JP4820537B2 - 燃料電池およびその駆動システム - Google Patents

Description

本発明は、電気化学的な反応を利用した固体高分子型燃料電池に関し、特に、教材や初期的研究に用いるための燃料電池およびその駆動システムに関する。

従来、この種の固体高分子型燃料電池について、ガス拡散性で電子伝導率を有する電極を固体高分子電解質膜の両面に配置した単電池と、一面に酸化ガス流路が設けられ、他面に燃料ガス流路が設けられたガス流路セパレータとを交互に複数積層した積層体から構成している。また、燃料電池の研究や試験においては、単セルを用いて、各種の電解質の膜を交換したり、セパレータの流路を変えたりして試験を行っている。また、この発明の出願者による使い勝手の良い試験用の燃料電池も提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特願２００１−２１１７９２号 （第５―６頁、第１−４図）

しかし、上記の最初の従来の単セルを用いる場合、多くの部品点数を必要とすることなどで高価であり、特に学習用教材に用いようとする場合、使用が経済的に困難である。また、上記の特許文献で提案されているものは、相当に改良されているが、さらなる改良が要求されている。

本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、従来のものに比較して必要な部品の数をできるだけ少なくしつつ組立および分解を容易にすることで、使い勝手よい低廉な価格の燃料電池を提供することを目的とする。

上述した課題を解決するため、本発明の燃料電池は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の一方の面の上に配置された第１のシート状電極と、第１のシート状電極の上に配置された空気極セパレータと、空気極セパレータの上に配置された空気極側プレートと、固体高分子電解質膜の他方の面の上に配置された第２のシート状電極と、第２のシート電極の上に配置された水素極セパレータと、水素極セパレータの上に配置された水素極側プレートと、前記固体高分子電解質膜、第１，第２のシート状電極、空気極セパレータ、水素極セパレータによって単セルを構成するように、空気極側プレートと水素極側プレートとの間にそれらを挟持させるねじ締め組立部材とを有する。

このような構成によれば、部品点数が少なくて単セルを構成することができるので、安価で組立および分解が容易な燃料電池を提供することができる。

また、この発明の燃料電池において、前記各部材がねじ締め組立部材によって組み立てられる場合に、空気極側プレートと水素極側プレートとの間を所定の間隔に規定する位置決め支柱が空気極側プレートまたは水素極側プレートに設けられている。したがって、前記各部材がねじ締め組立部材によって組み立てられる場合に、ねじ締めが強すぎるということが自動的に防止される。

また、この発明の燃料電池において、空気極側プレートと水素極側プレートとは、透明な絶縁体から形成されている。したがって、空気極セパレータおよび水素極セパレータが外部の導電体に接触する危険が無く、組み立てられた状態も外部から容易に観察することができる。

また、この発明の燃料電池において、第１，第２のシート状電極は、電極用開口を有するガスケットと、電極用開口に配置される拡散層付き電極とからなる。拡散層付き電極を適宜な大きさに設定できる。

また、この発明の燃料電池において、前記位置決め支柱は、ほぼ４角形の空気極側プレートまたは水素極側プレートの４隅に設けられており、空気極側プレートと水素極側プレートとの間に挟持される各部材は、ほぼ４角形であるが、その４隅は、拡散層付き電極を除いて、位置決め支柱の外形に合わせて切り欠かれており、各部材が空気極側プレートと水素極側プレートとの間に組み立てられる際に、切り欠きと位置決め支柱の外形とによって位置決めされる。組立時の位置決めが極めて容易である。

また、この発明の燃料電池において、水素極側プレートには、一方の面から筒状に突出し、一方の面から他方の面に水素を供給する第１，第２の水素流路が設けられ、水素極セパレータには水素極側プレートの第１，第２の水素流路に対応する位置にあって、水素極側プレートと当接する水素極セパレータの第１の面から拡散層付き電極に当接する第２の面に貫通する第３，第４の水素流路が設けられるとともに、第２の面には第３の水素流路から供給される水素を拡散層付き電極の表面に沿って流し、第４の水素流路に排出させる溝である水素分散路が形成され、第１，第２の水素流路と第３，第４の水素流路との接続部分はＯリングでシールされているのが好ましい。

また、この発明の燃料電池において、第１，第２の水素流路は、別体の金属部品から形成されていて、取り外し可能に装着されているのが好ましい。

また、この発明の燃料電池において、空気極側プレートには、中央部分に空気供給用開口が設けられ、空気極セパレータには空気極プレートの中央部分に対応する位置に複数の空気供給流路が開けられているのが好ましい。

