JP2010027594A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電セル、この発電セルを保持するセル保持体、燃料発生部等を備えた燃料電池に関し、特にモバイル機器(携帯機器)等に使用する燃料電池として有用である。 The present invention relates to a fuel cell including a power generation cell, a cell holder that holds the power generation cell, a fuel generation unit, and the like, and is particularly useful as a fuel cell used for mobile devices (portable devices) and the like.
近年のITの発展に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等のモバイル機器のほとんどの電源は、リチウムイオン二次電池が用いられている。しかし、これらのモバイル機器の高機能化に伴い、消費電力がますます増加する傾向にあり、その電源用あるいは充電用としてクリーンで高効率な燃料電池に注目が集まっている。 With the development of IT in recent years, lithium-ion secondary batteries are used for most power sources of mobile devices such as mobile phones, notebook computers, and digital cameras. However, as these mobile devices become highly functional, power consumption tends to increase more and more, and attention is focused on clean and highly efficient fuel cells for power supply or charging.
特に、ノートパソコンや携帯電話のような携帯機器に使用する場合に、携帯性あるいは小型化を維持できるような構造が望まれる。このため、燃料電池を構成するためには、発電セルや燃料ガス発生部などの各部を効率よく配置する必要がある。 In particular, when used in a portable device such as a notebook computer or a mobile phone, a structure that can maintain portability or downsizing is desired. For this reason, in order to comprise a fuel cell, it is necessary to arrange | position efficiently each part, such as a power generation cell and a fuel gas generation part.
携帯性あるいは小型化した燃料電池は、本出願人による下記特許文献1により公知である。この燃料電池は、本体部の外観を形成し、少なくとも異方向に臨ませてなる壁面部から構成される本体部ケースと、壁面部に沿って配置される支持基板と、この支持基板に搭載される発電用の単位セル(発電セル)と、この発電セルに供給する水素ガス等の燃料ガスを発生する燃料ガス発生ユニットとを備えている。この燃料ガス発生ユニットは本体部ケースに対して着脱可能に構成されている。
A portable or miniaturized fuel cell is known from the following
この燃料ガス発生ユニットは、水素発生剤である金属(純鉄)を収容した金属収容部(燃料発生部に相当)と、反応液である水を収容した水収容部により構成されている。水収容部内の反応液を金属収容部内の金属へ吸水紙により供給することで両者が反応し水素ガスが発生する仕組みを採用している。 This fuel gas generation unit is composed of a metal storage part (corresponding to a fuel generation part) containing metal (pure iron) as a hydrogen generating agent and a water storage part containing water as a reaction liquid. A mechanism is adopted in which the reaction liquid in the water storage part is supplied to the metal in the metal storage part by water-absorbing paper, whereby both react to generate hydrogen gas.
しかしながら、上記燃料ガス発生ユニットは、水収容部と金属収容部が同じ容器の中に設けられているため、両者を別々に分離することができない。水や金属は消耗品であるから、消耗した後は、交換する必要がある。この交換時(燃料ガス発生ユニットを本体部ケースから取り外したとき)に、吸水紙により常に水収容部と金属収容部が連結された状態であると、燃料ガス発生ユニットを本体部ケース(発電セル)に装着する前に水素ガスが発生し、無駄が生じる。 However, in the fuel gas generation unit, since the water storage portion and the metal storage portion are provided in the same container, both cannot be separated separately. Since water and metals are consumables, they must be replaced after they are consumed. At the time of this replacement (when the fuel gas generation unit is removed from the main body case), if the water storage portion and the metal storage portion are always connected by the absorbent paper, the fuel gas generation unit is connected to the main body case (power generation cell). ) Hydrogen gas is generated before being mounted, and waste occurs.
水収容部から金属収容部への水の供給をポンプにより制御する構成も考えられるが、構成が複雑化するとともにコストアップとなるため問題である。 Although the structure which controls supply of the water from a water accommodating part to a metal accommodating part with a pump is also considered, since a structure becomes complicated and it becomes a cost increase, it is a problem.
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、反応液収容部と燃料発生部を別々に分離でき、消耗品の交換時に無駄な燃料ガスが発生させることのない燃料電池を提供することである。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its problem is to provide a fuel cell in which the reaction liquid storage unit and the fuel generation unit can be separated separately, and wasteful fuel gas is not generated when exchanging consumables. Is to provide.
上記課題は次の如き本発明により達成できる。 The above object can be achieved by the present invention as follows.
すなわち、本発明の燃料電池は、一方の表面から燃料ガスが供給され、他方の表面から酸素が供給されることで発電を行う発電セルと、
その発電セルを前記一方の表面を内部に向けて保持することで、前記発電セルと共に内部空間を形成するセル保持体と、
そのセル保持体の前記内部空間に配置され、反応液と反応して燃料ガスを発生するガス発生剤を収容してある燃料発生部と、
その燃料発生部の外側に一端が設けられた反応液導入部材を介して反応液を燃料発生部内のガス発生剤へと導く反応液導入機構と、を備えることを特徴とする。
That is, the fuel cell of the present invention includes a power generation cell that generates power by supplying fuel gas from one surface and oxygen from the other surface;
A cell holder that forms an internal space with the power generation cell by holding the power generation cell with the one surface facing inward,
A fuel generating unit that is disposed in the internal space of the cell holder and contains a gas generating agent that reacts with a reaction solution to generate a fuel gas;
And a reaction liquid introduction mechanism that guides the reaction liquid to a gas generating agent in the fuel generation part via a reaction liquid introduction member having one end provided on the outside of the fuel generation part.
本発明の燃料電池によると、燃料発生部で発生した燃料ガスが、セル保持体の内部空間に放出されて、発電セルの一方の表面から供給され、他方の表面から空気中の酸素が供給されるため、発電セル間の配管や燃料発生部からの配管を使用せずに発電を行うことができる。また、内部空間に燃料発生部を配置できるため、省スペース化を図ることができる。更に燃料発生部の外側に一端が設けられた反応液導入部材を設けているため、これ介して反応液を燃料発生部内のガス発生剤へと導くことができる。このような反応液導入機構を設けているため、例えば反応液を収容する反応液収容カートリッジを着脱自在にして、そこから反応液を供給したり、又は上部が開放された容器に入れた反応液に反応液導入部材を接触させて、反応液を供給することができる。なお、本発明において、発電セルは1つでもよいし複数でもよい。 According to the fuel cell of the present invention, the fuel gas generated in the fuel generator is discharged into the internal space of the cell holder and supplied from one surface of the power generation cell, and oxygen in the air is supplied from the other surface. Therefore, power generation can be performed without using piping between the power generation cells or piping from the fuel generation unit. Further, since the fuel generating part can be arranged in the internal space, space saving can be achieved. Furthermore, since the reaction liquid introduction member having one end is provided outside the fuel generation part, the reaction liquid can be guided to the gas generating agent in the fuel generation part through this. Since such a reaction liquid introduction mechanism is provided, for example, a reaction liquid storage cartridge for storing the reaction liquid is made detachable, and the reaction liquid is supplied from there, or the reaction liquid is put in a container having an open top. The reaction liquid can be supplied by bringing the reaction liquid introduction member into contact therewith. In the present invention, there may be one power generation cell or a plurality of power generation cells.
上記において、前記セル保持体に対して着脱自在であり前記反応液を収容する反応液収容カートリッジを更に備えると共に、前記反応液導入機構は、前記反応液収容カートリッジに形成された導出部を備え、前記反応液収容カートリッジを前記セル保持体に対して装着したときに、前記反応液導入部材が前記導出部に接触又は挿入されることで、反応液が前記反応液導入部材を介してガス発生剤へ供給されることが好ましい。 In the above, it further includes a reaction liquid storage cartridge that is detachable from the cell holder and stores the reaction liquid, and the reaction liquid introduction mechanism includes a lead-out portion formed in the reaction liquid storage cartridge, When the reaction liquid storage cartridge is attached to the cell holder, the reaction liquid introduction member is brought into contact with or inserted into the lead-out portion, so that the reaction liquid is passed through the reaction liquid introduction member to generate a gas generating agent. It is preferable to be supplied to.
この構成によると、反応液導入部材は燃料発生部に設けられており、反応液収容カートリッジを取り外した時には、燃料発生部と完全に切り離すことができる。したがって、無駄に燃料ガスが発生することがない。また、反応液収容カートリッジを装着したときには、反応液導入部材が反応液収容カートリッジに形成された導出部に接触又は挿入される。これにより、反応液が前記反応液導入部材を介してガス発生剤へ供給されるので、ガス発生剤と反応液との反応により、燃料ガスが発生することになる。その結果、反応液収容部(カートリッジ)と燃料発生部を別々に分離でき、消耗品の交換時に無駄な燃料ガスが発生させることのない燃料電池を提供することができた。 According to this configuration, the reaction liquid introduction member is provided in the fuel generation section, and can be completely separated from the fuel generation section when the reaction liquid storage cartridge is removed. Therefore, fuel gas is not generated unnecessarily. Further, when the reaction liquid storage cartridge is mounted, the reaction liquid introduction member is brought into contact with or inserted into the lead-out portion formed in the reaction liquid storage cartridge. Accordingly, since the reaction liquid is supplied to the gas generating agent via the reaction liquid introducing member, fuel gas is generated by the reaction between the gas generating agent and the reaction liquid. As a result, it is possible to provide a fuel cell in which the reaction liquid storage unit (cartridge) and the fuel generation unit can be separated separately, and wasteful fuel gas is not generated when consumables are replaced.
本発明では、前記燃料発生部は、水を含む反応液と反応して水素ガスを発生する水素発生剤を収容してあることが好ましい。 In this invention, it is preferable that the said fuel generation part accommodates the hydrogen generating agent which reacts with the reaction liquid containing water and generate | occur | produces hydrogen gas.
本発明に係る反応液導入部材は、吸水性を有するシート状部材であることが好ましい。シート状部材により構成することで小スペース化することができ小型化に寄与できる。また、シート状部材が給水性を有することで、毛細管現象を利用して反応液を供給することができる。したがって、ポンプ等のアクチュエータを用いることなく、反応液を供給することができ、構成の簡素化及びコストダウンに寄与することができる。 The reaction liquid introducing member according to the present invention is preferably a sheet-like member having water absorption. By using a sheet-like member, the space can be reduced, which can contribute to downsizing. Moreover, a reaction liquid can be supplied using a capillary phenomenon because a sheet-like member has water supply. Therefore, the reaction liquid can be supplied without using an actuator such as a pump, which can contribute to simplification of the configuration and cost reduction.
また、前記反応液導入機構は、吸水性を有するシート状部材である反応液導入部材の一端の表面と、前記反応液収容カートリッジに形成された吸水性を有するシート状部材からなる導出部の表面と、を接触させるものであることが好ましい。このように構成すると、反応液収容カートリッジの着脱によって、シート状部材同士が非接触又は接触状態の何れかとなるため、反応液導入機構によってより安定した反応液の供給が可能となる。 The reaction liquid introduction mechanism includes a surface of one end of a reaction liquid introduction member that is a sheet-like member having water absorption, and a surface of a lead-out portion that is formed of the water-absorbing sheet-like member formed in the reaction liquid storage cartridge. Are preferably brought into contact with each other. If comprised in this way, since a sheet-like member will be in a non-contact state or a contact state by attachment or detachment of a reaction liquid accommodation cartridge, supply of the reaction liquid more stably by the reaction liquid introduction mechanism is attained.
