燃料電池
【課題】燃料極での燃料の反応効率と反応生成物の排出効率を高めることにより、小型であっても高出力な燃料電池を提供することを課題とする。
【解決手段】燃料極に液体燃料を供給する第１の流路１３と上記の燃料極からの排出ガスを排出する第２の流路１５とを形成する流路板６を備え、該第１の流路と第２の流路とは分離されており、上記の燃料極は、上記の電解質膜側に触媒を含有する電極層と上記の流路板側に拡散層とを有し、上記の第１の流路から該拡散層への液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層５１を備え、該浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔５２または貫通溝を有し、該貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されていることを特徴とする燃料電池により、上記の課題を解決する。
【解決手段】燃料極に液体燃料を供給する第１の流路１３と上記の燃料極からの排出ガスを排出する第２の流路１５とを形成する流路板６を備え、該第１の流路と第２の流路とは分離されており、上記の燃料極は、上記の電解質膜側に触媒を含有する電極層と上記の流路板側に拡散層とを有し、上記の第１の流路から該拡散層への液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層５１を備え、該浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔５２または貫通溝を有し、該貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されていることを特徴とする燃料電池により、上記の課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料が利用される燃料電池に関し、例えば携帯電話などの小型の電子機器にも内蔵可能な小型化に適した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を供給すれば発電する発電装置である。通常、酸化剤には空気が使用できるため、燃料を供給することで連続して発電することができる。このため、燃料電池は、定置用電源のみでなく携帯用電源としても非常に注目されている。
【０００３】
通常、定置用の燃料電池などでは、燃料に水素あるいは水素を含有するガスが使用される。しかし、携帯用電源としては、同じ程度の大きさの容器に貯蔵した燃料でより長時間発電できることが利点となるので、燃料としては、体積当たりのエネルギー密度の高い液体燃料を用いる方が有利となる。
なお、改質器を用いて液体燃料から水素を生成して発電に用いることもできるが、燃料電池のシステム全体が複雑になるため、燃料電池の小型化のためには、液体燃料を直接供給する方が容易と考えられている。
【０００４】
液体燃料を燃料極に直接供給するタイプの燃料電池が、特許文献１(特表平１１−５１０３１１号公報)に開示されている。この燃料電池は、メタノールと水の混合物を燃料に用いる直接型メタノール燃料電池である。
【０００５】
図８を参照して、代表的な直接型メタノール燃料電池について説明する。
図８は、ハウジング１０２内に燃料極１０４と酸化剤極１０６と電解質膜１０８を備えた直接型メタノール燃料電池１０１を模式的に示す図である。燃料タンク１０９から燃料ポンプ１１０によってメタノールと水とが混合された燃料が燃料極室１１２に供給される。燃料極室１１２内に供給された燃料は、燃料極１０４内に浸透して反応し、プロトン(水素イオン)と電子、それに二酸化炭素を生成する。
【０００６】
通常、燃料極１０４には多孔質材が用いられており、電解質膜１０８との界面近傍の触媒が担持された層で燃料極１０４での反応が起こる。燃料極１０４で生成されたプロトンは電解質膜１０８を透過して酸化剤極１０６に移動し、電子は燃料極１０４から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極１０６に流れる。この電子が燃料電池の出力として使用される。
二酸化炭素は、燃料極１０４から燃料極室１１２に排出され、未反応の燃料とともに出口ポート１２１から排出される。この出口ポート１２１から排出された二酸化炭素と未反応の燃料は、燃料タンク１０９に回収され、二酸化炭素は燃料タンク１０９に設けられた放出ポート１１４から排出される。
【０００７】
一方、酸化剤極１０６側では、酸素圧縮機１１６によって酸素が酸化剤極室１１８へ供給され、この酸素は酸化剤極室１１８から酸化剤極１０６内に拡散する。酸化剤極１０６では、酸素が燃料極１０４から拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は、通常、水蒸気となって酸化剤極室１１８から未反応の酸素とともに出口ポート１２０から排出される。図８に示す例では、酸化剤として酸素が使用されている。なお、酸素濃度は低くなるが酸化剤として空気を使用することもできる。
【０００８】
従来の直接型メタノール燃料電池では、燃料であるメタノールと水の混合物は、図８に示すように、燃料極室１１２に供給され、燃料極室１１２から燃料極１０４の拡散層へ浸透して電解質膜１０８との界面近傍の触媒を含有する層で反応する。そして反応生成物である二酸化炭素が燃料極室内１１２に排出され、供給されてくる燃料に合流し、未反応の燃料とともに出口ポート１２１から排出される。燃料電池で高効率かつ安定した発電を行うためには、燃料の供給と反応生成物である二酸化炭素の排出とを効率的かつ安定に行わなければならない。
【０００９】
ところで、燃料ポンプ１１０により供給される燃料の主たる流れは、燃料極室１１２に送り込まれてから、燃料極室１１２に設けられた出口ポート１２１から排出されるものである。このため、燃料極１０４の反応に直接寄与する燃料極１０４が有する多孔質材内の燃料の流れは、燃料極室１１２内での燃料の主たる流れから逸れたものとなってしまう。さらに、燃料極１０４が有する多孔質材内では、毛細管作用が働くものの、形状や方向の制約を受けることから、燃料極１０４内へ効率的かつ安定に燃料を供給することが困難であった。このことは、燃料電池としての出力を向上させることや、高効率で長時間発電させることを難しくしていた。また、燃料を高圧で圧送するポンプを用いると、電源装置としての大型化を招くので、特に、携帯用機器などの電源として採用が難しくなる。
【００１０】
ところで、特許文献２(特開２００２−１７５８１７号公報)では、燃料が供給される燃料流路に燃料が浸透する燃料浸透部材を配置して、燃料極への燃料供給の促進を図っている。
しかし、特許文献２に記載された燃料電池では、燃料浸透部材による浸透でもって燃料を燃料極に供給しているので、燃料極での燃料の反応効率が不十分であり、電池の出力も不十分であった。
【特許文献１】特表平１１−５１０３１１号公報
【特許文献２】特開２００２−１７５８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明の課題は、燃料極での燃料の反応効率と反応生成物の排出効率を高めることにより、小型であっても高出力な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池は、液体燃料から陽イオンと電子を生成させる燃料極と、該燃料極に対向するように配置され、該燃料極から生成される陽イオンが透過できる電解質膜と、該電解質膜に対向するように配置され、該電解質膜を透過した上記の陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤極と、上記の燃料極に対向するように配置され、該燃料極に上記の液体燃料を供給する第１の流路と上記の燃料極からの排出ガスを排出する第２の流路とを形成する流路板を備え、該第１の流路と第２の流路とは分離されており、上記の燃料極は、上記の電解質膜側に触媒を含有する電極層と上記の流路板側に拡散層とを有し、上記の第１の流路から該拡散層への液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層を備え、該浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔または貫通溝を有し、該貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池によれば、第１の流路への液体燃料の供給が低い圧力でなされても燃料極での十分な反応を実現できる。また、本発明の燃料電池によると、燃料極の流路板と拡散層との電気的接続の抵抗値を下げることができ、抵抗成分による電池出力の損失を低減し、電池の外部に取り出せる正味の出力を向上させることができるため、燃料電池を設置または保持する向きに寄らず安定した出力が得られる小型で高出力な燃料電池を実現できる。したがって、本発明の燃料電池は、燃料供給を圧送するポンプなどの設置が難しい携帯機器などの小型電子機器の電源として特に好適である。
【００１４】
一般に、モバイル電子機器用の小型燃料電池の場合、流路を非常に狭いスペースに作製する必要があるため、流路内での燃料の圧損が大きく、特に流路全体に燃料を行渡らせることが困難となるため、流路全体に安定した圧力差を生じさせることが困難であった。しかし、本発明の燃料電池は、このような問題点を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の燃料電池の好ましい実施形態において、上記の浸透抑制層の貫通孔または貫通溝は、上記の第１の流路と第２の流路の流路とを隔てる流路壁に対向する位置に少なくとも配置されている。
