JP2002280049A - 集積タイプ燃料電池セル - Google Patents
集積タイプ燃料電池セルInfo
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- JP2002280049A JP2002280049A JP2001079499A JP2001079499A JP2002280049A JP 2002280049 A JP2002280049 A JP 2002280049A JP 2001079499 A JP2001079499 A JP 2001079499A JP 2001079499 A JP2001079499 A JP 2001079499A JP 2002280049 A JP2002280049 A JP 2002280049A
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- fuel cell
- catalyst
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 １層セルで発生する電圧を高くできる集積タ
イプ燃料電池セルを提供する。 【解決手段】 基板を処理して、多数の電解質部分とな
る分割電解質ユニット１２と、そのユニット同士を絶縁
する枠状絶縁部１３を形成し、その各分割電解質ユニッ
ト１２の両面に、カソード極側触媒付き電極膜１４とア
ノード極側触媒付き電極膜１５を設け、さらにカソード
極用セパレータ１６とアノード極用セパレータ１７で挟
み付けて分割ユニットセル１８を形成し、これら分割ユ
ニットセル１８の正極と負極を、交互に直列に接続した
ものである。
イプ燃料電池セルを提供する。 【解決手段】 基板を処理して、多数の電解質部分とな
る分割電解質ユニット１２と、そのユニット同士を絶縁
する枠状絶縁部１３を形成し、その各分割電解質ユニッ
ト１２の両面に、カソード極側触媒付き電極膜１４とア
ノード極側触媒付き電極膜１５を設け、さらにカソード
極用セパレータ１６とアノード極用セパレータ１７で挟
み付けて分割ユニットセル１８を形成し、これら分割ユ
ニットセル１８の正極と負極を、交互に直列に接続した
ものである。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池セルに係り、特に高度の集積化が可能で、低電圧か
ら高電圧を得ることが可能な集積タイプ燃料電池セルに
関するものである。
電池セルに係り、特に高度の集積化が可能で、低電圧か
ら高電圧を得ることが可能な集積タイプ燃料電池セルに
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】水素ガスを燃料とし、酸素ガスを酸化剤
とする固体高分子型燃料電池は、図７に示すようなセル
構造となっている。
とする固体高分子型燃料電池は、図７に示すようなセル
構造となっている。
【０００３】図７の燃料電池セル１００は、高分子電解
質膜１０１の両側には、触媒が付与された負極（水素
極）１０２及び正極（酸素極）１０３が設けられ、更に
それらを挟むように、セパレータ１０４，１０５が設け
られる。
質膜１０１の両側には、触媒が付与された負極（水素
極）１０２及び正極（酸素極）１０３が設けられ、更に
それらを挟むように、セパレータ１０４，１０５が設け
られる。
【０００４】セパレータ１０４，１０５は、それぞれ、
水素供給用通路（溝）１０６及び酸素供給用通路（溝）
１０７を有する。
水素供給用通路（溝）１０６及び酸素供給用通路（溝）
１０７を有する。
【０００５】水素ガス、及び酸素ガスは、それぞれ外か
ら供給孔（図示せず）を介して通路１０６，１０７に導
かれ、それぞれ負極１０２と正極１０３に供給される。
ら供給孔（図示せず）を介して通路１０６，１０７に導
かれ、それぞれ負極１０２と正極１０３に供給される。
【０００６】触媒が付与された負極（水素極）１０２で
は、負極側のセパレータ１０４の水素供給通路（溝）１
０６から供給された水素ガスが、触媒が付与された負極
７水素極）１０２を通過させて反応帯域近くに達し、触
媒に吸収されて活性な水素イオンと電子に分かれる。そ
の水素イオンは、電解質１００中の水分と共に電解質１
００中を移動して触媒が付与された正極（酸素極）１０
３に移動する。
は、負極側のセパレータ１０４の水素供給通路（溝）１
０６から供給された水素ガスが、触媒が付与された負極
７水素極）１０２を通過させて反応帯域近くに達し、触
媒に吸収されて活性な水素イオンと電子に分かれる。そ
の水素イオンは、電解質１００中の水分と共に電解質１
００中を移動して触媒が付与された正極（酸素極）１０
３に移動する。
【０００７】一方、触媒が付与された正極（酸素極）１
０３では、触媒の存在の下で、触媒が付与された正極
（酸素極）１０３から２個の電子を受け取り、正極側の
セパレータ１０５の酸素供給通路（溝）１０７から供給
された酸素分子が、高分子電解質膜１０１からの水と反
応して、水酸イオンを生成する。
０３では、触媒の存在の下で、触媒が付与された正極
（酸素極）１０３から２個の電子を受け取り、正極側の
セパレータ１０５の酸素供給通路（溝）１０７から供給
された酸素分子が、高分子電解質膜１０１からの水と反
応して、水酸イオンを生成する。
【０００８】１／２Ｏ2 ＋ Ｈ2 Ｏ → ２ＯＨ- この正極（酸素極）１０３で生成した水酸イオンは、高
分子電解質膜１０１中を移動してきた水素イオンと反応
