JP2005251715A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 携帯電話やノート型パソコンなどの携帯用電子機器の電源として用いられるのに好適な小型の燃料電池を提供する。
【解決手段】 一部又は全体に電気導電性を有する炭素質多孔体を基材１０とし、該基材の表面に電極／電解質１２／電極１３の各層を形成した単位セル１４を備え、上記基材１０に液体燃料（メタノール液）３０を浸透させると共に、基材１０の外表面に形成される電極１３面を空気に曝す構造を具備してなることを特徴とする燃料電池Ａ。
【効果】 電気導電性を有する炭素質多孔体を電極・集電体、液体燃料又はガスの浸透媒体、及び電池支持体として共有することにより、セパレータを不要とすることができるので、この不要となった空間をガス又は液体燃料の対流・拡散の場に利用することで、燃料電池システムの小型化と高出力化を発揮することができる燃料電池が提供される。
【選択図】 図２

Description

本発明は、液体燃料を使用する燃料電池に関し、更に詳しくは、携帯電話やノート型パソコンなどの携帯用電子機器の電源や小電力機器用の小型可搬用ポータブル電源として用いられるのに好適な小型の燃料電池に関する。

一般に、燃料電池は、空気電極層、電解質層及び燃料電極層が積層された燃料電池セルと、燃料電極層に還元剤としての燃料を供給するための燃料供給体部と、空気電極層に酸化剤としての空気を供給するための空気供給体部とからなり、燃料と空気中の酸素とによって燃料電池セル内で電気化学反応を生じさせ、外部に電力を得るようにした電池であり、種々の形式のものが開発されている。

近年、環境問題や省エネルギーに対する意識の高まりにより、クリーンなエネルギー源としての燃料電池を、各種用途に用いることが検討されており、特に小型携帯機器用の電源としての燃料電池システムの開発では、システム全体の小型化、高出力化、騒音を出さないことなどが重要な課題となっている。

従来の燃料電池では、図１７に示すように、電解質膜／電極接合体（ＭＥＡ；Ｍｅｍｂａｒｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）を有するシート状の電池（単位セル）１，１…を、板状のセパレータ２，２…を介して積層して電池スタックのコンパクト化と出力密度の増大を図っている。この場合、単位セル１に挟まれる薄い層状のセパレータ２内に形成された液体燃料の流路２ａ及びガスの流路２ｂに液体燃料及びガスを流すためポンプやブロワーなどの補機を必要としている。
このタイプの燃料電池にあっては、補機を要することによりシステムの小型化が困難なこと、電池出力の多くの部分を補機動力にとられること、ポンプやブロワーから騒音がでるなどの課題がある。

一方、小型携帯機器用の燃料電池としては、例えば、図１８に示すように、燃料容器３の壁面に通気孔４を１つ以上備え、かつ、該液体燃料容器３の壁面にＭＥＡを有するシート状の単電池（単位セル）５，５…を複数装着し、夫々単電池（単位セル）５，５…を電気的に接続してなる補機を用いず液体燃料６の毛管現象、ガスの対流・拡散を利用する自己動作形の燃料電池（例えば、特許文献１参照）が知られている。
しかしながら、このタイプの燃料電池では、セパレータを用いることができないので、シート状の単位セルの接合体は二次元平面上に接続せざるを得ず、その結果３次元空間を有効に利用しての電池接合（スタック化）ができないという課題がある。

他方、液体燃料を毛管力により各単位セルの一端側で共通の吸収体に隣接させて単位セル内に導入した後、液体燃料を燃料気化層にて気化して、使用する燃料電池（例えば、特許文献２参照）が知られているが、この燃料電池では基本的な問題点である燃料の追従性不足は改善されず、燃料極に直接液体燃料を供給する際に燃料の供給が不安定で動作中の出力値に変動が生じたりする課題を有し、安定な特性を維持したまま携帯機器への搭載が可能な程度の小型化は困難であるという課題を有する。

このように従来の小型携帯機器用の電源としての燃料電池システムの開発では、未だシステム全体の小型化、高出力化、騒音を出さないことなどの課題の解決が不十分であり、更なる小型化、高出力化を発揮できる燃料電池の出現が切望されているのが現状である。
特開２００３−１００３１５号公報（特許請求の範囲、実施例等） 特開２００１−１０２０６９号公報（特許請求の範囲、実施例等）

本発明は、上記従来技術の課題及び現状等に鑑み、これを解消しようとするものであり、小型携帯機器用等の電源としての燃料電池システム全体の小型化、高出力化、騒音も少ない燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記従来の課題等を解決するために、鋭意検討した結果、一部又は全体に電気導電性を有する特定物性となる基材の表面に電極／電解質／電極の各層を形成した単位セル又は該単位セルを２以上連結した連結体を構成し、上記特定物性の基材に液体燃料を浸透させると共に、基材の外表面に形成される電極面を空気に曝す構造を具備することなどにより、上記目的の燃料電池が得られることを見い出し、本発明を完成するに至ったのである。

