JP5040228B2 - パッシブ型燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、携帯電話機やノートパソコンなどのモバイル電子機器に適用して好適な軽量のパッシブ型燃料電池に関する。

近年、ＤＭＦＣ（ｄｉｒｅｃｔ ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ）と呼ばれるメタノール直接型燃料電池の開発研究が盛んである。

ＤＭＦＣは、アノードに燃料としてメタノール水溶液を供給することで電子とプロトンを生成させ、そのプロトンをカソードに供給した酸素と反応させることで発電する電池であり、最大の特徴は燃料及び酸素を補給することで長時間連続発電が可能な点にあり、二次電池における充電の代わりに燃料を補給することで二次電池と同様に動作させることができる。

図８は通常のＤＭＦＣに於ける構成要素である発電部（ＭＥＡ：ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｃｔｒｏｄｅ ａｓｓｅｍｂｌｙ）を表す要部切断側面図である。

図に於いて、１はカソード集電体層、２はガス拡散層、３はカソード電極層、４は固体電解質、５はアノード電極層、６はガス拡散層、７はアノード集電体層をそれぞれ示している。

アノード側各要素とカソード側各要素とは固体電解質４を介して対向するように配設されていて、アノードは燃料を酸化してプロトンと電子を取り出すものであり、電解質４側からアノード電極層５、ガス拡散層６、 アノード集電体層７の順に積層して配置されている。カソードは酸素を還元して生成されたイオンとアノードで生成された電子及びプロトンから水を生成するものであり、電解質４側からカソード電極層３、ガス拡散層２、カソード集電体層１の順に積層して配置されている。

電解質４はアノードにおいて生成したプロトンをカソードに輸送する為の経路の役割を果たし、電子伝導性を持たないイオン伝導体で作製されていて、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸系の樹脂膜、具体的にはデュポン社製のＮａｆｉｏｎ膜などが用いられる。

さて、前記説明したＤＭＦＣの構成要素であるＭＥＡについては、劣化抑制や集電不良改善の為、適切な面圧を加えると良いとされている。

然しながら、面圧を加える場合、セパレータやハウジングプレートを厚くし、剛性が高い材料を用いるなどの対策が必要となり、このようなことは、重量やサイズの面で制約を受けるモバイル電子機器にとって好ましいとは言い難い。

例えば、面圧を加える為に板バネを用いる構造にした場合、重量やサイズに関して問題はないが、酸素や燃料を供給する際の障害にならないようにすることが必要であり、従って、当該構造を適用できるのはアクティブ型燃料電池に限られてしまう。

図９は板バネを用いてＭＥＡに面圧を加えたアクティブ型燃料電池を表す要部説明図であり、（Ａ）は要部斜面、（Ｂ）は要部切断側面をそれぞれ示している。

図に於いて、１１はＭＥＡ、１２は板バネ、１３はセパレータ、１４は燃料供給孔、１５は燃料（ＣＯ₂ ）排出孔、１６は酸素供給孔、１７は酸素（水）排出孔をそれぞれ示している。

図から明らかなように、セパレータ１３には、燃料供給孔１４及び燃料排出孔１５、酸素供給孔１６、酸素排出孔１７が穿設されている。ＭＥＡ１１は、セパレータ１３に挟まれた構成になっている為、板バネ１２に依る面圧はセパレータ１３を介してＭＥＡ１１に加えられる。このようなアクティブ型燃料電池では、酸素及び燃料はポンプ等を用いて供給され、しかも、供給孔及び排出孔はセパレータ１３の側面に設けられている為、板バネ１２は供給の障害にならない。

このように、アクティブ型燃料電池であれば、燃料や酸素を供給する際、板バネ１２が障害になるおそれはないが、自然拡散により燃料や酸素を電極に供給するパッシブ型燃料電池では、ＭＥＡを収容するハウジングプレート（セパレータに相当）の表面に無数の孔が開いた構造になっていて、その穴が塞がれたのでは、燃料や酸素を供給することは不可能になる為、板バネを用いて面圧を印加することはできない。

