JP2003264003A - 直接形燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【構成】 プロトン導電体膜４上の両面の各々に、燃料
極１０と空気極１２とを交互に設け、同一面上の燃料極
と空気極とを１個ずつ接続部１４で電気的に接続してペ
アとする。このようにして、プロトン導電体膜４上に複
数の単電池を直列に形成する。 【効果】 簡単に複数個の単電池をプロトン導電体膜上
に直列に形成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、有機溶媒と水をプ
ロトン導電体に直接供給して発電する直接形燃料電池に
関し、特に携帯電話や携帯用の情報端末などの携帯用電
子機器の電源に最適な小型の直接形燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、環境問題や資源問題への対策が重
要になっており、その対策のひとつとして、直接型燃料
電池の開発が行われている。特に、メタノールを燃料に
用い、改質やガス化を行わずに直接発電する直接メタノ
ール型燃料電池は、構造がシンプルで、小型化、軽量化
が容易であり、携帯電話や携帯用のコンピューター等の
小型コンシューマ電源として有望である。

【０００３】直接メタノール型燃料電池では、燃料極側
に３％程度の濃度のメタノール水溶液を供給すると、電
池反応によって炭酸ガスが発生し、燃料排気側では廃燃
料と炭酸ガスが排出される。一方、空気極側では、酸化
剤として空気を供給すると、電池反応により水が発生
し、空気出口から排出される。このような直接メタノー
ル型燃料電池を携帯電話等の小型電源として用いる場合
には、直接メタノール型燃料電池の作動電圧が、単電池
当たり0.5〜0.4Ｖ程度と低電圧であるため、複数の単電
池を直列に接続して昇圧する必要があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】このような電池の直列
接続として、小型の単電池を多数積層するバイポーラー
方式の直列接続と、固体電解質膜の膜内に接続用の配線
を設けて固体電解質膜の表裏両面を貫通させる膜内接続
とが提案されている。しかしながら、バイポーラー方式
の直列接続では、燃料流路、空気流路を持ったセパレー
ターを用いて、単電池を積層する必要があり、小型化が
困難であるうえに、セパレーターにコストがかかる。電
解質の膜内に直列接続用の配線を行うと、固体電解質膜
を貫通するように配線する必要があり、製造工程が複雑
となり、また固体電解質膜と配線材料の境界を介して空
気漏れが生じるおそれがある。

【０００５】この発明の基本的課題は、プロトン導電体
膜に形成した複数の単電池を接続する際に、プロトン導
電体膜の膜内配線やバイポーラー方式の直列接続を不要
にすることにある（請求項１〜７）。請求項２〜５の発
明での追加の課題は、直接形燃料電池の具体的な形状を
提供することにある。請求項６の発明での追加の課題
は、燃料極と空気極間の封止を容易にすることにある。
請求項７の発明での追加の課題は、プロトン導電体膜の
同じ表面上で隣接した燃料極から空気極へとプロトンが
移動し、プロトンの回り込みによって発電効率が低下す
るのを防止することにある。

【０００６】

【発明の構成】この発明の直接形燃料電池では、高分子
固体電解質膜等のプロトン導電体膜の表裏両面の各々
に、燃料極と空気極とを交互に所定の配列方向に沿って
複数設けて、プロトン導電体膜の表裏で燃料極と空気極
とが対向するようにする。そしてプロトン導電体膜に関
して同一面上で隣接した位置にあり、かつ前記の配列方
向に関して所定の向きにある、燃料極と空気極とを電気
的に接続することにより、燃料極と空気極とのペアを形
成する（請求項１）。

