JP2007004994A - Solid polymer fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は一般に、小型で軽量の固体高分子型燃料電池に関する。より詳細には、本発明は、セパレータを用いない固体高分子型燃料電池に関する。 The present invention generally relates to small and light polymer electrolyte fuel cells. More specifically, the present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell that does not use a separator.
燃料電池には、一般的に、セパレータを用いて多数のセルを積み重ねる、いわゆるスタック構造が採用されている。燃料電池は、ユニット1個の出力電圧が0.6V〜0.8Vであるので、高い出力電圧を得るために多数のユニットを直列に結合することによって形成されるが、その際にセパレータが使用される。表裏にガスの流路が設けられているセパレータは、水素ガス/酸素ガスの分離板であるとともに、電圧の伝達媒体、集電体、燃料電池の骨格を形成する役目も果たす。 In general, a so-called stack structure in which a large number of cells are stacked using a separator is employed for a fuel cell. Since the output voltage of one unit is 0.6V to 0.8V, a fuel cell is formed by connecting a large number of units in series to obtain a high output voltage. Is done. The separator provided with gas flow paths on the front and back sides is a hydrogen gas / oxygen gas separator, and also serves to form a voltage transmission medium, a current collector, and a fuel cell skeleton.
一方、セパレータを用いない燃料電池も開発されている。例えば、特許文献1に記載されている燃料電池は、カーボン不織布を電極およびガス流路として使用するように構成されている。
On the other hand, fuel cells that do not use a separator have also been developed. For example, the fuel cell described in
しかしながら、セパレータは、工夫を凝らしたガス流路を炭素材や特殊な合金材に刻み込む必要があるため、高価であるという課題を有している。また、上述のように、燃料電池は、多数のユニットを直列に結合し、各ユニット間にセパレータを挿入しなければならないため、燃料電池自体の重量が嵩むという課題も有している。さらに、水素ガスは漏れやすいため、セパレータを用いるスタック構造では、セパレータを強く締め付ける構造を採用しなければならないという課題も有している。一方、上述の特許文献1に記載の燃料電池では、価格および重量に関する上述の課題は解消されているように見受けられるものの、カーボン不織布自体の収縮、形状の不安定性、圧縮強度の不足、ガスの完全密閉性の欠如などの課題があるため、実用化には種々の困難が伴うものと思われる。
However, the separator has a problem that it is expensive because it needs to engrave a gas channel with a special device into a carbon material or a special alloy material. Further, as described above, the fuel cell has a problem that the weight of the fuel cell itself increases because a large number of units must be coupled in series and a separator must be inserted between the units. Furthermore, since hydrogen gas is likely to leak, the stack structure using a separator also has a problem that a structure that strongly tightens the separator must be employed. On the other hand, in the fuel cell described in
したがって、本発明は、セパレータを用いる必要がなく、実用化の可能な固体高分子型燃料電池を提供することを目的としている。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a solid polymer fuel cell that can be put into practical use without using a separator.
本発明においては、燃料電池を常温で動作させる方法として、有機高分子である有機ゲル電解質を使用する。有機ゲル電解質は、燃料電池製造の観点から見ると、安価であり膜製造が容易であるという長所を有している一方、機械的に弱くて破れ易いうえ、水を多量に取り込んで膨潤する性質が強いためセパレータを使用したスタック構造の燃料電池を製造するのが容易ではないという短所を有している。 In the present invention, an organic gel electrolyte that is an organic polymer is used as a method for operating a fuel cell at room temperature. From the viewpoint of fuel cell production, organic gel electrolytes have the advantage of being inexpensive and easy to produce membranes, but are mechanically weak and easy to break, and they swell by taking up a large amount of water. Therefore, it is not easy to manufacture a fuel cell having a stack structure using a separator.
