JP2008077934A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】カバー部材により膜電極接合体等の全面が燃料収容部へと均一に押し付けられ、信頼性、発電特性に優れた燃料電池を提供すること。
【解決手段】燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、前記カバー部材うち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体が接合され、かつ、前記積層体は、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されているもの。
【選択図】図2
【解決手段】燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、前記カバー部材うち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体が接合され、かつ、前記積層体は、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されているもの。
【選択図】図2
Description
本発明はパッシブ型やアクティブ型等の液体燃料を用いた燃料電池に関する。
近年、ノートパソコンや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これら携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。燃料電池は燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料を補給すれば連続して長時間発電することができるという特徴を有している。このため、燃料電池を小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムといえる。
直接メタノール型燃料電池(DMFC:direct methanol fuel cell)は小型化が可能であり、さらに燃料の取り扱いも容易であるため、携帯機器用の電源として有望視されている。DMFCにおける液体燃料の供給方式としては、気体供給型や液体供給型等のアクティブ方式、また燃料タンク等の燃料収容部内の液体燃料を電池内部で気化させて燃料極に供給する内部気化型等のパッシブ方式が知られている。これらのうち、パッシブ方式はDMFCの小型化に対して特に有利である。
内部気化型等のパッシブ型DMFCとして、例えば樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に、燃料極、電解質膜および空気極からなる膜電極接合体(MEA;Membrane Electrode Assembly)等が配置された構造のものが知られている(例えば特許文献1参照)。
国際公開第2005/112172号パンフレット(例えば、図1参照。)
ところで、上記したようなDMFCについては、燃料収容部上に膜電極接合体等をカバー部材によって包み込むようにして一体的に固定することが検討されている。このようなカバー部材としては、例えば膜電極接合体等の上面を覆う板状のカバー本体と、このカバー本体の周縁部分に略直角に設けられ、膜電極接合体の側面を覆うカバー側面とからなり、外観が略箱状のものが挙げられる。そして、膜電極接合体等は主としてその上面を覆う板状のカバー本体によって燃料収容部へと押し付けられている。
しかしながら、このようなカバー本体については、膜電極接合体等側とは反対側である外側に凸状に湾曲することがある。すなわち、カバー部材は、ステンレス板等を用い、そのステンレス板等の中央部分に対して周縁部分を略直角に折り曲げることにより製造される。そして、このようなステンレス板等の中央部分に対する周縁部分の折り曲げの際等に、中央部分、すなわちカバー本体に外側への凸状の湾曲が発生する。
このように板状のカバー本体に外側への凸状の湾曲が発生していると、膜電極接合体等の全面を燃料収容部へと均一に押し付けることができず、燃料リークが発生したり、また燃料リークが発生しないまでも発電特性が低下したりし、DMFCの信頼性や特性が低下する。
また、携帯用電子機器の電源として用いられるDMFCには薄型化が求められているが、このようなDMFCの薄型化に伴い、その表面積は大きくなる傾向にある。このような表面積の大きいDMFCについては、カバー部材の大型化に伴い、カバー本体に外側への凸状の湾曲が発生しやすい。このため、表面積の大きいDMFCについては、カバー本体による膜電極接合体等の均一な押し付けがより一層難しく、DMFCの信頼性や特性が低下しやすい。