また、この発明の燃料電池において、空気極セパレータとして水素極セパレータと同形状の部材を用い、空気極側プレートとして水素極側プレートに位置決め支柱を追加した形状の部材を用いるとともに、全体をねじ締め組立部材によって組み立てできるようにした燃料電池。供給空気量を制御できるようになる。

この発明の燃料電池駆動システムは、水素供給ラインに水素流量計を配置している。したがって、水素の供給量や供給状態が目視で容易に観察できる。

また、この発明の燃料電池は、空気極セパレータと水素極セパレータは、カーボン、膨張黒鉛、金属、導電性セラミック、または導電性ポリマーの少なくともいずれかを素材として用いて構成されるものである。

さらに、この発明の燃料電池は、水素ガス加湿機能を有する水素流量計を備えていることを特徴とする。

以上に詳述したように本発明によれば、部品点数が少なくて単セルを構成することができるので、安価で組立および分解が容易な燃料電池を提供することができる。また、位置決め支柱が設けられていることにより、各部材の組立の際に、ねじ締めが強すぎるということがなく、各部材が空気極側プレートと水素極側プレートとの間に組み立てられる際に、切り欠きと位置決め支柱の外形とによって位置決めが自動的に行われる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１（ａ）は、この発明の燃料電池を示す正面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）を上方から見た図、図１（ｃ）は、図１（ａ）を下方から見た図、図２ないし図６は、図１の燃料電池に用いられている各部材をそれぞれ示す図である。図１で示される燃料電池は、空気極側プレート１０と、空気極セパレータ２０と、複数枚のシート用部材（後述）と、水素極セパレータ４０と、水素極側プレート５０と、Ｏリング４１（図５参照）と、組立ねじ６０とから構成されている。

図２（ａ）は、空気極側プレート１０を示す正面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）を上から見た図、図２（ｃ）は、図２（ａ）を下から見た図である。空気極側プレート１０は燃料電池の組立状態や内部がよく見えるように透明なアクリルで形成されている。この場合、透明で絶縁体であれば、他の材料であってもかまわない。空気極側プレート１０の上面の４隅には位置決め支柱１０ａが設けられている。この位置決め支柱１０ａは、以降で説明する各部の組立のための位置決めに用いられる。位置決め支柱１０ａの中央部には組立ねじ６０（あるいは、６角ボルト）のねじ山の外径よりも若干大きい貫通孔が設けられ、組立ねじ６０をガイドするように作用する。他方、位置決め支柱１０ａよりも下方には組立ねじ６０のためのタップ付きねじ穴１０ｂが設けられている。

図３（ａ）は、空気極セパレータ２０を示す平面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）の正面図、図３（ｃ）は、図３（ａ）の下面図である。空気極セパレータ２０は、不透過性のカーボンあるいは金属から形成されている。空気極セパレータ２０の中央部分には、厚み方向に貫通する複数の空気流路２０ａ（酸素を用いる場合には酸素流路；この例では、９個所）が開けられ、中央部分の４隅には位置決め支柱１０ａの外周で切り取られたようなＲカット２０ｂが設けられている。また、空気極セパレータ２０の一部からは、空気極セパレータ端子部２０ｃが延び出している。空気極セパレータ２０は、４個所のＲカット２０ｂがそれぞれ位置決め支柱１０ａの外周に沿って移動するように、空気極側プレート１０の上に置かれる。

図４（ａ）ないし図４（ｅ）は、空気極セパレータ２０と水素極セパレータ４０との間にそれぞれ配置されるシート状の部材を示す平面図であって、その形状およびその配置順序を示している。したがって、ガスケット３１を２枚、拡散層付き電極３２を２枚、固体高分子電解質膜３３を１枚用いることとなる。空気極側プレート１０の上に置かれた空気極セパレータ２０の上に、図４（ａ）で示されるものから図４（ｅ）で示されるものの順で配置される。この場合、各部材３１，３３のＲカット３１ｂ，３３ｂは、位置決め支柱１０ａの外周に沿って移動する。

