JP2003317791A

JP2003317791A - 液体燃料電池

Info

Publication number: JP2003317791A
Application number: JP2002122327A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Kayano; 博志柏野; Tatsu Nagai; 龍長井; Susumu Ishi; 軍石; Yasuo Arishima; 康夫有島; Shinsuke Shibata; 進介柴田
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Holdings Ltd
Priority date: 2002-04-24
Filing date: 2002-04-24
Publication date: 2003-11-07

Abstract

(57)【要約】【課題】液体燃料の漏れがなく、小型で且つ安定的に
発電することのできる液体燃料電池を提供する。【解決手段】酸素を還元する正極と、燃料を酸化する
負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質
層とからなる電極・電解質一体化物および液体燃料を備
え、前記電極・電解質一体化物を同一電池容器内に複数
個備え、且つ前記複数の電極・電解質一体化物のすべて
の電解質層が、連続した共通の一体化物として形成され
ている液体燃料電池であって、前記液体燃料を含浸して
保持し且つ前記負極に前記液体燃料を供給する液体燃料
含浸部と、前記液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部とを
備え、前記液体燃料貯蔵部が気液分離膜を有する気液分
離孔を備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料として液体を
用いた液体燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、パソコン、携帯電話などのコード
レス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はます
ます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネル
ギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリ
チウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル
電源として需要が増大している。しかし、使用されるコ
ードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池
では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至
っていない。

【０００３】このような状況の中で、上記要望に応え得
る電池の一例として、空気電池、燃料電池などが考えら
れる。空気電池は、空気中の酸素を正極の活物質として
利用する電池であり、電池内容積の大半を負極の充填に
費やすことが可能であることから、エネルギー密度を増
加させるためには好適な電池であると考えられる。しか
し、この空気電池には、電解液として使用するアルカリ
溶液が空気中の二酸化炭素と反応して劣化してしまうた
めに自己放電が大きいという問題がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】一方、燃料電池は、負
極に燃料が供給されて反応し、正極では酸素が反応す
る。したがって、燃料および酸素の供給さえ行えば連続
的に使用することができる。しかし、従来の燃料電池で
は、複数の単電池を積層して構成されているため、電池
全体が嵩高くなってしまう。また、酸素および燃料をそ
れぞれの正極および負極へ流通させて供給しなければな
らず、そのための補器を必要とする。このため、従来の
燃料電池はリチウムイオン電池などの小型二次電池に比
べてはるかに大きくなってしまい、小型ポータブル電源
として用いるには問題があった。

【０００５】ここで、酸素および燃料を強制的に流通さ
せる補器を除去することで出力は低下するものの、燃料
電池の小型化を図ることができる。しかし、この場合、
酸素は外気を利用するとしても、燃料が自動的に流通し
ないために、単電池のそれぞれの負極へ燃料が供給でき
る構造が必要である。また、放電反応で生成した二酸化
炭素などが燃料室に滞留したり、燃料の消費と共に燃料
が負極と接触しなくなるという問題が起こることが考え
られる。

【０００６】これに対し、電極・電解質一体化物を同一
平面上に複数個配置する構造では、電池の厚みを薄くす
ることが可能であり、さらに液体燃料貯蔵部を共有する
ことができるので、前記積層構造に比べて電池を小型化
できる。しかし、この電極・電解質一体化物を別々に同
一平面上に複数個配置する構造では、各電極・電解質一
体化物ごとに燃料漏れを防止するための封止部が必要と
なり、構造的に複雑になったり、嵩高くなるという問題
がある。

【０００７】本発明は前記従来の問題を解決するために
なされたものであり、液体燃料の漏れがなく、小型で且
つ安定的に発電することのできる液体燃料電池を提供す
ることを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、
燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設
けられた電解質層とからなる電極・電解質一体化物およ
び液体燃料を備えた液体燃料電池であって、前記電極・
電解質一体化物を同一電池容器内に複数個備え、且つ前
記複数の電極・電解質一体化物のすべての電解質層が、
連続した共通の一体化物として形成されていることを特
徴とする。

【０００９】本発明の液体燃料電池は、複数の電極・電
解質一体化物のすべての電解質層が連続した共通の一体
化物として形成されているため、各電極・電解質一体化
物ごとに燃料漏れを防止するための封止部を設ける必要
がなくなり、簡単な構造で燃料漏れを防止でき、電池の
厚みも薄くすることが可能となる。また、電極・電解質
一体化物を同一電池容器内に配置することにより、液体
燃料貯蔵部を共有することができる。

【００１０】また、本発明の液体燃料電池は、前記液体
燃料を含浸して保持し且つ前記負極に前記液体燃料を供
給する液体燃料含浸部と、前記液体燃料を貯蔵する液体
燃料貯蔵部とを備え、前記液体燃料貯蔵部が気液分離膜
を有する気液分離孔を備えていることが好ましい。

