(57)【要約】【課題】  燃料電池セルに対する流体の注入・排出に係る構成を簡素化しコストダウンを図ることができる燃料電池への流体注入・排出システムを提供すること。【解決手段】  燃料電池セルに対する流体注入と流体排出を行う燃料電池への流体注入・排出システムであって、燃料電池セルＳへの流体注入経路１０，１４の途中に設けられる第１逆止弁１２，１６と、燃料電池セルからの流体排出経路１１，１５の途中に設けられる第２逆止弁１３，１７と、燃料電池セル内に流体流路形成空間の体積を変更させる外力付加機構１８とを備え、体積を縮小させる時の作用で、第２逆止弁１３，１７を介して流体を排出させ、体積を拡大させる時の作用で第１逆止弁１２，１６を介して流体を注入する。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルに対する流体注入と流体排出を行う燃料電池への流体注入・排出システムであって、
燃料電池セルへの流体注入経路の途中に設けられる第１逆止弁と、
燃料電池セルからの流体排出経路の途中に設けられる第２逆止弁と、
燃料電池セル内に流体流路形成空間の体積を変更させる外力付加機構とを備え、
前記体積を縮小させる時の作用で、第２逆止弁を介して流体を排出させ、前記体積を拡大させる時の作用で第１逆止弁を介して流体を注入するように構成した燃料電池への流体注入・排出システム。
【請求項２】
前記外力付加機構は、周期的に変化する外力を燃料電池セルに対して付与するように構成される請求項１に記載の燃料電池への流体注入・排出システム。
【請求項３】
前記燃料電池セルは、平板状の固体高分子電解質と、
その両側に配置される一対の電極板と、
更にその電極板の外側に配置され、セル内の流体流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられた一対の金属板とを備えている請求項１又は２に記載の燃料電池への流体注入・排出システム。
【請求項４】
前記一対の金属板の周縁が絶縁された状態でカシメにより封止されている請求項３に記載の燃料電池への流体注入・排出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池に対する流体注入と流体排出を簡素な構成で実現した燃料電池への流体注入・排出システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一例として、ポリマー電解質のような固体高分子電解質を使用した高分子型燃料電池は、高いエネルギー効率を持ち、薄型小型・軽量であることから、家庭用ジェネレーションシステムや自動車向けに開発が活発化している。
【０００３】
かかる燃料電池において、燃料流体（酸化ガスあるいは還元ガスあるいはメタノール液体等）を燃料電池セルの注入口を介して注入し、セル内の流体流路を通過した後、排出口から排出される。このような流体の注入・排出動作を行わせるために、マイクロポンプを用いている。
【０００４】
しかしながら、マイクロポンプを用いるとシステム全体の構成が複雑化し、また、マイクロポンプ自体も高価な部品であるので改善の余地があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、その課題は、燃料電池セルに対する流体の注入・排出に係る構成を簡素化しコストダウンを図ることができる燃料電池への流体注入・排出システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため本発明に係る燃料電池への流体注入・排出システムは、
燃料電池セルに対する流体注入と流体排出を行う燃料電池への流体注入・排出システムであって、
燃料電池セルへの流体注入経路の途中に設けられる第１逆止弁と、
燃料電池セルからの流体排出経路の途中に設けられる第２逆止弁と、
燃料電池セル内の流体流路形成空間の体積を変更させる外力付加機構とを備え、
前記体積を縮小させる時の作用で、第２逆止弁を介して流体を排出させ、前記体積を拡大させる時の作用で第１逆止弁を介して流体を注入するように構成したことを特徴とするものである。
【０００７】
この構成によると、燃料電池セルに流体（気体又は液体）を注入する注入経路の途中に第１逆止弁が設けられ、流体排出経路の途中に第２逆止弁が設けられる。そして、燃料電池セル内の流体流路形成空間の体積を変更させる外力付加機構が設けられている。これにより、セル内の体積を縮小・拡大動作させることができる。体積を縮小することでセル内の内圧が高まるため、第２逆止弁を作動させて流体を排出させる動作を行うことができる。体積を縮小させた後、体積が拡大する方向に動作させると、今度は第１逆止弁を作動させることができ、流体をセル内に注入させることができる。このように、外力付加機構を適切に作動させることで第１逆止弁と第２逆止弁を交互に作動させ流体の注入と排出を行うことができる。このように流体の注入・排出に専用ポンプを使用せず燃料電池セル自身をポンプとして作用させることができる。その結果、燃料電池セルに対する流体の注入・排出に係る構成を簡素化し、コストダウンを図ることができる燃料電池への流体注入・排出システムを提供することができる。
