JP3929902B2 - 通気型直接メタノール燃料電池セルパック - Google Patents

通気型直接メタノール燃料電池セルパック Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直接メタノール燃料電池セルパックの構造に係り、たとえば、携帯用電子機器の電源として使用するための直接メタノール燃料電池セルパックの構造に係る。より詳細には、本発明は、効率的な空気供給構造を有する通気型（空気呼吸型）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」と称する）は燃料のメタノールと酸化剤の酸素との反応により電気を生成する発電装置である。ＤＭＦＣは、エネルギー密度及び電力密度が非常に高く、メタノールを燃料として直接使用するために燃料改質器など周辺装置が要らず、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。また、モノポーラ形ＤＭＦＣの場合、常温かつ常圧で作動することができ、小型化できるため、携帯電話、ＰＤＡ、ノート型パソコンなど携帯用電子機器、医療機器、軍事用装備などの電源として使用できる。
【０００３】
ＤＭＦＣは前述したように、メタノールと酸素との電気化学的反応から電気を生成する発電システムであって、具体的には、アノード電極とカソード電極との間に電解質膜が介在されている構造を有する。
【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、電極反応とも呼ばれる酸化／還元反応がおきる触媒層、及び電極支持体などを構成要素として含む。酸化／還元反応のための触媒には、低温でも優秀な特性を有する白金などの貴金属が使用され、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、オスミウム、ニッケルなどの遷移金属の合金も使われる。
【０００５】
電極支持体としては、炭素紙、または炭素織物などが使われ、これらは、燃料の供給及び反応生成物の排出を容易に行うために防湿処理（ｗｅｔ−ｐｒｏｏｆｅｄ）されている。電解質膜は、厚さ５０〜２００μｍの高分子膜であり、電解質膜として、水分を含有してイオン伝導性を有する水素イオン交換膜が使われる。
【０００６】
ＤＭＦＣの電極反応は、燃料が酸化するアノード反応と水素イオンと酸素の還元によるカソード反応とに分類され、反応式は次の通りである。
【０００７】
ＣＨ3ＯＨ＋Ｈ2Ｏ→ＣＯ2＋６Ｈ+＋６ｅ- （アノード反応）
３／２ Ｏ2＋６Ｈ+＋６ｅ-→３Ｈ2Ｏ （カソード反応）
ＣＨ3ＯＨ＋３／２ Ｏ2→２Ｈ2Ｏ＋ＣＯ2 （総括反応）
アノード電極では、メタノールと水との反応によって、二酸化炭素、６つの水素イオン、および６つの電子が生成され（酸化反応）、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えられる。カソード電極では、水素イオンと、外部回路を通じて伝えられた電子と、酸素とが反応して水を生成する（還元反応）。したがって、総括反応としては、メタノールと酸素とが反応して水及び二酸化炭素を生成する反応になる。
【０００８】
ＤＭＦＣ単位セルの発生電圧は理論的には約１．２Ｖであるが、常温および常圧の条件で開回路電圧は１Ｖ以下になり、実際の作動電圧は活性化過電圧及び抵抗過電圧により降下するために０．３〜０．５Ｖになる。したがって、所望の容量の電圧を得るためには複数の単位セルを直列接続せねばならない。単位セルを直列接続する方式は、積層方式によってバイポーラ形とモノポーラ形とに大別される。バイポーラ形は、一つの極板が＋極性と−極性を共に有する積層方式であって、主に大容量のスタックに使われる方式である。一方、モノポーラ形は一つの極板が＋極性または−極性のどちらか一方だけを有する積層方式であって、主に小容量のスタックに適した方式である。
【０００９】
モノポーラ形の積層方式は、１枚の電解質膜上に複数の単位セルを配列した後、各単位セルを直列接続することによって回路を構成する方式である。モノポーラ形の積層方式によれば、厚さを薄くすることができるとともに、体積を小さくすることができて、薄型・小型ＤＭＦＣ製作が可能となる。また、このようなモノポーラ形の積層方式を用いたモノポーラ形セルパックでは電解質膜の一つの面上に形成された複数の電極がいずれも同じ極性を有するので燃料をあらゆる電極に同時に供給することができ、あらゆる電極で燃料濃度を一定に維持できるという長所がある。
【００１０】
しかし、バイポーラ形構造では、燃料供給通路としての流路を備えるとともに集電体の役割をする複数の黒鉛ブロックを順次に積層していくことにより、燃料供給と電気的接続とを同時に確立することが容易であるが、モノポーラ形セルパック構造では、バイポーラ形構造と異なり、燃料供給と電気集電とを同時に確立することが難しく、また接触領域が狭くて集電板と電極との接触状態が不良であれば、接触抵抗による電流損失が発生する。また、反応副生成物である二酸化炭素の効率的な排出が難しいので、二酸化炭素の気泡が液体燃料層内に入って燃料の供給を妨害する。そして、電極表面に生じた気泡は電極表面の燃料が触媒に移動することを妨害して、電極の性能を顕著に低める。
【００１１】
このような問題点を解決するためには、燃料供給と電流集電とを同時に行える集電体がなければならず、さらに、このような集電体の構造は、電極との接触領域を最大にして接触抵抗による電流損失を防止することができる構造でなければならない。また、セルパック内に反応副生成物である二酸化炭素の排出通路を設けることによって電極表面上の二酸化炭素を迅速に排出させて電極触媒への円滑な燃料供給を可能にする構造でなければならない。
【００１２】
