(57)【要約】本発明は、少なくとも一つの燃料電池を有する電気化学エネルギー源に関し、前記燃料電池は、負極に結合された第1の集電板、前記負極に接続された燃料源、正極に結合された第2の集電板、前記正極に接続された酸化剤源、および前記負極と前記正極の間に設置されたイオン導電性電解質を有する。本発明はさらに、そのような電気化学エネルギー源を内蔵する電子装置に関する。
2006520995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つの燃料電池を有する電気化学エネルギー源であって、前記燃料電池は、
負極に結合された第1の集電板、
前記負極に接続された燃料源、
正極に結合された第2の集電板、
前記正極に接続された酸化剤源、および、
前記負極と前記正極との間に設置されたイオン導電性電解質、
を有し、当該電気化学エネルギー源は、曲面状の平坦形状を有することを特徴とする電気化学エネルギー源。
【請求項２】
当該電気化学エネルギー源は、前記正極と前記負極の積層体を有し、該積層体は、該積層体がある面に設置されるような曲面形状を有することを特徴とする請求項1に記載の電気化学エネルギー源。
【請求項３】
前記電解質は、プロトン交換膜（PEM）で構成されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の電気化学エネルギー源。
【請求項４】
前記電解質は、前記正極と前記負極との間に設置されたマトリクス内に保持された液体電解質であることを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の電気化学エネルギー源。
【請求項５】
当該電気化学エネルギー源は、相互に電気的に結合された少なくとも一つの燃料電池の組立体を有し、該組立体内の一つのセルを、前記組立体内の別のセルから絶縁する絶縁手段が提供されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の電気化学エネルギー源。
【請求項６】
前記燃料電池を冷却する冷却手段が提供されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の電気化学エネルギー源。
【請求項７】
当該電気化学エネルギー源は、前記燃料電池に電気的に結合された少なくとも一つのバッテリーを有することを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の電気化学エネルギー源。
【請求項８】
前記正極および前記負極には、前記燃料電池の電気化学反応を促進する触媒が設けられることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の電気化学エネルギー源。
【請求項９】
前記燃料電池は、前記正極、前記負極および前記電解質に形成された孔内に設置された高分子によってスタック化されることを特徴とする前記請求項のいずれかに記載の電気化学エネルギー源。
【請求項１０】
請求項1乃至9のいずれかに記載の電気化学エネルギー源を内蔵した電子装置。
【請求項１１】
当該電子装置は、前記電気化学エネルギー源を内蔵するハウジングを有することを特徴とする請求項10に記載の電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つの燃料電池を有する電気化学エネルギー源に関し、前記燃料電池は、負極に結合された第1の集電板、前記負極に接続された燃料源、正極に結合された第2の集電板、前記正極に接続された酸化剤源、および前記負極と前記正極との間に設置されたイオン導電性電解質を有する。さらに本発明は、そのような電気化学エネルギー源を内蔵する電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を有する電気化学エネルギー源は、従来技術として知られている。基本的に、燃料電池はバッテリーのように作動する。ただしバッテリーとは異なり、通常燃料電池では、（燃料と酸化剤を燃料電池に常に供給し続ける限り）出力の低下は生じず、電気的な再充電も不要である。燃料電池は、燃料と酸化剤を燃料電池に供給している限り、（実質的に）電気および熱の状態のエネルギーを発生する。燃料電池には、バッテリーに比べて、使用に際していくつかの利点がある。燃料電池の主な利点は、従来のバッテリー容量に比べて、容量が十分に大きいことである。また燃料電池は、比較的クリーンなエネルギー源である。主に使用燃料の性質にも依存するが、電気化学的変換プロセスの過程では、水蒸気と二酸化炭素（炭素含有燃料を使用した場合）しか発生しない。
【０００３】
