JP2005259360A

JP2005259360A - 固体高分子電解質燃料電池

Info

Publication number: JP2005259360A
Application number: JP2004065196A
Authority: JP
Inventors: Takashi Nakagawa; 貴嗣中川; Masatoshi Teranishi; 正俊寺西
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2004-03-09
Publication date: 2005-09-22
Anticipated expiration: 2024-03-09
Also published as: CN101217199A; CN101217199B; JP4543708B2

Abstract

【課題】長期間の保管による発電性能および耐久性能の低下を防止した保管機能を持つ固体高分子電解質燃料電池を提供すること。
【解決手段】固体高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層が形成され、他方の表面にカソード触媒層が形成され、更に、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層の表面それぞれに保護膜が形成された固体高分子電解質燃料電池であって、前記保護膜の表面を酸素遮断性の高いフィルムシールで全面を覆うことで解決できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子電解質膜に酸素極及び燃料極の触媒層が積層された固体高分子電解質燃料電池に関し、特に電解質燃料電池の保管方法に特徴がある。

従来の燃料電池電極の単体としての保管方法としては、単に触媒層の保護用のビニルシートに梱包された状態で保管するようにしていた。また、燃料電池電極にガス拡散層を積層し、セパレータで挟み込み、スタックとして組み立てた状態において、セパレータの流路に不活性ガスをパージし、水をパージした状態で酸素を除いた雰囲気にして保管しているものがあった（例えば、特許文献１及び２参照）。図３は、前記特許文献２に記載された従来の固体電解質燃料電池の保管方法を示すものである。

図５において、不活性ガス供給装置１８はセパレータの流路に不活性ガスをパージし、燃料電池電極を保管していた。
特開２００２−９３４４８号公報特開平６−２５１７８８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、固体高分子電解質燃料電池を単体で保管する際に酸素による触媒層の酸化、高分子電解質膜の水分変動、有機物等の不純物の付着で、長期間の保管により、燃料電池の発電性能が低下しやすく、長期間の保管が困難という課題を有していた。燃料電池電極をスタックとして組み立てた後においては、上記従来例の技術により安定した保管が可能となるが、電極単体としての保管としては不適切であり、燃料電池単体の保管時や流通時に発電特性を劣化させるという課題を有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、燃料電池電極単体の発電特性の低下を防止する長期間保管可能とする固体高分子電解質燃料電池を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本願請求項１に記載の固体高分子電解質燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層が形成され、他方の表面にカソード触媒層が形成され、更に、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層の表面それぞれに保護膜が形成された固体高分子電解質燃料電池であって、前記保護膜の表面を酸素遮断性の高いフィルムシールで全面を覆うことを特徴とするものである。

また、本願請求項２に記載の固体高分子電解質燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層が形成され、他方の表面にカソード触媒層が形成され、かつ、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層の表面それぞれにガス拡散層が形成され、更に、前記ガス拡散層の表面に保護膜が形成された固体高分子電解質燃料電池であって、前記保護膜の表面を酸素遮断性の高いフィルムシールで全面を覆うことを特徴とするものである。

このとき、酸素遮断性の高いフィルムシールで覆われた空間中に脱酸素剤を備えると好適である。

更に、酸素遮断性の高いフィルムシールを、ポリ塩化ビニリデンコートフィルムにラミネートした包材、酸素透過性の低いフィルムにラミネートした包材、アルミ蒸着したフィルムにラミネートした包材、アルミ箔にラミネートした包材の何れかで構成すると好適である。

以上のように、本発明の固体高分子電解質燃料電池によれば、燃料電池電極単体の発電特性の低下を長期間に渡って防止した機能を持つ固体高分子電解質燃料電池を提供することができる。

以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態１における固体高分子電解質燃料電池の燃料電池電極単体の保管をおこなう保管方法の概略図である。

図１において、燃料電池電極１１ａは固体高分子電解質膜１２にアノード触媒層１３およびカソード触媒層１４が両面に積層された構造を有している。アノード触媒層１３およびカソード触媒層１４にはそれぞれ保護膜１５が付着されている。保護膜を付着することにより、触媒表面が外部からの不純物との接触を防ぐ役割とともに、触媒表面が損傷するのを防ぐ役割があり、材料としては高分子系のフィルム樹脂が用いられる。このような構成を持つ燃料電池電極１１は、酸素、水分、および不純物の透過を防止するシール性の高い密閉容器２１に封入された状態で保管される。

