(57)【要約】      （修正有）【課題】比較的簡単な構造で電力を廉価かつ安定的に供給することができる固体高分子型燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体高分子型燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置された多孔質炭素電極を平面的に複数個配列し、その両面に、水素ガスおよび酸素を透過させるための開口が設けられたプリント配線基板をそれぞれ配置することによって形成される燃料電池本体１０と、水分子を分解することによって燃料電池本体１０に水素ガスを供給する水素発生材３０とを備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置された多孔質炭素電極を平面的に複数個配列し、その両面に、水素ガスおよび酸素を透過させるための開口が設けられたプリント配線基板をそれぞれ配置することによって形成される燃料電池本体と、
水分子を分解することによって前記燃料電池本体に水素ガスを供給する水素発生材とを備えていることを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
【請求項２】
前記水素発生材に水蒸気を供給する水蒸気凝集装置を更に備え、
前記水蒸気凝集装置が、水蒸気透過性の異なる複数の膜と、前記膜の間に配置された吸湿性物質とを有し、
前記吸湿性物質が、高湿度下において大気中の水蒸気を吸湿し、かつ、低湿度下において吸湿した水を放出する物質で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項３】
前記吸湿性物質が、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、ポリアクリル酸ナトリウム、又はポリグルタミン酸のいずれかであることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項４】
空気中の水蒸気を透過させる高分子膜により前記水素発生材が包装されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空気中の水蒸気を利用した固体高分子型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ユビキタス通信社会の実現が間近であり、能動的ＩＣタグの実用化も迫っている。その際に重要となる技術課題のひとつとして電源の問題がある。ＩＣタグに要求される能力は、近距離通信機能は保有するのはもちろんのこと、振動センサ、温度センサ、光センサ、警報ブザー等が内蔵されて常時情報を取得し続けるように構成されている必要がある。そのため、従来のボタン電池では、これらの要求を満たすことができず、新しい電源が必要となる。近年、携帯機器の電源として燃料電池が注目されており、燃料電池をＩＣタグに内蔵させることは、その出力・効率の高さから、能動的ＩＣタグの機能を大幅に強化し、応用範囲を飛躍的に広げることが期待される。
【０００３】
一方、本発明者は、アルミニウム微粒子を使用した水素ガスの製造方法などに関する新規な発明を提案している（特許文献１〜３）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１２３５１７号公報
【特許文献２】特開２００６−０４５００４号公報
【特許文献３】特開２００６−０６３４０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来のボタン電池の性能では、例えばＩＣタグにおいて、簡単な位置情報等を発信させることができるにすぎず、使用範囲や用途が限定されたものとなる。また、従来の燃料電池では、水素発生装置と燃料電池本体が別々になっているので、両者の間で水素を移送しなければならず、そのため構造が複雑になり小型化の障害となっている。
【０００６】
本発明は、このような現状に鑑みて開発されたものであって、比較的簡単な構造で電力を廉価かつ安定的に供給することができる固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の固体高分子型燃料電池システムでは、本発明者が開発した活性アルミニウム微粒子（特許文献１〜３参照）により製造される水素を利用して燃料電池を発電させるが、水素を安定的に供給するため、活性アルミニウム微粒子に供給する水分を空気中の水蒸気から取得することとした。なお、水素発生材として、活性アルミニウム微粒子以外の金属水素化物を使用してもよい。本発明における水素発生材は、水分子を分解することによって水素を発生させるものである。
【０００８】
本発明の固体高分子型燃料電池システムの主たる用途として、ＩＣタグを想定しているが、ＩＣタグにおいて必要とされる電力は、通常時で３ｍＷ以下、最大時でも瞬間的に３０ｍＷ程度であるため、水素発生材に供給する水分として、水蒸気でも充分である。また、水蒸気を用いて水素発生速度を抑制することにより、水素の発生を長期間にわたって持続させることができるという利点も有する。
