JP2008066173A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の電極・電解質一体化物を平面状に配置してなる燃料電池に関するものである。 The present invention relates to a fuel cell in which a plurality of integrated electrodes and electrolytes are arranged in a planar shape.
近年、パソコン、携帯電話などのコードレス機器の普及に伴い、その電源である電池に対して、更なる小型化、高容量化が要望されている。現在、リチウムイオン二次電池は、エネルギー密度が高く、小型軽量化を図り得る電池として実用化されており、ポータブル電源としての需要が増大している。しかし、このリチウムイオン二次電池は、一部のコードレス機器に対して、十分な連続使用時間を保証することができないという問題がある。 In recent years, with the widespread use of cordless devices such as personal computers and mobile phones, there has been a demand for further miniaturization and higher capacity of batteries as power sources. Currently, lithium ion secondary batteries have been put into practical use as batteries that have high energy density and can be reduced in size and weight, and demand for portable power sources is increasing. However, this lithium ion secondary battery has a problem that it cannot guarantee a sufficient continuous use time for some cordless devices.
上記問題の解決に向けて、例えば固体高分子型燃料電池(PEFC)などの燃料電池の開発が進められている。燃料電池は、燃料および酸素の供給を行えば、連続的に使用することが可能である。そして、電解質に固体高分子電解質、正極活物質に空気中の酸素、負極活物質に燃料を用いるPEFCは、リチウムイオン二次電池よりもエネルギー密度が高い電池として注目されている。 In order to solve the above problems, for example, development of fuel cells such as polymer electrolyte fuel cells (PEFC) is underway. The fuel cell can be used continuously if fuel and oxygen are supplied. A PEFC that uses a solid polymer electrolyte as an electrolyte, oxygen in the air as a positive electrode active material, and fuel as a negative electrode active material has attracted attention as a battery having a higher energy density than a lithium ion secondary battery.
しかし、従来の燃料電池では、複数の単電池(単セル)を積層して構成しているため、電池全体が嵩高くなってしまう。また、酸素を正極へ、燃料を負極へ、それぞれ流通させて供給しなければならず、そのための補器が必要となる。このため、燃料電池はリチウムイオン電池などの小型二次電池に比べてはるかに大きくなってしまい、小型ポータブル電源として用いるには問題があった。 However, since the conventional fuel cell is formed by stacking a plurality of single cells (single cells), the entire battery becomes bulky. In addition, oxygen must be circulated and supplied to the positive electrode and fuel to the negative electrode, respectively, and an auxiliary device for that purpose is required. For this reason, the fuel cell is much larger than a small secondary battery such as a lithium ion battery, and there is a problem in using it as a small portable power source.
このような状況において、単セルを平面に並べ、更に空気極(正極)への空気の供給を大気の拡散を利用する構成の平面型燃料電池が提案されている(特許文献1参照。)。このような構成であれば、ブロアなどの強制的な空気の供給手段を用いずに済み、燃料電池のコンパクト化が可能となる。 Under such circumstances, there has been proposed a planar fuel cell having a configuration in which single cells are arranged on a plane and the air supply to the air electrode (positive electrode) uses the diffusion of the atmosphere (see Patent Document 1). With such a configuration, it is not necessary to use forced air supply means such as a blower, and the fuel cell can be made compact.
しかしながら、特許文献1に開示の技術では、燃料電池を構成する単セル個々の機能を十分に引き出し得るとはいい難い。
However, with the technology disclosed in
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を発揮し得る燃料電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a fuel cell that can exhibit excellent battery characteristics without using a forced oxygen supply means such as a blower.
上記目的を達成し得た本発明の燃料電池は、正極と固体電解質膜と負極とが順次積層されてなる電極・電解質一体化物が平面状に複数配置され、かつ上記複数の電極・電解質一体化物が直列に接続されてなる燃料電池であって、それぞれの電極・電解質一体化物の正極側には、正極集電プレート、正極絶縁プレートおよび金属製の正極パネルプレートが順次配置されており、それぞれの電極・電解質一体化物の負極側には、負極集電プレート、負極絶縁プレートおよび金属製の負極パネルプレートが順次配置されており、全ての電極・電解質一体化物は、上記正極パネルプレートと上記負極パネルプレートとに挟持されて一体化しており、上記正極集電プレート、上記正極絶縁プレート、および上記正極パネルプレートは、燃料電池外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔を有しており、かつ上記正極集電プレートの酸素導入孔、上記正極絶縁プレートの酸素導入孔、および上記正極パネルプレートの酸素導入孔により、上記正極パネルプレートの外表面から電極・電解質一体化物まで到達する開口部が形成されており、燃料電池の上記正極パネルプレートからの平面視において、下記(A)、(B)および(C)を満足することを特徴とするものである。 The fuel cell according to the present invention that has achieved the above object includes a plurality of electrode / electrolyte integrated products in which a positive electrode, a solid electrolyte membrane, and a negative electrode are sequentially laminated, and a plurality of the electrode / electrolyte integrated products. Are connected in series, and a positive electrode current collecting plate, a positive electrode insulating plate, and a metal positive electrode panel plate are sequentially arranged on the positive electrode side of each electrode / electrolyte integrated body. On the negative electrode side of the electrode / electrolyte integrated product, a negative electrode current collecting plate, a negative electrode insulating plate, and a metal negative electrode panel plate are sequentially arranged. All the electrode / electrolyte integrated product is composed of the positive electrode panel plate and the negative electrode panel. The positive electrode current collecting plate, the positive electrode insulating plate, and the positive electrode panel plate are oxygenated outside the fuel cell. The positive electrode panel plate has an oxygen introduction hole for introduction into the positive electrode, and the oxygen introduction hole of the positive electrode current collecting plate, the oxygen introduction hole of the positive electrode insulating plate, and the oxygen introduction hole of the positive electrode panel plate. An opening reaching the electrode / electrolyte integrated body from the outer surface of the fuel cell is formed, and the following (A), (B) and (C) are satisfied in a plan view from the positive electrode panel plate of the fuel cell It is a feature.
(A)上記開口部の総面積と正極の面積との比より求められる開口率が10〜60%。
(B)上記開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときに、上記最短距離が0.2〜3mm。
(C)上記開口部以外の箇所における任意の点から、最も近い上記開口部までの最短距離が2mm以下。
(A) The aperture ratio calculated | required from the ratio of the total area of the said opening part and the area of a positive electrode is 10 to 60%.
(B) The shortest distance is 0.2 to 3 mm when two parallel lines that are in contact with the opening and have the shortest shortest distance between the lines are drawn.
(C) The shortest distance from any point other than the opening to the nearest opening is 2 mm or less.
すなわち、本発明では、電極・電解質一体化物(以下、「MEA」という)に係る正極へ酸素の供給するための開口部の構成に着目し、これを上記(A)、(B)および(C)を満足するように調整することで、正極への酸素の供給とMEAから生じる電流の集電とを良好にしており、これにより、ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を有する燃料電池の提供を可能としている。 That is, in the present invention, attention is paid to the configuration of the opening for supplying oxygen to the positive electrode of the electrode / electrolyte integrated product (hereinafter referred to as “MEA”), and this is referred to as the above (A), (B) and (C ) So that the supply of oxygen to the positive electrode and the collection of the current generated from the MEA are good, and without using a forced oxygen supply means such as a blower, It is possible to provide a fuel cell having excellent battery characteristics.