そこで、本発明者は、セパレータを使用しない燃料電池の製造に関して研究を行った。すなわち、セパレータが有する機能および役割を他の部品に代替させるべく、研究を進めた。本発明のセパレータのない燃料電池では、炭素繊維不織布内の隙間を通過する乱流によって、電解質膜へのガスの供給が行われる。この際、ガスは、数十μmの不規則な隙間を流れるため、乱流抵抗を受ける。そのため、ガスをガス供給管から電解質膜に均一に供給するのは困難である。そこで、本発明者は、電極となる炭素繊維不織布とその周囲の枠材(ガスケット)との間に0.5mm〜1.0mmの隙間を設け、ガス配管から供給される水素ガス又は酸素ガスが炭素繊維不織布内に入ると同時に、所定の隙間にも自由に流入した後に炭素繊維不織布内に流入するように構成した。 Therefore, the present inventor conducted research on the manufacture of a fuel cell that does not use a separator. That is, research was advanced to replace the function and role of the separator with other parts. In the fuel cell without a separator of the present invention, gas is supplied to the electrolyte membrane by turbulent flow passing through the gaps in the carbon fiber nonwoven fabric. At this time, since the gas flows through an irregular gap of several tens of μm, it receives turbulent resistance. Therefore, it is difficult to uniformly supply the gas from the gas supply pipe to the electrolyte membrane. Therefore, the present inventor provides a gap of 0.5 mm to 1.0 mm between the carbon fiber nonwoven fabric serving as an electrode and the surrounding frame material (gasket), and hydrogen gas or oxygen gas supplied from the gas pipe is provided. At the same time as entering the carbon fiber nonwoven fabric, the carbon fiber nonwoven fabric was allowed to flow freely into the predetermined gap and then into the carbon fiber nonwoven fabric.
本願請求項1に記載の固体高分子型燃料電池は、有機ゲル電解質膜を用いた複数の燃料電池ユニットを直列に結合することによって形成され、前記燃料電池ユニットが、炭素繊維不織布で形成された酸素電極をもつ酸素電極部と、炭素繊維不織布で形成された水素電極をもつ水素電極部とを備え、前記酸素電極の外周から酸素ガスを導入し、前記水素電極の外周から水素ガスを導入して、前記有機ゲル電解質膜にそれぞれ供給するように構成されていることを特徴とするものである。
The polymer electrolyte fuel cell according to
本願請求項2に記載の固体高分子型燃料電池は、前記請求項1の燃料電池において、前記酸素電極部が、前記酸素電極の周囲に配置される枠材を有し、前記酸素電極と前記枠材との間に、前記枠材に設けられた酸素ガス流通孔と通じる隙間が設けられており、酸素ガスが、前記酸素ガス流通孔から前記隙間を介して前記酸素電極に導入され、前記酸素電極に接触している前記有機ゲル電解質膜に供給されるように構成されていることを特徴とするものである。
The polymer electrolyte fuel cell according to
本願請求項3に記載の固体高分子型燃料電池は、前記請求項1又は2の燃料電池において、前記水素電極部が、第1水素電極部および第2水素電極部からなり、前記第1水素電極部が、第1水素電極の周囲に配置される枠材を有し、前記第2水素電極部が、第2水素電極の周囲に配置される枠材を有し、前記第1水素電極部と前記第2水素電極部を重ね合わせたとき、前記第1水素電極と前記第2水素電極が少なくとも部分的に重なり合うように形成されており、前記第2水素電極と前記枠材との間に、前記枠材に設けられた水素ガス流通孔と通じる隙間が設けられており、水素ガスが、前記水素ガス流通孔から前記隙間を介して前記第2水素電極に導入され、前記第2水素電極に少なくとも部分的に接触している前記第1水素電極、次いで前記第1水素電極に接触している前記有機ゲル電解質膜に供給されるように構成されていることを特徴とするものである。
