JP3917001B2 - 液体燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として液体を用いた液体燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、空気電池、燃料電池などが考えられる。空気電池は、空気中の酸素を正極の活物質として利用する電池であり、電池内容積の大半を負極の充填に費やすことが可能であることから、エネルギー密度を増加させるためには好適な電池であると考えられる。しかし、この空気電池には、電解液として使用するアルカリ溶液が空気中の二酸化炭素と反応して劣化してしまうために自己放電が大きいという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、燃料電池は、負極に燃料が供給されて反応し、正極では酸素が反応する。したがって、燃料および酸素の供給さえ行えば連続的に使用することができる。しかし、従来の燃料電池では、複数の単電池を積層して構成されているため、電池全体が嵩高くなってしまう。また、酸素および燃料をそれぞれの正極および負極へ流通させて供給しなければならず、そのための補器を必要とする。このため、燃料電池はリチウムイオン電池などの小型二次電池に比べてはるかに大きくなってしまい、小型ポータブル電源として用いるには問題があった。
【０００５】
ここで、酸素および燃料を強制的に流通させる補器を除去することで出力は低下するものの、燃料電池の小型化を図ることができる。しかし、この場合、放電反応で生成した二酸化炭素などが液体燃料貯蔵部または液体燃料含浸部に滞留してしまう問題があった。
【０００６】
この問題を解決するため、特開昭５８−３５８７５号公報では、液体燃料貯蔵部や液体燃料含浸部にダクトを設け、そこへポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）製の多孔膜を配置することで燃料を漏液させることなく、放電反応で生成したに二酸化炭素などのガスを排出することが提案されている。しかし、液体燃料として、最初からメタノールと水とを混合した混合溶液やエタノールと水とを混合した混合溶液を使用しない場合には問題が生じる。即ち、液体燃料の濃度の設定を容易にするため、メタノールと水、またはエタノールと水をそれぞれ別々の液体燃料貯蔵部に貯蔵した後に液体燃料含浸部に供給する場合、ＰＴＦＥ製の多孔膜ではメタノールやエタノールが透過してしまい、メタノールやエタノールを貯蔵した液体燃料貯蔵部から液体燃料が漏れるという問題がある。
【０００７】
本発明は前記従来の問題を解決するためになされたものであり、液体燃料の漏れがなく、小型で且つ安定的に発電することのできる液体燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、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備えると共に、親油性の液体を貯蔵する第１の液体燃料貯蔵部と、水を貯蔵する第２の液体燃料貯蔵部とを備え、前記親油性の液体と前記水とを混合して液体燃料とする液体燃料電池であって、前記第１の液体燃料貯蔵部に、気液分離膜を有する気液分離孔を備え、前記気液分離膜として、撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜、または、多孔質フッ素樹脂膜と他の気体透過性材料との積層複合体であって撥油処理を施したものを用いることを特徴とする。また、本発明の液体燃料電池の上記とは別の態様は、酸素を還元する正極と、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備えると共に、親油性の液体を貯蔵する第１の液体燃料貯蔵部と、水を貯蔵する第２の液体燃料貯蔵部とを備え、前記親油性の液体と前記水とを混合して液体燃料とする液体燃料電池であって、前記第１の液体燃料貯蔵部および前記第２の液体燃料貯蔵部から前記親油性の液体と前記水とが供給される電池容器を備え、前記電池容器に、気液分離膜を有する気液分離孔を備え、前記気液分離膜として、撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜、または、多孔質フッ素樹脂膜と他の気体透過性材料との積層複合体であって撥油処理を施したものを用いることを特徴とする。
【０００９】
本発明の液体燃料電池は、親油性の液体を貯蔵する第１の液体燃料貯蔵部、または、親油性の液体および水が供給される電池容器に、気液分離膜を有する気液分離孔を備えているため、放電反応で生成した二酸化炭素などが電池内に滞留することがなく、二酸化炭素などをスムーズに電池内から放出させることができる。また、前記気液分離膜として、撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜、または、多孔質フッ素樹脂膜と他の気体透過性材料との積層複合体であって撥油処理を施したものを用いることにより、メタノールやエタノールなどの親油性の液体が気液分離孔を透過することを防止でき、液体燃料の漏れを防ぐことができる。さらに、前記補器を使用しないため電池の小型化を図ることができる。
【００１０】