【０００８】
本発明に係る外力付加機構は、周期的に変化する外力を燃料電池セルに対して付与するように構成されることが好ましい。
【０００９】
周期的に変化させることで、セル内体積を周期的に変化させ、流体の注入と排出を連続して行うことができる。これにより、安定した燃料電池の動作を行うことができる。
【００１０】
本発明に係る燃料電池セルは、平板状の固体高分子電解質と、
その両側に配置される一対の電極板と、
更にその電極板の外側に配置され、セル内の流体流路溝に連通する注入口及び排出口が設けられた一対の金属板とを備えていることが好ましい。
【００１１】
この燃料電池セルは、全体として平板状に構成されており、外力付加機構を設ける場合に、平面を利用して外力を作用させることができ、外力付加機構の構成を簡素化することができる。また、平板状の固体高分子電解質をベースに構成しており、セルの全体形状は薄板状に形成することができ、外力による弾性変形がしやすい形状にすることができる。
【００１２】
本発明に係る一対の金属板の周縁が絶縁された状態でカシメにより封止されていることが好ましい。かかるカシメ構造を採用することで、外力を作用させたときの燃料電池セル（特に金属板）に対する弾性変形を生じさせやすくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の燃料電池の単位セルの一例を示す組み立て斜視図であり、図２は、本発明の燃料電池の単位セル（燃料電池セル）の一例を示す正面視断面図である。
【００１４】
本発明の燃料電池は、図１〜図２に示すように、板状の固体高分子電解質１と、その固体高分子電解質１の両側に配置され外面に流路溝２ａ，３ａが形成された一対の電極板２，３とを備えるものである。
【００１５】
固体高分子電解質１としては、従来の固体高分子膜型電池に用いられるものであれば何れでもよいが、化学的安定性及び導電性の点から、超強酸であるスルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体からなる陽イオン交換膜が好適に用いられる。このような陽イオン交換膜としては、ナフィオン（登録商標）が好適に用いられる。
【００１６】
その他、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ素樹脂からなる多孔質膜に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を含浸させたものや、ポリエチレンやポリプロピレン等のポリオレフィン樹脂からなる多孔質膜や不織布に上記ナフィオンや他のイオン伝導性物質を担持させたものでもよい。
【００１７】
固体高分子電解質１の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、イオン伝導機能、強度、ハンドリング性などを考慮すると、１０〜３００μｍが使用可能であるが、２５〜５０μｍが好ましい。
【００１８】
電極板２，３は、ガス拡散層としての機能を発揮して、燃料ガスや、酸化ガス及び水蒸気の供給・排出を行なうと同時に、集電の機能を発揮するものが使用できる。電極板２，３としては、同一又は異なるものが使用でき、その基材には電極触媒作用を有する触媒を担持させることが好ましい。触媒は、固体高分子電解質１と接する内面２ｂ，３ｂに少なくとも担持させるのが好ましい。
【００１９】
電極基材としては、例えば、カーボンペーパー、カーボン繊維不織布などの繊維質カーボン、導電性高分子繊維の集合体などの電導性多孔質材が使用できる。一般に、電極板２，３は、このような電導性多孔質材にフッ素樹脂等の撥水性物質を添加して作製されるものであって、触媒を担持させる場合、白金微粒子などの触媒とフッ素樹脂等の撥水性物質とを混合し、これに溶媒を混合して、ペースト状或いはインク状とした後、これを固体高分子電解質膜と対向すべき電極基材の片面に塗布して形成される。
【００２０】
一般に、電極板２，３や固体高分子電解質１は、燃料電池に供給される還元ガスと酸化ガスに応じた設計がなされる。本発明では、酸化ガスとして酸素ガスや空気が用いられると共に、還元ガスとして水素ガスや用いられる。また、還元ガスの代わりに、メタノールやジメチルエーテル等を用いることもできる。
【００２１】
例えば、水素ガスと空気を使用する場合、空気を供給する側の電極（空気極）では、酸素と水素イオンの反応が生じて水が生成するため、かかる電極反応に応じた設計をするのが好ましい。特に、低作動温度、高電流密度及び高ガス利用率の運転条件では、特に水が生成する空気極において水蒸気の凝縮による電極多孔体の閉塞（フラッディング）現象が起こりやすい。したがって、長期にわたって燃料電池の安定な特性を得るためには、フラッディング現象が起こらないように電極の撥水性を確保することが有効である。
【００２２】
