JP2006054082A

JP2006054082A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2006054082A
Application number: JP2004233726A
Authority: JP
Inventors: Kensuke Yoshida; 賢介吉田; Hiroaki Yoshida; 宏章吉田; Masami Tsutsumi; 正巳堤; Fumio Takei; 文雄武井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2006-02-23
Anticipated expiration: 2024-08-10
Also published as: US20060035123A1; US7553570B2; JP4568053B2

Abstract

【課題】液体燃料を最適な濃度に引き上げて発電を行えるようにして、発電効率の向上を実現する。
【解決手段】燃料貯蔵部２１０に貯蔵されている液体燃料に対して圧力印加部４００により背圧が印加されており、当該液体燃料を気化し、当該気化した燃料ガスを燃料極１０に供する液体燃料気化膜２２０を非多孔質膜で形成するようにする。これにより、燃料極１０への液体燃料の漏洩を回避し、液体燃料を最適な濃度に引き上げるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料貯蔵部に貯蔵された液体燃料を気化して、気化した燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池に関するものである。

近年、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistants）、ノート型パソコンなどの携帯型電子機器の進展に伴い、その駆動電源やメモリ保持電源となる電池についても、小型化、軽量化、そして高容量化が求められてきている。現在の携帯型電子機器においては、リチウムイオン電池が駆動電源等として最も一般的に用いられている。

このリチウムイオン電池は、実用化当初から高い駆動電圧と電池容量を有し、携帯型電子機器の進歩にあわせるように性能改善が図られてきた。しかし、このリチウムイオン電池の性能改善にも限界があり、今後、更なる高機能化が進む携帯型電子機器の駆動電源等として用いるには、その要求を満足できなくなりつつある。このような背景のもとで、リチウムイオン電池に代わる新たな発電デバイスの開発が行われた結果、リチウムイオン電池と比べて数倍の高容量化が期待できる燃料電池が提案されるに至った。

一般に、燃料電池は、触媒を含む燃料極（負極）及び空気極（正極）と、これらの間に設けられ、所定のイオンの移動を許容する電解質層とからなる発電部を具備した構造を有している。この燃料電池においては、負極に燃料ないし水素を供給するとともに、正極に空気ないし酸素を供給すると、電極に含まれる触媒の作用により各電極において電気化学的な反応が起こり、燃料を供給源として電子による直流電流を取り出すことができる。このようなメカニズムで発電する燃料電池においては、負極に燃料を補給するとともに正極に酸素を補給することにより、長時間にわたって連続発電が可能となり、二次電池と同様に使用することができ、携帯型電子機器類の電源への応用が期待されている。

この燃料電池は、その電解質の種類に基づいて、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに類別される。携帯型電子機器類の電源としては、室温付近の低温において作動可能であること、小型に構成可能であること、振動に強く大量生産が容易な固体電解質層を備えることなどの要請から、固体高分子型の燃料電池が適していると考えられている。

この固体高分子型の燃料電池では、その燃料供給方法として、水素ガスを貯蔵して当該水素ガスを燃料極に直接供給する手法、有機燃料を貯蔵して当該有機燃料を改質することによって生ずる水素ガスを燃料極に供給する手法、水素を供給可能な液体燃料を貯蔵して当該液体燃料を燃料極に直接供給する手法などが知られている。これらのうち、水素ガスの直接及び改質供給手法は、水素ガスの取り扱いが困難であること、燃料を改質するために装置構成が複雑になることや電力を必要とする装置が不可欠であることから、携帯型電子機器等に用いる小型電源としては適さない。そのため、小型電源を構成するという観点からは、液体燃料を供給する方式を採用する燃料電池、特に、メタノール水溶液を燃料極に対して供給するダイレクトメタノール方式の燃料電池（ＤＭＦＣ）が注目を集めている。

現在、多数のＤＭＦＣが開発されてきている。このＤＭＦＣは、その発電部への燃料供給の方式及び燃料の状態により分類することができる。
まず、ＤＭＦＣの燃料供給方式としては、液体燃料をポンプなどの補機と呼ばれる機器で強制的に循環させる「アクティブ式」と呼ばれる方式と、液体燃料を重力や毛管現象、自然拡散により供給する「パッシブ式」と呼ばれる方式に分類できる。

「アクティブ式」のＤＭＦＣは、その最大の特徴として、発電反応により生成する水を回収した上で当該回収した水を循環させて、供給する液体燃料の濃度を機械的に制御できることにある。これにより、ＤＭＦＣの課題である発電部の電解質層へのメタノールの透過と、それに伴う空気極における性能の低下、いわゆるメタノールのクロスオーバを回避しつつ高濃度のメタノールの供給が可能となる。