すなわち、本発明は、次の（１）〜（１３）に存する。
（１） 電気導電性を有する炭素質多孔体を基材とし、該基材の表面に電極／電解質／電極の各層を形成した単位セル又は該単位セルを２以上連結した連結体を備え、上記基材に液体燃料を浸透させると共に、基材の外表面に形成される電極面を空気に曝す構造を具備してなることを特徴とする燃料電池。
（２） 電気導電性を有する炭素質多孔体を基材とし、該基材の表面に電極／電解質／電極の各層を形成した単位セル又は該単位セルを２以上連結した連結体を備え、上記基材に空気を拡散又は対流させると共に、基材の外表面に形成される電極面を液体燃料に曝す構造を具備してなることを特徴とする燃料電池。
（３） 前記基材は、少なくとも一部に電気導電性を有する上記（１）又は（２）記載の燃料電池。
（４） 前記基材は、少なくとも一部が炭素質多孔体からなる上記（１）〜（３）の何れか一つに記載の燃料電池。
（５） 前記基材となる炭素質多孔体が平均孔径１〜１００μｍ、気孔率１０〜８５％であり、かつ、毛管現象により液浸透性を有する上記（１）〜（４）の何れか一つに記載の燃料電池。
（６） 前記基材となる炭素質多孔体が、アモルファス炭素又はアモルファス炭素と炭素粉末との複合体からなる上記（１）〜（５）の何れか一つに記載の燃料電池。
（７） 前記基材となる炭素質多孔体の形状が、板状、円柱状、角柱状及び筒状から選ばれる少なくとも１種である上記（１）〜（６）の何れか一つに記載の燃料電池。
（８） 前記基材となる炭素質多孔体の内部には、貫通孔を有する上記（１）〜（７）の何れか一つに記載の燃料電池。
（９） 単位セルには、電極層を有しない対向側に液体燃料の吸液及び空気拡散を調整する隔壁体が設けられる上記（１）〜（８）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１０） 単位セルを２以上連結した連結体は、各セル間が等間隔に連結される上記（１）〜（９）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１１） 単位セル同士の電気的接続が直列接続又は並列接続及びその組み合わせからなる請求項１〜１０の何れか一つに記載の燃料電池。
（１２） 液体燃料がメタノール液、エタノール液、ジメチルエーテル、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液から選ばれる上記（１）〜（１１）の何れか一つに記載の燃料電池。
（１３） 液体燃料がメタノール液であり、その濃度が０．５〜２０Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）である上記（１）〜（１１）の何れか一つに記載の燃料電池。

本発明によれば、電気導電性を有する炭素質多孔体を電極・集電体、液体燃料又はガスの浸透媒体、及び電池支持体として共有することにより、複数の電池の連結を電池端部等の一部のみで行うことができ、セパレータを不要とすることができるので、この不要となった空間をガス又は液体燃料の対流・拡散の場に利用することで、燃料電池システムの小型化と高出力化を発揮することができる燃料電池が提供される。

以下に、本発明の実施形態を図面を参照しながら詳しく説明する。
図１及び図２は、本発明の第１実施形態を示す燃料電池Ａを示すものである。
この第１実施形態を示す燃料電池Ａは、図１（ａ）に示すように、電気導電性を有する炭素質多孔体を基材１０とし、該基材１０の表面に電極１１／電解質１２／電極１３の各層（ＭＥＡ）を形成した単位セル（燃料電池セル）１４を備えている。

本実施形態の基材１０となる炭素質多孔体は、電気導電性を有すると共に、液体燃料及びガスの浸透媒体、並びに、電池支持体として機能（以下、単に「各特性」という場合がある）するものであり、これらの特性を有するものであれば、その素材は特に限定されるものでないが、例えば、アモルファス炭素、アモルファス炭素と炭素粉末との複合体、等方性高密度炭素成形体、炭素繊維抄紙成形体、活性炭素成形体などが挙げられ、好ましくは、成形性、コスト、所望の物性が容易に得られる点等から、アモルファス炭素、アモルファス炭素と炭素粉末との複合体により構成することが望ましい。
アモルファス炭素は、焼成により５％以上の炭化収率を示すもので、例えば、ポリ塩化ビニル、塩素化塩化ビニル樹脂、ポリアクリロニトリル、ポリビニルアルコール、ポリ塩化ビニル−ポリ酢酸ビニル共重合体等の熱可塑性樹脂、フェノール樹脂、フラン樹脂、イミド樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、セルロース、アラビアガムなどの天然高分子物質等から選ばれる少なくとも１種の原料を焼成することなどにより得られる。
また、炭素粉末としては、例えば、黒鉛、タール状物質を更に乾留して得られるピッチ、炭素繊維、カーボンナノチューブ、メソカーボンマイクロビーズから選ばれる少なくとも１種が挙げられる。
上記アモルファス炭素と炭素粉末との複合体は、全量に対して、粒径を調整したアモルファス炭素原料５０〜１００重量％と炭素粉末０〜５０重量％とを混合したものを、例えば、不活性雰囲気中で７００℃以上で炭素化することなどにより得られる。

また、上記各特性を好ましく発揮させるために、基材１０となる炭素質多孔体は、平均孔径１〜１００μｍ、気孔率１０〜８５％であり、かつ、毛管現象により液浸透性（液体燃料を浸透させる機能）及び自己形状を保持するのに十分な強度を有するものであることが望ましい。本実施形態では、平均孔径２０μｍ、気孔率５５％、毛管現象により液浸透性及び自己形状を保持するのに十分な強度を有するものとなっている。
更に好ましくは、平均孔径５〜７０μｍ、気孔率２０〜７０％とし、かつ、毛管現象により液浸透性を有するものであることが特に望ましい。
なお、上記平均孔径（１〜１００μｍ）、気孔率（１０〜８５％）などが上記各範囲外となる場合は、電気導電性、液体燃料及びガスの浸透媒体、並びに、電池支持体としての機能に不都合を生じることがあり、好ましくない。
また、液浸透性を向上させるためには、更に、得られた基材に、空気酸化、電気化学的な酸化などの処理を施してもよい。

