(57)【要約】      （修正有）【課題】燃料電池内部に生じた水分を効率的に除去することにより発電性能を長時間維持させた空気吸込み式燃料電池を提供する。【解決手段】空気吸込み式燃料電池は、エンドプレート２４、該エンドプレートの２つの間に位置される複数個のユニットセル１０、該ユニットセルの中心部に位置されてそこへの燃料を供給するための燃料分配マニホルド、およびこれらの部材を一体にするためのに前記燃料分配マニホルドおよび前記セル部の中心部を通される一本のタイ・ボルトを有するものである。さらに、ユニットセルを複数個積層してなる主発電用セルスタック１と、この主発電用セルスタックに接続され、上記ユニットセルと同様な機能を有するユニットセルを少なくとも１個有する補助発電用セルスタック２を有し、この補助発電用セルスタックを水の電気分解可能なセルスタックとして使用することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エンドプレート、該エンドプレートの２つの間に位置される複数個のユニットセル、該ユニットセルの中心部に位置されてそこへの燃料を供給するための燃料分配マニホルド、これらの部材を一体にするために前記燃料分配マニホルドおよび前記セル部の中心部を通される一本のタイ・ボルト、および該タイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に前記セル部を一体に締め付けるための固定用ナットを有する空気吸い込み式燃料電池であって、
高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両側に対向して設けられ、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボン、固体高分子電解質膜樹脂の混合物コーティングしてなる酸素極および燃料極と、前記酸素極側に隣接した流路板と、該流路板の外側および前記燃料極側の外側に隣接して設けられたセパレータ板とを含む前記ユニットセルを複数個積層してなる主発電用セルスタック、および
該発電用セルスタックに接続され、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両側に対向して設けられ、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および固体高分子電解質膜樹脂の混合物をコーティングしてなる酸素極、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボン、固体高分子電解質膜樹脂の混合物コーティングしてなる水素極と、前記酸素極に隣接して設けられた流路板と、該流路板の外側および燃料極の外側に隣接して設けられたセパレータ板とを含むユニットセルを少なくとも１個有する補助発電用セルスタックであって、水の電気分解が可能な補助発電用セルスタック
を有することを特徴とする空気吸込み式燃料電池。
【請求項２】
前記補助発電用セルスタックが前記主発電用セルスタックに隣接して設けられ、前記主発電用セルスタックに発生した水が、前記セパレータ板間に前記主発電用セルスタックの発生電力の一部を導くことにより水の電気分解を行うことができることを特徴とする請求項１に記載された空気吸込み式燃料電池。
【請求項３】
前記補助発電用セルスタックおよび前記主発電用セルスタックが離隔して設けられ、前記両セルスタックの燃料分配マニホルド同士が互いに連通されるように接続されて設けられていることを特徴とする請求項１に記載された空気吸込み式燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アウトドア、行楽、家庭用あるいは事務機器等の電源、発電機としてさまざまな用途に使用することができる燃料電池に係り、特に、固体高分子型燃料電池に生じた水分に対処することができる空気吸込み式燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、水素を主燃料とした固体高分子電解質型燃料電池が、運転温度が低く、また出力密度が高いという特性を有していることから注目されて開発されている。その一例として、特許文献１、あるいは本願出願人の特許文献２に記載されているものがある。
【０００３】
