JP2007516559A - 携帯装置中に使用するための燃料電池 - Google Patents

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Abstract

燃料活性化接合体は、複数の膜電極接合体(MEA)部(110)を固定して取り付けるための複数の開口(142)を有する基板(140)を備える。各々のMEA部(110)は2つの電極間に挟まれたプロトン交換膜(PEM)を有し、1つの燃料室で生成されたプロトンが開口を経由して他の燃料室へ移動することを可能にする。燃料活性化接合体の損傷によって燃料電池が機能しなくなった場合、欠陥のあるMEA部のみの交換が可能である。多数のMEA部によって、PEMの2つの側の電極が選択的に直列、並列またはその組み合わせで接続可能である。

Description

本発明は、全体的に携帯電子装置中の燃料電池の使用に関し、さらに詳細には、それらの燃料電池の作製方法に関する。
燃料電池は、バッテリーのように働くが、燃料が連続して電池に供給される限り寿命が尽きることがなく、充電する必要もない。直接メタノール燃料電池(DMFC)において、メタノールは燃料として使用され、燃料電池の一方の側に投入され、他の側には空気が循環される。2つの側は膜電極接合体(MEA)によって分離され、2個の電極間に挟まれたプロトン交換膜(PEM)を有する。図1に示すように、燃料電池10はアノード側12を有し、メタノール(MeOH)と水(H2O)(液体メタノールとも呼ばれる)がアノード(−)の周囲を循環する。カソード側14には空気がカソード(+)の周囲を循環する。MEAの触媒作用活性化によって、液体メタノールからの水素原子がプロトン(H+)と電子(図示せず)に分離する。電子は燃料電池によって提供される電気の源になる。いくつかのプロトンは膜接合体を通ってカソード側14へ移動し、そこで酸素と結合して水になる。アノード側で消費された燃料の副生成物CO2は、燃料電池から容易に排気されるが、カソード側の副生成物、水は適切に取り去らなければならない。
充電可能なバッテリーよりも燃料電池が有利である主な点は、燃料電池が充電することなく一般により長時間運転できることである。さらに、燃料電池の「充電」は、液体メタノールを再装填することによって殆ど瞬間的に行うことができる。対照的に、バッテリーの充電は完了まで数時間かかる。
現在、DMFCは単一のMEAから作られ、単一のPEMが用いられる。MEAおよびPEMは通常携帯装置の寸法に適するように設計される。燃料電池中のPEMに欠陥があれば、燃料電池が機能しなくなり、MEAまたはPEM全体を取替えなければならない。したがって、付随するコストを低減するために、PEM全体を廃棄することなくMEAを修理することのできる燃料電池を提供することは有利であり望ましい。
本発明の主な目的は、ラップトップPC、ノートブックPC、タブレットPC等、携帯装置中に使用する燃料電池の作製および修理コストを低減することである。この目的は、機能しない直接メタノール燃料電池の欠陥のある部分だけを取替えるように、複数のPEM部を設けることによって達成することができる。
したがって、本発明の第1の態様によって、第1燃料成分を収容するための第1電池室と、第2燃料成分を収容するための第2電池室とを備える燃料電池に使用する燃料活性接合体を作製する方法が提供され、燃料活性化接合体は、第1燃料成分を活性化して第1電池室中にプロトンを生成させ、プロトンを第2電池室へ移動させるように、第1電池室と第2電池室のあいだに設けられる。前記方法は、
複数の開口を有する基板を配する工程と、
複数の膜電極接合体部を基板開口上に固定して取り付ける工程とを備え、
各膜電極接合体部は第1の側面と反対側の第2の側面を有し、前記第2の側面は前記第2電池室に隣接し、前記第1の側面は、前記プロトンを生成するために前記第1燃料成分を活性化し、前記プロトンの少なくとも一部を前記膜電極接合体部を通り前記開口を経由して前記第1電池室から前記第2電池室へ移動させる、前記第1電池室に隣接する。
