JP2003282125A - セル分割型燃料電池 - Google Patents
セル分割型燃料電池Info
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Abstract
た複数の区画に分割することにより、高電圧、低電流の
出力特性の出力を得ることができる薄型のセル分割型燃
料電池を提供する。 【解決手段】 セル分割型燃料電池は、エンドプレー
ト、該エント゛フ゜レートの2つの間に位置される単セル、該単セ
ルの中心部に位置されてそこへの燃料を供給するための
燃料分配マニホルド、これらの部材を一体にするために
単セルの中心部および燃料分配マニホルドに通される一
本のボルト、および該ボルトの両端部にワッシャ、Oリ
ング等を介して取り付けられてエント゛フ゜レート間に複数の単セ
ルを一体にするための固定用ナットからなる。単セル
は、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両側に設け
た酸素極および燃料極と、前記酸素極側に設けられた流
路板と、該酸素極側流路板の外側および前記燃料極側の
外側に接触して設けられたセパレータ板とを含む。そし
て、高分子電解質膜の一方面における燃料極およびセハ゜レー
タ板、他方の面おける酸素極、酸素流路板およびセハ゜レータ板
がそれぞれ電気的に絶縁されて分割されている。
Description
楽、家庭用あるいは事務機器等の電源、発電機としてさ
まざまな用途に使用することができ、軽くて静かな無公
害の固体高分子型電池を用いた薄型にされたセル分割型
燃料電池に関する。
し、この水素が酸素と化学反応した時のエネルギーとし
て取り出すものである。そして、燃料電池にはいくつか
の種類があるが、その一つとして、固体高分子電解質型
燃料電池がある。この固体高分子電解質型燃料電池は、
運転温度が低く、また出力密度が高いという特性を有し
ている。
用いた燃料電池の一例として、米国特許第5,595,
834号明細書、あるいは本願出願人の先願である特許
出願第2001−66109号に記載されているものが
ある。そのようなものとして、図5に示すように、固体
高分子電解質膜12の両面にアノード(燃料極)13a
およびカソード(酸素極)13bの両電極を備え、それ
らの両側に燃料および酸素流路板18を備えていて、そ
れらの両側に配置されたセパレータ板34によって一体
にされることにより単セル10を形成し、この単セル1
0を複数個積み重ねている。なお、セパレータ板に発電
した電力を取り出すための端子が設けてあるものを集電
板35a、35bとする。さらに、燃料極13aに連通
された親水性合繊糸のスリーブからなる燃料分配マニホ
ルドを単セル10の中央孔を通して備え、スリーブの中
心を通されるタイ・ボルト26の両端にエンドプレート
24をさらに設けることによって挟み、ワッシャ、Oリ
ング36を介してナット40,50によって一体に締付
固定した構造を有したものがある。このような燃料電池
は、低パワーの燃料電池に適しているために、小型で軽
量のものとすることができる。
素極13aへ一方のナット40の中心部から燃料が供給
され、燃料分配マニホルドの親水性スリーブを通して分
配されるような構成にされている。
ような従来の固体高分子電解質型燃料電池の用途とし
て、小型機器などの電源とするために、高電圧、低電流
の特性をもちながら、さらに小型、薄型化する必要があ
った。
多く積み重ねる必要があり、燃料電池の薄型化が困難と
なる。その用途として事務機器等の電源とするには、高
電圧で、低電流を得る必要があり、セル部の形状を小さ
くする必要があり、外形の形状が小さくなると、燃料で
ある水素の供給が中心軸部分から行われるために、製作
上困難を伴うものとなっていた。
であり、小型で軽量化することによる製造上の問題も解
決することができるセル分割型燃料電池を提供すること
を目的とするものである。
とにより高電圧、低電流の小型機器に対応することがで
きるセル分割型燃料電池を提供することである。
に、本発明の第一の手段によるセル分割型燃料電池は、
高分子電解質膜の同一面において互いに電気的に絶縁さ
れた複数の区画が形成されていることを特徴とする。
用を奏する。 (1)第一の手段による複数の区画がそれぞれ単セルと
して機能するので、各区画が高電圧、低電流を得ること
ができる単セルとして機能し、従来の単セルの大きさの
ままで得ることができ、その分同一面に位置する単セル
を増やすことによりセル部自体の個数を減らすことがで
