JP2001143739A

JP2001143739A - 高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JP2001143739A
Application number: JP32401199A
Authority: JP
Inventors: Kazufumi Nishida; 和史西田; Junji Niikura; 順二新倉; Kazuhito Hado; 一仁羽藤; Satoru Fujii; 覚藤井; Toshihiro Matsumoto; 敏宏松本; Masao Yamamoto; 雅夫山本; Hideo Obara; 英夫小原; Tatsuto Yamazaki; 達人山崎; Shinsuke Takeguchi; 伸介竹口
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-11-15
Filing date: 1999-11-15
Publication date: 2001-05-25

Abstract

(57)【要約】【課題】小型軽量で、機器搭載性の自由度が高い高分
子電解質型燃料電池を提供する。【解決手段】高分子電解質型燃料電池の構成要素であ
る、出力ターミナルの一方と、供給用マニホールド注入
口と、排出用マニホールド排出口とを同一面に配置す
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高分子電解質型燃料電池に関し、特
にその構造に関する。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質型燃料電池は、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２を
用いて説明する。

【０００３】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２３が構成される。電極２
３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）２２を
構成している。また、電極２３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Ｍ
ＥＡ２２と一体化していてもよい。

【０００４】ＭＥＡ２２の外側には、これを機械的に固
定するとともに、隣接したＭＥＡ２２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ＭＥＡ２２と接触する部分には、
電極２３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、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。

【０００５】上記のような燃料電池においては、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
２３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２３の周りに、樹脂や金属板か
らなり、電極２３と同程度の厚さを有するガスケット１
９を配し、セパレータ板４とガスケット１９の隙間をグ
リースや接着剤でシールした構造もある。

【０００６】さらに近年では、ＭＥＡ２２を用い、図４
に示すように、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４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。

【０００７】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。

【０００８】また、図２〜４に示すように、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。こ
のような積層電池では、マニホー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
れらマニホールドの配置形態により、内部マニホールド
型と外部マニホールド型に分類される。

【０００９】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ールド型が一般的
である。内部マニホルド型の高分子型燃料電池の一例と
して、図５に、その一部を切り欠いた斜視図を示す。図
２と同様にして、拡散層１、触媒反応層２、高分子電解
質膜３およびセパレータ板４が積層され、ガス流路５が
形成されている。そして、電池にガスを供給または排気
するマニホルド８、電池を冷却するための水を電池に供
給する、またはこれを排出するマニホルド８’が形成さ
れている。しかしながら、内部マニホールド型では、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、マニホー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、
外部マニホールド型が見直されている。

【００１０】内部マニホ−ルド型の燃料電池の場合、電
池全体に恒常的な締め付け圧を加えているため、一般的
にガスシ−ルに対する信頼性は高い。一方、外部マニホ
−ルド型の燃料電池の場合、マニホ−ルドのフランジ面
に接する積層電池の側面が、ＭＥＡやセパレ−タ−など
の薄板の積層体であるため、平滑なシ−ル面が得難く、
一般的に、内部マニホ−ルド方式に対してガスシ−ルに
対する信頼性が低い。

【００１１】しかし、内部マニホールド方式の場合、電
池の積層数や電力出力が大きくなってくると、この内部
マニホールド孔を通って大量の流体を供給排出しなけれ
ばならず、マニホールド部での圧損が大きくなる。した
がって、積層数の小さい燃料電池では、電池全体のコン
パクト性を考慮して、孔径の小さいマニホールド孔に
し、逆に積層数の大きい燃料電池では圧損を抑えるため
に孔径の大きなマニホールド孔にする必要がある。その
ため、内部マニホールド方式では、セパレータやＭＥＡ
の設計において、常に積層数を考慮しなければならない
という課題があった。

【００１２】内部マニホールド型および外部マニホール
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。

【００１３】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。

【００１４】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、各流体は、マニホールドに接
続された配管により供給・排出されていた。この時、電
流を出力する方向、各流体がマニホールドに流入する方
向およびマニホールドから流出する方向が平行でない
と、配線・配管が複雑になり、機器搭載性の自由度が低
かったりした。

【００１５】また、積層電池が安定的に性能を発揮する
ためには、単電池に生成あるいは結露した水を除去する
ことが必要である。一般的には、ポリテトラフルオロエ
チレンなどのフッ素樹脂でガス流路の表面をコートする
方法が用いられているが、フッ素樹脂は撥水性が十分で
はなく、電池の運転条件によっては、性能の低下を招い
ていた。

