体４、およびこの膜電極複合体４を支持すると共に、燃料流路５を形成した燃料極用カーボンプレート６と、空気流路７を形成した空気極用カーボンプレート８で、膜電極複合体４の両面を挟み作製していた。
その際、膜電極複合体４と燃料極用カーボンプレート６、空気極用カーボンプレート８との接合は、接着剤９を用いて膜電極複合体４と上記カーボンプレート６、８とを接着させ、さらに膜電極複合体４と基板との密着性、気密性をより確実なものとするため、締付板１０を介して、ねじ１１により締め付け固定する等の方法が採られていた。
また、直接メタノール型燃料電池システムとして動作させるには、気液分離手段、加熱手段、温度検出手段、メタノール検出手段等を個別に設ける必要があり、小型、軽量化を図る上で課題となっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、膜電極複合体４と燃料極用カーボンプレート６、空気極用カーボンプレート８との接合は、上記カーボンプレート６、８を接着させ、締め付け固定する方法がとられており、燃料極用カーボンプレート６、電解質膜１、空気極用カーボンプレート８の界面で、長期使用する間にひび割れ等が生じる等、信頼性に課題を有していた。
また、直接メタノール型燃料電池システムとして、必要とされる燃料供給路、燃料循環路、温度検出手段、加熱手段、メタノール検出手段、空気供給路、気液分離手段等の各要素が個別に配置されており、小型、軽量化を図る上で課題となっていた。
【０００４】
本発明の目的は、上記従来技術における課題を解決し、広い使用温度範囲とメタノールに対して耐久性があり、長期間使用してもひび割れ等が生じることなく堅牢で、直接メタノール型燃料電池システムとして必要とされる構成部分をコンパクト化し、小型、軽量化を図ると共に、信頼性の高い直接メタノール型燃料電池およびその製造方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は特許請求の範囲に記載のような構成とするものである。すなわち、
請求項１に記載のように、メタノールを燃料とし、該メタノールの供給を受けて電気化学反応により発電する直接メタノール型燃料電池において、陽イオン導電性を有する電解質部を有し、該電解質部の片面に燃料極、異なる片面に空気極を設けたプラスチック基板を、微細燃料流路を有する燃料極支持基板および空気流路を有する空気極支持基板で挟み込み接合した構造の直接メタノール型燃料電池とするものである。
【０００６】
また、請求項２に記載のように、請求項１において、上記プラスチック基板、燃料極支持基板、空気極支持基板のいずれか一つ以上の基板が、ポリシロキサンを主成分とするポリマーで構成された直接メタノール型燃料電池とするものである。
【０００７】
また、請求項３に記載のように、請求項１において、上記燃料極支持基板の燃料流路は、燃料が蛇行もしくは平行して流れるように突起状に微細加工され、上記燃料流路の表面が親水処理してなる直接メタノール型燃料電池とするものである。
【０００８】
また、請求項４に記載のように、請求項１において、上記燃料極支持基板中に燃料供給路、燃料循環路、気液分離手段、温度検出手段、加熱手段、メタノール検出手段のいずれか一つ以上を具備してなる直接メタノール型燃料電池とするものである。
【０００９】
また、請求項５に記載のように、請求項４において、上記燃料循環路は表面が親水処理してなる直接メタノール型燃料電池とするものである。
【００１０】
また、請求項６に記載のように、請求項４において、上記気液分離手段は、複数の微細な通気孔が形成され、その表面が疎水処理してなる直接メタノール型燃料電池とするものである。
【００１１】
また、請求項７に記載のように、請求項１において、上記空気極支持基板中に、空気供給路、生成水排出路、温度検出手段、加熱手段、気水分離手段のいずれか一つ以上を具備してなる直接メタノール型燃料電池とするものである。
【００１２】
また、請求項８に記載のように、請求項７において、上記空気極支持基板中の生成水排出路は親水処理してなる直接メタノール型燃料電池とするものである。
【００１３】