膜電極接合体部の基板への取り付けは、各膜電極部の前記第1の側面と前記第2の側面を分離する障壁を形成する、熱接合工程または接着剤層の塗布によって達成することができ、それによって第1燃料成分が第2電池室に流入するのを防止し、第2燃料成分が第1電池室に流入することを防止する。接着剤は燃料成分に抵抗性がある。
本発明の第2態様によって燃料電池が提供され、燃料電池は、
第1燃料成分を収容するための第1電池室と、
第2燃料成分を収容するための第2電池室と、
第1電池室と第2電池室のあいだに設けられた燃料活性化接合体とを備え、燃料活性化接合体は、
複数の開口を有する基板と、
開口上に基板に固定して取り付けられた複数の膜電極接合体部とを備え、
各膜電極接合体部は第1の側面と反対側の第2の側面を有し、前記第2の側面は前記第2電池室に隣接し、前記第1の側面は、活性化工程で前記プロトンを生成するために前記第1燃料成分を活性化し、前記プロトンの少なくとも一部を前記膜電極接合体部を通り前記開口を経由して前記第1電池室から前記第2電池室へ移動させる前記第1電池室に隣接する。
活性化工程は電流を生成し、燃料電池はさらに、
第1電池室に動作可能に接続された第1導電性端子と、
第2電池室に動作可能に接続された第2導電性端子とを備え、電流負荷に第1と第2導電性端子を接続して電流を使用する。
第1燃料成分は実質的に水とアルコールの混合物を含み、基板は水とアルコールに抵抗性がある。アルコールは実質的にメタノールを含む。第2燃料成分は実質的に空気を含む。
各膜電極接合体部は、2個の電極層のあいだに設けられたプロトン交換膜を備える。
各膜電極接合体部は、2個の拡散層をさらに備え、各々が電極層の1個を被覆する。
本発明の第3態様によって、燃料電池中に使用する膜電極接合体が提供される。燃料電池は、
第1燃料成分を収容するための第1電池室と、
第2燃料成分を収容するための第2電池室とを備え、前記膜電極接合体は、
複数の開口を有する基板と、
開口上に基板に固定して取り付けられた複数の燃料活性化部とを備え、前記各燃料活性化部は第1の側面と反対側の第2の側面を有し、前記第2の側面は前記第2電池室に隣接し、前記第1の側面は、活性化工程で前記プロトンを生成するために前記第1燃料成分を活性化し、前記プロトンの少なくとも一部を前記膜電極接合体部を通り前記開口を経由して前記第1電池室から前記第2電池室へ移動させる前記第1電池室に隣接する。
有利には、各燃料活性化部は、
第1の側面の第1電極層と、
第2の側面の第2電極層と、
第1と第2電極層のあいだに設けられたプロトン交換膜とを備える。
各燃料活性化部の第1電極層と第2電極層は、前記燃料活性化部が電気的に並列に接続されるように、他の燃料活性部の第1電極層と第2電極層にそれぞれ動作可能に接続される。
有利には、前記燃料活性化部の少なくともいくつかは、各少なくともいくつかの燃料活性化部の第1電極層と第2電極層が、前記燃料活性化部の少なくともいくつかのうち、異なる燃料活性化部の異なる第1と第2電極層の1つにそれぞれ動作可能に接続されるように、電気的に直列に接続される。
本発明の第4態様によって、
信号またはデータ処理用の電子ユニットと、
電子ユニットに電気を供給するための燃料電池とを備える携帯電子装置が提供され、燃料電池は、
第1燃料成分を収容するための第1電池室と、
第2燃料成分を収容するための第2電池室と、
第1電池室と第2電池室のあいだに設けられた燃料活性化接合体とを備え、燃料活性化接合体は、
複数の開口を有する基板と、
前記開口上に前記基板に固定して取り付けられた複数の膜電極接合体部とを備え、
各膜電極接合体部は第1の側面と反対側の第2の側面を有し、前記第2の側面は前記第2電池室に隣接し、前記第1の側面は、活性化工程で前記プロトンを生成するために前記第1燃料成分を活性化し、前記プロトンの少なくとも一部を前記膜電極接合体部を通り前記開口を経由して前記第1電池室から前記第2電池室へ移動させる前記第1電池室に隣接する。
携帯電子装置はノートブックコンピュータ、ラップトップコンピュータ、タブレットコンピュータ、個人用携帯情報端末装置等とすることができる。
本発明は、図2〜8とともに説明によって明らかになるであろう。
