(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質をアノード極側触媒層付電極膜とカソード極側触媒層付電極膜で挟み、これら電極膜にそれぞれカソードガスとアノードガスを供給して発電する燃料電池セルにおいて、ベース板に、アノード極側セパレータ、アノード極側触媒層付電極膜、固体高分子電解質及びカソード極側触媒層付電極膜からなる燃料電池セルを収容する多数のセル収容室を形成し、そのベース板に、収容した各燃料電池セルのカソード極側触媒層付電極膜の略全面をカソードガスに開放させるように開口部を形成したカソードカバーを設けると共にそのカソードカバーをベース板に保持させたことを特徴とする燃料電池セルユニット。
【請求項２】
ベース板には、各アノード極側セパレータにアノードガスを供給するための燃料ガス流路が形成された請求項１記載の燃料電池セルユニット。
【請求項３】
アノード極側セパレータの表裏面にアノード流路を形成し、そのアノード極側セパレータの表裏をアノード極側触媒層付電極膜で覆うと共に固体高分子電解質とカソード極側触媒層付電極膜を順次覆って形成し、カソード極側触媒層付電極膜の略全面をカソードガスに開放させ、カソード極側触媒層付電極膜にセパレータ等の構造体を直接接触させない構造としたことを特徴とする燃料電池セル。
【請求項４】
請求項３の燃料電池セルをカソードガス流路に多数並べて設けた燃料電池セルユニット。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
従来の燃料電池は、例えば、固体高分子電解質を用いたものは、図５（ａ）に示すように、高分子固体電解質１００を、アノード極側触媒層付電極膜１０１とカソード極側触媒層付電極膜１０２で挟み、これら電極膜１０１，１０２に密接してアノードガス用溝１０３が形成されたアノード極側セパレータ１０４とカソードガス用溝１０５が形成されたカソード極側セパレータ１０６とで挟み、かつ、セパレータ１０４，１０６間の電解質１００と電極膜１０１，１０２の周りをシール材１０７でシールして燃料電池セル１０８が構成される。
【０００３】
アノード極側触媒層付電極膜１０１ではアノード極側セパレータ１０４のアノードガス用溝１０３から供給された水素ガスが、アノード極側触媒層付電極膜１０１を通過させて反応帯域近くに達し、触媒に吸収されて活性な水素イオンと電子に分かれる。この水素イオンは、電解質１００中の水分と共に電解質１００中を移動してカソード極側触媒層付電極膜１０２に移動する。
【０００４】
一方、カソード極側触媒層付電極膜１０２では、２個の電子を受け取り、カソード極側セパレータ１０６のカソードガス用溝１０５から供給された酸素分子が、高分子固体電解質１００からの水と反応して、水酸イオンを生成する。
【０００５】
１／２Ｏ2 ＋  Ｈ2 Ｏ  →  ２ＯＨ-
このカソードで生成した水酸イオンは、高分子固体電解質１００中を移動してきた水素イオンと反応して水を生成し、全体の回路を形成する。
【０００６】
従って、電池全体の反応は、
Ｈ2 ＋  １／２Ｏ2   → ２Ｈ2 Ｏ
となり、燃料ガス中の水素と空気中の酸素が反応し水が生成する反応となる。
【０００７】
実際の燃料電池は、図６に示した燃料電池セル１０８を多層に積層し、その燃料電池スタック１１０の各セル１０８にアノードガスとしての水素を供給するアノードガス導入管１１１と未反応のアノードガスと生成水を排出するアノードガス排出管１１２が接続されると共に、カソードガス導入管１１３とカソードガス排出管１１４とが接続されて構成される。
【０００８】
また、アノードガス用溝１０３とカソードガス用溝１０５とは同一方向に向いている必要は無く、図５（ｂ）に示すように、９０゜向きが違っていても構わない。
【０００９】
図７は、セパレータ１０４，１０６の詳細を示し、図８はそのセパレータの断面図を示したものである。
【００１０】
図７（ａ）、図８（ａ）に示すように、アノード極側セパレータ１０４は、そのアノードガス用溝１０３が、アノードガス導入管１１１に繋がる導入流路穴１１５とアノードガス排出管１１２に繋がる排出流路穴１１６に連通するように形成される。
【００１１】
また、図７（ｂ）、図８（ｂ）に示すように、カソード極側セパレータ１０６は、そのカソードガス用溝１０５が、カソードガス導入管１１３に繋がる導入流路穴１１７とアノードガス排出管１１４に繋がる排出流路穴１１８に連通するように形成される。
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
これらセパレータ１０４，１０６は、カーボン板に溝を掘ってガス用溝１０３，１０５を形成するため、そのガス流路は細く圧力損失が発生しやすい。
【００１３】
