JPH0425674B2 - - Google Patents
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- JPH0425674B2 JPH0425674B2 JP58123528A JP12352883A JPH0425674B2 JP H0425674 B2 JPH0425674 B2 JP H0425674B2 JP 58123528 A JP58123528 A JP 58123528A JP 12352883 A JP12352883 A JP 12352883A JP H0425674 B2 JPH0425674 B2 JP H0425674B2
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Description
【発明の詳細な説明】
本発明は複数の素電池を含んだ燃料電池に関す
るもので、更に詳しく言えば、各素電池の正極室
を出る使用済みの酸化体ガスから水のごとき生成
液体を分離するための構造物に関する。
るもので、更に詳しく言えば、各素電池の正極室
を出る使用済みの酸化体ガスから水のごとき生成
液体を分離するための構造物に関する。
本明細書中では、電極間のイオン輸送媒体とし
て膜を使用する燃料電池に関連して説明が行われ
るが、本発明は決してそれにのみ限定されるわけ
ではない。即ち、本発明の新規な液／気分離器は
マトリツクス中に吸蔵された液体電解質が電極間
のイオン輸送媒体を構成する燃料電池にも同じく
容易に使用できる。
て膜を使用する燃料電池に関連して説明が行われ
るが、本発明は決してそれにのみ限定されるわけ
ではない。即ち、本発明の新規な液／気分離器は
マトリツクス中に吸蔵された液体電解質が電極間
のイオン輸送媒体を構成する燃料電池にも同じく
容易に使用できる。
同様に、本明細書中では反応ガスが水素および
酸素でありかつ生成液体が水であるような燃料電
池に関連して説明が行われるが、本発明がかかる
反応ガスおよび生成液体のみに限定されないこと
も自明であろう。
酸素でありかつ生成液体が水であるような燃料電
池に関連して説明が行われるが、本発明がかかる
反応ガスおよび生成液体のみに限定されないこと
も自明であろう。
複数の素電池を含んだ電力発生用の燃料電池は
公知である。個々の素電池においては、イオン交
換膜の一面に付着した負極の所で水素のごとき反
応ガスが電子を放出しながら酸化される。こうし
て生じた電子は外部の負荷を通つて流れる一方、
水素イオンはイオン交換膜を通して輸送され、そ
して膜の他面に付着した正極に到達する。正極に
は酸素のごとき酸化体ガスが供給される。かかる
酸素は電子との反応によつて還元され、次いで膜
を通して輸送された水素イオンと反応して水のご
とき生成液体を生じる。正極において生じた生成
液体は、液膜の形成によつて酸化体ガスが正極に
到達するのを妨げる傾向を示すため、除去しなけ
ればならない。O2／H2燃料電池における生成水
除去の問題を処理するために幾つかの方法が開発
されている。１つの方法は灯心の吸上作用を利用
するものである。別の方法は、酸素の流量を十分
に大きくすることにより、正極から水滴を脱離さ
せて電池外部の集水装置にまで運ぶというもので
ある。
公知である。個々の素電池においては、イオン交
換膜の一面に付着した負極の所で水素のごとき反
応ガスが電子を放出しながら酸化される。こうし
て生じた電子は外部の負荷を通つて流れる一方、
水素イオンはイオン交換膜を通して輸送され、そ
して膜の他面に付着した正極に到達する。正極に
は酸素のごとき酸化体ガスが供給される。かかる
酸素は電子との反応によつて還元され、次いで膜
を通して輸送された水素イオンと反応して水のご
とき生成液体を生じる。正極において生じた生成
液体は、液膜の形成によつて酸化体ガスが正極に
到達するのを妨げる傾向を示すため、除去しなけ
ればならない。O2／H2燃料電池における生成水
除去の問題を処理するために幾つかの方法が開発
されている。１つの方法は灯心の吸上作用を利用
するものである。別の方法は、酸素の流量を十分
に大きくすることにより、正極から水滴を脱離さ
せて電池外部の集水装置にまで運ぶというもので
ある。
多数の素電池を含む燃料電池においては、それ
らの素電池が縦続配列（すなわち、１群の素電池
から出た全てのガスが次群の素電池に入れるよう
な配列）を成すように設計されている場合、水の
除去およびそれに伴う分離の問題は一層重要なも
のとなる。かかる縦続配列の場合、酵素の流量を
大きく保つことによつて水を除去するためには、
縦続配列電池の各段毎に独立した外部の水分離装
置および１対のマニホルドを設ける必要がある。
このことは、外部の配管系統を複雑にすると同時
に、比較的多数のマニホルドや封止部を要求する
ことになる。
らの素電池が縦続配列（すなわち、１群の素電池
から出た全てのガスが次群の素電池に入れるよう
な配列）を成すように設計されている場合、水の
除去およびそれに伴う分離の問題は一層重要なも
のとなる。かかる縦続配列の場合、酵素の流量を
大きく保つことによつて水を除去するためには、
縦続配列電池の各段毎に独立した外部の水分離装
置および１対のマニホルドを設ける必要がある。
このことは、外部の配管系統を複雑にすると同時
に、比較的多数のマニホルドや封止部を要求する
ことになる。
それ故、各々の素電池内において生成水と使用
済みの酸化体ガスとを分離することにより、生成
水を単一の共通マニホルドに排出しながら複数の
素電池を相異なる圧力下で動作させることができ
れば望ましいわけである。そうすれば、生成水を
同伴した使用済みの酸化体ガス流を独立した外部
の水−ガス分離器内において処理する場合よりも
動作は簡単になる。
済みの酸化体ガスとを分離することにより、生成
水を単一の共通マニホルドに排出しながら複数の
素電池を相異なる圧力下で動作させることができ
れば望ましいわけである。そうすれば、生成水を
同伴した使用済みの酸化体ガス流を独立した外部
の水−ガス分離器内において処理する場合よりも
動作は簡単になる。
そこで本発明の主たる目的は、各々の素電池内
において生成水を酸化体ガスから分離することに
よつて経済的な多段動作を行い得る燃料電池を提
供することにある。
