JP2003142121A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
- Publication number
- JP2003142121A JP2003142121A JP2001336319A JP2001336319A JP2003142121A JP 2003142121 A JP2003142121 A JP 2003142121A JP 2001336319 A JP2001336319 A JP 2001336319A JP 2001336319 A JP2001336319 A JP 2001336319A JP 2003142121 A JP2003142121 A JP 2003142121A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- separator
- fuel cell
- polymer electrolyte
- conductive separator
- 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.)
- Withdrawn
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
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
余剰な水によってガス拡散層やセパレータ流路が閉塞し
まい、触媒層までガスが供給されないために、電池が安
定して運転できないという課題があった。 【解決手段】 ガス拡散層の導電性セパレータに対向す
る側と導電性セパレータのガス流通側に撥水処理を施す
ことで、ガス拡散層や導電性セパレータのガス流通溝へ
の加湿水や生成水からの余剰な水による閉塞が防止で
き、触媒層への安定したガス供給が確保できる。
Description
電気自動車用電源、家庭用コージェネシステム等に使用
する固体高分子電解質を用いた燃料電池に関する。
水素を含有する燃料ガスと、空気など酸素を含有する酸
化剤ガスとを、電気化学的に反応させることで、電力と
熱とを同時に発生させるものである。その構造は、ま
ず、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜の両
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を形成する。次に、この触媒反応層
の外面に、燃料ガスの通気性と、電子導電性を併せ持つ
拡散層を形成し、この拡散層と触媒反応層とを合わせて
電極とする。
り、二種類の反応ガスが互いに混合しないように、電極
の周囲には高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガス
ケットを配置する。このシール材やガスケットは、電極
及び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立て、
これを、MEA(電極電解質膜接合体)と呼ぶ。MEA
の外側には、これを機械的に固定するとともに、隣接し
たMEAを互いに電気的に直列に接続するための導電性
のセパレータ板を配置する。セパレータ板のMEAと接
触する部分には、電極面に反応ガスを供給し、生成水や
余剰ガスを運び去るためのガス流路を形成する。ガス流
路はセパレータ板と別に設けることもできるが、セパレ
ータの表面に溝を設けてガス流路とする方式が一般的で
ある。
ていき、10〜200セル積層した後、集電板と絶縁板
を介し、端板でこれを挟み、締結ロッドで両端から固定
するのが一般的な積層電池の構造である。
た発電を行うためには、MEA両面のガス拡散層を経由
して触媒層に反応ガスが安定して供給されなくてはなら
ない。しかし、加湿水や生成水から余剰になった水がガ
ス拡散層やセパレータ流路を閉塞してしまい、MEAの
触媒層まで反応ガスが供給されず電池が安定して運転で
きなくなるという課題があった。
ガス拡散層の導電性セパレータに対向する側と導電性セ
パレータのガス流通溝側に撥水処理を施すことによっ
て、ガス拡散層やセパレータ流路内での水の閉塞を回避
し、触媒層への安定したガス供給を確保することによっ
て信頼性の高い固体高分子型燃料電池を提供することを
目的とする。
るために本発明の固体高分子型燃料電池は、水素イオン
伝導性高分子電解質膜と、前記水素イオン伝導性高分子
電解質膜の両面に配置した一対の電極と、前記電極の一
方に燃料ガスを供給排出し、他方に酸化剤ガスを供給排
出するガス流通溝を有する一対の導電性セパレータとを
具備した高分子電解質型燃料電池において、前記電極は
前記水素イオン伝導性高分子電解質膜に接触する触媒層
と、前記導電性セパレータと前記触媒層とに接触するガ
ス拡散層とを有し、前記ガス拡散層の前記導電性セパレ
ータに対向する側と、前記導電性セパレータの前記ガス
流通溝側とに撥水処理を施したことを特徴とする。
角をD、導電性セパレータの濡れ角をSとするとき、D
>Sであることが望ましい。さらに、導電性セパレータ
の濡れ角が、ガス流通溝の入口から出口になるにしたが
い小さくなるように撥水処理を施したことが望ましい。
の幅が、1.0mm以下であることが望ましく、また、
ガス流通溝は、幅と深さとの比(深さ/幅)が、0.3
5以上であることが望ましい。
の導電性セパレータに対向する側と導電性セパレータの
ガス流通溝側に撥水処理を施すことで、ガス拡散層やセ
パレータ流路内での水の閉塞を回避し、安定した運転を
可能にする方法を見いだしたことである。以下、本発明
の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
仕様とその他に試験を行った電池の仕様について、表1
にまとめる。ただし、各電池ともにガス流通溝をガスが