この実施形態によれば、貫通孔または貫通溝が、第１の流路から拡散層への局所的な燃料の透過速度、および拡散層から第２の流路への局所的な排出ガスの透過速度に影響しないので、燃料電池のセル全体にわたって均一な燃料の供給と二酸化炭素などの反応生成物の排出が実現できる。
【００１６】
本発明の燃料電池の好ましい実施形態において、上記の貫通孔または貫通溝は、少なくとも上記の第１の流路の周辺を取り囲むように配置されている。
この実施形態によれば、発電セルと流路を積層する際に、第１の流路周辺の流路壁と浸透抑制層の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁と浸透抑制層界面を経由した第１の流路から第２の流路への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。このことにより、燃料の供給圧が低くても第１の流路内に液体燃料を充満させ易くなり、第１の流路の部分と、この部分と流路壁を挟んで対向する第２の流路の部分との間に、燃料極の拡散層を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を流路全体にわたって安定して生じさせることができる。よって、燃料極内での反応により二酸化炭素などの反応生成物が発生しても、第１の流路への二酸化炭素の排出を抑制して第２の流路から二酸化炭素を効率よく排出させることができ、これにより、燃料極での反応(陽イオンと電子の生成)を促進させることができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の好ましい実施形態は、上記の第１の流路に接続され、上記の液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、上記の燃料貯蔵部と上記第１の流路との間を接続し、上記の燃料貯蔵部から上記の第１の流路に供給される液体燃料の圧力を調整する圧力調整部とを備える。
この実施形態によれば、圧力調整弁のような圧力調整部によって、液体燃料を第１の流路から燃料極へ安定した圧力で供給でき、かつ、発電セルからの電池出力を低抵抗で損出を抑えて取り出せるため、燃料電池としての安定した出力が得られる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池の好ましい実施形態は、上記の酸化剤極に酸化剤を供給するための第３の流路と、該第３の流路に接続された該第３の流路からの排出ガスが導入される第４の流路と、上記の第２の流路に接続された該第２の流路からの排出ガスが導入される第５の流路と、上記の第４の流路と第５の流路に接続された、該第４の流路からの排出ガスと第５の流路からの排出ガスを合流させて排出するガス排出部とを備えている。
この実施形態によれば、第２の流路から排出される気体と酸化剤極からの排出ガスの両方を同じガス排出部から効率的に排出できるので、排出が容易になる。
【００１９】
以下、本発明の燃料電池の具体例を、図面を用いてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
(第１の実施の形態)
図１は、本発明の燃料電池の第１実施形態の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
（１）燃料電池の構成
この実施形態の燃料電池は、図２に示すように、燃料極１と、燃料極１に対向するように配置された電解質膜２と、燃料極１の反対側で電解質膜２に対向するように配置された酸化剤極３を備える。燃料極１と電解質膜２と酸化剤極３は、燃料極１と酸化剤極３とで電解質膜２を挟んだ状態で、ハウジング５内に収容されている。ハウジング５の一方の面５Ａには、燃料極１に対向するように配置された流路板６の縁部６Ａが接合され取り付けられている。
【００２０】
図１に示すように、流路板６は、液体燃料の供給口７をなす貫通口と、排出ガスの排出口８をなす貫通口と、供給口７からくし歯状に延在する第１の流路溝１０と、排出口８からくし歯状に延在する第２の流路溝１１を有する。
第１の流路溝１０と第２の流路溝１１とは、所定の厚さの壁１２で隔てられ、分離されている。流路板６の壁１２は、燃料極１に接している。したがって、第１の流路溝１０と燃料極１とで形成される第１の流路１３と、第２の流路溝１１と燃料極１とで形成される第２の流路１５とは壁１２で分離されている。
【００２１】
この第１実施形態では、例えば、第１の流路１３が燃料極１の拡散層１７側に開口する開口幅を、２μｍから２００μｍ程度とすることができる。また、第２の流路１５が拡散層１７側に開口する開口幅は、例えば、第１の流路１３の開口幅と同程度とすることができる。しかし、本発明においては、流路のサイズを特にこれに限定するものではない。
【００２２】
図２に示すように、燃料極１は、電解質膜２側の電極層１６と流路板６側の拡散層１７とを有する。燃料極１は、さらに、流路板６と、燃料極１の拡散層１７との間に挟まれた浸透抑制層５１を備える。
【００２３】
浸透抑制層５１は、図４に示すように、厚み方向に貫通孔５２を有し、貫通孔５２内には導電体５３が配置される。このことにより、流路板６と拡散層１７との電気的接続の抵抗値を下げることができ、抵抗成分による電池出力の損失を低減し電池の外部に取り出せる正味の出力を向上させることができる。貫通孔５２は、形状や大きさを特に限定するものではないが、抵抗値を下げるためには、直径５０μｍから２００μｍ程度のサイズが望ましい。
【００２４】
該貫通孔５２は、少なくとも流路板６に形成された第１の流路１３および第２の流路１５の流路を隔てる流路壁１２に対向する位置に配置される。
貫通孔の位置はこれに限るものではなく、図３に示す貫通孔５４のように、第１の流路１３と第２の流路１５を隔てる流路壁１２以外のところに配置されてもよい。このことにより、さらに効果的に流路板６と拡散層１７との電気的接続の抵抗値を下げることができる。
【００２５】
さらに好適な実施形態においては、貫通孔５２は、少なくとも上記第１の流路に沿って周辺を取り囲むように流路壁１２に対抗する位置に配置されている。これにより発電セルと流路を積層する際に、第１の流路１３周辺の流路壁１２と浸透抑制層５１の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁１２と浸透抑制層５１界面を経由した第１の流路１３から第２の流路１５への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。
【００２６】
また、浸透抑制層５１は、流路壁１２に沿って連続した貫通溝を有してもよく、これにより流路板６と拡散層１７との電気的接続を行ってもよい。これにより、流路板６と拡散層１７とを電気的に低抵抗で接続することはもとより、発電セルと流路を積層する際に、第１の流路１３周辺の流路壁１２と浸透抑制層５１の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁１２と浸透抑制層５１界面を経由した第１の流路１３から第２の流路１５への燃料の漏れをより確実に抑制することができることは明白である。
【００２７】
酸化剤極３は、ハウジング５の他方の面５Ｂから延在する蓋部２０で覆われており、この蓋部２０は、酸化剤として例えば空気が供給される酸化剤導入口２０Ａと、排出ガスを排出するための排出口２０Ｂを有する。この蓋部２０と酸化剤極３との間に酸化剤極側の流路２１が形成される。
酸化剤極３は、電解質膜２側の電極層１８と蓋部２０側の拡散層２２とを有する。
【００２８】
（２）燃料電池の動作
この第１の実施形態では、例えばメタノールと水との混合物が液体燃料として流路板６の供給口７から第１の流路１３内に供給される。液体燃料としては、メタノールと水の混合物以外に、メタノールの代わりにエタノール、ジメチルエーテル、プロパノール、エチレングリコールのような炭化水素系の有機燃料を用いることができる。この液体燃料は、第１の流路１３から浸透抑制層５１を通して燃料極１の拡散層１７に供給され、拡散層１７内を拡散し浸透して電極層１６に達して反応し、陽イオン(Ｈ+)と電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。陽イオン(Ｈ+)は、電解質膜２を経由して、酸化剤極３の電極層１８に至る。
【００２９】
生成された電子は、電極層１６から外部回路(図示せず)を経由して、酸化剤極３の電極層１８に導かれる。また、燃料極１で生成した二酸化炭素は、壁１２の下の拡散層１７内を拡散して、第２の流路１５に至り、この第２の流路１５を通って、排出口８から排出される。
【００３０】
一方、蓋部２０の導入口２０Ａから導入された酸化剤の一例としての空気は、酸化剤極３の拡散層２２内に拡散し、酸化剤極３の電極層１８において、燃料極１からの陽イオン(Ｈ+)および電子と反応して水蒸気が生成する。生成した水蒸気は流路２１を通って排出口２０Ｂから排出される。
【００３１】
本発明の燃料電池においては、酸化剤の種類や供給方向は特に限定されず、空気の代わりに酸素を使用してもよく、また、酸化剤極側の流路２１をなくして、ファンや送風ポンプのような送風機構を用いて、酸化剤極３の露出面に酸化剤を直接供給してもよい。
