JP2001283892A - 水素イオン交換膜固体高分子燃料電池及び直接メタノール燃料電池用単電極セルパック - Google Patents
水素イオン交換膜固体高分子燃料電池及び直接メタノール燃料電池用単電極セルパックInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 単電極を用いた水素イオン交換膜燃料電池及
び直接メタノール燃料電池用単電極セルパックを提供す
る。 【解決手段】 中央部のメンブレンの両側にカソードと
アノードを有する複数のセルと前記カソードとアノード
に接触される集電板と前記セルを相互連結する電気接続
部材とを備え、前記セルを前記電気接続部材が位置する
空洞部を介して任意の平面上に共に配置し、前記セルの
アノード側とカソード側にアノードエンドプレート及び
カソードエンドプレートを各々配置し、前記空洞部のア
ノード側に燃料を供給及び排出する燃料供給及び排出手
段と、前記空洞部の前記カソード側に前記アノード側の
空洞部を流動する燃料が空洞部からカソードに流動する
ことを防止する燃料流動阻止部材と、前記セルのアノー
ド部とこれに対応する空洞部を密閉するシーリング部と
を備える。
び直接メタノール燃料電池用単電極セルパックを提供す
る。 【解決手段】 中央部のメンブレンの両側にカソードと
アノードを有する複数のセルと前記カソードとアノード
に接触される集電板と前記セルを相互連結する電気接続
部材とを備え、前記セルを前記電気接続部材が位置する
空洞部を介して任意の平面上に共に配置し、前記セルの
アノード側とカソード側にアノードエンドプレート及び
カソードエンドプレートを各々配置し、前記空洞部のア
ノード側に燃料を供給及び排出する燃料供給及び排出手
段と、前記空洞部の前記カソード側に前記アノード側の
空洞部を流動する燃料が空洞部からカソードに流動する
ことを防止する燃料流動阻止部材と、前記セルのアノー
ド部とこれに対応する空洞部を密閉するシーリング部と
を備える。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は水素イオン交換膜燃
料電池及び直接メタノール燃料電池に用いられる燃料電
池用単電極セルパックに関する。
料電池及び直接メタノール燃料電池に用いられる燃料電
池用単電極セルパックに関する。
【０００２】
【従来の技術】水素イオン交換膜燃料電池（Ｐｒｏｔｏ
ｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ
Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、従来の発電技術に比べて、
出力の密度及びエネルギーの転換効率が飛躍的に高く、
しかも、電気化学的に化学エネルギーを電気に変換させ
るため、従来の化石エネルギー資源に置き換わり得る、
未来の清浄なエネルギー源として注目されている。
ｎ Ｅｘｃｈａｎｇｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ
Ｃｅｌｌ：ＰＥＭＦＣ）は、従来の発電技術に比べて、
出力の密度及びエネルギーの転換効率が飛躍的に高く、
しかも、電気化学的に化学エネルギーを電気に変換させ
るため、従来の化石エネルギー資源に置き換わり得る、
未来の清浄なエネルギー源として注目されている。
【０００３】また、このような水素イオン交換膜燃料電
池は、常温での動作や装置の小型化及び密閉化が可能で
あり、さらに二酸化炭素や炭化水素等の有害ガスの放出
を低く抑えることができるといった数多くの利点を備え
ている。したがって、この水素イオン交換膜燃料電池
は、公害を発生させない、いわゆる「無公害自動車」を
はじめとして、家庭用発電システム、移動体通信設備、
医療機器、軍事用設備及び宇宙事業用設備等に適用可能
であり、今後さらなる応用分野の拡大の可能性を秘めて
いる。
池は、常温での動作や装置の小型化及び密閉化が可能で
あり、さらに二酸化炭素や炭化水素等の有害ガスの放出
を低く抑えることができるといった数多くの利点を備え
ている。したがって、この水素イオン交換膜燃料電池
は、公害を発生させない、いわゆる「無公害自動車」を
はじめとして、家庭用発電システム、移動体通信設備、
医療機器、軍事用設備及び宇宙事業用設備等に適用可能
であり、今後さらなる応用分野の拡大の可能性を秘めて
いる。
【０００４】前記ＰＥＭＦＣは、水素と酸素との電気化
学反応から直流の電気を発電する発電システムであっ
て、一つの単電池であるセル（ｃｅｌｌ）はアノードと
カソードと、そしてこれらの間に介在する水素イオン交
換膜とを含んで構成される。
学反応から直流の電気を発電する発電システムであっ
て、一つの単電池であるセル（ｃｅｌｌ）はアノードと
カソードと、そしてこれらの間に介在する水素イオン交
換膜とを含んで構成される。
【０００５】このＰＥＭＦＣに含まれる水素イオン交換
膜は、一般に、厚さが５０-２００μｍ程度の固体高分
子電解質で構成されている。そして、このようなＰＥＭ
ＦＣでは、アノードとカソードの各々が、燃料ガスを供
給するための支持層（ｓｕｐｐｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ）
と燃料ガスの酸化反応と還元反応とを生じさせる触媒層
とを含むガス拡散電極（以下、アノードとカソードとを
総称する場合には「ガス拡散電極」という。)により構
成されている。
膜は、一般に、厚さが５０-２００μｍ程度の固体高分
子電解質で構成されている。そして、このようなＰＥＭ
ＦＣでは、アノードとカソードの各々が、燃料ガスを供
給するための支持層（ｓｕｐｐｐｏｒｔ ｌａｙｅｒ）
と燃料ガスの酸化反応と還元反応とを生じさせる触媒層
とを含むガス拡散電極（以下、アノードとカソードとを
総称する場合には「ガス拡散電極」という。)により構
成されている。
【０００６】また、このようなＰＥＭＦＣ（水素イオン
交換膜燃料電池）では、反応性気体がこのＰＥＭＦＣに
供給されるとガス拡散電極に含まれるアノードでは酸化
反応が生じ、水素分子が水素イオンと電子とに転換され
る。この水素イオンは水素イオン交換膜を経てカソード
に輸送され、カソードで還元反応が生じるようになって
いる。すなわち、酸素分子が電子を受け取って酸素イオ
ンに転換され、この酸素イオンはアノードから輸送され
たきた水素イオンと反応して水分子に転換される。
交換膜燃料電池）では、反応性気体がこのＰＥＭＦＣに
供給されるとガス拡散電極に含まれるアノードでは酸化
反応が生じ、水素分子が水素イオンと電子とに転換され
る。この水素イオンは水素イオン交換膜を経てカソード
に輸送され、カソードで還元反応が生じるようになって
いる。すなわち、酸素分子が電子を受け取って酸素イオ
ンに転換され、この酸素イオンはアノードから輸送され
たきた水素イオンと反応して水分子に転換される。
【０００７】このようなＰＥＭＦＣに含まれるガス拡散
電極の触媒層は支持層と水素イオン交換膜との間に配置
され、また、前記支持層は、カーボンクロス（炭素布）
またはカーボンペーパー（炭素紙）から形成されて、反
応性気体と水素イオン交換膜に輸送される水と反応によ
って生成される水とが容易にこの支持層を通過すること
ができるように表面処理されている。
電極の触媒層は支持層と水素イオン交換膜との間に配置
され、また、前記支持層は、カーボンクロス（炭素布）
またはカーボンペーパー（炭素紙）から形成されて、反
応性気体と水素イオン交換膜に輸送される水と反応によ
って生成される水とが容易にこの支持層を通過すること
ができるように表面処理されている。
【０００８】一方、直接メタノール燃料電池（Ｄｉｒｅ
ｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ ＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦ
Ｃ）は前記したＰＥＭＦＣと同様の構造を有している
が、反応性気体としての水素の代わりに液体のメタノー
ルをアノードに供給し、触媒の作用により酸化反応を生
じさせ、水素イオンと電子及び二酸化炭素が生成される
ようになっている。このようなＤＭＦＣはＰＥＭＦＣと
比べて発電効率は落ちるものの、液体で燃料を注入させ
るので携帯電子機器に応用し易い。
ｃｔ Ｍｅｔｈａｎｏｌ ＦｕｅｌＣｅｌｌ：ＤＭＦ
Ｃ）は前記したＰＥＭＦＣと同様の構造を有している
が、反応性気体としての水素の代わりに液体のメタノー
ルをアノードに供給し、触媒の作用により酸化反応を生
じさせ、水素イオンと電子及び二酸化炭素が生成される
ようになっている。このようなＤＭＦＣはＰＥＭＦＣと
比べて発電効率は落ちるものの、液体で燃料を注入させ
るので携帯電子機器に応用し易い。
【０００９】前記二種の燃料電池は、いすれも単位セル
の発生電圧が１V以下で、必要に応じて高電圧を発生さ
せる場合には複数の単位セルを積層し、これらの単位セ
ルを電気的には直列に連結して所望とする高電圧を得る
ことができるようになっている。そして、このようにし
て発電して得られた電気を集電するために、積層したセ
ルの数に応じて燃料が流動する領域である燃料流動領域