また、請求項９に記載のように、請求項７において、上記気水分離手段は疎水処理した微細な通気孔を複数設けてなる直接メタノール型燃料電池とするものである。
【００１４】
また、請求項１０に記載のように、請求項４において、上記メタノール検出手段は、上記燃料電池の電解質部の両面に触媒把持された電極とは、電気的に絶縁するように一対の電極を設け、その電極間の電位差を検出してメタノール濃度を検出する直接メタノール型燃料電池とするものである。
【００１５】
また、請求項１１に記載のように、請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池の製造方法において、上記燃料電池の燃料極支持基板または空気極支持基板の作製方法は、基になるパターンを光リソグラフィーによって、それぞれの基板上に型パターンを作製し、該基板上の型パターンに、ポリシロキサン前駆体を硬化剤と共に流し込んで固め、転写により微細な燃料流路または空気流路を形成するソフトリソグラフィー法により、上記燃料極支持基板または空気極支持基板を作製する工程を含む直接メタノール型燃料電池の製造方法とするものである。
【００１６】
また、請求項１２に記載のように、請求項１１において、上記燃料電池の燃料極支持基板または空気極支持基板を作製するソフトリソグラフィー法は、
シリコンウエハ上にフォトレジストをパターニングして、燃料流路パターンまたは空気流路パターンが転写できる凸型パターンを作製する工程と、
上記凸型パターンに、硬化剤を混合したポリシロキサンオリゴマーを流し込み硬化させ、転写することにより凹型の溝よりなる燃料流路を有する燃料極支持基板または空気流路を有する空気極支持基板を作製する工程と、
電解質部を有し、該電解質部の片面に燃料極、異なる片面に空気極を設けたプラスチック基板を、上記燃料流路を有する燃料極支持基板および空気流路を有する空気極支持基板で挟み込むように接合する工程とを含む直接メタノール型燃料電池の製造方法とするものである。
【００１７】
本発明の直接メタノール型燃料電池は、メタノールを燃料とし、該メタノールの供給を受け電気化学反応により発電する直接メタノール型燃料電池であって、陽イオン導電性を有する電解質部を有し、該電解質部の片面に燃料極、異なる片面に空気極を設けたプラスチック基板を、微細燃料流路を有する燃料極支持基板および空気流路を有する空気極支持基板で挟み込むように強固に接合するものである。
【００１８】
また、上記プラスチック基板、燃料極支持基板、空気極支持基板のいずれか一つ以上の基板が、ポリシロキサンを主成分とするポリマーで構成されている。
【００１９】
また、燃料極支持基板の燃料流路は、燃料が蛇行もしくは平行して流れる流路を設けているか、あるいは突起状に加工された微細な流路を複数設けており、かつ流路表面は親水処理されている。
【００２０】
また、燃料極支持基板中には、燃料供給路、燃料循環路、気液分離手段、温度検出手段、加熱手段、メタノール検出手段のいずれか一つ以上が設けられている。なお、燃料循環路は、表面が親水処理されている。気液分離手段は、微細な通気孔が複数形成され、その表面が疎水処理されている。
【００２１】
また、空気極支持基板中には、空気供給路、温度検出手段、加熱手段、生成水排出路、気水分離手段のいずれか一つ以上が設けられている。この空気極支持基板中の生成水排出路は親水処理されている。また、空気極支持基板中の気水分離手段は疎水処理された複数の微細通気孔が設けられている。
【００２２】
燃料極支持基板および空気極支持基板は、ソフトリソグラフィー法により微細加工されることを特徴とするもので、基になるパターンを光リソグラフィーによって、それぞれの基板上に型パターンを作製し、該基板上の型パターンに、ポリシロキサン前駆体を硬化剤と共に流し込んで固め、転写により微細な燃料流路パターンまたは空気流路パターン等の流路を微細加工するものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
〈実施の形態１〉
以下、本発明の具体的内容について、図１（ａ）、（ｂ）で示されるプラスチック基板部、図２（ａ）、（ｂ）で示される燃料極支持基板部、図３（ａ）、（ｂ）で示される空気極支持基板部を用いて詳細に説明する。
