JP4996061B2 - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents

Description

本発明は、パッシブ型の固体高分子形燃料電池に関し、特に電圧損失を軽減し、出力を向上する電池構造を有するものに関する。

パッシブ型の固体高分子形燃料電池は、メタノール等の液体燃料と空気（酸化剤）とを電解質膜を介して化学反応させることで電力を得る電池部と、電子回路部品を有し電池部の起電動作を制御する発電制御部とを一体に備えている装置である。

図１０は、固体高分子形燃料電池の基本構造を模式的に示す断面図である。液体燃料は、供給部１０１を通して燃料を保持する保液シート１０２に燃料を保持されている。保液シート１０２の直上には、多孔質の性質を備えた膜１０３があり、これら層を通して、各起電部１０８内に燃料が取り込まれる。起電部１０８は、燃料極１０５と空気極（酸化剤極）１０７及びこれら両電極にはさまれた電解質板１０６で構成される。また外気からは、吸気口１０４ａを設けたカバー１０４及び多孔質の保湿シート１０９を介して、空気極１０７に空気が取り込まれる。このようにして燃料と酸素を反応させ電力を得る構造となっている。

例えば、燃料極、空気極、電解質板を持つ単電池を複数積層したスタック構造を具備し、燃料として用いる液体燃料を毛管力で各単電池内に導入するという燃料電池の基本特許が開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、燃料や水分から燃料電池制御部の回路基板を確実に保護することができる装置構造が提供されている（例えば、特許文献２参照）。なお、スタック構造としては、例えば図１１〜図１３に示すようなものが知られている。図１１中１１０はセパレータ、図１２，１０中１１１はインターコネクトを示している。
特開２０００−１０６２０１号公報 特開２００４−０７１２５９号公報

上述したパッシブ型の固体高分子形燃料電池では、次のような問題があった。すなわち、保液シート１０２に燃料を保持させる構造を有しているが、燃料供給部１０１は、必ずしも保液シート１０２の中央に設けられるわけではなく、むしろ装置構造上の他の制約により保液シート１０２の端に設けられることが多い。このような場合、拡散現象により液体燃料の保液シート１０２内で濃度勾配が発生する。保液シート１０２の中で濃度のばらつきがあると、そこから各起電部１０８に導入される燃料濃度にばらつきが発生してしまう。

もし、適正な燃料よりも多く燃料が供給されてしまうと、燃料極１０５で反応しきれなかった燃料が電解質板１０６を通過して空気極１０７側に移動する。このような現象が起きると、燃料が発電に用いられないため無駄になるばかりか、空気極１０７の触媒表面積を低減させるため、電圧損失が生じてしまう。

一方、燃料が過度に少ない場合、反応を起こすエネルギが多くなり、このための燃料極１０５での電圧損失（活性化分極）が大きくなる。その他に、カバー１０４の吸気口１０４ａの寸法や配置により空気供給が少ない場合には、空気極１０７での電圧損失（活性化分極）が大きくなる。

そこで本発明は、各燃料極、酸化剤極セルに対し適正な濃度の燃料や酸化剤を供給することで、電圧損失を防止し、出力を向上するとともに、燃料消費量を抑えることができる固体高分子形燃料電池を提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の固体高分子形燃料電池は次のように構成されている。

（１）電解質膜を複数の燃料極及びこれら複数の燃料極にそれぞれ対向配置された複数の酸化剤極とで挟んで形成され電力を発生する起電部と、上記起電部の上記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、上記起電部の上記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するガス供給部と、上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極のうち、相対向しない燃料極及び酸化剤極とを電気的に結合する結合部材とを備え、上記複数の燃料極は、それぞれ複数の相互に並列結線された分割アノードを有するとともに、１の燃料極の分割アノード相互間に、他の燃料極の分割アノードが配置され、上記複数の酸化剤極は、それぞれ複数の相互に並列結線された分割カソードを有するとともに、１の酸化剤極の分割カソード相互間に、他の酸化剤極の分割カソードが配置されていることを特徴とする。

（２）前記（１）に記載された固体高分子形燃料電池であって、上記分割アノード及び上記分割カソードは、上記液体燃料又は上記酸化剤ガスの通流方向に交差する方向に分割されていることを特徴とする。

