燃料電池のセル及びスタック
【課題】空気の供給性に優れた燃料電池のセル及びスタックを提供する。
【解決手段】燃料電池のセルは、第１〜４プレート間に、カソード電極５及びアノード電極６を介して電解質膜７を挟持してなるものである。第１、２プレートは、厚さ方向に貫設された第１、２空気供給口１ａ、２ａと、第１空気供給口１ａと連通し、電解質膜７側に設けられたカソード電極収納室２ｂと、カソード電極収納室２ｂと連通し、厚さ方向に貫設された空気排出口２ｅとを有する導電性材料製のものである。カソード電極収納室２ｂ内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各空孔によって第１プレートとの間に空気室を構成するカソード電極５が収納されている。第２プレートは、カソード電極収納室２ｂの一端が開放されて空気排出口２ｅとされている。
【解決手段】燃料電池のセルは、第１〜４プレート間に、カソード電極５及びアノード電極６を介して電解質膜７を挟持してなるものである。第１、２プレートは、厚さ方向に貫設された第１、２空気供給口１ａ、２ａと、第１空気供給口１ａと連通し、電解質膜７側に設けられたカソード電極収納室２ｂと、カソード電極収納室２ｂと連通し、厚さ方向に貫設された空気排出口２ｅとを有する導電性材料製のものである。カソード電極収納室２ｂ内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各空孔によって第１プレートとの間に空気室を構成するカソード電極５が収納されている。第２プレートは、カソード電極収納室２ｂの一端が開放されて空気排出口２ｅとされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル及びスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に燃料電池のセルが開示されている。この燃料電池のセルは、双極プレート及びガスケットが一対のガスケット間にカソード電極及びアノード電極を介してナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜を挟持し、外形を整合させて積層されるものである。双極プレートは、一対の第１の穴と、両第１の穴と連通する溝と、一対の第２の穴とを有している。また、ガスケットは、各第１の穴と連通する一対の第３の穴と、両第３の穴と連通する収納室と、各第２の穴と連通する一対の第４の穴とを有している。
【０００３】
このため、カソード側の双極プレートは、空気供給口の一部を構成する第１空気供給口と、この第１空気供給口をカソード電極収納室に連通させる空気案内通路と、空気案内通路と連通し、空気排出口の一部を構成する第１空気排出口と、燃料供給口の一部を構成する第１燃料供給口と、燃料排出口の一部を構成する第１燃料排出口とを有することとなる。
【０００４】
また、カソード側のガスケットは、第１空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第２空気供給口と、カソード電極収納室と、第１空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第２空気排出口と、第１燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第２燃料供給口と、第１燃料排出口と連通し、燃料排出口の一部を構成する第２燃料排出口とを有することとなる。
【０００５】
そして、カソード電極収納室内には導電性網状要素が収納されており、導電性網状要素は自己が有する相互に連通する多くの空孔によって双極プレートとの間に空気室を構成している。
【０００６】
また、アノード側の双極プレートは、第２空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第３空気供給口と、第２空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第３空気排出口と、第２燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第３燃料供給口と、この第３燃料供給口をアノード電極収納室に連通させる燃料案内通路と、燃料案内通路と連通し、燃料排出口の一部を構成する第３燃料排出口とを有することとなる。
【０００７】
また、アノード側のガスケットは、第３空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第４空気供給口と、第３空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第４空気排出口と、第３燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第４燃料供給口と、アノード電極収納室と、第３燃料排出口と連通し、燃料排出口の一部を構成する第４燃料排出口とを有することとなる。
【０００８】
そして、アノード電極収納室内にも導電性網状要素が収納されており、導電性網状要素は空孔によって双極プレートとの間に燃料室を構成している。
【０００９】
このセルを多数電気的に直列に接続することにより、燃料電池のスタックが得られる。このスタックにおいては、酸化ガスが空気供給口に供給されて空気室に至る一方、燃料が燃料供給口に供給されて燃料室に至り、両者の電気化学反応により、両端の双極プレート間に起電力を生じる。
【００１０】
また、このスタックでは、導電性網状要素が酸化ガス等の伝達を行うことから、酸化ガス流路等のあるセパレータを採用する必要がなく、セルを薄くすることができ、発電効率の向上、出力密度の向上、燃料電池の小型化及びコスト低下の効果もある。
【００１１】
【特許文献１】特表２００２−５４２５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記セルにおいては、双極プレート及びガスケットをカソード側及びアノード側に採用している。このため、このセルにおいては、アノード電極収納室における燃料排出口と、カソード電極収納室における空気排出口とで流路断面積が絞られている。燃料電池においては、アノード電極収納室における燃料排出口が絞られていても、燃料は使用量だけが供給されることが一般的であるため、燃料の供給性がこれによって問題になることない。ところが、カソード電極収納室における空気排出口が絞られていると、空気の供給圧力を高くせざるを得ないという課題を生じる。
【００１３】
すなわち、燃料電池においては、空気を酸化ガスとして供給することが多く、供給したガスの全てが電気化学反応に供される訳ではない。また、この空気を加圧して供給しなければならないようにすると、そのための設備が必要になり、車両等への搭載性に欠けることとなってしまう。このため、空気についてはほぼ常圧でこれを空気室に供給することが検討されている。このため、カソード電極収納室における空気排出口が絞られていると、空気室の圧力損失が大きく、空気の供給性が問題になってしまう。
【００１４】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、空気の供給性に優れた燃料電池のセル及びスタックを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の燃料電池のセルは、カソードプレート及びアノードプレートが両者間にカソード電極及びアノード電極を介して電解質膜を挟持してなる燃料電池のセルであって、
