JP4907832B2 - 燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
（関連出願）
本出願は、２０００年５月８日に出願された米国仮出願第６０／２０２，８２７号及び２０００年１０月２３日に出願された米国仮出願第６０／２４２，１３６号を基礎とすることによる利益を受けんとするものであって、それらの記載事項は、本出願の一部をなすものとする。
【０００２】
（技術分野）
本発明は平面的な構成を有する平板型燃料電池に関する。
【０００３】
（発明の背景）
燃料電池は、電解質層の両側に一対の電極を取り付け、一方の電極に水素やアルコール等の燃料ガス、他方の電極に酸素や空気などの酸化剤ガスを供給し、触媒による電気化学反応を起こさせて電気を発生させるものである。多種多様な燃料電池が提案されている。多くのものは、液体の電解質を用いるものであるが、固体電解質を用いるものが、製造及び取り扱いの点で優れているために、好まれるようになってきた。
【０００４】
しかしながら、各セルから発生する電圧は、通常１Ｖ以下のオーダである反面、用途の多くはそれよりもかなり高い電圧を必要とする。従って、複数のセルを電気的に直列接続或いは積層する必要がある。いずれにせよ、製造過程が複雑化し、製造コストが高騰する。また、燃料電池に於ける個々のセル間の絶縁を確保し、電路の内部抵抗を減少させることが困難である。
【０００５】
従来は、燃料電池に於ける多数のセルのために燃料通路及び酸化剤ガスを設ける必要があることから、燃料電池の小型化が困難であった。特に、従来の燃料電池は、積層構造を有することから、積層方向にある程度の寸法が必要であった。しかるに、用途によってはシート状の燃料電池が望まれる場合もある。
【０００６】
（発明の概要）
このような従来技術の問題点に鑑み、本発明の主な目的は、一体的なアセンブリとして、平面的な配置で複数の燃料電池セルを備えた燃料電池を提供することにある。
【０００７】
本発明の第２の目的は、燃料電池セルを多数積層することなく高い電圧を発生し得るような燃料電池を提供することにある。
【０００８】
本発明の第３の目的は、製造容易な燃料電池を提供することにある。
【０００９】
本発明の第４の目的は、好適な絶縁が可能な燃料電池を提供することにある。
【００１０】
このような目的は、本発明によれば、それぞれ、電解質層と、該電解質層を挟む一対の拡散電極層と、前記各流体拡散電極層に接する燃料流体及び酸化剤流体の通路を画定するための一対の配流板とを有する少なくとも１つのセルから構成された燃料電池であって、前記各燃料電池セルを共通の平面上に配列してなることを特徴とする燃料電池を提供することにより達成される。
【００１１】
これによりシート状の燃料電池が提供され、所望の高い電圧を発生させることができる。燃料流体及び酸化剤流体を、拡散電極層に隣接する流体通路に供給するために、所定のパターンにて電解質層の各側に画定された、流体通路を連通させるための連絡路を、配流板の少なくとも片側に設けることができる。好適実施例によれば、連絡路は、主に配流板の片側に設けられる。
【００１２】
連絡路は、燃料電池上の或る面積を占めざるを得ず、このような面積は直接的に電気を発生するためには有効ではない。このような面積を最小化するためには、連絡路を、各配流板の両側に設けると良い。このような点を考慮すると、少なくとも前記各配流板の一方の、電解質層と相反する側の面に連絡路形成板を設けると良い。この場合、前記連絡路は、前記配流板を貫通する連絡孔を介して対応する前記流体通路に連通するように、前記連絡路形成板と前記配流板との間に画定された第１の連絡路と、該第１の連絡路と協働して、所定のパターンにて前記流体通路同士を連通するように前記配流板と前記電解質層との間に形成された第２の連絡路とを有するものであって良い。
【００１３】
通常は、前記配流板が、個々のセルを形成するように前記電解質層に対向する側の面に設けられた複数の凹部を有し、該凹部が、前記連絡路により所定のパターンにて互いに連通するようにされている。この場合、連絡路形成板を各配流板の外側の面に配置することにより、電気の発生に直接寄与しない部分を最小化することができる。特に、配流板の外側の面に設けられた連絡路形成板を更に有し、該連絡路形成板の前記配流板に対向する側の面に、前記配流板に設けられた前記連絡孔と協働して、所定のパターンにて前記凹部同士を互いに連通する溝が設けられていると良い。
【００１４】
隣接する前記燃料電池セル同士が互いに相反する極性となるように前記各連絡路及び連絡孔が前記流体通路に連通すると良い。こうすることにより、燃料電池セルを電気的に直列に配置する構成が単純化される。
【００１５】
