JP2008084608A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】カバープレートによる膜電極接合体と燃料収容部との固定力を長期間にわたって維持できる液体燃料を用いた燃料電池の提供。
【解決手段】燃料電池は、燃料極、空気極および電解質膜を有する燃料電池セル（膜電極接合体）と、開口部を介して燃料極に液体燃料を供給する燃料収容部３とを具備する。カバープレートの爪部１９を燃料電池セルの端面や燃料収容部３の壁面に沿って折り曲げつつかしめることによって、燃料電池セルは燃料収容部３に固定されている。爪部１９の先端１９ａは傾斜形状とされており、さらに燃料収容部３には爪部先端１９ａの傾斜形状と係合する底部形状を有するかしめ受け部２０が設けられている。
【選択図】図７

Description

本発明は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では、例えば燃料極、電解質膜および空気極を有する膜電極接合体（燃料電池セル）を、樹脂製の箱状容器からなる燃料収容部上に配置した構造が適用されている（例えば特許文献１参照）。膜電極接合体と燃料収容部との固定方法としては、これらをカバープレートで挟み込んで固定することが試みられている。例えば、膜電極接合体の空気極側から金属材料からなるカバープレートを取り付けると共に、カバープレートの周縁部を膜電極接合体の端面および燃料収容部の壁面に沿って折り曲げつつかしめることによって、膜電極接合体と燃料収容部とを挟み込んで固定する。

ところで、パッシブ型ＤＭＦＣの膜電極接合体（燃料電池セル）は発電動作時に膨張と収縮を繰り返すため、この膜電極接合体の膨張収縮の繰り返しに基づいてカバープレートの周縁部のかしめ部が緩むおそれがある。カバープレートによるかしめ部が緩んで膜電極接合体と燃料収容部との固定力が低下すると、これらの接触部から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劣化する等、ＤＭＦＣの信頼性や特性等を低下させる要因となる。
国際公開第2005/112172号パンフレット

本発明の目的は、カバープレートによる膜電極接合体と燃料収容部との固定力を長期間にわたって安定して維持することを可能にした燃料電池を提供することにある。

本発明の一態様に係る燃料電池は、燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極と対向する面に設けられた開口部を介して液体燃料を前記燃料極に供給する燃料収容部と、前記膜電極接合体の前記空気極側から取り付けられるカバープレート本体と、前記カバープレート本体の周縁部に設けられ、前記膜電極接合体と前記燃料収容部とを挟み込むように、前記膜電極接合体の端面および前記燃料収容部の壁面に沿って折り曲げつつかしめる爪部とを有するカバープレートとを具備し、前記爪部の先端を傾斜形状とすると共に、前記燃料収容部に前記爪部先端の傾斜形状と係合する底部形状を有するかしめ受け部を設けたことを特徴としている。

本発明の態様に係る燃料電池は、カバープレートの周縁部の先端を傾斜形状とすると共に、爪部先端の傾斜形状と係合する底部形状を有するかしめ受け部を燃料収容部に設けているため、カバープレートによる膜電極接合体と燃料収容部との固定力を長期間にわたって安定して維持することができる。従って、信頼性や特性安定性等に優れる燃料電池を提供することが可能となる。

以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。なお、以下では本発明の実施形態を図面に基づいて説明するが、それらの図面は図解のために提供されるものであり、本発明はそれらの図面に限定されるものではない。

図１は本発明の燃料電池をパッシブ型ＤＭＦＣに適用した実施形態の概略構成を示す斜視図、図２は図1のＡ−Ａ線に沿った断面図である。これらの図に示すパッシブ型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２と、この燃料電池セル２に液体燃料Ｆを供給する燃料収容部３と、これら燃料電池セル２と燃料収容部３との間に介在された気液分離膜４とから主として構成されている。

燃料電池セル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とから構成される膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）を有している。

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、これらによって燃料電池セル（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。

上述した燃料電池セル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。燃料電池セル２は例えば矩形の平面形状を有している。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は燃料電池セル２のアノードと対向する面に開口部３ａが設けられた容器形状を有している。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には燃料電池セル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。

