JP2001093561A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】燃料電池においては、液体燃料浸透板２、気化
板３、ガスチャンネル５等の部材が単位セル毎に必要に
なるため積層化やリード７面積を大きくするとかさばっ
てしまい、電池システムの小型化が困難であった。 【解決手段】液体燃料を液体燃料浸透板２、気化板３を
介して供給する積層型燃料電池において、液体燃料浸透
板２、気化板３、ガスチャンネル５等の部材を積層した
単位セル間で共通に使用することで、低容積で高出力の
燃料電池の作製が可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水素・酸素燃料電池は、その反応生成物
が原理的に水のみであり、地球環境への悪影響がほとん
どない発電システムとして知られている。特にパーフル
オロスルホン酸型陽イオン交換樹脂を用いた固体高分子
電解質型燃料電池は、近年研究が進み高密度・高出力が
可能となりつつあり、車載用電源等への実用化が期待さ
れている。

【０００３】特に、燃料として使用する水素をメタノー
ルから生成するメタノール改質型燃料電池が、燃料の安
全性・運搬・管理の観点から２００２年以降車載用燃料
電池として注目されている。

【０００４】しながら、メタノールから水素を生成する
ためには、改質器が必要であり、一方で、固体高分子型
電解質は保水率が低下すると内部抵抗が増加することか
ら保水管理をする必要がある。これら改質器・保水管理
等に使用する補器が燃料電池システムに占める体積が多
く、メタノール改質型燃料電池を小型化することは困難
であった。

【０００５】この欠点を打開するために、水素への改質
器を必要としないメタノールを直接負極に導入して負極
上の触媒で直接プロトンを取り出す燃料電池（ＤＭＦ
Ｃ）の開発も行われている。燃料電池の小型化を実現す
る手段として、液体燃料、例えばメタノール等を直接電
極に送り込むようなタイプの燃料電池が提案されている
が、負極から過剰の燃料が電解質膜を通過して正極に達
することで出力（電圧）が低下する問題（メタノールク
ロスオーバー）が生じていた。しかしながら、液体の毛
細管力を利用して液体燃料を直接電極に送り込む燃料電
池において、燃料電極上に気化板を設けることで、過剰
のメタノールが酸化剤極に到達するのを抑制した燃料電
池構造が公知ではないが本発明者らによって提案されて
いる（特願平１１−１６２６３０号公報）。

【０００６】ところが、一般に燃料電池は単位セルを積
層させることで所望の出力を得るものであるが、上記燃
料電池においては、液体燃料浸透板、気化板、ガスチャ
ンネル等の部材が単位セル毎に必要になるため積層化や
電極面積を大きくするとかさばってしまい、電池システ
ムとしてはまだ大きいものであった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池は、改
質器・保水管理等に使用する補器を必要とすることなく
大型化を避けてはいたものの、単位セル毎に多種類の機
能層を配置する必要であり十分な小型化を達成できてい
ないという問題があった。

【０００８】本発明は、上記問題に鑑みてなされたもの
で、単位セルの主要部分である起電部材の内部構造を簡
略化することで、燃料電池の体積を減少させ小型化を図
った燃料電池の提供を課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の燃料電池は、燃料極、電解質、酸化剤極
が順次積層した第１の起電部材及び第２の起電部材が重
ねて配置された燃料電池において、前記第１の起電部材
及び前記第２の起電部材は双方の前記燃料極が向かい合
うように対向して配置され双方の前記燃料極に隣接する
液体燃料浸透板を具備することを特徴とする。

【００１０】請求項２の燃料電池は請求項１において、
前記第１の起電部材及び前記第２の起電部材の前記燃料
極と前記液体燃料浸透板の間に介在する燃料気化部を具
備することを特徴とする。

【００１１】ここで、燃料気化部は具体的には後述する
例えば気化板等であるが、形状は板状である必要はな
く、板状部材に燃料を気化するような多孔質材料が埋め
込まれたような構造等でもよい。

【００１２】特に、本発明の燃料電池は、起電部材が複
数積層して構成されるスタック型の場合に特に利点を享
受できる。この場合には、酸化剤極へ酸素などの酸化剤
を供給するには酸化剤極に隣接・接触してガスチャンネ
ルを設置することが望ましい。従って、燃料気化部、燃
料極、電解質、酸化剤極、ガスチャンネルを順次積層し
た構造を単位起電部材と構成になる。隣接する２つの単
位起電部材間をガスチャンネルを対向させて配置する場
合には、ガスチャンネル間に絶縁板を挟持することが望
ましい。

