JP2004055307A - Fuel cell mounting apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電源として燃料電池が搭載された電子機器すなわち燃料電池搭載機器に関する。
【0002】
【従来の技術】
携帯電話、PDA、ノートパソコンなどの携帯電子機器では、機器全体の小型軽量化や駆動可能時間の長時間化を図るため、駆動電源やメモリ保持電源として、従来のニッケル・カドミウム電池やニッケル水素電池に代えてリチウムイオン二次電池が採用される場合が多い。リチウムイオン二次電池は、ニッケル・カドミウム電池やニッケル水素電池と比較すると、軽量で、比較的高い駆動電圧および電池容量が得られるという特長を有する。一方、近年の高度情報通信網の普及により、携帯電子機器における情報通信機能は強化され、機器のオペレーション時間は増加する傾向にある。そのため、携帯電子機器用途の電池に対しては、更なる高容量化の要求が高まっている。リチウムイオン二次電池は、携帯電子機器の進歩に伴って性能向上が図られてきたが、材料の観点からも構造の観点からも、性能の向上は略限界に達しており、近年の更なる高容量化の要求に対応できなくなりつつある。
【0003】
このような状況のもと、リチウムイオン二次電池に代わる新たな電池として、リチウムイオン二次電池の数倍の高容量化が期待される燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、触媒を含む燃料極(負極)および空気極(正極)と、これらの間において所定のイオンの移動を許容する電解質とからなる構造を有する。燃料電池においては、燃料極に燃料ないし水素を供給するとともに空気極に空気ないし酸素を供給すると、電極に含まれる触媒の作用により各電極にて電気化学的な反応が起こり、燃料を供給源とする電子による直流電流を取り出すことができる。このようなメカニズムで発電する燃料電池においては、燃料および酸素を供給し続けることにより連続発電が可能となる。したがって、燃料電池は、燃料および酸素を補給することにより、充電操作により反復使用される二次電池と同様に、携帯電子機器用途の電源へと応用可能である。
【0004】
燃料電池は、その電解質の種類に基づいて、リン酸型、固体高分子型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型などに類別される。携帯電子機器用途の電源としては、室温付近の低温にて作動可能であること、小型に構成可能であること、振動に強く大量生産が容易な固体電解質を備えることなどから、固体高分子型の燃料電池が適している。
【0005】
固体高分子型燃料電池においては、燃料供給方法として、有機燃料から改質された水素ガスを燃料極に接触させる手法、および、水素を供給可能な液体燃料を燃料極に対して直接に供給する手法などが知られている。水素ガスを使用する手法は、燃料を改質するための装置が必要であったり、水素ガスの取り扱いが困難であったりするため、携帯電子機器の小型電源としては適さない。そのため、携帯電子機器用途の小型電源を構成するという観点からは、液体燃料を使用する燃料電池が注目を集めている。特に、液体燃料としてのメタノール水溶液を燃料極に対して直接に供給するダイレクトメタノール方式の燃料電池が注目を集めている。
【0006】
ダイレクトメタノール方式によると、メタノール水溶液が供給された燃料極では、下記の式(1)に示すように、メタノールと水が反応して、二酸化炭素(CO2)、プロトン(H+)、および電子(e−)が生ずる。燃料極で生じたプロトンは高分子電解質膜を通って空気極に向かい、電子は、燃料極に接続された外部回路に流れる。外部回路にて仕事を終えた電子は空気極に向かう。また、二酸化炭素は系外に排出される。
【0007】
【化1】
【0008】
空気極では、下記の式(2)に示すように、空気から得られる酸素(O2)と、燃料極から到来したプロトン(H+)と、燃料極から外部回路を経て到来した電子(e−)とが反応して水(H2O)が生成する。
【0009】
【化2】
【0010】
ダイレクトメタノール方式を採用する従来の固体高分子型燃料電池には、液体燃料や酸素を強制的に流通させて各電極に供給するための装置ないしシステムが併設される場合が多い。しかしながら、強制供給システムを伴う燃料電池は、特に携帯電話用途やPDA用途の電源としては、過大なサイズとなるため実用的でない。また、空気極にて発生する水を加熱や送風などにより除去するための装置ないしシステムが併設される場合もあるが、水除去システムを伴う燃料電池も、特に携帯電話用途やPDA用途の電源としては、過大なサイズとなるため実用的でない。
【0011】
一方、強制供給システムおよび水除去システムを利用せずに、小型軽量化が図られた燃料電池が提案されている。そのような燃料電池においては、例えば、液体燃料を収容する燃料貯蔵部から燃料極に連通する経路が設けられ、液体燃料が当該経路を流通して燃料極に接触するように構成されている。これとともに、空気極は、電池外部の空気が流通接触できるように設けられ、空気に含まれる酸素が空気極に接触するとともに、空気極にて生成する水が空気中に自然蒸散するように構成されている。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、強制供給システムおよび水除去システムの有無は電池の出力に影響を与え、ダイレクトメタノール方式の固体高分子型燃料電池がこれらのシステムを搭載していないと、従来の技術においては、電池出力は相当な程度で低下してしまう。強制供給システムを備えないことに起因して液体燃料および酸素の供給効率が低いうえに、更に、水除去システムを備えないことに起因して、空気極にて生成する水が当該空気極表面を被覆して空気極の有効面積が低下することが、電池出力低下の要因であると考えられる。空気の流通接触効率および水の蒸散効率の観点からは、電池外部の空気に対する空気極の暴露の程度は高い方がよいが、空気極保護の観点からは、空気極の暴露の程度は小さい方がよい。暴露の程度が高いほど、汚染や破損により空気極が劣化しやすく、空気極の劣化は電池出力低下の原因となる。このように、強制供給システムや水除去システムを伴わないダイレクトメタノール方式固体高分子型燃料電池においては、電池出力の低下を抑制するのには困難性がある。そのため、従来の技術によると、ダイレクトメタノール方式固体高分子型燃料電池は、携帯電子機器などの小型機器においては実用的でない場合が多かった。
【0013】
本発明は、このような事情のもとで考え出されたものであって、両電極に対して燃料や酸素を強制的に供給するための装置ないしシステム、および、空気極にて生成する水を除去するための装置ないしシステムを伴わなくとも、電池の出力低下を適切に抑制可能な燃料電池搭載機器を提供することを目的とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明によると燃料電池搭載機器が提供される。この燃料電池搭載機器は、燃料を酸化するための第1電極、酸素を還元するための第2電極、並びに、第1電極および第2電極に挟まれた電解質層を備える燃料電池本体と、第2電極の少なくとも一部を外部に露出させる開口部を有して燃料電池本体を収容する筐体と、を備え、開口部は、筐体の変位により遮蔽状態および開放状態を選択可能とされていることを特徴とする。
【0015】
