JP2002324556A - 固体高分子型燃料電池セル - Google Patents
固体高分子型燃料電池セルInfo
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- 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
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Abstract
(57)【要約】
【課題】発電特性に優れる固体高分子型燃料電池セル及
び固体高分子型燃料電池スタックを提供する。 【解決手段】固体高分子電解質膜の両側に電極を配置し
た膜−電極接合体と、電極周縁部の膜上に積層配置され
たガスシールを、セパレータで狭持した固体高分子型燃
料電池セルであって、セパレータ狭持前のガスシールの
厚みを電極の厚みよりも薄くし、セパレータと電極の密
着性を改善することを特徴とする固体高分子型燃料電池
セル及びこれらの固体高分子型燃料電池セルを積層した
固体高分子型燃料電池スタックにより達成される。
び固体高分子型燃料電池スタックを提供する。 【解決手段】固体高分子電解質膜の両側に電極を配置し
た膜−電極接合体と、電極周縁部の膜上に積層配置され
たガスシールを、セパレータで狭持した固体高分子型燃
料電池セルであって、セパレータ狭持前のガスシールの
厚みを電極の厚みよりも薄くし、セパレータと電極の密
着性を改善することを特徴とする固体高分子型燃料電池
セル及びこれらの固体高分子型燃料電池セルを積層した
固体高分子型燃料電池スタックにより達成される。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、セパレータと電極
の密着性を改善した固体高分子型燃料電池セルに関す
る。
の密着性を改善した固体高分子型燃料電池セルに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】従来、固体高分子型燃料電池セルとして
は、図１に示すものが知られている。図中の固体高分子
電解質膜１はプロトン伝導性を有するものである。その
両側に、燃料（水素、メタノール等）に対する酸化能を
有する触媒層２、或いは、酸化剤（酸素、空気等）に対
する還元能を有する触媒層３がそれぞれ形成されたガス
拡散電極４が配置、接合され、膜−電極接合体５が構成
される。固体高分子電解質膜１の端部は、ガス拡散電極
４の端部より外側に突出しており、その突出部分の両側
に燃料及び酸化剤の漏洩を抑制するためのガスシール
（例えば、ゴム製パッキンやシーリング剤）６が設けら
れている。これらの膜−電極接合体５及びガスシール６
が、燃料供給路７或いは酸化剤供給路８がそれぞれ形成
されたセパレータ９で狭持され、固体高分子型燃料電池
セル１０が構成される。
は、図１に示すものが知られている。図中の固体高分子
電解質膜１はプロトン伝導性を有するものである。その
両側に、燃料（水素、メタノール等）に対する酸化能を
有する触媒層２、或いは、酸化剤（酸素、空気等）に対
する還元能を有する触媒層３がそれぞれ形成されたガス
拡散電極４が配置、接合され、膜−電極接合体５が構成
される。固体高分子電解質膜１の端部は、ガス拡散電極
４の端部より外側に突出しており、その突出部分の両側
に燃料及び酸化剤の漏洩を抑制するためのガスシール
（例えば、ゴム製パッキンやシーリング剤）６が設けら
れている。これらの膜−電極接合体５及びガスシール６
が、燃料供給路７或いは酸化剤供給路８がそれぞれ形成
されたセパレータ９で狭持され、固体高分子型燃料電池
セル１０が構成される。
【０００３】従来、固体高分子型燃料電池セル１０を構
成する個々の材料については、各々詳細に検討されてき
ている。例えば、特開２０００−１００４５６号公報に
は、発電領域である電極接合部分の固体高分子電解質の
厚みを電極周縁部より突出した部分の厚みより薄くする
ように構成した膜−電極接合体の製造方法が提案されて
いる。これにより、発電領域の抵抗を低減するととも
に、非発電領域での膜の破損が防止できる高性能な固体
高分子型燃料電池が得られるとされている。特開平１１
−３４５６２０号公報には、フッ素系樹脂等の硬いガス
シールを使用した場合、電極とガスシールの厚みを予め
精度良く調整しておく必要性が指摘されている。又、特
開平１１−２１９７１４号公報には、ガスシールにシリ
コンゴムを使用した場合は、シロキサン結合が切れる劣
化の問題が指摘されている。
成する個々の材料については、各々詳細に検討されてき
ている。例えば、特開２０００−１００４５６号公報に
は、発電領域である電極接合部分の固体高分子電解質の
厚みを電極周縁部より突出した部分の厚みより薄くする
ように構成した膜−電極接合体の製造方法が提案されて
いる。これにより、発電領域の抵抗を低減するととも
に、非発電領域での膜の破損が防止できる高性能な固体
高分子型燃料電池が得られるとされている。特開平１１
−３４５６２０号公報には、フッ素系樹脂等の硬いガス
シールを使用した場合、電極とガスシールの厚みを予め
精度良く調整しておく必要性が指摘されている。又、特
開平１１−２１９７１４号公報には、ガスシールにシリ
コンゴムを使用した場合は、シロキサン結合が切れる劣
化の問題が指摘されている。
【０００４】即ち、ガスシールの厚みや材料を注意深く
選択しなければ、セパレータとガスシールに隙間が生
じ、燃料或いは酸化剤ガスがリークして性能が低下した
り、セパレータと電極の密着性が充分確保できず、所望
の発電特性が発現しないことがあった。
選択しなければ、セパレータとガスシールに隙間が生
じ、燃料或いは酸化剤ガスがリークして性能が低下した
り、セパレータと電極の密着性が充分確保できず、所望
の発電特性が発現しないことがあった。
【０００５】
