JP5135747B2 - 燃料電池および燃料電池システム - Google Patents

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Description

本発明は、メタノールを直接燃料電極に供給して反応させる直接型メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell ）などの電気化学デバイスに好適なイオン伝導体を備えた燃料電池および燃料電池システムに関する。
電池の特性を示す指標として、エネルギー密度と出力密度とがある。エネルギー密度とは電池の単位質量あたりのエネルギー蓄積量であり、出力密度とは電池の単位質量あたりの出力量である。リチウムイオン二次電池は、比較的高いエネルギー密度と極めて高い出力密度という二つの特徴を併せもっており、完成度も高いことから、モバイル機器の電源として広く採用されている。しかし、近年、モバイル機器は高性能化にともなって消費電力が増加する傾向にあり、リチウムイオン二次電池にも更なるエネルギー密度および出力密度の向上が求められている。
その解決策として、正極および負極を構成する電極材料の変更、電極材料の塗布方法の改善、電極材料の封入方法の改善などが挙げられ、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を向上させる研究が行われている。しかし、実用化に向けてのハードルはまだ高い。また、現在のリチウムイオン二次電池に使用されている構成材料が変わらない限り、大幅なエネルギー密度の向上を期待することは難しい。
このため、リチウムイオン二次電池に代わる、よりエネルギー密度の高い電池の開発が急務とされており、燃料電池はその候補の一つとして有力視されている。
燃料電池は、アノード（燃料電極）とカソード（酸素電極）との間に電解質が配置された構成を有し、燃料電極には燃料、酸素電極には空気または酸素がそれぞれ供給される。この結果、燃料電極および酸素電極において燃料が酸素によって酸化される酸化還元反応が起こり、燃料がもつ化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて取り出される。
既に、さまざまな種類の燃料電池が提案または試作され、一部は実用化されている。これらの燃料電池は、用いられる電解質によって、アルカリ電解質型燃料電池（ＡＦＣ；Alkaline Fuel Cell）、リン酸型燃料電池（ＰＡＦＣ；Phosphoric Acid Fuel Cell ）、溶融炭酸塩型燃料電池（ＭＣＦＣ；Molten Carbonate Fuel Cell）、固体酸化物型燃料電池（ＳＯＦＣ；Solid Electrolyte Fuel Cell ）および固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ；Polymer Electrolyte Fuel Cell ）などに分類される。このうち、ＰＥＦＣは、他の型式のものと比較して低い温度、例えば３０℃〜１３０℃程度の温度で動作させることができる。
燃料電池の燃料としては、水素やメタノールなど、種々の可燃性物質を用いることができる。しかし、水素などの気体燃料は、貯蔵用のボンベなどが必要になるため、小型化には適していない。一方、メタノールなどの液体燃料は、貯蔵しやすい点で有利である。とりわけ、ＤＭＦＣには、燃料から水素を取り出すための改質器を必要とせず、構成が簡素になり、小型化が容易であるという利点がある。
ＤＭＦＣでは、燃料のメタノールは、通常、低濃度または高濃度の水溶液として、もしくは純メタノールの気体の状態で燃料電極に供給され、燃料電極の触媒層で二酸化炭素に酸化される。このとき生じたプロトン（Ｈ+ ）は、燃料電極と酸素電極とを隔てる電解質膜を通って酸素電極へ移動し、酸素電極で酸素と反応して水を生成する。燃料電極、酸素電極およびＤＭＦＣ全体で起こる反応は、化１で表される。
（化１）
燃料電極：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+
酸素電極：（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ →３Ｈ2 Ｏ
ＤＭＦＣ全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
ＤＭＦＣの燃料であるメタノールのエネルギー密度は、理論的に４．８ｋＷ／Ｌであり、一般的なリチウムイオン二次電池のエネルギー密度の１０倍以上である。すなわち、燃料としてメタノールを用いる燃料電池は、リチウムイオン二次電池のエネルギー密度を凌ぐ可能性を多いに持っている。以上のことから、ＤＭＦＣは、種々の燃料電池のなかで最も、モバイル機器や電気自動車などのエネルギー源として使用される可能性が高い。
しかしながら、ＤＭＦＣには、理論電圧は１．２３Ｖであるにもかかわらず、実際に発電しているときの出力電圧は約０．６Ｖ以下に低下してしまうという問題がある。出力電圧が低下する原因は、ＤＭＦＣの内部抵抗によって生じる電圧降下であって、ＤＭＦＣには、両電極で生じる反応に伴う抵抗、物質の移動に伴う抵抗、プロトンが電解質膜を移動する際に生じる抵抗、更に接触抵抗などの内部抵抗が存在している。メタノールの酸化から電気エネルギーとして実際に取り出すことのできるエネルギーは、発電時の出力電圧と、回路を流れる電気量との積で表されるから、発電時の出力電圧が低下すると、実際に取り出すことのできるエネルギーはその分小さくなってしまう。なお、メタノールの酸化によって回路に取り出せる電気量は、メタノールの全量が化１に従って燃料電極で酸化されるなら、ＤＭＦＣ内のメタノール量に比例する。
