JP4945914B2

JP4945914B2 - 燃料電池

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Publication number: JP4945914B2
Application number: JP2005082136A
Authority: JP
Inventors: 庸一高須; 聖二日比野; 文雄武井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-03-22
Filing date: 2005-03-22
Publication date: 2012-06-06
Anticipated expiration: 2025-03-22
Also published as: JP2006269121A

Description

本発明は燃料電池に関し、特に小型でプロトン伝導性の固体電解質層を備える気化供給型の燃料電池に関する。

昨今、携帯端末機器、特に携帯電話機は、通信機能のみならず動画撮影機やゲーム機としての機能を備えるようになっている。このような多機能化や、これに伴う高性能化により、携帯電話機の消費電力がますます増大し、使用時間も長時間化している。このような状況の下、携帯電話機に電力を供給する電池の高容量化が求められている。

高容量電源として、ダイレクトメタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）に注目が集まっている。ＤＭＦＣは、同体積のリチウムイオン電池と比較して理論的に数倍の容量を有する。ＤＭＦＣは、電解質に高分子固体電解質を用い、メタノールなどの有機燃料を直接電極上に供給して発電を行う。ＤＭＦＣは、有機燃料を水素に改質する改質器を使用しないので小型化および軽量化が容易なため、携帯端末機器の電源として適している。

ＤＭＦＣでは、液体燃料貯蔵部から燃料極の触媒層にメタノールと水を液体（メタノール水溶液）の状態で供給することにより、触媒上でプロトン（Ｈ⁺）、電子（ｅ⁻）、および二酸化炭素が生成され（反応式：ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ⁻）、プロトンは高分子固体電解質膜中を透過して空気極の触媒層で酸素と化合して水を生成する。この際、燃料極、空気極を外部回路に接続することで、発生した電子により電力が取り出せる。生成した水は空気極から系外へ放出される。一方、燃料極で発生した二酸化炭素は、液体燃料を直接セルに供給する場合には燃料液相中を拡散し、ガスのみを透過するガス透過膜を介して燃料電池の系外へ排出される。

ところで、メタノール水溶液を直接燃料極に供給するいわゆる液体供給型ＤＭＦＣでは、燃料極でメタノールが発電により消費されると、液体燃料貯蔵部のメタノール濃度が次第に低下する。メタノール濃度が一定の濃度以下になると発電が停止してしまい、メタノール水溶液に含まれるメタノールは使い切れない。

この問題を解決するために、メタノール水溶液を液体燃料気化膜により気化させて燃料極の触媒層にメタノールを気体の状態で供給する、いわゆる気化供給型ＤＭＦＣが提案されている。気化供給型ＤＭＦＣでは、液体燃料貯蔵部のメタノール濃度が低下してもメタノールは蒸発するので発電が可能となり、液体燃料中のメタノールを使い切れるという利点がある。すなわち、同体積の液体燃料を用いた場合は気化供給型ＤＭＦＣの方が高容量の燃料電池が得られることになる。
特開２００２−２８９２２４号公報特開２０００−３５３５３３号公報特開２００１−０９３５５１号公報特開２００３−２８２１１７号公報

ところで、携帯端末機器のような小型の機器に燃料電池を搭載するためには、発電能力を維持しつつ燃料電池の小型化を図ることが望ましい。このためには、発電部の面積を維持しつつ、燃料電池を薄板化することが求められる。燃料電池は、液体燃料貯蔵部が占める厚さが大きく、その厚さを低減することにより効果的に薄板化を図ることができる。

しかし、液体貯蔵部を薄くするにしたがって液体燃料を液体燃料貯蔵部に送液し難くなるという問題が生ずる。すなわち、液体燃料が供給口付近から液体燃料貯蔵部の内部に流れ難くなり、液体燃料が液体燃料貯蔵部の全体に広がらなくなる。このようになると、液体燃料気化膜からの液体燃料の気化量が減少したり変動したりするので、燃料極での反応が不安定となり、その結果、発電特性が不安定になるという問題を生じる。また、液体燃料気化膜の表面の液体燃料の濡れ具合にむらが生じると液体燃料の気化量の減少や変動が特に生じ易く、上記と同様の問題を生じる。

そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたもので、本発明の目的は、気化供給型の燃料電池において安定性の高い発電動作が可能な燃料電池を提供することである。

本発明の一観点によれば、酸素ガスが供給される空気極と、燃料ガスが供給される燃料極と、前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、燃料極側筐体と、液体燃料を気化し、当該気化された燃料を気体燃料として燃料極に供給する液体燃料気化膜と、前記液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、を備え、前記燃料貯蔵部の内面が親水化処理されてなり、前記燃料貯蔵部は、前記燃料極側筐体と前記液体燃料気化膜とが空隙部を介して対向して配置されているものであって、前記液体燃料気化膜はその空隙部側の表面が親水化処理されてなることを特徴とする燃料電池が提供される。

本発明によれば、液体燃料が充填される燃料貯蔵部の内面が親水化処理されているので、液体燃料がその内面に濡れ易い。したがって、その内面の対向する内壁間の距離が狭い場合であっても、液体燃料を燃料貯蔵部内に容易に送液できる。その結果、液体燃料が燃料貯蔵部に円滑に充填されるので、液体燃料気化膜からの燃料極への気化燃料の供給が安定する。よって、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池が実現する。

前記燃料貯蔵部は、燃料極側筐体と液体燃料気化膜とが空隙部を介して対向して配置され、前記液体燃料気化膜はその空隙部側の表面が親水化処理されてなる構成としてもよい。このような構成とすることで、液体燃料気化膜の全面に亘って液体燃料が濡れるようになり、液体燃料の気化がむらなく行われるようになるので、発電時の出力電流量が安定する。

また、前記燃料貯蔵部に充填された液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部をさらに備えてもよい。これにより、液体燃料を燃料貯蔵部にいっそう容易に送液でき、さらに、液体燃料気化膜でのメタノールの気化速度が高めることができる。その結果、安定性が高く出力電力量がいっそう向上した燃料電池が実現する。

前記親水化処理は、ＵＶ照射処理、プラズマ処理、コロナ放電処理、オゾン処理、およびスルホン化処理からなる群のうち少なくとも一つであってもよく、前記親水化処理により前記内面に親水性の樹脂層が形成されてなる構成としてもよい。また、液体燃料は、メタノールあるいはメタノール水溶液であってもよい。

本発明によれば、液体燃料が充填される燃料貯蔵部の内面が親水化処理されているので、気化供給型の燃料電池において安定性の高い発電動作が可能な燃料電池を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明の実施の形態に係る燃料電池を具体的に説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。図１を参照するに、燃料電池１０は、発電部２０と、酸素ガスを空気極２１に供給する空気供給部３０と、液体燃料を気化してメタノールガス等の燃料ガスを燃料極２３に供給する燃料供給部４０等から構成される。

発電部２０は、空気極２１と、固体電解質層２２と、燃料極２３とがこの順に積層されて構成される。空気極２１は、薄膜のため図示を省略したが、例えば、多孔質体のカーボンペーパと、触媒層から構成される。触媒層は、例えば、Ｐｔ（白金）の微粒子や、Ｐｔを表面に担持したカーボン粉末からなり、固体電解質層２２に接するように配置される。

固体電解質層２２は、プロトン伝導性の高分子固体電解質からなる。高分子固体電解質としては、例えばスルホン基やリン酸基等の強酸基や、カルボキシル基等の弱酸基等を有する樹脂が挙げられる。固体電解質層２２は、例えば、ナフィオン（登録商標）ＮＦ１１７（デュポン社商品名）、アシプレックス（旭化成社商品名）を用いることができる。

