JP2005116292A - ウェアラブル燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 重量や体積等の制約を受けることなく十分な電力を供給することが可能で、しかも薄くて軽量なウェアラブル燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 略平板状に形成された筐体内１１にアノード３０、固体高分子電解質膜２０及びカソード４０が配設されたセル１０を複数平面状に並べると共に、各セル１０の両極から伸びるリード部３７、４７を直列又は並列に接続し、着衣６０や装身具６１に装着可能としたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＰＤＡ、ノート型のパーソナルコンピュータ等の携帯機器に使用される電源としての燃料電池に関し、さらに詳しくは、平板状に形成されたセルを複数平面状に並べて着衣や装身具に装着可能としたウェアラブル燃料電池に関する。

従来、携帯型の電子機器、例えば携帯電話やノート型のパーソナルコンピュータ（通称「ノートパソコン」）等にあってはその駆動電源としてＮｉ−Ｈ電池やＬｉイオン電池等が用いられている。

しかし、かかる従来の電源によるノートパソコン等の携帯機器の実際の駆動可能時間はカタログ等に記載されている時間の半分以下程度しか使用できずもっと長時間使用したい、というユーザの声があるように電源に関する不満は大きいという問題があった。

かかる問題の改善策として、コンピュータメーカ、家電メーカや通信機器メーカでは従来の電源（電池）に替えて燃料電池を利用することを検討し始めている。燃料電池の原理を酸素−水素燃料電池を例にとって説明すると、燃料電池は「水の電気分解」とは逆の原理によって発電するものである。すなわち、水の電気分解は、水に対して外部から電気を通して水素と酸素に分解するものであるが、燃料電池はその逆で水素と酸素を電気化学反応させて電気を発生させるものである。燃料電池には、電解質の種類によって、アルカリ形（ＡＦＣ）、リン酸形（ＰＡＦＣ）、溶融炭酸塩形（ＭＣＦＣ）、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）、固体高分子電解質形（ＰＥＦＣ）がある。

例えば、固体高分子電解質形（ＰＥＦＣ）の燃料電池は、図６に示すように、電解質としてＨ^＋イオンのみを透過するイオン交換樹脂膜１１０の両側にそれぞれアノード１２０とカソード１３０を配置すると共に、アノード１２０とカソード１３０が電線１４０で外部負荷１５０に接続されて形成されている。そして、アノード側に燃料である水素を供給し、カソード側には酸化剤として空気中の酸素を供給する。するとアノード１２０においては燃料である水素がＨ^＋（プロトン）と電子に分解され、プロトンはイオン交換樹脂膜１１０を移動してカソード側に到達する。一方、電子ｅ⁻は外部負荷１５０を通ってカソード１３０に移動する。カソードではイオン交換樹脂膜１１０を移動してきたプロトンと、電線１４０に接続された外部負荷１５０を通って移動してきた電子ｅ⁻と、カソード側に供給される空気中の酸素とが反応して水が生成される。このように酸素と水素の反応電位差を利用して発電する装置が燃料電池である。この固体高分子電解質形（ＰＥＦＣ）の燃料電池は、触媒によって水素をプロトンと電子に分解するので他の燃料電池に比べてより低温で作動する。

かかる燃料電池をノートパソコン等の携帯機器類の駆動電源に利用するものとしては、例えば、特開２００２−２９８８７４号公報（特許文献１）及び特開２００２−１１０２１５号公報（特許文献２）がある。これらの特許文献には燃料電池を小型化し、パソコン、ＡＶ機器、家電製品、携帯電話等の機器類の電池として用いることが提案されている。
特開２００２−２９８８７４号公報 特開２００２−１１０２１５号公報