また、従来のDMFCによると、メタノールがDMFC外部に漏洩することを防止するために、燃料収容部からアノード触媒層に至る経路はほぼ気密に形成されている。そして、アノード触媒層におけるメタノール等の燃料の分解反応によって炭酸ガス(CO2)が生成し、その生成量は発電量の増加に伴って増加する。
さらに、カソード触媒層においては改質した燃料成分を空気によって酸化する発熱反応が進行するために、DMFC内部における液体燃料の気化が促進され、さらには気化燃料が発熱によってさらに膨張する。そのために、上記炭酸ガスと気化燃料によってDMFC内のガス圧力(内圧)が上昇、あるいは温度上昇による構成部材強度の低下等し、強度が比較的に小さい表面層(カバー本体)にガス圧力が集中して表面層を変形させたり、大きな撓みを発生させたりする。この変形や撓みにより電池構成部品相互の密着度が低下して、電極部での集電機能が低下したり、電池内部における物質移動が阻害されたりする結果、電池出力が低下してしまう問題点があった。
本発明は上記したような課題を解決するためになされたものであって、カバー部材、特にカバー本体によって膜電極接合体等が燃料収容部へと適切に押し付けられ、信頼性や特性に優れた燃料電池を提供することを目的とし、特に電池反応の進行に伴って生じる構成部品の変形や密着不良による電池出力特性の低下が少ない燃料電池を提供することを目的とする。
本発明の燃料電池は、燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、前記カバー部材のうち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体が接合され、かつ、前記積層体は、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されていることを特徴とする。
このような燃料電池については、前記積層体が複数接合され、かつ、前記複数の積層体には前記複数の金属材を構成する金属材料の組み合わせが異なるものが存在していることが好ましい。
本発明の他の燃料電池は、燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、前記カバー部材のうち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には前記カバー本体とは異なる熱膨張率を有する単層の金属板が接合され、かつ、前記カバー本体と前記金属板とは、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されていることを特徴とする。
このような燃料電池については、前記金属板が複数接合され、かつ、前記複数の金属板には熱膨張率が異なるものが存在していることが好ましい。
本発明によれば、カバー本体の少なくとも一方の主面に熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体を接合すると共に、この積層体は膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されるようにすることで、燃料電池の動作時の発熱によりカバー本体を膜電極接合体側へと変形させることができ、これにより膜電極接合体の全面を均一に押し付けることができる。このため、本発明によれば、特に電池反応の進行に伴って生じる燃料リークの発生、さらには構成部品の変形や密着不良(例えば膜電極接合体と集電体との接触不良)による発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れた燃料電池とすることができる。
また、本発明によれば、カバー本体の少なくとも一方の主面にこのカバー本体とは異なる熱膨張率を有する単層の金属板を接合すると共に、これらカバー本体と金属板とは膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されるようにすることで、燃料電池の動作時の発熱によりカバー本体を膜電極接合体側へと変形させることができ、これにより膜電極接合体の全面を均一に押し付けることができる。このため、本発明によれば、特に電池反応の進行に伴って生じる燃料リークの発生、さらには構成部品の変形や密着不良(例えば膜電極接合体と集電体との接触不良)による発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れた燃料電池とすることができる。
以下、本発明の燃料電池について、パッシブ型DMFCを例に挙げて説明する。以下、まずパッシブ型DMFCの全体構造について説明する。図1は、パッシブ型DMFC1の外観を示す外観図である。また、図2は、図1に示すパッシブ型DMFC1のA−A線断面を示す断面図である。
