JP2006351525A - 直接液体燃料電池スタック - Google Patents

Abstract

【課題】単位セルの回路連結を単純化して容易に単位セルの交換ができる直接液体燃料電池スタックを提供する。
【解決手段】直接液体燃料電池スタック１００は、互いに対向する平行な第１および第２エンドプレート１１０、１３０と、第１および第２エンドプレートの間に、第１および第２エンドプレートと垂直に設置される複数の単位セルモジュール２００と、を備え、第１エンドプレートの内面には、単位セルモジュールのターミナルと接触する電気回路が形成されることを特徴としている。
【選択図】図２

Description

本発明は、直接液体燃料電池スタックに係り、より詳細には着脱可能な構造のユニット燃料電池モジュールを備える直接液体燃料電池スタックに関する。

直接液体燃料電池は、メタノール、エタノールなどの有機化合物燃料と酸化剤である酸素（空気内の酸素）との電気化学反応によって電気を生成する発電装置であり、エネルギー密度および電力密度が非常に高く、メタノールなど液体燃料を直接使用するため、燃料改質器など周辺装置が不要であり、燃料の保存および供給が容易であるという長所を有している。

直接液体燃料電池の単位セルは、図１に示すように、アノード電極２とカソード電極３との間に電解質膜１が介在して、メンブレン電極アセンブリ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：以下、ＭＥＡという。）構造を形成する。各アノード電極２およびカソード電極３は、燃料の供給および拡散のための燃料拡散層２２、３２と、燃料の酸化／還元反応が起こる触媒層２１、３１と、電極支持体２３、３３と、から構成される。

直接液体燃料電池のうち、メタノールと水とを混合燃料として使用する直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ、以下、ＤＭＦＣという。）の電極における反応は、燃料が酸化されるアノード反応と、水素イオンと酸素との還元によるカソード反応と、からなる。反応式を以下に示す。
ＣＨ_３ＯＨ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻ （反応式１：アノード反応）
３／２Ｏ_２＋６Ｈ^＋＋６ｅ⁻→３Ｈ_２Ｏ （反応式２：カソード反応）
ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→２Ｈ_２Ｏ＋ＣＯ_２ （反応式３：総括反応）

酸化反応（反応式１）が起こるアノード電極２では、メタノールと水との反応によって二酸化炭素、６個の水素イオンおよび６個の電子が生成され、生成された水素イオンは、水素イオン交換膜１を経てカソード電極３に伝えられる。還元反応（反応式２）が起こるカソード電極３では、水素イオンと、外部回路を通じて伝えられた電子、および酸素との反応によって水が生成される。従って、ＤＭＦＣ総括反応（反応式３）は、メタノールと酸素とが反応して水および二酸化炭素が生成される反応となる。

ＤＭＦＣの単位セルの発生電圧は、理論的には１．２Ｖ程度であるが、常温、常圧の条件下で開回路電圧は１Ｖ以下となり、実際の作動電圧は活性化過電圧および抵抗過電圧による電圧降下が起こるために０．４〜０．６Ｖほどとなる。従って、所望の容量の電圧を得るためには、数枚の単位セルを直列に連結しなければならない。

直接液体燃料電池スタックは、数枚の単位セルが積層されたものであり、積層された単位セルは、電気的に直列連結されている。単位セルの間には、導電性プレートであるバイポーラプレート４が介在し、隣接した単位セルを電気的に相互連結する。バイポーラプレート４の両面には流路チャンネル４１、４２が形成されて、接触する電極に液体燃料または空気を供給する。

特許文献１に開示された燃料電池スタックは、複数のバイポーラプレートおよびＭＥＡが直列に積層された構造を有している。燃料電池スタックの単位セルを螺合した構造である。

しかし、螺合した燃料電池スタックにおいては、製造不良または性能劣化による不良な単位セルを交換するために螺合を外さねばならず、その作業は容易でない。

米国特許公開第２００２／０１４２２０５号公報

本発明は、従来の上記問題点に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、単位セルの回路連結を単純化して容易に単位セルの交換が可能な、新規かつ改良された直接液体燃料電池スタックを提供することである。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、互いに対向する平行な第１および第２エンドプレートと；上記第１および第２エンドプレートの間に、第１および第２エンドプレートと垂直に設置される複数の単位セルモジュールと；を備え、上記第１エンドプレートの内面には、上記単位セルモジュールのターミナルと接触する電気回路が形成されることを特徴とする、直接液体燃料電池スタックが提供される。

