JP2005259409A - 燃料電池及び電気機器 - Google Patents

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興利 木村
Masaharu Tanaka
正治 田中
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Abstract

【課題】 単セルが積層された積層体への十分な加圧及び燃料電池の小型化を実現することである。
【解決手段】 燃料により電気を発生させるための単セル2が積層された積層体9を挟持する少なくとも2つのエンドプレート7の間に、それらを接近させる方向に力を発生させる締め付け部材10を設けることによって、積層体9を締め付けるようにした。これにより、積層体9への十分な加圧を実現し、さらに、燃料電池1を小型化することができる。
【選択図】 図2

Description

本発明は、燃料電池及び電気機器に関する。
温暖化ガスに代表される環境問題の観点から、クリーンエネルギー源としての燃料電池が急ピッチで開発されている。特に、固体電解質型の燃料電池は低温作動や小型で高出力密度であることから、研究開発が活発に進められている。電気機器への燃料電池の搭載においては、燃料電池セル(単セル)が必要数積層された積層体(発電要素)を燃料漏れが起こらないように、また集電効率を上げるために強固に狭持する必要がある。そのため、図8に示すように、電極と電解質膜との接合体(MEA)やセパレータ等からなる単セル100が積層された積層体101を2枚のエンドプレート102で挟み込み、それらのエンドプレート102を連結する金属棒103とボルト104とで締め付けを行なうことが一般的である。このとき、接合体(MEA)の面内が均一に加圧されるよう、2枚のエンドプレート102の4隅を締め付けて積層体101を固定しているものが多い。
一方、燃料電池の小型軽量化の手段及び燃料電池の単セル(積層体)への圧力印加手段としては、特許文献1や特許文献2等の技術が提案されている。特許文献1では、積層体が箱体に収容され、板バネで狭持されている。また、特許文献2では、2枚エンドプレートがシャフトで連結され、2枚のエンドプレート間に配置した皿バネ(弾性体)のバネ力によって積層体に面圧が与えられている。
特開2003−151611公報 特開2000−195529公報
しかしながら、図8に示すようにボルトと金属棒と締め付けを行う場合には、エンドプレートの外面(発電要素とは反対側)にボルトと金属棒とが飛び出してしまう。また、エンドプレートの外部にボルトを締めるためのスペースが必要となる。したがって、燃料電池やそれを備える装置が大型化し、体積と重量の増加の要因となっている。特に、燃料電池を設計する上では発電に寄与しない不必要なスペースがあることから、燃料電池の体積エネルギー密度及び重量エネルギー密度を下げる要因となっている。また、エンドプレートはガスシール性が得られるよう強く締め付けられているが、プレートの中央が撓まないように調整する必要があり、さらに発電部分である電極面の圧が均一になるように調整する必要があるため、締め付け作業に時間がかかってしまう。
一方、特許文献1の技術では、板バネのスペースが必要であるため、燃料電池が大型化してしまい、その重量も増加してしまう。さらに、燃料電池の単セルに十分な圧力を加えるためには、箱体に強度が必要となる。そのため、箱体を構成する部材が厚くなり、燃料電池の重量が重くなってしまう。また、特許文献2の技術では、皿バネのスペースが必要であるため、燃料電池が大型化してしまい、その重量も増加してしまう。
本発明の目的は、単セルが積層された積層体への十分な加圧及び燃料電池の小型化を実現することである。加えて、燃料電池の軽量化も実現する。
