(57)【要約】      （修正有）【課題】安定した高出力を得ることが可能な燃料電池を提供する。【解決手段】電解質膜１７と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノード１３と、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて配置され前記アノードの各々と対向する複数のカソード１６と、を有する膜電極接合体１０と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、前記アノード側を向く平坦な第１内面を有するアノードプレート３１と、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソード側を向く平坦な第２内面を有する平板状のカソードプレート４０と、前記アノードプレートと前記カソードプレートとを前記膜電極接合体に向けて加圧する加圧機構５０と、を備えたことを特徴とする燃料電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて配置され前記アノードの各々と対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体と、
前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、前記アノード側を向く平坦な第１内面を有するアノードプレートと、
前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソード側を向く平坦な第２内面を有する平板状のカソードプレートと、
前記アノードプレートと前記カソードプレートとを前記膜電極接合体に向けて加圧する加圧機構と、
を備えたことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】
前記加圧機構は、前記アノードプレートの外周と前記カソードプレートの外周とを弾性をもって把持する部材であ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】
前記加圧機構は、クリップであることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池。
【請求項４】
前記アノードプレートの第１外面から前記カソードプレートの第２外面までの厚みについて、最大値と最小値との厚み差が０．３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項５】
前記加圧機構によって前記アノードプレートと前記カソードプレートとを前記膜電極接合体に向けて加圧する圧力は５〜４０Ｎ／ｃｍ２であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項６】
前記膜電極接合体は、一対の短辺及び一対の長辺を有する長方形状であり、
前記アノードと前記カソードとで前記電解質膜を挟んだ構成の単位セルが短辺方向に沿って延びた長方形状であって、複数の前記単位セルが長辺方向に沿って並列配置されたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の燃料電池。
【請求項７】
前記膜電極接合体に供給される燃料は、メタノール水溶液または純メタノールであることを特徴とする請求項１乃至６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】
本発明の実施形態は、燃料電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、パーソナルコンピュータや携帯電話等の各種携帯用電子機器を長時間充電なしで使用可能とするために、これらの携帯用電子機器の電源に燃料電池を用いる試みがなされている。このような燃料電池は、燃料と空気を供給するだけで発電することができ、燃料のみを補充・交換すれば連続して長時間発電可能であるという特徴を有している。このため、燃料電池は、小型化できれば、携帯用電子機器の電源として極めて有利なシステムとなりえる。
【０００３】
例えば、水素含有ガスを燃料ガスとして用い、電解質の両側に一対の電極を設ける電解質・電極構造体を第１及び第２セパレータで挟持する単位セルが多数積層された燃料電池において、第１及び第２セパレータの外周を複数の金属クリップ部材によって複数個所で保持する構成が提案されている。
【０００４】
