JP2007234360A - 燃料電池のセルスタックユニットおよびこれを備えた燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】一層の薄型化を図ることが可能な燃料電池のセルスタックユニット、およびこれを備えた燃料電池装置を提供する。
【解決手段】セルスタックユニット４５は、交互に積層された単セル４０およびセパレータ４２と、積層方向両端側に単セルに重ねて積層されたエンドセパレータ４４ａ、４４ｂとを有したセル積層体と、エンドセパレータに重ねて積層された締付け板４６ａ、４６ｂと、積層方向に沿ってセル積層体の側方に対向配置され供給口、排出口を有したマニホールド部材４８ａ、４８ｂと、それぞれセル積層体およびマニホールド部材に形成され、燃料を流す燃料供給流路、燃料排出流路、酸化剤を流す酸化剤供給流路、酸化剤排出流路と、を備えている。燃料供給流路、燃料排出流路、酸化剤供給流路、酸化剤排出流路は、それぞれエンドセパレータと締付け板との境界部に形成され単セルの面方向に延びた流路と、マニホールド部材内を通って供給口、排出口の一方に連通した流路とを有している。
【選択図】 図５

Description

本発明は、電子機器等の電源として使用される燃料電池のセルスタックユニットおよびこれを備えた燃料電池装置に関する。

現在、携帯可能なノート型のパーソナルコンピュータ（以下、ノートＰＣと称する）、モバイル機器等の電子機器の電源としては、主に、リチウムイオンバッテリなどの二次電池が用いられている。近年、これら電子機器の高機能化に伴う消費電力の増加や更なる長時間使用の要請から、高出力で充電の必要のない小型燃料電池が新たな電源として期待されている。燃料電池には種々の形態があるが、特に、燃料としてメタノール溶液を使用するダイレクトメタノール方式の燃料電池（以下、ＤＭＦＣと称する）は、水素を燃料とする燃料電池に比べて燃料の取扱いが容易で、システムが簡易であることから、電子機器の電源として注目されている。

通常、燃料電池は、電解質板あるいは固体高分子電解質膜等の電解質層を、燃料極と酸化剤極との間に配置した構成の単セルと、表裏両面に反応ガスの流路としての溝を形成したセパレータとを交互に積層したセルスタック構成を有している。

ＤＭＦＣにおける単セルは、高分子電解質膜の両面に、触媒層とカーボンペーパで構成された燃料極と酸化剤極とを一体化した膜・電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）を備えている。単セルの燃料極に対向する主面側に燃料流路と、単セルの酸化剤極に対応する主面側に空気流路と、燃料及び酸化剤を流路に供給または流路から排出するための縦穴とを備えたセパレータと、単セルと、を複数ずつ交互に積層してセルスタックを構成している。そして、セルスタックの上下面に、燃料や酸化剤を供給するための配管機能を備えたエンドセパレータを積層し、さらにこの外側に締め付け板を積層し、締付ねじ等の締付具によって全体を一体化することにより、セルスタックユニットが得られる。

ＤＭＦＣを小型の電子機器に搭載可能とするには、セルスタックユニットの小型化及び薄型化が課題となっている。単セルを水平方向に積層したセルスタックユニットにおいて、薄型化を図るために各単セルを面方向に縮小させた場合、セパレータの面積に対するＭＥＡの面積が小さくなり、面積効率が低下する。また、単セルを垂直方向に積層したセルスタックユニットにおいて、燃料供給口、燃料排出口が積層方向に位置し、薄型化を図る上で障害となる。配管機能を有した樹脂製のマニホールドプレートをエンドセパレータと締め付け板との間に挟持し、燃料供給口、燃料排出口を積層方向と交差する方向に設けた燃料電池が提案されている（例えば、特許文献１）
特開２００５−２９３９８１号公報

上記構成の燃料電池によれば、薄型化の障害となる燃料および酸化剤の供給口および排出口をセルスタックユニットの側方に設けることができ、薄型化を図る上で有利となる。しかしながら、内部に配管が形成され比較的厚いマニホールドプレートをセルスタックユニットの上下に積層する必要があり、セルスタックユニット全体を厚くする要因となる。

この発明は以上の点に鑑みなされたもので、その目的は、一層の薄型化を図ることが可能な燃料電池のセルスタックユニット、およびこれを備えた燃料電池装置を提供することにある。

