(57)【要約】【課題】燃料電池の使用時において、負荷電力が急激に増大した場合においても、面圧を加える面全体に安定した締め付け圧力を発生させることができ、電力の無駄を減少させ、燃料ガスの漏洩の抑制が可能となる燃料電池セル等を提供する。【解決手段】両面に反応層１２、１３を形成した電解質膜と、発電時にガス拡散および集電するための部材１４、１５と、を少なくとも含む燃料電池部材が、電力を取り出すための電極４３上に積層された構造を有する燃料電池セル７１であって、  前記電極は、該電極を構成する電極基板によって形成された、燃料ガスを流入させることによって前記燃料電池部材に面圧を印加するための閉鎖空間５５を備え、  前記閉鎖空間には、該閉鎖空間に流入した燃料ガスの逆流を抑制する逆流防止弁３１が設けられている構成とする。【選択図】            図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両面に反応層を形成した電解質膜と、発電時にガス拡散および集電するための部材と、を少なくとも含む燃料電池部材が、電力を取り出すための電極上に積層された構造を有する燃料電池セルであって、
前記電極は、該電極を構成する電極基板によって形成された、燃料ガスを流入させることによって前記燃料電池部材に面圧を印加するための閉鎖空間を備え、
前記閉鎖空間には、該閉鎖空間に流入した燃料ガスの逆流を抑制する逆流防止弁が設けられていることを特徴とする燃料電池セル。
【請求項２】
前記電極基板は、配線パターンが形成された可撓性の板状部材によって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池セル。
【請求項３】
前記閉鎖空間は、前記可撓性の板状部材によって形成された燃料ガスを流入させる領域を有し、
前記逆流防止弁が、前記燃料ガスを流入させる領域に面する側の前記可撓性の板状部材に、弁部材を固定することによって構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池セル。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池セルを複数積層して構成されていることを特徴とする燃料電池スタック。
【請求項５】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池セル、または請求項４に記載の燃料電池スタックが、筐体内に収容され構成されていることを特徴とする燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池セル、該燃料電池セルを用いた燃料電池スタック及びこれらによって構成された燃料電池に関するものであり、特に、携帯可能な電子機器の電源として用いられる燃料電池セルに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、一般的な構造として、両面に反応層を形成した電解質膜と、発電時にガス拡散および集電を行なうための部材と、電力を取り出すための電極を積層して成る燃料電池セルを、筐体内に内包した構造を有している。
また、所望の起電力を得るために、複数の燃料電池セルを積み重ねたスタック構造を採る場合もある。
図６に、以上のような燃料電池の構造の模式図を示す。
図６において、発電部材２０１と支持部材（セパレータ）２０２で構成されるユニットセル２０３を複数積層して燃料電池スタック２０４とし、その両端に加圧板（エンドプレート）２０６が設けられている。
そして、これらに締め付けボルト２０７、スプリング２０８で面圧を印加している。
【０００３】
ところで、上記の締め付け方法では、燃料電池スタックの両側、又は片側だけにスプリングにより面圧を印加しているので、燃料電池の発熱、また冷却による部材の変形により、前記面圧が十分に掛からなくなる場合が生じる。
このように、面圧が十分に掛からない場合には、構成部材間の導電性が低下して発電電力が十分取り出せず、また、燃料ガスのシールが不十分となり、漏れが発生し易いという問題があった。
更に、燃料電池スタックの場合には、燃料電池セル間の導電性低下の影響が大きく現れることになる。
【０００４】
これらの課題に対処する方法として、特許文献１においては、図７に示すような燃料電池が開示されている。
この燃料電池においては、単位燃料電池２１２を、セパレータ２１０で挟み積層してなる燃料電池において、そのセパレータ２１０に、空間２１３と面圧発生板２１１とが設けられている。
そして、タンクから供給される高圧燃料ガスＧを、逆止弁２１６を介して流体入口２１４より供給し、空間２１３の内圧を上げることにより、面圧発生板２１１を介してスタック２１８を締結する面圧を発生させている。
この面圧発生に用いられた燃料ガスは、中継管２１５を介して燃料電池の発電反応のために供給される。
スタックに供給された燃料ガスは適宜背圧弁２１７を介してタンクに戻される。
