JP2007299646A

JP2007299646A - 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

Info

Publication number: JP2007299646A
Application number: JP2006126953A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Watanabe; 大介渡邉
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2006-04-28
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2007-11-15

Abstract

【課題】より薄型化および小型化が可能なセルスタックユニットおよびこのセルスタックユニットを備えた燃料電池を提供することを目的とする。
【解決手段】セルスタックユニット４０は、複数のセルスタック列４１、締付け板４２ａ、４２ｂおよびマニホールド４３、正極４８、負極４９等から構成される。セルスタック列４１は、複数の単セル５０と、複数の矩形板状のセパレータ５２とを交互に積層して構成される。上端下端２枚の締付け板４２ａ、４２ｂの間に複数のセルスタック列４１を配置し、セルスタック列４１の間に配管構造をもつマニホールド４３を配置し、複数のセルスタック列４１で共有することで、セルスタックユニットをより薄型化・小型化することが可能になる。
【選択図】図４

Description

本発明は、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、触媒層と多孔質電極材料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特許文献１に開示されている。特許文献１に記載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。
特開２００５−２９３９８１号公報

しかし、上記の方式を採用した場合であっても、出力向上のため垂直方向にセルスタックの積層数を増やすことには限度がある。セルスタック自体の数を増やすと出力を向上させることは可能であるが、多くの部品、スペースが必要となるため小型化には不向きである。

そこで本発明の目的は、より薄型化および小型化が可能なセルスタックユニットおよびこのセルスタックユニットを備えた燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係るセルスタックユニットは、アノードと、前記アノードに対向配置されるカソードと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路とを有するセパレータと、を有するスタックと、前記スタックに燃料を供給する燃料供給口と、前記スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給口と、前記スタックから燃料を排出する燃料排出口と、前記スタックから酸化剤を排出する酸化剤排出口と、を有するマニホールド部材とを備え、前記マニホールド部材に隣接して第１のスタックと第２のスタックとが配置されることを特徴とする。

上記目的を達成するために本発明に係る燃料電池は、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、燃料を収容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、アノードと、前記アノードに対向配置されるカソードと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路とを有するセパレータと、を有するスタックと、前記スタックに燃料を供給する燃料供給口と、前記スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給口と、前記スタックから燃料を排出する燃料排出口と、前記スタックから酸化剤を排出する酸化剤排出口と、を有するマニホールド部材とを備え、前記マニホールド部材に隣接して第１のスタックと第２のスタックとが配置されることを特徴とする。

本発明によれば、より薄型化および小型化が可能なセルスタックユニットおよびこのセルスタックユニットを備えた燃料電池を提供することができる。

以下本発明の第１の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図である。図２は燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図である。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、ノート型コンピュータ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、ノート型コンピュータ１１の幅方向に沿って延びたほぼ角柱状の本体１３と、本体から前方に向かってほぼ水平に延出した載置部１４とを有している。後述するように、本体１３内には、燃料電池ユニットが配置されている。本体１３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１５として形成されている。本体１３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１６が設けられている。また、本体１３には、複数の吸気孔１７、および図示しない排気孔が形成されている。

載置部１４は、平坦な矩形状に形成され、ノート型コンピュータ１１の後部を載置可能に形成されている。載置部１４には、電源コネクタ１８が配置されている。電源コネクタ１８は、ノート型コンピュータ１１を載置部１４の上に載せた際、ノート型コンピュータ１１に電気的に接続される。載置部１４の３箇所には、ロック機構を構成する位置決め突起１９およびフック２０が設けられている。これらの位置決め突起１９およびフック２０は、ノート型コンピュータ１１の底面後部と係合し、載置部１４に対してノート型コンピュータ１１を位置決め、保持する。載置部１４には、ノート型コンピュータ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２１が設けられている。載置部１４内には、燃料電池装置１０の動作を制御する制御部２２が設けられている。

