(57)【要約】  薄いエンドプレートやセパレータなどを積層して構成した燃料電池スタックは、積層方向に平行な第１側面と第２側面とを有する。アノード側のエンドプレートは、第１側面上に平面部を有する。平面部の、積層方向の寸法は、エンドプレートが膜電極接合体を挟持する部分の厚さよりも大きく形成されている。そして、平面部には外部から燃料を取り込む燃料入口が形成されている。
2010016247.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を、前記膜電極接合体の積層方向両側から挟むアノード側のエンドプレートと、カソード側のエンドプレートと、を備えた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは前記積層方向に平行な第１側面を有し、
前記アノード側のエンドプレートは、前記第１側面上に、前記アノード側のエンドプレートが前記膜電極接合体を挟持する部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第１平面部を有し、前記第１平面部には外部から燃料を取り込む第１燃料入口が形成された、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは前記第１側面とは異なり、前記積層方向に平行な第２側面をさらに有し、
前記カソード側のエンドプレートは、前記第２側面上に、外部から酸化剤を含むガスを取り込む第１ガス入口を有する、
請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記カソード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第２側面上に、外部から前記ガスを取り込む第２ガス入口を有する、
請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記アノード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第１側面上に、前記セパレータが前記膜電極接合体に挟持された部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第２平面部を有し、前記第２平面部には外部から前記燃料を取り込む第２燃料入口が形成された、
請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１平面部と、前記エンドプレートに隣接する前記セパレータの前記第２平面部とを、前記積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けた、
請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第１平面部と前記第２平面部とを同一平面上に設けた、
請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記膜電極接合体が３以上であり、前記セパレータが２以上であり、前記第２平面部同士を前記積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けた、
請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１平面部と複数の前記第２平面部とを同一平面上に設けた、
請求項７記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１記載の燃料電池スタックと、
前記第１平面部に対応する位置に第１燃料吐出部を有し、前記第１燃料入口へ前記燃料を供給する燃料供給部と、を備え、
前記燃料供給部は、前記第１燃料吐出部に、前記第１平面部より小さい第１シール材を有する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックは、前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記アノード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第１側面上に、前記セパレータが前記膜電極接合体に挟持された部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第２平面部を有し、前記第２平面部には外部から前記燃料を取り込む第２燃料入口が形成され、
前記燃料供給部は前記第２平面部に対応する位置に第２燃料吐出部をさらに有し、前記第１燃料入口と前記第２燃料入口へ前記燃料を供給し、
前記燃料供給部は、前記第２燃料吐出部に、前記第２平面部より小さい第２シール材をさらに有する、
請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックは、前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記アノード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第１側面上に、前記セパレータが前記膜電極接合体に挟持された部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第２平面部を有し、前記第２平面部には外部から前記燃料を取り込む第２燃料入口が形成され、
前記燃料供給部は前記第２平面部に対応する位置に第２燃料吐出部をさらに有し、前記第１燃料入口と前記第２燃料入口へ前記燃料を供給し、
前記燃料供給部は、前記第１燃料吐出部と前記第２燃料吐出部のそれぞれから吐出する燃料流量を個別に制御可能である、
請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１記載の燃料電池スタックと、
前記第１燃料入口へ前記燃料を供給する燃料供給部と、
ガス吐出部を有し、前記第１ガス入口へ前記ガスを供給するガス供給部と、を備え、
前記燃料電池スタックは前記第１側面とは異なり、前記積層方向に平行な第２側面をさらに有し、
前記カソード側のエンドプレートは、前記第２側面上に、外部から酸化剤を含むガスを取り込む第１ガス入口を有し、
前記アノード側のエンドプレートは、前記第２側面上に、前記燃料の反応生成物と前記燃料の反応残分との少なくともいずれかを排出する第１燃料出口を有し、
前記ガス供給部の前記ガス吐出部と前記第１燃料出口からの排出物を受け取る受け部とを一体化した一体部材と、
前記第１ガス入口と前記第１燃料出口とを隔離するとともに、前記ガス吐出部と前記第１ガス入口とを結合し、前記受け部と前記第１燃料出口とを結合する第３シール材と、をさらに備えた、
燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池スタックは、前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記アノード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第１側面上に、前記セパレータが前記膜電極接合体に挟持された部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第２平面部を有し、前記第２平面部には外部から前記燃料を取り込む第２燃料入口が形成され、
複数の前記膜電極接合体の前記カソード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第２側面上に、外部から前記ガスを取り込む第２ガス入口を有し、
前記燃料供給部は第１燃料入口と前記第２燃料入口へ前記燃料を供給し、
前記ガス供給部は前記第１ガス入口と前記第２ガス入口へ前記ガスを供給し、
前記セパレータは、前記第２側面上に、前記燃料の反応生成物と前記燃料の反応残分との少なくともいずれかを排出すると第２燃料出口をそれぞれ有し、
前記一体部材は前記ガス供給部の前記ガス吐出部と前記第１燃料出口と前記第２燃料出口からの排出を受け取る受け部とを一体化して構成され、
前記第３シール材は前記第１ガス入口および前記第２ガス入口と、前記第１燃料出口および前記第２燃料出口とを隔離するとともに、前記ガス吐出部と前記第１ガス入口および前記第２ガス入口とを結合し、前記受け部と前記第１燃料出口および前記第２燃料出口とを結合する、
請求項１２記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックとそれを用いた燃料電池システムに関し、特に燃料電池スタックへ燃料や酸化剤を供給する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。【０００３】
燃料電池システムは、セルスタックを含む燃料電池スタックと、このセルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。セルスタックはアノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配して構成されている。【０００４】
