JP2001093562A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、小さな駆動力で十分な空気を酸化剤
極に供給できる構造にすることによって、小型化を可能
にした燃料電池を提供することにある。 【解決手段】本発明は、電解質板の対向する面に設けら
れた燃料極および酸化剤極とからなる一対の電極と、前
記酸化剤極表面に設けられた酸化剤ガス流通路と、この
酸化剤ガス流通路に接続され前記酸化剤ガス流通路に連
通した所定容積のマニホールドとを有し、このマニホー
ルドから酸化剤ガスを吸引するように設けられた減圧手
段とを有することを特徴とする燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ノート型パソコン
等のポータブル機器に搭載するための、超小型燃料電池
に関する。

【０００２】

【従来の技術】最近の社会的な動向として、OA機器、オ
ーディオ機器、無線機器等の各種機器は、半導体技術の
発達と共に小型化され、さらにポータブル性が要求され
ている。このような要求を満足するための電源として
は、手軽な一次電池や二次電池等が使用されている。し
かし、一次電池や二次電池は、機能上使用時間に制限が
あり、このような電池を用いたOA機器等では当然使用時
間が限定される。一次電池を使用した場合、電池の放電
が終った後に、電池を交換してOA機器等を動かすことは
できるものの、その重量に対して使用時間が短く、ポー
タブルな機器には不向きである。また、二次電池では放
電が終ると充電できる半面、充電のための電源が必要な
ため使用場所が制限されるのみならず、充電に時間がか
かるという欠点がある。特に、二次電池を組み込んだOA
機器等では、電池の放電か終っても電池を交換すること
が困難なため、機器の使用時間の制限は免れない。この
ように、各種小型機器を長時間作動させるには、従来の
一次電池や二次電池の延長では対応が難しく、より長時
間の作動に向いた電池が要求される。

【０００３】このような問題の一つの解決策として、最
近、燃料電池が注目されている。燃料電池は、燃料と酸
化剤を供給するだけで発電することができるという利点
を有するだけでなく、燃料のみ供給すれば連続して発電
できるという利点を有しているため、小型化が出来れば
消費電力が小さいOA機器等の小型機器の作動に極めて有
利なシステムといえる。

【０００４】燃料電池をポータブル機器に適用するにあ
たっての重要な課題は、燃料および酸化剤を供給するシ
ステムを如何に簡略化し、小型化するかということにあ
る。燃料供給システムの簡略化に関しては、燃料として
メタノール等の液体燃料を用い、これを毛細管力によっ
て燃料極に供給する方法が提案されている。

【０００５】一方、酸化剤供給システムとしては、酸化
剤として空気が使用できるため、一般にはブロワやファ
ンで空気を酸化剤極に圧送する方法がとられる。しか
し、空気を用いる以上、発電に必要な酸素量の少なくと
も５倍以上の空気を燃料電池本体に供給する必要があ
り、OA機器等の消費電力が小さいとはいえ発電に要する
空気量は多い。従って、空気を燃料電池本体に圧送する
構造では、大量の空気を電池に送り込む為にブロワやフ
ァン等の送気手段が大きくなり、電池の小型化には不向
きである。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池は、空
気を燃料電池本体に圧送する構造では、大量の空気を電
池に送り込む為にブロワやファン等の送気手段が大きく
なり、電池の小型化には不向きであるという問題があっ
た。

【０００７】本発明は、上記問題点に鑑みてなされたも
ので、小さな駆動力で十分な空気を酸化剤極に供給でき
る構造にすることによって、小型化を可能にした燃料電
池を提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１の燃料
電池は、電解質板を燃料極および酸化剤極で挟んで形成
される起電部と、前記酸化剤極表面に設けられ両端を有
する酸化剤ガス流通路と、この酸化剤ガス流通路の一方
の端部で連通したマニホールドと、このマニホールド内
部を減圧する減圧手段とを有することを特徴とする。

