(57)【要約】【課題】構成を簡素化させてコストを低下させると共に、電気的接続と流体の気密性を向上させた信頼性の高い固体高分子型燃料電池を得る。【解決手段】固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料電極と酸化剤電極とにより挟持し、上記燃料電極と上記酸化剤電極とを外側よりそれぞれ導電性の流体流路板で挟持した複数の単セルを有し、上記単セルの燃料電極に上記単セルに隣接する単セルの酸化剤電極を隣接し、一方上記単セルの酸化剤電極に上記単セルに隣接する上記単セルの燃料電極を隣接するように上記複数の単セルを平面状に配列し、上記複数の単セルを直列に電気的に接続した。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜を燃料電極と酸化剤電極とにより挟持し、上記燃料電極と上記酸化剤電極とを外側よりそれぞれ導電性の流体流路板で挟持した複数の単セルを有し、
上記単セルの燃料電極に上記単セルに隣接する単セルの酸化剤電極を隣接し、一方上記単セルの酸化剤電極に上記単セルに隣接する上記単セルの燃料電極を隣接するように上記複数の単セルを平面状に配列し、上記複数の単セルを直列に電気的接続したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
上記流体流路板は、上記単セルと上記単セルに隣接する単セルとを跨設するように接続することを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
平面状に少なくとも３以上の奇数個の上記単セルを配列し、一端の上記単セルの流体流路板から電流が流出し、他端の上記単セルの流体流路板へ電流が流入する第１の単セル群と、
上記第１の単セル群を平面状に１８０度回転した配列と同一な配列の第２の単セル群とを備え、
上記第１の単セル群の上記電流が流入する流体流路板と上記第２の単セル群の上記電流が流出する流体流路板とを接するように直列に電気的に接続して上記第１の単セル群と第２の単セル群とを積層することを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
平面状に少なくとも３以上の奇数個の上記単セルを配列し、一端の上記単セルの流体流路板から電流が流出し、他端の上記単セルの流体流路板へ電流が流入する複数の第１の単セル群と、
上記第１の単セル群を平面状に１８０度回転した配列と同一な配列の少なくとも１つの第２の単セル群とを備え、
上記第１の単セル群と上記第２の単セル群とを交互に上下に積層し、
上記第１の単セル群の上記電流が流入する流体流路板と上記第１の単セル群の下の上記第２の単セル群の上記電流が流出する流体流路板とを接するように直列に電気的に接続し、
上記第２の単セル群の上記電流が流入する流体流路板と上記第２の単セル群の下の上記第１の単セル群の上記電流が流出する流体流路板とを接するように直列に電気的に接続するように上記第１の単セル群と第２の単セル群とを順次直列に接続することを特徴とする請求項１または２に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項５】
上記第１の単セル群と上記第２の単セル群との間に冷却器を配設したことを特徴とする請求項３または４に記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】
上記冷却器は、冷却剤を流す冷却剤通路を有することを特徴とする請求項５に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜を用いて、電気化学的反応により発電を行う固体高分子型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
固体高分子型燃料電池は、電解質である固体高分子膜を、燃料電極と酸化剤電極とで両側から挟着して単セルを形成し、水素などの燃料を燃料電極へ供給すると共に空気などの酸化剤を酸化剤電極へ供給することによって電気エネルギーを得る装置である。
【０００３】
