JP4325933B2 - 燃料電池および電気機器 - Google Patents
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Description
固体高分子型燃料電池の燃料電池セルは、触媒層をもつ燃料極と酸化剤極とによって、イオン伝導体としての高分子電解質膜が挟持された構造を有している。高分子電解質膜は内部に水を包含しており、水素イオンを伝導するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスとが相互にクロスリークすることを防いでいる。しかしながら、固体高分子型燃料電池の性能を決めるイオン伝導性は、高分子電解質膜の湿潤性により大きく作用され、特に高分子電解質膜の乾燥により導電性が著しく低下し、内部抵抗の増大により燃料電池の特性が大きく低下する。
また、固体高分子型燃料電池では、イオン伝導体としての高分子電解質膜を通過した水素イオンと酸化剤(酸素)とが酸化剤極において反応し、酸化剤極の表面に水が生成する。酸化剤極の酸化剤流路は狭いため、生成した水を除去しなければ、流路が水滴により塞がれてしまい、酸化剤を効率よく酸化剤極まで導くことができなくなってしまう。これを防ぐために、特許文献5および特許文献6においては、酸化剤極に導電性かつ撥水性の多孔質材料を使用することで、酸化剤電極が過剰に濡れてしまうことを防いでいる。また特許文献7においては、ガス流路を形成しているセパレータの表面に親水性塗膜を施すことにより、生成した水により流路が塞がれてしまうことを防いでいる。
すなわち、本発明は、イオン伝導体を加湿するために、上述の方式において燃料を湿らせるために用いていたポンプなどの装置を使用しないでシステムを簡素化し、高分子電解質膜を直接加湿することができる新しい燃料電池を提供すること、あるいは、酸化剤極において生成させた水をポンプなどの装置を使用しないで排除することができる燃料電池を提供すること、およびこれらの燃料電池を用いた電気機器を提供することを目的とするものである。
さらに、前記加湿水流路の形状が網目状であることが好ましい。
さらに、前記加湿水流路が親水性を有していることが好ましい。
また、前記加湿水流路がイオン導電性を有していることが好ましい。
また、前記保水部に含有されている水が毛管現象により前記高分子電解質膜を加湿することが好ましい。
また、前記保水部が、前記酸化剤極において生成された水を蓄えることが好ましい。
さらに、前記保水部が前記燃料電池セル部の側面に設けられていることが好ましい。
さらに、前記燃料電池が固体高分子型燃料電池であることが好ましい。
また、前記燃料電池が固体高分子型小型燃料電池であることが好ましい。
なお、本発明の他の特徴および効果については、図面を参照することにより詳細に後述する。
さらに、上記の燃料電池を用いた小型電気機器または大型の電気機器を提供できる。
する。
(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態の燃料電池は、燃料を加湿するのではなく、高分子電解質膜を直接加湿する加湿手段を有することを特徴とする。
本発明の第2の実施形態の燃料電池は、酸化剤極の表面に疎水性領域と親水性領域からなる水移動用パターンを有し、該水移動用パターンにより酸化剤極で生成する水を移動して排除することを特徴とする。
本発明の燃料電池の第3の実施形態について説明する。第3の実施形態は、セル部の酸化剤極の表面に、第2の実施形態の水移動用パターンの代わりに、水移動手段として、多孔質層であって、排水する方向に沿って多孔質材料のポア(孔)の径が次第に小さくなり、かつ多孔質材料の単位体積当たりのポアの数(すなわち密度)が次第に大きくなる多孔質層を設けることを特徴とする。このような多孔質層により、酸化剤極において生成する水を排除することができる。
本発明の燃料電池の第4の実施形態について説明する。第4の実施形態は、セル部の酸化剤極の表面に、第3の実施形態の多孔質層の代わりに、排水する方向に沿って多孔質層の厚さが次第に大きくなる多孔質層を水移動手段として設けることを特徴とする。このような多孔質層により、酸化剤極において生成する水を排除することができる。
図1は本発明の実施例1の燃料電池の一例を表す斜視図である。図2Aは図1の燃料電池の平面図である。図2Bは図1の燃料電池の部分断面平面図である。図3Aは図1の燃料電池の正面図である。図3Bは図1の燃料電池の部分断面正面図である。図4は図1の燃料電池の左側面図である。図5は本発明の燃料電池のシステムを示す概要図である。図1、図2A、図3A、図4は、いわば透明の筐体20越しに覗かれるように燃料電池の内部を表している。
図6は加湿手段の一例を示す概略図であり、図7は酸化剤極の表面に設けられる水移動用パターンを示す概略図である。
