(57)【要約】【課題】軽量で薄くコンパクトなスタック型燃料電池の提供。【解決手段】２枚の平板構造を呈する片面陰極プレート、少なくとも１枚以上の平板構造を呈する両面陰極プレート、少なくとも１枚以上の平板構造を呈する両面陽極プレート、少なくとも１枚以上の平板構造を呈するバイポーラ燃料電池プレートを含み、２枚の片面陰極プレートはスタック型燃料電池の両サイドに設置され、両面陰極プレート、両面陽極プレート、及びバイポーラ燃料電池プレートはスタック型燃料電池内に隔離され挟み込まれて設置され、スタック型燃料電池のバイポーラ燃料電池プレートの陰極側表面が２枚の片面陰極プレートに接合され、スタック型燃料電池内に挟み込まれて設置された他のバイポーラ燃料電池プレートの陰極側表面が各両面陰極プレートに接合され、挟み込まれて設置されたバイポーラ燃料電池プレートの陽極側表面が各両面陽極プレートに接合される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スタック型燃料電池であって、
前記スタック型燃料電池１０の最も外側の両サイドにそれぞれ設置される２枚の平板構造を呈する片面陰極プレート１０１、１０２と；
前記スタック型燃料電池１０内に隔離され挟み込まれて設置される少なくとも１枚以上の平板構造を呈する両面陰極プレート１０５と；
前記スタック型燃料電池１０内に隔離され挟み込まれて設置される少なくとも１枚以上の平板構造を呈する両面陽極プレート１０４と；
少なくとも１枚以上の平板構造を呈するバイポーラ燃料電池プレート１０３と、
を含み、そのうち、前記スタック型燃料電池１０の外側に最も近い位置に配置される２枚のバイポーラ燃料電池プレート１０３の陰極側表面が、前記２枚の片面陰極プレート１０１、１０２にそれぞれ密接に接合され、前記スタック型燃料電池１０に挟み込まれて設置されたその他の前記バイポーラ燃料電池プレート１０３の陰極側表面が前記各両面陰極プレート１０５にそれぞれ密接に接合され、さらに前記挟み込まれたバイポーラ燃料電池プレート１０３の陽極側表面が、前記各両面陽極プレート１０４にそれぞれ密接に接合されることを特徴とするスタック型燃料電池。
【請求項２】
前記バイポーラ燃料電池プレート１０３が、一枚の陰極挟み込みプレート１０３３、少なくとも１つ以上の膜電極接合体１０３１、一枚の陽極挟み込みプレート１０３５を含み、そのうち、前記膜電極接合体１０３１が前記陰極挟み込みプレート１０３３と前記陽極挟み込みプレート１０３５の間に挟み込まれて固定されることを特徴とする請求項１に記載のスタック型燃料電池。
【請求項３】
前記陰極挟み込みプレート１０３３が少なくとも１つ以上の開口部１０３３aを含み、且つ、前記開口部１０３３aが前記膜電極接合体１０３１にそれぞれ対応することを特徴とする請求項２に記載のスタック型燃料電池。
【請求項４】
前記陽極挟み込みプレート１０３５が少なくとも１つ以上の開口部１０３５aを含み、且つ、前記開口部１０３５aが前記膜電極接合体１０３１にそれぞれ対応することを特徴とする請求項２に記載のスタック型燃料電池。
【請求項５】
前記陰極挟み込みプレート１０３３が、前記陰極挟み込みプレート１０３３の表面に設置された少なくとも１つ以上の電子配線１０３３ｂを含み、そのうち、前記電子配線１０３３ｂが対応する前記膜電極接合体１０３１の陰極とそれぞれ電気的に接続されることを特徴とする請求項２に記載のスタック型燃料電池。
【請求項６】
前記陽極挟み込みプレート１０３５が、前記陽極挟み込みプレート１０３５の表面に設置された少なくとも１つ以上の電子配線１０３５ｂを含み、そのうち、前記電子配線１０３５ｂが対応する前記膜電極接合体１０３１の陽極とそれぞれ電気的に接続されることを特徴とする請求項２に記載のスタック型燃料電池。
【請求項７】