この電気エネルギーを交流電源として、または電気自動車の動力として利用する場合、電気エネルギーをインバータなどの変換器を使用して直流から交流へ変換し、または電圧を調整する。インバータなどを用いる場合、変換時の損失を考慮するとインバータなどに２００Ｖ程度の高い直流電圧を入力する必要がある。一方、単セルの発電電圧は直流０．７Ｖ程度であるため、複数の単セルを直列に接続して発電電圧を得る方法が考案されている。
【０００４】
このように複数の単セルを積層するとき、燃料および酸化剤などの流体が外部へ漏出しないように流路に気密性を持たせる必要がある。そこで、一対の流体流路板で複数の単セルを構成することが考案されている。
【０００５】
具体的には、単セルを同一平面状に複数配置した単セル群を、この単セル群の各単セルの燃料電極と酸化剤電極とに臨むように燃料流路と酸化剤流路とが形成された流体流路板を介して複数積層する。流体流路板の単セルに対向する位置に導電部を形成して、積層体中の各単セルを積層方向に互いに電気的に直列に接続して複数の単セル積層体を形成する。単セル積層体同士を互いに直列に接続する導電手段を積層体内に備えている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−１７１９２５号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の固体高分子型燃料電池は、単セルを電気的に直列に接続して複数の単セル積層体を形成すると共に、単セル積層体同士を互いに直列に接続するための導電手段を必要とし、部品点数が増加しコストが高くなる欠点があった。
さらに、同一平面内で隣接する単セルは、それぞれ異なる単セル積層体に属しているので、隣接する単セル間に大きな電圧が印加される。そのため、隣接する単セル間に高い絶縁性を持たせる必要があった。
さらに、流体流路板は導電部分と絶縁部分との複数部品で構成しなければならないので、これらを接合するために接着またはシール処理を必要とする。
【０００８】
この発明の目的は、特別な導電手段を必要としないとともに簡便な絶縁処理を施すだけの簡素な構成を有する固体高分子型燃料電池を得ることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料電極と酸化剤電極とにより挟持し、上記燃料電極と上記酸化剤電極とを外側よりそれぞれ導電性の流体流路板で挟持した複数の単セルを有し、上記単セルの燃料電極に上記単セルに隣接する単セルの酸化剤電極を隣接し、一方上記単セルの酸化剤電極に上記単セルに隣接する上記単セルの燃料電極を隣接するように上記複数の単セルを平面状に配列し、上記複数の単セルを直列に電気的に接続した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池の平面図、図２は図１の正面図、図３は図１のＡ−Ａ断面図、図４は図１のＢ−Ｂ断面図、図５は図１のＣ−Ｃ断面図、図６は図１のＤ−Ｄ断面図である。
【００１１】
図３において、固体高分子型燃料電池の単セル群について説明する。
１枚の固体高分子電解質膜３は、酸化剤電極５ａ〜５ｃと燃料電極６ａ〜６ｃとにより両側から挟持され、平面的に配列した３個の単セルからなる第１の単セル群２ａを形成している。この第１の単セル群２ａにおいて、酸化剤電極５ｂと燃料電極６ｂとで構成する単セルは、酸化剤電極５ａと燃料電極６ａ、および酸化剤電極５ｃと燃料電極６ｃとで構成する単セルとは極性が固体高分子電解質膜３に対して裏表逆になっている。固体高分子電解質膜３は、酸化剤電極５ａ〜５ｃと燃料電極６ａ〜６ｃによって挟持された部分以外を支持枠４ａ、４ｂにより挟持されている。
固体高分子電解質膜３は、プロトン導電性の高分子膜である。燃料電極６ａ、６ｂ、６ｃは、ガス透過性および電子伝導性を有し、燃料を還元してプロトンを生成する。酸化剤電極５ａ、５ｂ、５ｃは、ガス透過性および電子伝導性を有し、プロトンを酸化剤で酸化する。
【００１２】
単セルの酸化剤電極５ａ〜５ｃと燃料電極６ａ〜６ｃとの固体高分子電解質膜３に接した面の反対側に、例えば、黒鉛にフェノール樹脂を含浸させた樹脂含浸黒鉛体を材料とする導電性の流体流路板７ａ〜７ｄを配置している。流体流路板７ａ〜７ｄは、支持枠４ａ、４ｂを介して固体高分子電解質膜３を挟持している。支持枠４ａ、４ｂは絶縁物からなるので、固体高分子電解質膜３と流体流路板７ａ〜７ｄは絶縁している。