また、ＤＭＦＣには、メタノールクロスオーバーの問題がある。メタノールクロスオーバーとは、燃料電極側と酸素電極側とのメタノールの濃度差によってメタノールが拡散移動する現象と、プロトンの移動にともなって引き起こされる水の移動によって、水和したメタノールが運搬される電気浸透現象との二つの機構によって、メタノールが燃料電極側から電解質膜を透過して酸素電極側に到達してしまう現象である。
メタノールクロスオーバーが生じると、透過したメタノールは酸素電極の触媒層で酸化される。酸素電極側でのメタノール酸化反応は、上述した燃料電極側での酸化反応と同じであるが、ＤＭＦＣの出力電圧を低下させる原因になる（例えば、非特許文献１参照。）。また、メタノールが燃料電極側で発電に使われず、酸素電極側で浪費されるので、回路に取り出せる電気量がその分減少してしまう。更に、酸素電極の触媒層は白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒ではなく白金（Ｐｔ）触媒であることから、触媒表面に一酸化炭素（ＣＯ）が吸着されやすく、触媒の被毒が生じるなどの不都合もある。
このようにＤＭＦＣには、内部抵抗とメタノールクロスオーバーとによって生じる電圧低下、およびメタノールクロスオーバーによる燃料の浪費という二つの問題があり、これらはＤＭＦＣの発電効率を低下させる原因になっている。そこで、ＤＭＦＣの発電効率を高めるために、ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究・開発や、ＤＭＦＣの運転条件を最適化する研究・開発が精力的に行われている。
ＤＭＦＣを構成する材料の特性を向上させる研究では、電解質膜および燃料電極側の触媒などに関するものが挙げられる。電解質膜については、現在ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂膜（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）が一般的に用いられているが、これよりも高いプロトン伝導率と高いメタノール透過阻止性能とを有するものとして、フッ素系高分子膜、炭化水素系高分子電解質膜またはハイドロゲルベース電解質膜などが検討されている。燃料電極側の触媒に関しては、現在一般的に用いられている白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金触媒よりも高活性な触媒の研究開発が行われている。
このような燃料電池の構成材料の特性向上は、燃料電池の発電効率を向上させる手段として的確である。しかしながら、上述した二つの問題を打破するような最適な触媒が見つからないと同様、最適な電解質膜も見つかっていないのが現状である。
「解説 燃料電池システム」，オーム社，ｐ．６６ "Journal of the American Chemical Society"，２００５年，第１２７巻，第４８号，ｐ．１６７５８−１６７５９ 「携帯機器用燃料電池」，技術情報協会，ｐ．１１０ 米国特許出願公開第２００４／００７２０４７号明細書
一方、非特許文献２および特許文献１では、電解質膜開発など従来の方法で問題解決を試みるのではなく、層流（ラミナーフロー；laminar flow）を用いた燃料電池（ラミナーフロー燃料電池）を提案している。ラミナーフロー燃料電池では、酸素電極におけるフラッディング、水分管理、燃料のクロスオーバー等の問題を解決できるとされている。
層流が起こる条件として、低レノルズ数（Reynolds Number ＝Ｒｅ）が挙げられる。レノルズ数とは慣性項と粘性項との比であり、数１で表される。一般的には、Ｒｅが２０００未満であれば、流れは層流であるといわれている。
（数１）
Ｒｅ＝（慣性力／粘性力）＝ρＵＬ／μ＝ＵＬ／ν
（式中、ρは流体の密度、Ｕは代表速度、Ｌは代表長さ、μは粘性係数、νは動粘度をそれぞれ表す）
ラミナーフロー燃料電池は、マイクロ流路を用いる。そのマイクロ流路内を二種類以上の流体が層流で流れる。つまり、流体が層流の性質を有することから、流体は混ざり合うことなく界面を形成して流れる。流路内の壁に燃料電極および酸素電極を張りつけ、燃料および電解液からなる液体と、酸素を含む水、または酸素電極が多孔質であれば電解液のみを含む液体とを層流で循環させることにより連続発電が可能である。このことから分かるように、層流の界面が電解質膜のような役割を担い、イオン的な接触が起こるのである。よって、この構造では電解質膜は不要となり、従来の燃料電池が抱えている電解質膜劣化による発電効率の低下を無視することができる。
しかし、この構造は、電解質を含む流体として硫酸を用いている。この硫酸は、濃度が０．５Ｍ〜１Ｍ程度の希硫酸であるが、硫酸は塩酸などとは異なり不揮発性であるので、濃度の低い硫酸であっても安全性に問題を生じるおそれがあった。例えば、発電環境によっては水が蒸発してしまう可能性があり、その場合、希硫酸が濃硫酸に変化してしまい、電池筐体や流体に接する部分が金属であれば腐食を引き起こしかねなかった。また、部材が樹脂であっても、濃硫酸に耐えられる材料は数少なかった。よって、硫酸を電解質として用いるラミナーフロー燃料電池の実用化の見込みは極めて小さいものであった。