尚、パッシブ型燃料電池に於けるハウジングプレートには、ＭＥＡの収容部、酸素や燃料を供給するための孔を設ける必要がある。そこで、ハウジングプレートを変形させ、ネジで固定したときにＭＥＡに面圧がかかる構成にすることも可能ではあるが、構造が極めて複雑で製造が容易ではなく、しかも、ＭＥＡのサイズ、或いは、ハウジングの材質や形状の如何に依っても面圧が変化するので、常に面圧が有効な状態を維持するには高コスト化を免れない。

従って、現在、モバイル電子機器に用いて好適なパッシブ型燃料電池に於いて、面圧を印加する為の有効な機構は存在しない。

本発明では、パッシブ型燃料電池に於けるＭＥＡに板バネを用いて面圧を加え、劣化を抑制し、また、集電不良を改善できるようにし、しかも、燃料や酸素の供給に支障がないようにする。

本発明に依るパッシブ型燃料電池に於いては、酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であることが基本になっている。

前記手段を採ることに依り、パッシブ型燃料電池に於けるＭＥＡに板バネを用いて面圧を加えることで劣化を抑制し、また、集電不良を改善できるようにし、しかも、燃料や酸素の供給に全く支障がないようにすることができた。また、帯状板バネはＭＥＡに合わせて任意の大きさにすることができ、且つ、軽量であるからモバイル電子機器、例えば、携帯電話機などに用いて好適である。

本発明者等は多くの実験を重ねたが、ＭＥＡに面圧を加えるには、板バネを用いる構成が単純であり、また、製造コストも低く抑えることができる為、最も効果的であると認識された。

当初、さきに説明した図９に見られる板バネを用いたアクティブ型燃料電池と同様な構造をパッシブ型燃料電池に転用したが、やはり、燃料や酸素の供給を円滑に行うことはできなかった。

そこで、板バネを複数の帯状とし、それ等の帯状板バネの各両端を帯状板に固着保持する構造にしたところ、燃料や酸素の供給に全く支障はなく、その点だけに関して言えば、板バネがない燃料電池と全く変わりなかった。

具体的には、ハウジングプレートに設ける酸素或いは燃料の供給孔が複数の帯状板バネで塞がれないように、相互の位置関係を調整して作製するようにした。最も簡単な構成では、供給孔列のピッチを帯状板バネの幅に比較して大きく採ることで、供給孔が帯状板バネに覆われることなく、常に表出された状態にすることができる。

唯、この手段を採った場合、帯状板バネの幅を小さくすると十分な面圧をかけることができず、逆に大きくすれば、面圧は印加し易くなるが酸素や燃料の供給に支障を来すことになる。

このような場合、ハウジングプレートの供給孔を細長型とし、帯状板バネの延在方向に角度をもたせる、例えば直交させることにより、燃料や酸素の供給経路を帯状板バネを越える立体的なものにすることができ、帯状板バネの幅を広くしても、酸素や燃料の供給量を十分に確保することが可能となる。

また、サイズ、重量の点で問題はあるが、板バネとハウジングプレートの間に酸素・燃料供給用の多孔質体やメッシュを挿入することに依っても酸素や燃料の供給経路を立体化することができる。

図１は実施例１のパッシブ型燃料電池を表す要部説明図であり、（Ａ）は要部平面を、（Ｂ）は要部切断側面を、（Ｃ）は要部斜面をそれぞれ示している。

図に於いて、２１はＭＥＡ、２２は帯状板バネ、２２Ａは帯状板バネのバネ部、２２Ｂは帯状板バネのバネ固着部、２３はハウジングプレート、２４は酸素・燃料供給兼排出孔、３０は筐体をそれぞれ示している。

図示されているように、ハウジングプレート２３には酸素・燃料供給兼排出孔２４が設けられているが、帯状板バネ２２を用いることで供給障害を引き起こすことなく面圧を印加することができる。唯、孔２４の列間隔は板バネ２２の帯幅以上にすることで良い結果が得られる。

尚、帯状板バネ２２を作製する場合、金属板を打ち抜いてバネ部２２Ａ及びバネ固着部２２Ｂが一体化されたものを作製することは容易であるが、帯状金属のバネ部２２Ａの所要数を一対のバネ固着部２２Ｂに例えばスポット溶接で固着するなどの手段を採った方がプレス金型などを必要とせずに済むので低コストで作製できる。

図２は実施例２のパッシブ型燃料電池を表す要部説明図であり、（Ａ）は要部平面を、（Ｂ）は要部切断側面を、（Ｃ）は要部斜面をそれぞれ示し、図１に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

