(57)【要約】【課題】燃料電池内部に生じた水分を効率的に除去することにより発電性能を長時間維持させた空気吸込み式燃料電池を提供する。【解決手段】空気吸込み式燃料電池において、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両側に対向して設けられた酸素極および燃料極と、酸素極側に隣接した流路板と、この流路板の外側および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むセル部を複数個積層してなる発電用セルスタック、およびこの発電用セルスタックに接続され、そのセル部と同じ構成を有するとともに、抵抗体が接続されて発電を行うことができるセルを少なくとも１個を含むことからなる水分除去用セルスタック、を有し、長時間の作動により発電用セルスタックにおいて生じた水分は燃料とともに水分除去用セルスタックに導かれ、電池外側周囲への自然蒸発等によって除去され、発電性能の低下を抑制することができる。【選択図】　　　　図１
2004039513.tif 000002
【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セル部、該セル部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分配マニホルドおよび前記セル部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リング等を介してエンドプレート間に前記セル部を一体に締め付けるための固定用ナットを有する空気吸い込み式燃料電池であって、
高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両側に対向して設けられた酸素極および燃料極と、前記酸素極側に隣接した流路板と、該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む前記セル部を複数個積層してなる発電用セルスタック、および
該発電用セルスタックに接続され、前記セル部と同じ構成を有するとともに、抵抗体が接続されて発電を行うことができるセルを少なくとも１個を含むことからなる水分除去用セルスタック、
を有することを特徴とする空気吸込み式燃料電池。
【請求項２】
前記水分除去用セルスタックが前記発電用セルスタックに隣接して設けられていることを特徴とする請求項１に記載された空気吸込み式燃料電池。
【請求項３】
前記水分除去用セルスタックおよび前記発電用セルスタックが離隔して設けられ、前記両セルスタックの燃料分配マニホルド同士が互いに連通されるように接続されて設けられていることを特徴とする請求項１に記載された空気吸込み式燃料電池。
【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、家庭用あるいは事務機器等の電源、発電機としてさまざまな用途に使用することができる燃料電池に係り、無公害の固体高分子型電池に生じた水分を除去することができる空気吸込み式燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池には、水素を主燃料とした固体高分子電解質型燃料電池が、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ことから注目されて開発されている。その一例として、米国特許第５，５９５，８３４号明細書、あるいは本願出願人の先願である特許出願第２００１−６６１０９号に記載されているものがある。
【０００３】
その一例として、本発明者等の提案する、図３に示すような単セル１０を積み重ねて提供された空気吸込み式燃料電池がある。具体的には、図８に示すように、高分子電解質膜１２の両側にアウターシール１６を外周に備えた燃料極１３ａ、インナーシール２２により内側をシールした酸素極１３ｂ、この酸素極１３ｂに隣接して設けられた酸素流路板１８からなっている。これらの燃料極１３ａおよび酸素流路板１８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を複数個積み重ねられている。なお、セパレータ板３４は、発電した電力を取り出すための端子を設けて集電板とされている。さらに、燃料極１３ａに連通された親水性合成繊維糸のスリーブ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の中心を通されるタイ・ボルト２６の両端にセパレート板３４との間にエンドガスケット２８を挟んでエンドプレート２４をさらに設け、このエンドプレート２４に対してＯリング３６を挟んで燃料流路４４を有する一方のナット４０，ブリーダバルブ５２を有する他方のナット５０によって一体に締付固定した構造を有している。このような燃料電池は、小型で軽量のものとすることができるために、低パワーの燃料電池に適している。
