JP2008117716A - 燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池セルを構成する部材同士を締結するための面圧を発生させると共に、燃料電池セルの内部で発生した水を吸排水することができ、小型化が可能となる燃料電池セル等を提供する。
【解決手段】両面に反応層１２、１３を形成した電解質膜１１と、発電時にガス拡散および集電するための部材１４、１５と、を少なくとも含む燃料電池部材が、電力を取り出すための電極上に積層された構造を有する燃料電池セルであって、
前記電極の下方に設けられた閉鎖空間を構成する閉鎖空間形成部材４３と、
前記閉鎖空間形成部材と前記電極との間に設けられた水を吸排水する吸排水部材２５と、を備え、
前記閉鎖空間に燃料ガスを流入させまたは排出させることによって、
前記燃料電池セルに対する面圧を発生させると共に、前記燃料電池セルの内部で発生した水を該吸排水部材によって吸排水させる構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池セル、該燃料電池セルを用いた燃料電池スタック及びこれらによって構成された燃料電池に関するものであり、特に、携帯可能な電子機器の電源として用いられる燃料電池セルに関するものである。

燃料電池は、一般的な構造として、両面に反応層を形成した電解質膜と、発電時にガス拡散および集電を行なうための部材と、電力を取り出すための電極を積層して成る燃料電池セルを、筐体内に内包した構造を有している。
また、所望の起電力を得るために、複数の燃料電池セルを積み重ねたスタック構造を採る場合もある。
図７に、以上のような燃料電池のより具体的に構造を説明するための模式図を示す。
ここで、２０１は電解質膜、２０２ａ、２０２ｂは反応層、２０３ａ、２０３ｂはガス拡散層、２０４は酸化剤流路形成部材、２０５ａ、２０５ｂは電極である。
また、２０６ａ、２０６ｂはセパレータ、２０７は燃料供給口、２０７ａ、２０７ｂは燃料供給用パイプ、２０９ａ、２０９ｂは開口部である。
なお、２０４の酸化剤流路形成部材は、側面が不図示の酸化剤供給口に面しており、酸化剤を取り入れる。
そして、燃料供給口２０７より燃料の水素が供給され、燃料供給用パイプ２０７ａ、２０７ｂの開口部２０９ｂより、ガス拡散層２０３ｂ、及び反応層２０２ｂへと導かれる。
また、酸化剤としての酸素は、酸化剤流路形成部材２０４を通じて供給され、ガス拡散層２０３ａ、及び反応層２０２ａへと導かれる。電解質膜２０１を挟んで、燃料の水素と酸化剤の酸素（空気）での化学反応により、発電が行われる。
それと同時に水が発生する。

水は、電解質膜２０１、反応層２０２ａ、２０２ｂ、ガス拡散層２０３ａ、２０３ｂの周辺に溜まるため、この水により燃料、及び酸化剤の供給が阻害され発電能力の低下を起こすことになり、燃料電池の実用化のための大きな阻害要因の一つとなっている。
これを改善するための一つの方法として、例えば、特許文献１においては、図８のような方法が開示されている。
図８において、３０１は吸水路、３０２は吸水管、３０３は吸水口、３０４ａ、３０４ｂは双極性電極である。
また、３０５は吸収体収納室・（兼）燃料水素供給口、 ３０６は吸水性ポリマー、３０７はイオン交換膜、３０８は正電極、３０９は溝（酸素供給口）、３１０は吸水ダクト、３１１は吸水タンク、３１２は吸水コントローラ、３１３は吸水制御弁である。
同図において、吸収体収納室・（兼）燃料水素供給口３０５より供給された燃料の水素は吸水性ポリマー３０６を浸透し、イオン交換膜３０７に導かれる。
一方、酸化剤の酸素は酸素供給口３０９より、イオン交換膜３０７に導かれ、燃料の水素と酸化剤の酸素（空気）での化学反応により、発電が行われるのと並行して水が発生する。
水は、燃料、及び酸化剤の供給が阻害され発電能力の低下を起こすことになるため、吸水性ポリマー３０６により吸水させている。
また、吸水性ポリマー３０６の水分は少なくなったことを検出するセンサー（図示せず）を設け、その結果を基に、つぎのように制御される。
すなわち、吸水コントローラ３１２により、吸水タンク３１１からの水を吸水制御弁３１３を制御し、吸水路３０１、吸水ダクト３１０、及び吸水管３０２により、吸水性ポリマー３０６に水分が補給される。
また、特許文献２によれば、酸素供給路、水素供給路に、吸着剤を設ける方法などが提案されている。
また、特許文献３には、供給燃料ガス圧を利用し、面圧発生板を介してスタックを締結する圧力を発生させる方法が開示されている。
特開平０４−９２３７３号公報 特開２００２−２０８４２９号公報 特許第３１３５９９１号公報

