JP2006032363A - FUEL CELL, FUNCTION CARD, FUEL CELL GAS SUPPLY MECHANISM, POWER GENERATOR, AND METHOD FOR PRODUCING POWER GENERATOR - Google Patents
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Abstract
【課題】 限られた空間においても確実な気体の供給を実現し且つ携帯性も損な
わない構造の燃料電池を提供する。
【解決手段】 本発明の燃料電池によれば、プロトン伝導体膜と、該プロトン伝導体膜を挟むそれぞれ面状の水素側電極及び酸素側電極と、前記水素側電極への燃料供給手段13と、前記酸素側電極に密着され該酸素側電極を大気開放する開口部などの透過部を形成した面状の集電体16,17を有することを特徴とする。酸素側電極を大気開放状態にさせることで空気中の酸素分圧を下げることなく発電体11、12に酸素を供給できる。
【選択図】 図1
PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a fuel cell having a structure that realizes reliable gas supply even in a limited space and does not impair portability.
According to the fuel cell of the present invention, a proton conductor membrane, planar hydrogen-side electrodes and oxygen-side electrodes sandwiching the proton conductor membrane, and fuel supply means 13 to the hydrogen-side electrode, The planar current collectors 16 and 17 are formed in close contact with the oxygen side electrode and formed with a transmission part such as an opening for opening the oxygen side electrode to the atmosphere. By making the oxygen side electrode open to the atmosphere, oxygen can be supplied to the power generators 11 and 12 without lowering the oxygen partial pressure in the air.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、プロトン伝導体膜などを用いた燃料電池、燃料電池を利用した機能カード、燃料電池の気体供給機構、プロトン伝導体膜などを用いた発電体及び発電体の製造方法に関する。 The present invention relates to a fuel cell using a proton conductor membrane, a function card using the fuel cell, a gas supply mechanism of the fuel cell, a power generator using the proton conductor membrane, and a method for manufacturing the power generator.
燃料電池は、燃料気体を供給することで発電体に電力を発生させる装置であり、そのような燃料電池の一例として、プロトン伝導体膜を電極で挟んだ構造を有し、所望の起電力を得る構造となっている。このような燃料電池は、自動車などの車両に搭載して電気自動車やハイブリット式車両としての応用が大きく期待されている他、その軽量化や小型化が容易となる構造から、現状の乾電池や充電式電池の如き用途に限らず、例えば携帯可能な機器への応用が研究や開発の段階にある(例えば、特許文献1〜6参照)。
A fuel cell is a device that generates electric power in a power generator by supplying a fuel gas. As an example of such a fuel cell, the fuel cell has a structure in which a proton conductor membrane is sandwiched between electrodes, and produces a desired electromotive force. It is a structure to obtain. Such a fuel cell is expected to be mounted on a vehicle such as an automobile and used as an electric vehicle or a hybrid vehicle. In addition, its structure can be easily reduced in weight and reduced in size. For example, applications to portable devices are in the stage of research and development (see, for example,
ここで、プロトン伝導体膜を用いた燃料電池について、簡単に図34を参照しながら説明する。プロトン伝導体膜401は水素側電極402と酸素側電極403に挟持され、解離したプロトン(H+ )は図面矢印方向に沿って水素側電極402から酸素側電極403に向かってプロトン伝導体膜401の膜中を移動する。水素側電極402とプロトン伝導体膜401の間には、触媒層402aが形成され、酸素側電極403とプロトン伝導体膜401の間には、触媒層403aが形成される。使用時には、水素側電極402では導入口412から水素ガス(H2 )が燃料気体として供給され、排出口413から水素が排出される。燃料気体である水素ガス(H2 )が気体流路415を通過する間にプロトンを発生し、このプロトンは酸素側電極403に移動する。この移動したプロトンは、導入口416から気体流路417に供給されて排気口418に向かう酸素(空気)と反応して、これにより所望の起電力が取り出される。
Here, a fuel cell using a proton conductor membrane will be briefly described with reference to FIG. The
このような構成の燃料電池では、水素を燃料とする場合、負極である水素側電極では触媒と高分子電解質の接触界面において、H2 →2H+ +2e- の如き反応が生ずる。酸素を酸化剤とした場合、正極である酸素側電極では同様に1/2O2 +2H+ +2e- =H2 Oの如き反応が起こり水が生成される。プロトン伝導体膜401を通って、水素側電極402から供給されるプロトンが酸素側電極403に移動して、酸素と反応して水を生成する。また、水を供給する加湿装置などが不要であるので、燃料電池システムの簡略化や軽量化を図ることができる。
In the fuel cell having such a configuration, when hydrogen is used as a fuel, a reaction such as H 2 → 2H + + 2e − occurs at the contact interface between the catalyst and the polymer electrolyte in the hydrogen-side electrode as the negative electrode. When oxygen is used as the oxidizing agent, a reaction such as 1 / 2O 2 + 2H + + 2e − = H 2 O occurs in the same manner at the oxygen side electrode, which is the positive electrode, and water is generated. Protons supplied from the hydrogen-
前述のようなプロトン伝導体膜を用いた燃料電池では、プロトン伝導体膜401とこれを挟む水素側電極402と酸素側電極403が発電体となり、その各電極側には起電力を取り出すための集電体もそれぞれ形成される。
In the fuel cell using the proton conductor membrane as described above, the
ここで、従来の集電体を備えた構造の燃料電池について、図35の分解斜視図を参照しながら説明すると、膜中を解離したプロトンが伝導するプロトン伝導体膜431を挟んで、水素側電極432と酸素側電極433が形成され、それら水素側電極432と酸素側電極433の外側すなわちプロトン伝導体膜431とは反対面に、それぞれ集電体434、435が密着される。集電体434、435の外側面は略平坦とされ、積層する場合に有利である。このような構造とすることで、複数の燃料電池を積層させることができ、プロトン伝導体膜431の面積が小さい場合であっても、大きな起電力を得ることができることになる。
Here, a fuel cell having a conventional current collector structure will be described with reference to an exploded perspective view of FIG. 35. An
ところが、このような密閉構造の燃料電池は複数の電池構造を積層させる場合に有利である反面、水素側のみならず酸素側についてもガスを供給するために、圧縮酸素若しくは圧縮空気がボンベやポンプなどの気体供給手段によって強制送風されることが一般に行われている。たとえば、特開平9−213359号公報では、パッケージ型の燃料電池装置が記載されているが、その内部には吸気部の内側に送気手段(図2の引用符号7)を設ける構成とされている。従って、通常は、発電体として機能する部分以外にもボンベやポンプなどの気体供給手段の配置に伴うスペースが必要とされ、さらにはこれら気体供給手段を作動させるための付加的な補助機器などを要し、携帯性が損なわれるという問題が発生している。 However, such a sealed fuel cell is advantageous when a plurality of cell structures are stacked. On the other hand, in order to supply gas not only to the hydrogen side but also to the oxygen side, compressed oxygen or compressed air is supplied from a cylinder or pump. In general, forced air blowing is performed by gas supply means such as the above. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-213359 discloses a package type fuel cell device, which is provided with an air supply means (reference numeral 7 in FIG. 2) inside the intake portion. Yes. Therefore, normally, in addition to the portion that functions as a power generator, a space for the arrangement of gas supply means such as a cylinder and a pump is required, and additional auxiliary equipment for operating these gas supply means is required. In short, there is a problem that portability is impaired.
また、ノート型パソコンや携帯端末などのポータブル電子機器においては、カード形状のメモリカードなどのPCカードを側部に形成されたスロットから挿入できるように構成されており、このPCカードの挿入によってノート型パソコンなどの機能を容易に拡張し、しかもその携帯性を維持することができる。また、着脱自在なパッケージ内に一体化された燃料電池による電源装置を構成したものが知られており、例えば特開平9−213359号公報に記載される機器搭載用燃料電池装置は固体高分子膜を用いた構成であり、パソコンなどの電池電源を必要とする機器の電池装置収納部に収納される。このような構造とすることで、複数の燃料電池をパッケージ内で積層させることができ、仮にプロトン伝導体膜の面積が小さい場合であっても、大きな起電力を得ることができることになる。 Further, portable electronic devices such as notebook computers and portable terminals are configured so that a PC card such as a card-shaped memory card can be inserted from a slot formed on the side. The functions of a personal computer can be easily expanded and the portability can be maintained. In addition, there is known a power cell device integrated with a fuel cell integrated in a detachable package. For example, a fuel cell device mounted on a device described in JP-A-9-213359 is a solid polymer membrane. And is housed in a battery device housing portion of a device that requires a battery power source such as a personal computer. With such a structure, a plurality of fuel cells can be stacked in a package, and a large electromotive force can be obtained even if the area of the proton conductor membrane is small.
しかしながら、このようなパッケージ構造の燃料電池は複数の電池構造を積層させる場合に有利である反面、水素側のみならず酸素側についてもガスを供給するために、圧縮酸素若しくは圧縮空気がボンベやポンプなどの気体供給手段によって強制送風されることが一般に行われている。たとえば、前述の公報では、パッケージ型の燃料電池装置の内部には吸気部の内側に送気手段(図2の引用符号7)を設ける構成とされており、通常は、発電体として機能する部分以外にもボンベやポンプなどの気体供給手段の配置に伴うスペースが必要とされ、さらにはこれら気体供給手段を作動させるための付加的な補助機器などを要し、携帯性が損なわれるという問題が発生する。機能カードは一般にJEIDA/PCMCIAにより標準化されたサイズというものがあり、3.3ミリや5.0ミリなどの厚みに気体供給手段や補助機器などを実装することは現実には難しくなっている。 However, the fuel cell having such a package structure is advantageous when stacking a plurality of cell structures, but in order to supply gas not only to the hydrogen side but also to the oxygen side, compressed oxygen or compressed air is used as a cylinder or pump. In general, forced air blowing is performed by gas supply means such as the above. For example, in the above-mentioned publication, the package-type fuel cell device is provided with an air supply means (reference numeral 7 in FIG. 2) inside the intake portion, and usually a portion that functions as a power generator. In addition to this, space is required for the arrangement of gas supply means such as cylinders and pumps, and additional auxiliary equipment for operating these gas supply means is required, and portability is impaired. appear. Function cards generally have a size standardized by JEIDA / PCMCIA, and it is actually difficult to mount gas supply means, auxiliary equipment, etc. in a thickness of 3.3 mm or 5.0 mm.
さらに、燃料電池の出力(電流値)を高めるためには、プロトン伝導体膜401とこれを挟む水素側電極402と酸素側電極403からなる発電体の寸法を大きくすることが有効である。例えば、プロトン伝導体膜401の面積を2倍とした場合では、その出力となる電流値も2倍となる。
Furthermore, in order to increase the output (current value) of the fuel cell, it is effective to increase the size of the power generator composed of the
しかしながら、プロトン伝導体膜401とこれを挟む水素側電極402と酸素側電極403からなる発電体のサイズを大きくした場合、面状の発電体にそりやうねりなどの形状の不規則な部分が発生しやすくなり、発電体と集電体の間の均一な接触ができないなどの問題が発生する。その結果、サイズの大きな燃料電池では、集電効率すなわち発電体で実際に生じた電力に対して集電板を介して外部に取り付けた電力の割合が悪くなってしまうと言う問題が生ずる。また、発電体と集電体の間の均一な接触を実現するためには、過大な集電体の発電体に対する押し圧が必要となったり、押圧力の分布を制御する必要がある。実際には、理想的な均一な接触を図る場合、構造が著しく複雑化することがあり、重量や大きさの大幅な増加などが必要となり、場合によっては理想とは大きくかけ離れたものしかできないといったことになりかねない。
However, when the size of the power generator comprising the
また、従来、プロトン伝導体膜を水素側電極と酸素側電極で挟んで構成した場合、図36に示すように、多少プロトン伝導体膜421を大きめに形成し、その周囲にシリコンゴムからなるシール材424を水素側電極422と酸素側電極423のそれぞれに取り付けるようにしてプロトン伝導体膜421を挟みこむ構造のものが知られている。水素側電極422と酸素側電極423の周囲を囲むように形成されたシール材424は、その一対のシール材424の間のプロトン伝導体膜421を挟みこむような形で取り付けられることになり、水素ガスと酸素ガス若しくは空気の気体漏れを防止する。水素側電極422と酸素側電極423のそれぞれは、シール材424と共に一対の集電体425、425に挟まれており、水素と酸素は集電体425、425に設けられた複数の孔426を介して供給される。
Conventionally, when the proton conductor film is sandwiched between the hydrogen side electrode and the oxygen side electrode, as shown in FIG. 36, the proton conductor film 421 is formed slightly larger and a seal made of silicon rubber is formed around it. A structure in which the proton conductor membrane 421 is sandwiched by attaching the
このような構造の燃料電池においてはシリコンゴム製のシール材424を水素側と酸素側の両方に取り付けており、弾性を有する一対のシール材424でプロトン伝導体膜421の周囲を挟みこむことから、シール材422の形状や材質が均一な場合には、プロトン伝導体膜424が弾性体によって挟まれるために所要の気密性を維持することができる。ところが、シリコンゴム製のシール材424の一部に厚み誤差や弾性特性のばらつきなどがある場合、プロトン伝導体膜421に偏った応力が加わってプロトン伝導体膜421の周囲の気密性の維持が困難となってしまう。特に、水素側電極422と酸素側電極423のそれぞれシール材424が合わせて形状誤差が生ずる場合、シール材424が挟持するプロトン伝導体膜421の部分での気体の漏れが発生する確率が高くなってしまう。
In the fuel cell having such a structure, the sealing
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、限られた空間においても確実な気体の供給を実現し且つ携帯性も損なわない構造の燃料電池及び機能カードを提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and a first object thereof is to provide a fuel cell and a function card having a structure that realizes reliable gas supply even in a limited space and does not impair portability. There is to do.
また、その第2の目的は、小さな発電体を用いた場合でも、大きな起電力を得ることができ、均一な接触状態を容易に実現できるような燃料電池とそのような燃料電池に用いられて好適な燃料電池の燃料供給機構を提供することにある。 In addition, the second object is to be used for a fuel cell that can obtain a large electromotive force even when a small power generator is used and can easily realize a uniform contact state, and such a fuel cell. An object is to provide a fuel supply mechanism for a suitable fuel cell.
更に、その第3の目的は、燃料気体などの確実なシーリングを実現し、且つその組み立ても容易となる構造の発電体、燃料電池及びそのような構造の発電体の製造方法を提供することにある。 Furthermore, a third object of the present invention is to provide a power generator having a structure that realizes reliable sealing of fuel gas and the like and facilitates its assembly, a fuel cell, and a method for manufacturing a power generator having such a structure. is there.
上述の技術的な課題を解決するため、本発明の第1の燃料電池は、プロトン伝導体膜と、該プロトン伝導体膜を挟むそれぞれ面状の水素側電極及び酸素側電極と、前記水素側電極への燃料供給手段と、前記酸素側電極に密着され該酸素側電極を大気開放する透過部を形成した面状の集電体を有することを特徴とする。 In order to solve the above technical problem, a first fuel cell of the present invention includes a proton conductor membrane, planar hydrogen-side electrodes and oxygen-side electrodes sandwiching the proton conductor membrane, and the hydrogen side It has a fuel supply means to the electrode, and a planar current collector that is in close contact with the oxygen side electrode and has a permeation portion that opens the oxygen side electrode to the atmosphere.
