JP2008146901A

JP2008146901A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2008146901A
Application number: JP2006330262A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Yokoi; 昭佳横井
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2006-12-07
Filing date: 2006-12-07
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-07
Also published as: CN101553944B; KR101145561B1; WO2008072642A1; US20090274946A1; JP5361127B2; KR20090095642A; CN101553944A; US8546040B2

Abstract

【課題】燃料電池セルを複数積層してスタックを構成するに当たり、安定してスタックを締め付けることができ、確実に燃料の供給および各セルの導通を行い、安定した発電が可能となる燃料電池を提供する。
【解決手段】アノード３３とカソード４３を有する燃料電池セル３を複数積層した燃料電池スタック２を備える燃料電池であって、
前記カソードが、前記燃料電池セルの積層方向と直交する方向の面上に、剛性支持部材４２と弾性部材（カソード拡散層）４１を有する構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池に関し、特に燃料電池セルを複数積層した構成を有する燃料電池に関するものである。

燃料電池装置は体積あたりの供給可能なエネルギー量が従来の電池に比べて、数倍から十倍近くになる可能性がありさらに燃料を連続的に充填することにより、携帯電話、ノートＰＣ等小型電子機器の長時間連続使用が可能となるため期待されている。
燃料電池セルは、電解質膜の対向する面に触媒を有する燃料極と触媒を有する酸化剤極が配置された電解質膜（ＭＥＡ）が形成される。
そして、水素吸蔵合金タンク等に保存された水素ガスなどの燃料を燃料極側に供給する一方、酸化剤極側に酸素などの酸化剤を供給し、電解質膜を介してこれらの反応剤を電気化学的に反応させることで電力を生じさせる。

一組の電解質膜（ＭＥＡ）における理論電圧は約１．２３Ｖ程度であり、これに対して通常の運転状態においては０．７Ｖ程度で使用されることが多い。
そのため、より高い起電圧を必要とする場合には、複数の燃料電池セルを積層して燃料電池スタックを構成し、これにより各セルを電気的に直列化して用いられる。

従来において、以上のように複数の燃料電池セルを積層して燃料電池をスタック構造とするに際し、特許文献１ではつぎのように構成することが開示されている。
すなわち、空気中の酸素を酸化剤極に効率的に取り込むためにカソードに多孔質の酸素流路板を用いた円筒形の燃料電池セルを用い、該燃料電池セルを複数直列に積層して中心部をボルトで締付けることによりスタック構造とするものが開示されている。
特許第０３５５９２４６号公報

しかしながら、上記従来例における特許文献１のものでは、各セルを積層してスタックとするに際し、各セル間における導通の維持や、水素の封止等において、締め付け時に圧力の微調整が必要となり、その管理が難しい等の課題を有している。
例えば、特許文献１のものでは、弾性体の多孔質部材である各セルの酸素流路板を積層してスタックを構成するに際し、各セルの導通を維持するためには、ボルトの締付けにより微調整することが必要となる。このようなボルトの締付けによる微調整は、Ｏリングなどのシール材を圧縮して水素を封止する際にも必要となる。
このように、特許文献１のものにおいては、締め付け時に圧力の微調整が必要となり、管理が難しいという点等に課題を有している。

そこで、本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池セルを複数積層してスタックを構成するに当たり、安定してスタックを締め付けることができ、確実に燃料の供給および各セルの導通を行い、安定した発電が可能となる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を提供するものである。
本発明の燃料電池は、アノードとカソードを有する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池であって、
前記カソードは、前記燃料電池セルの積層方向と直交する方向の面上に、剛性支持部材と弾性部材を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記剛性支持部材は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを締結するための締結部を有する。
また、本発明の燃料電池は、前記剛性支持部材は、前記複数積層された燃料電池セルに、燃料を供給するための燃料流路を有することを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記弾性部材が、前記カソードにおけるカソード拡散層を構成していることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記カソード拡散層を構成している弾性部材は、多孔質材料で、通気性、導電性及び弾性を有する材料によって形成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記カソード拡散層は、凹形状に形成され、該凹形状内に前記剛性支持部材を設けて一体化されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記剛性支持部材は、凹形状に形成され、該凹形状内に前記カソード拡散層を設けて一体化されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記剛性支持部材は、導電材料で形成され、該剛性支持部材におけるカソード拡散層との接触面の反対面に、前記アノードが形成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記カソードにおけるカソード拡散層が、多孔質材料で、通気性及び導電性を有する材料によって形成され、該カソード拡散層上に弾性部材が積層されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、前記カソードは空気を側面から取り入れる大気開放型であることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルを複数積層してスタックを構成するに当たり、安定してスタックを締め付けることができ、確実に燃料の供給および各セルの導通を行い、安定した発電が可能となる。

