JP3693039B2

JP3693039B2 - 液体燃料供給型燃料電池

Info

Publication number: JP3693039B2
Application number: JP2002166884A
Authority: JP
Inventors: 英和木村; 秀渡辺; 務吉武; 貞則黒島; 新中村; 祐一島川; 隆志眞子; 英人今井; 佳実久保
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2005-09-07
Anticipated expiration: 2022-06-07
Also published as: CN1310367C; TWI222236B; KR20040111731A; KR100656632B1; CA2488165A1; WO2003105265A1; US7115337B2; EP1515387A1; JP2004014322A; TW200401468A; CN1659736A; US20040219412A1; EP1515387A4

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体燃料を燃料極へ直接供給しながら発電する燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体燃料供給型燃料電池は、パーフルオロスルフォン酸膜等のイオン交換膜を電解質とし、このイオン交換膜の両面に燃料極および酸化剤極の各電極を接合して構成され、燃料極に水素、酸化剤極に酸素あるいは空気を供給して電気化学反応により発電する装置である。この反応を起こすために、通常、液体燃料供給型燃料電池は、イオン交換膜と、その両面に形成される触媒物質が担持された炭素微粒子と固体高分子電解質との混合体からなる触媒層と、燃料および酸化ガスの供給と拡散を目的とする多孔質性炭素材料からなるガス拡散層（供給層）と、炭素あるいは金属の導電性薄板からなる集電体とで構成されている。
【０００３】
上記の構成において、燃料極に供給された燃料は、拡散層（供給層）中の細孔を通過して触媒に達し、触媒により燃料が分解されて、電子と水素イオンが生成される。電子は電極中の触媒担体とガス拡散層（供給層）とを通って外部回路へ導き出され、外部回路より酸化剤極に流れ込む。一方、水素イオンは電極中の電解質および両電極間の固体高分子電解質膜を通って酸化剤極に達し、酸化剤極に供給された酸素と外部回路より流れ込む電子と反応して水を生じる。この結果、外部回路では燃料極から酸化剤極へ向かって電子が流れ、電力が取り出される。
【０００４】
しかしながら、この基本的構成の固体高分子型燃料電池単体の電池電圧は、各電極における酸化還元電位差に相当することから、理想的な開放電圧であっても高々１．２３Ｖである。このため、様々な機器に搭載する駆動電源としては電池出力に関し、必ずしも充分とは言えない。例えば、携帯用機器の駆動電源に燃料電池を使用する場合、それらの機器の多くは電源として１．５〜４Ｖ程度以上の入力電圧を必要とする。このため、単位セルを直列に接続し、電池の電圧を上げる必要がある。
【０００５】
そこで、電池電圧を上昇させるために、単位セルを積層することにより充分な電圧を確保することが考えられるが、このようにすると電池全体が厚みを帯びることから、薄型化が要請される携帯機器などの駆動電源としては好ましいとは言えない。
【０００６】
電池の薄型化を実現する技術として、例えば特開平８−２７３６９６号公報には、同一平面状に複数のセルを組み込んだ燃料電池とこの燃料電池を複数枚重ねるスタック構造が開示されている。
【０００７】
また、特開平８−１７１９２５号公報、特開２００２−１１０２１５号公報には、一枚の電解質膜の一方の面側に複数の酸化剤電極が配置され、当該電解質膜の他方の面側に複数の燃料電極が配置されることにより、複数の単位セルを同一平面上に有する燃料電池が開示されている。
【０００８】
上記公報の技術は、複数のセル間を電気的に接続することにより高出力化が可能であるので、機器駆動のための電源電圧を得るという点において一定の効果を奏している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平８−２７３６９６号公報に記載の技術においては、平面内の配された各単位セルの燃料極と酸化剤極の向きは共通ではないため、各単位セル毎に燃料および酸化剤ガスを供給する必要がある。また、各単位セル内の燃料または酸化剤ガスが隣接する単位セルに流入することを防ぐため、密閉性を有する保持機構を必要とする。このため、燃料電池セル間隔は、燃料・酸化剤ガス供給機構や保持機構の大きさに依存し、充分な小型化を達成することが難しかった。さらに、構成部品数が多くなるなど、小型化およびコストの面から改善の余地を有していた。
【００１０】
また、特開平８−１７１９２５号公報に記載の技術においては、ある単位セルの燃料極において生成した水素イオンが、その単位セルの酸化剤極ではなく、隣接する単位セルの酸化剤極へ移動し（電気的リーク）、電圧が低下してしまうという課題を有していた。特に、各単位セルの間隔を電解質膜の厚さと同程度まで接近させる場合は、電気的リークが顕著となり、電圧の低下が避けられなかった。
