JP2008078044A - 燃料電池セル、燃料電池セルを装着可能とした電気機器 - Google Patents

Abstract

【課題】セルを構成する電極面間の接触抵抗を低減するために別部品を必要とせず、小型化、セル組み立て時の作業の軽減化を図ることが可能となる燃料電池セル、燃料電池セルを装着可能とした電気機器を提供する。
【解決手段】電解質膜の一方の面に酸化剤極を他方の面に燃料極を積層し、これらによって構成された電解質電極接合体による発電体１０２を備えた燃料電池セルにおいて、
前記酸化剤極が積層されている面側に配置された第１の押さえ部材１０１と、燃料極が積層されている面側に配置された第２の押さえ部材１０３と、を有し、
前記燃料電池セルを変形させた際に前記第１及び第２の押さえ部材から発生する応力１０７、１０８によって、前記酸化剤極及び燃料極の積層方向に圧力の印加が可能に構成される。
【選択図】 図３

Description

本発明は、燃料電池セル、燃料電池セルを装着可能とした電気機器に関するものである。

従来、電気機器を使用するために、種々の一次電池、二次電池が使用されてきた。
しかし、デジタルカメラ、携帯電話、ノートパソコン、等に見られるように、最近の小型電気機器の高性能化に伴い、それらの携帯機器用電源の消費電力が大きくなり、一次電池では、小型軽量で、十分なエネルギーを供給ができなくなっている。
一方、二次電池においては、繰り返し充電して使用できるという利点はあるものの、一回の充電で使用できるエネルギーは一次電池よりも更に少ない。
そして、二次電池の充電の為には、別の電源が必要である上、充電には通常数十分から数時間がかかり、いつでもどこでもすぐに使用できる様にするということは困難である。
今後、以上のような小型電気機器においては、さらに小型、軽量化が進み、他方でワイヤレスのネットワーク環境が整うことにより、機器を持ち運んで使用する傾向が益々高まって行く。
そのため、従来の一次電池、二次電池では、機器の駆動に十分なエネルギーを供給することは困難である。

このような問題の解決策として、燃料電池が注目されている。
燃料電池は従来、大型の発電機、自動車用の駆動源として開発が進められてきた。これは燃料電池が、従来の発電システムに比べて、発電効率が高く、しかも廃棄物がクリーンであることが主な理由である。
一方、燃料電池が小型電気機器の駆動源として有用な理由に体積当たり、重量当たりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くであることが挙げられる。
さらに、燃料のみを補給すれば連続して使用が可能であるため、他の二次電池の様に充電に時間がかかることもない。

燃料電池には、様々な方式のものが開発されているが、小型電気機器、とりわけ持ち運びして使用する携帯機器に対しては、固体高分子型燃料電池が適している。
これは、常温に近い温度で使用でき、また、電解質が液体ではなく固体であるので、安全に持ち運べるという利点を有しているためである。
また、小型電気機器用の燃料電池の燃料としては、メタノール型が検討されてきた。これは、メタノールが保存しやすく、また入手しやすい燃料であることが主な理由である。
また、大きな出力を得るための燃料電池には、水素を燃料に使用するのが効果的である。
常圧下において気体である水素を貯蔵する方法として、つぎのような方法が知られている。
第一の方法としては、水素を圧縮して高圧ガスとして保存する方法である。
第二の方法としては、水素を低温にして、液体として貯蔵する方法である。
第三の方法としては、水素吸蔵合金を使用して水素を貯蔵する方法である。
第四の方法としては、メタノールやガソリンなどを燃料タンクに積み、改質して水素に変換し使用するという方法である。
また、最近、第五の方法としてカーボンナノチューブ、グラファイトナノファイバー、カーボンナノホーンなどの炭素系材料が注目されている。
これらの炭素系材料では、重量当たり約１０ｗｔ％の水素を吸蔵できる可能性があるためである。

