JP5118301B2

JP5118301B2 - 直接液体燃料電池及び直接液体燃料電池を備えた携帯用の電子装置

Info

Publication number: JP5118301B2
Application number: JP2005375606A
Authority: JP
Inventors: 慧貞趙; 京煥崔
Original assignee: Samsung SDI Co Ltd
Current assignee: Samsung SDI Co Ltd
Priority date: 2004-12-31
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: CN100384003C; CN1797829A; JP2006190673A; US20060147783A1; US7759018B2; KR100624456B1; KR20060078360A

Description

本発明は、携帯用の電子機器の電源であるバッテリー（２次電池）を充電する直接液体燃料電池に関する。

直接液体燃料電池は、メタノール、エタノールなどの有機化合物燃料と酸化剤である酸素との電気化学反応により電気を生成する発電装置であって、エネルギー密度及び電力密度が非常に高く、メタノールなど液体燃料を直接使用するため、燃料改質器など周辺装置を必要とせず、燃料の保存及び供給が容易であるという長所を有する。

直接液体燃料電池は、図１に示すように、アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在されている構造を有する。各アノード電極２とカソード電極３の構造は、燃料の供給及び拡散のための燃料拡散層２２，３２、燃料の酸化／還元反応が起きる触媒層２１，３１及び電極支持体２３，３３を備える。電極反応のための触媒は、低温でも優秀な特性を有する白金のような貴金属触媒が使われ、反応副生成物である一酸化炭素による触媒被毒現象を防止するために、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、ニッケルのような転移金属の合金触媒が使われる。電極支持体は、炭素紙、炭素織物などが使われ、燃料の供給及び反応生成物の排出が容易であるように撥水処理して使用する。電解質膜１は、厚さが５０〜２００μｍである高分子膜であって、水分を含有し、イオン伝導性を有する水素イオン交換膜である。

直接液体燃料電池のうち、メタノールと水とを混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池（ＤｉｒｅｃｔＭｅｔｈａｎｏｌＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦＣ）の電極反応は、燃料が酸化されるアノード反応及び水素イオンと酸素との還元によるカソード反応から構成され、反応式は次の通りである。

酸化反応（反応式１）が起きるアノード電極２では、メタノールと水との反応により二酸化炭素、水素イオン及び電子が生成され、生成された水素イオンは、電解質膜１を通じてカソード電極３に伝達される。還元反応（反応式２）が起きるカソード電極３では、水素イオン、外部回路を通じて伝達された電子及び酸素の間の反応により水が生成される。したがって、ＤＭＦＣ総括反応（反応式３）は、メタノールと酸素とが反応して水と二酸化炭素とを生成する反応となる。このとき、メタノール１モルが酸素と反応して２モルの水が生成される。

