(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行う小型燃料電池システムであって、
マイナス電極を兼ねる水素流路と、当該水素流路に対して所望の圧力で水素を供給するレギュレータとを拡散接合により一体化させて構成することを特徴とする小型燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池セルは、少なくとも、マイナス電極を兼ねる水素流路と、プラス電極を兼ねる集電板と、当該水素流路から供給される前記水素吸蔵合金に吸蔵された水素、および当該集電板を通して供給される酸素を用いて電気を生成する膜電極複合体を含んで構成され、
前記水素流路上に積層された前記膜電極複合体と前記集電板とをかしめた状態で、前記水素流路と前記レギュレータとを一体化させて構成することを特徴とする請求項１に記載の小型燃料電池システム。
【請求項３】
前記水素流路が形成された部材の外周に、所定の高さを持って設置されているリブで挟み込むことによって、当該水素流路上に積層された前記膜電極複合体と前記集電板とをかしめた状態で、当該水素流路と前記レギュレータとを一体化させて構成することを特徴とする請求項２に記載の小型燃料電池システム。
【請求項４】
前記集電板が形成された部材の外周に、所定の高さを持って設置されているリブで挟み込むことによって、前記水素流路と前記膜電極複合体とをかしめた状態で、当該水素流路と前記レギュレータとを一体化させて構成することを特徴とする請求項２に記載の小型燃料電池システム。
【請求項５】
前記水素流路に蓄積された発電の反応生成物を外部に放出させる機構を前記レギュレータに設けたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の小型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行うとともに、燃料電池セルの発電中に発生する熱を水素吸蔵合金から水素を放出するための反応熱として利用する小型燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行うとともに、燃料電池セルの発電中に発生する熱を水素吸蔵合金から水素を放出するための反応熱として利用する小型の燃料電池システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
このような燃料電池システムにおいて、水素吸蔵合金から放出される水素の圧力は、水素の残存量や水素吸蔵合金に依存し、一般的に、この圧力は大気圧よりも高いことから、燃料電池に水素を供給するためには水素の圧力を調整するレギュレータが用いられる（例えば、特許文献２参照）。
【０００４】
このレギュレータは、小型のネジを締め付けることによって、マイナス電極を兼ねる水素流路、膜電極複合体（ＭＥＡ：メンブレン・エレクトロード・アセンブリィ）、およびプラス電極を兼ねる集電板が一体となって構成される燃料電池セルに圧着接合されており、水素吸蔵合金から燃料電池セルに水素を漏洩なく供給することができる。
【０００５】
同様に、上記した燃料電池セルも、小型のネジを締め付けることによって、水素流路と、膜電極複合体と、集電板とを圧着接合して構成される。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−２４１２６０号公報
【特許文献２】特開２００６−３１０１４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したような燃料電池システムは、ネジの大きさを無視できない、量産化が難しい、発電特性が著しく低下してしまう場合があるという問題点があった。
【０００８】
すなわち、上記したような燃料電池システムの小型化が進むしたがって、レギュレータと燃料電池セルを圧着接合するためのネジの大きさや、燃料電池セルを構成するために用いられるネジの大きさを無視できなくなってきているという問題点があり、小型化が進めば進むほど、ネジに替わる新たな圧着接合の方法が求められる。
【０００９】
また、上記したような燃料電池システムの製造にネジを使用する場合には、部品点数や組み立て工程が増加するので、量産化が難しいという問題点があった。
【００１０】