請求項1記載の発明の燃料電池は、電解質とその電解質を挟持する電極とを有して供給される燃料により発電する単セルが積層された積層体と、前記積層体を挟持する2つのエンドプレートと、2つの前記エンドプレートの間に設けられ、2つの前記エンドプレートを接近させる方向に力を発生させて前記積層体を締め付ける締め付け部材と、を具備する。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の燃料電池において、前記締め付け部材は、一方の前記エンドプレートに設けられた第1の支持棒と、他方の前記エンドプレートに設けられた第2の支持棒と、前記第1の支持棒と前記第2の支持棒とを連結し、回転することによりそれらを接近させる回転部と、から構成されている。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の燃料電池において、前記締め付け部材は、一方の前記エンドプレートに設けられた第1の支持棒と、他方の前記エンドプレートに設けられ、前記第1の支持棒が内部にスライド自在に挿入される第2の支持棒と、前記第1の支持棒と前記第2の支持棒とに装着され、縮み力により前記積層体を締め付ける伸縮部材と、から構成されている。
請求項4記載の発明は、請求項1、2又は3記載の燃料電池において、前記締め付け部材は、前記積層体を介して対向する2つの位置にそれぞれ設けられている。
請求項5記載の発明は、請求項1又は3記載の燃料電池において、前記締め付け部材は前記積層体を貫通するように設けられている。
請求項6記載の発明は、請求項5記載の燃料電池において、前記積層体と2つの前記エンドプレートとは、それらの中心を一致させて設けられており、前記締め付け部材は、前記積層体及び前記エンドプレートの中心から外周までの距離の1/2以下の範囲に設けられている。
請求項7記載の発明は、請求項6記載の燃料電池において、前記締め付け部材は、前記積層体及び前記エンドプレートの中心に設けられている。
請求項8記載の発明は、請求項7記載の燃料電池において、前記エンドプレートは円形のプレートである。
請求項9記載の発明は、請求項1ないし8のいずれか一記載の燃料電池において、前記締め付け部材は、前記積層体と2つの前記エンドプレートとの中心にそれらの重心を一致させるように前記積層体を締め付けている。
請求項10記載の発明は、請求項1ないし9のいずれか一記載の燃料電池において、前記燃料はアルコールを含有する燃料である。
請求項11記載の発明は、請求項10記載の燃料電池において、前記アルコールはエタノールである。
請求項12記載の発明の電子機器は、請求項1ないし11のいずれか一記載の燃料電池を備える。
請求項1記載の発明によれば、単セルが積層された積層体への十分な加圧を実現し、さらに、燃料電池を小型化することができる。
請求項2記載の発明によれば、簡単な構成で、単セルが積層された積層体への十分な加圧を実現し、さらに、燃料電池を小型化することができる。
請求項3記載の発明によれば、簡単な構成で、単セルが積層された積層体への十分な加圧を実現し、さらに、燃料電池を小型化することができる。
請求項4記載の発明によれば、均一な圧力を燃料電池に加えることができる。
請求項5記載の発明によれば、燃料電池を小型軽量化することができる。
請求項6記載の発明によれば、エネルギー密度を維持しながら、均一な圧力を燃料電池に加えることができる。
請求項7記載の発明によれば、より均一な圧力を燃料電池に加えることができる。
請求項8記載の発明によれば、より均一な圧力を燃料電池に加えることができ、電極部分の面圧が均一となり、安定した発電特性を得ることができる。
請求項9記載の発明によれば、より均一な圧力を燃料電池に加えることができる。
請求項10記載の発明によれば、エネルギー密度の高い燃料を使用することにより燃料電池の駆動時間を向上させることができる。
請求項11記載の発明によれば、環境保全性及び安全性が高い燃料を供給することができる。
請求項12記載の発明によれば、請求項1ないし11のいずれか一記載の効果を奏する。
本発明の第1の実施の形態を図1ないし図3に基づいて説明する。
まず、プロトン伝導型固体高分子電解質を使用している燃料電池を一例にして、その発電概念について図1を参照して説明する。図1は、燃料電池の発電概念を説明するための説明図である。
燃料電池1(単セル2)は、基本的構成要素として、その中心にイオン伝導体である電解質3(ここでは、例えばプロトン伝導体)が設けられ、その両側に電極4であるアノード4a及びカソード4bが配置されて構成されている。アノード4aとカソード4bは、外部回路(負荷)5を介して接続されている。また、アノード4a及びカソード4bには、それぞれに燃料を供給するための燃料流路6aを有するセパレータ6がそれぞれ設けられている。2つのセパレータ6は、電解質3及びこれを介して対向する電極4を挟持している。
