JP2011192400A

JP2011192400A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2011192400A
Application number: JP2010054911A
Authority: JP
Inventors: Seiji Segami; 清司瀬上
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2010-03-11
Filing date: 2010-03-11
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】輻射ノイズをシールドするとともに、取り扱いを容易にする燃料電池を提供する。
【解決手段】膜電極接合体と、膜電極接合体の空気極側と対向する部分が導電材料により形成され筐体と、を備えた発電部７０と、互いに対向する第１主面と、第２主面と、第２主面上に配置されたグランド層ＧＮＤとを備え、複数の回路が搭載された第１主面側が発電部７０の燃料極側と対向するように配置された回路基板ＳＢと、発電部７０と回路基板ＳＢとの間に配置された導電体枠８０とを備え、グランド層ＧＮＤと、導電体枠８０と、導電性部材とが電気的に接続している燃料電池１００。
【選択図】図４

Description

本発明は燃料電池に関する。

近年、携帯電話機、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯ゲームプレイヤー等、携帯可能な様々な電子機器が提供されている。燃料電池、二次電池等の蓄電手段の高電圧、高エネルギー密度の実現が可能となり、携帯型の電子機器等の電源として注目されている。

燃料電池は、燃料を供給することにより、電力を出力することができる。そのため、屋外での使用が想定される電子機器や、電力の周波数等が異なる国や地域での使用が想定される電子機器の電源として、燃料電池が注目されている。

例えば、直接メタノール燃料電池（DMFC : Direct Methanol Fuel Cell）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料に用い、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出す方式を採用した比較的安全性の高い燃料電池であって、電子機器の電源として搭載することが検討されている。

例えば携帯電話機等の電磁波を利用した通信装置において、受信手段の近傍に電位的に浮いた金属があると、通信機としての性能を劣化させる要因となり得る。また、燃料電池内のＤＣＤＣコンバータは、ノイズを輻射する原因となることがあった。

このような性能劣化やノイズに対する対策として、回路基板の裏面にグランド電位が供給された導電体によるシールドを配置した電子機器が提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開平４−００３９９７号公報

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであって、輻射ノイズをシールドするとともに、取り扱いを容易にする燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の第１態様による燃料電池は、燃料極、空気極、および、前記燃料極と前記空気極との間に挟持された電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記空気極側と対向する導電性部材を含む筐体と、を備えた発電部と、互いに対向する第１主面と、第２主面と、前記第２主面上に配置されたグランド層とを備え、複数の回路が搭載された第１主面側が前記発電部の前記燃料極側と対向するように配置された回路基板と、前記発電部と前記回路基板との間に配置された導電体枠と、を備え、前記グランド層と、前記導電体枠と、前記導電性部材とは電気的に接続している燃料電池である。

本発明の第２態様による燃料電池は、燃料極、空気極、および、前記燃料極と前記空気極との間に挟持された電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記空気極側と対向する導電性部材を含む筐体と、を備えた発電部と、互いに対向する第１主面と、第２主面と、前記第２主面上の全体に渡って配置されたグランド層とを備え、複数の回路が搭載された第１主面側が前記発電部と対向するように配置された回路基板と、前記発電部を保持するとともに前記回路基板を支持および固定する導電体枠とを備え、回路基板は、少なくとも２つの位置決め穴を備え、前記導電体枠は、前記発電部の周囲を囲む枠部と、前記枠部から延びるとともに前記導電性部材と電気的に接続されるように前記導電性部材と対向して配置された第１凸部と、前記枠部から延びるとともに前記回路基板の第１主面と対向して配置された第２凸部と、前記第２凸部から延びるとともに前記位置決め穴を貫通した後に前記グランド層と電気的に接続されるように折り曲げられるガイドピンと、を備える燃料電池である。

本発明によれば、輻射ノイズをシールドするとともに、取り扱いを容易にする燃料電池を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池の一構成例を説明するためのブロック図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池の一構成例を説明するための斜視図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池のシールドの第１構成例を説明するための斜視図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池の断面の一例を示す図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池のシールドの第２構成例を説明するための斜視図である。本発明の一実施形態に係る燃料電池のシールドの第３構成例を説明するための斜視図である。図６に示すシールドを含む燃料電池の一構成例を説明するための斜視図である。