上記各特性を有する炭素質多孔体は、例えば、熱融着可能な上述の樹脂粒子を任意の形状の型に入れ、加熱等により融着し、不活性雰囲気中で焼成することで目的の連続気孔を有する炭素質多孔体を製造することができ、また、結合材である樹脂と炭素粉末である黒鉛などを混合・混練したものを粉砕・造粒し、任意の形状の型に入れプレス成形し、不活性雰囲気中で焼成することで目的の連続気孔を有する炭素質多孔体を製造することができる。

本実施形態の基材１０となる炭素質多孔体は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、形状は平板状となっており、全体が上記各特性を有するものである。
また、本発明では、基材１０は、少なくとも一部に電気導電性を有してもよく、及び／又は、少なくとも一部が炭素質多孔体からなるものであってもよいものである。
例えば、図１（ｃ）に示すように、基材１０の一部を非導電性多孔体１０ａとし、他方を導電性多孔体１０ｂとしたものであってもよい。この場合、導電性多孔体１０ｂの表面にＭＥＡが形成される。
また、図１（ｄ）に示すように、基材１０の上部及び下部を非導電性多孔体１０ａとし、その他を導電性多孔体１０ｂとしたものであってもよい。この場合、導電性多孔体１０ｂの表面にＭＥＡが形成される。
更に、図１（ｅ）に示すように、基材１０の一部を導電性又は非導電性となる非多孔体１０ｃとし、他方を導電性多孔体１０ｂとしたものであってもよい。この場合、導電性多孔体１０ｂの表面にＭＥＡが形成される。

電極１１は、基材１０の一方の外表面部に、白金−ルテニウム（Ｐｔ−Ｒｕ）触媒、イリジウム−ルテニウム（Ｉｒ−Ｒｕ）触媒、白金−スズ（Ｐｔ−Ｓｎ）触媒などを塗布した燃料極となっている。
電解質層１２は、プロトン伝導性又は水酸化物イオン伝導性を有するイオン交換膜、例えば、ナフィオン１１２、同１１７（Ｎａｆｉｏｎ、以上、Ｄｕ ｐｏｎｔ社製）等を用いたフッ素系イオン交換膜が用いられる他、耐熱性、メタノールクロスオーバーの抑制が良好なもの、例えば、無機化合物をプロトン伝導材料とし、ポリマーを膜材料としたコンポジット（複合）膜、具体的には、無機化合物としてゼオライトを用い、ポリマーとしてスチレン−ブタジエン系ラバーからなる複合膜、炭化水素系グラフト膜なども用いることができる。
また、電極１３は、カーボンペーパーなどの多孔質構造からなるシート状炭素多孔体に白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等を塗布などにより担持させた空気極である。

本実施形態の単位セル（燃料電池セル）１４は、上記各特性を有する基材１０表面にＰｔ−Ｒｕ／Ｃ触媒を塗布した燃料極１１、シート状炭素多孔体にＰｔ／Ｃ触媒を塗布した空気極１３とで電解質膜１２を挟持し、ホットプレスにより形成することができる。
得られた単位セル（燃料電池セル）１４は、液体燃料を収容すると共に、該単位セル（燃料電池セル）１４を保持するホルダー体２０に保持されるものとなる。
ホルダー体２０は、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、一方側が開口した断面凹状の形状となって内部が液体燃料３０を収容する液体燃料収容部２１となっており、空気極１３が外表面（大気側）となるように取付部材２２，２２で単位セル（燃料電池セル）１４がホルダー体２０内に取り付けられている。
このホルダー体２０の材質としては、収容される液体燃料に対して保存安定性、耐久性を有するものであれば、特に限定されず、例えば、ステンレスなどの金属製、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの合成樹脂が挙げられる。また、図示符号２３は、蓋部を有する燃料供給孔であり、また、図示符号１１ａ，１３ａはそれぞれ燃料極端子、空気極端子である。

上記液体燃料収容部２１に収容される液体燃料３０としては、メタノールと水とからなるメタノール液が挙げられるが、燃料極１１において燃料として供給された水素が水素イオン（Ｈ⁺）と電子（ｅ^-）に分解できるものであれば、液体燃料は特に限定されず、燃料極１１の構造などにもよるが、例えば、ジメチルエーテル（ＤＭＥ、ＣＨ₃ＯＣＨ₃）、エタノール液、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液などの各水素源を有する液体燃料も用いることができる。また、メタノール、エタノール、ＤＭＥなどの各液体燃料の各濃度は適宜設定される。
好ましくは、コスト、供給性、反応活性の高さなどの点から、メタノール液が望ましく、その濃度は、０．５〜２０Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）とすることが好ましく、更に好ましくは、５〜１８Ｍとすることが望ましい。従来においては、通常１〜３Ｍのメタノール濃度に最適値が見られ、それ以上の濃度ではメタノールのクロスオーバーのため性能が低下しているものであったが、本発明では、上記各特性を有する基材を用いると、従来において使用されなかった５Ｍ以上、特に１０Ｍ以上の高濃度のメタノール液も使用することができる。これは、未だ理由を明確にできていないが、恐らく多孔質基材が電解質膜でのメタノールのクロスオーバーを抑制する効果を持つこと、具体的には、電解質膜に接する多孔質基材の表面部分に反応生成物である二酸化炭素のガス相が形成、保持され、それによりメタノールのクロスオーバーが抑制されるものと推察される。高濃度のメタノール液の使用は、燃料のエネルギー密度を上げるため、少量の燃料での長時間の発電や、燃料槽の小型化に有利になるという優れた特性をもたらす。また、本発明では、後述する実施例等で示すように、メタノール１ｍｏｌと水１ｍｏｌを混合した液体のメタノール濃度（１７．１Ｍ）も使用でき、効率よく、理想の濃度を利用できることとなる。

