JP2007335391A - 燃料電池の流路板 - Google Patents

Abstract

【課題】改良された燃料電池の波状流路板を提供する。
【解決手段】波状流路板は、射出成形可能な高分子材料でつくられた射出成形の本体基板と、本体基板の表面に設けられ、独立した複数の流路を定める少なくとも１個の波状反応領域とを含む。
【選択図】図４

Description

この発明は燃料電池の流路板に関し、特に耐メタノール性、機械的強度及び燃料流動率の優れた低コスト流路板に関する。

周知のとおり、直接メタノール燃料電池（ＤＭＦＣ）は、希釈メタノール水溶液を燃料とし、電気化学法で化学エネルギーを電力に変換する発電装置である。従来の発電装置と比べ、低汚染、低騒音、高エネルギー密度及び高エネルギー変換率を特長とするＤＭＦＣは、未来のクリーンエネルギーとして大きく期待されている。ＤＭＦＣは、家庭用発電システム、無停電電源装置、電子製品、輸送手段、軍用施設、宇宙事業など、さまざまな場面で利用される。

ＤＭＦＣの発電原理は以下のとおりである。まず、メタノール水溶液がアノード触媒層で酸化反応をし、水素イオン、電子及び二酸化炭素を生成する。そのうち水素イオンは電解質を通してカソードに伝わり、電子は外部回路を通してカソードに伝わる。その後、水素イオンと電子がカソードに供給される酸素とカソード触媒層で還元反応をし、水を生成して発電する。燃料電池は一般に複数のセルからなる。というのも、個々のセルの提供できる電圧は微小であるので、十分な動作電圧を出力するには複数のセルを直列接続しなければならないからである。

ＤＭＦＣセルの構造は一般に集電板と流路板を含む。集電板は電気化学反応によって生じた電子を収集し、流路板は燃料流動・分布を制御する。そのうち流路の設計は従来、注目の的である。なぜなら、良好な流路設計は膜電極接合体（ＭＥＡ）への燃料の流入を円滑にするからである。

従来の流路板は石墨またはＦＲ４、ＦＲ５などのガラス繊維板を基材とし、ＣＮＣ（計算機数値制御）旋盤加工法で製作される。しかし、ＣＮＣ旋盤加工は低歩留まりと高コストという欠点を有する。また、石墨、ＦＲ４もしくはＦＲ５で作られた流路板はコンパクト化できないうえ、機械的性質も好ましくない。そのいずれも燃料電池の量産化と普及に大きな支障をきたしている。

したがって、良好な流路板は、燃料電池の気体／液体燃料及びその反応物による化学的腐食に耐える材料で作られることが望ましい。それ以外、良好な機械的性質と低い加工コストを兼ね備え、高速で量産できるという要望に応えられることも期待されている。

この発明は前述の問題を解決するため、改良された流路板を提供することを課題とする。

この発明は燃料電池に適した波状流路板を提供する。該波状流路板は、射出成形可能な高分子材料でつくられた射出成形の本体基板を含み、さらに、本体基板の表面に設けられ、独立した複数の流路を定める少なくとも１個の波状反応領域を含む。波状流路板に膜電極接合体（ＭＥＡ）が取り付けられ、流路を流れる燃料を触媒作用で反応させ、電流を生成する。

この発明はその他の燃料電池に適した波状流路板を提供する。該波状流路板は、射出成形可能な高分子材料でつくられた射出成形の本体基板を含み、さらに、本体基板の表面に設けられる少なくとも１個の反応領域と、反応領域に統合・固定され、独立した複数の流路を定める波状集電板とを含む。波状流路板にＭＥＡが取り付けられ、流路を流れる燃料を触媒作用で反応させ、電流を生成する。

従来の金製集電板と比べ、この発明によるステンレス製の集電板はコストを節約できるし、それにプレス加工を施し波状流路をつくることも簡単である。なお、集電板と本体基板の統合は燃料電池の薄型化に大きく役立つ。

かかる装置の特徴を詳述するために、具体的な実施例を挙げ、図を参照して以下に説明する。
この発明は気体／液体燃料を用いる燃料電池の波状流路板に関する。流路板は１個または１個以上の反応領域を有する。流路板に取り付けられ、積層されたＭＥＡにメタノール燃料を流せば、電流を生成できる。
波状流路板は、触媒の作用で水素または水素化合物を反応させ、化学エネルギーを電力に変換する装置の一部をなす。この発明による流路板は、携帯型電子製品に用いられる陽子交換膜燃料電池に適し、気体／液体燃料及びその反応物による腐食に耐え、コンパクトで良好な機械的性質を有する。