前記片面陰極プレート１０１にさらに１つの陽極燃料注入口１０１１と、１つの陽極燃料流出口１０１３を設置し、そのうち、前記陽極燃料注入口１０１１と陽極燃料流出口１０１３が前記スタック型燃料電池１０に使用する陽極燃料の単一の出入口として用いられることを特徴とする請求項１に記載のスタック型燃料電池。
【請求項８】
前記陰極挟み込みプレート１０３３の基材が、耐薬品性非導体エンジニアリングプラスチック基板、プラスチックカーボン基板、FR４基板、FR５基板、エポキシ樹脂基板、ガラスファイバ基板、セラミック基板、高分子塑化基板、コンポジット材料基板、プリント配線基材、プリプレグ樹脂片等のうちからいずれかを選択することを特徴とする請求項２に記載のスタック型燃料電池。
【請求項９】
前記陽極挟み込みプレート１０３５の基材が、耐薬品性非導体エンジニアリングプラスチック基板、プラスチックカーボン基板、FR４基板、FR５基板、エポキシ樹脂基板、ガラスファイバ基板、セラミック基板、高分子塑化基板、コンポジット材料基板、プリント配線基材、プリプレグ樹脂片等のうちからいずれかを選択することを特徴とする請求項２に記載のスタック型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池に関し、特に、スタック型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池はそのものの構造に制限され、例えば従来の直接メタノール型燃料電池においてその電力出力を増加したい場合は、その内部構造を変えなければならず、直接メタノール型燃料電池の膜電極接合体の数量を増やすだけでなく、例えば流路などその他の関連構成も合わせて変える必要があるため、このような一部を変えるために全部に手を加えなければならないという点がこの方法の主な欠点となっている。
【０００３】
また、別の方法としては、各単独の従来の燃料電池の正極と負極を直並列接続させるものがあるが、このような方法は全体の電力出力を大きくすることはできるものの、各独立した従来の燃料電池がそれぞれ燃料貯蔵槽などその元々の構成を具備しているため、共同で直並列接続した燃料電池の全体の体積が明らかに大きすぎてしまい、このような方法の主な欠点となっている。
【０００４】
上述の従来の方法における欠点を克服するため、すでに周知であるスタック型燃料電池が設計されるようになった。この類の設計の典型としては、アメリカ特許USP５２００２７８、USP５２５２４１０、USP５３６０６７９及びUSP６０３０７１８等の先行案において掲示されている。この従来の技術により製造された燃料電池を採用すると比較的高い発電効率が得られるが、その構成が複雑であり、製造が容易ではなく、コストが高いことに加え、周辺の合わせて用いるシステムに対する要求も高い。
【０００５】
また、別にすでに周知である平面展開型燃料電池も設計されており、この類の設計の典型としては、アメリカ特許USP ５６３１０９９、USP５７５９７１２、USP６１２７０５８、USP６３８７５５９、USP６４９７９７５、及びUSP６４６５１１９等の先行案において掲示されている。この類の設計を採用した燃料電池は薄く小さな空間に適用することができ、携帯電話、PDA、ノートブックコンピュータなどの小型電気製品に便利に使用でき、且つ、周辺システムに対する対応要求も比較的低く、製造が容易である利点はスタック型の設計より大幅に向上されているが、この類の設計の燃料電池の発電効率は比較的低い。
【０００６】