【００１３】この場合の結線方法としては、以下のよう
な方法が列挙される。以下の説明では、場合によって、
燃料極は正極として機能するので正極と説明し、酸化剤
極は負極として機能するので負極と説明する。

【００１４】本発明の燃料電池は、特に、一方のガスチ
ャンネルもしくはガスチャンネルに接する正極のどちら
か一方と、ガスチャンネル間に挟持した絶縁板を介して
対向した単位セルの燃料気化部もしくは負極のどちら一
方が結線し、もう一方のガスチャンネルもしくはガスチ
ャンネルに接する正極と、液体燃料浸透板を介して対向
する第３の単位セルの燃料気化部が結線していることが
望ましい。

【００１５】特に本発明の燃料電池は、対向したガスチ
ャンネルが絶縁板で構成される場合、一方のガスチャン
ネル上の正極と対向した単位セルの負極が結線し、もう
一方のガスチャンネル上の正極と液体燃料浸透板を介し
て対向する第３の単位セルの負極もしくは燃料気化部の
どちらか一方が結線していることが望ましい。

【００１６】また、本発明の燃料電池は、特に対向した
ガスチャンネルの間に絶縁板を挟持した場合、対向した
ガスチャンネルのうち一方のガスチャンネルもしくは正
極のどちらか一方と、ガスチャンネルと絶縁部を介さず
に対向したガスチャンネルもしくは正極のどちらか一方
が結線されて、かつ、結線部と、２箇のガスチャンネル
と前記絶縁部を介して対向したどちらか一方の液体燃料
浸透板もしくは、前記液体燃料浸透板上の燃料気化部、
または燃料極部のどちらか一方が結線されることが望ま
しい。

【００１７】特に、本発明の燃料電池は、対向したガス
チャンネルが導電部材で構成される場合、ガスチャンネ
ルを介して対向した２つの起電部材上の気化板もしくは
前記起電部材を構成する負極のすくなくとも一つを介し
て互いの起電部材を結線し、かつ、前記結線部と、前記
燃料気化部と液体燃料浸透板を介して対向するガスチャ
ンネルの一方とが結線されることが望ましい。

【００１８】特に本発明の燃料電池は、対向したガスチ
ャンネルが絶縁板で構成される場合、対向した前記ガス
チャンネルのうち一方のガスチャンネル上の正極のどち
らか一方と、前記ガスチャンネルを介さずに対向したガ
スチャンネル上の正極が結線されて、かつ、前記ガスチ
ャンネルを介さず、液体燃料浸透板を介して対向した２
組の負極及び気化板からなるが部位が前記部材のいずれ
かを介して結線されることが望ましい。

【００１９】また、特に本発明の燃料電池は、対向した
ガスチャンネルが絶縁板で構成される場合、液体燃料浸
透板を介して結線された起電部材の正極がガスチャンネ
ルを介して対向した他の起電部材の正極と結線され、か
つ、前記液体燃料浸透板を介して対向して互いに起電部
材上の負極もしくは気化板により結線された結線部が前
記ガスチャンネルを介して対向した他の起電部材上の負
極もしくは気化板と結線されることが望ましい。

【００２０】また、特に本発明の燃料電池は、対向した
ガスチャンネルが絶縁板で構成される場合、対向したガ
スチャンネル上の２つの正極が結線されて、かつ、前記
ガスチャンネルを介して対向した起電部材上の２つの負
極が結線されることが望ましい。

【００２１】また、特に本発明の燃料電池は、対向した
ガスチャンネルが絶縁板で構成される場合、ガスチャン
ネルを介して結線された起電部材の正極が液体燃料浸透
板を介して対向した他の起電部材の正極と結線され、か
つ、前記ガスチャンネルを介して対向して互いに起電部
材上の負極もしくは気化板により結線された結線部が前
記液体燃料浸透板を介して対向した他の起電部材上の負
極もしくは気化板と結線されることが望ましい。

