(57)【要約】      （修正有）【課題】軽量であり通気性と機械的な強度とを両立させた筐体を備えた燃料電池を提供する。【解決手段】燃料供給部２と、外部から酸素を導入する酸素導入部６と、前記燃料供給部２から供給された前記燃料と、前記酸素導入部６から供給された酸素と、により電力を発生する発電部４と、前記燃料供給部２と前記発電部４と前記酸素導入部６とを収容するアノード側筐体部１４０と、前記酸素導入部６に面して前記アノード側筐体部１４０の上に設けられたカソード側筐体部１５０と、を備え、前記カソード側筐体部１５０は、その面内の中央部分が厚く、周囲が薄く形成されてなることを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
2006331928.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料供給部と、
外部から酸素を導入する酸素導入部と、
前記燃料供給部から供給された前記燃料と、前記酸素導入部から供給された酸素と、により電力を発生する発電部と、
前記燃料供給部と前記発電部と前記酸素導入部とを収容するアノード側筐体部と、
前記酸素導入部に面して前記アノード側筐体部の上に設けられたカソード側筐体部と、
を備え、
前記カソード側筐体部は、その面内の中央部分が厚く、周囲が薄く形成されてなることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記カソード側筐体部は、前記酸素導入部に酸素を導入するための貫通孔を有することを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
【請求項３】
前記カソード側筐体部は、金属により形成されてなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記カソード側筐体部は、前記酸素導入部に対向する内面が平坦面とされ、外部に対向する外面が突出することにより前記厚い部分が形成されてなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池。
【請求項５】
前記アノード側筐体部は、酸素導入部側に開口し前記前記燃料供給部と前記発電部と前記酸素導入部とを収容する収容空間と、前記酸素導入部側の開口端から側方に突出する突起部と、を有し、
前記カソード側筐体部は、前記酸素導入部側の開口を塞ぎ、その周囲が前記突起部を回り込むように変形固定されてなることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に関し、より詳細には、通気性と機械的な強度とを両立させた筐体を備えた燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
ノートパソコン、小型オーディオプレーヤやワイヤレスヘッドセットなどの小型電子機器の電源として、メタノールなどを燃料とした燃料電池が実用化されつつある。このメタノール燃料電池（ＤＭＦＣ:Direct Methanol Fuel Cell）は、 自発呼吸型の燃料電池であり、燃料としてのメタノールが毛細管現象や拡散現象等により、燃料極まで自発的に輸送する。そして、燃料極で発生した活性化した水素元素（以下、プロトン）及び電子と、電解質膜を介して空気側から取り込んだ酸素ガスとの間で電気化学反応が生じ、電力が発生する。（例えば、特許文献１および特許文献２）。
【特許文献１】特開２００２−２１６７９１号公報
【特許文献２】特開２００３−２８２１３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般的に、燃料電池においては、発電時の副生成物として二酸化炭素（ＣＯ２）ガスが発生する。この二酸化炭素ガスは筐体に設けられたガス排出孔から排出されるが、ガス排出量が律速になると、燃料電池の内部は加圧され、酸化剤極側の筐体部が変形する場合もあり得る。  
この観点から、独自の検討を行った結果、本発明者は、酸化剤極側の筐体部が変形しにく構造を有する燃料電池について新たな知見を得るに至った。
【０００４】
本発明はかかる新たな知見に基づいてなされたものであり、その目的は、軽量であり通気性と機械的な強度とを両立させた筐体を備えた燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様によれば、