において生成水を酸化体ガスから分離することに
よつて経済的な多段動作を行い得る燃料電池を提
供することにある。
また生成水とガスとの分離が各々の素電池内で
行われる結果、外部の水−ガス分離装置の必要性
が排除されるような燃料電池を提供することも本
発明の目的の１つである。
行われる結果、外部の水−ガス分離装置の必要性
が排除されるような燃料電池を提供することも本
発明の目的の１つである。
更にまた、外部の水−ガス分離を行うことなし
に１群の素電池からの酸化体ガスを次群の素電池
において容易に使用し得るような縦続配列形の燃
料電池を提供することも本発明の目的の１つであ
る。
に１群の素電池からの酸化体ガスを次群の素電池
において容易に使用し得るような縦続配列形の燃
料電池を提供することも本発明の目的の１つであ
る。
本発明のその他の目的や利点は、説明の進行に
伴つて自ずから明らかとなろう。
伴つて自ずから明らかとなろう。
上記のごとき幾つかの目的は、１群の素電池か
らの酸化体ガスを次群の素電池において直接に使
用し得るような縦続配列を成して接続された複数
の素電池から成る燃料電池によつて達成される。
かかる縦続配列形燃料電池の各群中の素電池は水
和陽イオン輸送媒体を含んでいて、それにより素
電池は負極室と正極室とに分割される。かかる膜
の両側には負極および正極が付着しており、また
素電池同士は内部冷却形の双極性隔離板によつて
隔離されている。各素電池の正極側出口には、酸
化体ガス流から生成水を除去するための水−ガス
分離器が設けられている。その結果、酸化体ガス
流は酸化体ガス出口マニホルドに接続することが
できると同時に、生成水は別個の水出口マニホル
ドを通して除去することができる。
らの酸化体ガスを次群の素電池において直接に使
用し得るような縦続配列を成して接続された複数
の素電池から成る燃料電池によつて達成される。
かかる縦続配列形燃料電池の各群中の素電池は水
和陽イオン輸送媒体を含んでいて、それにより素
電池は負極室と正極室とに分割される。かかる膜
の両側には負極および正極が付着しており、また
素電池同士は内部冷却形の双極性隔離板によつて
隔離されている。各素電池の正極側出口には、酸
化体ガス流から生成水を除去するための水−ガス
分離器が設けられている。その結果、酸化体ガス
流は酸化体ガス出口マニホルドに接続することが
できると同時に、生成水は別個の水出口マニホル
ドを通して除去することができる。
かかる水−ガス分離器は、数psiまでの差圧下
ならば水を通すが酸化体ガスは通さないような
（好ましくはニオブから成る）多孔質焼結弁金属
構造物の使用に基づくものである。各々の水−ガ
ス分離器は、各素電池の正極室と共通の水出口マ
ニホルドとの間の選択的な水透過性障壁として働
く１対の親水性多孔質部材を含んでいる。かかる
親水性多孔質部材は、濡れた場合、液体は通すが
特定の臨界圧力レベル以下のガスは通さないこと
を特徴とする。そのような臨界圧力レベルは通例
「泡圧」と呼ばれるのであつて、これは親水性多
孔質部材の孔径およびその中に滲透した液体の表
面張力に関係する。ガス圧より少なくとも3psiだ
け高い圧力下にある水は多孔質部材を通過してか
ら多孔質部材間の通路を経て共通の水出口マニホ
ルドに流れ込む一方、ガスは別個の酸化体ガス出
口マニホルドに流れ込むような結果をもたらす泡
圧を維持するため、親水性多孔質部材の円柱状細
孔の平均直径は0.5〜2.0μの範囲内になるように
選定される。
ならば水を通すが酸化体ガスは通さないような
（好ましくはニオブから成る）多孔質焼結弁金属
構造物の使用に基づくものである。各々の水−ガ
ス分離器は、各素電池の正極室と共通の水出口マ
ニホルドとの間の選択的な水透過性障壁として働
く１対の親水性多孔質部材を含んでいる。かかる
親水性多孔質部材は、濡れた場合、液体は通すが
特定の臨界圧力レベル以下のガスは通さないこと
を特徴とする。そのような臨界圧力レベルは通例
「泡圧」と呼ばれるのであつて、これは親水性多
孔質部材の孔径およびその中に滲透した液体の表
面張力に関係する。ガス圧より少なくとも3psiだ
け高い圧力下にある水は多孔質部材を通過してか
ら多孔質部材間の通路を経て共通の水出口マニホ
ルドに流れ込む一方、ガスは別個の酸化体ガス出
口マニホルドに流れ込むような結果をもたらす泡
圧を維持するため、親水性多孔質部材の円柱状細
孔の平均直径は0.5〜2.0μの範囲内になるように
選定される。
本発明に固有のものである信じられる新規な特
徴は前記特許請求の範囲中に記載されている。と
は言え、本発明の構成や実施方法並びにその他の
目的や利点は添付の図面を参照しながら以下の説
明を読むことによつて最も良く理解されよう。
徴は前記特許請求の範囲中に記載されている。と
は言え、本発明の構成や実施方法並びにその他の
目的や利点は添付の図面を参照しながら以下の説
明を読むことによつて最も良く理解されよう。
第１図は燃料電池を構成する数個の直列接続さ
れた素電池の分解図であつて、各素電池に新規な
水−ガス分離器が組込まれているところを示して
いる。燃料電池の一部を成す素電池１０は、双極
性隔離板１２および１３の間に配置された陽イオ
ン交換膜１１を含んでいて、かかる膜１１により
素電池１０は負極室１４と正極室１５とに分割さ
れる。
れた素電池の分解図であつて、各素電池に新規な
水−ガス分離器が組込まれているところを示して
いる。燃料電池の一部を成す素電池１０は、双極
性隔離板１２および１３の間に配置された陽イオ
ン交換膜１１を含んでいて、かかる膜１１により
素電池１０は負極室１４と正極室１５とに分割さ
れる。
それの右側に隣接する素電池は双極性隔離板１
３および１７並びにそれらの間に配置された陽イ
オン交換膜１６から成るが、隔離板１７は部分的
に切欠いた状態で図示されている。他方、隔離板
１２とそれの左側に隣接する隔離板（図示せず）
との間には陽イオン交換膜１８が配置され、そし
て別の素電池の一部を成している。
３および１７並びにそれらの間に配置された陽イ
オン交換膜１６から成るが、隔離板１７は部分的
に切欠いた状態で図示されている。他方、隔離板
１２とそれの左側に隣接する隔離板（図示せず）
との間には陽イオン交換膜１８が配置され、そし
て別の素電池の一部を成している。
