JP4536577B2 - キャパシタ一体型燃料電池 - Google Patents
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Description
本発明は燃料電池に関するもので、より詳しくは、高レベルのエネルギー密度を保障するようキャパシタが一体化された燃料電池に関するものである。
一般に、燃料電池は、燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させ発生したエネルギーを電気エネルギーに変換する電源として、環境親和的で高エネルギー効率を有することから、次世代エネルギー供給システムとして脚光を浴びている。
とりわけ、燃料電池は長時間連続使用及び高容量特性を有しており、携帯電話、ＰＤＡ、ノートブックコンピュータなどの携帯用電子機器と超小型アクチュエータにおいて、従来の２次電池を代替できる電源として評価されている。
図１は、従来の燃料電池の代表的な例である、高分子電解質型燃料電池を示す概略図である。
図１によると、高分子電解質型燃料電池１０は、水素イオンを選択的に輸送するイオン交換膜１１と、その両面に配置されたガス拡散電極１４、１７とを有したメンブレン電極アセンブリー（membrane electrode assembly: ＭＥＡ）を有する。
イオン交換膜１１は約５０μｍ〜約２００μｍ厚さの固体高分子電解質から成り、ガス拡散電極１４、１７はイオン交換膜１１に密着され、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末から成る触媒層１２、１５と、その外部に位置した多孔性カーボン支持体で成るガス拡散層１３、１６とで構成され、各々アノードとカソードとして提供される。
各ガス拡散電極１４、１７の外部には、上記メンブレン電極アセンブリー（ＭＥＡ）を固定しながらガス拡散電極１４、１７に反応ガスを供給し 、その反応生成物を輸送するための流路を有するセパレーター板１８ａ、１８ｂが配置される。また、図１には１個のＭＥＡを示したが、実際の燃料電池は複数個のＭＥＡが積層されたスタック構造で具現されるが、この場合にセパレーター板１８ａ、１８ｂは、隣接した他のＭＥＡを電気的に直列接続する役目を果たす。
図１に示した燃料電池１０の作動時、別途の燃料供給装置（図示せず）を通して、水素またはメタノール、エタノールのような有機化合物が、アノード側ガス拡散層１３を通して触媒層１２に提供され、酸素または空気がカソード側ガス拡散層１６を通して触媒層１５に提供され電気化学的に反応して電気エネルギーを発生させ、その反応生成物として二酸化炭素と水素及び余剰ガスが排出される。
このように、燃料電池は燃料が供給され続ける条件において長時間使用が可能で、燃料に使用される物質は仕入れ易く安価なばかりではなく安全であるので、理想的な携帯用電池として使用することができる。
しかし、こうした燃料電池は長時間にかけて小電流を供給するには適しているが、負荷変動に弱いといった問題がある。これは、相対的に小さい出力密度に起因するもので、例えばノートブックコンピュータの起動のように、短時間内に大電流を要する場合には、２次電池または別途のキャパシタが併用されることが要される。
このため従来の例においては、燃料電池とは分離された装置である燃料電池システム制御装置に２次電池やキャパシタを含ませ設計する方案が使用されていたが、この場合、２次電池やキャパシタを用いるために駆動回路が全体的に複雑となり、これによりシステム製造費用が増加するばかりでなく、全体システムが大きくなるといった問題がある。
本発明は上述した従来の技術の問題を解決するためのものとして、その目的はポリマーキャパシタを、積層構造である燃料電池の一セパレーター板に付着して燃料電池と接続することにより、大電流の供給が可能でありながら小型化及び軽量化条件を満足する、新たな燃料電池を提供することにある。
上記した技術的課題を成し遂げるために、本発明は、高分子電解質で構成された水素イオン交換膜と、前記水素イオン交換膜の上下面に配置された第１ガス拡散電極および第２ガス拡散電極とを有したメンブレン電極アセンブリーと、前記第１ガス拡散電極の上面および前記第２ガス拡散電極の下面に各々配置されガス流路を提供する第１セパレーター板および第２セパレーター板と、前記第１セパレーター板の上面および前記第２セパレーター板の下面のうちの少なくとも一つの面に配置されたポリマーキャパシタとを備え、前記ポリマーキャパシタは、水素イオン交換が可能なポリマー層と、前記ポリマー層の上下面に形成された第１電極および第２電極とを有し、前記第１電極および前記第２電極又は前記第１電極および前記第２電極を形成する電極物質は、その接触面積が増加するよう前記ポリマー層の表面から内部へ含浸され形成され、前記ポリマーキャパシタの前記第１電極および前記第２電極は、前記メンブレン電極アセンブリーから生成された電気の供給を受け充電されるよう前記第１セパレーター板および前記第２セパレーター板にそれぞれ電気的に連結された、キャパシタ一体型燃料電池を提供する。ここで、前記電極物質はＡｕであることができる。
前記ポリマー層は、前記水素イオン交換膜と同一な物質から成ることもできる。
