JP2000331696A

JP2000331696A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2000331696A
Application number: JP11139824A
Authority: JP
Inventors: Ryoji Taura; 良治田浦
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1999-05-20
Filing date: 1999-05-20
Publication date: 2000-11-30

Abstract

(57)【要約】【課題】従来と比べ体積・重量を小さくできるととも
に、締付け力も小さくて済み、かつうねりの問題も解消
でき、更に電池反応による発熱を抑制することを課題と
する。【解決手段】固体高分子膜２１及び該固体高分子膜２１
の両側に夫々配置され、固体高分子膜２１側が白金処理
された電極２３、２４とからなる単位セル３７と、この
単位セル３７を挟む、水素流路と酸素流路を有したステ
ンレス鋼製の両極用セパレータ２７、３０とを具備し、
前記電極２３、２４には板厚方向に多数の貫通孔２２が
設けられ、かつ前記電極２３、２４は導電性及び反応ガ
スに対する耐食性の両機能を有することを特徴とする固
体高分子型燃料電池。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子膜を有
した固体高分子型燃料電池及び燃料電池スタックに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】周知の如く、最近、地球環境保護の観点
から燃料電池を自動車の内燃機関に代えて作動するモー
ターの電源として利用し、このモーターにより自動車を
駆動することが検討されている。この燃料電池は、資源
の枯渇問題を有する化石燃料を使う必要がないので排気
ガス等を発生することがないとともに、騒音をほとんど
発生せず、またエネルギーの回収効率も他のエネルギー
機関と比べて高くできる等の優れた特徴を有している。

【０００３】しかるに、燃料電池を自動車に利用する場
合、軽量化を図るために、燃料電池は他の付帯設備とと
もにできるだけ小型であることが望ましい。このような
ことから、燃料電池の中でも固体高分子膜を２種類の電
極で挟み込み、更にこれらの部材をセパレータで挟んだ
構成の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅ
ｒＥｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅＦｕｅｌＣｅｌｌ）が
注目されている。

【０００４】図３（Ａ），（Ｂ）は、従来の固体高分子
型燃料電池の一例を示す。ここで、図３（Ａ）は同燃料
電池の全体を示す断面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）を部
分的に拡大して示す断面図を示す。電池本体１は、固体
高分子電解質膜２の両側に夫々ステンレス鋼製の酸素極
３、水素極４を接合することにより構成されている。そ
して、この接合体は、固体高分子膜２の両側に酸素極
３，水素極４を合わせた後、ホットプレス等により製造
されている。前記酸素極３，水素極４は、夫々図示しな
いが、Ｐｔからなる反応膜とステンレス鋼製のガス拡散
膜が接合されたもので、前記固体高分子膜２とは反応膜
の表面が接触している。また、前記酸素極３,水素極４
は、ガスや水を通過させるため内部がポーラス状になっ
ている。電池反応は、主に固体高分子膜２と反応膜との
間の接触面で起こる。

【０００５】前記酸素極３の片側には酸素流路５，水素
流路６，冷却水通路７を有するセパレータ８が接合さ
れ、前記水素極４の片側には酸素流路５，水素流路６，
冷却水流路７を有するセパレータ９が夫々接合されてい
る。ここで、例えば、セパレータ８は、酸素流路５を有
した板状部材８ａと、冷却水流路７を有した板状部材８
bと、水素流路６を有した板状部材８ｃを各々接合する
ごとにより一体化した構成となっている。なお、他方の
セパレータ９も同様な構成である。

【０００６】こうした構成の燃料電池において、酸素流
路５及び水素流路６は酸素及び水素を夫々供給すると、
酸素，水素は各々のガス拡散膜を介して反応膜側へ供給
され、各反応膜で次のような反応が起こる。

【０００７】反応膜上での反応：(1/2)Ｏ₂＋２Ｈ⁺→Ｈ₂Ｏ反応膜上での反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ここで、２Ｈ⁺は固体高分子電解質膜２を通って水素極
４から酸素極３へ流れるが、２ｅ^-は負荷１０を通って
水素極４から酸素極３へ流れ、電気エネルギーが得られ
る。

【０００８】ところで、図３の固体高分子型燃料電池に
よれば、セパレータ８（又は９）を夫々酸素流路，水素
流路，冷却水流路を有した３枚の板状部材８ａ〜８ｃを
夫々接合することにより構成しているため、セパレータ
８の形成の際にうねりが生じるため、固体高分子膜２と
反応膜との間で電池反応が充分に行われないという問題
点が生じる。

