JP2006344586A - 燃料電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 燃料電池10は、単電池1、単電池1の酸化剤極側の外側に配される酸化剤極流路部材2、および単電池1の燃料極側の外側に配される燃料極流路部材3が繰り返し積層された固体高分子電解質型燃料電池であり、酸化剤極流路部材2を挟んで酸化剤極が対向し、燃料極流路部材3を挟んで燃料極が対向するように積層されていることを特徴とする。
【選択図】 図1
Description
(1)前記酸化剤極流路部材は、その酸化剤極流路の1あたりの断面積が1.2mm2以上である。
(2)前記酸化剤極流路部材は、櫛歯形状とすることにより酸化剤の流路を形成している。
(3)前記櫛歯形状とすることにより形成された酸化剤の流路は、酸化剤の出入ができるようにその両端部が外部に露出して開放されている。
(4)前記酸化剤極流路部材は、酸化剤の流路となる厚み方向の貫通孔を有し、かつ、酸化剤を外部から出入するための前記貫通孔に連通した開口部を有している。
(5)前記酸化剤極流路部材は、長方形状であり、前記酸化剤の流路が短辺に平行に形成されている。
(6)前記燃料極流路部材は、燃料の流路となる厚み方向の貫通孔を有し、かつ、燃料を外部から出入するための前記貫通孔に連通した開口部を有している。
(7)前記集電板は、複数の金属板とその両面に貼り合わせた樹脂製の絶縁シートとから構成されており、かつ、前記複数の金属板が前記樹脂製の絶縁シート上に間隔をあけて配置されることにより複数の集電板が同一平面上に一体化して形成されている。
(8)前記一体化して形成された複数の集電板を連結部分で折り曲げて前記燃料極および前記酸化剤極を挟み込んで積層されている。
(9)前記一体化して形成された複数の集電板を連結部分で折り曲げて前記燃料極流路部材又は前記酸化剤極流路部材を挟み込んで積層されている。
(10)前記燃料電池は、空気ファンが設けられた筐体に収容されている。
(11)前記燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池である。
図1は、本発明の実施の形態に係る燃料電池の構造を示す概略図である。燃料電池10は、単電池1と、単電池1で(単電池1の空気極側に接して)両側を挟まれた空気極流路部材2と、単電池1で(単電池1の燃料極側に接して)両側を挟まれた燃料極流路部材3とを有して構成される。すなわち、空気極流路部材2、単電池1、燃料極流路部材3、単電池1、空気極流路部材2、単電池1、燃料極流路部材3、を繰り返した積層構造を有する。
図3は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を構成する単電池の構造を示す概略図である。単電池1は、高分子電解質膜、触媒部、及びガス拡散(分散)層の複合体から構成されるMEA(Membrane of Electrolyte Assembly)4を集電板5で挟んで構成されている。
図5は、本発明の実施の形態に係る燃料電池を構成する流路部材の構造を示す概略図である。(a)は、空気極流路部材を示し、(b)は、燃料極流路部材を示している。
図7は、本発明の実施の形態の燃料電池の使用態様の具体例を示す図である。燃料電池10は、筐体6に収容され、筐体6に設置された空気ファン7により、空気が供給される。空気ファン7からの空気は、空気極流路部材2に形成した流路部2Bの一部が電池外部に露出した部分から電池内部に流入し、積層した流路全てに同時に供給され、電池の反対面の露出部から排出される。
本発明の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
(1)空気極流路部材2が所定の厚さ(即ち、1.2mm以上)を有すること(望ましくは、空気極流路部材2の厚さおよび空気極流路の1あたりの断面積が、それぞれ1.2mm以上、1.2mm2以上であること)により空気供給時の圧力損失が低減されるので、空気供給側で消費電力がより小さな補機(空気ファン等)を使用できる。このため、補機による電力損失の少ない高出力なDMFC電源を実現できる。
(2)消費電力のより小さな補機、すなわち、容積のより小さな補機が使用できることで、システムとしての体積をコンパクトにできる。
