JP2007173079A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関し、具体的には、携帯機器に用いる燃料電池であって設置する向きを考慮する必要の無い燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell, and more specifically to a fuel cell that is used in a portable device and does not require consideration of the installation direction.
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できる、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性をもっているので、21世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。 A fuel cell is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency. The main feature of the fuel cell is direct power generation that does not go through the process of thermal energy and kinetic energy as in the conventional power generation system, so high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and there is little emission of nitrogen compounds, etc. Noise and vibration are also small, so the environment is good. In this way, fuel cells can effectively use the chemical energy of fuels and have environmentally friendly characteristics, so they are expected to be energy supply systems for the 21st century, and are used on a large scale from space use to automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used in various applications from power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical application.
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴が有り、特に近年、固体高分子形燃料電池の一形態として、ダイレクトメタノール燃料電池(Direct Methanol Fuel Cell:DMFC)が注目を集めている。DMFCは、燃料であるメタノール水溶液を改質することなく直接アノードへ供給し、メタノール水溶液と酸素との電気化学反応により電力を得るものであり、この電気化学反応によりアノードからは二酸化炭素が、カソードからは生成水が、反応生成物として排出される。メタノール水溶液は水素に比べ、単位体積当たりのエネルギが高く、また、貯蔵に適しており、爆発などの危険性も低いため、自動車や携帯機器(携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、PDA、MP3プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書(書籍))などの電源への利用が期待されている。
特許文献1に開示されているような平面形の燃料電池は、小型、軽量が要求される携帯機器への利用が特に期待されているが、アノードを電解質層の下側の主面に形成すると、アノードからの反応生成物である二酸化炭素がアノードに滞留して反応効率を低下させるなどの問題を抱えている。 The planar fuel cell as disclosed in Patent Document 1 is particularly expected to be used for portable devices that are required to be small and light, but when the anode is formed on the main surface below the electrolyte layer, In addition, carbon dioxide, which is a reaction product from the anode, stays in the anode and has problems such as reducing the reaction efficiency.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであって、携帯機器に用いる燃料電池において設置する向きを考慮する必要の無い燃料電池を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that does not need to consider the direction in which the fuel cell is installed in a portable device.
上記目的を達成するために、本発明の燃料電池は、電解質層と、電解質層の第1の主面に設けられ、液体の第1の反応流体が供給され、気体の第1の反応生成物が発生する第1の電極と、電解質層の第2の主面に設けられ、第2の反応流体が供給される第2の電極と、電解質層と第1の電極と第2の電極とが収納される筐体と、筐体に設けられ、第1の電極から第1の反応生成物を排出する第1の反応生成物流体排出口と、筐体に設けられ、第2の電極へ前記第2の反応流体を供給する第2の反応流体供給口と、を備える燃料電池において、第1の反応生成物排出口は、筐体の少なくとも2面に設けられることを特徴とする。あるいは、同様の燃料電池において、第1の反応生成物排出口は、第2の反応流体供給口が設けられる面に設けられることを特徴とする。 To achieve the above object, a fuel cell of the present invention is provided with an electrolyte layer and a first main surface of the electrolyte layer, supplied with a liquid first reaction fluid, and a gas first reaction product. A second electrode provided on the second main surface of the electrolyte layer and supplied with a second reaction fluid, an electrolyte layer, the first electrode, and the second electrode. A housing to be housed, a first reaction product fluid discharge port provided in the housing for discharging the first reaction product from the first electrode, and provided in the housing to the second electrode. A fuel cell comprising a second reaction fluid supply port for supplying a second reaction fluid, wherein the first reaction product discharge port is provided on at least two surfaces of the housing. Alternatively, in the same fuel cell, the first reaction product discharge port is provided on a surface on which the second reaction fluid supply port is provided.
ここで、液体の第1の反応流体とはメタノールを含むアルコール類やその水溶液、蟻酸のような物質が考えられ、気体の第1の反応生成物とは二酸化炭素などが考えられる。一方、第2の反応流体には地球上であれば空気(空気中の酸素)が一般的であるが、ロケットや潜水艦のようなところでは、酸素ボンベから供給される酸素や過酸化水素なども考えられる。 Here, the liquid first reaction fluid may be an alcohol containing methanol, an aqueous solution thereof, or a substance such as formic acid, and the gaseous first reaction product may be carbon dioxide. On the other hand, air (oxygen in the air) is generally used as the second reaction fluid on the earth, but in places such as rockets and submarines, oxygen and hydrogen peroxide supplied from oxygen cylinders are also included. Conceivable.
