JP2009231195A - 燃料電池及び電子装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】発電時間に伴う経時劣化を低減できる、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池の提供を目的とする。
【解決手段】アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池1は、アノード電極4で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体5を備えた構成としてある。
【選択図】 図1
【解決手段】アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池1は、アノード電極4で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体5を備えた構成としてある。
【選択図】 図1
Description
本発明は、メタノールを含むアルコール燃料を使用し、固体高分子電解質膜としてアニオン伝導性のイオン交換膜を用いるアルカリ型の燃料電池、及び、この燃料電池から給電される電子装置に関する。
メタノールなどの液体燃料を使用した固体高分子型燃料電池は、小型化及び軽量化が容易であるために、今日では携帯機器をはじめとした種々の電子装置の電源として、研究開発が活発に進められている。
また、本発明に関連して、様々な技術が開示されている。
たとえば、特許文献1には、燃料供給部と、燃料の気化成分を透過させる気液分離膜と、燃料極、空気極、及び、燃料極と空気極とに挟持された電解質膜から構成される起電部と、起電部の燃料極側と気液分離膜との間に配設された疎水性の多孔膜と、多孔膜の気液分離膜側に配設され、燃料極に供給する燃料濃度を調整する燃料濃度調整層とを具備した燃料電池の技術が開示されている。
たとえば、特許文献1には、燃料供給部と、燃料の気化成分を透過させる気液分離膜と、燃料極、空気極、及び、燃料極と空気極とに挟持された電解質膜から構成される起電部と、起電部の燃料極側と気液分離膜との間に配設された疎水性の多孔膜と、多孔膜の気液分離膜側に配設され、燃料極に供給する燃料濃度を調整する燃料濃度調整層とを具備した燃料電池の技術が開示されている。
また、特許文献2には、イオノマーが沈積されている多孔質の不活性な担持体からなる多孔質の親水性膜であって、この膜が電気化学電池において、イオン伝導性および高い透水性を有し、イオノマーが非晶質の形態であり、酸の形態の親水性基を有する多孔質の親水性膜の技術が開示されている。
さらに、特許文献3には、燃料極と酸化剤極との間に透過膜を介在させ、燃料として金属水素錯化合物のアルカリ水溶液を用い、さらに、燃料極における透過膜側の反対側に設けられ、燃料を通流させるための第1の流路部と、燃料極と透過膜との間に燃料を通流させるための第2の流路部とを備えた燃料電池の技術が開示されている。
また、特許文献4には、液体燃料を収容する燃料タンクと、燃料極、空気極、及び、燃料極と空気極とに挟持された電解質膜から構成される膜電極接合体と、所定値以上の流路抵抗を有し、燃料タンクから液体燃料を導出する燃料流路と、燃料流路から導出された液体燃料を含浸する燃料含浸部と、燃料含浸部から供給された液体燃料の気化成分を透過して燃料極側に導く気液分離膜とを具備する燃料電池の技術が開示されている。
ところで、固体高分子型燃料電池としては、一般的に、ナフィオン(デュポン株式会社の登録商標)に代表されるプロトン伝導性の固体高分子膜を用いた酸型の燃料電池がよく知られている。
この酸型の固体高分子型燃料電池は、非常に優れた特性を示すが、酸化還元反応を促進させるための触媒として、白金などの貴金属以外高い触媒活性かつ耐久性を有する物質が見つかっていないことが問題となっている。また、白金などの貴金属類は、埋蔵量が少なく、かつ、非常に高価であるために、一般製品として普及する際に、大きな障壁になると予測されている。
さらに、アノード電極にアルコール燃料を用いた場合、アノード電極に供給した燃料が反応に寄与することなく固体高分子電解質膜を透過してしまう「クロスオーバー現象」が起こる。これにより、白金触媒がアルコール酸化と酸素還元の両方の性質をもつために、カソード触媒能が低下し、発電量や耐久性などの性能が大幅に低下する問題も知られている。
この酸型の固体高分子型燃料電池は、非常に優れた特性を示すが、酸化還元反応を促進させるための触媒として、白金などの貴金属以外高い触媒活性かつ耐久性を有する物質が見つかっていないことが問題となっている。また、白金などの貴金属類は、埋蔵量が少なく、かつ、非常に高価であるために、一般製品として普及する際に、大きな障壁になると予測されている。
さらに、アノード電極にアルコール燃料を用いた場合、アノード電極に供給した燃料が反応に寄与することなく固体高分子電解質膜を透過してしまう「クロスオーバー現象」が起こる。これにより、白金触媒がアルコール酸化と酸素還元の両方の性質をもつために、カソード触媒能が低下し、発電量や耐久性などの性能が大幅に低下する問題も知られている。
一方、酸型の燃料電池に対して、アルカリ型の燃料電池が知られている。このアルカリ型の燃料電池は、OHイオンを伝導させるものであり、貴金属以外の触媒でも過電圧が低いために、白金と同程度の触媒活性及び耐久性が得られることが大きな特徴である。
また、アルカリ型の燃料電池の発電セルは、酸型の燃料電池の発電セルとほぼ同じ構造となるが、発電する反応機構は、酸型とは大きく異なる。
また、アルカリ型の燃料電池の発電セルは、酸型の燃料電池の発電セルとほぼ同じ構造となるが、発電する反応機構は、酸型とは大きく異なる。
すなわち、アノード電極とカソード電極とで、固体高分子電解質膜を挟持する構造を有する電極−電解質膜接合体(MEA;Membrane and Electrode Assembly)を用いる点は、共通する。
ただし、アノード電極に、アルコール燃料(たとえば、メタノール)を供給し、カソード電極に、酸素(たとえば、空気)及び水を供給すると、アノード電極において、下記式(1)の反応が起こり、カソード電極において、下記式(2)の反応が起こる。
アノード電極における反応:
CH3OH+8OH− → CO3 2−+6e−+6H2O 式(1)
カソード電極における反応:
3/2O2+6H2O+6e− → 6OH− 式(2)
ただし、アノード電極に、アルコール燃料(たとえば、メタノール)を供給し、カソード電極に、酸素(たとえば、空気)及び水を供給すると、アノード電極において、下記式(1)の反応が起こり、カソード電極において、下記式(2)の反応が起こる。
アノード電極における反応:
CH3OH+8OH− → CO3 2−+6e−+6H2O 式(1)
カソード電極における反応:
3/2O2+6H2O+6e− → 6OH− 式(2)
上記の式(2)に示すように、カソード電極では、カソード触媒上で酸素と水が反応してOHイオンを生成して、これがアニオン伝導性を有する固体高分子電解質膜を移動してアノード電極に達する。
次に、上記の式(1)に示すように、アノード電極では、アノード触媒上でアルコール燃料が分解されて、発生した水素イオンと移動してきたOHイオンとが結合し、最終的に水を生成する。
このように、本発明のアルカリ型燃料電池では、カソード電極に水が供給され、アノード電極で水が生成される。したがって、アルカリ型燃料電池は、アノード電極に水が供給され、カソード電極で水が生成される酸型燃料電池とは逆の反応系となっている。
特開2006−269126号公報
特開2002−334707号公報
特開2005−228647号公報