【００１１】液体燃料貯蔵部が気液分離膜を有する気液
分離孔を備えることで、放電反応で生成した二酸化炭素
などが燃料室に滞留することがなく、燃料を漏液させる
ことなく二酸化炭素などを液体燃料貯蔵部から放出させ
ることができる。

【００１２】また、本発明の液体燃料電池は、前記液体
燃料含浸部が前記負極と接する部分に配置されているこ
とが好ましい。これにより、燃料が消費されても、燃料
と負極との接触が維持されるため、燃料を最後まで使い
切ることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づき説明する。

【００１４】（実施形態１）図１に本発明の実施形態１
の液体燃料電池の断面図を示す。正極８は、例えば、多
孔性の炭素材料からなる拡散層８ａと、触媒を担持した
炭素粉末からなる触媒層８ｂとを積層して構成される。
正極８は酸素を還元する機能を有しており、その触媒に
は、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、
錫、ルテニウムまたは金などと白金との合金微粒子など
が用いられる。また、触媒層８ｂには、ポリテトラフル
オロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子やプロトン交換樹脂
粒子が含まれる場合がある。プロトン交換樹脂粒子とし
ては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂やスル
ホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイ
ミド樹脂などを用いることができる。拡散層８ａの触媒
層側には撥水性向上のため、ＰＴＦＥ樹脂粒子を含む炭
素粉末のペーストが塗布されている場合もある。

【００１５】電解質層１０は、電子伝導性を持たず、プ
ロトンを輸送することが可能な材料により構成される。
例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的に
は、デュポン社製の“ナフィオン膜”、旭硝子社製の
“フレミオン膜”、旭化成工業社製の“アシプレックス
膜”などにより電解質層１０は構成されている。その他
では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スル
ホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダ
ゾール膜などからも構成することができる。

【００１６】負極９は、拡散層９ａと触媒層９ｂとから
なり、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を酸
化する機能を有しており、例えば、正極と同様に構成す
ることができる。

【００１７】上記正極８、上記負極９および上記電解質
層１０は、積層されて電極・電解質一体化物を構成して
いる。即ち、電極・電解質一体化物は、正極８と、負極
９と、正極８と負極９との間に設けられた電解質層１０
とから構成されている。また、前記電極・電解質一体化
物は同一電池容器内に複数個備えられ、且つ前記複数の
電極・電解質一体化物のすべての電解質層が、連続した
共通の一体化物として形成されている。ここで、各電極
・電解質一体化物の間隔は、隣接した電極間での電流リ
ークを防止するため、正極８と負極９の距離（電解質層
１０の厚さ）の１０〜５００倍が好ましく、１０〜１０
０倍とするのがより好ましい。

【００１８】負極９の電解質層１０と反対側には燃料４
を貯蔵する燃料タンク３が隣接して設けられている。燃
料４としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール
水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水
溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチ
ウム水溶液などが用いられる。燃料タンク３は、例え
ば、ＰＴＦＥ、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、
ポリエチレンなどのプラスチックや、ステンレス鋼など
の耐食性金属から構成されている。ただし、燃料タンク
３を金属で構成する際には、同一電池容器内に配置され
ているそれぞれの負極同士が電気的に短絡しないように
絶縁体を導入する必要がある。燃料タンク３の負極９と
接する部分には燃料供給孔３ａが設けられており、この
部分から燃料４が負極９へと供給される。また、液体燃
料を含浸して保持し且つ負極９に液体燃料を供給する燃
料吸い上げ材５が、負極９と接する個所を含む燃料タン
ク３の内部に設けられている。これにより、燃料４が消
費されても、燃料４と負極９との接触が維持されるた
め、燃料４を最後まで使い切ることができる。燃料吸い
上げ材５としては、ガラス繊維を用いることができる
が、燃料の含浸によって寸法が余り変化せず、化学的に
も安定なものであれば他の材料を用いても良い。

【００１９】正極８の電解質層１０と反対側にはカバー
板２が設けられており、カバー板２の正極８と接する部
分には空気孔１が設けられている。これにより、空気孔
１を通して大気中の酸素が正極８と接することになる。
カバー板２の端部には、カバー板２と燃料タンク３を貫
通する構造を持つ気液分離孔兼燃料充填口６ｂが設けら
れている。この気液分離孔兼燃料充填口６ｂの燃料タン
ク３と反対側には脱着可能な気液分離膜６ａが設けられ
ている。この気液分離膜６ａは細孔を持つＰＴＦＥ製シ
ートからなり、放電反応で生成した二酸化炭素などを、
燃料を漏液させることなく燃料タンク３から放出させる
ことができる。また、気液分離膜６ａを脱着可能とする
ことで、燃料を補充する時の充填口ともなる。気液分離
孔兼燃料充填口６ｂ、カバー板２、および空気孔１は、
例えば、燃料タンク３と同様の材料から構成されてい
る。

