JP2007335247A - 燃料電池を有する電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】カバーの熱膨張変形を抑えることができる燃料電池を有する電子機器を提供する。
【解決手段】カソード触媒層電極とアノード触媒層電極との間にプロトン伝導膜を配置してなる膜電極接合体を有するセル構造体10と、セル構造体のカソード側に空気を供給するための通気孔が開口する主面を有し、かつセル構造体にかしめ加工により一体的に取り付けられるかしめ部を有するセルケースカバー2と、セルケースカバーの主面と対向する内面に複数の凸部29,29A-29Cを有する筐体カバー30とを有する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池を有する電子機器に関する。

近年、パーソナルコンピュータ、携帯電話等の各種電子機器は、半導体技術の発達と共に小型化され、燃料電池をこれらの小型機器用の電源に用いることが試みられている。燃料電池は、燃料と酸化剤を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して発電できるという利点を有している。このため、小型化が出来れば携帯電子機器の作動に極めて有利なシステムといえる。特に直接メタノール燃料電池（DMFC；Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギ密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから小型機器用電源として有望であることから、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器に最適な電源としてその実用化が期待されている。

例えば特許文献１および特許文献２は、プロトン導電性の固体電解質膜と、アノード触媒層電極およびアノードガス拡散層を有し、燃料と水から電荷とプロトンを生成するアノードと、カソード触媒層電極およびカソードガス拡散層を有し、プロトンと酸素から水を生成するカソードとで形成される膜電極接合体（MEA；Membrane Electrode Assembly）を単位セルとして有し、単位セル周辺に液体燃料タンクを備え、単数または複数の単位セルをセルケースカバーで覆った直接メタノール燃料電池を開示している。

従来の燃料電池を内蔵する電子機器は、図９の（ａ）に示すように、セルケースカバー１０２とセル構造体１１０をかしめ加工により一体化してセルアッセンブリ１２０とし、これに筐体カバー１３０を被せて外側を覆ったものである。

ところで、ＤＭＦＣのカソード側では触媒の存在下で燃料のメタノールと酸素とを反応させるが、この反応は水と二酸化炭素を生成する燃焼反応（発熱反応）であるため、その反応熱によりセル構造体１１０の中央部分が熱膨張し、図９の（ｂ）に示すようにセルケースカバー１０２及び筐体カバー１３０の中央部が押し上げられて電子機器の外観が凸状に湾曲変形するおそれがある。このような熱膨張変形を生じると、セルケースカバー１０２とセル構造体１１０とのかしめ部に緩みを生じて、出力等の特性にバラツキを生じるばかりでなく、故障を生じ、安全衛生上の観点からも好ましくない。
特開２００４−０１４１４８号公報 国際公開ＷＯ２００５／１１２１７２Ａ１公報

本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、カバーの熱膨張変形を抑えることができる燃料電池を有する電子機器を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池機器は、カソード触媒層電極とアノード触媒層電極との間にプロトン伝導膜を配置してなる膜電極接合体を有するセル構造体と、前記セル構造体のカソード側に空気を供給するための通気孔が開口する主面を有し、かつ前記セル構造体にかしめ加工により一体的に取り付けられるかしめ部を有するセルケースカバーと、前記セルケースカバーの主面と対向する内面に複数の凸部を有する筐体カバーと、を具備することを特徴とする。

セルケースカバーは、凸部に１対１に対応し、筐体カバーを該セルケースカバーに装着したときに凸部が嵌まり込むように主面に形成された複数の凹部をさらに有することが好ましい。

凸部は筐体カバーの内面より０．０５〜０．５０ｍｍ突出していることが好ましい。凸部の突出長が０．０５ｍｍを下回ると、セルケースカバー中央部の膨出を抑える効果がほとんど認められなくなる。一方、凸部の突出長が０．５０ｍｍを上回ると、筐体カバーとセルケースカバーとの隙間が大きくなり、空気断熱層の効果によってセルからの放熱効率が低下するからである。特に０．０５〜０．３０ｍｍ突出する凸部を筐体カバーの内面に形成することが最も好ましい。筐体カバーの大きさにもよるが、携帯電話などの電子機器では筐体カバーの主面のサイズが５０〜７０ｍｍ×６０〜８０ｍｍ程度であるので、その熱膨張を抑えるためには凸部の突出高さを過度に大きくする必要がなく、この程度の突出高さの凸部で十分な効果を奏することができる。