【００１１】
また、特開２００２−１１０２１５号公報に記載のスルーホール接続方式においては、上記した酸化剤極へ電気的リークに加え、スルーホール内に挿通された導電部材へ水素イオンが移動することによる電気的リークも生じるという課題を有している。この技術の場合も、特に、各単位セルの間隔を接近させるほど、電気的リークおよび電圧の低下が顕著となる。
【００１２】
上記事情に鑑み、本発明は、簡素な構造を有し、高出力かつ小型化・薄型化された液体燃料供給型燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明によれば、固体電解質膜と、該固体電解質膜の一方の面に配置された第一の燃料極および前記第一の燃料極に隣接して設けられた第二の燃料極と、該固体電解質膜の他方の面に前記第一および第二の燃料極とそれぞれ対向して配置された第一の酸化剤極および第二の酸化剤極と、前記固体電解質膜を貫通する導電部材と、を含み、前記第一の燃料極、前記第一の酸化剤極および固体電解質膜により構成された第一の単位セルと、前記第二の燃料極、前記第二の酸化剤極および固体電解質膜により構成された第二の単位セルとが前記導電部材を介して電気的に直列に接続されてなる液体燃料供給型燃料電池であって、前記第一および第二の単位セル間の領域に、前記導電部材から離隔して設けられた低イオン伝導性領域が形成されたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池が提供される。
【００１４】
本発明における液体燃料供給型燃料電池とは、液体燃料を燃料極に直接供給しながら発電する燃料電池をいう。ダイレクトメタノール型燃料電池は、液体燃料供給型燃料電池の一形態である。
【００１５】
本発明の液体燃料供給型燃料電池は、一枚の固体電解質膜を共有した複数の単位セルが電気的に接続されることにより構成されている。このため、単位セル同士を保持・固定する部材を必要としないため、簡素な構造で高出力が得られる燃料電池が実現する。
【００１６】
さらに、上記固体電解質膜の一方の面には燃料極が、他方の面には酸化剤極が配置されているため、各単位セル毎に燃料あるいは酸化剤を供給する流路などを設ける必要がなく、上記複数の単位セルに対し一挙に燃料あるいは酸化剤を供給することが可能である。したがって、機構を簡素化することができるため、燃料電池の小型化を図ることが可能となる。
【００１７】
また本発明によれば、上記の液体燃料供給型燃料電池において、上記固体電解質膜を貫通する導電部材をさらに備え、上記第一および第二の単位セルが、当該導電部材を介して直列に接続されている。
【００１８】
このようにすることにより、投影面積を増やすことなく単位セルを直列に接続することが可能となる。したがって、電池全体を一層小型化することができる。
【００２４】
本発明の燃料電池においては、各単位セル同士の間隔を狭めることにより、さらに燃料電池の小型化を図ることができる。しかしながら、このような場合、上記したように電気的リークが生じることから、電圧が低下してしまうという課題が生じる。
【００２５】
そこで本発明の燃料電池においては、固体電解質膜上における単位セル間の領域に、低イオン伝導性領域を設けることにより、上記電気的リークが生じることを防止している。このため、各単位セルの間隔を、固体電解質膜の厚さと同程度とした場合においても電圧の低下が抑制されるため、小型かつ薄型で高出力の燃料電池が実現する。ここで、本発明における低イオン伝導性領域とは、他の領域と比較して、水素イオンの伝導性が低い領域をいう。
【００２６】
また本発明によれば、固体電解質膜と、該固体電解質膜の一方の面に配置された第一の燃料極および第一の燃料極に隣接して設けられた第二の燃料極と、該固体電解質膜の他方の面に第一および第二の燃料極とそれぞれ対向して配置された第一の酸化剤極および第二の酸化剤極と、固体電解質膜を貫通する導電部材と、を含み、第一の燃料極、第一の酸化剤極および固体電解質膜により構成された第一の単位セルと、第二の燃料極、第二の酸化剤極および固体電解質膜により構成された第二の単位セルとが導電部材を介して電気的に直列に接続されてなる液体燃料供給型燃料電池であって、第一および第二の単位セル間の領域に、固体電解質膜に溝部が形成されてなる低イオン伝導性領域が設けられたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池が提供される。
また本発明によれば、固体電解質膜と、該固体電解質膜の一方の面に配置された第一の燃料極および第一の燃料極に隣接して設けられた第二の燃料極と、該固体電解質膜の他方の面に第一および第二の燃料極とそれぞれ対向して配置された第一の酸化剤極および第二の酸化剤極と、固体電解質膜を貫通する導電部材と、を含み、第一の燃料極、第一の酸化剤極および固体電解質膜により構成された第一の単位セルと、第二の燃料極、第二の酸化剤極および固体電解質膜により構成された第二の単位セルとが導電部材を介して電気的に直列に接続されてなる液体燃料供給型燃料電池であって、第一および第二の単位セル間の領域に、導電部材とは別に設けられるとともに固体電解質膜に凹部が形成されてなる低イオン伝導性領域が設けられたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池が提供される。
