(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜を挟んで互いに対向するアノード及びカソードを有する膜電極複合体と、
前記アノードに接し、前記アノードに燃料を供給するアノード流路板と、
前記カソードに接し、前記カソードに空気を供給するカソード流路板とを具え、
前記カソード流路板は、その長さ方向に延在し、幅方向の略中心に配設された板状部材、及び当該板状部材と直交するようにして配設された複数の電極板を含み、櫛歯状を呈することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
電解質膜を挟んで互いに対向するアノード及びカソードを有する複数の膜電極複合体と、前記アノードに接し、前記アノードに燃料を供給する複数のアノード流路板と、
前記カソードに接し、前記カソードに空気を供給する複数のカソード流路板とを具え、
前記複数のカソード流路板は、その長さ方向に延在し、幅方向の略中心に配設された板状部材、及び当該板状部材と直交するようにして配設された複数の電極板を含んで櫛歯状を呈し、
前記膜電極複合体、前記アノード流路板及び前記カソード流路板を一ユニットとして、これらユニットが複数積層されてスタック構造を呈することを特徴とする、燃料電池。
【請求項３】
電解質膜を挟んで互いに対向するアノード及びカソードを有する複数の膜電極複合体と、
前記アノードに接し、前記アノードに燃料を供給する複数のアノード流路板と、
前記カソードに接し、前記カソードに空気を供給する複数のカソード流路板とを具え、
前記複数のカソード流路板は、その長さ方向に延在し、幅方向の略中心に配設された板状部材、及び当該板状部材と直交するようにして配設された複数の電極板を含んで櫛歯状を呈し、
前記アノード流路板、前記膜電極複合体、前記カソード流路板、前記膜電極複合体、及び前記アノード流路板がこの順に積層された構造を一ユニットとして、これらユニットが複数積層されてスタック構造を呈することを特徴とする、燃料電池。
【請求項４】
電解質膜を挟んで互いに対向するアノード及びカソードを有する膜電極複合体と、
前記アノードに接し、前記アノードに燃料を供給するアノード流路板と、
前記カソードに接し、前記カソードに空気を供給するカソード流路板とを具え、
前記カソード流路板は、前記空気がその幅方向に貫通しないように構成された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、直接型燃料電池に好適な燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素を燃料とする固体高分子型燃料電池（ＰＥＭ）や直接メタノール供給型燃料電池（ＤＭＦＣ）では、アノード流路板とカソード流路板とで膜電極複合体（ＭＥＡ）を挟み込み、このようにして得た複数のセルが互いに積層され、スタックを形成している。ＭＥＡは、固体高分子型のプロトン導電膜のアノード側に、アノード触媒層、アノードガス拡散層が形成され、カソード側にカソード触媒層、カソードガス拡散層が形成されている。ＤＭＦＣの場合、水、メタノールの混合溶液がアノードに送られ、空気がカソードに送られる。
【０００３】
アノードでは
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→ＣＯ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−              （１）
の反応が生じ、二酸化炭素が発生する。カソードでは
３／２Ｏ２＋６Ｈ＋＋６ｅ−→３Ｈ２Ｏ                    （２）
の反応が生じ、水が発生する。
【０００４】
アノードで発生した二酸化炭素と水及び未反応のメタノールとを含む混合溶液は、気液二相流となってアノードから排出される。アノードから排出された気液二相流は、アノードの出口側の流路に設けられた気液分離器により気体と液体に分離される。分離後の液体は、回収流路を介して混合タンク等へ循環させ、分離後の気体は、大気に放出させている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】米国特許第６９２４０５５号
【０００５】
一方、水素を燃料とする燃料電池において、アノードでは
Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−                                   （３）
の反応が生じる。
【０００６】
上記のように、アノードに対して水及びメタノール混合溶液を供給する場合、並びに水素を供給する場合のいずれにおいても、カソードには上記の反応式に従って十分な発電が行えるような量の空気を供給しなければならない。このため、従来においては、ポンプ等を用いて空気をカソードに供給していたが、ポンプ等のサイズが大きい、ポンプ等が大きな騒音を発する、ポンプ等によって電力消費が増大するなどの問題を生じていた。