このとき、密閉容器２１は、酸素遮断性の高いフィルムシールが望ましく、Ｋコート（ポリ塩化ビニリデンコート）フィルムにラミネートした包材、ＥＶＯＨなど酸素透過性の低いフィルムにラミネートした包材、アルミ蒸着したフィルムにラミネートした包材、またはアルミ箔にラミネートした包材などを用いることができる。密閉包装にすることにより容器内部から漏れ出す水蒸気を防止することが可能であり、容器内部の水分量の変動を防止することができる。これにより高分子電解質中の水分量の変動を防ぐことができ、高分子電解質膜の劣化を防止することができる。また、外部からの不純物の混入も防ぐことができ、不純物による燃料電池電極の劣化を防止することができる。

また、図２のように、燃料電池電極１１ｂは固体高分子膜１２にアノード触媒層１３およびカソード触媒層１４が積層され、それぞれの触媒層にガス拡散層１６が接着された構造を有している。このような燃料電池電極の状態で保管することも可能である。その際も、保護膜１５を付着することにより、ガス拡散層表面が外部からの不純物との接触を防ぐとともに、ガス拡散層表面が損傷するのを防ぐことができる。ガス拡散層１６が接着された状態においては、触媒表面への酸素および不純物の接触がより低減されるとともに、触媒表面の水分量の変動がより低減されるため、長期間の保存による燃料電池電極の発電性能の低下をより防ぐことができ、ガス拡散層自体が保護膜の機能を果たすことができる。このような構成の燃料電池電極１１も、酸素、水分、および不純物の透過を防止するシール性の高い密閉容器２１に封入された状態で保管される。

図３は、複数個の燃料電池電極の保管をおこなう保管方法の概略図である。密閉容器２１の内部には、複数個の燃料電池電極が重ねられて封入されており、アノード触媒層およびカソード触媒層のそれぞれに付着された保護膜により、個々の燃料電池電極が接触し、損傷することなく、複数個の燃料電池電極を保管することができる。個々の燃料電池電極はガス拡散層が接着されていない状態１１ａもしくは接着された状態１１ｂのどちらでもよい。

密閉容器２１の内部には、酸素を除いた雰囲気に保持するため、予め、不活性ガスをパージした状態にする。不活性ガスには、窒素ガスを使用することが望ましいが、その他の不活性ガスを使用することもできる。不活性ガスを容器内にパージする方式は、一般に用いられているガス充填包装の方式を用いればよい。容器内部のガスを追い出した後に、不活性ガスを容器内に送り込み、封入口をシールすることで容器内を不活性ガスでパージし、密閉することができる。

また、不活性ガスではなく、水を用いてパージすることも可能である。密閉容器内に、水を封入することにより容器中の酸素を追い出すことができ、燃料電池電極の周囲がすべて水となるため、高分子電解質膜中の水分量の変動も防止することができる。水の中に、不純物の混入がないように、パージする水には純水もしくは蒸留水を用いることが望ましい。

図４は、脱酸素剤３１を用いて、密閉容器内の酸素を除去して、燃料電池電極の保管をおこなう保管方法の概略図である。不活性ガス、水を用いてパージする方式を取らない場合は、簡易的に脱酸素剤３１を用いて、密閉容器内の酸素を除去することができる。脱酸素剤を用いた場合には、外部からリークしてくる酸素を選択的に除去することも可能であり、容器の密閉性が低くても、容器内の酸素を除去できる。脱酸素剤としては、自己反応型の有機系の脱酸素剤を用いることが望ましい。自己反応型の有機系の脱酸素剤は、外部からの水分を必要としないため、容器内の水分量の変動を防止することができる。鉄系の脱酸素剤は酸素吸収が早く経済的である一方、水分依存型であり密閉容器内の水分量が変動してしまう欠点を持ち、鉄は燃料電池において、発電性能を劣化させる不純物のなるため、使用しないことが望ましい。