【０００９】そこで、従来、図４に示すような改良型の
固体高分子型燃料電池が提案されている。この燃料電池
は、電極（水素極１１，酸素極１２）を、それぞれカー
ボン繊維からなるガス拡散膜１３と該拡散膜１３の固体
高分子膜側に形成した反応膜（Ｐｔ膜）１４とから構成
することを特徴とし、もって柔らかい電極で上述したう
ねりの問題を解消しようとしたものである。

【００１０】しかし、図４の燃料電池によれば、うねり
の問題は解消できるが、電極の厚み（Ｔ₁）は例えば
０．５ｍｍであり、セパレータ８の厚み（Ｔ₂）は２〜
３ｍｍである。従って、燃料電池の体積・重量が大き
く、締付け力も大きいという問題があった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来、上述
した固体高分子型燃料電池においては、電池反応により
発熱が生じるため、運転条件の安定化を図るために反応
熱をガスセパレータを介して放熱させている。そのた
め、１つの燃料電池のセパレータに必ず冷却水流路を設
けた構成になっている。しかし、本発明者は、研究を重
ねたところ、１つの燃料電池のセパレータに１つの冷却
水通路は必ずしも必要ではなく、複数個例えば５つに１
つの割合で燃料電池のセパレータに冷却水通路が形成さ
れていれば充分電池反応による発熱を抑制できることを
究明するに至った。

【００１２】本発明は、こうした事情を考慮してなされ
たもので、板厚方向に多数の貫通孔を設けるとともに、
導電性及び反応ガスに対する耐食性の両機能を有する電
極を用いた構成とすることにより、従来と比べ、体積・
重量を小さくできるとともに、締付け力も小さくて済
み、かつうねりの問題も解消しえる固体高分子型燃料電
池を提供することを目的とする。

【００１３】また、本発明は、前記燃料電池の両極用セ
パレータのうち任意のセパレータを水素流路と冷却水流
路を有したステンレス鋼製の水素極用セパレータ，ある
いは酸素流路と冷却水流路を有したステンレス鋼製の酸
素極セパレータに置き換えた構成にすることにより、電
池反応による発熱を抑制しつつ、従来と比べ体積・重量
を小さくできる燃料電池スタックを提供することを目的
とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、固体
高分子膜及び該固体高分子膜の両側に夫々配置され、固
体高分子膜側が白金処理された電極とからなる単位セル
と、この単位セルを挟む、水素流路と酸素流路を有した
ステンレス鋼製の両極用セパレータとを具備し、前記電
極には板厚方向に多数の貫通孔が設けられ、かつ前記電
極は導電性及び反応ガスに対する耐食性の両機能を有す
ることを特徴とする固体高分子型燃料電池である。

【００１５】本願第２の発明は、固体高分子膜及び該固
体高分子膜の両側に夫々配置され、固体高分子膜側が白
金処理された電極とからなる複数の単位セルと、前記各
単位セルを夫々挟む、水素流路と酸素流路を有したステ
ンレス鋼製の両極用セパレータとを具備し、前記電極に
は板厚方向に多数の貫通孔が設けられ、かつ前記電極は
導電性及び反応ガスに対する耐食性の両機能を有し、更
に複数の前記両極用セパレータのうち任意の両極用セパ
レータは、水素流路と冷却水流路を有したステンレス鋼
製の水素極用セパレータ，あるいは酸素流路と冷却水流
路を有したステンレス鋼製の酸素極セパレータに置き換
えられていることを特徴とする燃料電池スタックであ
る。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の固体高分子型燃料
電池及び燃料電池スタックについて更に具体的に説明す
る。本発明において、燃料電池を構成する電極（水素極
あるいは酸素極）は、板厚方向に多数の貫通孔が設けら
れ、かつ導電性及び反応ガスに対する耐食性の両機能を
有するものを用いる。具体的には、電極の材質として
は、ステンレス鋼、チタン、モリブデン、タングステン
のいずれかが挙げられる。また、電極に設けられる貫通
孔は、例えば後述するようにほぼ格子状に配置する例が
挙げられるが、貫通孔の数の密度は大きいほど好まし
い。つまり、貫通孔間の壁の距離Ｌはガスが矢印のよう
に回り込むようにできるだけ小さい方が好ましい。

【００１７】本発明において、前記電極は、例えば、ガ
ス拡散膜とこのガス拡散膜の固体高分子膜側に形成され
た白金膜から構成されている。ここで、白金膜は後述す
る電池反応を行わせる上で重要であり、例えばスパッタ
リングによりガス拡散膜表面に形成される。

