JP2008186594A

JP2008186594A - 燃料電池のｍｅａ構造と燃料電池の構造

Info

Publication number: JP2008186594A
Application number: JP2007016427A
Authority: JP
Inventors: Tomoki Yamazaki; 知機山崎
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-08-14

Abstract

【課題】燃料電池を軽量化、小型化することを目的とする。
【解決手段】イオン交換性樹脂高分子膜の両面に、ごく薄い金属網を各１枚または複数枚張り付けて圧着し、前記金属網を電極として、白金または白金合金をメッキまたは金属蒸着させて白金触媒層を形成させ、金属網の側端を電路とした燃料電池のＭＥＡ構造とした。
【選択図】図５

Description

本発明は、燃料電池のスタックの構造に関し、特に、セパレータの代わりにガススペーサーを取付けることによって、小型で軽量の燃料電池を実現したものについてである。

従来型の燃料電池は、単位セル毎に図１に示すように、導電性の強固な構造をもつセパレータ１並びにセパレータ２で仕切られている。この単位セルを積層したものが、図２に示す燃料電池である。

このセパレータは単位セルを分離する壁であると共に、壁の両側のＭＥＡに水素または空気を導入するためのガス流路が形成されている。

セパレータは、図２に示すように、セル内部のイオン交換性樹脂高分子膜８や、白金を主成分とする触媒５と触媒６、カーボンペーパー４とカーボンペーパー７による集電体を挟んでいるために、スタック全体を支える強固な構造体の中核的存在である。

したがって、その重量も体積も燃料電池全体の半分以上を占めている。

図２における触媒１１と触媒１２は、白金を主成分としており、水素と電極とイオン交換性樹脂高分子膜との三相界面の反応の中心である。図２は、図１の単位セルを直接に積層する部分図である。

ここで、用語の説明をすると、スタックとはセルを重ね合わせて高電圧をとるための実用的装置をいう。セパレータとはセル毎に分離する壁をいう。スペーサーとは水素または空気の滞留空間をいい、その両側に同極の電極を備えさせておく。セルとはFuel cell のことで、燃料電池の１単位である。ＭＥＡとはMembrane Electrode Assembly で、膜電極接合体をいい、イオン交換性樹脂高分子膜と電極と触媒とを一体化した発電部をいう。
特開２００５−２６８１８４号公報

燃料電池が、小型で軽量であることが求められている。

本発明は、上記の事情に鑑み、燃料電池を小型化し、軽量化を図るべく、イオン交換性樹脂高分子膜の両面に、ごく薄い金属網を各１枚または複数枚張り付けて圧着し、前記金属網を電極として、白金または白金合金をメッキまたは金属蒸着させて白金触媒層を形成させ、金属網の側端を電路とした燃料電池のＭＥＡ構造とした。

また、本発明は、燃料電池を小型化し、軽量化を図るべく、複数のスペーサーの間に、それぞれ１枚のＭＥＡを張り付け、両端をセパレータで封止してスタックを構成し、水素と空気はそれぞれのスペーサーに１間隔毎に送気し、それぞれ１枠のスペーサー内部の両側に同極で活性化したＭＥＡの電極に別のＭＥＡの正負を接続し、多数のＭＥＡをセパレータなしで１個の電池にした大容量、小型化した燃料電池の構造とした。

さらに、本発明は、起電力を復元させるべく、燃料電池の起電力が規定量以下に落ちた時、スペーサーに水素と空気を逆に通気させることにより、ＣＯやその他の不純物によって被毒された触媒を酸化又は還元することによってクリーニングし、起電力を復元させるようにした燃料電池の構造とした。

本発明は、イオン交換性樹脂高分子膜の両面に、ごく薄い金属網を各１枚または複数枚張り付けて圧着し、前記金属網を電極として、白金または白金合金をメッキまたは金属蒸着させて白金触媒層を形成させ、金属網の側端を電路とした燃料電池のＭＥＡ構造としてあるので、燃料電池を小型で軽量化することができる。

また、本発明は、複数のスペーサーの間に、それぞれ１枚のＭＥＡを張り付け、両端をセパレータで封止してスタックを構成し、水素と空気はそれぞれのスペーサーに１間隔毎に送気し、それぞれ１枠のスペーサー内部の両側に同極で活性化したＭＥＡの電極に別のＭＥＡの正負を接続し、多数のＭＥＡをセパレータなしで１個の電池にした大容量、小型化した燃料電池の構造とした
さらに、本発明は、燃料電池の起電力が規定量以下に落ちた時、スペーサーに水素と空気を逆に通気させることにより、ＣＯやその他の不純物によって被毒された触媒を酸化又は還元することによってクリーニングし、起電力を復元させるようにした燃料電池の構造とした。

