JP2005129525A - 直接メタノール燃料電池及びこれを装着した携帯型コンピュータ - Google Patents

Abstract

【課題】 モノポーラ型の薄い直接メタノール燃料電池及びこれを装着した携帯型コンピュータを提供する。
【解決手段】 ディスプレイユニットと、前記ディスプレイユニットとヒンジ結合されるメインユニットとを備え、前記ディスプレイユニットはディスプレイパネルの背面に配置された液体燃料タンク及び直接メタノール燃料電池を備え、前記メインユニットはキーボードの下部に前記直接メタノール燃料電池からの排出物を前記液体燃料タンクに循環させる液体供給装置を備える携帯型コンピュータである。これによれば、モノポーラ型の薄い直接メタノール燃料電池をディスプレイパネルの背面に配置させることによって、コンピュータの長時間使用及び迅速なエネルギー源の供給により携帯性を向上させることができる。
【選択図】図８

Description

本発明はモノポーラ型の薄い直接メタノール燃料電池とこの電池を装着した携帯型コンピュータに関する。

ラップトップコンピュータまたはノート型パソコンのような携帯型コンピュータで使われる二次電池バッテリを置き換えるエネルギー源として直接メタノール燃料電池が開発されている。

直接メタノール燃料電池(Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ:ＤＭＦＣ）は、化石エネルギーを代替できる未来の清浄エネルギー源であって、出力密度及びエネルギー転換効率が高い。また、常温で作動可能であり、かつ小型化及び密閉化が可能なので無公害自動車、家庭用発展システム、移動通信装備、医療機器、軍事用装備、宇宙事業用装備等に使用でき、その応用分野が非常に多様である。

ＤＭＦＣは、メタノールと酸素の電気化学的反応から電気を生産する。このようなＤＭＦＣの単位電池、すなわち、セルは、図１に示されるように、アノード２とカソード３との間に水素イオン交換膜１が介在されている構造を有する。これらアノード２、カソード３及び水素イオン交換膜１は、メンブレイン電極アセンブリ(Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ:ＭＥＡ)を構成する。水素イオン交換膜１は、５０〜２００μｍの厚さの固体高分子電解質よりなっている。このようなセルのアノード２とカソード３とは何れも燃料の供給及び拡散のための支持層と燃料の酸化/還元反応が起きる触媒層よりなっている。

前記アノード２及びカソード３の支持層にはカーボンペーパーまたはカーボンファイバーが適用され、液体燃料であるメタノールの供給と反応生成物である水の排出に関し容易に防水処理されている。

アノード２では供給されたメタノール、エタノールまたはイソプロピルアルコールなどと水の反応によって水素イオン、電子及び二酸化炭素が発生(酸化反応）し、生成された水素イオンは水素イオン交換膜を介してカソードに伝えられる。カソード３では水素イオンと酸素が反応して水を生成する(還元反応)。

下記の反応式１及び２は前記のようなアノードとカソードにおける反応を示し、反応式３は単位セル全体の反応式を示す。

（反応式１）
ＣＨ_３ＯＨ ＋ Ｈ_２Ｏ ＝ ＣＯ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻
（反応式２）
３／２Ｏ_２ ＋ ６Ｈ^＋ ＋ ６ｅ⁻ ＝ ３Ｈ_２Ｏ
（反応式３）
ＣＨ_３ＯＨ ＋ ３／２Ｏ_２ ＝ ２Ｈ_２Ｏ ＋ ＣＯ_２
ＤＭＦＣの単位セルの発生電圧は理論的には１.２Ｖ程度であるが、常温、常圧条件において開回路電圧(ｏｐｅｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｖｏｌｔａｇｅ）は１Ｖ以下となり、実際作動電圧は、活性化過電圧及び抵抗過電圧による電圧降下が起きるため、０.４〜０.６Ｖ程度になる。したがって、所望の容量の電圧を得るためには多数の単位セルを直列に連結しなければならない。

