JP3353567B2 - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料として純水素、ま
たはメタノール及び化石燃料からの改質水素などの還元
剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関する
ものであり、特に固体高分子電解質型燃料電池のガスケ
ットに関するものである。
【0002】
【従来の技術】例えば固体高分子電解質型燃料電池は、
固体高分子電解質にプロトン伝導体であるカチオン交換
膜を用い、燃料として水素を、酸化剤として酸素を導入
した場合には、次の(化1)、(化2)反応が起こるこ
とが知られている。
【0003】
【化1】
【0004】
【化2】
【0005】負極では水素がプロトンと電子に解離す
る。プロトンはカチオン交換膜中を正極に向かって移動
し、電子は導電性のセパレータ板と直列に積層されたセ
ルとさらに外部の回路を移動して正極に至り、このとき
発電が行われる。一方、正極ではカチオン交換膜中を移
動してきたプロトンと外部回路を移動してきた電子と外
部から導入された酸素とが反応し水を生成する。この反
応は発熱を伴うので全体として水素と酸素から電気と水
と熱を発生する。
【0006】固体高分子電解質型燃料電池が他の燃料電
池と大きく異なる点は、電解質が固体高分子であるイオ
ン交換膜で構成されている点である。このイオン交換膜
にはパーフルオ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)等が用いられるが、この膜
が十分なプロトン導電性を示すためには膜が十分に水和
している必要がある。イオン交換膜を水和させる方法と
しては、例えばJ.Electorochem.So
c.135(1988)2209頁に記載されているよ
うに反応ガスを加湿器に通すことによって水蒸気をセル
内に導入してイオン交換膜の乾燥を防ぐ方法が取られ
る。また、各セルをシールする方法としては、例えば
J.Power Sources,29(1990)3
67頁に記載されているようにイオン交換膜の面積を電
極面積よりも大きくし、イオン交換膜の電極と接合され
ていない周囲部分を上下のガスケットで挟み込む方法が
取られる。
【0007】ガスケットの材質としてはポリテトラフル
オロエチレン(米国,デュポン社製商品名テフロン)を
コーティングしたガラス繊維布やフッ素ゴムが用いられ
ている。
【0008】また、米国特許第4,826,741号明
細書ではシリコンゴムやフッ素ゴムが用いられている。
この構成時、ガスケットは約50〜200μmのイオン
交換膜の厚みを吸収しつつ隣合うセパレータ板間の絶縁
とガスシールを行わなければならない。そこで、セルの
締めつけ圧力を大きくしてガスケットをつぶしたり、ガ
スケットのイオン交換膜が当たる部分の厚みを膜厚分だ
け薄くする微細な加工が必要であった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の方法では、セルの積層数が増すにつれて吸収すべきイ
オン交換膜の厚みが積算されて大きくなるために吸収し
きれなくなったり、非常に大きな締めつけ圧力を必要と
し、強度を確保するためにエンドプレートやボルトナッ
トなどの他のハウジングが大がかりなものになる。ま
た、ガスケットやイオン交換膜やセパレータ板の厚みの
ばらつきによって十分なガスシール性が確保できないな
どの欠点を有していた。さらに、イオン交換膜は含水率
の変化にともなって膜厚が変化するため、従来のガスケ
ット材料では応力緩和性が大きいことから、当初確保さ
れていたシール性が運転途中で低下するという危険を有
していた。
【0010】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、低い締めつけ圧力で高いシール性を発揮するガスケ
ットを用いることによって、より軽く経済性の高い燃料
電池、特に固体高分子電解質型燃料電池を提供すること
を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明の燃料電池は、正極、電解質板、負極からな
る単位セルの周縁にガスケットを配し、セパレータ板を
介在して積層された燃料電池において、前記ガスケット
、独立気泡のスポンジ層と接着した心材が前記セパレ
ータ板の少なくとも片面に接着した構成としたものであ
る。また、本発明の燃料電池は、固体高分子からなるイ
オン交換膜と、このイオン交換膜に接する面に少なくと
も電極触媒層を有する正極および負極からなる単位セル
の周縁にガスケットを配し、セパレータ板を介在して積
層された燃料電池において、前記ガスケットは、独立気
泡のスポンジ層と接着した心材が前記セパレータ板の少
なくとも片面に接着層を介して接着した構造よりなる
【0012】
【作用】この構成では、独立気泡のスポンジ層がイオン
交換膜の厚みを気泡の圧縮によって吸収する。また、部
分的な凹凸に対しても個々の独立した気泡が圧縮するた
めにセパレータ板のウネリや粗さも吸収することができ
る。さらに、密閉された気泡を圧縮させるので応力緩和
が小さく、スポンジ層がセパレータ板に接着されている
ために、内部に高圧のガスを用いた場合にもスポンジ層
と基板との接着力によってスポンジ層が外側に逃げるこ
とはない。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例および参考例につい
て、図面を参照しながら説明する。
【0014】図3は、一般的な固体高分子電解質型燃料
電池の積層電池の外観図である。グラッシーカーボンな
どの導電性の素材からなるセパレータ板2と絶縁性のガ
スケット1が交互に積み重ねられ、最外側のセパレータ
板に銅製の集電板3が密着されている。この積層体を絶
縁板4を介してステンレス製のエンドプレート5ではさ
み、エンドプレート間をボルト、ナットで締めつける構
造となっている。
【0015】もちろん各パーツの材質は導電性、絶縁
性、耐熱性、ガス透過性などの条件が電池性能に悪影響
をおよぼさなければ、上記の素材に限定されるものでは
ない。
【0016】図4は一般的な積層電池内部セルの断面図
を示した図である。中央のイオン交換膜11の両面に電
極12が接合され、その接合体の上下に溝付きのセパレ
ータ板2が位置している。イオン交換膜の面積は電極1