【００３２】
本実施形態では、燃料極１に接している第１の流路１３と第２の流路１５とが壁１２で分離されているので、第１の流路１３に供給された液体燃料が、燃料極１を通過せずに直接第２の流路１５に流れることはない。つまり、図３に矢印４０で示すように、第１の流路１３に供給された液体燃料は、燃料極１の拡散層１７を経由して第２の流路１５に流れる。したがって、燃料極１への燃料供給効率を向上でき、燃料供給量の削減が可能となる。
また、矢印４０で示すような流れに沿って、図３に示す第１の流路１３の部分と、この部分に壁１２を挟んで対向する第２の流路１５の部分との間に、燃料極１の拡散層１７を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を生じさせることができる。第１の流路１３と第２の流路１５との間にこのような局所的な圧力差が発生することにより、燃料極１内での反応による反応生成物として二酸化炭素などが発生しても、第１の流路１３への排出を抑制し、第２の流路１５から効率よく排出できる。
【００３３】
この第１の実施形態では、図１に示すように、第２の流路１５は、壁１２で隔てられる第１の流路１３との間の距離が、第１の流路１３に沿ってほぼ等しくなるように配置されている。そして、第１の流路１３の分岐流路の先端部まで全体に液体燃料をいきわたらせることができるため、第１の流路１３での液体燃料の圧力と、壁１２を挟んで対向する第２の流路１５での液体燃料の圧力との間の圧力差を、燃料極１に対向する領域の略全体に亘って略均一にすることができる。よって、燃料の効率的な供給と反応生成物の効率的な排出とを、燃料極１の全体にわたって均一に行うことができる。
【００３４】
また、さらに好適な実施形態では、第１の流路１３内の圧力は、壁１２を隔てて対向する第２の流路１５内の圧力に対して所定の圧力差が与えられる。これにより、第１の実施形態の燃料電池が設置又は保持される向きが変動しても、第１の流路１３から第２の流路１５への拡散層１７内の燃料の流れが安定し、また、反応生成物である二酸化炭素の排出効率も安定することから、触媒を含有する電極層１６への燃料供給を安定させることができる。
【００３５】
通常、０．５μｍから１μｍ程度の孔径の孔を有する多孔質材で作製した拡散層１７に、単に液体燃料を流そうとすると、第１の流路１３と第２の流路１５との間に１気圧から２気圧程度の圧力差を与えなければならない。しかし、この第１実施形態によれば、局所的に短い経路に圧力差を与えることができる。また、燃料極１での反応生成物を効率的に排出できることから、上記の圧力差を、たとえば、０.０００１気圧〜０.１気圧程度とした場合でも、安定した燃料供給が可能となる。
【００３６】
さらに、浸透抑制層５１が、拡散層１７に比べて液体燃料の透過係数が１桁から２桁程度低い材料で構成されるため、第１の流路１３から拡散層１７への液体燃料の拡散が抑制される。このことにより、液体燃料が拡散層１７に局所的に浸透してしまう前に、液体燃料を第１の流路１３の末端まで行き渡らせることができ、かつ流路内に液体燃料を充満させることもできる。このように、第１の流路１３から拡散層１７へ燃料を直接供給する場合よりもさらに低い供給圧で第１の流路１３内に液体燃料を充満させ易くなるので、第１の流路１３の部分と、この部分に壁１２を挟んで対向する第２の流路１５の部分との間に、燃料極１の拡散層１７を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を流路全体にわたって安定して生じさせることができる。よって、燃料極１内での反応により二酸化炭素などが発生しても、第１の流路１３への排出を抑制して第２の流路１５から効率よく排出させることができ、これにより、燃料極１での反応(陽イオンと電子の生成)を促進させることができる。
【００３７】
一般的に、燃料極での反応に必要な液体燃料は、例えばメタノールと水を燃料に用いる燃料電池で１５０ｍＷ／ｃｍ2程度の発電を想定した場合、単位面積当たり数μリットル／分程度である。したがって、それ以上の燃料を供給しても、この過剰の燃料は、拡散層に充満している燃料を押し出すために利用されるか、電解質膜を拡散して出力低下の要因となり、燃料の利用効率がより低下してしまう。つまり、燃料極の反応は、燃料の供給量には律速しておらず、反応律速の状態で反応が進行しているため、本発明のように浸透抑制層５１を用いても、反応に必要な燃料を十分に供給して反応を継続することができる。
【００３８】
上記のように、燃料電池において燃料の反応効率を向上させるためには、より多くの液体燃料を拡散層１７に供給することよりも、狭い第１の流路１３を通して液体燃料を流路全体に均一に行き渡らせることが重要である。本発明の燃料電池においては、浸透抑制層５１が流路の途中で必要以上に液体燃料が拡散層１７に浸透するのを防ぎ、液体燃料を流路内に流すことができるため、液体燃料の供給量（供給圧）も少なくできる。つまり液体反応に使われる燃料の利用効率を高めることができる。
【００３９】
（３）燃料極
燃料極１の拡散層１７としては、従来公知の材料を用いることができ、例えばカーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材が挙げられる。
上記の多孔質材の孔径は、第１の流路１３からの液体燃料を拡散層１７内へ引き込み得るものであればよく、特に限定されるものではない。この実施形態では、拡散層１７をなす多孔質材の孔径を、数μｍから数１０μｍ程度とした。この多孔質材に、燃料を所定の流量で流そうとすると、所定の圧力を加えなければならないが、多孔質材の末端で反応が起こり、燃料が消費される場合には、より低い圧力で同じ流量の燃料を流すことができることを確認している。
【００４０】
上記の電極層１６は、従来公知の材料で作製でき、例えば金属触媒を含む樹脂層が挙げられる。該金属触媒としては、例えば白金―ルテニウム合金などが用いられるが、その他に、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、電極層１６の樹脂層として、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂が用いられる。
【００４１】
上記の浸透抑制層５１としては、燃料極１の拡散層１７に比べて液体燃料を透過しにくい供給抑制構造を有する材料を用いることができる。上記の浸透抑制層としては、例えば、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂を用いることができる。該浸透抑制層は、好ましくは多孔質材である。
【００４２】
上記の浸透抑制層５１の膜厚や多孔質材の孔径は、拡散層１７の膜厚や孔径に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されないが、例えば膜厚が１μｍから３０μｍ程度、多孔質材の孔径が０.０１μｍ〜１μｍ程度のものを用いることができる。好ましくは、浸透抑制層５１の透過速度は、拡散層１７の透過速度に対して、例えばガーレー試験機法により測定した透気度として１桁から２桁程度低いものが望ましい。上記の浸透抑制層５１は、燃料の透過速度が拡散層１７の透過速度に対して１桁から２桁程度低いものであれば多孔質材に限るものではなく、微細孔を有しないものでもよい。
【００４３】
上記の浸透抑制層５１に配置される貫通孔を形成する方法としては、レーザーアブレーションやパンチングやドリルなどの機械的な窄孔手段が挙げられる。貫通孔５２内の導電体５３は、無電解めっきにより形成した金薄膜を用いることができる。また、貫通溝は、レーザーアブレーション法によって連続的に加工することにより作製することができる。
【００４４】
燃料極１において、電極層１６と拡散層１７とは、電極層１６に拡散層１７をホットプレスなどにより圧着するか、又は電極層１６が樹脂である場合、拡散層１７に拡散層１６の材料となる樹脂を含浸させて熱処理することにより、積層することができる。
さらに、浸透抑制層５１は、該浸透抑制層の材料である上記の樹脂を拡散層１７に含浸させて熱処理することにより得ることができる。あるいは、多孔質の上記の樹脂を電極層１６と拡散層１７上に積層して熱処理して形成してもよい。
燃料極を構成するこれらの層を形成する順序は特に限定されず、電極層と拡散層とを積層した後に浸透抑制層を形成してもよいし、浸透抑制層と拡散層とを積層した後に電極層を形成してもよい。
【００４５】
（４）電解質膜
電解質膜２の材質としては、プロトン伝導性で燃料極及び酸化剤極の反応（発熱反応）に耐え得る耐熱性とプロトン伝導性の酸性雰囲気に耐え得る耐酸性の材料であれば特に限定されず、有機材料又は無機材料のいずれを用いることもできる。本実施形態においては、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン１１７(登録商標) (デュポン社製))を用いている。また、電解質膜２は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
（５）酸化剤極
酸化剤極の電極層１８は、燃料極１の電極層１６と同様に、金属触媒を含む樹脂層で作製される。拡散層２２は、燃料極１の拡散層１７と同様に、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。