【０００４】
また、この高分子電解型燃料電池では、酸素極１３ａへ一方のナット４０の中心部から燃料が供給され、燃料分配マニホルド３２の親水性スリーブを通して分配され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固体高分子型燃料電池では、発電の際の化学反応により水分が発生し、その水分は最初の段階では各セルの外側周囲の大気に放出されて燃料の供給を行うことができ、高い電流を発生させることができる。しかし、時間の経過とともに発生した水分が燃料分配マニホルドの燃料流入方向下流部に溜まり、下流部の燃料極への燃料の供給を十分に行うことができなくなり、発生電流は全体としてその燃料極の発電に支配されるために、急激に低下していくことになる。
【０００６】
また、高分子電解質型の燃料電池では、燃料分配マニホルドに溜まった水分をエンドプレートに設けたバルブを開放することによって除去することも行われているが、それを行う手間、あるいはそのための装置を設けることは、セル部の形状を小さくするためには、余計な形状のものを付加することになるので、装置の外形も考慮する必要があり、設計上に簡単に対処できるものではなかった。
【０００７】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、燃料電池内部に生じた水分を効率的に除去することにより発電性能を向上させた空気吸込み式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、発生した水分の除去のために特別な手段を設けることなく、発電部と同じセルスタックを付加することによって経費を最小限にして対処することができるようにした空気吸込み式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に、本発明の第１の手段による空気吸込み式燃料電池は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両側に対向して設けられた酸素極および燃料極と、酸素極側に隣接した流路板と、この流路板の外側および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むセル部を複数個積層してなる発電用セルスタック、およびこの発電用セルスタックに接続され、セル部と同じ構成を有するとともに、抵抗体が接続されて発電を行うことができるセルを少なくとも１個を含むことからなる水分除去用セルスタック、を有することを特徴とする。
【００１０】
この第１手段よれば、以下のような作用を奏する。
セル部を複数個積層してなる発電用セルスタックに対して、セル部と同じ構成を有するセルを少なくとも１個を含むことからなる水分除去用セルスタックが接続されているので、発電用セルスタックを長時間の連続出力を行うと、燃料供給を行うために中心部に設けられた燃料分配マニホルドの燃料流入方向下流部に水分を生じても、さらに下流に接続されて位置する水分除去用セルスタックに移動され、この水分除去用セルスタックにおいても抵抗体が接続されているために、発電作用がなされる。そして、水分除去用のセルスタックには、燃料の流入と共に水分が流入されるが、このセルスタックにおいて生じる水分と同時に外部に蒸発による放出を行うことができる。したがって、発電用セルスタックにおいては水分が溜まることによる発電効率の低下を解消することができ、長時間に亘り一定の発電能力を維持することができる。
【００１１】
この空気吸込み式燃料電池における第二の手段によれば、水分除去用セルスタックが発電用セルスタックに隣接して設けられていることを特徴とする。
【００１２】
この第二の手段によれば、水分除去用セルスタックが発電用セルスタックに隣接して設けられるので、同じ構成のセルスタックをほぼ同じ外形のものを延長させた構造にすることにより形成することができ、両セルスタックを共通のスタックによって形成することができると共に、設置箇所が制限を受ける場合にも容易に対処することができる。
【００１３】
また、本発明による空気吸込み式燃料電池の第三の手段は、水分除去用セルスタックおよび発電用セルスタックが離隔して設けられ、両セルスタックの燃料分配マニホルド同士が互いに連通されるように接続されて設けられていることを特徴とする。
【００１４】
この第三の手段によれば、発電用セルスタックが小型の機器に取り付けられる場合のように、設置箇所が制限される場合には、燃料分配マニホルドを延長させて接続するか、別な接続管によって両セルスタックの燃料分配マニホルドを接続することができ、スペース的に無理な場合にも、両スタックを離して設置することができ、その対応設置箇所の範囲を拡大させることができる。