と集電板のバイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌ
ａｔｅ：両極性電極）とが適用される。
の発生電圧が１V以下で、必要に応じて高電圧を発生さ
せる場合には複数の単位セルを積層し、これらの単位セ
ルを電気的には直列に連結して所望とする高電圧を得る
ことができるようになっている。そして、このようにし
て発電して得られた電気を集電するために、積層したセ
ルの数に応じて燃料が流動する領域である燃料流動領域
と集電板のバイポーラプレート（ｂｉｐｏｌａｒ ｐｌ
ａｔｅ：両極性電極）とが適用される。
【００１０】このとき、前記燃料流動領域は、金属製の
網状体により構成することも可能であるが、通常、気体
の密閉が可能なように所定厚さ以上の電気伝導性を備え
た集電板としてのグラファイト（黒鉛）ブロックに内蔵
されて構成されている。
網状体により構成することも可能であるが、通常、気体
の密閉が可能なように所定厚さ以上の電気伝導性を備え
た集電板としてのグラファイト（黒鉛）ブロックに内蔵
されて構成されている。
【００１１】しかしながら、ＰＥＭＦＣ（水素イオン交
換膜燃料電池）に前記の構成からなる燃料流動領域が使
用される場合には、単位セルのスタック構造で最も外側
の単位セルから最も内側の単位セルに至るまで燃料及び
酸素をそれぞれ連続的に、しかもこれら両者を相互に混
合させないように供給することが必須である。それに伴
って複雑な構造の燃料流動経路の設計が必要となってく
るが、このような複雑な構造を有する燃料流動経路では
スタック構造に供給された液体あるいは気体が漏れる危
険性が高まることが懸念される。
換膜燃料電池）に前記の構成からなる燃料流動領域が使
用される場合には、単位セルのスタック構造で最も外側
の単位セルから最も内側の単位セルに至るまで燃料及び
酸素をそれぞれ連続的に、しかもこれら両者を相互に混
合させないように供給することが必須である。それに伴
って複雑な構造の燃料流動経路の設計が必要となってく
るが、このような複雑な構造を有する燃料流動経路では
スタック構造に供給された液体あるいは気体が漏れる危
険性が高まることが懸念される。
【００１２】さらに、このようなＰＥＭＦＣでは複数の
集電板を積層する必要があるため、外部から供給された
気体を密閉化することが難しく、またスタック構造の大
きさや重量を低減化させることが困難である。このこと
は発電時の電力の出力密度に悪影響を及ぼすこととな
る。そして、スタック構造の最も外側の部分と中間の部
分では、液体や気体が流動する際の内部抵抗やこれらの
温度、または気体の湿度が不均一となり易いため、単位
セルには部分的に高い負荷がかかる現象が生じ、その結
果、スタックの寿命が短くなる可能性がある。
集電板を積層する必要があるため、外部から供給された
気体を密閉化することが難しく、またスタック構造の大
きさや重量を低減化させることが困難である。このこと
は発電時の電力の出力密度に悪影響を及ぼすこととな
る。そして、スタック構造の最も外側の部分と中間の部
分では、液体や気体が流動する際の内部抵抗やこれらの
温度、または気体の湿度が不均一となり易いため、単位
セルには部分的に高い負荷がかかる現象が生じ、その結
果、スタックの寿命が短くなる可能性がある。
【００１３】高い電力を出力させることが要求されるス
タックでは、前記のような不都合を甘受してもこのよう
なスタック方式を用いることが有利であるが、電子機器
に応用する場合など、比較的低い出力を得るべく使用さ
れる場合には、このような短所を補完した単電極セルパ
ックの構造が有利である。
タックでは、前記のような不都合を甘受してもこのよう
なスタック方式を用いることが有利であるが、電子機器
に応用する場合など、比較的低い出力を得るべく使用さ
れる場合には、このような短所を補完した単電極セルパ
ックの構造が有利である。
【００１４】米国特許Ｎｏ．５，９２５,４７７では、
図１に示すような単電極構造の電池が開示されている。
図１はこの単電極構造の電池の主要部の断面を模式的に
示す図である。図１に示すように、この単電極構造の電
池の主要部は、メンブレン３の上下にアノード４、５、
６、及びカソード７、８、９が各々積層された複数の単
位セルを１列に配置し、隣接するセル同士を部分的に相
互に重ねて対向した部分を有するように形成されてい
る。また、この単電極構造の電池では、各単位セルのメ
ンブレン３に備えられたカソード７、８が、それぞれ隣
接する単位セルのメンブレン３に備えられたアノード
５、６と導電体２、２により電気的に直列に連結されて
いる。このような単電極構造の電池に含まれる燃料流動
領域は、流路が形成されているグラファイトプレート
（黒鉛板、図示せず)により提供される。
図１に示すような単電極構造の電池が開示されている。
図１はこの単電極構造の電池の主要部の断面を模式的に
示す図である。図１に示すように、この単電極構造の電
池の主要部は、メンブレン３の上下にアノード４、５、
６、及びカソード７、８、９が各々積層された複数の単
位セルを１列に配置し、隣接するセル同士を部分的に相
互に重ねて対向した部分を有するように形成されてい
る。また、この単電極構造の電池では、各単位セルのメ
ンブレン３に備えられたカソード７、８が、それぞれ隣
接する単位セルのメンブレン３に備えられたアノード
５、６と導電体２、２により電気的に直列に連結されて
いる。このような単電極構造の電池に含まれる燃料流動
領域は、流路が形成されているグラファイトプレート
（黒鉛板、図示せず)により提供される。
【００１５】前記単電極構造の電池に含まれるグラファ
イトプレート（黒鉛板）は電極間で燃料が流動するよう
に構成するために、セルの外側から燃料経路が提供され
るように設計する必要がある。また、前記単電極構造の
電池では、図１に示すように、電気化学反応が生じる各
単位セルのメンブレン及びその上下の電極がそれぞれ折
曲され、折曲された部分を有する構造であるために、こ
の折曲された部分で触媒反応が集中して生じ易くなる。
その結果、このような単電極構造の電池では、電極の寿
命が縮まり易くなる。
イトプレート（黒鉛板）は電極間で燃料が流動するよう
に構成するために、セルの外側から燃料経路が提供され
るように設計する必要がある。また、前記単電極構造の
電池では、図１に示すように、電気化学反応が生じる各
単位セルのメンブレン及びその上下の電極がそれぞれ折
曲され、折曲された部分を有する構造であるために、こ
の折曲された部分で触媒反応が集中して生じ易くなる。
その結果、このような単電極構造の電池では、電極の寿
命が縮まり易くなる。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】前記した問題点を解決
するために、本発明の第１の目的は、燃料流動領域がそ
の内部に備えられて別の燃料流動経路の設計を不要とす
る燃料電池を提供することにある。また、前記した問題
点を解決するための本発明の第２の目的は、構造が簡単
で製作が容易な燃料電池用単電極セルパックを提供する
ことにある。さらに、前記した問題点を解決するための
本発明の第３の目的は、出力密度が向上し、単位セルの
設計自由度が向上した燃料電池用単電極セルパックを提
供することにある。
するために、本発明の第１の目的は、燃料流動領域がそ
の内部に備えられて別の燃料流動経路の設計を不要とす
る燃料電池を提供することにある。また、前記した問題
点を解決するための本発明の第２の目的は、構造が簡単
で製作が容易な燃料電池用単電極セルパックを提供する
ことにある。さらに、前記した問題点を解決するための
本発明の第３の目的は、出力密度が向上し、単位セルの
設計自由度が向上した燃料電池用単電極セルパックを提
供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明の第１の態様は、メンブレンが中央部に配置
され、その両側にカソード及びアノードが備えられたセ
ルと、前記カソードとアノードとに接触された集電板
と、前記セルを電気的に相互連結する電気接続部材とを
具備する燃料電池用単電極セルパックにおいて、前記セ
ルは二つ以上で構成され、前記各セルは前記電気接続部
材が位置する空洞部を介して任意の平面上に共に配置さ
れ、多孔性を有し、前記アノードに接触して、燃料をセ
ルの内部に拡散させるための多孔性燃料拡散部材と、多
孔性を有し、前記カソードに接触して、セルの内部の燃
料と空気とを接触させるための多孔性空気接触部材と、
前記セルを保護するために前記セルのアノード側とカソ
ード側の各々に配置されるアノードエンドプレート及び
カソードエンドプレートと、前記空洞部のアノード側の
部分に燃料を供給すると共に排出する燃料供給及び排出
手段と、前記空洞部の前記カソード側の部分に、前記ア
ノード側の空洞部を流動する燃料が空洞部からカソード
側の部分に流動することを防止する燃料流動阻止部材
と、前記セルのアノード部分とこれに対応する空洞部と
を外部から密閉するシーリング部とを具備することを特
徴とする燃料電池用単電極セルパックである。（請求項
１）
に、本発明の第１の態様は、メンブレンが中央部に配置