特開2007−073349号公報
次に、上記の式(1)に示すように、アノード電極では、アノード触媒上でアルコール燃料が分解されて、発生した水素イオンと移動してきたOHイオンとが結合し、最終的に水を生成する。
このように、本発明のアルカリ型燃料電池では、カソード電極に水が供給され、アノード電極で水が生成される。したがって、アルカリ型燃料電池は、アノード電極に水が供給され、カソード電極で水が生成される酸型燃料電池とは逆の反応系となっている。
しかしながら、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池は、発電に伴う経時変化が、酸型の燃料電池と比較すると非常に大きいという問題があった。
また、アルカリ型の燃料電池において、現時点では、酸型の燃料電池に用いられるナフィオン(デュポン株式会社の登録商標)のような高い伝導性を有する材料は、存在しない。このため、KOHなどのアルカリ剤を添加した強アルカリ性のアルコール水溶液燃料を用いるのが一般的である。この場合、初期的なセル電圧が高いので、経時変化が相対的に大きくなるといった問題があった。
また、アルカリ型の燃料電池において、現時点では、酸型の燃料電池に用いられるナフィオン(デュポン株式会社の登録商標)のような高い伝導性を有する材料は、存在しない。このため、KOHなどのアルカリ剤を添加した強アルカリ性のアルコール水溶液燃料を用いるのが一般的である。この場合、初期的なセル電圧が高いので、経時変化が相対的に大きくなるといった問題があった。
そこで、本発明者は、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池の研究を行ったところ、非常に高い発電特性及びクロスオーバーの影響を低減できる可能性を見出した。
すなわち、本発明は、上記課題を解決すべく、発電時間に伴う経時劣化を低減できる、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池及び電子装置の提供を目的とする。
すなわち、本発明は、上記課題を解決すべく、発電時間に伴う経時劣化を低減できる、アルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池及び電子装置の提供を目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池であり、アノード電極で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体を備えている。
また、本発明の電子装置は、アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池から給電される電子装置であり、燃料電池が、アノード電極で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体を備えている。
本発明のアルコール燃料を用いたアルカリ型の燃料電池によれば、発電時間に伴う経時劣化を低減できる。
[第一実施形態]
図1は、本発明の第一実施形態にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
図1において、本実施形態の燃料電池1は、固体高分子電解質膜2と、カソード電極3及びカソード側集電電極31と、アノード電極4及びアノード側集電電極41と、気液分離性多孔質体5と、親水性多孔質体6と、燃料タンク71、カソード用フレーム72及びアノード用フレーム73とを有している。
なお、図1に示す燃料電池1は、単に「セル」又は「セル構造」とも呼称される。
また、固体高分子電解質膜2と、カソード電極3及びカソード側集電電極31と、アノード電極4及びアノード側集電電極41は、MEA発電部を構成する。
図1は、本発明の第一実施形態にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
図1において、本実施形態の燃料電池1は、固体高分子電解質膜2と、カソード電極3及びカソード側集電電極31と、アノード電極4及びアノード側集電電極41と、気液分離性多孔質体5と、親水性多孔質体6と、燃料タンク71、カソード用フレーム72及びアノード用フレーム73とを有している。
なお、図1に示す燃料電池1は、単に「セル」又は「セル構造」とも呼称される。
また、固体高分子電解質膜2と、カソード電極3及びカソード側集電電極31と、アノード電極4及びアノード側集電電極41は、MEA発電部を構成する。
(固体高分子電解質膜)
固体高分子電解質膜2は、アニオン伝導性を有している。
この固体高分子電解質膜2に用いるアニオン交換膜としては、たとえば、四級アンモニウム基や第3級アミン基などのアニオン交換基を有する、フッ素系イオン交換膜又は炭化水素系イオン交換膜が用いられる。
なお、固体高分子電解質膜2は、アニオン交換膜としての機能を有していればよく、たとえば、後述する実施例のように、市販のものを用いることができる。
固体高分子電解質膜2は、アニオン伝導性を有している。
この固体高分子電解質膜2に用いるアニオン交換膜としては、たとえば、四級アンモニウム基や第3級アミン基などのアニオン交換基を有する、フッ素系イオン交換膜又は炭化水素系イオン交換膜が用いられる。
なお、固体高分子電解質膜2は、アニオン交換膜としての機能を有していればよく、たとえば、後述する実施例のように、市販のものを用いることができる。
(カソード電極)
カソード電極3は、通常、触媒を担持させた炭素粒子と接合剤を含む触媒ペーストが、多孔質基材上に塗布された構成としてある。
カソード電極3に用いられる触媒としては、白金、パラジウム、銀、3d遷移金属及びこれらの合金などを挙げることができる。また、多孔質基材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、SUS(ステンレス)やTi(チタン)などの繊維マット、又は、シート状の発泡体などを用いることができる。また、上記接合剤として、たとえば、PTFE水溶液、ナフィオンなどのフッ素系樹脂、アニオン伝導性を有するイオン交換樹脂などを用いることができる。
なお、カソード電極3は、カーボン粒子単体のみでもよい。
また、上記カソード電極3は、後述するように、固体高分子電解質膜2の一方の面(図1においては、上面)上に、固体高分子電解質膜2と接した状態で設けられている。
カソード電極3は、通常、触媒を担持させた炭素粒子と接合剤を含む触媒ペーストが、多孔質基材上に塗布された構成としてある。
カソード電極3に用いられる触媒としては、白金、パラジウム、銀、3d遷移金属及びこれらの合金などを挙げることができる。また、多孔質基材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、SUS(ステンレス)やTi(チタン)などの繊維マット、又は、シート状の発泡体などを用いることができる。また、上記接合剤として、たとえば、PTFE水溶液、ナフィオンなどのフッ素系樹脂、アニオン伝導性を有するイオン交換樹脂などを用いることができる。
なお、カソード電極3は、カーボン粒子単体のみでもよい。
また、上記カソード電極3は、後述するように、固体高分子電解質膜2の一方の面(図1においては、上面)上に、固体高分子電解質膜2と接した状態で設けられている。
(アノード電極)
アノード電極4は、通常、触媒を担持させた炭素粒子と接合剤を含む触媒ペーストが、多孔質基材上に塗布された構成としてある。
