JP2010097929A - 燃料電池 - Google Patents

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Abstract

【課題】膜電極接合体で発生する電気エネルギーの急激な変化を補填するとともに、燃料電池のサイズを低減できる燃料電池を提供する。
【解決手段】本発明の燃料電池１００は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の面に形成されたアノード１１４と、電解質膜１１２の他方の面に形成されたカソード１１６とを備えた膜電極接合体１１０と、表面に流路１２２が形成され、この流路１２２が膜電極接合体１１０側を向くように膜電極接合体１１０に積層された補助電源１２０とを含むことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池に係り、膜電極接合体で発生する電気エネルギーの急激な変化を補填するとともに、燃料電池のサイズを低減できる燃料電池に関する。
最近、携帯用電子機器が小型化され、機能が多様化されていることにより、電子機器に電気エネルギーを供給するための電源の高効率化及び使用時間の増大が求められている。これにより、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する燃料電池（fuel cell）は、既存の携帯用電源の問題点であった効率及び寿命を著しく増加させることができる新しい代替法として、その重要性が高まっている。
従来技術による燃料電池は、アノード（anode）、カソード（cathode）及び電解質膜（electrolyte membrane）で構成された膜電極接合体（MEA、membrane-electrode assembly）の酸化及び還元反応によって電気エネルギーを発生させている。
しかし、このような従来技術では、膜電極接合体の電気エネルギーの生産が不均一であり、これを防止するために別途の補助装置を設置すると、燃料電池のサイズが大きくなってしまうという問題点があった。
こうした従来技術の問題点を解決するために、本発明は、膜電極接合体から発生する電気エネルギーの急激な変化を補填しながらも、サイズを低減できる燃料電池を提供することを目的としている。
本発明の一実施形態によれば、電解質膜と、電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、電解質膜の他方の面に形成されたカソードとを備えた膜電極接合体と、表面に流路が形成され、この流路が膜電極接合体側を向くように膜電極接合体に積層された補助電源とを含むことを特徴とする燃料電池を提供する。
ここで、補助電源はリチウムポリマー電池（lithium polymer battery）であることが好ましい。
また、補助電源は、流路がアノード側を向くようにアノードに積層することができる。そして、カソードに積層されてカソードに外気を供給するように開口部が形成されたエンドプレート（end plate）をさらに含むことが可能である。
本発明によれば、膜電極接合体で発生する電気エネルギーの急激な変化を補填することができ、燃料電池のサイズを低減することができる。
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた発明となりうる。
本発明の一実施例に係る燃料電池の構造を示す分解斜視図である。 本発明の一実施例に係る燃料電池の構造を示す断面図である。
以下、実施形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
本発明に係る燃料電池の実施例を、添付した図面を参照して詳細に説明し、添付した図面を参照して説明するに当たって、同一かつ対応する構成要素は同一の図面番号を付し、これに対する重複した説明は省略する。
また、「積層」とは、各構成要素間が物理的に直接接触する場合だけではなく、他の構成要素が各構成要素の間に介在し、各構成要素が他の構成要素にそれぞれ接触している場合も含む概念として使用する。
図１は本発明の一実施例に係る燃料電池１００の構造を示す分解斜視図であり、図２は本発明の一実施例に係る燃料電池１００の構造を示す断面図である。
図１及び図２に示すように、本発明の燃料電池１００は、膜電極接合体１１０と、補助電源１２０と、エンドプレート１３０とを含んでいる。
膜電極接合体１１０は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の面に形成されたアノード１１４と、電解質膜１１２の他方の面に形成されたカソード１１６とを備えている。
補助電源１２０は、表面に流路１２２が形成され、この流路１２２が膜電極接合体１１０側を向くように膜電極接合体１１０に積層されている。
エンドプレート１３０は、カソード１１６に積層されており、カソード１１６に外気を供給するように開口部１３２が形成されている。
このような本実施例によれば、補助電源１２０を用いることにより、膜電極接合体１１０から発生する電気エネルギーの急激な変化を補填することができ、一対のエンドプレートの全部または一部を補助電源１２０に代替することにより、燃料電池１００のサイズを低減することができる。
以下、図１及び図２を参照して、各構成についてより詳細に説明する。
図１及び図２に示すように、膜電極接合体１１０は、電解質膜１１２と、電解質膜１１２の一方の面に形成されたアノード１１４と、電解質膜１１２の他方の面に形成されたカソード１１６とを備えている。すなわち、膜電極接合体１１０は、アノード１１４及びカソード１１６と、この間に介在する電解質膜１１２とで構成され、化学エネルギーを変換して電気エネルギーを生産している。
ここで、電解質膜１１２は、アノード１１４とカソード１１６との間に介在し、アノード１１４の酸化反応によって発生した水素イオンをカソード１１６に移動させることができるものであり、この電解質膜としては高分子物質を用いることができる。
