JP2005285558A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、導電性セパレータ溝内に効率よく燃料を送り込むことができ、燃料の洩れを低減できる燃料電池を提供することにある。
【解決手段】
本発明は、導電性セパレータを介して複数個の単電池が積層された燃料電池において、前記導電性セパレータに設けられた複数のマニホールドと、該マニホールドに挿入された中空の複数の筒とを有し、前記導電性セパレータは少なくとも片面に燃料又は酸化剤を前記単電池に供給又は単電池より排出させる流路を形成する溝を有し、前記筒は前記溝に接して前記燃料又は酸化剤を前記単電池に供給又は単電池より排出させる穴を有することを特徴とする燃料電池にある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、新規な燃料電池に関する。

燃料電池は、燃料から電気化学的に直接電気エネルギを取り出すためエネルギ効率が高く、また、排出物の主体が水であることから環境に調和しやすいなどの利点がある。そのため、自動車、分散電源、情報電子機器などへの適用が試みられている。中でも、情報電子機器ではリチウム電池に代わる長時間連続運転可能な電源として注目され、燃料電池を搭載する種々の情報電子機器が提案されている。

特許文献１では、水素吸収合金を貯蔵する水素吸蔵ボンベを用いた燃料電池を搭載した情報電子機器、特許文献２ではメタノールを燃料とした情報電子機器が示されている。メタノールを燃料とする燃料電池の中でも、液体のメタノールを直接酸化して電気を取り出す方式、いわゆる直接メタノール型燃料電池（Direct Methanol Fuel Cell、以下ＤＭＦＣと称す）は、積層(スタック)型燃料電池と比べ改質器等の補機が不要なため、電池システムが比較的簡単な構成にできる利点がある。また、燃料の酸化に酸素を必要とし、通常、空気が用いられる。

特許文献３においては、導電性セパレータを介して複数個の単電池（セルという）を積層した燃料電池スタックが示されている。積層セル数は要求される出力依存しており、近年では１０〜６０個であるが、年々増加する傾向にあり、燃料電池スタックそのものが大型化する傾向にある。この時、燃料電池スタックの大型化に対応してシステム全体も大型化が可能な場合と、システム全体の体積にある程度の制限があり大型化が不可能な場合とがある。そして、駆動に必要な出力は増加の傾向にあるが、筐体自体の小型化が求められるノートPCを駆動させる場合などが後者に対応している。このような状況に於いては、燃料電池スタックの狭い空間に対して非常に大きな流量の燃料を流すために、シール能力の不足を招き、マニホールドやチューブ継ぎ手周辺からの燃料漏れが問題になる。

特開平９−２１３３５９号公報 特開２００２−４９４４０号公報 特開２００１−１２６７４７号公報

前述のように、筐体自体の小型化が求められるノートPCを駆動させる場合、燃料電池スタックの狭い空間に対して非常に大きな流量の燃料を流す必要があるが、シール能力の不足を招き、マニホールドやチューブ継ぎ手周辺からの燃料漏れの問題あった。燃料電池スタックからの燃料洩れのほとんどはマニホールド周辺に存在する。マニホールド周辺の洩れ原因の一つは、システムの都合上多数積層された導電性セパレータの全てに均等に燃料を流す必要があり、それ相当の大量の燃料を一時にマニホールドに流し込むために、導電性セパレータの溝方向以外に大きな圧力がかかり、シールが破られることが挙げられる。シールが破られることで漏れ出す燃料は無駄であり、燃料電池の経済性を悪くする。

本発明の目的は、導電性セパレータ溝内に効率よく燃料を送り込むことができ、燃料の洩れを低減できる燃料電池を提供することにある。

本発明は、導電性セパレータを介して複数個の単電池が積層された燃料電池において、前記導電性セパレータに設けられた複数のマニホールドと、該マニホールドに挿入された中空の複数の筒とを有し、前記導電性セパレータは少なくとも片面に燃料又は酸化剤を前記単電池に供給又は単電池より排出させる流路を形成する溝を有し、前記筒は前記溝に接して前記燃料又は酸化剤を前記単電池に供給又は単電池より排出させる穴を有し、前記筒を通して前記燃料又は酸化剤を前記単電池に供給又は単電池より排出させることを特徴とする燃料電池にある。