また、前記セル保持体と前記反応液収容カートリッジの装着部分は入れ子構造になっており、かつ、前記装着部分に防水シールを設けてあることが好ましい。装着部分を入れ子構造として、防水シールを設けることで、反応液が反応液収容カートリッジ外に不用意に漏れることを防止することができる。 Moreover, it is preferable that the mounting part of the cell holding body and the reaction liquid storage cartridge has a nested structure, and that the mounting part is provided with a waterproof seal. By providing the mounting portion as a nested structure and providing a waterproof seal, it is possible to prevent the reaction solution from inadvertently leaking outside the reaction solution storage cartridge.
あるいは、前記セル保持体は、前記発電セルと共に扁平な函体を構成し、その函体の対向面の片面または両面に前記発電セルが配置されていることが好ましい。これにより、発電セルを同一平面に配置した偏平な形状の燃料電池を形成することができる。このような燃料電池は、電力を供給する装置内に内蔵する際に特に有利となる。 Or it is preferable that the said cell holding body comprises a flat box with the said power generation cell, and the said power generation cell is arrange | positioned on the single side | surface or both surfaces of the opposing surface of the box. Thereby, a flat fuel cell in which the power generation cells are arranged on the same plane can be formed. Such a fuel cell is particularly advantageous when incorporated in a device for supplying electric power.
さらに、前記発電セルは、その複数個が相互に電気的に接続された状態でインサート成形により、前記セル保持体と共に一体に成形されていることが好ましい。本発明では、発電セル間(複数の発電セルを設ける場合)の配管が必要ないため、相互に電気的に接続された状態でインサート成形することができ、これにより発電セルをセル保持体と共に一体に成形することで、簡易な製法によってセル保持体の内部空間を形成することができる。 Furthermore, it is preferable that the power generation cells are integrally formed with the cell holder by insert molding in a state where a plurality of the power generation cells are electrically connected to each other. In the present invention, since piping between power generation cells (when a plurality of power generation cells are provided) is not necessary, insert molding can be performed while being electrically connected to each other, whereby the power generation cells are integrated with the cell holder. By forming into a shape, the internal space of the cell holder can be formed by a simple manufacturing method.
本発明における反応液収容カートリッジ内の反応液は弾性を有する吸水体に保持され、反応液収容カートリッジの前記装着時に反応液導入部材の先端部が前記吸水体を押圧することが好ましい。弾性を有する吸水体としては、脱脂綿、スポンジ、ウレタンの発泡体などがあり、これらにより反応液を保持する。反応液収容カートリッジの装着時に反応液導入部材の先端部が吸水体を押し付けることで、吸水体から反応液導入部材への反応液の伝達が容易に行われる。 It is preferable that the reaction liquid in the reaction liquid storage cartridge in the present invention is held by an elastic water absorbing body, and the tip of the reaction liquid introduction member presses the water absorption body when the reaction liquid storage cartridge is mounted. Examples of the water-absorbing body having elasticity include absorbent cotton, sponge, urethane foam, and the like, which hold the reaction liquid. The tip of the reaction liquid introduction member presses the water absorption body when the reaction liquid storage cartridge is mounted, so that the reaction liquid can be easily transmitted from the water absorption body to the reaction liquid introduction member.
また、本発明における反応液収容カートリッジ内の反応液は吸水体に保持され、この吸水体の表面を吸水シートでカバーし、反応液収容カートリッジの前記装着時に反応液導入部材の先端部が前記吸水体を押圧することが好ましい。この構成によると、反応液収容カートリッジの装着時に反応液導入部材の先端部が吸水シートを押し付けることで、吸水体に保持されている反応液を吸水シートおよび反応液導入部材を介して伝達することができる。 Further, the reaction liquid in the reaction liquid storage cartridge in the present invention is held by a water absorbent, the surface of the water absorbent is covered with a water absorbent sheet, and the tip of the reaction liquid introduction member is the water absorbent when the reaction liquid storage cartridge is mounted. It is preferable to press the body. According to this configuration, the tip of the reaction liquid introduction member presses the water absorption sheet when the reaction liquid storage cartridge is mounted, thereby transmitting the reaction liquid held by the water absorbent through the water absorption sheet and the reaction liquid introduction member. Can do.
上記において、吸水体としては、脱脂綿、スポンジ、ウレタンなどがあり、吸水シートとしては、濾紙、不織布等がある。例えば、吸水体として脱脂綿を用いた場合、反応液の伝達方向が特定の方向に限定されることがあり、脱脂綿のある領域に保持されている反応液が外部へ取り出せないことがありうる。かかる場合、吸水体の表面を吸水シートでカバーすることで、上記領域に保持されたままの反応液を、吸水シートを介して反応液導入部材へと伝達させることができる。これにより、吸水体に保持されている反応液を無駄なく消費することができる。 In the above, examples of the water absorbent include absorbent cotton, sponge, and urethane, and examples of the water absorbent sheet include filter paper and nonwoven fabric. For example, when absorbent cotton is used as the water absorbent body, the direction in which the reaction liquid is transmitted may be limited to a specific direction, and the reaction liquid held in an area where the absorbent cotton is present may not be taken out. In such a case, by covering the surface of the water absorbing body with the water absorbing sheet, the reaction liquid held in the region can be transmitted to the reaction liquid introducing member via the water absorbing sheet. Thereby, the reaction liquid currently hold | maintained at the water absorption body can be consumed without waste.
本発明に係る燃料電池の好適な実施形態を図面を用いて説明する。図1は、本発明の燃料電池の一例を示す図であり、(a)は斜視図、(b)は平面図、(c)は金属板の構成を示す斜視図、図2(a)は図1(b)のI−I断面図、図2(b)は同じくII−II断面図である。 A preferred embodiment of a fuel cell according to the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B are diagrams showing an example of a fuel cell according to the present invention, in which FIG. 1A is a perspective view, FIG. 1B is a plan view, FIG. 1C is a perspective view showing a configuration of a metal plate, and FIG. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line II, and FIG. 2B is a cross-sectional view taken along the line II-II.
<発電セルの構成>
本発明の燃料電池は、図1に示すように、複数の単位セルC1〜C4(以下、各単位セルを区別する必要がない場合は、単位セルCと表記する。)を備え、いずれかの単位セルCと他の単位セルCの導電層同士を、接続部により電気的に接続している。本実施形態では、例えば、単位セルC1の第1導電層(第1金属層4)と、それに隣接する単位セルC2の第2導電層(第2金属層5)とを電気的に接続(直列接続)する例を示すが、本発明では、何れかの単位セルCと他の単位セルCとを並列接続することも可能である。その場合、何れかの単位セルCと他の単位セルCの第1導電層同士及び第2導電層同士が電気的に接続される。もちろん、並列接続と直列接続とを組み合わせることも可能である。
<Configuration of power generation cell>
As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present invention includes a plurality of unit cells C1 to C4 (hereinafter referred to as unit cell C when it is not necessary to distinguish each unit cell). The conductive layers of the unit cell C and the other unit cells C are electrically connected by a connection portion. In the present embodiment, for example, the first conductive layer (first metal layer 4) of the unit cell C1 and the second conductive layer (second metal layer 5) of the unit cell C2 adjacent thereto are electrically connected (in series). In the present invention, any unit cell C and another unit cell C can be connected in parallel. In that case, the first conductive layers and the second conductive layers of any unit cell C and the other unit cell C are electrically connected. Of course, it is also possible to combine parallel connection and series connection.
なお、接続する単位セルCの数としては、要求される電圧又は電流に応じて、設定することが可能である。本実施形態では4つの単位セルC1〜C4を接続する例を示すが、単位セルCは1つでもよく、5つ以上であってもよい。例えば、8つの単位セルを用いて、2個ずつペアで並列接続して4つのペアを作り、各ペアを直列接続することができる。この場合、4つの単位セルを直列接続する構成に対して、電圧は同じであるが電流量を2倍にすることができる。 The number of unit cells C to be connected can be set according to the required voltage or current. In the present embodiment, an example in which four unit cells C1 to C4 are connected is shown, but the number of unit cells C may be one, or five or more. For example, using eight unit cells, two pairs can be connected in parallel to form four pairs, and each pair can be connected in series. In this case, with respect to the configuration in which four unit cells are connected in series, the voltage is the same, but the amount of current can be doubled.
本発明における各々の単位セルCは、固体高分子電解質層1と、この固体高分子電解質層1の両側に設けられた第1電極層2及び第2電極層3と、これら電極層2,3の更に外側に各々配置された第1導電層及び第2導電層とを有する。本実施形態では、第1導電層及び第2導電層が、第1電極層2及び第2電極層3を部分的に露出させる露出部を有する第1金属層4及び第2金属層5とからなる例を示す。
Each unit cell C in the present invention includes a solid
なお、導電層の材質としては、金属、導電性高分子、導電性ゴム、導電性繊維、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。 Examples of the material for the conductive layer include metals, conductive polymers, conductive rubbers, conductive fibers, conductive pastes, and conductive paints.
固体高分子電解質層1としては、従来の固体高分子膜型の燃料電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン(登録商標)が好適に用いられる。その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
The solid
固体高分子電解質層1の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、10〜300μmが使用可能であるが、25〜50μmが好ましい。
The thinner the solid
電極層2,3は、固体高分子電解質層1の表面付近でアノード側およびカソード側の電極反応を生じさせるものであれば何れでもよい。なかでも、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガス、燃料液、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが好適に使用できる。電極層2,3としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質層1と接する内面側に少なくとも担持させるのが好ましい。
The electrode layers 2 and 3 may be any as long as they cause an electrode reaction on the anode side and the cathode side near the surface of the solid
電極層2,3の電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。また、固体高分子電解質層1に触媒を直接付着させたり、カーボンブラックなどの導電性粒子に担持させて固体高分子電解質層1に付着させた電極層2,3を用いることも可能である。
As the electrode substrate of the electrode layers 2 and 3, for example, conductive carbon such as carbon paper, fibrous carbon such as carbon fiber nonwoven fabric, and an aggregate of conductive polymer fibers can be used. It is also possible to use the electrode layers 2 and 3 that are attached to the solid
一般に、電極層2,3は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。 In general, the electrode layers 2 and 3 are prepared by adding a water-repellent substance such as a fluororesin to such a conductive porous material. When the catalyst is supported, a catalyst such as platinum fine particles and fluorine It is formed by mixing a water-repellent substance such as a resin, mixing it with a solvent to form a paste or ink, and then applying this to one side of an electrode substrate that should face the solid polymer electrolyte membrane. The
一般に、電極層2,3や固体高分子電解質層1は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。なお、還元ガスの代わりにメタノール等の燃料液を使用することも可能である。
In general, the electrode layers 2 and 3 and the solid
例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気が自然供給される側のカソード側の第2電極層3(本明細書では、アノード側を第1電極層、カソード側を第2電極層と仮定する)では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞(フラッディング)現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。
For example, when hydrogen gas and air are used, the
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも1種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。 As the catalyst, at least one metal selected from platinum, palladium, ruthenium, rhodium, silver, nickel, iron, copper, cobalt and molybdenum, or an oxide thereof can be used. A supported one can also be used.