触媒粒子および重合体結合剤粒子の液体および
気体透過性結合体から成る負極１９は膜１１の一
面に付着している。かかる負極１９および隔離板
１２の一面が負極室１４を規定している一方、膜
１１の他面に付着した正極（図示せず）および隔
離板１３が正極室１５を規定している。同様に、
素電池１０の右側に位置する素電池については、
隔離板１３および膜１６の一面に付着した負極２
０が負極室を規定し、また隔離板１７および膜１
６の他面に付着した正極が正極室を規定してい
る。
気体透過性結合体から成る負極１９は膜１１の一
面に付着している。かかる負極１９および隔離板
１２の一面が負極室１４を規定している一方、膜
１１の他面に付着した正極（図示せず）および隔
離板１３が正極室１５を規定している。同様に、
素電池１０の右側に位置する素電池については、
隔離板１３および膜１６の一面に付着した負極２
０が負極室を規定し、また隔離板１７および膜１
６の他面に付着した正極が正極室を規定してい
る。
負極１９においては水素が酸化されて電子を放
出する。こうして生じた水素イオンは膜を通して
輸送され、そして膜の反対側に付着した液体およ
び気体透過性の正極に到達する。正極室１５内に
は酸素が導入され、そして正極に流れてきた電子
との反応によつて還元された後、水素イオンと化
合して水を生成する。
出する。こうして生じた水素イオンは膜を通して
輸送され、そして膜の反対側に付着した液体およ
び気体透過性の正極に到達する。正極室１５内に
は酸素が導入され、そして正極に流れてきた電子
との反応によつて還元された後、水素イオンと化
合して水を生成する。
即座に除去しないと、かかる生成水は正極上に
水膜を形成し、そして正極への酸素の流れを遮断
することによつて正極反応を妨害することがあ
る。このような正極の「浸水」を防止するため、
各素電池の正極と隔離板１２，１３および１７の
酸素流域規定面との間には多孔質の防水性集電体
２１が配置されている。集電体２１は約10ミルの
厚さを有しかつ炭素および疎水性の重合体結合剤
（たとえばポリテトラフルオロエチレン）から作
られたものである。かかる集電体２１は、加熱お
よび加圧により膜および正極に直接に接合して一
体構造物とすることが好ましい。
水膜を形成し、そして正極への酸素の流れを遮断
することによつて正極反応を妨害することがあ
る。このような正極の「浸水」を防止するため、
各素電池の正極と隔離板１２，１３および１７の
酸素流域規定面との間には多孔質の防水性集電体
２１が配置されている。集電体２１は約10ミルの
厚さを有しかつ炭素および疎水性の重合体結合剤
（たとえばポリテトラフルオロエチレン）から作
られたものである。かかる集電体２１は、加熱お
よび加圧により膜および正極に直接に接合して一
体構造物とすることが好ましい。
疎水性結合剤の混入によつて生成水が水滴状に
なるため、水膜の形成は防止される。その結果、
酸素は集電体の細孔を通つて正極にまで拡散する
ことができる一方、生成水も細孔を浸水させるこ
となしに集電体中を移動することができる。な
お、本発明の譲受人であるゼネラル・エレクトリ
ツク社に譲渡された米国特許第4215183号明細書
中には、かかる防水性の炭素紙集電体およびその
製造方法が記載されているので参照されたい。
なるため、水膜の形成は防止される。その結果、
酸素は集電体の細孔を通つて正極にまで拡散する
ことができる一方、生成水も細孔を浸水させるこ
となしに集電体中を移動することができる。な
お、本発明の譲受人であるゼネラル・エレクトリ
ツク社に譲渡された米国特許第4215183号明細書
中には、かかる防水性の炭素紙集電体およびその
製造方法が記載されているので参照されたい。
隔離板の上部に位置する陥凹部２３内には、円
筒形の酸素または空気入口マニホルド２２が配置
されている。かかるマニホルド２２は、隔離板の
上部を横切つて伸びる流路２４に通じている。マ
ニホルド２２内の通路は内腔２５に通じているか
ら、酸素または空気は先ず流路２４内に入り、次
いで流域を規定する多数の導電性突起またはくぼ
み２６を含んだ隔離板の表面に沿つて流れる。ま
た、互いに隔離した複数の平行な隆起が突起より
も高く形成されていて、それにより複数の酸化体
ガス流域が規定されている。正極室１５内を流れ
る酸化体ガスは多孔質の防水性集電体２１に接触
し、次いでそれを通過して正極に到達する。隔離
板１２および１３はまた、水素を負極室内に導入
するための水素入口２８をも有している。更にま
た、各々の隔離板に設けられた冷却水入口２９に
より、双極性隔離板１２および１３の内部の冷却
水室を通して水を流すことができる。
筒形の酸素または空気入口マニホルド２２が配置
されている。かかるマニホルド２２は、隔離板の
上部を横切つて伸びる流路２４に通じている。マ
ニホルド２２内の通路は内腔２５に通じているか
ら、酸素または空気は先ず流路２４内に入り、次
いで流域を規定する多数の導電性突起またはくぼ
み２６を含んだ隔離板の表面に沿つて流れる。ま
た、互いに隔離した複数の平行な隆起が突起より
も高く形成されていて、それにより複数の酸化体
ガス流域が規定されている。正極室１５内を流れ
る酸化体ガスは多孔質の防水性集電体２１に接触
し、次いでそれを通過して正極に到達する。隔離
板１２および１３はまた、水素を負極室内に導入
するための水素入口２８をも有している。更にま
た、各々の隔離板に設けられた冷却水入口２９に
より、双極性隔離板１２および１３の内部の冷却
水室を通して水を流すことができる。
双極性隔離板１２の切欠き部分を見れば最も良
くわかる通り、隔離板は凹凸を設けた正極側流域
板３０、凹凸を設けた負極側流域板３１、および
それらを支持する矩形のフレーム３２から構成さ
れている。フレーム３２と流域板３０および３１
との組合せによつて内部の冷却水室が規定され
る。冷却水室の内部には凹凸を設けた冷却水流域
挿入板３３が配置されていて、それにより冷却水
室の両側に相異なる冷却水流量が生み出される結
果、負極側流域板は正極側流域板よりも高度に冷
却される。
くわかる通り、隔離板は凹凸を設けた正極側流域
板３０、凹凸を設けた負極側流域板３１、および
それらを支持する矩形のフレーム３２から構成さ
れている。フレーム３２と流域板３０および３１