燃料収容部３を構成する透明樹脂としては、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の耐メタノール性を有する樹脂を使用することが好ましい。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と燃料電池セル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気体選択透過膜である。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を介して燃料電池セル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。

燃料電池セル２のカソード導電層１１上には保湿層１４が積層されており、さらにその上には表面層１５が積層されている。表面層１５は酸化剤である空気の取入れ量を調整する機能を果たすものであり、複数の空気導入口１６を有している。表面層１５による空気の取入れ量は空気導入口１６の個数や大きさ等で調整される。

保湿層１４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するものである。保湿層１４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し、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、燃料電池セル２、保湿層１４、表面層１５が順に積層されている。そして、燃料収容部３上に燃料電池セル２等を積層した構造体に対して、燃料電池セル２のカソード（空気極）側からカバープレート１７が取り付けられており、このカバープレート１７で燃料電池セル２等を燃料収容部３に固定している。

カバープレート１７は保湿層１４や表面層１５を含む燃料電池１の構成要素全体を覆うように取り付けられており、燃料電池１全体がカバープレート１７で保持されている。カバープレート１７は例えばステンレスのような金属材料で形成されている。カバープレート１７には表面層１５に形成された空気導入口１６と対応する部分に開口が設けられており、これにより酸化剤の取り入れ並びにカソード触媒層７への拡散を可能としている。

カバープレート１７は、燃料収容部３上に積層された燃料電池セル２等を覆うカバープレート本体１８とその周縁部に設けられた複数の爪部１９とを有している。カバープレート本体１８は燃料電池セル２等と同様な矩形状の内形状を有し、この内形状に基づいて燃料電池セル２等を覆っている。カバープレート本体１８の各周縁部、すなわち燃料電池セル２等の矩形平面の四辺に相当する部分には、それぞれ爪部１９が設けられている。

カバープレート１７の周縁部に設けられた複数の爪部１９は、燃料電池セル２等の端面および燃料収容部３の壁面に沿って折り曲げられつつかしめられており、これによって燃料電池セル２等と燃料収容部３とを挟み込んで固定している。すなわち、複数の爪部１９を折り曲げつつかしめて構成要素全体を挟み込むことによって、燃料収容部３上に気液分離膜４、燃料電池セル２、保湿層１５および表面層１６の積層物を固定している。

カバープレート１７の各周縁部に設けられた爪部１９は、燃料電池セル２等の矩形平面の四辺を挟み込むように折り曲げられている。爪部１９は矩形状のカバープレート本体１８の対向する二辺に設け、これら爪部１９で燃料電池セル２等の対向する二辺を挟み込むようにしてもよい。爪部１９は燃料電池セル２等の対向する二辺を少なくとも挟み込むものであればよく、これによりカバープレート１７による締付け力を得ることができる。

カバープレート１７で燃料電池セル２や燃料収容部３等を挟み込むにあたって、爪部１９を単にかしめただけでは、燃料電池セル（膜電極接合体）２の発電動作に伴う膨張・収縮（例えば0.5〜1mm程度）の繰り返しで爪部１９によるかしめ力が緩むおそれがある。そこで、この実施形態の燃料電池１においては、図３ないし図７に示すように、カバープレート１７の爪部１９の先端１９ａを傾斜形状とすると共に、燃料収容部３に爪部先端１９ａの傾斜形状と係合する底部形状を有するかしめ受け部２０を設けている。

カバープレート１７の爪部１９の先端１９ａは、図４（ａ）に示すように、爪部１９の突出方向（爪部１９の長手方向）に対して、爪部１９の先端角αが鋭角となるように傾斜させている。言い換えると、燃料収容部３の外壁面に対して平行な面を有し、かつ下方に向けて突出させた平板状の爪部１９は、その幅方向に対して傾斜させて切断した傾斜形状を有する先端１９ａを備えている。

