JP3350260B2 - 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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- JP3350260B2 JP3350260B2 JP30256194A JP30256194A JP3350260B2 JP 3350260 B2 JP3350260 B2 JP 3350260B2 JP 30256194 A JP30256194 A JP 30256194A JP 30256194 A JP30256194 A JP 30256194A JP 3350260 B2 JP3350260 B2 JP 3350260B2
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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
料電池の構造に係り、特にスタックの積層および冷却の
構造に関する。
料電池の構造に係り、特にスタックの積層および冷却の
構造に関する。
【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電極であるアノード
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層を配している。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電極であるアノード
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層を配している。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（燃料極）またはカソード（空
気極）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（燃料極）またはカソード（空
気極）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）式の反応が起こる。 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
の単電池を示す平面図である。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。
電極は前述のように電極基材上に電極触媒層を配して構
成されるがこの電極触媒層は一般に微小な粒子状の白金
触媒と水に対する撥水性を有するフッ素樹脂から構成さ
れており、三相界面と反応ガスの効率的な拡散を維持す
るための細孔とが十分形成される。電極基材は前記触媒
層を支持する。
の単電池を示す平面図である。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。
電極は前述のように電極基材上に電極触媒層を配して構
成されるがこの電極触媒層は一般に微小な粒子状の白金
触媒と水に対する撥水性を有するフッ素樹脂から構成さ
れており、三相界面と反応ガスの効率的な拡散を維持す
るための細孔とが十分形成される。電極基材は前記触媒
層を支持する。
【０００６】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例えばカーボンからなるセパレータ
板５が設けられる。セパレータ板はその一方の主面に反
応ガスを導くガス流通溝４を備えるガス不透過性板であ
る。ガス流通溝の寸法は深さ１ｍｍ，幅員１ｍｍであ
る。
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例えばカーボンからなるセパレータ
板５が設けられる。セパレータ板はその一方の主面に反
応ガスを導くガス流通溝４を備えるガス不透過性板であ
る。ガス流通溝の寸法は深さ１ｍｍ，幅員１ｍｍであ
る。
【０００７】図３は従来の固体高分子電解質型燃料電池
のスタックを示す側面図である。積層された単電池６は
その３枚毎に冷却板７により冷却される。集電板８は上
記電池集合体の電流を取り出す。電池集合体は締めつけ
板１０と締めつけボルト１１を用いて組み立てられる。
絶縁板９が集電板８と締めつけ板１０との電気的絶縁を
図る。単電池６内では反応ガスは鉛直方向に流れる。
のスタックを示す側面図である。積層された単電池６は
その３枚毎に冷却板７により冷却される。集電板８は上
記電池集合体の電流を取り出す。電池集合体は締めつけ
板１０と締めつけボルト１１を用いて組み立てられる。
絶縁板９が集電板８と締めつけ板１０との電気的絶縁を
図る。単電池６内では反応ガスは鉛直方向に流れる。
【０００８】固体高分子電解質型燃料電池の運転温度は
固体高分子電解質膜の電気抵抗を小さくして発電効率を
高めるために通常５０ないし１００℃の温度で運転され
る。この単電池の発生する電圧は１Ｖ以下であるので、
実用上は電圧を高めるために前記単電池を複数個直列に
積層してスタックとして使用される。燃料電池では、一