このような反応流体を利用する燃料電池において、第1の反応生成物の排出口を筐体の少なくとも2面に設けることにより、例えば、ユーザーが筐体の第1の反応生成物排出口が設けられた一面を塞ぐように燃料電池を置いてしまったとしても、他の一面から第1の反応生成物を排出することができるので、第1の反応生成物が第1の電極に滞留して燃料電池反応効率を低下させること防止でき、この燃料電池のユーザーは燃料電池を設置する向きを考慮することなく使用できる。また、第1の反応生成物の排出口を第2の反応流体の供給口が設けられている面と同じに設けることにより、例えば、ユーザーが筐体の第2の反応流体供給口が設けられた面を塞ぐように燃料電池を置いてしまったとしても、燃料電池へ第2の反応流体が供給されないので、燃料電池の発電は行われず、第1の反応生成物が発生することもない。したがって、この燃料電池のユーザーは燃料電池を設置する向きを考慮することなく使用できる。 In a fuel cell using such a reaction fluid, by providing the first reaction product discharge port on at least two surfaces of the housing, for example, the user can provide the first reaction product discharge port of the housing. Even if the fuel cell is placed so as to block the one surface, the first reaction product can be discharged from the other surface, so that the first reaction product stays in the first electrode. The fuel cell reaction efficiency can be prevented from being lowered, and the user of this fuel cell can use it without considering the direction in which the fuel cell is installed. Also, by providing the first reaction product discharge port on the same surface as the second reaction fluid supply port, for example, the user can provide the second reaction fluid supply port of the housing. Even if the fuel cell is placed so as to close the surface, the second reaction fluid is not supplied to the fuel cell, so that the power generation of the fuel cell is not performed and the first reaction product is not generated. Therefore, the user of this fuel cell can use it without considering the direction of installing the fuel cell.
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の燃料電池において、第1の反応生成物排出口には、気体透過性かつ液体不透過性を有する部材を配することを特徴とする。ここで、気体透過性かつ液体不透過性を有する部材とは、気体成分を選択的に透過し、液体成分は透過させない部材であり、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系合成樹脂で構成される微細な孔を有する平面状のフィルなどが適していると考えられる。これにより、請求項1または2の効果に加え、気体の反応生成物のみを燃料電池の外部へ排出し、液体の反応流体は燃料電池の内部に保持することができる。 According to a third aspect of the present invention, in the fuel cell according to the first or second aspect, a member having gas permeability and liquid impermeability is disposed at the first reaction product outlet. Here, the gas-permeable and liquid-impermeable member is a member that selectively transmits a gas component but does not allow a liquid component to pass therethrough, and is a fine material composed of a fluorine-based synthetic resin such as polytetrafluoroethylene. It is considered that a planar fill having a perforated hole is suitable. Thus, in addition to the effect of the first or second aspect, only the gaseous reaction product can be discharged to the outside of the fuel cell, and the liquid reaction fluid can be held inside the fuel cell.
請求項4記載の発明は、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池において、少なくとも対向する2面が略平行な形状を有すると共に第1の反応流体を保持する第1の反応流体室を備えることを特徴とする。また、請求項5記載の発明は、請求項4記載の燃料電池において、第1の反応流体室の、略平行な2面のうち一方の面に設けられ、電解質層と第1の電極と第2の電極とを収納可能な凹部を有し、第1の反応流体室の一方の面と、筐体の第2の反応流体供給口が設けられる面と、が同一な面を形成することを特徴とする。ここで、少なくとも対向する2面が略平行な形状とは、直方体(立方体)や円柱、そして、その角あるいは辺が面取りされているものや、ユーザビリティやデザインを考慮して10°未満の傾斜は許容範囲として略平行な2面を有する形状であれば良い。その一面に凹部を設け、所謂MEAと呼ばれる部分をこの凹部に嵌め込み、第1の反応流体室の一方の面と第2の反応流体供給口が設けられる面とが面一になるように構成することにより、燃料電池の小型化設計をする上で、可及的に第1の反応流体室の体積を大きくすることができ、請求項1から3のいずれかに記載の燃料電池の効果に加え、長時間の発電が可能になる。 According to a fourth aspect of the present invention, in the fuel cell according to any one of the first to third aspects, the first reaction fluid chamber in which at least two opposing surfaces have a substantially parallel shape and holds the first reaction fluid. It is characterized by providing. According to a fifth aspect of the present invention, in the fuel cell according to the fourth aspect of the present invention, the first reaction fluid chamber is provided on one of the substantially parallel surfaces, the electrolyte layer, the first electrode, and the first electrode. A recess that can accommodate the two electrodes, and one surface of the first reaction fluid chamber and the surface of the housing on which the second reaction fluid supply port is provided form the same surface. Features. Here, the shape in which at least two opposing surfaces are substantially parallel is a rectangular parallelepiped (cube), a cylinder, and a chamfered corner or side thereof, and an inclination of less than 10 ° in consideration of usability and design. Any shape having two substantially parallel surfaces as an allowable range may be used. A concave portion is provided on one surface, and a so-called MEA portion is fitted into the concave portion so that one surface of the first reaction fluid chamber and the surface on which the second reaction fluid supply port is provided are flush with each other. Therefore, the volume of the first reaction fluid chamber can be increased as much as possible in designing the miniaturization of the fuel cell. In addition to the effect of the fuel cell according to any one of claims 1 to 3, Long-term power generation becomes possible.
