JP3515161B2 - 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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- H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質型燃
料電池に関し、特に固体高分子電解質膜が湿潤状態を保
持するために必要な水分を効果的に供給できるようにし
た固体高分子電解質型燃料電池に関する。
料電池に関し、特に固体高分子電解質膜が湿潤状態を保
持するために必要な水分を効果的に供給できるようにし
た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、一般
に、高分子イオン交換膜の両面に一対の電極が接合さ
れ、更にそのぞれの面にアノードガス供給用プレートと
カソードガス供給用プレートが配された基本構造をしい
る。そしてこのように構成された単電池は、所望の出力
電圧が得られるように多数積層した電池スタックとし使
用される。
に、高分子イオン交換膜の両面に一対の電極が接合さ
れ、更にそのぞれの面にアノードガス供給用プレートと
カソードガス供給用プレートが配された基本構造をしい
る。そしてこのように構成された単電池は、所望の出力
電圧が得られるように多数積層した電池スタックとし使
用される。
【０００３】ところで、このような固体高分子電解質型
燃料電池の電解質膜としては、スルホン酸基をもつポリ
スチレン系の陽イオン交換膜やパーフルオロカーボンス
ルホン酸膜、フオオカーボンスルホン酸とポリビニリデ
ンフロライドとの混合膜等が知られており、これらの電
解質膜は適正温度範囲の湿潤状態下でプロトン導電性電
解質として機能するが、温度が適正範囲を超えたり、電
解質膜が乾燥状態となったりするとイオン導電性が低下
するため、発電能力が低下する。このため、従来より、
電解質の乾燥を防ぐための方法が種々提案されている。
燃料電池の電解質膜としては、スルホン酸基をもつポリ
スチレン系の陽イオン交換膜やパーフルオロカーボンス
ルホン酸膜、フオオカーボンスルホン酸とポリビニリデ
ンフロライドとの混合膜等が知られており、これらの電
解質膜は適正温度範囲の湿潤状態下でプロトン導電性電
解質として機能するが、温度が適正範囲を超えたり、電
解質膜が乾燥状態となったりするとイオン導電性が低下
するため、発電能力が低下する。このため、従来より、
電解質の乾燥を防ぐための方法が種々提案されている。
【０００４】例えば、特開平５−５４９００号公報に
は、反応ガス供給通路に加湿装置を設け、電解質膜に加
湿した反応ガスを供給することにより、該電解質膜の飽
和含水状態を維持する技術が開示されている。また特開
平１−３０９２６３号公報には、アノードガス供給用の
凹溝を有する多孔性のアノードプレートに、アノードガ
ス圧に近い圧力で水を導入、これによって該プレートを
介して電解質膜に水を供給する技術が開示されている。
は、反応ガス供給通路に加湿装置を設け、電解質膜に加
湿した反応ガスを供給することにより、該電解質膜の飽
和含水状態を維持する技術が開示されている。また特開
平１−３０９２６３号公報には、アノードガス供給用の
凹溝を有する多孔性のアノードプレートに、アノードガ
ス圧に近い圧力で水を導入、これによって該プレートを
介して電解質膜に水を供給する技術が開示されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記特
開平５−５４９００号公報記載の技術では、電池本体と
は別に新たに熱源を有する加湿装置を設けなければなら
ない。したがって、その分コストアップとなるとともに
発電装置全体が複雑化、大型化するという欠点がある。
開平５−５４９００号公報記載の技術では、電池本体と
は別に新たに熱源を有する加湿装置を設けなければなら
ない。したがって、その分コストアップとなるとともに
発電装置全体が複雑化、大型化するという欠点がある。
【０００６】一方、上記特開平１−３０９２６３号公報
記載の技術は、特開平５−５４９００号公報記載の技術
と異なり必須発電要素であるアノードプレートに直接水
を導入する方法であるが、同公報には電池外部からどの
ような具体的手段で水を供給するのかが不明である。よ
って従来より知られている技術常識に基づいて判断する
と、やはり電池本体とは別に加圧水供給装置を必要とす
ると考えられる。つまり、この技術においても、装置の
複雑化、大型化の問題が内包している。
記載の技術は、特開平５−５４９００号公報記載の技術
と異なり必須発電要素であるアノードプレートに直接水
を導入する方法であるが、同公報には電池外部からどの
ような具体的手段で水を供給するのかが不明である。よ
って従来より知られている技術常識に基づいて判断する
と、やはり電池本体とは別に加圧水供給装置を必要とす
ると考えられる。つまり、この技術においても、装置の
複雑化、大型化の問題が内包している。
【０００７】本発明はこのような状況に鑑み、従来より
知られている固体高分子電解質型燃料電池の一般的構成
要素に新たに特別な装置を付加することなく、電解質膜
が必要とする水を合理的、効果的に供給できる方式を案
出し、もってコンパクトかつ高性能な固体高分子電解質
型電池を提供することを目的としている。
知られている固体高分子電解質型燃料電池の一般的構成
要素に新たに特別な装置を付加することなく、電解質膜
が必要とする水を合理的、効果的に供給できる方式を案
出し、もってコンパクトかつ高性能な固体高分子電解質