ここで、上記単位セルモジュールは、少なくとも一つの単位セルからなり、上記単位セルは、電解質膜の両面それぞれにアノード電極およびカソード電極を設けたメンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ）と；上記アノード電極に面して設置され、その内面には流路が形成され、上記第１エンドプレートと連結される部分に上記ターミナルが形成され、上記第２エンドプレートと連結される部分に液体燃料の引き込み口および排出口が形成されている導電性アノードプレートと；上記カソード電極に面して設置され、複数のホールが形成され、上記第１エンドプレートと連結される部分に上記ターミナルが形成された導電性カソードプレートと；を備えるとしてもよい。

上記単位セルモジュールは、２個の単位セルおよび上記単位セルの間の絶縁性フィルムからなり、上記単位セルの導電性カソードプレートは、それぞれ外側に向かうように設置されてもよい。

上記第２エンドプレートには、上記単位セルモジュールの引き込み口および排出口とそれぞれ連結される引き込みホールおよび排出ホールが形成され、上記第２エンドプレートの内部には、上記引き込みホールと連通された引き込みマニフォールドと、上記排出ホールと連通された排出マニフォールドとが形成されてもよい。

上記電気回路は、上記単位セルモジュールを直列連結する回路であってもよく、上記各単位セルモジュールの出力電圧を測定する回路をさらに備えてもよい。

上記第１および第２エンドプレートには、上記単位セルモジュールを、上記第１および第２エンドプレートに対して垂直に着脱可能なスライディング溝が形成されてもよい。

また、上記単位セルモジュールは、少なくとも一つの単位セルからなり、上記単位セルは、電解質膜の両面それぞれにアノード電極およびカソード電極を設けたメンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ）と；上記アノード電極に面して設置されたウィッキング部材と；上記ウィッキング部材に面し、上記第１エンドプレートと連結される部分に上記ターミナルが形成されている導電性アノードプレートと；上記カソード電極に面して設置され、複数のホールが形成され、上記第１エンドプレートと連結される部分に上記ターミナルが形成された導電性カソードプレートと；を備えるとしてもよい。

上記単位セルモジュールは、２個の単位セルおよび上記単位セルの間の絶縁性フィルムからなり、上記単位セルの導電性カソードプレートは、それぞれ外側に向かうように設置されてもよい。

上記第２エンドプレートには、上記ウィッキング部材と接触する引き込みホールが形成され、上記第２エンドプレートの内部には、上記引き込みホールと連通された引き込みマニフォールドが形成されてもよい。

上記引き込みマニフォールドには、フォーム部材が満たされうる。

上記電気回路は、直列連結回路であってもよく、上記各単位セルモジュールの出力電圧を測定する回路をさらに備えてもよい。

上記第１および第２エンドプレートには、上記単位セルモジュールを上記第１および第２エンドプレートに対して垂直に着脱可能なスライディング溝が形成されてもよい。

以上説明したように本発明による直接液体燃料電池スタックは、脱着可能な複数の単位セルモジュールを備えるので、性能が低下した単位セルモジュールを容易に交換できる。また、単位セルモジュールを連結する回路をエンドプレートに容易に形成することも可能である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。

図２は、本発明の第１実施形態による直接液体燃料電池スタック１００の概略的な斜視図である。燃料電池スタック１００は、互いに離隔された平行な第１および第２エンドプレート１１０、１３０と、第１および第２エンドプレート１１０、１３０の間の複数の単位セルモジュール２００とを備える。上記単位セルモジュール２００は、第１および第２エンドプレート１１０、１３０に対して垂直に設置される。上記エンドプレート１１０、１３０には、上記単位セルモジュール２００の着脱を容易にするスライディング溝としての垂直溝１１２、１３２が形成される。従って、上記単位セルモジュール２００は、垂直方向に着脱可能となる。

図３および図４は、それぞれ本発明の第１実施形態による単位セルモジュール２００の分解斜視図および分解断面図である。単位セルモジュール２００は、絶縁性フィルム２０２を挟んで第１燃料電池単位セル２１０および第２燃料電池単位セル２６０が設置されている。各単位セル２１０、２６０は、電解質膜２３１の両面にそれぞれアノード電極２３２およびカソード電極２３４を設置したＭＥＡ２３０と、アノード電極２３２に面して設置された導電性アノードプレート２２０と、カソード電極２３４に面して設置された導電性カソードプレート２４０と、を備える。