燃料極２３は、薄膜のため図示を省略したが、例えば、多孔質体のカーボンペーパと、触媒層から構成される。触媒層は、例えば、Ｐｔ（白金）−Ｒｕ（ルテニウム）合金の微粒子や、Ｐｔ−Ｒｕ合金を表面に担持したカーボン粉末からなり、固体電解質層２２に接するように配置される。

発電部２０では、燃料極２３に燃料ガスが供給される。燃料ガスの基となる液体燃料としては、メタノール、ジメチルエーテル（ＤＭＥ）、エタノール、エチレングリコール等、あるいは、これらの水溶液を用いることができる。本実施の形態ではメタノールと水との混合溶液あるいは、１００％濃度のメタノール（以下「メタノール水溶液」と略称する。）を例に説明する。

燃料極２３の触媒層では、下記の反応式１の反応が進み、メタノールガスと水蒸気が消費され、二酸化炭素ガス、プロトン（Ｈ⁺）、および電子、副生成物としてジメトキシメタン、蟻酸メチル等が生成される。ジメトキシメタンや蟻酸メチルは触媒層で反応式１とは別の酸化反応が進み、プロトン、および電子が生成される。
ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→ＣＯ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ⁻ … （反応式１）
プロトンは固体電解質層２２を伝導し空気極２１に達する。電子は、燃料極ガス拡散層４９および燃料極集電体４８を介して、燃料電池に外部回路（不図示）として接続された負荷に対して仕事を行う。さらに電子は、空気極集電体３３および空気極ガス拡散層３４を介して空気極２１に達する。空気極２１の触媒層では、下記の反応式２の還元反応が進み、プロトン、電子、および酸素ガスが消費され水蒸気が生成される。
３／２Ｏ₂＋６Ｈ⁺＋６ｅ⁻→３Ｈ₂Ｏ（反応式２）
水蒸気は、空気極ガス拡散層３２、３４および酸素供給口３１ａを通じて外部に排出される。また、燃料極２３で発生した二酸化炭素ガスは後述する生成ガス排出部５０により外部に排出される。このようにして燃料電池１０は、メタノールを燃料として発電を行う。

空気供給部３０は、空気極側筐体３１と、空気極側筐体３１の酸素供給口３１ａから導入した酸素を拡散させ、空気極２１に酸素を導入する空気極ガス拡散層３２、３４と、空気極集電体３３から構成される。

空気極側筐体３１は、金属材料や樹脂材料から構成される。樹脂材料としては特に限定されないが、メタノール等のアルコール耐性の点で、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン類、ＰＴＦＥ、ＰＦＡ等のフッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル等の樹脂を用いることが好ましい。

また、空気極側筐体３１には、厚さ方向に貫通する酸素供給口３１ａが多数設けられている。酸素供給口３１ａは、空気極ガス拡散層３２の全体に均一に酸素が導入されるように設けられることが好ましい。

空気極ガス拡散層３２は多孔質材料から構成される。多孔質材料は、多孔質状であればその材料は特に制限されないが、好適な多孔質材料としては、例えば、セラミックス多孔質体、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、フッ素樹脂多孔質体、ポリプロピレン多孔質体等が挙げられる。

空気極集電体３３は、導電性を有し、メッシュあるいは多孔質状の構造を有する。空気極集電体３３は、空気あるいは酸素ガスを空気極ガス拡散層３２側から空気極ガス拡散層３４側に透過する。

空気極集電体３３は、例えば、Ｎｉ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３１６等の耐蝕性の高い金属材料からなることが好ましい。また、空気極集電体３３の構造としては、例えば、金属メッシュ、エキスパンドメタル、金属不織布、三次元網目構造の発泡金属等からなる。また、空気極集電体３３は、その表面に、高導電性でかつ高耐蝕性の金属膜、例えば、Ａｕ膜が形成されていることが好ましい。このような金属膜を設けることで、空気極集電体３３の耐蝕性の向上および空気極ガス拡散層３４との接触抵抗の低減化を図ることができる。

空気極ガス拡散層３４は導電性の多孔質材料から構成される。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布が挙げられる。

