JP2005259491A - プリーツ型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 高度な精密加工が不要で、低コストで生産性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】 膜電極集合体をプリーツ加工すること、プリーツ加工した膜電極集合体（プリーツ成形体）をハウジングに収納するにあたってハウジングより冷却フィンを突出させること、により、高度な精密加工が不要で低コストで生産性に優れたプリーツ型燃料電池を完成できる。
【選択図】 図４

Description

本発明は、低コストで生産性に優れた燃料電池に関する。

燃料電池は、水素、メタノール等の燃料を電気化学的に酸化することによって電気エネルギーを取り出す一種の発電装置であり、近年、クリーンなエネルギー供給源として注目されている。燃料電池は、用いられる電解質の種類によって、リン酸型、溶融炭酸塩型、固体酸化物型、固体高分子電解質型等に分類されるが、このうち固体高分子電解質型燃料電池は、標準的な作動温度が１００℃以下と低く、かつ、エネルギー密度が高いことから、電気自動車等の電源として幅広い応用が期待されている。

固体高分子電解質型燃料電池の基本構成は、イオン交換膜とその両面に接合された一対のガス拡散電極からなり、一方の電極に水素、他方に酸素を供給し、両電極間を外部負荷回路へ接続することによって発電させるものである。より具体的には、水素側電極でプロトンと電子が生成され、プロトンは、イオン交換膜の内部を移動して酸素側電極に達した後、酸素と反応して水を生成する。一方、水素側電極から導線を伝って流れ出した電子は、外部負荷回路において電気エネルギーが取り出された後、さらに導線を伝って酸素側電極に達し、前記水生成反応の進行に寄与する。
固体高分子電解質型燃料電池に使用されるイオン交換膜の材質としては、高い化学的安定性を有することからフッ素系イオン交換樹脂が広く用いられており、中でも主鎖がパーフルオロカーボンで、側鎖末端にスルホン酸基を有するデュポン社製の「ナフィオン（登録商標）」がよく用いられている。

当業者によく知られているように、一般的な燃料電池はイオン交換膜・ガス拡散電極・セパレーター等からなる単セルを複数層積層して得られるスタック構造を採用しており、これらの単セルへ水素・酸素・冷却媒体等の必要な流体を供給するために複数の流路がセパレーターの内部や表面に設けられている（特許文献１参照）。例えば燃料電池自動車用のスタック構造燃料電池は数百の単セルが積層されて構成されるが、当然の事ながら前記流路の積層部における流体の漏れ（酸素と水素の吸気口と排気口、冷却媒体の導入口と排出口など）を防止するため、単セル毎に高度な精密加工を伴うシール手段が施されている。これらの理由からスタック構造燃料電池の作成は極めて高度な精密加工技術が必要であり、固体高分子電解質膜をはじめとした各種高価格材料とともに、燃料電池＝高価格という図式を形成するひとつの要因になっている。

上記のようなスタック構造以外の燃料電池としては、例えば特許文献２に開示されるような中空糸構造の燃料電池が知られている。このような構造を選択すると、スタック構造の燃料電池では不可避であった複雑なシールシステムを、中空糸の両端２箇所に集約できるため大幅に簡略化する事が可能であるが、水素・酸素の通過にともなって中空糸が互いに接触摩滅したり破壊しやすいこと、中空糸に冷却媒体を接触させる事が困難であること、等の多くの困難な問題があり、現在のところ実用化には至っていない。

米国特許５１７６９６６号公報 特開平９−２２３５０７号公報

本発明は、高度な精密加工が不要で、低コストで生産性に優れた燃料電池を提供することを目的とする。

本発明者らは、前記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、膜電極集合体をプリーツ加工すること、固体電解質膜や膜電極集合体が互いに接触しないような通気性補強材を備えること、プリーツ加工した膜電極集合体（プリーツ成形体）をハウジングに収納するにあたってハウジングより冷却フィンを突出させること、等により、特に燃料電池自動車に適したプリーツ型燃料電池を完成できることを見出し、本発明を成すに至った。
すなわち本発明は、以下のとおりである。