しかし一方で、「アクティブ式」のＤＭＦＣは、機構が複雑で大型化すること、機構を動かすための電力が必要なことなどの問題を抱えているために、携帯型電子機器等の小型電源を構成するには不向きである。また、「パッシブ式」のＤＭＦＣは、機構が簡易であるため小型化が容易であるが、前述したクロスオーバを回避することが難しいという問題がある。

また、ＤＭＦＣの発電部へ供給する燃料の状態としては、液体燃料をそのまま発電部に供給する「液体供給型」と、液体燃料を気化させて燃料ガスを発電部に供給する「気化供給型」に分類できる。

「液体供給型」のＤＭＦＣは、燃料が液体であるために、重力や毛管現象、自然拡散などの様々な方法により発電部へ液体燃料を供給することが可能である上に、「アクティブ式」においてもポンプなどで簡単に液体燃料を輸送することができるが、前述したクロスオーバを抑制するために、液体燃料中のメタノール濃度を５〜１０％程度に抑える必要がある。

一方、「気化供給型」は、発電部に供給する燃料が気体であるために、液体燃料と比べてその体積密度が小さく、前述したクロスオーバの発生も懸念されないため、液体燃料と比べて燃料を高濃度にすることが可能である。「気化供給型」の場合、「アクティブ式」のＤＭＦＣにおいては、機構の複雑化を招くものの、「パッシブ式」のＤＭＦＣにおいては、自然気化式により簡易な機構で、かつ高濃度の燃料ガスを発電部に直接供給することが可能である。この「気化供給型」で「パッシブ式」のＤＭＦＣは、例えば、以下に示す特許文献１のものが挙げられる。

特許第３４１３１１１号公報特開２００４−１４２８３１号公報

従来の「気化供給型」で「パッシブ式」のＤＭＦＣでは、特許文献１に示されているように、毛管現象を利用する気化膜で液体燃料を気化させて、気化した燃料ガスを発電部に供給するものであった。そのため、発電部への燃料供給の速度が「液体供給型」の燃料供給速度に対して非常に遅く、特に、発電部の電極を大面積化した際には当該電極全体への燃料供給が困難であった。この対策として、前述の特許文献２に示されるようなカートリッジ等の加圧により液体燃料に背圧をかけて発電部への燃料供給の速度を向上させる方法が考えられる。

しかしながら、この毛管現象による気化膜を用いて燃料供給を行う形態では、背圧により気化膜の表面張力のバランスが崩れて、液体燃料が当該気化膜で気化されずに漏洩して発電部に直接供給され、前述したクロスオーバによる発電性能の低下を招いてしまう。したがって、液体燃料に背圧をかけて発電を行う場合には、前述のクロスオーバを回避するために、液体燃料を最適な濃度燃料よりも低下させて発電を行うしかなかった。これにより、結果的に発電効率の低下を招くことになっていた。

本発明は前述の問題点にかんがみてなされたものであり、液体燃料を気化させた燃料ガスを用いて発電を行う燃料電池において、液体燃料を最適な濃度に引き上げて発電を行えるようにして、発電効率の向上を実現する燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、酸素を活物質として還元する正極と、気体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を含み構成される発電部と、液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、前記燃料貯蔵部に貯蔵されている前記液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部と、前記圧力印加部により圧力が印加されている前記液体燃料を気化し、当該気化された燃料を前記気体燃料として前記負極に供する非多孔質状の液体燃料気化部とを有する。

本発明の燃料電池における他の態様は、酸素を活物質として還元する正極と、気体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を含み構成される発電部と、前記負極に供給される前記気体燃料の一部を酸化して反応ガスを生成し、当該反応ガス及び前記気体燃料の残部を透過させる気体燃料酸化部を更に有し、前記反応ガスは、前記負極において前記気体燃料と化学反応を生じるものである。

本発明によれば、非多孔質状の液体燃料気化部を設けるようにしたので、燃料貯蔵部の液体燃料が燃料極に漏洩してしまうことを回避することができる。これにより、従来行われていた低濃度の液体燃料による発電ではなく、液体燃料を最適な濃度に引き上げて発電を行うことができ、発電効率の向上を図ることができる。

また、供給された気体燃料の一部を酸化し、燃料極において残りの気体燃料と反応する生成ガスを生成する気体燃料酸化部を設けるようにしたので、当該気体燃料を高濃度にすることができ、その結果、燃料貯蔵部の液体燃料を高濃度にすることができる。これにより、発電効率の継続的な維持を図るとともに、燃料貯蔵部内の液体燃料に対する補充や入れ替え等のメンテナンス性の向上を図ることができる。