通過する際の断面積は同等になるように設計した。
ン粉末に、平均粒径約30Åの白金粒子を25重量%担
持したものを電極触媒とした。この触媒粉末をイソプロ
パノ−ルに分散させた溶液に、パーフルオロカーボンス
ルホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパ
ージョン溶液を混合し、電極用ペーストにした。
9をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性デ
ィスパージョンに浸し、乾燥処理を行うことで撥水性の
多孔質電極基材9を得た。このとき、セパレータ1に接
触する側のカーボンペーパー9の濡れ角は115°とな
るように撥水処理を行った。この多孔質電極基材9の片
面に前記電極用ペーストを塗布・乾燥することで電極8
とした。次に、一対の前記電極8で、電極用ペーストを
塗布した面を内側にして、高分子電解質膜7を挟み、こ
れを110℃の温度で30秒間ホットプレスすることに
より、電極/電解質接合体(MEA2)を作製した。こ
こでは高分子電解質膜7としては、パーフルオロカーボ
ンスルホン酸を50μmの厚さで薄膜化したもの(デュ
ポン社製ナフィオン)を用いた。
ペーパー9の他にも、可撓性を有する素材としてカーボ
ン繊維を織ったカーボンクロス、さらにはカーボン繊維
とカーボン粉末を混合し有機バインダーを加えて成型し
たカーボンフェルトを用いることもできる。
黒鉛材を用い、そこに機械加工によって流路を形成し
た。流路幅は0.9mm、溝深さは0.3mmとした。
このセパレータを10分程度超音波清浄し、ガス流通溝
を300W5分程度プラズマ処理して、ガス流通溝側に
活性水素を含む水酸基10を付与した。プラズマ処理
は、0.05Torrの酸素プラズマで、10分間の交
流100Wで実施した。つぎに、5重量%のCF3(C
F2)7(CH2)2Si(OCH3)3のメタノール溶液を
作り、ガス流通溝側に塗布して、室温で1時間乾燥を行
った後、100℃で15分間焼成し、ガス流通溝にシロ
キサン結合を介して共有結合したCF3(CF2)7(C
H2)2Si(OCH3)3による撥水層11を図2の模式
図のように高密度に形成した。このときの撥水処理を施
したセパレータ表面の濡れ角は108°となり、ガス拡
散層の濡れ角115°より小さくした。
1とMEA2を交互に50セル積層した後、集電板3と
絶縁板4を介し、ステンレス製の端板5と締結ロッド6
で、10kgf/cm2の圧力で締結した。以上の電池
を本実施例の電池Aとした。
パーの撥水処理を電極側にのみ施したものを用い、ま
た、導電性セパレータ1は撥水処理を行わず、それ以外
は全て上記本実施例の条件と同一とした電池Bを使用し
た。
池を、85℃に保持し、一方の電極側に83℃の露点と
なるよう加湿・加温した燃料ガスを、もう一方の電極側
に78℃の露点となるように加湿・加温した空気を供給
した。この電池を酸素利用率30%、燃料利用率80
%、電流密度0.3A/cm2の条件で耐久試験を行っ
た。その結果を図3に示す。
ら50時間を経過したころから電圧値が振動を開始し、
70時間に達すると性能が低下してしまった。これに対
して、本実施例では200時間を経過しても安定して性
能が得られている。これは本実施例ではガス拡散層と導
電性セパレータの接触面に撥水処理を施したことにより
特にカソード側では生成水がガス拡散層から濡れ角の小
さいセパレータのガス流通溝へ、そして、電池外へと容
易に排出されたため、反応ガスの安定した供給が確保さ
れ、比較例に対して電池性能の安定性向上が確認でき
た。
た電池Aのカソード側セパレータの濡れ角をガス流通溝
の入口側半面を112°、出口側半面を104°と傾斜
をつけ、それ以外は全て前記電池Aの条件と同一とした
電池Cを使用した。これらの電池について実施例1の運
転条件を基準にして酸素利用率依存性試験を行った。そ
の結果を図4に示す。ただし、比較例の電池として電池
Aを用いた。
本実施例の電池Cの方が電圧低下を招くことなく安定し
た性能を維持していることが分かる。これは、上流域で
の濡れ角を下流域に比べより高めたことによって上流域
でより容易に余剰になった水を排出させ、濡れ角の勾配
によって上流から下流へと流れやすい環境を作り上げた
ために、酸素利用率の高い雰囲気下でも安定した発電が
可能になったためであると考えられる。したがって、本
実施例からセパレータ面内で濡れ角分布を持たせること
がより安定した運転を可能にできることを確認した。
濡れ角の勾配を付けても燃料利用率の高い領域や燃料ガ
スの加湿露点が高い運転条件でも安定した運転を可能に
するという同等の効果が得られた。
ータの流路幅を2.0mmとして、溝深さを0.5mm
と0.8mmのセパレータ表面に撥水処理を施さない電
池D、Eを作製した。また、溝深さ0.8mmに関して
はセパレータ表面に撥水処理を施した電池Fについても
作製した。以上のそれぞれの電池に対して、実施例1の
運転条件で耐久試験を行った。その結果を図5に示す。
しても安定して運転が行えることが確認できたが、電池
Eでは40時間を過ぎた頃から電圧値が振動を開始し、
最終的に電池性能が低下してしまった。これは、セパレ
ータの溝幅が広く、溝が浅い場合ではセパレータのガス
流通溝の単位断面積に対するガス拡散層の接触面積が広
くなるために幅が狭い場合とは異なり撥水処理を行わな
くても安定したガス供給が行えたためであると考えられ
る。しかし、セパレータ表面に撥水処理を施さなくても
安定して発電が可能である電池Dではセパレータの溝幅
が広くなるために狭い場合と比べてガス拡散層との導電
性の低下から電池性能が悪くなるため実用性に欠けてし
まう。
久結果では電池性能の低下は見られず、安定した運転が
可能であることを確認した。これは、溝幅が広くても溝
が深い場合では浅い場合とは逆にセパレータのガス流通
