JP2002246042A - プロトン交換膜燃料電池からなるモジュール化単電池及び組立電池ユニット - Google Patents
プロトン交換膜燃料電池からなるモジュール化単電池及び組立電池ユニットInfo
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 反応ガスが間隙から漏れることを防止するこ
と。 【解決手段】 本発明は、陽極双極板、陰極双極板、そ
れらに挟まれた膜電極アセンブリからなるプロトン交換
膜燃料電池からなる単電池モジュールの新規構造に関す
るものである。該膜電極アセンブリは、前記陽極・陰極
双極板間の中央部分に実質的に挟まれ、前記陽極・陰極
双極板間の円周部分に所望量のシリコンラバーをプログ
ラムされたロボットアームを用いて適用し、硬化後に所
定圧縮圧で前記陽極・陰極双極板を弾性をもって封止・
位置決めして一体型単電池モジュールを構成する。
と。 【解決手段】 本発明は、陽極双極板、陰極双極板、そ
れらに挟まれた膜電極アセンブリからなるプロトン交換
膜燃料電池からなる単電池モジュールの新規構造に関す
るものである。該膜電極アセンブリは、前記陽極・陰極
双極板間の中央部分に実質的に挟まれ、前記陽極・陰極
双極板間の円周部分に所望量のシリコンラバーをプログ
ラムされたロボットアームを用いて適用し、硬化後に所
定圧縮圧で前記陽極・陰極双極板を弾性をもって封止・
位置決めして一体型単電池モジュールを構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、プロトン交換膜燃
料電池からなる単電池に関するものであり、特にプロト
ン交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cel
l, PEMFC)を組み立てるため予め良好に作製されたモジ
ュール化単電池及び近似した考えで複数の単電池から組
み立てられた電池ユニットに関するものである。
料電池からなる単電池に関するものであり、特にプロト
ン交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cel
l, PEMFC)を組み立てるため予め良好に作製されたモジ
ュール化単電池及び近似した考えで複数の単電池から組
み立てられた電池ユニットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】今日では、嘗てないほど多量のエネルギ
ーを社会は必要としている。２１世紀の産業界の需要は
従来のエネルギー供給では賄えない。残念ながら、我々
がこれまで依存してきた従来のエネルギーは今後数十年
以内には枯渇するであろう。環境に深刻な汚染を引き起
こす従来のエネルギーは生命の発展に悪影響を及ぼす。
ーを社会は必要としている。２１世紀の産業界の需要は
従来のエネルギー供給では賄えない。残念ながら、我々
がこれまで依存してきた従来のエネルギーは今後数十年
以内には枯渇するであろう。環境に深刻な汚染を引き起
こす従来のエネルギーは生命の発展に悪影響を及ぼす。
【０００３】従って、世界の殆どの国々では枯渇する従
来のエネルギー源に替わる新しいエネルギー源を模索し
ている。現在のところ、石油、ディーゼルオイル、その
他の化石燃料に替わることができる成功していて、効果
的かつクリーンなエネルギーは水素エネルギーであると
いうのは科学者らの一致した意見である。燃料電池と
は、水素と酸素の化学エネルギーを電極反応により直接
電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池は燃焼
反応を伴わないため、エネルギーの損失、汚染、騒音な
どがない。燃料電池のエネルギー変換効率は最高６０％
から８０％であるため、技術研究や開発の分野では広く
用いられている。
来のエネルギー源に替わる新しいエネルギー源を模索し
ている。現在のところ、石油、ディーゼルオイル、その
他の化石燃料に替わることができる成功していて、効果
的かつクリーンなエネルギーは水素エネルギーであると
いうのは科学者らの一致した意見である。燃料電池と
は、水素と酸素の化学エネルギーを電極反応により直接
電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池は燃焼
反応を伴わないため、エネルギーの損失、汚染、騒音な
どがない。燃料電池のエネルギー変換効率は最高６０％
から８０％であるため、技術研究や開発の分野では広く
用いられている。
【０００４】これまでに開発された燃料電池は約５種類
ある。各種燃料電池にはそれなりの長所、短所、適用範
囲がある。プロトン交換膜燃料電池固有の長所は、長い
有効寿命、低い作動温度、高効率パワー密度、調整可能
なパワー出力であり、一般的に機械にはこれらの長所が
全て採用されている。このため、プロトン交換膜燃料電
池は従来の車両の機械的動力源の代替分野では最も有力
な動力源である。
ある。各種燃料電池にはそれなりの長所、短所、適用範
囲がある。プロトン交換膜燃料電池固有の長所は、長い
有効寿命、低い作動温度、高効率パワー密度、調整可能
なパワー出力であり、一般的に機械にはこれらの長所が
全て採用されている。このため、プロトン交換膜燃料電
池は従来の車両の機械的動力源の代替分野では最も有力
な動力源である。
【０００５】以下は、燃料電池の基本的動作原理であ
る。
る。