The solid polymer fuel cell according to
本願請求項4に記載の固体高分子型燃料電池は、前記請求項1から請求項3までのいずれか1項の燃料電池において、前記燃料電池ユニット間に、燃料電池ユニットの縦横寸法よりも大きい縦横寸法を有するステンレス鋼板を配置して、複数基の前記燃料電池ユニットを直列に結合し、締結具によって各燃料電池ユニットを互いに堅固に固定することによって形成されることを特徴とするものである。
The solid polymer fuel cell according to claim 4 of the present application is the fuel cell according to any one of
本発明の燃料電池では、セパレータが不要であるので、軽量かつ廉価な燃料電池を提供することができる。また、本発明の燃料電池では、電極の外周から燃料ガスが供給されるように構成されているので、電極を形成する炭素繊維不織布内に燃料ガスを効率的に流入させることができる。また、本発明の燃料電池では、枠体がガスケットの役目を果たすので、水素ガスの漏洩防止を効率的に行うことができる。また、本発明の燃料電池では、電解質膜および電極の周囲に枠材が配置されているので、燃料電池ユニット自体の形状を安定させ、強度を付与することが可能になる。さらに、本発明の燃料電池では、燃料電池ユニット間に縦横寸法の大きなステンレス鋼板を配置することにより、ステンレス鋼板が燃料電池の集電体、形状保持材としての役目を果たすのみならず、空冷手段としても機能する。 Since the fuel cell of the present invention does not require a separator, a lightweight and inexpensive fuel cell can be provided. Moreover, in the fuel cell of this invention, since it is comprised so that fuel gas may be supplied from the outer periphery of an electrode, fuel gas can be efficiently flowed in in the carbon fiber nonwoven fabric which forms an electrode. Further, in the fuel cell of the present invention, since the frame serves as a gasket, it is possible to efficiently prevent hydrogen gas from leaking. In the fuel cell of the present invention, since the frame material is disposed around the electrolyte membrane and the electrode, the shape of the fuel cell unit itself can be stabilized and strength can be imparted. Furthermore, in the fuel cell of the present invention, by arranging the stainless steel plates having large vertical and horizontal dimensions between the fuel cell units, the stainless steel plate not only serves as a current collector and shape retention material for the fuel cell, but also air cooling means. Also works.
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る固体高分子型燃料電池について詳細に説明する。本発明の好ましい実施の形態に係る固体高分子型燃料電池10は、複数の燃料電池ユニットを直列に結合することによって形成される。図1は、燃料電池ユニット20の分解斜視図である。
Next, a polymer electrolyte fuel cell according to a preferred embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. A polymer
燃料電池ユニット20は、電解質部22と、電解質部22の一方の側に配置される酸素電極部24と、電解質部22の他方の側に配置される第1水素電極部36および第2水素電極部44とを備えている。
The