上記課題を達成するため、この発明の態様に係る燃料電池のセルスタックユニットは、それぞれ対向配置されたアノードおよびカソードを有した複数の単セルと、それぞれ前記単セルのアノードに燃料を供給する燃料流路および前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有し隣合う単セル間に挟まれているとともに前記単セルと交互に積層された板状のセパレータと、前記セル積層体の積層方向両端側に前記単セルに重ねて積層されているとともに、アノードに燃料を供給する燃料流路あるいは前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有した２つのエンドセパレータと、を備えたセル積層体と、それぞれ前記エンドセパレータに重ねて積層された２つの締付け板と、前記セル積層体の側方に対向して配設され、前記積層体の積層方向に沿って延びているとともに、供給口および排出口を有したマニホールド部材と、それぞれ前記セル積層体および前記マニホールド部材に形成され、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給流路、前記燃料流路から排出された燃料を流す燃料排出流路、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給流路、および前記酸化剤流路から排出された酸化剤を流す酸化剤排出流路と、を備え、
前記燃料供給流路、燃料排出流路、酸化剤供給流路、および酸化剤排出流路は、それぞれ前記エンドセパレータと締付け板との境界部に形成され、前記単セルの面方向に延びた流路と、前記マニホールド部材内を通って前記供給口および排出口の一方に連通した流路とを有している。

この発明の他の態様に係る燃料電池装置は、セルスタックユニットを有し、化学反応により発電を行う起電部と、燃料を収納しているとともに前記起電部に燃料を供給する燃料タンクと、前記起電部に空気を供給する空気供給部と、を備え、
前記セルスタックユニットは、
それぞれ対向配置されたアノードおよびカソードを有した複数の単セルと、それぞれ前記単セルのアノードに燃料を供給する燃料流路および前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有し隣合う単セル間に挟まれているとともに前記単セルと交互に積層された板状のセパレータと、前記セル積層体の積層方向両端側に前記単セルに重ねて積層されているとともに、アノードに燃料を供給する燃料流路あるいは前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有した２つのエンドセパレータと、を備えたセル積層体と、それぞれ前記エンドセパレータに重ねて積層された２つの締付け板と、前記セル積層体の側方に対向して配設され、前記積層体の積層方向に沿って延びているとともに、供給口および排出口を有したマニホールド部材と、それぞれ前記セル積層体および前記マニホールド部材に形成され、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給流路、前記燃料流路から排出された燃料を流す燃料排出流路、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給流路、および前記酸化剤流路から排出された酸化剤を流す酸化剤排出流路と、を備え、
前記燃料供給流路、燃料排出流路、酸化剤供給流路、および酸化剤排出流路は、それぞれ前記エンドセパレータと締付け板との境界部に形成され、前記単セルの面方向に延びた流路と、前記マニホールド部材内を通って前記供給口および排出口の一方に連通した流路とを有している。

以上構成によれば、一層の薄型化を図ることが可能な燃料電池のセルスタックユニット、およびこれを備えた燃料電池装置を提供することができる。

以下、図面を参照しながら、この発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置について詳細に説明する。
図１は燃料電池装置の外観を示し、図２は燃料電池装置にパーソナルコンピュータを接続した状態を示している。燃料電池装置１０は、例えば、メタノールを液体燃料としたＤＭＦＣとして構成され、電子機器、例えば、パーソナルコンピュータ１１の電源として使用可能に構成されている。

燃料電池装置１０は筐体１２を備えている。この筐体１２は、パーソナルコンピュータ１１の幅方向に沿って延びたほぼ角柱状の本体１４と、本体から前方に向かってほぼ水平に延出した載置部１６とを有している。後述するように、本体１４内には、燃料電池ユニットが配置されている。本体１４の一側部は、燃料カートリッジの脱着時に取り外し可能なカバー５１として形成されている。本体１４の上面には、装置の動作状態および燃料カートリッジの残量の有無を示す指示手段として、複数のインジケータ１７が設けられている。また、本体１４には、複数の吸気孔２１、および図示しない排気孔が形成されている。

載置部１６は、平坦な矩形状に形成され、パーソナルコンピュータ１１の後部を載置可能に形成されている。載置部１６には、電源コネクタ３２が配置されている。電源コネクタ３２は、パーソナルコンピュータ１１を載置部１６の上に載せた際、パーソナルコンピュータに電気的に接続される。載置部１６の３箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起４１およびフック３８が設けられている。これらの位置きめ突起４１およびフック３８は、パーソナルコンピュータ１１の底面後部と係合し、載置部１６に対してパーソナルコンピュータ１１を位置決め、保持する。載置部１６には、パーソナルコンピュータ１１を燃料電池装置１０から取り外す際、ロック機構のロックを解除するイジェクトボタン１５が設けられている。

図３は、本体１４内に配設された燃料電池ユニット２０を示している。燃料電池ユニット２０は、一側部に設けられたホルダ２４を有し、このホルダには燃料タンクとして機能する燃料カートリッジ３４が脱着自在に装着されている。燃料電池ユニット２０は、その中央部に設けられ化学反応により発電を行う起電部２７、起電部と燃料カートリッジ３４との間に設けられた混合部２５および吸気部２６、他側部に設けられたアノード冷却器２８ａおよびカソード冷却器２８ｂ、これら冷却器の間に設けられた冷却ファン３３を備えている。燃料電池ユニット２０は、その他、送液ポンプ、送気ポンプ、燃料、水、二酸化炭素等を流す種々の配管が設けられている。混合部２５は混合タンク３１を有している。

