JP2004014148A

JP2004014148A - 液体燃料電池

Info

Publication number: JP2004014148A
Application number: JP2002162004A
Authority: JP
Inventors: Shingo Nakamura; 中村　新吾; Hiroshi Kayano; 柏野　博志; Shinsuke Shibata; 柴田　進介; Shoji Nishihara; 西原　昭二
Original assignee: Hitachi Maxell Ltd
Current assignee: Maxell Ltd
Priority date: 2002-06-03
Filing date: 2002-06-03
Publication date: 2004-01-15

Abstract

【課題】小型で且つ安定的に発電することのできる液体燃料電池を提供する。
【解決手段】酸素を還元する正極８と、燃料を酸化する負極９と、前記正極８と前記負極９との間に設けられた電解質層１０とを備えると共に、液体燃料４を貯蔵した燃料タンク３を備え、前記正極８と、前記負極９と、前記電解質層１０とが電極・電解質一体化物１４を構成し、前記電極・電解質一体化物１４を複数個備え、各電極・電解質一体化物１４の間が絶縁体１３により被覆された導電芯材１２により電気的に接続され、且つ前記絶縁体１３が各電極・電解質一体化物１４の間を液密に封止し、前記電極・電解質一体化物１４が同一平面上に配置されている液体燃料電池とする。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料として液体を用いた液体燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である二次電池はますます小型化、高容量化が要望されている。現在、エネルギー密度が高く、小型軽量化が図れる二次電池としてリチウムイオン二次電池が実用化されており、ポータブル電源として需要が増大している。しかし、使用されるコードレス機器の種類によっては、このリチウム二次電池では未だ十分な連続使用時間を保証する程度までには至っていない。
【０００３】
このような状況の中で、上記要望に応え得る電池の一例として、空気電池、燃料電池などが考えられる。空気電池は、空気中の酸素を正極の活物質として利用する電池であり、電池内容積の大半を負極の充填に費やすことが可能であることから、エネルギー密度を増加させるためには好適な電池であると考えられる。しかし、この空気電池には、電解液として使用するアルカリ溶液が空気中の二酸化炭素と反応して劣化してしまうために自己放電が大きいという問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一方、燃料電池は、負極に燃料が供給されて反応し、正極では酸素が反応する。したがって、燃料および酸素の供給さえ行えば連続的に使用することができる。しかし、従来の燃料電池は、複数の単電池を積層して構成しているため、電池全体が嵩高くなってしまう。また、酸素および燃料をそれぞれの正極および負極へ流通させて供給しなければならず、そのための補器を必要とする。このため、燃料電池はリチウムイオン電池などの小型二次電池に比べてはるかに大きくなってしまい、小型ポータブル電源として用いるには問題があった。
【０００５】
ここで、酸素および燃料を強制的に流通させる補器を除去することで出力は低下するものの、燃料電池の小型化をある程度図ることはできるが、それだけでは十分ではない。
【０００６】
また、複数の単電池を同一平面上に並べて、それぞれを連結し集電して薄型化を図ることもできる。しかしながら、液体燃料の封止を行いながら、隣り合う単電池を連結して集電しようとすると、その構造が複雑となり、電池性能に寄与する面積以外に無駄なスペースを多く必要としてしまう。これについて、図面に基づき具体的に説明する。
【０００７】
図１１は従来の液体燃料電池の分解斜視図であり、図１２は従来の液体燃料電池の図１１のＡ−Ａ’方向の断面図である。隣り合う正極８と負極９は、負極集電体７ａと、正極集電体７ｂと、集電リード部１１とで電気的に接続されている。また、各単電池の間における液体燃料の封止を絶縁体１３で行っている。
【０００８】