アメリカ特許USP５６３１０９９「表面レプリカ燃料電池（Surface Replica Fuel Cell）」ではすでにスタック型及び平面型の設計方式を含むことができる燃料電池が掲示されており、つまり、USP５６３１０９９はスタック型と平面型設計の利点を組み合わせ、燃料電池の発電効率を向上し、かつ重量が軽く、使用に便利で、空間が制限されない等の利点も備えている。しかしながら、USP５６３１０９９にはまだ構造が複雑で製造が難しく、反応生成物（例：水分）の排除が困難であり、空気や酸素の供給が難しい等の欠点が存在する。
【０００７】
本発明の発明者は上述の従来技術の欠点に鑑みて、スタック型燃料電池の改良の発明に至ったものであり、本発明によれば供給電力の設計パラメータに基づき、前記パラメータに合致するスタック型燃料電池を製造することができ、同時に本発明のスタック型燃料電池システムは製造が容易でコストが低く、重量が軽く、使用に便利で空間が制限されない等の利点も備えている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の第一の目的は、軽量で薄くコンパクトな燃料電池を容易に得ることができる、スタック型燃料電池を提供することにある。
【０００９】
本発明の第二の目的は、供給電力の設計パラメータに基づき、前記パラメータに合わせて製造できる、スタック型燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の上述の目的を達成するため、本発明のスタック型燃料電池は、２枚の平板構造を呈する片面陰極プレート、少なくとも１枚以上の平板構造を呈する両面陰極プレート、少なくとも１枚以上の平板構造を呈する両面陽極プレート、少なくとも１枚以上の平板構造を呈するバイポーラ燃料電池プレートを含む。２枚の片面陰極プレートはスタック型燃料電池の最も外側の両サイドにそれぞれ設置される。前記両面陰極プレートは前記スタック型燃料電池内に隔離され挟み込まれて設置される。前記両面陽極プレートは前記スタック型燃料電池内に隔離され挟み込まれて設置される。前記バイポーラ燃料電池プレートは前記スタック型燃料電池内に隔離され挟み込まれて設置される。スタック型燃料電池の最も外側に設置された２枚のバイポーラ燃料電池プレートの陰極側の表面が２枚の片面陰極プレートにそれぞれ密接に接合され、かつ、スタック型燃料電池に隔離され挟み込まれて設置されたその他の前記バイポーラ燃料電池プレートの陰極側の表面は、各両面陰極プレートにそれぞれ密接に接合されると共に、前記挟んで設置されたバイポーラ燃料電池プレートの陽極側の表面が各両面陽極プレートにそれぞれ密接に接合される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
前記関連技術を知る人に本発明の目的、特徴及び効果をより理解してもらうため、以下で具体的な実施例に基づき図面を組み合わせて本発明について詳細に説明する。
【００１２】
図１に本発明のスタック型燃料電池の構造図、図２に本発明のスタック型燃料電池の実施例の分解図をそれぞれ示す。本発明のスタック型燃料電池１０は、２枚の平板構造を呈する片面陰極プレート１０１、１０２、少なくとも１枚以上の平板構造を呈する両面陽極プレート１０４、少なくとも１枚以上の平板構造を呈する両面陰極プレート１０５、及び少なくとも１枚以上の平板構造を呈するバイポーラ燃料電池プレート１０３を含み、且つ、図１に示すように、上述の各部材をスタックし、密接に接合して一枚の単板式の構造にする。以下で図１の各部材について説明する。
【００１３】
図１に示すように、本発明の定義する燃料電池アッセンブリユニット２０は順に一枚目のバイポーラ燃料電池プレート１０３、一枚の両面陽極プレート１０４、二枚目のバイポーラ燃料電池プレート１０３、一枚の両面陰極プレート１０５、三枚目のバイポーラ燃料電池プレート１０３から構成される。本発明のスタック型燃料電池の組立て方法は、供給電力の要求条件に基づくことができ、前記条件を満たすことのできる複数の燃料電池アッセンブリユニット２０をスタックし、且つ、最も外側に位置する両側にそれぞれ片面陰極プレート１０１、１０２をスタックし、プレスでスタックした各部材を密接に接合させる。
