JP4397324B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、Ｎ個の燃料電池セルを直列接続して電気出力を取り出す燃料電池に関するものである。

燃料電池は、他の発電システムに比べると発電効率が高く、大気を汚染する物質を生成しないという点で注目されているエネルギー源である。燃料電池で発電を行わせるために、カソードへ空気（酸素）を供給しアノードへ燃料ガスである水素を供給する。水素ガスはアノードでの触媒反応によって水素イオン及び電子となり、水素イオンは電解質内を移動し、カソードの触媒反応により酸素と反応して水になる。一方、電子は外部回路を伝わってカソードに移動する。この電子の移動により、電気エネルギーが発生することになる。

燃料電池は、その基本単位である燃料電池セルにより構成されるが、１個の燃料電池セルのみでは十分な出力電圧を取ることが難しいので、これを多数直列接続することで出力電圧を稼いでいる。また、燃料ガスである水素ガスも各燃料電池セルへと供給する必要がある。従って、燃料電池セルには燃料ガスが注入される注入口と、注入された燃料ガスが排出される排出口が設けられる。そして、前段の燃料電池セルの排出口と後段の燃料電池セルの注入口とをパイプで接続して行くことで、ガス供給路を直列接続することができ、１番目の燃料電池セルに供給された水素ガスは、順次後段の燃料電池セルへと順番に供給されていく。

この場合、最終段（Ｎ番目とする）の燃料電池セルに供給された水素ガスは、この燃料電池セルに設けられた排出口から排出される。しかしながら、Ｎ個の燃料電池セルをモジュール化して燃料電池を構成する場合、水素ガスを外部に排出しないようにすることが好ましい。また、水素ガスを無駄なく使用するという点からも、水素ガスを排出しないようにすることが好ましい。

そこで、Ｎ番目の燃料電池セルについては、注入口のみを設け排出口を設けないという構成が考えられる。そうすると、Ｎ番目の燃料電池セルについては、ガスの拡散度が低下し出力が低下する傾向がある。従って、Ｎ個の燃料電池セルの電気的に直列接続して出力を取り出そうとすると、Ｎ番目の燃料電池セルに影響されて効率良く出力が取り出せなくなるという問題が生じる。

また、この問題は、Ｎ番目の燃料電池セルに排出口を設ける場合であっても、必要最小限の量の燃料ガスを供給する場合には、やはり、Ｎ番目の燃料電池セルについての出力低下という現象が生じうる。

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、Ｎ個の燃料電池セルを接続して出力電圧を取り出す場合に、出力を効率良く取り出すことができる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、
Ｎ個の燃料電池セルを接続して出力電圧を取り出す燃料電池であって、
燃料ガス発生装置から供給される燃料ガスが供給されるガス供給路を１番目の燃料電池セルから最終Ｎ番目の燃料電池セルへと接続すると共に、
前記１番目を含む（Ｎ−Ｍ）個の燃料電池セルから外部へと電気出力を取り出すように構成し、
Ｎ番目を含むＭ個の燃料電池セルからの電気出力を蓄電手段に蓄電するように構成したことを特徴とするものである。

この構成による燃料電池の作用・効果を説明する。燃料電池は、Ｎ個の燃料電池セルが接続されて構成される。燃料ガスは、燃料ガス発生装置から供給される。燃料ガス発生装置については、特定の構造のものに限定されるものではなく、例えば公知のものを採用してもよい。燃料ガス発生装置からの燃料ガスは、Ｎ個の燃料電池セルのうち１番目の燃料電池セルに供給される。燃料電池セルには、燃料ガスの注入口と排出口とが設けられており、燃料ガスの供給路により、燃料ガスは例えば１番目→２番目→・・・→Ｎ番目と順番に供給されていく。また、出力電圧の外部への取り出しは、１番目の燃料電池セルを含む（Ｎ−Ｍ）個の燃料電池セルにより行うようにしている。すなわち、最終段のＮ番目の燃料電池セルは含まないので、これに影響されて外部への出力の取り出し効率が低下することがない。また、残りのＭ個の燃料電池セルにからの出力は、蓄電手段に蓄電するようにする。これにより、発生した電極を無駄に捨てるのではなく、蓄電しておくことで利用可能になる。その結果、Ｎ個の燃料電池セルを接続して電気出力を取り出す場合に、出力を効率良く取り出すことができる燃料電池を提供することができる。