本発明によれば、ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を有する燃料電池を提供できる。よって、本発明の燃料電池は、容易に小型化が可能であり、小型ポータブル電源として好ましく用いることができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fuel cell which has the outstanding battery characteristic can be provided, without using the forced oxygen supply means by a blower etc. Therefore, the fuel cell of the present invention can be easily downsized and can be preferably used as a small portable power source.
以下、図面を用いつつ本発明の燃料電池の詳細を説明する。図1は、本発明の燃料電池の一例を示す断面模式図である。なお、図1は断面図であるが、各構成要素の理解を容易にするために、一部の構成要素については、断面であることを示す斜線を付していない。 The details of the fuel cell of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the fuel cell of the present invention. Although FIG. 1 is a cross-sectional view, in order to facilitate understanding of each component, some components are not hatched to indicate a cross section.
図1の燃料電池では、正極拡散層13および正極触媒層14からなる正極と、固体電解質膜15と、負極拡散層17および負極触媒層16からなる負極とが、順次積層されてなるMEA100を3個有しており、これらのMEA100が平面状に配置されている。
In the fuel cell of FIG. 1, 3
それぞれのMEA100の正極側には、正極集電プレート5、6、正極絶縁プレート3、および正極パネルプレート1が順次配置されている。また、それぞれのMEA100の負極側には、負極集電プレート7、8、負極絶縁プレート4、および負極パネルプレート2が順次配置されている。
On the positive electrode side of each
そして、全てのMEA100が、正極パネルプレート1と負極パネルプレート2とに挟持されて一体化している。また、図1では明らかにしていないが、隣り合うMEA100同士は、正極集電プレート5、6と負極集電プレート7、8との電気的接続によって、直列に接続されている。
All the
正極集電プレート5、6、正極絶縁プレート3および正極パネルプレート1には、燃料電池外の酸素を空気として正極に導入するための酸素導入孔が複数設けられている。そして、正極集電プレート5、6の酸素導入孔、正極絶縁プレート3の酸素導入孔、および正極パネルプレート1の酸素導入孔により、正極パネルプレート1の外表面からMEA100の正極拡散層13にまで到達する開口部11が複数形成されており、これら開口部11から、燃料電池外の酸素(空気)が拡散により正極拡散層13に供給される構造となっている。
The positive electrode current collecting
また、図1の燃料電池では、負極集電プレート7、8、負極絶縁プレート4および負極パネルプレート2には、燃料タンク部10内の燃料を負極に導入するための燃料導入孔が複数設けられている。そして、負極集電プレート7、8の燃料導入孔、負極絶縁プレート4の燃料導入孔、および負極パネルプレート2の燃料導入孔により、負極パネルプレート2の燃料タンク部10側表面からMEA100の負極拡散層17にまで到達する開口部12が複数形成されており、これら開口部12から、燃料タンク部10内の燃料が負極拡散層17に供給される構造となっている。
Further, in the fuel cell of FIG. 1, the negative electrode current collecting
図1の燃料電池では、正極パネルプレート1と負極パネルプレート2(更には燃料タンク部10)は、間隔を持って配置された固定部により固定されており、上記固定部では、ボルト18とナット19による固定がなされている。図1中、9aおよび9bはシールである。
In the fuel cell of FIG. 1, the positive
本発明の燃料電池では、平面視における正極側の開口部11の総面積を、平面視における正極の面積で割り、それを百分率で表して示される開口率(A)が、10%以上60%以下である。正極側の開口率を上記のようにすることで、正極への酸素の供給とMEAから生じる電流の集電を良好にすることができる。すなわち、上記開口率(A)が小さすぎると、正極への酸素の供給が不十分となることがある。また、上記開口率(A)が大きすぎると、MEAから生じる電流の集電性が低下し、また、燃料がガスの場合には乾燥が促進されてしまうため、電池の出力が低下する。上記開口率(A)は、15%以上であることがより好ましく、また、50%以下であることがより好ましい。 In the fuel cell of the present invention, the total area of the positive electrode side opening 11 in plan view is divided by the area of the positive electrode in plan view, and the aperture ratio (A) expressed as a percentage is 10% or more and 60%. It is as follows. By making the aperture ratio on the positive electrode side as described above, it is possible to improve the supply of oxygen to the positive electrode and the current collection from the MEA. That is, if the aperture ratio (A) is too small, the supply of oxygen to the positive electrode may be insufficient. On the other hand, when the aperture ratio (A) is too large, the current collecting property of the current generated from the MEA is reduced, and when the fuel is a gas, drying is promoted, so that the output of the battery is reduced. The aperture ratio (A) is more preferably 15% or more, and more preferably 50% or less.
正極側の開口部11および負極側の開口部12は、方形(長方形、正方形など)、円形(真円形、楕円形など)などの各種の形状とすることができる。なお、正極側の開口部11は、正極側の平面視において、開口部11に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときに、上記最短距離(B)が0.2mm以上3mm以下である。
The
図2に、正極側の開口部11の1つを拡大した図を示す。図2の(a)は、開口部11が長方形の場合を示している。開口部11が長方形の場合、該開口部11に接する平行な2本の線としては、図中のIとII、およびiとiiの2つを引くことができる。このうち、2線間の最短距離が最も短くなるのは、図中Iの線とIIの線との間であり、このIの線とIIの線との間の最短距離が0.2mm以上3mm以下である。
FIG. 2 shows an enlarged view of one of the
また、図2の(b)は、開口部11が真円形の場合を示しているが、開口部11が真円形であれば、該開口部11に接する平行な2本の線としては、図中のIとIIのように、開口部11の直径を挟む2本の線を引くことができ、開口部11のいずれの位置に上記2本の線を引いても、それらの線間の距離は開口部11の直径と等しくなる。よって、開口部11が真円形の場合には、Iの線とIIの線との間の最短距離、すなわち開口部11の直径が0.2mm以上3mm以下である。
2B shows a case where the opening 11 is a perfect circle. If the
正極側の開口部における上記2線間の最短距離(B)を上記のようにすることで、正極への酸素の供給とMEAから生じる電流の集電を良好にすることができる。すなわち、上記2線間の最短距離(B)が小さすぎると、燃料電池外の大気の酸素の取り込みが困難となる。また、上記2線間の最短距離(B)が大きすぎると、開口部11が位置する部分での集電が不十分となって、電池の出力が低下してしまう。上記2線間の最短距離(B)は、0.5mm以上であることがより好ましく、また、2mm以下であることがより好ましい。
By setting the shortest distance (B) between the two wires in the opening on the positive electrode side as described above, it is possible to improve the supply of oxygen to the positive electrode and the current collection from the MEA. That is, if the shortest distance (B) between the two lines is too small, it becomes difficult to take in oxygen from the atmosphere outside the fuel cell. On the other hand, if the shortest distance (B) between the two lines is too large, current collection at the portion where the
更に、本発明の燃料電池では、正極側の平面視において、開口部11以外の箇所(すなわち、正極拡散層13に到達する開口部11が形成されておらず、正極パネルプレート1などが存在している箇所)における任意の点から、該任意の点に最も近く位置している開口部11までの最短距離(C)が、2mm以下である。上記の最短距離(C)を上記上限値以下とすることで、MEA100への酸素の供給の均一性を高めて、電池の出力を向上させることができる。
Furthermore, in the fuel cell of the present invention, in a plan view on the positive electrode side, a portion other than the opening 11 (that is, the
すなわち、上記の最短距離(C)が短すぎると、正極パネルプレート1などの存在によって、正極拡散層13の上部が開口していない箇所が部分的に大きくなり、当該箇所には燃料電池外の酸素が供給され難くなる。そのため、MEA100に酸素の供給が不十分な箇所が生じて、電池の出力が低下してしまう。上記の最短距離(C)は、1.5mm以下であることがより好ましい。なお、上記の最短距離(C)の下限値については特に制限はなく、上記開口率(A)との兼ね合いで適宜決定される。
That is, if the above shortest distance (C) is too short, a portion where the upper portion of the positive
なお、負極側の開口部12についても、平面視における負極側の開口部12の総面積を、平面視における負極の面積で割り、それを百分率で表して示される開口率が、10%以上、より好ましくは15%以上であることが望ましく、また、60%以下、より好ましくは50%以下であることが望ましい。 As for the opening portion 12 on the negative electrode side, the total area of the negative electrode side opening portion 12 in plan view is divided by the area of the negative electrode in plan view, and the opening ratio expressed as a percentage is 10% or more, More preferably, it is 15% or more, and it is 60% or less, more preferably 50% or less.