【００１６】

【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
が高い高分子電解質型燃料電池を提供することを目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質膜
と、前記高分子電解質膜を挟む位置に配置した一対の電
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積層し、前
記積層部の両端に一対の集電板を配置し、前記集電板と
物理的接触を有する一対の出力ターミナルを具備した電
池スタック部分と、前記単電池に前記燃料ガスと前記酸
化剤ガスおよび及び前記単電池を冷却するための冷却水
を分配供給する供給用マニホールドと、前記供給用マニ
ホールドに前記燃料ガスと前記酸化剤ガス及び前記冷却
水を注入するための供給用マニホールド注入口と、前記
単電池に供給した前記燃料ガスと前記酸化剤ガス及び前
記冷却水を排出するための排出用マニホールドと、前記
排出用マニホールドから前記燃料ガスと前記酸化剤ガス
及び前記冷却水を排出するための排出用マニホールド排
出口とを備えた高分子電解質型燃料電池であって、前記
一対の出力ターミナルの一方と、前記供給用マニホール
ド注入口と、前記排出用マニホールド排出口とを同一面
に配置したことを特徴とする。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型燃料電池
は、高分子電解質膜と、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、単電池の集電を行う集電板から電流を出
力する方向と、燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水と
が、供給用マニホールドに流入する方向と、排出用マニ
ホールドから流出する方向とを平行に構成する。

【００１９】本発明の他の高分子電解質型燃料電池は、
高分子電解質膜と、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
ールドと、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ールドとを備え
た高分子電解質型燃料電池であって、燃料ガス供給用マ
ニホールドと酸化剤ガス供給用マニホールドとを、それ
ぞれの排出用マニホールドの上部に配置する。

【００２０】本発明では、単電池の集電を行う集電板か
ら電流を出力する方向と、燃料ガス、酸化剤ガスおよび
冷却水とが、供給用マニホールドに流入する方向と、排
出用マニホールドから流出する方向とを平行に構成す
る。このことにより、外部機器との電気的接続や各流体
の配管の接続が一対の二側面に収まり、機器搭載性の自
由度の向上が実現される。

【００２１】また、本発明では、燃料ガス供給用マニホ
ールドと酸化剤ガス供給用マニホールドとを、それぞれ
の排出用マニホールドの上部に配置した構成を用いる。
燃料ガスと酸化剤ガスとは、各単電池の側面から流入
し、各単電池を通過後、流入した側面から流出させても
向かい合う側面から流出させてもよい。これにより、積
層電池の運転に必要な燃料ガスと酸化剤ガスの各流体の
流れ方向が、各単電池内を重力方向に流れる構成とす
る。そのため、動圧による圧力勾配に重力が加わること
で、各単電池の駆動時に発生する水分を効率よく排出さ
せることが可能になり、長期に渡って高い信頼性が得ら
れる。

【００２２】

【実施例】本発明の実施例を、図面を参照しながら説明
する。

【００２３】《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。

【００２４】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。次に撥水処
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２
３を得た。

【００２５】得られた電極２３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）２２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。

【００２６】得られたＭＥＡ２２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。

【００２７】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
ホールド孔１１と冷却水のマニホールド孔１２が配され
ている。また、ＭＥＡ２２をセパレータ板４で挟み込む
際、電極２３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。

【００２８】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２４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２４のシール用にＯリング１８は用いなかっ
た。

【００２９】得られた電池構成単位の複数を積層して燃
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、その両積層面
に、金属製の集電板および絶縁板を重ね合わせ、さらに
その表面に端板を重ね合わせた。一対の端板は、それぞ
れその側部に凹部を有する。この凹部に締結ロッドを係
止して積層電池を固定した。絶縁板および端板は、それ
ぞれ貫通した孔およびを有する。この孔およびを貫通し
て、一対の集電部材を装着した。集電部材の先端は、集
電板と導通していて、出力端子として機能する。なお、
集電部材と端板とは電気絶縁材料により絶縁されてい
る。この端板と集電部材を絶縁する電気絶縁材料は、絶
縁板と一体であっても同様の効果を有する。