2よりも大きくなっており、周囲をガスケットではさみ
込み、各セルのシールとセパレータ板どうし間の絶縁を
行っている。図に示したように必要に応じて積層体の内
部にガス通路13を設置する場合(内部マニホールド
型)には、ガスケットがこのガス通路のシールも行う。
溝付きのセパレータ板2は溝の部分に多孔質状の溝付き
板をはめ込む場合やメッシュなどを用いるなどの様々な
構造が可能であり、この構造が本発明を限定するもので
はない。
【0017】図1は本発明の参考例のセルの断面を示
す。図中ガスケット21は、セパレータ板の片面に厚み
0.7mmのエチレン−プロピレンゴム(EPDM)の
独立気泡のスポンジ層23を接着層22を介して接着し
たものである。本参考例のガスケット21は、イオン交
換膜11に接する部分の独立した気泡が、セパレータ板
2どうしに挟まれた部分よりもさらに圧縮されることに
よってイオン交換膜11の厚みを吸収しつつセパレータ
板間、イオン交換膜とセパレータ間の両方のシールを行
うことができた。締めつけ圧力は従来の気泡のないフッ
素ゴムを用いた場合がシール圧10kg/cm2を必要
としたのに対して、本参考例のガスケットの場合には
3.5kg/cm2以上で十分であった。さらに、スポ
ンジ層だけのシートでは非常に柔らかいためにセル及び
ガス通路の内圧が高圧になるとガスケットが外側にずれ
て吹き切れてしまったのに対して、本参考例のガスケッ
トの場合には、接着層の接着力によってスポンジ層のズ
レが防止されて吹き切れを起こさなかった。
【0018】(実施例) 図2は本実施例のセルの断面を示す。ガスケット31
は、厚み0.5mmのアクリル板32の片面に厚み0.
4mmのEPDMの独立気泡のスポンジ層33を接着
し、アクリル板32をセパレータ板2に接着層34を介
して接着したものである。参考例と同様のシール効果に
加えて、ガスケットが心材を有するためにたわまず、セ
パレータ板に容易に接着することができ、接着時の位置
ずれを生じなかった。
【0019】なお、本実施例ではガスケットの材料とし
て前記の材質を用いたが、この固体高分子電解質型燃料
電池は作動温度が150℃以下であるので、フッ素ゴム
など種々の弾性材料が使用できる。ただし、イオン交換
膜がその交換基としてスルホン酸基をもち酸性を示し、
また水が生成し反応ガスが加湿されるために、ガスケッ
トの接触面は耐酸性、耐水蒸気性、耐熱水性等が必要で
ある。
【0020】以上の耐熱性、耐酸性、耐水蒸気性、耐熱
水性等の条件が満たされればどのような材質を選択する
ことも可能であり、本発明は実施例の材料に限定されな
い。
【0021】さらに、本実施例ではガスケットを1枚使
用してイオン交換膜を一方向からシールする方法を示し
たが、ガスケットを2枚使用してイオン交換膜を挟み込
む方法を使っても同様の効果が得られた。また、上記の
実施例では固体高分子電解質型燃料電池を一例として述
べたが、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等にお
いても同様の効果を示した。
【0022】
【発明の効果】 以上のように本発明は、燃料電池にお
いて、ガスケットは、独立気泡のスポンジ層と接着した
心材がセパレータ板の少なくとも片面に接着した構成と
した。これにより、独立気泡のスポンジ層がイオン交換
膜の厚みやセパレータ板の凹凸を気泡の圧縮によって吸
収するので、小さな締めつけ圧力で優れたシール性能を
実現できる。また、独立気泡のスポンジ層と接着した心
がセパレータ板に接着層を介して接着されているため
に、内部に高圧のガスを用いた場合にも接着力によって
スポンジ層が外側に逃げない。
【0023】以上の効果により、締めつけ圧力の大幅な
低減が実現できるためエンドプレート、セパレータ、電
極などの強度を低減することができ、例えばエンドプレ
ートとして従来ステンレス鋼を使用していたものに代え
てエンジニアプラスチックなどの材料を使用することが
可能となり、小型軽量で経済性の高い燃料電池が実現で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の参考例におけるセルの断面図
【図2】本発明の実施例におけるセルの断面図
【図3】一般的な固体高分子電解質型燃料電池の外観図
【図4】一般的なセルの断面図
【符号の説明】
1 ガスケット 2 セパレータ板 3 集電板 4 絶縁板 5 エンドプレート 6 水素入口 7 水素出口 8 酸素入口 9 酸素出口 10 排水ドレン 11 イオン交換膜 12 電極 13 ガス通路 21 実施例1のガスケット 22 接着層 23 スポンジ層 31 実施例2のガスケット 32 アクリル板 33 スポンジ層 34 接着層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 江田 信夫 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電 器産業株式会社内 (56)参考文献 特開 平6−96783(JP,A) 特開 平5−82151(JP,A) 特開 平7−249417(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/02 H01M 8/10

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 正極、電解質板、負極からなる単位セル
    の周縁にガスケットを配し、セパレータ板を介在して積
    層された燃料電池において、記ガスケットは、独立気
    泡のスポンジ層と接着した心材が前記セパレータ板の少
    なくとも片面に接着層を介して接着した構造よりなる燃
    料電池。
  2. 【請求項2】 固体高分子からなるイオン交換膜と、こ
    のイオン交換膜に接する面に少なくとも電極触媒層を有
    する正極および負極からなる単位セルの周縁にガスケッ
    トを配し、セパレータ板を介在して積層された燃料電池
    において、前記ガスケットは、独立気泡のスポンジ層と
    接着した心材が前記セパレータ板の少なくとも片面に接
    着層を介して接着した構造よりなる燃料電池。
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