このような構成によると、燃料や酸素を強制的に供給するための装置ないしシステム、および、空気極にて生成する水を除去するための装置ないしシステムを伴わなくとも、燃料電池の出力低下を抑制することができる。本発明において、燃料電池の第2電極(空気極)の少なくとも一部は筐体の開口部を介して機器外部に露出しており、当該開口部は、筐体の変位により遮蔽状態および開放状態を選択可能とされている。本発明の燃料電池搭載機器が例えば携帯電話である場合、通話時などにおいて当該携帯電話が大電力で駆動しているときには、筐体の変位ないし形態変化により開口部を開放することによって、電池作動に伴って空気極で発生する水の除去を効率的に行うことができる。機器外部の空気に開放されることによって、空気極に付着している水の蒸散は促進されるからである。空気極で発生する水を効率的に除去することにより、空気極での酸素の還元反応における反応速度の低下を抑制することができ、ひいては、当該還元反応に連動して進行する酸化反応すなわち燃料極での燃料の酸化反応における反応速度の低下を抑制することができる。これらの結果、電池出力の低下を抑制することができるのである。
【0016】
加えて、本発明によると、待受時などにおいて当該携帯電話が低電力で駆動して、空気極にて有意な量の水が発生しないときには、筐体の変位により開口部を遮蔽することができる。開口部ないし空気極が遮蔽されることによって、空気極の破損や汚染が防止され、ひいては燃料電池の出力低下が抑制されることとなる。
【0017】
このように、本発明に係る燃料電池搭載機器によると、機器の消費電力に応じて、機器外部の空気に対する空気極の暴露状態を適切に変化させることができ、従って、強制供給システムや水除去システムを伴わなくとも電池の出力低下を適切に抑制することが可能なのである。従来より、例えば特開平7−199311号公報や特開2001−292214号公報に開示されているように、電池を搭載しつつ筐体が変位可能な電子機器は知られている。しかしながら、それらは、一般に燃料電池を搭載せず、従って、燃料電池の空気極の暴露状態を変化させるように筐体の形態が変化するものではない。
【0018】
本発明の好ましい実施の形態においては、筐体は、開口部を有して燃料電池を収容する第1筐体と、ヒンジ部を介して第1筐体に連結する第2筐体とを含み、第1筐体および第2筐体はヒンジ部を枢軸として回転可能であって、第2筐体は、開口部を遮蔽する位置に配置可能とされている。このような構成は、開口部の遮蔽状態および開放状態を適宜選択するのに適している。この場合、ヒンジ部は、第1筐体における燃料電池本体の第1電極に供給する燃料を保持する燃料貯蔵部を有するのが好ましい。或は、第1筐体は、燃料電池本体の第1電極に供給する燃料を保持する燃料貯蔵部を、燃料電池本体よりもヒンジ部に近接する位置に有していてもよい。燃料貯蔵部がこれらのような構成で設けられていると、燃料として例えばメタノール水溶液などの液体燃料を採用する場合、燃料の自重を利用して、燃料極に燃料を適切に供給できる場合がある。
【0019】
本発明の別の好ましい実施の形態においては、筐体は、開口部を有して燃料電池を収容する第1筐体と、開口部を遮蔽する位置および開放する位置との間で第1筐体に対してスライド変位可能な第2筐体とを含んでいる。このような構成も、開口部の開放状態および遮蔽状態を適宜選択するのに適している。
【0020】
本発明において、好ましくは、電解質層は固体高分子電解質膜よりなる。また、燃料はメタノール水溶液であるのが好ましい。
【0021】
【発明の実施の形態】
図1〜図5は、本発明の第1の実施形態に係る燃料電池搭載機器である携帯電話X1を表す。図1および図2は携帯電話X1の斜視図である。図3は、図2の線III−IIIに沿った断面図であり、図4は、図2の線III−IIIに沿った分解断面図である。図5は、図2の線V−Vに沿った断面図である。本実施形態においては、携帯電話X1について、ダイレクトメタノール方式燃料電池を搭載する携帯電子機器として説明する。
【0022】
携帯電話X1は、第1筐体11と、第2筐体12と、第1筐体11に収容された燃料電池本体20とを備える。第1筐体11および第2筐体12は、ヒンジ部13を介して連結しており、図1に示す折畳み状態と、図2に示す展開状態との間で変位可能である。第1筐体11には、開口部11aが設けられている。第2筐体12には、ディスプレイ31、各種のボタン32、スピーカ33、マイク34、およびアンテナ35が設けられている。ヒンジ部13には、図5に示すように、液体燃料であるメタノール水溶液を保持するための燃料貯蔵部14が設けられている。本実施形態における燃料貯蔵部14は、メタノール水溶液が直接的に貯留される小型タンクとして構成されており、メタノール水溶液またはメタノールを適宜補充するための注入口(図示略)を有する。第1筐体11、第2筐体12、およびヒンジ部13は、金属製であってもよいし樹脂製であってもよい。
【0023】
燃料電池本体20は、図3〜図5に示すように、燃料極21および空気極22と、これらに挟まれている電解質層23とからなる。燃料極21は、触媒層21aおよび集電体21bからなる積層構造を有する。同様に、空気極22は、触媒層22aおよび集電体22bからなる積層構造を有する。
【0024】
燃料極21の触媒層21aは、上掲の式(1)に従ってメタノールを酸化してプロトンと電子を取り出すためのものであり、導電粒子に触媒を担持させてなる触媒性粒子と、電解質層形成用の後述するプロトン伝導性高分子材料との混合物を含み、多孔質である。導電粒子としては、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、カーボンブラックなどの炭素粒子が挙げられる。触媒としては、白金(Pt)−ルテニウム(Ru)合金を採用することができる。触媒の粒径は、例えば2〜5nmである。触媒層21aの作製においては、まず、触媒性粒子とプロトン伝導性高分子材料とを水溶媒系またはアルコール溶媒系にて混合し、これを脱泡して電極ペーストを調製する。次に、触媒層基材としての多孔質導電膜の上に電極ペーストを塗布ないし充填した後、例えば100℃にて加熱乾燥する。多孔質導電膜としては、カーボンペーパなどが挙げられる。多孔質導電膜の膜厚は例えば100〜400μmであり、触媒層基材である多孔質導電膜の上における電極ペーストのみに由来する材料厚さは、例えば5〜50μmである。このようにして、多孔質導電膜(図示略)を伴う多孔質性の触媒層21aが作製される。
【0025】
集電体21bは、触媒層21aにおけるメタノール酸化反応で発生する電子を効率的に取り出すためのものであり、例えばSUS製やNi製の金属メッシュである。集電体21bとしては、液体燃料であるメタノール水溶液が容易に通過可能なメッシュ開口径ないしメッシュ開口率を有するものを採用する。集電体21bは、携帯電話X1の諸機能を達成するための所定の電子回路(図示略)に対して電気的に接続されている。
【0026】
空気極22の触媒層22aは、上掲の式(2)に従って空気中の酸素の還元反応を進行させるためのものであり、導電粒子に触媒を担持させてなる触媒性粒子と、電解質層形成用の後述するプロトン伝導性高分子材料との混合物を含み、多孔質である。触媒については、白金(Pt)を採用することができる。触媒の粒径は、例えば2〜5nmである。導電粒子については、触媒層21aと同様のものを使用することができる。また、触媒層22aの作製方法については、触媒層21aに関して上述したのと同様である。
【0027】