また、図１３は従来の他の液体燃料電池の分解斜視図であり、図１４は従来の他の液体燃料電池の図１３のＡ−Ａ’方向の断面図である。隣り合う正極８と負極９は、負極集電体７ａ、正極集電体７ｂおよび集電リード部１１からなる一体化物で電気的に接続されている。また、各単電池の間における液体燃料の封止を絶縁体１３で行っている。
【０００９】
図１１〜図１４に示した構造により隣り合う単電池を連結して集電しようとすると、各単電池の間に複数の絶縁体１３が必要となり、電池性能に寄与する面積以外に、無駄なスペースを多く必要としてしまうことが分かる。
【００１０】
なお、隣り合う電極同士の確実な接続には集電リード部を溶接などで接合する方法もあるが、複雑な溶接工程や積層プロセスが必要で、製造コストを上げてしまう問題がある。
【００１１】
本発明は前記従来の問題を解決するためになされたものであり、小型で且つ安定的に発電することのできる液体燃料電池を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とを備えると共に、液体燃料を貯蔵した液体燃料貯蔵部を備えた液体燃料電池であって、前記正極と、前記負極と、前記電解質層とが電極・電解質一体化物を構成し、前記電極・電解質一体化物を複数個備え、各電極・電解質一体化物の間が絶縁体により被覆された導電体により電気的に接続され、且つ前記絶縁体が各電極・電解質一体化物の間を液密に封止していることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１４】
本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とを備えると共に、液体燃料を貯蔵した液体燃料貯蔵部を備えた液体燃料電池であって、前記正極と、前記負極と、前記電解質層とが電極・電解質一体化物を構成し、前記電極・電解質一体化物を複数個備え、各電極・電解質一体化物の間が絶縁体により被覆された導電体により電気的に接続され、且つ前記絶縁体が各電極・電解質一体化物の間を液密に封止している。
【００１５】
本発明の液体燃料電池は、各電極・電解質一体化物の間が絶縁体により被覆された導電体で電気的に接続され、さらにその絶縁体が各電極・電解質一体化物の間を液密に封止しているため、一つの部品で各電極・電解質一体化物の間の電気的接続と液密封止とを同時に行うことができ、各電極・電解質一体化物の間の占めるスペースを小さくでき、電池の小型化を図ることができる。また、これにより各電極・電解質一体化物の間の構造が簡単となり、部品点数や組立て工数の削減を図れる。また、電極・電解質一体化物を複数個備え、それぞれ電気的に接続されているため、小型でも高出力を発揮できる。
【００１６】
前記電極・電解質一体化物は、同一平面上に配置されていることが好ましい。電池の厚みを薄くすることが可能となるからである。
【００１７】
また、本発明の液体燃料電池は、前記液体燃料を含浸して保持し且つ前記負極に前記液体燃料を供給する液体燃料含浸部を備え、前記液体燃料含浸部が前記負極と接する部分に配置されていることが好ましい。燃料が消費されても、燃料と負極との接触が維持されるため、燃料を最後まで使い切ることができるからである。
【００１８】
また、前記液体燃料貯蔵部は、相互に気液分離膜を配置した気液分離孔を備えていることが好ましい。液体燃料を漏液させることなく、放電反応で生成した二酸化炭素などを液体燃料貯蔵部から放出させることができるからである。
【００１９】
また、複数の前記電極・電解質一体化物の各電解質層は、それぞれ連続した一体化物として形成されていることが好ましい。部品点数や組立て工数の削減を図れるからである。
【００２０】
また、前記絶縁体は、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、ポリプロピレン、ナイロンおよびポリエチレンよりなる群から選択された少なくとも１種の弾性樹脂からなり、その厚さは０．３〜５ｍｍであることが好ましい。絶縁体に弾性樹脂を用いることにより、絶縁体により被覆された導電体と集電体との間の密着度が増して接触抵抗を小さくでき、電池性能の向上を図れるからである。
【００２１】
また、前記絶縁体により被覆された導電体は、導電性カーボンまたは導電性金属からなり、且つ前記導電体が前記絶縁体の中で複数の線状または板状に形成され、前記導電体の相互の間隔が０．０５〜１．０ｍｍであることが好ましい。導電体を密に配置することにより、接続抵抗を小さくできるからである。
【００２２】
また、前記導電性金属は、銅、金メッキ銅およびハンダメッキ銅よりなる群から選択された一つであることが好ましい。これらは、導電性に優れているからである。