前記カソードプレートは、厚さ方向に貫設された空気供給口と、該空気供給口と連通し、前記電解質膜側に設けられたカソード電極収納室と、該カソード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された空気排出口とを有するものであり、
該カソード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該カソードプレートとの間に空気室を構成する前記カソード電極が収納され、
前記アノードプレートは、厚さ方向に貫設された燃料供給口と、該燃料供給口と連通し、該電解質膜側に設けられたアノード電極収納室と、該アノード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された燃料排出口とを有するものであり、
該アノード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該アノードプレートとの間に燃料室を構成する前記アノード電極が収納され、
該カソードプレートは、該カソード電極収納室の一端が開放されて前記空気排出口とされていることを特徴とする。
【００１６】
本発明のセルでは、カソードプレートとアノードプレートとが異なり、カソードプレートはカソード電極収納室の一端が開放されて空気排出口とされている。このため、空気室の圧力損失が小さく、空気の供給性が優れる。
【００１７】
したがって、本発明のセルによれば、空気の供給性を向上させることができるため、空気を加圧して供給するための設備が不要なシステムをより実現化することが可能になる。
【００１８】
前記カソードプレートは、
前記空気供給口と、該空気供給口を前記カソード電極収納室に連通させる空気案内通路とを有する第１プレートと、
コの字型に形成され、該第１プレートと接合されることで該カソード電極収納室を形成するとともに開口部分を前記空気排出口とする第２プレートとで構成され、
前記アノードプレートは、
前記燃料供給口と、該燃料排出口を前記アノード電極収納室に連通させる燃料案内通路とを有する第４プレートと、
枠型に形成され、該第４プレートと接合されることで該アノード電極収納室を形成する第３プレートとで構成されていることが好ましい。
【００１９】
この場合、第１、２プレートによってカソードプレートを容易に構成することができるとともに、第３、４プレートによってアノードプレートを容易に構成することができる。そして、第２プレートのカソード電極収納室にカソード電極を収納し、第３プレートのアノード電極収納室にアノード電極を収納し、第２、３プレート間に電解質膜を挟持し、かつこの状態で第１〜４プレートを接合することにより、容易に燃料電池のセルを構成することができる。
【００２０】
前記カソード電極及び前記アノード電極は、三次元の網目状に形成された網材と、該網材の前記電解質膜側に一体に形成され、該電解質膜と当接する触媒層と、該網材と該触媒層との間に形成されたカーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン粒子とからなる細孔層とを備えていることが好ましい。
【００２１】
網材を構成する繊維、密度等を選択することにより、空孔の大きさ、導電性、表面張力等を制御しやすい。繊維の直径は１００μｍ以下、気孔率は６０％以上、厚みは０．５〜２ｍｍ、親水性は水の接触角で５０°未満であることが好ましい。網材は織布又は不織布であり得る。電極面と直交する方向に金属繊維をなるべく配列させていることが好ましい。２種以上の線径の異なる繊維を用いたものであることが形状保持性の点で好ましい。ガス等の下流側に向かうに従って繊維の密度が高くなることが好ましい。
【００２２】
繊維からなる網材を採用する場合、網材は導電性を有する必要があることから、導電性の繊維を用いる。導電性の繊維としては、通常のチタン、ＳＵＳ、タンタル、ハステロイ等の耐食性及び導電性のある金属繊維の他、ニッケル、カーボン等の繊維を採用することができる。
【００２３】
導電性とともに親水性のある網材であることがより好ましい。網材に親水性を付与するためには、導電性及び親水性の繊維を用いたり、導電性の繊維と親水性の繊維とを同時に用いたりすることができる。導電性及び親水性の繊維としては、親水処理したニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。親水処理としては、アルカリ処理、表面の酸化処理等を採用することができる。親水性の繊維としては、金属酸化物のウィスカー、植物繊維等を採用することができる。
【００２４】
触媒層は、網材の電解質側に一体に形成されている。触媒層は、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質とを有し得る。この触媒層は電解質膜と当接する。
【００２５】
網材と触媒層との間には、相互に連通する多くの細孔を有しつつ導電性を有する細孔層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer）を備えている。細孔層を備える場合、触媒層から網材に電子が移動しやすく、かつ触媒層内の水が細孔層に移動し、触媒層での電気化学反応を阻害し難い。細孔は、最小内径のピークが２μｍ以下であることが好ましい。細孔の厚みは１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
細孔層は撥水性を有する。これにより細孔層内に移動した水が細孔層から排出されやすく、発電効率及び出力密度が向上する。このような細孔層は、カーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」という。）粒子とからなり得る。ＰＴＦＥの混合量は２０〜６０質量％であることが好ましい。撥水性は水の接触角が１２０°以上であることが好ましい。細孔層は、網材に５０μｍ以上食い込みながら、食い込み面の反対側は網材以上の平滑性を有することが好ましい。
【００２７】
細孔層は導電性のフィラーを含むこともできる。この場合、電子抵抗が小さくなって発電効率及び出力密度がより向上する。
【００２８】
前記第２プレートは、前記カソード電極収納室の前記第１プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記カソード電極は該第１プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜し、
前記第３プレートは、前記アノード電極収納室の前記第４プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記アノード電極は該第４プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜していることが好ましい。
【００２９】
このように第２プレート及びカソード電極並びに第３プレート及びアノード電極が形成されれば、第１〜４プレートを積層して電気的に直列に接続する際、網材を有するカソード電極やアノード電極がたとえ毛羽立っていても、その毛羽によって電解質膜を傷つけ難い。
【００３０】
各前記プレートは矩形をなし、前記空気供給口は各該プレートの一辺側で幅方向に延びて形成されていることが好ましい。この場合、空気供給口の開口面積が大きくなり、より一層圧力損失を生じ難い。
【００３１】