一方で、直接メタノール型燃料電池（Ｄｉｒｅｃｔ  Ｍｅｔｈａｎｏｌ  Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ：以下ＤＭＦＣと称する）は、エネルギー密度の高いメタノールを燃料として用いている。このＤＭＦＣでは、メタノールから電極触媒上で直接電流を取り出せるため、小型化が可能であり、また燃料の取り扱いも水素ガス燃料に比べて容易なことから、小型の携帯用電子機器の電源として有望視されている。このようなＤＭＦＣでは、平面的に並んだ複数の単位セルを直列に接続して電流を取り出しており、安定して高出力を得るためには、各単位セルにおける出力アップを図ることが要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２４１２０８号公報
【特許文献２】特許第３９５７２９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本実施形態の目的は、安定した高出力を得ることが可能な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】
【０００７】
本実施形態によれば、
電解質膜と、前記電解質膜の一方の面に間隔をおいて配置された複数のアノードと、前記電解質膜の他方の面に間隔をおいて配置され前記アノードの各々と対向する複数のカソードと、を有する膜電極接合体と、前記膜電極接合体の前記アノード側に配置され、前記アノード側を向く平坦な第１内面を有するアノードプレートと、前記膜電極接合体の前記カソード側に配置され、前記カソード側を向く平坦な第２内面を有する平板状のカソードプレートと、前記アノードプレートと前記カソードプレートとを前記膜電極接合体に向けて加圧する加圧機構と、を備えたことを特徴とする燃料電池が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本実施形態による燃料電池の構成を概略的に示す図である。
【図２】図２は、図１に示した燃料電池を構成する膜電極接合体の一例を概略的に示す斜視図である。
【図３】図３は、図１に示した燃料電池の構成例を概略的に示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、同一又は類似した機能を発揮する構成要素には同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１０】
図１は、本実施形態による燃料電池１の構成を概略的に示す図である。
【００１１】
燃料電池１は、膜電極接合体（ＭＥＡ）１０と、集電体２０と、アノードプレート３１を含む燃料供給機構３０と、カソードプレート４０と、を備えている。
【００１２】
膜電極接合体１０は、アノード（燃料極）１３とカソード（空気極あるいは酸化剤極）１６との間に電解質膜１７が配置された構成である。アノード１３は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに複数個配置されている。カソード１６は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに複数個配置されている。電解質膜１７は、プロトン（水素イオン）伝導性を有する材料によって形成されている。
【００１３】
アノード１３は、電解質膜１７の一方の面１７Ａに位置するアノード触媒層１１を有しており、図示した例では、さらに、アノード触媒層１１に積層されたアノードガス拡散層１２を有している。カソード１６は、電解質膜１７の他方の面１７Ｃに位置するカソード触媒層１４を有しており、図示した例では、さらに、カソード触媒層１４に積層されたカソードガス拡散層１５を有している。
【００１４】
発電要素である１個の単位セルは、電解質膜１７を挟んで対向する１個のアノード１３と１個のカソード１６とによって構成されている。本実施形態の膜電極接合体１０は、後述するように、複数個の単位セルが平面的に並んだ構成である。これらの単位セルは、膜電極接合体１０を挟持する集電体２０により、電気的に直列に接続されている。
【００１５】
集電体２０は、二つ折りにされた絶縁フィルム２１、アノード導電層ＡＤ、及び、カソード導電層ＣＤを有している。アノード導電層ＡＤ及びカソード導電層ＣＤは、いずれも絶縁フィルム２１の一方の面２１Ａに形成されている。絶縁フィルム２１は、電気的に絶縁性を有するとともに、使用する燃料（例えばメタノール）などに対する耐腐食性を有する材料によって形成され、例えば、ポリイミドなどの各種樹脂フィルムによって形成されている。アノード導電層ＡＤ及びカソード導電層ＣＤは、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、もしくは、アルミニウム、銀、ニッケル、銅を含む合金などの低抵抗な金属材料によって形成されている。
【００１６】
アノード導電層ＡＤは、アノード１３に接触している。図示した例では、アノード導電層ＡＤは、アノードガス拡散層１２に積層されている。このアノード導電層ＡＤには、アノード１３に向けて発電反応に必要な燃料の供給を可能とする開口部ＡＨが形成されている。
【００１７】
