JP2007157521A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池に関し、燃料電池二於ける気化部の構造に簡単な改変を加えることで、耐久性を向上し、放電を繰り返しても容量が低下することがないようにする。
【解決手段】酸素を活物質として還元する正極と燃料を酸化する負極を備える燃料電池において、開口１２Ｃの縁辺近傍をゴム弾性体１２Ｄで覆ったマスク１２Ｂで気化膜１２Ａを挟んで成る気化部を備える。
【選択図】 図３

Description

本発明は、気化部に簡単な改良を施すことで耐久性を向上した燃料電池に関する。

携帯情報機器に於いては、小型化、軽量化、高機能化が一段と進みつつあり、そして、そのような情報機器の発展に伴い、電源として多用されている電池も小型・軽量・高容量化が進んでいる。

現在の携帯電話装置に用いられている最も普遍的な駆動電源はリチウムイオン電池であって、実用化当初から高い駆動電圧と電池容量をもつことから多用され、携帯電話装置の進歩に併せるように性能改善が図られてきた。

然しながら、リチウムイオン電池の性能改善にも限界があり、今後も高機能化が進む携帯電話装置の駆動電源としての要求をリチウムイオン電池では充足できない状況となりつつある。

このような状況の下で、リチウムイオン電池に変わる新たな発電デバイスの開発に期待が掛けられ、例えば、その１つとして燃料電池が挙げられる。燃料電池は、負極（アノード）に燃料を供給することで電子とプロトンを生成し、そのプロトンを正極（カソード）に供給した酸素と反応させることで発電する装置である。

この発電システムの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なところにあり、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機器電源に応用することができる。

前記したところから、燃料電池は分散電源や電気自動車に用いられる大型発電機としてだけでなく、ノートＰＣや携帯電話に用いる為の超小型発電ユニットとして盛んに研究開発が行われている。

然しながら、特に小型の燃料電池においては、耐久性が低く、繰り返し放電を行うと容量が減少していくという問題があった。

本発明では、燃料電池二於ける気化部の構造に簡単な改変を加えることで、耐久性を向上し、放電を繰り返しても容量が低下することがないようにする。

本発明者等は、小型燃料電池に於ける耐久性が低い一因は、燃料電池を繰り返し放電させることで気化部に於ける気化膜、例えばナフィオン（ナフィオン：米国デュポン社製、以下、同様。）膜が燃料であるメタノールに依って膨張及び収縮を繰り返し、疲労に依って破損する為である旨を確認した。

図７は燃料電池に於ける気化部の破損微細箇所を表す拡大写真であり、気化部を構成するマスクに於ける開口の近傍に著しい損傷を生じていることが看取されよう。

本発明者等は、このような損傷が発生することを抑止する為の様々な実験を試みたが、前記したように耐久性や容量が低下する原因が判ってしまえば、その対応は意外に簡単であった。

本発明に依る燃料電池に於いては、酸素を活物質として還元する正極と燃料を酸化する負極を備える燃料電池において、開口の縁辺近傍をで覆ったマスクで気化膜を挟んで成る気化部を備えることが基本になっている。

前記手段を採ることに依り、燃料電池の繰り返し放電を行っても、ナフィオン等の気化膜の膨張及び収縮をゴム弾性体に依って緩和することができ、それに依って、気化膜の破損を防止できるので、容量の低下を長期間に亙って抑止することが可能となって耐久性は向上する。また、このような効果を得る為に必要とされる手段は、気化部に於けるマスクの開口近傍をゴム弾性体に依って覆うのみで良いから、その実施は極めて簡単であり、特殊な技術や部材は一切必要としない。

図１は本発明の実施の形態である燃料電池の外観を説明するための要部斜面図であり、図に於いて、１は筐体、２は空気孔をそれぞれ示している。

図２は図１に見られる燃料電池を図示の一点鎖線に沿って切断した要部断面図であり、図に於いて、１１は燃料貯蔵部、１２は気化部、１３は発電部（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）、１３Ａは負極（燃料極、アノード）、１３Ｂは電解質層、１３Ｃは正極（空気極、カソード）をそれぞれ示している。

