(57)【要約】    【課題】  セパレータを用いない固定高分子型燃料電池を提供することである。    【解決手段】  有機ゲル電解質膜（２４）を用いた複数の燃料電池ユニット（２０）を直列に結合することによって形成される固体高分子型燃料電池（１０）であって、燃料電池ユニットが、炭素繊維不織布で形成された酸素電極（３０）をもつ酸素電極部（２８）と、炭素繊維不織布で形成された水素電極（３８，４４）をもつ水素電極部（３６，４２）とを備え、酸素電極の外周から酸素ガスを導入し、水素電極の外周から水素ガスを導入して、有機ゲル電解質膜にそれぞれ供給するように構成されていることを特徴とする燃料電池が提供される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
有機ゲル電解質膜を用いた複数の燃料電池ユニットを直列に結合することによって形成される固体高分子型燃料電池であって、
前記燃料電池ユニットが、
炭素繊維不織布で形成された酸素電極をもつ酸素電極部と、
炭素繊維不織布で形成された水素電極をもつ水素電極部とを備え、
前記酸素電極の外周から酸素ガスを導入し、前記水素電極の外周から水素ガスを導入して、前記有機ゲル電解質膜にそれぞれ供給するように構成されていることを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記酸素電極部が、前記酸素電極の周囲に配置される枠材を有し、前記酸素電極と前記枠材との間に、前記枠材に設けられた酸素ガス流通孔と通じる隙間が設けられており、酸素ガスが、前記酸素ガス流通孔から前記隙間を介して前記酸素電極に導入され、前記酸素電極に接触している前記有機ゲル電解質膜に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。
【請求項３】
前記水素電極部が、第１水素電極部および第２水素電極部からなり、  前記第１水素電極部が、第１水素電極の周囲に配置される枠材を有し、
前記第２水素電極部が、第２水素電極の周囲に配置される枠材を有し、
前記第１水素電極部と前記第２水素電極部を重ね合わせたとき、前記第１水素電極と前記第２水素電極が少なくとも部分的に重なり合うように形成されており、
前記第２水素電極と前記枠材との間に、前記枠材に設けられた水素ガス流通孔と通じる隙間が設けられており、水素ガスが、前記水素ガス流通孔から前記隙間を介して前記第２水素電極に導入され、前記第２水素電極に少なくとも部分的に接触している前記第１水素電極、次いで前記第１水素電極に接触している前記有機ゲル電解質膜に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記燃料電池ユニット間に、燃料電池ユニットの縦横寸法よりも大きい縦横寸法を有するステンレス鋼板を配置して、複数基の前記燃料電池ユニットを直列に結合し、締結具によって各燃料電池ユニットを互いに堅固に固定することによって形成されることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、小型で軽量の固体高分子型燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、セパレータを用いない固体高分子型燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池には、一般的に、セパレータを用いて多数のセルを積み重ねる、いわゆるスタック構造が採用されている。燃料電池は、ユニット１個の出力電圧が０．６Ｖ〜０．８Ｖであるので、高い出力電圧を得るために多数のユニットを直列に結合することによって形成されるが、その際にセパレータが使用される。表裏にガスの流路が設けられているセパレータは、水素ガス／酸素ガスの分離板であるとともに、電圧の伝達媒体、集電体、燃料電池の骨格を形成する役目も果たす。
【０００３】