更に、負極側の開口部12においても、負極側の平面視において、開口部12に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときに、上記最短距離が、0.2mm以上、より好ましくは0.5mm以上であることが望ましく、また、3mm以下、より好ましくは2mm以下であることが望ましい。 Further, in the negative electrode side opening 12, when the two parallel lines that are in contact with the opening 12 and have the shortest shortest distance between the lines are drawn in the plan view on the negative electrode side, the shortest distance is 0.2 mm or more, more preferably 0.5 mm or more, and 3 mm or less, more preferably 2 mm or less.
加えて、負極側の平面視において、開口部12以外の箇所(すなわち、負極拡散層17に到達する開口部12が形成されておらず、負極パネルプレート2などが存在している箇所)における任意の点から、該任意の点に最も近く位置している開口部12までの最短距離が、好ましくは2mm以下、より好ましくは1.5mm以下である。
In addition, in a plan view on the negative electrode side, an arbitrary position other than the opening 12 (that is, a position where the opening 12 reaching the negative
正極側の開口部11の個々の面積は、燃料電池外の酸素をより良好に取り込む観点から、0.1mm2以上、より好ましくは0.2mm2以上であることが望ましい。他方、開口部11の個々の面積が大きすぎると、正極パネルプレート1などの強度が低下することがあるため、その面積は、40mm2以下であることが好ましく、30mm2以下であることがより好ましい。
Each area of the
なお、負極側の開口部の個々の面積も、0.1mm2以上、より好ましくは0.2mm2以上であることが望ましく、また、40mm2以下、より好ましくは30mm2以下であることが望ましい。 Note that the individual area of the opening on the negative electrode side is also preferably 0.1 mm 2 or more, more preferably 0.2 mm 2 or more, and 40 mm 2 or less, more preferably 30 mm 2 or less. .
正極パネルプレート1、正極絶縁プレート3および正極集電プレート5、6の総厚みは1mm以上であることが好ましい。燃料電池の内部抵抗を低くするには、正極パネルプレート1と負極パネルプレート2とによって、MEA100をある程度の均一性を持って抑え込むことが好ましい。例えば、図1に示すように、正極パネルプレート1と負極パネルプレート2とを、間隔を持った配置された固定部において、ボルト18とナット19を用いるなどして固定する場合、正極パネルプレート1、正極絶縁プレート3および正極集電プレート5、6の総厚みが小さすぎると、MEA100の抑え込みの際にこれらのプレートにたわみが生じて、MEA100の抑え込みの均一性が損なわれることがある。
The total thickness of the positive
他方、正極パネルプレート1、正極絶縁プレート3および正極集電プレート5、6の総厚みが大きすぎると、開口部11から正極拡散層13への酸素の供給量が低下する傾向にあるため、上記総厚みは4mm以下であることが好ましい。
On the other hand, if the total thickness of the positive
また、負極パネルプレート2、負極絶縁プレート4および負極集電プレート7、8の総厚みについても、正極パネルプレート1、正極絶縁プレート3および正極集電プレート5、6の総厚みと同様に、MEA100の抑え込みの均一性を高めて電池の内部抵抗を下げる観点から、1mm以上であることが好ましく、更に、開口部12から負極拡散層17への燃料の供給量を高める観点から、4mm以下であることが好ましい。
The total thickness of the negative electrode panel plate 2, the negative electrode insulating plate 4, and the negative electrode
図3に、正極パネルプレート1の平面模式図を示す。正極パネルプレート1には、各MEAの正極拡散層の位置に合わせて酸素導入孔11aが設けられており、該酸素導入孔11aは、正極絶縁プレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔と共に、上記開口部を形成する。20、20a、20b、20c、20d、20eは正極パネルプレート1と負極パネルプレートとを固定するためのボルトを通すネジ穴であり、正極パネルプレート1と負極パネルプレートとを固定するための固定部となる。
FIG. 3 is a schematic plan view of the positive
正極パネルプレート1は金属製である。金属以外の素材で構成した正極パネルプレート1では、MEAの抑え込みの際に、たわみが生じてしまう。また、MEAの抑え込みの際のたわみをより少なくする観点から、正極パネルプレート1を構成する金属は、曲げ試験により求められるヤング率が50000MPa以上であることが好ましい。具体的な金属としては、例えば、炭素鋼、合金鋼、ステンレス鋼、超合金、アルミニウム合金、マグネシウム合金、チタン合金、ニッケル合金などが挙げられる。なお、本明細書でいう曲げ試験により求められるヤング率とは、両端を支持した板状の試料の中央部に荷重をかけた特に生じたたわみ量を測定して求められる値である。
The positive
また、正極パネルプレート1の厚みは、0.5〜3.5mmであることが好ましい。正極パネルプレート1が薄すぎると、MEAの抑え込み時のたわみが大きくなって、MEAの抑え込みの均一性が損なわれることがある。また、正極パネルプレート1が厚すぎると、正極パネルプレート1、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
Moreover, it is preferable that the thickness of the positive
なお、負極パネルプレートには、上記の正極パネルプレートと同じ構成のものを用いることができる。 In addition, the thing of the same structure as said positive electrode panel plate can be used for a negative electrode panel plate.
