JPH07335234A

JPH07335234A - 燃料電池

Info

Publication number: JPH07335234A
Application number: JP6131541A
Authority: JP
Inventors: Seiji Mizuno; 誠司水野
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 1994-06-14
Filing date: 1994-06-14
Publication date: 1995-12-22

Abstract

(57)【要約】【目的】積層型燃料電池において、単セル間の接触抵
抗を低減し、ガス反応面積を増大させエネルギー効率を
向上させる。【構成】前記接合体１１をガス流路に押し込んで該接
合体１１を凹凸状に変形させて挟持する凸部２２ａ、２
３ａを、一対の集電体２２、２３の挟持面に互い違いに
形成する。このようにすることで、原料ガスと接合体１
１の接触面積が拡大してガス反応面積が増大する。ま
た、集電体２２、２３への接触面積も拡大するため単セ
ル間の接触抵抗も低減される。更に、接合体１１を予め
凹凸状にする必要がないため生産性の向上が図れる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は積層型燃料電池、特に小
型軽量化に適する構造の積層型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に示すように、燃料電池の発電単位
となる単セルは、電解質膜１１ａの両側に電極１１ｂを
接合して構成した接合体１１を一対の集電体１２，１３
で挟持して構成する。ここで、接合体１１は、所定の触
媒が担持された薄い固体電解質板であり、その一面は電
気極であり、他の一面は燃料極である。また、集電体１
２，１３には、それぞれ凸部１２ａ、１３ａ及び凹部１
２ｂ、１３ｂが形成されており、このうち凹部１２ｂ、
１３ｂは、単セル形成後にガス流路となる。集電体の外
面には、各セルを仕切るセパレータ１６が設けられてい
る。

【０００３】このような燃料電池では、接合体１１の一
方の面には酸化ガスを供給すると共に他方の面には燃料
ガスを供給し、前記接合体１１を通して前記両ガスを化
学的に反応させて電気出力を発生させる。例えば、集電
体１２の凹部１２ｂに酸素Ｏ₂を供給すると共に凹部１
３ｂに水素Ｈ₂を供給すると、集電体１２が正極とな
り、集電体１３が負極となって電気エネルギーが取り出
せる。これは、接合体１１に担持されている触媒の作用
により酸素が電子を取り込んで酸素イオンとなり、この
酸素イオンが接合体１１を通って水素と反応して電子を
放出することによって、外部回路に電流が流れることに
なる。

【０００４】ここで、電極１１ｂは、図７に例示するよ
うに、炭素繊維からなる縦糸１７ａと横糸１７ｂとを平
織りとしたカーボンクロスを、電極１１ｂの外周を形成
する辺と縦糸１７ａおよび横糸１７ｂとがそれぞれ角度
４５度となるように裁断して形成されている。このカー
ボンクロスには、触媒としての白金または白金と他の金
属からなる合金等を担持したカーボン粉が、クロス隙間
に練り込まれている。

【０００５】電解質膜１１ａは、高分子材料、例えばフ
ッ素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤
状態で良好なイオン導電性を示す。集電体１２及び１３
は、多孔質でガス透過性を有するポーラスカーボンによ
り形成されており、気孔率が４０ないし８０％のもので
ある。また、集電体１２には、複数のリブ１２ａが形成
されており、このリブ１２ａと電極１１ｂの表面とで酸
素含有ガスの流路をなすと共にそこで生成する水を集水
する流路１２ｂを形成している。集電極１３にも、複数
のリブ１３ａが形成されており、このリブ１３ａと電極
１１ｂの表面とで陰極燃料の水素含有ガスと水蒸気との
混合ガスの流路１３ｂを形成している。セパレータ１６
は、カーボンを圧縮して不透過としたガス不透過カーボ
ンにより形成されており、電解質膜１１ａ、電極１１
ｂ、集電体１２及び１３により構成されるセルをその厚
み方向に積層する際の隔壁をなす。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池は以上のように構成されているので、上記凸部
１２ａ、１３ａで挟持された接合体１１の部分は、強い
力で挟持され、押しつぶされ、ガスの拡散が行われず、
それだけ接合体１１が有効に利用されず、電池性能が低
くなってしまうという問題点があった。