また、ＤＭＦＣでは空気中の酸素を反応物として使用するために、ＤＭＦＣセルパックの構造は、還元反応がおきるカソード電極が外部空気と直接的に接触する構造でなければならない。しかし、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、セルパックと電子機器とが接触している領域において、空気吸入口が設けられたセルパック外面に設けられた空気吸入口の一部が塞がれてしまったり、使用者の身体部位や電子機器が位置する環境によってセルパック外面の空気吸入口が塞がれてしまったりする。この結果ために、その塞がれた部分では、部分的に空気吸入口を通した酸素供給が行われず、電極反応を起こすことができなくなるおそれがある。
【００１３】
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が接触している領域、または電子機器の使用環境などに関係なく、外部空気がセルパックに十分に流入されて電極表面全体に均一に供給される構造でなければならず、かつ、外部からの異物や水分の浸透を防止できる手段を有する必要がある。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、セルパック内部への円滑な空気の供給が可能であり、電極と外部空気との接触面積が極大化されたＤＭＦＣセルパックを提供することである。
【００１５】
本発明の第２の目的は、効果的に空気を供給することができると共に、外部からの異物の流入を効果的に抑制できるＤＭＦＣセルパックを提供することである。
【００１６】
【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、電解質膜と、電解質膜の第１面に設けられる複数のアノード電極と、前記第１面の反対側の面である電解質膜の第２面に前記アノード電極の各々に対応して設けられる複数のカソード電極とを具備して、複数の単位セルが、対応する一つの電解質膜を共有する形態の電解質膜電極集合体（以下、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ）という）と、前記ＭＥＡの第１面に対向して設けられており、前記ＭＥＡの第１面のアノード電極に液体燃料を供給する燃料供給部と、前記ＭＥＡの第２面側に対向して設けられており、空気を通過させる複数の通気孔が形成されているとともに、前記ＭＥＡに対向する側の面内で前記複数の通気孔の内側部分同士を互いに連結する溝部である空気チャンネルが前記複数の単位セルの領域にまたがって形成されている上部側板状部材と、前記ＭＥＡに含まれる前記各単位セルのカソード電極及びアノード電極上に各々設けられており、空気及び液体燃料が透過できる網状金属で形成されている集電体と、隣接する前記単位セルのカソード電極上の集電体とアノード電極上の集電体とを電気的に直列連結して前記単位セル間の電気回路を構成するように前記電解質膜の縁部に設けられた導電体と、前記上部側板状部材と共に、前記ＭＥＡ及び燃料供給部を収容するハウジングを構成する下部側板状部材と、を具備することを特徴とする通気型（空気呼吸型）ＤＭＦＣセルパックが提供される。
【００１７】
また、前記目的を達成するために本発明の他の類型によれば、その内部に液体燃料を収容するとともに、その両面に、それぞれ前記液体燃料が通過する燃料供給板が設けられている燃料供給部と、前記燃料供給部の両側に各々設けられるものとして、電解質膜と、当該電解質膜の前記燃料供給部に対向する側の面である電解質膜の内面に設けられる複数のアノード電極と、前記内面の反対側の面である電解質膜の外面に前記アノード電極の各々に対応して設けられる複数のカソード電極とを具備して、複数の単位セルが、対応する一つの電解質膜を共有する形態の一組のＭＥＡ（第１及び第２のＭＥＡ）と、前記第１及び第２のＭＥＡのそれぞれに含まれる各単位セルのカソード電極及びアノード電極上に各々設けられており、空気及び液体燃料が透過できる網状金属で形成されている集電体と、隣接する前記単位セルのカソード電極上の集電体とアノード電極上の集電体とを電気的に直列連結して前記単位セル間に電気回路を構成するように前記電解質膜の縁部に設けられた導電体と、前記第１及び第２の電解質膜電極集合体のそれぞれの外面側に各々対面して設けられており、外部との間で空気を通過させる複数の通気孔が各々形成されているものであり、組み合わされることにより、前記第１および第２のＭＥＡ及び燃料供給部を収容するようなハウジングを構成する上部側板状部材及び下部側板状部材と、前記上部側板状部材及び下部側板状部材のうち少なくともいずれか一つにおいて、前記ＭＥＡに対向する側の面内で、前記複数の通気孔の内側部分同士を互いに連結しており、前記複数の単位セルの領域にまたがって設けられた溝部である空気チャンネルと、を具備することを特徴とする通気型ＤＭＦＣセルパックが提供される。
【００１８】
本発明に実施例によれば、前記空気チャンネルは、前記上部側板状部材及び前記下部側板状部材のうち少なくともいずれか一つにおいて、前記ＭＥＦに対向する側の面内で、一方向に沿って延びて複数並列形成されている（畝間状に形成されている）か、または相互に直交する二方向に沿って延びて碁盤の筋目状に形成されている。
【００１９】
他の実施例によれば、前記通気孔は上部側板状部材及び下部側板状部材の双方において中間部分を介して分離された二つの領域にそれぞれ複数形成され、前記空気チャンネルは各板状部材の双方において両領域を連結する方向に沿って形成される。もちろん、上部側板状部材においてのみ、通気孔が、中間部分を介して分離された二つの領域にそれぞれ複数形成されており、前記空気チャンネルは、この二つの領域同士を連結する方向に沿って形成されてもよい。
【００２０】