型電池を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に請求項１記載の発明は、高分子電解質膜を介してアノ
ード電極及びカソード電極が対向する電極・電解質膜接
合体の各面に、反応ガス通路となる凹溝を有するガス供
給用のプレートがそれぞれ配され、更に前記ガス供給用
のプレートのうち少なくともアノードガスの供給用プレ
ート側には前記アノードガス供給用プレートの外側面に
当接して水路を有する水供給プレートが配置されてあ
り、かつ前記ガス供給用のプレートの有する反応ガス通
路のうち、少なくともアノードガス供給プレートの有す
る反応ガス通路と、前記水供給プレートの有する水路と
の間に、少なくとも親水性樹脂を含み、水透過性であっ
て、少なくとも湿潤時にガス不透過性となる層を有する
ことを特徴とする。
に請求項１記載の発明は、高分子電解質膜を介してアノ
ード電極及びカソード電極が対向する電極・電解質膜接
合体の各面に、反応ガス通路となる凹溝を有するガス供
給用のプレートがそれぞれ配され、更に前記ガス供給用
のプレートのうち少なくともアノードガスの供給用プレ
ート側には前記アノードガス供給用プレートの外側面に
当接して水路を有する水供給プレートが配置されてあ
り、かつ前記ガス供給用のプレートの有する反応ガス通
路のうち、少なくともアノードガス供給プレートの有す
る反応ガス通路と、前記水供給プレートの有する水路と
の間に、少なくとも親水性樹脂を含み、水透過性であっ
て、少なくとも湿潤時にガス不透過性となる層を有する
ことを特徴とする。
【０００９】請求項２記載の発明は、請求項１記載の固
体高分子電解質型燃料電池において、前記ガス供給用お
よび水供給用のプレートのうち少なくとも１つのプレー
トは、少なくとも親水性樹脂を含み、水透過性であっ
て、少なくとも湿潤時にガス不透過性となる層にしてあ
ることを特徴とする。請求項３記載の発明は、請求項２
記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記ガス
供給用および水供給用のプレートのうち少なくとも１つ
のプレートが、導電性多孔質基板から構成され、かつ凹
溝が形成された面の反対側面の表層には親水性樹脂が含
浸された２層構造からなるガス分離プレートであること
を特徴とする。
体高分子電解質型燃料電池において、前記ガス供給用お
よび水供給用のプレートのうち少なくとも１つのプレー
トは、少なくとも親水性樹脂を含み、水透過性であっ
て、少なくとも湿潤時にガス不透過性となる層にしてあ
ることを特徴とする。請求項３記載の発明は、請求項２
記載の固体高分子電解質型燃料電池において、前記ガス
供給用および水供給用のプレートのうち少なくとも１つ
のプレートが、導電性多孔質基板から構成され、かつ凹
溝が形成された面の反対側面の表層には親水性樹脂が含
浸された２層構造からなるガス分離プレートであること
を特徴とする。
【００１０】請求項４記載の発明は、高分子電解質膜を
介してアノード電極及びカソード電極が対向する電極・
電解質膜接合体の各面に、反応ガス通路となる凹溝を有
するガス供給用プレートがそれぞれ配され、前記ガス供
給用プレートのうち少なくともアノードガス供給用プレ
ートは、水透過性の多孔質基板からなり、少なくともこ
のアノードガス供給用プレートの外側には、少なくとも
親水性樹脂を含み、水透過性であって、少なくとも湿潤
時にガス不透過性となるガスブロックプレートが当接さ
れてあり、更に前記ガスブロックプレートの外側には水
路を有する水供給用プレートが当接されてあることを特
徴とする。
介してアノード電極及びカソード電極が対向する電極・
電解質膜接合体の各面に、反応ガス通路となる凹溝を有
するガス供給用プレートがそれぞれ配され、前記ガス供
給用プレートのうち少なくともアノードガス供給用プレ
ートは、水透過性の多孔質基板からなり、少なくともこ
のアノードガス供給用プレートの外側には、少なくとも
親水性樹脂を含み、水透過性であって、少なくとも湿潤
時にガス不透過性となるガスブロックプレートが当接さ
れてあり、更に前記ガスブロックプレートの外側には水
路を有する水供給用プレートが当接されてあることを特
徴とする。
【００１１】請求項５記載の発明は、請求項４記載の固
体高分子電解質型燃料電池において、前記ガスブロック
プレートは、導電性多孔質基板に親水性樹脂を含浸させ
てなるものであることを特徴とする。
体高分子電解質型燃料電池において、前記ガスブロック
プレートは、導電性多孔質基板に親水性樹脂を含浸させ
てなるものであることを特徴とする。
【００１２】
【作用】請求項１、２の発明によれば、ガス供給用およ
び水供給用のプレートのうち少なくとも１つのプレート
が、少なくとも親水性樹脂を含み、水透過性であって少
なくとも湿潤時にガス不透過性となる層にしてある。一
例として、アノードガス供給用のプレートが、このよう
なプレートであれば、電池外部から水供給用プレートに
より供給された水は該プレートを透過・拡散して電解質
膜が必要とする十分な湿気を供給できる。その一方、該
プレートは少なくとも湿潤時にはガス不透過性であるの
で、電池作動時にあって凹溝を通るガスが該プレートか
ら漏れ出すことがない。よってガス供給用プレートの外
側にガス漏れを防ぐためのガス不透過プレートを配する
必要がないとともに、前記電池水供給用プレートにより
供給される水は、電池冷却機能も有するものであるから
極めて合理的に電解質膜の加湿が実現できる。このこと
から、請求項１、２記載の発明によれば、新たに特別な
装置を付加することなく、電解質膜が必要とする水を合
理的、効果的に供給できるので、コンパクトで高性能な