【本発明が解決しようとする課題】本発明はこのような
現状を考慮してなされたものであって、固体高分子電解
質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合体と、電極周
縁部の膜上に積層配置されたガスシールをセパレータで
狭持した固体高分子型燃料電池セルであって、セパレー
タ狭持前のガスシールの厚みを電極の厚みよりも薄く
し、セパレータと電極の密着性を改善することにより、
優れた発電特性を発現しうる固体高分子型燃料電池セル
を提供することを目的とする。
現状を考慮してなされたものであって、固体高分子電解
質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合体と、電極周
縁部の膜上に積層配置されたガスシールをセパレータで
狭持した固体高分子型燃料電池セルであって、セパレー
タ狭持前のガスシールの厚みを電極の厚みよりも薄く
し、セパレータと電極の密着性を改善することにより、
優れた発電特性を発現しうる固体高分子型燃料電池セル
を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】即ち本発明は、固体高分
子電解質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合体と、
電極周縁部の膜上に積層配置されたガスシールを、セパ
レータで狭持した固体高分子型燃料電池セルであって、
セパレータで狭持する前のガスシールの厚みが電極の厚
みよりも薄いものであることを特徴とする固体高分子型
燃料電池セルである。 また、本発明の固体高分子型燃
料電池セルは、電極の厚み（ｄ1）と、ガスシールの厚
み（ｄ2）が、０．３×ｄ1＜ｄ2＜０．９×ｄ1の関係式
を満たすことが好ましい。
子電解質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合体と、
電極周縁部の膜上に積層配置されたガスシールを、セパ
レータで狭持した固体高分子型燃料電池セルであって、
セパレータで狭持する前のガスシールの厚みが電極の厚
みよりも薄いものであることを特徴とする固体高分子型
燃料電池セルである。 また、本発明の固体高分子型燃
料電池セルは、電極の厚み（ｄ1）と、ガスシールの厚
み（ｄ2）が、０．３×ｄ1＜ｄ2＜０．９×ｄ1の関係式
を満たすことが好ましい。
【０００７】本発明の固体高分子型燃料電池セルに使用
される固体高分子電解質膜は、パーフルオロカーボンス
ルホン酸膜、或いは、プロトン伝導性置換基又はプロト
ン伝導性物質を含有するポリイミド、或いは、プロトン
伝導性置換基又はプロトン伝導性物質を含有するポリフ
ェニレンサルファイド、のいずれかであることが好まし
い。
される固体高分子電解質膜は、パーフルオロカーボンス
ルホン酸膜、或いは、プロトン伝導性置換基又はプロト
ン伝導性物質を含有するポリイミド、或いは、プロトン
伝導性置換基又はプロトン伝導性物質を含有するポリフ
ェニレンサルファイド、のいずれかであることが好まし
い。
【０００８】更に、本発明の固体高分子型燃料電池スタ
ックは、前記固体高分子型燃料電池セルを複数枚積層し
たものであることが好ましい。
ックは、前記固体高分子型燃料電池セルを複数枚積層し
たものであることが好ましい。
【０００９】
【発明実施の形態】以下に本発明を詳細に説明する。
【００１０】本発明の固体高分子型燃料電池セルは、固
体高分子電解質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合
体と、電極周縁部の膜上に積層配置されたガスシール
を、セパレータで狭持した固体高分子型燃料電池セルで
あって、セパレータ狭持前のガスシールの厚みを電極の
厚みよりも薄くし、セパレータと電極の密着性を改善し
たことを特徴とするものである。
体高分子電解質膜の両側に電極を配置した膜−電極接合
体と、電極周縁部の膜上に積層配置されたガスシール
を、セパレータで狭持した固体高分子型燃料電池セルで
あって、セパレータ狭持前のガスシールの厚みを電極の
厚みよりも薄くし、セパレータと電極の密着性を改善し
たことを特徴とするものである。
【００１１】図２に示した固体高分子型燃料電池セル
（セパレータで狭持する前）の要部断面図に従って本発
明を説明する。固体高分子電解質膜１の両側に、ｄ1の
厚みを有するガス拡散電極４が配置され、膜−電極接合
体５が構成される。更に電極４の周縁部の電極４の端部
より突出した固体高分子電解質膜１上に、電極の厚さｄ
1よりも薄い厚みｄ2を有するガスシール６が積層配置さ
れる。これらが図１に示したようにセパレータ９で狭持
され、本発明の固体高分子型燃料電池セル１０が構成さ
れる。
（セパレータで狭持する前）の要部断面図に従って本発
明を説明する。固体高分子電解質膜１の両側に、ｄ1の
厚みを有するガス拡散電極４が配置され、膜−電極接合
体５が構成される。更に電極４の周縁部の電極４の端部
より突出した固体高分子電解質膜１上に、電極の厚さｄ
1よりも薄い厚みｄ2を有するガスシール６が積層配置さ
れる。これらが図１に示したようにセパレータ９で狭持
され、本発明の固体高分子型燃料電池セル１０が構成さ
れる。
【００１２】ここで、電極４の厚みｄ1は、燃料極の触
媒層２又は酸化剤極の触媒層３と、これらの支持体であ
る導電性のカーボンペーパーやカーボンクロス等の厚み
の和で定義される。電極４の厚みｄ1やガスシールの厚
みｄ2は、それぞれマイクロメーターやダイヤルゲージ
のような一般的な厚み測定治具の計測値で規定される。
媒層２又は酸化剤極の触媒層３と、これらの支持体であ
る導電性のカーボンペーパーやカーボンクロス等の厚み
の和で定義される。電極４の厚みｄ1やガスシールの厚
みｄ2は、それぞれマイクロメーターやダイヤルゲージ
のような一般的な厚み測定治具の計測値で規定される。
