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JP2008103332A - 燃料電池構造 - Google Patents

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Abstract

【課題】膜電極アセンブリが超音波溶接手段により陰極チャネル板及び陽極チャネル板の間に接合された燃料電池構造の提供。
【解決手段】膜電極アセンブリ、陰極チャネル板及び陽極チャネル板を包含する。膜電極アセンブリは少なくとも一つの膜電極セット、上框板、下框板を包含し、これら膜電極セットは上框板と下框板の間に設置され、上框板と下框板は超音波溶接手段により溶融可能な材質とされる。陰極チャネル板は板体構造とされ且つ膜電極アセンブリの上框板に接合される。陽極チャネル板は板体構造とされ膜電極アセンブリの下框板に接合される。陰極チャネル板と陽極チャネル板は超音波溶接手段により溶融可能な材質とされる。陰極チャネル板、膜電極セット、陽極チャネル板は上から下に順に積層され且つ超音波溶接手段により接合されて一片の構造とされる。
【選択図】図１

Description

本発明は一種の燃料電池構造に係り、特に、膜電極アセンブリ、陰極チャネル板及び陽極チャネル板が組み合わされる時、超音波溶接手段により膜電極アセンブリが陰極チャネル板と陽極チャネル板の間に固定される、燃料電池構造に関する。
燃料電池は一種の高性能のエネルギー変換装置であり、その陽極に燃料が供給され、陰極に酸素剤が供給され、電気化学反応により燃料の化学エネルギーが電気エネルギーに変換される。その使用する燃料は水素ガス或いは改質後の天然ガス、メタノール、ガソリン等とされる。その酸素剤は酸素或いは空気とされる。水素ガスを燃料とするなら、燃料電池の産物は水、電気エネルギー及び熱エネルギーであり、ゆえに燃料電池は一種の低汚染から零汚染の発電装置といえる。
伝統的な燃料電池の構造は、接着剤（Ａｄｈｅｓｉｖｅｓ）、例えばポリプロピレン樹脂により膜電極アセンブリ（ＭＥＡ）層を陰極チャネル板と陽極チャネル板の間に接着固定する。通常、このタイプの燃料電池はプリント回路板工程を採用して製造され、プリント回路板工程は高価な設備を購入する必要があるため、燃料電池製造コストは往々にして高くなる。
別の一種の伝統的な燃料電池の構造は、螺合手段、例えばボルトとナットの螺合を採用し、膜電極アセンブリ層を陰極チャネル板と陽極チャネル板の間に固定する。通常は、螺合手段を採用して組み立てた燃料電池は、その体積が往々にして膨大となり、携帯に不便となる。
本発明の燃料電池構造は、膜電極アセンブリ、陰極チャネル板及び陽極チャネル板を包含する。膜電極アセンブリは少なくとも一つの膜電極セット、上框板、下框板を包含し、これら膜電極セットは上框板と下框板の間に設置され、上框板と下框板は超音波溶接手段により溶融可能な材質とされる。陰極チャネル板は板体構造とされ且つ膜電極アセンブリの上框板に接合される。陽極チャネル板は板体構造とされ膜電極アセンブリの下框板に接合される。陰極チャネル板と陽極チャネル板は超音波溶接手段により溶融可能な材質とされる。陰極チャネル板、膜電極セット、陽極チャネル板は上から下に順に積層され且つ超音波溶接手段により接合されて一片の構造とされる。
本発明は上述の周知の燃料電池の製造及び使用上存在する欠点を鑑み、これらの欠点を解決した一種の燃料電池構造を提供しており、すなわち、本発明は、一種の燃料電池構造を提供し、それは、超音波溶接手段により膜電極アセンブリを陰極チャネル板と陽極チャネル板の間に固定した構造である。
図１、２、３に示されるように、本発明の燃料電池構造１は、膜電極アセンブリ１０、陰極チャネル板１２と陽極チャネル板１３を包含する。組立時には、上から下に、陰極チャネル板１２、膜電極アセンブリ１０、陽極チャネル板１３の順となるように重ね合わせ、超音波溶接手段を利用し、陰極チャネル板１２、膜電極アセンブリ１０及び陽極チャネル板１３を溶接して単片構造となす。以下これらの部品について詳細に説明する。
