JP4382542B2 - 発電パネル及び電子機器 - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備えた発電パネル及び電子機器に関する。

燃料電池は、燃料から電気化学的に直接電気エネルギを取り出すため、エネルギ効率が高く、また、排出物の主体が水であることから環境に調和しやすい。このため、自動車、分散電源、電子機器等への適用が試みられている。なかでも電子機器においては、リチウム電池に代わる長時間連続運転可能な電源として注目され、燃料電池を搭載する種々の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９−２１３３５９号公報（要約）

燃料電池を電子機器に搭載した場合、単数の膜／電極接合体では十分な電圧が得られず、複数の膜／電極接合体を燃料電池に組み込む必要がある。

しかし、複数の膜／電極接合体から電力を安定して得るためには、メンテナンスの際に夫々の膜／電極接合体ごとに、もしくは、いくつかの膜／電極接合体のグループごとに、その性能を計測する必要がある。

本発明の目的は、燃料電池を備えた発電パネルにおいて、複数の膜／電極接合体ごとに、もしくは、いくつかに分けられた膜／電極接合体のグループごとに、性能を計測できるようにすることにある。

本発明では、燃料電池に組み込まれた複数の膜／電極接合体ごとに、もしくは、いくつかに分けられた膜／電極接合体のグループごとに、その性能を測るために、膜／電極接合体に電気的に接続された電気接続部を設けた。

本発明によれば複数の膜／電極接合体を搭載した電子機器のメンテナンスが容易となる。

以下、本発明の実施例を、図面を用いて説明する。

図１は、燃料電池モジュール１を搭載した電子機器の外観構成を示すものである。

ここで使用する燃料電池モジュール１は、メタノールを直接酸化するタイプの燃料電池である。また、ここで電子機器とは、情報電子機器であり、表示画面を有し、情報の入出力が可能な装置である。

燃料電池モジュール１は、外観から見ると、主に、給気パネル５、燃料タンク１０、燃料タンク１０と一体になった取り付け部４及び排気部６を有している。

燃料電池モジュール１は、平板形状を有しており、電子機器２の表示部（図示せず）の裏側に、平面状の表示部（図示せず）と並行に搭載されている。

燃料電池モジュール１の厚さは９mmであり、電子機器２の厚さ２７．５mm（突起部含まず）より薄い。燃料電池モジュール１の重さは６００gであり、電子機器２の重量９５０gより軽い。燃料電池モジュール１の外形寸法は１９０×２４０mm（取り付け部４を含まず）であり、電子機器２の外形寸法２２３×２９４mmの投影面積より小さい。

電子機器２は、電子機器の中央演算処理部と表示部とが同一筐体内に含まれるような情報電子機器を示しているが、このようないわゆるタブレット型情報機器以外でも、例えばノートＰＣ、ＰＤＡ(Personal Digital Assistance)、携帯電話などの情報電子機器でも構わない。

燃料電池モジュール１は、電子機器の表示部の裏側にアタッチメント部品８を介して電子機器２と接している。他方の面、すなわち電子機器２の表示部と反対側の面は、給気パネル５が設けられており、大気から空気を供給できるようになっている。

燃料電池モジュール１は、電子機器２の裏面の少なくとも１つ以上の辺の外周曲面より内側にあり、実質的に電子機器２と一体に設置されている。

本実施例では、燃料電池モジュール１を、電子機器２の裏側外周曲面四辺のうち、二次電池３が配置されている辺の外周曲面より内側にすることで、二次電池３を取り出し易くした。ここで二次電池３はリチウム二次電池を想定しているが、他の二次電池でも代替可能である。

燃料電池モジュール１は、二次電池３を有する電子機器２と接続し利用することを可能とするため、二次電池３と燃料電池モジュール１との位置関係を配慮する必要があり、二次電池の取り出しの妨げにならない位置に燃料電池モジュール１が配置されている必要がある。

燃料電池モジュール１と電子機器２とは、アタッチメント部品８を介して、取り付け部４にて、ネジ止めして固定されている。

ネジ止めは、電子機器２のネジ穴、例えば、アーム接続部等のネジ穴（図示せず）を利用して、燃料電池モジュール１を固定してもよい。また、ネジを用いずに、脱着し易いように面ファスナー等で付けてもよい。

燃料電池モジュール１の上部には、排気部６が設けられており、生成された二酸化炭素を排出する。燃料電池モジュール１の上部に、二酸化炭素の排気部６を設置することにより、効率よく二酸化炭素を排出することができる。

排気部６には、二酸化炭素は透過するが燃料であるメタノール水溶液は透過し難い気液分離膜が設けられている。気液分離膜の材料としては、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）樹脂の多孔質材を用いる。