本発明において、前記Ｎ番目の燃料電池セルには燃料ガスの注入口のみを設けて燃料ガスの排出口を設けないように構成することが好ましい。

Ｎ番目の燃料電池セルについては、注入口のみを設け排出口を設けないことにより、各燃料電池セルに供給された燃料ガスを外部に排出しないようにしている。その結果、燃料ガスを無駄に消費することなく、出力を効率よく取り出すことができる。

本発明において好ましくは、Ｍ＝１であり、最終Ｎ番目の燃料電池セルからの電気出力を蓄電するように構成することである。これにより、効率良く、高い電気出力を取り出すことができる。

本発明に係る燃料電池使用される燃料電池セル（単位セル）の好適な実施形態を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燃料電池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燃料電池セルの一例を示す縦断面図である。

本発明の燃料電池セルは、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の一方側に配置されたカソード側電極２と、他方側に配置されたアノード側電極板３とを備えるものである。本実施形態では、アノード側金属板５に、エッチングにより燃料の流路溝９が形成され、アノード側金属板５とカソード側金属板４の周縁部がエッチングにより他の部分より厚みを薄くしてある例を示す。

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、酸化ガスとして空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスを用いるのが好ましい。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、空気が自然供給される側のカソード側電極２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。

カソード側電極板２の表面にはカソード側金属板４が配置され、アノード側電極板３の表面にはアノード側金属板５が配置される。アノード側金属板５には燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄが設けられ、更に本実施形態では、アノード側金属板５に流路溝９が設けられている。

カソード側金属板４には、空気中の酸素を供給するための多数の開口部４ｃが設けられている。開口部４ｃは、カソード側電極板２が露出可能であれば、その個数、形状、大きさ、形成位置などは何れでもよい。但し、空気中の酸素の供給効率と、カソード側電極板２からの集電効果などを考慮すると、開口部４ｃの面積はカソード側電極板２の面積の１０〜５０％であるのが好ましく、特に２０〜４０％であるのが好ましい。

カソード側金属板４の開口部４ｃは、例えば規則的又はランダムに複数の円孔やスリット等を設けたり、または金属メッシュによって開口部を設けてもよい。

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、例えばステンレス板、ニッケル、銅、銅合金などが挙げられる。但し、伸び、重量、弾性率、強度、耐腐食性、プレス加工性、エッチング加工性などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。

アノード側金属板５に設けられる流路溝９は、電極板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５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板３の外面に形成してもよい。電極板３の外面に流路溝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５の流路溝９に連通する注入口５ｃ及び排出口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、０．１〜１ｍｍが好ましい。

金属板５に流路溝９を形成する方法としては、加工の精度や容易性から、エッチングが好ましい。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。

金属板４への開口部４ｃの形成、金属板４，５の周辺部の薄肉化、金属板５への注入口５ｃ等の形成についても、エッチングを利用するのが好ましい。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。

図９に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部（周辺部）を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、電気的に絶縁した状態でカシメ（曲げプレス）により封止されている。電気的な絶縁は、絶縁材料６や固体高分子電解質１の周縁部、又はその両者を介在させることで行うことができる。

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の厚みとしては、薄型化の観点から、０．１ｍｍ以下が好ましい。なお、絶縁材料をコーティングすることにより、更なる薄型化が可能である（例えば絶縁材料６の厚み１μｍも可能）。

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く、特にポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、フッ素樹脂、ポリイミドが好ましい。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９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。

本発明では、図２に示すような単位セルを１個又は複数個使用することができるが、固体高分子電解質１、一対の電極板２，３、及び一対の金属板４，５で単位セルを構成し、この単位セルを複数積層したり、同一面に配列して使用することも可能である。（図３に示すように同一面に配列することがモジュールをコンパクトにすることができ好ましい。）このようにすると、ボルト及びナットの締結部品で相互結合して、セル部品に一定の圧力を加えなくても、高出力の燃料電池を提供することができる。