一方、燃料収容部３の外周面の底面近傍部分には、図５および図６に示すように、爪部１９をかしめた際に係合する溝部２１が設けられている。溝部２１は燃料収容部３の外周面に設けられたフランジ部２２のフランジ面に形成されており、下方に向けて開口された凹部とされている。この溝部２１の底面に爪部１９のかしめ受け部２０が形成されている。溝部２１の複数の爪部１９に対応した位置には、それぞれ凹部形状のかしめ受け部２０が設けられている。

かしめ受け部２０は図４（ｂ）に示すように、爪部１９をかしめた際に爪部先端１９ａの傾斜形状と係合する傾斜状の底部形状を有している。すなわち、かしめられた爪部１９の先端１９ａは、その傾斜形状と合致する底部形状を有するかしめ受け部２０と係合する。爪部１９の傾斜された先端１９ａは、図７に示すように、かしめ受け部２０の傾斜底面と嵌め合わされることになる。

ここで、燃料電池セル（膜電極接合体）２の発電動作に伴う膨張・収縮による応力は、燃料収容部３の溝部２１と係合するようにかしめられた爪部１９に対し、そのかしめ力を緩める方向に作用する。具体的には、爪部１９はかしめ形状に基づいて爪部１９の厚さ方向への反力を受けることになる。この際、爪部１９を単にかしめただけの場合には、燃料電池セル２の膨張・収縮に基づく反力を、爪部１９の例えば１ｍｍ程度の厚さだけで受けることになるため、爪部１９によるかしめ力が緩みやすい。

この実施形態の燃料電池１においては、上述したように傾斜形状とした爪部先端１９ａを、それと合致する傾斜状の底部形状を有するかしめ受け部２０に係合させているため、図７に矢印で示すように、燃料電池セル２の膨張・収縮に基づく反力を爪部１９の幅方向でも受けることになる。言い換えると、爪部１９への反力を傾斜係合させた爪部先端１９ａとかしめ受け部２０とによって、爪部１９の幅方向に逃がすことができる。

爪部１９は例えば２〜８ｍｍ程度の幅を有するため、上記した１ｍｍ程度の厚さに比べて、例えば下記の断面２次モーメント（Ｉ）の関係式より、明らかに耐力に優れることが分かる。すなわち、横方向の長さをｂ、縦方向の長さをｈとしたとき、断面２次モーメントＩは下記の式で表される。
Ｉ＝ｂｈ³／12
従って、爪部１９によるかしめ力の緩みを抑制することが可能となる。

傾斜形状を有する爪部先端１９ａとそれと合致する傾斜底部形状を有するかしめ受け部２０とによって、爪部１９によるかしめ力の緩みを抑制する上で、爪部１９の先端角αは
４５〜７５度の範囲とすることが好ましい。爪部１９の先端角αが７５度を超えると、爪部先端１９ａとかしめ受け部２０との傾斜係合に基づく爪部１９の剛性を向上させる効果を十分に得ることができない。一方、爪部１９の先端角αを４５度未満に設定した場合には、爪部１９の機械的強度等が低下してかしめ力自体が劣化するおそれがある。

上述したように、爪部先端１９ａとかしめ受け部２０とを傾斜係合させることによって、燃料電池セル２の膨張・収縮に基づく反力を爪部１９の厚さに加えて、爪部１９の幅方向の剛性で受けることができ、さらに傾斜面間のずれに基づいて爪部１９の幅方向に逃がすことができる。これらによって、爪部１９によるかしめ力（固定力）が緩むことを抑制することができるため、カバープレート１７による燃料電池セル２と燃料収容部３との固定力を長期間にわたって安定して維持することが可能となる。従って、長期間にわたって信頼性や特性安定性等を維持することが可能な燃料電池１を提供することができる。