【００１３】
流体流路板７ａは、酸化剤電極５ａに接するように配置している。流体流路板７ｂは、燃料電極６ａと酸化剤電極５ｂとを跨るように、かつ接するように配置している。流体流路板７ｃは、燃料電極６ｂと酸化剤電極５ｃとを跨るように、かつ接するように配置している。流体流路板７ｄは、燃料電極６ｃに接するように配置している。
流体流路板７ａ〜７ｄは、その酸化剤電極５ａ〜５ｃおよび燃料電極６ａ〜６ｃに接する面に、酸化剤である例えば酸素ガスが流れる酸化剤流路１７ａ〜１７ｃと、燃料である例えば水素ガスが流れる燃料流路１８ａ〜１８ｃが形成されている。
流体流路板７ａと７ｃ、７ｂと７ｄとの間に、電気的に絶縁する例えば、シリコーンゴム、樹脂成型品で形成されたスペーサ８ａ、８ｂが挿入されている。
【００１４】
これにより、流体流路板７ａと酸化剤電極５ａとを電気的に接続し、流体流路板７ｂにより燃料電極６ａと酸化剤電極５ｂとを接続する。流体流路板７ｃにより燃料電極６ｂと酸化剤電極５ｃとを接続し、流体流路板７ｄと燃料電極６ｃとを電気的に接続している。このようにして、３個の単セルは流体流路板７ａと７ｄの間で直列に接続している。
【００１５】
冷却器９は、絶縁部材である例えば、シリコーンゴム成型品により形成し、流体流路板７ｂの燃料電極６ａに接した面と反対の面に接するように配置している。また、冷却器９は、冷却剤流路１９ａ、１９ｂを備えており、この冷却剤流路１９ａ、１９ｂと流体流路板７ｄに配設された冷却剤流路１９ｃに例えば純水などの冷却剤を流すことにより、単セルで発生する熱を冷却する。
【００１６】
上述した固体高分子電解質膜３、支持枠４ａ、４ｂ、酸化剤電極５ａ〜５ｃ、燃料電極６ａ〜６ｃ、流体流路板７ａ〜７ｄ、スペーサ８ａ、８ｂ、および冷却器９により第１の単セル群２ａを構成している。
【００１７】
さらに、上述した第１の単セル群２ａと同様にして、第２の単セル群２ｂ、第３の単セル群２ｃ、第４の単セル群２ｄを構成している。第２の単セル群２ｂは第１の単セル群２ａを平面状に１８０度回転した配列と同一な配列に構成している。第３の単セル群２ｃは第１の単セル群２ａと同じ配列に構成している。第４の単セル群２ｄは第２の単セル群２ｂから冷却器９を除き、流体流路板７ｄに相当する部分を冷却剤流路のない流体流路板７ｅに変更して構成している。
【００１８】
これらの単セル群２ａ〜２ｄは、以下のように積層する。第１の単セル群２ａの流体流路板７ａは、終端電極１０ａに接続している。流体流路板７ｂの下側に接するように冷却器９が配置され、流体流路板７ｂと第２の単セル群２ｂとは絶縁されている。一方、流体流路板７ｄは、第２の単セル群２ｂの流体流路板７ｆと接するように配置している。流体流路板７ｄは、流体流路板７ｆに接する面に冷却剤流路１９ｃを備えていて、その厚さは流体流路板７ｂと冷却器９の厚みの合計値より少し小さい。後述するカバー板１ａ、１ｂで挟み、支持材２１と固定ネジ２２で締め付けることにより両者の厚みは同一になる。同様にして、第２の単セル群２ｂの流体流路板７ｇは、第３の単セル群２ｃの流体流路板７ｈと接するように配置している。さらに、第３の単セル群２ｃの流体流路板７ｉは、第４の単セル群２ｄの流体流路板７ｊに接するように配置している。第４の単セル群２ｄの流体流路板７ｅは、終端電極１０ｂに接続している。
【００１９】
これらのように積層した単セル群２ａ〜２ｄをカバー板１ａ、１ｂで両側から挟持した後、支持材２１と固定ネジ２２により締め付けることにより、積層体が形成される。
このように、単セル群２ａ〜２ｄは、全ての流体流路板７ａ〜７ｊにより、直列に接続され、各単セル群内の単セルも直列に接続されているので、全ての単セルは直列に接続され固体高分子型燃料電池１００が構成される。発電する電気エネルギーは、図１および図２に図示するように終端電極１０ａと１０ｂから外部へ取り出される。
【００２０】