本発明によれば、燃料電池は複数のMEA(膜電極接合体)部を備え、その各々は個別のPEM(フォトン交換膜)および触媒活性化のための2個の電極/拡散層を有する。図2aおよび2bに示すように、燃料電池スタック100は、複数の開口142を有する基板140と、基板140に固定して取り付けられた複数のMEA部110を備え、各MEA部110は開口142上にある。基板140は、MEA部を支持する機械的フレームとして働く十分な剛性のある材料から作られる。また同時に、材料はメタノールに抵抗性がある。たとえば、基板140はTeflonまたはFR4(エポキシ樹脂を飽和させたガラス繊維織布から作られた積層品)から作ることができる。
MEA部110は、図3に示すように、実質的に2個の活性化層112と114のあいだに設けられたプロトン交換膜(PEM)120を備える。活性化層112は、拡散層および拡散層とPEM120のあいだに設けられた電極とを備えていることが理解される。同様に、活性化層114は、拡散層およびPEM120に隣接した電極を備える。これらのMEA部品は当技術分野に知られている。
基板140上の各開口142は、図4aおよび4bに示すように、その縁部の周囲にMEA部110をその中に取り付ける階段状の凹部144を有することが好ましい。PEM120が基板140としても通用する材料から作られる場合、MEA部110は、たとえば熱接合工程を用いて、基板120に接合することができる。熱接合領域は図4aに示すように参照番号122で表される。代りに、MEA部110はメタノールに抵抗性のある接着剤層124によって基板120に取り付けられる。接合領域122または接着剤層124はMEA部の縁部周囲に漏れ防止封止を提供して、液体メタノールが基板140の一方の側から他の側へ漏れることを防止することが重要である。
代りに、図4cに示すように、2個の基板140を用いて、適切な接合材料126でMEA部110を固定することができる。
図5に示すように、燃料電池200において、燃料電池スタック100は2個の電流コレクタ150、160のあいだに挟むことができる。電流コレクタ150は複数のチャネル152を有し、液体メタノールをアノード側202のMEA部110の周囲に循環させる。同様に、電流コレクタ160は複数のチャネル162を有し、空気をカソード側204のMEA部110の周囲に循環させる。電流コレクタ150および160は、それらが、燃料電池スタック100の機械的支持も提供するように設計することができる。図5に示す配置では、MEA部110の各々は個々の燃料電池ユニットのように動作し、基板120上の全てのMEA部110は電気的に並列に接続される。
代りに、MEA部110は、図6aおよび6bに示すように、電気的に直列に接続することもできる。図6aに示すように、網状構造171を用いて燃料電池200のアノード側202上の電荷が収集され、同様の構造170を用いて燃料電池200のカソード側204上の電荷が収集される。構造171は、複数の導電部173を備え、その各々はMEA部110のアノード側近傍に配設される。同様に、構造170は、複数の導電部172を備え、その各々はMEA部110のカソード側近傍に配設される。基板120は、さらに1個の導電部173を1個の導電部172に電気的に接続するための複数の導電性コネクタまたは通電部176を有する。そのように接続されたMEA部110は直列に接続された効率的な複数の燃料電池ユニットである。非導電性筐体180を用いて、アノード側202に燃料電池スタック100および網状構造171を支持し、他の非導電性筐体190を用いて、カソード側に燃料電池スタック100および網状構造170を支持することが好ましい。網状構造170、171は、導電部172と共に導電部173を用いて電流を効率的に収集することができ、かつ導電部172、173を用いて、筐体180中の流れチャネル182および筐体190中の流れチャネル192を経由して液体メタノールと空気をMEA部110の周囲を充分に循環させるように設計されることが理解される。