一般に、エンドプレートとセパレータには厚み方向に貫通する孔が設けられている。セルスタックを構成した際には、この孔が一致して燃料や酸化剤の流路が構成される。そしてエンドプレートの外側に配置されたバッキングプレートに設けられた燃料供給口や酸化剤供給口とこれらの流路が接続される（例えば、特許文献１）。【０００５】
しかしながらこの構造では、燃料や酸化剤の流路を形成するために、エンドプレート、セパレータ、バッキングプレートを精度よく積層する必要がある。また流路分だけエンドプレートやセパレータを大きく作製する必要があるため、セルスタックが大きくなる。【０００６】
一方、燃料や酸化剤を積層方向に平行な側面から供給する燃料電池スタックが提案されている（例えば、特許文献２）。この燃料電池スタックは、２つの単位セルを組み合わせてモジュールを形成し、このモジュールを電気的に接続することで構成されている。各単位セルでは、アノード側のエンドプレートの側面に燃料供給口が設けられ、この燃料供給口からアノード電極に対向する面に設けられた流路溝へ貫通孔が設けられている。これにより燃料を積層方向に平行な側面から供給することができ、燃料電池スタックを面方向に小型化できる。【０００７】
しかしながら特許文献２には、燃料供給口と、燃料電池スタックへ燃料を供給するポンプなどの装置との接続部分のシール構造が詳細に開示されていない。燃料であるメタノールなどは毒性を有するため、緊密にシールする必要があるが、エンドプレートを薄くすると燃料供給口も小さくなるため燃料漏れを防止しつつ接続するのは困難である。【０００８】
また特許文献２ではモジュール内の単位セルの燃料供給口が１つにまとめられ、これに対して一律に燃料を供給するようになっている。しかしながらセルには起電力や流路圧損にバラツキがあるため、単位セル毎に燃料流量を制御することが好ましい。これに対し上記の燃料供給方式では単位セル毎に燃料流量を制御することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３１７３１０号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１５２５号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、薄いエンドプレートやセパレータを用いて積層方向に平行な側面から燃料を供給する場合でも、燃料ポンプとの接続が確実な構造を有する燃料電池スタックである。
【００１１】
本発明による燃料電池スタックは、膜電極接合体と、一対のエンドプレートとを有する。膜電極接合体とエンドプレートとは燃料電池セルを構成している。膜電極接合体はアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。エンドプレートは膜電極接合体を、膜電極接合体の積層方向両側から挟むように配置されている。燃料電池スタックは積層方向に平行な第１側面と第２側面とを有する。アノード側のエンドプレートは、第１側面上に第１平面部を有する。第１平面部の、積層方向の寸法は、アノード側のエンドプレートが膜電極接合体を挟持する部分の厚さよりも大きく形成されている。そして、第１平面部には外部から燃料を取り込む第１燃料入口が形成されている。カソード側のエンドプレートは、第２側面上に、外部から酸化剤を含むガスを取り込む第１ガス入口を有する。
【００１２】
この燃料電池スタックでは、第１燃料入口を第１平面部に形成したことにより、薄いエンドプレートを用いた場合でも第１平面部を用いて、確実にシールして燃料供給部（燃料ポンプ）と接続することができる。これにより、燃料漏れを防ぐことができる。このように、燃料供給部から燃料電池スタックへ燃料を送る接続部分のシール性を確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。
【図２Ａ】図２Ａは本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは本発明の実施の形態における燃料電池スタックの、図２Ａの反対側を示す斜視図である。
【図３】図３は図２Ａに示す燃料電池スタックの、燃料供給側の拡大断面図である。
【図４】図４は図２Ａに示す燃料電池スタックのセパレータの、アノード電極に対向する面の平面図である。
【図５】図５は図２Ｂに示す燃料電池スタックの、空気供給側の拡大断面図である。
【図６】図６は図２Ｂに示す燃料電池スタックのセパレータの、カソード電極に対向する面の平面図である。
【図７】図７は図２Ａに示す燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図である。
【図８】図８は図２Ｂに示す燃料電池スタックと図１に示す燃料ポンプとの接続を説明するための斜視図である。
【図９】図９は図２Ｂに示す燃料電池スタックと図１に示す空気ポンプとの接続を説明するための斜視図である。
【図１０】図１０は図２Ｂに示す燃料電池スタックの第２側面の正面図である。
【図１１】図１１は図２Ｂに示す燃料電池スタックの第２側面に取り付ける一体部材の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２Ａ、図２Ｂは、本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図である。図３は図２Ａに示す燃料電池スタックの、燃料供給側の拡大断面図、図４は同燃料電池スタックのセパレータの、アノード電極に対向する面の平面図である。図５は同燃料電池スタックの、空気供給側の拡大断面図、図６は同燃料電池スタックのセパレータの、カソード電極に対向する面の平面図である。図７は同燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図である。
【００１６】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料タンク４と、燃料ポンプ５と、空気ポンプ６と、制御部７と、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９とを有する。燃料電池スタック１は起電部を有し、発電された電力は負極のアノード端子３と正極のカソード端子２から出力される。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。燃料ポンプ５は燃料タンク４の中の燃料を燃料電池スタック１のアノード電極３１に供給する。空気ポンプ６は酸化剤である空気を燃料電池スタック１のカソード電極３２に供給する。制御部７は燃料ポンプ５と空気ポンプ６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。燃料タンク４と燃料ポンプ５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極３１に燃料を供給する燃料供給部を構成している。一方、空気ポンプ６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極３２に酸化剤である酸素を含むガスを供給するガス供給部を構成している。
【００１７】
図７に示すように、アノード電極３１には燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード電極３２には空気が供給される。なお、燃料供給部、ガス供給部は上述の構成に限定されない。
【００１８】
図２Ａに示すように、燃料電池スタック１は、セルスタック１６と、バッキングプレート１４、１５と、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを有する。セルスタック１６は、図７に示す起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）３５と、ＭＥＡ３５を挟むように配置されたセパレータ３４と、一対のエンドプレート１７、１８とを有する。エンドプレート１７、１８はＭＥＡ３５の積層方向両端、すなわちＭＥＡ３５とセパレータ３４との積層方向両端からＭＥＡ３５とセパレータ３４を挟んでいる。図７に示すようにＭＥＡ３５は、アノード電極３１と、カソード電極３２と、アノード電極３１とカソード電極３２との間に介在する電解質膜３３とを積層して構成されている。
【００１９】
アノード電極３１はセパレータ３４の側から順に、拡散層３１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３１Ｂ、触媒層３１Ｃを積層して構成されている。カソード電極３２もまた、セパレータ３４の側から順に、拡散層３２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３２Ｂ、触媒層３２Ｃを積層して構成されている。アノード端子３はアノード電極３１に、カソード端子２はカソード電極３２に、それぞれ電気的に接続されている。拡散層３１Ａ、３２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ３１Ｂ、３２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。触媒層３１Ｃ、３２Ｃは白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。電解質膜３３は水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。