さらに、前記ポリマーキャパシタが有するポリマー層は、その内部に高誘電率電解液が充填された複数の気孔を有することができる。
本発明は、当該キャパシタ一体型燃料電池が複数個の前記メンブレン電極アセンブリーの積層された構造であることができ、この場合前記ポリマーキャパシタは最上部または最下部の前記セパレーター板に配置される。
上述したように、本発明によると、ポリマーキャパシタを、燃料電池の積層体中の一側のセパレーター板に電気的に接続されるよう付着させ、ポリマーキャパシタを他側のセパレーター板とも電気的に接続させることで、上記ポリマーキャパシタを通して大電流の供給が可能でありながらも、小型化及び軽量化条件を満足できる新たな燃料電池を提供することができる。
以下、添付の図を参照に本発明の好ましき実施形態を説明する。
図２は本発明の好ましき実施形態によるキャパシタ一体型燃料電池の概略図である。
図２には、本発明に用いることのできる燃料電池の一例として積層型燃料電池構造２０を概略的に示してある。燃料電池２０はイオン交換膜２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄと、その上下面に配置された一対のガス拡散電極２４ａ、２７ａ；２４ｂ、２７ｂ;２４ｃ、２７ｃ;２４ｄ、２７ｄを有した４個のメンブレン電極アセンブリー（ＭＥＡ）を有する。各々電極アセンブリーは、その外側に配置されたセパレーター板２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅを介して直列接続された構造を有する。
ガス拡散電極１４、１７（ガス拡散電極２４、２７）は図１に説明したように、各々イオン交換膜１１（イオン交換膜２１）の上下面に配置され、白金系金属触媒を担持したカーボン粉末から成る触媒層と多孔性カーボン支持体とで成るガス拡散層で構成されることができる。
本実施形態による燃料電池２０は最下部のセパレーター板２８ｅに付着されたポリマーキャパシタ３０を備える。好ましくは、ポリマーキャパシタ３０を保護するための保護板２９をさらに形成することができる。ポリマーキャパシタ３０の電極３２ａは、燃料電池スタックの最下部のセパレーター板２８ｅに直接接続され、さらに、ポリマーキャパシタ３０の電極３２ｂが、最上部のセパレーター板２８ａと電気的に接続されること（図示略）で、燃料電池スタックで発生した電流をポリマーキャパシタ３０に蓄積することができる。
本発明に用いられるポリマーキャパシタ３０は、板型構造として、ポリマー層３１と、その上下面に配置された電極３２ａ、３２ｂとを含む。 ポリマー層３１は好ましくは水素イオン交換が可能な物質で、実施形態によりイオン交換膜２１ａないし２１ｄを構成する固体電解質と同一なポリマーで製造することができ、電極３２ａ、３２ｂはＡｕ電極で製造することができるが、本発明はこれに限られるわけではない。
図３は図２の実施形態に用いることのできる実際のポリマーキャパシタ３０の断面図である。
図３のように、ポリマーキャパシタ３０の電極３２ａ、３２ｂはＡｕであって、ポリマー層３１の表面から内部へ含浸された構造を有するよう形成されることができる。こうした電極３２ａ、３２ｂの含浸方式は、燃料電池の小型化及び軽量化を阻害しないためのものである。即ち、電池のスタック構造と類似する面積とできる限り薄い厚さに製造することが好ましいので、制限された大きさで高容量を得るためには大きい電極面積を要するからである。
図２においては積層型燃料電池として複数個のＭＥＡを有した形態を具体的に例示し説明したが、一つのＭＥＡを有した燃料電池にも一側のセパレーター板の外部に付着され本実施形態と同様に適用されることができる。これもやはり本発明の範囲に属するといえるものである。
図３に説明したように、本発明に用いられるポリマーキャパシタは制限された大きさで充分な容量を確保するために、他のさまざまな形態で具現することができる。例えば、図３のように、電極面積を増加させるために、ポリマー層が電極を形成する電極物質を含浸する構造にも具現でき、ポリマー層の全体誘電率増加により充分な容量を得るために、他の好ましき形態のポリマーキャパシタを用いることもできる。
図４及び図５は各々本発明に用いることのできるポリマーキャパシタ構造を示す概略図である。
図４によると、ポリマー層４１と、その上下面に含浸された電極４２ａ、４２ｂとを有するポリマーキャパシタ４０が示してある。ポリマー層４１は誘電率を増加させ充分な静電容量を確保するために、内部に複数の気孔４３が形成され、その気孔４３内部に高誘電率の電解液４４が充填された構造を有する。その結果、ポリマー層４１の全体誘電率が増加し、燃料電池との結合のために限定された大きさで具現しても、大電流の供給に必要な静電容量を得ることができる。
これと異なって、図５のように、ポリマーキャパシタはパッケージ構造５０として提供され用いることができる。ポリマーキャパシタパッケージ５０は所定の電解液５６が充填された絶縁体パッケージボディ５５を有する。ポリマー層５１と、その両面に形成された電極５２ａ、５２ｂとを有するポリマーキャパシタは、パッケージボディ５５の内部に含まれる。上記ポリマーキャパシタの電極５２ａ、５２ｂは各々パッケージボディ５５の一側に設けられた外部電極５７ａ、５７ｂを介して燃料電池スタックと外部制御システムに接続されることができる。