下記の特許文献１には、携帯電話のバッテリーを充電させる燃料電池が開示されている。燃料電池は、携帯用の電子機器のバッテリーを充電するのに有効に利用されうる。

米国特許第６，３２６，０９７号明細書

本発明の目的は、携帯用の電子機器のバッテリーを充電させることが可能な新規かつ改良された直接液体燃料電池を提供することである。

さらに，本発明の別の目的は、上記直接液体燃料電池を備えた携帯用の電子装置を提供することである。

上記課題を解決するため，本発明の第１の観点によれば，直接液体燃料電池は、電解質膜と、上記電解質膜の第１面の面上に配設される複数のアノード電極と、上記第１面の反対側である上記電解質膜の第２面の面上に上記アノード電極と対応してそれぞれ配設される複数のカソード電極とを備え、対をなす上記アノード電極及び上記カソード電極とその間に介在する上記電解質膜とで構成される単位セルを複数個備えたアセンブリと；上記アセンブリの上記各単位セル領域と対応するように上記各アノード電極上に位置する第１集電部を複数備え、上記アセンブリの上記アノード電極上に配設される集電プレートと；上記集電プレートの上に、上記集電プレートとの間にギャップを形成するように上記集電プレートを覆って配設され、上記ギャップの端部に位置するようにその一側に設けられた引込口から供給された液体燃料を上記ギャップに拡散させる拡散プレートと；上記引込口と連結されて、上記集電プレートと上記拡散プレートとの間に液体燃料を供給する液体燃料タンクと；上記カソード電極上にそれぞれ配設された複数の第２集電部と；上記第２集電部上に配設され、空気が通過するように形成された多孔プレートと；上記第１集電部及び上記第２集電部を電気的に連結し、上記単位セルの間の電気的回路を構成する導電部と；を備えることを特徴とする。なお，上記アセンブリは，例えば，ＭＥＡ（ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃｔｒｏｄｅ
Ａｓｓｅｍｂｌｙ）などを例示することができる。

上記課題を解決するために，本発明の別の観点によれば，直接液体燃料電池を備える携帯用の電子装置は、携帯用の電子機器と；上記携帯用の電子機器の背面が装着される背面カバーと；上記携帯用の電子機器の前面を覆う前面カバーと；上記前面カバーに設置された直接液体燃料電池と；上記直接液体燃料電池に液体燃料を供給する液体燃料タンクと；上記直接液体燃料電池により充電される充電バッテリーと；を備える直接液体燃料電池を備え；上記直接液体燃料電池は、電解質膜と、上記電解質膜の第１面の面上に配設される複数のアノード電極と、上記電解質膜の第２面の面上に上記アノード電極と対応してそれぞれ配設される複数のカソード電極とを備え、対をなす上記アノード電極及び上記カソード電極とその間に介在する上記電解質膜とで構成される単位セルを複数個備えたアセンブリと；上記アセンブリの上記各単位セル領域と対応するように上記各アノード電極上に位置する第１集電部を複数備え、上記アセンブリの上記アノード電極上に配設される集電プレートと；上記集電プレートの上に、上記集電プレートとの間にギャップを形成するように上記集電プレートを覆って配設され、上記ギャップの端部に位置するようにその一側に設けられた引込口から供給された液体燃料を上記ギャップに拡散させる拡散プレートと；上記カソード電極上にそれぞれ配設された複数の第２集電部と；上記第２集電部上に配設され、空気が通過するように形成された多孔プレートと；上記第１集電部及び上記第２集電部を電気的に連結し、上記単位セルの間の電気的回路を構成する導電部と；を備え、上記液体燃料タンクは、上記引込口に連結され、上記集電プレートと上記拡散プレートとの間に液体燃料を供給することを特徴とすることを特徴とする。

上記引込口は、上記集電プレートと上記拡散プレートとの間に形成された上記ギャップの端部に位置するように、上記拡散プレートの一辺に沿って延びて形成されたスリットであることが望ましい。

上記拡散プレートは、上記集電プレートと対抗する底部と；上記底部の縁に上記集電プレートの方向に突出されて形成された枠と；上記底部の上記集電プレートと対抗する面に、上記スリットの延長方向に対して垂直方向に延びる形状を有し、それぞれが所定間隔で離隔されて形成される複数の突出部と；を備える。

上記枠は、上記集電プレート、上記拡散プレート、上記多孔プレートの側面をカバーするように上記突出部より高く形成されることが望ましい。かかる構成により，集電プレートと，拡散プレートと，多孔プレートとを内部に重ねることができる。

上記突出部は、交互に形成されうる。かかる構成により，燃料を拡散することができる。

上記単位セル領域に対応する複数の第１集電部は、複数のホールに分けられている。

上記液体燃料タンクは、上記引込口から着脱可能に設置されうる。

以上説明したように，本発明によれば，直接液体燃料電池は、携帯用の電子機器に装着された充電バッテリーを容易に充電させて、携帯用の電子機器の使用時間を延ばすことができる。また、突出部のパターンが形成された拡散プレートは、流入される液体燃料の拡散を助け、集電プレートは、集電の役割を行い、かつ上記拡散プレートとの間のギャップに毛細管力を形成して液体燃料の流れを容易にし、アノード電極に液体燃料を供給し続ける。