【０００６】燃料電池は水素と酸素を用いて電気化学反
応を進めて水の生成と電気エネルギーの放出を行うよう
になっており、基本的には水の電気分解の逆を行う装置
と考えることができる。この装置は４つの導電性要素、
すなわち、陽極、陰極、電解質及び外部回路からなる。
図７は基本構成を示す概略図である。
応を進めて水の生成と電気エネルギーの放出を行うよう
になっており、基本的には水の電気分解の逆を行う装置
と考えることができる。この装置は４つの導電性要素、
すなわち、陽極、陰極、電解質及び外部回路からなる。
図７は基本構成を示す概略図である。
【０００７】（１）では水素を陽極へ導入する。（２）
では陽極触媒（anode catalysis）でＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-
の陽極反応を起こさせる。（３）、電池の他端で酸素
（または空気）を陰極へ導入する。その間に、Ｈ+は電
解質を介して陰極へ到達し、また電子は外部回路を介し
て陽極に到達する。（４）では酸素を含有する空気を陰
極へ導入して、陰極触媒（cathode catalysis）の作用
により１／２０2＋２Ｈ +＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの陰極反応を起
こさせ水を生成する。
では陽極触媒（anode catalysis）でＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-
の陽極反応を起こさせる。（３）、電池の他端で酸素
（または空気）を陰極へ導入する。その間に、Ｈ+は電
解質を介して陰極へ到達し、また電子は外部回路を介し
て陽極に到達する。（４）では酸素を含有する空気を陰
極へ導入して、陰極触媒（cathode catalysis）の作用
により１／２０2＋２Ｈ +＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの陰極反応を起
こさせ水を生成する。
【０００８】プロトン交換膜燃料電池で用いる基本原理
とは、プロトンを通過させ電子は通過させない電解質と
してプロトン交換膜を用い、陽極・陰極ガス拡散層(gas
diffusion layer, GDL)を供給する。陽極触媒(anode c
atalysis)と陰極触媒（cathode catalysis）の各触媒は
プロトン交換膜とガス拡散層の間に被覆され、いつでも
上記陽極反応と陰極反応を進められる膜電極アセンブリ
(membrane electrodeassembly, MEA)を構成している。
膜電極アセンブリの一面には陽極双極板が、また他面に
は陰極双極板が適切な加圧力の下、設けられ、水素と酸
素を通過させて上記反応を引き起こすことができる。プ
ロトン交換膜燃料電池の組立構造と作用は上記の通りで
ある。
とは、プロトンを通過させ電子は通過させない電解質と
してプロトン交換膜を用い、陽極・陰極ガス拡散層(gas
diffusion layer, GDL)を供給する。陽極触媒(anode c
atalysis)と陰極触媒（cathode catalysis）の各触媒は
プロトン交換膜とガス拡散層の間に被覆され、いつでも
上記陽極反応と陰極反応を進められる膜電極アセンブリ
(membrane electrodeassembly, MEA)を構成している。
膜電極アセンブリの一面には陽極双極板が、また他面に
は陰極双極板が適切な加圧力の下、設けられ、水素と酸
素を通過させて上記反応を引き起こすことができる。プ
ロトン交換膜燃料電池の組立構造と作用は上記の通りで
ある。
【０００９】プロトン交換膜燃料電池の効率は、上述の
陽極反応と陰極反応が完全に行われるかどうかで決ま
る。つまり、材料の選択、拡散層間の汚染の分離がプロ
トン交換膜燃料電池作用の効率の重要な要因である。従
って、各層の材料を注意深く選択することに加え、確実
に陽極が連続して陽極反応を行い、また陰極が陽極イオ
ン（つまり、プロトンＨ＋）と電子を受け取って陰極反
応を連続的に進められるようにすることはこの分野では
重要な問題である。簡単に言えば、プロトン交換膜燃料
電池においては、Ｈ＋を正確かつ限定的に制御して陽極
からプロトン交換膜を通って陰極へ移動させ、電子を制
御して陽極から外部回路を通って陰極へ移動させること
を間違いなく行うことにより、プロトン交換膜燃料電池
の動作効率を確実に安定させることができる。一般に、
上記正確な制御に影響を及ぼすと思われる理由が２つあ
る。一つには陽極と陰極の双極板間の遺漏・汚染防止機
能を効率的実施ができないこと、もう一つは、最適状態
で各層間に導電性圧縮圧を適切に制御できないことであ
る。このため、プロトン交換膜燃料電池をモジュール化
サイズで大量生産して実際に既存エネルギーの代替とす
ることができない。
陽極反応と陰極反応が完全に行われるかどうかで決ま
る。つまり、材料の選択、拡散層間の汚染の分離がプロ
トン交換膜燃料電池作用の効率の重要な要因である。従
って、各層の材料を注意深く選択することに加え、確実
に陽極が連続して陽極反応を行い、また陰極が陽極イオ
ン（つまり、プロトンＨ＋）と電子を受け取って陰極反
応を連続的に進められるようにすることはこの分野では
重要な問題である。簡単に言えば、プロトン交換膜燃料
電池においては、Ｈ＋を正確かつ限定的に制御して陽極
からプロトン交換膜を通って陰極へ移動させ、電子を制
