JP3052536B2 - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JP3052536B2 JP3052536B2 JP4038273A JP3827392A JP3052536B2 JP 3052536 B2 JP3052536 B2 JP 3052536B2 JP 4038273 A JP4038273 A JP 4038273A JP 3827392 A JP3827392 A JP 3827392A JP 3052536 B2 JP3052536 B2 JP 3052536B2
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- solid polymer
- polymer electrolyte
- electrolyte membrane
- membrane
- fuel cell
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は固体高分子電解質型燃
料電池に係り、特に機械的強度に優れる固体高分子電解
質膜を備える固体高分子電解質型燃料電池に関する。
料電池に係り、特に機械的強度に優れる固体高分子電解
質膜を備える固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は固体高分
子電解質膜の二つの主面にそれぞれアノードとカソード
を配して形成される。アノードまたはカソードの各電極
は電極基材上に電極触媒を配している。固体高分子電解
質膜はスルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交
換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロカ
ーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合
膜、あるいはフロロカーボンマトリックスにトリフロロ
エチレンをグラフト化したものなどが知られているが最
近ではパーフロロカーボンスルホン酸膜を用いて燃料電
池の長寿命化を図ったものが知られるに至った。
子電解質膜の二つの主面にそれぞれアノードとカソード
を配して形成される。アノードまたはカソードの各電極
は電極基材上に電極触媒を配している。固体高分子電解
質膜はスルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交
換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロカ
ーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合
膜、あるいはフロロカーボンマトリックスにトリフロロ
エチレンをグラフト化したものなどが知られているが最
近ではパーフロロカーボンスルホン酸膜を用いて燃料電
池の長寿命化を図ったものが知られるに至った。
【０００３】固体高分子電解質膜は分子中にプロトン
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノードまたはカソードの電極において
は三相界面が形成され電気化学反応が起こる。
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノードまたはカソードの電極において
は三相界面が形成され電気化学反応が起こる。
【０００４】アノードでは（１）式の反応が起きる。 Ｈ2 ＝２Ｈ+ ＋２ｅ （１） カソードでは（２）式の反応が起こる。 １／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ＝Ｈ2 Ｏ （２） つまりアノードにおいては系の外部より供給された水素
がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオ
ン交換膜中をカソードに向かって移動し電子は外部回路
を通ってカソードに移動する。一方カソードにおいては
系の外部より供給された酸素とイオン交換膜中をアノー
ドより移動してきたプロトンと外部回路より移動してき
た電子が反応し、水を生成する。
がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオ
ン交換膜中をカソードに向かって移動し電子は外部回路
を通ってカソードに移動する。一方カソードにおいては
系の外部より供給された酸素とイオン交換膜中をアノー
ドより移動してきたプロトンと外部回路より移動してき
た電子が反応し、水を生成する。
【０００５】図２は従来の固体高分子電解質型燃料電池
を示す断面図である。アノード２およびカソード３は厚
さ１００μｍの固体高分子電解質膜１の両主面に接して
積層される。電極の厚さは３００μｍである。電極の配
置された固体高分子電解質膜の外側には反応ガスを外部
から導いてアノードまたはカソードに供給する一対のガ
ス供給板が設けられる。固体高分子電解質膜の外形寸法
は電極よりも大きくしてある。固体高分子電解質膜の電
極で被覆されない部分は固体高分子電解質膜の外縁部と
なる。この外縁部には一対のガスシール部５，６が固体
高分子電解質膜を介して対向して設けられ、一対の反応
ガス供給板により締めつけられたときに固体高分子電解
質膜１の保持，ガスシールが行われる。この締めつけの
際、ガス供給板はアノード２，カソード３とも接触し電
