JP2001185175A - リン酸型燃料電池用セル - Google Patents
リン酸型燃料電池用セルInfo
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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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Abstract
(57)【要約】
【課題】 リン酸のセル外への浸出およびリン酸中の水
分の蒸発を防止する。 【解決手段】 リン酸型燃料電池用セル１は，耐熱性を
有する樹脂マトリックス２にリン酸を含浸させた電解質
３を，空気極４および燃料極５により挟んでなる積層体
６と，その積層体６を挟むと共にその積層体６の外周縁
よりも外側に在る環状食出し部７，８を有する２枚のセ
パレータ９，１０と，両環状食出し部７，８間に挟まれ
たシール部材１１とを有する。シール部材１１は耐熱性
樹脂よりなる２枚の環状板形シール構成体１３，１４を
有し，一方のシール構成体１３の内周縁部ａは空気極４
および電解質３の両外周縁部ｂ，ｃ間に挟まれ，また他
方のシール構成体１４の内周縁部ｄは燃料極５および電
解質３の両外周縁部ｅ，ｃ間に挟まれ，両シール構成体
１３，１４の内周縁部ａ，ｄよりも外側の主たる環状部
分ｆ，ｇは互に密着して両セパレータ９，１０の両環状
食出し部７，８間に挟まれている。
分の蒸発を防止する。 【解決手段】 リン酸型燃料電池用セル１は，耐熱性を
有する樹脂マトリックス２にリン酸を含浸させた電解質
３を，空気極４および燃料極５により挟んでなる積層体
６と，その積層体６を挟むと共にその積層体６の外周縁
よりも外側に在る環状食出し部７，８を有する２枚のセ
パレータ９，１０と，両環状食出し部７，８間に挟まれ
たシール部材１１とを有する。シール部材１１は耐熱性
樹脂よりなる２枚の環状板形シール構成体１３，１４を
有し，一方のシール構成体１３の内周縁部ａは空気極４
および電解質３の両外周縁部ｂ，ｃ間に挟まれ，また他
方のシール構成体１４の内周縁部ｄは燃料極５および電
解質３の両外周縁部ｅ，ｃ間に挟まれ，両シール構成体
１３，１４の内周縁部ａ，ｄよりも外側の主たる環状部
分ｆ，ｇは互に密着して両セパレータ９，１０の両環状
食出し部７，８間に挟まれている。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はリン酸型燃料電池用
セル，特に，耐熱性を有する樹脂マトリックスにリン酸
を含浸させた電解質を，空気極および燃料極により挟ん
でなる平板状積層体と，その平板状積層体を挟むと共に
その平板状積層体の外周縁よりも外側に在る環状食出し
部を有する２枚の平板状セパレータと，両環状食出し部
間に挟まれたシール部材とを有するセルに関する。こゝ
で，「環状」とは「無端状」と同義であり，これは以下
同じである。
セル，特に，耐熱性を有する樹脂マトリックスにリン酸
を含浸させた電解質を，空気極および燃料極により挟ん
でなる平板状積層体と，その平板状積層体を挟むと共に
その平板状積層体の外周縁よりも外側に在る環状食出し
部を有する２枚の平板状セパレータと，両環状食出し部
間に挟まれたシール部材とを有するセルに関する。こゝ
で，「環状」とは「無端状」と同義であり，これは以下
同じである。
【０００２】
【従来の技術】前記シール部材は両セパレータ間からの
水素および空気の洩れを防止するものであり，従来は樹
脂マトリックスの外周部を積層体の外周縁より延出させ
て，その延出部分をシール部材として用いる，といった
手段が採用されている。
水素および空気の洩れを防止するものであり，従来は樹
脂マトリックスの外周部を積層体の外周縁より延出させ
て，その延出部分をシール部材として用いる，といった
