JPH0412465A - 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池のセル構造Info
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- JPH0412465A JPH0412465A JP2113573A JP11357390A JPH0412465A JP H0412465 A JPH0412465 A JP H0412465A JP 2113573 A JP2113573 A JP 2113573A JP 11357390 A JP11357390 A JP 11357390A JP H0412465 A JPH0412465 A JP H0412465A
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- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
〔産業上の利用分野〕
この発明は、固体高分子電解質型燃料電池において用い
られるイオン交換膜への水の供給構造、および電池の冷
却構造に関する。
られるイオン交換膜への水の供給構造、および電池の冷
却構造に関する。
固体高分子電解質としてプロトン導電体であるカチオン
交換膜を用い、燃料として水素を、酸化剤として酸素を
用いた場合には、アノード電極及びカソード電極におい
て次の反応が起こる事が知られている。
交換膜を用い、燃料として水素を、酸化剤として酸素を
用いた場合には、アノード電極及びカソード電極におい
て次の反応が起こる事が知られている。
アノード電極
H2−+ 2 H゛ + 20 ・
・ ・ (1)カソード電極 1/20! +2H” +26−+1110すなわち、
アノード電極では水素がプロトンと電子に解離し、発生
したプロトンはイオン交換膜中をカソードに向かって移
動、電子は外部の回路を通ってカソード電極に到達する
。(この時に発電が行われる)、一方力ソード電極では
、アノード電極よりイオン交換膜中を移動してきたプロ
トン及び外部回路より移動してきた電子と、系の外部か
ら供給された酸素とが反応して水を生成する、また、こ
の反応は発熱を伴うので、全体として水素と酸素から水
と電気と熱が発生する。
・ ・ (1)カソード電極 1/20! +2H” +26−+1110すなわち、
アノード電極では水素がプロトンと電子に解離し、発生
したプロトンはイオン交換膜中をカソードに向かって移
動、電子は外部の回路を通ってカソード電極に到達する
。(この時に発電が行われる)、一方力ソード電極では
、アノード電極よりイオン交換膜中を移動してきたプロ
トン及び外部回路より移動してきた電子と、系の外部か
ら供給された酸素とが反応して水を生成する、また、こ
の反応は発熱を伴うので、全体として水素と酸素から水
と電気と熱が発生する。
固体高分子電解質型燃料電池が他のタイプの燃料電池と
大きく異なる点としては、電解質部分(イオンの導電体
)が固体高分子であるイオン交換膜で構成されている点
である。この種の燃料電池のイオン交換膜としてはパー
フルオロカーボンスルホン酸膜(米国、デュポン社製、
商品名ナフィオン)等が用いられるが、この膜がイオン
導電性を示すためには膜が充分吸湿して水和している必
要がある。もし、膜の水和が不十分であると、膜内部の
イオン導電性が低下し、その結果セルの内部抵抗が増加
して出力が低下することになる。
大きく異なる点としては、電解質部分(イオンの導電体
)が固体高分子であるイオン交換膜で構成されている点
である。この種の燃料電池のイオン交換膜としてはパー
フルオロカーボンスルホン酸膜(米国、デュポン社製、
商品名ナフィオン)等が用いられるが、この膜がイオン
導電性を示すためには膜が充分吸湿して水和している必
要がある。もし、膜の水和が不十分であると、膜内部の
イオン導電性が低下し、その結果セルの内部抵抗が増加
して出力が低下することになる。
燃料電池の運転中におけるイオン交換膜の乾燥を防ぐ方
法としては、たとえば米国特許第3,061.658号
に開示されているように、燃料ガスや酸化剤(空気)な
どの反応ガスに水を添加する方法が知られている。また
、別な方法としてはJ 、 Electroche