【０００９】
本願請求項１に記載された固体高分子型燃料電池システムは、固体高分子電解質膜の両面にそれぞれ配置された多孔質炭素電極を平面的に複数個配列し、その両面に、水素ガスおよび酸素を透過させるための開口が設けられたプリント配線基板をそれぞれ配置することによって形成される燃料電池本体と、水分子を分解することによって前記燃料電池本体に水素ガスを供給する水素発生材とを備えていることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項２に記載された固体高分子型燃料電池システムは、前記請求項１のシステムにおいて、前記水素発生材に水蒸気を供給する水蒸気凝集装置を更に備え、前記水蒸気凝集装置が、水蒸気透過性の異なる複数の膜と、前記膜の間に配置された吸湿性物質とを有し、前記吸湿性物質が、高湿度下において大気中の水蒸気を吸湿し、かつ、低湿度下において吸湿した水を放出する物質で形成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項３に記載された固体高分子型燃料電池システムは、前記請求項２のシステムにおいて、前記吸湿性物質が、塩化カルシウム、塩化マグネシウム、ポリアクリル酸ナトリウム、又はポリグルタミン酸のいずれかであることを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項４に記載された固体高分子型燃料電池システムは、前記請求項１のシステムにおいて、空気中の水蒸気を透過させる高分子膜により前記水素発生材が包装されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の固体高分子型燃料電池システムにより、ＩＣタグ等の小型電子機器により高性能な機能を保有させることができ、従来は困難であった商品／物品の細かな品質管理や頻繁な位置情報の確認などを行うことが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムについて説明する。図１は、本発明の好ましい実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムを模式的に示した断面図、図２は、図１の固体高分子型燃料電池システムに搭載される燃料電池本体の斜視図、図３は、燃料電池本体の分解斜視図である。図１において全体として参照符号１０で示される燃料電池本体は、アノード基板１２と、カソード基板１８とを備えている。
【００１５】
アノード基板１２は、矩形のガラスエポキシ板１４と、ガラスエポキシ板１４の一方の面に設けられたプリント配線１６とを有している（プリント配線１６は模式的に矩形の破線部で図示されている）。プリント配線１６は、図５（ｂ）に示されるように、４個の矩形の集電部１６ａ〜１６ｄと、５個の端子１６ｅ〜１６ｉと、集電部と端子１６ｅ〜１６ｉとを接続する接続回路１６ｊ〜１６ｍ（集電部１６ａと端子１６ｉは接続回路１６ｍ、集電部１６ｂと端子１６ｈは接続回路１６ｌ、集電部１６ｃと端子１６ｆは接続回路１６ｊ、集電部１６ｄと端子１６ｇは接続回路１６ｋで接続される）とに大別される。プリント配線１６は、ガラスエポキシ板１４の面に銅を金メッキすることによって形成されている。なお、アノード基板１２の表面は、プリント配線１６が形成されている箇所以外は、電気的に絶縁されている。
【００１６】
アノード基板１２のガラスエポキシ板１４の集電部１６ａ〜１６ｄが設けられる箇所には、後述するように、水素発生剤から水素ガスを供給するための複数の開口（水素ガス供給用開口）１４ａがそれぞれ設けられている。
【００１７】
カソード基板１８も、アノード基板１２のガラスエポキシ板１４と実質的に同一の寸法の矩形のガラスエポキシ板２０と、ガラスエポキシ板２０の一方の面に設けられたプリント配線２２とを有している（プリント配線２２は模式的に矩形の破線部で図示されている）。プリント配線２２は、図６（ｂ）に示されるように、４個の矩形の集電部２２ａ〜２２ｄと、４個の端子２２ｅ〜２２ｈと、集電部と端子２２ｅ〜２２ｈとを接続する接続回路２２ｉ〜２２ｍ（集電部２２ａと端子２２ｅは接続回路２２ｉ、集電部２２ｂと端子２２ｈは接続回路２２ｌ、集電部２２ｃと端子２２ｆは接続回路２２ｊ、集電部２２ｄと端子２２ｇは接続回路２２ｋで接続される）とに大別される。プリント配線２２は、ガラスエポキシ板１４の面に銅を金メッキすることによって形成されている。なお、カソード基板１８の表面は、プリント配線２２が形成されている箇所以外は、電気的に絶縁されている。
【００１８】
カソード基板１８のガラスエポキシ板２０の集電部２２ａ〜２２ｄが設けられる箇所には、後述するように、空気を供給するための複数の開口（空気供給用開口）２０ａがそれぞれ設けられている。
【００１９】