電気製品のハウジングの一部と一体化された従来のバッテリーは、米国特許第5,180,645号に示されている。一体化バッテリーは、（恒久的に）装置ハウジングに組み込まれ、あるいは装置ハウジングの一部を構成し、多くの長所を有する。一般に、バッテリーの一体化は、全体寸法の小型化、全体重量の軽量化、電子装置の製作コストの削減につながる。しかしながら、電子装置のハウジングの一部として一体化形成される従来の電気化学エネルギー源には、これらの長所以外に、いくつか欠点もある。一つの欠点は、所望の形状および／またはフォーマットを選択することができず、設計自由度が比較的制限されることであり、例えばフラットバッテリーのような形状に限定されることである。従って通常、前記電子装置のハウジングの形状は、特定の装置に適したバッテリーの形状およびフォーマットに合わされることになる。
【特許文献１】米国特許第5,180,645号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の課題は、少なくとも一つの燃料電池を有し、改良された電気化学エネルギー源を提供することである。該エネルギー源では、従来の長所を維持したまま上述の欠点が解消され、このエネルギー源は任意形状の電子装置に適用することが可能である。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の目的は、最初の段落で示した電気化学エネルギー源であって、曲面状の平坦形状を有する電気化学エネルギー源によって達成される。曲面状の平坦形状を有する電気化学エネルギー源の主な利点は、前記電気化学エネルギー源をいかなる所望の形状にもできることであって、前記電気化学エネルギー源の形状およびフォーマットについての選択の自由度は、現在技術において提供される自由度に比べて、十分に広がる。従って、前記電気化学エネルギー源の形状は、従来技術とは異なり、バッテリーが用いられる、いかなる電気機器に要求される空間制限にも適合することができる。空間上の観点からは、電気機器は、多くの場合、より効率的に配置することができる。電気化学エネルギー源の形状選択の自由度が幅広いからである。これは、空間の省スペース化につながり、電子機器の設計自由度が広がる。曲面状の平坦形状は、凹凸または波型の曲面状の平坦形状を有する曲面バッテリーにつながることに留意する必要がある。ただし当業者には、尖ったフック状のエネルギー源も利用できることが容易に想到できる。
【０００６】
好適実施例では、電気化学エネルギー源は、前記アノードおよび前記カソードの積層体を有し、該積層体は、該積層体をある湾曲面に設置することができるような曲面形状を有する。従って、比較的薄くて細長い積層体を比較的簡単な方法で提供することができる。
【０００７】
電解質は、プロトン交換膜（PEM）で構成されることが好ましい。PEMは固体電解質であり、負極から正極へのプロトンの輸送を提供する。PEMの作動温度は、通常、最大120℃である。燃料電池の用途に応じて、異なる種類の電解質を用いても良い。PEMの他、例えばアルカリ（AFC）、リン酸（PAFC）、溶融炭酸塩（MCFC）および固体酸化物（SOFC）が、電解質として用いられる。別の好適実施例では、前記電解質は、液体電解質であり、特に、アルカリ、リン酸、溶融炭酸塩は、正極と負極の間に設置されたマトリクスに保持される。さらにマトリクスは、燃料電池に用いられる電解質の種類に応じて変化する。アルカリの場合は、通常アスベストがマトリクスとして用いられ、リン酸の場合は炭化珪素が用いられ、溶融炭酸塩の場合は、通常LiAlO2のセラミックマトリクスが用いられる。
【０００８】
好適実施例では、電気化学エネルギー源は、相互に電気的に結合された少なくとも一つの燃料電池の組立体を有し、前記組立体中の一つのセルを、前記組立体中の別のセルから絶縁する絶縁手段が提供される。前記燃料電池は、総出力を増大するため平行に接続され、および／または燃料電池に生じる起電力を増大するため直列に接続される。
【０００９】
別の好適実施例では、前記燃料電池を冷却する冷却手段が提供される。冷却手段は、前記燃料電池から生じる熱を制御する。前記冷却手段は、例えばプレート、柔軟性のある材料層または通常冷却液を含むチューブで形成される。
【００１０】
前記電気化学エネルギー源は、前記燃料電池に電気的に結合された、少なくとも一つのバッテリーを有することが好ましい。バッテリーまたはスーパーキャパシタと燃料電池の一体化によって、いわゆるハイブリッドシステムまたはハイブリッドエネルギー源が得られる。前記ハイブリッドシステムの第1の利点は、高負荷運転が可能となることである。比較的高い出力が必要となる状況では、バッテリーと燃料電池の両方により作動を行わせることができる。ハイブリッドシステムの別の利点は、バッテリーの作動によってシステムを比較的低温から、容易に始動させることができることである。バッテリーとは異なり、従来から燃料電池は、通常低温では、比較的作動性が悪いからである。
【００１１】
正極と負極には、前記燃料電池の電気化学反応を促進させる触媒が付与されることが好ましい。通常触媒の種類は、使用される電解質の種類によって変化する。PEMまたはPAFCにおいては、ほとんどの場合、触媒として白金が用いられる。AFCでは、幅広い種類の触媒が用いられ、例えばニッケル、銀、金属酸化物、スピネル、貴金属およびそれらの混合物が用いられる。