【００２０】
エンドプレート１７、１８およびセパレータ３４は、カーボン材やステンレス鋼で構成されている。図３、図４、図７に示すように、セパレータ３４の、アノード電極３１に対向する面にはアノード電極３１へ燃料を供給するための燃料流路溝３４Ｂが形成されている。一方、図５、図６、図７に示すように、セパレータ３４の、カソード電極３２に対向する面にはカソード電極３２へ空気を供給するための空気流路溝３４Ｄが形成されている。
【００２１】
図３に示すように、セパレータ３４の、ＭＥＡ３５より外側には平面部（第２平面部）３４Ａが設けられている。すなわち平面部３４Ａは積層方向に平行で、第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放された、セルスタック１６の第１側面上に設けられている。積層方向における平面部３４Ａの寸法は、セパレータ３４同士、あるいはセパレータ３４とエンドプレート１７とがＭＥＡ３５を挟持する部分のセパレータ３４の厚さよりも大きい。平面部３４Ａには、外部から燃料を取り込む燃料入口（第２燃料入口）３４１が設けられている。そして燃料入口３４１と燃料流路溝３４Ｂとを連通するように貫通孔３４Ｃが設けられている。一方、図５に示すように、セルスタック１６の積層方向に平行な第２側面には、外部から空気を取り込むガス入口（第２ガス入口）３４３が設けられている。第２側面もまた第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放され、第１側面に対向している。
【００２２】
なお燃料流路溝３４Ｂの、燃料入口３４１と反対側は、図４に示すように燃料の反応生成物と燃料の反応残分との少なくともいずれかを排出する燃料出口（第２燃料出口）３４２に連通している。後述するように、ガス入口３４３と燃料出口３４２とは上記第２側面上に設けられている。
【００２３】
なおアノード電極３１に対向するアノード側のエンドプレート１７にも燃料流路溝１７Ｂが形成され、カソード電極３２に対向するカソード側のエンドプレート１８にも空気を供給するための空気流路溝１８Ｄが形成されている。燃料流路溝１７Ｂは燃料流路溝３４Ｂと同様の形状に形成され、空気流路溝１８Ｄは空気流路溝３４Ｄと同様の形状に形成されている。またエンドプレート１７には燃料入口（第１燃料入口）１７１が設けられた平面部（第１平面部）１７Ａが形成され、燃料流路溝１７Ｂは貫通孔１７Ｃによって燃料入口１７１と連通している。セルスタック１６の積層方向に平行な第２側面には、外部から空気を取り込むガス入口（第１ガス入口）１８１が設けられている。
【００２４】
バッキングプレート１４はセルスタック１６におけるアノード電極３１の側に配置され、バッキングプレート１５はカソード電極３２の側に配置されている。バッキングプレート１４、１５は絶縁性の樹脂やセラミック、あるいはガラス繊維を含む樹脂、絶縁膜をコーティングされた金属板などで構成されている。
【００２５】
第１板ばね１１、第２板ばね１２は、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６をそのばね弾性力によって締め付けている。第２板ばね１２は第１板ばね１１に対向するように配置されている。第１板ばね１１、第２板ばね１２は、ばね鋼材などで構成されている。
【００２６】
次に、燃料電池スタック１における動作について簡単に説明する。図１、図７に示すように、アノード電極３１にはメタノールを含む水溶液が燃料ポンプ５によって供給される。一方、カソード電極３２には空気ポンプ６によって加圧された空気が供給される。アノード電極３１に供給された燃料であるメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層３１ＡにてＭＰＬ３１Ｂの全面に拡散する。これらはさらにＭＰＬ３１Ｂを通過して触媒層３１Ｃに達する。
【００２７】
一方、カソード電極３２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層３２ＡにてＭＰＬ３２Ｂの全面に拡散する。酸素はさらにＭＰＬ３２Ｂを通過して触媒層３２Ｃに達する。触媒層３１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層３２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。
【００２８】
【化１】
2010016247.tif 000003
【００２９】
【化２】
2010016247.tif 000004
【００３０】
その結果、電力が発生するとともに、アノード電極３１側には二酸化炭素が、カソード電極３２側には水が、それぞれ反応生成物として生成する。二酸化炭素は、燃料電池スタック１の外へと排気される。またカソード電極３２で反応しない窒素などの気体や未反応の酸素もまた燃料電池スタック１の外へと排気される。なお、アノード電極３１側では水溶液中のメタノールが全て反応するわけではないので、図１に示すように排出された水溶液を燃料ポンプ５へ戻すのが一般的である。またアノード電極３１の反応では水が消費されるため、図１に示すようにカソード電極３２で生成した水をアノード電極３１側へ戻してもよい。
【００３１】
本実施の形態では、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを用い、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６を締結している。第１板ばね１１、第２板ばね１２は図３に示すように、セルスタック１６の外形に沿うように極めてコンパクトにセルスタック１６を締結している。すなわち、セルスタック１６の側面においてデッドスペースが極めて小さくなり、従来のボルトとナットで締結する場合に比べ燃料電池スタック１を小さくすることができる。
【００３２】
また、ボルトとナットで締結する場合にはセルスタック１６の外側（外周付近）に押圧点があるが、第１板ばね１１、第２板ばね１２は、セルスタック１６の比較的中央寄りを押圧点としている。このため、バッキングプレート１４、１５の面方向においてセルスタック１６に均等に押圧力が作用する。このような押圧力によりセルスタック１６全体を均等に締結することができ、（１）式、（２）式に示す電気化学反応がＭＥＡ３５の面方向において均等に進行する。その結果、燃料電池スタック１の電流電圧特性が向上する。
【００３３】
次に、燃料電池スタック１と燃料ポンプ５との接続について、図２Ａと図８を用いて説明する。図８は燃料電池スタック１と燃料ポンプ５との接続を説明するための斜視図である。
【００３４】
図２Ａに示すように、平面部１７Ａ、３４Ａは燃料ポンプ５と接続される側面に形成されている。そして燃料ポンプ５の、平面部１７Ａに対応する位置には燃料吐出部（第１燃料吐出部）５１Ａが設けられ、平面部３４Ａに対応する位置には燃料吐出部（第２燃料吐出部）５１Ｂが設けられている。燃料吐出部５１Ａにはシール材（第１シール材）５２Ａが配置されている。同様に、燃料吐出部５１Ｂにはシール材（第２シール材）５２Ｂが配置されている。シール材５２Ａ、５２Ｂはそれぞれ平面部１７Ａ、平面部３４Ａより小さく形成されている。そして、燃料入口１７１と燃料吐出部５１Ａとを対向させ、燃料入口３４１と燃料吐出部５１Ｂとを対向させる。さらにシール材５２Ａ、５２Ｂが平面部１７Ａ、３４Ａにより圧縮されるように燃料ポンプ５と燃料電池スタック１とをボルトなどで締結することで燃料経路がシールされる。特に平面部１７Ａ、３４Ａより小さいシール材５２Ａ、５２Ｂを用いることにより、シール材５２Ａ、５２Ｂが平面部１７Ａ、３４Ａとの間で燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂと燃料入口１７１、３４１とを漏れなく結合することができる。
【００３５】
この構造によれば、薄いエンドプレート１７やセパレータ３４を用いた場合でも平面部１７Ａ、３４Ａを用いて、確実にシールして燃料ポンプ５と接続することができる。これにより、接続部分での燃料漏れを防ぐことができる。
【００３６】
なお図２Ａに示すように、平面部１７Ａとエンドプレート１７に隣接するセパレータ３４の平面部３４Ａとを積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けることが好ましい。またＭＥＡ３５が３以上であり、セパレータ３４が２以上である場合に、平面部３４Ａ同士を積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けることが好ましい。
【００３７】
図２Ａでは積層順に互い違いになる位置に平面部１７Ａ、３４Ａを設けている。このような位置関係により平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士が接触しない。したがってセルスタック１６内のショートを防止することができる。また燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂの配置に自由度が与えられる。
