JP5040221B2

JP5040221B2 - 燃料電池セル、燃料電池セルスタック、発電装置及び電子機器。

Info

Publication number: JP5040221B2
Application number: JP2006233880A
Authority: JP
Inventors: 章央栗田
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 2006-08-30
Filing date: 2006-08-30
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2026-08-30
Also published as: JP2008059847A

Description

本発明は、燃料電池セル、燃料電池セルスタック、発電装置及びその発電装置を備える電子機器に関する。

近年では、高いエネルギー利用効率を実現できる燃料電池についての研究・開発が盛んにおこなわれている。燃料電池は、アノードガス中の水素ガスと空気中の酸素ガスとを電気化学的に反応させて化学エネルギーから電気エネルギーを直接取り出すものであり、将来性に富む有望な電池であると位置付けられている。

従来の燃料電池は膜電極接合体とセパレータとを交互に重ねられることでスタック化されており、二つのセパレータとその間に挟持された膜電極接合体、ガス拡散層、ガスケットを含む燃料電池セルが直列に接続されている。膜電極接合体は固体高分子電解質膜の両面に触媒を担持した矩形状の電極が設けられている。また、膜電極接合体の電極とセパレータとの間に、それぞれ、セパレータに形成された後述の流路内を流通するガスを上述の電極に一様に供給するための部材としてガス拡散層が配置され、更に、ガス拡散層を囲繞するように気密部材としての枠状のガスケットが設けられている。上述の膜電極接合体をガス拡散層及びガスケットを介して挟持する２つのセパレータには、それぞれアノードガス流路及びカソードガス流路が形成され、アノードガス流路はアノードガスを一方のガス拡散層に供給し、カソードガス流路はカソードガスを他方のガス拡散層に供給する。尚、２つのセパレータに挟持される構成は、上述の構成に限らず、例えば、ガス拡散層と電極層とが一体化された部材を電解質層の両面に当接して配置する構成であってもよく、また、何れも別体の部材を積層した構成であってもよい。

上述の固体高分子電解質膜の各面に当接された電極において電気エネルギーを得る際に、アノード極側において下記（１）式により燃料ガスが酸化されることで放出される電子が、カソード極側において下記（２）式により空気（酸素）と反応するときの、電子の移動によって、電流が得られる。

Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻ …（１）
1/2Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ …（２）

この場合、各セルにおいて化学エネルギーの一部から電気エネルギーを取り出す際に残りのエネルギーが熱として発生するが、この熱を各燃料電池セルから放熱するために、例えば、セパレータに放熱部材としてのフィンを設ける方法がある（例えば特許文献１参照）。
特開平１０−１６２８４２号公報

しかし、上述の特許文献に記載された技術は、各セルとセルスタック外部との間の熱交換率を高くするものであって、各セル間での熱交換率を高くするものではない。ここで、各セルが備える従来の電解質膜及びガスケットは熱伝導率が低い。膜電極接合体は、その電極の厚みを考慮した場合でも、ガス拡散層やガスケットに比べて薄いため、各セル間の熱伝導は、大半がガス拡散層やガスケットが寄与していると考えられる。例えば、ガス拡散層は四フッ化エチレン樹脂（PTFE)から形成され、その熱伝導率は０．２５Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1程度であり、ガスケットはシリコンゴムから形成され、その熱伝導率が概ね０．１Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1程度のものが広く利用されている。従って、各セパレータ間（セル間）の熱伝導率は０．２５Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1を超えない程度であると考えられる。
このように、セル間の熱伝導率が低いため、複数の燃料電池セルが積層された状態ではより中央付近の燃料電池セルではその両端方向に熱源としての他のセルが多数配置されるため十分放熱できない。一方、より端部付近の燃料電池セルでは少なくとも一端の端部側に熱源としてのセルが少数しか配置されないため、中央付近と端部付近とに配置された燃料電池セル同士の間に大きな温度差が生じる。
電解質膜中における水素イオンの伝導度は膜に含まれる水分量により変化するため、水素イオンの伝導度、を大きくするために、発電装置の稼働状況に適した量の水分が各セルに供給される。このとき、セルのスタック位置によって温度が異なる場合、各セルにおける水蒸気圧が異なるため、各セル間の水分量を均一に制御することが困難になり、ひいては、全燃料電池セルを良好に動作させる加湿条件が作れず、燃料電池全体の性能が低下する恐れがある。