以下、本発明の第１実施形態に係る燃料電池ついて、図面を参照して説明する。図１に示すように、本実施形態に係る燃料電池１００は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ : Direct Methanol Fuel Cell）１０を備えている。ＤＭＦＣ１０は、燃料極（アノード）、空気極（カソード）、および、燃料極と空気極との間に挟持された電解質膜を含む膜電極接合体（ＭＥＡ、図示せず）と、燃料極へ燃料を送液する送液手段としてのポンプ１４と、燃料極への燃料供給を遮断するためのバルブ１２と、を備えている。ポンプ１４とバルブ１２とは、補器駆動回路３０により駆動される。補器駆動回路３０は内部バス５０を介して制御回路ＣＴＲによりその動作を制御される。

ＤＭＦＣ１０には燃料極に供給される燃料、すなわち、メタノール燃料が収容されたタンクＴＫが取り付けられている。タンクＴＫは、カートリッジからメタノール燃料が注入される燃料注入口ＴＫＩＮを備えている。

タンクＴＫ内の燃料が収容された空間はＤＭＦＣ１０の注入口１０ＩＮを介してＤＭＦＣ１０と連通している。タンクＴＫに収容された燃料は、ポンプ１４により注入口１０ＩＮを介してＤＭＦＣ１０に供給され、排出口１０ＯＵＴから膜電極接合体に供給される。液体燃料としてメタノール燃料を用いた場合、燃料極の触媒層で次の式（１）に示すメタノールの内部改質反応が生じる。

ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ → ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …式（１）
なお、メタノール燃料として純メタノールを使用した場合には、メタノールは、空気極の触媒層で生成した水や電解質膜中の水と上記した式（１）の内部改質反応によって改質されるか、または水を必要としない他の反応機構により改質される。この反応で生成した電子（ｅ⁻）は図示しない集電体により外部に導かれ、いわゆる電力として外部に供給された後、空気極に導かれる。

また、式（１）の内部改質反応で生成したプロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜を経て空気極に導かれる。空気極には、保湿層を介して、酸化剤ガスとして空気が供給される。燃料電池１００を収容する筐体（図示せず）には複数の穴が設けられ、これら複数の穴を介して空気極へ空気が供給される。空気極に到達した電子（ｅ⁻）とプロトン（Ｈ^＋）とは、空気極の触媒層で空気中の酸素と次の式（２）に示す反応を生じ、この発電反応に伴って水が生成される。

（３／２）Ｏ_２＋６ｅ⁻＋６Ｈ^＋ → ３Ｈ_２Ｏ …式（２）
上記式（２）の反応によって生じた水（Ｈ_２Ｏ）は保湿層に吸収される、あるいは、筐体に設けられた複数の穴を介して水蒸気として外部に放出される。

ＤＭＦＣ１０から出力された電力は、ＤＣＤＣコンバータ２０に供給される、ＤＣＤＣコンバータ２０は、内部バス５０を介して制御回路ＣＴＲによってその動作を制御されている。ＤＣＤＣコンバータ２０は、ＤＭＦＣ１０から供給された電力を、所定の大きさの直流電力に変換して出力する。

ＤＣＤＣコンバータ２０から出力された直流電力は、出力端子を介して燃料電池１００の外部に出力される、あるいは、燃料電池１００の内部の二次電池ＢＴに供給される。二次電池ＢＴはたとえばリチウムイオン電池やニッケル水素電池である。二次電池ＢＴから出力される電力は、例えば、燃料電池１００の補器であるポンプ１４やバルブ１２の駆動のために用いられる。

燃料電池１００は、記録回路４０および充電回路６０を更に備えている。記録回路４０は内部バス５０を介して制御回路ＣＴＲによりその動作を制御されるメモリである。充電回路６０は、制御回路ＣＴＲによって動作を制御され、外部から供給される電力を二次電池ＢＴに供給する。制御回路ＣＴＲは、インタフェースＩＦを介して外部信号源と接続されている。外部信号源は、制御回路ＣＴＲの動作を制御する上位制御手段である。

図２に、本実施形態に係る燃料電池１００の一構成例を説明するための斜視図を示す。図２に示すように、本実施形態に係る燃料電池１００は、発電部７０と、導電体枠８０と、回路基板ＳＢと、を備えている。