【００３８】
また平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士を、同一平面上に設けることがさらに好ましい。平面部１７Ａと平面部３４Ａとを、積層方向と垂直な方向において位置をずらしつつ同一平面上に設けることによって、燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂも同一平面上に設ければよい。これにより燃料ポンプ５において燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂを同一平面上に形成すれば平面部１７Ａ、３４Ａとのそれぞれのシールを確実にすることができる。
【００３９】
また燃料ポンプ５は、燃料吐出部５１Ａと燃料吐出部５１Ｂのそれぞれから吐出する燃料流量を個別に制御可能であることが好ましい。このような燃料ポンプ５を用いることにより、各単位セルに最適な流量で燃料を供給することができる。単位セルには起電力や流路圧損にバラツキがあるため、単位セル毎に燃料流量を制御することが好ましい。
【００４０】
次に、燃料電池スタック１と空気ポンプ６との接続について、図２Ｂと図９〜図１１を用いて説明する。図９は燃料電池スタック１と空気ポンプ６との接続を説明するための斜視図である。図１０は燃料電池スタック１の第２側面の正面図である。図１１は第２側面に取り付ける一体部材６１の断面図である。
【００４１】
ガス供給部を構成する空気ポンプ６は、図１１に示すようにガス吐出部６Ａを有し、図９に示すようにネジ等によって一体部材６１に取り付けられている。一体部材６１はガス吐出部７３、受け部７４、排出管７５を有する。ガス吐出部６Ａは一体部材６１のガス吐出部７３に連通している。受け部７４は一体部材６１には燃料出口１７２、３４２からの排出を受け取るように構成されている。受け部７４はさらに排出管７５に連通している。このように一体部材６１はガス吐出部７３と燃料出口１７２、３４２からの排出を受け取る受け部７４とを一体化して構成されている。
【００４２】
一方、セルスタック１６の、ガス入口１８１、３４３、および燃料出口１７２、３４２が形成された第２側面には、図９、図１０に示すようにシール材（第３シール材）６２が取り付けられている。シール材６２には、ガス入口１８１、３４３に対応する位置に開口６３が設けられている。一方、燃料出口１７２、３４２に対応する位置に開口６４が設けられている。
【００４３】
一体部材６１はバッキングプレート１４、１５に設けられたねじ孔６７にねじ６５を締めこむことで、シール材６２を間に挟みながら燃料電池スタック１に取り付けられる。この状態で、シール材６２はガス入口１８１、３４３と、燃料出口１７２、３４２とを隔離する。またシール材６２はガス吐出部７３とガス入口１８１、３４３とを結合する。したがって空気ポンプ６から送られた空気はガス入口１８１、３４３へ供給される。さらに、シール材６２は受け部７４と燃料出口１７２、３４２とを結合している。
【００４４】
このように一体部材６１とシール材６２を用いることにより空気の導入路と燃料側の排出路とを第２側面上でコンパクトに構成することができる。その結果、燃料電池システムを小型にすることができる。
【００４５】
なお、以上の説明では、燃料電池スタック１の第１側面に燃料入口１７１、３４１と、第２側面にガス入口１８１、３４３を設けた構成を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。同じ側面上に燃料入口１７１、３４１とガス入口１８１、３４３を設けてもよい。例えば長細い燃料電池スタックでは１つの側面に燃料入口１７１、３４１とガス入口１８１、３４３を設けることができる。この場合でも平面部１７Ａ、３４Ａを設ければ燃料漏れを防止できる。
【００４６】
また、複数のＭＥＡ３５を用い、ＭＥＡ３５同士の間にセパレータ３４を配し、積層方向両端にエンドプレート１７、１８を配してセルスタック１６を構成し、さらにその外側にバッキングプレート１４、１５を配した場合について説明した。しかしながら、本発明はこの構成に限定されない。単一のＭＥＡ３５を、ＭＥＡ３５の積層方向両側からエンドプレート１７、１８で挟み、ＭＥＡ３５とエンドプレート１７、１８とを積層方向に第１板ばね１１だけで締め付けてもよい。この場合、第１板ばね１１はエンドプレート１７、１８の中央付近を押圧するように構成することが好ましい。もちろんこの構成にさらに第２板ばね１２を用いてもよい。また図２Ａでは第１板ばね１１、第２板ばね１２をそれぞれ複数個用いているが、セルスタック１６の大きさに応じて１個ずつ用いてもよい。このように押圧する対象は単セルでもセルスタックでもよい。板ばねは１個でも複数個でも、また１組でも複数組でもよい。
【００４７】
またバッキングプレート１４、１５を用いずに、第１板ばね１１（および第２板ばね１２）で直接、エンドプレート１７、１８を挟んでもよい。この場合、第１板ばね１１（および第２板ばね１２）の断面Ｃ字型の内側に絶縁膜を形成し第１板ばね１１によって短絡が発生しないようにする。また、燃料ポンプ５や一体部材６１との締結部（ねじ孔６７など）をエンドプレート１７、１８に設ける。すなわちバッキングプレート１４、１５は必須ではない。
【００４８】
しかしながらバッキングプレート１４、１５を設け、エンドプレート１７、１８と異なる材料でバッキングプレート１４、１５を構成することが好ましい。これにより、第１板ばね１１の押圧力を直接受けるバッキングプレート１４、１５と燃料や空気の流路を兼ねるエンドプレート１７、１８とを最適化することができる。例えばエンドプレート１７、１８にバッキングプレート１４、１５を加えて構成することで第１板ばね１１の押圧力によるバッキングプレート１４、１５の変形を抑制することができる。その結果、ＭＥＡ３５の面方向において燃料電池セルまたはセルスタックをより均等に締結することができる。またバッキングプレート１４、１５を絶縁材料で構成することにより第１板ばね１１の腕部による短絡を考慮する必要がなくなる。
【００４９】
なお、本実施の形態では第１板ばね１１、第２板ばね１２を用いてセルスタック１６を締結し、第１板ばね１１、第２板ばね１２から開放された、対向する側面から燃料や空気を供給している。しかしながら、本発明はこの構成に限定されない。第２板ばね１２を用いない場合には第２板ばね１２で覆われた側面を燃料や空気の供給に利用してもよい。さらに第１板ばね１１、第２板ばね１２を用いずに、一対のバッキングプレートをボルトなどで締結する場合にはどの側面を用いてもよい。
【００５０】
本実施の形態ではＤＭＦＣを例に説明したが、セルスタック１６と同様の発電素子を用いる燃料電池であれば本発明の構成は適用可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の燃料電池スタックでは、エンドプレートやセパレータに平面部を設け、この平面部をスタック側面に配置している。さらにこの平面部に燃料入口を設けている。そして本発明の燃料電池システムではこの平面部を利用して燃料ポンプの燃料吐出部と燃料入口とを水密に結合している。これにより燃料漏れを防止できる。このような燃料電池スタックおよびそれを用いた燃料電池システムは、特に小型電子機器の電源として有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１    燃料電池スタック
２    カソード端子
３    アノード端子
４    燃料タンク
５    燃料ポンプ
６    空気ポンプ
６Ａ，７３    ガス吐出部
７    制御部
８    蓄電部
９    ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１    第１板ばね
１２    第２板ばね
１４，１５    バッキングプレート
１６    セルスタック
１７，１８    エンドプレート
１７Ａ    平面部（第１平面部）
１７Ｂ，３４Ｂ    燃料流路溝
１７Ｃ，３４Ｃ    貫通孔
１８Ｄ，３４Ｄ    空気流路溝
３１    アノード電極
３１Ａ，３２Ａ    拡散層
３１Ｂ，３２Ｂ    微多孔層（ＭＰＬ）
３１Ｃ，３２Ｃ    触媒層
３２    カソード電極
３３    電解質膜
３４    セパレータ
３４Ａ    平面部（第２平面部）
３５    膜電極接合体（ＭＥＡ）
５１Ａ    燃料吐出部（第１燃料吐出部）
５１Ｂ    燃料吐出部（第２燃料吐出部）
５２Ａ    シール材（第１シール材）
５２Ｂ    シール材（第２シール材）
６１    一体部材
６２    シール材（第３シール材）
６３，６４    開口
６５    ねじ
６７    ねじ孔
７４    受け部
７５    排出管
１７１    燃料入口（第１燃料入口）
１７２    燃料出口（第１燃料出口）
１８１    ガス入口（第１ガス入口）
３４１    燃料入口（第２燃料入口）
３４２    燃料出口（第２燃料出口）
３４３    ガス入口（第２ガス入口）
【図１】
2010016247.tif 000005
【図２Ａ】
2010016247.tif 000006
