JP4614684B2

JP4614684B2 - 燃料電池

Info

Publication number: JP4614684B2
Application number: JP2004132782A
Authority: JP
Inventors: 真介福田; 克巳高津
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-04-28
Filing date: 2004-04-28
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2024-04-28
Also published as: JP2005317310A

Description

本発明は、携帯電子機器などの電源として好適な比較的小型の燃料電池に関するものである。

燃料電池は、基本的に電解質層を挟んで燃料極と空気極とを配置して構成され、燃料極に水素を、空気極に酸素を送給することによって電気化学的反応により直流電流を発生させる。この電気を発生させる最小単位であるセルの起電力は小さいので、燃料電池を電源とする機器が要求する電圧を得るためには複数のセルを直列接続する必要があり、複数のセルを積層したスタックの形態に構成される。一方、燃料電池から取り出すことができる電流は反応面積の拡大により達成できるが、携帯電子機器などの電源は小型化が要求されるので、限られた反応面積の中で反応を活発且つ多量に起こさせるために、各セルに燃料を円滑に送給できる構造が求められている。

前記スタックを構成する各セルに燃料を送給する方式として、スタックを構成する複数のセルに直列的に燃料供給し、スタックから排出された燃料を再び供給する燃料循環方式が一般に用いられている。この燃料循環方式では供給方向の下流側に至るほど燃料濃度が低下し、再供給する燃料の濃度も低下しているため、燃料濃度調整器などの補機を付設する必要がある。この燃料循環方式を適用した燃料電池において、下流側で燃料濃度が低下することを防ぐために、下流側の燃料流路の断面積を大きくして燃料の流量を増加させ、セル毎の電流密度分布の均一化を図ったものが知られている（特許文献１参照）。
特開２００２−２６０７１０号公報（第４〜７頁、図１）

スタックを形成する複数のセルそれぞれに均等な濃度の燃料を供給するためには、各セルそれぞれに個別に燃料供給することが望ましい燃料供給方式となるが、各セルに規定量の燃料を精度よく供給するために、セルの数と同数の燃料供給口を設ける必要がある。しかし、携帯機器の電源などに適用するために小型化を志向する燃料電池においては、各セル個別に燃料供給口を設けることは困難であった。

本発明が目的とするところは、複数のセルに個別に定量の燃料を供給する燃料供給構造を備えた燃料電池を提供することにある。

上記目的を達成するための本願第1発明は、複数のセルを積層したセル積層体をその両面に配した端板の間で結束してスタックに構成した燃料電池であって、前記端板に複数のセルそれぞれに個別に燃料を供給する複数の燃料個別供給口を形成し、複数の燃料個別供給口それぞれから各セルの燃料極に燃料を導く燃料供給流路が形成されてなることを特徴とするもので、複数のセルには、それぞれに対応する燃料供給口が個別に設けられているので、各セルには個々に燃料を供給することができ、各セルに均等な濃度の燃料を供給することができ、各セル毎に燃料供給を制御することも可能となり、精度の高い燃料供給がなされ、各セルの発電量が均等化され、複数のセルを直列接続して構成される燃料電池出力の安定化を図ることができる。また、複数のセルを結束する端板に複数の燃料個別供給口を設け、各燃料個別供給口から各セルに燃料供給流路を形成しているので、複数のセル間を仕切るセパレータを薄く形成することができ、スタックを薄型化して携帯電子機器などに好適な小型薄型化された燃料電池を構成することができる。

上記構成において、複数の燃料個別供給口は、両面の端板に分散形成することにより、セルの数が多い場合でもセル個々に燃料を供給する燃料個別供給口を端板に設けることができる。

また、燃料供給流路は、セル間を仕切るセパレータに端板から燃料供給するセルに対応するセパレータまでセル積層方向に穿かれた燃料個別導入穴と、セパレータに前記燃料個別導入穴から発電流路の始端に向けて形成された燃料個別案内流路と、セパレータの燃料極に対面する部位に形成された発電流路とによって形成することにより、端板から所定セルの発電流路に個別に燃料を供給する燃料供給流路を容易に形成することができる。