ここで、プロトン伝導型の電解質3が使用される場合には、アノード4a側にプロトン源となる燃料(水素(H)やアルコール等)が供給され、アノード4a内の触媒作用により燃料から水素イオン(H)が発生する。このとき、発生する電子(e)は外部回路5に流れる。発生した水素イオンは電解質3中を伝搬してカソード4bに達する。カソード4b側に酸化剤(空気や酸素(O)等)が供給されることにより、水素イオンと酸素と外部回路5を通して流れてくる電子とが反応し、水(HO)が生成される。これが発電の概念であり、これを反応式として示すと以下のようになる。
アノード反応:H→2H+2e (水素燃料の場合)
カソード反応:2H+1/2O+2e→H
全反応 :H+1/2O→H
ここで、発電要素とは、アノード4a、カソード4b及び電解質3を必須とし、他にセパレータ6等、燃料電池が発電を行うため必要な要素のうち、以下に示す2枚のエンドプレート7間に存在する要素を指す。燃料電池1の発電要素のうち、膜状の電解質膜3aと電極4(アノード4a及びカソード4b)との接合体は膜電極接合体(MEA)8と呼ばれている。このMEA8は、触媒と電解質3との界面特性の向上のため、あるいは、電極4やセパレータ6の電気抵抗の低下のため、反応に必要な(及び伴う)物質のシール性を良くするために、2枚のエンドプレート7によって強固に狭持されている。
図2は本実施の形態の燃料電池1を概略的に示し、(a)は正面図、(b)は側面図、図3は単セル2を分解して概略的に示す縦断側面図である。
図2に示すように、本実施の形態の燃料電池1は、3つの単セル2が積層された積層体9、この積層体9を挟持する2つのエンドプレート7、これらのエンドプレート7を内側方向(エンドプレート7を接近させる方向)に締め付ける締め付け部材10から構成されている。
図3に示すように、単セル2は、電解質膜3aと電極4との接合体であるMEA8がセパレータ6により挟持されて構成されている。電解質膜3aは電極4により挟持されている。電極4の外周には、その外周に沿うように、燃料や生成物質の漏洩を防止するガスシール部材11が設けられている。ここで、例えば、電極4、固体の電解質膜3a、セパレータ6及びエンドプレート7は、正方形状に形成されている。電極4は5cmであり、電解質膜3aは90cmであり、セパレータ6は90cmであり、エンドプレート7は182cmである。
エンドプレート7には、4つの締め付け部材10が設けられている。4つの締め付け部材10は、それぞれエンドプレート7の4隅に位置付けられている。すなわち、2つの締め付け部材10は、積層体9を介して対向する2つの位置にそれぞれ設けられている。これにより、均一な圧力を積層体9に加えることができる。このような締め付け部材10は、回転することによって2つのエンドプレート7を内側方向(エンドプレート7を接近させる方向)に引っ張る力を発生させるような構造になっている。
締め付け部材10は、2つのエンドプレート7にそれぞれ設けられた2つの支持棒12と、それらの支持棒12を連結する回転部13とから構成されている。ここで、2つの支持棒12が、それぞれ第1の支持棒及び第2の支持棒である。2つの支持棒12と回転部13とは、支持棒12が雄ねじ、回転部13が雌ねじとして、接続されている。また、回転部13には、その回転方向により2つの支持棒12が接近又は離反するようにねじ溝(図示せず)が切り込まれている。
このような構成において、エンドプレート7が接近する方向に4つの締め付け部材10の回転部13を回転させることで、積層体9はエンドプレート7により加圧されて締め付け固定されている。このとき、締め付け部材10はエンドプレート7の外面(積層体9側の反対側の面)に飛び出していないため、燃料電池1の小型化を実現することができ、さらに、簡単な構成で、単セル2が積層された積層体9への十分な加圧を実現することができる。
なお、本実施の形態では、締め付け部材10は回転部13によりエンドプレート7を内側方向に引っ張るように構成されているが、これに限るものではなく、例えば、ねじ又はコイルスプリング等のバネを利用してエンドプレート7を内側方向(エンドプレートを接近させる方向)に引っ張るように構成されても良い。