図７は、図１の固体高分子型燃料電池１００の上側からカバー板１ａ、終端電極１０ａ、流体流路板７ａ、７ｃ、スペーサ８ａを取り除いた状態の平面図である。酸化剤電極５ａ、５ｃと燃料電極６ｂとを配設した状態で示してある。支持枠４ａの外縁には、酸化剤、燃料、冷却剤が流通する酸化剤導入流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、燃料導入流路１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、冷却剤導入流路１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、酸化剤排出流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、燃料排出流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、冷却剤排出流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、および支持孔２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆを形成している。
【００２１】
単セル群２ａ〜２ｄは、以下のように燃料、酸化剤および冷却剤のそれぞれの流路が接続するように積層する。
燃料の流路は、カバー板１ａの燃料導入流路１２ａと燃料流路１８ａの一端とを接続し、同様に積層した各単セル群２ｂ〜２ｄの各燃料流路の一端を燃料導入流路１２ａに接続する。これらの燃料流路１８ａの他端に燃料排出流路１５ａを接続する。燃料排出流路１５ａとカバー板１ｂの燃料排出流路１５ａとを重なるように積層する。
同様に、酸化剤の流路は、カバー板１ａの酸化剤導入流路１１ａと酸化剤流路１７ａの一端とを接続し、同様に積層した各単セル群２ｂ〜２ｄの各酸化剤流路の一端を酸化剤導入流路１１ａに接続する。これらの酸化剤流路１７ａの他端に酸化剤排出流路１４ａを接続する。酸化剤排出流路１４ａとカバー板１ｂの酸化剤排出流路１４ａとを重なるように積層する。
さらに、カバー板１ａの冷却剤導入流路１３ａと冷却剤流路１９ａの一端とを接続し、同様に積層した各単セル群２ｂ〜２ｄの各冷却剤流路の一端を冷却剤導入流路１３ａに接続する。これらの冷却剤流路１９ａの他端に冷却剤排出流路１６ａを接続する。冷却剤排出流路１６ａとカバー板１ｂの冷却剤排出流路１６ａとを重なるように積層する。
【００２２】
次に、上述のように構成した固体高分子型燃料電池１００における酸化剤、燃料及び冷却剤の流通について、図１、図４、図５及び図６を用いて説明する。
酸化剤は酸化剤導入流路１１ａ、１１ｂ、１１ｃから送り込まれ、酸化剤流路１７ａ、１７ｂ、１７ｃを経て酸化剤排出流路１４ａ、１４ｂ、１４ｃから排出される。（酸化剤の流れは図４の矢印によって示す。）
【００２３】
同様にして、燃料は燃料導入流路１２ａ、１２ｂ、１２ｃから送り込まれ、燃料流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃを経て燃料排出流路１５ａ、１５ｂ、１５ｃから排出される。（燃料の流れは図５の矢印によって示す。）
酸化剤は、酸化剤流路１７ａ、１７ｂ、１７ｃに配置されている酸化剤電極５ａ、５ｂ、５ｃで、燃料は燃料流路１８ａ、１８ｂ、１８ｃに配置されている燃料電極６ａ、６ｂ、６ｃで、それぞれ電気化学的反応に供され電気エネルギーを発生する。
【００２４】
冷却剤は、冷却剤導入流路１３ａ、１３ｂ、１３ｃから送り込まれ冷却剤流路１９ａ、１９ｂ、１９ｃで熱交換を行ったのちに冷却剤排出流路１６ａ、１６ｂ、１６ｃから排出される。（冷却剤の流れは図６の矢印によって示す。）
なお、この時、冷却剤の流量は図示しない流量制御器により固体高分子型燃料電池の動作温度が適正値になるように調節される。
【００２５】
このような固体高分子型燃料電池は、同一面上で隣接する単セル間の電圧は、終端電極１０ａと終端電極１０ｂとの間の電圧に関わらず０．７（Ｖ）×２＝１．４（Ｖ）程度と極めて低いので、簡単な絶縁を施すだけでよく、単セル間の距離も小さくできるので小型化を図ることも可能となる。
【００２６】
また、各単セル群内において、１つの流体流路板が隣接する単セルに跨設されているので、少ない流体流路板で構成できる。
【００２７】
また、流体流路板の個数が少なく、流体流路板だけでガスのシールを行うことができるので、絶縁性の枠体と流体流路板とを組み合わせるための接着やシールなどの作業が不要になる。
【００２８】
