JP2010050043A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】液体燃料の供給効率と反応生成物の排出効率とが優れた燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池１００は、液体燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極１０１と、酸化剤と陽イオンとを反応させる酸化剤極１０３と、燃料極１０１と酸化剤極１０３とに挟まれて配置されるとともに燃料極１０１で生成された陽イオンを酸化剤極１０３側に透過させる電解質膜１０２とを有し、上記燃料極に隣接して上記電解質膜とは反対側に、多孔質膜１１０と、燃料室１０４とをこの順に備え、燃料室１０４は、燃料極１０１に液体燃料を供給する第１流路１０６と、上記燃料極から反応生成ガスを排出する第２流路１０７とを有し、第１流路１０６と第２流路１０７とが、相互に独立して備えられることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に液体燃料の反応効率と反応生成物の排出効率とが高い燃料電池に関する。

近年盛んに開発がなされている燃料電池は、燃料と酸化剤との電気化学反応により発生した電力を取り出す発電システムであり、燃料と酸化剤とを供給し続ける限り連続的に発電することができることから、様々な用途への展開が考えられている。

従来の熱機関を用いる発電システムは、熱エネルギーに変換してから電気エネルギーを得ることにより発電していたが、燃料電池の発電システムは、熱エネルギーを経ることなく直接電気エネルギーを取り出すことができることから、従来の発電システムと比べて、発電効率が高いという特徴があり、この特徴を生かした用途への展開が考えられている。

このような燃料電池の中でも、直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）と呼ばれる燃料電池が近年特に注目を集めている。これは、燃料としてメタノールと水とを用い、酸化剤として空気を用いた発電システムであり、他の燃料電池に比べて単位体積当たりのエネルギー密度が高く、しかも発電システムも単純であることから、小型で大容量の次世代モバイル電源として期待が高まっている。

このような直接型メタノール燃料電池は、たとえば特表平１１−５１０３１１号公報（特許文献１）および特開平６−１８８００８号公報（特許文献２）にメタノールと水との混合物を燃料として供給する直接型メタノール供給式燃料電池が開示されている。以下に、従来の代表的な直接型メタノール燃料電池の構造について説明する。
特表平１１−５１０３１１号公報 特開平６−１８８００８号公報 図７は、従来の代表的な直接型メタノール燃料電池６００の構造を示した図である。図７に示される直接型メタノール燃料電池は、メタノールと水との混合液を液体燃料とし、供給ポンプにより燃料タンク（図示せず）から燃料供給口６０８に液体燃料が供給される。そして、燃料供給口６０８に供給された液体燃料は矢印６１６で示す方向に向かって流れ、セパレータ６１５に形成された燃料室６０４に供給される。そして、燃料極６０１内に浸透して液体燃料に含まれるメタノールと水とが、ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ＋＋６ｅ−と反応し、二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する。通常、燃料極６０１には触媒を含んだ多孔質材が用いられており、燃料極６０１と電解質膜６０２との界面近位で上記のような反応が起こっているものと推察される。

上記の反応で生成されたプロトンは、燃料極６０１から電解質膜６０２を透過して酸化剤極６０３に移動し、上記反応で生成された電子は燃料極６０１から外部回路（図示せず）を経由して酸化剤極６０３に流れ、この電子の流れを電池の出力として使用する。一方、上記反応で生成した二酸化炭素は、燃料極６０１から燃料室６０４を通して未反応の液体燃料とともに排出される。

さらに、この燃料電池の酸化剤である空気は、セパレータ６１５に形成された酸化剤室６０５に供給される。図７において、空気の流れ方向６２１を矢印で示している。そして、この空気に含まれる酸素が酸化剤室６０５から酸化剤極６０３内に拡散して、燃料極６０１から透過してきたプロトンと式３／２Ｏ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ₂Ｏのように反応し、水を生成する。生成した水は水蒸気となって未反応の酸素を含んだ空気とともに、酸化剤極６０３から酸化剤室６０５を通って矢印６２２で示す方向に排出される。

しかしながら、従来の直接型メタノール燃料電池は液体燃料を効率的に供給するという点で以下のような問題があった。

従来の直接型メタノール燃料電池の液体燃料の供給は、燃料室６０４から燃料極６０１への拡散により行なわれているので、液体燃料の供給量を上げるためには燃料室６０４に圧力を加える必要がある。しかしながら、燃料室６０４は液体燃料の供給路として用いられるだけでなく、反応生成ガスの排出路としても用いられているので、燃料室６０４に圧力を加えると、燃料極６０１で発生した反応生成ガスが燃料室６０４に排出されにくくなるという問題があった。