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、高いイオン伝導度を有すると共に、環境変化の影響を受けにくく安全性を高めることができるイオン伝導体を備えた燃料電池および燃料電池システムを提供することにある。
本発明による燃料電池は、対向配置された燃料電極および酸素電極と、燃料電極と酸素電極との間に設けられ、流動性のある電解質を含む第１の流動体を流通させる電解質流路と、燃料電極の酸素電極とは反対側に設けられ、燃料を含む第２の流動体を流通させる燃料流路とを備え、第１の流動体は、イオン交換樹脂により構成され、イオン伝導性を有するイオン性固体と、イオン性固体を分散させる分散媒とを含むものである。ここに「イオン性固体」とは、イオン交換可能な固体をいう。
本発明による燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池に流動性のある電解質を含む第１の流動体を供給する電解質供給部と、燃料電池に燃料を含む第２の流動体を供給する燃料供給部とを備え、燃料電池は、対向配置された燃料電極および酸素電極と、燃料電極と酸素電極との間に設けられると共に電解質供給部に連結され、第１の流動体を流通させる電解質流路と、燃料電極の酸素電極とは反対側に設けられると共に燃料供給部に連結され、第２の流動体を流通させる燃料流路とを有し、第１の流動体は、イオン交換樹脂により構成され、イオン伝導性を有するイオン性固体と、イオン性固体を分散させる分散媒とを含むものである。
本発明の燃料電池、または本発明の燃料電池システムによれば、燃料電極と酸素電極との間に、流動性のある電解質を含む第１の流動体を流通させる電解質流路を設ける一方、燃料電極の酸素電極とは反対側に、燃料を含む第２の流動体を流通させる燃料流路を設けている。第１の流動体としては、イオン交換樹脂により構成され、イオン伝導性を有するイオン性固体を分散媒に分散させたものを備えている。よって、第１の流動体に、固体分散溶液でありながら極めて高いイオン伝導度をもたせることができる。また、第１の流動体は、従来の電解質流体として用いられている硫酸とは異なり、環境変化により分散媒が蒸発した場合にはイオン性固体が残るだけであり、周囲の部材を腐食させるおそれはなく、安全性を高めることができる。
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを有する電子機器の概略構成を表すものである。この電子機器は、例えば、携帯電話やＰＤＡ（Personal Digital Assistant；個人用携帯情報機器）などのモバイル機器、またはノート型ＰＣ（Personal Computer ）であり、燃料電池システム１と、この燃料電池システム１で発電される電気エネルギーにより駆動される外部回路（負荷）２とを備えている。
燃料電池システム１は、例えば、燃料電池１１０と、この燃料電池１１０の運転状態を測定する測定部１２０と、測定部１２０による測定結果に基づいて燃料電池１１０の運転条件を決定する制御部１３０とを備えている。この燃料電池システム１は、また、燃料電池１１０に電解質を含む第１の流動体Ｆ１を供給する電解質供給部１４０と、燃料を含む第２の流動体Ｆ２を供給する燃料供給部１５０とを備えている。このように電解質を流動体として供給することにより、電解質膜が不要となり、温度や湿度に影響されることなく発電を行うことができると共に、電解質膜を用いる通常の燃料電池に比べてイオン伝導度（プロトン伝導度）を高めることができる。電解質膜には、イオン伝導性（プロトン伝導性）を有する樹脂に、固定化を目的としたバインダーを添加する必要があり、イオン伝導度（プロトン伝導度）がバルクの状態よりも大幅に減少してしまうからである。また、電解質膜の劣化や、電解質膜の乾燥によるプロトン伝導性の低下のおそれがなくなり、酸素電極におけるフラッディングや水分管理などの問題も解消できる。
電解質を含む第１の流動体Ｆ１は、イオン伝導性（プロトン（Ｈ+ ）伝導性）を有するイオン性固体と、このイオン性固体を分散させる分散媒とを含んでいる。これにより、この燃料電池１１０では、電解質を含む第１の流動体Ｆ１のイオン伝導度を高めると共に、環境変化の影響を受けにくくして安全性を高めることができるようになっている。
イオン性固体としては、例えばイオン交換樹脂が好ましい。イオン交換樹脂は、水に不溶という性質を有する固体粒状の高分子重合体であり、水中で電離することにより酸，アルカリまたは塩としての性質を示すものである。具体的には、スチレン系陽イオン交換樹脂（ロームアンドハース社製「Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）」，「Ａｍｂｅｒｌｉｔｅ（登録商標）」）の酸型（Ｈ型）のもの、またはポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）が挙げられる。このようなイオン交換樹脂は、例えば後述するように粉砕して細かい粒子状とすることにより分散媒に分散させやすくすることができ、流動性のある電解質として利用することが可能となる。
分散媒としては、例えば水が挙げられるが、水に限らず他の分散媒でもよい。