本発明の第2の実施の形態を図4ないし図6に基づいて説明する。図4は本実施の形態の燃料電池1Aを概略的に示し、(a)は正面図、(b)は側面図、図5は単セル2Aを分解して概略的に示す縦断側面図、図6は締め付け部材10Aの構造を概略的に示す斜視図である。なお、第1の実施の形態と同じ部分は同一符号で示し、説明も省略する。
本発明の第1の実施の形態では、狭持のために積層体9の外周にスペースが必要となる。また、MEA8の面積が大きくなるほど、セパレータ6やエンドプレート7等の中心が撓まないように(中心の圧力が外周部と異ならないように)より強固な厚いプレートを用いる必要性がある。すなわち、MEA8が大きくなるほど、燃料電池1の小型化が困難になる傾向にある。また、エンドプレート7に穴を形成してその穴に支持棒12を設ける場合には、厚いエンドプレート7に複数の穴を精度良く加工する必要があり、さらに均一な組付けにおいて面を均一に締め付ける作業も困難である。そこで、本実施の形態では、締め付け部材10をMEA8の面内の中心近傍に設けることによって、燃料電池1Aの小型化を達成している。
図4に示すように、燃料電池1Aは、3つの単セル2Aが積層された積層体9、この積層体9を挟持する2つのエンドプレート7、これらのエンドプレート7を内側方向(エンドプレート7を接近させる方向)に締め付ける締め付け部材10から構成されている。
図5に示すように、単セル2Aは、電解質膜3aと電極4Aとの接合体であるMEA8がセパレータ6により狭持されて構成されている。電解質膜3aは電極4Aにより挟持されている。電極4Aの中央部には、貫通孔21が設けられている。これにより、電解質膜3aの中央部には、電極4Aが設けられていないことになる。電極4Aの外周には、その外周に沿うようにガスシール部材11が設けられている。
図4に示すように、燃料電池1Aの中央付近には、一端のエンドプレート7から積層体9を通り他端のエンドプレート7まで貫通する3つの貫通孔22が形成されている。これらの貫通孔22は、エンドプレート7の中央付近及び積層体9の中央付近を通過しており、電極4Aの貫通孔21内を通過している。3つの貫通孔22には、それぞれ締め付け部材10Aが挿入され設けられている。
図6に示すように、締め付け部材10は、2つのエンドプレート7に設けられた2つの支持棒23a,23bと、それらの支持棒23a,23bに装着された伸縮部材であるコイルスプリング24とから構成されている。コイルスプリング24の両端は、2つの支持棒23a,23bのエンドプレート7側の端部にそれぞれ固定されている。支持棒23aは支持棒23bより一回り小さく形成されており、支持棒23bの内部に挿入されている。支持棒23aは支持棒23bの内部をスライド可能な機構になっている。すなわち、支持棒23bの内部には、支持棒23aがスライド自在に挿入されている。また、締め付け部材10Aは、支持棒23bの長さを変更することが可能な機構になっている。ここで、支持棒23aが第1の支持棒であり、支持棒23bが第2の支持棒である。なお、積層体9を挟持する前の締め付け部材10においては、コイルスプリング24及び支持棒23a,23bは長さ方向の最短状態になっている。この状態で、積層体9がエンドプレート7の間に挿入されることにより、コイルスプリング24はエンドプレート7を内側(エンドプレート7を接近させる方向)に引っ張る力を発生させる。
したがって、締め付け部材10は、コイルスプリング24により2つのエンドプレート7を内側に締め付けている。エンドプレート7の中心部を締め付けることで、中央の撓みが無く、面内の圧を均一に調整することが容易になる。また、エンドプレート7と積層体9とが当接する当接面を同じ大きさで形成しているため、第1の実施の形態の燃料電池1に比べ、さらに燃料電池1の小型軽量化を実現することができる。
なお、本実施の形態では、伸縮部材としてコイルスプリング24を用いているが、これに限るものではなく、例えばゴム状の部材が用いられても良い。
また、本実施の形態では、締め付け部材10により3点で締め付けを行なっているが(図4(b)参照)、これに限るものではなく、例えば2点や4点であっても良く、また、必要な締め付け強度が得られれば1点でも良い。
