JPH0696781A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JPH0696781A JPH0696781A JP4242426A JP24242692A JPH0696781A JP H0696781 A JPH0696781 A JP H0696781A JP 4242426 A JP4242426 A JP 4242426A JP 24242692 A JP24242692 A JP 24242692A JP H0696781 A JPH0696781 A JP H0696781A
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- Japan
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- separator
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- gas
- polymer electrolyte
- fuel cell
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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
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】セパレータに水の滞留や割れがなく特性と信頼
性に優れる固体高分子電解質型燃料電池を得る。 【構成】セパレータ５のガス通流溝４を丸溝にする。
性に優れる固体高分子電解質型燃料電池を得る。 【構成】セパレータ５のガス通流溝４を丸溝にする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は固体高分子電解質型燃
料電池のセパレータに係り、特にセパレータのガス通流
溝に関する。
料電池のセパレータに係り、特にセパレータのガス通流
溝に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の固体高分子電解質型燃料電
池の単電池を示す分解側面図である。単電池６のアノー
ド２及びカソード３は固体高分子電解質膜１の二つの主
面にそれぞれ密接して積層され、さらにその両外側に
は、反応ガスを外部より電極内に供給するとともに余剰
ガスを外部に排出するためのガス通流溝４を設けたガス
不透過性のセパレータ５が積層される。単電池は通常厚
さが10mm以下であり、又面積は大きいほどコストの低減
が図れるので、可能な限り大きく (１ｍ2 程度) 作られ
る。
池の単電池を示す分解側面図である。単電池６のアノー
ド２及びカソード３は固体高分子電解質膜１の二つの主
面にそれぞれ密接して積層され、さらにその両外側に
は、反応ガスを外部より電極内に供給するとともに余剰
ガスを外部に排出するためのガス通流溝４を設けたガス
不透過性のセパレータ５が積層される。単電池は通常厚
さが10mm以下であり、又面積は大きいほどコストの低減
が図れるので、可能な限り大きく (１ｍ2 程度) 作られ
る。
【０００３】固体高分子電解質膜１はスルホン酸基を持
つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜
として使用したもの、あるいはパ−フロロカ−ボンスル
ホン酸膜（米国、デュポン社製、商品名ナフィオン膜）
などが知られている。固体高分子電解質膜は分子中にプ
ロトン（水素イオン）交換基を有する。この膜を飽和に
含水させることで常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示しプ
ロトン導電性電解質として機能する。膜の飽和含水量は
温度によって可逆的に変化する。
つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜
として使用したもの、あるいはパ−フロロカ−ボンスル
ホン酸膜（米国、デュポン社製、商品名ナフィオン膜）
などが知られている。固体高分子電解質膜は分子中にプ
ロトン（水素イオン）交換基を有する。この膜を飽和に
含水させることで常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示しプ
ロトン導電性電解質として機能する。膜の飽和含水量は
温度によって可逆的に変化する。
【０００４】アノード２及びカソード３はともに触媒活
物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持するとともに反
応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極
基材からなる。前記触媒層を固体高分子電解質膜と密着
させ、アノード側に燃料である水素、カソード側に酸化
剤として酸素又は空気を供給すると、それぞれの電極の
