JP2003234112A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 小型軽量で、機器搭載性の自由度が高い固体
高分子型燃料電池を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
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、前記電極の一方に水素を含有する燃料を供給しか
つ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段とを備え
た単電池の複数が、導電性のセパレータを介して積層さ
れ、その両端面に積層された前記単電池に締め付け圧力
を与えるエンドプレートが配された高分子電解質型燃料
電池において、前記単電池の集電を行う集電板の一部
が、前記エンドプレートを貫通していて、前記集電板と
前記エンドプレートの間に絶縁手段が介在する。
高分子型燃料電池を提供する。 【解決手段】 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
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、前記電極の一方に水素を含有する燃料を供給しか
つ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段とを備え
た単電池の複数が、導電性のセパレータを介して積層さ
れ、その両端面に積層された前記単電池に締め付け圧力
を与えるエンドプレートが配された高分子電解質型燃料
電池において、前記単電池の集電を行う集電板の一部
が、前記エンドプレートを貫通していて、前記集電板と
前記エンドプレートの間に絶縁手段が介在する。
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固体高分子型燃料電池に関する。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、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。固体高分子型燃料電池の一例を、図１を用い
て説明する。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９が構成される。電極９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
電解質膜電極接合体（以下、ＭＥＡとする）１０を構成
している。また、電極９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ＭＥＡ１
０と一体化していてもよい。 【０００３】上記のような燃料電池においては、図２に
示すように、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９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９の周りに、
樹脂や金属板からなり、電極９と同程度の厚さを有する
ガスケット１９を配し、セパレータ板４とガスケット１
９の隙間をグリースや接着剤でシールした構造もある。
さらに近年では、図４に示すように、ＭＥＡ１０とし
て、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。ＭＥＡ１０の外側には、これを機
械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡ１０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ＭＥＡ１０と接触する部
分には、電極９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、図１
に示すようにセパレータ板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。 【０００４】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。また、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。 【０００５】このような積層電池では、マニホルドと呼
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。これらマニホルドの配置形態により、内部マ
ニホルド型と外部マニホルド型に分類される。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
いる内部マニホルド型が一般的である。しかしながら、
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、
外部マニホルド型が見直されている。 【０００６】内部マニホルド型および外部マニホルド型
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。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。 【０００７】積層電池が安定的に性能を発揮するために
は、単電池に供給される燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷
却水が、それぞれ各単電池に均一に分配されることが必
要である。一般的には、供給される各流体が流れるマニ
ホルド断面積を大きくし、各流体のマニホルド内流速を
低減させ、流体の動圧に起因して発生する圧力勾配によ
る影響を低減するよう工夫されているが、燃料電池の小
型軽量化を図ろうとするとマニホルドの断面積はできる
だけ小さくする必要がある。また従来、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、集電板の