固体高分子電解質型電池が実現できる。
び水供給用のプレートのうち少なくとも１つのプレート
が、少なくとも親水性樹脂を含み、水透過性であって少
なくとも湿潤時にガス不透過性となる層にしてある。一
例として、アノードガス供給用のプレートが、このよう
なプレートであれば、電池外部から水供給用プレートに
より供給された水は該プレートを透過・拡散して電解質
膜が必要とする十分な湿気を供給できる。その一方、該
プレートは少なくとも湿潤時にはガス不透過性であるの
で、電池作動時にあって凹溝を通るガスが該プレートか
ら漏れ出すことがない。よってガス供給用プレートの外
側にガス漏れを防ぐためのガス不透過プレートを配する
必要がないとともに、前記電池水供給用プレートにより
供給される水は、電池冷却機能も有するものであるから
極めて合理的に電解質膜の加湿が実現できる。このこと
から、請求項１、２記載の発明によれば、新たに特別な
装置を付加することなく、電解質膜が必要とする水を合
理的、効果的に供給できるので、コンパクトで高性能な
固体高分子電解質型電池が実現できる。
【００１３】更に、請求項３の発明によれば、一例とし
て前記アノードガス供給用のプレートが、導電性多孔質
基板から構成され、かつ凹溝が形成された面の反対側面
の表層には親水性樹脂が含浸された２層構造からなるガ
ス供給分離プレートとした。多孔質基板は、多孔が通路
なって水及びガスの双方を透過させるが、この多孔に親
水性樹脂を含浸させると、該孔が閉塞されるのでガスが
通り難くなる一方、水はその親水基を仲立ちとして通過
し得る。そして、特に親水性樹脂は湿潤膨張するので、
水が該孔を通過する際には該孔は膨潤した親水性樹脂に
より緻密に閉塞されることになる。したがって、一層ガ
スが透過し難くなる。つまり、ガス供給分離プレート
は、水、ガス選択透過性機能を有したものとなるので、
水供給用プレートから供給された水を電解質膜に供給で
きるとともに、電池反応ガスは通過させないという作用
を奏する。
て前記アノードガス供給用のプレートが、導電性多孔質
基板から構成され、かつ凹溝が形成された面の反対側面
の表層には親水性樹脂が含浸された２層構造からなるガ
ス供給分離プレートとした。多孔質基板は、多孔が通路
なって水及びガスの双方を透過させるが、この多孔に親
水性樹脂を含浸させると、該孔が閉塞されるのでガスが
通り難くなる一方、水はその親水基を仲立ちとして通過
し得る。そして、特に親水性樹脂は湿潤膨張するので、
水が該孔を通過する際には該孔は膨潤した親水性樹脂に
より緻密に閉塞されることになる。したがって、一層ガ
スが透過し難くなる。つまり、ガス供給分離プレート
は、水、ガス選択透過性機能を有したものとなるので、
水供給用プレートから供給された水を電解質膜に供給で
きるとともに、電池反応ガスは通過させないという作用
を奏する。
【００１４】また請求項４の発明によれば、少なくとも
アノードガス供給用プレートの外側には、少なくとも親
水性樹脂を含み、水透過性であって、少なくとも湿潤時
にガス不透過性となるガスブロックプレートを配したの
で、このガスブロックプレートが水・ガス選択透過機能
を発揮して上記記載と同様な作用効果を奏する。そし
て、このようなガスブロックプレートを使用すれば、従
来のガス供給用プレートと用いた場合であっても、ガス
漏れを防止できかつ電解質膜に効果的に水を供給できる
という作用を奏する。
アノードガス供給用プレートの外側には、少なくとも親
水性樹脂を含み、水透過性であって、少なくとも湿潤時
にガス不透過性となるガスブロックプレートを配したの
で、このガスブロックプレートが水・ガス選択透過機能
を発揮して上記記載と同様な作用効果を奏する。そし
て、このようなガスブロックプレートを使用すれば、従
来のガス供給用プレートと用いた場合であっても、ガス
漏れを防止できかつ電解質膜に効果的に水を供給できる
という作用を奏する。
【００１５】更に請求項５の発明によれば、前記ガスブ
ロックプレートが多孔性基板に親水性樹脂を含浸させて
なるものであるので、容易かつ安価に水・ガス選択性を
付与したプレートとできる。
ロックプレートが多孔性基板に親水性樹脂を含浸させて
なるものであるので、容易かつ安価に水・ガス選択性を
付与したプレートとできる。
【００１６】
【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕図１は、本発明の一実施例１に係る固体高
分子電解質型燃料電池の断面模式図であり、この燃料電
池は、電極・電解質膜接合体１、アノードガス供給分離
プレート２、カソードガス供給分離プレート３、水供給
プレート４から構成されている。以下、図１に従って実
施例１電池を説明する。
分子電解質型燃料電池の断面模式図であり、この燃料電
池は、電極・電解質膜接合体１、アノードガス供給分離
プレート２、カソードガス供給分離プレート３、水供給
プレート４から構成されている。以下、図１に従って実
施例１電池を説明する。
【００１７】図中、１はフルオロスルフォン酸系のイオ
ン交換樹脂を主成分とする電解質膜の両面に白金を担持
した黒鉛を主成分とする電極を接合した電極・電解質膜
接合体である。２及び３は、その一方の面に反応ガス通
路となる凹溝が形成され、他方の面の表層に親水性樹脂
の含浸層（ＨＬ）が形成された２層構造をしたアノード
ガス供給分離プレート及びカソードガス供給分離プレー
トである。このガス供給分離プレートは、気孔率７５
％、平均気孔径２０μｍ、貫層抵抗値２５ｍΩ／ｃｍ、
大きさ１００×１００ｃｍ、厚み２ｍｍの例えば多孔質
炭素基板を用い、この基板の一方の面に溝を形成すると