凸部は、セルカバーケース側の通気孔が存在しないところに対向するように筐体カバーの内面に設けられていることが好ましい。凸部がセルカバーケースの面に当接する箇所数が多いほうがカバー中央部の熱膨張をより有効に抑制する効果があるからである。従って、筐体カバー側の凸部の配列とセルケースカバー側の通気孔の配列とを併せて総合的にレイアウト設計することが肝要である。

このように、本発明においては、セルカバーケースの凹部と筐体カバーの凸部とで嵌まり込むことにより、各カバーの相互接触を向上させ、剛性を向上することができ、熱膨張変形を抑制することが可能となる。また筐体カバーに凸部を設けているため、一見するとリブが立っている状態になり、単純に各カバーの厚さを増加させた場合以上に、より強度を上げることができる。

その結果、熱膨張変形を抑制することにより、セル構造体、さらにはMEAを構成する各部材間隔を維持することが可能となり、出力等の特性の安定化を図ることが可能となる。

なお、これらセルカバーケースの凹部と筐体カバーの凸部の形状としては、凹部及び凸部が対応した形状を有していれば何ら限定されるものではないが、セルカバーケース（あるいは筐体カバー）の通気孔が開口する主面形状が四角形の場合には、一辺から対向する一辺まで連続した凹部（あるいは凸部）を配置することが好ましい。

筐体カバーおよびセルケースカバーの材料として、耐食性に優れたコーティングを施せばステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金属材料を用いることが望ましいが、筐体カバーには、前記金属材料以外にも、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの液体燃料で膨潤等を生じにくい硬質の樹脂を用いることもできる。

本発明によれば、熱膨張変形を抑制することにより、かしめ部に緩みを生じず、セル構造体、さらにはMEAを構成する各部材間隔を維持することが可能となり、良好な電池性能が安定して得られるようになり、ノートパソコン、携帯電話、携帯オーディオ、携帯ゲーム機などのコードレス携帯機器などの電源としてバラツキの少ない出力特性を得ることができる。さらには、故障を生じないばかりでなく、安全衛生上の観点から好ましい電子機器を提供することできる。

以下、添付の図面を参照して本発明を実施するための種々の形態を説明する。

（第１の実施の形態）
先ず、燃料電池を内蔵する電子機器の全体概要について図１〜図４を参照して説明する。電子機器は、発電を行うセル構造体１０と、セル構造体１０を覆うセルケースカバー２，３と、セル構造体１０およびセルケースカバー２，３からなるセルアッセンブリ２０を覆う筐体カバー３０とを備えている。セルケースカバー２，３はセル構造体１０を覆う内装ケースに相当し、筐体カバー３０は電子機器の外側を覆う外装ケースに相当するものである。図１に示すようにセルケースカバー２をセル構造体１０に被せ、カバーのかしめ部２ａをかしめて、その端部２ｂを図４に示すように折り曲げると、セルケースカバー２がセル構造体１０と一体化され、セルアッセンブリ２０が形成される。さらに、図３の（ａ）に示すように筐体カバー３０をセルアッセンブリ２０に被せ、
セル構造体１０は内部に平面配置接続された複数の単位セルを有している。単位セルは、図４に示すように、プロトン伝導性の固体電解質膜１１、アノード触媒層電極１２およびカソード触媒層電極１３が一体化された膜電極接合体を備え、さらにアノードガス拡散層１４、カソードガス拡散層１５、正極リード（カソード集電体）１６ａおよび負極リード（アノード集電体）１６ｂを具備している。

燃料電池１の内部にはシール部材１８及びスペーサ２５によって種々のスペースや間隙が形成されている。それらのスペースや間隙のうち、例えばカソード側のスペースは空気透過層２６として用いられ、アノード側のスペースは液体燃料収容室２７および気化室（図示せず）として用いられる。空気透過層２６は複数のスペーサ２５によって一定の間隔に規定され、その周囲はシール部材１８によってシールされている。空気透過層２６にはフィルタ部材が設けられ、外気の空気の通過を阻害せず、外部からの微笑の埃や異物の混入、さらには接触などを防止するようになっている。フィルタ部材には好ましくは気孔率が例えば２０〜６０％の多孔性フィルムが用いられる。液体燃料収容室２７には液受入口２１に連通する燃料供給流路１９が適所に開口している。液受入口２１には例えばバイオネット式のカプラー２３が取り付けられ、このカプラー２３に図示しない燃料カートリッジのノズルが差し込まれ、液体燃料が液体燃料収容室２７に補給されるようになっている。

