JP2001006698A - 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法Info
- Publication number
- JP2001006698A JP2001006698A JP11176789A JP17678999A JP2001006698A JP 2001006698 A JP2001006698 A JP 2001006698A JP 11176789 A JP11176789 A JP 11176789A JP 17678999 A JP17678999 A JP 17678999A JP 2001006698 A JP2001006698 A JP 2001006698A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- diffusion layer
- gas
- fuel cell
- polymer electrolyte
- solid polymer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
- Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product
Abstract
(57)【要約】
【課題】 特別な加湿を行わない無加湿の固体高分子電
解質型燃料電池を提供することおよび同燃料電池に好適
な拡散層の製造方法を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜１を挟んで配設した
電極の拡散層３と、反応ガス流路を有してなるセパレー
タ２とを備え、このセパレータは、冷却媒体により冷却
可能に構成された固体高分子電解質型燃料電池におい
て、燃料電池の運転時に、酸化剤ガス流路の酸化剤ガス
供給側の温度が、酸化剤ガス排出側の温度よりも低くな
るようにし、かつ、酸化剤ガス供給側の前記拡散層３１
のガス拡散性は、酸化剤ガス排出側のガス拡散性よりも
低くなるように構成したものとする。また、カーボンク
ロスまたはカーボンペーパーからなる拡散層３の内部
に、カーボン粒子を固着させて気孔率を低下させた部分
３１を作製し、反応ガス供給側と排出側とでガス拡散性
に差を設けた拡散層を製造することとする。
解質型燃料電池を提供することおよび同燃料電池に好適
な拡散層の製造方法を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜１を挟んで配設した
電極の拡散層３と、反応ガス流路を有してなるセパレー
タ２とを備え、このセパレータは、冷却媒体により冷却
可能に構成された固体高分子電解質型燃料電池におい
て、燃料電池の運転時に、酸化剤ガス流路の酸化剤ガス
供給側の温度が、酸化剤ガス排出側の温度よりも低くな
るようにし、かつ、酸化剤ガス供給側の前記拡散層３１
のガス拡散性は、酸化剤ガス排出側のガス拡散性よりも
低くなるように構成したものとする。また、カーボンク
ロスまたはカーボンペーパーからなる拡散層３の内部
に、カーボン粒子を固着させて気孔率を低下させた部分
３１を作製し、反応ガス供給側と排出側とでガス拡散性
に差を設けた拡散層を製造することとする。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子電解
質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法に関す
る。
質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】一般に固体高分子電解質型燃料電池の最
小発電単位であるセルの構成は図４のように表わされ
る。膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃ
ｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）は、電解質膜１の両面に
貴金属（主として白金）を含む触媒層１０を接合して形
成される。ＭＥＡの外側には多孔質の拡散層３があっ
て、燃料ガスと酸化剤ガスを通過させると同時に、電流
を外部に伝える働きをする。
小発電単位であるセルの構成は図４のように表わされ
る。膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅｃ
ｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）は、電解質膜１の両面に
貴金属（主として白金）を含む触媒層１０を接合して形
成される。ＭＥＡの外側には多孔質の拡散層３があっ
て、燃料ガスと酸化剤ガスを通過させると同時に、電流
を外部に伝える働きをする。
【０００３】多孔質の拡散層３と触媒層１０とを合わせ
て、燃料ガスが通流される側をアノード電極，酸化剤ガ
スが通流される側をカソード電極という。また、広義の
ＭＥＡには拡散層を含めることもある。上記両電極を、
燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を備えたセパレータ
２で挟むことにより、セルが構成される。このセルを多
数積層したものをスタックという。
て、燃料ガスが通流される側をアノード電極，酸化剤ガ
スが通流される側をカソード電極という。また、広義の
ＭＥＡには拡散層を含めることもある。上記両電極を、
燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を備えたセパレータ
２で挟むことにより、セルが構成される。このセルを多
数積層したものをスタックという。