【０００７】また、一方特開平２−２７６１６６号公報
に開示されているように、接合体を凹凸形状として、ガ
スとの接触面積を増大させて単一体積当りの出力増大を
図った燃料電池も提案されている。しかし、この燃料電
池は接合体のガスとの反応面積を増大させることができ
たが、凹凸形状とした接合体の凸部が集電体に当接し、
接合体と集電体との接触が略点接触となる。このため、
接触抵抗が大きく、抵抗分極により電圧損失が大きく、
電池性能上好ましくないという問題点があった。また、
接合体を凹凸形状とすることが困難であり、生産性が悪
いという問題点もあった。

【０００８】本発明は上記のような従来の問題点を解消
することを課題になされたもので、積層型燃料電池にお
いて接合体と集電体との接触面積を増大させることによ
り、接触抵抗を低減させると共にガス反応面積を増大さ
せて出力の増大を図ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】以上のような課題を解決
するために、本願の請求項１記載の発明に係る燃料電池
においては、一対の集電体で接合体を挟持し、当該一対
の集電体の挟持面には該挟持面に凹凸を形成することに
より作成されたガス流路がそれぞれ設けられ、前記接合
体の一方の面には酸化ガスを供給すると共に他方の面に
は燃料ガスを供給し、前記接合体で前記両ガスを化学的
に反応させて電気出力を発生させる燃料電池において、
前記ガス流路は、前記一対の集電体の挟持面においてそ
れらの凹凸が噛み合うように形成され、前記接合体をガ
ス流路に押し込んで該接合体を凹凸状に変形させて挟持
することを特徴とする。

【００１０】また、請求項２に係る燃料電池において
は、請求項１記載の燃料電池において、前記挟持面の凸
部分の表面を球面もしくはテーパー面としたことを特徴
とする。

【００１１】

【作用】以上のような構成を有する本発明の燃料電池
は、前記接合体をガス流路に押し込んで該接合体を凹凸
状に変形させて挟持するために、一対の集電体が組み合
わされて形成される限られた空間内に配設される接合体
の量が増大する。このため、従来よりも原料ガスと接合
体の接触面積が拡大し、ガス反応面積が増大する。ま
た、集電体への接触面積も拡大するため単セル間の接触
抵抗も低減される。

【００１２】また、請求項１記載の発明における燃料電
池は、前記一対の集電体の挟持面に設けられたガス流路
が、それらの凹凸が噛み合うように形成され、接合体を
ガス流路に押し込んで該接合体を凹凸状に変形させて挟
持するようにしたため、電解質膜及び電極からなる接合
体を予め凹凸形状に形成する必要がなく生産性に優れ
る。このため、当該空間内における接合体の露出面積が
増大し、原料ガスとの接触面積が増大することとなり、
単位体積当りの電池効率が向上する。

【００１３】請求項２記載の燃料電池によれば、挟持面
の凸部分の先端を球面もしくはテーパー面としたことに
より、接合体と集合体との接触が良好となり接触面積の
更なる増大が図られる。

【００１４】そのため、凸部の押しつけ力が部分的に緩
和され、ガスの拡散が阻害される領域を減少できること
となり有効に活用される接合体面積をも増大することが
できる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の好適な実施例について図面に
基づいて説明する。

【００１６】［第一実施例］図１は本発明の第一実施例
に係る燃料電池の単セル２０の上面図であり、図２は図
１のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。なお、図１におい
ては、説明を分かり易くするために、上側の単セルの凸
部分は実線で現している。

【００１７】第一実施例に係る燃料電池の単セルは、基
本的な構成は従来と同様であり、接合体１１が集電体２
２，２３に挟持されて構成されている。しかしながら、
本第一実施例に係る燃料電池の単セルは、その特徴的な
構成として、集電体２２，２３の挟持面に球面形状の凸
部２２ａ、２３ａをこれらが互いに噛み合うように形成
し、この凸部２２ａ、２３ａに囲まれた凹部２２ｂ、２
３ｂをガス流路としている。また、電極１１ｂは特に、
噛み合い時の損傷を防止するため、十分に可撓性を有し
たカーボンクロスを用いている。