電解質部22は、図2(a)に示されるように、矩形の有機ゲル電解質膜24と、有機ゲル電解質膜24の周囲に配置される枠材26とを有している。有機ゲル電解質膜24の外周と枠材26の内周との間には、図2(b)に示されるように、実質的に隙間が設けられていない(換言すると、有機ゲル電解質膜24の外周と枠材26の内周とは接触している)。枠材26には、酸素ガス流通孔26aと、水素ガス流通孔26bと、締結具挿入孔26cとが設けられている。
As shown in FIG. 2A, the
酸素電極部28は、図3(a)に示されるように、ほぼ矩形の炭素繊維不織布で形成された酸素電極30と、酸素電極30の周囲に配置される枠材32とを有している。酸素電極30と枠材32との間には、図3(b)に最も良く示されるように、隙間34が設けられており、隙間34は、後述する酸素ガス流通孔32aに通じている。隙間34の幅は好ましくは、約0.5mm〜約1.0mmである。枠材32は、枠材26と実質的に同じ大きさの外形を有している。また、枠材32には、枠材26の酸素ガス流通孔26a、水素ガス流通孔26b、および締結具挿入孔26cが設けられている箇所とほぼ同じ箇所に、酸素ガス流通孔32a、水素ガス流通孔32b、および締結具挿入孔32cがそれぞれ設けられている。
As shown in FIG. 3A, the
第1水素電極部36は、図4(a)に示されるように、ほぼ矩形の炭素繊維不織布で形成された第1水素電極38と、第1水素電極38の周囲に配置された枠材40とを有している。第1水素電極38の外周と枠材40の内周との間には、図4(b)に示されるように、実質的に隙間が設けられていない(換言すると、第1水素電極38の外周と枠材40の内周とは接触している)。枠材40は、枠材26と実質的に同じ大きさの外形を有している。また、枠材40には、枠材26の酸素ガス流通孔26a、水素ガス流通孔26b、および締結具挿入孔26cが設けられている箇所とほぼ同じ箇所に、酸素ガス流通孔40a、水素ガス流通孔40b、および締結具挿入孔40cがそれぞれ設けられている。
As shown in FIG. 4A, the first
第2水素電極部42は、図5(a)に示されるように、炭素繊維不織布で形成された一対の第2水素電極44と、各第2水素電極44の周囲に配置された枠材46とを有している。第2水素電極44と枠材46との間には、図5(b)及び図5(c)に最も良く示されるように、隙間48が設けられており、隙間48は、後述する水素ガス流通孔46bに通じている。隙間48の幅は好ましくは、約0.5mm〜約1.0mmである。第1水素電極38及び第2水素電極44の大きさ及び位置は、第1水素電極部36と第2水素電極部42を重ね合わせたときに、少なくとも部分的に互いに重なるように選定されている。枠材46は、枠材26と実質的に同じ大きさの外形を有している。また、枠材46には、枠材26の酸素ガス流通孔26a、水素ガス流通孔26b、および締結具挿入孔26cが設けられている箇所とほぼ同じ箇所に、酸素ガス流通孔46a、水素ガス流通孔46b、および締結具挿入孔46cがそれぞれ設けられている。
As shown in FIG. 5A, the second
なお、枠材26、32、40、46は、表面が平滑なプラスチック等の適当な合成樹脂材料で形成されている。枠材26、32、40、46が上述のように構成されているため、電解質部22、酸素電極部28、第1水素電極部36、および第2水素電極部42を重ね合わせると、外形がほぼ同じであり、かつ、酸素ガス流通孔、水素ガス流通孔がそれぞれ同じ箇所に位置しているため、酸素ガス流通路(図示される例では、2つ)と水素ガス流通路(図示される例では、4つ)が形成されることになる。
The
酸素電極30、第1および第2水素電極38、44を形成する炭素繊維不織布は、発電の際に生成される水を排出するため、表面に撥水処理を施したものを使用するのが好ましい。
The carbon fiber nonwoven fabric that forms the
図7は、以上のように構成された燃料電池ユニット20を複数基(図示されている例では、8基)直列に結合することによって形成された燃料電池10を示した図である。各燃料電池ユニット20の間には、ステンレス鋼板50が配置されている。ステンレス鋼板50は、図6に示されるように、枠材26、32、40、46よりも縦横寸法が(例えば、5mm程度)大きくなるように形成されており、燃料電池ユニット20とステンレス鋼板を重ねたとき、酸素ガス流通孔、水素ガス流通孔、及び締結具挿入孔が設けられている箇所と同じ箇所に、酸素ガス流通孔50a、水素ガス流通孔50b、及び締結具挿入孔50cがそれぞれ設けられている。ステンレス鋼板50は、集電体、放熱体、及び形状保持材としての役目を果たす。なお、ステンレス鋼板50は、有機ゲル電解質膜24と直接接触することはないので、腐食のおそれはない。
FIG. 7 is a diagram showing a
図7において、参照符号52、54は、外板、締結具(ビス/ナット)をそれぞれ示している。なお、締結具54は、絶縁体(例えば、ガラス繊維/ポリアミド)で形成するのが好ましい。また、酸素ガス流通孔26a、32a、40a、46a、50aには、酸素ガス供給配管が接続され、水素ガス流通孔26b、32b、40b、46b、50bには、水素ガス供給配管が接続されており、酸素ガス供給源、水素ガス供給源(いずれも図示せず)から酸素ガス、水素ガスがそれぞれ供給されるようになっている。