本発明における複数の筒は、燃料及び酸化剤を供給及び排出するように各少なくとも１本有し、マニホールドに接着剤によって接合されており、穴は複数の単電池に共通に設けられていることが好ましい。

又、本発明は、導電性セパレータの両側の最外部は片面に燃料又は酸化剤を単電池に供給又は単電池より排出させる流路を形成する溝を有し、両者の最外部に各々絶縁材を介してハウジングによって一体に形成されていることが好ましい。更に、本発明における筒はハウジングの一方の外に突き出ているか、又は、複数の単電池を貫通し、ハウジングの両方の外に突き出ていることが好ましい。

本発明における単電池を構成するアノード触媒として炭素系粉末担体に白金とルテニウム或いは白金/ルテニウム合金の微粒子を分散担持したもの、カソード触媒としては炭素系担体に白金微粒子を分散担持したものが好ましい。又、電極触媒の安定化や長寿命化のために上記した貴金属成分に鉄、錫や希土類元素等から選ばれた第３又は第４の成分を添加した触媒を用いることは好ましい。

本発明における電解質膜として、水素イオン導電性を示す膜が用いられ、代表的な材料としてパーフロロカーボン系スルホン酸樹脂、ポリパーフロロスチレン系スルホン酸樹脂などに代表されるスルホン酸化やアルキレンスルホン酸化したフッ素系ポリマーやポリスチレン類、ポリスルホン類、ポリエーテルスルホン類、ポリエーテルエーテルスルホン類、ポリエーテルエーテルケトン類、その他の炭化水素系ポリマーをスルホン化した材料を用いることができる。これらの電解質膜でメタノールの透過性の小さい材料は燃料の利用率を高く採ることができ、燃料のクロスオーバーによる電池電圧の低下もなく好ましい材料である。

又、タングステン酸化物水和物、ジルコニウム酸化物水和物、スズ酸化物水和物、ケイタングステン酸、ケイモリブデン酸、タングストリン酸、モリブドリン酸などの水素イオン導電性無機物を耐熱性樹脂にミクロ分散した複合電解質膜を用いることによって、より高温域まで運転できる燃料電池とすることもできる。

本発明によれば、導電性セパレータ溝内に効率よく燃料を送り込むことができ、燃料の洩れを低減し、燃料の無駄な消費をなくすことができる燃料電池を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を具体的な実施例によって説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は本発明に係る燃料電池スタックの斜視図である。図１の燃料電池スタック１は、図示が省略されているが、1枚の電解質膜の一方の面に酸素を還元するカソード電極を、他方の面に燃料を酸化するアノード電極が配置される。各電極側に燃料供給側と酸素供給側にそれぞれ燃料及び酸素を供給する溝が設けられた導電性セパレータを介して複数個の単電池が積層され、導電性セパレータの最外部の両側がそれぞれ絶縁材を介してハウジングによって固定されたものである。

燃料電池スタック１は筒２を４個有し、各筒２は燃料電池スタック１内に収められた導電性セパレータに設けられた貫通孔からなるマニホールドに挿入され、接着剤等によって燃料及び酸素が漏れないようにマニホールドに固定される。筒２は燃料導入口２aに送り込まれた燃料が燃料出口２ｄから、酸素導入口２cに送り込まれた酸素は酸素出口２ｂから排出されるように構成され、いずれも４角形の角状の筒であるが、長方形、円筒形、Ｄ型形状等いずれでも良い。

図２は、本発明に係る導電性セパレータの平面図である。図２に示す導電性セパレータは図１に係るものである。図２に示すように、導電性セパレータには貫通孔からなるマニホールド５が４個設けられる。又、導電性セパレータの一方の面には燃料を供給する溝６が設けられ、溝６に接したマニホールド５の一方から燃料が供給され、溝６に接したマニホールド５の他方から燃料が排出される。更に、導電性セパレータの他方の面には酸素を供給する溝６が設けられ、溝６に接したマニホールド５の一方から酸素が供給され、溝６に接したマニホールド５の他方から酸素が排出される。本実施例の導電性セパレータはその裏面においても表側と同じく溝６がマニホールド５に接して形成されており、一方の面から燃料及び他方の面から酸素が供給及び排出される。溝６とマニホールド５との平面配置構造は燃料電池スタックの全体構造との関係によって設計される。本実施例の導電性セパレータは黒鉛、ステンレス鋼等の電解液に対して防食性の高い材料が用いられる。マニホールド５の平面形状は長方形であるが、４角形、円筒形、Ｄ型形状等いずれでも良い。

