JP5059416B2

JP5059416B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5059416B2
Application number: JP2007002119A
Authority: JP
Inventors: 健治川嶋
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2007-01-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2027-01-10
Also published as: JP2008171612A

Description

この発明は、液体を燃料とする燃料電池に関する。

燃料電池は、供給された燃料を電気エネルギーおよび熱に連続的に変換する電気化学的装置である。燃料電池は、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換するので、従来の内燃機関と比べて、理論的エネルギー変換効率が高く、有害な窒素酸化物や硫化物を生成しない。

また、多くの燃料電池の燃料である水素は、都市ガス、液化石油ガス(ＬＰＧ)、灯油、メタノール、ナフサ、バイオマスなど様々な原燃料から改質することができる。よって、燃料電池の燃料である水素は、燃料電池の用途や条件に応じてふさわしい原燃料を選択することができ、今後の技術革新や原燃料の供給条件の変化に合わせて、その時々で有利な原燃料を選択することが可能である。

このような利点を有する燃料電池は、次世代の電源として本格的な実用化が期待されている。

さらに、燃料電池は、既存の二次電池よりも質量当たりのエネルギー密度が高いことや、充電する必要がないことから、小型の可搬型または携帯電子機器用の電源への適用も試みられている。

貯蔵の困難な水素を燃料に使う替わりに、メタノール、ヒドラジンなどの液体燃料を改質または気化させずに直接利用する燃料電池は、構造がシンプルであって、小型化、軽量化の点で有利である。中でも、取扱が容易で、持続可能なエネルギー源であるバイオマスからの製造も期待できるメタノールを液体燃料とする直接型メタノール燃料電池(ＤＭＦＣ：Ｄirect Ｍethanol Ｆuel Ｃell)は、理想的な小型電源として期待されている。

この直接型メタノール燃料電池のような液体燃料を用いる燃料電池を、近年ますます消費電力が大きくなっている携帯機器の小型電源として用いるためには、より出力密度を高める必要がある。

そのため、触媒の高性能化や、カソードへの燃料メタノールの浸透が少なく、かつ水素イオンの伝導度の高い固体高分子膜の開発などが行われている。さらに、燃料供給用ポンプ、空気供給用送風機などの補助装置をなるべく使わずに燃料を効率よく供給でき、かつ、生成物を効率よく排出できるシステムの開発が行われている。

例えば、特許文献１、２には、燃料室内に気液分離管または気液分離膜を配して、アノードで発生した二酸化炭素を外部に排気する燃料電池が開示されている。

ところで、燃料電池の出力を大きく取るためには、アノードでの反応を増やす必要がある。

しかし、アノードでの反応が増えるにつれて、アノードでの液体燃料の酸化によって生成する二酸化炭素が増えることになる。このため、二酸化炭素の気泡がアノード表面に付着したり、燃料供給流路を塞いだりして、液体燃料のアノードへの供給を阻害することになり、燃料電池の出力を大きくすることが困難になるという問題がある。
特開２００６−２４４０１号公報特開２００６−２４４４１号公報

そこで、この発明の課題は、排気効率を向上でき、高出力化が容易な燃料電池を提供することにある。

上記課題を解決するため、この発明の燃料電池は、供給される液体燃料の化学反応を媒介する触媒部を有するアノードと、
上記液体燃料が供給されると共に上記アノードに開口している燃料流路を有する液体燃料流路部と、
上記液体燃料流路部上に積層されており、かつ、上記燃料流路を経由して上記アノードに連通していると共に上記アノードでの上記液体燃料の化学反応によって発生した気体を排出する排気流路を有する気体排出流路部と、
上記気体排出流路部上に積層されていると共に上記気体排出流路部の開口部からの上記気体を透過する気液分離膜とを備え、
上記液体燃料流路部の燃料流路は、上記液体燃料の表面張力よりも大きい臨界表面張力を有する流路内壁を有し、
上記気体排出流路部の排気流路は、
上記液体燃料の表面張力よりも小さい臨界表面張力を有する流路内壁を有し、かつ、上記燃料流路に連通すると共に上記気液分離膜に面して開口しており、上記燃料流路内を上記液体燃料が進行する方向に対して直交する面において積層方向と直交する幅方向の寸法よりも上記積層方向の寸法が小さいことを特徴としている。