本発明は上述した実施形態及び添付の図面により限定されるものではなく、添付の請求範囲により限定される。したがって、請求範囲に記載された本発明の技術的思想を外れない範囲内において多様な形態の置換、変形及び変更が可能なことは当技術分野において通常の知識を有する者にとっては自明であり、それらも添付の請求範囲に記載された技術的思想に属するものといえるであろう。
１０、２０ 燃料電池
１１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ イオン交換膜
１２、１５ 触媒層
１３、１６ ガス拡散層
１４、１７、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ ガス拡散電極
１８ａ、１８ｂ、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ セパレーター板
２９ 保護板
３０、４０、５０ ポリマーキャパシタ
３１、４１、５１ ポリマー層
３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ、５２ａ、５２ｂ 電極
４３ 気孔
４４、５６ 電解液
５５ 絶縁体パッケージボディ
５７ａ、５７ｂ 外部電極
１１、２１ａ、２１ｂ、２１ｃ、２１ｄ イオン交換膜
１２、１５ 触媒層
１３、１６ ガス拡散層
１４、１７、２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、２４ｄ、２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄ ガス拡散電極
１８ａ、１８ｂ、２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ、２８ｅ セパレーター板
２９ 保護板
３０、４０、５０ ポリマーキャパシタ
３１、４１、５１ ポリマー層
３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ、５２ａ、５２ｂ 電極
４３ 気孔
４４、５６ 電解液
５５ 絶縁体パッケージボディ
５７ａ、５７ｂ 外部電極
Claims (4)
- 高分子電解質から成る水素イオン交換膜と、前記水素イオン交換膜の上下面に各々配置された第１ガス拡散電極および第２ガス拡散電極とを有したメンブレン電極アセンブリー
と、
前記第１ガス拡散電極の上面および前記第２ガス拡散電極の下面に各々配置されガス流路を提供する第１セパレーター板および第２セパレーター板と、
前記第１セパレーター板の上面および前記第２セパレーター板の下面のうちの少なくとも一つの面に配置されたポリマーキャパシタと、
を備え、
前記ポリマーキャパシタは、水素イオン交換が可能なポリマー層と、前記ポリマー層の上下面に形成された第１電極および第２電極とを有し、前記第１電極および前記第２電極又は前記第１電極および前記第２電極を形成する電極物質は、その接触面積が増加するよう前記ポリマー層の表面から内部へ含浸され形成され、
前記ポリマーキャパシタの第１電極または第２電極は、前記メンブレン電極アセンブリーから生成された電気の供給を受け充電されるよう前記第１セパレーター板の上面および第２セパレーター板の下面のうちの少なくとも一つの面にそれぞれ電気的に連結されることを特徴とするキャパシタ一体型燃料電池。 - 前記ポリマーキャパシタは、前記水素イオン交換膜と同一な物質から成るポリマー層を有することを特徴とする請求項１に記載のキャパシタ一体型燃料電池。
- 前記ポリマー層は、その内部に高誘電率電解液が充填された複数の気孔を有することを特徴とする請求項１または２に記載のキャパシタ一体型燃料電池。
- 高分子電解質から成る水素イオン交換膜と、前記水素イオン交換膜の上下面に各々配置された第１ガス拡散電極および第２ガス拡散電極とを有したメンブレン電極アセンブリーと、
前記メンブレン電極アセンブリーのガス流路を提供する複数のセパレーター板が交互に積層され、前記複数のメンブレン電極アセンブリーが前記セパレーター板により直列連結された燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックにおいて最上部セパレーター板の上面および最下部セパレーター板の下面のうちの少なくとも一つの面に配置されたポリマーキャパシタと、
を備え、
前記ポリマーキャパシタは、水素イオン交換が可能なポリマー層と、前記ポリマー層の上下面に形成された第１電極および第２電極とを有し、前記第１電極および前記第２電極又は前記第１電極および前記第２電極を形成する電極物質は、その接触面積が増加するよう前記ポリマー層の表面から内部へ含浸され形成され、
前記ポリマーキャパシタの第１電極または第２電極は、前記メンブレン電極アセンブリーから生成された電気の供給を受け充電されるよう前記最上部セパレーター板の上面および最下部セパレーター板の下面のうちの少なくとも一つの面に電気的に連結されたことを特徴とするキャパシタ一体型燃料電池。
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