第１エンドプレート１１０と接触する導電性アノードプレート２２０の一側にはターミナル２２７が形成されており、アノード電極２３２と対向する面には流路チャンネル２２３が形成されている。第２エンドプレート１３０と接触する側には流路チャンネル２２３と連結された液体燃料の引き込み口２２４と、液体燃料の排出口２２５とがそれぞれ形成されている。

上記導電性カソードプレート２４０には複数のホール２４２が形成されており、従って、外部の空気が導電性カソードプレート２４０を通過してカソード電極２３４に入っていく。導電性カソードプレート２４０は、外気が通過できるように外側に向かって設置される。

第２単位セル２６０の構成は、第１単位セル２１０と実質的に同一であるので、同じ参照番号を使用し、その詳細な説明は省略する。

上述した実施形態では、二つの単位セル２１０、２６０で構成された単位セルモジュール２００を説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、単位セルモジュール２００が一つの単位セルから構成されてもよい。

図５は、本実施形態の第１エンドプレート１１０の内面を示す側面図である。第１エンドプレート１１０は、非導電性物質、例えばプラスチック物質から形成されうる。第１エンドプレート１１０の内面には、単位セルモジュール２００が垂直に装着されるように所定の深さに溝１１２が形成されている。上記溝１１２領域には、第１単位セル２１０の導電性カソードプレート２４０のターミナル２４７および導電性アノードプレート２２０のターミナル２２７と、第２単位セル２６０の導電性カソードプレート２４０のターミナル２４７および導電性アノードプレート２２０のターミナル２２７とがそれぞれ接触するパッド１１４が形成されており、各パッド１１４は、回路線１１６を通じて互いに直列連結されている。

また、各パッド１１４は、隣接した溝１１２領域内のパッド１１４とも回路線１１６を通じて直列連結されている。上記回路線１１６は、一つの単位セルのアノード電極２３２と隣接する単位セルのカソード電極２３４とを通電させる。回路線１１６およびパッド１１４は、半導体技術をもってパターニングして形成されうる。

一方、第１エンドプレート１１０には、第１単位セル２１０のターミナル２４７と第２単位セル２６０のターミナル２２７との間の出力電圧を測定する回路１１８が形成されている。ユーザーは、各単位セルモジュール２００の電圧を測定することによって、取り替えを要する単位セルモジュール２００を抽出することができる。

図５では、３個の単位セルモジュール２００の直列連結回路を示しているが、必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、単位セルを直列と並列とで連結するか、または並列に回路構成してもよい。

図６は、本実施形態の第２エンドプレート１３０の斜視図である。第２エンドプレート１３０には、単位セルモジュール２００が垂直に装着されるように所定の深さにスライディング溝としての溝１３２が形成される。上記溝１３２領域には、第１セル２１０および第２単位セル２６０の導電性アノードプレート２２０の液体燃料引き込み口２２４および排出口２２５をそれぞれ連結する、引き込みホール１２４および排出ホール１２５が形成されている。

また、第２エンドプレート１３０の内部には、上記引き込みホール１２４と連通された引き込みマニフォールド１２６と、上記排出ホール１２５と連通された排出マニフォールド１２７とが形成されている。上記引き込みマニフォールド１２６および排出マニフォールド１２７は、ウォーターポンプ（図示せず）に連結される。上記第１および第２単位セル２１０、２６０の引き込み口２２４と引き込みホール１２４とを連結する構造は多様に実施できる。例えば、二つの引き込み口２２４を一つの引き込みホール１２４に挿入しても良く、また一つの単位セル２１０、２６０の二つの引き込み口２２４を一つのホールで連結する連結部材（図示せず）をさらに使用し、連結部材を引き込みホール１２４に挿入してもよい。このような実施形態は、排出口２２５および排出ホール１２５の構造にも適用できる。

図７は、本発明の第１実施形態による単位セルモジュールの第１および第２単位セルの性能曲線を示したグラフである。ここでは、単位セルモジュールの単位セルの面積を１８．５ｃｍ^２とし、それぞれの燃料注入口に１Ｍメタノールを０．３ｃｃ／ｍｉｎの流量速度にしてテストした。第１および第２単位セルは同様の性能を得ることができた。

図８は、本発明の第２実施形態による直接液体燃料電池スタック３００の概略的な斜視図である。燃料電池スタック３００は、互いに離隔された平行な第１および第２エンドプレート３１０、３３０と、第１および第２エンドプレート３１０、３３０の間の複数の単位セルモジュール４００とを備える。上記単位セルモジュール４００は、第１および第２エンドプレート３１０、３３０に対して垂直に設置される。上記エンドプレート３１０、３３０には、上記単位セルモジュール４００の着脱を容易にするスライディング溝としての垂直溝３１２、３３２が形成される。従って、上記単位セルモジュール４００は、垂直方向に着脱が可能となる。

