WO2008035423A1

WO2008035423A1 - Fuel cell

Info

Publication number: WO2008035423A1
Application number: PCT/JP2006/318759
Authority: WO
Inventors: Masami Tsutsumi
Original assignee: Fujitsu Limited
Priority date: 2006-09-21
Filing date: 2006-09-21
Publication date: 2008-03-27

Description

明細書

燃料電池

技術分野

[0001] 本発明は、燃料電池に関し、特に携帯型電子機器の電源としての使用に適した固体高分子型燃料電池に関する。

背景技術

[0002] 近年、携帯情報機器の小型化、軽量化、高機能化が一段と進んできた。また、情報機器の発展に伴い、その電源となる電池においても、小型、軽量、高容量化が進んできた。現在の携帯情報機器の最も一般的な駆動電源として、リチウムイオン電池が用いられている。リチウムイオン電池は、実用化当初から高い駆動電圧と電池容量を持ち、携帯情報機器の進歩に併せるように性能改善が図られてきた。ところが、リチウムイオン電池の性能改善にも限界があり、今後も高機能化が進むであろう携帯情報機器の駆動電源に求められる性能を満たすことが困難になりつつある。

[0003] このような状況の下、リチウムイオン電池に代わる新たな発電素子の開発が期待されている。期待される新たな発電素子として、固体高分子型燃料電池 (PEFC)が挙げられる。 PEFCにおいては、負極 (燃料極）に燃料を供給することにより、電子とプ口トンを生成させる。負極で生成されたプロトンが固体電解質膜内を経由して正極（空気極）に輸送され、正極において、プロトンが酸素と反応して水が生成される。負極で生成された電子は、外部の電気回路を通って正極まで輸送される。負極に燃料を供給し、正極に酸素を供給することにより、長時間の発電が可能になる。このことから、固体高分子型燃料電池は、ノートパソコンや携帯電話等の携帯情報機器用の電源として盛んに研究開発が行われている。 PEFCの負極、固体電解質膜、及び正極の 3層構造は、膜電極接合体 (MEA)と呼ばれる。

[0004] メタノールを燃料とする PEFCにおいては、メタノールを気化させて使用する方法が確立された。これにより、メタノールが電解質膜を透過して正極まで達してしまうクロスオーバ現象を防止することが可能になり、高容量化が達成されつつある。携帯情報機器に適用するには、十分な出力を維持しつつ、かつ、より小型化することが求められる。

[0005] PEFCの負極にぉヽて、電解質膜、電極触媒、及び燃料 (負極活物質)の三相界面で生じる化学反応によって、電子とプロトンが発生する。正極においては、電解質膜、電極触媒、及び酸素 (正極活物質)の三相界面で生じる化学反応によって、水が生成される。従って、燃料電池の出力を向上させるためには、三相界面の面積を広くすることが必要になる。

[0006] このような要求に対し、負極及び正極の触媒膜の空孔率を増加させ、触媒膜内部における燃料ガスや酸化剤ガスの拡散性を高める手法が提案されてヽる (特許文献 1参照)。特許文献 1によれば、固体高分子電解質膜に、負極及び正極の触媒塩を高分子粒子と共に吸着させた後、酸性溶剤で高分子粒子を除去することにより、多孔性の触媒膜が得られる。

[0007] 特許文献 1 :特開平 8— 138715号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0008] 燃料電池が配置される環境温度によって、 MEAで発生する熱により、メタノールの気化速度が促進される。これにより電池容量が低下し、出力が不安定になる場合がある。

[0009] 本発明の目的は、 MEAで発生する熱に起因する電池容量の低下及び出力の不安定ィ匕を抑制することが可能な燃料電池を提供することである。

課題を解決するための手段

[0010] 本発明の一観点によると、

プロトン伝導性の固体電解質膜と、

前記固体電解質膜の一方の面上に配置され、供給された燃料を酸化する触媒を含む負極触媒膜と、

前記固体電解質膜の他方の面上に配置され、酸素を活物質として還元反応を生じさせる触媒を含む正極触媒膜と、

前記負極触媒膜に燃料を供給する燃料供給部材と、

前記燃料供給部材と前記負極触媒膜との間に配置され、該燃料供給部材から該負極触媒膜への燃料の輸送を許容する断熱膜と

を有する燃料電池が提供される。

発明の効果

[0011] 断熱膜を配置することにより、負極触媒膜、固体電解質膜、及び正極触媒膜で発生した熱が、燃料供給部材まで伝達されにくくなる。これにより、燃料供給部材の温度上昇による燃料の気化速度の上昇を抑制することができる。気化速度が安定化されることにより、出力が安定ィ匕する。さらに、電池容量の低下が抑制される。