一方、セパレータを用いない燃料電池も開発されている。例えば、特許文献１に記載されている燃料電池は、カーボン不織布を電極およびガス流路として使用するように構成されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２８９０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、セパレータは、工夫を凝らしたガス流路を炭素材や特殊な合金材に刻み込む必要があるため、高価であるという課題を有している。また、上述のように、燃料電池は、多数のユニットを直列に結合し、各ユニット間にセパレータを挿入しなければならないため、燃料電池自体の重量が嵩むという課題も有している。さらに、水素ガスは漏れやすいため、セパレータを用いるスタック構造では、セパレータを強く締め付ける構造を採用しなければならないという課題も有している。一方、上述の特許文献１に記載の燃料電池では、価格および重量に関する上述の課題は解消されているように見受けられるものの、カーボン不織布自体の収縮、形状の不安定性、圧縮強度の不足、ガスの完全密閉性の欠如などの課題があるため、実用化には種々の困難が伴うものと思われる。
【０００６】
したがって、本発明は、セパレータを用いる必要がなく、実用化の可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては、燃料電池を常温で動作させる方法として、有機高分子である有機ゲル電解質を使用する。有機ゲル電解質は、燃料電池製造の観点から見ると、安価であり膜製造が容易であるという長所を有している一方、機械的に弱くて破れ易いうえ、水を多量に取り込んで膨潤する性質が強いためセパレータを使用したスタック構造の燃料電池を製造するのが容易ではないという短所を有している。
【０００８】
そこで、本発明者は、セパレータを使用しない燃料電池の製造に関して研究を行った。すなわち、セパレータが有する機能および役割を他の部品に代替させるべく、研究を進めた。本発明のセパレータのない燃料電池では、炭素繊維不織布内の隙間を通過する乱流によって、電解質膜へのガスの供給が行われる。この際、ガスは、数十μｍの不規則な隙間を流れるため、乱流抵抗を受ける。そのため、ガスをガス供給管から電解質膜に均一に供給するのは困難である。そこで、本発明者は、電極となる炭素繊維不織布とその周囲の枠材（ガスケット）との間に０．５ｍｍ〜１．０ｍｍの隙間を設け、ガス配管から供給される水素ガス又は酸素ガスが炭素繊維不織布内に入ると同時に、所定の隙間にも自由に流入した後に炭素繊維不織布内に流入するように構成した。
【０００９】
本願請求項１に記載の固体高分子型燃料電池は、有機ゲル電解質膜を用いた複数の燃料電池ユニットを直列に結合することによって形成され、前記燃料電池ユニットが、炭素繊維不織布で形成された酸素電極をもつ酸素電極部と、炭素繊維不織布で形成された水素電極をもつ水素電極部とを備え、前記酸素電極の外周から酸素ガスを導入し、前記水素電極の外周から水素ガスを導入して、前記有機ゲル電解質膜にそれぞれ供給するように構成されていることを特徴とするものである。
【００１０】
本願請求項２に記載の固体高分子型燃料電池は、前記請求項１の燃料電池において、前記酸素電極部が、前記酸素電極の周囲に配置される枠材を有し、前記酸素電極と前記枠材との間に、前記枠材に設けられた酸素ガス流通孔と通じる隙間が設けられており、酸素ガスが、前記酸素ガス流通孔から前記隙間を介して前記酸素電極に導入され、前記酸素電極に接触している前記有機ゲル電解質膜に供給されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１１】
本願請求項３に記載の固体高分子型燃料電池は、前記請求項１又は２の燃料電池において、前記水素電極部が、第１水素電極部および第２水素電極部からなり、前記第１水素電極部が、第１水素電極の周囲に配置される枠材を有し、前記第２水素電極部が、第２水素電極の周囲に配置される枠材を有し、前記第１水素電極部と前記第２水素電極部を重ね合わせたとき、前記第１水素電極と前記第２水素電極が少なくとも部分的に重なり合うように形成されており、前記第２水素電極と前記枠材との間に、前記枠材に設けられた水素ガス流通孔と通じる隙間が設けられており、水素ガスが、前記水素ガス流通孔から前記隙間を介して前記第２水素電極に導入され、前記第２水素電極に少なくとも部分的に接触している前記第１水素電極、次いで前記第１水素電極に接触している前記有機ゲル電解質膜に供給されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項４に記載の固体高分子型燃料電池は、前記請求項１から請求項３までのいずれか１項の燃料電池において、前記燃料電池ユニット間に、燃料電池ユニットの縦横寸法よりも大きい縦横寸法を有するステンレス鋼板を配置して、複数基の前記燃料電池ユニットを直列に結合し、締結具によって各燃料電池ユニットを互いに堅固に固定することによって形成されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の燃料電池では、セパレータが不要であるので、軽量かつ廉価な燃料電池を提供することができる。また、本発明の燃料電池では、電極の外周から燃料ガスが供給されるように構成されているので、電極を形成する炭素繊維不織布内に燃料ガスを効率的に流入させることができる。また、本発明の燃料電池では、枠体がガスケットの役目を果たすので、水素ガスの漏洩防止を効率的に行うことができる。また、本発明の燃料電池では、電解質膜および電極の周囲に枠材が配置されているので、燃料電池ユニット自体の形状を安定させ、強度を付与することが可能になる。さらに、本発明の燃料電池では、燃料電池ユニット間に縦横寸法の大きなステンレス鋼板を配置することにより、ステンレス鋼板が燃料電池の集電体、形状保持材としての役目を果たすのみならず、空冷手段としても機能する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る固体高分子型燃料電池について詳細に説明する。本発明の好ましい実施の形態に係る固体高分子型燃料電池１０は、複数の燃料電池ユニットを直列に結合することによって形成される。図１は、燃料電池ユニット２０の分解斜視図である。
【００１５】
燃料電池ユニット２０は、電解質部２２と、電解質部２２の一方の側に配置される酸素電極部２４と、電解質部２２の他方の側に配置される第１水素電極部３６および第２水素電極部４４とを備えている。
【００１６】
電解質部２２は、図２（ａ）に示されるように、矩形の有機ゲル電解質膜２４と、有機ゲル電解質膜２４の周囲に配置される枠材２６とを有している。有機ゲル電解質膜２４の外周と枠材２６の内周との間には、図２（ｂ）に示されるように、実質的に隙間が設けられていない（換言すると、有機ゲル電解質膜２４の外周と枠材２６の内周とは接触している）。枠材２６には、酸素ガス流通孔２６ａと、水素ガス流通孔２６ｂと、締結具挿入孔２６ｃとが設けられている。
【００１７】
酸素電極部２８は、図３（ａ）に示されるように、ほぼ矩形の炭素繊維不織布で形成された酸素電極３０と、酸素電極３０の周囲に配置される枠材３２とを有している。酸素電極３０と枠材３２との間には、図３（ｂ）に最も良く示されるように、隙間３４が設けられており、隙間３４は、後述する酸素ガス流通孔３２ａに通じている。隙間３４の幅は好ましくは、約０．５ｍｍ〜約１．０ｍｍである。枠材３２は、枠材２６と実質的に同じ大きさの外形を有している。また、枠材３２には、枠材２６の酸素ガス流通孔２６ａ、水素ガス流通孔２６ｂ、および締結具挿入孔２６ｃが設けられている箇所とほぼ同じ箇所に、酸素ガス流通孔３２ａ、水素ガス流通孔３２ｂ、および締結具挿入孔３２ｃがそれぞれ設けられている。
【００１８】
第１水素電極部３６は、図４（ａ）に示されるように、ほぼ矩形の炭素繊維不織布で形成された第１水素電極３８と、第１水素電極３８の周囲に配置された枠材４０とを有している。第１水素電極３８の外周と枠材４０の内周との間には、図４（ｂ）に示されるように、実質的に隙間が設けられていない（換言すると、第１水素電極３８の外周と枠材４０の内周とは接触している）。枠材４０は、枠材２６と実質的に同じ大きさの外形を有している。また、枠材４０には、枠材２６の酸素ガス流通孔２６ａ、水素ガス流通孔２６ｂ、および締結具挿入孔２６ｃが設けられている箇所とほぼ同じ箇所に、酸素ガス流通孔４０ａ、水素ガス流通孔４０ｂ、および締結具挿入孔４０ｃがそれぞれ設けられている。
【００１９】
