JP3110902B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JP3110902B2
JP3110902B2 JP04334652A JP33465292A JP3110902B2 JP 3110902 B2 JP3110902 B2 JP 3110902B2 JP 04334652 A JP04334652 A JP 04334652A JP 33465292 A JP33465292 A JP 33465292A JP 3110902 B2 JP3110902 B2 JP 3110902B2
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Description

【発明の詳細な説明】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電スタック
におけるカソード電極の電食を防止した燃料電池に関す
る。
【従来の技術】燃料の有しているエネルギーを直接電気
的エネルギーに変換する装置として、燃料電池が知られ
ている。この燃料電池は、通常電解質を挟んで一対の多
孔質電極を配置すると共に、一方の電極の背面に水素な
どの燃料ガスを供給し、他方の電極の背面に酸素等の酸
化剤ガスを供給することにより起こる電気化学的反応を
利用して、上記電極間から電気エネルギーを取り出すよ
うにしたものである。この燃料電池は、燃料ガスと酸化
剤ガスが供給されている限り高い変換効率で電気エネル
ギーを取り出すことができる。この燃料電池では、1枚
の電池(単位セル)の出力電圧は0.8V程度と小さい
ため、実用機では複数の単位セルを直列に積層して燃料
電池スタックを形成している。このような燃料電池の単
位セルの構造を図5に、燃料電池スタックの構造を図6
に示す。図5において、1は単位セルSの間に配置され
た冷却板で、燃料電池の冷却と同時に各単位セルS間の
セパレータとしての作用を果たすため、本発明の請求の
範囲に記載のセパレータには、この冷却板も包含され
る。単位セルSは、多孔質の材料で形成され、リン酸な
どの電解質を含浸させたマトリックス層2a,3aと触
媒層2b,3bを有するアノード電極2とカソード電極
3とを、マトリックス層2a,3aを両側から挟み込む
ようにして重ね合わせて構成されている。各電極2,3
の背面には、燃料ガスあるいは酸化剤ガスの流路となる
溝2c,3cが形成され、この溝2c,3cに蓋をする
ようにして各単位セルS間に冷却板1または板状のセパ
レータ4が挟み込まれている。その結果、各電極2,3
には、ガス流路である溝と平行なエッジ部5,6と、各
溝の開口部であってガスの供給あるいは排出口となるガ
ス出入り口部7,8が形成されている。燃料電池は、図
5のような構成を有する単位セルSが複数個積層された
燃料電池スタックを有するもので、その構成は一例とし
て図6の通りである。すなわち、直方体状に積み上げら
れた単位セルSは、その上下に設けられたスペーサ11
及び締付板12によって一体に固定され、燃料電池スタ
ック10を構成している。この燃料電池スタック10の
周囲の対向する2面にはカソード側のガスマニホールド
13,13が、また他の対向する2面にはアノード側の
ガスマニホールド14,14が固定されている。カソー
ド側のガスマニホールド13,13には、酸化剤ガスの
供給管15あるいは排出管(図示せず)が、またアノー
ド側のガスマニホールド14,14には燃料ガスの供給
管16あるいは排出管(図示せず)が設けられている。
更に、これらのガスマニホールド13,14と燃料電池
スタック10の側面に開口している各電極のガス出入り
口部との気密性を確保するために、各ガスマニホールド
13,14と燃料電池スタック10表面との接触部に
は、シール材17が配設されている。
【発明が解決しようとする課題】前記のような構成を有
する燃料電池では、各ガスマニホールド13,14に供
給された酸化剤ガスと燃料ガスは、ガスマニホールド1
3,14に開口している各電極のガス出入り口部7,8
から電極背面の溝内に流入する。そして、電極を構成す
る多孔質材料中に含浸された電解質であるリン酸と接触
する。ところで、これまでの研究の結果、カソード電極
3のサブストレート(溝の部分に対して板状の基部を言
う)に電解質が含浸されている場合、アノード電極エッ
ジ部5に酸素が接触するとその付近でカソード電極3の
電極電位が変化し、アノード電極エッジ部5近傍に対向
するカソード電極のカーボン材料が腐食(電食)するこ
とがわかった。しかし、従来の燃料電池の単位セルで
は、カソード電極3のサブストレートに電解質を含浸し
ているため、カソードマニホールド13内部に露出して
いるカソード電極3の反応ガス出入口部分8で、カーボ
ン材料が腐食されていた。そのため、従来の燃料電池で
長期間電池の運転を行うと、電極の強度が極端に低下
し、カソード反応ガス流通溝の破壊や反応ガスのクロス
オーバの発生等により、運転継続が不可能となることが
あった。このような問題点を解決するために、最近で
は、カソード電極のサブストレートのガス出入口部分を