空気供給口は各プレートの上辺側に形成されていることができる。一方、燃料供給口及び燃料排出口は各プレートの他辺側の両端に形成されていることができる。カソード電極収納室における空気排出口が開放されていることから、燃料供給口及び燃料排出口をその左右に形成することがバランス上優れているからである。
【００３２】
本発明のセルを用いて本発明の燃料電池のスタックが構成され得る。本発明のスタックは、上記セルを多数電気的に直列に接続してなることを特徴とする。
【００３３】
本発明のスタックによれば、集電性と酸化ガスの供給性とをともに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
実施例の燃料電池のセルは、図１及び図２に示すように、第１プレート１、第２プレート２、第３プレート３、第４プレート４、カソード電極５、アノード電極６及び電解質膜７を有している。第１プレート１及び第２プレート２がカソードプレートであり、第３プレート３及び第４プレート４がアノードプレートである。
【００３６】
第１プレート１は導電性材料製の矩形板状のものである。第１プレート１は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設された第１空気供給口１ａと、同じく上辺側で幅方向に延び、第１空気供給口１ａと連通する空気案内通路としての空気案内溝１ｂと、下辺側の両端で厚さ方向に貫設された第１燃料供給口１ｃ及び第１燃料排出口１ｄとを有する。
【００３７】
第２プレート２は、導電性材料製であり、上辺と、上辺の両端から直角に下がる凸部とからなるコの字型のフレーム形状のものである。第２プレート２は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第１空気供給口１ａと連通する第２空気供給口２ａと、第１空気供給口１ａと空気案内溝１ｂによって連通し、第１プレート１側及び電解質膜７側に設けられたカソード電極収納室２ｂと、一方の凸部で厚さ方向に貫設され、第１燃料供給口１ｃと連通する第２燃料供給口２ｃと、他方の凸部で厚さ方向に貫設され、第１燃料排出口１ｄと連通する第２燃料排出口（図示せず）とを有する。こうして、第２プレート２は、カソード電極収納室２ｂの下端がコの字型のフレームの開口部分となるように形成されることにより、大気に対して開放されて第２空気排出口２ｅとされている。
【００３８】
第３プレート３は、導電性材料製であり、４辺をもつフレーム形状のものである。第３プレート３は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第２空気供給口２ａと連通する第３空気供給口３ａと、後述の第４燃料供給口４ｃと燃料案内溝４ｂによって連通し、第４プレート４側及び電解質膜７側に設けられたアノード電極収納室３ｂと、左辺で厚さ方向に貫設され、第２燃料供給口２ｃと連通する第３燃料供給口３ｃと、右辺で厚さ方向に貫設され、第２燃料排出口と連通する第３燃料排出口（図示せず）とを有する。
【００３９】
第４プレート４は導電性材料製の矩形板状のものである。第４プレート４は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第３空気供給口３ａと連通する第４空気供給口４ａと、下辺の一端で厚さ方向に貫設され、第３燃料供給口３ｃと連通する第４燃料供給口４ｃと、下辺の他端で厚さ方向に貫設され、第３燃料排出口と連通する第４燃料排出口４ｄと、第３燃料供給口３ｃの回りで凹設され、第３燃料供給口３ｃをアノード電極収納室３ｂに連通させる燃料案内通路としての燃料案内溝４ｂと、第４燃料排出口の回りで凹設され、アノード電極収納室３ｂを第４燃料排出口４ｄに連通させる燃料案内通路としての燃料案内溝４ｅとを有する。
【００４０】
第１〜４プレート１〜４は外形が整合している。また、第１〜４空気供給口１ａ、２ａ、３ａ、４ａは同一形状で形成されて空気供給口を構成し、カソード電極収納室２ｂの下端が第２空気排出口２ｅとされている。また、第１〜４燃料供給口１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃも同一形状で形成されて燃料供給口を構成し、第１〜４燃料排出口１ｄ、４ｄも同一形状で形成されて燃料排出口を構成している。
【００４１】
こうして、第１、２プレート１、２によってカソードプレートを容易に構成することができるとともに、第３、４プレート３、４によってアノードプレートを容易に構成することができる。
【００４２】
カソード電極５及びアノード電極６としては、図３に示すように、三次元の網目状に形成された板状の網材５ａ、６ａを採用している。網材５ａ、６ａは、チタン繊維からなる導電性及び親水性の繊維によって三次元の網目状に形成されている。網材５ａ、６ａにおける水の接触角は、それぞれ４０°、３０°である。
【００４３】
また、網材５ａ、６ａの電解質膜７側にはカーボン粒子／ＰＴＦＥ／導電性フィラーからなる撥水性の細孔層５ｂ、６ｂが形成されている。細孔層５ｂ、６ｂにおける水の接触角は１２０°超である。また、細孔層５ｂ、６ｂのさらに電解質膜７側には、触媒層５ｃ、６ｃが形成されている。触媒層５ｃ、６ｃは、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質とを有する。
【００４４】
第２プレート２のカソード電極収納室２ｂ内にカソード電極５が収納される。この際、カソード電極５は触媒層５ｃが電解質膜７側になるようにされる。第２プレート２は、図４に示すように、カソード電極収納室２ｂの第１プレート１側が大面積となるように、全周面が厚さ方向に対して傾斜している。また、カソード電極５も第１プレート１側が大面積となるように全周面が厚さ方向に対して傾斜している。
【００４５】
また、第３プレート３のアノード電極収納室３ｂ内にアノード電極５が収納される。この際、アノード電極６は触媒層６ｃが電解質膜７側になるようにされる。第３プレート３は、アノード電極収納室３ｂの第４プレート４側が大面積となるように、全周面が厚さ方向に対して傾斜している。また、アノード電極６も第４プレート４側が大面積となるように全周面が厚さ方向に対して傾斜している。
【００４６】
電解質膜７はナフィオン等の固体高分子膜からなる。そして、第２、３プレート２、３間に電解質膜７を挟持し、かつこの状態で第１〜４プレート１〜４を積層し、電気的に直列に接続する。この際、第２、３プレート２、３におけるカソード電極収納室２ｂ及びアノード電極収納室３ｂ並びにカソード電極５及びアノード電極６の全周面が上記のように傾斜しているため、網材５ａ、６ａを有するカソード電極５やアノード電極６がたとえ毛羽立っていても、その毛羽によって電解質膜７を傷つけ難い。
【００４７】
こうして、カソード電極５は繊維間の相互に連通する各空孔によって第１プレート１との間で空気室を構成する。また、アノード電極６は各空孔によって第４プレート１との間で燃料室を構成する。これにより１枚のセル３０が容易に構成される。
【００４８】
隣り合うセル３０は第１、４プレート１、４を共通にしている。そして、図５に示すように、複数のセル３０が積層されて電気的に直列に接続され、スタック３１が構成される。スタック３１では、全てのセル３０の空気供給口が連通しているとともに、全てのセル３０の燃料供給口及び燃料排出口が連通している。
【００４９】