図３は図２に見られる気化部１２を説明する為の分解平面図を表し、図に於いて、１２Ａは気化膜（ナフィオン膜）、１２Ｂはマスク、１２Ｃはマスクに於ける開口、１２Ｄは開口の縁辺近傍を覆う例えばブチルゴムからなるを示している。尚、１２Ｄとしてブチルゴムの他に例えばシリコーンゴムを用いて良い。

マスク１２Ｂとしては、所要数の開口１２Ｃをもつステンレス板を用いることができ、また、１２Ｄは、マスク１２Ｂの開口１２Ｃと同一位置に開口をもち、且つ、気化膜１２Ａやマスク１２Ｂと同様に全面に展延する膜であって良い。尚、マスク１２Ｂに於ける開口１２Ｃの開口率は９０％以下にすることが望ましく、そして、材料としてステンレス板のエキスパンメタル、同じくパンチングメタル、発泡金属などを用いることができる。

図３では気化膜１２Ａとマスク１２Ｂとは同じ大きさに表してあるが、実際には気化膜１２Ａが若干大きめになっている。然しながら、気化膜１２Ａはマスク１２Ｂの全面に対応している必要はなく、開口１２Ｃよりも若干大きめの形状に切断されたものであっても良い。その場合、１２Ｄの外形は、開口１２Ｃよりも若干大きめの前記気化膜１２Ａよりも更に若干大きめにしておくことが好ましい。

図４は参考の為に掲げた従来の気化部を説明する為の分解平面図を表し、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３に見られる本発明に依る気化部と図４に見られる従来の気化部との相違点は、開口１２Ｃの開口近傍を覆う１２Ｄの有無である。図４に見られる気化部を用いた場合には、繰り返し放電することで、図７に見られるように、気化膜であるナフィオン膜は膨張及び収縮を繰り返す為、疲労に依り破損する。

図５は発電部を詳細に表す要部切断側面図であり、図に於いて、１３Ａは負極、１３Ｂは電解質層、１３Ｃは正極をそれぞれ示している。

負極１３Ａは負極集電層１３Ａ₁ 及び負極触媒層１３Ａ₂ からなり、正極１３Ｃは正極触媒層１３Ｃ₂ 及び正極集電層１３Ｃ₁ から成っている。

負極１３Ａは燃料を酸化してプロトンと電子を取り出す作用をするものであり、負極触媒層１３Ａ₂ は白金または白金とルテニウムなどの遷移金属からなる合金の微粒子及び炭素粉末及び電解質層を構成する高分子をカーボンペーパなどの多孔質導電膜に塗布・充填して作製したものである。

負極集電層１３Ａ₁ はステンレス、Ｎｉなどの金属メッシュからなり、負極触媒層１３Ａ₂ で生成した電子を取り出すものである。

正極１３Ｃは酸素を還元して発生したイオンと負極１３Ａで生成された電子及びプロトンから水を生成するものであり、電解質層１３Ｂ側から正極触媒層１３Ｃ₂ 、正極集電層１３Ｃ₁ の順に積層して構成されている。

正極触媒層１３Ｃ₂ は負極触媒層１３Ａ₂ と同様に白金または白金とルテニウムなどの遷移金属からなる合金の微粒子及び炭素粉末及び電解質層を構成する高分子をカーボンペーパなどの多孔質導電膜に塗布・充填して作製したものである。

正極集電層１３Ｃ₁ はステンレス、Ｎｉなどの金属メッシュからなり、正極触媒層１３Ｃ₂ で生成した電子を供給するものである。

電解質層１３Ｂは負極１３Ａにおいて生成したプロトンを正極１３Ｃに輸送するための経路になっていて、電子伝導性を持たないイオン導電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、具体的にはナフィオン膜などで構成される。

燃料貯蔵部１１に貯蔵されている燃料は気化部１２を通過することで気体となり、流動や拡散などの自然移動に依って燃料導入路（図示せず）を介して発電部１３の負極１３Ａに於ける電解質層１３Ｂと対向しない面に供給される。また、正極１３Ｃに於ける電解質層１３Ｂと対向しない面は外気を自然拡散により導入できるよう空隙を備えた形で解放されている。