また、燃料極６０１の反応で生成した反応生成ガスは、燃料極６０１からの拡散により燃料室６０４に排出されるが、燃料極６０１からの拡散による排出だけでは排出効率が不十分なため燃料極６０１の内部に一部の反応生成ガスが残留してしまう。これにより液体燃料の反応面積を減少させてしまい、液体燃料の反応効率を低下させてしまうという問題もあった。

本発明は、上記のような現状に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、液体燃料の反応効率と反応生成物の排出効率とが高い燃料電池を提供することである。

本発明の燃料電池は、液体燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、酸化剤と上記陽イオンとを反応させる酸化剤極と、上記燃料極と上記酸化剤極とに挟まれて配置されるとともに上記燃料極で生成された上記陽イオンを上記酸化剤極側に透過させる電解質膜とを有し、上記燃料極に隣接して上記電解質膜とは反対側に、多孔質膜と、燃料室とをこの順に備え、上記燃料室は、上記燃料極に液体燃料を供給する第１流路と、上記燃料極から反応生成ガスを排出する第２流路とを有し、上記第１流路と上記第２流路とが、相互に独立して備えられることを特徴とする。

このように第１流路と第２流路とが相互に独立して備えられることにより第１流路と第２流路との間に圧力差を生じさせることができることから、第１流路のみを加圧することにより液体燃料をより効率的に燃料極内に供給することができ、以って燃料電池の出力を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池に用いられる第１流路は燃料極に接して配置されるとともに液体燃料が流れる方向に向かって先細り形状であり、他のいずれの第１流路と合流することがないことが好ましい。

このような第１流路の構成にすることにより第１流路全体に圧力を加えることができるようになり、第１流路に供給された液体燃料が燃料極を経ることなく第２流路に流れ込むことを抑制でき、以って燃料電池としての出力の向上を図ることができる。また、このような第１流路の構成にすることにより根幹から末端までの圧力損失を小さくすることができることから、液体燃料に印加した圧力を効果的に末端まで伝えることができ、燃料電池の出力を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池に用いられる多孔質膜の表面は、撥水性であることが好ましい。

このような多孔質膜を用いることにより液体燃料の燃料極から第２流路への漏洩を抑制することができ、以って燃料電池としての性能を向上させることができる。

また、多孔質膜の表面における液体燃料の接触角は、１２０度以上であることが好ましい。

このような多孔質膜を用いることにより液体燃料の燃料極から第２流路への漏洩を抑制することができ、燃料電池としての性能を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池に用いられる多孔質膜において、第１流路および第２流路に面していない部分の多孔質膜の燃料透過率は、第１流路および第２流路に面している部分の多孔質膜の燃料透過率に比して小さいことが好ましい。

このような多孔質膜を用いることにより、第１流路から第２流路に燃料極を経ることなく液体燃料が流れ込むのを抑制し、効率的に液体燃料を燃料極に供給することができる。

また、第１流路および第２流路に面していない部分の多孔質膜の燃料透過率は、第１流路および第２流路に面している部分の多孔質膜の燃料透過率に比して１パーセント以下であることが好ましい。

このように多孔質膜の燃料透過率を調整することにより第１流路から第２流路に燃料極を経ることなく液体燃料が流れ込むのを抑制し、効率的に液体燃料を燃料極に供給することができる。

また、本発明の燃料電池の第１流路および第２流路に面していない部分の多孔質膜の微細孔のうち、半数以上の微細孔がアクリル樹脂またはエポキシ樹脂により塞がれていることが好ましい。

このように燃料電池の第１流路および第２流路に面していない部分の多孔質膜の半数以上の微細孔を塞ぐことにより第１流路から第２流路に燃料極を経ることなく液体燃料が流れ込むのを抑制し、効率的に液体燃料を燃料極に供給することができる。

また、本発明の燃料電池に用いられる第１流路は、内面に親水性の材料を有していることが好ましい。

このように第１流路の内面に親水性の材料を用いることにより第１流路全体に液体燃料を行き渡らせ、反応面積を増大させることができ、以って燃料電池の出力を向上させることができる。