（３）電解質膜を複数の燃料極及びこれら複数の燃料極にそれぞれ対向配置された複数の酸化剤極とで挟んで形成され電力を発生する起電部と、上記起電部の上記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、上記起電部の上記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するガス供給部と、上記起電部で発生した電力を外部に導電する出力部と、上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極のうち、相対向しない燃料極及び酸化剤極とを電気的に結合する結合部材とを備え、上記複数の燃料極は、上記電解質膜の面方向に離間した複数の相互に接続された分割アノード領域を有し、１の燃料極の分割アノード領域相互間に、他の燃料極の分割アノード領域が配置され、上記複数の酸化剤極は、上記電解質膜の面方向に離間した複数の相互に接続された分割カソード領域を有し、１の酸化剤極の分割カソード領域相互間に、他の酸化剤極の分割カソード領域が配置されていることを特徴とする。

（３−１）前記（３）に記載された固体高分子形燃料電池であって、上記分割アノード領域及び上記分割カソード領域は、上記液体燃料又は上記酸化剤ガスの通流方向に交差する方向に離間していることを特徴とする。

（４）電解質膜を複数の燃料極及びこれら複数の燃料極にそれぞれ対向配置された複数の酸化剤極とで挟んで形成され電力を発生する起電部と、上記起電部の上記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、上記起電部の上記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するガス供給部と、上記起電部で発生した電力を外部に導電する出力部と、上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極のうち、相対向しない燃料極及び酸化剤極とを電気的に結合する結合部材とを備え、上記複数の燃料極は、上記電解質膜の面方向であって、かつ、異なる２方向に延設された複数の分割アノード部位を有し、少なくとも１方向に延設された分割アノード部位は、上記液体燃料の通流方向に沿って配置され、上記複数の酸化剤極は、上記電解質膜の面方向であって、かつ、異なる方向に延設された複数の分割カソード部位を有し、少なくとも１方向に延設された分割カソード部位は、上記酸化剤の通流方向に沿って配置されていることを特徴とする。

（５）電解質膜を複数の燃料極及びこれら複数の燃料極にそれぞれ対向配置された複数の酸化剤極とで挟んで形成され電力を発生する起電部と、上記起電部の上記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、上記起電部の上記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するガス供給部と、上記起電部で発生した電力を外部に導電する出力部と、上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極のうち、相対向しない燃料極及び酸化剤極とを電気的に結合する結合部材とを備え、上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極は、上記電解質膜の面方向であって、かつ、上記液体燃料又は上記酸化剤の通流方向に沿って配置され、その間隔が上記所定の一方向に沿って漸次短くなるように配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、各セルに対し適正な濃度の燃料や酸化剤を供給することができるため、電圧損失を防止でき、出力が向上するとともに、燃料消費量を抑えることが可能となる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子形の燃料電池１０を模式的に示す断面図である。燃料電池１０は、起電部２０と、この起電部２０の図１中下側に設けられた液体燃料供給部５０と、起電部２０の図１中上側に設けられた酸化剤供給部６０とが積層配置されて構成されている。

起電部２０は、電解質板２１と、この電解質板２１を複数の燃料極（アノード）３０〜３２と、複数の空気極（酸化剤極／カソード）４０〜４２とで挟んで構成されている。燃料極３０〜３２は、それぞれ３つの分割アノード３０ａ〜３０ｃ、３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃとを備えている。また、空気極４０〜４２は、それぞれ３つの分割カソード４０ａ〜４０ｃ、４１ａ〜４１ｃ、４２ａ〜４２ｃとを備えている。また、各セルは、燃料や酸化剤ガスを流通させると共に電子を通すように、導電性の多孔質体で形成されている。

液体燃料供給部５０は、導入された液体燃料を気化させて燃料を気体の形で燃料極３０〜３２に供給する多孔質膜５１と、この多孔質膜５１に液体燃料を毛管力で導入するための保液シート５２と、この保液シート５２に液体燃料を供給する液体燃料導入口５３とを備えている。酸化剤供給部６０は、空気極４０〜４２側に設けられた保湿シート６１と、この保湿シート６１に重ねて配置されたカバー部材６２とを備えている。カバー部材６２には、吸気孔６３が設けられている。

分割アノード３０ａ〜３０ｃ、３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃ及び分割カソード４０ａ〜４０ｃ、４１ａ〜４１ｃ、４２ａ〜４２ｃは、図２に示すように結線されている。すなわち、各燃料極３０〜３２における分割アノード３０ａ〜３０ｃ、３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃはそれぞれ並列に接続されている。また、各空気極４０〜４２における分割カソード４０ａ〜４０ｃ、４１ａ〜４１ｃ、４２ａ〜４２ｃはそれぞれ並列に接続されている。

さらに、分割アノード３０ｂと分割カソード４１ｂ、分割アノード３１ｂと分割カソード４２ｂがインターコネクト（結合部材）７０を介して直列に接続されている。すなわち、相対向しない燃料極３０〜３２及び空気極４０〜４２同士に直列に結合されていることとなる。