しかしながら、上記に述べた、特許文献１、及び特許文献２の燃料電池においては、水分の吸水、あるいは、水の補給のために水タンク、加圧のためのポンプ、水量を制御するための制御装置、水の制御弁等を必要とし複雑な構成となる。さらには、それらを動かすためのエネルギーを必要とするため、携帯可能な電子機器の電源として用いるためには、不向きである。
また、特許文献３にあっては、セパレータ内に面圧発生用の加圧板および空間を必要とし、その空間に流体を導くための配管および昇圧器機を使用することから、小型化を図る上で困難を生じる。
また、燃料電池セルの内部で発生した水の処理についても、配慮がなされていない。

本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池セルを構成する部材同士を締結するための面圧を発生させると共に、燃料電池セルの内部で発生した水を吸排水することができ、小型化が可能となる燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池の提供を目的とする。

本発明は、次のように構成した燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池を提供するものである。
本発明の燃料電池セルは、両面に反応層を形成した電解質膜と、発電時にガス拡散および集電するための部材と、を少なくとも含む燃料電池部材が、
電力を取り出すための電極上に積層された構造を有する燃料電池セルであって、
前記電極の下方に設けられた閉鎖空間を構成する閉鎖空間形成部材と、
前記閉鎖空間形成部材と前記電極との間に設けられた水を吸排水する吸排水部材と、を備え、
前記閉鎖空間に燃料ガスを流入させまたは排出させることによって、
前記燃料電池セルを構成する部材同士を締結するための面圧を発生させると共に、
前記吸排水部材を圧縮または膨張させ、前記燃料電池セルの内部で発生した水を該吸排水部材によって吸排水することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記吸排水部材が、前記電解質膜の両面に形成された反応層のいずれか一方、またはその両方に設置されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記吸排水部材が、弾力性を有し、前記圧力による圧縮力によって体積が収縮して吸収した水を排水し、該圧縮力が除かれることにより膨張することで水分を吸収する材料で形成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池スタックは、上記したいずれかに記載の燃料電池セルを複数積層して構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、上記したいずれかに記載の燃料電池セル、または上記した燃料電池スタックが、筐体内に収容され構成されていることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルを構成する部材同士を締結するための面圧を発生させると共に、燃料電池セルの内部で発生した水を吸排水することができ、小型化が可能となる燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池を実現することができる。

本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。

つぎに、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１おいては、本発明を適用した燃料電池セルについて説明する。
図１に、本実施例の燃料電池セルを説明するための図を示す。
図１において、１１は電解質膜、１２、１３は反応層、１４、１５はガス拡散層、１６はＭＥＡ、１７はリーク防止のための金属膜、１８は接着剤、２１はスペーサ、２２、２３は電極、２４はリーク防止部材（Ｏリング）である。
２５は吸排水部材、３１、３２はガス流路、４１、４２は閉鎖空間形成用基板、４３は閉鎖空間形成部材である。５１、５５はガス流路口、５２、５４はガス流路、５３は閉鎖空間、６１は開口部、７１は燃料電池セル、９１は燃料電池である。

本実施例の燃料電池セル７１は、電力を発生するために、電解質膜１１の両面に反応層１２、１３を形成したＭＥＡ１６を備え、ＭＥＡ１６の両面にガス拡散層１４、１５が設けられている。
そして、リーク防止のための金属膜１７、接着剤１８、スペーサ２１、電力を取り出すための電極２２、２３が設けられ、電極２３には水を通過させるスリットが形成されている。さらに発生した水の漏れを防止するためのリーク防止部材（Ｏリング）２４が設けられている。
また、電力を発生するための燃料を供給するための燃料ガスをガス流路口５１から取り入れてガス流路３１、３２に供給し、ガス流路口５５から排出するように構成されている。