本発明の好適実施例によれば、前記燃料電池セルが共通の平板状電解質層を有することから、燃料電池の製造が単純化される。この場合、前記燃料電池セルが、前記電解質層の周縁部に位置するものと、その中央部に位置するものとを含むものであって良い。
【００１６】
燃料電池内に於いて、燃料流体と酸化剤流体との間のクロストークを防止することが重要である。これは、前記凹部の隣接するもの同士を互いにシールするために、前記配流板及び電解質層間に配置されたシール板を配置することにより容易に達成され、隣接する前記燃料電池セル同士が互いに相反する極性となるように、前記連絡路及び連絡孔が、前記凹部同士を互いに連通すると良い。
【００１７】
前記シール板が、中央凹部及び比較的厚い周縁部を有することにより、前記電解質が中央凹部に受容されると共に、前記シール板が、その周縁部に沿って、互いにシール可能に係合しているようにすれば、燃料電池の周縁部を信頼性高くシールすることができる。
【００１８】
本発明の好適実施例によれば、前記シール板の少なくとも１つが、対応する前記配流板の対向面に形成された対応する溝に受容されるべく適合された格子状部分を有する。
【００１９】
隣接する燃料電池セル同士の直列接続は様々な方法で実現することができる。例えば、前記拡散電極層が、所定のパターンにて隣接するセルに属する電解質層の一部を横切るように延在し、前記セルの少なくとも一部が、電気的に直列に接続されているようにしたり、前記燃料電池セルが、個々の拡散電極層を有し、更に、隣接するセルの拡散電極層を横切るように、所定のパターンにて延在するセル間接続用電極層を有することにより、前記セルの少なくとも一部が、電気的に直列に接続されているようにすれば良い。
【００２０】
（発明を実施するための形態）
以下に、本発明の好適な実施形態について添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明が適用された第１の実施形態に於ける燃料電池の構造を示す分解斜視図であり、図２（ａ）〜図２（ｈ）はその各部の平面図である。この燃料電池にアルコール等を改質し、または直接水素ガスを燃料として供給し、更に空気等を酸化剤ガスとして供給することとなる。本件明細書中では、燃料及び酸化剤はガスとして扱われているが、当業者であれば容易に理解できるように、アルコールや過酸化水素のような液体であっても良い。
【００２２】
この燃料電池は、燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するべく、多数（本例では１６個）の四角形凹部８、９が平面上で縦横に整列配置するように形成された一対の配流板１、２と、両配流板１、２の間に挟まれた電解質層３とを有している。各配流板１、２の電解質層３と相反する側の面には後記第１の連絡路を画定するための連絡路形成板４、５が配置されている。また、各配流板１、２と電解質層３との間には、後記各セル間をシールすると共に第２の連絡路を画定するべく、凹部８、９に対応する位置に通孔６ａ、７ａが設けられたシール板６、７が設けられている。
【００２３】
一方のシール板６は一定の厚さを有する。他方のシール板７は、比較的厚い周縁部７ｂ、該周縁部に囲まれた、電解質層３を受容するための凹部７ｃ及び周縁部７ｂに対して窪められた、比較的薄い中心部７ｄを有する単純な板からなる。中央の凹部７ｃは、電解質層３をしっくりと受容するべく、その寸法が定められている。従って、電解質層３が、凹部７ｂ内に受容されると、一方のシール板６を他方のシール板７に重ねることにより、両シール板６、７の周縁部同士が密着するようになっており、配流板１、２の凹部８、９が互いに実質的にシールされる。
【００２４】
上記連絡路形成板４、配流板１、シール板６、電解質層３、シール板７、配流板２及び連絡路形成板５をこの順番に重ねた状態でその全周及び必要に応じて各セル間を接着剤により接着することにより当該燃料電池が組み立てられる。必要に応じて、隣接する凹部８、９間の境界領域も、互いに接着することができる。
【００２５】
尚、図２（ａ）、図２（ｂ）、図２（ｃ）、図２（ｅ）、図２（ｆ）、図２（ｇ）、図２（ｈ）は全て連絡路形成板５の端面側から見た平面図であり、図２（ｄ）のみ電解質層３の電極パターンを説明するべく、これを連絡路形成板４の端面側から見た平面図である。
【００２６】
図２（ａ）〜図２（ｈ）及び図３に良く示すように、図示された燃料電池に於いては、配流板１の凹部８と、これに対向する配流板２の凹部９と、これら凹部８、９間に介在する電解質層３とにより、多数（本例では１６個）の同一の燃料電池セルＣが構成されている。
【００２７】
