(57)【要約】【課題】内部の温度差が非常に小さく、ガス導入口から導入されたガスの結露をきわめて効果的に防止することが可能な固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】燃料電池１は、複数の単電池２，２・・を順次積層し、それらの単電池２，２・・の左側に、集電板３ａ、絶縁板４ａ、締付板５ａを順次積層するとともに、単電池２，２・・の右側に、集電板３ｂ、絶縁板４ｂ、締付板５ｂを順次積層し、それらの積層体を、締付具１４，１４・・によって締め付けることによって形成されている。そして、燃料ガスが片側の締付板５ｂからスタックの内部に導入されて反対側の締付板５ａから外部に排出されるとともに、酸化剤ガスが燃料ガス導入側と反対側の締付板５ａからスタックの内部に導入されて燃料ガス導入側の締付板５ｂから外部に排出されるようになっている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子膜からなる電解質層の片面に燃料電極を設け他面に酸化剤電極を設けた燃料電池セルと、燃料ガス通路を設けたセパレータと、酸化剤ガス通路を設けたセパレータとを有する扁平な単電池を、同一方向に複数積層し、それらの積層された単電池の両端に、それぞれ、集電板および電気絶縁板を積層し、それらの積層体の両端を、金属製の締付板によって狭持してなる固体高分子型燃料電池であって、
燃料ガスが片側の締付板から単電池の内部に導入されて反対側の締付板から外部に排出されるとともに、
酸化剤ガスが燃料ガス導入側と反対側の締付板から単電池の内部に導入されて燃料ガス導入側の締付板から外部に排出されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
片方の締付板が、厚み方向における板の中心より内側に燃料ガスの排出路を設けたものであるとともに、他方の締付板が、厚み方向における板の中心より内側に酸化剤ガスの排出路を設けたものであることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
電解質膜としてフッ素系の高分子や炭化水素系の高分子等からなる膜を用いる固体高分子型燃料電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池の一種として、電解質層の片面に燃料電極を設け他面に酸化剤電極を設けた燃料電池セルと、燃料ガス通路を設けたセパレータと、酸化剤ガス通路を設けたセパレータとを有する扁平な単電池を、同一方向に積層し、それらの積層した単電池の両端に、それぞれ、集電板および電気絶縁板を積層し、それらの積層体の両端を、金属製の締付板によって狭持したものが知られている。また、そのようなタイプの燃料電池の一種として、フッ素系の高分子や炭化水素系の高分子からなる膜を電解質膜として用いた固体高分子型燃料電池が知られている。
【０００３】
上記した固体高分子型燃料電池においては、動作温度が低いことに起因して、金属製の締付板に設けられたガス導入口から導入される燃料ガス（水素）、酸化剤ガス（空気）が締付板において結露し易く、結露によって生じた水が、燃料電極、酸化剤電極（酸素電極）おけるガスの拡散や、燃料電極、酸化剤電極の外側に設けられるガス通路におけるガスの流れを阻害する事態が発生する。そして、そのような事態が発生すると、単電池セル内において燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応が起こりにくくなり、出力が低下してしまう。
【０００４】
それゆえ、積層した単電池（スタック）の左右両側に積層する絶縁板をポリカーボネート、フッ素系樹脂、ＦＲＰ等の熱伝導性の低い材料によって形成するとともに、それらの絶縁板の側面に燃料ガスや酸化剤ガスの導入口を備えることによって、ガス導入口におけるガスの結露を抑制した固体高分子型燃料電池が開発されている（特許文献１）。
【０００５】
