(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドプレート、該エンドプレートの２つの間にエンドガスケットを挟んで位置される複数のセル部、該セル部の中心部に位置されてそこへの燃料を供給するための燃料分配マニホルド、これらの部材を一体にするために前記燃料マニホルドおよび前記セル部の中心部を通される一本のタイ・ボルト、および該タイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に前記複数のセル部を一体に締め付けるための固定用ナットを有する空気吸い込み式燃料電池であって、
前記セル部が、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両側に対向して設けられた酸素極および燃料極と、前記酸素極側に隣接した流路板と、該流路板の外側および前記燃料極側の外側に隣接して設けられた集電板とを含み、
前記エンドプレート、前記エンドガスケットおよび前記集電板が前記セル部の流路板に連通するように外側に向って開放する連通路を有していることを特徴とする空気吸い込み式燃料電池。
【請求項２】
前記エンドプレート、前記エンドガスケットおよび前記集電板に設けられた連通路が中心軸線に対して平行な複数の貫通孔として形成されていることを特徴とする請求項１に記載された空気吸込み式燃料電池。
【請求項３】
前記セル部が互いに対称的な一対の単セルとして設けられ、両端部の前記エンドプレートに前記セル部の各単セルの流路板に連通するように連通路が設けられていることを特徴とする請求項２に記載された空気吸い込み式燃料電池。
【請求項４】
前記エンドプレートに設けられた連通路が前記セル部に面した溝として、中心軸線に対して直角方向に外側に開放するように設けられていることを特徴とする請求項１に記載された空気吸い込み式燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アウトドア、行楽、家庭用あるいは事務機器等の電源、発電機としてさまざまな用途に使用することができ、軽くて静かな無公害の固体高分子型電池として薄型にされた空気吸い込み式燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、一般に、水素を主燃料とし、この水素が酸素と化学反応した時のエネルギーとして取り出すものである。そして、燃料電池にはいくつかの種類があり、その一つとして、固体高分子電解質型燃料電池がある。この固体高分子電解質型燃料電池は、運転温度が低く、また出力密度が高いという特性を有している。
【０００３】
このような従来の固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池の一例として、米国特許第５，５９５，８３４号明細書、あるいは本願出願人の先願である特許出願第２００１−６６１０９号に記載されているものがある。そのようなものとして、図７に示すように、固体高分子電解質膜１２の両面にアノード（燃料極）１３ａおよびカソード（酸素極）１３ｂの両電極を備え、それらの両側に燃料および酸素流路板１８を備えていて、それらの両側に配置されたセパレータ板３４によって一体にされることにより単セル１０を形成し、この単セル１０を複数個積み重ねている。なお、セパレータ板に発電した電力を取り出すための端子が設けてあるものを集電板３５ａ，３５ｂとする。さらに、燃料極１３ａに連通された親水性のスリーブ３２からなる燃料分配マニホルドを単セル１０の中央孔を通して備え、スリーブ３２の中心を通されるタイ・ボルト２６の両端にエンドプレート２４をさらに設けることによって挟み、ワッシャ、Ｏリング３６を介してナット４０，５０によって一体に締付固定した構造を有したものがある。このような燃料電池は、低パワーの燃料電池に適しているために、小型で軽量のものとすることができる。
【０００４】
また、この高分子電解型燃料電池では、酸素極１３ａへ一方のナット４０の中心部から燃料が供給され、燃料分配マニホルド３２をなす親水性スリーブを通して分配されるような構成にされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の固体高分子電解質型燃料電池では、酸素を酸素流路板１８の外周側からのみ取り入れるため、流れ抵抗により中央部まで十分な酸素が届かず、発電能力に限界があった。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、セル部との空気の接触面積を増大させて、より多くの酸素の取り入れを可能にすることにより発電能力を向上させるようにした空気吸い込み式燃料電池を提供することを目的とするものである。