され、その両側にカソード及びアノードが備えられたセ
ルと、前記カソードとアノードとに接触された集電板
と、前記セルを電気的に相互連結する電気接続部材とを
具備する燃料電池用単電極セルパックにおいて、前記セ
ルは二つ以上で構成され、前記各セルは前記電気接続部
材が位置する空洞部を介して任意の平面上に共に配置さ
れ、多孔性を有し、前記アノードに接触して、燃料をセ
ルの内部に拡散させるための多孔性燃料拡散部材と、多
孔性を有し、前記カソードに接触して、セルの内部の燃
料と空気とを接触させるための多孔性空気接触部材と、
前記セルを保護するために前記セルのアノード側とカソ
ード側の各々に配置されるアノードエンドプレート及び
カソードエンドプレートと、前記空洞部のアノード側の
部分に燃料を供給すると共に排出する燃料供給及び排出
手段と、前記空洞部の前記カソード側の部分に、前記ア
ノード側の空洞部を流動する燃料が空洞部からカソード
側の部分に流動することを防止する燃料流動阻止部材
と、前記セルのアノード部分とこれに対応する空洞部と
を外部から密閉するシーリング部とを具備することを特
徴とする燃料電池用単電極セルパックである。（請求項
１）
【００１８】本発明の第２の態様は、前記第１の態様に
おいて、前記空洞部に対応する位置に、燃料を流入させ
るための燃料流入部及び燃料を流出させるための燃料流
出部が所定間隔をおいて備えられていることを特徴とす
る燃料電池用単電極セルパックである。
おいて、前記空洞部に対応する位置に、燃料を流入させ
るための燃料流入部及び燃料を流出させるための燃料流
出部が所定間隔をおいて備えられていることを特徴とす
る燃料電池用単電極セルパックである。
【００１９】本発明の第３の態様は、前記第１の態様に
おいて、前記多孔性燃料拡散部材が、炭素―プラスチッ
ク複合体により形成されて構成されていることを特徴と
する燃料電池用単電極セルパックである。
おいて、前記多孔性燃料拡散部材が、炭素―プラスチッ
ク複合体により形成されて構成されていることを特徴と
する燃料電池用単電極セルパックである。
【００２０】本発明の第４の態様は、前記第３の態様に
おいて、前記多孔性燃料拡散部材が、炭素または黒鉛が
含浸されて構成されていることを特徴とする燃料電池用
単電極セルパックである。
おいて、前記多孔性燃料拡散部材が、炭素または黒鉛が
含浸されて構成されていることを特徴とする燃料電池用
単電極セルパックである。
【００２１】本発明の第５の態様は、前記第１の態様に
おいて、前記多孔性空気接触部材が、炭素-プラスチッ
ク複合体により形成されて構成されていることを特徴と
する燃料電池用単電極セルパックである。
おいて、前記多孔性空気接触部材が、炭素-プラスチッ
ク複合体により形成されて構成されていることを特徴と
する燃料電池用単電極セルパックである。
【００２２】本発明の第６の態様は、前記第１の態様に
おいて、前記多孔性空気接触部材は、空気を流動させる
ための複数のチャネルが形成されて構成されていること
を特徴とする燃料電池用単電極セルパックである。
おいて、前記多孔性空気接触部材は、空気を流動させる
ための複数のチャネルが形成されて構成されていること
を特徴とする燃料電池用単電極セルパックである。
【００２３】本発明の第７の態様は、前記第１の態様に
おいて、前記電気接続部材が、網状体で構成されている
ことを特徴とする燃料電池用電極セルパックである。
おいて、前記電気接続部材が、網状体で構成されている
ことを特徴とする燃料電池用電極セルパックである。
【００２４】本発明の第８の態様は、前記第１の態様に
おいて、前記カソードの集電板とカソードエンドプレー
トの各々には相互に一対一に対応する貫通孔が形成され
ていることを特徴とする燃料電池用単電極セルパックで
ある。
おいて、前記カソードの集電板とカソードエンドプレー
トの各々には相互に一対一に対応する貫通孔が形成され
ていることを特徴とする燃料電池用単電極セルパックで
ある。
【００２５】なお、前記第１〜第８のいずれか一つの態
様に係る燃料電池用単電極セルパックにおいて、前記セ
ルが２個以上備えられ、前記空洞部中で一側の空洞部に
対応する燃料流入部及び他側の空洞部に対応する燃料流
出部が前記アノードエンドプレートに備えられるように
してもよい。
様に係る燃料電池用単電極セルパックにおいて、前記セ
ルが２個以上備えられ、前記空洞部中で一側の空洞部に
対応する燃料流入部及び他側の空洞部に対応する燃料流
出部が前記アノードエンドプレートに備えられるように
してもよい。
【００２６】また、前記目的を達成するために、本発明
の第９の態様は、メンブレンが中央部に配置され、その
両側にカソード及びアノードが備えられたセルと、前記
カソード及びアノードに接触された集電板と、前記カソ
ードとアノードとの間に備えられた媒介層と、前記セル
を電気的に相互連結する電気接続部材とを具備する燃料
電池用単電極セルパックにおいて、前記セルは二つ以上
で構成され、燃料供給及び排出手段が備えられた媒介層
の両側に、媒介層の平面方向に前記セルが所定容積の空
洞部を介して配置され、前記空洞部には前記電気接続部
材が配置され、前記媒介層の両側に備えられた各セルの
アノードは前記媒介層に対応するように配置され、多孔
性を有し、前記アノードに接触してセルの内部に燃料を
拡散させるための多孔性燃料拡散部材と、多孔性を有
し、前記カソードに接触してセルの内部の燃料と空気と
を接触させるための多孔性空気接触部材と、前記セルを
保護ために前記セルのカソード側に各々配置される第１
カソードエンドプレート及び第２カソードエンドプレー
トと、前記空洞部の各セルの前記カソードに対応する部
分に、前記アノード側の空洞部を流動する燃料が空洞部
からカソード側の部分に流動することを防止する燃料流
動阻止部材と、前記セルのアノード部分とこれに対応す
る空洞部を外部から密閉するシーリング部とを具備する
ことを特徴とする燃料電池用単電極セルパックである。
の第９の態様は、メンブレンが中央部に配置され、その
両側にカソード及びアノードが備えられたセルと、前記
カソード及びアノードに接触された集電板と、前記カソ
ードとアノードとの間に備えられた媒介層と、前記セル
を電気的に相互連結する電気接続部材とを具備する燃料
電池用単電極セルパックにおいて、前記セルは二つ以上
で構成され、燃料供給及び排出手段が備えられた媒介層
の両側に、媒介層の平面方向に前記セルが所定容積の空
洞部を介して配置され、前記空洞部には前記電気接続部
材が配置され、前記媒介層の両側に備えられた各セルの
アノードは前記媒介層に対応するように配置され、多孔
性を有し、前記アノードに接触してセルの内部に燃料を
拡散させるための多孔性燃料拡散部材と、多孔性を有
し、前記カソードに接触してセルの内部の燃料と空気と
を接触させるための多孔性空気接触部材と、前記セルを
保護ために前記セルのカソード側に各々配置される第１
カソードエンドプレート及び第２カソードエンドプレー
トと、前記空洞部の各セルの前記カソードに対応する部
分に、前記アノード側の空洞部を流動する燃料が空洞部
からカソード側の部分に流動することを防止する燃料流
動阻止部材と、前記セルのアノード部分とこれに対応す
る空洞部を外部から密閉するシーリング部とを具備する
ことを特徴とする燃料電池用単電極セルパックである。
【００２７】本発明の第１０の態様は、前記第９の態様
において、前記アノードに対する燃料の供給が、中央部
に配置されたアノード側面から行なわれることを特徴と
する燃料電池用単電極セルパックである。
において、前記アノードに対する燃料の供給が、中央部
に配置されたアノード側面から行なわれることを特徴と
する燃料電池用単電極セルパックである。
【００２８】本発明の第１１の態様は、前記第９の態様
において、前記媒介層の両側に前記セルが各々二つ以上
備えられ、前記媒介層にはセル間の空洞部に対応する燃
料流入部及び流出部が所定間隔をおいて備えられている
ことを特徴とする燃料電池用単電極セルパックである。
において、前記媒介層の両側に前記セルが各々二つ以上
備えられ、前記媒介層にはセル間の空洞部に対応する燃
料流入部及び流出部が所定間隔をおいて備えられている
ことを特徴とする燃料電池用単電極セルパックである。
【００２９】本発明の第１２の態様は、前記第９の態様
において、前記多孔性燃料拡散部材が、炭素-プラスチ
ック複合体により形成されることを特徴とする燃料電池
用単電極セルパックである。
において、前記多孔性燃料拡散部材が、炭素-プラスチ
ック複合体により形成されることを特徴とする燃料電池
用単電極セルパックである。
【００３０】本発明の第１３の態様は、前記第９の態様
において、前記多孔性燃料拡散部材には炭素または黒鉛
が含浸されていることを特徴とする燃料電池用単電極セ
ルパックである。
において、前記多孔性燃料拡散部材には炭素または黒鉛
が含浸されていることを特徴とする燃料電池用単電極セ
ルパックである。
【００３１】本発明の第１４の態様は、前記第９の態様
において、前記多孔性空気接触部材が、炭素-プラスチ
ック複合体により形成されることを特徴とする燃料電池
用単電極セルパックである。