【００１３】このとき、セパレータ９で狭持した部分の
厚みは、セパレータ９を狭持する圧力や、固体高分子電
解質１、電極４、ガスシール６それぞれの厚みや圧縮変
形歪み、電極部分とガスシール部分の面積比、等によっ
て異なるが、概ね固体高分子電解質膜の厚みとガスシー
ルの厚みの和よりもやや薄い厚みで規定されることとな
る。
厚みは、セパレータ９を狭持する圧力や、固体高分子電
解質１、電極４、ガスシール６それぞれの厚みや圧縮変
形歪み、電極部分とガスシール部分の面積比、等によっ
て異なるが、概ね固体高分子電解質膜の厚みとガスシー
ルの厚みの和よりもやや薄い厚みで規定されることとな
る。
【００１４】このとき、セパレータ９で狭持した部分の
厚みは、セパレータ９を狭持する圧力や、固体高分子電
解質１、電極４、ガスシール６それぞれの厚みや圧縮変
形歪み、電極部分とガスシール部分の面積比、等によっ
て異なるが、概ね固体高分子電解質膜の厚みとガスシー
ルの厚みの和よりもやや薄い厚みで規定されることとな
る。このとき、電極４の厚みｄ1とガスシールの厚みｄ2
は、０．３×ｄ1＜ｄ2＜０．９×ｄ1の関係式を満たす
ことが好ましい。更に、０．４×ｄ1＜ｄ2＜０．８×ｄ
1の関係式を満たすことがより好ましい。このように、
電極とガスシールの厚みを適正化することによって、セ
パレータ９とガス拡散電極４が充分に密着し、燃料流路
７及び酸化剤流路８が確実に形成されるとともに、ガス
拡散電極４とセパレータ９の導電性も確保できる。従っ
て、燃料流路７を通じて燃料（水素、メタノール等）
が、ガス拡散電極４に効率的かつ均一に供給されやすく
なる。また、酸化剤流路８を通じて酸化剤（酸素、空気
等）が、ガス拡散電極４に効率的かつ均一に供給されや
すくなる。そのため、触媒層２、３において、効率的な
触媒反応が起こり、優れた発電特性を示すと推定され
る。また、燃料や酸化剤を加湿するために供給される水
や、酸化剤極での生成水も、電極４中を効率的かつ均一
に拡散できるため、水によるガス拡散層の閉塞が起こり
にくく、発電特性の低下が生じにくいと推定される。ガ
スシール６の厚みが、これらの範囲よりも小さい場合
は、ガスシール６とセパレータ９や固体高分子電解質膜
１との密着性が不充分となり、ガスシール６が配置され
ている電極４の周縁部側に燃料や酸化剤が漏れやすくな
り、燃料や酸化剤が有効に使用されず、セルの性能を低
下させる恐れがあり、好ましくない。又、ガスシール６
の厚みが、これらの範囲よりも大きい場合は、電極４と
セパレータ９の接触が不充分となって、燃料や酸化剤が
効率的に電極４に供給されなかったり、セパレータ９と
電極４の導電性不良が生じ、セルの性能を低下させる恐
れがあり、好ましくない。
厚みは、セパレータ９を狭持する圧力や、固体高分子電
解質１、電極４、ガスシール６それぞれの厚みや圧縮変
形歪み、電極部分とガスシール部分の面積比、等によっ
て異なるが、概ね固体高分子電解質膜の厚みとガスシー
ルの厚みの和よりもやや薄い厚みで規定されることとな
る。このとき、電極４の厚みｄ1とガスシールの厚みｄ2
は、０．３×ｄ1＜ｄ2＜０．９×ｄ1の関係式を満たす
ことが好ましい。更に、０．４×ｄ1＜ｄ2＜０．８×ｄ
1の関係式を満たすことがより好ましい。このように、
電極とガスシールの厚みを適正化することによって、セ
パレータ９とガス拡散電極４が充分に密着し、燃料流路
７及び酸化剤流路８が確実に形成されるとともに、ガス
拡散電極４とセパレータ９の導電性も確保できる。従っ
て、燃料流路７を通じて燃料（水素、メタノール等）
が、ガス拡散電極４に効率的かつ均一に供給されやすく
なる。また、酸化剤流路８を通じて酸化剤（酸素、空気
等）が、ガス拡散電極４に効率的かつ均一に供給されや
すくなる。そのため、触媒層２、３において、効率的な
触媒反応が起こり、優れた発電特性を示すと推定され
る。また、燃料や酸化剤を加湿するために供給される水
や、酸化剤極での生成水も、電極４中を効率的かつ均一
に拡散できるため、水によるガス拡散層の閉塞が起こり
にくく、発電特性の低下が生じにくいと推定される。ガ
スシール６の厚みが、これらの範囲よりも小さい場合
は、ガスシール６とセパレータ９や固体高分子電解質膜
１との密着性が不充分となり、ガスシール６が配置され
ている電極４の周縁部側に燃料や酸化剤が漏れやすくな
り、燃料や酸化剤が有効に使用されず、セルの性能を低
下させる恐れがあり、好ましくない。又、ガスシール６
の厚みが、これらの範囲よりも大きい場合は、電極４と
セパレータ９の接触が不充分となって、燃料や酸化剤が
効率的に電極４に供給されなかったり、セパレータ９と
電極４の導電性不良が生じ、セルの性能を低下させる恐
れがあり、好ましくない。
【００１５】次に本発明の固体高分子型燃料電池セル１
０の構成材料について説明する。固体高分子電解質膜１
としては、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、フ
ェノール性水酸基等のプロトン伝導性置換基、１２−タ
ングストりん酸、タングステンペルオキソ錯体、モノド
デシルフォスフェート、リン酸等のプロトン伝導性物質
を含有する高分子膜が使用可能である。また、高分子膜
の保水性やプロトン伝導性物質の保持性等を改善するた
めに、シリカ等のケイ素系化合物に代表される無機物質
を複合化させたものを使用しても良い。このような高分
子電解質膜としては、例えば、ナフィオン（デュポン
製）、フレミオン（旭硝子製）、アシプレックス（旭化
成製）等に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸
膜、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（特開平６
−９３１１４号公報等）、スルホン化ポリエーテルスル
ホン（特開平１０―４５９１３号公報等）、スルホン化