触媒としては、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、ニッケル、鉄、銅、コバルト及びモリブデンから選ばれる少なくとも１種の金属か、又はその酸化物が使用でき、これらの触媒をカーボンブラック等に予め担持させたものも使用できる。
【００２３】
電極板２，３の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、電極反応、強度、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが使用可能であるが、２００〜３５０μｍが好ましい。また、流路溝２ａ，３ａの深さは、十分な流路を確保する上で１００〜５００μｍが好ましい。
【００２４】
電極板２，３と固体高分子電解質１とは、予め接着、融着等を行って積層一体化しておいてもよいが、単に積層配置されているだけでもよい。このような積層体は、薄膜電極組立体（Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  Ａｓｓｅｍｂｌｙ：ＭＥＡ）として入手することもでき、これを使用してもよい。
【００２５】
前記電極板２，３の両側には、一対の金属板４，５が配置され、金属板４，５には流路溝９とこれに連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄが設けられている。注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。
【００２６】
金属板４，５としては、電極反応に悪影響がないものであれば何れの金属も使用できる。但し、強度、耐腐食性、伸び、弾性率、重量などの観点から、ステンレス板、ニッケルなどが好ましい。
【００２７】
金属板４，５に設けられる流路溝９（流路形成空間）は、電極板２，３との接触により水素ガス等の流路が形成できるものであれば何れの平面形状や断面形状でもよい。但し、流路密度、積層時の積層密度、屈曲性などを考慮すると、金属板４，５の一辺に平行な縦溝９ａと垂直な横溝９ｂを主に形成するのが好ましい。本実施形態では、複数本（図示した例では３本）の縦溝９ａが横溝９ｂに直列接続されるようにして、流路密度と流路長のバランスを取っている。
【００２８】
なお、このような金属板４，５の流路溝９の一部（例えば横溝９ｂ）を電極板２，３の外面に形成してもよい。電極板２，３の外面に流路溝２ａ，３ａを形成する方法としては、加熱プレスや切削などの機械的な方法でもよいが、微細加工を好適に行う上で、レーザ照射によって溝加工を行うことが好ましい。レーザ照射を行う観点からも、電極板２，３の基材としては、繊維質カーボンの集合体が好ましい。
【００２９】
金属板４，５の流路溝９に連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄは、それぞれ１個又は複数を形成することができる。なお、金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、重量、弾性率、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜５００μｍが好ましい。
【００３０】
金属板４，５に流路溝９を形成する方法としては、プレス加工、切削などの機械的な方法やエッチングなどの化学的な方法が挙げられる。
【００３１】
金属板４，５の厚みは、薄くするほど全体の薄型化に有効であるが、強度、伸び、弾性率、重量、ハンドリング性などを考慮すると、５０〜３００μｍが好ましい。
【００３２】
また、金属板４，５に流路溝９を形成する方法として、エッチングにより行った構成例が図２に示されている。エッチングによる流路溝９では、幅０．１〜１０ｍｍ、深さ０．０５〜１ｍｍが好ましい。また、流路溝９の断面形状は、略四角形、略台形、略半円形、Ｖ字形などが好ましい。
【００３３】
エッチングは、例えばドライフィルムレジストなどを用いて、金属表面に所定形状のエッチングレジストを形成した後、金属板４，５の種類に応じたエッチング液を用いて行うことが可能である。また、２種以上の金属の積層板を用いて、金属ごとに選択的にエッチングを行うことで、流路溝９の断面形状をより高精度に制御することができる。なお、流路溝９に連通する注入口４ｃ，５ｃ及び排出口４ｄ，５ｄなどを、エッチングで形成することも可能である。
【００３４】
図２に示す実施形態は、金属板４，５のカシメ部のＳＵＳもエッチングにより厚みを薄くした例である。このように、カシメ部をエッチングして適切な厚さにすることで、カシメによる封止をより容易に行うことができる。この観点から、カシメ部の厚みとしては、０．０５〜０．３ｍｍが好ましい。
【００３５】
本発明では、金属板４，５の周縁は、絶縁材料６を介在させつつカシメにより封止されている。本発明では、カシメを行う際、図２に示すように、金属板４，５の周縁によって固体高分子電解質１を挟持する構造が好ましく、絶縁材料６を介在させつつ固体高分子電解質１を挟持する構造がより好ましい。このような構造によると、電極板２，３の一方から他方へのガス等の流入を効果的に防止することができる。
【００３６】