において、前記多孔性空気接触部材が、炭素-プラスチ
ック複合体により形成されることを特徴とする燃料電池
用単電極セルパックである。
【００３２】本発明の第１５の態様は、前記第９の態様
において、前記空気接触部材の底面に空気流動のための
多数のチャネルが形成されていることを特徴とする燃料
電池用単電極セルパックである。
において、前記空気接触部材の底面に空気流動のための
多数のチャネルが形成されていることを特徴とする燃料
電池用単電極セルパックである。
【００３３】本発明の第１６の態様は、前記第９の態様
において、前記電気接続部材が網状体であることを特徴
とする燃料電池用単電極セルパックである。
において、前記電気接続部材が網状体であることを特徴
とする燃料電池用単電極セルパックである。
【００３４】なお、前記第９〜第１６の態様のいずれか
一つの態様に係る燃料電池用単電極セルパックにおい
て、前記媒介層には前記セルのアノードに供給される燃
料貯蔵所が備えられ、そして前記媒介層の両側に前記セ
ルが各々３個ずつ備えられ、前記媒介層にはセル間の空
洞部に対応する燃料流入部及び流出部が所定間隔をおい
て備えられるように構成してもよい。
一つの態様に係る燃料電池用単電極セルパックにおい
て、前記媒介層には前記セルのアノードに供給される燃
料貯蔵所が備えられ、そして前記媒介層の両側に前記セ
ルが各々３個ずつ備えられ、前記媒介層にはセル間の空
洞部に対応する燃料流入部及び流出部が所定間隔をおい
て備えられるように構成してもよい。
【００３５】
【発明の実施の形態】以下、添付した図面を参照しなが
ら、本発明の燃料電池用単電極セルパックの望ましい実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、この実施
の形態のみに限定されるものではない。 〔第１の実施の形態〕図２は、本発明に係る燃料電池用
単電極セルパック１０の構成を概略的に示す斜視図であ
る。図２を参照すると、板状アノードエンドプレート１
１とカソードエンドプレート１２が所定間隔で結合され
ている。セルパック１０の長さ方向の両側には薄型アノ
ード集電板１３a及びカソード集電板１４bが所定長さに
延びている。前記アノードエンドプレート１１の上面の
中央部には燃料流入口１１１及び流出口１１２が設けら
れている。
ら、本発明の燃料電池用単電極セルパックの望ましい実
施の形態を詳細に説明する。なお、本発明は、この実施
の形態のみに限定されるものではない。 〔第１の実施の形態〕図２は、本発明に係る燃料電池用
単電極セルパック１０の構成を概略的に示す斜視図であ
る。図２を参照すると、板状アノードエンドプレート１
１とカソードエンドプレート１２が所定間隔で結合され
ている。セルパック１０の長さ方向の両側には薄型アノ
ード集電板１３a及びカソード集電板１４bが所定長さに
延びている。前記アノードエンドプレート１１の上面の
中央部には燃料流入口１１１及び流出口１１２が設けら
れている。
【００３６】前記燃料流入口１１１は、セルパック１０
の外部に装置された水素、あるいはメタノール貯蔵容器
あるいはアンプルと連結されて燃料の持続的な流入が可
能で、このような構造で携帯機器の電源として有用であ
る。前記セルパック１０の外部に延びたアノード集電板
１３a及びカソード集電板１４bはセルパック１０内の各
セルに備えられるもので、外部への電力供給のために延
びたものであって、セルパック１０の外部に延びた部分
は別の部材により備えられうる。この場合には、セルパ
ック内にだけ集電板が備えられ、これら中で外部に電気
的に露出されねばならない部分に別の導電性部材がこの
集電板に電気的に連結される。
の外部に装置された水素、あるいはメタノール貯蔵容器
あるいはアンプルと連結されて燃料の持続的な流入が可
能で、このような構造で携帯機器の電源として有用であ
る。前記セルパック１０の外部に延びたアノード集電板
１３a及びカソード集電板１４bはセルパック１０内の各
セルに備えられるもので、外部への電力供給のために延
びたものであって、セルパック１０の外部に延びた部分
は別の部材により備えられうる。この場合には、セルパ
ック内にだけ集電板が備えられ、これら中で外部に電気
的に露出されねばならない部分に別の導電性部材がこの
集電板に電気的に連結される。
【００３７】図３は、図２に示したセルパック１０の概
略的な分解斜視図であり、図４は結合された状態のセル
パック１０の内部の積層構造を示すための積層構造物の
各々を所定間隔をおいて示した図面であり、図５は前記
アノードエンドプレート１１とカソードエンドプレート
１２によりこれら間の構造物が密着された状態での部分
抜すい断面図であり、そして図６は図５のＡ−Ａ線断面
図である。
略的な分解斜視図であり、図４は結合された状態のセル
パック１０の内部の積層構造を示すための積層構造物の
各々を所定間隔をおいて示した図面であり、図５は前記
アノードエンドプレート１１とカソードエンドプレート
１２によりこれら間の構造物が密着された状態での部分
抜すい断面図であり、そして図６は図５のＡ−Ａ線断面
図である。
【００３８】図３〜図６を参照すると、実質的にセルパ
ックの外観を構成する前記アノードエンドプレート１１
とカソードエンドプレート１２との間に二つのセルが所
定間隔をおいて配置されている。各セルは、メンブレン
の両側面に触媒層が形成されている水素イオン交換膜、
すなわち、触媒化メンブレン２０a、２０bと触媒化メン
ブレン２０a、２０bの上部に位置する燃料拡散部材２１
a、２１bと、その下部に位置する空気接触部材２２a、
２２bとを具備する。前記イオン交換樹脂膜２０a、２０
bは図８に示したように、メンブレン２０１の両側面に
触媒層２０２、２０３が積層された構造を有する。
ックの外観を構成する前記アノードエンドプレート１１
とカソードエンドプレート１２との間に二つのセルが所
定間隔をおいて配置されている。各セルは、メンブレン
の両側面に触媒層が形成されている水素イオン交換膜、
すなわち、触媒化メンブレン２０a、２０bと触媒化メン
ブレン２０a、２０bの上部に位置する燃料拡散部材２１
a、２１bと、その下部に位置する空気接触部材２２a、
２２bとを具備する。前記イオン交換樹脂膜２０a、２０
bは図８に示したように、メンブレン２０１の両側面に
触媒層２０２、２０３が積層された構造を有する。
【００３９】ここで、前記燃料拡散部材２１a、２１bと
これに接触するメンブレンの一側の触媒層はアノードを
構成し、空気接触部材２２a、２２bとこれに接触される
前記メンブレンの他側の触媒層はカソードを構成する。
前記空気接触部材２２a、２２bには空気流動のためのチ
ャネル２２１a、２２１bが形成されている。前記空気接
触部材２２a、２２bは示したように、空気の流路を形成
するためのチャネル２２１a、２２１bを有する構造また
はそれ自体が空気流通が可能な大きいかったり小さな気
孔が形成された多孔体の炭素-プラスチック複合材料よ
り製作される。
これに接触するメンブレンの一側の触媒層はアノードを
構成し、空気接触部材２２a、２２bとこれに接触される
前記メンブレンの他側の触媒層はカソードを構成する。
前記空気接触部材２２a、２２bには空気流動のためのチ
ャネル２２１a、２２１bが形成されている。前記空気接
触部材２２a、２２bは示したように、空気の流路を形成
するためのチャネル２２１a、２２１bを有する構造また
はそれ自体が空気流通が可能な大きいかったり小さな気
孔が形成された多孔体の炭素-プラスチック複合材料よ
り製作される。
【００４０】前記各セルの上下には前記アノードとカソ
ードの各々で単電極として作用するアノード集電板１３
a、１３b及びカソード集電板１４a、１４bが位置し、こ
れら中で一側セルのアノード集電板１３aと他側セルの
カソード集電板１４bがセルパック１０の外部に延びて
いる。
ードの各々で単電極として作用するアノード集電板１３
a、１３b及びカソード集電板１４a、１４bが位置し、こ
れら中で一側セルのアノード集電板１３aと他側セルの
カソード集電板１４bがセルパック１０の外部に延びて
いる。
【００４１】図５に示すように、前記セル間には空洞部
１８が備えられ、一側セルのカソード集電板１４ａと他
側セルのアノード集電板１３ｂを電気的に連結する電気
接続部材１５が前記空洞部１８内に位置する。前記電気
接続部材１５は充分な幅を維持して集電板１４ａ、１３
ｂとの接触面積を拡大させながらも、前記空洞部１８内
の燃料流動を妨害しないためには燃料通過が可能な網状
体より構成されることが望ましく、燃料に対する耐腐蝕
性を考慮してニッケルより形成されることが望ましい。
前記電気接続部材１５が網状体ではない場合、その幅は
燃料の流動の抵抗をなるべく少なくする程度に狭くしな
ければならない。
１８が備えられ、一側セルのカソード集電板１４ａと他
側セルのアノード集電板１３ｂを電気的に連結する電気
接続部材１５が前記空洞部１８内に位置する。前記電気
接続部材１５は充分な幅を維持して集電板１４ａ、１３
ｂとの接触面積を拡大させながらも、前記空洞部１８内
の燃料流動を妨害しないためには燃料通過が可能な網状
体より構成されることが望ましく、燃料に対する耐腐蝕