本発明によれば、設置する向きを考慮する必要の無い燃料電池を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which does not need to consider the direction to install can be provided.
本発明の燃料電池50の基本構成について、図を用いて説明する。
A basic configuration of the
図1は本発明の燃料電池50の外観を模式的に表した斜視図、図2は燃料電池50のアノード側の筐体24aを外したときの分解斜視図である。本実施の形態において、燃料電池50は、アノード10にメタノール水溶液あるいは純メタノール(以下、「メタノール燃料」と記載する)が供給されるDMFCである。発電部である膜−電極接合体(Membrane Electorode Assembly:MEA)12は、電解質膜14がアノード10とカソード16とに挟持され形成される。
FIG. 1 is a perspective view schematically showing the appearance of a
アノード10へ供給されるメタノール燃料は、燃料電池50の外部より、メタノール燃料供給孔20を通って燃料室22へ供給される。各燃料室22は連通しており、各燃料室22に貯蔵されるメタノール燃料から各アノード10へ供給される。アノード10では、式(1)に示すようなメタノールの反応が起こり、H+が電解質膜14を介してカソード16へ移動すると共に、電力が取り出される。
The methanol fuel supplied to the
この気液分離フィルタ30は、気体成分を選択的に透過し、液体成分は透過させない微細な孔を有する平面状のフィルタであり、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(E/TFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)、ポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)、クロロトリフルオロエチレン−エチレン共重合体(E/CTFE)、パーフロロ環状重合体、あるいは、ポリビニルフルオライド(PVF)などのフッ素系合成樹脂は、耐メタノール(アルコール)性を有するので、この気液分離フィルタ30の材料として適している。
The gas-
また、筐体24は、軽量で剛性を有し、かつ、耐食性を有する材料が適しており、具体的には、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ガラスエポキシ樹脂、シリコン樹脂、セルロース、ナイロン、ポリアミドイミド、ポリアリルアミド、ポリアリルエーテルケトン、ポリイミド、ポリウレタン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルスルホン、ポリエチレン、ポリエチレングリコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル、ポリオキシメチレン、ポリカーボネート、ポリグリコール酸、ポリジメチルシロキサン、ポリスチレン、ポリスルホン、ポリビニルアルコール、ポリビニルピロリドン、ポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリ四フッ化エチレン、硬質ポリ塩化ビニルなどの合成樹脂、あるいは、アルミニウム合金、チタン合金、ステンレス鋼などの金属が適している。また、強化ガラスやスケルトン樹脂でも良い。そして、気液分離フィルタ30と同様に、筐体24もメタノール燃料と接触する部分を有するので、特に、メタノール燃料と接触する部分では、上記合成樹脂あるいは金属にフッ素系合成樹脂を重ね合わせた複合材料を用いると良い。さらに、32は、燃料室22を形成すると共に、MEA12を締め付ける支持部材32であり、支持部材32もまた筐体24のメタノール燃料と接触する部分と同じ材料を用いると良い。
The casing 24 is made of a lightweight, rigid, and corrosion-resistant material. Specifically, acrylic resin, epoxy resin, glass epoxy resin, silicon resin, cellulose, nylon, polyamideimide, Polyallylamide, polyallyl ether ketone, polyimide, polyurethane, polyether imide, polyether ether ketone, polyether ketone ether ketone ketone, polyether ketone ketone, polyether sulfone, polyethylene, polyethylene glycol, polyethylene terephthalate, polyvinyl chloride, Polyoxymethylene, polycarbonate, polyglycolic acid, polydimethylsiloxane, polystyrene, polysulfone, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrrolidone, polyphenylene sulfide, polyphthalaldehyde De, polybutylene terephthalate, polypropylene, polyvinyl chloride, polytetrafluoroethylene, synthetic resins such as rigid polyvinyl chloride or aluminum alloy, titanium alloy, a metal such as stainless steel is suitable. Further, tempered glass or skeleton resin may be used. And like the gas-