本発明の第1の燃料電池によれば、集電体そのものが酸素側電極に密着した構造とされるが、酸素側電極を大気開放する透過部を面状の集電体の一部として形成していることから、透過部を介して酸素は酸素側電極に十分な圧力で供給され、ボンベやポンプなどの気体供給手段を設置する必要がない。このため燃料電池内の省スペース化が可能であり、余分な補助装置なども不要となる。 According to the first fuel cell of the present invention, the current collector itself is in close contact with the oxygen side electrode, but the transmission part that opens the oxygen side electrode to the atmosphere is formed as a part of the planar current collector. Therefore, oxygen is supplied to the oxygen side electrode at a sufficient pressure through the permeation section, and there is no need to install gas supply means such as a cylinder or a pump. For this reason, the space in the fuel cell can be saved, and an extra auxiliary device is not required.
また、本発明の第2の燃料電池は、プロトン伝導体膜と、該プロトン伝導体膜を挟むそれぞれ面状の水素側電極及び酸素側電極と、前記水素側電極への燃料供給手段と、前記酸素側電極に密着され該酸素側電極を大気開放する透過部を形成した面状の酸素側集電体と、前記酸素側集電体の外側に形成され前記透過部に連通して形成される気体流入部を有する筐体とを有することを特徴とする。 The second fuel cell of the present invention comprises a proton conductor membrane, planar hydrogen-side electrodes and oxygen-side electrodes sandwiching the proton conductor membrane, fuel supply means to the hydrogen-side electrode, A planar oxygen-side current collector that is in close contact with the oxygen-side electrode and has a permeation portion that opens the oxygen-side electrode to the atmosphere, and is formed outside the oxygen-side current collector and communicated with the permeation portion. And a housing having a gas inflow portion.
この燃料電池においては、上述の燃料電池の構造に加えて、気体流入部を備えた筐体を有している。この気体流入部は透過部に連通して形成されることから、筐体外部の大気開放状態を透過部を介して酸素側電極までに簡単に至らしめることができる。したがって透過部を介して酸素は酸素側電極に十分な圧力で供給され、その結果、燃料電池内の省スペース化が可能となり、且つ余分な補助装置なども不要となる。 This fuel cell has a casing having a gas inflow portion in addition to the structure of the fuel cell described above. Since this gas inflow portion is formed in communication with the permeation portion, the atmosphere open state outside the housing can be easily reached to the oxygen side electrode via the permeation portion. Therefore, oxygen is supplied to the oxygen side electrode through the permeation section at a sufficient pressure. As a result, space in the fuel cell can be saved, and an extra auxiliary device is not required.
また、本発明の第3の燃料電池は、それぞれ表面及び裏面に気体流入部が形成された略平板状の筐体と、前記筐体内に面同士を対向させて配置される一対の発電体と、前記一対の発電体の間に挟持される前記発電体に燃料を供給するための燃料供給手段と、前記気体流入部に連通されると共に前記筐体の前記表面及び裏面と前記一対の発電体の間に該発電体の一部を大気開放する透過部を有する面状の酸素側集電体とを有することを特徴とする。 Further, the third fuel cell of the present invention includes a substantially flat casing in which gas inflow portions are formed on the front surface and the back surface, respectively, and a pair of power generators disposed with the surfaces facing each other in the casing. A fuel supply means for supplying fuel to the power generation body sandwiched between the pair of power generation bodies; the front and back surfaces of the housing; and the pair of power generation bodies communicated with the gas inflow portion And a planar oxygen-side current collector having a transmission portion that opens part of the power generation body to the atmosphere.
本発明の第3の燃料電池によれば、酸素側電極を大気開放する透過部を面状の集電体の一部として形成していることから、該透過部を介して酸素は酸素側電極に十分な圧力で供給される。また、一対の面状の発電体が形成されるため、1つの面状発電体を用いる場合に比べて面積は2倍であり、小さな発電体でも約2倍の大きな起電力が得られることになる。 According to the third fuel cell of the present invention, the oxygen side electrode is formed as a part of the planar current collector through which the oxygen side electrode is opened to the atmosphere. At a sufficient pressure. In addition, since a pair of planar power generators are formed, the area is twice as large as when a single planar power generator is used, and a large electromotive force can be obtained even with a small power generator. Become.
本発明の第1の機能カードは、装置本体に設けられたカードスロットに挿入されて装着される機能カードにおいて、当該機能カードの筐体の内部には、プロトン伝導体膜を挟んで対向する酸素側電極及び水素側電極とからなる発電体を配し、前記筐体に形成された気体流入口より酸素を前記酸素側電極に大気開放状態で取り込むと共に前記発電体に燃料気体又は燃料液体を供給することによって発電することを特徴とする。 The first functional card of the present invention is a functional card that is inserted into a card slot provided in the apparatus main body, and in the functional card case, the oxygen card facing the proton conductor membrane is placed inside the functional card casing. A power generation body comprising a side electrode and a hydrogen side electrode is arranged, oxygen is taken into the oxygen side electrode from the gas inlet formed in the casing in an open state, and fuel gas or liquid is supplied to the power generation body It is characterized by generating electricity by doing.
本発明の第1の機能カードによれば、機能カードの筐体の内部には、プロトン伝導体膜を挟んで対向する酸素側電極及び水素側電極とからなる発電体が配設される構造とされるが、酸素側電極を大気開放する気体流入口を形成していることから、気体流入口を介して酸素は酸素側電極に十分な圧力で供給され、ボンベやポンプなどの気体供給手段を設置する必要がない。このため燃料電池内の省スペース化が可能であり、余分な補助装置なども不要となる。 According to the first functional card of the present invention, a power generator composed of an oxygen-side electrode and a hydrogen-side electrode facing each other with a proton conductor membrane interposed is disposed inside the functional card casing. However, since the gas inlet that opens the oxygen side electrode to the atmosphere is formed, oxygen is supplied to the oxygen side electrode through the gas inlet at a sufficient pressure, and gas supply means such as a cylinder and a pump are provided. There is no need to install. For this reason, the space in the fuel cell can be saved, and an extra auxiliary device is not required.
また、本発明の第2の機能カードは、装置本体に選択的に装着可能な周辺機器に設けられたカードスロットに挿入されて装着される機能カードにおいて、当該機能カードの筐体の内部には、プロトン伝導体膜を挟んで対向する酸素側電極及び水素側電極とからなる発電体を配し、前記筐体に形成された気体流入口より酸素を前記酸素側電極に大気開放状態で取り込むと共に前記発電体に燃料気体又は燃料液体を供給することによって発電することを特徴とする。 The second function card of the present invention is a function card that is inserted into a card slot provided in a peripheral device that can be selectively installed in the apparatus main body, and is installed inside the casing of the function card. A power generator composed of an oxygen-side electrode and a hydrogen-side electrode facing each other across the proton conductor membrane, and oxygen is taken into the oxygen-side electrode from the gas inlet formed in the housing in an open state. Electricity is generated by supplying fuel gas or fuel liquid to the power generation body.
第1の機能カードは、装置本体に直接挿入されて使用される場合について説明したものであるが、第2機能カードは、装置本体に選択的に装着可能な周辺機器に挿入されて使用される。このような周辺機器は、装置本体をノート型パソコンとする場合では、一般的にはセレクタブルベイという名称で呼ばれているものがある。 The first function card has been described for use by being directly inserted into the apparatus main body, but the second function card is used by being inserted into a peripheral device that can be selectively attached to the apparatus main body. . Such peripheral devices are generally called “selectable bays” when the apparatus body is a notebook personal computer.
本発明の第4の燃料電池は、装置本体に着脱自在な記憶媒体の筐体と略同形状の筐体を有し、該筐体の内部には、プロトン伝導体膜を挟んで対向する酸素側電極及び水素側電極とからなる発電体を配し、前記筐体に形成された気体流入口より酸素を前記酸素側電極に大気開放状態で取り込むと共に前記発電体に燃料気体又は燃料液体を供給することによって発電することを特徴とする。 A fourth fuel cell according to the present invention has a housing having substantially the same shape as a housing of a storage medium that can be attached to and detached from the apparatus main body, and an oxygen gas facing the proton conductor membrane inside the housing. A power generation body comprising a side electrode and a hydrogen side electrode is arranged, oxygen is taken into the oxygen side electrode from the gas inlet formed in the casing in an open state, and fuel gas or liquid is supplied to the power generation body It is characterized by generating electricity by doing.
本発明では、燃料電池の筐体が装置本体に着脱自在な記憶媒体の筐体と略同形状とされるため、着脱自在な記憶媒体用に装置本体に形成されたスロットをそのまま流用して、電源として利用することが可能となる。 In the present invention, since the casing of the fuel cell has substantially the same shape as the casing of the storage medium that can be attached to and detached from the apparatus main body, the slot formed in the apparatus main body for the removable storage medium is used as it is, It can be used as a power source.
本発明の第5の燃料電池は、面同士が対向するように支持される一対の面状の発電体と、該一対の発電体の間に挟持され該発電体との接触面が気体透過可能とされる一対の面状集電体と、前記一対の面状集電体に間に形成され前記発電体に連通する気体流路を有する絶縁膜とを有することを特徴とする。 The fifth fuel cell of the present invention has a pair of planar power generation bodies supported so that the surfaces face each other, and a contact surface between the pair of power generation bodies and the power generation body is gas permeable. And a pair of planar current collectors, and an insulating film having a gas flow path formed between the pair of planar current collectors and communicating with the power generation body.
本発明の第5の燃料電池によれば、一対の面状の発電体がその面同士が対向するように支持されるため、1つの面状発電体を用いる場合に比べて面積は2倍であり、小さな発電体でも約2倍の大きな起電力が得られることになる。この面同士が対向する領域には、気体を通過させ得る一対の面状集電体が実装され、その一対の面状集電体は水素ガスなどの燃料気体を通過させる必要があるために、スペーサとしても機能する絶縁膜が配される。この絶縁膜には、気体流路が形成されて、燃料気体を面状発電体に送り込むことを可能とさせ、特に当該絶縁膜を合成樹脂膜などによって形成した場合では、一対の面状発電体を均一な接触のために圧着させた際の弾性部材としても機能でき、均一な発電体と集電体の圧着を助けることになる。 According to the fifth fuel cell of the present invention, since the pair of planar power generation bodies are supported so that the surfaces thereof are opposed to each other, the area is twice that in the case of using one planar power generation body. Yes, even with a small power generator, a large electromotive force about twice as large can be obtained. In the region where the surfaces face each other, a pair of planar current collectors that allow gas to pass through are mounted, and the pair of planar current collectors must pass a fuel gas such as hydrogen gas. An insulating film that also functions as a spacer is provided. In this insulating film, a gas flow path is formed to allow fuel gas to be fed into the planar power generator. In particular, when the insulating film is formed of a synthetic resin film or the like, a pair of planar power generators It can also function as an elastic member when being pressed for uniform contact, and helps to press the uniform power generator and current collector.
本発明の第6の燃料電池は、同面内に並べられる二枚が面同士が対向するように支持された四枚の発電体と、発電体の間に挟持され該発電体との接触面が気体又は液体透過可能とされる一対の面状集電体と、一対の面状集電体の間に形成され発電体に連通する流路を有する絶縁膜とを有するものである。 A sixth fuel cell according to the present invention includes four power generation bodies supported so that two surfaces arranged in the same plane face each other, and a contact surface between the power generation bodies sandwiched between the power generation bodies Has a pair of planar current collectors that are permeable to gas or liquid, and an insulating film that is formed between the pair of planar current collectors and has a flow path that communicates with the power generation body.
また、本発明の燃料電池の燃料供給機構は、開口部を有する一対の面状集電体の間に絶縁膜を挟んで形成し、該絶縁膜の一部に形成した気体流路から前記一対の面状集電体の各開口部に、燃料気体を供給することを特徴とする。 Further, the fuel supply mechanism of the fuel cell of the present invention is formed by sandwiching an insulating film between a pair of planar current collectors having an opening, and the pair of gas passages formed in a part of the insulating film. A fuel gas is supplied to each opening of the planar current collector.
この燃料電池の燃料供給機構によれば、絶縁膜の一部に気体流路が形成され、その気体流路の燃料気体が導入される。気体流路に導入された燃料気体は、面状集電体に形成された開口部を介して発電体に供給されることになる。ここで気体流路は一対の面状集電体に連通することから、一対の発電体に対して有効に燃料気体を供給できる。絶縁膜は、本発明の燃料電池と同様に、スペーサとしても機能し、合成樹脂膜などによって形成した場合では均一な発電体と集電体の圧着を助けることになる。 According to the fuel supply mechanism of the fuel cell, the gas flow path is formed in a part of the insulating film, and the fuel gas in the gas flow path is introduced. The fuel gas introduced into the gas flow path is supplied to the power generation body through the opening formed in the planar current collector. Here, since the gas flow path communicates with the pair of planar current collectors, the fuel gas can be effectively supplied to the pair of power generation bodies. Similar to the fuel cell of the present invention, the insulating film also functions as a spacer. When the insulating film is formed of a synthetic resin film or the like, the insulating film helps to uniformly press the power generator and the current collector.
本発明の発電体は、プロトン伝導体膜と、該プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極とを有し、前記面状電極の一方の周囲で前記プロトン伝導体膜の端部が臨むように構成され、該臨んだ端部にシール材が密着して設けられることを特徴とする。 The power generator of the present invention has a proton conductor membrane and a pair of planar electrodes sandwiching the proton conductor membrane so that the end of the proton conductor membrane faces around one of the planar electrodes. And a sealing material is provided in close contact with the facing end portion.
本発明の発電体によれば、先ず、プロトン伝導体膜を一対の面状電極で挟むことで、燃料気体の供給によって起電力を発生させることができる。これら面状電極の一方は、プロトン伝導体膜の周囲が臨むように、少し小さいサイズに形成され、他方はプロトン伝導体膜と同サイズに形成される。この面状電極の一方側にシール材をプロトン伝導体膜に密着するように形成することで、気密性を維持することができ、プロトン伝導体膜は周囲でシール材若しくはシール材同士に挟まれなくなり、均一なシーリングが可能となる。 According to the power generator of the present invention, first, an electromotive force can be generated by supplying a fuel gas by sandwiching a proton conductor membrane between a pair of planar electrodes. One of these planar electrodes is formed in a slightly smaller size so that the periphery of the proton conductor membrane faces, and the other is formed in the same size as the proton conductor membrane. By forming the sealing material in close contact with the proton conductor film on one side of the planar electrode, airtightness can be maintained, and the proton conductor film is sandwiched between the sealing material or the sealing materials around. This eliminates the need for uniform sealing.
