(57)【要約】【課題】  アノード極とカソード極の短絡を排除して、低抵抗な配線で平面複数セルの直列構造あるいは並列構造を形成する。【解決手段】  カソード極とアノード極の導通を確保するために備える導電体がエンドプレートを固定するための固定具であり、エンドプレートがいずれも絶縁体で構成されるかあるいは表面に電気的絶縁処理を施される構成とする。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質と、前記電解質の両面にアレイ状に配置される２組以上の触媒層からなる膜電極接合体と、前記触媒層にそれぞれ対応するガス拡散層と集電体層からなるアノード極及びカソード極と、から構成された平面型燃料電池において、
前記平面型燃料電池を前記アノード極側と前記カソード極側から押さえて固定する一対のエンドプレートと、前記カソード極と前記アノード極を貫通して設置される導電体と、前記導電体と前記集電体層を接続する接続具と、を備え、少なくとも２つのセルについて一方の単セルの前記アノード極と他方の単セルの前記カソード極を電気的に直列接続することを特徴とする平面型燃料電池。
【請求項２】
プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質と、前記電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、ガス拡散層と集電体層からなるアノード極及びカソード極と、から構成される単セルが２個以上配置された平面型燃料電池において、
前記複数の単セルを前記アノード極側と前記カソード極側から押さえて固定する一対のエンドプレートと、前記カソード極と前記アノード極を貫通して設置される導電体と、前記導電体と前記集電体層を接続する接続具とを備え、少なくとも２つのセルについて一方の単セルの前記アノード極と他方の単セルの前記カソード極を電気的に直列接続することを特徴とする平面型燃料電池。
【請求項３】
前記導電体が前記エンドプレートを固定するための固定具であり、前記エンドプレートがいずれも絶縁体又は表面に電気的絶縁処理を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の平面型燃料電池。
【請求項４】
前記固定具が、前記エンドプレートを固定するためのネジあるいはボルトであることを特徴とする、請求項３に記載の平面型燃料電池。
【請求項５】
前記固定具が、前記エンドプレートを固定するための板バネであることを特徴とする、請求項３に記載の平面型燃料電池。
【請求項６】
前記固定具が、前記エンドプレートを固定するためのリベットであることを特徴とする、請求項３に記載の平面型燃料電池。
【請求項７】
前記接続具が座金であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の平面型燃料電池。
【請求項８】
前記エンドプレートにおいて、前記カソード極側、前記アノード極側のいずれか一方は一体成型されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の平面型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に係り、特に複数個の単セルを平面に一列もしくは複数列に並べて電気的に直列接続した、ポータブル電源などに用いられる平面型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図９は従来の平面型燃料電池の構成を示す一部断面側面図である（例えば特許文献１参照。）。図９において、１ａ〜１ｃ（１で代表する場合もある）は導電性のＺ字状接続板、２は陰極側端部接続板、３は陽極側端部接続板、４ａ〜４ｄ（４で代表する場合もある）は空気極、５ａ〜５ｄ（５で代表する場合もある）は電解質層、６ａ〜６ｄ（６で代表する場合もある）は燃料極、７ａ〜７ｄ（７で代表する場合もある）は単セルであり、単セル７ａ〜７ｄは電解質層５ａ〜５ｄを挟んで空気極４ａ〜４ｄと燃料極６ａ〜６ｄを対峙させて構成されている。８は空気極側ガスシール部、９は燃料極側ガスシール部、１０は燃料極側シール材充填部、１１は空気極側シール材充填部、１２ａ，１２ｂ（１２で代表する場合もある）は直列接続の両端に配置された単セル７ａと７ｄに設けられた電流端子であり、１２ａは陽極側電流端子、１２ｂは陰極側電流端子である。１３は燃料マニホールドボックス、１４は燃料マニホールド蓋であり、これら燃料マニホールドボックス１３と燃料マニホールド蓋１４とで燃料マニホールドを構成している。１５は燃料入口プラグ、１６は燃料出口プラグ、１７は締め付けネジ、１９は電気絶縁板である。図９では、４個の単セル７が平面に一列に配置され、Ｚ字状接続板１によって横方向に電気的に直列接続されている。また、図９のような平面型燃料電池の組み立ては、燃料マニホールドボックス１３と燃料マニホールド蓋１４とを接合した燃料マニホールドの上に、各ガスシール部８，９と共に一体化された各単セル７ａ〜７ｄと各接続板（Ｚ字状接続板１ａ〜１ｃと陽極側および陰極側端部接続板２，３）とを図１のように配置し隣接する接続板間の隙間にシール剤を充填することによって一体化した単セルの直列接続体を乗せ、さらにその上に電気絶縁板１９を乗せ、各部材を貫通するネジ穴２３に締め付けネジ１７を通して所定の圧力で締め付けることによって行う。