なお、アノード側には図示しない排気流路が設けられ、該排気流路を通って副生物であるＣＯ₂ガスが反応系外に排出されるようになっている。また、負極リード１６ｂは多くの開口と間隙を有し、燃料成分ガスや副生ガス（ＣＯ₂）の拡散を阻害しない形状とすることが望ましい。

なお、液体燃料には、メタノール水溶液、純メタノール、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化リチウム水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液が用いられる。中でもメタノール水溶液は、炭素数が１で反応の際に発生するのが炭酸ガスであると共に、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができるので好ましい。また、燃料は濃度１００％から数％までの範囲で種々の濃度のものを用いることができる。

カソード側のセルケースカバー２の主面には複数の通気孔２４が所定ピッチ間隔ごとに開口し、空気透過層２６にそれぞれ連通している。これらの通気孔２４は、外気が通過する開口を形成するが、外気の通過を阻害せずに、外部からカソードガス拡散層１５への微小あるいは針状の異物の浸入・接触を防止しうるような形状が工夫されている。

セルケースカバー２，３の材料には、ステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金属材料を用いることが望ましいが、金属材料に限られることなく樹脂材料を用いることもでき、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などの液体燃料で膨潤等を生じにくい硬質の樹脂を用いてもよい。

燃料電池の単位セルは、電解質膜１１、アノードおよびカソードを備えている。アノードとカソードは電解質膜１１を間に挟んで対向配置されている。アノードはアノード触媒層電極１２およびアノードガス拡散層１４を有する。アノード触媒層電極１２は、ガス拡散層１４を介して供給される燃料を酸化して燃料から電子とプロトンとを取り出すものであり、アノード触媒層電極１２とガス拡散層１４とが積み重ねられた積層構造をなしている。アノード触媒層電極１２は、例えば、触媒を含む炭素粉末により構成されている。触媒には、例えば、白金（Ｐｔ）の微粒子、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、ルテニウム（Ｒｕ）あるいはモリブデン（Ｍｏ）などの遷移金属あるいはその酸化物あるいはそれらの合金などの微粒子が用いられる。但し、触媒をルテニウムと白金との合金により構成するようにすれば、一酸化炭素（ＣＯ）の吸着による触媒の不活性化を防止することができるので好ましい。

また、アノード触媒層電極１２は、固体電解質膜１１に用いられる樹脂の微粒子を含むほうがより望ましい。発生させたプロトンの移動を容易とするためである。アノードガス拡散層１４は、例えば多孔質の炭素材料よりなる薄膜で構成され、具体的にはカーボンペーパーまたは炭素繊維などで構成されている。なお、アノードガス拡散層１４の端部に導通する負極リード１６ｂが外方に延び出している。

カソードはカソード触媒層電極１３およびカソードガス拡散層１５を有する。カソード触媒層電極１３は、酸素を還元して、電子とアノード触媒層電極１２において発生したプロトンとを反応させて水を生成するものであり、例えば上述のアノード触媒層電極１２及びガス拡散層１４と同様に構成されている。すなわち、カソードは、固体電解質膜１１の側から順に触媒を含む炭素粉末よりなるカソード触媒層電極１３と多孔質の炭素材料よりなるカソードガス拡散層１５（ガス透過層）とが積み重ねられた積層構造をなしている。カソード触媒層電極１３に用いられる触媒はアノード触媒層電極１２のそれと同様であり、アノード触媒層電極１２が固体電解質膜１１に用いられる樹脂の微粒子を含む場合があることもアノード触媒層電極１２と同様である。なお、カソードガス拡散層１５の端部に導通する正極リード１６ａが外方に延び出している。

電解質膜１１は、アノード触媒層電極１２において発生したプロトンをカソード触媒層電極１２に輸送するためのものであり、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成されている。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、デュポン社製のナフィオン膜、旭硝子社製のフレミオン膜、あるいは旭化成工業社製のアシプレックス膜などにより構成されている。なお、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜以外にも、トリフルオロスチレン誘導体の共重合膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、芳香族ポリエーテルケトンスルホン酸膜、あるいは脂肪族炭化水素系樹脂獏などプロトンを輸送可能な電解質膜１１を構成するようにしてもよい。

セルケースカバー２，３及びスペーサ２５は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：ヴィクトレックス ピーエルシー社の商標）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、などの液体燃料で膨潤等を生じいくい硬質のプラスチックでつくることが望ましいが、耐食性に優れたコーティングを施せばステンレス鋼やニッケル金属などの耐食性に優れた金属材料でつくることもできる。スペーサ２５を金属材料とする場合は、同一電池容器内に配置されているそれぞれの負極同士が短絡しないように図示しない絶縁部材を負極相互間に挿入する必要がある。