さらに、上記したような燃料電池システムでは、発電の反応生成物としてプラス電極側に水が生成されるが、この水がマイナス電極側の水素流路に膜電極複合体を通じて逆拡散することにより、水素流路を閉塞し、膜電極複合体への水素供給を妨げるので、燃料電池の発電特性が著しく低下してしまう場合があるという問題点があった。
【００１１】
そこで、この発明は、上述した従来技術の課題を解決するためになされたものであり、システムの小型化、組み立て工程の簡素化および発電特性の高性能化を実現することが可能な小型燃料電池システム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】
【００１２】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明は、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行う小型燃料電池システムであって、マイナス電極を兼ねる水素流路と、当該水素流路に対して所望の圧力で水素を供給するレギュレータとを一体化させて構成することを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、上記の発明において、前記水素流路と前記レギュレータとが拡散接合により一体化させて構成することを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記燃料電池セルは、少なくとも、マイナス電極を兼ねる水素流路と、プラス電極を兼ねる集電板と、当該水素流路から供給される前記水素吸蔵合金に吸蔵された水素、および当該集電板を通して供給される酸素を用いて電気を生成する膜電極複合体を含んで構成され、前記水素流路上に積層された前記膜電極複合体と前記集電板とをかしめた状態で、前記水素流路と前記レギュレータとを一体化させて構成することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記水素流路が形成された部材の外周に、所定の高さを持って設置されているリブで挟み込むことによって、当該水素流路上に積層された前記膜電極複合体と前記集電板とをかしめた状態で、当該水素流路と前記レギュレータとを一体化させて構成することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、前記集電板が形成された部材の外周に、所定の高さを持って設置されているリブで挟み込むことによって、前記水素流路と前記膜電極複合体とをかしめた状態で、当該水素流路と前記レギュレータとを一体化させて構成することを特徴とする。
【００１７】
また、本発明は、前記水素流路に蓄積された発電の反応生成物を外部に放出させる機構を前記レギュレータに設けたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、マイナス電極を兼ねる水素流路と、水素流路に対して所望の圧力で水素を供給するレギュレータとが一体化されているので、水素流路とレギュレータとをネジを用いて接合する必要がなく、ネジ穴の加工スペースを考慮する必要もなくなり、更なる小型化を実現することが可能である。
【００１９】
また、本発明によれば、水素流路とレギュレータとが拡散接合により一体化されているので、燃料電池システムを小型化する場合に、ネジを締め付けて水素流路とレギュレータとを圧着接合するのに比較して、部品点数や組み立て工程することが可能である。また、ネジが不要となることにより、更なる小型化・薄型化することが可能である。
【００２０】
また、本発明によれば、燃料電池セルは、少なくとも、マイナス電極を兼ねる水素流路と、プラス電極を兼ねる集電板と、水素流路から供給される水素水素吸蔵合金に吸蔵された水素、および集電板によって供給される酸素を用いて電気を生成する膜電極複合体を含んで構成され、水素流路上に積層された膜電極複合体と集電板とをかしめた状態で、水素流路とレギュレータとが一体化されているので、レギュレータから供給される水素を漏洩させることなく、燃料電池セルにおいて効率的に電気を生成することが可能である。
【００２１】
また、本発明によれば、水素流路が形成された部材の外周に所定の高さを持って設置されているリブで挟み込むことによって、水素流路上に積層された前記膜電極複合体と前記集電板とをかしめた状態で、水素流路と前記レギュレータとが一体化されているので、水素流路が形成された部材に簡単な構成を具備させることによって、レギュレータから供給される水素を漏洩させることなく、燃料電池セルにおいて効率的に電気を生成することが可能である。