【０００４】ところで、固体高分子電解質型燃料電池で
は、発電の過程で次のような反応が起きる。
は、発電の過程で次のような反応が起きる。
【０００５】
【化１】
【０００６】
【化２】
【０００７】
【化３】
【０００８】反応によって生成する水は主にカソード側
に出てくるが、一部は電解質膜を透過してアノード側に
出る。反応によって水素と酸素が消費され水蒸気が加わ
るために、反応ガスの出口では常に入口よりも水蒸気分
圧が高くなる。
に出てくるが、一部は電解質膜を透過してアノード側に
出る。反応によって水素と酸素が消費され水蒸気が加わ
るために、反応ガスの出口では常に入口よりも水蒸気分
圧が高くなる。
【０００９】電解質膜にはフッ素系の高分子材料が最も
一般的に使用されている。代表的な市販の電解質膜には
NafionTM（米国・デュポン社製商品名）がある。これら
の電解質膜の特徴は、他の高分子電解質と比較してプロ
トン伝導性が高いことと、電解質膜が乾燥すると急激に
プロトン伝導性が低下することである。このため固体高
分子電解質型燃料電池では常に電解質膜を適当な含水状
態に制御することが求められる。通常は反応ガスを加湿
することによって電解質膜の乾燥を防止する。
一般的に使用されている。代表的な市販の電解質膜には
NafionTM（米国・デュポン社製商品名）がある。これら
の電解質膜の特徴は、他の高分子電解質と比較してプロ
トン伝導性が高いことと、電解質膜が乾燥すると急激に
プロトン伝導性が低下することである。このため固体高
分子電解質型燃料電池では常に電解質膜を適当な含水状
態に制御することが求められる。通常は反応ガスを加湿
することによって電解質膜の乾燥を防止する。
【００１０】加湿のための水は生成水を回収して利用す
るか、または外部より供給する。電解質は金属イオンを
吸着するので、加湿に使用する水はイオン交換などの方
法によって金属イオンが除去されている必要がある。ま
た生成水を回収して利用するには付加的な装置が必要で
ある。
るか、または外部より供給する。電解質は金属イオンを
吸着するので、加湿に使用する水はイオン交換などの方
法によって金属イオンが除去されている必要がある。ま
た生成水を回収して利用するには付加的な装置が必要で
ある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】前述のように、特別な
加湿を行わずに電解質の乾燥を防ぐことができれば、発
電装置をさらに小型化、低コスト化することができる。
しかしセル温度が高く、通常の運転温度である８０℃以
上となると、電解質膜は非常に乾燥しやすくなり、生成
水だけで乾燥を防ぐことは難しくなる。このため無加湿
による運転は比較的低い温度（通常は60℃以下）で可能
となる。しかし燃料が改質ガスである場合には、一酸化
炭素による触媒被毒のためにセル温度が低いとセル電圧
が大きく低下してしまう。従って通常のセル構造では無
加湿と高いセル温度を両立させるのは困難である。
加湿を行わずに電解質の乾燥を防ぐことができれば、発
電装置をさらに小型化、低コスト化することができる。
しかしセル温度が高く、通常の運転温度である８０℃以
上となると、電解質膜は非常に乾燥しやすくなり、生成
水だけで乾燥を防ぐことは難しくなる。このため無加湿
による運転は比較的低い温度（通常は60℃以下）で可能
となる。しかし燃料が改質ガスである場合には、一酸化
炭素による触媒被毒のためにセル温度が低いとセル電圧
が大きく低下してしまう。従って通常のセル構造では無
加湿と高いセル温度を両立させるのは困難である。
【００１２】この発明は、上記の点に鑑みてなされたも
ので、この発明の課題は、特別な加湿を行わない無加湿
の固体高分子電解質型燃料電池を提供することおよび同
燃料電池に好適な拡散層の製造方法を提供することにあ
る。
ので、この発明の課題は、特別な加湿を行わない無加湿
の固体高分子電解質型燃料電池を提供することおよび同
燃料電池に好適な拡散層の製造方法を提供することにあ
る。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、この発明は、固体高分子電解質膜を挟んで配設し
た，触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極お
よびカソード電極と、前記アノード電極に水素を含む燃
料ガスを供給・排出するための燃料ガス流路を有し，前
記カソード電極に酸化剤ガスを供給・排出するための酸
化剤ガス流路を有してなるセパレータとを備え、このセ
パレータは、冷却媒体により冷却可能に構成された固体
高分子電解質型燃料電池において、燃料電池の運転時
に、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス供給側の温度が、
酸化剤ガス排出側の温度よりも低くなるようにし、か
つ、酸化剤ガス供給側の前記拡散層のガス拡散性は、酸
化剤ガス排出側のガス拡散性よりも低くなるように構成
したものとする（請求項１）。
めに、この発明は、固体高分子電解質膜を挟んで配設し
た，触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極お
よびカソード電極と、前記アノード電極に水素を含む燃
料ガスを供給・排出するための燃料ガス流路を有し，前
記カソード電極に酸化剤ガスを供給・排出するための酸
化剤ガス流路を有してなるセパレータとを備え、このセ
パレータは、冷却媒体により冷却可能に構成された固体
高分子電解質型燃料電池において、燃料電池の運転時
に、前記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス供給側の温度が、