御して陽極から外部回路を通って陰極へ移動させること
を間違いなく行うことにより、プロトン交換膜燃料電池
の動作効率を確実に安定させることができる。一般に、
上記正確な制御に影響を及ぼすと思われる理由が２つあ
る。一つには陽極と陰極の双極板間の遺漏・汚染防止機
能を効率的実施ができないこと、もう一つは、最適状態
で各層間に導電性圧縮圧を適切に制御できないことであ
る。このため、プロトン交換膜燃料電池をモジュール化
サイズで大量生産して実際に既存エネルギーの代替とす
ることができない。
【００１０】図１は従来のプロトン交換膜燃料電池の単
電池１を示す概略図で、この単電池は陽極双極板２，陰
極双極板３，膜電極アセンブリ４から構成されている。
陰極双極板３の端部に沿ってガスケット５が形成され、
膜電極アセンブリ４は陰極双極板３の中央部に配置され
ている。次に、対応ガスケット６を備えた陽極双極板２
を膜電極アセンブリ４の上に重ねて単電池の製造とな
る。同様に、こうした単電池を複数積層して図２に示す
ようなプロトン交換膜燃料電池を形成する。ガスや冷却
剤の供給に合わせて作製した複数のマニホールドを接続
し、導電性端子８ａと共に上端プレート７ａを設置し、
また導線性端子８ｂと共に下端プレート７ｂを設置した
後、複数のタイロッド９を完成した燃料電池に固定させ
れば燃料電池は所定圧縮圧で所望の導電性反応を行うこ
とができる。
電池１を示す概略図で、この単電池は陽極双極板２，陰
極双極板３，膜電極アセンブリ４から構成されている。
陰極双極板３の端部に沿ってガスケット５が形成され、
膜電極アセンブリ４は陰極双極板３の中央部に配置され
ている。次に、対応ガスケット６を備えた陽極双極板２
を膜電極アセンブリ４の上に重ねて単電池の製造とな
る。同様に、こうした単電池を複数積層して図２に示す
ようなプロトン交換膜燃料電池を形成する。ガスや冷却
剤の供給に合わせて作製した複数のマニホールドを接続
し、導電性端子８ａと共に上端プレート７ａを設置し、
また導線性端子８ｂと共に下端プレート７ｂを設置した
後、複数のタイロッド９を完成した燃料電池に固定させ
れば燃料電池は所定圧縮圧で所望の導電性反応を行うこ
とができる。
【００１１】
【発明か解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池のこうした構造には次のような短所がある。
池のこうした構造には次のような短所がある。
【００１２】（１）陽極双極板２のチャンネル２ａから
供給される水素とそれから分解した水素イオンは、膜電
極アセンブリ４の陽極ガス拡散層４ａ、プロトン交換膜
４ｂ、陰極ガス拡散層４ｃを通過する際に双極板２とガ
スケット６の間の間隙および双極板３とガスケット５の
間の間隙から漏れやすい。また、陰極双極板３のチャン
ネル３ａから供給される酸素も前記間隙から漏れやす
い。水素と酸素の漏出は電気化学反応に重大な影響を及
ぼす。例えガスケットを一体型の単一ガスケットで構成
しても、長期間ガスケット５と６を使用した場合にこの
不利な現象は特に明白になる。
供給される水素とそれから分解した水素イオンは、膜電
極アセンブリ４の陽極ガス拡散層４ａ、プロトン交換膜
４ｂ、陰極ガス拡散層４ｃを通過する際に双極板２とガ
スケット６の間の間隙および双極板３とガスケット５の
間の間隙から漏れやすい。また、陰極双極板３のチャン
ネル３ａから供給される酸素も前記間隙から漏れやす
い。水素と酸素の漏出は電気化学反応に重大な影響を及
ぼす。例えガスケットを一体型の単一ガスケットで構成
しても、長期間ガスケット５と６を使用した場合にこの
不利な現象は特に明白になる。
【００１３】（２）ガスケット５と６に用いる材料特性
上の制約のため、燃料電池全体の内部圧縮圧は不均一で
ある。というのもガスケット５と６の隣接領域の圧力密
度および／またはガスケット５と６の老化時間も不均一
だからである。このため、しばしば陽極イオンが均一に
拡散せず、プロトン交換膜燃料電池の導電性を著しく阻
害してしまう。また、プロトン交換膜燃料電池全体はそ
の周囲に配置され、圧縮圧を制御するタイロッド９に支
えられているため円周部分の圧力が中央部分と著しく異
なり、このため燃料電池の作動効果に悪影響を及ぼす。
上の制約のため、燃料電池全体の内部圧縮圧は不均一で
ある。というのもガスケット５と６の隣接領域の圧力密
度および／またはガスケット５と６の老化時間も不均一
だからである。このため、しばしば陽極イオンが均一に
拡散せず、プロトン交換膜燃料電池の導電性を著しく阻
害してしまう。また、プロトン交換膜燃料電池全体はそ
の周囲に配置され、圧縮圧を制御するタイロッド９に支
えられているため円周部分の圧力が中央部分と著しく異
なり、このため燃料電池の作動効果に悪影響を及ぼす。
【００１４】（３）双極板間にガスケットを用いている
ため、汚染を効率的に分離できず、また各層を所定位置
に適切に制御することができない。適切な範囲に圧縮圧
を予め制御することができないため、単電池のストック
をモジュールとして予め作製しコスト削減と大量生産を
目的とする可能な種類のテストを進めることはできな
い。これこそが、今日まで産業界にプロトン交換膜燃料
電池を広くかつ効果的に適用できなかった本当の主な要
因である。
ため、汚染を効率的に分離できず、また各層を所定位置
に適切に制御することができない。適切な範囲に圧縮圧
を予め制御することができないため、単電池のストック
をモジュールとして予め作製しコスト削減と大量生産を