また、気液分離膜としては、ＰＴＦＥ以外にも、ポリエーテルスルホン製などメタノール水溶液を透過し難い材質であれば用いることができる。

給気パネル５は、孔を開けた樹脂フィルムを用いるが、ステンレス鋼製の金網や、金属板に孔をあけた、いわゆるパンチングメタルでもよい。材質は、メタノール水溶液に腐蝕され難い材質であればよく、チタンなどの金属や、エポキシ樹脂製、炭素繊維やガラス繊維を複合した樹脂製であってもよい。

給気パネル５の開口率は５０％としたが、発電パネル９(図２に図示)に十分酸素が供給されるように２０％以上の開効率があればよい。また、８０％以上になると給気パネル５の強度が弱くなるので、８０％以下が望ましい。

尚、発電パネルは、燃料であるメタノールを酸化するアノードと酸素を還元するカソードとそれらの間に形成されるプロトン導電性の電解質膜とからなる膜／電極接合体を複数有する燃料電池を、集電板で挟んだ構造をしている。

燃料電池モジュール１の外形は、電子機器２の形状に合わせて四角形としたが、丸形でも楕円型でも種々の電子機器の形状に合わせた不定形でもよい。

燃料電池モジュール１の外形寸法は、電子機器２の外形寸法より小さくすることで、燃料電池モジュール１を接続していない場合での電子機器２の設置空間（投影面積）とほぼ同じにしている。燃料電池モジュールの外形寸法を、情報電子機器の外形寸法より小さくすることにより、携帯性に優れた電子機器とすることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電源回路部（図示せず）は、電子機器２の下部の外周曲面と燃料電池モジュール１との間の空間に設けたが、電子機器２の内部に設けてもよい。

燃料電池モジュール１からの出力は、電子機器２の下部にある接続端子（図示せず）から供給している。接続端子としては、クレードル接続端子を使用することができる。一般に、クレードル端子を使用した場合、電子機器にある既存の配線を利用することができ、大幅な設計変更をすることなく燃料電池モジュールを電子機器に搭載することができ実用性が高い。また、クレードル端子がない電子機器の場合には、ＡＣアダプタの電源コードを接続する電源コネクタから出力を供給すれば同様の効果がある。

燃料電池モジュール１への燃料供給は、必要に応じて燃料カートリッジ（図示せず）を接続して燃料タンク１０へ燃料を注入し供給する。

図２は、燃料電池モジュール１の構成を示すものである。

燃料電池モジュール１は、給気パネル５と発電パネル９と燃料タンク１０とを有する。

給気パネル５は、発電パネル９のカソード板の表面に設置される。給気パネル５は、発電パネル９への空気の供給確保と発電パネル９の保護のためにある。

燃料電池モジュール１は、外気の空気を自然拡散により取り込み発電するため、外気中の異物、いわゆる埃や花粉等の粉塵やタバコの煙等の侵入を出来る限り防ぐために、給気パネル５と発電パネル９との間にはフィルター（図示せず）を設けてもよい。

発電パネル５のカソード板に給気パネル５の機能を持たせることで、給気パネル５を省略することが可能である。

燃料タンク１０は、硬質塩化ビニール製樹脂を用いる。メタノール水溶液に対して成分が溶出し難い材質であれば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）製やエポキシ製の硬質樹脂、シリコン樹脂やＥＰＤＭ（エチレンプロピレンダインモノマー）などのゴム状樹脂、ガラス繊維や炭素繊維などを複合した樹脂、アルミニウムやチタンや防食処理をしたマグネシウム合金、ステンレス鋼等の金属材料でもよい。

燃料タンク１０には、電子機器２に固定するための取り付け部が一体となって形成されている。燃料タンク１０の電子機器２側の面には、フィルム状シートが貼り付けられており、蓋１３が形成されている。

蓋１３の表面は、二酸化炭素の気泡が付着しないように親水性材料でコートされている。また、アノード板（図示せず）にも同様な理由により表面に親水性処理を行なった。親水性処理に用いる材料としては、ペルヒドロポリシラザン、オルガノポリシロキサンなどのシロキサン樹脂、珪素を原料とした合成樹脂、酸化チタン塗料などが好ましい。

蓋１３の材質は、燃料タンク１０と同様な理由によりポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）製シートを用いた。メタノール水溶液に対して成分が溶出し難い材質であれば、ＰＥＴ以外でもよい。

燃料の注入による蓋１３の撓み防止のため、燃料タンク１０には、梁１１が設けられている。梁１１と蓋１３とは、固着されているため、燃料による蓋１３の撓みを小さくすることが出来る。また、梁１１は、発電パネル９内に配置されている膜／電極接合体（ＭＥＡ）（図示せず）の間に設置されている。各ＭＥＡ性能の差によって燃料消費に差が生じても燃料が各ＭＥＡに均一に行き渡るように、梁１１には、燃料流通部１２が設けられている。