【００２２】
また、本発明によれば、集電板が形成された部材の外周に所定の高さを持って設置されているリブで挟み込むことによって、水素流路と膜電極複合体とをかしめた状態で、水素流路と前記レギュレータとが一体化されているので、集電板を形成する部材に簡単な構成を具備させることによって、レギュレータから供給される水素を漏洩させることなく、燃料電池セルにおいて効率的に電気を生成することが可能である。
【００２３】
また、本発明によれば、水素流路に蓄積された発電の反応生成物を外部に放出させる機構をレギュレータに設けたので、反応生成物が水素流路を閉塞することによって、膜電極複合体への水素供給が妨げられることを防止し、発電特性の高性能化を実現することが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に添付図面を参照して、この発明に係る小型燃料電池システムの実施例を詳細に説明する。なお、以下では、本発明に係る小型燃料電池システムの一実施形態として、小型燃料電池システムの実施例を説明する。
【実施例】
【００２５】
以下の実施例では、本実施例に係る小型燃料電池システムの概要および特徴を説明した後に、かかる小型燃料電池システムの構成を説明し、最後に本実施例による効果を説明する。
【００２６】
［小型燃料電池システムの概要および特徴］
まず、実施例１に係る小型燃料電池システムの概要および特徴を説明する。実施例１に係る小型燃料電池システムは、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行うことを概要とする。そして、実施例１に係る燃料電池システムでは、マイナス電極を兼ねる水素流路と、水素流路に対して所望の圧力で水素を供給するレギュレータとを一体化させて構成することを主たる特徴とする。すなわち、水素流路とレギュレータとをネジを用いて接合する必要がなく、ネジ穴の加工スペースを考慮する必要もなくなり、システムの小型化、組み立て工程の簡素化を実現することが可能である。
【００２７】
［小型燃料電池システムの構成］
次に、図１〜図４を用いて、実施例１に係る小型燃料電池システムの構成を説明する。図１は、本実施例に係る小型燃料電池システムを構成する水素流路を示す模式図である。図２は、本実施例に係る小型燃料電池システムを構成する水素流路とレギュレータとを一体化させた場合の模式図である。図３は、図２に示すＡ−Ａ’に対応した断面を手前から見た時の模式図である。図４は、本実施例に係る小型燃料電池システムに水素タンクを装着する場合の模式図である。
【００２８】
本実施例に係る小型燃料電池システムは、固体高分子電解膜およびガス拡散層で形成されたＭＥＡ（メンブレン・エレクトロード・アセンブリィ）、プラス電極を兼ねた集電板およびマイナス極を兼ねた水素流路からなる燃料電池セルと、水素流路に対して所望の圧力で水素を供給するレギュレータと、レギュレータに装着される水素タンクとを含んで構成される。
【００２９】
そして、図１に示すように、水素流路１は、水素を流すための流路４、固体高分子電解膜およびガス拡散層で形成されたＭＥＡ（メンブレン・エレクトロード・アセンブリィ）と集電板とをかしめるためのリブ５、レギュレータから水素を取り入れるための水素供給口６、発電の反応生成物として流路４に溜まった水を外部に排出するための排出口７、および水素流路１とレギュレータとを一体化するための窪み８を備えて構成される。
【００３０】
ここで、水素流路１の材質としては、強度、価格、加工のしやすさ、並びに良好な熱伝導性および電気伝導性を持つことから、ステンレスやアルミニウム、チタンなどの金属を用いることが望ましく、接触抵抗の低減や腐食を防止することを目的として、金などの耐腐食性材料を用いたメッキを施す必要がある。また、流路４および窪み８は、所定の厚さを持った金属板を切削して加工したり、金属板をプレス加工したりして形成することができる。
【００３１】
また、図２または図３に示すように、本実施例に係る小型燃料電池システムは、リブ５で挟み込むことによって、マイナス電極を兼ねる水素流路１上に積層されたＭＥＡ２と集電板３とをかしめた状態で、水素流路１とレギュレータ１０とを一体化させる。ここで、かしめた状態とは、水素流路１からＭＥＡ２に供給される水素の漏洩を防止するとともに、ＭＥＡ２と集電板３との接触抵抗を低減することができるように、ＭＡＥ２と集電板３とを圧着接合させた状態をいう。また、集電板３は、自然対流によってＭＥＡ２の空気極へ空気を供給するための空気穴９を多数備える。