燃料カートリッジ３４から供給された燃料は、混合タンク３１へ送られ、ここで、水と混合され所望の濃度に希釈されたメタノール水溶液が生成される。混合部２５は、生成したメタノール水溶液を起電部２７へ送る。空気供給部として機能する吸気部２６は、吸気孔２６ａを通じて外部の空気を燃料電池ユニット２０の内部に取込み、その取込んだ空気を酸化剤として起電部２７へ供給する。

後述するように、起電部２７は、複数の単セル、セパレータおよびエンドセパレータを交互に積層して構成されたセル積層体を有するセルスタックユニット４５により構成されている。起電部２７は、供給されたメタノール水溶液および空気中の酸素を化学反応させて、発電動作を行なう。この発電動作により、二酸化炭素および水蒸気が生成される。生成された二酸化炭素、水蒸気および未反応のメタノールは、冷却部２８へと送られる。

アノード冷却器２８ａおよびカソード冷却器２８ｂは、起電部２７で生成された水蒸気、二酸化炭素、および未反応のメタノールを冷却する。冷却されて液体の状態に戻った水、およびメタノールは、再び混合部２５に還流され、メタノール水溶液の生成に用いられる。生成された二酸化炭素は、本体１４の外部に排気される。

図１に示すように、載置部１６内には、燃料電池装置１０の動作を制御する制御部４７が設けられている。制御部４７は、混合部２５、吸気部２６、起電部２７、およびアノード冷却器２８ａ、カソード冷却器２８ｂ、冷却ファン３３の状態を監視するとともに、これらの動作を制御する。また、制御部４７は、起電部２７で発電された電力を電源コネクタ３２を介してパーソナルコンピュータ１１に供給する。

次に、起電部２７の構成について詳細に説明する。起電部２７はセルスタックユニット４５を備えている。セルスタックユニット４５は、図４ないし図７に示すように、起電部２７は複数、例えば、５つの単セル４０と、４枚の矩形板状のセパレータ４２、および２枚の矩形板状のエンドセパレータ４４ａ、４４ｂとを交互に積層して構成されたセル積層体を有している。

図６および図７に示すように、各単セル４０は、それぞれ触媒層とカーボンペーパで構成されたほぼ矩形板状のカソード（空気極）４３およびアノード（燃料極）５０、これらカソード、アノード間に挟持されたほぼ矩形状の高分子電解質膜５２とを一体化した膜・電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）と、ＭＥＡの周囲を囲んだ矩形枠状のパッキン５４と、を備えている。高分子電解質膜５２は、カソード４３およびアノード５０よりも大きな面積に形成され、その周縁部は、アノードおよびカソードの周縁部から外側に突出している。パッキン５４は、ＭＥＡと同一の厚さに形成され、単セル４０は全体として矩形板状に構成されている。パッキン５４の４つの角部には、流通孔５４ａが形成されている。

各セパレータ４２は、隣合う２つの単セル４０間に積層されている。各セパレータ４２は単セル４０とほぼ同一の外形に形成され、単セルと整列して積層されている。２枚のエンドセパレータ４４ａ、４４ｂは、単セル４０の積層方向両端に積層され、それぞれ積層方向と直交して延びている。エンドセパレータ４４ａ、４４ｂは単セル４０よりも大きな寸法に形成され、その周縁部は、単セルの周縁部から外側に延出している。

セルスタックユニット４５は、２枚の金属製の締付け板４６ａ、４６ｂを有している。締付け板４６ａ、４６ｂは矩形状に形成され、エンドセパレータ４４ａ、４４ｂと同一の平面寸法を有している。締付け板４６ａ、４６ｂは、単セル４０の積層方向両端に積層され、エンドセパレータ４４ａ、４４ｂの外側にそれぞれ積層されている。

セルスタックユニット４５は、セル積層体の積層方向に延びセル積層体の側方に対向配置されたマニホールド部材を有している。本実施形態において、マニホールド部材は、第１マニホールド部材として機能する２つのマニホールド部材４８ａ、４８ｂおよび第２マニホールド部材として機能する２つのマニホールド部材４８ｃ、４８ｄを含んでいる。マニホールド部材４８ａ、４８ｂはそれぞれ棒状に形成され、セル積層体の一側で２枚のエンドセパレータ４４ａ、４４ｂの周縁部間に配置されている。他の２つのマニホールド部材４８ｃ、４８ｄはそれぞれ棒状に形成され、セル積層体の他側で２枚のエンドセパレータ４４ａ、４４ｂの周縁部間に配置されている。

上記のような単セル４０、セパレータ４２、エンドセパレータ４４ａ、４４ｂ、締付け板４６ａ、４６ｂからなる積層体は、図示しないネジなどの締付け手段によって積層方向に締付けられ、積層体を一体化している。この際、マニホールド部材４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄは、エンドセパレータ４４ａ、４４ｂの周縁部間に挟持され、積層体の積層高さを規制し、単セル４０の潰れ防止している。