【０００７】
また、空気を供給する際においてＭＥＡが乾いてしまい、ＭＥＡの湿度状態が変化して発電性能が不安定になってしまうなどの問題も生じていた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、ポンプ等の使用による騒音や電力消費増大の問題を低減するとともに、ＭＥＡの湿度状態を維持して発電性能を安定化させた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】
【０００９】
上記課題を解決すべく、本発明の一態様は、電解質膜を挟んで互いに対向するアノード及びカソードを有する膜電極複合体と、前記アノードに接し、前記アノードに燃料を供給するアノード流路板と、前記カソードに接し、前記カソードに空気を供給するカソード流路板とを具え、前記カソード流路板は、その長さ方向に延在し、幅方向の略中心に配設された板状部材、及び当該板状部材と直交するようにして配設された複数の電極板を含み、櫛歯状を呈することを特徴とする燃料電池に関する。
【発明の効果】
【００１０】
上記態様によれば、ポンプ等の使用による騒音や電力消費増大の問題を低減するとともに、ＭＥＡの湿度状態を維持して発電性能を安定化させた燃料電池を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の詳細、並びにその他の特徴及び利点について、実施の形態に基づいて説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係わる燃料電池の構成を概略的に示す断面図であり、図２は、図１に示す燃料電池に使用されるアノード流路板の構成を示す平面図であり、図３は、図１に示す燃料電池に使用されるカソード流路板の構成を示す平面図である。
【００１３】
図１に示す燃料電池１００は、電解質膜３を挟んで互いに対向するアノード（アノード触媒層１、アノードガス拡散層４）及びカソード（カソード触媒層２、カソードガス拡散層５）を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）８と、アノードガス拡散層４に接し、アノードに所定の燃料を供給するためのアノード流路板３０と、カソードガス拡散層５を介してアノード流路板３０に対向するカソード流路板４０とを一ユニットとして、これらユニットが３段で積層されたスタック構造を呈している。
【００１４】
各ユニットは、アノード流路板３０及びカソード流路板４０によって、ガスケット９とともにＭＥＡの周囲をシールするようにして構成されている。
【００１５】
また、各ユニットは上下方向において締め付け板５０が設けられており、これによって、上下方向において締結して保持されるように構成されている。また、これらユニットが積層されてなるスタック構造も、その上面及び下面において一対の締め付け板５０が設けられ、前記スタック構造を上下方向に締結して保持するように構成されている。なお、本態様においては、以下に説明するように、図１に示す燃料電池１００で発電された電気を締め付け板５０を介して外部へ取り出すという観点から、締め付け板５０は電極としての機能をも有する。したがって、締め付け板５０は、導電性の部材から構成する。
【００１６】
さらに、各ユニットの一端側には、前記スタック構造を構成する各ユニットへの燃料供給を確保するための縦方向燃料供給流路６１が形成された燃料供給部材６０が、隣接するユニットのアノード流路板３０の間に設けられている。なお、本態様においては、以下に説明するように、図１に示す燃料電池１００で発電された電気を、締め付け板５０を介して外部へ取り出すという観点から、アノード流路板３０、カソード流路板４０は、導電性の部材を用いて構成する。また、締め付け板５０も導電性部材を用いて構成することができる。
【００１７】
ＭＥＡ８は、プロトン導電性の固体高分子膜等からなる電解質膜３、電解質膜３の表面に触媒を塗布して形成されたアノード触媒層１及びカソード触媒層２、アノード触媒層１及びカソード触媒層２の外側にそれぞれ形成されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５を具える。
【００１８】
電解質膜３としては、テトラフルオロエチレンとペルフルオロビニルエーテルスルフォン酸とのコポリマーであって、例えば、商品名ナフィオン（米国デュポン社）が利用可能である。アノード触媒層１としては白金ルテニウムを、カソード触媒層２としては白金等を利用することができる。アノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５としては、多孔質のカーボンペーパー等が用いられる。
【００１９】
なお、図１で示していないが、アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、撥水処理した、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のアノードマイクロポーラス層を設けることもできる。また、カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のカソードマイクロポーラス層を設けることもきる。