本発明のＭＥＡは、図３に示すように、イオン交換樹脂高分子膜１６の両面にごく薄い金属網１５と金属網１７を各１枚または複数枚を張り付け、これをホットプレスでイオン交換樹脂高分子膜の両面に圧着し、この金属網を電極として、白金または白金合金をメッキまたは蒸着させて、白金触媒層を形成させたものである。この金属網１５と金属網１７を燃料電池の電極として使用するために、側端部にリード線を付ける。この電極は、同一の構造と成分を持っているので、どちらをアノード極としても、カソード極としても良い。

このＭＥＡは、イオン交換樹脂高分子膜と両面の電極で一組の電池を形成しており、一面に水素ガス、他面に酸素または空気に触れさせることで、約１．２〜１．３Ｖの起電力を発生する。

燃料電池は、このＭＥＡを数十枚並立させ、その間に水素ガスと空気を通すための図４に示す額縁状のスペーサー１８・スペーサー２２を置く。スペーサーには図４に示すとおり、ガスの入口４１と出口４２があり、スペーサーの内部にガスが充満できるように弱加圧の水素ガスと空気を別々に注入する。

このスペーサーは相対するＭＥＡに同一のガス流路をつけたもので、一のスペーサーのガス流路で２のセルの電極にガスの供給ができるところに、このガス流路スペーサーの特徴がある。このスペーサーはＭＥＡを支えるスタックの外枠ともなるもので、電気絶縁性で熱良導体の材料よりできている。

図５に示すスペーサー２４の使用により、スタックの体積はセパレータを使った時の半分以下となり、ガスの大量注入が可能となる。

図５は、本発明の一例として８ＭＥＡのスタックで説明すると、各電極触媒にガスが充分供給できるように、スペーサー３８・スペーサー３６・スペーサー３４・スペーサー３２・スペーサー２９には加湿した水素ガスを、スペーサー３７・スペーサー３５・スペーサー３３・スペーサー３０には空気を通す。空気側のスペーサーには電極から水が生成するので、下部より一定に加湿した空気を送り、上部より水蒸気として生成水と発生熱を除去する。水素ガスは循環して使用する。発電した電極の配線は、図５の通りで、端子３９がアノード極で、端子４０がカソード極で、８ＭＥＡ電池として約１０voltの起電力がある。

水素の中に含まれたＣＯやＳＯ₂のために触媒が毒され起電力が落ちた時は、スペーサーに送る水素と空気を逆に送るように電磁弁４１を操作し、反対の反応気体により、被毒された触媒をクリーニングすることができる。この時は、発生電力の正負が逆になるが、交直変換装置をつける時は、その影響はなく、数秒内に起電力は回復する。これにより耐久性を大きく増大させる。

図６にその構造を示す。

起電力の低下はＣＯの濃度によるが、水素中に４０p.p.m 含まれている時は、１０００時間に付き６０m.voltであった。

本発明は、セパレータの代わりにスペーサーを用いて、燃料電池の小型化、軽量化耐久性の向上が達成できる。

８個の膜電極集合体で約１０ボルトの起電力を発生させる。

本発明は、燃料電池のスタックの構造についてのものであるが、一つのスペーサーのガス流路で２個の反応体にガスが供給出来る他の種類の燃料電池にも利用できる。

従来の燃料電池のセルの分解斜視図である。ＭＥＡとセパレータの組合せと、セルの重ね合わせによるスタックの図である。本発明のＭＥＡの分解斜視図である。本発明のＭＥＡの組立図である。本発明のＭＥＡの組立によるスタックの構造と配線を示す図である。本発明の起電力が落ちた時の触媒のクリーニング時のスタックの構造図である。

Claims

イオン交換性樹脂高分子膜の両面に、ごく薄い金属網を各１枚または複数枚張り付けて圧着し、前記金属網を電極として、白金または白金合金をメッキまたは金属蒸着させて白金触媒層を形成させ、金属網の側端を電路とした燃料電池のＭＥＡ構造。
複数のスペーサーの間に、それぞれ１枚の請求項１記載のＭＥＡを張り付け、両端をセパレータで封止してスタックを構成し、水素と空気はそれぞれのスペーサーに１間隔毎に送気し、それぞれ１枠のスペーサー内部の両側に、同極で活性化したＭＥＡの電極に別のＭＥＡの正負を接続し、多数のＭＥＡをセパレータなしで１個の電池にした大容量、小型化した燃料電池の構造。
燃料電池の起電力が規定量以下に落ちた時、請求項２記載のスペーサーに水素と空気を逆に通気させることにより、ＣＯやその他の不純物によって被毒された触媒を酸化又は還元することによってクリーニングし、起電力を復元させるようにした燃料電池の構造。