一方、固体高分子型燃料電池の発電は以下の様にして行われる。
高分子電解質膜には、パーフルオロスルホン酸系の陽イオン交換樹脂がよく用いられる。
例えば、このような膜としては、デュポン社のナフィヨンなどがよく知られている。
固体高分子電解質膜を、白金などの触媒を担持した一対の多孔質電極、すなわち、燃料極と酸化剤極とで狭持した膜電極複合体が燃料電池発電部となる。
このような膜電極複合体を一般にＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）と呼ばれている。
なお、以下の説明において、上記膜電極複合体をＭＥＡと記す。
この燃料電池セルに対して、酸化剤極には酸化剤を、燃料極には燃料を供給することにより、高分子電解質膜中をプロトンが移動し、発電が行われる。
この発電反応は６０℃〜１００℃程度の温度範囲で行われると最も効率がよい。しかし、高分子電解質膜は、１００℃を超えると、発電性能が著しく低下するという性質を持っている。
また、高分子電解質膜は、通常湿らせて使用するが、１００℃以上の温度では、高分子電解質膜中の水分が蒸発してしまう。
従って、発電において燃料電池セル温度が１００℃以上になることは好ましくない。

以上、燃料電池の開発の背景等につき述べてきたが、今日における電気機器のより一層の小型化、軽量化の要請に伴い、燃料電池セル自体もいかに小型化し、限られた機器のスペースに収納するかが燃料電池に課せられた重要な課題である。
すなわち、そこでは少ない発電面積の下で、セルの発電効率を上げることが求められる。
このような解決策として、従来においてはセル自体のコンパクト化を図りつつ、セルに均一に荷重を加え接触抵抗を減らし発電効率を上げるようにした試みが行われてきた。

例えば、特許文献１では、薄型でフレキシブルな単位セルを、巻き心を中心に渦巻き状に巻き、巻き終わりを止め材で止めるようにした燃料電池が提案されている。
これより、前記セルに均一に荷重を加えることによって、電極構成部材間の接触抵抗を減らし発電効率を上げると同時に、セル自体のコンパクト化が図られている。
また、特許文献２では、燃料電池セルの陰極側部材をネジで締め付け、中央部付近をＭＥＡ側に撓ませ、該ＭＥＡの酸化剤極を構成する陰極と上記陰極側部材との接触抵抗を低減し、出力の向上を図るようにした燃料電池が提案されている。
特開２００５−３１０５８３号公報 特開２００４−２１４０４０号公報

しかしながら、上記従来例における燃料電池の構成では、より一層の小型化や、セル組み立て時の作業の軽減化を図る上で、必ずしも満足の得られるものではない。
例えば、上記従来例における特許文献１のものでは、巻き心を中心に渦巻き状に巻くため、巻き終わりを止めるための止め材のような別部品が必要となることから、コンパクト化を図る上で不都合が生じる。また渦巻き状に巻くための作業等、セル組み立て時の作業負担が生じるものであった。
また、上記従来例における特許文献２のものにおいても、陰極側部材の中央部付近をＭＥＡ側に撓ませ、該ＭＥＡの酸化剤極を構成する陰極と上記陰極側部材との接触抵抗を低減させるに際し、陰極側部材を締め付けるためのネジ等の別部品が必要となる。

本発明は、上記課題に鑑み、セルを構成する電極面間の接触抵抗を低減するために別部品を必要とせず、小型化、セル組み立て時の作業の軽減化を図ることが可能となる燃料電池セル、燃料電池セルを装着可能とした電気機器の提供を目的とするものである。

本発明は、つぎのように構成した燃料電池セル、燃料電池セルを装着可能とした電気機器を提供するものである。
本発明の燃料電池セルは、電解質膜の一方の面に酸化剤極を他方の面に燃料極を積層し、これらによって構成された電解質電極接合体による発電体を備えた燃料電池セルであって、
前記酸化剤極が積層されている面側に配置された第１の押さえ部材と、燃料極が積層されている面側に配置された第２の押さえ部材と、を有し、
前記燃料電池セルを変形させた際に前記第１及び第２の押さえ部材から発生する応力によって、前記酸化剤極及び燃料極の積層方向に圧力の印加が可能に構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記前記第１及び第２の押さえ部材が、電極部材を兼ねていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記第１及び第２の押さえ部材が、それらの向かい合った端面部が接合部材で固定されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記接合部材が、シール部材を兼ねていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、単一のセルで構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、複数のセルを積み重ねたスタックとして構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、複数のセルを平面状に連ねて構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、機械的な力によって変形するセルで構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、熱によって変形するセルで構成されていることを特徴とする。
また、本発明の電気機器は、上記したいずれかに記載の燃料電池セルを装着可能としたことを特徴とする。
また、本発明の電気機器は、前記燃料電池セルの装着個所が、機器の外装面であることを特徴とする。

