JPH02281567A - メタノール燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はメタノール燃料電池に関し、特に、メタノール
を燃料とし空気を酸化剤とし硫酸水溶液を電解質とする
、酸性電解質型メタノール燃料電池に関する。

〔従来の技術〕

燃料電池は、燃料および酸化剤の反応エネルギーを直接
電気エネルギーとして取出すもので、発電効率が高く、
騒音、振動も少なく、排ガスもクリーンであるため、新
発電方式として期待されている。特に、メタノールを燃
料とし硫酸等を電解質とする酸性電解質型メタノール燃
料電池は、常圧かつ比較的低温（約６０℃）で運転され
、小形化も容易であるため、中小容量の電源として広範
な用途が開けている。

本電池においては、酸化剤極（空気極）、燃料極（メタ
ノール極）およびこれらの間にイオン導電性を持たせる
ための電解質（イオン交換膜）が基本構成要素でこれら
各々１つからなる電池を単位電池と称する。単位電池の
出力電圧は０．５ｖ内外であり、実用上は単位電池を多
数直列に接続し使用目的に応じた出力電圧を得る。単位
電池の直列回路を構成する一般的な方法はセパレータを
介しての単位電池の積層である。この場合セパレータに
は単位電池を電気的に直列に接続する機能の他に空気極
に空気をメタノール極に燃料（アノライト：硫酸とメタ
ノールの混合水溶液）を供給するための機能を持たせる
。すなわち、セパレータ材料には電子導電性材料を適用
しく耐食性、加工性、コスト等考慮し通常はカーボン材
料が選定される）単位電池の直列回路を構成し、セパレ
ータの空気極に接する側には空気極に空気を供給するた
めの流路が設けられ、セパレータの他の面のメタノール
極に接する側にはメタノール極に燃料（アノライト）を
供給するための流路が設けられる。以上の方式で構成さ
れる燃料電池の問題点としては、セパレータの重量が大
きく、従って電池重量が大きくなることがある。

第５図に、これまで述べてきた従来の電池の構成を示し
た。電池は、メタノール極１、イオン交換膜３、空気極
２からなる単位電池の両側にカーボンセパレータ４を配
し、単位電池を繰返し多数積層することにより　（単位
電池の間に１枚ずつセパレータが入ることになる）構成
される。セパレータの一方の面にはアノライト流路５が
設けられアノライトがこの流路を流れる間にアノライト
中のメタノールがメタノール極ｌに供給され反応に関与
する。一方、セパレータの他の面（図では裏面）には空
気流路６が設けられ空気がこの流路を流れる間に空気中
の酸素が空気極２に供給され反応に関与する０以上の電
池構成においてセパレータに設けられる流路の深さは、
アノライトおよび空気の円滑な供給と反応生成物の円滑
な排出を行わせるために１〜数閣必要となり、セパレー
タの厚さは散開以上となる。

ところで、セパレータでは背中合わせに流れるアノライ
トと空気を隔離する必要があり　（セパレータの呼称は
ここからくる）、液体（アノライト）と気体（空気）の
両者の透過性が小さい材料の適用が要求される。以上の
性質を満たすカーボン材料の比重は通常１．５〜２程度
に達する。セパレータの厚さが流路構成のため厚くなり
、その比重も不浸透性のため大きくなる結果、カーボン
セパレータの重量は大きくなり電池重量が太き（なる。

この問題の解決は、本電池の中小容量電源としての適性
を生かし移動用電源として活用する場合特に重要となる
。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明の目的は、上記従来の問題点を解決し、従来のも
のに比較して軽量化され、しかも、性能的に遜色のない
メタノール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〕

本発明者は、相対的に比重の大きいセパレータには流路
を設けず、そのかわりに電極に所要の流路を設けるよう
にすることにより、電池性能を良好に維持しつつ、全体
としてのメタノール燃料電池の重量を大幅に軽減できる
ことを見出し、この新知見に基づいて鋭意研究を重ねた
結果、本発明を完成するに至った。