本発明の第7の燃料電池は、プロトン伝導体膜と、該プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極とを有し、面状電極の一方の周囲でプロトン伝導体膜の端部が臨むように構成され、該臨んだ端部にシール材が密着して設けられる発電体と、燃料気体を供給可能としシール材及び面状電極の一方に密着する面状集電体とを有するものである。 The seventh fuel cell of the present invention has a proton conductor membrane and a pair of planar electrodes sandwiching the proton conductor membrane, and the end of the proton conductor membrane faces around one of the planar electrodes. And a planar current collector that is capable of supplying fuel gas and is in close contact with one of the sealing material and the planar electrode. is there.
本発明の第8の燃料電池は、燃料電池の気体流路を有する絶縁膜を挟んで対向する一対の面状水素側集電体と、プロトン伝導体膜、該プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極、前記面状電極の一方の周囲で前記プロトン伝導体膜の端部が臨む部分に密着するシール材を有して前記面状水素側集電体の各表面に前記シール材及び前記面状電極を介してそれぞれ密着する一対の発電体と、前記発電体の他方の面状電極にそれぞれ密着する一対の面状空気側集電体とを有することを特徴とする。 An eighth fuel cell of the present invention includes a pair of planar hydrogen-side current collectors facing each other with an insulating film having a gas flow path of the fuel cell, a proton conductor film, and a pair of sandwiching the proton conductor film A planar electrode, and a sealing material that is in close contact with a portion of one of the planar electrodes facing the end of the proton conductor film, and the sealing material and the surface on each surface of the planar hydrogen-side current collector It has a pair of electric power generation body which closely_contact | adheres through a planar electrode, respectively, and a pair of planar air side electrical power collector which each closely_contact | adheres to the other planar electrode of the said electric power generation body, It is characterized by the above-mentioned.
本発明の第8の燃料電池において、絶縁膜の一部に気体流路が形成され、その気体流路の燃料気体が導入される。気体流路に導入された燃料気体は、面状集電体に形成された開口部を介して発電体に供給されることになる。発電体は、プロトン伝導体膜を一対の面状電極で挟んだ構造とされるが、特に面状電極の一方側にシール材をプロトン伝導体膜に密着するように形成することで、気密性を維持することができ、均一なシーリングが可能となる。また、一対の面状の発電体が形成されるため、1つの面状発電体を用いる場合に比べて面積は2倍であり、小さな発電体でも約2倍の大きな起電力が得られることになる。 In the eighth fuel cell of the present invention, a gas channel is formed in a part of the insulating film, and the fuel gas in the gas channel is introduced. The fuel gas introduced into the gas flow path is supplied to the power generation body through the opening formed in the planar current collector. The power generator has a structure in which a proton conductor film is sandwiched between a pair of planar electrodes. In particular, a sealing material is formed on one side of the planar electrode so as to be in close contact with the proton conductor film. Can be maintained, and uniform sealing becomes possible. In addition, since a pair of planar power generators are formed, the area is twice as large as when a single planar power generator is used, and a large electromotive force can be obtained even with a small power generator. Become.
さらに、本発明の発電体の製造方法は、プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極を該面状電極の一方の周囲で前記プロトン伝導体膜の端部が臨むように形成し、該臨んだ端部にシール材を密着させることを特徴とする。 Furthermore, the method of manufacturing a power generator according to the present invention includes forming a pair of planar electrodes sandwiching the proton conductor membrane so that an end of the proton conductor membrane faces around one of the planar electrodes, It is characterized in that a sealing material is brought into close contact with the end portion.
本発明の発電体の製造方法によれば、面状電極の一方側にシール材をプロトン伝導体膜に密着され、プロトン伝導体膜は周囲でシール材若しくはシール材同士に挟まれなくなり、均一なシーリングが可能となる。さらに、シール材が設けられるのは、発電体の一方の電極側だけであり、その個数は1つの発電体について1つであって、全体としてのシール材の個数を従来の構造に比べて低減できる。 According to the method for producing a power generator of the present invention, a sealing material is closely attached to the proton conductor film on one side of the planar electrode, and the proton conductor film is not sandwiched between the sealing material or the sealing materials in the periphery, and is uniform. Sealing is possible. Furthermore, the sealing material is provided only on one electrode side of the power generation body, and the number thereof is one for one power generation body, and the number of sealing materials as a whole is reduced as compared with the conventional structure. it can.
本発明の燃料電池によれば、発電体の酸素側電極を大気開放状態にさせることができ、圧力の低下すなわち空気中の酸素分圧を下げることなく発電体に酸素を供給できる。また、同時に発電体からは起電力の生成時に水分が生ずるが、開口部自体は大きく開口しており、大気開放状態となることから、電極表面に生成された水分も良好に除去することが可能である。 According to the fuel cell of the present invention, the oxygen-side electrode of the power generator can be opened to the atmosphere, and oxygen can be supplied to the power generator without lowering the pressure, that is, reducing the partial pressure of oxygen in the air. At the same time, moisture is generated from the power generator when generating electromotive force, but the opening itself is greatly open and the atmosphere is open, so it is possible to remove moisture generated on the electrode surface well. It is.
さらに、本発明の機能カード及び燃料電池によれば、装置本体である例えばノート型パソコンのカード用スロットから容易に挿入して装着することができる。特に、標準化されたPCカードと同じサイズにすることで、携帯用機器の使用時間を長くさせることも可能である。PCカードの筐体の内部には、複数の発電体が配設される構造とされるが、酸素側電極を大気開放していることから、酸素は酸素側電極に十分な圧力で供給され、ボンベやポンプなどの気体供給手段を設置する必要がない。このため燃料電池内の省スペース化が可能であり、余分な補助装置なども不要となる。 Furthermore, according to the function card and the fuel cell of the present invention, it can be easily inserted and mounted from a card slot of a notebook personal computer which is the main body of the apparatus. In particular, by using the same size as a standardized PC card, it is possible to lengthen the usage time of the portable device. Inside the PC card housing is a structure in which a plurality of power generators are disposed, but since the oxygen side electrode is open to the atmosphere, oxygen is supplied to the oxygen side electrode at a sufficient pressure, There is no need to install gas supply means such as cylinders and pumps. For this reason, the space in the fuel cell can be saved, and an extra auxiliary device is not required.
本発明の燃料電池と燃料電池の燃料供給機構によれば、水素側集電体は面同士が対向するように配置されることから、面状の発電体を共通のガス供給部に対して積層させて、発電に寄与する面積を大きくとることができる。水素側集電体の間のスペーサとして絶縁膜が水素側集電体の間に挟持されるように設けられていることから、燃料気体である水素を確実に面状発電体に送り込むことができ、特に絶縁膜を例えばポリカーボネートのような合成樹脂膜などによって形成した場合では、一対の面状発電体を均一な接触のために圧着させた際の弾性部材としても機能でき、発電体と集電体の均一な圧着を助けることになる。 According to the fuel cell of the present invention and the fuel supply mechanism of the fuel cell, since the hydrogen-side current collector is disposed so that the surfaces face each other, the planar power generator is stacked on the common gas supply unit. Thus, the area contributing to power generation can be increased. Since the insulating film is provided as a spacer between the hydrogen-side current collector so as to be sandwiched between the hydrogen-side current collector, hydrogen, which is a fuel gas, can be reliably fed into the planar power generator. In particular, when the insulating film is formed of, for example, a synthetic resin film such as polycarbonate, it can also function as an elastic member when a pair of planar power generators are pressure-bonded for uniform contact. This will help to ensure uniform body crimping.
本発明の発電体及び燃料電池によれば、シール材の内側に形成された大きな孔がプロトン伝導体膜よりは小さなサイズの水素側電極に外側から嵌合する。一方、酸素側電極の側は、基本的に大きな開口部により大気開放されているので、ガスのシールが不要であり、部品点数の削減や組み立て工数の低減が実現できる。また、シール材は弾性材料であるために、集電体が押し付けられた場合には厚み方向の収縮が生じて均一な集電体とシール材及びその内側の水素側電極の接触が実現され、この均一な接触から電気的な特性も向上する。また、酸素側電極の側にはシール材が存在しないため、シール材のばらつきの影響を受けずにその剛性度が確実に高くなり、気密特性を大幅に改善することができる。 According to the power generator and the fuel cell of the present invention, the large hole formed inside the sealing material is fitted from the outside to the hydrogen side electrode having a size smaller than that of the proton conductor membrane. On the other hand, since the oxygen side electrode side is basically open to the atmosphere through a large opening, gas sealing is unnecessary, and the number of parts and the number of assembly steps can be reduced. In addition, since the sealing material is an elastic material, when the current collector is pressed, shrinkage in the thickness direction occurs, and a uniform current collector and the contact between the sealing material and the hydrogen side electrode inside thereof are realized. This uniform contact also improves electrical characteristics. In addition, since there is no sealing material on the oxygen side electrode side, the rigidity is surely increased without being affected by variations in the sealing material, and the airtight characteristics can be greatly improved.
以下、本発明の燃料電池の一実施形態を図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, an embodiment of a fuel cell of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明の燃料電池の一実施形態を示す燃料電池カードの分解斜視図であり、燃料電池カード10は7つの主な板状要素を積層してPCカードサイズの機能カードの形状に構成される。この燃料電池カード10は、上から順に当該燃料電池の上側筐体14、上側の酸素側集電体16、中央よりも上側に配される一対の発電体11、11、中央に配される燃料気体としての水素を供給する水素供給部13、中央よりも下側に配される一対の発電体12、12、下側の酸素側集電体17、更に上側筐体14と対になって当該燃料電池の筐体を構成する下側筐体15とを主たる構成要素とする。燃料電池カード10には、燃料電池カード10と略同じ厚みの板状に形成された水素を供給できる水素吸蔵スティック18が接続可能であり、水素吸蔵スティック18の結合側に形成された棒状の突起部20から水素(H2)が供給される。
FIG. 1 is an exploded perspective view of a fuel cell card showing an embodiment of a fuel cell according to the present invention. The
