(57)【要約】【課題】カソード側から蒸発した水を凝縮させて再使用することにより、膜電極アセンブリにおける水損失を最小化でき、出力電力密度も高めることが可能なプラナー型燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１４；２６および電極１０，１８；２４、２８を含む膜電極アセンブリＡ１と、膜電極アセンブリのカソード１８；２８の側に付着され、カソード側から発生した水蒸気を凝縮させ、凝縮した水蒸気からなる水をカソード側に供給し、非吸水性を有するプレート４０と、を備える。かかる構成によれば、膜電極アセンブリのカソード側に付着された非吸水性のプレートにより、カソード側から発生した水蒸気が凝縮され、凝縮した水蒸気からなる水がカソード側に供給される。【選択図】図１
2008016453.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜および電極を含む膜電極アセンブリと、
前記膜電極アセンブリのカソード側に付着され、前記カソード側から発生した水蒸気を凝縮させ、凝縮した水蒸気からなる水を前記カソード側に供給し、非吸水性を有するプレートと、
を備えることを特徴とするプラナー型燃料電池。
【請求項２】
前記プレートには、前記カソード側から発生した水蒸気が集められて凝縮される空間が設けられることを特徴とする、請求項１に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項３】
前記プレートは、前記膜電極アセンブリと接触する端部を有する突起を備え、前記プレートは、前記突起の周辺で前記膜電極アセンブリから離隔されることを特徴とする、請求項１に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項４】
前記突起は、格子状に配列されることを特徴とする、請求項３に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項５】
前記突起は、円錐、多角錐またはピラーであることを特徴とする、請求項４に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項６】
前記突起の表面には、前記突起の裾部から端部に向けてシワまたは溝が形成されることを特徴とする、請求項４に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項７】
前記プレートには、前記膜電極アセンブリと接触せずに格子配列をなす複数の構造体がさらに形成されることを特徴とする、請求項３に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項８】
１つの前記構造体の周辺には、複数の前記突起が配置されることを特徴とする、請求項７に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項９】
前記プレートには、前記突起および前記構造体によりトレンチが形成されることを特徴とする、請求項７に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項１０】
前記プレートの外側面には、シワが形成されることを特徴とする、請求項１、３および７のうちいずれか１項に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項１１】
前記シワは、前記プレートの外側面を全体的または部分的に覆うことを特徴とする、請求項１０に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項１２】
前記プレートの外側面には、前記突起に対応する位置に前記突起と同じ形状の溝が形成されることを特徴とする、請求項１、３および７のうちいずれか１項に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項１３】
前記構造体は、前記膜電極アセンブリと対向する面の形状が円形または多角形であることを特徴とする、請求項７に記載のプラナー型燃料電池。
【請求項１４】
前記構造体は、円錐または多角錐であることを特徴とする、請求項７に記載のプラナー型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、さらに詳細には、カソード側から発生した水蒸気を凝縮させ、凝集した水蒸気からなる水をカソード側に供給するプレートを有する、プラナー型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ：Direct Methanol Fuel Cell）と、高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）とに大別される。