【０００７】燃料極と空気極は、プロトン導電体膜の表
裏両面に１列に配列しても良く（請求項２）、あるいは
平行に複数列に配列しても良い（請求項３）。

【０００８】この発明の直接形燃料電池を複数平行に配
置して、互いに直列または並列に接続してもよい（請求
項４）。

【０００９】またプロトン導電体膜をロール状に、特に
好ましくは渦巻き状に巻き回すと、円筒形の直接形燃料
電池が得られる（請求項５）。

【００１０】燃料極と空気極との間のセパレータとして
は、例えばフィルム状のセパレータを設けて、該セパレ
ータにより、燃料極と空気極との間を封止すれば良い
（請求項６）。

【００１１】また好ましくは、ＭＥＡ（プロトン導電体
膜と電極との複合体）では、前記の配列方向に沿った燃
料極と空気極との間の領域で、プロトン導電体膜を少な
くともプロトン導電に関して絶縁性にする（請求項
７）。

【００１２】

【発明の作用と効果】この発明では、プロトン導電体膜
と、その表裏両面で対向する燃料極と空気極により、単
電池を構成する。そして、隣接した２つの単電池の燃料
極と空気極とを、燃料極や空気極の配列方向で定まる所
定の向きに従って接続し、単電池間を直列に接続する。
このようにするとＭＥＡには複数の単電池が直列に接続
され、３Ｖ〜１２Ｖなどの携帯電話や携帯用のパーソナ
ルコンピュータなどの携帯情報端末などで用いやすい電
圧が得られる。単電池は例えば１枚のＭＥＡ上に形成さ
れているので、バイポーラー方式とは異なり、セパレー
タの構造が簡単になる。また固体電解質膜（プロトン導
電体膜）を貫通するように、膜内配線を施す必要が無
く、ＭＥＡの構造が簡単になり、金属板等の膜内配線と
固体電解質膜との境界から、空気が燃料極側へ漏れる恐
れもない（請求項１）。なお直接形燃料電池の燃料とし
ては、実施例ではメタノール−水系を示すが、エチルア
ルコールや、イソプロピルアルコール、ブタノール、ジ
メチルエーテル等の有機物やこれらの水等との混合物な
どを用いればよい。

【００１３】燃料極と空気極とをプロトン導電体膜の表
裏両面に一列に設けると、ＭＥＡはアスペクト比（縦横
比）の大きな形状とするのが容易で（請求項２）、表裏
両面に各複数列設けるとアスペクト比の小さなＭＥＡが
得られる（請求項３）。そこで、直接形燃料電池の外形
や電池内でのＭＥＡの実装構造に応じて、燃料極と空気
極との列の数を定めると良い。

【００１４】また、直接形燃料電池を複数平行に配置し
て直列または並列に接続すると、角板形の直接形燃料電
池の形状を得るのが容易になる（請求項４）。

【００１５】さらに、プロトン導電体膜をロール状にす
ると、外形が円筒状の直接形燃料電池が得られ、特にプ
ロトン導電体膜を渦巻き状に巻き回すと、燃料電池の両
出力端子を円筒の中心付近と円周付近に配置できる（請
求項５）

【００１６】また燃料極と空気極との間のセパレータと
して、フィルム状のセパレータを設けて、該セパレータ
により燃料極と空気極との間を封止すると、簡単に燃料
極への燃料流路と、空気極への空気流路とを遮断できる
（請求項６）。

【００１７】さらにプロトン導電体膜を、配列方向に沿
った燃料極と空気極との間の領域で、少なくともプロト
ン導電に関して絶縁性にすると、プロトン導電体膜の表
面に平行にプロトンが移動して、隣接した単電池が短絡
されることを防止でき、燃料電池の効率が増す（請求項
７）。なおプロトン導電に関して絶縁性にするだけでな
く、電子導電に関しても絶縁性にすれば、上記した効果
をさらに高めることができる。また、これらのプロトン
導電性や電子導電性は抵抗値で１００Ω以上あればよ
い。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１〜図８に、各実施例を示す。
これらの図において同じ符号は同じものを表し、図２，
図４の各変形例や図６〜図８の各実施例では、特に指摘
した点以外は、図１，図３，図５の実施例と同様で、特
に断らない限り、類似の部材は図１，図３，図５の実施
例と同様に構成してある。燃料はメタノール−水系を用
い、プロトン導電体膜には、パーフルオロスルホン酸系
の固体高分子電解質膜を用いるものとする。