実施例２が実施例１と相違するところは、ハウジングプレート２３に形成された酸素・燃料供給兼排出孔２５が細長型になっていることである。この場合、帯状板バネ２２と孔２５の方向が直交している為、酸素や燃料の拡散経路は３次元的、即ち、酸素や燃料が帯状板バネ２２の下を潜って拡散することが可能である。従って、帯状板バネ２２の帯幅が広くても、十分な酸素・燃料供給量を確保することができる。

図３は実施例３のパッシブ型燃料電池を表す要部説明図であり、（Ａ）は要部平面を、（Ｂ）は要部切断側面をそれぞれ示し、図１及び図２に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

実施例３が実施例１及び実施例２と相違するところは、ハウジングプレート２３と帯状板バネ２２との間に連続孔をもつ多孔質体、或いは、３次元的なメッシュからなる多孔構造体２６を介挿したことにあり、本実施例に依れば、実施例２と同様、拡散経路が３次元的となり、帯状板バネ２２の帯幅を広くしても、十分な酸素・燃料供給量を確保できる。

図４は実施例１に於けるバネ部の幅と抵抗値との関係を表す線図であり、横軸には帯状板バネ２２のバネ部２２Ａに於ける１つ分の帯幅×帯の数（ｍｍ）を採ってあり、縦軸には規格化した抵抗値（％）を採ってある。

実施例１では、ハウジングプレート２３の幅を５０ｍｍとし、その２枚のハウジングプレート２３でＭＥＡ１１を挟み、その表裏両側から帯状板バネ２２で抑えた構成になっている。

バネ部２２Ａの幅が増えると、大きな面圧をかけることができる為、接触抵抗は低下して、抵抗値、即ち、板バネがない状態で規格化した抵抗値は下がっている。

図５は同じく実施例１に於けるバネ部の幅と出力との関係を表す線図であり、横軸に帯状板バネ２２に於けるバネ部２２Ａの１つ分の帯幅×帯の数（ｍｍ）を採ってあり、縦軸には実施例１に見られるハウジングプレート（プレート１と呼ぶ。）を用いた場合の出力（％）を採ってある。

実施例１に於けるハウジングプレート２３には、直径１．５ｍｍの円形を成す酸素・燃料供給孔２４が無数に設けられていて、図５からすると、バネ部２２Ａの幅が２０ｍｍである場合に出力は最大になっていることが看取され、これをバネ部２２Ａの幅が０ｍｍ、即ち、帯状板バネ２２がない状態と比較して１．２倍以上である。

また、バネ部２２Ａの幅を更に広くすると酸素及び燃料の供給が不足する状態となるので、出力は逆に低下し、そして、バネ部２２Ａの幅が５０ｍｍになると酸素及び燃料は全く供給されなくなるので出力は０となる。

図６は実施例２に於けるバネ部の幅と出力との関係を表す線図であり、横軸に帯状板バネ２２に於けるバネ部２２Ａの１つ分の帯幅×帯の数（ｍｍ）を採ってあり、縦軸には実施例２に見られるハウジングプレート（プレート２と呼ぶ。）を用いた場合の出力（％）を採ってある。

実施例２に於けるハウジングプレート２３には、バネ部２２Ａと直交する方向に幅５ｍｍの長円を成す酸素・燃料供給孔２６が設けられていて、この構造を採った場合、酸素及び燃料の供給障害は起こり難い為、図６からすると、バネ部２２Ａの幅を増やしても出力が低下せず、バネ部２２Ａの幅が３０ｍｍで出力は最大となり、帯状板バネ２２がない状態と比較して１．４倍程度となっている。

図７は実施例４のパッシブ型燃料電池を表す要部切断側面図であり、図１乃至図３に於いて用いた記号と同じ記号で指示した部分は同一或いは同効の部分を表すものとする。

実施例４が実施例１乃至実施例３と相違するところは、ハウジングプレート２３に挟まれたＭＥＡ１１が燃料タンク２７の表裏両側に配設され、従って、燃料タンク２７の表裏両側に於いて外側に位置するカソードに対し、ハウジングプレート２３を介して帯状板バネ２２で面圧を加える構成になっている点である。