さらに他の実施例によれば、前記通気孔が形成される各領域の内面には各領域の通気孔が共に連結される空間部が形成され、前記空気チャンネルは、前記上部側板状部材及び下部側板状部材の双方において、前記電解質膜電極集合体に対向する面内で、一方向に沿って延びて複数並列形成されるか、あるいは、相互に直交する二方向に沿って延びて碁盤の筋目状に形成される。なお、上部側板状部材でのみ、このような構造を採用してもよい。
【００２１】
本発明による通気型ＤＭＦＣセルパックの望ましい実施例によれば、前記の構造にさらに、上部側板状部材とこれに対応するＭＥＡとの間及び／または下部側板状部材とこれに対応するＭＥＡとの間に、外部からの水分の浸透を防止する半透膜が設けられており、集電体を形成する網状金属は、特にメタノールなどの液体燃料に対して耐腐食性を有する金属物質で形成される。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して本発明の望ましい実施例について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明による通気型ＤＭＦＣセルパックの概略的な構成要素を示す展開図であり、図２は、この通気型ＤＭＦＣセルパックの積層構造を展開して示す断面図である。
【００２４】
図１及び図２を参照すれば、一側面に燃料注入口１２３が形成された六面体状の燃料供給部１２の両面側、すなわち図中の上下に、メタノール及び空気の供給により発電を行う一対のＭＥＡ（電解質膜電極集合体）１１、１１、すなわち第１および第２のＭＥＡが対称的に位置する。
【００２５】
前記ＭＥＡ１１、１１とこれらの中央の燃料供給部１２とは六面体状のハウジング２０内に収容される。前記ハウジング２０は、下部側板状部材２１１および壁体２１２からなる下部本体２１と、上部側板状部材２２とから構成される。ここで、下部側板状部材２１１には、通気孔２１１ａが複数形成されている。壁体２１２は、下部側板状部材２１１の縁部で所定高さに形成される。そして、上部側板状部材２２には、外部とハウジング内との間で空気を通過させる複数の通気孔が各々形成されており、上部側板状部材２２は、前記壁体２１２の上端部に接触して前記下部本体２１の上方を覆う板状の蓋部となる。
【００２６】
一方、前記壁体２１２の内面には、燃料供給部１２の側面と壁体内面とを離隔させて、燃料供給部１２側に対向するアノード電極１１ｄ側で発生する二酸化炭素ガスの排出経路を提供するスペーサ２１２ａと、ガス排出孔２１２ｂとが形成されている。一方、前記壁体２１２の上端には、前記上部側板状部材２２の底面に形成される結合溝（図示せず）に対応する突出部２１２ｄが設けられていて前記上部側板状部材２２と下部本体２１との結合を助ける。前記壁体２１２の一側には前記燃料供給部１２の燃料注入口１２３に対応する貫通孔２１２ｃが形成される。
【００２７】
前記燃料供給部１２の上下両側に設けられるＭＥＡ１１、１１は、電解質膜１１ａと、電解質膜１１ａを中心にその両面、すなわち、第１面、およびその反対面である第２面に各々設けられる複数のアノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂを具備する。一つのアノード電極ｄと一つのカソード電極１１ｂとが各単位セルに相互対応する。この結果、各ＭＥＡ１１、１１は、それぞれ複数の単位セルを含むように構成される。各アノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂの上面には網状の金属で形成された集電体１１ｃ、１１ｅが設けられる。また、電解質膜１１ａの縁部には、単位セルのカソードの集電体とこれに隣接した単位セルのアノードの集電体とを電気的に接続する導電体１１ｆが複数設けられている。
【００２８】
一方、前記燃料供給部１２は、燃料供給口１２３を有する六面体上のメタノール貯蔵容器であって、その上下面に燃料通過孔１２２ａが複数形成された構造を有し、その内部は燃料、すなわち、メタノールを貯蔵する。このような構造は、具体的に後述される。
【００２９】
まず、セルパックの主要構成について調べる。
【００３０】
図３は、図１及び図２に示されたＭＥＡ１１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線断面図である。図３では、便宜上、網状の集電体１１ｅをハッチングで示している。
【００３１】
図３及び図４に示されたように、電解質膜１１ａの縁部の前後面に四角フランジ型ガスケット１４が付着されている。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）で形成される。前記ガスケット１４は便宜上図１では、省略されている。前記ガスケット１４は、燃料供給部１２からアノード電極１１ｄに供給された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ＭＥＡ１１、１１の上下面の縁部に設けられ、セルパックの付属品が組立てられた時に密着されてシーリング効果を示す。
【００３２】
前記電解質膜１１ａの両面には６組のアノード電極１１ｄ及びカソード電極１１ｂが相互対称的に付着されている。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の間隔で配置されており、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、同じく１ｍｍの間隔で配置されている。この結果、一つの電解質膜１１ａに６個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上には網状の集電体１１ｅ、１１ｃが位置する。網状の両集電体１１ｅ、１１ｃは図５に示されたように導電体１１ｆに接続されている。
【００３３】
