JP2000067901A

JP2000067901A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2000067901A
Application number: JP10234522A
Authority: JP
Inventors: Hideo Obara; 英夫小原; Hisaaki Gyoten; 久朗行天; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Kazufumi Nishida; 和史西田; Makoto Uchida; 誠内田; Eiichi Yasumoto; 栄一安本; Yasushi Sugawara; 靖菅原; Teruhisa Kanbara; 輝壽神原; Toshihiro Matsumoto; 敏宏松本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-08-20
Filing date: 1998-08-20
Publication date: 2000-03-03
Anticipated expiration: 2018-08-20
Also published as: JP3454722B2

Abstract

(57)【要約】【課題】小型軽量で、機器搭載性の自由度が高い固体
高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜と、固体高分子電解
質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電極
と、電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給しかつ
他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段とを具備し
た単電池を、導電性のセパレータを介して複数個積層し
た高分子電解質型燃料電池であって、積層された単電池
のうちの一方の端部の単電池からその積層順に他方の端
部の単電池まで燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそ
れぞれ分配供給する供給用マニホルドと、他方の端部の
単電池からその積層順に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷
却水がそれぞれ排出される排出用マニホルドを具備す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネシステム等に使用
される常温作動型の固体高分子型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、水素などの燃
料ガスと空気などの酸化剤ガスをガス拡散電極において
電気化学的に反応させ、電気と熱を同時に発生させるも
のである。高分子電解質型燃料電池の一例を、図１を用
いて説明する。水素イオンを選択的に輸送する高分子電
解質膜３の両面に、白金系の金属触媒を担持したカーボ
ン粉末を主成分とする触媒反応層２が密着して配され
る。この触媒反応層２の外面には、ガス通気性と電子導
電性を併せ持つ拡散層１が密着して配される。触媒反応
層２とこの拡散層１とにより電極９が構成される。電極
９および高分子電解質膜３は、あらかじめ一体化されて
いて電極電解質膜接合体（以下、ＭＥＡとする）１０を
構成している。また、電極９の周囲には、供給する燃料
ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、互いに混合
しないように、高分子電解質膜３を挟んでガスシール材
やガスケットが配置される。これらは、あらかじめＭＥ
Ａ２４と一体化していてもよい。

【０００３】上記のような燃料電池においては、図２に
示すように、水素や空気が外へリークしたり互いに混合
しないように、電極９の周囲に、高分子電解質膜３を挟
んでシール材１７やＯリング１８を配している。別のシ
ール方法としては図３に示すように、電極９の周りに、
樹脂や金属板からなり、電極９と同程度の厚さを有する
ガスケット１９を配し、セパレータ板４とガスケット１
９の隙間をグリースや接着剤でシールした構造もある。
さらに近年では、図４に示すように、ＭＥＡ１０とし
て、ガスシール性を必要とする部分にあらかじめシール
効果を持つ樹脂２１をしみこませ、これを固化させるこ
とで、セパレータ板との間にガスシール性を確保する方
法も提案されている。ＭＥＡ１０の外側には、これを機
械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡ１０を互いに
電気的に直列に接続するための導電性のセパレータ板４
が配される。セパレータ板４のＭＥＡ１０と接触する部
分には、電極９の表面に燃料ガスおよび酸化剤ガスをそ
れぞれ供給し、反応により生成したガスや余剰のガスを
運び去るためのガス流路５が形成される。ガス流路５
は、セパレータ板４と別に設けることもできるが、図１
に示すようにセパレータ板４の表面に溝を設けてガス流
路５とする方式が一般的である。

【０００４】多くの燃料電池は、単電池を数多く重ねた
積層構造を採っている。燃料電池運転時には電力ととも
に発生する熱を電池外に排出するために、積層電池では
単電池１〜２セル毎に冷却板が配されている。冷却板と
しては、薄い金属板の内部に、冷却水などの熱媒体が貫
流するような構造が一般的である。これにより、電池温
度を一定に保つと同時に、発生した熱エネルギーを温水
などの形で利用している。また、単電池を構成するセパ
レータ板４の背面、すなわち冷却水を流したい面に流路
を形成し、セパレータ板４自体を冷却板として機能させ
る方法もある。その際、冷却水などの熱媒体をシールす
るためにＯリングやガスケットも必要となるが、このシ
ールではＯリングを完全につぶすなどして冷却板の上下
間で十分な導電性を確保する必要がある。