アノード電極4に用いられる触媒としては、白金、白金−ルテニウム、パラジウム、3d遷移金属及びパラジウム−3d遷移金属合金などを挙げることができる。また、多孔質基材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、SUS(ステンレス)やTi(チタン)などの繊維マット、又は、シート状の発泡体などを用いることができる。また、上記接合剤として、たとえば、PTFE水溶液、ナフィオンなどのフッ素系樹脂、アニオン伝導性を有するイオン交換樹脂などを用いることができる。
また、上記アノード電極4は、後述するように、固体高分子電解質膜2の他方の面(図1においては、下面)上に、固体高分子電解質膜2と接した状態で設けられている。
アノード電極4は、通常、触媒を担持させた炭素粒子と接合剤を含む触媒ペーストが、多孔質基材上に塗布された構成としてある。
アノード電極4に用いられる触媒としては、白金、白金−ルテニウム、パラジウム、3d遷移金属及びパラジウム−3d遷移金属合金などを挙げることができる。また、多孔質基材としては、カーボンペーパー、カーボンクロス、SUS(ステンレス)やTi(チタン)などの繊維マット、又は、シート状の発泡体などを用いることができる。また、上記接合剤として、たとえば、PTFE水溶液、ナフィオンなどのフッ素系樹脂、アニオン伝導性を有するイオン交換樹脂などを用いることができる。
また、上記アノード電極4は、後述するように、固体高分子電解質膜2の他方の面(図1においては、下面)上に、固体高分子電解質膜2と接した状態で設けられている。
なお、上記カソード電極3及びアノード電極4の接合剤として、アニオン伝導性を有する材料を用いない場合には、アルコール液体燃料に、KOHなどのアルカリ剤を混合し、アルコール液体燃料をpH10以上のアルカリ性水溶液にする必要がある。
この場合、燃料タンク71、カソード用フレーム72及びアノード用フレーム73は、耐アルカリ性を有する材料が用いられる。
この場合、燃料タンク71、カソード用フレーム72及びアノード用フレーム73は、耐アルカリ性を有する材料が用いられる。
(カソード側集電電極)
カソード側集電電極31は、カソード電極3の上面に、カソード電極3と接した状態で設けられている。
カソード側集電電極31は、カソード電極3の上面に、カソード電極3と接した状態で設けられている。
(アノード側集電電極)
アノード側集電電極41は、アノード電極4の上面に、アノード電極4と接した状態で設けられている。
アノード側集電電極41は、アノード電極4の上面に、アノード電極4と接した状態で設けられている。
ここで、上記カソード側集電電極31及びアノード側集電電極41の形状は、カソード電極3及びアノード電極4との接触抵抗が小さければよく、特に限定されるものではない。ただし、通常、MEAを均一に保持するために、50%以下の開口率の有孔板が用いられる。
また、本実施形態の燃料電池1は、カソード側集電電極31及びアノード側集電電極41を設けているが、この構成に限定されるものではない。たとえば、カソード側集電電極31及びアノード側集電電極41を設けないで、カソード電極3及びアノード電極4に用いた多孔質基材を、直接、集電電極として用いることも可能である。
また、本実施形態の燃料電池1は、カソード側集電電極31及びアノード側集電電極41を設けているが、この構成に限定されるものではない。たとえば、カソード側集電電極31及びアノード側集電電極41を設けないで、カソード電極3及びアノード電極4に用いた多孔質基材を、直接、集電電極として用いることも可能である。
次に、上記の固体高分子電解質膜2、カソード電極3及びアノード電極4は、カソード電極3及びアノード電極4の触媒ペースト層が、固体高分子電解質膜2と当接するように配置され、圧着される。これにより、固体高分子電解質膜2、カソード電極3及びアノード電極4からなる、MEA(電極−電解質膜接合体:Membrane and Electrode Assembly)が得られる。このMEAは、上記の式(1)及び式(2)に示す反応によって、発電する。
なお、本実施形態では、このMEAの上下面に、カソード側集電電極31及びアノード側集電電極41が、環状のカソード用フレーム72及びアノード用フレーム73をそれぞれ挟むようにして固定されている。
なお、本実施形態では、このMEAの上下面に、カソード側集電電極31及びアノード側集電電極41が、環状のカソード用フレーム72及びアノード用フレーム73をそれぞれ挟むようにして固定されている。
(気液分離性多孔質体)
気液分離性多孔質体5は、気液分離性を有する多孔質材料からなり、この多孔質材料として、ポリテトラフルオロエチレン(適宜、PTFEと略称する。)などのフッ素系樹脂やポリオレフィン樹脂などが用いられる。
この気液分離性多孔質体5は、アノード電極4と対向する燃料タンク71内の一部に(図1においては、燃料タンク71の右側に)、収容されている。
また、気液分離性多孔質体5は、アノード側集電電極41を介して、アノード電極4と連通するように設けられている。すなわち、気液分離性多孔質体5は、間接的に(アノード側集電電極41を介して)、アノード電極4に設けられている。ここで、気液分離性多孔質体5は、気液分離性多孔質体5とアノード側集電電極41との間に隙間が生じないように、アノード側集電電極41に密着した状態で設けられている。このようにすると、上記隙間を通って、アルコール燃料が気液分離性多孔質体5に侵入することを防止することができる。
気液分離性多孔質体5は、気液分離性を有する多孔質材料からなり、この多孔質材料として、ポリテトラフルオロエチレン(適宜、PTFEと略称する。)などのフッ素系樹脂やポリオレフィン樹脂などが用いられる。
この気液分離性多孔質体5は、アノード電極4と対向する燃料タンク71内の一部に(図1においては、燃料タンク71の右側に)、収容されている。
また、気液分離性多孔質体5は、アノード側集電電極41を介して、アノード電極4と連通するように設けられている。すなわち、気液分離性多孔質体5は、間接的に(アノード側集電電極41を介して)、アノード電極4に設けられている。ここで、気液分離性多孔質体5は、気液分離性多孔質体5とアノード側集電電極41との間に隙間が生じないように、アノード側集電電極41に密着した状態で設けられている。このようにすると、上記隙間を通って、アルコール燃料が気液分離性多孔質体5に侵入することを防止することができる。
この気液分離性多孔質体5には、ほぼアルコール燃料が侵入しないので、気液分離性多孔質体5は、アノード電極4で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして効果的に外部に放出することができる。
また、好ましくは、気液分離性多孔質体5は、多孔質体の空孔率が50%以下、また、平均口径が1μm以下であるとよい。このようにすると、アルコール燃料が侵入した場合であっても、アルコール燃料の蒸発を抑えることができる。
また、好ましくは、気液分離性多孔質体5は、多孔質体の空孔率が50%以下、また、平均口径が1μm以下であるとよい。このようにすると、アルコール燃料が侵入した場合であっても、アルコール燃料の蒸発を抑えることができる。
気液分離性多孔質体5は、アノード電極4のほぼ1/3の面積を覆う大きさとしてある。ここで、アノード電極4の面積とは、図1においては、アノード電極4が固体高分子電解質膜2と接触している面積をいう。
ここで、好ましくは、気液分離性多孔質体5が、アノード電極4の1/10以上1/2以下の面積を覆うとよい。このようにすると、気液分離性多孔質体5が、二酸化炭素ガスを効果的に回収し、電圧の経時変化を抑制でき、かつ、アノード電極4に効果的に発電するためのアルコール燃料を供給することができる。すなわち、上記の数値限定の理由は、1/10未満では、気液分離性多孔質体5が、二酸化炭素ガスを十分に回収できないからであり、また、1/2を超えると、アノード電極4にアルコール燃料が十分に供給されなくなるからである。