また、特許文献１においては、面圧発生に用いられた後の燃料ガスを一旦タンクに戻し、燃料電池の発電反応のために供給される燃料ガスは別経路にて供給する構成も開示されている。
【特許文献１】特許第３１３５９９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例における特許文献１に開示されている燃料電池においては、以下のような課題が残されていた。
特許文献１の燃料電池においては、燃料電池の負荷として接続した電子機器の動作状況による急激な負荷電力の増大時に、発電反応による燃料ガス消費量が増大し、結果として面圧発生に用いられる燃料ガスの圧力が低減し、面圧が不足するという問題が生じる。
このような問題が発生すると、電力が急激に多く必要とされるときほど電力の無駄が多くなり、かつ燃料ガスの漏洩の可能性も高まることが懸念される。
この問題は面圧発生機構のコンダクタンスを上げることにより、ある程度は改善されるが、上記問題を解決するに至るものではない。
また、上記特許文献１に開示されている面圧を発生させるための燃料ガスと発電反応のための燃料ガスを別々に供給する方法を採ることで、上記問題を更に改善できたとしても、燃料電池の構成が複雑になり、空間利用効率が下がるという新たな問題が発生する。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑み、燃料電池の使用時において、負荷電力が急激に増大した場合においても、面圧を加える面全体に安定した締め付け圧力を発生させることができ、
電力の無駄を減少させ、燃料ガスの漏洩の抑制が可能となる燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、次のように構成した燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池を提供するものである。
本発明の燃料電池セルは、両面に反応層を形成した電解質膜と、発電時にガス拡散および集電するための部材と、を少なくとも含む燃料電池部材が、電力を取り出すための電極上に積層された構造を有する燃料電池セルであって、
前記電極は、該電極を構成する電極基板によって形成された、燃料ガスを流入させることによって前記燃料電池部材に面圧を印加するための閉鎖空間を備え、
前記閉鎖空間には、該閉鎖空間に流入した燃料ガスの逆流を抑制する逆流防止弁が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記電極基板が、配線パターンが形成された可撓性の板状部材によって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池セルは、前記閉鎖空間が、前記可撓性の板状部材によって形成された燃料ガスを流入させる領域を有し、
前記逆流防止弁が、前記燃料ガスを流入させる領域に面する側の前記可撓性の板状部材に、弁部材を固定することによって構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池スタックは、上記したいずれかに記載の燃料電池セルを複数積層して構成されていることを特徴とする。
また、本発明の燃料電池は、上記したいずれかに記載の燃料電池セル、または上記した燃料電池スタックを、筐体内に収容して構成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、燃料電池の使用時において、負荷電力が急激に増大した場合においても、面圧を加える面全体に安定した締め付け圧力を発生させることができ、
電力の無駄を減少させ、燃料ガスの漏洩の抑制が可能となる燃料電池セル、燃料電池スタック及び燃料電池を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明を実施するための最良の形態を、以下の実施例により説明する。
【実施例】
【００１０】
つぎに、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
実施例１おいては、本発明を適用した燃料電池セルについて説明する。
図１に、本実施例の燃料電池セルを説明するための図を示す。
図１（ａ）は本発明の燃料電池セルの断面模式図、図１（ｂ）は本実施例の燃料電池セルの内部に設けられた逆流防止弁の構成を説明するための模式図である。
図１（ａ）において、１１は電解質膜、１２、１３は反応層、１４、１５はガス拡散層、１６は電解質膜１１の両面に反応層１２、１３を形成したＭＥＡである。
１７はリーク防止のための金属膜、１８は接着剤、２１はスペーサである。
３１は逆流防止弁、３３、３４は流路口、４１、４２は基板である。
４３は燃料電池電極、５１、５２、５６、５７は流路口、５３、５４は流路、５５は閉鎖空間、７１は燃料電池セルである。
【００１１】
本実施例における燃料電池電極４３は、燃料ガスが流れる流路５３、５４、流路口５２、５７、面圧発生のための閉鎖空間５５が形成されている基板（電極基板）４２に、流路口３３、３４が形成されている基板（電極基板）４１と貼り合わさって構成された構造を備えている。