燃料供給部と、
外部から酸素を導入する酸素導入部と、
前記燃料供給部から供給された前記燃料と、前記酸素導入部から供給された酸素と、により電力を発生する発電部と、
前記燃料供給部と前記発電部と前記酸素導入部とを収容するアノード側筐体部と、
前記酸素導入部に面して前記アノード側筐体部の上に設けられたカソード側筐体部と、
を備え、
前記カソード側筐体部は、その面内の中央部分が厚く、周囲が薄く形成されてなることを特徴とする燃料電池が提供される。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、軽量であり通気性と機械的な強度とを両立させた筐体を備えた燃料電池を提供でき、産業上のメリットは多大である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。  
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池の基本構成を表す概略断面図である。  
すなわち、本実施形態の燃料電池は、アノード側筐体部１４０の中に、燃料供給部２と、発電部４と、酸素導入部６と、がこの順に積層された構造を有する。そして、アノード側筐体部１４０の上部にはカソード側筐体部１５０が設けられて筐体が構成され、その内部の要素が機械的な衝撃や外力などから保護されている。
【０００８】
燃料供給部２は、メタノールなどの燃料を発電部４に供給する部分であり、その下面や側面などには燃料供給口１０が設けられている。燃料供給口１０には、メタノールなどの液体燃料が充填されたタンクなどが接続され、燃料供給口１０を介して液体燃料が燃料供給部２に供給される。  
一方、酸素導入部６は、矢印Ａで表したように、外部から酸素を取り入れて発電部４に供給する部分である。酸素を酸素導入部６に導入するため、カソード側筐体部１５０には、図示しない貫通孔を設けて、十分に良好な通気性を確保する必要がある。  
発電部４は、これら燃料と酸素との電気化学反応により電力を発生する。なお、これら各要素の具体的な構造については、後に詳述する。
【０００９】
そして、本実施形態においては、カソード側筐体部１５０をその面内方向に見て、厚みの分布が設けられている。具体的には、カソード側筐体部１５０は、その中央付近が厚く、周囲は薄く形成されている。このようにすると、カソード側筐体部１５０の通気性を確保しつつ、軽量で、十分な機械的強度が得られる。
【００１０】
すなわち、このような燃料電池においては、発電時の副生成物として二酸化炭素（ＣＯ２）ガスが発生する。この二酸化炭素ガスは筐体に設けられたガス排出孔（図示せず）から排出されるが、ガス排出量が律速になると、燃料電池の内部は加圧される。一般に、アノード側筐体部１４０は、肉厚のプラスチックなどにより形成するため、内部圧力が上昇しても変形は少ない。これに対して、カソード側筐体部１５０は、肉薄の金属板などにより形成し、しかも、通気性を確保するために、多数の貫通孔を設ける必要がある。このため、燃料電池の内部に二酸化炭素ガスが蓄積され、内部が加圧されると、その圧力Ｐにより、カソード側筐体部１５０を押し上げる応力が作用する。
【００１１】
これに対して、本実施形態によれば、カソード側筐体部１５０の中央を厚く、周囲を薄く形成することにより、カソード側筐体部１５０の変形を効率的に抑制することができる。
【００１２】
以下、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。  
図２は、本発明にかかるカソード側筐体部１５０の構造を具体的に表す模式図である。
【００１３】
また、図３は、本発明の実施形態に係る燃料電池の具体的な構造を例示する概略断面図である。  
すなわち、本具体例の燃料電池は、保液シート２０と、多孔質膜３０と、燃料極側集電体４０と、燃料側ガス拡散層５０と、燃料極６０と、電解質板７０と、酸化剤極８０と、酸化剤側ガス拡散層９０と、酸化剤側集電体１００と、保湿シート１１０と、をこの順に積層させた構造を有する。これらの要素は、アノード側筐体部１４０により保護されている。アノード側筐体部１４０の下面に燃料供給口１０が設けられ、または、アノード側筐体部１４０の側面に燃料供給口１０が設けられている。燃料供給口１０には、メタノールなどの燃料が充填されたタンクなどが接続され、燃料供給口１０を介して燃料が保液シート２０に供給される。