また、本実施例の燃料電池セル７１においては、燃料電池セルを構成する部材同士を締結するための面圧を発生させるための閉鎖空間５３が形成された閉鎖空間形成部材４３を備えている。
この閉鎖空間形成部材４３は、閉鎖空間形成用基板４１と、閉鎖空間形成用基板４２とを貼り合わせることにより形成される。
そして、燃料電池セルの内部で発生した水を吸水・排水するための吸排水部材２５が、閉鎖空間形成部材４３と電極２３との間に設けられている。
また、燃料ガスと化学反応により、電力を発生させるための酸化剤を取り入れるための開口部６１が形成されている。

発生した水の漏れを防止するためのリーク防止部材（Ｏリング）２４は、電極２３と閉鎖空間５３との間にあり、発生した水を吸水・排水するための吸排水部材２５と共に、閉鎖空間５３で発生する圧力により、圧縮・膨張するため、ゴムなどが好ましい。
また、発生した水を吸水・排水するための吸排水部材２５は、閉鎖空間５３で発生する圧力により圧縮・膨張し、水を吸・排水するため、弾力性を持たせることが好ましい。
例えば、繊維状（綿布状）、スポンジ状の材料などに、吸水ポリマーなどを攪拌し、成形した材料等を用いることができる。

ガス拡散層１４、１５は、流入してきたガスの拡散と、集電材としての機能を有するので、材料としてはカーボン材が挙げられる。
両面に反応層１２、１３を形成した電解質膜１１（以下ＭＥＡ１６とする）は、ガスの流路口５１より、閉鎖空間形成部材４３、吸排水部材２５を経て流入してきた燃料ガスを外気にリークするのを防ぐため、電解質膜１１の外周辺に金属膜１７が形成されている。
この金属膜１７は、めっき、スパッタなどにより金属層が形成されたものか、薄い金属箔をかしめた構造が挙げられる。スペーサ２１は、電極２３とＭＥＡ１６との高さを調整するための部材である。

閉鎖空間形成用基板４１、４２の材料としては、例えば、両面に導電層を形成したフレキシブル基板、セラミック基板、アルミ基板、シリコン基板等に流路もしくは配線パターンを形成したものが挙げられるが、フレキシブルで安価なフレキシブル基板が好ましい。
また、貼り合わせる方法としては、半田接合、超音波接合等で接合することにより、シール部材、気密を保持するための部品精度が必要なくなる。

これらの上記構成の閉鎖空間形成部材４３上に、吸排水部材２５、電極２３、ガス拡散層１５、ＭＥＡ１６、スペーサ２１、ガス拡散層１４を積層して燃料電池セル７１とする。
スペーサ２１、ＭＥＡ１６は、それぞれ上記で挙げた接合方法により接合することで、シールに必要な部品と部品精度を適度にすることが出来る。
接着剤１８は、積層した部材を更に固定するものである。
また、電極２３と対になる電極２２は、筐体８１を導電性の材料を使用する場合は、筐体８１を兼用しても良い。

図２に、以上の燃料電池セルを用いて構成された燃料電池の模式図を示す。
上記燃料電池セル７１を、図２に示すように、流路口５１、５５、開口部６１が形成された、中空状の筐体８１に挿入することで、燃料電池９１となる。
挿入後、筐体８１から燃料電池セル７１がはみ出ないように、筐体８１の側面穴に、例えば、テープ、着脱可能な蓋、金属板かしめ、接着剤、溶接などで塞ぐ、等の方法が挙げられる。
後に燃料電池セル７１の取り出しを容易にするためには、テープや、あるいは着脱可能な蓋、等が好ましい。

つぎに、以上のように構成された本発明の燃料電池の機能について、図１を用いて説明する。
図１の流路口５１より流入した燃料ガスは、流路３１を介して閉鎖空間５３に至る。
流路口５１より流入する燃料ガスは図示しない燃料タンクより導かれている。
その燃料タンクの貯蔵方法として水素吸蔵合金を使用したものが挙げられ、常温で解放圧力が０．２ＭＰａの特徴を有する、例えば、材質としてＬａＮｉ₅が好ましい。
閉鎖空間５３に至った燃料ガスの圧力により、上下面が膨らみ、積層した吸排水部材２５、電極２３、ガス拡散層１５、ＭＥＡ１６、ガス拡散層１４を、筐体８１内壁に押し付けて締結力を発生させることが出来る。
これにより、面全体で均一な圧力を加えられるので、十分、接触抵抗を低減させることが出来る。
このとき、弾力性のある吸排水部材２５は、発生した水の漏れを防止するためのリーク防止部材（Ｏリング）２４と共に、閉鎖空間５３で発生する圧力により圧縮され収縮する。
ここで、吸排水部材２５が吸水している場合には、圧縮されることにより水は電極２３に設けられたスリットを通過し、ガス拡散層１５、反応層１３に到達し、ＭＥＡ１６を適度に湿潤させるので、燃料電池の発電効率の向上を図ることが出来る。