使用の際、金属板５の燃料の注入口５ｃ及び排出口５ｄには、直接、燃料供給用のパイプを接合することも可能であるが、燃料電池の薄型化を行う上で、厚みが小さく、金属板５の表面に平行なパイプを有するジョイント機構を設けるのが好ましい。図２には、注入口５ｃにジョイント用の金属製ピン５ｅが金属板５に対して取り付けられている。この取り付けは、カシメや圧入により行うことができる。このピン５ｅに対して、パイプ１５（ガス供給路に相当）を圧入して取り付けることができる。排出口５ｄも同じような構造を採用することができる。

本発明の燃料電池は、薄型化が可能で小型軽量かつ自由な形状設計が可能なため、特に、ＰＤＡ、携帯電話、ノートＰＣ等のモバイル機器（携帯機器）に好適に使用することができる。

＜燃料電池の構成＞
次に、燃料電池セル（以下、単にセルという）を複数（Ｎ個）接続して構成した燃料電池について図３により説明する。図３に示すように、セルＳ₁，Ｓ₂，・・・Ｓ_n-1，S_nが直列的に接続されている。各燃料電池セルＳは、図１，２で説明したものを使用している。水素発生セル１０は、燃料電池へ供給する燃料ガスとしての水素ガスを発生する装置である。水素発生セル１０については、例えば、純鉄と水（水蒸気）とを反応させることで、水素ガスを発生する原理を使用するものを用いることができる。純鉄としては、粉末の形態やタブレットの形態とすることができる。発生した水素ガスは、ガス供給路１５を通って、1番目のセルＳ₁の注入口５ｃに供給される。

１番目のセルＳ₁の排出口５ｄと２番目のセルの注入口５ｃもガス供給路１５により接続される。２番目のセルＳ₂の排出口５ｄと３番目のセルＳ₃の注入口５ｃもガス供給路１５により接続される。以下同様に前段のセルと後段のセルはガス供給路１５により接続され、Ｎ−１版目のセルＳ_n-1の排出口５ｄと最終段のＮ番目のセルＳ_nの注入口５ｃもガス供給路１５で接続される。このように、ガス供給路１５は直列接続された状態となる。また、Ｎ番目のセルＳ_nについては、注入口５ｃのみが設けられ排出口５ｄは設けられない。従って、１番目のセルＳ₁を介して注入された水素ガスは、燃料電池の外部に排出することはなく、安全性の面で優れていると共に、注入した水素ガスをすべて消費することができる。ガス供給路１５は、例えば、金属製のパイプや樹脂製のパイプを用いることができる。

なお、水素ガスの供給量であるが、（Ｎ−１）個のセルが使い切る水素ガス量＋αとすることが好ましい。＋αの水素ガスは、Ｎ番目の水素発生セルＳ_nに供給され、このセルＳ_nにより水素ガスを吸引させるように機能させると共に、生じた電力は蓄電手段１３に蓄電させる。

燃料電池としての電源取り出し用の正極１１と負極１２とが設けられており、これが出力電圧取り出し部として機能する。Ｎ個のセルのうち、１番目のセルを含むＮ−１個のセルを電気的に直列接続させており、これにより、出力電圧を稼ぐようにしている。

また、最終段Ｎ番目のセルＳ_nについては、電気出力を取り出すために使用せず、蓄電手段１３へと接続されている。Ｎ番目のセルＳ_nは、排出口が設けられていないので、ガスの拡散性が悪くなり、出力効率が低下する。従って、Ｎ番目のセルＳ_nについては外部への電源取り出し用としては用いない。ただし、Ｎ番目のセルＳ_nも内部への水素ガスの吸引作用を有するため、残りのＮ−１個のセルについては、出力効率が高い状態とすることができる。Ｎ番目のセルＳ_nにおいて発生した出力電力については、蓄電手段１３に蓄積しておくことで、無駄にエネルギーを捨てることなく有効活用することができる。蓄電手段１３としては、コンデンサーや二次電池を用いることができる。コンデンサーや二次電池のタイプについては、特定のものに限定されるものではない。

