JPH04298966A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】〔発明の目的〕

【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に係り、特に電
池スタックの側面におけるガスシール技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃料の有しているエネルギーを直
接電気的エネルギーに変換する装置として燃料電池が知
られている。この燃料電池は通常電解質を挾んで一対の
多孔質電極を配置すると共に、一方の電極の背面に水素
などの燃料ガスを接触させ、また他方の電極の背面に酸
素などの酸化剤ガスを接触させ、この時に起こる電気化
学的反応を利用して上記電極間から電気エネルギーを取
り出すようにしたものであり、前記燃料ガスと酸化剤ガ
スが供給されている限り高い変換効率で電気エネルギー
を取り出すことができるものである。

【０００３】燃料電池１セル（単位セル）の出力電圧は
通常の運転条件では０．７〜０．８Ｖと非常に低いため
、実用機としては単位セルを導電性が有りかつガス不透
過のセパレータまたは冷却板を介して複数個積層し燃料
電池スタックとすることにより、所定の出力電圧を得て
いる。図２にリン酸を電解質とする燃料電池スタックの
構成例を示す。図に於て１はリン酸を含浸したマトリッ
クス層、２，２′は互いに直交する方向に溝３，３′が
規則的に複数個平行に設けられた多孔質の炭素材料から
なる一対のリブ付き電極、４はセパレータである。上記
マトリックス層１とそれを挾んで配置された一対の電極
２，２′から単位セル５が形成され、これがセパレータ
４又は図示せぬ冷却板を介して複数層積層されて燃料電
池スタック６が構成される。一方の反応ガス、たとえば
燃料ガスは一方の電極２の溝３を流れ、他方の反応ガス
、たとえば酸化剤ガスは前記溝３と直交している他方の
電極２′の溝３′を流れるようになっている。

【０００４】上記燃料電池スタックに於ける重要課題の
一つにスタック側面からのガスリークの防止が挙げられ
る。ガスリークにより燃料ガスと酸化剤ガスが混合する
とこれらの反応物質は発電に関与しなくなり、発電効率
が低下するばかりではなくスタック内の温度が全体的に
もしくは局部的に高くなる。これらの現象は電流密度の
不均一化、触媒の劣化を促進し、スタック寿命を短くす
る。またリーク量が大きい場合はマニホールド内部の信
号線を破損させスタックの運転状況を監視できなくなる
。さらには、爆発の危険すら生じる。

【０００５】スタック端部からのガスリーク場所は大き
く分けて以下の２つが考えられる。 （１）電極端部からのガスリーク （２）電極とセパレータまたは冷却板の積層面からのガ
スリーク 図３はその様子を示す概念図である。この図から明らか
なように一方の電極２の溝３に供給されるガスは矢印ａ
に示されるように積層界面から、または矢印ｂに示され
るように電極端部からリークして、それと直交する他方
の電極２′の溝３′（図示せず）に供給される矢印ｃの
ガスと混合して反応してしまう。図３において７はマト
リックス層１の両側に設けられた触媒層を示す。

【０００６】従来の技術に依れば、電極端部からのガス
リークを防止するために、溝方向の電極端部の密度を高
くしリン酸を含浸することに依るエッジシール（ウエッ
トシール）や電極端部にテフロン樹脂を溶融含浸するこ
とに依るエッジシール等が行われている。また電極とセ
パレータまたは冷却板の積層面からのガスリークを防止
するために、それらの界面にテフロンテープ、カーボン
ペースト等を挿入することにより積層シールを行ってい
る。その一例を図４に示す。この図において電極２の最
左端の溝３から端面に至る電極端部にリン酸又はテフロ
ン樹脂等を含浸させてエッジシール８が形成され、界面
端部にテフロンテープ等を挿入させて積層シール９が形
成される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来のガスシール
方法を正確に行えば、ガスリークを十分に防止できるこ
とが確認されている。しかし、製造工程において数％の
不良が発生する。これらの不良を製造工程中で発見する
ことは非常に困難であるため、スタックの製作が完了し
た時点でのガスリーク試験によって、ガスシールが不十
分であることが発見されることがしばしばある。ガスリ
ークが確認された場合、スタックを分解し不良場所を修
理した後、再度積層を行わなければならない。これらの
作業は高度な技術、長時間を必要とするばかりではなく
、修理がなされるかどうかは不確実である。また不良場
所によっては修理ができない場合もある。