との組合せによつて内部の冷却水室が規定され
る。冷却水室の内部には凹凸を設けた冷却水流域
挿入板３３が配置されていて、それにより冷却水
室の両側に相異なる冷却水流量が生み出される結
果、負極側流域板は正極側流域板よりも高度に冷
却される。
なお、1982年６月23日に提出されかつ本発明の
譲受人であるゼネラル・エレクトリツク社に譲渡
された「改善された膜冷却能を有する燃料電池」
と称するジエイ・エフ・マツケルロイ（J.F.Mc
Elroy）の米国特許出願第391800号明細書中に
は、かかる内部冷却形の双極性隔離板が記載され
ているので参照されたい。
譲受人であるゼネラル・エレクトリツク社に譲渡
された「改善された膜冷却能を有する燃料電池」
と称するジエイ・エフ・マツケルロイ（J.F.Mc
Elroy）の米国特許出願第391800号明細書中に
は、かかる内部冷却形の双極性隔離板が記載され
ているので参照されたい。
上記の米国特許出願第391800号明細書中に指摘
されている通り、陽イオン交換膜の負極側が正極
側よりも低い温度に維持される結果、膜の正極側
から負極側に向かつて水の逆拡散が起こる。この
ような逆拡散は、膜を横切つて流れるイオン電流
による水和水の除去に原因した負極側の乾燥を部
分的に補償するのに役立つ。
されている通り、陽イオン交換膜の負極側が正極
側よりも低い温度に維持される結果、膜の正極側
から負極側に向かつて水の逆拡散が起こる。この
ような逆拡散は、膜を横切つて流れるイオン電流
による水和水の除去に原因した負極側の乾燥を部
分的に補償するのに役立つ。
隔離板１２の下部においては、陥凹部３６内に
水−ガス分離器３５が配置されている。かかる陥
凹部３６は、隔離板の下部に沿つて伸びる酸素お
よび生成水流路３７に通じている。正極において
消費されなかつた酸素および正極からの生成水は
流路３７および陥凹部３６内に集められる。水−
ガス分離器は各々の素電池から出る水−酸素混合
物を処理して水と酸素とを分離するわけで、これ
ら両者は別々のマニホルドに流入することにな
る。すなわち、縦続配列形燃料電池中の素電池は
相異なる圧力下で動作することがあるにもかかわ
らず、生成水は共通のマニホルドに排出され、従
つて多数のマニホルドおよび封止部が省略しうる
のである。水−ガス分離器１２は、第２および３
図に関連して詳細に説明される通り、水に対して
は透過性を示すが所定圧力（「泡圧」）以下のガス
に対しては不透過性を示す親水性の多孔質円板を
含んでいる。このように、使用済みの酸化体ガス
および生成水は各素電池の出口において分離さ
れ、そして燃料電池中の全ての素電池に共通な
別々のガスおよび水マニホルドによつて除去され
る。
水−ガス分離器３５が配置されている。かかる陥
凹部３６は、隔離板の下部に沿つて伸びる酸素お
よび生成水流路３７に通じている。正極において
消費されなかつた酸素および正極からの生成水は
流路３７および陥凹部３６内に集められる。水−
ガス分離器は各々の素電池から出る水−酸素混合
物を処理して水と酸素とを分離するわけで、これ
ら両者は別々のマニホルドに流入することにな
る。すなわち、縦続配列形燃料電池中の素電池は
相異なる圧力下で動作することがあるにもかかわ
らず、生成水は共通のマニホルドに排出され、従
つて多数のマニホルドおよび封止部が省略しうる
のである。水−ガス分離器１２は、第２および３
図に関連して詳細に説明される通り、水に対して
は透過性を示すが所定圧力（「泡圧」）以下のガス
に対しては不透過性を示す親水性の多孔質円板を
含んでいる。このように、使用済みの酸化体ガス
および生成水は各素電池の出口において分離さ
れ、そして燃料電池中の全ての素電池に共通な
別々のガスおよび水マニホルドによつて除去され
る。
膜１１（など）の非活性周縁部に設けられた適
当な開口が冷却水、水素、酸素および生成水用の
マニホルドと整列している結果、これらの流体を
各々の素電池に流入させたり、あるいは各々の素
電池から流出させたりすることができる。膜の非
活性周縁部にはシリコーン接着剤が塗布され、そ
れから膜および隔離板が適当な金属端板（図示せ
ず）によつて締付けられる。端板に設けられた弁
付きの入口管が燃料ガス、酸化体ガスおよび冷却
水用のマニホルドに通じている結果、それらのガ
スをそれぞれの電池室内に流しかつ冷却水を双極
性隔離板内に流すことができる。同様に、端板に
設けられた弁付きの出口管がそれぞれのマニホル
ドに通じている結果、生成水、冷却水および余分
のガスを除去することができる。なお生成水用の
出口弁は、酸化体ガス−生成水混合物の水圧を水
出口マニホルドの水圧より3psiだけ高く維持する
背圧調整弁であることが好ましい。
当な開口が冷却水、水素、酸素および生成水用の
マニホルドと整列している結果、これらの流体を
各々の素電池に流入させたり、あるいは各々の素
電池から流出させたりすることができる。膜の非
活性周縁部にはシリコーン接着剤が塗布され、そ
れから膜および隔離板が適当な金属端板（図示せ
ず）によつて締付けられる。端板に設けられた弁
付きの入口管が燃料ガス、酸化体ガスおよび冷却
水用のマニホルドに通じている結果、それらのガ
スをそれぞれの電池室内に流しかつ冷却水を双極
性隔離板内に流すことができる。同様に、端板に
設けられた弁付きの出口管がそれぞれのマニホル
ドに通じている結果、生成水、冷却水および余分
のガスを除去することができる。なお生成水用の
出口弁は、酸化体ガス−生成水混合物の水圧を水
出口マニホルドの水圧より3psiだけ高く維持する
背圧調整弁であることが好ましい。
上記の膜は、ナフイオン（Nafion）の名称で
デユポン社（Du Pont Company）から販売され
ているようなペルフルオロスルホン酸系の陽イオ
ン交換膜であることが好ましい。かかるはフルオ
ロカーボンの主鎖を有している。この主鎖にスル
ホン酸官能基が結合しており、そしてそれらがイ
オン交換部位として作用するのである。電極は、
白金族金属の触媒粒子および重合体結合剤粒子の
結合体であることが好ましい。触媒粒子は白金黒
あるいはその他の白金族金属またはその酸化物の
粒子であることが好ましい。また、重合体結合剤
はポリテトラフルオロエチレンのごとき疎水性の
結合剤であることが好ましい。触媒粒子と重合体