【００１９】図１等において、２はＭＥＡで、４はその
プロトン導電体膜で、６はプロトン導電性のあるプロト
ン導電部、８は絶縁部である。プロトン導電体膜４の表
裏両面に、燃料極１０と空気極１２とを直線状に交互に
配列し、プロトン導電体膜４の両面で燃料極１０と空気
極１２とが対向するようにする。燃料極１０は、例えば
Ｃ（カーボン）−Ｐｔ−Ｒｕの導電性触媒にNafion（Na
fionはデュポン社の登録商標）とＰＴＦＥ（ポリテトラ
フルオロエチレン）を混合したものとし、これ以外にカ
ーボンペーパーなどのバッキング層を燃料流路側に設け
る。空気極１２はＣ−Ｐｔ−Ｒｕの導電性触媒に代え
て、好ましくはＣ−Ｐｔの導電性触媒を用い、他の点で
は燃料極１０と同様とし、同様にカーボンペーパーなど
のバッキング層を設けることが好ましい。プロトン導電
体膜４には厚さが２０〜２００μｍのNafion膜等の固体
高分子電解質膜を用いることができる。燃料極１０と空
気極１２には厚さが１００〜５００μｍの触媒層を設け
ることができるが、本実施の形態ではプロトン導電体膜
４の厚さは１８０μｍ、燃料極１０と空気極１２の厚さ
は２００μｍとした。

【００２０】１４は燃料極１０と空気極１２との間の接
続部で、金属板や金属フィルム、カーボンペーパー、導
電性高分子などを用い、電子伝導性のあるものであれば
良く、図１の場合、燃料極１０とその左側の隣接した空
気極１２との間に設け、燃料極と空気極との配列方向に
関して、所定の向きにある燃料極と空気極とを電子的に
接続する。１６，１７は出力端子で、直接形燃料電池
（以下単に「燃料電池」と呼ぶことがある）のケーシン
グに設ける出力端子などに接続する。これらの結果、複
数の単電池がＭＥＡ２上に直線的に直列に配列され、出
力端子１６，１７間には単電池の個数に比例した起電力
が得られる。またプロトン導電体膜４を貫通する接続部
は不要である。

【００２１】ＭＥＡ２のアスペクト比を小さくすること
が好ましい場合、例えば角板形の燃料電池を必要とする
場合には、図２のＭＥＡ２２のように、プロトン導電体
膜２４の表裏両面に、燃料極１０と空気極１２との配列
を複数設ければよい。図２にはプロトン導電体膜２４の
表面が示されているが、表面の燃料極１０に対向する裏
面には空気極が、空気極１２に対向する裏面には燃料極
がそれぞれ設けられている。２６は燃料極１０と空気極
１２との接続部、２８は出力端子１６，１７との接続部
で、これらには金属板や金属フィルム、カーボンペーパ
ーなどを用いる。特に接続部２６にカーボンペーパーを
用い、燃料極１０と空気極１２をカーボンペーパー上に
所定のパターンで塗布してカットすると、燃料極１０と
空気極１２と接続部２６の複合体を容易に得ることがで
きる。燃料極１０と空気極１２とを２列に配列すると、
ＭＥＡ２２の一端に出力端子１６，１７を揃えることが
できる。また出力端子１６，１７と反対側の端部の燃料
極１２ｂと空気極１０ｂとを、共に空気極あるいは共に
燃料極とすると、図２のＭＥＡ２２の長手方向と直角な
方向（ＭＥＡ２２の短辺方向）で、電極の極性が揃い、
空気流路や燃料流路の形成が容易になる。なお図２で
は、左右２列の燃料極１０と空気極１２の列を直列にし
たが、これらを並列にしても良い。

