JP2005228506A

JP2005228506A - 燃料電池、およびこの燃料電池を備えた機器

Info

Publication number: JP2005228506A
Application number: JP2004033480A
Authority: JP
Inventors: Yukio Kasahara; 幸雄笠原; Tsutomu Miyamoto; 勉宮本; Yuji Fujimori; 裕司藤森
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2004-02-10
Filing date: 2004-02-10
Publication date: 2005-08-25

Abstract

【課題】発電効率を良好にできる燃料電池、およびこの燃料電池を備えた機器を提供すること。
【解決手段】アノード電極側ケース１１１およびカソード電極側ケース１１２に互いに対極となって引き合う磁石１３，１４を設けた。これにより、膜電極接合体２０と燃料拡散層５、空気拡散層６、燃料拡散層５、集電体７，８が互いに良好に密着して固定される。従って、これらの接触抵抗が低減して、集電体７，８での電子ｅ^-の移動を促進でき、燃料電池１での発電効率を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池、およびこの燃料電池を備えた機器に関する。

燃料電池は、外部から燃料と空気（酸素）とを連続的に供給し、電気化学的に反応させて電気エネルギを取り出すものである。燃料電池は、他の発電方式に比べて高効率で二酸化炭素の排出量が少ないため、環境問題が顕著になっている近年注目されている。

例えば、高分子電解質形燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell，PEFC）は、低い温度で動作が可能で起動時間が短く、小型化も可能である。この高分子電解質形燃料電池は、高分子固体電解質膜の一方の面に空気側電極を、他方の面に燃料側電極をそれぞれ一体に形成したＭＥＡ（Membrane Electrode Assembly）を備え、空気側電極に空気を供給し、燃料側電極にメタノールや改質した水素などの燃料を供給することにより、電気化学的反応が起こり、電力が発生する。そして、発生した電力は、各電極と接触した集電体を介して外部に取り出される。また、このようなＭＥＡおよび集電体により、燃料電池セルが構成される。

このような燃料電池では、燃料電池セルがエンドプレートと称するアノード側ケースおよびカソード側ケースで挟持され、各ケースをボルトで締め付けることで固定されている（例えば特許文献１）。また、この際のボルトの締め付け力を利用して、ＭＥＡと集電体とが密着するようになっている。

特開平５−１８２６８４号公報

ところで、各ケースをボルトで固定する場合、ボルトによって燃料電池セルを貫通させる訳にはいかないため、そのようなボルトは燃料電池セルを避けるように各ケースの外周側に配置される。
しかし、ケースがその外周側のボルトで固定されると、当該外周側ではケース同士がボルトの締め付けによって良好に固定されるが、ケースの中央側、すなわち、燃料電池セルに対応した箇所では、ボルトが存在しないことで締め付け力が良好に作用せず、燃料電池セルでのＭＥＡと集電体との密着性が損なわれる。こうなると、ＭＥＡと集電体との接触抵抗が大きくなり、電子の送受が阻害されて発電効率が低下するという問題が生じる。

本発明の目的は、発電効率を良好にできる燃料電池、およびこの燃料電池を備えた機器を提供することにある。

本発明の燃料電池は、高分子固体電解質膜と、この高分子固体電解質膜の表裏に接触する一対の電極と、この一対の電極に接触して電子を送受する一対の集電体と、を含んで構成された燃料電池セルを備えているとともに、この燃料電池セルを収納するケースを備えた燃料電池であって、前記ケースには、前記燃料電池セルを挟んで互いに引き合う磁性部材が設けられていることを特徴とする。
ここで、磁性部材とは、磁石の他、磁石と組み合わされて用いることで当該磁石に引き付けられる部材をいう。

この発明によれば、燃料電池セルを挟んで互いに引き合う磁性部材をケースに設けるので、燃料電池セルの高分子固体電解質膜に形成された電極と、その外側にある集電体とは、磁性部材の互いの引き付け力によって押えられて良好に密着する。従って、これらの接触抵抗が低減して電体からの電子の送受も促進されるため、燃料電池の発電効率が向上する。

また、本発明の燃料電池では、前記磁性部材は、前記ケースの外面に設けられていることが好ましい。
この発明によれば、ケースの外面に磁性部材を設けるため、磁性部材の取り付け作業が容易である。また、ケースに磁性部材を設けるだけでよいから、既存の燃料電池での発電効率の向上も容易である。従って、新規製品、既存製品を問わず、良好な発電効率を有する燃料電池の提供が可能である。