m、 Soc、1 3 5 2 2 0 9
(1988)に見られるように、反応ガスを加湿器に通
すことによって所定の吸湿状態に加湿、この加湿ガスを
セルに供給することによりイオン交換膜の乾燥を防ぐ方
法が知られている。
法としては、たとえば米国特許第3,061.658号
に開示されているように、燃料ガスや酸化剤(空気)な
どの反応ガスに水を添加する方法が知られている。また
、別な方法としてはJ 、 Electroche
m、 Soc、1 3 5 2 2 0 9
(1988)に見られるように、反応ガスを加湿器に通
すことによって所定の吸湿状態に加湿、この加湿ガスを
セルに供給することによりイオン交換膜の乾燥を防ぐ方
法が知られている。
さらに別な方法としては、特開平1−309263号公
報に開示されているように、多孔質の電極基材−に水を
供給して、その凸部と接する電極触媒層を介してイオン
交換膜に水を供給し、かつセルを冷却する方法が知られ
ている。
報に開示されているように、多孔質の電極基材−に水を
供給して、その凸部と接する電極触媒層を介してイオン
交換膜に水を供給し、かつセルを冷却する方法が知られ
ている。
イオン交換膜としてカチオン交換膜を用いた燃料電池の
場合、カソード電極側に反応生成物である水が生成する
とともに、プロトンの移動にともない電気浸透によりア
ノード側からカソード側に運ばれる水が存在する。従っ
て、米国特許第3゜061.658号に開示されている
方法では、カソード側に過剰な水が供給されることにな
り、カソード電極に水膜が生成して反応ガスの透過を阻
害するために発電特性が低下するという問題が発生する
。
場合、カソード電極側に反応生成物である水が生成する
とともに、プロトンの移動にともない電気浸透によりア
ノード側からカソード側に運ばれる水が存在する。従っ
て、米国特許第3゜061.658号に開示されている
方法では、カソード側に過剰な水が供給されることにな
り、カソード電極に水膜が生成して反応ガスの透過を阻
害するために発電特性が低下するという問題が発生する
。
さらに、J 、 Electrochem、 Soc
、 135 2209 (198B)に開示されている
方法では、上述の問題のほか、加湿器を必要とするとと
もに、ガス配管内で水分が凝縮しないように配管を保温
しておく必要があり、設備の構成が複雑化するとともに
、設備コストが嵩むという欠点がある。
、 135 2209 (198B)に開示されている
方法では、上述の問題のほか、加湿器を必要とするとと
もに、ガス配管内で水分が凝縮しないように配管を保温
しておく必要があり、設備の構成が複雑化するとともに
、設備コストが嵩むという欠点がある。
さらに、特開平1−309263号公報に開示されてい
る方法の場合、多孔質の電極基材に水を供給して、その
凸部と接する電極触媒層を介してイオン交換膜に水を供
給するために、前記凸部間に形成された凹溝に高圧で供
給される反応ガスの圧力よりも高い圧力で水を多孔質な
電極基材に供給する必要があり、水の加圧装置を必要と
する等の問題がある。
る方法の場合、多孔質の電極基材に水を供給して、その
凸部と接する電極触媒層を介してイオン交換膜に水を供
給するために、前記凸部間に形成された凹溝に高圧で供
給される反応ガスの圧力よりも高い圧力で水を多孔質な
電極基材に供給する必要があり、水の加圧装置を必要と
する等の問題がある。
この発明の目的は、カソード電極を過剰に濡らすことな
く、イオン交換膜に十分水を供給し、かつ加湿器や水の
加圧装置等の付帯設備を必要としない、冷却装置を兼ね
た加湿装置を備えた固体高分子電解質型燃料電池を得る
ことにある。
く、イオン交換膜に十分水を供給し、かつ加湿器や水の
加圧装置等の付帯設備を必要としない、冷却装置を兼ね
た加湿装置を備えた固体高分子電解質型燃料電池を得る
ことにある。
上記課題を解決するために、この発明によれば、固体高
分子からなるイオン交換膜と、このイオン交換膜に接す
る面倒に電極触媒層を有するアノード電極及びカソード
電極との層状体からなる単位セル複数層が、前記一対の
電極との接触面に反応ガス通路となる複数の凹溝を有す
るセパレート板を介、して積層されたものにおいて、前
記イオン交換膜及びセパレート板の面積が前記一対の電
極より大きく形成されてなる拡張部分と、この拡張部分
