JP2007194111A - 固体高分子型燃料電池およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の発電素子が、固体高分子型電解質膜3の主面及び裏面で、燃料極と酸化剤極とが交互となるように配置された平面スタック構造において、隣接する燃料極と酸化剤極との間に通気部を設ける。電池反応により燃料極1で発生する二酸化炭素を、通気部を介して燃料電池外部に排出する。
【選択図】図1A
Description
(化学式1);燃料極: CH3OH + H2O → CO2 + 6H+ + 6e−
(化学式2);酸化剤極: 6H+ + 6e− + 3/2O2 → 3H2O
(化学式3);電池反応: CH3OH + 3/2O2 → CO2 + 2H2O
が交互となるように設けられている。固体高分子電解質膜(3)の裏面上において、その主面上の燃料極(1)に対向する位置には酸化剤極(2)が配置され、その主面上の酸化剤極(2)に対向する位置には燃料極(1)が配置され、その主面上の電気接続部(5)に対向する位置には絶縁部(6)が配置され、その主面上の絶縁部(6)に対向する位置には電気接続部(5)が配置されている。電気接続部(5)は、隣接する燃料極(1)と酸化剤極(2)との間を電気的に接続する。絶縁部(6)は、隣接する燃料極(1)と酸化剤極(2)との間を絶縁する。複数の発電素子(10)は直列に電気接続されている。酸化剤極(2)は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路(2c)に接続されている。通気部(16)は、燃料極(1)で発生した二酸化炭素を、複数の発電素子(10)の平面方向側外周部から外部へ排出するか、又は、隣接する酸化剤極(2)に接続された酸化剤流路(2c)に排出するように設けられている。
以下、本発明の第1の実施の形態について、図面を用いて説明する。図1Aは、本実施の形態における固体高分子型燃料電池1の断面図である。図3は、固体高分子型燃料電池15の平面図である。図1Aに示されるように、固体高分子型燃料電池15は、複数の発電素子10、電気接続部5、絶縁部6、通気部16、酸化剤流路2c、燃料流路1c、気液分離膜4、流路板12、及びスペーサ−11を備えている。
図2Aは、第2の実施形態における固体高分子型燃料電池の断面図である。図2Bは、図2Aにおいて、隣接する2つの発電素子の部分を拡大した断面図である。本実施の形態では、第1の実施形態と比較して、アノードガス拡散電極1a、カソードガス拡散電極2aの広さが工夫されている。尚、構成の詳細な説明にあたり、第1の実施形態と同様の構成については説明が省略される。
図4A、B、図5に、第3の実施形態における固体高分子型燃料電池15の構成を示す。図5は、固体高分子電解質膜3の主面上での各構成の配置を説明する図である。図4Aは図5のA−A´断面図である。図4Bは、図4Aにおいて隣接する2つの発電素子10の部分を拡大した図である。本実施の形態においては、第1の実施形態に対して、(1)アノードガス拡散電極1a及びカソードガス拡散電極2aが単一の部材(ガス拡散電極17)を共有した構造である点、(2)絶縁部6及び電気接続部5(ガスシール部7)に通気孔が設けられている点、について工夫がなされている。以下にこれらの構成の詳細を説明する。尚、第1の実施形態と同様の構成については、説明を省略する場合がある。
図6Aは、第4の実施形態における固体高分子型燃料電池15の断面図である。本実施の形態では、第3の実施形態に対して、絶縁部6及びガスシール部7に通気孔が無く連続である点、燃料極1と気液分離膜4の間に多孔質体14が挿入されている点で異なっている。その他の構成は第3の実施形態と同様であり、説明は省略される。
実施例で用いた燃料電池スタックの構造について以下に説明する。燃料電池スタックの構造は、図6で示した構造と同じである。ガス拡散電極としては、厚さが約0.3mmのカーボンペーパー(東レ社製)を使用し、長さ90mmで幅15mm(電極A)と長さ90mmで幅32mm(電極B)の2種類の長方形状のものを用意した。また、電極Bの短辺の中央には長さ90mm、幅2mmで電極の長辺に平行に熱硬化性のオレフィン系シール剤をガス拡散電極内部に充填し熱硬化させることにより、ガスシール部7を形成した。
二酸化炭素を抜くための多孔質膜4を設けなかった他は、実施例1と同様にして比較例1の燃料電池スタックを構成した。
1a アノードガス拡散電極
1b アノード触媒層
1c 燃料流路
2 酸化剤極(カソード)
2a カソードガス拡散電極
2b カソード触媒層
2c 酸化剤流路
3 固体高分子電解質膜
4 気液分離膜
5 電気接続部
6 絶縁部
7 ガスシール部
8 正極端子
9 負極端子
10 発電素子
11 スペーサー
12 流路板
14 多孔質体
15 固体高分子型燃料電池
16 通気部
17 ガス拡散電極
18 ガスシール部通気孔
19 絶縁部通気孔
20 間隙
Claims (8)
- 複数の発電素子と、
電気接続部と、
絶縁部と、
通気部と、
を具備し、
前記複数の発電素子は、共通の固体高分子電解質膜を有し、
前記複数の発電素子の各々は、更に、燃料極と、酸化剤極とを有し、
前記各発電素子において、燃料極と酸化剤極とは、前記固体高分子電解質膜を挟むようにして配置され、
前記複数の発電素子は、前記固体高分子電解質膜の主面上で燃料極と酸化剤極とが交互に並ぶように配置され、