本実施例では、燃料流通部１２を梁１１の一部の肉厚を薄くすることで形成したが、燃料の流通を確保する孔であっても良いし、梁１１の部材として燃料が通ることが可能な多孔質性の部材を用いても良い。

燃料タンク１０の上部には、外気に通じる孔があり、生成した二酸化炭素を排出する役目の排気部６が形成されている。

排気部６には、気液分離膜が設けられており、燃料の外部流出を防止している。

燃料タンク１０は、メタノール濃度２０重量％のメタノール水溶液が２２０cc入る容量を有している。

燃料タンクの厚み（燃料タンクの容量）及びメタノール濃度によって、燃料注入１回当たりの燃料電池モジュール１の駆動時間が決まる。

本実施例では、二次電池３だけで電子機器２を利用した場合は４時間で二次電池の充電が必要になったのに対して、燃料電池モジュール１を接続し、燃料タンクに燃料を満たした状態で電子機器２を使い始めた場合、８時間まで電子機器２の使用時間が増大することがわかった。

また、使用開始８時間後の電子機器２が使用できなくなる前に燃料を注入することによって、二次電池にＡＣコンセントからケーブルを接続して充電することなしに、連続して約１６時間使用できた。

本実施例では、メタノール濃度が２０重量％の燃料を用いたが、さらに濃い、メタノール濃度が３０重量％の燃料を用いてもよい。その場合、使用時間が１．５倍の１２時間となる。

図３は、図２に示した発電パネル９の構成を示すものである。図４は、図３に示した燃料電池モジュールを構成している単位電池間の電気接続構成を示すものである。図５は、単位電池の構成を示すものである。

発電パネル９は、ＭＥＡ２１を、アノード集電部２３付きアノード板１８とカソード集電部２２付きカソード板７で、アノード側ガスケット２０とカソード側ガスケット１９を介して挟み込んだ構成になっている。ガスケットは、エポキシ系液状シール材を用いたが、メタノール水溶液に対して成分が溶出し難い材質で、ＭＥＡに所定の圧力を付与できる材料であればよい。例えば、シリコン樹脂やＥＰＤＭ製の板状ゴムやＯリング、または、粘着力を持つ接着シートやフィルム、及び熱や紫外線などにより収縮硬化する樹脂を用いても良い。

本実施例では、ガスケットであるシール材を加圧しながら固化させることで、シール性とＭＥＡへの面圧とを共立させ、ネジを使うことなしに燃料電池モジュール１を接続することができ、厚さを９mmと薄くできる。これにより、薄型化、軽量化及び小型化を図ることができる。

図６はネジ２７を用いた場合の燃料モジュール１の側面を示す図である。

更に、ネジ等によって機械的な締結力を補助的に得てもよい。ネジ等を併用することで、シール材の経時劣化によるシール性やＭＥＡへの面圧の低下を防ぐことが出来る。

ネジ２７は突起となって、燃料電池モジュール１の給気パネル５への空気供給が妨げられることを防ぐことも期待できる。例えば、本や壁や衣服や机の表面等の障害物により、給気パネル５が塞がれて、空気供給が妨げられる可能性があるが、これによって空気供給が妨げられることはない。

ネジ２７を用いない場合でも、空気供給を確保するために突起部を設けることが好ましい。

アノード集電部２３付きアノード板１８には、燃料を供給するための燃料供給孔２６が形成され、カソード集電部２２付きカソード板７には、空気を供給するための給気孔１５が形成されている。

燃料電池モジュール１は、単位電池１６が１６個直列に接続されている。単位電池の直列数に比例して外部出力の電圧が大きくなり、燃料電池モジュールの単位電池の直列数は、接続する電子機器の電圧を考慮して決められる。燃料モジュール１と電子機器２の電気的経路の間に、ＤＣ/ＤＣコンバータ等の電圧変換回路やキャパシタ等が有ってもよい。単位電池１６は、図５に示すように、ＭＥＡ２１とアノード集電部２３付きのアノード板１８とカソード集電部２２付きのカソード板７とアノード側ガスケット２０とカソード側ガスケット１９から構成されている。アノード側ガスケット２０の厚みは、ＭＥＡ２１のアノード側電極２５の厚みを考慮して、ガスケットに荷重がかかったときの変位量によって決められる。アノード側ガスケット２０の厚みは、アノード側電極２５の厚みより２０％厚いものを用いた。カソード側ガスケット１９とアノード側ガスケット２０の厚みは異なっていてもよい。カソード側ガスケット１９の厚みは、アノード側ガスケット２０と同様に、ＭＥＡ２１のカソード側電極２４の厚みを考慮して決められる。カソード側ガスケット１９の厚みは、カソード側電極２４の厚みより４０％厚いものを用いた。アノード側電極２５とカソード側電極２４は、触媒層（図示せず）と拡散層（図示せず）からなる。拡散層は、カーボン材料からなる。アノード側の拡散層はアノード側集電部２３との電気接続と燃料拡散の機能を有しているが、触媒層だけでそれらの機能が満足する場合は、拡散層は省略してもよい。また、カソード側の拡散層はカソード側集電部２２との電気接続と空気拡散の機能を有しているが、触媒層だけでそれらの機能が満足する場合は、拡散層は省略してもよい。