上述の問題を解決するために、携帯機器用の燃料電池における各セパレータに放熱部材としてのフィンを設けると、装置の全体容積が大きくなるという問題があった。

本発明の課題は、燃料電池セルが備えるセパレータ間の熱伝導率を高くすることができる燃料電池セル、燃料電池セルスタック、発電装置及び電子機器を提供することである。

以上の課題を解決するため、請求項１に記載の燃料電池セルは、イオンを選択的に透過する電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極とを備える膜電極接合体を前記電極に当接して配置されたガス拡散層を介して隣接する２つのセパレータで挟持してなるセル構造を備えるとともに、前記電極の周囲における前記隣接する２つのセパレータと前記電解質膜との間に配置されたガスケットを備える燃料電池セルであって、前記ガス拡散層又は前記ガスケットよりも熱伝導率が高くされるとともに前記隣接する２つのセパレータ間を絶縁する伝熱部材が前記２つのセパレータに当接するように配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池セルであって、前記伝熱部材は窒化アルミニウムからなることを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池セルであって、前記伝熱部材は熱伝導率が１Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上のプラスチック素材からなることを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の燃料電池セルであって、前記伝熱部材は、前記隣接する２つのセパレータと当接する面が少なくとも絶縁されることを特徴とする。

請求項５に記載の燃料電池セルスタックは、請求項１に記載のセル構造を複数備えることを特徴とする。

請求項６に記載の発電装置は、請求項１に記載のセル構造を備えることを特徴とする。

請求項７に記載の電子機器は、請求項６に記載の発電装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、燃料電池セルが備えるセパレータ間の熱伝導率を高くすることができる。

以下に、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。但し、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態及び図示例に限定するものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る発電装置２００のブロック図である。この発電装置２００は、ノート型パーソナルコンピュータ、携帯電話機、ＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、電子手帳、腕時計、デジタルスチルカメラ、デジタルビデオカメラ、ゲーム機器、遊技機、その他の電子機器に備え付けられたものであり、電子機器本体を動作させるための電源として用いられる。

発電装置２００は、メタノール等の燃料と水を別々に又は混合した状態で貯留した燃料容器２０１と、燃料容器２０１から供給された燃料と水を気化させる気化器２０３と、燃料容器２０１から燃料と水を吸引するとともに吸引した燃料と水を気化器２０３に供給する燃料ポンプ２０２と、気化器２０３から供給された燃料と水の混合気を水素ガスと二酸化炭素ガス等を化学反応式（１）のような改質反応と一部、化学反応式（２）のように化学反応（1）よって生成した水素と二酸化炭素から一酸化炭素が生成する逆シフト反応が複合して起こる改質器２０４と、改質器２０４から供給された混合気体中の一酸化炭素を化学反応式（３）のように酸化させることで混合気体から一酸化炭素を除去する一酸化炭素除去器２０５と、一酸化炭素除去器２０５から供給された混合気体のうち水素ガス（アノードガス）と外気の酸素ガス（カソードガス）との電気化学反応により電気エネルギーを生成する燃料電池装置１と、外気の空気を吸引するとともに吸引した空気を一酸化炭素除去器２０５及び燃料電池装置１に供給する空気ポンプ２０６と、を備える。

ＣＨ₃ＯＨ＋Ｈ₂Ｏ→３Ｈ₂＋ＣＯ₂ …（１）
Ｈ₂＋ＣＯ₂→ＣＯ＋２Ｈ₂Ｏ …（２）
２ＣＯ＋Ｏ₂→２ＣＯ₂ …（３）

なお、燃料容器２０１に貯留された燃料は、メタノールの代わりに、エタノール等のアルコール類やガソリンといった水素原子を含む化合物が適用可能である。

図２は、燃料電池装置１に用いられる１つの燃料電池セル１００を示す断面図である。図２に示すように、燃料電池セル１００は、固体高分子電解質膜１１の両面に電極１３Ａ，１３Ｂを備える膜電極接合体（ＭＥＡ：Membrane Electrode Assembly）１０と、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂと、ガスケット１４Ａ，１４Ｂと、膜電極接合体１０の固体高分子電解質膜１１及びガスケット１４Ａ，１４Ｂの外周部に配置された絶縁枠（伝熱部材）４０と、水素極側に配置された片面セパレータ３０と、酸素極側に配置された片面セパレータ２０と、を備え、片面セパレータ２０，３０の間に膜電極接合体１０及び絶縁枠４０を挟持した状態で図示しないボルトナット結合により厚さ方向に締め付けたものである。なお、ボルトナット結合をはずすと、この単位セルを片面セパレータ２０，３０、絶縁枠４０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ、ガスケット１４Ａ，１４Ｂ及び膜電極接合体１０に分離することができる。