酸化剤ガス排出側の温度よりも低くなるようにし、か
つ、酸化剤ガス供給側の前記拡散層のガス拡散性は、酸
化剤ガス排出側のガス拡散性よりも低くなるように構成
したものとする（請求項１）。
【００１４】また、上記請求項１において、前記燃料ガ
ス流路と酸化剤ガス流路は、燃料ガスと酸化剤ガスの流
れ方向の濃度低下の大筋の向きが，それぞれ逆方向とな
るように構成したものとする（請求項２）。
ス流路と酸化剤ガス流路は、燃料ガスと酸化剤ガスの流
れ方向の濃度低下の大筋の向きが，それぞれ逆方向とな
るように構成したものとする（請求項２）。
【００１５】上記構成によれば、通常運転においても、
無加湿運転が可能となる。その理由は下記のとおりであ
る。
無加湿運転が可能となる。その理由は下記のとおりであ
る。
【００１６】（１）酸化剤（空気）入り口部分の温度を
他の部分よりも積極的に下げることにより、乾燥速度を
低下させることができる。反対側にある燃料ガス部分の
温度も下がるため、一酸化炭素による触媒被毒の面から
は不利であるが、被毒効果は燃料ガスの入り口で最も大
きく、出口側で最も小さくなるので大きな問題とはなら
ない。
他の部分よりも積極的に下げることにより、乾燥速度を
低下させることができる。反対側にある燃料ガス部分の
温度も下がるため、一酸化炭素による触媒被毒の面から
は不利であるが、被毒効果は燃料ガスの入り口で最も大
きく、出口側で最も小さくなるので大きな問題とはなら
ない。
【００１７】（２）上記に加えて、空気入り口側にある
拡散層のガス拡散性を、拡散層の他の部分よりも小さく
することにより、空気中への水蒸気の蒸発量を抑制する
ことができる。
拡散層のガス拡散性を、拡散層の他の部分よりも小さく
することにより、空気中への水蒸気の蒸発量を抑制する
ことができる。
【００１８】（３）さらに、最も乾燥しやすい空気の入
り口部分にあたる電解質で、燃料ガス側からの生成水が
電解質膜を拡散する量を増やすために、請求項２の構成
のように、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向の濃度低下
の大筋の向きが，それぞれ逆方向となるように、燃料ガ
ス流路と酸化剤ガス流路の流れ方向を対向させる構成と
する（構成の詳細は後述）。ただし、流れ方向が対向し
ていない状態でも、燃料ガスが改質ガスのようにいくら
かの水分を含んでいれば、上記（１）と（２）のみで
も、無加湿は可能である。
り口部分にあたる電解質で、燃料ガス側からの生成水が
電解質膜を拡散する量を増やすために、請求項２の構成
のように、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向の濃度低下
の大筋の向きが，それぞれ逆方向となるように、燃料ガ
ス流路と酸化剤ガス流路の流れ方向を対向させる構成と
する（構成の詳細は後述）。ただし、流れ方向が対向し
ていない状態でも、燃料ガスが改質ガスのようにいくら
かの水分を含んでいれば、上記（１）と（２）のみで
も、無加湿は可能である。
【００１９】一部のガス拡散性を低下させた前記拡散層
を製造する方法としては、請求項３ないし５の製造方法
が好適である。
を製造する方法としては、請求項３ないし５の製造方法
が好適である。
【００２０】請求項３の発明によれば、カーボンクロス
またはカーボンペーパーからなる拡散層の内部に、カー
ボン粒子を固着させて気孔率を低下させた部分を作製
し、反応ガス供給側と排出側とでガス拡散性に差を設け
た拡散層を製造することとする。
またはカーボンペーパーからなる拡散層の内部に、カー
ボン粒子を固着させて気孔率を低下させた部分を作製
し、反応ガス供給側と排出側とでガス拡散性に差を設け
た拡散層を製造することとする。
【００２１】上記の実施態様としては、アセチレンブラ
ックとＰＴＦＥとの分散液をカーボンクロスまたはカー
ボンペーパーに含浸，凝集後、熱処理することにより、
カーボン粒子を固着させて気孔率を低下させた部分を作
製する（請求項４）、もしくは、カーボンクロスまたは
カーボンペーパーにアセチレンブラック粉末を振りかけ
カーボン粒子を付着させた後、ＰＴＦＥ溶液を噴霧し、
しかる後熱処理することにより、カーボン粒子を固着さ
せて気孔率を低下させた部分を作製することとする（請
求項５）。
ックとＰＴＦＥとの分散液をカーボンクロスまたはカー
ボンペーパーに含浸，凝集後、熱処理することにより、
カーボン粒子を固着させて気孔率を低下させた部分を作
製する（請求項４）、もしくは、カーボンクロスまたは
カーボンペーパーにアセチレンブラック粉末を振りかけ
カーボン粒子を付着させた後、ＰＴＦＥ溶液を噴霧し、
しかる後熱処理することにより、カーボン粒子を固着さ
せて気孔率を低下させた部分を作製することとする（請
求項５）。
【００２２】
【発明の実施の形態】図面に基づき、本発明の実施の形
態について以下にのべる。
態について以下にのべる。
【００２３】（実施例１）図１は、本発明の実施例を示
すセルの概略構成図であり、図２は、燃料ガスと酸化剤
ガスの流れ方向の濃度低下の大筋の向きについての説明
図である。図４と同じ構成部材には同一の番号を付して
説明を省略する。
すセルの概略構成図であり、図２は、燃料ガスと酸化剤
ガスの流れ方向の濃度低下の大筋の向きについての説明
図である。図４と同じ構成部材には同一の番号を付して
説明を省略する。
【００２４】電解質膜１は前記デュポン社製のNafio
nTM、拡散層３はZolteck社製のカーボンクロス、拡散層
３１は後述する実施例３の方法により，拡散層３のカー
ボンクロスの一部にカーボン粒子を充填して気孔率を半
分以下に低下させた拡散層３の一部である。カーボン粒