図５および図７ないし図９に示すように、各セパレータ４２は、単セル４０のカソード４３に対向および接触した第１主面４２ａおよび他の単セル４０のアノード５０に対向および接触した第２主面４２ｂを有している。各セパレータ４２の４つの角部には、流通孔５６ａ、５６ｂ、５８ａ、５８ｂが貫通形成されている。各セパレータ４２の第１主面４０ａには、細長い溝６０ａが形成され、第１主面の全域に亘り蛇行して延びている。溝６０ａは、セパレータ４２の対角方向に離間して位置した２つの流通孔５６ａ、５６ｂに連通し、これらの流通孔間を延びている。溝６０ａは後述する空気分割流路６２ｃを規定している。各セパレータ４２の第２主面４２ｂには、細長い溝６０ｂが形成され、第２主面の全域に亘り蛇行して延びている。溝６０ｂは、セパレータ４２の対角方向に離間して位置した他の２つの流通孔５８ａ、５８ｂに連通し、これらの流通孔間を延びている。溝６０ｂは後述する燃料分割流路６４ｃを規定している。

図７、図１０および図１１に示すように、エンドセパレータ４４ａは、締付け板４６ａに対向および接触した第１主面６６ａ、および単セル４０のアノード５０に対向および接触した第２主面６６ｂおよび締付け板４６ａに対向および接触した第２主面４７ｂを有している。エンドセパレータ４４ａの角部の内、隣合う２つの角部には、それぞれ２つの流通孔６８ａ、６８ｂ、７０ａ、７０ｂが貫通形成されている。エンドセパレータ４４ａの第１主面６６ａには、流通孔６８ａ、６８ｂに重ねて連通溝６８ｃが形成され、第１主面の面方向、つまり、単セル４０の積層方向と直交する方向に延びている。流通孔６８ａ、６８ｂは、連通溝６８ｃにより互いに連通されている。エンドセパレータ４４ａの第１主面６６ａには、流通孔７０ａ、７０ｂに重ねて連通溝７０ｃが形成され、第１主面の面方向、つまり、単セル４０の積層方向と直交する方向に延びている。流通孔７０ａ、７０ｂは、連通溝７０ｃにより互いに連通されている。

エンドセパレータ４４ａの第２主面６６ｂの内、流通孔７０ａ、７０ｂに対して対角方向に離間した角部には、流通凹所７１が形成されている。第２主面６６ｂには、細長い溝７２ａが形成され、第２主面６６ｂの全域に亘って延びるように蛇行して形成されている。溝７２ａは、エンドセパレータ４４ａの対角方向に離間して位置した流通孔７０ａおよび流通凹所７１に連通し、これらの間を延びている。溝７２ａは後述する燃料分割流路６４ｃを規定している。

図７および図１２に示すように、エンドセパレータ４４ａの連通溝７０ｃは、締付け板４６ａによって開口部が閉じられ、密閉された流路を規定している。すなわち、エンドセパレータ４４ａと締付け板４６ａとの境界部、ここでは、エンドセパレータ４４ａの第１主面に流通路が形成されている。エンドセパレータ４４ａの第１主面６６ａと締付け板４６ａとの境界において、連通溝７０ｃの周囲には環状のシール材７６ａが配置され、連通溝を液密にシールしている。また、締付け板４６ａの内面の内、連通溝７０ｃと対向する領域には、燃料に対して不活性な物質、例えば、テフロン（登録商標）の保護膜（保護層）７８ａがコーティングされている。この保護膜７８ａにより、締付け板４６ａの腐食を防止する。なお、コーティングの代わりに、不活性な物質で形成された保護シートを用いても良い。

同様に、エンドセパレータ４４ａの連通溝６８ｃは、締付け板４６ａによって開口部が閉じられ、密閉された流路を規定している。すなわち、エンドセパレータ４４ａと締付け板４６ａとの境界部、ここでは、エンドセパレータ４４ａの第１主面に流通路が形成されている。エンドセパレータ４４ａの第１主面６６ａと締付け板４６ａとの境界において、連通溝６８ｃの周囲には環状のシール材７６ｂが配置され、連通溝を気密にシールしている。

図５に示すように、他方のエンドセパレータ４４ｂは、エンドセパレータ４４ａと同様に形成され、締付け板４６ｂに対向および当接した第１主面６７ａ、単セル４０のカソード４３に対向および接触した第２主面６７ｂ、流通孔６８ｄ、６８ｅ、７０ｄ、７０ｅ、連通溝６８ｆ、７０ｆ、流通凹所７１、および空気分割流路６２ｃを規定した溝７２ｂを有している。

