JP4443145B2

JP4443145B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP4443145B2
Application number: JP2003136904A
Authority: JP
Inventors: 文晴岩崎; 恒昭玉地; 孝史皿田; 考応柳瀬; 一吉古田
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2003-05-15
Filing date: 2003-05-15
Publication date: 2010-03-31
Anticipated expiration: 2023-05-15
Also published as: JP2004342434A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電子機器の電源として用いられる電源デバイスに関するものであり、特に携帯電話やＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートパソコンなどの小型携帯機器用の電源としての超小型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートパソコン等に代表される小型電子機器用電源としては、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池などに代表される二次電池が主流であるが、機器の高機能化の進行に伴い消費電力が向上し、飛躍的なエネルギー密度の向上が求められている。
【０００３】
しかしながら、前述のような二次電池はすでに理論的に考えうるエネルギー密度に近づきつつあり、飛躍的なエネルギー密度の向上は期待できない。そこで近年ポストリチウムイオン電池として盛んに技術開発が進められているのが、燃料電池である。燃料電池は、空気中の酸素を正極とし、燃料から取り出した水素を負極とし、触媒反応により電子を取り出すような仕組みである。いわば発電器と同様な機能を果たす。燃料が消費して発電できなくなった場合には、燃料を補給すればよく、従来の二次電池のように長時間の充電が必要ない点は、ユーザーにとって大きなメリットである。
【０００４】
燃料電池には、燃料・触媒などの違いによりいくつかの方法がある。たとえばアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、高分子固体電解質型、固体酸化物型などがそれである。中でも小型携帯機器用の燃料電池としては、固体高分子型が適しているといわれている。なぜなら、駆動温度が低いためである。特に、高分子固体電解質型でも、ダイレクトメタノール型（ＤＭＦＣ）と呼ばれる方式は、作動温度が８０〜１００℃であり、非常に低温で作動できる（例えば、特許文献１、または、非特許文献１参照）。しかし、作動温度の低いＤＭＦＣの燃料電池でさえも８０〜１００℃と常温と比べると高い。そのため、ヒーターなどをセル内に設置して加温する方法が用いられている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３３０７８９１号
【０００６】
【非特許文献１】
池田宏之助編著「燃料電池のすべて」日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ．２１２．
【０００７】
【非特許文献２】
池田宏之助編著「燃料電池のすべて」日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ．２１７
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにヒーターなどを用いて加温する場合、燃料電池で発電した電力の一部を消費してしまい非常に効率が悪い。また、燃料電池動作開始時には、燃料電池の発電も無くヒーターでの加熱が困難であることから、初期駆動用の二次電池あるいはキャパシタ等との併用が必須であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、燃料電池内に電磁波を吸収して発熱する部位が設けられる、あるいは、燃料電池を構成する部材が電磁波を吸収して発熱する材料から構成されている。すなわち、燃料電池周辺に存在する電磁波を選択的に吸収することによって発熱する材料を燃料電池内に何らかの状態で用いることで、無消費電力なヒーターを実現することができる。とくに携帯電話等の電源として本燃料電池を用いる場合には、電磁波が多く発生している機器であり非常に有効である。また、携帯機器あるいは精密電子機器などにおいては電磁波によるノイズ対策が必須となるが、この電磁波遮蔽機能と電磁波吸収機能の併用によりより効率的な使い方ができる。
【００１０】
電磁波を吸収する材料としては、炭素、鉄、ステンレス、アルミ、炭化珪素などの粉体や繊維等を用いることができる。また、メタルウール状の形状とすることでより電磁波吸収効率を向上することができる。また、前述の金属系以外にも有機ポリマー材料を用いることも可能である。金属材料の粉体や繊維などと電磁特性を持つポリマー材料を混合し、燃料電池の電極やセル外装などを構成すると設計上より効率的である。特にカーボン材料の一形態であるカーボンマイクロコイルは、電磁波の吸収効率も高く、また触媒を担持している炭素材料とも相性が良く好ましい。カーボンマイクロコイルに触媒を担持することも可能である。電磁波吸収材料およびその形態については例示したもののこれに限定されるものではない。
【００１１】