【０００５】このような積層電池では、マニホルドと呼
ばれる各単電池への燃料ガスや冷却水の供給排出孔が必
要である。これらマニホルドの配置形態により、内部マ
ニホルド型と外部マニホルド型に分類される。燃料ガス
や冷却水の供給排出孔を積層電池内部に確保した、いわ
いる内部マニホルド型が一般的である。しかしながら、
都市ガスを改質して、水素化した実ガスを用いて電池を
運転する場合、燃料ガス流路の下流域では、ＣＯ濃度が
上昇する結果、電極が、ＣＯにより被毒され、これによ
り温度が低下し、その温度の低下がさらに電極被毒を促
進させることがある。このような電池の性能を低下する
現象を緩和するため、マニホルドから各単電池へのガス
の供給排出部の間口をできるだけ広く取る構造として、
外部マニホルド型が見直されている。

【０００６】内部マニホルド型および外部マニホルド型
のいずれを用いても、冷却部を含む複数の単電池を一方
向に積み重ね、その両端に一対の端板を配し、両端板間
を締結ロッドで固定することが必要である。締め付け方
式は、単電池を面内でできるだけ均一に締め付けること
が望ましい。機械的強度の観点から、端板や締結ロッド
には通常、ステンレス鋼などの金属材料を用いる。これ
らの端板や締結ロッドと、積層電池とは、絶縁板により
電気的に絶縁され、電流が端板を通して外部に漏れ出る
ことのない構造とする。締結ロッドについては、セパレ
ータ内部の貫通孔の中を通す方法や、積層池全体を端板
越しに金属のベルトで締め上げる方式が提案されてい
る。また、図２、図３および図４に示したいずれのシー
ル方式においても、シール性を維持しかつ電極とセパレ
ータ板の間やセパレータ板同士間の接触抵抗を小さく保
つため、恒常的な締め付け圧が必要である。そこで、締
結ロッドと端板の間にスクリューバネや皿バネを挿入す
るなどの構成が採用されている。この締め付け圧力によ
って、セパレータ板、電極、電解質膜など電池の構成部
材間の電気的接触が確保されている。

【０００７】積層電池が安定的に性能を発揮するために
は、単電池に供給される燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷
却水が、それぞれ各単電池に均一に分配されることが必
要である。一般的には、供給される各流体が流れるマニ
ホルド断面積を大きくし、各流体のマニホルド内流速を
低減させ、流体の動圧に起因して発生する圧力勾配によ
る影響を低減するよう工夫されているが、燃料電池の小
型軽量化を図ろうとするとマニホルドの断面積はできる
だけ小さくする必要がある。また従来、積層電池におい
て発生した電気は、集電板により集電され、その端部に
接続された外部機器に出力されていた。また、集電板の
一部が積層電池外形よりはみ出した形状の集電板を用い
た積層電池では、そのはみ出し部分から外部機器に接続
していた。そのため、電気的接続部位が積層電池外形よ
りも大きくはみ出る形状となり、電池全体が大型化した
り、機器搭載性の自由度が低かったりした。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、以上の問題
点を解決するもので、小型軽量で、機器搭載性の自由度
が高い固体高分子型燃料電池を提供することを目的とす
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】固体高分子型燃料電池に
おいて、燃料と酸化剤ガスと冷却水とを、単電池の積層
方向の端部より流入し、各単電池を通過後、流入した方
向とは逆の方向に流出させる。また、単電池の集電を行
う集電板が、前記高分子電解質型燃料電池に締め付け圧
力を与えるエンドプレートを、絶縁手段を介して、貫通
した構成とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の固体高分子型燃料電池
は、固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟ん
で配された触媒反応層を有する一対の電極と、電極の一
方に水素を含有する燃料ガスを供給しかつ他方に酸素を
含む酸化剤ガスを供給する手段とを具備した単電池を、
導電性のセパレータを介して複数個積層した高分子電解
質型燃料電池であって、積層された単電池のうちの一方
の端部の単電池からその積層順に他方の端部の単電池ま
で燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ分配供
給する供給用マニホルドと、他方の端部の単電池からそ
の積層順に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水がそれぞ
れ排出される排出用マニホルドを具備する。

