(57)【要約】【課題】燃料電池は、加熱することで発電効率を向上するが、ヒーター等電力を用いる加熱手段を用いると、アプリケーションのための電力が減少してしまうという課題があった。【解決手段】本発明では、電池内または燃料電池を構成する部材などに、電磁波を吸収して発熱する材料を含有させることで、無電力で燃料電池セルを加熱することが可能になり、発電効率が向上した。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質をはさんで正極と負極を有する燃料電池において、電池内または電池を構成する部材が電磁波を吸収して発熱する材料を含有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記電磁波を吸収して発熱する材料が、金属酸化物、炭素材料、ポリマー材料の少なくとも１種以上を含有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記電磁波を吸収して発熱する材料が、粉体または繊維状であることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記正極と前記負極の少なくとも一方が触媒層とガス拡散層を有するとともに、前記電磁波を吸収して発熱する材料が前記触媒層中に混合されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記燃料電池を構成する外装に前記電磁波を吸収して発熱する材料が含有されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記燃料電池の電解質に前記電磁波を吸収して発熱する材料が含有されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記電磁波を吸収して発熱する材料が、カーボンマイクロコイルであることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、携帯電子機器の電源として用いられる電源デバイスに関するものであり、特に携帯電話やＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートパソコンなどの小型携帯機器用の電源としての超小型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、携帯電話、ＰＤＡ、デジタルカメラ、ノートパソコン等に代表される小型電子機器用電源としては、ニッケル−水素電池やリチウムイオン電池などに代表される二次電池が主流であるが、機器の高機能化の進行に伴い消費電力が向上し、飛躍的なエネルギー密度の向上が求められている。
【０００３】
しかしながら、前述のような二次電池はすでに理論的に考えうるエネルギー密度に近づきつつあり、飛躍的なエネルギー密度の向上は期待できない。そこで近年ポストリチウムイオン電池として盛んに技術開発が進められているのが、燃料電池である。燃料電池は、空気中の酸素を正極とし、燃料から取り出した水素を負極とし、触媒反応により電子を取り出すような仕組みである。いわば発電器と同様な機能を果たす。燃料が消費して発電できなくなった場合には、燃料を補給すればよく、従来の二次電池のように長時間の充電が必要ない点は、ユーザーにとって大きなメリットである。
【０００４】
燃料電池には、燃料・触媒などの違いによりいくつかの方法がある。たとえばアルカリ型、リン酸型、溶融炭酸塩型、高分子固体電解質型、固体酸化物型などがそれである。中でも小型携帯機器用の燃料電池としては、固体高分子型が適しているといわれている。なぜなら、駆動温度が低いためである。特に、高分子固体電解質型でも、ダイレクトメタノール型（ＤＭＦＣ）と呼ばれる方式は、作動温度が８０〜１００℃であり、非常に低温で作動できる（例えば、特許文献１、または、非特許文献１参照）。しかし、作動温度の低いＤＭＦＣの燃料電池でさえも８０〜１００℃と常温と比べると高い。そのため、ヒーターなどをセル内に設置して加温する方法が用いられている（例えば、非特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特許第３３０７８９１号
【０００６】
【非特許文献１】
池田宏之助編著「燃料電池のすべて」日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ．２１２．
【０００７】
【非特許文献２】
池田宏之助編著「燃料電池のすべて」日本実業出版社、２００１年８月２０日、ｐ．２１７
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のようにヒーターなどを用いて加温する場合、燃料電池で発電した電力の一部を消費してしまい非常に効率が悪い。また、燃料電池動作開始時には、燃料電池の発電も無くヒーターでの加熱が困難であることから、初期駆動用の二次電池あるいはキャパシタ等との併用が必須であった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は、燃料電池内に電磁波を吸収して発熱する部位が設けられる、あるいは、燃料電池を構成する部材が電磁波を吸収して発熱する材料から構成されている。すなわち、燃料電池周辺に存在する電磁波を選択的に吸収することによって発熱する材料を燃料電池内に何らかの状態で用いることで、無消費電力なヒーターを実現することができる。とくに携帯電話等の電源として本燃料電池を用いる場合には、電磁波が多く発生している機器であり非常に有効である。また、携帯機器あるいは精密電子機器などにおいては電磁波によるノイズ対策が必須となるが、この電磁波遮蔽機能と電磁波吸収機能の併用によりより効率的な使い方ができる。