また、本発明の液体燃料電池は、前記液体燃料を含浸して保持し且つ前記負極に前記液体燃料を供給する液体燃料含浸部を備え、前記液体燃料含浸部が前記負極と接する部分に配置されていることが好ましい。これにより、燃料が消費されても、燃料と負極との接触が維持されるため、燃料を最後まで使い切ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。図１に本発明の液体燃料電池の断面図を示す。本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極９と、燃料を酸化する負極１１と、前記正極９と前記負極１１との間に設けられた電解質層１０とを備えると共に、親油性の液体を貯蔵する第１の液体燃料貯蔵部および水を貯蔵する第２の液体燃料貯蔵部として燃料タンク２，２を備えている。
【００１２】
正極９は、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層と、触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層とを積層して構成される。正極９は酸素を還元する機能を有しており、その触媒には、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムまたは金などと白金との合金微粒子などが用いられる。また、触媒層には、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子やプロトン交換樹脂粒子が含まれる場合がある。プロトン交換樹脂粒子としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂やスルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などを用いることができる。拡散層の触媒層側には撥水性向上のため、ＰＴＦＥ樹脂粒子を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００１３】
電解質層１０は、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成される。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の“ナフィオン膜”、旭硝子社製の“フレミオン膜”、旭化成工業社製の“アシプレックス膜”などにより電解質層１０は構成されている。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜などからも構成することができる。
【００１４】
負極１１は、拡散層と触媒層とからなり、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を酸化する機能を有しており、例えば、正極と同様に構成することができる。
【００１５】
上記正極９、上記負極１１および上記電解質層１０は、積層されて電極・電解質一体化物を構成している。即ち、電極・電解質一体化物は、正極９と、負極１１と、正極９と負極１１との間に設けられた電解質層１０とから構成されている。
【００１６】
負極１１の電解質層１０とは反対側には燃料を含浸して保持し且つ負極１１に燃料を供給する液体燃料含浸部８が設けられており、液体燃料含浸部８には燃料吸い上げ材が充填されている。これにより、燃料が消費されても、燃料と負極１１との接触が維持されるため、燃料を最後まで使い切ることができる。燃料吸い上げ材としては、ガラス繊維を用いることができるが、燃料の含浸によって寸法が余り変化せず、化学的にも安定なものであれば他の材料を用いても良い。
【００１７】
さらに、液体燃料貯蔵部となる燃料タンク２は、親油性の液体の貯蔵用および水の貯蔵用に別々に２個配置されており、それぞれ連結チューブ５を介して電池容器１と連結している。燃料タンク２の１つにはメタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどの燃料６が充填されている。他の一つには水７が充填されている。この連結チューブ５を通じて燃料６と水７とが液体燃料含浸部８に供給され、混合された状態で放電反応に利用される。連結チューブ５および燃料タンク２は、例えば、ＰＴＦＥ、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのプラスチックや、ステンレス鋼などの耐食性金属から構成されている。
【００１８】
電池容器１の正極９と接する部分には空気孔４が設けられている。これにより、空気孔４を通して大気中の酸素が正極９と接することになる。また、電池容器１と燃料タンク２には、気液分離孔が数箇所設けられ、それぞれに気液分離膜３が配置されている。この気液分離膜３は撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜からなり、それぞれ、放電反応で生成した二酸化炭素などを、燃料を漏液させることなく放出させることができる。
【００１９】
上記多孔質フッ素樹脂膜に使用できるフッ素樹脂としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＴＦＥ）、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体（Ｅ／ＣＴＦＥ）、パーフロロ環状重合体、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）などが挙げられる。
【００２０】