【００４６】
酸化剤極３は、従来公知の方法により製造することができ、例えば上記の燃料極の電極層と拡散層とを積層する方法について記載した方法などを用いて製造することができる。
【００４７】
（６）流路板
上記の流路板６としては、液体燃料に対する透過性の無い基板を用いることができ、例えばニッケルなどの金属からなる基板、シリコン基板、ガラス基板、アクリルやＰＤＭＳなどの樹脂基板などを用いることができる。本実施形態においては、流路板６として微細加工を施したニッケル基板を用いている。
【００４８】
流路板６が導電性のないガラス基板など絶縁性の材料からなる場合は、図５に示すように導電性の配線層６１を、流路板と浸透抑制層との間に挿入してもよい。本実施形態では、配線層６１としては、貫通孔５２内の導電体５３と同様に、無電解めっきで形成した金薄膜を用いている。
【００４９】
（７）ハウジング
上記のハウジング５は、従来公知の燃料電池の筐体として用いられる材質からなるものであってよく、例えば炭素樹脂、又は上記流路板と同様に、ガラス、アクリル並びにＰＤＭＳなどの樹脂などが挙げられる。
【００５０】
本発明の燃料電池において、上記の流路板６やハウジング５などにＰＤＭＳなど可撓性の樹脂材料を用いている場合、図６に示すように、流路板６やハウジングが撓んだ場合においても、流路板６と拡散層１７とを電気的に低抵抗で安定して接続することができる。さらに、発電セルと流路を積層する際に、第１の流路１３周辺の流路壁１２と浸透抑制層５１の接合面の密着性が保てるために、流路壁１２と浸透抑制層５１界面を経由した第１の流路１３から第２の流路１５への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。
【００５１】
（８）燃料電池の組み立て
本発明の燃料電池は、従来公知の方法により得ることができ、例えば上記のようにして得られた電解質膜２に燃料極１及び酸化剤極３をホットプレスにより接合して膜電極複合体を作製し、上記の流路板６に上記の膜電極複合体を積層し、それに上記の酸化剤室と一体化したハウジング５を被せ、流路板６とハウジング５を接着することにより得ることができる。
【００５２】
（９）従来の燃料電池との比較
浸透抑制層５１がない従来の燃料電池においては、第１の流路１３の燃料の供給開始位置に近い流路付近で液体燃料が第１の流路１３から拡散層１７へ拡散する量が多くなり、第１の流路１３の末端まで燃料が行き渡らせにくくなるので、非常に高い燃料供給圧が必要となる。
【００５３】
浸透抑制層５１を用いずに拡散層１７そのもの浸透速度を低くしても、第１の流路１３に低い燃料供給圧で液体燃料を行き渡らせることはできるが、拡散層１７内の燃料の浸透（拡散）そのものが遅くなるため、反応に必要な燃料を十分に供給（補充）することができず、燃料電池の出力が低くなる。
【００５４】
従来のように、供給される燃料の主な流れが拡散層を経由しない流路（つまり、流路が第１の流路と第２の流路に分離されていない流路）を有し、浸透抑制層を有さない燃料電池を作製したところ、数１００μリットル／分の燃料供給が必要であった。これに対して、主な流れが拡散層を経由する本実施形態の燃料電池では、数１０μリットル／分以下の燃料供給で、上記の従来の燃料電池と同等の出力が得られた。すなわち、本発明の燃料電池は、従来の燃料電池に比べて燃料の利用効率が１桁程度向上することが確認できた。
【００５５】
(第２の実施の形態)
次に、図７に、この発明の第２の実施形態としての燃料電池を模式的に示す。この第２実施形態は、上記の第１の実施形態の燃料電池の構成に加えて、流路板６の供給口７に順に接続された圧力調整部８１と燃料貯蔵部８２、および流路板６の排出口８に接続されたガス排出部８３と、蓋部２０の酸化剤導入口２０に接続された酸化剤圧送部８４とを備えた。したがって、この第２の実施形態では、第１実施形態と同じ構成の部分には同じ符号を付して、第１の実施形態と異なる点を主に説明する。
【００５６】
燃料貯蔵部８２は流路８５で圧力調整部８１に接続され、圧力調整部８１は流路８６で供給口７に接続されている。また、蓋部２０と酸化剤極３との間に形成された流路２１は、酸化剤極３に酸化剤の一例としての酸素あるいは空気を供給するための第３の通路をなす。酸化剤圧送部８４は、酸化剤を酸化剤導入口２０Ａから流路２１に供給する。
この蓋部２０の排出口２０Ｂには、流路２１からの排出ガス(例えば水蒸気)が導入される第４の流路８７の一端が接続され、第４の流路８７の他端はガス排出部８３に接続されている。このガス排出部８３は、排出口８に一端が接続された第５の流路８８の他端が接続されている。この第５の流路８８には第２の流路１５からの排出ガス(例えば二酸化炭素)が導入される。
【００５７】
燃料貯蔵部８２は、燃料に対して耐性を有する材料からなる容器であってよい。このような材料としては、硬質塩化ビニル樹脂、ＰＴＦＥやエポキシの硬質樹脂、ＰＤＭＳなどシリコン樹脂、ガラス繊維や炭素繊維などを複合した樹脂などの樹脂材料、アルミニウムやチタン、防食処理したマグネシウム合金などの金属材料が挙げられる。
流路８５、８６，８７及び８８は、燃料に対して耐性を有する材料からなる管状部材からなるものである。該材料としては、硬質塩化ビニル樹脂、ＰＴＦＥやエポキシの硬質樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。
【００５８】
この第２実施形態によれば、燃料貯蔵部８２に貯蔵された液体燃料(例えばメタノールと水との混合物)を、減圧弁又は圧力調整弁などで構成され得る圧力調整部８１を用いて、液体燃料を第１の流路１３から燃料極１へ安定に供給でき、燃料電池としての出力向上を図ることができる。また、常に運転するポンプを使用する場合に比べて電力消費が少なくてすむことから、電力の損失を抑えて燃料電池としての出力を高めることができる。
【００５９】
また、この第２実施形態によれば、燃料極１からの使用済み燃料としての排出ガスと酸化剤極３からの水蒸気などの排出ガスとの両方の排出ガスを同じ１つのガス排出部８３から排出できるので、排出ガスの回収が容易になる。
【００６０】
第２の実施形態において、第１の流路１３内の圧力と第２の流路１５内の圧力との圧力差を検知する手段としての圧力センサ(図示せず)を備えてもよい。この場合には、この圧力センサが検知した圧力差に基づいて、圧力調整部８１が第１の流路１３内の圧力を調整することで、上記の圧力差を所定の範囲(例えば、０.０００１気圧〜０.１気圧程度)に保つことが可能となる。よって、温度変化や気圧変化などの環境変化が生じた場合においても、燃料の供給量を安定させ、燃料電池の出力を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の燃料電池の第１実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】浸透抑制層の断面図である。
【図５】本発明の燃料電池の第１実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池の第１実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の燃料電池の第２実施形態を示す模式図である。
【図８】従来の直接型メタノール燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 燃料極
２ 電解質膜
３ 酸化剤極
５ ハウジング
６ 流路板
７ 供給口
８ 排出口
１０ 第１の流路溝
１１ 第２の流路溝
１２ 壁
１３ 第１の流路
１５ 第２の流路
１６ 電極層
１７ 拡散層
１８ 電極層
２０ 蓋部
２１ 酸化剤極側の流路
２２ 拡散層
５１ 浸透抑制層
５２ 貫通孔
５３ 導電体
６１ 配線層
８１ 圧力調整部
８２ 燃料貯蔵部
８３ ガス排出部
８４ 酸化剤圧送部
８５ 流路
８６ 流路
８７ 第４の流路
８８ 第５の流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体燃料が利用される燃料電池に関し、例えば携帯電話などの小型の電子機器にも内蔵可能な小型化に適した燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料と酸化剤を供給すれば発電する発電装置である。通常、酸化剤には空気が使用できるため、燃料を供給することで連続して発電することができる。このため、燃料電池は、定置用電源のみでなく携帯用電源としても非常に注目されている。
【０００３】
通常、定置用の燃料電池などでは、燃料に水素あるいは水素を含有するガスが使用される。しかし、携帯用電源としては、同じ程度の大きさの容器に貯蔵した燃料でより長時間発電できることが利点となるので、燃料としては、体積当たりのエネルギー密度の高い液体燃料を用いる方が有利となる。
なお、改質器を用いて液体燃料から水素を生成して発電に用いることもできるが、燃料電池のシステム全体が複雑になるため、燃料電池の小型化のためには、液体燃料を直接供給する方が容易と考えられている。
【０００４】
液体燃料を燃料極に直接供給するタイプの燃料電池が、特許文献１(特表平１１−５１０３１１号公報)に開示されている。この燃料電池は、メタノールと水の混合物を燃料に用いる直接型メタノール燃料電池である。
【０００５】
図８を参照して、代表的な直接型メタノール燃料電池について説明する。