【００１８】ここで、集電体２２、２３の球面形状の凸
部２２ａ、２３ａは互いに食い違い状態に形成されてい
るため、集電体２２、２３の間に接合体１１を挟み込ん
で当該接合体１１を挟持すると、球面形状の凸部２２ａ
はガス流路を挟めるようにして凹部２３ｂに組付けら
れ、同時に、球面形状の凸部２３ａは凹部２２ｂに接合
体１１を押し込むようにして組付けられる。このため、
接合体１１は凹凸状となり、集電体２２、２３で囲まれ
た限られた空間内での面積が増大する。

【００１９】なお、本実施例のようにガスの拡散性を狙
って凸部を点在させるようなタイプに本発明を適用する
と、該タイプのマイナス面（集電体と接合体との接触面
積が減る）がうまくカバーされ、特に良好である。更
に、固体高分子型燃料電池の場合、電解質膜自体に剛性
がなく膜自身を凹凸形状とするのは極めて困難であるた
め、本発明を用いると特に好適である。

【００２０】これにより、１セル内に配される接合体の
面積が単純に増加するだけではなく、集電体凸部との接
触面積が広がることにより拡散が良好となり有効に利用
される反応領域が増えるため、単位面積当たりの出力を
向上することができる。また、接触面積が増えることに
より接触抵抗が低減され、抵抗分極が小さくなるため、
電池特性の向上が図れる。

【００２１】［第二実施例］図３は本発明の第二実施例
に係る燃料電池の単セル２０の上面図であり、図４は図
３のＢ−Ｂ線に沿う横断図である。

【００２２】第二実施例に係る燃料電池において特徴的
なことは、一対の集電体３２，３３の挟持面に、両側を
テーパー状とした列状の凸部３２ａ、３３ａをこれらが
互いに噛み合うように形成し、それらの間に形成される
溝状の凹部３２ｂ、３３ｂをガス流路としたことであ
る。

【００２３】本実施例においては集電体の凸部が直線的
ではなく点在するように構成されているため、流路内で
のガスが該凸部に衝突することによって３次元的に乱流
が発生し電極内への拡散性が良好となっている。更に、
凸部によって押し下げられた接合体の一部は、ガス流れ
とある角度をもって接することとなり、電極内の反応部
へより効果的にガスの供給が行われる。また、凸部選択
が球面状となっているため、該凸部と接合体との接触状
態が良好となり接合体が損傷を受けることなく接触面積
を増大できる。

【００２４】即ち、集電体３２、３３の間に接合体１１
を挟持すると、集電体３２、３３の列状の凸部３２ａ、
３３ａは互いに食い違い状態に形成されているため、列
状の凸部３２ａはガス流路を挟めるようにして溝状の凹
部３３ｂに組付けられ、同時に、列状の凸部３３ａは溝
状の凹部３２ｂに接合体１１を押し込むようにして組付
けられる。

【００２５】このため、接合体１１は凹凸状となり、第
一実施例と同様に、集電体３２、３３で囲まれた限られ
た空間内での面積が増大し、原料ガスとの接触面積およ
び接合体と集電体との接触面積が増大する。よって、第
二実施例に係る燃料電池においても、第一実施例と同様
に、凸部の押しつけ力が部分的に緩和され、ガス拡散が
阻害される領域を減少できることとなり、有効に活用さ
れる接合体面積をも増大させることができる。また、接
合体を予め凹凸状に形成する必要がなく生産性に優れ
る。

【００２６】［接合体、原料ガス］図１、図３に示すよ
うに、実施例においては、凹部２２ｂ、３２ｂには酸素
ガスを、凹部２３ｂ、３３ｂには水素ガスをそれぞれ図
示矢印方向に供給してこれらを反応させる。なお、集電
体２２、２３の周縁部には、従来と同様にシール材１４
を介在させている。

【００２７】接合体１１は、次のようにして作成した。
まず、電極基材となるカーボンクロス（カーボン短繊維
をよった糸を織ったもの、厚さ０．４ｍｍ）にテフロン
粉末５０を０．１％分散させ、撥水処理を施したカーボ
ンブラックを塗り込み、ガス拡散層を形成した。次に、
ガス拡散層の片面に、２０％白金担持カーボンがＰｔ
０．４ｍｇ／ｃｍ²となるように、並びに、陽イオン交
換樹脂溶液（固形分５％、水＋プロパノール）をその固
形分が１ｍｇ／ｃｍ²となるように混合したスラリーを
塗布し、触媒反応層を形成した。最後に、パーフルオロ
カーボンスルホン酸系陽イオン交換膜の両面に上記触媒
反応層が電極質膜側になるように挟み、１２５℃ １０
０ｋｇ／ｃｍ²（９．８ｈＰａ）でホットプレスにより
圧着し、接合体１１を得た。