図４に示されるように、膜電極アセンブリ１０は少なくとも一つ以上の膜電極セット１０１、上框板１０２、下框板１０３を包含し、且つこれらの膜電極セット１０１は上框板１０２と下框板１０３の間に設置され、及び上框板１０２と下框板１０３には超音波溶接手段により溶融する材料が使用される。
上框板１０２に少なくとも一つの第１開口１０２１が設置され、下框板１０３にも少なくとも一つの第２開口１０３１が設置され、これら第１開口１０２１と第２開口１０３１はそれぞれ対向する。該第１開口１０２１と第２開口１０３１の形状は四角形とされ得るが、これに限定されるものではない。
膜電極セット１０１には直接周知の膜電極を採用可能であり、例えばダイレクトメタノール燃料電池の膜電極セット、或いはプロトン交換膜を包含する膜電極セットを包含する。本発明は直接周知の膜電極セットに係る製造技術を採用し、プロトン交換膜１０１１の上、下表面に、それぞれ陽極と陰極を形成し、膜電極セット１０１を獲得する。同時に、プロトン交換膜１０１１の面積の大きさは第１開口１０２１と第２開口１０３１の面積よりやや大きい。上框板１０２と膜電極セット１０１及び下框板１０３は接着剤或いは超音波溶接手段により接合する。
図５を参照されたい。陰極チャネル板１２は、板体１２１、流入チャネル構造１２２、少なくとも一つの溝体１２３、流出チャネル構造１２４、第１開放エリア１２５及び第２開放エリア１２６を包含する。
板体１２１の材料は超音波溶接手段で溶融可能な材料とされ、このような材料として、ポリスチレン（ＰＳ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、 ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリビニル系樹脂、ポリスルホン（ＰＳＵ）等のうちの一種類の材料とされる。
上述の流入チャネル構造１２２、溝体１２３、及び流出チャネル構造１２４、第１開放エリア１２５、第２開放エリア１２６等は板体１２１の上表面に設置され、片面陰極チャネル板１２を形成する。なお、上述の流入チャネル構造１２２、溝体１２３、流出チャネル構造１２４、第１開放エリア１２５、第２開放エリア１２６を板体１２１の上表面と下表面に同時に設置すれば、両面陰極チャネル板１２が形成される。
流入チャネル構造１２２はこれら溝体１２３に接続される。流入チャネル構造１２２の入口エリアには板体１２１の表面に下向きに凹設された凹溝構造が採用され、また、流入チャネル構造１２２とこれら溝体１２３の接続するエリアには開放構造が採用され、すなわち、接続エリアが占用する板体１２１表面が予め開放されている。
これらの溝体１２３は板体１２１に配列設置され、且つ各溝体１２３の設置位置は各膜電極セット１０１の陰極の設置位置に対応する。これら溝体１２３を実現する具体的手段として、板体１２１の表面より下向きに複数本の且つ平行な溝を凹設する。
これら溝体１２３に集電機能を具備させるため、各溝体１２３の表面を一層の導電層（図示せず）で被覆可能で、例えば一層の、金を包含する導電塗料で被覆する。或いは各溝体１２３の表面に一枚の集電板１４を、図６のように設置する。
外部の陰極燃料（例えば空気）を、流入チャネル構造１２２より陰極チャネル板１２の内部に流入させた後、陰極燃料は各溝体１２３へと流入し、最後に各膜電極セット１０１の陰極に流入する。更に、各膜電極セット１０１の陰極が電気化学反応後に生成する陰極生成物（例えば水）は、各溝体１２３に流入し、最後に、陰極生成物及び余剰の陰極燃料が流出チャネル構造１２４へと流入する。
流出チャネル構造１２４は板体１２１に設置され、且つこれら溝体１２３に接続される。流出チャネル構造１２４には複数本の且つ平行な溝が採用され、且つこれら溝は溝体１２３と接続される。陰極生成物及び余剰の陰極燃料は流出チャネル構造１２４へと流れ、陰極チャネル板１２の外部に流出する。
図７を参照されたい。本発明の陽極チャネル板１３は、板体１３１、分流部１３２、流入チャネル構造１３３、少なくとも一つの溝体１３４、流出チャネル構造１３５、及び流出孔１３６を包含する。以下にそれぞれの部品について詳細に説明する。