ここで導電体１１ｆは、一組（すなわち、６個）のアノード電極１１ｄと一組のカソード電極１１ｂとにより構成される６個の単位セルを電気的に直列接続して電気回路を構成するが、これは一般的な技術であるために具体的に説明しない。
【００３４】
前記導電体１１ｆ及び集電体１１ｅ、１１ｃは、腐食による抵抗増加を防止するためにニッケル、白金など耐腐食特性に優れた金属で製作されることが望ましく、本実施例では金がメッキされたニッケル網及び銅箔で集電体及び導電体を製作した。そして集電体１１ｅ、１１ｃは、５０μｍ内外の厚さで十分な開口率を有するようにして液体燃料であるメタノールが容易に通過できるように構成される。
【００３５】
図６は、前記燃料供給部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。
【００３６】
図６及び図７に示されたように、燃料供給部１２は、所定高さのフレーム１２１ｂと、燃料供給ホール１２１ａが形成された下部燃料供給板１２１ｃを有する下部本体１２１と、前記下部本体１２１の上方に結合されるものとして燃料供給ホール１２２ａが複数密着設置された上部燃料供給板１２２とを具備する。
【００３７】
燃料供給部１２内にはメタノールが収容され、前記上部燃料供給板１２２の外面と下部燃料供給板１２１ｃの外面にはそれぞれＭＥＡが密着される。前記上部燃料供給板１２２及び下部燃料供給板１２１ｃは毛細管現象による燃料供給のための部材である。したがって、前記燃料供給部１２のメタノールは、毛細管現象により前記上部燃料供給板１２２及び下部燃料供給板１２１ｃの燃料供給ホール１２２ａ、１２１ａを通じて少量ずつ、両面に設けられた各ＭＥＡ１１、１１のアノード電極１１ｄに供給される。なお、図６に示されるように、補強用リブ１２１ｄが設けられていてもよく、この補強用リブ１２１ｄは、上部燃料供給板１２２の中間部分を支持するスペーサとしての役割をする。
【００３８】
以上、セルパックの基本的な構造を説明した。前述されたセルパックは、一つの燃料供給部１２の下部燃料供給板１２１ｃ及び上部燃料供給板１２２にＭＥＡ１１、１１が対称的に密着設置された構造物である。通気孔２１１ａが複数形成された下部側板状部材２１１と下部側板状部材２１１の周縁に形成される壁体２１２を有する下部本体２１と、単純板状に通気孔２２１ａが設けられた上部側板状部材２２とによりハウジング２０が構成され、このハウジング２０内に燃料供給部１２、一対のＭＥＡ（第１および第２のＭＥＡ）が収容される。
【００３９】
このような構造は、ハウジング２０内の両ＭＥＡ１１、１１の間に設けられている燃料供給部１２からＭＥＡ１１、１１のアノード側へメタノールが供給され、ハウジング２０の上部側板状部材２２及び下部側板状部材２１１に設けられた通気孔２２１ａ、２１１ａを通じて空気、すなわち酸素がカソード側へ供給される構造である。
【００４０】
本発明の特徴は後述される空気供給構造にある。本発明によるセルパックを特徴づける空気供給構造は、ハウジング２０のいずれか一部が覆われた時、例えば、携帯電話などに適用された時に使用者の手により通気孔の一部が塞がれた時にも、塞がれていない通気孔から流入した空気をカソード全体に均一に供給させる空気供給通路を具備する。
【００４１】
このような空気供給構造は、前述した上部側板状部材２２及び／または下部側板状部材２２１に設けられる。
【００４２】
図８は、前記通気孔２１１ａ、２２１ａが形成される上部側板状部材２２及び下部側板状部材２１１の外面を便宜上部分的に抜粋して示した斜視図であり、図９は、空気チャンネル２２１ｂ、２１１ｂが形成される上部側板状部材２２及び下部側板状部材２１１の内面を示した斜視図である。ここで、内面とは、対応するＭＥＡに対向する側の面をいい、外面とは、内面の反対側の面をいう。
【００４３】
図８及び図９に示されたように、上部側板状部材２２には複数の通気孔２２１ａが形成されている。図９に示されるとおり、前記上部側板状部材２２の内面で、前記複数の通気孔２２１ａの内側部分同士を互いに連結する溝部である空気チャンネル２２１ｂが形成されている。この空気チャンネル２２１ｂは、空気通路を形成するものであり、所定深さをしている。同様に、下側板状部材２１１にも、同様の空気チャンネル２２１ｂが形成されていてもよい。この空気チャンネル２２１ｂは、上部側板状部材２２及び／または下部側板状部材２１１の内面で通気孔２２１ａ（２１２ａについても同様）を相互に連結して、いずれか一部の通気孔２２１ａ、２１１ａが閉塞されたり使用者の手のような障害物により覆われたりした時、他の部分の通気孔２２１ａ、２１１ａから流入された空気が広がって供給させるためのものである。
【００４４】
前記のような空気通路としての空気チャンネル２２１ｂ、２１１ｂは、前述したように通気孔２２１ａ、２１１ａが使用者や外部環境により覆われる場合にその部分で内部へ空気が供給されないことに起因して電極反応がおきなくなってしまうことを防止するための装置である。空気チャンネル２２１ｂ、２１１ｂを設置してあらゆる複数の通気孔２２１ａ、２１１ａを上部側板状部材２２及び下部側板状部材２１１の内面で連結すれば、一部の通気孔２２１ａ、２１１ａが覆われた場合にも他の部分の通気孔２２１ａ、２１１ａから供給された空気が空気チャネル２２１ａ、２１１ｂを通じて伝達されて電極反応が低下することを効果的に防止できる。
【００４５】
