(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つの間に位置される複数の単セル、該単セル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単セル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リングを介してエンドプレート間に前記複数の単セルを一体に締め付けるための固定用ナットからなる携帯型燃料電池において、
前記単セルは、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両側に設けた酸素極および燃料極と、前記酸素極側に隣接して設けられた酸素流路板と、該酸素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セパレータ板とを含み、前記燃料極の外周部をアウターシールによって密封し、かつ前記酸素極および酸素流路板の内周部をインナーシールによって密封することを特徴とする携帯型燃料電池。
【請求項２】
前記固定用ナットの一方は、前記エンドプレートの中央から燃料を供給するために前記燃料分配マニホルドに連通する供給孔を有することを特徴とする請求項１に記載された携帯型燃料電池。
【請求項３】
前記燃料分配マニホルドは、親水性の合成繊維糸を前記タイボルトに軸線方向に沿って配置することによって形成したものであることを特徴とする請求項１に記載された携帯型燃料電池。
【請求項４】
前記固定用ナットの他方は、前記ボルトの端部においてワンタッチの操作により燃料の給排を行うことができ、前記燃料極に燃料を充填させることができるブリーダバルブを具備していることを特徴とする請求項１に記載された携帯型燃料電池。
【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、行楽における電源、家庭用の発電機等のさまざまな用途に使用することができる、軽くて静かな無公害の固体高分子型電池を用いた携帯型燃料電池に関する。
【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号明細書に記載されているものがある。図５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１４、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、さらに、燃料流路板１４に接続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３８ａ−３８ｄ、Ｏリング３６を介してナット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、燃料流れ場をなす流路板１４へ燃料を供給するための燃料分配マニホルドをなす親水性スリーブ３２に連通されるように、一方のエンドプレート２４と隣接する単セル１０のセパレータ板３４との間に燃料供給流路板２９が配置されて、エンドプレート２４の外周部に設けたポート２８を設けて、そこへ燃料を導き、電池の燃料流路板１４へ供給す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電解質型燃料電池では、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の両電極を設け、それらの両側に燃料流路板１４および酸素流路板１８を備えていて接触部分も多くなり、内部抵抗が大きく電池全体の性能が低下することになる。
【０００６】
また、燃料供給側の燃料供給流路板１４、２９、エンドプレート２４の燃料供給用のポート２８等の構成部品が多くなるだけでなく、燃料の流路がエンドプレートの横から燃料流れ場の流路板２９を介して中央に向って送給する構造を有するために、燃料供給路の流れ抵抗が増すとともに、燃料の濃度変動も大きくなり、安定したエネルギーの供給に影響を与えることになる。そして、構成部品が多くなるとメインテナンスも面倒になり、形状も複雑になり、寸法も大きくなる。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、流路板を減らすことにより部品点数を少なくして、接触部を減らし内部抵抗を下げて電池性能を向上させ、また、燃料をエンドプレートの中心から直接燃料分配マニホルドに送給することにより流路抵抗を減少することができる携帯型燃料電池を提供することを目的とするものである。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、構成部品を少なくすることにより、さらに小型で軽量化することができる携帯型燃料電池を提供することである。
【０００９】
【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、電解質型燃料電池における単セルが、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両側に設けた酸素極および水素極と、燃料極側に設けられた酸素流路板と、酸素流路板の外側および燃料極側の外側に接触して設けられたセパレータ板とを含み、燃料極の外周部をアウターシールによって密封し、かつ酸素極および酸素流路板の内周部をインナーシールによって密封することを特徴とする。
【００１０】
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燃料極側に設けられていた流路板を有していないので、その分接触面が２面少なくなり、接触部分の電気抵抗が減って、内部抵抗を減少させ電池のエネルギー発生を効率的にさせることができる。
【００１１】
（２）単セルの部品数が少なくなるので、全体として安価な製品とすることができ、単セル組み付けも容易になり生産効率を向上させることができる。
【００１２】
本発明の第二の手段は、固定用ナットの一方が、エンドプレートの中央から燃料を供給するために燃料分配マニホルドに連通する供給孔を有することを特徴とする。
【００１３】
この第二手段により、
（３）燃料が燃料流路を介さず単セルへの燃料分配マニホルドに直接供給されるので、流路抵抗が減少されて、燃料の供給を円滑に行うことができ、また、燃料供給の変動を少なくすることができる。したがって、安定した発電を行うことができる。
【００１４】
（４）電池における燃料流路を無くしたことにより、そのための構成部品を少なくすることができ、さらに電池を小型で、軽量化することが可能になる。
【００１５】
さらに、本発明の第三の手段は、燃料分配マニホルドが親水性の合成繊維糸をタイ・ボルトに軸線方向に沿って配置することによって形成したものであることを特徴とする。
【００１６】
（５）この第三の手段による燃料分配マニホルドは、親水性の合成繊維糸を用いたものであるので、手に入りやすい材料から選択することができ、経費もかからず取扱も簡単であるので容易に形成することができる。
【００１７】
また、本発明の第四の手段は、固定用ナットの他方が、ボルトの端部においてワンタッチの操作により燃料の給排を行うことができ、燃料極に燃料を供給することができるブリーダバルブを具備していることを特徴とする。
【００１８】
（６）この第四の手段による他方の固定ナットには、ブリーダバルブを具備したので、燃料電池の始動時にワンタッチの操作により、燃料を高分子電解質膜の燃料電極板側へと十分行き渡らせるように供給して、始動時の発電作用をスムーズに立ち上がらせることができる。
【００１９】
【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。
【００２０】
