JP3813129B2 - 空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパック - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯用電子機器の電源として用いて好適な直接メタノール燃料電池セルパックの構造に係り、より詳細には、効率的な燃料供給の構造及び反応副生成物の排出構造を有する空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下、ＤＭＦＣ）は、燃料であるメタノールと酸化剤である酸素との反応により電気を発する発電装置であって、エネルギー密度及び電力密度が極めて高く、メタノールを燃料として直接的に用いるので燃料改質器などの周辺装置が要らないほか、燃料の貯蔵及び供給が容易であるという長所を有している。さらに、モノポーラ型のＤＭＦＣの場合、常温及び常圧で作動が可能であり、かつ小型化が可能であることから、携帯用電話機、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄａｔａ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、ノート型パソコンなどの携帯用電子機器、医療機器、軍事用装備などの電源として使用が可能である。
【０００３】
ＤＭＦＣは、前述した如く、メタノールと酸素との電気化学的な反応により電気を発する発電システムであって、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜が挟まれているような構造を有する。
【０００４】
アノード電極及びカソード電極は、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層と、電極反応、すなわち酸化／還元反応が起こる触媒層、及び電極支持体などを備える。触媒としては、低温でも優れた酸化／還元反応特性を有する白金などの貴金属が用いられ、反応副生成物である一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するためにルテニウム、ロジウム、オスニウム、ニッケルなどの転移金属の合金も用いられる。
【０００５】
電極支持体としては炭素紙または炭素織物などが用いられ、これは、燃料の供給及び反応生成物の排出を容易ならしめるために止水処理される。電解質は厚みが５０ないし２００μｍである高分子膜であって、水分を含有すればイオン伝導性を有する水素イオン交換膜が用いられる。
【０００６】
ＤＭＦＣの電極反応は、燃料が酸化されるアノード反応と、水素イオン及び酸素の還元によるカソード反応とに大別され、その反応式は、下記の通りである。
【０００７】
［反応式１］
【０００８】
アノード電極では、酸化反応によりメタノールと水とが反応して２酸化炭素と６つの水素イオン及び電子を生成し、生成された水素イオンは水素イオン交換膜を経てカソードに伝達される。カソードでは、還元反応により水素イオンと、外部回路を介して伝達された電子及び酸素が反応して水を生成する。従って、総括反応は、メタノールと酸素とが反応して水及び２酸化炭素を生成する反応となる。
【０００９】
ＤＭＦＣ単位セルの発生電圧は理論的には約１．２Ｖであるが、常温及び常圧条件下で開回路電圧は１Ｖ以下となり、実際の作動電圧は、活性化過電圧及び抵抗過電圧により電圧降下が起こるために、約０．３ないし０．５Ｖとなる。従って、所望の容量の電圧を得るためには多数枚のセルを直列に接続しなければならない。セルを直列に接続させる方式には、積層方式によって大きくバイポーラ型とモノポーラ型がある。バイポーラ型は、１枚の極板がポジティブ（＋）及びネガティブ（−）の極性を合わせ持つ積層方式であって、主として高容量のスタックに用いられる。これに対し、モノポーラ型は１枚の極板がポジティブまたはネガティブ極性のみを有する積層方式であって、主として低容量のスタックに用いられる。
【００１０】
モノポーラ型積層方式は、１枚の電解質膜上に多数枚のセルを配列した後に各セルを直列に接続させることにより回路を構成する方式であって、薄型化及び軽量化に大きく寄与でき、小型薄型化したＤＭＦＣの製作が可能である。モノポーラ型セルパックでは、電解質膜上の電極がいずれも同じ極性を有するので燃料を全ての電極に同時に伝達でき、全ての電極において燃料濃度が一定に保たれるといった長所がある。
【００１１】
しかし、モノポーラ型セルパック構造では、集電体の役割を果たし、燃料供給路である流路がチャンネル状に刻まれた黒鉛ブロックが連続的に積層されているため、燃料の供給及び電気的な接続が同時になされるバイポーラ型構造とは異なって、燃料の供給及び集電が同時になされ難い。このため、この場合、集電板と電極との接触状態が良好でなければ、接触面が狭くて抵抗による電流の損失が起こる。また、反応副生成物である２酸化炭素の効率的な排出が難しく、液体燃料層内にこれらの気泡が入り込んで燃料の供給を妨げ、電極の表面にできた気泡は電極表面の燃料が触媒に移動することを妨げるため、電極の性能を著しく落としてしまう。
【００１２】
このような問題点を解決するためには、燃料の供給及び電流の集電が同時になされ得る集電板が必要であり、このような集電板は、電極との接触面が最大となって接触抵抗による電流の損失を防止できなければならない。また、セルパック内に反応副生成物である２酸化炭素の排出路を設けることにより電極表面上の２酸化炭素を迅速に排出し、電極触媒への円滑な燃料の供給がなされるようにしなければならない。
【００１３】
ＤＭＦＣは、酸素を反応物として用いるため、ＤＭＦＣセルパックの構造は還元反応が起こるカソード電極が外気と直接的に接触するような構造を有さなければならない。しかしながら、ＤＭＦＣセルパックを携帯用電子機器の電源として応用するために電子機器に搭載する場合、電子機器との接続面において空気吸入口が設けられたセルパック外面の一部が隠され、使用者の身体部位や電子機器が置かれた環境によってセルパック外面の空気吸入口が隠されるため、その部分では空気吸入口を通じた酸素の供給がなされず、電極反応が起こらなくなる。
【００１４】
もう一つの問題点は、セルパックへの供給燃料が液体であるため、セルパックの使用状態、例えば電子機器が片方に傾いた状態で用いられる時に燃料が燃料室内において重力により片方に偏ってしまい、これにより、燃料室からの燃料が全体の電極に供給できず、燃料がたまっている側に位置する電極にのみ燃料が供給され、これより遠い所に位置する電極には燃料が供給できなくなる結果となる。従って、目的とする出力の電気を発生できなくなる。
【００１５】
このような問題を解決するためには、セルパックと電子機器との接続位置、使用者の使用環境などに関係なく外気がセルパックの内部に十分に流入されて電極の表面に満遍なく供給できなければならず、かつ、外部からの異物や水分の浸透を防止できる手段が必要となる。また、電子機器の使用位置または姿勢に関係なく燃料が常に全ての電極に満遍なく供給できる構造が望まれる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、セルパック内の全てのアノード電極に対する燃料の供給が可能であり、しかも副生成物を効率よく排出できるＤＭＦＣセルパックを提供するところにある。