図2に示すように、このパッシブ型DMFC1は内部気化方式を適用したものであり、起電部を構成する燃料電池セルとも呼ばれる膜電極接合体2と、この膜電極接合体2に液体燃料(メタノール燃料等)Fを供給する燃料収容部3と、これら膜電極接合体2と燃料収容部3との間に介在された気液分離膜(気液分離層)4とから主として構成されている。
膜電極接合体2は、アノード触媒層5とアノードガス拡散層6とを有するアノード(燃料極)と、カソード触媒層7とカソードガス拡散層8とを有するカソード(空気極/酸化剤極)と、アノード触媒層5とカソード触媒層7とで挟持されたプロトン(水素イオン)伝導性の電解質膜9とを有するものである。
アノード触媒層5およびカソード触媒層7に含有される触媒としては、例えばPt、Ru、Rh、Ir、Os、Pd等の白金族元素の単体、白金族元素を含有する合金等が挙げられる。アノード触媒層5にはメタノールや一酸化炭素に対して強い耐性を有するPt−RuやPt−Mo等を用いることが好ましい。カソード触媒層7には白金やPt−Ni等を用いることが好ましい。触媒は炭素材料のような導電性担持体を使用した担持触媒、あるいは無担持触媒のいずれであってもよい。
電解質膜9を構成するプロトン伝導性材料としては、例えばスルホン酸基を有するパーフルオロスルホン酸重合体のようなフッ素系樹脂(ナフィオン(商品名、デュポン社製)やフレミオン(商品名、旭硝子社製)等)、スルホン酸基を有する炭化水素系樹脂等の有機系材料、あるいはタングステン酸やリンタングステン酸等の無機系材料が挙げられる。ただし、プロトン伝導性の電解質膜9はこれらに限られるものではない。
アノード触媒層5に積層されるアノードガス拡散層6は、アノード触媒層5に燃料を均一に供給する役割を果たすと同時に、アノード触媒層5の集電体も兼ねている。一方、カソード触媒層7に積層されるカソードガス拡散層8は、カソード触媒層7に酸化剤を均一に供給する役割を果たすと同時に、カソード触媒層7の集電体も兼ねている。
アノードガス拡散層6にはアノード導電層10が積層され、カソードガス拡散層8にはカソード導電層11が積層されている。これら導電層10、11は、例えば金のような導電性金属材料からなるメッシュ、多孔質膜、薄膜等で構成される。なお、電解質膜9とアノード導電層10およびカソード導電層11との間には、それぞれゴム製のOリング12、13が介在されており、これらによって膜電極接合体2からの燃料漏れや酸化剤漏れを防止している。
上述した膜電極接合体2のアノード(燃料極)側には、燃料収容部3が配置されている。膜電極接合体2は例えば矩形の平面形状を有し、燃料収容部3も同一矩形の平面形状を有している。燃料収容部3は膜電極接合体2のアノードと対向する面に開口部3aが設けられた形状を有している。すなわち、燃料収容部3は上面全面が開口された箱状容器で構成されている。このような燃料収容部3の内部には、液体燃料Fとしてメタノール燃料等が収容されている。
メタノール燃料としては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等が用いられる。なお、液体燃料Fは必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。いずれにしても、燃料収容部3には膜電極接合体2に対応した液体燃料Fが収容される。
燃料収容部3には、例えば樹脂製容器が用いられる。燃料収容部3は液体燃料Fの残量を外部から目視することが可能なように、透明樹脂で構成することが好ましい。燃料収容部3を構成する透明樹脂は、耐メタノール性等を有していることが好ましい。燃料収容部3は全体を透明樹脂で形成してもよいし、その一部を透明樹脂で形成してもよい。
上記した透明樹脂としては、例えばポリエチレンナフタレート、ポリエチレンテレフタレート、環状オレフィンコポリマー、シクロオレフィンポリマー、ポリメチルペンテン、ポリフェニルサルホン等が挙げられる。ただし、一般的なポリエチレン樹脂やポリプロピレン樹脂等のオレフィン系樹脂等で構成した燃料収容部3を除外するものではない。
燃料収容部3の開口部3aと膜電極接合体2との間には、気液分離膜4が設置されている。気液分離膜4は、液体燃料(メタノール燃料等)Fの気化成分のみを透過し、液体成分は透過させないものである。燃料収容部3内で気化した液体燃料Fの気化成分は、燃料収容部3の開口部3aおよび気液分離膜4を介して膜電極接合体2のアノード(燃料極)に供給される。
気液分離膜4の構成材料としては、例えばポリテトラフルオロエチレンのようなフッ素樹脂が挙げられる。ここで、液体燃料Fの気化成分とは、例えば液体燃料Fとしてメタノール水溶液を使用した場合にはメタノールの気化成分と水の気化成分からなる混合気、純メタノールを使用した場合にはメタノールの気化成分を意味する。