前述の電磁波吸収材料は吸収したエネルギーを熱として放出する性質があり、この熱をヒーターの代替手段として用いて、燃料電池の発電効率を向上するものである。発電した電力をヒーターとして消費することも無く、また発電開始のヒーター予熱用にキャパシタや二次電池を搭載する必要も無くなり、燃料電池としてはより体積あたりエネルギー密度を向上することができる。
【００１２】
電磁波吸収材料の近傍に熱伝導性がよい材料を配置することで更に加熱効率が向上する。熱伝導性が良い材料としては、銀、カーボン、銅、アルミ、鉄、セラミック等の材料を用いることができる、更にコージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ_２Ｏ５・５ＳｉＯ_２）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３・Ｔｉ_２Ｏ_３）、β−スポジューメン（Ｌｉ_２Ｏ・Ａｌ_２Ｏ_３・４ＳｉＯ_２）等の遠赤外線を放出する材料を添加することでさらに熱効率の向上が期待できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、燃料電池の基本構成を示す概略図を示す。正極燃料導入口１３より空気や酸素ガスなどの正極燃料が導入され、正極拡散層１１で拡散される。拡散された正極燃料は、正極触媒層１２で触媒と接し酸素イオンが生成される。
【００１４】
一方、負極燃料導入口２３より水素ガス、メタノールなどの負極燃料が導入され、負極拡散層２１で拡散される。拡散された負極燃料は、負極触媒層２２で触媒に接し水素イオンが生成され、電解質膜３を透過し前述の酸素イオンと反応し水が生成される。このときに発生した電子が電気取り出し口２４、１４から電力として取り出される。
【００１５】
（実施例１）
炭素材料に触媒を担持させた正極触媒層１２および負極触媒層２２に電磁波を吸収して発熱する性質を持つカーボンマイクロコイルを混合し触媒層を構成し、燃料電池を作成した。電磁波を照射すると触媒層が加熱され発電量の向上が確認された。
【００１６】
（実施例２）
正極触媒層１２の正極拡散層１１側へ、カーボンマイクロコイルとエポキシ樹脂を混合した極薄い電磁波吸収層を形成し、正極拡散層１１と接着し、燃料電池を作成した。電磁波を照射すると発熱し発電効率の向上が確認された。さらに、電磁波吸収層を多孔質とすることで酸素の透過率が向上し更に発電効率の向上が確認された。
【００１７】
（実施例３）
実施例２と同様にして、負極拡散層２１と負極触媒層２２の間に電磁波吸収層を設けて燃料電池を作成した。このような構成により、負極燃料を分解する負極触媒の効率が向上し、発電効率が向上した。また、ＤＭＦＣ型の燃料電池ではその効果が更に大きかった。
【００１８】
（実施例４）
外装４へ電磁波を吸収して発熱する性質を持つカーボンマイクロコイルを混合し外装を作成し、燃料電池の発電効率を測定した。電磁波を照射すると外装が発熱し、燃料電池セル全体が加熱され出力の向上が確認された。
【００１９】
（実施例５）
電解質膜４に電磁波を吸収して発熱する性質を持ったポリマー材料を混合して電解質膜を作成し、燃料電池の出力特性を測定した。電磁波をすると出力の向上が確認された。また、電解質膜の表面に電磁波吸収層を形成することでも同様の効果が確認された。
【００２０】
以上、上述の各実施例では、高分子固体電解質型の燃料電池でその効果を確認してきたが、これに限定されるものではない。
【００２１】
【発明の効果】
以上の様に、電解質をはさんで正極としての酸素極及び負極としての燃料極を有する燃料電池において、電池内または電池を構成する部材に電磁波を吸収して発熱する材料を含有することで、電力消費を伴うヒーター等を用いることなく発電効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１正極
２負極
３電解質膜
４外装
１１正極拡散層
１２正極触媒層
１３正極燃料導入口
１４正極電気取り出し口
２１負極拡散層
２２負極触媒層
２３負極燃料導入口
２４負極電気取り出し口[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a power device used as a power source for portable electronic devices, and more particularly to a micro fuel cell as a power source for small portable devices such as mobile phones, PDAs, digital cameras, and notebook computers.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, secondary batteries typified by nickel-hydrogen batteries and lithium ion batteries have been the mainstream as power sources for small electronic devices typified by mobile phones, PDAs, digital cameras, notebook computers, etc. With the progress of functionalization, power consumption is improved, and a dramatic improvement in energy density is required.