ここで、好ましくは、気液分離性多孔質体5が、アノード電極4の1/10以上1/2以下の面積を覆うとよい。このようにすると、気液分離性多孔質体5が、二酸化炭素ガスを効果的に回収し、電圧の経時変化を抑制でき、かつ、アノード電極4に効果的に発電するためのアルコール燃料を供給することができる。すなわち、上記の数値限定の理由は、1/10未満では、気液分離性多孔質体5が、二酸化炭素ガスを十分に回収できないからであり、また、1/2を超えると、アノード電極4にアルコール燃料が十分に供給されなくなるからである。
また、好ましくは、気液分離性多孔質体5の、アルコール燃料と接する部分が、撥水性又は撥油性を有するとよい。本実施形態では、気液分離性多孔質体5の、アノード側集電電極41と接触する面、及び、親水性多孔質体6と接触する面に、非晶質フルオロポリマー処理等によって、撥油処理を施してある。これにより、水及びアルコール燃料が、(気液分離性多孔質体5と対向する領域の)アノード電極4及び親水性多孔質体6から、気液分離性多孔質体5の内部に侵入するのをほぼ防止でき、気液分離性多孔質体5が、十分な気液分離性を発揮でき、効率よく二酸化炭素ガスを外部に排出することができる。
(親水性多孔質体)
親水性多孔質体6は、通常、ウレタン発泡体などの耐アルカリ性を有する材料が用いられる。この親水性多孔質体6は、メタノール、エタノール、エチレングリコールなどのアルコール燃料を貯蔵し、アノード電極4に供給する。
また、親水性多孔質体6は、空孔率が80%以上であるとよい。このようにすると、アノード電極4に十分なアルコール燃料を供給することができ、アノード電極4内部のエネルギー密度を高めることができる。
親水性多孔質体6は、通常、ウレタン発泡体などの耐アルカリ性を有する材料が用いられる。この親水性多孔質体6は、メタノール、エタノール、エチレングリコールなどのアルコール燃料を貯蔵し、アノード電極4に供給する。
また、親水性多孔質体6は、空孔率が80%以上であるとよい。このようにすると、アノード電極4に十分なアルコール燃料を供給することができ、アノード電極4内部のエネルギー密度を高めることができる。
本実施形態の燃料電池1は、燃料タンク71内の、気液分離性多孔質体5が設けられていない空間に、アルコール燃料をほぼ均一にアノード電極4に供給するための親水性多孔質体6を収容している。
また、親水性多孔質体6は、アノード側集電電極41を介して、アノード電極4と連通するように設けられている。すなわち、親水性多孔質体6は、間接的に(アノード側集電電極41を介して)、アノード電極4に設けられている。
また、親水性多孔質体6は、アノード側集電電極41を介して、アノード電極4と連通するように設けられている。すなわち、親水性多孔質体6は、間接的に(アノード側集電電極41を介して)、アノード電極4に設けられている。
また、親水性多孔質体6は、親水性を有しているので、アルコール燃料が減ってきたとき、親水性多孔質体6から気液分離性多孔質体5に移動しようとするアルコール燃料を低減させる効果を奏する。したがって、本実施形態では、アルコール燃料が、気液分離性多孔質体5に移動しにくくなるように、燃料タンク71内の、気液分離性多孔質体5が設けられていない空間全てに、親水性多孔質体6を埋め尽くした構造としてある。
また、好ましくは、気液分離性多孔質体5と親水性多孔質体6の間に、仕切り部材、たとえば、隔壁(図示せず)などを設けて、気液分離性多孔質体5と親水性多孔質体6を分離してもよい。
このようにすると、気液分離性多孔質体5と親水性多孔質体6とが、完全に分離されるので、親水性多孔質体6から気液分離性多孔質体5にアルコール燃料が移動できなくなる。これにより、親水性多孔質体6から気液分離性多孔質体5にアルコール燃料が移動し、移動したアルコール燃料が気液分離性多孔質体5において蒸発するといった不具合を防止することができる。
このようにすると、気液分離性多孔質体5と親水性多孔質体6とが、完全に分離されるので、親水性多孔質体6から気液分離性多孔質体5にアルコール燃料が移動できなくなる。これにより、親水性多孔質体6から気液分離性多孔質体5にアルコール燃料が移動し、移動したアルコール燃料が気液分離性多孔質体5において蒸発するといった不具合を防止することができる。
また、たとえば、上記隔壁は、燃料タンク71を射出成形するなどして、容易に形成できる。これにより、燃料タンク71は、気液分離性多孔質体5と親水性多孔質体6を、分離した状態で収容する二つの空間を有することができる。また、射出成形することにより、製造原価のコストダウンを図ることができる。
また、図示してないが、親水性多孔質体6とアノード側集電電極41との間に、親水性多孔質体6を覆う形状のカチオン伝導性のイオン伝導性多孔質体(図示せず)を設けてもよい。
すなわち、使用されるアルコール燃料が中性であって、MEAのカソード電極3及びアノード電極4にアニオン伝導性の接合剤が用いられている場合、カチオン伝導性のイオン伝導性多孔質体を用いることが望ましい。このカチオン伝導性を有するイオン伝導性多孔質体の材料としては、スルホン酸基を有する、フッ素系イオン交換樹脂及び炭化水素系イオン交換樹脂などを挙げることができる。また、このイオン伝導性多孔質体は、一般的に、厚さが20μm〜0.5mmのものが用いられ、また、アルコール燃料を保持でいるように、含水率が20%以上のものが用いられる。
このようにすると、アノード電極4で発生した炭酸イオンが、親水性多孔質体6のアルコール燃料に拡散するのを抑制し、二酸化炭素としての外部への放出を促進できる。また、アノード電極4内のOHイオンが、親水性多孔質体6のアルコール燃料に拡散するのを抑制するので、燃料電池1の発電効率の低下を防止することができる。
すなわち、使用されるアルコール燃料が中性であって、MEAのカソード電極3及びアノード電極4にアニオン伝導性の接合剤が用いられている場合、カチオン伝導性のイオン伝導性多孔質体を用いることが望ましい。このカチオン伝導性を有するイオン伝導性多孔質体の材料としては、スルホン酸基を有する、フッ素系イオン交換樹脂及び炭化水素系イオン交換樹脂などを挙げることができる。また、このイオン伝導性多孔質体は、一般的に、厚さが20μm〜0.5mmのものが用いられ、また、アルコール燃料を保持でいるように、含水率が20%以上のものが用いられる。
このようにすると、アノード電極4で発生した炭酸イオンが、親水性多孔質体6のアルコール燃料に拡散するのを抑制し、二酸化炭素としての外部への放出を促進できる。また、アノード電極4内のOHイオンが、親水性多孔質体6のアルコール燃料に拡散するのを抑制するので、燃料電池1の発電効率の低下を防止することができる。
(燃料タンク)
燃料タンク71は、皿状の形状としてあり、親水性多孔質体6側の側面に、燃料注入口711が形成され、さらに、気液分離性多孔質体5側の側面に、二酸化炭素ガス放出口712が形成されている。
また、使用するアルコール燃料は、燃料注入口711から注入され、さらに、二酸化炭素ガス放出口712からは、二酸化炭素ガスが放出される。
以上のように用意したMEA発電部と燃料タンク71などを積層し、ネジ止めあるいは接着剤などで一体化して、図1に示す燃料電池1(発電セル)となる。
なお、図示してないが、燃料電池1は、アルカリ型の燃料電池としてあるので、カソード側集電電極31の外側に、カソード電極3に水を供給するためのポンプ及び水タンクからなる外部装置を設けてもよいし、あるいは、固体高分子電解質膜2を通して、アノード電極4側にある生成された水をカソード電極3側へ浸透させることにより、カソード電極3に水を供給してもよい。また、カソード電極3には、送風ファンなどの外部装置、あるいは、自然吸気によって、空気も供給される。