一部が積層電池外形よりはみ出した形状の集電板を用い
た積層電池では、そのはみ出し部分から外部機器に接続
していた。そのため、電気的接続部位が積層電池外形よ
りも大きくはみ出る形状となり、電池全体が大型化した
り、機器搭載性の自由度が低かったりした。 【０００８】 【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
が高い固体高分子型燃料電池を提供することを目的とす
る。 【０００９】 【課題を解決するための手段】固体高分子型燃料電池に
おいて、燃料と酸化剤ガスと冷却水とを、単電池の積層
方向の端部より流入し、各単電池を通過後、流入した方
向とは逆の方向に流出させる。また、単電池の集電を行
う集電板が、前記固体高分子型燃料電池に締め付け圧力
を与えるエンドプレートを、絶縁手段を介して、貫通し
た構成とする。 【００１０】 【発明の実施の形態】本発明の固体高分子型燃料電池
は、固体高分子電解質膜と、固体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、積層された単電池のうちの一方
の端部の単電池からその積層順に他方の端部の単電池ま
で燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ分配供
給する供給用マニホルドと、他方の端部の単電池からそ
の積層順に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水がそれぞ
れ排出される排出用マニホルドを具備する。 【００１１】本発明の他の固体高分子型燃料電池は、固
体高分子電解質膜と、固体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ルドとを備
えた高分子電解質型燃料電池であって、供給用マニホル
ドの断面積が下流になるにつれて小さくなり、排出用マ
ニホルドの断面積が下流になるにつれて大きくなる。本
発明のさらに他の固体高分子型燃料電池は、固体高分子
電解質膜と、固体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
給する手段とを備えた単電池の複数が、導電性のセパレ
ータを介して積層され、その両端面に積層された単電池
に締め付け圧力を与えるエンドプレートが配された高分
子電解質型燃料電池であって、単電池の集電を行う集電
板の一部が、エンドプレートを貫通していて、集電板と
エンドプレートの間に絶縁手段が介在している。 【００１２】本発明では、流体の動圧により発生する圧
力勾配を低減するためマニホルド断面積を増大させる従
来の流体均一分配法に代わり、各流体の流れ方向を積層
電池の積層方向端部より流入させ各単電池を通過後、流
入方向と逆に排出する構成とした流体均一分配法を用い
る。これにより、本発明の固体高分子型燃料電池は、電
解質膜、触媒反応層を有する電極、セパレータなどの電
池構成部材からなる単電池を、複数個重ねた積層電池の
運転に必要な燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各流
体の流れ方向を、積層電池の積層方向端部より流入さ
せ、各単電池を通過後、積層電池に流入した方向とは逆
の方向に流出させる構成とする。これにより、各単電池
に各流体が通過する流路長を変化させることが可能にな
る。そのため、各流体に生じる動圧による圧力勾配と流
路長が変化することで生じる圧力損失をバランスさせる
ことで、各単電池に各流体を均一にさせることが可能に
なる。動圧による圧力勾配の調節はマニホルド断面積を
減少させることで行うため、軽量、コンパクトな構成の
燃料電池が得られる。 【００１３】また、本発明では、集電板から積層電池積
層方向に集電部材を延長し、その集電部材が上記絶縁手
段を介し端板を貫通する構成を用いる。本発明の固体高
分子型燃料電池は、電解質膜、触媒反応層を有する電
極、セパレータなどの電池構成部材からなる単電池を、
複数個重ねた積層電池に電気的に接触し積層電池から発
生する電気を集電する集電板から、積層電池と集電板と
に締め付け力を付加する端板を電気的絶縁手段を介して
貫通する集電部材を延長することで集電を行う構成とし
た。このことにより、外部機器との電気的接続が積層電
池外形からはみ出すことなく行うことが可能になり、小
型化と機器搭載性の自由度の向上が実現される。 【００１４】 【実施例】本発明の実施例を、図面を参照しながら説明
する。 【００１５】《参考例》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。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。つぎに撥水処理を施し
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反応層２を形成し、電極９を得
た。得られた電極９の一対を、高分子電解質膜３の両面
に、その触媒反応層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
乾燥して電解質膜電極接合体（以下、ＭＥＡとする）１
０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。 【００１６】得られたＭＥＡ１０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。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
スのマニホルド孔６と冷却水のマニホルド孔７が配され
ている。また、ＭＥＡ１０をセパレータ板で挟み込む
際、電極９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。 【００１７】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