図３は筒２の斜視図である。図３に示すように、筒２は導電性セパレータ４に設けられた貫通孔からなるマニホールド５に挿入してあり、マニホールド５の溝６に接する部分に燃料又は酸素を供給する穴３を有し、この穴３を通して筒２から供給される燃料又は空気、酸素等が供給される。又、それらの排出は穴３を通して行われる。筒２の外周は導電性セパレータ４のマニホールド５の内側を満たしてあり、穴３は導電性セパレータ４に形成された溝６の方向に開いている。この構造にすることによってマニホールド５に導入された燃料はほとんど溝６に向かうことになる。溝６の方向以外への圧力の減少により、マニホールド５から燃料電池スタック１の外に漏れ出す燃料を減少させることができる。

本実施例の燃料漏れを減少させる効果を確認するために、比較としてマニホールド５内に筒２を挿入しない燃料電池スタックについてマニホールド５周りから燃料電池スタックの外への燃料漏れを測定した。このとき、マニホールド５内に流し込む燃料によって測定方法を変えた。

図４は燃料としてメタノール水溶液を用いた燃料電池スタックの燃料漏れを検証するシステム図である。図４において、ポンプ７によりタンク８からメタノール水溶液を吸い出して、燃料電池スタック９にメタノール水溶液を送り込む。燃料電池スタック９に送り込まれる燃料の流量と導入圧力はセンサ１０で管理される。燃料導入口２aに送り込まれた燃料は燃料出口２ｄから、又、酸素導入口２cに送り込まれた燃料は酸素出口２ｂから排出され、再びタンク８に戻される。そして、燃料電池スタック９の周りには重量計１１を配置し洩れ出たメタノール水溶液の重量が直ちに観測できるようにした。

図５は燃料として空気を代わりに流し燃料漏れを検証する燃料電池のシステム図である。ブロア１２によって燃料電池スタック９に空気が送り込まれる。空気の流量と導入圧力はセンサ１３で管理される。図４の場合と同様に燃料導入口２aに送り込まれた空気は燃料出口２ｄから、酸素導入口２cに送り込まれた空気は酸素出口２ｂから排出される。燃料電池スタック９は水１６を張った水槽１４に沈められ、洩れ出た空気は水槽１４の上部に配置されたビーカ１５に集められ体積を測定できるようにした。この空気の体積を求めることにより燃料の漏れ量を測定できるようにした。

図６は図５の燃料電池スタックのシステムを組んで得られた空気の導入圧力と洩れる量の割合との関係を示す図である。各導入圧力において比較の筒２を用いない場合の漏れる量の割合をいずれも１００として表した。図６に示すように全ての導入圧力において、本実施例の筒２を用いた燃料電池スタックは燃料の洩れる割合が少ない結果が得られた。又、図６に示すように、導入圧力を大きくすることによって漏れる割合が小さくなることが明らかである。そして、空気に代えて実際のメタノール水溶液を用いた図４の燃料電池スタックのシステムにおいて実施した場合にも同様の結果が得られた。

図７は、図１の燃料電池スタックの具体的な構造を示す斜視図である。本実施例では、メタノール水溶液を燃料として用いる単電池を次のように形成した。1枚の電解質膜の表裏面に各々電極を形成した。電解質膜の一方の平面に酸素を還元するカソード電極を、他方の平面に燃料を酸化するアノード電極を配置する。これらの電極は直接電解質膜上にスクリーン印刷等により形成したり、或いは別途離型フィルム上にスクリーン印刷等で形成し乾燥後、電解質膜にホットプレス等で熱圧着転写する方法などにより作成することができる。

アノード電極は、炭素担体上に原子比が１/１の白金/ルテニウム合金微粒子を50wt％分散担持した触媒粉末と30wt％パーフロロカーボンスルホン酸電解質をバインダーとして水/アルコール混合溶媒（水、イソプロパノール、ノルマルプロパノールが重量比で20：40：40の混合溶媒）のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリテトラフロロエチレンフィルム上に厚さ約20μmの多孔質膜としたものである。燃料として水素を用いる場合は、白金の触媒が用いられる。

