JP2005149970A - 小型携帯電気機器用燃料電池および小型携帯電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化剤極で発生する水が酸化剤ガス流路中に溜まることなく、酸化剤ガスの供給を安定して行うことができ、連続的に且つ安定して発電することができる小型携帯電気機器用燃料電池を提供する。
【解決手段】 複数の電極膜接合体（ＭＥＡ）９を有し、該電極膜接合体９間に複数の酸化剤ガス流路７を有するセパレータ８が配置された小型携帯電気機器用燃料電池であって、前記セパレータ８に酸化剤ガス流路７が電極膜接合体９の辺１６に対して平行にならない様に形成されている小型携帯電気機器用燃料電池。
【選択図】 図５

Description

本発明は、小型携帯電気機器用の燃料電池およびそれを用いた小型携帯電気機器に関する。

燃料電池は、発電装置として効率が良いことから近年注目を集めている。特に最近ではビデオカメラ、ノートＰＣ等の小型携帯電気機器への燃料電池の応用が期待されている。
燃料電池は、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）、直接水素型燃料電池（ＤＨＦＣ）等様々な種類の電池が挙げられるが、特に小型機器に適した燃料電池は固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）であり、直接水素型燃料電池（ＤＨＦＣ）、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）である。

直接メタノール型燃料電池の小型機器への応用例としては特許文献１が挙げられる。特許文献１に開示されている直接メタノール型電池（ＤＭＦＣ）の例を図１１および図１２に示す。

図１１において、燃料収納スペース４０より、多孔質材で充填されている燃料拡散室３４を通じて燃料電池本体３２にメタノールが供給される。カートリッジ３３は水収納スペース４１、燃料収納スペース４０の２室に分離されており、水回収室３５からの水を水収納スペース４１に収納する。また、この燃料電池は酸化剤ガスをスタックに対し垂直方向に流すように構成され、燃料となるメタノールはセル部を囲む多孔質体によってスタックの外周面よりセル部に供給するように構成されており、酸化剤ガスの流れを阻害することなく、毛管力によりセル部に円滑にメタノールの供給を行うことができる。

図１２は電池の要部の一部切り欠き斜視図であり、２５はセパレータであり、上下方向に酸化剤流路が形成されている。酸化剤ガスは下部より供給され上部に排出され、酸化剤側電極に接し、化学反応を起こして水を生成する。

しかしながら、燃料電池においては、化学反応により酸化剤極側電極上に水が生成するが、その生成した水により酸化剤ガス流路が詰まり、ガス流が妨げられ、セル部において一部発電反応を生じなくなり、その結果、十分な電力を電気機器に供給できなくなるなどの課題を有していた。特にデジタルカメラ、ＰＤＡなどのモバイル機器など屋外で主に用いることの多い携帯機器に用いる場合は、運搬時、使用時に小型携帯電気機器は様々な向きに置かれ、装着されている燃料電池もそれに伴い、様々な方向を向く。特に、カメラは撮影時、縦、あるいは横にしたりして使用することが往々にしてあり、使い方によっては生成した水を十分に排除することが困難になり、流路を塞ぐ場合がある。

小型携帯電気機器に用いる燃料電池は、できるだけ小さく軽量に構成することはもちろん重要であるが、酸化剤極で発生する水が、酸化剤ガス流路中に溜まらないようにし、ガスの供給を滞りなく行なえるようにすることが、それ以上に重要である。特にカメラなど機器の向きが、ノートＰＣと異なり、その使用時に一定でない機器にとっては重要な課題である。
特開平６−１８８００８号公報（第８−１６頁）

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、小型携帯電気機器に用いる燃料電池において、酸化剤極で発生する水が酸化剤ガス流路中に溜まることなく、酸化剤ガスの供給を安定して行うことができ、連続的に且つ安定して発電することができる小型携帯電気機器用燃料電池を提供するものである。

また、本発明は、上記の連続的に且つ安定して発電することができる燃料電池を装着した小型携帯電気機器を提供するものである。

本発明は上述の課題を解決するためになされたものである。
すなわち、本発明は、複数の電極膜接合体を有し、該電極膜接合体間に複数の酸化剤ガス流路を有するセパレータが配置された小型携帯電気機器用燃料電池であって、前記セパレータに酸化剤ガス流路が電極膜接合体の辺に対して平行にならない様に形成されていることを特徴とする小型携帯電気機器用燃料電池である。