本発明に用いられる保水部の材料としては、吸水性の物質が挙げられる。吸水性の物質には有機物質と無機物質とが挙げられる。有機物質としては、アクリル基、アミド基、エーテル基、カルボキシル基などの親水基を持つ高分子があり、例えば、ポリアクリルアミドゲルなどが挙げられる。また、無機物質としては、シリカゲルやゼオライトなどが挙げられる。また、保水部を燃料電池セルの側面に配置する方法としては、例えば保水材支持用の容器を燃料電池側面に設置し、容器に保水材を入れておく方法が挙げられる。
筐体20の内部は、燃料極13と、イオン伝導体としての高分子電解質膜12と、酸化剤極11と、触媒とからなる燃料電池セル14(図5参照)の1つ以上からなるセル部1と、酸化剤極で生成する水を取り込んで蓄えておく保水部21と、燃料を貯蔵する燃料タンク部3、燃料タンクからの燃料を減圧し、各セルの燃料極まで導く燃料供給部4、各燃料電池セル14で発電した電気をとりまとめる配線部5によって構成されている。
図9は酸化剤極の表面で生成した水を蓄える保水部の一例を示す概略図であり、図7は酸化剤極の表面に設けられる水移動用パターンを示す概略図である。
さらに、上記の燃料電池を用いた小型電気機器または大型の電気機器を提供できる。
Claims (17)
- 酸化剤極と、燃料極と、これら両極の間に設けられたイオン伝導体とを有する燃料電池セル部と、前記酸化剤極と前記イオン伝導体とに接して設けられた、吸水性を有する材料からなる保水部と、前記イオン伝導体中に、前記保水部に接続して設けられた前記イオン伝導体を加湿するための水の流路とを備えており、前記保水部に蓄えられた水が、前記保水部と前記流路を通じて前記イオン伝導体に供給されることを特徴とする燃料電池。
- 前記流路の形状が、平板状であり、かつ前記酸化剤極と平行に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記流路の形状が、線状であり、かつ前記酸化剤極と平行に設けられていることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記流路の形状が、網目状であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記流路の形状が、葉脈状であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記流路が親水性を有していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記流路がイオン導電性を有していることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記保水部に含有されている水が前記流路に供給されることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記保水部に含有されている水が毛管現象により前記イオン伝導体を加湿することを特徴とする請求項1乃至8のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記流路に含有されている水が、毛管現象により前記イオン伝導体を加湿することを特徴とする請求項1乃至9のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記保水部が、前記酸化剤極において生成された水を蓄えることを特徴とする請求項1乃至10のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記水を移動させる手段により移動させられた水を蓄えておくための保水部が、前記酸化剤極に隣接して設けられていることを特徴とする請求項1乃至11のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記保水部が前記燃料電池セル部の側面に設けられていることを特徴とする請求項12に記載の燃料電池。
- 前記イオン伝導体は、高分子電解質膜であることを特徴とする請求項1乃至13のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池が固体高分子型燃料電池であることを特徴とする請求項1乃至14のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池が固体高分子型小型燃料電池であることを特徴とする請求項1乃至15のいずれかの項に記載の燃料電池。
- 請求項1乃至16のいずれか一項に記載の燃料電池を用いてなることを特徴とする電気機器。
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