発明を実施するための最良の形態

[0012] 図 1に、実施例による燃料電池の断面図を示す。燃料輸送膜 10の両面に、気化マスク 12が密着している。燃料輸送膜 10の縁に燃料貯蔵タンク 11が取り付けられている。燃料貯蔵タンク 11内に、燃料である液体メタノールが収容されている。燃料輸送膜 10は、例えばパーフルォロスルホン酸と PTFEとのコポリマ（デュポン株式会社のナフイオン (登録商標)等)で形成され、流動、拡散等によって燃料を輸送する。燃料貯蔵タンク 11は、燃料であるメタノールに溶解しない材料、例えば熱可塑性榭脂で形成されている。好ましい熱可塑性榭脂として、ポリエチレン榭脂、ポリプロピレン榭脂、 ABS榭脂、 PET榭脂等が挙げられる。

[0013] 気化マスク 12は、例えば、複数の貫通孔が形成されたステンレス板で構成される。

貫通孔の数や大きさを調節することにより、燃料輸送膜 10からの燃料の蒸発速度を帘 U御することができる。

[0014] 気化マスク 12の各々の外側の面に、断熱膜 15が密着している。断熱膜 15は、多孔質材料、例えば発泡樹脂で形成されており、その厚さは 2〜3mmである。断熱膜 1 5内に分布する空孔の寸法は、数十/ z m程度である。発泡樹脂の例として、発泡ポリスチレン系榭脂、発泡ポリアミド系榭脂、発泡ポリエチレン系榭脂、発泡ポリプロピレン系榭脂、発泡ポリテトラフルォロエチレン系榭脂等が挙げられる。

[0015] 断熱膜 15の各々の外側の面に、膜—電極接合体 (MEA) 20が密着している。 ME A20は、断熱膜 15側から、負極集電体 23、負極触媒膜 22、固体電解質膜 21、正極触媒膜 24、及び正極集電体 25がこの順番に積層された積層構造を有する。

[0016] 固体電解質膜 21は、プロトン伝導性の高分子固体電解質で形成される。このような固体電解質として、例えばスルホン基やリン酸基等の強酸基、またはカルボキシル基等の弱酸基を持つ樹脂が挙げられる。固体電解質膜 21として、例えばパーフルォロスルホン酸系膜 (デュポン株式会社製のナフイオン NF 112 (商品名）、旭化成社製のァシプレックス（商品名）等）を用いることができる。固体電解質膜 21の厚さは 45 m 程度である。

[0017] 負極触媒膜 22は、負極用触媒粒子を担持したカーボン粒子を含有する固体電解質を含む。正極触媒膜 24は、正極用触媒粒子を担持したカーボン粒子を含有する固体電解質を含む。負極用触媒粒子として、例えば白金ルテニウム (PtRu)合金が用いられ、正極用触媒粒子として、白金が用いられる。

[0018] 負極集電体 23及び正極集電体 25として、ステンレス、ニッケル (Ni)等の金属メッシュまたはパンチングメタルに金メッキを施した導電部材が用いられる。負極集電体 2 3及び正極集電体 25の厚さは、例えば 100 mである。

[0019] MEA20の各々の外側の表面上に、ハウジング 30が密着している。ハウジング 30 同士の間隔が狭まる方向に、締付具 31で締め付けることにより、 MEA20、断熱膜 1 5、気化マスク 12、及び燃料輸送膜 10が圧着される。

[0020] ハウジング 30に、複数の開口 30Aが形成されている。開口 30Aの各々の直径は、例えば 2〜3mmであり、開口率は 50%程度である。大気中の酸素が、開口 30Aを通って正極集電体 25まで達し、さらに正極集電体 25内の空隙を通って正極触媒膜 24に供給される。燃料輸送膜 10内を輸送されたメタノールが気化し、メタノールガス力気化マスク 12の貫通孔、及び断熱膜 15内の空隙を通り、さらに負極集電体 22 内の空隙を通って負極触媒膜 22に供給される。

[0021] 負極集電体 23に負極リード線 35が接続され、正極集電体 25に正極リード線 36が接続されている。

[0022] 次に、負極触媒膜 22の作製方法について説明する。負極触媒粒子、固体電解質分散液、及び溶剤を混合し、遊星式ボールミキサで攪拌する。負極触媒粒子として、導電性カーボンブラック担持体に、 PtRu合金を担持させたものを用いる。例えば、田中貴金属工業株式会社から入手可能な白金ルテニウムカーボン触媒 (商品名 TEC 61E54)を用いることができる。固体電解質分散液として、例えば、デュポン株式会社から入手可能なナフイオン分散液 (商品名 SE - 20042)を用いることができる。溶剤として、 1 プロパノール、 2—プロパノール、及び水の混合液を用いることができる