前記固体高分子電解質膜の主面上において、隣接する燃料極と酸化剤極との間には、前記電気接続部又は前記絶縁部が交互となるように設けられ、
前記固体高分子電解質膜の裏面上において、前記主面上の燃料極に対向する位置には酸化剤極が配置され、前記主面上の酸化剤極に対向する位置には燃料極が配置され、前記主面上の電気接続部に対向する位置には絶縁部が配置され、前記主面上の絶縁部に対向する位置には電気接続部が配置され、
前記電気接続部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を電気的に接続し、
前記絶縁部は、隣接する燃料極と酸化剤極との間を絶縁し、
前記複数の発電素子は直列に電気接続されており、
前記酸化剤極は、酸化剤ガスが流れる酸化剤流路に接続され、
前記通気部は、前記燃料極で発生した二酸化炭素を、前記複数の発電素子の平面方向側外周部から外部へ排出するか、又は、隣接する酸化剤極に接続された前記酸化剤流路に排出するように設けられている
固体高分子型燃料電池。 - 請求項1に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記燃料極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するアノード触媒層と、前記アノード触媒層上に設けられたアノードガス拡散電極と、を有し、
前記酸化剤極は、前記固体高分子電解質膜上に密接するカソード触媒層と、前記カソード触媒層上に設けられたカソードガス拡散電極と、を有する
固体高分子型燃料電池。 - 請求項2に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記通気部は、前記絶縁部によって絶縁された前記燃料極と前記酸化剤極間に設けられた空隙であり、
前記通気部は、前記アノードガス拡散電極に接続され、
前記通気部は、前記複数の発電素子の平面方向外周部で外部に連通し、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極から前記通気部を介して外部へ排出される
固体高分子型燃料電池。 - 請求項2又は3に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記アノードガス拡散電極は、前記アノード触媒層の全面を覆い、
前記アノードガス拡散電極は、前記アノード触媒層より平面方向に広く、
前記通気部は、前記アノードガス拡散電極が前記アノード触媒層からはみ出した部分の下に形成された空隙を含み、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極において前記アノード触媒層からはみ出た部分の下部から前記通気部を介して外部へ排出される
固体高分子型燃料電池。 - 請求項1乃至4のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
更に、
多孔質体と、
気液分離膜と、
燃料流路と、
を具備し、
前記多孔質体は、前記電気接続部及び前記絶縁部の上に設けられ、
前記気液分離膜は、2つの多孔質体の上から、前記燃料極を空隙を介して覆うように設けられ、
前記燃料流路は、前記気液分離膜の前記燃料極とは反対側の面に接続されるように設けられ、
前記気液分離膜と前記燃料極との間に形成された空隙は、前記多孔質体を介して、隣接する前記酸化剤極に接続された前記酸化剤流路と連通し、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記気液分離膜との間に形成された空隙と、前記多孔質体と、を介して前記酸化剤流路へ排出される
固体高分子型燃料電池。 - 請求項2乃至4のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記電気接続部は、気体が通過不可能な非多孔質の導電性材料で構成され、
前記電気接続部は、前記アノードガス拡散電極及び前記カソードガス拡散電極の双方に接合されている
固体高分子型燃料電池。 - 請求項2乃至4のいずれかに記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記電気接続部は、ガスシール性を有するガスシール部であり、
前記電気接続部と、前記電気接続部を介して隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極とは、単一の部材であるガス拡散電極から形成されている
固体高分子型燃料電池。 - 請求項7に記載された固体高分子型燃料電池であって、
前記ガスシール部には、隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極との間を接続するガスシール部通気孔が設けられ、
前記絶縁部には、前記絶縁部を介して隣接する前記アノードガス拡散電極と前記カソードガス拡散電極との間を接続する絶縁部通気孔が設けられ、
前記燃料極で発生した二酸化炭素は、前記アノードガス拡散電極から、前記ガスシール部通気孔又は前記絶縁部通気孔を介して、隣接する前記カソードガス拡散電極へ排出され、
前記カソードガス拡散電極へ排出された二酸化炭素は、前記酸化剤流路へと排出される
固体高分子型燃料電池。
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