単位セルを直列に連結する方法は、これら単位セルをバイポーラプレートを使用して積層スタックに形成する方法がある。しかし、燃料電池スタック構造はその高さが高いため、携帯型コンピュータに内蔵して使用する場合にコンピュータの厚さが増加する問題がある。

したがって、一般的に燃料電池スタックをコンピュータに使用する場合には、燃料電池を特許文献１に開示されたようにドッキング方式でコンピュータに外付けする方法がある。

しかし、このようなドッキング方式を使用する燃料電池には燃料タンクから燃料電池セルへの燃料を供給するポンプが必要である。

一方、厚さの薄い携帯型コンピュータに内蔵させるためには薄い電池形態の燃料電池を用いることが望ましい。このような燃料電池の内蔵のためにはモノポーラプレートを利用した燃料電池構造が望ましい。
特開２００２−０３２１５４号公報

本発明の目的は、モノポーラ型の薄い直接メタノール燃料電池を提供することである。

本発明の他の目的は、外部駆動装置を使用せずに均一に燃料を供給する液体燃料タンクを備えた直接メタノール燃料電池を提供することである。

本発明のまた他の目的は、前記直接メタノール燃料電池を内蔵した携帯型コンピュータを提供することである。

前記目的を達成するための本発明に係る直接メタノール燃料電池は、イオン交換膜と、前記イオン交換膜の一面に配置された複数のアノード電極と、前記イオン交換膜の他面に前記各アノード電極と対応するように配置された複数のカソード電極と、各電極上に配置された電流集電体と、前記アノード電極とカソード電極とを直列に電気的に連結する連結導線と、前記アノード電極及び前記カソード電極上にそれぞれ配置された燃料供給プレートと、を備えることを特徴とする。

前記他の目的を達成するための本発明に係る直接メタノール燃料電池を備えた携帯型コンピュータは、ディスプレイユニットと、前記ディスプレイユニットとヒンジ結合されるメインユニットとを備え、前記ディスプレイユニットは、ディスプレイパネルの背面に配置された液体燃料タンク及び直接メタノール燃料電池を備え、前記メインユニットは、キーボードの下部に前記直接メタノール燃料電池からの排出物を前記液体燃料タンクに循環させる液体供給装置を備える。

前記燃料供給プレートには、前記電極と対応する各単位セル領域に流路チャンネルが独立して形成されていることが望ましい。

各単位セル領域には前記流路チャンネルの入口及び出口が形成されており、各流路チャンネルの入口及び出口は、それぞれ入口連通流路及び出口連通流路に連結され、前記燃料供給プレートは、前記入口連通流路の前端に連結される燃料供給プレートの入口と、前記出口連通流路の後端に連結される燃料供給プレートの出口と、を備える。

前記入口連通流路と前記出口連通流路とは互いに干渉しないように形成されていることが望ましい。

前記アノード電極側流路チャンネルの入口には所定長さのウィッキング部材が配置されうる。

前記燃料タンク及び前記アノード電極側の燃料供給プレートの入口間に、燃料供給管が配置されていることが望ましい。

前記メインユニットは、前記カソード側の燃料供給プレートの入口に空気を供給するエアコンプレッサをさらに備えることが望ましい。

前記液体供給装置は、前記カソード電極側の燃料供給プレートの出口から前記カソード電極で生成された水を受けて前記液体燃料タンクに循環させるウォーターポンプを備える。

前記ウォーターポンプの引き込み口には、前記アノード電極から未反応メタノール溶液が供給されることが望ましい。

前記メインユニットは、前記カソード電極及び前記ウォーターポンプの間に配置されて前記カソード電極からの排出物のうち未反応空気を外部に放出させるエアセパレータをさらに備えることが望ましい。