このように構成された燃料電池１０においては、次のように作用する。なお、図２中矢印αは液体燃料の通流方向を示しており、進むにつれて燃料濃度が低くなる傾向にある。液体燃料導入口５３から液体燃料が供給されると、保液シート５２内を毛細管現象によって拡がってゆく。さらに、多孔質膜５１により燃料は気化されて各燃料極３０〜３２に供給されることとなる。このとき、多孔質膜５１や保液シート５２内で燃料の濃度勾配が発生し、液体燃料導入口５３により近い側の燃料濃度が高くなる傾向にあるが、上述したように、各燃料極３０〜３２は、電解質膜２１の平面方向に沿って分散配置されているため、燃料濃度が均一化され、燃料の過不足が生じにくい。このため、電圧損失が発生せず、各セルにおいて最大の起電力を発生させることが可能となる。

図３は、上述したような分散配置をしなかった比較例と、本実施の形態における実施例１とを比較して示すものである。３つのセル１〜３を用いた場合、比較例では、十分な濃度で燃料が供給されているセル１，２では発電量が多く、燃料の不足により電圧損失が発生したセル３では発電量が少ない。これに対し、実施例１に示すように、全てのセル１〜３に適切な濃度で燃料が供給された場合、各セル１〜３では適切な発電が行われる。このため、実施例１は比較例に対して出力を向上させることが可能となる。また、燃料の過剰供給も防止することが可能となる。

上述したように、本第１の実施の形態に係る燃料電池１０においては、各燃料極３０〜３２及び空気極４０〜４２に対し適正な濃度の燃料を供給することができるため、電圧損失を防止でき、出力が向上するとともに、燃料消費量を抑えることが可能となる。

図４は本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子形の燃料電池１０における燃料極３０，３１及び空気極４０，４１の形状及び配置を模式的に示す説明図である。図４において図１，図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本第２の実施の形態においては、各燃料極３０，３１は、電解質膜２１の面方向に離間した複数の分割アノード領域３０ｄ，３０ｅ及び３１ｄ，３１ｅを有し、燃料極３０の分割アノード領域３０ｄ，３０ｅ相互間に、燃料極３１の分割アノード領域３１ｄが配置される関係にある。

同様に、各空気極４０，４１は、電解質膜２１の面方向に離間した複数の分割カソード領域４０ｄ，４０ｅ及び４１ｄ，４１ｅを有し、空気極４０の分割アノード領域４０ｄ，４０ｅ相互間に、空気極４１の分割アノード領域４１ｄが配置される関係にある。

本第２の実施の形態に係る燃料電池においても、各燃料極３０，３１及び空気極４０，４１に対し供給される燃料の濃度が均一化されるため、適切な量を供給することができ、電圧損失を防止でき、出力が向上するとともに、燃料消費量を抑えることが可能となる。

図５は、上述した燃料極３０，３１及び空気極４０，４１の形状及び配置の変形例を示す説明図である。すなわち、本変形例においては、各燃料極３０，３１は、電解質膜２１の面方向に離間した複数の分割アノード領域３０ｄ，３０ｅ及び３１ｄ，３１ｅを有し、燃料極３０の分割アノード領域３０ｄ，３０ｅ相互間に、燃料極３１の分割アノード領域３１ｄ，３１ｅが配置される関係にある。

同様に、各空気極４０，４１は、電解質膜２１の面方向に離間した複数の分割カソード領域４０ｄ，４０ｅ及び４１ｄ，４１ｅを有し、空気極４０の分割アノード領域４０ｄ，４０ｅ相互間に、空気極４１の分割アノード領域４１ｄ，４１ｅが配置される関係にある。

本変形例においても、各燃料極３０，３１及び空気極４０，４１に対し供給される燃料の濃度が均一化されるため、適切な量を供給することができ、電圧損失を防止でき、出力が向上するとともに、燃料消費量を抑えることが可能となる。

図６は本発明の第３の実施の形態に係る固体高分子形の燃料電池１０における燃料極３０〜３３及び空気極４０〜４３の形状及び配置を模式的に示す説明図である。図６において図１，図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本第３の実施の形態においては、各燃料極３０〜３３は、電解質膜２１の面方向であって、かつ、異なる２方向に延設された複数の分割アノード部位３０ｆ，３０ｇ、３１ｆ，３１ｇ、３２ｆ，３２ｇ、３３ｆ，３３ｇを有し、そのうち１方向に延設された分割アノード部位３１ｆ，３２ｇ，３３ｆ，３０ｇは、液体燃料の通流方向αに沿って配置されている。