また、本発明の燃料電池では、前記磁性部材は、前記ケースの一部を形成していることが好ましい。
この発明によれば、ケースの一部を磁性部材で形成することにより、ケースの外面等に別途磁性部材を設ける必要がなく、部品点数が減少するから、燃料電池の組立作業が容易になる。

さらに、本発明の燃料電池では、前記ケースの全体が前記磁性部材で形成されていることが好ましい。
この発明によれば、ケースの全体が磁性部材で構成されているので、燃料電池セルが広範囲にわたって磁性部材で押さえられ、密着性がより向上する。

そして、本発明の燃料電池では、一方の電極と集電体との間には、空気の拡散を図る空気拡散層が介装され、他方の電極と集電体との間には、燃料の拡散を図る燃料拡散層が介装されていることが考えられる。
このような発明によれば、各電極と集電体の間に導電性を有する拡散層を介装するが、これらの拡散層もまた、磁性部材同士の引き付け力によって電極および集電体との密着性が向上するため、発電効率を維持しつつ、各拡散層の機能も十分に活かされるようになる。

一方、本発明の燃料電池を備えた機器は、以上のような燃料電池を備えていることを特徴とする。
この発明によれば、前述したように、燃料電池として良好な発電効率が得られるから、本発明の目的を達成できる。
ここで、機器としては、パーソナルコンピュータ、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、各種カメラ、電話器等の通信機器、医療機器、玩具など、比較的小型の機器が挙げられる。

本発明の燃料電池、および燃料電池を備えた機器によれば、発電効率を良好にできるという効果がある。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態を図面に基づいて説明する。
図１および図２には、第１実施形態に係る燃料電池１が示されている。図１は、燃料電池１の側断面図、図２は、この燃料電池１の分解斜視図である。なお、図１では、燃料電池１の断面構造を理解しやすくする目的で、各構成部材の厚みを意図的に大きくして図示してある。

図１、および図２において、燃料電池１は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）であり、燃料電池セル１０がケース１１に収納されて構成されている。なお、本実施形態では、説明を簡略化するため、図１および図２に示すように単一の燃料電池セルで構成した燃料電池１を図示するが、燃料電池１は、後述する磁石（磁性部材）１３，１４の作用が及ぶ範囲で燃料電池セル１０を複数枚積層したスタック構造としてもよい。

燃料電池セル１０は、高分子固体電解質膜２と、この高分子固体電解質膜２の両面に一体的に形成されるアノード電極３およびカソード電極４と、アノード電極３側に配置される燃料拡散層５と、カソード電極４側に配置される空気拡散層６と、これらの燃料拡散層５および空気拡散層６の外側にそれぞれ設けられるとともに、アノード電極３およびカソード電極４の間に発生した電気エネルギを取り出す集電体７，８と、を備えている。この燃料電池セル１０は、ケース１１に収納されている。これにより、ケース１１内部は、高分子固体電解質膜２を挟んでアノード電極３側とカソード電極４側とに封止されて分離されている。

高分子固体電解質膜２は、高い電子伝導性を持つ電子伝導性高分子で構成される高分子固体電解質樹脂が、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（Poly Tetra Fluoro Ethylene，PTFE）フィルムの延孔空隙部に含浸されることにより構成されている。高分子固体電解質膜としては、例えば、ナフィオン（デュポン社商標）などのパーフルオロスルホン酸系ポリマー、フッ素系ポリマー、炭化水素系ポリマーなどが採用できる。また、場合によっては、この高分子固体電解質樹脂に、電気伝導性の生じない範囲で白金などの触媒やカーボン粉末、各種セラミック粉末などを加えてもよい。

なお、延伸多孔質ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムは、ＰＴＦＥの塊を延伸多孔化して得られるものであり、多数の微小結節とこれらの微小結節から延出して微小結節相互を三次元的に連結する微細繊維とからなる構造を有する。本実施形態において、この延伸多孔質ＰＴＦＥフィルムの膜厚は、１〜１００μｍ、好ましくは３〜３０μｍで、孔径は、０．０５〜５μｍ、好ましくは０．５〜２μｍで、空隙率は、６０％〜９８％、好ましくは８０〜９２％である。膜厚が薄すぎると短絡やガス漏れ（クロスリーク）が発生しやすくなり、厚すぎると電気抵抗が高くなる。また孔径が小さすぎると、高分子固体電化質樹脂の含浸が困難となり、大きすぎると高分子固体電解質樹脂の保持力が弱くなり、また補強効果も弱くなる。そして、空隙率が小さすぎると高分子固体電解質膜としての抵抗が大きくなり、空隙率が大きすぎると一般にＰＴＦＥ自体の強度が弱くなり、補強効果が得られない。