図８は、ハウジング１０２内に燃料極１０４と酸化剤極１０６と電解質膜１０８を備えた直接型メタノール燃料電池１０１を模式的に示す図である。燃料タンク１０９から燃料ポンプ１１０によってメタノールと水とが混合された燃料が燃料極室１１２に供給される。燃料極室１１２内に供給された燃料は、燃料極１０４内に浸透して反応し、プロトン(水素イオン)と電子、それに二酸化炭素を生成する。
【０００６】
通常、燃料極１０４には多孔質材が用いられており、電解質膜１０８との界面近傍の触媒が担持された層で燃料極１０４での反応が起こる。燃料極１０４で生成されたプロトンは電解質膜１０８を透過して酸化剤極１０６に移動し、電子は燃料極１０４から外部回路(図示せず)を経由して酸化剤極１０６に流れる。この電子が燃料電池の出力として使用される。
二酸化炭素は、燃料極１０４から燃料極室１１２に排出され、未反応の燃料とともに出口ポート１２１から排出される。この出口ポート１２１から排出された二酸化炭素と未反応の燃料は、燃料タンク１０９に回収され、二酸化炭素は燃料タンク１０９に設けられた放出ポート１１４から排出される。
【０００７】
一方、酸化剤極１０６側では、酸素圧縮機１１６によって酸素が酸化剤極室１１８へ供給され、この酸素は酸化剤極室１１８から酸化剤極１０６内に拡散する。酸化剤極１０６では、酸素が燃料極１０４から拡散してきたプロトンと反応して水を生成する。生成した水は、通常、水蒸気となって酸化剤極室１１８から未反応の酸素とともに出口ポート１２０から排出される。図８に示す例では、酸化剤として酸素が使用されている。なお、酸素濃度は低くなるが酸化剤として空気を使用することもできる。
【０００８】
従来の直接型メタノール燃料電池では、燃料であるメタノールと水の混合物は、図８に示すように、燃料極室１１２に供給され、燃料極室１１２から燃料極１０４の拡散層へ浸透して電解質膜１０８との界面近傍の触媒を含有する層で反応する。そして反応生成物である二酸化炭素が燃料極室内１１２に排出され、供給されてくる燃料に合流し、未反応の燃料とともに出口ポート１２１から排出される。燃料電池で高効率かつ安定した発電を行うためには、燃料の供給と反応生成物である二酸化炭素の排出とを効率的かつ安定に行わなければならない。
【０００９】
ところで、燃料ポンプ１１０により供給される燃料の主たる流れは、燃料極室１１２に送り込まれてから、燃料極室１１２に設けられた出口ポート１２１から排出されるものである。このため、燃料極１０４の反応に直接寄与する燃料極１０４が有する多孔質材内の燃料の流れは、燃料極室１１２内での燃料の主たる流れから逸れたものとなってしまう。さらに、燃料極１０４が有する多孔質材内では、毛細管作用が働くものの、形状や方向の制約を受けることから、燃料極１０４内へ効率的かつ安定に燃料を供給することが困難であった。このことは、燃料電池としての出力を向上させることや、高効率で長時間発電させることを難しくしていた。また、燃料を高圧で圧送するポンプを用いると、電源装置としての大型化を招くので、特に、携帯用機器などの電源として採用が難しくなる。
【００１０】
ところで、特許文献２(特開２００２−１７５８１７号公報)では、燃料が供給される燃料流路に燃料が浸透する燃料浸透部材を配置して、燃料極への燃料供給の促進を図っている。
しかし、特許文献２に記載された燃料電池では、燃料浸透部材による浸透でもって燃料を燃料極に供給しているので、燃料極での燃料の反応効率が不十分であり、電池の出力も不十分であった。
【特許文献１】特表平１１−５１０３１１号公報
【特許文献２】特開２００２−１７５８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
そこで、本発明の課題は、燃料極での燃料の反応効率と反応生成物の排出効率を高めることにより、小型であっても高出力な燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記の課題を解決するため、本発明の燃料電池は、液体燃料から陽イオンと電子を生成させる燃料極と、該燃料極に対向するように配置され、該燃料極から生成される陽イオンが透過できる電解質膜と、該電解質膜に対向するように配置され、該電解質膜を透過した上記の陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤極と、上記の燃料極に対向するように配置され、該燃料極に上記の液体燃料を供給する第１の流路と上記の燃料極からの排出ガスを排出する第２の流路とを形成する流路板を備え、該第１の流路と第２の流路とは分離されており、上記の燃料極は、上記の電解質膜側に触媒を含有する電極層と上記の流路板側に拡散層とを有し、上記の第１の流路から該拡散層への液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層を備え、該浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔または貫通溝を有し、該貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池によれば、第１の流路への液体燃料の供給が低い圧力でなされても燃料極での十分な反応を実現できる。また、本発明の燃料電池によると、燃料極の流路板と拡散層との電気的接続の抵抗値を下げることができ、抵抗成分による電池出力の損失を低減し、電池の外部に取り出せる正味の出力を向上させることができるため、燃料電池を設置または保持する向きに寄らず安定した出力が得られる小型で高出力な燃料電池を実現できる。したがって、本発明の燃料電池は、燃料供給を圧送するポンプなどの設置が難しい携帯機器などの小型電子機器の電源として特に好適である。
【００１４】
一般に、モバイル電子機器用の小型燃料電池の場合、流路を非常に狭いスペースに作製する必要があるため、流路内での燃料の圧損が大きく、特に流路全体に燃料を行渡らせることが困難となるため、流路全体に安定した圧力差を生じさせることが困難であった。しかし、本発明の燃料電池は、このような問題点を解決することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明の燃料電池の好ましい実施形態において、上記の浸透抑制層の貫通孔または貫通溝は、上記の第１の流路と第２の流路の流路とを隔てる流路壁に対向する位置に少なくとも配置されている。
この実施形態によれば、貫通孔または貫通溝が、第１の流路から拡散層への局所的な燃料の透過速度、および拡散層から第２の流路への局所的な排出ガスの透過速度に影響しないので、燃料電池のセル全体にわたって均一な燃料の供給と二酸化炭素などの反応生成物の排出が実現できる。
【００１６】
本発明の燃料電池の好ましい実施形態において、上記の貫通孔または貫通溝は、少なくとも上記の第１の流路の周辺を取り囲むように配置されている。
この実施形態によれば、発電セルと流路を積層する際に、第１の流路周辺の流路壁と浸透抑制層の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁と浸透抑制層界面を経由した第１の流路から第２の流路への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。このことにより、燃料の供給圧が低くても第１の流路内に液体燃料を充満させ易くなり、第１の流路の部分と、この部分と流路壁を挟んで対向する第２の流路の部分との間に、燃料極の拡散層を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を流路全体にわたって安定して生じさせることができる。よって、燃料極内での反応により二酸化炭素などの反応生成物が発生しても、第１の流路への二酸化炭素の排出を抑制して第２の流路から二酸化炭素を効率よく排出させることができ、これにより、燃料極での反応(陽イオンと電子の生成)を促進させることができる。
【００１７】
また、本発明の燃料電池の好ましい実施形態は、上記の第１の流路に接続され、上記の液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、上記の燃料貯蔵部と上記第１の流路との間を接続し、上記の燃料貯蔵部から上記の第１の流路に供給される液体燃料の圧力を調整する圧力調整部とを備える。
この実施形態によれば、圧力調整弁のような圧力調整部によって、液体燃料を第１の流路から燃料極へ安定した圧力で供給でき、かつ、発電セルからの電池出力を低抵抗で損出を抑えて取り出せるため、燃料電池としての安定した出力が得られる。
【００１８】
また、本発明の燃料電池の好ましい実施形態は、上記の酸化剤極に酸化剤を供給するための第３の流路と、該第３の流路に接続された該第３の流路からの排出ガスが導入される第４の流路と、上記の第２の流路に接続された該第２の流路からの排出ガスが導入される第５の流路と、上記の第４の流路と第５の流路に接続された、該第４の流路からの排出ガスと第５の流路からの排出ガスを合流させて排出するガス排出部とを備えている。
この実施形態によれば、第２の流路から排出される気体と酸化剤極からの排出ガスの両方を同じガス排出部から効率的に排出できるので、排出が容易になる。
【００１９】
以下、本発明の燃料電池の具体例を、図面を用いてより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
(第１の実施の形態)