また、燃料個別供給口から燃料極に燃料を供給する発電流路の始端に至る燃料供給流路の容積が複数のセルについて一定になるように形成することにより、各セルに対する燃料供給を一定にして均等な燃料供給を行うことができる。

また、各セルの発電流路の終端から端板に設けられた燃料排出口に至る燃料排出流路を形成することにより、加工が容易になり排出流路を一本化できるので、スペースにも余裕ができる。

本発明によれば、複数のセルそれぞれに個別に燃料を供給することができるので、各セルに対して供給する燃料の濃度が均等化され、個々のセルに対する燃料供給を制御することも可能になるので、複数のセルを直列接続して所要の出力電圧を得る燃料電池として安定した出力電流を取り出すことができる。また、複数のセルを積層したスタックを小型化して携帯電子機器などの電源として好適な小型の燃料電池に構成することができる。

複数のセルを積層してスタックを構成した燃料電池に対し、各セル個別に燃料を供給することを実現するために、図６に示すように、複数のセルの間を仕切る複数のセパレータ５０それぞれの側面に燃料供給口とするチューブ継ぎ手５１を設け、このチューブ継ぎ手５１に連通する燃料供給溝５２をセパレータ５０に形成し、チューブ継ぎ手５１に接続されたチューブ５３から送給される燃料をセパレータ５０の間に配設された膜・電極接合体（以下、ＭＥＡ；Membrane Electrode Assembly）の燃料極に供給する構成を示すことができる。

しかし、燃料電池を小型化するためには、前記セパレータ５０の厚さを薄く形成することが必須の要件となるが、上記構成では各セパレータ５０の側面、即ち厚さ形成面にチューブ継ぎ手５１を取り付けることになるので、セパレータ５０の厚さはチューブ継ぎ手５１に接続するチューブ５３の内径以下にすることができない。チューブ５３の内径は、前記ＭＥＡに規定量の燃料を供給するために必要な開口面積が必要であり、これを小さくすると、燃料を送給する燃料ポンプの消費電力を増加させることになり、この燃料ポンプに発電電力の一部が消費されることになるため、燃料電池システムとしてのトータル出力が減少する。比較的大型の燃料電池であれば、セパレータ５０の厚さを所要の燃料流量が得られるチューブ５３の内径に対応する寸法に形成することも可能であるが、本発明が志向する携帯機器などに適用する小型の燃料電池ではセパレータ５０の厚さを充分な燃料供給を得る厚さに形成することは小型化を阻害することになる。上記構成の課題を解決して小型の燃料電池であっても複数のセルに個別に所要の燃料を供給することを可能とした実施形態について以下に説明する。

図１は、本実施形態に係る燃料電池の特徴である燃料供給及び燃料排出の経路を示している。本実施形態に係る燃料電池は、複数のセル３を積層してスタック1を形成している。前記スタック１は、図２に示すように、セパレータ４ａ，４ｂの間にＭＥＡ６を挟んで構成されたセル３を８個積層したセル積層体を両面から端板５ａ，５ｂで結束して構成される。前記ＭＥＡ６は、電解質である高分子膜の一方の表面に燃料極、他方の表面に空気極を配して構成され、シールゴム１０に取り付けられてセパレータ４ａ，４ｂの間に配設される。前記燃料極には、それに対面するセパレータ４ｂの一方面に形成された発電流路８（図１参照）から燃料が供給され、前記空気極には、それに対面するセパレータ４ａに形成された空気流路９から空気が供給され、燃料中の水素と空気中の酸素との電解質を介した反応により燃料極と空気極との間に起電力を発生させるセル３ａに構成される。これと同様に構成された８個のセル３ａ〜３ｈは、図３に示すように、セパレータ４ａ〜４ｉそれぞれの間にＭＥＡ６を挟んだセル積層体２に形成される。

本実施形態に係る燃料電池は直接メタノール形燃料電池（ＤＭＦＣ；Direct Methanol Fuel Cell）として構成されており、燃料としてメタノール水溶液を発電流路８に供給する。この各セル３ａ〜３ｈの発電流路８に対する燃料供給構造について、図１及び図４、図５を参照して以下に説明する。