目的とする可能な種類のテストを進めることはできな
い。これこそが、今日まで産業界にプロトン交換膜燃料
電池を広くかつ効果的に適用できなかった本当の主な要
因である。
【００１５】従って、高効率、大量生産、コスト削減モ
ジュール化単電池及びユニットを提供して上記課題を解
決し、さらにプロトン交換膜燃料電池製造上の画期的ア
イデアを提供することは、当業者の共通した願望であ
る。
ジュール化単電池及びユニットを提供して上記課題を解
決し、さらにプロトン交換膜燃料電池製造上の画期的ア
イデアを提供することは、当業者の共通した願望であ
る。
【００１６】
【課題を解するための手段】本発明の主要な目的は、燃
料電池の単電池、特にプロトン交換膜燃料電池の単電
池、または複数の単電池からなる燃料電池ユニットをモ
ジュール化及びユニット化にて提供しプロトン交換膜燃
料電池の製造工程を簡略化することにある。本発明によ
れば各電池またはユニットの効率を予め試験することが
できるため、燃料電池全体の品質が格段に向上し、その
製造コストも大量生産程度にまで下がることで、現実に
既存エネルギーの代替が行われる。
料電池の単電池、特にプロトン交換膜燃料電池の単電
池、または複数の単電池からなる燃料電池ユニットをモ
ジュール化及びユニット化にて提供しプロトン交換膜燃
料電池の製造工程を簡略化することにある。本発明によ
れば各電池またはユニットの効率を予め試験することが
できるため、燃料電池全体の品質が格段に向上し、その
製造コストも大量生産程度にまで下がることで、現実に
既存エネルギーの代替が行われる。
【００１７】本発明の他の目的は、燃料電池の単電池、
特にプロトン交換膜燃料電池の単電池、または複数の単
電池からなるユニットを提供することにある。所望量の
シリコンラバーを陽極双極板の円周部分と陰極双極板の
円周部分の間にロボットで分配することで、２枚の双極
板とその間に間挿されている膜電極アセンブリを弾力的
に適切に位置決めし、シリコンラバーが硬化する前に予
め所定圧縮圧で制御でき、これにより高品質単電池及び
ユニットが確実に得られる。
特にプロトン交換膜燃料電池の単電池、または複数の単
電池からなるユニットを提供することにある。所望量の
シリコンラバーを陽極双極板の円周部分と陰極双極板の
円周部分の間にロボットで分配することで、２枚の双極
板とその間に間挿されている膜電極アセンブリを弾力的
に適切に位置決めし、シリコンラバーが硬化する前に予
め所定圧縮圧で制御でき、これにより高品質単電池及び
ユニットが確実に得られる。
【００１８】本発明のさらなる目的は、燃料電池の単電
池、特にプロトン交換膜燃料電池の単電池、または複数
の単電池からなるユニットを提供することにある。双極
板間にシリコンラバーを分配することにより双極板に形
成されているチャンネルに沿ってガスや液体が漏出する
のを防ぎ、これにより燃料電池動作中のガス反応が完全
なものとなる。
池、特にプロトン交換膜燃料電池の単電池、または複数
の単電池からなるユニットを提供することにある。双極
板間にシリコンラバーを分配することにより双極板に形
成されているチャンネルに沿ってガスや液体が漏出する
のを防ぎ、これにより燃料電池動作中のガス反応が完全
なものとなる。
【００１９】
【発明の実施の形態】本発明で実施した技術の詳細や好
ましい実施態様は、当業者が請求項記載の発明の特徴を
良く理解するための添付図面をもとに以下のパラグラフ
に記載する。
ましい実施態様は、当業者が請求項記載の発明の特徴を
良く理解するための添付図面をもとに以下のパラグラフ
に記載する。
【００２０】図３は本発明のプロトン交換膜燃料電池の
モジュール化単電池１０を示す。当然のことながら、技
術的概念がプロトン交換膜燃料電池に限定されるわけで
はない。本発明のモジュール化技術は同様の構造を有す
るあらゆる種類の燃料電池に適用できる。
モジュール化単電池１０を示す。当然のことながら、技
術的概念がプロトン交換膜燃料電池に限定されるわけで
はない。本発明のモジュール化技術は同様の構造を有す
るあらゆる種類の燃料電池に適用できる。
【００２１】モジュール化単電池１０は陽極双極板１１
と陰極双極板１２を備える。陽極双極板１１は中央部１
１ａと円周部１１ｂを有し、陰極双極板１２は中央部１
２ａと円周部１２ｂを有する。中央部１１ａには複数の
チャンネル１１ｃが形成され、該チャンネルは水素（陽
極側では）がその内部を流通するための所定の構成を有
している。また中央部１２ａには複数のチャンネル１２
ｃが形成されており、該チャンネルは酸素（陰極側で
は）がその内部を流通するための所定の構成を有してい
る。膜電極アセンブリ１３は陽極ガス拡散層１４，プロ
トン交換膜１５，陰極ガス拡散層１６を備えており、こ
れらの層は陽極双極板１１の中央部１１ａと陰極双極板
１２の中央部１２ａの間に順番に積層されている。陽極
触媒層１７を陽極ガス拡散層１４とプロトン交換膜１５
の間また陰極触媒層１８をプロトン交換膜１５とガス拡
散層１６の間に被覆すると、陽極双極板１１のチャンネ
ル１１ｃから導入された水素と陰極双極板１２のチャン
ネル１２ｃから導入された酸素が適合されて水の電気分
解の逆反応が生じる。陽極触媒層１７をプロトン交換膜
１５の一方の面に、陰極触媒層１８を他方の面にそれぞ
れ前もって塗布することができる。あるいは、積層して
膜電極アセンブリ１３を形成する前にプロトン交換膜１
５側のガス拡散層１４の面に陽極触媒層１７を、またプ