そこで、本発明のメタノール燃料電池は、メタノールを
電気化学的に酸化するメタノール極と空気中の酸素を電
気化学的に還元する空気極と、これらの間のイオン導電
性を保持するための電解質としてのイオン交換膜と、こ
れらで構成される単位電池の電気的直列回路を構成しか
つ燃料のメタノールと酸化剤の空気とを隔離して混合を
防止するセパレータから構成されるメタノール燃料電池
において、メタノール極及び空気極に対応する部分を合
成樹脂とカーボン粉末からなる可撓性及び電子導電性を
有する膜もしくはシートで構成したセパレータに単位電
池の電気的直列回路を構成するための電気的接続機能と
メタノールと空気の隔離機能を持たせると共に、電極基
板とその表面に形成された触媒層からなるメタノール極
と空気極の電極基板にそれぞれメタノールおよび空気の
供給流路を設けたことを特徴とする。

前記合成樹脂とカーボン粉末からなる膜もしくはシート
に要求される性質は、可撓性、電子導電性、耐アノライ
ト性及びアノライト中メタノールの非透過性である。電
子導電性は電池組立時の電極およびイオン交換膜との接
触抵抗をも含めてＯ０５Ω・ｄ以下、好ましくは０．２
Ω・ｄ以下が望まれる。耐アノライト性には６０℃の硫
酸１．５　ｍｏｌ／　１およびメタノール１．５　ｍｏ
ｌ／　ｌの水溶液に対する耐久性である。メタノールの
非透過性はメタノール透過係数で８　×１０−’ｍｏｌ
／　ｃｉ−ｈ・（ｍｏｌ／　ｆｆ１）（膜の両側でメタ
ノールの濃度差があるとき、膜面積１ｃＴａあたり１時
間あたりに膜を透過するメタノールの量）以下が要求さ
れる。発明者らの検討によると熱可塑性樹脂にカーボン
粉末を混練し膜状に成型したものがこれらの条件を満足
する。すなわち、ポリテトラフルオロエチレン、ポリプ
ロピレン、ポリエチレン、塩化ビニル等にカーボン粉末
を混合した膜が良好に適用でき、ポリテトラフルオロエ
チレンにグラファイトを混合した膜は、可撓性、電子導
電性、耐アノライト性およびメタノールの非透過性の全
ての面で優れ、特に良好に適用できる。また、可撓性及
び重量軽減等の観点から、前記膜又はシートの厚さは、
好ましくは、０゜１５ＬＩ１１〜０．０５＋ｕｓである
。

セパレータ枠には耐アノライト性が要求されるが、上記
の各種プラスチックスが適用できる。耐熱塩化ビニルは
耐アノライト性、耐熱性、加工性に優れ特に良好に適用
できる。

セパレータ枠と導電性膜によるセパレータの構成は、両
者の接着剤による接着、熱的融着、機械的な挟み込みに
よって可能である。

メタノール極の基板材料には、電子導電性、耐アノライ
ト性と燃料メタノールを触媒層へ供給するためのメタノ
ール透過性が要求され、多孔質カーボン材料がこの要求
を満たすことができる。多孔質カーボン材料では、カー
ボン繊維からなるシート（不織布）が比重が０．８〜０
．４と小さく、特に良好に適用できる。

空気極の基板材料には、電子導電性と空気中の酸素を触
媒層へ供給するための気体透過性が要求され、メタノー
ル極基板と同様の材料が良好に適用できる。

〔作　用〕

本発明のメタノール燃料電池におけるセパレータは、メ
タノール極及び空気極に対応する部分を合成樹脂とカー
ボン粉末からなる可撓性及び電子導電性を有する膜もし
くはシートで構成しているが、メタノール燃料電池の運
転温度が約６０℃であるから、耐熱性の問題はない、そ
して、従来技術においては、セパレータに、所要の導電
性、耐食性、アノライト及び空気の両者に対する耐透過
性等を付与するために、これを高密度黒鉛やガラス状カ
ーボンなどで構成しているが、このような素材で構成し
たセパレータは必然的に剛性で脆い性質があり、０．５
　ｍｓ＋程度以下の厚さとすることが難しい。これに反
し、本発明の合成樹脂とカーボン粉末からなる膜もしく
はシートは、所要の導電性、耐食性、耐透過性等を有す
るのみならず、可撓性であって、しかも厚さをかなり薄
くすることができる。

したがって、上記のようにセパレータに流路を設けない
構成とした場合、セパレータの電気的接続部（通電部）
の厚みをＯ，ｌ　ｔｒｒｒａ程度と著しく小さ（でき、
セパレータ重量を大幅に軽減できる。また、電極基板に
空気および燃料供給機能を持たせるため電極の厚さは増
加するが電極基板にセパレート機能は不要であるため軽
量のカーボン材料が適用でき電極重量の増加は小さい、
従って、電池全体として見た場合大幅な重量軽減が達成
される。

