JPH08130025A - 燃料電池 - Google Patents
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- JPH08130025A JPH08130025A JP6289245A JP28924594A JPH08130025A JP H08130025 A JPH08130025 A JP H08130025A JP 6289245 A JP6289245 A JP 6289245A JP 28924594 A JP28924594 A JP 28924594A JP H08130025 A JPH08130025 A JP H08130025A
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- H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
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- H01M8/0213—Gas-impermeable carbon-containing materials
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
- H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 燃料電池の燃料の流路内に生じる水を流路か
ら速やかに排出する。 【構成】 燃料電池は、電解質膜２０および電解質膜２
０を挟持する２つのガス拡散電極３０をさらに挟持する
集電極４０により構成される。集電極４０のガス拡散電
極３０と接触する面には、平行に配置された複数のリブ
４２が形成されており、この面には、導電性を有する接
着剤５０により、太さ５μｍ，長さ１００μｍのカーボ
ン短繊維５２が多数植毛されている。リブ４２は、ガス
拡散電極３０の表面とで酸化ガスまたは燃料ガスの流路
をなすガス流路４４を形成する。この燃料電池を運転す
ると、カソード極側のガス流路４４に生じる水は、濡れ
て親水性を呈するカーボン短繊維５２に引き寄せられ
て、その毛根部付近に保水皮膜を形成する。そして、保
水皮膜表面およびカーボン短繊維５２の表面から酸化ガ
スに気化し、ガス流路４４から排出される。
ら速やかに排出する。 【構成】 燃料電池は、電解質膜２０および電解質膜２
０を挟持する２つのガス拡散電極３０をさらに挟持する
集電極４０により構成される。集電極４０のガス拡散電
極３０と接触する面には、平行に配置された複数のリブ
４２が形成されており、この面には、導電性を有する接
着剤５０により、太さ５μｍ，長さ１００μｍのカーボ
ン短繊維５２が多数植毛されている。リブ４２は、ガス
拡散電極３０の表面とで酸化ガスまたは燃料ガスの流路
をなすガス流路４４を形成する。この燃料電池を運転す
ると、カソード極側のガス流路４４に生じる水は、濡れ
て親水性を呈するカーボン短繊維５２に引き寄せられ
て、その毛根部付近に保水皮膜を形成する。そして、保
水皮膜表面およびカーボン短繊維５２の表面から酸化ガ
スに気化し、ガス流路４４から排出される。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池に関し、詳し
くは、電解質層と、該電解質層を挟持して発電層を形成
する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料の流路を
形成する流路形成部材と、を備えた燃料電池に関する。
くは、電解質層と、該電解質層を挟持して発電層を形成
する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料の流路を
形成する流路形成部材と、を備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池、例えば、固体高分子型燃料電
池では、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（酸素極
と燃料極）に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有す
る酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、次式
（１）および（２）に示す反応が行なわれ、化学エネル
ギが直接電気エネルギに変換される。
池では、電解質膜を挟んで対峙する２つの電極（酸素極
と燃料極）に、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有す
る酸化ガスとをそれぞれ供給することにより、次式
（１）および（２）に示す反応が行なわれ、化学エネル
ギが直接電気エネルギに変換される。
【０００３】 カソード反応（酸素極）：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ …（１） アノード反応（燃料極）：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- …（２）
【０００４】この反応を連続的かつ円滑に行なうために