図１０は、上部側板状部材２２、ＭＥＡ１１、燃料供給部１２及びこれら間の集電体１１ｃ、１１ｅの積層構造の断面図であって、いずれか一部の通気孔２２１ａ、２１１ａが遮断された時を象徴的に示す。図１０１０に示されたように、上部側板状部材２２または下部側板状部材２１１の一部分で一つまたは複数の通気孔２２１ａ、２１１ａが遮断された時に（図１１では中央の通気孔が遮断された場合を図示）、遮断されていないその両側部の通気孔から空気が流入され、この空気は通気孔２２１ａ、２１１ａを相互連結する空気チャンネル２２１ｂを通じて広がる。したがって、上部側板状部材２２の一部の通気孔が遮断された時、他の部分の通気孔２２１ａに流入された空気が空気チャンネル２２１ｂを通じて広がってカソード電極１１ｂの全体に均一に供給される。なお、図１０は、３個の通気孔２２１ａのうち一つの通気孔が障害物により遮断されると説明されたが、これは説明のために図面を簡略化して示したに過ぎず、実際には、ある部分に存在する複数の通気孔が同時に遮断されることが多い。
【００４６】
前記のような本発明において、図１０に示されたように前記網状の集電体１１ｃ、１１ｅは空気及びメタノールの流動経路上に設けられている。しかし、これら集電体１１ｃ、１１ｅは網構造を有するため、各電極に全面的に接触されて電気的な接触抵抗を低く押さえながらも、空気及びメタノールをそのまま通過させてカソード電極及びアノード電極に供給させることができる。
【００４７】
図８ないし図１０に示された上部側板状部材の構造での通気孔の配置及びその内面で形成された空気チャンネルは、本発明の実施例によって図１などに示されたセルパックのように下部本体の底部にも形成されるが、この場合には前述した構造のセルパックのように一つの燃料供給部の両側にＭＥＡが対称的に設けられる構造を有する。しかし、本発明の他の実施例によれば、一つの燃料供給部の両側にＭＥＡが対称的に設けられる構造においても、通気孔が上部側板状部材または下部側板状部材のいずれか一つにのみ形成されてもよい。
【００４８】
図１１は、本発明の第２実施例によるセルパックを示したものであり、上部側板状部材にのみ通気孔が形成される構造のセルパックの断面図である。
【００４９】
図１１に示されたように、その縁部の壁体２１２を有する箱型の下部本体２１の底部に燃料供給部１３が位置し、その上部にＭＥＡ１１が置かれている。そして上部側板状部材（上板）２２は前記ＭＥＡ１１を加圧する状態で前記下部本体２１に結合される。もちろん前記ＭＥＡ１１にはアノード電極、カソード電極、および各電極に対応する集電体などが設けられるが、図１１では詳しい説明を省略する。図１１に示された構造のセルパックにおいて上部側板状部材２２は、図８及び図９に示されたものと同様な形態を有する。
【００５０】
以上のように示された実施例においては、上部側板状部材及び／または下部本体の下部側板状部材に通気孔が設けられ、これら通気孔が図９に示されたようにチャンネルにより相互連結される構造を有する。
【００５１】
図１２は、上部側板状部材及び／または下部本体の下部側板状部材の内面に形成される空気チャンネルの他の実施例の平面図である。図９では、空気チャンネル２２１ｂ、２１１ｂが、上部側板状部材及び／または下部側板状部材の内面の面内で、一方向に沿って延びて複数並列形成されている場合（いいかれれば、畝間状に複数並列形成されている場合）を示した。しかし、より効果的な空気の拡散のために図１２に示されたようにチャンネルが相互に直交する二方向に沿って延びて碁盤の筋目状に形成されていてもよい。このようにチャンネルが碁盤の筋目状に形成されれば、空気の拡散がより効果的になる。
【００５２】
一方、本発明のさらに他の実施例によれば、前記通気孔２２１ａ、２１１ａが上部側板状部材２２及び／または下部側板状部材２１１の全体に形成されず、図１３に示されたように、対向した縁部ｃ、ｃにのみ形成されることもある。すなわち、前記通気孔２２１ａ、２１１ａは、上部側板状部材２２及び／または下部側板状部材２１１において、中間部分を介して分離された二つの領域（両端部ｃ、ｃ）にそれぞれ複数形成されていてもよい。そして図１４及び図１５に示されたように、上部側板状部材２２及び／または下部側板状部材２１１の内面には空気チャンネルが全面的に形成されることもある。この時に空気チャンネルは一側の通気孔形成領域ｃから他側の通気孔形成領域ｃに延びる。この時に望ましい要素として前記通気孔形成領域ｃ、ｃの内面に所定深さの空間部２２１ｃ、２１１ｃが形成されており、空気チャンネルは各領域の通気孔２２１ａ、２１１ａを連結する。
【００５３】
図１６は、図１４及び図１５に示された上部側板状部材２２及び／または下部側板状部材２１１のさらに他の実施例を示す。本実施例では図１２に示されたようにチャンネル２２１ｂ、２１１ｂが碁盤の筋目状に相互連係されている。
【００５４】
以上説明された実施例において、上部側板状部材２２及び／または下部側板状部材２１１の内面に空気の拡散のための空気チャンネルが形成されており、そして空気チャンネルが畝間状または碁盤の筋目状に形成されている。
【００５５】
以下、複数の通気孔とこれらを上部側板状部材２２及び／または下部側板状部材２１１の内面で相互連係する空気チャンネル２２１ｂ、２１１ｂとによる空気拡散機能に付加して、通気孔を通じて起こり得る異物または水分の浸透を防止する構造について説明する。
【００５６】
この構造は、図１７及び図１８に示されたように、ＭＥＡ１１と上部側板状部材２２との間に、空気は通過させて水分は通過させない多孔性テフロン（登録商標）膜による多孔性半透膜１５を介在させる。多孔性テフロン（登録商標）膜は空気の流通は許しながら水分の通過は防止する。したがって、通気孔を通じて流入される水分は遮断されて空気のみがセルパックの内部に流入される。
【００５７】
図１９は、図１に示されたセルパックの組立てられた状態を示す概略的な外観斜視図であり、図２０は、図１７に示された上部側板状部材及び／または下部側板状部材が適用されたセルパックの概略的な外観斜視図である。製作された両セルパックの外形は６．０ｃｍ×８．０ｃｍ×１．０ｃｍ（幅／長さ／厚さ）の体積を有している。上部側板状部材及び下部側板状部材には外部の空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ＣＯ2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の対向する両ＭＥＡに設けられた１２個の単位セルが直列連結された端子１６、１７が設けられている。