般に発生電力にほぼ相当する熱量を熱として発生し、こ
の熱により単電池を多数積層したスタックにおいてはス
タック内に温度の分布が生じる。そこで、スタックで
は、冷却板を内蔵してスタックの温度を単電池の面方
向，積層方向にできるだけ均一になるようにする。ここ
で一般に冷却媒体としては水、空気等が用いられる。冷
却板は冷却媒体を供給することで余剰熱を除去して冷却
をする。
固体高分子電解質膜の電気抵抗を小さくして発電効率を
高めるために通常５０ないし１００℃の温度で運転され
る。この単電池の発生する電圧は１Ｖ以下であるので、
実用上は電圧を高めるために前記単電池を複数個直列に
積層してスタックとして使用される。燃料電池では、一
般に発生電力にほぼ相当する熱量を熱として発生し、こ
の熱により単電池を多数積層したスタックにおいてはス
タック内に温度の分布が生じる。そこで、スタックで
は、冷却板を内蔵してスタックの温度を単電池の面方
向，積層方向にできるだけ均一になるようにする。ここ
で一般に冷却媒体としては水、空気等が用いられる。冷
却板は冷却媒体を供給することで余剰熱を除去して冷却
をする。
【０００９】前述のとおり固体高分子電解質型燃料電池
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜１を飽和
に含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、膜は
プロトン導電性電解質として機能する。したがって、固
体高分子電解質型燃料電池の発電効率を高く維持するた
めには、膜の含水状態を飽和状態に維持することが必要
である。膜の乾燥を防いで発電効率を維持するために、
反応ガスには水蒸気が添加され、膜からガスへの水の蒸
発が抑えられる。
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜１を飽和
に含水させることにより膜の比抵抗が小さくなり、膜は
プロトン導電性電解質として機能する。したがって、固
体高分子電解質型燃料電池の発電効率を高く維持するた
めには、膜の含水状態を飽和状態に維持することが必要
である。膜の乾燥を防いで発電効率を維持するために、
反応ガスには水蒸気が添加され、膜からガスへの水の蒸
発が抑えられる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の固体高分子電解質型燃料電池では締めつけ板１
０と締めつけボルト１１を用いて単電池とセパレータ板
を締めつけたときに締めつけボルト１１の締結が一様で
ないために固体高分子電解質膜１とアノード２またはカ
ソード３の両電極を均一に加圧できない上に長時間の運
転ではクリープにより締めつけボルト１１の加圧力が低
下するという問題があった。
な従来の固体高分子電解質型燃料電池では締めつけ板１
０と締めつけボルト１１を用いて単電池とセパレータ板
を締めつけたときに締めつけボルト１１の締結が一様で
ないために固体高分子電解質膜１とアノード２またはカ
ソード３の両電極を均一に加圧できない上に長時間の運
転ではクリープにより締めつけボルト１１の加圧力が低
下するという問題があった。
【００１２】この発明は上述の点に鑑みてなされその目
的はスタックの締めつけ構造に改良を加え、安定且つ均
一なスタックの締めつけが可能である固体高分子電解質
型燃料電池を提供することにある。
的はスタックの締めつけ構造に改良を加え、安定且つ均
一なスタックの締めつけが可能である固体高分子電解質
型燃料電池を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上述の目的は第一の発明
によれば固体高分子電解質膜とその両面に配設された電
極からなる固体高分子膜／電極接合体を二つのセパレー
タで挟んで構成された単電池を水平方向に複数個積層し
たスタックに、燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスおよび
冷却水を供給する固体高分子電解質型燃料電池におい
て、スタックの単電池積層方向各両端部に、加圧板と合
体して加圧ガス室を形成し所定圧力のガスが内蔵される
加圧板保持器と、しゅう動自在且つ気密に加圧板保持器
に取り付けられ加圧ガス室のガス圧によりスタックの端
部をスタックの積層方向に全体加圧する加圧板を備え、
前記加圧板保持器が互いに連結されてなることとするこ
とにより達成される。
によれば固体高分子電解質膜とその両面に配設された電
極からなる固体高分子膜／電極接合体を二つのセパレー
タで挟んで構成された単電池を水平方向に複数個積層し
たスタックに、燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスおよび
冷却水を供給する固体高分子電解質型燃料電池におい
て、スタックの単電池積層方向各両端部に、加圧板と合
体して加圧ガス室を形成し所定圧力のガスが内蔵される
加圧板保持器と、しゅう動自在且つ気密に加圧板保持器
に取り付けられ加圧ガス室のガス圧によりスタックの端