本発明の異なる実施形態において、活性化層112および114の各々は、PEM120を越えて展延し、図6bに示すように、通電部176に電気的に接続することができる。上述のように、活性化層112はPEM120に面する電極を備え、活性化層114もPEM120に面する電極を備える。通電部176を経由して、1個のMEA部110の活性化層112上の電極は、隣接するMEA部110の活性化層114上の電極に電気的に接続される。また、そのように接続されたMEA部110は直列に接続された効率的な複数の燃料電池ユニットである。また、燃料電池200は燃料電池スタック100への機械的支持を提供する筐体198を有することが有利である。
また、燃料電池スタック100中のMEA部110間の電気的接続は、直列接続と並列接続の組み合わせとすることもできる。組み合わせは、携帯電子装置の必要電圧および必要電力に適するように調整することができる。
図2a、2b、4a〜6bは燃料電池200中の燃料電池スタック100を示す。燃料電池スタック100は、図3に示すように、複数のMEA部110を備える。MEA部110の各々はPEM120の両側に取り付けられた一対の活性化層を備える。このように、各MEA部110は単一電池の部品と考えることができる。燃料電池200がプロトン交換の効率低下によって欠陥になるとき、それらの単一の電池の1個または2個だけが欠陥であることがあり得る。そのような場合、欠陥のある単一電池のMEA部110だけを取り替えることが可能である。通常、PEMは燃料電池中最も高価な部品であるので、MEA部110中の小さなPEMを取り替えることは、図1に示した従来技術の燃料電池中のPEM全体を廃棄するよりも経済的である。
さらに、燃料電池が携帯電子装置のサイズまたは電力消費に適するように製造されるとき、燃料電池200のサイズに適するように、異なる数のMEA部を用いることが可能である。たとえば、4×6のMEA部を有する燃料電池を作製することが可能であり、5×7MEA部を有する同じサイズの他の燃料電池を作製することが可能である。対照的に、従来技術の燃料電池では、異なる携帯電子装置のサイズに適した複数の異なるサイズのPEMを持たなければならない。
各MEA部は、PEM120の両側に取り付けられた二対または二対以上の活性化層から作ることができることに留意すべきである。図7aに示すように、各MEA部110aは2個の活性化層112およびPEM120の両側に取り付けられた2個の活性化層114(図示せず)を備える。このように、各MEA部110aは2個の電池の部品と考えることができる。図7bに示すように、各MEA部110bは、4個の活性化層112およびPEM120の両側に取り付けられた4個の活性化層114(図示せず)を備える。同様に、各MEA部110cは6個の活性化層112およびPEM120の両側に取り付けられた6個の活性化層114(図示せず)を備える。異なるMEA部で、これらのMEA部を組み合わせて、あるサイズの燃料電池を形成することが可能である。たとえば、図2bに示すように、2×3の開口を有する基板140を用いて燃料電池を作製したいとき、3個の二電池MEA部110a(図7a参照)を用いることが可能であるが、1個の二電池MEA部110aと1個の四電池MEA部110b(図7b参照)を組み合わせることも可能である。同じサイズの燃料電池を作製するために1個の六電池MEA部110cのみを用いることもできる。しかし、単一MEA部上の電池の数が増加すると、PEM120の面積も増加する。したがって、欠陥電池中のPEM取り替えのコスト効率は低下する。いずれにしても、多重電池MEA部は様々なサイズの携帯電子装置用燃料電池の作製に都合のよい方法を提供する。
単一または多重電池MEA部中の個々の「電池」は正方形または様々な燃料電池のサイズに適する特定のアスペクト比を有する矩形とすることができることに留意すべきである。たとえば、個々の電池のアスペクト比は4:3または5:4とすることができる。
さらに、燃料電池スタック用MEA部のサイズは同じである必要はない。図8に見られるように、2個のより小さなMEA部210が4個のMEA部110と組み合わされる。