【００２３】
また、前記導電体は、集電体が形成する平面に対して０°以上９０°以下の傾きを持って配置されていることが好ましい。傾きを持つことで、集電リード部の重なり寸法を極小とでき、且つ導電体の通電有効断面積を大きくできるからである。
【００２４】
また、前記導電体は、湾曲して形成されていることが好ましい。絶縁体の弾性樹脂の柔軟度が増し、電極・電解質一体化物の厚み寸法の膨張・収縮の経時変化に柔軟に対応できるからである。
【００２５】
また、前記導電体は、等間隔に配置されていることが好ましい。導電体を流れる電流密度を平均化できるからである。
【００２６】
また、以上に述べた本発明の液体燃料電池は、さらに液体燃料の補助タンクを設けたり、酸素や液体燃料を強制的に流通させる補器などを設けてもよく、その場合にも、各電極・電解質一体物の間の占めるスペースを小さくでき、電池の小型化を図ることができる。
【００２７】
次に、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
【００２８】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態１の液体燃料電池の分解斜視図であり、図２は実施形態１の液体燃料電池の図１のＡ−Ａ’方向の断面図である。本発明の液体燃料電池は、酸素を還元する正極８と、燃料を酸化する負極９と、前記正極８と前記負極９との間に設けられた電解質層１０とを備えると共に、液体燃料４を貯蔵した液体燃料貯蔵部として燃料タンク３を備えている。また、前記正極８と、前記負極９と、前記電解質層１０とが電極・電解質一体化物１４を構成し、前記電極・電解質一体化物１４を複数個備え、各電極・電解質一体化物１４の間が絶縁体１３により被覆された導電芯材１２により電気的に接続され、且つ前記絶縁体１３が各電極・電解質一体化物の間を液密に封止している。
【００２９】
正極８は、例えば、多孔性の炭素材料からなる拡散層８ａと、触媒を担持した炭素粉末からなる触媒層８ｂとを積層して構成される。正極８は酸素を還元する機能を有しており、その触媒には、例えば、白金微粒子や、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムまたは金などと白金との合金微粒子などが用いられる。また、触媒層８ｂには、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）樹脂粒子やプロトン交換樹脂粒子が含まれる場合がある。プロトン交換樹脂としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂やスルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などを用いることができる。拡散層８ａの触媒層側には撥水性向上のため、ＰＴＦＥ樹脂粒子を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
【００３０】
電解質層１０は、電子伝導性を持たず、プロトンを輸送することが可能な材料により構成される。例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂膜、具体的には、デュポン社製の商品名“ナフィオン膜”、旭硝子社製の商品名“フレミオン膜”、旭化成工業社製の商品名“アシプレックス膜”などにより電解質層１０は構成されている。その他では、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂膜、スルホン化ポリイミド樹脂膜、硫酸ドープポリベンズイミダゾール膜などからも構成することができる。
【００３１】
負極９は、拡散層９ａと触媒層９ｂとからなり、燃料からプロトンを生成する機能、即ち燃料を酸化する機能を有しており、例えば、正極と同様に構成することができる。
【００３２】
上記正極８、上記負極９および上記電解質層１０は、積層されて電極・電解質一体化物１４を構成している。即ち、電極・電解質一体化物１４は、正極８と、負極９と、正極８と負極９との間に設けられた電解質層１０とから構成されている。また、この電極・電解質一体化物１４は、同一平面上に複数個配置されている。
【００３３】