触媒層と固体高分子電解質膜との界面で以下の電気化学
反応がおこる。
物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持するとともに反
応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極
基材からなる。前記触媒層を固体高分子電解質膜と密着
させ、アノード側に燃料である水素、カソード側に酸化
剤として酸素又は空気を供給すると、それぞれの電極の
触媒層と固体高分子電解質膜との界面で以下の電気化学
反応がおこる。
【０００５】 アノ−ド H2→ 2H + ＋2e ・・・・・・・・・・・（１） カソ−ド 1/2 O2＋2H+ ＋2e → H2O ・・・・・・・・・・・（２） 即ち、水素と酸素が反応して、水を生成する。触媒層
は、一般に微小な粒子状の白金触媒と水に対してはっ水
性を有するフッ素樹脂から形成されている。
は、一般に微小な粒子状の白金触媒と水に対してはっ水
性を有するフッ素樹脂から形成されている。
【０００６】セパレータは、ガスの透過を防ぐととも
に、溝により反応ガスを単電池面内に均等に供給し、発
生する電流を外部へ取り出すため集電を行う。単電池の
発生する電圧は１Ｖ以下であるので、実用上は電圧を高
めるために前記単電池を多数個直列に積層してスタック
として使用する。固体高分子電解質型燃料電池の運転温
度は、膜の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持する
ために、通常は５０ないし１００℃程度で運転される。
に、溝により反応ガスを単電池面内に均等に供給し、発
生する電流を外部へ取り出すため集電を行う。単電池の
発生する電圧は１Ｖ以下であるので、実用上は電圧を高
めるために前記単電池を多数個直列に積層してスタック
として使用する。固体高分子電解質型燃料電池の運転温
度は、膜の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持する
ために、通常は５０ないし１００℃程度で運転される。
【０００７】燃料電池では、一般に発生電力にほぼ相当
する熱量を熱として発生し、この熱により単電池を多数
積層したスタックにおいてはスタック内に温度の分布が
生じる。そこでスタックでは、冷却板を内蔵してスタッ
クの温度を単電池の面方向並びにスタックの積層方向に
均一になるようにする。ここで一般に冷却媒体としては
水、空気等が用いられる。
する熱量を熱として発生し、この熱により単電池を多数
積層したスタックにおいてはスタック内に温度の分布が
生じる。そこでスタックでは、冷却板を内蔵してスタッ
クの温度を単電池の面方向並びにスタックの積層方向に
均一になるようにする。ここで一般に冷却媒体としては
水、空気等が用いられる。
【０００８】図４は従来の固体高分子電解質型燃料電池
のスタックを示す側面図である。単電池６の複数個ごと
に冷却板７を交互に積層し、その両端に、集電板８、絶
縁板９、締付板10を積層し、締め付けボルト11で締め付
けて、スタック12を構成する。このスタックに外部よ
り、単電池には燃料及び酸化剤を供給することで発電
し、冷却板には冷却媒体を供給することで余剰熱を除去
して冷却をする。このように積層されたスタックでの単
電池内部でのガスの流れ方向は、供給側を重力方向に対
して上側、排出側を下側にする。
のスタックを示す側面図である。単電池６の複数個ごと
に冷却板７を交互に積層し、その両端に、集電板８、絶
縁板９、締付板10を積層し、締め付けボルト11で締め付
けて、スタック12を構成する。このスタックに外部よ
り、単電池には燃料及び酸化剤を供給することで発電
し、冷却板には冷却媒体を供給することで余剰熱を除去
して冷却をする。このように積層されたスタックでの単
電池内部でのガスの流れ方向は、供給側を重力方向に対
して上側、排出側を下側にする。
【０００９】前述のとおり固体高分子電解質型燃料電池
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜を飽和に
含水させることで膜の比抵抗が小さくなりプロトン導電
性電解質として機能する。従って固体高分子電解質型燃
料電池の発電効率を高く維持するためには、膜の含水状
態を飽和状態に維持することが必要である。このため
に、従来から、膜が乾燥するのを防いで発電効率を維持
するために、反応ガスに水を供給して反応ガスの湿度を
高めて燃料電池へ供給し、膜から反応ガスへの水の蒸発
を抑えて、膜が乾燥することを防ぐ方法が実施されてき
た。
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜を飽和に
含水させることで膜の比抵抗が小さくなりプロトン導電
性電解質として機能する。従って固体高分子電解質型燃
料電池の発電効率を高く維持するためには、膜の含水状
態を飽和状態に維持することが必要である。このため
に、従来から、膜が乾燥するのを防いで発電効率を維持