図4および図5には、正極集電プレート5、6の平面模式図を示している。図4の正極集電プレート5および図5の正極集電プレート6には、MEAの正極拡散層の位置に合わせ、かつ正極パネルプレートの酸素導入孔の位置に合わせて酸素導入孔11bが設けられており、該酸素導入孔11bは、正極パネルプレートの酸素導入孔および正極絶縁プレートの酸素導入孔と共に、上記開口部を形成する。また、図4の正極集電プレート5および図5の正極集電プレート6には、正極パネルプレートの固定部(ネジ穴)の位置に合わせて、固定部20(ネジ穴)が設けられている。
4 and 5 are schematic plan views of the positive electrode
図4の正極集電プレート5は、図1の燃料電池における左端のMEA100の正極上に配置するための集電プレート(正極端部集電プレート)であり、燃料電池外部に電流を取り出すための正極集電端子部21が設けられている。正極集電端子部21としては、特に制限はないが、例えば、図4に示すように、燃料電池と接続する装置などから引き出された外部端子を接続するための孔などが挙げられる。
The positive electrode
図5の正極集電プレート6は、図1の燃料電池における中央および右側のMEA100の正極上に配置するための集電プレートであり、燃料電池の外周部に相当する位置に正極直列接続タブ22が設けられている。この正極直列接続タブ22を、隣に位置するMEAの負極上に配置された負極集電プレートと接触させる(例えば、負極集電プレートに設けられた負極直列接続タブと接触させる)などして電気的に接続することで、各MEAを直列に接続する。
The positive electrode
正極直列接続タブ22は、燃料電池の外周部に相当する位置に1つ設けるだけでもよいが、図5に示すように燃料電池の外周部に相当する位置に2つ設けることが好ましい。1つの正極直列接続タブから接続するよりも、2つのタブから接続する方が、集電プレート間の抵抗が低減されるため、電池の出力をより向上させることができる。
Although only one positive electrode
正極集電プレート5、6の材質は電子伝導性を有するものであればよいが、耐酸性の高い材質であることが好ましい。また、耐酸性の低い材料を耐酸性の高い材料で被覆して、正極集電プレート5、6を構成してもよい。具体的には、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、銅、グラファイト、チタンなどや、これらの材料を金、白金などの貴金属でメッキしたものなどが挙げられる。
The material of the positive electrode
正極集電プレート5、6の厚みは0.2〜3.2mmであることが好ましい。正極集電プレート5、6が薄すぎると、その電子抵抗が大きくなって、電池の出力が低下することがある。また、正極集電プレート5、6が厚すぎると、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
The thickness of the positive electrode
なお、負極集電プレート(図1の負極端部集電プレート7、および負極集電プレート8)には、上記の正極集電プレート(図4に示す正極端部集電プレート5、および図5に示す正極集電プレート6)と同じ構成のものを用いることができる。
Note that the negative electrode current collecting plate (the negative electrode end
図6に、正極絶縁プレート3の模式図を示す。図6中、(a)は平面図である。また、(b)は(a)のA−A線断面図であるが、固定部20(ネジ穴)の配置を点線で示しており、この配置の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。正極絶縁プレート3は、金属製の正極パネルプレートと、正極集電プレートとの間に配置され、これらのプレート間を絶縁する役割を担っている。
FIG. 6 shows a schematic diagram of the positive
正極絶縁プレート3には、各MEAの正極拡散層の位置に合わせ、かつ正極パネルプレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔の位置に合わせて酸素導入孔11cが設けられており、該酸素導入孔11cは、正極パネルプレートの酸素導入孔および正極集電プレートの酸素導入孔と共に、上記開口部を形成している。また、正極絶縁プレート3には、正極パネルプレートおよび正極集電プレートの固定部(ネジ穴)の位置に合わせて、固定部20(ネジ穴)が設けられている。
The positive
正極絶縁プレート3には、正極集電プレートを収めるための凹部23が設けられていることが好ましい。凹部23によって正極絶縁プレート3と正極集電プレートとを積層したときに段差をなくすことができるため、かかる段差によるガス漏れやMEAの抑え込みの不均一さの発生を抑えることができる。
The positive
正極絶縁プレート3の材質は、電子絶縁性のものならば特に制限されないが、例えば、ガラスエポキシ樹脂や、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂[ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)など]などのプラスティックが好適である。
The material of the positive
正極絶縁プレート3のうち、正極集電プレートが収まる凹部23の厚みは、0.3〜3.3mmであることが好ましい。凹部23が薄すぎると、強度の不足による割れなどがおこる虞がある。また、凹部23が厚すぎると、正極パネルプレート、正極絶縁プレートおよび正極集電プレートの総厚みが大きくなってしまい、正極への酸素の供給量が低下することがある。
Of the positive
なお、負極絶縁プレートには、上記の正極絶縁プレートと同じ構成のものを用いることができる。 In addition, the thing of the same structure as said positive electrode insulating plate can be used for a negative electrode insulating plate.
図7に、図1の燃料電池に係る燃料タンク部10の模式図を示す。図7中、(a)は平面図である。また、(b)は(a)のA−A線断面図、(c)は(a)のB−B線断面図であるが、これらの断面図では固定部20(ネジ穴)の配置を点線で示していることから、この配置の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
FIG. 7 is a schematic diagram of the
燃料タンク部10は、燃料をMEAの負極へ供給したり、燃料を保持するために設けられている。燃料タンク部10には、燃料の供給、排出を行うため、燃料を供給するための燃料供給口24と、燃料を排出するための燃料排出口25が設けられている。また、燃料の供給が各MEAに均一に行なわれるように、燃料流通ガイド部26が設けられている。27は、燃料を保持するためのタンク内部である。図7に示す燃料タンク部10(図1の燃料電池に係る燃料タンク部10)は独立のものであるが、例えば、燃料タンク部を負極パネルプレートと一体化した構造にしてもよい。
The
燃料タンク部10の材質は、燃料による腐食や形態変化がなければよい。具体的には、例えば、ガラスエポキシ樹脂;ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂(PTFEなど)のプラスティック;ステンレス鋼、ニッケル、銅、グラファイト、チタンなどの金属;が好適である。
The material of the
図8に、MEA100の模式図を示す。図8中、(a)は平面図であり、(b)は(a)の断面図であるが、(b)では各構成要素の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
FIG. 8 shows a schematic diagram of the
MEA100は、酸素を還元する正極触媒層14と、水素を酸化する負極触媒層16とを有しており、更に、正極触媒層14と負極触媒層16との間に固体電解質膜15を備えている。また、正極触媒層14の固体電解質膜15側の面の反対面には、正極拡散層13が積層されており、負極触媒層16の固体電解質膜15側の面の反対面には、負極拡散層17が積層されている。
The
固体電解質膜15は、平面視で、電極(正極および負極)よりも大きい面積を有している。これは、電極からはみ出る部分を利用してシールを行うためである。シールを行われなければ燃料と空気中の酸素とが混合されてしまうため、燃料電池の機能が果たせないことがある。固体電解質膜15における電極よりも大きくなる部分の幅は、シールを行うために十分な幅を確保する観点から、1mm以上であることが好ましい。なお、固体電解質膜15における電極よりも大きくなる部分の幅をあまり大きくすると、固体電解質膜15の限られた面積の中でシールを行う面積の比率が大きくなってしまうため、電極の面積が犠牲になってしまうことから、上記の幅は5mm以下であることが好ましい。
The
電極の幅は、3〜35mmであることが好ましい。これは、上記の固体電解質膜15の大きさと、後述する固定部間距離との関係に制約されるためである。電極の長さには特に制限はなく、燃料電池に要求される出力に鑑みて設定することが可能である。
The width of the electrode is preferably 3 to 35 mm. This is because it is restricted by the relationship between the size of the
また、MEA100は、図9に示すように、複数のMEA100で固体電解質膜15を共有する構造としてもよい。図9の(a)は平面図で、(b)は(a)の断面図であるが、この(b)においても、各構成要素の理解を容易にするために、断面であることを示す斜線を省略している。
Further, as shown in FIG. 9, the
図9中、28は直列接続タブ接触エリアであり、この部分で正極集電プレートの正極直列接続タブと負極集電プレートの負極直列接続タブとを電気的に接触させ、各MEAを直列に接続することができる。また図9のMEA100には、固定部20(ネジ穴)も設けられている。
In FIG. 9,
正極拡散層13および負極拡散層17は、多孔性の電子伝導性材料などから構成され、例えば、撥水処理を施した多孔質炭素シートなどが用いられる。なお、正極拡散層13や負極拡散層17の触媒層側には、更なる撥水性向上および触媒層との接触向上を目的として、フッ素樹脂粒子(PTFE樹脂粒子など)を含む炭素粉末のペーストが塗布されている場合もある。
The positive
正極触媒層14は、正極拡散層13を介して拡散してきた酸素を還元する機能を有している。正極触媒層14は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。また、必要に応じて、樹脂バインダを更に含有していてもよい。
The positive
正極触媒層14の含有する触媒としては、酸素を還元できるものであれば特に制限はないが、例えば、白金微粒子が挙げられる。また、上記触媒は、鉄、ニッケル、コバルト、錫、ルテニウムおよび金よりなる群から選ばれる少なくとも1種の金属元素と白金との合金で構成される微粒子などであってもよい。
The catalyst contained in the positive
触媒の担体である炭素粉末としては、例えば、BET比表面積が10〜2000m2/gであり、平均粒子径が20〜100nmのカーボンブラックなどが用いられる。炭素粉末への上記触媒の担持は、例えば、コロイド法などで行なうことができる。 As the carbon powder as the catalyst carrier, for example, carbon black having a BET specific surface area of 10 to 2000 m 2 / g and an average particle diameter of 20 to 100 nm is used. The catalyst can be supported on the carbon powder by, for example, a colloid method.