板体１３１の材料は上述の陰極チャネル板１２の材料を参照されたい。このため重複した説明は行わない。
上述の分流部１３２、流入チャネル構造１３３、溝体１３４、流出チャネル構造１３５及び流出孔１３６は板体１３１の上表面に設置されて、片面陽極チャネル板１３が形成される。なお、上述の分流部１３２、流入チャネル構造１３３、溝体１３４、流出チャネル構造１３５及び流出孔１３６は板体１３１の上表面と下表面に共に設置可能で、これにより両面陽極チャネル板１３が形成される。
分流部１３２は板体１３１の一つの側辺に設置される。該板体１３１の小部分の面積に開放エリアが凹設されて、分流部１３２が形成される。分流部１３２の開放エリアは流入した陽極燃料（例えばメタノール水溶液）を収容可能で、流入した陽極燃料は分流部１３２に充満した後、流入チャネル構造１３３へと流入する。
流入チャネル構造１３３は分流部１３２とこれら溝体１３４の間を接続する。流入チャネル構造１３３を実現する具体的手段として、板体１３１の表面に複数本の溝が凹設され、且つこれら複数本の溝の同一方向の末端が分流部１３２に接続され、また、これら複数の溝の別方向の末端が溝体１３４に接続される。流入チャネル構造１３３には等流量の設計が採用され、こうして分流部１３２からの陽極燃料がこれら複数の溝体を流れ、各溝体１３４の末端から流出する陽極燃料の流出量は等しい流出量とされる。
これら溝体１３４は板体１３１に配列され、各溝体１３４の設置位置は各膜電極セット１０１の陽極の設置位置に対応し、これら溝体１３４を実現する具体的手段として、板体１３１の表面に下向きに複数本の且つ平行な溝が凹設される。流入チャネル構造１３３からの陽極燃料はそれぞれ各溝体１３４に流入した後、さらに各膜電極セット１０１の陽極に流入する。さらに、各膜電極セット１０１の陽極が電気化学反応により生成した陽極生成物は、各溝体１３４に流入し、最後に、陽極生成物及び余剰の陽極燃料は流出チャネル構造１３５に流入する。
これら溝体１３４にさらに集電機能を具備させるため、各溝体１３４の表面を一層の導電層（図示せず）で被覆可能で、例えば一層の、金を包含する導電塗料で被覆する。或いは各溝体１３４の表面に一枚の集電板１４を、図８のように設置する。
流出チャネル構造１３５はこれら溝体１３４と流出孔１３６の間を接続する。溝体１３４に接続される一部の流入チャネル構造１３３の設計には溝構造が採用され、溝構造の具体的手段として板体１３１の表面より下向きに１本或いはそれ以上の凹溝が凹設される。流出孔１３６に近接する流出チャネル構造１３５の設計には凹部構造が採用され、その具体的手段として板体１３１の表面より下向きに１本或いはそれ以上のストライプ状エリアが凹設される。
一部の流出チャネル構造１３５にストライプ状孔構造の設計を採用することにより、出口チャネルを拡大して、陽極チャネル板１３の内部圧力を低くする。これにより陽極生成物、例えば二酸化炭素或いは気泡が順調に流出孔１３６へと排出され、流出チャネル構造１３５中に滞留しない。
流出孔１３６は板体１３１の一つの側辺に設置され、且つ流出チャネル構造１３５と接続される。流出孔１３６を実現する具体的手段として、板体１３１の一部分の面積に開放エリアが凹設される。流出孔１３６の設置位置は板体１３１の、分流部１３２と同一の側辺を選択可能である。流出チャネル構造１３５からの陽極生成物及び余剰の陽極燃料は流出孔１３６を通り陽極チャネル板１３より流出する。
上述の集電片１４の材料は導電材料とされ、且つ抗腐蝕及び又は防酸の抗化性材料、例えばステンレス、金箔、チタン、グラファイト、炭素金属化合物、金属合金及び低抵抗の高分子導電片等のうちの一種類とされる。集電片１４に採用される具体的構造は溝体１２３、１３４の具体的構造により定まる。
