JP2010129535A - 高圧水素を使用する固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】高圧水素を使用してイオン解離を促進した固体高分子型燃料電池のために必要な高耐圧イオン交換性樹脂膜の製法と使用条件。
【解決手段】２枚のイオン交換性樹脂膜の間に、細孔を有する金属板を挟みこれを電解液で満たして高圧に耐えられるようにし、これを使用して水素分子をイオンと電子に解離を促進する。また上記金属板の縁辺を拡張して燃料電池内部で発生する熱を空冷または水冷して安定した発電能力を保証する。

Description

本発明は、高圧水素を燃料として使用する固体高分子型燃料電池に関するものである。

固体高分子型燃料電池（以下ＰＥＦＣとする）は、高分子膜（以下ポリマーとする）の耐圧耐熱強度などによる耐久性の問題で実用化の目処は立っていない。
特開２００８−１８６５９４

ＰＥＦＣで使用するポリマーは厚さが５０〜１５０マイクロメーターという極めて薄いシートであるので、圧力と熱に弱く、アノード側（以下陽極）では乾燥に、カソード側（以下陰極）では発生する熱によるシートの軟化、破損があった。このため、燃料に使用する水素と空気の高圧化に制限があり発生する電力に限界があった。

細孔金属板で強化されたポリマーと絶縁体の額縁状の枠の両外側に取付けた２枚の冷却用有孔電極板よりなるガス供給用通路空間（以下スペーサー）を使用したＰＥＦＣとする。

電解液に浸漬した細孔入り金属板（以下金属板）をはさむように２枚の紙状または微細な孔のあけられたプラスチックのシートと２枚のポリマーを表裏にはり付け、これを高分子膜とする。水素イオンは、ポリマー分子の極性を変えることで移動するので、金属板にあけられた細孔は、水素イオンには充分な移動空間である。細孔にはり付けられたポリマーは極薄であるが、細孔が小さければ、強度的には充分な厚みをもったことになり、高い圧力に耐えることができる。水素の高圧化は、ポリマーの水素イオンの分離を飛躍的に高め、ＰＥＦＣの性能を高め、発電能力を高めるものである。

陽極側の乾燥、並びに陰極側の発熱湿潤対策として、複数の膜電極接合体（以下ＭＥＡ）の間に、スペーサーを置き、これに一定時間、水素と空気を交互に供給することで、ポリマーの極性を一定時間変化させる。これで乾燥側と湿潤側が入れかわり、ポリマーの乾燥は解決される。ＰＥＦＣの極性の変化は複数個の電池の並直列のサポートをするインバーターとコンバーターで調整される。上記スペーサーは大きい丸または角状の孔付きの金属板からなっており、それぞれ相い対するＭＥＡの電極となっている。陰極で発生する酸化熱は電極金属板の縁辺に取付けた放熱板で排熱される。同様に、ＰＥＦＣの内部の熱は陰・陽極板、ＭＥＡ金属板の計３枚の金属板のの縁辺より排熱される。

ＭＥＡの両側にスペーサーを置く形でＭＥＡ、スペーサーと重ねてスタックを構成し、ＭＥＡ並びに陰陽電極の金属板の縁辺部を水冷または空冷することで、ポリマーを一定の温度に保つことができる。

ＭＥＡの両側にあるスペーサーに水素と空気を供給するとそれぞれのＭＥＡの電極端子から電流を取り出す事ができ、ＰＥＦＣは発電機となり、動力を生み出す。

スペーサーの気体は両側のＭＥＡの電極に接し、水素又は空気を交互に供給すると、発生するＭＥＡの電流は正負交互に発生する。

ＰＥＦＣを直列に結ぶには、それぞれのＭＥＡの反対側の電極と連結することで可能となる。

ポリマーの乾燥による劣化や、触媒のＣＯ被毒の解消は一定時間毎にスペーサーへの水素と空気の供給を逆にすることで可能となる。

発明の詳細な説明

この発明は冷却板付細孔金属板入りポリマーを使用したＭＥＡと冷却板付有孔金属電極板をもつスペーサーを使用したＰＥＦＣに関するものである。
図１に示すように、２枚のポリマー、２１，９、の間に薄紙状の浸潤膜１２、１３に含ませた電解液を入れ、その中に有孔の金属板１０をはさみ、ポリマーの陰極で発生する熱を、金属板の縁辺に設けた放熱板１により冷却するようにした冷却板付きＭＥＡを使用したＰＥＦＣである。このＭＥＡは触媒層１４、１５カーボンペーパー４，５を介して大きい有孔の金属板７，８にはさまれており、スペーサー３，１１より水素または空気が孔３１，２２より、矢印３９，４１のように供給される。符号４０、２３はスペーサーのガス入口、 符号３４、６はＭＥＡのシール材である。