＜燃料電池セルの配置構成例＞
図３に示す実施形態では、Ｎ個の燃料電池セルのガス供給路１５を直列接続しているが、これに限定されるものではない。例えば、図４では、セルＳ₁で最初のガスの供給を受け、セルＳ₂〜Ｓ_n-1はガス供給路１５が並列接続されており、最終的にセルＳ_nに集結している構成である。セルＳ₁〜Ｓ_n-1のガス供給路１５が並列となるようにしてもよい。

図５は、並列と直列を組み合わせた構成例である。このようにガス供給路１５については、並列接続と直列接続とを適宜組み合わせて構成することができる。

＜実験例＞
次に、実験例について図６及び図７により説明する。セルの接続個数は６個（N=６）とし、水素ガスの供給量は６５ｍｌ／ｍｉｎとした。セル温度と水素ガスの温度は共に２５℃となるように設定した。図６のグラフは、６個のうちの直列接続された５個分のセルの出力を取ったものであり、時間の経過を見ても分かるように安定した出力が得られていることが分かる。５個分のセルで消費される水素ガス量は約６１ｍｌである。セル１個あたりの出力電圧は０．６Ｖであり、これを５個直列接続することで３．０Ｖの出力電圧が得られた。

図７は、最終６番目（Ｎ番目に相当）のセルの出力を示しており、６５ｍｌ／ｍｉｎ中の残り４ｍｌ／ｍｉｎが供給され、これをすべて使用して発電が行われた。この出力電力は蓄電手段１３に蓄電して再利用することができる。なお、この６番目のセルについては、排出口を設けないようにした。

＜別実施形態＞
本実施形態の燃料電池では、燃料電池セルを平面的に並べているがこれに限定されるものではない。また、平面的に並べる場合のその配置構成は、適宜決めることができる。具体的なＮの大きさは、適宜決めることができる。また、図１，２に示す燃料電池セルは、平板状で薄型であるから、平面的に並べることにより、燃料電池の薄型化を図ることができる。

本実施形態において、最終段のセルについては排出口を設けない構成を説明したが、排出口を設けるようにしてもよい。水素ガスの供給量をＮ個の燃料電池セルですべて消費できるような供給量とすれば、最終段のセルからは水素ガスが排出されることがほとんどないからである。

本実施形態では、Ｎ番目のセルＳ_nのみが蓄電手段１３に接続されているが、Ｎ番目のセルＳを含むＭ個（Ｍ＜Ｎ、例えば、２個、３個など）のセルを蓄電手段１３に接続してもよい。

本発明に係る燃料電池セルの構造は、図１，２の構成に限定されるものではなく、種々の構造のセルを採用してもよい。カソード側についても、アノード側と同様に注入口と排出口を有する構成としてもよい。この場合、カソード側に注入されるガスの供給路は、アノード側と同じようにすることができる。

本発明の燃料電池の燃料電池セルの一例を示す組み立て斜視図 本発明の燃料電池の燃料電池セルの一例を示す縦断面図 本発明の燃料電池の構成を示す模式図 本発明の燃料電池の他の構成を示す模式図 本発明の燃料電池の他の構成を示す模式図 実験結果のデータを示すグラフ 実験結果のデータを示すグラフ

符号の説明

１ 固体高分子電解質
２ カソード側電極板
３ アノード側電極板
４ カソード側金属板
５ アノード側金属板
５ｃ 注入口
５ｄ 排出口
６ 絶縁材料
１０ 水素発生セル
１１ 正極
１２ 負極
１３ 蓄電手段
１５ ガス供給路

Claims (3)

1. Ｎ個の燃料電池セルを接続して出力電圧を取り出す燃料電池であって、
   燃料ガス発生装置から供給される燃料ガスが供給されるガス供給路を１番目の燃料電池セルから最終Ｎ番目の燃料電池セルへと接続すると共に、
   前記１番目を含む（Ｎ−Ｍ）個の燃料電池セルから外部へと電気出力を取り出すように構成し、
   Ｎ番目を含むＭ個の燃料電池セルからの電気出力を蓄電手段に蓄電するように構成したことを特徴とする燃料電池。
2. 前記Ｎ番目の燃料電池セルには燃料ガスの注入口のみを設けて燃料ガスの排出口を設けないように構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. Ｍ＝１であり、最終Ｎ番目の燃料電池セルからの電気出力を蓄電するように構成したことを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。

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