【００１４】
次に、本具体例の燃料電池における発電メカニズムについて説明する。  
まず、燃料極６０側は、次式（１）により表されるメタノールと水の電気化学反応に基づく半反応により、プロトン（Ｈ＋）と電子（ｅ−）とを発生させる。
ＣＨ３ＯＨ(l)＋Ｈ２Ｏ(l)  →  ＣＯ２(g)↑＋６Ｈ＋＋６ｅ−  （１）
ここで、メタノールは毛細管現象をドライビングフォースとして保液シート２０の中を自発的に移動し、燃料極側集電体４０に設けられた開口（図示せず）から、燃料側ガス拡散層５０を経由して燃料極６０に供給される。
【００１５】
これに対応して、酸化剤極８０側においては、保湿シート１１０から燃料電池系内に酸素を取り込み、次式（２）より表される半反応により、大気中の酸素（Ｏ２）ガスを燃料側からのＨ＋とｅ−と、電気化学反応を行うことで、発電が生じる。  
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−  →  ３Ｈ２Ｏ                  （２）
なお、この電気化学反応により生じた水（Ｈ２Ｏ）は、電解質板７０を透過し、燃料極６０へ移動し、再度（１）の電気化学反応に基づく半反応において燃料の一部として、再利用することが可能である。
【００１６】
そして、以上説明した燃料電池の各要素は、アノード側筐体部１４０に収納され、その上部は、図２に例示したように空気を系内に取り込むための複数の貫通孔を有するカソード側筐体部１５０が設けられている。アノード側筐体部１４０は、例えば、プラスチックや樹脂などからなり、上方が開口した筺状に形成されている。そして、カソード側筐体部１５０は、例えば、ステンレスなどの薄板により形成される。そして、カソード側筐体部１５０は、アノード側筐体部１４０の上部開口の周囲に形成された突起部１４０Ａを回り込むようにかしめて嵌め合うことができる。このようにすると、上部が開口したアノード側筐体部１４０の中に燃料電池の各要素を収容し、しかる後に、カソード側筐体部１５０を被せてその周囲をかしめて固定することができ、組立が容易となる。
【００１７】
ここで、（１）式に表した電気化学反応により発生した二酸化炭素ガス（ＣＯ２）は、多孔質膜３０を介して、直径数１０マイクロメートル〜数ミリメートル程度のガス排出孔１３０から燃料電池の系外へ排出される。しかし、ガス排出孔１３０からのガス排出速度が律速になると、ＣＯ２ガスは、電解質板７０の下側の空間に滞留し、加圧して電解質板７０を上方に押し上げる圧力を与える。すると、カソード側筐体部１５０にこの圧力が加わり、上方に変形させる応力が作用する。
【００１８】
これに対して、本実施形態によれば、図１及び図２に表したように、カソード側筐体部１５０の中央付近を厚く、周囲を薄く形成することにより、カソード側筐体部１５０の全体を肉厚にすることなく、その変形を抑制することができる。
【００１９】
後に詳述するように、カソード側筐体部１５０の厚み分布は、中心の厚みをＴ、端の厚みをｔとすると、Ｔ／ｔが１．５から３．０程度とするとよい。また、カソード側筐体部１５０の中心の厚みＴは０．１ミリメートルから１．０ミリメートル程度とすることができる。さらにまた、その材質としては、ステンレス、ニッケル、鉄などの金属材料の他にも、例えば、プラスティックなどの有機材料等を用いることも可能である。  
本発明の実施形態にかかるカソード側筐体部１５０について説明した。
【００２０】
次に、本実施形態の燃料電池を構成する主要部の材料の具体例について説明する。  
まず、燃料供給口１０は熱可塑性ポリエステル、保液シート２０はナイロン繊維、多孔質膜３０は厚さ２００マイクロメートルのシリコーンゴムシートによりそれぞれ形成することができる。  また、燃料極６０は、白金族元素の単体金属（例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏａ、Ｐｄ等）や白金属元素を有する合金などを用いて形成することができ、メタノールや一酸化炭素に対する耐性の強いＰｔ−Ｒｕ合金を用いることが望ましいが、これには限定されない。また、燃料極６０の材料として、炭素材料のような伝導性担持体を使用する担持触媒を用いることもできる。  