このように構成される本実施形態の燃料電池Ａでは、電気導電性を有する炭素質多孔体を基材１０とし、該基材１０の表面に電極１１／電解質１２／電極１３の各層を形成した単位セル１４をホルダー体２０に取り付け、基材１０に液体燃料３０を浸透させると共に、基材１０の外表面に形成される電極１３面を空気に曝す構造となり、上記基材１０を電極・集電体、液体燃料又はガスの浸透媒体、及び電池支持体として共有するものであり、燃料収容部２１内の液体燃料３０を浸透作用により燃料電池セル１４に導入されて発電するものである。
本実施形態では、基材１０が上記特性、すなわち、電気導電性を有すると共に、液体燃料及びガスの浸透媒体、並びに、電池支持体として機能するので、液体燃料は外部に漏出することがなく、燃料電池Ａを縦型配置〔図２（ａ）〕、横型配置〔図２（ｂ）〕にされても、燃料収容部２１から単位セル１４に直接液体燃料が途絶えることなく安定的に、かつ、継続的に供給することができるものとなる。

この実施形態の燃料電池Ａでは、ポンプやブロワ、燃料気化器、凝縮器等の補器を特に用いることなく電気導電性を有する炭素質多孔体となる基材を電極・集電体、液体燃料又はガスの浸透媒体、及び電池支持体として共有することにより、セパレータを不要とすることができるので、この不要となった空間をガス又は液体燃料の対流・拡散の場に利用することで、液体燃料を気化せずそのまま円滑に供給することができる構造となるため、燃料電池の小型化を図ることが可能となる。
更に、この実施形態では、燃料供給孔２３より液体燃料を補充することで、燃料の補充が簡単にできると共に、液体燃料を安定的に供給することができる。
更にまた、本実施形態では、燃料電池セル１４を１つ使用した形態を示したが、後述するように、燃料電池セル１４を連結構造（直列又は並列、並びにこれらの組み合わせ）とすることにより所要の起電力（高出力化）等とすることができる。

図３（ａ）及び（ｂ）は、図２の燃料電池セル１４の別形態であり、燃料電池セルをカートリッジ化した形態を示す斜視図と部分横断面図である。なお、上記実施形態と同様の構成は同一符号を示してその説明を省略する（以下の形態においても同様）。また、図３は、液体燃料（燃料溶液）を下部から上部へ浸透させる態様のものである。
この燃料電池セル１５は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、上記各特性を有する板状となる炭素質多孔体を基材１０とし、該基材１０の表面（両面）に電極１１／電解質１２／電極１３の各層（ＭＥＡ）を形成したものであり、基材１０の上部面にガス抜き及び液体燃料浸透促進のための通気通液孔１６，１６…を有する通気孔部材１７が取り付けられたものである。なお、上記通気通液孔１６には、液体燃料浸透促進のために液体浸透特性を有する吸水材等が詰められていてもよい。この吸水材等としては、例えば、フェルト、スポンジ、または、樹脂粒子焼結体、樹脂繊維焼結体などの焼結体等から構成される毛管力を有する多孔体や、天然繊維、獣毛繊維、ポリアセタール系樹脂、アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリビニル系樹脂、ポリカーボネート系樹脂、ポリエーテル系樹脂、ポリフェニレン系樹脂などの１種又は２種以上の組合せからなる繊維束体からなるものが挙げられる。
このカートリッジ化した燃料電池セル１５を用いることにより、燃料電池セル１５の連結作業、電気的接続の効率化、電池（セル）間のスペースの空洞化による空気あるいは液体燃料の対流、拡散速度の増大による電池性能の向上を発揮することができる。

図４（ａ）は、燃料電池セルの２つを１ユニットとして構成する形態の斜視図であり、（ｂ）は、燃料電池セルの電極層を有しない対向側に液体燃料の吸液及び空気拡散を調整する隔壁体を設ける構造を示す斜視図である。
図４（ａ）では、上記各特性を有する平板状の炭素質多孔体１０の外側の片面に電池層（電極／電解質／電極）を形成した燃料電池セル１５，１５を背中合わせに所定間隔おいて配置して、該燃料電池セル１５，１５間に、液体燃料あるいは空気を拡散、流通させる空隙部１８を形成したものである。この燃料電池セル１５，１５の接続は、直列又は並列に電気的に接続される。この空隙部１８により、液体燃料の対流、拡散の増大による電池性能の向上を発揮することができる。また、上記空隙部１８には、液体燃料の浸透促進のために液体浸透特性を有する上述の吸水材等が詰められていてもよい。
更に、上記形態を１ユニットとして、単独で又は２ユニット以上を更に直列又は並列に電気的に接続して使用される。
図４（ｂ）では、燃料電池セル１５の電極層を有しない対向側に、上記と同様の機能を有する空隙部１８を形成するように所定間隔おいて隔壁体１９を設けたものである。この隔壁体１９としては、燃料あるいは空気遮断できるものであれば特に限定されず、例えば、プラスチック板、金属板、ガラス板、セラミック板などから構成することができる。

