JP3622682B2 - 燃料電池セル及びセルユニット - Google Patents
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Description
【0001】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関するものである。
【従来の技術】
【0002】
従来の燃料電池は、例えば、固体高分子電解質を用いたものは、図5(a)に示すように、高分子固体電解質100を、アノード極側触媒層付電極膜101とカソード極側触媒層付電極膜102で挟み、これら電極膜101,102に密接してアノードガス用溝103が形成されたアノード極側セパレータ104とカソードガス用溝105が形成されたカソード極側セパレータ106とで挟み、かつ、セパレータ104,106間の電解質100と電極膜101,102の周りをシール材107でシールして燃料電池セル108が構成される。
【0003】
アノード極側触媒層付電極膜101ではアノード極側セパレータ104のアノードガス用溝103から供給された水素ガスが、アノード極側触媒層付電極膜101を通過させて反応帯域近くに達し、触媒に吸収されて活性な水素イオンと電子に分かれる。この水素イオンは、電解質100中の水分と共に電解質100中を移動してカソード極側触媒層付電極膜102に移動する。
【0004】
一方、カソード極側触媒層付電極膜102では、2個の電子を受け取り、カソード極側セパレータ106のカソードガス用溝105から供給された酸素分子が、高分子固体電解質100からの水と反応して、水酸イオンを生成する。
【0005】
1/2O2 + H2 O → 2OH-
このカソードで生成した水酸イオンは、高分子固体電解質100中を移動してきた水素イオンと反応して水を生成し、全体の回路を形成する。
【0006】
従って、電池全体の反応は、
H2 + 1/2O2 → 2H2 O
となり、燃料ガス中の水素と空気中の酸素が反応し水が生成する反応となる。
【0007】
実際の燃料電池は、図6に示した燃料電池セル108を多層に積層し、その燃料電池スタック110の各セル108にアノードガスとしての水素を供給するアノードガス導入管111と未反応のアノードガスと生成水を排出するアノードガス排出管112が接続されると共に、カソードガス導入管113とカソードガス排出管114とが接続されて構成される。
【0008】
また、アノードガス用溝103とカソードガス用溝105とは同一方向に向いている必要は無く、図5(b)に示すように、90゜向きが違っていても構わない。
【0009】
図7は、セパレータ104,106の詳細を示し、図8はそのセパレータの断面図を示したものである。
【0010】
図7(a)、図8(a)に示すように、アノード極側セパレータ104は、そのアノードガス用溝103が、アノードガス導入管111に繋がる導入流路穴115とアノードガス排出管112に繋がる排出流路穴116に連通するように形成される。
【0011】
また、図7(b)、図8(b)に示すように、カソード極側セパレータ106は、そのカソードガス用溝105が、カソードガス導入管113に繋がる導入流路穴117とアノードガス排出管114に繋がる排出流路穴118に連通するように形成される。
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
これらセパレータ104,106は、カーボン板に溝を掘ってガス用溝103,105を形成するため、そのガス流路は細く圧力損失が発生しやすい。
【0013】
一般にカーボン板は、脆く、溝加工の山の部分の幅を広く取らないと機械的強度が不足するため、山の部分の幅をある程度広く取るようにしている。
【0014】
しかしながら、セパレータの山の部分が電極膜に強く押し付けられると、その部分では、原料ガスが到達せず、効率が低下する問題がある。
【0015】
特に、酸化剤として、純酸素の使用は経済的でなく、大気をそのまま用いるようにしている。しかし、大気中の酸素濃度は約20%程度のため、燃料ガス(水素)に対して酸化剤(酸素)の量が少なく、酸素の供給・排出がうまく行かないと、カソード電極近傍の酸素濃度が下がったままとなり、電池の発電効率の大幅な低下につながる。
【0016】
また、カソード極側触媒層付電極膜102は、プロトンと酸素が反応して水が生成されると共に、これがアノード極側触媒層付電極膜101側に移動する間に、動作温度下で、カソード極側で凝縮し、その凝縮水で、カソード側のガス流路を塞ぎかねない問題がある。