ポリスルホン（特開平９−２４５８１８号公報等）、ス
ルホン化ポリフェニレンサルファイド（特表平１１−５
１０１９８等）やスルホン化ポリイミド（特表２０００
−５１０５１１号公報等）、スルホン化ＳＥＢＳ（スチ
レン−（エチレン−ブチレン）−スチレンの略）（特表
平１０−５０３７８８号公報等）、プロトン伝導性付与
剤と有機高分子化合物の複合材料からなるプロトン伝導
性膜（特開２０００−９０９４６号公報等）が例示でき
るが、本発明はこれらに限定されるものでなく、これら
の改良品或いは他の組成を有するものも使用可能であ
る。本発明においては、燃料電池用膜としての要求特性
（プロトン伝導度、ガス遮断性、熱的・化学的安定性、
コスト等）を考慮すると、パーフルオロカーボンスルホ
ン酸膜、プロトン伝導性置換基又はプロトン伝導性物質
を含有するポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、
のいずれかであることが好ましい。
０の構成材料について説明する。固体高分子電解質膜１
としては、スルホン酸基、リン酸基、カルボン酸基、フ
ェノール性水酸基等のプロトン伝導性置換基、１２−タ
ングストりん酸、タングステンペルオキソ錯体、モノド
デシルフォスフェート、リン酸等のプロトン伝導性物質
を含有する高分子膜が使用可能である。また、高分子膜
の保水性やプロトン伝導性物質の保持性等を改善するた
めに、シリカ等のケイ素系化合物に代表される無機物質
を複合化させたものを使用しても良い。このような高分
子電解質膜としては、例えば、ナフィオン（デュポン
製）、フレミオン（旭硝子製）、アシプレックス（旭化
成製）等に代表されるパーフルオロカーボンスルホン酸
膜、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン（特開平６
−９３１１４号公報等）、スルホン化ポリエーテルスル
ホン（特開平１０―４５９１３号公報等）、スルホン化
ポリスルホン（特開平９−２４５８１８号公報等）、ス
ルホン化ポリフェニレンサルファイド（特表平１１−５
１０１９８等）やスルホン化ポリイミド（特表２０００
−５１０５１１号公報等）、スルホン化ＳＥＢＳ（スチ
レン−（エチレン−ブチレン）−スチレンの略）（特表
平１０−５０３７８８号公報等）、プロトン伝導性付与
剤と有機高分子化合物の複合材料からなるプロトン伝導
性膜（特開２０００−９０９４６号公報等）が例示でき
るが、本発明はこれらに限定されるものでなく、これら
の改良品或いは他の組成を有するものも使用可能であ
る。本発明においては、燃料電池用膜としての要求特性
（プロトン伝導度、ガス遮断性、熱的・化学的安定性、
コスト等）を考慮すると、パーフルオロカーボンスルホ
ン酸膜、プロトン伝導性置換基又はプロトン伝導性物質
を含有するポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、
のいずれかであることが好ましい。
【００１６】パーフルオロカーボンスルホン酸膜として
は、市販されているナフィオン（デュポン製）、フレミ
オン（旭硝子製）、アシプレックス（旭化成製）、ゴア
セレクト（ゴアテックス製）等を使用することが好まし
い。又、ポリテトラフルオロエチレン等の繊維や多孔質
支持体、不織布等で補強したものも使用可能である。
は、市販されているナフィオン（デュポン製）、フレミ
オン（旭硝子製）、アシプレックス（旭化成製）、ゴア
セレクト（ゴアテックス製）等を使用することが好まし
い。又、ポリテトラフルオロエチレン等の繊維や多孔質
支持体、不織布等で補強したものも使用可能である。
【００１７】プロトン伝導性置換基又はプロトン伝導性
物質を含有するポリイミドとしては、特表２０００−５
１０５１１号公報に記載されているようなスルホン酸基
含有ジアミンを共重合成分としたスルホン化ポリイミド
や、カプトン（デュポン製）、アピカル（鐘淵化学工業
製）、ユーピレックス（宇部興産製）等の芳香族系ポリ
イミドフィルムとスルホン化剤（クロロスルホン酸、三
酸化硫黄、発煙硫酸、濃硫酸等）を接触させてスルホン
酸基を導入したポリイミドフィルム、ポリイミドとプロ
トン伝導性物質（リン酸、１２−タングストりん酸等）
を複合化させたもの等を使用することが好ましい。
物質を含有するポリイミドとしては、特表２０００−５
１０５１１号公報に記載されているようなスルホン酸基
含有ジアミンを共重合成分としたスルホン化ポリイミド
や、カプトン（デュポン製）、アピカル（鐘淵化学工業
製）、ユーピレックス（宇部興産製）等の芳香族系ポリ
イミドフィルムとスルホン化剤（クロロスルホン酸、三
酸化硫黄、発煙硫酸、濃硫酸等）を接触させてスルホン
酸基を導入したポリイミドフィルム、ポリイミドとプロ
トン伝導性物質（リン酸、１２−タングストりん酸等）
を複合化させたもの等を使用することが好ましい。
【００１８】プロトン伝導性置換基又はプロトン伝導性
物質を含有するポリイミドとしては、特表平１１−５１
０１９８号公報に記載されているような溶媒可溶性のス
ルホン化ポリフェニレンサルファイドを調製し製膜した
ものや、トレリナ（東レ製）等のポリフェニレンサルフ
ァイドフィルムとスルホン化剤（クロロスルホン酸、三
酸化硫黄、発煙硫酸、濃硫酸等）を接触させてスルホン
酸基を導入したポリフェニレンサルファイドフィルム等
を使用することが好ましい。
物質を含有するポリイミドとしては、特表平１１−５１
０１９８号公報に記載されているような溶媒可溶性のス
ルホン化ポリフェニレンサルファイドを調製し製膜した
ものや、トレリナ（東レ製）等のポリフェニレンサルフ
ァイドフィルムとスルホン化剤（クロロスルホン酸、三
酸化硫黄、発煙硫酸、濃硫酸等）を接触させてスルホン
酸基を導入したポリフェニレンサルファイドフィルム等
を使用することが好ましい。