上記撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜を作製する方法としては、例えば、多孔質フッ素樹脂膜の表面に、２個以上のフッ素原子を持つフルオロアルキル基を有するポリマーからなる被覆膜を形成する方法を挙げることができる。上記フルオロアルキル基としては、炭素数が４個以上のものが好ましく、水素原子の全てがフッ素置換されたパーフルオロアルキル基が最も望ましい。このようなフルオロアルキル基を有するポリマーを溶解あるいは分散することのできる有機溶媒、例えば、パーフルオロベンゼン、パーフルオロトリブチルアミン、パーフルオロヘキサンなどのフッ素系溶媒を用いて、上記ポリマーのコーティング液を作製し、これを撥油処理剤として多孔質フッ素樹脂膜に塗布、あるいは多孔質フッ素樹脂膜を前記撥油処理剤に浸漬するなどの方法により、多孔質フッ素樹脂膜の表面に前記フルオロアルキル基を有するポリマーからなる被覆膜を形成する。このような撥油処理剤の市販品としては、例えば、ダイキン社製の撥水・撥油加工剤（商品名：ユニダイン）などを用いることができる。また、上記被覆膜を形成する処理の後に、多孔質フッ素樹脂膜を５０〜２００℃程度の温度で熱処理することにより、撥油性能を向上させることができる。
【００２１】
さらに、本発明においては、多孔質フッ素樹脂膜を単独で用いることができるほか、多孔質フッ素樹脂膜と他の気体透過性材料、例えば、織布、不織布、ネット、フェルトなどとの積層複合体を用いることもできる。このような積層複合体の場合は、多孔質フッ素樹脂膜への撥油処理ではなく、これと積層される気体透過性材料に撥油処理を行うものであってもよい。もちろん、多孔質フッ素樹脂膜の側に撥油処理を行うものでもよく、両者に撥油処理を行ってもよい。
【００２２】
上記のような撥油処理を施した少なくとも多孔質フッ素樹脂膜を有する積層複合体の市販品としては、例えば、日東電工社製のフィルター“ＮＴＦ２１３１Ａ−ＰＳ０６”または“ＮＴＦ２１３３Ａ−Ｓ０６”等を使用することができる。
【００２３】
なお、本発明の液体燃料電池に用いる撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜は、液体燃料がメタノール、エタノール、ジメチルエーテルなどの他、親油性の溶液であれば全てに対して漏液防止効果がある。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、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備えると共に、親油性の液体を貯蔵する第１の液体燃料貯蔵部と、水を貯蔵する第２の液体燃料貯蔵部とを備え、前記親油性の液体と前記水とを混合して液体燃料とする液体燃料電池であって、前記第１の液体燃料貯蔵部、あるいは、前記第１の液体燃料貯蔵部および前記第２の液体燃料貯蔵部から前記親油性の液体と前記水とが供給される電池容器に、気液分離膜を有する気液分離孔を備え、前記気液分離膜として、撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜、または、多孔質フッ素樹脂膜と他の気体透過性材料との積層複合体であって撥油処理を施したものを用いることにより、液体燃料の漏れがなく、小型で且つ安定的に発電することのできる液体燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の液体燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
１ 電池容器
２ 燃料タンク
３ 気液分離膜
４ 空気孔
５ 連結チューブ
６ 燃料
７ 水
８ 液体燃料含浸部
９ 正極
１０ 電解質層
１１ 負極

Claims (3)

1. 酸素を還元する正極と、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備えると共に、親油性の液体を貯蔵する第１の液体燃料貯蔵部と、水を貯蔵する第２の液体燃料貯蔵部とを備え、前記親油性の液体と前記水とを混合して液体燃料とする液体燃料電池であって、
   前記第１の液体燃料貯蔵部に、気液分離膜を有する気液分離孔を備え、
   前記気液分離膜として、撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜、または、多孔質フッ素樹脂膜と他の気体透過性材料との積層複合体であって撥油処理を施したものを用いることを特徴とする液体燃料電池。
2. 前記液体燃料を含浸して保持し且つ前記負極に前記液体燃料を供給する液体燃料含浸部を備え、前記液体燃料含浸部が前記負極と接する部分に配置されている請求項１に記載の液体燃料電池。
3. 酸素を還元する正極と、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備えると共に、親油性の液体を貯蔵する第１の液体燃料貯蔵部と、水を貯蔵する第２の液体燃料貯蔵部とを備え、前記親油性の液体と前記水とを混合して液体燃料とする液体燃料電池であって、
   前記第１の液体燃料貯蔵部および前記第２の液体燃料貯蔵部から前記親油性の液体と前記水とが供給される電池容器を備え、
   前記電池容器に、気液分離膜を有する気液分離孔を備え、
   前記気液分離膜として、撥油処理を施した多孔質フッ素樹脂膜、または、多孔質フッ素樹脂膜と他の気体透過性材料との積層複合体であって撥油処理を施したものを用いることを特徴とする液体燃料電池。

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