発電部７０は、図１に示すＤＭＦＣ１０、タンクＴＫ、および、ＤＭＦＣ１０とタンクＴＫとを収容する筐体を備えている。筐体は、樹脂等の絶縁材料により形成された収容体（図示せず）と、導電性材料により形成されたカバーＳＵＳ（導電性部材）とを備えている。カバーＳＵＳは、ＤＭＦＣ１０の空気極側と対向するとともに、複数の穴が設けられている。ＤＭＦＣ１０の燃料極側と対向する筐体の外側には、二次電池ＢＴが取り付けられている。

発電部７０は略直方体状である。導電体枠８０は、図４に示すようにその断面が「コ」の字状である。Ｘ方向における発電部７０の幅と導電体枠８０の幅とは略等しく、Ｙ方向における発電部７０の幅と導電体枠８０の幅とは略等しくなっている。発電部７０の筐体に収容されたＤＭＦＣ１０の燃料極側を上方向として、発電部７０上に導電体枠８０が配置されている。導電体枠８０の上には回路基板ＳＢが配置されている。

回路基板ＳＢは、互いに対向する第１主面と第２主面と、第１主面上に搭載された図１に示す内部バス５０、記録回路４０、補器駆動回路３０、ＤＣＤＣコンバータ２０、および充電回路６０を備えている。さらに、回路基板ＳＢは、内部バス５０、記録回路４０、補器駆動回路３０、ＤＣＤＣコンバータ２０、および充電回路６０が搭載された側とＺ方向において反対側の主面（第２主面）上に設けられたグランド層ＧＮＤを備えている。グランド層ＧＮＤは、回路基板ＳＢの第２主面上の全体に渡って配置されている。

図３および図４に示すように、回路基板ＳＢは、搭載された補器駆動回路３０、ＤＣＤＣコンバータ２０、および充電回路６０が発電部７０側に配置されるように、導電体枠８０上に配置されている。

本実施形態では、このように発電部７０、導電体枠８０、および回路基板ＳＢがＺ方向に重ねられた状態で、導電テープ９０Ａによって固定される。導電テープ９０Ａは、Ｚ方向と略直交する方向に沿って、発電部７０、導電体枠８０、および、回路基板ＳＢの周囲に取り付けられる。このとき、図４に示すように、導電テープ９０Ａは、回路基板ＳＢのグランド層ＧＮＤ、導電体枠８０、および、発電部７０の筐体のカバーＳＵＳを電気的に接続させるように取り付けられる。

すなわち、導電テープ９０Ａが取り付けられる前の状態では、導電テープ９０ＡのＺ方向の幅は、発電部７０、導電体枠８０、および、回路基板ＳＢを重ねたＺ方向の幅よりも大きく形成されている。したがって、Ｚ方向において、回路基板ＳＢのグランド層ＧＮＤとカバーＳＵＳとの間の領域が導電テープＡによって覆われることとなる。

このように導電テープ９０Ａを取り付けることによって、燃料電池の周囲をグランド電位が供給されたシールド層で覆うことができる。すなわち、回路基板ＳＢのグランド層ＧＮＤと導電体枠８０と発電部７０の筐体のカバーＳＵＳとが、導電テープ９０Ａにより電気的に接続されてグランド電位となり、シールド層となる。

さらに、導電テープ９０Ａによって、発電部７０、導電体枠８０、および、回路基板ＳＢを一体に固定することができ、燃料電池１００の組み立て作業が複雑になることを回避することができる。

また、回路基板ＳＢは基板面から突出した複数の回路が燃料電池１００の内部に収容され、グランド層ＧＮＤが配置された平坦な主面側が露出することになる。そのため、燃料電池１００全体の形状も略直方体形状となり、燃料電池１００の取り扱いが容易となる。

したがって、本実施形態に係る燃料電池によれば、輻射ノイズをシールドするとともに、取り扱いを容易にする燃料電池を提供することができる。

次に、本発明の第２実施形態に係る燃料電池について、図面を参照して以下に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態に係る燃料電池１００と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る燃料電池１００は、導電テープ９０Ａ以外の構成は、上記第１実施形態に係る燃料電池と同様の構成である。すなわち、図５に示すように、本実施形態に係る燃料電池１００の導電テープ９０Ｂは、発電部７０の筐体のカバーＳＵＳと対向する略矩形状の第１テープ部ＴＰ１と、第１テープ部ＴＰ１の４つの端辺から延びる４つの第２テープ部ＴＰ２とを備えている。