電極層2,3の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、1〜500μmが好ましく、100〜300μmがより好ましい。電極層2,3と固体高分子電解質層1とは、予め接着、融着、又は塗布形成等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、膜/電極接合体(Membrane Electrode Assembly:MEA)として入手することもでき、これを使用してもよい。
The thickness of the electrode layers 2 and 3 is more effective for reducing the overall thickness as the thickness is reduced. However, in consideration of electrode reaction, strength, handling property, etc., 1 to 500 μm is preferable, and 100 to 300 μm is more preferable. The electrode layers 2 and 3 and the solid
本発明では、第1電極層2及び第2電極層3の外形が固体高分子電解質層1の外形より小さいものでもよいが、第1電極層2及び第2電極層3の外形と固体高分子電解質層1の外形とが同じであることが好ましい。電極層の外形と固体高分子電解質層の外形とが同じであると、電極板と固体高分子電解質の積層体を打ち抜いて、固体高分子電解質・電極・接合体を製造することができ、量産効果により当該接合体のコストを低減することができる。また、電極層の外周より金属層の外周が内側に形成されていることで、電極層の外周及び固体高分子電解質層の外周をより確実に封止することができる。
In the present invention, the outer shape of the
アノード側電極層2の表面にはアノード側の第1金属層4が配置され、カソード側電極層3の表面にはカソード側の第2金属層5が配置される(本明細書では、アノード側を第1金属層、カソード側を第2金属層と仮定する)。第1金属層4は、第1電極層2を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、アノード側金属層4には燃料ガス等を供給するための開孔4aが設けられている例を示す。
A
第1金属層4の露出部は、アノード側電極層2が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。アノード側金属層4の開孔4aは、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔4aを設けたり、第1金属層4を櫛形電極のような形状にしてアノード側電極層2を露出させてもよい。開孔4a部分の面積が締める割合(開孔率)は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、10〜50%が好ましく、15〜30%がより好ましい。
The exposed portion of the
また、カソード側の第2金属層5は、第2電極層3を部分的に露出させる露出部を有するが、本実施形態では、カソード側金属層5には、空気中の酸素を供給(自然吸気)するための多数の開孔5aが設けられている例を示す。開孔5aは、カソード側電極層3が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。カソード側金属層5の開孔5aは、例えば、規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開孔5aを設けたり、第2金属層5を櫛形電極のような形状にしてカソード側電極層3を露出させてもよい。開孔5a部分の面積が締める割合(開孔率)は、電極との接触面積とガスの供給面積のバランスなどの観点から、10〜50%が好ましく、15〜30%がより好ましい。
Further, the
金属層4,5としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用でき、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、導電性、コスト、形状付与性、加圧のための強度などの観点から、銅、銅合金、ステンレス板などが好ましい。また、上記の金属に金メッキなどの金属メッキを施したものでもよい。
As the
なお、金属層4,5の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、導電性、コスト、重量、形状付与性、加圧のための強度などを考慮すると、10〜1000μmが好ましく、50〜200μmがより好ましい。
In addition, although the thickness of the
本発明では、電極層2,3と金属層4,5とを良好に樹脂で一体化する観点から、第1電極層2の外周より、第1金属層4の外周が内側に形成されていることが好ましく、第2電極層3の外周より、第2金属層5の外周が内側に形成されていることが好ましい。なお、第1電極層2の外周より、第1金属層4の外周が外側に形成されていてもよく、第2電極層3の外周より、第2金属層5の外周が外側に形成されていてもよい。
In the present invention, from the viewpoint of satisfactorily integrating the electrode layers 2 and 3 and the
金属層4及び金属層5は、少なくとも一部が樹脂から露出することにより、その部分を電極として電気を外部に取り出すことができる。このため、樹脂成形体6に対して、金属層4及び金属層5を一部露出させた端子部を設けてもよいが、本発明では、直列接続の場合には、その両端の単位セルCの金属層4又は金属層5が、単位セルCの電極となる突出部4b,5bを備え、これが樹脂成形体6から外部に出ていることが好ましい。この突出部4b,5bは、インサート成形を行う際に、金属層4,5等(積層物L)を成形型内に保持するためにも利用できる。
When at least a part of the
金属層4及び金属層5の形成や開孔5a、4aの形成は、プレス加工(プレス打ち抜き加工)を利用して行うことができる。また、金属層4及び金属層5の突出部4b,5bには、樹脂の流動や密着性を良好にする目的で、インサート成形される部分に貫通孔を設けてもよい。更に、接続や固定を良好に行うために、突出部4b,5bの露出した部分に貫通孔を設けてもよい。
The formation of the
本発明の燃料電池は、図1に示すように、何れかの単位セルCと他の単位セルCの導電層同士を電気的に接続する接続部Jを備えているが、直列接続の場合、何れかの単位セルCの第1導電層と他の単位セルCの第2導電層とが電気的に接続される。本実施形態では、隣り合う前記単位セルCの一方の第1導電層(金属層4)と、他方の第2導電層(金属層5)と、接続部Jとが、連続する金属板(一体化した単一の金属部品)からなる金属層で形成されている例を示す。 As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present invention includes a connection portion J that electrically connects the conductive layers of any unit cell C and other unit cells C. The first conductive layer of any unit cell C and the second conductive layer of another unit cell C are electrically connected. In the present embodiment, one first conductive layer (metal layer 4) of the adjacent unit cell C, the other second conductive layer (metal layer 5), and the connection portion J are formed from a continuous metal plate (integrated). An example in which the metal layer is formed of a single metal part).
この実施形態では、各単位セルC1〜C4が直列に接続されているため、金属層の突出部4b,5bは、それぞれ単位セルC1と単位セルC4とにだけ設けられている。
In this embodiment, since the unit cells C1 to C4 are connected in series, the protruding
第1金属層4及び第2金属層5を接続部Jを介して一体化した金属板は、隣り合う単位セルC同士を直列に接続するための部材である。第1金属層4及び第2金属層5を独立して配置する代わりに、この一体化した金属板を用いることにより、これを成形型10内に配置するだけで、単位セルC1〜C4が直列に接続された燃料電池を製造することができる(図4参照)。
The metal plate in which the
金属板は、図1(c)に示すように、相互に平行な面内に隣接して配置された第1金属層4及び第2金属層5が、同じ面内で外側に各々延設された延出部4j,5jを有しており、延出部4j,5jを段差部4sによって連結一体化してある。このような段差部は、金属板を板金加工することで作製することができる。なお、並列接続を行う場合、例えば、同じ面内に隣接して配置された第1金属層4同士(又は第2金属層5同士)が、延設された延出部により連結一体化した金属板を使用することができる。また、接続部Jは、部分的に樹脂成形体6の外部に突出した形状となっている。
As shown in FIG. 1C, the metal plate includes a
突出部4b,5bは、不図示の回路部に接続されて出力電圧として取り出すことができる。また、接続部Jについては、上記回路部に接続することで、中間的な電位のモニターを行うことができる。
The protruding
この実施形態では、接続部Jが部分的に樹脂成形体6の外部に突出する形状となっているが、接続部Jが中央に段差部を有する長方形となっていてもよい。後述のように、インサート形成する際には、積層物を成形型内に位置固定する必要があり、位置固定の際には接続部Jが部分的に樹脂成形体6の外部に突出する形状であることが好ましい。
In this embodiment, the connecting portion J has a shape that partially protrudes to the outside of the resin molded
接続部Jは、隣り合う単位セルC同士を直列に接続するものであり、第1金属層4及び第2金属層5と一体化した金属板になっている。第1金属層4及び第2金属層5を独立して配置する代わりに、この金属板を用いることにより、これを成形型内に配置するだけで、単位セルCが直列に接続された燃料電池を製造することができる。
The connecting portion J connects adjacent unit cells C in series, and is a metal plate integrated with the
<樹脂成形体>
本発明の燃料電池は、図1に示すように、以上のような単位セルC及び接続部Jをインサート成形により一体化した樹脂成形体6を備えている。樹脂成形体6は、第1電極層2及び第2電極層3に気体又は液体を供給するための供給部を有することが好ましく、この供給部は、第1金属層4又は第2金属層5の露出部に対応する位置に設けられた開孔6aであることが好ましい。
<Resin molding>
As shown in FIG. 1, the fuel cell of the present invention includes a resin molded
本実施形態では、前記第1電極層2及び第2電極層3が開孔6aから露出するように、前記第1金属層4及び第2金属層5を両側から加圧した状態で、樹脂成形体6によりインサート成形して一体化してある例を示す。
In the present embodiment, resin molding is performed in a state where the
本発明では、金属層4,5の露出部に相当する開孔4a,5aの大きさが、樹脂成形体6の開孔6aの大きさより、大きくてもよく、同じ大きさでもよく、小さくてもよい。但し、第1金属層4及び/又は第2金属層5の露出部の大きさと、開孔6aの大きさとがほぼ等しくなるように、樹脂成形体6を成形してあることが好ましい。具体的には、各々の開孔6aの面積は、各々の露出部の面積の60〜150%が好ましく、80〜130%がより好ましい。
In the present invention, the size of the
本実施形態では、金属層4,5の露出部に相当する開孔4a,5aの大きさが、樹脂成形体6の開孔6aの大きさより小さい場合の例を示す。これにより金属層4,5の開孔4a,5aの周囲に対して、樹脂成形体6の開孔6aに相当する部分を利用して、成型時に加圧することができる(図2(c)参照)。
In the present embodiment, an example in which the size of the
樹脂成形体6の材質としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネート樹脂、ABS樹脂、液晶ポリマー、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、成形型内での樹脂の流動性、強度、溶融温度などの観点から、ポリエステル、ポリプロピレン、アクリル樹脂が好ましく、これらはアプリケーションによって選択することが可能である。
Examples of the material of the resin molded
樹脂成形体6としては、熱可塑性エラストマーやゴム等の樹脂エラストマーを用いることも可能である。その場合、他の材料にも可とう性の有るものを使用することで、燃料電池全体を可とう性にすることが可能である。
As the resin molded
樹脂成形体6の全体の厚みとしては、樹脂による一体化の強度や、金属層を加圧する圧力、薄型化などの観点から、0.3〜4mmが好ましく0.5〜2mmがより好ましい。特に、金属層を覆う部分の樹脂成形体6の厚みとしては、金属層を加圧する圧力の観点から、0.2〜1.5mmが好ましく、0.3〜1.0mmがより好ましい。
The overall thickness of the resin molded
樹脂成形体6の外形の面積としては、樹脂による一体化の強度や、金属層を加圧する圧力の観点から、固体高分子電解質層1の外形の面積の101〜200%が好ましく、150〜180%がより好ましい。
The area of the outer shape of the resin molded
樹脂成形体6の形状の一例を図3に示す。樹脂成形体6は、図3に示すように、開孔6aが形成される正面壁6b、この正面壁6bの左右両側に一体形成される側壁6c、底壁6dにより構成される。側壁6cと底壁6dが形成される後側に樹脂平板60を連結することで、扁平な函体(セル保持体に相当)とすることができる。樹脂平板60の材質は樹脂成形体6と同じとすることができ、両者の連結は接着やねじ等による機械的連結により行うことができる。
An example of the shape of the resin molded
なお、扁平な函体を形成するための樹脂成形体6や樹脂平板60の形状については、発電セルの個数や大きさ等に応じて、適宜変更することができる。例えば、発電セルCがインサート成形される樹脂成形体6を平板形状とし、樹脂平板60の側を側壁および底壁付きの形状としてもよい。
In addition, about the shape of the
本発明の燃料電池は、次のようにして燃料等を供給して発電させることができる。例えばカソード側は、そのまま大気開放にしておき、アノード側に設けた空間に水素ガス等の燃料を供給したり、アノード側に設けた空間内で水素ガス等の燃料を発生させることで発電を行うことができる。また、アノード側及び/又はカソード側に対して、流路を形成するための流路形成部材を取り付けて、その流路に酸素含有ガスや燃料を供給することも可能である。流路形成部材としては、例えば流路溝と供給口と排出口を設けた板状体や、スタック型燃料電池のセパレータと類似の構造のものが使用できる。後者を使用するとスタック型燃料電池を構成することができる。 The fuel cell of the present invention can generate power by supplying fuel or the like as follows. For example, the cathode side is left open to the atmosphere as it is, and power is generated by supplying fuel such as hydrogen gas to the space provided on the anode side or generating fuel such as hydrogen gas in the space provided on the anode side. be able to. It is also possible to attach a flow path forming member for forming a flow path to the anode side and / or the cathode side and supply an oxygen-containing gas or fuel to the flow path. As the flow path forming member, for example, a plate-like body provided with a flow path groove, a supply port, and a discharge port, or a structure similar to a separator of a stack type fuel cell can be used. When the latter is used, a stack type fuel cell can be constructed.