性を考慮してニッケルより形成されることが望ましい。
前記電気接続部材１５が網状体ではない場合、その幅は
燃料の流動の抵抗をなるべく少なくする程度に狭くしな
ければならない。
【００４２】前記空洞部１８の下部には燃料流動阻止部
材１６が備えられる。これは前記イオン交換膜２０a、
２０bの下部を塞いで空洞部１８に燃料が流入されるこ
とを防止し、この燃料がカソード側に流動して空気と混
合されることを防止する。
材１６が備えられる。これは前記イオン交換膜２０a、
２０bの下部を塞いで空洞部１８に燃料が流入されるこ
とを防止し、この燃料がカソード側に流動して空気と混
合されることを防止する。
【００４３】図６に示すように、前記燃料拡散部材２１
ａ、２１ｂの両側には広がる燃料が外部に流出されるこ
とを防止するためのシーリング部１７が形成されてい
る。これは、空洞部１８の上方に供給された燃料が燃料
拡散部材２１ａ、２１ｂを通じて広がりながら、セルパ
ック１０の外部に流出されることを防止する。
ａ、２１ｂの両側には広がる燃料が外部に流出されるこ
とを防止するためのシーリング部１７が形成されてい
る。これは、空洞部１８の上方に供給された燃料が燃料
拡散部材２１ａ、２１ｂを通じて広がりながら、セルパ
ック１０の外部に流出されることを防止する。
【００４４】前記構造で前記空気接触部材２２ａ、２２
ｂに対する空気の接触量を拡大するための望ましい構成
として、図４〜図７に示したように、前記両セルのカソ
ード集電板１４ａ、１４ｂとカソードエンドプレート１
２の各々には相互一対一対応する貫通孔１４１ａ、１４
１ｂ、１２１ａ、１２１ｂが形成されている。
ｂに対する空気の接触量を拡大するための望ましい構成
として、図４〜図７に示したように、前記両セルのカソ
ード集電板１４ａ、１４ｂとカソードエンドプレート１
２の各々には相互一対一対応する貫通孔１４１ａ、１４
１ｂ、１２１ａ、１２１ｂが形成されている。
【００４５】以上のように構成される構造では、前記集
電板１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各々が単電極と
して作用する。各セルのアノードはシーリング部１７に
より外部から遮蔽されており、アノード間に備えられた
空洞部１８を通じて水素またはメタノールのような燃料
が供給された後、アノードの燃料拡散部材２１ａ、２１
ｂを通じて広がり、特にカソード側の空気はチャネル２
２１ａ、２２１ｂを有する空気接触部材２２ａ、２２ｂ
を通じて流動するためにセルのサイズが小さいながらも
高出力で高密度の電流が得られるようになる。
電板１３ａ、１３ｂ、１４ａ、１４ｂの各々が単電極と
して作用する。各セルのアノードはシーリング部１７に
より外部から遮蔽されており、アノード間に備えられた
空洞部１８を通じて水素またはメタノールのような燃料
が供給された後、アノードの燃料拡散部材２１ａ、２１
ｂを通じて広がり、特にカソード側の空気はチャネル２
２１ａ、２２１ｂを有する空気接触部材２２ａ、２２ｂ
を通じて流動するためにセルのサイズが小さいながらも
高出力で高密度の電流が得られるようになる。
【００４６】前記の実施の形態で、空洞部１８内に位置
する電気接続部材１５は網状体であって空洞部１８内に
供給された燃料の流動を阻害せず、両セルで単電極とし
て作用する一側のカソード集電板１４ａと他側のアノー
ド集電板１３ｂとを電気的に連結する。前記アノードエ
ンドプレート１１とカソードエンドプレート１２はねじ
１８ａ及びボルト１８ｂの締結部品により結合されたと
きに、これら間の部材を密着させられる程度の剛性と所
定温度範囲内で耐熱特性を有する材料、例えばベークラ
イトにより形成される。特に、前記アノードエンドプレ
ート１１とカソードエンドプレート１２により密着され
る内部のアノード、カソード及びこれら間のイオン交換
膜の接触圧力はセルの内部抵抗に密接な関係があるので
これを満足できる程度の剛性を有せねばならない。
する電気接続部材１５は網状体であって空洞部１８内に
供給された燃料の流動を阻害せず、両セルで単電極とし
て作用する一側のカソード集電板１４ａと他側のアノー
ド集電板１３ｂとを電気的に連結する。前記アノードエ
ンドプレート１１とカソードエンドプレート１２はねじ
１８ａ及びボルト１８ｂの締結部品により結合されたと
きに、これら間の部材を密着させられる程度の剛性と所
定温度範囲内で耐熱特性を有する材料、例えばベークラ
イトにより形成される。特に、前記アノードエンドプレ
ート１１とカソードエンドプレート１２により密着され
る内部のアノード、カソード及びこれら間のイオン交換
膜の接触圧力はセルの内部抵抗に密接な関係があるので
これを満足できる程度の剛性を有せねばならない。
【００４７】前記燃料流動阻止部材１６及びシーリング
部１７は、シリコンゴムを主成分とするシーラントを使
用する。特に、空洞部１８からアノードとの間の部分に
は前記シーラントが満たされないようにして水素あるい
はメタノール溶液の移動経路を確保せねばならない。
部１７は、シリコンゴムを主成分とするシーラントを使
用する。特に、空洞部１８からアノードとの間の部分に
は前記シーラントが満たされないようにして水素あるい
はメタノール溶液の移動経路を確保せねばならない。
【００４８】〔第２の実施の形態〕図９は、３個のセル
が一列に配置された本発明に係る燃料電池用単電極セル
パックの構成を示すものであって、複雑さを避けるため
に概略的にセルパックの構造を模式的に示す斜視図であ
り、図１０は図９の断面図である。第２の実施の形態の
各セルの構造は、前述した第１の実施の形態のセルの構
造と同一である。
が一列に配置された本発明に係る燃料電池用単電極セル
パックの構成を示すものであって、複雑さを避けるため
に概略的にセルパックの構造を模式的に示す斜視図であ
り、図１０は図９の断面図である。第２の実施の形態の
各セルの構造は、前述した第１の実施の形態のセルの構
造と同一である。
【００４９】図９と図１０を参照すると、アノードエン
ドプレート１１ａとカソードエンドプレート１２ａとの
間に３個のセルが所定間隔をおいて一列に配置されてい
る。各セルは中央部のイオン交換膜及び電極組立体２０
ａ、２０ｂ、２０ｃとイオン交換膜２０ａ、２０ｂ、２
０ｃの上下に備えられた燃料拡散部材２１ａ、２１ｂ、
２１ｃ及び空気接触部材２２ａ、２２ｂ、２２ｃを各々
具備してなる。
ドプレート１１ａとカソードエンドプレート１２ａとの
間に３個のセルが所定間隔をおいて一列に配置されてい
る。各セルは中央部のイオン交換膜及び電極組立体２０
ａ、２０ｂ、２０ｃとイオン交換膜２０ａ、２０ｂ、２
０ｃの上下に備えられた燃料拡散部材２１ａ、２１ｂ、
２１ｃ及び空気接触部材２２ａ、２２ｂ、２２ｃを各々
具備してなる。
【００５０】セル間には空洞部１８ａ、１８ｂが備えら
れ、ここに前記した第１の実施の形態で説明した構造の
電気接続部材１５ａ、１５ｂが位置する。そして、前記
アノードエンドプレート１１ａには前記空洞部１８ａ、
１８ｂに対応する燃料流入口１１１ａ及び流出口１１２
ａが所定間隔をおいて位置する。電気接続部材１５ａ、
１５ｂは前記した第１の実施の形態のようにその各々が
位置した空洞部１８ａ、１８ｂの両側セルに電気的に接
続してセルを直列に連結する。このときに、各電気接続
部材１５ａ、１５ｂの一端は一セルのアノード集電板１
３ａ、１３ｂに接触され、その他端はカソード集電板１
４ｂ、１４ｃに接触される。また前記空洞部１８ａ、１
８ｂの下部にはその上方に流動する燃料がカソード側に
流動することを防止する燃料流動阻止部材１６ａ、１６
ｂが位置する。
れ、ここに前記した第１の実施の形態で説明した構造の
電気接続部材１５ａ、１５ｂが位置する。そして、前記
アノードエンドプレート１１ａには前記空洞部１８ａ、
１８ｂに対応する燃料流入口１１１ａ及び流出口１１２
ａが所定間隔をおいて位置する。電気接続部材１５ａ、
１５ｂは前記した第１の実施の形態のようにその各々が
位置した空洞部１８ａ、１８ｂの両側セルに電気的に接
続してセルを直列に連結する。このときに、各電気接続
部材１５ａ、１５ｂの一端は一セルのアノード集電板１
３ａ、１３ｂに接触され、その他端はカソード集電板１
４ｂ、１４ｃに接触される。また前記空洞部１８ａ、１
８ｂの下部にはその上方に流動する燃料がカソード側に
流動することを防止する燃料流動阻止部材１６ａ、１６
ｂが位置する。
【００５１】このような第２の実施の形態に係る燃料電
池用単電極セルパックは三つのセルが一列に配置されて
おり、各セルの集電板１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４
ａ、１４ｂ、１４ｃが前記した第１の実施の形態のよう
に単電極として作用する。したがって、セルパックの内
部に燃料流動構造が備えられていて、前記のようにアノ
ードエンドプレート１１aに備えられた燃料流入口１１
１a及び流出口１１２aにより三つのセルに対する燃料の
循環供給が可能になる。このような構造を応用して、三
つ以上のセルを一列に配置した構造のセルパックが得ら
れる。
池用単電極セルパックは三つのセルが一列に配置されて