最初に、図４（ａ）で示されるように、中央部分に電極用開口３１ａを有するシート状のガスケット３１を空気極セパレータ２０の上に置く。次に、空気極セパレータ２０の電極用開口３１ａの中にシート状の拡散層付き電極３２を置く。ガスケット３１と、拡散層付き電極３２とはほぼ同じ厚みを持っているので両者の上面はほぼ平らになる。ガスケット３１と拡散層付き電極３２とが形成する平面の上にシート状の固体高分子電解質膜３３を置く。固体高分子電解質膜３３の上に更にガスケット３１と拡散層付き電極３２を置く。この例では、ガスケット３１と拡散層付き電極３２とによってシート状電極を構成しているが、コストなどを無視すれば、拡散層付き電極の材料でシート状電極の全体を形成してもよい。これらのシート状の部材が平らな層をなすように置かれた上に図５で示されるような水素極セパレータ４０を置く。

図５（ａ）は、水素極セパレータ４０を示す平面図、図５（ｂ）は、図５（ａ）の正面図、図５（ｃ）は、図５（ａ）の下面図である。水素極セパレータ４０は、空気極セパレータ２０と同様にガス不透過性のカーボンあるいは金属から形成されている。水素極セパレータ４０は、空気極セパレータ２０と同様な外形をしているが、水素極セパレータ端子部４０ｃは、空気極セパレータ２０の空気極セパレータ端子部２０ｃとは線対称の位置に来るように形成されている。水素極セパレータ４０には、図５（ａ）に示されるように、厚み方向に貫通する２本の水素流路４０ａが設けられている。水素流路４０ａの周囲には、シール溝４０ｄが形成され、シール溝４０ｄにはＯリング４１が配置される（シール溝やＯリングは、水素極側プレート５０に配置するようにしてもよい）。水素極セパレータ４０の下面には、図５（ｃ）に示されるように、貫通した水素流路４０ａの一方からジグザグ状の経路（拡散層付き電極に対する水素の接触面積を増加させる）を経て他方に連絡している溝である水素分散路４０ｅが形成されている。

上述の水素極セパレータ４０の水素分散路４０ｅが拡散層付き電極３２の上に来るように水素極セパレータ４０を置き、Ｏリング４１がシール溝４０ｄに置かれていることを確認し、その上に図６に示されている水素極側プレート５０を置く。水素極側プレート５０は燃料電池の組立状態や内部がよく見えるように透明なアクリルで形成されている。この場合、透明で絶縁体であれば、他の材料であってもかまわない。水素極側プレート５０は、空気極側プレート１０とともに空気極セパレータ２０と水素極セパレータ４０が外部の導体にむやみに触れないようにガードする役目も担っている。また、水素極側プレート５０は、図６（ａ）に示されるように、水素極側プレート５０の上面側には、組立ねじ６０による組立時に、組立ねじ６０の頭部を収納するためのねじ穴５０ｂと、ねじ穴５０ｂに連結し、組立ねじ６０のねじ山の部分をガイドするねじガイド穴５０ｃとを有する。

さらに、水素極側プレート５０の上面には、中心部に貫通孔が設けられた２本の水素流路５０ａが突出するように形成されている。この２本の水素流路５０ａは、水素極側プレート５０が水素極セパレータ４０の上に組み付けられたとき、水素極セパレータ４０の水素流路４０ａと連通する。その場合、水素流路４０ａと水素流路５０ａとの当接部分の周囲は、シール溝４０ｄに置かれたＯリング４１によってシールされ、水素の漏洩を防止する。なお、水素流路５０ａは、水素極側プレート５０と一体的に形成されているが、別体のプラスチックスや金属などからなる水素流路がねじ込みなどで取り付けられるように構成してもよい。

上述のように各部材１０，２０，３０，４０，４１，５０が重ねられた後に、水素極側プレート５０のねじ穴５０ｂから下に向けて組立ねじ６０を挿入し、組立ねじ６０のねじ山が空気極側プレート１０のタップ付きねじ穴１０ｂのねじと螺合するように組立てる。この場合、空気極側プレート１０の位置決め支柱１０ａの高さＨ０は、組立が完了したとき、空気極セパレータ２０と水素極セパレータ４０とに挟まれたシート状の部材が適切な圧力で保持されるように設定されている。また、この例の場合、高さＨ１は約２９．６ｍｍ、高さＨ２は約３７．６ｍｍであった。組立ねじ６０のねじ頭は、ねじ穴５０ｂの中に収納される。このように、この燃料電池は、極めて少ない部品数（例えば、空気極セパレータ２０および水素極セパレータ４０は、セパレータおよび集電板の役目も担っている）で燃料電池を構成することができ、組み立ても５〜１０分で行うことができる。したがって、各種の空気極セパレータ、水素極セパレータ、電解質膜等の交換が容易であり、この燃料電池は、評価実験によく適合している。