結合剤粒子との混合物が薄いチタン箔上に配置さ
れ、次いでかかる混合物上に膜の一面が重ね合わ
される。３〜５分間にわたる加熱および加圧によ
つて粒子を相互にかつ膜に対して結合すれば、気
体および液体透過性電極が形成される。その際、
圧力は特に重要ではなくて400〜1000psiの範囲内
にあればよいが、好ましくは約800psiの圧力が使
用される。同様に、温度も特に重要ではなくて
200〜600〓の範囲内にあればよい。なお、かかる
温度範囲の上限は少なくとも重合体結合剤粒子が
触媒粒子と融着するような温度である。また、温
度範囲の下限は付着性に問題が生じるような温度
（すなわち、ほぼ200〜250〓）である。
デユポン社（Du Pont Company）から販売され
ているようなペルフルオロスルホン酸系の陽イオ
ン交換膜であることが好ましい。かかるはフルオ
ロカーボンの主鎖を有している。この主鎖にスル
ホン酸官能基が結合しており、そしてそれらがイ
オン交換部位として作用するのである。電極は、
白金族金属の触媒粒子および重合体結合剤粒子の
結合体であることが好ましい。触媒粒子は白金黒
あるいはその他の白金族金属またはその酸化物の
粒子であることが好ましい。また、重合体結合剤
はポリテトラフルオロエチレンのごとき疎水性の
結合剤であることが好ましい。触媒粒子と重合体
結合剤粒子との混合物が薄いチタン箔上に配置さ
れ、次いでかかる混合物上に膜の一面が重ね合わ
される。３〜５分間にわたる加熱および加圧によ
つて粒子を相互にかつ膜に対して結合すれば、気
体および液体透過性電極が形成される。その際、
圧力は特に重要ではなくて400〜1000psiの範囲内
にあればよいが、好ましくは約800psiの圧力が使
用される。同様に、温度も特に重要ではなくて
200〜600〓の範囲内にあればよい。なお、かかる
温度範囲の上限は少なくとも重合体結合剤粒子が
触媒粒子と融着するような温度である。また、温
度範囲の下限は付着性に問題が生じるような温度
（すなわち、ほぼ200〜250〓）である。
膜に対して電極と共に防水性炭素紙を接合する
ことが所望される場合には、手順を僅かに変更す
ればよい。すなわち、防水性炭素紙がチタン箔上
に配置され、次いで炭素紙の表面上に触媒粒子と
疎水性結合剤粒子との混合物が散布される。かか
る混合物および炭素紙上に膜を重ね合わせた後、
加熱および加圧を行うことによつて電極および炭
素紙を膜に接合すればよいわけである。
ことが所望される場合には、手順を僅かに変更す
ればよい。すなわち、防水性炭素紙がチタン箔上
に配置され、次いで炭素紙の表面上に触媒粒子と
疎水性結合剤粒子との混合物が散布される。かか
る混合物および炭素紙上に膜を重ね合わせた後、
加熱および加圧を行うことによつて電極および炭
素紙を膜に接合すればよいわけである。
双極性隔離板の正極側流域板は市販の純粋なニ
オブから作られたものであることが好ましく、ま
たその厚さは約５ミルであればよい。第１図に示
されている負極側流域板は水素脆化に対する抵抗
性に優れたジルコニウムから作られることが好ま
しいが、その他の材料（たとえばニオブ）を使用
することもできる。冷却水流域挿入板はチタンか
ら作られたものであることが好ましく、かつ隔離
板の両側に沿つた冷却水流域を規定する多数の半
球状突起を有している。かかる冷却水流域挿入板
はフレーム内に固定されているのではなく、負極
側流域板と正極側流域板との間にゆるく、保持さ
れている。既に述べた通り、これらの板は凹凸を
設けた厚さ５ミルのジルコニウム、ニオブおよび
チタン薄板素材から作られる。突起の高さおよび
間隔は、言うまでもなく、それぞれの反応ガスや
冷却水に関して所望される流量および物質移動速
度に依存する。すなわち、負極側および正極側流
域板における突起はたとえば80ミルの間隔および
10ミルの高さを有する。それに対し、冷却水流域
挿入板における突起は50ミルの高さおよび250ミ
ルの間隔を有する。その理由は、もつぱら、隔離
板の冷却水室内を流れる冷却水の物質移動速度が
流域板の外側を流れる反応ガスの物質移動速度よ
りも遥かに大きいことにある。第１図の場合、か
かる突起は互いに位置のずれた列状を成して配置
されているが、それらの正確な間隔はそれぞれの
流体に関して所望されるフローパターンに応じて
決定される。なお、このような突起の高さ、間隔
および形状が双極性隔離板の表面および内部にお
ける所望のフローパターンに応じて様々に変更可
能であることは当業者にとつて自明であろう。
オブから作られたものであることが好ましく、ま
たその厚さは約５ミルであればよい。第１図に示
されている負極側流域板は水素脆化に対する抵抗
性に優れたジルコニウムから作られることが好ま
しいが、その他の材料（たとえばニオブ）を使用
することもできる。冷却水流域挿入板はチタンか
ら作られたものであることが好ましく、かつ隔離
板の両側に沿つた冷却水流域を規定する多数の半
球状突起を有している。かかる冷却水流域挿入板
はフレーム内に固定されているのではなく、負極
側流域板と正極側流域板との間にゆるく、保持さ
れている。既に述べた通り、これらの板は凹凸を
設けた厚さ５ミルのジルコニウム、ニオブおよび
チタン薄板素材から作られる。突起の高さおよび
間隔は、言うまでもなく、それぞれの反応ガスや
冷却水に関して所望される流量および物質移動速
度に依存する。すなわち、負極側および正極側流
域板における突起はたとえば80ミルの間隔および
10ミルの高さを有する。それに対し、冷却水流域
挿入板における突起は50ミルの高さおよび250ミ
ルの間隔を有する。その理由は、もつぱら、隔離
板の冷却水室内を流れる冷却水の物質移動速度が
流域板の外側を流れる反応ガスの物質移動速度よ
りも遥かに大きいことにある。第１図の場合、か
かる突起は互いに位置のずれた列状を成して配置
されているが、それらの正確な間隔はそれぞれの
流体に関して所望されるフローパターンに応じて
決定される。なお、このような突起の高さ、間隔
および形状が双極性隔離板の表面および内部にお
ける所望のフローパターンに応じて様々に変更可
能であることは当業者にとつて自明であろう。
本発明の新規な水−ガス分離器は、第２および
３図に関連して下記に一層詳しく説明される通