しかしながら、現在検討されている燃料電池のほとんどが機器内蔵型であり、小型化が進む電子機器類本体に伴ってその重量、体積等の制約が厳しいのが現状で、充分な使用時間を確保できるか疑問である。従って、十分な駆動時間を確保するためにはさらに高容量化や軽量化を図る必要がある。また、従来の燃料電池は多数のセルを積層して必要電力を確保していたが、かかる構造では筐体の厚みが増しウェアラブルには適さない。さらに、従来の燃料電池のセパレータ、およびバッキングプレートには、主にカーボン材料が使用されているが、カーボン材料は割れやすい性質があるため破損して使用不能になる面からも問題であるが、身に付ける使用者の安全性の面からも問題であり、割れない材料を選択する必要がある。

そこで、本願発明は、機器内蔵型の有する宿命的な問題である重量や体積等の制約を受けることなく、十分な電力を供給することが可能な、ウェアラブル燃料電池を提供することを目的とする。
また、本願発明は、柔軟性を有し強度的にも強くジャンパーやベスト等の上着やベルト等に取り付け可能であり、しかも薄くて軽量なウェアラブル燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために請求項１に記載の本発明は、略平板状に形成された筐体内にアノード、固体高分子電解質膜及びカソードが配設されたセルを複数平面状に並べると共に各セルの両極から伸びるリード部を直列又は並列に接続し、着衣や装身具に装着可能としたことを特徴とするウェアラブル燃料電池を提供する。

上記課題を解決するために請求項２に記載の本発明は、請求項１に記載のウェアラブル燃料電池において、セルは、可撓性を有する合成樹脂材料により形成された筐体と、筐体内に配置され、金属製不織布により形成されたアノード集電体を備えたアノードと、筐体内に配置され、金属製不織布により形成されたカソード集電体を備えたカソードと、アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜と、筐体内のアノード側に配置され、液体状の燃料を坦持する燃料保持材とを備えて形成されてなることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項３に記載の本発明は、請求項２に記載のウェアラブル燃料電池において、アノード集電体は、金属製繊維により網状に形成されると共に、少なくとも固体高分子電解質膜に接する面側は金属繊維が使用時における垂直方向に沿って隙間が形成されるように配設されていることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項４に記載の本発明は、請求項２又は３に記載のウェアラブル燃料電池において、金属製繊維による不織布から形成され又は網状に形成されたアノード集電体及び／又はカソード集電体は、集電体本体の周囲を金属製のプレートで覆うことにより構成され、さらにプレートの一部からはリード部が伸出されていることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項５に記載の本発明は、請求項２〜４のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、カソード集電体は、合成樹脂製多孔体又は合成繊維織布で被覆したことを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項６に記載の本発明は、請求項２〜５のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、カソード側の電極触媒層は、パーフルオロアルキルスルホン酸樹脂と白金坦持カーボン触媒を混合して構成されていることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項７に記載の本発明は、請求項６に記載のウェアラブル燃料電池において、カソード側の電極触媒層には、アニオン交換樹脂を含んでなることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項８に記載の本発明は、請求項２〜７のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、アノード側の電極触媒層は、固体高分子電解質膜のアノード側及びアノード集電体の表面を白金単独、白金とパラジウム、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅の合金若しくは混合体による無電解メッキ又は真空蒸着により形成されていることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項９に記載の本発明は、請求項２〜７のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、アノード側の電極触媒層は、当該アノード集電体の高分子電解質膜に接する部分又は当該アノード集電体の表面に白金単独、白金とパラジウム、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅の合金若しくは混合体による無電解メッキ又は真空蒸着によりアノード側の電極触媒層が形成されていることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項１０に記載の本発明は、請求項２〜９のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、使用する燃料は、メタノール、エタノール等の水素を含む炭化水素化合物及びその水溶液、ボロンハイドライド、ヒドラジン、過酸化水素等の含水無機化合物の水溶液であることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項１１に記載の本発明は、請求項２〜１０のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、筐体には燃料供給部が設けられ、燃料注入器を介して液体又は水溶液とされた燃料を前記燃料保持材に供給可能とされていることを特徴とする。