池の電気的導通が図られる。このようにして構成される
電池の出力電圧は１Ｖ以下と低いので実用に際しては前
記構造の電池が複数個積層され、スタックとなり電圧が
高められる。
を示す断面図である。アノード２およびカソード３は厚
さ１００μｍの固体高分子電解質膜１の両主面に接して
積層される。電極の厚さは３００μｍである。電極の配
置された固体高分子電解質膜の外側には反応ガスを外部
から導いてアノードまたはカソードに供給する一対のガ
ス供給板が設けられる。固体高分子電解質膜の外形寸法
は電極よりも大きくしてある。固体高分子電解質膜の電
極で被覆されない部分は固体高分子電解質膜の外縁部と
なる。この外縁部には一対のガスシール部５，６が固体
高分子電解質膜を介して対向して設けられ、一対の反応
ガス供給板により締めつけられたときに固体高分子電解
質膜１の保持，ガスシールが行われる。この締めつけの
際、ガス供給板はアノード２，カソード３とも接触し電
池の電気的導通が図られる。このようにして構成される
電池の出力電圧は１Ｖ以下と低いので実用に際しては前
記構造の電池が複数個積層され、スタックとなり電圧が
高められる。
【０００６】固体高分子電解質膜１はその内部に水を包
含しており、電解質として機能するばかりでなく、燃料
ガスと酸化剤ガスが相互に混合するのを防止する働きも
ある。またガスシール部とともに両反応ガスが電池外部
にリークするのを防止する作用もある。
含しており、電解質として機能するばかりでなく、燃料
ガスと酸化剤ガスが相互に混合するのを防止する働きも
ある。またガスシール部とともに両反応ガスが電池外部
にリークするのを防止する作用もある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述のよ
うな従来の固体高分子電解質型燃料電池にあってはＡで
指示された固体高分子電解質膜の外縁部が機械的に強度
が弱く、燃料ガスと酸化剤ガスとで圧力差を生じた場
合、上記外縁部がその圧力差に耐えることができず破損
し、反応ガスの混合が生じることがあった。また電池の
各構成部材間の熱膨張率の違いにより固体高分子電解質
膜がＡ部で破損することもあった。
うな従来の固体高分子電解質型燃料電池にあってはＡで
指示された固体高分子電解質膜の外縁部が機械的に強度
が弱く、燃料ガスと酸化剤ガスとで圧力差を生じた場
合、上記外縁部がその圧力差に耐えることができず破損
し、反応ガスの混合が生じることがあった。また電池の
各構成部材間の熱膨張率の違いにより固体高分子電解質
膜がＡ部で破損することもあった。
【０００８】Ａで指示された固体高分子電解質膜の外縁
部が機械的に弱いのは、この部分がガスシール部で挟持
される固体高分子電解質膜の外縁部と異なり、膜厚が小
さいにも係わらず全く自由であるからである。この発明
は上述の点に鑑みてなされ、その目的は固体高分子電解
質膜外縁部の機械的強度を高めることにより、固体高分
子電解質膜が破損することなく信頼性に優れる固体高分
子電解質型燃料電池を提供することにある。
部が機械的に弱いのは、この部分がガスシール部で挟持
される固体高分子電解質膜の外縁部と異なり、膜厚が小
さいにも係わらず全く自由であるからである。この発明
は上述の点に鑑みてなされ、その目的は固体高分子電解
質膜外縁部の機械的強度を高めることにより、固体高分
子電解質膜が破損することなく信頼性に優れる固体高分
子電解質型燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば固体高分子電解質膜と、アノードおよびカソード
の両電極と、補強膜と、一対のガスシール部と、一対の
反応ガス供給板とを有し、固体高分子電解質膜は水を包
含して膜中をプロトンが拡散し、アノードとカソードの
両電極は、電極の配置されない固体高分子電解質膜主面
の外縁部を残して、固体高分子電解質膜主面の中央部に
固体高分子電解質膜を挟んで対向して配置され、補強膜
は前記固体高分子電解質膜の二つの主面のうちの少なく
とも一方の主面の電極周縁部と前記外縁部を被覆し、一
対のガスシール部は前記固体高分子電解質膜の外縁部に
対向して配置されるものであり、一対の反応ガス供給板
は電極と補強膜の配置された前記固体高分子電解質膜を
前記ガスシール部を介して保持し且つシールするととも
にアノードとカソードの両電極にそれぞれ燃料ガスと酸
化剤ガスを供給するものであるとすることにより達成さ
れる。
よれば固体高分子電解質膜と、アノードおよびカソード
の両電極と、補強膜と、一対のガスシール部と、一対の
反応ガス供給板とを有し、固体高分子電解質膜は水を包
含して膜中をプロトンが拡散し、アノードとカソードの
両電極は、電極の配置されない固体高分子電解質膜主面
の外縁部を残して、固体高分子電解質膜主面の中央部に
固体高分子電解質膜を挟んで対向して配置され、補強膜
は前記固体高分子電解質膜の二つの主面のうちの少なく
とも一方の主面の電極周縁部と前記外縁部を被覆し、一
対のガスシール部は前記固体高分子電解質膜の外縁部に
対向して配置されるものであり、一対の反応ガス供給板
は電極と補強膜の配置された前記固体高分子電解質膜を
前記ガスシール部を介して保持し且つシールするととも
にアノードとカソードの両電極にそれぞれ燃料ガスと酸
化剤ガスを供給するものであるとすることにより達成さ
れる。
【００１０】
【作用】補強膜は固体高分子電解質膜の外縁部を機械的
に強化する。
に強化する。