【特許文献１】特開平９−１２０８３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１の固体高分子型燃料電池によれば、ガス導入口におけるガスの結露をある程度抑制することが可能となる。しかしながら、特許文献１の固体高分子型燃料電池においては、絶縁板の内側に、銅メッキを施した金属製の集電板が積層されているため、かかる集電板に隣接した単電池は、中央部に比べて温度が低くなってしまう。それゆえ、それらの単電池においては、ガス通路内でのガスの結露を十分に抑制できないため、発電効率が悪くなってしまう。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来の固体高分子型燃料電池が有する上記問題点を解消し、内部の温度差が非常に小さく、ガス導入口から導入されたガスの結露をきわめて効果的に防止することが可能な固体高分子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】
【０００８】
かかる本発明の内、請求項１に記載された発明は、高分子膜からなる電解質層の片面に燃料電極を設け他面に酸化剤電極を設けた燃料電池セルと、燃料ガス通路を設けたセパレータと、酸化剤ガス通路を設けたセパレータとを有する扁平な単電池を、同一方向に複数積層し、それらの積層された単電池の両端に、それぞれ、集電板および電気絶縁板を積層し、それらの積層体の両端を、金属製の締付板によって狭持してなる固体高分子型燃料電池であって、燃料ガスが片側の締付板から単電池の内部に導入されて反対側の締付板から外部に排出されるとともに、酸化剤ガスが燃料ガス導入側と反対側の締付板から単電池の内部に導入されて燃料ガス導入側の締付板から外部に排出されることを特徴とするものである。
【０００９】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、片方の締付板が、厚み方向における板の中心より内側に燃料ガスの排出路を設けたものであるとともに、他方の締付板が、厚み方向における板の中心より内側に酸化剤ガスの排出路を設けたものであることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
請求項１の固体高分子型燃料電池は、発電のために供給された燃料ガスが、単電池の積層体（所謂スタック）の内部を通って温められた後に片側の締付板まで導かれて、熱伝導により当該締付板を加熱する。それと同時に、発電のために供給された酸化剤ガスが、スタックの内部を通って温められた後に燃料ガス排出側と反対側の締付板まで導かれて、熱伝導により当該締付板を加熱する。したがって、本発明の固体高分子型燃料電池によれば、スタック全体の温度の低下が抑制されるので、スタックの電圧低下を防止して、非常に効率良く発電することが可能となる。
【００１１】
請求項２の固体高分子型燃料電池によれば、締付板の外側と内側（スタック側）との温度差が少なくなるため、燃料ガス、酸化剤ガスの導入口におけるガスの結露が非常に効率的に防止されるので、所謂フレッティング現象が発生せず、発電電圧を安定させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池（以下、単に燃料電池という）の一実施形態を、図面に基づいて詳細に説明する。図１〜図４は、それぞれ、本発明に係る燃料電池の正面、平面、背面、左側面を示したものであり、燃料電池１は、複数の単電池２，２・・、単電池２，２・・で生じた直流電力を取り出すための集電板３ａ，３ｂ、単電池２，２・・および集電板３ａ，３ｂを外部と絶縁するための絶縁板４ａ，４ｂ、単電池２，２・・、集電板３ａ，３ｂおよび絶縁板４ａ，４ｂを狭持するための締付板５ａ，５ｂ、長尺なボルトとナットからなる締付具１４，１４・・・等によって構成されている。
【００１３】
図５は、単電池２の鉛直断面を示す説明図であり、単電池２は、燃料電池セル９、セパレータ１０ａ，１０ｂ、シール部材１３等によって構成されている。燃料電池セル９は、薄い矩形状の固体高分子膜からなる電解質層６、触媒活性物質を含む触媒層と燃料ガスの供給、排出および集電機能を奏する電極基材とからなる燃料電極７、触媒活性物質を含む触媒層と酸化剤ガスの供給、排出および集電機能を奏する電極基材とからなる酸化剤電極８によって構成されている。
【００１４】
また、セパレータ１０ａは、ガス不透過性の材料によって形成されており、燃料電極７と接合した面に、燃料ガスを流通させるための複数の燃料ガス通路１１を備えている。セパレータ１０ｂも、セパレータ１０ａと同様に、ガス不透過性の材料によって形成されており、酸化剤電極８と接合した面に、酸化剤ガスを流通させるための複数の酸化剤ガス通路１２を備えている。
【００１５】