手段が採用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記のよ
うな手段を採用すると，樹脂マトリックスが持つ微細孔
を経てリン酸がセル外に浸出したり，また高い動作温度
（約２００℃）下で，樹脂マトリックス表面付近に存在
するリン酸中の水分が前記微細孔を経て蒸発するおそれ
があり，その上，コストの高い樹脂マトリックスを本来
の目的以外にも使用することになるので，その使用量の
増加がセルの高コスト化を招く，といった問題があっ
た。
うな手段を採用すると，樹脂マトリックスが持つ微細孔
を経てリン酸がセル外に浸出したり，また高い動作温度
（約２００℃）下で，樹脂マトリックス表面付近に存在
するリン酸中の水分が前記微細孔を経て蒸発するおそれ
があり，その上，コストの高い樹脂マトリックスを本来
の目的以外にも使用することになるので，その使用量の
増加がセルの高コスト化を招く，といった問題があっ
た。
【０００４】
【課題を解決するための手段】本発明はリン酸のセル外
への浸出およびリン酸中の水分の蒸発を防止し，また高
コスト化を抑制し得るようにした前記リン酸型燃料電池
用セルを提供することを目的とする。
への浸出およびリン酸中の水分の蒸発を防止し，また高
コスト化を抑制し得るようにした前記リン酸型燃料電池
用セルを提供することを目的とする。
【０００５】前記目的を達成するため本発明によれば，
耐熱性を有する樹脂マトリックスにリン酸を含浸させた
電解質を，空気極および燃料極により挟んでなる平板状
積層体と，その平板状積層体を挟むと共にその平板状積
層体の外周縁よりも外側に在る環状食出し部を有する２
枚の平板状セパレータと，両環状食出し部間に挟まれた
シール部材とを有するリン酸型燃料電池用セルにおい
て，前記シール部材は耐熱性樹脂よりなる２枚の環状板
形シール構成体を有し，一方のシール構成体の内周縁部
は前記空気極および前記電解質の両外周縁部間に挟ま
れ，また他方のシール構成体の内周縁部は前記燃料極お
よび前記電解質の両外周縁部間に挟まれ，両シール構成
体の前記内周縁部よりも外側の主たる環状部分は互に密
着して前記両セパレータの前記両環状食出し部間に挟ま
れているリン酸型燃料電池用セルが提供される。
耐熱性を有する樹脂マトリックスにリン酸を含浸させた
電解質を，空気極および燃料極により挟んでなる平板状
積層体と，その平板状積層体を挟むと共にその平板状積
層体の外周縁よりも外側に在る環状食出し部を有する２
枚の平板状セパレータと，両環状食出し部間に挟まれた
シール部材とを有するリン酸型燃料電池用セルにおい
て，前記シール部材は耐熱性樹脂よりなる２枚の環状板
形シール構成体を有し，一方のシール構成体の内周縁部
は前記空気極および前記電解質の両外周縁部間に挟ま
れ，また他方のシール構成体の内周縁部は前記燃料極お
よび前記電解質の両外周縁部間に挟まれ，両シール構成
体の前記内周縁部よりも外側の主たる環状部分は互に密
着して前記両セパレータの前記両環状食出し部間に挟ま
れているリン酸型燃料電池用セルが提供される。
【０００６】前記のように構成すると，電解質，空気極
および燃料極の各外周面をシール部材によりシールし
て，リン酸のセル外への浸出およびリン酸中の水分の蒸
発を防止することができる。またシール部材としては樹
脂マトリックスよりも低コストな材料よりなるものを用
いることが可能であるから，セルの高コスト化を十分に
抑制することができる。
および燃料極の各外周面をシール部材によりシールし
て，リン酸のセル外への浸出およびリン酸中の水分の蒸
発を防止することができる。またシール部材としては樹
脂マトリックスよりも低コストな材料よりなるものを用
いることが可能であるから，セルの高コスト化を十分に
抑制することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１，２において，リン酸型燃料