［１］
燃料電池基材のプリーツ成形体を含む事を特徴とするプリーツ型燃料電池であって、当該燃料電池基材が、
１）固体高分子電解質膜およびその両表面に設けられたアノード電極およびカソード電極からなる膜電極集合体、
２）当該膜電極集合体の外面もしくは内部に接して設けられた通気性導電体、
３）当該通気性導電体の外面もしくは内部に接して設けられた通気性補強材、
からなる事を特徴とするプリーツ型燃料電池。

［２］
前記プリーツ成形体が平面型であり、外周部に補強フレームを備え、プリーツ成形体の上下に平面型気密ハウジングを備える事を特徴とする［１］に記載のプリーツ型燃料電池。
［３］
前記プリーツ成形体が円筒型であり、両端部に補強フレームを備え、プリーツ成形体の外周部に円筒型気密ハウジングを備える事を特徴とする［１］に記載のプリーツ型燃料電池。

［４］
気密ハウジングの少なくとも内面に、少なくとも１枚以上の冷却フィンを有することを特徴とする［２］〜［３］に記載のプリーツ型燃料電池。
［５］
１つの気密ハウジングの内部に２個以上のプリーツ成形体を備える事を特徴とする［２］〜［４］に記載のプリーツ型燃料電池。
［６］
［１］〜［５］のいずれかに記載の燃料電池を備えた自動車。

本発明によると、高度な精密加工が不要で、低コストで生産性に優れた燃料電池を提供することが出来る。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。

［燃料電池システム］
図１は、本発明のプリーツ型燃料電池の実施形態の例を示す模式図である。この燃料電池は水素と空気を用いる。
酸素供給源２は、配管２１で燃料電池１のカソード側の吸気口２２と接続されている。燃料電池１のカソード側の排気口２３には排気用の配管２４が接続されている。水素供給源３は、配管３１で燃料電池１のアノード側の吸気口３２と接続されている。アノード側の排気口３３には排気用の配管３４が接続されている。カソード電極はカソード側端子２５と、アノード電極はアノード側端子３５と、それぞれ電気的に接触している。

酸素供給源２とカソード側の吸気口２２の間、および、水素供給源３とアノード側の吸気口３２の間、には、それぞれ加湿装置を設ける事が出来る。カソード側の排気口２３の先、および、アノード側の排気口３３の先には、水分回収装置を設ける事が出来る。加湿装置と水分回収装置をあわせて一体の装置とし、排気側の水蒸気を吸気側へ移動することによって、水分回収と加湿を同時に行う事が出来る。

［プリーツ成形体］
本発明の燃料電池は、燃料電池基材のプリーツ成形体を用いる事を特徴とする。「プリーツ成形」とは、フィルムやシートを断面波形に成型してコンパクトに畳み込むために一般的に用いられている加工技術であり、プリーツカーテンやプリーツエアフィルターはその一例である。このうち、プリーツカーテンは収納と展開という機能を目的としたものであるが、プリーツエアフィルターのように展開を考慮せず収納した状態で使用するプリーツの事を、本発明では「プリーツ成形体」と呼称する。プリーツ成形体は、円筒型と平面型に大別する事ができる。

円筒型のプリーツ成形体はプリーツ成形された燃料電池基材が円筒型に丸められてプリーツ形成方向と平行方向にある両端が互いに接着された構造を有しており、プリーツ形成方向と垂直方向にある両端、合計２面にドーナツ型や円型の補強フレームを備える。ここでいう「平行方向にある両端が互いに接着された」とは、円筒中空部両端をそれぞれ閉鎖した場合に、円筒型プリーツ成形体の内部と外部の間に気密が成立する事を意味しており、燃料電池基材の全てが互いに接着する必要性を含むものではない。
平面型のプリーツ成形体はプリーツ成形された燃料電池基材が円筒型に丸められずに用いられるものであり、周囲、すなわち、プリーツ形成方向と平行方向にある両端および垂直方向にある両端、合計４面に矩形の補強フレームを備える。

すなわち、円筒型と平面型の本質的な相違点は、プリーツ形成方向と平行方向にある両端が互いに接着されているか否かにある。平面型には通常の平面に加えて曲面や屈曲面をはじめ各種変形構造を有するプリーツ成形体を含む。円筒型には通常の円形に加えて楕円形をはじめ各種変形構造を有するプリーツ成形体を含む。本発明においては、これらいずれのプリーツ成形体も用いる事が出来る。