そして、単電池２は、燃料ガス通路１１および酸化剤ガス通路１２からのガスの漏洩を防止するゴムシール１３を、セパレータ１０ａ，１０ｂの周縁の凹状部と燃料電池セル９の周縁の凹状部に嵌め込んだ状態で、燃料電池セル９の表裏両側に、それぞれ、セパレータ１０ａ，１０ｂを積層することによって形成されている。
【００１６】
燃料電池１は、上記の如く構成された複数の単電池２，２・・を順次積層し、それらの単電池２，２・・（スタック）の左側に、集電板３ａ、絶縁板４ａ、締付板５ａを順次積層するとともに、単電池２，２・・の右側に、集電板３ｂ、絶縁板４ｂ、締付板５ｂを順次積層し、それらの積層体を、締付具１４，１４・・によって適度な圧力を加えて締め付けることによって形成されている（図１〜図４参照）。
【００１７】
また、右側に位置した締付板５ｂの外面の中央より上側には、内部に燃料ガス（水素）を導入するための金属製の燃料ガス導入口１５が設けられており、左側に位置した締付板５ａの外面の中央より上側には、内部に酸化剤ガス（空気）を導入するための金属製の酸化剤ガス導入口１６が設けられている。なお、図２の如く、燃料ガス導入口１５は、中央より後方に設けられており、酸化剤ガス導入口１６は、中央より前方に設けられている。
【００１８】
また、図６は、酸化剤ガス導入口１６の設置部付近の鉛直断面を示したものであり、締付板５ａ、絶縁板４ａ、集電板３ａ、複数の単電池２，２・・には、酸化剤ガス導入口１６と連通した水平状の連通孔１７が形成されている。そして、酸化剤ガス導入口１６から導入された酸化剤ガスが、連通孔１７を通って各単電池２，２・・へと送られるようになっている。加えて、締付板５ａ、絶縁板４ａ、集電板３ａの連通孔１７の外周部分には、連通孔１７を流れる酸化剤ガスの外部への漏洩を防止するためにシール部材１８が配設されている。なお、燃料ガス導入口１５の設置部付近の構造も、上記した酸化剤ガス導入口１６の設置部付近の構造と同様であり、燃料ガス導入口１５から導入された燃料ガスが、連通孔１７を通って各単電池２，２・・へと送られるようになっている。
【００１９】
一方、図１、図２、図４の如く、左側に位置した締付板５ａの前面の中央より下側には、内部を通過した燃料ガス（水素）を外部へ排出するための金属製の燃料ガス排出口１９が設けられており、締付板５ａの内部に水平に設けられた燃料ガス排出路２１と連通した状態になっている。また、図２、図３、図４の如く、右側に位置した締付板５ｂの後面の中央より下側には、内部を通過した酸化剤ガス（空気）を外部へ排出するための金属製の酸化剤ガス排出口２０が設けられており、締付板５ｂの内部に水平に設けられた酸化剤ガス排出路２２と連通した状態になっている。なお、燃料ガス排出路２１、燃料ガス排出口１９は、締付板５ａの厚み方向において中央よりやや内側に位置しており、酸化剤ガス排出路２２、酸化剤ガス排出口２０は、締付板５ｂの厚み方向において中央よりやや内側に位置している。
【００２０】
また、図７は、燃料ガス排出路２１の設置部付近の鉛直断面を示したものであり、燃料ガス排出路２１の基端部分は、内側に垂直に折れ曲がった状態になっており、その垂直に折れ曲がった部分を介して、締付板５ａ、絶縁板４ａ、集電板３ａ、複数の単電池２，２・・に形成された水平状の連通孔２３と連通した状態になっている。加えて、締付板５ａ、絶縁板４ａ、集電板３ａの連通孔２３の外周部分には、連通孔２３を流れる燃料ガスの外部への漏洩を防止するためにシール部材１８が配設されている。そして、単電池２，２・・を通過した燃料ガスが、連通孔２３を通って燃料ガス排出路２１へ導かれ、燃料ガス排出口１９から外部へ排出されるようになっている。なお、酸化剤ガス排出路２２の設置部付近の構造も、上記した燃料ガス排出路２１の設置部付近の構造と同様であり、単電池２，２・・を通過した酸化剤ガスが、連通孔２３を通って酸化剤ガス排出路２２へ導かれ、酸化剤ガス排出口２０から外部へ排出されるようになっている。
【００２１】