電池用セル１は，耐熱性を有する樹脂マトリックス２に
リン酸を含浸させた電解質３を，空気極（＋）４および
燃料極（−）５により挟んでなる平面四角形の平板状積
層体６と，その平板状積層体６を挟むと共にその平板状
積層体６の外周縁よりも外側に在る環状食出し部７，８
を有する２枚の平面四角形の平板状セパレータ９，１０
と，両環状食出し部７，８間に挟まれたシール部材１１
とを有する。図中，１２１，１２２は，セパレータ９，
１０およびシール部材１１の四隅にそれぞれ形成され
た，複数のセル１を積層してなるスタックの締付ボルト
用挿通孔である。
電池用セル１は，耐熱性を有する樹脂マトリックス２に
リン酸を含浸させた電解質３を，空気極（＋）４および
燃料極（−）５により挟んでなる平面四角形の平板状積
層体６と，その平板状積層体６を挟むと共にその平板状
積層体６の外周縁よりも外側に在る環状食出し部７，８
を有する２枚の平面四角形の平板状セパレータ９，１０
と，両環状食出し部７，８間に挟まれたシール部材１１
とを有する。図中，１２１，１２２は，セパレータ９，
１０およびシール部材１１の四隅にそれぞれ形成され
た，複数のセル１を積層してなるスタックの締付ボルト
用挿通孔である。
【０００８】シール部材１１は耐熱性樹脂よりなる２枚
の平面四角形をなす環状板形シール構成体１３，１４を
有する。一方のシール構成体１３の内周縁部ａは空気極
４および電解質３の両外周縁部ｂ，ｃ間に挟まれて接合
される。また他方のシール構成体１４の内周縁部ｄは燃
料極５および電解質３の両外周縁部ｅ，ｃ間に挟まれて
接合される。両シール構成体１３，１４の内周縁部ａ，
ｄよりも外側の主たる環状部分ｆ，ｇは互に密着して，
この実施例では溶着されて両セパレータ９，１０の両環
状食出し部７，８間に挟まれている。電解質３，したが
って樹脂マトリックス２の外周縁部ｃは圧縮変形により
高密度化してシール性を持つ。
の平面四角形をなす環状板形シール構成体１３，１４を
有する。一方のシール構成体１３の内周縁部ａは空気極
４および電解質３の両外周縁部ｂ，ｃ間に挟まれて接合
される。また他方のシール構成体１４の内周縁部ｄは燃
料極５および電解質３の両外周縁部ｅ，ｃ間に挟まれて
接合される。両シール構成体１３，１４の内周縁部ａ，
ｄよりも外側の主たる環状部分ｆ，ｇは互に密着して，
この実施例では溶着されて両セパレータ９，１０の両環
状食出し部７，８間に挟まれている。電解質３，したが
って樹脂マトリックス２の外周縁部ｃは圧縮変形により
高密度化してシール性を持つ。
【０００９】耐熱性を有する樹脂マトリックス２は少な
くとも窒素を含むヘテロ環構造を持つポリマ，例えばポ
リベンズイミダゾールよりなる高分子膜である。このよ
うな耐熱性高分子膜は米国特許第5,525,436 号明細書に
開示されており，そこに開示された各種の耐熱性高分子
膜が本発明において用いられる。
くとも窒素を含むヘテロ環構造を持つポリマ，例えばポ
リベンズイミダゾールよりなる高分子膜である。このよ
うな耐熱性高分子膜は米国特許第5,525,436 号明細書に
開示されており，そこに開示された各種の耐熱性高分子
膜が本発明において用いられる。
【００１０】前記耐熱性高分子膜は電極反応による温度
上昇に十分に耐え得る。またリン酸としては，沸点の高
い濃厚なもの（８５％以上）が用いられ，そのリン酸は
前記温度上昇下においても高分子膜に保持されてプロト
ン伝導の媒体をなす。このようなセル１は小型・軽量化
を図られており，またその動作温度を，例えば，最高２
００℃程度に高めてその発生熱を有効に利用することが
可能であるから，車載用として好適である。ただし，動
作温度が２１０℃になると，リン酸は分解して酸化リン
が生じる。
上昇に十分に耐え得る。またリン酸としては，沸点の高
い濃厚なもの（８５％以上）が用いられ，そのリン酸は
前記温度上昇下においても高分子膜に保持されてプロト
