(57)【要約】【課題】高分子電解質型燃料電池等の単位セルでは通常単位発電圧しか得られなくこれらを積層してスタックにしなければ充分な作動電圧が得られなかった。またそれぞれの単位セルを区切るセパレータ等は強度と導電性が必要で限られた材料しか使えずかつ形状も制約されていた。全体として複雑な構造で大きく重く生産性も悪く高価になりやすかった。【解決手段】前記単位セルの高分子電解質膜等の表裏面にそれぞれ正極膜、負極膜を一対の単位発電素子を構成するように複数個互いに分離して配設し、かつそれぞれが電気的に直列に接続されるようにして単位発電圧より高い所定の電圧を得られ、これを包含する外殻と一体にして内部に少なくとも作用ガスの一方が連続的に流れる流路を設け、スタック構造を用いないためセル本体で多様な形態に形成可能な構成とする。【選択図】図１
2006318880.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子電解質型燃料電池の発電素子部を触媒、集電あるいはガス拡散機能を適宜保有する正負電極を電解質膜をはさんでその表裏面にそれぞれ相対する位置に一体的に配設しこの組み合わせで一個の単位電池を構成し、同時にこれらを互いに個別分離されるように同一電解質膜複上に表裏面はそれぞれ同電極がくるように複数個設けて単位セルとし、あわせて表裏両面の各異電極はそれぞれ導電線等で電気的に直列となるように順次接続して、一連の電解物質の電極両端では構成要素である各単位電池の発生電圧より高い直流電圧が直接得られる構成とし、その発電素子部は正負両方の電極それぞれの面に異なる反応用作用ガスが密着して流れる流路を形成する電気絶縁性の材料よりなる外郭で覆い、少なくとも一方の作用ガスがその長手方向にそって連続的に流れるように一体的な構造とした高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前項の構成全体を成形可能なものとしこれを適宜折り曲げたり、巻いたりして全体の積み重ね断面形状を略矩形の箱形状、略円や楕円の円筒形状に形成するように構成した一連の高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前項までの構成中、高分子電解質膜を固体酸化物質に置き換えた固体酸化物型燃料電池で円筒形状の形態において外殻を有しない構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、主に高分子電解質型燃燃料電池の発電素子部およびその作用流体流路よりなる発電部分に関するもので、燃料電池が用いられる産業用、民生用のほとんどの技術分野に関与する。
【背景技術】
【０００２】従来、前記分野の燃料電池は基本的な構造はセルと呼ばれる個別の発電素子を多数積層してスタックを構成し所定の電力を得る。それぞれのセルで得られる電圧は比較的低く（高分子型電解質では約０．７ボルト程度）実用的にはこれを多数直列につなぎより高い電圧を得る。このためにたとえば高分子型電解質では作用流体である水素ガスと酸素ガスの流路となる外殻部分は電解質膜に配設される集電部分と接触し通電できるカーボンや金属材料よりなる導電性物質で構成され、同時に接触電気抵抗を減ずるために互いに壊れない程度にしっかりとボルトとナット等で締結される。またこの時各ガス流体の流路はそれぞれ混合することが無いようにまとめて流入、排出されるように特別のヘッダーや配管も設けられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】前述のように従来は実用的にはスタック構造となるため比較的小電力用でも複雑で大きく重くなる傾向があり、また外殻には強度、導電性があることのほかに内部に水分も通ることから充分な耐食性と複雑な流路を形成する必要から材料や成形も限られ高価で複雑になる課題があった。また所定電圧を得るために多数のセルを用いることは生産性の向上、品質確保の弊害にもなっていた。