<燃料電池の製造方法(インサート成型)>
以上のような燃料電池は、例えば本発明の製造方法により製造することができる。即ち、本発明の燃料電池の製造方法は、図4(a)〜(d)に示すように、固体高分子電解質層1、その両側に配される第1電極層2及び第2電極層3、並びにそれらの外側に配される第1導電層及び第2導電層を含む積層物Lの複数を、何れかの積層物Lと他の積層物Lの導電層同士を接続部Jにより電気的に接続した状態で成形型10内に配置する工程を含む。直列接続の場合、隣り合う積層物Lの一方の第1導電層と他方の第2導電層とが接続され、並列接続の場合、隣り合う積層物Lの一方の第1導電層と他方の第1導電層とが接続されると共に、一方の第2導電層と他方の第2導電層とが接続される。
<Fuel cell manufacturing method (insert molding)>
The fuel cell as described above can be manufactured, for example, by the manufacturing method of the present invention. That is, the method for producing a fuel cell of the present invention comprises a solid
本実施形態では、第1導電層及び第2導電層が第1電極層2及び第2電極層3を部分的に露出させる露出部(例えば開孔4a,5a)を有する第1金属層4及び第2金属層5であり、その露出部が成形型10の凸部11a,12aにより閉塞した状態で成形型10内に配置する例を示す。
In this embodiment, the
単位セルCを構成する積層物Lは、その複数を同じ面内に並設してもよく、またL字型の2辺、正方形又は長方形の2辺〜4辺、三角形の2辺〜3辺などの各辺に配置してもよい。本実施形態では、2つの積層物Lを同じ面内に並設する例を示す。 A plurality of the laminates L constituting the unit cell C may be arranged side by side in the same plane, L-shaped two sides, square or rectangular two to four sides, triangular two to three sides It may be arranged on each side. In the present embodiment, an example in which two laminates L are arranged in the same plane is shown.
また、本発明の燃料電池の製造方法は、上記の成形型10内に樹脂を注入することで、積層物L及び前記接続部Jを一体化する樹脂成形体6を成形する工程を含む。本実施形態では、第1金属層4及び第2金属層5を両側から加圧した状態で、その成形型10内に樹脂を注入することで、第1電極層2及び第2電極層3に気体又は液体を供給するための供給部を有し、積層物Lを一体化する樹脂成形体6を成形する工程を含む例を示す。つまり、前記供給部に相当する開孔6aを除いて、積層物Lのほぼ全体を樹脂成形体6で覆う例を示す。
In addition, the method for manufacturing a fuel cell according to the present invention includes a step of molding a resin molded
まず、例えば、図4(a)に示すように、各々の単位セルCの形成領域の底面に、凸部11aを有する下金型11を準備する。本実施形態では、成形型10を分割構造にして分割した型部材の内面に凸部11a,12aを設け、その凸部11a,12aを第1金属層4及び第2金属層5圧接させる場合の例を示す。凸部11aは、積層物Lの下側の第1金属層4の開孔4aを閉塞させる大きさの上面を有し、各々の開孔4aに対向する位置に設けている。下金型11は、底面の周囲に側壁を有しており、側壁の内面に沿って上金型12が挿入できる。
First, for example, as shown in FIG. 4A, a
下金型11(又は上金型12)には、樹脂の注入口11bが設けられているが、注入口11bは複数設けてもよい。また、成型時の樹脂の流れを良好にするために、樹脂の小排出口を1箇所以上に設けてもよい。
The lower mold 11 (or the upper mold 12) is provided with a
更に、第1金属層4及び第2金属層5の突出部4b,5bを、成形後に樹脂成形体6から露出させるために、下金型11の側壁は分割構造になっている(図示省略)。積層物Lを成形型10内に配置する際に、下金型11の側壁に設けた矩形の切欠き部に、第1金属層4及び第2金属層5の突出部4b,5bが位置決めされ、その突出部4b,5bを型部材が押さえる構造になっている。これにより、突出部4b,5bを樹脂成形体6から露出させることができる。
Further, in order to expose the protruding
次に、例えば、図4(b)に示すように、積層物Lの複数を下金型11の底面に配置する。その際、各々の単位セルCの形成領域の底面に形成された凸部11aの上面が、各々の積層物Lの第1金属層4の開孔4aを閉塞可能な位置に配置する。
Next, for example, as shown in FIG. 4B, a plurality of laminates L are arranged on the bottom surface of the
本発明では、隣り合う積層物Lの一方の第1導電層と他方の第2導電層とを接続部Jにより電気的に接続した状態で成形型10内に配置する。本実施形態では、隣り合う積層物Lの一方の第1導電層(金属層4)と、他方の第2導電層(金属層5)と、接続部Jとが、連続する金属板からなる金属層で形成されている例を示す。 In this invention, it arrange | positions in the shaping | molding die 10 in the state which electrically connected one 1st conductive layer and the other 2nd conductive layer of the adjacent laminated body L by the connection part J. FIG. In the present embodiment, one of the first conductive layers (metal layer 4), the other second conductive layer (metal layer 5) of the adjacent laminate L, and the connection portion J are formed of a continuous metal plate. An example in which layers are formed is shown.
積層物Lを配置する際には、各層の一部又は全部が一体化されていてもよく、一体化されていなくてもよい。また、一部が一体化されていない場合、各層を別々に配置しても、同時に配置してもよい。配置する積層物Lの構成は、前述の通りであるが、配置を行う際に、最終的な樹脂成形体6の形状の一部を予め成形した予備成形体を用いて、この予備成形体を積層物Lと共に成形型10内に配置することも可能である。
When arranging the laminate L, some or all of each layer may be integrated or may not be integrated. Moreover, when a part is not integrated, each layer may be arrange | positioned separately or may be arrange | positioned simultaneously. The configuration of the laminate L to be arranged is as described above. When the arrangement is performed, this preformed body is used by using a preformed body in which a part of the shape of the final resin molded
次に、例えば、図4(c)に示すように、下金型11の側壁の内面に沿って上金型12を挿入するが、上金型12の各々の単位セルCを形成する領域の下面には、凸部12aが設けてある。この凸部12aは、積層物Lの上側の第2金属層5の開孔5aを閉塞させる大きさの上面を有し、各々の開孔5aに対向する位置に設けている。そして、下金型11の凸部11aと上金型12凸部12aとで、金属層4,5を加圧した状態で、積層物Lを成形型10内に配置する。その際、第1金属層4及び第2金属層5の突出部4b,5bが成形型10の内部空間から外側に配置されるようにしてもよい。
Next, for example, as shown in FIG. 4C, the
その状態で、成形型10内に樹脂(「樹脂」には樹脂の原料液や未硬化物を含む)を注入するが、露出部(例えば開孔4a,5a)が凸部11aと凸部12aによって閉塞されているため、図4(d)に示すように、得られた成形体では第1電極層2及び第2電極層3が開孔6aから露出する。また、樹脂の注入により、固体高分子電解質層1、電極層2,3、第1金属層4及び第2金属層5を含む積層物Lの複数を、インサート形成により一体化することができる。
In this state, a resin (“resin” contains a resin raw material liquid and an uncured product) is injected into the
<燃料電池の全体構成例>
図5は、燃料電池の全体構成を示す斜視図である。発電セルC1〜C4の数は4つであり、その構成は図1で説明したものと同じである。樹脂成形体6と樹脂平板60により扁平な函体であるセル保持体Aが構成される。発電セルC1〜C4は、インサート成形により、樹脂成形体6に保持されている。このセル保持体Aの下部には水カートリッジB(反応液収容カートリッジに相当)が着脱自在に取り付けられる。水カートリッジBには、反応液である水が収容される。
<Example of overall configuration of fuel cell>
FIG. 5 is a perspective view showing the overall configuration of the fuel cell. The number of power generation cells C1 to C4 is four, and the configuration thereof is the same as that described in FIG. The resin molded
図6は、燃料電池の主要な構成要素を示す分解斜視図である。セル保持体Aを構成する樹脂成形体6及び樹脂平板60には、溝6eが形成される。すなわち、セル保持体Aと水カートリッジBの装着部分に、溝6eが形成される。溝6eは、装着部分の全周にわたって形成される。この溝6eには、防水シールが設けられる。この防水シールとしては、例えば、液体状のゴムを塗布して乾燥させるなどの構成が例としてあげられる。
FIG. 6 is an exploded perspective view showing main components of the fuel cell. A
セル保持体Aの内部空間には、燃料発生部Dが着脱自在に装着される。燃料発生部Dは、装着されたときは折りたたまれているが、折りたたむ前は、図7に示す形に展開することができる。折れ線Lで内側にたたむと、図6に示す形態になる。図7に示すように、燃料発生部Dはシート状の水素発生剤20により構成されている。
A fuel generator D is detachably mounted in the internal space of the cell holder A. The fuel generator D is folded when it is mounted, but before it is folded, it can be developed into the shape shown in FIG. When folded on the inside of the broken line L, the form shown in FIG. 6 is obtained. As shown in FIG. 7, the fuel generating part D is composed of a sheet-like
シート状の水素発生剤20は、粒状の水素発生剤および樹脂を含有する多孔質層20aが、ベース部材20bの上面に形成されたものであり、その詳細は後に説明する。また、多孔質層20aの表面には、吸水シート20c(反応液導入部材、シート状部材に相当)が貼り付けられている。多孔質層20aと吸水シート20cとの連結は、接着テープ等の適宜の手法により行うことができる。
The sheet-
吸水シート20cとしては、水を含浸可能なものであれば何れでもよいが、吸水性樹脂、脱脂綿、吸水性不織布、吸水紙などが好ましい。
The water
吸水シート20cが柔軟性を有する素材で形成される場合は、硬質シートにより裏打ちすることが好ましい。硬質シートとしては、吸水シート20cを補強できるものであれば何でもよく、金属製のシートや樹脂性のシート等を用いることができる。吸水シート20cと硬質シートの裏打ちは、接着その他の適宜の方法により行うことができる。
When the water-absorbing
水カートリッジBには反応液である水が収容される。水カートリッジBは、外側ケース部材30と、内側ケース部材31により構成され、内側ケース部材31の内部に水が収容される。水は脱脂綿、スポンジ、ウレタン発泡体等の給水体32に保持されているため、水カートリッジBの外部に水が漏洩することはない。外側ケース部材30と内側ケース部材31の連結は、接着やねじ等の機械的連結により行うことができる。
The water cartridge B contains water as a reaction solution. The water cartridge B includes an
内側ケース部材31の上面には、細長いスリット状の導出口31aが導出部として形成される。吸水シート20cの先端部が導出口31aから挿入可能に構成される。セル保持体Aの装着部分の内部には、吸水シート支持部材21が設けられている。吸水シート支持部材21は、矩形リング状に形成され、細長いスリット孔21aが形成される。このスリット孔21aを吸水シート20cが貫通した状態で保持される。吸水シート支持部材21は、樹脂成形体6と同じ材質で形成することができる。
On the upper surface of the
燃料発生部Dも水カートリッジBの水も消耗品であるため、消耗すると新しいものに交換する必要がある。両者が同じタイミングで消耗するようになっておれば、同時期に交換することができる。もちろん、異なるタイミングで消耗するように構成されていてもよい。例えば、水のほうが燃料発生部Dよりも早く消耗する場合には、水カートリッジB内の水のみを新しく収容するようにすればよい。 Since both the fuel generator D and the water in the water cartridge B are consumables, it is necessary to replace them with new ones when they are consumed. If both are consumed at the same timing, they can be replaced at the same time. Of course, you may be comprised so that it may be consumed at a different timing. For example, when the water is consumed earlier than the fuel generation part D, only the water in the water cartridge B may be newly accommodated.