隣接する単位電池は、発電パネル９の外周部にある電気接続部１４で電気的に接続されている。燃料電池モジュール１の製造組立時に各ＭＥＡの性能を検査するため、電気接続部１４がカソード板７の一部から露出している。各ＭＥＡの性能を検査した後、電気接続部１４は絶縁材でカバーされる。外部への出力は、外部出力端子１７を燃料電池モジュール１の下部に設けた。外部出力端子１７の位置は、接続される電子機器２の電気接続部の位置と同じ外周部の一辺に設けられている。

カソード板７に形成されている給気孔１５は、電子機器２の水平方向に長い孔を形成したが、丸形であっても、正方形や菱形であっても、十字型であっても良い。二酸化炭素を排出する排出部６は、燃料電池モジュール１の上部に設けたが、給気パネル５の表面に形成してもよい。

図７も、燃料電池モジュールの構成を示すものである。

この燃料電池モジュールは、燃料タンク１０の両側に発電パネル９及び給気パネル５を設置している。本実施例は、実施例１の形態とほぼ同一の作用、効果を有している。

本実施例の燃料電池モジュールの厚さは１２mmであり、重さは８００gである。

本実施例によれば、実施例１の２倍の出力が得られるにもかかわらず、厚さ及び重さが１．３倍にしか増加しない燃料電池モジュールが得られる。

これは、２枚の発電パネルで一つの燃料タンク１０を共有したためであり、実施例１の２倍の出力が達成でき、燃料電池モジュールの薄型化、軽量化が達成できる。

本発明により、燃料電池に組み込まれた複数の膜／電極接合体ごとに、もしくは、いくつかに分けられた膜／電極接合体のグループごとに、その性能を測ることが可能になり、電子機器のメンテナンスが容易になった。

本発明の実施例１に係る燃料電池モジュールを搭載した情報電子機器の外観構成を示す図。 本発明の実施例１に係る燃料電池モジュールの構成を示す図。 本発明の実施例１に係る燃料電池モジュールの発電パネルの構成を示す図。 本発明の実施例１に係る燃料電池モジュールの電気接続構成を示す図。 本発明の実施例１に係る燃料電池モジュールの単位電池の構成を示す図。 本発明の実施例１に係る燃料電池モジュールの側面を示す図。 本発明の実施例２に係る燃料電池モジュールの構成を示す図。

符号の説明

１…燃料電池モジュール、２…電子機器、３…二次電池、４…取り付け部、５…給気パネル、６…排気部、７…カソード板、８…アタッチメント部品、９…発電パネル、１０…燃料タンク、１１…梁、１２…燃料流通部、１３…蓋、１４…電気接続部、１５…給気孔、１６…単位電池、１７…外部出力端子、１８…アノード板、１９…カソード側ガスケット、２０…アノード側ガスケット、２１…ＭＥＡ、２２…カソード集電部、２３…アノード集電部、２４…カソード側電極、２５…アノード側電極、２６…燃料供給孔、２７…ネジ。

Claims (3)

1. 燃料を酸化するアノードと、酸素を還元するカソードと、前記アノードと前記カソードの間に形成されるプロトン導電性の電解質膜とを含む膜／電極接合体を複数有し、前記アノードに燃料を供給する燃料タンクを有する燃料電池の発電パネルであって、
   前記発電パネルの外周部に、前記膜／電極接合体を主体とする単位電池の電気接続部が形成されており、
   前記燃料タンクに梁が設けられ,
   前記梁には、燃料流通部が設けられていることを特徴とする発電パネル。
2. 請求項１に記載の発電パネルを搭載したことを特徴とする電子機器。
3. 請求項２に記載の電子機器であって、前記電子機器の裏側の外周四辺には外周に沿って曲面が設けられ、給気パネルと前記発電パネルを有する燃料電池モジュールを、前記電子機器の裏側に設け且つ前記電子機器の裏側の前記曲面を有する外周四辺のうち、前記二次電池が配置されている辺の曲面より内側に配置したことを特徴とする発電パネルを搭載した電子機器。

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