【００１８】本発明に係る燃料電池スタックは、上述し
た固体高分子型燃料電池で使用した電極及び両極用セパ
レータを利用するとともに、水素流路，冷却水流路を有
した水素極用セパレータあるいは酸素流路，冷却水流路
を有した酸素極用セパレータを併用して電池反応による
発熱を抑制しようとしたものである。ここで、前記水素
極用セパレータ、酸素極用セパレータの数や配置箇所は
特に限定されないが、上記発熱の抑制を充分になしえる
ようにする必要がある。

【００１９】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の一実施例に係る
固体高分子型燃料電池について、図１（Ａ），（Ｂ）及
び図２を参照して説明する。ここで、図１（Ａ）は本発
明に係る固体高分子型燃料電池断面図、図１（Ｂ）は図
１（Ａ）の要部の拡大図で特にガスの流れを示す説明
図、図２は図１の燃料電池の一構成である電極の概略平
面図を示す。なお、下記実施例に記載された数値、材料
等は一例を示すもので、本願の権利範囲を特定するもの
ではない。

【００２０】図中の付番２１は固体高分子膜を示す。こ
の固体高分子膜２１の両側には、板厚方向に複数の貫通
孔２２が形成された酸素極２３と水素極２４が夫々配置
され、単位セル３７が構成されている。前記貫通孔２２
は、例えば図２に示すように、径（Ｄ）５０μｍで、ピ
ッチ（Ｐ）は１００μｍである。前記酸素極２３及び水
素極２４は導電性及び反応ガスに対する耐食性の両機能
を有しており、厚みは夫々例えば０．０５ｍｍである。

【００２１】前記酸素極２３は、ステンレス鋼製のガス
拡散膜２３ａと、このガス拡散膜２３ａの固体高分子膜
２１側に形成された反応膜（Ｐｔ膜）２３ｂとから構成
されている。一方、前記水素極２４は、ステンレス鋼製
のガス拡散膜２４ａと、このガス拡散膜２４ａの固体高
分子膜２１側に形成された反応膜（Ｐｔ膜）２４ｂとか
ら構成されている。

【００２２】前記酸素極２３の片側には、酸素を通すた
めの酸素流路（深さは例えば０．０５ｍｍ）２５と水素
を通すための水素流路（深さは例えば０．０５ｍｍ）２
６を有するステンレス鋼製の両極用セパレータ２７が接
合されている。前記水素極２４の片側には、酸素流路２
８と水素流路２９を有するステンレス鋼製の両極用セパ
レータ３０が夫々接合されている。いずれの両極用セパ
レータ２７、３０も、厚みは０．１５ｍｍである。

【００２３】こうした構成の燃料電池において、図１
（Ｂ）に示すようにガスが酸素極２３や水素極２４の貫
通穴２２から固体高分子膜２１に達すると、各反応膜で
次のような反応が起こる。

【００２４】反応膜２３ｂ上での反応：(1/2)Ｏ₂＋２Ｈ⁺→Ｈ₂Ｏ反応膜２４ｂ上での反応：Ｈ₂→２Ｈ⁺＋２ｅ^- ここで、２Ｈ⁺は固体高分子膜２１を通って水素極２４
から酸素極２３へ流れるが、２ｅ^-は負荷（図示せず）
を通って水素極２４から酸素極２３へ流れ、電気エネル
ギーが得られる。

【００２５】上記実施例１に係る固体高分子型燃料電池
によれば、板厚方向に多数の貫通孔２２を設けるととも
に、導電性及び反応ガスに対する耐食性の両機能を有す
る電極を酸素極２３、水素極２４として用いるととも
に、両極用セパレータ２７、３０を一枚板のステンレス
鋼で形成した構成となっている。しかるに、酸素極２
３、水素極２４はステンレス鋼で形成されかつ板厚方向
に多数の貫通穴２２が形成されているため、図４（従
来）の燃料電池と比べ、酸素極２３、水素極２４の厚み
を著しく低減できる。従って、従来と比べ体積・重量を
低減できるとともに、締付け力も小さくできる。事実、
上記実施例１による燃料電池によれば、従来の燃料電池
と比べて体積・重量とも１／１０程度に低減できた。ま
た、両極用セパレータ２７、３０は一枚板のステンレス
鋼で形成しているので、図３（従来）と比べ、たわみの
問題を回避できる。

【００２６】（実施例２）以下、本発明に係る燃料電池
スタックについて図５を参照して説明する。但し、図１
と同部材は同符号を付して説明を省略する。燃料電池ス
タック３１は、例えば２つのユニット３２，３３から構
成されている。一方のユニット３２は、ステンレス鋼製
の水素極用セパレータ３４と、前述した両極用セパレー
タ３５と、ステンレス鋼製の酸素極用セパレータ３６
と、これらセパレータ間に配置された単位セル３７とか
ら構成されている。