図１は、本発明の燃料電池の第１実施形態の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ’断面図であり、図３は、図１のＢ−Ｂ’断面図である。
（１）燃料電池の構成
この実施形態の燃料電池は、図２に示すように、燃料極１と、燃料極１に対向するように配置された電解質膜２と、燃料極１の反対側で電解質膜２に対向するように配置された酸化剤極３を備える。燃料極１と電解質膜２と酸化剤極３は、燃料極１と酸化剤極３とで電解質膜２を挟んだ状態で、ハウジング５内に収容されている。ハウジング５の一方の面５Ａには、燃料極１に対向するように配置された流路板６の縁部６Ａが接合され取り付けられている。
【００２０】
図１に示すように、流路板６は、液体燃料の供給口７をなす貫通口と、排出ガスの排出口８をなす貫通口と、供給口７からくし歯状に延在する第１の流路溝１０と、排出口８からくし歯状に延在する第２の流路溝１１を有する。
第１の流路溝１０と第２の流路溝１１とは、所定の厚さの壁１２で隔てられ、分離されている。流路板６の壁１２は、燃料極１に接している。したがって、第１の流路溝１０と燃料極１とで形成される第１の流路１３と、第２の流路溝１１と燃料極１とで形成される第２の流路１５とは壁１２で分離されている。
【００２１】
この第１実施形態では、例えば、第１の流路１３が燃料極１の拡散層１７側に開口する開口幅を、２μｍから２００μｍ程度とすることができる。また、第２の流路１５が拡散層１７側に開口する開口幅は、例えば、第１の流路１３の開口幅と同程度とすることができる。しかし、本発明においては、流路のサイズを特にこれに限定するものではない。
【００２２】
図２に示すように、燃料極１は、電解質膜２側の電極層１６と流路板６側の拡散層１７とを有する。燃料極１は、さらに、流路板６と、燃料極１の拡散層１７との間に挟まれた浸透抑制層５１を備える。
【００２３】
浸透抑制層５１は、図４に示すように、厚み方向に貫通孔５２を有し、貫通孔５２内には導電体５３が配置される。このことにより、流路板６と拡散層１７との電気的接続の抵抗値を下げることができ、抵抗成分による電池出力の損失を低減し電池の外部に取り出せる正味の出力を向上させることができる。貫通孔５２は、形状や大きさを特に限定するものではないが、抵抗値を下げるためには、直径５０μｍから２００μｍ程度のサイズが望ましい。
【００２４】
該貫通孔５２は、少なくとも流路板６に形成された第１の流路１３および第２の流路１５の流路を隔てる流路壁１２に対向する位置に配置される。
貫通孔の位置はこれに限るものではなく、図３に示す貫通孔５４のように、第１の流路１３と第２の流路１５を隔てる流路壁１２以外のところに配置されてもよい。このことにより、さらに効果的に流路板６と拡散層１７との電気的接続の抵抗値を下げることができる。
【００２５】
さらに好適な実施形態においては、貫通孔５２は、少なくとも上記第１の流路に沿って周辺を取り囲むように流路壁１２に対抗する位置に配置されている。これにより発電セルと流路を積層する際に、第１の流路１３周辺の流路壁１２と浸透抑制層５１の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁１２と浸透抑制層５１界面を経由した第１の流路１３から第２の流路１５への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。
【００２６】
また、浸透抑制層５１は、流路壁１２に沿って連続した貫通溝を有してもよく、これにより流路板６と拡散層１７との電気的接続を行ってもよい。これにより、流路板６と拡散層１７とを電気的に低抵抗で接続することはもとより、発電セルと流路を積層する際に、第１の流路１３周辺の流路壁１２と浸透抑制層５１の接合面が均一に密着しやすくなり、流路壁１２と浸透抑制層５１界面を経由した第１の流路１３から第２の流路１５への燃料の漏れをより確実に抑制することができることは明白である。
【００２７】
酸化剤極３は、ハウジング５の他方の面５Ｂから延在する蓋部２０で覆われており、この蓋部２０は、酸化剤として例えば空気が供給される酸化剤導入口２０Ａと、排出ガスを排出するための排出口２０Ｂを有する。この蓋部２０と酸化剤極３との間に酸化剤極側の流路２１が形成される。
酸化剤極３は、電解質膜２側の電極層１８と蓋部２０側の拡散層２２とを有する。
【００２８】
（２）燃料電池の動作
この第１の実施形態では、例えばメタノールと水との混合物が液体燃料として流路板６の供給口７から第１の流路１３内に供給される。液体燃料としては、メタノールと水の混合物以外に、メタノールの代わりにエタノール、ジメチルエーテル、プロパノール、エチレングリコールのような炭化水素系の有機燃料を用いることができる。この液体燃料は、第１の流路１３から浸透抑制層５１を通して燃料極１の拡散層１７に供給され、拡散層１７内を拡散し浸透して電極層１６に達して反応し、陽イオン(Ｈ+)と電子および排出ガスとしての二酸化炭素が生成する。陽イオン(Ｈ+)は、電解質膜２を経由して、酸化剤極３の電極層１８に至る。
【００２９】
生成された電子は、電極層１６から外部回路(図示せず)を経由して、酸化剤極３の電極層１８に導かれる。また、燃料極１で生成した二酸化炭素は、壁１２の下の拡散層１７内を拡散して、第２の流路１５に至り、この第２の流路１５を通って、排出口８から排出される。
【００３０】
一方、蓋部２０の導入口２０Ａから導入された酸化剤の一例としての空気は、酸化剤極３の拡散層２２内に拡散し、酸化剤極３の電極層１８において、燃料極１からの陽イオン(Ｈ+)および電子と反応して水蒸気が生成する。生成した水蒸気は流路２１を通って排出口２０Ｂから排出される。
【００３１】
本発明の燃料電池においては、酸化剤の種類や供給方向は特に限定されず、空気の代わりに酸素を使用してもよく、また、酸化剤極側の流路２１をなくして、ファンや送風ポンプのような送風機構を用いて、酸化剤極３の露出面に酸化剤を直接供給してもよい。
【００３２】
本実施形態では、燃料極１に接している第１の流路１３と第２の流路１５とが壁１２で分離されているので、第１の流路１３に供給された液体燃料が、燃料極１を通過せずに直接第２の流路１５に流れることはない。つまり、図３に矢印４０で示すように、第１の流路１３に供給された液体燃料は、燃料極１の拡散層１７を経由して第２の流路１５に流れる。したがって、燃料極１への燃料供給効率を向上でき、燃料供給量の削減が可能となる。
また、矢印４０で示すような流れに沿って、図３に示す第１の流路１３の部分と、この部分に壁１２を挟んで対向する第２の流路１５の部分との間に、燃料極１の拡散層１７を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を生じさせることができる。第１の流路１３と第２の流路１５との間にこのような局所的な圧力差が発生することにより、燃料極１内での反応による反応生成物として二酸化炭素などが発生しても、第１の流路１３への排出を抑制し、第２の流路１５から効率よく排出できる。
【００３３】
この第１の実施形態では、図１に示すように、第２の流路１５は、壁１２で隔てられる第１の流路１３との間の距離が、第１の流路１３に沿ってほぼ等しくなるように配置されている。そして、第１の流路１３の分岐流路の先端部まで全体に液体燃料をいきわたらせることができるため、第１の流路１３での液体燃料の圧力と、壁１２を挟んで対向する第２の流路１５での液体燃料の圧力との間の圧力差を、燃料極１に対向する領域の略全体に亘って略均一にすることができる。よって、燃料の効率的な供給と反応生成物の効率的な排出とを、燃料極１の全体にわたって均一に行うことができる。
【００３４】
また、さらに好適な実施形態では、第１の流路１３内の圧力は、壁１２を隔てて対向する第２の流路１５内の圧力に対して所定の圧力差が与えられる。これにより、第１の実施形態の燃料電池が設置又は保持される向きが変動しても、第１の流路１３から第２の流路１５への拡散層１７内の燃料の流れが安定し、また、反応生成物である二酸化炭素の排出効率も安定することから、触媒を含有する電極層１６への燃料供給を安定させることができる。
【００３５】
通常、０．５μｍから１μｍ程度の孔径の孔を有する多孔質材で作製した拡散層１７に、単に液体燃料を流そうとすると、第１の流路１３と第２の流路１５との間に１気圧から２気圧程度の圧力差を与えなければならない。しかし、この第１実施形態によれば、局所的に短い経路に圧力差を与えることができる。また、燃料極１での反応生成物を効率的に排出できることから、上記の圧力差を、たとえば、０.０００１気圧〜０.１気圧程度とした場合でも、安定した燃料供給が可能となる。
【００３６】
さらに、浸透抑制層５１が、拡散層１７に比べて液体燃料の透過係数が１桁から２桁程度低い材料で構成されるため、第１の流路１３から拡散層１７への液体燃料の拡散が抑制される。このことにより、液体燃料が拡散層１７に局所的に浸透してしまう前に、液体燃料を第１の流路１３の末端まで行き渡らせることができ、かつ流路内に液体燃料を充満させることもできる。このように、第１の流路１３から拡散層１７へ燃料を直接供給する場合よりもさらに低い供給圧で第１の流路１３内に液体燃料を充満させ易くなるので、第１の流路１３の部分と、この部分に壁１２を挟んで対向する第２の流路１５の部分との間に、燃料極１の拡散層１７を透過して燃料が流れる経路の圧力降下に起因する圧力差を流路全体にわたって安定して生じさせることができる。よって、燃料極１内での反応により二酸化炭素などが発生しても、第１の流路１３への排出を抑制して第２の流路１５から効率よく排出させることができ、これにより、燃料極１での反応(陽イオンと電子の生成)を促進させることができる。