図３（ａ）は片面セパレータ２０を絶縁枠４０と接触する面と反対側の面から見た平面図であり、図３（ｂ）は絶縁枠４０を示す平面図であり、図３（ｃ）は膜電極接合体を示す平面図であり、図３（ｄ）は片面セパレータ３０を膜電極接合体１０及び絶縁枠４０と接触する面から見た平面図である。

固体高分子電解質膜１１は、矩形状又は正方形状に形成された膜であって、水素イオン（Ｈ⁺）を選択的に透過させるものである。固体高分子電解質膜１１では、上述の発熱反応による発熱の他に、水素イオンの透過に伴う熱や、電流が流れる際の配線内の電気抵抗によるジュール熱等の熱が発生する。

固体高分子電解質膜１１の両面であってそれぞれの中央部には、電極１３Ａ，１３Ｂが矩形状又は正方形状に形成されている。固体高分子電解質膜１１に形成された電極のうち一方の電極１３Ａが燃料電池セル１００のアノード（水素極）として機能し、他方の電極１３Ｂが燃料電池セル１００のカソード（酸素極）として機能する。ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂはガスケット１４Ａ，１４Ｂにより外周部を囲まれる。

ガスケット１４Ａ，１４Ｂは固体高分子電解質膜１１と片面セパレータ２０，３０との隙間を封止し、後述するアノードガス流路３９からガス拡散層１２に供給されるアノードガス、後述するカソードガス流路２９からガス拡散層１３に供給されるカソードガスが漏れ出すことを防ぐガスシールとして機能する。
このようなガスケット１４，１４は、ゴム弾性を有する材料により形成することができ、例えばイソブチレン系の封止材を用いて形成することができる。また、シリコンゴムやテフロン（登録商標）等を用いて形成してもよい。

また、膜電極接合体１０の四隅には、固体高分子電解質膜１１及びガスケット１４，１４を貫通する孔１５〜１８が空いている。この孔は、片面セパレータ２０，３０に設けられた後述する穴２５〜２８、３５，３８とともに、後述する４つのガス流路を形成する。

片面セパレータ２０には、膜電極接合体１０の四隅に設けられた孔１５〜１８と対応する位置に４つの孔２５〜２８が設けられている。また、片面セパレータ３０には、孔１５，１８と対応する位置に２つの孔３５，３８が設けられている。

片面セパレータ２０のガス拡散層１２Ｂ、ガスケット１４Ｂ及び絶縁枠４０と接触する面の中央部には溝状のカソードガス流路２９が設けられている。カソードガス流路２９の両端は孔２６，２７と接続されている。孔２６はカソードガス流路２９にカソードガスを供給するカソードガス供給流路となり、孔２７はカソードガスを排出するカソードガス排出流路となる。

同様に、片面セパレータ３０のガス拡散層１２Ａ、ガスケット１４Ａ及び絶縁枠４０と接触する面の中央部には溝状のアノードガス流路３９が設けられている。アノードガス流路３９の両端は孔３５，３８と接続されている。
孔２５，３５は孔１５とともに、アノードガス供給流路を形成する。また、孔２８，３８は孔１８とともに、アノードガス排出流路を形成する。

さらに、片面セパレータ２０，３０の四隅には、厚さ方向に貫通するボルト孔２１〜２４，３１〜３４が形成されている。これらのボルト孔２１〜２４，３１〜３４は、図示しないボルトナット結合により燃料電池セル１００を厚さ方向に締め付けるためのものである。

絶縁枠４０は中央に穴４９が空いており、この穴４９の内部に膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂが配置される。絶縁枠４０の厚さは、図２に示すように、膜電極接合体１０とガス拡散層１２Ａ，１２Ｂの厚さの和にほぼ等しく、片面セパレータ２０，３０の間に膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂを配置するためのスペーサーとしても機能する。
また、絶縁枠４０には、四隅にボルト孔４１〜４４が空いている。このボルト孔４１〜４４は、ボルト締結時の膜電極接合体１０及び絶縁枠４０を片面セパレータ２０，３０に挟んで積層したときに、ボルト孔２１〜２４，３１〜３４と連続する。この内部に図示しないボルトを挿通し、図示しないナットを締め付けることで、燃料電池セル１００が形成される。

絶縁枠４０は両面で片面セパレータ２０，３０に接しており、片面セパレータ２０，３０同士のショートを防止するために絶縁体により形成されている。
また、膜電極接合体１０における水素の酸化反応により発生する熱を効率よく片面セパレータ２０，３０に伝導させるために、絶縁枠４０は膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂよりも熱伝導率が高い素材により形成されていることが好ましい。