カソード電極は、炭素担体上に30wt％の白金微粒子を担持した触媒粉末と電解質をバインダーとして水/アルコール混合溶媒のスラリーを調整してスクリーン印刷法でポリテトラフロロエチレンフィルム上に厚さ約25μmの多孔質膜としたものである。

白金/ルテニウム合金微粒子及び白金微粒子は粒径約５ｎｍで、粒径３０〜６０ｎｍの炭素粉末の表面に点在するように無電解めっきによってその時間及び還元速度等を調整して胆持させている。燃料として水素を用いる場合も同様である。

こうして調整したアノード多孔質膜及びカソード多孔質膜をそれぞれ所望の大きさに切り出し、ポリテトラフロロエチレンフィルムを除去し、アノード電極及びカソード電極とした。次に、電解質膜としてパーフロロカーボンスルホン酸を所望の大きさに切り出し、電解質膜の両面にアノード電極及びカソード電極を互いに対向させて配置し、これらをポリテトラフロロエチレンシートで両側から挟んで、これをホットプレスすることでシート状電解質膜電極複合体を得た後、ポリテトラフロロエチレンシートは除去し、単電池となるユニットを得た。

次に、このユニットの両面に図２に示した構造の導電性セパレータと単電池とを交互に複数配置し、ステンレス鋼からなるハウジング１８によってボルト１９にて固定した。導電性セパレータの溝は両面に形成され、一方の面に燃料及び他方の面に酸素又は空気が供給される。そして、最後の上下の導電性セパレータは片面に溝が形成されたものが用いられ、それらの導電性セパレータの各ハウジング１８側がゴム状の樹脂からなる絶縁体シート２０によって絶縁される。

又、本実施例における筒２ａ〜２ｄは燃料及び酸素を供給及び排出する穴はそれぞれ複数の単電池に亘って共通に導電性セパレータの溝に接した部分に形成、又は、その穴は個々の導電性セパレータの溝に接した部分に個々に形成させることができる。

以上、本実施例においては、導電性セパレータ溝内に効率よく燃料を送り込むことができ、燃料の洩れを低減し、燃料の無駄な消費をなくすることができ燃料電池スタックを提供することができる。

図８は燃料電池スタック内をいずれも貫通した４個の筒２を有する燃料電池スタックの斜視図である。筒２は必ずしも図１のような配置にする必要はなく、導電性セパレータや端板の構造如何によって図８のように配置することが可能である。筒２ａ〜２ｄは、燃料電池スタック１を貫通して設けられ、燃料導入口２aに送り込まれた燃料が燃料出口２ｄから排出、酸素導入口２cに送り込まれた酸素は酸素出口２ｂから排出されるように導電性セパレータの溝及びマニホールドと筒２ａ〜２ｄへの穴とが形成される。従って、燃料及び酸素の各入口ではそれらが複数の単電池内に供給されるように導電性セパレータの溝に接してマニホールドが形成され、このマニホールドに筒２ａ、２ｃの穴が対応して形成されている。導電性セパレータの溝及びマニホールドは、前述の図２と同様に形成されている。

又、燃料及び酸素の各出口も入口と同様に複数の単電池内より排出されるように導電性セパレータの溝に接してマニホールドが形成され、このマニホールドに筒２ｂ、２ｄの穴が対応して形成されている。図８に示す燃料電池スタック１は単電池がメタノール水溶液を燃料とした場合が４０個、水素を燃料とした場合が８０個程度有するものであるが、これを複数個形成されるものである。

図９は図８の筒の斜視図である。本実施例の筒２を燃料電池スタックに貫通させて構成したことにより燃料漏れを少なくすることができる。又、筒２ａ〜２ｄのいずれも供給口及び排出口には複数の単電池に亘って共通に１個形成されている。