この燃料電池カード10は、図2に示すように、装置本体であるノート型パソコン21のカード用スロット22から挿入して装着することができる。ここでスロット22は、当該燃料電池カード10専用の装置本体のハウジングに設けられた穴とすることもできるが、JEIDA/PCMCIAにより標準化されたサイズのスロットとすることも可能である。具体的には、JEIDA/PCMCIAにより標準化されたサイズは、縦(長辺)が85.6mm±0.2mm、横(短辺)が54.0mm±0.1mmと定められている。カードの厚みについては、タイプI とタイプIIのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプIについては、コネクタ部の厚みが3.3±0.1mmであり、基底部の厚さが3.3±0.2mmである。また、タイプIIについては、コネクタ部の厚さが3.3±0.1mmであり、基底部の厚さが5.0mm以下で且つその厚みの標準寸法±0.2mmである。
As shown in FIG. 2, the
なお、本実施形態では、スロット22は、装置本体であるノート型パソコン21のキーボード側本体の側部に設けられているが、このスロット22が設けられる部分を図2で破線で示すセレクタブルベイ23の一部とすることもできる。 In this embodiment, the slot 22 is provided on the side of the keyboard-side main body of the notebook personal computer 21 which is the main body of the apparatus. Can also be part of
図3は燃料電池カード10を組み立てた状態の斜視図であり、図4は燃料電池カード10の断面図である。携帯性を配慮して角部が丸みをもって形成される燃料電池カード10は平板状の上側筐体14が下側筐体15に合わせられる構造とされ、図3では図示しない螺子などによって上側筐体14が下側筐体15に固着されている。上側筐体14には酸素を筐体内に導入するための気体流入口として開口部31が複数形成されている。本例では、開口部31のそれぞれは略矩形状の貫通穴であり、5行3列の15個の組が2組横並びに形成されており、上側筐体14には全部で30個の開口部31が臨むことになる。この開口部31によって酸素側電極が後述するように大気開放されることになり、有効な酸素の取り込みが特別な吸気装置を要せずして実現され、同時に排出される余分な水分の除去も実現される。
FIG. 3 is a perspective view of the
開口部31の形状は、本実施形態では、各集電体のパターンを格子状とすることから、この格子状パターンと同形状とされるが、他の形状にすることも可能であり、個々の開口部の形状を円形、楕円形、ストライプ形状、多角形形状などの各種の形にすることも可能である。開口部31の個数と並べ方は、いろいろな場合が可能であり、例えば6 行5 列の30個の組が2組横並びに形成されていても良く、上側筐体14には全部で60個の開口部31が並んでいても良い。また、開口部31は、本例では板状の上側筐体14を切り欠いて形成されているが、酸素側電極の大気開放状態を損なわない範囲でゴミやチリなどの侵入や付着を防止するために該開口部31に網や不織布などを設けるようにすることも可能である。下側筐体15には、図4に示すように上側筐体14の開口部31に対向して開口部41が形成されているが、形状や網や不織布を設けることができる点については同様である。
In the present embodiment, the shape of the
前述の水素を供給できる水素吸蔵スティック18は、図14にも示すように、下側筐体15の連結側側面に形成された嵌合孔33に当該水素吸蔵スティック18の連結側側面に形成されたピン19が嵌合して、燃料電池カード10に連結される。この時、水素吸蔵スティック18の水素供給口である突起部20が、下側筐体15の連結側側面に形成された矩形の嵌合孔32に挿入され、筐体内で嵌合孔32の位置まで延在された図示しない水素配管部の端部に結合する。水素吸蔵スティック18は燃料電池カード10に対して着脱自在であり、例えば、水素吸蔵スティック18内に貯蔵されていた水素の残りが少なくなった場合では、当該水素吸蔵スティック18を燃料電池カード10から外して、水素を十分に貯蔵してなる他の水素吸蔵スティック18に交換したり、外した水素吸蔵スティック18に水素を注入したりして、再び使用するようにすることも可能である。なお、本例では嵌合孔33に水素吸蔵スティック18のピン19が嵌合することで水素吸蔵スティック18が燃料電池カード10に装着されるが、他の連結要素を用いることも可能であり、例えばキー溝に挿入する構造や、付勢バネに抗してスライドする係止部材や磁石などを用いる構造などを用いても良い。
As shown in FIG. 14, the
次に、燃料電池カード10の各構成部品について順に説明する。図5は下側筐体15と下側に配置される酸素側集電体17、及び絶縁フィルム50を示す斜視図である。下側筐体15は、ステンレス鋼や鉄、アルミニウム、或いはチタン、マグネシウムなどの金属材料や、エポキシ、ABS、ポリスチレン、PET、ポリカーボネートの如き耐熱性や耐薬品性に優れた樹脂材料などを使用することができ、或いは繊維強化樹脂のような複合材料を用いても良い。この下側筐体15の平板部には、前述の開口部31と同様に、矩形状の切り欠きである開口部41が5行3列の組を2組構成するように形成されている。
Next, each component of the
下側筐体15は概ね3つの収納部に区分けされており、その2つは一対の発電体11、12を収納するための収納部であり、もう1つは水素配管部を収納するための収納部46である。これらの収納部は底面から立ち上がるように形成された突条部42と当該下側筐体の周端部で立ち上がる側壁部によって区切られるようになっている。突条部42及び側壁部の上端は直接上側筐体14の裏面に当接するため、略平坦な面を形成しており、複数の螺子孔44が設けられている。突条部42はその形状から全体として、後述する上側の酸素側集電体16、一対の発電体11、12、水素を供給する水素供給部13、下側の酸素側集電体17に対する位置決め部材として用いられる。
The
前述のように、下側筐体15の水素吸蔵スティック18との結合側の側面43には、一対の嵌合孔33、33が形成されており、水素配管部の端部に結合するための嵌合孔32の側面部及び底面部も形成されている。この下側筐体15の水素吸蔵スティック18との結合側とは反対の側壁には、一対の電極取り出し溝48、49が形成されており、電極取り出し溝48に酸素側電極に接続する酸素側集電体16、17からの電極取り出し片64、114が突出し、電極取り出し溝49に水素側電極に接続する水素側集電体81、82からの電極取り出し片94、94が突出する。水素配管部を収納するための収納部46と一対の発電体11、12を収納するための収納部の間の突条部42には、一対の発電体11、12の間に挟まれる水素供給部13に水素配管部から水素ガスを供給するための連通溝45、45が形成されている。また、水平方向で並ぶ一対の収納部の間の突条部42には、連絡溝47が形成されており、この連絡溝47に集電体16、17の各結合部112、62が収納できる。
As described above, the pair of
この下側筐体15と下側酸素側集電体17の間には、絶縁フィルム50が配される。この絶縁フィルム50は例えばポリカーボネート製であり、その膜厚は0.3mm程度とされる。一対の格子状領域が、前述の5行3列の組を2組構成する開口部41のパターンを反映するように同じ垂直方向の位置で5行3列の組を2組構成する開口部51を有して形成されており、略中央部には連絡溝47に嵌めこまれる結合部52が設けられる。
An insulating film 50 is disposed between the
下側酸素側集電体17は、例えば金メッキされた金属板から構成され、後述する発電体12の酸素側電極に当接すると共に当該下側酸素側集電体17に形成された5行3列の組を2組構成する開口部61を介して酸素を供給する。ここで、各開口部61は当該集電体の気体透過部として機能し、開口部61自体は大きく開口しており、且つ絶縁フィルム50の開口部51及び下側筐体15の開口部41とも同じ垂直方向の位置で5行3列の組を2組構成する構造とされることから、発電体12の酸素側電極を大気開放状態にさせることができ、圧力の低下すなわち空気中の酸素分圧を下げることなく発電体12に酸素を供給できる。また、同時に発電体12からは起電力の生成時に水分が生ずるが、開口部61自体は大きく開口しており、大気開放状態となることから、電極表面に生成された水分も良好に除去することが可能である。下側酸素側集電体17には、電極取り出し溝48から突出する電極取り出し片64が、当該燃料電池カード10の長手方向に延長した矩形状の片として電極取り出し溝48の位置に合わせて形成されており、更に、位置決め兼保持用の突出部63も水素配管部の奥側のデッドスペースを有効に利用して形成されている。ここで電力取り出し片及び突出部63、64、93、94、113、114は全て必要というものではなく、例えば突出部93−2と突出部113を電気的に結合させ、電力取り出し片64、94を外部出力端子とした場合は、他の電力取り出し片は不要にできる。なお、酸素側集電体17としては、カーボン材料などの導電性プラスチックなどを用いても良く、支持体に金属膜など形成した構造などでも良い。
The lower oxygen-side
次に、図6、図12、図13を参照して、発電体11、12の構造について説明する。発電体11、12は共通の構造を有しており、異なる点については、筐体内で上側に配される方が発電体11であり、筐体内で下側に配される方が発電体12であり、さらに発電体11、12の水素側電極73が筐体の中心側を向き、発電体11、12の酸素側電極71が筐体の外側を向くようになるように実装される点であり、換言すれば、発電体11、12は同じ構造ながら取り付けの表裏の向きが異なっている。
Next, the structure of the
固体高分子膜であるプロトン伝導体膜72が正方形に近い略矩形状の形状で設けられており、発電中は当該プロトン伝導体膜72の膜中を解離したプロトンが移動する。このプロトン伝導体膜72を挟んで一方に酸素側電極71が密着して形成され、他方に水素側電極73が密着して形成される。酸素側電極71はプロトン伝導体膜72と実質的に同サイズの正方形に近い略矩形状の形状であるが、水素側電極73はこれら酸素側電極71及びプロトン伝導体膜72よりは小さなサイズの正方形に近い略矩形状の形状とされる。このため水素側電極73をプロトン伝導体膜72上に貼り合わせた状態では、プロトン伝導体膜72の周囲が約2mm程度の幅で露出した状態になる。図12に示すように、本実施形態では、この水素側電極73をプロトン伝導体膜72上に貼り合わせた状態で露出するプロトン伝導体膜72の周囲に、特にガスケット材であるシール材74が密着するように取り付けられる。このシール材74は例えばシリコンゴムなどの弾力性と気密性を供えた材料が用いられ、このシール材74の内側に形成された大きな孔75がプロトン伝導体膜72よりは小さなサイズの水素側電極73に外側から嵌合する。酸素側電極71の側は、基本的に大きな開口部により大気開放されているので、ガスのシールが不要化可能であることから、このようなガスケット材が不要となり、これによって部品点数の削減や組み立て工数の低減を実現させることができる。ガスケット材として形成されるシール材74は、水素側電極73と実質的に同じ厚みで形成されるか、若しくは水素側電極73よりも厚みが厚くされる。例えば、水素側電極73の厚みが0.2mmである場合に、シール材74の厚みを0.3mmとすることもでき、シール材74は弾性材料であるために、集電体が押し付けられた場合には0.1mm程度の厚み方向の収縮が生じて均一な集電体とシール材74及びその内側の水素側電極73の接触が実現され、この均一な接触から電気的な特性も向上する。また、酸素側電極71の側にはシール材が存在しないため、プロトン伝導体膜72の端部は、従来の構造のように両面にシール材を形成するものに比べた場合では、シール材のばらつきの影響を受けずにその剛性度が確実に高くなり、気密特性を大幅に改善することができる。また、プロトン伝導体膜72よりは小さなサイズに形成される水素側電極73のシール材74との当接面は、垂直な面とすることも可能であるが、逆テーパー形状とすることもでき、その場合にはシール材74の孔75の面を順テーパー形状とすることで、シール材74のプロトン伝導体膜72上に対する密着性を向上させることができる。
A proton conductor film 72, which is a solid polymer film, is provided in a substantially rectangular shape close to a square, and protons dissociated in the proton conductor film 72 move during power generation. An oxygen side electrode 71 is formed in close contact with one side of the proton conductor film 72, and a hydrogen side electrode 73 is formed in close contact with the other side. The oxygen side electrode 71 has a substantially rectangular shape close to a square having substantially the same size as the proton conductor film 72, but the hydrogen side electrode 73 has a smaller size than the oxygen side electrode 71 and the proton conductor film 72. The shape is a substantially rectangular shape close to a square. Therefore, in a state where the hydrogen side electrode 73 is bonded to the proton conductor film 72, the periphery of the proton conductor film 72 is exposed with a width of about 2 mm. As shown in FIG. 12, in this embodiment, a sealing
このような発電体11、12は、当該燃料電池カード10内では、合計4個設けられており、筐体内では水平に2つずつ並べられており、これらは共通の集電体16、17等で電力が取り出されることから、2個の電池の並列回路が2つ存在する回路と等価であり、後述する2つの水素側集電体と酸素側集電体16,17をそれぞれ短絡させて使用することで、4つの発電体11、12の並列構造からなる出力を得ることができる。さらには前述の下側筐体15の連絡溝47の空間で2つの水素側集電体と酸素側集電体16,17からなる集電体間の接続をそれぞれ一旦切断し、上側の発電体11の集電体と下側の発電体12の接続をワイヤボンディングや配線用の小片などによって水素側集電体と酸素側集電体の間を電気的に接続させるようにすることで、4つの発電体11、12の直列接続も可能である。
A total of four
次に、図7、図9、図10、図11を参照しながら水素供給部13の構造について説明する。この水素供給部13は燃料電池カード10の垂直方向における中心に位置する部材であり、燃料気体である水素を発電体11、12の間のスペースに送り込むと共に集電体によって電力取り出しを行う機能を有している。この水素供給部13は、一対の水素側集電体82、81と、その間に挟持されて発電体に連通する気体流路を形成する絶縁膜83、84と、燃料気体である水素を集電体82、81を介して発電体11、12に送り込むための水素配管部91とからなる構造を有している。
Next, the structure of the
水素側集電体81は下側に配される発電体12の表面に形成される水素側電極73に面接触する部材であり、該発電体12との接触面が水素ガスを透過させる。この水素側集電体81は例えば金メッキされた金属板から構成され、図7中の裏面側で発電体12の水素側電極73に当接する。水素側集電体81は5行3列の組を2組構成する開口部87を介して水素を供給する。この発電体12との接触面に位置する開口部87によって水素ガスを面状の発電体12の広い範囲にわたって送ることができる。この水素側集電体81も略中央部には連絡溝47に嵌めこまれる結合部97が設けられる。
The hydrogen-side
水素側集電体82は上側に配される発電体11の裏面に形成される水素側電極73に面接触する部材であり、該発電体11との接触面が水素ガスを透過させる。この水素側集電体82も水素側集電体81と同様に例えば金メッキされた金属板から構成され、図7中の表面側で発電体11の水素側電極73に当接する。水素側集電体82は5行3列の組を2組構成する開口部88を介して水素を供給する。この発電体11との接触面に位置する開口部88によって水素ガスを面状の発電体11の広い範囲にわたって送ることができ、略中央部には連絡溝47に嵌めこまれる結合部97が設けられる。
The hydrogen-side
このような水素側集電体81、82は面同士が対向するように配置され、その間のスペーサとして絶縁膜83、84が水素側集電体81、82の間に挟持されるように設けられている。一対の絶縁膜83、84は、例えばポリカーボネートなどの樹脂フィルムを型抜き加工したもので構成される。絶縁膜83、84は、それぞれ略コ字状の形状で、向かい合った中央部にほぼ5行3列の組を2組構成する開口部87、88の領域にわたるように略矩形状のスペースからなる気体流路を構成する。絶縁膜83、84の水素配管部91側には、該水素配管部91の中空部に連通する水素導入口86が形成され、絶縁膜83、84の反対側の端部にはリーク孔85が形成される。リーク孔85は開閉自由な弁としても良く、またあえて形成しなくとも良い。これら絶縁膜83、84によって形成されるスペースは面同士が対向する水素側集電体81、82の間のスペースであり、これら絶縁膜83、84で高さ方向の厚みが決定される。
Such hydrogen-side
水素配管部91は燃料電池カード10の長手方向に沿って延長される断面矩形状の配管部材であり、水素吸蔵スティック18が接続する側の端部には該水素吸蔵スティック18の突起部20が嵌合される嵌合孔96が形成されている。水素配管部91は水素を通過させるために中空とされている。この水素配管部91内の一部に水素貯蔵合金などを配しても良い。水素配管部91と水素側集電体81、82の接続点は水素配管部91の側面に形成された横長な挿入口92に突設片89、90の先端部が挿入されることで形成される。挿入口92は2 箇所に設けられており、水素側集電体81、82の側端部が面内方向に突設された突設片89、90を安定して水平に支持する。水素側集電体81、82には、電極取り出し溝49から突出する電極取り出し片94が、当該燃料電池カード10の長手方向に延長した矩形状の片として電極取り出し溝49の位置に合わせて形成されており、更に、位置決め兼保持用の突出部93も水素配管部の奥側のデッドスペースを有効に利用して形成されている。また、燃料の流し方は、2個の供給口92から各発電体毎に供給しても良く、また、一方の供給口92から1本の流路で各発電体を通過するように形成しても良い。
The
図8は上側筐体14と、その下側に配置される上側酸素側集電体16、及び絶縁フィルム100を示す斜視図である。上側筐体14は、下側筐体15と同様に、ステンレス鋼や鉄、アルミニウム、或いはチタン、マグネシウムなどの金属材料や、エポキシ、ABS、ポリスチレン、PET、ポリカーボネートの如き耐熱性や耐薬品性に優れた樹脂材料などを使用することができ、或いは繊維強化樹脂のような複合材料を用いても良い。この上側筐体14は矩形状の切り欠きである開口部31が5行3列の組を2組構成するように形成されている。
FIG. 8 is a perspective view showing the