また、本発明の燃料電池に用いられる第２流路は、内面に親水性の材料を有していることが好ましい。

このように第２流路の内面に親水性の材料を用いることにより反応生成物の水を効率的に排出することができ、以って燃料電池の出力を向上させることができる。

また、第１流路および第２流路の親水化に用いられる材料は、パーフルオロアルキル基を含有する化合物を含むことが好ましい。

このパーフルオロアルキル基を含有する化合物は、燃料電池の製造コストの増大を抑えつつ、第１流路および第２流路の内面を容易に親水化できる。これにより、第１流路の燃料供給の効率を高めることができるとともに、第２流路の反応生成物の排出効率を高めることができる。

また、パーフルオロアルキル基を含有する化合物は、蒸着または塗布により形成されていることが好ましい。

この蒸着や塗布は比較的安価なプロセスであることから、燃料電池としての製造コストの増大を抑えることができる。

本発明の燃料電池によれば、液体燃料の反応効率と反応生成物の排出効率とが高い燃料電池を提供することができる。

本発明の燃料電池の構成を図１〜５を用いて以下に説明する。図１は本発明の燃料電池における基本構造を示す概略図である。本発明の燃料電池１００は、図１に示されるように、液体燃料と酸化剤との反応により発生した電力を取り出す燃料電池であり、燃料極１０１と、酸化剤極１０３と、これらの電極に挟持された電解質膜１０２と、燃料室１０４と、燃料極１０１と燃料室１０４とに挟持された多孔質膜１１０とを備える燃料電池である。この燃料室１０４には、液体燃料を供給するための第１流路１０６と反応生成ガスを排出するための第２流路１０７とを有しており、燃料供給口１０８から燃料が供給され、反応生成ガス排出口１０９から反応生成ガスが排出される。

次に、図２を用いて液体燃料の反応と反応生成物の流れとを説明する。図２は本発明の燃料電池１００を第２流路１０７の流れ方向を含む面で切断した模式的断面図である。図２に示されるように、本発明の燃料電池の液体燃料は液体燃料貯蔵部１２５から圧力調整部１２６を通って、燃料供給口１０８から第１流路１０６に供給され、燃料極１０１と電解質膜１０２との界面近位でＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻と反応する。この反応により発生した二酸化炭素は燃料極１０１から多孔質膜１１０を通して第２流路１０７に流れ、さらに反応ガス排出部１２７から外気に排出される。

この反応で生成したプロトンは、燃料極１０１から電解質膜１０２を透過して酸化剤極１０３に移動する。また、電子は燃料極１０１から外部回路（図示せず）を経由して酸化剤極１０３に流れ、この電子の流れが電池の出力として使用される。なお、この燃料電池はハウジング１２８により覆われている。以下に本発明の燃料電池を構成する各部を説明する。

＜燃料極＞
本発明の燃料電池に用いられる燃料極１０１は、液体燃料から陽イオンと電子とを生成する部位である。この燃料極１０１の基体は、多孔質材を用いることが好ましく、たとえばカーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケル等の焼結金属、発泡金属、多孔質シリコン等を用いることが好ましい。

また、燃料極１０１に用いられる触媒は、金属の単体または白金と白金以外の金属との合金を用いることが好ましく、たとえば白金等の金属、白金とルテニウムとの合金、白金と金との合金、白金とオスミウムとの合金、白金とロジウムとの合金等を用いることが好ましい。

また、本発明の燃料極１０１に供給される液体燃料は、炭化水素系の有機燃料または炭化水素系の有機燃料と水との混合液を用いることが好ましく、炭化水素系の有機燃料は、たとえばメタノール、エタノール、ブタンおよびジメチルエーテルメタノール等を用いることが好ましい。

＜酸化剤極＞
本発明の燃料電池に用いられる酸化剤極１０３は、酸化剤と陽イオンとを反応させる部位である。この酸化剤極の基体は、燃料極１０１と同様の多孔質材、すなわちカーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケル等の焼結金属、発泡金属、多孔質シリコン等の多孔質材を用いることが好ましい。また、酸化剤極１０３に供給される酸化剤としては、酸素を用いることもできるし、酸素を含んでいる空気も用いることもできる。

＜電解質膜＞
本発明の燃料電池に用いられる電解質膜１０２は、燃料極と酸化剤極とに挟まれて配置されており、燃料極で生成された陽イオンを酸化剤極側に透過させる役割を果たす。この電解質膜に用いられる材料としては、プロトン伝導性の機能を有する材料であれば有機材料および無機材料のいずれをも用いることができるが、耐熱性および耐酸性を有する材料であることが好ましい。