図１、図２（ａ）〜図２（ｈ）及び図３ｂに併せて示すように、配流板１の凹部８のうちの１２個には、裏面側に連通する連絡孔１１が形成されている。また、図２（ａ）、図２（ｂ）に示すように、連絡路形成板４の、配流板１に直接対向する面には、対応する連絡孔１１同士を連通する６個の斜めの溝１３が形成されている。同様に、配流板２の凹部９のうちの１２個には、選択的に裏面側に連通する連絡孔１２が形成され、図２（ｇ）、図２（ｈ）に示すように、連絡路形成板５の、配流板１に直接対向する面には、対応する連絡孔１２同士を連通する６個の斜めの溝１４が形成されている。このように、連絡路形成板４，５が、配流板１，２の対向面に重ねられたとき、これらの斜めの溝１３，１４は、連絡孔１１，１２と協働して、第１の連絡通路を形成する。
【００２８】
一方、配流板１のシール板６との対向面には、対角方向に隣接する凹部８同士を連通するべく６個の斜めの溝１５が形成されている。従って、配流板１にシール板６が密着することにより、図２（ｂ）に示すように、第２の連絡通路が画定される。同様に、配流板２のシール板７との対向面には、対角方向に隣接する凹部９同士を連通するべく６個の斜めの溝１６が形成されている。従って、配流板２にシール板７が密着することにより、図２（ｇ）に示すように、第２の連絡通路が画定される。
【００２９】
配流板１，２、連絡路形成板４，５及びシール板６、７は、単一の単結晶シリコンからなり、凹部、溝及び連絡孔は、異方性エッチング（ウェットエッチング）を行うことにより、四角形をなす孔として形成される。しかしながら、ドライエッチング、その他の加工方法を用いた場合には、孔の形状は自由に選択することができる。
【００３０】
図示された実施例では、各配流板の凹部は、Ｘ及びＹ方向について、配流板を横切るように、ジグザグ状をなして、第１及び第２の連絡通路に連通しており、Ｘ及びＹ方向について隣接する凹部の対は、それぞれ異なるガス供給系に属することととなる。従って、互いに隣接するセルは、互いに逆の極性を有することとなる。
【００３１】
燃料ガスとしての水素ガス（Ｈ）は、連絡路形成板４の縁部に形成された通孔２１、２２、配流板１の縁部に形成された２３、２４及び短い溝２５、２６を介して配流板１側の凹部８に供給されるようになっている。凹部８は、溝１３，１５により互いに連通している。また、空気等の酸化剤ガス（Ｏ）は、連絡路形成板４の縁部に形成された通孔２７、２８、配流板１の縁部に形成された２９、３０及び短い溝３１、３２を介して配流板１側の凹部８に供給されるようになっている。凹部８は、溝１３，１５により互いに連通している。云うまでもなく、水素ガスと酸化剤ガスとは互いに異なるガス供給系統に供給されるようになっている。
【００３２】
配流板１側の凹部８に供給された水素ガス（Ｈ）は、シール板６に対向する配流板１の表面に設けられた短い溝３３、３４、シール板６の縁部に形成された通孔３７、３８、シール板７の縁部に形成された通孔４１、４２、シール板７に対向する配流板２の表面に設けられた短い溝４５、４６を介して他方の配流板２側の凹部９に供給される。そして、各凹部９から短い溝４９、５０、配流板２に形成された通孔５１、５２、連絡路形成板５に形成された通孔５７、５８を介して回収又は排出される。凹部９は、溝１４，１６により互いに連通している。
【００３３】
また、配流板１側の凹部８に供給された酸化剤ガス（Ｏ）は、シール板６に対向する配流板１の表面に設けられた短い溝３５、３６、シール板６の縁部に形成された通孔３９、４０、シール板７の縁部に形成された通孔４３、４４、シール板７に対向する配流板２の表面に設けられた短い溝４７、４８を介して配流板２側の凹部９に供給される。そして、各凹部９から短い溝５３、５４、配流板２の縁部に形成された通孔５５、５６、連絡路形成板５に形成された通孔５９、６０を介して回収または排出される。凹部９は、やはり溝１４，１６により互いに連通している。
【００３４】
電解質層３は、全セルに共通の一枚の固体電解質６１と、その表裏両面に形成されたガス拡散電極６２、６３とから構成されている。ガス拡散電極６２、６３は、隣接する１対のセル間に跨って延在し、燃料電池内のセルが全て電気的に直列に接続されるようになる。固体電解質６１には、例えばパーフルオロカーボンスルフォン酸（Ｎａｆｉｏｎ：商品名）やフェノールスルフォン酸、ポリスチレンスルフォン酸、ポリトリフルオロスチレンスルフォン酸などが用いられる。ガス拡散電極６２、６３は、白金（Ｐｔ）触媒を含むカーボンシート等の多孔質のシート状をなし、各燃料電池セルＣが電気的に直列に接続されるようなパターンで形成されている。ここで、隣接する燃料電池セルＣ同士が互いに相反する極性となっていることで、その一方の電極同士を同じ平面上で接続するのみで容易に直列に接続することができる。
