JP5072246B2

JP5072246B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP5072246B2
Application number: JP2006084841A
Authority: JP
Inventors: 浩揮株本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2006-03-27
Filing date: 2006-03-27
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2026-03-27
Also published as: JP2007265623A

Description

本発明は、液体燃料がアノードに直接供給される燃料電池に関する。

燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、２１世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。

中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）が注目を集めている。ＤＭＦＣは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器（携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ、ＭＰ３プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書（書籍））などの電源への利用が期待されている。

上記のように、ＤＭＦＣのアノードでは二酸化炭素が生成される。この二酸化炭素は、炭酸イオンあるいは気体として燃料であるメタノール水溶液中に混在すると、アノード電極への燃料の供給を阻害するなどの問題があり、様々な対策が採られている。たとえば、特許文献１の図２には、アノード基材に隣接して設けられた燃料室のアノードとの対向面に気液分離膜が設けられた構造が開示されている。
特開２００４−０７９５０６号公報

生成ガスは鉛直方向上方に滞留しやすいため、燃料室のアノードとの対向面に気液分離膜が設けられていても、燃料電池の向きによっては生成ガスが燃料室内に滞留してしまう。燃料室内に生成ガスが滞留すると、生成ガスにより液体燃料の流通が阻害され、燃料電池の供給が燃料電池の動作が不安定化する要因となり得る。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、アノード電極で生成したガスを速やかに排出して、燃料電池の動作安定性を向上させる技術の提供にある。

本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、該電解質膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、アノード電極に直に供給される液体燃料を貯蔵する燃料室と、燃料室の側面に設けられた気液分離部とを備え、前記気液分離部が、前記燃料室を密閉するための密閉部材を兼ねている。

この態様によれば、燃料電池の向きが変化し、アノード電極が下側に位置した状態になっても、アノード電極で生成したガスが燃料室の側面に設けられた気液分離部を介して速やかに排出されるため、燃料電池の動作安定性が向上する。更に、気液分離部が、燃料室を密閉するための密閉部材を兼ねているので、燃料電池を構成する部材点数を削減し、コスト低減を図ることができるとともに、燃料電池を小型化することができる。

上記態様において、気液分離部が撥水性であってもよい。この態様によれば、気液分離部の入口表面が液体燃料で閉塞されることが抑制されるため、生成ガスが気液分離部を透過しやすくなり、燃料室内の生成ガスが速やかに排出される。

上記態様において、気液分離部が、燃料室の側面全体に設けられていてもよい。この態様によれば、燃料室内の生成ガスがいずれの側面からも効率よく排出される。

上記態様において、気液分離部が、アノード電極で生成したガスが滞留しやすい箇所の近傍に位置する燃料室の側面に部分的に設けられていてもよい。この態様によれば、燃料室内の特定の箇所に滞留しやすい生成ガスがその近傍に設置された気液分離部から排出されるため、燃料室内の生成ガスの排出効率が向上する。

本発明によれば、アノード電極で生成したガスが燃料室の側面に設けられた気液分離部を介して速やかに排出されるため、燃料電池の動作安定性が向上する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るＤＭＦＣ１０の分解斜視図である。図２は、実施の形態１に係る電解質膜４０のアノード側の構成を示す図である。図３は、図１のＡ−Ａ線上の断面図である。

ＤＭＦＣ１０は、平面上に配設された複数のセル１２を備える。各セル１２は、アノード電極２０と、カソード電極３０と、アノード電極２０とカソード電極３０とに狭持された電解質膜４０とを備える。アノード電極２０には、メタノール水溶液あるいは純メタノール（以下、「メタノール燃料」と記載する）が毛細管現象により供給される。また、カソード電極３０には、空気が供給される。ＤＭＦＣ１０は、メタノール燃料中のメタノールと空気中の酸素との電気化学反応により発電する。

アノード電極２０は、アノード触媒層２１およびアノード基体２２を有する。アノード触媒層２１は、電解質膜４０に接合されている。アノード基体２２は、多孔質材料で構成されている。毛細管現象によりアノード基体２２を通過したメタノール燃料がアノード触媒層２１に供給される。アノード基体２２は、親水性を示す導電性材料が好ましい。ここでいう親水性とは、液体燃料となじむ性質のことであり、より詳細には、Ｚｉｓｍａｎプロットにより算出される臨界表面張力が液体燃料の表面張力よりも高い性質をいう。たとえば、カーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロス、ならびにそれらに親水性被膜を施したもの、チタン系合金、ステンレス系合金のシートにエッチングで均一な微細孔を設置し、耐食導電性被膜（たとえば、金、白金などの貴金属）を施したもの等が挙げられる。