【特許文献１】特開２００２−５６８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところが前記特許文献の構成では、セル全体を固定するための締付けネジは、同一の単セルにおいて、空気極（以下、カソード極と記載）と接続されるＺ字状接続板に設けられた貫通孔と、燃料極（以下、アノード極と記載）と接続される別のＺ字状接続板に設けられた貫通孔の両方を通るため、前記同一セルに接続される２つの接続板が締付けネジにより短絡する可能性がある。
【０００４】
また前述のような短絡を回避するために貫通孔を大きくすると組み立て精度が低下し、さらに前記組み立て精度を向上のためには、貫通孔の径に合わせて絶縁材料で形成されたブシュのような中空円筒状の絶縁体を設けなければならず、部品点数が増加する、という問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
そこで本発明は前記課題を鑑みてなされたものであり、
プロトン導電性を有する樹脂からなる電解質と、この電解質の両面にアレイ状に配置される２組以上の触媒層からなる膜電極接合体と、その触媒層にそれぞれ対応するガス拡散層と、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成され、同じ極が同じ面に並ぶように平面に配置された平面型燃料電池において、前述した平面型燃料電池をアノード極側とカソード極側から押さえて固定する一対のエンドプレートと、カソード極とアノード極を貫通して設置される導電体と、その導電体と集電体層を接続する接続具を備え、少なくとも２つのセルについて一方の単セルのアノード極と他方の単セルのカソード極を電気的に直列接続することを特徴とする。
【０００６】
またプロトン導電性を有する樹脂からなる電解質、この電解質の両面に配置される触媒層からなる膜電極接合体と、それぞれガス拡散層と、集電体層からなるアノード極及びカソード極とから構成される単セルが２個以上同じ極が同じ面に並ぶように平面に配置された平面型燃料電池において、前述した複数の単セルをアノード極側とカソード極側から押さえて固定する一対のエンドプレートと、カソード極とアノード極を貫通して設置される導電体と、その導電体と集電体層を接続する接続具を備え、少なくとも２つのセルについて一方の単セルのアノード極と他方の単セルのカソード極を電気的に直列接続する構成としても良い。
【０００７】
上記構成において、直列接続される前記一方の単セルのカソード極と前記他方の単セルのアノード極の導通を確保するために備える導電体がエンドプレートを固定するための固定具であり、エンドプレートがいずれも絶縁体で構成されるかあるいは表面に電気的絶縁処理を施されることを特徴とする。
【０００８】
前述した固定具は、エンドプレートを固定するためのネジあるいはボルトであるか、あるいはエンドプレートを固定する板バネあるいはリベットであることを特徴とする。
【０００９】
さらに固定具としてネジあるいはボルトを用いた場合、接続具は座金にその機能を持たせても良い。
【００１０】
また、前述したエンドプレートは、カソード極側あるいはアノード極側の少なくともいずれか一方は一体成型されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る平面型燃料電池によれば、上記構成とすることで、簡素で低抵抗な配線で平面複数セルの直列構造を形成することが可能となる。またボルトに両エンドプレートの押付け圧と、電気伝導路という２つの機能を付加して、アノード極とカソード極の短絡という問題を排除することで、全体を簡素な構造とすることができ、部品点数の削減を実現する。さらに、アノード極とカソード極を別体とすることで、組み立ておよび解体を容易にし、個々のセル調整を可能とする。また接続の方法を変えることで、容易に直列接続から並列接続へ変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る平面型燃料電池の実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。図面において同一の引用符号で表した構成要素は、各図面共通で同一の構成要素を示すものとする。