に介装されたパッキングシートと、このパッキングシー
トを貫通して前記イオン交換膜に接するよう前記セパレ
ート板側に形成された凹溝を含む導水路とを備え、この
導水路に冷却水を供給するとともに、この冷却水により
前記イオン交換膜を水和させるよう形成してなるものと
する。
分子からなるイオン交換膜と、このイオン交換膜に接す
る面倒に電極触媒層を有するアノード電極及びカソード
電極との層状体からなる単位セル複数層が、前記一対の
電極との接触面に反応ガス通路となる複数の凹溝を有す
るセパレート板を介、して積層されたものにおいて、前
記イオン交換膜及びセパレート板の面積が前記一対の電
極より大きく形成されてなる拡張部分と、この拡張部分
に介装されたパッキングシートと、このパッキングシー
トを貫通して前記イオン交換膜に接するよう前記セパレ
ート板側に形成された凹溝を含む導水路とを備え、この
導水路に冷却水を供給するとともに、この冷却水により
前記イオン交換膜を水和させるよう形成してなるものと
する。
この発明の構成において、セパレート板の拡張部分に形
成した凹溝を含む導水路をイオン交換膜に接触させて冷
却水を供給するよう構成したことにより、各単位セルに
発電によって生成した熱を伝導によって冷却水に伝え、
燃料電池の冷却を行えるとともに、この水をイオン交換
膜に吸収させてイオン交換膜を水和させることが出来る
。また、拡張部分に介装したパッキングシートが加圧ガ
スが供給される電極と導水路とを気密にシールするよう
機能するので、導水路に供給する水に加える圧力を低く
抑えることが可能になる。
成した凹溝を含む導水路をイオン交換膜に接触させて冷
却水を供給するよう構成したことにより、各単位セルに
発電によって生成した熱を伝導によって冷却水に伝え、
燃料電池の冷却を行えるとともに、この水をイオン交換
膜に吸収させてイオン交換膜を水和させることが出来る
。また、拡張部分に介装したパッキングシートが加圧ガ
スが供給される電極と導水路とを気密にシールするよう
機能するので、導水路に供給する水に加える圧力を低く
抑えることが可能になる。
以下、この発明を実施例に基づいて説明する。
第1図はこの発明の実施例になる固体高分子電解質型燃
料電池のセル構造を模式化して示す断面図であり、単位
セル1は例えばナフィオンなどの固体高分子膜からなる
イオン交換膜2を挟んでアノード電極3およびカソード
電極4を設けた構造となっており、電極3.4に接する
側に反応ガスの通路となる溝5を有するセパレート板6
を配して単位セル1が複数層積層されることによりセル
スタックが形成される。セパレート板6はガス不透過性
の導電材からなり、この実施例の場合セパレート板6の
両面には反応ガス通路6となる複数の凹溝が同じ方向に
並んで形成される。また、イオン交換膜2およびセパレ
ート板6は一対の電極3.4の両側に輻Wだけ延長した
拡張部分IAをもち、セパレート板6の拡張部分には反
応ガス通路5に平行に凹溝8が設けられる。さらに、拡
張部分IAのセパレート板とイオン交換膜との間には溝
の部分に切りかき部9を有するバンキングシート7が介
装され凹溝8が切り欠き部9を介してイオン交換膜2に
接した導水路10が形成される。なお、導水路10を単
位セル1毎に有するセルスタックには、反応ガス通路5
および導水路10の出入口側の側面に図示しないマニホ
ールドが取りつけられ、反応ガス通路にはアノードガス
およびカソードガスなどの反応ガスが供給され、導水路
には水が供給される。
料電池のセル構造を模式化して示す断面図であり、単位
セル1は例えばナフィオンなどの固体高分子膜からなる
イオン交換膜2を挟んでアノード電極3およびカソード
電極4を設けた構造となっており、電極3.4に接する
側に反応ガスの通路となる溝5を有するセパレート板6
を配して単位セル1が複数層積層されることによりセル
スタックが形成される。セパレート板6はガス不透過性
の導電材からなり、この実施例の場合セパレート板6の
両面には反応ガス通路6となる複数の凹溝が同じ方向に
並んで形成される。また、イオン交換膜2およびセパレ
ート板6は一対の電極3.4の両側に輻Wだけ延長した
拡張部分IAをもち、セパレート板6の拡張部分には反
応ガス通路5に平行に凹溝8が設けられる。さらに、拡
張部分IAのセパレート板とイオン交換膜との間には溝
