JP4381857B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、複数の平板状燃料電池セルを並べて構成される燃料電池に関するものである。

ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用ジェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。かかる燃料電池の従来技術の構造として、下記の非特許文献１に開示されており、これを図９に示す、
図９に示すように、固体高分子電解質膜１００を挟んでアノード１０１とカソード１０２とを配設する。さらに、ガスケット１０３を介して一対のセパレータ１０４により挟持して単位セル１０５を構成する。この単位セル１０５を多数個積層し、単位セル１０５どうしを電気的に直列に接続して燃料電池Ｎを構成する。電極１０６は、積層した両端の単位セル１０５から取り出すことができる。このような燃料電池Ｎは、クリーンかつ高効率という特徴から、種々の用途，特に、電気自動車用電源や家庭用分散型電源として注目されている。

一方、近年のＩＴの発展に伴い、携帯電話、ノートパソコン、デジタルカメラ等のモバイル機器のほとんどの電源は、リチウムイオン二次電池が用いられている。しかし、これらモバイル機器の高機能化に伴い消費電力がますます増加する傾向にあり、その電源用としてクリーンで高効率な燃料電池に注目が集まっている。

しかしながら、図９に示すような積層構造では、構造に自由度がないので、モバイル機器の電源として求められる薄型軽量化や全体形状の高自由度化の点で改善の余地がある。
日経メカニカル別冊「燃料電池開発最前線」発行日２００１年６月２９日、発行所：日経ＢＰ社、第３章ＰＥＦＣ、３．１原理と特徴ｐ４６

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、薄型小型軽量化や高自由度の形状設計が可能な燃料電池を提供することである。

上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池は、
複数の平板状燃料電池セルを平面的に並べて構成される燃料電池であって、
各燃料電池セルの表面側に設定される第１極性を有する第１電極取り出し部と、
各燃料電池セルの裏面側に設定される第１極性とは逆極性の第２極性を有する第２電極取付部と、
隣接する２つの燃料電池セルを連結するための連結機構とを備え、
この連結機構は、
隣接する一方の燃料電池セルの表面側と裏面側とを弾性的に挟持する第１挟持部及び第２挟持部と、
隣接する他方の燃料電池セルの表面側と裏面側とを弾性的に挟持する第３挟持部及び第４挟持部と、
第１挟持部及び第２挟持部と、第３挟持部及び第４挟持部とを機械的に連結させる連結部とを備えていることを特徴とするものである。

かかる構成による燃料電池の作用・効果を説明する。本発明に係る燃料電池は、複数の平板状燃料電池セルを平面的に並べて構成される。これにより、燃料電池を全体的に薄型に構成することができる。また、隣接する燃料電池セルを機械的に連結するための連結機構を備えており、隣接する一方の燃料電池セルを第１挟持部と第２挟持部により弾性的に挟持する。他方の燃料電池セルは第３挟持部と第４挟持部により弾性的に挟持される。弾性的に燃料電池セルを挟持することで、セルを加圧し、電池としての性能を上げるという別の利点も生じる。これら４つの挟持部は連結部により機械的に連結される。かかる連結機構により薄型を維持しながら燃料電池を構成することができる。また、連結機構による挟持位置などを変えることにより配置の自由度にも対応することができる。その結果、薄型小型軽量化や高自由度の形状設計が可能な燃料電池を提供することができる。

なお、燃料電池セルの表面側と裏面側という表現であるが、これは、２つの面を識別するために便宜上使用するものであり、燃料電池を使用するときに、特定の方向（例えば上側）が表面側を意味するということに限定されるものではない。

本発明に係る連結機構は、導電性を有する材料で形成され、前記一方の燃料電池セルに作用する第１挟持部と、前記他方の燃料電池セルに作用する第４挟持部とを前記連結部を介して電気的に接続し、かつ、第２挟持部と第３挟持部は、絶縁部を介して燃料電池セルに対する挟持作用を行うことが好ましい。

連結機構を導電性を有する材料で形成することで、燃料電池セル同士を電気的に直列接続することができる。第１挟持部と第４挟持部とを電気的に接続することで、正極と負極あるいは負極と正極を連結することができる。第２挟持部と第３挟持部は、絶縁部を介して挟持作用を行っているので、もう一方の極の組み合わせが連結されることはない。

本発明に係る連結部は、第１連結部と第２連結部とにより構成され、
第１挟持部、第１連結部、第３挟持部を第１挟持部材により一体形成し、
第２挟持部、第２連結部、第４挟持部を第２挟持部材により一体形成し、
第１連結部と第２連結部とを機械的に結合することで、第１挟持部材と第２挟持部材とが一体化されていることが好ましい。