【００２０】正極８の電解質層１０と反対側の、正極８
と接する箇所から、隣接する電極・電解質一体化物の負
極９の電解質層１０と反対側の、負極９と接する箇所に
渡って集電体７が設置されており、正極８と隣接する電
極・電解質一体化物の負極９は電気的に接続されてい
る。集電体７は隣接する電極・電解質一体化物を電気的
に直列に接続する役割を持ち、同一電池容器内に並べら
れた全ての電極・電解質一体化物は集電体７によって電
気的に直列に接続される。集電体７は、例えば、白金、
金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、ま
たはカーボンなどから構成されている。

【００２１】（実施形態２）図２に本発明の実施形態２
の液体燃料電池の断面図を示す。本実施形態は、燃料タ
ンク３の一部に内部に燃料吸い上げ材５を含む燃料供給
路１４を設け、燃料供給路１４は燃料タンク１３に接続
されている。燃料タンク１３には燃料タンク３と同様に
燃料４が充填されており、燃料供給路１４を通じて連続
的に燃料を供給する機能を有している。燃料タンク１３
は、例えば、燃料タンク３と同様の材料から構成されて
いる。燃料供給路１４は、例えば、燃料タンク３と同様
の材料や、天然ゴムなどの柔軟性のゴムなどから構成さ
れる。燃料タンク１３には燃料充填口１２が設けられて
おり、燃料を追加して充填する機能を持つ。なお、１１
は気液分離孔である。本実施形態の他の構成は実施形態
１とほぼ同様である。

【００２２】（比較例１）図３に比較例１の従来の液体
燃料電池の断面図を示す。本比較例１の液体燃料電池
は、複数の電極・電解質一体化物の各電解質層１０が、
連続した共通の一体化物としてではなく、それぞれ独立
分離して形成されていること以外は、実施形態１とほぼ
同様の構造である。

【００２３】（比較例２）図４に比較例２の従来の液体
燃料電池の断面図を示す。本比較例２の液体燃料電池
は、カバー板２が電解質層１０と接するように封止部１
５を有し、液体燃料の漏れを防止した構造としたこと以
外は、比較例１と同様の構造である。

【００２４】（比較例３）図５に比較例３の従来の液体
燃料電池の断面図を示す。本比較例３の液体燃料電池
は、カバー板２の強度を増加させるために、厚みを増加
させたこと以外は、比較例２とほぼ同様の構造である。

【００２５】以上のように作製した液体燃料電池のタン
ク内に３質量％のメタノール水溶液を充填した後、空気
孔が下になるように電池を置いて燃料漏れの有無を観察
したところ、実施形態１および実施形態２では燃料漏れ
は見られなかった。しかし、比較例１および比較例２で
は燃料漏れが見られた。また、比較例３では燃料漏れは
見られなかったものの、非常に嵩高い電池構造となって
いる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明は、酸素を還
元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記
負極との間に設けられた電解質層とからなる電極・電解
質一体化物および液体燃料を備えた液体燃料電池であっ
て、前記電極・電解質一体化物を同一電池容器内に複数
個備え、且つ前記複数の電極・電解質一体化物のすべて
の電解質層が、連続した共通の一体化物として形成され
ている液体燃料電池とすることによって、液体燃料の漏
れがなく、小型で且つ安定的に発電することのできる液
体燃料電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態１の液体燃料電池の断面図で
ある。

【図２】本発明の実施形態２の液体燃料電池の断面図で
ある。

【図３】従来の比較例１の液体燃料電池の断面図であ
る。

【図４】従来の比較例２の液体燃料電池の断面図であ
る。

【図５】従来の比較例３の液体燃料電池の断面図であ
る。

【符号の説明】

１空気孔２カバー板３燃料タンク３ａ燃料供給孔４燃料５燃料吸い上げ材６ａ気液分離膜６ｂ気液分離孔兼燃料充填口７集電体８正極８ａ拡散層８ｂ触媒層９負極９ａ拡散層９ｂ触媒層１０電解質層１１気液分離孔１２燃料充填口１３燃料タンク１４燃料供給路１５封止部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者石軍大阪府茨木市丑寅１丁目１番88号日立マクセル株式会社内 (72)発明者有島康夫大阪府茨木市丑寅１丁目１番88号日立マクセル株式会社内 (72)発明者柴田進介大阪府茨木市丑寅１丁目１番88号日立マクセル株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA08 CV06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】酸素を還元する正極と、燃料を酸化する
負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質
層とからなる電極・電解質一体化物および液体燃料を備
えた液体燃料電池であって、前記電極・電解質一体化物
を同一電池容器内に複数個備え、且つ前記複数の電極・
電解質一体化物のすべての電解質層が、連続した共通の
一体化物として形成されていることを特徴とする液体燃
料電池。
【請求項２】前記液体燃料を含浸して保持し且つ前記
負極に前記液体燃料を供給する液体燃料含浸部と、前記
液体燃料を貯蔵する液体燃料貯蔵部とを備え、前記液体
燃料貯蔵部が気液分離膜を有する気液分離孔を備えてい
る請求項１に記載の液体燃料電池。
【請求項３】前記液体燃料含浸部が、前記負極と接す
る部分に配置されている請求項２に記載の液体燃料電
池。