JPH0684532A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

固体高分子型燃料電池

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JPH0684532A
JPH0684532A JP4257151A JP25715192A JPH0684532A JP H0684532 A JPH0684532 A JP H0684532A JP 4257151 A JP4257151 A JP 4257151A JP 25715192 A JP25715192 A JP 25715192A JP H0684532 A JPH0684532 A JP H0684532A
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JP
Japan
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fuel cell
polymer electrolyte
electrode
high polymer
water
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JP4257151A
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Inventor
Yoshio Oka
良雄 岡
Satoru Takano
悟 高野
Fumiaki Mizuno
史章 水野
Toru Kashiwagi
亨 柏木
Koji Hanabusa
幸司 花房
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
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    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 燃料電池の高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、高
出力密度化を達成し、その性能を低下させずに防湿し、
オーバーヒートを防止し、小型化・軽量化を達成する。 【構成】 高分子電解質膜105の両側に白金触媒を担
持したアノード電極103及びカソード電極104を配
置し、溝の付いた集電板102を配置する。アノード電
極103側の集電体102の溝の部分に水素を、カソー
ド電極104側に酸素を供給し、親水化したフッ素樹脂
の多孔質チューブ101を集電板102の溝内に設置
し、先端を閉じる。この多孔膜101内に水を通す。水
の内圧としては、セル内のガス圧と同様または高くす
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に関するもの
で、特に、固体高分子電解質型燃料電池に関するもので
ある。さらに、本発明は、固体高分子電解質型燃料電池
のセル構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、燃料電池において酸素と水素
を用いて電流を発生することが知られている。従来より
用いられている燃料電池の1つに高分子電解質膜を用い
た燃料電池がある。この種の燃料電池ユニットは、複数
の燃料電池で構成されている。各燃料電池は、高分子電
解質膜と、これを両側から挟むようにして触媒を含む電
極とからなっている。
【0003】この高分子電解質膜は常に湿潤状態に維持
する必要がある。従って、高分子電解質膜を健全な状態
を維持するには、常に水分の補給が必要である。
【0004】この高分子電解質膜形式の燃料電池におけ
る、電力発生のメカニズムは周知の通りである。すなわ
ち、例えば、水素ガス等の燃料は、アノード側の電極へ
噴射され、カソード側の電極には酸素ガス等の強酸化性
物質が噴射される。
【0005】このアノード及びカソードは主にフルオロ
カーボンを結着材として触媒を担持した導電材によって
構成されている。なお、触媒としては主に白金が用いら
れており、触媒のコストが高いため、触媒の所容量を減
少する試みがなされている。
【0006】触媒の所容量を減少させる試みとして、高
分子電解質膜材料をアノードまたはカソードの電極内に
添加するなどの方法が試みられている。通常の固体高分
子電解質型燃料電池においては、周知のように、アノー
ド内の高分子電解質膜表面の触媒が燃料をイオン化し
て、イオンと自由電子を発生する。この自由電子は、適
当な手段によって燃料電池の1つのターミナルから、カ
ソードに接続された他方のターミナルに流れ、このカソ
ードを通って、酸素ガス等の酸化性物質の還元に用いら
れる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】一方、イオンは高分子
電解質膜透過して高分子電解質膜の反対側に設置された
カソードに送られる。このイオンの移動にともなって数
分子量の水分子が輸送される。イオンによる水の輸送
は、電気浸透またはプロトニックポンプ(protonicpum