集電体22bは、触媒層22aに対して効率的に電子を供給するためのものであり、例えばSUS製やNi製の金属メッシュである。集電体22bとしては、触媒層22aに対して空気ないし酸素が自然拡散により充分に接触可能であるとともに、触媒層22aにおける酸素還元反応で生成する水を適切に蒸散排出可能なメッシュ開口径ないしメッシュ開口率を有するものを採用する。集電体22bは、携帯電話X1の諸機能を達成するための所定の電子回路(図示略)に対して電気的に接続されている。
【0028】
電解質層23は、燃料極21におけるメタノール酸化反応で生成したプロトンを空気極22に輸送するための媒体であり、電子伝導性を有さずにプロトン伝導性を有する高分子材料よりなる。そのような高分子材料としては、パーフロオロスルホン酸膜が挙げられる。パーフロオロスルホン酸膜としては、例えば、ナフィオン膜(デュポン製)、フレミオン膜(旭硝子製)、アシプレックス膜(旭化成工業製)、ダウ膜(ダウケミカル製)などが挙げられる。電解質層23の厚さは、例えば50〜250μmである。
【0029】
燃料電池本体20の作製においては、まず、上述のようにして作製された触媒層21aおよび触媒層22aにより電解質層23を挟む。このとき、触媒層21aおよび触媒層22aは、多孔質導電膜(図示略)の上における電極ペースト由来の材料のみからなる面を介して電解質層23に貼り合わせる。次に、加熱下にて、当該貼合せ体を積層方向に加圧して接合する。次に、触媒層21aに対して集電体21bを積層して接合し、触媒層22aに対して集電体22bを積層して接合する。
【0030】
このようにして作製される燃料電池本体20は、その周縁部と第1筐体11との間にパッキング材36を介在させつつ、外装封止材である第1筐体11に収容されている。パッキング材36を燃料電池本体20の周縁部に設けることにより、後述の燃料導入路15からの液体燃料の漏出が防止される。
【0031】
燃料電池本体20が第1筐体11に収容された状態において、燃料電池本体20の燃料極21と第1筐体11の間には、燃料極21の少なくとも一部が臨む燃料導入路15が形成されている。燃料電池本体20が第1筐体11に収容された状態において燃料導入路15が形成されるべく、燃料極21と対向することとなる第1筐体11の内面には、燃料導入路規定用の溝が複数形成されている。燃料導入路15は、図5に示すように、ヒンジ部13に設けられている燃料貯蔵部14に連通しており、毛管現象により燃料貯蔵部14から液体燃料が流入するように形成されている。第1筐体11において燃料導入路15に臨む所定の箇所には、燃料導入路15と第1筐体外部との間の隔壁として、二酸化炭素透過膜(図示略)が配設されている。二酸化炭素透過膜は、液体燃料を実質的に透過させずに二酸化炭素を選択的に透過させる膜であり、この膜を介して燃料極21にて生成する二酸化炭素は排出される。二酸化炭素透過膜を構成する材料としては、例えば、シリコンゴムやフッ素ポリイミドなどが挙げられる。また、空気極22は、第1筐体11に当接しつつ、その一部が開口部11aを介して機器外部に露出している。
【0032】
以上の発電システム構成を有する携帯電話X1において、燃料貯蔵部14に液体燃料すなわちメタノール水溶液が貯留されていると、当該メタノール水溶液は、毛管現象により、燃料貯蔵部14から燃料導入路15を進行して燃料極21に至る。そして、燃料極21では、メタノール水溶液は、メッシュ状の集電体21bを通過して触媒層21aに至る。これとともに、第1筐体11の開口部11aを介して外気に触れる空気極22には、空気に含まれる酸素が常時的に接触する。空気極22では、酸素は、メッシュ状の集電体22bを通過して触媒層22aに至る。
【0033】
このように、燃料極21に対してメタノール水溶液が供給されるとともに空気極22に対して酸素が供給されると、燃料極21の触媒層21aでは、触媒の作用により、上掲の式(1)で表されるメタノール酸化反応が起こり、二酸化炭素、プロトン、および電子が発生する。また、空気極22の触媒層22aでは、触媒の作用により、上掲の式(2)で表される酸素還元反応が起こり、水が生成する。両極においてこのような電気化学反応が進行することにより、燃料電池本体20は発電する。具体的には、燃料極21の触媒層21aにて発生する電子は、触媒を担持する導電粒子を介して集電体21bに集電された後、当該集電体21bに接続された所定の電子回路(図示略)に流れ、電力が消費される。電子回路にて仕事を終えた電子は、当該電子回路に接続された空気極22の集電体22bに向かう。また、燃料極21にて発生するプロトンは、触媒層21aに含まれるプロトン伝導性高分子材料を介して電解質層23に流入し、空気極22に向かう。燃料極21にて発生する二酸化炭素は、第1筐体11に配設された上述の二酸化炭素透過膜(図示略)を介して燃料導入路15から排出される。このようにして、メタノール水溶液を燃料とする燃料電池本体20が、携帯電話X1の駆動電力の少なくとも一部を発電する。
【0034】
燃料電池本体20を含むこのような発電システムを備える携帯電話X1では、例えば待受時などにおいて低電力で駆動している場合には、第1筐体11および第2筐体12を図1に示すように折畳み状態とする。携帯電話X1の低電力駆動時には、空気極22にて有意な量の水が発生せず、空気極22を水が被覆することによる過度の電力低下は生じない。第1筐体11および第2筐体12を折畳み状態に配向させると、第1筐体11の開口部11aが遮蔽される。その結果、開口部11aを介して機器外部に臨む空気極22の破損や汚染が防止され、ひいては空気極22の劣化が抑制される。このように、携帯電話X1によると、低電力駆動時において開口部11aを遮蔽状態とすることができるので、空気極22の劣化に起因する燃料電池本体20の出力低下を適切に抑制することが可能である。
【0035】
一方、携帯電話X1が例えば通話時などにおいて大電力で駆動しているときには、第1筐体11および第2筐体12を図2に示すように展開状態とする。当該展開状態では、開口部11aないし空気極22が大気下に開放され、空気極22に付着している水の蒸散は促進される。したがって、第1筐体11および第2筐体12を展開状態に配向させると、燃料電池作動に伴って空気極22で発生する有意な量の水を、効率的に除去することができる。空気極22で発生する水を効率的に除去することにより、電池反応における反応速度の低下を抑制することができる。具体的には、空気極22の水を効率的に除去することにより、空気極22での酸素の還元反応における反応速度の低下を抑制することができるとともに、当該還元反応に連動して進行する酸化反応、即ち燃料極21でのメタノール酸化反応における反応速度の低下を抑制することができる。このように、携帯電話X1によると、大電力駆動時において開口部11aを開放状態とすることができるので、電池反応の反応速度の低下に起因する燃料電池本体20の出力低下を適切に抑制することが可能である。
【0036】
加えて、携帯電話X1の通常の使用態様においては、筐体展開時には図5に示すように燃料導入路15が燃料貯蔵部14の下方に位置するため、燃料極21への燃料供給が促進される。具体的には、メタノール水溶液の自重の作用により、燃料貯蔵部14から燃料導入路15へのメタノール水溶液の流入や、燃料導入路15の内部におけるメタノール水溶液の進行が促進される。このような燃料供給の促進により、燃料極21に対する液体燃料の適切な接触効率を達成することができ、燃料電池本体20の出力低下は抑制される。
【0037】
図6〜図8は、本発明の第2の実施形態に係る燃料電池搭載機器である携帯電話X2を表す。図6および図7は携帯電話X2の斜視図であり、図8は、図7の線VIII−VIIIに沿った断面図である。