このような熱伝導率が高い絶縁体としては、例えば窒化アルミニウムや窒化珪素等の金属窒化物や金属酸化物を用いることができる。なお、窒化アルミニウムの熱伝導率は１００〜１９０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1であり、窒化珪素の熱伝導率は約４０Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1程度であるので、従来ガスケットに用いられていたシリコンゴムやテフロン（登録商標）等の５０〜１００倍程度である。また、伝熱材２３，３３は少なくとも固体高分子電解質膜１１と当接する面が絶縁性を有する構成であればよいので、アルミニウム等の熱伝導率の高い金属の表面に絶縁処理を施したものを用いてもよい。あるいは、熱伝導率が高くかつ絶縁性の樹脂素材等を用いてもよい。
あるいは、絶縁体として、例えば熱伝導率が１Ｗ・ｍ^-1・Ｋ^-1以上の熱伝導率が高いエポキシ樹脂等のプラスチック素材を用いてもよい。

固体高分子電解質膜１１で発生した熱はガス拡散層１２Ａ，１２Ｂを介して片面セパレータ２０，３０に伝導する。本実施の形態の燃料電池セル１００では、膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂよりも熱伝導率が高い絶縁枠４０を片面セパレータ２０，３０に挟持させることで、片面セパレータ２０，３０間の熱伝導率を高めることができる。なお、携帯機器用の燃料電池では発熱量が小さいため、上述の通り隣接する燃料電池セル間の熱伝導率を高くすると、燃料電池の両端または片端を携帯機器の筐体等に接触させることで、燃料電池セル１００全体の放熱を十分に行うことができる。

＜変形例１＞
なお、図４に示すように、複数の燃料電池セルを電気的に直列に接続した燃料電池セルスタック１１０として燃料電池装置１に用いてもよい。
ここで、燃料電池セルスタック１１０を構成する各燃料電池セルは、膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂ及び絶縁枠４０が片面セパレータ２０及び両面セパレータ５０によって挟まれた構造、膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂ及び絶縁枠４０が２枚の両面セパレータ５０，５０によって挟まれた構造、または、膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂ及び絶縁枠４０が片面セパレータ３０及び両面セパレータ５０によって挟まれた構造である。両面セパレータ５０は隣接する燃料電池セルの双方の構造を兼ね、隣接する燃料電池セルは両面セパレータ５０により直列に接続される。燃料電池セルの数は、膜電極接合体１０を備える燃料電池セル一つ当たりの起電力と、燃料電池装置１に要求される電力によって定まる。なお、各膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂ、片面セパレータ２０，３０及び絶縁枠４０は第１実施形態と同様である。

図５（ａ）は両面セパレータ５０を片面セパレータ２０側の面から見た平面図であり、図５（ｂ）は両面セパレータ５０を片面セパレータ３０側の面から見た平面図である。両面セパレータ５０には、四隅にボルト孔５１〜５４が空いている。このボルト孔５１〜５４は、膜電極接合体１０及び絶縁枠４０をそれぞれ片面セパレータ２０，３０及び両面セパレータ５０の間に挟んで積層したときに、ボルト孔２１〜２４，３１〜３４，４１〜４４と連続する。この内部に図示しないボルトを挿通し、図示しないナットを締め付けることで、燃料電池セルスタック１１０が形成される。
また、両面セパレータ５０には、膜電極接合体１０の四隅に設けられた孔１５〜１８と対応する位置に４つの孔５５〜５８が設けられている。

両面セパレータ５０の片面セパレータ３０側の面の中央部には、溝状のカソードガス流路５９ａが設けられている。カソードガス流路５９ａはカソードガス流路２９と同様の形状であり、カソードガス流路５９ａの両端は孔５６、孔５７と接続されている。孔５６は孔１６，２６，３６とともにカソードガス流路５９ａにカソードガスを供給するカソードガス供給流路となり、孔５７は孔１７，２７，３７とともにカソードガスを排出するカソードガス排出流路となる。

両面セパレータ５０の片面セパレータ２０側の面の中央部には、溝状のアノードガス流路５９ｂが設けられている。アノードガス流路５９ｂはアノードガス流路３９と同様の形状であり、アノードガス流路５９ｂの両端は孔５５、孔５８と接続されている。
孔５５は孔１５，２５，３５とともにアノードガス供給流路を形成する。また、孔５８は孔１８，２８，３８とともに、アノードガス排出流路を形成する。