り、水は通すが特定の臨界圧力レベル（慣例に従
つて「泡圧」と呼ぶ）以下のガスは通さない親水
性の多孔質部材を含んでいる。かかる多孔質部材
における泡圧と孔径との関係は次の式によつて与
えられる。
３図に関連して下記に一層詳しく説明される通
り、水は通すが特定の臨界圧力レベル（慣例に従
つて「泡圧」と呼ぶ）以下のガスは通さない親水
性の多孔質部材を含んでいる。かかる多孔質部材
における泡圧と孔径との関係は次の式によつて与
えられる。
Ｐ＝２×（表面張力）／円柱状と見なした親水性細
孔の半径 孔径は、多孔質部材を通過してガスが流れ始ま
るために必要な圧力が最高ガス圧の素電池と出口
マニホルドとの差圧よりもかなり大きくなるよう
に選定される。
孔の半径 孔径は、多孔質部材を通過してガスが流れ始ま
るために必要な圧力が最高ガス圧の素電池と出口
マニホルドとの差圧よりもかなり大きくなるよう
に選定される。
第２図に示されるごとく、電池内部の水−ガス
分離器は一般に環状の外枠４０、同軸の出口マニ
ホルドハブ４１および外枠とハブとの間に配置さ
れた一対の親水性多孔質円板４２から成つてい
る。親水性の多孔質円板４２はニオブのごとき弁
金属の焼結体から成ることが好ましいが、その他
の多孔質材料も有効に働くはずである。外枠４０
は複数の入口通路５０を有しており。それを通し
て陥凹部３６からの酸素−生成水混合物が親水性
の多孔質円板４２によつて形成された内室に導入
される。その結果、生成水は親水性の多孔質円板
を通過し、互いに隣接する水−ガス分離器の多孔
質円板によつて形成された集水室に入り、次いで
ハブ４１を貫通する生成水出口マニホルド４４に
流れ込む。生成水が除去された後の酸素はハブ４
１内に設けられた適当な通路５２を通り、そして
ハブ４１を軸方向に貫通する酸素出口マニホルド
４６に流れ込む。
分離器は一般に環状の外枠４０、同軸の出口マニ
ホルドハブ４１および外枠とハブとの間に配置さ
れた一対の親水性多孔質円板４２から成つてい
る。親水性の多孔質円板４２はニオブのごとき弁
金属の焼結体から成ることが好ましいが、その他
の多孔質材料も有効に働くはずである。外枠４０
は複数の入口通路５０を有しており。それを通し
て陥凹部３６からの酸素−生成水混合物が親水性
の多孔質円板４２によつて形成された内室に導入
される。その結果、生成水は親水性の多孔質円板
を通過し、互いに隣接する水−ガス分離器の多孔
質円板によつて形成された集水室に入り、次いで
ハブ４１を貫通する生成水出口マニホルド４４に
流れ込む。生成水が除去された後の酸素はハブ４
１内に設けられた適当な通路５２を通り、そして
ハブ４１を軸方向に貫通する酸素出口マニホルド
４６に流れ込む。
第３図は第２図の線３−３に関する断面図であ
る。第３図は３つの水−ガス分離器を重ね合わせ
たところを示すものであつて、酸素が酸素出口マ
ニホルドに流入する一方、親水性の多孔質円板を
通過した後の生成水は互いに隣接する水−ガス分
離器の多孔質円板によつて形成された通路を通つ
て生成水出口マニホルド４４に流入する様子が明
確に図解されている。環状の外枠４０は肩部４５
を有していて、それにより双極性隔離板が支持さ
れている。同様に、ハブ４１は肩部４７および４
８を有していて、それらにより上部および下部の
多孔質円板４２の内縁部が支持されている。多孔
質円板４２の外縁部は外枠４０の肩部に接触し、
そして接着剤により固定されている。各対の多孔
質円板４２は内室４９を形成しているが、これは
通路５０を介して隔離板の陥凹部３６に通じてい
る。酸素および生成水が内室４９に導入される
と、生成水は親水性の多孔質円板を通過し、そし
て互いに隣接する水−ガス分離器の多孔質円板に
よつて形成された集水室５１に入る。
る。第３図は３つの水−ガス分離器を重ね合わせ
たところを示すものであつて、酸素が酸素出口マ
ニホルドに流入する一方、親水性の多孔質円板を
通過した後の生成水は互いに隣接する水−ガス分
離器の多孔質円板によつて形成された通路を通つ
て生成水出口マニホルド４４に流入する様子が明
確に図解されている。環状の外枠４０は肩部４５
を有していて、それにより双極性隔離板が支持さ
れている。同様に、ハブ４１は肩部４７および４
８を有していて、それらにより上部および下部の
多孔質円板４２の内縁部が支持されている。多孔
質円板４２の外縁部は外枠４０の肩部に接触し、
そして接着剤により固定されている。各対の多孔
質円板４２は内室４９を形成しているが、これは
通路５０を介して隔離板の陥凹部３６に通じてい
る。酸素および生成水が内室４９に導入される
と、生成水は親水性の多孔質円板を通過し、そし
て互いに隣接する水−ガス分離器の多孔質円板に
よつて形成された集水室５１に入る。
多孔質円板を通過できない酸素はハブ４１内に
設けられた通路５２を通つて酸素出口マニホルド
４６に流れ込む。複数の水−ガス分離器同士は、
互いに隣接する水−ガス分離器のハブ間に配置さ
れた両面接着テープ５３によつて接合されてい
る。
設けられた通路５２を通つて酸素出口マニホルド
４６に流れ込む。複数の水−ガス分離器同士は、
互いに隣接する水−ガス分離器のハブ間に配置さ
れた両面接着テープ５３によつて接合されてい
る。
生成水出口マニホルド４４はハブの肩部を貫通
して設けられ、そして集水室５１に通じている。
各々の双極性隔離板の陥凹部３６からの生成水
は、外枠４０に設けられた通路５０を通つて内室
４９に入る。かかる生成水は親水性の多孔質円板
４２を通つて集水室５１に入り、次いで共通に生
成水出口マニホルド４４に流れ込む。他方、内室
４９に残つた酸素はハブ４１内に設けられた通路
５２を通つて酸素出口マニホルドに流れ込む。
して設けられ、そして集水室５１に通じている。
各々の双極性隔離板の陥凹部３６からの生成水
は、外枠４０に設けられた通路５０を通つて内室
４９に入る。かかる生成水は親水性の多孔質円板
４２を通つて集水室５１に入り、次いで共通に生
成水出口マニホルド４４に流れ込む。他方、内室
４９に残つた酸素はハブ４１内に設けられた通路
５２を通つて酸素出口マニホルドに流れ込む。
典型的な実施態様に従えば、内室に導入される
酸素と生成水との混合物は集水室内および共通の
生成水出口マニホルド内の圧力よりも3psiだけ高
い圧力に維持される。その場合、親水性の多孔質