ロトン交換膜１５側のガス拡散層１６の面に陰極触媒層
１８を塗布することもできる。
と陰極双極板１２を備える。陽極双極板１１は中央部１
１ａと円周部１１ｂを有し、陰極双極板１２は中央部１
２ａと円周部１２ｂを有する。中央部１１ａには複数の
チャンネル１１ｃが形成され、該チャンネルは水素（陽
極側では）がその内部を流通するための所定の構成を有
している。また中央部１２ａには複数のチャンネル１２
ｃが形成されており、該チャンネルは酸素（陰極側で
は）がその内部を流通するための所定の構成を有してい
る。膜電極アセンブリ１３は陽極ガス拡散層１４，プロ
トン交換膜１５，陰極ガス拡散層１６を備えており、こ
れらの層は陽極双極板１１の中央部１１ａと陰極双極板
１２の中央部１２ａの間に順番に積層されている。陽極
触媒層１７を陽極ガス拡散層１４とプロトン交換膜１５
の間また陰極触媒層１８をプロトン交換膜１５とガス拡
散層１６の間に被覆すると、陽極双極板１１のチャンネ
ル１１ｃから導入された水素と陰極双極板１２のチャン
ネル１２ｃから導入された酸素が適合されて水の電気分
解の逆反応が生じる。陽極触媒層１７をプロトン交換膜
１５の一方の面に、陰極触媒層１８を他方の面にそれぞ
れ前もって塗布することができる。あるいは、積層して
膜電極アセンブリ１３を形成する前にプロトン交換膜１
５側のガス拡散層１４の面に陽極触媒層１７を、またプ
ロトン交換膜１５側のガス拡散層１６の面に陰極触媒層
１８を塗布することもできる。
【００２２】本発明は、陽極双極板１１の円周部分１１
ｂと陰極双極板１２の円周部分１２ｂのそれぞれにシリ
コンラバー１９が設けてあり、このラバーは流体を通す
マニホールドや開放状態にあらねばならない他の通路な
どが設けられてない領域に沿って被覆される。塗布され
たシリコンラバーが硬化すると、一体型単電池モジュー
ル１０が形成されるよう、所定最適圧縮圧で弾力性をも
って所定位置に膜電極アセンブリ１３を間挿した状態で
陽極双極板１１と陰極双極板１２は互いに固定される。
好ましくは、使用されているシリコンラバー１９は、抗
電蝕性(non-corrosive electronic grade)を有し、水分
や熱があっても硬化できる材料から選択する。
ｂと陰極双極板１２の円周部分１２ｂのそれぞれにシリ
コンラバー１９が設けてあり、このラバーは流体を通す
マニホールドや開放状態にあらねばならない他の通路な
どが設けられてない領域に沿って被覆される。塗布され
たシリコンラバーが硬化すると、一体型単電池モジュー
ル１０が形成されるよう、所定最適圧縮圧で弾力性をも
って所定位置に膜電極アセンブリ１３を間挿した状態で
陽極双極板１１と陰極双極板１２は互いに固定される。
好ましくは、使用されているシリコンラバー１９は、抗
電蝕性(non-corrosive electronic grade)を有し、水分
や熱があっても硬化できる材料から選択する。
【００２３】実験および実際の経験から、プロトン交換
膜燃料電池の単電池に用いられているシリコンラバー１
９が熱硬化性材料からなり、プロトン交換膜燃料電池の
使用温度である１００℃以下の温度よりも高い１００か
ら１４０℃の熱硬化温度を実質的に有している場合は、
その硬化後、最適な効果を得ることができる。また、使
用されているシリコンラバー１９の粘性は１５０，００
０センチポアズより大きいときに最適な密閉及び位置決
め効果が得られる。さらに、シリコンラバー１９が１５
〜２０Ｖ／ｍｉｌの絶縁耐力を有する場合は、かなりの
電気抵抗が十分に示される。しかしながら、上記の値は
好ましい状況下で当業者が本発明を実施するために提案
するものである。この範囲を超える値で上述の所定機能
を実現できない訳ではない。
膜燃料電池の単電池に用いられているシリコンラバー１
９が熱硬化性材料からなり、プロトン交換膜燃料電池の
使用温度である１００℃以下の温度よりも高い１００か
ら１４０℃の熱硬化温度を実質的に有している場合は、
その硬化後、最適な効果を得ることができる。また、使
用されているシリコンラバー１９の粘性は１５０，００
０センチポアズより大きいときに最適な密閉及び位置決
め効果が得られる。さらに、シリコンラバー１９が１５
〜２０Ｖ／ｍｉｌの絶縁耐力を有する場合は、かなりの
電気抵抗が十分に示される。しかしながら、上記の値は
好ましい状況下で当業者が本発明を実施するために提案
するものである。この範囲を超える値で上述の所定機能
を実現できない訳ではない。
【００２４】事実、図３に示すように、単電池１０の陽
極双極板１１の円周部分１１ｂや陰極双極板１２の円周
部分１２ｂには、予め作製したガスや液体を送るための
マニホールド（図示せず）が設けられている。単電池１
０を作製するに際し、最初に陰極双極板１２（あるいは
陽極双極板１１）の中央部１２ａ（あるいは中央部１１
ａ）に膜電極アセンブリ１３を設置し、次にプログラム
したロボットアームを用いて陰極双極板１２（あるいは
陽極双極板１１）の円周部１２ｂ（あるいは円周部１１
ｂ）のマニホールドの無い部分に所望量のシリコンラバ
ーを分配し、最後に望ましい導電作用を得るため予め陰
極双極板１２（あるいは陽極双極板１１）上に配置した
膜電極アセンブリ１３の上に約１００ｐｓｉの所定圧縮
圧で陽極双極板１１（または陰極双極板１２）を重ね合
わせる。陽極双極板１１と陰極双極板１２を均一に圧接
させ各層の間に存在するであろう間隙の中へ粘り気のあ