上記課題を解決するために請求項１２に記載の本発明は、請求項２〜８のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、燃料保持材は、高分子材料若しくは金属製材料から形成されたスポンジ若しくは網等の多孔体又は高分子ゲルであることを特徴とする。

本発明に係るウェアラブル燃料電池によれば、略平板状に形成された筐体内にアノード、固体高分子電解質膜及びカソードが配設されたセルを複数平面状に並べると共に各セルの両極から伸びるリード部を直列又は並列に接続し、着衣や装身具に装着可能としたので薄くて軽量な燃料電池をジャンパーやベスト等の着衣やベルト等の装身具に取り付けることができ、しかも十分な電力を供給することができるという効果がある。

以下、本発明に係るウェアラブル燃料電池の一実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。図１は本発明に係るウェアラブル燃料電池における一実施形態のセルの構造を示す断面図、図２は本発明に係るウェアラブル燃料電池における一実施形態のセルの概略斜視図である。
図示されたセル１０は、筐体１１と、固体高分子電解質膜２０と、アノード３０と、カソード４０と、燃料保持材３５とを備えて構成されている。

筐体１１は、一方側の面の一部が開口した厚みの薄い直方体形状を有する平板状に形成され、図１に示すように、その断面は略Ｃ字形状をなしている。そして、筐体１１は、可撓性を有する合成樹脂材料により形成されている。筐体１１を可撓性を有する合成樹脂材料で形成するのは、ベルト等の装身具に配置したときに使用状態にあるベルトの形状に沿って適度に撓んだり、ジャンバーやベスト等の衣服の表面に配置したときに装着者の体の動きにより加えられる加重に対しても破損を防ぎ柔軟に対応すること及び軽量化のためである。また、燃料と接触しても腐蝕・変質しない材料で形成することが必要だからである。

筐体１１は、その内部に燃料を保持するための容積を確保する必要がある。しかし、沢山の燃料を保持可能とさせようとするとその分筐体１１の厚みを厚くすることが必要になるが、「ウェアラブル」という観点からすればあまり筐体１１の厚みを厚くすることは好ましくない。従って、筐体１１の厚みは３ｍｍ以下とすることが好ましい。但し、着衣への取り付け場所（例えば、背中や肩の近く等）によってはそれほど厚みが気にならない場合もあり、そのような場合には３ｍｍ以上の厚みがあってもよい。

固体高分子電解質膜２０は、電解質のイオン交換樹脂膜であり、主にパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂膜が使用される。その他パーフルオロビニールエーテル側鎖の異なるパーフルオロアルキルスルホン酸等を使用することもできる。そして、この固体高分子電解質膜２０の両面に電極触媒層３１、４１が形成され、膜／電極接合体として形成されている。アノードは、燃料又は燃料の水溶液が接触するのでカーボン材料はすぐに腐食して性能劣化を起こしやすくあまり好ましくない。そこで、アノード側の電極触媒層３１は固体高分子電解質膜２０のアノード側及び後述する集電体３３の表面を白金単独、白金とパラジウム、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅の合金若しくは混合体による無電解メッキ又は真空蒸着（スパッタ）により形成する。

また、アノード側の電極触媒層３１は、当該アノード集電体３１の高分子電解質膜２０に接する部分又は後述するアノード側の集電体４３の表面に、上述した固体高分子電解質膜２０に形成した場合と同様に、白金単独、白金とパラジウム、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅の合金若しくは混合体による無電解メッキ又は真空蒸着によって電極触媒層を形成することもできる。