【００５８】
＜１．電極製造＞
アノード電極は、液体燃料の円滑な供給のために抜水処理しない多孔性炭素紙上にカーボンブラック、ＩＰＡ（ｉｓｏｐｒｏｐｙｌ ａｌｃｏｈｏｌ）及びＰＴＦＥ（ＰｏｌｙｔｅＴｒａＦｌｕｏｒｏＥｔｈｙｌｅｎｅ）を混合して得たスラリーをスキーズコーティングして多孔性炭素紙の表面上に薄い燃料拡散層を作った後、１２０℃のオーブンで２時間乾燥させる過程を通じて製造される。この時、スラリーがスキーズコーティングするに適した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（Ｊｏｈｎｓｏｎｍａｔｔｈｅｙ Ｃｏ．）触媒と水、ＩＰＡ、５％のナフィオン溶液（Ｎａｆｉｏｎ ｓｏｌｕｔｉｏｎ，Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｏ．）を超音波混合器で２時間混合して得たスラリーを燃料拡散層上にスキーズコーティングして製造した。この時に使われたナフィオン溶液は、重量を基準としてＰｔＲｕブラックの量の１５％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。
【００５９】
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と二酸化炭素との効率的な排出のために抜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を混合して得たスラリーをスキーズコーティングして多孔性炭素紙の表面上に薄い燃料拡散層を作った後、１２０℃オーブンで２時間乾燥させて製造した。この時、スラリーがスキーズコーティングするに適した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（Ｊｏｈｎｓｏｎ ｍａｔｔｈｅｙ Ｃｏ．）触媒と水、ＩＰＡ、５％のナフィオン溶液（Ａｌｄｒｉｃｈ Ｃｏ．）を超音波混合器で２時間混合して得たスラリーを燃料拡散層上にスキーズコーティングして製造した。この時に使われたナフィオン溶液は、重量を基準として、ＰｔＲｕブラックの量の１５％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。
【００６０】
＜２．セルパック用ＭＥＡの製造＞
電解質膜は、ナフィオン１１５（１２７μｍ，ＤｕＰｏｎｔ Ｃｏ．）を使用して不純物の除去のためにＨ2ＳＯ4、Ｈ2Ｏ2で前処理した後、ゲル乾燥器で乾燥させた。アノード及びカソード電極は各々４．５ｃｍ2の大きさに切って電解質膜の両面に各々６枚ずつ配列した後、１２５℃、９メートルトン（Ｍｅｔｒｉｃ
ｔｏｎ）の条件で５分間熱加圧して６セルのＭＥＡを製作した。
【００６１】
＜３．セルパックの製作＞
製造された６セルＭＥＡは、電極と同一か、これよりやや小さい（前述した実施例ではやや小さい）ニッケル金属網よりなる電流集電体を以って各セルを直列に連結した。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、金属網間の連結は銅箔よりなる導電体を使用して超音波溶接で接合した。
【００６２】
セルパックは上部側板状部材、下部側板状部材そして燃料供給部（または貯蔵部）で構成されており、燃料供給部の両側に電流集電体で直列連結された６セルＭＥＡが対向して位置する。
【００６３】
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、外部の空気中の酸素はセルパック上部側板状部材及び下部側板状部材の通気孔を通じてカソード電極に供給される。このような本発明によるセルパックの作動は常温、常圧で行われ、セルパックは、通気型（空気呼吸型）のセルパックとして動作する。
【００６４】
図２１は、本発明により製作されたセルパックの性能曲線を示した図面である。セルパックとしては、面積が４．５ｃｍ2である電極１２枚が直列接続されてたものを用いた。５Ｍメタノールを燃料注入口に注入した後、常温、通気（空気呼吸）条件でテストした。セルパックは、３．６Ｖで７１７ｍＡ（１５９ｍＡ／ｃｍ2）という性能を示し、３．６４Ｖで２６０７ｍＷ（４８ｍＷ／ｃｍ2）の最大出力を示した。
【００６５】
【発明の効果】
従来のセルパックでは、回路構成のための電流集電体がアノード電極及びカソード電極の一部の領域でのみ接触されており、電極の残りの領域に燃料供給部が接触しており、電流集電体と電極との接触面積が小さくて接触抵抗が大きくなるのみならず、電流集電体と接触した部分には燃料が供給されなくて性能低下の原因となった。本発明による集電体は、網状体をしているので、燃料供給を許しながら電極全体からの電流集電が可能である。
【００６６】
また効果的な通気（空気呼吸）、特に電極の全体的な空気の供給のためにＭＥＡのカソードに接触する上部側板状部材及び／または下部側板状部材の各内面に空気チャンネルが形成されている。したがって、いずれか一部分で使用者や使用環境による空気供給の遮断が発生しても他の部分から空気チャンネルを通じて空気が供給されるようになっている。すなわち、セルパックの通気孔及び空気チャンネルにより、セルパックと電子機器との接続位置、使用者の使用環境に関係なく外部の空気がセルパックに流入されて対流現象により流動しながら電極表面に供給される。また空気流通経路、すなわち、前述したように上部側板状部材及び／または下部側板状部材とＭＥＡとの間に多孔性テフロン（登録商標）膜などの半透膜を介在させることによって外部からの異物や水分の流入を効果的に遮断できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による通気型ＤＭＦＣセルパックの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に適用される燃料供給部の分解斜視図である。
