JP3625814B2

JP3625814B2 - 空気吸込み式燃料電池

Info

Publication number: JP3625814B2
Application number: JP2002249915A
Authority: JP
Inventors: 武久高木; 幸夫成瀬; 英二加藤; 昭司名和; 康夫井戸
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2005-03-02
Anticipated expiration: 2022-08-29
Also published as: US20040043281A1; US7455926B2; JP2004087406A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アウトドア、行楽、家庭用あるいは事務機器等の電源、発電機としてさまざまな用途に使用することができる燃料電池に係り、無公害の固体高分子型燃料電池におけるセル内への十分な酸素供給を可能にした空気吸込み式燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、水素を主燃料とした固体高分子電解質型燃料電池が、運転温度が低く、また出力密度が高いという特性を有していることから注目されて開発されている。その一例として、米国特許第５，５９５，８３４号明細書、あるいは本願出願人の先願である特許出願第２００１−６６１０９号に記載されているものがある。
【０００３】
その一例として、本発明者等の提案する、断面円形状をした単セルを積み重ねて提供された空気吸込み式燃料電池がある。具体的には、図９に示すように、固体高分子電解質膜１２の両面にアノード（燃料極）１３ａおよびカソード（酸素極）１３ｂの両電極を備え、さらに、酸素極側に隣接した酸素流路板１８を備えていて、燃料極１３ａの外側および酸素流路板１８の外側に配置されたセパレータ板３４によって一体にされることにより単セル１０を形成し、この単セル１０が複数個積み重ねられている。なお、セパレータ板３４は、発電した電力を取り出すための端子を設けて集電板とされている。さらに、燃料極１３ａに連通された親水性合成繊維糸のスリーブからなる燃料分配マニホルド３２を単セル１０の中央孔を通して備え、燃料分配マニホルド３２の中心を通されるタイ・ボルト２６の両端にセパレータ板３４に対してエンドガスケット２８を挟んでエンドプレート２４をさらに設け、このエンドプレート２４に対してＯリング３６を挟んで燃料流路４４を有する一方のナット４０，ブリーダバルブ５２を有する他方のナット５０によって一体に締付固定した構造を有している。このような燃料電池は、小型で軽量のものとすることができるために、低パワーの燃料電池として開発されている。
【０００４】
また、この固体高分子電解質型燃料電池では、酸素極１３ａへ一方のナット４０の中心部から燃料が供給され、燃料分配マニホルド３２の親水性合成繊維糸スリーブを通して分配されるような構成にされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の固体高分子型燃料電池では、酸素極１３ｂへの酸素の供給を多孔性の酸素流路板１８を介して周囲の空気を供給することによって行っており、小電力の燃料電池の場合にはその機能を達成する空気の供給が酸素流路板の孔を介して行われているが、このような酸素流路板を介した酸素供給では、供給される酸素量そのものにより発電能力に限界があり、用途に応じた電流を得る発電を行うことができなかった。
【０００６】
また、このような空気吸込み式燃料電池では、周囲の大気から酸素流路板を介して酸素極への均一な酸素供給を行うために、全体が円筒形状にされていて、酸素流路板の面積が小さくなり、空気が多孔性の酸素流路板を通過するには抵抗が大きく、発電量を向上させるには十分な酸素供給を行うことができなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、酸素極に対する酸素流路板からの酸素供給を十分に行うことにより発電性能を向上させた空気吸込み式燃料電池を提供することを目的とするものである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、酸素供給のための送風を強制的に行うことにより必要に応じた発電性