また、燃料ガスは、流路口５１、流路３１、電極２３を通ってガス拡散層１５を介して反応層１３に至り、開口部６１より流入してきた酸素と反応して発電が始まり、流路３２、流路５４、流路口５５から、外部へ流出する。このとき、閉鎖空間５３の圧力を高めるため流路面積は、流路５２＞流路３１＞流路口５１の関係が好ましい。
また、燃料電池セル７１を筐体８１から取り出す場合は、燃料ガスの流入を遮断すれば膨らみがなくなるので、容易に取り出すことが可能である。
この発電作用に伴い、水も発生する。この水は、ガスの流通を妨げ、燃料電池の発電効率の低下をもたらすと共に、発電を停止した後、温度が極端に低い場合には、ＭＥＡ１６、ガス拡散層１５に留まっていた水が氷結（凍結）し、次回の発電が出来なくなる。

本実施例の構成によれば、発電を停止した後、即ち、燃料ガスの供給が遮断されると、閉鎖空間５３にガスが供給されなくなり、圧力が低下することになるが、これを利用することで、ガス拡散層１５に留まっていた水の氷結を防ぐことが可能となる。
すなわち、この閉鎖空間５３のガス圧の低下を利用し、前述とは逆に、反応層１３（ＭＥＡ１６）、ガス拡散層１５に留まっていた水を、電極２３に設けられたスリットを通して吸引し、吸排水部材２５に水を吸水し、氷結を防ぐことが可能となる。
このように、閉鎖空間５３と電極２３、あるいは筐体８１との間に吸排水部材２５を設け、供給燃料ガス圧を利用し、閉鎖空間５３で発生する圧力を利用し、吸排水部材２５に効率よく給排水させることにより、上記したように水の氷結を防ぐことができる。
なお、本実施例では、燃料ガス供給側に、閉鎖空間５３と吸排水部材２５とを設ける構成例について説明したが、これは酸化剤側に設けても同様な効果がある。したがって、吸排水部材２５は燃料ガス側または酸化剤側のいずれの側に設けても良く、あるいは両側に設けるようにしても良い。

［実施例２］
実施例２においては、本発明を適用して、複数の燃料電池セルを積層し、スタックとした構成例について説明する。
図３に、本実施例における燃料電池スタックを構成する際に用いる燃料電池単セルの断面模式図を示す。
図４に、本実施例の燃料電池スタックにおける部品を分解した模式的組立図を示す。
図５に、本実施例の燃料電池スタックを覆う筐体の模式的斜視図を示す。
図６は、前記筐体内に、スタックを収納した場合の模式的斜視図である。

本実施例における燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの構造は、実施例１とほぼ同様である。
しかし、スタック間のセルが積層構造になることで、実施例１に記載の図１の上面開口部６１からのような空気取り込みが出来なくなるので、空気取り込み及びガス拡散のため、ガス拡散層６０を、ＭＥＡ１６上に積層する。
ガス拡散層６０は、空気の取り込み量を多くする役割があるので、材料としては、発泡金属が挙げられる。
さらに、図４に示すように、燃料電池セル７１を積層した場合に、セル間の燃料ガス伝達のため、燃料電池セル７１を構成する基板４１には、流路口５１、５５が形成されている。
また、セル間の燃料ガス伝達のため、パイプ６２、６３、６４が連接されている。パイプ６２、６３、６４は、図にはパイプ形状になっているが、例えば、厚みの有る基板に流通口を明けたものや、フレキシブル基板内に流路形成した部品を用いてもよい。
以上のような構成の部品を、図４に示すような組み合わせで積層し構築したものが、燃料電池スタック９２となる。
図６には、本発明の電池スタック９２と筐体１０６を一体化した燃料電池１０７の様子が示されており、また、そこには着脱可能な蓋１０１を用いた場合について模式的に示されている。