【図７】 図６に示された燃料供給部の内部構造を示す概略的な断面図である。
【図８】 本発明による燃料電池セルパックに適用されるハウジングのための上部側板状部材及び下部側板状部材の外面を示す斜視図である。
【図９】 本発明による燃料電池セルパックに適用されるハウジングのための上部側板状部材及び下部側板状部材の内側表面を示す斜視図である。
【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的に示す展開図である。
【図１１】 本発明による燃料電池セルパックの他の実施例を概略的に示す分解斜視図である。
【図１２】 図１１に示された本発明による燃料電池セルパックの他の実施例に適用される上部側板状部材及び下部側板状部材の内面を示す平面図である。
【図１３】 本発明による燃料電池セルパックのさらに他の実施例に適用される上部側板状部材及び下部側板状部材の外面を示す斜視図である。
【図１４】 図１３に示された上部側板状部材及び下部側板状部材の内面を示す斜視図である。
【図１５】 図１３に示された上部側板状部材及び下部側板状部材の概略的な横断面図である。
【図１６】 図１３に示された本発明による燃料電池セルパックのさらに他の実施例に適用されるものであり、碁盤状の空気チャンネルを有する上部側板状部材及び下部側板状部材の外面を示す斜視図である。
【図１７】 外部からの水分浸透防止手段を有するものであり、図１３及び図１４に示された上部側部材が適用された本発明による燃料電池セルパックの実施例の概略的な断面図である。
【図１８】 外部からの水分浸透防止手段を有するものであり、図８及び図９に示された上部側部材が適用された本発明による燃料電池セルパックの実施例の概略的な断面図である。
【図１９】 図１に示された本発明による通気型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２０】 図１７に示された本発明による通気型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２１】 本発明により製作されたセルパックの性能曲線を示す図面である。
【符号の説明】
１１…ＭＥＡ（第１および第２の電解質膜電極集合体）、
１１ａ…電解質膜、
１１ｂ…カソード電極、
１１ｃ、１１ｅ…集電体、
１１ｄ…アノード電極、
１１ｆ…導電体、
１２…燃料供給部、
２０…ハウジング、
２１…下部本体、
２２…上部側板状部材、
１２２ａ…燃料通過孔、
１２３…燃料注入口、
２１１…下部側板状部材、
２１１ａ…通気孔、
２１２…壁体、
２１２ａ…スペーサ、
２１２ｂ…ガス排出孔、
２１２ｃ…貫通孔、
２１２ｄ…突出部、
２２１ａ…通気孔。

Claims (16)

  1. 電解質膜と、当該電解質膜の第１面に設けられる複数のアノード電極と、前記第１面の反対側の面である電解質膜の第２面に前記アノード電極の各々に対応して設けられる複数のカソード電極とを具備して、複数の単位セルが、対応する一つの電解質膜を共有する形態の電解質膜電極集合体と、
    前記電解質膜電極集合体の第１面側に対向して設けられており、前記電解質膜電極集合体の第１面側のアノード電極に液体燃料を供給する燃料供給部と、
    前記電解質膜電極集合体の第２面側に対向して設けられており、空気を通過させる複数の通気孔が形成されているとともに、前記電解質膜電極集合体に対向する側の面内で前記複数の通気孔の内側部分同士を互いに連結する溝部である空気チャンネルが前記複数の単位セルの領域にまたがって形成されている上部側板状部材と、
    前記電解質膜電極集合体に含まれる前記各単位セルのカソード電極及びアノード電極上に各々設けられており、空気及び液体燃料が透過できる網状金属で形成されている集電体と、
    隣接する前記単位セルのカソード電極上の集電体とアノード電極上の集電体とを電気的に直列連結して前記単位セル間に電気回路を構成するように前記電解質膜の縁部に設けられた導電体と、
    前記上部側板状部材と共に、前記電解質膜電極集合体及び燃料供給部を収容するようなハウジングを構成する下部側板状部材と、を具備することを特徴とする通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  2. 前記空気チャンネルは、前記上部側板状部材の前記電解質膜電極集合体に対向する側の面内で、一方向に沿って延びて複数並列形成されていることを特徴とする請求項１に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  3. 前記空気チャンネルは、前記上部側板状部材の前記電解質膜電極集合体に対向する側の面内で、相互に直交する二方向に沿って延びて碁盤の筋目状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  4. 前記通気孔は、前記上部側板状部材の中間部分を介して分離された二つの領域にそれぞれ複数形成され、前記空気チャンネルは前記二つの領域同士を連結する方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  5. 前記通気孔が形成される各領域の内面には各領域の通気孔が共に連結される空間部が形成され、前記空気チャンネルは、前記上部側板状部材の前記電解質膜電極集合体に対向する側の面内で、一方向に沿って延びて複数並列形成されているか、あるいは、相互に直交する二方向に沿って延びて碁盤の筋目状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  6. 