かかる第１挟持部材と第２挟持部材により連結部を構成することで、連結部を１つのユニット化した部品とすることができ、取り扱いが容易になる。

本発明において、第１連結部と第２連結部とはスポット溶接により結合されることが好ましい。これにより、第１挟持部材と第２挟持部材を強固に結合でき、第１挟持部と第４挟持部との電気的連結においても、抵抗損失を極力抑制することができる。

本発明に係る燃料電池セルは、平板状の固体高分子電解質と、
その両側に配置される一対の電極板と、
更にその電極板の外側に配置され、セル内のガス流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられた一対の金属板とを備えていることが好ましい。

かかる構成を備えた燃料電池セルを利用することで、燃料電池全体を薄型にすることができ、隣接するセル同士を簡単な構造で電気的に連結させることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２は、本発明の燃料電池の単位セル（燃料電池セル）の一例を示す正面視断面図である。

本発明の燃料電池は、図１〜図２に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置され外面に流路溝２ａ，３ａが形成された一対の電極板２，３とを備えるものである。

固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。

その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。

固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。

電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。

電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。

一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして酸素ガスや空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスや用いられる。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。

例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気を供給する側の電極（空気極）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。

触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。

電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが使用可能であるが、２００〜３５０μｍが好ましい。また、流路溝２ａ，３ａの深さは、十分な流路を確保する上で１００〜５００μｍが好ましい。

電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。

前記電極板２，３の両側には、一対の金属板４，５が配置され、金属板４，５には流路溝９とこれに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄが設けられている。注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。

金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用できる。但し、強度、耐腐食性、伸び、弾性率、重量などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

金属板４，５に設けられる流路溝９は、電極板２，３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板４，５の一辺に平行な縦溝９ａと垂直な横溝９ｂを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では３本）の縦溝９ａが横溝９ｂに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。

なお、このような金属板４，５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板２，３の外面に形成してもよい。電極板２，３の外面に流路溝２ａ，３ａを形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。

金属板４，５の流路溝９に連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。

金属板４，５に流路溝９を形成する方法としては、プレス加工、切削などの機械的な方法やエッチングなどの化学的な方法が挙げられる。

金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、弾性率、重量、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜３００μｍが好ましい。

また、金属板４，５に流路溝９を形成する方法として、エッチングにより行った構成例が図２に示されている。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。

エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。なお、流路溝９に連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄなどを、エッチングで形成することも可能である。

図２に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部のＳＵＳもエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。

本発明では、金属板４，５の周縁は、絶縁材料６を介在させつつカシメにより封止されている。本発明では、カシメを行う際、図２に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。

絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。

カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図２に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５を他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。

＜セルの接続構造＞
図３は、３つの単位セルを横１列に並べて配置した燃料電池を示す斜視図、図４は側面図である。何個のセルを接続するかについては、燃料電池が使用される目的に応じて決めることができ、本発明において特定の個数に限定されるものではない。各単位セルＳは、平面視で長方形状でありかつ平板状に形成される。その長方形の長辺同士が向かい合うように連結される。各単位セルＳは、連結機構１０により連結される。ここでお互いに隣接する第１単位セルＳ１と第２単位セルＳ２の連結態様を説明する。連結機構１０の構成を図５に示す。

連結機構１０は、第１挟持部材１１と第２挟持部材１２により構成され、これらは同じ形状・同じ部品で構成される。第１挟持部材１１は、第１挟持爪１１ａ（第１挟持部に相当）と第３挟持爪１１ｂ（第３挟持部に相当）とを有し、これらは第１連結部１１ｃにより一体構成される。第２挟持部材１２は、第２挟持爪１２ａ（第２挟持部に相当）と第４挟持爪１２ｂ（第４挟持部に相当）とを有し、これらは第２連結部１２ｃにより一体構成される。第１挟持部材１１と第２挟持部材１２とは、図番１３で示す２ヶ所をスポット溶接により強固に結合される。

連結機構１０は、図６に示すように、挟持作用を行わせる前のフリーの状態では、第１挟持爪１１ａと第３挟持爪１２ａは閉じた状態であり、第２挟持爪１１ｂと第４挟持爪１２ｂも閉じた状態である。従って、図４に示すように連結機構１０を単位セルＳに結合したときは、第１挟持爪１１ａと第２挟持爪１２ａにより第１単位セルＳ１の表面側と裏面側を挟持し、セル内を加圧する。この加圧作用により燃料電池としての性能を上げることができる。同様に、第３挟持爪１１ｂと第４挟持爪１２ｂにより第２単位セルＳ２の表面側と裏面側を挟持する。