この発明によれば、液体燃料流路部の流路内壁面は液体燃料に濡れる一方、気体排出流路部の流路内壁は液体燃料に濡れない。よって、気体排出流路部の排気流路が液体燃料で塞がれることを防止できる。よって、アノードにおいて液体燃料が反応することで生成した気体は、気体排出流路部の排気流路に容易に流れ込むことができる。これにより、上記気体の排出と上記アノードへの燃料供給を効率的に行うことができ、出力の大きい燃料電池を得ることができる。

また、一実施形態の燃料電池は、上記液体燃料流路部の燃料流路は、上記燃料流路内を上記液体燃料が進行する方向に対して直交する面において積層方向と直交する幅方向の寸法よりも、上記積層方向の寸法が小さい。

この実施形態によれば、アノードから発生した気体の気泡が液体燃料流路部の燃料流路の幅いっぱいに広がってアノードへの燃料供給を妨げる前に、上記気泡は上記気体排出流路部の排気流路に達する。そして、この気体排出流路部の流路内壁面の臨界表面張力は液体燃料の表面張力よりも小さいので、上記気泡は上記気体排出流路部の流路側に移動することになる。よって、気泡によって燃料供給が妨げられることがなく、出力の大きい燃料電池を得ることができる。

また、一実施形態の燃料電池では、上記気体排出流路部は、ゴムで作製されている。

この実施形態によれば、上記気体排出流路部を、液体燃料流路部に容易に密接させることができるので、燃料漏れ等の起こりにくい信頼性の高い燃料電池を得ることができる。

また、一実施形態の燃料電池では、上記ゴムが、シリコン系ゴムである。この実施形態によれば、気体排出流路部を作製する材料として、気体透過係数の大きいシリコーン系ゴムを用いたことで、アノードで発生する気体の排気をより速やかに行うことができ、燃料電池の出力を大きくすることができる。

この発明の燃料電池によれば、液体燃料流路部の流路内壁面は液体燃料に濡れる一方、気体排出流路部の流路内壁面は液体燃料に濡れない。よって、気体排出流路部の排気流路が液体燃料で塞がれることを防止でき、アノードで発生する気体を燃料供給流路部から速やかに排気できて排気効率を向上でき、出力の大きい燃料電池を得ることができる。

以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。

まず、この発明の燃料電池の実施形態とする直接型メタノール燃料電池の基本的動作について説明する。直接型メタノール燃料電池は、液体を燃料とする燃料電池のうち、最も一般的であるメタノールを燃料とする燃料電池である。

この直接型メタノール燃料電池(ＤＭＦＣ)の全体反応式は、次の化学式(化１)のように表される。この直接型メタノール燃料電池は、化学式(化１)の左辺と右辺の化学的エネルギーの差の一部を電気エネルギーとして取り出すことにより、発電を行う。
ＣＨ_３ＯＨ＋(３/２)Ｏ_２ → ２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２ … (化１)

直接型メタノール燃料電池のアノードには、メタノールと水の混合液が供給される。アノード中の触媒によって、次の化学式(化２)に示すように、メタノールの酸化反応が起こり、二酸化炭素と水素イオンと電子が生成する。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ６Ｈ^＋＋６ｅ⁻＋ＣＯ_２ … (化２)

アノードで生成した水素イオンは電解質膜を通り抜けて、アノードからカソードに達する。一方、電子は、外部回路(燃料電池を電源として動く機器)を経由してカソードに達する。このカソードでは、水素イオンと空気中の酸素と電子とが、次の化学式(化３)に示す反応をすることによって、水を生成する。
６Ｈ^＋＋(３/２)Ｏ_２＋６ｅ⁻ → ３Ｈ_２Ｏ … (化３)