本発明の第２の目的は、セルパックの内部への異物の流入を効率よく防止でき、しかもカソード電極の全体に対する空気の供給及び集電が可能なＤＭＦＣセルパックを提供するところにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によれば、電解質膜、前記電解質膜の第１の面に設けられる多数のアノード電極、及び前記第１の面とは反対側である電解質膜の第２の面に前記アノード電極の各々に対応して設けられる多数のカソード電極による多数の単位セルを形成する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、前記アノード電極への供給燃料を内部に貯蔵し、その内部の燃料が通過する多数の燃料供給ホールが形成された燃料供給板付き燃料供給室と、前記燃料供給室内に設けられ、毛細管現象により燃料を拡散するウィッキング部材と、前記燃料供給板と前記ＭＥＡとの間の燃料供給路上に設けられ、燃料供給板を介して供給される燃料を拡散させて前記ＭＥＡのアノード電極に供給するウィッキングシートと、を備える空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパックであって、前記燃料供給室の両側に前記ＭＥＡが各々設けられ、各ＭＥＡが対面する前記燃料供給室の両側に前記燃料供給板が設けられ、各ＭＥＡと燃料供給板との間に前記ウィッキングシートが挟まれていることを特徴とする空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパックが提供される。
【００２０】
前記燃料供給室、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）及びこれらの間のウィッキングシートが上部の板状部材及び下部の板状部材の間に挟まれ、上部の板状部材及び下部の板状部材の間の縁部には、上部の板状部材及び下部の板状部材と共にハウジングを形成する壁体が形成されている。
【００２１】
前記上部の板状部材及び下部の板状部材のうち、ＭＥＡのカソード電極に対面する板状部材にはカソード電極への空気を供給するための通気孔が形成される。
【００２２】
一方、前記ハウジングの壁体は前記燃料供給室と所定距離だけ離れていてこれらの間に反応副生成物が通過するチャンネルが形成され、前記壁体には前記チャンネルを介して流動する副生成物が排出される排出孔が形成されている。そして、より安定的な壁体と燃料供給室との離隔のために、前記壁体の内面にはスペーサが多数設けられる。
【００２３】
一方、前記各ＭＥＡの各単位セルのカソード電極及びアノード電極上に網目状の集電体が設けられ、各集電体は集電体を互いに電気的に接続されて前記単位セル間の電気的な回路を構成する導電体に連結される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明によるＤＭＦＣのセルパックの好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明によるセルパックの前提となる構造についての概略的な分解斜視図であり、図２は、図１に示したセルパックの前提となる構造について、組立てによる積層構造を示す展開図である。
【００２６】
図１及び図２を参照すれば、一側面に燃料注入口１２３が形成された直方体状の燃料供給室１２の上下にメタノール及び空気の供給により発電を行うＭＥＡ １１、１１が対称的に位置し、これらの間に燃料の効率良い拡散及び供給のためのウィッキングシート３１、３１が設けられる。
【００２７】
前記ＭＥＡ １１、１１とこれらの中央に挟まれる燃料供給室１２は直方体のハウジング２０内に収められる。燃料供給室１２とこの上下のＭＥＡ １１、１１との間に設けられるウィッキング部材３１は、本発明を特徴づける一要素である。
【００２８】
前記燃料供給室１２には、内部に燃料を貯蔵してその上下に多数の燃料供給ホールが形成された燃料供給板が設けられるが、その具体的な構造については後述する。
【００２９】
前記ハウジング２０は、通気孔２１１ａが多数形成された底部としての下部の板状部材２１１と、下部の板状部材２１１の縁部に所定の高さに形成される壁体２１２付き下部胴体２１、及び前記壁体２１２の上端部に接触されて前記下部胴体２１の上方を包み、ハウジング２０内に繋がる通気孔２２１ａが多数形成された板状の蓋体としての上部の板状部材２２を備える。
【００３０】
一方、前記壁体２１２の内面には、燃料供給室１２の側面と壁体の内面とを離隔させて燃料供給室１２側に対面するアノード電極１１ｄ側から発生する２酸化炭素ガスなどの反応副生成物の排出経路を与えるスペーサ２１２ａ及びガス排出孔２１２ｂが形成されている。一方、前記壁体２１２の上端には、前記上部の板状部材２２の底面に形成される嵌合溝（図示せず）に対応する突出部２１２ｄが設けられており、前記上部の板状部材２２と下部胴体２１とを堅固に結合する。
【００３１】
前記燃料供給室１２の上側及び下側に設けられるＭＥＡ １１、１１は、電解質膜１１ａと、電解質膜１１ａを中心としてその両面に各単位セルに互いに対応して電解質膜１１ａの第１の面及び第２の面に各々設けられる多数のアノード電極１１ｄ、及びカソード電極１１ｂを備え、各アノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂの上面には網目状の金属集電体１１ｃ、１１ｅが接触され、電解質膜１１ａの縁部には、ある単位セルのカソード集電体とこれに隣接した他の単位セルのアノード集電体とを電気的に接続させる導電体１１ｆが多数設けられている。
本発明によるセルパックの主な構成について詳述する。
【００３２】
図３は、図１及び図２に示したＭＥＡ １１のアノード電極１１ｄを示す平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図であって、便宜上網目状の集電体１１ｅを分離して示している。
【００３３】
図３及び図４に示したように、電解質膜１１ａの縁部の前面及び背面に四角枠状のガスケット１４が取り付けられている。このガスケット１４は、弾力性及び密着性に優れたシリコンコーティングされたテフロン（登録商標）から形成される。このようなガスケット１４は、便宜上図１には示されていない。前記ガスケット１４は、燃料供給室１２からアノード電極１１ｄへの供給メタノールがセルパックの外部に漏れることを防止するためにＭＥＡ １１、１１の上下面の縁部に設けられ、セルパックの付属品が組み立てられた時に密着されてシーリング効果を示す。
【００３４】
前記電解質膜１１ａの両面には６組みのアノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂが互いに対称的に取り付けられている。すなわち、電解質膜１１ａの一面に６枚のアノード電極１１ｄが所定間隔、例えば約１ｍｍの間隔をおいて配されており、電解質膜１１ａの反対面に前記アノード電極１１ｄに対応する６枚のカソード電極１１ｂが所定間隔、例えば１ｍｍの間隔をおいて配されて１枚の電解質膜１１ａに６つの単位セルが形成される。各アノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂの上には網目状の集電体１１ｅ、１１ｃが位置する。網目状の２枚の集電体１１ｅ、１１ｃは、図５に示したように、導電体１１ｆに連結されている。
【００３５】
ここで、導電体１１ｆは、１組みのアノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂにより設けられた６つの単位セルを電気的に直列接続させて電気的な回路を構成し、これは公知の技術であるため、その具体的な説明は省略する。