の部分に切りかき部9を有するバンキングシート7が介
装され凹溝8が切り欠き部9を介してイオン交換膜2に
接した導水路10が形成される。なお、導水路10を単
位セル1毎に有するセルスタックには、反応ガス通路5
および導水路10の出入口側の側面に図示しないマニホ
ールドが取りつけられ、反応ガス通路にはアノードガス
およびカソードガスなどの反応ガスが供給され、導水路
には水が供給される。
このように構成した導水路に純度の高い水を循環させる
ことにより、この水は導水路内でイオン交換膜と接触し
てこの部分でイオン交換膜への水の補給が行われるとと
もに、発電によって生成した熱を除去する事が出来る。
ことにより、この水は導水路内でイオン交換膜と接触し
てこの部分でイオン交換膜への水の補給が行われるとと
もに、発電によって生成した熱を除去する事が出来る。
また、電極3,4と導水路10との間はパッキングシー
ト7によってシールされるので、反応ガス通路5に加圧
したガスを供給しても導水路側に反応ガスが漏れること
はなく、したがって導水路に供給する水の圧力を反応ガ
スの圧力と関係なく低く抑えることが出来る。なお、実
施例の場合には一対の電極を挟む反応ガス通路の方向を
同じ方向とした場合を例に示したが、互いに直交させる
よう構成してもよい。
ト7によってシールされるので、反応ガス通路5に加圧
したガスを供給しても導水路側に反応ガスが漏れること
はなく、したがって導水路に供給する水の圧力を反応ガ
スの圧力と関係なく低く抑えることが出来る。なお、実
施例の場合には一対の電極を挟む反応ガス通路の方向を
同じ方向とした場合を例に示したが、互いに直交させる
よう構成してもよい。
また、導水路をイオン交換膜2の両側に設けた例を示し
たが、いずれか−吉例に設けるよう構成してもよい。
たが、いずれか−吉例に設けるよう構成してもよい。
第2図はこの発明の異なる実施例を示す断面図第3図は
セパレート板の要部を示す平面図であり、イオン交換膜
2およびセパレート板6の拡張部分11を電極を包囲す
る額縁状に形成し、この部分に口字状の凹溝18を含む
導水路20を形成した点が前述の実施例と異なっている
。なおパッキングシート17も口字状の2枚のシート1
7A17Bで構成され、導水路20には水19の出入口
2OAが設けられるとともに、反応ガス通路50両端に
はセパレート板を沿層方向に貫通する出入口5Aおよび
5Bが設けられる。
セパレート板の要部を示す平面図であり、イオン交換膜
2およびセパレート板6の拡張部分11を電極を包囲す
る額縁状に形成し、この部分に口字状の凹溝18を含む
導水路20を形成した点が前述の実施例と異なっている
。なおパッキングシート17も口字状の2枚のシート1
7A17Bで構成され、導水路20には水19の出入口
2OAが設けられるとともに、反応ガス通路50両端に
はセパレート板を沿層方向に貫通する出入口5Aおよび
5Bが設けられる。
このように導水路20を口字状に構成したことにより、
水19とイオン交換膜2との接触面積が広がるので、イ
オン交換膜への水の供給およびセルの冷却をより効率よ
く行うことが出来る。
水19とイオン交換膜2との接触面積が広がるので、イ
オン交換膜への水の供給およびセルの冷却をより効率よ
く行うことが出来る。
第4図はこの発明の他の実施例を示すセパレート板の平
面図であり、電極面積が広い大容量の燃料電池を対象に
構成されたものである。図において、アノード電極およ
びカソード電極は四つの部分34A、34B、34C,
34D、に分割されており、それぞれの電極を包囲する
口字状のバンキングシート27.A相互間、またはこれ
と全体を包囲する口字状のパッキングシート27Bとの
あいだに格子状の導水路30を形成した点が前述の実施
例と異なっている。このように、燃料電池の大型イζに
対応して格子の数を増すことにより、イオン交換膜と水
の接触面積が増加するので、イオン交換膜への水の供給
および冷却を効率よく行うことが出来る。
面図であり、電極面積が広い大容量の燃料電池を対象に
構成されたものである。図において、アノード電極およ
びカソード電極は四つの部分34A、34B、34C,
34D、に分割されており、それぞれの電極を包囲する
口字状のバンキングシート27.A相互間、またはこれ
と全体を包囲する口字状のパッキングシート27Bとの