【実施例１】
【００１３】
図１は、本発明に係る平面型燃料電池の構成図を示したものであり、本発明の基本形例である。図１において平面型燃料電池１００は、同一の電解質膜上にアレイ状に複数の触媒層を形成する膜電極接合体（以下ＭＥＡと記載）１０１と、同一の形状であり、前記ＭＥＡをカソード極側及びアノード極側から挟んで固定するカソード極側エンドプレート１０２ａ、アノード極側エンドプレート１０２ｂ（以下、エンドプレート１０２と記載する場合もある）と、アノード室１０３と、集電体層１０４と、前記ＭＥＡ１０１の触媒層ごとに設置され、かつ前記集電体層１０４と挟まれる図示しないガス拡散層と、ガスシール性を確保するためのパッキン材１０５と、前記各構成部材を固定する導電性の固定具１０６と、前記集電体層１０４と前記固定具１０６を接続する図示しない接続具から構成される。
【００１４】
前記固定具１０６は、図１においてはボルトを用いており、アノード極側から図示しないナットにより固定されるが、アノード室１０３の凹部端面に前記固定具１０６の位置に合わせてねじ穴を備えた凸部を設けて、前記ボルトとアノード室との締付けにより固定されても良い。また前記固定具１０６としては導電性を有する材料であれば、カソード極側エンドプレート１０２ａとアノード極側エンドプレート１０２ｂを挟んで固定する板バネ形状であっても良いし、カソード極側エンドプレート１０２ａとアノード室１０３を挟んで固定する板バネ形状であっても良い。さらに前記固定具１０６がピン状であり、図１においてカソード極側エンドプレート１０２からアノード室１０３までが接着剤により固定され、スルーホールを通ってカソード極側とアノード極側の電気伝導性を確保する構成であっても良く、カソード極側とアノード極側の電気伝導性を確保し、全構成部材を固定する構成であれば全て適用可能である。また前記固定具１０６の材質は、耐食性、機械的強度、電気伝導性に優れた材料であり、好ましくはステンレスなどが採用される。また、前記固定具を中空にして、発電によって前記アノード室に滞留する水溶液やオフガスを排出する導出路を設置する構成としても良い。
【００１５】
前記集電体層１０４については、電気伝導性に優れ、かつガス透過性に優れた材料であれば全て適用可能であるが、好ましくは発泡金属が用いられ、特に発泡ニッケルを用いることを特徴とする。
【００１６】
前記ＭＥＡ１０１、前記エンドプレート１０２、前記アノード室１０３、前記パッキン材１０５については、図３〜図６を用いて後に詳細を説明する。
【００１７】
図２は、本発明の平面型燃料電池の側面図であり、図２を用いて前記固定具と前記接続具の接続およびカソード極とアノード極の接続について詳細に説明する。
【００１８】
図２において、本発明の平面型燃料電池は、同一の電解質膜の上に複数の触媒層を配置したＭＥＡ２０１と、ＭＥＡの両面に集電体層２０２（図中では２０２ａ〜２０２ｄと記載）と、ＭＥＡ２０１と集電体層２０２の間に挟まれる図示しないガス拡散層と、前記集電体層２０２に接続され、さらに後述するボルト２０４と接続される接続具２０３（図中では２０３ａ、２０３ｂと記載）と、固定具として用いたボルト２０４とナット２０５と、電極端子２０６（図中では２０６ａ、２０６ｂと記載）と、絶縁体で形成されるカソード極側エンドプレート２０７と、同じく絶縁体で形成されるアノード極側エンドプレート２０８と、ガスシール性を有するパッキン材２０９と、図示しないアノード室から構成される。
【００１９】
固定具は図２においては、ボルト２０４とナット２０５を用いたが、図１で説明したとおり、電気伝導性を有し、全構成部材を固定する構成であれば全て適用可能である。詳細は、重複を避けるために割愛する。
【００２０】
図２において、接続具２０３は電気伝導性に優れた材質であれば全て適用可能であるが、好ましくは集電体層２０２と同種の金属であり、例えば集電体層２０２として発泡ニッケルを用いる場合は、ニッケルの線材あるいはニッケル板を用いる。また接続具２０３は、集電体層２０２と接続されるのに、機械的強度と電気伝導性を有する接続方法であれば、ハンダによる接続、導電性接着剤による接続等、すべての方法が適用可能であるが、好ましくは、異種金属の接触を避け、抵抗溶接、レーザー溶接、超音波溶接などにより接続される。また接続具２０３とボルト２０４の接続は、同様に電気伝導性に優れた接続方法であれば全て適用可能であり、ハンダによる接続、導電性接着剤による接続、抵抗溶接、レーザー溶接、超音波溶接等を用いても良いが、好ましくは接続具２０３自体がボルト２０４、ナット２０５の座金となるか、あるいは接続具２０３が座金と前記接続方法をもって接続され、ボルト２０４とナット２０５の締付け力により確実に接続具とボルト２０４が接触固定される構成とする。
【００２１】