して水を生成し、全体の回路を構成する。
分子電解質膜１０１中を移動してきた水素イオンと反応
して水を生成し、全体の回路を構成する。
【０００９】従って、電池全体の反応は、 Ｈ2 ＋ １／２Ｏ2 → ２Ｈ2 Ｏ となり、燃料ガス中の水素塗空気中の酸素が反応し、水
が生成する反応となる。
が生成する反応となる。
【００１０】この反応による理論電圧は、１．２３Ｖで
あるが、実際には、各種損失があり、その発生電圧は、
良くても０．７Ｖ程度が現状である。すなわちセパレー
タ１０４，１０５間の１層ユニットの発生電圧は、０．
７Ｖであり、このタイプの燃料電池セルは、一般に所定
数だけ積層されることによって燃料電池セルスタックと
して使用される。
あるが、実際には、各種損失があり、その発生電圧は、
良くても０．７Ｖ程度が現状である。すなわちセパレー
タ１０４，１０５間の１層ユニットの発生電圧は、０．
７Ｖであり、このタイプの燃料電池セルは、一般に所定
数だけ積層されることによって燃料電池セルスタックと
して使用される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】このように、従来のス
タックタイプの固体高分子燃料電池の場合、１セル当た
りの発生電圧は、０．７Ｖ程度と低く、電圧を上げるた
めには多層にする必要があり、スタックできる点では、
この構造のメリットが圧分けであるが、大きなスペース
のセパレータ、冷却板を組み込む必要があり、それ自体
無駄が多いと同時に、立方体に近いものとなってしま
い、嵩張った形状になってしまう。
タックタイプの固体高分子燃料電池の場合、１セル当た
りの発生電圧は、０．７Ｖ程度と低く、電圧を上げるた
めには多層にする必要があり、スタックできる点では、
この構造のメリットが圧分けであるが、大きなスペース
のセパレータ、冷却板を組み込む必要があり、それ自体
無駄が多いと同時に、立方体に近いものとなってしま
い、嵩張った形状になってしまう。
【００１２】更に、発生電圧と電流との関係では、低電
圧で大電流には向いているが、小電流で、電圧の高い用
途には向いていない問題がある。また、電力量の小さい
半導体関係には不向きであり、車、家庭用電源、更には
携帯電話等の電源には不向きである。
圧で大電流には向いているが、小電流で、電圧の高い用
途には向いていない問題がある。また、電力量の小さい
半導体関係には不向きであり、車、家庭用電源、更には
携帯電話等の電源には不向きである。
【００１３】すなわち、従来のセル構造の欠点は、ユニ
ットセルで発生する電圧、単位面積当たりの電力量は一
定であるにもかかわらず、１層ユニットセルが大きく、
そのために嵩張った構造となる点である。
ットセルで発生する電圧、単位面積当たりの電力量は一
定であるにもかかわらず、１層ユニットセルが大きく、
そのために嵩張った構造となる点である。
【００１４】そこで、本発明の目的は、上記課題を解決
し、１層セルで発生する電圧を高くできる集積タイプ燃
料電池セルを提供することにある。
し、１層セルで発生する電圧を高くできる集積タイプ燃
料電池セルを提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項１の発明は、１層の固体高分子型燃料電池セ
ルを、多数平面上に分割して分割ユニットセルを形成
し、その分割ユニットセルの正負極を、交互に直列に接
続した集積タイプ燃料電池セルである。
に、請求項１の発明は、１層の固体高分子型燃料電池セ
ルを、多数平面上に分割して分割ユニットセルを形成
し、その分割ユニットセルの正負極を、交互に直列に接
続した集積タイプ燃料電池セルである。
【００１６】請求項２の発明は、絶縁質基板を処理し
て、多数の電解質部分となる分割電解質ユニットと、そ
のユニット同士を絶縁する枠状絶縁部を形成し、その各
分割電解質ユニットの両面に、カソード極側触媒付き電
極膜とアノード極側触媒付き電極膜を設け、さらにカソ
ード極用セパレータとアノード極用セパレータで挟み付
けて分割ユニットセルを形成し、これら分割ユニットセ
ルの正極と負極を、交互に直列に接続した集積タイプ燃
料電池セルである。
て、多数の電解質部分となる分割電解質ユニットと、そ
のユニット同士を絶縁する枠状絶縁部を形成し、その各
分割電解質ユニットの両面に、カソード極側触媒付き電
極膜とアノード極側触媒付き電極膜を設け、さらにカソ
ード極用セパレータとアノード極用セパレータで挟み付
けて分割ユニットセルを形成し、これら分割ユニットセ
ルの正極と負極を、交互に直列に接続した集積タイプ燃
料電池セルである。
【００１７】請求項３の発明は、絶縁質基板を処理し
て、多数の電解質部分となる分割電解質ユニットと、そ
のユニット同士を絶縁する枠状絶縁部を形成し、その各
分割電解質ユニットの両面に、カソード極側触媒付き電
極膜とアノード極側触媒付き電極膜を設け、さらにカソ
ード極用セパレータとアノード極用セパレータで挟み付
けて分割ユニットセルを形成し、かつ隣接する分割ユニ
ットセルのカソード極側触媒付き電極膜とアノード極側
触媒付き電極膜３５をずらして設け、その上下でオーバ
ラップした電極膜を電気的に接続して各分割ユニットセ
ルを直列に接続した集積タイプ燃料電池セルである。
て、多数の電解質部分となる分割電解質ユニットと、そ
のユニット同士を絶縁する枠状絶縁部を形成し、その各
分割電解質ユニットの両面に、カソード極側触媒付き電
極膜とアノード極側触媒付き電極膜を設け、さらにカソ