この高分子固体電解質膜２の両面側には、図２に示すように、外縁から所定幅寸法を隔てた所定範囲内に略矩形状のアノード電極３およびカソード電極４（図２ではアノード電極３のみ図示)が一体形成され、これらによって膜電極接合体２０が構成されている。

アノード電極３およびカソード電極４は、メタノールと水との反応用の触媒を担持したカーボン触媒電極膜から構成される。ここで、触媒としては、例えば白金やイリジウムなどが採用できる。なお、アノード電極３側でメタノールと水との反応により発生する一酸化炭素ＣＯの被毒を防止するため、アノード電極３の触媒として白金およびルテニウムの合金やイリジウムおよびルテニウムの合金などを採用することが好ましい。

燃料拡散層５および空気拡散層６は、導電性を有するメッシュの金属フォーム（例えばスチールウールなど）からなる多孔性膜であり、供給される燃料および酸素をそれぞれ拡散してアノード電極３およびカソード電極４に導く。なお、これらの燃料拡散層５および空気拡散層６は、それぞれアルミニウム、ステンレス鋼などであってもよく、またスポンジチタンなどの多孔性金属材料、カーボンペーパ紙にカーボンを担持したものやカーボンクロスなどであってもよい。

ケース１１は、アノード電極３側を覆う薄型で箱状のアノード電極側ケース１１１と、カソード電極４側を覆う薄板状のカソード電極側ケース１１２と、を備えている。アノード電極側ケース１１１には、燃料をケース１１内部に供給するための燃料供給口１１３と、アノード電極３との反応が終了した燃料を外部に排出するための燃料排出口１１４とが形成されている。また、カソード電極側ケース１１２には、空気をカソード電極４に供給するための空気孔１１５が複数形成されている。ここで、アノード電極側ケース１１１の内面とアノード電極３との間の領域は、液密に構成され、燃料が供給される燃料室３１となっている。また、カソード電極側ケース１１２の内面とカソード電極４との間の領域は、気密に構成され、空気が供給される空気室４１となっている。燃料室３１への燃料供給は、図示しない燃料ポンプなどにより行われ、所定量が供給されるようになっている。また、空気室４１への空気の供給は、自然吸気となっており、空気室４１が空気孔１１５を介して大気に開放されることで空気室４１への空気の供給が行われている。なお、燃料としては、メタノール（ＣＨ_３ＯＨ）水溶液が供給される。

そして、ケース１１外周部には、ボルト孔１１６が形成されている。燃料電池セル１０をケース１１に収納するには、燃料電池セル１０をアノード電極側ケース１１１とカソード電極側ケース１１２との間に収納し、ボルト１１７をボルト孔１１６および高分子固体電解質膜２の位置決め孔２１に貫通させて、ナット１１８を螺合し、ボルト止めする。このボルト止めによって、燃料電池セル１０の周縁は互いに密着する。また、アノード電極側ケース１１１の外面の所定位置、およびカソード電極側ケース１１２の外面の所定位置には、互いに対極となる磁石１３，１４が設けられている。この磁石１３，１４相互の引き付け力により、ケース１１の略中央部が押さえ込まれ、膜電極接合体２０、燃料拡散層５、空気拡散層６、集電体７，８が互いに密着して固定される。そして、このことが本実施形態での最も特徴的な構成である。

このような磁石１３，１４は、その磁着力によっては、ケース１１の外面上に単に配置されるだけでもよいが、必要に応じて接着剤等によって固着されてもよい。また、本実施形態では、一対の磁石１３，１４を用いたが、一方を磁石とし、他方をこの磁石に磁着される金属片等の磁性部材で構成してもよい。