【００１１】本発明の他の固体高分子型燃料電池は、固
体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟んで配さ
れた触媒反応層を有する一対の電極と、電極の一方に水
素を含有する燃料ガスを供給しかつ他方に酸素を含む酸
化剤ガスを供給する手段とを具備した単電池が、導電性
のセパレータを介して複数個積層され、単電池に燃料ガ
ス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ供給する供給用
マニホルドと、単電池のそれぞれから燃料ガス、酸化剤
ガスおよび冷却水が排出される排出用マニホルドとを備
えた高分子電解質型燃料電池であって、供給用マニホル
ドの断面積が下流になるにつれて小さくなり、排出用マ
ニホルドの断面積が下流になるにつれて大きくなる。本
発明のさらに他の固体高分子型燃料電池は、固体高分子
電解質膜と、固体高分子電解質膜を挟んで配された触媒
反応層を有する一対の電極と、電極の一方に水素を含有
する燃料を供給しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供
給する手段とを備えた単電池の複数が、導電性のセパレ
ータを介して積層され、その両端面に積層された単電池
に締め付け圧力を与えるエンドプレートが配された高分
子電解質型燃料電池であって、単電池の集電を行う集電
板の一部が、エンドプレートを貫通していて、集電板と
エンドプレートの間に絶縁手段が介在している。

【００１２】本発明では、流体の動圧により発生する圧
力勾配を低減するためマニホルド断面積を増大させる従
来の流体均一分配法に代わり、各流体の流れ方向を積層
電池の積層方向端部より流入させ各単電池を通過後、流
入方向と逆に排出する構成とした流体均一分配法を用い
る。これにより、本発明の固体高分子型燃料電池は、電
解質膜、触媒反応層を有する電極、セパレータなどの電
池構成部材からなる単電池を、複数個重ねた積層電池の
運転に必要な燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各流
体の流れ方向を、積層電池の積層方向端部より流入さ
せ、各単電池を通過後、積層電池に流入した方向とは逆
の方向に流出させる構成とする。これにより、各単電池
に各流体が通過する流路長を変化させることが可能にな
る。そのため、各流体に生じる動圧による圧力勾配と流
路長が変化することで生じる圧力損失をバランスさせる
ことで、各単電池に各流体を均一にさせることが可能に
なる。動圧による圧力勾配の調節はマニホルド断面積を
減少させることで行うため、軽量、コンパクトな構成の
燃料電池が得られる。

【００１３】また、本発明では、集電板から積層電池積
層方向に集電部材を延長し、その集電部材が上記絶縁手
段を介し端板を貫通する構成を用いる。本発明の固体高
分子型燃料電池は、電解質膜、触媒反応層を有する電
極、セパレータなどの電池構成部材からなる単電池を、
複数個重ねた積層電池に電気的に接触し積層電池から発
生する電気を集電する集電板から、積層電池と集電板と
に締め付け力を付加する端板を電気的絶縁手段を介して
貫通する集電部材を延長することで集電を行う構成とし
た。このことにより、外部機器との電気的接続が積層電
池外形からはみ出すことなく行うことが可能になり、小
型化と機器搭載性の自由度の向上が実現される。

【００１４】

【実施例】本発明の実施例を、図面を参照しながら説明
する。

【００１５】《実施例１》粒径が数ミクロン以下のカー
ボン粉末を、塩化白金酸水溶液に浸漬し、還元処理によ
りカーボン粉末の表面に白金触媒を担持させた。このと
きのカーボンと担持した白金の重量比は１：１とした。
ついで、この白金を担持したカーボン粉末を高分子電解
質のアルコール溶液中に分散させ、スラリー化した。一
方、電極となる厚さ４００μｍのカーボンペーパーを、
フッ素樹脂の水性ディスパージョン（ダイキン工業
（株）製のネオフロンＮＤ−１）に含浸した後、これを
乾燥し、４００℃で３０分加熱処理することで、カーボ
ンペーパーに撥水性を付与した。つぎに撥水処理を施し
たカーボンペーパーの片面にカーボン粉末を含むスラリ
ーを均一に塗布して触媒層２を形成し、電極９を得た。
得られた電極９の一対を、高分子電解質膜３の両面に、
その触媒層２を備えた面がそれぞれ高分子電解質膜３と
向き合うようにして重ね合わせたのち、これを乾燥して
電極電解質膜接合体（以下、ＭＥＡとする）１０を得
た。ここで、シリコンゴムは、電池に供給するガスがリ
ークしたり、互いに混合するのを防ぐためのガスケット
として機能する。