【００１９】固体高分子電解質膜の厚みは特に限定され
ないが、実用的な機械的強度や燃料・酸化剤の遮断性を
有する範囲で薄い程良く、概ね５〜２００μｍの範囲で
あることが好ましい。
ないが、実用的な機械的強度や燃料・酸化剤の遮断性を
有する範囲で薄い程良く、概ね５〜２００μｍの範囲で
あることが好ましい。
【００２０】本発明に使用するガス拡散電極４として
は、通常の固体高分子型燃料電池に用いられるものが使
用可能である。具体的には、ガスが透過可能な微細孔を
有した導電性のカーボンペーパーやカーボンクロスを支
持体として、燃料（水素やメタノール等）の酸化能を有
する白金や白金／ルテニウム等の貴金属触媒が活性炭等
の担体に担持されたもの、酸化剤（酸素や空気等）の還
元能を有する白金等の貴金属触媒が活性炭等の担体に担
持されたもの、により触媒層２、３がそれぞれ形成され
たものが使用される。固体高分子電解質膜１の両側に、
このガス拡散電極２の触媒層２、３面側が配置され、プ
ロトン伝導性を有する高分子化合物からなる接着層によ
り接合して調製された膜−電極接合体５が使用される。
ガス拡散電極４としては、Ｅ−ＴＥＫ社やＥｌｅｃｔｒ
ｏＣｈｅｍ社等から市販されているものを使用しても、
上記のような材料を使用して、独自に調製したものを使
用しても構わない。
は、通常の固体高分子型燃料電池に用いられるものが使
用可能である。具体的には、ガスが透過可能な微細孔を
有した導電性のカーボンペーパーやカーボンクロスを支
持体として、燃料（水素やメタノール等）の酸化能を有
する白金や白金／ルテニウム等の貴金属触媒が活性炭等
の担体に担持されたもの、酸化剤（酸素や空気等）の還
元能を有する白金等の貴金属触媒が活性炭等の担体に担
持されたもの、により触媒層２、３がそれぞれ形成され
たものが使用される。固体高分子電解質膜１の両側に、
このガス拡散電極２の触媒層２、３面側が配置され、プ
ロトン伝導性を有する高分子化合物からなる接着層によ
り接合して調製された膜−電極接合体５が使用される。
ガス拡散電極４としては、Ｅ−ＴＥＫ社やＥｌｅｃｔｒ
ｏＣｈｅｍ社等から市販されているものを使用しても、
上記のような材料を使用して、独自に調製したものを使
用しても構わない。
【００２１】本発明のガスシール６としては、燃料や酸
化剤の遮断性を有するものであれば使用可能である。一
般的には柔軟なゴム製等のガスシールが使用可能であ
る。ガスシール６に使用する材料としては、フッ素ゴ
ム、シリコンゴム、オレフィン系ゴム（エチレン−プロ
ピレンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブ
チルゴム等）、ジエン系ゴム（イソプレンゴム、ブタジ
エンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム等）等が例
示でき、これらをブレンドしたものを使用することも可
能である。ガスシール６は、予め所定の厚みや形状に加
工（シート状やＯリング状等）されたももを配置した
り、流動性を有するシーリング材等を所定の厚みや形状
に塗布し、硬化させて使用できる。更に、セパレータ９
や固体高分子電解質膜１との接着性を有しているものも
使用可能である。
化剤の遮断性を有するものであれば使用可能である。一
般的には柔軟なゴム製等のガスシールが使用可能であ
る。ガスシール６に使用する材料としては、フッ素ゴ
ム、シリコンゴム、オレフィン系ゴム（エチレン−プロ
ピレンゴム、アクリルゴム、ブチルゴム、ハロゲン化ブ
チルゴム等）、ジエン系ゴム（イソプレンゴム、ブタジ
エンゴム、ニトリルゴム、クロロプレンゴム等）等が例
示でき、これらをブレンドしたものを使用することも可
能である。ガスシール６は、予め所定の厚みや形状に加
工（シート状やＯリング状等）されたももを配置した
り、流動性を有するシーリング材等を所定の厚みや形状
に塗布し、硬化させて使用できる。更に、セパレータ９
や固体高分子電解質膜１との接着性を有しているものも
使用可能である。
【００２２】セパレータ９としては、導電性を有し、機
械的・電気化学的に安定なものが使用可能である。一般
的には、カーボングラファイトやステンレス鋼等を加工
して、燃料及び酸化剤流路を形成したものが使用され
る。
械的・電気化学的に安定なものが使用可能である。一般
的には、カーボングラファイトやステンレス鋼等を加工
して、燃料及び酸化剤流路を形成したものが使用され
る。
【００２３】本発明の固体高分子型燃料電池スタック
は、上述した固体高分子型燃料電池セルを任意に複数枚
積層して構成される。用途に応じたサイズ、出力（電流
・電圧）を考慮して、セルのサイズや積層枚数等の仕様
を決定すればよい。それによって、優れた発電特性を有
する固体高分子型燃料電池スタックを得ることができ、
好ましい。
は、上述した固体高分子型燃料電池セルを任意に複数枚
積層して構成される。用途に応じたサイズ、出力（電流
・電圧）を考慮して、セルのサイズや積層枚数等の仕様
を決定すればよい。それによって、優れた発電特性を有
する固体高分子型燃料電池スタックを得ることができ、
好ましい。
【００２４】本発明の固体高分子型燃料電池セル及び固
体高分子型燃料電池スタックは、燃料として、純水素、
メタノール・天然ガス・ガソリン等の改質ガス、メタノ
ールやジメチルエーテル等、酸化剤として、酸素、空気
等が使用でき、これらを供給することで発電できる。こ
れらは、自動車、家庭用コージェネレーションシステ
ム、民生用携帯機器（携帯電話等）、非常用電源、レジ
ャーや工事用等の屋外電源として使用可能な固体高分子
型燃料電池として有用である。
体高分子型燃料電池スタックは、燃料として、純水素、
メタノール・天然ガス・ガソリン等の改質ガス、メタノ
ールやジメチルエーテル等、酸化剤として、酸素、空気
等が使用でき、これらを供給することで発電できる。こ