上記の如く構成された燃料電池１においては、右側の締付板５ｂに設けられた燃料ガス導入口１５から導かれた燃料ガス（水素）が、連通孔１７を介して積層された単電池２，２・・へと送られ、圧力によって各単電池２，２・・の内部の燃料ガス通路１１を流下する（すなわち、燃料ガスは次第に左下方向へと流下する）。そして、その流下に伴い酸化剤ガスと電気化学的に反応することによって発電する。また、反応に寄与しなかった残りの燃料ガスは、連通孔２３を通って、左側の締付板５ａに設けられた燃料ガス排出路２１へ導かれて燃料ガス排出口１９から外部へ排出される。一方、左側の締付板５ａに設けられた酸化剤ガス導入口１６から導かれた酸化剤ガス（空気）は、連通孔１７を介して積層された単電池２，２・・へと送られ、圧力によって各単電池２，２・・の内部の酸化剤ガス通路１２を流下する（すなわち、酸化剤ガスは次第に右下方向へと流下する）。そして、その流下に伴い燃料ガスと電気化学的に反応することによって発電する。また、反応に寄与しなかった残りの酸化剤ガスは、連通孔２３を通って、右側の締付板５ｂに設けられた酸化剤ガス排出路２２へ導かれて酸化剤ガス排出口２０から外部へ排出される。
【００２２】
燃料電池１は、上記の如く、燃料ガスが片側の締付板５ｂからスタックの内部に導入されて反対側の締付板５ａから外部に排出されるとともに、酸化剤ガスが燃料ガス導入側と反対側の締付板５ａからスタックの内部に導入されて燃料ガス導入側の締付板５ｂから外部に排出されるようになっている。それゆえ、発電のために供給された燃料ガスが、スタック内部を通って温められた後に片側の締付板５ａまで導かれて、熱伝導により当該締付板５ａを加熱するとともに、発電のために供給された酸化剤ガスが、スタック内部を通って温められた後に燃料ガス排出側と反対側の締付板５ｂまで導かれて、熱伝導により当該締付板５ｂを加熱する。それゆえ、燃料電池１によれば、従来の固体高分子型の燃料電池と比較して、スタックの中央と左右の端部との温度差が小さくなり、スタック全体の温度の低下が抑制されるため（図５参照）、スタックの温度低下に伴う電圧の低下が起こりにくくなり、非常に効率良く発電することが可能となる。
【００２３】
また、燃料電池１は、締付板５ａ，５ｂの外側と内側（スタック側）との温度差が非常に小さいため、燃料ガス導入口１５、酸化剤ガス導入口１６における燃料ガス、酸化剤ガスの結露がきわめて起こりにくいので、所謂フレッティング現象が発生せず、安定した電圧の発電を行うことができる。
【００２４】
なお、本発明に係る燃料電池（固体高分子型燃料電池）の構成は、上記実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、単電池、集電板、絶縁板、締付板、燃料ガス導入口、酸化剤ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更できる。
【００２５】
たとえば、燃料電池に設ける燃料ガス導入口、酸化剤ガス導入口、燃料ガス排出口、酸化剤ガス排出口は、金属製のものに限定されず、合成樹脂製のものやセラミックス製のものに変更することも可能である。また、燃料電池は、上記実施形態の如く、単電池、集電板、絶縁板からなる積層体を左右一対の締付板で狭持したものに限定されず、単電池、集電板、絶縁板からなる積層体を直方体状等のハウジングで覆ったもの等に変更することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明の燃料電池（固体高分子型燃料電池）は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、各種の用途に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】燃料電池（固体高分子型燃料電池）の正面図である。
【図２】燃料電池の平面図である。
【図３】燃料電池の背面図である。
【図４】燃料電池の左側面図である。
【図５】単電池の鉛直断面を示す説明図である。
【図６】酸化剤ガス導入口の設置部付近の鉛直断面を示す説明図である。
【図７】燃料ガス排出路の設置部付近の鉛直断面を示す説明図である。
【図８】スタック内部の位置と温度との関係を示す説明図である（Ａは従来の固体高分子型燃料電池のものであり、Ｂは本発明の固体高分子型燃料電池のものである）。
【符号の説明】
【００２８】
１・・燃料電池（固体高分子型燃料電池）
２・・単電池
３ａ，３ｂ・・集電板
４ａ，４ｂ・・絶縁板
５ａ，５ｂ・・締付板
１５・・燃料ガス導入口
１６・・酸化剤ガス導入口
１９・・燃料ガス排出口
２０・・酸化剤ガス排出口
【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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