【００３５】
また、図示していないが、対角方向に隣接する燃料電池セルＣの両電極同士を接続すれば並列に接続することもできる。この並列接続及び上記直列接続を所望のパターンで組み合わせることにより、所望の電圧及び電流容量の燃料電池が容易に得られることとなる。
【００３６】
上記実施例では、第１及び第２の連絡通路は、連絡路形成板４の配流板１との対向面、配流板１のシール板６との対向面、配流板２のシール板７との対向面、連絡路形成板５の配流板１との対向面に形成された溝により連絡孔と協働して構成されたが、対向するもう一方の板、または互いに対向する両方の板に溝を形成しても良い。
【００３７】
図４（ａ）、図４（ｂ）はそのような実施例を示す。図４（ａ）、図４（ｂ）に示された変形実施例に於いては、第１の連絡路を形成するための斜めの溝１４’は、連絡路形成板５ではなく、配流板２’の背面に設けられている。斜めの溝１４’は、配流板２の背面即ち外面に配置されたカバー板５’の平坦面と協働して、対角方向に隣接する連絡孔１２を互いに連通する第１の通路を画定する。同様のカバー板（図示せず）の平坦面と協働して、やはり第１の連絡路を形成するように、同様の斜めの溝（図示せず）を配流板１の背面に設けることができる。
【００３８】
溝１４’、１６は、異なるエッチレベルで、互いに交差し、単一のシリコンウェーハ上で、一方の溝１６のグループは表面に、他方の溝１４’のグループは背面に、それぞれ設けられている。これにより、カバー板５’の製造が容易となり、配流板内に於ける通路を、より良く整合させることができる。従って、カバー板５’は、入口及び出口ポートとしての連絡孔のみが必要であるため、薄いものでよく、容易に製造が可能となる。整合の重要度も低い。何故なら、必要に応じて、対応するポートをオーバーサイズとすれば良く、カバー板５の製造のために低コストの方法を採用できるからである。
【００３９】
また、配流板１、２と電解質層３との間の密着性（気密性）が確保できれば、シール板６、７を省略することも可能である。
【００４０】
図５は、本発明が適用された第２の実施形態に於ける燃料電池の構造を示す分解斜視図である。この実施例では、前記実施例に対応する部分には、符号に１００を加えて表し、冗長とならないように、その詳しい説明は省略する。図６（ａ）〜図６（ｈ）はその各部の平面図であり、図７（ａ）、図７（ｂ）は両配流板１０１、１０２の拡大平面図である。本構成に於ける燃料ガス及び酸化剤ガスの流れは第１の実施形態と同様であるのでその詳細な説明を省略する。
【００４１】
本構成にあっても、燃料ガス及び酸化剤ガスの通路を画定するべく、方形開口の多数（本例では１６個）の凹部１０８、１０９が平面上でＸ及びＹ方向に整列配置するように形成された一対の配流板１０１、１０２と、両配流板１０１、１０２の間に挟まれた電解質層１０３とを有し、各配流板１０１、１０２の電解質層１０３と相反する側の面には第１の連絡路を画定するための連絡路形成板１０４、１０５が配置されている点は第１の実施形態と同様である。
【００４２】
電解質層１０３に対向する配流板１０１の面には、各セルＣを格子状に横切るように溝１０１ａが形成されている。この溝１０１ａには格子状シール部材１０６が受容されている。また、配流板１０２と電解質層１０３との間には、シール部材１０７が設けられている。このシール部材１０７は、枠部１０７ａと、該枠部１０７ｂに囲まれた電解質層１０３を受容するための凹部１０７ｂと、凹部１０７ｂ底面部に設けられ格子状部１０７ｃとを有している。格子状部１０７ｃはシール部材１０６と同様な格子状をなす。この格子状部１０７ｃは、配流板１０２に各セルＣを格子状に横切るように形成された溝１０２ａに、各セルを囲むようにして、受容されるようになっている。
【００４３】
上記連絡路形成板１０４、配流板１０１、シール部材１０６、電解質層１０３、シール部材１０７、配流板１０２及び連絡路形成板１０５をこの順番に重ね、その周縁部を、例えば接着剤により接着することにより、当該燃料電池が組み立てられる。このようにして、シール部材１０７の中央凹部１０７ｂ内に電解質層１０３を受容し、配流板１０１の溝１０１ａにシール部材１０６を受容し、配流板１０２の溝１０２ａにシール部材１０７の格子状部１０７ｃを受容する。
【００４４】
尚、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）、図６（ｅ）、図６（ｆ）、図６（ｈ）は全て連絡路形成板１０５の端面側から見た平面図であり、図６（ｇ）のみ、配流板１０２の電極パターンを説明するべく、これを連絡路形成板１０４の端面側から見た平面図である。
【００４５】