−本発明の基本骨子−
本発明者は、従来の気化供給型でパッシブ式の燃料電池において、液体燃料が気化されずに発電部に直接供給されることにより生じるクロスオーバを回避するために、低濃度の液体燃料を用いた発電を行うしかなく、結果的に発電効率の低下を招いていたという問題を解決すべく、以下に示す発明の基本骨子に想到した。

まず、本発明者は、液体燃料を燃料ガスに気化する気化膜の材質を検討することにした。
そして、本発明者は、従来の燃料電池で用いられていた毛管現象を利用する気化膜は、その膜質が多孔質状であるために内部に多くの細孔が存在し、燃料貯蔵部内の圧力次第で液体燃料が当該気化膜を透過して漏洩してしまうということに着目し、この気化膜の材質として、内部に細孔が存在しない緻密な膜である非多孔質膜を適用することを思料した。即ち、この非多孔質膜は、液体燃料をその内部に溶解させて気化し、当該気化させた燃料ガスを透過させる程度に緻密な膜である。この非多孔質膜としては、例えば、パーフルオロスルホン酸系の樹脂、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂、シリコーン及びポリイミドを主材料とするものを適用することが可能である。

図１は、本発明の基本骨子を説明するための燃料電池の概略図である。
図１に示すように、この燃料電池には、発電部１００に設けられた燃料極（負極）３０側に、液体燃料（図１の斜線）を貯蔵する燃料貯蔵部２１０が設けられており、この燃料貯蔵部２１０の液体燃料には、燃料供給口２１１を介して圧力印加部４００から背圧が印加されている。そして、燃料貯蔵部２１０と燃料極１０との間に、燃料貯蔵部２１０から供給される液体燃料を気化し、当該気化した液体ガスを燃料極１０に供する非多孔質状の液体燃料気化膜２２０を設ける。

一般に、多孔質膜の透過機構は、細孔内壁への表面拡散（毛管現象）等に起因するとされているのに対して、非多孔質膜の透過機構は、当該非多孔質膜への溶解拡散に起因するとされている。即ち、従来用いられていた多孔質膜では、液体燃料と燃料ガスに対する細孔内壁の表面張力等の違いにより、液体燃料の透過を遮断するとともに、燃料ガスの透過を行っていることになる。その結果、多孔質膜を用いた気化膜では、液体燃料における表面張力以上の背圧が印加された場合には、当該液体燃料が外部へ漏洩してしまうのである。

これに対して、本発明における非多孔質膜では、その内部に細孔が存在しないため、燃料貯蔵部に外圧が印加されても液体燃料を漏洩させることなく、内部に溶解拡散させて気化し、当該気化した燃料ガスを透過させる。したがって、非多孔質状の気化膜を用いて液体燃料を気化することにより、液体燃料が発電部１００に到達することにより生じる発電効率の低下を回避することができる。これにより、従来行われていた低濃度の液体燃料による発電ではなく、液体燃料を最適な濃度に引き上げて発電を行うことが実現できる。

さらに、本発明者は、発電を継続していく際の液体燃料の濃度についても検討した。
液体燃料として、例えば、水とメタノールとの混合溶液であるメタノール水溶液を用いた場合に燃料極１０では、水とメタノールとがモル比で１：１（＝メタノール６４ｗｔ％）で反応することになる。メタノール水溶液を自然気化させた場合には、水とメタノールとの大気中の飽和蒸気圧の差から、燃料ガスとしてはメタノールの割合が大きい混合気体となり、液体燃料においてもメタノールの方か優先して気化される。したがって、発電を継続していくにつれて燃料貯蔵部２１０内の液体燃料の濃度が低下していくため、ある頻度で液体燃料の補充や液体燃料の入れ替えを行う必要がある。

そこで、本発明者は、より高濃度の液体燃料を用いた発電を実現して、発電効率の維持を図るとともに、燃料貯蔵部２１０内の液体燃料に対する補充や入れ替え等のメンテナンス性の向上を実現すべく、以下の燃料電池を思料した。

図２は、本発明の基本骨子を説明するための燃料電池の概略図である。
図２に示すように、この燃料電池には、高濃度（例えば、濃度９９．０％）の燃料ガスの一部を酸化する燃料ガス酸化層２７０が設けられている。例えば、燃料ガスとしてメタノールが水に対して高配合に混合されたガス（以下、メタノール高配合ガスと称する）を用いた場合、燃料ガス酸化層２７０では、外部から導入された酸素を用いてメタノール高配合ガスの一部を酸化し、当該酸化により生成された水蒸気と残りのメタノール高配合ガスとを発電部１００の燃料極１０に供給する。即ち、燃料ガス酸化層２７０では、供給された燃料ガスの一部を酸化して、燃料極１０において当該燃料ガス酸化層２７０を透過した燃料ガスと反応する反応ガスを生成する。