【図２Ｂ】
2010016247.tif 000007
【図３】
2010016247.tif 000008
【図４】
2010016247.tif 000009
【図５】
2010016247.tif 000010
【図６】
2010016247.tif 000011
【図７】
2010016247.tif 000012
【図８】
2010016247.tif 000013
【図９】
2010016247.tif 000014
【図１０】
2010016247.tif 000015
【図１１】
2010016247.tif 000016
【手続補正書】
【提出日】平成21年12月2日(2009.12.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池スタックとそれを用いた燃料電池システムに関し、特に燃料電池スタックへ燃料や酸化剤を供給する構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、電子機器のポータブル化、コードレス化が急速に進んでおり、これらの駆動用電源として、小型かつ軽量で、高エネルギー密度を有する二次電池への要望も高まっている。また、小型民生用途のみならず、電力貯蔵用や電気自動車用などの長期に渡る耐久性や安全性が要求される大型の二次電池に対する技術開発も加速してきている。さらに、充電の必要な二次電池よりも燃料供給によって長時間連続使用が可能な燃料電池が注目されている。
【０００３】
燃料電池システムは、セルスタックを含む燃料電池スタックと、このセルスタックに燃料を供給する燃料供給部と、酸化剤を供給する酸化剤供給部とを有する。セルスタックはアノード電極とカソード電極とこれらの電極の間に介在する電解質膜とからなる膜電極接合体と、セパレータとを積層し、積層方向両端にエンドプレートを配して構成されている。
【０００４】
一般に、エンドプレートとセパレータには厚み方向に貫通する孔が設けられている。セルスタックを構成した際には、この孔が一致して燃料や酸化剤の流路が構成される。そしてエンドプレートの外側に配置されたバッキングプレートに設けられた燃料供給口や酸化剤供給口とこれらの流路が接続される（例えば、特許文献１）。
【０００５】
しかしながらこの構造では、燃料や酸化剤の流路を形成するために、エンドプレート、セパレータ、バッキングプレートを精度よく積層する必要がある。また流路分だけエンドプレートやセパレータを大きく作製する必要があるため、セルスタックが大きくなる。
【０００６】
一方、燃料や酸化剤を積層方向に平行な側面から供給する燃料電池スタックが提案されている（例えば、特許文献２）。この燃料電池スタックは、２つの単位セルを組み合わせてモジュールを形成し、このモジュールを電気的に接続することで構成されている。各単位セルでは、アノード側のエンドプレートの側面に燃料供給口が設けられ、この燃料供給口からアノード電極に対向する面に設けられた流路溝へ貫通孔が設けられている。これにより燃料を積層方向に平行な側面から供給することができ、燃料電池スタックを面方向に小型化できる。
【０００７】
しかしながら特許文献２には、燃料供給口と、燃料電池スタックへ燃料を供給するポンプなどの装置との接続部分のシール構造が詳細に開示されていない。燃料であるメタノールなどは毒性を有するため、緊密にシールする必要があるが、エンドプレートを薄くすると燃料供給口も小さくなるため燃料漏れを防止しつつ接続するのは困難である。
【０００８】
また特許文献２ではモジュール内の単位セルの燃料供給口が１つにまとめられ、これに対して一律に燃料を供給するようになっている。しかしながらセルには起電力や流路圧損にバラツキがあるため、単位セル毎に燃料流量を制御することが好ましい。これに対し上記の燃料供給方式では単位セル毎に燃料流量を制御することはできない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００５−３１７３１０号公報
【特許文献２】特開２００６−３５１５２５号公報
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、薄いエンドプレートやセパレータを用いて積層方向に平行な側面から燃料を供給する場合でも、燃料ポンプとの接続が確実な構造を有する燃料電池スタックである。
【００１１】
本発明による燃料電池スタックは、膜電極接合体と、一対のエンドプレートとを有する。膜電極接合体とエンドプレートとは燃料電池セルを構成している。膜電極接合体はアノード電極と、カソード電極と、アノード電極とカソード電極との間に介在する電解質膜とを積層して構成されている。エンドプレートは膜電極接合体を、膜電極接合体の積層方向両側から挟むように配置されている。燃料電池スタックは積層方向に平行な第１側面と第２側面とを有する。アノード側のエンドプレートは、第１側面上に第１平面部を有する。第１平面部の、積層方向の寸法は、アノード側のエンドプレートが膜電極接合体を挟持する部分の厚さよりも大きく形成されている。そして、第１平面部には外部から燃料を取り込む第１燃料入口が形成されている。カソード側のエンドプレートは、第２側面上に、外部から酸化剤を含むガスを取り込む第１ガス入口を有する。
【００１２】
この燃料電池スタックでは、第１燃料入口を第１平面部に形成したことにより、薄いエンドプレートを用いた場合でも第１平面部を用いて、確実にシールして燃料供給部（燃料ポンプ）と接続することができる。これにより、燃料漏れを防ぐことができる。このように、燃料供給部から燃料電池スタックへ燃料を送る接続部分のシール性を確実にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図
【図２Ａ】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図
【図２Ｂ】本発明の実施の形態における燃料電池スタックの、図２Ａの反対側を示す斜視図
【図３】図２Ａに示す燃料電池スタックの、燃料供給側の拡大断面図
【図４】図２Ａに示す燃料電池スタックのセパレータの、アノード電極に対向する面の平面図
【図５】図２Ｂに示す燃料電池スタックの、空気供給側の拡大断面図
【図６】図２Ｂに示す燃料電池スタックのセパレータの、カソード電極に対向する面の平面図
【図７】図２Ａに示す燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図
【図８】図２Ｂに示す燃料電池スタックと図１に示す燃料ポンプとの接続を説明するための斜視図
【図９】図２Ｂに示す燃料電池スタックと図１に示す空気ポンプとの接続を説明するための斜視図
【図１０】図２Ｂに示す燃料電池スタックの第２側面の正面図
【図１１】図２Ｂに示す燃料電池スタックの第２側面に取り付ける一体部材の断面図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、直接メタノール型燃料電池（ＤＭＦＣ）を例に、図面を参照しながら説明する。なお、本発明は、本明細書に記載された基本的な特徴に基づく限り、以下に記載の内容に限定されるものではない。
【００１５】
図１は、本発明の実施の形態における燃料電池システムの構成を示すブロック図である。図２Ａ、図２Ｂは、本発明の実施の形態における燃料電池スタックの斜視図である。図３は図２Ａに示す燃料電池スタックの、燃料供給側の拡大断面図、図４は同燃料電池スタックのセパレータの、アノード電極に対向する面の平面図である。図５は同燃料電池スタックの、空気供給側の拡大断面図、図６は同燃料電池スタックのセパレータの、カソード電極に対向する面の平面図である。図７は同燃料電池スタックの要部の概略構成を示す概念断面図である。
【００１６】
この燃料電池システムは、燃料電池スタック１と、燃料タンク４と、燃料ポンプ５と、空気ポンプ６と、制御部７と、蓄電部８と、ＤＣ／ＤＣコンバータ９とを有する。燃料電池スタック１は起電部を有し、発電された電力は負極のアノード端子３と正極のカソード端子２から出力される。出力された電力はＤＣ／ＤＣコンバータ９に入力される。燃料ポンプ５は燃料タンク４の中の燃料を燃料電池スタック１のアノード電極３１に供給する。空気ポンプ６は酸化剤である空気を燃料電池スタック１のカソード電極３２に供給する。制御部７は燃料ポンプ５と空気ポンプ６の駆動を制御するとともに、ＤＣ／ＤＣコンバータ９を制御して外部への出力と蓄電部８への充放電を制御する。燃料タンク４と燃料ポンプ５と制御部７は、燃料電池スタック１内のアノード電極３１に燃料を供給する燃料供給部を構成している。一方、空気ポンプ６と制御部７は、燃料電池スタック１内のカソード電極３２に酸化剤である酸素を含むガスを供給するガス供給部を構成している。
【００１７】
図７に示すように、アノード電極３１には燃料であるメタノール水溶液が供給され、カソード電極３２には空気が供給される。なお、燃料供給部、ガス供給部は上述の構成に限定されない。
【００１８】