【００１６】得られたＭＥＡ１０を、その両面から気密
性を有するカーボン製のセパレータ板４で挟み込んで単
電池を組み立てた。セパレータ板４は、厚さが４ｍｍ
で、その表面には切削加工により幅２ｍｍ、深さ１ｍｍ
のガス流路５が刻まれていて、さらにその周辺部にはガ
スのマニホルド孔６と冷却水のマニホルド孔７が配され
ている。また、ＭＥＡ１０をセパレータ板で挟み込む
際、電極９の周りにはカーボン製のセパレータ板４と同
じ外寸のポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）製シー
トの両面にＥＰＤＭシートを張り付けたガスケット８を
配した。

【００１７】このような単電池を２セル積層した後、冷
却水が流れる冷却流路を備えたセパレータ板４を積層し
た。このようにして、電池構成単位を得た。なお、冷却
流路のシール用にＯリングは用いなかった。得られた電
池構成単位の複数を積層して図２に示すような燃料電池
を組み立てた。まず、上記と同様の電池構成単位を２５
個（すなわち５０セル）積層し、さらにその両端面には
金属製の集電板１００、電気絶縁材料製の絶縁板１０
１、および端板１０２を配した。ついで、締結ロッド１
０３で、両端板１０２間を接続し、その間に挟まれた積
層電池（図示せず）を固定した。燃料ガス、酸化剤ガス
および冷却水の各流体は、燃料電池に向けて、それぞれ
上方の端板１０２に設けられた燃料ガス供給管１０３、
酸化剤ガス供給管１０４および冷却水供給管１０５よ
り、図中矢印方向に供給される。これらの供給管１０
３、１０４および１０５は、積層電池の各マニホルド孔
（図示せず）に接続されている。各流体のマニホルド孔
は、下方に向けてその断面積徐々に小さくなるようにな
っている。

【００１８】積層電池内を通過した各流体は、燃料ガス
排出管１０６、酸化剤ガス排出管１０７および冷却水排
出管１０８より、電池外に図中矢印方向に排出される。
ここで、各排出管１０６、１０７および１０８に接続さ
れた各流体のマニホルド孔（図示せず）は、上方に向け
てその断面積徐々に小さくなるようになっている。この
ように、流入側マニホルドを通り各単電池、各冷却板を
通過した各流体は、流出側マニホルドを通過し、各流体
が流入した端板側より電池外に排出される。このような
構成をとることで、各単電池を通過する各流体の流路長
を変化させることが可能になる。これにより、各流体に
生じる動圧による圧力勾配と、流路長が変化して生じる
圧力損失をバランスさせることができ、各単電池に各流
体を均一に供給することが可能になる。さらに、マニホ
ルド断面積を減少させることで動圧による圧力勾配を調
節するため、外形寸法を小さくすることが可能になり、
軽量、コンパクトな燃料電池構成とすることができる。

【００１９】《実施例２》実施例１で用いたものと同様
の電池構成単位を２５セル積層した積層電池を用い、図
６に示す燃料電池を組み立てた。積層電池６０５の両積
層面に、金属製の集電板６０１および絶縁板６０２を重
ね合わせ、さらにその表面に端板６０３を重ね合わせ
た。一対の端板６０３は、それぞれその側部に凹部６０
３ａを有する。この凹部６０３ａに締結ロッド６０４を
係止して積層電池６０５を固定した。絶縁板６０２およ
び端板６０３は、それぞれ貫通した孔６０２ａおよび６
０３ａを有する。この孔６０２ａおよび６０３ａを貫通
して、一対の集電部材６００を装着した。集電部材６０
０の先端は、集電板６０１と導通していて、出力端子と
して機能する。なお、集電部材６００と端板６０３とは
電気絶縁材料により絶縁されている。この端板６０３と
集電部材６００を絶縁する電気絶縁材料は、絶縁板６０
２と一体であっても同様の効果を有する。このような構
成とすることで、積層電池からの電気の取り出しに際
し、積層電池と機器等を接続する接続部材が積層電池外
形よりはみ出すことなくコンパクトに収まり、機器搭載
性の自由度が向上する。