カソード導電層ＣＤは、カソード１６に接触している。図示した例では、カソード導電層ＣＤは、カソードガス拡散層１５に積層されている。このカソード導電層ＣＤには、カソード１６に向けて発電反応に必要な酸素の供給を可能とするとともに発電反応に伴って生成された二酸化炭素や水蒸気などの気体の外部への排出を可能とする開口部ＣＨが形成されている。
【００１８】
膜電極接合体１０は、電解質膜１７の一方の面１７Ａと集電体２０との間及び電解質膜１７の他方の面１７Ｃと集電体２０との間にそれぞれ挟持されたゴム製のＯリング等のシール部材１８によってシールされている。これにより、膜電極接合体１０からの燃料漏れや酸化剤漏れが防止されている。
【００１９】
燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３に向けて燃料を供給するものである。この燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３の側に配置されている。このような燃料供給機構３０は、液体燃料Ｆを収容する燃料収容部５に流路６を介して接続されている。
【００２０】
燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容されている。液体燃料Ｆとしては、各種濃度のメタノール水溶液や純メタノール等のメタノール燃料が挙げられる。なお、液体燃料Ｆは、必ずしもメタノール燃料に限られるものではない。液体燃料Ｆは、例えば、エタノール水溶液や純エタノール等のエタノール燃料、プロパノール水溶液や純プロパノール等のプロパノール燃料、グリコール水溶液や純グリコール等のグリコール燃料、ジメチルエーテル、ギ酸、その他の液体燃料Ｆであってもよい。いずれにしても、燃料収容部５には、膜電極接合体１０に応じた液体燃料Ｆが収容される。
【００２１】
また、図示した例では、燃料収容部５と燃料供給機構３０との間の流路６には、ポンプ７が介在している。このポンプ７は、燃料収容部５に収容された液体燃料Ｆを燃料供給機構３０まで強制的に送液するものであり、燃料を循環させる循環ポンプではない。つまり、燃料供給機構３０に供給された燃料は、膜電極接合体１０に向けて供給され、発電反応に使用され、その後に循環して燃料収容部５に戻されることはない。ポンプ７の種類は、特に限定されるものではないが、少量の液体燃料Ｆを制御性よく送液することができ、さらに小型軽量化が可能なものが好ましい。
【００２２】
本実施形態において適用される燃料供給機構３０は、膜電極接合体１０のアノード１３に対して燃料を供給するように構成されたものであれば、特定の構成に限定されるものではない。以下に、燃料供給機構３０の一例について説明する。
【００２３】
すなわち、燃料供給機構３０は、アノードプレート３１、及び、膜電極接合体１０のアノード１３の面方向（つまり、図中のＸ−Ｙ平面内の方向）に燃料を分散並びに拡散させる燃料分配板（あるいは流路板）３２を備えている。
【００２４】
アノードプレート３１は、膜電極接合体１０のアノード１３の側に配置されている。このアノードプレート３１、少なくともアノード側を向く平坦な内面３１Ａを有している。また、このアノードプレート３１は、燃料電池１の外表面を形成する平坦な外面３１Ｂを有している。このようなアノードプレート３１は、平坦性が高く、剛性が高い部材、例えば、ステンレス合金やセラミックスなどによって平板状に形成されている。なお、アノードプレート３１には、外面３１Ｂから内面３１Ａまで貫通した図示しない燃料導入口が形成されている。
【００２５】
燃料分配板３２は、アノードプレート３１の膜電極接合体１０と向かい合う側に配置されている。この燃料分配板３２は、平板状に形成されている。このような燃料分配板３２には、複数の燃料排出口３３が形成されている。このような燃料分配板３２は、燃料収容部５からアノードプレート３１の燃料導入口に供給された液体燃料をアノード１３に向けて燃料排出口３３から排出する。
【００２６】
この燃料供給機構３０は、さらに、燃料分配板３２と集電体２０との間に、液体燃料を面方向に拡散させる燃料拡散板、液体燃料の供給量を制御する絞り板、液体燃料の気化を促進する気化膜、液体燃料とその気化成分とを分離し気化成分を膜電極接合体１０に向けて透過させる気液分離膜などの各種フィルム部材３４が配置されている。
【００２７】
カソードプレート４０は、膜電極接合体１０のカソード１６の側に配置されている。つまり、膜電極接合体１０は、アノードプレート３１とカソードプレート４０との間に保持されている。このカソードプレート４０、少なくともカソード側を向く平坦な内面４０Ａを有している。また、このカソードプレート４０は、燃料電池１の外表面を形成する平坦な外面４０Ｂを有している。このようなカソードプレート４０は、アノードプレート３１と同様に、平坦性が高く、剛性が高い部材、例えば、ステンレス合金やセラミックスなどによって平板状に形成されている。
【００２８】