一方、カソード側の電極触媒層４１は、白金を用いることが好ましいが白金は高価であることからカーボンの表面に微粒子の白金を坦持させた白金坦持カーボンを利用する。そして、プロトンの伝導経路を確保するために固体高分子電解質膜２０に使用される電解質であるパーフルオロアルキルスルホン酸樹脂を混合して形成する。この構成により、アノード側の電極触媒層３１に燃料、例えば、ヒドラジンが供給されると、下記の反応によりプロトンと電子が生成される。
Ｎ_２Ｈ_４→Ｎ_２＋４Ｈ^＋＋ｅ⁻
そして、プロトンは固体高分子電解質膜２０中を移動してカソード電極側の電極触媒層４１に達する。そして、プロトンはカソード側に供給される空気中の酸素とアノード側で生成された電子と結合して水となり系外へ排出される。このようにして反応が進行する。尚、本燃料電池は触媒を利用した固体高分子電解質形（ＰＥＦＣ）であるので常温で動作させることができる。

また、カソード側の電極触媒層４１は、特開２００２−２０３５６８号公報に記載のように、アニオン交換樹脂を含んで出力電圧を上昇させることもできる。

電極触媒層３１、４１の外側には、それぞれ集電体３３、４３が配置されている。集電体を形成する材料としては、従来は、主にカーボンペーパが使用され、さらにそのカーボンペーパにカーボンプレートが接触して使用されていたが、カーボン材料は割れやすい性質があるため本発明に係るウェアラブル燃料電池のように身に付けて使用するようなにものに用いることは使用者の安全の上からも好ましくない。そこで、割れ等の心配のない金属製材料によって集電体３３が形成されている。アノード側の集電体３３は、図３に示すように、金属繊維を一定方向に沿って真っ直ぐに配設した網状構造の集電体本体３８を備えると共に、その周囲を金属箔製のプレート３９が取り囲むようにして形成されている。この構成により、集電体３３の少なくとも固体高分子電解質膜２０に接する面側には使用時における垂直方向に沿って所定の隙間が形成される。このように、集電体本体３８の構造を網状構造とすることによりアノード側の集電体３３の場合にあってはその隙間にスムーズに燃料を供給することができると共に、反応で生成したガスが速やかに系外へ放出することができる。

集電体本体３８の他の構造としては、金属製繊維による不織布によって形成することも可能である。

また、プレート３９の一部からはリード部３７が伸出され、筐体１１外部に至る長さを有している。そして、他のセル１０から延びるリード部と直列又は並列に接続されるようになっている。尚、集電体４３も集電体３３とほぼ同様の構成を備えており、集電体４３のプレート３９からは筐体１１外部に至る長さを有するリード部４７が設けられている（図２参照）。

カソード側では固体高分子電解質膜２０を移動してきたプロトンが電極触媒層４１で酸素とアノード側で生成し外部負荷を通って供給された電子と反応して水が生成される。その水は系外に蒸散させると共に、反応に使われる酸素を電極触媒層４１表面に拡散させる必要がある。そのためカソード側の集電体４３をフィルム状の合成樹脂製多孔体４５で被覆している。この場合、合成樹脂製多孔体４５の代わりに合成繊維製織布を用いることもできる。この場合の合成樹脂材料としては、例えば、四フッ化エチレン樹脂（ＰＴＦＥ）等を用いるのが好ましい。そして、この合成樹脂製多孔体４５によって筐体１１の開口した側面が塞がれて筐体１１全体が液密に保持されるようになっている。

固体高分子電解質膜２０で仕切られた筐体１１内のアノード３０側の空間部は燃料貯蔵部３５とされ、液体の燃料が貯蔵される。使用される液体燃料としては、メタノール、エタノール等の水素を含む炭化水素化合物及びその水溶液やボロンハイドライド、ヒドラジン、過酸化水素等の含水系無機化合物の水溶液等が利用される。しかし、このような液体状の燃料をそのままセル１０内の燃料貯蔵部３５に貯蔵してしまうと液体の燃料が外部に漏洩するおそれがある。そこで、液体燃料を漏洩させずに確実に保持させるため燃料貯蔵部３５に燃料保持材を充填し、この燃料保持材に液体の燃料を染み込ませて保持することにより外部に漏洩させないようにされている。燃料保持材の材質としては、燃料との反応性のない各種の材料が利用可能であるが、例えば、高分子又は金属製のスポンジ、網等の多孔体、高分子ゲル等が挙げられる。高分子材料としては、例えば、ポリウレタン、ポリビニールホルマール、ポリエチレングリコール等の化合物が利用できる。