なお、図１（ａ）はプラスチック基板の構成を示す平面図、図１（ｂ）はその側面図、図２（ａ）は燃料極支持基板の構成を示す平面図、図２（ｂ）はその側面図、図３（ａ）は空気極支持基板の構成を示す平面図、図３（ｂ）はその側面図を示す。
図１（ａ）、（ｂ）で示される、燃料極用触媒層１６、燃料極用集電体層１７、空気極用触媒層１８、空気極用集電体層１９等の各電極、電解質部１４を有するプラスチック基板１３、および図２（ａ）、（ｂ）で示される燃料流路２３を有する燃料極支持基板２１、および図３（ａ）、（ｂ）で示される空気流路３３を有する空気極支持基板３１には、広範囲な温度環境下で長期にわたり、これら構成部材の接着性が確保されることが要求される。そのためには、これらの基板材料は基本的に同一材料であることが望ましい。特に、プラスチック基板１３にはイオン導電部（電解質部）１４を容易に付与でき、また小型化を実現するため燃料極支持基板２１、空気極支持基板３１等には微細加工を施し、直接メタノール型燃料電池として必要な機能を付与でき、かつメタノール耐性に優れた特性が要求される。
【００２４】
本発明では、上記の特性を満足させる材料として、ポリシロキサンを主成分とするポリマーを用い、上記ポリシロキサン中の有機基が、メチル基、フェニル基、水素基、水酸基であることが望ましい。この液状シロキサンオリゴマーは、所定の割合で硬化剤と混合することにより、溶剤で溶解することなく型成形が可能となるので、収縮することなく、精密な微細加工が可能となる。硬化に要する時間は、室温で約２時間、温度を上げることによりさらに短縮できる。このポリシロキサンは、硬化後も自己粘着性を有し、接着剤を用いることにより、さらに強固に接着が可能となるため、各基板同士を強固に接着することが可能となる。
まず、図１（ａ）、（ｂ）を用いて、ポリシロキサンを用いたプラスチック基板１３に電解質部１４、およびメタノール検出手段１５、燃料極用触媒層１６、燃料極用集電体層１７、空気極用触媒層１８、空気極用集電体層１９の各電極層を形成する方法について説明する。
【００２５】
まず、中央部に数十ｎｍ〜１μｍの空孔を有する厚さ５〜１５０μｍ、好ましくは１０〜５０μｍの厚さのポリシロキサン基板中に、イオン伝導基を有するモノマーおよび重合開始剤で空孔内を充填し、硬化させることにより基板中にイオン導電部を形成する。イオン導電性を有するモノマーには、構造中にスルホン酸等の強酸基を有するものが好ましい。または、この基板に電子線を照射し、ラジカルを生じさせ、これにグラフト重合法によりイオン伝導基を付与させる方法、あるいはＳｉＯ_２、Ｐ_２Ｏ_５等のイオン伝導性の無機材料を充填しゾルゲル法で作製しても良い。あるいは、中央部がくり抜かれた厚さ１００〜１５０μｍ、好ましくは１０〜５０μｍの厚さのポリジメチルシロキサン基板中に、ジメチルシロキサンオリゴマーおよびイオン導電性を有する無機材料の混合物を流し込み室温または加温することにより得られる。
【００２６】
以上の方法で作製した電解質部１４の両面に、燃料極用触媒層１６、空気極用触媒層１８、ガス拡散層を兼ねた燃料極用集電体層１７および空気極用集電体層１９を配置し、ホットプレス法等により接合して、膜電極複合体を作製する。燃料極用触媒層１６は、Ｐｔ・Ｒｕを主成分としたメタノール酸化触媒が、空気極用触媒層１８は、Ｐｔを主成分とした酸素還元触媒が専ら用いられ、これはデカール（Ｄｅｃａ１）法やスプレー法等で作製することにより得られる。
次に、出力取出し用の電気配線を、プラスチック基板１３の両面に、上記燃料極用集電体層１７、空気極用集電体層１９と電気的に接続するよう蒸着、あるいはスパッタリング等により作製する。電気配線材料には、アルミ、銅等が専ら用いられるが、本発明では、電導性を有し、出力を取り出せるものであれば良い。
【００２７】
次に、図２（ａ）、（ｂ）を用いて燃料極支持基板２１の作製法について説明する。
燃料極支持基板２１に微細な燃料供給路２２、燃料流路２３、燃料循環路２４を形成するには、ソフトリソグラフィー法を用いて作製する。すなわち、