【００３６】
前記導電体１１ｆ及び集電体１１ｅ、１１ｃは、腐食による抵抗の増加を防止するために、ニッケル、白金など耐腐食性が良好な金属よりなることが好ましく、本実施の形態では、金メッキのニッケル網及び銅箔により集電体及び導電体を製作している。そして集電体１１ｅ、１１ｃは、約５０μｍの厚みに形成して十分な開口率を有させることにより、液体燃料であるメタノールを容易に通過ならしめる。
【００３７】
図６は、前記燃料供給室１２の分解斜視図であり、図７は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【００３８】
図６及び図７に示したように、燃料供給室１２は、所定の高さの枠体１２１ｂ及び燃料供給ホール１２１ａが形成された下部の燃料供給板１２１ｃを有する下部胴体１２１と、前記下部胴体１２１の上方に結合されるものであって、燃料供給ホール１２２ａが多数密に形成された上部の燃料供給板１２２とを備える。
【００３９】
燃料供給室１２内にはメタノールが貯蔵され、前記上部の燃料供給板１２２及び下部の燃料供給板１２１ｃの外面にはウィッキングシート３１及びＭＥＡ １１が順次に密着される。前記上部の燃料供給板１２２及び下部の燃料供給板１２１ｃは、毛細管現象により燃料を供給する。このため、前記燃料供給室１２のメタノールは毛細管現象により前記上部の燃料供給板１２２及び下部の燃料供給板１２１ｃの燃料供給ホール１２２ａ、１２１ａを介して少量ずつ両側のＭＥＡ １１、１１のアノード電極１１ｄに供給される。この時、燃料供給板１２２、１２１ｃを介して供給された燃料はアノード電極１１ｄに達する前にウィッキングシート３１を通過するが、ウィッキングシート３１により拡散された後にアノード電極１１ｄに供給される。図６中、参照番号「１２１ｄ」は補強用リブであって、上部の燃料供給板１２２の中間部分を支持して上部の燃料供給板１２２を支持するスペーサとしての役割を果たす。
一方、前記枠体１２１ｂの上下面には副生成物である２酸化炭素ガスが通過するチャンネル１２４が多数並ぶように形成されている。これは、アノード電極１１ｄと燃料供給板１２１ｃ、１２２との間に生じたガスを枠体１２１ｂの外側に排出するためのものである。図８は、下部胴体２１内に前記燃料供給室１２が設けられた状態を示す概略的な平面図である。図８に示したように、燃料供給室１２と壁体２１２との間にスペーサ２１２ａにより保持されるガス流路１２５が設けられている。このガス流路１２５は、壁体２１２に形成されたガス排出孔２１２ｂ（図１参照）と連結される。従って、燃料供給板１２２側で発生した反応副生成物であるガスが枠体１２１ｂの上面に形成された多数のチャンネル１２４を介して燃料供給室１２を包むガス流路１２５に排出され、さらにガス排出孔２１２ｂを介して外部に排出される。
【００４０】
一方、図９Ａに示したように、前記燃料供給室１２内には、燃料供給室１２が片方に傾いた時にも全体的に燃料を満遍なく供給するためのスポンジ、綿または不織布など、燃料を吸い込めるウィッキング部材が３２が設けられても良い。燃料供給室１２内における燃料の偏りは、燃料が充満していない状態におけるセルパックの使用姿勢や位置などの変化により起こる。このような燃料の偏りを防止するために、前記燃料供給室１２内にウィッキング部材３２を入れれば、燃料が少量残っている場合にも、毛細管現象により燃料が燃料供給室１２内に満遍なく分布される。
図９Ｂは、ウィッキング部材３２が内蔵された燃料供給室１２の上下に、前記ウィッキングシート３１、３１が密着されている状態を示している。ウィッキングシート３１、３１及びウィッキング部材３２はポリプロピレンなどの不織布などにより形成でき、これを介して原料供給板１２の水平方向に燃料が極めて早く広がる。このような構造によれば、燃料供給室１２内において燃料が極めて均一に分布されて存在し、かつ、燃料供給ホール１２１ａ、１２２ａを介して排出された燃料はウィッキングシート３１、３１から再び広がる。従って、ウィッキングシート３１に燃料が満遍なく広がることにより、ウィッキングシート３１に接触されるアノード電極に対する燃料の供給が全体的に均一になる。
【００４１】
図１０は、ウィッキング部材３２が内蔵された燃料供給室１２の上にウィッキングシート３１、ＭＥＡ １１、上部の板状部材２２が積層された構造を展開して示す部分抜すい断面図である。
【００４２】
図１０に示したように、上部の板状部材２２の通気孔２２１ａを介して空気が流入されてカソード電極１１ｂ側に伝達され、アノード電極１１ｄ側にはウィッキングシート３１を介して広がった燃料が供給される。ウィッキングシート３１は、毛細管現象により吸い込まれた燃料を全体的に満遍なく拡散させてＭＥＡ １１の全ての単位セルのアノード電極１１ｄに燃料を供給する。一方、燃料供給室１２内にもまた、毛細管現象により燃料を拡散させるウィッキング部材３２が設けられている。このようなウィッキング部材３２は、燃料供給室１２の内部に少量の燃料が貯蔵されている場合にもこれを均一拡散させて、燃料供給板の全ての燃料供給ホールを介して燃料を満遍なく供給する。このような空気及び燃料供給において、カソード電極及びアノード電極上に接触された集電体１１ｃ、１１ｅは、空気及び燃料の通過が可能な金属網目体である。従って、これらは空気及び燃料をそのまま通過させると同時に、集電体としての機能をも行う。
【００４３】
前述した実施の形態は、単一の燃料供給室の両側にＭＥＡが対称的に設けられるような構造を有する。一方、参考例によれば、単一の燃料供給室の両側にＭＥＡが対称的に設けられる構造において、前記ＭＥＡが通気孔付き上部の板状部材および下部の板状部材のいずれか一方にのみ形成されても良い。
【００４４】
図１１は、参考例によるものであって、上部の板状部材にのみ通気孔が形成される構造のセルパックを示す断面図である。
【００４５】
図１１に示したように、その縁部に壁体２１２を有する箱状の下部胴体２１の底面に燃料供給部１３が位置し、その上部にウィッキングシート３１及びＭＥＡ１１が順次に置かれている。そして、上板２２は前記ＭＥＡ １１を加圧する状態で前記下部胴体２１に結合される。図示はされていないものの、前記ＭＥＡ１１にはアノード電極と、カソード電極及び各電極に対応する集電板などが設けられている。ここで、上板２２には多数の通気孔２２１ａが形成されている。しかし、下部の板状部材２１１には通気孔が存在しない。本発明は必ずしもこれに限定されることなく、下部の板状部材にも通気孔が存在でき、これは副生成物の排出に役立つ。また、前記燃料供給室１２において、前記ＭＥＡ １１との対向面に燃料供給ホール１２２ａ付き燃料供給板１２２が設けられ、下部の板状部材２１１と対向する反対面は閉鎖されている。
【００４６】
図１２は、図１に示したセルパックの組立て状態を示す概略的な外観斜視図である。製作されたセルパックは、横６．０ｃｍ×縦８．０ｃｍ×高さ１．０ｃｍの直方体である。ここで、上部の板状部材及び下部の板状部材には外気を供給するための通気孔２２１ａ、２１１ａが一定の間隔をおいて配列されており、壁体２１２には反応副生成物である２酸化炭素ガスを排出するためのガス排出孔２１２ｂが形成されている。セルパックの一側面には、セルパック内部に対称的に形成された２つのＭＥＡに設けられた１２個の単位セルが直列接続された端子１６、１７が設けられている。
【００４７】