【００２０】
図２に示すように、アノード流路板３０は、燃料供給流路３１を有し、所定の燃料が燃料供給口３１ａから燃料供給流路３１内に導入されて、内部を流れ、燃料排出口３１ｂから排出される。燃料供給流路３１はＭＥＡ８のアノードに接触しているので、前記燃料が燃料供給流路３１内を流れる間に、アノード、すなわちアノード触媒層１に対して前記燃料が供給され、発電に供される。
【００２１】
なお、各ユニットのアノード流路板３０には、締め付け板５０及び燃料供給部材６０に連通するようにして形成された縦方向燃料供給流路６１から、燃料供給口３１ａを介して供給されるようになっている。
【００２２】
図３に示すように、カソード流路板４０は、その長さ方向に沿って延在し、幅方向の略中心に板状部材４１を有するとともに、前記幅方向において板状部材４１と略直交するようにして複数の電極板４２が設けられている。この結果、板状部材４１及び電極板４２は、櫛歯状を呈する。板状部材４１及び電極板４２は、ほぼ同一の高さを有し、図１に示すユニットに装着された際に、両者がＭＥＡ８、具体的にはカソード、すなわちカソードガス拡散層５と接触するように構成されている。
【００２３】
一方、図３に示すように、カソードに供給すべき空気は、カソード流路板４０の電極板４２に沿って導入されるが、カソード流路板４０が上述した板状部材４１を有することによって、前記空気はカソード流路板４０を貫通することなく、その内部に滞留するようになる。したがって、図１に示す燃料電池１００の各ユニットにおけるカソードには、カソード流路板４０内を拡散した酸素が供給されるようになる。
【００２４】
したがって、前記空気がカソード流路板４０内における酸素の供給は、酸素の拡散によるものが支配的になる。従って、空気導入部の酸素濃度を、ファン等の送気により、大気とほぼ同等に維持しておけば、前記ポンプ等が必要無くなる。従って、前記ポンプを用いる必要が無くなり、前記ポンプの容積が不用となり、前記ポンプ等の駆動出力を低減することができ、騒音の発生及び消費電力の抑制を実現することができる。また、前記空気が拡散によるものが支配的になるため、カソードからの水分の排出も、拡散によるものが支配的となる。そのため、必要な酸素の供給を行いつつ、カソードのおける保湿を行うことが可能になる。従って、カソード流路板４０と接触するＭＥＡ８を乾燥させることなく、常時水分を保持した状態にすることができるので、燃料電池の発電性能を安定化させることができる。
【００２５】
なお、本態様において、各ユニットで発電された電気は、カソード流路板４０に設けられた板状部材４１及び電極板４２によって集電された後、締め付け板５０を介して外部に取り出される。空気の供給を向上させるためには、電極板４２の間隔を広げる方が好ましいが、電極板４２の間隔を広げると、集電抵抗が増加する。板状部材４１を設けることにより、このような場合でも、集電抵抗を低下させる事が可能になる。なお、集電抵抗の低下と空気の供給のバランスを考慮すると、板状部材４１は幅方向の略中心部に設けることが好ましい。
【００２６】
また、カソード流路板４０において、図４に示すように板状部材４１は、幅方向の略中心部ではなく、その端面に設けることができる。このような構成においても、上記同様にカソード流路板４０内にける酸素の供給は、酸素の拡散によるものが支配的になる。上述したポンプ等の駆動出力を低減による騒音の発生及び消費電力の抑制、並びにカソード流路板４０と接触するＭＥＡ８の乾燥を防止し、燃料電池の発電性能を安定化させることができる。
【００２７】
なお、アノードに供給する燃料は、水素や、メタノール水溶液などの液体燃料とすることができる。
【００２８】
（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係わる燃料電池の構成を概略的に示す断面図である。本態様では、燃料電池を構成するＭＥＡ、アノード流路板及びカソード流路板の積層構造が異なるのみで、その他の構成要素、例えばアノード流路板やカソード流路板などの構成は、上記第１の実施形態と同様である。したがって、以下においては、本態様における燃料電池の積層構造を中心に説明する。なお、図１〜４に示す構成要素と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同じ参照数字を用いている。
【００２９】
図５に示す燃料電池１００は、電解質膜３を挟んで互いに対向するアノード（アノード触媒層１、アノードガス拡散層４）及びカソード（カソード触媒層２、カソードガス拡散層５）を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）８と、アノードガス拡散層４に接し、アノードに所定の燃料を供給するためのアノード流路板３０と、カソードガス拡散層５を介してアノード流路板３０に対向するカソード流路板４０とを有している。そして、アノード流路板３０、ＭＥＡ８、カソード流路板４０、ＭＥＡ８、及びアノード流路板３０がこの順に積層された構造を一ユニットとして、これらユニットが２段積層されてスタック構造を呈している。