あいだに格子状の導水路30を形成した点が前述の実施
例と異なっている。このように、燃料電池の大型イζに
対応して格子の数を増すことにより、イオン交換膜と水
の接触面積が増加するので、イオン交換膜への水の供給
および冷却を効率よく行うことが出来る。
この発明は前述のように、イオン交換膜とセパレート板
の拡張部分にセパレート板側の凹溝とパッキングシート
とにより画成された導水路を設けるよう構成した。その
結果、導水路に純度の高い水を通流する事によってイオ
ン交換膜に水を供給し、イオン交換膜のイオン導電性を
保持出来るとともに、燃料電池の冷却を行うことが出来
る。
の拡張部分にセパレート板側の凹溝とパッキングシート
とにより画成された導水路を設けるよう構成した。その
結果、導水路に純度の高い水を通流する事によってイオ
ン交換膜に水を供給し、イオン交換膜のイオン導電性を
保持出来るとともに、燃料電池の冷却を行うことが出来
る。
また、反応ガスを加湿する方式の従来技術で必要とした
加湿器や配管の保温設備などを必要とせず、かつ導水路
と電極との間がバンキングシートによってシールされて
いるので、高圧下での燃料電池の運転においても水を加
圧する必要はなく水の加圧装置を必要としないか、ある
いは簡素化することができる。
加湿器や配管の保温設備などを必要とせず、かつ導水路
と電極との間がバンキングシートによってシールされて
いるので、高圧下での燃料電池の運転においても水を加
圧する必要はなく水の加圧装置を必要としないか、ある
いは簡素化することができる。
さらに、導水路を流れる水がイオン交換膜に直接接触し
て水を補給するので、電極の基材を介して水を供給する
従来の技術に比べてイオン交換膜への水の浸透が確実に
なるとともに、電極基材が水に濡れすぎることによる反
応ガスの供給障害をも防止することが出来る。したがっ
てこの発明によれば、反応ガスの供給障害を伴うこと無
くイオン交換膜への水の補給と燃料電池の冷却を、開票
化した装置によって行えるセル構造を有する固体高分子
電解質型燃料電池を経済的にも有利に提供することがで
きる。
て水を補給するので、電極の基材を介して水を供給する
従来の技術に比べてイオン交換膜への水の浸透が確実に
なるとともに、電極基材が水に濡れすぎることによる反
応ガスの供給障害をも防止することが出来る。したがっ
てこの発明によれば、反応ガスの供給障害を伴うこと無
くイオン交換膜への水の補給と燃料電池の冷却を、開票
化した装置によって行えるセル構造を有する固体高分子
電解質型燃料電池を経済的にも有利に提供することがで
きる。
第1図はこの発明の実施例になる固体高分子電解質型燃
料電池のセル構造を模式化して示す断面図、第2図はこ
の発明の異なる実施例を示す断面図、第3図は第2図に
おけるセパレート板の要部を示す平面図、第4図はこの
発明の他の実施例を示すセパレート板の平面図である。 1:単位セル、2:イオン交換膜、3ニアノード電極、
4:カソード電極、5:反応ガス通路、6.26:セパ
レート板、7.27=バツキングシート、8.18:凹
溝、9:切り欠き部、lAl1:拡張部分、10,20
,30:導水路、18:反応ガス、19:水、34A、
34B。 乙セハ5−ト木( 第1靭 第2図
料電池のセル構造を模式化して示す断面図、第2図はこ
の発明の異なる実施例を示す断面図、第3図は第2図に
おけるセパレート板の要部を示す平面図、第4図はこの
発明の他の実施例を示すセパレート板の平面図である。 1:単位セル、2:イオン交換膜、3ニアノード電極、
4:カソード電極、5:反応ガス通路、6.26:セパ
レート板、7.27=バツキングシート、8.18:凹
溝、9:切り欠き部、lAl1:拡張部分、10,20
,30:導水路、18:反応ガス、19:水、34A、
34B。 乙セハ5−ト木( 第1靭 第2図
Claims (1)
- 1)固体高分子からなるイオン交換膜と、このイオン交
換膜に接する面側に電極触媒層を有するアノード電極及
びカソード電極との層状体からなる単位セル複数層が、
前記一対の電極との接触面に反応ガス通路となる複数の
凹溝を有するセパレート板を介して積層されたものにお
いて、前記イオン交換膜及びセパレート板の面積が前記
一対の電極より大きく形成されてなる拡張部分と、この
拡張部分に介装されたパッキングシートと、このパッキ