図１に示すように、下側の端板５ａには、その側面にセル３ａ〜３ｄそれぞれの発電流路８に個別に燃料を供給する４つの燃料個別供給口１１ａ〜１１ｄが設けられ、上側の端板５ｂには、その側面にセル３ｅ〜３ｈそれぞれに個別に燃料を供給する４つの燃料個別供給口１１ｅ〜１１ｈが設けられている。燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈに接続されたチューブから送給された燃料は、端板５ａ，５ｂの板面方向に形成された燃料個別供給路１２ａ〜１２ｈからセル３ａ〜３ｈの積層方向に形成された燃料個別導入穴１３ａ〜１３ｈに導かれ、燃料供給先のセル３ａ〜３ｈにそれぞれ対応するセパレータ４ｂ〜４ｉの燃料流路８に供給される。尚、図1においては、発電流路８が形成されていないセパレータ４ａの図示は省略している。

図４は、セル３ａに対応するセパレータ４ｂの発電流路８に対する燃料供給経路及びセル３ｅに対応するセパレータ４ｆの発電流路８に対する燃料供給経路の例を示すものである。この例に示すように、セル３ａ〜３ｈ毎に、下方に配置されたセパレータ４ａ〜４ｅに穿かれた燃料個別導入路１３ａ〜１３ｅから所定のセパレータ４ｂ〜４ｅに、上方に配置されたセパレータ４ｅ〜４ｉに穿かれた燃料個別導入路１３ｅ〜１３ｉから所定のセパレータ４ｅ〜４ｉに燃料を供給する。燃料個別導入路１３ａ〜１３ｈはそれぞれの供給先のセル３ａ〜３ｈに燃料供給する所定のセパレータ４ａ〜４ｉまで貫通しており、供給穴凹部２１に嵌め込まれたＯリング１８により燃料の流路外への流出を防いでいる。

図４に示すセル３ａ及びセル３ｅに対する燃料供給経路について、燃料の流れを説明する。

セル３ａの場合には、燃料個別供給口１１ａに送給された燃料は、燃料個別供給路１２ａからセパレータ４ａを貫通する燃料個別導入穴１３ａを通ってセパレータ４ｂに形成された燃料導入口１４ｂに入り、セパレータ４ｂに形成された燃料個別案内流路１５ｂから燃料流路８の入り口である発電始端１６に導かれる。発電始端１６から燃料流路８に流れる燃料はセル３ａのＭＥＡ６の燃料極に供給されて発電に寄与し、燃料流路８の出口である発電終端１７に至って燃料排出穴１９に流れて端板５ａに設けられた燃料排出口２０から外部に排出される。

セル３ｅの場合には、燃料個別供給口１１ｅに送給された燃料は、燃料個別供給路１２ｅからセパレータ４ｉ，４ｈ，４ｇ，４ｆを貫通する燃料個別導入穴１３ｅを通ってセパレータ４ｆに形成された燃料個別導入口１４ｆに入り、セパレータ４ｆに形成された燃料個別案内流路１５ｆから燃料流路８の入り口である発電始端１６に導かれる。発電始端１６から燃料流路８に流れる燃料はセル３ｅのＭＥＡ６の燃料極に供給されて発電に寄与し、燃料流路８の出口である発電終端１７に至って燃料排出穴１９に流れて端板５ａに設けられた燃料排出口２０から外部に排出される。

セル３ａ〜３ｈについて同様の燃料供給がなされるが、燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈから各セル３ａ〜３ｈの発電始端１６までの流路の容積は等しくなるように形成されている。即ち、燃料個別導入穴１３ａ〜１３ｈの流路容積と、図１に示す燃料個別導入口１４ｂ〜１４ｈから発電始端１６までセパレータ４ｂ〜４ｉに形成された燃料個別案内流路１５ｂ〜１５ｉの流路容積の合計は、各セル３ａ〜３ｈについて等しくなるように形成されている。従って、各燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈに送給された燃料は各セル３ａ〜３ｈの発電始端１６にほぼ同時に供給され、セル３ａ〜３ｈで同時に発電がなされ、8個のセル３ａ〜３ｈが直列接続されたスタック１の発電性能が安定してなされる。