本発明によれば、セルを構成する電極面間の接触抵抗を低減するために別部品を必要とせず、小型化、セル組み立て時の作業の軽減化を図ることが可能となる燃料電池セル、燃料電池セルを装着可能とした電気機器を実現することができる。

つぎに、本発明の実施の形態における燃料電池セルについて説明する。
図１に、本実施の形態における燃料電池セルを説明するための最少限の部材で構成したセル構成を示す。
図１において、１０１は第１の押さえ部材、１０２はＭＥＡ、１０３は第２の押さえ部材、１０４は単セルである。
本実施の形態の燃料電池セルは、電極面を両面任意の箇所に配置した発電体であるＭＥＡ１０２を中心として、
その両面に第１の押さえ部材１０１、第２の押さえ部材１０３で積層した構造の燃料電池の単セル１０４である。
本実施の形態の燃料電池セルにおいて、上記第１の部材１０１および第２の押さえ部材１０３は、それぞれＭＥＡ１０２の両面と接する電極部材と兼ねるように構成することができる。

図２は、前記の単セル１０４を、両端面に変形力１０５を加え変形させ、変形面１０６を形成した状態を示す図である。
図３は、図２に示すように変形させたとき、単セル１０４に応力が発生する作用を示す断面図である。
図３において、ＭＥＡ１０２を挟み、上下の電極兼押さえ部材である第１の部材１０１および第２の押さえ部材１０３は、その変形面１０６の変形面に沿った彎曲方向へ相互間でズレを発生しないよう両者は一体構造になっていると仮定する。
図３の変形状態では、第１の押さえ部材１０１側が引っ張り作用１０７を受ける側、第２の押さえ部材１０３側が圧縮作用１０８を受ける側である。
このとき第１の押さえ部材１０１、第２の押さえ部材１０３それぞれの材料から各変形部厚み垂直方向へ圧縮応力１０９、引っ張り応力１１０の応力が矢印で示す方向へ発生する。
本実施の形態の燃料電池セルは、以上のようなセルの構成および状態において、ＭＥＡ１０２を中心とし両面に配置した各押さえ部材の両対向面間の接触圧力が変形させる前と比べ増加することになる。
この時、燃料電池システムとして機能をさせた場合、前記接触圧力の増加による変化に反比例し電気抵抗値が下がり、その結果電気出力値は上昇する。

図４に、上記の電極兼押さえ部材である第１の押さえ部材１０１と第２の押さえ部材１０３がその変形面１０６の変形面に沿った方向へ相互間でズレを発生しないようにするための一例を示す。
図４において、１００は接合部材である。
図４に示す構成例では、図３に示す第１の押さえ部材１０１と第２の押さえ部材１０３が、向かいあった端面部２辺において、接合部分を延長させ接合部材１００で固定されている。
この接合部材１００は、通常のセル組み立て過程で行うシールと兼ねさせることも可能である。これにより、別部品の接合部材を設ける必要を無くすことができる。ただし、そのシール強度はセルを変形させた際に発生する引っ張り作用１０７、圧縮応力１０８による力よりも強ければ良い。
なお、本発明は、上記構成に限定されるものではない。必要に応じ個別に、別の固定手段で実施することも可能である。

本実施の形態の燃料電池セルによれば、従来例における特許文献１、２のように電極構成部材間の接触抵抗を減らし発電効率を上げることが可能であると同時に、コンパクト化を図ることができる。
すなわち、本実施の形態の燃料電池セルでは、上記従来例で必要であったセル組み立て時における圧力を加える専用の別部品、それに必要な作業を削減することが可能となる。

図５に、本実施の形態の燃料電池セルにおける単セル１０４を積み重ねて構成した燃料電池スタック１１１の構成例を示す。
このような燃料電池スタック１１１の構成によっても、変形力１０５を加え変形面１０６を形成することにより同様の効果を得ることができる。
また、図６に、平面状に単セル１０４を連ねて構成したセルの構成例を示す。
この構成例では、それぞれの単セル１０４に、お互いに逆方向の変形力が加わり変形面１０６がそれぞれ逆になった状態のセル構造を構成することができる。
これにより、材料の厚み方向の発生応力を維持することが可能となる。
図５、図６で説明した構成は本発明のごく一部の構成例であり、これ以外の変形形態のセルにおいても、図１で説明した最小単位のセル構成の様に変形力を加え変形面を作ることにより、本発明の効果を得ることが可能である。