アノード電極２０側の電解質膜４０の周縁部にアノード側ガスケット５０が設けられている。アノード側ガスケット５０を介してアノード側ハウジング６０が設置され、アノード電極２０、アノード側ガスケット５０およびアノード側ハウジング６０により、メタノール燃料が貯蔵される燃料室７０が形成されている。燃料室７０に貯蔵されたメタノール燃料は、アノード電極２０に直に供給される。なお、アノード側ガスケット５０の詳細については後述する。アノード側ハウジング６０には、リブ６２が設けられている。リブ６２により、各セル１２のアノード電極２０が区切られている。なお、アノード側ハウジング６０は、耐メタノール性、耐酸性、機械的剛性などの特性を具備することが望ましい。さらに、アノード側ハウジング６０は親水性であることが望ましい。なお、アノード側ハウジング６０には、ＤＭＦＣ１０の外部に設けられた燃料タンク（図示せず）などからメタノール燃料を吸い上げる燃料吸引部（図示せず）を有し、燃料室７０内にメタノール燃料が適宜補充される。

アノード側ハウジング６０を構成する材料としては、ステンレス系金属、チタン系合金などの金属材料、または、アクリル樹脂、エポキシ、ガラスエポキシ樹脂、シリコン、セルロース、ナイロン、ポリアミドイミド、ポリアリルアミド、ポリアリルエーテルケトン、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリオキシメチレン、ポリカーボネート、ポリグリコール酸、ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリブチレンテレフタラート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ四フッ化エチレン、硬質ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂が挙げられる。

一方、カソード電極３０は、カソード触媒層３１およびカソード基体３２を有する。カソード触媒層３１は、電解質膜４０に接合されている。カソード基体３２は、通気性を有する材料で構成されている。カソード基体３２を通過した空気がカソード触媒層３１に供給される。

カソード電極３０側の電解質膜４０の周縁部にカソード側ガスケット８０が設けられている。カソード側ガスケット８０を介してカソード側ハウジング９０が設置されている。カソード側ハウジング９０には、リブ９２が設けられている。リブ９２により、各セル１２のカソード電極３０が区切られている。カソード側ハウジング９０には、空気取り込み用の空気取込口９４が設けられている。空気取込口９４から流入した空気は、カソード電極３０、カソード側ガスケット８０およびカソード側ハウジング９０により形成された空気室１００に流入し、カソード基体３２に到達する。カソード側ハウジング９０には、リブ９２が設けられている。リブ９２により、各セル１２のカソード電極３０が区切られている。なお、カソード側ハウジング９０は撥水性であることが望ましい。カソード側ハウジング９０を構成する材料として、アノード側ハウジング６０について例示した材料を用いることができる。

各セル１２ごとに、アノード基体２２およびカソード基体３２の表面にそれぞれ集電体（図示せず）が設けられ、配線（図示せず）を用いて各セルが電気的に直列に接続されている。

ここで、アノード側ガスケット５０について説明する。本実施形態のアノード側ガスケット５０は、全体が気液分離フィルタで形成されている。気液分離フィルタは、アノードで生成したガスを透過する一方で、メタノール燃料を遮断する気液分離機能を備える。気液分離機能を発現する材料として、織布、不織布、メッシュ、フェルト、またはオープンポアを有するスポンジ状の材料のような多孔質の材料が上げられる。

多孔質材料を構成する組成物として、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（ＥＴＦＥ）、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）、ポリビニルフルオライド（ＰＶＦ）、パーフロロ環状重合体などが挙げられる。

気液分離フィルタは、撥水性であることが好ましい。ここで、撥水性とは、液体燃料をはじく性質のことであり、より詳細には、Ｚｉｓｍａｎプロットにより算出される臨界表面張力が液体燃料の表面張力よりも低い性質のことをいう。表１にメタノール濃度と表面張力との関係を示す。表２に代表的な樹脂材料の臨界表面張力を示す。