スタック３１の燃料供給口には、図６に示すように、バルブ３２を介して水素タンク３３が接続される。なお、スタック３１の燃料供給口には、排水のための図示しないバルブを介して外気に接続される。また、スタック３１の空気供給口には、空気ファン３４によって酸化ガスとしての空気が常圧で供給されるようになっており、スタック３１の空気排出口は外気に接続されている。そして、スタック３１の両端の第１、４プレート１、４は自動車のモータ等の負荷３５に電気的に接続され、スタック３１の上端はポンプ３６によって循環するようにラジエータ３７に接続されている。こうして燃料電池システムが構成される。
【００５０】
以上のように構成されたスタック３１においては、空気供給口に供給される空気と、燃料供給口に供給される水素との電気化学反応により、起電力を生じる。
【００５１】
この際、このスタック３１では、第２プレート２において、カソード電極収納室２ｂの下端が開放されて空気排出口２ｅとされているため、空気室の圧力損失が小さく、空気の供給性が優れる。特に、開口面積の大きな空気供給口から空気を供給するため、圧力損失が一層生じ難い。
【００５２】
したがって、実施例のスタック３１によれば、空気の供給性を向上させることができるため、空気を加圧して供給するための設備が不要なシステムをより実現化することが可能になる。
【００５３】
また、このスタック３１では、第１〜４プレート１〜４が導電性材料製であり、従来のような非導電性材料のガスケットを採用していないため、電子抵抗が小さく、高い出力密度を達成できる。
【００５４】
さらに、網材５ａ、６ａの繊維間である空気室及び燃料室では、空気又は燃料の伝達を可能としながら、繊維による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散し、生成水や残留水が詰まり難い。このため、このスタック３１においては、空気及び水素の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。
【００５５】
また、この空気室及び燃料室では、繊維による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、このスタック３１においては、優れた集電性も発揮できる。
【００５６】
さらに、網材５ａ、６ａと触媒層５ｃ、６ｃとの間に撥水性の細孔層５ｂ、６ｂを備えているため、触媒層５ｃ、６ｃから網材５ａ、６ａに電子が移動しやすく、かつ触媒層５ｃ、６ｃ内の水が細孔層５ｂ、６ｂに移動し、触媒層５ｃ、６ｃでの電気化学反応を阻害し難い。
【００５７】
また、このスタック３１では、空気供給口が各プレート１〜４の上辺側に形成されていることから、空気室に対し、上方から空気が供給される。
【００５８】
なお、各プレート１〜４の上下を逆として空気供給口を下方として、空気室に対し、下方から空気を供給することも可能である。この場合、セル３０における空気の入口部ではガス流速によるドライアップが生じやすい傾向があるが、下方からの空気の供給により、生成水の排出速度が下がるため、入口部の乾燥を抑制できる。また、各空気室の上方まで移動した水蒸気は、周囲の未反応の空気より軽いことから効果的に空気室から排出される。こうして、各セルにおいて、自ら生じる生成水によって自ら加湿が行われ、水分量のバランスを自動的に保ち易い。このため、セル電圧が低下し難く、十分なスタック電圧を安定して生じ易くなる。
【００５９】
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例のスタックに用いる第１〜４プレート等の分解斜視図である。
【図２】実施例のスタックに用いる第１〜４プレート等の分解斜視図である。
【図３】実施例のスタックに用いるカソード電極及びアノード電極の一部断面図である。
【図４】実施例のセルの断面図である。
【図５】実施例のスタックの斜視図である。
【図６】実施例の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００６２】
１、２…カソードプレート（１…第１プレート、２…第２プレート）
３、４…アノードプレート（３…第３プレート、４…第４プレート）
７…電解質膜
３０…セル
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ…空気供給口（１ａ…第１空気供給口、２ａ…第２空気供給口、３ａ…第３空気供給口、４ａ…第４空気供給口）
２ｅ…空気排出口
２ｂ…カソード電極収納室
５…カソード電極
１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃ…燃料供給口（１ｃ…第１燃料供給口、２ｃ…第２燃料供給口、３ｃ…第３燃料供給口、４ｃ…第４燃料供給口）
１ｄ、４ｄ…燃料排出口（１ｄ…第１燃料排出口、４ｄ…第４燃料排出口）
３ｂ…アノード電極収納室
６…アノード電極
１ｂ…空気案内通路（空気案内溝）
４ｂ、４ｄ…燃料案内通路（燃料案内溝）
５ａ、６ａ…網材
５ｃ、６ｃ…触媒層
３１…スタック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池のセル及びスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、特許文献１に燃料電池のセルが開示されている。この燃料電池のセルは、双極プレート及びガスケットが一対のガスケット間にカソード電極及びアノード電極を介してナフィオン（登録商標、Nafion（Dupon社製））等の固体高分子膜からなる電解質膜を挟持し、外形を整合させて積層されるものである。双極プレートは、一対の第１の穴と、両第１の穴と連通する溝と、一対の第２の穴とを有している。また、ガスケットは、各第１の穴と連通する一対の第３の穴と、両第３の穴と連通する収納室と、各第２の穴と連通する一対の第４の穴とを有している。
【０００３】
このため、カソード側の双極プレートは、空気供給口の一部を構成する第１空気供給口と、この第１空気供給口をカソード電極収納室に連通させる空気案内通路と、空気案内通路と連通し、空気排出口の一部を構成する第１空気排出口と、燃料供給口の一部を構成する第１燃料供給口と、燃料排出口の一部を構成する第１燃料排出口とを有することとなる。
【０００４】
また、カソード側のガスケットは、第１空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第２空気供給口と、カソード電極収納室と、第１空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第２空気排出口と、第１燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第２燃料供給口と、第１燃料排出口と連通し、燃料排出口の一部を構成する第２燃料排出口とを有することとなる。
【０００５】
そして、カソード電極収納室内には導電性網状要素が収納されており、導電性網状要素は自己が有する相互に連通する多くの空孔によって双極プレートとの間に空気室を構成している。
【０００６】
また、アノード側の双極プレートは、第２空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第３空気供給口と、第２空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第３空気排出口と、第２燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第３燃料供給口と、この第３燃料供給口をアノード電極収納室に連通させる燃料案内通路と、燃料案内通路と連通し、燃料排出口の一部を構成する第３燃料排出口とを有することとなる。
【０００７】