要約すれば、燃料電池中の膜電極接合体は複数の部分から作ることができ、各々が個別のプロトン交換膜を有する。したがって、燃料電池が欠陥となった場合、膜電極接合体全体を廃棄する代りに、欠陥部を取り替えることができる。膜電極接合体部で、異なるサイズのプロトン交換膜を使用することなく、様々なサイズの燃料電池を作ることができる。複数の膜電極接合体部を有する燃料電池において、部分を直列、並列、またはその組み合わせで電気的に接続することができる。
その好ましい実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、その形状および詳細において、前述および様々な他の変更、省略および偏りを加えることができることは言うまでもない。
従来技術の直接メタノール燃料電池を示す概要図である。 本発明による燃料電池中の燃料電池スタックの実施形態を示す概要図である。 図2aの燃料電池スタックの分解図である。 本発明のMEA部を示す概要図である。 本発明による、基板へのMEAの取り付けを示す概要図である。 MEAを基板へ取り付けるための異なる方法を示す概要図である。 MEAを基板へ取り付けるための他の取り付け方法を示す概要図である。 MEA部から電流を集める方法を示す概要図である。 MEA部から電流を集めるための異なる方法を示す概要図である。 MEA部から電流を集めるさらに他の方法を示す概要図である。 2セル電池MEA部を示す概要図である。 4セル電池MEA部を示す概要図である。 6セル電池MEA部を示す概要図である。 MEAサイズの異なる、燃料電池中の燃料電池スタックの他の実施形態を示す概要図である。

Claims (21)

  1. 燃料電池中に使用するための燃料活性化接合体の作製方法であって、前記燃料電池は、第1燃料成分を収容するための第1電池室と、第2燃料成分を収容するための第2電池室とを備え、前記燃料活性化接合体は、前記第1燃料成分を活性化して前記第1電池室中にプロトンを生成し前記プロトンを第2電池室へ移動させるように、第1電池室と第2電池室のあいだに設けられ、前記方法は、
    複数の開口を有する基板を配する工程と、
    複数の膜電極接合体部を基板開口上に固定して取り付ける工程とを備え、
    各膜電極接合体部は第1の側面と反対側の第2の側面を有し、前記第2の側面は前記第2電池室に隣接し、前記第1の側面は、前記プロトンを生成するために前記第1燃料成分を活性化し、前記プロトンの少なくとも一部を前記膜電極接合体部を通り前記開口を経由して前記第1電池室から前記第2電池室へ移動させる、前記第1電池室に隣接する燃料電池中に使用するための燃料活性化接合体の作製方法。
  2. 前記取り付けは、各膜電極部の前記第1の側面と前記第2の側面を分離する障壁を形成する熱接合工程によって達成され、これによって前記第1燃料成分が前記第2電池室に流入することを防止し、前記第2燃料成分が前記第1電池室に流入することを防止する請求項1記載の方法。
  3. 前記取り付けは、各膜電極部の前記第1の側面と前記第2の側面を分離する障壁を形成する、前記基板と前記膜電極接合体部のあいだに接着剤層を塗布することによって達成され、これによって前記第1燃料成分が前記第2電池室に流入することを防止し、前記第2燃料成分が前記第1電池室に流入することを防止する請求項1記載の方法。
  4. 前記第1燃料成分は、実質的に水とアルコールの混合物を含み、前記接着剤層が水とアルコールに抵抗性のある請求項3記載の方法。
  5. 第1燃料成分を収容するための第1電池室と、
    第2燃料成分を収容するための第2電池室と、
    第1電池室と第2電池室のあいだに設けられた燃料活性化接合体とを備える燃料電池であって、前記燃料活性化接合体は、
    複数の開口を有する基板と、
    開口上に基板に固定して取り付けられた複数の膜電極接合体部とを備え、
    各膜電極接合体部は第1の側面と反対側の第2の側面を有し、前記第2の側面は前記第2電池室に隣接し、前記第1の側面は、活性化工程で前記プロトンを生成するために前記第1燃料成分を活性化し、前記プロトンの少なくとも一部を前記膜電極接合体部を通り前記開口を経由して前記第1電池室から前記第2電池室へ移動させる前記第1電池室に隣接する燃料電池。