さらに、上記のようにセパレータを構成する膜もしくは
シートは、可撓性であるので、メタノール燃料電池の組
立状態において、電極面とのなじみがよく所要の密接状
態を保持し、良好な電池性能を与えるものである。

〔実施例〕

以下、本発明を実施例により更に具体的に説明する。

第２−（ａ）および（ｂ）図は本発明のメタノール燃料
電池に用いるセパレータの一例である。

第２−　（ａ）および（ハ）において、セパレータはセ
パレータ枠１１と導電性膜１２から構成される。導電性
膜１２は正面図ではセパレータ枠１１の中央切欠部に位
置し上面図ではセパレータ枠厚さ方向のほぼ中央に位置
する。従って、セパレータ枠の中央切欠部は導電性膜に
より２つの空間（部屋）に分割される。導電性膜上面の
空間はアノライトダクト１４を介してセパレータ枠に穿
たれたアノライト連通孔１３　（セパレータを多数積層
して電池を構成した場合アノライトの流路となる）とつ
ながり、この空間は後述のメタノール極を収める部屋と
なる。

一方、導電性膜下面の空間は複数の空気ダクトを通じて
枠体外周の空間とつながり、この空間は後述の空気極を
収める部屋となる。導電性膜１２は、ポリテトラフルオ
ロエチレンとグラファイト粉末の混練物で構成され、縦
２０Ｃ１１，横１０ＣＩＩ、厚さ０．１ｍｍである。導
電性Ｍ１２の電子導電性は０．１５Ω・ｃｍ”である。

耐アノライト性は良好で２．０００時間のアノライト浸
漬で全く変化を認めない。メタノールの非透過性は、メ
タノール透過係数で３．ｌＸ１０−’ｎ＋ｏｌ／ｃｍ！
・ｈ　（ａ＋ｏｌ八〇でへる。

セパレータ枠は耐熱塩化ビニル製であり、セパレータ枠
と導電性膜によるセパレータの構成は、接着剤による両
者の接着によった。

さらに、第２図のセパレータ枠１１において発泡プラス
チックス、すなわち発泡ポリエチレン、発泡ポリプロピ
レン、発泡ポリテトラフルオロエチレン等の耐アノライ
ト性を有する発泡プラスチックスを適用することにより
、重量のさらなる軽減を達成できる。

第３図は本発明のメタノール燃料電池に用いるメタノー
ル極の一例、第４図は空気極の一例である。

メタノール極はメタノール極基板２１とその一方の平坦
な面に塗布されたメタノール極触媒５層からなる。メタ
ノール極基板２１は縦２０ａｍ、横１０　ｃｍ＋　＋厚
さ３Ｉ１ｍｌであり、基板の触媒層の反対側に幅４ｍｍ
。

深さ１．８＋＋ｖ＋のアノライト流路５が設けられる。

メタノール極の基板材料は、カーボン繊維からなる多孔
質カーボン板で構成されている。

空気極も同様に、空気極基板３１とその一方の平坦な面
に塗布された空気極触媒層からなる。空気極基ｔｆｆＥ
３１は縦２０Ｃ１１、横１０ｃ１１．厚さ４Ｉであり、
基板の触媒層の反対側に幅４１．深さ２．８ｍｍの空気
流路６が設けられる。空気極の基板材料は、メタノール
極と同様にカーボン繊維からなる多孔質カ−ポン板で構
成さている。

第１図に、第２図に示したセパレータおよび第３図なら
びに第４図に示した電極を用いた、本発明のメタノール
燃料電池の構成の一実施例を示す。

第１図において、イオン交換膜の両側に第３図および第
４図に示すメタノール極および空気極が夫々触媒塗布面
をイオン交換膜側にして配せられて単位電池が構成され
る。電極の外側には第２図に示すセパレータが配設され
る。積層電池は、空気極−イオン交換膜−メタノール極
−セパレータを繰返し積層し、両端に一対の集電板を配
して構成される。集電板上は単位電池の直列回路から電
池外に電力を取出す機能を持つ。アノライトは、セパレ
ータの連通孔からアノライトダクトを経てメタノール極
に設けられたアノライト流路に至り、アノライト流路を
流れる間にメタノールをメタノール極触媒層に供給し、
しかる後に他のアノライトダクトおよび連通孔を経て電
池外へ排出される。