【００２７】
このような構成とすることにより低イオン伝導性領域を設けることができ、固体電解質膜を介した単位セル間の水素イオンの移動を抑制することができるため、電圧低下が効果的に抑制された高出力の燃料電池が実現する。
【００２８】
また本発明によれば、上記の液体燃料供給型燃料電池において、上記溝部に絶縁性樹脂が充填されたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池が提供される。
また本発明によれば、上記の液体燃料供給型燃料電池において、上記凹部に絶縁性樹脂が充填されたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池が提供される。
【００２９】
上記溝部あるいは凹部を絶縁性樹脂によって充填することにより、固体電解質膜を介した単位セル間の水素イオンの移動をより一層抑制することが可能となり、出力の一層高い燃料電池を得ることが可能となる。
【００３０】
上記絶縁性樹脂としては、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂のいずれかを用いることが好ましい。これらの樹脂を用いることにより、上記溝部または凹部に対し、簡便かつ確実に絶縁性樹脂を充填することができる。
【００３１】
また本発明によれば、上記の液体燃料供給型燃料電池において、上記導電部材と上記固体電解質膜との間に挟まれたシール材をさらに備えたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池が提供される。
上記導電部材と上記固体電解質膜との間に間隙が存在する場合、燃料と酸化剤が混合してしまうことから、燃料が空費される。本発明によれば、上記導電部材と上記固体電解質膜とが形成する間隙を完全に塞ぐことができるため、燃料の空費を抑制することができる。
また本発明によれば、上記の液体燃料供給型燃料電池において、上記導電部材の表面が、絶縁性を有する材料によりコーティングされたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池が提供される。
上記導電部材と単位セルが接近して設けられる場合、当該単位セルの燃料極で生じた水素イオンが酸化剤極へ向かわずに、導電部材へ移動することが起こりうる。これが生じると、上記の電気的リークと同様に電圧の低下を招く。そこで、本発明では、上記導電部材の表面を絶縁性を有する材料によりコーティングすることにより、水素イオンの導電部材への移動を防止することができ、電圧の低下を抑制することが可能となる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下、図２を参照して、本実施形態の燃料電池の構成および動作について説明する。
【００３６】
図２（ａ）は、本実施形態の燃料電池の構造を模式的に表した斜視図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ'断面図である。図２（ａ）および（ｂ）に示されるように、一枚の固体高分子電解質膜１１４の一方の面に燃料極１０２ａ、ｂが配され、固体高分子電解質膜１１４の他方の面には酸化剤極１０８ａ、ｂが配されている。また、燃料極１０２ａ、ｂ上には集電体１２０、１２１が、酸化剤極１０８ａ、ｂ上には集電体１２２、１２３が接続されている。また、集電体１２０および１２３は、固体高分子電解質膜１１４を貫通する接続電極１２４により電気的に接続されている。なお、燃料極１０２ａ、ｂおよび酸化剤極１０８ａ、ｂは、図示しない基体および触媒層から構成される。
【００３７】
以上のように構成された燃料電池において、図２（ｂ）に示されるように、燃料極１０２ａ、ｂには燃料１２５が、酸化剤極１０８ａ、ｂには空気あるいは酸素などの酸化剤１２６が供給される。本実施形態の燃料電池においては、複数の単位セルの燃料極１０２ａ、ｂ、酸化剤極１０８ａ、ｂがそれぞれ固体高分子電解質膜１１４を境にして同じ側に配されている。したがって、燃料を供給する燃料流路および酸化剤を供給する酸化剤流路はそれぞれ一系統で足りるため、燃料電池の構造を簡素化することが可能となる。ここで、固体高分子電解質膜１１４は、燃料極側と酸化剤極側を隔てる隔壁の役割を有していることから、燃料１２５が酸化剤極側に進入することはなく、また酸化剤１２６が燃料極側に進入することもない。
【００３８】
固体高分子電解質膜１１４は、燃料極１０２ａ、ｂと酸化剤極１０８ａ、ｂとを隔てるとともに、両者の間で水素イオンを移動させる役割を有する。このため、固体高分子電解質膜１１４は、水素イオンの導電性が高い膜であることが好ましい。また、化学的に安定であって機械的強度が高いことが好ましい。固体高分子電解質膜１１４を構成する材料としては、