また、本発明は、上記の燃料電池を装着した小型携帯電気機器であって、複数の電極膜接合体を有し、該電極膜接合体間に複数の酸化剤ガス流路を有するセパレータが配置され、前記セパレータに酸化剤ガス流路が電極膜接合体の辺に対して平行にならない様に形成されている燃料電池を、小型携帯電気機器の底面に対し酸化剤流路が平行になる領域を有さない様に装着してなることを特徴とする小型携帯電気機器である。
前記酸化剤ガス流路が直線状の複数の流路からなるのが好ましい。

本発明は、小型携帯電気機器に用いる燃料電池において、酸化剤極で発生する水が酸化剤ガス流路中に溜まることなく、酸化剤ガスの供給を安定して行うことができ、連続的に且つ安定して発電することができる小型携帯電気機器用燃料電池を提供することができる。
また、本発明は、上記の連続的に且つ安定して発電することができる燃料電池を装着した小型携帯電気機器を提供することができる。

本発明の小型携帯電気機器用燃料電池は、複数の電極膜接合体を有し、電極膜接合体間に複数の酸化剤ガス流路を有するセパレータが配置されており、前記セパレータに酸化剤ガス流路が電極膜接合体の辺に対して平行にならない様に形成されている小型携帯電気機器用燃料電池である。

本発明の小型携帯電気機器は、複数の電極膜接合体を有し、電極膜接合体間に複数の酸化剤ガス流路を有するセパレータが配置され、小型携帯電気機器の底面に対し、平行になる領域を有さない酸化剤ガス流路を含むセパレータを有する小型携帯電気機器用燃料電池を装着した小型携帯電気機器である。

本発明の小型携帯電気機器は、酸化剤ガス流路が直線状の複数の流路からなる小型携帯電気機器用燃料電池を装着した小型携帯電気機器である。
このような構成の本発明の小型携帯電気機器によれば、小型携帯電気機器を使用する際に、機器の底面に平行となる領域を有さない酸化剤ガス流路が形成されたセパレータを有する燃料電池を用いることにより、小型携帯電気機器の使用時に、酸化剤ガス流路が重力方向に垂直になる領域がなくなり、電池反応により生成した水の排出がスムーズにできるようになり、酸化剤ガス流路が発電によって生じた水によって塞がれることなく空気を触媒膜に供給することが可能になり、連続的且つ安定に発電することができるようになる。

ここでいう底面とは、小型携帯電気機器の使用時において下方向（重力方向）、あるいは下方向を向く主面のことをいう。すなわち図９のカメラを例にとると、矢印で示す面が底面となる。

また複数の直線状の酸化剤ガス流路であるため、屈曲部分がなく排水、酸化剤ガスの流れがスムーズに行われるようになる。流路の幅、深さは、特に制限されるものではないが、幅は２ｍｍ〜１０ｍｍ程度、深さは１ｍｍ以上あるのが好ましい。また酸化剤ガス流路の断面形状は矩形でも円形状であっても良い。

また、セパレータは金属板、カーボンを分散させたプラスチック基板等適宜用いることができる。

実施例１
図１は、燃料にメタノールを用いる本発明の小型携帯電気機器用燃料電池の模式図である。小型携帯電気機器用燃料電池は、電池部２、燃料容器４、水回収機構６、燃料容器と電池部をつなぎ燃料を電池部に供給するための燃料供給接続部５、燃料容器側及び電池部側の水回収機構６をつなぐ水回収機構接続部３、燃料を燃料極側電極に均一に拡散させるための燃料拡散機構１０から構成されており容器内に収められている。

容器はメタノールの漏洩がないような構造になっている。電池部はパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー（ナフィオン／デュポン社製）を高分子固体電解質に用い、Ｐｔ粒子、Ｐｔ／Ｒｕ粒子を分散させたカーボンを酸素極側電極、燃料極側電極とし、高分子電解質を両電極で挟持したものを電極膜接合体（ＭＥＡ）９として用い、燃料極側電極は燃料拡散機構中の多孔質体と接触させることによりメタノールと酸化剤電極は酸化剤ガス流路を介して空気に接するように構成されている。電池はそのセルの発電電圧値が低い場合はリチウム電池などの二次電池と併用することにより、それぞれの機器を駆動できる電圧に設定することもできるが、特開平２００２−５６８５５に開示されているように複数個のセルを同極が同じ平面上に並ぶようにしたセルを用いることも可能である。

