JP2007134215A

JP2007134215A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2007134215A
Application number: JP2005327301A
Authority: JP
Inventors: 庸一 ▲高▼須; Yoichi Takasu; Masami Tsutsumi; 正巳堤
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2005-11-11
Filing date: 2005-11-11
Publication date: 2007-05-31
Anticipated expiration: 2025-11-11
Also published as: JP5157060B2

Abstract

【課題】燃料電池に関し、燃料電池に於ける筐体の強度を低下させることなく、酸素の供給、二酸化炭素及び水の排出を支障なく実施できるようにして、発電特性に分布を生じないように、また、触媒や電解質が劣化しないようにする。
【解決手段】酸素を還元するカソード並びに燃料を酸化するアノード並びに該カソードと該アノードとに挟まれた電解質層を含む発電部と、該発電部を収容する筐体２１とからなる燃料電池であって、該筐体２１が多孔質体で構成されてなることを基本とする。
【選択図】図３

Description

本発明は例えばダイレクトメタノール（ＤＭＦＣ）型燃料電池に於ける主要部分を収容する筐体に改善を施した燃料電池に関する。

一般に、ＤＭＦＣと呼ばれる燃料電池は、アノードに燃料としてメタノール水溶液を供給することで電子とプロトンを生成し、そのプロトンをカソードに供給された酸素と反応させることで発電する装置であり、そして、最大の特徴は燃料及び酸素を補給することで長時間連続発電が可能であり、二次電池における充電の代わりに燃料を補給することで二次電池と同様に動作させることができる。

ＤＭＦＣでは、アノードでメタノールと水が反応して二酸化炭素が発生し、カソードで酸素とプロトンが反応して水が発生する。そこで、燃料電池を収納する筐体としては、酸素の供給を可能とし、また、二酸化炭素及び水の排出を可能にする為の開口部を設けなければならない（例えば、特許文献１を参照。）。

図１０は燃料電池に用いられている従来の筐体を説明する為の要部斜面図であり、図に於いて、３１は筐体、３１Ａは筐体の長手方向に於ける両側面に形成された開口部、Ｌは長手方向の長さ、Ｗは短手方向の長さ（幅）、Ｈは高さ（厚さ）をそれぞれ示している。

図示の筐体３１の大きさは、例えばＬ＝１０ｃｍ、Ｗ＝５ｃｍ、Ｈ＝２ｃｍであり、そして、開口部３１Ａは図示されている面と反対側の面にも形成されていて、その大きさは長手方向が８ｃｍ、高さ方向が１ｃｍである。

ところで、開口部３１Ａを図示のように局所的に設けた場合、筐体内部では酸素、二酸化炭素、水に濃度差が生じ、その結果、発電特性に分布を生じてしまう。この発電特性の分布は出力低下を招くだけでなく、部分的に電流の集中等が起こって触媒や電解質の劣化に結び付くことになる。

従って、前記したような酸素等の濃度差を生じないようにする必要があるが、それを重視して前記開口部を筐体の全面に設けるようなことをした場合には、燃料電池を収容する筐体として強度の面で問題が起こる。
特開２００４−５５３０７号公報

本発明では、燃料電池に於ける筐体の強度を低下させることなく、酸素の供給、二酸化炭素及び水の排出を支障なく実施できるようにして、発電特性に分布を生じないように、また、触媒や電解質が劣化しないようにする。

本発明に依る燃料電池に於いては、酸素を還元するカソード並びに燃料を酸化するアノード並びに該カソードと該アノードとに挟まれた電解質層を含む発電部と、該発電部を収容する筐体とからなる燃料電池であって、該筐体が多孔質体で構成されてなることを基本とする。

前記手段を採ることに依り、酸素の供給、二酸化炭素及び水の排出を燃料電池の筐体を通して行うことが可能であり、従って、その供給と排出は筐体の全面で行われることとなるので発電特性に分布を生ずることは抑制される。また、筐体に開口部を設ける必要はなくなるので筐体の強度が低下することもない。更にまた、筐体を構成する多孔質体は、その孔径や表面状態を調節することで液体遮断性をもたせることができるので、水を水蒸気として排出することを希求されている携帯電話などの移動電子機器の電源として好適である。

図１は本発明の一実施の形態に於ける発電部を説明する為の要部切断側面図であり、図に於いて、１はカソード集電体層、２はガス拡散層、３はカソード電極層、４は固体電解質層、５はアノード電極層、６はガス拡散層、７はアノード集電体層をそれぞれ示し、この全体を発電部（ＭＥＡ）と呼んでいる。

図に見られるように、アノードは固体電解質層４側からアノード電極層５、ガス拡散層６、アノード集電体層７が積層されて構成され、カソードは固体電解質層４側からカソード電極層３、ガス拡散層２、カソード集電体層１が積層されて構成され、アノードとカソードとは固体電解質層４を介して対向するように構成されている。