各セパレータ４ｂ〜４ｉの発電流路８を流れて燃料極に水素を供給した燃料は、図５に示すように、発電流路８の発電終端１７から各セパレータ４ａ〜４ｉの積層方向に貫通する燃料排出穴１９を流下し、端板５ａに形成された燃料排出口２０から外部に排出される。前記燃料排出穴１９はセパレータ４ａ〜４ｈに穿かれた燃料排出穴１９の周囲に形成された排出穴凹部２２に嵌め込まれたＯリング２３により燃料の漏出防止が図られている。

上記構成に示すように、各セル３ａ〜３ｈの燃料供給流路は、各燃料個別供給口１１ａ〜１１ｈから発電流路８の始端までの流路容積が均等に形成され、発電流路８は、各セルと等しく形成されているので、各燃料供給口１１ａ〜１１ｈに定量の燃料を送給することで、各セル３ａ〜３ｈの発電量が均等になされ、所要の出力が安定して得られる。

以上の説明の通り本発明によれば、複数のセルそれぞれに個別に燃料を供給することができるので、各セルに対して供給する燃料の濃度が均等化され、個々のセルに対する燃料供給を制御することも可能になるので、複数のセルを直列接続して所要の出力電圧を得る燃料電池として安定した出力電流を取り出すことができ、複数のセルを積層したスタックを小型化して携帯電子機器などの電源として好適な小型の燃料電池を提供することができる。

実施形態に係る燃料電池の燃料供給流路の構成を示す斜視図。セルの構成を示す斜視図。スタックの構成を示す斜視図。セパレータに形成された燃料供給流路を示す断面図。セパレータに形成された燃料排出流路を示す断面図。セル個別の燃料供給の基本構成を示す断面図。

１スタック
３ａ〜３ｈセル
４ａ〜４ｉセパレータ
５ａ，５ｂ端板
８発電流路
９空気流路
１１ａ〜１１ｈ燃料個別供給口
１２ａ〜１２ｈ燃料個別供給路
１３ａ〜１３ｈ燃料個別導入穴
１４ｂ〜１４ｉ燃料導入口
１５ｂ〜１５ｉ燃料個別案内流路
１６発電始端
１７発電終端
１９燃料排出穴
２０燃料排出口
５０セパレータ
５１チューブ継手
５２燃料供給溝
５３チューブ

Claims

複数のセルを積層したセル積層体をその両面に配した端板の間で結束してスタックに構成した燃料電池であって、前記端板に複数のセルそれぞれに個別に燃料を供給する複数の燃料個別供給口を形成し、複数の燃料個別供給口それぞれから各セルの燃料極に燃料を導く燃料供給流路が形成されてなることを特徴とする燃料電池。
複数の燃料個別供給口は、両面の端板に分散形成されてなる請求項１に記載の燃料電池。
燃料供給流路は、セル間を仕切るセパレータに端板から燃料供給するセルに対応するセパレータまでセル積層方向に穿かれた燃料個別導入穴と、セパレータに前記燃料個別導入穴から発電流路の始端に向けて形成された燃料個別案内流路と、セパレータの燃料極に対面する部位に形成された発電流路とより形成されてなる請求項１に記載の燃料電池。
燃料個別供給口から、セル間を仕切るセパレータにおける燃料極に対面する部位に形成されて燃料極に燃料を供給する発電流路の始端に至る燃料供給流路の容積が複数のセルについて一定になるように形成されてなる請求項１〜３いずれか一項に記載の燃料電池。
各セルにおける、セル間を仕切るセパレータにおける燃料極に対面する部位に形成された発電流路の終端から、端板に設けられた燃料排出口に至る燃料排出流路が形成されてなる請求項１に記載の燃料電池。
発電流路終端及び燃料排出口は、セルの積層方向に貫通する直線上に形成されてなる請求項５に記載の燃料電池。