まず、シリコンウエハ上にフォトレジストをパターニングして凸型の鋳型パターンを作製する。この凸型構造体（凸型の鋳型パターン）に、上記主剤および硬化剤が混合された液状ジメチルシロキサンオリゴマー等のポリシロキサンオリゴマーを流し込み硬化させ、転写により凹型の溝パターンが形成される。この凹型の溝パターンは、後述するように、電解質部１４（図１参照）を有するプラスチック基板１３および空気極支持基板３１と張り合わせることにより燃料流路２３として形成される。鋳型には、金型、樹脂型等を用いることができるが、微細な流路を正確な寸法精度で形成させるには、上記のシリコンウエハ上にフォトレジストをパターニングして作製するソフトリソグラフィー法が好ましい。この方法を用いることにより複雑な微細流路形成であっても容易に作製することができる。
【００２８】
燃料供給路２２は、メタノールタンク（図示せず）から燃料流路２３へ、燃料循環路２４は燃料流路２３出口からメタノールタンクヘ向かうように形成する。この燃料極支持基板２１に形成される燃料供給路２２、燃料流路２３、燃料循環路２４は、メタノール水溶液が速やかに流れるよう親水性となっていることが好ましく、上記燃料供給路２２、燃料流路２３、燃料循環路２４表面は、親水性の極性基が付与されるよう表面処理を施す。この表面処理方法には、ビニルスルホン酸等の親水基を有するモノマーをグラフト重合する方法や、グリシジルメタクリレート等のエポキシ基を持つモノマーを上記の燃料路へ放射線グラフ重合させた後、エポキシ基をスルホン基置換する方法、エポキシシランやメタクリルシラン等のシランカップリング剤による表面処理が好適に用いられが、本発明では親水処理できる方法であれば、いずれの方法であっても良い。
【００２９】
燃料流路２３は、燃料が蛇行もしくは平行して流れるよう流路が設けられているか、あるいは突起状に加工され、微細な流路が複数設けられても良い。流路幅は、数十ミクロンから数百ミクロンであることが好ましい。微細な流路と上記親水基による表面処理の効果により、毛管現象を利用することが可能となり、燃料極全面に燃料を供給することが可能となる。気液分離手段２５は、メタノール水溶液が、燃料極触媒上で、ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅの反応により二酸化炭素が生成することから、二酸化炭素を外界へ放出するために設ける。
【００３０】
この気液分離手段２５は、微細管を形成しその微細管に疎水処理を施すことにより得られる。疎水処理方法としては、フッ化メタンのプラズマ処理等により基板表面をフッ化炭素膜で覆う方法、ビニルピリジン等の疎水性モノマーで疎水処理する方法が用いられるが、本発明では疎水処理できる方法であれば何れでも良い。微細管の内壁は疎水性に形成されていることから、メタノール水溶液の浸入に対して抵抗するが、二酸化炭素は容易に通過することができる。上記燃料路および気液分離手段は、上下が反転して使用する等の条件を考慮し、複数設けても良い。
【００３１】
温度検出手段２７、温度加熱手段２８は、燃料極支持基板２１の流路が形成されている面とは反対側の面に、抵抗発熱体、および温度変化によって抵抗が変わるような温度センサーとなる材料、および電気配線用材料をスパッタ法、蒸着法により成膜し、パターニングすることにより得られる。上記の温度検出手段、温度加熱手段を形成した後、発熱体となる材料としてタングステン、ニッケル−クロム、また温度センサーとしては、白金−白金・ロジウム系、クロメル−アルメル系、ニッケル−クロム系、鉄−銅系、銅−コンスタンタン系、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ　Ｔｉｎ　Ｏｘｉｄｅ）、電気配線用としてアルミ、銅等が専ら用いられるが、本発明は、これに限らず、温度検出、温度加熱の機能を有するものであれば良い。これらの温度検出手段、温度加熱手段を作製した後、再度ジメチルシロキサンの主剤と硬化剤の混合物を流し込むことにより埋め込みが可能となる。
【００３２】