図３ないし図７ではかしめ受け部２０を溝部２１の底面に設けた構造を示したが、かしめ受け部２０は図８および図９に示すように、燃料収容部３の外周面に設けたフランジ部２２に直接形成するようにしてもよい。すなわち、図８および図９に示す燃料収容部３は、かしめられた爪部１９を受けるフランジ部２２のフランジ面に、爪部先端１９ａの傾斜形状と合致する傾斜底部形状を有する凹部状のかしめ受け部２０が形成されている。このようなかしめ受け部２０で爪部１９を受けることによっても、爪部１９によるかしめ力の緩みを抑制することができる。従って、カバープレート１７による燃料電池セル２と燃料収容部３との固定力を長期間にわたって安定して維持することが可能となる。

上述した構成を有するパッシブ型ＤＭＦＣ１においては、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を透過して燃料電池セル２に供給される。燃料電池セル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)式に示すメタノールの内部改質反応を生じさせる。
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)式に示す反応を生じさせる。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)

なお、本発明は燃料収容部に収容した液体燃料を燃料電池セルの燃料極に供給する燃料電池であればその方式や機構等に何等限定されるものではないが、特に小型化が進められているパッシブ型ＤＭＦＣに好適である。

本発明の実施形態による燃料電池の概略構成を示す斜視図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図１に示す燃料電池の一部を拡大して示す断面図である。 図１に示す燃料電池におけるカバープレートの爪部を拡大して示す正面図であって、（ａ）は爪部をかしめる前の状態を示す図、（ｂ）は爪部をかしめた状態を示す図である。 図１に示す燃料電池の燃料収容部の一部を拡大して示す断面図である。 図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 図３のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 図３に示す燃料電池の変形例を示す断面図である。 図８のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。

符号の説明

１…パッシブ型ＤＭＦＣ、２…燃料電池セル、３…燃料収容部、３ａ…開口部、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、１４…保湿層、１２，１３…Ｏリング、１５…表面層、１７…カバープレート、１９…爪部、１９ａ…爪部先端、２０…かしめ受け部、２１…溝部、２２…フランジ部。

Claims (8)

1. 燃料極と、空気極と、前記燃料極と前記空気極とに挟持された電解質膜とを有する膜電極接合体と、
   前記膜電極接合体の前記燃料極側に配置され、前記燃料極と対向する面に設けられた開口部を介して液体燃料を前記燃料極に供給する燃料収容部と、
   前記膜電極接合体の前記空気極側から取り付けられるカバープレート本体と、前記カバープレート本体の周縁部に設けられ、前記膜電極接合体と前記燃料収容部とを挟み込むように、前記膜電極接合体の端面および前記燃料収容部の壁面に沿って折り曲げつつかしめる爪部とを有するカバープレートとを具備し、
   前記爪部の先端を傾斜形状とすると共に、前記燃料収容部に前記爪部先端の傾斜形状と係合する底部形状を有するかしめ受け部を設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   前記カバープレートは複数の爪部を備え、かつ前記燃料収容部は前記複数の爪部に対応する複数の前記かしめ受け部を備えることを特徴とする燃料電池。
3. 請求項２記載の燃料電池において、
   前記膜電極接合体と前記燃料収容部とは同一矩形の平面形状を有し、前記複数の爪部は前記矩形の少なくとも対向する二辺に相当する部分に設けられていると共に、前記対向する二辺を少なくとも挟み込むようにかしめられていることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池において、
   前記燃料収容部はかしめられた前記爪部と係合する溝部を有し、前記かしめ受け部は前記溝部の底面に設けられていることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の燃料電池において、
   前記燃料収容部はかしめられた前記爪部を受けるフランジ部を有し、前記かしめ受け部は前記フランジ部のフランジ面に設けられていることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の燃料電池において、
   前記膜電極接合体の前記燃料極と前記燃料収容部との間に配置され、前記燃料収容部から気化した前記液体燃料の気化成分を通過させる気液分離膜を具備することを特徴とする燃料電池。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の燃料電池において、
   前記膜電極接合体の前記空気極上に順に配置された保湿層および表面層を具備し、前記カバープレートは前記表面層上から取り付けられていることを特徴とする燃料電池。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項記載の燃料電池において、
   前記液体燃料はメタノール燃料であることを特徴とする燃料電池。

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