本発明で使用する超音波溶接手段には周知の超音波溶接手段を採用可能であり、例えば、超音波で毎秒１万回（１０ＫＨＺ）から毎秒２万回（２０ＫＨＺ）の振動周波数で、時間は０．１秒から３０秒として、陰極チャネル板１２を膜電極アセンブリ１０の上框板１０２に接合し、並びに陽極チャネル板１３を膜電極アセンブリ１０の下框板１０３に接合し、こうして単片構造の燃料電池を形成する。超音波を陰極チャネル板１２の上框板１０２との接合エリアと陽極チャネル板１３と下框板１０３の接合エリアにそれぞれ印加し、これらの接合エリアの所在位置は図９の斜線で示されるエリアの所在位置により了解される。
本発明は超音波溶接手段を採用して膜電極アセンブリ、陰極チャネル板及び陽極チャネル板を接合する。本発明の燃料電池構造は新規な方法により構成され、この特徴は本発明の長所とされる。
本発明の好ましい実施例の燃料電池構造の構造表示図である。 図１の燃料電池構造の立体分解図である。 図１の燃料電池構造の別角度から見た立体分解図である。 本発明の好ましい実施例の膜電極アセンブリの立体分解図である。 本発明の好ましい実施例の陰極チャネル板の立体図である。 本発明の図５の陰極チャネル板に集電片を設けた立体図である。 本発明の好ましい実施例の陽極チャネル板の立体図である。 本発明の図７の陽極チャネル板に集電片を設けた立体図である。 本発明の好ましい実施例の超音波接合エリアの表示図である。
符号の説明
１ 燃料電池構造
１０ 膜電極アセンブリ
１０１ 膜電極セット １０１１ プロトン交換膜
１０２ 上框板 １０２１ 第１開口
１０３ 下框板 １０３１ 第２開口
１２ 陰極チャネル板
１２１ 板体 １２２ 流入チャネル構造
１２３ 溝体
１２４ 流出チャネル構造 １２５ 第１開放エリア
１２６ 第２開放エリア
１３ 陽極チャネル板
１３１ 板体 １３２ 分流部
１３３ 流入チャネル構造 １３４ 溝体
１３５ 流出チャネル構造 １３６ 流出孔
１４ 集電片

Claims (20)

  1. 燃料電池構造において、
    膜電極アセンブリであって、少なくとも一つの膜電極セット、上框板、下框板を包含し、これら膜電極セットが該上框板と該下框板の間に設けられ、該上框板と該下框板の材料が超音波溶接手段により溶融する材料とされた、上記膜電極アセンブリと、
    陰極チャネル板であって、板体構造であり且つ該膜電極アセンブリの該上框板に接合され、該陰極チャネル板の板体の材料は超音波溶接手段により溶融する材料とされる、上記陰極チャネル板と、
    陽極チャネル板であって、板体構造であり且つ該膜電極アセンブリの該下框板に接合され、該陽極チャネル板の板体の材料は超音波溶接手段により溶融する材料とされる、上記陰極チャネル板と、
    を包含し、該陰極チャネル板、これら膜電極アセンブリ、該陽極チャネル板が上から下に重なるように超音波溶接手段により接合されて単片構造とされたことを特徴とする、燃料電池構造。
  2. 請求項１記載の燃料電池構造において、該膜電極アセンブリの該上框板が少なくとも一つの第１開口を具え、該下框板がそれぞれ該第１開口に対応する少なくとも一つの第２開口を具え、これら膜電極セットが該上框板と該下框板の間にあってこれら第１開口とこれら第２開口の間に対応する位置に設けられたことを特徴とする、燃料電池構造。
  3. 請求項１記載の燃料電池構造において、該陰極チャネル板は、チャネル構造を具え、該チャネル構造は該板体に設置され、該チャネル構造は少なくとも一つの溝体を具え、該溝体の設置位置は各膜電極セットの電極の設置位置に対応し、該陰極チャネル板は超音波溶接手段で該膜電極アセンブリの該上框板に接合されることを特徴とする、燃料電池構造。
  4. 請求項１記載の燃料電池構造において、該陽極チャネル板は、チャネル構造を具え、該チャネル構造は該板体に設置され、該チャネル構造は少なくとも一つの溝体を具え、該溝体の設置位置は各膜電極セットの電極の設置位置に対応し、該陽極チャネル板は超音波溶接手段で該膜電極アセンブリの該下框板に接合されることを特徴とする、燃料電池構造。
  5. 請求項３記載の燃料電池構造において、該陰極チャネル板のこれら溝体にそれぞれ設置された集電片を更に包含したことを特徴とする、燃料電池構造。