本発明の携帯型コンピュータは、薄いモノポーラ型の直接メタノール燃料電池をディスプレイパネルの背面に配置させることによって、コンピュータの長時間使用及び迅速なエネルギー源の供給により携帯性を向上させることができる。また、燃料タンクから燃料電池への燃料の供給時に重力を用いるので、別途の燃料供給ポンプを必要としない。また、純粋メタノール溶液を燃料として使用するので燃料密度を高めうる。

以下、添付した図面に基づき、本発明に係る携帯型コンピュータの望ましい実施形態を詳細に説明する。

図２は、本発明の携帯型コンピュータに適用されるモノポーラ型燃料電池の平面図であって、燃料電池の上下部の燃料供給プレートを除去した状態の図面であり、図３は、図２のIII-III線の断面図であって、燃料供給プレートを含んで示す図面であり、図１の構成要素と同じ構成要素には同じ参照符号を使用する。

図２及び図３を参照すれば、水素イオン交換膜１の一側面にアノード電極２が配置され、その反対側面には前記各アノード電極２に対応するようにカソード電極３が配置されている。各電極２、３上には電流集電体２ａ、３ａが配置されている。

前記電流集電体２ａ、３ａは、金のような電気導電体でコーティングされた金属網(ｍｅｓｈ)で構成されることが望ましい。

前記電流集電体２ａ、３ａは、図２に示されたように連結導線４で互いに直列連結されている。前記電流集電体２ａ、３ａ上には電気不導体である燃料供給プレート５、６が配置されている。各燃料供給プレート５、６には該当する電極２、３に燃料(メタノールまたは空気)を供給する流路チャンネル５ａ、６ａが形成されている。そして、電極間にはシーリング部材としてガスケット７が配置されている。

図４は、アノード電極２上に配置される燃料供給プレート５を概略的に示す平面図である。

図４を参照すれば、各単位燃料電池セルに該当する領域５１にはそれぞれ蛇行状の燃料流路チャンネル５ａが形成されており、この単位セル領域５１の流路チャンネル５ａにはそれぞれ燃料の入口５１ａ及び出口５１ｂが形成されている。各流路チャンネル５ａの入口５１ａは入口連通流路５５によって連通されており、各流路チャンネル５ａの出口５１ｂは出口連通流路５６によって連通されている。燃料供給プレート５の入口５３は、入口連通流路５５を介して各単位セル領域５１の入口５１ａに連通されている。各単位セル領域５１の出口５１ｂは、出口連通流路５６を介して燃料供給プレート５の出口５４に連通されている。そして、入口連通流路５５及び出口連通流路５６は互いに干渉しないように形成される。各単位セル領域５１の入口５１ａには、所定長さのウィッキング部材５２、例えば多孔性のスポンジが配置されることが望ましい。このウィッキング部材５２は各燃料電池セルのアノード電極２に供給される燃料の速度を一定にする。

一方、図４には示されていないが、燃料供給プレート５、６の流路を除外した領域にガスケット(図３の７参照)などのシーリング部材を使用できる。

一方、カソード電極３上に配置される燃料供給プレート６の構造は各単位セル領域の入口にウィッキング部材が配置されていない点を除外すれば、図４と実質的に同一に形成される。

図５は、本発明に適用される直接メタノール燃料電池の基本的な構成を示す構成図である。

図４及び図５を参照すれば、燃料タンク１０に貯蔵されたメタノールは、燃料供給プレート５の入口５３に引き込まれて各単位セル領域５１の入口５１ａに流入される。この時、入口５１ａに形成されたウィッキング部材５２によって各単位セルのアノード電極２に燃料が一定の速度で供給される。この時、燃料タンク１０から燃料供給プレート５への液体燃料の供給は重力によって供給される。すなわち、燃料タンク１０が燃料電池の上部に配置された状態で、液体燃料が燃料供給管（図示せず）を通じて燃料供給プレート５の入口５３に引き込まれる。一方、カソード電極３に供給される空気はエアコンプレッサ１１によって供給される。