【0038】
携帯電話X2は、ダイレクトメタノール方式の燃料電池を搭載する携帯電子機器であって、第1筐体11と、第2筐体12と、第1筐体11に収容された燃料電池本体20とを備える。第1筐体11および第2筐体12は、ヒンジ部13を介して連結しており、図6に示す折畳み状態と、図7に示す展開状態との間で変位可能である。第1筐体11には、燃料電池本体20の空気極22を機器外部に露出させるための開口部11aが設けられている。第1筐体11の内部には、図8に示すように燃料貯蔵部14が設けられている。燃料貯蔵部14は、第1筐体11において、開口部11aよりもヒンジ部13に近接する位置に配設されている。本実施形態における燃料貯蔵部14は、液体燃料としてのメタノール水溶液が直接的に貯留される小型タンクとして構成されており、メタノール水溶液またはメタノールを適宜補充するための注入口(図示略)を有する。第2筐体12には、ディスプレイ31、各種のボタン32、スピーカ33、マイク34、およびアンテナ35が設けられている。第1筐体11、第2筐体12、およびヒンジ部13は、金属製であってもよいし樹脂製であってもよい。
【0039】
本実施形態における燃料電池本体20の構成および作製手法、並びに、ダイレクトメタノール方式における燃料電池本体20の発電原理および燃料電池本体20以外の発電システム構成については、第1の実施形態に関して上述したのと同様である。
【0040】
このような構成の携帯電話X2によると、携帯電話X1と同様に、燃料電池本体20の出力低下を抑制することが可能である。携帯電話X2によると、低電力駆動時には、図6に示すように、第1筐体11および第2筐体12を折り畳んで開口部11aを遮蔽状態とすることができる。これにより、空気極22の経時的劣化は抑制され、従って、空気極22の経時的劣化に起因する燃料電池本体20の出力低下を適切に抑制することが可能となる。一方、大電力駆動時には、図7に示すように、第1筐体11および第2筐体12を展開して開口部11aを開放状態とすることができる。これにより、電池反応で生じた水は空気極22から効率よく蒸散し、従って、電池反応の反応速度の低下に起因する燃料電池本体20の出力低下を適切に抑制することが可能となる。また、携帯電話X2の通常の使用態様においては、筐体展開時には図8に示すように燃料導入路15が燃料貯蔵部14の下方に位置するため、燃料極21への燃料供給が促進される。これにより、燃料極21に対する液体燃料の高い接触効率が達成され、従って、燃料電池本体20の出力低下を抑制することが可能となる。加えて、本実施形態の携帯電話X2においては、燃料貯蔵部14は第1筐体11に収容されているため、ヒンジ部13を携帯電話X1のそれよりも小型に構成することができる。
【0041】
図9〜図11は、本発明の第3の実施形態に係る燃料電池搭載機器である携帯電話X3を表す。図9および図10は、携帯電話X3の斜視図であり、図11は、図10の線XI−XIに沿った断面図である。
【0042】
携帯電話X3は、ダイレクトメタノール方式の燃料電池を搭載する携帯電子機器であって、第1筐体11’と、第2筐体12’と、第1筐体11’に収容された燃料電池本体20とを備える。第1筐体11’および第2筐体12’は、相互にスライド変位可能に連結されている。具体的には、第1筐体11’および第2筐体12’は、図9に示す縮短状態と図10に示す伸長状態との間で変位可能である。第1筐体11’には、燃料電池本体20の空気極22を機器外部に露出させるための開口部11’aが設けられている。開口部11’aは、第1筐体11’において、図10に示す筐体伸長状態において開放されるような箇所に形成されている。第1筐体11’の内部には、図11に示すように、燃料貯蔵部14が設けられている。本実施形態における燃料貯蔵部14は、液体燃料としてのメタノール水溶液が直接的に貯留される小型タンクとして構成されており、メタノール水溶液またはメタノールを適宜補充するための注入口(図示略)を有する。第2筐体12’には、ディスプレイ31、各種のボタン32、スピーカ33、マイク34、およびアンテナ35が設けられている。第1筐体11’および第2筐体12’は、金属製であってもよいし樹脂製であってもよい。
【0043】
本実施形態における燃料電池本体20の構成および作製手法、並びに、ダイレクトメタノール方式における燃料電池本体20の発電原理および燃料電池本体20以外の発電システム構成については、第1の実施形態に関して上述したのと同様である。
【0044】
このような構成の携帯電話X3によると、携帯電話X1と同様に、燃料電池本体20の出力低下を抑制することが可能である。携帯電話X3によると、低電力駆動時には、図9に示すように、第1筐体11’および第2筐体12’を縮短させて開口部11’aを遮蔽状態とすることができる。これにより、空気極22の経時的劣化は抑制され、従って、空気極22の経時的劣化に起因する燃料電池本体20の出力低下を適切に抑制することが可能となる。一方、大電力駆動時には、図10に示すように、第1筐体11’および第2筐体12’を伸長して開口部11’aを開放状態とすることができる。これにより、電池反応で生じた水は空気極22から効率よく蒸散し、従って、電池反応の反応速度の低下に起因する燃料電池本体20の出力低下を適切に抑制することが可能となる。また、携帯電話X3の通常の使用態様においては、燃料導入路15は燃料貯蔵部14の下方に位置するため、燃料極21への燃料供給が促進される。これにより、燃料極21に対する液体燃料の高い接触効率が達成され、従って、燃料電池本体20の出力低下を抑制することが可能となる。加えて、本実施形態の携帯電話X3においては、第1筐体11’および第2筐体12’を連結するためのヒンジ部を設ける必要はない。
【0045】
上述の第1から第3の実施形態においては、液体燃料としてメタノールの水溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池を搭載する携帯電話について説明したが、本発明は、他の液体燃料を使用する燃料電池を搭載する電子機器として構成することもできる。その場合、燃料電池本体20については、必要に応じて、上述の構成に代えて、使用する液体燃料に対応する構成とする。他の液体燃料としては、エチレングリコールや、例えばKBH4などのボロハイドライド系燃料などを使用することができる。また、燃料貯蔵部14については、液体燃料を直接的に貯留する上述の構成に代えて、液体燃料が注入された燃料カートリッジを収容する構成としてもよい。その場合、カートリッジ装着時において、カートリッジ内部と燃料導入路15とが連通する構成とする。
【0046】
以上のまとめとして、本発明の構成およびそのバリエーションを以下に付記として列挙する。
【0047】
(付記1)燃料を酸化するための第1電極、酸素を還元するための第2電極、並びに、前記第1電極および前記第2電極に挟まれた電解質層を備える燃料電池本体と、
前記第2電極の少なくとも一部を外部に露出させる開口部を有して前記燃料電池本体を収容する筐体と、を備え、
前記開口部は、前記筐体の変位により遮蔽状態および開放状態を選択可能とされていることを特徴とする、燃料電池搭載機器。
(付記2)前記筐体は、前記開口部を有して前記燃料電池を収容する第1筐体と、ヒンジ部を介して前記第1筐体に連結する第2筐体とを含み、前記第1筐体および前記第2筐体は前記ヒンジ部を枢軸として回転可能であって、前記第2筐体は、前記開口部を遮蔽する位置に配置可能とされている、付記1に記載の燃料電池搭載機器。