また、アノード側のガスケットは、第３空気供給口と連通し、空気供給口の一部を構成する第４空気供給口と、第３空気排出口と連通し、空気排出口の一部を構成する第４空気排出口と、第３燃料供給口と連通し、燃料供給口の一部を構成する第４燃料供給口と、アノード電極収納室と、第３燃料排出口と連通し、燃料排出口の一部を構成する第４燃料排出口とを有することとなる。
【０００８】
そして、アノード電極収納室内にも導電性網状要素が収納されており、導電性網状要素は空孔によって双極プレートとの間に燃料室を構成している。
【０００９】
このセルを多数電気的に直列に接続することにより、燃料電池のスタックが得られる。このスタックにおいては、酸化ガスが空気供給口に供給されて空気室に至る一方、燃料が燃料供給口に供給されて燃料室に至り、両者の電気化学反応により、両端の双極プレート間に起電力を生じる。
【００１０】
また、このスタックでは、導電性網状要素が酸化ガス等の伝達を行うことから、酸化ガス流路等のあるセパレータを採用する必要がなく、セルを薄くすることができ、発電効率の向上、出力密度の向上、燃料電池の小型化及びコスト低下の効果もある。
【００１１】
【特許文献１】特表２００２−５４２５９１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかし、上記セルにおいては、双極プレート及びガスケットをカソード側及びアノード側に採用している。このため、このセルにおいては、アノード電極収納室における燃料排出口と、カソード電極収納室における空気排出口とで流路断面積が絞られている。燃料電池においては、アノード電極収納室における燃料排出口が絞られていても、燃料は使用量だけが供給されることが一般的であるため、燃料の供給性がこれによって問題になることない。ところが、カソード電極収納室における空気排出口が絞られていると、空気の供給圧力を高くせざるを得ないという課題を生じる。
【００１３】
すなわち、燃料電池においては、空気を酸化ガスとして供給することが多く、供給したガスの全てが電気化学反応に供される訳ではない。また、この空気を加圧して供給しなければならないようにすると、そのための設備が必要になり、車両等への搭載性に欠けることとなってしまう。このため、空気についてはほぼ常圧でこれを空気室に供給することが検討されている。このため、カソード電極収納室における空気排出口が絞られていると、空気室の圧力損失が大きく、空気の供給性が問題になってしまう。
【００１４】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、空気の供給性に優れた燃料電池のセル及びスタックを提供することを解決すべき課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の燃料電池のセルは、カソードプレート及びアノードプレートが両者間にカソード電極及びアノード電極を介して電解質膜を挟持してなる燃料電池のセルであって、
前記カソードプレートは、厚さ方向に貫設された空気供給口と、該空気供給口と連通し、前記電解質膜側に設けられたカソード電極収納室と、該カソード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された空気排出口とを有するものであり、
該カソード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該カソードプレートとの間に空気室を構成する前記カソード電極が収納され、
前記アノードプレートは、厚さ方向に貫設された燃料供給口と、該燃料供給口と連通し、該電解質膜側に設けられたアノード電極収納室と、該アノード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された燃料排出口とを有するものであり、
該アノード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該アノードプレートとの間に燃料室を構成する前記アノード電極が収納され、
該カソードプレートは、該カソード電極収納室の一端が開放されて前記空気排出口とされていることを特徴とする。
【００１６】
本発明のセルでは、カソードプレートとアノードプレートとが異なり、カソードプレートはカソード電極収納室の一端が開放されて空気排出口とされている。このため、空気室の圧力損失が小さく、空気の供給性が優れる。
【００１７】
したがって、本発明のセルによれば、空気の供給性を向上させることができるため、空気を加圧して供給するための設備が不要なシステムをより実現化することが可能になる。
【００１８】
前記カソードプレートは、
前記空気供給口と、該空気供給口を前記カソード電極収納室に連通させる空気案内通路とを有する第１プレートと、
コの字型に形成され、該第１プレートと接合されることで該カソード電極収納室を形成するとともに開口部分を前記空気排出口とする第２プレートとで構成され、
前記アノードプレートは、
前記燃料供給口と、該燃料排出口を前記アノード電極収納室に連通させる燃料案内通路とを有する第４プレートと、
枠型に形成され、該第４プレートと接合されることで該アノード電極収納室を形成する第３プレートとで構成されていることが好ましい。
【００１９】
この場合、第１、２プレートによってカソードプレートを容易に構成することができるとともに、第３、４プレートによってアノードプレートを容易に構成することができる。そして、第２プレートのカソード電極収納室にカソード電極を収納し、第３プレートのアノード電極収納室にアノード電極を収納し、第２、３プレート間に電解質膜を挟持し、かつこの状態で第１〜４プレートを接合することにより、容易に燃料電池のセルを構成することができる。
【００２０】
前記カソード電極及び前記アノード電極は、三次元の網目状に形成された網材と、該網材の前記電解質膜側に一体に形成され、該電解質膜と当接する触媒層と、該網材と該触媒層との間に形成されたカーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン粒子とからなる細孔層とを備えていることが好ましい。
【００２１】
網材を構成する繊維、密度等を選択することにより、空孔の大きさ、導電性、表面張力等を制御しやすい。繊維の直径は１００μｍ以下、気孔率は６０％以上、厚みは０．５〜２ｍｍ、親水性は水の接触角で５０°未満であることが好ましい。網材は織布又は不織布であり得る。電極面と直交する方向に金属繊維をなるべく配列させていることが好ましい。２種以上の線径の異なる繊維を用いたものであることが形状保持性の点で好ましい。ガス等の下流側に向かうに従って繊維の密度が高くなることが好ましい。
【００２２】
繊維からなる網材を採用する場合、網材は導電性を有する必要があることから、導電性の繊維を用いる。導電性の繊維としては、通常のチタン、ＳＵＳ、タンタル、ハステロイ等の耐食性及び導電性のある金属繊維の他、ニッケル、カーボン等の繊維を採用することができる。
【００２３】
導電性とともに親水性のある網材であることがより好ましい。網材に親水性を付与するためには、導電性及び親水性の繊維を用いたり、導電性の繊維と親水性の繊維とを同時に用いたりすることができる。導電性及び親水性の繊維としては、親水処理したニッケル、チタン、ＳＵＳ、タンタル、カーボン等の導電性繊維を採用することができる。親水処理としては、アルカリ処理、表面の酸化処理等を採用することができる。親水性の繊維としては、金属酸化物のウィスカー、植物繊維等を採用することができる。
【００２４】