【００１４】
図３に本発明のバイポーラ燃料電池プレートの分解図を示す。複数枚のバイポーラ燃料電池プレート１０３はスタック型燃料電池１０内に隔離され挟み込まれて設置される。バイポーラ燃料電池プレート１０３は、一枚の陰極挟み込みプレート１０３３、少なくとも１つ以上の膜電極接合体１０３１、一枚の陽極挟みプレート１０３５を含み、且つ、前記膜電極接合体１０３１は前記陰極挟み込みプレート１０３３と陽極挟み込みプレート１０３５の間に挟んで固定される。前記陰極挟み込みプレート１０３３には少なくとも１つ以上の開口部１０３３aが設けられ、前記開口部１０３３aの設置数は前記膜電極接合体１０３１の数量によって決定され、且つ、前記開口部１０３３aの面積は前記膜電極接合体１０３１の面積よりやや小さいものとする。同様に、前記陽極挟み込みプレート１０３５には少なくとも１つ以上の開口部１０３５aが設けられ、前記開口部１０３５aの設置数は前記膜電極接合体１０３１の数量によって決定され、且つ、前記開口部１０３５aの面積は前記膜電極接合体１０３１の面積よりやや小さいものとする。
【００１５】
図３に示すように、前記陰極挟み込みプレート１０３３の表面には、選択的に上表面または下表面、或いは上下両表面に電子配線１０３３ｂを設置することができ、そのうち、前記電子配線１０３３ｂの一端がそれぞれ対応する前記膜電極接合体１０３１の陰極と電気的に接続され、且つ、別の一端がそれぞれ陰極パッド１０３３ｃに接続され、前記陰極パッド１０３３ｃは前記陰極挟み込みプレート１０３３の辺縁に設置される。同様に、前記陽極挟み込みプレート１０３５の表面には、選択的に上表面または下表面、或いは上下両表面に電子配線１０３５ｂを設置することができ、そのうち、前記電子配線１０３５ｂの一端がそれぞれ対応する前記膜電極接合体１０３１の陽極と電気的に接続され、且つ、別の一端がそれぞれ陽極パッド１０３５cと接続され、前記陽極パッド１０３５cは前記陽極挟み込みプレート１０３５の辺縁に設置される。
【００１６】
陰極挟み込みプレート１０３３と陽極挟み込みプレート１０３５の基材は、耐薬品性非導体エンジニアリングプラスチック基板、プラスチックカーボン基板、FR４基板、FR５基板、エポキシ樹脂基板、ガラスファイバ基板、セラミック基板、高分子塑化基板、コンポジット材料基板、プリント配線基材、プリプレグ樹脂片等のいずれか一つを選択することができる。
【００１７】
本発明の膜電極接合体１０３１の具体的な実施例は、関連の従来技術を採用することができ、例えば直接プロトン交換膜から成る直接メタノール型膜電極接合体を採用することができる。
【００１８】
図４に本発明の陽極燃料出入口を備えた片面陰極プレートの立体図、及び図５に本発明の片面陰極プレートの立体図をそれぞれ示す。２枚の片面陰極プレート１０１、１０２はスタック型燃料電池の最も外側の両サイドに設置され、且つ、片面陰極プレート１０１、１０２の流路構造を備えた面の表面が前記バイポーラ燃料電池プレート１０３の陰極面の表面と密接に接合される。片面陰極プレート１０１、１０２は平板構造とすることができ、且つ、板体の上表面に複数本の平行な溝を設け、陰極燃料（例：空気）の通路とすることができる。外部の空気は矢印A（図４、図５の矢印Aを参照）から進入し、片面陰極プレート１０１、１０２の入口区域に小面積の陥没区域を設け、空気を円滑に流入させることができる。空気は前記溝を流れ、且つバイポーラ燃料電池プレート１０３の前記陰極に進入し、最後に残りの空気と陰極生成物が矢印B（図４、図５の矢印Bを参照）から流出する。
【００１９】