スルホン基、リン酸基、ホスホン基、ホスフィン基などの強酸基や、カルボキシル基などの弱酸基などの極性基を有する有機高分子が好ましく用いられる。こうした有機高分子として、
スルフォン化ポリ（4-フェノキシベンゾイル-1,4-フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子；
ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、架橋アルキルスルホン酸誘導体、フッ素樹脂骨格およびスルホン酸からなるフッ素含有高分子などの共重合体；
アクリルアミド−２−メチルプロパンスルフォン酸のようなアクリルアミド類とｎ−ブチルメタクリレートのようなアクリレート類とを共重合させて得られる共重合体；
スルホン基含有パーフルオロカーボン（ナフィオン（デュポン社製）、アシプレックス（旭化成社製））；
カルボキシル基含有パーフルオロカーボン（フレミオンＳ膜（旭硝子社製））；
などが例示される。
【００３９】
上記スルフォン化ポリ（4-フェノキシベンゾイル-1,4-フェニレン）、アルキルスルフォン化ポリベンゾイミダゾールなどの芳香族含有高分子を選択した場合には、当該有機液体燃料の透過を抑制でき、クロスオーバーによる電池効率の低下を抑えることができる。
【００４０】
燃料極１０２ａ、ｂおよび酸化剤極１０８ａ、ｂは、たとえば、触媒を担持した炭素粒子と固体高分子電解質の微粒子とを含む膜を基体上に形成した構成とすることができる。基体表面は撥水処理してもよい。
【００４１】
基体としては、燃料極、酸化剤極ともにカーボンペーパー、カーボンの成形体、カーボンの焼結体、焼結金属、発泡金属などの多孔性基体を用いることができる。また、基体の撥水処理にはポリテトラフルオロエチレンなどの撥水剤を用いることができる。
【００４２】
燃料極の触媒としては、白金、白金、ロジウム、パラジウム、イリジウム、オスミウム、ルテニウム、レニウム、金、銀、ニッケル、コバルト、リチウム、ランタン、ストロンチウム、イットリウムなどが例示され、これらを単独または二種類以上組み合わせて用いることができる。一方、酸化剤極の触媒としては、燃料極の触媒と同様のものが用いることができ、上記例示物質を使用することができる。なお、燃料極および酸化剤極の触媒は同じものを用いても異なるものを用いてもよい。
【００４３】
触媒を担持する炭素粒子としては、アセチレンブラック（デンカブラック（電気化学社製）、ＸＣ７２（Vulcan社製）など）、ケッチェンブラック、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーンなどが例示される。炭素粒子の粒径は、たとえば、０．０１〜０．１μｍ、好ましくは０．０２〜０．０６μｍとする。
【００４４】
燃料１２５としては、メタノール、エタノール、ジエチルエーテルなどの有機液体燃料を用いることができる。
【００４５】
燃料極１０２ａ、ｂおよび酸化剤極１０８ａ、ｂの作製方法は特に制限がないが、たとえば以下のようにして作製することができる。
【００４６】
まず燃料極１０２ａ、ｂおよび酸化剤極１０８ａ、ｂの触媒の炭素粒子への担持は、一般的に用いられている含浸法によって行うことができる。次に、触媒を担持させた炭素粒子と固体高分子電解質粒子を溶媒に分散させ、ペースト状とした後、これを基体に塗布、乾燥させることによって燃料極１０２ａ、ｂおよび酸化剤極１０８ａ、ｂを得ることができる。ここで、炭素粒子の粒径は、たとえば０．０１〜０．１μｍとする。また、触媒粒子の粒径は、たとえば１ｎｍ〜１０ｎｍとする。また、固体高分子電解質粒子の粒径は、たとえば０．０５〜１μｍとする。炭素粒子と固体高分子電解質粒子とは、たとえば、重量比で２：１〜４０：１の範囲で用いられる。また、ペースト中の水と溶質との重量比は、たとえば、１：２〜１０：１程度とする。基体へのペーストの塗布方法については特に制限がないが、たとえば、刷毛塗り、スプレー塗布、およびスクリーン印刷等の方法を用いることができる。ペーストは、約１μｍ〜２ｍｍの厚さで塗布される。ペーストを塗布した後、使用するフッ素樹脂に応じた加熱温度および加熱時間で加熱し、燃料極１０２ａ、ｂまたは酸化剤極１０８ａ、ｂが作製される。加熱温度および加熱時間は、用いる材料によって適宜に選択されるが、たとえば、加熱温度１００℃〜２５０℃、加熱時間３０秒間〜３０分とすることができる。
【００４７】
固体高分子電解質膜１１４は、用いる材料に応じて適宜な方法を採用して作製することができる。たとえば、固体高分子電解質膜１１４を有機高分子材料で構成する場合、有機高分子材料を溶媒に溶解または分散した液体を、ポリテトラフルオロエチレン等の剥離性シート等の上にキャストして乾燥させることにより得ることができる。
【００４８】
固体高分子電解質膜１１４には、当該電解質膜を貫通するように接続電極１２４が設けられる。接続電極１２４は、後述する集電体１２０および１２３を電気的に接続するための導電部材である。接続電極１２４は、たとえば、固体高分子電解質膜１１４に予め貫通孔を設けておき、この貫通孔に挿通することができる。また、予め貫通孔を設けず、接続電極１２４を直接固体高分子電解質膜に突き刺し、貫通孔を設けつつ貫通させてもよい。