Ａ．電極の製造
アノード電極は、液体燃料の円滑な供給のために止水処理を施していない多孔性炭素紙上にカーボンブラック、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混合してなるスラリーをスキーズして多孔性炭素紙上に薄い燃料拡散層を形成した後、１２０℃のオーブン内で２時間乾燥させて製造される。この時、スラリーは、スキーズに適当な粘度を有するようにＰＴＦＥの含量を約１０％に調節した。触媒層は、ＰｔＲｕブラック（ジョンソン・マッセイ社製）触媒及び水、ＩＰＡ、５重量％のナフィオン溶液（アルドリッヒ社製）を超音波混合器において２時間混合してなるスラリーを燃料拡散層上にスキーズして製造した。この時に用いられたナフィオン溶液の量はＰｔＲｕブラックに対して１５重量％であり、電極の触媒ローディング量は１１ｍｇ／ｃｍ2になるように調節した。製造された電極は８０℃の真空オーブンで１時間乾燥してＩＰＡを除去した。
【００４８】
カソード電極は、酸素の円滑な供給及び、反応生成物である水及び２酸化炭素の効率的な排出のために止水処理された多孔性炭素紙上にカーボンブラック、ＩＰＡ及びＰＴＦＥを混合してなるスラリーをスキーズして多孔性炭素紙上に薄い燃料拡散層を形成した後、１２０℃のオーブンで２時間乾燥させて製造した。この時、スラリーは、スキーズに適当な粘度を有するようにＰＴＦＥの含量を約１０％に調節した。触媒層は、Ｐｔブラック（ジョンソン・マッセイ社製）触媒及び水、ＩＰＡ、５重量％のナフィオン溶液（アルドリッヒ社製）を超音波混合器において２時間混合してなるスラリーを燃料拡散層上にスキーズして製造した。この時に用いられたナフィオン溶液の量はＰｔＲｕブラックに対して１５重量％であり、電極の触媒ローディング量は１０ｍｇ／ｃｍ2になるように調節した。製造された電極は８０℃の真空オーブンで１時間乾燥してＩＰＡを除去した。
【００４９】
Ｂ．セルパック用のＭＥＡの製造
電解質膜はナフィオン１１５（１２７μｍ、デュポン社製）を用い、不純物の除去のためにＨ2ＳＯ4、Ｈ2Ｏ2を用いて前処理した後、ゲル−乾燥器において乾燥させた。アノード電極及びカソード電極は各々４．５ｃｍ2の寸法に切り取り、電解質膜の両側面に各々６枚ずつ配列した後に１２５℃、９メトリックトンの条件下で５分間熱加圧して６−セルのＭＥＡを製作した。
【００５０】
Ｃ．セルパックの製作
製造された６−セルのＭＥＡは電極と同じであるかこれより若干小さい（前述した実施の形態では若干小さいものを用いている。）ニッケル金属網よりなる電流集全体をもって各セルを直列に接続させた。ニッケル金属網はメタノールによる腐食を防止するために金メッキし、金属網同士の連結は銅箔よりなる導電体を用い、超音波溶接により接合して製作した。
【００５１】
セルパックは、上部の板状部材と、下部の板状部材及び燃料供給部（または貯蔵部）よりなり、燃料供給部の両側に電流集電体により直列接続された６−セルのＭＥＡが対称的に位置し、２つの６−セルのＭＥＡが直列接続されて１２−セルのＭＥＡとなる。
【００５２】
メタノール燃料は毛細管現象によりアノード電極に供給され、外気中の酸素はセルパックの上部の板状部材及び下部の板状部材の通気孔を介してカソード電極に供給される。このように、本発明によるセルパックの作動は常温及び常圧でなされ、空気呼吸型で動作する。
【００５３】
図１３は、本発明により製作されたセルパックの性能曲線である。セルパックは、面積が４．５ｃｍ2である１２枚の電極枚が直列に接続されており、５Ｍメタノールを燃料注入口に注入した後に常温及び空気呼吸の条件下でテストした。セルパックの性能は３．６Ｖで７１７ｍＡ（１５９ｍＡ／ｃｍ2）であり、３．６４Ｖで２,６０７ｍＷ（４８ｍＷ／ｃｍ2）の最大出力を示した。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＥＡの全体的に燃料の供給が可能になり、セルパックの使用姿勢に関係なく均一な出力の電力を得ることができる。また、本発明による集電体は網状体であり、燃料の供給を許容しつつ電極全体からの電流の集電が可能な特徴を有する。なおかつ、燃料供給室の周りに副生成物が通過するガス流路が設けられており、これに接する壁体にはガス排出孔が設けられているので、副生成物の効率的な排出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空気呼吸型のＤＭＦＣセルパックの前提となる構造について概略的な構成要素を示す展開図である。
【図２】図１に示された本発明による燃料電池セルパックの前提となる構造について積層構造を展開して示す断面図である。
【図３】本発明による燃料電池セルパックに適用されるＭＥＡの平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本発明による燃料電池セルパックに適用される集電体及びこれを連結する導電体を示す平面図である。
【図６】図１に示された本発明による燃料電池セルパックの前提となる構造に適用される燃料供給室の分解斜視図である。
【図７】図６に示された燃料供給室の内部構造を示す概略的な断面図である。
【図８】本発明によるセルパックにおいて、下部胴体内に燃料供給室が設けられた状態を示す概略的な平面図である。
【図９】Ａは、本発明によるセルパックにおいて、ウィッキング部材が内蔵された燃料供給室の概略的な断面図であり、Ｂは、Ａに示された燃料供給室の上下にウィッキングシートが設けられた状態を示す概略的な断面図である。
【図１０】本発明による燃料電池セルパックの液体燃料及び空気の供給構造を断面で示す展開図である。
【図１１】本発明による燃料電池セルパックの参考例を概略的に示す分解斜視図である。
【図１２】図１に示された本発明による空気呼吸型のＤＭＦＣセルパックの組立て状態を示す概略的な斜視図である。
【図１３】本発明により製作されたセルパックの性能曲線である。
【符号の説明】
１１ ＭＥＡ
１２ 燃料供給室
２０ ハウジング
２１ 下部胴体
２２ 上部の板状部材
２１１ 下部の板状部材
【発明の属する技術分野】
本発明は携帯用電子機器の電源として用いて好適な直接メタノール燃料電池セルパックの構造に係り、より詳細には、効率的な燃料供給の構造及び反応副生成物の排出構造を有する空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ：以下、ＤＭＦＣ）は、燃料であるメタノールと酸化剤である酸素との反応により電気を発する発電装置であって、エネルギー密度及び電力密度が極めて高く、メタノールを燃料として直接的に用いるので燃料改質器などの周辺装置が要らないほか、燃料の貯蔵及び供給が容易であるという長所を有している。さらに、モノポーラ型のＤＭＦＣの場合、常温及び常圧で作動が可能であり、かつ小型化が可能であることから、携帯用電話機、ＰＤＡ（ｐｅｒｓｏｎａｌ ｄａｔａ ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）、ノート型パソコンなどの携帯用電子機器、医療機器、軍事用装備などの電源として使用が可能である。
【０００３】
ＤＭＦＣは、前述した如く、メタノールと酸素との電気化学的な反応により電気を発する発電システムであって、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜が挟まれているような構造を有する。
【０００４】