はっ水性処理することにより、腐食防止を行っている例
がある。しかし、このような技術も、均一にはっ水性処
理を行うことが困難であること、品質管理が困難である
ことなど製造上の問題がある。また、長時間運転を行う
とはっ水性が劣化することも確認されており、長期運転
ではカソード電極の腐食が問題となっていた。本発明
は、上記のような問題を解決するためになされたもの
で、その目的は、カソード電極の腐食を防止して、信頼
性の向上と長寿命化を可能とした燃料電池を提供するこ
とにある。
【課題を解決するための手段】上記のような目的を達成
するために、請求項1記載の本発明は、電解質を含浸し
たマトリックス層を挟んでアノード電極とカソード電極
から成る一対の電極を備え、前記アノード電極側に燃料
ガスを、カソード電極側に酸化剤ガスを供給することに
より、前記電極から電気エネルギーを出力する単位セル
を構成し、この単位セルをセパレータを介して複数積層
して構成した燃料電池スタックを有する燃料電池におい
て、前記アノード電極及び前記カソード電極は、そのサ
ブストレートに電解質が含浸され、前記アノード電極の
端部への酸素の接触によって前記カソード電極が電位変
化して腐食可能に設けられ、前記アノード電極と前記カ
ソード電極の側面をカバーするように、各々マニホール
ドが配置され、前記マニホールドから、前記アノード電
極側へ燃料ガスが、前記カソード電極側へ酸化剤ガスが
供給され、前記マニホールド内に露出している前記アノ
ード電極に対して前記カソード電極へ供給する酸化剤ガ
スが接触するのを防ぐように、前記アノード電極におけ
るガス流通方向と平行なエッジ部が耐熱性及び耐薬品性
を有するフィルムで被覆されていること、を特徴とす
る。また、請求項2記載の本発明は、請求項1記載の燃
料電池において、前記アノード電極と前記カソード電極
の一体化界面と、前記アノード電極とそれに接する前記
セパレータの積層界面とに耐熱性及び耐薬品性を有する
前記フィルムの端部を挟み込み、前記アノード電極の前
記エッジ部をコの字型に被覆したことを特徴とする。
【作用】前記のような構成を有する請求項1の発明によ
れば、アノード電極のエッジ部が耐熱性及び対薬品性に
優れたフィルムで被覆され酸素と接触することが防止さ
れる。その結果、アノード電極エッジ部に酸素が接触し
てカソード電極の電極電位が変化し、カソード電極のカ
ーボン材料が腐食するような不都合が防止される。ま
た、請求項2の発明によれば、前記請求項1の作用に加
えて、耐熱性及び耐薬品性のフィルムは、電極やセパレ
ータの積層界面で挟持されるだけでアノード電極と一体
化処理していないため、アノード電極とフィルムの熱膨
脹係数の違いによるフィルムの破損がない。
【実施例】(1)第1実施例 本発明の第1実施例を図1及び図2に従って説明する。
なお、前記図5に示した従来の燃料電池と同一の部分に
ついては同一の符号を付し、説明は省略する。第1実施
例において、触媒層2b,3b及びマトリックス層2
a,3aを形成したアノード電極2とカソード電極3に
リン酸を含浸後、図1に示すようにアノード電極2とカ
ソード電極3の一体化界面と、アノード電極2とそれに
接するセパレータ4(冷却板1)の積層界面とに25μ
m厚さのポリテトラフルオロエチレン(略称…PTF
E、商標名…テフロン)フィルム9の端部を挟み、上記
フィルム9により燃料ガス流通方向と平行なアノード電
極エッジ部5をコの字型に被覆して単位セルSを形成し
た。そして、この単位セルSを25セル分積層して燃料
電池スタックを構成した。図2は上記のように構成され
た燃料電池スタックの部分側面図である。この図2から
明らかな通り、アノード電極2のエッジ部5はポリテト
ラフルオロエチレンフィルム9によりコの字型に覆われ
ている。このようにして構成された燃料電池スタックの
連続発電試験を5,000時間行った。比較例として、
図5に示したようなポリテトラフルオロエチレンフィル
ム9でアノード電極2を覆わない従来構造の燃料電池ス
タックについても、同時に連続運転を行った。その結
果、従来の電池ではカソード電極の反応ガス流通溝が電
食により軟化した。また、局部的に溝部が潰れて反応ガ
スの流通を妨げてた。一方、第1実施例の燃料電池で
は、ガス流通溝部の軟化、潰れ、フィルム9の破損等の
異常は見られなかった。 (2)第2実施例 第2実施例では、触媒層2b,3b及びマトリックス層
2a,3aを形成したアノード電極2とカソード電極3
にリン酸を含浸後、両電極の間に、図3に示すように電
極の反応部に相当する部分9aを切り抜いた四角の枠状
の25μm厚さのポリテトラフルオロエチレンフィルム
9を挟み込み、アノード電極2とカソード電極3を一体
化した。しかる後、ポリテトラフルオロエチレンフィル
ム9のコーナー部からセルコーナー部まで切り目9bを
入れ、図4に示すようにアノード電極エッジ部5、カソ
ード電極エッジ部6をコの字で覆うようにフィルム9を
折り返し、それぞれの電極2,3とそれに接するセパレ
ータ4(冷却板1)の界面に挟み固定した。このように
して形成した単位セルSを25セル分積層して燃料電池