ともに、他方の面に０．２ｍｍの厚さに親水性樹脂含浸
層を形成してある。親水性樹脂含浸層の形成は、親水性
樹脂を溶解した溶液に前記基板の他方の面を浸漬し、前
記親水性樹脂が含浸した後、乾燥する方法により行っ
た。
ン交換樹脂を主成分とする電解質膜の両面に白金を担持
した黒鉛を主成分とする電極を接合した電極・電解質膜
接合体である。２及び３は、その一方の面に反応ガス通
路となる凹溝が形成され、他方の面の表層に親水性樹脂
の含浸層（ＨＬ）が形成された２層構造をしたアノード
ガス供給分離プレート及びカソードガス供給分離プレー
トである。このガス供給分離プレートは、気孔率７５
％、平均気孔径２０μｍ、貫層抵抗値２５ｍΩ／ｃｍ、
大きさ１００×１００ｃｍ、厚み２ｍｍの例えば多孔質
炭素基板を用い、この基板の一方の面に溝を形成すると
ともに、他方の面に０．２ｍｍの厚さに親水性樹脂含浸
層を形成してある。親水性樹脂含浸層の形成は、親水性
樹脂を溶解した溶液に前記基板の他方の面を浸漬し、前
記親水性樹脂が含浸した後、乾燥する方法により行っ
た。
【００１８】前記親水性樹脂は、水との親和性に優れ、
電池反応ガスに対し化学的に安定で、かつ電池動作温度
付近（約５０〜１００℃）における熱的安定性に優れる
ものが好ましい。このような親水性樹脂とし例えばフッ
素系樹脂やスチレン系樹脂（スチレンジビニルベンゼン
スルフォン酸など）、更には各種の高吸収性樹脂が挙げ
られが、フッ素系樹脂としては、例えばパーフルオロカ
ーボンスルフォン酸、パーフルオロカーボンカルボン酸
などが使用でき、このうち特にパーフルオロカーボンス
ルフォン酸が、水との親和性、反応ガスとの安定性、熱
的安定性に優れている点から好ましい。また高吸水性樹
脂としては、例えばポリアクリル酸塩系、酢酸ビニル・
アクリル共重合体ケン化物、ＰＶＡ・無水マレイン酸反
応物、イソブチレン・マレイン酸共重合体架橋物、ポリ
アクリロリトリル系ケン化物、ポリエチレンオキシド
系、デンプン・アクリロニトリルグラフト重合体ケン化
物、デンプン・アクリル酸グラフト重合体、カルボキシ
メチルセルロースの架橋体などが挙げられ、このうち特
にポリエチレンオキシド系やポリアクリル酸塩系や酢酸
ビニル・アクリル共重合体ケン化物が、耐熱性や吸水性
の点から好ましい。なお、上記の各種親水性樹脂は、単
独で用いてもよいし、２種以上を適当に組み合わせて用
いてもよい。
電池反応ガスに対し化学的に安定で、かつ電池動作温度
付近（約５０〜１００℃）における熱的安定性に優れる
ものが好ましい。このような親水性樹脂とし例えばフッ
素系樹脂やスチレン系樹脂（スチレンジビニルベンゼン
スルフォン酸など）、更には各種の高吸収性樹脂が挙げ
られが、フッ素系樹脂としては、例えばパーフルオロカ
ーボンスルフォン酸、パーフルオロカーボンカルボン酸
などが使用でき、このうち特にパーフルオロカーボンス
ルフォン酸が、水との親和性、反応ガスとの安定性、熱
的安定性に優れている点から好ましい。また高吸水性樹
脂としては、例えばポリアクリル酸塩系、酢酸ビニル・
アクリル共重合体ケン化物、ＰＶＡ・無水マレイン酸反
応物、イソブチレン・マレイン酸共重合体架橋物、ポリ
アクリロリトリル系ケン化物、ポリエチレンオキシド
系、デンプン・アクリロニトリルグラフト重合体ケン化
物、デンプン・アクリル酸グラフト重合体、カルボキシ
メチルセルロースの架橋体などが挙げられ、このうち特
にポリエチレンオキシド系やポリアクリル酸塩系や酢酸
ビニル・アクリル共重合体ケン化物が、耐熱性や吸水性
の点から好ましい。なお、上記の各種親水性樹脂は、単
独で用いてもよいし、２種以上を適当に組み合わせて用
いてもよい。
【００１９】４は、水路（凹溝）を形成した水供給用プ
レートであり、電解質に湿度を与えるための水を電池外
部から導入するものである。この水供給用プレートは、
特に材質が限定されるものではないが、単電池を複数積
層し、各単電池間の集電を水供給プレートを介して行な
おうとする場合には、集電の面から導電性材質を用いる
のが好ましい。また水供給プレートを介在させて単電池
を積層しその上下両方の単電池に同時に水を供給するこ
ともできるが、この場合には水供給プレートの材質を透
水性のものとしなければならない。更に単電池を複数積
層し、かつ水供給プレートを介して集電するとともに上
下の単電池の両方に同時に水を供給することもできる
が、この場合においては、ガス供給用プレートと同様に
透水性とともに導電性を有する材質のものを用いる。こ
のような材質のものとしては、例えば前記した多孔質炭
素基板や、導電性物質含有した多孔質プレスチック板、
多孔性金属板などが挙げられる。
レートであり、電解質に湿度を与えるための水を電池外
部から導入するものである。この水供給用プレートは、
特に材質が限定されるものではないが、単電池を複数積
層し、各単電池間の集電を水供給プレートを介して行な
おうとする場合には、集電の面から導電性材質を用いる
のが好ましい。また水供給プレートを介在させて単電池
を積層しその上下両方の単電池に同時に水を供給するこ
ともできるが、この場合には水供給プレートの材質を透
水性のものとしなければならない。更に単電池を複数積
層し、かつ水供給プレートを介して集電するとともに上
下の単電池の両方に同時に水を供給することもできる
が、この場合においては、ガス供給用プレートと同様に
透水性とともに導電性を有する材質のものを用いる。こ
のような材質のものとしては、例えば前記した多孔質炭
素基板や、導電性物質含有した多孔質プレスチック板、
多孔性金属板などが挙げられる。
【００２０】なお、この水供給プレートは、水供給とと