膜電極接合体2のカソード導電層11上には保湿層15が積層されており、さらにその上には表面層16が積層されている。表面層16は酸化剤である空気の取入れ量を調整する機能を有し、複数の空気導入口17が設けられている。表面層16による空気の取入れ量は空気導入口17の個数や大きさ等で調整される。
保湿層15はカソード触媒層7で生成された水の一部が含浸されて、水の蒸散を抑制する役割を果たすと共に、カソードガス拡散層8に酸化剤を均一に導入することで、カソード触媒層7への酸化剤の均一拡散を促進する機能を有している。保湿層15は例えば多孔質構造の部材で構成され、具体的な構成材料としてはポリエチレンやポリプロピレンの多孔質体等が挙げられる。
燃料収容部3は上述したように矩形の平面形状を有するものであって、その上に燃料収容部3と同一の平面形状を有する気液分離膜4、膜電極接合体2、保湿層15、表面層16が順に積層されている。これら膜電極接合体2等は、カバー部材20によって覆われている。
カバー部材20は、膜電極接合体2等の上面(空気極側)を覆う板状のカバー本体21と、その周縁部分に略直角に設けられ、膜電極接合体2等の側面を覆うカバー側面22とから主としてなり、外観が略箱状のものである。
カバー本体21には、表面層16に形成された空気導入口17と対応する部分に開口部23が設けられており、これにより酸化剤の取り入れ並びにカソード触媒層7への拡散が行われる。また、このカバー本体21によって膜電極接合体2等が燃料収容部3へと押し付けられている。
カバー側面22の端部には、燃料収容部3へ固定するための爪部24が設けられている。一方、燃料収容部3には、その側面3sに底面3b側に開口する凹部(溝部)3mが設けられている。そして、この燃料収容部3の凹部3m内にカバー部材20の爪部24が折り返されることによって、カバー部材20は燃料収容部3に固定されている。
次に、本発明の主要部であるカバー部材20についてさらに詳細に説明する。なお、以下の説明では、パッシブ型DMFC1の内部へ向かう側を内側、外部へ向かう側を外側として説明する。
図1、2に示すカバー部材20は、そのカバー本体21の外側主面21eに熱膨張率の異なる2層の金属材層31、32からなる積層体30が接合されると共に、2層の金属材層31、32については内側である金属材層31が外側である金属材層32よりも熱膨張率が大きいものとされている。
このようなものによれば、パッシブ型DMFC1の発電時の発熱により、積層体30はその金属材層31と金属材層32との熱膨張率の差により、熱膨張率の大きい内側の金属材層31側にその長手方向の中心部が変形する。そして、このような積層体30が接合されたカバー本体21についても、積層体30の内側への変形に伴い、内側へと変形する。
従って、図2に示すようなパッシブ型DMFC1において、例えば非発電時にカバー本体21が外側へと凸状に湾曲しており、その内側の膜電極接合体2等の全面が均一に押し付けられていなかったとしても、発電時にはカバー本体21が上記したように変形することでほぼ平面状となるため、この平面状のカバー本体21によってその内側の膜電極接合体2等の全面が均一に押し付けられる。このため、燃料リークの発生や発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れたパッシブ型DMFC1とすることができる。
積層体30を接合する主面は、図1、2に示されるようなカバー本体21の外側主面21eに限られるものではなく、図3に示すようにカバー本体21の内側主面21iであってもよい。このようなものについても、内側である金属材層31を外側である金属材層32よりも熱膨張率が高いものとする。このようにすることで、外側主面21eに積層体30を接合した場合と同様、発電時にはカバー本体21が上記したように内側に変形してほぼ平面状となり、この平面状のカバー本体21によってその内側の膜電極接合体2等の全面が均一に押し付けられる。このため、燃料リークの発生や発電特性の低下を抑制し、信頼性に優れたパッシブ型DMFC1とすることができる。
なお、積層体30を接合する主面は、図1、2または図3に示されるようにカバー本体21の外側主面21eまたは内側主面21iの少なくとも一方であればよいが、外側主面21eおよび内側主面21iの両面としてもよい。また、積層体30は、例えば図4、5に示すように外側主面21eや内側主面21iの主面上に接合してもよいし、例えば図6、7に示すように外側主面21eや内側主面21iの内部に埋設するようにして接合してもよい。
積層体30の配置は、例えば図1に示すように2本の積層体30を平行にする例が挙げられるが、必ずしもこのようなものに限られるものではなく、例えば図8に示すように1本の積層体30のみを配置してもよい。また、積層体30を配置する方向についても必ずしも限られるものではなく、例えば図9に示すようにカバー本体21の長辺方向に平行となるように配置してもよい。