表１および表２に示すように、テフロン（登録商標）はいずれのメタノール濃度のメタノール燃料に対しても撥水性である。ポリエチレンおよびポリスチレンは、メタノール濃度が少なくとも７２ｗｔ％以上のときにメタノール燃料に対して撥水性となる。このため、多孔質材料を構成する組成物としては、テフロンが好適である。

気液分離フィルタが撥水性を備えることにより、気液分離フィルタの入口表面が液体燃料で閉塞されることが抑制されるため、生成ガスが気液分離フィルタを透過しやすくなり、燃料室７０内の生成ガスが速やかに排出される。

本実施の形態のＤＭＦＣ１０によれば、ＤＭＦＣ１０の向きが変化し、アノード電極２０が下側に位置した状態になっても、生成ガスがアノード電極２０の周囲に設けられたアノード側ガスケット５０に備えられた気液分離フィルタを介して速やかに排出されるため、燃料電池の動作安定性が向上する。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２に係るＤＭＦＣ１０の構造を示す断面図である。本実施形態のＤＭＦＣ１０の基本的な構造は、実施の形態１と同様である。以下、実施の形態２に特徴的な構成について説明する。図４に示すように、燃料室７０に、スペーサ７２が設けられている。

スペーサ７２によりアノード電極２０とアノード側ハウジング６０との距離が保持されている。また、スペーサ７２によりアノード電極２０が電解質膜４０に押さえつけられるため、アノード電極２０と電解質膜４０との接触性が向上する。

なお、燃料室７０内に設けられるスペーサ７２は、耐メタノール性、耐酸性、機械的剛性などの特性を具備することが望ましい。さらに、スペーサ７２がアノード電極２０を分断するような形状の場合には、生成ガスがスペーサ７２を透過可能であることが望ましく、多孔質材料を用いることができる。たとえば、スペーサ７２として、上述した気液分離フィルタと同様な多孔質材料の他に、ポリエチレン、ナイロン、ポリエステル、レーヨン、綿、ポリエステル／レーヨン、ポリエステル／アクリル、レーヨン／ポリクラールなどで形成された織布、不織布、メッシュ、フェルト、またはオープンポアを有するスポンジ状の材料のような多孔質の材料、または、窒化ホウ素、窒化ケイ素、炭化タンタル、炭化ケイ素、セピオライト、アタパルジャイト、ゼオライト、酸化ケイ素、酸化チタンなどの無機固体が挙げられる。

（実施の形態３）
実施の形態３に係るＤＭＦＣの基本的な構造は、実施の形態１と同様である。以下、実施の形態３に特徴的な構成について説明する。図５は、実施の形態３で用いられるアノード側ガスケット５０の斜視図である。本実施の形態で用いられるアノード側ガスケット５０は、部分的に気液分離フィルタで形成されている。すなわち、アノード側ガスケット５０は、気液分離部分５２と緻密部分５４からなる。本実施の形態のアノード側ガスケット５０は、ポリフロンペーパー、ポリフロンウェブ（ダイキン工業製）、あるいはミクロテックス（日東電工製）などの多孔質材からなる額縁状シートにテフロンのディスパージョンを繰り返し選択的に塗布、含浸させ、多孔質材を部分的に緻密化することにより得られる。

ＤＭＦＣ１０の発電サイクルにより、メタノール燃料と接する部分の電解質膜４０に膨潤・伸縮が発生し、アノード側ハウジング６０とアノード電極２０と電解質膜４０との締め付け寸法に狂いが生じる。アノード側ガスケット５０に部分的に設けられた緻密部分５４を介して、アノード電極２０と電解質膜４０とを締め付けることにより、ＤＭＦＣ１０の締め付けが安定し、電池内部抵抗の増大を抑制することができるとともに、燃料漏れを抑制することができる。

（実施の形態４）
実施の形態４に係るＤＭＦＣの基本的な構造は、実施の形態１と同様である。以下、実施の形態４に特徴的な構成について説明する。図６は、実施の形態４で用いられるアノード側ガスケット５０の斜視図である。本実施の形態で用いられるアノード側ガスケット５０は、部分的に気液分離フィルタで形成されている点は、実施の形態３と同様である。本実施の形態で用いられるアノード側ガスケット５０は、対向する辺において、気液分離部分５２と緻密部分５４との構成比率が異なっている。具体的には、辺Ａにおける気液分離部分５２ａの開口長さＨaが、辺Ｂにおける気液分離部分５２ｂの開口長さＨbよりも長い。ＤＭＦＣの発電状況やＤＭＦＣが搭載される機器の使用状況により、アノード電極２０における生成ガスの量に分布が生じる場合がある。このような場合に、生成ガスの量が多い領域に近い辺の気液分離部分５２の開口長さを相対的に長くすることにより、より効率的に生成ガスをＤＭＦＣから排出することができる。