損失の無い直接型メタノール燃料電池から得られる電圧は、上記化学式(化１)の左辺と右辺の化学的エネルギーの差に相当する１.２Ｖであり、現実に得られる電圧は０.２〜０.６Ｖ程度である。したがって、この直接型メタノール燃料電池を、電子機器の電源に用いる際には単位電池を複数直列に接続して、所望の電圧を得るようにする。

次に、上記実施形態としての直接型メタノール燃料電池の単位電池について詳細に説明する。

図１の分解斜視図はこの実施形態の燃料電池の単位電池の構造を例示しており、図２は上記単位電池の断面構造を例示している。

この単位電池は、薄膜電極組立体(ＭＥＡ:Ｍembrane Ｅlectrode Ａssembly)１、液体燃料流路部材２、気体排気流路部材３をアノード支持基板５とカソード支持基板６とで挟み込んだ構造になっている。

図２に示すように、薄膜電極組立体１は、アノード７とカソード８の間に電解質膜９を挟んだ構造になっている。そして、この薄膜電極組立体１のアノード７側に液体燃料流路部材２が配置され、この液体燃料流路部材２に燃料流路１０が形成されている。この液体燃料流路部材２は、燃料流路１０の内壁１０ｃが上記液体燃料の表面張力よりも大きい臨界表面張力を有する材料(例えば、後述の酸化チタンのような親水性物質を担持させた樹脂など)によって形成されている。

一方、上記液体燃料流路部材２には気体排気流路部材３が積層され、この気体排気流路部材３には排気流路１２が形成されている。この排気流路１２は、気体排気流路部材３を積層方向に貫通していて、燃料流路１０を経由してアノード７に連通している。そして、排気流路１２の内壁１２ｃは、臨界表面張力が液体燃料の表面張力よりも小さい材料(例えば、ゴムなど)によって形成されている。そして、この気体排気流路部材３には気液分離膜４が積層され、この気液分離膜４にはアノード支持基板５が積層されている。このアノード支持基板５には、発電に伴ってアノード７で発生する二酸化炭素を外部に排出するための排気溝１１が形成されており、排気流路１２は気液分離膜４を経由して排気溝１１に通気可能になっている。

一方、電解質膜９を挟んでアノード支持基板５とは反対側にカソード支持基板６が配置され、このカソード支持基板６には排気溝１１と直交する方向に延びる通気孔１３が形成されている。この通気孔１３を通して、還元剤である酸素を含む空気をカソード８に導入できるようになっている。

上記電解質膜９の材料としては、水素イオンの導電性が良く、かつ、メタノール等の液体燃料の透過性の低い材料を用いることが望ましい。このような材料の一例としては、パーフルオロスルホン酸系のポリマー膜や炭化水素系のポリマー膜などが挙げられる。

また、上記アノード７はアノード集電体７ａとアノード拡散層７ｂ、および触媒部としてのアノード触媒(図示せず)を備える。アノード集電体７ａは、導電性が高く、使用環境下で電気化学的に不活性で、耐食性および耐久性を持った材料で構成される。また、アノード集電体７ａは、液体燃料や反応生成物である二酸化酸素を透過させる必要があるので、金属メッシュやスポンジメタルのような材料で作製することが好ましい。このような金属材料の一例としては、金(Ａｕ)や白金(Ｐｔ)が望ましいが、高価であるので、ステンレスやチタンに金や白金をコーティングしたものをアノード集電体７ａの材料として用いてもよい。

また、アノード拡散層７ｂは、液体燃料をアノード集電体７ａへ均一に分配するため、および、アノード７における反応で生成した二酸化炭素を速やかに排出するために設けられる。また、前述の化学式(化１)で表された化学反応によって生成する電子をアノード触媒(図示せず)からアノード集電体７ａに伝えるために良好な導電性が求められる。このアノード拡散層７ｂの材料としては、例えば、炭素繊維の織布や不織布に、紫外線照射やプラズマ処理を施す方法や、臨界表面張力の大きい樹脂を分散する方法などで、液体燃料に濡れやすくしたものを用いることができる。