【０００７】
また、本発明の他の目的は、単位体積あたりの発電能力を向上させることにより材料コストを下げることができる空気吸い込み式燃料電池を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の第一の手段は、空気吸い込み式燃料電池において、エンドプレート、前記エンドガスケットおよび前記集電板が前記セル部の流路板に連通するように外側に向って開放する連通路を有していることを特徴とする。
【０００９】
この第一の手段によれば、以下のような作用を奏する。
（１）従来設けられていた酸素極側に設けられていた流路板においては、外周側からのみ空気を取り入れることにより、酸素極に対して酸素を供給していたが、さらにエンドプレート、エンドガスケットおよび集電板に設けた連通路を介して空気を流路板へ供給することができ、空気の流路板との接触を増大させることができ、酸素極への酸素の供給が増大され、高分子電解質膜を介した燃料（水素）との反応を促進させて発電能力を向上させることができる。
【００１０】
（２）エンドプレート、エンドガスケット、集電板に、特別な部品を加えることなく、ただ連通路を開けるだけで単位体積あたりの発電能力を上げることができるので、材料のコストを実質的に下げることができる。
【００１１】
本発明の第二の手段は、前記エンドプレート、前記エンドガスケットおよび前記集電板に設けられた連通路が中心軸線に対して平行な複数の貫通孔として形成されていることを特徴とする。
【００１２】
（３）この第二の手段による連通路は、中心軸線に平行に設けられているので、酸素流路板に最短距離で外側の空気が供給されることができ、流れ抵抗を最小にして、酸素極への酸素の供給を全体に均一に行うことができ、発電効率も向上させることができる。
【００１３】
さらに、本発明の第三の手段は、セル部が互いに対称的な一対の単セルとして設けられ、両端部のエンドプレート、エンドガスケット、セル部の各単セルの集電板に、流路板に連通するように連通路が設けられていることを特徴とする。
【００１４】
この第三手段により、
（６）セル部がエンドガスケットを中心に両側に単セルを有していて、この中心のエンドガスケットから順次集電板、燃料極、高分子電解質膜、酸素極、酸素流路板、集電板が配置されて、両端部においてエンドガスケットを挟んでエンドプレートが設けられているので、エンドプレートから酸素流路板に達するように流通路を設けることにより、両エンドプレート側から両単セルの酸素流路板へ空気の供給を行うことができるので、両単セルへの空気の供給を十分に行うことができ、発電能力だけでなく発電容量も高めることができる。
【００１５】
また、本発明の第四の手段は、エンドプレートに設けられた連通路が前記セル部に面した溝として、中心軸線に直角方向に外側に開放するように設けられていることを特徴とする。
【００１６】
（５）この第四の手段によるエンドプレートに設けられた連通路は、セル部に面した側において半径方向外側に向って開放するような複数の溝として酸素流路板に対向して設けられているので、集電板に貫通孔を設けることにより、外側の空気を外周側から酸素流路板の広範囲に亘って満遍なく供給することができ、発電効率を上げることができる。
【００１７】
（６）  また、この第四の手段により、複数の単セルを積み重ねたものとした場合、同じ配置の単セルを積み重ねても、単セル間に上記のようなエンドプレートを挟むことにより、酸素流路板には外周側からだけでなく、酸素流路板に半径方向外側の広い範囲に外側の空気を直接溝を通して供給することができるので、発電能力を従来ものより上げることができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００１９】