エンドセパレータ４４ｂの連通溝７０ｆは、締付け板４６ｂによって開口部が閉じられ、密閉された流路を規定している。すなわち、エンドセパレータ４４ｂと締付け板４６ｂとの境界部、ここでは、エンドセパレータ４４ｂの第１主面６７ａに流通路が形成されている。エンドセパレータ４４ｂの第１主面６７ａと締付け板４６ｂとの境界において、連通溝７０ｆの周囲には環状のシール材７６ｃが配置され、連通溝を液密にシールしている。締付け板４６ｂの内面の内、連通溝７０ｆと対向する領域には、燃料に対して不活性な物質、例えば、テフロン（登録商標）の保護膜（保護層）７８ｂがコーティングされている。この保護膜７８ａにより、締付け板４６ａの腐食を防止する。なお、コーティングの代わりに、不活性な物質で形成された保護シートを用いても良い。

同様に、エンドセパレータ４４ｂの連通溝６８ｆは、締付け板４６ｂによって開口部が閉じられ、密閉された流路を規定している。すなわち、エンドセパレータ４４ｂと締付け板４６ｂとの境界部、ここでは、エンドセパレータ４４ｂの第１主面６７ａに流通路が形成されている。エンドセパレータ４４ｂの第１主面６７ａと締付け板４６ｂとの境界において、連通溝６８ｆの周囲には環状のシール材７６ｄが配置され、連通溝を気密にシールしている。

セルスタックユニット４５内には、空気を流す空気流路および燃料を流す燃料流路が形成されている。すなわち、セルスタックユニット４５は、単セル４０の積層方向に沿って延び単セルに空気を供給する空気供給流路６２ａと、ユニット内を単セルの積層方向に沿って延び単セルから空気を排出する空気排出流路６２ｂと、それぞれ空気供給流路６２ａから分岐し各単セルのカソード４３に空気を供給するとともに空気排出流路６２ｂに接続された複数の空気分割流路６２ｃと、を備えている。

空気供給流路６２ａは、積層された単セル４０の流通孔５４ａ、各セパレータ４２の流通孔５６ａ、エンドセパレータ４４ａの流通孔６８ａ、６８ｂ、連通溝６８ｃによって形成されている。マニホールド部材４８ａには、単セル４０の積層方向と直交する方向に突出した空気供給口７４ａ、および、空気供給口からマニホールド部材４８ａの上端まで延びた流通孔７４ｂが形成されている。流通孔７４ｂは、エンドセパレータ４４ａの流通孔６８ａに連通し、空気供給流路６２ａの一部を構成している。

空気分割流路６２ｃは、セパレータ４２の第１主面４２ａに形成された溝６０ａ、エンドセパレータ４４ｂの第２主面６７ｂに形成された溝７２ｂによってそれぞれ規定されている。各空気分割流路６２ｃは、カソード４３の全域に亘って蛇行して形成されている。

空気排出流路６２ｂは、積層された単セル４０の流通孔５４ａ、各セパレータ４２の流通孔５６ｂ、エンドセパレータ４４ｂの流通孔６８ｄ、６８ｅ、連通溝６８ｆによって形成されている。図４および図５に示すように、マニホールド部材４８ｄには、単セル４０の積層方向と直交する方向に突出した空気排出口７５ａ、および、空気排出口からマニホールド部材４８ｄの下端まで延びた流通孔７５ｂが形成されている。流通孔７５ｂは、エンドセパレータ４４ｂの流通孔６８ｅに連通し、空気排出流路６２ｂの一部を構成している。

セルスタックユニット４５は、単セル４０の積層方向に沿って延び単セルに燃料、ここでは、メタノール水溶液を供給する燃料供給流路６４ａと、ユニット内を単セルの積層方向に沿って延び単セルから燃料を排出する燃料排出流路６４ｂと、それぞれ燃料供給流路６４ａから分岐し各単セル４０のアノード５０に燃料を供給するとともに燃料排出流路６４ｂに接続された複数の燃料分割流路６４ｃと、を備えている。

燃料供給流路６４ａは、積層された単セル４０の流通孔５４ａ、各セパレータ４２の流通孔５８ａ、エンドセパレータ４４ｂの流通孔７０ｄ、７０ｅ、連通溝７０ｆによって形成されている。マニホールド部材４８ｂには、単セル４０の積層方向と直交する方向に突出した燃料供給口８０ａ、および、燃料供給口からマニホールド部材４８ｂの下端まで延びた流通孔８０ｂが形成されている。流通孔８０ｂは、エンドセパレータ４４ｂの流通孔７０ｅに連通し、燃料供給流路６４ａの一部を構成している。

燃料分割流路６４ｃは、セパレータ４２の第２主面４２ｂに形成された溝６０ｂ、エンドセパレータ４４ａの第２主面６６ｂに形成された溝７２ａによってそれぞれ規定されている。各燃料分割流路６４ｃは、アノード５０の全域に亘って蛇行して形成されている。