おり、各セルの集電板１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１４
ａ、１４ｂ、１４ｃが前記した第１の実施の形態のよう
に単電極として作用する。したがって、セルパックの内
部に燃料流動構造が備えられていて、前記のようにアノ
ードエンドプレート１１aに備えられた燃料流入口１１
１a及び流出口１１２aにより三つのセルに対する燃料の
循環供給が可能になる。このような構造を応用して、三
つ以上のセルを一列に配置した構造のセルパックが得ら
れる。
【００５２】以上、説明した第２の実施の形態では、セ
ルを構成するアノード及びカソード、イオン交換膜、カ
ソード集電板及びカソードエンドプレートの部品は前記
した第１の実施の形態の対応構成部品と実質的に同じ構
造を備え得る。
ルを構成するアノード及びカソード、イオン交換膜、カ
ソード集電板及びカソードエンドプレートの部品は前記
した第１の実施の形態の対応構成部品と実質的に同じ構
造を備え得る。
【００５３】〔第３の実施の形態〕第３の実施の形態で
は、前記第２の実施の形態の構造を中間の媒介層を中心
として対称に配置して、燃料が媒介層側から供給される
ようにし、これに隣接しているアノードに供給されるよ
うに構成された燃料電池用単電極セルパックについて説
明する。図１１は、前記した第２の実施の形態で説明し
た構造の燃料電池用単電極セルパックが、前記したよう
に媒介層を中心として対称的に積層されている構造を示
す２層構造のセルパックの断面図である。
は、前記第２の実施の形態の構造を中間の媒介層を中心
として対称に配置して、燃料が媒介層側から供給される
ようにし、これに隣接しているアノードに供給されるよ
うに構成された燃料電池用単電極セルパックについて説
明する。図１１は、前記した第２の実施の形態で説明し
た構造の燃料電池用単電極セルパックが、前記したよう
に媒介層を中心として対称的に積層されている構造を示
す２層構造のセルパックの断面図である。
【００５４】図１１を参照すると、中央部の媒介層２０
０を中心としてその上下に前記した第２の実施の形態で
説明された構造の単位セルパック１０ａ、１０ｂが配置
されている。すなわち、前記単位セルパック１０ａ、１
０ｂは前記媒介層２００をアノードエンドプレートとし
て共有する構造であり、前記単位セルパック１０ａ、１
０ｂは各々、カソードエンドプレート１２ｃ、１２ｄを
具備する。
０を中心としてその上下に前記した第２の実施の形態で
説明された構造の単位セルパック１０ａ、１０ｂが配置
されている。すなわち、前記単位セルパック１０ａ、１
０ｂは前記媒介層２００をアノードエンドプレートとし
て共有する構造であり、前記単位セルパック１０ａ、１
０ｂは各々、カソードエンドプレート１２ｃ、１２ｄを
具備する。
【００５５】図１１で、媒介層２００の上下に位置する
単位セルパック１０ａ、１０ｂの各々は３個のセルが空
洞部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを介して一列に配
置されている構造を有する。前記空洞部１８ａ、１８
ｂ、１８ｃ、１８ｄには電気接続部材１５ａ、１５ｂ、
１５ｃ、１５ｄが位置する。各電気接続部材１５ａ、１
５ｂ、１５ｃ、１５ｄの各々は両側のセル中で一側セル
のアノード集電板１３ａ、１３ｂ、１３ｅ、１３ｆに接
触され、その他端はカソード集電板１４ｂ、１４ｃ、１
４ｄ、１４ｅに接触される。また前記空洞部１８ａ、１
８ｂ、１８ｃ、１８ｄのカソード側部分には各セルのア
ノードから流動する燃料がカソード側に流動することを
防止する燃料流動阻止部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１
６ｄが位置する。
単位セルパック１０ａ、１０ｂの各々は３個のセルが空
洞部１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを介して一列に配
置されている構造を有する。前記空洞部１８ａ、１８
ｂ、１８ｃ、１８ｄには電気接続部材１５ａ、１５ｂ、
１５ｃ、１５ｄが位置する。各電気接続部材１５ａ、１
５ｂ、１５ｃ、１５ｄの各々は両側のセル中で一側セル
のアノード集電板１３ａ、１３ｂ、１３ｅ、１３ｆに接
触され、その他端はカソード集電板１４ｂ、１４ｃ、１
４ｄ、１４ｅに接触される。また前記空洞部１８ａ、１
８ｂ、１８ｃ、１８ｄのカソード側部分には各セルのア
ノードから流動する燃料がカソード側に流動することを
防止する燃料流動阻止部材１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１
６ｄが位置する。
【００５６】前記したような構造において、燃料の供給
は前記媒介層２００からなされる。媒介層２００にはそ
の上下の各セルのアノードに燃料が流入される流入部１
１１bと排出部１１２bが配置される。前記媒介層２００
を詳細に調べれば、図１２に示したように、流入部１１
１ｂと排出部１１２ｂは上下の単位セルパック１０ａ、
１０ｂで連通され、その一側に外部から燃料の流入/流
出のための通路が形成されている。
は前記媒介層２００からなされる。媒介層２００にはそ
の上下の各セルのアノードに燃料が流入される流入部１
１１bと排出部１１２bが配置される。前記媒介層２００
を詳細に調べれば、図１２に示したように、流入部１１
１ｂと排出部１１２ｂは上下の単位セルパック１０ａ、
１０ｂで連通され、その一側に外部から燃料の流入/流
出のための通路が形成されている。
【００５７】以下、前述した第１の実施の形態から第３
の実施の形態に共に適用される部品に対する製造過程を
説明する。
の実施の形態に共に適用される部品に対する製造過程を
説明する。
【００５８】〔セルを構成する部品の製造過程〕 （触媒化メンブレン）Pt触媒が２０％担持されたＰｔ／
Ｃ粉末とＩＰＡ溶液及び５％のナフィオン（Ｎａｆｉｏ
ｎ）溶液を混合して触媒インクを製造した後に均一な分
散のために超音波処理した。ナフィオン１１２からなる
メンブレンをＨ2ＳＯ4、Ｈ2Ｏ2により前処理した後にＤ
Ｉ（脱イオン水）でリンスし、スプレーガンを用いて備
えられた触媒インクを前記メンブレンの両側表面に直接
コーティングした後、活性領域が２×３ｃｍ2となるよ
うに切断した。
Ｃ粉末とＩＰＡ溶液及び５％のナフィオン（Ｎａｆｉｏ
ｎ）溶液を混合して触媒インクを製造した後に均一な分
散のために超音波処理した。ナフィオン１１２からなる
メンブレンをＨ2ＳＯ4、Ｈ2Ｏ2により前処理した後にＤ
Ｉ（脱イオン水）でリンスし、スプレーガンを用いて備
えられた触媒インクを前記メンブレンの両側表面に直接
コーティングした後、活性領域が２×３ｃｍ2となるよ
うに切断した。
【００５９】（燃料拡散部材）流動領域基板(燃料拡散
部材)を製造するために炭素紙（Ｔｏｒａｙ ０９０）
を一定の大きさに切断した後、グラファイト（黒鉛、Ｔ
ｉｍｒｅｘ ＫＳ６）パウダーとＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙ−
ｔｅｔｒａ−ｆｌｕｏｒｏ−ｅｔｈｙｌｅｎｅ：ポリテ
トラフルオロエチレン）を１：１に混合して水と共に製
造されたスラリーを含浸させた。含浸させた後に乾燥さ
れた流動領域基板の表面に炭素粉末（Ｖｕｌｃａｎ Ｘ
ＣＲ）とＰＴＦＥ、ＩＰＡ溶液及び水が混合されたイン
クをスプレーして拡散層を形成した。乾燥及びＰＴＦＥ
の焼結のために３５０℃の温度で熱処理した後、シーリ
ングを容易にするためにイオン交換膜より両側面を２ｍ
ｍずつ大きく切断した。
部材)を製造するために炭素紙（Ｔｏｒａｙ ０９０）
を一定の大きさに切断した後、グラファイト（黒鉛、Ｔ
ｉｍｒｅｘ ＫＳ６）パウダーとＰＴＦＥ（Ｐｏｌｙ−
ｔｅｔｒａ−ｆｌｕｏｒｏ−ｅｔｈｙｌｅｎｅ：ポリテ
トラフルオロエチレン）を１：１に混合して水と共に製
造されたスラリーを含浸させた。含浸させた後に乾燥さ
れた流動領域基板の表面に炭素粉末（Ｖｕｌｃａｎ Ｘ
ＣＲ）とＰＴＦＥ、ＩＰＡ溶液及び水が混合されたイン
クをスプレーして拡散層を形成した。乾燥及びＰＴＦＥ
の焼結のために３５０℃の温度で熱処理した後、シーリ
ングを容易にするためにイオン交換膜より両側面を２ｍ
ｍずつ大きく切断した。
【００６０】前記燃料拡散部材において、疏水性のため
にテフロン（登録商標）処理をし、流入される気体ある
いは液体の量に係る炭素粉末の量により気孔度及び気孔
の大きさを調節する。これは米国特許Ｎｏ．５,９９８,
０５７に開示された技術を適用できる。このようなテフ
ロン処理に疎水性が与えられ、燃料電池が作動する間
に、燃料拡散部材の内部の水分量及び流入燃料の流れ速
度を調節して内部抵抗を減少させ、反応効率を増加させ
る役割をする。
にテフロン（登録商標）処理をし、流入される気体ある
いは液体の量に係る炭素粉末の量により気孔度及び気孔
の大きさを調節する。これは米国特許Ｎｏ．５,９９８,
０５７に開示された技術を適用できる。このようなテフ
ロン処理に疎水性が与えられ、燃料電池が作動する間
に、燃料拡散部材の内部の水分量及び流入燃料の流れ速
度を調節して内部抵抗を減少させ、反応効率を増加させ
る役割をする。