溝の単位断面積に対するガス拡散層の接触面積が小さく
なり、また、カソード側のガス流通溝で単位パスに流入
する生成水が浅い場合に比べて多くなってしまい、セパ
レータ表面の濡れ角を高めることによって水の排出を促
さないとそのような条件では安定して運転をすることが
できないことが本実施例より確認できた。以上の結果に
加えて、さらに、導電性セパレータのガス流通溝は、幅
と深さとの比(深さ/幅)が、0.35以上2.0以下
であるとき、高い電池特性と安定性とを得ることが出来
た。
パレータに対向する側と導電性セパレータのガス流通側
に撥水処理を施すことで、ガス拡散層やセパレータ流路
での水の閉塞を防ぎ、触媒層への安定したガス供給を確
保し、燃料電池の安定性向上と高効率化が図れる。
構成を示した図
図
示した図
の結果を示した図
示した図
Claims (5)
- 【請求項1】 水素イオン伝導性高分子電解質膜と、前
記水素イオン伝導性高分子電解質膜の両面に配置した一
対の電極と、前記電極の一方に燃料ガスを供給排出し、
他方に酸化剤ガスを供給排出するガス流通溝を有する一
対の導電性セパレータとを具備した高分子電解質型燃料
電池において、前記電極は前記水素イオン伝導性高分子
電解質膜に接触する触媒層と、前記導電性セパレータと
前記触媒層とに接触するガス拡散層とを有し、前記ガス
拡散層の前記導電性セパレータに対向する側と、前記導
電性セパレータの前記ガス流通溝側とに撥水処理を施し
たことを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 【請求項2】 撥水処理後のガス拡散層の濡れ角をD、
導電性セパレータの濡れ角をSとするとき、D>S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】 導電性セパレータの濡れ角が、ガス流通
溝の入口から出口になるにしたがい小さくなるように撥
水処理を施したことを特徴とする請求項1または2記載
の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項4】 導電性セパレータのガス流通溝の幅が、
1.0mm以下であることを特徴とする請求項1、2ま
たは3記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項5】 導電性セパレータのガス流通溝は、幅と
深さとの比(深さ/幅)が、0.35以上2.0以下で
あることを特徴とする請求項1、2、3または4記載の
固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001336319A JP2003142121A (ja) | 2001-11-01 | 2001-11-01 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2001336319A JP2003142121A (ja) | 2001-11-01 | 2001-11-01 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003142121A true JP2003142121A (ja) | 2003-05-16 |
Family
ID=19151165
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001336319A Withdrawn JP2003142121A (ja) | 2001-11-01 | 2001-11-01 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2003142121A (ja) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005276731A (ja) * | 2004-03-26 | 2005-10-06 | Toyota Motor Corp | 多孔質のセパレータを備える燃料電池 |
JP2006351334A (ja) * | 2005-06-15 | 2006-12-28 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
JP2007027055A (ja) * | 2005-07-21 | 2007-02-01 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池及び燃料電池システム |
JP2007311066A (ja) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池およびその製造方法 |
US8057960B2 (en) * | 2009-04-28 | 2011-11-15 | Panasonic Corporation | Electrode for fuel cells and method for manufacturing the same, and fuel cell using the same |
-
2001
- 2001-11-01 JP JP2001336319A patent/JP2003142121A/ja not_active Withdrawn
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005276731A (ja) * | 2004-03-26 | 2005-10-06 | Toyota Motor Corp | 多孔質のセパレータを備える燃料電池 |
JP4635462B2 (ja) * | 2004-03-26 | 2011-02-23 | トヨタ自動車株式会社 | 多孔質のセパレータを備える燃料電池 |