燃料を含む第２の流動体Ｆ２としては、例えば、メタノールが挙げられる。なお、燃料を含む第２の流動体Ｆ２は、メタノールのほか、エタノールやジメチルエーテルなどの他のアルコールでもよい。
図２は、図１に示した燃料電池１１０の構成を表したものである。燃料電池１１０は、いわゆる直接型メタノールフロー型燃料電池（ＤＭＦＦＣ；Direct Methanol Flow Based Fuel Cell）であり、燃料電極（アノード）１０と酸素電極（カソード）２０とが対向配置された構成を有している。燃料電極１０と酸素電極２０との間には、電解質を含む第１の流動体Ｆ１を流通させる電解質流路３０が設けられている。燃料電極１０の外側、すなわち酸素電極２０とは反対側には、燃料を含む第２の流動体Ｆ２を流通させる燃料流路４０が設けられている。すなわち、燃料電極１０は、電解質を含む第１の流動体Ｆ１と燃料を含む第２の流動体Ｆ２とを隔てる分離膜としての機能も有している。
燃料電極１０は、酸素電極２０側から順に、触媒層１１、拡散層１２および集電体１３を積層した構成を有し、外装部材１４に収納されている。酸素電極２０は、燃料電極側から順に、触媒層２１、拡散層２２および集電体２３を積層した構成を有し、外装部材２４に収納されている。なお、酸素電極２０には、この外装部材２４を介して空気すなわち酸素が供給されるようになっている。
触媒層１１，２１は、触媒として、例えば、パラジウム（Ｐｄ），白金（Ｐｔ），イリジウム（Ｉｒ），ロジウム（Ｒｈ）およびルテニウム（Ｒｕ）などの金属の単体または合金により構成されている。また、触媒層１１，２１には、触媒に加えて、プロトン伝導体およびバインダーが含まれていてもよい。プロトン伝導体としては、上述したポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）またはその他のプロトン伝導性を有する樹脂が挙げられる。バインダーは、触媒層１１，２１の強度や柔軟性を保つために添加されるものであり、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）やポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの樹脂が挙げられる。
拡散層１２，２２は、例えば、カーボンクロス，カーボンペーパーまたはカーボンシートにより構成されている。拡散層１２，２２は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などにより撥水化処理が行われていることが望ましい。
集電体１３，２３は、例えばチタン（Ｔｉ）メッシュにより構成されている。
外装部材１４，２４は、例えば、厚みが２．０ｍｍであり、チタン（Ｔｉ）板などの一般的に購入可能な材料により構成されているが、材料は特に限定されない。なお、外装部材１４，２４の厚みは薄ければ薄いほうが望ましい。
電解質流路３０および燃料流路４０は、例えば、樹脂シートを加工することにより微細な流路を形成したものであり、燃料電極１０に接着されている。なお、流路の本数は限定されない。また、流路の幅，高さおよび長さは特に限定されないものの、小さい方が望ましい。
電解質流路３０は、外装部材２４に設けられた電解質入口２４Ａおよび電解質出口２４Ｂを介して電解質供給部１４０（図２には図示せず、図１参照。）に連結されており、電解質供給部１４０から電解質を含む第１の流動体Ｆ１が供給されるようになっている。燃料流路４０は、外装部材１４に設けられた燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを介して燃料供給部１５０（図２には図示せず、図１参照。）に連結されており、燃料供給部１５０から燃料を含む第２の流動体Ｆ２が供給されるようになっている。
図１に示した測定部１２０は、燃料電池１１０の動作電圧および動作電流を測定するものであり、例えば、燃料電池１１０の動作電圧を測定する電圧測定回路１２１と、動作電流を測定する電流測定回路１２２と、得られた測定結果を制御部１３０に送るための通信ライン１２３とを有している。
図１に示した制御部１３０は、測定部１２０の測定結果に基づいて、燃料電池１１０の運転条件として電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御を行うものであり、例えば、演算部１３１、記憶（メモリ）部１３２、通信部１３３および通信ライン１３４を有している。ここで、電解質供給パラメータは、例えば、電解質を含む流動体Ｆ１の供給流速を含んでいる。燃料供給パラメータは、例えば、燃料を含む流動体Ｆ２の供給流速および供給量を含み、必要に応じて供給濃度を含んでいてもよい。制御部１３０は、例えばマイクロコンピュータにより構成することができる。
演算部１３１は、測定部１２０で得られた測定結果から燃料電池１１０の出力を算出し、電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定するものである。具体的には、演算部１３１は、記憶部１３２に入力された各種測定結果から一定間隔でサンプリングしたアノード電位、カソード電位、出力電圧および出力電流を平均して、平均アノード電位、平均カソード電位、平均出力電圧および平均出力電流を算出し、記憶部１３２に入力すると共に、記憶部１３２に保存されている各種平均値を相互比較し、電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを判定するようになっている。