図５は、図３でカートリッジ化した燃料電池セル１５，１５を直列に接続する場合の構造を示す斜視図であり、図６は、図３でカートリッジ化した燃料電池セル１５，１５を並列に接続する場合の構造を示す斜視図である。なお、図３でカートリッジ化した燃料電池セル１５，１５…を多数用いて、図５の直列接続及び図６の並列接続を組み合わせた構造の燃料電池としてもよい。

また、図７は、図３でカートリッジ化した燃料電池セル１５，１５…５つを連結して直列に接続する場合の構造を示す斜視図である。この燃料電池セル１５，１５…は、スペーサー部材を介して各セル間が等間隔、または、液体燃料を収容し、上記燃料電池セル１５，１５…を保持するホルダー体に各セル間が等間隔となるように取り付けることが好ましい。各セル間を等間隔とすることにより、セル間を対流、拡散する空気あるいは燃料の流れ、濃度が均一化され、各セルの出力が均一化され、電池の出力安定化を発揮することができる、なお、空気更新による、高出力化のため、適宜小型のファンを用いて、空気を強制対流してもよいものである。
更に、この２以上の燃料電池セル１５，１５を連結体とする場合〔及び上記図４（ａ）の燃料電池とする場合及び図４（ｂ）の隔壁体１９を設けた燃料電池とする場合〕、基材１０の厚さ、各セル間又はセルと隔壁体の間隔は、燃料電池の用途、燃料電池セル１５の大きさや形状、基材１０の吸液性能、用いる液体燃料などにより変動するが、システムのコンパクト化の点から、基材１０の厚さＨ、各セル間の間隔又はセルと隔壁体の間をＫとした場合、Ｈは１〜２０ｍｍ程度、Ｋは、１〜２０ｍｍ程度とすることが好ましい。
また、基材（通気孔部材を含む）１０の幅（Ｗ）は、燃料電池の用途、燃料電池セル１５の大きさや形状、基材１０の吸液性能、用いる液体燃料などにより変動するが１〜５００ｍｍ程度、高さ（Ｔ）は５〜３００ｍｍ程度とすることが望ましい。
この実施形態では、基材１０の厚さＨは２ｍｍ、間隔Ｋは２ｍｍ、基材（通気孔部材を含む）１０の高さＴは５０ｍｍ、幅Ｗは５０ｍｍとなっている。

図８（ａ）〜（ｃ）は、図７の形態をホルダー体に取り付けた構成を示す概略図面である。
この燃料電池Ｂは、図８（ａ）に示すように、図３でカートリッジ化した燃料電池セル１５，１５…５つは、液体燃料３０を収容する液体燃料タンク３１と同様タンクの一部に生成気体の排出孔を有するホルダー体３２の各取付部に取り付けられて、上記各セル間が等間隔に設定されたものである。
この構造の燃料電池Ｂは、各燃料電池セル１５の炭素質多孔体で液体燃料３０を浸透させると共に、外表面に形成される電極面を空気に曝す構造であり、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、各燃料電池セルの長さ方向を水平にしても、垂直にしても又は斜めにしても、液体燃料３０の浸透方向が上からでも、下からでも、横からでも浸透させることができので、液体燃料タンク３１から各燃料電池セル１５に直接液体燃料が途絶えることなく安定的に、かつ、継続的に供給することができ、各燃料電池セル１５に液体燃料が導入されて発電するものである。

図９に示す燃料電池Ｃは、図３でカートリッジ化した燃料電池セル１５，１５…５つは、液体燃料３０を収容する液体燃料タンク３３内に配置されると共に、該タンク３３の上下に取り付けられる空気チャンバー３４，３５の各取付部に取り付けられて、上記各セル間が等間隔に設定されたものである。
この構造の燃料電池Ｃは、上記空気チャンバー３４，３５により各燃料電池セル１５，１５…の基材に空気を拡散又は対流させると共に、基材の外表面に形成される電極面を液体燃料３０に曝す構造となるものであり、液体燃料タンク３３から各燃料電池セル１５に直接液体燃料が途絶えることなく安定的に、かつ、継続的に供給することができ、各燃料電池セル１５に液体燃料が導入されて発電するものである。

図１０は、高出力用（例えば、数十〜１００Ｗ）の燃料電池の形態を示すものである。
この燃料電池Ｄは、図１０に示すように、下部から順次、液体燃料３０を収容する燃料タンク４０と、カートリッジ化した燃料電池セル１５，１５…を多数収容する収容部４１と、液体燃料中の生成気体の排出口を有するホルダー部４２とを備え、液体燃料３０を収容する液体燃料タンク４０とホルダー部４２の各取付部に取り付けられて、上記各セル間が等間隔に設定されると共に、収容部４１の外周面には、空気が通りやすい空気流通部材４３、例えば、網状、スリット孔等となっている。また、各燃料電池セル１５，１５…は、直列に接続されており、図示符号４４は電源端子である。
この構造の燃料電池Ｄは、各燃料電池セル１５の炭素質多孔体で液体燃料３０を浸透させると共に、外表面に形成される電極面を空気に曝す構造であり、液体燃料タンク４０から各燃料電池セル１５に直接液体燃料が途絶えることなく安定的に、かつ、継続的に供給することができ、各燃料電池セル１５に液体燃料が導入されて発電するものである。なお、更なる出力増大の点から、ファン等で空気を送風してもよいものである。

