JP3079742B2 - 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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Description
固体高分子電解質型燃料電池、ことにイオン交換膜面積
を縮小した電極一体膜の構造に関する。
池を模式化して示す断面図である。図において固体高分
子電解質型燃料電池は、固体高分子電解質膜(イオン交
換膜)2の両面に酸化剤電極3および燃料電極4を加熱
圧着して一体化した電極一体膜1と、ガス不透過性の導
電材からなる一対のリブ付セパレ−ト板7との積層体か
らなり、これを複数組積層することにより積層燃料電池
(スタック)10が構成される。また、リブ付セパレ−
ト板7には電極に接して複数の凹溝からなる酸化剤通路
8Aおよび燃料ガス通路8F(併せて反応ガス通路8)
が形成され、スタック10を積層方向に貫通するよう一
対の電極3,4より外側部分に形成されたマニホ−ルド
9F(燃料ガス側)および9A(酸化剤側)を介して燃
料電極4には水素リッチな燃料ガスを,酸化剤電極3に
は酸化剤としての酸素を含む空気を供給することによ
り、一対の電極3−4間で電気化学反応に基づいて発電
が行われる。
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(米国、デュポン社製、商品名ナフィオン
膜)を用いることにより、燃料電池を長寿命化したもの
等が知られている。陽イオン交換膜は分子中にプロトン
(水素イオン)交換基を持ち、飽和状態に含水させるこ
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。
がプロトンと電子を生成する電極反応を起こし、生成し
たプロトンはイオン交換膜2中を酸化剤電極3に向かっ
て移動し、電子は外部回路を通って酸化剤電極側に移動
し、この時発電が行われる。一方、酸化剤電極3におい
ては、供給された酸素とイオン交換膜2中を移動したプ
ロトン,および外部回路を通った電子とが反応して水を
生成する電極反応が行われ、発電が維持される。
た固体高分子電解質型燃料電池においては、性能の向上
とともに製造コストの低減が重要な課題になっている。
従来の固体高分子電解質型燃料電池の場合、電極一体膜
1の電極3,4より外側の部分は反応ガスが外部に漏れ
るのを防ぐガスシ−ル部を兼ねており、かつこの部分に
マニホ−ルド9が設けられるため、イオン交換膜2の面
積が電極3,4の面積に比べて著しく大きく、例えば電
極面積の4倍にも及ぶため、特に高価なイオン交換膜の
使用量が増し、これが固体高分子電解質型燃料電池の製
造コストの低減を阻害するという問題があり、その改善
が求められている。
オン交換膜の面積をその主たる機能を損なうことなく縮
小することにある。
に、この発明によれば、イオン交換膜を挟んでその両面
に燃料電極および酸化剤電極を密着させてなる電極一体
膜と、ガス不透過性のセパレート板との積層体からなる
固体高分子電解質型燃料電池において、前記セパレート
板の面積よりも小さく形成されたイオン交換膜の外周部
分に一部分を重複させて樹脂膜を気密に結合された電極
一体膜を備えてなるものとする。
度の融点を有するフッ素系ポリマ−からなり、イオン交
換膜の外周部分に熱融着されてなり、かつ、前記フッ素
系ポリマ−が、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ
フッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロ
エチレン−ヘキサフルオロプロペン共重合体、テトラフ
ルオロエチレン−ペルフルオロ(アルキル=ビニル=エ
−テル)共重合体、ポリテトラフルオロエチレンの内の
いずれかであるものとする。
重複部分が接着剤により接着されてなるものとする。
固体高分子電解質型燃料電池において、セパレート板の
面積よりも小さく形成されたイオン交換膜の外周部分に
一部分を重複させて樹脂膜を気密に結合された電極一体
膜を備えるよう構成したことにより、電極一体膜の外周
近傍部分およびガスマニホールドシール機能はイオン交
換膜に比べて極めて安価な樹脂膜が分担することにな
り、効果なイオン交換膜の面積を、カチオン導電性膜と
して機能するのに必要な一対の電極面積近くにまで縮小
することができる。
度の融点(170〜270°C)を有するフッ素系ポリ
マ−、例えばポリクロロトリフルオロエチレン、ポリフ
ッ化ビニル、ポリフッ化ビニリデン、テトラフルオロエ
チレン−ヘキサフルオロプロペン共重合体、テトラフル
オロエチレン−ペルフルオロ(アルキル=ビニル=エ−
テル)共重合体、ポリテトラフルオロエチレンの内のい
ずれかを用い、イオン交換膜の外周部分に熱融着するよ
う構成すれば、イオン交換膜と樹脂膜とが気密に融着し
て一体化した電極一体膜が容易に得られる。
の重複部分を接着剤により接着するよう構成してもよ
く、樹脂膜をさらに広い範囲のプラスチックフィルムの
中から選択して使用することが可能になる。
る。図1はこの発明の実施例になる固体高分子電解質型
燃料電池の電極一体膜を示す平面図、図2は実施例にお
ける電極一体膜の断面図であり、従来技術と同じ構成部
分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を
省略する。図において、電極一体膜11はイオン交換膜
12と、その両面に密着した酸化剤電極3および燃料電
極4と、額縁状の樹脂膜15とからなり、イオン交換膜
12の外周部分と額縁状の樹脂膜15の内周部分とが所
定の幅で相互に重なり、その重なり部がヒ−トプレスさ
れて熱融着部16を形成することにより気密に一体化さ
れるとともに、額縁状の樹脂膜15にはマニホ−ルド9
Aおよび9Fを構成する貫通孔19が4個所に形成され
る。このように形成された電極一体膜11は図示しない
セパレ−ト板7を交互に配して複数層積層され、図3に
おけると同様なスタックが形成される。