本実施の形態において、MEA12は、電解質膜14にNafion115(Dupont社製)を用い、この電解質膜14の一方の面に、Pt−Ru黒と5wt%Nafion溶液(DuPont社製)とを混合したアノード触媒ペーストを塗布してアノード10を形成し、他方の面に、Pt黒と5wt%Nafion溶液(DuPont社製)とを混合したカソード触媒ペーストを塗布してカソード16を形成した。本実施の形態では、電解質膜14にNafion115を用いたが、電解質膜14はイオン伝導性を有する厚さ50〜200μmの電解質膜であれば良く、本実施の形態のように、燃料にメタノール燃料を使用するDMFCの場合、メタノールが電解質膜14を透過してカソード側へ移動する、所謂、クロスリークと呼ばれる現象を抑制できる電解質膜であれば、なお望ましい。また、アノード10およびカソード16を電解質膜14上に形成する方法を採ったが、作製方法はカーボンペーパなどの電極基材上に触媒層を形成する構成および方法を用いてもよい。さらに、触媒は、メタノールからH+を、あるいは、H+と酸素から水を生成する触媒機能を有する触媒であれば、Pt−RuやPtからなる粒子(Pt−Ru黒やPt黒)ではなく、触媒をカーボンに担持させた触媒担持カーボンを用いてもよい。
In the present embodiment, the MEA 12 uses Nafion 115 (manufactured by Dupont) as the electrolyte membrane 14, and Pt-Ru black and a 5 wt% Nafion solution (manufactured by DuPont) are mixed on one surface of the electrolyte membrane 14. The
カソード16へはカソード側生成物排出孔28を通って空気が供給され、電解質膜14を介してカソード16へ移動してきたH+と空気中の酸素との間で、式(2)に示すような反応が起こり、生成水が生成される。 Air is supplied to the cathode 16 through the cathode-side product discharge hole 28, and the H + that has moved to the cathode 16 through the electrolyte membrane 14 and oxygen in the air are expressed by the formula (2). Reaction occurs, and water is produced.
アノード10からカソード16へメタノール燃料が流入することを防ぐため、複数のMEA12を取り囲むように、Oリング34(アノード側Oリング34a、カソード側Oリング34c)が配されている。本実施の形態では、カソード側の筐体24cと支持部材32とによって押圧され、メタノール燃料がアノード10からカソード16へ流入することを防止すると共に、アノード10へ酸素が流入することも防止している。このOリング34は柔軟性と耐食性を有するものが望ましく、天然ゴム、ニトリルゴム、アクリルゴム、ウレタンゴム、シリコンゴム、ブタジエンゴム、スチレンゴム、ブチルゴム、エチレン・プロピレンゴム、フッ素ゴム、クロロプレンゴム、イソブチレンゴム、アクリロニトリルゴム、アクリロニトリル・ブタジエンゴム、ブチルゴム、ウレタンゴムなどが材料に適している。
In order to prevent methanol fuel from flowing from the
上記の構成のほか、図示しないが、利用者がカソード16に接触しないように、カソード16とカソード側の筐体24cとの間に、空気や生成水は流通することができる多孔質のテフロン(登録商標)シートなどを挿入すると良い。あるいは、カソード側生成物排出孔28の径とカソード側生成物排出孔28が設けられる部分の筐体24の厚さとを調整する(カソード側生成物排出孔28の径寸法に対し、筐体24の厚さ寸法を大きくする)ことにより、利用者が燃料電池50の筐体24表面に触れても、カソード16に接触することがないように筐体設計を行うことも可能である。さらに、カソード側生成物排出孔28が設けられている部分を覆う蓋体を設けると、燃料電池50が停止している間に、MEA12、特に、電解質膜14が乾燥することを防ぐと共に、カソード16側に埃や細菌(カビ)などの有機物が侵入することを防ぐことができる。この蓋体は、スライド式の蓋体とすると、スペースを取ることなく設けることができる。
In addition to the above configuration, although not shown in the figure, porous Teflon (which allows air and generated water to circulate between the cathode 16 and the
また、本実施の形態では、燃料室22はメタノール燃料で満たされた空間として説明したが、メタノール燃料を吸収するスポンジのような三次元多孔質体(燃料吸収体)を燃料室22に挿入しても良い。このような燃料吸収体としては、ナイロン、ポリエステル、レーヨン、綿、ポリエステル/レーヨン、ポリエステル/アクリル、レーヨン/ポリクラールなどからなる繊維の織布、不織布、フェルトなどが挙げられる。燃料室22に燃料吸収体を挿入することによって毛細管現象が生じ、燃料電池50が設置される向き(姿勢)に依存せず、アノード10へメタノール燃料が均一に供給される。さらに、本実施の形態では、筐体24に光触媒を含む機能性コーティング材を被覆する例を説明したが、筐体24表面に銀、銅、亜鉛などの金属を被覆する、あるいは、筐体24を形成する材料に銀、銅、亜鉛などの金属を混入させることでも、少なくとも抗菌機能を確保することはできる。
