JP2008117716A - 燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池 - Google Patents
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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
【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。
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
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。
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。
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。
[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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006302059A JP2008117716A (ja) | 2006-11-07 | 2006-11-07 | 燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池 |
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JP (1) | JP2008117716A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8697300B2 (en) | 2008-03-31 | 2014-04-15 | Rohm Co., Ltd. | Fuel cell, and method for manufacturing the same |
-
2006
- 2006-11-07 JP JP2006302059A patent/JP2008117716A/ja active Pending
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