本発明はこれらを抜本的に解消し、セルを連続的に形成し簡単な構造で小型軽量かつ安価に得られる方法を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００４】主に高分子電解質型燃料電池の発電素子部を触媒、集電あるいはガス拡散機能を適宜保有する正負電極を電解質膜をはさんでその表裏面にそれぞれ相対する位置に一体的に配設しこの組み合わせで一個の単位電池を構成し、同時にこれらを互いに個別分離されるように同一電解質膜複上に表裏面はそれぞれ同電極がくるように複数個設けて単位セルとし、あわせて表裏両面の各異電極はそれぞれ導電線等で電気的に直列となるように順次接続して、一連の電解物質の電極両端では構成要素である各単位電池の発生電圧より高い直流電圧が直接得られる構成とし、その発電素子部は正負両方の電極それぞれの面に異なる反応用作用ガスが密着して流れ、少なくともその一方は長手方向に連続的した流路を形成する電気絶縁性の材料よりなる外郭で覆い一体的な構造を単位として構成させる。そしてこの構成全体を成形可能なものとしこれを適宜折り曲げたり、巻いたりして全体の積み重ね断面形状を略矩形の箱形状、略円や楕円の円筒形状に形成するようにして従来のスタック構造を用いない燃料電池を得る。
【発明の効果】
【０００５】一連の単位セルで所定の比較的高い電圧が得られるため生産性が大きく向上し、スタック構造としなくてもよく作用ガス流路も単純簡単となるため抜本的に構造を簡易化できる。また全体の断面形状も板状や円筒状のほかに折り畳んだり巻き込んだりすることで自由度、体積密度および多様性等が飛躍的に向上する。内部に水分がある場合も絶縁性の樹脂等でよく耐食性も向上でき材料の制約も減る。以上により従来のスタック型燃料電池とは全く異なる安価、小型軽量で安定性能も期待でき生産性のすぐれた燃料電池が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】本発明の実施は前項までに既述のように構成し全体の断面形状を長手方向の幅は一定ながらその断面形状を板状あるいは円筒状はもとより、必要に応じて全体を成形可能性のあるものとしこれを適宜折り曲げたり巻いたりして積み重ね複合形成して用いられるようにする。ここに単位セルの正負両電極に流入するそれぞれの作用ガス流体は一方は長手方向に連続流で他方がこれと直交する互いに直交流あるいは両者ともに長手方向に連続流となる対向流もしくは並行流を適宜選定することにより最大の機能特性を得ることが可能となる。
【実施例】
【０００７】以下、本発明を高分子電解質型燃料電池の実施例を主体に図１から図５の実施例について説明する。図１はセル側面断面の概念図、図２はセル前面断面の概念図、図３はセル本体の折りたたみ積み重ね断面概念図、図４はセル本体の巻き重ね断面概念図および図５はセル本体の円筒状断面概念図である。図１および図２で本発明の構造概念を示すと、セル本体（１）は原則的に矩形形状でその外側は流体流路外殻（１０）および外殻側部（１１）で覆われその内部は中央に設けられる電解質膜（２）との間にスペーサ（９）（部分を図示）等を適宜配設置して作用流体の流路（１２）を構成する。スルフォン酸系高分子等を用いる電解質膜（２）にはその表裏両面をはさんでそれぞれ密着した状態で正電極膜（３）および負電極膜（４）が配設されるがそれぞれは図１で示すように互いに相対して一対の単位電池を構成すると同時に同一電解質膜（２）上で複数個の単位に個別に分離される。ここにそれぞれの単位電池は同一面には同電極が配設され互いの間隙部は絶縁体（５）でほぼ同じ高さまで充填され電解質膜（２）は直接作用流体と接触しないよう設けられる。ここに正電極膜（３）および負電極膜（４）は主に白金等の触媒、集電およびガス拡散機能部を適宜保有する炭素系材料等で成り、それぞれ隣接する異なる面上の異なる電極に導電線（６）で結合される。この時導入電線（６）は図２のように外殻側部（１１）からいったん取り出され電解質膜（２）を迂回したり、この外殻側部（１１）内を通したり（図示せず）あるいは電解質膜（２）を絶縁体（５）を貫通して（図示せず）設けられ、各単位電池を電気的に直列に結び両電極の最終端は正電極取り出し部（７）および負電極取り出し部（８）と結ばれて直流電力が取り出される。なお各図の矢印はいずれも本燃料電池で用いる一組の発電反応用作用流体の流れを示す。