記憶部１３２は、測定部１２０から送られてきた各種測定値や、演算部１３１により算出された各種平均値などを記憶するものである。
通信部１３３は、通信ライン１２３を介して測定部１２０から測定結果を受け取り、記憶部１３２に入力する機能と、通信ライン１３４を介して電解質供給部１４０および燃料供給部１５０に電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータを設定する信号をそれぞれ出力する機能とを有している。
図１に示した電解質供給部１４０は、電解質貯蔵部１４１と、電解質供給調整部１４２と、電解質供給ライン１４３と、分離室１４４とを備えている。電解質貯蔵部１４１は、電解質を含む第１の流動体Ｆ１を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。電解質供給調整部１４２は、電解質を含む第１の流動体Ｆ１の供給流速を調整するものである。電解質供給調整部１４２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。分離室１４４は、電解質出口２４Ｂから出てきた電解質を含む第１の流動体Ｆ１には少量のメタノールが混ざっている可能性があるため、そのメタノールを分離するためのものである。分離室１４４は、電解質出口２４Ｂ付近に設けられ、メタノール分離機構としてフィルターまたはメタノールを燃焼，反応もしくは蒸発により除去する機構を備えている。
図１に示した燃料供給部１５０は、燃料貯蔵部１５１と、燃料供給調整部１５２と、燃料供給ライン１５３とを有している。燃料貯蔵部１５１は、燃料を含む第２の流動体Ｆ２を貯蔵するものであり、例えばタンクまたはカートリッジにより構成されている。燃料供給調整部１５２は、燃料を含む第２の流動体Ｆ２の供給流速および供給量を調整するものである。燃料供給調整部１５２は、制御部１３０からの信号で駆動されうるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、モータや圧電素子で駆動されるバルブ、または電磁ポンプにより構成されていることが好ましい。なお、燃料供給部１５０は、燃料を含む第２の流動体Ｆ２の供給濃度を調整する濃度調整部（図示せず）を備えていてもよい。濃度調整部は、燃料を含む第２の流動体Ｆ２として純（９９．９％）メタノールを用いる場合には省略することができ、より小型化することができる。
この燃料電池システム１は、例えば、次のようにして製造することができる。
まず、触媒として例えば白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１１を形成する。この触媒層１１を、上述した材料よりなる拡散層１２に熱圧着する。更に、上述した材料よりなる集電体１３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成する。
また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２１を形成する。この触媒層２１を、上述した材料よりなる拡散層２２に熱圧着する。更に、上述した材料よりなる集電体２３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、酸素電極２０を形成する。
次いで、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して電解質流路３０および燃料流路４０を作製し、燃料電極１０の両側に熱圧着する。
続いて、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる電解質入口２４Ａおよび電解質出口２４Ｂを設ける。
そののち、燃料電極１０と酸素電極２０とを、電解質流路３０を両者の間に、燃料流路３０を外側にして対向配置し、外装部材１４，２４に収納する。これにより図２に示した燃料電池１１０が完成する。
この燃料電池１１０を、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂと燃料供給部１５０とを例えばシリコーンチューブよりなる燃料供給ライン１５３で接続すると共に、電解質入口２４Ａおよび電解質出口２４Ｂと電解質供給部１４０とを例えばシリコーンチューブよりなる電解質供給ライン１４３で接続する。電解質を含む第１の流動体Ｆ１としては、上述したイオン交換樹脂（例えば１５ｗｔ％）を分散媒である水と混合したのち、ボールミルで粉砕することによりイオン伝導体を調製する。また、燃料を含む第２の流動体Ｆ２としてはメタノールを用いる。以上により図１に示した燃料電池システム１が完成する。
この燃料電池システム１では、燃料電極１０に燃料を含む第２の流動体Ｆ２が供給され、反応によりプロトンと電子とを生成する。プロトンは電解質を含む第１の流動体Ｆ１を通って酸素電極２０に移動し、電子および酸素と反応して水を生成する。燃料電極１０、酸素電極２０および燃料電池１１０全体で起こる反応は、化２で表される。これにより、燃料であるメタノールの化学エネルギーの一部が電気エネルギーに変換されて、燃料電池１１０から電流が取り出され、外部回路２が駆動される。燃料電極１０で発生する二酸化炭素および酸素電極２０で発生する水は、電解質を含む第１の流動体Ｆ１と共に流れて取り除かれる。
（化２）