上記炭素粉末と上記触媒との含有比率としては、例えば、炭素粉末100質量部に対して、触媒が5〜400質量部であることが好ましい。このような含有比率であれば、十分な触媒活性を有する正極触媒層が構成できるからである。また、例えば、炭素粉末上に触媒を析出させる方法(例えば、コロイド法)で触媒担持炭素粉末が作製される場合には、炭素粉末と触媒とが上記の含有比率であれば、触媒の径が大きくなりすぎず、十分な触媒活性が得られるからである。 As a content ratio of the carbon powder and the catalyst, for example, the catalyst is preferably 5 to 400 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the carbon powder. This is because such a content ratio can constitute a positive electrode catalyst layer having sufficient catalytic activity. In addition, for example, when the catalyst-supported carbon powder is produced by a method of depositing the catalyst on the carbon powder (for example, a colloid method), the catalyst diameter is as long as the carbon powder and the catalyst have the above content ratio. This is because it does not become too large and sufficient catalytic activity is obtained.
正極触媒層14に含まれるプロトン伝導性材料としては、特に制限はないが、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂などのスルホン酸基を有する樹脂を用いることができる。ポリパーフルオロスルホン酸樹脂としては、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。
The proton conductive material contained in the positive
正極触媒層14におけるプロトン伝導性材料の含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、2〜200質量部であることが好ましい。プロトン伝導性材料が上記の量で含有されていれば、正極触媒層において十分なプロトン伝導性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
The content of the proton conductive material in the positive
正極触媒層14に係るバインダとしては、特に制限はないが、例えば、PTFE、テトラフルオロエチレン−パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体(FEP)、テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体(E/TFE)、ポリビニリデンフルオライド(PVDF)およびポリクロロトリフルオロエチレン(PCTFE)などのフッ素樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナイロン、ポリスチレン、ポリエステル、アイオノマー、ブチルゴム、エチレン・酢酸ビニル共重合体、エチレン・エチルアクリレート共重合体およびエチレン・アクリル酸共重合体などの非フッ素樹脂などを用いることができる。
The binder for the positive
正極触媒層14におけるバインダの含有量は、触媒担持炭素粉末100質量部に対して、0.01〜100質量部であることが好ましい。バインダが上記の量で含有されていれば、正極触媒層について十分な結着性が得られ、電気抵抗値が大きくなりすぎず、電池性能の良好な燃料電池を得ることができるからである。
The binder content in the positive
負極触媒層16は、負極拡散層を介して拡散してきた水素やメタノールなどの燃料を酸化する機能を有している。負極触媒層は、例えば、触媒を担持した炭素粉末(触媒担持炭素粉末)と、プロトン伝導性材料とを含有している。必要に応じて、樹脂などのバインダを更に含有していてもよい。
The negative
負極触媒層16に係る触媒は、水素やメタノールなどの燃料を酸化できれば特に制限はなく、例えば、正極触媒層に係る触媒として例示した上記の各触媒を用いることができる。負極触媒層に係る上記炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダについても、正極触媒層に係る炭素粉末、プロトン伝導性材料、およびバインダとして例示した上記の各材料を用いることができる。
The catalyst related to the negative
固体電解質膜15は、プロトンを輸送可能であり、かつ電子伝導性は示さない材料で構成された膜であれば、特に制限はない。固体電解質膜15を構成し得る材料としては、例えば、ポリパーフルオロスルホン酸樹脂、具体的には、デュポン社製の「ナフィオン(登録商標)」、旭硝子社製の「フレミオン(登録商標)」、旭化成工業社製の「アシプレックス(商品名)」などが挙げられる。その他、スルホン化ポリエーテルスルホン酸樹脂、スルホン化ポリイミド樹脂、硫酸ドープポリベンズイミダゾールなども、固体電解質膜15の材料として用いることができる。
The
図10に、シール9a、9bの平面模式図を示す。このシール9a、9bは、MEAの上下に配置される。その際、MEAの電極はシールに設けた孔29に収まり、固体電解質膜のうち電極部分からはみ出た部分は、シール9a、9bに挟まれる。このような構成とすることで、燃料と空気中の酸素とを隔離して、燃料電池を良好に機能させることが可能となる。図10に示すシール9a、9bには直列接続タブ接触エリア28が設けられており、この部分で正極集電プレートの正極直列接続タブと負極集電プレートの負極直列接続タブとを電気的に接触させ、各MEAを直列に接続することができる。また図10のシール9a、9bには、固定部20(ネジ穴)も設けられている。
FIG. 10 is a schematic plan view of the
シールの材質としては、燃料電池分野などにおいてシール材として公知の各種材料、例えば、シリコンゴム、エチレン−プロピレン−ジエンゴム、PTFEフィルム、ポリイミドフィルムなどを用いることができる。 As a material for the seal, various materials known as a seal material in the field of fuel cells, for example, silicon rubber, ethylene-propylene-diene rubber, PTFE film, polyimide film, and the like can be used.
全てのMEAを一体化するための正極パネルプレートと負極パネルプレートとの固定は、各MEAをある程度の均一性を持って抑え込むことができれば、その手段については特に制限はない。例えば、正極パネルプレート、正極絶縁プレート、正極集電プレート、シール、負極集電プレート、負極絶縁プレートおよび負極パネルプレートにおけるMEAの電極部分以外に相当する部分、並びにMEAの固体電解質膜のうち電極部分からはみ出した部分の全体を、接着するなどして固定してもよい。 The positive panel plate and the negative panel plate for integrating all the MEAs are not particularly limited as long as each MEA can be suppressed with a certain degree of uniformity. For example, a positive electrode panel plate, a positive electrode insulating plate, a positive electrode current collecting plate, a seal, a negative electrode current collecting plate, a portion corresponding to the negative electrode insulating plate and the negative electrode panel plate other than the MEA electrode portion, and an electrode portion of the MEA solid electrolyte membrane The whole protruding part may be fixed by bonding or the like.
しかし、MEAをより抑え込み易いことから、図1に示すように、間隔を持って配置された固定部において、機械的挟持手段により正極パネルプレートと負極パネルプレートとを固定することが好ましい。この場合、固定部における機械的挟持手段としては、例えば、図1に示すボルトとナットとを用いたネジ止めや、リベット止めなどが好ましく採用できる。 However, since the MEA can be more easily suppressed, as shown in FIG. 1, it is preferable to fix the positive electrode panel plate and the negative electrode panel plate by the mechanical clamping means in the fixing portions arranged at intervals. In this case, as the mechanical clamping means in the fixing portion, for example, screwing using a bolt and nut shown in FIG. 1 or riveting can be preferably employed.