造方法を含めてさらに具体的に説明する。イオン交換膜
12として厚み200μmのナフィオン膜を120mm
角に切断したものを用意した。一方、白金黒をポリテト
ラフルオロエチレン(PTFE)の懸濁液に分散させ、
これをあらかじめPTFEで撥水処理した100mm角
のカ−ボンペ−パの片面に塗布し、350°Cで熱処理
して酸化剤電極3あるいは燃料電極4を形成した。得ら
れた電極3および4は、上記イオン交換膜12の両側に
それぞれ白金黒がイオン交換膜側に位置するよう重ね、
150°Cでヒ−トプレスして一対の電極3,4とイオ
ン交換膜12とを一体化した。また、額縁状の樹脂膜1
5として厚みが200μmで200mm角のテトラフル
オロエチレン−ヘキサフルオロプロペン共重合体膜を用
い、その中央部に110mm角の孔を切り抜き、これを
電極が一体化したイオン交換膜12の外周部に重ね、こ
の重なり部を両側から一対の枠状の熱板で挟んで加熱
し、熱融着部16を形成し、イオン交換膜と額縁状の樹
脂膜が気密に一体化した電極一体膜11を得た。
来の電極一体膜10に比べてイオン交換膜の面積が36
%程度に縮小され、その縮小部分がナフィオン膜に比べ
て1/50程度と大幅に安価なフッ素系ポリマ−,例え
ばテトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロペン共
重合体膜に置き換えられるので、陽イオン交換膜として
の機能を損なうことなく低コスト化された電極一体膜を
容易に得ることができる。
系ポリマ−は、使用するイオン交換膜の種類によりその
融点が170〜270°Cの温度範囲で異なるが、組み
合わされるイオン交換膜とフッ素系ポリマ−膜の熱軟化
温度と融点温度との間の温度範囲が互いに重なりを有す
るものであれば熱融着加工が可能であり、例えばポリク
ロロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフ
ッ化ビニリデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフル
オロプロペン共重合体、テトラフルオロエチレン−ペル
フルオロ(アルキル=ビニル=エ−テル)共重合体、ポ
リテトラフルオロエチレンの中から、使用するイオン交
換膜に好適な温度範囲の重なりを有するフッ素系ポリマ
−を選択して使用することができる。
樹脂膜との重なり部を接着剤により接着するよう構成し
てもよく、額縁状の樹脂膜をさらに広い範囲のプラスチ
ックフィルム材料の中から選択して使用できる利点が得
られる。なお、電極一体膜11の熱融着部16は2枚の
膜が相互に重なることにより、額縁状の樹脂膜15から
なるガスシ−ル部の厚みより厚くなるが、リブ付セパレ
−ト板7のリブの高さを熱融着部16に対向する部分で
あらかじめ低く形成すれば容易に段差を吸収することが
できる。また、電極一体膜11の外周部分のガスシ−ル
は機械的にも強固な額縁状の樹脂膜15によって行われ
るので、イオン交換膜12の厚みは燃料ガスと酸化剤と
の間の圧力差に耐える強度があればよく、その分イオン
交換膜の厚みを薄く形成することが可能であり、イオン
交換膜を飽和状態に含水した時の比抵抗を低く保持でき
るとともに、飽和含水時の寸法変化を抑制できる利点が
得られる。
用いた固体高分子電解質型燃料電池において、セパレー
ト板の面積よりも小さく形成されたイオン交換膜の外周
部分に一部分を重複させて樹脂膜を気密に結合された電
極一体膜を備えるよう構成した。その結果、電極一体膜
外周部分およびマニホ−ルドのガスシ−ル機能を、イオ
ン交換膜に比べて極めて安価で熱融着容易な樹脂膜,例
えばフッ素系モノマ−膜が分担することになり、高価な
イオン交換膜の面積をカチオン導電性膜として機能する
に必要な一対の電極面積近くにまで縮小することが可能
となる。従って、得られた電極一体膜は高価なイオン交
換膜の面積が縮小された分製造コストが低減されること
になり、低コスト化された固体高分子電解質型燃料電池
を提供できる効果が得られる。
料電池の電極一体膜を示す平面図
て示す断面図
Claims (4)
- 【請求項1】イオン交換膜を挟んでその両面に燃料電極
および酸化剤電極を密着させてなる電極一体膜と、ガス
不透過性のセパレート板との積層体からなる固体高分子
電解質型燃料電池において、前記セパレート板の面積よ
りも小さく形成されたイオン交換膜の外周部分に一部分
を重複させて樹脂膜を気密に結合された電極一体膜を備
えてなることを特徴とする固体電解質型燃料電池。 - 【請求項2】前記樹脂膜が、イオン交換膜と同程度の融
点を有するフッ素系ポリマ−からなり、イオン交換膜の
外周部分に熱融着されてなることを特徴とする請求項1
記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項3】前記フッ素系ポリマ−が、ポリクロロトリ
フルオロエチレン、ポリフッ化ビニル、ポリフッ化ビニ
リデン、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロ
ペン共重合体、テトラフルオロエチレン−ペルフルオロ
(アルキル=ビニル=エ−テル)共重合体、ポリテトラ
フルオロエチレンの内のいずれかであることを特徴とす
る請求項2記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項4】前記イオン交換膜と前記樹脂膜との重複部
分が接着剤により接着されてなることを特徴とする請求
項1記載の固体高分子電解質型燃料電池。
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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Country Status (1)
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-
1992
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