【００１５】
【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。
図１および図４は、本発明の一実施の形態に係る空気吸込み式燃料電池を示し、それぞれ概略説明図および分解断面図である。図１および図４に示すように、空気吸込み式燃料電池は、発電用セルスタック１および水分除去用セルスタック２が絶縁材からなるエンドプレート２４を挟んで一体に形成されたものである。それぞれのセルスタック１，２は、従来例と同様な構成を有していて、単一のセル１０を複数個一体にしたものであり、セパレータ板３４の間に高分子電解質膜１２の両側にアウターシール１６を外周に備えた燃料極１３ａ、インナーシール２２により内側をシールした酸素極１３ｂ、この酸素極１３ｂに隣接して設けられた酸素流路板１８からなっている。このような構成のセル１０が発電量に応じて複数個重ねられて発電セルスタック１が構成される。
【００１６】
そして、この発電用セルスタック１に対して、水分除去用セルスタック２がエンドプレート２４を挟んでさらに結合される。水分除去用セルスタック２は、発電セルスタック１を構成するセル１０と同じように、セパレート板３４の間に、高分子電解質膜１２を中心に一方側にアウターシール１６を外周に備えた燃料極１３ａを、他方側に共通のインナーシール２２を内周部に備えた酸素極１３ｂおよび酸素流路板１８を配置して積層して設けられた構成を有するセル１０からなっている。セル１０の数は、発電用セルスタック１の発電量に応じて決められ、水分除去用スタック２としては、セパレート板３４とエンドプレート２４との間にエンドガスケット２８を挟んで一体にされている。さらに、外側のセパレータ板３４同士、あるいは内側のセパレータ板３４同士は、抵抗体Ｒが接続されて、セルスタック２において、燃料を消費しながら発電作用をするようにされている。
【００１７】
上記のような発電用セルスタック１と水分除去用セルスタック２は、図４に示すように、セル１０の中心部に設けられた孔を通して図示しない燃料分配マニホルドを有したタイ・ボルト２６の両端部にナット４０，５０を取り付け、締付けることにより一体にされる。
【００１８】
このように、発電用セルスタック１と水分除去用セルスタック２とを隣接して一体にすることにより構成された空気吸い込み式燃料電池は、図１に示すように、燃料である水素Ｈ２が燃料分配マニホルドを介して中心部から矢印方向に供給されると、各セル１０において各セルスタック１、２の外周から酸素流路板１８によって酸素極１３ｂに供給された空気中の酸素と、各セルスタック１，２の中心部から燃料極１３ａへ供給された燃料が高分子電解質膜１２において反応して、両極１３ａ，１３ｂに電位差を発生して起電力を生じさせ、各セル１０の両セパレート板３４間に発電作用を生じさせる。
【００１９】
水分除去用セルスタック２を接続せずに発電用セルスタック１のみによる従来方式の発電作用においては、長時間使用していると、内部に、特に燃料供給部となる各セルの中心部に発電反応により生じた水分が、各セルの外周部の外側へ蒸発により発散し切れなくなると、燃料分配マニホルドに溜まり、燃料供給路を狭めることになり燃料の供給を抑制することになって、図７に示すように急激に発電能力が低下していく。なお、図７で明らかなように、ブリーダバルブ５２を開放して水分を除去しても発電量は一時的に回復させることができるが、水分の放出が十分に行われないため再び発電量は低下することになる。
【００２０】
しかるに、水分除去用セルスタック２を発電用セルスタック１に接続した場合に、燃料分配マニホルド３２に溜まった水分は、発電用セルスタック１から水分除去用セルスタック２へ供給される燃料とともに水分除去用セルスタック２へと移動し、そこで発電作用に伴う水分の外部への蒸発による放出あるいは、ブリーダバルブ５２の開放による排出により、水分の除去を行なうことができる。したがって、発電用セルスタック１においては発生した水分が溜まることがなく、発生した水分も水分除去用セルスタック２で処理されるために、図６に示すように発電能力を高く一定に長時間に亘って維持させることができる。
【００２１】
上記実施の形態においては、小電力の発電に適用できるように、発電用セルスタック１と水分除去用セルスタック２とは、エンドプレート２４を挟んで隣接して一体の構造にされているが大電力の発電に適用するために、図２に示すように、発電用セルスタック１と水分除去用セルスタック２とが接続部３により離隔されるように接続されてもよい。この接続部３は、適宜の材料からなり，必要に応じて可撓性を有するものとして形成されていて、各セルスタック１、２の中心部の燃料供給部が互いに管体によって接続され、燃料、そして発電用セルスタック１において溜まった水分を取り出して、燃料とともに水分除去用セルスタック２へ導くことができるようになっている。