また、電池部２には、図２に示すようなセパレータを用い、図３に示すような断面構造のセルからなり、その酸化剤ガス流路７は図１に示すような矢印の方向となっている。図３はセルの一部の断面図であり一組の電極膜接合体（ＭＥＡ）９を示している。ＭＥＡはセパレータ及び多孔質材に挟持されている。

図５はＭＥＡを複数積層させたものであり、積層数は小型電気機器の使用電力量により、任意にその数を設定できる。複数のＭＥＡ９間に複数の酸化剤ガス流路７を有するセパレータ８が配置され、セパレータ８には酸化剤ガス流路７がＭＥＡ９の辺１６に対して平行にならない様に傾斜して形成されている。

また、図４において、酸化剤電極側給排部１１は水回収機構６と接続されている。
燃料となるメタノールが供給される電池部内には木綿、ガラス繊維等の有機、無機繊維、アクリル、ナイロン等の合成繊維などの多孔質体により充たされた燃料拡散機構１０があり、燃料容器と燃料供給部と接続することにより、燃料が燃料極側電極に均一に供給されるようになる。水回収機構６は木綿、ガラス繊維等の有機、無機繊維、アクリル、ナイロン等の合成繊維などの多孔質体により充填され、酸化剤電極側給排部１１と接続される。また燃料容器４と電池部２は燃料供給接続部５と水回収機構接続部３により接続され、燃料は燃料極側電極に供給されるようになり、酸化剤極側電極からの排水は水回収機構に貯まる。

このような構成にすることによりデジタルカメラなどの小型携帯電気機器の使用時に、機器の方向による酸化剤の供給不足を抑制すると共に排水をスムーズに行うことができる。電池部容器内部には図４に示すようなセル部が納められている。セルの両端の酸化剤ガス流路と接する領域には上下に貫通する酸化剤電極側給排部１１が設けられ、酸化剤電極で生成した水が酸化剤ガス流路を通り、酸化剤電極側給排部からセル部外に排出されるようになっている。

図９、図１０はこの燃料電池を小型携帯電気機器の燃料電池装着部に装着した模式図であり、図９、図１０においてはデジタルカメラを例として挙げているが他の小型携帯電気機器でも同様に用いることができる。小型携帯電気機器であるデジタルカメラの燃料電池装着部に装着後、電気機器の電源を入れることにより不図示の燃料電池に設けられた端子より電力が機器に供給され、撮影などを行うことができる。

実施例２
実施例１ではメタノールを燃料とする燃料電池について述べたが、ここでは水素ガスを燃料とする燃料電池について述べる。発電反応についてはメタノール電池と同様であるので、基本的には実施例１と同様である。図６は、燃料に水素を用いる本発明の小型携帯電気機器用燃料電池の模式図である。小型携帯電気機器用燃料電池は、電池部２、燃料容器４、水回収機構６、燃料容器と電池部をつなぎ燃料を電池部に供給するための燃料供給接続部５、燃料容器側及び電池部側の水回収機構６をつなぐ水回収機構接続部３から構成されている。

燃料としての水素はＬａＮｉ₅ などの水素吸蔵合金を用い電池に供給することが可能である。また燃料電池部はパーフルオロカーボンスルホン酸ポリマー（ナフィオン／デュポン社製）を高分子固体電解質に用い、Ｐｔ粒子を分散させたカーボンを酸素極側電極、燃料極側電極とし、高分子電解質を両電極で挟持したものを電極膜接合体（ＭＥＡ）９として用い、それぞれの電極を水素、空気に接するように構成されている。電池はそのセルの発電電圧値が低い場合はリチウム電池などの二次電池と併用することにより、それぞれの機器を駆動できる電圧に設定することもできるが、特開平２００２−５６８５５に開示されているように複数個のセルを同極が同じ平面上に並ぶようにしたセルを用いることも可能である。

図７はセルの一部の断面図であり、ＭＥＡ９はセパレータ８に挟持され、そのＭＥＡが複数積層されている。積層数は小型電気機器の使用電力量により、任意にその数を設定できる。複数のＭＥＡ９間に複数の酸化剤ガス流路７を有するセパレータ８が配置され、セパレータ８には酸化剤ガス流路７がＭＥＡ９の辺１６に対して平行にならない様に傾斜して形成されている。