【００１１】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質
型燃料電池を示す断面図である。従来の固体高分子電解
質型燃料電池を示す断面図とは補強膜８が設けられてい
る点が異なる。円形をした厚さ約１００μｍの固体高分
子電解質膜の両面に外形寸法が固体高分子電解質膜１よ
り小さく、厚さが３００μｍのアノード２とカソード３
が積層される。この積層は固体高分子電解質膜１とアノ
ード２とカソード３とを温度１５０℃，圧力３０ｋｇ／
ｃｍ2 の条件で５分間プレスして製造される。
する。図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質
型燃料電池を示す断面図である。従来の固体高分子電解
質型燃料電池を示す断面図とは補強膜８が設けられてい
る点が異なる。円形をした厚さ約１００μｍの固体高分
子電解質膜の両面に外形寸法が固体高分子電解質膜１よ
り小さく、厚さが３００μｍのアノード２とカソード３
が積層される。この積層は固体高分子電解質膜１とアノ
ード２とカソード３とを温度１５０℃，圧力３０ｋｇ／
ｃｍ2 の条件で５分間プレスして製造される。
【００１２】補強膜７，８はフッ素樹脂であるＰＦＡ樹
脂からなるとともに２５μｍ厚さの有孔円板の形状をし
ており、その外形寸法は固体高分子電解質膜の外形寸法
と等しく、その内径寸法が電極の外形寸法より小さいか
ら電極の周縁部と電極が被覆されない固体高分子電解質
膜の外縁部とは補強膜により被覆される。補強膜の内径
寸法は電極の外形寸法より約５ｍｍ程度小さい。このよ
うにして調製された単セルはガスシール部５，６を介し
て反応ガスを外部より供給するためのガス供給板４によ
り保持される。ガス供給板４は燃料ガスをアノードに、
酸化剤ガスをカソードに供給する。
脂からなるとともに２５μｍ厚さの有孔円板の形状をし
ており、その外形寸法は固体高分子電解質膜の外形寸法
と等しく、その内径寸法が電極の外形寸法より小さいか
ら電極の周縁部と電極が被覆されない固体高分子電解質
膜の外縁部とは補強膜により被覆される。補強膜の内径
寸法は電極の外形寸法より約５ｍｍ程度小さい。このよ
うにして調製された単セルはガスシール部５，６を介し
て反応ガスを外部より供給するためのガス供給板４によ
り保持される。ガス供給板４は燃料ガスをアノードに、
酸化剤ガスをカソードに供給する。
【００１３】ガスシール部５，６は固体高分子電解質膜
１の補強膜７，８で被覆された外縁部に設けられる。補
強膜の厚さは５ないし５０μｍの範囲にあることが必要
である。補強膜はガス供給板により固体高分子電解質膜
と電極に圧接される形で被覆される。補強膜の厚さが前
記範囲にあるときは圧接時の電極の潰れが適当でありガ
ス供給板と電極との電気的導通が確保される。また補強
膜の厚さが前記範囲にあるときは固体高分子電解質膜に
対する機械的補強効果も得られる。
１の補強膜７，８で被覆された外縁部に設けられる。補
強膜の厚さは５ないし５０μｍの範囲にあることが必要
である。補強膜はガス供給板により固体高分子電解質膜
と電極に圧接される形で被覆される。補強膜の厚さが前
記範囲にあるときは圧接時の電極の潰れが適当でありガ
ス供給板と電極との電気的導通が確保される。また補強
膜の厚さが前記範囲にあるときは固体高分子電解質膜に
対する機械的補強効果も得られる。
【００１４】なお補強膜としてはフッ素樹脂の他、ポリ
プロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等が使用可能であ
る。その最適膜厚もフッ素樹脂に対するものと同様であ
る。また補強膜は固体高分子電解質膜の両面に配する
他、固体高分子電解質膜のアノードまたはカソードのい
ずれか一方の面を被覆するだけでも補強の目的を達す
る。
プロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂等が使用可能であ
る。その最適膜厚もフッ素樹脂に対するものと同様であ
る。また補強膜は固体高分子電解質膜の両面に配する
他、固体高分子電解質膜のアノードまたはカソードのい
ずれか一方の面を被覆するだけでも補強の目的を達す
る。
【００１５】
【発明の効果】この発明によれば固体高分子電解質膜
と、アノードおよびカソードの両電極と、補強膜と、一
対のガスシール部と、一対の反応ガス供給板とを有し、
固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトンが拡
散し、アノードとカソードの両電極は、電極の配置され
ない固体高分子電解質膜主面の外縁部を残して、固体高
分子電解質膜主面の中央部に固体高分子電解質膜を挟ん
で対向して配置され、補強膜は前記固体高分子電解質膜
の二つの主面のうちの少なくとも一方の主面の電極周縁
部と前記外縁部を被覆し、一対のガスシール部は前記固
体高分子電解質膜の外縁部に対向して配置されるもので
あり、一対の反応ガス供給板は電極と補強膜の配置され
た前記固体高分子電解質膜を前記ガスシール部を介して
保持し且つシールするとともにアノードとカソードの両
電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給するもので
あるので、固体高分子電解質膜の外縁部が機械的に補強
され、その結果燃料ガスと酸化剤ガスに圧力差が生じた
り、固体高分子電解質型燃料電池の各構成部材間に熱膨