その一例として、本発明者等の提案する、特許文献１に示すようなユニットセル１０を積み重ねて提供された空気吸込み式燃料電池がある。具体的には、図９に示すように、高分子電解質膜１２の両側にアウターシール１６を外周に備えた燃料極１３ａ、インナーシール２２により内側をシールした酸素極１３ｂ、この酸素極１３ｂに隣接して設けられた酸素流路板１８からなっている。これらの燃料極１３ａおよび酸素流路板１８の両側に配置されたセパレータ板３４によって一体にされることにより単セル１０を形成し、この単セル１０を複数個積み重ねられている。なお、セパレータ板３４は、発電した電力を取り出すための端子を設けて集電板とされている。さらに、燃料極１３ａに連通された親水性合成繊維糸のスリーブ３２からなる燃料分配マニホルドを単セル１０の中央孔を通して備え、スリーブ３２の中心を通されるタイ・ボルト２６の両端にセパレータ板３４との間にエンドガスケット２８を挟んでエンドプレート２４をさらに設け、このエンドプレート２４に対してＯリング３６を挟んで燃料流路４４を有する一方のナット４０、ブリーダバルブ５２を有する他方のナット５０によって一体に締付固定した構造を有している。このような燃料電池は、小型で軽量のものとすることができるために、低パワーの燃料電池に適している。
【０００４】
また、この高分子電解型燃料電池では、水素極１３ａへ一方のナット４０の中心部から燃料が供給され、燃料分配マニホルド３２の親水性スリーブを通して分配されるような構成にされている。
【０００５】
また、特許文献２に記載された高分子電解膜型燃料電池においては、発生した水分の処理が発電用のセルスタックと同じ機能を有する水分除去用のセルスタックを設け、そこにおいて発電用セルスタックと同様なセパレータ板間の出力部に外部抵抗を接続することにより発電反応を生じさせて、その発生電流が外部抵抗を流れるときの発熱作用により、そこで発生した水分を蒸発させるようにしている。
【特許文献１】米国特許第５，５９５，８３４号明細書
【特許文献２】特開２００４−３９５１３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような従来の固体高分子型燃料電池では、発電の際の化学反応により水分が発生し、その水分は最初の段階では各セルの外側周囲の大気に放出されて燃料の供給を行うことができ、高い電流を発生させることができる。しかし、時間の経過とともに発生した水分が燃料分配マニホルドの燃料流入方向下流部に溜まり、下流部の燃料極への燃料の供給を十分に行うことができなくなり、発生電流は全体としてその燃料極の発電に支配されるために、急激に低下していくことになる。
【０００７】
また、高分子電解質型の燃料電池において、例え、発電用セルスタックと同じ機能を有する専用の水分除去用のセルスタックを設けても、水分発生は徐々に増えていき、発電反応に伴う蒸発では処理しきれなくなり、しだいに出力低下を生じることになる。さらに、燃料分配マニホルドに溜まった水分をエンドプレートに設けたバルブを開放することによって除去することも行われているが、それを行う手間、あるいはそのための装置を設けることは、セル部の形状を小さくするためには、余計な形状のものを付加することになるので、装置の外形も考慮する必要があり、設計上に簡単に対処できるものではなかった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、水電気分解可能な補助発電用セルスタックを用いて燃料電池内部に生じた水分を効率的に除去することにより発電性能を向上させた空気吸込み式燃料電池を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明による空気吸込み式燃料電池は、高分子電解質膜と、この高分子電解質膜の両側に対向して設けられた酸素極および燃料極と、酸素極側に隣接した流路板と、エンドプレート、該エンドプレートの２つの間に位置される複数個のユニットセル、該ユニットセルの中心部に位置されてそこへの燃料を供給するための燃料分配マニホルド、これらの部材を一体にするために前記燃料分配マニホルドおよび前記セル部の中心部を通される一本のタイ・ボルト、および該タイ・ボルトの両端部に螺着されてＯリング等を介してエンドプレート間に前記セル部を一体に締め付けるための固定用ナットを有する空気吸い込み式燃料電池であって、
高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両側に対向して設けられ、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボン、固体高分子電解質膜樹脂の混合物コーティングしてなる酸素極および燃料極と、前記酸素極側に隣接した流路板と、該流路板の外側および前記燃料極側の外側に隣接して設けられたセパレータ板とを含む前記ユニットセルを複数個積層してなる主発電用セルスタック、および