また、各単位セルＳの表面側（第１電極取り出し部に相当）に正極が位置し、裏面側（第２電極取り出し部に相当）に負極が位置するように設定されている。従って、連結機構１０により隣り合うセルの正極と負極とを電気的に接続することができる。すなわち、 図例では第１単位セルＳ１の正極と第２単位セルＳ２の負極とが、第１挟持爪１１ａ、連結部１１ｃ，１２ｃ、第４挟持爪１２ｂにより接続されている。

一方、第２挟持爪１２ａは絶縁フィルム１４（絶縁部に相当）を介して第１単位セルＳ１の負極を挟持作用しているとともに、第３挟持爪１１ｂも絶縁フィルム１５を介して第２単位セルＳ２の正極を挟持作用する。従って、第１単位セルＳ１の負極と第２単位セルＳ２の正極とが電気的に接続されることはない。

以上のような構成で複数のセルを直列接続していくことが可能になる。図の例では、もっとも外側に位置する単位セルから最終的な正極１６と負極１７とを取り出すことができる。

＜別実施形態＞
図３では長方形の長辺同士が隣接するように接続したがこれに限定されるものではなく、短辺同士が隣接するように接続してもよい。平面的な配列は、種々の変形例が考えられ、例えば、図７に示すような変則的な配列にすることもできる。これにより、燃料電池が取り付けられるスペース配分の事情に応じて各単位セルの配列設計を行うことができる。

図４では上が正極，したが負極になるように各単位セルが接地されているが、上を負極、下を正極になるように配列してもよい。また、図８に示すように正極と負極の配列が交互になるように構成してもよい。この場合の絶縁シート１４，１５は、図のような配置となる。

燃料電池セルの具体的な構成は図１，２で示されるものに限定されるものではなく、種々の変形例が可能である。例えば、流路の形成は、金属板ではなく電極板に形成しても良い。また、単位セルの結合をカシメではなく、ネジ結合等の他の機械的手段を用いても良い。

燃料電池セル（単位セル）の構成を示す分解斜視図 燃料電池セルの断面構造を示す図 単位セルを並べて配置した燃料電池の構成を示す外観図 図３に示す燃料電池の側面図 連結機構の構成を示す分解斜視図 連結機構の構成を示す側面図 燃料電池セルの配置構成の別実施形態を示す図 電極接続の別実施形態を示す図 従来技術に係る燃料電池の構成を示す図

符号の説明

Ｓ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３ 燃料電池セル（単位セル）
１０ 連結機構
１１ 第１挟持部材
１１ａ 第１挟持爪
１１ｂ 第３挟持爪
１１ｃ 第１連結部
１２ 第２挟持部材
１２ａ 第２挟持爪
１２ｂ 第４挟持爪
１２ｃ 第２連結部
１４，１５ 絶縁フィルム

Claims (5)

1. 複数の平板状燃料電池セルを平面的に並べて構成される燃料電池であって、
   各燃料電池セルの表面側に設定される第１極性を有する第１電極取り出し部と、
   各燃料電池セルの裏面側に設定される第１極性とは逆極性の第２極性を有する第２電極取付部と、
   隣接する２つの燃料電池セルを連結するための連結機構とを備え、
   この連結機構は、
   隣接する一方の燃料電池セルの表面側と裏面側とを弾性的に挟持する第１挟持部及び第２挟持部と、
   隣接する他方の燃料電池セルの表面側と裏面側とを弾性的に挟持する第３挟持部及び第４挟持部と、
   第１挟持部及び第２挟持部と、第３挟持部及び第４挟持部とを機械的に連結させる連結部とを備えていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記連結機構は、導電性を有する材料で形成され、前記一方の燃料電池セルに作用する第１挟持部と、前記他方の燃料電池セルに作用する第４挟持部とを前記連結部を介して電気的に接続し、かつ、第２挟持部と第３挟持部は、絶縁部を介して燃料電池セルに対する挟持作用を行うことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記連結部は、第１連結部と第２連結部とにより構成され、
   第１挟持部、第１連結部、第３挟持部を第１挟持部材により一体形成し、
   第２挟持部、第２連結部、第４挟持部を第２挟持部材により一体形成し、
   第１連結部と第２連結部とを機械的に結合することで、第１挟持部材と第２挟持部材とが一体化されていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
4. 第１連結部と第２連結部とはスポット溶接により結合される請求項３に記載の燃料電池。
5. 前記燃料電池セルは、平板状の固体高分子電解質と、
   その両側に配置される一対の電極板と、
   更にその電極板の外側に配置され、セル内のガス流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられた一対の金属板とを備えている請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池。

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