このような燃料電池１では、燃料室３１にメタノール水溶液が供給されて燃料室３１内に充填されると、メタノール水溶液は、アノード電極３の触媒によって下記の式（１）の酸化反応によって二酸化炭素ＣＯ_２と水素イオンＨ^＋と電子ｅ⁻とが生じる。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ …(１）
水素イオンＨ^＋は、高分子固体電解質膜２を透過してカソード電極４側に移動することにより、集電体７，８の両側に電圧が生じる。水素イオンＨ^＋がカソード電極４側に到達すると、カソード電極４の触媒によって空気室４１内の空気中の酸素Ｏ_２と反応して式（２）の還元反応が生じる。
Ｏ_２＋４Ｈ^＋＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ …（２）
アノード電極３側で生成された二酸化炭素ＣＯ_２は、消費されずに残った少量のメタノール水溶液とともに燃料排出口１１４から排出される。また、カソード電極４側で生成された水は、水蒸気として空気孔１１５から排出される。

以上のような第１実施形態によれば、次のような効果が得られる。
（１）すなわち、燃料電池１において、アノード電極側ケース１１１およびカソード電極側ケース１１２には、互いに対極となって引き合う磁石１３，１４が設けられているので、燃料電池セル１０を構成する膜電極接合体２０、燃料拡散層５、空気拡散層６、集電体７，８を良好に密着させることができる。従って、これらの接触抵抗が低減して、集電体７，８での電子ｅ⁻の移動を促進でき、燃料電池１での発電効率を向上させることができる。

（２）また、アノード電極側ケース１１１およびカソード電極側ケース１１２の外面に磁石１３，１４が設けられているため、磁石１３，１４を互いの磁着力を利用してそのまま配置したり、接着剤で固着する等して容易に取り付けることができる。さらに、既存の燃料電池１にも磁石１３，１４を取り付ければ、その発電効率を容易に向上させることができる。

（３）各電極３，４と集電体７，８との間には、導電性を有する拡散層５，６が介装されているが、これらの拡散層５，６においてもまた、磁石１３，１４の引き付け力によって電極３，４および集電体７，８との密着性を向上させることができるため、発電効率を維持しつつ、各拡散層５，６の機能、つまり、燃料や空気を拡散させて満遍なく電極３，４に接触させることができ、その機能を十分に活かすことができる。

〔第２実施形態〕
次に、図３に基づいて、第２実施形態に係る燃料電池３０を説明する。図３は、第２実施形態の燃料電池３０を示す側断面図である。ここで、第一実施形態と同一の構成要件については同符号で示し、説明を省略する。

図３において、燃料電池３０は、燃料電池セル１０と、ケース１５とを備えている。燃料電池セル１０は、高分子固体電解質膜２、アノード電極３、およびカソード電極４を一体形成した膜電極接合体２０と、燃料拡散層５と、空気拡散層６と、集電体７，８とで構成されている。

ケース１５は、アノード電極３側に配置されるアノード電極側ケース１５１と、カソード電極４側に配置されるカソード電極側ケース１５２とを備えている。アノード電極側ケース１５１には、燃料供給口１１３と、燃料排出口１１４とが形成されている。また、カソード電極側ケース１５２には、空気孔１１５が複数形成されている。

また、ケース１５外周部には、ボルト孔１１６が形成されていて、ボルト１１７をボルト孔１１６および高分子固体電解質膜２の位置決め孔２１に貫通させて、アノード電極側ケース１５１とカソード電極側ケース１５２とをボルト止めしている。

また、アノード電極側ケース１５１の略中央部、すなわち、燃料電池セル１０の高分子固体電解質膜２、アノード電極３、カソード電極４、燃料拡散層５、空気拡散層６、および集電体７，８を挟持する部分は、周囲と略同じ厚みとされた磁石（磁性部材）１５３で形成されている。一方、カソード電極側ケース１５２はこれ自体が磁石（磁性部材）であり、その内面がアノード電極側ケース１５１の磁石１５３の内面と対極となるような磁性を持っている。この磁石１５３とカソード電極側ケース１５２により、ケース１５の略中央部が押さえ込まれ、膜電極接合体２０、燃料拡散層５、空気拡散層６、集電体７，８が互いに密着して固定される。

この第２実施形態において、アノード電極側ケース１５１自身を磁石とし、カソード電極側ケース１５２の一部を磁石で形成してもよい。また、一方が磁石の場合には、他方を金属等の磁性部材で形成してもよい。ただし、一方のケース全体を金属製とする場合には、燃料電池セル１０との電気的絶縁を考慮する必要がある。