燃料電池本体１０は又、アノード基板１２の集電部１６ａ〜１６ｄ上にそれぞれ配置される多孔質炭素電極２４ａと、カソード基板１８の集電部２２ａ〜２２ｄ上にそれぞれ配置される多孔質炭素電極２４ｂと、多孔質炭素電極２４ａを支持するための電極支持材２６ａと、多孔質炭素電極２４ｂを支持するための電極支持材２６ｂとを備えている。多孔質炭素電極２４ａ、２４ｂの各々の両面には、白金触媒がそれぞれ塗布されている。電極支持材２６ａは、ガラスエポキシ板１４よりも僅かに小さな矩形のガラスエポキシ板によって形成されており、集電部１６ａ〜１６ｄを収納するための切欠き２６ａ１が設けられている。電極支持材２６ｂも、電極支持材２６ａと同様に、ガラスエポキシ板２０よりも僅かに小さな矩形のガラスエポキシ板によって形成されており、集電部２２ａ〜２２ｄを収納するための切欠き２６ｂ１が設けられている。
【００２０】
なお、多孔質電極２４ａ、２４ｂは、触媒層、ガス拡散層、集電体および放熱層としての役割を果たすが、多孔質の炭素繊維材で形成するのが好ましい。また、基板としてガラスエポキシ板１４、２０が使用されているが、他の合成樹脂材料を使用して基板を形成してもよい。また、プリント配線の金属として、電気伝導が良好であれば銅以外のものを使用してもよいが、その場合でも、金メッキ処理等の腐食防止処理を施すのが好ましい。
【００２１】
燃料電池本体１０は更に、多孔質炭素電極２４ａ、２４ｂ間に挟まれる固体高分子電解質膜２８を備えている（図３参照）。固体高分子電解質膜２８は各々、集電部１６ａ〜１６ｄ、２２ａ〜２２ｂ（従って、電極支持材２６ａ、２６ｂの切欠き２６ａ１、２６ｂ１）よりも僅かに大きな矩形形状を有している。固体高分子電解質膜２８としては、出力性能や耐久性を考慮してパーフルオロ系高分子電解質膜や有機電解質膜を使用するのが好ましく、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）Ｎ１１２が用いられる。
【００２２】
燃料電池本体１０は、以下のようにして製造される。なお、燃料電池本体１０の各構成要素の寸法の例として、例えば、固体高分子膜２８が８ｍｍ×１０ｍｍ、多孔質炭素電極２４ａ、２４ｂが７ｍｍ×９ｍｍ×０．３ｍｍ、電極支持材２６ａ、２６ｂが２１ｍｍ×２５ｍｍ×０．３ｍｍ（切欠き２４ａ１、２４ｂ１が７．５ｍｍ×９．５ｍｍ）、ガラスエポキシ板１４、２０が２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．３ｍｍとする。まず、ガラスエポキシ板１４、２０の所定箇所に電極支持材２６ａ、２６ｂを接着剤（例えば、エポキシ系接着剤）でそれぞれ接合する。一方、多孔質炭素電極２４ａ、２４ｂの間に固体高分子膜２８を挟んで熱圧着したものを、電極支持材２６ａ、２６ｂの切欠き２６ａ１、２６ｂ１に収納し、固体高分子膜２８の縁部の両面にエポキシ系接着剤を塗布して多孔質炭素電極２４ａ、２４ｂの間に固定するとともに、端子１６ｅと端子２２ｅ又は２２ｇ、端子１６ｆと端子２２ｈ又は２２ｆ、端子１６ｇと端子２２ｇ又は２２ｅ、端子１６ｈと端子２２ｆ又は２２ｈとが電気的に直列に接続されるように、はんだ付けする。これにより、燃料電池本体１０を起電したとき、端子１６ｅが正極（＋）、端子１６ｉが負極（−）となる。
【００２３】
固体高分子型燃料電池システムは更に、図１に示されるように、水分子を分解することによって燃料電池本体１０に水素を供給する水素発生材３０と、水素発生材３０に水蒸気を供給する水蒸気凝集装置３２とを備えている。なお、図１において参照符号３４、３６は、水素発生材３０を収納するアルミラミネートパック、燃料電池本体１０とアルミラミネートパック３４を連結するスペーサを示している。また、アルミラミネートパック３４の水蒸気凝集装置３２の側には水蒸気取入口３４ａ、燃料電池本体１０の側には水素吐出口３４ｂがそれぞれ設けられている。
【００２４】
水蒸気凝集装置３２は、容器３２ａの一方の側（大気に接触する側）に第１膜３２ｂ、容器３２ａの他方の側（水素発生材３０の側）に第２膜３２ｃがそれぞれ設けられ、容器３２ａの内部に水蒸気凝集剤（吸湿性材料）３２ｄが配置されている（図７（ａ）、（ｂ）参照）。第１膜３２ｂと第２膜３２ｃは、水蒸気透過に関して異方性をもち、第１膜３２ｂについては大気から吸湿性物質に向かう方向、第２膜３２ｃについては吸湿性物質から水素発生材に向かう方向の透過が卓越している。ここで、第１膜３２ｂの水蒸気透過性よりも第２膜３２ｃの水蒸気透過性が高い方が好ましい。さらに、第２膜３２ｃは、水素発生材から大気への水素の流出を防止しなければならないため、高い水素ガスブロック性をもつ必要がある。
【００２５】
吸湿性材料３２ｄとしては、潮解性を有する物質（例えば、塩化カルシウム、塩化マグソシウム）や吸水性高分子（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム、ポリグルタミン酸）等が用いられる。
【００２６】