能を得ることができるようにした空気吸込み式燃料電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の一手段による空気吸込み式燃料電池は、固体高分子電解質膜と、この固体高分子電解質膜の両側に対向して設けられた酸素極および燃料極と、酸素極側に隣接した酸素流路板と、この酸素流路板の外側および前記燃料極側の外側に隣接して設けられたセパレータ板とを含むセル部を複数個積層してなる発電用セルスタックを有し、酸素流路板は、酸素極とは反対側の面において開いた複数の溝を有し、この溝がその端部において外側に開放していて、発電用セルスタックに対して、酸素流路板に形成された溝ヘ送風するための送風機が溝の端部に対向するように設けられていることを特徴とする。
【００１０】
この空気吸込み式燃料電池においては、酸素流路板に酸素極とは反対側の面において開いた複数の溝が両端部を外周に対して開放して設けられているので、空気は溝内を酸素流路板の中心部に向って直接流入することができ、中心部に直接流入した空気を酸素流路板を介して酸素が酸素極へ供給されるので、短い経路で酸素が酸素極へ供給されることになり、固体高分子電解質膜における十分供給されているセル中心部の燃料との反応を行うことができ、発電性能を向上させることができる。
【００１２】
さらに、このような酸素流路板に形成された溝は、浅く形成されてその断面積が小さく設定されても、溝端部に対して送風機によって溝への空気の流入を強制的に行わせることができる。それにより、セルスタックの中心部への酸素の供給を行うことができる。
【００１３】
そして、本発明のさらに他の手段によれば、上記の空気吸込み式燃料電池においては、送風機が、発電用セルスタックの酸素流路板の溝の開放する両端部に対向して送風するように配置されて設けられ、酸素流路板へ対向して空気を供給することができるようにしたことを特徴とする。
【００１４】
本発明のこの手段によれば、酸素流路板の両端部に対向して送風機が設けられ、溝内に両端部から強制的に送られた空気は酸素流路板の中心部近くで、圧縮されるように留まり、密度の高い空気が与えられ、酸素流路板への酸素の進入を積極的に行うことができ、酸素極へ密度の高い酸素を酸素流路板を介して行うことができ、中心部から供給された燃料に対して密度の高い酸素を供給することにより、発電反応を促進させることにより発電性能を向上させることができる。
【００１５】
また、本発明のさらに他の手段によれば、送風機が発電用セルスタックに対して酸素流路板の溝の開放端部側および溝に平行な各側にそれぞれ少なくとも１個設けられ、対向する側に設けられた送風機はそれぞれ対向して送風するように設けられていることを特徴とする。
【００１６】
そして、本発明のさらにこの手段によれば、酸素流路板に設けられた溝の開放端部側だけでなく、それに直交する他の対向側にも対向して送風機を設けたので、酸素流路板への酸素の供給のための空気が酸素流路板に強制的に供給されて、溝を介した酸素流路板への空気の供給だけでなく、直接酸素流路板への酸素供給を行い、かつセルスタックの表面を空気が流れることにより燃料電池自体に発生した水分の蒸発を行うことができ、燃料と酸素との発電反応を促進させて、発電性能の向上にも寄与することができる。
【００１７】
さらに、発電用セルスタックの外周面が矩形状に形成することにより、送風機の設置が容易になる。また、酸素流路板も矩形状に形成されていることから、酸素取り入れ口の断面積を大きくすることができるので、供給される燃料との反応も十分に行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
まず、図１乃至図４を参照すると、図３および図４は、本発明の一実施の形態に係る空気吸い込み式燃料電池の外観を示す平面図およびその側面図である。この空気吸込み式燃料電池において、発電セルスタックをなす複数の発電セル１０は、それぞれ図９に示すような従来の構成を有するものであるが、インナーシール２２に支持された酸素極１３ｂとセパレータ板３４との間に挟まれた酸素流路板１８はその材質を同じくして図１および図２に示す構成を有するものである。
【００１９】