電解質膜９に面したアノード拡散層７ｂの面には、上記アノード触媒の粒子と電解質の材料となる水素イオン導電体樹脂との混合物が塗布されている。上記アノード触媒としては、例えば、白金とルテニウム(Ｒｕ)の合金の粒子や白金とルテニウムの混合粒子を炭素系粒子などの担持材料に分散、担持したものを用いることができる。

また、上記カソード８は、カソード集電体８ａとカソード拡散層８ｂおよびカソード触媒(図示せず)を備える。カソード集電体８ａは、導電性が高く、使用環境下で電気化学的に不活性であり、かつ、耐食性および耐久性を有する材料で構成される。また、カソード集電体８ａとしては、空気や反応生成物である水を透過させる必要があるので、アノード集電体７ａと同様の構成のものが用いられる。また、カソード拡散層８ｂは、カソード８における反応生成物である水蒸気を拡散して排出し、水の凝集を防ぐために設けられている。このカソード拡散層８ｂは、外部負荷を通ってカソード集電体８ａに達した電子を上記カソード触媒(図示せず)に伝えるために良好な導電性が求められる。よって、このカソード拡散層８ｂとしては、例えば、炭素繊維の織布や不織布をポリテトラフルオロカーボンの水分散液に浸漬した後、乾燥,焼付けをして撥水性を強めたものを用いることができる。また、カソード拡散層８ｂの電解質膜９に面した面には、上記カソード触媒(図示せず)をなすカソード触媒粒子と電解質の材料となる水素イオン導電体樹脂との混合物が塗布される。上記カソード触媒としては、白金粒子を炭素系微粒子などに分散担持したものを用いることができる。

そして、アノード支持基板５およびカソード支持基板６の材料としては、ポリカーボネート、エポキシ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニルなどの樹脂やこれら樹脂にガラス繊維等を補強材として含有した樹脂を用いることができる。また、炭素板やマグネシウム、アルミニウム、ニッケル、各種金属合金などの金属材料の表面に樹脂を塗布することによって表面を不導体化したものを、アノード支持基板５およびカソード支持基板６の材料として用いることができる。

この実施形態では、液体燃料流路部材２に形成された液体燃料流路１０を通して、アノード７に液体燃料が供給される。この実施形態では、気液分離膜４と燃料流路１０との間に排気流路１２が形成されていると共に、排気流路１２の内壁１２ｃが液体燃料の表面張力よりも小さな臨界表面張力の材料で形成されていて排気流路１２の内壁１２ｃが液体燃料に濡れない。よって、気体排出流路部材３の排気流路１２が液体燃料で塞がれることを防止できる。よって、アノード７において液体燃料が反応することで生成した気体は、気体排出流路部材３の排気流路１２に容易に流れ込むことができる。

これにより、アノード７で生成した二酸化炭素が気液分離膜４を通して外部に排出できるほど液体燃料流路部材２の燃料流路１０内の圧力が高くない場合でも、二酸化炭素は、排気流路１２に流れ込むことができるので、アノード７表面から効率的に気泡除去を行うことができ、燃料電池の出力を安定して維持することができる。

なお、好ましくは、燃料流路１０の高さ寸法(積層方向の寸法)Ｄ１は、燃料流路１０の幅寸法(燃料流路１０内を液体燃料が進行する方向Ｚに対して直交するＸ-Ｙ面において積層方向Ｙと直交する幅方向Ｘの寸法)Ｄ２よりも短いことが望ましい。この構造を取ることによって、二酸化炭素の気泡が燃料流路１０の流路幅いっぱいに広がる前に、二酸化炭素の気泡は排気流路１２に触れて(達して)破壊される。よって、アノード７の表面から効率的に気泡を除去でき、燃料電池の出力を安定して維持できる。また、同様の理由で、図１に示すように、１つの排気流路１２に対して上記方向Ｚに隣り合うもう１つの排気流路１２との間の距離Ｄ３は、燃料流路１０の幅寸法Ｄ２よりも短いことが望ましい。