触媒層は、網材の電解質側に一体に形成されている。触媒層は、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質とを有し得る。この触媒層は電解質膜と当接する。
【００２５】
網材と触媒層との間には、相互に連通する多くの細孔を有しつつ導電性を有する細孔層（ＭＰＬ：Micro Porous Layer）を備えている。細孔層を備える場合、触媒層から網材に電子が移動しやすく、かつ触媒層内の水が細孔層に移動し、触媒層での電気化学反応を阻害し難い。細孔は、最小内径のピークが２μｍ以下であることが好ましい。細孔の厚みは１００μｍ以下であることが好ましい。
【００２６】
細孔層は撥水性を有する。これにより細孔層内に移動した水が細孔層から排出されやすく、発電効率及び出力密度が向上する。このような細孔層は、カーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン（以下、「ＰＴＦＥ」という。）粒子とからなり得る。ＰＴＦＥの混合量は２０〜６０質量％であることが好ましい。撥水性は水の接触角が１２０°以上であることが好ましい。細孔層は、網材に５０μｍ以上食い込みながら、食い込み面の反対側は網材以上の平滑性を有することが好ましい。
【００２７】
細孔層は導電性のフィラーを含むこともできる。この場合、電子抵抗が小さくなって発電効率及び出力密度がより向上する。
【００２８】
前記第２プレートは、前記カソード電極収納室の前記第１プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記カソード電極は該第１プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜し、
前記第３プレートは、前記アノード電極収納室の前記第４プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記アノード電極は該第４プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜していることが好ましい。
【００２９】
このように第２プレート及びカソード電極並びに第３プレート及びアノード電極が形成されれば、第１〜４プレートを積層して電気的に直列に接続する際、網材を有するカソード電極やアノード電極がたとえ毛羽立っていても、その毛羽によって電解質膜を傷つけ難い。
【００３０】
各前記プレートは矩形をなし、前記空気供給口は各該プレートの一辺側で幅方向に延びて形成されていることが好ましい。この場合、空気供給口の開口面積が大きくなり、より一層圧力損失を生じ難い。
【００３１】
空気供給口は各プレートの上辺側に形成されていることができる。一方、燃料供給口及び燃料排出口は各プレートの他辺側の両端に形成されていることができる。カソード電極収納室における空気排出口が開放されていることから、燃料供給口及び燃料排出口をその左右に形成することがバランス上優れているからである。
【００３２】
本発明のセルを用いて本発明の燃料電池のスタックが構成され得る。本発明のスタックは、上記セルを多数電気的に直列に接続してなることを特徴とする。
【００３３】
本発明のスタックによれば、集電性と酸化ガスの供給性とをともに向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明を具体化した実施例を図面を参照しつつ説明する。
【００３５】
実施例の燃料電池のセルは、図１及び図２に示すように、第１プレート１、第２プレート２、第３プレート３、第４プレート４、カソード電極５、アノード電極６及び電解質膜７を有している。第１プレート１及び第２プレート２がカソードプレートであり、第３プレート３及び第４プレート４がアノードプレートである。
【００３６】
第１プレート１は導電性材料製の矩形板状のものである。第１プレート１は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設された第１空気供給口１ａと、同じく上辺側で幅方向に延び、第１空気供給口１ａと連通する空気案内通路としての空気案内溝１ｂと、下辺側の両端で厚さ方向に貫設された第１燃料供給口１ｃ及び第１燃料排出口１ｄとを有する。
【００３７】
第２プレート２は、導電性材料製であり、上辺と、上辺の両端から直角に下がる凸部とからなるコの字型のフレーム形状のものである。第２プレート２は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第１空気供給口１ａと連通する第２空気供給口２ａと、第１空気供給口１ａと空気案内溝１ｂによって連通し、第１プレート１側及び電解質膜７側に設けられたカソード電極収納室２ｂと、一方の凸部で厚さ方向に貫設され、第１燃料供給口１ｃと連通する第２燃料供給口２ｃと、他方の凸部で厚さ方向に貫設され、第１燃料排出口１ｄと連通する第２燃料排出口（図示せず）とを有する。こうして、第２プレート２は、カソード電極収納室２ｂの下端がコの字型のフレームの開口部分となるように形成されることにより、大気に対して開放されて第２空気排出口２ｅとされている。
【００３８】
第３プレート３は、導電性材料製であり、４辺をもつフレーム形状のものである。第３プレート３は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第２空気供給口２ａと連通する第３空気供給口３ａと、後述の第４燃料供給口４ｃと燃料案内溝４ｂによって連通し、第４プレート４側及び電解質膜７側に設けられたアノード電極収納室３ｂと、左辺で厚さ方向に貫設され、第２燃料供給口２ｃと連通する第３燃料供給口３ｃと、右辺で厚さ方向に貫設され、第２燃料排出口と連通する第３燃料排出口（図示せず）とを有する。
【００３９】
第４プレート４は導電性材料製の矩形板状のものである。第４プレート４は、上辺側で幅方向に延びて厚さ方向に貫設され、第３空気供給口３ａと連通する第４空気供給口４ａと、下辺の一端で厚さ方向に貫設され、第３燃料供給口３ｃと連通する第４燃料供給口４ｃと、下辺の他端で厚さ方向に貫設され、第３燃料排出口と連通する第４燃料排出口４ｄと、第３燃料供給口３ｃの回りで凹設され、第３燃料供給口３ｃをアノード電極収納室３ｂに連通させる燃料案内通路としての燃料案内溝４ｂと、第４燃料排出口の回りで凹設され、アノード電極収納室３ｂを第４燃料排出口４ｄに連通させる燃料案内通路としての燃料案内溝４ｅとを有する。
【００４０】
第１〜４プレート１〜４は外形が整合している。また、第１〜４空気供給口１ａ、２ａ、３ａ、４ａは同一形状で形成されて空気供給口を構成し、カソード電極収納室２ｂの下端が第２空気排出口２ｅとされている。また、第１〜４燃料供給口１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃも同一形状で形成されて燃料供給口を構成し、第１〜４燃料排出口１ｄ、４ｄも同一形状で形成されて燃料排出口を構成している。
【００４１】
こうして、第１、２プレート１、２によってカソードプレートを容易に構成することができるとともに、第３、４プレート３、４によってアノードプレートを容易に構成することができる。
【００４２】
カソード電極５及びアノード電極６としては、図３に示すように、三次元の網目状に形成された板状の網材５ａ、６ａを採用している。網材５ａ、６ａは、チタン繊維からなる導電性及び親水性の繊維によって三次元の網目状に形成されている。網材５ａ、６ａにおける水の接触角は、それぞれ４０°、３０°である。