このような材料として、たとえば有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン１１７（デュポン社製）（登録商標））を挙げることができる。また、電解質膜１０２は、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。

＜燃料室＞
本発明の燃料電池に用いられる燃料室１０４は、燃料極１０１の電解質膜１０２とは反対側に設けられるものである。この燃料室に用いられる材料としては、液体燃料が透過しない材料を用いることが好ましく、たとえば金属、シリコン、ガラス、ニッケル等を用いることが好ましい。ただし、燃料電池の製造コストを抑えるという観点から、燃料室１０４に用いられる材料は、ガラスであることがより好ましく、ガラスの中でもホウケイ酸ガラスがさらに好ましい。

また、燃料室１０４は、図１に示されるように、燃料極１０１に液体燃料を供給する第１流路１０６と、燃料極１０１からの反応生成ガスを排出する第２流路１０７とが、いずれも複数の分枝を有する櫛状の形状で互いに噛み合うように相互に独立して備えられる。なお、第１流路１０６と第２流路１０７との形状は上述のような櫛型の形状に限定されるものではなく、相互に独立して備えられるものであれば、いかなる形状をも用いることができる。

ここで、上述の「相互に独立して備えられる」とは、第１流路と第２流路とが共通の系を有さず、互いに分離した系で燃料室に備えられている状態のことをいう。ただし、この「相互に独立して備えられる」状態としては、第１流路と第２流路とが後述する多孔質膜を解して繋がっている場合も相互に独立して備えられる状態に含まれるものとする。

＜第１流路および第２流路＞
本発明の燃料電池の燃料室１０４に備えられる第１流路１０６は、いずれも液体燃料が流れる方向に向かって先細り形状であって、しかも他の１つの第１流路と合流することもない構造である。第１流路１０６をこのような構造にすることにより第１流路１０６に液体燃料が供給されたとき、末端ほど液体燃料に働く毛管力が強くなって、燃料室１０４全体に液体燃料を行き渡らせることができる。なお、第１流路１０６の末端ほど毛管力を強くするために、第１流路１０６は複数の流路に分流しないことが好ましい。

従来の燃料電池は、第１流路１０６と第２流路１０７とが同一系内にあったため、燃料を供給する流路のみを加圧することができなかった。しかしながら、本発明の燃料電池は第１流路１０６と第２流路１０７とを別々に設けているので、第１流路１０６のみを加圧することができる。このように第１流路のみを加圧できる構造にすることにより、効率的に液体燃料を燃料極１０１に供給することができる。

さらに、第１流路１０６と第２流路１０７とが相互に独立して備えられることにより第２流路１０７のみを減圧することもできるようになり、燃料極１０１内で生成した反応生成ガスを効率的に燃料極１０１から第２流路１０７に排出でき、さらに出力を向上することができるようになる。しかも、燃料極１０１と燃料室１０４との間に多孔質膜１１０が配置されていることにより、燃料極１０１全体に亘って一定量の液体燃料を供給することができ、燃料電池としての出力を向上させることができる。このような第１流路１０６の構造は、複雑な機構を用いることがないことから、製造において特に高コストになることもない。

しかも、従来の燃料電池は第１流路と第２流路とが共用されていたため、燃料電池の設置する向きにより液体燃料と反応生成ガスとの位置関係が変わってしまい、安定して出力することができなかった。しかしながら、本発明の燃料電池のように、第１流路と第２流路とが独立して備えられることにより燃料電池の設置する向きを変えても安定した出力を得ることができるという効果もある。

また、第１流路１０６の内面は親水性の材料を有していることが好ましい。このように第１流路１０６の内面を親水化することにより第１流路１０６全体に液体燃料を行き渡らせやすくなることから、燃料極１０１の全面に液体燃料が拡散し反応面積の低下を抑制することができる。

また、第１流路１０６の形状は、先細り形状であればどのような構造とすることもでき、たとえば液体燃料が流れる方向１００μｍあたり１０μｍずつ細くなるような構造にしてもよい。

さらに、第２流路１０７の内面は親水性の材料を有することが好ましい。第２流路１０７の内面を親水性にすることにより燃料極１０１の反応により発生した水および水蒸気を第２流路１０７全体に行き渡らせることができ、水および水蒸気の体積あたりの接触表面積を増加させることができ、効率的に反応ガス排出部１２７から水を排出することができる。