  6. 前記活性化工程は電流を生成し、前記燃料電池はさらに、
    前記第1電池室に動作可能に接続された第1導電性端子と、
    前記第2電池室に動作可能に接続された第2導電性端子とを備え、電流負荷に前記第1と第2導電性端子を接続して電流を使用する請求項5記載の燃料電池。
  7. 前記第1燃料成分は、実質的に水とアルコールの混合物を含み、前記基板が水とアルコールに抵抗性のある請求項5記載の方法。
  8. 前記アルコールが実質的にメタノールを含む請求項7記載の燃料電池。
  9. 前記第2燃料成分が実質的に空気を含む請求項7記載の燃料電池。
  10. 各膜電極接合体部が2個の電極層のあいだに設けられたプロトン交換膜を備える請求項5に記載の燃料電池。
  11. 各膜電極接合体部が、各々電極層の1つを被覆する2個の拡散層をさらに備える請求項10記載の燃料電池。
  12. 燃料電池中に使用するための膜電極接合体であって、前記燃料電池は、
    第1燃料成分を収容するための第1電池室と、
    第2燃料成分を収容するための第2電池室とを備え、前記膜電極接合体は、
    複数の開口を有する基板と、
    前記開口上に前記基板に固定して取り付けられた複数の燃料活性化部とを備え、
    前記各燃料活性化部は第1の側面と反対側の第2の側面を有し、前記第2の側面は前記第2電池室に隣接し、前記第1の側面は、活性化工程で前記プロトンを生成するために前記第1燃料成分を活性化し、前記プロトンの少なくとも一部を前記膜電極接合体部を通り前記開口を経由して前記第1電池室から前記第2電池室へ移動させる前記第1電池室に隣接する膜電極接合体。
  13. 各燃料活性化部は、
    前記第1の側面の第1電極層と、
    前記第2の側面の第2電極層と、
    前記第1と第2電極層のあいだに設けられたプロトン交換膜とを備える請求項12記載の膜電極接合体。
  14. 各燃料活性化部の第1電極層と第2電極層は、前記燃料活性化部が電気的に並列に接続されるように、他の燃料活性部の第1電極層と第2電極層にそれぞれ動作可能に接続される請求項13記載の膜電極接合体。
  15. 前記燃料活性化部の少なくともいくつかは、各少なくともいくつかの燃料活性化部の第1電極層と第2電極層が、前記燃料活性化部の少なくともいくつかのうち、異なる燃料活性化部の異なる第1と第2電極層の1つにそれぞれ動作可能に接続されるように、電気的に直列に接続される請求項13記載の膜電極接合体。
  16. 前記燃料活性化部が直列接続と並列接続の組み合わせで電気的に接続される請求項13記載の膜電極接合体。
  17. 信号またはデータ処理用の電子ユニットと、
    電子ユニットに電気を供給するための燃料電池とを備える携帯電子装置であって、前記燃料電池は、
    第1燃料成分を収容するための第1電池室と、
    第2燃料成分を収容するための第2電池室と、
    前記第1電池室と第2電池室のあいだに設けられた燃料活性化接合体とを備え、
    前記燃料活性化接合体は、
    複数の開口を有する基板と、
    前記開口上に前記基板に固定して取り付けられた複数の膜電極接合体部とを備え、各膜電極接合体部は第1の側面と反対側の第2の側面を有し、前記第2の側面は前記第2電池室に隣接し、前記第1の側面は、活性化工程で前記プロトンを生成するために前記第1燃料成分を活性化し、前記プロトンの少なくとも一部を前記膜電極接合体部を通り前記開口を経由して前記第1電池室から前記第2電池室へ移動させる前記第1電池室に隣接する携帯電子装置。
  18. ノートブックコンピュータを含む請求項17記載の携帯電子装置。
  19. ラップトップコンピュータを含む請求項17記載の携帯電子装置。
  20. タブレットコンピュータを含む請求項17記載の携帯電子装置。
  21. 個人用携帯情報端末装置を含む請求項17記載の携帯電子装置。
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