【００１２】
好適実施例では、前記燃料電池は、正極、負極および電解質に形成された孔に設置された高分子によってスタック化される。この方法では、燃料電池は、いわゆる「リチレン（Lithylene）」技術で構成される。この「リチレン」技術は、米国特許出願公開第6,432,576号明細書により詳しく示されている。この技術では、活性材料層自体は高分子に埋設されないが、高分子を用いることにより、材料層同士のみが結合される。正極と負極の結合は、燃料電池の作動温度を広い範囲に拡張するため、通常の燃料電池では重要であり、これにより、燃料電池の構成部材を効果的に膨張、収縮させることができる。固体電気接点は、各温度で、燃料電池内の全ての構成部材間に機能させる必要がある。燃料電池の全ての層を高分子でリベット留めすることによって、触媒層と電解質の間で、この固体接点を維持することができる。高分子の粘度は十分に低くして、高分子が燃料電池内部の空間を十分に充填し、燃料のリークを防止するようにしなければならない。「リチレン」技術は、燃料電池の組立体（スタック）に対して特に有意である。組立体の構成部材のリベット留めによって、前記組立体には比較的良好な機械的強度が得られるからである。高分子材料は、各ホール（孔）の形状と適合するように成形され、これにより、正極、負極および電解質が相互に固定される。前記組立体の形状は、前記組立体を貫通するリベット留めにより、比較的容易かつ単純に、維持することができる。構成部材が高分子でリベット留めされても、燃料と酸化剤が、それぞれの電極に適正に供給されることが重要である。
【００１３】
本発明はさらに、そのような電気化学エネルギー源を内蔵する電子装置に関する。電子装置は、前記電気化学エネルギー源を内蔵するハウジングを有することが好ましい。電子装置の前記ハウジングに、平坦な曲面形状の電気化学エネルギー源を使用することの利点は、上述した通りである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明を、図面に示された実施例を参照して以下、詳しく説明する。ただし図面は発明を限定するものではない。
【００１５】
図1には、燃料電池1の作動原理の概略図を示す。燃料電池は、正極2、負極3および正極2と負極3との間に設置された固体電解質4を有する。この特定の実施例では、（固体）電解質4は、プロトン交換膜（PEM）で構成され、負極3から正極2にプロトンが輸送される。正極2は、酸化剤供給源Aと、過剰酸化剤および反応生成物の出口とに接続され、負極3は、燃料供給源Cと、過剰燃料出口Dとに接続される。この特定の実施例では、燃料として(気体)水素が用いられ、酸化剤として大気中の酸素が用いられる。正極2と負極3は、電子装置5に電気的に接続される。使用中は、水素が負極3で反応して、プロトンと電子が形成される。プロトンは、PEMを介して正極2まで伝導し、電子は電子装置5を介して、前記正極2に輸送される。正極2上では、酸素が到達したプロトンおよび電子と反応して、反応生成物として水が生成される。燃料電池1に添加された水素および酸素の過剰分または未使用分は、再循環されることが好ましく、それぞれ入口Aおよび入口Cを通じて、燃料電池に再添加される。正極2、負極3および電解質4は、「リチレン」技術により、これらの構成部材2、3、4を貫通（リベット留め）する高分子材料9でスタック化される。この方法では、機械的に安定な燃料電池1が製作できる。この特定の実施例では、燃料として水素が使用される。燃料電池1の燃料として他の種類のもの、例えばメタンまたはメタノールが使用できることは容易に想像できる。さらに、燃料電池に使用される酸素以外の酸化剤として、例えば過酸化水素を使用することが可能である。
【００１６】
図2には、本発明による電気化学エネルギー源6の斜視図を示す。電気化学エネルギー源6は、1または2以上の、好ましくは積層された燃料電池を有する。図2では、電気化学エネルギー源6が（任意に選択できる）曲面平坦形状を有することがわかる。
【００１７】
図3には、本発明による電気化学エネルギー源8を備えるシェーバーの斜視図を示す。電気化学エネルギー源8は、シェーバー7のハウジングに適正に収容される曲面形状を有する。電気化学エネルギー源8の形状は、例えば電気シェーバー7等、電気装置側の要求を満足するように選択することができ、電気機器内の利用可能空間を利用して、電気化学エネルギー源8を収容することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】燃料電池の作動原理の概略図である。
【図２】本発明による電気化学エネルギー源の筐体の斜視図である。
【図３】本発明による電気化学エネルギー源を備えるシェーバーの斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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2006520995.tif 000007