するために、反応ガスに水を供給して反応ガスの湿度を
高めて燃料電池へ供給し、膜から反応ガスへの水の蒸発
を抑えて、膜が乾燥することを防ぐ方法が実施されてき
た。
【００１０】前述の通り、燃料電池の発電では反応生成
物として水が生成し、この生成水は余剰の反応ガスとと
もに燃料電池の外へ排出される。このため単電池内の反
応ガスの流れ方向で、ガス中に含有される水の量に分布
ができる。即ち、反応ガスは、単電池内でのガスの流れ
の上流側（供給側）に対してガスの流れの下流側（出口
側）では反応生成水に相当する量だけ多量に水を含有す
る。従って供給するガスを飽和状態に加湿して固体高分
子電解質型燃料電池に供給すると、出口側のガス中には
過飽和な水蒸気が含まれることになる。この結果ガスの
出口側では過飽和に相当する水は液体状態の水になる。
この液体状の水はガス通流溝を塞いで、ガスの流れを阻
害する。ガスの流れが阻害されると電極へのガス供給が
不足して反応効率の低下を生ずる。そのため余剰の液体
状の水は速やかに外部に排出することが、運転上極めて
重要である。
物として水が生成し、この生成水は余剰の反応ガスとと
もに燃料電池の外へ排出される。このため単電池内の反
応ガスの流れ方向で、ガス中に含有される水の量に分布
ができる。即ち、反応ガスは、単電池内でのガスの流れ
の上流側（供給側）に対してガスの流れの下流側（出口
側）では反応生成水に相当する量だけ多量に水を含有す
る。従って供給するガスを飽和状態に加湿して固体高分
子電解質型燃料電池に供給すると、出口側のガス中には
過飽和な水蒸気が含まれることになる。この結果ガスの
出口側では過飽和に相当する水は液体状態の水になる。
この液体状の水はガス通流溝を塞いで、ガスの流れを阻
害する。ガスの流れが阻害されると電極へのガス供給が
不足して反応効率の低下を生ずる。そのため余剰の液体
状の水は速やかに外部に排出することが、運転上極めて
重要である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】従来のセパレータのガ
ス通流溝はその断面の形状が上述の通り角型であった。
そのために従来のセパレータは水の排出が悪いとかセパ
レータの強度が弱いといった問題があった。即ち、固体
電解質型燃料電池の効率を高めて運転するためには、前
述の通り膜の含水状態を飽和状態に維持することが必要
であり、膜が乾燥するのを防ぐために、供給する反応ガ
スに水を供給して反応ガスの湿度を高めて、膜からの水
の蒸発を抑えてきた。しかし、燃料電池の反応に伴い水
を生成するため、ガスの流れの下流側ではガスは飽和蒸
気圧以上の水を含み、過剰な水分は液体に変わる。この
液体状の水はガス通流溝を流下して排出されるが、溝の
壁の毛管力により溝内に滞留することが多く、この結果
ガス通流溝を閉塞して、ガスの流れを阻害して出力の不
安定化を生ずる。溝の毛管力を低めて水が自然に流下す
るように溝の幅及び深さを大きくする方法が考えられる
が、溝幅を広げるとセパレータと電極との接触面積が減
るため、発生した電流の効率的な集電や電極で発生する
熱の除去が難しくなる。溝の深さを深くするとセパレー
タの厚さが増える。
ス通流溝はその断面の形状が上述の通り角型であった。
そのために従来のセパレータは水の排出が悪いとかセパ
レータの強度が弱いといった問題があった。即ち、固体
電解質型燃料電池の効率を高めて運転するためには、前
述の通り膜の含水状態を飽和状態に維持することが必要
であり、膜が乾燥するのを防ぐために、供給する反応ガ
スに水を供給して反応ガスの湿度を高めて、膜からの水
の蒸発を抑えてきた。しかし、燃料電池の反応に伴い水
を生成するため、ガスの流れの下流側ではガスは飽和蒸
気圧以上の水を含み、過剰な水分は液体に変わる。この
液体状の水はガス通流溝を流下して排出されるが、溝の
壁の毛管力により溝内に滞留することが多く、この結果
ガス通流溝を閉塞して、ガスの流れを阻害して出力の不
安定化を生ずる。溝の毛管力を低めて水が自然に流下す
るように溝の幅及び深さを大きくする方法が考えられる
が、溝幅を広げるとセパレータと電極との接触面積が減
るため、発生した電流の効率的な集電や電極で発生する
熱の除去が難しくなる。溝の深さを深くするとセパレー
タの厚さが増える。
【００１２】また従来の溝形状である角型の場合は溝の
角部の切り欠き効果でこの部分から亀裂が入りセパレー
タが割れることがあった。特にセパレータの厚さを薄く
するとこの亀裂が入りやすくなるためセパレータを薄く
することが困難であった。この発明は上述の点に鑑みて
なされ、その目的はセパレータの溝形状を最適化するこ
とによりガス通流溝に水の滞留がなくてガス通流が容易
である上に機械的にも堅牢なセパレータを備える固体高
分子電解質型燃料電池を提供することにある。
角部の切り欠き効果でこの部分から亀裂が入りセパレー
タが割れることがあった。特にセパレータの厚さを薄く
するとこの亀裂が入りやすくなるためセパレータを薄く
することが困難であった。この発明は上述の点に鑑みて