つぎに、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。

以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１においては、本発明を適用した燃料電池について説明する。
図１に、本実施例における燃料電池セルの分解斜視図を示す。
図２に、本実施例における燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックを含む燃料電池装置を、電子機器筐体内に組み込んで構成された電子機器の概略図を示す。
図３に、本実施例の燃料電池セルの基本構成を説明するための図を示す。
図４に、本実施例の燃料電池装置を説明するための概略構成図を示す。
図１から図４において、１は燃料電池装置、３は燃料電池セル、４は電子機器である。
６は燃料タンク、８は燃料流路、１１は電子機器筐体、１３は通気孔である。
２１は高分子電解質膜、２２はアノード燃料極、２３はカソード酸化剤極、２４は高分子電解質接合体である。
３０はアノード電極、３１はアノード拡散層、３２はアノード室、３３はアノードである
４０はカソード電極、４１はカソード拡散層、４２は支持部材（剛性部材）、４３はカソードである。
本実施例の燃料電池は、図１に示す構成部からなる燃料電池セル３を複数積層してなる燃料電池スタックが、図２に示すように電子機器筐体１１内に組み込まれている。
そして、電子機器４の筐体１１には、後述の本実施例の燃料電池装置１に酸化剤（酸素）を供給するための通気孔１３が設けられている。

まず、ここで図３を用い、本実施例の燃料電池セル３の基本構成について説明する。
後述の水素吸蔵合金の燃料タンクに貯えられている水素は燃料流路８を通ってアノード燃料極２２に供給される。
一方、カソード酸化剤極２３には、酸化剤が供給される。酸化剤は、通常、空気や酸素などである。
特に、大気を酸化剤として用いる場合には、前述の電子機器筐体１１に設けられた通気孔１３から供給される。
また、酸化剤を大気から供給する代わりに酸化剤を保持したタンクから供給してもよい。

以下、本実施例において、燃料として水素を、酸化剤として空気を使用した場合について説明する。なお、これらは以下の各実施例においても同様である。
燃料極２２、酸化剤極２３の間には高分子電解質膜２１が積層されて高分子電解質接合体２４を形成されて、高分子電解質接合体２４を挟んでアノード３３とカソード４３が配置され燃料電池セル３を形成する。
アノード３３で燃料は多孔質で通気性のある導電性部材で形成されたアノード拡散層３１を透過し、燃料極２２に配置された触媒で水素イオン化反応が起こりイオンは高分子電解質膜２１を通過する。
カソード４３で酸化剤は多孔質で通気性のある導電性部材で形成されたカソード拡散層４１を透過し、酸化剤極２３に配置された触媒で、空気中の酸素と高分子電解質膜２１を通過した水素イオンとが結合して水が生成される。
上記反応に伴い、電子はアノード３３のアノード電極３０、カソード４３のカソード電極４０へ導かれ、外部に電力として取り出される。

次に、本実施例の燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックについて説明する。
図５から図１０に、本実施例の燃料電池スタックの構成を説明するための図を示す。なお、図８は図７のＡ−Ａ断面を示す図である。
図５から図１０において、２は燃料電池スタック、７はカプラ、５０はスタックボルト、５１はボルト穴、５２はエンドプレートである。

本実施例の燃料電池スタック２は、前述の燃料電池セル３が電子機器の負荷に応じて複数個直列に接続されて構成されている（本実施例では４つのセルを接続した例を示す）。
各燃料電池セル３にはそれぞれボルト穴５１と燃料流路８があり、図９に示すように積層してエンドプレートボルト５２で挟み込む。
そして、穴５１にスタックボルト５０を通し締結する（スタック）ことにより各燃料電池セル３が電気的に直列に接続されて、各燃料電池セル３間の燃料極２２が燃料流路８によって連結される。
また、このように直列に燃料電池セル３を積層した構成では前述のカソード電極４０はカソード４３側に積層する上の燃料電池セル３のアノード電極３０と共通化されバイポーラプレートとなっている。

本実施例においては、図６に示すように、燃料電池スタック２の燃料流路８には燃料タンク６がカプラ７を通して接続されている。
そして、図６に矢印に示すように各燃料電池セル３の燃料流路８を通して燃料である水素が供給される。
燃料タンク６は熱伝導性の良いアルミ、ジュラルミン等の金属材料で作られた容器に水素を可逆的に吸蔵／放出するＬａＮｉ₅等の水素吸蔵合金が充填されている。
燃料電池スタック２で水素が消費されていくと燃料タンク６内の水素吸蔵合金に吸蔵されている水素が放出されて各燃料電池セル３のアノード拡散層３１を経て燃料極２２に供給される。
このときの水素吸蔵合金の水素放出反応は吸熱反応であるため、水素の放出に伴い、燃料タンク内の温度は低下する（本実施例の水素吸蔵合金燃料タンク６は、電子機器の負荷にもよるが常温下における例えば水素放出では約１０℃減少する）。
酸化剤としての空気は通気孔１３を通して各燃料電池セル３のカソード拡散層４１に供給され、前述の水素と酸素の結合反応がおこり接続された電子機器に電力が供給される。