[0023] これらの材料の混合量は、例えば下記の通りである。

•TEC61E54 : 2. Og

•SE— 20042 : 9. 52g

•1 プロパノール： 2. 49g

•2 プロパノール： 6. 61g

，水 : 7. 76g

遊星式ボールミキサによる攪拌時の回転数は、例えば 200rpmとし、攪拌時間は 1 時間とする。攪拌によって、粘性を有する触媒ペーストが得られる。この触媒ペーストを、 4°Cの温度条件下で 4日間冷蔵保存 (エージング)する。得られた触媒ペーストを、カーボンぺーパ等の導電性多孔質膜に塗布し、空孔内に触媒ペーストを充填する

[0024] 上述の製造方法において、負極触媒粒子に代えて正極触媒粒子を用いることにより、正極触媒膜 24を作製することができる。正極触媒粒子として、導電性カーボンブラック担持体に、 Ptを担持させたものが用いられる。例えば、田中貴金属工業株式会社から入手可能な白金カーボン触媒（商品名 TEC10E70TPM)を用いることができる。 TEC10E70TPMの混合量は、例えば、 TEC61E54と同じ 2. Ogである。

[0025] 以下、実施例による燃料電池の動作について説明する。燃料貯蔵タンク 11内のメタノールが、流動、拡散等により燃料輸送膜 10内に輸送される。燃料輸送膜 10内のメタノールが気化し、メタノールガスになる。このメタノールガス力気化マスク 12内の空隙、断熱膜 15内の空隙、及び負極集電体 23内の空隙を通過して、負極触媒膜 2 2に供給される。メタノールガスは、水蒸気の存在下で下記の化学反応、すなわちメタノールの酸ィ匕反応が生じ、プロトン (H+)と電子 (e_)が生成される。

CH OH + H 0→CO +6H⁺ + 6e"

3 2 2

生成されたプロトンは、固体電解質膜 21内を伝導し、正極触媒膜 24に達する。生成された二酸化炭素は、開口 30Aを経由して外部に排出される。固体電解質膜 21 は電子伝導性を持たないため、負極触媒膜 22内で生成された電子は、負極集電体 23内を伝導し、負極リード線 35を経由して外部回路に供給される。さらに、外部回路を流れた電子は、正極リード線 36を経由し、正極集電体 25内を伝導して、正極触媒膜 24に供給される。正極触媒膜 24内に酸素、プロトン及び電子が供給されること〖こより、下記の化学反応、すなわち酸素を活物質とした還元反応が生じ、水蒸気が生成される。

O +4H⁺ + 4e"→2H O

2 2

正極触媒膜 24内で精製された水蒸気は、正極集電体 25内の空隙、及びハウジング 30に設けられた開口 30A内を通過して外部に排出される。

[0026] 図 2に、上記実施例による燃料電池の置かれた環境の温度と、メタノールの気化速度との関係を示す。横軸は、環境温度を単位「で」で表し、縦軸は、相対気化速度を表す。図 2中の白丸記号が、実施例による燃料電池におけるメタノールの相対気化速度を示す。参考のために、断熱膜 15を配置しない構造の燃料電池 (参考例）におけるメタノールの気化速度を、四角記号で示す。相対気化速度は、参考例の燃料電池における環境温度 25°Cのときの気化速度を 1としたときの相対値である。

[0027] 環境温度が高くなると、気化速度が速くなつているが、実施例の燃料電池における気化速度の上昇の程度は、参考例の燃料電池における気化速度の上昇の程度よりも小さいことがわかる。参考例の場合には、 MEA20で発生した熱によって燃料輸送膜 10の温度が上昇し、気化速度が速くなつたものと考えられる。これに対し、実施例の場合には、断熱膜 15が配置されているため、燃料輸送膜 10の温度上昇が抑制される。このため、気化速度の上昇の程度が低く抑えられていると考えられる。

[0028] 図 3に、環境温度と燃料電池の容量との関係を示す。横軸は、環境温度を単位「°C 」で表し、縦軸は、電池容量を単位「WhZcc」で表す。すなわち、「電池容量」は、 10 0%メタノール燃料 lccから取り出せるエネルギを意味する。図 3中の白丸記号が、実施例による燃料電池の容量を示す。参考のために、図 2で示した参考例の燃料電池の容量を四角記号で示す。

[0029] 環境温度が高くなると、電池容量が低下しているが、その低下の程度は、実施例による燃料電池の方が、参考例による燃料電池よりも小さいことがわかる。このように、断熱膜 15を挿入することにより、環境温度の上昇に伴う電池容量の低下を抑制することができる。

[0030] 図 4に、断熱膜 15の空孔率と相対気化速度との関係を示す。横軸は、空孔率を単位「％」で表し、縦軸は、相対気化速度を表す。環境温度は 60°Cとした。また、空孔率が 30%のときの気化速度を 1とした。ここで、「空孔率」は、断熱膜と空孔との合計の体積に対する空孔の体積の割合を意味する。