この実施例でも、配流板１０１の各凹部１０８、対向する配流板１０２の対向凹部１０９、これら両凹部１０８、１０９間に挟まれた電解質層１０３の部分は燃料電池セルＣを画定する。図示された燃料電池は、互いに独立した１６個の、このような燃料電池セルＣからなっている。
【００４６】
図８及び９に示すように、組み立てられた状態の燃料電池に於いては、シール板１０６及び電解質層１０３は、シール板１０７の中央凹部１０７ｂに受容されているため、連絡路形成板１０４、配流板１０１、シール部材１０７、配流板１０２及び連絡路形成板１０５がこの順番に積層されていることが、横方向から見て取れる。燃料電池の内部では、配流板１０１と電解質層１０３と配流板１０２とがこの順番に積層され、シール板１０６、１０７が、各燃料電池セルＣを互いにシールしている。
【００４７】
図５、図６（ａ）〜図６（ｈ）及び図９に併せて示すように、配流板１０１の凹部１０８のうちの１２個には、配流板１０１の裏面側に連通する連絡孔１１１が形成されている。また、連絡路形成板１０４の配流板１０１との対向面には連絡孔１１１に対応して、対角方向に隣接する凹部１０８同士を連通するべく６個の斜めの溝１１３が形成されている。従って、連絡孔１１１及び溝１１３からなる第１の連絡通路をもって対角方向に隣接する凹部１０８同士が、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すようなパターンで連通することとなる。同様に、配流板１０２の凹部１０９のうちの１２個には、配流板１０２の裏面側に連通する連絡孔１１２が形成され、連絡路形成板１０５の配流板１０２との対向面には連絡孔１１２に対応して、対角方向に隣接する凹部１０９同士を連通するべく６個の斜めの溝１１４が形成されている。従って、連絡孔１１２及び溝１１４からなる第１の連絡通路をもって対角方向に隣接する凹部１０９同士が図６（ｇ）、図６（ｈ）に示すようなパターンで連通することとなる。
【００４８】
一方、配流板１０１の電解質層１０３及びシール部材１０６との対向面には、対角方向に隣接する凹部１０８同士を連通するべく６個の斜めの溝１１５が形成されている。ここで、溝１１５は、図８に良く示すように、シール部材１０６を受容する溝１０１ａよりも深くなっており、シール部材１０６により溝１１５が塞がれることはない。この溝１１５の開口にシール部材１０６及び電解質層１０３が密着することにより第２の連絡通路が画定され、対角方向に隣接する凹部１０８同士が、図６（ａ）、図６（ｂ）に示すようなパターンで連通することとなる。同様に、配流板１０２のシール部材１０７との対向面には、対角方向に隣接する凹部１０９同士を連通するべく６個の斜めの溝１１６が形成されている。これにシール部材１０７の格子状部１０７ｃが積層されることにより第２の連絡通路が画定され、対角方向に隣接する凹部１０９同士が図６（ｆ）、図６（ｇ）、図６（ｈ）に示すようなパターンで連通することとなる。
【００４９】
電解質層１０３は、単一の固体電解質１６１と、凹部１０８、１０９と同一のパターンをもって配置された３２個のガス拡散電極１６２、１６３とから構成され、そのうちの１６個は、固体電解質１６１の片側の面に配置され、残りの１６個は、固体電解質１６１の他方の面に配置されている。これらのガス拡散電極１６２、１６３は、凹部１０８、１０９に整合すると共にこれよりもやや大きい。尚、図６（ｄ）には固体電解質１６１の片側の面のガス拡散電極１６２のみ図示しているが、裏面側のガス拡散電極１６３も電極１６２と表裏で整合する位置に、同じ形状に設けられている。
【００５０】
図７（ａ）、図７（ｂ）に示されるように、蒸着された金等からなるセル間接続用電極１２１が、配流板１０１の、電解質層１０３に対向する側の面に形成されている。同様に、セル間接続用電極１２２が、配流板１０２の、電解質層１０３に対向する側の面に形成されている。これらのセル間接続用電極１２１、１２２は、第１実施例のガス拡散電極６２、６３と同様のパターンをもって配置され、各セルＣ同士を電気的に直列に接続する。各セル間接続用電極と、対応する凹部１０８、１０９との間に十分な接触面積を確保するために、セル間接続用電極１２１、１２２は、凹部の周縁部をも覆うように設けられる。
【００５１】
セル間接続用電極１２１、１２２は、各凹部１０８、１０９の内部にまで至るように設けられる。これにより、セル間接続用電極１２１、１２２の有効断面積が増大し、各セルの内部抵抗を減少させる。
【００５２】
所望に応じて、各凹部１０８、１０９内に、対向するガス拡散電極に接触するような複数の突部を設け、これらの突部上にもセル間接続用電極１２１、１２２を設けることもできる。ガス拡散電極は、多孔質であることから、内部抵抗が高く、ガス拡散電極内の白金触媒が、流れる電流のかなりの部分を担う。従って、これらの突部を介して、ガス拡散電極に、複数の点でセル間接続用電極１２１、１２２を接触させることにより、各セルの内部抵抗を最小化することができる。