子を固定するために少量ＰＴＦＥであるテフロンTM（米
国・デュポン社製商品名）が混合してある。
nTM、拡散層３はZolteck社製のカーボンクロス、拡散層
３１は後述する実施例３の方法により，拡散層３のカー
ボンクロスの一部にカーボン粒子を充填して気孔率を半
分以下に低下させた拡散層３の一部である。カーボン粒
子を固定するために少量ＰＴＦＥであるテフロンTM（米
国・デュポン社製商品名）が混合してある。
【００２５】セパレータ２は、ガス流通溝と冷却水の通
路を有するカーボン板である。すべてのセパレータを個
々に冷却することが望ましいが、場合によっては、複数
の単セル毎に冷却してもよい。
路を有するカーボン板である。すべてのセパレータを個
々に冷却することが望ましいが、場合によっては、複数
の単セル毎に冷却してもよい。
【００２６】燃料ガスの大筋の流れ方向４と酸化剤ガス
の大筋の流れ方向５は、図に示すように対向させる。ま
た、冷却水の流れ方向６を酸化剤ガスの流れ方向５と一
致させることにより、空気入り口側の空気温度、ひいて
はセル温度を他の部分よりも低下させる。
の大筋の流れ方向５は、図に示すように対向させる。ま
た、冷却水の流れ方向６を酸化剤ガスの流れ方向５と一
致させることにより、空気入り口側の空気温度、ひいて
はセル温度を他の部分よりも低下させる。
【００２７】ところで、前記大筋の流れ方向の意味につ
いて、図２により説明する。図２において、大筋の流れ
方向は矢印９で示す方向であり、反応ガスの全ての流れ
の向きがこの矢印９の向きと一致する場合には、いうま
でもなく、反応ガスの流れの向きと大筋の流れ方向とは
一致する。ところが、図２（ａ）の場合のように、反応
ガスが、紙面左上の反応ガス入口マニホールド８１か
ら、右下の反応ガス出口マニホールド８２に向かって流
れる場合には、反応ガスの流路は、矢印９の向きと同方
向の流路７１と直交する方向の流路７２とを含む。しか
しながら、反応ガスの濃度低下の方向に着目すれば、大
局的にみてその方向は矢印９の向きである。上記のよう
な観点から、矢印９の方向を、燃料ガスまたは酸化剤ガ
スの流れ方向の濃度低下の大筋の向きと定義する。図２
（ｂ）の場合も、上記と同様に、矢印９の方向が濃度低
下の大筋の向きとなる。
いて、図２により説明する。図２において、大筋の流れ
方向は矢印９で示す方向であり、反応ガスの全ての流れ
の向きがこの矢印９の向きと一致する場合には、いうま
でもなく、反応ガスの流れの向きと大筋の流れ方向とは
一致する。ところが、図２（ａ）の場合のように、反応
ガスが、紙面左上の反応ガス入口マニホールド８１か
ら、右下の反応ガス出口マニホールド８２に向かって流
れる場合には、反応ガスの流路は、矢印９の向きと同方
向の流路７１と直交する方向の流路７２とを含む。しか
しながら、反応ガスの濃度低下の方向に着目すれば、大
局的にみてその方向は矢印９の向きである。上記のよう
な観点から、矢印９の方向を、燃料ガスまたは酸化剤ガ
スの流れ方向の濃度低下の大筋の向きと定義する。図２
（ｂ）の場合も、上記と同様に、矢印９の方向が濃度低
下の大筋の向きとなる。
【００２８】（実施例２）図３は本発明の実施例１とは
異なる実施例２のセルの概略構成断面を示す。
異なる実施例２のセルの概略構成断面を示す。
【００２９】セルの構成は基本的に実施例１と同一であ
る。この実施例においては、空冷によってセル温度を制
御している。セパレータを冷却空気の入り口側に延長す
ることにより、反応空気の入り口付近のセル温度を効果
的に下げることができる。図では省略してあるが、２種
類の反応ガスと冷却空気の流路は互いにシールされ、冷
却空気が反応ガスの部分に入ることはないように構成す
る。
る。この実施例においては、空冷によってセル温度を制
御している。セパレータを冷却空気の入り口側に延長す
ることにより、反応空気の入り口付近のセル温度を効果
的に下げることができる。図では省略してあるが、２種
類の反応ガスと冷却空気の流路は互いにシールされ、冷
却空気が反応ガスの部分に入ることはないように構成す
る。
【００３０】（実施例３）以下に、一部のガス拡散性を
低下させた拡散層の製造方法の実施例を述べる。アセチ
レンブラックとＰＴＦＥディスパージョンを水に加え、
超音波分散させることにより、カーボン粒子を含む分散
液を作った。カーボンとＰＴＦＥの重量比は５：１であ
る。次にこの分散液をカーボンクロスに含浸させた後、
硫酸を加えてカーボン粒子とＰＴＦＥを凝集させた。余
分な分散液を除去し、これを３４０℃で熱処理すること
によりＰＴＦＥを溶融させて、カーボン粒子をカーボン
クロスに固着させた。
低下させた拡散層の製造方法の実施例を述べる。アセチ
レンブラックとＰＴＦＥディスパージョンを水に加え、
超音波分散させることにより、カーボン粒子を含む分散
液を作った。カーボンとＰＴＦＥの重量比は５：１であ
る。次にこの分散液をカーボンクロスに含浸させた後、
硫酸を加えてカーボン粒子とＰＴＦＥを凝集させた。余
分な分散液を除去し、これを３４０℃で熱処理すること
によりＰＴＦＥを溶融させて、カーボン粒子をカーボン
クロスに固着させた。
【００３１】こうして得られたカーボンクロスの気孔率
は、当初の８３％から３６％に低下した。燃料電池拡散
層の酸化剤ガス入り口側２５％を、このカーボンクロス
とし、残りの７５％には未処理のカーボンクロスを使用
した。
は、当初の８３％から３６％に低下した。燃料電池拡散
層の酸化剤ガス入り口側２５％を、このカーボンクロス
とし、残りの７５％には未処理のカーボンクロスを使用
した。
【００３２】従来、一部のガス拡散性を低下させた拡散
層の製造方法としては、カーボンクロスの編み目を密に
して、空隙率を変化させる方法が知られているが、上記