(付記3)前記ヒンジ部は、前記第1筐体における前記燃料電池本体の第1電極に供給する燃料を保持する燃料貯蔵部を有する、付記2に記載の燃料電池搭載機器。
(付記4)前記第1筐体は、前記燃料電池本体の前記第1電極に供給する燃料を保持する燃料貯蔵部を、前記燃料電池本体よりも前記ヒンジ部に近接する位置に有する、付記2に記載の燃料電池搭載機器。
(付記5)前記筐体は、前記開口部を有して前記燃料電池を収容する第1筐体と、前記開口部を遮蔽する位置および開放する位置との間で前記第1筐体に対してスライド変位可能な第2筐体とを含む、付記1に記載の燃料電池搭載機器。
(付記6)前記電解質層は固体高分子電解質膜よりなる、付記1から5のいずれか1つに記載の燃料電池搭載機器。
(付記7)前記燃料はメタノール水溶液である、付記1から6のいずれか1つに記載の燃料電池搭載機器。
【0048】
【発明の効果】
本発明の燃料電池搭載機器によると、両電極に対して燃料や酸素を強制的に供給するための装置ないしシステム、および、空気極にて生成する水を除去するための装置ないしシステムを伴わなくとも、電池の出力低下を適切に抑制可能である。このような燃料電池搭載機器は、携帯電話やPDAなどの携帯電子機器として構成するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施形態に係る燃料電池搭載機器である携帯電話について、燃料電池の空気極を外部に露出させる開口部が遮蔽された状態を表す。
【図2】図1に示す携帯電話における開口部が開放された状態を表す。
【図3】図2の線III−IIIに沿った断面図である。
【図4】図2の線III−IIIに沿った分解断面図である。
【図5】図2の線V−Vに沿った断面図である。
【図6】第2の実施形態に係る燃料電池搭載機器である携帯電話について、燃料電池の空気極を外部に露出させる開口部が遮蔽された状態を表す。
【図7】図6に示す携帯電話における開口部が開放された状態を表す。
【図8】図7の線VIII−VIIIに沿った断面図である。
【図9】第3の実施形態に係る燃料電池搭載機器である携帯電話について、燃料電池の空気極を外部に露出させる開口部が遮蔽された状態を表す。
【図10】図9に示す携帯電話における開口部が開放された状態を表す。
【図11】図10の線XI−XIに沿った断面図である。
【符号の説明】
X1,X2,X3 携帯電話
11,11’ 第1筐体
11a,11’a 開口部
12,12’ 第2筐体
13 ヒンジ部
14 燃料貯蔵部
15 燃料導入路
20 燃料電池本体
21 燃料極
22 空気極
21a,22a 触媒層
21b,22b 集電体
23 電解質層[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electronic device equipped with a fuel cell as a power source, that is, a device equipped with a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
For portable electronic devices such as mobile phones, PDAs, and notebook computers, conventional nickel-cadmium batteries and nickel-metal hydride batteries are used as drive power supplies and memory retention power supplies in order to reduce the size and weight of the entire device and extend the drivable time. In many cases, a lithium ion secondary battery is used instead of the above. Lithium-ion secondary batteries are characterized by being lighter in weight and capable of obtaining a relatively high drive voltage and battery capacity as compared with nickel-cadmium batteries and nickel-metal hydride batteries. On the other hand, with the spread of the advanced information communication network in recent years, the information communication function of the portable electronic device has been strengthened, and the operation time of the device tends to increase. For this reason, there is an increasing demand for batteries for portable electronic devices to have higher capacities. The performance of lithium-ion secondary batteries has been improved with the progress of portable electronic devices.However, from the viewpoint of materials and structure, the performance has almost reached the limit, and in recent years, the performance has been further increased. It is becoming impossible to meet the demand for higher capacity.
[0003]
Under such circumstances, as a new battery replacing the lithium ion secondary battery, a fuel cell expected to have a capacity several times higher than that of the lithium ion secondary battery is attracting attention. 