【０００３】
ＤＭＦＣは、ＰＥＭＦＣに比べて出力密度が低いが、燃料供給が容易であり、バッテリーに比べて出力密度が高いために、バッテリーの代替品となり得ることが知られている。ＤＭＦＣは、一般的にバイポーラ型のスタックを有するが、ＰＤＡ（Personal Desktop assistance）や携帯電話、ノート型コンピュータ用のバッテリーの代替品となるスタックは、総じてモノポーラ型である。
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０００３３４１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在までに、多様なモノポーラ型ＤＭＦＣが紹介されている。現在までに紹介されているモノポーラ型ＤＭＦＣ（以下、従来のＤＭＦＣと称する。）のうち、プラナー型（planar type）のＤＭＦＣは、カソードの全体面が外部に露出している。よって、カソードから発生した水蒸気の多くが外部に消失することを避けられない。これにより、従来のＤＭＦＣでは、出力電力密度を高めることが困難である。
【０００６】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、カソード側から蒸発した水を凝縮させて再使用することにより、膜電極アセンブリにおける水損失を最小化でき、出力電力密度も高めることが可能な、新規かつ改良されたプラナー型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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、電解質膜および電極を含む膜電極アセンブリと、膜電極アセンブリのカソード側に付着され、カソード側から発生した水蒸気を凝縮させ、凝縮した水蒸気からなる水をカソード側に供給し、非吸水性を有するプレートと、を備えるプラナー型燃料電池が提供される。
【０００８】
かかる構成によれば、膜電極アセンブリのカソード側に付着された非吸水性のプレートにより、カソード側から発生した水蒸気が凝縮され、凝縮した水蒸気からなる水がカソード側に供給される。これにより、カソード側から蒸発した水が凝縮されて再使用されるので、膜電極アセンブリにおける水損失を最小化でき、出力電力密度も高めることが可能となる。
【０００９】
また、上記プレートには、カソード側から発生した水蒸気が集められて凝縮される空間が設けられるようにしてもよい。
【００１０】
また、上記プレートは、膜電極アセンブリと接触する端部を有する突起を備え、プレートは、突起の周辺で膜電極アセンブリから離隔されるようにしてもよい。
【００１１】
また、上記突起は、格子状に配列されるようにしてもよい。
【００１２】
また、上記突起は、円錐、多角錐またはピラーであるようにしてもよい。
【００１３】
また、上記突起の表面には、突起の裾部から端部に向けてシワまたは溝が形成されるようにしてもよい。
【００１４】
また、上記プレートには、膜電極アセンブリと接触せずに格子配列をなす複数の構造体がさらに形成されるようにしてもよい。
【００１５】
また、上記１つの構造体の周辺には、複数の突起が配置されるようにしてもよい。
【００１６】
また、上記プレートには、突起および構造体によりトレンチが形成されるようにしてもよい。
【００１７】
また、上記プレートの外側面には、シワが形成されるようにしてもよい。
【００１８】
また、上記シワは、プレートの外側面を全体的または部分的に覆うようにしてもよい。
【００１９】
また、上記プレートの外側面には、突起に対応する位置に突起と同じ形状の溝が形成されるようにしてもよい。
【００２０】
また、上記構造体は、膜電極アセンブリと対向する面の形状が円形または多角形であるようにしてもよい。
【００２１】
また、上記構造体は、円錐または多角錐であるようにしてもよい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、カソード側から蒸発した水を凝縮させて再使用することにより、膜電極アセンブリにおける水損失を最小化でき、出力電力密度も高めることが可能なプラナー型燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下に、添付した図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。なお、図面に示された層や領域の厚さは、説明の便宜上、誇張して示されている。
【００２４】