【0017】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、カソード側の電極とカソードガス(酸化剤ガス)の接触面積を大きく取ることが可能な燃料電池セルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0018】
上記目的を達成するための請求項1の発明は、固体高分子電解質をアノード極側触媒層付電極膜とカソード極側触媒層付電極膜で挟み、これら電極膜にそれぞれカソードガスとアノードガスを供給して発電する燃料電池セルにおいて、ベース板に、アノード極側セパレータ、アノード極側触媒層付電極膜、固体高分子電解質及びカソード極側触媒層付電極膜からなる燃料電池セルを収容する多数のセル収容室を形成し、そのベース板に、収容した各燃料電池セルのカソード極側触媒層付電極膜の略全面をカソードガスに開放させるように開口部を形成したカソードカバーを設けると共にそのカソードカバーをベース板に保持させた燃料電池セルユニットである。
【0019】
請求項2の発明は、ベース板には、各アノード極側セパレータにアノードガスを供給するための燃料ガス流路が形成された請求項4記載の燃料電池セルユニットである。
【0020】
請求項3の発明は、アノード極側セパレータの表裏面にアノード流路を形成し、そのアノード極側セパレータの表裏をアノード極側触媒層付電極膜で覆うと共に固体高分子電解質とカソード極側触媒層付電極膜を順次覆って形成し、カソード極側触媒層付電極膜の略全面をカソードガスに開放させ、カソード極側触媒層付電極膜にセパレータ等の構造体を直接接触させない構造とした燃料電池セルである。
【0021】
請求項4の発明は、請求項3の燃料電池セルをカソードガス流路に多数並べて設けた燃料電池セルユニットである。
【0022】
以上において、従来の燃料電池セルは、電解質をアノードとカソードのセパレータで挟む板状の積層構造であったものを、本発明においては、カソード極側触媒層付電極膜にセパレータ等の構造体を直接接触させない構造とすることで、カソード電極がカソードガスと接する面積をアノード電極側のアノードガスに接する面積より大きくすることが可能となり、これにより高効率の燃料電池を製作することができる。また部品点数を減らすことができるため、製造コストも大きく低減できる。
【発明の実施の形態】
【0023】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【0024】
図1(a)は本発明の一例を示す燃料電池セルユニットのカソード側からみた平面図を示し、図1(b)は図1のA−A線断面図を示す。
【0025】
図1(a),図1(b)において、10は固体高分子電解質、11は触媒付カーボンペーパからなるアノード極側触媒層付電極膜、12は触媒付カーボンペーパからなるカソード極側触媒層付電極膜、13はアノード極側セパレータで、アノード用ガス流路用溝14が多数形成され、これらで燃料電池セル26が形成される。
【0026】
燃料電池セル26は、アノード極側セパレータ13のアノード用ガス流路用溝14が形成された面にアノード極側触媒層付電極膜11が配置され、そのアノード極側触媒層付電極膜11の面を覆うと共にアノード極側セパレータ13の周囲を囲むように固体高分子電解質10が設けられ、更に、カソード極側触媒層付電極膜12が設けられて構成される。
【0027】
この燃料電池セル26を、一例として同一平面上に3×3になるように並べて燃料電池ユニット36を構成する。
【0028】
各燃料電池セル26は、ポリカーボネイト樹脂等の絶縁体で形成したベース板32に形成したセル収容室33に収容される。すなわち、セル収容室33に、アノード極側セパレータ13、アノード極側触媒層付電極膜11、固体高分子電解質10及びカソード極側触媒層付電極膜12の順に収容した後、各カソード極側触媒層付電極膜12の周縁を覆うよう碁盤目状の開口部34を形成したカソードカバー35を被覆し、そのカソードカバー35をベース板32の背面に係合して3×3の燃料電池セル26からなる燃料電池ユニット36が構成される。
【0029】
また、ベース板32には、各燃料電池セル26のアノード極側セパレータ13にアノードガスを供給するための燃料ガス流路37が形成される。さらに、各燃料電池セル26は、図には示していないが電気的に直列につないである。
【0030】
このように、カソード極側触媒層付電極膜12は、その周囲なく、カソードカバー35の開口部34の枠で押さえられるものの、略全面がカソードガスに開放されていることにより、アノード極側触媒層付電極膜11がアノード用ガス流路用溝14を介してアノードガスと接する面積より充分に大きくすることができるため、発電効率を向上することが可能となる。
【0031】