図１は、本発明の実施の形態に係る空気吸い込み式燃料電池の分解された状態を示す断面図であり、そして、図２は、この空気吸い込み式燃料電池に用いられるエンドプレート板を示し、図２（ａ）は図２（ｂ）における線２ａ−２ａに沿って取られた断面図であり、図２（ｂ）はその平面図である。この空気吸い込み式燃料電池は、水素等の燃料を使用した固体高分子型燃料電池と称されるものであり、他の構成部材より大きな直径を有する厚さ０．３ｍｍのステンレス製の集電板３４ａ，３４ｂの間に、厚さ０．０５ｍｍのパーフルオロカーボンスルフォン酸ポリマー材からなる固体高分子電解質膜１２、この固体高分子電解質膜１２の両側に配置されるシート状のカーボン素材からなり厚さ０．５ｍｍ、内径１５ｍｍ、外径４５ｍｍの寸法を有する燃料極１３ａ、厚さ０．５ｍｍ、内径１９ｍｍ、外径５５ｍｍの寸法を有する酸素極１３ｂ、この酸素極１３ｂの外側に配置される厚さ３．５ｍｍ、内径１９ｍｍ、外径５５ｍｍの寸法を有するカーボン素材板からなる酸素流路板１８、燃料極１３ａの外周部を密封するためのＥＰＤＭのような合成ゴムからなる幅５ｍｍの環状をしたアウターシール１６、および酸素極１３ｂと酸素流路板１８との内周部を密封するＥＰＤＭのような幅２ｍｍの寸法を有するインナーシール２２を有する単セル１０を含むものである。以下の実施の形態では、主として燃料は水素であり、酸素は空気中の酸素であって、空気として送られるものである。また、固体高分子電解質膜１２は、化学反応のための触媒を被着したものである。
【００２０】
また、他の実施の形態による空気吸い込み式燃料電池においては、図３に示すように、単セル１０に対して他の単セル１０’を積み重ねの順番を逆にすることにより、即ち、一方の単セル１０のエンドガスケット２８ａを中心にして集電板、燃料極、高分子電解質膜、酸素極、酸素流路板、集電板の順序に積み重ねて、エンドガスケット２８ｂを挟んでエンドプレート２４ｂによって他方の単セル１０’を形成して、上記実施の形態と同様にタイ・ボルト２６の両端部にナット４０，５０をねじ込むことにより一体にされている。
【００２１】
このような二つの単セル１０、１０’を組合せることにより、酸素極１３ｄには、一方の単セル１０における酸素極１３ｂと同様にエンドプレート２４ａの連通孔、エンドガスケット２８ｃ，集電板３４ｄの貫通孔を通して外側の空気が酸素流路板１８ｂに供給することができる。したがって、同等の二つの単セル１０、１０’を組み合わせることができるので、十分な酸素の供給による発電性能を向上させるだけでなく、発電容量も増大させることができる。
【００２２】
さらに、本発明のさらに他の実施の形態によれば、図４および図５に示されるように、酸素極１３ｅ側のエンドプレート２４ｃにおいて、酸素極１３ｅ側の面に中心軸線に直角方向の複数の溝２４ｃ’と、これらの溝２４ｃ’を互いに連通させる円形状の溝２４ｃ”とが図５（ａ）に示されるように設けられている。そして、エンドガスケット２８ｄおよび集電板３４ｅにも、エンドプレート２４ｃに設けた溝２４ｃ対応して貫通孔２８ｄ’、３４ｅ’が形成され、外側の空気が半径方向の溝２４ｃ’、貫通孔２８ｄ’、３４ｅ’を経て、酸素流路板１８ｄに送られる。したがって、酸素極１３ｅへの酸素の供給が他の実施の形態において同様に十分に行うことができる。
【００２３】
以上のような実施の形態における空気吸い込み式燃料電池は、従来の燃料電池と対比すると、図６に示すような発電性能を有し、高電圧、低電流の出力状態では大差ないものの、電圧が低下するに従って、従来のものにない高電流の出力を得ることができ、広範囲の用途に対応させることがきる。
【００２４】
単セル１０は、図７に示す従来の固体分子電解質型燃料電池の断面図において、必要とする出力に応じた数だけ重ねられて、一体にするために、直径６ｍｍ、長さ１００ｍｍの寸法を有するタイ・ボルト２６がその外側に芳香族ポリアミド：ケブラー（ＫＥＶＬＡＲ）（商品名）からなる親水性合成繊維糸によって軸線方向に配置された燃料分配マニホルド３２を包囲して取り付けられて貫通されている。そして、最も外側の単せるセパレータ板となる集電板３４ａとエンドプレート２４ａ，２４ｂの間にＥＰＤＭのような合成ゴム製のエンドガスケット２８ｂが挟まれており、タイ・ボルト２６の両端部に形成したねじに対してステンレス製のナット４０、５０がエポキシ樹脂製の厚さ１０ｍｍ、内径１５ｍｍ、外径５５ｍｍの寸法を有するエンドプレート２４ａ、２４ｂのそれぞれに対向してねじ込まれ、単セル１０を一体に固定するだけでなく、複数個の単セル１０を一体に固定することもできる。
【００２５】
図１のような酸素流路板１８側のエンドプレート２４ｂには、エンドガスケット２８ｂ、集電板３４ｂに形成された貫通孔３４ｂ’、２８ｂ’と整合した連通孔２４ｂ’が形成されていて、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように配置されて、酸素流路板１８に達するように設けられている。本来、酸素流路板１８は、その外周部分から空気が進入することができるとともに、この連通孔２４ｂ’からも空気が進入することができる。
【００２６】