現行、携帯機器に使用されているＮｉ−Ｈ電池、Ｌｉイオン電池は２次電池であるため蓄積した電力を使いきった時、再度充電をする必要がある。しかし、この充電には早くて数時間かかることが使用上の不便をより一層強く感じさせる要因となっている。
燃料電池も燃料を使い切れば電力を発生しなくなるが燃料を補給すればまたすぐに元通りに使用可能となる。この点が２次電池に大いに優る機能である。
燃料貯蔵部３５への液体燃料の供給は、例えば、マイクロシリンジのような注射器型の注入機器により筐体１１に設けられた図示しない燃料供給部から燃料保持材３５内に充填された燃料保持材に供給するようになっている。

さて、上述した複数のセル１０の両極（集電体３３、４３のプレート３９）から伸びるリード部３７、４７を直列又は並列に接続すると共に各セル１０を平面状に並べて使用すべき電子機器の動作に必要な電力を確保する。例えば、１つのセル１０において２５０ｍＷ（０．５Ｖ，５０ｍＡ／ｃｍ^２×１０ｃｍ^２）の電力を起電できれば２０セル直列×２並列で１０Ｗ出力を確保することが可能となる。ノートパソコン、ＰＤＡ等の携帯機器を動作させるためにはそれらの携帯機器が必要とする電流、電圧を確保するように直列数、並列数を設定して使用すればよい。ノートパソコンをはじめとする各種の携帯機器への電力の供給は発電された電流を直流のまま利用してもよく、図示しないインバータを介して交流に変換して利用してもよい。

そして、両極を接続連結されたセル１０をベルト等の装身具やベストやジャンバー等の着衣に装着して使用する。各リード部３７、４７同士の接続は、各リード部の端部にコネクタを配設しておくことで容易に且つ確実に各セル１０同士を電気的に接続することができる。

セル１０を連結した燃料電池の着衣等への装着は各種の手段が採用できる。例えば、図４に示すように、連結したセル１０を収納するための収容部を予め衣服であるベスト６０に形成しておき、当該収納部にセル１０を収納する。また、ベルト６１に装着する場合には、例えば、セル１０の一面（合成樹脂製多孔体４５で覆われた面とは反対側の筐体１１の面）に図示しない面ファスナーを取着しておくと共に、表面に前記面ファスナーと密着する面ファスナーを備えた図示しない円筒状のホルダを用意する。そして、筒状のホルダを面ファスナー部分が表側になるようにしてベルト６１に挿入し、セル１０の面ファスナーとを密着させることによりセル１０をベルト６１の側面に取り付けることできる（図５参照）。尚、リード部３７、４７を接続する電線５１の一部にコネクタ５０を電気的に取着しておき、このコネクタ５０を介してノートパソコン等の携帯機器に電気を供給するようにしておくとよい。

さらに、使用者の身体への装着に関する他の手段としては、複数連結したセル１０を連結した状態で保持可能なガンベルトのようなホルダを用意し、そのホルダにセル１０を保持させた状態で身体に装着するようにしてもよい。

本発明に係るウェアラブル燃料電池における一実施形態のセルの構造を示す断面図である。 図２は本発明に係るウェアラブル燃料電池における一実施形態のセルの概略斜視図である。 集電体の構造を示す平面図である。 本発明に係るウェアラブル燃料電池をベストに取り付けた状態を示す正面図である。 本発明に係るウェアラブル燃料電池をベルトに取り付けた状態を示す斜視図である。 燃料電池の原理を示す説明図である。