電解質板７０には、例えば、スルホン酸基を有するフッ素系樹脂、スルホン酸基を有するハイドロカーボン系樹脂、タングステン酸やリンタングステン酸などの無機物などを用いることができるが、これらには限定されない。一方、酸化剤極８０には、白金族元素の単体金属（例えば、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｏｓ、Ｐｄ等）、白金族元素を含有する合金など、炭素材料のような伝導性担持体を使用する担持触媒を使用することもできる。
【００２１】
また、保湿シート１１０としては、例えば、厚み５００マイクロメートルのポリエチレン製多孔質フィルムを用いることができる。この場合、フィルムの透気度は、例えば２秒／１００ｃｍ３程度で、透湿度は４０００ｇ／ｍ２・２４ｈ程度とすることができる。  また、この燃料電池の外形寸法は、例えば、長さ３０ミリメートル×幅２０ミリメートル×厚さ５ミリメートル程度の板状とすることができる。  
【００２２】
以上、本実施形態に用いることができる燃料電池の具体的な材料について説明した。
【００２３】
次に、本発明者が実施した実施例および比較例を参照しつつ、本発明の実施の形態についてさらに詳細に説明する。  
すなわち、本発明者は、本発明の実施例と、その比較例に用いたカソード側筐体部１５０が加圧された状態を、ＦＥＭ法（Finite Element Method）にて構造解析を行い、応力分布から最大変形量を算出し、その値を評価した。ここで、本実施例で行った構造解析の詳細な条件を以下に述べる。
【００２４】
構造解析は、MSC.Software社製のＭａｒｃ２００５（商標名）にて行った。また、その境界条件としては、カソード側筐体部１５０の外周を３次元方向から固定し、凸面の裏面から略垂直方向へ０．１ＭＰａの圧力を加えた状態とし、その際の応力分布はモノトーン色の濃淡で表し、荷重が大きい程薄く、小さいほど濃くなるよう表示した。また、最大変形量は、変形前後のカソード側筐体部１５０の最表面を測定した。
【００２５】
ここで、カソード側筐体部１５０の開口率は、２５パーセント、主面寸法は幅１００ミリメートル×長さ１００ミリメートルの正方形とし、その物性値として、ヤング率２００ＧＰａ、ポアソン比０．３とした。
【００２６】
図４は、本発明の実施例のカソード側筐体部１５０を表す模式図である。  
また、図５乃至図７は、比較例のカソード側筐体部１５０を表す模式図である。  
また、図８は、本発明の実施例についての解析結果を表し、図９乃至図１２は、比較例についての解析結果をそれぞれ表す。  
まず、比較例について以下に説明する。
【００２７】
（比較例１〜４）
図５に表した比較例のカソード側筐体部１５０は、面内方向にみて、厚みが均一に形成されている。その厚みは、０．３０ミリメートル（比較例１）及び０．３７ミリメートル（比較例２）とした。体積は、それぞれ、２２５０立方ミリメートル、２７５０立方ミリメートルである。
【００２８】
次に、図６に表した比較例のカソード側筐体部（比較例３）は、中心付近で薄く、周囲で厚く形成されている。ここでは、具体的に、中心の最小厚み０．３０ミリメートル、端部の最大厚み０．４４ミリメートルの凹状とした。その体積は、２７５０立方ミリメートルである。
【００２９】
次に、図７に表した比較例のカソード側筐体部（比較例４）１５０は、中心と周囲とで薄く、これらの間の領域で厚くなるように形成されている。ここでは、具体的に、中心と端部の最小厚み０．３０ミリメートル、その間の部分の最大厚みを０．４３ミリメートルとした。その体積はね２７５０立方ミリメートルである。
【００３０】
図９乃至図１２は、それぞれ比較例１〜４の変位を表す模式図である。  
いずれも、中心付近が凸状に変形することが分かった。また、その最大変位量は、それぞれ、１．０２ミリメートル（比較例１）、０．８１ミリメートル（比較例２）、０．８４ミリメートル（比較例３）、０．８８ミリメートル（比較例４）であった。すなわち、厚みに分布を設けた比較例３及び比較例４は、肉薄の平板状の比較例１よりも変形量が小さかったが、同一体積で平板状の比較例２よりも変形量が大きいことが判明した。
【００３１】
（実施例）
次に、本発明の実施例について説明する。  