図２はＭＥＡの拡大をしめしている。有孔金属板１０にあげられた細孔６６，６７は水素イオンの通路である。薄紙状の湿潤膜１２，１３を隔てて、ポリマー９，２１があり、その間６２，６３，６７、６８，６９は電解液で充たされている。

図３は、図１の両側のスペーサーの断面図である。このスペーサーは金属製電極板８、３０にあけられた大きい孔２２，２７を有する２枚の上記電極板を囲む中空３の額縁状構造体である。この中空のスペースに水素または空気が矢印２４のように導入される。水素の時は両側の電極板は陽極になり、空気の時は陰極となる。矢印４１，４３は、スペーサー中空部３に導入されたガスがカーボンペーパーに供給される流れを示している。

上記ＭＥＡとスペーサーは、必要電圧に応じて積層され、全体をスペーサーの外枠をボルトなどで固く締めつけ、ガスもれや、電解液もれのないようにされる。

図１に示すようにＭＥＡは、スペーサーの間にあって、双方から水素と空気が供給される。スペーサーは、図３に示すように、両側の電極に水素又は空気を供給するための空間ということができる。供給される気体はスペーサー入口２３より矢印２４のように入り、矢印４１，４３のように電極板８、３０にあけられた大きい孔２２、２７よりカーボンペーパー電極に供給される。

上記スペーサーに面する隣接するＭＥＡの電極は同極で、水素に面する場合は陽極で、空気に面する場合は陰極である。スペーサー内の２枚の電極は接触しないように大きい孔付の絶縁体のシートを設けることが望ましい。

各スペーサーに供給される気体は通常５気圧であるが、ポリマー内金属板の細孔の大きさと保持具によってはそれ以上も可能である。このような高圧は陽極では水素イオンの発生が多くなり、陰極では水蒸気の排出が容易になる。排出ガスは出口２０より排出される。スペーサーのシール材６、３４は、ＭＥＡのポリマー９，２１を金属板１０に圧着させる。

発明の有効性

この発明は、金属板入りポリマーを使用することにより、ガス圧力を高めることができ、水素を電極の隅々にまで充満することができる。よって水素イオンの発生を多量にすることができる。また、金属板入りポリマーを使用することにより、陰極で発生する多量の熱量を金属板の高伝熱性を利用してスタックの内部より外部に放熱することができ、スタック全体の機能が安定する。高圧空気を利用することで陰極からの水蒸気の排出が確実で、このＰＥＦＣは従来品と比べて格段の高性能を発揮できる。

この発明は、従来ポリマーの性能、とりわけ強度：耐久性が問題となり、更に白金触媒の被毒などが障害となって実用化できなかったＰＥＦＣが、この発明で発電や自動車の動力として実用化できる。

ＰＥＦＣの縦断面図 ＭＥＡの拡大図 スペーサーの断面図

Claims (3)

1. 減圧下で、多数の細孔入りの金属板を電解液に浸漬し、微細な空洞に電解液を浸入させ、これに薄紙状のシートとイオン交換性樹脂膜を両面に圧着させて、金属板と一体化させる。これに触媒層のついたカーボンペーパーを両面に圧着させ、これを有孔の２枚の金属電極板よりなるスペーサーで挟んでそこから高圧の水素や空気を供給して発電する高圧水素用固体高分子型燃料電池とした。
2. 上記請求項における３枚の金属板の縁辺部を拡張して、これを空冷又は水冷する。これによって燃料電池内部で発生する熱を冷却して、樹脂膜や触媒層を守り、水素分子からのイオンと電子の解離を促進する高圧水素用燃料電池とした。
3. 絶縁体でできた額縁状の枠の両外側に孔のあいた金属板を設け、内側を供給ガスの通路とし、上記金属板の孔の部分より膜電極接合体にガスを送りつけ、上記金属板を発生する電気の極板として利用すると共にその縁辺部より放熱するという役割をもつスペーサーを使用して燃料電池とした。

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