2. Description of the Related Art A fuel cell has a structure including a fuel electrode (negative electrode) and an air electrode (positive electrode) containing a catalyst, and an electrolyte that allows predetermined ions to move between them. In a fuel cell, when fuel or hydrogen is supplied to the fuel electrode and air or oxygen is supplied to the air electrode, an electrochemical reaction occurs at each electrode by the action of a catalyst included in the electrode, and the fuel is supplied to the supply source. DC current by the generated electrons can be extracted. In a fuel cell that generates power by such a mechanism, continuous power generation is possible by continuously supplying fuel and oxygen. Therefore, the fuel cell can be applied to a power source for portable electronic devices by replenishing fuel and oxygen, like a secondary battery repeatedly used by a charging operation.
[0004]
Fuel cells are classified into phosphoric acid type, polymer electrolyte type, molten carbonate type, solid oxide type, and the like, based on the type of the electrolyte. As a power source for portable electronic devices, it is possible to operate at a low temperature around room temperature, to be compact, to have a solid electrolyte that is resistant to vibration and easy to mass-produce. Fuel cells are suitable.
[0005]
In a polymer electrolyte fuel cell, as a fuel supply method, a method in which hydrogen gas reformed from an organic fuel is brought into contact with a fuel electrode, and a liquid fuel capable of supplying hydrogen is directly supplied to the fuel electrode Methods are known. The method using hydrogen gas is not suitable as a small power source for portable electronic devices because a device for reforming the fuel is required and the handling of hydrogen gas is difficult. Therefore, a fuel cell using a liquid fuel has attracted attention from the viewpoint of configuring a small power source for portable electronic devices. In particular, a direct methanol fuel cell that supplies an aqueous methanol solution as a liquid fuel directly to a fuel electrode has attracted attention.
[0006]
According to the direct methanol method, at the fuel electrode supplied with the aqueous methanol solution, as shown in the following equation (1), methanol and water react to form carbon dioxide (CO 2). 2 ), Proton (H + ) And electrons (e − ) Occurs. Protons generated at the fuel electrode pass through the polymer electrolyte membrane to the air electrode, and electrons flow to an external circuit connected to the fuel electrode. The electrons that have completed their work in the external circuit go to the cathode. Also, carbon dioxide is discharged out of the system.
[0007]
Embedded image
[0008]
At the air electrode, as shown in the following equation (2), oxygen (O 2 ) And protons (H + ) And electrons (e) arriving from the fuel electrode via an external circuit. − ) Reacts with water (H 2 O) is generated.
[0009]
Embedded image
[0010]
A conventional polymer electrolyte fuel cell employing a direct methanol system often includes a device or system for forcibly flowing a liquid fuel or oxygen and supplying it to each electrode. However, a fuel cell with a forced supply system is impractical due to its excessively large size, especially as a power source for mobile phones and PDAs. In some cases, a device or system for removing water generated at the air electrode by heating or blowing air is provided, but a fuel cell with a water removal system is also used as a power source, especially for mobile phones and PDAs. Is not practical because of its excessive size.