前記説明した構造の燃料電池に於いて、 負極（燃料極）：白金−ルテニウム合金担持触媒（ＴＥＣ６１Ｅ５４ 田中貴金属製）
正極（空気極）：白金担持触媒（ＴＥＣ１０Ｅ７０ＴＰＭ 田中貴金属製）
電解質層：Ｎａｆｉｏｎ ＮＦ１１２（Ｄｕｐｏｎｔ社製）
燃料：１００容量％メタノール ２．５ｃｃ
気化部のマスクに於ける開口：直径２ｍｍ
ゴム弾性体：材料 バイトン
直径 ３ｍｍ
厚さ ０．１ｍｍ
とした燃料電池を作製した。尚、燃料としては濃度が９０％以上のメタノールを用いて良い。

図６は上記仕様の燃料電池に於ける繰り返し放電容量を試験して得られた結果を表す線図であり、試験条件としては、２．０Ｖの電圧で流れる電流の積算値を測定したものであり、図からすると本発明に依るをもつものの耐久性が飛躍的に向上していることが看取されよう。

本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができるので、以下、それを付記として例示する。

（付記１）
酸素を活物質として還元する正極と燃料を酸化する負極を備える燃料電池において、
開口の縁辺近傍をで覆ったマスクで気化膜を挟んで成る気化部を備えることを特徴する燃料電池。

（付記２）
気化膜がマスクに比較して大であること
を特徴とする（付記１）記載の燃料電池。

（付記３）
気化膜がマスクの開口を覆う形状をもつと共にの外形が該気化膜に比較して大きいことを特徴とする（付記１）記載の燃料電池。

（付記４）
ゴム弾性体がマスクの開口と同位置に開口をもち且つ全面に展延された膜であること
を特徴とする（付記１）記載の燃料電池。

（付記５）
マスクが所要数の開口をもつステンレス板であること
を特徴とする（付記１）、（付記２）、（付記４）の何れか１記載の燃料電池。

（付記６）
２枚のステンレス板の間に気化膜を挟んでなること
を特徴とする（付記５）記載の燃料電池。

（付記７）
開口をもつステンレス板のマスクに於ける開口率が90％以下であること
を特徴とする（付記５）記載の燃料電池。

（付記８）
マスクがステンレスのエキスパンメタル或いはパンチングメタル、発泡金属の何れかで構成されてなること
を特徴とする（付記１）乃至（付記７）の何れか１記載の燃料電池。

（付記９）
がシリコーンゴム或いはブチルゴムであること
を特徴とする（付記１）乃至（付記８）の何れか１記載の燃料電池。

（付記１０）
燃料であるメタノールの濃度は９０％以上であること
を特徴とする（付記１）乃至（付記９）の何れか１記載の燃料電池。

本発明の実施の形態である燃料電池の外観を説明するための要部斜面図である。 図１に見られる燃料電池を図示の一点鎖線に沿って切断した要部断面図である。 図２に見られる気化部を説明する為の分解平面図である。 参考の為に掲げた従来の気化部を説明する為の分解平面図である。 発電部を詳細に表す要部切断側面図である。 燃料電池に於ける繰り返し放電容量を試験して得られた結果を表す線図である。 燃料電池に於ける気化部の破損微細箇所を表す拡大写真である。

符号の説明

１ 筐体
２ 空気孔
１１ 燃料貯蔵部
１２ 気化部
１２Ａ 気化膜
１２Ｂ マスク
１２Ｃ 開口
１２Ｄ
１３ 発電部（ＭＥＡ）
１３Ａ 負極（燃料極、アノード）
１３Ｂ 電解質層
１３Ｃ 正極（空気極、カソード）

Claims (2)

1. 酸素を活物質として還元する正極と燃料を酸化する負極を備える燃料電池において、
   開口の縁辺近傍をゴム弾性体で覆ったマスクで気化膜を挟んで成る気化部を備えることを特徴する燃料電池。
2. ゴム弾性体がシリコーンゴム或いはブチルゴムであること
   を特徴とする請求項１記載の燃料電池。

Images