第１テープ部ＴＰ１には、発電部７０の筐体のカバーＳＵＳに設けられた複数の穴と連通するように、複数の穴が設けられている。第２テープ部ＴＰ２は、発電部７０の筐体のカバーＳＵＳ、導電体枠８０、および、回路基板ＳＢのグランド層ＧＮＤに電気的に接続されている。

このように導電テープ９０Ｂを取り付けることによって、燃料電池１００の周囲をグランド電位が供給されたシールド層で覆うことができる。すなわち、回路基板ＳＢのグランド層ＧＮＤと導電体枠８０と発電部７０の筐体のカバーＳＵＳとが、導電テープ９０Ｂにより電気的に接続されてシールド層となる。

さらに、導電テープ９０Ｂによって、発電部７０、導電体枠８０、および、回路基板ＳＢを一体に固定することができ、燃料電池１００の組み立て作業が複雑になることを回避することができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る燃料電池について、図面を参照して以下に説明する。本実施形態に係る燃料電池１００は、第１実施形態に係る燃料電池と導電体枠および回路基板の構成が異なるとともに、本実施形態に係る燃料電池１００は導電テープを備えていない。

本実施形態に係る燃料電池は、図６に示すような導電体枠８２を備えている。導電体枠８２は、金属の平板を打ち抜き加工して形成されている。導電体枠８２は、図７に示すように、Ｚ方向を軸として発電部７０の周囲を囲むように配置される略矩形状の第１枠部８２Ａと、第１枠部８２Ａの長手方向に延びる一端縁ＥＤ１から長手方向に対して略直交する方向に延びる複数の凸部８２Ｂと、第１枠部８２Ａの長手方向に延びる他端縁ＥＤ２から長手方向に対して略直交する方向に延びる４つの凸部８２Ｃと、凸部８２Ｃから突出したガイド部材としての複数のガイドピン８２Ｄと、を備えている。

第１枠部８２Ａの長手方向の幅は、Ｚ方向を軸とする発電部７０の周囲を囲む長さ（発電部７０のＹ方向の幅とＸ方向の幅との和の２倍）と略等しくなっている。第１枠部８２Ａは、Ｚ方向と略直交する方向に沿って発電部７０の周囲を囲むように、発電部７０の周囲に沿って折り曲げられている。

凸部８２Ｂは、第１枠部８２Ａの一端縁ＥＤ１に沿って、発電部７０の筐体のカバーＳＵＳと対向するように折り曲げられ、カバーＳＵＳに押し付けられる。このとき、凸部８２Ｂは、カバーＳＵＳと電気的に接続されるようにカバーＳＵＳに押し付けられる、あるいは、カバーＳＵＳに固定される。

凸部８２Ｃは、第１枠部８２Ａの他の端縁ＥＤ２に沿って、発電部７０の二次電池ＢＴが配置された側に対向するように折り曲げられる。このとき、凸部８２Ｃは、第１枠部８２Ａの厚さ方向と略平行となるように折り曲げられる。複数のガイドピン８２Ｄは、Ｚ方向と略平行に延びるように外側に向かって凸部８２Ｃから立ち上げられる。

回路基板ＳＢは、図７に示すように略矩形状であって、４つの角の近傍においてＺ方向に貫通された位置決め穴ＳＢＨを備えている。回路基板ＳＢは、位置決め穴ＳＢＨにガイドピン８２Ｄが通るように位置決めされ、搭載された複数の回路が発電部７０側となるように導電体枠８２上に配置され、凸部８２Ｃによって支持される。すなわち、回路基板ＳＢの複数の回路が搭載された第１主面と、凸部８２Ｃとは対向するように配置されている。

回路基板ＳＢが導電体枠８２上に配置された後、ガイドピン８２Ｄが折り曲げられて、回路基板ＳＢを固定する。このときガイドピン８２Ｄが回路基板ＳＢのグランド層ＧＮＤと電気的に接続されるように、グランド層ＧＮＤに押し付けられる、あるいは、グランド層ＧＮＤに固定される。

上記のように発電部７０に導電体枠８２および回路基板ＳＢを取り付けることによって、発電部７０、導電体枠８２、および回路基板ＳＢを一体に固定することができるとともに、導電体枠８２を、発電部７０の筐体のカバーＳＵＳと回路基板ＳＢのグランド層ＧＮＤとに導通させることができる。