また、図４と同様に、酸化剤電極側給排部１１は水回収機構６と接続されている。燃料は燃料容器と燃料供給部と接続することにより、燃料極側電極に供給される。水回収機構は木綿、ガラス繊維等の有機、無機繊維、アクリル、ナイロン等の合成繊維などの多孔質体により充填され、酸化剤電極側給排部と接続される。また燃料容器と電池部は燃料供給接続部と水回収機構接続部により接続され、燃料が燃料極側電極に供給、酸化剤極側電極からの排水が水回収機構に貯まる。このような構成にすることによりデジタルカメラなどの小型携帯電気機器の使用時に、機器の方向による酸化剤の供給不足を抑制すると共に排水をスムーズに行うことができる。

容器内部には、図４に示すようなセル部が納められている。セルの両端の酸化剤ガス流路と接する領域には上下に貫通する酸化剤電極側給排部が設けられ、酸化剤電極で生成した水が酸化剤ガス流路を通り、酸化剤電極側給排部からセル部外に排出されるようになっている。

図９、図１０はこの燃料電池を小型携帯電気機器の燃料電池装着部に装着した模式図であり、図においてはデジタルカメラを例として挙げているが他の小型携帯電気機器でも同様に用いることができる。小型携帯電気機器であるデジタルカメラの燃料電池装着部に装着後、電気機器の電源を入れることにより不図示の燃料電池に設けられた端子より電力が機器に供給され、撮影などを行うことができる。

本発明の燃料電池は、酸化剤極で発生する水が酸化剤ガス流路中に溜まることなく、酸化剤ガスの供給を安定して行うことができ、連続的に且つ安定して発電することができるので、ビデオカメラ、ノートＰＣ等の小型携帯電気機器用の燃料電池として利用することができる。
また、本発明は、上記の連続的に且つ安定して発電することができる燃料電池をビデオカメラ、ノートＰＣ等に装着した小型携帯電気機器として利用することができる。

本発明の実施例１の小型携帯電気機器用燃料電池の模式図である。 本発明の実施例１の小型携帯電気機器用燃料電池に用いるセパレータの模式図である。 本発明の実施例１の小型携帯電気機器用燃料電池のセル部の一部断面図である。 本発明の実施例１の小型携帯電気機器用燃料電池のセル及び水回収部の全体模式図である。 本発明の実施例１の小型携帯電気機器用燃料電池のセル部の一部斜視図である。 本発明の実施例２の小型携帯電気機器用燃料電池の模式図である。 本発明の実施例２の小型携帯電気機器用燃料電池のセル部の一部断面図である。 本発明の実施例２の小型携帯電気機器用燃料電池のセル部の一部斜視図である。 本発明の燃料電池が装着された小型携帯電気機器の模式図である。 本発明の燃料電池が装着された小型携帯電気機器の模式図である。 従来の小型携帯電気機器用燃料電池の模式図である。 従来の小型携帯電気機器用燃料電池のセル部の一部断面図である。

符号の説明

１ 小型携帯電気機器用燃料電池
２ 電池部
３ 水回収機構接続部
４ 燃料容器
５ 燃料供給接続部
６ 水回収機構
７ 酸化剤ガス流路
８ セパレータ
９ 電極膜接合体（ＭＥＡ）
１０ 燃料拡散機構
１１ 酸化剤電極側給排部
１２ 小型携帯用電気機器
１３ 燃料電池装着部
１４ 多孔質材
１５ 燃料流路
１６ 辺
１７ セル
１８ 酸化剤ガス流路の方向
２１ 電解質板
２２ 燃料極
２３ 酸化剤極
２４ 起電部
２５ セパレータ
２６ スタック
２７ 溝
３０ 液体燃料導入路
３１ 燃料導入路構成部材

Claims (4)

1. 複数の電極膜接合体を有し、該電極膜接合体間に複数の酸化剤ガス流路を有するセパレータが配置された小型携帯電気機器用燃料電池であって、前記セパレータに酸化剤ガス流路が電極膜接合体の辺に対して平行にならない様に形成されていることを特徴とする小型携帯電気機器用燃料電池。
2. 前記酸化剤ガス流路が直線状の複数の流路からなる請求項１記載の小型携帯電気機器用燃料電池。
3. 請求項１または２記載の燃料電池を装着した小型携帯電気機器であって、複数の電極膜接合体を有し、該電極膜接合体間に複数の酸化剤ガス流路を有するセパレータが配置され、前記セパレータに酸化剤ガス流路が電極膜接合体の辺に対して平行にならない様に形成されている燃料電池を、小型携帯電気機器の底面に対し酸化剤流路が平行になる領域を有さない様に装着してなることを特徴とする小型携帯電気機器。
4. 前記酸化剤ガス流路が直線状の複数の流路からなる請求項３記載の小型携帯電気機器。

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