アノード電極２で使われていない剰余メタノールと、アノード電極２で生成されたＣＯ_２はウォーターポンプ９によって燃料タンク１０の上部に引き込まれる。燃料タンク１０に引き込まれたＣＯ_２ガスは、燃料タンク１０の上部に形成されたホール(図示せず)を通じて外部に排出され、未反応メタノールは燃料タンク１０内で残ったメタノール溶液と混合される。

そして、カソード電極３を通過した空気と反応生成物である水は、ウォーターポンプ９によってエアセパレータ８に引き込まれる。エアセパレータ８に供給された未反応空気、及び水は、エアセパレータ８の内部壁に接触して、空気は上部に形成されたホール(図示せず)を通じて外部に排出され、水はエアセパレータ８に貯蔵される。このエアセパレータ８に貯蔵された水は、ウォーターポンプ９によってアノード電極２からの未反応燃料と共に燃料タンク１０に供給される。

図６は、本発明の他の実施形態の直接メタノール燃料電池の基本的な構成を示す構成図であり、図５の実施形態と実質的に同じ構成要素には同じ参照番号を付してその詳細な説明は省略する。

図４及び図６を参照すれば、燃料タンク１０に貯蔵されたメタノールはウィッキング部材５９の通過後に燃料供給プレート５の入口５３に引き込まれて各単位セル領域５１の入口５１ａに流入される。前記ウィッキング部材５９は燃料供給プレート５の入口５３に燃料を一定の速度で供給するために使用される。この時燃料タンク１０から燃料供給プレート５への液体燃料の供給は重力によって供給される。すなわち、燃料タンク１０が燃料電池の上部に配置された状態で液体燃料が燃料供給管（図７の２２参照）を通じて燃料供給プレート５の入口５３に引き込まれる。一方、カソード電極３に供給される空気はエアコンプレッサ１１によって供給される。前記燃料タンク１０には高純度、例えば純粋メタノールが貯蔵されるのが望ましい。

カソード電極３を通過した空気と反応生成物の水はウォーターポンプ９によってエアセパレータ８に引き込まれる。エアセパレータ８に供給された未反応空気、及び水は、エアセパレータ８の内部壁に接触して、空気は上部に形成されたホール（図示せず）を通じて外部に排出され、水はエアセパレータ８に貯蔵される。このエアセパレータ８に貯蔵された水は、ウォーターポンプ９によってＣＯ_２セパレータ１２に引き込まれる。

そして、燃料タンク１０からの純粋メタノールはアノード電極２で大部分使われ、アノード電極２で生成されたＣＯ_２はウォーターポンプ９によってＣＯ_２セパレータ１２に引き込まれる。

ＣＯ_２セパレータ１２に引き込まれたＣＯ_２ガスは、ＣＯ_２セパレータ１２の上部に形成されたホール（図示せず）を通じて外部に排出され、水は燃料タンク１０からウィッキング部材５９を通過したメタノール溶液と共にアノード電極２に供給される。

このような構成の燃料電池は純粋メタノール溶液を燃料として使用するので燃料密度を高めることができる。

図７は、本発明の望ましい実施形態による携帯型コンピュータの概略的な構成側面図であり、図８は、図７のコンピュータ内に含まれた燃料電池の構成を示す斜視図である。

図７及び図８を参照すれば、携帯型コンピュータはディスプレイユニット２０及びメインユニット３０から構成される。これらユニット２０、３０は互いにヒンジ結合されてコンピュータの使用中にはメインユニット３０からディスプレイユニット２０を回動させて使用し、コンピュータを使用しない場合にはディスプレイユニット２０を回転させてメインユニット３０をカバーする。

ディスプレイユニット２０の前面にディスプレイパネル２１が配置されており、ディスプレイパネル２１の背面にはメタノール溶液が貯蔵された燃料タンク１０と直接メタノール燃料電池２３とが配置されている。