一般にカーボン板は、脆く、溝加工の山の部分の幅を広く取らないと機械的強度が不足するため、山の部分の幅をある程度広く取るようにしている。
【００１４】
しかしながら、セパレータの山の部分が電極膜に強く押し付けられると、その部分では、原料ガスが到達せず、効率が低下する問題がある。
【００１５】
特に、酸化剤として、純酸素の使用は経済的でなく、大気をそのまま用いるようにしている。しかし、大気中の酸素濃度は約２０％程度のため、燃料ガス（水素）に対して酸化剤（酸素）の量が少なく、酸素の供給・排出がうまく行かないと、カソード電極近傍の酸素濃度が下がったままとなり、電池の発電効率の大幅な低下につながる。
【００１６】
また、カソード極側触媒層付電極膜１０２は、プロトンと酸素が反応して水が生成されると共に、これがアノード極側触媒層付電極膜１０１側に移動する間に、動作温度下で、カソード極側で凝縮し、その凝縮水で、カソード側のガス流路を塞ぎかねない問題がある。
【００１７】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、カソード側の電極とカソードガス（酸化剤ガス）の接触面積を大きく取ることが可能な燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
上記目的を達成するための請求項１の発明は、固体高分子電解質をアノード極側触媒層付電極膜とカソード極側触媒層付電極膜で挟み、これら電極膜にそれぞれカソードガスとアノードガスを供給して発電する燃料電池セルにおいて、ベース板に、アノード極側セパレータ、アノード極側触媒層付電極膜、固体高分子電解質及びカソード極側触媒層付電極膜からなる燃料電池セルを収容する多数のセル収容室を形成し、そのベース板に、収容した各燃料電池セルのカソード極側触媒層付電極膜の略全面をカソードガスに開放させるように開口部を形成したカソードカバーを設けると共にそのカソードカバーをベース板に保持させた燃料電池セルユニットである。
【００１９】
請求項２の発明は、ベース板には、各アノード極側セパレータにアノードガスを供給するための燃料ガス流路が形成された請求項４記載の燃料電池セルユニットである。
【００２０】
請求項３の発明は、アノード極側セパレータの表裏面にアノード流路を形成し、そのアノード極側セパレータの表裏をアノード極側触媒層付電極膜で覆うと共に固体高分子電解質とカソード極側触媒層付電極膜を順次覆って形成し、カソード極側触媒層付電極膜の略全面をカソードガスに開放させ、カソード極側触媒層付電極膜にセパレータ等の構造体を直接接触させない構造とした燃料電池セルである。
【００２１】
請求項４の発明は、請求項３の燃料電池セルをカソードガス流路に多数並べて設けた燃料電池セルユニットである。
【００２２】
以上において、従来の燃料電池セルは、電解質をアノードとカソードのセパレータで挟む板状の積層構造であったものを、本発明においては、カソード極側触媒層付電極膜にセパレータ等の構造体を直接接触させない構造とすることで、カソード電極がカソードガスと接する面積をアノード電極側のアノードガスに接する面積より大きくすることが可能となり、これにより高効率の燃料電池を製作することができる。また部品点数を減らすことができるため、製造コストも大きく低減できる。
【発明の実施の形態】
【００２３】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２４】
図１（ａ）は本発明の一例を示す燃料電池セルユニットのカソード側からみた平面図を示し、図１（ｂ）は図１のＡ−Ａ線断面図を示す。
【００２５】
図１（ａ），図１（ｂ）において、１０は固体高分子電解質、１１は触媒付カーボンペーパからなるアノード極側触媒層付電極膜、１２は触媒付カーボンペーパからなるカソード極側触媒層付電極膜、１３はアノード極側セパレータで、アノード用ガス流路用溝１４が多数形成され、これらで燃料電池セル２６が形成される。
【００２６】
燃料電池セル２６は、アノード極側セパレータ１３のアノード用ガス流路用溝１４が形成された面にアノード極側触媒層付電極膜１１が配置され、そのアノード極側触媒層付電極膜１１の面を覆うと共にアノード極側セパレータ１３の周囲を囲むように固体高分子電解質１０が設けられ、更に、カソード極側触媒層付電極膜１２が設けられて構成される。
【００２７】
この燃料電池セル２６を、一例として同一平面上に３×３になるように並べて燃料電池ユニット３６を構成する。
【００２８】
各燃料電池セル２６は、ポリカーボネイト樹脂等の絶縁体で形成したベース板３２に形成したセル収容室３３に収容される。すなわち、セル収容室３３に、アノード極側セパレータ１３、アノード極側触媒層付電極膜１１、固体高分子電解質１０及びカソード極側触媒層付電極膜１２の順に収容した後、各カソード極側触媒層付電極膜１２の周縁を覆うよう碁盤目状の開口部３４を形成したカソードカバー３５を被覆し、そのカソードカバー３５をベース板３２の背面に係合して３×３の燃料電池セル２６からなる燃料電池ユニット３６が構成される。