また、上記のように、正極パネルプレートと負極パネルプレートとを、間隔を持っては位置された固定部により固定する場合には、MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離を10mm以上40mm以下とすることが好ましい。上記の固定部間が上記のような距離となるように固定部を配置することで、電池特性をより良好にすることができる。 In addition, as described above, when the positive electrode panel plate and the negative electrode panel plate are fixed by the fixing portions that are positioned with a space therebetween, the shorter fixing portion between the adjacent fixing portions with the MEA interposed therebetween. The distance between them is preferably 10 mm or more and 40 mm or less. By disposing the fixing portions so that the distance between the fixing portions is as described above, the battery characteristics can be further improved.
上記の固定部間の距離を図3を用いて説明すると、固定部20aとMEAを挟んで隣り合う固定部としては、20b、20c、20dがあるが、このうち、固定部20aとの間の距離がより短くなるのは20cである。「MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離が10mm以上40mm以下」とは、固定部20aと固定部20cとの間の距離が10mm以上40mm以下であることを意味している。
The distance between the fixed parts will be described with reference to FIG. 3. As fixed parts adjacent to the
上記の固定部間距離が短すぎると、MEAの電極部分の面積が小さくなってしまい、長すぎると、機械的挟持手段により締め付けたときのパネルプレートのたわみが大きくなってMEAを均一に抑え込むことが困難となり、電池の内部抵抗が高くなったり、相対的に抑えの効いた部分で電流集中が生じて、電極の劣化を引き起こすことがある。上記の固定部間距離は、15mm以上であることがより好ましく、また、30mm以下であることがより好ましい。 If the distance between the fixed parts is too short, the area of the electrode portion of the MEA becomes small. If it is too long, the deflection of the panel plate when tightened by the mechanical clamping means becomes large and the MEA is uniformly suppressed. The internal resistance of the battery may increase, or current concentration may occur in a relatively restrained portion, causing deterioration of the electrode. The distance between the fixed parts is more preferably 15 mm or more, and more preferably 30 mm or less.
また、MEAを挟まずに隣り合う固定部間の距離(例えば、図3では、固定部20aと固定部20eとの間の距離)も、上記の「MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離」と同じ理由から、10mm以上、より好ましくは15mm以上であることが望ましく、また、40mm以下、より好ましくは30mm以下であることが望ましい。
Further, the distance between the adjacent fixed parts without sandwiching the MEA (for example, the distance between the
なお、これまで本発明の燃料電池を図1〜図10を用いて説明したが、これらの図面に示したものは本発明の一例に過ぎず、本発明の燃料電池はこれらの図面に示された構造のものに限定される訳ではない。 Although the fuel cell of the present invention has been described with reference to FIGS. 1 to 10, what is shown in these drawings is only an example of the present invention, and the fuel cell of the present invention is shown in these drawings. The structure is not limited to the above.
以上の通り、本発明の燃料電池は、複数のMEAが平面状に配置されてなる平面型の燃料電池であり、上記構成の採用によって、ブロアなどによる強制的な酸素の供給手段を用いることなく、優れた電池特性を確保することができる。よって、本発明の燃料電池は、容易に小型化が可能であり、小型ポータブル電源に好適である他、公知の燃料電池が適用されている各種用途に好ましく用いることができる。 As described above, the fuel cell of the present invention is a planar fuel cell in which a plurality of MEAs are arranged in a planar shape. By adopting the above configuration, a forced oxygen supply means such as a blower is not used. Excellent battery characteristics can be ensured. Therefore, the fuel cell of the present invention can be easily reduced in size and is suitable for a small portable power source, and can be preferably used for various applications to which a known fuel cell is applied.
以下、実施例に基づいて本発明を詳細に述べる。ただし、下記実施例は本発明を制限するものではなく、前・後記の趣旨を逸脱しない範囲で変更実施をすることは、全て本発明の技術的範囲に包含される。 Hereinafter, the present invention will be described in detail based on examples. However, the following examples are not intended to limit the present invention, and all modifications made without departing from the spirit of the preceding and following descriptions are included in the technical scope of the present invention.
実施例1
図1に示す構造の燃料電池を作製した。MEA100には、図8に示す構成のものを用いた(平面形状は、図8に示すものとは異なる)。MEA100の正極および負極には、カーボンクロス上にPt担持カーボンを塗布した電極(E−TEK社製「LT140E−W」、Pt量:0.5mg/cm2)を用いた。また、固体電解質膜15には、デュポン社製「ナフィオン112」を用いた。各電極は45mm×51mm、固体電解質膜は49mm×55mmとした。
Example 1
A fuel cell having the structure shown in FIG. 1 was produced. The
正極パネルプレート1には、図11に示す構造で、ステンレス304で構成された厚みが4mmのものを用いた。開口部を形成するための酸素導入孔11aは、1mm×11mmの長方形の孔を、図11に示すように各MEAの正極拡散層上部に当たる部分全域にわたり、各々上下に4個、左右に22個、合計88個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離は1mmとなる。また、酸素導入孔11aは、左右に1mm、上下に2mmの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔11a(すなわち、開口部)以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は2mm以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は42%である。固定部20には、φ3mmの穴を、図11に示すように、MEAの外周部に相当する位置に設けた。MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離は51mmであり、MEAを挟まずに隣り合う固定部間の距離は15mmである。
As the positive
また、負極パネルプレート2には、正極パネルプレート1と同じ材質・形状のものを用意した。
The negative electrode panel plate 2 was prepared with the same material and shape as the positive
正極集電プレート5、6には、図12(正極端部集電プレート)および図13に示す構造で、ニッケルに金メッキを施した厚み0.3mmのものを用いた。正極集電プレート5、6の酸素導入孔11bおよび固定部20の形状・配置は、正極パネルプレートと同様である。また、正極端部集電プレート5には、正極集電端子部21を設けた。更に、正極集電プレート6には、燃料電池の外周部に相当する位置に、正極直列接続タブ22を1つ設けた。
As the positive electrode
また、負極端部集電プレート7および負極集電プレート8には、正極端部集電プレート5および正極集電プレート6と同じ材質・形状のものを用意した。
The negative electrode end
正極絶縁プレート3には、図14に示す構造で、ガラスエポキシ樹脂で構成された厚みが0.5mmのものを用いた。正極絶縁プレート3の酸素導入孔11cおよび固定部20の形状・配置は、正極パネルプレートと同様である。また、負極絶縁プレート4には、正極絶縁プレート3と同じ材質・形状のものを用意した。
A positive
燃料タンク部10には、図15に示す構造で、ガラスエポキシ樹脂で構成された厚み3mmのものを用いた。中央のタンク内部27の深さは2mmである。
As the
シール9a、9bには、図16に示す構造で、シリコンゴムで構成された厚み0.2mmのものを用いた。電極を収めるための孔29のサイズは46m×52mmとした。
As the
以上の各部材を図1に示す順序で積層し、ボルト18とナット19を用いて締め込んで、燃料電池を作製した。
The above members were stacked in the order shown in FIG. 1 and tightened with
実施例2
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート1を図17に示す構造とし、酸素導入孔11aには、2mm×11mmの長方形の孔を、各MEA100の正極拡散層13上部に当たる部分全域に、各々上下に4個、左右に11個、合計44個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離は2mmとなる。また、酸素導入孔11aは、上下左右に2mmの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔11a(すなわち、開口部)以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は2mm以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は42%である。負極パネルプレート2も、正極パネルプレート1と同じ構成とした。
Example 2
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following points were changed. First, the positive
更に、正極端部集電プレート5、正極集電プレート6、正極絶縁プレート3、負極端部集電プレート7、負極集電プレート8、および負極絶縁プレート4について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2に合致するように変更した。
Furthermore, with respect to the positive electrode end
実施例3
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート1を図18に示す構造とし、酸素導入孔11aには、1mm×11mmの長方形の孔を、各MEA100の正極拡散層13上部に当たる部分全域に、各々上下に4個、左右に15個、合計60個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離は1mmとなる。また、酸素導入孔11aは、上下左右に2mmの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔11a(すなわち、開口部)以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は2mm以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は29%である。負極パネルプレート2も、正極パネルプレート1と同じ構成とした。