この上側筐体14と上側酸素側集電体16の間には、絶縁フィルム100が配される。この絶縁フィルム100は例えばポリカーボネート製であり、その膜厚は0.3mm程度とされる。一対の格子状領域が、前述の5行3列の組を2組構成する開口部31のパターンを反映するように同じ垂直方向の位置で5行3列の組を2組構成する開口部101を有して形成されており、略中央部には連絡溝47に嵌めこまれる結合部102が設けられる。
An insulating film 100 is disposed between the
上側酸素側集電体16は、例えば金メッキされた金属板から構成され、上側の発電体11の酸素側電極71に当接すると共に当該上側酸素側集電体16に形成された5行3列の組を2組構成する開口部111を介して酸素を供給する。ここで、各開口部111は当該集電体の気体透過部として機能し、開口部111自体は大きく開口しており、且つ絶縁フィルム100の開口部101及び上側筐体14の開口部31とも同じ垂直方向の位置で5行3列の組を2組構成する構造とされることから、発電体11の酸素側電極71を大気開放状態にさせることができ、圧力の低下すなわち空気中の酸素分圧を下げることなく発電体11に酸素を供給できる。また、同時に発電体11からは起電力の生成時に水分が生ずるが、開口部111自体は大きく開口しており、大気開放状態となることから、電極表面に生成された水分も良好に除去することが可能である。上側酸素側集電体16には、電極取り出し溝48から突出する電極取り出し片114が、当該燃料電池カード10の長手方向に延長した矩形状の片として電極取り出し溝48の位置に合わせて形成されており、更に、位置決め兼保持用の突出部113も水素配管部の奥側のデッドスペースを有効に利用して形成されている。なお、酸素側集電体16としては、カーボン材料などの導電性プラスチックなどを用いても良く、支持体に金属膜など形成した構造などでも良い。
The upper oxygen-side
このような構造の本実施形態の燃料電池カード10は、水素側集電体81、82は面同士が対向するように配置されることから、発電体11、12を共通のガス供給部に対して積層させて、発電に寄与する面積を大きくとることができる。水素側集電体81、82の間のスペーサとして絶縁膜83、84が水素側集電体81、82の間に挟持されるように設けられていることから、燃料気体である水素を確実に面状発電体11、12に送り込むことができ、特に絶縁膜83、84をポリカーボネートのような合成樹脂膜などによって形成した場合では、一対の面状発電体11、12を均一な接触のために圧着させた際の弾性部材としても機能でき、発電体と集電体の均一な圧着を助けることになる。
In the
また、本実施形態の燃料電池カード10では、このシール材74の内側に形成された大きな孔75がプロトン伝導体膜72よりは小さなサイズの水素側電極73に外側から嵌合する。このため酸素側電極71の側は、基本的に大きな開口部により大気開放されているので、ガスのシールが不要なため、部品点数の削減や組み立て工数の低減を実現させる。また、シール材74は弾性材料であるために、集電体が押し付けられた場合には厚み方向の収縮が生じて均一な集電体とシール材74及びその内側の水素側電極73の接触が実現され、この均一な接触から電気的な特性も向上する。また、酸素側電極71の側にはシール材が存在しないため、シール材のばらつきの影響を受けずにその剛性度が確実に高くなり、気密特性を大幅に改善することができる。
Further, in the
更に、本実施形態の燃料電池カード10によれば、発電体11、12の酸素側電極を大気開放状態にさせることができ、圧力の低下すなわち空気中の酸素分圧を下げることなく発電体11、12に酸素を供給できる。また、同時に発電体11、12からは起電力の生成時に水分が生ずるが、開口部自体は大きく開口しており、大気開放状態となることから、電極表面に生成された水分も良好に除去することが可能である。
Furthermore, according to the
また、本実施形態の燃料電池カード10は、図2に示したように、装置本体であるノート型パソコン21のカード用スロット22から挿入して装着することができる。特に、標準化されたPCカードと同じサイズにすることで、携帯用機器の使用時間を長くさせることも可能である。PCカードの筐体の内部には、複数の発電体11、12が配設される構造とされるが、酸素側電極71を大気開放していることから、酸素は酸素側電極71に十分な圧力で供給され、ボンベやポンプなどの気体供給手段を設置する必要がない。このため燃料電池内の省スペース化が可能であり、余分な補助装置なども不要となる。
In addition, as shown in FIG. 2, the
図15乃至図17は本実施の形態の燃料電池カードの変形例であり、図15の燃料電池カードは、燃料電池カード151の部分がJEIDA/PCMCIAにより標準化されたタイプIのサイズ(厚み3.3mm)を有している。この燃料電池カード151の内部構造については、前述の燃料電池カード10と同様である。燃料電池カード151は、板状部材153と矩形部材152の組み合わせからなるカード型水素貯蔵部に接続可能とされ、且つその接続時には燃料電池カード151とカード型水素貯蔵部を構成する板状部材153を加えた厚みがJEIDA/PCMCIAにより標準化されたタイプIIの厚み(約5mm以下)とされる。このような構成とすることで、多くの種類のノート型パソコンに当該燃料電池カード151を装着することができ、カード型水素貯蔵部は板状部材153と矩形部材152の容積を合わせた分を水素ガス用として確保することができ、長時間の使用にも耐えうることになる。
FIGS. 15 to 17 show modifications of the fuel cell card according to the present embodiment. The fuel cell card of FIG. 15 is a type I size (
図16は同様なPCカードタイプの燃料電池カードのシステムであり、燃料電池カード161に厚いサイズの水素貯蔵部162が接続されるように構成されたものである。この燃料電池カード161の内部構造については、前述の燃料電池カード10と同様であり、水素貯蔵部162は該燃料電池カード161に対して着脱自在とされる。水素貯蔵部162は前述の実施形態の水素吸蔵スティック18よりは厚い厚みを有し、より長時間の使用にも耐えうることになる。
FIG. 16 shows a similar PC card type fuel cell card system, in which a thick
図17はリムーバブルディスクなどの筐体と同じサイズで、燃料電池171を構成したものであり、燃料電池171の一端側に設けられたスロット173に水素吸蔵スティック172を挿入して水素を供給できるものである。この燃料電池171の一部には、当該燃料電池の起電力を出力するための出力端174が形成され、この出力端174から延長された電源プラグ175をパソコンなどの機器本体に接続することで、燃料電池171を利用した作動が実現される。
FIG. 17 shows a
図18は絶縁膜の形状を例示した図面である。図18の(a)は、前述の実施形態に説明した絶縁膜83、84と同じ形状であり、絶縁性のポリカーボネートフィルムの如き絶縁膜180を用い、略矩形状に広がった燃料流路181を構成したものである。図18の(b)は、絶縁膜182は(a)の絶縁膜180と異なり燃料流入口に対して垂直な方向に突出した突出部184を左右2箇所ずつ形成した構成を有しており、これら突出部184でも対向する水素側電極を支えることができ、燃料流路183を確保すると共に対向する一対の面状水素側電極の間の絶縁が問題となる場合に好適である。図18の(c)は、絶縁膜185は(b)の絶縁膜182と異なり燃料流入口に対して平行な方向に突出した突出部187を左右2箇所ずつ形成した構成を有しており、これら突出部187でも対向する水素側電極を支えることができ、燃料流路186を確保すると共に対向する一対の面状水素側電極の間の絶縁が問題となる場合に好適である。
FIG. 18 illustrates the shape of the insulating film. FIG. 18A shows the same shape as the insulating
図18の(d)は矩形端部に沿って帯状に延長される絶縁膜188の略中央部分に円形状の絶縁部190が形成され、燃料流入口から流入した水素ガスやメタノールなどの燃料が円形状の絶縁部190に沿って燃料流路189内を拡散し、起電力を高めることが可能である。また、図18の(e )は円形の絶縁部193を複数、本例では5個、形成した例であり、矩形端部に沿って帯状に延長される絶縁膜191に囲まれた燃料流路192内を好適に水素ガスやメタノールなどの燃料が拡散できることになる。
In FIG. 18D, a circular insulating
図19は絶縁膜の構成の例を示す図である。図19の(a)は、前述の実施形態に説明した絶縁膜83、84と同じ形状であり、絶縁性のポリカーボネートフィルムの如き絶縁膜195を用い、略矩形状に広がった燃料流路の流入口195e と排出孔195fを有する構成となっている。この排出孔195fから、余分な燃料を排出することも可能である。図19の(b)は、このようなリーク孔を有しない構成であり、矩形端部に沿って帯状に延長される絶縁膜196は燃料流路の流入口196e だけが燃料流路に接続する流通路となっている。図19の(c)は、絶縁性のポリカーボネートフィルムの如き絶縁膜197を矩形端部に沿って帯状に延在させ、略矩形状に広がった燃料流路の流入口197e と排出孔197fを有する構成となっており、更に排出孔197fの出口には弁198が形成されている。この弁198は内部の水素などの燃料の圧力が高くなり過ぎた場合に、開いて内部圧を下げるように動作でき、燃料の圧力が適正な範囲においては弁198が閉じて燃料の無駄な漏れを防止できる。
FIG. 19 is a diagram showing an example of the configuration of the insulating film. FIG. 19A shows the same shape as the insulating
[第2の実施の形態]
本実施の形態は、図20乃至図27に示すように、略平板形状のカード型燃料電池の他の例であり、特に、空気流動手段としてモーターによって駆動されるファンをカード型燃料電池の側部に有し、酸素側燃料としてファンから送られる空気を発電体の表面に案内する空気路として筐体の内側に複数の溝を形成した例である。
[Second Embodiment]
This embodiment is another example of a substantially flat card type fuel cell as shown in FIGS. 20 to 27, and in particular, a fan driven by a motor as an air flow means is provided on the side of the card type fuel cell. This is an example in which a plurality of grooves are formed inside the housing as an air passage that guides air sent from a fan as oxygen-side fuel to the surface of the power generator.
図21に示すように、当該カード型燃料電池の筐体は、所要の剛性、耐熱性、及び耐酸性を有した合成樹脂材料を成型したものであり、上側筐体211と、下側筐体212を重ね合わせてカード型の略平板状の筐体を構成する。ここで、カード型燃料電池の筐体は、一例として、PCカードとして標準化されたサイズとすることが可能であり、具体的には、JEIDA/PCMCIAにより標準化されたサイズを適用できる。この標準化されたサイズは、縦(長辺)が85.6mm±0.2mm、横(短辺)が54.0mm±0.1mmと定められている。また、カードの厚みについては、タイプI とタイプIIのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプIについては、コネクタ部の厚みが3.3±0.1mmであり、基底部の厚さが3.3±0.2mmである。また、タイプIIについては、コネクタ部の厚さが3.3±0.1mmであり、基底部の厚さが5.0mm以下で且つその厚みの標準寸法±0.2mmである。本実施の形態では、上側筐体211と下側筐体212を重ねて電池本体の筐体を構成するが、その電池本体のサイズをJEIDA/PCMCIAにより標準化されたサイズとすることもでき、後述するような水素貯蔵カートリッジ202と合体した際に、JEIDA/PCMCIAにより標準化されたサイズとなるように構成することも可能である。また、アダプターなどを組み合わせて電池本体のサイズをJEIDA/PCMCIAにより標準化されたサイズとすることも可能である。
As shown in FIG. 21, the casing of the card type fuel cell is formed by molding a synthetic resin material having required rigidity, heat resistance, and acid resistance, and includes an
上側筐体211には、矩形状の長辺部に近い側に沿って2列の開口部222、223が設けられている。開口部222、223は上側筐体211の肉厚を貫通する透孔であって空気の筐体内部への取り入れ口と排出口となる。本実施形態においては、開口部222、223の形状は円形であるが、これに限らず楕円形、矩形や多角形状などであっても良い。上側筐体211の表面には、使用者が手で扱う場合の滑り止めとして機能する複数の溝224が形成されている。
The
上側筐体211の内側面には図24に示す複数の並行する溝241が形成されており、略矩形状の長辺方向に沿って配設されるファン233の位置から、他端側のファン231の位置近傍まで略直線状に延長されている。なお、ファン233及びファン231は空気流動手段を構成し、複数の並行する溝は空気路を構成する。個々の溝は略コ字状の断面を有しているが、上側筐体211ではファン233を囲んで形成されるファン空間部237に連続する。ファン空間部237は略矩形状の長辺方向に沿って配設される様に延長されており、ファン空間部237の外郭が略円筒状のファン233、231を所定の空隙を以って包むように構成される。上側筐体211においては、当該上側筐体211に形成された外側の開口部222の直下にファン空間部237が位置し、開口部222から導入された空気がファン231によって筐体内の溝内を流動するように制御される。本実施の形態においては、開口部222から導入された空気はファン231によって下側筐体212に形成された溝238に空気が案内される。上側筐体211に設けられた溝の内部を通過する空気はファン233から導入されたものであり、その開口部239は下側筐体212の長辺側端部寄りに形成される。
A plurality of
下側筐体212は、上側筐体211と対となってカード状のハウジングを形成する部材である。上側筐体211と同様、図21に示すように、複数の並行する溝238が形成されており、略矩形状の長辺方向に沿って配設されるファン231のファン空間部237の位置から、他端側のファン233のファン空間部237の位置近傍まで略直線状に延長されている。個々の溝238は略コ字状の断面を有しているが、下側筐体212ではファン231を囲んで形成されるファン空間部237に連続する。各溝238は反対側のファン233の近傍で終端し、各溝238の終端部に設けられた開口部240によって筐体外側に連続する。下側筐体212においては、当該下側筐体212に形成された外側の開口部239の直上にファン空間部237が位置し、開口部239から導入された空気がファン233によって上側筐体211の内側の溝241内を流動するように制御される
。
The
上述の上側筐体211と下側筐体212には、当該筐体の側面に垂直な方向に延長されるように夫々溝が形成されるが、各溝が形成された各筐体の内側には、それぞれ発電体251、252が当接して配設される。本実施形態では、一対の発電体251、252がそれぞれ水素側電極を他の発電体側に配置するように、即ち一対若しくは1つの水素側電極を挟むように表側と裏側の両側に構成される。水素側電極を中心に配置することで、一対の発電体251、252にはその中心部の水素側電極に水素系燃料、メタノール系燃料、ボロハイドライド系燃料などの気体若しくは液体の状態の燃料が供給される。また、水素側電極を中心に配置することで、酸素側電極が重ねられた一対の発電体251、252の表面と裏面の両面に位置することになり、略平板状の一対の発電体251、252の周囲を酸素側電極で挟んで有効面積を大きく稼ぐことができる。
The
ここで一対の発電体251、252について説明すると、電解質膜としてのプロトン伝導膜を挟むように、一方の側に水素側電極が形成され、他方の側に酸素側電極が形成される。水素側電極には外部から水素ガスなどの燃料流体が供給され、該燃料流体が電極内の細かい孔を通って反応領域に達し、この電極内に存在する触媒に吸着されて活発な水素原子となる。この水素原子は水素イオンとなり、対極である酸素側電極に移動するともに、イオン化の際に生ずる電子を水素側電極に送り、これら電子が起電力となって外部に接続された回路を通って酸素側電極に達する。
Here, the pair of
酸素側電極や水素側電極は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら酸素側電極や水素側電極には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。このような電解質膜を酸素側電極及び水素側電極で挟んだ構造の発電体251、252はMEA(電解質膜/電極複合体:Membrane and Electrode Assembly )と呼ばれており、特に本実施の形態では、2枚の発電体251、252が水素側電極を内側にするように重ねられ、その結果として重ねられた2枚の発電体251、252の表面側と裏面側の酸素側電極が位置することになる。本実施の形態においては、発電体251、252はそれぞれカード状の筐体211、212の長辺方向に沿って長手方向となる略矩形平板状であり、発電体251、252の短辺はカード状の筐体211、212の略半分から空気流動手段であるファン231、233とその周囲の部材の分だけ差し引いたサイズとされている。従って、本実施の形態の燃料電池では、4 枚の発電体251、252のうちの2 枚が重ねられた構造のものが並べられた構造とされ、4 枚分の発電体251、252を直列することで高い起電力を得ることもでき、また接続パターンを変えて4 枚分の発電体251、252を並列接続させて電池としての稼動時間を長くすることも可能である。
The oxygen side electrode and the hydrogen side electrode are made of a conductive material such as a metal plate, a porous metal material, or a carbon material, and a current collector is connected to the oxygen side electrode and the hydrogen side electrode. The current collector is an electrode material for extracting an electromotive force generated at the electrode, and is configured using a metal material, a carbon material, a conductive nonwoven fabric, or the like. The