この燃料ガス酸化層２７０としては、例えば、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属触媒や、それらの合金からなる触媒を用いることができる。この触媒を用いた際の燃料ガス酸化層２７０における化学反応は、以下の反応式１に示すようになると考えられる。

ＣＨ₃ＯＨ＋（３／２）Ｏ₂ → ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂Ｏ … （反応式１）
ここで、この燃料ガス酸化層２７０での酸化反応により生成された二酸化炭素は、燃料ガス酸化層２７０に供給された酸素と同様の経路を通って大気に放出される。

また、燃料極１０における化学反応は、以下の反応式２に示すようになると考えられる。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ → ＣＯ₂ ＋６Ｈ⁺ ＋６ｅ^- … （反応式２）

本発明者は、供給された燃料ガス（反応式１のＣＨ₃ＯＨ）の一部から、燃料極１０において当該燃料ガスと反応する反応ガス（反応式２のＨ₂Ｏ）を生成するようにして、供給された燃料ガスの高濃度化を実現するようにした。これにより、例えば、燃料ガスの濃度をほぼ１００％にして発電を行うことも可能であり、その結果、燃料貯蔵部２１０の液体燃料を高濃度にすることができる。特に、１００％濃度のメタノールを使用したときには燃料消費に伴う燃料濃度の変化がないため、液体燃料の入れ替えを行う必要がなくメンテナンス性の向上を図ることが可能となる。

−本発明の実施形態−
次に、本発明の基本骨子を踏まえた諸実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図３は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略断面図である。
この燃料電池は、発電を行う発電部１００と、発電部１００の燃料極１０側に設けられた燃料供給機構２００と、発電部１００の空気極３０側に設けられた空気供給機構３００と、燃料供給機構２００に設けられた燃料貯蔵部２１０に貯蔵されている液体燃料に圧力を印加する圧力印加部４００を備えている。また、本実施形態における液体燃料では、例えば、水とメタノールとの混合溶液であるメタノール水溶液を用いることができる。

発電部１００は、気体燃料を酸化し、電子とプロトンを生成する燃料極１０と、酸素を活物質として還元して発生したイオンと燃料極１０で生成された電子及びプロトンから水を生成する空気極３０と、燃料極１０と空気極３０との間に設けられ、燃料極１０で生成されたプロトンを空気極３０に輸送する固体電解質層２０とを備えて構成されている。

燃料供給機構２００は、燃料極側筐体２０１と、燃料供給口２１１から供給された液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部２１０と、非多孔質からなり、液体燃料を気化して気体燃料とする液体燃料気化膜２２０と、液体燃料気化膜２２０で気化された気体燃料を拡散する燃料極ガス拡散層２３０と、気体燃料を燃料極１０に導入するための燃料極集電体２４０と、燃料極集電体２４０からの気体燃料を拡散し、拡散させた気体燃料を燃料極１０に供給するための燃料極ガス拡散層２５０とを備えて構成されている。

また、燃料極ガス拡散層２５０の上方には、燃料極１０へのガスの導入及び燃料極１０で生成された生成ガス（二酸化炭素）の導出を行うガス導出・導入部２６０が設けられている。なお、燃料貯蔵部２１０に貯蔵されている液体燃料には、圧力印加部４００から供給される窒素（Ｎ₂）ガス等により、圧力が印加されている。

空気供給機構３００は、空気極側筐体３０１と、空気極側筐体３０１の酸素供給口３０１ａから供給された酸素を空気極３０に導入するための空気極集電体３１０と、空気極集電体３１０からの酸素を拡散し、拡散させた酸素を空気極３０に供給するための空気極ガス拡散層３２０とを備えて構成されている。

図４は、本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。本図は、図３の発電部１００、燃料供給機構２００及び空気供給機構３００における分解斜視図である。
燃料供給口２１１から供給された液体燃料は、メッシュ状の樹脂（樹脂メッシュ）を介して封止材Ａの中空部に貯蔵されている。この中空部が図３の燃料貯蔵部２１０に相当する。そして、燃料貯蔵部２１０に貯蔵されている液体燃料は、液体燃料気化膜２２０で気化される。ここで、液体燃料気化膜２２０は、液体燃料を浸透・移動しやすく、かつその表面から気体燃料を容易に放出可能な非多孔質膜で形成されている。この非多孔質膜としては、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜（例えば、デュポン社製の製品名Ｎａｆｉｏｎ、旭化成社製の製品名アシプレックス等）、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂膜（例えば、旭硝子社製の製品名フレミオン等）、シリコーン膜、ポリイミド膜などを用いることできる。