液体燃料収容室２７の内部には、気液分離膜（図示せず）の液体燃料収容室２７側に積層された液体燃料含浸層（図示せず）を有している。液体燃料含浸層として、例えば多孔質ポリエステル繊維、多孔質オレフィン系樹脂等多硬質繊維や、連続気泡多孔質体樹脂が好ましい。ポリエステル繊維以外にも、アクリル酸系の樹脂などの各種吸水性ポリマーにより構成してもよく、スポンジまたは繊維の集合体など液体の浸透性を利用して液体を保持することができる材料により構成する。液体燃料含浸層は、本体の姿勢に関わらず適量の燃料を供給するのに有効である。なお、液体燃料としては、例えばメタノール水溶液、純メタノール、エタノール水溶液、純エタノール、プロパノール水溶液、ギ酸水溶液、ギ酸ナトリウム水溶液、酢酸水溶液、エチレングリコール水溶液、ジメチルエーテルなどの水素を含む有機系の水溶液が用いられる。中でもメタノール水溶液は、炭素数が１で反応の際に発生するのが炭酸ガスであると共に、低温での発電反応が可能であり、産業廃棄物から比較的容易に製造することができるので好ましい。いずれにしても、燃料電池に応じた液体燃料が収容される。

カソード側のセルケースカバー２には、例えば間隙を介してカソードガス拡散層１５に外気を自然拡散により供給するための多数の通気孔２４が等ピッチ間隔に開口している。これらの通気孔２４は、外気が通過する開口を形成するが、外気の通過を阻害せずに、外部からカソードガス拡散層１５への微小あるいは針状の異物の浸入・接触を防止しうるような形状が工夫されている。また、セルケースカバー２とセル構造体１０との間には複数のスペーサ２５が設けられ、所定の間隙スペースが形成されている。この間隙スペースには好通気性のフィルタ膜が設けられ、通気孔２４に連通する空気透過層２６が形成されている。

本実施の形態では、図２及び図３（ａ）に示すように筐体カバー３０の内面に平行に並ぶ複数条の凸部３１を設けている。凸部３１は、筐体カバー３０の内面において縦方向に細長く延び出し、その突出高さは０．０５〜０．５０ｍｍである。

一方、図３の（ａ）及び図５に示すように、セルケースカバー２の主面（外面）に平行に並ぶ複数条の凹部２９を形成している。凹部２９は、凸部３１と１対１に対応するように縦方向に並んで配置され、さらに通気孔２４と通気孔２４との相互間にそれぞれ設けられている。凹部２９は、その平面サイズは凸部３１のそれとほぼ同じであり、その深さは０．０５〜０．５０ｍｍである。なお、セルケースカバー２のサイズは例えば横幅６０ｃｍ×縦幅７０ｃｍ×板厚１ｍｍである。

図３（ａ）に示すように、筐体カバー３０をセルアッセンブリ２０に被せると、図３の（ｂ）に示すように凸部３１が凹部２９に嵌まり込み、カバー２，３０同士の接触状態が良好になる。これによりカバー中央部の放熱性および剛性がともに向上するので、発電時にセル構造体１０からの反応熱が伝導してきたときであっても、カバー２，３０の中央部の熱膨張変形が有効に防止された。

（第２の実施の形態）
次に、図６を用いて第２の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態が上記第１の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、複数条の凹部２９Ａをセルケースカバー２の主面（外面）の横方向に平行に並べて配置している。凹部２９Ａの各々は通気孔２４と通気孔２４との相互間にそれぞれ設けられている点は上記実施の形態と同様である。この凹部２９Ａに１対１に対応して、筐体カバー３０の内面には複数条の凸部（図示せず）が形成されている。

図３（ａ）に示すように、筐体カバー３０をセルアッセンブリ２０に被せると、図３の（ｂ）に示すように凸部が凹部２９Ａに嵌まり込み、カバー２，３０同士の接触状態が良好になり、カバー中央部の熱膨張変形が抑制された。

（第３の実施の形態）
次に、図７を用いて第３の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態が上記第１の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、円形状又はドット状の凹部２９Ｂをセルケースカバー２の主面（外面）に等ピッチ間隔に配置している。凹部２９Ｂの各々は通気孔２４の相互間の交差点にそれぞれ設けられている。この凹部２９Ｂに１対１に対応して、筐体カバー３０の内面には円形状又はドット状の凸部（図示せず）が等ピッチ間隔に形成されている。