メタノール検出手段１５は、燃料流路出口近くに、上記作製した電解質膜中に上記の膜電極複合体とは電気的に絶縁された、微小なメタノール検出用膜電極複合体を作製する。このメタノール検出用膜電極複合体と接するよう上記燃料極支持基板および空気極支持基板に電気配線を施し、開放電圧検出回路に接続する。メタノール濃度と開放電圧との関係は、一般にメタノール濃度が高いほど開放電圧が小さくなり、その依存性は電解質膜の性能によって決まる。したがって、メタノール水溶液中のメタノール濃度と開放電圧との関係を調べておき、開放電圧検出回路により検出される電位差と比較することによりメタノール濃度を検出することができる。また、本発明は、これに限定されず超小型のメタノールセンサーであれば、燃料流路出口近く、またはその他の箇所に取り付けてもよい。
【００３３】
次に、空気極支持基板の作製法について、図３（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。空気極支持基板３１の空気供給路３２、空気流路３３、生成水排出路３４の形成は、上記燃料極支持基板２１と同様のソフトリソグラフィー法で作製する。空気極支持基板３１に形成される空気流路３３は、空気中の酸素が、上記空気極用触媒層１８上で、（３／２）Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ→３Ｈ_２Ｏの反応が速やかに進行するように設けられる。空気が蛇行して流れるよう流路が設けられているか、あるいは突起状に加工されていることが好ましい。生成水排出路３４は、メタノールタンク（図示せず）、または水回収部（図示せず）へ向かうように空気極支持基板上に溝を形成して作製する。生成水排出路３４は、水の排出を容易にするため、親水処理しておくことが望ましく、親水処理方法としては、上記燃料極支持基板２１へ親水処理したのと同様の表面処理方法を適用することができる。
【００３４】
気水分離手段３５は、空気極での反応に関与しない窒素等の空気成分および未反応酸素を排出するために設置される。この気水分離手段３５は、上記燃料極支持基板２１中に気液分離手段２５を作製したのと同様に、微細管を複数形成し、その微細管に疎水処理を施すことにより得られる。微細管の内壁は疎水性に形成されていることから、水の浸入に対して抵抗するが、気体は容易に通過することができる。これらの空気供給路３２、生成水排出路３４、気水分離手段３５は、上下が反転して使用する等の条件を考慮し、複数設けてよい。上記では、空気を強制的に空気供給路３２から供給する実施の形態について述べたが、自然に空気を供給する場合は、基板上に空気供給路３２を多数形成すればよく、そのためには空気極支持基板３１の裏面から空気流路３３へ貫通するよう多数設けてもよく、メッシュ状になっていてもよい。
【００３５】
さらに、上記のプラスチック基板１３、燃料極支持基板２１、空気極支持基板３１上に形成した電極、電解質、および各流路、各手段は、各基板上に複数設置することが可能であり、電極同士を直列もしくは並列に接続でき、これにより高出力化が可能となる。上記の方法で作製した電極、電解質部分を有するプラスチック基板１３の両面を、燃料極支持基板２１、空気極支持基板３１で挟むように接合する。接合部はそれぞれ、プラスチック基板表面との接合部２６と、プラスチック基板裏面との接合部３６となる。これら接合部は同一の材料で構成されており、特にポリジメチルシロキサン等のポリシロキサン系のポリマーは、それ自身密着性が高く容易に接合が可能となる。また、接合面をプラズマ処理して活性化処理しておくことにより界面部のない強固な接合が可能となる。
【００３６】
さらに、本発明ではポリシロキサンオリゴマーを接着剤として用いることができ、同様に強固に接着が可能となる。なお、本発明においては、各基板がすべて同一の材料で構成される必要はなく、いずれの基板を用いてもよい。特に、電極、電解質部分を有するプラスチック基板のみが異なる材料の場合は、プラスチック基板を他の基板より若干小面積とし燃料極支持基板および空気極支持基板が接触するように接合すれば、強固な接着が可能となる。
【００３７】
〈実施の形態２〉