【００６１】（空気接触部材）空気チャネルのために、
１.５ｍｍの厚さの炭素紙（Ｔｏｒａｙ １.５ｔ）を使
用して片面に１ｍｍの深度及び幅を有するチャネルを加
工して空気が接触される表面積を最大化させた。そし
て、前記燃料拡散部材と同じ大きさに切断した。
１.５ｍｍの厚さの炭素紙（Ｔｏｒａｙ １.５ｔ）を使
用して片面に１ｍｍの深度及び幅を有するチャネルを加
工して空気が接触される表面積を最大化させた。そし
て、前記燃料拡散部材と同じ大きさに切断した。
【００６２】（その他の構成部材）各セルの集電体とセ
ルを連結する電気接続部材は金、銀、銅、ニッケルなど
のフォイルより網状体で各々製造した。ここで集電板は
金、銀の耐腐蝕性及び電気伝導性に優れた金属を使用
し、その厚さは１００μｍ以下であることが望ましい。
ルを連結する電気接続部材は金、銀、銅、ニッケルなど
のフォイルより網状体で各々製造した。ここで集電板は
金、銀の耐腐蝕性及び電気伝導性に優れた金属を使用
し、その厚さは１００μｍ以下であることが望ましい。
【００６３】アノードエンドプレート及びカソードエン
ドプレートは前述したような形に製造し、ボルト及びナ
ットの締結部品で前記両エンドプレートを相互結合して
これら間のセル部品に一定圧力を加えた。前記のような
構造の本発明に係る燃料電池用単電極セルパック（第１
の実施の形態）を製造した後、前記カソード側に空気を
強制送風した状態と自然対流により流動させた状態で、
それぞれセルパックの出力特性を測定し評価した。な
お、この測定条件は、水素を乾燥状態として前記燃料電
池用単電極セルパックに注入し、圧力を１．５×１０5
Ｐａ（１．５Ｂａｒ）に保持してストイキオメトリ（Ｓ
ｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ：化学量論的組成比）を一定
に維持した。
ドプレートは前述したような形に製造し、ボルト及びナ
ットの締結部品で前記両エンドプレートを相互結合して
これら間のセル部品に一定圧力を加えた。前記のような
構造の本発明に係る燃料電池用単電極セルパック（第１
の実施の形態）を製造した後、前記カソード側に空気を
強制送風した状態と自然対流により流動させた状態で、
それぞれセルパックの出力特性を測定し評価した。な
お、この測定条件は、水素を乾燥状態として前記燃料電
池用単電極セルパックに注入し、圧力を１．５×１０5
Ｐａ（１．５Ｂａｒ）に保持してストイキオメトリ（Ｓ
ｔｏｉｃｈｉｏｍｅｔｒｙ：化学量論的組成比）を一定
に維持した。
【００６４】このようにして行なった本発明に係る燃料
電池用単電極セルパックの出力特性の測定結果によれ
ば、最大１Ｗの出力を得ることができた。このときのセ
ルパックの電圧値と電流量は各々１Ｖ、１０００ｍＡで
あった。図１３は、常温（ＲＴ、Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅ
ｒａｔｕｒｅ）下で行なわれた評価で得られた電流密度
と出力電圧との比較線図である。図１３の特性線図は、
強制送風（ＰＨ2＝１．５×１０5Ｐａ（１．５Ｂａ
ｒ））、自然対流（ＰＨ2＝１．５×１０5Ｐａ（１．５
Ｂａｒ））、大気圧水準で強制送風（ＰＨ2＝１．３×
１０5Ｐａ（１．３Ｂａｒ））の三つの条件下で得られ
た結果である。
電池用単電極セルパックの出力特性の測定結果によれ
ば、最大１Ｗの出力を得ることができた。このときのセ
ルパックの電圧値と電流量は各々１Ｖ、１０００ｍＡで
あった。図１３は、常温（ＲＴ、Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅ
ｒａｔｕｒｅ）下で行なわれた評価で得られた電流密度
と出力電圧との比較線図である。図１３の特性線図は、
強制送風（ＰＨ2＝１．５×１０5Ｐａ（１．５Ｂａ
ｒ））、自然対流（ＰＨ2＝１．５×１０5Ｐａ（１．５
Ｂａｒ））、大気圧水準で強制送風（ＰＨ2＝１．３×
１０5Ｐａ（１．３Ｂａｒ））の三つの条件下で得られ
た結果である。
【００６５】図１３から明らかなように、本発明に係る
燃料電池用単電極セルパック（第１の実施の形態）は、
空気の強制循環なしに自然対流の状態でも０．６Ｗとい
う高い出力特性が得られ、さらに特段の冷却装置なしに
セルパックの温度が５０℃以下という低い温度に維持す
ることができた。
燃料電池用単電極セルパック（第１の実施の形態）は、
空気の強制循環なしに自然対流の状態でも０．６Ｗとい
う高い出力特性が得られ、さらに特段の冷却装置なしに
セルパックの温度が５０℃以下という低い温度に維持す
ることができた。
【００６６】
【発明の効果】以上説明した通りに構成される本発明に
よれば、以下の効果を奏する。本発明によれば、複数の
セルに対する燃料供給ラインが一つの流入経路及び流出
経路のみで構成されるため、従来の燃料電池用単電極セ
ルパックの構造が単位セルごとに燃料供給ラインを有す
るものであったのに比べ非常に簡単な構造を有する燃料
電池用単電極セルパックを提供するとことができる。
よれば、以下の効果を奏する。本発明によれば、複数の
セルに対する燃料供給ラインが一つの流入経路及び流出
経路のみで構成されるため、従来の燃料電池用単電極セ
ルパックの構造が単位セルごとに燃料供給ラインを有す
るものであったのに比べ非常に簡単な構造を有する燃料
電池用単電極セルパックを提供するとことができる。
【００６７】特に、本発明によれば、燃料電池用単電極
セルパックの集電体を単電極として利用することができ
るため、燃料の供給がセル全体に対して均一に供給され
るようになり、より効率的な燃料供給系統を具現化した
燃料電池用単電極セルパックを提供することができる。
セルパックの集電体を単電極として利用することができ
るため、燃料の供給がセル全体に対して均一に供給され
るようになり、より効率的な燃料供給系統を具現化した
燃料電池用単電極セルパックを提供することができる。
【００６８】さらに、本発明によれば、燃料供給及び排
出口の構造を、複数のセルの各々が共有できるような形
態とすることができるため、燃料電池用単電極セルパッ
ク全体を、従来の燃料電池用単電極セルパックに比べ
て、より一層小型化し、かつ軽量化した燃料電池用単電
極セルパックを提供することができる。
出口の構造を、複数のセルの各々が共有できるような形
態とすることができるため、燃料電池用単電極セルパッ
ク全体を、従来の燃料電池用単電極セルパックに比べ
て、より一層小型化し、かつ軽量化した燃料電池用単電
極セルパックを提供することができる。
【００６９】また、本発明によれば、本発明に係る燃料
電池用単電極セルパックに含まれる、アノードでの燃料
拡散構造、及びカソードでの酸素還元構造により、燃料
の酸化反応性及び還元反応性をより一層向上させること
ができるため、所要の大きさのセルからより高密度の電
流を得ることができる燃料電池用単電極セルパックを提
供することができる。
電池用単電極セルパックに含まれる、アノードでの燃料
拡散構造、及びカソードでの酸素還元構造により、燃料
の酸化反応性及び還元反応性をより一層向上させること
ができるため、所要の大きさのセルからより高密度の電
流を得ることができる燃料電池用単電極セルパックを提
供することができる。
【００７０】そして、本発明によれば、特段の冷却装置
を用いることなく、安定して発電させることが可能であ
るため、燃料電池用単電極セルパックの構造的特徴によ
ってより適切な自発的な冷却を行なうことが可能な燃料
電池用単電極セルパックを提供することができる。
を用いることなく、安定して発電させることが可能であ
るため、燃料電池用単電極セルパックの構造的特徴によ
ってより適切な自発的な冷却を行なうことが可能な燃料
電池用単電極セルパックを提供することができる。
【００７１】以上、本発明は図面に示された第１の実施
の形態から第３の実施の形態を参考にして説明された
が、これは例示的なことに過ぎず、当該分野で通常の知
識を有する者であればこれにより多様な変形及び均等な
他の実施の形態が可能であるという点を理解することが
できるはずである。したがって、本発明の真の技術的な
保護範囲は特許請求の範囲に限って決まらねばならな
い。
の形態から第３の実施の形態を参考にして説明された
が、これは例示的なことに過ぎず、当該分野で通常の知
識を有する者であればこれにより多様な変形及び均等な
他の実施の形態が可能であるという点を理解することが
できるはずである。したがって、本発明の真の技術的な
保護範囲は特許請求の範囲に限って決まらねばならな
い。
【図１】従来の燃料電池単電極セルパックの概略を模式
的に示す断面図である。
的に示す断面図である。
【図２】本発明に係る燃料電池用単電極セルパックの第
１の実施の形態の構成を模式的に示す斜視図である。
１の実施の形態の構成を模式的に示す斜視図である。
【図３】図２に示す本発明に係る燃料電池用単電極セル
パックの展開図である。
パックの展開図である。
【図４】図２に示す本発明に係る燃料電池用単電極セル
パックの積層構造を示す横断面図である。
パックの積層構造を示す横断面図である。
【図５】図２に示す本発明に係る燃料電池用単電極セル
パックの積層構造を部分的に抜粋して示す拡大図であ