【００３０】次に、図１のように、ステンレス鋼製の半
円筒状の外部マニホールド１３を積層電池側面に露出す
る空気の供給口の列を覆うように設けた。同様にして、
空気の排出口、水素の供給口とその排出口、冷却水の供
給口とその排出口の列をそれぞれ覆うようにマニホール
ドを設けた。これらの外部マニホールド１３の固定は端
板部ビス１４で行った。また、外部マニホールドと電池
の側表面を覆うシール材との間のシールは、独立気泡を
有するのエチレン−プロピレン−ジエン三元共重合体配
合物（ＥＰＤＭ）シ−トを所定の外部マニホ−ルドシ−
ル面の形にカットしてガスケット１６とした。

【００３１】このような構成とすることで、電気の取り
出しや各流体の供給・排出に際し、積層電池と機器等を
接続する接続部材やマニホールドと各流体の配管を接続
する接続部材が積層電池の一対の二側面に収まり、機器
搭載性の自由度が向上する。

【００３２】《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５０セル積層した積層電池を用い、燃
料電池を組み立てた。

【００３３】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設けられ
た燃料ガス供給管、酸化剤ガス供給管および冷却水供給
管より、図中矢印方向に供給される。これらの供給管
は、積層電池の各マニホールド孔に接続されている。

【００３４】積層電池内を通過した各流体は、燃料ガス
排出管、酸化剤ガス排出管および冷却水排出管より、電
池外に図中矢印方向に排出される。この端板と集電部材
を絶縁する電気絶縁材料は、絶縁板と一体であっても同
様の効果を有する。

【００３５】このような構成をとることで、積層電池の
運転に必要な燃料ガスと酸化剤ガスの各流体の流れ方向
が、各単電池内を重力方向に流れることになる。これに
より、動圧による圧力勾配に重力が加わることで、各単
電池の駆動時に発生する水分を効率よく排出させること
が可能になり、長期に渡って高い信頼性を得ることがで
きる。

【００３６】

【発明の効果】本発明によると、積層電池への各流体の
供給、積層電池からの各流体の排出および積層電池から
の電気の取り出しに際し、積層電池と機器等を接続する
接続部材やマニホールドと各流体の配管を接続する説側
部材が、積層電池の一対の二側面に収まり、機器搭載性
の自由度の向上を図ることができる。

【００３７】また、本発明によると、各単電池の駆動時
に発生する水分を、動圧による圧力勾配と、重力で効率
よく排出することが可能になり、長期に渡る高い信頼性
に寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例で作製した高分子型燃料電池
の外観を示す斜視図

【図２】従来の高分子電解質型燃料電池の構造を示す一
部概略断面図

【図３】別の従来の高分子電解質型燃料電池の構造を示
す一部概略断面図

【図４】固体高分子型燃料電池における流体のシール方
式の例を示した要部の縦断面図

【図５】内部マニホルド型の高分子電解質型燃料電池の
一部切り欠き斜視図

【符号の説明】

１電極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８ガス用マニホールド８’ 冷却水用マニホールド１３外部マニホルド１４ビス１６ガスケット１７シール材１８Ｏリング１９ガスケット２１樹脂２２電極電解質接合体２３電極２４冷却水流路

───────────────────────────────────────────────────── 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)発明者藤井覚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 (72)発明者山本雅夫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)発明者小原英夫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)発明者山崎達人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)発明者竹口伸介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 CX09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜
を挟む位置に配置した一対の電極と、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積層し、前記積層部の両端に一対の
集電板を配置し、前記集電板と物理的接触を有する一対
の出力ターミナルを具備した電池スタック部分と、前記
単電池に前記燃料ガスと前記酸化剤ガスおよび及び前記
単電池を冷却するための冷却水を分配供給する供給用マ
ニホールドと、前記供給用マニホールドに前記燃料ガス
と前記酸化剤ガス及び前記冷却水を注入するための供給
用マニホールド注入口と、前記単電池に供給した前記燃
料ガスと前記酸化剤ガス及び前記冷却水を排出するため
の排出用マニホールドと、前記排出用マニホールドから
前記燃料ガスと前記酸化剤ガス及び前記冷却水を排出す
るための排出用マニホールド排出口とを備えた高分子電
解質型燃料電池であって、前記一対の出力ターミナルの
一方と、前記供給用マニホールド注入口と、前記排出用
マニホールド排出口とを同一面に配置したことを特徴と
する高分子電解質型燃料電池。