図２Ａに示すように、燃料電池スタック１は、セルスタック１６と、バッキングプレート１４、１５と、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを有する。セルスタック１６は、図７に示す起電部である膜電極接合体（ＭＥＡ）３５と、ＭＥＡ３５を挟むように配置されたセパレータ３４と、一対のエンドプレート１７、１８とを有する。エンドプレート１７、１８はＭＥＡ３５の積層方向両端、すなわちＭＥＡ３５とセパレータ３４との積層方向両端からＭＥＡ３５とセパレータ３４を挟んでいる。図７に示すようにＭＥＡ３５は、アノード電極３１と、カソード電極３２と、アノード電極３１とカソード電極３２との間に介在する電解質膜３３とを積層して構成されている。
【００１９】
アノード電極３１はセパレータ３４の側から順に、拡散層３１Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３１Ｂ、触媒層３１Ｃを積層して構成されている。カソード電極３２もまた、セパレータ３４の側から順に、拡散層３２Ａ、微多孔層（ＭＰＬ）３２Ｂ、触媒層３２Ｃを積層して構成されている。アノード端子３はアノード電極３１に、カソード端子２はカソード電極３２に、それぞれ電気的に接続されている。拡散層３１Ａ、３２Ａは、例えばカーボンペーパー、カーボンフェルト、カーボンクロスなどからなる。ＭＰＬ３１Ｂ、３２Ｂは、例えばポリテトラフルオロエチレンまたはテトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体とカーボンとから構成されている。触媒層３１Ｃ、３２Ｃは白金やルテニウムなど、各電極反応に適した触媒を炭素表面に高分散させ、この触媒体をバインダーで結着させることで形成されている。電解質膜３３は水素イオンを透過するイオン交換膜、例えばパーフルオロスルホン酸・テトラフルオロエチレン共重合体で構成されている。
【００２０】
エンドプレート１７、１８およびセパレータ３４は、カーボン材やステンレス鋼で構成されている。図３、図４、図７に示すように、セパレータ３４の、アノード電極３１に対向する面にはアノード電極３１へ燃料を供給するための燃料流路溝３４Ｂが形成されている。一方、図５、図６、図７に示すように、セパレータ３４の、カソード電極３２に対向する面にはカソード電極３２へ空気を供給するための空気流路溝３４Ｄが形成されている。
【００２１】
図３に示すように、セパレータ３４の、ＭＥＡ３５より外側には平面部（第２平面部）３４Ａが設けられている。すなわち平面部３４Ａは積層方向に平行で、第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放された、セルスタック１６の第１側面上に設けられている。積層方向における平面部３４Ａの寸法は、セパレータ３４同士、あるいはセパレータ３４とエンドプレート１７とがＭＥＡ３５を挟持する部分のセパレータ３４の厚さよりも大きい。平面部３４Ａには、外部から燃料を取り込む燃料入口（第２燃料入口）３４１が設けられている。そして燃料入口３４１と燃料流路溝３４Ｂとを連通するように貫通孔３４Ｃが設けられている。一方、図５に示すように、セルスタック１６の積層方向に平行な第２側面には、外部から空気を取り込むガス入口（第２ガス入口）３４３が設けられている。第２側面もまた第１板ばね１１と第２板ばね１２から開放され、第１側面に対向している。
【００２２】
なお燃料流路溝３４Ｂの、燃料入口３４１と反対側は、図４に示すように燃料の反応生成物と燃料の反応残分との少なくともいずれかを排出する燃料出口（第２燃料出口）３４２に連通している。後述するように、ガス入口３４３と燃料出口３４２とは上記第２側面上に設けられている。
【００２３】
なおアノード電極３１に対向するアノード側のエンドプレート１７にも燃料流路溝１７Ｂが形成され、カソード電極３２に対向するカソード側のエンドプレート１８にも空気を供給するための空気流路溝１８Ｄが形成されている。燃料流路溝１７Ｂは燃料流路溝３４Ｂと同様の形状に形成され、空気流路溝１８Ｄは空気流路溝３４Ｄと同様の形状に形成されている。またエンドプレート１７には燃料入口（第１燃料入口）１７１が設けられた平面部（第１平面部）１７Ａが形成され、燃料流路溝１７Ｂは貫通孔１７Ｃによって燃料入口１７１と連通している。セルスタック１６の積層方向に平行な第２側面には、外部から空気を取り込むガス入口（第１ガス入口）１８１が設けられている。
【００２４】
バッキングプレート１４はセルスタック１６におけるアノード電極３１の側に配置され、バッキングプレート１５はカソード電極３２の側に配置されている。バッキングプレート１４、１５は絶縁性の樹脂やセラミック、あるいはガラス繊維を含む樹脂、絶縁膜をコーティングされた金属板などで構成されている。
【００２５】
第１板ばね１１、第２板ばね１２は、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６をそのばね弾性力によって締め付けている。第２板ばね１２は第１板ばね１１に対向するように配置されている。第１板ばね１１、第２板ばね１２は、ばね鋼材などで構成されている。
【００２６】
次に、燃料電池スタック１における動作について簡単に説明する。図１、図７に示すように、アノード電極３１にはメタノールを含む水溶液が燃料ポンプ５によって供給される。一方、カソード電極３２には空気ポンプ６によって加圧された空気が供給される。アノード電極３１に供給された燃料であるメタノール水溶液とこれに由来するメタノールと水蒸気は拡散層３１ＡにてＭＰＬ３１Ｂの全面に拡散する。これらはさらにＭＰＬ３１Ｂを通過して触媒層３１Ｃに達する。
【００２７】
一方、カソード電極３２に供給された空気に含まれる酸素は、拡散層３２ＡにてＭＰＬ３２Ｂの全面に拡散する。酸素はさらにＭＰＬ３２Ｂを通過して触媒層３２Ｃに達する。触媒層３１Ｃに達したメタノールは（１）式のように反応し、触媒層３２Ｃに達した酸素は（２）式のように反応する。
【００２８】
【化１】
2010016247.tif 000017
【００２９】
【化２】
2010016247.tif 000018
【００３０】
その結果、電力が発生するとともに、アノード電極３１側には二酸化炭素が、カソード電極３２側には水が、それぞれ反応生成物として生成する。二酸化炭素は、燃料電池スタック１の外へと排気される。またカソード電極３２で反応しない窒素などの気体や未反応の酸素もまた燃料電池スタック１の外へと排気される。なお、アノード電極３１側では水溶液中のメタノールが全て反応するわけではないので、図１に示すように排出された水溶液を燃料ポンプ５へ戻すのが一般的である。またアノード電極３１の反応では水が消費されるため、図１に示すようにカソード電極３２で生成した水をアノード電極３１側へ戻してもよい。
【００３１】
本実施の形態では、第１板ばね１１と第２板ばね１２とを用い、バッキングプレート１４、１５を介してセルスタック１６を締結している。第１板ばね１１、第２板ばね１２は図３に示すように、セルスタック１６の外形に沿うように極めてコンパクトにセルスタック１６を締結している。すなわち、セルスタック１６の側面においてデッドスペースが極めて小さくなり、従来のボルトとナットで締結する場合に比べ燃料電池スタック１を小さくすることができる。
【００３２】
また、ボルトとナットで締結する場合にはセルスタック１６の外側（外周付近）に押圧点があるが、第１板ばね１１、第２板ばね１２は、セルスタック１６の比較的中央寄りを押圧点としている。このため、バッキングプレート１４、１５の面方向においてセルスタック１６に均等に押圧力が作用する。このような押圧力によりセルスタック１６全体を均等に締結することができ、（１）式、（２）式に示す電気化学反応がＭＥＡ３５の面方向において均等に進行する。その結果、燃料電池スタック１の電流電圧特性が向上する。
【００３３】
次に、燃料電池スタック１と燃料ポンプ５との接続について、図２Ａと図８を用いて説明する。図８は燃料電池スタック１と燃料ポンプ５との接続を説明するための斜視図である。
【００３４】
図２Ａに示すように、平面部１７Ａ、３４Ａは燃料ポンプ５と接続される側面に形成されている。そして燃料ポンプ５の、平面部１７Ａに対応する位置には燃料吐出部（第１燃料吐出部）５１Ａが設けられ、平面部３４Ａに対応する位置には燃料吐出部（第２燃料吐出部）５１Ｂが設けられている。燃料吐出部５１Ａにはシール材（第１シール材）５２Ａが配置されている。同様に、燃料吐出部５１Ｂにはシール材（第２シール材）５２Ｂが配置されている。シール材５２Ａ、５２Ｂはそれぞれ平面部１７Ａ、平面部３４Ａより小さく形成されている。そして、燃料入口１７１と燃料吐出部５１Ａとを対向させ、燃料入口３４１と燃料吐出部５１Ｂとを対向させる。さらにシール材５２Ａ、５２Ｂが平面部１７Ａ、３４Ａにより圧縮されるように燃料ポンプ５と燃料電池スタック１とをボルトなどで締結することで燃料経路がシールされる。特に平面部１７Ａ、３４Ａより小さいシール材５２Ａ、５２Ｂを用いることにより、シール材５２Ａ、５２Ｂが平面部１７Ａ、３４Ａとの間で燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂと燃料入口１７１、３４１とを漏れなく結合することができる。
【００３５】
この構造によれば、薄いエンドプレート１７やセパレータ３４を用いた場合でも平面部１７Ａ、３４Ａを用いて、確実にシールして燃料ポンプ５と接続することができる。これにより、接続部分での燃料漏れを防ぐことができる。