積層体30を複数配置する場合、必ずしも全てを平行に配置する必要はなく、積層体30ごとに配置する方向を変更してもよい。例えば図10に示すように、カバー本体21の短辺方向に平行となるように2本の積層体30を配置し、さらにこれらに垂直となるように2本の積層体30を配置してもよい。このようにすることで、例えばカバー本体21のうち湾曲が大きい主面中心部を中心として適切に変形させることができる。
1または2以上の積層体30を配置する場合、積層体30の長さおよび幅は個々に変更することができる。なお、積層体30の長さ(長手方向)については、必ずしも限定されるものではないが、例えば図8に示すように、積層体30の長さをLs、この長さ方向におけるカバー本体21の対向する2辺間の距離をLcとした場合、積層体30の長さLsは、Lc/2以上とすることが好ましい。積層体30の長さLsがこのような長さであれば、カバー本体21を容易に変形させることができる。
また、1または2以上の積層体30を配置する場合、カバー本体21の主面中心部に対して1または2以上の積層体30が対称となるように配置することが好ましい。このような配置とすることで、カバー本体21のうち湾曲が大きい主面中心部を中心として適切に変形させることができる。
以上、積層体30の配置について、カバー本体21の外側主面21eに配置する例を挙げて説明したが、内側主面21iに配置する場合についても何ら変わるものではなく、外側主面21eと同様にして配置することができる。
積層体30における内側の金属材層31、外側の金属材層32の金属材料としては、内側の金属材層31が外側の金属材層32よりも熱膨張率が高くなるような金属材料の組み合わせであればよく、例えばZn−Cu/Ni−Fe、Ni−Mn−Fe/Ni−Fe、Ni/Ni−Fe、Ni−Cr−Fe/Ni−Fe、Ni−Mo−Fe/Ni−Fe、Ni−Cr−Fe/Cr−Fe、Cu−Ni−Mn/Ni−Fe(内側の金属材層31/外側の金属材層32)が挙げられる。このような金属材料の組み合わせについては、パッシブ型DMFC1が使用される温度環境や発電時の発熱等を考慮し、適宜選択して用いることが好ましい。
また、複数の積層体30を接合する場合、複数の積層体30の全てについてそれらを構成する金属材層31、32の金属材料の組み合わせを同じとする必要はなく、金属材料の組み合わせは異なるものとしてもよい。このように金属材層31、32の金属材料の組み合わせを異なるものとすることで、有効に変形する温度領域を変えることができる。そして、このような温度領域が異なる複数の積層体30を配置することで、幅広い温度領域においてカバー本体21を適切に変形させることができ、より信頼性に優れたパッシブ型DMFC1とすることができる。
上記したように温度領域が異なる複数の積層体30を配置する場合、例えば図10に示すようなものにおいて、カバー本体21の短辺方向に平行に配置される2本の積層体30と、これらに垂直に配置される2本の積層体30とで異なるものとする例が挙げられるが、必ずしもこのようなものに限られるものではない。
また、図示しないが、積層体30としては3層の金属材層からなるものとしてもよい。3層の金属材層の組み合わせとしては、内側の金属層から順に、例えばNi−Cr−Fe/Zr−Cu/Ni−Fe、Ni−Mn−Fe/Ni−Cu/Ni−Fe、Ni−Mn−Fe/Ni/Ni−Fe、Ni−Cr−Fe/Cu−Ni−Mn/Ni−Fe、Cu−Ni−Mn/Cu/Ni−Fe、Ni−Mn−Fe/Cu/Ni−Fe等が挙げられる。このような3層の金属材層からなるものについても、2層の金属材層からなるものと同様にして用いることができる。
このような2層および3層構造の積層体としては、いわゆるバイメタル、トリメタルとして市販されているものを用いることもでき、これらはパッシブ型DMFC1が使用される温度環境や発電時の発熱等に合わせて適宜選択して用いることが好ましい。なお、このような積層体については、少なくとも金属材層の積層方向における内側半分の平均した熱膨張率が外側半分の平均した熱膨張率よりも大きくなっていればよい。また、このような積層体30が接合されるカバー本体21としては、一般にステンレス板等が用いられるが、必ずしもこのようなものに限定されるものではなく、積層体30によって有効に変形させることができるものであればよい。
次に、本発明に用いられるカバー部材20の他の例について説明する。図11、12に示すカバー部材20は、カバー本体21の外側主面21eに単層の金属板40が接合されると共に、内側となるカバー本体21が外側となる金属板40よりも熱膨張率が大きいものとされたものである。