カソードプレート４０には、外面４０Ｂから内面４０Ａまで貫通した複数の開口部４０Ｈが形成されている。これらの開口部４０Ｈは、いずれもカソード１６の上方に位置しており、カソード１６に向けて発電反応に必要な空気（特に酸素）の供給を可能とするとともに、発電反応に伴って生成された二酸化炭素や水蒸気などの気体の外部への排出を可能とするものである。
【００２９】
このようなカソードプレート４０と集電体２０との間には、通気性を有する絶縁材料によって形成された板状体１９が配置されている。この板状体１９は、主に保湿層として機能する。すなわち、この板状体１９は、カソード触媒層１４で生成された水の一部が含浸されて水の蒸散を抑制するとともに、カソードプレート４０の開口部４０Ｈから取り込んだ空気のカソード触媒層１４への取入れ量を調整し且つ空気の均一拡散を促進するものである。
【００３０】
上記構成の燃料電池１は、さらに、アノードプレート３１とカソードプレート４０とを膜電極接合体１０に向けて加圧する加圧機構５０を備えている。つまり、加圧機構５０は、平坦性及び剛性の高いアノードプレート３１及びカソードプレート４０を加圧することにより、膜電極接合体１０をその面内で均一に加圧することを可能とするものである。要するに、膜電極接合体１０において、平面的に並んだ複数の単位セルは、アノードプレート３１の平坦な内面３１Ａとカソードプレート４０の平坦な内面４０Ａとによっていずれも均一な加圧される。
【００３１】
このような加圧機構５０としては、アノードプレート３１の外周とカソードプレート４０の外周とを弾性をもって把持する部材であることが望ましい。図示した例では、加圧機構５０は、クリップである。
【００３２】
図２は、図１に示した燃料電池１を構成する膜電極接合体１０の一例を概略的に示す斜視図である。
【００３３】
膜電極接合体１０は、例えば、第１方向Ｘに沿った一対の長辺を有するとともに、第１方向Ｘに直交する第２方向Ｙに沿った一対の短辺を有する長方形状に形成されている。図示した例では、電解質膜１７には、４個の単位セルＣ１乃至Ｃ４が設けられている。これらの単位セルＣ１乃至Ｃ４は、いずれも同一形状であって、膜電極接合体１０の短辺方向である第２方向Ｙに沿って延びた長方形状であって、膜電極接合体１０の長辺方向である第１方向Ｘに沿って並列配置されている。単位セルＣ１乃至Ｃ４は、それぞれアノードとカソードとで電解質膜を挟んだ構成である。
【００３４】
すなわち、単一の電解質膜１７の一方の面１７Ａには、４個のアノード１３１乃至１３４が間隔をおいて配置されている。アノード１３１乃至１３４は、それぞれ第２方向Ｙに沿って延びた長方形状であり、第１方向Ｘに沿って並列配置されている。電解質膜１７の他方の面１７Ｃには、４個のカソード１６１乃至１６４が間隔をおいて配置されている。カソード１６１乃至１６４は、それぞれ第２方向Ｙに沿って延びた長方形状であり、第１方向Ｘに沿って並列配置されている。
【００３５】
アノード１３１は電解質膜１７を挟んでカソード１６１と対向し、同様に、アノード１３２はカソード１６２と対向し、アノード１３３はカソード１６３と対向し、アノード１３４はカソード１６４と対向している。アノード１３１とカソード１６１との組み合わせが単位セルＣ１をなし、同様に、アノード１３２とカソード１６２との組み合わせが単位セルＣ２をなし、アノード１３３とカソード１６３との組み合わせが単位セルＣ３をなし、アノード１３４とカソード１６４との組み合わせが単位セルＣ４をなしている。
【００３６】
図３は、図１に示した燃料電池１の構成例を概略的に示す平面図である。なお、ここでは、燃料電池１のカソードプレート４０側の平面図を図示している。
【００３７】
燃料電池１の外形は、第１方向Ｘに延びた長方形状である。図示した例では、加圧機構５０は、第１方向Ｘに沿った燃料電池１の長辺方向に沿って複数個設置さるとともに、第２方向Ｙに沿った燃料電池１の短辺方向に沿って複数個設置されている。なお、加圧機構５０は、図示した例に限らず、例えば、第１方向Ｘに沿って長尺の加圧機構５０を１個設置し、第２方向Ｙに沿って短尺の加圧機構５０を１個設置しても良い。また、加圧機構５０は、上記のクリップに限らず、他の部材であっても良い。
【００３８】
上記構成の本実施形態によれば、膜電極接合体１０は、アノードプレート３１のアノード側を向く平坦な内面３１Ａと、カソードプレート４０のカソード側を向く平坦な内面４０Ａとの間に位置している。そして、これらのアノードプレート３１とカソードプレート４０とは、加圧機構５０により、膜電極接合体１０に向けて加圧されている。これにより、膜電極接合体１０をその面内で均一に加圧することを可能となる。また、膜電極接合体１０に燃料を供給し、発電反応を開始した後（運転時）においては、膜電極接合体１０は水分を含んで膨張する傾向があるが、このような状態であっても、平坦性及び剛性の高いアノードプレート３１及びカソードプレート４０と、加圧機構５０との組み合わせによって、膜電極接合体１０を均一に加圧し続けることが可能となる。また、膜電極接合体１０が有する複数の単位セルＣについては、各々同等に加圧されるため、単位セルＣの間での出力バラツキを低減することが可能となる。したがって、燃料電池１においては、安定して高出力を得ることが可能となる。