図１を参照する。図１はこの発明の実施例１による波状流路板の平面図である。図１に示すように、波状流路板１０は本体基板１１と、少なくとも１個の波状反応領域１２を有する。図１では４つの波状反応領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄが示され、その右側には波状反応領域１２ｂの側面拡大図が描かれている。反応領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの流路方向は同一である（上から下または下から上）。反応領域１２ａ、１２ｂの流路がつながっていると同じように、反応領域１２ｃ、１２ｄの流路もつながっている。反応領域１２ａ、１２ｂの間には通過領域１４が設けられ、反応領域１２ｃ、１２ｄの間には通過領域１６が設けられている。

もっとも、この発明による波状反応領域は本体基板１１の片面に設けるに限らず、本体基板１１の両面に設けることも可能である。
同じく図１によれば、本体基板１１の燃料注入端には燃料注入口１０１、流入路１０２及び分流管１０３が設けられている。メタノールなどの燃料は燃料注入口１０１、流入路１０２及び分流管１０３を順次通過して反応領域１２ａと１２ｃの流路に入り、更に反応領域１２ａと１２ｃにつながっている反応領域１２ｂと１２ｄに入り、最後に流出路１１２、１１３と燃料流出口１１１から出る。

この発明の主な特徴は、反応領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの流路が同方向である（上から下または下から上）ことにある。反応領域１２ａ、１２ｂの流路がつながっており、それと同じように反応領域１２ｃ、１２ｄの流路もつながっている。反応領域１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄの流路はいずれも独立したもので、燃料流動を円滑にし、一様にすることができる。

波状流路板の本体基板１１は、射出成形のできる高分子複合材料を射出成形してつくられることが望ましい。高分子複合材料は例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）、高分子可塑化基板または複合材料などエンジニアリングプラスチックのいずれかである。
強調すべきことは、射出成形可能な高分子材料だからといって、すべて波状流路板の本体基板に適するわけではない。例えば、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）などは射出成形に適するとはいえ、所望の耐メタノール性と高機械的強度に欠けているから、利用できない。したがって、本体基板の材料としては前掲のものが望ましい。とりわけポリスルホンは最も好適である。
なお、前掲射出成形可能な高分子複合材料は、調整剤、流動剤、離型剤などの充填剤とともに射出成形して本体基板をつくることも可能である。

この発明による波状流路板をつくる方法は下記の通りである（ここでポリスルホン高分子を例にする）。
この発明による射出成形工程は溶融、注入及び固化など３つのステップからなる。つまり、粉粒状のポリスルホン高分子プラスチック材料を加熱溶融して液体にし、溶融された材料を金型に射出し、更に冷却固化する。かかる工程は量産のために高速にでき自動化されうる。
（１）溶融：粉粒状のポリスルホン高分子プラスチック材料に高温と高圧をかけて可塑化する。
（２）注入：可塑化されたポリスルホン高分子プラスチック材料に高圧をかけて金型に注入する。
（３）冷却固化：ポリスルホン高分子プラスチック材料を冷却した後に取り出す。

図２を参照する。図２は射出成形に用いられる金型２０の分解図である。金型２０はロケートリング２１、スプルーブッシュ２２、ガイドピン２３、入れ子２４、エジェクタープレート２５、エジェクターピン２６、Ｃ柱２７、グルーブ２８、エジェクターカバー２９、スプルーエジェクター４０、エジェクター固定板４１、受け板４２、Ｂ板４３、Ａ板４４及び上部取付板４５からなる。もっとも、金型２０の構造はそれに限らない。

この発明による波状反応領域１２は本体基板１１と一体に成形してもよく、または本体基板１１と別個に成形してもよい。例えば、流路を定める集電板を、射出成形法でつくられた本体基板１１に組み合わせることも可能である。

図３を参照する。図３はこの発明の実施例２による波状流路を定める集電板１２０を表す説明図である。集電板（アノード）１２０は、ステンレス鋼または気体／液体燃料に対して耐腐食性の金属、例えば、ＳＵＳ３１６、ＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４、ＳＵＳ３０４Ｌ、チタン合金などで、薄型基板１２０ａとして、波状流路をつくるプレス加工でつくられる。

図３に示すように、集電板１２０の前面１２１には、気体／液体燃料を円滑に通すための独立した複数の波状流路がプレス加工でつくられている。ステンレス製基板１２０ａの場合、ステンレス鋼の高抵抗を低減させるべく、集電板１２０の裏面１２２に銅膜１２０ｂをめっきすることができる。その場合、銅膜１２０ｂと気体／液体燃料の接触に起因する銅の析出による汚染を防ぐため、銅膜１２０ｂに対して電着塗装１２０ｃまたはＥＤ塗装を加えることができる。集電板１２０は更に、本体から突き出ている可撓導電ワイヤー１３２を有する。導電ワイヤー１３２は集電板１２０をカソード導電板のワイヤーと電気的に接続させ、電子を出力させる。

図４を参照する。図４は図３の集電板１２０を射出成形法でつくられた本体基板１１に組み合わせた状態を表す。図４に示すように、集電板１２０は二液性接着剤またはその他のエポキシ樹脂系接着剤で本体基板１１に接着され、または本体基板１１に係合・螺合される。詳しく言えば、集電板１２０は、それを納める本体基板１１の凹部２２０の中に設けられている。