【００３２】
また、レギュレータ１０は、パージバルブ１１を備えており、水素流路１の流路４から排出口７を通じて排出されてくる水をパージバルブ１１から外部へ放出する。すなわち、レギュレータ１０に備えられたパージバルブ１１から、発電の反応生成物として流路４に溜まった水を外部に放出するので、発電の反応生成物である水が水素流路１の流路４を閉塞して、ＭＥＡ２への水素供給が妨げられることを防止し、その結果として、発電特性の高性能化を実現することができる。なお、水素流路１に備えられた排出口７と、レギュレータ１０に備えられたパージバルブ１１とは、水素流路１とレギュレータ１０とが一体化される際に同時に一体化される。
【００３３】
また、図３に示す断面図は、図２に示した「線Ａ−Ａ’」に対応するものであるが、図３に示すように、水素流路１に備えられた窪み８とレギュレータ１０の所定部位（接合部１５）とを拡散接合する（ネジや接着剤等を用いることなく、加熱および加圧のみを用いて接合する）。このようにして、本実施例に係る小型燃料電池システムは、水素流路１とレギュレータ１０とを一体化させて構成する。
【００３４】
従来行われていたように、水素流路１の窪み８の部分にネジ穴を加工し、レギュレータ１０の接合部１５にも同様にネジ穴を加工して、加工された互いのネジ穴をネジで締め付けることにより、水素流路１とレギュレータ１０とを一体化させて構成することもできる。しかしながら、燃料電池の小型化・薄型化の要請がある場合には、ネジで締め付けるためのスペースが確保されるように、窪み８を十分に深く加工することが難しいという問題があるが、拡散接合により一体化させる場合には、小型化・薄型化の要請に応えることができる。
【００３５】
しかしながら、水素流路１とレギュレータ１０の耐熱温度が低く、拡散接合等の接合方法を用いることができない場合には、図５に示すように、水素流路１に必要最小限のスタッドボルト１７を溶接し、レギュレータ１０にスタッドボルト１７を通す穴を具備しておいて、ナットで締め付けることにより水素流路１とレギュレータ１０とを一体化するようにしてもよい。なお、溶接法としては、アーク溶接、スポット溶接、レーザービーム溶接、電子ビーム溶接等を採用することができるが、制御が容易であって、微小かつ精密な溶接に適しているレーザービーム溶接を採用することが望ましい。
【００３６】
また、流路４と同じ高さになるように窪み８を樹脂１４で埋める。流路４と同じ高さになるように窪み８を樹脂１４で埋めることによって、ＭＡＥ用ガスケット１２を用いた水素漏洩防止のためのシールをＭＡＥ２の周りに施すことができる。ネジで締め付けることにより、水素流路１とレギュレータ１０とを一体化させる場合には、ネジの回りにガスケット１２を施すことになるので、水素漏洩の危険性があり、拡散接合により一体化させるほうがより効果的である。
【００３７】
また、ＭＥＡ２と集電板３の周囲を取り囲むようにして絶縁性のガスケット１３を配置してから、水素流路１に備えられたリブ５で挟み込むことによって、ＭＥＡ２と集電板３とをかしめた状態で圧着接合させるとともに、水素流路１と集電板３とを絶縁および一体化させる。ここで、ガスケット１３にあらかじめ切れ込み１６を設けておき、この切れ込み１６に集電板３が嵌るようにすることで、リブ５でかしめる際の作業性が向上する。
【００３８】
また、図４は、図２に示した小型燃料電池システムに水素タンク１２を装着する様子を示したものであるが、例えば、水素タンク１２のレギュレータ１０に接する面側にメスのカプラを備え、レギュレータ１０の水素タンクに接する面側にオスのカプラを備えておき、水素タンク１２がレギュレータ１０に装着されることにより（オスのカプラがメスのカプラに挿入されることにより）、水素タンク１２内の水素がレギュレータ１０を介してＭＥＡ２に供給されて発電可能な状態となる。
【００３９】
［本実施例による効果］
本実施例によれば、マイナス電極を兼ねる水素流路１と、水素流路１に対して所望の圧力で水素を供給するレギュレータ１０とが一体化されているので、水素流路１とレギュレータ１０とをネジを用いて接合する必要がなく、ネジ穴の加工スペースを考慮する必要もなくなり、更なる小型化を実現することが可能である。