図１１（ａ）〜（ｃ）は、筆記具、携帯電話、ノート型パソコン等の小型機器に収容される各形態の燃料電池を示す概略図面であり、燃料電池セルが円筒状のものを使用した燃料電池Ｅである。
この燃料電池Ｅは、上述の燃料電池Ｄと貫通孔を有して外観形状が円柱状となる点で異なるものであり、図１１（ａ）に示すように、下部から順次、液体燃料３０を収容する燃料タンク４５と、円柱状の燃料電池セル１６，１６…を多数（本形態では４つ）収容する収容部４６と、液体燃料中の生成気体の排出口を有するホルダー部４７とを備え、液体燃料３０を収容する液体燃料タンク４４とホルダー部４７の各取付部に取り付けられて、上記各セル間同士が夫々等間隔に設定されると共に、収容部４６の外周面には、空気が通りやすい空気流通部材４８、例えば、網状、スリット孔等となっている。また、各燃料電池セル１６，１６…の端部で電気的接続を直列又は並列にすることにより容易にスタック化が可能である。なお、図示符号４９は電源端子である。
各燃料電池セル１６，１６…は、図１１（ｂ）及び（ｃ）に示すように、中央部にガス抜き及び液体燃料浸透促進用の貫通孔１６ａが形成されると共に、円筒状の多孔質炭素基材１０の該表面に電極１１／電解質１２／電極１３の各層が形成された構造である。
この構造の燃料電池Ｅは、各燃料電池セル１６の炭素質多孔体で液体燃料３０を浸透させると共に、外表面に形成される電極面を空気に曝す構造であり、円柱状の立体空間を有効に利用でき、かつ、セパレーターが不要であり、しかも、外表面の空気極が空気と十分に接触できるだけの空間が確保でき、液体燃料タンク４４から各円柱状の燃料電池セル１６に直接液体燃料が途絶えることなく安定的に、かつ、継続的に供給することができ、各燃料電池セル１６に液体燃料が導入されて発電するものである。

本発明の燃料電池は、上述の如く構成及び各作用効果を発揮するものであるが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々の態様で実施することもできる。
例えば、上記実施形態において前記基材となる炭素質多孔体の形状を、平板状又は円柱状としてが、角柱状、円筒状、方形筒状、波板状としてもよいものである。
また、炭素多孔体の一部が非導電性、非多孔体でもよい。

次に、試験例となる実施例により本発明を更に詳細に説明するが、本発明は下記実施例等に限定されるものではない。

〔試験例１〕
下記の製造法により下記構成の炭素質多孔体を基材とした。
（炭素質多孔体の製造方法）
塩素化塩化ビニル樹脂粉末（日本カーバイト社製、Ｔ−７４１）を５０〜３００μｍの範囲で分級した塩素化塩化ビニル樹脂粉末９７部と天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業社製、平均粒径５μｍ）３部とをヘンシェルミキサーでよく混合し、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、深さ５ｍｍの型に投入し、その後、不活性雰囲気下で１０００℃まで焼成することで粉末粒子が融着し、連続気孔を有する炭素質多孔体（平均粒径２０μｍ、気孔率５５％）を得た。
得られた炭素素質多孔体を加工し、幅２５ｍｍ×長さ６５ｍｍ×厚み２ｍｍの素質炭多孔体を得た。

〔電池（ＭＥＡ）の作製〕
得られた上記幅２５ｍｍ×長さ６５ｍｍ×厚み２ｍｍの炭素質多孔体を基材１０として用いた。
燃料極層は、白金／ルテニウムが１：１（原子比）の白金／ルテニウム微粒子をカーボン微粒子担体に６５ｗｔ％分散担持した触媒粉末と、水、グリセロール、５ｗｔ％ナフィオン１１７アルコール水溶液（和光純薬工業社製）、イソプロピルアルコールとを重量比で１：１：３：３：３の割合で混合したスラリーを調整し、スラリー塗布法で基材の表面の厚さ約５０μｍ塗布し、乾燥させ多孔質膜を形成し、燃料極１１とした。
空気極層は、撥水処理したカーボンペーパー表面に、カーボン微粒子担体に５０ｗｔ％の白金微粒子を担持した触媒粉末と、水、グリセロール、ナフィンオンアルコール水溶液の混合体からなるスラリーをカーボン微粒子担体に厚さ約５０μｍ塗布し、乾燥させ多孔質膜に形成した。これを幅２５ｍｍ×６５ｍｍ長さに切り出した空気極１３とした。
また、厚さ５０μｍのナフィオン１１２電解質膜を幅２５ｍｍ×１００ｍｍ長さに切り出し電解質膜１２とした。
燃料極層、空気極層表面に５ｗｔ％のナフィオン１１７アルコール溶液を少量塗布、乾燥させた後、基材上の燃料極層と空気極層とで各電極層が重なるようにして電解質膜を中に入れて挟み、１３０℃の温度下で、約８０ｋｇｆ／ｃｍ²で加圧し、３分間保持して接合し、電池（ＭＥＡ）を作製した。