燃料排出流路６４ｂは、積層された単セル４０の流通孔５４ａ、各セパレータ４２の流通孔５８ｂ、エンドセパレータ４４ａの流通孔７０ａ、７０ｂ、連通溝７０ｃによって形成されている。図４および図５に示すように、マニホールド部材４８ｃには、単セル４０の積層方向と直交する方向に突出した燃料排出口８２ａ、および、燃料排出口からマニホールド部材４８ｃの上端まで延びた流通孔８２ｂが形成されている。流通孔８２ｂは、エンドセパレータ４４ａの流通孔７０ｂに連通し、燃料排出流路６４ｂの一部を構成している。

各マニホールド部材４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄの上端とエンドセパレータ４４ａと間、および各マニホールド部材の下端とエンドセパレータ４４ｂとの間には、環状のシール材８６が挟持され、空気供給流路、空気排出流路、燃料供給流路、および燃料排出流路を液密かつ気密にシールしている。

このように構成された起電部２７は、単セル４０の積層方向が本体１４の底壁とほぼ直交する方向に延びた状態で、本体内に配置されている。これにより、単セル４０、セパレータ４２、エンドセパレータ４４ａ、４４ｂ、締付け板４６ａ、４６ｂは、ほぼ水平方向に延び本体１４の底壁と平行に位置している。

セルスタックユニット４５の空気供給口７４ａは、図示しない配管を介して燃料電池ユニット２０の吸気部２６に接続され、空気排出口７５ａは、図示しない配管を介してカソード冷却器２８ｂに接続されている。セルスタックユニット４５の燃料供給口８０ａは、図示しない配管を介して混合部２５に接続され、燃料排出口８２ａは、図示しない配管を介してアノード冷却器２８ａに接続されている。

上記構成の燃料電池装置１０をパーソナルコンピュータ１１の電源として用いる場合、まず、パーソナルコンピュータの後端部を燃料電池装置の載置部１６に載置し、所定位置にロックするとともにコネクタ３２を介して電気的に接続する。この状態で燃料電池装置１０の発電を開始する。この場合、燃料カートリッジ３４から混合部２５にメタノールが供給され、起電部２７から還流する溶媒としての水によって所定の濃度に希釈される。混合部２５で希釈されたメタノール水溶液は、起電部２７のセルスタックユニット４５に供給される。

図５に示すように、混合部２５から送られたメタノール水溶液は、セルスタックユニット４５の燃料供給口８０ａから燃料供給流路６４ａに送られ、この燃料供給流路から複数の燃料分割流路６４ｃに流入する。メタノール水溶液は、燃料分割流路６４ｃを流れる間、対応する単セル４０のアノード５０に供給される。複数の燃料分割流路６４ｃを通過したメタノール水溶液は燃料排出流路６４ｂで合流し、燃料排出口８２ａから図示しないアノード流路に排出される。

一方、吸気部２６から送られた空気は、セルスタックユニット４５の空気供給口７４ａから空気供給流路６２ａに送られ、この空気供給流路から複数の空気分割流路６２ｃに流入する。空気は、空気分割流路６２ｃを流れる間、対応する単セル４０のカソード４３に供給される。複数の空気分割流路６２ｃを通過した空気は空気排出流路６２ｂで合流し、空気排出口７５ａから図示しないカソード流路に排出される。

上記のようにして各単セル４０に供給されたメタノール水溶液および空気は、アノード５０とカソード４３との間に設けられた高分子電解質膜５２で化学反応し、これにより、アノード５０とカソード４３との間に電力が発生する。起電部２７で発生した電力は、制御部４７、コネクタ３２を介してパーソナルコンピュータ１１へ供給される。

発電反応に伴い、起電部２７には反応生成物として、アノード５０側に二酸化炭素、カソード４３側に水が生成される。アノード５０側に生じた二酸化炭素および未反応のメタノール水溶液は燃料排出口８２ａから排出された後、図示しない気液分離器に送られ、ここで気液分離された後、二酸化炭素は排気され、メタノールはアノード冷却器２８ａに送られて冷却された後、混合タンク３１へ戻される。

カソード４３側に生じた水は、その大部分が水蒸気となり空気とともに空気排出口７５ａから排出される。排出された水は図示しない貯溜部に送られ、この貯溜部から混合タンク３１へ送られる。空気および水蒸気は、カソード冷却器２８ｂに送られ、ここで冷却され、一部が凝縮して水となる。この水は、貯溜部に送られ、この貯溜部から混合タンク３１へ送られる。

以上のように構成された燃料電池装置１０によれば、セルスタックユニット４５の空気供給口７４ａ、空気排出口７５ｂ、燃料供給口８０ａ、および燃料排出口８２ａは、単セル４０の積層方向と直交する方向、すなわち、単セルの面方向に設けられている。そのため、空気供給口７４ａ、空気排出口７５ｂ、燃料供給口８０ａ、および燃料排出口８２ａを単セルの積層方向に設けた場合に比較して、セルスタックユニットの積層方向の厚さを薄く形成することができ、燃料電池装置１０全体の薄型化を図ることが可能となる。