【００４９】
ここで、固体高分子電解質膜１１４と接続電極１２４との隙間から燃料あるいは酸化剤が漏れることを防止するために、たとえば、当該貫通孔よりも幾分小さめの径の孔部を有するシール材を、その孔部と貫通孔を合わせて予め当該貫通孔上に載せておき、接続電極１２４をそのシール材の上から挿通することもできる。こうすることにより、貫通孔と接続電極１２４の隙間を完全に塞ぐことが可能となる。シール材としては、たとえばテトラフルオロエチレン樹脂製フィルムやシリコン製フィルムを使用することができる。
【００５０】
以上のようにして作製した固体高分子電解質膜１１４を、燃料極１０２ａ、ｂおよび酸化剤極１０８ａ、ｂで挟み、ホットプレスし、電極−電解質接合体を得る。このとき、両電極の触媒が設けられた面と固体電解質膜とが接するようにする。ホットプレスの条件は、材料に応じて選択されるが、固体電解質膜や電極表面の電解質膜を有機高分子で構成する場合、これらの高分子の軟化温度やガラス転位温度を超える温度とすることができる。具体的には、例えば、温度１００〜２５０℃、圧力１〜１００ｋｇ／ｃｍ^２、時間１０秒〜３００秒とする。
【００５１】
上記のようにして得られた電極−電解質接合体を、集電体１２０〜１２３により挟持する。その後、固体高分子電解質膜１１４を貫通する接続電極１２４により、集電体１２０および１２３を電気的に接続する。こうすることにより、直列接続された燃料電池を得ることができる。接続電極１２４、集電体１２０および１２３の接続方法は特に限定されないが、例えば、接続電極１２４と集電体１２０あるいは１２３をかしめることにより接続したり、または溶接することにより接続することができる。なお、集電体１２０〜１２３および接続電極１２４は導電性を有する部材であり、例えばステンレスやチタンなどを用いることができる。
【００５２】
上記の説明においては、簡単のため、単位セルが二つの場合について説明したが、これに限られるものではなく、三つ以上の単位セルを用いた形態についても適用することができる。
【００５３】
また、本実施形態の燃料電池においては、上記した従来技術における密閉性を有する保持機構を必要としないため、各単位セル同士を近付けて配置させ、省スペースを図ることにより、高密度実装を実現できる。
【００５４】
しかしながら、各単位セル同士を固体高分子電解質膜１１４の厚さ程度まで近付けて配置させた場合には、ある単位セルの燃料極において生成した水素イオンが、その単位セルの酸化剤極ではなく、隣接する単位セルの酸化剤極へ移動してしまうこと（電気的リーク）が生じ得る。このように移動する水素イオンは電圧降下の原因となる。そこで本実施形態では、この電気的リークを防止するため、単位セルと単位セルとの間の領域に溝加工を施している。また、図３のように穴加工を施すこともできる。
【００５５】
図２（ａ）は、溝部３０２が設けられた形態の斜視図であり、図中のＡ−Ａ'断面図が図２（ｂ）である。また、図３（ａ）は、凹部３０３が設けられた形態の斜視図であり、図中のＡ−Ａ'断面図が図３（ｂ）である。溝部３０２または凹部３０３を設けることにより、燃料極１０２ａで生成した水素イオンが隣接する単位セルの酸化剤極１０８ｂへ移動する際のイオン伝導性を降下させることができる。このため、電気的リークを抑え、燃料極１０２ａで生成した水素イオンを効果的に酸化剤極１０８ａに導くことができる。さらに、溝部３０２または凹部３０３を絶縁性を有する樹脂などで充填することもできる。このような形態を図４、図５に示す。図４（ａ）は、溝部に絶縁性フィルム３０４が挟まれた形態の斜視図を示しており、図中のＡ−Ａ'断面図が図４（ｂ）である。また、図５（ａ）は、凹部に絶縁性樹脂３０５が充填された形態の斜視図を示しており、図中のＡ−Ａ'断面図が図５（ｂ）である。このような構成を採用することにより、電気的リークをより一層抑制することが可能となる。
【００５６】
なお、絶縁性フィルム３０４および絶縁性樹脂３０５としては、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂などの材料を用いることができる。
【００５７】
上記より、図２〜図５に示される実施の形態においては、燃料電池のセル間隔を固体高分子電解質膜の膜厚以下とすることができるため、より高密度な実装を実現することができる。
【００５８】
また、上記の電気的リークは、水素イオンが接続電極１２４へ移動することによっても生じる。これを防止するために、接続電極１２４の表面を絶縁性を有する材料でコーティングすることが好ましい。絶縁性を有する材料としては、シリコン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリイミド系の材料が例示され、これを例えば蒸着法を用いてコーティングすることができる。
【００５９】
【実施例】
（参照例１）
図１を参照して、参照例について説明する。
【００６０】