【００４３】
また、網材５ａ、６ａの電解質膜７側にはカーボン粒子／ＰＴＦＥ／導電性フィラーからなる撥水性の細孔層５ｂ、６ｂが形成されている。細孔層５ｂ、６ｂにおける水の接触角は１２０°超である。また、細孔層５ｂ、６ｂのさらに電解質膜７側には、触媒層５ｃ、６ｃが形成されている。触媒層５ｃ、６ｃは、カーボン粒子に触媒が担持された触媒担持カーボンと、電解質とを有する。
【００４４】
第２プレート２のカソード電極収納室２ｂ内にカソード電極５が収納される。この際、カソード電極５は触媒層５ｃが電解質膜７側になるようにされる。第２プレート２は、図４に示すように、カソード電極収納室２ｂの第１プレート１側が大面積となるように、全周面が厚さ方向に対して傾斜している。また、カソード電極５も第１プレート１側が大面積となるように全周面が厚さ方向に対して傾斜している。
【００４５】
また、第３プレート３のアノード電極収納室３ｂ内にアノード電極５が収納される。この際、アノード電極６は触媒層６ｃが電解質膜７側になるようにされる。第３プレート３は、アノード電極収納室３ｂの第４プレート４側が大面積となるように、全周面が厚さ方向に対して傾斜している。また、アノード電極６も第４プレート４側が大面積となるように全周面が厚さ方向に対して傾斜している。
【００４６】
電解質膜７はナフィオン等の固体高分子膜からなる。そして、第２、３プレート２、３間に電解質膜７を挟持し、かつこの状態で第１〜４プレート１〜４を積層し、電気的に直列に接続する。この際、第２、３プレート２、３におけるカソード電極収納室２ｂ及びアノード電極収納室３ｂ並びにカソード電極５及びアノード電極６の全周面が上記のように傾斜しているため、網材５ａ、６ａを有するカソード電極５やアノード電極６がたとえ毛羽立っていても、その毛羽によって電解質膜７を傷つけ難い。
【００４７】
こうして、カソード電極５は繊維間の相互に連通する各空孔によって第１プレート１との間で空気室を構成する。また、アノード電極６は各空孔によって第４プレート１との間で燃料室を構成する。これにより１枚のセル３０が容易に構成される。
【００４８】
隣り合うセル３０は第１、４プレート１、４を共通にしている。そして、図５に示すように、複数のセル３０が積層されて電気的に直列に接続され、スタック３１が構成される。スタック３１では、全てのセル３０の空気供給口が連通しているとともに、全てのセル３０の燃料供給口及び燃料排出口が連通している。
【００４９】
スタック３１の燃料供給口には、図６に示すように、バルブ３２を介して水素タンク３３が接続される。なお、スタック３１の燃料供給口には、排水のための図示しないバルブを介して外気に接続される。また、スタック３１の空気供給口には、空気ファン３４によって酸化ガスとしての空気が常圧で供給されるようになっており、スタック３１の空気排出口は外気に接続されている。そして、スタック３１の両端の第１、４プレート１、４は自動車のモータ等の負荷３５に電気的に接続され、スタック３１の上端はポンプ３６によって循環するようにラジエータ３７に接続されている。こうして燃料電池システムが構成される。
【００５０】
以上のように構成されたスタック３１においては、空気供給口に供給される空気と、燃料供給口に供給される水素との電気化学反応により、起電力を生じる。
【００５１】
この際、このスタック３１では、第２プレート２において、カソード電極収納室２ｂの下端が開放されて空気排出口２ｅとされているため、空気室の圧力損失が小さく、空気の供給性が優れる。特に、開口面積の大きな空気供給口から空気を供給するため、圧力損失が一層生じ難い。
【００５２】
したがって、実施例のスタック３１によれば、空気の供給性を向上させることができるため、空気を加圧して供給するための設備が不要なシステムをより実現化することが可能になる。
【００５３】
また、このスタック３１では、第１〜４プレート１〜４が導電性材料製であり、従来のような非導電性材料のガスケットを採用していないため、電子抵抗が小さく、高い出力密度を達成できる。
【００５４】
さらに、網材５ａ、６ａの繊維間である空気室及び燃料室では、空気又は燃料の伝達を可能としながら、繊維による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散し、生成水や残留水が詰まり難い。このため、このスタック３１においては、空気及び水素の圧力損失を生じ難く、優れた供給性を発揮できる。
【００５５】
また、この空気室及び燃料室では、繊維による表面張力によって生成水や残留水が厚さ方向に拡散して乾き難く、また安定した接触面積を確保できる。このため、このスタック３１においては、優れた集電性も発揮できる。
【００５６】
さらに、網材５ａ、６ａと触媒層５ｃ、６ｃとの間に撥水性の細孔層５ｂ、６ｂを備えているため、触媒層５ｃ、６ｃから網材５ａ、６ａに電子が移動しやすく、かつ触媒層５ｃ、６ｃ内の水が細孔層５ｂ、６ｂに移動し、触媒層５ｃ、６ｃでの電気化学反応を阻害し難い。
【００５７】
また、このスタック３１では、空気供給口が各プレート１〜４の上辺側に形成されていることから、空気室に対し、上方から空気が供給される。
【００５８】
なお、各プレート１〜４の上下を逆として空気供給口を下方として、空気室に対し、下方から空気を供給することも可能である。この場合、セル３０における空気の入口部ではガス流速によるドライアップが生じやすい傾向があるが、下方からの空気の供給により、生成水の排出速度が下がるため、入口部の乾燥を抑制できる。また、各空気室の上方まで移動した水蒸気は、周囲の未反応の空気より軽いことから効果的に空気室から排出される。こうして、各セルにおいて、自ら生じる生成水によって自ら加湿が行われ、水分量のバランスを自動的に保ち易い。このため、セル電圧が低下し難く、十分なスタック電圧を安定して生じ易くなる。
【００５９】
以上において、本発明を実施例に即して説明したが、本発明は上記実施例に制限されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更して適用できることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明は、電気自動車等の移動用電源、屋外据え置き用電源、ポータブル電源等の燃料電池システムに利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】実施例のスタックに用いる第１〜４プレート等の分解斜視図である。
【図２】実施例のスタックに用いる第１〜４プレート等の分解斜視図である。
【図３】実施例のスタックに用いるカソード電極及びアノード電極の一部断面図である。
【図４】実施例のセルの断面図である。
【図５】実施例のスタックの斜視図である。
【図６】実施例の燃料電池システムの構成図である。
【符号の説明】
【００６２】
１、２…カソードプレート（１…第１プレート、２…第２プレート）
３、４…アノードプレート（３…第３プレート、４…第４プレート）
７…電解質膜
３０…セル
１ａ、２ａ、３ａ、４ａ…空気供給口（１ａ…第１空気供給口、２ａ…第２空気供給口、３ａ…第３空気供給口、４ａ…第４空気供給口）
２ｅ…空気排出口
２ｂ…カソード電極収納室
５…カソード電極
１ｃ、２ｃ、３ｃ、４ｃ…燃料供給口（１ｃ…第１燃料供給口、２ｃ…第２燃料供給口、３ｃ…第３燃料供給口、４ｃ…第４燃料供給口）
１ｄ、４ｄ…燃料排出口（１ｄ…第１燃料排出口、４ｄ…第４燃料排出口）
３ｂ…アノード電極収納室
６…アノード電極
１ｂ…空気案内通路（空気案内溝）