In the present embodiment, the fuel chamber 22 is described as a space filled with methanol fuel. However, a three-dimensional porous body (fuel absorber) such as a sponge that absorbs methanol fuel is inserted into the fuel chamber 22. May be. Examples of such a fuel absorber include nylon, polyester, rayon, cotton, polyester / rayon, polyester / acryl, fiber woven fabric, nonwoven fabric, felt, and the like. By inserting a fuel absorber into the fuel chamber 22, a capillary phenomenon occurs, and methanol fuel is uniformly supplied to the
図3は、本実施例の燃料電池150内部の構造を模式的に表した図1におけるA−A’断面の断面図である。本実施例では、1枚の電解質膜114に複数個のアノード(110a、110b、110c、…)110とこれらのアノードと対向するように複数個のカソード(116a、116b、116c、…)116とが配されており、図示しない配線などによって、例えばアノード110aとカソード116bとを接続することにより、各MEA112は直列に接続されている。
FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. 1, schematically showing the internal structure of the
本実施例の特徴は、アノード側生成物排出孔126がアノード側筐体124aの、燃料室122を介してアノード110を対向する位置のみならず、筐体124の側面や支持部材132にも設けられている点である。全てのアノード側生成物排出孔126には気液分離フィルタ130が設けられており、上記のように、アノード110から発生する二酸化炭素などの気体成分は選択的に透過して排出され、メタノール燃料などの液体成分は透過せず、燃料室122に保持させることができる。支持部材132にアノード側生成物排出孔126を設け、さらに図3にように、カソード側筐体124cの、カソード側Oリング134cの外側の領域にもカソード側生成物排出孔128を設けることによって、カソード側生成物排出孔の中でも128’や128”は、アノード110から発生する気体成分を排出する役割をする。
The feature of this embodiment is that not only the position where the anode-side
以上のような構成により、アノード110が電解質膜114の上面の位置になるように燃料電池150を配置しても、カソード116が電解質膜114の上面の位置になるように燃料電池150を配置しても、アノード110からの反応生成物などがアノード110や燃料室122に滞留することなく排出させることができ、さらに筐体124の側面にもアノード側生成物排出孔126を設けることで、電解質膜114が鉛直に立たせられるような向きに燃料電池150を配置しても、アノード110からの反応生成物などがアノード110や燃料室122に滞留することなく排出させることができる。したがって、本実施例の燃料電池150では、設置する向きを考慮する必要が無い。
With the above-described configuration, even if the
そのほか、筐体124(特にアノード側筐体124a)の外側にハウジングを設け、アノード側生成物排出孔126から排出された反応生成物は、このハウジングに設けられた流体流通孔からハウジング外部へ排出されるようにしても良い。筐体124の外側にハウジングを設けることにより、燃料電池150の強度を向上させることができ、流体流通孔に気液分離フィルタを設ければ、燃料室122からのメタノール燃料漏れをより効果的に防止することができる。また、流体流通孔をカソード側生成物排出孔128側に設ければ、カソード側生成物排出孔128周辺の空気が反応生成物の排出の流れによって撹拌され、カソード116へ空気が供給されやすくなる。
In addition, a housing is provided outside the casing 124 (particularly the anode-
図4は、本実施例の燃料電池250内部の構造を模式的に表した図1におけるA−A’断面の断面図である。本実施例でも、1枚の電解質膜214に複数個のアノード(210a、210b、210c、…)210とこれらのアノードと対向するように複数個のカソード(216a、216b、216c、…)216とが配されており、図示しない配線などによって、例えばアノード210aとカソード216bとを接続することにより、各MEA212は直列に接続されている。
FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. 1 schematically showing the internal structure of the