れらは、自動車、家庭用コージェネレーションシステ
ム、民生用携帯機器（携帯電話等）、非常用電源、レジ
ャーや工事用等の屋外電源として使用可能な固体高分子
型燃料電池として有用である。
【００２５】
【実施例】以下、実施例により本発明を更に具体的に説
明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定さ
れるものではなく、その要旨を変更しない範囲において
適宜変更実施可能である。
明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定さ
れるものではなく、その要旨を変更しない範囲において
適宜変更実施可能である。
【００２６】尚、実施例に先立ち測定法等について説明
する。
する。
【００２７】（イオン交換容量）試験体を塩化ナトリウ
ム飽和水溶液に浸漬し、ウォーターバス中で６０℃、３
時間反応させる。室温まで冷却した後、サンプルをイオ
ン交換水で充分に洗浄し、フェノールフタレイン溶液を
指示薬として、０．０１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液で
滴定し、イオン交換容量を算出する。
ム飽和水溶液に浸漬し、ウォーターバス中で６０℃、３
時間反応させる。室温まで冷却した後、サンプルをイオ
ン交換水で充分に洗浄し、フェノールフタレイン溶液を
指示薬として、０．０１Ｎの水酸化ナトリウム水溶液で
滴定し、イオン交換容量を算出する。
【００２８】（プロトン伝導度）イオン交換水中に保管
した試験体（１０ｍｍ×４０ｍｍ）を取り出し、試験体
表面の水をろ紙で拭き取る。電極間距離３０ｍｍで白金
電極間に試験体を装着し、２極非密閉系のテフロン(登
録商標）製のセルに設置した後、室温下で電圧０．２Ｖ
の条件で、交流インピーダンス法（周波数：４２Ｈｚ〜
５ＭＨｚ）により、試験体の膜抵抗を測定し、プロトン
伝導度を算出した。
した試験体（１０ｍｍ×４０ｍｍ）を取り出し、試験体
表面の水をろ紙で拭き取る。電極間距離３０ｍｍで白金
電極間に試験体を装着し、２極非密閉系のテフロン(登
録商標）製のセルに設置した後、室温下で電圧０．２Ｖ
の条件で、交流インピーダンス法（周波数：４２Ｈｚ〜
５ＭＨｚ）により、試験体の膜抵抗を測定し、プロトン
伝導度を算出した。
【００２９】（発電特性）ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍ社製
の固体高分子型燃料電池セル（電極面積：５ｃｍ 2）
に、別途調製した膜−電極接合体、ガスシールをそれぞ
れ設置し、Ｓｃｒｉｂｎｅｒ製の燃料電池評価システム
を使用して、所定の条件での発電特性を計測した。
の固体高分子型燃料電池セル（電極面積：５ｃｍ 2）
に、別途調製した膜−電極接合体、ガスシールをそれぞ
れ設置し、Ｓｃｒｉｂｎｅｒ製の燃料電池評価システム
を使用して、所定の条件での発電特性を計測した。
【００３０】（実施例１）固体高分子電解質膜として、
パーフルオロカーボンスルホン酸膜であるデュポン社製
ナフィオン１１５を使用した。イオン交換容量、プロト
ン伝導度を表１に示した。
パーフルオロカーボンスルホン酸膜であるデュポン社製
ナフィオン１１５を使用した。イオン交換容量、プロト
ン伝導度を表１に示した。
【００３１】ＥｌｅｃｔｒｏＣｈｅｍ社製ガス拡散電極
（厚み（ｄ1）：２８０μｍ、電極面積：5ｃｍ2、白金
担持量：1ｍｇ／ｃｍ2）に、ナフィオンの目付量が０．
６ｍｇ／ｃｍ2になるように、５重量％のナフィオン溶
液（アルドリッチ製試薬）を塗布し、７０℃で１時間減
圧乾燥した。ナフィオン１１５の両側にガス拡散電極を
配置し、プレス温度：１４０℃、プレス圧力：５．９Ｍ
Ｐａ、プレス時間：９０秒の条件でホットプレスし、膜
−電極接合体を得た。
（厚み（ｄ1）：２８０μｍ、電極面積：5ｃｍ2、白金
担持量：1ｍｇ／ｃｍ2）に、ナフィオンの目付量が０．
６ｍｇ／ｃｍ2になるように、５重量％のナフィオン溶
液（アルドリッチ製試薬）を塗布し、７０℃で１時間減
圧乾燥した。ナフィオン１１５の両側にガス拡散電極を
配置し、プレス温度：１４０℃、プレス圧力：５．９Ｍ
Ｐａ、プレス時間：９０秒の条件でホットプレスし、膜
−電極接合体を得た。
【００３２】膜−電極接合体の周縁部に、厚さ（ｄ2）
２５４μｍのシリコンゴム製のガスシールを積層配置
し、固体高分子型燃料電池セルに設置した。以下に示す
条件でこの固体高分子型燃料電池セルの発電特性を評価
した。結果を図３に示した。 （発電特性評価条件） ・セル作動温度：６０℃ ・燃料：純水素ガス、４４．７７ｍＬ／ｍｉｎ ・酸化剤：酸素ガス、３９．１８ｍＬ／ｍｉｎ ・加湿温度：６０℃ ・背圧：０ＭＰａ。
２５４μｍのシリコンゴム製のガスシールを積層配置
し、固体高分子型燃料電池セルに設置した。以下に示す
条件でこの固体高分子型燃料電池セルの発電特性を評価
した。結果を図３に示した。 （発電特性評価条件） ・セル作動温度：６０℃ ・燃料：純水素ガス、４４．７７ｍＬ／ｍｉｎ ・酸化剤：酸素ガス、３９．１８ｍＬ／ｍｉｎ ・加湿温度：６０℃ ・背圧：０ＭＰａ。
【００３３】（実施例２）厚さ（ｄ2）１２７μmのガス
シールを使用した以外は、実施例１と同様にした。結果
を図３に示した。
シールを使用した以外は、実施例１と同様にした。結果
を図３に示した。
【００３４】（実施例３）固体高分子電解質膜として、
以下の方法でスルホン化ポリフェニレンサルファイドを
調製した。ポリフェニレンサルファイドフィルムとし
て、東レ（株）製トレリナ（厚み：５０μｍ）を使用し
た。ポリフェニレンサンサルファイドフィルム０．８８
ｇを、クロロスルホン酸 １．９０ｇとジクロロメタン
３８０ｇの混合溶液に室温で２０時間浸漬させた。所
定時間経過後、イオン交換水で充分洗浄し、スルホン化
ポリフェニレンサルファイドを得た。このスルホン化ポ