図７は、実施の形態４に係るＤＭＦＣを折りたたみ式の携帯電話の背面に装着した例を示す。図８および図９は、それぞれ、図７のＢ−Ｂ線上およびＣ−Ｃ線上の断面図である。ＤＭＦＣ１０は、携帯電話３００にアノード電極側を向けて設置されている。燃料カートリッジ２０２と燃料室７０とは、燃料導入路（図示せず）により連通している。燃料室７０内のメタノール燃料の残量が少なくなると、燃料カートリッジ２０２から燃料室７０にメタノール燃料が適宜補充される。アノード電極２０で生成したガスは、アノード側ガスケット５０に組み込まれた気液分離部分を通過した後、ＤＭＦＣ用の筐体２００の側面に設けられた開口部２１０を経由して外部に排出される。

通話、インターネット、電子メールなどの動作時において、携帯電話の姿勢はヒンジ部分３０２が本体操作部３０４よりも鉛直上部に位置し、発電時にアノード電極２０に生成するガスは、ヒンジ側に移動する。この場合、図６の辺Ａをヒンジ側に設置することにより、ヒンジ側の気液分離部分５２ａからより効率的に生成ガスを排出することができる。この結果、メタノール燃料の供給が生成ガスにより阻害されにくくなるため、ＤＭＦＣ１０は携帯電話３００の消費電力に見合った発電を行うことができる。

図１０では、携帯電話３００の液晶表示部３１０の背面にＤＭＦＣ１０が設置されている。この場合、携帯電話３００の動作時に、液晶表示部３１０の上部はヒンジ部分３０２よりも鉛直上方に位置し、発電時にＤＭＦＣのアノード電極に生成するガスは、液晶表示部３１０の上部の方に移動する。この場合、図６の辺Ａを液晶表示部３１０の上部側に設置することにより、液晶表示部３１０の上部側に設けられた気液分離部分５２ａから、より効率的に生成ガスを排出することができる。この結果、メタノール燃料の供給が生成ガスにより阻害されにくくなるため、ＤＭＦＣ１０は携帯電話の消費電力に見合った発電を行うことができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

実施の形態１に係るＤＭＦＣの分解斜視図である。実施の形態１に係る電解質膜のアノード側の構成を示す図である。実施の形態１に係るＤＭＦＣの構造を示す図１のＡ−Ａ線上の断面図である。実施の形態２に係るＤＭＦＣの構造を示す断面図である。実施の形態３で用いられるアノード側ガスケットの斜視図である。実施の形態４で用いられるアノード側ガスケットの斜視図である。実施の形態４に係るＤＭＦＣを折りたたみ式の携帯電話の背面に装着した例を示す図である。図７のＢ−Ｂ線上の断面図である。図７のＣ−Ｃ線上の断面図である。実施の形態４に係るＤＭＦＣを折りたたみ式の携帯電話の液晶表示部の背面に装着した例を示す図である。

符号の説明

１０ＤＭＦＣ、２０アノード電極、２１アノード触媒層、２２アノード基体、３０カソード電極、３１カソード触媒層、３２カソード基体、４０電解質膜、５０アノード側ガスケット、６０アノード側ハウジング、７０燃料室、７２スペーサ、８０カソード側ガスケット、９０カソード側ハウジング、１００空気室。

Claims

電解質膜と、
前記電解質膜を挟んで設けられたアノード電極およびカソード電極と、
前記アノード電極に直に供給される液体燃料を貯蔵する燃料室と、
前記燃料室の側面に設けられた気液分離部と、を備え、前記気液分離部が、前記燃料室を密閉するための密閉部材を兼ねていることを特徴とする燃料電池。
前記気液分離部が撥水性であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記気液分離部が、前記燃料室の側面全体に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
前記気液分離部が、前記アノード電極で生成したガスが滞留しやすい箇所の近傍に位置する前記燃料室の側面に部分的に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。