ン伝導の媒体をなす。このようなセル１は小型・軽量化
を図られており，またその動作温度を，例えば，最高２
００℃程度に高めてその発生熱を有効に利用することが
可能であるから，車載用として好適である。ただし，動
作温度が２１０℃になると，リン酸は分解して酸化リン
が生じる。
【００１１】空気極４および燃料極５はカーボンファイ
バクロスおよび触媒金属（例えばＰｔ）よりなり，また
各セパレータ９，１０は黒鉛化炭素，ステンレス鋼（耐
腐食性処理を施されたものを含む）等より構成される。
空気極４側のセパレータ９に存する複数の溝１５に空気
が，また燃料極５側のセパレータ１０に存する複数の溝
１６に水素（燃料）がそれぞれ供給される。
バクロスおよび触媒金属（例えばＰｔ）よりなり，また
各セパレータ９，１０は黒鉛化炭素，ステンレス鋼（耐
腐食性処理を施されたものを含む）等より構成される。
空気極４側のセパレータ９に存する複数の溝１５に空気
が，また燃料極５側のセパレータ１０に存する複数の溝
１６に水素（燃料）がそれぞれ供給される。
【００１２】シール部材１１，即ち，両シール構成体１
３，１４はポリイミド樹脂（例えば，デュポン社製，商
品名カプトン）より構成されている。
３，１４はポリイミド樹脂（例えば，デュポン社製，商
品名カプトン）より構成されている。
【００１３】前記のように構成すると，電解質３，した
がって樹脂マトリックス２，空気極４および燃料極５の
各外周面をシール部材１１によりシールして，リン酸の
セル１外への浸出およびリン酸中の水分の蒸発を防止す
ることができる。またシール部材１１としては樹脂マト
リックス２よりも低コストな材料よりなるものを用いた
ので，セル１の高コスト化を十分に抑制することができ
る。
がって樹脂マトリックス２，空気極４および燃料極５の
各外周面をシール部材１１によりシールして，リン酸の
セル１外への浸出およびリン酸中の水分の蒸発を防止す
ることができる。またシール部材１１としては樹脂マト
リックス２よりも低コストな材料よりなるものを用いた
ので，セル１の高コスト化を十分に抑制することができ
る。
【００１４】平板状積層体６の形成およびその積層体６
とシール部材１１との接合に当っては，先ず，図３
（ａ）に示すように一方の環状板形シール構成体１３の
内周縁部ａに平板状空気極４の外周縁部ｂを重ね合せ，
次いで１６０℃，４ＭＰａの条件でホットプレスを行う
ことによって，図３（ｂ）に示すように，シール構成体
１３の内周縁部ａを圧縮変形させた状態で両者４，１３
を接合した。
とシール部材１１との接合に当っては，先ず，図３
（ａ）に示すように一方の環状板形シール構成体１３の
内周縁部ａに平板状空気極４の外周縁部ｂを重ね合せ，
次いで１６０℃，４ＭＰａの条件でホットプレスを行う
ことによって，図３（ｂ）に示すように，シール構成体
１３の内周縁部ａを圧縮変形させた状態で両者４，１３
を接合した。
【００１５】また図４（ａ）に示すように他方の環状板
形シール構成体１４の内周縁部ｄを平板状燃料極５の外
周縁部ｅに重ね合せ，次いで１６０℃，４ＭＰａの条件
でホットプレスを行うことによって，図４（ｂ）に示す
ように，シール構成体１４の内周縁部ｄを圧縮変形させ
た状態で両者５，１４を接合した。
形シール構成体１４の内周縁部ｄを平板状燃料極５の外
周縁部ｅに重ね合せ，次いで１６０℃，４ＭＰａの条件
でホットプレスを行うことによって，図４（ｂ）に示す
ように，シール構成体１４の内周縁部ｄを圧縮変形させ
た状態で両者５，１４を接合した。
【００１６】さらに，図５に示すように空気極４および
燃料極５をそれぞれ外側に位置させて，両シール構成体
１３，１４の内周縁部ａ，ｄ間に電解質３，したがって
リン酸を含浸させた平板状樹脂マトリックス２の外周縁
部ｃを挟み，次いで１６０℃，４ＭＰａの条件でホット
プレスを行うことによって，図１に示すように，樹脂マ
トリックス２の外周縁部ｃを圧縮変形させた状態で，そ