このような第２実施形態では、第１実施形態の（１）、（３）の効果に加えて次の効果が得られる。
（４）すなわち、アノード電極側ケース１５１の一部が磁石１５３で形成され、カソード電極側ケース１５２自身が磁石１５３と対極となる磁性を持っているので、ケース１５の外周に別途後付けする磁石を不要にできる。従って、第１実施形態の燃料電池１に比べて部品点数を少なくでき、組立作業を容易にできる。

（５）また、磁石１５３は周囲のアノード電極側ケース１５１の厚みと略同じで、表裏面が略面一であるうえ、カソード電極側ケース１５２には、後付けの磁石が存在しないから、ケース１５、ひいては燃料電池３０全体の薄型化を促進できる。

なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。

例えば、第２実施形態では、アノード電極側ケース１５１の一部に磁石１５３を形成するとしたが、これに限らない。例えば、図４に示すように、ケース１６は、全体が磁石で形成されたアノード電極側ケース１６１およびカソード電極側ケース１６２で構成されていてもよい。この時、アノード電極側ケース１６１とカソード電極側ケース１６２との、対向する面は、互いに対極となるように磁性が形成されている。このような構成にすることで、燃料電池セル１０の膜電極接合体２０、燃料拡散層４、空気拡散層５、集電体７，８の接触抵抗を一層低減でき、発電効率をより向上させることができる。さらに、アノード電極側ケース１６１およびカソード電極側ケース１６２は、磁着力により十分に固定される場合、ボルト止めなどの固定手段を不用にでき、部品点数をさらに低減できる。

また、第１実施形態において、磁石１３，１４は、ケース１１の一部を覆うように取り付けられているが、これに限らない。例えば、磁石１３を、アノード電極側ケース１１１の外側全体を覆うように配置し、磁石１４を、カソード電極側ケース１１２の外側全体を覆うように配置してもよい。このようにすることで、さらに燃料電池セル１０の密着性を高めることができ、発電効率も向上する。

前記各実施形態では、高分子固体電解質膜２の両側にはアノード電極３およびカソード電極４が一体に固着されていたが、これらの電極３，４をシート状部材で別体に形成しておき、集電体７，８などと同様に、ボルト１１７の締付力や磁石１３，１４，１５３の磁着力を利用して高分子固体電解質膜２に良好に密着させてもよい。

また、燃料電池１，３０は、メタノール水溶液を燃料とする直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）であったが、これに限らず例えば水素を直接供給する高分子電解質型燃料電池（ＰＥＦＣ）に適用してもよい。この場合には、燃料室には炭化水素などを改質して取り出した水素を供給すればよい。燃料室に純水素が供給される場合や一酸化炭素ＣＯの含有率が低い場合には、アノード電極の一酸化炭素ＣＯの被毒を考慮する必要がなく、したがってアノード電極の触媒はルテニウムを含有しない白金のみで構成されていてもよい。

各電極の形状は、略矩形状に限らず、円形状、多角形状、変形形状など、用途に応じて任意の形状を採用でき、燃料電池１，３０の形状もそれに応じて任意の形状を採用できる。また、燃料電池のケースに設けられる磁性部材の形状も、燃料電池の形状に応じて任意の形状を採用できる。

本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。
したがって、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

第１実施形態の燃料電池の側断面図。燃料電池の分解斜視図。第２実施形態の燃料電池の側断面図。本発明の変形例を示す側断面図。

符号の説明

１…燃料電池、２…高分子固体電解質膜、３…電極としてのアノード電極、４…電極としてのカソード電極、５…燃料拡散層、６…空気拡散層、７，８…集電体、１０…燃料電池セル、１１，１５，１６…ケース、１３，１４，１５３…磁性部材としての磁石。

Claims

高分子固体電解質膜と、この高分子固体電解質膜の表裏に接触する一対の電極と、この一対の電極に接触して電子を送受する一対の集電体と、を含んで構成された燃料電池セルを備えているとともに、この燃料電池セルを収納するケースを備えた燃料電池であって、前記ケースには、前記燃料電池セルを挟んで互いに引き合う磁性部材が設けられていることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、前記磁性部材は、前記ケースの外面に設けられていることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、前記磁性部材は、前記ケースの一部を形成していることを特徴とする燃料電池。
請求項１に記載の燃料電池において、前記ケースの全体が前記磁性部材で形成されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の燃料電池において、一方の電極と集電体との間には、空気の拡散を図る空気拡散層が介装され、他方の電極と集電体との間には、燃料の拡散を図る燃料拡散層が介装されていることを特徴とする燃料電池。
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の燃料電池を備えたことを特徴とする機器。