上記のように構成された燃料電池スタック９２を、図５に示すように、通流口１０２、１０３、１０４、１０５が形成された、中空状の筐体１０６に入れることにより燃料電池１０７となる。
筐体１０６に形成されている流通口は、使用条件によっては、塞がる場合があってもよい。
筐体１０６に燃料電池スタック９２を入れた後、燃料電池スタック９２がはみ出ないように、つぎのようして塞ぐことができる。
例えば、筐体１０６の側面開口部に、テープ、着脱可能な蓋、金属板かしめ、接着剤、溶接などで塞ぐことができる。後に、燃料電池スタック９２を取り出すことができる、テープ、着脱可能な蓋などが好ましい。
図５には、着脱可能な蓋１０１の概略したものを示している。

以上のように構築された本発明の燃料電池の機能については、実施例１とほぼ同様であるが、燃料ガスが、流路口５１、５５、６５、６６パイプ６２、６３、６４を介して、各セルに流入する。
流入した燃料ガスが、各セルの閉鎖空間５３を膨らませることで、燃料電池部材を筐体１０６に内壁に押し付け、締め付け圧力を発生させることができる。
これにより、面全体で均一な圧力を加えられ、接触抵抗を低減させることが出来る。
それと共に、吸排水部材２５を設けることにより、発生した水を吸排水可能にし、ＭＥＡ１６を適度に湿潤させ、及び、氷結を防ぐことにより、燃料電池の発電効率の向上を図ることが出来る。
また、燃料電池スタック９２を筐体１０６から取り出す場合は、燃料ガスの流入を遮断するだけで膨らみがなくなるので、容易に取り出すことが可能である。

本発明の実施例１における燃料電池セルを説明するための断面模式図。 本発明の実施例１における燃料電池セルを用いて構成された燃料電池を示す模式図。 本発明の実施例２における燃料電池スタックを構成する際に用いる燃料電池単セルの断面模式図。 本発明の実施例２の燃料電池スタックにおける部品を分解した模式的組立図。 本発明の実施例２における燃料電池スタックを覆う筐体の模式的斜視図。 本発明の実施例２における筐体内にスタックを収納した場合の模式的斜視図。 従来例における燃料電池の動作を説明するための概略断面図。 従来例である特許文献１の燃料電池の構成を説明するための図。

符号の説明

１１：電解質膜
１２、１３：反応層
１４、１５：ガス拡散層
１６：ＭＥＡ
１７：リーク防止のための金属膜
１８：接着剤
２１：スペーサ
２２、２３：電極
２４：リーク防止部材（Ｏリング）
２５：吸排水部材
３１、３２：ガス流路
４１、４２：閉鎖空間形成用基板
４３：閉鎖空間形成部材
５１、５５：ガス流路口
５２、５４：ガス流路
５３：閉鎖空間
６０：ガス拡散層
６１：開口部
６２、６３、６４：燃料ガス伝達パイプ
６５、６６：流路口
６７：上下押さえ版
７１：燃料電池セル
８１：筐体
９１：燃料電池
９２：燃料電池スタック
１０１：蓋
１０２、１０３、１０４、１０５：通路口
１０６：筐体
１０７：燃料電池

Claims (5)

1. 両面に反応層を形成した電解質膜と、発電時にガス拡散および集電するための部材と、を少なくとも含む燃料電池部材が、電力を取り出すための電極上に積層された構造を有する燃料電池セルであって、
   前記電極の下方に設けられた閉鎖空間を構成する閉鎖空間形成部材と、
   前記閉鎖空間形成部材と前記電極との間に設けられた水を吸排水する吸排水部材と、を備え、
   前記閉鎖空間に燃料ガスを流入させまたは排出させることによって、
   前記燃料電池セルを構成する部材同士を締結するための面圧を発生させると共に、
   前記吸排水部材を圧縮または膨張させ、前記燃料電池セルの内部で発生した水を該吸排水部材によって吸排水することを特徴とする燃料電池セル。
2. 前記吸排水部材が、前記電解質膜の両面に形成された反応層のいずれか一方、またはその両方に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
3. 前記吸排水部材が、弾力性を有し、前記圧力による圧縮力によって体積が収縮して吸収した水を排水し、該圧縮力が除かれることにより膨張することで水分を吸収する材料で形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数積層して構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
5. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池セル、または請求項４に記載の燃料電池スタックが、筐体内に収容され構成されていることを特徴とする燃料電池。

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