この酸素流路板１８は、平面図である図１、そして、図１における線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である図２に示されるように、カーボン素材板からなり、一例として、厚さ３．７ｍｍ、縦５４ｍｍ、横７６．２ｍｍの全体を矩形状に形成されていて、図１にハッチング部分の間に縦方向にピッチ６．４ｍｍを保持して複数の溝１８２、および、タイボルト２６とともにその回りに設けられた燃料分配マニホルド３２が通される中心孔１８４が形成されている。この溝１８２は、図２に示すように幅３．２ｍｍ、深さ１．６ｍｍを有し、両端部が外部に開放していて、中心孔１８４の回りにもインナーシール２２に直接開放しないように形成されている。
【００２０】
上記酸素流路板１８は、単セル１０内に組み込まれた状態では、溝１８２の開放面側をセパレータ板３４に向けるように配設され、外気がカーボン素材の孔を通過するだけでなく、溝１８２を通してその途中あるいは直接中心部まで供給されて、そこからカーボン素材の孔を通して、酸素極１３ｂへと空気中の酸素を供給することができる。
【００２１】
このような酸素流路板１８を組み込んだ単セル１０を複数積み重ねて形成されたセルスタックは、図３および図４に示されるような燃料電池を構成し、両端部のエンドプレート２４に固定された支持脚１０２、１０４によって、用途に応じて装置、設備等に設置することができる。
【００２２】
図３および図４に示す空気吸込み式燃料電池においては、送風機６２、６４、６６、６８、７２、７４が設けられているが、このような送風機が設けられていない場合もその顕著な効果が確認されているので、その場合について説明する。
【００２３】
上記構成の酸素流路板１８を用いた空気吸込み式燃料電池においては、酸素流路板１８に溝１８２を有するために、空気が直接中心部まで入り込むだけでなく、矩形状に形成されているので、空気に接触する面積が大きいためにカーボン素材の孔を通して供給される空気が増大され、燃料との発電反応を十分に行うことができる。その発電性能を酸素流路板１８に溝のあるものと、溝のないものとを比較すると、図７に示される性能曲線によってその結果が明かにされる。
【００２４】
即ち、図７は、従来の空気吸込み式燃料電池のように酸素流路板に溝を有していないものの性能曲線Ｉであり、発電電流は、１．５アンペア以下で立ちあがった後、ほぼそのままで維持されている。一方、本願発明による空気吸込み式燃料電池においては、酸素流路板１８に上記したように溝１８２がその両端部を外部に開放して設けられているので、溝１８２を通して空気が内部にまで供給され、燃料との発電反応を最も燃料の供給されている中心部に空気が直接供給されるために、図７に示される発電性能曲線ＩＩのように、最初から１．５アンペア以上で立ちあがり、その減衰量も少なく、長時間その発電電流を維持することができる。このように、酸素流路板１８を矩形状にして溝１８２を設けることにより、発電性能を図７に示されるように向上させることができる。
【００２５】
次に、このような本発明による空気吸込み式燃料電池において、送風機を設けた場合について説明する。
【００２６】
まず、セルスタックに対して、装置等に取り付けるための支持脚１０２、１０４を設けた側とは反対側に送風機６２、６４を設けた場合を想定すると、送風機６２、６４は、エンドプレート２４に固定された二つの支持台８２、８４に支持されて設置され、酸素流路板１８の溝１８２の端部が開放した側に向けて送風することができるように設けられている。この場合、これらの送風機６２、６４は、セルスタックに対して相対的にファンの直径、厚さが図示の大きさを有するものものであり、モータもファン中心部に収まるサイズのものが使用されているものが使用され、それ以外の送風機は設けられていないものとする。したがって、送風機６６、６８、７２および７４は無いものとすると、セルスタックに対して一方向からの送風が行われることになる。その際の発電性能は、図８の性能曲線Ｉによって示され、強制的に酸素流路板１８の溝１８２内に空気が送られ、セル中心部まで直接空気を送ることができるので、送風機を設けない図７に示す場合よりも優れた発電性能を有することが明かである。
【００２７】
そこで、図３および図４に示されるように、送風機６２、６４を設けた側とは反対側、即ち、燃料電池の装置等への取り付け側である支持脚１０２、１０４の間にエンドプレート２４、２４に固定された支持台８６、８８によって、一方の送風機６２、６４に対向して配置されるよう送風機６６、６８が設けられる。この場合、送風機７２、７４はまだ設けられていないことを想定しており、酸素流路板１８における溝１８２の開放した両端部に向って対向するように溝１８２内に空気が供給される。