ングシートを貫通して前記イオン交換膜に接するよう前
記セパレート板側に形成された凹溝を含む導水路とを備
え、この導水路に冷却水を供給するとともに、この冷却
水により前記イオン交換膜を水和させるよう形成してな
ることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池のセル
構造。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2113573A JPH0412465A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2113573A JPH0412465A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0412465A true JPH0412465A (ja) | 1992-01-17 |
Family
ID=14615667
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2113573A Pending JPH0412465A (ja) | 1990-04-27 | 1990-04-27 | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0412465A (ja) |
Cited By (8)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0774794A1 (de) * | 1995-11-15 | 1997-05-21 | Daimler-Benz Aktiengesellschaft | Integrierte Dichtung für eine Brennstoffzelle mit Polymerelektrolyt |
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US6869719B2 (en) | 1998-06-02 | 2005-03-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell stack |
WO2006070892A1 (ja) * | 2004-12-28 | 2006-07-06 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 燃料電池及びこれを備える燃料電池スタック |
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US9190678B2 (en) | 2011-08-25 | 2015-11-17 | Sharp Kabushiki Kaisha | Alkaline fuel cell and alkaline fuel cell system |
-
1990
- 1990-04-27 JP JP2113573A patent/JPH0412465A/ja active Pending
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---|---|---|---|---|
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US6630258B1 (en) | 1998-04-30 | 2003-10-07 | Emitec Gesellschaft Fuer Emissionstechnologie Mbh | Process for wetting at least one of the surfaces of an electrolyte in a fuel cell |
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US9190678B2 (en) | 2011-08-25 | 2015-11-17 | Sharp Kabushiki Kaisha | Alkaline fuel cell and alkaline fuel cell system |
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