以下，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，略同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略する。

図２は、本発明の一実施形態による直接液体燃料電池を備える携帯用の電子装置の概略的な斜視図である。

図２に示すように、携帯用の電子装置１００には、携帯用の電子機器１１０、及び上記携帯用の電子機器１１０の充電用のバッテリー１１２を充電させる直接液体燃料電池２００を備える。上記携帯用の電子機器１１０は、ＰＤＡフォンまたは携帯電話となりうる。上記ＰＤＡフォン１１０の背面は、背面カバー１２０に着脱可能に装着される。前面カバー１３０は、ＰＤＡフォン１１０の前面を覆い、その内部には、本発明の特徴部である直接液体燃料電池２００が備えられている。前面カバー１３０と背面カバー１２０との間には、パイプ状の液体燃料タンク１４０が設置されている。液体燃料タンク１４０の内部には、液体燃料、例えばメタノールが保存されうる。上記液体燃料タンク１４０は、上記前面カバー１３０に固設されうる。また、上記液体燃料タンク１４０は、上記前面カバー１３０から着脱可能な液体燃料カートリッジであることもある。上記燃料電池２００及び上記液体燃料タンク１４０は、互いにドッキングされる構造で形成される。

上記ＰＤＡフォン１１０の背面には、充電用のバッテリー１１２が装着されている。上記バッテリーの下部には、充電用端子（図示せず）が形成されており、上記端子は、燃料電池２００に電気的に連結された充電コネクタ１５０を通じて電気的に連結されて、上記充電用のバッテリー１１２を充電させることができる。

図３は、図２の液体燃料タンクを備える直接液体燃料電池の構造を概略的に示す断面図であり、図４は、図３の燃料電池の分解斜視図であり、便宜上、液体燃料タンクを省略した。また、図２の構成要素と実質的に同じ構成要素には同じ参照番号を使用し、詳細な説明は省略する。

図３及び図４に示すように、燃料電池２００の一側に液体燃料タンク１４０が連結されている。燃料電池２００には、上記液体燃料タンク１４０が連結される部位に液体燃料の引込口であるスリット２２２が形成されており、上記燃料タンク１４０には、上記スリット２２２にドッキングする突出スリット１４２が形成されている。上記スリット１４２，２２２のドッキングにより、燃料タンク１４０からの液体燃料、例えばメタノールと水とが１：１モルの割合で混合された燃料が燃料電池２００に供給される。上記ドッキング構造は、多様に変形されて実施されることもある。

上記燃料電池２００は、拡散プレート２２０、集電プレート２４０、ＭＥＡ２６０、多孔プレート２８０が順次に積層された構造である。

上記拡散プレート２２０は、親水処理されて上記液体燃料を十分に拡散させることが望ましい。上記拡散プレート２２０の一側には、上記燃料タンク１４０と接触する部位にスリット２２２が形成される。上記拡散プレート２２０のエッジの長方形の枠２２４の高さは、上記拡散プレート２２０、集電プレート２４０、ＭＥＡ
２６０、多孔プレート２８０の側面をカバーするように高く形成されることが望ましい。例えば、３〜６ｍｍの高さに形成されうる。上記エッジの内部には、底部２２６からほぼ１００〜２００μｍの高さに突出部２２８が形成されている。

図５は、図３及び図４の拡散プレート２２０の一部平面図である。図３〜図５に示すように、突出部２２８は、底部２２６から垂直に突設され、望ましくは、いずれも同じ形状である。そして、各突出部２２８は、スリット２２２の長手方向に垂直である矢印Ａ方向に所定の長さＬと左右間隔Ｄとを有し、それに垂直方向に長さに比べてはるかに短い所定の幅Ｗと上下間隔Ｈとを有する平面上には、直線型のパターンである。このとき、上下に隣接する二行を構成するパターンは、交互に整列されている。上記突出部２２８の高さは、いずれも同一であることが望ましい。図５には、突出部２２８が交互に形成されているが、必ずしもこれに限定されるものではない。スリット２２２で流入された液体燃料は、突出部２２８で拡散されつつ流れる。