電解質膜10としては、デュポン社製のNafionN−115を用い、カソードガス原料として大気圧空気を用い、アノード側に純水素0.5気圧で供給して発電を行ったところ、1セル当たり0.7V×0.5A/cm2 を得ることができ、9個直列につなぐことで、電圧出力6.3Vを得た。
【0032】
図2,図3は、アノード極側セパレータ43の表裏面にアノード流路44を形成し、そのアノード極側セパレータ43の表裏をアノード極側触媒層付電極膜41で覆うと共に固体高分子電解質40とカソード極側触媒層付電極膜42を順次覆って燃料電池セル46としたものであり、アノード極側触媒層付電極膜41、固体高分子電解質40、カソード極側触媒層付電極膜42の端部を燃料電池セルMEA膜用クリップ45で保持すると共にテンション板47により電極膜41,42と電解質40の膜の弛みがでないように保持して構成したものである。
【0033】
アノード極側セパレータ43の表裏を覆うアノード極側触媒層付電極膜41、固体高分子電解質40、カソード極側触媒層付電極膜42の幅は、アノード極側セパレータ43の幅より小さく形成し、アノード極側セパレータ43が露出した部分48に、アノードガスや生成水の給排通路49が形成される。
【0034】
この図2,図3に示した燃料電池セル46は、カソード極側触媒層付電極膜42の略全面がカソードガスに開放し、セパレータなどの構造体と直接接することがないため発電効率を向上させることが可能となる。
【0035】
図4は、図2,図3に示した燃料電池セル46を用いて燃料電池セルユニット56を形成した例を示したのである。
【0036】
カソード流路51を形成する管状の容器50内に、燃料電池セル46を多数取り付け、その燃料電池セル46の給排通路49にアノードガスを給排すると共に生成水を排出するための給排通路53を、容器50の管壁52に形成して燃料電池セルユニット56を構成する。
【0037】
このように、燃料電池セル46を管状の容器50に複数個配して、燃料電池セルユニット56を組むことで、省スペースで高電圧が取り出せるユニットとすることができると共に、アノードガスとカソードガスの給排構造も簡単なものとすることが可能となる。
【発明の効果】
【0038】
以上要するに本発明によれば、カソード電極側がカソードガスに略全面開放できるため、大幅に発電効率を向上することができる。またカソードガス置換、生成水の排水が飛躍的に向上すると共にカソード側のセパレータが不要となるため、部品点数の低減、汚染原因も減らすことができ、コスト低減、信頼性の向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の一実施の形態を示す図である。
【図2】本発明の他の実施の形態を示す図である。
【図3】図2の側断面図である。
【図4】図3の燃料電池セルを用いて燃料電池セルユニットを構成した実施の形態を示す図である。
【図5】従来の燃料電池セルを示す断面図である。
【図6】図5の燃料電池セルを用いてセルユニットを構成した例を示す斜視図である。
【図7】図5のカソード,アノードセパレータの詳細を示す図である。
【図8】図7のセパレータの断面図である。
【符号の説明】
【0040】
10 固体高分子電解質
11 アノード極側触媒層付電極膜
12 カソード極側触媒層付電極膜
13 アノード極側セパレータ
26 燃料電池セル
32 ベース板
33 セル収容室
35 カソードカバー
36 燃料電池ユニット
Claims (4)
- 固体高分子電解質をアノード極側触媒層付電極膜とカソード極側触媒層付電極膜で挟み、これら電極膜にそれぞれカソードガスとアノードガスを供給して発電する燃料電池セルにおいて、ベース板に、アノード極側セパレータ、アノード極側触媒層付電極膜、固体高分子電解質及びカソード極側触媒層付電極膜からなる燃料電池セルを収容する多数のセル収容室を形成し、そのベース板に、収容した各燃料電池セルのカソード極側触媒層付電極膜の略全面をカソードガスに開放させるように開口部を形成したカソードカバーを設けると共にそのカソードカバーをベース板に保持させたことを特徴とする燃料電池セルユニット。
- ベース板には、各アノード極側セパレータにアノードガスを供給するための燃料ガス流路が形成された請求項1記載の燃料電池セルユニット。
- アノード極側セパレータの表裏面にアノード流路を形成し、そのアノード極側セパレータの表裏をアノード極側触媒層付電極膜で覆うと共に固体高分子電解質とカソード極側触媒層付電極膜を順次覆って形成し、カソード極側触媒層付電極膜の略全面をカソードガスに開放させ、カソード極側触媒層付電極膜にセパレータ等の構造体を直接接触させない構造としたことを特徴とする燃料電池セル。
- 請求項3の燃料電池セルをカソードガス流路に多数並べて設けた燃料電池セルユニット。
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