部材に関する泡圧は集水室内の圧力より少なくと
も数psiだけ高くなければならない。実際には、
ニオブまたはその他の材料から成りかつ平均直径
1μの円柱状細孔を持つた多孔質部材を使用すれ
ば、酸化体ガスが多孔質部材を通過するのを防止
するために要する泡圧を維持する点で十分であ
る。
酸素と生成水との混合物は集水室内および共通の
生成水出口マニホルド内の圧力よりも3psiだけ高
い圧力に維持される。その場合、親水性の多孔質
部材に関する泡圧は集水室内の圧力より少なくと
も数psiだけ高くなければならない。実際には、
ニオブまたはその他の材料から成りかつ平均直径
1μの円柱状細孔を持つた多孔質部材を使用すれ
ば、酸化体ガスが多孔質部材を通過するのを防止
するために要する泡圧を維持する点で十分であ
る。
このように、本発明によれば、外部の分離装置
の必要性を排除する簡単で効果的な水−ガス分離
器が提供されることがわかろう。その上、排出ガ
スおよび生成水は別々の出口マニホルドによつて
素電池から除去することができる。
の必要性を排除する簡単で効果的な水−ガス分離
器が提供されることがわかろう。その上、排出ガ
スおよび生成水は別々の出口マニホルドによつて
素電池から除去することができる。
以上、特定の好適な実施例に関連して本発明を
記載したが、本発明は決してそれのみに限定され
るわけではない。それ以外にも、本発明の範囲お
よび精神から逸脱することなしに様々の変形実施
例が可能であることは言うまでもない。
記載したが、本発明は決してそれのみに限定され
るわけではない。それ以外にも、本発明の範囲お
よび精神から逸脱することなしに様々の変形実施
例が可能であることは言うまでもない。
第１図は本発明の新規な水−ガス分離器を組込
んだ燃料電池を構成する数個の素電池の分解図、
第２図は水−ガス分離器を含んだ双極性隔離板の
部分切欠き正面図、そして第３図は第２図の水−
ガス分離器を線３−３に沿つて切断した場合の断
面図である。 図中、１０は素電池、１１は陽イオン交換膜、
１２および１３は双極性隔離板、１４は負極室、
１５は正極室、１９は負極、２１は防水性集電
体、２２は酸素入口マニホルド、２３は陥凹部、
２４は酸素流路、２５は内腔、３０は正極側流域
板、３１は負極側流域板、３２はフレーム、３３
は冷却水流域挿入板、３５は水−ガス分離器、３
６は陥凹部、３７は生成水流路、４０は外枠、４
１はハブ、４２は親水性の多孔質円板、４４は生
成水出口マニホルド、４６は酸素出口マニホル
ド、４９は内室、５０は通路、５１は集水室、５
２は通路、そして５３は両面接着テープを表わ
す。
んだ燃料電池を構成する数個の素電池の分解図、
第２図は水−ガス分離器を含んだ双極性隔離板の
部分切欠き正面図、そして第３図は第２図の水−
ガス分離器を線３−３に沿つて切断した場合の断
面図である。 図中、１０は素電池、１１は陽イオン交換膜、
１２および１３は双極性隔離板、１４は負極室、
１５は正極室、１９は負極、２１は防水性集電
体、２２は酸素入口マニホルド、２３は陥凹部、
２４は酸素流路、２５は内腔、３０は正極側流域
板、３１は負極側流域板、３２はフレーム、３３
は冷却水流域挿入板、３５は水−ガス分離器、３
６は陥凹部、３７は生成水流路、４０は外枠、４
１はハブ、４２は親水性の多孔質円板、４４は生
成水出口マニホルド、４６は酸素出口マニホル
ド、４９は内室、５０は通路、５１は集水室、５
２は通路、そして５３は両面接着テープを表わ
す。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも二つの燃料素電池を含み、前記素
電池の各々が、負極室と正極室とを隔てるイオン
輸送媒体と、該イオン輸送媒体の両面に密着した
負極及び正極と、互いに隣接する素電池の負極と
正極の間に配置された双極性隔離板と、前記負極
室へ燃料ガスを供給する手段と、前記正極室へ酸
化体ガスを供給する手段と、酸化体ガスと発電反
応により生じた液体との混合物が所定圧力以下に
あるとき前記混合物より前記液体を分離する気液
分離手段と、前記気液分離手段により液体が分離
された後の気体を導出する第一のマニホールド
と、前記気液分離手段により分離された液体を導
出する第二のマニホールドとを含む燃料電池であ
つて、前記気液分離手段は前記双極性隔離板の厚
み内に互いに平行に隔置して配置され前記所定圧
力以下にて液体を浸透させるが気体を浸透させな
い一対の板部材を含み、該一対の板部材の間に各
素電池の正極室と連通し前記気液混合物を受け入
れる第一の室空間が形成され、互いに隣接する素
電池の前記双極性隔離板の各々の厚み内にあり互
いに隣接した二つの前記板部材の間にそれらを透
過した液体を受け入れる第二の室空間が形成さ
れ、前記第一の室空間は前記第一のマニホールド
に連通し、前記第二の室空間は前記第二のマニホ
ールドに連通していることを特徴とする燃料電
池。 ２ 特許請求の範囲第１項による燃料電池であつ
て、前記液体を浸透させるが気体を浸透させない
板部材は前記液体に対し濡れ性を有する材料より
なり前記所定の圧力以下の気体を浸透させない孔
径を有する多孔性構造を有していることを特徴と
する燃料電池。 ３ 特許請求の範囲第２項による燃料電池であつ
て、前記液体は水であり、前記液体を浸透させる
が気体を浸透させない板部材は多孔性親水性焼結
弁金属構造を有していることを特徴とする燃料電
池。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US396570 | 1982-07-09 | ||
| US06/396,570 US4543303A (en) | 1982-07-09 | 1982-07-09 | Fuel cell battery with in cell oxidant-product liquid separators |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS5937663A JPS5937663A (ja) | 1984-03-01 |
| JPH0425674B2 true JPH0425674B2 (ja) | 1992-05-01 |
Family
ID=23567773