【００２９】
また、ベース板３２には、各燃料電池セル２６のアノード極側セパレータ１３にアノードガスを供給するための燃料ガス流路３７が形成される。さらに、各燃料電池セル２６は、図には示していないが電気的に直列につないである。
【００３０】
このように、カソード極側触媒層付電極膜１２は、その周囲なく、カソードカバー３５の開口部３４の枠で押さえられるものの、略全面がカソードガスに開放されていることにより、アノード極側触媒層付電極膜１１がアノード用ガス流路用溝１４を介してアノードガスと接する面積より充分に大きくすることができるため、発電効率を向上することが可能となる。
【００３１】
電解質膜１０としては、デュポン社製のＮａｆｉｏｎＮ−１１５を用い、カソードガス原料として大気圧空気を用い、アノード側に純水素０．５気圧で供給して発電を行ったところ、１セル当たり０．７Ｖ×０．５Ａ／ｃｍ２ を得ることができ、９個直列につなぐことで、電圧出力６．３Ｖを得た。
【００３２】
図２，図３は、アノード極側セパレータ４３の表裏面にアノード流路４４を形成し、そのアノード極側セパレータ４３の表裏をアノード極側触媒層付電極膜４１で覆うと共に固体高分子電解質４０とカソード極側触媒層付電極膜４２を順次覆って燃料電池セル４６としたものであり、アノード極側触媒層付電極膜４１、固体高分子電解質４０、カソード極側触媒層付電極膜４２の端部を燃料電池セルＭＥＡ膜用クリップ４５で保持すると共にテンション板４７により電極膜４１，４２と電解質４０の膜の弛みがでないように保持して構成したものである。
【００３３】
アノード極側セパレータ４３の表裏を覆うアノード極側触媒層付電極膜４１、固体高分子電解質４０、カソード極側触媒層付電極膜４２の幅は、アノード極側セパレータ４３の幅より小さく形成し、アノード極側セパレータ４３が露出した部分４８に、アノードガスや生成水の給排通路４９が形成される。
【００３４】
この図２，図３に示した燃料電池セル４６は、カソード極側触媒層付電極膜４２の略全面がカソードガスに開放し、セパレータなどの構造体と直接接することがないため発電効率を向上させることが可能となる。
【００３５】
図４は、図２，図３に示した燃料電池セル４６を用いて燃料電池セルユニット５６を形成した例を示したのである。
【００３６】
カソード流路５１を形成する管状の容器５０内に、燃料電池セル４６を多数取り付け、その燃料電池セル４６の給排通路４９にアノードガスを給排すると共に生成水を排出するための給排通路５３を、容器５０の管壁５２に形成して燃料電池セルユニット５６を構成する。
【００３７】
このように、燃料電池セル４６を管状の容器５０に複数個配して、燃料電池セルユニット５６を組むことで、省スペースで高電圧が取り出せるユニットとすることができると共に、アノードガスとカソードガスの給排構造も簡単なものとすることが可能となる。
【発明の効果】
【００３８】
以上要するに本発明によれば、カソード電極側がカソードガスに略全面開放できるため、大幅に発電効率を向上することができる。またカソードガス置換、生成水の排水が飛躍的に向上すると共にカソード側のセパレータが不要となるため、部品点数の低減、汚染原因も減らすことができ、コスト低減、信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図３】図２の側断面図である。
【図４】図３の燃料電池セルを用いて燃料電池セルユニットを構成した実施の形態を示す図である。
【図５】従来の燃料電池セルを示す断面図である。
【図６】図５の燃料電池セルを用いてセルユニットを構成した例を示す斜視図である。
【図７】図５のカソード，アノードセパレータの詳細を示す図である。
【図８】図７のセパレータの断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０  固体高分子電解質
１１  アノード極側触媒層付電極膜
１２  カソード極側触媒層付電極膜
１３  アノード極側セパレータ
２６ 燃料電池セル
３２ ベース板
３３ セル収容室
３５ カソードカバー
３６ 燃料電池ユニット
【図１】
0003622682.tif 000002
【図２】
0003622682.tif 000003
【図３】
0003622682.tif 000004
【図４】
0003622682.tif 000005
【図５】
0003622682.tif 000006
【図６】
0003622682.tif 000007
【図７】
0003622682.tif 000008
【図８】
0003622682.tif 000009