実施例１と同じように、隣接した集電板１２０の間にも通過領域１４、１６が設けられている。その流路は本体基板１１と一体に成形され、集電板１２０の流路につながっている。曲げられた導電ワイヤー１３２は本体基板１１のワイヤーと電気的に接続し、複数のセルをつなげる役目を果たす。

集電板１２０を本体基板１１に統合する構造は下記の特長を有する。第一、従来の金製集電板と比べ、ステンレス製の集電板１２はコストを節約できるし、それにプレス加工を施し波状流路をつくることも簡単である。第二、集電板１２０を本体基板１１に統合することで燃料電池の薄型化に大きく役立つ。

以上はこの発明に好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれもこの発明の特許請求の範囲に属するものとする。

この発明による流路板は従来の射出成形法で製作できる。

この発明の実施例１による波状流路板の平面図である。 射出成形に用いられる金型の分解図である。 この発明の実施例２による波状流路を定める集電板を表す説明図である。 図３の集電板を射出成形法でつくられた本体基板に組み合わせた状態を表す説明図である。

符号の説明

１０ 波状流路板
１１ 本体基板
１２、１２ａ−ｄ 反応領域
１４、１６ 通過領域
２０ 金型
２１ ロケートリング
２２ スプルーブッシュ
２３ ガイドピン
２４ 入れ子
２５ エジェクタープレート
２６ エジェクターピン
２７ Ｃ柱
２８ グルーブ
２９ エジェクターカバー
４０ スプルーエジェクター
４１ エジェクター固定板
４２ 受け板
４３ Ｂ板
４４ Ａ板
４５ 上部取付板
１０１ 燃料注入口
１０２ 流入路
１０３ 分流管
１１１ 燃料流出口
１１２、１１３ 流出路
１２０ 集電板
１２０ａ 基板
１２０ｂ 銅膜
１２０ｃ 電着塗装
１２１ 前面
１２２ 裏面
１３２ 導電ワイヤー
２２０ 凹部

Claims (20)

1. 燃料電池に用いられる波状流路板であって、
   射出成形可能な高分子材料でつくられた射出成形の本体基板と、
   本体基板の表面に設けられ、独立した複数の流路を定める少なくとも１個の波状反応領域とを含み、流路を流れる燃料を触媒作用で反応させ、電流を生成するように、波状流路板に膜電極接合体（ＭＥＡ）が取り付けられたことを特徴とする波状流路板。
2. 前記波状反応領域は本体基板と一体に成形されることを特徴とする請求項１記載の波状流路板。
3. 前記高分子材料はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）または複合材料を含むことを特徴とする請求項１記載の波状流路板。
4. 前記燃料がメタノール溶液であることを特徴とする請求項１記載の波状流路板。
5. 前記燃料が液体燃料であることを特徴とする請求項１記載の波状流路板。
6. 前記燃料が気体燃料であることを特徴とする請求項１記載の波状流路板。
7. 燃料電池に用いられる波状流路板であって、
   射出成形可能な高分子材料でつくられた射出成形の本体基板と、
   本体基板の表面に設けられる少なくとも１個の反応領域と、
   反応領域に統合・固定され、独立した複数の流路を定める波状集電板とを含み、流路を流れる燃料を触媒作用で反応させ、電流を生成するように、波状流路板にＭＥＡが取り付けられたことを特徴とする波状流路板。
8. 前記反応領域は凹部をなすことを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
9. 前記高分子材料はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、液晶ポリマー（ＬＣＰ）または複合材料を含むことを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
10. 前記波状集電板は基板を含むことを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
11. 前記基板はステンレス鋼、または燃料電池の気体／液体燃料による化学的腐食に耐える金属でつくられることを特徴とする請求項１０記載の波状流路板。
12. 前記波状集電板は更に、基板の表面に抵抗を抑えるための銅膜がめっきされていることを特徴とする請求項１０記載の波状流路板。
13. 前記波状集電板は更に、銅膜を燃料との接触から守るために電着塗装を施されていることを特徴とする請求項１２記載の波状流路板。
14. 前記波状集電板は更に、波状集電板をその表面に形成されたワイヤーと電気的に接続させる可撓導電ワイヤーを含むことを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
15. 前記波状集電板は二液性接着剤またはその他のエポキシ樹脂系高分子接着剤で反応領域の中に接着されることを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
16. 前記波状集電板は二液性接着剤で反応領域の中に接着されることを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
17. 前記波状集電板は反応領域と係合することを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
18. 前記燃料がメタノール溶液であることを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
19. 前記燃料が液体燃料であることを特徴とする請求項７記載の波状流路板。
20. 前記燃料が気体燃料であることを特徴とする請求項７記載の波状流路板。