【００５３】
上記したように、配流板１０１と電解質層１０３と配流板１０２とがこの順番に密着することで、ガス拡散電極１６２、１６３がセル間接続用電極１２１、１２２に接触し（図８、図９）、各セルＣが直列に接続することとなる。これにより、ガス拡散電極１６２、１６３の抵抗値が比較的高い場合でも、燃料電池全体の内部抵抗を最小化することができ、発電効率を低下させることがない。
【００５４】
図１０（ａ）〜図１０（ｆ）は、本発明が適用された第３の実施形態に於ける燃料電池各部の構造を示す平面図であり、本構成に於ける電解質層、ガス拡散電極の構成及び各セルＣ間の電気的な接続に関しては第１の実施形態と同様であるのでその詳細な説明を省略する。更に、本実施形態の説明に於いて、前記第１実施例に対応する部分には、同符号に２００を加えて記し、冗長さを回避するために、その詳しい説明を省略する。
【００５５】
本構成にあっては、平面上で縦横に整列配置する燃料ガス及び酸化剤ガス通路用凹部とこれらを所定のパターンで連絡する２系統の連絡路用溝とを有する一対の配流板２０１、２０２と、両配流板１０１、１０２の間に挟まれた電解質層２０３とを有し、これらが密着している。前記実施例とは異なり、本構成では各配流板２０１、２０２の電解質層２０３と相反する側の面には連絡路を画定するための連絡路形成板は設けられていない。凹部２０８に対応する四角形の通孔２０６ａを備えたシール板２０６が、配流板２０１と電解質層２０３との間に挟持され、隣接するセルＣ間をシールし、所定の連絡路のみを介して連通させるようにしている。同様な、凹部２０９に対応する四角形の通孔２０７ａを備えたシール板２０７が、配流板２０２と電解質層２０３との間に挟持され、隣接するセルＣ間をシールしている。
【００５６】
シール板２０７は、比較的厚い枠部２０７ａ、中央凹部２０７ｂ及び凹部２０７ｂの底面部に設けられ格子状部２０７ｃを有する。中央凹部２０７ｂは、電解質層１０３をしっくりと受容するべく適合されている。中央凹部２０７ｂに電解質層１０３を受容した状態で、シール板２０６上にシール板２０７を配置することにより、両シール板２０６、２０７の周縁部がシール可能に接合される。
【００５７】
図１１（ａ）に拡大して示すように、配流板２０１の凹部２０８は１つおきに燃料ガス系統をなす連絡用溝２１１と、酸化剤ガス系統をなす連絡用溝２１２とをもって連通するようになっている。これらの通路２１１、２１２は、格子状部及び凹部を囲む枠部に設けられる。同様に、図１１（ｂ）に示すように、配流板２０２の凹部２０９も１つおきに燃料ガス系統をなす連絡用溝２１３と、酸化剤ガス系統をなす連絡用溝２１４とをもって連通するようになっている。これらの通路２１３、２１４も、やはり、格子状部及び凹部を囲む枠部に設けられる。これら配流板２０１、２０２を、シール板２０６、２０７を介して電解質層２０３に積層することにより、１６個の燃料電池セルの隣接する燃料電池セル同士が互いに異なるガス供給系統となり、互いに相反する極性を有するようにしている。尚、各凹部に設けられた中央仕切２０８ａ、２０９ａは、ガスを凹部２０８、２０９全体に行き渡らせるためのである。
【００５８】
燃料ガスとしての水素ガス（Ｈ）は、配流板２０１の縁部に形成された通孔２１６、通路２１７を介して配流板２０１側の凹部２０８に供給されるようになっている。また、空気等の酸化剤ガス（Ｏ）は、配流板２０１の縁部に形成された通孔２１８及び通路２１９を介して配流板２０１側の凹部２０８に供給されるようになっている。
【００５９】
配流板２０１側の凹部２０８に供給された水素ガス（Ｈ）は、シール板２０１の縁部に形成された出口通路２２２、シール板２０６の縁部に形成された通孔２２４、シール板２０７の縁部に形成された通孔２２６、配流板２０２側の入口通路２２８を介して配流板２０２側の凹部２０９に供給される。そして、燃料ガス（Ｈ）は、各凹部２０９を通過した後、連絡溝２１３を介して、出口通路２３０及び配流板２０２の縁部に形成された通孔２３２から排出される。
【００６０】
また、配流板２０１側の凹部２０８に供給された酸化剤ガス（Ｏ）は、シール板２０１の縁部に形成された出口通路２２３、シール板２０６の縁部に形成された通孔２２５、シール板２０７の縁部に形成された通孔２２７、配流板２０２側の入口通路２２９を介して、配流板２０２側の凹部２０９に供給される。そして、酸化剤ガス（Ｏ）は、各凹部２０９を通過した後、連絡溝２１４を介して、出口通路２３１及び配流板２０２の縁部に形成された通孔２３３から排出される。
【００６１】