［固体高分子電解質膜］
固体高分子電解質膜としては、燃料電池に用いられる膜であればどのような膜でも用いる事が出来る。フッ素系の固体高分子電解質膜としてはデュポン社製ナフィオン（登録商標）、旭硝子社製フレミオン（登録商標）、旭化成製アシプレックス（登録商標）が、当業者によく知られている。このほかに芳香族炭化水素系の固体高分子電解質膜がよく知られている。

［アノード電極］
アノード電極としては、燃料電池に用いられるアノード電極であればどのようなアノード電極でも用いることが出来る。一般的には白金触媒やルテニウムを用いたアノード電極がよく知られている。アノード電極は固体高分子電解質膜上に形成することも可能であるし、カーボンペーパーやカーボンクロスのような通気性導電体の上に形成する事も可能である。

［カソード電極］
カソード電極としては、燃料電池に用いられるカソード電極であればどのようなカソード電極でも用いることが出来る。一般的には白金触媒を用いたカソード電極がよく知られている。カソード電極は固体高分子電解質膜上に形成することも可能であるし、カーボンペーパーやカーボンクロスのような通気性導電体の上に形成する事も可能である。

［膜電極集合体］
本発明においては、固体高分子電解質膜・アノード電極・カソード電極からなる構造体を膜電極集合体と呼称する。膜電極集合体としては固体高分子電解質膜の表裏にアノード電極とカソード電極を一体成形したゴア社製プレミア（登録商標）等が、当業者によく知られている。一方、固体高分子電解質膜の表裏に電極を一体化せず、通気性導電体の表面に電極を形成させてから固体高分子電解質膜の表裏に接触させる方法も当業者にはよく知られている。こうした電極としてイーテック社製電極が知られているが、本発明においてはこうした構成を用いても構わない。

［通気性導電体］
通気性導電体としては、燃料電池に用いられる通気性導電体であればどのような通気性導電体でも用いる事が出来る。一般的にはカーボンペーパーやカーボンクロスがよく知られている。

［通気性補強材］
通気性補強材としては、電子伝導性のない不導体であり、水素や酸素の通過を妨げないものであればどのような通気性補強材でも用いる事が出来る。一般的にはプラスチック製のネットやメッシュがよく知られている。

［燃料電池基材］
燃料電池基材は、膜電極集合体、通気性導電体、および、通気性補強材を積層した積層体を言う。

［プリーツ］
本発明におけるプリーツ成形とは、燃料電池基材にＶ字状、Ｕ字状、Ω字状等の断面形状の折り加工を施すことであり、このような加工を行わない場合に比べて、同じ面積、同じ容積の中により大きな基材面積を収納することができる。図２ａおよびｂに、膜電極集合体４、通気性導電体および通気性補強材５に両者をまとめて図示）、から成るプリーツ成形体の例の概略図を示す。
プリーツ成形の方法としては、公知の方法が使用可能であり、例えば、レシプロプリーツマシン（アコーディオンプリーツマシン）やロータリープリーツマシンを用いて成形することができる。

［平面気密型ハウジングを用いたプリーツ型燃料電池の例］
図３は、本発明の平面気密型ハウジングを用いたプリーツ型燃料電池の例を示す概略図である。図３ａは、圧力プレートと燃料電池エレメントを互いに密着させたとき、図３ｂは、密着を解いたときの各部のレイアウトを示す。燃料電池基材をプリーツ成形することによって得られたプリーツ成形体７は、前記４面に補強フレーム８が接着固定され、「燃料電池エレメント」を形成している。平面気密型ハウジングは２枚の圧力プレート１０を燃料電池エレメントの上下に補強フレーム８およびシール９を介して気密的に接触（密着）することにより、燃料電池エレメント、補強フレームおよび圧力プレートで構成される２系統の通気流路を形成している。この通気流路のうち、一方をアノード電極への水素供給流路、他の一方をカソード電極への酸素供給流路とする事が出来る。

図４は、本発明の平面気密型ハウジングを用いたプリーツ型燃料電池の内部の例を示す概略図である。図４ａは、プリーツ形成方向と垂直方向から見たとき、図４ｂは、プリーツ形成方向から見たときの断面図を示す。カソード側の吸気口２２から入った酸素はカソード側流路２００を通ってカソード側の排気口２３より排出される。アノード側の吸気口３２から入った水素はアノード側流路３００を通ってアノード側の排気口３３より排出される。