図１を参照すれば、本発明の実施形態に係る燃料電池は、電解質膜であるメンブレンと、電極とを含むＭＥＡ（Membrane Electrolyte Assembly）Ａ１を有し、ＭＥＡ  Ａ１の上部面に付着されたプレート４０を備える。プレート４０は、ＭＥＡ  Ａ１のカソード側から発生した水蒸気を凝縮させ、凝縮した水蒸気からなる水をカソード側に供給する手段である。よって、プレート４０は、非吸水性を有することが好ましい。ＭＥＡ  Ａ１は、多様な構成を有することができる。例えば、ＭＥＡ  Ａ１の一部領域ａ１の構成を示す、図１の拡大部分Ａで参照されるように、ＭＥＡ  Ａ１は、順次に積層される、アノード１０、第１電流集電体（current collector）１２、メンブレン（電解質膜）１４、第２電流集電体１６およびカソード１８を含むことができる。また、ＭＥＡ  Ａ１は、図１の拡大部分Ｂで参照されるように、順次に積層される、第１拡散層２０、第１電流集電体２２、アノード２４、メンブレン２６、カソード２８、第２電流集電体３０および第２拡散層３２を含むことができる。
【００２５】
ＭＥＡ  Ａ１のかかる構成を参照すれば、プレート４０は、カソード１８または第２拡散層３２に付着されることが分かる。
【００２６】
図１に示すように、プレート４０は、外側面Ｓ１と、ＭＥＡ  Ａ１のカソード側と対向する内側面Ｓ２とを有している。プレート４０の内側面Ｓ２には、図２に示すように、複数の突起４０ａが格子配列で形成されている。突起４０ａの尖った端部は、ＭＥＡ  Ａ１と接触する。突起４０ａにより、突起４０ａの周辺のプレート４０の残り部分とＭＥＡ  Ａ１との間に空間が形成され、この空間を介して空気がカソード側に流入することができる。突起４０ａは、円錐として示されているが、その他に四角錐、三角錐、五角錐などの多角錐でもよい。また、突起４０ａは、ピラーでもよく、例えば、円柱、三角ピラー、四角ピラーなどの多角ピラーでもよい。突起４０ａの長手方向には、シワや溝を形成することが可能である。すなわち、シワや溝は、突起４０ａの下端（裾部）から上端（端部）に向けて形成されている。
【００２７】
プレート４０のＭＥＡ  Ａ１に対向する内側面Ｓ２には、突起４０ａとともに複数の構造体４０ｂがさらに形成されている。構造体４０ｂも、突起４０ａと同様に格子配列をなしている。構造体４０ｂは、四角形として図示されているが、円形や三角形、または、突起４０ａと同じ形態でも可能である。１個の突起４０ａは、４個の構造体４０ｂに取り囲まれており、１個の構造体４０ｂは、複数、例えば４個の突起４０ａに取り囲まれている。
【００２８】
突起４０ａは、前述のように互いに離隔しており、プレート４０に形成された水滴（凝縮した水蒸気）がＭＥＡ  Ａ１に移動するための経路を提供する。水滴は、突起４０ａの表面に沿ってＭＥＡ  Ａ１のカソード１８または第２拡散層３２に移動する。また、プレート４０には、トレンチ４０ｃが形成されている。トレンチ４０ｃは、ＭＥＡ  Ａ１のカソード１８または第２拡散層３２から蒸発した水蒸気を集めるための空間を提供する。プレート４０に構造体４０ｂが形成されていない場合には、複数の突起４０ａの相互間のあらゆる空間を、水蒸気を集めるための空間として提供することが可能である。トレンチ４０ｃに集められた水蒸気は、プレート４０に接触しながら凝縮される。この結果、突起４０ａの表面に水滴が形成され、水滴が突起４０ａの表面に沿ってＭＥＡ  Ａ１のカソード１８または第２拡散層３２に供給される。水滴は、構造体４０ｂの側面にも形成される。構造体４０ｂの側面に形成された水滴は、構造体４０ｂの側面に沿って突起４０ａに移動した後、突起４０ａの表面に沿ってカソード１８または第２拡散層３２に移動する。トレンチ４０ｃは、図示するように、隣接する２つの突起４０ａと隣接する２つの構造体４０ｂとにより形成された領域である。
【００２９】
図３は、図２の一部を拡大して示す図であるが、図３の４−４’断面の断面図に相当する図４と、５−５’断面の断面図に相当する図５とを参照すれば、突起４０ａ、構造体４０ｂおよびトレンチ４０ｃの形態をさらに詳細に知ることができる。
【００３０】
図４を参照すれば、突起４０ａは、プレート４０からカソード１８または第２拡散層３２に向けて形成されている。
【００３１】
図５を参照すれば、構造体４０ｂの突出高は、突起４０ａの突出高より小さい。よって、構造体４０ｂは、カソード１８または第２拡散層３２と接触しない。これにより、構造体４０ｂとカソード１８または第２拡散層３２との間の空間を介して、水蒸気が移動することができる。構造体４０ｂは、突起４０ｂと同じ形態、例えば、突起４０ｂが図示するように円錐である場合には、構造体４０ｂも円錐であることが可能である。また、水蒸気が凝縮して水滴が形成された時点から水滴がカソード１８または第２拡散層３２に移動するまでに要する時間が、構造体４０ｂを設けた場合の時間より長くならなければ、構造体４０ｂを設けないことも可能である。