図１２（ａ）は、本発明に基づく２−セル燃料電池の実際の電流−電圧プロットを示す。図１２（ａ）により表される実験は、電極対が接合された、真に連続的な一体膜を用い、ガス通路を外部の管及びＴ継手を用いて接続することにより実施された。この燃料電池の仕様は以下の通りである。
− セル当たり２２mm×２２mmの２−セル燃料電池
− 連続的なNafion及びカーボンクロスからなるＭＥＡ
− ０．４mg／cm^２のＰｔ／Ｃ触媒
− ウェットエッチングによるガラス流れ構造、４００μｍのアイランド、深さ１５０μｍ
− 相互接続のために、ガラス流構造上に２００ｎｍの金スパッタ
− 燃料：水素 ３５ｋＰａ、湿潤化せず
− 酸化剤：酸素 ３５ｋＰａ、湿潤化せず
− 燃料電池セルの外部加熱せず
【００６２】
図１２（ｂ）は、本発明に基づく４−セル燃料電池の実際の電流−電圧プロットを示す。図１２（ｂ）により表される実験は、単一のシリコンウエーハ上で、全てのチャネルが接続された集積構造をなす流構造により実施された。個々の区画は、シリコンウエーハ表面のクロスチャネル及びその背面の斜め溝によりリンクされている。しかしながら、２つめの実験では、実際には、４つの互いに隣接する別個のＭＥＡが設けられているが、単一のＭＥＡを用いたとしても概ね同一の結果が得られた筈である。この燃料電池の仕様は以下の通りである。
− セル当たり１０mm×１０mmの４−セル燃料電池
− Nafion及びカーボンクロスからなるＭＥＡ
− ０．４mg／cm^２のＰｔ／Ｃ触媒
− ドライエッチングによるＳｉ流れ構造、１００μｍのアイランド、深さ２００μｍ
− 相互接続のために、流れ構造上に１１０ｎｍの金スパッタ
− 燃料：水素 １００ｋＰａ、湿潤化せず
− 酸化剤：酸素 １００ｋＰａ、湿潤化せず
− 燃料電池セルの外部加熱せず
【００６３】
いずれの場合も、燃料電池から比較的大きな電流が引き出されたときも、出力電圧は、概ね個々の燃料電池セルの出力電圧の和から、それ程低くない値であった。これは、燃料電池に於ける、個々の燃料電池セル間の絶縁が良好であって、電路の内部抵抗が低いことを示している。
【００６４】
以上、本発明を特定の実施例について説明したが、当業者であれば、添付の請求の範囲に記載された本発明の技術分野から逸脱することなく本発明に様々な改変を加え得ることは言うまでもない。例えば、本出願中では、燃料電池のための燃料及び酸化剤がガスであると、発明の詳細な説明或いは請求の範囲に記載されているが、本発明の技術分野から逸脱することなく、液体であっても良いことを了解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明が適用された第１の実施例に於ける燃料電池の構造を示す斜視図。
【図２】 （ａ）〜（ｈ）からなり、（ａ）は図１の燃料電池の一方の側の連絡路形成板を示す平面図、（ｂ）は図１の燃料電池の一方の配流板を示す平面図、（ｃ）は配流板と電解質層との間のシール板を示す平面図、（ｄ）は燃料電池の、一方の配流板に対向する側の電解質層の平面図、（ｅ）は燃料電池の、他方の配流板に対向する側の電解質層の平面図、（ｆ）は他方の配流板と電解質層との間に配置されたシール板の平面図、（ｇ）は他方の配流板の平面図、（ｈ）は燃料電池の他方の側の連絡路形成板を示す平面図。
【図３ａ】 図２ｂのＩＩＩａ−ＩＩＩａ線について見た断面図。
【図３ｂ】 図２ｂのＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線について見た断面図。
【図４ａ】 第１実施例に対する変形実施例を示す図２ｇと同様の図。
【図４ｂ】 第１実施例に対する変形実施例を示す図２ｈと同様の図。
【図５】 本発明が適用された第２の実施例に於ける燃料電池の構造を示す斜視図。
【図６】 （ａ）〜（ｈ）からなり、（ａ）は図５の燃料電池の一方の側の連絡路形成板を示す平面図、（ｂ）は図５の燃料電池の一方の配流板を示す平面図、（ｃ）は配流板と電解質層との間のシール板を示す平面図、（ｄ）は燃料電池の、一方の配流板に対向する側の電解質層の平面図、（ｅ）は燃料電池の、他方の配流板に対向する側の電解質層の平面図、（ｆ）は他方の配流板と電解質層との間に配置されたシール板の平面図、（ｇ）は他方の配流板の平面図、（ｈ）は燃料電池の他方の側の連絡路形成板を示す平面図。
【図７ａ】 図５の燃料電池の連絡路形成板拡大図。
【図７ｂ】 図５の燃料電池の連絡路形成板拡大図。
【図８】 図７ａのＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線について見た断面図。
【図９】 図７ｂのＩＸ−ＩＸ線について見た断面図。