同様に、各空気極４０〜４３は、電解質膜２１の面方向であって、かつ、異なる２方向に延設された複数の分割カソード部位４０ｆ，４０ｇ、４１ｆ，４１ｇ、４２ｆ，４２ｇ、４３ｆ，４３ｇを有し、そのうち１方向に延設された分割アノード部位４１ｆ，４２ｇ，４３ｆ，４０ｇは、液体燃料の通流方向αに沿って配置されている。

本第３の実施の形態に係る燃料電池においても、各燃料極３０〜３３及び空気極４０〜４３に対し供給される燃料が均一化あるいは燃料のばらつきを小さくできるため、適切な量を供給することができ、電圧損失を防止でき、出力が向上するとともに、燃料消費量を抑えることが可能となる。

図７は、上述した燃料極３０〜３３及び空気極４０〜４３の変形例を示す説明図である。本変形例においては、各燃料極３０〜３３及び空気極４０〜４３の配置は図６と同様であるが、液体燃料が各燃料極３０〜３３の中央に供給されることから、通流方向αは放射状となる。

本変形例においては、各燃料極３０〜３３及び空気極４０〜４３に対し供給される燃料をさらに均一化することにより、燃料のばらつきを小さくできる。したがって、適切な量を供給することができ、電圧損失を防止でき、出力が向上するとともに、燃料消費量を抑えることが可能となる。

図８は本発明の第４の実施の形態に係る固体高分子形の燃料電池１０における電解質膜２１、燃料極３０〜３６及び空気極４０〜４６の形状及び配置を模式的に示す説明図である。図８において図１，図２と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本第４の実施の形態においては、各燃料極３０〜３６は、電解質膜２１の面方向であって、かつ、燃料の通流方向αに沿って順次配置されている。また、各燃料極３０〜３６の間隔は、燃料濃度が濃い部分では密に、燃料濃度が低い部分では疎となるように配置されている。各空気極４０〜４６は、上述した燃料極３０〜３６に対向配置されている。

このため、供給される燃料の多い部分では、多数の燃料極及び空気極により燃料を十分に供給し、供給される燃料が少ない部分では、少数燃料極及び空気極により燃料を十分に供給できるようにした。

本第４の実施の形態に係る燃料電池においても、各燃料極３０〜３３及び空気極４０〜４３に対し供給される燃料や酸化剤の濃度が均一化されるため、適切な量を供給することができ、電圧損失を防止でき、出力が向上するとともに、燃料消費量を抑えることが可能となる。

図９は、上述した電解質膜２１、燃料極３０〜３３及び空気極４０〜４３の変形例を示す説明図である。本変形例においては、各燃料極３０〜３３は、電解質膜２１の面方向であって、かつ、燃料の通流方向αに沿って順次配置されている。また、各燃料極３０〜３３のそれぞれの長さは、燃料濃度が濃い部分では長く、燃料濃度が低い部分では短くなるように配置されている。各空気極４０〜４３は、上述した燃料極３０〜３３に対向配置されている。

このため、供給される燃料の多い部分では、大面積の燃料極及び空気極により燃料を十分に供給し、供給される燃料が少ない部分では、小面積の燃料極及び空気極により燃料を十分に供給できるようにした。

本変形例においても、各燃料極３０〜３３及び空気極４０〜４３に対し供給される燃料の濃度が均一化されるため、適切な量を供給することができ、電圧損失を防止でき、出力が向上するとともに、燃料消費量を抑えることが可能となる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子形の燃料電池を模式的に示す断面図。 同燃料電池に組み込まれた燃料極及び空気極の分割アノード及び分割カソードの構成を模式的に示す説明図。 同燃料電池における起電力を比較するための説明図。 本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子形の燃料電池に組み込まれた燃料極及び空気極の構成を模式的に示す説明図。 同燃料極及び空気極の変形例を示す説明図。 本発明の第３の実施の形態に係る固体高分子形の燃料電池に組み込まれた燃料極及び空気極の構成を模式的に示す説明図。 同燃料極及び空気極の変形例を示す説明図。 本発明の第４の実施の形態に係る固体高分子形の燃料電池に組み込まれた燃料極及び空気極の構成を模式的に示す説明図。 同燃料極及び空気極の変形例を示す説明図。 固体高分子形の燃料電池の一例を示す断面図。 固体高分子形の燃料電池のスタック構造の一例を模式的に示す説明図。 固体高分子形の燃料電池のスタック構造の一例を模式的に示す説明図。 固体高分子形の燃料電池のスタック構造の一例を模式的に示す説明図。