つぎに、安定して効率のよい電気出力を得るための変形面の理想形状について述べる。
本発明の理想的な変形は各押え部材から発生する弾性力による応力を利用することで全面に正の応力を増加することが可能になる形状である。
したがって、変形が押さえ部材の弾性域を超え塑性変形を起こした場合、その塑性変形を起こした箇所あるいはその近傍へ集中荷重が加わることになる。
結果として、変形面全体として平均して応力が加わっていた面積が減少し、電気的な接触抵抗値は増加、発電効率は低下することが予想される。
したがって、同じ応力を加える場合、変形はその反力を受けるＭＥＡ１０２を含め、その構成材料の弾性変形範囲内で行う事が好ましい。
なお、変形の度合いと接触抵抗値との関係は、双方の押さえ部材の材料によって決まる弾性係数、その厚み、面の均一性等により影響を受けるため実験的に電気出力特性を取得しその最適値を決めてもよい。

以上の本実施の形態の燃料電池セルによれば、前記単セル１０４を変形させることにより第１の押さえ部材１０１と第２の押さえ部材１０３間で、ＭＥＡ１０２に対して正圧の応力を発生させることができる。
これにより、セル構成電極面間の接触抵抗を低減させ、燃料電池の発電効率を向上させることができる。
また、別部品を用いる必要のないことから、小型化を図ることが可能となる。
また、セルを機器へ実装する時に変形させることにより応力を発生させ、接触抵抗を低減することが可能となる。
このため、従来必要であったセル組み立て時における圧力発生用の専用の部品を必要とせず、また、圧力発生に要する作業を軽減することができる。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用し、セルの変形手段としては機械的な力により変形する燃料電池セルについて説明する。
燃料電池セルの構成部材として、比較的弾性係数の小さい構成材料、例えば樹脂、ゴム、１ｍｍ以下の比較的薄い軽量金属を用いることによって、
手で変形させ装着するように構成することができる。
また、セルを塑性変形前で変形を制御する必要がある場合には、塑性変形前で止めて実装を行う構成を採ることもできる。

図７に、本実施例の構成例として、燃料電池セルをカメラ２００に搭載した構成例を示す。
この例では、機械的な力により変形させたセル２０１、２０６を、それぞれカメラ２００外部の湾曲部であるフラッシュライト収納ケース２０３、グリップ２０４を利用し、それらに実装される。
カメラ２００内部には燃料タンク２０８を配置し、その燃料供給出口２０９から燃料供給配管２１０を介し前記各セルへ燃料が供給される。
また、これらの各セルで発電された電気をカメラ２００の機能部の一部として、図示した表示パネル２０７、フラッシュライト２０２、シャッタースイッチ２０５へ供給するシステムを構成することができる。

図８はグリップ２０４へ、図９はフラッシュライト収納ケース２０３へ実装した例である。
図８は図７のＡ−Ａ断面、図９は図７のＢ−Ｂ断面構造を示す。
図８に示す実装例では、機械的な力で変形可能なセルの第１の押さえ部材１０１の両端部を段つき加工としグリップ２０４の一部としてセル支持部２１１へ嵌め込んだ例である。
図９の実装例では、第２の押さえ部材１０３をフラッシュライト収納ケース２０３の一部としてセル支持部２１２へ嵌め込んだ例である。

また、図１０は任意の製品溝部へ実装するときの例である。
この構成例では、製品外部より、セル２０６の長さよりも短い溝２１５へ嵌め込み、ケース蓋２１４を取り付けて構成される。
上記構成に限定されるものではなく、製品の内部、外部を問わず、必要なセル長に応じ変形させたい方向に対し、その長さより短い溝があればその目的を達成することが可能である。

以上、実施例に示したように本発明を用いることによりセルの薄型化を実現することができ、製品の外面へ複数のセルを分散させて配置することが可能である。
したがって、今まで使われていなかった外装面を有効に活用することが可能となる。
特に、従来の家電製品における主バッテリーの配置事例では、製品内部への実装が主流であったため、他の部品との優先度の関係上、配置場所が限られ製品設計の自由度が低かった。
しかし、本実施例の構成によれば、製品内部への実装に限らず、外部への実装で外面部材と兼ねることも可能となるため、製品設計上においても有利となる。