絶縁材料６としては、シート状の樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマー、セラミックスなどが使用できるが、シール性を高める上で、樹脂、ゴム、熱可塑性エラストマーなどが好ましい。絶縁材料６は、金属板４，５の周縁に直接あるいは粘着剤を介して貼着したり、塗布したりして、予め金属板４，５に一体化しておくことも可能である。
【００３７】
カシメ構造としては、シール性や製造の容易性、厚み等の観点から図２に示すものが好ましい。つまり、一方の金属板５の外縁部５ａを他方の外縁部４ａより大きくしておき、絶縁材料６を介在させつつ、一方の金属板５の外縁部５を他方の金属板４の外縁部４ａを挟圧するように折り返したカシメ構造が好ましい。このカシメ構造では、プレス加工等によって、金属板４の外縁部４ａに段差を設けておくのが好ましい。このようなカシメ構造自体は金属加工として公知であり、公知のカシメ装置によって、それを形成することができる。
【００３８】
＜セルへの流体注入・排出機構＞
図３は、単位セルＳへの流体注入・排出機構を示す模式図である。還元性流体（例えば、水素ガス、メタノール液体）を注入する注入経路１０は、注入口４ｃに接続され、排出経路１１が排出口４ｄに接続されている。注入経路１０の途中に第１逆止弁１２が設けられ、排出経路１１の途中に第２逆止弁１３が設けられる。また、酸化性流体（例えば、酸化ガス）を注入する注入経路１４は、同じく注入口５ｃに接続され、排出経路１５が排出口５ｄに接続されている。注入経路１４の途中に第１逆止弁１６が設けられ、排出経路１５の途中に第２逆止弁１７が設けられる。
【００３９】
また、単位セルＳの表面と裏面に対して外力を付加する外力付加機構１８が設けられている。外力の作用方向は、面に対して垂直方向でよい。また、外力の作用は外力の大きさが周期的に変化するように（脈動するように）行わせる。外力付加機構１８としては、例えば、人口筋肉を用いることができるが、これに限定されるものではなく、例えば、図４に示すような偏心カムを回転することで、周期的に変化する外力を作用させてもよい。
【００４０】
本発明に係る単位セルＳは、薄い平板状に形成されており、外力を作用させたときにセル全体が弾性変形をしやすい構造となっている。特に、単位セルＳの一番外側に位置する金属板４，５も薄板形状となっており、弾性変形を生じやすい。また、金属板４，５の周縁をカシメで結合しているため、金属板４，５の周縁の厚さが薄くなっており（図２参照）、この点においても弾性変形を生じさせやすくなっている。
【００４１】
次に、流体注入・排出動作について説明する。外力付加機構１８により単位セル内の体積が圧縮されると、セル内の内圧が高まるため、第２逆止弁１３，１７を作動させて流体を排出させる動作を行うことができる。体積を縮小させた後、体積が拡大する方向に動作させると、今度は第１逆止弁１２，１６を作動させることができ、流体をセル内に注入させることができる。このように、外力付加機構１８を適切に作動させることで第１逆止弁１２，１６と第２逆止弁１３，１７を交互に作動させ流体の注入と排出を行うことができる。このように流体の注入・排出にポンプを使用せず燃料電池セル自身をポンプとして作用させることができる。従って、燃料電池の全体構成を簡素化し、高価なマイクロポンプを使用しなくて良いので、コストダウンを図ることができる。
【００４２】
図3の例では、外力の作用により、還元性流体と酸化性流体の注入と排出を同時に行っている。ただし、いずれか一方の流体のみを本発明に係る外力付加機構１８により注入・排出するように構成しても良い。
【００４３】
＜別実施形態＞
燃料電池セルの具体的な構成は図１，２で示されるものに限定されるものではなく、種々の変形例が可能である。例えば、流路は、金属板ではなく電極板に形成しても良い。また、単位セルの結合をカシメで行う場合、図２に示す構造以外のカシメ構造を採用しても良い。例えば、金属板４，５を共に折り返した形でカシメをしてもよい。また、カシメ専用の部材を用いてカシメを行ってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】燃料電池セル（単位セル）の構成を示す分解斜視図
【図２】燃料電池セルの断面構造を示す図
【図３】単位セルへの流体注入・排出機構を示す模式図
【図４】流体注入・排出機構の別実施形態を示す図
【符号の説明】
【００４５】
１            固体高分子電解質
２，３        電極板
２ａ，３ａ    流路溝
４，５        金属板
４ｃ，５ｃ    注入口
４ｄ，５ｄ    排出口
６            絶縁材料
１０，１４    注入経路
１１，１５    排出経路
１２，１６    第1逆止弁
１３，１７    第2逆止弁
１８          外力付加機構
１９          偏心カム
Ｓ            単位セル（燃料電池セル）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005268040.tif 000006