【図１０】 （ａ）〜（ｆ）からなり、（ａ）は第２の実施例に於ける燃料電池の一方の配流板を示す平面図、（ｂ）は配流板と電解質層との間のシール板を示す平面図、（ｃ）は一方の配流板に対向する側の電解質層の平面図、（ｄ）は他方の配流板に対向する側の電解質層の平面図、（ｅ）は他方の配流板と電解質層との間に配置されたシール板の平面図、（ｆ）は他方の配流板を示す平面図。
【図１１ａ】 第３の実施例に於ける燃料電池の配流板を示す拡大図。
【図１１ｂ】 第３の実施例に於ける燃料電池の配流板を示す拡大図。
【図１２ａ】 本発明に基づく燃料電池の電流−電圧プロット。
【図１２ｂ】 本発明に基づく燃料電池の電流−電圧プロット。

Claims (12)

1. それぞれ、固体電解質及び前記固体電解質の表裏両面に形成された拡散電極層を備えた電解質層と、前記拡散電極層に接する燃料流体及び酸化剤流体の通路を画定するための一対の配流板とを有する少なくとも１つの燃料電池セルから構成された燃料電池であって、
   前記各燃料電池セルが、共通の平面上に配列され、
   前記配流板が、個々のセルを形成するように前記電解質層に対向する側の面に設けられた複数の凹部を有し、
   前記凹部の隣接するもの同士を互いにシールするために、前記配流板及び前記電解質層の間にシール板がそれぞれ配置されていることを特徴とする燃料電池。
2. 前記シール板の一方は、当該シール板の周縁に設けられた周縁部と、前記周縁部に囲まれ、かつ前記周縁部に対して窪められ、前記周縁部よりも薄い中央凹部とを有し、
   前記電解質層は、前記中央凹部に受容され、
   前記シール板の一方の前記周縁部と前記シール板の他方の周縁部とは、それぞれの周縁部に沿って互いにシール可能に係合していることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
3. 前記シール板の少なくとも１つが、対応する前記配流板の対向面に形成された対応する溝に受容されるべく適合された格子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。
4. 前記電解質層の各側に画定された流体通路同士を所定のパターンにて連通する連絡路を、前記配流板の少なくとも片側に有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
5. 前記連絡路が、前記配流板の両側に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
6. 少なくとも前記各配流板の一方の前記電解質層と相反する側の面に設けられた連絡路形成板を更に有し、
   前記連絡路が、前記配流板を貫通する連絡孔を介して対応する前記流体通路に連通するように、前記連絡路形成板と前記配流板との間に画定された第１の連絡路と、該第１の連絡路と協働して、所定のパターンにて前記流体通路同士を連通するように前記配流板と前記電解質層との間に形成された第２の連絡路とを有することを特徴とする請求項４に記載の燃料電池。
7. 隣接する前記燃料電池セル同士が互いに相反する極性となるように前記各連絡路及び連絡孔が前記流体通路に連通することを特徴とする請求項６に記載の燃料電池。
8. 前記燃料電池セルが共通の平板状電解質層を有することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
9. 前記配流板が、個々のセルを形成するように前記電解質層に対向する側の面に設けられた複数の凹部を有し、該凹部が、連絡路により所定のパターンにて互いに連通することを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
10. 前記配流板の外側の面に設けられた連絡路形成板を更に有し、該連絡路形成板の前記配流板に対向する側の面に、前記配流板に設けられた前記連絡孔と協働して、所定のパターンにて前記凹部同士を互いに連通する溝が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池。
11. 前記拡散電極層が、所定のパターンにて隣接するセルに属する電解質層の一部を横切るように延在し、前記セルの少なくとも一部が、電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
12. 前記燃料電池セルが、個々の拡散電極層を有し、更に、隣接するセルの拡散電極層を横切るように、所定のパターンにて延在するセル間接続用電極層を有することにより、前記セルの少なくとも一部が、電気的に直列に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。

Images