［実施例２］
実施例２においては、本発明を適用し、セルの変形手段としては熱の利用によって変形させる燃料電池セルについて説明する。
実施例１においては、機械的な力を与えることによりセル押さえ部材に応力を発生させた。
これに対して、実施例２では、熱を利用した変形により前記押さえ部材に応力を発生させる。
本実施例においては、実施例１で説明した図１の構成によるセルを用い、両押さえ部材間に温度差を発生さすことによって、変形を発生させる。
すなわち、一方の材料を縮じませ、他方の材料に伸びを生じさせる温度を各押さえ部材に与えることにより彎曲状の変形を発生させることで、実施例１と同様の効果を得ることが可能となる。

つぎに、本実施例における温度差の発生方法について説明する。
例えば、セルを実装する機器の主要回路部品として用いられているＩＣ等から発生する熱を利用し、対象セルの一方の押さえ部材と熱伝導手段による接続を行う。
この場合、機器内面に面する側の押さえ部材の方が外気と隔離し易いため、加温する側とした方が温度差をつけ易い。これにより、変形をより大きくすることが可能となり応力も大きくすることができる。
また、材料に関して、双方の押さえ部材間の材質により決まる熱膨張率に差があればあるほど、低い温度差により必要圧力を確保することが可能である。
さらに、押さえ部材間を断熱材等により断熱構造化することによって、さらに変形の効果を上げることが可能となる。

本発明の実施の形態における燃料電池セルの構成例を説明するための図。 本発明の実施の形態におけるセルの両端面に変形力を加え変形させる構成例を説明するための図。 図２に示すように変形させたときにセルに応力が発生する作用を説明するための断面図。 本発明の実施の形態における、変形させたときに変形面に沿った方向へ相互間でズレを発生しないようにするための構成例を説明するための図。 本発明の実施の形態における単セルを積み重ねて構成した燃料電池スタックの構成例を示す図。 本発明の実施の形態における平面状に単セルを連ねて構成したセルの構成例を示す図。 本発明の実施例１における燃料電池セルをカメラに搭載した構成例を説明するための図。 本発明の実施例１におけるカメラのグリップに実装した構成例を説明するための図。 本発明の実施例１におけるカメラのフラッシュライト収納ケースに実装した構成例を説明するための図。 本発明の実施例１における燃料電池セルを製品の任意の溝部へ実装した構成例を説明するための図。

符号の説明

１００：接合部材
１０１：第１の押さえ部材
１０２：ＭＥＡ
１０３：第２の押さえ部材
１０４：単セル
１０５：変形力
１０６：変形面
１０７：引っ張り作用
１０８：圧縮作用
１０９：圧縮応力
１１０：引っ張り応力
１１１：スタック
２００：カメラボディー
２０１、２０６：セル
２０２：フラッシュライト
２０３：フラッシュ収納ケース
２０４：グリップ
２０５：シャッタースイッチ
２０７：表示パネル
２０８：燃料タンク
２０９：燃料供給出口
２１０：燃料供給配管
２１１、２１２：セル支持部
２１３：カメラ任意ボディー
２１４：ケース蓋
２１５：溝

Claims (11)

1. 電解質膜の一方の面に酸化剤極を他方の面に燃料極を積層し、これらによって構成された電解質電極接合体による発電体を備えた燃料電池セルであって、
   前記酸化剤極が積層されている面側に配置された第１の押さえ部材と、燃料極が積層されている面側に配置された第２の押さえ部材と、を有し、
   前記燃料電池セルを変形させた際に前記第１及び第２の押さえ部材から発生する応力によって、前記酸化剤極及び燃料極の積層方向に圧力の印加が可能に構成されていることを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記第１及び第２の押さえ部材は、電極部材を兼ねていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記第１及び第２の押さえ部材は、それらの向かい合った端面部が接合部材で固定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル。
4. 前記接合部材は、シール部材を兼ねていることを特徴とする請求項３に記載の燃料電池セル。
5. 前記燃料電池セルは、単一のセルで構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
6. 前記燃料電池セルは、複数のセルを積み重ねたスタックとして構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
7. 前記燃料電池セルは、複数のセルを平面状に連ねて構成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
8. 前記燃料電池セルは、機械的な力によって変形するセルで構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
9. 前記燃料電池セルは、熱によって変形するセルで構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の燃料電池セル。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載の燃料電池セルを装着可能としたことを特徴とする電気機器。
11. 前記燃料電池セルの装着個所が、機器の外装面であることを特徴とする請求項１０に記載の電気機器。

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