(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノード側電極とカソード側電極とによって電解質膜が挟まれて構成されるセルと、このセル内に燃料を供給するための燃料供給溝を有するセパレータとを備える燃料電池において、
前記燃料供給溝に、この燃料供給溝に沿って延在し、内部に前記燃料が流される管状燃料通路が設けられており、この管状燃料通路は、前記燃料が流されると前記燃料を外部に流出させる微細孔を備える燃料電池であって、
前記管状燃料通路は、多孔材質からなり、
前記管状燃料通路内面に、前記管状燃料通路に沿って延在する多孔材質からなる透過膜が設けら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、燃料電池セルがセパレータによって挟持されて構成される燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題やエネルギー問題の高まりに伴って、種々の燃料電池が使用されてきている。これら燃料電池の中には、アノード側電極とカソード側電極とによって電解質膜が挟まれて構成されるセルと、このセルを挟持するセパレータとを備えたものが周知となっている（例えば、特許文献１参照。）。そして、アノード側電極に例えば水素を有する燃料を供給し、カソード側電極に酸素を有する酸化剤を供給することによって、電気化学的な反応により発電が行われるようになっている。
【０００３】
この種の燃料電池としては、アノード側電極に燃料を供給するための燃料供給溝がセパレータに形成されたものが知られている。この燃料供給溝に燃料を流すことによって、アノード側電極に燃料が供給される。
【特許文献１】特表２００２−５０５５１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のような燃料電池によると、燃料供給のための所定の圧力をかけて燃料供給溝に燃料を流すと、燃料供給溝とアノード側電極との隙間から燃料が漏れ易く、アノード側電極の全面にわたって均一に燃料を供給するのが困難になるという問題がある。また、燃料が均一に供給されないため、燃料の無駄が多くなるだけでなく、発電を円滑に行うのが困難になってしまう。
【０００５】
本発明は、このような問題を解決するためになされたもので、アノード側電極に燃料をムラ無く一様に供給することができ、燃料の利用効率や発電効率を向上させることのできる燃料電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提供する。
請求項１に係る発明は、アノード側電極とカソード側電極とによって電解質膜が挟まれて構成されるセルと、このセル内に燃料を供給するための燃料供給溝を有するセパレータとを備える燃料電池において、
前記燃料供給溝には、この燃料供給溝に沿って延在し、内部に前記燃料が流される管状燃料通路が設けられており、この管状燃料通路は、前記燃料が流されると前記燃料を外部に流出させる微細孔を備える燃料電池であって、
前記管状燃料通路は、多孔材質からなり、
前記管状燃料通路内面に、前記管状燃料通路に沿って延在する多孔材質からなる透過膜が設けられていることを特徴とする燃料電池である。
【０００７】
この発明に係る燃料電池においては、管状燃料通路に所定の圧力をかけて燃料を流すと、透過膜に圧力がかかるとともに、その透過膜から超微量の燃料が透過していく。このときの透過した燃料の圧力は透過膜を透過することにより減少する。そして、透過した燃料が管状燃料通路の微細孔から外部に微量づつ流出していく。
これにより、高い供給圧力をかけても管状燃料通路の上流付近で多くの燃料が流出してしまうことなく、上流から下流にわたって燃料を均一に流出させることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、アノード側電極に燃料をムラ無く円滑に行き渡らせることができ、燃料の利用効率や発電効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施例）
以下、本発明の実施例における燃料電池について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、この燃料電池１は、発電を行うための単位セル（セル）２を備えている。そして、燃料電池１はこの単位セル２がセパレータ４により挟持されて構成されている。この燃料電池１は、単位セル２が１個から構成されるものであってもよいが、通常、充分な出力を得るために、単位セル２を重ねてそれらが一つのパッケージとして使用される。このパッケージが符号３に示すスタックと呼ばれるものである。
【００１０】
単位セル２は、イオン導電性を有する電解質膜５を備えており、この電解質膜５がアノード側電極部６とカソード側電極部７とに挟まれて構成されている。
電解質膜５としては、例えば、パーフルオロスルホン酸、スルホン化ポリイミド、スルホン化芳香族ポリエーテルケトン、スルホン化ポリアリーレン、酸性基含有ポリベンズイミダゾール、スルホン化ポリフェニール、リン酸ドープ高分子材などが用いられる。
【００１１】
アノード側電極部６は、図２に示すように、電気化学的反応を起こさせるためのアノード側触媒層８を備えており、このアノード側触媒層８は、電解質膜５の一面に連接されている。そして、アノード側触媒層８は、カーボンペーパーやカーボンクロスなどからなる電極基質の片方の面に、電極触媒が付着されて構成されるものである。このアノード側触媒層８の厚さは、５〜２０μｍの範囲にあることが好ましい。
さらに、アノード側触媒層８には、多孔質カーボンペーパーなどから構成されるアノード側拡散層９が連接されている。アノード側拡散層９は、カーボンペーパーやカーボン布などからなり、セパレータ４を介して供給された燃料を浸透拡散させてアノード側触媒層８全体に燃料を行き渡らせるようにするためのものである。
【００１２】
一方、カソード側電極部７はカソード側触媒層１２を備えており、カソード側触媒層１２は電解質膜５の他面に連接されている。このカソード側触媒層１２にはさらにカソード側拡散層１３が連接されている。