負極９の電解質層１０と反対側には液体燃料４を貯蔵する燃料タンク３が隣接して設けられている。液体燃料４としては、例えば、メタノール水溶液、エタノール水溶液、ジメチルエーテル、水素化ホウ素ナトリウム水溶液、水素化ホウ素カリウム水溶液、水素化ホウ素リチウム水溶液などが用いられる。燃料タンク３は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン、硬質ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエチレンなどのプラスチックや、ステンレス鋼などの耐食性金属から構成されている。ただし、燃料タンク３を金属で構成する際には、同一平面上に配置されているそれぞれの負極同士が電気的に短絡しないように、燃料タンク３と負極９との間に絶縁体を導入する必要がある。燃料タンク３の負極９と接する部分には燃料供給孔３ａが設けられており、この部分から液体燃料４が負極９へと供給される。また、液体燃料４を含浸して保持し且つ負極９に液体燃料４を供給する燃料吸い上げ材５が、負極９と接する部分を含む燃料タンク３の内部に設けられている。これにより、液体燃料４が消費されても、液体燃料４と負極９との接触が維持されるため、液体燃料４を最後まで使い切ることができる。燃料吸い上げ材５としては、ガラス繊維を用いることができるが、液体燃料４の含浸によって寸法が余り変化せず、化学的にも安定なものであれば他の材料を用いてもよい。
【００３４】
ここで、液体燃料４が正極側や電池外に流出することがないように、各電極・電解質一体化物１４の間は絶縁体１３により封止されている。図７〜図１０は、各種の導電芯材１２を用いた絶縁体１３の透視図である。絶縁体１３は、通常、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、ウレタンゴムやポリプロピレン、ナイロン、ポリエチレンなどの弾性樹脂で構成され、その厚さＴは０．３〜５ｍｍである。また、絶縁体１３の内部には、導電性カーボンシートやメッキ銅板、あるいは金メッキ銅線やハンダメッキ銅線などの導電芯材１２が、０．０５〜１．０ｍｍの等間隔で配置されている。
【００３５】
図７は導電芯材１２が線状に形成されて等間隔に配置されている例であり、図８は導電芯材１２が板状に形成されて等間隔に配置されている例である。また、図９は導電芯材１２が板状に形成され、且つ集電体が形成する平面に対して０°以上９０°以下の傾きを持って等間隔に配置されている例であり、図１０は導電芯材１２が湾曲して形成されて等間隔に配置されている例である。
【００３６】
正極８の電解質層１０と反対側の、正極８と接する部分に正極集電体７ｂが設置され、負極９の電解質層１０と反対側の、負極９と接する部分に負極集電体７ａが設置されており、それぞれその集電体周辺部の一部が、絶縁体１３を挟んで重なるように設置され、隣接する正極集電体７ａの一部と負極集電体７ｂの一部が、絶縁体１３の内部に配置された導電芯材１２によって電気的に接続されている。負極集電体７ａ、正極集電体７ｂは、例えば、白金、金などの貴金属や、ステンレス鋼などの耐食性金属、またはカーボンなどの導電性材料から構成されている。
【００３７】
正極８の電解質層１０と反対側にはカバー板２が設けられており、カバー板２の正極８と接する部分には空気孔１が設けられている。これにより、空気孔１を通して大気中の酸素が正極８と接することができる。カバー板２の端部には、カバー板２と燃料タンク３とを貫通する構造を持つ気液分離孔兼燃料充填口６ｂが設けられている。この気液分離孔兼燃料充填口６ｂの燃料タンク３と反対側には脱着可能な気液分離膜６ａが設けられている。この気液分離膜６ａは細孔を有するＰＴＦＥ製シートからなり、放電反応で生成した二酸化炭素などを、液体燃料４を漏液させることなく燃料タンク３から放出させることができる。また、気液分離膜６ａを脱着可能とすることで、液体燃料４を補充する時の充填口ともなる。なお、カバー板２は、例えば、燃料タンク３と同様の材料から構成されている。
【００３８】
（実施形態２）
図３は本発明の実施形態２の液体燃料電池の分解斜視図であり、図４は実施形態２の液体燃料電池の図３のＢ−Ｂ’方向の断面図である。本実施形態は、各電極・電解質一体化物１４の各電解質層１０が連続した一体化物として形成されており、各電極・電解質一体化物１４が同一電解質平面上に複数個配置され、その複数個の電極・電解質一体化物１４の全体の周囲に、前記絶縁体１３により被覆された導電芯材１２を配置して、隣り合う複数の電極同士を同時に電気的に接続したこと以外は、実施形態１と同様の構造である。
【００３９】
（実施形態３）