本実施例の特徴は、燃料室222がMEA212を囲むように、断面的にはコの字型となるように設けられており、アノード側生成物排出孔226がアノード側筐体224aの、燃料室222を介してアノード210を対向する位置のみならず、筐体224の側面やカソード側生成物排出孔228と同一の面にも設けられている点である。全てのアノード側生成物排出孔226には気液分離フィルタ230が設けられており、実施例1と同様に、アノード210から発生する二酸化炭素などの気体成分は選択的に透過して排出され、メタノール燃料などの液体成分は透過せず、燃料室222に保持させることができる。
The feature of this embodiment is that the
以上のような構成により、アノード210が電解質膜214の上面の位置になるように燃料電池250を配置しても、カソード216が電解質膜214の上面の位置になるように燃料電池250を配置しても、さらに電解質膜214が鉛直に立たせられるような向きに燃料電池250を配置しても、アノード210からの反応生成物などがアノード210や燃料室222に滞留することなく排出させることができる。したがって、本実施例の燃料電池250では、設置する向きを考慮する必要が無く、かつ、MEA212を囲む燃料室222の凸設された部分の分だけ、燃料室222の容量を大きく取ることができるので燃料電池250の運転時間を長くすることができる。
With the above-described configuration, even if the
図5は本実施例の燃料電池350をノート型パーソナルコンピュータ(ノート型PC)360に適用したときの外観を模式的に表した斜視図である。本実施例において、アノード310へ供給されるメタノール燃料は、燃料電池350の一側面に設けられた燃料カートリッジ352より、メタノール燃料供給孔320を通って燃料室322へ供給される。本実施例では、筐体324(特に筐体324aの主面)に実施例1、2のようなアノード側生成物排出孔は設けず、筐体324に設けられる開口はカソード側生成物排出孔328となっている。図6は、本実施例の燃料電池350内部の構造を模式的に表した図5におけるB−B’断面の断面図である。本実施例でも、1枚の電解質膜314に複数個のアノード(310a、310b、310c、…)310とこれらのアノードと対向するように複数個のカソード(316a、316b、316c、…)316とが配されており、図示しない配線などによって、例えばアノード310aとカソード316bとを接続することにより、各MEA312は直列に接続されている。
FIG. 5 is a perspective view schematically showing an external appearance when the
本実施例の特徴は、上記のように、アノード側生成物排出孔326をアノード側筐体324aの、燃料室322を介してアノード310を対向する位置に設けない点である。アノード側生成物排出孔326は、支持部材332と、燃料室322の高さ寸法によるが、筐体324の側面とに設け、全てのアノード側生成物排出孔326には気液分離フィルタ330を配して、アノード310から発生する二酸化炭素などの気体成分は選択的に排出すると共に、メタノール燃料などの液体成分は燃料室322に保持させる。実施例1と同様に、カソード側筐体324cの、カソード側Oリング334cの外側の領域にもカソード側生成物排出孔328を設けることによって、カソード側生成物排出孔の中でも328’や328”は、アノードから発生する気体成分を排出する役割をする。このとき、カソード側生成物排出孔328’、328”などアノード310から発生する気体成分を排出する経路には、燃料の酸化に活性な金属系触媒や燃料蒸気を吸着し得る活性炭、ゼオライト、セピオライト、モルデナイトなど燃料の除去あるいは吸着が可能な材料を充填することにより、燃料室322からのメタノール燃料漏れをより効果的に防止することができる。
As described above, the present embodiment is characterized in that the anode-side
以上のような構成により、アノード310からの反応生成物はカソード生成物排出孔328から排出されるので、ノート型PC360のような燃料電池350によって発電された電力を供給するアプリケーションによって、燃料電池350の一主面が閉塞されてしまうような場合でも、カソード316へ酸化剤(空気)を供給すると共に、アノード310及びカソード316からの反応生成物を排出することができる。また、カソード生成物排出孔328も閉塞されてしまうような場合には、カソード316へ酸化剤が供給されないので、燃料電池350は発電できず、アノード310及びカソード316から反応生成物を排出する必要もない。したがって、本実施例の燃料電池350では、設置する向きを考慮する必要が無い。
With the configuration as described above, the reaction product from the anode 310 is discharged from the cathode
そのほか、燃料電池350の変形例として、図7に示す燃料電池350(a)または燃料電池350(b)のような構成も考えられる。燃料電池350(a)の場合、カソード側生成物排出孔328’、328”などアノード310から発生する気体成分を排出する経路に、カソード316と同じ材料(Pt黒と5wt%Nafion溶液(DuPont社製)とを混合したもの)316xを充填する。筐体324の側面にはアノード側生成物排出孔326を設けず、支持部材332に設けられたアノード側生成物排出孔326には気液分離フィルタ330を配して、アノード310から発生する二酸化炭素などの気体成分は選択的に排出すると共に、メタノール燃料などの液体成分は燃料室322に保持させる。また、燃料電池350(b)の場合、カソード側Oリング334cを設けず、外周部のカソード316(ここでは316aと316c)を対向するアノード310より大きくする。燃料電池350(a)と同様に、筐体324の側面にはアノード側生成物排出孔326を設けず、支持部材332に設けられたアノード側生成物排出孔326には気液分離フィルタ330を配して、アノード310から発生する二酸化炭素などの気体成分は選択的に排出すると共に、メタノール燃料などの液体成分は燃料室322に保持させる。燃料電池350(a)または(b)のような構成により、燃料電池350を構成する材料あるいは部品の点数を減らすことができ、より低コストな燃料電池350を提供することができる。