【００３０】
各ユニットは、アノード流路板３０及びカソード流路板４０によって、ガスケット９とともにＭＥＡの周囲をシールするようにして構成されている。
【００３１】
また、また、各ユニットは上下方向において締め付け板５０が設けられており、これによって、上下方向において締結して保持されるように構成されている。また、これらユニットが積層されてなるスタック構造も、その上面及び下面において一対の締め付け板５０が設けられ、前記スタック構造を上下方向に締結して保持するように構成されている。アノード流路板３０には、図示しない集電構造が設けられ、厚み方向には電気抵抗が高く、集電体に設けられた図示しない端子で外部に電気を取り出すようになっている。カソード流路板４０は導体であり、図示しない端子が設けられ、外部に電気を取り出すようになっている。アノード流路板３０の端子と、カソード流路板４０の端子を適宜連通させ、外部に電気を取り出す。
【００３２】
さらに、各ユニットの一端側には、前記スタック構造を構成する各ユニットへの燃料供給を確保するための縦方向燃料供給流路６１が形成された燃料供給部材６０が、隣接するユニットのアノード流路板３０の間に設けられている。なお、本態様においては、以下に説明するように、図５に示す燃料電池１００で発電された電気を、燃料供給部材６０及び締め付け板５０を介して外部へ取り出すという観点から、燃料供給部材６０は、導電性の部材から構成する。
【００３３】
ＭＥＡ８は、プロトン導電性の固体高分子膜等からなる電解質膜３、電解質膜３の表面に触媒を塗布して形成されたアノード触媒層１及びカソード触媒層２、アノード触媒層１及びカソード触媒層２の外側にそれぞれ形成されたアノードガス拡散層４及びカソードガス拡散層５を具える。
【００３４】
電解質膜３としては、テトラフルオロエチレンとペルフルオロビニルエーテルスルフォン酸とのコポリマーであって、例えば、商品名ナフィオン（米国デュポン社）が利用可能である。アノード触媒層１としては白金ルテニウムを、カソード触媒層２としては白金等を利用することができる。アノードガス拡散層４、カソードガス拡散層５としては、多孔質のカーボンペーパー等が用いられる。
【００３５】
なお、図５で示していないが、アノード触媒層１とアノードガス拡散層４との間には、撥水処理した、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のアノードマイクロポーラス層を設けることもできる。また、カソード触媒層２とカソードガス拡散層５との間には、サブミクロンの孔径からなる数十ミクロン厚みのカーボン製のカソードマイクロポーラス層を設けることもきる。
【００３６】
また、アノードへの燃料供給は、締め付け板５０及び燃料供給部材６０に連通するようにして形成された縦方向燃料供給流路６１から、各ユニットのアノード流路板３０に、燃料供給口３１ａを介して供給されるようになっている。
【００３７】
さらに、本態様においても、カソード流路板４０は、図３又は図４に示すような構成を採ることができる。したがって、前記空気がカソード流路板４０内における酸素の供給は、酸素の拡散によるものが支配的になる。従って、空気導入部の酸素濃度を、ファン等の送気により、大気とほぼ同等に維持しておけば、前記ポンプ等が必要無くなる。従って、前記ポンプを用いる必要が無くなり、前記ポンプの容積が不用となり、ポンプ等の駆動出力を低減することができ、騒音の発生及び消費電力の抑制を実現することができる。また、前記空気の供給が拡散によるものが支配的になるため、カソードからの水分の排出も、拡散によるものが支配的となる。そのため、必要な酸素の供給を行いつつ、カソードのおける保湿を行うことが可能になる。従って、カソード流路板４０と接触するＭＥＡ８を乾燥させることなく、常時水分を保持した状態にすることができるので、燃料電池の発電性能を安定化させることができる。
【００３８】
なお、本態様において、各ユニットで発電された電気は、カソード流路板４０に設けられた電極板４２によって集電された後、燃料供給部材６０及び締め付け板５０を介して外部に取り出される。
【００３９】
なお、アノードに供給する燃料は、水素や、メタノール水溶液などの液体燃料とすることができる。
【００４０】
（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態に係わる燃料電池の構成を概略的に示す断面図であり、図７は、図６に示す燃料電池のカソード流路板の配列状態を示す平面図である。なお、図１〜４に示す構成要素と同一あるいは類似の構成要素に関しては、同じ参照数字を用いている。
【００４１】