【００３６】
なお図２Ａに示すように、平面部１７Ａとエンドプレート１７に隣接するセパレータ３４の平面部３４Ａとを積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けることが好ましい。またＭＥＡ３５が３以上であり、セパレータ３４が２以上である場合に、平面部３４Ａ同士を積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けることが好ましい。
【００３７】
図２Ａでは積層順に互い違いになる位置に平面部１７Ａ、３４Ａを設けている。このような位置関係により平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士が接触しない。したがってセルスタック１６内のショートを防止することができる。また燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂの配置に自由度が与えられる。
【００３８】
また平面部１７Ａと平面部３４Ａ、あるいは平面部３４Ａ同士を、同一平面上に設けることがさらに好ましい。平面部１７Ａと平面部３４Ａとを、積層方向と垂直な方向において位置をずらしつつ同一平面上に設けることによって、燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂも同一平面上に設ければよい。これにより燃料ポンプ５において燃料吐出部５１Ａ、５１Ｂを同一平面上に形成すれば平面部１７Ａ、３４Ａとのそれぞれのシールを確実にすることができる。
【００３９】
また燃料ポンプ５は、燃料吐出部５１Ａと燃料吐出部５１Ｂのそれぞれから吐出する燃料流量を個別に制御可能であることが好ましい。このような燃料ポンプ５を用いることにより、各単位セルに最適な流量で燃料を供給することができる。単位セルには起電力や流路圧損にバラツキがあるため、単位セル毎に燃料流量を制御することが好ましい。
【００４０】
次に、燃料電池スタック１と空気ポンプ６との接続について、図２Ｂと図９〜図１１を用いて説明する。図９は燃料電池スタック１と空気ポンプ６との接続を説明するための斜視図である。図１０は燃料電池スタック１の第２側面の正面図である。図１１は第２側面に取り付ける一体部材６１の断面図である。
【００４１】
ガス供給部を構成する空気ポンプ６は、図１１に示すようにガス吐出部６Ａを有し、図９に示すようにネジ等によって一体部材６１に取り付けられている。一体部材６１はガス吐出部７３、受け部７４、排出管７５を有する。ガス吐出部６Ａは一体部材６１のガス吐出部７３に連通している。受け部７４は一体部材６１には燃料出口１７２、３４２からの排出を受け取るように構成されている。受け部７４はさらに排出管７５に連通している。このように一体部材６１はガス吐出部７３と燃料出口１７２、３４２からの排出を受け取る受け部７４とを一体化して構成されている。
【００４２】
一方、セルスタック１６の、ガス入口１８１、３４３、および燃料出口１７２、３４２が形成された第２側面には、図９、図１０に示すようにシール材（第３シール材）６２が取り付けられている。シール材６２には、ガス入口１８１、３４３に対応する位置に開口６３が設けられている。一方、燃料出口１７２、３４２に対応する位置に開口６４が設けられている。
【００４３】
一体部材６１はバッキングプレート１４、１５に設けられたねじ孔６７にねじ６５を締めこむことで、シール材６２を間に挟みながら燃料電池スタック１に取り付けられる。この状態で、シール材６２はガス入口１８１、３４３と、燃料出口１７２、３４２とを隔離する。またシール材６２はガス吐出部７３とガス入口１８１、３４３とを結合する。したがって空気ポンプ６から送られた空気はガス入口１８１、３４３へ供給される。さらに、シール材６２は受け部７４と燃料出口１７２、３４２とを結合している。
【００４４】
このように一体部材６１とシール材６２を用いることにより空気の導入路と燃料側の排出路とを第２側面上でコンパクトに構成することができる。その結果、燃料電池システムを小型にすることができる。
【００４５】
なお、以上の説明では、燃料電池スタック１の第１側面に燃料入口１７１、３４１と、第２側面にガス入口１８１、３４３を設けた構成を説明したが、本発明はこの構成に限定されない。同じ側面上に燃料入口１７１、３４１とガス入口１８１、３４３を設けてもよい。例えば長細い燃料電池スタックでは１つの側面に燃料入口１７１、３４１とガス入口１８１、３４３を設けることができる。この場合でも平面部１７Ａ、３４Ａを設ければ燃料漏れを防止できる。
【００４６】
また、複数のＭＥＡ３５を用い、ＭＥＡ３５同士の間にセパレータ３４を配し、積層方向両端にエンドプレート１７、１８を配してセルスタック１６を構成し、さらにその外側にバッキングプレート１４、１５を配した場合について説明した。しかしながら、本発明はこの構成に限定されない。単一のＭＥＡ３５を、ＭＥＡ３５の積層方向両側からエンドプレート１７、１８で挟み、ＭＥＡ３５とエンドプレート１７、１８とを積層方向に第１板ばね１１だけで締め付けてもよい。この場合、第１板ばね１１はエンドプレート１７、１８の中央付近を押圧するように構成することが好ましい。もちろんこの構成にさらに第２板ばね１２を用いてもよい。また図２Ａでは第１板ばね１１、第２板ばね１２をそれぞれ複数個用いているが、セルスタック１６の大きさに応じて１個ずつ用いてもよい。このように押圧する対象は単セルでもセルスタックでもよい。板ばねは１個でも複数個でも、また１組でも複数組でもよい。
【００４７】
またバッキングプレート１４、１５を用いずに、第１板ばね１１（および第２板ばね１２）で直接、エンドプレート１７、１８を挟んでもよい。この場合、第１板ばね１１（および第２板ばね１２）の断面Ｃ字型の内側に絶縁膜を形成し第１板ばね１１によって短絡が発生しないようにする。また、燃料ポンプ５や一体部材６１との締結部（ねじ孔６７など）をエンドプレート１７、１８に設ける。すなわちバッキングプレート１４、１５は必須ではない。
【００４８】
しかしながらバッキングプレート１４、１５を設け、エンドプレート１７、１８と異なる材料でバッキングプレート１４、１５を構成することが好ましい。これにより、第１板ばね１１の押圧力を直接受けるバッキングプレート１４、１５と燃料や空気の流路を兼ねるエンドプレート１７、１８とを最適化することができる。例えばエンドプレート１７、１８にバッキングプレート１４、１５を加えて構成することで第１板ばね１１の押圧力によるバッキングプレート１４、１５の変形を抑制することができる。その結果、ＭＥＡ３５の面方向において燃料電池セルまたはセルスタックをより均等に締結することができる。またバッキングプレート１４、１５を絶縁材料で構成することにより第１板ばね１１の腕部による短絡を考慮する必要がなくなる。
【００４９】
なお、本実施の形態では第１板ばね１１、第２板ばね１２を用いてセルスタック１６を締結し、第１板ばね１１、第２板ばね１２から開放された、対向する側面から燃料や空気を供給している。しかしながら、本発明はこの構成に限定されない。第２板ばね１２を用いない場合には第２板ばね１２で覆われた側面を燃料や空気の供給に利用してもよい。さらに第１板ばね１１、第２板ばね１２を用いずに、一対のバッキングプレートをボルトなどで締結する場合にはどの側面を用いてもよい。
【００５０】
本実施の形態ではＤＭＦＣを例に説明したが、セルスタック１６と同様の発電素子を用いる燃料電池であれば本発明の構成は適用可能である。例えば、水素を燃料とする、いわゆる高分子固体電解質燃料電池やメタノール改質型の燃料電池などにも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の燃料電池スタックでは、エンドプレートやセパレータに平面部を設け、この平面部をスタック側面に配置している。さらにこの平面部に燃料入口を設けている。そして本発明の燃料電池システムではこの平面部を利用して燃料ポンプの燃料吐出部と燃料入口とを水密に結合している。これにより燃料漏れを防止できる。このような燃料電池スタックおよびそれを用いた燃料電池システムは、特に小型電子機器の電源として有用である。
【符号の説明】
【００５２】
１    燃料電池スタック
２    カソード端子
３    アノード端子
４    燃料タンク
５    燃料ポンプ
６    空気ポンプ
６Ａ，７３    ガス吐出部
７    制御部
８    蓄電部
９    ＤＣ／ＤＣコンバータ
１１    第１板ばね
１２    第２板ばね
１４，１５    バッキングプレート
１６    セルスタック
１７，１８    エンドプレート
１７Ａ    平面部（第１平面部）
１７Ｂ，３４Ｂ    燃料流路溝
１７Ｃ，３４Ｃ    貫通孔
１８Ｄ，３４Ｄ    空気流路溝
３１    アノード電極
３１Ａ，３２Ａ    拡散層
３１Ｂ，３２Ｂ    微多孔層（ＭＰＬ）
３１Ｃ，３２Ｃ    触媒層
３２    カソード電極
３３    電解質膜
３４    セパレータ
３４Ａ    平面部（第２平面部）
３５    膜電極接合体（ＭＥＡ）
５１Ａ    燃料吐出部（第１燃料吐出部）
５１Ｂ    燃料吐出部（第２燃料吐出部）
５２Ａ    シール材（第１シール材）