【００２２】図３は、図１のＭＥＡ２から接続部１４を
取り除いたＭＥＡ２ｂを用いた際の、燃料電池の実装構
造を示す。３０はセパレータで、絶縁性かつ気密性で耐
アルコール性の合成樹脂膜３２（例えばポロプロピレン
など）を基材とし、電極１０，１２との接続部に金属膜
３４をラミネートし、シリコンゴムや粘着材等の気密性
のあるシール材で、電極１０，１２間の隙間をシール
し、封止部３６を形成するようにしてある。セパレータ
３０は可撓性があり、外形は波板状である。３８はウィ
ックで、多孔質体の成形体などを用いて、毛細管力によ
り燃料を吸い上げ、ウィック３８は燃料タンク４６に差
し込んである。このようにして、燃料流路３９と空気流
路４０とを交互に形成する。

【００２３】４２は燃料電池のケースで、収容部４４に
ＭＥＡ２ｂにセパレータ３０，３０を取り付けたものを
収容し、４８は空気口で、空気流路４０と連通し、燃料
流路３９とは基本的に遮断してある。そして図示しない
蓋を収容部４４の開口に被せて、この蓋には空気流路４
０と連通する空気口を設けて、発電時の発熱などを利用
した対流やマイクロファンなどにより、空気極１２に充
分な空気を供給できるようにする。また蓋の両端に出力
端子を設け、ＭＥＡ２ｂの両端の出力端子（図３には図
示せず）と接続する。

【００２４】セパレータ３０は、所定のピッチで金属膜
３４と封止部３６とを設けた合成樹脂膜であり、在来の
カーボンセラミックセパレータなどに比べて、製造が容
易である。このセパレータ３０では、１つの電極に１つ
の燃料流路３９または１つの空気流路４０を設けている
が、１つの電極に対して複数ピッチの波板状とし、１つ
の電極への流路を複数に分割しても良い。またセパレー
タ３０は波板状なので、ケース４２からＭＥＡ２ｂ向き
の力を受け、この力で封止部３６の封止がより確実にな
る。なおＭＥＡ２ｂにセパレータ３０，３０を取り付け
たものを、例えば１８０°折り返すように折り曲げて、
ケース４２にセットしても良い。

【００２５】図４に、変形例の直接形燃料電池５０を示
すと、５１，５２は導電性のセパレータで、カーボン板
などを用い、５３は絶縁性の合成樹脂などを用いた絶縁
板、５４は粘着材やシリコンゴムなどを用いた封止部、
３８は前記のウィックである。燃料極と空気極間の接続
はセパレータ５１，５２で行うので、燃料電池の内部抵
抗を小さくするのが容易である。なおセパレータ５１，
５２を絶縁性にすると、絶縁板５３は不要になる。ま
た、空気流路や燃料流路を電極１個当たり複数に分割し
ても良く、あるいはウィック３８を設けなくても良い。

【００２６】図５に、図１〜図３の電池の製造工程を模
式的に示す。プロトン導電体膜４の形成では、例えば図
５の左上部のように、Nafion（”Nafion”はデュポン社
の登録商標）などのプロトン導電体の素材膜５６を用
い、絶縁化せずにプロトン導電性を残す部分をマスク５
７でマスクし、これ以外の部分に絶縁性の合成樹脂等を
含浸させて、プロトンの移動に必要なプロトン導電体膜
中の親水性領域をブロックし、プロトン導電性に関し絶
縁化する。この結果、ＭＥＡ２，２ｂでは、直列に接続
した単電池間でのプロトンの回り込みを防止できる。

【００２７】また図５の右上部のように、ＰＰ（ポリプ
ロピレン）などの絶縁性フレーム５８を用いて、キャス
ティングなどによりプロトン導電体を成膜し、互いに分
離されたプロトン導電部６を形成しても良い。絶縁部８
で互いに分離されたプロトン導電部６の形成方法自体は
任意である。