この燃料電池セルを用いて、図２（ａ）及び（ｂ）に準拠する燃料電池を得た。
液体燃料としてメタノール水溶液（メタノール濃度２Ｍ，１０Ｍ（Ｍ＝ｍｏｌ／Ｌ）２０ｍｌを用いた。
この燃料電池を縦型配置〔図２（ａ）参照〕として炭素質多孔体の基材下部のみメタノール水溶液を接触させ自己浸透させた場合、並びに、横型配置〔図２（ｂ）〕にしてメタノール水溶液を浸透させた場合のそれぞれについて発電試験（電流−電圧曲線）を行った。空気極は流れのない常温（２５℃）、常圧下の空気で行った。
これらの結果（電流−電圧曲線）を図１２及び図１３に示す。
図１２（ａ）の横型配置の場合の結果及び（ｂ）の縦型配置の場合の結果からも明らかなように、単セルから０．５Ｖ程度までの電圧範囲で電流を取り出すことができ、１０ｍＷを超える最大出力が得られ、それぞれ良好な作動をすることが判明した。
更に、図１３（ａ）は、メタノール濃度が１０Ｍのときの電流−電圧曲線、（ｂ）は一定電圧（０．１Ｖ）での連続発電結果である。１０Ｍのときも２Ｍの場合とほぼ同様の出力が得られ、広い濃度範囲で同様の発電特性が得られるという良好な作動をすることが判明した。また、８時間以上の連続発電の際にも大きな電圧の降下もなく安定に電流を取り出せ、良好な作動が安定して行えることが判明した。

〔電池連結体〕
上記で得られた２つの燃料電池セルを用いて、セル間隔１０ｍｍで図２（ａ）及び（ｂ）並びに図４（ａ）に準拠する並列接続、直列接続の燃料電池を得た。
得られた燃料電池について、上記と同様にして発電試験（電流−電圧曲線）を行った。
これらの結果（電流−電圧曲線）を図１４（ａ）及び（ｂ）に示す。
図１４（ａ）は、並列接続の場合の電流−電圧曲線であり、（ｂ）は直列接続の場合の電流−電圧曲線である。並列接続では単位セルのほぼ２倍の大きさの電流値が、また、直列接続では単位セルのほぼ２倍の大きさの電流値が得られ、連結体にした場合も良好な作動をすることが判明した。

〔試験例２〕
下記の製造法により下記構成の炭素質多孔体を基材とした。
（炭素質多孔体の製造方法）
乾留ピッチ（呉羽化学工業社製、ＫＨ−ＩＰ）１５部、フラン樹脂（日立化成社製、ＶＦ３０３）３５部、ポリメチルメタクリレート（積水化成品工業社製、平均粒径６０μｍ）３５部、天然鱗状黒鉛（日本黒鉛工業社製、平均粒径５μｍ）１５部を分級、混合、混練後に粉砕し、分級後、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、深さ５ｍｍの型に投入した後、圧縮成形し、連続気孔を有する炭素質多孔体（平均粒径６０μｍ、気孔率６０％）を得た。
得られた炭素素質多孔体を加工し、幅２５ｍｍ×長さ６５ｍｍ×厚み２ｍｍの炭素質多孔体を得た。

〔電池（ＭＥＡ）の作製〕
上記試験例１の電池（ＭＥＡ）の作製と同様にして、ただし、電解質膜１２として、厚さ５０μｍのナフィオン１１２、１１７の２種を用いて各電池（ＭＥＡ）を作製した。
これらの燃料電池セルを用いて、図２（ｂ）に準拠する燃料電池を得た。
液体燃料としてメタノール水溶液（メタノール液濃度２Ｍ，５Ｍ，１０Ｍ，１２Ｍ，１５Ｍ，１７Ｍ，２０Ｍ（Ｍ＝ｍｏｌ／Ｌ）２０ｍｌを用いた。
この燃料電池を横型配置〔図２（ｂ）〕にしてメタノール水溶液を浸透させた場合について発電試験（電流密度−電池電圧曲線）を行った。空気極は流れのない常温（１５〜１８℃、１８〜２０℃）、常圧下の空気で行った。
これらの結果（電流−電圧曲線）を図１５及び下記表１〔ナフィオン１１７使用〕、並びに、図１６及び下記表２〔ナフィオン１１２使用〕に示す。

図１５（表１）及び図１６（表２）の結果からも明らかなように、メタノール液濃度１５Ｍ〜１７Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）で最適値を示している。電極におけるメタノールと水の反応では理論的にはメタノール１ｍｏｌに対して水１ｍｏｌが利用される。通常、メタノール１ｍｏｌと水１ｍｏｌを混合した液体のメタノール濃度は、１７．１Ｍとなるので、本発明ではほぼ理想の濃度を利用できることが判った。
従来においては、通常１〜３Ｍのメタノール濃度に最適値が見られ、それ以上の濃度ではメタノールのクロスオーバーのため性能が低下しているものであったが、本発明では、上記各特性を有する基材を用いることによって、高濃度のメタノール液を利用できるようになり、その結果燃料の体積当たりのエネルギー密度が高くなるので、装置の更なるコンパクト化に最適である。