前記上部側板状部材と前記電解質膜電極集合体との間に外部からの水分の浸透を防止する半透膜が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  7. 前記上部側板状部材と前記電解質膜電極集合体との間に外部からの水分の浸透を防止する半透膜が設けられていることを特徴とする請求項５に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  8. 前記上部側板状部材と前記電解質膜電極集合体との間に外部からの水分の浸透を防止する半透膜が設けられていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のうちいずれか１項に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  9. 内部に液体燃料を収容するとともに、その両面に、それぞれ前記液体燃料が通過する燃料供給板が設けられている燃料供給部と、
    前記燃料供給部の両面側に各々設けられるものとして、電解質膜と、当該電解質膜の前記燃料供給部に対向する側の面である電解質膜の内面に設けられる複数のアノード電極と、前記内面の反対側の面である電解質膜の外面に前記アノード電極の各々に対応して設けられる複数のカソード電極とを具備して、複数の単位セルが、対応する一つの電解質膜を 共有する形態の第１及び第２の電解質膜電極集合体と、
    前記第１および第２の電解質膜電極集合体のそれぞれに含まれる各単位セルのカソード電極及びアノード電極上に各々設けられており、空気及び液体燃料が透過できる網状金属で形成されている集電体と、
    隣接する前記単位セルのカソード電極上の集電体とアノード電極上の集電体とを電気的に直列連結して前記単位セル間に電気回路を構成するように前記電解質膜の縁部に設けられた導電体と、
    前記第１及び第２の電解質膜電極集合体のそれぞれの外面側に各々対向して設けられており、外部との間で空気を通過させる複数の通気孔が各々形成されているものであり、組み合わされることにより、前記第１および第２の電解質膜電極集合体及び燃料供給部を収容するようなハウジングを構成する上部側板状部材及び下部側板状部材と、
    前記上部側板状部材及び前記下部側板状部材のうち少なくともいずれか一つにおいて、前記電解質膜電極集合体に対向する側の面内で、前記複数の通気孔の内側部分同士を互いに連結しており、前記複数の単位セルの領域にまたがって設けられた溝部である空気チャンネルと、を具備することを特徴とする通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  10. 前記空気チャンネルは、前記上部側板状部材及び前記下部側板状部材のうち少なくともいずれか一つにおいて、前記電解質膜電極集合体に対向する側の面内で、一方向に沿って延びて複数並列形成されていることを特徴とする請求項９に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  11. 前記空気チャンネルは、前記上部側板状部材及び前記下部側板状部材のうち少なくともいずれか一つにおいて、前記電解質膜電極集合体に対向する側の面内で、相互に直交する二方向に沿って延びて碁盤の筋目状に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  12. 前記通気孔は、前記上部側板状部材及び下部側板状部材の双方において中間部分を介して分離された二つの領域にそれぞれ複数形成され、前記空気チャンネルは各板状部材の双方において前記二つの領域同士を連結する方向に沿って形成されていることを特徴とする請求項９ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  13. 前記通気孔が形成される各領域の内面には各領域の通気孔が共に連結される空間部が形成され、前記空気チャンネルは、前記上部側板状部材及び下部側板状部材の双方において、前記電解質膜電極集合体に対向する面内で、一方向に沿って延びて複数並列形成されるか、あるいは、相互に直交する二方向に沿って延びて碁盤の筋目状に形成されることを特徴とする請求項１２に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  14. 前記上部側板状部材とこれに対応する電解質膜電極集合体との間、及び／または下部側板状部材とこれに対応する電解質膜電極集合体との間に、外部からの水分の浸透を防止する半透膜が設けられていることを特徴とする請求項１２に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  15. 前記上部側板状部材とこれに対応する電解質膜電極集合体との間、及び／または下部側板状部材とこれに対応する電解質膜電極集合体との間に、外部からの水分の浸透を防止する半透膜が設けられていることを特徴とする請求項１３に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
  16. 前記上部側板状部材とこれに対応する電解質膜電極集合体との間及び／または下部側板状部材とこれに対応する電解質膜電極集合体との間に、外部からの水分の浸透を防止する半透膜が設けられていることを特徴とする請求項９ないし請求項１１のうちいずれか１項に記載の通気型直接メタノール燃料電池セルパック。
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