方法によれば、簡単な方法で、カーボンクロスの気孔率
を任意に調整可能である。
層の製造方法としては、カーボンクロスの編み目を密に
して、空隙率を変化させる方法が知られているが、上記
方法によれば、簡単な方法で、カーボンクロスの気孔率
を任意に調整可能である。
【００３３】上記拡散層を用いて、燃料電池の発電状態
における電流密度分布を計測したところ、セル温度７０
℃で露点−２０℃の空気を酸化剤として使用した場合、
従来のセルでは酸化剤ガス入り口側に当たる部分の電流
密度は、平均値の１０％以下であったのに対して、本実
施例では平均値の６０％に改善された。
における電流密度分布を計測したところ、セル温度７０
℃で露点−２０℃の空気を酸化剤として使用した場合、
従来のセルでは酸化剤ガス入り口側に当たる部分の電流
密度は、平均値の１０％以下であったのに対して、本実
施例では平均値の６０％に改善された。
【００３４】（実施例４）ＰＴＦＥ溶液で表面を濡らし
たカーボンクロスにアセチレンブラック粉末を振り掛
け、カーボン粒子を付着させたのち、少量のＰＴＦＥ溶
液を噴霧した。カーボン粒子の付着量は、四角いカーボ
ンクロスの１つの辺から対向する辺に向かって次第に減
少するようにし、全面積の半分は全くカーボン粒子を含
まない状態とした。
たカーボンクロスにアセチレンブラック粉末を振り掛
け、カーボン粒子を付着させたのち、少量のＰＴＦＥ溶
液を噴霧した。カーボン粒子の付着量は、四角いカーボ
ンクロスの１つの辺から対向する辺に向かって次第に減
少するようにし、全面積の半分は全くカーボン粒子を含
まない状態とした。
【００３５】このカーボンクロスを３４０℃でホットプ
レスして、内部にカーボン粒子を固着させた。こうして
得られたカーボンクロスを燃料電池の酸化剤ガス側に使
用した。上記方法によれば、簡単にカーボンクロスの気
孔率の調整が可能であると共に、実施例３の方法に比較
して、カーボン粒子の固着がＰＴＦＥの少量噴霧によっ
てなされるので、電気抵抗が小となる利点がある。
レスして、内部にカーボン粒子を固着させた。こうして
得られたカーボンクロスを燃料電池の酸化剤ガス側に使
用した。上記方法によれば、簡単にカーボンクロスの気
孔率の調整が可能であると共に、実施例３の方法に比較
して、カーボン粒子の固着がＰＴＦＥの少量噴霧によっ
てなされるので、電気抵抗が小となる利点がある。
【００３６】上記方法によって製造した拡散層を用い
て、同じくセル温度７０℃で露点−２０℃の空気を酸化
剤として使用した場合の電流密度分布を計測したとこ
ろ、本実施例では平均電流密度に対して７０％の電流密
度が酸化剤ガス入り口部分で得られた。
て、同じくセル温度７０℃で露点−２０℃の空気を酸化
剤として使用した場合の電流密度分布を計測したとこ
ろ、本実施例では平均電流密度に対して７０％の電流密
度が酸化剤ガス入り口部分で得られた。
【００３７】
【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、固体
高分子電解質膜を挟んで配設した，触媒層と多孔質の拡
散層とからなるアノード電極およびカソード電極と、前
記アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給・排出する
ための燃料ガス流路を有し，前記カソード電極に酸化剤
ガスを供給・排出するための酸化剤ガス流路を有してな
るセパレータとを備え、このセパレータは、冷却媒体に
より冷却可能に構成された固体高分子電解質型燃料電池
において、燃料電池の運転時に、前記酸化剤ガス流路の
酸化剤ガス供給側の温度が、酸化剤ガス排出側の温度よ
りも低くなるようにし、かつ、酸化剤ガス供給側の前記
拡散層のガス拡散性は、酸化剤ガス排出側のガス拡散性
よりも低くなるように構成したものとする（請求項
１）、さらに、上記請求項１において、前記燃料ガス流
路と酸化剤ガス流路は、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方
向の濃度低下の大筋の向きが，それぞれ逆方向となるよ
うに構成したものとする（請求項２）ことにより、温度
分布と拡散性を調節した拡散層によって、電解質の完全
な乾燥が抑制され、定常運転のセル温度でも、特別な加
湿操作なしに、電池反応を安定して持続させることがで
き、いわゆる無加湿の固体高分子電解質型燃料電池が提
供できる。
高分子電解質膜を挟んで配設した，触媒層と多孔質の拡
散層とからなるアノード電極およびカソード電極と、前
記アノード電極に水素を含む燃料ガスを供給・排出する
ための燃料ガス流路を有し，前記カソード電極に酸化剤
ガスを供給・排出するための酸化剤ガス流路を有してな
るセパレータとを備え、このセパレータは、冷却媒体に
より冷却可能に構成された固体高分子電解質型燃料電池
において、燃料電池の運転時に、前記酸化剤ガス流路の
酸化剤ガス供給側の温度が、酸化剤ガス排出側の温度よ
りも低くなるようにし、かつ、酸化剤ガス供給側の前記
拡散層のガス拡散性は、酸化剤ガス排出側のガス拡散性
よりも低くなるように構成したものとする（請求項
１）、さらに、上記請求項１において、前記燃料ガス流
路と酸化剤ガス流路は、燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方
向の濃度低下の大筋の向きが，それぞれ逆方向となるよ
うに構成したものとする（請求項２）ことにより、温度
分布と拡散性を調節した拡散層によって、電解質の完全
な乾燥が抑制され、定常運転のセル温度でも、特別な加
湿操作なしに、電池反応を安定して持続させることがで
き、いわゆる無加湿の固体高分子電解質型燃料電池が提
供できる。
【００３８】また、カーボンクロスまたはカーボンペー