燃料電極１０：ＣＨ3 ＯＨ＋Ｈ2 Ｏ→ＣＯ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+
酸素電極２０：（３／２）Ｏ2 ＋６ｅ- ＋６Ｈ+ →３Ｈ2 Ｏ
燃料電池１１０全体：ＣＨ3 ＯＨ＋（３／２）Ｏ2 →ＣＯ2 ＋２Ｈ2 Ｏ
また、電解質流路４０と燃料流路３０との間に燃料電極１０が設けられていることにより、ほぼすべての燃料が燃料電極１０をくぐりぬける際に反応する。仮に燃料が未反応のまま燃料電極１０を通りぬけた場合にも、酸素電極２０に浸透する前に電解質を含む第１の流動体Ｆ１によって燃料電池１１０内から運び出され、燃料のクロスオーバーが著しく抑制される。従って、高濃度燃料の利用が可能となり、本来の燃料電池の強みである高エネルギー密度特性が活かされる。
燃料電池１１０の運転中には、測定部１２０により燃料電池１１０の動作電圧および動作電流が測定され、その測定結果に基づいて、制御部１３０により、燃料電池１１０の運転条件として上述した電解質供給パラメータおよび燃料供給パラメータの制御が行われる。測定部１２０による測定および制御部１３０によるパラメータ制御は頻繁に繰り返され、燃料電池１１０の特性変動に追従して電解質を含む第１の流動体Ｆ１および燃料を含む第２の流動体Ｆ２の供給状態が最適化される。
ここでは、電解質を含む第１の流動体Ｆ１として、イオン伝導性を有するイオン性固体を分散媒に分散させたイオン伝導体を用いているので、固体分散溶液でありながら極めて高いイオン伝導度が得られる。また、従来の電解質流体として用いられている硫酸とは異なり、環境変化により分散媒が蒸発した場合にはイオン性固体が残るだけであり、周囲の部材を腐食させるおそれはなく、安全性が高くなる。
このように本実施の形態によれば、イオン伝導性を有するイオン性固体を分散媒に分散させたイオン伝導体を、電解質を含む第１の流動体Ｆ１として用いるようにしたので、固体分散溶液でありながら極めて高いイオン伝導度をもたせることができる。また、従来の電解質流体として用いられている硫酸とは異なり、環境変化により分散媒が蒸発した場合にはイオン性固体が残るだけであり、周囲の部材を腐食させるおそれはなく、安全性を高めることができ、イオン性固体の回収や再利用も容易となる。よって、燃料電池などの電気化学デバイスの電解質として好適である。
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池１１０Ａの構成を表すものである。この燃料電池１１０Ａは、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０が設けられていることを除いては、第１の実施の形態で説明した燃料電池１１０と同一の構成を有している。よって、対応する構成要素には同一の符号を付して説明する。
気液分離膜５０は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ），ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）またはポリプロピレン（ＰＰ）などアルコールを液体の状態で透過させない膜により構成することができる。
この燃料電池１１０Ａおよびこれを用いた燃料電池システム１は、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０を設けることを除いては、第１の実施の形態と同様にして製造することができる。
この燃料電池システム１では、第１の実施の形態と同様にして、燃料電池１１０Ａから電流が取り出され、外部回路２が駆動される。ここでは、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０が設けられているので、燃料である純メタノールは液体の状態で燃料流路４０を流れる際に自然揮発し、気液分離膜５０と接する面から気体Ｇの状態で気液分離膜５０を通りぬけ、燃料電極１０に供給される。よって、燃料が効率よく燃料電極１０に供給され、反応が安定して行われる。また、燃料が気体の状態で燃料電極１０に供給されるので、電極反応活性が高くなり、クロスオーバーも生じにくく、高負荷の外部回路２を有する電子機器においても高い性能が得られる。
なお、仮に燃料電極１０を通り抜けた気体のメタノールが存在しても、第１の実施の形態と同様に、電解質を含む第１の流動体Ｆ１により、酸素電極２０に到達する前に取り除かれる。
このように本実施の形態では、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０を設けるようにしたので、燃料を含む第２の流動体Ｆ２として純（９９．９％）メタノールを用いることができ、燃料電池の特徴である高エネルギー密度特性を更に活かすことができる。また、反応の安定性や電極反応活性を高め、クロスオーバーも抑えることができる。よって、高付加の外部回路２を有する電子機器においても高い性能を得ることができる。更に、燃料供給部１５０において、燃料を含む第２の流動体Ｆ２の供給濃度を調整する濃度調整部を省略することができ、より小型化することができる。
更に、本発明の具体的な実施例について説明する。なお、以下の実施例では、図３と同様の構成を有する燃料電池１１０Ａを作製し、特性を評価した。よって、以下の実施例においても、図１および図３を参照し、同一の符号を用いて説明する。