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP58123528A Granted JPS5937663A (ja) | 1982-07-09 | 1983-07-08 | 酸化体ガスと生成水との分離器を内部に具備した燃料電池 |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US4543303A (ja) |
| JP (1) | JPS5937663A (ja) |
| DE (1) | DE3323491A1 (ja) |
Families Citing this family (42)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2564251B1 (fr) * | 1984-05-11 | 1986-09-12 | Alsthom Atlantique | Perfectionnements aux structures des piles a combustible |
| FR2564249B1 (fr) * | 1984-05-11 | 1986-09-12 | Alsthom Atlantique | Amenagements aux structures des piles a combustible |
| FR2564250B1 (fr) * | 1984-05-11 | 1986-09-12 | Alsthom Atlantique | Ameliorations aux structures des piles a combustible |
| FR2568412B1 (fr) * | 1984-07-27 | 1986-10-17 | Occidental Chem Co | Perfectionnements aux structures des piles a combustible. |
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| US4826742A (en) * | 1988-01-21 | 1989-05-02 | International Fuel Cells Corporation | Water and heat management in solid polymer fuel cell stack |
| US4876162A (en) * | 1988-04-01 | 1989-10-24 | United Technologies Corporation | Fuel cell with integral conduit means for statically removing liquid product water |
| US5122239A (en) * | 1989-07-31 | 1992-06-16 | United Technologies Corporation | Fuel cell product liquid gas stripper |
| US5108854A (en) * | 1991-02-01 | 1992-04-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Air Force | Battery with separate electrolyte storage tank |
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| WO1993013566A1 (en) * | 1991-12-26 | 1993-07-08 | International Fuel Cells, Inc. | Plate-shaped fuel cell component and a method of making the same |
| DE4201632C2 (de) * | 1992-01-23 | 1997-02-06 | Siemens Ag | Verfahren und Anordnung zur Befeuchtung der einer Brennstoffzelle zuströmenden Reaktanten |
| JP3245929B2 (ja) * | 1992-03-09 | 2002-01-15 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池及びその応用装置 |
| DE4234093A1 (de) * | 1992-10-09 | 1994-04-14 | Siemens Ag | Bauelement zum Einbau in eine verfahrenstechnische Einrichtung |
| WO1995022179A1 (de) * | 1994-02-11 | 1995-08-17 | Siemens Aktiengesellschaft | Elektrochemische zelle |
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-
1982
- 1982-07-09 US US06/396,570 patent/US4543303A/en not_active Expired - Lifetime
-
1983
- 1983-06-30 DE DE19833323491 patent/DE3323491A1/de active Granted
- 1983-07-08 JP JP58123528A patent/JPS5937663A/ja active Granted
Patent Citations (1)
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Also Published As
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| DE3323491C2 (ja) | 1992-11-05 |
| US4543303A (en) | 1985-09-24 |
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