In addition, as a modification of the
図8は本実施例の燃料電池450を携帯電話470に適用したときの外観を模式的に表した斜視図である。本実施例において、アノード410へ供給されるメタノール燃料は、燃料電池450の一側面に設けられた燃料カートリッジ452より、メタノール燃料供給孔420を通って燃料室422へ供給される。図8の外観斜視図において見えているのは、本実施例の燃料電池450を構成するハウジング454であり、図9に示すようにハウジング454内部の設けられた燃料電池450の本体部分は、実施例1の燃料電池150と同一の構成である。したがって、燃料電池450の本体部分の内部構成についての説明は省略するが、この本体部分は、実施例1の燃料電池150に限らず、実施例2または3の燃料電池でもよく、さらには、本発明の燃料電池でなくても良い。
FIG. 8 is a perspective view schematically showing an external appearance when the
図9は、本実施例の燃料電池450内部の構造を模式的に表した図8におけるC−C’断面の断面図であり、本実施例の特徴は、ハウジング454の側面に開口部456sが設けられ、この開口部456sの内部に送気ポンプ458を配する。送気ポンプ458は、燃料電池450(ハウジング454)の外部から外気(空気)を取り込み、燃料電池450内部へ導入する。送気ポンプ458によって取り込まれた空気は、空気流通路460、空気流通孔462を順に流通して、筐体424とハウジング454との間の隙間に設けられた空気流通路464に導入される。空気流通路464に導入された空気はカソード側生成物排出孔428を介してカソード416へ供給され、カソード416から排出される反応生成物はカソード側生成物排出孔428、空気流通路464を介して開口部456fから燃料電池450(ハウジング454)の外部へ排出される。
FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line CC ′ in FIG. 8 schematically showing the internal structure of the
すなわち、送気ポンプ458を設けることにより、開口部456s、空気流通路460、空気流通孔462、空気流通路464、カソード側生成物排出孔428、カソード416、カソード側生成物排出孔428、空気流通路464、開口部456fといった空気(酸化剤)の流れを所定の方向でつくることができる。また、アノード410から排出される反応生成物も、アノード側生成物排出孔426、カソード側生成物排出孔428’、 428”を介して排出されて空気の流れに乗り、開口部456fから排出される。燃料電池450の本体部分の周囲に、所定の方向への流体の流れができることにより、酸化剤の吸気あるいは反応生成物も排気がスムーズに行えるようになる。さらに、筐体424の周囲に流体(熱媒体)の流れができることになるので、筐体424(特にアノード側筐体424a)に熱伝導性の良い材料を用いることにより、燃料室422を冷却する効果を得ることもできる。
That is, by providing the
図8において燃料電池450は重心のバランスを考慮して、燃料カートリッジ452を、携帯電話470のヒンジ部470h近傍に配しているが、配置はこれに限定されず、マイク部470m近傍に配しても良い。この場合、図8における開口部456fは、逆にヒンジ部470h近傍のハウジング454側面に設けられ、アノード410及びカソード416から排出される反応生成物は、マイク部470m近傍(すなわち、携帯電話470の使用中であれば、人間の口の近く)から遠いところより排出されることになり、反応生成物による人体への影響をより小さくでき、安全性を確保することができる。
In FIG. 8, the
本発明は、DMFCに限らず、携帯機器用の燃料電池に利用可能であり、特に、アノードへ供給する燃料あるいはカソードへ供給する酸化剤として液体を供給し、その反応生成物としてアノードあるいはカソードから気体が排出されるような、比重(密度)が大きく異なる物質が電極中を出入りするタイプの燃料電池において利用可能である。 The present invention is not limited to DMFC but can be used for a fuel cell for portable devices. In particular, a liquid is supplied as a fuel to be supplied to the anode or an oxidant to be supplied to the cathode, and a reaction product thereof is supplied from the anode or the cathode. The present invention can be used in a fuel cell of a type in which substances having greatly different specific gravities (densitys) such as gas are discharged in and out of the electrode.