ード極用セパレータとアノード極用セパレータで挟み付
けて分割ユニットセルを形成し、かつ隣接する分割ユニ
ットセルのカソード極側触媒付き電極膜とアノード極側
触媒付き電極膜３５をずらして設け、その上下でオーバ
ラップした電極膜を電気的に接続して各分割ユニットセ
ルを直列に接続した集積タイプ燃料電池セルである。
【００１８】請求項４の発明は、請求項２の集積タイプ
燃料電池セルを多層に積層し、その上下層の集積タイプ
燃料電池セルを直列に接続した集積タイプ燃料電池であ
る。
燃料電池セルを多層に積層し、その上下層の集積タイプ
燃料電池セルを直列に接続した集積タイプ燃料電池であ
る。
【００１９】請求項５の発明は、請求項３の集積タイプ
燃料電池セルを多層に積層し、その上下層の集積タイプ
燃料電池セルを直列に接続した集積タイプ燃料電池であ
る。
燃料電池セルを多層に積層し、その上下層の集積タイプ
燃料電池セルを直列に接続した集積タイプ燃料電池であ
る。
【００２０】請求項６の発明は、絶縁質基板を処理し
て、多数の電解質部分となる分割電解質ユニットと、そ
のユニット同士を絶縁する枠状絶縁部を形成し、その各
分割電解質ユニットの両面に、カソード極側触媒付き電
極膜とアノード極側触媒付き電極膜を設けて膜電極接合
体を形成し、他方、略筒状に形成したアノード極用セパ
レータに、膜電極接合体のアノード極側触媒付き電極膜
が接するように、かつカソード極側触媒付き電極膜が、
カソード流路側に開放するよう膜電極接合体を貼り付
け、これら膜電極接合体の分割ユニットセルを直列に接
続した集積タイプ燃料電池セルである。
て、多数の電解質部分となる分割電解質ユニットと、そ
のユニット同士を絶縁する枠状絶縁部を形成し、その各
分割電解質ユニットの両面に、カソード極側触媒付き電
極膜とアノード極側触媒付き電極膜を設けて膜電極接合
体を形成し、他方、略筒状に形成したアノード極用セパ
レータに、膜電極接合体のアノード極側触媒付き電極膜
が接するように、かつカソード極側触媒付き電極膜が、
カソード流路側に開放するよう膜電極接合体を貼り付
け、これら膜電極接合体の分割ユニットセルを直列に接
続した集積タイプ燃料電池セルである。
【００２１】請求項７の発明は、請求項６の集積タイプ
燃料電池セルをカソード流路に臨むよう多数配置し、そ
の各集積タイプ燃料電池セルのアノード極用セパレータ
にアノードガスを流し、更に、各集積タイプ燃料電池セ
ルを直列に接続した集積タイプ燃料電池である。
燃料電池セルをカソード流路に臨むよう多数配置し、そ
の各集積タイプ燃料電池セルのアノード極用セパレータ
にアノードガスを流し、更に、各集積タイプ燃料電池セ
ルを直列に接続した集積タイプ燃料電池である。
【００２２】以上において、絶縁質基板を処理して、多
数の電解質部分となる分割電解質ユニットと、そのユニ
ット同士を絶縁する枠状絶縁部を形成することで、１層
の燃料電池セル自体を集積構造化でき、この分割ユニッ
トセルを正極と負極が交互に直列になるように接続する
ことで、１層でも発生電圧の高い燃料電池セルとするこ
とが可能となる。
数の電解質部分となる分割電解質ユニットと、そのユニ
ット同士を絶縁する枠状絶縁部を形成することで、１層
の燃料電池セル自体を集積構造化でき、この分割ユニッ
トセルを正極と負極が交互に直列になるように接続する
ことで、１層でも発生電圧の高い燃料電池セルとするこ
とが可能となる。
【００２３】この集積タイプ燃料電池セルは、積層化が
可能であり、更に発生電圧の高い燃料電池とすることが
できる。
可能であり、更に発生電圧の高い燃料電池とすることが
できる。
【００２４】また、層内を、集積構造とすることで、種
々自由度の増した構造とすることができ、電流の割に電
圧を高く採ることができ、高効率の燃料電池を製作する
ことができると共に部品点数を減らすことができ、製造
コストを大きく低減できる。
々自由度の増した構造とすることができ、電流の割に電
圧を高く採ることができ、高効率の燃料電池を製作する
ことができると共に部品点数を減らすことができ、製造
コストを大きく低減できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】以下、本発明の好適実施の形態を
添付図面に基づいて詳述する。
添付図面に基づいて詳述する。
【００２６】図１（ｂ）はカソード側からみた本発明の
集積タイプ燃料電池セルの平面図を示し、図１（ａ）は
図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図を、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線
断面図を示す。
集積タイプ燃料電池セルの平面図を示し、図１（ａ）は
図１（ｂ）のＡ−Ａ線断面図を、図１（ｃ）はＢ−Ｂ線
断面図を示す。
【００２７】先ず、図１（ａ）に示すように、絶縁質基
板を処理して、縦縞状乃至短冊状の分割電解質ユニット
１２と、この分割電解質ユニット１２の周りに枠状絶縁
部１３を形成した。
板を処理して、縦縞状乃至短冊状の分割電解質ユニット
１２と、この分割電解質ユニット１２の周りに枠状絶縁
部１３を形成した。
【００２８】ここでは、絶縁質基板として、５０μｍ厚
のフッ素樹脂膜を用いた。フッ素樹脂膜自体は絶縁性が
あり、これをスルフォン酸基処理することで、イオン交
換体となるため、フッ素樹脂膜中、枠状絶縁部１３を除
いた部分をスルフォン酸基処理することで、多数の分割
電解質ユニット１２を形成できる。