セルスタックの側方に設けられた空気供給口７４ａ、空気排出口７５ｂ、燃料供給口８０ａ、および燃料排出口８２ａに連通した空気供給流路、空気排気流路、燃料供給流路、燃料排出流路の一部は、それぞれエンドセパレータと締付け板との境界に形成され単セルの面方向に延びた連通溝によって形成されている。そのため、エンドセパレータおよび締付け板を厚くすることなく、また、エンドセパレータと締付け板との間にマニホールド部材等を設けることなく、空気供給流路、空気排気流路、燃料供給流路、燃料排出流路を形成することができる。その結果、セルスタックユニットの積層方向の厚さを一層薄くすることができる。

セルスタックユニット４５の空気供給口７４ａ、空気排出口７５ｂ、燃料供給口８０ａ、および燃料排出口８２ａは、セルスタックの両側に設ける構成としたが、図１３に示すように、セルスタックの片面側に設けても良い。この場合、マニホールド部材４８は矩形板状に形成され、単セル４０の積層方向に沿って延びているとともに、２枚のエンドセパレータ４４ａ、４４ｂ間に挟持されている。空気供給口７４ａ、空気排出口７５ｂ、燃料供給口８０ａ、および燃料排出口８２ａは、マニホールド部材４８に形成され、それぞれ単セル４０の積層方向と直交する方向に設けられている。セルスタックユニット４５の空気供給流路、空気排気流路、燃料供給流路、燃料排出流路は前記第１の実施形態と土曜に形成され、各流路の一部は、それぞれエンドセパレータと締付け板との境界に形成され単セルの面方向に延びている。

空気供給口７４ａ、空気排出口７５ｂ、燃料供給口８０ａ、および燃料排出口８２ａは、セルスタックの側方、つまり、単セル４０の積層方向と直交する方向に設けられ、この方向に延出した後、図１４に示すように、水平方向に折り曲げられていてもよく、あるいは、図１５に示すように、セルスタックの側方から単セル４０の積層方向と直交する方向に延出した後、積層方向に、ここでは、上下方向に折り曲げられていてもよい。

図１３、１４、１５に示した各実施形態において、セルスタックユニット４５の他の構成は前述した第１の実施形態と同一であり、同一の部分には同一の参照符号を付してその詳細な説明を省略する。図１３、１４、１５に示した各実施形態においても、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、この発明は上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化可能である。また、上記実施の形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

セルスタックユニットにおいて、単セルの積層数は、前述した実施形態に限らず、必要に応じて増減可能である。セルスタックユニットにおける各流通路を形成している連通溝は、エンドセパレータと締付け板との境界で、締付け板側に形成してもよく、あるいは、エンドセパレータおよび締付け板の両方に形成してもよい。この発明に係る燃料電池装置は、上述したパーソナルコンピュータに限らず、モバイル機器、携帯端末等の他の電子機器の電源としても使用可能である。燃料電池の形式としは、ＤＭＦＣに限らず、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）等の他の形式としてもよい。

この発明の第１の実施形態に係る燃料電池装置を示す斜視図。 前記燃料電池装置をパーソナルコンピュータに接続した状態を示す斜視図。 前記燃料電池装置の内部構成を示す斜視図。 前記燃料電池装置のセルスタックユニットを示す斜視図。 前記セルスタックユニットの積層構造および流路構成を概略的に示す断面図。 前記セルスタックユニットの単セルを示す斜視図。 前記セルスタックユニットの上部を拡大して示す断面図。 前記セルスタックユニットのセパレータの第１主面側を示す斜視図。 前記セルスタックユニットのセパレータの第２主面側を示す斜視図。 前記セルスタックユニットのエンドセパレータの第１主面側を示す斜視図。 前記セルスタックユニットのエンドセパレータの第２主面側を示す斜視図。 前記セルスタックユニットの連通溝部分を示す分解斜視図。 この発明の第２の実施形態に係るセルスタックユニットを示す斜視図。 この発明の第３の実施形態に係るセルスタックユニットを示す斜視図。 この発明の第４の実施形態に係るセルスタックユニットを示す斜視図。

符号の説明

１０…燃料電池装置、 １１…パーソナルコンピュータ、 １４…本体、
１６…載置部、 ２５…混合部、 ３２…コネクタ、３４…燃料カートリッジ、
２７…起電部、 ３１…混合タンク、 ４０…単セル、 ４２…セパレータ、
４４…エンドセパレータ、 ４３…カソード、 ４５…セルスタックユニット、
４８、４８ａ、４８ｂ、４８ｃ、４８ｄ…マニホールド部材、 ５０…アノード、
５２…高分子電解質膜、 ６２ａ…空気供給流路、 ６２ｂ…空気排出流路、
６２ｃ…空気分割流路、 ６４ａ…燃料供給流路、 ６４ｂ…燃料排出流路、
６４ｃ…燃料分割流路、 ７４ａ…空気供給口、 ７５ａ…空気排出口、
８０ａ…燃料供給口、 ８０ｂ…燃料排出口、
６８ｃ、６８ｆ、７０ｃ、７０ｆ…連通溝