流路５３と面圧発生のための閉鎖空間５５の間には、逆流防止弁３１が設けられている。
この逆流防止弁３１は、流路口５２から閉鎖空間５５には燃料ガスが流れ易く、逆に閉鎖空間５５から流路口５２には、燃料ガスが流れにくく機能する。
【００１２】
基板４１、４２の材料としては、例えば、両面に導電層を形成したフレキシブル基板、セラミック基板、アルミ基板、シリコン基板等に流路もしくは配線パターンを形成したものが挙げられるが、フレキシブルで安価なフレキシブル基板が好ましい。
また、貼り合わせる方法としては、半田接合、超音波接合等で接合することにより、シール部材、気密を保持するための部品精度が必要なくなる。
ガス拡散層１４、１５は、流入してきたガスの拡散と、集電材としての機能を有するので、材料としてはカーボン材が挙げられる。
電解質膜１１の両面に反応層１２，１３を形成したＭＥＡ１６は、電極４３より流入してきた燃料ガスを外気にリークするのを防ぐため、電解質膜１１の外周辺に金属膜１７が形成されている。
この金属膜１７は、めっき、スパッタなどにより金属層が形成されたものか、薄い金属箔をかしめた構造が挙げられる。スペーサ２１は、電極４３とＭＥＡ１６との高さを調整するための部材である。
【００１３】
本実施例における燃料電池セル７１は、上記燃料電池電極４３上に、ガス拡散層１５、ＭＥＡ１６、スペーサ２１、ガス拡散層１４を、それぞれ積層することによって構成されている。
燃料電池電極４３、スペーサ２１、ＭＥＡ１６は、それぞれ上記で挙げた接合方法により接合することで、シールに必要な部品と部品精度を適度にすることが出来る。
接着剤１８は、積層した部材を更に固定するものである。
【００１４】
図８に、以上の燃料電池セルを用いて構成された燃料電池の模式図を示す。
上記燃料電池セル７１を、図８に示すように、流路口５１、５６、開口部６１が形成された、中空状の筐体８１に挿入することで、燃料電池９１となる。
挿入後、筐体８１から燃料電池セル７１がはみ出ないように、筐体８１の側面穴に、例えば、テープ、着脱可能な蓋、金属板かしめ、接着剤、溶接などで塞ぐ、等の方法が挙げられる。
後に燃料電池セル７１の取り出しを容易にするためには、テープや、あるいは着脱可能な蓋、等が好ましい。
【００１５】
つぎに、以上のように構成された本発明の燃料電池の機能について、図１（ａ）を用いて説明する。
流路口５１より流入した燃料ガスは、流路５２、５３、逆流防止弁３１を介して閉鎖空間５５に至る。
閉鎖空間５５に至った燃料ガスの圧力により上下面が膨らみ、積層したガス拡散層１５、ＭＥＡ１６を筐体８１内壁に押し付けて締結力を発生させることが出来る。
これにより、面全体で均一な圧力を加えられ、接触抵抗を低減させることが出来る。
流路口５１より流入する燃料ガスは図示しない燃料タンクより導かれている。
【００１６】
燃料ガスとして水素ガスを用いる場合、燃料タンクにおける貯蔵方法として水素吸蔵合金を使用したものが挙げられる。
この水素貯蔵合金の材質としては、常温における水素ガスの解放圧力が０．２ＭＰａ程度である材質が好ましい。具体的には、例えばＬａＮｉ5が好ましく用いられ得る。
燃料ガスは、流路口３４を通ってガス拡散層１５を介して反応層１３に至り、開口部６１より流入してきた酸素と発電反応を起こす。
更に、発電反応において消費されずに残った燃料ガスは、流路３３、５４、５７，５６から、外部へ流出する。
このとき、閉鎖空間５５の圧力を高めるため、流路の断面積は、流路口５２＞逆流防止弁３１＞流路口３４の関係であることが好ましい。
【００１７】
以上の構成によれば、燃料電池の負荷として接続した電子機器等の動作状況による急激な負荷電力の増大時に、反応層１３における燃料ガスの消費が急激に増加しても、閉鎖空間５５から流路５３、３４に燃料ガスが逆流することが防止される。
これにより、閉鎖空間５５の圧力は維持される。これにより接触抵抗の増加もなく、発電電力の低下を防ぐことができる。
なお、この逆流防止弁３１は、閉鎖空間５５の急激な燃料ガス圧の低下を抑制するものであるため、徐々に逆流することに対する厳密な密閉性までは要求されるものではない。
【００１８】
つぎに、図１（ｂ）を用いて、上記逆流防止弁の構造について説明する。
図１（ｂ）において、３１ａは、「くの字」に折り曲げられた部材である。
この部材３１ａは、中央部で「くの字」に折り曲げることが出来る、例えば極薄いフレキシブル基板を用いて形成され、その一部に、ガス流路口３１ｃが設けられ、基板４１、４２の内側に接着剤３１ｄを用いて固定されている。
そして、上記ガス流路口３１ｃを塞ぐように弁３１ｂが、極薄いフレキシブル基板を用いて設けられている。
このように、逆流防止弁３１を基板４１、４２の内側に設けて、閉鎖空間５５と、流路５３、流路口３４を分離することにより、上記した急激な負荷電力の増大時に、反応層における燃料ガスの消費が急激に増加しても、燃料ガスの逆流防止が可能となる。
【００１９】