触媒には炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。なお、合金組成は５０ａｔ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末の重量比は１：１とした。この触媒担持炭素微粒子１ｇにアルドリッチ・ケミカル社製５ｗｔ％ナフィオン溶液１８ｍｌを加え、５０℃にて３時間超音波混合機で攪拌し触媒ペーストとした。このペーストをカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−１２０）上にスクリーン印刷法で２ｍｇ／ｃｍ^２塗布し、１２０℃で乾燥させて電極を得た。
【００６１】
固体高分子電解質膜１１４（デュポン社製ナフィオン（登録商標）、膜厚１５０μｍ）に、後述の接続電極１２４を挿通するための貫通孔を設けた。この固体高分子電解質膜１１４に対し、上記で得た電極を１２０℃で熱圧着して燃料極１０２および酸化剤極１０８とし、二組の単位セルを作成した。なお、この二つの単位セルの間隔は２．５ｍｍとした。
【００６２】
上記二つの単位セルをステンレス製の集電体１２０〜１２３で挟持した。さらに、集電体１２０および集電体１２３を、テトラフルオロエチレン樹脂によりコーティングを施したステンレス製のＭ２ボルトである接続電極１２４を用い、上記貫通孔に挿通させつつ直列に接続した。ここで、接続電極１２４を上記貫通孔に挿通させるに際しては、テトラフルオロエチレン樹脂からなるシール材３０６を上記貫通孔上に載せた状態で挿通させ、図示されるように貫通孔を完全に塞いだ。
【００６３】
さらに、テトラフルオロエチレン樹脂製の燃料容器を燃料極１０２側に取り付けた。二つの燃料極１０２は、この燃料容器に覆われ、かつ固体高分子電解質膜１１４とこの燃料容器とで密閉された状態となるようにした。
【００６４】
この燃料電池の内部に１０％メタノール水溶液を２ｍｌ／ｍｉｎで流し、外部を大気中に曝して電池特性を測定したところ、電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２時の電池電圧が０．９Ｖであった。この電圧は、一つの単位セルで測定した場合の２倍の電圧に相当することから、二つの単位セルが直列接続されていることが確認された。
【００６５】
上記参照例においては、単位セル間に充分な間隔を確保しているため、電気的リークがほとんど生じず、良好な結果が得られている。ところが、単位セル間の間隔を固体高分子電解質膜の厚さと同程度まで狭めると、電気的リークが顕著となることから、電圧降下が生じる。
【００６６】
以下に、単位セル間の間隔を固体高分子電解質膜の厚さと同程度まで狭めつつ、上記実施例と同等の性能を有する実施例を示す。
【００６７】
（実施例２）
図２を参照して本実施例について説明する。
【００６８】
触媒には炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。なお、合金組成は５０ａｔ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末の重量比は１：１とした。この触媒担持炭素微粒子１ｇにアルドリッチ・ケミカル社製５ｗｔ％ナフィオン溶液１８ｍｌを加え、５０℃にて３時間超音波混合機で攪拌し触媒ペーストとした。このペーストをカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−１２０）上にスクリーン印刷法で２ｍｇ／ｃｍ^２塗布し、１２０℃で乾燥させて電極を得た。
【００６９】
次に、固体高分子電解質膜１１４（デュポン社製ナフィオン（登録商標）、膜厚１５０μｍ）に、表面をテトラフルオロエチレン樹脂によりコーティングした直径０．０５ｍｍの金製のワイヤーである接続電極１２４を挿通させた。
【００７０】
この固体高分子電解質膜１１４に対し、上記で得た電極を１２０℃で熱圧着して燃料極１０２ａ、ｂおよび酸化剤極１０８ａ、ｂとし、二組の単位セルを作成した。なお、この二つの単位セルの間隔は０．２ｍｍとした。さらに、この二つの単位セルの間に、幅０．０５ｍｍ、深さ０．１ｍｍの溝部３０２を設けた。
【００７１】
上記二つの単位セルをステンレス製の集電体１２０〜１２３で挟持した。さらに、集電体１２０および集電体１２３を接続電極１２４を介して直列に接続した。接続は超音波振動による熱圧着により行った。
【００７２】
さらに、テトラフルオロエチレン樹脂製の燃料容器を燃料極側に取り付けた。
燃料極１０２ａ、ｂは、この燃料容器に覆われ、かつ固体高分子電解質膜１１４とこの燃料容器とで密閉された状態となるようにした。
【００７３】
なお、本実施例においては、溝部３０２を接続電極１２４の右側に設けた例について説明したが、溝部３０２を接続電極１２４の左側に設けてもよい。また、溝部３０２を接続電極１２４が貫通する形態を採ることもできる。
【００７４】
（実施例３）
図４を参照して本実施例について説明する。
【００７５】