<水カートリッジの装着>
燃料発生部Dにより水素を発生させて発電セルCに供給する場合、まず、燃料発生部Dをセル保持体6の内部空間にセットする。あるいは、燃料発生部Dがまだ消耗しきっていない状態の場合は、燃料発生部Dがセル保持体6の内部空間にセットされた状態である。燃料発生部Dのみがセットされた状態が図9の下部から見た斜視図に示される。次に、水が収容された水カートリッジBをセル保持体6の装着部分に装着させる。
<Installation of water cartridge>
When hydrogen is generated by the fuel generator D and supplied to the power generation cell C, first, the fuel generator D is set in the internal space of the
図9に示すように、水カートリッジBをセル保持体Aの下側から装着する。装着すると、吸水シート20cの先端部が導出口31aから挿入され、給水体32と接触する。これにより、吸水体32により収容されている水が毛細管現象により吸水シート20c中を浸透して伝わる。そして、水素発生剤を含有する多孔質層20aに達する。これにより、水素発生剤と水とが反応して、水素ガスを発生させる。上記において、吸水シート20cと導出口31aは、反応液導入機構に相当する。また、吸水シート20cは、燃料発生部の外側に一端が設けられた反応液導入部材に相当し、これを介して反応液を燃料発生部内のガス発生剤へと導く反応液導入機構を構成している。装着完了したときの断面図は図8に示される。
As shown in FIG. 9, the water cartridge B is mounted from the lower side of the cell holder A. When attached, the tip of the water
前述のように、水は脱脂綿、スポンジ、ウレタン発泡体等の給水体32に保持されており、これらの吸水体32は弾性を有している。したがって、吸水シート20cの先端部で吸水体32の表面を押圧することができる。特に、吸水シート20cに前述の裏打ちをすることで、吸水体32の表面を確実に押圧することができる。これにより、吸水体32に保持されている水を吸水シート20cへと伝達させることができる。
As described above, water is held in the
上記において、柔軟性を有する吸水シート20cに硬質シートが裏打ちされていれば、吸水シート20cが不用意に変形することなく、導出口31aから確実に挿入させることができる。
In the above, if the rigid sheet is lined on the flexible water
水素ガスの発生速度の制御は、水が水素発生剤に到達する速度を制御すること等で行うことが可能である。例えば、吸水体32自体が水の拡散速度が小さいものを用いる方法により、水が水素発生剤に到達する速度を制御することができる。また、吸水シート20cの材質、サイズ、厚みなどによっても速度を制御することができる。
The generation rate of hydrogen gas can be controlled by controlling the rate at which water reaches the hydrogen generating agent. For example, the speed at which water reaches the hydrogen generating agent can be controlled by a method using the
図8に示すように、水カートリッジBをセル保持体Aに装着した状態で、装着部分は入れ子構造になっている。すなわち、外側ケース部材30と内側ケース部材31の間に形成される隙間に、樹脂成形体6及び樹脂平板60の先端部分が入り込んだ状態で装着される。また、外側ケース部材30の内壁面と樹脂成形体6及び樹脂平板60の外壁面の間には、溝6eに防水シール22が設けられる。これにより、セル保持体A内部の水素ガスが外部に漏えいすることを防止することができる。
As shown in FIG. 8, with the water cartridge B mounted on the cell holder A, the mounting portion has a nested structure. That is, the resin molded
図8に示す実施形態では、水カートリッジBの方をセル保持体6の外周面にはめ込むような構成を採用しているが、これに限定されるものではない。すなわち、水カートリッジBをセル保持体6の内周面側にはめ込むような構成を採用してもよい。この場合も、同様に防水シールを用いたシール構造を採用することが好ましい。
In the embodiment shown in FIG. 8, a configuration is adopted in which the water cartridge B is fitted into the outer peripheral surface of the
<シート状の水素発生剤>
シート状の水素発生剤20としては、粒状の水素発生剤および樹脂を含有する多孔質層20aが、ベース部材20bの上面に形成したものが使用できる。水素発生剤は、水等の反応液と反応して水素ガスを発生するものである。
<Hydrogen generator in sheet form>
As the sheet-like
このような高反応性の水素発生剤としては、水素化カルシウム、水素化リチウム、水素化カリウム、水素化ホウ素ナトリウム、水素化ホウ素カリウム、水素化リチウムアルミニウム、水素化アルミニウムナトリウム、又は水素化マグネシウムなどの水素化金属化合物を含有するものが挙げられる。これらの化合物等は、いずれも水と急激に又は爆発的に反応して水素ガスを発生することが知られており、いずれも水素化マグネシウム以上の水との反応性を示す。 Examples of such highly reactive hydrogen generators include calcium hydride, lithium hydride, potassium hydride, sodium borohydride, potassium borohydride, lithium aluminum hydride, sodium aluminum hydride, or magnesium hydride. And those containing a metal hydride compound. All of these compounds are known to react rapidly or explosively with water to generate hydrogen gas, and all show reactivity with water higher than magnesium hydride.
また、上記化合物以外の水素発生剤として、アルミニウム、鉄、マグネシウム、カルシウム等の金属、上記以外の金属水素錯化合物などを含有してもよい。水素化金属化合物、金属、金属水素錯化合物は、何れかを複数組み合わせて使用することもでき、また、それぞれを組み合わせて使用することも可能である。化合物を併用する場合、気泡による多孔質化を促進し易い化合物を含むことが好ましい。このような化合物としては、水素化カルシウムが特に好ましい。 Moreover, you may contain metals, such as aluminum, iron, magnesium, and calcium, metal hydrogen complex compounds other than the above, as hydrogen generating agents other than the said compound. A plurality of metal hydride compounds, metals, and metal hydride complex compounds can be used in combination, or they can be used in combination. When a compound is used in combination, it is preferable to include a compound that facilitates the formation of pores by bubbles. As such a compound, calcium hydride is particularly preferable.
粒状の水素発生剤の平均粒径は、多孔体中への分散性や反応性を制御する観点から、1〜100μmが好ましく、6〜30μmがより好ましく、8〜10μmが更に好ましい。 The average particle size of the granular hydrogen generator is preferably 1 to 100 μm, more preferably 6 to 30 μm, and still more preferably 8 to 10 μm from the viewpoint of controlling dispersibility and reactivity in the porous body.
水素発生剤の含有量は、適度な反応性とある程度の水素発生量を確保する観点から、多孔体中、10〜60重量%が好ましく、30〜50重量%が好ましい。 The content of the hydrogen generating agent is preferably 10 to 60% by weight, and preferably 30 to 50% by weight in the porous body from the viewpoint of ensuring appropriate reactivity and a certain amount of hydrogen generation.
用いられる樹脂としては、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、耐熱性樹脂などが挙げられるが、熱硬化性樹脂が好ましい。なお、熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリエステル、ポリアミドなどが挙げられる。また、耐熱性樹脂としては、芳香族系のポリイミド、ポリアミド、ポリエステルなどが挙げられる。 Examples of the resin used include a thermosetting resin, a thermoplastic resin, and a heat resistant resin, and a thermosetting resin is preferable. Examples of the thermoplastic resin include polyethylene, polypropylene, polystyrene, acrylic resin, fluororesin, polyester, and polyamide. Examples of the heat resistant resin include aromatic polyimide, polyamide, and polyester.
熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、または熱硬化性ポリイミド樹脂等が挙げられる。なかでも、水素発生反応中に多孔質構造を適度に維持できる観点から、エポキシ樹脂が好ましい。 Examples of the thermosetting resin include epoxy resins, unsaturated polyester resins, phenol resins, amino resins, polyurethane resins, silicone resins, and thermosetting polyimide resins. Especially, an epoxy resin is preferable from a viewpoint which can maintain a porous structure moderately during hydrogen generating reaction.
樹脂の含有量は、適度な保形性とある程度の水素発生量を確保する観点から、多孔体中、30〜90重量%が好ましく、50〜70重量%が好ましい。 The content of the resin is preferably 30 to 90% by weight, more preferably 50 to 70% by weight in the porous body, from the viewpoint of securing an appropriate shape retention and a certain amount of hydrogen generation.
多孔質層20aには、上記の成分以外の任意成分として、触媒、充填材、発泡剤などのその他の成分を含有してもよい。触媒としては、水素発生剤用の金属触媒の他、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウムなどのアルカリ化合物も有効である。
The
発泡剤としては、未硬化の熱硬化性樹脂に相分離・分散して、熱硬化性樹脂の反応温度で気化する液体が挙げられる。また、水素発生剤と反応して水素ガスを発生させる反応液を、未硬化の熱硬化性樹脂に微量添加しておくことも可能である。このような反応液としては、水、酸水溶液、アルカリ水溶液などが挙げられる。 Examples of the foaming agent include a liquid that is phase-separated and dispersed in an uncured thermosetting resin and vaporizes at the reaction temperature of the thermosetting resin. It is also possible to add a small amount of a reaction solution that reacts with the hydrogen generator to generate hydrogen gas to the uncured thermosetting resin. Examples of such a reaction solution include water, an aqueous acid solution, and an alkaline aqueous solution.