流路のシール用にＯリングは用いなかった。得られた電
池構成単位の複数を積層して図２に示すような燃料電池
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、さらにその両端面には
金属製の集電板１００、電気絶縁材料製の絶縁板１０
１、および端板１０２を配した。ついで、締結ロッド１
０３で、両端板１０２間を接続し、その間に挟まれた積
層電池（図示せず）を固定した。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１０２に設けられた燃料ガス供給管１０４、
酸化剤ガス供給管１０５および冷却水供給管１０６よ
り、図中矢印方向に供給される。これらの供給管１０
４、１０５および１０６は、積層電池の各マニホルド孔
（図示せず）に接続されている。各流体のマニホルド孔
は、下方に向けてその断面積が徐々に小さくなるように
なっている。 【００１８】積層電池内を通過した各流体は、燃料ガス
排出管１０７、酸化剤ガス排出管１０８および冷却水排
出管１０９より、電池外に図中矢印方向に排出される。
ここで、各排出管１０７、１０８および１０９に接続さ
れた各流体のマニホルド孔（図示せず）は、上方に向け
てその断面積が徐々に小さくなるようになっている。こ
のように、流入側マニホルドを通り各単電池、各冷却板
を通過した各流体は、流出側マニホルドを通過し、各流
体が流入した端板側より電池外に排出される。このよう
な構成をとることで、各単電池を通過する各流体の流路
長を変化させることが可能になる。これにより、各流体
に生じる動圧による圧力勾配と、流路長が変化して生じ
る圧力損失をバランスさせることができ、各単電池に各
流体を均一に供給することが可能になる。さらに、マニ
ホルド断面積を減少させることで動圧による圧力勾配を
調節するため、外形寸法を小さくすることが可能にな
り、軽量、コンパクトな燃料電池構成とすることができ
る。 【００１９】《実施例》参考例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、図６に
示す燃料電池を組み立てた。積層電池６０５の両積層面
に、金属製の集電板６０１および絶縁板６０２を重ね合
わせ、さらにその表面に端板６０３を重ね合わせた。一
対の端板６０３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６０４を係止して積層電池６０５
を固定した。絶縁板６０２および端板６０３は、それぞ
れ貫通した孔６０２ａおよび６０３ａを有する。この孔
６０２ａおよび６０３ａを貫通して、一対の集電部材６
００を装着した。集電部材６００の先端は、集電板６０
１と導通していて、出力端子として機能する。なお、集
電部材６００と端板６０３とは電気絶縁材料により絶縁
されている。この端板６０３と集電部材６００を絶縁す
る電気絶縁材料は、絶縁板６０２と一体であっても同様
の効果を有する。このような構成とすることで、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
続する接続部材が積層電池外形よりはみ出すことなくコ
ンパクトに収まり、機器搭載性の自由度が向上する。 【００２０】 【発明の効果】本発明によると、各流体に生じる動圧に
よる圧力勾配による各流体の分配性の悪化をマニホルド
断面積の調整でなくすことが可能になり、マニホルド断
面積を小さくできるのでコンパクト化に寄与する。ま
た、本発明によると、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が、積層電
池外形よりはみ出すことなく、コンパクトに収まり、機
器搭載性の自由度の向上を図ることができる。
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固体高分子型燃料電池に関する。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、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。固体高分子型燃料電池の一例を、図１を用い
て説明する。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９が構成される。電極９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
電解質膜電極接合体（以下、ＭＥＡとする）１０を構成
している。また、電極９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ＭＥＡ１
０と一体化していてもよい。 【０００３】上記のような燃料電池においては、図２に
示すように、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９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９の周りに、
樹脂や金属板からなり、電極９と同程度の厚さを有する
ガスケット１９を配し、セパレータ板４とガスケット１
９の隙間をグリースや接着剤でシールした構造もある。
さらに近年では、図４に示すように、ＭＥＡ１０とし
て、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。ＭＥＡ１０の外側には、これを機
械的に固定するとともに、隣接したＭＥＡ１０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ＭＥＡ１０と接触する部
分には、電極９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、図１