これらカソード側触媒層１２およびカソード側拡散層１３は、アノード側触媒層８およびアノード側拡散層９と同様の構成である。なお、カソード側拡散層１３は、供給された酸化剤ガスを取り込み、それら酸化剤ガスを拡散させてカソード側触媒層１２の全体に酸素を行き渡らせるようになっている。
【００１３】
また、前記セパレータ４は、緻密なカーボン板を加工した導電性を有する基板からなっており、供給された燃料や反応後の気体が外部に流出するのを防止するようになっている。さらに、図１に示すセパレータ４の一面４ａには、カソード側電極部７に酸化剤ガスを供給するための酸化剤ガス供給溝１５が設けられており、不図示の酸化剤タンクにより送られた酸化剤ガスが酸化剤ガス供給溝１５を通ってカソード側拡散層１３に供給されるようになっている。さらに、セパレータ４の他面４ｂには、アノード側電極部６に燃料を供給するための燃料供給溝１６が設けられている。
【００１４】
前記燃料供給溝１６には燃料の通路となる管状燃料通路１８が設けられている。この管状燃料通路１８は、その内壁の横断面形状が略円形をなして構成されるものであって、燃料供給溝１６に沿って、かつ燃料供給溝１６の略全長にわたって延在して設けられている。  そして、この管状燃料通路１８の内部２３に不図示の燃料タンクから供給される燃料が流されるようになっている。
また、管状燃料通路１８は多孔材質からなっており、図３に示すように、無数の微細孔２０が形成されている。管状燃料通路１８の材料としては、燃料によって劣化しない材料であって、アノード側触媒層８などを被毒したり、電解質膜５のプロトン伝導度を低下させたりする金属イオンやアルカリイオンなどを溶出しない材料が使用される。例えば、シリコーンやポリイミドなど、中空糸として使用される材料は、燃料透過性の高い管を容易に製造できる点で好適である。
【００１５】
さらに、前記管状燃料通路１８の内周面には、図３に示すように、管状燃料通路１８の外部への燃料の流出量を調整するための透過膜２１が設けられている。
この透過膜２１は、横断面形状が略円形をなして構成されるものであって、その外周面が管状燃料通路１８の内周面と接触するように設けられている。すなわち、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されている。また、透過膜２１は、管状燃料通路１８に沿って、かつ管状燃料通路１８の略全長にわたって延在して設けられている。そして、管状燃料通路１８に燃料を高圧ガスとして供給すると、透過膜２１にその供給圧力がかかり、さらに透過膜２１は燃料を超微量づつ透過させるようになっている。また、透過膜２１の材料としては、例えば、シリコーンやポリイミドなど、中空糸として使用されるものが用いられる。
【００１６】
このような構成のもと、管状燃料通路１８の内部２３にジメチルエーテルなどを高圧ガスとして供給すると、透過膜２１にその供給圧力がかかるため、透過膜２１は膨張しようとして応力がかかる。このとき、透過膜２１の横断面形状は略円形とされていることから、その応力は、曲部的に集中することなく均一に分散される。そして、供給された燃料は透過膜２１を超微量づつ透過し、これにより透過した燃料の圧力は減少する。そしてその透過した燃料は管状燃料通路１８の内周面に到達する。これら燃料は微細孔２０を通って微量ずつ外部に流出する。そして、燃料供給溝１６からアノード側拡散層９にガスが一様に行き渡る。
【００１７】
さらに、透過膜２１を透過させることにより、透過した燃料の圧力を減らすことができ、高い供給圧力をかけても管状燃料通路１８の上流付近で多くの燃料が流出してしまうことなく、上流から下流にわたって燃料を均一に流出させることができる。
また、透過膜２１により燃料の供給圧力が保持されるため、高い圧力を加えた状態で燃料を供給することができる。すなわち、例えば、ジメチルエーテルを燃料とする場合は５ａｔ程度の内圧を加えた状態で供給する必要があるため、透過膜２１を設けることにより、このような種々の燃料に対応することができる。
【００１８】
また、透過膜２１の横断面形状が略円形とされ、透過膜２１に加わる応力が均一に分散されるため、高い圧力にも耐えることができる。そのため、高い供給圧力により燃料を流すことができる。
さらに、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されていることから、透過膜２１に加わった圧力を管状燃料通路１８でも受けることができ、より高い燃料圧力をかけることができる。同様に、透過膜２１の外径と管状燃料通路１８の内径とが略一致するように設定されていることから、透過膜２１の外周面と管状燃料通路１８の内周面との間で、ガスが滞留したり偏在したりすることなく、スムーズにガスを送ることができる。そのため燃料の利用効率を向上させることができる。
また、ジメチルエーテルを使用すると、管状燃料通路１８に高圧力ガス燃料を直接導入することができるため、液化ガス貯蔵タンクの元圧を利用して燃料供給を行うことができる。そのため、燃料ポンプが不要となり、システムを簡素化することができる。
【００１９】
なお、上記実施例においては、管状燃料通路１８の内壁の横断面形状を略円形としたが、これに限ることはなく、楕円形や矩形など適宜変更してもよい。但し、円形とした方が、高い圧力の燃料を保持することができる点で好ましいのは上述の通りである。
また、透過膜２１の横断面形状も、楕円形や矩形など適宜変更してもよい。但し、円形とした方が好ましいのは上述の通りである。
なお、本発明の技術範囲は上記の実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る燃料電池の第１の実施例を示す分解斜視図である。
【図２】図１の単位セルの構成を示す断面図である。
【図３】図２の管状燃料通路を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
【００２１】
１ 燃料電池
２ 単位セル（セル）
４ セパレータ
５ 電解質膜
６ アノード側電極部
７ カソード側電極部
１６ 燃料供給溝
１８ 管状燃料通路
２０ 微細孔
２１ 透過膜
２３ 内部
【図１】
0004652015.tif 000002
【図２】
0004652015.tif 000003
【図３】
0004652015.tif 000004