次に、図６に基づいて、本発明による保管機能を持つ固体高分子電解質燃料電池により発電性能の低下および耐久性能の低下の防止を実現できることを検証した結果を説明する。尚、図６は、セル電圧の経時変化を示し、各図において、実線Ａは、本発明による保管機能を持つ燃料電池電極を長期間放置した後、発電させた結果を示し、実線Ｂは従来の単なるビニルシートに包装された燃料電池電極を長期間放置した後、発電させた結果を示す。比較のため、製造直後の燃料電池電極を発電させた結果を破線で示している。検証試験においては、アノード電極に燃料として水素ガスを供給し、カソード電極に酸化剤を含むガスとして、空気を供給した。運転条件は、セルの温度７０℃程度、燃料利用率は７０％程度、空気利用率は４０％程度および電流密度は０．２Ａ／ｃｍ²程度である。

図６は、運転時間が３０００時間に達するまでのセル電圧の経時変化を示したものである。本発明の保管方法による燃料電池電極と従来の保管方法による燃料電池電極のセル電圧は初期において、本発明の方法によるものの方のセル電圧が高く、製造直後の燃料電池電極を発電させた場合のセル電圧と同等であった。また、３０００時間までの電圧低下率を見ても、本発明の方法によるものの方がセル電圧の電圧低下率が低く、製造直後の燃料電池電極を発電させたセル電圧の電圧低下率と同等であった。さらに長時間の発電を続けた場合、通常の保管方法による燃料電池電極を用いたセルは高分子電解質膜の劣化が通常よりも早く進み、製造直後の燃料電池電極を用いたセルを発電させた場合よりも、かなり早い時間で、急激な電圧低下を起こし、発電不能になる現象も確認された。

したがって、本発明の方法による保管機能を持つ固体高分子電解質燃料電池を用いた方が、従来の方法による保管よりも、長期間の保管による燃料電池電極の発電性能および耐久性能の低下を防止することができることが分かった。

かかる構成によれば、固体高分子電解質燃料電池の燃料電池電極単体を酸素、水分および不純物の透過を防止した密閉容器内に酸素を除去した雰囲気の状態および容器中の水分量の変動を防止した状態で保管をおこなう保管方法を用いることにより、固体高分子電解質燃料電池の保管時において発電性能の低下を防止することが可能となり、燃料電池電極単体を長期間に渡って、性能劣化させることなく保管する機能を提供することができる。

本発明の固体高分子電解質燃料電池は、燃料電池電極の長期間の保管による発電性能の低下を防止した保管機能を有し、固体高分子電解質膜を有した電気化学デバイスの保管方法等の長期間における保管による性能劣化の防止した保管方法の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態における燃料電池電極単体の保管方法を示す概略図本発明の実施の形態におけるガス拡散層を付着した燃料電池電極単体の保管方法を示す概略図本発明の実施の形態における複数の燃料電池電極単体の保管方法を示す概略図本発明の実施の形態における脱酸素剤を用いた燃料電池電極単体の保管方法を示す概略図従来の燃料電池の保管方法を示す概略図セル電圧の経時変化を示す図

符号の説明

１１ａガス拡散層が接着されていない燃料電池電極
１１ｂガス拡散層が接着された燃料電池電極
１２固体高分子電解質膜
１３アノード触媒層
１４カソード触媒層
１５保護膜
１６ガス拡散層
２１密閉容器
３１脱酸素剤

Claims

固体高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層が形成され、他方の表面にカソード触媒層が形成され、更に、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層の表面それぞれに保護膜が形成された固体高分子電解質燃料電池であって、前記保護膜の表面を酸素遮断性の高いフィルムシールで全面を覆うことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池。
固体高分子電解質膜の一方の表面にアノード触媒層が形成され、他方の表面にカソード触媒層が形成され、かつ、前記アノード触媒層と前記カソード触媒層の表面それぞれにガス拡散層が形成され、更に、前記ガス拡散層の表面に保護膜が形成された固体高分子電解質燃料電池であって、前記保護膜の表面を酸素遮断性の高いフィルムシールで全面を覆うことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池。
酸素遮断性の高いフィルムシールで覆われた空間中に脱酸素剤を備えたことを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子電解質燃料電池。
酸素遮断性の高いフィルムシールは、ポリ塩化ビニリデンコートフィルムにラミネートした包材、酸素透過性の低いフィルムにラミネートした包材、アルミ蒸着したフィルムにラミネートした包材、アルミ箔にラミネートした包材の何れかであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の固体高分子電解質燃料電池。