本実施例のカソード側筐体部１５０は、図４に表したように、燃料電池の内側を平坦面とし、大気側を突出させた断面形状を有し、その中心の最大厚みを０．６ミリメートル、端部の最小厚みを０．３ミリメートルとした。その体積は、２７５０立方ミリメートルである。
【００３２】
変位についてみると、図８に表したように、中心付近が凸状に変形するが、その最大変形量は０．７３ミリメートルであり、いずれの比較例よりも変形が小さいことが判明した。
【００３３】
図１３は、本実施例及び比較例１〜４の最大変位量をまとめたグラフ図である。  
本実施例によれば、いずれの比較例よりも変位が小さく、体積の増加を抑制することにより軽量で、しかも変形量の少ないカソード側筐体部１５０を実現できることが確認できた。
【００３４】
また、本発明においては、図２及び図４に表したように、燃料電池の内側を平坦面とする代わりに、図１４に例示したように、大気側を平坦面とし、燃料電池の内側に向けて突出する断面形状としてもよい。  
または、図１５に例示したように、大気側と燃料電池の内側の両方に向けて突出する断面形状としてもよい。
【００３５】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明はこれらの具体例に限定されるものではない。  
例えば、カソード側筐体部１５０の板厚み、材質、板厚み分布、貫通孔の形状・サイズ、数等について、当業者が適宜変更したものであっても、本発明の主要を有する限りにおいて、本発明の範囲に包含される。  
また、本発明の燃料電池を構成する各要素の材質、サイズ、形状、配置関係などについては、当業者が適宜変更を加えたものであっても、本発明の要旨を包含する限りにおいて本発明の範囲に包含される。またさらに、燃料電池に用いる燃料は必ずしも液体状のものには限定されず、例えば、固体状の燃料や、流動体状の燃料や、気相と液相との混合状態である臨界流体状の燃料などを用いたものも本発明の範囲に包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池の基本構成を表す概略断面図である。
【図２】本発明にかかるカソード側筐体部１５０の構造を具体的に表す模式図である。
【図３】本発明の実施形態に係る燃料電池の具体的な構造を例示する概略断面図である。
【図４】本発明の実施例のカソード側筐体部を表す模式図である。
【図５】比較例１及び２のカソード側筐体部を表す模式図である。
【図６】比較例３のカソード側筐体部を表す模式図である。
【図７】比較例４のカソード側筐体部を表す模式図である。
【図８】本発明の実施例についての解析結果を表す模式図である。
【図９】比較例１についての解析結果を表す模式図である。
【図１０】比較例２についての解析結果を表す模式図である。
【図１１】比較例３についての解析結果を表す模式図である。
【図１２】比較例４についての解析結果を表す模式図である。
【図１３】本実施例及び比較例１〜４の最大変位量をまとめたグラフ図である。
【図１４】本発明の実施例のカソード側筐体部を表す模式図である。
【図１５】本発明の実施例のカソード側筐体部を表す模式図である。
【符号の説明】
【００３７】
１０ 燃料供給口
２０ 保液シート
３０ 多孔質膜
４０ 燃料側集電体
５０ 燃料側ガス拡散層
６０ 燃料極
７０ 電解質板
８０ 酸化剤極
９０ 酸化剤極側ガス拡散層
１００ 酸化剤極側集電体
１１０ 保湿シート
１３０ ガス排出孔
１４０ アノード側筐体部
１５０ カソード側筐体部
【図１】
2006331928.tif 000003
【図２】
2006331928.tif 000004
【図３】
2006331928.tif 000005
【図１３】
2006331928.tif 000006
【図４】
2006331928.tif 000007
【図５】
2006331928.tif 000008
【図６】
2006331928.tif 000009
【図７】
2006331928.tif 000010
【図８】
2006331928.tif 000011
【図９】
2006331928.tif 000012
【図１０】
2006331928.tif 000013
【図１１】
2006331928.tif 000014
【図１２】
2006331928.tif 000015
【図１４】
2006331928.tif 000016
【図１５】
2006331928.tif 000017