【００３７】
一般的に、燃料極での反応に必要な液体燃料は、例えばメタノールと水を燃料に用いる燃料電池で１５０ｍＷ／ｃｍ2程度の発電を想定した場合、単位面積当たり数μリットル／分程度である。したがって、それ以上の燃料を供給しても、この過剰の燃料は、拡散層に充満している燃料を押し出すために利用されるか、電解質膜を拡散して出力低下の要因となり、燃料の利用効率がより低下してしまう。つまり、燃料極の反応は、燃料の供給量には律速しておらず、反応律速の状態で反応が進行しているため、本発明のように浸透抑制層５１を用いても、反応に必要な燃料を十分に供給して反応を継続することができる。
【００３８】
上記のように、燃料電池において燃料の反応効率を向上させるためには、より多くの液体燃料を拡散層１７に供給することよりも、狭い第１の流路１３を通して液体燃料を流路全体に均一に行き渡らせることが重要である。本発明の燃料電池においては、浸透抑制層５１が流路の途中で必要以上に液体燃料が拡散層１７に浸透するのを防ぎ、液体燃料を流路内に流すことができるため、液体燃料の供給量（供給圧）も少なくできる。つまり液体反応に使われる燃料の利用効率を高めることができる。
【００３９】
（３）燃料極
燃料極１の拡散層１７としては、従来公知の材料を用いることができ、例えばカーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材が挙げられる。
上記の多孔質材の孔径は、第１の流路１３からの液体燃料を拡散層１７内へ引き込み得るものであればよく、特に限定されるものではない。この実施形態では、拡散層１７をなす多孔質材の孔径を、数μｍから数１０μｍ程度とした。この多孔質材に、燃料を所定の流量で流そうとすると、所定の圧力を加えなければならないが、多孔質材の末端で反応が起こり、燃料が消費される場合には、より低い圧力で同じ流量の燃料を流すことができることを確認している。
【００４０】
上記の電極層１６は、従来公知の材料で作製でき、例えば金属触媒を含む樹脂層が挙げられる。該金属触媒としては、例えば白金―ルテニウム合金などが用いられるが、その他に、白金と金、白金とオスミウム、白金とロジウムなどの合金を用いることができる。また、電極層１６の樹脂層として、例えば、パーフルオロアルキルスルホン酸系樹脂が用いられる。
【００４１】
上記の浸透抑制層５１としては、燃料極１の拡散層１７に比べて液体燃料を透過しにくい供給抑制構造を有する材料を用いることができる。上記の浸透抑制層としては、例えば、ポリイミド、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などのフッ素樹脂を用いることができる。該浸透抑制層は、好ましくは多孔質材である。
【００４２】
上記の浸透抑制層５１の膜厚や多孔質材の孔径は、拡散層１７の膜厚や孔径に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されないが、例えば膜厚が１μｍから３０μｍ程度、多孔質材の孔径が０.０１μｍ〜１μｍ程度のものを用いることができる。好ましくは、浸透抑制層５１の透過速度は、拡散層１７の透過速度に対して、例えばガーレー試験機法により測定した透気度として１桁から２桁程度低いものが望ましい。上記の浸透抑制層５１は、燃料の透過速度が拡散層１７の透過速度に対して１桁から２桁程度低いものであれば多孔質材に限るものではなく、微細孔を有しないものでもよい。
【００４３】
上記の浸透抑制層５１に配置される貫通孔を形成する方法としては、レーザーアブレーションやパンチングやドリルなどの機械的な窄孔手段が挙げられる。貫通孔５２内の導電体５３は、無電解めっきにより形成した金薄膜を用いることができる。また、貫通溝は、レーザーアブレーション法によって連続的に加工することにより作製することができる。
【００４４】
燃料極１において、電極層１６と拡散層１７とは、電極層１６に拡散層１７をホットプレスなどにより圧着するか、又は電極層１６が樹脂である場合、拡散層１７に拡散層１６の材料となる樹脂を含浸させて熱処理することにより、積層することができる。
さらに、浸透抑制層５１は、該浸透抑制層の材料である上記の樹脂を拡散層１７に含浸させて熱処理することにより得ることができる。あるいは、多孔質の上記の樹脂を電極層１６と拡散層１７上に積層して熱処理して形成してもよい。
燃料極を構成するこれらの層を形成する順序は特に限定されず、電極層と拡散層とを積層した後に浸透抑制層を形成してもよいし、浸透抑制層と拡散層とを積層した後に電極層を形成してもよい。
【００４５】
（４）電解質膜
電解質膜２の材質としては、プロトン伝導性で燃料極及び酸化剤極の反応（発熱反応）に耐え得る耐熱性とプロトン伝導性の酸性雰囲気に耐え得る耐酸性の材料であれば特に限定されず、有機材料又は無機材料のいずれを用いることもできる。本実施形態においては、有機系の含フッ素高分子を骨格とするスルホン酸基含有パーフルオロカーボン(ナフィオン１１７(登録商標) (デュポン社製))を用いている。また、電解質膜２は、プロトン伝導性の機能を有すればよく、他の基材に電解質膜を埋め込んだものであってもよい。
（５）酸化剤極
酸化剤極の電極層１８は、燃料極１の電極層１６と同様に、金属触媒を含む樹脂層で作製される。拡散層２２は、燃料極１の拡散層１７と同様に、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属などの多孔質材を用いることができる。
【００４６】
酸化剤極３は、従来公知の方法により製造することができ、例えば上記の燃料極の電極層と拡散層とを積層する方法について記載した方法などを用いて製造することができる。
【００４７】
（６）流路板
上記の流路板６としては、液体燃料に対する透過性の無い基板を用いることができ、例えばニッケルなどの金属からなる基板、シリコン基板、ガラス基板、アクリルやＰＤＭＳなどの樹脂基板などを用いることができる。本実施形態においては、流路板６として微細加工を施したニッケル基板を用いている。
【００４８】
流路板６が導電性のないガラス基板など絶縁性の材料からなる場合は、図５に示すように導電性の配線層６１を、流路板と浸透抑制層との間に挿入してもよい。本実施形態では、配線層６１としては、貫通孔５２内の導電体５３と同様に、無電解めっきで形成した金薄膜を用いている。
【００４９】
（７）ハウジング
上記のハウジング５は、従来公知の燃料電池の筐体として用いられる材質からなるものであってよく、例えば炭素樹脂、又は上記流路板と同様に、ガラス、アクリル並びにＰＤＭＳなどの樹脂などが挙げられる。
【００５０】
本発明の燃料電池において、上記の流路板６やハウジング５などにＰＤＭＳなど可撓性の樹脂材料を用いている場合、図６に示すように、流路板６やハウジングが撓んだ場合においても、流路板６と拡散層１７とを電気的に低抵抗で安定して接続することができる。さらに、発電セルと流路を積層する際に、第１の流路１３周辺の流路壁１２と浸透抑制層５１の接合面の密着性が保てるために、流路壁１２と浸透抑制層５１界面を経由した第１の流路１３から第２の流路１５への燃料の漏れをより確実に抑制することができる。
【００５１】
（８）燃料電池の組み立て
本発明の燃料電池は、従来公知の方法により得ることができ、例えば上記のようにして得られた電解質膜２に燃料極１及び酸化剤極３をホットプレスにより接合して膜電極複合体を作製し、上記の流路板６に上記の膜電極複合体を積層し、それに上記の酸化剤室と一体化したハウジング５を被せ、流路板６とハウジング５を接着することにより得ることができる。
【００５２】
（９）従来の燃料電池との比較
浸透抑制層５１がない従来の燃料電池においては、第１の流路１３の燃料の供給開始位置に近い流路付近で液体燃料が第１の流路１３から拡散層１７へ拡散する量が多くなり、第１の流路１３の末端まで燃料が行き渡らせにくくなるので、非常に高い燃料供給圧が必要となる。
【００５３】
浸透抑制層５１を用いずに拡散層１７そのもの浸透速度を低くしても、第１の流路１３に低い燃料供給圧で液体燃料を行き渡らせることはできるが、拡散層１７内の燃料の浸透（拡散）そのものが遅くなるため、反応に必要な燃料を十分に供給（補充）することができず、燃料電池の出力が低くなる。
【００５４】
従来のように、供給される燃料の主な流れが拡散層を経由しない流路（つまり、流路が第１の流路と第２の流路に分離されていない流路）を有し、浸透抑制層を有さない燃料電池を作製したところ、数１００μリットル／分の燃料供給が必要であった。これに対して、主な流れが拡散層を経由する本実施形態の燃料電池では、数１０μリットル／分以下の燃料供給で、上記の従来の燃料電池と同等の出力が得られた。すなわち、本発明の燃料電池は、従来の燃料電池に比べて燃料の利用効率が１桁程度向上することが確認できた。
【００５５】
(第２の実施の形態)
次に、図７に、この発明の第２の実施形態としての燃料電池を模式的に示す。この第２実施形態は、上記の第１の実施形態の燃料電池の構成に加えて、流路板６の供給口７に順に接続された圧力調整部８１と燃料貯蔵部８２、および流路板６の排出口８に接続されたガス排出部８３と、蓋部２０の酸化剤導入口２０に接続された酸化剤圧送部８４とを備えた。したがって、この第２の実施形態では、第１実施形態と同じ構成の部分には同じ符号を付して、第１の実施形態と異なる点を主に説明する。