は、酸素極では、反応により生成する水を速やかに排除
して酸素極に酸化ガスを連続的に供給する必要がある。
通常、酸素極へ酸化ガスを供給する供給流路は、酸素極
側の集電極が有するリブと酸素極の表面とで形成されて
いる。この供給流路は、反応により生成する水の排出流
路をも兼ねている。したがって、酸化ガスの供給流路に
おける生成水の速やかな排出が求められる。
は、酸素極では、反応により生成する水を速やかに排除
して酸素極に酸化ガスを連続的に供給する必要がある。
通常、酸素極へ酸化ガスを供給する供給流路は、酸素極
側の集電極が有するリブと酸素極の表面とで形成されて
いる。この供給流路は、反応により生成する水の排出流
路をも兼ねている。したがって、酸化ガスの供給流路に
おける生成水の速やかな排出が求められる。
【０００５】また、上記反応を連続的かつ円滑に行なう
ためには、燃料極では、燃料極に燃料ガスを連続的に供
給すると共に燃料極で発生した水素イオンを電解質膜中
にスムースに拡散させる必要もある。水素イオンは電解
質膜中の水と結合して水和状態となって電解質膜中を移
動するから、燃料極付近の水が不足しないよう電解質膜
に外部から水を補給しなければならない。こうした燃料
極への水の補給は、燃料ガスを加湿して燃料ガスの水蒸
気圧を高めることにより行なわれるのが通常である。加
湿された燃料ガスが運転開始直後で定常運転状態の温度
に達していない燃料電池に供給された場合や水蒸気が過
飽和となった燃料ガスが燃料電池に供給された場合に
は、燃料極側の集電極が有するリブと燃料極の表面とで
形成される燃料ガスの供給流路の形成面に水蒸気が結露
して水滴となって付着し、燃料ガスの供給流路内での燃
料ガスのスムースな流れを妨げる場合を生じる。したが
って、燃料ガスの供給流路の形成面に水蒸気が結露する
場合には、結露した水滴を燃料ガスの供給流路から速や
かに排出することが求められる。
ためには、燃料極では、燃料極に燃料ガスを連続的に供
給すると共に燃料極で発生した水素イオンを電解質膜中
にスムースに拡散させる必要もある。水素イオンは電解
質膜中の水と結合して水和状態となって電解質膜中を移
動するから、燃料極付近の水が不足しないよう電解質膜
に外部から水を補給しなければならない。こうした燃料
極への水の補給は、燃料ガスを加湿して燃料ガスの水蒸
気圧を高めることにより行なわれるのが通常である。加
湿された燃料ガスが運転開始直後で定常運転状態の温度
に達していない燃料電池に供給された場合や水蒸気が過
飽和となった燃料ガスが燃料電池に供給された場合に
は、燃料極側の集電極が有するリブと燃料極の表面とで
形成される燃料ガスの供給流路の形成面に水蒸気が結露
して水滴となって付着し、燃料ガスの供給流路内での燃
料ガスのスムースな流れを妨げる場合を生じる。したが
って、燃料ガスの供給流路の形成面に水蒸気が結露する
場合には、結露した水滴を燃料ガスの供給流路から速や
かに排出することが求められる。
【０００６】従来、こうした要望に応える燃料電池とし
ては、集電極と電極とで形成する燃料ガスまたは酸化ガ
スの供給流路の形成面に撥水性を呈するフッ素樹脂の被
膜を形成するものが提案されている（例えば、特開平４
−１２４６２号公報等）。この燃料電池によれば、フッ
素樹脂の被膜が、燃料ガスの供給流路の形成面に付着す
る水滴や酸化ガスの供給流路に排出される生成水を撥じ
いて速やかに排出し、燃料極および酸素極へ燃料ガスお
よび酸化ガスを連続的に供給するとされている。また、
集電極の電極との接触面にはフッ素樹脂の被膜を形成し
ないことにより、その接触面を親水性に富む吸水部と
し、この接触面から燃料ガスの供給流路の形成面に付着
する水滴や酸化ガスの供給流路に排出される生成水を吸
水して燃料ガスおよび酸化ガスの供給流路から速やかに
排出するとされている。
ては、集電極と電極とで形成する燃料ガスまたは酸化ガ
スの供給流路の形成面に撥水性を呈するフッ素樹脂の被
膜を形成するものが提案されている（例えば、特開平４
−１２４６２号公報等）。この燃料電池によれば、フッ
素樹脂の被膜が、燃料ガスの供給流路の形成面に付着す
る水滴や酸化ガスの供給流路に排出される生成水を撥じ
いて速やかに排出し、燃料極および酸素極へ燃料ガスお
よび酸化ガスを連続的に供給するとされている。また、
集電極の電極との接触面にはフッ素樹脂の被膜を形成し
ないことにより、その接触面を親水性に富む吸水部と
し、この接触面から燃料ガスの供給流路の形成面に付着
する水滴や酸化ガスの供給流路に排出される生成水を吸
水して燃料ガスおよび酸化ガスの供給流路から速やかに
排出するとされている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、こうし
た供給流路の形成面にフッ素樹脂の被膜を形成する燃料
電池では、供給流路内に排出された生成水あるいは形成
面に付着した水滴が撥じかれて複数集まり、大きな水滴
となって燃料ガスまたは酸化ガスの電極への供給を阻害
する場合を生じるという問題があった。特に幅または奥
行きの狭い供給流路では、水の表面張力により供給流路
を塞いでしまい、燃料電池の運転効率を著しく低下させ
る場合もある。
た供給流路の形成面にフッ素樹脂の被膜を形成する燃料