また、第１流路１０６および第２流路１０７の内面に用いられる親水性の材料は、パーフルオロアルキル基を含有する化合物を用いることが好ましい。パーフルオロアルキル基を含有する化合物は比較的安価な材料であり、しかも第１流路１０６および第２流路１０７の内面を親水性にできるからである。

また、パーフルオロアルキル基を含有する化合物は、蒸着または塗布により第１流路１０６および第２流路１０７の内面に形成することが好ましい。蒸着や塗布は安価な製造プロセスであることから、燃料電池の製造コストを抑えることができる。なお、このように第１流路１０６および第２流路１０７の内面を親水性に材料を用いるだけであるから、燃料電池の構造が複雑化することもない。

＜多孔質膜＞
本発明の燃料電池に用いられる多孔質膜１１０は、第１流路１０６から燃料極１０１へと液体燃料を浸透させ、かつ燃料極１０１から第２流路１０７へと反応生成ガスを透過させる膜である。この多孔質膜１１０は、撥水性であることが好ましい。撥水性の多孔質膜を用いることにより液体燃料の燃料極から第２流路への漏洩を抑制することができ、以って燃料電池としての性能を向上させることができるからである。図３は本発明の燃料電池における液体燃料の流れおよび反応生成ガスの排出の流れを示す図であり、図１の燃料電池において第１流路１０６の流れる方向に垂直な面で切断した断面図である。

図３に示されるように、本発明の燃料電池に用いられる多孔質膜１１０において、第１流路１０６および第２流路１０７に面していない部分の多孔質膜１１０の燃料透過率は、多孔質膜１１０または第１流路１０６に面している部分の多孔質膜１３０の燃料透過率に比して小さいことを特徴とし、第１流路１０６および第２流路１０７に面していない部分の多孔質膜１１０の燃料透過率は、多孔質膜１１０または第１流路１０６に面している部分の多孔質膜１３０の燃料透過率に対して１パーセント以下であることが好ましい。このように多孔質膜１１０の燃料透過率を調整することにより液体燃料が第１流路１０６から燃料室１０４を経ることなく直接第２流路１０７に流れることを抑制することができ、以って効率的に液体燃料を燃料極１０１に送ることができる。

さらに、多孔質膜１１０のうち、第１流路１０６および第２流路１０７に面していない部分の多孔質膜１１０の微細孔は、半数以上がエポキシ樹脂またはアクリル樹脂により塞がれていることが好ましい。このようにすることにより液体燃料が第１流路１０６から燃料室１０４を経ることなく直接第２流路１０７に流れることを抑制することができ、以って効率的に液体燃料を燃料極１０１に送ることができる。しかも、アクリル樹脂またはエポキシ樹脂は比較的安価であることから、燃料電池の製造コストの増大を抑えることができる。

ここで、液体燃料の多孔質膜１１０に対する接触角は、１２０度以上であることが好ましい。このようにすることにより燃料極１０１から第１流路１０６への液体燃料の逆流を抑制することができ、以って燃料電池の性能を向上させることができる。また、燃料極１０１から第２流路１０７への液体燃料の漏洩を抑制することもでき、以ってより効率的に反応生成ガスを第２流路１０７に排出できる。このような多孔質膜は上述のような性質を有する微細孔を有していればどのようなものでもよいが、たとえばＰＦＴＥシートを用いることができる。

＜燃料電池のメカニズム＞
以下に、本発明の燃料電池のメカニズムを概略的に説明する。まず、図２に示されるように、液体燃料が液体燃料貯蔵部１２５から圧力調整部１２６を通して、燃料供給口１０８から燃料室１０４内の第１流路１０６に供給される。次に、第１流路１０６に供給された液体燃料は、多孔質膜１１０内に浸透し、燃料極１０１内に透過してＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻と反応し、二酸化炭素とプロトンと電子とを生成する。

上記反応により生成された二酸化炭素は、燃料極１０１から多孔質膜１１０を通って、燃料室１０４内の第２流路１０７に排出され、反応ガス排出口から外部へ排出される。また、プロトンは燃料極１０１から電解質膜１０２を透過して酸化剤極１０３に移動する。また、電子は燃料極１０１から外部回路（図示せず）を経由して酸化剤極１０３に流れる。この電子の流れが燃料電池の出力として使用される。一方、酸化剤は圧縮機（図示せず）等を用いて、酸化剤極１０３に供給される。