パーからなる拡散層の内部に、カーボン粒子を固着させ
て気孔率を低下させた部分を作製し、反応ガス供給側と
排出側とでガス拡散性に差を設けた拡散層を製造するこ
とにより、上記固体高分子電解質型燃料電池に好適な拡
散層を提供できる。
パーからなる拡散層の内部に、カーボン粒子を固着させ
て気孔率を低下させた部分を作製し、反応ガス供給側と
排出側とでガス拡散性に差を設けた拡散層を製造するこ
とにより、上記固体高分子電解質型燃料電池に好適な拡
散層を提供できる。
【図１】この発明の実施例を示す要部構成断面図
【図２】反応ガスの流れ方向の濃度低下の大筋の向きに
関する説明図
関する説明図
【図３】この発明の異なる実施例を示す要部構成断面図
【図４】固体高分子電解質型燃料電池のセルの構成を示
す斜視図
す斜視図
１：電解質膜、２，２１：セパレータ、３，３１：拡散
層、４：燃料ガスの流れ方向、５：酸化剤ガスの流れ方
向、６：冷却水の流れ方向、１０：触媒層、１１：冷却
ファン、１２：冷却空気の流れ方向、７１，７２：反応
ガスの流路、８１：反応ガス入口マニホールド、８２：
反応ガス出口マニホールド。
層、４：燃料ガスの流れ方向、５：酸化剤ガスの流れ方
向、６：冷却水の流れ方向、１０：触媒層、１１：冷却
ファン、１２：冷却空気の流れ方向、７１，７２：反応
ガスの流路、８１：反応ガス入口マニホールド、８２：
反応ガス出口マニホールド。
Claims (5)
- 【請求項１】 固体高分子電解質膜を挟んで配設した，
触媒層と多孔質の拡散層とからなるアノード電極および
カソード電極と、前記アノード電極に水素を含む燃料ガ
スを供給・排出するための燃料ガス流路を有し，前記カ
ソード電極に酸化剤ガスを供給・排出するための酸化剤
ガス流路を有してなるセパレータとを備え、このセパレ
ータは、冷却媒体により冷却可能に構成された固体高分
子電解質型燃料電池において、燃料電池の運転時に、前
記酸化剤ガス流路の酸化剤ガス供給側の温度が、酸化剤
ガス排出側の温度よりも低くなるようにし、かつ、酸化
剤ガス供給側の前記拡散層のガス拡散性は、酸化剤ガス
排出側のガス拡散性よりも低くなるように構成したこと
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記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、前記燃料ガス流路と酸化剤ガス流路は、
燃料ガスと酸化剤ガスの流れ方向の濃度低下の大筋の向
きが，それぞれ逆方向となるように構成したことを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】 固体高分子電解質型燃料電池用拡散層の
製造方法において、カーボンクロスまたはカーボンペー
パーからなる拡散層の内部に、カーボン粒子を固着させ
て気孔率を低下させた部分を作製し、反応ガス供給側と
排出側とでガス拡散性に差を設けた拡散層を製造するこ
とを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用拡散層の
製造方法。 - 【請求項４】 請求項３記載の製造方法において、アセ
チレンブラックとＰＴＦＥとの分散液をカーボンクロス
またはカーボンペーパーに含浸，凝集後、熱処理するこ
とにより、カーボン粒子を固着させて気孔率を低下させ
た部分を作製することを特徴とする固体高分子電解質型
燃料電池用拡散層の製造方法。 - 【請求項５】 請求項３記載の製造方法において、カー
ボンクロスまたはカーボンペーパーにアセチレンブラッ
ク粉末を振りかけカーボン粒子を付着させた後、ＰＴＦ
Ｅ溶液を噴霧し、しかる後熱処理することにより、カー
ボン粒子を固着させて気孔率を低下させた部分を作製す
ることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池用拡散
層の製造方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11176789A JP2001006698A (ja) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11176789A JP2001006698A (ja) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001006698A true JP2001006698A (ja) | 2001-01-12 |
Family
ID=16019885
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11176789A Pending JP2001006698A (ja) | 1999-06-23 | 1999-06-23 | 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001006698A (ja) |
Cited By (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002216791A (ja) * | 2001-01-19 | 2002-08-02 | Sony Corp | 燃料電池及び燃料電池モジュール並びにスタック |
| JP2002216803A (ja) * | 2001-01-19 | 2002-08-02 | Sony Corp | 燃料電池及びその製法並びに使用方法 |
| WO2006085428A1 (ja) * | 2005-02-10 | 2006-08-17 | Sony Corporation | 電気化学エネルギー生成装置及びこの装置の駆動方法 |