図６に示す燃料電池１００は、具体的な構成の記載を省略しているものの、第１の実施形態及び第２の実施形態と同様に、電解質膜を挟んで互いに対向するアノード（アノード触媒層、アノードガス拡散層）及びカソード（カソード触媒層、カソードガス拡散層）を有する膜電極複合体（ＭＥＡ）８と、このＭＥＡ８に接し、アノードに所定の燃料を供給するためのアノード流路板３０と、同じくＭＥＡ８に接し、アノード流路板３０に対向するカソード流路板４０とを有している。そして、ＭＥＡ８、アノード流路板３０及びカソード流路板４０を一ユニットとして、図７に示すように、これらユニットが同一平面上に複数並列に配列されている。
【００４２】
本態様において、各カソード流路板３０は、例えば図３に示すように、その長さ方向に沿って、幅方向の略中心に板状部材４１を有するとともに、前記幅方向において板状部材４１と略直交するようにして複数の電極板４２が設けられている。板状部材４１及び電極板４２は、ほぼ同一の高さを有し、図６に示すユニットに装着された際に、両者がＭＥＡ８と接触するように構成されている。
【００４３】
一方、図７に示すように、カソードに供給すべき空気は、カソード流路板４０の長さ方向に導入されるとともに、電極板４２によってカソード流路板４０の幅方向にも導入されるようになる。この際、カソード流路板４０には板状部材４１が設けられているので、電極板４２によって前記幅方向に導入された空気はカソード流路板４０を貫通することなく、その内部に滞留するようになる。したがって、図７に示す燃料電池１００の各ユニットにおけるカソードには、カソード流路板４０内に滞留した空気が供給されるようになる。
【００４４】
したがって、カソード流路板４０内における酸素の供給は、酸素の拡散によるものが支配的になる。従って、空気導入部の酸素濃度を、ファン等の送気により、大気とほぼ同等に維持しておけば、前記ポンプ等が必要無くなる。従って、前記ポンプを用いる必要が無くなり、前記ポンプの容積が不用となり、前記ポンプ等の駆動出力を低減することができ、騒音の発生及び消費電力の抑制を実現することができる。また、前記空気の供給が拡散によるものが支配的になるため、カソードからの水分の排出も、拡散によるものが支配的となる。そのため、必要な酸素の供給を行いつつ、カソードのおける保湿を行うことが可能になる。従って、カソード流路板４０と接触するＭＥＡ８を乾燥させることなく、常時水分を保持した状態にすることができるので、燃料電池の発電性能を安定化させることができる。
【００４５】
なお、ＭＥＡ８の具体的構成及びアノード流路板３０の具体的構成は、上記第１の実施形態及び第２の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４６】
なお、本態様において、各ユニットで発電された電気は、図示しないカソード流路板３０に設けられた端子、および、図示しないカソード流路板４０に設けられた端子によって集電され、外部に取り出される。
【００４７】
アノードに供給する燃料は、水素や、メタノール水溶液などの液体燃料とすることができる。
【００４８】
以上、本発明を上記具体例に基づいて詳細に説明したが、本発明は上記態様に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しない限りにおいてあらゆる変更や変形が可能である。
【００５０】
また、上記具体例では、燃料電池を、ユニット中に、ＭＥＡ８、アノード流路板３０及びカソード流路板４０を含み、前記ユニットを積層したスタック構造等として構成しているが、必ずしもスタック構造等とする必要はなく、前記ユニットを単独で用いて燃料電池を構成することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。
【図２】第１の実施形態の燃料電池におけるアノード流路板を示す平面図である。
【図３】第１の実施形態の燃料電池におけるカソード流路板を示す平面図である。
【図４】同じく、第１の実施形態の燃料電池におけるカソード流路板を示す平面図である。
【図５】第２の実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。
【図６】第３の実施形態に係る燃料電池を示す断面図である。
【図７】第３の実施形態における燃料電池のカソード流路板の配列状態を示す平面図である。
【符号の説明】
【００５２】
１…アノード触媒層
２…カソード触媒層
３…電解質膜
４…アノードガス拡散層
５…カソードガス拡散層
６…アノードマイクロポーラス層
７…カソードマイクロポーラス層
８…ＭＥＡ
９…ガスケット
３０…アノード流路板
３１…燃料供給流路
４０…カソード流路板
４１…板状部材
４２…電極板
５０…締め付け板
６０…燃料供給部材
６１…縦方向燃料供給流路
【図１】
0005269372.tif 000002
【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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