このようにして、酸化剤極１０３内に拡散した酸化剤である酸素は、燃料極１０１から電解質膜１０２を透過してきたプロトンおよび外部回路（図示せず）を経由して流れ込んだ電子と反応して水蒸気を生成する。この反応は３／２Ｏ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ₂Ｏと表わされる。さらに、本発明の特徴である液体燃料の供給のメカニズムについて、図４を用いて説明する。なお、以下の説明において「多孔質膜１３０」は、多孔質膜１１０のうち燃料透過率の高い部分の多孔質膜を意味する。

＜液体燃料の供給メカニズム＞
図４は、多孔質膜１３０を通して第１流路１０６から燃料極１０１へ液体燃料が流れる様子を示した模式的な拡大断面図である。本発明の燃料電池において、第１流路１０６は、燃料極１０１内に比べて常に圧力が高くなるように圧力調整部１２６で設定されているため、液体燃料は多孔質膜１３０を通って、第１流路１０６から燃料極１０１へ送り込まれやすくなっている。また、多孔質膜１３０内は上述のような液体燃料の流れ１２１が存在しているため、燃料極１０１内で発生した反応生成ガス１２３は、第１流路１０６に漏れ出ることなく矢印１２４の方向に流れる。

こうして第１流路１０６に供給された液体燃料は、矢印１２１に示すように多孔質膜１３０内に浸透し、燃料極１０１に透過してＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻と反応する。また、第１流路１０６が加圧されているため、燃料極１０１から第１流路１０６に逆流する液体燃料を少なくすることができる。

本発明の燃料電池１００は、上記燃料室１０４に供給された液体燃料が液体燃料の濃度差による拡散だけで燃料極１０１に供給されるわけではなく、第１流路１０６に圧力を加えて燃料極１０１に供給されるので、従来の燃料電池よりも液体燃料を第１流路１０６から燃料極１０１へ送り込みやすい。したがって、従来のように液体燃料の供給が不十分であるために燃料電池の高出力化できないという問題は解消されている。次にもう１つの本発明の特徴である反応生成ガス排出のメカニズムについて、図５を用いて説明する。

＜反応生成ガスの排出メカニズム＞
図５は、燃料極１０１から多孔質膜１３０を通して第２流路１０７に反応生成ガス１２３が流れる様子を示した模式図である。本発明の燃料電池は、第１流路１０６と第２流路１０７とが相互に独立して備えられるので、第２流路のみの圧力を低くすることができ、多孔質膜１３０を通って、燃料極１０１から第２流路１０７へ効率的に反応生成ガスを送り込むことができる。

また、多孔質膜１３０に対する液体燃料の接触角を１２０度以上にすることにより液体燃料が燃料極１０１から第２流路１０７への漏洩を防止することができ、反応生成ガス１２３のみを効率的に第２流路１０７に排出することができる。

以上で説明したように、本発明の燃料電池は、第１流路と第２流路とが独立して備えられていることから、一定時間使用しても出力電圧の低下が起きにくいという効果を得ることができる。そこで、このような効果を得ることができるかを確かめるため、本発明の構造を有する燃料電池に一定の電流を流し続けたときの出力電圧の時間変化を調べる実験を行なった。この実験で本発明の燃料電池に一定の電流を流しつつけても出力電圧に変化がないことがわかれば、出力電圧の低下が起きにくい燃料電池ということができる。

燃料極および酸化剤極に白金粒子を含む厚さ２００μｍのカーボンの焼結体を用い、多孔質膜に厚さ５０μｍのＰＴＦＥシートを用いて、本発明の燃料電池を作製した。この燃料電池に液体燃料として濃度３ｍｏｌ／Ｌのメタノール水溶液を供給して、燃料電池の燃料極と酸化剤極とを、電子負荷装置を介して電気的に接続し、負荷装置に流れる出力電流が常に３０ｍＡ、５０ｍＡおよび１００ｍＡとなるよう負荷を調整し、燃料電池の出力電圧の時間変化を計測した。その結果を図６に示す。