Claims (9)

1. それぞれ対向配置されたアノードおよびカソードを有した複数の単セルと、それぞれ前記単セルのアノードに燃料を供給する燃料流路および前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有し隣合う単セル間に挟まれているとともに前記単セルと交互に積層された板状のセパレータと、前記セル積層体の積層方向両端側に前記単セルに重ねて積層されているとともに、アノードに燃料を供給する燃料流路あるいは前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有した２つのエンドセパレータと、を備えたセル積層体と、
   それぞれ前記エンドセパレータに重ねて積層された２つの締付け板と、
   前記セル積層体の側方に対向して配設され、前記積層体の積層方向に沿って延びているとともに、供給口および排出口を有したマニホールド部材と、
   それぞれ前記セル積層体および前記マニホールド部材に形成され、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給流路、前記燃料流路から排出された燃料を流す燃料排出流路、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給流路、および前記酸化剤流路から排出された酸化剤を流す酸化剤排出流路と、を備え、
   前記燃料供給流路、燃料排出流路、酸化剤供給流路、および酸化剤排出流路は、それぞれ前記エンドセパレータと締付け板との境界部に形成され、前記単セルの面方向に延びた流路と、前記マニホールド部材内を通って前記供給口および排出口の一方に連通した流路とを有しているセルスタックユニット。
2. 前記エンドセパレータと締付け板との境界部に形成された流路は、前記エンドセパレータおよび締付け板の少なくとも一方に形成された連通溝によって規定されている請求項１に記載のセルスタックユニット。
3. 前記エンドセパレータと締付け板との境界部に形成された流路に対向して前記締付け板に設けられ燃料に対して不活性な材料で形成された保護層を備えている請求項１又は２に記載のセルスタックユニット。
4. 前記エンドセパレータと締付け板との境界部に形成された流路の周囲で、前記エンドセパレータと締付け板との間に挟持されたシール材を備えている請求項１又は２に記載のセルスタックユニット。
5. 前記各エンドセパレータは、前記単セルよりも大きな寸法に形成され、前記単セルの周囲に突出した周縁部を有し、前記マニホールド部材は、前記２つのエンドセパレータの周縁部間に設けられ前記積層体の積層方向に乗って延びている請求項１に記載のセルスタックユニット。
6. 前記マニホールド部材は、前記積層体を間に挟んで前記積層体の両側に配設されているとともに、それぞれ前記エンドセパレータの周縁部間に位置した第１マニホールド部材および第２マニホールド部材を含み、前記供給口は第１マニホールド部材に形成され、前記排出口は第２マニホールド部材に形成されている請求項１又は５に記載のセルスタックユニット。
7. セルスタックユニットを有し、化学反応により発電を行う起電部と、
   燃料を収納しているとともに前記起電部に燃料を供給する燃料タンクと、
   前記起電部に空気を供給する空気供給部と、を備え、
   前記セルスタックユニットは、
   それぞれ対向配置されたアノードおよびカソードを有した複数の単セルと、それぞれ前記単セルのアノードに燃料を供給する燃料流路および前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有し隣合う単セル間に挟まれているとともに前記単セルと交互に積層された板状のセパレータと、前記セル積層体の積層方向両端側に前記単セルに重ねて積層されているとともに、アノードに燃料を供給する燃料流路あるいは前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路を有した２つのエンドセパレータと、を備えたセル積層体と、
   それぞれ前記エンドセパレータに重ねて積層された２つの締付け板と、
   前記セル積層体の側方に対向して配設され、前記積層体の積層方向に沿って延びているとともに、供給口および排出口を有したマニホールド部材と、
   それぞれ前記セル積層体および前記マニホールド部材に形成され、前記燃料流路に燃料を供給する燃料供給流路、前記燃料流路から排出された燃料を流す燃料排出流路、前記酸化剤流路に酸化剤を供給する酸化剤供給流路、および前記酸化剤流路から排出された酸化剤を流す酸化剤排出流路と、を備え、
   前記燃料供給流路、燃料排出流路、酸化剤供給流路、および酸化剤排出流路は、それぞれ前記エンドセパレータと締付け板との境界部に形成され、前記単セルの面方向に延びた流路と、前記マニホールド部材内を通って前記供給口および排出口の一方に連通した流路とを有している燃料電池装置。
8. 前記エンドセパレータと締付け板との境界部に形成された流路は、前記エンドセパレータおよび締付け板の少なくとも一方に形成された連通溝によって規定されている請求項７に記載の燃料電池装置。
9. 前記各エンドセパレータは、前記単セルよりも大きな寸法に形成され、前記単セルの周囲に突出した周縁部を有し、前記マニホールド部材は、前記２つのエンドセパレータの周縁部間に設けられ前記積層体の積層方向に乗って延びている請求項７に記載の燃料電池装置。

Images