【００２２】

【発明の実施の形態】本発明の燃料電池の主要部である
単位セル構造を積層させた燃料電池の断面構造図（３セ
ル積層型）を図２、図３に示す。図３は組み立て分解図
である。図中、１はエンドプレート、２は液体燃料浸透
板、３は気化板、４は起電部材、５はガスチャンネル、
６は絶縁板（薄い板であるので図中では線として表
示）、７は結線（一部リード線）である。ここでは、望
ましい態様として気化板３を設けたが、これらの部品は
燃料電池を動作させるだけであれば必ずしも必要ではな
く、省いて簡略化した構造を提供することもできる。

【００２３】比較として燃料電池構造（３セル積層型）
を図１に示した。この単位セルは、液体燃料浸透板２、
気化板３、起電部材（負極／電解質／正極）４、ガスチ
ャンネル５から構成され、図１では３個の単位セルが直
列に繋いだ状態を示している。このガスチャンネル５は
ガスが通過する溝が形成されている。この構造では、電
解質以外は全て導体で構成されている。

【００２４】図１、２、３は共に３層単位セルを直列に
繋いでいるので電池出力は同じである。しかし、図２で
は液体燃料浸透板２が１枚少なく、かつ、絶縁板６（膜
厚が薄いため図中では線で示した）を介してガスチャン
ネル５が対向しているため単位セルの場合のガスチャン
ネル５と比べて体積が小さい。通常セルは数十セル積層
する場合があり、この場合には本発明の燃料電池は比較
例の構造と比べてさらに有利となる。このような効果に
より、同じ電池出力でも積層高さが小さい燃料電池を作
製することができる。

【００２５】次に、本発明のそれぞれの単位セル同士の
結線部位の構造を図２、図６に示す。

【００２６】先ず、絶縁板６を介して対向している一方
のガスチャンネル５は、絶縁板６を介して対向している
起電部材４上の気化板３もしくはメッシュ状電極８に結
線され、絶縁板６を介して対向しているもう一方のガス
チャンネル５は、液体燃料浸透板２を介して対向してい
る起電部材４上の気化板３に結線７で電気的に接続され
ている。

【００２７】結線７は他にも接続方法を変えた態様を取
る事もできる。図７は図２に示した構造の変形例であ
る。ガスチャンネル５上に正極が形成される（図示せ
ず）ので、この正極に直接接触される結線７０を使用す
ることもできる。

【００２８】次に、本発明の単位セル同士の結線方法の
さらなる変形例を図８の断面構造図によって説明する。

【００２９】絶縁板６に対向するガスチャンネル５に接
する一方の起電部材４上の電極９とガスチャンネル５を
介して対向したもう一方の起電部材４上のメッシュ状電
極８もしくは気化板３の少なくとも一方を導体パイプ１
１（このパイプは起電部材４間のみ導電性材料で形成さ
れており他の部分は絶縁性材料からなる）で結線し、ガ
スチャンネル５に接するもう一方の起電部材４上の電極
９と液体燃料浸透板２を介して対向した起電部材４上の
メッシュ状電極８もしくは気化板３の少なくとも一方を
導体パイプ１１で結線することで単位セルが積層されて
いる（図８（ｂ））。

【００３０】この場合、図９に示した構造の電極部材を
結線に使用することができる。

【００３１】また、前述の図７に示した単位セル同士の
結線は、メッシュ状電極８／電極９間から取り出された
リード７からなる電極部材によって結線することができ
る（図８（ａ））。また、この場合図８の様に単位セル
間の締め付けを行うときに使用するボルト等を利用して
結線しても良い。

【００３２】特に図８（ａ）の電極部材を使用した燃料
電池を軽量・安価・コンパクトに製造し、かつ、部材の
剛性を高めることができるので、前記の部材は、絶縁体
から構成される部材を用いることが望ましい。