図１０は、図８の燃料電池スタックを真中に配置し、その上下にそれぞれ燃料及び酸素の各入口と出口を形成した３個組み合わせた燃料電池システムを示す斜視図である。図１０に示すように、上に燃料及び酸素の入口を設け、下に燃料及び酸素の出口を設けたものである。筒２ａ〜２ｄはいずれも燃料電池スタック１の導電性セパレータのマニホールドに接着剤によって固着されている。図８の説明と同様に燃料導入口２aに送り込まれた燃料が対角に設けられた燃料出口２ｄから排出され、酸素導入口２cに送り込まれた酸素は対角に設けられた酸素出口２ｂから排出されるように導電性セパレータの溝及びマニホールドと筒２ａ〜２ｄの穴とが形成されている。

図１１は、図８の燃料電池スタックを上と真中に配置し、その上で燃料及び酸素の各入口と各出口をそれぞれ形成した３個組み合わせた燃料電池システムを示す斜視図である。図１１に示すように、筒２ａ〜２ｄはいずれも燃料電池スタック１の導電性セパレータのマニホールドに接着剤によって固着されている。図８の説明と同様に燃料導入口２aに送り込まれた燃料が対角に設けられた燃料出口２ｄから排出され、酸素導入口２cに送り込まれた酸素は対角に設けられた酸素出口２ｂから排出されるように導電性セパレータの溝及びマニホールドと筒２ａ〜２ｄへの穴とが形成されている。

以上、本実施例によれば、各筒は導電性セパレータのマニホールドに固着されているので、溝内に効率よく燃料を送り込むことができ、燃料の洩れを低減し、燃料の無駄な消費を無くすことができる燃料電池スタックを提供することができる。

本発明に係る燃料電池スタックを示す斜視図。 本発明に係る導電性セパレータの平面図。 本発明係る筒と燃料電池スタックとの配置を示す斜視図。 燃料としてメタノール水溶液を用いた場合の本発明に係る燃料電池のシステム図。 燃料に代えて空気を流した場合の燃料漏れ試験のための燃料電池のシステム図。 図５の燃料電池のシステムにおいて燃料に代えて空気を流した場合の燃料漏れ試験結果を示す導入圧力と洩れる割合との関係を示す図。 本発明に係る燃料電池スタックの具体例を示す斜視図。 本発明に係る他の例の燃料電池スタックを示す斜視図。 本発明係る筒と燃料電池スタックとの配置を示す斜視図。 本発明に係る複数の燃料電池スタックを有する斜視図。 本発明に係る他の例を示す複数の燃料電池スタックを有する斜視図。

符号の説明

１…燃料電池スタック、２…筒、２ａ…燃料導入口、２ｂ…酸素出口、２ｃ…酸素導入口、２ｄ…燃料出口、３…穴、４…導電性セパレータ、５…マニホールド、６…溝、７…ポンプ、８…タンク、９…燃料電池スタック、１０…センサ、１１…重量計、１２…ブロア、１３…センサ、１４…水槽、１５…ビーカ、１６…水、１７…単電池、１８…ハウジング、１９…ボルト、２０…絶縁シート。

Claims (7)

1. 導電性セパレータを介して複数個の単電池が積層された燃料電池において、前記導電性セパレータに設けられた複数のマニホールドと、該マニホールドに挿入された中空の複数の筒とを有し、前記導電性セパレータは少なくとも片面に燃料又は酸化剤を前記単電池に供給又は単電池より排出させる流路を形成する溝を有し、前記筒は前記溝に接して前記燃料又は酸化剤を前記単電池に供給又は単電池より排出させる穴を有することを特徴とする燃料電池。
2. 請求項１において、前記複数の筒は、前記燃料及び酸化剤を供給及び排出するように少なくとも各１本有することを特徴とする燃料電池。
3. 請求項１又は２において、前記燃料が、メタノール水溶液又は水素であり、前記酸化剤が酸素又は空気であることを特徴とする燃料電池。
4. 請求項１〜３のいずれかにおいて、前記穴は前記複数の単電池に共通に設けられていることを特徴とする燃料電池。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、前記筒は前記マニホールドに接着剤によって接合されていることを特徴とする燃料電池。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、前記導電性セパレータはその上下の最外部が各々絶縁材を介してハウジングによって一体に形成されていることを特徴とする燃料電池。
7. 請求項６において、前記筒は前記ハウジングの少なくとも一方の外に突き出ていることを特徴とする燃料電池。

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