【００２８】プロトン導電体膜４の表裏両面に例えば各
１列に、燃料極１０と空気極１２とを交互に形成する。
燃料極１０と空気極１２はプロトン導電体膜の表裏で位
置をずらせて、膜の表裏で燃料極１０と空気極１２が対
向するようにする。燃料極１０と空気極１２との接続に
は、カーボンバッキング層を所定の燃料極１０と所定の
空気極１２とを接続するように用いても良く、あるいは
金属板や金属フィルムなどで接続しても良い。燃料極１
０や空気極１２、カーボンバッキング層、接続部１４の
取付などでは、例えばホットプレスを用い、電極材料中
のＰＴＦＥなどを用いて互いに結合する。ＭＥＡ２，２
ｂが完成すると、セパレータ３０，３０ｂを封止部３６
で取り付け、これを図３のケースに実装する。

【００２９】図６に、角板状の直接形燃料電池６０の構
成を模式的に示す。例えば図４の直接形燃料電池５０を
複数平行に配置し、金属フィルムなどを用いた接続部６
２で各直接形燃料電池５０，５０を直列または並列に接
続し、長方形状にする。これをケース６４にセットし、
燃料タンク６６からメタノールなどをウィック３８へ供
給し、空気口６８を空気流路へ連通させる。このように
すると角板状の燃料電池を容易に製造することができ、
直接形燃料電池５０間の接続を直列か並列か選択するこ
とにより、同じ外形で出力電圧の異なる燃料電池を容易
に製造できる。

【００３０】また図６の接続部６２は、プロトン導電体
膜自体により構成することもできる。例えば、接続部６
２に対応する位置に電極材料などの導電性材料を塗布し
て導電化し、所望の数の単電池毎に、プロトン導電体膜
を例えば１８０°折り曲げて折り返すと、図６と類似の
角板状の直接形燃料電池が得られる。このような燃料電
池は、例えばセパレータ３０，３０付きのプロトン導電
体膜４を１８０°折り返すように折り曲げても構成でき
る。

【００３１】図７，図８に、渦巻き状直接形燃料電池７
０の構造を示す。例えば図１のＭＥＡ２を渦巻き状に巻
くと図７の形状となり、電池７０の中心部と円周部とに
出力端子１６，１７が表れる。渦巻き状に巻いたＭＥＡ
２を円筒状のケース７２にセットし、燃料タンク７４か
ら燃料をウィック３８などを介して供給し、図８に示す
蓋７８に設けた空気口７９とケース７２とに設けた空気
口７６とを、空気流路４０に連通させる。なお燃料タン
ク７４には燃料を保持するためのウィックを配しても良
い。また蓋７８とケース７２とを例えば何れも金属製と
し、絶縁部８０で接続し、蓋７８とケース７２とを電池
の出力端子とする。このようにすると、アルカリ電池用
などの電池ボックスを用いることができる。セパレータ
３０はケース７２に押されて、ＭＥＡ２に密着する。な
おＭＥＡ２を渦巻き状に巻く代わりに、円筒状に１回巻
くようにしても良い。また図７の形状のものはセパレー
タ３０に絶縁性のものを用いた場合であるが、セパレー
タ３０に導電性のものを用いた場合には渦巻き状に巻い
たセパレータの内側と外側とが接触しないように絶縁性
シートを介在させる必要がある。

【００３２】各実施例において、直列に接続する単電池
の数は、必要な出力電圧に応じて定めればよい。またプ
ロトン導電体膜の材質、燃料極や空気極の材質、接続部
１４の材質、封止部３６の材質などは任意である。また
実施例ではウィック３８を用いたので、燃料タンクが下
になったが、燃料タンクが上、あるいはＭＥＡと燃料タ
ンクとが水平などの配置でも良い。