【００２０】

【発明の効果】本発明によると、各流体に生じる動圧に
よる圧力勾配による各流体の分配性の悪化をマニホルド
断面積の調整でなくすことが可能になり、マニホルド断
面積を小さくできるのでコンパクト化に寄与する。ま
た、本発明によると、積層電池からの電気の取り出しに
際し、積層電池と機器等を接続する接続部材が、積層電
池外形よりはみ出すことなく、コンパクトに収まり、機
器搭載性の自由度の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】固体高分子型燃料電池の電池部材の構成を示す
一部を切り欠いた斜視図である。

【図２】固体高分子型燃料電池における流体のシール方
式の一例を示す要部の縦断面図である。

【図３】同他の例を示す要部の縦断面図である。

【図４】同さらに他の例を示す要部の縦断面図である。

【図５】本発明の一実施例の固体高分子型燃料電池の構
成を示す概略した斜視図である。

【図６】本発明の他の実施例の固体高分子型燃料電池の
構成を示す縦断面図である。

【符号の説明】

１拡散層２触媒反応層３高分子電解質膜４セパレータ板５ガス流路６ガスのマニホルド孔７冷却水のマニホルド孔８、１９ガスケット９電極１０電極電解質接合体１７シール材１８Ｏリング２１樹脂１００、６０１集電板１０１、６０２絶縁板１０２、６０３端板１０４燃料ガス供給管１０５酸化剤ガス供給管１０６冷却水供給管１０７燃料ガス排出管１０８酸化剤ガス排出管１０９冷却水排出管１１０、６０５積層電池６００集電部材６０２ａ、６０３ａ孔６０４締結ロッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者羽藤一仁大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者西田和史大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者内田誠大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者安本栄一大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者菅原靖大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者神原輝壽大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者松本敏宏大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CC06 CC08 HH02 HH04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電
極と、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給
しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段とを
具備した単電池を、導電性のセパレータを介して複数個
積層した高分子電解質型燃料電池であって、積層された
前記単電池のうちの一方の端部の単電池からその積層順
に他方の端部の単電池まで燃料ガス、酸化剤ガスおよび
冷却水をそれぞれ分配供給する供給用マニホルドと、前
記他方の端部の単電池からその積層順に前記燃料ガス、
酸化剤ガスおよび冷却水がそれぞれ排出される排出用マ
ニホルドを具備する固体高分子型燃料電池。
【請求項２】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電
極と、前記電極の一方に水素を含有する燃料ガスを供給
しかつ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段とを
具備した単電池が、導電性のセパレータを介して複数個
積層され、前記単電池に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷
却水をそれぞれ分配供給する供給用マニホルドと、前記
単電池のそれぞれから前記燃料ガス、酸化剤ガスおよび
冷却水が排出される排出用マニホルドとを備えた高分子
電解質型燃料電池であって、前記供給用マニホルドの断
面積が下流になるにつれて小さくなり、前記排出用マニ
ホルドの断面積が下流になるにつれて大きくなる固体高
分子型燃料電池。
【請求項３】固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
電解質膜を挟んで配された触媒反応層を有する一対の電
極と、前記電極の一方に水素を含有する燃料を供給しか
つ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段とを備え
た単電池の複数が、導電性のセパレータを介して積層さ
れ、その両端面に積層された前記単電池に締め付け圧力
を与えるエンドプレートが配された高分子電解質型燃料
電池であって、前記単電池の集電を行う集電板の一部
が、前記エンドプレートを貫通していて、前記集電板と
前記エンドプレートの間に絶縁手段が介在する固体高分
子型燃料電池。