アノード１１４は電解質膜１１２の一方の面に形成されて、水素またはメタノールなどの燃料が供給されると、アノード１１４の触媒層で酸化反応が起こって水素イオンと電子とを発生させる。カソード１１６は電解質膜１１２の他方の面に形成されて、酸素と、アノード１１４から供給された水素イオン及び電子とが、カソード１１６の触媒層で還元反応を起こして水を発生させる。
アノード１１４及びカソード１１６では、燃料の種類に応じて次の一般式（１）または（２）に示すような化学反応が起こって電気エネルギーを発生させることができる。ここで、一般式（１）はアノード１１４に供給される燃料が水素である場合の式であり、一般式（２）はアノード１１４に供給される燃料がメタノールである場合の式を提示している。
［化１］
アノード１１４：Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−
カソード１１６：Ｏ２＋４Ｈ＋＋４ｅ−→２Ｈ２Ｏ （１）
全反応：２Ｈ２＋Ｏ２→２Ｈ２Ｏ
［化２］
アノード１１４：ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−
カソード１１６：１．５Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ （２）
全反応：ＣＨ３ＯＨ＋１．５Ｏ２→ＣＯ２＋２Ｈ２Ｏ
一方、補助電源１２０は、その表面に流路１２２が形成され、流路１２２が膜電極接合体１１０側を向くように膜電極接合体１１０に積層されている。このように、補助電源１２０を用いてハイブリッド（hybrid）型の燃料電池１００を実現することにより、膜電極接合体１１０から発生する電気エネルギーの急激な変化を補助電源１２０によって補填することができる。
ここで、補助電源１２０の外部ケース（case）には、図１及び図２に示すように上述した燃料を供給するための流路１２２が形成されており、この流路１２２が膜電極接合体１１０のアノード１１４側を向くようにアノード１１４上に積層される。
通常、膜電極接合体１１０の両面には一対のエンドプレートが積層されているが、本実施例では、エンドプレートのうち、アノード１１４側のエンドプレートを補助電源１２０に代替することにより、燃料電池１００の全体のサイズを低減することができる。
本実施例では、一対のエンドプレートのうちアノード１１４側のエンドプレートだけを補助電源１２０に代替した場合を一例として提示したが、その他にもカソード１１６側のエンドプレートを補助電源１２０に代替してもよいし、アノード１１４側及びカソード１１６側の両方のエンドプレートを補助電源１２０に代替することも可能であり、何れも本発明の権利範囲に含まれていることは明らかである。
ここで、補助電源１２０としては、リチウムポリマー電池を用いることができる。リチウムポリマー電池は、多様なサイズや形状に製造でき、２ｍｍ以下の厚さに製作できるので、結果的に燃料電池１００の形状自由度は向上し、サイズを低減することができる。
一方、エンドプレート１３０は、図１及び図２に示すように、カソード１１６に積層され、カソード１１６に外気が供給されるように開口部１３２が形成されている。すなわち、カソード１１６に積層されたエンドプレート１３０には、カソード１１６に外気が供給されるように開口部１３２が形成されている。
このように開口部１３２が形成されたエンドプレート１３０を膜電極接合体１１０のカソード１１６に積層することにより、別途の付加装置を備えていなくても自然対流によって外気から酸素が供給されて燃料電池１００を作動させることができるので、燃料電池１００の全体サイズを低減することができる。
以上、本発明を実施形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記の実施形態に記載された範囲に限定されるわけではない。上記の実施形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることは当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
特許請求の範囲、明細書及び図面中で示した装置における動作、手順、ステップ及び工程等の各処理の実行順序は、特段に「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いる場合でない限り、任意の順序で実現し得ることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書及び図面中の動作フローに関して、便宜上「先ず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順序で実施することが必須であることを意味するものではない。
１００ 燃料電池
１１０ 膜電極接合体
１１２ 電解質膜
１１４ アノード
１１６ カソード
１２０ 補助電源
１２２ 流路
１３０ エンドプレート
１３２ 開口部

Claims (3)

  1. 電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に形成されたアノードと、前記電解質膜の他方の面に形成されたカソードとを備えた膜電極接合体と、
    表面に流路が形成され、前記流路が前記膜電極接合体側を向くように前記膜電極接合体に積層された補助電源と
    を含むことを特徴とする燃料電池。
  2. 前記補助電源は、リチウムポリマー電池であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
  3. 前記補助電源は、前記流路が前記アノード側を向くように前記アノードに積層されており、
    前記カソードに積層されて前記カソードに外気を供給するように開口部が形成されたエンドプレートをさらに含む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。
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