図５は本発明の実施形態３の液体燃料電池の断面図である。本実施形態は、前記空気孔１を備えたカバー板２を挟むように、上下対象に２つの燃料タンク３を配置したこと以外は、実施形態２と同様の構造である。
（実施形態４）
図６は本発明の実施形態４の液体燃料電池の断面図である。本実施形態は、実施形態３の構造をさらに多層構造にしたものである。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とを備えると共に、液体燃料を貯蔵した液体燃料貯蔵部を備えた液体燃料電池であって、前記正極と、前記負極と、前記電解質層とが電極・電解質一体化物を構成し、前記電極・電解質一体化物を複数個備え、各電極・電解質一体化物の間が絶縁体により被覆された導電体により電気的に接続され、且つ前記絶縁体が各電極・電解質一体化物の間を液密に封止している液体燃料電池とすることで、小型で且つ安定的に発電することのできる液体燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実施形態１の液体燃料電池の分解斜視図である。
【図２】
本発明の実施形態１の液体燃料電池の図１のＡ−Ａ’方向の断面図である。
【図３】
本発明の実施形態２の液体燃料電池の分解斜視図である。
【図４】
本発明の実施形態２の液体燃料電池の図３のＢ−Ｂ’方向の断面図である。
【図５】
本発明の実施形態３の液体燃料電池の断面図である。
【図６】
本発明の実施形態４の液体燃料電池の断面図である。
【図７】
本発明の導電芯材を用いた絶縁体の透視図である。
【図８】
本発明の導電芯材を用いた絶縁体の透視図である。
【図９】
本発明の導電芯材を用いた絶縁体の透視図である。
【図１０】
本発明の導電芯材を用いた絶縁体の透視図である。
【図１１】
従来の液体燃料電池の分解斜視図である。
【図１２】
従来の液体燃料電池の図１１のＡ−Ａ’方向の断面図である。
【図１３】
従来の他の液体燃料電池の分解斜視図である。
【図１４】
従来の他の液体燃料電池の図１３のＡ−Ａ’方向の断面図である。
【符号の説明】
１　　空気孔
２　　カバー板
３　　燃料タンク
３ａ　燃料供給孔
４　　液体燃料
５　　燃料吸い上げ材
６ａ　気液分離膜
６ｂ　気液分離孔兼燃料充填口
７ａ　負極集電体
７ｂ　正極集電体
８　　正極
８ａ　拡散層
８ｂ　触媒層
９　　負極
９ａ　拡散層
９ｂ　触媒層
１０　電解質層
１１　集電リード部
１２　導電芯材
１３　絶縁体
１４　電極・電解質一体化物

Claims

酸素を還元する正極と、燃料を酸化する負極と、前記正極と前記負極との間に設けられた電解質層とを備えると共に、液体燃料を貯蔵した液体燃料貯蔵部を備えた液体燃料電池であって、前記正極と、前記負極と、前記電解質層とが電極・電解質一体化物を構成し、前記電極・電解質一体化物を複数個備え、各電極・電解質一体化物の間が絶縁体により被覆された導電体により電気的に接続され、且つ前記絶縁体が各電極・電解質一体化物の間を液密に封止していることを特徴とする液体燃料電池。
前記電極・電解質一体化物が、同一平面上に配置されている請求項１に記載の液体燃料電池。
前記液体燃料を含浸して保持し且つ前記負極に前記液体燃料を供給する液体燃料含浸部を備え、前記液体燃料含浸部が前記負極と接する部分に配置されている請求項１に記載の液体燃料電池。
前記液体燃料貯蔵部が、気液分離膜を配置した気液分離孔を備えている請求項１に記載の液体燃料電池。
複数の前記電極・電解質一体化物の各電解質層が、相互に連続した一体化物として形成されている請求項１に記載の液体燃料電池。
前記絶縁体が、シリコーンゴム、フッ素ゴム、ブチルゴム、ウレタンゴム、ポリプロピレン、ナイロンおよびポリエチレンよりなる群から選択された少なくとも１種の弾性樹脂からなり、その厚さが０．３〜５ｍｍである請求項１に記載の液体燃料電池。
前記絶縁体により被覆された導電体が、導電性カーボンまたは導電性金属からなり、且つ前記導電体が前記絶縁体の中で複数の線状または板状に形成され、前記導電体の相互の間隔が０．０５〜１．０ｍｍである請求項１に記載の液体燃料電池。
前記導電性金属が、銅、金メッキ銅およびハンダメッキ銅よりなる群から選択された一つである請求項７に記載の液体燃料電池。
前記導電体が、集電体が形成する平面に対して０°以上９０°以下の傾きを持って配置されている請求項７に記載の液体燃料電池。
前記導電体が、湾曲して形成されている請求項７に記載の液体燃料電池。
前記導電体が、等間隔に配置されている請求項７に記載の液体燃料電池。