該発電用セルスタックに接続され、高分子電解質膜と、該高分子電解質膜の両側に対向して設けられ、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および固体高分子電解質膜樹脂の混合物をコーティングしてなる酸素極、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボン、固体高分子電解質膜樹脂の混合物コーティングしてなる水素極と、前記酸素極に隣接して設けられた流路板と、該流路板の外側および燃料極の外側に隣接して設けられたセパレータ板とを含むユニットセルを少なくとも１個有する補助発電用セルスタックであって、水の電気分解が可能な補助発電用セルスタック
を有することを特徴とする。
【００１０】
また、上記空気吸込み式燃料電池においては、補助発電用セルスタックが主発電用セルスタックに隣接して設けられ、セパレータ板間に主発電用セルスタックの発生電力の一部を導くことにより主発電用セルスタックに発生した水の電気分解を行うことができることを特徴とする。
【００１１】
また、上記空気吸込み式燃料電池においては、補助発電用セルスタックおよび前記主発電用セルスタックが離隔して設けられ、両セルスタックの燃料分配マニホルド同士が互いに連通されるように接続されて設けられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明に係る空気吸込み式燃料電池は、以下のような作用、効果を奏する。
ユニット高分子電解質膜型セルを複数個積層してなる発電用セルスタックに対して、ユニットセルと同じ機能を有するユニットセルを少なくとも１個を含むことからなる補助発電用セルスタックが接続されているので、発電用セルスタックを長時間の連続出力を行うと、燃料供給を行うために中心部に設けられた燃料分配マニホルドの燃料流入方向下流部に水分を生じても、さらに下流に接続されて位置する補助発電用セルスタックに移動され、セパレータ板間に主発電用セルスタックの発生電力の一部を導くことにより水の電気分解を行うことができるので、主発電用セルスタックにおいて発生した水は、補助発電用セルスタックを収容する容器に貯められて、主発電用セルスタックの発生電力の一部が供給されて、電気分解を行うことができ、発生した水素がさらに主発電用セルスタックの燃料としても用いることができる。したがって、主発電用セルスタックにおいて、水が溜まることによる発電効率の低下を解消することができ、長時間に亘り一定の発電能力を維持することができるという優れた効果を奏する。また、この空気吸込み式燃料電池における補助発電用セルスタックが主発電用セルスタックに隣接して設けられているので、同じ機能を有するセルスタックをほぼ同じ外形のものを延長させた構造にすることにより形成することができ、両セルスタックを共通のスタックによって形成することができると共に、設置箇所が制限を受ける場合にも容易に対処することができる。
【００１３】
また、発電用セルスタックが小型の機器に取り付けられる場合のように、設置箇所が制限される場合には、燃料分配マニホルドを延長させて接続するか、別な接続管によって両セルスタックの燃料分配マニホルドを接続することができ、スペース的に無理な場合にも、両スタックを離して設置することができ、その対応設置箇所の範囲を拡大させることができる。
【００１４】
そして、長さの調節ができる接続部によって両セルスタックの燃料分配マニホルドを接続することができ、スペース的に無理な場合にも、両スタックを離して設置することができ、補助発電用セルスタックも発電用セルスタックに対応してそのサイズ、設置箇所の適用範囲を自由に調節することができ、対応性の高めることができるという優れた効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１および図７は、本発明の一実施の形態に係る空気吸込み式燃料電池を示し、それぞれ概略説明図および分解断面図である。図１および図７に示すように、空気吸込み式燃料電池は、複数のユニットセル１０を積層した発電用セルスタック１および補助発電用セルスタック２が絶縁材からなるエンドプレート２４間に挟まれて一体に形成されたものである。それぞれのセルスタック１，２は、従来例と同様な構成を有していて、ユニットセル１０を複数個一体にしたものであり、セパレータ板３４の間において、高分子電解質膜１２の両側にアウターシール１６を外周に備えた燃料極１３ａ、インナーシール２２により内側をシールした酸素極１３ｂ、この酸素極１３ｂに隣接して設けられた酸素流路板１８からなっている。このような構成のユニットセル１０が発電量に応じて複数個重ねられて主発電用セルスタック１が構成されている。
【００１６】
上記構成の酸素極１３ｂは、高分子電解質膜１２と、該高分子電解質膜１２に向して設けられ、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボン、固体高分子電解質膜樹脂の混合物をコーティングしてなるものである。主発電用セルスタック１は、酸素極１３ｂ側に隣接した流路板１８と、該流路板１８の外側および燃料極１３ｂ側の外側に隣接して設けられたセパレータ板３４とを含む前記ユニットセル１０を複数個積層してなるものである。