[0011]
On the other hand, a fuel cell that has been reduced in size and weight without using a forced supply system and a water removal system has been proposed. In such a fuel cell, for example, a path is provided from the fuel storage unit that stores the liquid fuel to the fuel electrode, and the liquid fuel flows through the path and contacts the fuel electrode. At the same time, the air electrode is provided so that air outside the battery can come into contact with the air, so that oxygen contained in the air comes into contact with the air electrode and water generated at the air electrode naturally evaporates into the air. Have been.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the presence or absence of the forced supply system and the water removal system affects the output of the battery, and if the direct methanol type solid polymer fuel cell does not have these systems, the battery output is reduced in the conventional technology. It drops to a considerable extent. Due to the lack of the forced supply system, the supply efficiency of the liquid fuel and oxygen is low, and further, the lack of the water removal system, the water generated at the cathode causes the surface of the cathode to be damaged. It is considered that the reduction of the effective area of the air electrode due to the coating is a cause of the battery output reduction. From the viewpoint of air flow contact efficiency and water evaporation efficiency, the degree of exposure of the cathode to air outside the battery is better, but from the viewpoint of protection of the cathode, the degree of exposure of the cathode is smaller. Is good. The higher the degree of exposure, the more easily the air electrode deteriorates due to contamination or damage, and the deterioration of the air electrode causes a decrease in battery output. As described above, in the direct methanol type polymer electrolyte fuel cell that does not include the forced supply system or the water removal system, it is difficult to suppress a decrease in cell output. Therefore, according to the prior art, the direct methanol solid polymer fuel cell is often impractical for small devices such as portable electronic devices.
[0013]
The present invention was conceived under such circumstances, and an apparatus or system for forcibly supplying fuel or oxygen to both electrodes, and water generated at an air electrode It is an object of the present invention to provide a fuel cell-equipped device capable of appropriately suppressing a decrease in the output of a battery without a device or system for removing the fuel cell.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
According to the present invention, a fuel cell device is provided. The fuel cell device includes a fuel cell main body including a first electrode for oxidizing fuel, a second electrode for reducing oxygen, and an electrolyte layer sandwiched between the first electrode and the second electrode. A housing having an opening for exposing at least a part of the two electrodes to the outside and housing the fuel cell main body, wherein the opening can be selected from a shielded state and an open state by displacement of the housing. It is characterized by having.
[0015]
According to such a configuration, the output of the fuel cell can be reduced without a device or system for forcibly supplying fuel or oxygen and a device or system for removing water generated at the cathode. Can be suppressed. In the present invention, at least a part of the second electrode (air electrode) of the fuel cell is exposed to the outside of the device through an opening of the housing, and the opening is in a shielded state and an open state due to displacement of the housing. Is selectable. When the fuel cell device according to the present invention is a mobile phone, for example, when the mobile phone is driven by a large amount of power during a call or the like, the opening of the opening is caused by the displacement or change in the shape of the housing, thereby operating the battery. As a result, water generated at the air electrode can be efficiently removed. This is because the transpiration of water adhering to the air electrode is promoted by being opened to the air outside the device. By efficiently removing water generated at the air electrode, it is possible to suppress a decrease in the reaction rate in the reduction reaction of oxygen at the air electrode. It is possible to suppress a decrease in the reaction rate in the fuel oxidation reaction at the electrode. As a result, a decrease in battery output can be suppressed.
[0016]
In addition, according to the present invention, when the mobile phone is driven with low power during standby or the like, and no significant amount of water is generated at the air electrode, the opening can be blocked by displacement of the housing. it can. By blocking the opening or the air electrode, breakage and contamination of the air electrode are prevented, and a decrease in the output of the fuel cell is suppressed.
[0017]
As described above, according to the fuel cell device according to the present invention, the state of exposure of the cathode to the air outside the device can be appropriately changed according to the power consumption of the device. Even without a system, it is possible to appropriately suppress a decrease in battery output. 2. Description of the Related Art Conventionally, as disclosed in, for example, JP-A-7-199311 and JP-A-2001-292214, there is known an electronic device capable of displacing a housing while mounting a battery. However, they generally do not carry a fuel cell, and thus do not change the form of the housing to change the exposure of the cathode of the fuel cell.
[0018]
In a preferred embodiment of the present invention, the housing includes a first housing having an opening and housing the fuel cell, and a second housing connected to the first housing via a hinge. The first housing and the second housing are rotatable about a hinge portion as a pivot, and the second housing can be arranged at a position that shields the opening. Such a configuration is suitable for appropriately selecting the shielding state and the open state of the opening. In this case, it is preferable that the hinge section has a fuel storage section that holds the fuel supplied to the first electrode of the fuel cell body in the first housing. Alternatively, the first housing may have a fuel storage unit for holding fuel supplied to the first electrode of the fuel cell main body at a position closer to the hinge part than the fuel cell main body. When the fuel storage unit is provided with such a configuration, when a liquid fuel such as a methanol aqueous solution is used as the fuel, the fuel may be appropriately supplied to the fuel electrode using the own weight of the fuel in some cases. .
[0019]
In another preferred embodiment of the present invention, the housing has a first housing that has an opening and accommodates the fuel cell, and a first housing that is located between a position that shields the opening and a position that opens the opening. A second housing slidable with respect to the body. Such a configuration is also suitable for appropriately selecting the open state and the closed state of the opening.
[0020]
In the present invention, preferably, the electrolyte layer is made of a solid polymer electrolyte membrane. The fuel is preferably an aqueous methanol solution.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIGS. 1 to 5 show a mobile phone X1 as a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention. 1 and 2 are perspective views of the mobile phone X1. FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III of FIG. 2, and FIG. 4 is an exploded sectional view taken along line III-III of FIG. FIG. 5 is a sectional view taken along line VV in FIG. In the present embodiment, the mobile phone X1 is described as a mobile electronic device equipped with a direct methanol fuel cell.