前記燃料タンク１０の上部には排気管１０ａが連結されており、排気管１０ａ内には透過性膜１０ｂが設置されている。この透過性膜１０ｂは気体は通過させるが、水またはメタノールのような液体は透過させないことが望ましい。

前記直接メタノール燃料電池２３は、複数の単位燃料電池セルをカバーする一対の燃料供給プレート（図３の５、６）を備える。前記燃料タンク１０から前記アノード電極２側の燃料供給プレート５の入口(図４の５３)に燃料供給管２２が連結されている。

メインユニット３０の表面にはキーボード３１が配置されており、その下部には燃料電池２３のアノード電極２から排出された未反応メタノールを燃料タンク１０に再循環させる液体供給装置であるウォーターポンプ３２が配置されている。このウォーターポンプ３２は燃料供給プレート５の出口（図４の５４）に連結された燃料排出管２４と連結されている。参照番号１０ｃは、ウォーターポンプ３２から供給された未反応メタノールが燃料タンク１０に入る入口ホールを示し、参照番号２５は、ウォーターポンプ３２から燃料タンク１０に未反応メタノールを供給する燃料循環管である。この燃料循環管２５を通じて燃料タンク１０に供給される燃料にはＣＯ_２ガスが含まれている。このＣＯ_２ガスは燃料タンク上部の排気管１０ａを通じて大気に放出される。

また、メインユニット３０にはカソード電極３側の燃料供給プレート６の入口に空気を供給するエアコンプレッサ３３が配置されている。

参照番号３４は、直接メタノール燃料電池２３からの所定直流電圧を所望の直流電圧に変換する直流電圧コンバータである。前記直流電圧コンバータ３４からの電圧はディスプレイユニット２０、ハードディスクドライブ及びその他の周辺機器などの駆動に使われる。

また、参照番号３５は、前記ウォーターポンプ３２及びエアコンプレッサ３３と、直流電圧コンバータ３４などを制御する制御部である。

参照番号３６は、ハードディスクドライブ及びＣＤ等のためのディスクドライブなどの記憶装置が配置される空間である。

本発明は図面に示された実施形態に基づいて説明されたが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならばこれより多様な変形及び均等な他の実施形態が可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲によって決まるべきである。

本発明は燃料電池産業に有用に使われる。

直接メタノール燃料電池の基本的な構造を示す図面である。 本発明の携帯型コンピュータに適用されるモノポーラ型燃料電池の平面図である。 図２のIII-III線の断面図である。 燃料供給プレートの内面の平面図である。 本発明に適用される直接メタノール燃料電池の基本的な構成を示す構成図である。 本発明の他の実施形態の直接メタノール燃料電池の基本的な構成を示す構成図である。 本発明の望ましい実施形態による携帯型コンピュータの概略的な構成側面図である。 図７のコンピュータ内に含まれた燃料電池の構成を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 燃料タンク、
１０ａ 排気管、
１０ｂ 透過性膜、
２０ ディスプレイユニット、
２２ 燃料供給管、
２４ 燃料排出管、
２５ 燃料循環管、
３０ メインユニット、
３２ ウォーターポンプ、
３３ エアコンプレッサ、
３４ 直流電圧コンバータ、
３５ 制御部。

Claims (16)