厚さ３０μｍポリジメチルシロキサン膜中央部に、孔径５０ｎｍ、空孔率５０％の空孔内に、ビニルスルホン酸系高分子電解質を充填することにより上記電解質部１４を形成し、その電解質部１４の一方の面にカーボン担持されたＰｔ−Ｒｕ燃料極用触媒層、燃料極用集電体層をホットプレスし圧着することにより燃料極を形成し、もう一方の面にカーボン把持されたＰｔ空気極用触媒層、空気極用集電体層を形成しプラスチック基板を作製した。また、メタノール検出用の電極を上記の出力取り出し用電極とは電気的に絶縁されるように同時に作製した。
【００３８】
次に、中央部に高さ５００μｍ、幅５０μｍ、間隔５０μｍの矩形凹形状の燃料流路を、この流路と連結されるよう高さ５００μｍ、幅１ｍｍの矩形凹形状の燃料供給路、燃料循環路を、また、気液分離手段として、燃料循環路と連結されるよう幅５μｍ、高さ２０μｍ、間隔５ミクロンで矩形凹形状の通気孔２０本を形成するため、シリコンウエハ上に同形状の凸形状の反転パターンを形成し、そこにポリジメチルシロキサンのプレポリマーを流しこみ硬化させた。また、上記各流路の親水化は、グリシジルメタクリレートを上記燃料路へ放射線グラフ重合させた後、エポキシ基をスルホン基置換した。また、気液分離手段中の疎水化処理は、三フッ化メタンのプラズマ処理することにより作製した。次に、上記各流路を形成した裏面に、ニッケル−クロムおよび白金ロジウムを配置した後、さらにポリジメチルシロキサンのプレポリマーを流し込み硬化させることにより、燃料極支持基板を作製した。
【００３９】
次に、中央部に高さ５００μｍ、幅５０μｍ、間隔５０μｍの矩形凹形状の空気流路を、この流路と連結されるよう高さ５００μｍ、幅１ｍｍの矩形凹形状の空気供給路、生成水排出路を、また、気水分離手段として、生成水排出路と連結されるよう幅５μｍ、高さ２０μｍ、間隔５ミクロンで矩形凹形状の通気孔４０本を形成するため、シリコンウエハ上に同形状の凸形状の反転パターンを形成し、そこにポリジメチルシロキサンのプレポリマーを流しこみ硬化させた。また、上記生成水排出路の親水化は、グリシジルメタクリレートを上記生成水排出路へ放射線グラフ重合させた後、エポキシ基をスルホン基置換した。また、気水分離手段中の疎水化処理は、三フッ化メタンのプラズマ処理することにより作製した。次に、上記各流路を形成した裏面にニッケル−クロムおよび白金ロジウムを配置した後、さらにポリジメチルシロキサンのプレポリマーを流しこみ硬化させることにより、空気極支持基板を作製した。
【００４０】
上記の方法で作製した電極、電解質部を有するプラスチック基板、燃料極支持基板、空気極支持基板の接合部にポリジメチルシロキサンのプレポリマー混合液を塗布し６５℃で１時間、９５℃で１５分間キュアリングを行い、直接メタノール型燃料電池を作製した。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の直接メタノール型燃料電池およびその製造方法によれば、広い使用温度範囲とメタノールに耐久性があり、長期間使用してもひび割れ等が生じることなく堅牢で、直接メタノール型燃料電池システムとして必要とされる構成部分をコンパクト化し、小型、軽量化を図ると共に、信頼性の高い直接メタノール型燃料電池を提供できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態の一例である直接メタノール型燃料電池のプラスチック基板部の構成を示す模式図。
【図２】本発明の実施の形態の一例である直接メタノール型燃料電池の燃料極支持基板部の構成を示す模式図。
【図３】本発明の実施の形態の一例である直接メタノール型燃料電池の空気極支持基板部の構成を示す模式図。
【図４】従来の直接メタノール型燃料電池の構成を示す模式図。
【符号の説明】
１…電解質膜
２…燃料極
３…空気極
４…膜電極複合体
５…燃料流路
６…燃料極用カーボンプレート
７…空気流路
８…空気極用カーボンプレート
９…接着剤
１０…締付板
１１…ねじ
１３…プラスチック基板
１４…電解質部
１５…メタノール検出手段
１６…燃料極用触媒層
１７…燃料極用集電体層
１８…空気極用触媒層
１９…空気極用集電体層
２１…燃料極支持基板
２２…燃料供給路
２３…燃料流路
２４…燃料循環路
２５…気液分離手段
２６…プラスチック基板表面との接合部
２７…温度検出手段
２８…加熱手段
３１…空気極支持基板
３２…空気供給路
３３…空気流路
３４…生成水排出路