図６は、図５の変形された拡散プレートの一部平面図である。図６に示すように、突出部２２８´のパターンは、行列形態に整列されているという点のみが異なり、その形状は、図５の突出部２２８と実質的に同一である。

図７は、図３及び図４に示したＭＥＡ２６０のアノード電極２６４を示す平面図であり、図８は、図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線の断面図である。図７及び図８に示すように、電解質膜２６２のエッジの前後面に長方形のガスケット２６８が付着されている。このガスケット２６８は、弾力性及び密着性にすぐれたシリコンコーティングされたテフロン（登録商標）で形成される。上記ガスケット２６８は、便宜上、図１には省略されている。上記ガスケット２６８は、液体燃料タンク１４０からアノード電極２６４に供給されたメタノールの燃料電池２００の外部への漏れを防止するために、ＭＥＡ２６０の上下面のエッジ部分に設置され、燃料電池２００の付属品が組み立てられたときに密着されてシーリング効果を表す。

上記電解質膜２６２の両面には、６対のアノード電極２６４及びカソード電極２６６が相互対称的に付着されている。すなわち、電解質膜２６２の一面に６個のアノード電極２６４が所定間隔、例えば約１ｍｍの間隔で配置されており、電解質膜２６２の反対面に上記アノード電極２６４に対応する６個のカソード電極２６６が所定間隔、例えば１ｍｍの間隔で配置されて、一つの電解質膜２６２に６個の単位セルが形成される。

図９は、図３及び図４の集電プレート２４０の底面図であって、アノード電極と接触される面を示すものである。図３、図４及び図９に示すように、集電プレート２４０には、ＭＥＡ２６０の単位セルに対応する領域に集電部２４２が形成されている。集電部２４２は、所定面積を占めるバー２４４により複数のホール２４２ａに分けられている。上記集電プレート２４０は、望ましくは、絶縁体で形成され、上記集電部２４２、及び上記集電部２４２をカソード電極２６６上の集電部（図１０の２９０）と連結する導電部２４６は、導電性金属、例えば金でコーティングされている。上記集電部２４２は、互いに電気的に分離される。上記集電プレート２４０は、拡散プレート２２０と重なって、それらの間の領域に毛細管力を生成させる。また、上記拡散プレート２２０は、集電部２４２に形成されたホール２４２ａを通じて接触されるアノード電極２６４に液体燃料を供給する。上記アノード電極２６４から消費される燃料は、上記毛細管力により上記液体燃料タンク１４０から拡散プレート２２０に供給される。

図４に示すように、上記多孔プレート２８０は、空気中に酸素が通過されるように複数の通気ホール２８２が形成されるか、または多孔性物質で形成されうる。また、上記多孔プレート２８０は、カソード電極２６６から放出されるＣＯ_２または水を外部に放出する。
一方、上記多孔プレート２８０と上記カソード電極２６６との間には、集電部が設置される。上記集電部は、図９に示した集電プレート２４０の集電部２４２と同一であることもある。また、図１０に示したように、メッシュ状の集電部２９０が使われることもある。

図１０に示すように、ＭＥＡ２６０の電解質膜２６２上のカソード電極上にメッシュ状の集電部２９０が設置され、集電部２９０の端部は、それぞれ導電部２９２に連結されている。上記導電部２９２は、一対のアノード電極２６４及びカソード電極２６６により設けられた６個の単位セルを電気的に直列連結させて電気的回路を構成し、これは、一般的な技術であるため詳細な説明は省略する。