ここで、締め付け位置としては、複数箇所締め付ける場合には、締め付け部材10Aが電極4Aの中心付近、特に、スタックに必要なエンドプレート7の中心から外周までの距離の1/2の範囲に配置されると良い。これにより、エンドプレート7の中心と外周に対して均等に締め付けることができ、燃料漏れが無く、また接触抵抗も均一に小さくすることができるため集電効率が良い。さらに、中心付近に締め付け部材10Aを設置した場合には、図4(b)に示すように締め付けに必要な領域を集中することができ、電極4Aの面積を効率的に(大きく)設けることができる。なお、その配置は特に制限されるものではない。締め付け部材10の重心が電極4Aの中心にくるような位置に配置している場合には、全ての締め付ける力を一定に調整することで電極4Aが均一に加圧されるよう狭持することができる。つまり、締め付け圧において精度の良い燃料電池1Aを得ることができる。
エンドプレート7の中心付近を締め付け、エンドプレート7により均一に積層体9を狭持するためには、エンドプレート7の形状は中心からの距離が対称な形状であることが望ましい。しかし、エンドプレート7の形状が多角形であっても小型化を達成した燃料電池1Aを得ることはできる。ただし、中心の締め付け力によって、より精度良くエンドプレート7の面圧を均一にするためには、エンドプレート7は円形であることが望ましく、さらにそれに狭持されるセパレータ6やMEA8等を有する積層体9も円形であることが好ましい。これは、締め付け部材10によりエンドプレート7と積層体9との中心にそれらの重心をとるように締め付けを行なった場合、電極4Aの面圧が均一となり、安定した発電特性が得られるためである。締め付け位置を1点にした場合には、円形のエンドプレート7の中心を締め付けることが、均一な締め付けを行なう上で精度を得易く望ましい。
そこで、本実施の形態の変形例について図7を参照して説明する。図7は、本実施の形態の変形例の燃料電池1Bを概略的に示し、(a)は正面図、(b)は側面図である。図7に示すように、燃料電池1Bは、エンドプレート7を円形にし、さらにそれに狭持されるセパレータ6やMEA8等を有する積層体9も円形にして、円形のエンドプレート7の中心に締め付け部材10Aを1つだけ設けることで構成されている。なお、締め付け部材10Aは、積層体9と2つのエンドプレート7との中心にそれらの重心を一致させるように積層体9を締め付けている。これにより、より均一な圧力を積層体9に加えることができ、電極部分の面圧が均一となり、安定した発電特性を得ることができる。
なお、各実施の形態で使用される燃料は、燃料電池1,1A,1Bにあわせて適宜設定されるものであるが、基本的にはいかなる燃料も使用可能である。しかしながら、燃料は体積及び重量エネルギー密度に優れるもの使用することが好ましい。特に体積エネルギー密度に優れる燃料が好ましい。
したがって、気体状燃料は体積エネルギー密度に劣るため好ましくなく、液体状燃料が好ましい。これは、例えば1分子の酸化反応により取り出せる電子数が水素であれば2個、メタノールであれば6個、エタノールであれば12個であることから、各々の分子1molから取り出せるクーロン量はそれぞれ理論値として、96500×2C、96500×6C、96500×12Cとなる。各々の密度や分子量を考慮し、1cm当たりのクーロン量に換算すると水素で約9C/cm、メタノールで約14400C/cm、エタノールで15200C/cmのエネルギー密度となる。常圧の気体としての水素は、単位体積あたりのエネルギー密度は著しく低くなる。メタノールとエタノールは酸化反応には水分子がそれぞれ、1分子、3分子必要であるが(以下の式参照)、これを加味しても液体燃料が優れることは明らかである。
CHOH+HO→6H+6e+CO
OH+3HO→12H+12e+2CO
なお、高圧状態の水素あるいは液体水素を使用することも可能であるが、容器を堅牢にする必要が生じ、容器込みのエネルギー密度を考慮すると、常温常圧で液体あるいは固体状態の燃料が優れている。具体的には、水素吸蔵合金に蓄えた水素やガソリン、液体状炭化水素、液体状アルコール等の固体状燃料又は液体状燃料が使用できるが、本体燃料電池の小型化が可能な点、体積エネルギー密度に優れる点より、アルコール燃料を使用することが好ましい。アルコール燃料を使用することにより、駆動時間を向上させた携帯型の燃料電池1,1A,1Bを形成することができる。なかでも、炭素数4以下のアルコールを使用することが好ましく、特に、安全性が高く、生合成が可能である点(環境面)からエタノールを使用することが好ましい。