Example 3
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following points were changed. First, the positive
更に、正極端部集電プレート5、正極集電プレート6、正極絶縁プレート3、負極端部集電プレート7、負極集電プレート8、および負極絶縁プレート4について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2に合致するように変更した。
Furthermore, with respect to the positive electrode end
実施例4
正極パネルプレート1および負極パネルプレート2の厚みを2mmとした以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。
Example 4
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the thickness of the positive
実施例5
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。まず、MEA100の各電極は25mm×92mmとし、固体電解質膜15は29mm×96mmとした。
Example 5
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following points were changed. First, each electrode of the
また、正極パネルプレート1は図3に示す構造とし、酸素導入孔11aには、1mm×13mmの長方形の孔を、各MEA100の正極拡散層13上部に当たる部分全域に、各々上下に6個、左右に12個、合計72個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離は1mmとなる。また、酸素導入孔11aは、左右に1mm、上下に2mmの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔11a(すなわち、開口部)以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は2mm以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は41%である。固定部20には、φ3mmの穴を、図3に示すように、MEAの外周部に相当する位置に設けた。MEAを挟んで隣り合う固定部間のうち、より短い固定部間の距離(例えば、図3中、固定部20aと固定部20cとの間の距離)は31mmであり、MEAを挟まずに隣り合う固定部間の距離(例えば、図3中、固定部20aと固定部20eとの間の距離)は15mmである。負極パネルプレート2も、正極パネルプレート1と同じ構成とした。
Further, the positive
更に、正極端部集電プレート5、正極集電プレート6、正極絶縁プレート3、負極端部集電プレート7、負極集電プレート8、および負極絶縁プレート4について、それらの酸素導入孔およびネジ穴の配置・形状を、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2に合致するように変更した。また、シール9a、9b(図10)について、孔29をMEA100の形状に合わせて変更し、ネジ穴の配置を正極パネルプレート1などに合わせて変更した。更に、燃料タンク部10を図7に示す構造のものに変更した。
Further, with respect to the positive electrode end
実施例6
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極端部集電プレート5を図19に示すように、プレートの両端から正極集電端子部21へ取り巻くような形状とした。また、正極集電プレート6について、図20に示すように正極直列接続タブ22を2つ設けた。負極端部集電プレート7は正極端部集電プレート5と、負極集電プレート8は正極集電プレート6と、それぞれ同じ形状とした。
Example 6
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following points were changed. First, as shown in FIG. 19, the positive electrode end
更に、正極絶縁プレート3は、図21に示すように、凹部23の形状を、正極端部集電プレート5(図19)および正極集電プレート6(図20)に合わせた形状とした。また、負極絶縁プレート4は、正極絶縁プレート3と同じ形状とした。
Further, in the positive
実施例7
以下の点を変更した以外は、実施例5と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2の厚みを2mmとした。また、正極端部集電プレート5を図4に示すように、プレートの両端から正極集電端子部21へ取り巻くような形状とした。更に、正極集電プレート6において、図5に示すように正極直列接続タブ22を2つ設けた。負極端部集電プレート7は正極端部集電プレート5と、負極集電プレート8は正極集電プレート6と、それぞれ同じ形状とした。
Example 7
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 5 except that the following points were changed. First, the thickness of the positive
更に、正極絶縁プレート3は、図6に示すように、凹部23の形状を、正極端部集電プレート5(図4)および正極集電プレート6(図5)に合わせた形状とした。また、負極絶縁プレート4は、正極絶縁プレート3と同じ形状とした。
Further, in the positive
実施例8
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート1を図22に示す構造とし、酸素導入孔11aには、φ2mmの円形の孔を、各MEA100の正極拡散層13上部に当たる部分全域に、各々上下に18個、左右に16個、合計288個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離は2mmとなる。また、酸素導入孔11aは、上下左右に0.8mmの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔11a(すなわち、開口部)以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は2mm以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は40%である。負極パネルプレート2も、正極パネルプレート1と同じ構成とした。
Example 8
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following points were changed. First, the positive
更に、正極端部集電プレート5、正極集電プレート6、正極絶縁プレート3、負極端部集電プレート7、負極集電プレート8、および負極絶縁プレート4について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2に合致するように変更した。
Furthermore, with respect to the positive electrode end
比較例1
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート1を図23に示す構造とし、酸素導入孔11aには、4mm×9.5mmの長方形の孔を、各MEA100の正極拡散層13上部に当たる部分全域に、各々上下に4個、左右に6個、合計24個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離は4mmとなる。また、酸素導入孔11aは、上下左右に4mmの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔11a(すなわち、開口部)以外の箇所における任意の点のうち、最も近い開口部までの最短距離が2mmを超える点が存在する。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は41%である。負極パネルプレート2も、正極パネルプレート1と同じ構成とした。
Comparative Example 1
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following points were changed. First, the positive
更に、正極端部集電プレート5、正極集電プレート6、正極絶縁プレート3、負極端部集電プレート7、負極集電プレート8、および負極絶縁プレート4について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2に合致するように変更した。
Furthermore, with respect to the positive electrode end
比較例2
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート1を図24に示す構造とし、酸素導入孔11aには、0.5mm×0.5mmの正方形の孔を、各MEA100の正極拡散層13上部に当たる部分全域に、各々上下に25個、左右に22個、合計550個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離は0.5mmとなる。また、酸素導入孔11aは、上下左右に1.5mmの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔11a(すなわち、開口部)以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は2mm以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は6%である。負極パネルプレート2も、正極パネルプレート1と同じ構成とした。
Comparative Example 2
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following points were changed. First, the positive
更に、正極端部集電プレート5、正極集電プレート6、正極絶縁プレート3、負極端部集電プレート7、負極集電プレート8、および負極絶縁プレート4について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2に合致するように変更した。
Furthermore, with respect to the positive electrode end
比較例3
以下の点を変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。まず、正極パネルプレート1を図25に示す構造とし、酸素導入孔11aには、2mm×12mmの長方形の孔を、各MEA100の正極拡散層13上部に当たる部分全域に、各々上下に4個、左右に17個、合計68個配置した。これにより、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離は2mmとなる。また、酸素導入孔11aは、上下左右に0.6mmの距離を空けて配置している。これにより、酸素導入孔11a(すなわち、開口部)以外の箇所における任意の点から、最も近い開口部までの最短距離は2mm以下となる。また、正極側の開口部の電極面積に対する割合(開口率)は71%である。負極パネルプレート2も、正極パネルプレート1と同じ構成とした。
Comparative Example 3
A fuel cell was fabricated in the same manner as in Example 1 except that the following points were changed. First, the positive
更に、正極端部集電プレート5、正極集電プレート6、正極絶縁プレート3、負極端部集電プレート7、負極集電プレート8、および負極絶縁プレート4について、それらの酸素導入孔の配置・形状を、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2に合致するように変更した。
Furthermore, with respect to the positive electrode end
比較例4
正極パネルプレート1および負極パネルプレート2の材質をポリカーボネートに変更した以外は、実施例1と同様にして燃料電池を作製した。
Comparative Example 4
A fuel cell was produced in the same manner as in Example 1 except that the material of the positive
実施例1〜8および比較例1〜4の燃料電池に、燃料として水素を燃料供給口24より供給し、2V定電圧で発電試験を行い、燃料電池の出力を求めた。試験は室温25℃で行った。結果を表1に示す。
Hydrogen was supplied as a fuel from the
表1から明らかなように、実施例1〜8の燃料電池では、2V定電圧発電時の出力がいずれも5.0W以上であり、優れた電池特性を有していた。これに対し、比較例1〜4の燃料電池では、2V定電圧発電時の出力が劣っていた。 As is clear from Table 1, in the fuel cells of Examples 1 to 8, the outputs at the time of 2V constant voltage power generation were all 5.0 W or more and had excellent battery characteristics. On the other hand, in the fuel cells of Comparative Examples 1 to 4, the output during 2V constant voltage power generation was inferior.