き、薄型の電池とすることができる。
することは、燃料分配マニホルドを中心部において燃料
を供給する単セルにおいて、従来のままでは高分子電解
質膜、燃料極、酸素極、セパレータ板等の面積を小さ
く、かつ多数の単セルを設ける必要があったが、本発明
の同一面のセル部に単セルを複数個設けることにより、
製作上の問題を解消することができる。
極、酸素極、酸素流路板およびセパレータ板を分割する
ことにより形成されていることを特徴とする。
路板、セパレータ板が分割されているので、分割された
それぞれの区画部分が単セルとして機能するために、必
要に応じたサイズにすることで、高電圧、低電流の性能
の電池が容易に得られる。
酸素極、酸素流路板およびセパレータ板を電気絶縁材料
からなるインナーシールおよびアウターシールによって
それぞれの区画に分割されていることを特徴とする。
に電気絶縁材料からなるシールによって分割されている
ので、シールを従来のインナーシールおよびアウターシ
ールを外方および内方に延長させて境界部に挿入するこ
とによって作られる各区画が単セルとして確実に予め設
定された機能で作用することができる。
を参照して詳細に説明する。
割型燃料電池の分解された状態を示す斜視図であり、そ
して、図2は、従来の燃料電池と本発明によるセル分割
型燃料電池との性能を比較するための線図である。この
セル分割型燃料電池は、水素等の燃料を使用した固体高
分子型燃料電池と称されるものであり、他の構成部材よ
り大きな直径を有する厚さ0.3mmのステンレス製の
セパレータ板であるセパレータ板34の間に、厚さ0.
05mmのパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー
材からなる固体高分子電解質膜12、この固体高分子電
解質膜12の両側に配置されるシート状のカーボン素材
からなり厚さ0.5mm、内径15mm、外径45mm
の寸法を有する燃料極13a、厚さ0.5mm、内径1
9mm、外径55mmの寸法を有する酸素極13b、こ
の酸素極13bの外側に配置される厚さ3.5mm、内
径19mm、外径55mmの寸法を有するカーボン素材
板からなる酸素流路板18、燃料極13aの外周部を密
封するためのEPDMのような合成ゴムからなる幅5m
mの環状をした電気的絶縁性を有するアウターシール1
6、および酸素極13bと酸素流路板18との内周部を
密封するEPDMのような幅2mmの寸法を有する同時
に電気的な絶縁性を有するインナーシール22によって
分割されたセル部10を含むものである。
子膜12を挟んで、両側面において複数の分割された区
画が形成され、水素が供給される燃料極13a側は、こ
の燃料極13aとセパレータ板34aとが4分割され、
分割された部分の境界部分にはアウターシール16から
の延長部分である一体のシールが電気絶縁材として維持
するように挿入されている。一方、酸素極13b側の面
においては、燃料極13aと対応するように、酸素極1
3b、酸素流路板18およびセパレータ板34bが4分
割されていて、分割された部分のそれぞれの境界にはイ
ンナーシール22から延長する電気絶縁材からなるシー
ルが挿入されて区画を形成している。このように4分割
された燃料極13a、酸素極13b、酸素流路板18、
セパレータ板34bは、同一面に配置されてセル部10
を形成し、それぞれ分割された区画が単セルとして機能
し、高電圧、低電流の出力性能を有することができる。
料は水素であり、酸素は空気中の酸素であって、空気と
して送られるものである。また、固体高分子電解質膜1
2は、化学反応のための触媒を被着したものである。以
下に、燃料の供給は説明されるが、ナット40,50を
利用して供給することができるが、図1に示すように、
タイ・ボルト26の中心に設けられた連通孔を介して直
接供給することもできる。
体にするために、中央部分が開口されていて、直径6m
m、適宜の長さの寸法を有するタイ・ボルト26がその
外側に芳香族ポリアミド:ケブラー(KEVLAR)
(商品名)からなる親水性合成繊維糸によって軸線方向
に配置された燃料分配マニホルドを包囲して取り付けら
れて貫通されている。そして、セル部10の最も外側の
セパレータ板34a,34bとエンドプレート24a,
24bとの間にEPDMのような合成ゴム製のエンドガ
スケット28a,28bが挟まれており、タイ・ボルト
26の両端部に切られたねじに対してステンレス製のナ
ット40、50がエポキシ樹脂製の厚さ10mm、内径