【０００８】また、スタックの運転初期にはシール性が
良好であっても、運転時間の経過に伴い電極エッジ部ま
たは積層シール部のリン酸が減少して、ガスリークを発
生することがあった。この場合もスタックを分解して修
理する必要があった。

【０００９】本発明は上記のような問題を解決するため
に成されたもので、その目的は燃料電池スタックの側面
（電極端部または積層界面）からのガスリークを確実に
防止することにより、スタック内での反応ガスの混合に
よる発熱および電池特性低下を防止し、安全性及び信頼
性の高い燃料電池スタックを有する燃料電池を提供する
ことである。

【００１０】〔発明の構成〕

【課題を解決するための手段】かくて本発明は電解質を
含浸したマトリックス層を挾んで一対の電極を配置して
成り、前記一方の電極側に燃料ガスおよび他方の電極側
に酸化剤ガスを供給することにより電気エネルギを出力
する単位セルを、セパレータまたは冷却板を介して複数
積層して構成した燃料電池スタックを有する燃料電池に
於て、スタック側面に耐電解質性の樹脂のフィルムから
なるガスシールを形成することを特徴とする燃料電池を
提供するものである。

【００１１】以下本発明を詳しく説明する。

【００１２】図１から明らかなように本発明の燃料電池
ではリン酸等の電解質を含浸したマトリックス層１の両
側に好ましくは触媒層７を介して一対の電極２，２′を
配置して単位セル５を形成する。一対の電極２，２′に
は互に直交する多数列の溝３，３′（一方の溝３′は点
線で表わす）が形成されている。この単位セル５を導電
性を有しガス不透過性のセパレータ４又は冷却板を介し
て複数積層して燃料電池スタック６を構成する。一方の
反応ガスは一方の電極２の溝３を紙面に対して垂直方向
に、他方の反応ガスは他方の電極２′の溝３′を図の左
右方向に流れるようになっている。

【００１３】本発明によれば、かかる燃料電池スタック
の側面に耐電解質性の樹脂のフィルム１０からなるガス
シールを形成するのである。耐電解質性の樹脂としては
耐酸性又は耐アルカリ性の良好な任意の樹脂を用いるこ
とができるが、たとえば次式を有するポリエーテルサル
フォン（ＰＥＳ）を挙げることができる。

【００１４】

【化１】 上記の式のポリエーテルサルフォンを用いてガスシール
を形成する場合、この樹脂を溶媒、たとえば沸点３８．
５〜４０．５℃、分子式ＣＨ２Ｃｌ２を有するジクロロ
メタンに溶解してその溶液を上記スタックのセル端部に
塗布する。後スタックの環境温度を溶媒の沸点以上の温
度、この場合４０℃以上の温度にしてジクロロメタン溶
媒を蒸発させるとポリエーテルサルフォンのフィルム１
０がスタック側面の内部および表面に形成される。図１
にて１１はこのような樹脂の含浸部分を示す。

【００１５】上記ポリエーテルサルフォンの溶液の濃度
は５〜３０％の範囲が好適である。ポリエーテルサルフ
ォンの溶解量が５％以下であると粘度が低く溶液は電極
に含浸されてその表面にフィルムを形成するのが難しく
なり、又その溶解量を３０％以上とすると逆に粘度が上
昇し塗布が困難となるからである。

【００１６】このようにして耐電解性樹脂のフィルムか
らなるガスシールが電極端部そして電極とセパレータま
たは冷却板の積層端部上に形成されるので端部からのガ
スのリーク防止を確実ならしめるとともに剥離等の機械
的強度も十分ならしめることができる。勿論そのフィル
ムはリン酸等の電解質により侵されることがない。