液体燃料気化膜２２０の発電部１００側には、多孔質体からなるカーボンペーパー１（以下、ＣＰと称する）が配設されている。このＣＰ１は、図３の燃料極ガス拡散層２３０に相当する。図４には、２枚のＣＰが設けられているが、１枚で構成されていてもよい。また、封止材Ｂは、ＣＰ１を封止するものである。

ＣＰ１を通過した気体燃料は、燃料極集電体２４０に送られる。この燃料極集電体２４０は、Ｎｉ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などの導電性を有し、かつ耐食性の高い金属から構成されている。また、その形状は、気体燃料を発電部１００の燃料極に導入できるようにメッシュ、エキスパンドメタル、発砲金属などで形成されている。続いて、燃料極集電体２４０からの気体燃料はＣＰ２に送られる。このＣＰ２は、図３の燃料極ガス拡散層２５０に相当する。このＣＰ２は、多孔質体からなるとともに、発電部１００の燃料極と燃料極集電体２４０との間で配置されているため、導電性を有している。封止材Ｃは、ＣＰ２の上方のみを大気に開放して、他を封止するものである。そして、ＣＰ２からの気体燃料は発電部１００の燃料極に送られる。

一方、空気極側筐体３０１から供給される酸素は、空気極集電体３１０に導入される。この空気極集電体３１０は、燃料極集電体２４０と同様に、Ｎｉ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などの導電性を有し、かつ耐食性の高い金属から構成されている。また、その形状は、酸素を発電部１００の空気極に導入できるようにメッシュ、エキスパンドメタル、発砲金属などで形成されている。続いて、空気極集電体３１０からの酸素はＣＰ３に送られる。このＣＰ３は、図３の空気極ガス拡散層３２０に相当する。このＣＰ３は、多孔質体からなるとともに、発電部１００の空気極と空気極集電体３１０との間で配置されているため、導電性を有している。封止材Ｄは、ＣＰ３を封止するものである。そして、ＣＰ３からの酸素は発電部１００の空気極に送られる。

図５は、発電部１００の概略構成を示した断面図である。
前述したように、発電部１００は、燃料極１０及び空気極３０と、それらの間に設けられた固体電解質層２０から構成されている。燃料極１０は、多孔質体からなるＣＰと、当該ＣＰ上に白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）の合金からなる触媒層を備えて構成されており、当該触媒層が固体電解質層２０と接して配設されている。空気極３０は、多孔質体からなるＣＰと、当該ＣＰ上に白金（Ｐｔ）からなる触媒層を備えて構成されており、当該触媒層が固体電解質層２０と接して配設されている。また、固体電解質層２０は、スルフォン基、リン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基など極性基を有するのプロトン伝導性を有する材料からなり、パーフルオロスルホン酸系の樹脂（例えば、デュポン社製の製品名Ｎａｆｉｏｎ、旭化成社製の製品名アシプレックス等）、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂（例えば、旭硝子社製の製品名フレミオン等）を用いることできる。

本発明の第１の実施形態によれば、燃料貯蔵部２１０と燃料極１０との間に、燃料貯蔵部２１０から供給される液体燃料を気化し、当該気化した液体ガスを燃料極１０に供する非多孔質状の液体燃料気化膜２２０を設けるようにしたので、燃料貯蔵部２１０の液体燃料が燃料極１０に漏洩してしまうことを回避することができる。これにより、前述のクロスオーバを回避するために従来行われていた低濃度の液体燃料による発電ではなく、液体燃料を最適な濃度に引き上げて発電を行うことができ、発電効率の向上を図ることができる。

（第２の実施形態）
図６は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略断面図である。
この燃料電池は、発電を行う発電部１００と、発電部１００の燃料極１０側に設けられた燃料供給機構５００と、発電部１００の空気極３０側に設けられた空気供給機構３００と、燃料供給機構５００に設けられた燃料貯蔵部２１０に貯蔵されている液体燃料に圧力を印加する圧力印加部４００を備えている。また、本実施形態における液体燃料では、例えば、水とメタノールとの混合溶液においてメタノールの配合が非常に大きい混合溶液、あるいは１００％メタノールを用いることができる。以下、この混合溶液をメタノール高配合溶液と称し、以下の説明では、このメタノール高配合溶液を用いた例で説明を行う。