また、液体燃料流路部材２の材料としては、使用環境下で電気化学的に不活性、耐食性、耐久性を持った材料であり、絶縁された構造であれば特に制限はない。例えば、液体燃料流路部材２の材料としては、ガラスなどを用いることができるし、ポリカーボネート、エポキシ、ポリイミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニルなどの樹脂やこれら樹脂にガラス繊維等を補強材として含有した樹脂を用いることができる。

また、液体燃料の表面張力よりも高い臨界表面張力を有する燃料流路１０の内壁１０ｃは、液体燃料の表面張力より大きな臨界表面張力の樹脂を塗布すること、あるいは、酸化チタンのような親水性物質を担持させることで実現できる。また、気体排気流路部材３の材料は、使用環境下で電気化学的に不活性、かつ、耐食性および耐久性を持った材料であれば特に制限はないが、好ましくは、ゴムによって形成されることが望ましい。気体排気流路部材３をゴム製にした場合は、アノード支持基板５と液体燃料流路部材２とを接着剤を用いることなくネジなどによる締め付けだけで、気体排気流路部材３を液体燃料流路部材２に容易に密接させることが可能となる。

より好ましくは、気体排気流路部材３はシリコーン系のゴムによって形成されることが望ましい。気体排気流路部材３の材料を気体透過係数の大きいシリコーン系ゴムとした場合には、二酸化炭素の排気能力が向上し、燃料電池の出力を向上できる。この気体排気流路部材３の材料としては、例えば、ビニルメチルシリコーンゴムやフッ化アルキル基を導入して臨界表面張力を小さくしたフッ素化シリコーンゴムが適している。

また、気液分離膜４としては、気体透過性が高く、電気化学的に不活性で液体燃料の表面張力よりも臨界表面張力の小さい材料を用いることが望ましい。この気液分離膜４としては、例えば、臨界表面張力がメタノールの表面張力(２２.６(ｍＮ／ｍ))よりも小さい１５(ｍＮ／ｍ)であるポリテトラフルオロエチレンの多孔質膜を採用できる。

なお、上述した実施形態は、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。この発明の範囲は上記した説明だけではなくて特許請求の範囲によって示され、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。

この発明の燃料電池の実施形態の単位電池の構造を示す分解斜視図である。上記実施形態の燃料電池の断面構造を示す断面図である。

符号の説明

１薄膜電極組立体
２液体燃料流路部材
３気体排気流路部材
４気液分離膜
５アノード支持基板
６カソード支持基板
７アノード
８カソード
９電解質膜
１０燃料流路
１０ｃ内壁
１１排気溝
１２排気流路
１２ｃ内壁
１３通気口

Claims

供給される液体燃料の化学反応を媒介する触媒部を有するアノードと、
上記液体燃料が供給されると共に上記アノードに開口している燃料流路を有する液体燃料流路部と、
上記液体燃料流路部上に積層されており、かつ、上記燃料流路を経由して上記アノードに連通していると共に上記アノードでの上記液体燃料の化学反応によって発生した気体を排出する排気流路を有する気体排出流路部と、
上記気体排出流路部上に積層されていると共に上記気体排出流路部の開口部からの上記気体を透過する気液分離膜とを備え、
上記液体燃料流路部の燃料流路は、上記液体燃料の表面張力よりも大きい臨界表面張力を有する流路内壁を有し、
上記気体排出流路部の排気流路は、
上記液体燃料の表面張力よりも小さい臨界表面張力を有する流路内壁を有し、かつ、上記燃料流路に連通すると共に上記気液分離膜に面して開口しており、上記燃料流路内を上記液体燃料が進行する方向に対して直交する面において積層方向と直交する幅方向の寸法よりも上記積層方向の寸法が小さいことを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、
上記液体燃料流路部の燃料流路は、
上記燃料流路内を上記液体燃料が進行する方向に対して直交する面において積層方向と直交する幅方向の寸法よりも、上記積層方向の寸法が小さいことを特徴とする燃料電池。
請求項１または２に記載の燃料電池において、
上記気体排出流路部は、ゴムで作製されていることを特徴とする燃料電池。
請求項３に記載の燃料電池において、
上記ゴムが、シリコン系ゴムであることを特徴とする燃料電池。