張収縮の差による機械的応力が加わった場合においても
固体高分子電解質膜が機械的に破損することがなく信頼
性に優れる固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
と、アノードおよびカソードの両電極と、補強膜と、一
対のガスシール部と、一対の反応ガス供給板とを有し、
固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトンが拡
散し、アノードとカソードの両電極は、電極の配置され
ない固体高分子電解質膜主面の外縁部を残して、固体高
分子電解質膜主面の中央部に固体高分子電解質膜を挟ん
で対向して配置され、補強膜は前記固体高分子電解質膜
の二つの主面のうちの少なくとも一方の主面の電極周縁
部と前記外縁部を被覆し、一対のガスシール部は前記固
体高分子電解質膜の外縁部に対向して配置されるもので
あり、一対の反応ガス供給板は電極と補強膜の配置され
た前記固体高分子電解質膜を前記ガスシール部を介して
保持し且つシールするとともにアノードとカソードの両
電極にそれぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給するもので
あるので、固体高分子電解質膜の外縁部が機械的に補強
され、その結果燃料ガスと酸化剤ガスに圧力差が生じた
り、固体高分子電解質型燃料電池の各構成部材間に熱膨
張収縮の差による機械的応力が加わった場合においても
固体高分子電解質膜が機械的に破損することがなく信頼
性に優れる固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
【図１】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池を示す断面図
料電池を示す断面図
【図２】従来の固体高分子電解質型燃料電池を示す断面
図
図
１ 固体高分子電解質膜 ２ アノード ３ カソード ４ 反応ガス供給板 ５ ガスシール部 ６ ガスシール部 ７ 補強膜 ８ 補強膜
Claims (4)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜と、アノードおよびカ
ソードの両電極と、補強膜と、一対のガスシール部と、
一対の反応ガス供給板とを有し、 固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトンが拡
散し、 アノードとカソードの両電極は、電極の配置されない固
体高分子電解質膜主面の外縁部を残して、固体高分子電
解質膜主面の中央部に固体高分子電解質膜を挟んで対向
して配置され、 補強膜は前記固体高分子電解質膜の二つの主面のうちの
少なくとも一方の主面の電極周縁部と前記外縁部を被覆
し、 一対のガスシール部は前記固体高分子電解質膜の外縁部
に対向して配置されるものであり、 一対の反応ガス供給板は電極と補強膜の配置された前記
固体高分子電解質膜を前記ガスシール部を介して保持し
且つシールするとともにアノードとカソードの両電極に
それぞれ燃料ガスと酸化剤ガスを供給するものであるこ
とを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、補強膜
はフッ素樹脂からなることを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、補強膜
はポリプロピレンからなることを特徴とする固体高分子
電解質型燃料電池。 - 【請求項４】請求項１記載の燃料電池において、補強膜
はその膜厚が５ないし５０μｍの範囲にあることを特徴
とする固体高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4038273A JP3052536B2 (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4038273A JP3052536B2 (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05242897A JPH05242897A (ja) | 1993-09-21 |
| JP3052536B2 true JP3052536B2 (ja) | 2000-06-12 |
Family
ID=12520705
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4038273A Expired - Lifetime JP3052536B2 (ja) | 1992-02-26 | 1992-02-26 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3052536B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2013137240A1 (ja) | 2012-03-14 | 2013-09-19 | 日産自動車株式会社 | 固体高分子形燃料電池用膜電極接合体 |
| US8895202B2 (en) | 2012-01-13 | 2014-11-25 | Honda Motor Co., Ltd. | Fuel cell membrane electrode assembly |
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