【００３２】
一方、トレンチ４０ｃに集められた水蒸気を迅速に凝縮させ、突起４０ａの表面に水滴を形成させるためには、水蒸気と接触する、プレート４０、突起４０ａおよび構造体４０ｂの温度を低下させ、水蒸気が有する熱をプレート４０の外側に発散させることが好ましい。よって、プレート４０、突起４０ａおよび構造体４０ｂの温度を低下させるために、外気と接触するプレート４０の外側面の表面積は、可能な限り広いことが好ましい。よって、図４に示すプレート４０の外側面Ｓ１は、図６に示すように、凸凹型に加工することも可能である。また、図７に示すように、プレート４０の外側面Ｓ１には、突起４０ａの形成位置に対応するように、溝５０を形成することも可能である。この場合、溝５０の形態は、突起４０ａと同じであるようにしてもよい。例えば、突起４０ａが円錐であるならば、溝５０も円錐状に形成することが可能である。
【００３３】
このように、プレート４０の平坦な外側面Ｓ１を変形し、外気との接触面積を広くすることにより、トレンチ４０ｃに集められた水蒸気が凝縮されて水滴が形成されるまでに要する時間を短縮することができる。これは、カソード１８または第２拡散層３２とプレート４０との間において、水蒸気が凝縮されて水となるまでの周期が短縮されることを意味する。
【００３４】
図８には、本実施形態に係る燃料電池におけるカソード１８または第２拡散層３２とプレート４０との間で生じる水の循環過程が示されている。
【００３５】
図８を参照すれば、カソード１８または第２拡散層３２から発生した水蒸気５２は、プレート４０のトレンチ４０ｃの内壁、すなわち、突起４０ａの側面および底４０ｃｂと接触し、図８には示されていないが、構造体４０ｂとも接触する。その結果、水蒸気５２は凝縮され、突起４０ａの側面、すなわち、トレンチ４０ｃの内面に水滴５４として形成される。トレンチ４０ｃの内面に形成された水滴５４は、突起４０ａの側面に沿ってカソード１８または第２拡散層３２に流入する。このように、プレート４０からカソード１８または第２拡散層３２に流入した水は、メンブレン１４、２６まで供給され、メンブレン１４、２６の水和状態を適正状態に維持することができる。そして、アノード１０、２４から発生した水素イオン（Ｈ＋）は、メンブレン１４、２６を通過し、カソード１８、２８まで円滑に到達することができる。
【００３６】
水蒸気５２が水滴５４として形成されるまでに要する時間は、カソード１８または第２拡散層３２とプレート４０との間の温度差が大きいほど短縮される。よって、カソード１８または第２拡散層３２とトレンチ４０ｃの底４０ｃｂとの間の距離は、可能な限り長いことが好ましい。すなわち、トレンチ４０ｃの深さは、可能な限り深いことが好ましい。しかし、プレート４０外側面にシワや溝が形成されている場合には、外側面の表面積が広くなるので、シワが形成されていない場合に比べて、距離や深さを短かく、または浅くすることができる。
【００３７】
発明者等は、本実施形態に係る燃料電池の性能を確認するための実験を実施した。
【００３８】
本実験では、図１の拡大部分Ｂのような構成を有するモノポーラ型の燃料電池（以下、テスト電池）を作成して使用した。そして、本実験では、テスト電池のアノード２４に供給する燃料として、純粋メタノールの蒸気を使用した。また、カソード３２の側には、その側面に沿って空気を供給した。また、本実験では、図２に示すようなプレート４０を使用した。
【００３９】
図９および図１０は、本実験の結果を示している。
【００４０】
図９は、本実験で測定したテスト電池の動作時間（運転時間）毎の出力電力密度の変化を示している。
【００４１】
図９のグラフＧ１において、第１時間区間Ｔ１は、プレート４０から水が供給されていない状態での出力電力密度の変化を示し、第２時間区間Ｔ２は、プレート４０から水が供給されている状態での出力電力密度の変化を示している。
【００４２】
図９のグラフＧ１を参照すれば、燃料電池の動作が第２時間区間Ｔ２にある場合の出力電力密度（以下、第２電力密度）が、燃料電池の動作が第１時間区間Ｔ１にある場合の出力電力密度（以下、第１電力密度）より高いことが分かる。具体的には、第２電力密度が第１電力密度より１０％〜１５％ほど高いことが分かる。
【００４３】
図１０は、本実験で測定したテスト電池における電圧（電位）、電力および電流の変化特性を示している。
【００４４】