【０００９】請求項2の燃料電池は、請求項１におい
て、前記マニホールド内に形成される整流板を具備する
ことを特徴とする。

【００１０】請求項3の燃料電池は、請求項１におい
て、前記酸化剤ガス流通路の他方の端部に形成されたプ
レフィルターを具備することを特徴とする。

【００１１】すなわち、酸化剤ガス流通路の排出口から
流路中の酸化剤ガスを吸引・排出することにより酸化剤
ガス流通路の導入口から酸化剤ガスを流路へ吸引・導入
する際に、減圧手段によりいったんマニホールド内の空
間を減圧し、それを介してその空間に連通する酸化剤ガ
ス流通路の排出口から流路中の酸化剤ガスをマニホール
ド内に吸引することで、大量の酸化剤ガスを小型の酸化
剤ガス供給手段で均一に酸化剤極に供給することが可能
になり、小型でかつ安定した性能の燃料電池を提供する
ことが可能となる。

【００１２】これは、酸化剤ガス流通路に存在する酸化
剤ガスは電池反応に伴い消費されるため、別途酸化剤ガ
ス供給手段を設けなくとも消費分の酸化剤ガスは酸化剤
ガス流通路へと自然吸気するためであり、本発明では、
酸化剤ガスをこの自然吸気を十分に生かす構成を採用す
ることで酸化剤ガス供給手段を小型化することを可能に
している。

【００１３】また、複数の単電池を積層した燃料電池の
場合、各単電池の酸化剤ガス流通路の排出口に連通する
共通のマニホールド内を減圧手段により負圧にし、その
負圧を利用して各単電池から酸化剤ガスを吸引・排出す
ることにより、均一な圧力で酸化剤ガス流通路内の酸化
剤ガスをマニホールド内に吸引・排出することができ、
ひいては均一に各単電池の酸化剤ガス流通路に酸化剤ガ
スを吸引・導入することが可能になる。

【００１４】特に本発明の燃料電池は、前記マニホール
ド内に整流板が設けることが望ましい。マニホールド内
に整流板を設けることにより、マニホールド内の酸化剤
ガスの乱流を防ぎ、更に酸化剤ガス流通路内の酸化剤ガ
スをマニホールド内に吸引・排出が均一になる。

【００１５】また、本発明の燃料電池は、酸化剤ガス吸
込口に、埃などの燃料電池本体内への流入を防止するプ
レフィルターを具備することが望ましい。

【００１６】コンピューター等の機器用電源として燃料
電池を用いる場合、酸化剤ガスとして大気を直接使用す
るため、空気取り入れ側である酸化剤ガス流通路の他端
側に導入する際に大気中の埃が流路に詰まり、酸化剤ガ
スが酸化剤極に供給されなくなる恐れがある。そこで、
酸化剤ガス吸込口にプレフィルターを具備することによ
り、埃による酸化剤ガス流通路の目詰まりを防ぐことが
出来る。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、例示的ではあるが限定的で
はない実施例を説明することによって本発明をより深く
理解することができる。 （実施例1）図1は、本発明の燃料電池の要部構成を示す
断面図である。同図において、1は燃料極（アノード）2
と酸化剤極（カソード）3とにより挟持された電解質板
であり、これら電解質板1、燃料極2および酸化剤極3に
よって起電部4が構成されている。ここで、燃料極2およ
び酸化剤極3は、燃料や酸化剤ガスを流通させると共に
電子を通すように、導電性の多孔質体で形成されてい
る。

【００１８】この様に、多孔体である燃料極２の毛細管
力を利用して燃料タンク８から燃料極２に液体燃料を供
給する様になっている。この方法を用いれば、燃料を燃
料極に供給する為のポンプ等の送気もしくは送液手段が
不要になり、燃料供給系のシステムを極めてコンパクト
にする事が可能である。