各燃料電池セルの膜電極接合体１０で発生した熱はガス拡散層１２Ａ，１２Ｂを介して片面セパレータ２０，３０及び両面セパレータ５０に伝導する。本実施の形態の燃料電池セルでは、膜電極接合体１０、ガス拡散層１２Ａ，１２Ｂ及びガスケット１４Ａ，１４Ｂよりも熱伝導率が高い絶縁枠４０を片面セパレータ２０，３０に挟持させることで、片面セパレータ２０，３０及び両面セパレータ５０間の熱伝導率を高めることができる。これにより隣接する燃料電池セル同士の間で熱が伝わりやすくなるので、中央付近と端部付近とに配置された燃料電池セル同士の間での温度差を小さくすることができる。なお、隣接する燃料電池セル間の熱伝導率を高くすると、燃料電池の両端または片端を携帯機器の筐体等に接触させることで、燃料電池セルスタック１１０全体の放熱を十分に行うことができる。

＜第２実施形態＞
図６は本発明の第２実施形態に係る燃料電池セル１２０を示す断面図である。本実施の形態では、膜電極接合体１０及び片面セパレータ２０，３０は第１実施形態と同様であるが、絶縁枠６０が異なる。

図７は絶縁枠（伝熱部材）６０を示す二面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。絶縁枠６０の形状は、中央に穴６９が空いており、四隅にボルト孔６１〜６４が空いている点は絶縁枠４０と同じであるが、導体枠（伝熱部材）６５の両面に絶縁膜６６，６６が形成されてなる点が異なる。ここで、導体としては、片面セパレータ２０，３０等と同様に、銅、アルミニウム等の金属素材を用いることができる。
絶縁膜６６，６６としては、ポリイミド皮膜や、酸化シリコン薄膜を用いることができる。また、導体枠６５の両面にダイヤモンドライクカーボンコーティング等により絶縁膜を形成することもできる。
絶縁枠６０は図６に示すように、絶縁膜６６，６６が形成された両面で片面セパレータ２０，３０と当接する。

一般に、導体は自由電子を持ち熱伝導率が高いが、片面セパレータ２０，３０の両方に接触する絶縁枠４０を全て導体で形成するとショートする。本実施の形態では、導体枠６５の両面に絶縁膜６６，６６を形成することで、絶縁性を維持したまま熱伝導率を高くすることができる。

＜変形例２＞
なお、上記構造の燃料電池セルを第１実施形態の変形例１と同様に、直列に接続して燃料電池セルスタックとして燃料電池装置１に用いてもよい。

本発明に係る発電装置２００を示すブロック図である。本発明の第１実施形態に係る燃料電池セル１００を示す断面図である。燃料電池セル１００の（ａ）片面セパレータ２０、（ｂ）絶縁枠４０、（ｃ）膜電極接合体１０、（ｄ）片面セパレータ３０の平面図である。本発明の変形例に係る燃料電池セルスタック１１０を示す断面図である。（ａ）は両面セパレータ５０を片面セパレータ２０側の面から見た平面図であり、（ｂ）は両面セパレータ５０を片面セパレータ３０側の面から見た平面図である。本発明の第２実施形態に係る燃料電池セル１２０を示す断面図である。図６の燃料電池セルの絶縁枠６０を示す二面図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

符号の説明

１燃料電池装置
１０膜電極接合体
１１固体高分子電解質膜（電解質膜）
１２ガス拡散層（電極）
２０，３０片面セパレータ（セパレータ）
５０両面セパレータ（セパレータ）
４０，６０絶縁枠（伝熱部材）
６５導体枠
６６絶縁膜
１００，１２０燃料電池セル
１１０燃料電池セルスタック
２００発電装置

Claims

イオンを選択的に透過する電解質膜と前記電解質膜の両面に配置された電極とを備える膜電極接合体を前記電極に当接して配置されたガス拡散層を介して隣接する２つのセパレータで挟持してなるセル構造を備えるとともに、前記電極の周囲における前記隣接する２つのセパレータと前記電解質膜との間に配置されたガスケットを備える燃料電池セルであって、
前記ガス拡散層及び前記ガスケットよりも熱伝導率が高くされるとともに前記隣接する２つのセパレータ間を絶縁する伝熱部材が前記２つのセパレータに当接するように配置されていることを特徴とする燃料電池セル。
前記伝熱部材は窒化アルミニウムからなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
前記伝熱部材は熱伝導率が１Ｗ・ｍ-1・Ｋ-1以上のプラスチック素材からなることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
前記伝熱部材は、前記隣接する２つのセパレータと当接する面が少なくとも絶縁されることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
請求項１に記載のセル構造を複数備えることを特徴とする燃料電池セルスタック。
請求項１に記載のセル構造を備えることを特徴とする発電装置。
請求項６に記載の発電装置を備えることを特徴とする電子機器。