このようなものによれば、パッシブ型DMFC1の発電時の発熱により、カバー本体21と金属板40との接合部分がそれらの熱膨張率の差により熱膨張率の大きい内側のカバー本体21側へと変形する。従って、図12に示すようなパッシブ型DMFC1において、例えば非発電時にカバー本体21が外側に凸状に湾曲しており、その内側の膜電極接合体2等の全面が均一に押し付けられていなかったとしても、発電時にはカバー本体21が上記したように変形してほぼ平面状となるため、この平面状のカバー本体21によってその内側の膜電極接合体2等の全面が均一に押し付けられる。このため、燃料リークの発生や発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れたパッシブ型DMFC1とすることができる。
金属板40を接合する主面は、図11、12に示されるようなカバー本体21の外側主面21eに限られるものではなく、図13に示すようにカバー本体21の内側主面21iであってもよい。但し、このようなものについては、内側である金属板40を外側であるカバー本体21よりも熱膨張率が高いものとする。このようにすることで、外側主面21eに積層体30を接合した場合と同様、発電時にはカバー本体21が上記したように内側に変形してほぼ平面状となり、この平面状のカバー本体21によってその内側の膜電極接合体2等の全面が均一に押し付けられる。このため、燃料リークの発生や発電特性の低下が抑制され、信頼性に優れたパッシブ型DMFC1とすることができる。
なお、金属板40を接合する主面は、図11、12または図13に示されるようにカバー本体21の外側主面21eまたは内側主面21iの少なくとも一方であればよいが、外側主面21eおよび内側主面21iの両面としてもよい。このようにカバー本体21の外側主面21eおよび内側主面21iに金属板40を接合する場合、内側主面21iに接合される金属板40の熱膨張率を最も高くし、外側主面21eに接合される金属板40の熱膨張率を最も低くなるようにする。
カバー本体21への金属板40の接合は、上記したような熱膨張率の関係を満たす限り、基本的に先に説明した積層体30と同様にして行うことができる。すなわち、カバー本体21の厚さ方向における金属板40の位置については、例えば図4、5に示される積層体30と同様、外側主面21eや内側主面21iの主面上としてもよいし、例えば図6、7に示される積層体30と同様、外側主面21eや内側主面21iの内部に埋設するものとしてもよい。
また、金属板40の配置については、例えば図11に示されるように2本の金属板40を平行にするものの他に、例えば図8に示されるように1本の金属板40のみを配置してもよい。また、金属板40を配置する方向についても必ずしも限られるものではなく、例えば図9に示されるようにカバー本体21の長辺方向に平行となるように配置してもよい。
金属板40を複数配置する場合、必ずしも全てを平行に配置する必要はなく、金属板40ごとに配置する方向を変更してもよい。例えば図10に示すように、カバー本体21の短辺方向に平行となるように2本の金属板40を配置し、さらにこれらに垂直となるように2本の金属板40を配置してもよい。このようにすることで、例えばカバー本体21のうち湾曲が大きい主面中心部を中心として適切に変形させることができる。
1または2以上の金属板40を配置する場合、金属板40の長さおよび幅は個々に変更することができる。なお、金属板40の長さ(長手方向)については、必ずしも限定されるものではないが、例えば図8に示されるように、金属板40の長さをLm、この長さ方向におけるカバー本体21の対向する2辺間の距離をLcとした場合、金属板40の長さLmは、Lc/2以上とすることが好ましい。金属板40の長さLmがこのような長さであれば、カバー本体21を容易に変形させることができる。
また、1または2以上の金属板40を配置する場合、カバー本体21の主面中心部に対して1または2以上の金属板40が対称となるように配置することが好ましい。このような配置とすることで、カバー本体21のうち湾曲が大きい主面中心部を中心として適切に変形させることができる。
以上、金属板40の配置について、カバー本体21の外側主面21eに配置する例を挙げて説明したが、内側主面21iに配置する場合についても何ら変わるものではなく、外側主面21eと同様にして配置することができる。
カバー本体21および金属板40を構成する材料としては、互いの熱膨張率が異なっており、かつ、内側となるものの熱膨張率が外側となるものの熱膨張率よりも大きいものであれば必ずしも限定されるものではない。例えば、カバー本体21としてはステンレス板等が用いられ、その外側に配置される金属板40については当該ステンレス板等よりも熱膨張率が低いもの、またその内側に配置される金属板40については当該ステンレス板等よりも熱膨張率が大きいものであればよい。