図７を参照して、水蒸気凝集装置３２の動作について説明する。図７（ａ）は高湿度時、図７（ｂ）は低湿度時における水蒸気凝集装置３２の動作を示した模式図である。水蒸気凝集装置３２では、高湿度時においては、大気から第１膜３２ｂを透過して容器３２ａ内に入った水蒸気が水蒸気凝集剤（吸湿性物質）によって吸収され、余剰の水蒸気が第２膜３２ｃを通って水素発生材に供給される。吸湿性物質による吸湿が完了した後は、専ら第１膜３２ｂと第２膜３２ｃの水蒸気透過異方性に起因する流れにより水素発生材に水蒸気が供給される。一方、低湿度時においては、吸湿性物質から水蒸気が放出されるが、第１膜３２ｂと第２膜３２ｃの水蒸気透過異方性により大気側に還流する水蒸気が制限され、水蒸気の大部分が水素発生材の側に導かれる。
【００２７】
水蒸気凝集装置３２の上述のような動作特性により、周囲の環境において湿度が低下しても水素発生材に水蒸気を供給することが可能になる。なお、水蒸気凝集装置３２の製造時から湿潤大気下に置かれるとその段階から水素発生が開始されてしまうため、第１膜３２ｂの側に水や水蒸気を通さないフィルム等のカバーを取り付けておく必要がある。或いは、ＩＣタグ全体を乾燥した窒素等で封入したり、真空パックにしたりすることが望ましい。
【００２８】
図８は、水蒸気凝集装置３２の変形形態を示した図である。図７に示す装置では、吸湿性物質が吸湿を終える（例えば、潮解性物質が潮解を完了する）までの間、水素発生材に供給される水蒸気の量は制限される。このことは、ＩＣタグにおいては、使用開始後暫くの間電力供給が行われず、タグが機能しないことを意味する。このような場合に、図８に示される形態を使用するとよい。
【００２９】
すなわち、水蒸気凝集剤（吸収性物質）３２ｄを複数の区画に分割し、水蒸気吸収性を有しない区画を設けると、水蒸気吸収性を有しない区画では、第１膜３２ｂ、第２膜３２ｃの水蒸気透過異方性と透湿度の相違によってのみ水蒸気の流れが決定され、大気中の水蒸気が第１膜３２ｂ、第２膜３２ｃを透過して直接水素発生材に流入することとなる。なお、図８では、水素凝集剤が格子状が分割されているが、他の任意の分割型式で分割してもよい。
【００３０】
図９は、以上のように構成された固体高分子型燃料電池システムの出力特性を示したグラフである。
【００３１】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００３２】
たとえば、前記実施の形態では、水素発生材３０と水蒸気凝集装置３２が分離しているが、図１０に示されるように、水素発生材３０と水蒸気凝集装置３２（３２ｂ、３２ｃ、３２ｄ）を一体にしてもよい。
【００３３】
また、水蒸気凝集装置３２を使用せずに、空気中の水蒸気を透過させる高分子膜により、水素発生材３０を包装してもよい。
【００３４】
さらに、前記実施の形態では、固体高分子膜および多孔質炭素電極によって構成される構造体が１つの基板に４個配列されているが、配列個数を増減してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の好ましい実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムを模式的に示した断面図である。
【図２】図１の固体高分子型燃料電池システムの燃料電池本体の斜視図である。
【図３】図２の燃料電池本体の分解斜視図である。
【図４】図２の線４−４に沿った断面図である。
【図５】図５（ａ）はアノード基板の斜視図、図５（ｂ）はアノード基板の分解斜視図である。
【図６】図６（ａ）はカソード基板の斜視図、図６（ｂ）はカソード基板の分解斜視図である。
【図７】水蒸気凝集装置の動作を模式的に示した図である。
【図８】図８（ａ）は複数の区画に分割された水素凝集剤を示した模式図、図８（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、図８（ａ）の線８ｂｃに沿って見た断面図である。
【図９】本発明の固体高分子型燃料電池システムの出力特性を示したグラフである。
【図１０】本発明の好ましい実施の形態に係る固体高分子型燃料電池システムを模式的に示した断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０  燃料電池本体
１２  アノード基板
１４  ガラスエポキシ板
１６  プリント配線
１６ａ〜１６ｄ  集電部
１６ｅ〜１６ｉ  端子
１６ｊ〜１６ｍ  接続回路
１８  カソード基板
２０  ガラスエポキシ板
２２  プリント配線
２２ａ〜２２ｄ  集電部
２２ｅ〜２２ｈ  端子
２２ｉ〜２２ｍ  接続回路
２４ａ、２４ｂ  多孔質炭素電極
２６ａ、２６ｂ  電極支持材
２８  固体高分子電解質膜
３０  水素発生材
３２  水蒸気凝集装置
３２ａ  容器
３２ｂ  第１膜
３２ｃ  第２膜
３２ｄ  水蒸気凝集剤
３４  アルミラミネートパック
３６  スペーサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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