図３は燃料電池装置本体内に配設された燃料電池ユニットを示す外観斜視図である。燃料電池ユニット３０は、一側部に設けられたホルダ３１を有し、このホルダ３１には燃料タンクとして機能する燃料カートリッジ３２が着脱自在に装着されている。燃料電池ユニット３０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３３、起電部３３と燃料カートリッジ３２との間に設けられた混合部３５および吸気部３６、他側部に設けられたアノード冷却器３７ａおよびカソード冷却器３７ｂ、これら冷却器の間に設けられた冷却ファン３８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３５は混合タンク３９を有している。

燃料カートリッジ３２から供給された燃料は、混合タンク３９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３５は、生成したメタノール水溶液を起電部３３へ送る。空気供給部として機能する吸気部３６は、吸気孔３６ａ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３３へ供給する。後述するように、起電部３３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により構成されている。起電部３３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、アノード冷却器３７ａおよびカソード冷却器３７ｂから構成される冷却部へと送られる。

アノード冷却器３７ａおよびカソード冷却器３７ｂは、起電部３３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３５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１３の外部に排気される。

図１に示すように、載置部１４内には、燃料電池装置１０の動作を制御する制御部２２が設けられている。制御部２２は、起電部３３、混合部３５、吸気部３６、およびアノード冷却器３７ａ、カソード冷却器３７ｂ、冷却ファン３８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２２は起電部３３で発電された電力を、電源コネクタ１８を介してノート型コンピュータ１１に供給する。

図４は起電部内に設けられたセルスタックユニットを示す外観斜視図である。図５はセルスタックユニットのセパレータおよびマニホールドを示す斜視図である。図６は起電部内に設けられたセルスタックユニットの断面模式図である。起電部３３はセルスタックユニット４０を備えている。セルスタックユニット４０は、複数のセルスタック列４１、締付け板４２ａ、４２ｂおよびマニホールド４３、正極４８、負極４９等から構成される。セルスタック列４１は、複数の膜・電極接合体（以下、ＭＥＡと称する）５０と、複数の矩形板状のセパレータ５２とを交互に積層して構成される。各ＭＥＡ５０は、隣り合う２つのセパレータ５２間に積層されている。ＭＥＡ５０は、図示しない高分子電解質膜の両面に、触媒層と多孔質電極材料で構成されたアノード（燃料極）とカソード（酸化剤極）とを一体化して構成される。多孔質電極材料は、多孔質でガス透過性があり、導電性がある材料が用いられる。

セパレータ５２の第１面５２ａおよび第２面５２ｂには、燃料や空気を流すための流路５３が設けられる。セパレータ５２の第１面５２ａおよび第２面５２ｂに設けられた流路５３を介して、ＭＥＡ５０に空気や燃料を供給し、発電のための化学反応を起こさせるとともに、化学反応で生じた水や二酸化炭素等の生成物を排出する。

マニホールド４３の側面４３ａには、外部から空気および燃料を導入するために、空気供給口６０および燃料供給口６１が設けられている。マニホールド４３のもう一方の側面４３ｂには、外部へ空気および燃料を排出するために、空気排出口６２および燃料排出口６３が設けられている。マニホールド４３の側面４３ｃには、マニホールド４３内の図示しない流路からセパレータ５２内の流路５３へ空気や燃料を供給する供給口４３ｄと、化学反応で生じた水や二酸化炭素等の生成物や燃料をセパレータ５２内の流路５３からマニホールド４３へ排出する排出口４３ｅとが設けられている。ＭＥＡ５０にはＯリング等のシール材５０ａが備えられ、燃料や空気が漏れないようにＭＥＡ５０とセパレータ５２とを密に固定する。