例えば高分子電解質型では図１では正電極膜（３）側に酸化剤の酸素ガス、実用的には空気の流入が紙面に沿って平行に左から入り右に出る様子を、また図２では負電極膜（４）側に被酸化剤の燃料、実用的には水素ガスが同図右から左に紙面と平行に流入、吐出する様子を示すが、換言すれば両作用流体は互いに直交流を成している。スペーサ（９）は作動ガスの流路（１２）を確保するとともに流れを整流し場合により分断して単位電池ごとの集電機能を保有するがその形態は同図のような半波状以外に全波状あるいは矩形でも場合によっては無くてもよい。以上述べた構造より分かるように該セル本体（１）は外殻以外ほとんど膜状の材料で構成され柔らかく変形性に富む。このため他の構成部材もあらかじめこの変形に整合するように形状、加工あるいは材料の選択により多様な使用形態が可能となる。その応用例を図３、図４および図５にいずれもその側断面の概念図として示す。図３はセル本体（１）を交互に折り重ね全体的には略矩形断面としたもの、図４は同一方向に巻いて同様略矩形断面としたものであるが説明の便宜上電解質膜（２）をそれぞれの略中心線として示す。なおその幅はほぼ一定で成形前には帯状形態である。また作用流体の一方は紙面と平行な矢印方向に他方はそれと紙面に直行する方向に流される。この時両作用流体は流体流路外殻（１０）および外殻側部（１１）でたがいに適宜導かれるが少なくとも一方が連続流のため曲がり部でも連結される。なお、巻き方の形態によりその断面形態は円状（渦巻き状）や楕円形状も可能である。図５はこれらを円筒状に同心円的にまとめた例で、作用流体は紙面の上下長手方向の対向流である（スペーサは図示せず）。これは固体酸化物型燃料電池に用いることも可能で、円筒部をあらかじめ高分子電解質膜部を筒状に焼成等で整形された固体酸化物質に置き換え、中央空洞部（２０）から本体を高温に加熱したり作用ガス流体の一方を流したりする。この場合流体流路外殻（１０）および外殻側部（１１）およびスペーサ（９）は不要でかつ他方の作用ガス流体は直交流でもよい。このほかセル本体（１）全体を可撓性のあるようにすれば必要に応じて形状を随時所定の形態に成形することもできる。
【産業上の利用可能性】
【０００８】発明の効果の項等で述べたように、本発明によればセルを連続的に形成でき、それを自由度の高い形態にまとめられるため、飛躍的に安価で簡易かつ小型軽量な便宜性の高い燃料電池が可能となる。現在燃料電池に期待されている産業上のあらゆる分野の中でも特に小型発電機器、小型運輸機器等の小型民生用分野に広汎な利用貢献が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明に関わる直列接続型燃料電池の構造、作用を示す。図１はセル側面断面の概念図、図２はセル前面断面の概念図、図３はセル本体の折りたたみ積み重ね断面概念図、図４はセル本体の巻き重ね断面概念図および図５はセル本体の円筒状断面概念図である。
【符号の説明】
【００１０】  （１）      セル本体
（２）      電解質膜
（３）      正電極膜
（４）      負電極膜
（５）      絶縁体
（６）      導電線
（７）      正電極取り出し部
（８）      負電極取り出し部
（９）      スペーサ
（１０）    流体流路外殻
（１１）    外殻側部
（１２）    流路
（２０）    中央空洞部
【図１】
2006318880.tif 000003
【図２】
2006318880.tif 000004
【図３】
2006318880.tif 000005
【図４】
2006318880.tif 000006
【図５】
2006318880.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成17年7月2日(2005.7.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
【図１】直列接続型燃料電池のセル側面断面の概念図を示す。
【図２】同セル前面断面の概念図を示す。
【図３】同セル本体の折りたたみ積み重ね断面の概念図を示す。
【図４】同セル本体の巻き重ね断面の概念図を示す。
【図５】同セル本体の円筒状断面の概念図を示す。