燃料供給機構５００は、燃料極側筐体２０１と、燃料供給口２１１から供給された液体燃料（本実施形態では、メタノール高配合溶液）を貯蔵する燃料貯蔵部２１０と、非多孔質からなり、メタノール高配合溶液を気化して気体燃料（メタノール高配合ガス）とする液体燃料気化膜２２０と、液体燃料気化膜２２０で気化されたメタノール高配合ガスを拡散する燃料極ガス拡散層２３１と、燃料極ガス拡散層２３１からのメタノール高配合ガスの一部を酸化して水蒸気を生成する触媒層２７１と、触媒層２７１で生成された水蒸気及び触媒層２７１を透過した残りのメタノール高配合ガスを拡散する燃料極ガス拡散層２３２と、燃料極ガス拡散層２３２からのメタノール高配合ガスの一部を酸化して水蒸気を生成する触媒層２７２と、触媒層２７２で生成された水蒸気及び触媒層２７２を透過した残りのメタノール高配合ガスを燃料極１０に導入するための燃料極集電体２４０と、燃料極集電体２４０からのメタノール高配合ガス及び水蒸気を拡散して、燃料極１０に供給するための燃料極ガス拡散層２５０とを備えて構成されている。

ここで、燃料極ガス拡散層２３１及び触媒層２７１と、燃料極ガス拡散層２３１及び触媒層２７１とは、メタノール高配合ガスの一部を水蒸気に改質する機能を果たすことから燃料ガス酸化層２７０とする。この燃料ガス酸化層２７０の上方には、メタノール高配合ガスと反応させる酸素を供給するためのガス導出・導入部２８０が設けられている。また、ガス導出・導入部２８０を介して当該酸化反応により生じたガスが排出される。

図７は、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。
燃料供給口２１１から供給されたメタノール高配合溶液は、メッシュ状の樹脂（樹脂メッシュ）を介して封止材Ａの中空部に貯蔵されている。この中空部が図６の燃料貯蔵部２１０に相当する。そして、燃料貯蔵部２１０に貯蔵されているメタノール高配合溶液は、液体燃料気化膜２２０で気化される。ここで、液体燃料気化膜２２０は、メタノール高配合溶液を浸透・移動しやすく、かつその表面からメタノール高配合ガスを容易に放出可能な非多孔質膜で形成されている。この非多孔質膜としては、パーフルオロスルホン酸系の樹脂膜（例えば、デュポン社製の製品名Ｎａｆｉｏｎ、旭化成社製の製品名アシプレックス等）、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂膜（例えば、旭硝子社製の製品名フレミオン等）、シリコーン膜、ポリイミド膜などを用いることできる。

液体燃料気化膜２２０の発電部１００側には、燃料ガス酸化層２７０が配設されている。この燃料ガス酸化層２７０は、図８に示すように、多孔質体からなるＣＰと、当該ＣＰ上に白金（Ｐｔ）からなる触媒層２７１，２７２を備えて構成されている。図８の各ＣＰは、図６の燃料極ガス拡散層２３１，２３２に相当する。ここで、本実施形態の燃料ガス酸化層２７０は、２層構造で形成されているが、１層でも、３層以上の多層で形成されていてもよい。また、本実施形態の触媒層２７１，２７２は、白金（Ｐｔ）からなるものであるが、本発明ではこれに限定されるわけではなく、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、ルテニウム（Ｒｕ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属や、それらの合金などを用いることができる。さらに、触媒層２７１，２７２の形態としては、前述の金属を微粒子化したものや、微粒子化したものを炭素などに担持させたものなどである。また、触媒層２７１，２７２を固定するために、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、高分子固体電解質などの樹脂を混合し、塗布等により固定される。また、図７の封止材Ｅは、燃料ガス酸化層２７０の上方のみを大気に開放して、他を封止するものである。これにより、図６のガス導出・導入部２８０が構成される。

燃料ガス酸化層２７０を通過したメタノール高配合ガス及び水蒸気は、燃料極集電体２４０に送られる。この燃料極集電体２４０は、Ｎｉ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などの導電性を有し、かつ耐食性の高い金属から構成されている。また、その形状は、メタノール高配合ガス及び水蒸気を発電部１００の燃料極に導入できるようにメッシュ、エキスパンドメタル、発砲金属などで形成されている。続いて、燃料極集電体２４０からのメタノール高配合ガス及び水蒸気はＣＰ２に送られる。このＣＰ２は、図６の燃料極ガス拡散層２５０に相当する。このＣＰ２は、多孔質体からなるとともに、発電部１００の燃料極と燃料極集電体２４０との間で配置されているため、導電性を有している。封止材Ｃは、ＣＰ２の上方のみを大気に開放して、他を封止するものである。そして、ＣＰ２からの気体燃料は発電部１００の燃料極に送られる。