本発明の一実施形態に係る燃料電池は、携帯用の電子機器のバッテリーの充電用またはバッテリーの代用に直接上記電子機器に連結して使用できる。本発明の一実施形態に係る燃料電池は、軽薄型であり、燃料タンクから拡散プレートを通じて水平に燃料を供給されて、上部の集電プレートを通じて垂直にアノード電極に燃料を供給する。

以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例を想定し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、直接液体燃料電池関連の技術分野に適用可能である。

直接液体燃料電池の基本的な構造を示す断面図である。本発明の一実施形態による直接液体燃料電池を備える携帯用の電子装置の概略的な斜視図である。図２の液体燃料タンクを備える直接液体燃料電池の構造を概略的に示す断面図である。図３の燃料電池の分解斜視図である。図３及び図４の拡散プレートの一部平面図である。図５の拡散プレートの変形例を示す一部平面図である。図３及び図４に示したＭＥＡのアノード電極を示す平面図である。図７のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線の断面図である。図３及び図４の集電プレートの底面図であって、アノード電極と接触する面を示す図面である。本実施の形態に係るＭＥＡの概略的な構成の一例を示す説明図である。

符号の説明

２００直接液体燃料電池
２２０拡散プレート
２２２スリット
２２４枠
２２６底部
２２８突出部
２４０集電プレート
２４２ａホール
２６０ＭＥＡ
２８０多孔プレート
２８２通気ホール
２９０集電部
２９２導電部