るシリコンラバーを流入させた後、密閉を確実にするた
めに、水分または熱を加えてシリコンラバーを硬化させ
ることができる。一方、単電池１０中の複数の層は一定
の圧縮圧で互いに接しており、その周辺部分でも優れた
分離効果が得られる。
極双極板１１の円周部分１１ｂや陰極双極板１２の円周
部分１２ｂには、予め作製したガスや液体を送るための
マニホールド（図示せず）が設けられている。単電池１
０を作製するに際し、最初に陰極双極板１２（あるいは
陽極双極板１１）の中央部１２ａ（あるいは中央部１１
ａ）に膜電極アセンブリ１３を設置し、次にプログラム
したロボットアームを用いて陰極双極板１２（あるいは
陽極双極板１１）の円周部１２ｂ（あるいは円周部１１
ｂ）のマニホールドの無い部分に所望量のシリコンラバ
ーを分配し、最後に望ましい導電作用を得るため予め陰
極双極板１２（あるいは陽極双極板１１）上に配置した
膜電極アセンブリ１３の上に約１００ｐｓｉの所定圧縮
圧で陽極双極板１１（または陰極双極板１２）を重ね合
わせる。陽極双極板１１と陰極双極板１２を均一に圧接
させ各層の間に存在するであろう間隙の中へ粘り気のあ
るシリコンラバーを流入させた後、密閉を確実にするた
めに、水分または熱を加えてシリコンラバーを硬化させ
ることができる。一方、単電池１０中の複数の層は一定
の圧縮圧で互いに接しており、その周辺部分でも優れた
分離効果が得られる。
【００２５】大量生産のため、上記単電池を複数積層さ
せて電池ユニットモジュールを構成すれば生産性の向上
とより高い出力を得ることができる。
せて電池ユニットモジュールを構成すれば生産性の向上
とより高い出力を得ることができる。
【００２６】図４は、図３に示す複数の単電池（例とし
て３層の単電池）を積層する第１実施態様の断面図であ
る。単電池の積層とは通常のバッテリーの直列接続、ま
た各単電池内の膜電極アセンブリの反応は通常のバッテ
リーの正極・負極端子間内における電気化学反応のこと
である。このような構造において、単電池を直列に積層
すればするほど高い電圧出力が得られるが廃熱量も増加
する。従って、かなりの数の単電池を積層する場合は、
廃熱が無視できなくなるため、積層後に電池ユニット２
０の最上層単電池２１の陽極双極板２１ａ（または最下
層単電池２３の陰極双極板）に複数の冷却剤チャンネル
２１ｂを形成しそのチャンネル中に冷却剤を循環させて
廃熱を冷却させる。また、円周部分の上面に注入シリコ
ンラバー用の溝２１ｅを形成し、さらに同様のモジュー
ル化電池ユニットをその上に位置決めさせて冷却剤の漏
出を防止する。
て３層の単電池）を積層する第１実施態様の断面図であ
る。単電池の積層とは通常のバッテリーの直列接続、ま
た各単電池内の膜電極アセンブリの反応は通常のバッテ
リーの正極・負極端子間内における電気化学反応のこと
である。このような構造において、単電池を直列に積層
すればするほど高い電圧出力が得られるが廃熱量も増加
する。従って、かなりの数の単電池を積層する場合は、
廃熱が無視できなくなるため、積層後に電池ユニット２
０の最上層単電池２１の陽極双極板２１ａ（または最下
層単電池２３の陰極双極板）に複数の冷却剤チャンネル
２１ｂを形成しそのチャンネル中に冷却剤を循環させて
廃熱を冷却させる。また、円周部分の上面に注入シリコ
ンラバー用の溝２１ｅを形成し、さらに同様のモジュー
ル化電池ユニットをその上に位置決めさせて冷却剤の漏
出を防止する。
【００２７】単電池２１，２２，２３をモジュール化及
び積層する工程において、図３のシリコンラバーを塗布
する手段も用いることができる。つまり、単電池２１の
陰極双極板２１ｃの円周側下面には溝２１ｄが、またそ
れに対向するように単電池２２の陽極双極板２２ａの円
周側上面には溝２２ｄがそれぞれ形成されている。単電
池を直列に積層する前に、前述と同様にプログラム済み
ロボットアームで適当な量のシリコンラバーを溝２２ｄ
に注入する。その後、所定圧縮圧で単電池２１をもう一
方の単電池２２の上に重ねて次の硬化工程に備える（単
電池２２と２３は同様の方法で積層される）。各単電池
内で使用されているシリコンラバー２４と単電池間に注
入されているシリコンラバー１９は類似または同じ材料
であるのが好ましい。こうすれば簡単に各単電池を構成
する層及び各ユニットを構成する電池に同じ積層圧縮圧
を印加できる。シリコンラバー１９と２４が順次または
同時に硬化するか否かにかかわらず、安定した最適導電
作用が得られるよう圧縮圧を容易に所望の同一値に制御
できる。
び積層する工程において、図３のシリコンラバーを塗布
する手段も用いることができる。つまり、単電池２１の
陰極双極板２１ｃの円周側下面には溝２１ｄが、またそ
れに対向するように単電池２２の陽極双極板２２ａの円
周側上面には溝２２ｄがそれぞれ形成されている。単電
池を直列に積層する前に、前述と同様にプログラム済み
ロボットアームで適当な量のシリコンラバーを溝２２ｄ
に注入する。その後、所定圧縮圧で単電池２１をもう一
方の単電池２２の上に重ねて次の硬化工程に備える（単
電池２２と２３は同様の方法で積層される）。各単電池
内で使用されているシリコンラバー２４と単電池間に注
入されているシリコンラバー１９は類似または同じ材料
であるのが好ましい。こうすれば簡単に各単電池を構成
する層及び各ユニットを構成する電池に同じ積層圧縮圧
を印加できる。シリコンラバー１９と２４が順次または
同時に硬化するか否かにかかわらず、安定した最適導電