【００１０】
電磁波を吸収する材料としては、炭素、鉄、ステンレス、アルミ、炭化珪素などの粉体や繊維等を用いることができる。また、メタルウール状の形状とすることでより電磁波吸収効率を向上することができる。また、前述の金属系以外にも有機ポリマー材料を用いることも可能である。金属材料の粉体や繊維などと電磁特性を持つポリマー材料を混合し、燃料電池の電極やセル外装などを構成すると設計上より効率的である。特にカーボン材料の一形態であるカーボンマイクロコイルは、電磁波の吸収効率も高く、また触媒を担持している炭素材料とも相性が良く好ましい。カーボンマイクロコイルに触媒を担持することも可能である。電磁波吸収材料およびその形態については例示したもののこれに限定されるものではない。
【００１１】
前述の電磁波吸収材料は吸収したエネルギーを熱として放出する性質があり、この熱をヒーターの代替手段として用いて、燃料電池の発電効率を向上するものである。発電した電力をヒーターとして消費することも無く、また発電開始のヒーター予熱用にキャパシタや二次電池を搭載する必要も無くなり、燃料電池としてはより体積あたりエネルギー密度を向上することができる。
【００１２】
電磁波吸収材料の近傍に熱伝導性がよい材料を配置することで更に加熱効率が向上する。熱伝導性が良い材料としては、銀、カーボン、銅、アルミ、鉄、セラミック等の材料を用いることができる、更にコージライト（２ＭｇＯ・２Ａｌ２Ｏ５・５ＳｉＯ２）、チタン酸アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３・Ｔｉ２Ｏ３）、β−スポジューメン（Ｌｉ２Ｏ・Ａｌ２Ｏ３・４ＳｉＯ２）等の遠赤外線を放出する材料を添加することでさらに熱効率の向上が期待できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、燃料電池の基本構成を示す概略図を示す。正極燃料導入口１３より空気や酸素ガスなどの正極燃料が導入され、正極拡散層１１で拡散される。拡散された正極燃料は、正極触媒層１２で触媒と接し酸素イオンが生成される。
【００１４】
一方、負極燃料導入口２３より水素ガス、メタノールなどの負極燃料が導入され、負極拡散層２１で拡散される。拡散された負極燃料は、負極触媒層２２で触媒に接し水素イオンが生成され、電解質膜３を透過し前述の酸素イオンと反応し水が生成される。このときに発生した電子が電気取り出し口２４、１４から電力として取り出される。
【００１５】
（実施例１）
炭素材料に触媒を担持させた正極触媒層１２および負極触媒層２２に電磁波を吸収して発熱する性質を持つカーボンマイクロコイルを混合し触媒層を構成し、燃料電池を作成した。電磁波を照射すると触媒層が加熱され発電量の向上が確認された。
【００１６】
（実施例２）
正極触媒層１２の正極拡散層１１側へ、カーボンマイクロコイルとエポキシ樹脂を混合した極薄い電磁波吸収層を形成し、正極拡散層１１と接着し、燃料電池を作成した。電磁波を照射すると発熱し発電効率の向上が確認された。さらに、電磁波吸収層を多孔質とすることで酸素の透過率が向上し更に発電効率の向上が確認された。
【００１７】
（実施例３）
実施例２と同様にして、負極拡散層２１と負極触媒層２２の間に電磁波吸収層を設けて燃料電池を作成した。このような構成により、負極燃料を分解する負極触媒の効率が向上し、発電効率が向上した。また、ＤＭＦＣ型の燃料電池ではその効果が更に大きかった。
【００１８】
（実施例４）
外装４へ電磁波を吸収して発熱する性質を持つカーボンマイクロコイルを混合し外装を作成し、燃料電池の発電効率を測定した。電磁波を照射すると外装が発熱し、燃料電池セル全体が加熱され出力の向上が確認された。
【００１９】
（実施例５）
電解質膜４に電磁波を吸収して発熱する性質を持ったポリマー材料を混合して電解質膜を作成し、燃料電池の出力特性を測定した。電磁波をすると出力の向上が確認された。また、電解質膜の表面に電磁波吸収層を形成することでも同様の効果が確認された。
【００２０】
以上、上述の各実施例では、高分子固体電解質型の燃料電池でその効果を確認してきたが、これに限定されるものではない。
【００２１】
【発明の効果】
以上の様に、電解質をはさんで正極としての酸素極及び負極としての燃料極を有する燃料電池において、電池内または電池を構成する部材に電磁波を吸収して発熱する材料を含有することで、電力消費を伴うヒーター等を用いることなく発電効率を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による燃料電池の構成を示す概略図である。
【符号の説明】
１  正極
２  負極
３  電解質膜
４  外装
１１  正極拡散層
１２  正極触媒層
１３  正極燃料導入口
１４  正極電気取り出し口
２１  負極拡散層
２２  負極触媒層
２３  負極燃料導入口
２４  負極電気取り出し口
【図１】
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