なお、本実施の形態の燃料電池では、それぞれの形状がカード状の筐体の短辺側を分割するような構造としたが、長辺側を分割するような形状で発電体を積層して配置することも可能であり、4 枚で構成する場合に限らず、6枚や8 枚、或いはそれ以上の枚数の発電体を組み合わせても良い。また、それぞれの発電体の形状が同じであれば、製造上同一の発電体を実装すれば良いことになるが、これに限定されず異なる形状の発電体を組み合わせても良い。例えば、大きなサイズの発電体と小さなサイズの発電体を同一面内に配設するように構成しても良く、或いは厚い厚みの発電体と薄い厚みの発電体を同一面内に配設するように構成しても良い。また、容量や効率などの点で性能が異なる様な発電体の種類が異なるものを組み合わせて筐体内に実装しても良い。更に、本実施の形態において、各発電体251、252は所要の剛性を以って筐体内に配設されるが、各発電体は可とう性を有していても良く、その場合には筐体も可とう性を有する材料で構成することができる。また、発電体自体が所要のカートリッジタイプで置換可能とできるような構造であっても良い。また、発電体の位置を移動させ、例えば筐体内で発電体をスライドさせて位置をずらし、発電体間の接続形態を変えるようにしても良い。
In the fuel cell of the present embodiment, each shape is structured to divide the short side of the card-like housing, but the power generators are stacked in such a shape that the long side is divided. It is also possible to arrange them, and the configuration is not limited to the case of 4 sheets, and 6, 8 or more power generators may be combined. Moreover, if the shape of each electric power generation body is the same, what is necessary is just to mount the same electric power generation body on manufacture, but it is not limited to this, You may combine the electric power generation body of a different shape. For example, a large-sized power generator and a small-sized power generator may be arranged in the same plane, or a thicker power generator and a thinner power generator may be arranged in the same plane. You may comprise. Further, a combination of different types of power generators having different performance in terms of capacity and efficiency may be mounted in the housing. Further, in the present embodiment, each of the
次に、空気流動手段としてのファン231、233について説明する。本実施の形態では、ファン231、233はその中心に位置する円柱形状の回転軸260の周囲に、放射状に円周上一定間隔を空けて8枚の羽根部261が取り付けられている。各羽根部261は当該ファン231、233の回転軸260の軸方向を長手方向とする矩形状であり、当該羽根部261の端部は上側筐体211及び下側筐体212を切り欠いて形成されたファン空間部237の内壁と僅かなクリアランスを以って離間する。図21において、ファン231は手前側に、筐体211、212の長辺に沿って且つ筐体211、212の側部近傍に配設され、逆にファン233は奥側に、筐体211、212の長辺に沿って且つ筐体211、212の側部近傍に配設される。このようなファン231、233の配置とすることで、発電体の各電極の面積を大きくとることが可能となる。ファン231、233はそれぞれ筐体211、212の長辺に沿って一対設けられ、合計4個のファン231、233がそれぞれ独立したモーター235、236に駆動される。片側で一対のファン231は同軸となるように配設され、ファン231の回転軸260の軸受け232は一対のファン231で共用とされる。モーター235、236は、直流駆動の微小モーターであり、ファン231、233と略同径とされ、特に円筒形状の切欠きであるファン空間部237の端部が支持部となってモーター235、236を固定する。モーター235、236には、図示しない配線からの電流が供給されるが、当該燃料電池で発生した起電力の一部をモーター235、236の回転力に当てることができる。モーター235、236の駆動回路は、同じ筐体211、212の内部に配置される配線基板271に実装される例えば集積回路などの電子部品272によって構成される。
Next, the
このような構成のファン231、233は、モーター235、236に対して電源を供給することで回転する。このモーター235、236に供給される電力としては、当該燃料電池で発生する即ち発電体251、252が発生させた起電力を用いることができる。ファン231、233が軸周りに回転すると、羽根部261の周りのファン空間部237内の空気は流動し、その回転方向に従って押し出される。前述のように、ファン231側のファン空間部237は下側筐体212の内側に形成された複数の溝238に連続していることから、ファン231の回転につれてファン空間部237内の空気は下側筐体212の溝238に押し出される。また、ファン233側のファン空間部237は上側筐体211の内側に形成された複数の溝に連続していることから、ファン233の回転につれてファン空間部237内の空気は上側筐体211の溝241に押し出されることになる。このようなファン空間部237内の空気の溝への押し出し動作と同時に、ファン空間部237では吸気動作が生ずることになり、ファン231側のファン空間部237は上側筐体211に形成された開口部222から空気を取り入れ、ファン233側のファン空間部237は下側筐体212に形成された開口部239から空気を取り入れる。
The
上側筐体211と下側筐体212には、当該筐体の側面に垂直な方向に延長されるように夫々溝241、238が形成されており、これらの溝241、238にはファン233、231から空気が送りこまれる。溝241は、その断面の三方を上側筐体211に囲まれているが、下面では上側の発電体251の表面が直接溝241内に露出し、当該溝241の内部はファン233の駆動によって空気が流動しているために、上側の発電体251の表面の酸素側電極に滞留する可能性がある水を蒸発させて除去することができる。また、溝238も同様に、その断面の三方を下側筐体212に囲まれているが、溝の上面では下側の発電体252の表面即ち底面が直接溝238内に露出し、当該溝238の内部はファン231の駆動によって空気が流動しているために、下側の発電体252の表面の酸素側電極に滞留する可能性がある水を蒸発させて除去することができる。溝241、238を通過した空気は溝241、238の終端部に設けられた開口部223、240から筐体外部に排出され、この時、発電体251、252の表面に発生していた水分も同時に当該燃料電池外に排出されることになる。従って、燃料電池として電力を供給している際に発生する水は効率良く電池外に排出されることになる。
なお、本実施の形態においては、空気路として機能する溝238、241は、複数の並行した直線状に形成されているが、これに限らず正弦波などの波状や矩形波状のパターンや螺旋状やU字状などの各種平面パターンであっても良く、溝の数についても単数でも良く、複数でも良い。また、個々の溝が全て同じサイズや長さである必要はなく、水分が多く発生しやすい部分の空気の流速を高めるような形状であっても良い。また、溝の全体が本実施形態のように中空であっても良く、吸水性の部材を設けるようにすることも可能である。また、空気の排出口となる開口部も各溝で1つに限定されず、複数箇所で開口するようにしても良い。また、開口部には塵などの筐体内部への侵入を防止するためのネットやシャッター機構を設けても良い。更に、本実施の形態においては、溝238、241を筐体の内側面に形成するものとしているが、別部材を発電体と筐体の間に挟持させる構造としても良く、また、発電体側に空気路を取り付ける構造であっても良い。空気路の他の例としては、通気性のある繊維材料や不織布、多孔質材料などの部材を配置するようにすることも可能である。
In the present embodiment, the
本実施の形態の燃料電池201の内部には、上述の如き発電体251、252やファン231、233及びモーター235、236に加えて、燃料流量調整部281が設けられている。燃料流量調整部281は、当該カード状の燃料電池201の水素貯蔵カートリッジ202とのインターフェイス部として機能し、水素貯蔵カートリッジ202からの燃料流体を適切な量に調整しながら、燃料流体を発電体251、252に効率良く供給するための機構を有する。具体的には燃料流量調整部281は、水素貯蔵カートリッジ202の燃料取出し口282と結合可能な結合部283を有しており、この結合部282に連続する形で図示しない弁体が内部に設けられていて、所定の圧力の燃料を発電体251、252の間のスペースに供給するような構造とされている。この燃料流量調整部281には、水素貯蔵カートリッジ202の燃料取出し口282との結合状態をモニターする監視部や、水素貯蔵カートリッジ202からの燃料の圧力を測定する圧力測定部、当該燃料電池201や水素貯蔵カートリッジ202の温度検出部などが設けられ、更には燃料漏れ防止機構部も形成可能である。例えば、燃料の圧力を測定する圧力測定部からのデータによって、圧力が高すぎると判断される場合には、弁体を閉じたりする制御も可能であり、圧力が低すぎると判断される場合には、逆に弁体を開いたりする制御も可能である。このような制御はI/O部285を介して水素貯蔵カートリッジ202の状態をモニターすることで可能であり、このようなI/O部285は、水素貯蔵カートリッジ202の結合用突設片284と嵌合する嵌合部286の近傍に配置され、水素貯蔵カートリッジ202の同様なI/O部との間でデータ通信が可能である。また、同様なI/O部275は出力側にも設けられており、当該燃料電池201の出力電力を消費する側の状態を検知して、出力を制御するようにすることも可能である。例えば、出力電力を消費する側の機器がアクティブ状態、スリープ状態、ソフトオフ状態、待機状態などでその消費電力が変化する場合には、そのような消費電力の状態に応じた制御が可能である。
In addition to the
また、本実施の形態の燃料電池201の内部には、前述の如き配線基板271が設けられており、この配線基板271上に搭載される電子部品272等によって、前述のモーター235、236の回転数や停止・回転などの制御や当該燃料電池201の出力電圧の調整なども可能であり、突設片273、274に形成される端子に起電力を出力することで、当該燃料電池201に接続される機器に電力を送ることが可能となる。
Further, the
前述の燃料流量調整部281に接続する水素貯蔵カートリッジ202は、内部に水素吸蔵合金などを有する部材であり、燃料電池201の筐体に対して着脱自在とされ、着装時には燃料取出し口282と結合部283が結合することによって燃料流体が流動可能となり、水素貯蔵カートリッジ202が外された際には、当該水素貯蔵カートリッジ202からの燃料流出が止められる機構を有している。この水素貯蔵カートリッジ202は、カード形状の燃料電池201と略同じ厚みと略同じ短辺サイズを有しており、従って、当該水素貯蔵カートリッジ202を燃料電池201に接続した場合には、全体としてカード状の長手方向に延長された形態となり、取扱いが容易となる。なお、本実施形態では、水素貯蔵カートリッジ202は、カード形状の燃料電池201と略同じ厚みと略同じ短辺サイズを有しているものとして説明しているが、これに限定されず他の形状、例えば厚みの厚いものであっても良く、結合可能な水素貯蔵カートリッジも単数に限定されずに複数であっても良い。また、結合部も単数に限らず複数とすることができ、信号の伝達手段などを結合部又はその周辺に配設するようにしても良い。
The
本実施の形態の燃料電池201は、上述のように、発電体251、252の酸素側電極の表面に空気路としの溝238、241が形成され、これらの溝238、241を通過する、ファン231、233によって導入された空気が酸素側電極の表面の水分を蒸発させ、蒸発した水分を含む空気は更に開口部223、240から筐体の外部へと排出される。このため燃料電池に生成する水を適切な量に制御することができ、常に効率良く電力を発生させることができる。空気の自然流入によって水分を蒸発させる場合には、その蒸発速度が自然対流の状態や外気の温度、湿度、更には開口サイズ等によって大きく影響を受けるという問題が発生するが、本実施形態の燃料電池では、酸素側電極の表面を通過する空気はファン231、233によって強制的に供給されたものであり、自然流入に依存する場合に比べて水分を安定して蒸発できることになる。
In the fuel cell 201 according to the present embodiment, as described above,
なお、本実施の形態の燃料電池201は、ファン231、233の位置は筐体211、212の長辺に沿って且つ筐体211、212の側部近傍に配設されるものとして説明したが、ファンの位置は他の場所でも良く、例えばカード状の筐体の短辺に沿ってファンを設けるようにしても良い。また、ファンなどの空気流動手段は平面状に展開する複数の発電体の間の位置に配設されるように形成しても良い。また、カード状の筐体211、212は所要の合成樹脂や金属、ガラス、セラミック、繊維強化合成樹脂などによって形成されるが、必ずしも変形できないものに限定されず、折りたたみ可能であったり、或いは一部の部材などが着脱できる構造であっても良い。
In the fuel cell 201 of the present embodiment, the positions of the
図28はファンの変形例を説明するための図面である。水素貯蔵カートリッジ292に結合した略平板状の筐体295内に断面上で一対のファン291、291がそれぞれの回転軸290が直線上に並ぶように配されており、各ファン291は螺旋状に延在される羽根部292が回転軸290の周りに形成される。ファン291はモーター293と同軸とされ、モーター293の回転によってファン291が軸周りに回転し、軸方向に送風するように機能する。一対のファン291は、それぞれ同じ方向に回転するように制御しても良く、共通の軸受け部に溝などの空気路の入り口を設け、そこから両側に空気を送るようにしても良い。
FIG. 28 is a view for explaining a modified example of the fan. A pair of
[ 第3の実施の形態]
本実施の形態は、一方の側面にファンを用いた空気流動手段を形成した燃料電池の例である。図29に示すように、略矩形状のカード型筐体301が設けられており、この筐体301の内部に、発電体303が配設されている。ここで、カード型燃料電池の筐体301は、一例として、PCカードとして標準化されたサイズとすることが可能であり、具体的には、JEIDA/PCMCIAにより標準化されたサイズを適用できる。この標準化されたサイズは、縦(長辺)が85.6mm±0.2mm、横(短辺)が54.0mm±0.1mmと定められている。また、カードの厚みについては、タイプI とタイプIIのそれぞれについて規格化されており、すなわちタイプIについては、コネクタ部の厚みが3.3±0.1mmであり、基底部の厚さが3.3±0.2mmである。また、タイプIIについては、コネクタ部の厚さが3.3±0.1mmであり、基底部の厚さが5.0mm以下で且つその厚みの標準寸法±0.2mmである。カード型筐体301も上側筐体と下側筐体を重ねるように構成することが可能である。
[Third embodiment]
The present embodiment is an example of a fuel cell in which air flow means using a fan is formed on one side surface. As shown in FIG. 29, a substantially rectangular card-type housing 301 is provided, and a power generator 303 is disposed inside the housing 301. Here, the case 301 of the card type fuel cell can have a size standardized as a PC card as an example, and specifically, a size standardized by JEIDA / PCMCIA can be applied. The standardized size is defined as 85.6 mm ± 0.2 mm in the vertical (long side) and 54.0 mm ± 0.1 mm in the horizontal (short side). The card thickness is standardized for each of type I and type II, that is, for type I, the thickness of the connector is 3.3 ± 0.1 mm, and the thickness of the base is 3 .3 ± 0.2 mm. For type II, the thickness of the connector portion is 3.3 ± 0.1 mm, the thickness of the base portion is 5.0 mm or less, and the standard dimension of the thickness is ± 0.2 mm. The card-type casing 301 can also be configured to overlap the upper casing and the lower casing.
このカード型筐体301には、該カード型筐体301の長手方向に垂直な面で略同サイズとなって連続的に配設可能な水素貯蔵カートリッジ302が結合されている。この水素貯蔵カートリッジ302の内部には、水素吸蔵合金などの水素貯蔵部が配されており、燃料電池の筐体301に対して着脱自在とされる。水素貯蔵カートリッジ302は、着装時には燃料取出し口と結合部が結合することによって燃料流体が流動可能となり、水素貯蔵カートリッジ302が外された際には、当該水素貯蔵カートリッジ302からの燃料流出が止められる機構を有している。 The card-type casing 301 is coupled with a hydrogen storage cartridge 302 that can be continuously arranged with substantially the same size in a plane perpendicular to the longitudinal direction of the card-type casing 301. A hydrogen storage unit such as a hydrogen storage alloy is disposed inside the hydrogen storage cartridge 302 and is detachable from the housing 301 of the fuel cell. When the hydrogen storage cartridge 302 is mounted, the fuel outlet and the coupling portion are coupled to allow the fuel fluid to flow, and when the hydrogen storage cartridge 302 is removed, fuel outflow from the hydrogen storage cartridge 302 is stopped. It has a mechanism.