に示すようにセパレータ板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。 【０００４】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。また、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。 【０００５】このような積層電池では、マニホルドと呼
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。これらマニホルドの配置形態により、内部マ
ニホルド型と外部マニホルド型に分類される。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
いる内部マニホルド型が一般的である。しかしながら、
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、
外部マニホルド型が見直されている。 【０００６】内部マニホルド型および外部マニホルド型
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。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。 【０００７】積層電池が安定的に性能を発揮するために
は、単電池に供給される燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷
却水が、それぞれ各単電池に均一に分配されることが必
要である。一般的には、供給される各流体が流れるマニ
ホルド断面積を大きくし、各流体のマニホルド内流速を
低減させ、流体の動圧に起因して発生する圧力勾配によ
る影響を低減するよう工夫されているが、燃料電池の小
型軽量化を図ろうとするとマニホルドの断面積はできる
だけ小さくする必要がある。また従来、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、集電板の
一部が積層電池外形よりはみ出した形状の集電板を用い
た積層電池では、そのはみ出し部分から外部機器に接続
していた。そのため、電気的接続部位が積層電池外形よ
りも大きくはみ出る形状となり、電池全体が大型化した
り、機器搭載性の自由度が低かったりした。 【０００８】 【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
が高い固体高分子型燃料電池を提供することを目的とす
る。 【０００９】 【課題を解決するための手段】固体高分子型燃料電池に
おいて、燃料と酸化剤ガスと冷却水とを、単電池の積層
方向の端部より流入し、各単電池を通過後、流入した方
向とは逆の方向に流出させる。また、単電池の集電を行
う集電板が、前記固体高分子型燃料電池に締め付け圧力
を与えるエンドプレートを、絶縁手段を介して、貫通し
た構成とする。 【００１０】 【発明の実施の形態】本発明の固体高分子型燃料電池
は、固体高分子電解質膜と、固体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、積層された単電池のうちの一方
の端部の単電池からその積層順に他方の端部の単電池ま
で燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水をそれぞれ分配供
給する供給用マニホルドと、他方の端部の単電池からそ
の積層順に燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水がそれぞ
れ排出される排出用マニホルドを具備する。 【００１１】本発明の他の固体高分子型燃料電池は、固
体高分子電解質膜と、固体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ルドとを備
えた高分子電解質型燃料電池であって、供給用マニホル
ドの断面積が下流になるにつれて小さくなり、排出用マ
ニホルドの断面積が下流になるにつれて大きくなる。本
発明のさらに他の固体高分子型燃料電池は、固体高分子
電解質膜と、固体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
給する手段とを備えた単電池の複数が、導電性のセパレ
ータを介して積層され、その両端面に積層された単電池
に締め付け圧力を与えるエンドプレートが配された高分
子電解質型燃料電池であって、単電池の集電を行う集電
板の一部が、エンドプレートを貫通していて、集電板と
エンドプレートの間に絶縁手段が介在している。 【００１２】本発明では、流体の動圧により発生する圧
力勾配を低減するためマニホルド断面積を増大させる従
来の流体均一分配法に代わり、各流体の流れ方向を積層
電池の積層方向端部より流入させ各単電池を通過後、流
入方向と逆に排出する構成とした流体均一分配法を用い
る。これにより、本発明の固体高分子型燃料電池は、電
解質膜、触媒反応層を有する電極、セパレータなどの電
池構成部材からなる単電池を、複数個重ねた積層電池の
運転に必要な燃料ガス、酸化剤ガスおよび冷却水の各流
体の流れ方向を、積層電池の積層方向端部より流入さ
せ、各単電池を通過後、積層電池に流入した方向とは逆
の方向に流出させる構成とする。これにより、各単電池
に各流体が通過する流路長を変化させることが可能にな
る。そのため、各流体に生じる動圧による圧力勾配と流
路長が変化することで生じる圧力損失をバランスさせる
ことで、各単電池に各流体を均一にさせることが可能に
なる。動圧による圧力勾配の調節はマニホルド断面積を
減少させることで行うため、軽量、コンパクトな構成の
燃料電池が得られる。 【００１３】また、本発明では、集電板から積層電池積
層方向に集電部材を延長し、その集電部材が上記絶縁手
段を介し端板を貫通する構成を用いる。本発明の固体高
分子型燃料電池は、電解質膜、触媒反応層を有する電
極、セパレータなどの電池構成部材からなる単電池を、
複数個重ねた積層電池に電気的に接触し積層電池から発
生する電気を集電する集電板から、積層電池と集電板と