Claims

電解質膜と、前記電解質膜の第１面の面上に配設される複数のアノード電極と、前記電解質膜の第２面の面上に前記アノード電極と対応してそれぞれ配設される複数のカソード電極とを備え、対をなす前記アノード電極及び前記カソード電極とその間に介在する前記電解質膜とで構成される単位セルを複数個備えたアセンブリと；
前記アセンブリの前記各単位セル領域と対応するように前記各アノード電極上に位置する第１集電部を複数備え、前記アセンブリの前記アノード電極上に配設されて前記アノード電極と対向する第１面において集電を行う集電プレートと；
前記集電プレートの上に、前記集電プレートの前記第１面の裏面との間にギャップを形成して毛細管力が生じるように前記集電プレートを覆って配設され、前記ギャップの端部に位置するようにその一側に沿って延びて形成された引込口から供給された液体燃料が前記ギャップに拡散されるべく、前記集電プレートの方向に突出し前記引込口に対して垂直方向に延びる形状を有してそれぞれが所定間隔で離隔されて千鳥状に配置される複数の突出部を備えた拡散プレートと；
前記引込口と連結されて、前記集電プレートと前記拡散プレートとの間に液体燃料を供給する液体燃料タンクと；
前記カソード電極上にそれぞれ配設された複数の第２集電部と；
前記第２集電部上に配設され、空気が通過するように形成された多孔プレートと；
前記第１集電部及び前記第２集電部を電気的に連結し、前記単位セルの間の電気的回路を構成する導電部と；
を備えることを特徴とする直接液体燃料電池。
前記引込口は、前記集電プレートと前記拡散プレートとの間に形成された前記ギャップの端部に位置するように、前記拡散プレートの一辺に沿って延びて形成されたスリットであることを特徴とする，請求項１に記載の直接液体燃料電池。
前記拡散プレートは、
前記集電プレートと対向する底部と；
前記底部の縁に前記集電プレートの方向に突出されて形成された枠と；
前記底部の前記集電プレートと対向する面に、前記スリットの延長方向に対して垂直方向に延びる形状を有し、それぞれが所定間隔で離隔されて形成される複数の突出部と；
を備えることを特徴とする，請求項２に記載の直接液体燃料電池。
前記枠は、前記集電プレート、前記拡散プレート、前記多孔プレートの側面をカバーするように前記突出部より高く形成されたことを特徴とする，請求項３に記載の直接液体燃料電池。
前記単位セル領域に対応する前記第１集電部には、前記ギャップに拡散された液体燃料が前記アノード電極に供給されるよう複数のホールが設けられることを特徴とする，請求項１に記載の直接液体燃料電池。
前記第１集電部は、互いに電気的に分離されるように形成されており、前記各第１集電部は、前記導電部に電気的に連結されたことを特徴とする，請求項５に記載の直接液体燃料電池。
前記液体燃料タンクは、前記引込口に着脱可能に配設されたことを特徴とする，請求項１に記載の直接液体燃料電池。
携帯用の電子機器と；
前記携帯用の電子機器の背面が装着される背面カバーと；
前記携帯用の電子機器の前面を覆う前面カバーと；
前記前面カバーに設置された直接液体燃料電池と；
前記直接液体燃料電池に液体燃料を供給する液体燃料タンクと；
前記直接液体燃料電池により充電される充電バッテリーと；を備える直接液体燃料電池を備え；
前記直接液体燃料電池は、
電解質膜と、前記電解質膜の第１面の面上に配設される複数のアノード電極と、前記電解質膜の第２面の面上に前記アノード電極と対応してそれぞれ配設される複数のカソード電極とを備え、対をなす前記アノード電極及び前記カソード電極とその間に介在する前記電解質膜とで構成される単位セルを複数個備えたアセンブリと；
前記アセンブリの前記各単位セル領域と対応するように前記各アノード電極上に位置する第１集電部を複数備え、前記アセンブリの前記アノード電極上に配設されて前記アノード電極と対向する第１面において集電を行う集電プレートと；
前記集電プレートの上に、前記集電プレートの前記第１面の裏面との間にギャップを形成して毛細管力が生じるように前記集電プレートを覆って配設され、前記ギャップの端部に位置するようにその一側に沿って延びて形成された引込口から供給された液体燃料が前記ギャップに拡散されるべく、前記集電プレートの方向に突出し前記引込口に対して垂直方向に延びる形状を有してそれぞれが所定間隔で離隔されて千鳥状に配置される複数の突出部を備えた拡散プレートと；
前記カソード電極上にそれぞれ配設された複数の第２集電部と；
前記第２集電部上に配設され、空気が通過するように形成された多孔プレートと；
前記第１集電部及び前記第２集電部を電気的に連結し、前記単位セルの間の電気的回路を構成する導電部と；を備え、
前記液体燃料タンクは、前記引込口に連結され、前記集電プレートと前記拡散プレートとの間に液体燃料を供給すること、
を特徴とする，携帯用の電子装置。
前記引込口は、前記集電プレートと前記拡散プレートとの間に形成された前記ギャップの端部に位置するように、前記拡散プレートの一辺に沿って延びて形成されたスリットであることを特徴とする，請求項８に記載の携帯用の電子装置。
前記拡散プレートは、
前記集電プレートと対向する底部と；
前記底部の縁に前記集電プレートの方向に突出されて形成された枠と；
前記底部の前記集電プレートと対向する面に、前記スリットの延長方向に対して垂直方向に延びる形状を有し、それぞれが所定間隔で離隔されて形成される複数の突出部と；
を備えることを特徴とする，請求項８に記載の携帯用の電子装置。
前記枠は、前記集電プレート、前記拡散プレート、前記多孔プレートの側面をカバーするように前記突出部より高く形成されたことを特徴とする，請求項１０に記載の携帯用の電子装置。
前記単位セル領域に対応する前記第１集電部には、前記ギャップに拡散された液体燃料が前記アノード電極に供給されるよう複数のホールが設けられることを特徴とする，請求項８に記載の携帯用の電子装置。
前記第１集電部は、互いに電気的に分離されるように形成されており、前記各第１集電部は、前記導電部に電気的に連結されたことを特徴とする，請求項１２に記載の携帯用の電子装置。
前記液体燃料タンクは、前記引込口に着脱可能に配設されたことを特徴とする，請求項８に記載の携帯用の電子装置。
前記液体燃料タンクは、前記前面カバーと前記背面カバーとの間に設置されたことを特徴とする，請求項８に記載の携帯用の電子装置。