【００２７】前記水素極用セパレータ３４は、水素流路
（図示せず）と冷却水流路（図示せず）を有している。
前記酸素極用セパレータ３６は、酸素流路（図示せず）
と冷却水流路（図示せず）を有している。また、前記両
極セパレータ３５は、既述したように水素流路と酸素流
路を有している。また、他方のユニット３３も前記ユニ
ット３２と同様な構成となっている。

【００２８】このように、実施例２に係る燃料電池スタ
ックは、固体高分子膜を水素極と酸素極とで挟んで単位
セル３７となし、これら単位セル３７を両極用セパレー
タ３５で挟むとともに、両端（図中の上下端）には両極
用セパレータ３５の代わりに酸素極用セパレータ３６、
水素極用セパレータ３４を配置してユニット３２，３３
の両端から冷却するような構成になっている。従って、
各単位セル３７における電池反応による発熱を抑制しつ
つ、従来と比べ体積・重量を小さくしえる燃料電池スタ
ックを得ることができる。

【００２９】なお、上記実施例２では、酸素極用セパレ
ータ及び水素極用セパレータを夫々ユニットの上下に配
置した場合について述べたが、これに限定されず、配置
場所、数は任意に設定することができる。

【００３０】

【発明の効果】以上詳述したように本発明の固体高分子
型燃料電池によれば、板厚方向に多数の貫通孔を設ける
とともに、導電性及び反応ガスに対する耐食性の両機能
を有する電極を用いた構成とすることにより、従来と比
べ、体積・重量を小さくできるとともに、締付け力も小
さくて済み、かつうねりの問題も解消できる。

【００３１】また、本発明の燃料電池スタックによれ
ば、前記燃料電池の両極用セパレータのうち任意のセパ
レータを水素流路と冷却水流路を有したステンレス鋼製
の水素極用セパレータ，あるいは酸素流路と冷却水流路
を有したステンレス鋼製の酸素極セパレータに置き換え
た構成にすることにより、電池反応による発熱を抑制し
つつ、従来と比べ体積・重量を小さくすることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に係る固体高分子型燃料電池
の説明図。

【図２】図１の燃料電池の一構成である水素極あるいは
酸素極の概略平面図。

【図３】従来の固体高分子型燃料電池の説明図。

【図４】従来の改良型の固体高分子難燃料電池の説明
図。

【図５】本発明の実施例２に係る燃料電池スタックの説
明図。

【符号の説明】

２１…固体高分子膜、２２…貫通孔、２３…酸素極、２３ａ、２４ａ…ガス拡散膜、２３ｂ、２４ｂ…反応膜（Ｐｔ膜）、２４…水素極、２５、２８…酸素流路、２６、２９…水素流路、２７、３０、３５…両極用セパレータ、３１…燃料電池スタック、３２、３３…ユニット、３４…水素極用セパレータ、３６…酸素極用セパレータ、３７…単位セル。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子膜及び該固体高分子膜の両側
に夫々配置され、固体高分子膜側が白金処理された電極
とからなる単位セルと、この単位セルを挟む、水素流路
と酸素流路を有したステンレス鋼製の両極用セパレータ
とを具備し、前記電極には板厚方向に多数の貫通孔が設
けられ、かつ前記電極は導電性及び反応ガスに対する耐
食性の両機能を有することを特徴とする固体高分子型燃
料電池。
【請求項２】前記電極の材質は、ステンレス鋼、チタ
ン、モリブデン、タングステンのいずれかであることを
特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】前記電極は、ガス拡散膜と、このガス拡
散膜の固体高分子膜側に形成された白金膜から構成され
ていることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃
料電池。
【請求項４】固体高分子膜及び該固体高分子膜の両側
に夫々配置され、固体高分子膜側が白金処理された電極
とからなる複数の単位セルと、前記各単位セルを夫々挟
む、水素流路と酸素流路を有したステンレス鋼製の両極
用セパレータとを具備し、前記電極には板厚方向に多数の貫通孔が設けられ、かつ
前記電極は導電性及び反応ガスに対する耐食性の両機能
を有し、更に複数の前記両極用セパレータのうち任意の
両極用セパレータは、水素流路と冷却水流路を有したス
テンレス鋼製の水素極用セパレータ，あるいは酸素流路
と冷却水流路を有したステンレス鋼製の酸素極セパレー
タに置き換えられていることを特徴とする燃料電池スタ
ック。