積層された複数のＭＥＡ５０と複数のセパレータ５２とは正極４８、負極４９とに挟まれる。正極４８、負極４９にはそれぞれ電力を外部に引き出すための端子部４８ａ、４９ａが設けられる。隣り合うセルスタック列４１同士は、例えばマニホールド４３を介して電気的に直列に接続されている。図４および図５においては、ＭＥＡ５０とセパレータ５２の積層方向の上端に正極４８が位置し、下端に負極４９が位置しているが、正極４８と負極４９の位置はどちらでも良い。積層された複数のＭＥＡ５０、セパレータ５２および正極４８、負極４９は、マニホールド４３と共に締付け板４２ａ、４２ｂにより挟まれる。締付け板４２ａ、４２ｂは矩形状に形成され、ＭＥＡ５０の積層方向両端に積層され、正極４８、負極４９の外側にそれぞれ積層されている。上記のようなＭＥＡ５０、セパレータ５２、正極４８、負極４９、締付け板４２ａ、４２ｂ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４３は積層体の積層高さを規制し、ＭＥＡ５０の潰れを防止している。

ＭＥＡを厚くすることなく出力を向上させるには、ＭＥＡの面積を大きくすることやセルスタックの個数を増やすことが考えられる。ＭＥＡの面積を大きくすると、ＭＥＡ面内での液体の流量や濃度にばらつきが生じ出力が安定しないことがある。一方、セルスタック自体の個数を増やすと、多くの部品・スペースが必要となるため小型化には不向きとなる。

本実施形態に示すセルスタックユニットによれば、上端下端２枚の締付け板の間に複数のセルスタック列を配置し、セルスタック列の間に配管構造をもつマニホールド部材を配置し、複数のセルスタックユニットで共有することで、燃料電池スタックをより薄型化・小型化することが可能になる。

図７は第２の実施形態に係るセルスタックユニットを示す外観斜視図である。以下の説明において、第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。セルスタック列４１はマニホールド４３の長手方向に沿って並ぶように配列しても良い。隣り合うセルスタック列４１同士の間には、セルスタック列４１間のショートを防ぐための仕切り板７０が設けられている。仕切り板７０はプラスティック等の絶縁体から形成される。複数のセルスタック列４１をマニホールド４３の長手方向に沿って配列させ、電気的に直列に接続することで、出力を向上させることができる。ＭＥＡ５０自体の面積を大きくする必要がないため、ＭＥＡ５０面内で燃料流量、濃度がばらつき出力が不安定になる等の問題を防止することができる。また、複数のセルスタック列４１を電気的に直列接続することでより低電流高電圧の電力を得ることができる。

図８は第３の実施形態に係るセルスタックユニットを示す外観斜視図である。マニホールド４３を十字型に形成し、複数のセルスタック列４１が十字型のマニホールド４３を囲むように配列しても良い。第３の実施形態においても、単セルの面積を大きくすることなく出力を向上させることができる。複数の電極の順序を任意に設定することが可能であり、正極４８、負極４９の端子部４８ａ、４９ａの方向や場所を自由に決めることができる。

図９は第４の実施形態に係るセルスタックユニットを示す外観斜視図である。ここでは、セパレータ５２面内の流路の記載を省略する。セパレータ５２に凸部５４を設け、マニホールド４３に凸部５４と係合する凹部４４を設けることでセパレータ５２の位置合わせを容易にすることができる。２つのセルスタック列４１でマニホールド４３を共有するとともに、製造性を向上させることが可能となる。図７および図８に示したマニホールド４３に対しても、セパレータ５２に設けられたリブ５４に係合する凹部４４を設けることが可能である。また、セパレータ５２に凹部を設け、マニホールド４３に凹部に係合する凸部を設けるようにしても良い。

第２および第３の実施形態に示すセルスタックユニットによれば、上端下端２枚の締付け板の間に複数のセルスタック列を配置し、セルスタック列の間に配置した配管構造をもつマニホールド部材を、複数のセルスタック列で共有することで、燃料電池スタックをより薄型化・小型化することが可能になる。また、セル自体の面積を大きくすることなく、複数のセルスタック列を電気的に直列接続することでより低電流高電圧の電力を得ることができる。

第４の実施形態に示すセルスタックユニットによれば、セパレータに凸部を設け、マニホールドに凸部に係合する凹部を設けることで、セパレータの位置合わせを容易にすることができる。また、セルスタックユニットの製造性を向上させることが可能となる。