空気供給部３０では、空気極側筐体３１の酸素供給口３１ａから空気中の酸素ガスが導入され、酸素ガスは空気極ガス拡散層３２、３４の開口部あるいは細孔を通じて拡散し、空気極２１の表面に一様に導入される。なお、空気極ガス拡散層３２および／または空気極ガス拡散層３４は、これらを設けなくても空気極２１の表面に十分に酸素を拡散した状態で供給できる場合は、必須ではない。

なお、封止材５１は気密性に優れる樹脂、例えばエポキシ樹脂やオレフィン系樹脂からなり、燃料電池１０の内部のメタノールガスや二酸化炭素等の気体や、メタノール水溶液等の液体が燃料電池１０の外部に漏洩することを防止する。また、封止材５１は次に説明する燃料供給部４０にも同様に用いられる。

燃料供給部４０は、燃料極側筐体４１と、メタノール水溶液がその空隙部４２ａに充填される燃料貯蔵部４２と、メタノール水溶液中のメタノールを気化させてメタノールガスに変換する液体燃料気化膜４３と、メタノールガスを拡散させ燃料極２３に導入する燃料極ガス拡散層４６、４９と、燃料極集電体４８等から構成される。

燃料極側筐体４１は金属材料や樹脂材料から構成される。樹脂材料としては特に限定されないが、メタノール等のアルコール耐性の点で、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン類、ＰＴＦＥやＰＦＡ等のフッ素樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリフェニレンオキサイド、ポリエーテルエーテルケトン、アクリル等の樹脂を用いることが好ましい。

燃料貯蔵部４２は、燃料カートリッジ４４から燃料供給口４７を介してメタノール水溶液が供給され、その空隙部４２ａに一時的に貯蔵される。また、燃料貯蔵部４２は、メタノール水溶液を液体燃料気化膜４３の表面に接触させる。燃料貯蔵部４２については後ほど詳述する。

燃料カートリッジ４４は、メタノール水溶液を貯蔵し、メタノール水溶液が燃料貯蔵部４２に随時供給される。メタノール水溶液の供給動力源は特に限定はされず、次に説明する圧力印加部４５でもよい。なお、燃料カートリッジ４４と燃料貯蔵部４２との間にメタノール水溶液の供給路の開閉を行うためのバルブを設けてもよい。

燃料カートリッジ４４に圧力印加部４５を設けてもよい。圧力印加部４５は、メタノール水溶液に背圧を印加することで、次に説明する液体燃料気化膜４３でのメタノールの気化速度が高まる。特に、液体燃料気化膜４３が非多孔質状の場合は、メタノールの気化速度が低下する傾向にあるが、圧力印加部４５により背圧を印加することで、むしろ気化速度を高めることができる。

圧力印加部４５は、燃料カートリッジ４４に充填されたメタノール水溶液に直接あるいは窒素ガス等の気体を介して背圧を印加する。背圧の大きさは、液体燃料気化膜４３の材料により適宜選択されるが、１０ｋＰａ〜１００ｋＰａの範囲に設定されることが好ましい。なお、圧力印加部４５を燃料貯蔵部４２に直接接続して、燃料貯蔵部４２に充填されたメタノール水溶液に直接背圧を印加してもよい。ただし、この場合は燃料カートリッジ４４にメタノールが逆流しないように弁等を設ける。

液体燃料気化膜４３は、メタノール等のアルコール耐性を有する高分子等からなる多孔質材料あるいは非多孔質材料からなる。液体燃料気化膜４３に好適な多孔質材料としてはフッ素樹脂製の多孔質材料が挙げられる。

液体燃料気化膜４３は、メタノールが十分に気化される点で非多孔質材料が好ましい。非多孔質材料の場合は、メタノール水溶液が気相となってその材料中を透過するからである。