| US7273672B2 (en) | 2002-04-23 | 2007-09-25 | Japan Aerospace Exploration Agency | Solid polymer electrolyte fuel cell |
| JP2007280904A (ja) * | 2006-04-12 | 2007-10-25 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| US7354670B2 (en) | 2002-06-26 | 2008-04-08 | Honda Giken Kosyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell with fuel gas adjustment mechanism |
| JP2008198567A (ja) * | 2007-02-15 | 2008-08-28 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
| US7566511B2 (en) | 2002-06-26 | 2009-07-28 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Solid polymer cell assembly |
| JP2012069260A (ja) * | 2010-09-21 | 2012-04-05 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
| CN102456886A (zh) * | 2010-10-26 | 2012-05-16 | 上海攀业氢能源科技有限公司 | 一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法 |
| WO2012114432A1 (ja) * | 2011-02-21 | 2012-08-30 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
| US9153825B2 (en) | 2008-12-02 | 2015-10-06 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Fuel cell |
| US9991529B2 (en) | 2008-03-26 | 2018-06-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and operating method of a fuel cell |
| JP2019125442A (ja) * | 2018-01-12 | 2019-07-25 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池セル |
| WO2022210069A1 (ja) * | 2021-03-31 | 2022-10-06 | 東レ株式会社 | 電極基材およびその製造方法 |
-
1999
- 1999-06-23 JP JP11176789A patent/JP2001006698A/ja active Pending
Cited By (19)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2002216803A (ja) * | 2001-01-19 | 2002-08-02 | Sony Corp | 燃料電池及びその製法並びに使用方法 |
| JP2002216791A (ja) * | 2001-01-19 | 2002-08-02 | Sony Corp | 燃料電池及び燃料電池モジュール並びにスタック |
| US7273672B2 (en) | 2002-04-23 | 2007-09-25 | Japan Aerospace Exploration Agency | Solid polymer electrolyte fuel cell |
| US7566511B2 (en) | 2002-06-26 | 2009-07-28 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Solid polymer cell assembly |
| US7354670B2 (en) | 2002-06-26 | 2008-04-08 | Honda Giken Kosyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell with fuel gas adjustment mechanism |
| JP4696580B2 (ja) * | 2005-02-10 | 2011-06-08 | ソニー株式会社 | 電気化学エネルギー生成装置及びこの装置の駆動方法 |
| JP2006221948A (ja) * | 2005-02-10 | 2006-08-24 | Sony Corp | 電気化学エネルギー生成装置及びこの装置の駆動方法 |
| WO2006085428A1 (ja) * | 2005-02-10 | 2006-08-17 | Sony Corporation | 電気化学エネルギー生成装置及びこの装置の駆動方法 |
| US7858254B2 (en) | 2005-02-10 | 2010-12-28 | Sony Corporation | Electrochemical energy generating apparatus and method of driving the same |