もに電池冷却の目的も合わせ持つものである。また図１
では、表面に凹溝を形成したものを示したが、透水性材
質のプレートの場合はプレートに中空孔を形成したもの
であってもよい。５は、ガス供給用プレート（２、３）
の凹溝と電極・電解質膜接合体との間に形成された反応
ガスの通路を示し、６は水供給用プレート４の凹溝と前
記ガス供給用プレート２との間に形成された水通路を示
す。
もに電池冷却の目的も合わせ持つものである。また図１
では、表面に凹溝を形成したものを示したが、透水性材
質のプレートの場合はプレートに中空孔を形成したもの
であってもよい。５は、ガス供給用プレート（２、３）
の凹溝と電極・電解質膜接合体との間に形成された反応
ガスの通路を示し、６は水供給用プレート４の凹溝と前
記ガス供給用プレート２との間に形成された水通路を示
す。
【００２１】次に、本発明電池の主要構成要素である、
前記ガス供給分離プレートについて更に詳細に説明す
る。一般に固体高分子電解質燃料電池のガス供給用プレ
ートは、反応ガスを供給すると同時に、カソード側の電
解反応で生成する水を拡散させ、また加湿されたアノー
ドガスの過剰な水を拡散させるために多孔質な透水性材
質のものが使用されている。このような多孔性材質のも
のは、水が透過するばかりでなく反応ガスも透過するた
め、ガス供給用プレートの外側に更にガス不透過性のプ
レートを配してガス漏れを防ぐ構造が採用されている。
ここで、本発明にかかるガス供給分離プレート（２又は
３）では、多孔性材質のガス供給用プレートの背側表面
に親水性樹脂含浸層を形成した２層構造としてあるの
で、この含浸層が水を透過させる一方、ガスの透過を阻
止する層として機能する。この含浸層が上記のように機
能する理由は、親水性樹脂含浸層では多孔質基板の孔が
該樹脂により塞がれた状態になっているためであり、特
に該親水性樹脂が湿潤膨張した場合には極めて強力に前
記孔が塞がれるので、一層ガスが透過し難くなるからで
ある。その一方、該孔を塞ぐ樹脂が親水性を有するもの
であるので、水供給プレートから供給される水を電極・
電解質膜接合体方向に伝達することができる。このよう
に、多孔性基板に親水性樹脂の含浸層を形成させてなる
ガス供給分離プレートは、水透過性とガス不透過性を合
わせ持つが、親水性樹脂を含浸させても多孔性基板の構
造自体は何ら影響を受けないので、該基板のガス透過性
を除く他の特性、例えば導電性特性等は何ら害されるこ
とがない。
前記ガス供給分離プレートについて更に詳細に説明す
る。一般に固体高分子電解質燃料電池のガス供給用プレ
ートは、反応ガスを供給すると同時に、カソード側の電
解反応で生成する水を拡散させ、また加湿されたアノー
ドガスの過剰な水を拡散させるために多孔質な透水性材
質のものが使用されている。このような多孔性材質のも
のは、水が透過するばかりでなく反応ガスも透過するた
め、ガス供給用プレートの外側に更にガス不透過性のプ
レートを配してガス漏れを防ぐ構造が採用されている。
ここで、本発明にかかるガス供給分離プレート（２又は
３）では、多孔性材質のガス供給用プレートの背側表面
に親水性樹脂含浸層を形成した２層構造としてあるの
で、この含浸層が水を透過させる一方、ガスの透過を阻
止する層として機能する。この含浸層が上記のように機
能する理由は、親水性樹脂含浸層では多孔質基板の孔が
該樹脂により塞がれた状態になっているためであり、特
に該親水性樹脂が湿潤膨張した場合には極めて強力に前
記孔が塞がれるので、一層ガスが透過し難くなるからで
ある。その一方、該孔を塞ぐ樹脂が親水性を有するもの
であるので、水供給プレートから供給される水を電極・
電解質膜接合体方向に伝達することができる。このよう
に、多孔性基板に親水性樹脂の含浸層を形成させてなる
ガス供給分離プレートは、水透過性とガス不透過性を合
わせ持つが、親水性樹脂を含浸させても多孔性基板の構
造自体は何ら影響を受けないので、該基板のガス透過性
を除く他の特性、例えば導電性特性等は何ら害されるこ
とがない。
【００２２】以上のことは、表１、２の実験結果により
裏付けられる。表１、２は親水性樹脂を含浸させない多
孔性基板と含浸させた後の含浸基板のガス透過性及び水
透過性をそれぞれ示すものである。各透過性は、板厚１
ｍｍのガラス状カーボン基板を親水性樹脂溶液（５重量
％のパーフルオロカーボンスルフォン酸・低級アルコー
ル溶液）に浸漬したのち乾燥した親水性樹脂含浸プレー
トと、含浸前の同様プレートを用い、ガス透過性につい
ては、含浸前は０．０１atm、含浸後は１atmのチッソガ
ス圧を試料の片面側に加えその際のガス透過量を求める
方法により行い、水透過性については１００ｍｍＨｇの
水圧を試料の片側に加えて、その際の水透過量を求める
方法により行った。
裏付けられる。表１、２は親水性樹脂を含浸させない多
孔性基板と含浸させた後の含浸基板のガス透過性及び水
透過性をそれぞれ示すものである。各透過性は、板厚１
ｍｍのガラス状カーボン基板を親水性樹脂溶液（５重量
％のパーフルオロカーボンスルフォン酸・低級アルコー
ル溶液）に浸漬したのち乾燥した親水性樹脂含浸プレー
トと、含浸前の同様プレートを用い、ガス透過性につい
ては、含浸前は０．０１atm、含浸後は１atmのチッソガ
ス圧を試料の片面側に加えその際のガス透過量を求める
方法により行い、水透過性については１００ｍｍＨｇの
水圧を試料の片側に加えて、その際の水透過量を求める
方法により行った。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】表１、２から明らかなように、多孔性基板
に親水性樹脂を含浸させると、ガス透過性が大幅に低下