液体燃料気化膜４３に好適な非多孔質材料としては、パーフルオロスルホン酸系の樹脂を主材料とする樹脂が挙げられる。パーフルオロスルホン酸系の樹脂は、例えば、フッ素樹脂の主鎖と、スルホン酸基を持つ側鎖を有する樹脂である。かかる材料の樹脂膜としては、例えば、デュポン社製のナフィオン（登録商標）、旭化成社製のアシプレックス等が挙げられる。

また、液体燃料気化膜４３に好適な非多孔質材料としては、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を主材料とする樹脂が挙げられる。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は、例えば、フッ素樹脂の主鎖と、カルボキシル基を持つ側鎖を有する樹脂である。かかる材料の樹脂膜としては、例えば、旭硝子社製の製品名フレミオン等が挙げられる。

さらに、液体燃料気化膜４３に好適な非多孔質材料としては、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトンおよびポリアミドのうち一種を主材料とする樹脂が挙げられる。またさらに、液体燃料気化膜４３に好適な非多孔質材料としては、シリコーンゴム等のシリコーンを含む高分子材料が挙げられる。

燃料ガス拡散層４６は、メタノール等のアルコール耐性を有する多孔質材料から構成される。燃料ガス拡散層４６に好適な多孔質材料としては、セラミックス、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布、フッ素樹脂、ポリプロピレン等の多孔質材料が挙げられる。また、燃料ガス拡散層４６の空孔率は、３０％〜９５％の範囲に設定されることが好ましく、４０％〜９０％の範囲に設定されることがより好ましい。空孔率が９５％を超えると燃料ガス拡散層４６の機械的強度が低下する。

また、燃料ガス拡散層４６の厚さは、特に制限はないが、１ｍｍ以下であることが好ましい。燃料ガス拡散層４４が１ｍｍよりも厚いと燃料電池全体の厚さが過度に大きくなる。なお、上述したように燃料ガス拡散層４６を設ける方が好ましいが、燃料ガスの拡散が十分な場合は必須ではない。

燃料極集電体４８は、空気極集電体３３と同様の材料から構成され、その表面に、高導電性でかつ高耐蝕性の金属膜、例えば、Ａｕ膜を形成することが好ましい。

燃料ガス拡散層４９は、メタノール等のアルコール耐性を有する導電性の多孔質材料から構成される。導電性の多孔質材料としては、カーボンペーパ、カーボン繊維不織布が挙げられる。

以上説明したように、燃料供給部４０は燃料貯蔵部４２に供給されたメタノール水溶液を液体燃料気化膜４３により気化させて、メタノールガスを燃料極２３に供給し、上記反応式１の反応により、電子およびプロトンを生成する。なお、燃料極２３で発生した二酸化炭素は、燃料ガス拡散層４６あるいは燃料ガス拡散層４９により輸送され、二酸化炭素を選択的に透過するガス分離膜（図示されない）により燃料電池の外部に排出される。次に、燃料貯蔵部について詳しく説明する。

燃料貯蔵部４２は、燃料極側筐体４１と、液体燃料気化膜４３と、封止材５１−１と、これらに囲まれた空隙部４２ａからなる。燃料貯蔵部４２は、燃料電池１０を小型化するためには空隙部４２ａのＸ軸方向の長さ、すなわち、燃料極側筐体４１の表面４１ａと、それに対向する液体燃料気化膜４３の表面４３ａとの距離ＬＸを狭めることが好ましい。例えば、距離ＬＸを１０μｍ〜１ｍｍとすることが好ましい。なお、距離ＬＸをこのような範囲に設定することで、空隙部４２ａに充填されるメタノール水溶液の量が低減され、発電停止をした場合に無駄になるメタノール水溶液の量を低減できる効果もある。