(3)上記(1)及び(2)の組合わせにより、システムの体積出力密度を向上でき、携帯機器用途向けとしてより高性能化できる。
(4)燃料極および空気極がそれぞれ燃料極同士、空気極同士が対向しているため、燃料極および空気極への燃料や空気の供給ラインが共用できる。したがって、構造が簡素化でき、低コスト化が可能となる。
まず、図4に示す集電板5を以下のようにして作製した。短辺(図4で左右方向)30mm、長辺(図4で上下方向)78mm、板厚0.1mmのチタン板を用い、導電性表面処理(例えば、特開平10−228914号公報に開示された表面処理)を施した後、この両面に厚さ0.035mmのポリイミドシート(絶縁シート)5Bを貼り合せた。貼り付けたポリイミドシート5Bの片面について、電気的に導通するように周縁部以外の部分(集電部5A)のポリイミドシート5Bを除去した。触媒部及び集電部5Aのサイズは25mm×75mmとした。また、集電部5Aの片面(反対面)に貼り付けられているポリイミドシート5Bも貫通する多数(図4では、7個×13個)の貫通孔を集電部5Aに万遍なく設けた。貫通孔の直径は1.5mmとした。
この燃料電池10にメタノール(3質量%)燃料をポンプ(株式会社榎本マイクロポンプ製作所製、型番:CM−15W−12)で供給し、空気を空気ファン7で供給(送風量:約0.07m3/min、燃料電池内部での代表的な空気温度:約50℃)しながら発電した結果、燃料電池10からの出力は18.8Wが得られた。燃料ポンプの消費電力が1W、空気ファンの消費電力が2Wであったので、電池システムからの出力は15.8Wが得られた。この時の電池システムの体積は約304cm3であるので、体積あたりの出力密度は約52W/Lであった。
図9は、実施例2に係る燃料電池に使用する集電板の構造を示す概略図である。図10は、実施例2に係る燃料電池の作製過程の一部を示す工程図である。
この燃料電池にメタノール(3質量%)燃料をポンプ(株式会社榎本マイクロポンプ製作所製、型番:CM−15W−12)で供給し、空気をファン7で供給(送風量:約0.07m3/min、燃料電池内部での代表的な空気温度:約50℃)しながら発電した結果、電池からの出力は18Wが得られた。燃料ポンプの消費電力が1W、空気ファンの消費電力が2Wであったので、電池システムからの出力は15Wが得られた。この時の電池システムの体積は約455cm3であるので、体積あたりの出力密度は約33W/Lであった。
図11は、実施例3に係る燃料電池に使用する集電板の構造を示す概略図である。集電板25は、73mm×170mmのチタン板(板厚0.1mm)を用いて実施例1と同様に作製した。65mm×46mmの集電部を10mm間隔で3つ設けた。
図14は、空気極流路部材の構成部品を示す斜視図である。図15は、図14に示す空気極流路部材の構成部品を使用して作製した燃料電池の一部断面図である。実施例3の形状の空気極流路部材を作製するに際し、上記したように1つの部材を切削加工して作製するほか、第1空気極流路部材39と第2空気極流路部材(図示せず)とを形成し、それぞれのリブ部同士が対向するようにこれらを貼り合わせることにより空気極流路部材を形成した(図14では図12とは流路部とリブ部の数(配置)が異なるものを示した)。流路部を形成する貫通部および開口部は、第1貫通部32B1と第2貫通部(図示せず)、第1開口部32B2と第2開口部(図示せず)、とからそれぞれ形成される。また、流路間のリブ部は、第1リブ部32Cと第2リブ部(図示せず)とから形成される。
作製した2枚の集電板25の間に、高分子電解質膜(ナフィオン(登録商標))、触媒部(各触媒部のサイズは、それぞれ65mm×46mm)、及びガス拡散層の複合体からなるMEAを挟み、集電板モジュールを作製した。
この燃料電池にメタノール(3質量%)燃料をポンプ(株式会社榎本マイクロポンプ製作所製、型番:CM−15W−12)で供給し、空気をファン7で供給(送風量:約0.07m3/min、燃料電池内部での代表的な空気温度:約50℃)しながら発電した結果、電池からの出力は18.5Wが得られた。燃料ポンプの消費電力が1W、空気ファンの消費電力が2Wであったので、電池システムからの出力は15.5Wが得られた。この時の電池システムの体積は約400cm3であるので、体積あたりの出力密度は約39W/Lであった。