図４に示すように、片面陰極プレート１０１の下表面に陽極燃料流入口１０１１と陽極燃料流出口１０１３を設け、外部陽極燃料（例：メタノール水溶液）は陽極燃料流入口１０１１からスタック型燃料電池１０の内部に流入し、さらに陽極燃料は各両面陽極プレート１０４に流入し、最後に残りの陽極燃料と陽極生成物がすべて陽極燃料流出口１０１３から流出するようにする。
【００２０】
図６に本発明の両面陰極プレートの立体図を示す。複数枚の両面陰極プレート１０５はスタック型燃料電池１０内に隔離され挟み込まれて設置される。両面陰極プレート１０５の上表面はバイポーラ燃料電池プレート１０３の陰極面の表面と密接に接合され、且つ、同じ一枚の両面陰極プレート１０５の下表面は別の一枚のバイポーラ燃料電池プレート１０３の陰極面の表面と密接に接合される。両面陰極プレート１０５は平板構造とすることができ、且つ、板体の上表面、下表面にそれぞれ複数本の平行な溝を設け、陰極燃料（例：空気）の通路を形成する。外部の空気は矢印A（図６の矢印Aを参照）から進入し、両面陰極プレート１０５の上下表面の各入口区域に陥没区域、貫通区域、陥没区域を相隣させて設け、空気を円滑に流入させる。空気は前記溝を通過し、且つバイポーラ燃料電池プレート１０３の前記陰極に進入し、最後に残りの空気と陰極生成物が矢印B（図６の矢印Bを参照）から流出する。
【００２１】
両面陰極プレート１０５の第一貫通孔１０５１と第二貫通孔１０５３はそれぞれ片面陰極プレート１０１の陽極燃料流入口１０１１と陽極燃料流出口１０１３に対応し、同時に、両面陽極プレート１０４の分流部１０４１と流出孔１０４３にそれぞれ対応する。このため、本発明の複数枚の平板状の板体を積層したスタック型燃料電池１０の構造においてみると、単一の陽極燃料流入口１０１１、複数の第一貫通孔１０５１、及び複数の分流部１０４１が連続して相通されて小さな空間を形成し、且つ、単一の陽極燃料流出口１０１３、複数の第二貫通孔１０５３、複数の流出孔１０４３が連続して相通されて別の小さな空間を形成する。
【００２２】
図７に本発明の両面陽極プレートの立体図を示す。複数枚の両面陽極プレート１０４はスタック型燃料電池１０内に隔離され挟み込まれて設置される。両面陽極プレート１０４の上表面はバイポーラ燃料電池プレート１０３の陽極面の表面と密接に接合され、且つ、同じ一枚の両面陽極プレート１０４の下表面は別の一枚のバイポーラ燃料電池プレート１０３の陽極面の表面と密接に接合される。両面陽極プレート１０４は平板構造に設けることができ、且つ、板体の上表面、下表面にそれぞれ複数本の溝と複数の孔を設け、陽極燃料（例：メタノール水溶液）の通路を形成する。
【００２３】
両面陽極プレート１０４の分流部１０４１と流出孔１０４３は貫通構造とする。陽極燃料流入口１０１１からの外部陽極燃料が各層の両面陰極プレート１０５の第一貫通孔１０５１及び各層の両面陽極プレート１０４の分流部１０４１を通過し、そして各層の両面陽極プレート１０４の分流部１０４１に流入した陽極燃料が、さらに各層の両面陽極プレート１０４の内部流路に流入し、バイポーラ燃料電池プレート１０３の前記陽極に進入する。最後に、各層の両面陽極プレート１０４の残りの陽極燃料と陽極生成物が、それぞれ各層の流出孔１０４３へと流れ、さらに各層の両面陰極プレート１０５の第二貫通孔１０５３を通過し、最後に陽極燃料流出口１０１３から外部へと流出する。
【００２４】