  6. 請求項４記載の燃料電池構造において、該陽極チャネル板のこれら溝体にそれぞれ設置された集電片を更に包含したことを特徴とする、燃料電池構造。
  7. 請求項３記載の燃料電池構造において、該陰極チャネル板のこれら溝体の表面がそれぞれ一層の導電層で被覆されたことを特徴とする、燃料電池構造。
  8. 請求項４記載の燃料電池構造において、該陽極チャネル板のこれら溝体の表面がそれぞれ一層の導電層で被覆されたことを特徴とする、燃料電池構造。
  9. 請求項１記載の燃料電池構造において、該上框板の材料が、ポリスチレン（ＰＳ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、 ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリビニル系樹脂、ポリスルホン（ＰＳＵ）のうちの一種類の材料とされることを特徴とする、燃料電池構造。
  10. 請求項１記載の燃料電池構造において、該下框板の材料が、ポリスチレン（ＰＳ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、 ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリビニル系樹脂、ポリスルホン（ＰＳＵ）のうちの一種類の材料とされることを特徴とする、燃料電池構造。
  11. 請求項１記載の燃料電池構造において、該陰極チャネル板の材料が、ポリスチレン（ＰＳ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、 ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリビニル系樹脂、ポリスルホン（ＰＳＵ）のうちの一種類の材料とされることを特徴とする、燃料電池構造。
  12. 請求項１記載の燃料電池構造において、該陽極チャネル板の材料が、ポリスチレン（ＰＳ）、シンジオタクチックポリスチレン（ＳＰＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、アクリロニトリル-ブタジエン-スチレン（ＡＢＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、 ポリフェニレンスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリビニル系樹脂、ポリスルホン（ＰＳＵ）のうちの一種類の材料とされることを特徴とする、燃料電池構造。
  13. 請求項３記載の燃料電池構造において、該陰極チャネル板の溝体が複数本の且つ平行な溝で構成されたことを特徴とする、燃料電池構造。
  14. 請求項４記載の燃料電池構造において、該陽極チャネル板の溝体が複数本の且つ平行な溝で構成されたことを特徴とする、燃料電池構造。
  15. 請求項５記載の燃料電池構造において、該集電片の材料がステンレス、金箔、チタン、グラファイト、炭素金属化合物、金属合金及び低抵抗の高分子導電片等のうちの一種類とされたことを特徴とする、燃料電池構造。
  16. 請求項６記載の燃料電池構造において、該集電片の材料がステンレス、金箔、チタン、グラファイト、炭素金属化合物、金属合金及び低抵抗の高分子導電片等のうちの一種類とされたことを特徴とする、燃料電池構造。
  17. 請求項１記載の燃料電池構造において、該陰極チャネル板が片面陰極チャネル板とされたことを特徴とする、燃料電池構造。
  18. 請求項１記載の燃料電池構造において、該陰極チャネル板が両面陰極チャネル板とされたことを特徴とする、燃料電池構造。
  19. 請求項１記載の燃料電池構造において、該陽極チャネル板が片面陽極チャネル板とされたことを特徴とする、燃料電池構造。
  20. 請求項１記載の燃料電池構造において、該陽極チャネル板が両面陽極チャネル板とされたことを特徴とする、燃料電池構造。
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