このような単セル１０を一体にするための一方のナット４０は、図７に示すように、中心部に中空孔が形成され、その反対側には軸線方向中央部まで内ねじが切られていて、タイ・ボルト２６をねじ込むことができるとともに、内ねじの外側には、燃料の流路が少なくとも２箇所設けられ、中空孔と連通されていて、燃料分配マニホルド３２への燃料供給を可能にする燃料供給孔をなしている。そして、エンドプレート２４ａに接する面には、Ｏリングが嵌め込まれる円形状の溝が形成されている。
【００２７】
また、他方のナット５０は、図７示すように、一方のナット４０と同様に、タイ・ボルト２６の端部ねじがねじ込まれるようにほぼ軸線方向中央部分までは内ねじ５６が切られ、その半径方向外側には燃料分配マニホルド３２への連通孔が形成されている。内ねじの軸線方向反対側には燃料をワンタッチ操作によるチャージが可能なステンレス製のブリーダバルブが取り付けられ、連通孔を介して燃料分配マニホルド３２、燃料極１３ａへの燃料の給排を行うことにより充填を補助することができる。そして、エンドプレート２４ｂに接する面には円形状溝が形成され、Ｏリングが嵌め込まれている。
【００２８】
また、燃料分配マニホルド３２は、燃料の供給と発生した水の吸収保持のために、筒状のハウジングの両端に設けたフランジに、親水性の合成繊維糸を係止することにより筒体表面上に張り渡して軸線方向に配置することにより形成されたものである。
【００２９】
上記のような構成を有する空気吸い込み式燃料電池は、以下のように組み立てることができる。
【００３０】
まず、タイ・ボルト２６の一端に一方のナット４０を予め取り付けた状態で、好ましくは垂直に立てた状態で、燃料分配マニホルド３２を被せるように取り付ける。このように燃料分配マニホルド３２を被せたタイ・ボルト２６が燃料電池の中心軸を構成する。
【００３１】
この中心軸に対して、最も外側のエンドプレート２４、エンドガスケット２８が順次その中心孔に挿入されて準備され、単セル１０を構成するように、セパレータ板３４、燃料極１３ａ、その半径方向外側に位置するアウターシール１６、固体高分子電解質膜１２、インナーシール２２、その半径方向外側に位置する酸素極１３ｂと酸素流路板１８、およびセパレータ板３４がそれらの中心孔に挿入されて順次積み重ねることによって組み立てられる。
【００３２】
この後、次の単セル１０のために、前の単セル１０の最後のセパレータ板３４に対して、前の単セル１０と同様に、燃料極１３ａ、その半径方向外側に位置するアウターシール１６、固体高分子電解質膜１２、インナーシール２２、その半径方向外側に位置する酸素極１３ｂと酸素流路板１８、およびセパレータ板３４が中心軸に挿入されて組み立てられる。この単セル１０は、空気吸い込み式燃料電池の規定の出力に応じた数だけ順次繰り返されて、積み重ねられて組み立てられる。
【００３３】
最後に、最も外側の単セル１０のセパレータ板３４に対してエンドガスケット２８を挟んで、エンドプレート２４がその中心孔に中心軸が通されて積み重ねられる。この単セル１０の積層体にされたスタックは、所定の圧力、例えば、約１．５ＭＰａ、で押さえられる。この状態で、中心軸のタイ・ボルト２６の端部のねじにブリーダバルブ５２を取り付けた他方のナット５０がねじ込まれて、スタックの全体を所定トルク、例えば、６．８Ｎｍ、で締め付けて固定する。
【００３４】
以上のように組み立てられた燃料電池には、空気吸い込み式燃料電池として、一方のナット４０に水素発生装置等からの燃料が供給されるようにチューブ等がさらに接続される。水素等の燃料は、一方のナット４０の燃料供給孔をなす中空孔４２、燃料流路４４を通って燃料分配マニホルド３２に供給され、タイ・ロッド２６に沿った燃料分配マニホルド３２によって、各単セル１０の燃料極１３ａの内端部に送られる。燃料極１３ａは、シート状のカーボン素材からなるために、その多孔性の材料の空隙を通して、特別に燃料流路板を設けることなく半径方向に送ることができ、そして外周部をアウターシール１６によって密封しているので、固体高分子電解質膜１２へ供給するように送ることができる。この固体高分子電解質膜１２の反対側には、酸素極１３ｂと酸素流路板１８が設けられているので、酸素流路板１８の多孔性材料の空隙によって外側から空気が送られ、空気中の酸素が酸素極１３ｂに供給される。
【００３５】