アノード電極及びカソード電極は、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層と、電極反応、すなわち酸化／還元反応が起こる触媒層、及び電極支持体などを備える。触媒としては、低温でも優れた酸化／還元反応特性を有する白金などの貴金属が用いられ、反応副生成物である一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するためにルテニウム、ロジウム、オスニウム、ニッケルなどの転移金属の合金も用いられる。
【０００５】
電極支持体としては炭素紙または炭素織物などが用いられ、これは、燃料の供給及び反応生成物の排出を容易ならしめるために止水処理される。電解質は厚みが５０ないし２００μｍである高分子膜であって、水分を含有すればイオン伝導性を有する水素イオン交換膜が用いられる。
【０００６】
ＤＭＦＣの電極反応は、燃料が酸化されるアノード反応と、水素イオン及び酸素の還元によるカソード反応とに大別され、その反応式は、下記の通りである。
【０００７】
［反応式１］
アノード電極では、酸化反応によりメタノールと水とが反応して２酸化炭素と６つの水素イオン及び電子を生成し、生成された水素イオンは水素イオン交換膜を経てカソードに伝達される。カソードでは、還元反応により水素イオンと、外部回路を介して伝達された電子及び酸素が反応して水を生成する。従って、総括反応は、メタノールと酸素とが反応して水及び２酸化炭素を生成する反応となる。
【０００９】
ＤＭＦＣ単位セルの発生電圧は理論的には約１．２Ｖであるが、常温及び常圧条件下で開回路電圧は１Ｖ以下となり、実際の作動電圧は、活性化過電圧及び抵抗過電圧により電圧降下が起こるために、約０．３ないし０．５Ｖとなる。従って、所望の容量の電圧を得るためには多数枚のセルを直列に接続しなければならない。セルを直列に接続させる方式には、積層方式によって大きくバイポーラ型とモノポーラ型がある。バイポーラ型は、１枚の極板がポジティブ（＋）及びネガティブ（−）の極性を合わせ持つ積層方式であって、主として高容量のスタックに用いられる。これに対し、モノポーラ型は１枚の極板がポジティブまたはネガティブ極性のみを有する積層方式であって、主として低容量のスタックに用いられる。
【００１０】
モノポーラ型積層方式は、１枚の電解質膜上に多数枚のセルを配列した後に各セルを直列に接続させることにより回路を構成する方式であって、薄型化及び軽量化に大きく寄与でき、小型薄型化したＤＭＦＣの製作が可能である。モノポーラ型セルパックでは、電解質膜上の電極がいずれも同じ極性を有するので燃料を全ての電極に同時に伝達でき、全ての電極において燃料濃度が一定に保たれるといった長所がある。
【００１１】
しかし、モノポーラ型セルパック構造では、集電体の役割を果たし、燃料供給路である流路がチャンネル状に刻まれた黒鉛ブロックが連続的に積層されているため、燃料の供給及び電気的な接続が同時になされるバイポーラ型構造とは異なって、燃料の供給及び集電が同時になされ難い。このため、この場合、集電板と電極との接触状態が良好でなければ、接触面が狭くて抵抗による電流の損失が起こる。また、反応副生成物である２酸化炭素の効率的な排出が難しく、液体燃料層内にこれらの気泡が入り込んで燃料の供給を妨げ、電極の表面にできた気泡は電極表面の燃料が触媒に移動することを妨げるため、電極の性能を著しく落としてしまう。
【００１２】
このような問題点を解決するためには、燃料の供給及び電流の集電が同時になされ得る集電板が必要であり、このような集電板は、電極との接触面が最大となって接触抵抗による電流の損失を防止できなければならない。また、セルパック内に反応副生成物である２酸化炭素の排出路を設けることにより電極表面上の２酸化炭素を迅速に排出し、電極触媒への円滑な燃料の供給がなされるようにしなければならない。
【００１３】
ＤＭＦＣは、酸素を反応物として用いるため、ＤＭＦＣセルパックの構造は還元反応が起こるカソード電極が外気と直接的に接触するような構造を有さなければならない。しかしながら、ＤＭＦＣセルパックを携帯用電子機器の電源として応用するために電子機器に搭載する場合、電子機器との接続面において空気吸入口が設けられたセルパック外面の一部が隠され、使用者の身体部位や電子機器が置かれた環境によってセルパック外面の空気吸入口が隠されるため、その部分では空気吸入口を通じた酸素の供給がなされず、電極反応が起こらなくなる。
【００１４】
もう一つの問題点は、セルパックへの供給燃料が液体であるため、セルパックの使用状態、例えば電子機器が片方に傾いた状態で用いられる時に燃料が燃料室内において重力により片方に偏ってしまい、これにより、燃料室からの燃料が全体の電極に供給できず、燃料がたまっている側に位置する電極にのみ燃料が供給され、これより遠い所に位置する電極には燃料が供給できなくなる結果となる。従って、目的とする出力の電気を発生できなくなる。
【００１５】
このような問題を解決するためには、セルパックと電子機器との接続位置、使用者の使用環境などに関係なく外気がセルパックの内部に十分に流入されて電極の表面に満遍なく供給できなければならず、かつ、外部からの異物や水分の浸透を防止できる手段が必要となる。また、電子機器の使用位置または姿勢に関係なく燃料が常に全ての電極に満遍なく供給できる構造が望まれる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、セルパック内の全てのアノード電極に対する燃料の供給が可能であり、しかも副生成物を効率よく排出できるＤＭＦＣセルパックを提供するところにある。
本発明の第２の目的は、セルパックの内部への異物の流入を効率よく防止でき、しかもカソード電極の全体に対する空気の供給及び集電が可能なＤＭＦＣセルパックを提供するところにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明によれば、電解質膜、前記電解質膜の第１の面に設けられる多数のアノード電極、及び前記第１の面とは反対側である電解質膜の第２の面に前記アノード電極の各々に対応して設けられる多数のカソード電極による多数の単位セルを形成する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、前記アノード電極への供給燃料を内部に貯蔵し、その内部の燃料が通過する多数の燃料供給ホールが形成された燃料供給板付き燃料供給室と、前記燃料供給室内に設けられ、毛細管現象により燃料を拡散するウィッキング部材と、前記燃料供給板と前記ＭＥＡとの間の燃料供給路上に設けられ、燃料供給板を介して供給される燃料を拡散させて前記ＭＥＡのアノード電極に供給するウィッキングシートと、を備える空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパックであって、前記燃料供給室の両側に前記ＭＥＡが各々設けられ、各ＭＥＡが対面する前記燃料供給室の両側に前記燃料供給板が設けられ、各ＭＥＡと燃料供給板との間に前記ウィッキングシートが挟まれていることを特徴とする空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパックが提供される。
【００２０】
前記燃料供給室、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）及びこれらの間のウィッキングシートが上部の板状部材及び下部の板状部材の間に挟まれ、上部の板状部材及び下部の板状部材の間の縁部には、上部の板状部材及び下部の板状部材と共にハウジングを形成する壁体が形成されている。