【００３３】結線に用いられるリード７は、図８
（ａ）、図９に示す様なメッシュ状のメッシュ状電極８
（結線用）はそれぞれの電極９（電極にはカーボンペー
パー等が用いられるが）表面或いはその内部、もしくは
リード７は触媒層の間や気化板３内部もしくはその表面
に設置する。一般に、触媒層内部や触媒層と電極９の接
合には強酸性のＮａｆｉｏｎが用いられるので、結線７
やメッシュ状電極８に用いる部材の化学的安定性を考慮
すると、メッシュ状電極８は電極表面（電解質膜、触媒
担持面に接触しない面）もしくは内部や気化板３に作製
することが望ましい。燃料極に隣接するメッシュ状電極
８は、液体やガス状の燃料を安定的に一定量供給するた
めに、１０μｍ〜１０ｍｍ以上望ましくは１００μｍ〜
５ｍｍの径を有していることが望ましい。酸化剤極に隣
接するメッシュ状電極８、ガス状の酸化剤を安定的に一
定量供給し、かつ、生成した水によって化学反応が阻害
されないために、１００μｍ〜１０ｍｍ以上望ましくは
５００μｍ〜５ｍｍ以上の径を有していることが望まし
い。酸化剤極に隣接するメッシュ状電極８のメッシュ径
が大きい理由は、酸化剤局側で発生する水がメッシュ径
穴に溜まり、酸素等の酸化剤ガスが電極内部に浸透する
のを阻害するのを防ぐためである。ここでのメッシュ径
とは、メッシュ形状が多角形の場合には外接円直径を意
味し、円形の場合はその直径を意味する。

【００３４】電極９や気化板３に結線用に使用する電極
部分は、メッシュ状の金属薄膜を圧着したり、同形状の
導電性膜をスパッタ、メッキ等により作製できる。材質
としては、コストと電気伝導度を考慮して、銅、アルミ
ニウム等が望ましい。使用する電極／気化板３を結線す
る場合は、気化板３は導電体で構成される必要がある
が、電極／電極同士を直接結線する場合は、必ずしも気
化板３は導電性部材を用いる必要はない。特に、気化板
３を絶縁体で作製すると、電池コストの削減や電池サイ
ズの削減に効果があるので望ましい。

【００３５】次に、別の構造の高出力低比容量燃料電池
の説明を行う。

【００３６】本発明の燃料電池の特徴は、図１０、１１
に示す構造を疑似単位セルとして用いることで、図１
２、図１３に示すように積層した場合（３層）、図１の
構成で電極面積を２倍にしたもの（図１４）と比べて、
同一の出力を得るのに必要な電極９の面積を半分にする
ことができ、全容積では２５％削減可能にするものであ
る。

【００３７】特に、図１１示した様にガスチャンネル５
を共通に使用する構造の場合には、同一の効率を有しな
がら、より薄い部材を用いることが可能となり、さらに
コンパクトな燃料電池を作製できる。また、Ｎａｆｉｏ
ｎ等の保水性を有する電解質膜を起電部材４に用いる場
合は、ガスチャンネル５は多孔体構造にすると電極９で
発生する水を保持し、その結果、特別な補器を用いなく
ても電解質中の水分を一定量以上に保つことができるの
で望ましい。一方、プロトン伝導機構として水を必要と
しない電解質膜（無機系、例えばＳｉＯ２#Ｐ２Ｏ５系
ゾルゲル焼成ガラス）を用いる場合は、ガスチャンネル
５は必ずしも多孔体構造（保水構造を持つもの）を有す
る必要はなく、特に図１５（a）図１５（b）に示すよう
な構造でもかまわない。

【００３８】また、従来の電極面積と同等の面積に燃料
を送り込んで２倍の電流を得ることができるので、負荷
応答への対応が容易になる。これは、急激な負荷変動に
耐え得るものである。

【００３９】図１０に示した疑似単位セルは、液体燃料
浸透板２が１枚、気化板３が２枚、起電部材４が２枚、
ガスチャンネル５が２枚から構成され、液体燃料浸透板
２、気化板３、ガスチャンネル５は電気伝導体で構成さ
れ、ガスチャンネル５同士を結線することで図１に示し
た燃料電池構造に用いられている単セルと比べての二倍
の電極面積を有する疑似単位セルとして機能する。この
疑似単位セルは、ガスチャンネル５が絶縁体で構成され
るときは、液体燃料浸透板２を介して対向した起電部材
４の電極９同士を結線する。また液体燃料浸透板２が絶
縁板６で構成されるときには、液体燃料浸透板２を介し
て対向した起電部材４上の気化板３もしくはメッシュ状
電極８のいずれか同士を結線し（図１６）、さらに気化
板３も絶縁板６で構成される場合にはメッシュ状電極８
同士を結線する（図１７）。