図９および図１０は、それぞれ本発明の第２実施形態による単位セルモジュール４００の分解斜視図および分解断面図である。単位セルモジュール４００は、絶縁性フィルム４０２を挟んで第１燃料電池単位セル４１０および第２燃料電池単位セル４６０が設置されている。各単位セル４１０、４６０は、電解質膜４３１の両面にそれぞれアノード電極４３２およびカソード電極４３４を設置したＭＥＡ４３０と、アノード電極４３２に面して設置されたウィッキング部材４１５および導電性アノードプレート４２０と、カソード電極４３４に面して設置された導電性カソードプレート４４０と、を備える。

第１エンドプレート３１０と接触する導電性アノードプレート４２０の一側には、ターミナル４２７が形成されている。

ウィッキング部材４１５は、一側の引き込み部４１６を通じて液体燃料を拡散してアノード電極４３２に供給する。ウィッキング部材４１５としてはフォーム部材を使うことができる。

上記導電性カソードプレート４４０には、複数のホール４４２が形成されており、従って、外部の空気が導電性カソードプレート４４０を通過してカソード電極４３４に入っていく。導電性カソードプレート４４０は、外気が通過できるように外側に向かって設置される。

第２単位セル４６０の構成は、第１単位セル４１０と実質的に同一であるので、同じ参照番号を使用し、その詳細な説明は省略する。

上記第２実施形態では、二つの単位セル４１０、４６０から構成された単位セルモジュール４００を説明したが、必ずしもこれに限定されるものではない。すなわち、単位セルモジュール４００が一つの単位セルから構成されてもよい。

本発明の第２実施形態による第１エンドプレート３１０の構成は、第１実施形態の第１エンドプレート１１０の構成と実質的に同一であるので、同じ構成要素に同じ参照番号を使用し、その詳細な説明は省略する。

図１１は、本実施形態の第２エンドプレート３３０の斜視図である。第２エンドプレート３３０には、単位セルモジュール４００が垂直に装着されるように所定の深さにスライディング溝としての溝３３２が形成される。上記溝３３０領域には、第１および第２単位セル４１０、４６０のウィッキング部材４１５の引き込み部４１６が連結される引き込みホール３２４が形成されている。第２エンドプレート３３０の内部には、上記引き込みホール３２４と連通された引き込みマニフォールド３２６が形成されている。上記引き込みマニフォールド３２６の内部には、他のウィッキング部材（図示せず）が込められてもよい。引き込みマニフォールド３２６は、液体燃料カートリッジから液体燃料を供給される。上記第１および第２単位セル４１０、４６０の引き込み部４１６と引き込みホール３２４とを連結する構造は多様に実施でき、その詳細な説明は省略する。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

本発明は、直接液体燃料電池関連の技術分野に好適に用いられる。

直接燃料電池の単位セル構造を示す図面である。 本発明の第１実施形態による直接液体燃料電池スタックの概略的な斜視図である。 本発明の第１実施形態による単位セルモジュールの分解斜視図である。 本発明の第１実施形態による単位セルモジュールの分解断面図である。 本実施形態の第１エンドプレートの内面を示す側面図である。 本実施形態の第２エンドプレートの斜視図である。 本実施形態による単位セルモジュールの第１および第２単位セルの性能曲線を示したグラフである。 本発明の第２実施形態による直接液体燃料電池スタックの概略的な斜視図である。 本発明の第２実施形態による単位セルモジュールの分解斜視図である。 本発明の第２実施形態による単位セルモジュールの分解断面図である。 本実施形態の第２エンドプレートの斜視図である。

符号の説明

１００、３００ 直接液体燃料電池スタック
１１０、３１０ 第１エンドプレート
１１２、１３２、３１２、３３２ スライディング溝
１１４ パッド
１１６ 回路線
１２４、３２４ 引き込みホール
１２５ 排出ホール
１２７ 排出マニフォールド
１２６、３２６ 引き込みマニフォールド
１３０、３３０ 第２エンドプレート
２００、４００ 単位セルモジュール
２０２、４０２ 絶縁性フィルム
２１０、４１０ 第１燃料電池単位セル
２２０、４２０ 導電性アノードプレート
２２３ 流路チャンネル
２２４ 引き込み口
２２５ 排出口
２２７、２４７、４２７ ターミナル
２３２、４３２ アノード電極
２３４、４３４ カソード電極
２４０、４４０ 導電性カソードプレート
２４２、４４２ ホール
２６０、４６０ 第２燃料電池単位セル