【００２１】
前記上部の板状部材及び下部の板状部材のうち、ＭＥＡのカソード電極に対面する板状部材にはカソード電極への空気を供給するための通気孔が形成される。
【００２２】
一方、前記ハウジングの壁体は前記燃料供給室と所定距離だけ離れていてこれらの間に反応副生成物が通過するチャンネルが形成され、前記壁体には前記チャンネルを介して流動する副生成物が排出される排出孔が形成されている。そして、より安定的な壁体と燃料供給室との離隔のために、前記壁体の内面にはスペーサが多数設けられる。
【００２３】
一方、前記各ＭＥＡの各単位セルのカソード電極及びアノード電極上に網目状の集電体が設けられ、各集電体は集電体を互いに電気的に接続されて前記単位セル間の電気的な回路を構成する導電体に連結される。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づき、本発明によるＤＭＦＣのセルパックの好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明によるセルパックの前提となる構造についての概略的な分解斜視図であり、図２は、図１に示したセルパックの前提となる構造について、組立てによる積層構造を示す展開図である。
【００２６】
図１及び図２を参照すれば、一側面に燃料注入口１２３が形成された直方体状の燃料供給室１２の上下にメタノール及び空気の供給により発電を行うＭＥＡ １１、１１が対称的に位置し、これらの間に燃料の効率良い拡散及び供給のためのウィッキングシート３１、３１が設けられる。
【００２７】
前記ＭＥＡ １１、１１とこれらの中央に挟まれる燃料供給室１２は直方体のハウジング２０内に収められる。燃料供給室１２とこの上下のＭＥＡ １１、１１との間に設けられるウィッキング部材３１は、本発明を特徴づける一要素である。
【００２８】
前記燃料供給室１２には、内部に燃料を貯蔵してその上下に多数の燃料供給ホールが形成された燃料供給板が設けられるが、その具体的な構造については後述する。
【００２９】
前記ハウジング２０は、通気孔２１１ａが多数形成された底部としての下部の板状部材２１１と、下部の板状部材２１１の縁部に所定の高さに形成される壁体２１２付き下部胴体２１、及び前記壁体２１２の上端部に接触されて前記下部胴体２１の上方を包み、ハウジング２０内に繋がる通気孔２２１ａが多数形成された板状の蓋体としての上部の板状部材２２を備える。
【００３０】
一方、前記壁体２１２の内面には、燃料供給室１２の側面と壁体の内面とを離隔させて燃料供給室１２側に対面するアノード電極１１ｄ側から発生する２酸化炭素ガスなどの反応副生成物の排出経路を与えるスペーサ２１２ａ及びガス排出孔２１２ｂが形成されている。一方、前記壁体２１２の上端には、前記上部の板状部材２２の底面に形成される嵌合溝（図示せず）に対応する突出部２１２ｄが設けられており、前記上部の板状部材２２と下部胴体２１とを堅固に結合する。
【００３１】
前記燃料供給室１２の上側及び下側に設けられるＭＥＡ １１、１１は、電解質膜１１ａと、電解質膜１１ａを中心としてその両面に各単位セルに互いに対応して電解質膜１１ａの第１の面及び第２の面に各々設けられる多数のアノード電極１１ｄ、及びカソード電極１１ｂを備え、各アノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂの上面には網目状の金属集電体１１ｃ、１１ｅが接触され、電解質膜１１ａの縁部には、ある単位セルのカソード集電体とこれに隣接した他の単位セルのアノード集電体とを電気的に接続させる導電体１１ｆが多数設けられている。
本発明によるセルパックの主な構成について詳述する。
【００３２】
図３は、図１及び図２に示したＭＥＡ １１のアノード電極１１ｄを示す平面図であり、図４は、図３のＡ−Ａ線断面図であって、便宜上網目状の集電体１１ｅを分離して示している。
【００３３】
図３及び図４に示したように、電解質膜１１ａの縁部の前面及び背面に四角枠状のガスケット１４が取り付けられている。このガスケット１４は、弾力性及び密着性に優れたシリコンコーティングされたテフロン（登録商標）から形成される。このようなガスケット１４は、便宜上図１には示されていない。前記ガスケット１４は、燃料供給室１２からアノード電極１１ｄへの供給メタノールがセルパックの外部に漏れることを防止するためにＭＥＡ １１、１１の上下面の縁部に設けられ、セルパックの付属品が組み立てられた時に密着されてシーリング効果を示す。
【００３４】
前記電解質膜１１ａの両面には６組みのアノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂが互いに対称的に取り付けられている。すなわち、電解質膜１１ａの一面に６枚のアノード電極１１ｄが所定間隔、例えば約１ｍｍの間隔をおいて配されており、電解質膜１１ａの反対面に前記アノード電極１１ｄに対応する６枚のカソード電極１１ｂが所定間隔、例えば１ｍｍの間隔をおいて配されて１枚の電解質膜１１ａに６つの単位セルが形成される。各アノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂの上には網目状の集電体１１ｅ、１１ｃが位置する。網目状の２枚の集電体１１ｅ、１１ｃは、図５に示したように、導電体１１ｆに連結されている。
【００３５】
ここで、導電体１１ｆは、１組みのアノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂにより設けられた６つの単位セルを電気的に直列接続させて電気的な回路を構成し、これは公知の技術であるため、その具体的な説明は省略する。
【００３６】
前記導電体１１ｆ及び集電体１１ｅ、１１ｃは、腐食による抵抗の増加を防止するために、ニッケル、白金など耐腐食性が良好な金属よりなることが好ましく、本実施の形態では、金メッキのニッケル網及び銅箔により集電体及び導電体を製作している。そして集電体１１ｅ、１１ｃは、約５０μｍの厚みに形成して十分な開口率を有させることにより、液体燃料であるメタノールを容易に通過ならしめる。
【００３７】
図６は、前記燃料供給室１２の分解斜視図であり、図７は、図６のＢ−Ｂ線断面図である。
【００３８】
図６及び図７に示したように、燃料供給室１２は、所定の高さの枠体１２１ｂ及び燃料供給ホール１２１ａが形成された下部の燃料供給板１２１ｃを有する下部胴体１２１と、前記下部胴体１２１の上方に結合されるものであって、燃料供給ホール１２２ａが多数密に形成された上部の燃料供給板１２２とを備える。
【００３９】
燃料供給室１２内にはメタノールが貯蔵され、前記上部の燃料供給板１２２及び下部の燃料供給板１２１ｃの外面にはウィッキングシート３１及びＭＥＡ １１が順次に密着される。前記上部の燃料供給板１２２及び下部の燃料供給板１２１ｃは、毛細管現象により燃料を供給する。このため、前記燃料供給室１２のメタノールは毛細管現象により前記上部の燃料供給板１２２及び下部の燃料供給板１２１ｃの燃料供給ホール１２２ａ、１２１ａを介して少量ずつ両側のＭＥＡ １１、１１のアノード電極１１ｄに供給される。この時、燃料供給板１２２、１２１ｃを介して供給された燃料はアノード電極１１ｄに達する前にウィッキングシート３１を通過するが、ウィッキングシート３１により拡散された後にアノード電極１１ｄに供給される。図６中、参照番号「１２１ｄ」は補強用リブであって、上部の燃料供給板１２２の中間部分を支持して上部の燃料供給板１２２を支持するスペーサとしての役割を果たす。