に締め付け力を付加する端板を電気的絶縁手段を介して
貫通する集電部材を延長することで集電を行う構成とし
た。このことにより、外部機器との電気的接続が積層電
池外形からはみ出すことなく行うことが可能になり、小
型化と機器搭載性の自由度の向上が実現される。 【００１４】 【実施例】本発明の実施例を、図面を参照しながら説明
する。 【００１５】《参考例》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。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。つぎに撥水処理を施し
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反応層２を形成し、電極９を得
た。得られた電極９の一対を、高分子電解質膜３の両面
に、その触媒反応層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
乾燥して電解質膜電極接合体（以下、ＭＥＡとする）１
０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。 【００１６】得られたＭＥＡ１０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。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
スのマニホルド孔６と冷却水のマニホルド孔７が配され
ている。また、ＭＥＡ１０をセパレータ板で挟み込む
際、電極９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。 【００１７】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
流路のシール用にＯリングは用いなかった。得られた電
池構成単位の複数を積層して図２に示すような燃料電池
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、さらにその両端面には
金属製の集電板１００、電気絶縁材料製の絶縁板１０
１、および端板１０２を配した。ついで、締結ロッド１
０３で、両端板１０２間を接続し、その間に挟まれた積
層電池（図示せず）を固定した。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１０２に設けられた燃料ガス供給管１０４、
酸化剤ガス供給管１０５および冷却水供給管１０６よ
り、図中矢印方向に供給される。これらの供給管１０
４、１０５および１０６は、積層電池の各マニホルド孔
（図示せず）に接続されている。各流体のマニホルド孔
は、下方に向けてその断面積が徐々に小さくなるように
なっている。 【００１８】積層電池内を通過した各流体は、燃料ガス
排出管１０７、酸化剤ガス排出管１０８および冷却水排
出管１０９より、電池外に図中矢印方向に排出される。
ここで、各排出管１０７、１０８および１０９に接続さ
れた各流体のマニホルド孔（図示せず）は、上方に向け
てその断面積が徐々に小さくなるようになっている。こ
のように、流入側マニホルドを通り各単電池、各冷却板
を通過した各流体は、流出側マニホルドを通過し、各流
体が流入した端板側より電池外に排出される。このよう
な構成をとることで、各単電池を通過する各流体の流路
長を変化させることが可能になる。これにより、各流体
に生じる動圧による圧力勾配と、流路長が変化して生じ
る圧力損失をバランスさせることができ、各単電池に各
流体を均一に供給することが可能になる。さらに、マニ
ホルド断面積を減少させることで動圧による圧力勾配を
調節するため、外形寸法を小さくすることが可能にな
り、軽量、コンパクトな燃料電池構成とすることができ
る。 【００１９】《実施例》参考例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、図６に
示す燃料電池を組み立てた。積層電池６０５の両積層面
に、金属製の集電板６０１および絶縁板６０２を重ね合
わせ、さらにその表面に端板６０３を重ね合わせた。一
対の端板６０３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６０４を係止して積層電池６０５
を固定した。絶縁板６０２および端板６０３は、それぞ
れ貫通した孔６０２ａおよび６０３ａを有する。この孔
６０２ａおよび６０３ａを貫通して、一対の集電部材６
００を装着した。集電部材６００の先端は、集電板６０
１と導通していて、出力端子として機能する。なお、集
電部材６００と端板６０３とは電気絶縁材料により絶縁
されている。この端板６０３と集電部材６００を絶縁す
る電気絶縁材料は、絶縁板６０２と一体であっても同様
の効果を有する。このような構成とすることで、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
続する接続部材が積層電池外形よりはみ出すことなくコ
ンパクトに収まり、機器搭載性の自由度が向上する。 【００２０】 【発明の効果】本発明によると、各流体に生じる動圧に
よる圧力勾配による各流体の分配性の悪化をマニホルド
断面積の調整でなくすことが可能になり、マニホルド断
面積を小さくできるのでコンパクト化に寄与する。ま
た、本発明によると、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が、積層電
池外形よりはみ出すことなく、コンパクトに収まり、機
器搭載性の自由度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】固体高分子型燃料電池の電池部材の構成を示す
一部を切り欠いた斜視図である。 【図２】固体高分子型燃料電池における流体のシール方
式の一例を示す要部の縦断面図である。 【図３】同他の例を示す要部の縦断面図である。 【図４】同さらに他の例を示す要部の縦断面図である。 【図５】本発明の参考例の固体高分子型燃料電池の構成