作用が得られるよう圧縮圧を容易に所望の同一値に制御
できる。
【００２８】単電池の積層では、陰極双極板を隣接陽極
双極板に直列に完全接合する技術を用いているので、電
池ユニット３０を形成する手段はまた、図５に示す第二
実施態様を示す。第２実施態様では、陽極双極板と陰極
双極板を一体に組み合わせて一つの部品にしている。す
なわち、まず共通双極板３１，３２を用意し、陰極双極
板３３、共通双極板３２，３１、冷却剤双極板３４のそ
れぞれの間に順番に間挿した
双極板に直列に完全接合する技術を用いているので、電
池ユニット３０を形成する手段はまた、図５に示す第二
実施態様を示す。第２実施態様では、陽極双極板と陰極
双極板を一体に組み合わせて一つの部品にしている。す
なわち、まず共通双極板３１，３２を用意し、陰極双極
板３３、共通双極板３２，３１、冷却剤双極板３４のそ
れぞれの間に順番に間挿した
【００２９】単電池内に双極板を配置して水素、酸素、
冷却剤用の流路を形成するため、電気を通し、隣接単電
池の流路から各単電池の流路を隔離する機能を適切に実
行できるのであればその形状はどのようなものであって
もよい。
冷却剤用の流路を形成するため、電気を通し、隣接単電
池の流路から各単電池の流路を隔離する機能を適切に実
行できるのであればその形状はどのようなものであって
もよい。
【００３０】図６は、単電池ユニット４０からなる第３
実施態様を示すもので、単電池ユニットは一体形成され
た共通双極板４１，４２を用い、材料費や燃料電池全体
の重量を削減するよう金属シートからなる波形構造に成
形され、当該分野における競争力を高める。
実施態様を示すもので、単電池ユニットは一体形成され
た共通双極板４１，４２を用い、材料費や燃料電池全体
の重量を削減するよう金属シートからなる波形構造に成
形され、当該分野における競争力を高める。
【００３１】上記説明は、詳細な技術内容と発明の特徴
に関するものである。当業者は、本発明の説明及び教示
に基づきその特徴の範囲内で様々な変更・置換を進める
ことが可能である。上記説明にはこうした変更・置換の
全ては開示されていないが、以下に添付の請求項に略包
含されるものである。
に関するものである。当業者は、本発明の説明及び教示
に基づきその特徴の範囲内で様々な変更・置換を進める
ことが可能である。上記説明にはこうした変更・置換の
全ては開示されていないが、以下に添付の請求項に略包
含されるものである。
【図１】 従来の燃料電池の単電池の組立断面を示す概
略図である。
略図である。
【図２】 組み立てられた燃料電池の斜視図である。
【図３】 本発明の燃料電池のモジュール化単電池の断
面を示す概略図である。
面を示す概略図である。
【図４】 本発明の燃料電池のモジュール化単電池の第
１実施態様の断面を示す概略図である。
１実施態様の断面を示す概略図である。
【図５】 本発明の燃料電池のモジュール化単電池の第
２実施態様の断面を示す概略図である。
２実施態様の断面を示す概略図である。
【図６】 本発明の燃料電池のモジュール化単電池の第
３実施態様の断面を示す概略図である。
３実施態様の断面を示す概略図である。
【図７】 プロトン交換膜燃料電池の動作を示す概略図
である。
である。
１０ 単電池 １１ 陽極双極板 １２ 陰極双極板 １３ 膜電極アセンブリ １９ シリコンラバー ２０ 電池ユニット ２１，２２，２３ 単電池 ２４ シリコンラバー ３１，３２ 共通双極板 ３３ 陰極双極板
Claims (18)
- 【請求項１】 プロトン交換膜燃料電池からなるモジュ
ール化単電池は、 それぞれ中央部と円周部を有する陽極双極板と陰極双極
板と、 膜電極アセンブリとを含み、膜電極アセンブリは、 前記陽極双極板と前記陰極双極板の間の中央部分に陽極
ガス拡散層と、プロトン交換膜と、陰極ガス拡散層とを
順番に間挿し、 前記陽極ガス拡散層と前記プロトン交換膜の間に陽極触
媒層が間挿され、 前記プロトン交換膜と前記陰極ガス拡散層の間に陰極触
媒層が間挿されて構成されており、 前記陽極双極板の前記円周部と前記陰極双極板の前記円
周部の間に所望の形状にてシリコンラバーを適用して硬
化後に所定圧縮圧で前記陽極双極板と前記陰極双極板を
密閉位置決めさせて構成するモジュール化単電池。 - 【請求項２】 前記適用シリコンラバーは、抗電蝕性の
シリコンラバー材料からなる請求項１記載のモジュール
化単電池。 - 【請求項３】 前記適用シリコンラバーは、実質的に１
００℃〜１４０℃の熱硬化温度を有する請求項２記載の
モジュール化単電池。 - 【請求項４】 前記適用シリコンラバーは、実質的に１
５０，０００センチポアズより大きい粘性を有する請求
項３記載のモジュール化単電池。 - 【請求項５】 前記適用シリコンラバーは、実質的に１
５Ｖ／ｍｉｌ〜２０Ｖ／ｍｉｌの絶縁耐力を有する請求
項４記載のモジュール化単電池。 - 【請求項６】 前記陽極バイポーラプレートと前記陰極
バイポーラプレートは実質的に１００ｐｓｉの圧縮圧で
接合されている請求項５記載のモジュール化単電池。 - 【請求項７】 請求項１記載のモジュール化単電池を複
数含み、複数のモジュール化単電池が順次積層されてい
る、プロトン交換膜燃料電池のモジュール化電池ユニッ
トにおいて、 前記モジュール化単電池の各電池の陽極双極板は上面を
含み、前記モジュール化単電池の各電池の陰極双極板は
下面を含み、前記上面と前記下面の少なくとも一方の円