[0022]
The mobile phone X1 includes a
[0023]
As shown in FIGS. 3 to 5, the
[0024]
The
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
The
[0028]
The
[0029]
In manufacturing the
[0030]
The fuel cell
[0031]
In a state where the fuel cell
[0032]
In the mobile phone X1 having the above-described power generation system configuration, when a liquid fuel, that is, an aqueous methanol solution is stored in the
[0033]
As described above, when the aqueous methanol solution is supplied to the
[0034]
In the mobile phone X1 provided with such a power generation system including the fuel cell
[0035]
On the other hand, when the mobile phone X1 is driven by a large amount of electric power, for example, during a call, the
[0036]
In addition, in the normal use mode of the mobile phone X1, the
[0037]
6 to 8 show a mobile phone X2 as a fuel cell device according to a second embodiment of the present invention. 6 and 7 are perspective views of the mobile phone X2, and FIG. 8 is a cross-sectional view along the line VIII-VIII of FIG.
[0038]
The mobile phone X2 is a mobile electronic device on which a direct methanol fuel cell is mounted, and includes a
[0039]
The configuration and manufacturing method of the fuel cell
[0040]
According to the mobile phone X2 having such a configuration, similarly to the mobile phone X1, it is possible to suppress a decrease in the output of the fuel cell
[0041]
9 to 11 show a mobile phone X3 which is a fuel cell device according to a third embodiment of the present invention. 9 and 10 are perspective views of the mobile phone X3, and FIG. 11 is a cross-sectional view along the line XI-XI in FIG.
[0042]
The mobile phone X3 is a mobile electronic device on which a direct methanol fuel cell is mounted, and includes a
[0043]
The configuration and manufacturing method of the fuel cell
[0044]
According to the mobile phone X3 having such a configuration, it is possible to suppress a decrease in the output of the fuel cell
[0045]
In the first to third embodiments described above, a mobile phone equipped with a direct methanol fuel cell using an aqueous solution of methanol as a liquid fuel has been described. However, the present invention relates to a fuel cell using another liquid fuel. It can also be configured as an electronic device equipped with a battery. In that case, the fuel cell
[0046]
As a summary of the above, the configuration of the present invention and its variations are listed below as supplementary notes.
[0047]
(Supplementary Note 1) A fuel cell main body including a first electrode for oxidizing fuel, a second electrode for reducing oxygen, and an electrolyte layer interposed between the first electrode and the second electrode.
A housing that has an opening that exposes at least a part of the second electrode to the outside and houses the fuel cell main body;
The fuel cell mounted device, wherein the opening can be selected from a shielded state and an open state by displacement of the housing.
(Supplementary Note 2) The housing includes a first housing having the opening and housing the fuel cell, and a second housing connected to the first housing via a hinge portion. The first casing and the second casing are rotatable about the hinge portion as a pivot, and the second casing is arranged at a position that shields the opening. Equipment with fuel cell.
(Supplementary Note 3) The fuel cell device according to Supplementary Note 2, wherein the hinge unit includes a fuel storage unit that holds fuel supplied to a first electrode of the fuel cell body in the first housing.
(Supplementary Note 4) Supplementary note 2 wherein the first housing has a fuel storage unit for holding fuel to be supplied to the first electrode of the fuel cell main body at a position closer to the hinge part than the fuel cell main body. A device equipped with a fuel cell according to item 1.
(Supplementary Note 5) The casing may include a first casing that has the opening and accommodates the fuel cell, and a position that shields and opens the opening with respect to the first casing. 2. The fuel cell-mounted device according to claim 1, further comprising: a second housing slidably displaceable.
(Supplementary note 6) The fuel cell-mounted device according to any one of Supplementary notes 1 to 5, wherein the electrolyte layer is formed of a solid polymer electrolyte membrane.
(Supplementary Note 7) The fuel cell device according to any one of Supplementary Notes 1 to 6, wherein the fuel is an aqueous methanol solution.
[0048]
【The invention's effect】
ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the fuel cell mounted apparatus of this invention, the apparatus or system for forcibly supplying fuel and oxygen to both electrodes, and the apparatus or system for removing the water produced at an air electrode are not included. In both cases, it is possible to appropriately suppress a decrease in the output of the battery. Such a device equipped with a fuel cell is suitable to be configured as a portable electronic device such as a mobile phone or a PDA.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a state in which an opening for exposing an air electrode of a fuel cell to the outside is shielded with respect to a mobile phone as a fuel cell device according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 illustrates a state where an opening of the mobile phone illustrated in FIG. 1 is opened.
FIG. 3 is a sectional view taken along line III-III in FIG. 2;
FIG. 4 is an exploded sectional view taken along a line III-III in FIG. 2;
FIG. 5 is a sectional view taken along line VV in FIG. 2;
FIG. 6 shows a state in which an opening for exposing an air electrode of a fuel cell to the outside is shielded with respect to a mobile phone as a fuel cell device according to a second embodiment.
FIG. 7 illustrates a state where an opening of the mobile phone illustrated in FIG. 6 is opened.
FIG. 8 is a sectional view taken along the line VIII-VIII in FIG. 7;
FIG. 9 shows a state in which an opening for exposing an air electrode of a fuel cell to the outside is shielded in a mobile phone as a fuel cell-equipped device according to a third embodiment.
FIG. 10 illustrates a state where an opening of the mobile phone illustrated in FIG. 9 is opened.
FIG. 11 is a sectional view taken along lines XI-XI in FIG. 10;
[Explanation of symbols]
X1, X2, X3 mobile phones
11, 11 'first housing
11a, 11'a Opening
12, 12 'second housing
13 Hinge
14 Fuel storage
15 Fuel introduction path
20 Fuel cell body
21 Fuel electrode
22 air electrode
21a, 22a catalyst layer
21b, 22b current collector
23 Electrolyte layer
Claims (5)
前記第2電極の少なくとも一部を外部に露出させる開口部を有して前記燃料電池本体を収容する筐体と、を備え、
前記開口部は、前記筐体の変位により遮蔽状態および開放状態を選択可能とされていることを特徴とする、燃料電池搭載機器。A first electrode for oxidizing fuel, a second electrode for reducing oxygen, and a fuel cell body including an electrolyte layer sandwiched between the first electrode and the second electrode;
A housing that has an opening that exposes at least a part of the second electrode to the outside and houses the fuel cell main body;
The fuel cell mounted device, wherein the opening can be selected from a shielded state and an open state by displacement of the housing.
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