［円筒気密型ハウジングを用いたプリーツ型燃料電池の例］
図５は、本発明の円筒気密型ハウジングを用いたプリーツ型燃料電池の例を示す概略図である。燃料電池基材をプリーツ成形することによって得られたプリーツ成形体７は、円筒型になるように接着されたあと、前記２面に補強フレーム８が接着固定され、「燃料電池エレメント」を形成している。円筒型気密ハウジングは燃料電池エレメントの外周部に圧力パイプ１００を補強フレーム８およびシール９を介して気密的に接触（密着）することにより、燃料電池エレメント外周、補強フレーム８および圧力パイプ１００で構成される外部通気流路と、燃料電池エレメント内周および補強フレーム８で構成される内部通気流路を形成している。この通気流路のうち、一方をアノード電極への水素供給流路、他の一方をカソード電極への酸素供給流路とする事が出来る。

［冷却フィン］
図６は、本発明の冷却フィンの例を示す概略図である。本発明においては、前記ハウジングの少なくとも内面に、少なくとも１枚以上の冷却フィン１１を設ける事が出来る。この冷却フィンは例えばプリーツ成形体のプリーツの「谷」に挿入するように配置する事によって燃料電池反応に伴う過剰な熱量をプリーツ成形体から除去する事が出来る。冷却フィンの内部には冷却媒体の流路を設ける事が可能であり、放熱を良くするために前記ハウジングの外面にも放熱のためのフィンを設ける事が出来る。冷却フィンの材質を多孔材料として、冷却媒体の一部を直接燃料電池エレメントに接触させる事も可能である。

本発明のプリーツ型燃料電池は、スタック型燃料電池に替わる低コスト燃料電池として、燃料電池自動車等に好適に用いる事が出来る。

プリーツ型燃料電池の実施形態の例を示す模式図 膜電極集合体、通気性導電体および通気性補強材から成るプリーツ成形体の 例の概略図 平面気密型ハウジングを用いたプリーツ型燃料電池の例を示す概略図 平面気密型ハウジングを用いたプリーツ型燃料電池の内部の例を示す概略図 円筒気密型ハウジングを用いたプリーツ型燃料電池の例を示す概略図 冷却フィンの例を示す概略図

符号の説明

１．燃料電池
２．酸素供給源
３．水素供給源
４．膜電極集合体
５．通気性導電体および通気性補強材
７．プリーツ成形体
８．補強フレーム
９．シール
１０．圧力プレート
１１．冷却フィン
２１．カソード側吸気管
２２．カソード側吸気口
２３．カソード側排気口
２４．カソード側排気管
２５．カソード側電極端子
３１．アノード側吸気管
３２．アノード側吸気口
３３．アノード側排気口
３４．アノード側排気管
３５．アノード側電極端子
１００．圧力パイプ
２００．アノード側流路
３００．カソード側流路

Claims (6)

1. 燃料電池基材のプリーツ成形体を含む事を特徴とするプリーツ型燃料電池であって、当該燃料電池基材が、
   １）固体高分子電解質膜およびその両表面に設けられたアノード電極およびカソード電極からなる膜電極集合体、
   ２）当該膜電極集合体の外面もしくは内部に接して設けられた通気性導電体、
   ３）当該通気性導電体の外面もしくは内部に接して設けられた通気性補強材、
   からなる事を特徴とするプリーツ型燃料電池。
2. 前記プリーツ成形体が平面型であり、外周部に補強フレームを備え、プリーツ成形体の上下に平面型気密ハウジングを備える事を特徴とする請求項１に記載のプリーツ型燃料電池。
3. 前記プリーツ成形体が円筒型であり、両端部に補強フレームを備え、プリーツ成形体の外周部に円筒型気密ハウジングを備える事を特徴とする請求項１に記載のプリーツ型燃料電池。
4. 気密ハウジングの少なくとも内面に、少なくとも１枚以上の冷却フィンを有することを特徴とする請求項２〜３に記載のプリーツ型燃料電池。
5. １つの気密ハウジングの内部に２個以上のプリーツ成形体を備える事を特徴とする請求項２〜４に記載のプリーツ型燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池を備えた自動車。

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