【００１７】
このような主発電用セルスタック１に接続された補助発電用セルスタック２は、高分子電解質膜１２と、該高分子電解質膜１２の両側に対向して設けられ、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および固体高分子電解質膜樹脂の混合物をコーティングしてなる酸素極１３ｂ、多孔性シート状カーボンに固体高分子電解質膜用樹脂およびカーボンを含む混合物をコーティングし、さらにＰｔ（合金）および／またはＰｔ（合金）担持カーボン、固体高分子電解質膜樹脂の混合物をコーティングしてなる燃料極１３ａと、酸素極１３ｂに隣接して設けられた流路板１８と、該流路板１８の外側および燃料極１３ａの外側に隣接して設けられたセパレータ３４とを含むユニットセル１０を少なくとも１個有するものである。この補助発電用セルスタック２は、後述するように水の電気分解が可能な補助発電用セルスタック２として用いることができる。
【００１８】
また、このような発電用セルスタック１に対して、補助発電用セルスタック２が主発電用セルスタック１とエンドプレート２４との間に挟まれてさらに結合される。補助発電用セルスタック２は、発電セルスタック１を構成するユニットセル１０と同じように、セパレート板３４の間に、高分子電解質膜１２を中心に一方側にアウターシール１６を外周に備えた燃料極１３ａを、他方側に共通のインナーシール２２を内周部に備えた酸素極１３ｂおよび酸素流路板１８を配置して積層して設けられた構成を有するセル１０からなっている。ユニットセル１０の数は、主発電用セルスタック１の発電量に応じて決められ、補助発電用スタック２としては、セパレート板３４とエンドプレート２４との間にエンドガスケット２８を挟んで一体にされている。さらに、補助発電用セルスタック２において、燃料を消費しながら発電作用または電力供給により主発電用セルスタックの水の電気分解をし、燃料ガスを発生するようにされている。
【００１９】
上記のような主発電用セルスタック１と補助発電用セルスタック２は、図７に示すように、ユニットセル１０の中心部に設けられた孔を通して図示しない燃料分配マニホルドを有したタイ・ボルト２６の両端部にナット４０，５０を取り付け、締付けることにより一体にされる。
【００２０】
このように、主発電用セルスタック１と補助発電用セルスタック２とを隣接して一体にすることにより構成された空気吸い込み式燃料電池は、図１に示すように、燃料である水素が燃料分配マニホルドを介して中心部から矢印方向に供給されると、各セル１０において各セルスタック１、２の外周から酸素流路板１８によって酸素極１３ｂに供給された空気中の酸素と、各セルスタック１，２の中心部から燃料極１３ａへ供給された燃料が高分子電解質膜１２において反応して、両極１３ａ，１３ｂに電位差を発生して起電力を生じさせ、各セル１０の両セパレート板３４間に発電作用を生じさせる。
【００２１】
補助発電用セルスタック２を接続せずに発電用セルスタック１のみによる従来方式の発電作用においては、長時間使用していると、内部に、特に燃料供給部となる各セルの中心部に発電反応により生じた水分が、各セルの外周部の外側へ蒸発により発散し切れなくなると、燃料分配マニホルドに溜まり、燃料供給路を狭めることになり燃料の供給を抑制することになって、図８の点線Ａに示すように急激に発電能力が低下していく。なお、図８で明らかなように、ブリーダバルブ５２を開放して水分を除去しても発電量は一時的に回復させることができるが、水分の放出が十分に行われないため再び発電量は低下することになる。
【００２２】
しかるに、補助発電用セルスタック２を主発電用セルスタック１に接続した場合に、燃料分配マニホルド３２に溜まった水分は、主発電用セルスタック１から補助発電用セルスタック２へ供給される燃料とともに補助発電用セルスタック２へと移動し、そこで発電作用に伴う水分を、補助発電用セルスタックの抵抗体の発熱作用により外部への蒸発による放出あるいは、ブリーダバルブ５２の開放による排出により、水分の除去を行なうことができる。したがって、主発電用セルスタック１においては発生した水分が溜まることがなく、発生した水分も補助発電用セルスタック２で処理されるために、図８の断線Ｂに示すように限られた時間で発電能力を高く維持させることができる。
【００２３】