燃料タンク71は、皿状の形状としてあり、親水性多孔質体6側の側面に、燃料注入口711が形成され、さらに、気液分離性多孔質体5側の側面に、二酸化炭素ガス放出口712が形成されている。
また、使用するアルコール燃料は、燃料注入口711から注入され、さらに、二酸化炭素ガス放出口712からは、二酸化炭素ガスが放出される。
以上のように用意したMEA発電部と燃料タンク71などを積層し、ネジ止めあるいは接着剤などで一体化して、図1に示す燃料電池1(発電セル)となる。
なお、図示してないが、燃料電池1は、アルカリ型の燃料電池としてあるので、カソード側集電電極31の外側に、カソード電極3に水を供給するためのポンプ及び水タンクからなる外部装置を設けてもよいし、あるいは、固体高分子電解質膜2を通して、アノード電極4側にある生成された水をカソード電極3側へ浸透させることにより、カソード電極3に水を供給してもよい。また、カソード電極3には、送風ファンなどの外部装置、あるいは、自然吸気によって、空気も供給される。
次に、上記構成の燃料電池1の動作について、説明する。
燃料電池1(発電セル)は、燃料注入口711からアルコール燃料(本実施形態では、メタノールを使用する。)が注入されると、親水性多孔質体6がアルコール燃料を吸収し、アノード電極4にアルコール燃料を供給する。
ここで、アルコール燃料は、まず、アノード電極4の、親水性多孔質体6と対向する領域に供給されるが、このアルコール燃料は、アノード電極4の毛細管現象により、アノード電極4の、気液分離性多孔質体5と対向する領域にも供給される。
また、カソード電極3には、上述した外部装置などを用いて、水及び空気が供給される。
燃料電池1(発電セル)は、燃料注入口711からアルコール燃料(本実施形態では、メタノールを使用する。)が注入されると、親水性多孔質体6がアルコール燃料を吸収し、アノード電極4にアルコール燃料を供給する。
ここで、アルコール燃料は、まず、アノード電極4の、親水性多孔質体6と対向する領域に供給されるが、このアルコール燃料は、アノード電極4の毛細管現象により、アノード電極4の、気液分離性多孔質体5と対向する領域にも供給される。
また、カソード電極3には、上述した外部装置などを用いて、水及び空気が供給される。
次に、カソード電極3において、下記の式(2)の反応が起こり、OHイオンが、固体高分子電解質膜2を通ってアノード電極4に移動し、電子は、外部回路(図示せず)を通ってアノード電極4に移動する。そして、アノード電極4において、下記の式(1)の反応が起こり、炭酸イオンと水が生成される。このとき、電流が、アノード電極4からカソード電極3に流れ、燃料電池1が発電する。
アノード電極4における反応:
CH3OH+8OH− → CO3 2−+6e−+6H2O 式(1)
カソード電極3における反応:
3/2O2+6H2O+6e− → 6OH− 式(2)
アノード電極4における反応:
CH3OH+8OH− → CO3 2−+6e−+6H2O 式(1)
カソード電極3における反応:
3/2O2+6H2O+6e− → 6OH− 式(2)
ここで、アノード電極4は、上述したように、親水性多孔質体6と対向する領域(適宜、完全に浸漬された部分と略称する。)が、親水性多孔質体6からアルコール燃料が供給され、アルコール燃料にほぼ浸漬された状態となる。一方、アノード電極4の、気液分離性多孔質体5と対向する領域(適宜、部分的に浸漬された部分と略称する。)は、アノード電極4の毛細管現象により、アルコール燃料が供給されるものの、アルコール燃料に完全に浸漬された状態とはならない。
すなわち、気液分離性多孔質体5を設けることにより、アノード電極4は、完全に浸漬された部分と部分的に浸漬された部分を有することとなる。
すなわち、気液分離性多孔質体5を設けることにより、アノード電極4は、完全に浸漬された部分と部分的に浸漬された部分を有することとなる。
そして、完全に浸漬された部分では、アノード触媒によるアルコール酸化反応で生じた炭酸イオンは、水溶液(生成された水からなる水溶液)に容易に溶け込んでしまう。
一方、部分的に浸漬された部分では、アノード触媒によるアルコール酸化反応で生じた炭酸イオンは、溶け込む水溶液が少ないために、二酸化炭素ガスとして気液分離性多孔質体5を通じて外部へ放出される。なお、部分的に浸漬された状態では、水溶液に溶解できない余剰な炭酸イオンが、気相と液相の界面から容易に二酸化炭素ガスとして放出される。
一方、部分的に浸漬された部分では、アノード触媒によるアルコール酸化反応で生じた炭酸イオンは、溶け込む水溶液が少ないために、二酸化炭素ガスとして気液分離性多孔質体5を通じて外部へ放出される。なお、部分的に浸漬された状態では、水溶液に溶解できない余剰な炭酸イオンが、気相と液相の界面から容易に二酸化炭素ガスとして放出される。
すなわち、気液分離性多孔質体5を設けることにより、部分的に浸漬された部分で生成された炭酸イオンを、二酸化炭素ガスとして、効果的に外部に排出することができる。また、完全に浸漬された部分で生成された炭酸イオンは、上述したように水溶液に溶け込むが、この炭酸イオンの溶け込んだ水溶液が、循環あるいは中和作用により、部分的に浸漬された部分に移動してくると、二酸化炭素ガスとして、効果的に外部に排出される。
したがって、アノード電極4におけるpHの低下及びOHイオンの供給の滞りが低減され、触媒反応が促進される。これにより、燃料電池1は、発電時の電圧降下を著しく低減することができる。
したがって、アノード電極4におけるpHの低下及びOHイオンの供給の滞りが低減され、触媒反応が促進される。これにより、燃料電池1は、発電時の電圧降下を著しく低減することができる。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池1は、気液分離性多孔質体5を設けることにより、生成された炭酸イオンを、二酸化炭素ガスとして、効果的に外部に排出することができる。これにより、燃料電池1は、発電時の電圧降下を著しく低減することができる。
また、本発明は、アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池から給電される電子装置(図示せず)の発明としても有効である。
この電子装置の燃料電池は、上記実施形態の燃料電池1であり、アノード電極4で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体5を備えている。
このようにすると、この電子装置は、発電時の電圧降下を著しく低減することができる。
なお、上記電子装置としては、たとえば、ノートブックパソコンなどの情報処理装置、ビデオカメラなどの画像装置などを挙げることができ、また、燃料電池1から給電される電子装置であれば、特に、限定されるものではない。
この電子装置の燃料電池は、上記実施形態の燃料電池1であり、アノード電極4で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体5を備えている。
このようにすると、この電子装置は、発電時の電圧降下を著しく低減することができる。
なお、上記電子装置としては、たとえば、ノートブックパソコンなどの情報処理装置、ビデオカメラなどの画像装置などを挙げることができ、また、燃料電池1から給電される電子装置であれば、特に、限定されるものではない。
[第二実施形態]
図2は、本発明の第二実施形態にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