なされ、その目的はセパレータの溝形状を最適化するこ
とによりガス通流溝に水の滞留がなくてガス通流が容易
である上に機械的にも堅牢なセパレータを備える固体高
分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば固体高分子電解質膜と、電極と、セパレータとを
有し、固体高分子電解質膜はその二つの主面に電極が密
着して配置され、セパレータは前記電極の配置された固
体高分子電解質膜を挟持し、固体高分子電解質膜は水を
包含して膜中をプロトンが拡散し、セパレータは電極に
燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス通流溝を有
し、ガス通流溝はその断面形状が円弧であるとすること
により達成される。
よれば固体高分子電解質膜と、電極と、セパレータとを
有し、固体高分子電解質膜はその二つの主面に電極が密
着して配置され、セパレータは前記電極の配置された固
体高分子電解質膜を挟持し、固体高分子電解質膜は水を
包含して膜中をプロトンが拡散し、セパレータは電極に
燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するガス通流溝を有
し、ガス通流溝はその断面形状が円弧であるとすること
により達成される。
【００１４】
【作用】丸型の溝を設けると、水の滞留がなくなる。ま
た鋭角の切り込み部がなくなって機械的な強度が増す。
た鋭角の切り込み部がなくなって機械的な強度が増す。
【００１５】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基いて説明す
る。図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型
燃料電池のセパレータを示し、図１（ａ）は側面図、図
１（ｂ）は斜視図である。本セパレータは、グラファイ
トカーボン粒子粉末とフェノール樹脂粉末の混合粉末を
プレス用型に充填して１８０℃で５分加熱プレスを行う
事で容易に製作することができる。また本実施例では溝
の深さ０．８mm、セパレータの厚さ1.8mmである。セパ
レータの厚さは従来よりも薄くできる。
る。図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型
燃料電池のセパレータを示し、図１（ａ）は側面図、図
１（ｂ）は斜視図である。本セパレータは、グラファイ
トカーボン粒子粉末とフェノール樹脂粉末の混合粉末を
プレス用型に充填して１８０℃で５分加熱プレスを行う
事で容易に製作することができる。また本実施例では溝
の深さ０．８mm、セパレータの厚さ1.8mmである。セパ
レータの厚さは従来よりも薄くできる。
【００１６】図２はこの発明の実施例に係る固体高分子
電解質型燃料電池の特性を示す線図である。運転は安定
しており、水の排出が速やかに行われ、またセパレータ
の割れもないことがわかる。
電解質型燃料電池の特性を示す線図である。運転は安定
しており、水の排出が速やかに行われ、またセパレータ
の割れもないことがわかる。
【００１７】
【発明の効果】この発明によれば固体高分子電解質膜
と、電極と、セパレータとを有し、固体高分子電解質膜
はその二つの主面に電極が密着して配置され、セパレー
タは前記電極の配置された固体高分子電解質膜を挟持
し、固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトン
が拡散し、セパレータは電極に燃料ガスまたは酸化剤ガ
スを供給するガス通流溝を有し、ガス通流溝はその断面
形状が円弧であるのでセパレータのガス通流溝に液体状
の水が滞留することがなく反応ガスの通流が速やかであ
り、またセパレータの機械的強度が向上して割れが発生
せず、特性と信頼性に優れる固体高分子電解質型燃料電
池が得られる。
と、電極と、セパレータとを有し、固体高分子電解質膜
はその二つの主面に電極が密着して配置され、セパレー
タは前記電極の配置された固体高分子電解質膜を挟持
し、固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトン
が拡散し、セパレータは電極に燃料ガスまたは酸化剤ガ
スを供給するガス通流溝を有し、ガス通流溝はその断面
形状が円弧であるのでセパレータのガス通流溝に液体状
の水が滞留することがなく反応ガスの通流が速やかであ
り、またセパレータの機械的強度が向上して割れが発生
せず、特性と信頼性に優れる固体高分子電解質型燃料電
池が得られる。
【図１】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池のセパレータを示し、図１（ａ）は側面図、図１
（ｂ）は斜視図
料電池のセパレータを示し、図１（ａ）は側面図、図１
（ｂ）は斜視図
【図２】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池の特性を示す線図