[0031] 開口率が大きくなるに従って気化速度が上昇している力空孔率が 20%〜80%の範囲内では、その他の範囲に比べて、気化速度の上昇速度が緩やかであることがわかる。空孔率が 80%よりも高い範囲で、気化速度の上昇率が高くなつているのは、空孔率が高過ぎて十分な断熱効果が得られないためと考えられる。空孔率が 20%よりも低、範囲は、空孔率が低すぎて断熱膜がメタノールガス輸送の妨げになって、るものと考えられる。このため、空孔率 20%以下の範囲内で空孔率を高くすると、メタノールガス輸送の妨げの程度が低下することにより、気化速度の上昇率が相対的に高くなってヽるものと考えられる。

[0032] 上述のように、断熱膜 15を配置することにより、燃料の気化速度を安定化させることができる。その結果、燃料電池の出力を安定化させることができる。さらに、断熱膜 1 5を配置することにより、燃料電池の容量の低下を抑制することができる。断熱膜による十分な断熱効果を得、かつ断熱膜が燃料ガスの輸送の妨げになることを防止するために、断熱膜の空孔率を 20%〜80%の範囲内とすることが好ましい。

[0033] 図 5に、上記実施例の変形例による燃料電池の断面図を示す。上記実施例では、気化マスク 12と MEA20との間に断熱膜 15を配置した力図 2の実施例では、燃料輸送膜 10と気化マスク 12との間に断熱膜 15が配置されている。その他の構成は、図 1に示した燃料電池の構成と同一である。

[0034] 図 5に示した実施例においても、 MEA20で発生した熱が燃料輸送膜 10に伝達されにくくなるため、図 1に示した実施例の燃料電池と同様の効果が得られる。なお、断熱膜 15の空孔率を調整することにより、メタノールの気化速度を十分制御できる場合には、気化マスク 12を取り除いてもよい。

[0035] 上記実施例では、断熱膜 15を発泡榭脂等で形成したが、その他の多孔性の断熱材料で形成してもよい。断熱膜 15を挿入した有意な効果を得るために、断熱材料として、負極触媒膜を構成する固体電解質の熱伝導率よりも低!ヽ熱伝導率を有するものを使用することが好ましい。また、使用するメタノール燃料の濃度は、 90%以上とすることが好ましい。

[0036] 以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図面の簡単な説明

[0037] [図 1]実施例による燃料電池の断面図である。

[図 2]実施例による燃料電池の置かれる環境温度と、燃料の気化加速との関係を示すグラフである。

[図 3]実施例による燃料電池の置かれる環境温度と、電池容量との関係を示すグラフである。

[図 4]実施例による燃料電池の断熱膜の空孔率と、燃料の気化速度との関係を示すグラフである。

[図 5]実施例の変形例による燃料電池の断面図である。

符号の説明

[0038] 10 燃料輸送膜

11 燃料貯蔵タンク

12 気化マスク

15 断熱膜

20 膜—電極接合体

21 固体電解質膜

22 負極触媒膜

23 負極集電体

24 正極触媒膜

25 正極集電体

30 ハウジング締付具負極リード線正極リード線

Claims

請求の範囲

[1] プロトン伝導性の固体電解質膜と、

前記負極触媒膜に燃料を供給する燃料供給部材と、

を有する燃料電池。

[2] 前記負極触媒膜が、負極触媒を含有する固体電解質を含み、前記断熱膜の熱伝導率が、該負極触媒膜を形成する固体電解質の熱伝導率よりも低!ヽ請求項 1に記載の燃料電池。

[3] 前記断熱膜が多孔質膜で構成されてヽる請求項 1または 2に記載の燃料電池。

[4] 前記断熱膜の空孔率が 20%〜80%の範囲内である請求項 3に記載の燃料電池。

[5] 前記断熱膜が発泡樹脂で形成されている請求項 1乃至 4のいずれか 1項に記載の燃料電池。

[6] 前記発泡樹脂が、発泡ポリスチレン系榭脂、発泡ポリアミド系榭脂、発泡ポリェチレン系榭脂、発泡ポリプロピレン系榭脂、及び発泡ポリテトラフルォロエチレン系榭脂からなる群より選択された少なくとも 1つの榭脂である請求項 5に記載の燃料電池。

[7] 前記燃料供給部材が、

液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、

前記燃料貯蔵部内の液体燃料を輸送し、該液体燃料を気化させる燃料輸送膜とを有し、前記断熱膜が、前記燃料輸送膜と前記負極触媒膜との間に挟み込まれている請求項 1に記載の燃料電池。