れら１３，２，１４および１３，１４を接合した。
燃料極５をそれぞれ外側に位置させて，両シール構成体
１３，１４の内周縁部ａ，ｄ間に電解質３，したがって
リン酸を含浸させた平板状樹脂マトリックス２の外周縁
部ｃを挟み，次いで１６０℃，４ＭＰａの条件でホット
プレスを行うことによって，図１に示すように，樹脂マ
トリックス２の外周縁部ｃを圧縮変形させた状態で，そ
れら１３，２，１４および１３，１４を接合した。
【００１７】接合強度の向上を図るべく，図６に示すよ
うに，両シール構成体１３，１４の両面にポリテトラフ
ルオロエチレンよりなる接着剤のコーティング層１７を
設けることが行われる。これにより図７に示すように，
一方のシール構成体１３の内周縁部ａと，空気極４およ
び電解質２，したがって樹脂マトリックス２の両外周縁
部ｂ，ｃとの間，また他方のシール構成体１４の内周縁
部ｄと，燃料極５および樹脂マトリックス２の両外周縁
部ｃ，ｅとの間，さらに前記両シール構成体１３，１４
の内周縁部ａ，ｄよりも外側の主たる環状部分ｆ，ｇ間
にそれぞれテトラフロオロエチレンよりなる接着層１８
が存在する。
うに，両シール構成体１３，１４の両面にポリテトラフ
ルオロエチレンよりなる接着剤のコーティング層１７を
設けることが行われる。これにより図７に示すように，
一方のシール構成体１３の内周縁部ａと，空気極４およ
び電解質２，したがって樹脂マトリックス２の両外周縁
部ｂ，ｃとの間，また他方のシール構成体１４の内周縁
部ｄと，燃料極５および樹脂マトリックス２の両外周縁
部ｃ，ｅとの間，さらに前記両シール構成体１３，１４
の内周縁部ａ，ｄよりも外側の主たる環状部分ｆ，ｇ間
にそれぞれテトラフロオロエチレンよりなる接着層１８
が存在する。
【００１８】なお，コーティング層１７は，一方のシー
ル構成体１３の空気極４側の面においては，その空気極
４との重ね合せ部分にのみ，また他方のシール構成体１
４の燃料極５側の面においては，その燃料極５との重ね
合せ部分にのみ，それぞれ設けるようにしてもよい。
ル構成体１３の空気極４側の面においては，その空気極
４との重ね合せ部分にのみ，また他方のシール構成体１
４の燃料極５側の面においては，その燃料極５との重ね
合せ部分にのみ，それぞれ設けるようにしてもよい。
【００１９】
【発明の効果】本発明によれば前記のように構成するこ
とによって，樹脂マトリックス中に存在するリン酸のセ
ル外への浸出および樹脂マトリックス表面付近に存在す
るリン酸中の水分の蒸発を防止すると共に高コスト化を
抑制したリン酸型燃料電池用セルを提供することができ
る。
とによって，樹脂マトリックス中に存在するリン酸のセ
ル外への浸出および樹脂マトリックス表面付近に存在す
るリン酸中の水分の蒸発を防止すると共に高コスト化を
抑制したリン酸型燃料電池用セルを提供することができ
る。
【図１】セルの断面図である。
【図２】積層体とシール部材との関係を示す分解図であ
る。
る。
【図３】空気極と一方のシール構成体との接合工程を示
す断面図である。
す断面図である。
【図４】燃料極と他方のシール構成体との接合工程を示
す断面図である。
す断面図である。
【図５】空気極および一方のシール構成体よりなる接合
体と，電解質と，燃料極および他方のシール構成体より
なる接合体とを重ね合せた状態を示す断面図である。
体と，電解質と，燃料極および他方のシール構成体より
なる接合体とを重ね合せた状態を示す断面図である。
【図６】接着剤よりなるコーティング層を有するシール
構成体の要部拡大断面図である。
構成体の要部拡大断面図である。
【図７】積層体とシール部材との接合構造を示す要部拡
大断面図である。
大断面図である。