このようにして、固体高分子電解質膜１２の両側に送られた燃料と酸素は、そこで化学反応して燃料極が陰極となり、酸素極が陽極となって、発電作用を行う。また、その際の水和作用により、水の発生、発熱を伴うが、発生した水は、燃料分配マニホルド３２において、親水性合成繊維糸に吸収されるため、燃料分配マニホルド３２において発生した水が溜まって燃料極１３ａへの燃料の供給を阻止することはない。また、発生した熱によって水が蒸発してし、大気中へ放散される。また、セパレータ板３４は、他の構成部材より半径が大きな寸法を有しているので、発生した熱を放熱するように他の構成部材より突出した部分を放熱フィンとして機能させることができる。
【００３６】
なお、上記実施例の各構成部材における寸法は、それらに限定されるものではなく、一例に過ぎないことは言うまでもなく、用途に応じて、要求される出力に応じて、決定されるものである。
【００３７】
【発明の効果】
本発明に係る空気吸い込み式燃料電池は、以上説明した構成により以下のような効果を奏する。
上記の空気吸い込み式燃料電池においては、エンドプレート、エンドガスケットおよび集電板がセル部の流路板に連通するように外側に向って開放する連通路を有しているので、酸素極への酸素を空気によって供給するために、エンドプレート、エンドガスケット、集電板を通って外側の空気を最短距離で酸素流路板に送ることができ、流れ抵抗も最小限にして十分な酸素の供給ができ、発電性能を向上させることができるという優れた効果がある。
【００３８】
また、セル部が互いに対称的な一対の単セルとして設けられ、両端部のエンドプレート、エンドガスケット、セル部の各単セルの集電板に、流路板に連通するように連通路が設けられているので、両単セルへの酸素の供給がエンドプレートの流通路を介して、エンドガスケット、集電板の貫通路によって外側からの空気を各単セルの酸素流路板へ供給することができ、各単セルの発電性能を向上させるだけでなく、同程度の発電性能を有する二つの単セルにより発電容量も向上させることができるという優れた効果がある。
【００３９】
さらに、エンドプレート、エンドガスケットおよび集電板に設けられた連通路が中心軸線に対して平行な複数の貫通孔として形成されているので、酸素流路板の酸素極とは反対側の面に隈なく電池外側の空気を取り込むことができ、それにより酸素流路板への均一な酸素の供給が行われ、十分な酸素供給による発電性能を向上させることができるという効果がある。
【００４０】
また、エンドプレートに設けられた連通路がセル部に面した溝として、中心軸線に直角方向に外側に開放するように設けられているので、複数の単セルが積み重ねられた燃料電池においても、即ち、酸素流路板がセル部の外側から遠い中央部分に位置されていても、このようなエンドプレートをエンドガスケットととも単セル間に挟むことによって、溝を通して十分な空気を各単セルの酸素流路板に対して供給することがてき、複数の単セルからなる燃料電池においても、電池性能を全体として向上させることができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による空気吸い込み式燃料電池の概略断面図である。
【図２】図１に示す空気吸い込み式燃料電池におけるエンドプレートを示し、（ａ）は図２（ｂ）の線２ａ−２ａに沿って取られた断面図、（ｂ）はその正面図である。
【図３】本発明の他の実施の形態による空気吸い込み式燃料電池の概略断面図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態である空気吸い込み式燃料電池の概略断面図である。
【図５】図４に示す空気吸い込み式燃料電池のエンドプレートを示し、（ａ）は線５ａ−５ａに沿って取られた断面図、（ｂ）は正面図である。
【図６】本発明による空気吸い込み式燃料電池の出力特性を示すグラフである。
【図７】従来の高分子型燃料電池の分解縦断面図である。
【符号の説明】
１０  単セル
１２  固体高分子電解質膜
１３ａ  燃料極
１３ｂ  酸素極
１６  アウターシール
１８  酸素流路板
２２  インナーシール
２４ａ，２４ｂ  エンドプレート
２４ｂ’  連通孔
２４ｃ’  溝
２４ｃ”  円形溝
２６  タイ・ボルト
２８  エンドガスケット
３２  燃料分配マニホルド
３４ａ  集電板
３４ｂ  集電板
３６  Ｏリング
４０  ナット
４２  中空孔
４４  燃料流路
４６  内ねじ
４８  円形状溝
５０  ナット
５２  ブリーダバルブ
５４  連通孔
５６  内ねじ
５８  円形状溝
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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