するが、水透過性の低下は少ない。ここで、固体高分子
電解質型燃料電池において、ガス供給分離プレートが必
要とする水透過性についてであるが、反応によりアノー
ドからカソードに移動する水素イオンに伴って同じくア
ノードからカソードに移動する水分子は、一般に１〜２
分子といわれている。よって、例えば電流密度が１００
ｍＡ／ｃｍ2で発電したとして、１×１０-3〜４×１０
-3ｍｌ／ｃｍ2・ｍｉｎの水が移動する。電解質膜の湿
潤状態を保つためには、このアノードからカソードへ移
動する水をアノードに補う必要がある。この水の全てを
供給するものとして、１×１０-3〜４×１０-3ｍｌ／ｃ
ｍ2・ｍｉｎ以上の水透過性を保持していれば、十分に
その役割を果すことができる。
に親水性樹脂を含浸させると、ガス透過性が大幅に低下
するが、水透過性の低下は少ない。ここで、固体高分子
電解質型燃料電池において、ガス供給分離プレートが必
要とする水透過性についてであるが、反応によりアノー
ドからカソードに移動する水素イオンに伴って同じくア
ノードからカソードに移動する水分子は、一般に１〜２
分子といわれている。よって、例えば電流密度が１００
ｍＡ／ｃｍ2で発電したとして、１×１０-3〜４×１０
-3ｍｌ／ｃｍ2・ｍｉｎの水が移動する。電解質膜の湿
潤状態を保つためには、このアノードからカソードへ移
動する水をアノードに補う必要がある。この水の全てを
供給するものとして、１×１０-3〜４×１０-3ｍｌ／ｃ
ｍ2・ｍｉｎ以上の水透過性を保持していれば、十分に
その役割を果すことができる。
【００２６】他方、ガス透過性について見ると、例えば
ガス供給分離プレートの実効面積を仮に１００ｃｍ2 、
ガス供給通路側のガス圧と水供給路側の水圧との差圧を
１atm した場合、許容し得るガス漏れ量は約２ｍｌ／ｍ
ｉｎ（１〜２ml／cm2 ・h ・atm ）である。これ以上の
ガス漏れが生じるとガス爆発の危険性等の不都合が増大
するからである。以上のように電池の作動状態を考慮し
たとき、上記表１、２の結果は水透過性とガス透過性の
両条件を充足し得ることが明らかである。そしてまた、
親水性樹脂含浸層の厚さを適当に設定し、或いは含浸さ
せる親水性樹脂を適当に選定すれば、水透過性とガス透
過性を好適に調整可能である。
ガス供給分離プレートの実効面積を仮に１００ｃｍ2 、
ガス供給通路側のガス圧と水供給路側の水圧との差圧を
１atm した場合、許容し得るガス漏れ量は約２ｍｌ／ｍ
ｉｎ（１〜２ml／cm2 ・h ・atm ）である。これ以上の
ガス漏れが生じるとガス爆発の危険性等の不都合が増大
するからである。以上のように電池の作動状態を考慮し
たとき、上記表１、２の結果は水透過性とガス透過性の
両条件を充足し得ることが明らかである。そしてまた、
親水性樹脂含浸層の厚さを適当に設定し、或いは含浸さ
せる親水性樹脂を適当に選定すれば、水透過性とガス透
過性を好適に調整可能である。
【００２７】〔実施例２〕図２は、実施例２に係る固体
高分子電解質型燃料電池の断面模式図であり、この実施
例２電池の構成は，前記実施例１電池とガス供給分離プ
レート２、３がない点、及びガス供給分離プレートの代
わりに従来型ガス供給プレートとともに、新たにガスブ
ロックプレートを配した点が相違する。なお、その他の
構成要素については、前記実施例１と同一であるので同
一符号を付しその説明を省略する。
高分子電解質型燃料電池の断面模式図であり、この実施
例２電池の構成は，前記実施例１電池とガス供給分離プ
レート２、３がない点、及びガス供給分離プレートの代
わりに従来型ガス供給プレートとともに、新たにガスブ
ロックプレートを配した点が相違する。なお、その他の
構成要素については、前記実施例１と同一であるので同
一符号を付しその説明を省略する。
【００２８】８及び９は、表面にガス通路が形成された
アノードガス供給用プレート及びカソードガス供給用プ
レートであり、実施例１と同様の多孔質炭素基板から構
成されている。なお、このガス供給用プレートは実施例
１のガス供給分離プレート２、３と同様、導電性を有す
るが、背面側表層に親水性樹脂含浸層が形成されていな
いので、ガス、水ともに透過する点で異なる。
アノードガス供給用プレート及びカソードガス供給用プ
レートであり、実施例１と同様の多孔質炭素基板から構
成されている。なお、このガス供給用プレートは実施例
１のガス供給分離プレート２、３と同様、導電性を有す
るが、背面側表層に親水性樹脂含浸層が形成されていな
いので、ガス、水ともに透過する点で異なる。
【００２９】７は、ガスブロックプレートであり、前記
ガス供給用プレート８又は９を透過してきたガスをブロ
ックする一方、水供給プレート４から供給される水（水
蒸気を含む）を透過させて、前記ガス供給用プレート８
又は９に伝える機能を持っている。このガスブロックプ
レートは前記多孔質炭素基板と同様な材質の大きさ１０
０×１００ｃｍ、厚み０．２ｍｍの板に実施例１と同様
な方法で親水性樹脂を含浸させた。なお、この親水性樹
脂含浸プレート（ガスブロックプレート）のガス透過性
は１×１０-3〜１×１０-4ｍｌ／ｃｍ2・ｈ・ａｔｍ程
であり、水透過性は１〜５×１０-1ｍｌ／ｃｍ2・ｈ・
ｍｍＨｇ程であった。
ガス供給用プレート８又は９を透過してきたガスをブロ
ックする一方、水供給プレート４から供給される水（水
蒸気を含む）を透過させて、前記ガス供給用プレート８
又は９に伝える機能を持っている。このガスブロックプ
レートは前記多孔質炭素基板と同様な材質の大きさ１０
０×１００ｃｍ、厚み０．２ｍｍの板に実施例１と同様
な方法で親水性樹脂を含浸させた。なお、この親水性樹