多孔質層20aは、気泡(発泡)、焼結、又は相分離などにより多孔質化された構造を有するが、好ましくは、気泡により多孔質化された構造を有するものである。多孔質化のための気泡は、発泡剤により生成するものでもよいが、水素発生剤から発生した水素ガスであることが好ましい。
The
つまり、多孔質層20aは、粒状の水素発生剤と未硬化の熱硬化性樹脂とを混合した後、これをベース部材20bの上に塗布し、前記水素発生剤から水素ガスを発生させつつ熱硬化性樹脂を硬化させる工程を含む製法により製造されることが好ましい。
That is, the
多孔質層20aは、密度が0.1〜1.2g/cm3であることが好ましく、0.2〜0.9g/cm3であることがより好ましく、0.3〜0.5g/cm3であることが更に好ましい。この範囲の密度を有することで、反応液の浸透性が適度になり、取扱い性もより良好になる。このような密度は、例えば、水素ガスの発生量でコントロールすることが可能である。
The
また、水素発生用多孔体の気泡径は、反応液の浸透性を適度に制御する観点から、直径0.1〜2mmが好ましく、直径0.5〜1mmがより好ましい。このような気泡径は、例えば、水素ガスの発生量でコントロールすることが可能である。また、気泡径や密度をコントロールするために、加圧条件下で熱硬化性樹脂の硬化を行ってもよい。 The bubble diameter of the hydrogen generating porous body is preferably 0.1 to 2 mm, more preferably 0.5 to 1 mm, from the viewpoint of appropriately controlling the permeability of the reaction solution. Such a bubble diameter can be controlled by, for example, the amount of hydrogen gas generated. In order to control the bubble diameter and density, the thermosetting resin may be cured under pressure.
水素発生剤から水素ガスを発生させるには、予め未硬化の熱硬化性樹脂に反応液を微量添加しておく方法や、未硬化の熱硬化性樹脂に含まれる反応液を利用する方法も可能であるが、硬化反応のための加熱により、水素発生剤(水素化金属化合物の場合)から水素ガスを脱離させる方法が好ましい。 In order to generate hydrogen gas from the hydrogen generator, it is possible to add a small amount of reaction liquid to the uncured thermosetting resin in advance, or to use the reaction liquid contained in the uncured thermosetting resin. However, a method of desorbing hydrogen gas from the hydrogen generator (in the case of a metal hydride compound) by heating for the curing reaction is preferable.
水素発生剤から水素ガスを脱離させる際の温度は、水素化金属化合物の種類によっても異なるが、50〜250℃が好ましく、80〜200℃がより好ましい。つまり、未硬化の熱硬化性樹脂の硬化温度として、この範囲の温度を選択することが好ましい。なお、水素ガスの発生温度と硬化温度とを変えることも可能である。 The temperature at which hydrogen gas is desorbed from the hydrogen generator varies depending on the type of metal hydride compound, but is preferably 50 to 250 ° C, more preferably 80 to 200 ° C. That is, it is preferable to select a temperature within this range as the curing temperature of the uncured thermosetting resin. It is also possible to change the generation temperature of hydrogen gas and the curing temperature.
硬化して得られる多孔質層の厚みは、水等を十分かつ均一に浸透させて均一な反応を行う観点から、0.1〜10mmが好ましく、0.5〜2mmがより好ましい。 The thickness of the porous layer obtained by curing is preferably from 0.1 to 10 mm, and more preferably from 0.5 to 2 mm, from the viewpoint of allowing water and the like to penetrate sufficiently and uniformly to perform a uniform reaction.
なお、ベース部材20bとしては、金属箔、特にアルミ箔、銅箔などの素材を用いることができる。この場合、厚みとしては折り曲げやすさ及び強度を考慮して、0.01〜1mmが好ましく、0.025〜0.1mmがより好ましい。
As the
また、ベース部材20bとして吸水性シートを用いることができ、その場合は、下記のように構成することが好ましい。すなわち、吸水性シートとしては、親水性の材料を用いて多孔質状にシート化したものが挙げられるが、吸水性不織布、吸水性織布、吸水紙、濾紙などが好ましい。更に、これらを併用したり、吸水性樹脂との併用も可能である。
Moreover, a water-absorbent sheet can be used as the
また、ベース部材20bとして吸水性シートを用いる場合、吸水シート20cと一体化することが好ましい。これにより、構成を簡素化することができる。
Moreover, when using a water absorbing sheet as the
吸水性シートの厚みは、強度の維持や、面内での浸透性を高める観点から、0.1〜10mmが好ましく、0.2〜2mmがより好ましい。吸水性シートの密度は、保水性及び面内で均一な浸透性を得る観点から、0.1〜1g/cm3が好ましく、0.4〜0.6g/cm3がより好ましい。 The thickness of the water-absorbent sheet is preferably from 0.1 to 10 mm, more preferably from 0.2 to 2 mm, from the viewpoint of maintaining strength and enhancing in-plane permeability. The density of the water-absorbent sheet is preferably 0.1 to 1 g / cm 3 and more preferably 0.4 to 0.6 g / cm 3 from the viewpoint of water retention and uniform in-plane permeability.
吸水性シートは、多孔質層の片面のみに設けてもよいが、両面に設けることも可能である。吸水性シートを両面に設ける場合、何れか吸水性シートに多孔質層の原料を塗布した後、その上面に更に吸水性シートを積層することで製造することができる。また、多孔質層の原料を塗布した後、その上面に疎水性多孔質膜を積層することで、別途、容器内に疎水性多孔質膜を配置する必要がなくなる。 The water-absorbent sheet may be provided only on one side of the porous layer, but can also be provided on both sides. When the water-absorbing sheet is provided on both sides, the water-absorbing sheet can be produced by further laminating the water-absorbing sheet on the upper surface after applying the raw material of the porous layer to any one of the water-absorbing sheets. Moreover, after applying the raw material of the porous layer, the hydrophobic porous film is laminated on the upper surface thereof, so that it is not necessary to separately arrange the hydrophobic porous film in the container.
シート状の水素発生剤20を折り曲げる場合、平面状の吸水性シートに多孔質層の原料を塗布した後、硬化前に折り曲げることが、形状を保持させる点で好ましい。その場合、特に多孔質層の上面に吸水性シートや疎水性多孔質膜を積層することが好ましい。
When the sheet-like
<アンモニア除去剤について>
本発明では、燃料発生部Bで発生した水素ガス等から、不純物であるアンモニアを除去するために、例えば、セル保持体Aの内壁に、アンモニア除去剤を設けてもよい。具体的には、シート状のアンモニア除去剤をセル保持体Aの内壁の周囲に配置することができる。このようなアンモニア除去剤は、シート状に形成されたものが市販されているが、粒状の吸着剤等を通気性の袋に収容したものを使用することも可能である。
<About ammonia remover>
In the present invention, an ammonia removing agent may be provided on the inner wall of the cell holder A, for example, in order to remove ammonia, which is an impurity, from hydrogen gas or the like generated in the fuel generator B. Specifically, a sheet-like ammonia removing agent can be disposed around the inner wall of the cell holder A. Such an ammonia removing agent is commercially available in the form of a sheet, but it is also possible to use one in which a granular adsorbent or the like is contained in a breathable bag.
上記のような水素発生剤によって、水素組成が略100%(水分は除く)の水素ガスを発生させることができるが、この水素ガス中には、不純物である微量アンモニアが含まれる場合がある。このアンモニアは、マグネシウムを用いて水素発生剤を製造する際に、空気中の窒素と反応して窒素化合物(窒化マグネシウム等)が生成し、これが水との反応により生成すると考えられる。その際の次の反応が生じると考えられる。 The hydrogen generator as described above can generate hydrogen gas having a hydrogen composition of approximately 100% (excluding moisture), and this hydrogen gas may contain a trace amount of ammonia as an impurity. It is considered that this ammonia reacts with nitrogen in the air to produce a nitrogen compound (magnesium nitride or the like) when producing a hydrogen generating agent using magnesium, and this is produced by reaction with water. It is considered that the following reaction occurs at that time.
Mg3N2 + 3H2O → 3Mg(OH)2 + 2NH3
なお、他の水素化金属についても同様のメカニズムにより、発生する水素ガス中には微量アンモニアが含まれる場合がある。
Mg 3 N 2 + 3H 2 O → 3Mg (OH) 2 + 2NH 3
For other metal hydrides, the generated hydrogen gas may contain a small amount of ammonia by the same mechanism.
アンモニア除去剤としては、例えば、水素中のアンモニアを吸着除去する吸着剤(吸着・分解や反応吸着などの化学吸着を含む)、アンモニアを溶解除去する吸収剤、アンモニアを反応により除去する反応剤、アンモニアを分解(加熱分解・触媒反応分解等)により除去する分解手段、などが挙げられるが、アンモニアを物理吸着又は化学吸着により除去する吸着剤を備えることが好ましい。 As the ammonia removing agent, for example, an adsorbent that adsorbs and removes ammonia in hydrogen (including chemical adsorption such as adsorption / decomposition and reaction adsorption), an absorbent that dissolves and removes ammonia, a reactant that removes ammonia by reaction, Examples include decomposition means for removing ammonia by decomposition (thermal decomposition, catalytic reaction decomposition, etc.), and it is preferable to provide an adsorbent that removes ammonia by physical adsorption or chemical adsorption.
中でも吸着剤が、物理吸着又は化学吸着によりアンモニアを除去するものであることがより好ましく、固体酸、活性炭(固体酸に相当するものを除く)、ゼオライト(固体酸に相当するものを除く)、及びモレキュラーシーブからなる群から選ばれる1種以上であることが更に好ましい。中でも、アンモニアの吸着除去能力やより高温で吸着可能な観点から、固体酸を用いることが好ましい。 Among them, it is more preferable that the adsorbent is one that removes ammonia by physical adsorption or chemical adsorption, solid acid, activated carbon (excluding those corresponding to solid acids), zeolite (excluding those corresponding to solid acids), And at least one selected from the group consisting of molecular sieves. Among these, it is preferable to use a solid acid from the viewpoint of adsorption / removal ability of ammonia and a viewpoint capable of adsorption at a higher temperature.
固体酸としては、固体酸自体が粒状であるものや、粒状体に固体酸や液体酸を担持させたものなどがあるが、活性炭に金属塩を担持したものがコストや製造性などの観点からより好ましい。金属塩としては、硫酸塩、リン酸塩、塩化物塩、硝酸塩が挙げられ、塩を形成する金属としては、金属塩として酸性を示す金属が好適に使用できる。 Examples of the solid acid include those in which the solid acid itself is granular, and those in which a solid acid or liquid acid is supported on a granular material, but those in which a metal salt is supported on activated carbon are from the viewpoint of cost and manufacturability. More preferred. Examples of the metal salt include sulfates, phosphates, chloride salts, and nitrates. As the metal forming the salt, a metal exhibiting acidity can be suitably used.