15mm、外径55mmの寸法を有するエンドプレート
24a、24bのそれぞれに対向してねじ込まれ、セル
部10を一体に固定することができる。
一方のナット40は、従来例を示す図3に示すように、
中心部に中空孔42が形成され、その反対側には軸線方
向中央部まで内ねじ46が切られていて、タイ・ボルト
26をねじ込むことができるとともに、内ねじ46の外
側には、燃料の流路44が少なくとも2箇所設けられ、
中空孔42と連通されていて、燃料分配マニホルドへの
燃料供給を可能にする燃料供給孔をなしている。そし
て、エンドプレート24aに接する面には、Oリング3
6が嵌め込まれる円形状の溝48が形成されている。
うに、一方のナット40と同様に、タイ・ボルト26の
端部ねじがねじ込まれるようにほぼ軸線方向中央部分ま
では内ねじ56が切られ、その半径方向外側には燃料分
配マニホルドへの連通孔54が形成されている。内ねじ
56の軸線方向反対側には始動時に残留した空気をワン
タッチ操作でパージすることによって燃料のチャージが
可能となるステンレス製のブリーダバルブ52が取り付
けられ、連通孔54を介して燃料分配マニホルド、燃料
極13aへの燃料の給排を行うことにより充填を補助す
ることができる。そして、エンドプレート24bに接す
る面には円形状溝58が形成され、Oリングが嵌め込ま
れている。
供給と発生した水の吸収保持のために、筒状のハウジン
グの両端に設けたフランジに、親水性の合成繊維糸を係
止することにより筒体表面上に張り渡して軸線方向に配
置して形成されたものである。
電池は、以下のように組み立てることができる。
ット40を予め取り付けた状態で、好ましくは垂直に立
てた状態で、燃料分配マニホルド32を被せるように取
り付ける。このように燃料分配マニホルド32を被せた
タイ・ボルト26が燃料電池の中心軸を構成する。
レート24a、エンドガスケット28aが順次その中心
孔に挿入されて準備され、セル部10を構成するよう
に、4分割されたセパレータ板34a、燃料極13aの
半径方向外側に位置するとともに半径内方向に延長して
分割された境界部分に挿入されるシール部分16’を有
するアウターシール16、4分割された燃料極13a、
固体高分子電解質膜12、4分割された酸素極13b、
酸素極13bの半径方向外側に延長するシール部分2
2’が4分割部分の境界部分に挿入されるインナーシー
ル22、4分割された酸素流路板18、そしてセパレー
タ板34bがそれぞれ一体にされて、一体にされたそれ
らの中心孔に挿入されて順次積み重ねることによって組
み立てられる。このとき、セパレータ板がエンドガスケ
ット28a、28bと接する位置にある場合、それぞれ
集電板35a、35bとなる。
は、燃料極13a、酸素極13bおよび酸素流路板18
と同様に分割されていて、それぞれ分割部分34a’、
34b’が燃料極13a、酸素流路板18の分割された
区画部分13a’、18’に対向して配置されるように
位置されて組み立てられる。
0のために、前の単セル10の最後のセパレータ板34
bに対して、前のセル部10と同様に、燃料極13a、
酸素極13aの半径方向外側に位置するアウターシール
16、燃料極13a、固体高分子電解質膜12、酸素極
13b、インナーシール22、酸素流路板18、および
セパレータ板34が中心軸に挿入された状態で分割され
た部分を一平面上に組み立てられる。このセル部10
は、セル分割型燃料電池の規定の出力に応じた数だけ順
次繰り返されて、積み重ねられて組み立てられてもよ
い。
タ板34に対してエンドガスケット28を挟んで、エン
ドプレート24がその中心孔に中心軸が通されて積み重
ねられる。この単セル10の積層体にされたスタック
は、所定の圧力、例えば、約15MPa、で押さえられ
る。この状態で、中心軸のタイ・ボルト26の端部のね
じにブリーダバルブ52を取り付けた他方のナット50
がねじ込まれて、スタックの全体を所定トルク、例え
ば、6.8Nm、で締め付けて固定する。
は、セル分割型燃料電池として、一方のナット40に水
素発生装置等からの燃料が供給されるようにチューブ等
がさらに接続される。水素等の燃料は、図3に示す一方
のナット40の燃料供給孔をなす中空孔42、燃料流路
44を通って燃料分配マニホルド32に供給され、タイ
・ボルト26に沿った燃料分配マニホルドによって、セ
ル部10の4分割された燃料極13aの各々の内端部に
送られる。燃料極13aは、区画を形成するように分割
されたシート状のカーボン素材からなるために、その多