【００２２】
水分除去用セルスタック２は、図５に示すように、セル１０が発電用セルスタック１の発電容量に応じて複数個重ねられて、図４に示す燃料電池と同様に、タイ・ボルト２６の両端にナット４０，５０を取り付けて締付け、一体にすることができる。この各セル１０の構造も、図４に示すものと同じものである。その際、水分除去用セルスタック２には、セパレータ板３４同士に外部抵抗が接続されるが、外側同士のセパレータ板３４，３４に外側外部抵抗Ｒｏを、あるいは内側同士のセパレータ板３４，３４に内側外部抵抗Ｒｉが取り付けられて、この水分除去用セルスタック２において、発電作用を行い、燃料を消費して、燃料とともに発電用セルスタック１に溜まった水分を導き、この水分除去用セルスタック２で外部へ蒸発により放出できなくて溜まった水分をブリーダバルブ５２を開いて排出することができる。
【００２３】
したがって、大電力の発電を行う空気吸込み式燃料電池では、発電用セルスタック１において、水分の発生も多くなり、燃料分配マニホルド３２に溜まった水分は、接続部３を通して燃料の供給とともに水分除去用セルスタック２に移動され、外周部への蒸発による放出とともに、それにより除去できなくて中心部の燃料供給部に溜まってきた水分はブリーダバルブ５２を開いて排出させることができ、その際、発電用セルスタック１には発生した水分が溜まることなく、各セル１０への燃料の供給が障害なく行われて、図６に示すような発電量が得られる。
【００２４】
また、両セルスタック１，２は、接続部３によって接続されているので、設置箇所の問題で隣接が不可能であれば、適当に延長させることもでき、適用範囲を広くすることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に係る空気吸込み式燃料電池は、上記の構成により以下のような効果を奏する。
【００２６】
上記空気吸込み式燃料電池において、セル部を複数個積層してなる発電用セルスタックに対して、セル部と同じ構成を有するセルを少なくとも１個を含むことからなる水分除去用セルスタックが接続されているので、発電用セルスタックを長時間の連続出力によって燃料分配マニホルドの燃料流入方向下流部に水分を生じても、この水分が下流に接続されて位置する水分除去用セルスタックに燃料の流入と同時に移動され、この水分除去用セルスタックにおける発電作用により、生じる水分と共に外部への蒸発による放出を行うことができる。したがって、発電用セルスタックにおいて水分が溜まることによる発電効率の低下を解消することができ、長時間に亘り一定の発電能力を維持することができるという優れた効果を奏する。
【００２７】
また、水分除去用セルスタックが発電用セルスタックに隣接して設けられるので、同じ構成のセルスタックをほぼ同じ外形のものを延長させた構造にすることにより、両セルスタックを共通のスタックによって形成することができると共に、小型の機器のような設置箇所の制限があっても容易に対処することができる。
【００２８】
そして、発電用セルスタックが大電量を要求されるような場合や、設置箇所が制限される場合には、長さの調節ができる接続部によって両セルスタックの燃料分配マニホルドを接続することができ、スペース的に無理な場合にも、両スタックを離して設置することができ、水分除去用セルスタックも発電用セルスタックに対応してそのサイズ、設置箇所の適用範囲を自由に調節することができ、対応性のたかめることができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による空気吸込み式燃料電池の概略説明図である。
【図２】本発明の他の実施の形態による空気吸込み式燃料電池の概略説明図である。
【図３】従来の空気吸込み式燃料電池の概略説明図である。
【図４】図１に示す本発明の一実施の形態による空気吸込み式燃料電池の分解断面図である。
【図５】図２に示す本発明の他の実施の形態による空気吸込み式燃料電池の水分除去用セルスタック部の分解断面図である。
【図６】本発明の実施の形態による空気吸込み式燃料電池の性能曲線である。
【図７】従来の空気吸込み式燃料電池の性能曲線である。
【図８】従来の空気吸込み式燃料電池の分解断面図である。
【符号の説明】
１　発電用セルスタック
２　水分除去用セルスタック
３　接続部
１０　セル
１２　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
３６　Ｏリング
４０　ナット
４２　中空孔
４４　燃料流路
５０　ナット
５２　ブリーダバルブ
Ｒ　外部抵抗
Ｒｏ　外側外部抵抗
Ｒｉ　内側外部抵抗
【図１】
2004039513.tif 000003
【図２】