p) と呼ばれている。従って、高分子電解質膜のアノー
ド側においては水の輸送に伴い乾燥が進む。これを防ぐ
ため一般にはアノード内に噴射する燃料ガスを加湿して
いる。しかしながら、ガスの加湿により供給される水以
上に、カソード側に輸送される水が多くなるような、電
流が大きな領域では高分子電解質膜の乾燥が進み、膜抵
抗が増大し電池性能が低下し、燃料電池の高出力密度化
に対し問題となっていた。そのため、高分子電解質膜の
乾燥を防ぎつつ高出力密度化を達成する方法が望まれて
いる。
【0008】また、カソードに到達したイオンは、カソ
ードに供給される強酸化性物質と反応して、水をカソー
ド表面に生成する。一方、このカソード表面の水は、強
酸化性物質のカソードの触媒表面との接触を妨げて、電
池の性能を低下させる。この状態はフラッディング(fl
ooding) と呼ばれている。このフラッディングを防止す
るために、カソードに防湿処理を施すことが一般的に行
われている。しかしながら、防湿処理を行うと電極抵抗
が大きくなり、また、有効な触媒表面積も低下し、電池
性能が低下するという問題点があった。そのため、燃料
電池の性能を低下させずに防湿する方法が望まれてい
る。
【0009】また、この方法によって電力を発生し、水
を生成する場合においては、電力だけではなく熱も同時
に生成する。この熱は、主にカソードにおいて水素イオ
ンと酸素等の強酸化性物質との結合の際に発生する。生
成される熱の一部は水の蒸発によって除去される。しか
しながら、生成される熱の残りは別の方法で除去しなけ
ればならない。
【0010】固体高分子型燃料電池を連続的に使用する
ためには、上記の廃熱の処理が必要となる。従来は、こ
の廃熱処理のために冷却用の第3の室を設けていた。こ
の冷却室は、主に冷却液の通路を構成しており、電池内
の熱を冷却系に伝達するように構成されている。しかし
ながら、この冷却室を設ける事によって、燃料電池がか
さばるものとなって、燃料電池の小型化・軽量化に反す
るものとなっていた。そのため、オーバーヒートを防止
しつつ、燃料電池を小型化・軽量化の改良が望まれてい
る。
【0011】そこで、本発明の目的は燃料電池の高分子
電解質膜の乾燥を防ぎつつ高出力密度化を達成する方法
及び、燃料電池の性能を低下させずに防湿する方法及
び、オーバーヒートを防止しつつ、燃料電池を小型化・
軽量化を達成しうる高分子電解質型燃料電池を提供する
ことにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】高分子電解質膜と触媒を
有する電極とからなる固体高分子型燃料電池において電
極のガス流路の一部に親水化処理した樹脂製(ポリテト
ラフルオロエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンな
ど)の先端を閉じた多孔質(孔径は0.01〜10μ
m、好ましくは0.1〜5μm)のチューブを電極内ま
たは電極周辺部に設置したことを特徴とする固体高分子
電解質型燃料電池のセル構造を有する。
【0013】高分子電解質膜と触媒を有する電極とから
なる固体高分子型燃料電池において電極のガス流路の一
部に親水化処理した樹脂製(ポリテトラフルオロエチレ
ン、ポリプロピレン、ポリエチレンなど)の先端を開け
た多孔質(孔径は0.01〜10μm、好ましくは0.
1〜5μm)のチューブを電極内または電極周辺部に設
置したことを特徴とする固体高分子型燃料電池のセル構
造を有する。
【0014】なお、多孔質チューブを親水化するには、
例えば親水基をグラフト重合などにより表面を修飾する
方法などが用いられる。
【0015】
【作用】前記手段を講じると燃料電池の高分子電解質膜
の乾燥を防ぎつつ高出力密度化を達成する方法及び、燃
料電池の性能を低下させずに除湿する方法及び、オーバ
ーヒートを防止しつつ、燃料電池を小型化・軽量化を達
成しうる高分子電解質型燃料電池を提供できる理由は以
下のとおりである。
【0016】アノードに図1のように親水化した多孔質
の樹脂製のチューブを組み込み、そのチューブに水を通
す事により、高電流密度でアノード側にて乾燥状態にな
ったとき、アノード側に水を供給することが可能とな
る。
【0017】また、セル内にで電力だけではなく熱も同
時に生成するが、ここで生成される熱は多孔質チューブ
内の水の蒸発によって除去される。したがって、上記の
廃熱の除去のための冷却用の第3の室が不要となり、省
スペース化に効果がある。
【0018】カソードでは水が生成する。このカソード
で生成した水は上記と同様な親水化した多孔質チューブ
に吸収し除去される。したがって、カソード表面の水に
より、強酸化性物質のカソードの触媒表面との接触を妨
げて、電池の性能を低下させるフラッディング(floodi
ng) 現象を抑制することが出来る。
【0019】
【実施例】以下、この発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。実際の電池としては、これらのセルを積層
化した構造である。
【0020】実施例1)第1図はこの発明に係る一部の