10、110、210、310、410 アノード
12、112、212、312、412 MEA(セル)
14、114、214、314、414 電解質膜(電解質層)
16、116、216、316、416 カソード
20、120、220、320、420 メタノール燃料供給孔
22、122、222、322、422 燃料室
24、124、224、324、424 筐体
26、126、226、326、426 アノード側生成物排出孔
28、128、228、328、428 カソード側生成物排出孔
30、130、230、330、430 気液分離フィルタ
32、132、232、332、432 支持部材
34、134、234、334、434 Oリング
50、150、250、350、450 燃料電池
352、452 燃料カートリッジ
360 ノート型パーソナルコンピュータ
454 ハウジング
456 開口部
458 送気ポンプ
460、464 空気流通路
462 空気流通孔
470 携帯電話
10, 110, 210, 310, 410
14, 114, 214, 314, 414 Electrolyte membrane (electrolyte layer)
16, 116, 216, 316, 416
Claims (5)
前記第1の反応生成物排出口は、前記筐体の少なくとも2面に設けられることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte layer; a first electrode provided on a first main surface of the electrolyte layer; supplied with a liquid first reaction fluid to generate a gas first reaction product; and a first electrode of the electrolyte layer. 2, a second electrode to which a second reaction fluid is supplied, a case in which the electrolyte layer, the first electrode, and the second electrode are housed, and the case A first reaction product fluid outlet for discharging the first reaction product from the first electrode, and the second reaction fluid provided in the housing and to the second electrode. A second reaction fluid supply port for supplying
The fuel cell, wherein the first reaction product discharge port is provided on at least two surfaces of the casing.
前記第1の反応生成物排出口は、前記第2の反応流体供給口が設けられる面に設けられることを特徴とする燃料電池。 An electrolyte layer; a first electrode provided on a first main surface of the electrolyte layer; supplied with a liquid first reaction fluid to generate a gas first reaction product; and a first electrode of the electrolyte layer. 2, a second electrode to which a second reaction fluid is supplied, a case in which the electrolyte layer, the first electrode, and the second electrode are housed, and the case A first reaction product fluid outlet for discharging the first reaction product from the first electrode, and the second reaction fluid provided in the housing and to the second electrode. A second reaction fluid supply port for supplying
The fuel cell according to claim 1, wherein the first reaction product discharge port is provided on a surface on which the second reaction fluid supply port is provided.
前記第1の反応生成物排出口には、気体透過性かつ液体不透過性を有する部材を配することを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to claim 1 or 2,
A fuel cell comprising a gas permeable member and a liquid impervious member disposed at the first reaction product outlet.
少なくとも対向する2面が略平行な形状を有すると共に前記第1の反応流体を保持する第1の反応流体室を備えることを特徴とする燃料電池。 The fuel cell according to any one of claims 1 to 3,
A fuel cell comprising a first reaction fluid chamber for holding the first reaction fluid while at least two opposing surfaces have a substantially parallel shape.
前記第1の反応流体室の、略平行な2面のうち一方の面に設けられ、前記電解質層と前記第1の電極と前記第2の電極とを収納可能な凹部を有し、
前記第1の反応流体室の一方の面と、前記筐体の前記第2の反応流体供給口が設けられる面と、が同一な面を形成することを特徴とする燃料電池。
The fuel cell according to claim 4, wherein
The first reaction fluid chamber has a recess provided in one of two substantially parallel surfaces and capable of accommodating the electrolyte layer, the first electrode, and the second electrode;
1. The fuel cell according to claim 1, wherein one surface of the first reaction fluid chamber and the surface of the housing on which the second reaction fluid supply port is provided form the same surface.
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