図2において、本実施形態の燃料電池1aは、第一実施形態と比べて、親水性多孔質体6とアノード電極4との間に、アニオン伝導性のイオン伝導性多孔質体8を有する点、及び、アルコール燃料が、強アルカリ性である点が相違する。その他の構成は、ほぼ第一実施形態と同様としてある。
したがって、図2において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
図2は、本発明の第二実施形態にかかる燃料電池のセル構造を説明するための概略断面図を示している。
図2において、本実施形態の燃料電池1aは、第一実施形態と比べて、親水性多孔質体6とアノード電極4との間に、アニオン伝導性のイオン伝導性多孔質体8を有する点、及び、アルコール燃料が、強アルカリ性である点が相違する。その他の構成は、ほぼ第一実施形態と同様としてある。
したがって、図2において、図1と同様の構成部分については同一の符号を付して、その詳細な説明を省略する。
燃料電池1aは、親水性多孔質体6とアノード側集電電極41との間に、親水性多孔質体6を覆う形状のイオン伝導性多孔質体8が設けられている。
ここで、アルコール燃料が、アルカリ剤(たとえば、KOH)を添加され、強アルカリ性を有する場合、このイオン交換性のイオン伝導性多孔質体8に、アニオン伝導性のものが用いられる。
このアニオン伝導性を有するイオン伝導性多孔質体8の材料としては、四級アンモニウム基や第3級アミン基などのアニオン交換基を有する、フッ素系イオン交換樹脂又は炭化水素系イオン交換樹脂などを挙げることができる。
また、イオン伝導性多孔質体8は、通常、厚さが20μm〜0.5mmのものが用いられ、また、アルコール燃料を保持できるように、含水率が20%以上のものが用いられる。
ここで、アルコール燃料が、アルカリ剤(たとえば、KOH)を添加され、強アルカリ性を有する場合、このイオン交換性のイオン伝導性多孔質体8に、アニオン伝導性のものが用いられる。
このアニオン伝導性を有するイオン伝導性多孔質体8の材料としては、四級アンモニウム基や第3級アミン基などのアニオン交換基を有する、フッ素系イオン交換樹脂又は炭化水素系イオン交換樹脂などを挙げることができる。
また、イオン伝導性多孔質体8は、通常、厚さが20μm〜0.5mmのものが用いられ、また、アルコール燃料を保持できるように、含水率が20%以上のものが用いられる。
ここで、好ましくは、アルコール燃料が、イオン伝導性多孔質体8からのみアノード電極4に供給されるように、イオン伝導性多孔質体8は、親水性多孔質体6に面するアノード側集電電極41の全面を覆い、かつ、アノード側集電電極41に密着した状態で設けられるとよい。
このようにすると、アルコール燃料に添加されたアルカリ剤、たとえば、KOHが添加された場合には、アノード電極4にカリウムイオンが移動することを抑制でき、カリウムイオンと反応した反応生成物などによって、触媒が被毒するといった不具合を有効に防止することができる。
このようにすると、アルコール燃料に添加されたアルカリ剤、たとえば、KOHが添加された場合には、アノード電極4にカリウムイオンが移動することを抑制でき、カリウムイオンと反応した反応生成物などによって、触媒が被毒するといった不具合を有効に防止することができる。
以上説明したように、本実施形態の燃料電池1aは、アルカリ剤(たとえば、KOH)が添加され、強アルカリ性を有するアルコール燃料を使用している。また、イオン伝導性多孔質体8を設けることにより、アノード電極4にカリウムイオンが移動することを抑制している。
これによってアノード電極4中に発生した炭酸イオンとカリウムイオンとの結合が抑制され、二酸化炭素ガスとしての放出を促進でき、さらに、炭酸カリウムの触媒表面への吸着を減らせるので、経時劣化を低減できる。
次に、本発明の実施例及び比較例について、説明する。
これによってアノード電極4中に発生した炭酸イオンとカリウムイオンとの結合が抑制され、二酸化炭素ガスとしての放出を促進でき、さらに、炭酸カリウムの触媒表面への吸着を減らせるので、経時劣化を低減できる。
次に、本発明の実施例及び比較例について、説明する。
実施例1の燃料電池は、図1に示した構造を有する第一実施形態の燃料電池1である。この燃料電池は、単セル燃料電池として、以下の手順で作製した。
先ず、炭素粒子(ライオン社製のケッチェンブラックEC600JD)に、粒子径が3〜5nmの範囲内にある白金微粒子を、重量比で55%担持させた触媒担持炭素微粒子を用意した。
この触媒担持炭素微粒子1gに、デュポン社製の5重量%ナフィオン溶液(商品名;DE521、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標)を適量加え、攪拌して、電極に用いる触媒ペーストを得た。
この触媒ペーストを、基材としてのカーボンペーパー(東レ社製のTGP−H−120)上に、8mg/cm2の量で140℃のホットプレート上で塗布し、その後、乾燥させて、縦4cm×横4cmの正方形のカソード電極3及びアノード電極4を作製した。
先ず、炭素粒子(ライオン社製のケッチェンブラックEC600JD)に、粒子径が3〜5nmの範囲内にある白金微粒子を、重量比で55%担持させた触媒担持炭素微粒子を用意した。
この触媒担持炭素微粒子1gに、デュポン社製の5重量%ナフィオン溶液(商品名;DE521、「ナフィオン」はデュポン社の登録商標)を適量加え、攪拌して、電極に用いる触媒ペーストを得た。
この触媒ペーストを、基材としてのカーボンペーパー(東レ社製のTGP−H−120)上に、8mg/cm2の量で140℃のホットプレート上で塗布し、その後、乾燥させて、縦4cm×横4cmの正方形のカソード電極3及びアノード電極4を作製した。
次に、電解質膜である固体高分子電解質膜2として、強塩基型のアニオン交換膜であるAHA((株)アトムス製)を用いた。
この電解質膜を、縦8cm×横8cmの正方形に成型した後、一方の膜面上に、カソード電極3をカーボンペーパーが外側となる向きで配置し、もう一方の膜面上に、アノード電極4をカーボンペーパーが外側となる向きで配置して、各カーボンペーパーの外側からプレス機を用いて温度をかけずに圧着した。
これにより、カソード電極3及びアノード電極4が、固体高分子電解質膜2に接合して、MEA(電極−電解質膜接合体)が得られた。
この電解質膜を、縦8cm×横8cmの正方形に成型した後、一方の膜面上に、カソード電極3をカーボンペーパーが外側となる向きで配置し、もう一方の膜面上に、アノード電極4をカーボンペーパーが外側となる向きで配置して、各カーボンペーパーの外側からプレス機を用いて温度をかけずに圧着した。
これにより、カソード電極3及びアノード電極4が、固体高分子電解質膜2に接合して、MEA(電極−電解質膜接合体)が得られた。
次に、カソード電極3とアノード電極4の上に、SUS316ステンレス鋼板(縦6cm×横6cm、厚さ1mm、穴径1mm、開口率10%の正方形の有孔板)からなる、カソード側集電電極31及びアノード側集電電極41を配置した。
また、固体高分子電解質膜2とカソード側集電電極31との間には、フッ素樹脂製のカソード用フレーム72(外側が縦6cm×横6cm、内側が縦4cm×横4cmであり、厚さが0.2mmの矩形環状体)を配置した。
さらに、固体高分子電解質膜2とアノード側集電電極41との間には、フッ素樹脂製のアノード用フレーム73(外側が縦6cm×横6cm、内側が縦4cm×横4cmであり、厚さが0.2mmの矩形環状体)を配置した。
また、固体高分子電解質膜2とカソード側集電電極31との間には、フッ素樹脂製のカソード用フレーム72(外側が縦6cm×横6cm、内側が縦4cm×横4cmであり、厚さが0.2mmの矩形環状体)を配置した。
さらに、固体高分子電解質膜2とアノード側集電電極41との間には、フッ素樹脂製のアノード用フレーム73(外側が縦6cm×横6cm、内側が縦4cm×横4cmであり、厚さが0.2mmの矩形環状体)を配置した。