電池では、供給流路内に排出された生成水あるいは形成
面に付着した水滴が撥じかれて複数集まり、大きな水滴
となって燃料ガスまたは酸化ガスの電極への供給を阻害
する場合を生じるという問題があった。特に幅または奥
行きの狭い供給流路では、水の表面張力により供給流路
を塞いでしまい、燃料電池の運転効率を著しく低下させ
る場合もある。
【０００８】本発明の燃料電池は、こうした問題を解決
し、燃料の流路内に生じる水を流路から速やかに排出す
ることを目的とし、次の構成を採った。
し、燃料の流路内に生じる水を流路から速やかに排出す
ることを目的とし、次の構成を採った。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明の第１の燃料電池
は、電解質層と、該電解質層を挟持して発電層を形成す
る電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料の流路を形
成する流路形成部材と、を備えた燃料電池であって、前
記流路形成部材は、前記流路を形成する面にカーボンに
より形成された短繊維を複数植立してなることを要旨と
する。
は、電解質層と、該電解質層を挟持して発電層を形成す
る電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料の流路を形
成する流路形成部材と、を備えた燃料電池であって、前
記流路形成部材は、前記流路を形成する面にカーボンに
より形成された短繊維を複数植立してなることを要旨と
する。
【００１０】ここで、前記第１の燃料電池において、前
記短繊維は、少なくとも表面が親水性を呈するよう親水
処理してなる短繊維である構成とすることもできる。
記短繊維は、少なくとも表面が親水性を呈するよう親水
処理してなる短繊維である構成とすることもできる。
【００１１】本発明の第２の燃料電池は、電解質層と、
該電解質層を挟持して発電層を形成する電極と、該発電
層を挟持し該電極とで燃料の流路を形成する流路形成部
材と、を備えた燃料電池であって、前記流路形成部材
は、前記流路を形成する面に、少なくとも表面が親水性
を呈する短繊維を複数植立してなることを要旨とする。
該電解質層を挟持して発電層を形成する電極と、該発電
層を挟持し該電極とで燃料の流路を形成する流路形成部
材と、を備えた燃料電池であって、前記流路形成部材
は、前記流路を形成する面に、少なくとも表面が親水性
を呈する短繊維を複数植立してなることを要旨とする。
【００１２】
【作用】以上のように構成された本発明の燃料電池は、
流路形成部材の燃料の流路を形成する面に複数植立され
たカーボンにより形成された短繊維が、燃料の流路内に
生じる水を引き寄せて燃料の流路を形成する面の表面付
近に保水層を形成すると共に、水と燃料との接触面積を
大きくして水の燃料への気化を促進する。
流路形成部材の燃料の流路を形成する面に複数植立され
たカーボンにより形成された短繊維が、燃料の流路内に
生じる水を引き寄せて燃料の流路を形成する面の表面付
近に保水層を形成すると共に、水と燃料との接触面積を
大きくして水の燃料への気化を促進する。
【００１３】表面が親水処理された短繊維を植立した燃
料電池は、親水処理された短繊維が、燃料の流路内に生
じる水により燃料の流路を形成する面の表面付近に形成
される保水層の形成を促進する。
料電池は、親水処理された短繊維が、燃料の流路内に生
じる水により燃料の流路を形成する面の表面付近に形成
される保水層の形成を促進する。
【００１４】本発明の第２の燃料電池は、少なくとも表
面が親水性を呈するよう親水処理された短繊維が、燃料
の流路内に生じる水を引き寄せて燃料の流路を形成する
面の表面付近に保水層を形成すると共に、水と燃料との
接触面積を大きくして水の燃料への気化を促進する。
面が親水性を呈するよう親水処理された短繊維が、燃料
の流路内に生じる水を引き寄せて燃料の流路を形成する
面の表面付近に保水層を形成すると共に、水と燃料との
接触面積を大きくして水の燃料への気化を促進する。
【００１５】
【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は本発明の好適な一実施例である燃料電池
を構成する単電池１０の構成を例示する説明図、図２は
図１中の破線円の部分を拡大して示した拡大説明図であ
る。単電池１０は、固体高分子型燃料電池の積層体を構
成する単電池であり、図１に示すように、電解質膜２０
と、この電解質膜２０を両側から挟んでサンドイッチ構
造を形成する２つのガス拡散電極３０と、このサンドイ
ッチ構造を両側から挟持する２つの集電極４０とから構
成される。
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。図１は本発明の好適な一実施例である燃料電池
を構成する単電池１０の構成を例示する説明図、図２は
図１中の破線円の部分を拡大して示した拡大説明図であ
る。単電池１０は、固体高分子型燃料電池の積層体を構
成する単電池であり、図１に示すように、電解質膜２０
と、この電解質膜２０を両側から挟んでサンドイッチ構
造を形成する２つのガス拡散電極３０と、このサンドイ
ッチ構造を両側から挟持する２つの集電極４０とから構
成される。