カード型筐体301の内側には、4枚の発電体を組み合わせた発電部303と、水素貯蔵カートリッジ302からの燃料流体を該カード型筐体301内に導入するための結合部304と、この結合部304が挿入されて結合する発電側結合部305と、この発電側結合部305にパイプ306を介して接続する流量調整部307と、該流量調整部307と発電部303を接続するパイプ308と、配線基板311上に電子部品310を搭載させてこれら電子部品等により出力制御などを行う制御回路部309とを有している。そして、当該カード型筐体301 の内部には、さらに空気流動手段としての一対のファン312、313が筐体の側面に沿って延長されるように配されている。ファン312、313はそれぞれ対応するモーター314、315によって回転するように駆動される。ファン312とファン313は平行して配置され、特に本実施の形態においては、ファン312とファン313は上下方向に並んで配設され、それぞれ上側に位置する発電体と下側に位置する発電体に空気を送り込む。
Inside the card-type casing 301, a power generation section 303 combining four power generation bodies, a
ファン312、313は、円筒状の回転軸の周囲に羽根部が設けられた構造を有し、各羽根部は回転軸方向に直線状に延長され、回転軸の径方向では放射状に形成される。従って、ファン312、313はモーター314、315の駆動によって回転軸を中心に回転し、筐体内のスペースに回転軸と垂直な方向に空気を図示しない溝に沿って送り込む。このファン312、313は後述するように酸素側電極に生成される水の蒸発用として用いられると共に、空気を送ることで放熱を図ることも可能である。ファン312、313はモーター314、315に対してコネクタ316、317を介して接続するが、コネクタ316、317を設けずに直接モーター314、315とファン312、313が接続されるようにしても良い。
The
発電部303は、4枚の発電体を組み合わせた構造体であり、1つの発電体は、プロトン伝導体などの電解質膜を水素側電極と酸素側電極で挟持した構造を有しており、酸素側電極や水素側電極は、金属板や、多孔質性の金属材料、或いは炭素材料などの導電性材料からなり、これら酸素側電極や水素側電極には集電体が接続される。集電体は、電極で発生する起電力を取り出すための電極材であり、金属材料や炭素材料、導電性を有する不織布などを用いて構成される。4枚の発電体は、2枚重ねられたものが筐体内に2つ並べられて配設される。発電体を2枚重ねる場合には、水素側電極同士が面同士で向かい合うように重ねることができ、この場合には燃料流体を重ね合わされた水素側電極同士の間のスペースに送り込むことで電極の活性化が可能となり、酸素の供給が必要な面は重ね合わされた発電体の表面と裏面が酸素側電極面となる。 The power generation unit 303 is a structure in which four power generation bodies are combined, and one power generation body has a structure in which an electrolyte membrane such as a proton conductor is sandwiched between a hydrogen side electrode and an oxygen side electrode. The side electrode and the hydrogen side electrode are made of a conductive material such as a metal plate, a porous metal material, or a carbon material, and a current collector is connected to the oxygen side electrode and the hydrogen side electrode. The current collector is an electrode material for extracting an electromotive force generated at the electrode, and is configured using a metal material, a carbon material, a conductive nonwoven fabric, or the like. The four power generating bodies are arranged in such a manner that two stacked ones are arranged in the housing. When two power generators are stacked, the hydrogen side electrodes can be stacked so that the surfaces face each other. In this case, the fuel fluid is fed into the space between the stacked hydrogen side electrodes so that the electrodes Activation is possible, and the surfaces that need to be supplied with oxygen are superposed on the front and back surfaces of the power generator, which are oxygen-side electrode surfaces.
発電側結合部305は、水素貯蔵カートリッジ302の結合部304と結合して水素貯蔵カートリッジ302からの気密を維持しながら燃料流体を燃料電池内に導入するための機構部である。具体的には、発電側結合部305に結合部304の先端が挿入され、更に押し込んだ時にロックするような機構を有し、このような着装動作の間においてガス漏れが防止されるように配慮されている。燃料流体が水素ガスではなく、ダイレクトメタノール方式の如き液体の場合には、水素貯蔵カートリッジ302の代わりに着脱自在な燃料流体貯蔵タンクを使用することができる。
The power generation side coupling unit 305 is a mechanism unit that is coupled to the
このような発電側結合部305に機械的な流量調整機構を設けることも可能であるが、本実施形態の燃料電池においては、発電側結合部305と発電部303の間に流量調整部307が配設されている。この流量調整部307は電子的或いは機械的に燃料流体の流量を一定にするための装置であり、弁体等を設けて圧力を制御することができる。 Although it is possible to provide a mechanical flow rate adjustment mechanism in such a power generation side coupling portion 305, in the fuel cell of the present embodiment, a flow rate adjustment portion 307 is provided between the power generation side coupling portion 305 and the power generation portion 303. It is arranged. The flow rate adjusting unit 307 is a device for making the flow rate of the fuel fluid constant electronically or mechanically, and can control the pressure by providing a valve body or the like.
制御回路部309は発電部303から出力される起電力を制御する回路であり、更には燃料供給側である水素貯蔵カートリッジ302との結合状態を監視したり、出力の供給先の負荷状態を検出しながら出力の調整、例えば、起電力を利用する機器のモード(アクティブモード、待機モードやスリープモードなど)に応じた出力電圧の調整などを行うことも可能である。また、制御回路部309には、前述のファン312、313を駆動するモーター314、315を制御する回路部を設けることも可能である。この制御回路309に使用される電源としては、当該発電部303で発生した電力の一部を使用しても良い。この制御回路309からは一対の出力端子318、319が突出し、該出力端子318、319の先端はカード型筐体301から外部に突出する。
The control circuit unit 309 is a circuit for controlling the electromotive force output from the power generation unit 303. Further, the control circuit unit 309 monitors the coupling state with the hydrogen storage cartridge 302 on the fuel supply side and detects the load state of the output supply destination. However, it is also possible to adjust the output, for example, to adjust the output voltage according to the mode of the device using the electromotive force (active mode, standby mode, sleep mode, etc.). In addition, the control circuit unit 309 can be provided with a circuit unit that controls the
このような構造を有する本実施の形態の燃料電池は、カード状筐体301の一側面に、酸素を燃料電池に供給し且つ酸素側電極の表面の生成水の蒸発を促進させるためのファン312、313が配設されている。これらファン312、313を回転させて空気を図示しない溝に沿って案内することで、酸素側電極の表面に生成する水の効果的な除去が可能となり、出力電圧の低下を防止することが可能である。
The fuel cell of the present embodiment having such a structure has a
また、本実施の形態の燃料電池では、制御回路部309も搭載されているため、出力電圧の適正化や、条件、環境に応じた制御を容易に実行することができ、単なる発電デバイスではなく情報処理機能も備えた電池として有用である。また、結合部ではガス漏れなどの流体漏れが未然に防止される構造とされ、デバイスとしての安全性も十分とされる。 In addition, since the control circuit unit 309 is also mounted in the fuel cell according to the present embodiment, it is possible to easily execute output voltage optimization, control according to conditions and environment, and not just a power generation device. It is useful as a battery having an information processing function. In addition, the coupling portion has a structure in which fluid leakage such as gas leakage is prevented, and the safety as a device is sufficient.
[ 第4の実施の形態]
本実施の形態は、図30乃至図32に示すように、複数の溝の一部が酸素側電極に生成する水の蒸発用に使用され、他の一部が電極の放熱に使用される例である。
[Fourth embodiment]
In this embodiment, as shown in FIGS. 30 to 32, a part of the plurality of grooves is used for evaporation of water generated in the oxygen side electrode, and the other part is used for heat dissipation of the electrode. It is.
図30は発電体の上を通過する溝371、372が蒸発用と放熱用に使用される例であり、放熱用に使用される溝372と、蒸発用に使用される溝371が筐体370に交互に設けられている。それぞれの溝371、372は略直線状であり、発電体の短辺方向で両端に亘る長さに延長されている。各溝371、372の断面形状は、略矩形状であるが、これに限定されず半円形状やV字状などの他の形状であっても良い。
FIG. 30 shows an example in which the
溝371、372の端部には、それぞれファン351、353が設けられている。これらファン351、353は円筒状の回転軸の周囲に羽根部を形成した構造を有しており、モーター352、354によって駆動され、溝371、372の延長方向に空気を流動させる。ここでファン351とファン353はその役割が異なっており、ファン351は、蒸発用の溝371に連続して発電体の表面の集電板近傍の水分を蒸発させるように空気を送り込み、ファン353は放熱用の溝372に連続してセパレータを介して発電体の温度が過度にならないように制御する。各溝371、372のファン351、353が形成された側の反対側には、空気の排出口373、374が形成されており、溝371、372を通過した空気が排出される。
Fans 351 and 353 are provided at the ends of the
図31には発電体の概略断面が示されており、下側から順に集電板381、水素側電極382、プロトン伝導体である電解質膜383、酸素側電極384、集電板385、セパレーター386が積層された構造を有している。セパレーター386は電気的な絶縁を図るためのフィルムであり、溝371に応じた開口部375が設けられている。このため溝371を通過する空気は、セパレーター386で分離されずに、集電板385の及び酸素側電極384の周囲にまで到り生成された水分を蒸発させながら除去することが可能となる。また、放熱用の溝372はセパレーター386で分離されていて溝372を通過する空気は集電板385の及び酸素側電極384の周囲に到ることは無く、該セパレーター386を介して伝わった熱をセパレーター386の表面から運び去るようにして放熱を促す。開口部375は、蒸発用に開口したものに限らず、通常の酸素供給用に開口したもので良く、酸素供給用と蒸発用を兼用とすることができる。
FIG. 31 shows a schematic cross section of the power generator. From the bottom side, a current collector plate 381, a hydrogen side electrode 382, an electrolyte membrane 383 that is a proton conductor, an oxygen side electrode 384, a current collector plate 385, and a
このような構造の燃料電池においては、ファン351を回転させることでファン351からの空気流入量を増加させることができ、この場合には燃料電池への酸素の供給量を増大させることができると共に、酸素側電極384で発生する水も蒸発させて除去させることができ、当該燃料電池の出力を増大させることができる。また、反対側に配設されるファン353を回転させることでファン353からの空気流入量を増加させることができ、この場合にはセパレーター386の表面からの放熱を図ることができる。従って、燃料電池の出力を安定した値に制御することが可能となる。
In the fuel cell having such a structure, the amount of air inflow from the fan 351 can be increased by rotating the fan 351. In this case, the amount of oxygen supplied to the fuel cell can be increased. Further, water generated at the oxygen side electrode 384 can be evaporated and removed, and the output of the fuel cell can be increased. Further, by rotating the fan 353 disposed on the opposite side, the amount of air flowing in from the fan 353 can be increased. In this case, heat can be released from the surface of the
また、本実施の形態の燃料電池では、蒸発用の溝371と放熱用の溝372のそれぞれにシャッター355、359を設けている。シャッター355は接続部358、363を介して開閉用のアクチュエーター357に接続されており、アクチュエーター357を作動させることで、シャッター355を各溝371の延長方向とは垂直な方向にずらすことができる。同様に、シャッター359は接続部362、364を介して開閉用のアクチュエーター361に接続されており、アクチュエーター357を作動させることで、シャッター355を各溝371の延長方向とは垂直な方向にずらすことができる。図32は、アクチュエーター357、361が作動して、シャッター355、359が共に閉鎖状態となったところを示している。この閉鎖状態は、シャッター355、359の開口部356、360の位置が溝371、372の位置とずれることで生ずる。このようにシャッター355、359を閉じることで、ファン351、353からの空気は溝371、372に流入せず、従って蒸発と放熱はシャッターを開いた状態に比べて抑制されることになる。なお、図32では、アクチュエーター357、361が作動して、シャッター355、359が共に閉鎖状態となっているが、一方のアクチュエーター357、361だけを作動させて制御を行うこともでき、また、シャッター機構を設けずにファンの動作を休止したり回転速度を調整するようにしても良い。
In the fuel cell of the present embodiment, shutters 355 and 359 are provided in the
本実施の形態の燃料電池では、酸素の供給に限らず、放熱を水分の除去が可能であり、高出力と安定した出力が実現されることになる。また、シャッター機構などによって蒸発と放熱についての個別の制御が可能であり、更に制御特性を向上させることができる。 In the fuel cell according to the present embodiment, not only the supply of oxygen but also water can be removed for heat radiation, and a high output and a stable output can be realized. Further, individual control of evaporation and heat dissipation can be performed by a shutter mechanism or the like, and control characteristics can be further improved.
[ 第5の実施の形態]
本実施の形態は、単独のファンによって放熱と蒸発の両方を制御する燃料電池の例である。図33に示すように、放熱用に使用される溝398と、蒸発用に使用される溝399が筐体400に交互に設けられている。それぞれの溝398、399は略直線状であり、発電体の短辺方向で両端に亘る長さに延長されている。各溝398、399の断面形状は、略矩形状であるが、これに限定されず半円形状やV字状などの他の形状であっても良い。なお、放熱用に使用される溝398は発電体のセパレーター上を通過し、蒸発用に使用される溝399は発電体のセパレーターに設けられた開口部上を通過する。
[Fifth embodiment]
The present embodiment is an example of a fuel cell that controls both heat dissipation and evaporation by a single fan. As shown in FIG. 33, a groove 398 used for heat dissipation and a
溝398、399の一方の端部には空気流動手段であるファン390が設けられており、他方の端部にはファンなどの空気流動手段が形成されていない。ファン390は円筒状の回転体の周囲に螺旋状に羽根部389が形成された構造を有しており、モーター391を回転させた場合では、回転軸に沿った方向に空気を流動させることができる。モーター391を正転させた場合と逆転させた場合では、ファン390のモーター側端部から送風されるかモーター391の反対側端部から送風されるかが異なってくることになる。
A fan 390 which is an air flow means is provided at one end of the
複数の蒸発用溝399は連絡部396に設けられた溝397に共通して接続され、この溝387はファン390のモーター391の反対側端部に管395を介して接続する。従って、モーター391の反対側端部から送風されるようにモーター391を回転させると、管395と溝397を介して複数の蒸発用溝399に空気が案内されて発電体表面の水分の蒸発を促進させることができる。また、複数の放熱用溝398は、連絡部393に設けられた溝394に共通して接続され、この溝384はファン390のモーター側端部に管392を介して接続する。従って、モーター391に近い側の端部から送風されるようにモーター391を回転させると、管392と溝394を介して複数の放熱用溝398に空気が案内されて発電体表面の放熱を促進させることができる。なお、逆方向の送風を防止するためにシャッターや弁などを管392、395の途中などに設けても良い。
The plurality of
このような構造の本実施の形態の燃料電池においては、単独のファン390によって放熱と蒸発の両方を制御することが可能である。従って、部品点数も少なくできることから、燃料電池の低コスト化と発電効率の向上を同時に実現できる。 In the fuel cell of the present embodiment having such a structure, both heat radiation and evaporation can be controlled by a single fan 390. Therefore, since the number of parts can be reduced, it is possible to simultaneously realize a reduction in the cost of the fuel cell and an improvement in power generation efficiency.
なお、上述の実施の形態においては、空気流動手段として主にファンを形成する例について説明したが、例えばポンプなどの空気に圧力差を生じさせて流動させる機器を使用しても良い。 In the above-described embodiment, the example in which the fan is mainly formed as the air flow means has been described. However, for example, a device such as a pump that causes a pressure difference to flow in the air may be used.