燃料貯蔵部４２はその内面が親水化処理されている。すなわち、燃料極側筐体４１の空隙部４２ａ側の表面４１ａ、および液体燃料気化膜４３の空隙部４２ａ側の表面４１ａが親水化処理されている。親水化処理により、これらの表面４１ａ、４３ａとメタノール水溶液との濡れ性が向上し、メタノール水溶液が燃料貯蔵部４２に送液され易くなる。さらに空隙部４２ａの全体にメタノール水溶液が充填され易くなる。また、メタノール水溶液の燃料貯蔵部４２への送液速度を高めることができる。特に燃料貯蔵部４２の距離ＬＸを上述した１０μｍ〜１ｍｍの範囲に設定した場合、親水化処理をしない場合と比較して送液が顕著に容易になる。

親水化処理としては、例えば、エキシマＵＶやＵＶランプ（例えば波長２１０ｎｍ〜２５０ｎｍ）等によるＵＶ照射処理、ＡｒプラズマやＯ_２プラズマ等によるプラズマ処理、コロナ放電処理、オゾンガスやオゾン水等のオゾン処理が挙げられる。なお、親水化処理は、上記の処理を組み合わせて行ってもよい。

また、親水化処理としては、スルホン化処理が挙げられる。スルホン化処理は、スルホン基を導入する表面処理であって、無水硫酸処理、発煙硫酸処理、フッ素／亜硫酸ガス処理、熱濃硫酸処理等である。また、スルホン化処理の後に、上述した、ＵＶ照射処理、プラズマ処理、コロナ放電処理、およびオゾン処理の少なくともいずれか一つの処理を行ってもよい。

またさらに、親水化処理は、親水性を有する樹脂層を形成する処理でもよい。すなわち、燃料極側筐体４１の表面４１ａおよび液体燃料気化膜４３の表面４３ａに親水性を有する樹脂層を形成する。このような樹脂層の材料としては、ポリビニルアルコール、ポリ酢酸ビニル、ポリエチレングリコール、ポリビニルブチラール、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリアクリルアミド等が挙げられる。樹脂層を形成するための塗布液としては、例えば、Ｖｉｓｇａｒｄ（登録商標、米国ＦｉｌｍＳｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ社製）が挙げられる。樹脂層を液体燃料気化膜４３の表面に形成する場合は、液体燃料の液体燃料気化膜４３への浸透を阻害しない樹脂層の膜厚を設定する必要がある。

上述した親水化処理を燃料極側筐体４１の表面４１ａのみに行ってもよい。このようにすることで、液体燃料貯蔵部４２の２つの対向する表面４１ａ、４３ａのうち、一方の表面が濡れ易くなるのでメタノール水溶液を燃料貯蔵部４２に送液できる。

また、上述した親水化処理を、液体燃料気化膜４３の表面４３ａのみに行ってもよい。このようにすることで、メタノール水溶液の送液が可能となり、さらに、表面４３ａ全体がメタノール水溶液に濡れるので、燃料極２３側へのメタノールガスの供給が液体燃料気化膜４３の全面に亘ってむらなく行われるようになる。したがって、発電時の出力電流量が安定する。また、これにより、メタノールガスが燃料極２３側で均一化されるので、燃料極ガス拡散層４６およびお燃料極ガス拡散層４９のいずれか一方あるいは両方とも省略できる。その結果、燃料電池１０を薄板化できる。

また、封止材５１−１の空隙部４２ａ側の表面に表面処理を行ってもよい。さらに、燃料カートリッジ４４と燃料貯蔵部４２とを接続する供給路の内面に表面処理を行ってもよい。これらにより、メタノール水溶液の送液がいっそう容易になる。

さらに、このような親水化処理がされた燃料貯蔵部４２に、上述した圧力印加部４５によりメタノール水溶液に背圧を印加することにより、メタノール水溶液の送液がいっそう容易になる。次に親水化処理による効果を示す試験例について説明する。