リフェニレンサルファイドのイオン交換容量、プロトン
伝導度を表１に示した。
以下の方法でスルホン化ポリフェニレンサルファイドを
調製した。ポリフェニレンサルファイドフィルムとし
て、東レ（株）製トレリナ（厚み：５０μｍ）を使用し
た。ポリフェニレンサンサルファイドフィルム０．８８
ｇを、クロロスルホン酸 １．９０ｇとジクロロメタン
３８０ｇの混合溶液に室温で２０時間浸漬させた。所
定時間経過後、イオン交換水で充分洗浄し、スルホン化
ポリフェニレンサルファイドを得た。このスルホン化ポ
リフェニレンサルファイドのイオン交換容量、プロトン
伝導度を表１に示した。
【表１】
【００３５】固体高分子電解質として、このスルホン化
ポリフェニレンサルファイドを使用した以外は、実施例
１と同様にした。結果を図４に示した。
ポリフェニレンサルファイドを使用した以外は、実施例
１と同様にした。結果を図４に示した。
【００３６】（実施例４）厚さ（ｄ2）１２７μmのガス
シールを使用した以外は、実施例５と同様にした。結果
を図４に示した。
シールを使用した以外は、実施例５と同様にした。結果
を図４に示した。
【００３７】（実施例５）セル温度が８０℃、水素、酸
素の加湿温度が８０℃、水素、酸素の背圧が０．２ＭＰ
ａとした以外は、実施例５と同様にした。結果を図５に
示した。
素の加湿温度が８０℃、水素、酸素の背圧が０．２ＭＰ
ａとした以外は、実施例５と同様にした。結果を図５に
示した。
【００３８】（実施例６）厚さ（ｄ2）１２７μmのガス
シールを使用した以外は、実施例７と同様にした。結果
を図５に示した。
シールを使用した以外は、実施例７と同様にした。結果
を図５に示した。
【００３９】（比較例１）厚さ（ｄ2）３００μｍのガ
スシールを使用した以外は、実施例１と同様にした。結
果を図３に示した。
スシールを使用した以外は、実施例１と同様にした。結
果を図３に示した。
【００４０】（比較例２）厚さ（ｄ2）３００μｍのガ
スシールを使用した以外は、実施例３と同様にした。結
果を図４に示した。
スシールを使用した以外は、実施例３と同様にした。結
果を図４に示した。
【００４１】（比較例３）厚さ（ｄ2）３００μｍのガ
スシールを使用した以外は、実施例５と同様にした。結
果を図５に示した。図３の実施例１と比較例１の比較、
図４の実施例３と比較例２の比較、図５の実施例５と比
較例３の比較の比較より、電極の厚み（ｄ1）よりもガ
スシールの厚み（ｄ2）を薄くした本発明の固体高分子
型燃料電池セルは、電極の厚み（ｄ1）よりもガスシー
ルの厚み（ｄ2）が厚い比較例のものと比較し、優れた
発電特性を発現し、本発明の有効性が示された。
スシールを使用した以外は、実施例５と同様にした。結
果を図５に示した。図３の実施例１と比較例１の比較、
図４の実施例３と比較例２の比較、図５の実施例５と比
較例３の比較の比較より、電極の厚み（ｄ1）よりもガ
スシールの厚み（ｄ2）を薄くした本発明の固体高分子
型燃料電池セルは、電極の厚み（ｄ1）よりもガスシー
ルの厚み（ｄ2）が厚い比較例のものと比較し、優れた
発電特性を発現し、本発明の有効性が示された。
【００４２】また、図３の実施例1と２の比較、図４の
実施例３と４の比較、図５の実施例５と６の比較の比較
より、電極の厚み（ｄ1）とガスシールの厚み（ｄ2）
が、０．３×ｄ1＜ｄ2＜０．９×ｄ1の関係式を満たす
ように構成した固体高分子型燃料電池セル（ｄ2＝０．
４５×ｄ1）は、更に優れた発電特性を発現し、本発明
の有効性が示された。
実施例３と４の比較、図５の実施例５と６の比較の比較
より、電極の厚み（ｄ1）とガスシールの厚み（ｄ2）
が、０．３×ｄ1＜ｄ2＜０．９×ｄ1の関係式を満たす
ように構成した固体高分子型燃料電池セル（ｄ2＝０．
４５×ｄ1）は、更に優れた発電特性を発現し、本発明
の有効性が示された。
【００４３】
【発明の効果】本発明によれば、固体高分子電解質膜の
両側に電極を配置した膜−電極接合体と、電極周縁部の
膜上に積層配置されたガスシールを、セパレータで狭持
した固体高分子型燃料電池セルであって、セパレータ狭
持前のガスシールの厚みを電極の厚みよりも薄くし、セ
パレータと電極の密着性を改善したことを特徴とする固
体高分子型燃料電池セルは、従来のものと比較して、優
れた発電特性を発現する。
両側に電極を配置した膜−電極接合体と、電極周縁部の
膜上に積層配置されたガスシールを、セパレータで狭持
した固体高分子型燃料電池セルであって、セパレータ狭
持前のガスシールの厚みを電極の厚みよりも薄くし、セ
パレータと電極の密着性を改善したことを特徴とする固
体高分子型燃料電池セルは、従来のものと比較して、優
れた発電特性を発現する。
【図１】固体高分子型燃料電池の要部断面図（セパレー
タ狭持後）
タ狭持後）
【図２】固体高分子型燃料電池の要部断面図（セパレー
タ狭持前）
タ狭持前）
【図３】固体高分子型燃料電池セルの電流密度とセル電
圧の関係（ナフィオン１１５、セル温度：６０℃、背
圧：０ＭＰａ）
圧の関係（ナフィオン１１５、セル温度：６０℃、背
圧：０ＭＰａ）
【図４】固体高分子型燃料電池セルの電流密度とセル電
圧の関係（スルホン化ポリフェニレンサルファイド、セ
ル温度：６０℃、背圧：０ＭＰａ）
圧の関係（スルホン化ポリフェニレンサルファイド、セ
ル温度：６０℃、背圧：０ＭＰａ）
【図５】固体高分子型燃料電池セルの電流密度とセル電
圧の関係（スルホン化ポリフェニレンサルファイド、セ
ル温度：８０℃、背圧：０．２ＭＰａ）
圧の関係（スルホン化ポリフェニレンサルファイド、セ
ル温度：８０℃、背圧：０．２ＭＰａ）
１：固体高分子電解質膜 ２：電極触媒層（燃料極） ３：電極触媒層（酸化剤極） ４：ガス拡散電極 ５：膜−電極接合体 ６：ガスシール ７：燃料流路 ８：酸化剤流路 ９：セパレータ １０：固体高分子型燃料電池セル