また、複数の金属板40を接合する場合、複数の金属板40の全てについて熱膨張率を同じとする必要はなく、熱膨張率を異なるものとしてもよい。このように金属板40の熱膨張率を異なるものとすることで、カバー本体21と金属板40との接合部分が有効に変形する温度領域を変えることができる。そして、このような温度領域が異なる複数の接合部分を設けることで、幅広い温度領域においてカバー本体21を適切に変形させることができ、より信頼性に優れたパッシブ型DMFC1とすることができる。
上記したような熱膨張率が異なる複数の金属板40を配置する場合、例えば図10に示されるものにおいて、カバー本体21の短辺方向に平行に配置される2本の金属板40と、これらに垂直に配置される2本の金属板40とで異なるものとする例が挙げられるが、必ずしもこのようなものに限られるものではない。
次に、上記したようなパッシブ型DMFC1の発電動作について説明する。まず、燃料収容部3内のメタノール燃料等の液体燃料Fが気化し、この気化成分が気液分離膜4を透過して膜電極接合体2に供給される。膜電極接合体2内において、メタノール燃料Fの気化成分はアノードガス拡散層6で拡散されてアノード触媒層5に供給される。アノード触媒層5に供給された気化成分は、下記の(1)式に示したメタノールの内部改質反応を生じさせる。
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …(1)
CH3OH+H2O → CO2+6H++6e− …(1)
なお、メタノール燃料Fとして純メタノールを使用した場合には、燃料収容部3から水蒸気が供給されないため、カソード触媒層7で生成した水や電解質膜9中の水をメタノールと反応させて(1)式の内部改質反応を生起するか、あるいは上記した(1)式の内部改質反応によらず、水を必要としない他の反応機構により内部改質反応を生じさせる。
内部改質反応で生成されたプロトン(H+)は電解質膜9を伝導し、カソード触媒層7に到達する。表面層16の空気導入口17から取り入れられた空気(酸化剤)は、保湿層15、カソード導電層11、カソードガス拡散層8を拡散して、カソード触媒層7に供給される。カソード触媒層7に供給された空気は、次の(2)式に示した反応を生じさせる。この反応によって、水の生成を伴う発電反応が生じる。
(3/2)O2+6H++6e− → 3H2O …(2)
(3/2)O2+6H++6e− → 3H2O …(2)
なお、液体燃料は必ずしもメタノール燃料に限られるものではなく、例えばエタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料であってもよい。
次に、パッシブ型DMFC1の製造方法について説明する。以下では、図1、2に示されるようなカバー部材20に積層体30が接合されたパッシブ型DMFC1について説明する。
まず、積層体30が接合されたカバー部材20は、以下のようにして製造することができる。なお、以下では、カバー部材の各部分と対応する部分について、カバー部材の符号と同一の符号を付して説明する。まず、図14に示すようなステンレス板20を用意する。このステンレス板20はカバー部材20となるものであって、カバー本体21となる中央の矩形状部分21と、その外側のカバー側面22となる周辺部分22とからなるものである。
このステンレス板20には、矩形状部分21の外側主面21eにおける所定の位置に積層体30を載置する。なお、積層体30は予め製造されたものであり、異なる熱膨張率を有する金属板を接合することによって製造されたものである。そして、積層体30が載置されたステンレス板20は、一対の圧接ロール間に通過させることにより、ステンレス板20に積層体30を冷間圧接する。
その後、図15に示すように、矩形状部分21に孔あけ加工を施すことにより複数の開口部23を形成すると共に、周辺部分22を所定の形状に切断して爪部24等を形成する。さらに、矩形状部分21に対して折曲部20cで周辺部分22を略直角に折り曲げることによって、略箱状のカバー部材20とすることができる。
一方、カバー部材20を除く他の部材、すなわち膜電極接合体2、燃料収容部3、気液分離膜4、保湿層15、表面層16は、この種のパッシブ型DMFCに一般に用いられているものを特に制限なく用いることができる。
そして、図1、2に示されるように、このような燃料収容部3上に、気液分離膜4、膜電極接合体2、保湿層15、表面層16を順に配置する。そして、表面層16側からこれらを覆うようにしてカバー部材20を被せ、その爪部24を燃料収容部3の側面3sに設けられた凹部3mに折り返して固定する。このようにすることで、図1、2に示されるようなパッシブ型DMFC1を製造することができる。