【００４０】
また、本実施例によれば、水素流路１とレギュレータ１０とが拡散接合により一体化されているので、燃料電池システムを小型化する場合に、ネジを締め付けて水素流路１とレギュレータ１０とを圧着接合するのに比較して、部品点数や組み立て工程することが可能である。また、ネジが不要となることにより、更なる小型化・薄型化することが可能である。
【００４１】
また、本実施例によれば、水素流路１上に積層されたＭＥＡ２と集電板３とをかしめた状態で、水素流路１とレギュレータ１０とが一体化されているので、レギュレータ１０から供給される水素を漏洩させることなく、燃料電池セルにおいて効率的に電気を生成することが可能である。
【００４２】
また、本実施例によれば、水素流路１が形成された金属板の外周に所定の高さを持って設置されているリブ５で挟み込むことによって、水素流路１上に積層されたＭＥＡ２と集電板３とをかしめた状態で、水素流路１とレギュレータ１０とが一体化されているので、水素流路１を構成する金属板に簡単な構成を具備させることによって、レギュレータ１０から供給される水素を漏洩させることなく、燃料電池セルにおいて効率的に電気を生成することが可能である。
【００４３】
また、本実施例によれば、水素流路１の流路４に溜まった発電の反応生成物である水を外部に放出させるバージバルブ１１をレギュレータ１０に設けたので、水が水素流路１を閉塞することによって、ＭＥＡ２への水素供給が妨げられることを防止し、発電特性の高性能化を実現することが可能である。
【００４４】
また、上記では、水素流路１が形成された金属板の外周に所定の高さを持って設置されているリブ５で挟み込むことによって、水素流路１上に積層されたＭＥＡ２と集電板３とをかしめる場合を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、集電板３が形成された部材の外周に所定の高さを持ったリブを設置し、このリブで挟み込むことによって、水素流路１とＭＥＡ２とをかしめるようにしてもよい。このようなことから、集電板３を形成する部材に簡単な構成を具備させることによって、レギュレータ１０から供給される水素を漏洩させることなく、燃料電池セルにおいて効率的に電気を生成することが可能である。
【００４５】
また、本発明に係る小型燃料電池システムは、上記した構成に限定されるものではなく、本発明の目的を達成可能な範囲で適宜変更して実施することができる。例えば、レギュレータ１０に備えるバージバルブ１１の位置は、水素流路１に流路４に溜まった水を排出しやすい位置に適宜変更してもよく、バージバルブ１１を同様な機能を有する部品に変更してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
以上のように、本発明に係る小型燃料電池システムは、水素吸蔵合金に吸蔵された水素によって燃料電池セルの発電を行う場合に有用であり、特に、システムの小型化、組み立て工程の簡素化および発電特性の高性能化を実現することに適する。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本実施例に係る小型燃料電池システムを構成する水素流路を示す模式図である。
【図２】本実施例に係る小型燃料電池システムを構成する水素流路とレギュレータとを一体化させた場合の模式図である。
【図３】図２に示すＡ−Ａ’に対応した断面を手前から見た時の模式図である。
【図４】本実施例に係る小型燃料電池システムに水素タンクを装着する場合の模式図である。
【図５】本実施例に係る小型燃料電池システムとスタッドボルトとの溶接例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４８】
１  水素流路
２  ＭＥＡ
３  集電板
４  流路
５  リブ
６  水素供給口
７  排出口
８  窪み
９  空気穴
１０  レギュレータ
１１  パージバルブ
１２  ＭＥＡ用ガスケット
１３  ガスケット
１４  樹脂
１５  接合部
１６  切れ込み
１７  スタッドボルト
【図１】
0005101934.tif 000002
【図２】
0005101934.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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