【００２８】なお、本実施例に係る接合体１１はこのよ
うに作成しているが、これに限られることなく、他の接
合体を使用することもできる。

【００２９】［特性試験］図５は球面イボ状凸部２２
ａ，２３ａで接合体１１を挟持する第一実施例に係る燃
料電池と、両側をテーパー状とした凸部３２ａ、３３ａ
で接合体１１を挟持する第二実施例に係る燃料電池と、
前記図６、７に示す従来例に係る燃料電池のＩ−Ｖ特性
を示したグラフである。Ｉ−Ｖ特性試験は、挟持される
接合体１１の電極面積が１４４ｃｍ²のもので、酸化ガ
スとしてＯ₂、燃料ガスとしてＨ₂を用いて行った。な
お、これらの原料ガスの供給圧は３０３９ヘクトパスカ
ルで、セル温度は８０℃であった。

【００３０】図５においては、電流密度Ａ／ｃｍ²を横
軸とし、電圧Ｖを縦軸として、これらのＩ−Ｖ特性を対
比している。図中、曲線ａは第一実施例のものを示し、
曲線ｂは第二実施例のものを示し、曲線ｃは従来例のも
のを示している。この図５から、本実施例に係る燃料電
池はいずれも、同一の電流密度では従来例よりも出力電
圧が高く、電池効率が優れているということは明らかで
ある。

【００３１】

【発明の効果】請求項１に係る発明によれば、接合体を
一対の集電体の挟持面に互いに違いに形成した凸部分で
ガス流路に押し込んで凹凸状に変形させて挟持するよう
に構成したので、集電体の限られた空間内に配設する接
合体の面積を増大することができ、単位体積当りの電池
効率が向上する。また、集電体と接合体との接触面積の
増大による接触抵抗の低減や電池性能が向上する。

【００３２】請求項２に係る発明によれば、前記凸部分
の表面を球面もしくはテーパー面としたことにより、接
合体と集電体とは弱い力で当接し、しかも広い接触面積
が得られるため、接合体の集電体当接部分もガス反応に
寄与するとともに接触抵抗も低減し、電池性能はより向
上する。

【００３３】更に、本発明に係る燃料電池は、スタック
の高さが低減でき、その小型軽量化を実現できるため、
体積効率が向上し、電池のエネルギー密度が高まる。ま
た、本発明は集電体を加工するものであり、接合体を加
工するものではないため、従来よりも作成が容易であ
り、歩留りの向上が図れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一実施例に係る燃料電池の単セルの
上面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う横断面図である。

【図３】本発明の第二実施例に係る燃料電池の単セルの
上面図である。

【図４】図３のＢ−Ｂ線に沿う横断面図である。

【図５】本発明の各実施例と従来例の電流密度−電圧特
性図である。

【図６】従来の燃料電池の単セルの構成を示す図であ
る。

【図７】燃料電池を構成する電極の構成を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１接合体１２，１３、２２，２３、３２，３３集電体２２ａ，２３ａ球面形状の凸部２２ｂ，２３ｂ凹部３２ａ，３３ａ列状の凸部３２ｂ，３３ｂ凹部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜の両側に電極を接合した接合体
と、一対の集電体で接合体を挟持し、当該一対の集電体
の挟持面には該挟持面に凹凸を形成することにより作成
されたガス流路がそれぞれ設けられ、前記接合体の一方
の面には酸化ガスを供給すると共に他方の面には燃料ガ
スを供給し、前記接合体で前記両ガスを化学的に反応さ
せて電気出力を発生させる燃料電池において、相互に対向配置される集電体の前記ガス流路は、挟持面
の凹凸が互いに噛み合うように形成され、前記接合体を
ガス流路に押し込んで該接合体を凹凸状に変形させて挟
持することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】前記挟持面の凸部分の表面を球面もしく
はテーパー面としたことを特徴とする請求項１記載の燃
料電池。