を示す概略した斜視図である。 【図６】本発明の実施例の固体高分子型燃料電池の構成
を示す縦断面図である。 【符号の説明】 １ 拡散層 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 ６ ガスのマニホルド孔 ７ 冷却水のマニホルド孔 ８、１９ ガスケット ９ 電極 １０ 電解質膜電極接合体 １７ シール材 １８ Ｏリング ２１ 樹脂 １００、６０１ 集電板 １０１、６０２ 絶縁板 １０２、６０３ 端板 １０４ 燃料ガス供給管 １０５ 酸化剤ガス供給管 １０６ 冷却水供給管 １０７ 燃料ガス排出管 １０８ 酸化剤ガス排出管 １０９ 冷却水排出管 １１０、６０５ 積層電池 ６００ 集電部材 ６０２ａ、６０３ａ 孔 ６０４ 締結ロッド
一部を切り欠いた斜視図である。 【図２】固体高分子型燃料電池における流体のシール方
式の一例を示す要部の縦断面図である。 【図３】同他の例を示す要部の縦断面図である。 【図４】同さらに他の例を示す要部の縦断面図である。 【図５】本発明の参考例の固体高分子型燃料電池の構成
を示す概略した斜視図である。 【図６】本発明の実施例の固体高分子型燃料電池の構成
を示す縦断面図である。 【符号の説明】 １ 拡散層 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 ６ ガスのマニホルド孔 ７ 冷却水のマニホルド孔 ８、１９ ガスケット ９ 電極 １０ 電解質膜電極接合体 １７ シール材 １８ Ｏリング ２１ 樹脂 １００、６０１ 集電板 １０１、６０２ 絶縁板 １０２、６０３ 端板 １０４ 燃料ガス供給管 １０５ 酸化剤ガス供給管 １０６ 冷却水供給管 １０７ 燃料ガス排出管 １０８ 酸化剤ガス排出管 １０９ 冷却水排出管 １１０、６０５ 積層電池 ６００ 集電部材 ６０２ａ、６０３ａ 孔 ６０４ 締結ロッド
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 西田 和史
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 内田 誠
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 安本 栄一
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 菅原 靖
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 神原 輝壽
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
Ｆターム(参考） 5H026 AA06 CC03 CX05
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 【請求項１】 固体高分子電解質膜と、前記固体高分子
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、前記電極の一方に水素を含有する燃料を供給しか
つ他方に酸素を含む酸化剤ガスを供給する手段とを備え
た単電池の複数が、導電性のセパレータを介して積層さ
れ、その両端面に積層された前記単電池に締め付け圧力
を与えるエンドプレートが配された高分子電解質型燃料
電池であって、前記単電池の集電を行う集電板の一部
が、前記エンドプレートを貫通していて、前記集電板と
前記エンドプレートの間に絶縁手段が介在する固体高分
子型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003015907A JP2003234112A (ja) | 2003-01-24 | 2003-01-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003015907A JP2003234112A (ja) | 2003-01-24 | 2003-01-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP23452298A Division JP3454722B2 (ja) | 1998-08-20 | 1998-08-20 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003234112A true JP2003234112A (ja) | 2003-08-22 |
Family
ID=27785733
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003015907A Pending JP2003234112A (ja) | 2003-01-24 | 2003-01-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2003234112A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014060039A (ja) * | 2012-09-18 | 2014-04-03 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
-
2003
- 2003-01-24 JP JP2003015907A patent/JP2003234112A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2014060039A (ja) * | 2012-09-18 | 2014-04-03 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050708 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20051104 |