スタックを構成した。図4は上記のように構成された燃
料電池スタックの部分斜視図である。このように構成さ
れた第2実施例では、図4から明らかなように、アノー
ド電極2のエッジ部5とカソード電極3のエッジ部6
は、フィルム9によりコの字型に覆われている。このよ
うにして構成された燃料電池スタックの連続発電試験を
8,000時間行った。比較例として、図5に示したよ
うなポリテトラフルオロエチレンフィルム9でアノード
電極2を覆わない従来構造の燃料電池スタックについて
も、同時に連続運転を行った。その結果、従来の電池で
はカソード電極の反応ガス流通溝が電食により軟化し
た。また、局部的に溝部が潰れて反応ガスの流通を妨げ
ていた。一方、第2実施例の燃料電池では、ガス流通溝
部の軟化、潰れ、フィルム9の破損等の異常は見られな
かった。 (3)他の実施例 前記各実施例では耐熱性及び対薬品性に優れたフィルム
としてポリテトラフルオロエチレンフィルムを使用した
が、ポリエチレンサルフォン(PES)、ポリフェルレ
ンサルファイド(PPS)などの耐熱性、耐薬品性に優
れたスーパーエンジニアリングプラスチックフィルムの
使用も可能である。また、使用する電極に触媒層やマト
リックス層を予め形成していなくても、同様の結果が得
られる。
【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、アノード
電極のエッジ部を耐熱性及び耐薬品性に優れたフィルム
によって被覆するという簡単な手段により、アノード電
極と酸素が接触することを防止できる。その結果、本発
明によれば、カソード電極の腐食が長期にわたり防止さ
れ、信頼性に優れた燃料電池を提供することが可能とな
る。また、フィルムによる被覆はアノード電極のエッジ
部のみに実施すれば良いため、安価な材料費・製造費に
よってカソード電極の腐蝕を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の燃料電池の第1実施例における単位セ
ルの構造を示す分解斜視図。
【図2】図1の単位セルを複数積層した燃料電池スタッ
クの部分側面図。
【図3】本発明の燃料電池の第2実施例における単位セ
ルの構造を示す分解斜視図。
【図4】図3の単位セルを複数積層した燃料電池スタッ
クの部分側面図。
【図5】従来の単位セルSの構造を示す分解斜視図。
【図6】図5の単位セルSを複数積層して構成された燃
料電池スタックの構造を示す斜視図。
【符号の説明】
S…単位セル 1…冷却板 2…アノード電極 3…カソード電極 4…セパレータ 5,6…エッジ部 7,8…ガス出入り口部 9…耐熱性及び耐薬品性に優れたフィルム
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭59−68171(JP,A) 特開 昭59−207563(JP,A) 特開 昭61−285674(JP,A) 特開 平4−144064(JP,A) 特開 平6−52873(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 4/86 - 4/98 H01M 8/00 - 8/24

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電解質を含浸したマトリックス層を挟ん
    でアノード電極とカソード電極から成る一対の電極を備
    え、前記アノード電極側に燃料ガスを、カソード電極側
    に酸化剤ガスを供給することにより、前記電極から電気
    エネルギーを出力する単位セルを構成し、この単位セル
    をセパレータを介して複数積層して構成した燃料電池ス
    タックを有する燃料電池において、 前記アノード電極及び前記カソード電極は、そのサブス
    トレートに電解質が含浸され、前記アノード電極の端部
    への酸素の接触によって前記カソード電極が電位変化し
    て腐食可能に設けられ、 前記アノード電極と前記カソード電極の側面をカバーす
    るように、各々マニホールドが配置され、 前記マニホールドから、前記アノード電極側へ燃料ガス
    が、前記カソード電極側へ酸化剤ガスが供給され、 前記マニホールド内に露出している前記アノード電極に
    対して前記カソード電極へ供給する酸化剤ガスが接触す
    るのを防ぐように、前記アノード電極におけるガス流通
    方向と平行なエッジ部が耐熱性及び耐薬品性を有するフ
    ィルムで被覆されていること、 を特徴とする燃料電池。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の燃料電池において、前記
    アノード電極と前記カソード電極の一体化界面と、前記
    アノード電極とそれに接する前記セパレータの積層界面
    とに耐熱性及び耐薬品性を有する前記フィルムの端部を
    挟み込み、前記アノード電極の前記エッジ部をコの字型
    に被覆したことを特徴とする。
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