周部分に溝が形成され、さらに前記溝にシリコンラバー
を適用して順次積層された単電池を硬化後に所定圧縮圧
で密閉位置決めして構成する一体型モジュール化電池ユ
ニット。 - 【請求項８】 前記適用シリコンラバーは、抗電蝕性の
シリコンラバー材料からなる請求項７記載のモジュール
化電池ユニット。 - 【請求項９】 前記適用シリコンラバーは、実質的に１
００℃〜１４０℃の熱硬化温度を有する請求項８記載の
モジュール化電池ユニット。 - 【請求項１０】 前記注入シリコンラバーは、実質的に
１５０，０００センチポアズより大きい粘性を有する請
求項９記載のモジュール化電池ユニット。 - 【請求項１１】 前記注入シリコンラバーは、実質的に
１５Ｖ／ｍｉｌ〜２０Ｖ／ｍｉｌの絶縁耐力を有する請
求項１０記載のモジュール化電池ユニット。 - 【請求項１２】 前記陽極双極板と前記陰極双極板は実
質的に１００ｐｓｉの圧縮圧で接合されている請求項１
１記載のモジュール化電池ユニット。 - 【請求項１３】 請求項１記載のモジュール化単電池を
複数含み、複数のモジュール化単電池が順次積層されて
いる、プロトン交換膜燃料電池のモジュール化電池ユニ
ットにおいて、 前記モジュール化単電池の各々の陽極双極板は、この陽
極双極板に隣接する陰極双極板と一体的に形成されてい
るモジュール化電池ユニット。 - 【請求項１４】 前記適用シリコンラバーは、抗電蝕性
のシリコンラバー材料からなる請求項１３記載のモジュ
ール化電池ユニット。 - 【請求項１５】 前記適用シリコンラバーは、実質的に
１００℃〜１４０℃の熱硬化温度を有する請求項１４記
載のモジュール化電池ユニット。 - 【請求項１６】 前記適用シリコンラバーは、実質的に
１５０，０００センチポアズより大きい粘性を有する請
求項１５記載のモジュール化電池ユニット。 - 【請求項１７】 前記注入シリコンラバーは、実質的に
１５Ｖ／ｍｉｌ〜２０Ｖ／ｍｉｌの絶縁耐力を有する請
求項１６記載のモジュール化電池ユニット。 - 【請求項１８】 前記陽極双極板と前記陰極双極板は実
質的に１００ｐｓｉの圧縮圧で接合されている請求項１
７記載のモジュール化電池ユニット。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| TW090103423A TW480762B (en) | 2001-02-15 | 2001-02-15 | Modulized battery single cell and modulized battery unit of a proton exchange membrane fuel cell |
| TW90103423 | 2001-02-15 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002246042A true JP2002246042A (ja) | 2002-08-30 |
Family
ID=21677349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2002038677A Pending JP2002246042A (ja) | 2001-02-15 | 2002-02-15 | プロトン交換膜燃料電池からなるモジュール化単電池及び組立電池ユニット |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20020110720A1 (ja) |
| JP (1) | JP2002246042A (ja) |
| TW (1) | TW480762B (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2006054499A1 (ja) * | 2004-11-17 | 2006-05-26 | Nissan Motor Co., Ltd. | セパレータの接着方法、接着装置及びセパレータ接着体 |
| CN1312801C (zh) * | 2004-07-21 | 2007-04-25 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种质子交换膜燃料电池的组装结构 |
| KR100773531B1 (ko) | 2006-11-22 | 2007-11-05 | 삼성에스디아이 주식회사 | 돌출된 전류집전부를 구비한 모노폴라형 막-전극 어셈블리 |
Families Citing this family (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3841148B2 (ja) * | 2001-04-23 | 2006-11-01 | 日産自動車株式会社 | 固体電解質型燃料電池用セル板及びスタック |
| AU2002325750A1 (en) * | 2001-09-18 | 2003-04-01 | Dupont Canada Inc. | Modular fuel cell cartridge and stack |
| US6989214B2 (en) | 2002-11-15 | 2006-01-24 | 3M Innovative Properties Company | Unitized fuel cell assembly |
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