符号の説明

１０ セル
１１ 筐体
２０ 固体高分子電解質膜
３０ アノード
３１ 電極触媒層
３３ 集電体
３５ 燃料貯蔵部
３７ リード部
３８ 集電体本体
３９ プレート
４０ カソード
４１ 電極触媒層
４３ 集電体
４５ 合成樹脂製多孔体
４７ リード部
６０ ベスト
６１ ベルト

Claims (12)

1. 略平板状に形成された筐体内にアノード、固体高分子電解質膜及びカソードが配設されたセルを複数平面状に並べると共に各セルの両極から伸びるリード部を直列又は並列に接続し、着衣や装身具に装着可能としたことを特徴とするウェアラブル燃料電池。
2. 請求項１に記載のウェアラブル燃料電池において、
   前記セルは、
   可撓性を有する合成樹脂材料により形成された筐体と、
   前記筐体内に配置され、金属製不織布により形成されたアノード集電体を備えたアノードと、
   前記筐体内に配置され、金属製不織布により形成されたカソード集電体を備えたカソードと、
   前記アノードと前記カソードとの間に配置された固体高分子電解質膜と、
   前記筐体内のアノード側に配置され、液体状の燃料を坦持する燃料保持材と、
   を備えて形成されてなることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
3. 請求項２に記載のウェアラブル燃料電池において、
   前記アノード集電体は、金属製繊維により網状に形成されると共に、少なくとも前記固体高分子電解質膜に接する面側は前記金属繊維が使用時における垂直方向に沿って隙間が形成されるように配設されていることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
4. 請求項２又は３に記載のウェアラブル燃料電池において、
   金属製繊維による不織布から形成され又は網状に形成された前記アノード集電体及び／又は前記カソード集電体は、集電体本体の周囲を金属製のプレートで覆うことにより構成され、さらに前記プレートの一部からはリード部が伸出されていることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
5. 請求項２〜４のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、
   前記カソード集電体は、合成樹脂製多孔体又は合成繊維織布で被覆したことを特徴とするウェアラブル燃料電池。
6. 請求項２〜５のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、
   前記カソード側の電極触媒層は、パーフルオロアルキルスルホン酸樹脂と白金坦持カーボン触媒を混合して構成されていることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
7. 請求項６に記載のウェアラブル燃料電池において、
   前記カソード側の電極触媒層には、アニオン交換樹脂を含んでなることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
8. 請求項２〜７のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、
   前記アノード側の電極触媒層は、固体高分子電解質膜のアノード側及び前記アノード集電体の表面を白金単独、白金とパラジウム、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅の合金若しくは混合体による無電解メッキ又は真空蒸着により形成されていることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
9. 請求項２〜７のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、
   前記アノード側の電極触媒層は、当該アノード集電体の前記高分子電解質膜に接する部分又は当該アノード集電体の表面に白金単独、白金とパラジウム、ルテニウム、鉄、ニッケル、コバルト、銅の合金若しくは混合体による無電解メッキ又は真空蒸着によりアノード側の電極触媒層が形成されていることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
10. 請求項２〜９のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、
    使用する燃料は、メタノール、エタノール等の水素を含む炭化水素化合物及びその水溶液、ボロンハイドライド、ヒドラジン、過酸化水素等の含水無機化合物の水溶液であることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
11. 請求項２〜１０のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、
    前記筐体には燃料供給部が設けられ、燃料注入器を介して液体又は水溶液とされた燃料を前記燃料保持材に供給可能とされていることを特徴とするウェアラブル燃料電池。
12. 請求項２〜８のいずれか１項に記載のウェアラブル燃料電池において、
    前記燃料保持材は、高分子材料若しくは金属製材料から形成されたスポンジ若しくは網等の多孔体又は高分子ゲルであることを特徴とするウェアラブル燃料電池。

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