1. ディスプレイユニットと、前記ディスプレイユニットとヒンジ結合されるメインユニットとを備える携帯型コンピュータにおいて、
   前記ディスプレイユニットは、ディスプレイパネルと、前記ディスプレイパネルの背面に配置された液体燃料タンク及び直接メタノール燃料電池と、を備え、
   前記メインユニットは、キーボードの下部に前記直接メタノール燃料電池からの排出物を前記液体燃料タンクに循環させる液体供給装置を備えることを特徴とする携帯型コンピュータ。
2. 前記直接メタノール燃料電池は、
   イオン交換膜と、
   前記イオン交換膜の一面に配置された複数のアノード電極と、
   前記イオン交換膜の他面に前記各アノード電極と対応するように配置された複数のカソード電極と、
   各電極上に配置された電流集電体と、
   前記アノード電極とカソード電極とを直列に電気的に連結する連結導線と、
   前記アノード電極及び前記カソード電極上にそれぞれ配置された燃料供給プレートと、を備えることを特徴とする請求項１に記載の携帯型コンピュータ。
3. 前記燃料供給プレートには、前記電極と対応する各単位セル領域に流路チャンネルが独立して形成されていることを特徴とする請求項２に記載の携帯型コンピュータ。
4. 各単位セル領域には前記流路チャンネルの入口及び出口が形成されており、
   前記流路チャンネルの入口及び出口は、それぞれ入口連通流路及び出口連通流路に連結され、
   前記燃料供給プレートは、前記入口連通流路の前端に連結される燃料供給プレートの入口と、前記出口連通流路の後端に連結される燃料供給プレートの出口とを備えることを特徴とする請求項３に記載の携帯型コンピュータ。
5. 前記入口連通流路と前記出口連通流路とは互いに干渉しないように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の携帯型コンピュータ。
6. 前記アノード電極側の前記流路チャンネルの入口には所定長さのウィッキング部材が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の携帯型コンピュータ。
7. 前記液体燃料タンク及び前記アノード電極側の燃料供給プレートの入口間に、燃料供給管が配置されていることを特徴とする請求項４に記載の携帯型コンピュータ。
8. 前記メインユニットは、前記カソード側の燃料供給プレートの入口に空気を供給するエアコンプレッサをさらに備えることを特徴とする請求項４に記載の携帯型コンピュータ。
9. 前記液体供給装置は、
   前記カソード電極側の燃料供給プレートの出口から前記カソード電極で生成された水を受けて前記液体燃料タンクに循環させるウォーターポンプを備えることを特徴とする請求項４に記載の携帯型コンピュータ。
10. 前記ウォーターポンプの引き込み口には、前記アノード電極から未反応メタノール溶液が供給されることを特徴とする請求項９に記載の携帯型コンピュータ。
11. 前記メインユニットは、
    前記カソード電極及び前記ウォーターポンプの間に配置されて前記カソード電極からの排出物のうち未反応空気を外部に放出させるエアセパレータをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の携帯型コンピュータ。
12. イオン交換膜と、
    前記イオン交換膜の一面に配置された複数のアノード電極と、
    前記イオン交換膜の他面に前記各アノード電極と対応するように配置された複数のカソード電極と、
    各電極上に配置された電流集電体と、
    前記アノード電極とカソード電極とを直列に電気的に連結する連結導線と、
    前記アノード電極及び前記カソード電極上にそれぞれ配置された燃料供給プレートと、を備えることを特徴とする直接メタノール燃料電池。
13. 前記燃料供給プレートには、前記電極と対応する各単位セル領域に流路チャンネルが独立して形成されていることを特徴とする請求項１２に記載の直接メタノール燃料電池。
14. 各単位セル領域には前記流路チャンネルの入口及び出口が形成されており、
    前記流路チャンネルの入口及び出口は、それぞれ入口連通流路及び出口連通流路に連結され、
    前記燃料供給プレートは、前記入口連通流路の前端に連結される燃料供給プレートの入口と、前記出口連通流路の後端に連結される燃料供給プレートの出口とを備えることを特徴とする請求項１３に記載の直接メタノール燃料電池。
15. 前記入口連通流路と前記出口連通流路とは互いに干渉しないように形成されていることを特徴とする請求項１４に記載の直接メタノール燃料電池。
16. 前記アノード電極側の前記流路チャンネルの入口には所定長さのウィッキング部材が配置されていることを特徴とする請求項１４に記載の直接メタノール燃料電池。

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