脂含浸プレート（ガスブロックプレート）のガス透過性
は１×１０-3〜１×１０-4ｍｌ／ｃｍ2・ｈ・ａｔｍ程
であり、水透過性は１〜５×１０-1ｍｌ／ｃｍ2・ｈ・
ｍｍＨｇ程であった。
【００３０】更にまた、上記実施例１、２では親水性樹
脂を溶媒に溶解して基板に含浸させる方法を用いたが、
他の方法を用いてもよい。他の方法としては、例えば含
浸させたい基板面に親水性樹脂シートを載せホットプレ
スすることにより、樹脂を溶融含浸させることができ
る。また親水性樹脂を含浸するのではなく、例えば従来
タイプのガス供給用プレート表面にホットプレス等で樹
脂シートを張り付けることもできる。そして、この場合
炭素元素を有する樹脂であれば、その表面に図３のよう
にして親水性樹脂板（１３）に電極棒（１２）により高
圧電圧をスポット的に印加して親水性樹脂をスポット状
に炭化させることにより、導電経路（１１）を作ること
もできる。更に前記ガス供給分離プレートおよびガスブ
ロックプレートは、多孔質基板の原材料自体に親水性樹
脂を混合する方法により親水性樹脂を混入せしめた後、
プレス加工等により所望のプレートと成すこともでき
る。
脂を溶媒に溶解して基板に含浸させる方法を用いたが、
他の方法を用いてもよい。他の方法としては、例えば含
浸させたい基板面に親水性樹脂シートを載せホットプレ
スすることにより、樹脂を溶融含浸させることができ
る。また親水性樹脂を含浸するのではなく、例えば従来
タイプのガス供給用プレート表面にホットプレス等で樹
脂シートを張り付けることもできる。そして、この場合
炭素元素を有する樹脂であれば、その表面に図３のよう
にして親水性樹脂板（１３）に電極棒（１２）により高
圧電圧をスポット的に印加して親水性樹脂をスポット状
に炭化させることにより、導電経路（１１）を作ること
もできる。更に前記ガス供給分離プレートおよびガスブ
ロックプレートは、多孔質基板の原材料自体に親水性樹
脂を混合する方法により親水性樹脂を混入せしめた後、
プレス加工等により所望のプレートと成すこともでき
る。
【００３１】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、従来より
知られている固体高分子電解質型燃料電池の一般的構成
要素に新たに特別な装置を付加することなく、電解質膜
が必要とする水を合理的、効果的に供給できる。よっ
て、本発明によれば、コンパクトで高性能な固体高分子
電解質型電池が提供することができる。
知られている固体高分子電解質型燃料電池の一般的構成
要素に新たに特別な装置を付加することなく、電解質膜
が必要とする水を合理的、効果的に供給できる。よっ
て、本発明によれば、コンパクトで高性能な固体高分子
電解質型電池が提供することができる。
【図１】本発明にかかる固体高分子電解質型燃料電池の
断面模式図である。
断面模式図である。
【図２】本発明にかかる固体高分子電解質型燃料電池の
断面模式図である。
断面模式図である。
【図３】多孔質基板に密着させた親水性樹脂板に導電経
路を設けるための作業見取り図である。
路を設けるための作業見取り図である。
１ イオン交換樹脂・電極接合体
２ アノードガス供給分離プレート
３ カソードガス供給分離プレート
４ 水供給プレート
５ ガス通路
６ 水通路
７ ガスブロックプレート
８ アノードガス供給用プレート
９ カソードガス供給用プレート
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 特開 平２−260371（ＪＰ，Ａ)
特開 平３−102774（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−68884（ＪＰ，Ａ)
特開 平１−309263（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−231793（ＪＰ，Ａ)
特開 平６−275284（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/04
H01M 8/10
Claims (5)
- 【請求項１】 高分子電解質膜を介してアノード電極及
びカソード電極が対向する電極・電解質膜接合体の各面
に、反応ガス通路となる凹溝を有するガス供給用のプレ
ートがそれぞれ配され、 更に前記ガス供給用のプレートのうち少なくともアノー
ドガスの供給用プレート側には前記アノードガス供給用
プレートの外側面に当接して水路を有する水供給プレー
トが配置されてあり、かつ前記ガス供給用のプレートの
有する反応ガス通路のうち、少なくともアノードガス供
給プレートの有する反応ガス通路と、前記水供給プレー
トの有する水路との間に、少なくとも親水性樹脂を含
み、水透過性であって、少なくとも湿潤時にガス不透過
性となる層を有す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】 前記ガス供給用および水供給用のプレー
トのうち少なくとも１つのプレートは、少なくとも親水
性樹脂を含み、水透過性であって、少なくとも湿潤時に
ガス不透過性となる層にしてあ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】 前記ガス供給用および水供給用のプレー
トのうち少なくとも１つのプレートが、導電性多孔質基
板から構成され、かつ凹溝が形成された面の反対側面の
表層には親水性樹脂が含浸された２層構造からなるガス
分離プレート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】 高分子電解質膜を介してアノード電極及