孔性の材料の空隙を通して、特別に燃料流路板を設ける
ことなく半径方向に送ることができ、そして外周部およ
び各区画をアウターシール16、そこから半径内方向に
延びるシールによって密封しているので、固体高分子電
解質膜12へ供給するように送ることができる。この固
体高分子電解質膜12の反対側には、酸素極13bと酸
素流路板18が同様に分割された部分が対向して設けら
れているので、酸素流路板18の多孔性材料の空隙によ
って外側から空気が送られ、空気中の酸素が酸素極13
bの分割された区画部分に供給される。
の両側に送られた燃料と酸素は、そこで化学反応して燃
料極が陰極となり、酸素極が陽極となって、図1に示す
ように集電板35a’、35b’間を結線されて、出力
され発電作用を行う。その際、燃料極13a、酸素極1
3bは、4分割されて区画されているので、単セルとな
る1区画部分の面積に応じた電池としての出力を得るこ
とができ、高電圧、低電流の出力として半導体を使用し
た電子機器にも対応した電池として提供することができ
る。その特性は、図2のグラフに示すように、本発明に
よる4分割3セルの燃料電池と、従来の分割されていな
い3セルの燃料電池の電圧対電流の出力特性によって明
らかにされる。
生、発熱を伴うが、発生した水は、燃料分配マニホルド
において、親水性合成繊維糸に吸収されるため、燃料分
配マニホルドにおいて発生した水が溜まって燃料極13
aへの燃料の供給を阻止することはない。また、発生し
た熱によって水が蒸発して、大気中へ放散される。ま
た、セパレータ板34は、他の構成部材より半径が大き
な寸法を有しているので、発生した熱を放熱するように
他の構成部材より突出した部分を放熱フィンとして機能
させることができる。
法および分割数は、それらに限定されるものではなく、
一例に過ぎないことは言うまでもなく、用途に応じて、
要求される出力に応じて、決定されるものである。ま
た、燃料である水素のセル部10への供給は、図3のナ
ット40を介してもよく、図1に示すタイ・ボルト2
6’を介して供給されてもよい。
割型燃料電池は、以上説明した構成により以下のような
効果を奏する。上記のセル分割型燃料電池においては、
単セルが高分子電解質膜の両面において燃料極と、酸素
極および酸素流路板とがそれぞれセパレータ板とともに
複数の区画に分割されているので、電池としての出力が
単セルとして分割された部分の特性として、高電圧、低
電流のものとして得られ、事務機器等の小型機器の電源
として薄型の燃料電池を得ることができるという優れた
効果がある。
なく、燃料と酸素の反応区画が従来の酸素極、燃料極等
を分割することにより得られるので、高電圧、低電流の
出力特性の燃料電池が容易に製作することができ、セル
を多く積み重ねることなく薄型の燃料電池を得ることが
できるという効果がある。
池の分解斜視図である。
すグラフである。
明図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 エンドプレート、該エンドプレートの2
つの間に位置されるセル部、該セル部の中心部に位置さ
れてそこへの燃料を供給するための燃料分配マニホル
ド、これらの部材を一体にするために前記燃料マニホル
ドおよび前記セル部の中心部を通される一本のタイ・ボ
ルト、および該タイ・ボルトの両端部に螺着されてOリ
ング等を介してエンドプレート間に前記セル部を一体に
締め付けるための固定用ナットを有する空気吸い込み式
燃料電池であって、 前記セル部が、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の
両側に対向して設けられた酸素極および燃料極と、前記
酸素極側に隣接した流路板と、該流路板の外側および前
記燃料極側の外側に隣接して設けられたセパレータ板と
を含み、 前記高分子電解質膜に隣接して互いに電気的に絶縁され
た複数の区画が形成されていることを特徴とするセル分
割型燃料電池。 - 【請求項2】 前記複数の区画が前記燃料極、前記酸素
極、前記酸素流路板および前記セパレータ板を分割する
ことにより形成されていることを特徴とする請求項1に
記載されたセル分割型燃料電池。 - 【請求項3】 前記燃料極および前記酸素極が電気絶縁
材料からなるインナーシールおよびアウターシールによ
ってそれぞれの区画に分割されていることを特徴とする
請求項1または2に記載されたセル分割型燃料電池。
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