このように組み立てられた燃料電池において、一方の水素流路５０ａから供給された水素は、水素分散路４０ｅを通過し、水素極セパレータ側に配置された拡散層付き電極３２の表面に供給され、反応後の残余の水素は他方の水素流路５０ａを経由して排出される。他方、空気極側プレート１０の空気供給用開口１０ｄを通過した空気（酸素）は自然供給の形で空気極セパレータ２０の空気流路２０ａを経て水素極セパレータ側に配置された拡散層付き電極３２の表面に供給される。固体高分子電解質膜３３を介して発生するイオン電導性と電子非電導性とにより、電気極２０と水素極セパレータ４０との間に接続される負荷に電力が供給される。

上述のように燃料電池を駆動する場合に、複数個を空気極セパレータ端子部２０ｃおよび水素極セパレータ端子部４０ｃを用いて直列に配線接続すればスタックを形成することもできる。また、水素供給ラインに例えば図７に示すような簡易な気体流量計（水素流量計）７０を接続すれば、水素の供給量や供給状態を目視で簡単に観察することができる燃料電池駆動システムを構成することができる。この場合に用いられる図７の気体流量計７０は、密閉された透明容器７１に半分ほど水を入れ、一本のガラスチューブ７２（プラスチックのチューブでもよい）の下端は水の中にあるように、もう一本のガラスチューブ７３の下端は水よりも上にあるように配置したものである。水素をチューブ７２に供給し、チューブ７３から出てくる水素を水素側プレート５０の水素流路５０ａにビニールチューブ等を介して供給する。このように構成すれば、水素の供給量や供給状態は、気体流量計７０の中の水に生じる泡の状態で観察することができる。また、このように気体流量計において加湿機能を持たせるようにすることで、電解質膜が乾燥するのを防止することができる。

図１ないし図６で示したに燃料電池では、空気（酸素）は、空気極側プレート１０の空気供給用開口１０ｄと、空気極セパレータ２０の空気流路２０ａとを介して拡散層付き電極３２の表面を開放された空間に置いて自然供給されるようにしたが、図８に示すように（特に酸素を使用する場合）、閉鎖した空間で強制供給可能な形に構成してもよい。すなわち、図８の空気極側プレート８０は、実質的に、図１の水素極側プレート５０に空気極側プレート１０の位置決め支柱１０ａと同様な位置決め支柱８０ｂを追加した形状をしている。また、空気極セパレータ９０としては、図１の水素極セパレータ４０をＯリング４１とともに用いる。他の部材および組立ねじによる組立構造については図１の場合と同様に構成する。したがって、水素の供給は図１の場合と同様に行われるが、空気（この例では、主に酸素）の供給は、空気極側プレート８０の一方の空気流路８０ａから供給し、他方の空気流路８０ａから排出する。この構成は、純酸素および純水素を用いた種々の実験などを行うのに便利である。

（ａ）は、この発明の燃料電池の実施の形態を示す正面図である。 （ｂ）は、（ａ）で示される燃料電池を上方から見た図である。 （ｃ）は、（ａ）を下方から見た図である。 （ａ）は、図１の空気極側プレートを示す正面図である。 （ｂ）は、（ａ）で示される空気極側プレートを上方から見た図である。 （ｃ）は、（ａ）で示される空気極側プレートを下方から見た図である。 （ａ）は、図１の空気極セパレータを示す平面図である。 （ｂ）は、（ａ）で示される空気極セパレータの正面図である。 （ｃ）は、（ａ）で示される空気極セパレータを下方から見た図である。 （ａ）は、図１の燃料電池に用いられるガスケットを示す平面図である。 （ｂ）は、図１の燃料電池に用いられる拡散層付き電極を示す平面図である。 （ｃ）は、図１の燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜を示す平面図である。 （ｄ）は、図１の燃料電池に用いられるもう１枚のガスケットを示す平面図である。 （ｅ）は、図１の燃料電池に用いられるもう１枚の拡散層付き電極を示す平面図である。 （ａ）は、図１の水素極セパレータを示す平面図である。 （ｂ）は、（ａ）で示される水素極セパレータの正面図である。 （ｃ）は、（ａ）で示される水素極セパレータを下方から見た図である。 （ａ）は、図１の水素極側プレートを示す正面図である。 （ｂ）は、（ａ）で示される水素極側プレートを上方から見た図である。 （ｃ）は、（ａ）で示される水素極側プレートを下方から見た図である。 図１ないし図６で示される燃料電池を駆動させる際に使用される気体流量計を示す図である。 この発明の燃料電池のもう一つの実施の形態を示す正面図である。