びカソード電極が対向する電極・電解質膜接合体の各面
に、反応ガス通路となる凹溝を有するガス供給用プレー
トがそれぞれ配され、 前記ガス供給用プレートのうち少なくともアノードガス
供給用プレートは、水透過性の多孔質基板からなり、少
なくともこのアノードガス供給用プレートの外側には、
少なくとも親水性樹脂含み、水透過性であって、少なく
とも湿潤時にガス不透過性となるガスブロックプレート
が当接されてあり、更に前記ガスブロックプレートの外
側には水路を有する水供給用プレートが当接されてある
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項５】 前記ガスブロックプレートは、導電性多
孔質基板に親水性樹脂を含浸させてなるものであること
を特徴とする請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電
池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05502694A JP3515161B2 (ja) | 1994-02-28 | 1994-02-28 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05502694A JP3515161B2 (ja) | 1994-02-28 | 1994-02-28 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07240221A JPH07240221A (ja) | 1995-09-12 |
| JP3515161B2 true JP3515161B2 (ja) | 2004-04-05 |
Family
ID=12987164
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05502694A Expired - Fee Related JP3515161B2 (ja) | 1994-02-28 | 1994-02-28 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3515161B2 (ja) |
Families Citing this family (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19653484A1 (de) * | 1996-12-20 | 1998-06-25 | Fraunhofer Ges Forschung | Verfahren zur Herstellung von Membran-Elektroden-Einheiten und eine so hergestellte Membran-Elektroden-Einheit |
| DE19819324A1 (de) | 1998-04-30 | 1999-11-04 | Emitec Emissionstechnologie | Verfahren zur Benetzung wenigstens einer der Oberflächen eines Elektrolyten in einer Brennstoffzelle |
| US6258476B1 (en) * | 1999-09-02 | 2001-07-10 | International Fuel Cells, Llc | Porous carbon body with increased wettability by water |
| JP4934938B2 (ja) * | 2002-02-12 | 2012-05-23 | 株式会社エクォス・リサーチ | 燃料電池のセパレータ |
| KR100452868B1 (ko) * | 2002-06-29 | 2004-10-14 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지 스택용 분리판 제조방법 |
| US8211592B2 (en) | 2005-09-15 | 2012-07-03 | GM Global Technology Operations LLC | Hydrophilic layer on flowfield for water management in PEM fuel cell |
| JP2007087677A (ja) * | 2005-09-21 | 2007-04-05 | Hitachi Ltd | 燃料電池 |
| TW201114096A (en) * | 2009-10-09 | 2011-04-16 | Chung Hsin Elec & Mach Mfg | Fuel cell structure having porous metal plate |
| JP6091630B2 (ja) * | 2012-10-19 | 2017-03-08 | アウディ アクチェンゲゼルシャフトＡｕｄｉ Ａｇ | 低コストの燃料セルコンポーネント |
-
1994
- 1994-02-28 JP JP05502694A patent/JP3515161B2/ja not_active Expired - Fee Related
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|---|---|
| JPH07240221A (ja) | 1995-09-12 |
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