図３（ａ）に示すように、筐体カバー３０をセルアッセンブリ２０に被せると、図３の（ｂ）に示すように円形状又はドット状の凸部が円形状又はドット状の凹部２９Ｂに嵌まり込み、カバー２，３０同士の接触状態が良好になり、カバー中央部の熱膨張変形が抑制された。

（第４の実施の形態）
次に、図８を用いて第４の実施の形態について説明する。なお、本実施の形態が上記第１の実施の形態と重複する部分の説明は省略する。

本実施形態では、十字状の凹部２９Ｃをセルケースカバー２の主面（外面）に等ピッチ間隔に配置している。凹部２９Ｃの各々は通気孔２４の相互間の交差点にそれぞれ設けられている。この凹部２９Ｃに１対１に対応して、筐体カバー３０の内面には十字状の凸部（図示せず）が等ピッチ間隔に形成されている。

図３（ａ）に示すように、筐体カバー３０をセルアッセンブリ２０に被せると、図３の（ｂ）に示すように十字状の凸部が十字状の凹部２９Ｂに嵌まり込み、カバー２，３０同士の接触状態が良好になり、カバー中央部の熱膨張変形が抑制された。

以上、種々の実施の形態を挙げて説明したが、本発明は上記各実施の形態のみに限定されるものではなく、種々変形および組み合わせることが可能である。

（実施例）
上記のように組み込んだセルに２５℃、相対湿度５０％の環境下で燃料電池から回路を経由し、ユニット筐体から定電力で１００時間測定した。測定前のセルの厚さと電力値を１（基準値）としたときの１００時間後の相対的な値をそれぞれ求め、その結果を表１に示した。実施例１〜４はいずれも比較例に比べてセル厚さを低減でき、出力電力値の劣化を抑制できた。このように実施例１〜４の燃料電池は電池性能の向上に有効なカバー形状を有するものであることを確認できた。

本発明の燃料電池を内蔵する電子機器の概要を示す分解斜視図。 内面に凸部を有する筐体カバーを示す分解斜視図。 （ａ）は本発明の筐体カバー及びセルアッセンブリ（セル構造体＋セルケースカバー）を示す分解断面図、（ｂ）は本発明の筐体カバー及びセルアッセンブリを備えた電子機器を示す断面図。 燃料電池の内部透視断面図。 外面に凹部を有するセルケースカバーを示す平面図。 外面に他の凹部を有するセルケースカバーを示す平面図。 外面に他の凹部を有するセルケースカバーを示す平面図。 外面に他の凹部を有するセルケースカバーを示す平面図。 （ａ）は従来の筐体カバー及びセルアッセンブリを示す分解断面図、（ｂ）は従来の筐体カバー及びセルアッセンブリを備えた電子機器を示す断面図。

符号の説明

１…燃料電池、
２，３…セルケースカバー、
２ａ…かしめ部、
２ｂ…かしめ加工された折り曲げ部、
１０…セル構造体、
１１…固体電解質膜、
１２…アノード触媒層電極、
１３…カソード触媒層電極、
１４…アノードガス拡散層、１５…カソードガス拡散層、
１６ａ…正極リード、１６ｂ…負極リード、
１７，１８…シール部材、
２０…セルアッセンブリ、
２１…燃料補給口、
２４…通気孔、
２５…スペーサ、
２６…空気透過層、
２７…液体燃料収容室、
２９，２９Ａ〜２９Ｃ…凹部、
３０，４０…筐体カバー、
３１…凸部。

Claims (4)

1. カソード触媒層電極とアノード触媒層電極との間にプロトン伝導膜を配置してなる膜電極接合体を有するセル構造体と、
   前記セル構造体のカソード側に空気を供給するための通気孔が開口する主面を有し、かつ前記セル構造体にかしめ加工により一体的に取り付けられるかしめ部を有するセルケースカバーと、
   前記セルケースカバーの主面と対向する内面に複数の凸部を有する筐体カバーと、
   を具備することを特徴とする燃料電池を有する電子機器。
2. 前記セルケースカバーは、前記凸部に１対１に対応し、前記筐体カバーを該セルケースカバーに装着したときに前記凸部が嵌まり込むように前記主面に形成された複数の凹部をさらに有することを特徴とする請求項１記載の電子機器。
3. 前記凸部は、前記筐体カバーの内面より０．０５〜０．５０ｍｍ突出していることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の電子機器。
4. 前記凸部は、前記セルカバーケース側の通気孔が存在しないところに対向するように前記筐体カバーの内面に設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１項に記載の電子機器。

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