［試験例］
図２は試験例の試験方法を説明するための図である。図２を参照するに、アクリル製筐体７０に液体燃料の流路７０ａを設け、流路７０ａの内壁に親水化処理を行った。親水化処理として、流路７０ａの内壁面にＶｉｓｇａｒｄ（米国ＦｉｌｍＳｐｅｃｉａｌｔｉｅｓ社商品名）を塗布し、膜厚１００μｍの樹脂層７１を形成した。流路は、流れ方向に垂直な断面を矩形とし、その断面の狭い方の内寸Ｌ1を５０μｍ、流路の長さＬ2を３５ｍｍとした。この流路にメタノール水溶液あるいはメタノールが１００％の液体燃料を流路の上端から注入し、注入時から燃料が下端に到達するまでの時間を測定して流速を求めた。また、比較のため、流路の内壁にＶｉｓｇａｒｄの樹脂層を形成しない場合について同様にして試験を行った。

また、別途Ｖｉｓｇａｒｄの樹脂層をアクリル樹脂板に形成した場合と形成しない場合とで、メタノール水溶液および１００ｖｏｌ％濃度のメタノールの接触角を測定した。接触角の測定方法は、固液界面（水平線）と、液滴頂点と液滴端を結ぶ線のなす角度を測定する１／２θ法により行った。なお、以下、Ｖｉｓｇａｒｄの樹脂層を形成した場合を「処理有り」、形成しない場合を「処理無し」と称する。

図３は、親水化処理の有無による接触角とメタノール濃度との関係を示す図である。また、図４は、親水化処理の有無による流速とメタノール濃度との関係を示す図である。図３および図４において、「○」は処理有り、「△」は処理無しの場合を示している。

図３を参照するに、メタノール濃度が低濃度の場合および１００ｖｏｌ％の場合のいずれの場合でも、メタノール濃度が同濃度の場合は、処理有りは、処理無しよりも接触角が低くなっている。すなわち処理有りの場合の方が濡れ性が増加することが分かる。

また、図４を参照するに、メタノール濃度が低濃度の場合および１００ｖｏｌ％の場合のいずれの場合でも、メタノール濃度が同濃度の場合は、処理有りは、処理無しよりも流速が大きいことが分かる。これは、図３の結果を考慮すると、親水化処理により濡れ性が向上したため流路７０ａ内を流れるメタノール水溶液の流速が増したものである。

本試験例によれば、アクリル樹脂の表面を親水化処理することで、メタノール水溶液との接触角が低下して流速が増加する。したがって、図１に示す燃料極側筐体４１および液体燃料気化膜４３の空隙部４２ａ側の表面を親水化処理することで、液体燃料を燃料貯蔵部４２に送液し易くなることが確認できた。なお、図３および図４に示すように、処理有りの場合の結果から接触角は２０度以下であることが好ましいことが分かる。

本実施の形態によれば、燃料貯蔵部４２の内面、すなわち、燃料極側筐体４１の空隙部４２ａ側の表面４１ａ、および液体燃料気化膜４３の空隙部４２ａ側の表面４３ａの少なくとも一方の表面を親水化処理することで、メタノール水溶液を燃料貯蔵部４２に容易に送液できる。また、その送液速度も高めることができる。したがって、メタノール水溶液が燃料貯蔵部４２に円滑に充填される。その結果、液体燃料気化膜４３からメタノールガスが燃料極２３に安定して供給されるので、上記反応式１の反応が安定して行われる。よって、安定性の高い発電動作が可能な燃料電池が実現できる。特に、液体燃料気化膜４３の表面４３ａを親水化処理することで、液体燃料気化膜４３の全面に亘ってメタノール水溶液が接触し、メタノールの気化が液体燃料気化膜４３の燃料極２３側でむらなく行われるようになるので、発電時の出力電流量が安定する。