一方、酸化剤としての空気は、セパレータの空気ダクト
からセパレータ内に供給され空気極２の空気流路に至り
、空気流路を流れる間に空気中の酸素を空気極触媒層に
供給し、しかる後に他の空気ダクトから電池外へ一排出
される。

〔発明の効果〕

以上の本発明によれば、良好な電池性能は保持しつつ、
セパレータの大幅な重量低減が可能となり、その結果電
池重量の軽減が達成できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のメタノール燃料電池の一実施例を示す
部分展開斜視図、第２図、第３図および第４図は、それ
ぞれ本発明のメタノール燃料電池に用いられるセパレー
タ、メタノール極および空気極の具体例を示す図、第５
図は、従来技術による電池の構成を示す部分展開斜視図
である。 １・・・メタノール極、２・・・空気極３・・・イオン
交換膜、４・・・セパレータ５・・・アノライト流路、
６・・・空気流路７・・・アノライトの流れ、８・・・
空気の流れ９・・・集電板、１１・・・セパレータ枠１
２・・・導電性膜、１３・・・アノライト連通孔１４・
・・アノライトダクト、１５・・・空気ダクト２１・・
・メタノール極基板、２２・・・メタノール極触媒層３
１・・・空気極基板、３２・・・空気極触媒層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、メタノールを電気化学的に酸化するメタノール極と
   空気中の酸素を電気化学的に還元する空気極と、これら
   の間のイオン導電性を保持するための電解質としてのイ
   オン交換膜と、これらで構成される単位電池の電気的直
   列回路を構成しかつ燃料のメタノールと酸化剤の空気と
   を隔離して混合を防止するセパレータから構成されるメ
   タノール燃料電池において、メタノール極及び空気極に
   対応する部分を合成樹脂とカーボン粉末からなる可撓性
   及び電子導電性を有する膜もしくはシートで構成したセ
   パレータに単位電池の電気的直列回路を構成するための
   電気的接続機能とメタノールと空気の隔離機能を持たせ
   ると共に、電極基板とその表面に形成された触媒層から
   なるメタノール極と空気極の電極基板にそれぞれメタノ
   ールおよび空気の供給流路を設けたことを特徴とするメ
   タノール燃料電池。 ２、合成樹脂とカーボン粉末からなる可撓性及び電子導
   電性を有する膜もしくはシートが、ポリテトラフルオロ
   エチレン、ポリプロピレン、ポリエチレン、塩化ビニル
   等の熱可塑性樹脂にカーボン粉末を混練し膜状もしくは
   シート状に成型したものであることを特徴とする請求項
   １記載のメタノール燃料電池。 ３、合成樹脂とカーボン粉末からなる可撓性及び電子導
   電性を有する膜もしくはシートの厚さが０．１５〜０．
   ０５ｍｍであることを特徴とする請求項１又は請求項２
   記載のメタノール燃料電池。 ４、合成樹脂とカーボン粉末からなる可撓性及び電子導
   電性を有する膜もしくはシートが、電池運転温度条件（
   約６０℃）において、電気抵抗０．５Ω・ｃｍ＾２以下
   、耐硫酸およびメタノール、メタノール透過係数で８×
   １０＾−＾５ｍｏｌ／ｃｍ＾２・ｈ・（ｍｏｌ／ｌ）以
   下の膜もしくはシートであることを特徴とする請求項１
   乃至請求項３のいずれかの項記載のメタノール燃料電池
   。 ５、セパレータが、セパレータ枠と合成樹脂とカーボン
   粉末からなる可撓性及び電子導電性を有する膜もしくは
   シートとからなり、両者を接着剤による接着、熱的融着
   、あるいは、機械的な挟み込みによって一体化したもの
   であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれ
   かの項記載のメタノール燃料電池。 ６、セパレータ枠が、耐熱性塩化ビニルで構成されてい
   ることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかの
   項記載のメタノール燃料電池。 ７、電極基板が、多孔質カーボン材料からなることを特
   徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかの項記載のメ
   タノール燃料電池。 ８、多孔質カーボン材料が、カーボン繊維からなる不織
   布であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいず
   れかの項記載のメタノール燃料電池。