図１０において、第１グラフＧ１１は、プレート４０からカソード３２の側に水が供給されている状態での電圧−電流特性を示し、第２グラフＧ２２は、プレート４０からカソード３２の側に水が供給されていない状態での電圧−電流特性を示している。そして、第３グラフＧ３３は、プレート４０からカソード３２の側に水が供給されている状態での電流−電力特性を示し、第４グラフＧ４４は、プレート４０からカソード３２の側に水が供給されていない状態での電流−電力特性を示している。
【００４５】
図１０の第１グラフＧ１１と第２グラフＧ２２とを比較すれば、同一の電圧では、プレート４０からカソード３２の側に水が供給されている状態（Ｇ１１）での電流は、水が供給されていない状態（Ｇ２２）での電流より大きいことが分かる。そして、第３グラフ３３と第４グラフＧ４４とを比較すれば、同一の電流では、プレート４０からカソード３２の側に水が供給されている状態（Ｇ３３）の電力は、水が供給されていない状態（Ｇ４４）での電力より大きいことが分かる。
【００４６】
以上説明したように、本実施形態に係る燃料電池は、カソード１８；３２の側に付着され、カソード１８；３２の側から発生した水蒸気を集めて凝縮させ、凝縮した水蒸気からなる水をカソード１８；３２の側に供給するプレート４０を有する。よって、本実施形態に係る燃料電池を利用すれば、カソード１８；３２の側から消失する水の量を最小化でき、プレート４０からカソード１８；３２の側に水を供給できる。これにより、出力電力密度を高めることができ、メンブレン１４；２６の水和状態をカソード１８；３２の側への水素イオン（Ｈ＋）の移送に適した状態で維持することができる。また、プレート４０の構成が簡素であるために、その製作が容易である。
【００４７】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４８】
例えば、本発明が属する技術分野の当業者であれば、プレート４０を同じ目的を有する多様な形態に変形することが可能である。また、ＭＥＡ  Ａ１を異なる構成で実現することが可能であり、異なる構成要素をさらに付加することが可能である。また、プレート４０の外側面Ｓ１とトレンチ底４０ｃｂとの間にヒートパイプの蒸発部が配置されるように、ヒートパイプを備えることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明の水リサイクルプレートを有する燃料電池は、一次電池を必要とするあらゆる種類の電子製品に適用可能であり、例えば、携帯電話、ＰＤＡ、ＭＰ３、ノート型コンピュータおよび携帯用の各種データ処理装置などにおける電池関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】本発明の一実施形態に係る、カソード側から発生した水蒸気を凝縮させ、凝縮した水蒸気からなる水をカソード側に供給するプレートを有する燃料電池を示す立体図である。
【図２】図１に示すプレートのカソード側と対向する面を示す立体図である。
【図３】図２に示すプレートの一部を拡大して示す立体図である。
【図４】図３の４−４’断面を示す断面図である。
【図５】図３の５−５’断面を示す断面図である。
【図６】図１に示すプレートの表面にシワが形成された場合を示す断面図である。
【図７】図１に示すプレートで突起が形成された位置に対応して溝が形成された場合を示す断面図である。
【図８】図１に示す燃料電池において、カソード側から発生した水蒸気がプレートで凝縮されてカソード側に供給される過程を示す説明図である。
【図９】発明者等による実験で測定された動作時間−電力密度特性を示すグラフである。
【図１０】発明者等による実験で測定された電圧、電力および電流特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００５１】
１０、２４    アノード
１２、２２    第１電流集電体
１４、２６    メンブレン（電解質膜）
１６、３０    第２電流集電体
１８、２８    カソード
２０    第１拡散層
３２    第２拡散層
４０    プレート
４０ａ    突起
４０ｂ    構造体
４０ｃ    トレンチ
４０ｃｂ    トレンチ底
５０    溝
５２    水蒸気
５４    水滴
Ａ１    ＭＥＡ
【図１】
2008016453.tif 000003
【図４】
2008016453.tif 000004
【図５】
2008016453.tif 000005
【図６】
2008016453.tif 000006
【図７】
2008016453.tif 000007
【図８】
2008016453.tif 000008
【図９】
2008016453.tif 000009
【図１０】
2008016453.tif 000010
【図２】
2008016453.tif 000011
【図３】
2008016453.tif 000012