以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
（付記１）酸素ガスが供給される空気極と、
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、
燃料極側筐体と、
液体燃料を気化し、当該気化された燃料を気体燃料として燃料極に供する液体燃料気化膜と、
前記液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、を備え、
前記燃料貯蔵部の内面が親水化処理されてなる燃料電池。
（付記２）前記燃料貯蔵部は、燃料極側筐体と液体燃料気化膜とが空隙部を介して対向して配置され、
前記燃料極側筐体はその空隙部側の表面が親水化処理されてなることを特徴する付記１記載の燃料電池。
（付記３）前記燃料貯蔵部は、燃料極側筐体と液体燃料気化膜とが空隙部を介して対向して配置され、
前記液体燃料気化膜はその空隙部側の表面が親水化処理されてなることを特徴する付記１または２記載の燃料電池。
（付記４）前記燃料貯蔵部に充填された液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部をさらに備えることを特徴とする付記１〜３のうちいずれか一項記載の燃料電池。
（付記５）前記液体燃料気化膜は非多孔質状の材料からなることを特徴とする付記１〜４のうちいずれか一項記載の燃料電池。
（付記６）前記非多孔質状の材料は、パーフルオロスルホン酸系の樹脂、または、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からなることを特徴とする付記５記載の燃料電池。
（付記７）前記非多孔質状の材料は、ポリスルホン、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、およびポリアミドからなる群のうち一種を主材料とする樹脂、またはシリコーンを含む高分子材料からなることを特徴とする付記５記載の燃料電池。
（付記８）前記親水化処理は、ＵＶ照射処理、プラズマ処理、コロナ放電処理、オゾン処理、およびスルホン化処理からなる群のうち少なくとも一つであることを特徴する付記１〜７のうちいずれか一項記載の燃料電池。
（付記９）前記親水化処理により前記内面に親水性の樹脂層が形成されてなることを特徴する付記１〜７のうちいずれか一項記載の燃料電池。
（付記１０）前記内面が液体燃料に対して接触角が２０度以下であることを特徴する付記１記載の燃料電池。
（付記１１）前記燃料極側筐体の表面と、それと対向する液体燃料気化膜の表面との距離が１０μｍ〜１ｍｍに設けられてなることを特徴とする付記２〜１０のうちいずれか一項記載の燃料電池。
（付記１２）液体燃料は、メタノールあるいはメタノール水溶液であることを特徴とする付記１〜１１のうちいずれか一項記載の燃料電池。

本発明の実施の形態に係る燃料電池の断面図である。試験例の試験方法を説明するための図である。親水化処理の有無による接触角とメタノール濃度との関係を示す図である。親水化処理の有無による流速とメタノール濃度との関係を示す図である。

符号の説明

１０燃料電池
２０発電部
２１空気極
２２固体電解質層
２３燃料極
３０空気供給部
３１空気極側筐体
３１ａ酸素供給口
３２空気極ガス拡散層
３３空気極集電体
３４空気極ガス拡散層
４０燃料供給部
４１燃料極側筐体
４２燃料貯蔵部
４２ａ空隙部
４３液体燃料気化膜
４４燃料カートリッジ
４５圧力印加部
４６燃料極ガス拡散層
４７燃料供給口
４８燃料極集電体
４９燃料極ガス拡散層
５１封止材

Claims

酸素ガスが供給される空気極と、
燃料ガスが供給される燃料極と、
前記空気極と燃料極とに狭持されたプロトン伝導性の固体電解質層と、からなる発電部と、
燃料極側筐体と、
液体燃料を気化し、当該気化された燃料を気体燃料として燃料極に供給する液体燃料気化膜と、
前記液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、を備え、
前記燃料貯蔵部の内面が親水化処理されてなり、
前記燃料貯蔵部は、前記燃料極側筐体と前記液体燃料気化膜とが空隙部を介して対向して配置されているものであって、
前記液体燃料気化膜はその空隙部側の表面が親水化処理されてなることを特徴とする燃料電池。
前記燃料貯蔵部に充填された液体燃料に対して圧力を印加する圧力印加部をさらに備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
前記親水化処理は、ＵＶ照射処理、プラズマ処理、コロナ放電処理、オゾン処理、およびスルホン化処理からなる群のうち少なくとも一つであることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
前記親水化処理により前記内面に親水性の樹脂層が形成されてなることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池。
液体燃料は、メタノールあるいはメタノール水溶液であることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか一項記載の燃料電池。