次に、本実施例の燃料電池セル３の具体的構成について図１を用いて、更に詳細に説明する。
本実施例の燃料電池セル３は、アノード電極３０、アノード拡散層３１、高分子電解質接合体２４、カソード拡散層４１および剛性支持部材４２で構成されている。
ここで、アノード３３におけるアノード電極３０は、導電性のステンレス等の金属に金メッキされており、燃料極２２に対応する位置にアノード室３２が設けられ通気性のある導電性部材のアノード拡散層３１が収められている。

また、カソード４３は、カソード拡散層４１とカソード拡散層４１の積層方向に直角面上の両端部に剛性支持部材４２が配置されている。
カソード拡散層４１は、多孔質材料で、通気性、導電性及び弾性を有する材料によって形成されている。そして、カソード拡散層４１の剛性支持部材４２に面してない側面は大気に露出しており空気中の酸素を側面から取り込むことが可能な構成になっている。
このように、多孔質材料で通気性を有することで、外気より空気を取り込みカソード酸化剤極２３に酸素を供給し前述の水素と酸素の結合反応が起こる。
また、カソード拡散層４１は導電性材料で弾性を有することで、前述の燃料電池セル３をスタックしたときに積層方向に圧縮される。
それにより、両面のアノード電極３０と高分子電解質接合体２４に所定の接触圧をもって接触し、それぞれの燃料電池セル３が電気的に直列に接続される。
このように、通気性と導電性、弾性を有する材質として、ステンレスやニッケル、クロム等を多孔質化させた発泡金属やカーボン材料で形成されたカーボンクロス、カーボンペーパー、等を用いることができる。

剛性支持部材４２は、それぞれにボルト穴５１が前述のスタックボルト５０を通して各燃料電池セル３を締結する締結部に対応する位置に配置される。
剛性支持部材４２は剛体で形成され、スタック時にスタックボルト５０の締結部となることにより各燃料電池セル３の厚みを一定にして、前述のカソード拡散層４１の圧縮量を規制することができる。
これにより、スタック時にスタックボルト５０を所定量締付けるだけで各燃料電池セル３の厚みが既定され、締付け圧力の微調整が不要になり安定的に燃料電池セル３をスタックすることができる。

また、剛体の剛性支持部材４２には燃料流路８が形成されており、スタック時に燃料流路８が変形するのを防止し、かつ位置ズレも防止することができるので安定的に水素を供給することができる。
剛体の材質としては、ステンレス等の金属やセラミック、またプラスチック（機械特性に優れたエンジニアリングプラスチック）、等を用いることができる。
また、前述のカソード拡散層４１の圧縮量（接触圧）については、カソード拡散層４１と剛性支持部材４２の積層方向の厚み差をつけることにより既定できるため、容易に調整が可能で安定した電気導電性を得ることができる。

以上説明したように、本実施例によれば、カソードにおける積層方向と直交する方向の面上に、剛性部と弾性部を有する構成とすることで、安定的に発電可能な燃料電池を提供することができる。
すなわち、これにより、弾性部で燃料電池セル３の電気導電性を得るための接触圧を発生させ制御し、剛性部でスタック時の燃料電池セル３の厚みを既定することにより安定的にスタック可能になり、安定的に発電可能な燃料電池を実現することができる。
また、剛性部にスタック時の締結部を設けることにより、より安定してスタックを構成することができる。
さらに、剛性部に燃料流路８を設けることにより、安定的に燃料を供給させることができる。
また、弾性部を通気性材料にすることにより、カソード酸化剤極２３に酸素の供給が可能になる。
さらに、弾性部を導電性部材にすることにより、電気接続の安定した燃料電池を提供することができる。

［実施例２］
実施例２においては、実施例１とは異なる形態の構成例について説明する。
図１１は、カソード拡散層４１を凹形状に形成し、該凹形状内に剛性支持部材４２を設け、カソード拡散層４１と剛性支持部材４２とを一体化した構成例を示す図である。
また、図１２は、剛性支持部材４２を凹形状に形成し、該凹形状内にカソード拡散層４１を設け、剛性支持部材４２とカソード拡散層４１とを一体化した構成例を示す図である。
このような図１１または図１２に示す構成を採ることで、上記したカソード拡散層４１の圧縮量調整が容易になり、また部品点数を減らすことができ、低コスト化を実現することができる。
また、同様に剛性支持部材４２を導電材料で形成してカソード拡散層４１の接触面と反対面に、前述のアノード室３２を形成することにより、大幅に部品点数を削減することが可能になる。
すなわち、このような構成を採ることで、剛性支持部材４２とその上に積層する燃料電池セル３のアノード電極３０を共通化してバイポーラプレートとすることができ、大幅に部品点数を削減することが可能になる。