活性炭(固体酸に相当するものも含む)としては、GW48/100、GW−H48/100、GG10/20、2GG、GLC10/32、2GS、GW10/32、GW20/40、KLY10/32、KW10/32、KW20/42(以上、クラレケミカル(株)製)、SWWB剤(アルカリ用)、WB剤、S剤(酸用)(以上、アニコジャパン(株)製)、4T−B、4T−C、4G−H、4SA、2GS、GW20/4042(以上、クラレケミカル(株)製)などが挙げられ、好ましくは4T−B、SWWB剤(アルカリ用)、WB剤である。 As the activated carbon (including those corresponding to solid acids), GW48 / 100, GW-H48 / 100, GG10 / 20, 2GG, GLC10 / 32, 2GS, GW10 / 32, GW20 / 40, KLY10 / 32, KW10 / 32, KW20 / 42 (above, manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.), SWWB agent (for alkali), WB agent, S agent (for acid) (above, manufactured by Anico Japan Co., Ltd.), 4T-B, 4T-C 4G-H, 4SA, 2GS, GW20 / 4042 (manufactured by Kuraray Chemical Co., Ltd.) and the like, and 4T-B, SWWB agent (for alkali), and WB agent are preferable.
ゼオライトとしては、BX、HISIV、R−3(以上、ユニオン昭和(株)製)などが挙げられ、好ましくはBXである。 As zeolite, BX, HISIV, R-3 (above, union Showa Co., Ltd. product) etc. are mentioned, Preferably it is BX.
モレキュラーシーブとしては、ゼオラムA−3、ゼオラムA−4(以上、東ソー(株)製)などが挙げられ、好ましくはゼオラムA−4である。 Examples of the molecular sieve include Zeorum A-3 and Zeorum A-4 (above, manufactured by Tosoh Corporation), and Zeolum A-4 is preferable.
<回路構成>
次に、燃料電池を制御する回路構成について説明する。各発電セルCによる出力電圧は、第1金属層4及び第2金属層5の突出部4b,5bから取り出される。この突出部4b,5bが回路部に接続(入力)される。出力電圧は、DC−DCコンバータ(昇圧回路に相当)により所定の電圧にまで昇圧するのが好ましい。更に、コンバータの下流側に付加される回路部を介して、電源供給端子から外部機器、携帯電話などに電源供給がされる。回路部には、安定化回路などが備えられており、適切な出力電圧や出力電流を供給できるように制御がなされる。コンバータ、回路部などは、回路ユニットとして構成し、これをセル保持体6と一体化することが好ましい。
<Circuit configuration>
Next, a circuit configuration for controlling the fuel cell will be described. The output voltage from each power generation cell C is taken out from the
<作用・効果>
本発明の構成によれば、反応液である水を収容する水カートリッジBは、セル保持体Aに対して着脱自在に構成される。水を燃料発生部Dに導くために吸水シート20c(反応液導入部材)を介してガス発生剤へ供給する。吸水シート20cは燃料発生部Dに設けられており、水カートリッジBを取り外した時には、燃料発生部Dと完全に切り離すことができる。したがって、無駄に水素ガスが発生することがない。また、水カートリッジBを装着したときには、吸水シート20cが水カートリッジBに形成された導出口31aから挿入される。これにより、水がガス発生剤へ供給されるので、ガス発生剤と水との反応により、水素ガスが発生することになる。
<Action and effect>
According to the configuration of the present invention, the water cartridge B that stores water as a reaction solution is configured to be detachable from the cell holder A. In order to guide water to the fuel generating part D, the water is supplied to the gas generating agent through the
[別の実施形態]
(1)先の実施形態では、金属層の露出部に相当する開孔の大きさが、樹脂の開孔の大きさより小さい例を示したが、図10(a)に示すように、金属層4,5の開孔4a,5aの大きさより、樹脂成形体6の開孔6aの大きさを小さくすることも可能である。その場合、開孔4a,5aから露出する電極層2,3の一部(例えば周囲)が樹脂成形体6により封止されるため、樹脂成形体6と電極層2,3との接着力によって、電極層2,3と金属層4,5との密着性を高めることができる。開孔4a,5aの大きさより、樹脂成形体6の開孔6aの大きさを小さくするには、上面の大きさが開孔4a,5aの大きさより小さい凸部を形成した成形型を使用して、その凸部が電極層2,3と接触した状態で、樹脂による封止を行えばよい。
[Another embodiment]
(1) In the previous embodiment, an example in which the size of the opening corresponding to the exposed portion of the metal layer is smaller than the size of the opening of the resin has been shown. However, as shown in FIG. It is also possible to make the size of the
上記の場合、金属層4,5の開孔4a,5aの周囲に対して、樹脂成形体6の開孔6aに相当する部分を利用して、成型時に加圧できない。このため、図10(b)に示すように、金属層4,5の開孔4a,5a以外の部分を、例えば別のピンを用いて成型時に加圧することで、第1金属層4及び第2金属層5を両側から加圧した状態で、樹脂成形体6により一体化することができる。このような加圧を行う場合、ピン等を圧接した部分に加圧用開孔6bが形成される。
In the above case, the portion corresponding to the
更に、図10(c)に示すように、発電に寄与しない貫通孔6cを樹脂成形体6に設けることも可能である。この貫通孔6cは、固体高分子電解質層1、電極層2,3等にも貫通孔を設けておき、その孔より小さい貫通孔6cを設けて、その周囲の樹脂成形体6により電極層2,3等を一体化したものである。この貫通孔6cによると、その周囲の樹脂成形体6によって、固体高分子電解質層1、電極層2,3、及び金属層4,5が一体化するため、電極層2,3と金属層4,5との圧接力を高めることができる。
Furthermore, as shown in FIG. 10C, it is also possible to provide the resin molded
このような発電に寄与しない貫通孔6cは、発電のための電極層2,3の露出部と共に設けられる。また、貫通孔6c以外の部分を、例えば別のピン等を用いて成型時に加圧することで、第1金属層4及び第2金属層5を両側から加圧した状態で、樹脂成形体6により一体化することができる。その場合にも、ピン等を圧接した部分に加圧用開孔6bが形成される。
The through
(2)先の実施形態では、第1金属層及び/又は第2金属層の露出部の大きさと、開孔の大きさとがほぼ等しくなるように、樹脂成形体により一体化してある例を示したが、本発明では、図11(a)〜(b)に示すように、片面に1つの大きな開孔6aを設けることで、第1金属層4及び/又は第2金属層5の複数の露出部の全数又は一部を露出させるようにしてもよい。なお、図6は、説明を簡略化するために、1個の単位セルについてのみ図示している。
(2) In the previous embodiment, an example in which the size of the exposed portion of the first metal layer and / or the second metal layer is integrated with the resin molded body so that the size of the opening is substantially equal is shown. However, in the present invention, as shown in FIGS. 11A to 11B, a plurality of
また、片面に2つ以上の大きな開孔6aを設けることで、第1金属層4及び/又は第2金属層5の複数の露出部の半数又はそれ以下を露出させるようにしてもよい。つまり、本発明では1つの開孔6aから、2つ以上の露出部が露出するように成形してもよい。
Further, by providing two or more
(3)先の実施形態では、第1導電層及び第2導電層が、第1電極層及び第2電極層を部分的に露出させる露出部を有する第1金属層及び第2金属層とからなる例を示したが、本発明では、露出部を有さない導電層を第1導電層及び/又は第2導電層として使用することも可能である。その場合、ガス透過性やガス拡散性を有する導電層が使用でき、このような導電層としては、例えば多孔質金属層、多孔質導電性高分子層、導電性ゴム層、導電性繊維層、導電性ペースト、導電性塗料などが挙げられる。 (3) In the previous embodiment, the first conductive layer and the second conductive layer are formed from the first metal layer and the second metal layer having exposed portions that partially expose the first electrode layer and the second electrode layer. In the present invention, it is possible to use a conductive layer having no exposed portion as the first conductive layer and / or the second conductive layer. In that case, a conductive layer having gas permeability and gas diffusibility can be used. Examples of such a conductive layer include a porous metal layer, a porous conductive polymer layer, a conductive rubber layer, a conductive fiber layer, Examples thereof include conductive paste and conductive paint.
(4)先の実施形態では、第1電極層及び第2電極層が樹脂成形体の開孔から露出する例を示したが、本発明では、樹脂成形体の開孔と第1電極層又は第2電極層との間に、多孔質層を介在させてもよい。多孔質層を介在させるには、インサート成形に使用する積層物として、金属層又は導電層の外側に多孔質層を予め設けておけばよい。多孔質層と金属層又は導電層とは予め接着等していてもよいが、積層配置するだけでもよい。 (4) In the previous embodiment, the example in which the first electrode layer and the second electrode layer are exposed from the opening of the resin molded body is shown. However, in the present invention, the opening of the resin molded body and the first electrode layer or A porous layer may be interposed between the second electrode layer. In order to interpose a porous layer, a porous layer may be provided in advance on the outside of a metal layer or a conductive layer as a laminate used for insert molding. The porous layer and the metal layer or the conductive layer may be bonded in advance, or may be simply laminated.
多孔質層を形成する材料としては、インサート成形時の温度に耐え得る多孔質膜、不織布、織布などが挙げられる。 Examples of the material forming the porous layer include a porous film, a nonwoven fabric, and a woven fabric that can withstand the temperature at the time of insert molding.
(5)先の実施形態では、第1電極層及び第2電極層を外部に露出させる開孔を樹脂成形体に設ける例を示したが、本発明では、樹脂成形体の内部に気体又は液体を供給するための流路を設けることも可能である。その場合、導電層に接触する側の内面に流路を設けた予備成形体を用いて、前述のようなインサート成形を行うことで、その流路に電極層を露出させることができる。 (5) In the previous embodiment, the example in which the opening for exposing the first electrode layer and the second electrode layer to the outside is provided in the resin molded body, but in the present invention, a gas or liquid is provided inside the resin molded body. It is also possible to provide a flow path for supplying. In that case, an electrode layer can be exposed to the flow path by performing insert molding as described above using a preform with a flow path provided on the inner surface on the side in contact with the conductive layer.
(6)先の実施形態では、隣り合う前記単位セルの一方の第1導電層と、他方の第2導電層と、前記接続部とが、連続する金属板からなる金属層で形成されている例を示したが、本発明における接続部は、一方の第1導電層と他方の第2導電層とを電気的に接続できるものであれば、何れでもよい。 (6) In the previous embodiment, one first conductive layer of the adjacent unit cells, the other second conductive layer, and the connection portion are formed of a metal layer made of a continuous metal plate. Although an example has been shown, the connecting portion in the present invention may be any as long as it can electrically connect one first conductive layer and the other second conductive layer.
例えば、一方の第1導電層と他方の第2導電層とを、別の部材で電気的に接続することも可能である。例えば、金属ワイヤ等の部材を用いてソルダ接続することも可能である。また、接続部を構成する部材と、導電層とは、機械的に接触することで、電気的に接続されていてもよい。例えば、金属板等の部材を用いて導電層と接触させて、樹脂成形体により一体させることで、一方の第1導電層と他方の第2導電層とを、電気的に接続することも可能である。 For example, it is possible to electrically connect one first conductive layer and the other second conductive layer with another member. For example, it is possible to perform solder connection using a member such as a metal wire. Moreover, the member which comprises a connection part, and the conductive layer may be electrically connected by contacting mechanically. For example, it is also possible to electrically connect one first conductive layer and the other second conductive layer by bringing them into contact with the conductive layer using a member such as a metal plate and integrating them with a resin molded body. It is.