また、比較的低い寸法精度で流路の気密性や電極と流体流路板との電気的接続を確保できる。
【００２９】
また、このような固体高分子型燃料電池は、概略２種類の第１の単セル群２ａと第３の単セル群２ｃ並びに第２の単セル群２ｂと第４の単セル群２ｄを交互に積層するだけで、単セル群を直列に接続することができるので、単セル群を互いに直列に接続する為の導電部材は不要となる。
【００３０】
また、隣接した単セル群の間の掛かる電圧は、２つの単セル群を構成した単セル数に単セルの発電電圧０．７（Ｖ）を掛けた値となり、低い絶縁性部品を用いることができる。
【００３１】
また、隣接した単セル群の間に冷却器を挿入するので、単セル群間の温度のばらつきが少なくなり、それぞれの単セル群による発電電圧のばらつきは小さくすることができる。
【００３２】
また、冷却器に冷却剤を流すことができるので、冷却剤流量を制御することにより適切な動作温度に精度良く合わせることができる。
【００３３】
なお、上述の実施の形態では冷却剤流路を設けたが、発熱量と放熱量とのバランスなどで適正な動作温度を確保できる場合、冷却剤流路を省略してもよい。
【００３４】
また、各単セル群２ａ〜２ｄの単セル数を３個として説明したが、奇数個であれば同様な効果を得ることができる。さらに、積層する単セル群の数を４個として説明したが、これに限定するものではない。
【００３５】
さらに、単セル群２ａ〜２ｄを複数使用した積層体を示したが、１個の単セル群だけ用いて、２個以上の単セルを平面状に配列し電気的に直列に接続して固体高分子型燃料電池として構成しても良い。この場合、厚みの薄い扁平な固体高分子型燃料電池を得ることができる。
なお、このように１つの平面状に配列する場合、平面状に配列する単セルの数は奇数に限らず、要求される電圧などの条件で自由に設定することができるものである。
【００３６】
【発明の効果】
この発明に係わる固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜を燃料電極と酸化剤電極とにより挟持し、上記燃料電極と上記酸化剤電極とを外側よりそれぞれ導電性の流体流路板で挟持した複数の単セルを有し、上記単セルの燃料電極に上記単セルに隣接する単セルの酸化剤電極を隣接し、一方上記単セルの酸化剤電極に上記単セルに隣接する上記単セルの燃料電極を隣接するように上記複数の単セルを平面状に配列し、上記複数の単セルを直列に電気的に接続したので、構成を簡素化してコストを低下させると共に、電気的接続と流体の気密性とを向上させた信頼性の高い固体高分子型燃料電池を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態１に係わる固体高分子型燃料電池の平面図である。
【図２】図１の正面図である。
【図３】図１のＡ−Ａ断面図である。
【図４】図１のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】図１のＣ−Ｃ断面図である。
【図６】図１のＤ−Ｄ断面図である。
【図７】図１の固体高分子型燃料電池の分解平面図である。
【符号の説明】
１ａ、１ｂ  カバー板、２ａ  第１の単セル群、２ｂ  第２の単セル群、２ｃ第３の単セル群、２ｄ  第４の単セル群、３  固体高分子電解質膜、４ａ、４ｂ  支持枠、５ａ、５ｂ、５ｃ  酸化剤電極、６ａ、６ｂ、６ｃ  燃料電極、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、７ｅ  流体流路板、８ａ、８ｂ  スペーサ、９  冷却器、１０ａ、１０ｂ  終端電極、１１ａ〜１１ｃ  酸化剤導入流路、１２ａ〜１２ｃ  燃料導入流路、１３ａ〜１３ｃ  冷却剤導入流路、１４ａ〜１４ｃ  酸化剤排出流路、１５ａ〜１５ｃ  燃料排出流路、１６ａ〜１６ｃ  冷却剤排出流路、１７ａ〜１７ｃ  酸化剤流路、１８ａ〜１８ｃ  燃料流路、１９ａ〜１９ｃ  冷却剤流路、２０ａ〜２０ｆ  支持孔、２１  支持材、２２  固定ネジ、１００  固体高分子型燃料電池。
【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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