図６は、上記により作製された燃料電池の出力電流を流し始めてからの計測時間（分）における出力電圧（単位：ｍＶ）を計測した結果を示すグラフである。図６の縦軸は燃料電池の出力電圧を表し、横軸は計測時間を表す。図６の各計測時間に対する出力電圧を見ると、３０ｍＡ、５０ｍＡおよび１００ｍＡのいずれの出力電流においても、計測時間５〜３０分で安定して一定の出力電圧を得ることができることがわかる。以上から、本発明の燃料電池は、一定時間使用しても出力電圧の低下が生じにくいことが示された。

本発明の燃料電池は非常に簡単な構造で、燃料電池を小型にすることができ、しかも安定的に高い出力を有する燃料電池を作製することができる。このような燃料電池は、たとえば携帯電子機器等に好適に利用することができる。

今回開示された発明はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲により示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の燃料電池によれば、液体燃料の反応効率と反応生成物の排出効率とが高い燃料電池を提供することができる。

本発明の燃料電池における基本構造の一例を示す模式図である。 本発明の燃料電池における基本構造の一例を示す模式的断面図である。 本発明の燃料電池における基本構造の一例を示す模式的断面図である。 本発明の燃料電池における液体燃料の供給メカニズムを示す拡大断面図である。 本発明の燃料電池における反応生成ガスの排出メカニズムを示す拡大断面図である。 本発明の燃料電池に一定電流を流したときの出力電圧の時間変化を示すグラフである。 従来の直接型メタノール燃料電池の構造を示す模式図である。

符号の説明

１００，６００ 燃料電池、１０１，６０１ 燃料極、１０２，６０２ 電解質膜、１０３，６０３ 酸化剤極、１０４，６０４ 燃料室、１０６ 第１流路、１０７ 第２流路、１０８，６０８ 燃料供給口、１０９ 反応生成ガス排出口、１１０ 多孔質膜、１２１，６１６ 液体燃料の流れ方向、１２３ 反応生成ガス、１２４ 反応生成ガスの流れ方向、１２５ 液体燃料貯蔵部、１２６ 圧力調整部、１２７ 反応ガス排出部、１２８ ハウジング、１３０ 燃料透過率が高い部分の多孔質膜、６０５ 酸化剤室、６１５ セパレータ、６２１ 空気の流れ方向、６２２ 水蒸気の流れ方向。

Claims (11)

1. 液体燃料から陽イオンと電子とを生成する燃料極と、
   酸化剤と前記陽イオンとを反応させる酸化剤極と、
   前記燃料極と前記酸化剤極とに挟まれて配置されるとともに前記燃料極で生成された前記陽イオンを前記酸化剤極側に透過させる電解質膜とを有し、
   前記燃料極に隣接して前記電解質膜とは反対側に、多孔質膜と、燃料室と
   をこの順に備え、
   前記燃料室は、前記燃料極に液体燃料を供給する第１流路と、前記燃料極から反応生成ガスを排出する第２流路とを有し、
   前記第１流路と前記第２流路とが、相互に独立して備えられる、燃料電池。
2. 前記第１流路は、前記燃料極に接して配置されるとともに前記液体燃料が流れる方向に向かって先細り形状であり、他のいずれの第１流路とも合流することがない、請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記多孔質膜の表面は、撥水性である、請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記多孔質膜の表面における前記液体燃料の接触角は、１２０度以上である、請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池。
5. 前記第１流路および前記第２流路に面していない部分の前記多孔質膜の燃料透過率は、前記第１流路および前記第２流路に面している部分の前記多孔質膜の燃料透過率に比して小さい、請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記第１流路および前記第２流路に面していない部分の前記多孔質膜の燃料透過率は、前記第１流路および前記第２流路に面している部分の前記多孔質膜の燃料透過率に比して１パーセント以下である、請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。
7. 前記第１流路および前記第２流路に面していない部分の前記多孔質膜の微細孔は、半数以上がアクリル樹脂またはエポキシ樹脂によって塞がれている、請求項１〜６のいずれかに記載の燃料電池。
8. 前記第１流路の内面は、親水性の材料を有している、請求項１〜７のいずれかに記載の燃料電池。
9. 前記第２流路の内面は、親水性の材料を有している、請求項１〜８のいずれかに記載の燃料電池。
10. 前記第１流路の内面および前記第２流路の内面は、パーフルオロアルキル基を含有する化合物を含む、請求項８または９に記載の燃料電池。
11. 前記パーフルオロアルキル基を含有する化合物は、蒸着または塗布によって形成される、請求項１０に記載の燃料電池。

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