単セル構造を示す。高分子電解質膜105(Nafion(登
録商標)117:Dupont社製)の両側に白金触媒を担持した
アノード電極103(導電性カーボン及びポリテトラフ
ルオロエチレンの混合物)及びカソード電極104(導
電性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混合
物)を配置し、溝の付いた集電板102を配置する。こ
のアノード電極側の集電体の溝の部分に水素を、カソー
ド電極側に酸素を供給する。親水化したフッ素樹脂の多
孔質チューブを集電板の溝内に設置し、先端を閉じる。
この多孔膜内に水を通す。水の内圧としては、セル内の
ガス圧と同様または高くする。
【0021】集電板102は圧縮、焼結、黒鉛化された
カーボン粒及び固着材の混合物から形成されている。多
孔質チューブ101は外径0.5mm、内径0.4m
m、孔径1μmのものを使用する。
【0022】実施例2)高分子電解質膜205(Nafion
(登録商標)117 :Dupont 社製)の両側に白金触媒を担
持したアノード電極203(導電性カーボン及びポリテ
トラフルオロエチレンの混合物)及びカソード電極20
4(導電性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの
混合物)を配置し、溝の付いた集電板202を配置す
る。このアノード電極側の集電体の溝の部分に水素を、
カソード電極側に酸素を供給する。親水化したフッ素樹
脂の多孔質チューブを集電板の溝内に設置し、先端を開
放する。セルから出た前記チューブは他のセルから出た
チューブと接続し、酸素の排気通路の一部として外部に
つながっている。
【0023】集電板202は圧縮、焼結、黒鉛化された
カーボン粒及び固着材の混合物から形成されている。多
孔質チューブ201は外径0.5mm、内径0.4m
m、孔径1μmのものを使用する。
【0024】比較例1)イオン交換膜305(Nafion
(登録商標)117:Dupont社製)の両側に白金触媒を担持
したアノード電極303(導電性カーボン及びポリテト
ラフルオロエチレンの混合物)及びカソード電極304
(導電性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混
合物)を配置し、溝の付いた集電板302を配置する。
このアノード電極側の集電体の溝の部分に加湿した水素
を、カソード電極側に酸素を供給する。
【0025】試験結果)実施例1,2及び比較例1の電
流−電圧特性を図4に示す。水素の圧力は1気圧、酸素
の圧力は1気圧である。
【0026】
【発明の効果】上記の如く、本発明は、親水処理をし、
先端を閉じた多孔質のチューブ又は親水処理をし、先端
を開いた多孔質のチューブを電極内又は電極周辺部に設
置したので燃料電池の高分子電解質膜の乾燥を防ぎ高出
力密度化を達成し、又燃料電池の性能を低下させず除湿
し、オーバーヒートを防止しつつ電池の小型化・軽量化
を達成するものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明に係る実施例1の単セル構造を示すも
ので、(A)はその平面図、(B)は側面図である。
【図2】この発明の実施例2の単セル構造を示すもの
で、(A)はその平面図、(B)は側面図である。
【図3】比較例の単セル構造を示すもので、(A)はそ
の平面図、(B)は側面図である。
【図4】この発明の実施例1,2及び比較例の電流−電
圧特性図である。
【符号の説明】 101,201 親水性多孔膜 102,202 集電板 103,203 アノード電極 104.204 カソード電極 105,205 イオン交換膜
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏木 亨 大阪市此花区島屋一丁目1番3号 住友電 気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 花房 幸司 大阪市此花区島屋一丁目1番3号 住友電 気工業株式会社大阪製作所内

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高分子電解質膜と触媒を有する電極とか
    らなる固体高分子型燃料電池において親水処理した先端
    を閉じた多孔質のチューブを電極内または電極周辺部に
    設置したことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
  2. 【請求項2】 高分子電解質膜と触媒を有する電極とか
    らなる固体高分子電解質型燃料電池において電極のガス
    流路の一部に親水処理した先端を開放した多孔質のチュ
    ーブを電極内または電極周辺部に設置したことを特徴と
    する固体高分子型燃料電池。
JP4257151A 1992-08-31 1992-08-31 固体高分子型燃料電池 Pending JPH0684532A (ja)

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