【００１７】

【作用】耐電解性樹脂フィルムたとえばＰＥＳフィルム
は図１のごとく電極端部、電極とセパレータまたは冷却
板の積層面端部上に形成される。従来電極端部、電極と
セパレータまたは冷却板の積層面からリークしていたガ
スはこのフィルムにより遮断される。よってスタック側
面からのガスリークを防止することができる。

【００１８】

【実施例】実施例１ ウエットシール等従来のエッジシールを施さない電極（
１０００ｍｍ角）にてセルを作製し、２８セルの燃料電
池スタックとした。冷却板は７セル毎に積層し、電極と
セパレータまたは冷却板の積層界面にはシール剤を塗布
しなかった。上記スタックの側面にジクロロメタン（Ｃ
Ｈ２Ｃｌ２）に２０％濃度に溶解したポリエーテルサル
フォン（ＰＥＳ）を刷毛にて全面塗布した。しかる後、
スタックを４０℃の部屋で２時間保管しジクロロメタン
を蒸発させた。積層断面は図１に示すごとくＰＥＳのフ
ィルムが形成されていた。

【００１９】上記スタックのガスリーク試験を行った結
果、４００ｍｍＨｇの差圧をつけてもガスリークは発生
しなかった。これはガススタックとして要求されるガス
シール性能基準を十分満足するものである。また数千時
間の発電評価をした結果、ガスリークによると思われる
電池特性の低下は認められなかった。

【００２０】実施例２ 電極には従来から採用しているエッジシールを施し、電
極とセパレータまたは冷却板の界面にシール剤を塗布し
た２８セルの燃料電池スタックで５０００時間程度運転
した後、ガスリーク試験した結果、シール不良と判定さ
れたセルについて本発明のシール技術で修理を行った。 修理したスタックは５ｃｍＨｇの差圧で規定量の２倍の
ガスリークがあった。スタック側面でガスリークを起こ
している場所を確認し、そこに１５％のＰＥＳ溶液（溶
媒はジクロロメタン）を刷毛で塗布し、ドライヤーで乾
燥した。上記修理後スタックのガスリーク試験を行った
結果、３５０ｍｍＨｇの差圧をつけてもガスリークは発
生しなかった。これはガススタックとして要求されるガ
スシール性能基準を十分満足するものである。また数千
時間の発電評価をした結果、ガスリークによると思われ
る電池特性の低下は認められなかった。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、燃
料電池スタックの側面（電極端部または積層界面）から
のガスリークを確実に防止することができる。また、ガ
スリークが発生した従来のスタックについてもスタック
を分解することなくガスリークの修理を行える。このこ
とにより、スタック内での反応ガスの混合による発熱お
よび電池特性低下を防止することができ、安全性及び信
頼性の高い燃料電池スタックが得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるＰＥＳフィルムのシール構造断面
図（スタック断面図）。

【図２】リン酸を電解質とする燃料電池スタックの構成
例を示す斜視図。

【図３】スタックの側面からのガスリーク状態を示す概
念図。

【図４】従来のシール方法の一例を示すスタック断面図
。

【符号の説明】

１　　マトリックス層 ２，２′　　リブ付き電極 ４　　セパレータ ７　　触媒層 ８　　エッジシール ９　　積層シール １０　　ＰＥＳフィルム

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質を含浸したマトリックス層を挾んで
   一対の電極を配置して成り、前記一方の電極側に燃料ガ
   スおよび他方の電極側に酸化剤ガスを供給することによ
   り電気エネルギを出力する単位セルを、セパレータまた
   は冷却板を介して複数積層して構成した燃料電池スタッ
   クを有する燃料電池に於て、スタック側面に耐電解質性
   の樹脂のフィルムからなるガスシールを形成することを
   特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】前記耐電解質性樹脂のフィルムをセル端部
   、セルとセパレータまたは冷却板との界面端部に形成し
   たことを特徴とする請求項１記載の燃料電池。