[0003]
However, the secondary battery as described above is already approaching a theoretically conceivable energy density, and a dramatic improvement in energy density cannot be expected. Therefore, a fuel cell has been actively developed as a post lithium ion battery in recent years. The fuel cell has a mechanism in which oxygen in the air is used as a positive electrode, hydrogen extracted from fuel is used as a negative electrode, and electrons are extracted by a catalytic reaction. In other words, it performs the same function as a generator. When the fuel cannot be generated due to the consumption of the fuel, it is only necessary to replenish the fuel, and the fact that charging for a long time is not required unlike the conventional secondary battery is a great merit for the user.
[0004]
There are several methods for fuel cells depending on the difference in fuel and catalyst. For example, alkali type, phosphoric acid type, molten carbonate type, polymer solid electrolyte type, solid oxide type and the like. Above all, it is said that a solid polymer type is suitable as a fuel cell for small portable devices. This is because the driving temperature is low. In particular, even in a solid polymer electrolyte type, a method called direct methanol type (DMFC) has an operating temperature of 80 to 100 ° C. and can operate at a very low temperature (see, for example, Patent Document 1 or Non-Patent Document 1). ). However, even a DMFC fuel cell with a low operating temperature is 80 to 100 ° C., which is higher than normal temperature. For this reason, a method in which a heater or the like is installed in the cell and heated is used (for example, see Non-Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3307891 [0006]
[Non-Patent Document 1]
Edited by Hironosuke Ikeda, “All about Fuel Cells”, Nihon Jitsugyo Shuppansha, August 20, 2001, p. 212.
[0007]
[Non-Patent Document 2]
Edited by Hironosuke Ikeda, “All about Fuel Cells”, Nihon Jitsugyo Shuppansha, August 20, 2001, p. 217
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when heating is performed using a heater or the like as in the prior art, a part of the power generated by the fuel cell is consumed, which is very inefficient. In addition, at the start of the fuel cell operation, it is difficult to heat with a heater because there is no power generation of the fuel cell, so it is essential to use it together with a secondary battery for initial driving or a capacitor.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The fuel cell of the present invention is provided with a portion that generates heat by absorbing electromagnetic waves in the fuel cell, or a member that constitutes the fuel cell is made of a material that generates heat by absorbing electromagnetic waves. That is, a heater that consumes no electric power can be realized by using a material that generates heat by selectively absorbing electromagnetic waves existing around the fuel cell in any state. In particular, when this fuel cell is used as a power source for a mobile phone or the like, it is a device that generates a lot of electromagnetic waves and is very effective. Moreover, in portable devices or precision electronic devices, noise countermeasures due to electromagnetic waves are essential, but more efficient usage can be achieved by combining this electromagnetic wave shielding function and electromagnetic wave absorbing function.
[0010]
As a material that absorbs electromagnetic waves, powders or fibers of carbon, iron, stainless steel, aluminum, silicon carbide, or the like can be used. Moreover, electromagnetic wave absorption efficiency can be improved more by using a metal wool shape. Moreover, it is also possible to use an organic polymer material other than the above-mentioned metal type. It is more efficient in terms of design if metallic materials such as powders and fibers are mixed with a polymer material having electromagnetic characteristics to form fuel cell electrodes and cell exteriors. In particular, a carbon microcoil, which is one form of the carbon material, has high electromagnetic wave absorption efficiency and is preferable because of its good compatibility with the carbon material carrying the catalyst. It is also possible to carry a catalyst on the carbon microcoil. The electromagnetic wave absorbing material and the form thereof are exemplified but not limited thereto.
[0011]
The above-mentioned electromagnetic wave absorbing material has a property of releasing absorbed energy as heat, and this heat is used as an alternative to the heater to improve the power generation efficiency of the fuel cell. The generated power is not consumed as a heater, and it is not necessary to mount a capacitor or a secondary battery for heater preheating at the start of power generation. As a fuel cell, the energy density per volume can be further improved.
[0012]
Heating efficiency is further improved by disposing a material having good thermal conductivity in the vicinity of the electromagnetic wave absorbing material. As materials having good thermal conductivity, materials such as silver, carbon, copper, aluminum, iron, and ceramic can be used. Further, cordierite (2MgO · 2Al ₂ O5 · 5SiO ₂ ), aluminum titanate (Al ₂ O) Further improvement of thermal efficiency can be expected by adding a material that emits far-infrared rays such as ₃ · Ti ₂ O ₃ ) and β-spodumene (Li ₂ O · Al ₂ O ₃ · 4SiO ₂ ).