なお、本発明においては、燃料電池、燃料電池カードを搭載する機器の一例としてノート型パソコンについて説明したが、他の使用例として、本発明は、ポータブルなプリンターやファクシミリ、パソコン用周辺機器、電話機、テレビジョン受像機、通信機器、携帯端末、時計、カメラ、オーディオビデオ機器、扇風機、冷蔵庫、アイロン、ポット、掃除機、炊飯器、電磁調理器、照明器具、ゲーム機やラジコンカーなどの玩具、電動工具、医療機器、測定機器、車両搭載用機器、事務機器、健康美容器具、電子制御型ロボット、衣類型電子機器、輸送機械、その他の用途に使用できるものである。 In the present invention, a notebook personal computer has been described as an example of a device equipped with a fuel cell and a fuel cell card. However, as another example of use, the present invention can be applied to a portable printer, facsimile, personal computer peripheral device, telephone , Television receivers, communication equipment, portable terminals, watches, cameras, audio video equipment, electric fans, refrigerators, irons, pots, vacuum cleaners, rice cookers, electromagnetic cookers, lighting equipment, toys such as game machines and radio controlled cars, It can be used for electric tools, medical equipment, measuring equipment, on-vehicle equipment, office equipment, health and beauty instruments, electronically controlled robots, clothing-type electronic equipment, transportation machinery, and other applications.
また、本発明では、燃料として主に水素ガスを使用する例について説明したが、いわゆるダイレクトメタノール方式に対応してメタノール等アルコール類(液体)を燃料とする構成としても良い。 Further, in the present invention, an example in which hydrogen gas is mainly used as the fuel has been described. However, an alcohol (liquid) such as methanol may be used as the fuel corresponding to the so-called direct methanol system.
10…燃料電池カード、11,12…発電体、13…水素供給部、14…上側筐体、15…下側筐体、16…上側集電体、17…下側集電体、18…水素吸蔵スティック、47…連絡溝、71…酸素側電極、72…プロトン伝導体膜、73…水素側電極、74…シール材、75…孔、81,82…水素側集電体、83,84…絶縁膜、91…水素配管部、50,100…絶縁フィルム、201…燃料電池、202…水素貯蔵カートリッジ、211…上側筐体、212…下側筐体、222,223…開口部、排出部、231,233…ファン、235,236…モーター、251,252…発電体、301…カード状筐体、302…水素貯蔵カートリッジ、303…発電体、305…発電側結合部、307…流量調整部、309…制御回路部、311…配線基板、312,313…ファン、314,315…モーター、351,353…ファン、352,354…モーター、355,359…シャッター、357,361…アクチュエーター、370…筐体、371,372…溝、375…開口部、381,385…集電板、382…水素側電極、383…電解質膜、384…酸素側電極、386…セパレーター、390…ファン、391…モーター、398,399…溝、400…筐体
DESCRIPTION OF
Claims (61)
ことを特徴とする燃料電池。 A proton conductor membrane, a planar fuel side electrode and an oxygen side electrode sandwiching the proton conductor membrane, a fuel supply means to the fuel side electrode, and the oxygen side electrode in close contact with the oxygen side electrode A fuel cell comprising a planar current collector having a permeable portion that opens.
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein the fuel supply means supplies hydrogen or methanol as fuel.
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein the transmission part of the current collector is an opening formed by cutting out the current collector.
ことを特徴とする請求項3記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 3, wherein a plurality of the openings are formed.
ことを特徴とする請求項2記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 2, wherein the fuel supply means includes a pair of planar fuel-side current collectors that are opposed to each other with an insulating film having a fuel flow path of the fuel cell interposed therebetween.
ことを特徴とする燃料電池。 A proton conductor membrane, a planar fuel side electrode and an oxygen side electrode sandwiching the proton conductor membrane, a fuel supply means to the fuel side electrode, and the oxygen side electrode in close contact with the oxygen side electrode A planar oxygen-side current collector having a permeation portion to be opened; and a housing having a gas inflow portion formed on the outside of the oxygen-side current collector and formed in communication with the permeation portion.
The fuel cell characterized by the above-mentioned.
ことを特徴とする請求項6記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 6, wherein the transmissive portion of the current collector is an opening portion in which the current collector is cut out, and the gas inflow portion is formed of an opening portion in which the housing is cut out.
ことを特徴とする請求項7記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 7, wherein the opening formed by cutting out the current collector and the opening formed by cutting out the housing have substantially the same surface shape.
ことを特徴とする燃料電池。 It is sandwiched between the pair of power generators, a substantially flat casing having gas inflow portions formed on the front and back surfaces, a pair of power generators disposed in the casing with the surfaces facing each other, and the like. Fuel supply means for supplying fuel to the power generation body, and a portion of the power generation body that is communicated with the gas inflow portion and between the front and back surfaces of the housing and the pair of power generation bodies are opened to the atmosphere And a planar oxygen-side current collector having a permeating portion.
ことを特徴とする請求項9記載の燃料電池。 10. The fuel cell according to claim 9, wherein the power generator includes a proton conductor membrane, and a planar fuel side electrode and an oxygen side electrode sandwiching the proton conductor membrane, respectively.
ことを特徴とする請求項9記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 9, wherein an insulating film is formed between the casing and the oxygen-side current collector.
ことを特徴とする請求項11記載の燃料電池。 The transmissive portion of the current collector is an opening cut out of the current collector, the insulating film has an opening cut out of a part, and the gas inflow portion is an opening cut out of the housing The fuel cell according to claim 11, comprising: a portion.
部は実質的に同じ面形状を有する
ことを特徴とする請求項11記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 11, wherein the openings formed in the current collector, the insulating film, and the housing have substantially the same surface shape.
ことを特徴とする請求項9記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 9, wherein the casing is a PC card size.
ことを特徴とする機能カード。 In a function card that is inserted and installed in a card slot provided in the apparatus main body, a power generation comprising an oxygen side electrode and a hydrogen side electrode facing each other with a proton conductor membrane sandwiched inside the function card housing And generating electric power by supplying oxygen from the gas inlet formed in the casing to the oxygen side electrode in an open state and supplying fuel gas or fuel liquid to the power generator. Function card.
ことを特徴とする請求項15記載の機能カード。 The function card according to claim 15, wherein when the function card is mounted on the apparatus main body, a fuel storage unit is detachably attached to an area of the casing facing the apparatus main body.
ことを特徴とする請求項15記載の機能カード。 A connector portion that is locked to a connector portion formed at the bottom of the card slot of the device body when inserted into the device body, and the generated power can be taken out through the connector portion. The function card according to claim 15.
ことを特徴とする請求項17記載の機能カード。 The function card according to claim 17, wherein information relating to power generation is input / output from the connector section.
ことを特徴とする請求項15記載の機能カード。 The function card according to claim 15, wherein generated power can be taken out from a part of the casing facing the apparatus main body when the function card is attached to the apparatus main body.
ことを特徴とする請求項15記載の機能カード。 The function card according to claim 15, wherein the function card is formed in a size standardized by JEIDA / PCMCIA.
ことを特徴とする請求項15記載の機能カード。 The function card according to claim 15, wherein the function card is a type I size standardized by JEIDA / PCMCIA, and is a type II size when the fuel gas storage unit is attached.
ことを特徴とする機能カード。 In a function card that is inserted into a card slot provided in a peripheral device that can be selectively attached to the apparatus main body, the oxygen side facing the proton conductor membrane is disposed inside the function card housing. A power generation body comprising an electrode and a hydrogen side electrode is arranged, oxygen is taken into the oxygen side electrode from the gas inlet formed in the housing in an open state, and fuel gas or fuel liquid is supplied to the power generation body A functional card that generates electricity by
ことを特徴とする燃料電池。 The housing has a housing that is substantially the same shape as the housing of the removable storage medium. Inside the housing is a power generator that includes an oxygen-side electrode and a hydrogen-side electrode that face each other with a proton conductor membrane interposed therebetween. The fuel cell is characterized in that oxygen is taken into the oxygen side electrode from the gas inlet formed in the casing in an open state and fuel gas or fuel liquid is supplied to the power generator to generate power.
ことを特徴とする燃料電池。 A pair of planar power generators supported so that the surfaces are opposed to each other, and a pair of planar collectors sandwiched between the pair of power generators so that a contact surface with the power generator is permeable to gas or liquid A fuel cell comprising: an electric body; and an insulating film having a flow path formed between the pair of planar current collectors and communicating with the power generation body.
ことを特徴とする請求項24記載の燃料電池。 25. A fuel permeable material portion or an opening is provided on the contact surface, and fuel is supplied to the power generator through the fuel permeable material portion or the opening. Fuel cell.
ことを特徴とする請求項24記載の燃料電池。 25. The fuel cell according to claim 24, wherein the insulating film extends so as to circulate around an end portion of the opposing surface of the planar current collector.
ことを特徴とする請求項26記載の燃料電池。 27. The fuel cell according to claim 26, wherein the insulating film is provided with a flow path formed by one or more deformations or notches.
ことを特徴とする請求項27記載の燃料電池。 28. The fuel cell according to claim 27, wherein a valve that can be opened and closed is provided in part or all of the flow path.
ことを特徴とする請求項24記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 24, wherein the insulating film is made of a synthetic resin film.
ことを特徴とする請求項30記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 30, wherein the fuel gas is hydrogen or a gas mainly composed of hydrogen.
ことを特徴とする請求項24記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 24, wherein the power generator is composed of a proton conductor membrane sandwiched between a hydrogen side electrode and an oxygen side electrode.
ことを特徴とする請求項32記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 32, wherein the oxygen side electrode is opened to the atmosphere.
ことを特徴とする請求項24記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 24, wherein a pair of other planar current collectors are formed so as to sandwich the pair of planar power generation bodies.
ことを特徴とする燃料電池。 Four power generating bodies supported so that the two faces arranged in the same plane face each other, and the power generating body are sandwiched between the power generating bodies so that gas or liquid can be transmitted through the contact surface. A fuel cell, comprising: a pair of planar current collectors; and an insulating film having a channel formed between the pair of planar current collectors and communicating with the power generator.
ことを特徴とする請求項35記載の燃料電池。 36. A fuel permeable material portion or an opening is provided on the contact surface, and fuel is supplied to the power generator through the fuel permeable material or the opening. Fuel cell.
ことを特徴とする請求項35記載の燃料電池。 36. The fuel cell according to claim 35, wherein the insulating film extends so as to circulate around an end portion of the opposing surface of the planar current collector.
ことを特徴とする請求項37記載の燃料電池。 38. The fuel cell according to claim 37, wherein the insulating film is provided with a flow path formed by one or more deformations or notches.
ことを特徴とする請求項38記載の燃料電池。 The fuel cell according to claim 38, wherein a valve that can be opened and closed is provided in a part or all of the flow path.
ことを特徴とする燃料電池の燃料供給機構。 An insulating film is sandwiched between a pair of planar current collectors having openings, and fuel is supplied to each opening of the pair of planar current collectors from a fuel flow path formed in a part of the insulating film. A fuel supply mechanism for a fuel cell.
ことを特徴とする請求項40記載の燃料電池の燃料供給機構。 41. The fuel cell according to claim 40, wherein the insulating film has a gas supply port that extends around an end portion of the opposing surface of the planar current collector, and is partially cut away. Fuel supply mechanism.
ことを特徴とする請求項40記載の燃料電池の燃料供給機構。 The fuel supply mechanism for a fuel cell according to claim 40, wherein the insulating film is made of a synthetic resin film.
ことを特徴とする請求項40記載の燃料電池の燃料供給機構。 41. The fuel supply mechanism for a fuel cell according to claim 40, wherein a planar power generation body that generates power using the fuel for the fuel cell is formed on an outer surface of the pair of planar current collectors. .
ことを特徴とする請求項40記載の燃料電池の燃料供給機構。 The fuel supply mechanism for a fuel cell according to claim 40, wherein the fuel is hydrogen, a gas mainly containing hydrogen, or methanol.
ことを特徴とする発電体。 A proton conductor membrane and a pair of planar electrodes sandwiching the proton conductor membrane, and configured such that an end of the proton conductor membrane faces around one of the planar electrodes A power generator, wherein a sealing material is provided in close contact with an end portion.
ことを特徴とする請求項45記載の発電体。 46. The power generator according to claim 45, wherein the sealing material is thicker than one of the planar electrodes.
ことを特徴とする請求項45記載の発電体。 46. The power generator according to claim 45, wherein the other of the proton conductor membrane and the planar electrode has substantially the same planar shape.
ことを特徴とする請求項45記載の発電体。 46. The power generator according to claim 45, wherein a planar gas-permeable current collector is pressure-bonded to one of the sealing material and the planar electrode.
該プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極とを有し、前記面状電極の一方の周囲で前記プロトン伝導体膜の端部が臨むように構成され、該臨んだ端部にシール材が密着して設けられる発電体と、
燃料気体を供給可能とし前記シール材及び前記面状電極の一方に密着する面状集電体とを有する
ことを特徴とする燃料電池。 A proton conductor membrane;
A pair of planar electrodes sandwiching the proton conductor membrane, and is configured such that an end of the proton conductor membrane faces around one of the planar electrodes, and a sealing material is provided at the facing end. A power generator provided in close contact;
A fuel cell comprising a planar current collector capable of supplying a fuel gas and in close contact with one of the sealing material and the planar electrode.
ことを特徴とする請求項51記載の燃料電池。 52. The fuel cell according to claim 51, wherein the sealing material is thicker than one of the planar electrodes.
ことを特徴とする請求項51記載の燃料電池。 52. The fuel cell according to claim 51, wherein the other of the proton conductor membrane and the planar electrode has substantially the same planar shape.
プロトン伝導体膜、該プロトン伝導体膜を挟む一対の面状電極、前記面状電極の一方の周囲で前記プロトン伝導体膜の端部が臨む部分に密着するシール材とを有し、前記面状水素側集電体の各表面に前記シール材及び前記面状電極を介してそれぞれ密着する一対の発電体と、
前記発電体の他方の面状電極にそれぞれ密着する一対の面状空気側集電体と
を有することを特徴とする燃料電池。 A pair of planar hydrogen side current collectors facing each other across an insulating film having a gas flow path of a fuel cell;
A proton conductor membrane, a pair of planar electrodes sandwiching the proton conductor membrane, and a sealing material that is in close contact with a portion facing one end of the proton conductor membrane around one of the planar electrodes, A pair of power generators in close contact with each surface of the hydrogen-like current collector through the sealing material and the planar electrode,
A fuel cell, comprising: a pair of planar air-side current collectors that are in close contact with the other planar electrode of the power generation body.
ことを特徴とする請求項54記載の燃料電池。 55. The fuel cell according to claim 54, wherein the gas permeable portion is formed of an opening or a gas permeable member in which a part of the planar air-side current collector is cut out.
ことを特徴とする請求項54記載の燃料電池。 55. The pair of planar hydrogen side current collectors, the pair of power generation bodies, and the pair of planar air side current collectors are accommodated in a casing having a gas inflow portion. Fuel cell.
ことを特徴とする請求項58記載の燃料電池。 59. The fuel cell according to claim 58, wherein the casing is a PC card size.
ことを特徴とする請求項58記載の燃料電池。 59. The fuel cell according to claim 58, wherein the gas inflow portion reflecting the position of the gas permeable portion formed in the planar air-side current collector is formed in the casing.
ことを特徴とする発電体の製造方法。
A pair of planar electrodes sandwiching the proton conductor membrane is formed so that an end of the proton conductor membrane faces around one of the planar electrodes, and a sealing material is adhered to the facing ends. A method for manufacturing a power generator.
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