(7)先の実施形態では、複数の単位セルが同じ面内に配置される例を示したが、各々の単位セルは、立体的に配置することも可能である。例えば、各々の単位セルを、L字型の2辺、正方形又は長方形の2辺〜4辺、三角形の2辺〜3辺などの各辺に配置してもよい。 (7) In the previous embodiment, an example in which a plurality of unit cells are arranged in the same plane has been shown, but each unit cell can also be arranged three-dimensionally. For example, each unit cell may be arranged on each side such as two L-shaped sides, two or four sides of a square or rectangle, or two to three sides of a triangle.
このように各々の単位セルを立体的に配置する場合、インサート形成時に立体的に成形する方法と、可とう性の材料を使用してインサート形成時には平面的に成形した後、これを立体的に変形させる方法とがある。 Thus, when each unit cell is arranged three-dimensionally, after three-dimensionally forming at the time of insert formation and using a flexible material to form two-dimensionally at the time of insert formation, this is three-dimensionally formed. There is a method to deform.
前者の場合には、隣り合う前記単位セルの一方の第1導電層と、他方の第2導電層と、前記接続部とが連続する金属板が、隣り合う前記単位セルの角度に応じて、屈折していることが好ましい。例えば、正方形(四角柱)の4辺に単位セルを配置する場合、上記金属板は、約90°の角度で屈折される。 In the former case, a metal plate in which one first conductive layer of the adjacent unit cells, the other second conductive layer, and the connection portion are continuous depends on the angle of the adjacent unit cells. It is preferably refracted. For example, when unit cells are arranged on the four sides of a square (square prism), the metal plate is refracted at an angle of about 90 °.
このような金属板を使用して、単位セルを構成する積層物を、四角柱のキャビティを有する成形型10内の4辺に各々配置して、各々を電気的に接続した状態で、インサート形成する方法により、四角柱の4辺に単位セルが配置された燃料電池を製造することができる。
Using such a metal plate, inserts are formed in a state in which the laminate constituting the unit cell is arranged on each of the four sides of the
(8)本実施形態では、インサート成形により発電セルと樹脂成形体を一体化する構成を説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。樹脂成形体に発電セルを配置するための凹部を形成し、その凹部に適宜の方法で発電セルを固定するように構成してもよい。また、樹脂成形体を用いずに発電セルを保持する構成を採用してもよい。 (8) In this embodiment, although the structure which integrates a power generation cell and a resin molding by insert molding was demonstrated, this invention is not limited to this. You may comprise so that the recessed part for arrange | positioning a power generation cell may be formed in a resin molding, and a power generation cell may be fixed to the recessed part by an appropriate method. Moreover, you may employ | adopt the structure which hold | maintains a power generation cell, without using a resin molding.
(9)水カートリッジBの構成の別実施形態を図11により説明する。図11(a)は水カートリッジBの外観斜視図であり、(b)は縦断面図を示す。図示するように、導出口31aはスリット状に形成されているが、第1実施形態とは異なり、2か所に形成されている。スリットの長さは、吸水シート20cの幅寸法よりも長く設定される。
(9) Another embodiment of the configuration of the water cartridge B will be described with reference to FIG. 11A is an external perspective view of the water cartridge B, and FIG. 11B is a longitudinal sectional view. As shown in the drawing, the
断面図に示すように、吸水体32の表面に第2吸水シート33が配置されている。したがって、導出口31aからは第2吸水シート33が臨んでいることになる。第2吸水シート33は、内側ケース部材31の内壁面に接触しており、導出口31aの面積よりも大きな面積を有するので、導出口31aよりも上に飛び出すことはない。また、吸水体32は、脱脂綿等により形成され弾性を有する。したがって、第2吸水シート33は、内側ケース部材31の内壁面に押圧された状態に維持される。
As shown in the cross-sectional view, a second
水カートリッジBをセル保持体Aに装着すると、吸水シート20cの先端部が第2吸水シート33の表面を押圧することになる。これにより、吸水体32に保持されている水が、第2吸水シート33を介して吸水シート20cへと導入されていく。この場合、吸水体32から出ていく水は、真上の方にのみ移動していく傾向がある。したがって、吸水体32の真上に吸水シート20cが位置していれば、吸水体32の水を吸水シート20cへ導出しやすいが、図11(b)に示す領域Eに保持されている水は、真上に吸水シート20cが位置しないため、吸水体32から吸水シート20cへと伝わらない可能性がある。そこで、吸水体32の表面全体にわたって第2吸水シート33を配置することで、領域Eに保持されている水であっても、第2吸水シート33を経由して吸水シート20cへと導出させることができる。
When the water cartridge B is attached to the cell holder A, the tip of the water
吸水シート20c,33における水の伝わる速度が速すぎる場合、吸水体32の内部における水の伝わる速度が遅いものを選択することで、必要以上に水が燃料発生部Dへ供給されることを抑制できる。すなわち、吸水体32の材質や形状を工夫することで、水の供給量を制御できるものと考えられる。
When the speed at which water is transmitted in the water
(10)本実施形態において、水カートリッジBに収容される水は吸水体32に保持されているが、吸水体32を使用せずに、水そのものを内側ケース部材31内部の収容空間に収容させてもよい。この場合、導出口31aから水が不用意に漏れないような(表面張力により維持される)幅寸法に設定される。
(10) In this embodiment, the water stored in the water cartridge B is held in the
(11)前述の実施形態では、反応液収容カートリッジに形成された導出口(導出部)に反応液導入部材が挿入される反応液導入機構の例を示したが、本発明では、燃料発生部の外側に一端が設けられた反応液導入部材を介して反応液を燃料発生部内のガス発生剤へと導く反応液導入機構が設けられていればよく、導出部に反応液導入部材が接触される反応液導入機構であってもよい。例えば、図12に示すように、反応液導入機構が、反応液導入部材である吸水シート20cの一端の表面20dと、反応液収容カートリッジ30に形成された吸水性を有するシート状部材33からなる導出部の表面33aとを接触させるものでもよい。
(11) In the above-described embodiment, the example of the reaction liquid introduction mechanism in which the reaction liquid introduction member is inserted into the outlet (outlet part) formed in the reaction liquid storage cartridge has been described. It is only necessary to provide a reaction liquid introduction mechanism that guides the reaction liquid to the gas generating agent in the fuel generation part via the reaction liquid introduction member provided at one end on the outside, and the reaction liquid introduction member is brought into contact with the outlet part. It may be a reaction liquid introduction mechanism. For example, as shown in FIG. 12, the reaction liquid introduction mechanism includes a
この例では、シート状部材33の表面33aの高さを一定にするために、水カートリッジBにシート状部材33を支持するための支持部34を設けている。また、天地無用とするために、水カートリッジBの内部には、吸水体32を設けると共に、シート状部材33が露出する導出口31aと支持部34の間隙を小さくしている。
In this example, in order to make the height of the
一方、吸水シート20cは、水素発生材20を収容するケース25の底面のスリットを通過して、その一端が折り曲げられた先端部が水素発生材20を収容するケース25の底面に接着されている。なお、ケース25には水素排出口25aが設けられ、これが樹脂成形体6に保持された発電セルCに供給される。初期に存在する空気や過剰の水素は、樹脂成形体6の開口6hから放出される。この例では、上面が略正方形の四角柱形状をした樹脂成形体6の側壁の4面に発電セルC(図示省略)が4つ配置されている。
On the other hand, the
(12)前述の実施形態では、反応液収容カートリッジに収容された反応液を水素発生材に供給する例を示したが、本発明では反応液収容カートリッジを使用せずに反応液を水素発生材に供給することも可能である。例えば、水等の反応液を入れた容器の上に、燃料発生部の外側に一端が設けられた反応液導入部材を介して反応液を燃料発生部内のガス発生剤へと導く反応液導入機構を設けた燃料電池を、載置するだけで発電を行うことが可能である。 (12) In the above-described embodiment, the example in which the reaction liquid stored in the reaction liquid storage cartridge is supplied to the hydrogen generation material has been shown. However, in the present invention, the reaction liquid is supplied to the hydrogen generation material without using the reaction liquid storage cartridge. It is also possible to supply For example, a reaction liquid introduction mechanism that guides the reaction liquid to a gas generating agent in the fuel generation part via a reaction liquid introduction member provided at one end outside the fuel generation part on a container containing a reaction liquid such as water It is possible to generate electric power simply by placing the fuel cell provided with
図13に示す例では、図12と同様の燃料電池を用いて、ケース25の底面に設けられた吸水シート20cの一端から吸水させることで、水素発生材20に水を供給することができ、発生した水素により発電セルCで発電を行うことが可能である。
In the example shown in FIG. 13, water can be supplied to the
A セル保持体
B 水カートリッジ
C,C1,C2,C3,C4 発電セル
D 燃料発生部
1 固体高分子電解質層
2 第1電極層
3 第2電極層
4 第1金属層(第1導電層)
4a 開孔(露出部)
5 第2金属層(第2導電層)
5a 開孔(露出部)
6 樹脂成形体
6a 開孔
6e 溝
20 水素発生剤
20a 多孔質層
20b ベース部材
20c 吸水シート
22 防水シール
31a 導出口
60 樹脂平板
A Cell holder B Water cartridge C, C1, C2, C3, C4 Power generation cell D
4a Opening (exposed part)
5 Second metal layer (second conductive layer)
5a Opening (exposed part)
6 resin molded
Claims (10)
その発電セルを前記一方の表面を内部に向けて保持することで、前記発電セルと共に内部空間を形成するセル保持体と、
そのセル保持体の前記内部空間に配置され、反応液と反応して燃料ガスを発生するガス発生剤を収容してある燃料発生部と、
その燃料発生部の外側に一端が設けられた反応液導入部材を介して反応液を燃料発生部内のガス発生剤へと導く反応液導入機構と、を備える燃料電池。 A power generation cell that generates power by supplying fuel gas from one surface and oxygen from the other surface;
A cell holder that forms an internal space with the power generation cell by holding the power generation cell with the one surface facing inward,
A fuel generating unit that is disposed in the internal space of the cell holder and contains a gas generating agent that reacts with a reaction solution to generate a fuel gas;
A fuel cell comprising: a reaction liquid introduction mechanism that guides the reaction liquid to a gas generating agent in the fuel generation part via a reaction liquid introduction member having one end provided outside the fuel generation part.
前記反応液導入機構は、前記反応液収容カートリッジに形成された導出部を備え、前記反応液収容カートリッジを前記セル保持体に対して装着したときに、前記反応液導入部材が前記導出部に接触又は挿入されることで、反応液が前記反応液導入部材を介してガス発生剤へ供給される燃料電池。 The apparatus further includes a reaction liquid storage cartridge that is detachable from the cell holder and stores the reaction liquid.
The reaction liquid introduction mechanism includes a lead-out portion formed on the reaction liquid storage cartridge, and the reaction liquid introduction member contacts the lead-out portion when the reaction liquid storage cartridge is mounted on the cell holder. Alternatively, a fuel cell in which the reaction liquid is supplied to the gas generating agent through the reaction liquid introduction member by being inserted.
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