のフッ素樹脂膜を用いた。フッ素樹脂膜自体は絶縁性が
あり、これをスルフォン酸基処理することで、イオン交
換体となるため、フッ素樹脂膜中、枠状絶縁部１３を除
いた部分をスルフォン酸基処理することで、多数の分割
電解質ユニット１２を形成できる。
【００２９】この各分割電解質ユニット１２の上下に、
カーボンペーパからなるカソード極側触媒付き電極膜１
４、カーボンペーパからなるアノード極側触媒付き電極
膜１５をそれぞれ貼り付け、更に、黒鉛の焼結体等で形
成したカソード極用セパレータ１６とアノード極用セパ
レータ１７で上下から挟み付けて分割ユニットセル１８
を形成する。
カーボンペーパからなるカソード極側触媒付き電極膜１
４、カーボンペーパからなるアノード極側触媒付き電極
膜１５をそれぞれ貼り付け、更に、黒鉛の焼結体等で形
成したカソード極用セパレータ１６とアノード極用セパ
レータ１７で上下から挟み付けて分割ユニットセル１８
を形成する。
【００３０】隣接するセパレータ１６，１６及び１７，
１７間には、絶縁シール層１９をそれぞれ介在させて各
セパレータ１６，１７を、それぞれ絶縁し、さらに外周
部を周囲絶縁シール層２０でシールする。
１７間には、絶縁シール層１９をそれぞれ介在させて各
セパレータ１６，１７を、それぞれ絶縁し、さらに外周
部を周囲絶縁シール層２０でシールする。
【００３１】上面の各カソード極用セパレータ１６に
は、酸素又は空気が流れる酸素供給用通路（溝）２１が
形成され、下面のアノード極用セパレータ１７には、水
素が流れる水素供給用通路（溝）２２が形成され、その
上下のセパレータ１６，１７より対応する分割ユニット
セル１８に酸素と水素が供給される。この場合、酸素と
水素は、分割電解質ユニット１２を通るが、隣接する分
割電解質ユニット１２間の枠状絶縁部１３は、共に酸素
と水素のガス隔離層の役割を果たす。
は、酸素又は空気が流れる酸素供給用通路（溝）２１が
形成され、下面のアノード極用セパレータ１７には、水
素が流れる水素供給用通路（溝）２２が形成され、その
上下のセパレータ１６，１７より対応する分割ユニット
セル１８に酸素と水素が供給される。この場合、酸素と
水素は、分割電解質ユニット１２を通るが、隣接する分
割電解質ユニット１２間の枠状絶縁部１３は、共に酸素
と水素のガス隔離層の役割を果たす。
【００３２】これら、分割ユニットセル１８は、例えば
図示のように４個並んで形成した場合、図で見て左側の
セル１８−１から右側のセル１８−４を電気的に直列に
なるように、すなわち、セル１８−１のアノード極とセ
ル１８−２のカソード極を、セル１８−２のアノード極
とセル１８−３のカソード極を、セル１８−３のアノー
ド極とセル１８−４のカソード極を、というように、隣
り同士を配線することで、実質的にスタックした状態の
集積タイプ燃料電池１層セル２８とすることができる。
図示のように４個並んで形成した場合、図で見て左側の
セル１８−１から右側のセル１８−４を電気的に直列に
なるように、すなわち、セル１８−１のアノード極とセ
ル１８−２のカソード極を、セル１８−２のアノード極
とセル１８−３のカソード極を、セル１８−３のアノー
ド極とセル１８−４のカソード極を、というように、隣
り同士を配線することで、実質的にスタックした状態の
集積タイプ燃料電池１層セル２８とすることができる。
【００３３】図１（ｂ）、図１（ｃ）は、リード２３，
２４と上下貫通導電部２５で各セル１８−１〜１８−４
を直列に連結した状態を示したもので、先ず、上面のカ
ソード極用セパレータ１６には、各セル１８毎にカソー
ド極につながるカソード側リード２３が設けられ、下面
のアノード極用セパレータ１７には、各セル１８毎にア
ノードつながるアノード側リード２４が設けられ、これ
らリード２３，２４が隣接するセル１８間の上下でオー
バラップし、そのリード２３，２４同士を上下貫通導電
部２５が電気的に連結することで各セル１８が直列に接
続された集積タイプ燃料電池１層セル２８となるもので
ある。
２４と上下貫通導電部２５で各セル１８−１〜１８−４
を直列に連結した状態を示したもので、先ず、上面のカ
ソード極用セパレータ１６には、各セル１８毎にカソー
ド極につながるカソード側リード２３が設けられ、下面
のアノード極用セパレータ１７には、各セル１８毎にア
ノードつながるアノード側リード２４が設けられ、これ
らリード２３，２４が隣接するセル１８間の上下でオー
バラップし、そのリード２３，２４同士を上下貫通導電
部２５が電気的に連結することで各セル１８が直列に接
続された集積タイプ燃料電池１層セル２８となるもので
ある。
【００３４】この各セル１８の発生電圧は、０．７Ｖで
あるが、４セル直列に接続することで、２．８Ｖの起電
力が得られる。
あるが、４セル直列に接続することで、２．８Ｖの起電
力が得られる。
【００３５】図２は、本発明の他の実施の形態を示し、
４×３のセル３８を製作した例を示す。
４×３のセル３８を製作した例を示す。
【００３６】先ず、図２（ａ）に示すように、絶縁ベー
ス３１の中に枠状絶縁部３３を形成し、その枠状絶縁部
３３に、島状の４×３の分割電解質ユニット３２を配置
した。
ス３１の中に枠状絶縁部３３を形成し、その枠状絶縁部
３３に、島状の４×３の分割電解質ユニット３２を配置
した。
【００３７】この各分割電解質ユニット３２に、カソー
ド極側触媒付き電極膜３４、アノード極側触媒付き電極
膜３５をそれぞれ貼り付け、更に、カソード極用セパレ
ータ３６とアノード極用セパレータ３７で上下から挟み