４ｂ、４ｄ…燃料案内通路（燃料案内溝）
５ａ、６ａ…網材
５ｃ、６ｃ…触媒層
３１…スタック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードプレート及びアノードプレートが両者間にカソード電極及びアノード電極を介して電解質膜を挟持してなる燃料電池のセルであって、
前記カソードプレートは、厚さ方向に貫設された空気供給口と、該空気供給口と連通し、前記電解質膜側に設けられたカソード電極収納室と、該カソード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された空気排出口とを有するものであり、
該カソード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該カソードプレートとの間に空気室を構成する前記カソード電極が収納され、
前記アノードプレートは、厚さ方向に貫設された燃料供給口と、該燃料供給口と連通し、該電解質膜側に設けられたアノード電極収納室と、該アノード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された燃料排出口とを有するものであり、
該アノード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該アノードプレートとの間に燃料室を構成する前記アノード電極が収納され、
該カソードプレートは、該カソード電極収納室の一端が開放されて前記空気排出口とされていることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項２】
前記カソードプレートは、
前記空気供給口と、該空気供給口を前記カソード電極収納室に連通させる空気案内通路とを有する第１プレートと、
コの字型に形成され、該第１プレートと接合されることで該カソード電極収納室を形成するとともに開口部分を前記空気排出口とする第２プレートとで構成され、
前記アノードプレートは、
前記燃料供給口と、該燃料排出口を前記アノード電極収納室に連通させる燃料案内通路とを有する第４プレートと、
枠型に形成され、該第４プレートと接合されることで該アノード電極収納室を形成する第３プレートとで構成されている請求項１記載の燃料電池のセル。
【請求項３】
前記カソード電極及び前記アノード電極は、三次元の網目状に形成された網材と、該網材の前記電解質膜側に一体に形成され、該電解質膜と当接する触媒層と、該網材と該触媒層との間に形成されたカーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン粒子とからなる細孔層とを備えている請求項２記載の燃料電池のセル。
【請求項４】
前記第２プレートは、前記カソード電極収納室の前記第１プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記カソード電極は該第１プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜し、
前記第３プレートは、前記アノード電極収納室の前記第４プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記アノード電極は該第４プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜している請求項３記載の燃料電池のセル。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載のセルを多数電気的に直列に接続してなることを特徴とする燃料電池のスタック。
【請求項１】
カソードプレート及びアノードプレートが両者間にカソード電極及びアノード電極を介して電解質膜を挟持してなる燃料電池のセルであって、
前記カソードプレートは、厚さ方向に貫設された空気供給口と、該空気供給口と連通し、前記電解質膜側に設けられたカソード電極収納室と、該カソード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された空気排出口とを有するものであり、
該カソード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該カソードプレートとの間に空気室を構成する前記カソード電極が収納され、
前記アノードプレートは、厚さ方向に貫設された燃料供給口と、該燃料供給口と連通し、該電解質膜側に設けられたアノード電極収納室と、該アノード電極収納室と連通し、厚さ方向に貫設された燃料排出口とを有するものであり、
該アノード電極収納室内には、相互に連通する多くの空孔を有しつつ導電性を有し、各該空孔によって該アノードプレートとの間に燃料室を構成する前記アノード電極が収納され、
該カソードプレートは、該カソード電極収納室の一端が開放されて前記空気排出口とされていることを特徴とする燃料電池のセル。
【請求項２】
前記カソードプレートは、
前記空気供給口と、該空気供給口を前記カソード電極収納室に連通させる空気案内通路とを有する第１プレートと、
コの字型に形成され、該第１プレートと接合されることで該カソード電極収納室を形成するとともに開口部分を前記空気排出口とする第２プレートとで構成され、
前記アノードプレートは、
前記燃料供給口と、該燃料排出口を前記アノード電極収納室に連通させる燃料案内通路とを有する第４プレートと、
枠型に形成され、該第４プレートと接合されることで該アノード電極収納室を形成する第３プレートとで構成されている請求項１記載の燃料電池のセル。
【請求項３】
前記カソード電極及び前記アノード電極は、三次元の網目状に形成された網材と、該網材の前記電解質膜側に一体に形成され、該電解質膜と当接する触媒層と、該網材と該触媒層との間に形成されたカーボン粒子とポリテトラフルオロエチレン粒子とからなる細孔層とを備えている請求項２記載の燃料電池のセル。
【請求項４】
前記第２プレートは、前記カソード電極収納室の前記第１プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記カソード電極は該第１プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜し、
前記第３プレートは、前記アノード電極収納室の前記第４プレート側が大面積となるように、周面が厚さ方向に対して傾斜し、前記アノード電極は該第４プレート側が大面積となるように周面が厚さ方向に対して傾斜している請求項３記載の燃料電池のセル。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項記載のセルを多数電気的に直列に接続してなることを特徴とする燃料電池のスタック。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００８−１３０３４９（Ｐ２００８−１３０３４９Ａ）
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３１３７５１（Ｐ２００６−３１３７５１）
【出願日】平成１８年１１月２１日（２００６．１１．２１）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月２１日（２００６．１１．２１）
【出願人】（５９１２６１５０９）株式会社エクォス・リサーチ (1,360)
【Ｆターム（参考）】
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