図３と同様の構成を有する燃料電池１１０Ａを作製した。まず、触媒として白金（Ｐｔ）とルテニウム（Ｒｕ）とを所定の比で含む合金と、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、燃料電極１０の触媒層１１を形成した。この触媒層１１を、上述した材料よりなる拡散層１２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、温度１５０℃、圧力２４９ｋＰａの条件下で１０分間熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体１３を、ホットメルト系の接着剤または接着性のある樹脂シートを用いて熱圧着し、燃料電極１０を形成した。
また、触媒として白金（Ｐｔ）をカーボンに担持させたものと、ポリパーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂（デュポン社製「Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）」）の分散溶液とを所定の比で混合し、酸素電極２０の触媒層２１を形成した。この触媒層２１を、上述した材料よりなる拡散層２２（Ｅ−ＴＥＫ社製；ＨＴ−２５００）に対して、燃料電極１０の触媒層１１と同様にして熱圧着した。更に、上述した材料よりなる集電体２３を、燃料電極１０の集電体１３と同様にして熱圧着し、酸素電極２０を形成した。
次いで、接着性のある樹脂シートを用意し、この樹脂シートに流路を形成して電解質流路３０および燃料流路４０を作製し、燃料電極１０の両側に熱圧着した。
続いて、上述した材料よりなる外装部材１４，２４を作製し、外装部材１４には、例えば樹脂製の継手よりなる燃料入口１４Ａおよび燃料出口１４Ｂを設け、外装部材２４には、例えば樹脂製の継手よりなる電解質入口２４Ａおよび電解質出口２４Ｂを設けた。
そののち、燃料電極１０と酸素電極２０とを、電解質流路３０を両者の間に、燃料流路４０を外側にして対向配置し、外装部材１４，２４に収納した。その際、燃料流路４０と燃料電極１０との間に気液分離膜５０（Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ社製）を設けた。これにより図３に示した燃料電池１１０Ａが完成した。
この燃料電池１１０Ａを、上述した構成を有する測定部１２０，制御部１３０，電解質供給部１４０および燃料供給部１５０を有するシステムに組み込み、図１に示した燃料電池システム１を構成した。その際、電解質供給調整部１４２および燃料供給調整部１５２をダイアフラム式定量ポンプ（株式会社ＫＮＦ社製）により構成し、それぞれのポンプからシリコーンチューブよりなる電解質供給ライン１４３および燃料供給ライン１５３で燃料入口１４Ａおよび電解質入口２４Ａに直接接続し、任意の流速で電解質を含む第１の流動体Ｆ１および燃料を含む第２の流動体Ｆ２が電解質流路３０および燃料流路４０にそれぞれ供給されるようにした。電解質を含む第１の流動体Ｆ１としては、スチレン系陽イオン交換樹脂（シグマアルドリッチ社製「Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）１５」）１５ｗｔ％を分散媒である水に混合したのち、ボールミルで粉砕することにより調製したイオン伝導体を用い、流速は１．０ｍｌ／ｍｉｎとした。燃料を含む第２の流動体Ｆ２としては純（９９．９％）メタノールを用い、流速は０．０８０ｍｌ／ｍｉｎとした。
（評価）
得られた燃料電池システム１について、電気化学測定装置（ソーラートロン社製、マルチスタット１４８０）に接続し、特性評価を行った。その際、定電流（２０ｍＡ，５０ｍＡ，１００ｍＡ，１５０ｍＡ，２００ｍＡ，２５０ｍＡ）モードの動作を行わせ、測定初期における開回路電圧（ＯＣＶ；Open Circuit Voltage）、並びにＩ−Ｖ（電流−電圧）およびＩ−Ｐ（電流−電力）特性を調べた。その結果を図４および図５にそれぞれ示す。
図４は、測定初期における開回路電圧を表したものである。約１５０秒間保持した状態であり、開回路電圧は極めて安定している。また、通常のＤＭＦＣの開回路電圧（約０．４Ｖ〜０．５Ｖ）に比べてはるかに高い値（０．８Ｖ）を示しており、電解質を含む流動体Ｆ１として上述したイオン伝導体を用いた場合にも燃料電池として正常に動作させることができることが確認された。また、開回路電圧が非常に高いのは、燃料クロスオーバーが抑えられているからであると考えられる。
更に、図５から分かるように、本実施例の燃料電池１１０Ａの特性はきわめて良好であり、電力密度として５０ｍＷ／ｃｍ2 が得られた。
すなわち、電解質を含む第１の流動体Ｆ１として、イオン伝導性を有するイオン性固体を分散媒に分散させたイオン伝導体を用いるようにすれば、固体分散溶液でありながら極めて高いイオン伝導度をもたせることができ、従来のＤＭＦＣよりも高い開回路電圧を得ることができることが分かった。
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、上記実施の形態および実施例に限定されるものではなく、種々変形することができる。例えば、上記実施の形態および実施例では、発電中には、電解質を含む第１の流動体Ｆ１としてのイオン伝導体が常に流動している状態で存在している場合について説明したが、本発明のイオン伝導体は、液体を電解質として用いる電解質静止型の燃料電池にも適用することができる。