部をスタックの積層方向に全体加圧する加圧板を備え、
前記加圧板保持器が互いに連結されてなることとするこ
とにより達成される。
【００１６】
【作用】加圧板は加圧ガス室のガス圧により押圧されて
しゅう動するからスタックは均等に加圧される。またガ
ス圧はガス室の体積変動に比例するから締結棒のクリー
プがあってもガス圧の変動は僅少でありスタックは安定
に押圧される。
しゅう動するからスタックは均等に加圧される。またガ
ス圧はガス室の体積変動に比例するから締結棒のクリー
プがあってもガス圧の変動は僅少でありスタックは安定
に押圧される。
【００１９】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基いて説明す
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。単電池６の複数個が集電
板８，絶縁板９，分配板１８を介して加圧板１３により
押圧されスタックを形成する。加圧板１３はＯリング１
６を介して加圧板保持器１４に気密に且つしゅう動自在
に取り付けられる。加圧板保持器１４と加圧板１３は加
圧ガス室１７を形成する。加圧ガス室１７の加圧板保持
器１４は締結棒１５により所定の位置に固定される。
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。単電池６の複数個が集電
板８，絶縁板９，分配板１８を介して加圧板１３により
押圧されスタックを形成する。加圧板１３はＯリング１
６を介して加圧板保持器１４に気密に且つしゅう動自在
に取り付けられる。加圧板保持器１４と加圧板１３は加
圧ガス室１７を形成する。加圧ガス室１７の加圧板保持
器１４は締結棒１５により所定の位置に固定される。
【００２０】分配板１８には燃料ガス入口１９Ａ，酸化
剤ガス入口２０Ａ，冷却水入口２１Ａが設けられ、スタ
ック内の燃料ガス導入孔１９Ｃ，酸化剤ガス導入孔２０
Ｃ，冷却水導入孔２１Ｃにそれぞれ連通する。同様に分
配板１８には燃料ガス出口１９Ｂ，酸化剤ガス出口２０
Ｂ，冷却水出口２１Ｂが設けられ、スタック内の燃料ガ
ス排出孔１９Ｄ，酸化剤ガス排出孔２０Ｄ，冷却水排出
孔２１Ｄにそれぞれ連通する。
剤ガス入口２０Ａ，冷却水入口２１Ａが設けられ、スタ
ック内の燃料ガス導入孔１９Ｃ，酸化剤ガス導入孔２０
Ｃ，冷却水導入孔２１Ｃにそれぞれ連通する。同様に分
配板１８には燃料ガス出口１９Ｂ，酸化剤ガス出口２０
Ｂ，冷却水出口２１Ｂが設けられ、スタック内の燃料ガ
ス排出孔１９Ｄ，酸化剤ガス排出孔２０Ｄ，冷却水排出
孔２１Ｄにそれぞれ連通する。
【００２１】スタック内の燃料ガス導入孔１９Ｃ，酸化
剤ガス導入孔２０Ｃ，冷却水導入孔２１Ｃはそれぞれ単
電池のアノード半電池，カソード半電池，単電池と単電
池の間を介してスタック内の燃料ガス排出孔１９Ｄ，酸
化剤ガス排出孔２０Ｄ，冷却水排出孔２１Ｄに連通す
る。単電池の詳細は次図以下に示される。
剤ガス導入孔２０Ｃ，冷却水導入孔２１Ｃはそれぞれ単
電池のアノード半電池，カソード半電池，単電池と単電
池の間を介してスタック内の燃料ガス排出孔１９Ｄ，酸
化剤ガス排出孔２０Ｄ，冷却水排出孔２１Ｄに連通す
る。単電池の詳細は次図以下に示される。
【００２２】加圧ガス室１７内のガス圧は所定値に保持
される。加圧板１３はガス圧に応じて加圧板保持器１４
の内部をしゅう動する。加圧板１３はスタックの端部の
全体をその積層方向に均等に押圧する。
される。加圧板１３はガス圧に応じて加圧板保持器１４
の内部をしゅう動する。加圧板１３はスタックの端部の
全体をその積層方向に均等に押圧する。
【００２９】
【発明の効果】この発明によれば加圧板保持器と、加圧
板により形成される加圧ガス室のガス圧により加圧板を
スタックの積層方向に全体的にしゅう動させるので、ス
タックが均一且つ安定に押圧され、スタック積層におけ
る接触抵抗に起因する内部抵抗の低減、反応ガスや冷却
水のシールの確実化がもたらされ特性と信頼性に優れる
固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
板により形成される加圧ガス室のガス圧により加圧板を
スタックの積層方向に全体的にしゅう動させるので、ス
タックが均一且つ安定に押圧され、スタック積層におけ
る接触抵抗に起因する内部抵抗の低減、反応ガスや冷却
水のシールの確実化がもたらされ特性と信頼性に優れる
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の単電池を
示す平面図
示す平面図
【図３】従来の固体高分子電解質型燃料電池のスタック
を示す側面図
を示す側面図
１ 固体高分子電解質型燃料電池 ２ アノード ３ カソード ４ ガス流通孔 ５ セパレータ板 ６ 単電池 ７ 冷却板 ８ 集電板 ９ 絶縁板 １０ 締めつけ板 １１ 締めつけボルト １２ スタック １３ 加圧板 １４ 加圧板保持器 １５ 締結棒 １６ Ｏリング １７ 加圧ガス室 １８ 分配板 １９Ａ 燃料ガス入口 １９Ｂ 燃料ガス出口 １９Ｃ 燃料ガス導入孔 １９Ｄ 燃料ガス排出孔 ２０Ａ 酸化剤ガス入口 ２０Ｂ 酸化剤ガス出口 ２０Ｃ 酸化剤ガス導入孔 ２０Ｄ 酸化剤ガス排出孔 ２１Ａ 冷却水入口 ２１Ｂ 冷却水出口 ２１Ｃ 冷却水導入孔 ２１Ｄ 冷却水排出孔