付けて分割ユニットセル３８を形成する。この分割ユニ
ットセル３８を形成する際に、図２（ａ）に示すよう
に、カソード極側触媒付き電極膜３４とアノード極側触
媒付き電極膜３５をずらして貼り付け、上部のカソード
極側触媒付き電極膜３４と隣接する分割ユニットセル３
８の下部のアノード極側触媒付き電極膜３５が、枠状絶
縁部３３を介してオーバラップするようになし、この電
極膜３４，３５を上下貫通導電部４５で電気的に連結す
るようにして集積タイプ燃料電池１層セル４８を形成す
る。
ド極側触媒付き電極膜３４、アノード極側触媒付き電極
膜３５をそれぞれ貼り付け、更に、カソード極用セパレ
ータ３６とアノード極用セパレータ３７で上下から挟み
付けて分割ユニットセル３８を形成する。この分割ユニ
ットセル３８を形成する際に、図２（ａ）に示すよう
に、カソード極側触媒付き電極膜３４とアノード極側触
媒付き電極膜３５をずらして貼り付け、上部のカソード
極側触媒付き電極膜３４と隣接する分割ユニットセル３
８の下部のアノード極側触媒付き電極膜３５が、枠状絶
縁部３３を介してオーバラップするようになし、この電
極膜３４，３５を上下貫通導電部４５で電気的に連結す
るようにして集積タイプ燃料電池１層セル４８を形成す
る。
【００３８】図２（ｂ）は、４×３の分割電解質ユニッ
ト３２におけるカソード極側触媒付き電極膜３４とアノ
ード極側触媒付き電極膜３５のずらしの概要を示したも
ので、図示のように各セル３８を、図で見て己字状に直
列に接続して集積タイプ燃料電池１層セル４８を形成す
る。
ト３２におけるカソード極側触媒付き電極膜３４とアノ
ード極側触媒付き電極膜３５のずらしの概要を示したも
ので、図示のように各セル３８を、図で見て己字状に直
列に接続して集積タイプ燃料電池１層セル４８を形成す
る。
【００３９】この場合、カソード極側触媒付き電極膜３
４、カーボアノード極側触媒付き電極膜３５は、上下貫
通導電部４５との電気的接合を良好にするために、カー
ボンペーパと導電性の良いカーボンフェルトとを複合し
たものを使用する。この際、枠状絶縁部３３とセパレー
タ３６，３７には貫通用の微少ホールを空け、金メッキ
で導通を取り、その後貫通孔を樹脂で埋めるなどして接
続する。またセパレータ３６，３７は、図１で説明した
ように黒鉛の焼結体で形成してもよいが、隣接するセパ
レータ３６，３６及び３７，３７同士を絶縁する必要が
あるため、例えばポリカーボネイトの射出成型品からな
る絶縁物にて形成することで、絶縁の必要が無く、セパ
レータ３６，３７を一体品で形成することができ、構造
を単純化できる。
４、カーボアノード極側触媒付き電極膜３５は、上下貫
通導電部４５との電気的接合を良好にするために、カー
ボンペーパと導電性の良いカーボンフェルトとを複合し
たものを使用する。この際、枠状絶縁部３３とセパレー
タ３６，３７には貫通用の微少ホールを空け、金メッキ
で導通を取り、その後貫通孔を樹脂で埋めるなどして接
続する。またセパレータ３６，３７は、図１で説明した
ように黒鉛の焼結体で形成してもよいが、隣接するセパ
レータ３６，３６及び３７，３７同士を絶縁する必要が
あるため、例えばポリカーボネイトの射出成型品からな
る絶縁物にて形成することで、絶縁の必要が無く、セパ
レータ３６，３７を一体品で形成することができ、構造
を単純化できる。
【００４０】上面のカソード極用セパレータ３６の酸素
供給用通路（溝）４１に、酸素又は空気を流し、下方の
アノード極用セパレータ３７の水素供給用通路（溝）４
２には水素を流す。図では、外部からの流入溝は示して
いないが、これら通路４１，４２に流れるように構成す
る。
供給用通路（溝）４１に、酸素又は空気を流し、下方の
アノード極用セパレータ３７の水素供給用通路（溝）４
２には水素を流す。図では、外部からの流入溝は示して
いないが、これら通路４１，４２に流れるように構成す
る。
【００４１】この集積タイプ燃料電池１層セル４８は、
１層内で４×３＝１２の分割ユニットセル３８のスタッ
クが可能となり、０．７×１２＝８．４Ｖの起電力を発
生できる。
１層内で４×３＝１２の分割ユニットセル３８のスタッ
クが可能となり、０．７×１２＝８．４Ｖの起電力を発
生できる。
【００４２】図３は、図１で説明した集積タイプ燃料電
池１層セル２８を、絶縁層５９を介して４層積層して燃
料電池を構成した例を示したものである。この場合、上
下の集積タイプ燃料電池１層セル２８の端部を交互に層
間短絡リード５５で電気的に接続することで、０．７×
４×４＝１１．２Ｖの起電力を得ることができる。
池１層セル２８を、絶縁層５９を介して４層積層して燃
料電池を構成した例を示したものである。この場合、上
下の集積タイプ燃料電池１層セル２８の端部を交互に層
間短絡リード５５で電気的に接続することで、０．７×
４×４＝１１．２Ｖの起電力を得ることができる。
【００４３】図４は、図２で説明した、集積タイプ燃料
電池１層セル４８を、３層積層して燃料電池を構成した
例を示したものである。この場合上下の集積タイプ燃料
電池１層セル４８の最終段と最初段の分割ユニットセル
３８を層間短絡リード５６で順次電気的に直列になるよ
う接続することで、０．７×３×４×３＝２５．５Ｖの
起電力が得られる。
電池１層セル４８を、３層積層して燃料電池を構成した
例を示したものである。この場合上下の集積タイプ燃料
電池１層セル４８の最終段と最初段の分割ユニットセル
３８を層間短絡リード５６で順次電気的に直列になるよ