３５…気水分離手段
３６…プラスチック基板裏面との接合部

Claims

メタノールを燃料とし、該メタノールの供給を受けて電気化学反応により発電する直接メタノール型燃料電池において、陽イオン導電性を有する電解質部を有し、該電解質部の片面に燃料極、異なる片面に空気極を設けたプラスチック基板を、微細燃料流路を有する燃料極支持基板および空気流路を有する空気極支持基板で挟み込み接合してなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項１において、上記プラスチック基板、燃料極支持基板、空気極支持基板のいずれか一つ以上の基板が、ポリシロキサンを主成分とするポリマーで構成してなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項１において、上記燃料極支持基板の燃料流路は、燃料が蛇行もしくは平行して流れるように突起状に微細加工され、上記燃料流路の表面が親水処理してなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項１において、上記燃料極支持基板中に燃料供給路、燃料循環路、気液分離手段、温度検出手段、加熱手段、メタノール検出手段のいずれか一つ以上を具備してなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項４において、上記燃料循環路は表面が親水処理してなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項４において、上記気液分離手段は、複数の微細な通気孔が形成され、その表面が疎水処理してなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項１において、上記空気極支持基板中に、空気供給路、生成水排出路、温度検出手段、加熱手段、気水分離手段のいずれか一つ以上を具備してなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項７において、上記空気極支持基板中の生成水排出路は親水処理してなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項７において、上記気水分離手段は疎水処理した微細な通気孔を複数設けてなることを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項４において、上記メタノール検出手段は、上記燃料電池の電解質部の両面に触媒把持された電極とは、電気的に絶縁するように一対の電極を設け、その電極間の電位差を検出してメタノール濃度を検出することを特徴とする直接メタノール型燃料電池。
請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の直接メタノール型燃料電池の製造方法において、上記燃料電池の燃料極支持基板または空気極支持基板の作製方法は、基になるパターンを光リソグラフィーによって、それぞれの基板上に型パターンを作製し、該基板上の型パターンに、ポリシロキサン前駆体を硬化剤と共に流し込んで固め、転写により微細な燃料流路または空気流路を形成するソフトリソグラフィー法により、上記燃料極支持基板または空気極支持基板を作製する工程を含むことを特徴とする直接メタノール型燃料電池の製造方法。
請求項１１において、上記燃料電池の燃料極支持基板または空気極支持基板を作製するソフトリソグラフィー法は、
シリコンウエハ上にフォトレジストをパターニングして、燃料流路パターンまたは空気流路パターンが転写できる凸型パターンを作製する工程と、
上記凸型パターンに、硬化剤を混合したポリシロキサンオリゴマーを流し込み硬化させ、転写することにより凹型の溝よりなる燃料流路を有する燃料極支持基板、または空気流路を有する空気極支持基板を作製する工程と、
電解質部を有し、該電解質部の片面に燃料極、異なる片面に空気極を設けたプラスチック基板を、上記燃料流路を有する燃料極支持基板および空気流路を有する空気極支持基板で挟み込み接合する工程とを、含むことを特徴とする直接メタノール型燃料電池の製造方法。