【００４０】図１０に示した疑似単セルは図１８に示す
様にガスチャンネル５を共通にすることでも構成するこ
とができる。

【００４１】これらの疑似単セルを直列もしくは並列に
つなぎ合わせることで、急激な負荷応答に対しても安定
的な電池出力を維持することが可能となり、かつ、一定
の電圧でより大きな電流が必要な場合にも対応が可能と
なる。

【００４２】

【実施例】（実施例１）、（比較例１） 図１（比較例１）と図２（実施例１）に示す構造を有
し、リード７面積が４０ｍｍｘ４０ｍｍで、液体保持
部、気化板３、燃料極、電解質、酸化剤極、ガスチャン
ネル５から構成され、３つの単位セルが積層した燃料電
池を作製した。この燃料電池に水／メタノールが１：１
（体積比）の液体燃料を液体保持部に供給して、発電を
おこなった。発電出力は、１．５Ｖ、０．４Ａ／ｃｍ２
であったが、上記構造にしたことで図１と図２の容積を
比べたところ図１の容積は図２の２倍以上大きかった。 （実施例２）、（比較例２） 図１７と図１９に示す構造を有し、リード７面積が８０
ｍｍｘ８０ｍｍで、液体保持部、気化板３、燃料極、電
解質、酸化剤極、ガスチャンネル５から構成され、３つ
の単位セルが積層した燃料電池を作製した。（図１７の
構造を有するものa、図１９の構造を有するものb）この
燃料電池に水／メタノールが１：１（体積比）の液体燃
料を液体保持部に供給して、発電をおこなった。発電出
力は、１．５Ｖ、０．４Ａ／ｃｍ２であった。これに急
激に負荷を上げて０．６Ａ／ｃｍ２を得ようとしたとこ
ろ、Ｂでは負荷変化に追随できず出力が取り出せなくな
った（比較例２）。

【００４３】一方Ａでは負荷変化に追随して出力が取り
出せただけでなく安定していた（実施例２）。

【００４４】

【発明の効果】本発明は、上記構成によって、燃料供給
部材を削減することができ燃料電池の体積を減少させ燃
料電池自体の小型化を図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の比較例の燃料電池の断面図

【図２】 本発明の燃料電池の断面図

【図３】 本発明のガスチャンネル５周辺の構造

【図４】 本発明のリード７、メッシュ状電極８、電極
９の構造

【図５】 本発明の気化板３、液体燃料浸透板２周辺部
の構造

【図６】 本発明のリード７、メッシュ状電極８、電極
９の構造

【図７】 本発明の燃料電池の断面構造

【図８】 本発明のリード７、メッシュ状電極８、電極
９の構造と本発明の燃料電池の断面図

【図９】 本発明のリード７、メッシュ状電極８、電極
９の構造

【図１０】 本発明の燃料電池の断面構造（擬似単位セ
ル）

【図１１】 本発明の燃料電池の断面構造（擬似単位セ
ル）

【図１２】 本発明の燃料電池の断面図

【図１３】 本発明の燃料電池の断面図

【図１４】 本発明の比較例の燃料電池の断面図

【図１５】 本発明のガスチャンネル５の断面構造

【図１６】 本発明の燃料電池の断面構造（擬似単位セ
ル）

【図１７】 本発明の燃料電池の断面構造（擬似単位セ
ル）

【図１８】 本発明の燃料電池の断面構造（直列）

【符号の説明】

１：エンドプレート ２：液体燃料浸透板 ３：気化板 ４：起電部材（負極／電解質／正極） ５：ガスチャンネル ６：絶縁板 ７：結線 ８：端子 ９：集電部 １０：電極 １１：締め付けボルト １２：導体パイプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新井田 英男 東京都港区芝浦一丁目１番１号 株式会社 東芝本社事務所内 (72)発明者 田中 照也 愛知県瀬戸市穴田町991番 株式会社東芝 愛知工場内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 AA08 CC03 CV08

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】燃料極、電解質、酸化剤極が順次積層した
   第１の起電部材及び第２の起電部材が重ねて配置された
   燃料電池において、前記第１の起電部材及び前記第２の
   起電部材は双方の前記燃料極が向かい合うように対向し
   て配置され双方の前記燃料極に隣接する液体燃料浸透板
   を具備することを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】前記第１の起電部材及び前記第２の起電部
   材の前記燃料極と前記液体燃料浸透板の間に介在する燃
   料気化部を具備することを特徴とする請求項１に記載の
   燃料電池。