Claims (14)

1. 互いに対向する平行な第１および第２エンドプレートと；
   前記第１および第２エンドプレートの間に、第１および第２エンドプレートと垂直に設置される複数の単位セルモジュールと；
   を備え、
   前記第１エンドプレートの内面には、前記単位セルモジュールのターミナルと接触する電気回路が形成されることを特徴とする、直接液体燃料電池スタック。
2. 前記単位セルモジュールは、少なくとも一つの単位セルからなり、
   前記単位セルは、
   電解質膜の両面それぞれにアノード電極およびカソード電極を設けたメンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ）と；
   前記アノード電極に面して設置され、その内面には流路が形成され、前記第１エンドプレートと連結される部分に前記ターミナルが形成され、前記第２エンドプレートと連結される部分に液体燃料の引き込み口および排出口が形成されている導電性アノードプレートと；
   前記カソード電極に面して設置され、複数のホールが形成され、前記第１エンドプレートと連結される部分に前記ターミナルが形成された導電性カソードプレートと；
   を備えることを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池スタック。
3. 前記単位セルモジュールは、２個の単位セルおよび前記単位セルの間の絶縁性フィルムからなり、
   前記単位セルの導電性カソードプレートは、それぞれ外側に向かうように設置されたことを特徴とする、請求項２に記載の直接液体燃料電池スタック。
4. 前記第２エンドプレートには、前記単位セルモジュールの引き込み口および排出口とそれぞれ連結される引き込みホールおよび排出ホールが形成され、
   前記第２エンドプレートの内部には、前記引き込みホールと連通された引き込みマニフォールドと、前記排出ホールと連通された排出マニフォールドとが形成されることを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の直接液体燃料電池スタック。
5. 前記電気回路は、前記単位セルモジュールを直列連結する回路であることを特徴とする、請求項２に記載の直接液体燃料電池スタック。
6. 前記電気回路は、前記各単位セルモジュールの出力電圧を測定する回路をさらに備えることを特徴とする、請求項５に記載の直接液体燃料電池スタック。
7. 前記第１および第２エンドプレートには、前記単位セルモジュールを、前記第１および第２エンドプレートに対して垂直に着脱可能なスライディング溝が形成されたことを特徴とする、請求項２に記載の直接液体燃料電池スタック。
8. 前記単位セルモジュールは、少なくとも一つの単位セルからなり、
   前記単位セルは、
   電解質膜の両面それぞれにアノード電極およびカソード電極を設けたメンブレン電極アセンブリ（ＭＥＡ）と；
   前記アノード電極に面して設置されたウィッキング部材と；
   前記ウィッキング部材に面し、前記第１エンドプレートと連結される部分に前記ターミナルが形成されている導電性アノードプレートと；
   前記カソード電極に面して設置され、複数のホールが形成され、前記第１エンドプレートと連結される部分に前記ターミナルが形成された導電性カソードプレートと；
   を備えることを特徴とする、請求項１に記載の直接液体燃料電池スタック。
9. 前記単位セルモジュールは、２個の単位セルおよび前記単位セルの間の絶縁性フィルムからなり、
   前記単位セルの導電性カソードプレートは、それぞれ外側に向かうように設置されたことを特徴とする、請求項８に記載の直接液体燃料電池スタック。
10. 前記第２エンドプレートには、前記ウィッキング部材と接触する引き込みホールが形成され、
    前記第２エンドプレートの内部には、前記引き込みホールと連通された引き込みマニフォールドが形成されることを特徴とする、請求項８または請求項９に記載の直接液体燃料電池スタック。
11. 前記引き込みマニフォールドには、フォーム部材が満たされることを特徴とする、請求項１０に記載のる直接液体燃料電池スタック。
12. 前記電気回路は、直列連結回路であることを特徴とする、請求項８に記載の直接液体燃料電池スタック。
13. 前記電気回路は、前記各単位セルモジュールの出力電圧を測定する回路をさらに備えることを特徴とする、請求項１２に記載の直接液体燃料電池スタック。
14. 前記第１および第２エンドプレートには、前記単位セルモジュールを前記第１および第２エンドプレートに対して垂直に着脱可能なスライディング溝が形成されたことを特徴とする、請求項８に記載の直接液体燃料電池スタック。
    

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