上述の片面陰極プレート１０１、１０２、両面陰極プレート１０５、両面陽極プレート１０４にはそれぞれ複数の集電体３０が設置される。前記集電体３０は対応するバイポーラ燃料電池プレート１０３の陰極または陽極と接触させるために用いられ、且つ、前記集電体３０は片面陰極プレート１０１、１０２、両面陰極プレート１０５、両面陽極プレート１０４にそれぞれ密接に固定される。前記集電体３０は少なくとも１つ以上の突出部３０１を設けることができ、前記突出部３０１は上述の対応する電子配線１０３３ｂ、１０３５ｂと電気的に接続される。集電体３０の材料は導電材料とし、且つ、同時に耐腐蝕性及び/または耐酸化性の耐薬品性材料とし、例えば、ステンレス（SUS３１６）片、金箔、チタン金属、グラファイト材料、カーボン金属化合物材料、金属合金片及び低抵抗の高分子導電片等のうちのいずれかを選択することができる。
【００２５】
上述の片面陰極プレート１０１、１０２、両面陰極プレート１０５、両面陽極プレート１０４の基材は耐薬品性非導体エンジニアリングプラスチック基板、グラファイト基板、金属基板、プラスチックカーボン基板、FR４基板、FR５基板、エポキシ樹脂基板、ガラスファイバ基板、セラミック基板、高分子塑化基板及びコンポジット材料基板等のうちのいずれかを選択することができる。
【００２６】
本発明のスタック型燃料電池１０は供給電力の大小に基づき弾性的に燃料電池アッセンブリユニット２０の設置数量を調整でき、これが本発明の利点の１つである。同時に、本発明のスタック型燃料電池１０の陽極燃料出入口は単一の入口と単一の出口の設計を採用することができ、大幅に陽極燃料供給構造を簡略化できる点も本発明の利点の１つである。また、本発明はスタック型の構造を採用しているため、本発明は軽量で薄くコンパクトな燃料電池を容易に実現することができ、これも本発明の利点の１つである。
【００２７】
本発明について上述のように具体的な実施例を示したが、ここで開示した具体的な実施例は本発明を制限するものではなく、関連技術を熟知した者によれば、本発明の要旨の範囲内を逸脱せずに各種変更や修飾が可能であり、そのような変更や修飾はすべて本発明の範疇に含まれるものとみなし、本発明の保護範囲は特許請求の範囲において定められるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明のスタック型燃料電池の構造を示す立体図である。
【図２】本発明のスタック型燃料電池の実施例の分解図である。
【図３】本発明のバイポーラ燃料電池プレートの分解図である。
【図４】本発明の陽極燃料出入口を備えた片面陰極プレートの立体図である。
【図５】本発明の片面陰極プレートの立体図である。
【図６】本発明の両面陰極プレートの立体図である。
【図７】本発明の両面陽極プレートの立体図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０    スタック型燃料電池
２０    燃料電池アッセンブリユニット
３０    集電体
１０１、１０２    片面陰極プレート
１０３    バイポーラ燃料電池プレート
１０４    両面陽極プレート
１０５    両面陰極プレート
３０１    突出部
１０１１    陽極燃料流入口
１０１３    陽極燃料流出口
１０３１    膜電極接合体
１０３３    陰極挟み込みプレート
１０３３a    開口部
１０３３b    電子配線
１０３３c    陰極パッド
１０３５    陽極挟み込みプレート
１０３５a    開口部
１０３５b    電子配線
１０３５c    陽極パッド
１０４１    分流部
１０４３    流出孔
１０５１    第一通孔
１０５３    第二通孔
【図１】
2007311344.tif 000003
【図２】
2007311344.tif 000004
【図３】
2007311344.tif 000005
【図４】
2007311344.tif 000006
【図５】
2007311344.tif 000007
【図６】
2007311344.tif 000008
【図７】
2007311344.tif 000009