2004039513.tif 000004
【図３】
2004039513.tif 000005
【図４】
2004039513.tif 000006
【図５】
2004039513.tif 000007
【図６】
2004039513.tif 000008
【図７】
2004039513.tif 000009
【図８】
2004039513.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成15年3月31日(2003.3.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
その一例として、本発明者等の提案する、図３に示すような単セル１０を積み重ねて提供された空気吸込み式燃料電池がある。具体的には、図８に示すように、高分子電解質膜１２の両側にアウターシール１６を外周に備えた燃料極１３ａ、インナーシール２２により内側をシールした酸素極１３ｂ、この酸素極１３ｂに隣接して設けられた酸素流路板１８からなっている。これらの燃料極１３ａおよび酸素流路板１８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を複数個積み重ねられている。なお、セパレータ板３４は、発電した電力を取り出すための端子を設けて集電板とされている。さらに、燃料極１３ａに連通された親水性合成繊維糸のスリーブからなる燃料分配マニホルド３２を単セル１０の中央孔を通して備え、スリーブの中心を通されるタイ・ボルト２６の両端にセパレータ板３４との間にエンドガスケット２８を挟んでエンドプレート２４をさらに設け、このエンドプレート２４に対してＯリング３６を挟んで燃料流路４４を有する一方のナット４０，ブリーダバルブ５２を有する他方のナット５０によって一体に締付固定した構造を有している。このような燃料電池は、小型で軽量のものとすることができるために、低パワーの燃料電池に適している。


【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
また、高分子電解質型の燃料電池では、燃料分配マニホルドに溜まった水分をナットに設けたブリーダバルブを開放することによって除去することも行われているが、それを行う手間、あるいはそのための装置を設けることは、セル部の形状を小さくするためには、余計な形状のものを付加することになるので、装置の外形も考慮する必要があり、設計上に簡単に対処できるものではなかった。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１６】
そして、この発電用セルスタック１に対して、水分除去用セルスタック２がエンドプレート２４を挟んでさらに結合される。水分除去用セルスタック２は、発電セルスタック１を構成するセル１０と同じように、セパレータ板３４の間に、高分子電解質膜１２を中心に一方側にアウターシール１６を外周に備えた燃料極１３ａを、他方側に共通のインナーシール２２を内周部に備えた酸素極１３ｂおよび酸素流路板１８を配置して積層して設けられた構成を有するセル１０からなっている。セル１０の数は、発電用セルスタック１の発電量に応じて決められ、水分除去用スタック２としては、セパレータ板３４とエンドプレート２４との間にエンドガスケット２８を挟んで一体にされている。さらに、外側のセパレータ板３４同士、あるいは内側のセパレータ板３４同士は、抵抗体Ｒが接続されて、セルスタック２において、燃料を消費しながら発電作用をするようにされている。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
このように、発電用セルスタック１と水分除去用セルスタック２とを隣接して一体にすることにより構成された空気吸い込み式燃料電池は、図１に示すように、燃料である水素Ｈ２が燃料分配マニホルドを介して中心部から矢印方向に供給されると、各セル１０において各セルスタック１、２の外周から酸素流路板１８によって酸素極１３ｂに供給された空気中の酸素と、各セルスタック１，２の中心部から燃料極１３ａへ供給された燃料が高分子電解質膜１２において反応して、両極１３ａ，１３ｂに電位差を発生して起電力を生じさせ、各セル１０の両セパレータ板３４間に発電作用を生じさせる。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】符号の説明
【補正方法】変更
【補正の内容】
【符号の説明】
１　発電用セルスタック
２　水分除去用セルスタック
３　接続部
１０　セル
１２　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
４４　燃料流路
５０　ナット
５２　ブリーダバルブ
Ｒ　外部抵抗
Ｒｏ　外側外部抵抗
Ｒｉ　内側外部抵抗