一方、空気極側筐体３０１から供給される酸素は、空気極集電体３１０に導入される。この空気極集電体３１０は、燃料極集電体２４０と同様に、Ｎｉ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６などの導電性を有し、かつ耐食性の高い金属から構成されている。また、その形状は、酸素を発電部１００の空気極に導入できるようにメッシュ、エキスパンドメタル、発砲金属などで形成されている。続いて、空気極集電体３１０からの酸素はＣＰ３に送られる。このＣＰ３は、図６の空気極ガス拡散層３２０に相当する。このＣＰ３は、多孔質体からなるとともに、発電部１００の空気極と空気極集電体３１０との間で配置されているため、導電性を有している。封止材Ｄは、ＣＰ３を封止するものである。そして、ＣＰ３からの酸素は発電部１００の空気極に送られる。

次に、本発明の第２の実施形態に係る燃料電池において、実際に行った実験結果について、以下に説明する。

まず、燃料電池として以下のものを作製した。
燃料極１０に白金−ルテニウム合金担持触媒、空気極３０に白金担持触媒、固体電解質層２０にポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂、具体的にはデュポン社製の製品名Ｎａｆｉｏｎ１１２を用いて発電部１０を作製した。また、触媒層２７１，２７２に白金担持触媒を用いた。

そして、以下の条件で、連続放電特性の実験を行った。
ステップＳ１：液体燃料として９９．９％メタノールを用いて、燃料貯蔵部２１０に１ｃｃを供給し、燃料水位を確認する。
ステップＳ２：圧力印加部４００から窒素（Ｎ₂）ガスを供給し、燃料貯蔵部２１０の液体燃料に０．１ＭＰａの背圧を加える。
ステップＳ３：燃料電池に６０ｍＡ／ｃｍ²の定電流を供給し、当該燃料電池の放電を行う。
ステップＳ４：燃料電池における電圧が上昇後、０．１Ｖまで低下したときに放電を終了する。
ステップＳ５：ステップＳ１における燃料水位まで液体燃料である９９．９％メタノールを補充する。
ステップＳ６：ステップＳ２〜ステップＳ５までを１サイクルとして、以降、３サイクル繰り返して、連続放電特性の実験を行う。

以下に、前述した連続放電特性の実験結果を示す。
１サイクル目：平均放電電圧０．２０Ｖ、放電時間７０分
２サイクル目：平均放電電圧０．１９Ｖ、放電時間７２分
３サイクル目：平均放電電圧０．１９Ｖ、放電時間７０分

以上の連続放電特性の実験結果により、燃料に背圧を加えても安定に動作するだけでなく、液体燃料を繰り返し補充しても放電特性を維持できることがわかった。これにより、第２の実施形態における燃料電池は、液体燃料としてメタノール高配合溶液を用いた場合でも安定して動作できることが実証できた。

本発明の第２の実施形態によれば、供給されたメタノール高配合ガスの一部を酸化し、燃料極１０において残りのメタノール高配合ガスと反応する水蒸気を生成する燃料ガス酸化層２７０を設けるようにしたので、第１の実施形態における効果に加え、発電効率の継続的な維持を図るとともに、燃料貯蔵部２１０内の液体燃料に対する補充や入れ替え等のメンテナンス性の向上を図ることができる。

以下、本発明の諸態様を付記としてまとめて記載する。

（付記１）
酸素を活物質として還元する正極と、気体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を含み構成される発電部と、
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部に貯蔵されている前記液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部と、
前記圧力印加部により圧力が印加されている前記液体燃料を気化し、当該気化された燃料を前記気体燃料として前記負極に供する非多孔質状の液体燃料気化部と
を有することを特徴とする燃料電池。

（付記２）
前記液体燃料気化部は、パーフルオロスルホン酸系の樹脂、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂、シリコーン及びポリイミドのうち、少なくともいずれか１種を主材料とするものからなることを特徴とする付記１に記載の燃料電池。

（付記３）
前記液体燃料気化部で気化された前記気体燃料の一部を酸化して反応ガスを生成し、当該反応ガス及び前記気体燃料の残部を透過させる気体燃料酸化部を更に有し、
前記反応ガスは、前記負極において前記気体燃料と化学反応を生じるものであることを特徴とする付記１又は２に記載の燃料電池。

（付記４）
前記気体燃料酸化部には、前記気体燃料の酸化に必要な酸素を導入するガス導入経路が設けられていることを特徴とする付記１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。

（付記５）
前記気体燃料酸化部は、白金、パラジウム、ルテニウム及びロジウムのうち、少なくともいずれか１種を主材料とする触媒を含むものからなることを特徴とする付記３又は４に記載の燃料電池。