In FIG. 7,
以上のように構成された燃料電池10の作動について説明する。酸素ガス供給配管、水素ガス供給配管に酸素ガス、水素ガスをそれぞれ供給する。酸素ガス供給配管を介して酸素ガス流通孔に流入した酸素ガスは、酸素電極部28の酸素ガス流通孔32aから酸素電極30に流入すると同時に、酸素ガス流通孔32aに通じている隙間34を介して酸素電極30の外周から酸素電極30内に流入する。一方、水素ガス供給配管を介して水素ガス流通孔に流入した水素ガスは、第2水素電極部42の水素ガス流通孔46bから第2水素電極44に流入すると同時に、水素ガス流通孔46aに通じている隙間48を介して第2水素電極44の外周から第2水素電極44内に流入し、次いで第2水素電極44に少なくとも部分的に重なり合っている第1水素電極38に流入する。このようにして、有機ゲル電解質膜24に接触している酸素電極30/第1水素電極38に燃料ガス(酸素ガス、水素ガス)が均一に供給されることにより、効率的に発電が行われる。
The operation of the
水素電極を2枚にした(第1水素電極38、第2水素電極44)理由は、水素ガスが有機ゲル電解質膜24の表面方向に流れる成分を増大させるためである。これに対し、酸素電極を1枚にした(酸素電極30)理由は、酸素電極には多量の空気が供給され、ガスの流速が大きいので、2枚設ける必要性に乏しいためである。なお、酸素電極30および第1水素電極38は、有機ゲル電解質膜24よりも大きくするのが好ましい。また、枠材26、32、40、46を表面が平滑な材料で形成したので、燃料ガス(酸素ガス/水素ガス)の漏洩を効果的に防止することができる。さらに、ステンレス鋼板50が枠材よりも大きな寸法となるように形成されているので、有効な空冷手段となる。
The reason for using two hydrogen electrodes (the
図8は、本発明の燃料電池の有効性を検証するために、上述のような構成を有する燃料電池ユニットの発電特性を調べたグラフである。この燃料電池ユニットは、外形が80mm×80mm、ゲル電解質膜の寸法が40mm×40mmであり、室温で動作し、燃料ガスの供給後数秒で発電を開始する。なお、有機ゲル電解質は、安価で膜製造が容易であるという利点を有しているが、機械的に弱くて破れ易く、膨潤性が強いという欠点も有している。したがって、本発明者は、破壊強度を5倍以上にし、膨潤度を1/3程度に改良した強化ゲル電解質膜を使用した。図8に示されるように、本発明の燃料電池ユニットが、従来報告されているナフィオン電解質膜を使用した燃料電池(80°C動作)と比較して遜色のない能力を有することが検証された。 FIG. 8 is a graph obtained by examining the power generation characteristics of the fuel cell unit having the above-described configuration in order to verify the effectiveness of the fuel cell of the present invention. This fuel cell unit has an outer diameter of 80 mm × 80 mm and a gel electrolyte membrane size of 40 mm × 40 mm, operates at room temperature, and starts power generation within a few seconds after the fuel gas is supplied. The organic gel electrolyte has an advantage that it is inexpensive and easy to produce a film, but has a disadvantage that it is mechanically weak and easily broken and has a strong swelling property. Therefore, the present inventor used a reinforced gel electrolyte membrane having a breaking strength of 5 times or more and an improved swelling degree of about 1/3. As shown in FIG. 8, it was verified that the fuel cell unit of the present invention has an ability comparable to that of a fuel cell (80 ° C. operation) using a Nafion electrolyte membrane that has been reported in the past. .