図１は、本発明の実施の形態に係る携帯型燃料電池の組立られた状態を示す斜視図であり、そして、図２は、その分解断面図である。この携帯型燃料電池は、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のステンレス製のセパレータ板３４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２ｍｍ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５ｍｍ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、空気としておくられるものである。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。
【００２１】
この単セル１０には、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、中央部分が開口されていて、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（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、最も外側の単セル１０のセパレータ板３４とエンドプレート２４の間にＥＰＤＭのような合成ゴム製のエンドガスケット２８が挟まれており、タイ・ボルト２６の両端部に切られ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２４、２４のそれぞれに対向してねじ込まれ、複数個の単セル１０を一体に固定することができる。
【００２２】
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３に示すように、中心部に中空孔４２が形成され、その反対側には軸線方向中央部まで内ねじ４６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４６の外側には、燃料の流路４４が少なくとも２箇所設けられ、中空孔４２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２４に接する面には、Ｏリング３６が嵌め込まれる円形状の溝４８が形成されている。
【００２３】
また、他方のナット５０は、図２に示すように、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５４が形成されている。内ねじ５６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５２が取り付けられ、連通孔５４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２４に接する面には円形状溝５８が形成され、Ｏリングが嵌め込まれている。
【００２４】
また、燃料分配マニホルド３２は、図４に示すように、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３２２に、親水性の合成繊維糸３２４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。
【００２５】
上記のような構成を有する携帯型燃料電池は、以下のように組み立てることができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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、携帯型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。
【００２９】
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１５ＭＰａ、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。
【００３０】
以上のように組み立てられた燃料電池には、携帯型燃料電池として、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。
【００３１】
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陽極となり、酸素極が陰極となって、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３２４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。
【００３２】
また、燃料極１３ａへの燃料の供給は、燃料流路板を設けることなく、直接おこなうので、接触する部品が少なく、直接接触する部分が少なくなっただけ、内部抵抗が小さくなり、燃料電池の性能を安定維持することができ、かつ部品数を少なくすことにより製造コストを低下させることができる。これは、燃料である水素ガス分子が他のガスに比して最も小さな分子であることにより、燃料極１３ａを多孔性材料で形成されているため、燃料流路を用いなくても速やかに水素分子が高分子電解膜１２に到達できることによる。
【００３３】
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。
【００３４】
【発明の効果】
本発明に係る携帯型燃料電池は、以上説明した構成により以下のような効果を奏する。
上記の携帯型燃料電池においては、単セルが高分子電解質膜の燃料極側にはセパレータ板との間に燃料極のみを有しているので、燃料が燃料極によって直接半径方向へと高分子電解質膜に沿って供給されることになり、燃料極との接触部分だけになり、それによる内部抵抗が減少されて、電池のエネルギー発生が効率的に行われることができるという優れた効果がある。
【００３５】
また、単セルの部品数が少なくなり、単純な構造にすることができ、全体として安価な製品にすることができるという効果がある。
【００３６】
また、燃料電池へ外部から燃料を供給するために、単セルを積層して一体に締め付けるための固定用ナットに供給孔を設けたので、エンドプレートの一部あるいは供給のための部材を別に設けることなく、直接燃料分配マニホルドに供給することがてき、燃料供給における流路抵抗が減少され、構成部品を少なくできるので、さらに携帯型燃料電池として小型で、軽量なものにすることができるという効果がある。
【００３７】
また、燃料分配マニホルドを親水性の合成繊維糸を使用したので、特殊装置を用いることなく手に入り易い材料によって燃料分配マニホルドを容易に形成することができるという効果がある。
【００３８】
さらに、固定用のナットの燃料供給孔を有する側とは反対側のナットに、ブリーダバルブを設けたので、燃料電池の始動時に、ワンタッチの操作により、燃料の給排を行うことにより燃料極への燃料の充填を行うことができ、始動時の発電作用を早期にかつスムーズに立ち上げ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携帯型燃料電池の概略斜視図である。
【図２】図１に示す携帯型燃料電池の分解断面図である。
【図３】図１に示す携帯型燃料電池に用いられる燃料供給側の固定ナットを示し、（Ａ）は線ＩＩＩＡ−ＩＩＩＡに沿ってみた断面図、（Ｂ）は（Ａ）の右側からみた正面図である。
【図４】図２に示す携帯型燃料電池に用いられる燃料分配マニホルドの側面図である。
【図５】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
２４  エンドプレート
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
３４  セパレータ板
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
３２２  フランジ
３２４  合成繊維糸
【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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