［実施例３］
実施例３においては、カソード拡散層とは別に弾性部材をカソード拡散層に積層する構成例について説明する。
図１３に、本実施例の構成例を説明するための図を示す。
実施例１ではカソード拡散層４１を弾性部材として利用した構成例について説明したが、本実施例では、図１３に示すようにカソード拡散層４１とは別に弾性部材５３をカソード拡散層４１に積層する構成が採られている。
このような本実施例の構成においても、実施例１と同様の効果が得られる。
さらに、本実施例の構成によれば、弾性部材５３には通気性が不要であるため、よりバネ性が高く塑性変形の少ない安定した弾性率を有する、ゴムや金属バネのモールドバネ等を用いることができ、より安定した接触圧を得ることが可能となる。
また、カソード拡散層４１も弾性を必要とされないため、通気性の良い材料を選定することが可能となり、酸素の取り込み効率を向上させることができる。

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分解斜視図。本発明の実施例１における燃料電池セルを複数積層してなる燃料電池スタックを含む燃料電池装置を、電子機器筐体内に組み込んで構成された電子機器の概略図。本発明の実施例１における燃料電池セルの基本構成を説明するための図。本発明の実施例１における燃料電池装置を説明するための概略構成図。本発明の実施例１における燃料電池スタックの構成を説明するための斜視図。本発明の実施例１における燃料電池スタックの構成を説明するための断面図。本発明の実施例１における燃料電池スタックの構成を説明するための斜視図。本発明の実施例１における燃料電池スタックの構成を説明するための図７のＡ−Ａ断面を示す図。本発明の実施例１における燃料電池セルスタックを示す斜視図。本発明の実施例１における燃料電池セルを示す斜視図。本発明の実施例２における燃料電池セルを説明するための図であり、カソード拡散層を凹形状に形成し、カソード拡散層と支持部材とを一体化した構成例を示す分解斜視図。本発明の実施例２における燃料電池セルを説明するための図であり、支持部材を凹形状に形成し、支持部材とカソード拡散層とを一体化した構成例を示す分解斜視図。本発明の実施例３における燃料電池セルを説明するための図であり、カソード拡散層とは別に弾性部材をカソード拡散層に積層する構成例を示す分解斜視図。

符号の説明

１：燃料電池装置
２：燃料電池スタック
３：燃料電池セル
４：電子機器
６：燃料タンク
７：カプラ
８：燃料流路
１１：電子機器筐体
１３：通気孔
２１：高分子電解質膜
２２：アノード燃料極
２３：カソード酸化剤極
２４：高分子電解質接合体
３０：アノード電極
３１：アノード拡散層
３２：アノード室
３３：アノード
４０：カソード電極
４１：カソード拡散層
４２：剛性支持部材
４３：カソード
５０：スタックボルト
５１：ボルト穴
５２：エンドプレート
５３：弾性部材

Claims

アノードとカソードを有する燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを備える燃料電池であって、
前記カソードは、前記燃料電池セルの積層方向と直交する方向の面上に、剛性支持部材と弾性部材を有することを特徴とする燃料電池。
前記剛性支持部材は、前記燃料電池セルを複数積層した燃料電池スタックを締結するための締結部を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
前記剛性支持部材は、前記複数積層された燃料電池セルに、燃料を供給するための燃料流路を有す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。
前記弾性部材が、前記カソードにおけるカソード拡散層を構成していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記カソード拡散層を構成している弾性部材は、多孔質材料で、通気性、導電性及び弾性を有する材料によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
前記カソード拡散層は、凹形状に形成され、該凹形状内に前記剛性支持部材を設けて一体化されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池。
前記剛性支持部材は、凹形状に形成され、該凹形状内に前記カソード拡散層を設けて一体化されていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の燃料電池。
前記剛性支持部材は、導電材料で形成され、該剛性支持部材におけるカソード拡散層との接触面の反対面に、前記アノードが形成されていることを特徴とする請求項７に記載の燃料電池。
前記カソードにおけるカソード拡散層が、多孔質材料で、通気性及び導電性を有する材料によって形成され、該カソード拡散層上に弾性部材が積層されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の燃料電池。
前記カソードは空気を側面から取り入れる大気開放型であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の燃料電池。