図19は、実施例4に係る燃料電池に使用する第1空気極流路部材42の構造を示す概略図である。第1空気極流路部材42は、83mm×204mm×1.5mmのポリフェニルサルフェート(PPS)を用いた。実施例3と同様に、長方形の短辺側の端部にそれぞれ燃料通過用の供給マニホールド部(図示せず)、排出マニホールド部(図示せず)を切削加工により形成した。また、図19に示すように、短辺と平行に流路部42B(流路部42Bの幅(図19で上下方向)は2mm、長さ(図19で左右方向)は83mm)とリブ部42C(リブ部42Cの幅(図19で上下方向)は2mm)とを交互に合計30mm(流路部42Bが8、リブ部42Cが7)を5セット分形成した(セット間ピッチは37mm)。流路部42Bは、貫通部42B1と貫通部42B1に通じる開口部42B2(開口部42B2の溝深さ(図19で紙面奥行方向)は1mm)および連通部42B3(連通部42B3の溝深さ(図19で紙面奥行方向)は1mm)とから構成される。貫通部42B1は長辺が30mmとなるように長方形状に形成した(貫通部42B1の溝深さ(空気極流路部材42の厚みで、図19で紙面奥行方向)は1.5mm)。
図20は、実施例4に係る燃料電池の作製過程の一部を、実施例2と同様に、模式的に示した工程図である。
この燃料電池にメタノール(3質量%)燃料をポンプ(株式会社榎本マイクロポンプ製作所製、型番:CM−15W−12)で供給し、空気をファン7で供給(送風量:約0.07m3/min、燃料電池内部での代表的な空気温度:約50℃)しながら発電した結果、電池からの出力は21.5Wが得られた。燃料ポンプの消費電力が1W、空気ファンの消費電力が2Wであったので、電池システムからの出力は18.5Wが得られた。この時の電池システムの体積は約520cm3であるので、体積あたりの出力密度は約36W/Lであった。
実施例1と同じ集電板5を作製した。作製した2枚の集電板5の間に高分子電解質膜(ナフィオン(登録商標))、触媒部、及びガス拡散層の複合体からなるMEA4を集電部5Aで挟み燃料電池の最小単位である、単電池1を形成した。
これら燃料電池10A(比較例1)、10B(比較例2)にメタノール(3質量%)燃料をポンプ(株式会社榎本マイクロポンプ製作所製、型番:CM−15W−12)で供給し、空気を空気ファン7で供給しながら発電試験を行った。結果として、燃料電池10A(比較例1)においては、発電開始の極初期に約5Wの出力が得られたが、その後、急激に出力が低下してほぼゼロになった。また、燃料電池10B(比較例2)においては、発電開始の極初期に約8Wの出力が得られたが、その後、急激に低下して定常的な出力が約3.5Wになった。燃料ポンプの消費電力が1W、空気ファンの消費電力が2.2Wであったので、電池システムからの出力は殆どゼロに近かった。
実施例2と同じ集電板(集電板の集合体)15を用意し、実施例2と同じ手順で(MEA14を集電板の集合体15で挟んで)集電板モジュール18を作製した。
この燃料電池10C(比較例3)にメタノール(3質量%)燃料をポンプ(株式会社榎本マイクロポンプ製作所製、型番:CM−15W−12)で供給し、空気を空気ファン7で供給しながら発電試験を行った。結果として、発電開始の初期に17.6Wの出力が得られたが、数分後から徐々に出力が低下していき、最終的に5〜10Wで変動する不安定な出力挙動となった。
2:空気極流路部材
2A1,2A2 :マニホールド部、2B:流路部
3:燃料極流路部材
3A1,3A2:マニホールド部、3B:流路部、3C:連通路
4,24:MEA
5:集電板
5A:金属板(集電部)、5B:絶縁シート(ポリイミドシート)、5C:貫通孔
6:筐体
7:空気ファン
10:燃料電池
15:集電板
15a,15b,15c,15d,25a,25b,25c,25d:集電板
15A,25A:金属板(集電部)、15B:絶縁シート(ポリイミドシート)
15C:貫通孔、15D,25D:集電配線、15E:貫通孔
18,28:集電板モジュール
22:空気極流路部材
22A1,22A2:マニホールド部
22B:流路部、22B1:貫通部、22B2:開口部、22C:リブ部
23:燃料極流路部材
23A1,23A2:マニホールド部