１………………セル ２………………樹脂マトリックス ３………………電解質 ４………………空気極 ５………………燃料極 ６………………積層体 ７，８…………環状食出し部 ９，１０………セパレータ １１……………シール部材 １３，１４……シール構成体 １８……………接着層 ａ，ｄ…………内周縁部 ｂ，ｃ，ｅ……外周縁部 ｆ，ｇ…………主たる環状部分
Claims (3)
- 【請求項１】 耐熱性を有する樹脂マトリックス（２）
にリン酸を含浸させた電解質（３）を，空気極（４）お
よび燃料極（５）により挟んでなる平板状積層体（６）
と，その平板状積層体（６）を挟むと共にその平板状積
層体（６）の外周縁よりも外側に在る環状食出し部
（７，８）を有する２枚の平板状セパレータ（９，１
０）と，両環状食出し部（７，８）間に挟まれたシール
部材（１１）とを有するリン酸型燃料電池用セルにおい
て，前記シール部材（１１）は耐熱性樹脂よりなる２枚
の環状板形シール構成体（１３，１４）を有し，一方の
シール構成体（１３）の内周縁部（ａ）は前記空気極
（４）および前記電解質（３）の両外周縁部（ｂ，ｃ）
間に挟まれ，また他方のシール構成体（１４）の内周縁
部（ｄ）は前記燃料極（５）および前記電解質（３）の
両外周縁部（ｅ，ｃ）間に挟まれ，両シール構成体（１
３，１４）の前記内周縁部（ａ，ｄ）よりも外側の主た
る環状部分（ｆ，ｇ）は互に密着して前記両セパレータ
（９，１０）の前記両環状食出し部（７，８）間に挟ま
れていることを特徴とするリン酸型燃料電池用セル。 - 【請求項２】 前記樹脂マトリックス（２）はポリベン
ズイミダゾールよりなる高分子膜であり，前記シール部
材（１１）はポリイミド樹脂よりなる，請求項１記載の
リン酸型燃料電池用セル。 - 【請求項３】 前記一方のシール構成体（１３）の内周
縁部（ａ）と，前記空気極（４）および前記電解質
（３）の両外周縁部（ｂ，ｃ）との間，また他方のシー
ル構成体（１４）の内周縁部（ｄ）と，前記燃料極
（５）および前記電解質（３）の両外周縁部（ｅ，ｃ）
との間，さらに前記両シール構成体（１３，１４）の内
周縁部（ａ，ｄ）よりも外側の主たる環状部分（ｆ，
ｇ）間にそれぞれテトラフルオロエチレンよりなる接着
層（１８）が存在する，請求項１または２記載のリン酸
型燃料電池用セル。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36812699A JP2001185175A (ja) | 1999-12-24 | 1999-12-24 | リン酸型燃料電池用セル |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP36812699A JP2001185175A (ja) | 1999-12-24 | 1999-12-24 | リン酸型燃料電池用セル |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001185175A true JP2001185175A (ja) | 2001-07-06 |
Family
ID=18491036
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP36812699A Pending JP2001185175A (ja) | 1999-12-24 | 1999-12-24 | リン酸型燃料電池用セル |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001185175A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2005507003A (ja) * | 2001-10-25 | 2005-03-10 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 双性イオン性イミド |
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