本実施例における固体高分子電解質膜１１４は、図２における固体高分子電解質膜１１４上に設けられた溝部３０２に、ポリイミドからなる絶縁性フィルム３０４（デュポン社製カプトン（登録商標））を挟み、接着させたものである。その他の構成は実施例２と同様である。
【００７６】
なお、図４には、溝部および絶縁性フィルム３０４を接続電極１２４の右側に配した例について示したが、溝部および絶縁性フィルム３０４を接続電極１２４の左側に設けた形態を採用することもできる。
【００７７】
（比較例１）
本比較例における固体高分子電解質膜は、図２における固体高分子電解質膜１１４上に設けられた溝部３０２を設けないものであり、その他の構成は実施例２と同様である。
【００７８】
実施例２、実施例３および比較例１の燃料電池の内部に１０％メタノール水溶液を２ｍｌ／ｍｉｎで流し、外部を大気中に曝して電池特性を測定した。その結果を表１に示した。
【００７９】
【表１】

【００８０】
表中、電池電圧は電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２時のものである。比較例１の電池よりも実施例２の電池の方が電圧が高いのは、比較例１の電池において生じていた電気的リークが、固体高分子電解質膜１１４上に設けられた溝部３０２（図２）により抑制された結果であると考えられる。また、実施例３の電池電圧は実施例２よりもさらに高く、０．９Ｖを示した。この電圧は、燃料電池セル単体で測定した場合の２倍の電圧に相当することから、絶縁性フィルム３０４（図４）により電気的リークが完全に抑えられていることが確認された。
【００８１】
上記より、実施例２および３の電池は、単位セルの間隔が０．２ｍｍという極めて高密度な実装が可能であることが判明した。
【００８２】
（実施例４）
図３を参照して本実施例について説明する。
【００８３】
触媒には炭素微粒子（デンカブラック；電気化学社製）に粒子径３〜５ｎｍの白金（Ｐｔ）−ルテニウム（Ｒｕ）合金を重量比で５０％担持させた触媒担持炭素微粒子を使用した。なお、合金組成は５０ａｔ％Ｒｕで、合金と炭素微粉末の重量比は１：１とした。この触媒担持炭素微粒子１ｇにアルドリッチ・ケミカル社製５ｗｔ％ナフィオン溶液１８ｍｌを加え、５０℃にて３時間超音波混合機で攪拌し触媒ペーストとした。このペーストをカーボンペーパー（東レ製：ＴＧＰ−Ｈ−１２０）上にスクリーン印刷法で２ｍｇ／ｃｍ^２塗布し、１２０℃で乾燥させて電極を得た。
【００８４】
次に、固体高分子電解質膜１１４（デュポン社製ナフィオン（登録商標）、膜厚１５０μｍ）に、表面をテトラフルオロエチレン樹脂によりコーティングした直径０．０５ｍｍの金製のワイヤーである接続電極１２４を挿通させた。
【００８５】
この固体高分子電解質膜１１４に対し、上記で得た電極を１２０℃で熱圧着して燃料極１０２ａ、ｂおよび酸化剤極１０８ａ、ｂとし、二組の単位セルを作成した。なお、この二つの単位セルの間隔は０．２ｍｍとした。さらに、この二つの単位セルの間に、直径０．１ｍｍ、深さ０．１ｍｍの凹部３０３を設けた。
【００８６】
上記二つの単位セルをステンレス製の集電体１２０〜１２３で挟持した。さらに、集電体１２０および集電体１２３を接続電極１２４を介して直列に接続した。接続は超音波振動による熱圧着により行った。
【００８７】
さらに、テトラフルオロエチレン樹脂製の燃料容器を燃料極側に取り付けた。
燃料極１０２ａ、ｂは、この燃料容器に覆われ、かつ固体高分子電解質膜１１４とこの燃料容器とで密閉された状態となるようにした。
【００８８】
なお、本実施例においては、凹部３０３を接続電極１２４の右側に設けた例について説明したが、凹部３０３を接続電極１２４の左側に設けてもよい。
【００８９】
（実施例５）
図５を参照して本実施例について説明する。
【００９０】
本実施例における固体高分子電解質膜１１４は、図３における固体高分子電解質膜１１４上に設けられた凹部３０３に、絶縁性樹脂３０５（エポキシ性樹脂）を充填したものである。その他の構成は実施例４と同様である。
【００９１】
なお、図５においては、凹部および絶縁性樹脂３０５が接続電極１２４の右側に配された例について説明したが、凹部および絶縁性樹脂３０５が接続電極１２４の左側に配された形態を採用することもできる。
【００９２】
実施例３、実施例４、凹部３０３（図３）や絶縁性樹脂３０５（図５）を有しない比較例１の燃料電池の内部に１０％メタノール水溶液を２ｍｌ／ｍｉｎで流し、外部を大気中に曝して電池特性を測定した。その結果を表２に示した。
【００９３】
【表２】

【００９４】
表中、電池電圧は電流密度１００ｍＡ／ｃｍ^２時のものである。比較例１の電池よりも実施例３の電池の方が電圧が高いのは、比較例１の電池において生じていた電気的リークが、固体高分子電解質膜上に設けられた凹部３０３（図３）により抑制された結果であると考えられる。また、実施例４の電池電圧は実施例３よりもさらに高く、０．９Ｖを示した。この電圧は、燃料電池セル単体で測定した場合の２倍の電圧に相当することから、絶縁性樹脂３０５（図５）により電気的リークが完全に抑えられていることが確認された。
【００９５】
上記より、実施例３および４の電池は、単位セルの間隔が０．２ｍｍという極めて高密度な実装が可能であることが判明した。