| JP2007280904A (ja) * | 2006-04-12 | 2007-10-25 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP2008198567A (ja) * | 2007-02-15 | 2008-08-28 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
| US9991529B2 (en) | 2008-03-26 | 2018-06-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and operating method of a fuel cell |
| US9153825B2 (en) | 2008-12-02 | 2015-10-06 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Fuel cell |
| JP2012069260A (ja) * | 2010-09-21 | 2012-04-05 | Nippon Soken Inc | 燃料電池 |
| CN102456886A (zh) * | 2010-10-26 | 2012-05-16 | 上海攀业氢能源科技有限公司 | 一种提高燃料电池中气体扩散层弯曲强度的方法 |
| WO2012114432A1 (ja) * | 2011-02-21 | 2012-08-30 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
| JP5408263B2 (ja) * | 2011-02-21 | 2014-02-05 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池 |
| JP2019125442A (ja) * | 2018-01-12 | 2019-07-25 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池セル |
| WO2022210069A1 (ja) * | 2021-03-31 | 2022-10-06 | 東レ株式会社 | 電極基材およびその製造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP4309965B1 (ja) | 燃料電池 | |
| WO2001017047A9 (fr) | Cellule electrochimique de type a electrolyte polymerique | |
| JP4956870B2 (ja) | 燃料電池および燃料電池の製造方法 | |
| JP2001006698A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法 | |
| JP2002289230A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
| TWI389381B (zh) | 高功率燃料電池之操作方法及高功率燃料電池系統 | |
| US20100233554A1 (en) | Fuel cell system and operating method thereof | |
| JP2002025584A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池とその加湿方法 | |
| WO2002073723A1 (fr) | Pile a combustible d'electrolyte polymere | |
| JPWO2002047190A1 (ja) | 高分子電解質型燃料電池と、その運転方法 | |
| CA2561634C (en) | Fuel cell | |
| JP2001006708A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP3734134B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JPH11135133A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP2002164057A (ja) | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 | |
| JP2005158298A (ja) | 燃料電池発電システムの運転方法および燃料電池発電システム | |
| US20110086288A1 (en) | Fuel cell structure with porous metal plate | |
| JP2001135326A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池および同スタック | |
| JP3500086B2 (ja) | 燃料電池用セル及びこれを用いた燃料電池 | |
| JP2001236977A (ja) | 固体高分子型燃料電池発電装置及び固体高分子型燃料電池の運転方法 | |
| JP2009043688A (ja) | 燃料電池 | |
| JP3736475B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2008218305A (ja) | 燃料電池 | |
| JP2000277130A (ja) | 固体高分子型燃料電池及び電解質膜の作製方法 | |
| JP2002289200A (ja) | 燃料電池 |