JP2006351334A (ja) * | 2005-06-15 | 2006-12-28 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
JP2007027055A (ja) * | 2005-07-21 | 2007-02-01 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池及び燃料電池システム |
JP2007311066A (ja) * | 2006-05-16 | 2007-11-29 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池およびその製造方法 |
US8057960B2 (en) * | 2009-04-28 | 2011-11-15 | Panasonic Corporation | Electrode for fuel cells and method for manufacturing the same, and fuel cell using the same |
US20120082918A1 (en) * | 2009-04-28 | 2012-04-05 | Panasonic Corporation | Electrode for fuel cells and method for manufacturing the same, and fuel cell using the same |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4326179B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
US7803490B2 (en) | Direct methanol fuel cell | |
US20020192530A1 (en) | Fuel cell that can stably generate electricity with excellent characteristics | |
WO2000011741A1 (fr) | Pile a combustible et procede de fabrication de celle-ci | |
JP3778506B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用の電極 | |
WO2002073721A1 (en) | Gas diffusion electrode and fuel cell using this | |
JP2001110432A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP2002289230A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP3459615B2 (ja) | 燃料電池用電極及び燃料電池 | |
JP2002367655A (ja) | 燃料電池 | |
US6946214B2 (en) | Manufacturing method of fuel cell electrode and fuel cell using thereof | |
JP3113499B2 (ja) | イオン導電性付与電極並びにそのような電極を用いた電極・電解質接合体及びセル | |
JP2003178780A (ja) | 高分子電解質型燃料電池システム、および高分子電解質型燃料電池の運転方法 | |
JP2003109604A (ja) | 燃料電池用ガス拡散電極およびその製造法 | |
JPH08167416A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池用の燃料電池セル | |
JP2003168443A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP4880131B2 (ja) | ガス拡散電極およびこれを用いた燃料電池 | |
JP2001057217A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 | |
JP2003142121A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
JP4686992B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池およびその発電方法 | |
JP2009043688A (ja) | 燃料電池 | |
US20130157167A1 (en) | Alternate material for electrode topcoat | |
JP2002025575A (ja) | 燃料電池 | |
JP4779278B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池用膜・電極接合体 | |
JP2003282099A (ja) | 高分子電解質型燃料電池 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20040805 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050427 |
|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20050701 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20060131 |
|
A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20060313 |