【００３９】
比較例として、薄板を折り曲げ加工してカソード側を覆うとともにアノード側でかしめるようなカバー部材を適用した構成について述べると、カバー部材はそもそも折り曲げられる程度の低い剛性しか有していないため、その中央部で膨らみやすく、また、運転時の燃料電池１においては膜電極接合体１０が水分を含んで膨張した際にそれに追随して中央部で膨らみやすい。このため、膜電極接合体１０の面内に均一な圧力を加えにくく、また、単位セル間での出力のバラツキも大きくなる傾向にあり、燃料電池１の出力が不安定となりやすい。このように、本実施形態のような構成は、安定して高出力を得るために極めて有効である。
【００４０】
本実施形態において、平坦性及び剛性の高いアノードプレート３１及びカソードプレート４０の一例について述べる。アノードプレート３１は、例えば、０．６ｍｍ〜０．８ｍｍ程度の厚さを有する平板状のステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。カソードプレート４０は、例えば、０．８ｍｍ〜１．２ｍｍ程度の厚さを有する平板状のステンレス鋼（ＳＵＳ）によって形成されている。
【００４１】
このようなアノードプレート３１及びカソードプレート４０と、加圧機構５０とを組み合わせたことにより、上記の通り、膜電極接合体１０を均一に加圧することが可能となるが、燃料電池１の外形についても、略平坦化することが可能となる。平坦化の度合いについては、燃料電池１の外表面となるアノードプレート３１の外面３１Ｂからカソードプレート４０の外面４０Ｂまでの厚みに着目すると、最大値と最小値との厚み差が０．３ｍｍ以下である。厚みの最小値となる位置は、加圧機構５０によって加圧されている位置付近であり、大抵は、アノードプレート３１及びカソードプレート４０のそれぞれの端部である。厚みの最大値となる位置は、加圧機構５０から最も離れた位置付近であり、大抵は、アノードプレート３１及びカソードプレート４０のそれぞれの中央部である。
【００４２】
運転前においては、膜電極接合体１０がほとんど膨張していないため、厚み差にほとんど影響を及ぼさない。このため、運転前の外面３１Ｂから外面４０Ｂまでの厚みの最小値が４．８ｍｍであるのに対して、厚み差は０．１０ｍｍ以下である。
【００４３】
運転時においては、膜電極接合体１０が膨張しやすい。このため、運転時には、運転前よりも厚みの最大値が大きくなりやすく、一例として、運転前の外面３１Ｂから外面４０Ｂまでの厚みの最小値が４．８ｍｍであるのに対して、厚み差は０．１５ｍｍ以下である。
【００４４】
加圧機構５０によってアノードプレート３１とカソードプレート４０とを膜電極接合体１０に向けて加圧する加圧力は、本実施形態では以下のような測定法によって規定される。すなわち、アノードプレート３１及びカソードプレート４０を加圧する加圧している全ての加圧機構５０を取り外し、アノードプレート３１の外面３１Ｂもしくはカソードプレート４０の外面４０Ｂを平行平板の上に乗せ、他方の外面から加重を加える。そして、加圧機構５０を取り外す前の厚みに達するまで加圧した際の圧力を測定し、加圧機構５０による加圧力（Ｎ／ｃｍ２）とする。
【００４５】
加圧機構５０による加圧力を種々変更して、厚み差及び出力を測定したところ、加圧力が５Ｎ／ｃｍ２以上で、膜電極接合体１０と集電体２０の密着性が得られ加圧力が増加していくとともに抵抗が低下する。しかし、４０Ｎ/ｃｍ２以上の加圧機構５０を適用した場合、上記の厚み差が大きくなり、膜電極接合体１０と集電体２０との密着性が低下するため、５〜４０Ｎ/ｃｍ２にて、良好な出力を得られることが確認された。
【００４６】
また、本実施形態によれば、加圧機構５０がアノードプレート３１とカソードプレート４０とを弾性をもって把持する部材である場合には、膜電極接合体１０の膨張・収縮に追随しながら、アノードプレート３１及びカソードプレート４０の剛性により膜電極接合体１０をその面内で均一に加圧することが可能となる。
【００４７】
また、加圧機構５０がクリップである場合には、ネジ止めなどの手法を適用する場合と比較して、加圧機構５０の取付・取り外しの作業効率を向上することが可能となる。
【００４８】
以上説明したように、本実施形態によれば、安定した高出力を得ることが可能な燃料電池を提供することができる。
【００４９】
なお、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００５０】
１…燃料電池
１０…膜電極接合体  １３…アノード  １６…カソード  １７…電解質膜
３０…燃料供給機構
３１…アノードプレート
４０…カソードプレート
５０…加圧機構
【図１】
2013187069.tif 000003
【図２】
2013187069.tif 000004
【図３】
2013187069.tif 000005