（付記６）
前記液体燃料は、水とメタノールとを混合したメタノール水溶液であることを特徴とする付記１〜５のいずれか１項に記載の燃料電池。

（付記７）
前記反応ガスは、水蒸気であることを特徴とする付記３〜６のいずれか１項に記載の燃料電池。

（付記８）
酸素を活物質として還元する正極と、気体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を含み構成される発電部と、
前記負極に供給される前記気体燃料の一部を酸化して反応ガスを生成し、当該反応ガス及び前記気体燃料の残部を透過させる気体燃料酸化部を更に有し、
前記反応ガスは、前記負極において前記気体燃料と化学反応を生じるものであることを特徴とする燃料電池。

（付記９）
前記気体燃料酸化部には、前記気体燃料の酸化に必要な酸素を導入するガス導入経路が設けられていることを特徴とする付記８に記載の燃料電池。

（付記１０）
前記気体燃料酸化部は、白金、パラジウム、ルテニウム及びロジウムのうち、少なくともいずれか１種を主材料とする触媒を含むものからなることを特徴とする付記８又は９に記載の燃料電池。

（付記１１）
前記液体燃料は、水に比べてメタノールの配合が大きい混合溶液であることを特徴とする付記８〜１０のいずれか１項に記載の燃料電池。

（付記１２）
前記反応ガスは、水蒸気であることを特徴とする付記８〜１１のいずれか１項に記載の燃料電池。

本発明の基本骨子を説明するための燃料電池の概略図である。本発明の基本骨子を説明するための燃料電池の概略図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の概略断面図である。本発明の第１の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。発電部の概略構成を示した断面図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の概略断面図である。本発明の第２の実施形態に係る燃料電池の分解斜視図である。燃料ガス酸化層の概略構成を示した断面図である。

符号の説明

１０燃料極
２０固体電解質層
３０空気極
１００発電部（ＭＥＡ）
２００、５００燃料供給機構
２０１燃料極側筐体
２１０燃料貯蔵部
２１１燃料供給口
２２０液体燃料気化膜（非多孔質膜）
２３０、２３１、２３２、２５０燃料極ガス拡散層
２４０燃料極集電体
２６０ガス導出・導入部
２７０燃料ガス酸化層
２７１、２７２触媒層
２８０ガス導出・導入部
３００空気供給機構
３０１空気極側筐体
３０１ａ酸素供給口
３１０空気極集電体
３２０空気極ガス拡散層
４００圧力印加部

Claims

酸素を活物質として還元する正極と、気体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を含み構成される発電部と、
液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部に貯蔵されている前記液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部と、
前記圧力印加部により圧力が印加されている前記液体燃料を気化し、当該気化された燃料を前記気体燃料として前記負極に供する非多孔質状の液体燃料気化部と
を有することを特徴とする燃料電池。
前記液体燃料気化部は、パーフルオロスルホン酸系の樹脂、カルボキシル基を有するパーフルオロカーボン系の樹脂、シリコーン及びポリイミドのうち、少なくともいずれか１種を主材料とするものからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記液体燃料気化部で気化された前記気体燃料の一部を酸化して反応ガスを生成し、当該反応ガス及び前記気体燃料の残部を透過させる気体燃料酸化部を更に有し、
前記反応ガスは、前記負極において前記気体燃料と化学反応を生じるもの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。
前記気体燃料酸化部には、前記気体燃料の酸化に必要な酸素を導入するガス導入経路が設けられていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記気体燃料酸化部は、白金、パラジウム、ルテニウム及びロジウムのうち、少なくともいずれか１種を主材料とする触媒を含むものからなることを特徴とする請求項３又は４に記載の燃料電池。
酸素を活物質として還元する正極と、気体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を含み構成される発電部と、
前記負極に供給される前記気体燃料の一部を酸化して反応ガスを生成し、当該反応ガス及び前記気体燃料の残部を透過させる気体燃料酸化部を更に有し、
前記反応ガスは、前記負極において前記気体燃料と化学反応を生じるものであることを特徴とする燃料電池。
前記気体燃料酸化部には、前記気体燃料の酸化に必要な酸素を導入するガス導入経路が設けられていることを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
前記気体燃料酸化部は、白金、パラジウム、ルテニウム及びロジウムのうち、少なくともいずれか１種を主材料とする触媒を含むものからなることを特徴とする請求項６又は７に記載の燃料電池。
前記液体燃料は、水に比べてメタノールの配合が大きい混合溶液であることを特徴とする請求項６〜８のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記反応ガスは、水蒸気であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の燃料電池。