実施例４が特徴とするところは、アノード側にリジッドな燃料タンク２７が設置されている為、板バネはカソード側のみに設置するだけで十分な面圧が確保できる点にある。

本発明に於いては、前記説明した実施の形態を含め、多くの形態で実施することができるので、以下、それを付記として例示する。

（付記１）
酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、
前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、
前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であり、
前記帯状板バネで前記ＭＥＡに面圧を加えた状態において、前記ハウジングプレートに設けられた酸素・燃料供給孔が前記帯状板バネで塞がれない位置に在る
ことを特徴とするパッシブ型燃料電池。

（付記２）
酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、
前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、
前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であり、
前記ハウジングプレートに設けられた酸素・燃料供給孔が前記帯状板バネに於けるバネ部の延在方向を任意の角度で横切る方向に延在する細長の形状をなす
ことを特徴とするパッシブ型燃料電池。

（付記３）
酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、
前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、
前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であり、
前記ハウジングプレートと前記帯状板バネとの間に多孔質体が介挿されてなること
を特徴とするパッシブ型燃料電池。

（付記４）
前記多孔質体は連続孔をもつこと
を特徴とする（付記３）記載のパッシブ型燃料電池。

（付記５）
酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、
前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、
前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であり、
前記ハウジングプレートと前記帯状板バネとの間に３次元的なメッシュが介挿されてなること
を特徴とするパッシブ型燃料電池。

（付記６）
酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、
前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、
前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であり、
前記ＭＥＡは前記帯状板バネに依って前記ハウジングプレートを介してアノード及びカソード両側から面圧を加えられてなること
を特徴とするパッシブ型燃料電池。

（付記７）
酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、
前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、
前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であり、
前記ＭＥＡが燃料タンクの両側に設けられ、且つ、前記帯状板バネが前記ハウジングプレートを介して前記燃料タンク両側のカソードに面圧を加えること
を特徴とするパッシブ型燃料電池。

（付記８）
前記帯状板バネは間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部及び前記バネ部の両端を固着する一対のバネ固着部から成ることを特徴とする（付記１）乃至（付記７）のいずれか１に記載のパッシブ型燃料電池。

実施例１のパッシブ型燃料電池を表す要部説明図である。 実施例２のパッシブ型燃料電池を表す要部説明図である。 実施例３のパッシブ型燃料電池を表す要部説明図である。 実施例１に於けるバネ部の幅と抵抗値との関係を表す線図である。 実施例１に於けるバネ部の幅と出力との関係を表す線図である。 実施例２に於けるバネ部の幅と出力との関係を表す線図である。 実施例４のパッシブ型燃料電池を表す要部切断側面図である。 通常のＤＭＦＣに於ける構成要素である発電部（ＭＥＡ）を表す要部切断側面図である。 板バネを用いてＭＥＡに面圧を加えたアクティブ型燃料電池を表す要部説明図である。

符号の説明

２１ ＭＥＡ
２２ 帯状板バネ
２２Ａ 帯状板バネのバネ部
２２Ｂ 帯状板バネのバネ固着部
２３ ハウジングプレート
２４ 酸素・燃料供給兼排出孔
３０ 筐体

Claims (3)

1. 酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、
   前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、
   前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であり、
   前記帯状板バネで前記ＭＥＡに面圧を加えた状態において、前記ハウジングプレートに設けられた酸素・燃料供給孔が前記帯状板バネで塞がれない位置に在る
   ことを特徴とするパッシブ型燃料電池。
2. 酸素・燃料供給孔が形成されたハウジングプレートで挟まれたＭＥＡを収容した筐体を備えて自然拡散で燃料及び酸素を供給するパッシブ型燃料電池において、
   前記筐体内に配設され前記ＭＥＡに面圧を加える帯状板バネを備え、
   前記帯状板バネは、間隙を持って平行に配置された複数本の帯状のバネ部を備えており、且つ、前記帯状のバネ部は非加圧状態では弧状であり、
   前記ハウジングプレートに設けられた酸素・燃料供給孔が前記帯状板バネにおけるバネ部の延在方向を任意の角度で横切る方向に延在する細長の形状をなす
   ことを特徴とするパッシブ型燃料電池。
3. 前記帯状板バネは平行に配置された複数本の帯状のバネ部及び前記バネ部の両端を固着する一対のバネ固着部から成ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のパッシブ型燃料電池。

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