燃料タンク71として、PP製であり、外側が縦6cm×横6cm、内側が縦4cm×横4cmであり、高さが8mm、深さが2mmの矩形皿状体を用意した。
この燃料タンク71の両側面の対向する二箇所の位置(合計四箇所)に、φ1mmのネジ穴を形成した。
そして、燃料タンク71の内部に、気液分離性多孔質体5として、PTFEからなる厚さ0.5mm、空孔率25%、口径1μmの多孔質膜を、縦44mm×横14mmに成形した後,これらを四枚積層させた。
次に、燃料タンク71内の残りの空間に、親水性多孔質体6として、空孔率90%のウレタン発泡体を埋め込んだ。
この燃料タンク71の両側面の対向する二箇所の位置(合計四箇所)に、φ1mmのネジ穴を形成した。
そして、燃料タンク71の内部に、気液分離性多孔質体5として、PTFEからなる厚さ0.5mm、空孔率25%、口径1μmの多孔質膜を、縦44mm×横14mmに成形した後,これらを四枚積層させた。
次に、燃料タンク71内の残りの空間に、親水性多孔質体6として、空孔率90%のウレタン発泡体を埋め込んだ。
最後に、これらの各部材をネジ止めして一体化した。
なお、このときに使用されるネジは、電気的な漏洩防止のために、樹脂製のネジを用いた。
こうして、MEA(固体高分子電解質膜2、カソード電極3及びアノード電極4)、カソード側集電電極31、アノード側集電電極41、カソード用フレーム72、アノード用フレーム73、並びに、気液分離性多孔質体5及び親水性多孔質体6を有する燃料タンク71を一体化した、図1に示す断面構造を持つ燃料電池1を得た。
なお、このときに使用されるネジは、電気的な漏洩防止のために、樹脂製のネジを用いた。
こうして、MEA(固体高分子電解質膜2、カソード電極3及びアノード電極4)、カソード側集電電極31、アノード側集電電極41、カソード用フレーム72、アノード用フレーム73、並びに、気液分離性多孔質体5及び親水性多孔質体6を有する燃料タンク71を一体化した、図1に示す断面構造を持つ燃料電池1を得た。
図3は、実施例1及び比較例1の発電時にけるセル電圧の時間変化を説明するためのグラフを示している。
図3に示すように、実施例1の燃料電池1は、発電開始から30分が経過するまでの間において、電圧降下を著しく低減することができた。
すなわち、燃料電池1は、発電開始から5分が経過するまでの間において、極めて微小の電圧降下が検出されたが、発電開始後5分から30分が経過するまでの間において、緩やかにセル電圧が上昇した。なお、セル電圧が上昇したのは、発電に伴う自己発熱による温度上昇によって、触媒活性が向上したためである。
図3に示すように、実施例1の燃料電池1は、発電開始から30分が経過するまでの間において、電圧降下を著しく低減することができた。
すなわち、燃料電池1は、発電開始から5分が経過するまでの間において、極めて微小の電圧降下が検出されたが、発電開始後5分から30分が経過するまでの間において、緩やかにセル電圧が上昇した。なお、セル電圧が上昇したのは、発電に伴う自己発熱による温度上昇によって、触媒活性が向上したためである。
[比較例1]
比較例1の燃料電池は、上記実施例1の燃料電池1と比べて、気液分離性多孔質体5を設けず、燃料タンク71の内部の全てに、親水性多孔質体6(親水性のウレタン発泡体)を埋め込んだ構成とした点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例1の燃料電池1と同様とした。
この比較例1の燃料電池は、図3に示すように、発電開始から30分が経過するまでの間において、ほぼ直線的に電圧降下し、30分が経過する間に、約0.1Vの電圧降下が発生した。
比較例1の燃料電池は、上記実施例1の燃料電池1と比べて、気液分離性多孔質体5を設けず、燃料タンク71の内部の全てに、親水性多孔質体6(親水性のウレタン発泡体)を埋め込んだ構成とした点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例1の燃料電池1と同様とした。
この比較例1の燃料電池は、図3に示すように、発電開始から30分が経過するまでの間において、ほぼ直線的に電圧降下し、30分が経過する間に、約0.1Vの電圧降下が発生した。
実施例2の燃料電池は、上記実施例1の燃料電池1と比べて、図示してないが、親水性多孔質体6とアノード側集電電極41との間に、親水性多孔質体6とほぼ同じ外形を有する、固体高分子電解質膜2で用いたアニオン交換膜を設けた構成とした点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例1の燃料電池1と同様とした。
この実施例2の燃料電池は、図示してないが、実施例1の燃料電池1とほぼ同様に、発電開始から30分が経過するまでの間において、電圧降下を著しく低減することができた。
この実施例2の燃料電池は、図示してないが、実施例1の燃料電池1とほぼ同様に、発電開始から30分が経過するまでの間において、電圧降下を著しく低減することができた。
実施例3の燃料電池は、上記実施例1の燃料電池1と比べて、燃料タンク71内に、8vol%メタノール水溶液で希釈した3M水酸化カリウムを注入して、カソード電極3をAir−breathingとして発電を行った点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例1の燃料電池1と同様とした。
この実施例3の燃料電池は、図示してないが、実施例1の燃料電池1とほぼ同様に、大きな電圧降下は起こらず、安定して発電を行うことができた。
この実施例3の燃料電池は、図示してないが、実施例1の燃料電池1とほぼ同様に、大きな電圧降下は起こらず、安定して発電を行うことができた。
[比較例2]
比較例2の燃料電池は、上記比較例1の燃料電池と比べて、燃料タンク71内に、8vol%メタノール水溶液で希釈した3M水酸化カリウムを注入して、カソード電極3をAir−breathingとして発電を行った点が相違した。なお、その他の構成は、上記比較例1の燃料電池と同様とした。
この比較例2の燃料電池は、図示してないが、比較例1の燃料電池とほぼ同様に、発電開始から30分が経過するまでの間において、ほぼ直線的に電圧降下した。
比較例2の燃料電池は、上記比較例1の燃料電池と比べて、燃料タンク71内に、8vol%メタノール水溶液で希釈した3M水酸化カリウムを注入して、カソード電極3をAir−breathingとして発電を行った点が相違した。なお、その他の構成は、上記比較例1の燃料電池と同様とした。
この比較例2の燃料電池は、図示してないが、比較例1の燃料電池とほぼ同様に、発電開始から30分が経過するまでの間において、ほぼ直線的に電圧降下した。
実施例4の燃料電池は、図2に示した構造を有する第二実施形態の燃料電池1aであり、上記実施例2の燃料電池と比べて、燃料タンク71内に、8vol%メタノール水溶液で希釈した3M水酸化カリウムを注入して、カソード電極3をAir−breathingとして発電を行った点が相違した。なお、その他の構成は、上記実施例2の燃料電池と同様とした。
この実施例4の燃料電池は、図示してないが、実施例3の燃料電池とほぼ同様に、大きな電圧降下は起こらず、安定して発電を行うことができた。
この実施例4の燃料電池は、図示してないが、実施例3の燃料電池とほぼ同様に、大きな電圧降下は起こらず、安定して発電を行うことができた。
上述した各実施例及び比較例から、本発明の燃料電池は、アルコール燃料を用いるアルカリ型の燃料電池で問題となっていた、セル電圧の経時変化を大幅に低減できることを実証できた。