（ａ）は燃料電池セルの実施形態の一例を示す斜視図であり、（ｂ）〜（ｅ）は基材の各形態を横断面態様で示す概略断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は第１実施形態の燃料電池を示すものであり、（ａ）は縦型配置、（ｂ）は横型配置を縦断面態様で示す図面である。 （ａ）は燃料電池セルをカートリッジ化した形態を示す斜視図、（ｂ）は横断面態様で示す部分断面図である。 （ａ）は、燃料電池セルの２つを１ユニットとして構成する形態の斜視図であり、（ｂ）は、燃料電池セルの電極層を有しない対向側に液体燃料の吸液及び空気拡散を調整する隔壁体を設ける構造を示す斜視図である。 図３でカートリッジ化した燃料電池セルを直列に接続する場合の形態を示す斜視図である。 図３でカートリッジ化した燃料電池セルを並列に接続する場合の形態を示す斜視図である。 図３でカートリッジ化した燃料電池セルを５つ連結して直列に接続する場合の形態を示す斜視図である。 （ａ）〜（ｃ）は、図６の形態を燃料タンク及びホルダー体に取り付けた構成を示し、燃料タンクが上部又は下部となる縦型配置、並びに、横型配置の形態を示す概略図面である。 本発明の他の形態を示す燃料電池の概略図面である。 本発明の他の形態を示す燃料電池の概略図面である。 （ａ）は本発明の他の形態を示す燃料電池の概略図面であり、（ｂ）はその燃料電池セルの構造を示す概略図面、（ｃ）は燃料電池セルの横断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は２Ｍメタノ−ル濃度の発電試験結果（電流−電圧曲線）を示す図表であり、（ａ）は縦型配置の場合、（ｂ）は横型配置の場合である。 （ａ）及び（ｂ）は１０Ｍメタノ−ル濃度の発電試験結果（電流−電圧曲線）を示す図表であり、（ａ）はその電流−電圧曲線の図表、（ｂ）は一定電圧での連続発電結果を示す図表である。 （ａ）及び（ｂ）は連結体の発電試験結果（電流−電圧曲線）を示す図表であり、（ａ）は並列接続の場合、（ｂ）は直列接続の場合である。 電解質膜としてナフィオン１１７を用いた場合の各メタノール液濃度における電流密度−電圧曲線の図表である。 電解質膜としてナフィオン１１２を用いた場合の各メタノール液濃度における電流密度−電圧曲線の図表である。 従来の燃料電池の形態を断面態様で示す概略図面である。 従来の燃料電池の他の形態を断面態様で示す概略図面である。

符号の説明

Ａ 燃料電池
１０ 基材（炭素質多孔体）
１１ 電極（燃料極）
１２ 電解質層
１３ 電極（空気極）

Claims (13)

1. 電気導電性を有する炭素質多孔体を基材とし、該基材の表面に電極／電解質／電極の各層を形成した単位セル又は該単位セルを２以上連結した連結体を備え、上記基材に液体燃料を浸透させると共に、基材の外表面に形成される電極面を空気に曝す構造を具備してなることを特徴とする燃料電池。
2. 電気導電性を有する炭素質多孔体を基材とし、該基材の表面に電極／電解質／電極の各層を形成した単位セル又は該単位セルを２以上連結した連結体を備え、上記基材に空気を拡散又は対流させると共に、基材の外表面に形成される電極面を液体燃料に曝す構造を具備してなることを特徴とする燃料電池。
3. 前記基材は、少なくとも一部に電気導電性を有する請求項１又は２記載の燃料電池。
4. 前記基材は、少なくとも一部が炭素質多孔体からなる請求項１〜３の何れか一つに記載の燃料電池。
5. 前記基材となる炭素質多孔体が平均孔径１〜１００μｍ、気孔率１０〜８５％であり、かつ、毛管現象により液浸透性を有する請求項１〜４の何れか一つに記載の燃料電池。
6. 前記基材となる炭素質多孔体が、アモルファス炭素又はアモルファス炭素と炭素粉末との複合体からなる請求項１〜５の何れか一つに記載の燃料電池。
7. 前記基材となる炭素質多孔体の形状が、板状、円柱状、角柱状及び筒状から選ばれる少なくとも１種である請求項１〜６の何れか一つに記載の燃料電池。
8. 前記基材となる炭素質多孔体の内部には、貫通孔を有する請求項１〜７の何れか一つに記載の燃料電池。
9. 単位セルには、電極層を有しない対向側に液体燃料の吸液及び空気拡散を調整する隔壁体が設けられる請求項１〜８の何れか一つに記載の燃料電池。
10. 単位セルを２以上連結した連結体は、各セル間が等間隔に連結される請求項１〜９の何れか一つに記載の燃料電池。
11. 単位セル同士の電気的接続が直列接続又は並列接続及びその組み合わせからなる請求項１〜１０の何れか一つに記載の燃料電池。
12. 液体燃料がメタノール液、エタノール液、ジメチルエーテル、ギ酸、ヒドラジン、アンモニア液から選ばれる請求項１〜１１の何れか一つに記載の燃料電池。
13. 液体燃料がメタノール液であり、その濃度が０．５〜２０Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ）である請求項１〜１１の何れか一つに記載の燃料電池。

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