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 新藤 義彦 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−87776（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−231793（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/24 H01M 8/10
Claims (1)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜とその両面に配設され
た電極からなる固体高分子膜／電極接合体を二つのセパ
レータで挟んで構成された単電池を水平方向に複数個積
層したスタックに、燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスお
よび冷却水を供給する固体高分子電解質型燃料電池にお
いて、 スタックの単電池積層方向各両端部に、加圧板と合体し
て加圧ガス室を形成し所定圧力のガスが内蔵される加圧
板保持器と、しゅう動自在且つ気密に加圧板保持器に取
り付けられ加圧ガス室のガス圧によりスタックの端部を
スタックの積層方向に全体加圧する加圧板を備え、前記
加圧板保持器が互いに連結されてな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 |
|---|---|---|---|
| JP30256194A JP3350260B2 (ja) | 1994-12-07 | 1994-12-07 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP30256194A JP3350260B2 (ja) | 1994-12-07 | 1994-12-07 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08162145A JPH08162145A (ja) | 1996-06-21 |
| JP3350260B2 true JP3350260B2 (ja) | 2002-11-25 |
Family
ID=17910462
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP30256194A Expired - Lifetime JP3350260B2 (ja) | 1994-12-07 | 1994-12-07 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3350260B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AUPQ653700A0 (en) * | 2000-03-28 | 2000-04-20 | Ceramic Fuel Cells Limited | Surface treated electrically conductive metal element and method of forming same |
| KR100452866B1 (ko) * | 2002-05-31 | 2004-10-14 | 현대자동차주식회사 | 전기 자동차용 연료 전지 스택 적층장치 |
| KR101127028B1 (ko) * | 2003-11-19 | 2012-03-26 | 아쿠아훼아리 가부시키가이샤 | 연료 전지 |
| JP4643178B2 (ja) * | 2003-11-19 | 2011-03-02 | アクアフェアリー株式会社 | 燃料電池 |
| FR3066201B1 (fr) * | 2017-05-15 | 2022-01-07 | Commissariat Energie Atomique | Reacteur d'electrolyse ou de co-electrolyse de l'eau (soec) ou pile a combustible (sofc) a fonctionnement sous pression et a systeme de serrage adapte a un tel fonctionnement |
-
1994
- 1994-12-07 JP JP30256194A patent/JP3350260B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH08162145A (ja) | 1996-06-21 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
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