る。
パックの積層構造を部分的に抜粋して示す拡大図であ
る。
【図６】図５のＡ−Ａ線断面図である。
【図７】本発明に係る燃料電池用単電極セルパックに適
用されるカソード集電板とカソードエンドプレートの概
略を模式的に示す斜視図である。
用されるカソード集電板とカソードエンドプレートの概
略を模式的に示す斜視図である。
【図８】本発明に係る燃料電池用単電極セルパックに適
用されるイオン交換膜と電極組立体の断層構造を概略を
模式的に示す斜視図である。
用されるイオン交換膜と電極組立体の断層構造を概略を
模式的に示す斜視図である。
【図９】本発明に係る燃料電池用単電極セルパックの第
２の実施の形態の積層構造を立体的に示す展開図であ
る。
２の実施の形態の積層構造を立体的に示す展開図であ
る。
【図１０】本発明に係る燃料電池用単電極セルパックの
第２の実施の形態の積層構造を平面的に示す模式的横断
面図である。
第２の実施の形態の積層構造を平面的に示す模式的横断
面図である。
【図１１】本発明に係る燃料電池用単電極セルパックの
第３の実施の形態の積層構造を平面的に示す模式的横断
面図である。
第３の実施の形態の積層構造を平面的に示す模式的横断
面図である。
【図１２】本発明に係る燃料電池用単電極セルパックの
第３の実施の形態の燃料供給構造を示す模式的終断面図
である。
第３の実施の形態の燃料供給構造を示す模式的終断面図
である。
【図１３】本発明に係る燃料電池用単電極セルパックの
出力特性線図である。
出力特性線図である。
１０ 燃料電池用単電極セルパック １１ 板状アノードエンドプレート １２ カソードエンドプレート １３ａ 薄型アノード集電板 １４ｂ カソード集電板 １１１ 燃料流入口 １１２ 燃料流出口
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10
Claims (16)
- 【請求項１】 中央部に配置されたメンブレンとこのメ
ンブレンの両側にそれぞれ配置されたカソード及びアノ
ードとを有するセルと、前記カソードとアノードとに電
気的に接触された集電板と、前記セルを電気的に相互に
連結された電気接続部材とを具備した燃料電池用単電極
セルパックにおいて、 前記セルは二つ以上で構成され、かつ、前記電気接続部
材が配置された空洞部を介して任意の同一平面上に共に
配置され、 多孔性を有し、前記アノードと接触してセルの内部に燃
料を拡散させるための多孔性燃料拡散部材と、 多孔性を有し、前記カソードと接触してセルの内部の燃
料と空気とを接触させるための多孔性空気接触部材と、 前記セルを保護するためにセルのアノード側部とカソー
ド側部に各々配置されるアノードエンドプレート及びカ
ソードエンドプレートと、 前記空洞部のアノード側の部分に燃料を供給すると共に
排出する燃料供給及び排出手段と、 前記空洞部の前記カソード側の部分に、前記アノード側
の空洞部を流動する燃料が空洞部からカソード側の部分
に流動することを防止する燃料流動阻止部材と、 前記セルでアノードが配置されているアノード部とこの
アノード部に対応する空洞部とを外部から密閉するシー
リング部とを具備して構成されたことを特徴とする燃料
電池用単電極セルパック。 - 【請求項２】 前記アノードエンドプレートは、前記空
洞部に対応する位置に、燃料を流入させるための燃料流
入部及び燃料を流出させるための燃料流出部が所定間隔
をおいて備えられていることを特徴とする請求項１に記
載の燃料電池用単電極セルパック。 - 【請求項３】 前記多孔性燃料拡散部材は、炭素―プラ
スチック複合体により形成されて構成されていることを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池用単電極セルパッ
ク。 - 【請求項４】 前記多孔性燃料拡散部材は、炭素または
黒鉛が含浸されて構成されていることを特徴とする請求
項３に記載の燃料電池用単電極セルパック。 - 【請求項５】 前記多孔性空気接触部材は、炭素-プラ
スチック複合体により形成されて構成されていることを
特徴とする請求項１に記載の燃料電池用単電極セルパッ
ク。 - 【請求項６】 前記多孔性空気接触部材は、空気を流動
させるための複数のチャネルが形成されて構成されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用単電極
セルパック。 - 【請求項７】 前記電気接続部材は、網状体で構成され
ていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池用単
電極セルパック。 - 【請求項８】 前記カソードの集電板とカソードエンド
プレートの各々には相互に一対一に対応する貫通孔が形
成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電
池用単電極セルパック。 - 【請求項９】 中央部に配置されたメンブレンとこのメ
ンブレンの両側にそれぞれ配置されたカソード及びアノ
ードとが備えられたセルと、前記カソードとアノードと
に電気的に接触された集電板と、前記カソードとアノー
ドとの間に備えられた媒介層と、前記セルを電気的に相
互に連結させる電気接続部材とを具備した燃料電池用燃
料電池用単電極セルパックにおいて、 前記セルは二つ以上で構成され、 アノードに燃料を供給すると共に排出する燃料供給及び
排出手段が媒介層の両側に備えられ、この媒介層の平面
方向に前記セルが所定容積の空洞部を介して配置され、 前記空洞部には、前記電気接続部材が配置され、 前記媒介層の両側に備えられた各セルのアノードは、前
記媒介層に対応するように配置され、 多孔性を有し、前記アノードに接触してセルの内部に燃
料を拡散させるための多孔性燃料拡散部材と、 多孔性を有し、前記カソードに接触してセルの内部の燃
料と空気とを接触させるための多孔性空気接触部材と、 前記セルを保護するために前記セルのカソード側に各々
配置される第１カソードエンドプレート及び第２カソー
ドエンドプレートと、 前記空洞部の各セルのカソードに対応する部分に、前記
アノード側の空洞部を流動する燃料が空洞部からカソー
ド側の部分に流動することを防止する燃料流動阻止部材
と、 前記セルのアノードの部分とこれに対応する空洞部とを
外部から密閉するためのシーリング部とを具備すること
を特徴とする燃料電池用燃料電池用単電極セルパック。 - 【請求項１０】 前記アノードに対する燃料の供給は、
中央部に配置されたアノード側面から行なわれることを
特徴とする請求項９に記載の燃料電池用単電極セルパッ
ク。 - 【請求項１１】 前記媒介層の両側に前記セルが各々二
つ以上備えられ、前記媒介層にはセル間の空洞部に対応
する燃料流入部及び流出部が所定間隔をおいて備えられ
ていることを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用単
電極セルパック。 - 【請求項１２】 前記多孔性燃料拡散部材は、炭素-プ
ラスチック複合体により形成されることを特徴とする請
求項９に記載の燃料電池用単電極セルパック。 - 【請求項１３】 前記多孔性燃料拡散部材には、炭素ま
たは黒鉛が含浸されていることを特徴とする請求項９に
記載の燃料電池用単電極セルパック。 - 【請求項１４】 前記多孔性空気接触部材は、炭素-プ
ラスチック複合体により形成されることを特徴とする請
求項９に記載の燃料電池用単電極セルパック。 - 【請求項１５】 前記空気接触部材の底面に空気流動の
ための多数のチャネルが形成されていることを特徴とす
る請求項９に記載の燃料電池用単電極セルパック。 - 【請求項１６】 前記電気接続部材は、網状体であるこ
とを特徴とする請求項９に記載の燃料電池用単電極セル
パック。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR10-2000-0013605A KR100446609B1 (ko) | 2000-03-17 | 2000-03-17 | 수소이온교환막 고체 고분자 연료전지 및 직접 메탄올연료전지용 단전극 셀팩 |
| KR00-13605 | 2000-03-17 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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|---|---|---|---|
| JP2001076869A Expired - Fee Related JP4617013B2 (ja) | 2000-03-17 | 2001-03-16 | 水素イオン交換膜固体高分子燃料電池及び直接メタノール燃料電池用単電極セルパック |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
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| EP (1) | EP1134830B1 (ja) |
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