また、例えば、上記実施の形態および実施例では、燃料電極１０，酸素電極２０，燃料流路３０および電解質流路４０の構成について具体的に説明したが、他の構造あるいは他の材料により構成するようにしてもよい。例えば、燃料流路３０は、上記実施の形態および実施例で説明したような樹脂シートを加工して流路を形成したもののほか、多孔質などのシートにより構成してもよい。
更に、例えば、上記実施の形態および実施例において説明した各構成要素の材料および厚み、または燃料電池１１０の運転条件などは限定されるものではなく、他の材料および厚みとしてもよく、または他の運転条件としてもよい。
加えて、上記実施の形態および実施例では、燃料電極１０に燃料供給部１５０から燃料を供給するようにしたが、燃料電極１０を密閉型とし、必要に応じて燃料を供給するようにしてもよい。
更にまた、上記実施の形態および実施例では、酸素電極２０への空気の供給を自然換気とするようにしたが、ポンプなどを利用して強制的に供給するようにしてもよい。その場合、空気に代えて酸素または酸素を含むガスを供給するようにしてもよい。
加えてまた、本発明のイオン伝導体は、直接型メタノール燃料電池に限らず、電荷担体として水酸化物イオン（ＯＨ- ）を用いるアルカリ燃料電池など他の型式のものにも適用可能である。例えばアルカリ燃料電池の場合、電解質として高濃度水酸化カリウムに代えて、本発明のイオン伝導体を電解質として用いる。なお、アルカリ燃料電池の場合は、イオン性固体として、陰イオン交換樹脂の塩基型（Ｃｌ型）を用いることが好ましい。
更にまた、本発明のイオン伝導体は、燃料電池のほか、アルカリマンガン電池，ニッケルカドミウム電池またはニッケル水素電池など他の電気化学デバイスにも適用することができる。例えば、アルカリマンガン電池は、図６に示したように、ＭｎＯ2 および炭素などよりなる正極２１１と、負極２１２とがセパレータ２１３を間にして配置されている。負極２１２は、電解液と、亜鉛粉末または亜鉛合金の粉末との混合物により構成されており、必要に応じてゲル化剤などが添加されていてもよい。電解液は、通常の高濃度アルカリ電解液の代わりに、本発明のイオン伝導体により構成されている。正極２１１，負極２１２およびセパレータ２１３は、一端が開放され、他端が閉鎖された収縮チューブ２１４内に収納されており、更に収縮チューブ２１４の外側に外装缶２１５が設けられている。正極２１１は、外装缶２１５の一端部に設けられた正極端子板２１６に電気的に接続されている。負極２１２は、集電棒２１７を介して、外装缶２１５の他端部に設けられた負極端子板２１８に電気的に接続されている。なお、収縮チューブ２１４の開放端部はガスケット２１９により封止され、集電棒２１７はガスケット２１９を貫通して負極端子板２１８の内面に接している。
更にまた、上記実施の形態および実施例では、単セル型の燃料電池について説明したが、本発明は、複数のセルを積層した積層型のものについても適用することができる。
加えてまた、上記実施の形態では、本発明のイオン伝導体を燃料電池に適用した場合について説明したが、本発明は、燃料電池以外にも、キャパシタ，燃料センサまたはディスプレイ等の他の電気化学デバイスにも適用することができる。
本発明の第１の実施の形態に係る燃料電池システムを備えた電子機器の概略構成を表す図である。 図１に示した燃料電池の構成を表す図である。 本発明の第２の実施の形態に係る燃料電池の構成を表す図である。 本発明の実施例の結果を表す図である。 本発明の実施例の結果を表す図である。 本発明のイオン伝導体を用いたアルカリマンガン電池の構成を表す図である。
符号の説明
１…燃料電池システム、２…外部回路（負荷）、１０…燃料電極、２０…酸素電極、３０…電解質流路、４０…燃料流路、５０…気液分離膜、１１０…燃料電池、１２０…測定部、１３０…制御部、１４０…電解質供給部、１５０…燃料供給部

Claims (3)

  1. 対向配置された燃料電極および酸素電極と、
    前記燃料電極と前記酸素電極との間に設けられ、流動性のある電解質を含む第１の流動体を流通させる電解質流路と、
    前記燃料電極の前記酸素電極とは反対側に設けられ、燃料を含む第２の流動体を流通させる燃料流路と
    を備え、
    前記第１の流動体は、
    イオン交換樹脂により構成され、イオン伝導性を有するイオン性固体と、
    前記イオン性固体を分散させる分散媒と
    を含む燃料電池。
  2. 前記燃料電極は、前記第１の流動体と前記第２の流動体とを隔てる分離膜である
    請求項１記載の燃料電池。
  3. 燃料電池と、
    前記燃料電池に流動性のある電解質を含む第１の流動体を供給する電解質供給部と、
    前記燃料電池に燃料を含む第２の流動体を供給する燃料供給部と
    を備え、
    前記燃料電池は、
    対向配置された燃料電極および酸素電極と、
    前記燃料電極と前記酸素電極との間に設けられると共に前記電解質供給部に連結され、前記第１の流動体を流通させる電解質流路と、
    前記燃料電極の前記酸素電極とは反対側に設けられると共に前記燃料供給部に連結され、前記第２の流動体を流通させる燃料流路と
    を有し、
    前記第１の流動体は、
    イオン交換樹脂により構成され、イオン伝導性を有するイオン性固体と、
    前記イオン性固体を分散させる分散媒と
    を含む燃料電池システム。
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