アノードは燃料を酸化してプロトンと電子を取り出す為のものであり、カソードは酸素を還元して発生したイオンとアノードで生成された電子及びプロトンから水を生成する為のものである。

固体電解質層４はアノードにおいて生成したプロトンをカソードに輸送するための経路の役割を果たし、電子伝導性を持たないイオン伝導体で形成されている。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、例えば、デュポン社製のナフィオン（Ｎａｆｉｏｎ）膜を用いる。

図２は燃料電池セルを説明する為の要部分解斜面図を表し、図に於いて、１１はカソード側プレート、１２はカソード側プレートに於ける酸素供給孔、１３はＭＥＡ、１４はアノード側プレート、１５は燃料貯蔵部をそれぞれ示している。

図１について説明したＭＥＡは図２に見られるプレート１１及び１４に挟まれて固定され、且つ、一定の面圧がかけられている。ＭＥＡ１３に於ける固体電解質層と対向しないアノード側プレート１４の面には燃料貯蔵部１５が設けられ、燃料がアノードへ供給されるようになっている。ＭＥＡ１３に於ける固体電解質層と対向しないカソード側プレート１１には酸素供給孔１２が形成され、酸素が供給されるようになっている。

図３は燃料電池セルを収容する燃料電池筐体の構造を説明する為の要部切断斜面図であり、図に於いて、２１は燃料電池筐体、２２は燃料電池セル、２３は燃料電池筐体に取り付けた状態の携帯電話機、３０は筐体内部を透視する為に仮設した切欠をそれぞれ示している。

燃料電池セル２２は使用する機器に必要な電圧を発生できるように所要層分をスタックされて筐体２１内に収納される。筐体２１は多孔質体で構成してある為、筐体２１を通じて発電に必要な酸素の供給、二酸化炭素及び水の排出を行うことが可能であり、図では、その供給及び排出については矢印（矢印Ｌ、Ｗ、Ｈは除く）で示してある。

本発明に於ける燃料電池筐体２１を構成する多孔質体としては、超臨界微細発泡成形体（ミューセル：米国トレクセル（ＴＲＥＸＥＬ）社の商標）やプラスチック焼結多孔質体が挙げられ、材質としてはポリプロピレン、ＡＢＳ、アクリル、ポリウレタン等を用いて良い。

多孔質体に所要の通気性をもたせる為には、上記材料を用いた場合、孔径や空隙率を調節することで実現させ、そして、孔径や空隙率の調節は後に説明する図５の通気特性が実現されるように実施する。

例えば、ミューセルの場合、素材の樹脂に超臨界ガス（高圧液化炭酸ガス等）を溶解させて成形を行い、孔径や空隙率の調節は、超臨界ガス濃度、成形温度を選択して行う。また、プラスチック焼結多孔質体の場合、素材の微粒子を固めて焼結し、孔径や空隙率の調節は、微粒子の径を選択して行う。更にまた、発泡樹脂の場合、成形温度で発泡剤を樹脂に混合して成形を行い、孔径や空隙率の調節は、材料や温度を選択して行う。

燃料電池を電子機器等の電源に用いる場合、水の排出は、水そのものの状態ではなく、水蒸気として排出することが好ましいので、筐体２１には撥水性をもたせるための表面処理を施すことが必要である。尚、筐体２１には所要の強度が要求されることは云うまでもない。

図４は発電時に於けるガスの発生量と消費量とを説明する為の線図であり、図では、縦軸にガス発生量及びガス消費量〔ｃｃ／ｓ〕を、横軸に電流密度〔ｍＡ／ｃｍ²〕をそれぞれ採ってある。

この場合、カソード電極層及びアノード電極層の面積をそれぞれ５０ｃｍ²であり、図には、二酸化炭素（ＣＯ₂）及び水蒸気状態の水（Ｈ₂Ｏ）それぞれの単位時間当たりの発生量、酸素（Ｏ₂）の単位時間当たりの消費量が示されていて、これ等の各値は全て電流値に依存している。

図３について説明した燃料電池筐体２１のサイズをＬ＝１０ｃｍ、Ｗ＝５ｃｍ、Ｈ＝２ｃｍとした場合、表面積は１６０ｃｍ²となる。

図５は図３に見られる多孔質燃料電池筐体に要求される通気特性を説明する為の線図であり、図では、縦軸に通気特性〔ｃｃ／ｍｉｎ・ｃｍ²〕を、横軸に電流密度〔ｍＡ／ｃｍ²〕をそれぞれ採ってある。

図からすると、発電時の電流密度に対して、図示の通気特性があれば、燃料電池を発電させる場合に何ら支障はなく、しかも、従来のように局所的に開口部を設けるよりも発電は均一に行われる。