一方、前記枠体１２１ｂの上下面には副生成物である２酸化炭素ガスが通過するチャンネル１２４が多数並ぶように形成されている。これは、アノード電極１１ｄと燃料供給板１２１ｃ、１２２との間に生じたガスを枠体１２１ｂの外側に排出するためのものである。図８は、下部胴体２１内に前記燃料供給室１２が設けられた状態を示す概略的な平面図である。図８に示したように、燃料供給室１２と壁体２１２との間にスペーサ２１２ａにより保持されるガス流路１２５が設けられている。このガス流路１２５は、壁体２１２に形成されたガス排出孔２１２ｂ（図１参照）と連結される。従って、燃料供給板１２２側で発生した反応副生成物であるガスが枠体１２１ｂの上面に形成された多数のチャンネル１２４を介して燃料供給室１２を包むガス流路１２５に排出され、さらにガス排出孔２１２ｂを介して外部に排出される。
【００４０】
一方、図９Ａに示したように、前記燃料供給室１２内には、燃料供給室１２が片方に傾いた時にも全体的に燃料を満遍なく供給するためのスポンジ、綿または不織布など、燃料を吸い込めるウィッキング部材が３２が設けられても良い。燃料供給室１２内における燃料の偏りは、燃料が充満していない状態におけるセルパックの使用姿勢や位置などの変化により起こる。このような燃料の偏りを防止するために、前記燃料供給室１２内にウィッキング部材３２を入れれば、燃料が少量残っている場合にも、毛細管現象により燃料が燃料供給室１２内に満遍なく分布される。
図９Ｂは、ウィッキング部材３２が内蔵された燃料供給室１２の上下に、前記ウィッキングシート３１、３１が密着されている状態を示している。ウィッキングシート３１、３１及びウィッキング部材３２はポリプロピレンなどの不織布などにより形成でき、これを介して原料供給板１２の水平方向に燃料が極めて早く広がる。このような構造によれば、燃料供給室１２内において燃料が極めて均一に分布されて存在し、かつ、燃料供給ホール１２１ａ、１２２ａを介して排出された燃料はウィッキングシート３１、３１から再び広がる。従って、ウィッキングシート３１に燃料が満遍なく広がることにより、ウィッキングシート３１に接触されるアノード電極に対する燃料の供給が全体的に均一になる。
【００４１】
図１０は、ウィッキング部材３２が内蔵された燃料供給室１２の上にウィッキングシート３１、ＭＥＡ １１、上部の板状部材２２が積層された構造を展開して示す部分抜すい断面図である。
【００４２】
図１０に示したように、上部の板状部材２２の通気孔２２１ａを介して空気が流入されてカソード電極１１ｂ側に伝達され、アノード電極１１ｄ側にはウィッキングシート３１を介して広がった燃料が供給される。ウィッキングシート３１は、毛細管現象により吸い込まれた燃料を全体的に満遍なく拡散させてＭＥＡ １１の全ての単位セルのアノード電極１１ｄに燃料を供給する。一方、燃料供給室１２内にもまた、毛細管現象により燃料を拡散させるウィッキング部材３２が設けられている。このようなウィッキング部材３２は、燃料供給室１２の内部に少量の燃料が貯蔵されている場合にもこれを均一拡散させて、燃料供給板の全ての燃料供給ホールを介して燃料を満遍なく供給する。このような空気及び燃料供給において、カソード電極及びアノード電極上に接触された集電体１１ｃ、１１ｅは、空気及び燃料の通過が可能な金属網目体である。従って、これらは空気及び燃料をそのまま通過させると同時に、集電体としての機能をも行う。
【００４３】
前述した実施の形態は、単一の燃料供給室の両側にＭＥＡが対称的に設けられるような構造を有する。一方、参考例によれば、単一の燃料供給室の両側にＭＥＡが対称的に設けられる構造において、前記ＭＥＡが通気孔付き上部の板状部材および下部の板状部材のいずれか一方にのみ形成されても良い。
【００４４】
図１１は、参考例によるものであって、上部の板状部材にのみ通気孔が形成される構造のセルパックを示す断面図である。
【００４５】
図１１に示したように、その縁部に壁体２１２を有する箱状の下部胴体２１の底面に燃料供給部１３が位置し、その上部にウィッキングシート３１及びＭＥＡ１１が順次に置かれている。そして、上板２２は前記ＭＥＡ １１を加圧する状態で前記下部胴体２１に結合される。図示はされていないものの、前記ＭＥＡ１１にはアノード電極と、カソード電極及び各電極に対応する集電板などが設けられている。ここで、上板２２には多数の通気孔２２１ａが形成されている。しかし、下部の板状部材２１１には通気孔が存在しない。本発明は必ずしもこれに限定されることなく、下部の板状部材にも通気孔が存在でき、これは副生成物の排出に役立つ。また、前記燃料供給室１２において、前記ＭＥＡ １１との対向面に燃料供給ホール１２２ａ付き燃料供給板１２２が設けられ、下部の板状部材２１１と対向する反対面は閉鎖されている。
【００４６】
図１２は、図１に示したセルパックの組立て状態を示す概略的な外観斜視図である。製作されたセルパックは、横６．０ｃｍ×縦８．０ｃｍ×高さ１．０ｃｍの直方体である。ここで、上部の板状部材及び下部の板状部材には外気を供給するための通気孔２２１ａ、２１１ａが一定の間隔をおいて配列されており、壁体２１２には反応副生成物である２酸化炭素ガスを排出するためのガス排出孔２１２ｂが形成されている。セルパックの一側面には、セルパック内部に対称的に形成された２つのＭＥＡに設けられた１２個の単位セルが直列接続された端子１６、１７が設けられている。
【００４７】
Ａ．電極の製造
アノード電極は、液体燃料の円滑な供給のために止水処理を施していない多孔性炭素紙上にカーボンブラック、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）及びポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を混合してなるスラリーをスキーズして多孔性炭素紙上に薄い燃料拡散層を形成した後、１２０℃のオーブン内で２時間乾燥させて製造される。この時、スラリーは、スキーズに適当な粘度を有するようにＰＴＦＥの含量を約１０％に調節した。触媒層は、ＰｔＲｕブラック（ジョンソン・マッセイ社製）触媒及び水、ＩＰＡ、５重量％のナフィオン溶液（アルドリッヒ社製）を超音波混合器において２時間混合してなるスラリーを燃料拡散層上にスキーズして製造した。この時に用いられたナフィオン溶液の量はＰｔＲｕブラックに対して１５重量％であり、電極の触媒ローディング量は１１ｍｇ／ｃｍ2になるように調節した。製造された電極は８０℃の真空オーブンで１時間乾燥してＩＰＡを除去した。
【００４８】
カソード電極は、酸素の円滑な供給及び、反応生成物である水及び２酸化炭素の効率的な排出のために止水処理された多孔性炭素紙上にカーボンブラック、ＩＰＡ及びＰＴＦＥを混合してなるスラリーをスキーズして多孔性炭素紙上に薄い燃料拡散層を形成した後、１２０℃のオーブンで２時間乾燥させて製造した。この時、スラリーは、スキーズに適当な粘度を有するようにＰＴＦＥの含量を約１０％に調節した。触媒層は、Ｐｔブラック（ジョンソン・マッセイ社製）触媒及び水、ＩＰＡ、５重量％のナフィオン溶液（アルドリッヒ社製）を超音波混合器において２時間混合してなるスラリーを燃料拡散層上にスキーズして製造した。この時に用いられたナフィオン溶液の量はＰｔＲｕブラックに対して１５重量％であり、電極の触媒ローディング量は１０ｍｇ／ｃｍ2になるように調節した。製造された電極は８０℃の真空オーブンで１時間乾燥してＩＰＡを除去した。