【００１９】起電部4をセパレ一タ5を介して複数積層す
ることにより、電池本体となるスタック７が構成されて
いる。セパレータ5の酸化剤極3と接する面には、酸化剤
ガスを流すための酸化剤ガス流通路６を連続溝として設
けている。

【００２０】通常、酸化剤ガス流通路６には、外部から
取り込んだ空気を燃料電池本体９の酸化剤ガス入口側に
設けられた送気手段（ファン）１０で送り込むことによ
って酸化剤ガスが供給される（図２）。しかし、この様
な酸化剤ガス２０を電池本体から排出口側２１へ圧送す
る方法では、発電に必要な全ての空気を送気手段１０で
送り込まねばならず、大きな駆動力を必要とする。

【００２１】これに対し、本発明の燃料電池に於いて
は、図３に示すように送気手段１０が燃料電池本体９の
酸化剤ガス出口側２１に設けられる。

【００２２】燃料電池本体９の酸化剤極３には、発電の
際、電極反応により酸素が消費されるのに伴い、ある程
度自ら空気を外部から燃料電池本体９内部に吸入する能
力がある。したがって、本発明の燃料電池においてはこ
の吸入力を利用し、足りない空気量を補う目的で送気手
段１０を用いる。即ち、燃料電池本体９の酸化剤ガス出
口側２１に設けられた送気手段１０を用いて、燃料電池
本体９内部から電池反応後の酸化剤ガス２０を排気する
事により、小さな駆動力で発電に必要な量の空気が酸化
剤極に吸入される。

【００２３】具体的には、図４に示すように送気手段１
０と本体９の酸化剤ガス出口との間には各単電池共通の
マニホールド１５が設けられる。送気手段１０によりマ
ニホールド１５内のガスを排気し、マニホールド１５内
部を減圧する。減圧されたマニホールド内部は本体の酸
化剤ガス流通路の一端側の排出口に連通しており、酸化
剤ガス流通路の吸込口は大気開放であるので、圧力差に
より酸化剤ガス吸込口から燃料電池本体内部に酸化剤ガ
スが吸引・導入される。このように、大気とマニホール
ド内部の負圧の圧力差を利用して酸化剤ガスを導入する
ことにより、燃料電池本体を構成する各単電池の酸化剤
ガス吸込口（大気）と排出口（マニホールド）との圧力
差が均一であるため、均一に各単セルに酸化剤ガスを供
給することができ、ひいては安定した電池性能を得るこ
とが出来る。また、この場合、従来構造に比べて均一に
単位電池に空気を供給できるので出力が安定する。

【００２４】燃料電池図５では送気手段１０として軸流
ファンを用いた例を図示したが、送気手段１０として
は、軸流ファンの他にも、遠心ファン、横流ファン、斜
流ファン、ポンプ等も使用できる。

【００２５】更に、図５に示すようにマニホールド内部
に整流板１６を設けると、マニホールド１５内に吸引さ
れた酸化剤ガスの乱流を抑制することが出来るので、燃
料電池本体９への酸化剤ガスの供給がより均一になる。

【００２６】また、図６に示すように燃料電池本体の酸
化剤ガス吸込口には、大気中の埃が燃料電池本体に導入
されて酸化剤ガス流通路が詰まるのを防ぐためのプレフ
ィルター１７が設けられる。

【００２７】図７に示した構成を有する液体燃料電池
（単電池）を、以下に示す要領で作製した。まず、カー
ボンクロス上にPt-Ru系触媒層を塗布した32mm×32mmの
燃料極2と、カーボンクロス上にPtブラック触媒層を塗
布した32mm×32mmの酸化剤極3とで、触媒層が電解質膜
と接するようにしてパーフルオロスルホン酸膜からなる
電解質膜1を挟持した。これらを、120℃で５分間、100k
g/cm2の圧力でホットプレスして接合した。この起電部
４を、深さ2mm、幅2mmの酸化剤ガス流通路６をもつ酸化
剤極側ホルダー１２と、同様の燃料ガス供給溝１１をも
つ燃料極側ホルダー１３の内部に組み込んで反応面積10
cm2の単電池を作製した。