【００５６】
燃料貯蔵部８２は流路８５で圧力調整部８１に接続され、圧力調整部８１は流路８６で供給口７に接続されている。また、蓋部２０と酸化剤極３との間に形成された流路２１は、酸化剤極３に酸化剤の一例としての酸素あるいは空気を供給するための第３の通路をなす。酸化剤圧送部８４は、酸化剤を酸化剤導入口２０Ａから流路２１に供給する。
この蓋部２０の排出口２０Ｂには、流路２１からの排出ガス(例えば水蒸気)が導入される第４の流路８７の一端が接続され、第４の流路８７の他端はガス排出部８３に接続されている。このガス排出部８３は、排出口８に一端が接続された第５の流路８８の他端が接続されている。この第５の流路８８には第２の流路１５からの排出ガス(例えば二酸化炭素)が導入される。
【００５７】
燃料貯蔵部８２は、燃料に対して耐性を有する材料からなる容器であってよい。このような材料としては、硬質塩化ビニル樹脂、ＰＴＦＥやエポキシの硬質樹脂、ＰＤＭＳなどシリコン樹脂、ガラス繊維や炭素繊維などを複合した樹脂などの樹脂材料、アルミニウムやチタン、防食処理したマグネシウム合金などの金属材料が挙げられる。
流路８５、８６，８７及び８８は、燃料に対して耐性を有する材料からなる管状部材からなるものである。該材料としては、硬質塩化ビニル樹脂、ＰＴＦＥやエポキシの硬質樹脂、シリコン樹脂などが挙げられる。
【００５８】
この第２実施形態によれば、燃料貯蔵部８２に貯蔵された液体燃料(例えばメタノールと水との混合物)を、減圧弁又は圧力調整弁などで構成され得る圧力調整部８１を用いて、液体燃料を第１の流路１３から燃料極１へ安定に供給でき、燃料電池としての出力向上を図ることができる。また、常に運転するポンプを使用する場合に比べて電力消費が少なくてすむことから、電力の損失を抑えて燃料電池としての出力を高めることができる。
【００５９】
また、この第２実施形態によれば、燃料極１からの使用済み燃料としての排出ガスと酸化剤極３からの水蒸気などの排出ガスとの両方の排出ガスを同じ１つのガス排出部８３から排出できるので、排出ガスの回収が容易になる。
【００６０】
第２の実施形態において、第１の流路１３内の圧力と第２の流路１５内の圧力との圧力差を検知する手段としての圧力センサ(図示せず)を備えてもよい。この場合には、この圧力センサが検知した圧力差に基づいて、圧力調整部８１が第１の流路１３内の圧力を調整することで、上記の圧力差を所定の範囲(例えば、０.０００１気圧〜０.１気圧程度)に保つことが可能となる。よって、温度変化や気圧変化などの環境変化が生じた場合においても、燃料の供給量を安定させ、燃料電池の出力を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の燃料電池の第１実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ’断面図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ’断面図である。
【図４】浸透抑制層の断面図である。
【図５】本発明の燃料電池の第１実施形態を示す断面図である。
【図６】本発明の燃料電池の第１実施形態を示す断面図である。
【図７】本発明の燃料電池の第２実施形態を示す模式図である。
【図８】従来の直接型メタノール燃料電池の断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１ 燃料極
２ 電解質膜
３ 酸化剤極
５ ハウジング
６ 流路板
７ 供給口
８ 排出口
１０ 第１の流路溝
１１ 第２の流路溝
１２ 壁
１３ 第１の流路
１５ 第２の流路
１６ 電極層
１７ 拡散層
１８ 電極層
２０ 蓋部
２１ 酸化剤極側の流路
２２ 拡散層
５１ 浸透抑制層
５２ 貫通孔
５３ 導電体
６１ 配線層
８１ 圧力調整部
８２ 燃料貯蔵部
８３ ガス排出部
８４ 酸化剤圧送部
８５ 流路
８６ 流路
８７ 第４の流路
８８ 第５の流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料から陽イオンと電子を生成させる燃料極と、
前記燃料極に対向するように配置され、前記燃料極から生成される陽イオンが透過できる電解質膜と、
前記電解質膜に対向するように配置され、前記電解質膜を透過した前記陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤極と、
前記燃料極に対向するように配置され、前記燃料極に前記液体燃料を供給する第１の流路と前記燃料極からの排出ガスを排出する第２の流路とを形成する流路板を備え、
前記第１の流路と前記第２の流路とは分離されており、
前記燃料極は、
前記電解質膜側に触媒を含有する電極層と前記流路板側に拡散層とを有し、
前記第１の流路から前記拡散層への前記液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層を備え、
前記浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔または貫通溝を有し、
前記貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されている
燃料電池。
【請求項２】
前記貫通孔または貫通溝が、前記第１の流路と第２の流路とを隔てる流路壁に対向する位置に少なくとも配置されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記貫通孔または貫通溝が、少なくとも前記第１の流路の周辺を取り囲むように配置されている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１の流路に接続され、前記液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部と前記第１の流路との間を接続し、前記燃料貯蔵部から前記第１の流路に供給される液体燃料の圧力を調整する圧力調整部と
を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記酸化剤極に前記酸化剤を供給するための第３の流路と、
前記第３の流路に接続された前記第３の流路からの排出ガスが導入される第４の流路と、
前記第２の流路に接続された前記第２の流路からの排出ガスが導入される第５の流路と、
前記第４の流路と第５の流路とに接続された、前記第４の流路からの排出ガスと前記第５の流路からの排出ガスを合流させて排出するガス排出部と
を備える請求項４に記載の燃料電池。
【請求項１】
液体燃料から陽イオンと電子を生成させる燃料極と、
前記燃料極に対向するように配置され、前記燃料極から生成される陽イオンが透過できる電解質膜と、
前記電解質膜に対向するように配置され、前記電解質膜を透過した前記陽イオンと酸化剤とを反応させる酸化剤極と、
前記燃料極に対向するように配置され、前記燃料極に前記液体燃料を供給する第１の流路と前記燃料極からの排出ガスを排出する第２の流路とを形成する流路板を備え、
前記第１の流路と前記第２の流路とは分離されており、
前記燃料極は、
前記電解質膜側に触媒を含有する電極層と前記流路板側に拡散層とを有し、
前記第１の流路から前記拡散層への前記液体燃料の供給を抑制する浸透抑制層を備え、
前記浸透抑制層は、厚み方向に貫通孔または貫通溝を有し、
前記貫通孔または貫通溝内に導電体が配置されている
燃料電池。
【請求項２】
前記貫通孔または貫通溝が、前記第１の流路と第２の流路とを隔てる流路壁に対向する位置に少なくとも配置されている請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記貫通孔または貫通溝が、少なくとも前記第１の流路の周辺を取り囲むように配置されている請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記第１の流路に接続され、前記液体燃料を貯蔵する燃料貯蔵部と、
前記燃料貯蔵部と前記第１の流路との間を接続し、前記燃料貯蔵部から前記第１の流路に供給される液体燃料の圧力を調整する圧力調整部と
を備える請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記酸化剤極に前記酸化剤を供給するための第３の流路と、
前記第３の流路に接続された前記第３の流路からの排出ガスが導入される第４の流路と、
前記第２の流路に接続された前記第２の流路からの排出ガスが導入される第５の流路と、
前記第４の流路と第５の流路とに接続された、前記第４の流路からの排出ガスと前記第５の流路からの排出ガスを合流させて排出するガス排出部と
を備える請求項４に記載の燃料電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００８−１７１６７４（Ｐ２００８−１７１６７４Ａ）
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３６３２（Ｐ２００７−３６３２）
【出願日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
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