図６は図３について説明した本発明に依る燃料電池の発電特性（定電圧放電、この場合１Ｖの定電圧）を表す線図であり、図７は図８について説明したような筐体に開口部を備えた従来の技術に依る燃料電池の発電特性（定電圧放電）を表す線図である。尚、図６のデータを得た燃料電池の筐体はポリエチレンの多孔質体を材料として用いた。

各図では、縦軸に電流を、横軸に時間〔ｍｉｎ〕をそれぞれ採ってある。尚、図７は図６と比較する為に挙げたものであり、ここで対象とした従来の燃料電池に於ける筐体は、材料自体に通気性がなく、長手方向（Ｌ＝１０ｃｍ）の両側面に長さ８ｃｍ、幅（高さ方向）１ｃｍの開口が形成されたものである。

図６からすると、本発明に依る燃料電池では多孔質筐体を用いたことに依って、Ｏ₂の供給、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏの排出が筐体の略全面から均一に行われ、安定した高い出力が長時間に亙って持続できることが明瞭に看取される。

然しながら、図７に依れば、従来の燃料電池は、出力が低いのみならず不安定であり、しかも、持続時間も短いことが看取される。これは、Ｏ₂の供給、ＣＯ₂及びＨ₂Ｏの排出に分布があることに起因すると認識される。

ところで、図３に見られる燃料電池では、燃料電池筐体２１に携帯電話機２３を取り付けた状態が示されているが、このような場合、燃料電池筐体２１から排出される水蒸気が携帯電話機２３に於いて結露することが危惧される。

図８は携帯電話機に結露することを防止できる筐体をもつ燃料電池の実施の形態を説明する為の要部切断側面図であり、図３に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

図に於いて、２１Ａは筐体に於ける本体、２１Ｂは筐体の携帯電話機対向面、２４は燃料供給部、２５Ａ並びに２５Ｂは発電部をそれぞれ示している。

この実施の形態に於ける筐体の本体２１Ａは多孔質体で構成され、そして、携帯電話機対向面２１Ｂは非多孔質体で構成されているので、携帯電話機２３に結露を生じることは抑制できる。

図９は図８について説明した燃料電池の放電特性を表す線図であり、図に於いて、Ａは図８について説明した筐体の本体２１Ａ側、即ち、多孔質体側に対向している発電部２５Ａに関する特性線であり、そして、Ｂは非多孔質体側に対向している発電部２５Ｂに関する特性線である。

図９からすると、非多孔質体側に対向している発電部２５Ｂの放電特性は多孔質体側に対向している発電部２５Ａの特性に比較して悪化しているが、発電部２５Ａと発電部２５Ｂとを綜合した放電特性は、筐体全体を非多孔質にした場合と比較すると遙に改善されたものとなり、しかも、携帯電話機２３に結露を生じない旨の効果を併せ考えれば、その利点は、放電特性が若干低下する欠点を補って余りあるものがある。

本発明の一実施の形態に於ける発電部を説明する為の要部切断側面図である。燃料電池セルを説明する為の要部分解斜面図である。燃料電池セルを収容する燃料電池筐体の構造を説明する為の要部切断斜面図である。発電時に於けるガスの発生量と消費量とを説明する為の線図である。本発明に依る多孔質燃料電池筐体に要求される通気特性を説明する為の線図である。本発明に依る燃料電池の発電特性（定電圧放電）を表す線図である。従来の技術に依る燃料電池の発電特性（定電圧放電）を表す線図である。携帯電話機を装着するのに適した燃料電池の筐体を説明する為の要部切断側面図である。図９に見られる燃料電池の放電特性を説明する為の線図である。燃料電池に用いられている従来の筐体を説明する為の要部斜面図である。

符号の説明

１カソード集電体層
２ガス拡散層
３カソード電極層
４固体電解質層
５アノード電極層
６ガス拡散層
７アノード集電体層
１１カソード側プレート
１２カソード側プレートに於ける酸素供給孔
１３ＭＥＡ
１４アノード側プレート
１５燃料貯蔵部
２１燃料電池筐体
２２燃料電池セル
２３燃料電池筐体に取り付けた状態の携帯電話機
３０筐体内部を透視する為に仮設した切欠

Claims

酸素を還元するカソード並びに燃料を酸化するアノード並びに該カソードと該アノードとに挟まれた電解質層を含む発電部と、該発電部を収容する筐体とからなる燃料電池であって、該筐体が多孔質体で構成されてなること
を特徴とする燃料電池。
多孔質体は、超臨界微細発泡成形体、或いは、プラスチック焼結多孔質体であること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池。
筐体は電子機器を保持する保持部をもち、該保持部は、非多孔質体で構成されてなること
を特徴とする請求項１記載の燃料電池。
プラスチック焼結多孔質体は、ポリプロピレン、ＡＢＳ、アクリル、ポリウレタンの何れかであること
を特徴とする請求項２記載の燃料電池。
多孔質体が液体遮断性を有すること
を特徴とする請求項１乃至４の何れか１記載の燃料電池。