５２Ｂ    シール材（第２シール材）
６１    一体部材
６２    シール材（第３シール材）
６３，６４    開口
６５    ねじ
６７    ねじ孔
７４    受け部
７５    排出管
１７１    燃料入口（第１燃料入口）
１７２    燃料出口（第１燃料出口）
１８１    ガス入口（第１ガス入口）
３４１    燃料入口（第２燃料入口）
３４２    燃料出口（第２燃料出口）
３４３    ガス入口（第２ガス入口）
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード電極と、カソード電極と、前記アノード電極と前記カソード電極との間に介在する電解質膜とを積層した膜電極接合体と、
前記膜電極接合体を、前記膜電極接合体の積層方向両側から挟むアノード側のエンドプレートと、カソード側のエンドプレートと、を備えた燃料電池スタックであって、
前記燃料電池スタックは前記積層方向に平行な第１側面を有し、
前記アノード側のエンドプレートは、前記第１側面上に、前記アノード側のエンドプレートが前記膜電極接合体を挟持する部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第１平面部を有し、前記第１平面部には外部から燃料を取り込む第１燃料入口が形成された、
燃料電池スタック。
【請求項２】
前記燃料電池スタックは前記第１側面とは異なり、前記積層方向に平行な第２側面をさらに有し、
前記カソード側のエンドプレートは、前記第２側面上に、外部から酸化剤を含むガスを取り込む第１ガス入口を有する、
請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項３】
前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記カソード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第２側面上に、外部から前記ガスを取り込む第２ガス入口を有する、
請求項２記載の燃料電池スタック。
【請求項４】
前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記アノード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第１側面上に、前記セパレータが前記膜電極接合体に挟持された部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第２平面部を有し、前記第２平面部には外部から前記燃料を取り込む第２燃料入口が形成された、
請求項１記載の燃料電池スタック。
【請求項５】
前記第１平面部と、前記エンドプレートに隣接する前記セパレータの前記第２平面部とを、前記積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けた、
請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項６】
前記第１平面部と前記第２平面部とを同一平面上に設けた、
請求項５記載の燃料電池スタック。
【請求項７】
前記膜電極接合体が３以上であり、前記セパレータが２以上であり、前記第２平面部同士を前記積層方向と垂直な方向において位置をずらして設けた、
請求項４記載の燃料電池スタック。
【請求項８】
前記第１平面部と複数の前記第２平面部とを同一平面上に設けた、
請求項７記載の燃料電池スタック。
【請求項９】
請求項１記載の燃料電池スタックと、
前記第１平面部に対応する位置に第１燃料吐出部を有し、前記第１燃料入口へ前記燃料を供給する燃料供給部と、を備え、
前記燃料供給部は、前記第１燃料吐出部に、前記第１平面部より小さい第１シール材を有する、
燃料電池システム。
【請求項１０】
前記燃料電池スタックは、前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記アノード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第１側面上に、前記セパレータが前記膜電極接合体に挟持された部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第２平面部を有し、前記第２平面部には外部から前記燃料を取り込む第２燃料入口が形成され、
前記燃料供給部は前記第２平面部に対応する位置に第２燃料吐出部をさらに有し、前記第１燃料入口と前記第２燃料入口へ前記燃料を供給し、
前記燃料供給部は、前記第２燃料吐出部に、前記第２平面部より小さい第２シール材をさらに有する、
請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１１】
前記燃料電池スタックは、前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記アノード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第１側面上に、前記セパレータが前記膜電極接合体に挟持された部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第２平面部を有し、前記第２平面部には外部から前記燃料を取り込む第２燃料入口が形成され、
前記燃料供給部は前記第２平面部に対応する位置に第２燃料吐出部をさらに有し、前記第１燃料入口と前記第２燃料入口へ前記燃料を供給し、
前記燃料供給部は、前記第１燃料吐出部と前記第２燃料吐出部のそれぞれから吐出する燃料流量を個別に制御可能である、
請求項９記載の燃料電池システム。
【請求項１２】
請求項１記載の燃料電池スタックと、
前記第１燃料入口へ前記燃料を供給する燃料供給部と、
ガス吐出部を有し、前記第１ガス入口へ前記ガスを供給するガス供給部と、を備え、
前記燃料電池スタックは前記第１側面とは異なり、前記積層方向に平行な第２側面をさらに有し、
前記カソード側のエンドプレートは、前記第２側面上に、外部から酸化剤を含むガスを取り込む第１ガス入口を有し、
前記アノード側のエンドプレートは、前記第２側面上に、前記燃料の反応生成物と前記燃料の反応残分との少なくともいずれかを排出する第１燃料出口を有し、
前記ガス供給部の前記ガス吐出部と前記第１燃料出口からの排出物を受け取る受け部とを一体化した一体部材と、
前記第１ガス入口と前記第１燃料出口とを隔離するとともに、前記ガス吐出部と前記第１ガス入口とを結合し、前記受け部と前記第１燃料出口とを結合する第３シール材と、をさらに備えた、
燃料電池システム。
【請求項１３】
前記燃料電池スタックは、前記膜電極接合体を複数有するとともに、複数の前記膜電極接合体同士の間にセパレータを設けてセルスタックを構成し、
複数の前記膜電極接合体の前記アノード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第１側面上に、前記セパレータが前記膜電極接合体に挟持された部分の厚さよりも前記積層方向に大きく形成された第２平面部を有し、前記第２平面部には外部から前記燃料を取り込む第２燃料入口が形成され、
複数の前記膜電極接合体の前記カソード電極に対応するように、前記セパレータは、前記第２側面上に、外部から前記ガスを取り込む第２ガス入口を有し、
前記燃料供給部は第１燃料入口と前記第２燃料入口へ前記燃料を供給し、
前記ガス供給部は前記第１ガス入口と前記第２ガス入口へ前記ガスを供給し、
前記セパレータは、前記第２側面上に、前記燃料の反応生成物と前記燃料の反応残分との少なくともいずれかを排出すると第２燃料出口をそれぞれ有し、
前記一体部材は前記ガス供給部の前記ガス吐出部と前記第１燃料出口と前記第２燃料出口からの排出を受け取る受け部とを一体化して構成され、
前記第３シール材は前記第１ガス入口および前記第２ガス入口と、前記第１燃料出口および前記第２燃料出口とを隔離するとともに、前記ガス吐出部と前記第１ガス入口および前記第２ガス入口とを結合し、前記受け部と前記第１燃料出口および前記第２燃料出口とを結合する、
請求項１２記載の燃料電池システム。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010016247.tif 000019
【図２Ａ】
2010016247.tif 000020
【図２Ｂ】
2010016247.tif 000021
【図３】
2010016247.tif 000022
【図４】
2010016247.tif 000023
【図５】
2010016247.tif 000024
【図６】
2010016247.tif 000025
【図７】
2010016247.tif 000026
【図８】
2010016247.tif 000027
【図９】
2010016247.tif 000028
【図１０】
2010016247.tif 000029
【図１１】
2010016247.tif 000030
【国際調査報告】
2010016247.tif 000031
2010016247.tif 000032
2010016247.tif 000033
2010016247.tif 000034