23B:流路部、23D1:燃料供給口、23D2:燃料排出口
25:集電板
31:単電池
32,52:空気極流路部材
32B1:第1貫通部、32B2:第1開口部、32C:第1リブ部
39、42:第1空気極流路部材
42B:流路部、42B1:貫通部、42B2:開口部、42B3:連通部、42C:リブ部
101:燃料電池セル
110:固体高分子電解質膜
111:燃料極
112:空気極
113:MEA
114:燃料流路
115,117:金属セパレータ
116:空気流路
118,119:ガスケット
Claims (12)
- 固体高分子電解質膜を挟んで配される燃料極および酸化剤極と、前記燃料極および前記酸化剤極の外側に配される集電板と、前記燃料極の外側に配された前記集電板の外側に配される燃料極流路部材と、前記酸化剤極の外側に配された前記集電板の外側に配される酸化剤極流路部材とを備え、前記燃料極流路部材を挟んで前記燃料極が対向し、前記酸化剤極流路部材を挟んで前記酸化剤極が対向するように繰り返し積層された燃料電池であって、
前記集電板は、片面が複数の貫通孔が設けられた集電部を有する集電面で、他方面が電気的に絶縁する機能を有する絶縁面であり、かつ、前記集電面が前記燃料極又は前記酸化剤極に対向し、前記絶縁面が前記燃料極流路部材又は前記酸化剤極流路部材に対向しており、
前記燃料極流路部材および前記酸化剤極流路部材は、それぞれ側面に配された前記集電板の前記貫通孔を介して、前記燃料極と前記酸化剤極にそれぞれ燃料と酸化剤が供給され、
前記酸化剤極流路部材の厚みが1.2mm以上であることを特徴とする燃料電池。 - 対向する前記酸化剤極に酸化剤を供給する前記酸化剤極流路の1あたりの断面積が1.2mm2以上であることを特徴とする請求項1に記載の燃料電池。
- 前記酸化剤極流路部材は、櫛歯形状とすることにより酸化剤の流路を形成していることを特徴とする請求項1乃至請求項2に記載の燃料電池。
- 前記櫛歯形状とすることにより形成された酸化剤の流路は、酸化剤の出入ができるようにその両端部が外部に露出して開放されていることを特徴とする請求項3記載の燃料電池。
- 前記酸化剤極流路部材は、酸化剤の流路となる厚み方向の貫通孔を有し、かつ、酸化剤を外部から出入するための前記貫通孔に連通した開口部を有していることを特徴とする請求項1乃至請求項2に記載の燃料電池。
- 前記酸化剤極流路部材の最外形形状は、長方形状であり、前記酸化剤の流路が短辺に平行に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記燃料極流路部材は、燃料の流路となる厚み方向の貫通孔を有し、かつ、燃料を外部から出入するための前記貫通孔に連通した開口部を有していることを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記集電板は、複数の金属板とその両面に貼り合わせた樹脂製の絶縁シートとから構成されており、かつ、前記複数の金属板が前記樹脂製の絶縁シート上に間隔をあけて配置されることにより複数の集電板が同一平面上に一体化して形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記一体化して形成された複数の集電板を連結部分で折り曲げて前記燃料極および前記酸化剤極を挟み込んで積層されていることを特徴とする請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記一体化して形成された複数の集電板を連結部分で折り曲げて前記燃料極流路部材又は前記酸化剤極流路部材を挟み込んで積層されていることを特徴とする請求項1乃至請求項9のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池は、空気ファンが設けられた筐体に収容されていることを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の燃料電池。
- 前記燃料電池は、ダイレクトメタノール型燃料電池であることを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の燃料電池。
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