本発明ではその主旨を逸脱しない範囲であれば、上記の実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。

本発明に係る燃料電池装置を示す外観斜視図。燃料電池装置をノート型コンピュータに接続した状態を示す外観斜視図。燃料電池装置本体内に配設された燃料電池ユニットを示す外観斜視図。起電部内に設けられたセルスタックユニットを示す外観斜視図。セルスタックユニットのセパレータおよびマニホールドを示す斜視図。起電部内に設けられたセルスタックユニットの断面模式図。第２の実施形態に係るセルスタックユニットを示す外観斜視図。第３の実施形態に係るセルスタックユニットを示す外観斜視図。第４の実施形態に係るセルスタックユニットを示す外観斜視図。

符号の説明

１０…燃料電池装置、１１…ノート型コンピュータ、１３…本体、１４…載置部、１７…吸気孔、１８…電源コネクタ、２２…制御部、３０…燃料電池ユニット、３２…燃料カートリッジ、３３…起電部、３５…混合部、３６…吸気部、３８…冷却ファン、３９…混合タンク、４０…セルスタックユニット、４１…セルスタック列、４２ａ…締付け板、４２ｂ…締付け板、４３…マニホールド、４８…正極、４９…負極、５０…膜・電極接合体（ＭＥＡ）、５２…セパレータ、５３…流路、５２…高分子電解質膜、６０…空気供給口、６１…燃料供給口、６２…空気排出口、６３…燃料排出口、７０…仕切り板

Claims

アノードと、前記アノードに対向配置されるカソードと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路とを有するセパレータと、を有するスタックと、
前記スタックに燃料を供給する燃料供給口と、前記スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給口と、前記スタックから燃料を排出する燃料排出口と、前記スタックから酸化剤を排出する酸化剤排出口と、を有するマニホールド部材とを備え、
前記マニホールド部材に隣接して第１のスタックと第２のスタックとが配置されることを特徴とするセルスタックユニット。
前記マニホールド部材は第１の側面と、
前記第１の側面に対向する第２の側面と、を有し、
前記第１のスタックが前記第１の側面に隣接して配置され、前記第２のスタックが前記第２の側面に隣接して配置されることを特徴とする請求項１記載のセルスタックユニット。
前記マニホールド部材の第１の側面に隣接して前記第１のスタックと前記第２のスタックとが互いに並んで配置され、前記第１のスタックと前記第２のスタックとの間に絶縁板が設けられることを特徴とする請求項１記載のセルスタックユニット。
前記スタックは凸部を有し、前記マニホールド部材は前記凸部に係合する凹部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のセルスタックユニット。
前記スタックは凹部を有し、前記マニホールド部材は前記凹部に係合する凸部を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３記載のセルスタックユニット。
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、
燃料を収容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、
アノードと、前記アノードに対向配置されるカソードと、前記アノードに燃料を供給する燃料流路と前記カソードに酸化剤を供給する酸化剤流路とを有するセパレータと、を有するスタックと、
前記スタックに燃料を供給する燃料供給口と、前記スタックに酸化剤を供給する酸化剤供給口と、前記スタックから燃料を排出する燃料排出口と、前記スタックから酸化剤を排出する酸化剤排出口と、を有するマニホールド部材とを備え、
前記マニホールド部材に隣接して第１のスタックと第２のスタックとが配置されることを特徴とする燃料電池。
前記マニホールド部材は第１の側面と、
前記第１の側面に対向する第２の側面と、を有し、
前記第１のスタックが前記第１の側面に隣接して配置され、前記第２のスタックが前記第２の側面に隣接して配置されることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
前記マニホールド部材の第１の側面に隣接して前記第１のスタックと前記第２のスタックとが互いに並んで配置され、前記第１のスタックと前記第２のスタックとの間に絶縁板が設けられることを特徴とする請求項６記載の燃料電池。
前記スタックは凸部を有し、前記マニホールド部材は前記凸部に係合する凹部を備えることを特徴とする請求項６乃至請求項８記載の燃料電池。
前記スタックは凹部を有し、前記マニホールド部材は前記凹部に係合する凸部を備えることを特徴とする請求項６乃至請求項８記載の燃料電池。