また、発生した水がたまらない場合には、発電する補助発電用セルスタック２は、上記のような構成の燃料極および酸素極を有するので、水の電気分解用のセルスタックとしても用いることができる。この場合には、主発電用セルスタック１に対してエンドプレート２４を挟んで接続された補助電源用セルスタック２は、セパレータ板間に電力を供給すれば、水の電気分解機能により水素と酸素を発生させることができ、発生した水素は主発電用セルスタック１に直接供給することができ、主発電用セルスタック１に起電力を生じさせ、その電力の一部を補助発電用セルスタック２に供給すれば、発電により生じた水の電気分解を行うことかできる。
【００２４】
このように、水の電気分解にも使用することができる補助発電用セルスタック２を備えた空気吸い込み式燃料電池においては、図８の実線Ｃで示すように、殆ど出力低下を生じることなく、発電を行うことができる。
【００２５】
なお、図３に示す補助発電用セルスタック２を水の電気分解に使用する場合、エンドプレートを挟んで主発電用セルスタック１に接続したが、図４に示すように、複数のユニットセルの一部を水の電気分解のための発電用に使用することにより、端部のユニットセル３を水の電気分解用セルスタックとして使用すれば、図１に示す装置がそのまま水の電気分解装置を備えた空気吸込み式燃料電池とすることができる。
【００２６】
また、大電力の発電を行う空気吸込み式燃料電池では、主発電用セルスタック１において、水分の発生も多くなり、燃料分配マニホルド３２に溜まった水分は、図５に示すように、接続部７０を通して燃料の供給とともに補助発電用セルスタック２に移動され、外周部への蒸発による放出とともに、それにより除去できなくて中心部の燃料供給部に溜まってきた水分はブリーダバルブ５２を開いて排出させることができ、その際、発電用セルスタック１には発生した水分が溜まることなく、各セル１０への燃料の供給が障害なく行われて、図８の実線Ｃに示すような発電量が得られる。
【００２７】
上記実施の形態においては、小電力の発電に適用できるように、主発電用セルスタック１と補助発電用セルスタック２とは、エンドプレート２４を挟んで隣接して一体の構造にされているが大電力の発電に適用するために、図６に示すように、発電用セルスタック１と水の電気分解用に使用することができる補助発電用セルスタック２とが接続部７０により離隔されるように接続されてもよい。この接続部７０は、適宜の材料からなり、必要に応じて可撓性を有するものとして形成されていて、各セルスタック１、２の中心部の燃料供給部が互いに管体によって接続され、燃料、そして発電用セルスタック１において溜まった水分を取り出して、燃料とともに水の電気分解用セルスタック２へ導くことにより、電気分解用の水として利用することができるようになっている。その際、主発電用セルスタック１の一部が補助発電用セルスタック２’として使用され、水電気分解用セルスタック２”への水電気分解用の電力を供給する。
【００２８】
また、両セルスタック１，２は、接続部７０によって接続されているので、設置箇所の問題で隣接が不可能であれば、適当に延長させることもでき、適用範囲を広くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の一実施の形態による空気吸込み式燃料電池の概略説明図である。
【図２】本発明の更に他の実施の形態による空気吸込み式燃料電池の概略説明図である。
【図３】本発明の更に他の実施の形態による空気吸込み式燃料電池の概略説明図である。
【図４】本発明のさらに他の実施の形態による空気吸込み式燃料電池の一例の概略説明図である。
【図５】本発明のさらに他の実施の形態による空気吸込み式燃料電池の他の例の概略説明図である。
【図６】図１に示す本発明の一実施の形態による空気吸込み式燃料電池の分解断面図である。
【図７】本発明の実施の形態および従来の空気吸込み式燃料電池の性能曲線である。
【図８】従来の空気吸込み式燃料電池の分解断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  発電用セルスタック
２  補助発電用用セルスタック
１０  ユニットセル
１２  高分子電解質膜
１３ａ  燃料極
１３ｂ  酸素極
１６  アウターシール
１８  酸素流路板
２２  インナーシール
２４  エンドプレート
２６  タイ・ボルト
２８  エンドガスケット
３２  燃料分配マニホルド
３６  Ｏリング
４０  ナット
４４  燃料流路
５０  ナット
５２  ブリーダバルブ
７０  接続部
【図１】
2007273300.tif 000003
【図２】
2007273300.tif 000004
【図３】
2007273300.tif 000005
【図４】
2007273300.tif 000006
【図５】
2007273300.tif 000007
【図６】
2007273300.tif 000008
【図７】
2007273300.tif 000009
【図８】
2007273300.tif 000010