このようにステンレス板20の中央の矩形状部分21に対して周辺部分22を折り曲げてカバー部材20を製造した場合、そのカバー本体21には外側に凸状の湾曲が発生する。しかしながら、上記したようにカバー本体21に所定の積層体30あるいは金属板40を接合することで、発電時にはこのような凸状の湾曲を解消することができ、膜電極接合体2等の全面を均一に押し付けることができる。このため、パッシブ型DMFC1を信頼性に優れたものとすることができる。
以上、パッシブ型DMFC1の製造について、図1、2に示されるような積層体30を有するパッシブ型DMFC1を例に挙げて説明したが、図11、12に示されるような金属板40を設けるものについてもほぼ同様にして製造することができる。
また、上記製造例では、積層体30の接合を冷間圧接により行ったが、接合方法は必ずしも限られるものではなく、例えばスポット溶接のような抵抗溶接により行ってもよい。また、上記製造例では、積層体30の接合後に開口部23、爪部24等を形成したが、開口部23、爪部24等の形成後に積層体30を接合するようにしてもよい。
さらに、上記パッシブ型DMFC1は燃料収容部3の側面3sに凹部3mが設けられ、その凹部3mにカバー部材20の爪部24が折り返されて固定されるものであったが、例えば図16に示すように、燃料収容部3が凹部3mを有しないものであって、カバー部材20の爪部24が燃料収容部3の底部3bに直接折り返されて固定されるものであってもよい。
さらに、上記実施の形態ではパッシブ型DMFCを例に説明を行ったが、パッシブ型に限らず膜電極接合体の空気極側にカバー部材を有する構造のものであれば、何らその燃料電池の方式について限定されるものではない。
1…燃料電池(パッシブ型DMFC)、2…膜電極接合体、3…燃料収容部(3a…開口部、3b…底面、3m…凹部(溝部)、3s…側面)、4…気液分離膜、5…アノード触媒層、6…アノードガス拡散層、7…カソード触媒層、8…カソードガス拡散層、9…電解質膜、10…アノード導電層、11…カソード導電層、12…リング、15…保湿層、16…表面層、17…空気導入口、20…カバー部材、21…カバー本体(21c…折曲部、21e…外側主面、21i…内側主面)、22…カバー側面、23…開口部、24…爪部、30…積層体、31…内側の金属材層、32…外側の金属材層、40…金属板
Claims (4)
- 燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、
前記カバー部材のうち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には熱膨張率の異なる複数の金属材からなる積層体が接合され、かつ、前記積層体は、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されていることを特徴とする燃料電池。 - 前記積層体が複数接合され、かつ、前記複数の積層体には前記複数の金属材を構成する金属材料の組み合わせが異なるものが存在していることを特徴とする請求項1記載の燃料電池。
- 燃料極と空気極とによって電解質膜が挟持されてなる膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置される燃料収容部と、前記膜電極接合体を覆うカバー部材とを有する燃料電池であって、
前記カバー部材のうち前記膜電極接合体上の空気極側に配置されるカバー本体の少なくとも一方の主面には前記カバー本体とは異なる熱膨張率を有する単層の金属板が接合され、かつ、前記カバー本体と前記金属板とは、前記膜電極接合体側に熱膨張率の大きいものが配置されていることを特徴とする燃料電池。 - 前記金属板が複数接合され、かつ、前記複数の金属板には熱膨張率が異なるものが存在していることを特徴とする請求項3記載の燃料電池。
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JP2009272060A (ja) * | 2008-04-30 | 2009-11-19 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
WO2010084799A1 (ja) * | 2009-01-20 | 2010-07-29 | 株式会社 東芝 | 燃料電池 |
KR101367068B1 (ko) | 2011-12-28 | 2014-02-25 | 삼성전기주식회사 | 바이메탈 집전 부재 및 이를 구비한 연료전지장치 |
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2006
- 2006-09-20 JP JP2006254595A patent/JP2008077934A/ja not_active Withdrawn
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