【００９６】
なお、電気的に接続する単位セル数を増やすことによって電圧あるいは電流を高くすることが可能であり、接続方法を適宜選択することで電池出力を調整することが可能である。
【００９７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、簡素な構造を有し、高出力かつ小型化・薄型化された液体燃料供給型燃料電池を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池の一例を示す図である。
【図２】本発明の燃料電池の一例を示す図である。
【図３】本発明の燃料電池の一例を示す図である。
【図４】本発明の燃料電池の一例を示す図である。
【図５】本発明の燃料電池の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０２、１０２ａ、１０２ｂ燃料極
１０８、１０８ａ、１０８ｂ酸化剤極
１１４固体高分子電解質膜
１２０、１２１、１２２、１２３集電体
１２４接続電極
１２５燃料
１２６酸化剤
３０２溝部
３０３凹部
３０４絶縁性フィルム
３０５絶縁性樹脂
３０６シール材

Claims

固体電解質膜と、該固体電解質膜の一方の面に配置された第一の燃料極および前記第一の燃料極に隣接して設けられた第二の燃料極と、該固体電解質膜の他方の面に前記第一および第二の燃料極とそれぞれ対向して配置された第一の酸化剤極および第二の酸化剤極と、前記固体電解質膜を貫通する導電部材と、を含み、
前記第一の燃料極、前記第一の酸化剤極および前記固体電解質膜により構成された第一の単位セルと、前記第二の燃料極、前記第二の酸化剤極および前記固体電解質膜により構成された第二の単位セルとが前記導電部材を介して電気的に直列に接続されてなる液体燃料供給型燃料電池であって、
前記第一および第二の単位セル間の領域に、前記導電部材から離隔して設けられた低イオン伝導性領域が形成されたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池。
固体電解質膜と、該固体電解質膜の一方の面に配置された第一の燃料極および前記第一の燃料極に隣接して設けられた第二の燃料極と、該固体電解質膜の他方の面に前記第一および第二の燃料極とそれぞれ対向して配置された第一の酸化剤極および第二の酸化剤極と、前記固体電解質膜を貫通する導電部材と、を含み、
前記第一の燃料極、前記第一の酸化剤極および前記固体電解質膜により構成された第一の単位セルと、前記第二の燃料極、前記第二の酸化剤極および前記固体電解質膜により構成された第二の単位セルとが前記導電部材を介して電気的に直列に接続されてなる液体燃料供給型燃料電池であって、
前記第一および第二の単位セル間の領域に、前記固体電解質膜に溝部が形成されてなる低イオン伝導性領域が設けられたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池。
請求項２に記載の液体燃料供給型燃料電池において、前記溝部に絶縁性樹脂が充填されたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池。
固体電解質膜と、該固体電解質膜の一方の面に配置された第一の燃料極および前記第一の燃料極に隣接して設けられた第二の燃料極と、該固体電解質膜の他方の面に前記第一および第二の燃料極とそれぞれ対向して配置された第一の酸化剤極および第二の酸化剤極と、前記固体電解質膜を貫通する導電部材と、を含み、
前記第一の燃料極、前記第一の酸化剤極および前記固体電解質膜により構成された第一の単位セルと、前記第二の燃料極、前記第二の酸化剤極および前記固体電解質膜により構成された第二の単位セルとが前記導電部材を介して電気的に直列に接続されてなる液体燃料供給型燃料電池であって、
前記第一および第二の単位セル間の領域に、前記導電部材とは別に設けられるとともに前記固体電解質膜に凹部が形成されてなる低イオン伝導性領域が設けられたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池。
請求項４に記載の液体燃料供給型燃料電池において、前記凹部に絶縁性樹脂が充填されたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池。
請求項３または５に記載の液体燃料供給型燃料電池において、前記絶縁性樹脂が、フッ素系樹脂、ポリイミド系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂のいずれかであることを特徴とする液体燃料供給型燃料電池。
請求項１乃至６いずれかに記載の液体燃料供給型燃料電池において、前記導電部材と前記固体電解質膜との間に挟まれたシール材をさらに備えたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池。
請求項１乃至７いずれかに記載の液体燃料供給型燃料電池において、前記導電部材の表面が、絶縁性を有する材料によりコーティングされたことを特徴とする液体燃料供給型燃料電池。