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made within the scope of the invention described in the claims, and these are also included in the scope of the present invention. Needless to say, it is something.
たとえば、前記実施の形態における有機ゲル電解質膜24、酸素電極30、第1水素電極38、第2水素電極44の形状は、例示的なものであり、他の任意の形状を選定してもよい。また、各枠材に設けられている酸素ガス流通孔26a、32a、40a、46a、50a、水素ガス流通孔26b、32b、40b、46b、50b、締結具挿入孔26c、32c、40c、46c、50cの個数や位置なども例示的なものであり、図示したものに限定されるものではない。
For example, the shapes of the organic
10 固体高分子型燃料電池
20 燃料電池ユニット
22 電解質部
24 有機ゲル電解質膜
26 枠材
28 酸素電極部
30 酸素電極
32 枠材
34 隙間
36 第1水素電極部
38 第1水素電極
40 枠材
42 第2水素電極部
44 第2水素電極
46 枠材
48 隙間
50 ステンレス鋼板
52 外板
54 締結具
26a、32a、40a、46a、50a 酸素ガス流通孔
26b、32b、40b、46b、50b 水素ガス流通孔
26c、32c、40c、46c、50c 締結具挿入孔
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記燃料電池ユニットが、
炭素繊維不織布で形成された酸素電極をもつ酸素電極部と、
炭素繊維不織布で形成された水素電極をもつ水素電極部とを備え、
前記酸素電極の外周から酸素ガスを導入し、前記水素電極の外周から水素ガスを導入して、前記有機ゲル電解質膜にそれぞれ供給するように構成されていることを特徴とする燃料電池。 A polymer electrolyte fuel cell formed by connecting a plurality of fuel cell units using an organic gel electrolyte membrane in series,
The fuel cell unit is
An oxygen electrode portion having an oxygen electrode formed of a carbon fiber nonwoven fabric;
A hydrogen electrode part having a hydrogen electrode formed of a carbon fiber nonwoven fabric,
A fuel cell, wherein oxygen gas is introduced from the outer periphery of the oxygen electrode, hydrogen gas is introduced from the outer periphery of the hydrogen electrode, and supplied to the organic gel electrolyte membrane.
前記第2水素電極部が、第2水素電極の周囲に配置される枠材を有し、
前記第1水素電極部と前記第2水素電極部を重ね合わせたとき、前記第1水素電極と前記第2水素電極が少なくとも部分的に重なり合うように形成されており、
前記第2水素電極と前記枠材との間に、前記枠材に設けられた水素ガス流通孔と通じる隙間が設けられており、水素ガスが、前記水素ガス流通孔から前記隙間を介して前記第2水素電極に導入され、前記第2水素電極に少なくとも部分的に接触している前記第1水素電極、次いで前記第1水素電極に接触している前記有機ゲル電解質膜に供給されるように構成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の燃料電池。 The hydrogen electrode part is composed of a first hydrogen electrode part and a second hydrogen electrode part, and the first hydrogen electrode part has a frame member arranged around the first hydrogen electrode,
The second hydrogen electrode portion has a frame member disposed around the second hydrogen electrode;
When the first hydrogen electrode portion and the second hydrogen electrode portion are overlapped, the first hydrogen electrode and the second hydrogen electrode are formed to overlap at least partially,
A gap is provided between the second hydrogen electrode and the frame member so as to communicate with a hydrogen gas flow hole provided in the frame member, and hydrogen gas passes through the gap from the hydrogen gas flow hole. Introduced into the second hydrogen electrode and supplied to the first hydrogen electrode at least partially in contact with the second hydrogen electrode and then to the organogel electrolyte membrane in contact with the first hydrogen electrode The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell is configured.
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JP2008130349A (en) * | 2006-11-21 | 2008-06-05 | Equos Research Co Ltd | Cell and stack of fuel battery |
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