以上、本発明の燃料電池及び電子装置について、好ましい実施形態を示して説明したが、本発明に係る燃料電池及び電子装置は、上述した実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲で種々の変更実施が可能であることは言うまでもない。
たとえば、気液分離性多孔質体5は、上述した形状に限定されるものではなく、たとえば、図4に示すように、複数の帯状体を配設した構成としてもよい。
すなわち、図4に示す燃料電池1bは、正方形の皿状の燃料タンク71の上部に、水平方向に形成された一つの帯状の気液分離性多孔質体と、この気液分離性多孔質体から下方に延設された五つの帯状の気液分離性多孔質体とからなる気液分離性多孔質体5bを備えた構成としてある。
このようにすると、アノード電極4で発生する炭酸イオンを、二酸化炭素ガスとしてより効率よく外部に排出することができる。
なお、図4においては、燃料注入口711を燃料タンク71の下方左側面に設け、さらに、二酸化炭素ガス放出口712を上方右側面に設けてあるが、この構成に限定されるものではない。
たとえば、気液分離性多孔質体5は、上述した形状に限定されるものではなく、たとえば、図4に示すように、複数の帯状体を配設した構成としてもよい。
すなわち、図4に示す燃料電池1bは、正方形の皿状の燃料タンク71の上部に、水平方向に形成された一つの帯状の気液分離性多孔質体と、この気液分離性多孔質体から下方に延設された五つの帯状の気液分離性多孔質体とからなる気液分離性多孔質体5bを備えた構成としてある。
このようにすると、アノード電極4で発生する炭酸イオンを、二酸化炭素ガスとしてより効率よく外部に排出することができる。
なお、図4においては、燃料注入口711を燃料タンク71の下方左側面に設け、さらに、二酸化炭素ガス放出口712を上方右側面に設けてあるが、この構成に限定されるものではない。
1 燃料電池
1a 燃料電池
1b 燃料電池
2 固体高分子電解質膜
3 カソード電極
4 アノード電極
5 気液分離性多孔質体
5b 気液分離性多孔質体
6 親水性多孔質体
8 イオン伝導性多孔質体
31 カソード側集電電極
41 アノード側集電電極
71 燃料タンク
72 カソード用フレーム
73 アノード用フレーム
711 燃料注入口
712 二酸化炭素ガス放出口
1a 燃料電池
1b 燃料電池
2 固体高分子電解質膜
3 カソード電極
4 アノード電極
5 気液分離性多孔質体
5b 気液分離性多孔質体
6 親水性多孔質体
8 イオン伝導性多孔質体
31 カソード側集電電極
41 アノード側集電電極
71 燃料タンク
72 カソード用フレーム
73 アノード用フレーム
711 燃料注入口
712 二酸化炭素ガス放出口
Claims (11)
- アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池において、
アノード電極で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体を備えたことを特徴とする燃料電池。 - 前記気液分離性多孔質体が、前記アノード電極に、直接的に又は間接的に設けられたことを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記気液分離性多孔質体が、前記アノード電極の1/10以上1/2以下の面積を覆うことを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。
- 前記気液分離性多孔質体が、帯状に形成されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記気液分離性多孔質体の、前記アルコール燃料と接する部分が、撥水性又は撥油性を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記アノード電極に、親水性多孔質体が、直接的に又は間接的に設けられ、前記親水性多孔質体が、前記アノード電極に前記アルコール燃料を供給することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の燃料電池。
- 前記親水性多孔質体と前記気液分離性多孔質体が、仕切り部材により仕切られたことを特徴とする請求項6に記載の燃料電池。
- 前記親水性多孔質体と前記アノード電極との間に、カチオン伝導性のイオン伝導性多孔質体を有することを特徴とする請求項6又は7に記載の燃料電池。
- 前記親水性多孔質体と前記アノード電極との間に、アニオン伝導性のイオン伝導性多孔質体を有し、かつ、前記アルコール燃料が、強アルカリ性であることを特徴とする請求項6又は7に記載の燃料電池。
- アルコール燃料を使用するアルカリ型の燃料電池から給電される電子装置において、
前記燃料電池が、アノード電極で発生する炭酸イオンを二酸化炭素ガスとして外部に放出するための、気液分離性を有する気液分離性多孔質体を備えたことを特徴とする電子装置。 - 前記気液分離性多孔質体が、前記アノード電極に、直接的に又は間接的に設けられたことを特徴とする請求項10に記載の電子装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008077597A JP2009231195A (ja) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | 燃料電池及び電子装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2008077597A JP2009231195A (ja) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | 燃料電池及び電子装置 |
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JP2009231195A true JP2009231195A (ja) | 2009-10-08 |
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JP2008077597A Pending JP2009231195A (ja) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | 燃料電池及び電子装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009231195A (ja) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2012221564A (ja) * | 2011-04-04 | 2012-11-12 | Dainippon Printing Co Ltd | 固体高分子形燃料電池のエージング方法、及び固体高分子形燃料電池の発電システム |
JP2013200972A (ja) * | 2012-03-23 | 2013-10-03 | Fujikura Ltd | ダイレクトメタノール型燃料電池 |
JPWO2014020764A1 (ja) * | 2012-08-03 | 2016-07-11 | 株式会社日立製作所 | アルカリ形燃料電池、アルカリ形燃料電池用燃料組成物及びアルカリ形燃料電池用燃料カートリッジ |
-
2008
- 2008-03-25 JP JP2008077597A patent/JP2009231195A/ja active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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