このうち、比較例1の電池では、開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときの上記最短距離が長く、開口部に相当する部分でのMEAの集電性が不十分であり、また、開口部以外の箇所における任意の点のうち、最も近い開口部までの最短距離が長い箇所があり、かかる箇所に相当するMEAの部分では酸素の供給が不十分となり、これらによって電池の出力が低下したものと考えられる。 Among these, in the battery of Comparative Example 1, the shortest distance when drawing two parallel lines in contact with the opening and the shortest distance between the lines being the shortest is long, and the portion corresponding to the opening The MEA has insufficient current collection, and there is a point where the shortest distance to the nearest opening is long among arbitrary points other than the opening, and in the MEA corresponding to such a point, oxygen The supply is insufficient, and it is considered that the output of the battery is reduced by these.
また、比較例2の電池では、開口部の開口率が小さすぎて、正極への酸素供給が不十分であったために、電池の出力が低下したものと考えられる。 Further, in the battery of Comparative Example 2, it is considered that the output of the battery was lowered because the opening ratio of the opening was too small and oxygen supply to the positive electrode was insufficient.
更に、比較例3の電池では、開口部の開口率が大きすぎて、MEAと集電プレートとの接触面積が小さいために、集電性が低下して電池の内部抵抗が増加し、これにより電池の出力が低下したものと考えられる。 Furthermore, in the battery of Comparative Example 3, since the opening ratio of the opening is too large and the contact area between the MEA and the current collecting plate is small, the current collecting performance is reduced and the internal resistance of the battery is increased. The battery output is considered to have decreased.
また、比較例4の電池では、正極パネルプレート1および負極パネルプレート2の材質が金属ではなくポリカーボネートであるために強度が不足しており、MEAを締め付ける際にたわみが生じてMEAの抑え込みが不十分となり、電池の内部抵抗が増加し、これにより電池の出力が低下したものと考えられる。
Further, in the battery of Comparative Example 4, since the material of the positive
1 正極パネルプレート
2 負極パネルプレート
3 正極絶縁プレート
4 負極絶縁プレート
5、6 正極集電プレート
7、8 負極集電プレート
9a、9b シール
11 開口部
20 固定部
100 電極・電解質一体化物
DESCRIPTION OF
Claims (5)
それぞれの電極・電解質一体化物の正極側には、正極集電プレート、正極絶縁プレートおよび金属製の正極パネルプレートが順次配置されており、それぞれの電極・電解質一体化物の負極側には、負極集電プレート、負極絶縁プレートおよび金属製の負極パネルプレートが順次配置されており、
全ての電極・電解質一体化物は、上記正極パネルプレートと上記負極パネルプレートとに挟持されて一体化しており、
上記正極集電プレート、上記正極絶縁プレート、および上記正極パネルプレートは、燃料電池外の酸素を正極に導入するための酸素導入孔を有しており、かつ上記正極集電プレートの酸素導入孔、上記正極絶縁プレートの酸素導入孔、および上記正極パネルプレートの酸素導入孔により、上記正極パネルプレートの外表面から電極・電解質一体化物まで到達する開口部が形成されており、
燃料電池の上記正極パネルプレートからの平面視において、下記(A)、(B)および(C)を満足することを特徴とする燃料電池。
(A)上記開口部の総面積と正極の面積との比より求められる開口率が10〜60%。
(B)上記開口部に接し、かつ線間の最短距離が最も短くなる平行な2本の線を引いたときに、上記最短距離が0.2〜3mm。
(C)上記開口部以外の箇所における任意の点から、最も近い上記開口部までの最短距離が2mm以下。 A fuel cell in which a plurality of electrode / electrolyte integrated products in which a positive electrode, a solid electrolyte membrane, and a negative electrode are sequentially stacked are arranged in a plane, and the plurality of electrode / electrolyte integrated products are connected in series,
A positive electrode current collector plate, a positive electrode insulating plate, and a metal positive electrode panel plate are sequentially arranged on the positive electrode side of each electrode / electrolyte integrated product, and the negative electrode collector is disposed on the negative electrode side of each electrode / electrolyte integrated product. Electric plate, negative electrode insulation plate and metal negative electrode panel plate are arranged in sequence,
All electrode / electrolyte integrated products are sandwiched and integrated between the positive electrode panel plate and the negative electrode panel plate,
The positive electrode current collecting plate, the positive electrode insulating plate, and the positive electrode panel plate have oxygen introducing holes for introducing oxygen outside the fuel cell to the positive electrode, and oxygen introducing holes of the positive electrode collecting plate, Through the oxygen introduction hole of the positive electrode insulating plate and the oxygen introduction hole of the positive electrode panel plate, an opening reaching the electrode / electrolyte integrated body from the outer surface of the positive electrode panel plate is formed,
A fuel cell satisfying the following (A), (B), and (C) in a plan view of the fuel cell from the positive electrode panel plate.
(A) The aperture ratio calculated | required from the ratio of the total area of the said opening part and the area of a positive electrode is 10 to 60%.
(B) The shortest distance is 0.2 to 3 mm when two parallel lines that are in contact with the opening and have the shortest shortest distance between the lines are drawn.
(C) The shortest distance from any point other than the opening to the nearest opening is 2 mm or less.
Priority Applications (1)
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JP2006243890A JP2008066173A (en) | 2006-09-08 | 2006-09-08 | Fuel cell |
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CN114600286A (en) * | 2019-11-07 | 2022-06-07 | 株式会社日立高新技术 | Fuel cell unit and fuel cell unit manufacturing method |
-
2006
- 2006-09-08 JP JP2006243890A patent/JP2008066173A/en not_active Withdrawn
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CN114600286A (en) * | 2019-11-07 | 2022-06-07 | 株式会社日立高新技术 | Fuel cell unit and fuel cell unit manufacturing method |
CN114600286B (en) * | 2019-11-07 | 2023-12-05 | 株式会社日立高新技术 | Fuel cell and method for manufacturing fuel cell |
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