第２水素電極部４２は、図５（ａ）に示されるように、炭素繊維不織布で形成された一対の第２水素電極４４と、各第２水素電極４４の周囲に配置された枠材４６とを有している。第２水素電極４４と枠材４６との間には、図５（ｂ）及び図５（ｃ）に最も良く示されるように、隙間４８が設けられており、隙間４８は、後述する水素ガス流通孔４６ｂに通じている。隙間４８の幅は好ましくは、約０．５ｍｍ〜約１．０ｍｍである。第１水素電極３８及び第２水素電極４４の大きさ及び位置は、第１水素電極部３６と第２水素電極部４２を重ね合わせたときに、少なくとも部分的に互いに重なるように選定されている。枠材４６は、枠材２６と実質的に同じ大きさの外形を有している。また、枠材４６には、枠材２６の酸素ガス流通孔２６ａ、水素ガス流通孔２６ｂ、および締結具挿入孔２６ｃが設けられている箇所とほぼ同じ箇所に、酸素ガス流通孔４６ａ、水素ガス流通孔４６ｂ、および締結具挿入孔４６ｃがそれぞれ設けられている。
【００２０】
なお、枠材２６、３２、４０、４６は、表面が平滑なプラスチック等の適当な合成樹脂材料で形成されている。枠材２６、３２、４０、４６が上述のように構成されているため、電解質部２２、酸素電極部２８、第１水素電極部３６、および第２水素電極部４２を重ね合わせると、外形がほぼ同じであり、かつ、酸素ガス流通孔、水素ガス流通孔がそれぞれ同じ箇所に位置しているため、酸素ガス流通路（図示される例では、２つ）と水素ガス流通路（図示される例では、４つ）が形成されることになる。
【００２１】
酸素電極３０、第１および第２水素電極３８、４４を形成する炭素繊維不織布は、発電の際に生成される水を排出するため、表面に撥水処理を施したものを使用するのが好ましい。
【００２２】
図７は、以上のように構成された燃料電池ユニット２０を複数基（図示されている例では、８基）直列に結合することによって形成された燃料電池１０を示した図である。各燃料電池ユニット２０の間には、ステンレス鋼板５０が配置されている。ステンレス鋼板５０は、図６に示されるように、枠材２６、３２、４０、４６よりも縦横寸法が（例えば、５ｍｍ程度）大きくなるように形成されており、燃料電池ユニット２０とステンレス鋼板を重ねたとき、酸素ガス流通孔、水素ガス流通孔、及び締結具挿入孔が設けられている箇所と同じ箇所に、酸素ガス流通孔５０ａ、水素ガス流通孔５０ｂ、及び締結具挿入孔５０ｃがそれぞれ設けられている。ステンレス鋼板５０は、集電体、放熱体、及び形状保持材としての役目を果たす。なお、ステンレス鋼板５０は、有機ゲル電解質膜２４と直接接触することはないので、腐食のおそれはない。
【００２３】
図７において、参照符号５２、５４は、外板、締結具（ビス／ナット）をそれぞれ示している。なお、締結具５４は、絶縁体（例えば、ガラス繊維／ポリアミド）で形成するのが好ましい。また、酸素ガス流通孔２６ａ、３２ａ、４０ａ、４６ａ、５０ａには、酸素ガス供給配管が接続され、水素ガス流通孔２６ｂ、３２ｂ、４０ｂ、４６ｂ、５０ｂには、水素ガス供給配管が接続されており、酸素ガス供給源、水素ガス供給源（いずれも図示せず）から酸素ガス、水素ガスがそれぞれ供給されるようになっている。
【００２４】
以上のように構成された燃料電池１０の作動について説明する。酸素ガス供給配管、水素ガス供給配管に酸素ガス、水素ガスをそれぞれ供給する。酸素ガス供給配管を介して酸素ガス流通孔に流入した酸素ガスは、酸素電極部２８の酸素ガス流通孔３２ａから酸素電極３０に流入すると同時に、酸素ガス流通孔３２ａに通じている隙間３４を介して酸素電極３０の外周から酸素電極３０内に流入する。一方、水素ガス供給配管を介して水素ガス流通孔に流入した水素ガスは、第２水素電極部４２の水素ガス流通孔４６ｂから第２水素電極４４に流入すると同時に、水素ガス流通孔４６ａに通じている隙間４８を介して第２水素電極４４の外周から第２水素電極４４内に流入し、次いで第２水素電極４４に少なくとも部分的に重なり合っている第１水素電極３８に流入する。このようにして、有機ゲル電解質膜２４に接触している酸素電極３０／第１水素電極３８に燃料ガス（酸素ガス、水素ガス）が均一に供給されることにより、効率的に発電が行われる。
【００２５】