符号の説明

１０，８０ 空気極側プレート、２０，９０ 空気極セパレータ、３１ ガスケット、３２ 拡散層付き電極、３３ 固体高分子電解質膜、４０ 水素極セパレータ、４１ Ｏリング、５０ 水素極側プレート、６０ 組立ねじ、７０ 気体流量計。

Claims (9)

1. 固体高分子電解質膜と、
   電極用開口を有するガスケットと電極用開口に配置される拡散層付き電極とからなり、固体高分子電解質膜の一方の面の下に配置された第１のシート状電極と、
   第１のシート状電極の下に配置された空気極セパレータと、
   空気極セパレータの下に配置された空気極側プレートと、
   電極用開口を有するガスケットと電極用開口に配置される拡散層付き電極とからなり、固体高分子電解質膜の他方の面の上に配置された第２のシート状電極と、
   第２のシート状電極の上に配置された水素極セパレータと、
   水素極セパレータの上に配置された水素極側プレートと、
   前記固体高分子電解質膜、第１，第２のシート状電極、空気極セパレータ、水素極セパレータによって単セルを構成するように、空気極側プレートと水素極側プレートとの間にそれらを挟持させるねじ締め組立部材と、
   空気極側プレートと水素極側プレートとの間をねじ締めが強すぎない間隔に規定するよう、空気極側プレートまたは水素極側プレートの少なくとも４隅に設けられた位置決め支柱とを有し、
   空気極側プレートと水素極側プレートとの間に挟持される各部材の４隅は、拡散層付き電極を除いて、位置決め支柱の外形に合わせて切り欠かれており、各部材が空気極側プレートと水素極側プレートとの間に組み立てられる際に、切り欠きと位置決め支柱の外形とによって位置決めされる燃料電池。
2. 請求項１記載の燃料電池において、
   空気極側プレートと水素極側プレートとは、透明な絶縁体から形成されている燃料電池。
3. 請求項１または請求項２記載の燃料電池において、
   水素極側プレートには、一方の面から他方の面に水素を供給する第１の水素流路と、供給された水素を排出する第２の水素流路とが、該一方の面から筒状に突出して設けられ、
   水素極セパレータには、水素極側プレートの第１の水素流路に対応する位置にあって、水素極側プレートと当接する水素極セパレータの第１の面から拡散層付き電極に当接する第２の面に貫通する第３の水素流路と、水素極側プレートの第２の水素流路に対応する位置にあって、第１の面から第２の面に貫通する第４の水素流路とが設けられるとともに、第２の面には第３の水素流路から供給される水素を拡散層付き電極の表面に沿って流し、第４の水素流路に排出させる溝である水素分散路が形成され、
   第１の水素流路と第３の水素流路との接続部分及び第２の水素流路と第４の水素流路との接続部分はＯリングでシールされている燃料電池。
4. 請求項３記載の燃料電池において、
   第１，第２の水素流路は、別体の金属部品から形成されていて、取り外し可能に装着されている燃料電池。
5. 請求項３記載の燃料電池において、
   空気極側プレートには、中央部分に空気供給用開口が設けられ、空気極セパレータには空気極側プレートの中央部分に対応する位置に複数の空気供給流路が開けられている燃料電池。
6. 請求項１記載の燃料電池の空気極セパレータとして水素極セパレータと同形状の部材を用い、空気極側プレートとして水素極側プレートに位置決め支柱を追加した形状の部材を用いるとともに、全体をねじ締め組立部材によって組み立てできるようにした燃料電池。
7. 請求項１記載の燃料電池の水素供給ラインに水素流量計を配置した燃料電池駆動システム。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
   空気極セパレータと水素極セパレータは、カーボン、膨張黒鉛、金属、導電性セラミック、または導電性ポリマーの少なくともいずれかを素材として用いて構成される燃料電池。
9. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の燃料電池において、
   水素ガス加湿機能を有する水素流量計を備えていることを特徴とする燃料電池。

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