前記ＭＥＡ２０１、カソード極側エンドプレート２０７、アノード極側エンドプレート２０８、前記パッキン材２０９については、図３、４、６を用いて後に詳細を説明する。
【００２２】
以下、図２のＭＥＡ２０１、集電体層２０２ａ〜２０２ｄ、接続具２０３ａ、２０３ｂ、ボルト２０４、ナット２０５、電極端子２０６ａ、２０６ｂを用いて直列接続の構成について詳細を説明する。
【００２３】
ＭＥＡ２０１と集電体層２０２ａ、２０２ｃで構成されるセル１において集電体層２０２ａが陽極、集電体層２０２ｃが陰極となり、接続具２０３ｂ、接続具２０３ｂと接続固定されるボルト２０４、ナット２０５、ボルト２０４と接続固定される接続具２０３ａは全て集電体層２０２ｃと同電位となる。接続具２０３ａは隣接する、ＭＥＡ２０１と集電体層２０２ｂ、２０２ｄから構成されるセル２の陽極側の集電体層２０２ｂと接続される。以上より、互いに隣接する前記セル１と前記セル２は、ボルト２０４を介して直列接続され、同様に互いに隣接するセル同士で順次直列接続され、末端の電極端子２０６ａ、２０６ｂから電力を得ることができる。
【００２４】
また同様に、接続具２０３ａを介して集電体層２０２ａとボルト２０４を接続し、図示しない接続具２０３ｃを介して集電体層２０２ｂとボルト２０４を接続し、接続具２０３ｂを介して集電体層２０２ｃとボルト２０４を接続し、図示しない接続具２０３ｄを介して集電体層２０２ｄとボルト２０４を接続する構成とすることで、各セルを容易に並列接続することもできる。
【００２５】
図３は、本発明の平面型燃料電池で図１に示すＭＥＡ１０１の構成図である。
【００２６】
図３よりＭＥＡ１０１は、電解質膜３０１と前記電解質膜３０１の両面にアレイ状に設置される触媒層３０２と、前記固定具を通すスルーホール３０３から構成される。前記触媒層３０２は、図３に示すように格子状に並べてに設置されてもよいし、同心円状に並べて設置されても良いし、そのほかあらゆる形状に設置されても良い。さらに前記触媒層３０２は、図３に示すように全て同形状であってもよいし、燃料の当たり方によって生じる各触媒層の出力のばらつきを吸収するように形状が変えられても良い。また図３に示すように同一の電解質膜３０１上に触媒層３０２が配置されてもよいし、格子状の基材で分割された電解質膜上に、それぞれ触媒層が配置される構成であってもよい。
【００２７】
図４は本発明の平面型燃料電池で図１に示すエンドプレート１０２ａ、１０２ｂの構成図である。
【００２８】
図４よりエンドプレート１０２ａ、１０２ｂは、基材４０１と、前記集電体層と接触して押付け力を与える押さえ棒４０２と、前記固定具を通すスルーホール４０３と、前記押さえ棒４０２を固定する溝４０４から構成される。
【００２９】
前記基材４０１の材質は、アルミナなどのセラミクス系材料、エポキシガラス系材料、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンなどの樹脂系材料など、機械的強度に優れた絶縁体であれば全て適用可能であるが、好ましくは曲げ強度に優れたポリアセタールであることを特徴とする。
【００３０】
前記押さえ棒４０２は、図４に示すように棒状体であってもよいし、格子状であっても良く、ガス透過を妨げない構造であり、かつ前記触媒層、ガス拡散層、集電体層に押圧を印加することで密着性を確保して電子伝導性を良好に保つ構造であれば全て適用可能である。さらに前記押さえ棒４０２は、図４に示すように溝４０４にはめ込むことで位置決めする構造でもよいし、基材４０１と予め接合される構造でも良い。また前記押さえ棒は、絶縁体であっても導電体であっても良い。特に導電体である場合は、耐食性、機械的強度、電気伝導性に優れた材料であれば全て適用可能で好ましくはステンレスを用いる。この場合、前記接続具は前記押さえ棒と接続されても良い。
【００３１】
スルーホール４０３の位置で、特にアノード極とカソード極を直列接続する前記固定具を通すスルーホール４０３の位置については、エンドプレートの機械的強度を確保し、かつスルーホール同士の距離が短く、内部抵抗が低い構造であれば限定されないが、好ましくはエンドプレート中央部に密集した構造とする。さらに基材外周部に後述するアノード室との接続のための固定具を通すスルーホールを配置する構成とする。また全てのスルーホール４０３の位置は、対称に配置され、かつ同一の力で締結することで面内の押付け力ばらつきを低減する。
【００３２】
図５は本発明の平面型燃料電池で図１に示すアノード室１０３の構成図である。
【００３３】
図５よりアノード室１０３は基材５０１と、供給口５０２と排出口５０３と固定具を通すスルーホール５０４から構成される。
【００３４】
基材５０１の材質は、前記エンドプレートと同様であるので、重複を避けるために割愛する。
【００３５】