【００２８】
この状態では、それぞれの溝１８２内においては、その中心部において空気が圧縮される状態で留まることになり、酸素流路板１８の内部の孔を通って酸素極１３ｂへと加圧された状態の空気が供給されることになり、酸素密度の高い空気が燃料分配マニホルド３２から供給された濃度の高い燃料との発電反応を行うことができる。したがって、図８に示すように、性能曲線ＩＩのような発電を行うことができ、同図において対比されるように、一方向からだけの送風による溝１８２内への空気の供給による性能曲線Ｉよりも全体として高い電流を生じることができ、一方向からの送風の場合よりも優れた発電を行うことができる。
【００２９】
図３および図４に示すような空気吸込み式燃料電池においては、酸素流路板１８における溝１８２の開放端側ではない溝１８２に平行な側に、さらに、エンドプレート２４、２４に端部を固定した支持台９２、９４にセルスタックに向って送風を行う送風機７２と、この送風機７２を設けた側とは反対側に、同様にエンドプレート２４、２４に端部を固定した支持台９６、９８に支持された送風機７４がセルスタックに対向して送風するように設けられている。
【００３０】
これらの送風機７２、７４は、酸素流路板１８への直接の空気供給を積極的に行うことができるだけでなく、溝１８２内の中心部で加圧状態になった空気が酸素極１３ｂへ供給されることなく外側へと流出するのを抑えることができるので、さらに発電性能を向上させることができる。この場合、送風機７２、７４がそれぞれ１個だけ設けられているが、溝１８２の開放端部側には、セルスタックの単セル１０の数によってその大きさが変わるものの、その大きさに応じて送風機の数が決められることになる。
【００３１】
図５および図６に示される空気吸込み式燃料電池においては、図３および図４に示されるものよりも、単セル１０の数が増加されたセルスタックからなり、全体のサイズが大きくなったものであるが、この場合には、酸素流路板１８の溝１８２の開放端側には、３個の送風機６２、６３、６４が設けられていて、また、それらに対向する反対側においても３個の送風機６６、６７、６８が設けられている。そして、酸素流路板１８の溝１８２の開放しない側には、２個の送風機７２、７３が、その反対側にも２個の送風機７４、７５が対向して送風するように設けられている。
【００３２】
この空気吸込み式燃料電池においては、図３および図４に示されたものと比較して、発電性能は同程度を維持して、発電能力の高い燃料電池を得ることができるものである。
【００３３】
このように、矩形状に形成されるとともに、大部分平行して形成された溝１８２を有する酸素流路板１８を備えた空気吸込み式燃料電池において、外側から送風機によって強制的に酸素流路板の溝を通して酸素を供給するための送風機は、燃料電池のサイズあるいは要求される発電量に応じて１個だけでもよく、効率のよい発電量を得るように選択して配置することができる。
【００３４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る空気吸込み式燃料電池は、上記の構成により以下のような効果を奏する。
【００３５】
空気吸込み式燃料電池において、発電用セルスタックを有し、酸素流路板が酸素極とは反対側の面において開いた複数の溝を有し、この溝がその端部において外側に開放しているので、酸素流路板に対して外部から溝を通して全面に亘って空気が供給されるので、酸素流路板自体の内部の孔を通り酸素極に供給される酸素を増大させることができ、酸素流路板の中心部での燃料との発電反応が促進させ、発電性能を向上させることができるという優れた効果を奏する。
【００３６】
また、上記のような空気吸込み式燃料電池において、発電用セルスタックに対して、酸素流路板に形成された溝ヘ送風するための送風機が設けられているので、酸素流路板の溝内に積極的に空気を送ることができ、酸素極への酸素の供給を自然のままの溝からの供給よりもより確実に酸素流路板の中心部へと行うことができ、さらに発電性能を向上させることができる。
【００３７】