う接続することで、０．７×３×４×３＝２５．５Ｖの
起電力が得られる。
【００４４】図５は、本発明の更に他の実施の形態を示
したものである。
したものである。
【００４５】図５は、３集積のセルを製作した例を示し
たもので、先ず、図５（ａ）に示すように、絶縁質基板
を処理して、多数の電解質部分となる分割電解質ユニッ
ト７２と、そのユニット７２同士を絶縁する枠状絶縁部
７３を形成し、各分割電解質ユニット７２の両面に、カ
ソード極側触媒付き電極膜７４とアノード極側触媒付き
電極膜７５を設けて膜電極接合体８０を形成する。
たもので、先ず、図５（ａ）に示すように、絶縁質基板
を処理して、多数の電解質部分となる分割電解質ユニッ
ト７２と、そのユニット７２同士を絶縁する枠状絶縁部
７３を形成し、各分割電解質ユニット７２の両面に、カ
ソード極側触媒付き電極膜７４とアノード極側触媒付き
電極膜７５を設けて膜電極接合体８０を形成する。
【００４６】他方、図５（ｃ）に示すように、水素供給
用通路（溝）８２が外側になるように折り曲げて略筒状
のアノード極用セパレータ７７を形成すると共に、この
アノード極用セパレータ７７を、図５（ａ）に示すよう
に、絶縁層７９を介して接続すると共に両端にガイド絶
縁板９０を設け、そのガイド絶縁板９０間に、アノード
極側触媒付き電極膜７５が接するように、膜電極接合体
８０をアノード極用セパレータ７７に貼り付けて分割ユ
ニットセル７８を形成すると共にその膜電極接合体８０
とアノード極用セパレータ７７の下端部をカプトン製の
端末シールカバー８４で閉じ、更にその各セル７８を直
列に接続して筒型の集積タイプ燃料電池１層セル８８を
形成する。
用通路（溝）８２が外側になるように折り曲げて略筒状
のアノード極用セパレータ７７を形成すると共に、この
アノード極用セパレータ７７を、図５（ａ）に示すよう
に、絶縁層７９を介して接続すると共に両端にガイド絶
縁板９０を設け、そのガイド絶縁板９０間に、アノード
極側触媒付き電極膜７５が接するように、膜電極接合体
８０をアノード極用セパレータ７７に貼り付けて分割ユ
ニットセル７８を形成すると共にその膜電極接合体８０
とアノード極用セパレータ７７の下端部をカプトン製の
端末シールカバー８４で閉じ、更にその各セル７８を直
列に接続して筒型の集積タイプ燃料電池１層セル８８を
形成する。
【００４７】各分割ユニットセル７８の接続は、端末シ
ールカバー８４が位置したアノード極用セパレータ７７
の一方にカソード極側触媒付き電極膜７４と繋がるカソ
ード極側リード８３を形成し、その反対側にアノード極
側触媒付き電極膜７５と繋がるアノード極側リード８４
を形成すると共に隣接するリード８３，８４がオーバー
ラップするようになし、そのリード８３、８４を、貫通
導電部８５で電気的に接続して各セル７８を直列に接続
する。
ールカバー８４が位置したアノード極用セパレータ７７
の一方にカソード極側触媒付き電極膜７４と繋がるカソ
ード極側リード８３を形成し、その反対側にアノード極
側触媒付き電極膜７５と繋がるアノード極側リード８４
を形成すると共に隣接するリード８３，８４がオーバー
ラップするようになし、そのリード８３、８４を、貫通
導電部８５で電気的に接続して各セル７８を直列に接続
する。
【００４８】この筒型の集積タイプ燃料電池１層セル８
８は、筒状のアノード極用セパレータ７７内に水素ガス
を流し、カソード側は、カソード流路８１に開放された
構造となる。
８は、筒状のアノード極用セパレータ７７内に水素ガス
を流し、カソード側は、カソード流路８１に開放された
構造となる。
【００４９】この場合、カソード流路８１には、酸素が
約２０％の空気を流すため、アノード側よりも接触面積
が少なくなるが、カソード極側触媒付き電極膜７４がカ
ソード流路８１に略全面開放されており、実質的に接す
る面積は、アノード極側触媒付き電極膜７５が、水素供
給用通路（溝）８２と接する面積より大きく、発電効率
が高まると共に、発生する水の排出も順調に行える。
約２０％の空気を流すため、アノード側よりも接触面積
が少なくなるが、カソード極側触媒付き電極膜７４がカ
ソード流路８１に略全面開放されており、実質的に接す
る面積は、アノード極側触媒付き電極膜７５が、水素供
給用通路（溝）８２と接する面積より大きく、発電効率
が高まると共に、発生する水の排出も順調に行える。
【００５０】この筒型の集積タイプ燃料電池１層セル８
８の発生起電力は、０．７×３＝２．１が得られる。
８の発生起電力は、０．７×３＝２．１が得られる。
【００５１】図６は、図５の集積タイプ燃料電池１層セ
ル８８を用いて、打段筒型の燃料電池を構成した例を示
したものである。
ル８８を用いて、打段筒型の燃料電池を構成した例を示
したものである。
【００５２】この場合、集積タイプ燃料電池１層セル８
８をカソード流路８１に臨ませ、各集積タイプ燃料電池
１層セル８８を層間短絡リード９３により直列に接続す
ることで、０．７×３×４＝８．４Ｖの起電力が得られ
た。
８をカソード流路８１に臨ませ、各集積タイプ燃料電池
１層セル８８を層間短絡リード９３により直列に接続す
ることで、０．７×３×４＝８．４Ｖの起電力が得られ
た。
【００５３】以上、本実施の形態を説明したが、本発明
においては、種々の変形が可能である。例えば、高分子
電解質膜として、５０μｍ厚のフッ素樹脂膜を基板に用
い、それ自体絶縁性であり、それをスルフォン酸基処理
することで、イオン交換体となり、高分子電解質膜とし