水素電極を２枚にした（第１水素電極３８、第２水素電極４４）理由は、水素ガスが有機ゲル電解質膜２４の表面方向に流れる成分を増大させるためである。これに対し、酸素電極を１枚にした（酸素電極３０）理由は、酸素電極には多量の空気が供給され、ガスの流速が大きいので、２枚設ける必要性に乏しいためである。なお、酸素電極３０および第１水素電極３８は、有機ゲル電解質膜２４よりも大きくするのが好ましい。また、枠材２６、３２、４０、４６を表面が平滑な材料で形成したので、燃料ガス（酸素ガス／水素ガス）の漏洩を効果的に防止することができる。さらに、ステンレス鋼板５０が枠材よりも大きな寸法となるように形成されているので、有効な空冷手段となる。
【００２６】
図８は、本発明の燃料電池の有効性を検証するために、上述のような構成を有する燃料電池ユニットの発電特性を調べたグラフである。この燃料電池ユニットは、外形が８０ｍｍ×８０ｍｍ、ゲル電解質膜の寸法が４０ｍｍ×４０ｍｍであり、室温で動作し、燃料ガスの供給後数秒で発電を開始する。なお、有機ゲル電解質は、安価で膜製造が容易であるという利点を有しているが、機械的に弱くて破れ易く、膨潤性が強いという欠点も有している。したがって、本発明者は、破壊強度を５倍以上にし、膨潤度を１／３程度に改良した強化ゲル電解質膜を使用した。図８に示されるように、本発明の燃料電池ユニットが、従来報告されているナフィオン電解質膜を使用した燃料電池（８０°Ｃ動作）と比較して遜色のない能力を有することが検証された。
【００２７】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００２８】
たとえば、前記実施の形態における有機ゲル電解質膜２４、酸素電極３０、第１水素電極３８、第２水素電極４４の形状は、例示的なものであり、他の任意の形状を選定してもよい。また、各枠材に設けられている酸素ガス流通孔２６ａ、３２ａ、４０ａ、４６ａ、５０ａ、水素ガス流通孔２６ｂ、３２ｂ、４０ｂ、４６ｂ、５０ｂ、締結具挿入孔２６ｃ、３２ｃ、４０ｃ、４６ｃ、５０ｃの個数や位置なども例示的なものであり、図示したものに限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】燃料電池ユニットの分解斜視図である。
【図２】図２（ａ）は図１の燃料電池ユニットの電解質部を示した正面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の線２ｂ−２ｂに沿って見た断面図である。
【図３】図３（ａ）は図１の燃料電池ユニットの酸素電極部を示した正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）の線３ｂ−３ｂに沿って見た断面図、図３（ｃ）は図３（ａ）の線３ｃ−３ｃに沿って見た断面図である。
【図４】図４（ａ）は図１の燃料電池ユニットの第１水素電極部を示した正面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の線４ｂ−４ｂに沿って見た断面図である。
【図５】図５（ａ）は図１の燃料電池ユニットの第２水素電極部を示した正面図、図５（ｂ）は図５（ａ）の線５ｂ−５ｂに沿って見た断面図である。
【図６】ステンレス鋼板の斜視図である。
【図７】複数基の燃料電池ユニットを直列に接合することによって形成された燃料電池を示した図である。
【図８】図１の燃料電池ユニットの発電特性、すなわち電流−電圧曲線を示した図である。
【００３０】
１０  固体高分子型燃料電池
２０  燃料電池ユニット
２２  電解質部
２４  有機ゲル電解質膜
２６  枠材
２８  酸素電極部
３０  酸素電極
３２  枠材
３４  隙間
３６  第１水素電極部
３８  第１水素電極
４０  枠材
４２  第２水素電極部
４４  第２水素電極
４６  枠材
４８  隙間
５０  ステンレス鋼板
５２  外板
５４  締結具
２６ａ、３２ａ、４０ａ、４６ａ、５０ａ  酸素ガス流通孔
２６ｂ、３２ｂ、４０ｂ、４６ｂ、５０ｂ  水素ガス流通孔
２６ｃ、３２ｃ、４０ｃ、４６ｃ、５０ｃ  締結具挿入孔
【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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【図８】
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