また、上記の空気吸込み式燃料電池においては、送風機が、発電用セルスタックの酸素流路板の溝の開放する両端部に対向して送風するように配置されて設けられ、酸素流路板へ対向して空気を供給することができるようにしたので、酸素流路板の溝内には、溝の両端部から強制的に空気が供給され、溝内部では空気が圧縮された状態になり、酸素濃度も高くなった空気が酸素流路板を通して酸素極に送り込むことができ、中心部から供給される燃料との発電反応に十分に対応できる酸素の供給を行うことができ、より高い発電性能を得ることができる。
【００３８】
さらに他の手段によれば、送風機が発電用セルスタックに対して酸素流路板の溝の開放端部側および溝と平行な各側にそれぞれ少なくとも１個設けられ、対向する側に設けられた送風機はそれぞれ対向して送風するように設けられているので、溝を介した酸素流路板への空気の供給だけでなく、直接酸素流路板への酸素供給を行うことができ、燃料と酸素との発電反応をさらに促進させて、発電性能の向上を計ることができるという優れた効果を奏する。
なお、送風機の電源は、直接燃料電池本体から、あるいは燃料電池本体以外からの何れかで供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による空気吸込み式燃料電池に用いられる酸素流路板の平面図である。
【図２】図１に示された酸素流路板の線ＩＩ−ＩＩに沿った断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態による空気吸込み式燃料電池に送風機を用いた一実施例の平面図である。
【図４】図３に示された空気吸込み式燃料電池の側面図である。
【図５】本発明の一実施の形態による空気吸込み式燃料電池の他の実施例を示す。
【図６】図５に示す空気吸込み式燃料電池の側面図である。
【図７】従来技術と本発明の一実施の形態による酸素流路板を用いた燃料電池の性能曲線図である。
【図８】本発明の一実施の形態による空気吸込み式燃料電池に対して一方向および対向方向から送風を行った場合の性能曲線図である。
【図９】従来技術による空気吸込み式燃料電池の分解断面図である。
【符号の説明】
１０単セル
１２固体高分子電解質膜
１３ａ燃料極
１３ｂ酸素極
１８酸素流路板
２４エンドプレート
３４セパレータ板
４０、５０ナット
６２，６３，６４，６６，６７，６８送風機
７２，７３，７４，７５送風機
８２、８４，８６，８８送風機支持台
９２，９４，９６，９８送風機支持台
１０２，１０４燃料電池支持脚
１８２溝
１８４中心孔

Claims

エンドプレート、該エンドプレートの２つの間に位置されるセル部、該セル部の中心部に位置されてそこへの燃料を供給するための燃料分配マニホルド、これらの部材を一体にするために前記燃料分配マニホルドおよび前記セル部の中心部を通される一本のタイ・ボルト、および該タイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に前記セル部を一体に締め付けるための固定用ナットを有する空気吸い込み式燃料電池であって、
固体高分子電解質膜と、該固体高分子電解質膜の両側に対向して設けられた酸素極および燃料極と、前記酸素極側に隣接した酸素流路板と、該酸素流路板の外側および前記燃料極側の外側に隣接して設けられたセパレータ板とを含む前記セル部を複数個積層してなる発電用セルスタックを有し、
前記酸素流路板は前記酸素極とは反対側の面において開いた複数の溝を有し、該溝がその両端部において外側に開放していて、
前記発電用セルスタックに対して、前記酸素流路板に形成された溝ヘ送風するための送風機が前記溝の端部に対向するように設けられていることを特徴とする空気吸込み式燃料電池。
前記送風機が、前記発電用セルスタックの前記酸素流路板の溝の開放する両端部に対向して送風するように配置されて設けられ、前記溝の両端部から前記酸素流路板の中心部に向って空気を供給することができるようにしたことを特徴とする請求項１に記載された空気吸込み式燃料電池。
前記送風機が前記発電用セルスタックに対して前記酸素流路板の溝の両開放端部側および前記溝と平行な各側にそれぞれ少なくとも１個づつ設けられ、対向する側に設けられた前記送風機はそれぞれ対向して前記酸素流路板に対して送風するように設けられていることを特徴とする請求項２に記載された空気吸込み式燃料電池。
前記発電用セルスタックの外周面が矩形状に形成されていることをことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された空気吸込み式燃料電池。