【００４９】
Ｂ．セルパック用のＭＥＡの製造
電解質膜はナフィオン１１５（１２７μｍ、デュポン社製）を用い、不純物の除去のためにＨ2ＳＯ4、Ｈ2Ｏ2を用いて前処理した後、ゲル−乾燥器において乾燥させた。アノード電極及びカソード電極は各々４．５ｃｍ2の寸法に切り取り、電解質膜の両側面に各々６枚ずつ配列した後に１２５℃、９メトリックトンの条件下で５分間熱加圧して６−セルのＭＥＡを製作した。
【００５０】
Ｃ．セルパックの製作
製造された６−セルのＭＥＡは電極と同じであるかこれより若干小さい（前述した実施の形態では若干小さいものを用いている。）ニッケル金属網よりなる電流集全体をもって各セルを直列に接続させた。ニッケル金属網はメタノールによる腐食を防止するために金メッキし、金属網同士の連結は銅箔よりなる導電体を用い、超音波溶接により接合して製作した。
【００５１】
セルパックは、上部の板状部材と、下部の板状部材及び燃料供給部（または貯蔵部）よりなり、燃料供給部の両側に電流集電体により直列接続された６−セルのＭＥＡが対称的に位置し、２つの６−セルのＭＥＡが直列接続されて１２−セルのＭＥＡとなる。
【００５２】
メタノール燃料は毛細管現象によりアノード電極に供給され、外気中の酸素はセルパックの上部の板状部材及び下部の板状部材の通気孔を介してカソード電極に供給される。このように、本発明によるセルパックの作動は常温及び常圧でなされ、空気呼吸型で動作する。
【００５３】
図１３は、本発明により製作されたセルパックの性能曲線である。セルパックは、面積が４．５ｃｍ2である１２枚の電極枚が直列に接続されており、５Ｍメタノールを燃料注入口に注入した後に常温及び空気呼吸の条件下でテストした。セルパックの性能は３．６Ｖで７１７ｍＡ（１５９ｍＡ／ｃｍ2）であり、３．６４Ｖで２,６０７ｍＷ（４８ｍＷ／ｃｍ2）の最大出力を示した。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、ＭＥＡの全体的に燃料の供給が可能になり、セルパックの使用姿勢に関係なく均一な出力の電力を得ることができる。また、本発明による集電体は網状体であり、燃料の供給を許容しつつ電極全体からの電流の集電が可能な特徴を有する。なおかつ、燃料供給室の周りに副生成物が通過するガス流路が設けられており、これに接する壁体にはガス排出孔が設けられているので、副生成物の効率的な排出が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による空気呼吸型のＤＭＦＣセルパックの前提となる構造について概略的な構成要素を示す展開図である。
【図２】図１に示された本発明による燃料電池セルパックの前提となる構造について積層構造を展開して示す断面図である。
【図３】本発明による燃料電池セルパックに適用されるＭＥＡの平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線断面図である。
【図５】本発明による燃料電池セルパックに適用される集電体及びこれを連結する導電体を示す平面図である。
【図６】図１に示された本発明による燃料電池セルパックの前提となる構造に適用される燃料供給室の分解斜視図である。
【図７】図６に示された燃料供給室の内部構造を示す概略的な断面図である。
【図８】本発明によるセルパックにおいて、下部胴体内に燃料供給室が設けられた状態を示す概略的な平面図である。
【図９】Ａは、本発明によるセルパックにおいて、ウィッキング部材が内蔵された燃料供給室の概略的な断面図であり、Ｂは、Ａに示された燃料供給室の上下にウィッキングシートが設けられた状態を示す概略的な断面図である。
【図１０】本発明による燃料電池セルパックの液体燃料及び空気の供給構造を断面で示す展開図である。
【図１１】本発明による燃料電池セルパックの参考例を概略的に示す分解斜視図である。
【図１２】図１に示された本発明による空気呼吸型のＤＭＦＣセルパックの組立て状態を示す概略的な斜視図である。
【図１３】本発明により製作されたセルパックの性能曲線である。
【符号の説明】
１１ ＭＥＡ
１２ 燃料供給室
２０ ハウジング
２１ 下部胴体
２２ 上部の板状部材
２１１ 下部の板状部材
Claims (6)
- 電解質膜、前記電解質膜の第１の面に設けられる多数のアノード電極、及び前記第１の面とは反対側である電解質膜の第２の面に前記アノード電極の各々に対応して設けられる多数のカソード電極による多数の単位セルを形成する膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）と、
前記アノード電極への供給燃料を内部に貯蔵し、その内部の燃料が通過する多数の燃料供給ホールが形成された燃料供給板付き燃料供給室と、
前記燃料供給室内に設けられ、毛細管現象により燃料を拡散するウィッキング部材と、
前記燃料供給板と前記ＭＥＡとの間の燃料供給路上に設けられ、燃料供給板を介して供給される燃料を拡散させて前記ＭＥＡのアノード電極に供給するウィッキングシートと、を備える空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパックであって、
前記燃料供給室の両側に前記ＭＥＡが各々設けられ、各ＭＥＡが対面する前記燃料供給室の両側に前記燃料供給板が設けられ、各ＭＥＡと燃料供給板との間に前記ウィッキングシートが挟まれていることを特徴とする空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパック。 - 前記燃料供給室、ＭＥＡ及びこれらの間のウィッキングシートが上部の板状部材及び下部の板状部材の間に設けられ、上部の板状部材及び下部の板状部材の間の縁部には、上部の板状部材及び下部の板状部材と共にハウジングを形成する壁体が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパック。
- 前記壁体と前記燃料供給室との間にガス流路が設けられ、前記燃料供給室には、燃料供給板とＭＥＡとの間で生じた副生成物が通過するチャンネルが多数設けられていることを特徴とする請求項２に記載の空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパック。
- 前記両ＭＥＡの外側に各カソード電極に対面して多数の通気孔が形成された上部の板状部材及び下部の板状部材が各々設けられ、上部の板状部材及び下部の板状部材の間の縁部には、上部の板状部材及び下部の板状部材と共にハウジングを形成する壁体が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパック。
- 前記壁体と前記燃料供給室との間にガス流路が設けられ、前記燃料供給室には、燃料供給板とＭＥＡとの間で生じた副生成物が排出されるチャンネルが多数形成されていることを特徴とする請求項４に記載の空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパック。
- 前記カソード電極及びアノード電極に設けられる集電板は、空気及び液体燃料が通過可能な網目状金属よりなることを特徴とする請求項１に記載の空気呼吸型の直接メタノール燃料電池セルパック。
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