［実施例２］
実施例２においては、本発明を適用して、複数の燃料電池セルを積層し、スタックとした構成例について説明する。
図２に、本実施例におけるスタックを構成する際に用いる燃料電池単セルの断面模式図を示す。
図３に、本実施例の燃料電池スタックにおける部品を分解した模式的組立図を示す。
図４に、本実施例の燃料電池スタックを覆う筐体の模式的斜視図を示す。
図５は、前記筐体内に、スタックを収納した場合の模式的斜視図である。
【００２０】
本実施例における燃料電池スタックを構成する燃料電池セルの構造は、実施例１とほぼ同様である。
しかし、図１の上面開口部６１からのような空気取り込みが出来なくなるので、空気取り込み、及び、ガス拡散のためガス拡散層６０を、ＭＥＡ１６上に積層する。
ガス拡散層６０には燃料電池スタックの側面から空気を取り込む役割があり、材料としては発泡金属が好適に用いられ得る。
さらに、燃料電池セル７１を積層した場合に、図３に示すように、セル間の燃料ガス伝達のため、燃料電池セル７１を構成する基板４１には、流路口５２、５７が形成されている。
また、セル間の燃料ガス伝達のため、パイプ６２、６３、６４が連接され、上部に次スタックに燃料ガスを供給するための流路６５が設けられている。
パイプ６２、６３、６４として、例えば、厚みの有る基板に流通口を設けたものや、フレキシブル基板内に流路形成した部品を用いてもよい。
以上のような構成の部品を、図３に示すような組み合わせで積層し構築したものが、燃料電池スタック９２となる。
【００２１】
上記のように構築された燃料電池スタック９２を、図４に示すように、通流口１０２、１０３、１０４、１０５が形成された、中空状の筐体１０６に入れることにより燃料電池１０７となる。
筐体１０６に形成されている流路口は、使用条件によっては、塞がる場合があってもよい。
筐体１０６に燃料電池スタック９２を入れた後、燃料電池スタック９２がはみ出ないように、筐体１０６の側面開口部を、つぎのような部材で塞ぐことができる。
例えば、テープ、着脱可能な蓋、金属板かしめ、接着剤、溶接などを用い、塞ぐことができる。後に、燃料電池スタック９２を取り出すことができる、テープ、着脱可能な蓋などが好ましい。
図５には、本発明の電池スタック９２と筐体１０６を一体化した燃料電池１０７の様子が示されており、また、そこには着脱可能な蓋１０１を用いた場合について模式的に示されている。
【００２２】
以上のように構築された本発明の燃料電池の機能については、実施例１とほぼ同様であるが、燃料ガスが、流路口５２、６５、パイプ６２、６３、６４を介して、各セルに流入する。
流入した燃料ガスが、各セルの閉鎖空間５５を膨らませることで、燃料電池部材を筐体１０６に内壁に押し付け、締め付け圧力を発生させることができる。
これにより、面全体で均一な圧力を加えられ、接触抵抗を低減させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の実施例１における燃料電池セルを説明するための図であり、（ａ）は本発明の燃料電池セルの断面模式図、（ｂ）は本実施例の燃料電池セルの内部に設けられた逆流防止弁の構成を説明するための模式図。
【図２】本発明の実施例２におけるスタックを構成する際に用いる燃料電池単セルの断面模式図。
【図３】本発明の実施例２の燃料電池スタックにおける部品を分解した模式的組立図。
【図４】本発明の実施例２における燃料電池スタックを覆う筐体の模式的斜視図。
【図５】本発明の実施例２における筐体内にスタックを収納した場合の模式的斜視図。
【図６】従来の燃料電池のスタック構成を説明するための図。
【図７】従来例である特許文献１の燃料電池の構成を説明するための図。
【図８】本発明の実施例１における燃料電池セル用いて構成された燃料電池を示す模式図。
【符号の説明】
【００２４】
１１：電解質膜
１２、１３：反応層
１４、１５：ガス拡散層
１６：ＭＥＡ
１７：リーク防止のための金属膜
１８：接着剤
２１：スペーサ
３１：逆流防止弁
３３、３４：流路口
４１、４２：基板（電極基板）
４３：燃料電池電極
５１、５２、５６、５７：流路口
５３、５４：流路
５５：閉鎖空間
６０：ガス拡散層
６１：開口部（酸化材供給口）
６２、６３、６４：燃料ガス伝達パイプ
６５、６５：流路口
７１：燃料電池セル
８１：筐体
９１：燃料電池
９２：燃料電池スタック
１０１：蓋
１０２、１０３、１０４、１０５：通流口
１０６：筐体
１０７：燃料電池
２０１：発電反応部
２０２：支持部材
２０３：セル
２０４：スタック
２０５：燃料電池
２０６：エンドプレート
２０７：ボルト
２０８：圧縮バネ（スプリング）
【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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【図８】
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