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of a fuel cell. Positive electrode fuel such as air or oxygen gas is introduced from the positive electrode fuel inlet 13 and diffused in the positive electrode diffusion layer 11. The diffused positive electrode fuel comes into contact with the catalyst in the positive electrode catalyst layer 12 to generate oxygen ions.
[0014]
On the other hand, negative electrode fuel such as hydrogen gas and methanol is introduced from the negative electrode fuel inlet 23 and diffused in the negative electrode diffusion layer 21. The diffused negative electrode fuel comes into contact with the catalyst in the negative electrode catalyst layer 22 to generate hydrogen ions, permeates the electrolyte membrane 3 and reacts with the aforementioned oxygen ions to generate water. Electrons generated at this time are taken out from the electric outlets 24 and 14 as electric power.
[0015]
Example 1
A carbon microcoil having the property of absorbing electromagnetic waves and generating heat was mixed in the positive electrode catalyst layer 12 and the negative electrode catalyst layer 22 in which a catalyst was supported on a carbon material to form a catalyst layer, and a fuel cell was produced. When the electromagnetic wave was irradiated, the catalyst layer was heated and it was confirmed that power generation was improved.
[0016]
(Example 2)
An ultrathin electromagnetic wave absorption layer in which carbon microcoils and an epoxy resin were mixed was formed on the positive electrode diffusion layer 11 side of the positive electrode catalyst layer 12 and bonded to the positive electrode diffusion layer 11 to prepare a fuel cell. When it was irradiated with electromagnetic waves, it generated heat and improved power generation efficiency was confirmed. Further, it was confirmed that oxygen permeability was improved by making the electromagnetic wave absorbing layer porous, and further improvement in power generation efficiency was confirmed.
[0017]
(Example 3)
In the same manner as in Example 2, an electromagnetic wave absorbing layer was provided between the negative electrode diffusion layer 21 and the negative electrode catalyst layer 22 to prepare a fuel cell. With such a configuration, the efficiency of the negative electrode catalyst for decomposing the negative electrode fuel was improved, and the power generation efficiency was improved. Further, the effect was even greater in the DMFC type fuel cell.
[0018]
Example 4
A carbon microcoil having the property of absorbing electromagnetic waves and generating heat was mixed into the exterior 4 to create an exterior, and the power generation efficiency of the fuel cell was measured. When the electromagnetic wave was irradiated, the exterior was heated, and the entire fuel cell was heated, confirming improvement in output.
[0019]
(Example 5)
An electrolyte membrane was prepared by mixing the electrolyte membrane 4 with a polymer material having the property of absorbing electromagnetic waves and generating heat, and the output characteristics of the fuel cell were measured. Improvement in output was confirmed when electromagnetic waves were applied. The same effect was confirmed by forming an electromagnetic wave absorbing layer on the surface of the electrolyte membrane.
[0020]
As described above, in each of the above-described embodiments, the effect has been confirmed with a polymer solid electrolyte type fuel cell, but the present invention is not limited to this.
[0021]
【The invention's effect】
As described above, in a fuel cell having an oxygen electrode as a positive electrode and a fuel electrode as a negative electrode with an electrolyte interposed therebetween, by containing a material that generates heat by absorbing electromagnetic waves in the battery or a member constituting the battery, The power generation efficiency can be improved without using a heater or the like with power consumption.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of a fuel cell according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 2 Negative electrode 3 Electrolyte membrane 4 Exterior 11 Positive electrode diffusion layer 12 Positive electrode catalyst layer 13 Positive electrode fuel inlet 14 Positive electrode outlet 21 Negative electrode diffusion layer 22 Negative electrode catalyst layer 23 Negative electrode fuel inlet 24 Negative electrode outlet

Claims

In a fuel cell having a positive electrode and a negative electrode across an electrolyte,
Members constituting the fuel cell or the fuel cell, by the mobile phone contains a heat generating material which generates heat by absorbing electromagnetic waves originating, intended for heating at least one of the catalyst layer of the positive electrode and the negative electrode The fuel cell is characterized in that the heat generating material is a carbon microcoil .

The fuel cell according to claim 1, wherein the heat generating material is mixed in the catalyst layer.

The fuel cell according to claim 1, wherein the heat generating material is contained in an exterior constituting the fuel cell.

The fuel cell according to claim 1, wherein the heat generating material is contained in an electrolyte of the fuel cell.