料電池の特性を示す線図
【図３】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単電池を
示す分解側面図
示す分解側面図
【図４】従来の固体高分子電解質型燃料電池のスタック
を示す側面図
を示す側面図
１ 固体高分子電解質膜 ２ アノード ３ カソード ４ ガス通流溝 ５ セパレータ ６ 単電池 ７ 冷却板 ８ 集電板 ９ 絶縁板 10 締付板 11 締め付けボルト 12 スタック
Claims (3)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜と、電極と、セパレー
タとを有し、 固体高分子電解質膜はその二つの主面に電極が密着して
配置され、 セパレータは前記電極の配置された固体高分子電解質膜
を挟持し、 固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトンが拡
散し、 セパレータは電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスの反応ガ
スを供給するガス通流溝を有し、ガス通流溝はその断面
形状が円弧であることを特徴とする固体高分子電解質型
燃料電池。 - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、電極は
電極基材に電極触媒層が積層されたものであることを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、セパレ
ータはグラファイトカーボン粉体とフェノール樹脂粉体
とを混合しホットプレス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。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4242426A JPH0696781A (ja) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4242426A JPH0696781A (ja) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0696781A true JPH0696781A (ja) | 1994-04-08 |
Family
ID=17088933
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4242426A Pending JPH0696781A (ja) | 1992-09-11 | 1992-09-11 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0696781A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5998055A (en) * | 1996-08-08 | 1999-12-07 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Gas-passage plates of a fuel cell |
| JP2002025572A (ja) * | 2000-07-10 | 2002-01-25 | Kureha Chem Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用溝付セパレータ |
| WO2003061043A1 (fr) * | 2001-12-27 | 2003-07-24 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Pile a combustible |
-
1992
- 1992-09-11 JP JP4242426A patent/JPH0696781A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5998055A (en) * | 1996-08-08 | 1999-12-07 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Gas-passage plates of a fuel cell |
| JP2002025572A (ja) * | 2000-07-10 | 2002-01-25 | Kureha Chem Ind Co Ltd | 固体高分子型燃料電池用溝付セパレータ |
| WO2003061043A1 (fr) * | 2001-12-27 | 2003-07-24 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Pile a combustible |
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