ていると説明したが、この材質に限定するものでなく、
電解質部を絶縁部と一体に形成できるものであればいか
なるものでも良い。
においては、種々の変形が可能である。例えば、高分子
電解質膜として、５０μｍ厚のフッ素樹脂膜を基板に用
い、それ自体絶縁性であり、それをスルフォン酸基処理
することで、イオン交換体となり、高分子電解質膜とし
ていると説明したが、この材質に限定するものでなく、
電解質部を絶縁部と一体に形成できるものであればいか
なるものでも良い。
【００５４】高分子膜としては、Nafion,Gore,Flemion,
Acipleｘ等が知られているが、スルフォン基を付ける前
は、絶縁材であり、何れも使用できる。本発明は、電解
質膜内に、特定配置の高分子電解質部と絶縁部を形成
し、１層膜内に多数の部分電池セルを形成したことにあ
り、その材質を特定するものではない。また、厚さにつ
いても、５０μｍと説明したが、燃料ガスのセパレータ
としての機能を果たすオーダーであれば、薄い方が望ま
しく、その方が特性は向上する。
Acipleｘ等が知られているが、スルフォン基を付ける前
は、絶縁材であり、何れも使用できる。本発明は、電解
質膜内に、特定配置の高分子電解質部と絶縁部を形成
し、１層膜内に多数の部分電池セルを形成したことにあ
り、その材質を特定するものではない。また、厚さにつ
いても、５０μｍと説明したが、燃料ガスのセパレータ
としての機能を果たすオーダーであれば、薄い方が望ま
しく、その方が特性は向上する。
【００５５】セパレータの材質としては、黒鉛、銅、ポ
リカーボネイトを上げたが、導電性のものであれば、カ
ソード極かアノード極かにより変わるが、耐食性の用金
属材も使用でき、金属材上に導電性の導電性の防食剤を
塗布するといった材料も使用できる。また絶縁性のもの
であれば、セラミック或いは表面に絶縁性を施した材料
も使用できる。
リカーボネイトを上げたが、導電性のものであれば、カ
ソード極かアノード極かにより変わるが、耐食性の用金
属材も使用でき、金属材上に導電性の導電性の防食剤を
塗布するといった材料も使用できる。また絶縁性のもの
であれば、セラミック或いは表面に絶縁性を施した材料
も使用できる。
【００５６】触媒付電極膜について、本実施の形態で
は、触媒付カーボンペーパ（電解質膜に接する面にＰｔ
触媒を塗布したもの）、または、それに導電性の良いカ
ーボンフェルトを複合成形したものを使用する例で説明
したが、さらに導電性を向上するために、ポーラスある
いは網状の耐食性金属を使用することでも良い。
は、触媒付カーボンペーパ（電解質膜に接する面にＰｔ
触媒を塗布したもの）、または、それに導電性の良いカ
ーボンフェルトを複合成形したものを使用する例で説明
したが、さらに導電性を向上するために、ポーラスある
いは網状の耐食性金属を使用することでも良い。
【００５７】本発明の実施の形態では、１層当たりの集
積個数は、３〜１２の例で説明したが、当然、集積個数
を増やすことは可能であり、１００〜２００でも可能で
あり、本発明は、広範囲の設計条件に対応できる点がメ
リットである。
積個数は、３〜１２の例で説明したが、当然、集積個数
を増やすことは可能であり、１００〜２００でも可能で
あり、本発明は、広範囲の設計条件に対応できる点がメ
リットである。
【００５８】１層で、集積型の燃料電池セルとすること
で、平面型の構造体で、高電圧のものとすることができ
る。設置スペースの兼ね合いで、家庭用電源にするので
あれば、壁に埋め込むタイプ、車用であればシート下、
車体下に収容するタイプに応用できる。また半導体機器
関連、ノートパソコン、携帯電話などにも使用できる。
で、平面型の構造体で、高電圧のものとすることができ
る。設置スペースの兼ね合いで、家庭用電源にするので
あれば、壁に埋め込むタイプ、車用であればシート下、
車体下に収容するタイプに応用できる。また半導体機器
関連、ノートパソコン、携帯電話などにも使用できる。
【００５９】集積型の微電流電圧電池となり、結果的に
発生電流は小さいが、高電圧の電池とすることができ
る。
発生電流は小さいが、高電圧の電池とすることができ
る。
【００６０】セパレータを筒型にした場合、冷却機能を
有する燃料電池となり、筒内を水素、筒外を空気とし、
熱交換器のチラー構造とすることができ、発熱分を冷却
する効果が期待でき冷却機能を有する燃料電池セル構造
とすることができる。
有する燃料電池となり、筒内を水素、筒外を空気とし、
熱交換器のチラー構造とすることができ、発熱分を冷却
する効果が期待でき冷却機能を有する燃料電池セル構造
とすることができる。
【００６１】
【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次の如き
効果を奏する。
効果を奏する。
【００６２】（１）電圧使用、形状、構成で、多様な対
応ができる高電圧の燃料電池セル構造とすることがで
き、条件適用性の高いものとすることができる。
応ができる高電圧の燃料電池セル構造とすることがで
き、条件適用性の高いものとすることができる。
【００６３】（２）筒型の場合、冷却機能のある電池セ
ル構造とすることができると共に、燃料電池で問題とな
る生成水の排出性が良い構造とすることができる。
ル構造とすることができると共に、燃料電池で問題とな
る生成水の排出性が良い構造とすることができる。
【００６４】（３）セルの集積化ができるため、部品点
数の現象、集約した製造法を採ることができ、コスト低
減、信頼性の向上が図れる。