このように、燃料電池１００が導電体枠８２および回路基板ＳＢを備えることによって、燃料電池１００の周囲をグランド電位が供給されたシールド層で覆うことができる。すなわち、回路基板ＳＢのグランド層ＧＮＤと導電体枠８２と発電部７０の筐体のカバーＳＵＳとが、導電体枠８２により電気的に接続されてシールド層となる。

また、導電体枠８２は金属の平板を打ち抜き加工することにより形成することができるため、製造することが容易であって、導電体枠８２を折り曲げることで燃料電池１００を組み立てることができるため、組立作業が複雑になることはない。

なお、この発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。例えば、上記第３実施形態に係る燃料電池１００では、回路基板ＳＢが４つの位置決め穴ＳＢＨを備えていたが、位置決め穴ＳＢＨは少なくとも２つ設けられればよい。この場合であっても、上述の第３実施形態に係る燃料電池と同様の効果を得ることができる。

また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。上記実施の形態では、導電性テープを用いているが、各構成が電気的に接続される手段であれば、導電性テープに限られるものではない。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。例えば、上記第３実施形態に係る燃料電池１００が、第１実施形態あるいは第２実施形態に係る燃料電池の導電テープをさらに備えていてもよい。その場合であっても上述の第１乃至第３実施形態に係る燃料電池と同様の効果を得ることができる。

ＴＫ…タンク、ＳＢ…回路基板、ＧＮＤ…グランド層、ＳＢＨ…穴（位置決め穴）、ＳＵＳ…カバー（導電性部材）、１０…直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）、７０…発電部、８０、８２…導電体枠、８２Ａ…第１枠部、８２Ｂ…凸部（第１凸部）、８２Ｃ…凸部（第２凸部）８２Ｄ…ガイドピン、９０Ａ、９０Ｂ…導電テープ、１００…燃料電池。

Claims

少なくとも、燃料極、空気極、および、前記燃料極と前記空気極との間に挟持された電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記空気極側と対向する導電性部材を含む筐体と、を備えた発電部と、
互いに対向する第１主面と、第２主面と、前記第２主面上に配置されたグランド層とを備え、複数の回路が搭載された第１主面側が前記発電部の前記燃料極側と対向するように配置された回路基板と、
前記発電部と前記回路基板との間に配置された導電体枠と、を備え、
前記グランド層と、前記導電体枠と、前記導電性部材とは電気的に接続している燃料電池。
前記グランド層と、前記導電体枠と、前記導電性部材との電気的な接続は、前記発電部と前記回路基板と前記導電体枠とを固定する導電テープである請求項１記載の燃料電池。
前記発電部、前記回路基板、および前記導電体枠は、厚さ方向において重ねて配置され、
前記導電テープは略矩形状であって、前記厚さ方向において前記グランド層と前記導電性部材との間を覆うように取り付けられている請求項２記載の燃料電池。
前記発電部、前記回路基板、および前記導電体枠は、厚さ方向において重ねて配置され、
前記導電テープは、前記導電性部材と電気的に接続される第１テープ部と、前記導電体枠および前記グランド層と電気的に接続するように前記代第１テープ部から延びるとともに、前記グランド層と前記導電性部材との間の領域を覆う第２テープ部とを備えている請求項２記載の燃料電池。
燃料極、空気極、および、前記燃料極と前記空気極との間に挟持された電解質膜を含む膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記空気極側と対向する導電性部材を含む筐体と、を備えた発電部と、
互いに対向する第１主面と、第２主面と、前記第２主面上の全体に渡って配置されたグランド層とを備え、複数の回路が搭載された第１主面側が前記発電部と対向するように配置された回路基板と、
前記発電部を保持するとともに前記回路基板を支持および固定する導電体枠とを備え、
回路基板は、少なくとも２つの位置決め穴を備え、
前記導電体枠は、前記発電部の周囲を囲む枠部と、前記枠部から延びるとともに前記導電性部材と電気的に接続されるように前記導電性部材と対向して配置された第１凸部と、前記枠部から延びるとともに前記回路基板の第１主面と対向して配置された第２凸部と、前記第２凸部から延びるとともに前記位置決め穴を貫通した後に前記グランド層と電気的に接続されるように折り曲げられるガイドピンと、を備える燃料電池。