【００２８】この様にして作製された単電池を、１０枚
積層して燃料電池スタックを作製した。

【００２９】この燃料電池スタックの酸化剤ガス排出口
が並んだ面に、内部にパンチングメタル状の整流板を備
えた厚さ１０ｍｍのマニホールドを介して消費電力0.5W
の軸流ファンを配置した。なお、酸化剤ガス吸込口側に
は１６メッシュのステンレス金網をプレフィルターとし
て配置した。

【００３０】このようにして得た燃料電池スタックに、
燃料としてメタノールと水の１：１（モル比）蒸気を燃
料ガス供給溝１１に供給し、更に、ファンにより酸化剤
ガス（空気）を吸い出して80℃で発電を行った。この電
池の電流−電圧特性を図８に示す。 （比較例１）実施例１と同様にして得られた燃料電池ス
タックに、燃料としてメタノールと水の１：１（モル
比）蒸気を燃料ガス供給溝に供給し、更に、酸化剤ガス
入口側に配置した消費電力0.5Wの送気ファンにより酸化
剤側ホルダーへ酸化剤ガス（空気）を送り込んで80℃で
発電を行った。この電池の電流−電圧特性を図８に示
す。

【００３１】図８から明らかなように、同じ消費電力の
ファンを用いても比較例１に比べて実施例１の燃料電池
は高い電流まで出力を得る事ができる。これは、同じ消
費電力のファンで、より多くの空気を燃料電池本体に導
入できている事を示す。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
によれば、効率よく酸化剤極に酸素を供給する事がで
き、安定して高い出力を得ることができる。これによ
り、酸化剤ガスの送気手段のコンパクト化が可能にな
り、小型の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】 本発明の実施例１に係わる燃料電池の要部構
成を示す断面図。

【図２】 従来の燃料電池本体と送気手段の配置を示す
ための説明図。

【図３】 本発明の実施例１に係わる燃料電池本体と送
気手段の配置を示す図。

【図４】 本発明の実施例１に係わる燃料電池本体とマ
ニホールドと送気手段の配置を示すための斜視図。

【図５】 本発明の実施例１に係わるマニホールド内部
の整流板を示す斜視図。

【図６】 本発明の実施例１に係わる燃料電池本体とプ
レフィルターの配置を示すための斜視図。

【図７】 本発明の比較例における単位電池の断面図。

【図８】 本発明の実施例および比較例に係わる燃料電
池の電流−電圧特性図。

【符号の説明】

１ 電解質板 ２ 燃料極 ３ 酸化剤極 ４ 起電部 ５ セパレータ ６ 酸化剤ガス流通路７ スタック ８ 燃料タンク ９ 燃料電池本体 １０ 送気手段 １１ 液体燃料供給溝 １２ 酸化剤極側ホルダー １３ 燃料極側ホルダー １４ 燃料電池搭載用電気機器 １５ マニホールド １６ 整流板 １７ プレフィルター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 安田 一浩 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 一色 正男 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 滝本 等 愛知県瀬戸市穴田町991番 株式会社東芝 愛知工場内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 BB01 BB02 BB04 CC03 CX03 CX04 EE02 EE05 EE19

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項1】電解質板を燃料極および酸化剤極で挟んで
   形成される起電部と、前記酸化剤極表面に設けられ両端
   を有する酸化剤ガス流通路と、この酸化剤ガス流通路の
   一方の端部で連通したマニホールドと、このマニホール
   ド内部を減圧する減圧手段とを有することを特徴とする
   燃料電池。
2. 【請求項2】前記マニホールド内に形成される整流板を
   具備することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 【請求項3】前記酸化剤ガス流通路の他方の端部に形成
   されたプレフィルターを具備することを特徴とする請求
   項１に記載の燃料電池。