符号の説明

１０…燃料電池、２０…起電部、２１…電解質板、３０〜３６…燃料極（アノード）、３０ａ〜３０ｃ、３１ａ〜３１ｃ、３２ａ〜３２ｃ…分割アノード、３０ｄ，３０ｅ、３１ｄ，３１ｅ…分割アノード領域、３０ｆ，３０ｇ、３１ｆ，３１ｇ、３２ｆ，３２ｇ、３３ｆ，３３ｇ…分割アノード部位、４０〜４６…空気極（カソード）、４０ａ〜４０ｃ、４１ａ〜４１ｃ、４２ａ〜４２ｃ…分割カソード、４０ｄ，４０ｅ、４１ｄ，４１ｅ…分割カソード領域、４０ｆ，４０ｇ、４１ｆ，４１ｇ、４２ｆ，４２ｇ、４３ｆ，４３ｇ…分割カソード部位、５０…液体燃料供給部、５１…多孔質膜、５２…保液シート、６０…酸化剤供給部６１…保湿シート、６２…カバー部材、６３…吸気孔。

Claims (5)

1. 電解質膜を複数の燃料極及びこれら複数の燃料極にそれぞれ対向配置された複数の酸化剤極とで挟んで形成され電力を発生する起電部と、
   上記起電部の上記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
   上記起電部の上記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するガス供給部と、
   上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極のうち、相対向しない燃料極及び酸化剤極とを電気的に結合する結合部材とを備え、
   上記複数の燃料極は、それぞれ複数の相互に並列結線された分割アノードを有するとともに、１の燃料極の分割アノード相互間に、他の燃料極の分割アノードが配置され、
   上記複数の酸化剤極は、それぞれ複数の相互に並列結線された分割カソードを有するとともに、１の酸化剤極の分割カソード相互間に、他の酸化剤極の分割カソードが配置されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
2. 上記分割アノード及び上記分割カソードは、上記液体燃料又は上記酸化剤ガスの通流方向に交差する方向に分割されていることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池。
3. 電解質膜を複数の燃料極及びこれら複数の燃料極にそれぞれ対向配置された複数の酸化剤極とで挟んで形成され電力を発生する起電部と、
   上記起電部の上記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
   上記起電部の上記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するガス供給部と、
   上記起電部で発生した電力を外部に導電する出力部と、
   上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極のうち、相対向しない燃料極及び酸化剤極とを電気的に結合する結合部材とを備え、
   上記複数の燃料極は、上記電解質膜の面方向に離間した複数の相互に接続された分割アノード領域を有し、１の燃料極の分割アノード領域相互間に、他の燃料極の分割アノード領域が配置され、
   上記複数の酸化剤極は、上記電解質膜の面方向に離間した複数の相互に接続された分割カソード領域を有し、１の酸化剤極の分割カソード領域相互間に、他の酸化剤極の分割カソード領域が配置されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
4. 電解質膜を複数の燃料極及びこれら複数の燃料極にそれぞれ対向配置された複数の酸化剤極とで挟んで形成され電力を発生する起電部と、
   上記起電部の上記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
   上記起電部の上記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するガス供給部と、
   上記起電部で発生した電力を外部に導電する出力部と、
   上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極のうち、相対向しない燃料極及び酸化剤極とを電気的に結合する結合部材とを備え、
   上記複数の燃料極は、上記電解質膜の面方向であって、かつ、異なる２方向に延設された複数の分割アノード部位を有し、少なくとも１方向に延設された分割アノード部位は、上記液体燃料の通流方向に沿って配置され、
   上記複数の酸化剤極は、上記電解質膜の面方向であって、かつ、異なる方向に延設された複数の分割カソード部位を有し、少なくとも１方向に延設された分割カソード部位は、上記酸化剤の通流方向に沿って配置されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
5. 電解質膜を複数の燃料極及びこれら複数の燃料極にそれぞれ対向配置された複数の酸化剤極とで挟んで形成され電力を発生する起電部と、
   上記起電部の上記燃料極に液体燃料を供給する液体燃料供給部と、
   上記起電部の上記酸化剤極に酸化剤ガスを供給するガス供給部と、
   上記起電部で発生した電力を外部に導電する出力部と、
   上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極のうち、相対向しない燃料極及び酸化剤極とを電気的に結合する結合部材とを備え、
   上記複数の燃料極及び上記複数の酸化剤極は、上記電解質膜の面方向であって、かつ、上記液体燃料又は上記酸化剤の通流方向に沿って配置され、その間隔が上記所定の一方向に沿って漸次短くなるように配置されていることを特徴とする固体高分子形燃料電池。

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