【００３３】実施例では、プロトン導電体膜を貫通する
膜内の配線が不要なため、ＭＥＡの製造が容易で、しか
も膜内配線を介しての空気漏れの恐れがない。またステ
ィック状、角板状、円筒状などの所望の形状の燃料電池
を得ることができる。さらに合成樹脂セパレータを用い
ると、セパレータの形成が容易で、しかもＭＥＡを折り
曲げるなどにより所望の形状にすることができる。また
プロトン導電体膜の不要部を絶縁化しておくと、単電池
間の直列接続を乱すようなプロトンの回り込みを防止で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例の直接形燃料電池のＭＥＡ部分を示す
断面図

【図２】 変形例のＭＥＡを示す断視図

【図３】 実施例の直接形燃料電池の構造を模式的に示
す斜視図

【図４】 変形例の直接形燃料電池の構造を示す断面図

【図５】 実施例の直接形燃料電池の製造工程を模式的
に示す工程図

【図６】 実施例の角板状直接形燃料電池を模式的に示
す斜視図

【図７】 実施例の渦巻き状直接形燃料電池を模式的に
示す斜視図

【図８】 図７の要部部分断面図

【符号の説明】

２，２ｂ ＭＥＡ ４ プロトン導電体膜 ６ プロトン導電部 ８ 絶縁部 １０，１０ｂ 燃料極 １２，１２ｂ 空気極 １４ 接続部 １６，１７ 出力端子 ２２ ＭＥＡ ２４ プロトン導電体膜 ２６，２８ 接続部 ３０，３０ｂ セパレータ ３２ 合成樹脂膜 ３４ 金属膜 ３６ 封止部 ３８ ウィック ３９ 燃料流路 ４０ 空気流路 ４２ ケース ４４ 収容部 ４６ 燃料タンク ４８ 空気口 ５０ 直接形燃料電池 ５１，５２ セパレータ ５３ 絶縁板 ５４ 封止部 ５６ プロトン導電体の素材膜 ５７ マスク ５８ 絶縁体フレーム ６０ 角板状直接形燃料電池 ６２ 接続部 ６４ ケース ６６ 燃料タンク ６８ 空気口 ７０ 渦巻き状直接形燃料電池 ７２ ケース ７４ 燃料タンク ７６，７９ 空気口 ７８ 蓋

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 プロトン導電体膜の表裏両面の各々に、
   燃料極と空気極とを交互に所定の配列方向に沿って複数
   設けて、プロトン導電体膜の表裏で燃料極と空気極とが
   対向するようにし、 プロトン導電体膜に関して同一面上で隣接した位置にあ
   り、かつ前記の配列方向に関して所定の向きにある、燃
   料極と空気極とを電気的に接続することにより、燃料極
   と空気極とのペアを形成した、直接形燃料電池。
2. 【請求項２】 燃料極と空気極を、プロトン導電体膜の
   表裏両面に１列に配列したことを特徴とする、請求項１
   の直接形燃料電池。
3. 【請求項３】 燃料極と空気極を、プロトン導電体膜の
   表裏両面に、平行に複数列に配列したことを特徴とす
   る、請求項１の直接形燃料電池。
4. 【請求項４】 請求項１〜３のいずれかの直接形燃料電
   池を平行に複数配列して、互いに直列または並列に接続
   したことを特徴とする、直接形燃料電池。
5. 【請求項５】 前記プロトン導電体膜をロール状にした
   ことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかの直接形燃
   料電池。
6. 【請求項６】 フィルム状のセパレータを設けて、該セ
   パレータにより、燃料極と空気極との間を封止するよう
   にしたことを特徴とする、請求項１〜５のいずれかの直
   接形燃料電池。
7. 【請求項７】 前記プロトン導電体膜を、前記の配列方
   向に沿った燃料極と空気極との間の領域で、少なくとも
   プロトン導電に関して絶縁性にしたことを特徴とする、
   請求項１〜６のいずれかの直接形燃料電池。