また、各実施の形態により得られた燃料電池1,1A,1Bは、従来の燃料電池より小型化及び軽量化が達成されているが、液体燃料等の体積エネルギー密度に優れる燃料を用いることで、燃料の収容のための空間や周辺機器等を含めてさらに小型化できる。このため、電子機器、とりわけ携帯可能な電子機器に各実施の形態の燃料電池1,1A,1Bを適用した場合には、小型軽量な電子機器を得ることができる。
燃料電池の発電概念を説明するための説明図である。 本発明の第1の実施の形態の燃料電池を概略的に示し、(a)は正面図、(b)は側面図である。 本発明の第1の実施の形態の燃料電池を構成する単セルを分解して概略的に示す縦断側面図である。 本発明の第2の実施の形態の燃料電池を概略的に示し、(a)は正面図、(b)は側面図である。 本発明の第2の実施の形態の燃料電池を構成する単セルを分解して概略的に示す縦断側面図である。 本発明の第2の実施の形態の締め付け部材の構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の第2の実施の形態の変形例の燃料電池を概略的に示し、(a)は正面図、(b)は側面図である。 従来の燃料電池を概略的に示し、(a)は正面図、(b)は側面図である。
符号の説明
1 燃料電池
1A 燃料電池
1B 燃料電池
2 単セル
2A 単セル
3(3a) 電解質(電解質膜)
4 電極
4A 電極
7 エンドプレート
9 積層体
10 締め付け部材
10A 締め付け部材
12 第1の支持棒
12 第2の支持棒
13 回転部
23a 第1の支持棒
23b 第2の支持棒
24 伸縮部材(コイルスプリング)

Claims (12)

  1. 電解質とその電解質を挟持する電極とを有して供給される燃料により発電する単セルが積層された積層体と、
    前記積層体を挟持する2つのエンドプレートと、
    2つの前記エンドプレートの間に設けられ、2つの前記エンドプレートを接近させる方向に力を発生させて前記積層体を締め付ける締め付け部材と、
    を具備する燃料電池。
  2. 前記締め付け部材は、
    一方の前記エンドプレートに設けられた第1の支持棒と、
    他方の前記エンドプレートに設けられた第2の支持棒と、
    前記第1の支持棒と前記第2の支持棒とを連結し、回転することによりそれらを接近させる回転部と、
    から構成されている請求項1記載の燃料電池。
  3. 前記締め付け部材は、
    一方の前記エンドプレートに設けられた第1の支持棒と、
    他方の前記エンドプレートに設けられ、前記第1の支持棒が内部にスライド自在に挿入される第2の支持棒と、
    前記第1の支持棒と前記第2の支持棒とに装着され、縮み力により前記積層体を締め付ける伸縮部材と、
    から構成されている請求項1記載の燃料電池。
  4. 前記締め付け部材は、前記積層体を介して対向する2つの位置にそれぞれ設けられている請求項1、2又は3記載の燃料電池。
  5. 前記締め付け部材は前記積層体を貫通するように設けられている請求項1又は3記載の燃料電池。
  6. 前記積層体と2つの前記エンドプレートとは、それらの中心を一致させて設けられており、
    前記締め付け部材は、前記積層体及び前記エンドプレートの中心から外周までの距離の1/2以下の範囲に設けられている請求項5記載の燃料電池。
  7. 前記締め付け部材は、前記積層体及び前記エンドプレートの中心に設けられている請求項6記載の燃料電池。
  8. 前記エンドプレートは円形のプレートである請求項7記載の燃料電池。
  9. 前記締め付け部材は、前記積層体と2つの前記エンドプレートとの中心にそれらの重心を一致させるように前記積層体を締め付けている請求項1ないし8のいずれか一記載の燃料電池。
  10. 前記燃料はアルコールを含有する燃料である請求項1ないし9のいずれか一記載の燃料電池。
  11. 前記アルコールはエタノールである請求項10記載の燃料電池。
  12. 請求項1ないし11のいずれか一記載の燃料電池を備える電子機器。
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