Claims (6)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜の両側に電極を配置し
た膜−電極接合体と、電極周縁部の膜上に積層配置され
たガスシールを、セパレータで狭持した固体高分子型燃
料電池セルであって、セパレータで狭持する前のガスシ
ールの厚みが電極の厚みよりも薄いものであることを特
徴とする固体高分子型燃料電池セル。 - 【請求項２】前記電極の厚み（ｄ1）と、前記ガスシー
ルの厚み（ｄ2）が、０．３×ｄ1＜ｄ2＜０．９×ｄ1の
関係式を満たす請求項１記載の固体高分子型燃料電池セ
ル。 - 【請求項３】前記固体高分子電解質膜が、パーフルオロ
カーボンスルホン酸膜である請求項１又は２記載の固体
高分子型燃料電池セル。 - 【請求項４】前記固体高分子電解質膜が、プロトン伝導
性置換基又はプロトン伝導性物質を含有するポリイミド
である請求項１又は２記載の固体高分子型燃料電池セ
ル。 - 【請求項５】前記固体高分子電解質膜が、プロトン伝導
性置換基又はプロトン伝導性物質を含有するポリフェニ
レンサルファイドである請求項１又は２記載の固体高分
子型燃料電池セル。 - 【請求項６】前記請求項１〜５記載の固体高分子型燃料
電池セルを複数枚積層した固体高分子型燃料電池スタッ
ク。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001129299A JP2002324556A (ja) | 2001-04-26 | 2001-04-26 | 固体高分子型燃料電池セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001129299A JP2002324556A (ja) | 2001-04-26 | 2001-04-26 | 固体高分子型燃料電池セル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002324556A true JP2002324556A (ja) | 2002-11-08 |
Family
ID=18977843
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001129299A Pending JP2002324556A (ja) | 2001-04-26 | 2001-04-26 | 固体高分子型燃料電池セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002324556A (ja) |
Cited By (8)
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|---|---|---|---|---|
| JP2006066391A (ja) * | 2004-07-30 | 2006-03-09 | Sumitomo Chemical Co Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
| JP2008507107A (ja) * | 2004-07-21 | 2008-03-06 | ペメアス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 膜電極ユニット及び延長された実用寿命を持つ燃料電池 |
| JP2008507106A (ja) * | 2004-07-21 | 2008-03-06 | ペメアス ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 改良された膜電極接合体及び高耐久性燃料電池 |
| JP2008262893A (ja) * | 2007-03-19 | 2008-10-30 | Nissan Motor Co Ltd | 膜電極接合体の製造方法、膜電極接合体並びにその製造装置 |
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| JP2013122929A (ja) * | 2013-02-06 | 2013-06-20 | Nihon Gore Kk | 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層要素、固体高分子形燃料電池およびその製造方法 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09289028A (ja) * | 1996-04-24 | 1997-11-04 | Tanaka Kikinzoku Kogyo Kk | 固体高分子電解質型燃料電池用電解質膜、ガスシール構造及びスタック |
| WO1999053559A1 (en) * | 1998-04-14 | 1999-10-21 | Three Bond Co., Ltd. | Sealing material for fuel cell |
-
2001
- 2001-04-26 JP JP2001129299A patent/JP2002324556A/ja active Pending
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| EP2161772A4 (en) * | 2007-06-15 | 2011-12-28 | Sumitomo Chemical Co | MEMBRANE, ELECTRODE, GAS DIFFUSION LAYER AND SEAL ASSEMBLY, METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF AND FESTPOLYMER FUEL CELL |
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