数の現象、集約した製造法を採ることができ、コスト低
減、信頼性の向上が図れる。
【図１】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図２】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図３】図１の集積タイプ燃料電池セルを多段に積層し
た燃料電池の形態を示す図である。
た燃料電池の形態を示す図である。
【図４】図２の集積タイプ燃料電池セルを多段に積層し
た燃料電池の形態を示す図である。
た燃料電池の形態を示す図である。
【図５】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図６】図５の筒状の集積タイプ燃料電池セルを多数配
置した燃料電池の形態を示す図である。
置した燃料電池の形態を示す図である。
【図７】従来の燃料電池セルを示す斜視図である。
１２ 分割電解質ユニット １４ カソード極側触媒付き電極膜 １５ アノード極側触媒付き電極膜 １６ カソード極用セパレータ １７ アノード極用セパレータ １８ 分割ユニットセル
Claims (7)
- 【請求項１】 １層の固体高分子型燃料電池セルを、多
数平面上に分割して分割ユニットセルを形成し、その分
割ユニットセルの正負極を、交互に直列に接続したこと
を特徴とする集積タイプ燃料電池セル。 - 【請求項２】 絶縁質基板を処理して、多数の電解質部
分となる分割電解質ユニットと、そのユニット同士を絶
縁する枠状絶縁部を形成し、その各分割電解質ユニット
の両面に、カソード極側触媒付き電極膜とアノード極側
触媒付き電極膜を設け、さらにカソード極用セパレータ
とアノード極用セパレータで挟み付けて分割ユニットセ
ルを形成し、これら分割ユニットセルの正極と負極を、
交互に直列に接続したことを特徴とする集積タイプ燃料
電池セル。 - 【請求項３】 絶縁質基板を処理して、多数の電解質部
分となる分割電解質ユニットと、そのユニット同士を絶
縁する枠状絶縁部を形成し、その各分割電解質ユニット
の両面に、カソード極側触媒付き電極膜とアノード極側
触媒付き電極膜を設け、さらにカソード極用セパレータ
とアノード極用セパレータで挟み付けて分割ユニットセ
ルを形成し、かつ隣接する分割ユニットセルのカソード
極側触媒付き電極膜とアノード極側触媒付き電極膜をず
らして設け、その上下でオーバラップした電極膜を電気
的に接続して各分割ユニットセルを直列に接続したこと
を特徴とする集積タイプ燃料電池セル。 - 【請求項４】 請求項２の集積タイプ燃料電池セルを多
層に積層し、その上下層の集積タイプ燃料電池セルを直
列に接続したことを特徴とする集積タイプ燃料電池。 - 【請求項５】 請求項３の集積タイプ燃料電池セルを多
層に積層し、その上下層の集積タイプ燃料電池セルを直
列に接続したことを特徴とする集積タイプ燃料電池。 - 【請求項６】 絶縁質基板を処理して、多数の電解質部
分となる分割電解質ユニットと、そのユニット同士を絶
縁する枠状絶縁部を形成し、その各分割電解質ユニット
の両面に、カソード極側触媒付き電極膜とアノード極側
触媒付き電極膜を設けて膜電極接合体を形成し、他方、
略筒状に形成したアノード極用セパレータに、膜電極接
合体のアノード極側触媒付き電極膜が接するように、か
つカソード極側触媒付き電極膜が、カソード流路側に開
放するよう膜電極接合体を貼り付け、これら膜電極接合
体の分割ユニットセルを直列に接続したことを特徴とす
る集積タイプ燃料電池セル。 - 【請求項７】 請求項６の集積タイプ燃料電池セルをカ
ソード流路に臨むよう多数配置し、その各集積タイプ燃
料電池セルのアノード極用セパレータにアノードガスを
流し、更に、各集積タイプ燃料電池セルを直列に接続し
たことを特徴とする集積タイプ燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001079499A JP2002280049A (ja) | 2001-03-19 | 2001-03-19 | 集積タイプ燃料電池セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001079499A JP2002280049A (ja) | 2001-03-19 | 2001-03-19 | 集積タイプ燃料電池セル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002280049A true JP2002280049A (ja) | 2002-09-27 |
Family
ID=18935938
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001079499A Pending JP2002280049A (ja) | 2001-03-19 | 2001-03-19 | 集積タイプ燃料電池セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002280049A (ja) |
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- 2001-03-19 JP JP2001079499A patent/JP2002280049A/ja active Pending
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