供給口５０２からは燃料を供給するが、本発明の平面型燃料電池はＰＥＦＣ、ＤＭＦＣ、ＰＡＦＣ、ＭＣＦＣ、ＳＯＦＣなど全ての燃料電池に適用可能である。供給口５０２から供給される燃料は前記燃料電池を駆動するための燃料ならば全て適用可能であるが、好ましくは、水素リッチガスを供給口５０２から供給する構成とする。また排出口５０３は、通常閉じられていてアノード室内に滞留する水溶液やオフガスを排出するときに開かれる機構であってもよいし、常時開いていて、供給されて使用できなかった燃料と上記水溶液、オフガスを連続的あるいは断続的に排出する機構であっても良い。また前記アノード室の凹部には、燃料が前記ＭＥＡに効率的にかつ均一にあたるように流路が設置されていても良い。
【００３６】
スルーホール５０４は前記固定具がボルトである場合、ネジ溝が形成されていても良い。
【００３７】
図６は本発明の平面型燃料電池で図１に示すパッキン材１０５の構成図である。
【００３８】
図６よりパッキン材１０５は、基材６０１と貫通孔６０２と、前記固定具を通すスルーホールから構成されている。
【００３９】
基材６０１は、シリコンゴム、ニトリルゴムなどガスシール性を有する材質であれば全て適用可能であるが、好ましくはブチルゴムであることを特徴とする。
【００４０】
貫通孔６０２は、前記ＭＥＡの触媒層位置に合わせて開けられている。
【００４１】
スルーホール６０３は、図４におけるスルーホール４０５と同様であるので重複を避けるために説明を割愛する。
【実施例２】
【００４２】
図７に、本発明の平面型燃料電池の変形例を示す。図７において、図２に示した構成要素と、構成、機能、動作が同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。
【００４３】
図７において、電解質膜７０１（図中では７０１ａ、７０１ｂと記載）は、枠７０２により分割されるそれぞれのセルごとに設置される。またパッキン材７０３はアレイ状に形成されたセルの最外郭に設置される。
【００４４】
図７における各セルの接続方法として、直列接続、並列接続は図２に示した例と同様であるため、重複を避けて詳細な説明を割愛する。また、パッキン材７０３の構成及び材質に関しては、図６に示した例と同様であるため、重複を避けて詳細な説明を割愛する。
【００４５】
図８は、図７におけるＭＥＡ７０１、枠７０２の構成図である。図８は図３に示す前記ＭＥＡ１０１の変形例であり、図３と同一の構成要素に関しては、同一の引用符号を示し、重複を避けるため詳細な説明は割愛する。
【００４６】
図８において、電解質膜８０１は枠８０２に分割され、それぞれのセルごとに設置され、両面に触媒層３０２を形成する。枠８０２の材質はアルミナなどのセラミクス系材料、エポキシガラス系材料、アクリル、ポリカーボネート、ポリエチレンなどの樹脂系材料など、機械的強度に優れた絶縁体であれば全て適用可能であるが、好ましくは曲げ強度に優れたポリアセタールであることを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の平面型燃料電池の構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の平面型燃料電池の側面図であり、セルの電気的接続を示す図である。
【図３】本発明の平面型燃料電池のＭＥＡの構成例を示す図である。
【図４】本発明の平面型燃料電池のエンドプレートの構成例を示す図である。
【図５】本発明の平面型燃料電池のアノード室の構成例を示す図である。
【図６】本発明の平面型燃料電池のパッキン材の構成例を示す図である。
【図７】本発明の平面型燃料電池の第１の変形例の側面図であり、セルの電気的接続を示す図である。
【図８】本発明の平面型燃料電池の第１の変形例におけるＭＥＡの構成例を示す図である。
【図９】平面型燃料電池の従来例の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００４８】
２０１  電解質膜
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ  集電体層
２０３ａ、２０３ｂ  接続具
２０４  ボルト
２０５  ナット
２０６ａ、２０６ｂ  電極端子
２０７  カソード極側エンドプレート
２０８  アノード極側エンドプレート
２０９  パッキン材
【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】
2006086045.tif 000008
【図７】
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【図８】
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【図９】
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