【００１６】電解質膜２０は、高分子材料、例えば、フ
ッ素系樹脂により形成された厚さ１００μｍないし２０
０μｍのイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝
導性を示す。２つのガス拡散電極３０は、表面をポリ四
フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理
されていない炭素繊維とを１対１の割合とした糸で織成
したカーボンクロスにより形成されている。ガス拡散電
極３０は、ポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈するか
ら、その表面が水で覆われてガスの透過を阻害すること
はない。このカーボンクロスの電解質膜２０側の表面お
よび隙間には、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練り込まれて触媒層３２が形
成されている（図２参照）。この電解質膜２０と２つの
ガス拡散電極３０は、２つのガス拡散電極３０が電解質
膜２０を挟んでサンドイッチ構造とした状態で、１００
℃ないし１６０℃好ましくは１１０℃ないし１３０℃の
温度で、１ＭＰａ｛１０．２kgf／cm2｝ないし２０ＭＰ
ａ｛１０２kgf／cm2｝好ましくは５ＭＰａ｛５１kgf／c
m2｝ないし１０ＭＰａ｛１０２kgf／cm2｝の圧力を作用
させて接合するホットプレス法により接合されている。
ッ素系樹脂により形成された厚さ１００μｍないし２０
０μｍのイオン交換膜であり、湿潤状態で良好な電気伝
導性を示す。２つのガス拡散電極３０は、表面をポリ四
フッ化エチレンでコーティングした炭素繊維と何等処理
されていない炭素繊維とを１対１の割合とした糸で織成
したカーボンクロスにより形成されている。ガス拡散電
極３０は、ポリ四フッ化エチレンが撥水性を呈するか
ら、その表面が水で覆われてガスの透過を阻害すること
はない。このカーボンクロスの電解質膜２０側の表面お
よび隙間には、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練り込まれて触媒層３２が形
成されている（図２参照）。この電解質膜２０と２つの
ガス拡散電極３０は、２つのガス拡散電極３０が電解質
膜２０を挟んでサンドイッチ構造とした状態で、１００
℃ないし１６０℃好ましくは１１０℃ないし１３０℃の
温度で、１ＭＰａ｛１０．２kgf／cm2｝ないし２０ＭＰ
ａ｛１０２kgf／cm2｝好ましくは５ＭＰａ｛５１kgf／c
m2｝ないし１０ＭＰａ｛１０２kgf／cm2｝の圧力を作用
させて接合するホットプレス法により接合されている。
【００１７】集電極４０は、カーボンを圧縮して緻密化
しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されてい
る。集電極４０のガス拡散電極３０と接触する図１中左
右の面（積層面）には、それぞれ平行に配置された複数
のリブ４２が、互いに直交する配置として形成されてい
る。このリブ４２が形成された積層面には、導電性の接
着剤５０、例えば、エポキシ系の接着剤やポリ四フッ化
エチレン等のフッ素系の樹脂にカーボンの粉体を混合し
たカーボンペースト等により、太さ５μｍ，長さ１００
μｍのカーボン短繊維５２が多数植毛されている。この
カーボン短繊維５２が植毛されたリブ４２は、ガス拡散
電極３０の表面とで酸素を含有する酸化ガスまたは水素
を含有する燃料ガスの流路をなすガス流路４４を形成す
る。なお、電解質膜２０および２つのガス拡散電極３０
を挟んで対峙する２つの集電極４０は、向かい合うそれ
ぞれのリブ４２が互いに直交するよう配置されている。
しガス不透過とした緻密質カーボンにより形成されてい
る。集電極４０のガス拡散電極３０と接触する図１中左
右の面（積層面）には、それぞれ平行に配置された複数
のリブ４２が、互いに直交する配置として形成されてい
る。このリブ４２が形成された積層面には、導電性の接
着剤５０、例えば、エポキシ系の接着剤やポリ四フッ化
エチレン等のフッ素系の樹脂にカーボンの粉体を混合し
たカーボンペースト等により、太さ５μｍ，長さ１００
μｍのカーボン短繊維５２が多数植毛されている。この
カーボン短繊維５２が植毛されたリブ４２は、ガス拡散
電極３０の表面とで酸素を含有する酸化ガスまたは水素
を含有する燃料ガスの流路をなすガス流路４４を形成す
る。なお、電解質膜２０および２つのガス拡散電極３０
を挟んで対峙する２つの集電極４０は、向かい合うそれ
ぞれのリブ４２が互いに直交するよう配置されている。
【００１８】実施例では、集電極４０を図３に例示する
工程図に基づいて形成した。以下この工程図に基づき集
電極４０の形成の様子について説明する。まず、リブ４
２が形成された集電極４０の基材の積層面に接着剤５０
を塗布する（ステップＳ１００）。続いて、集電極４０
をアース接続またはマイナスに帯電させると共にカーボ
ン短繊維５２をプラスに帯電させる（ステップＳ１１
０）。そして、アース接続またはマイナスに帯電させた
集電極４０の接着剤５０を塗布した積層面に、プラスに
帯電させたカーボン短繊維５２を散布する（ステップＳ
１２０）。すると、カーボン短繊維５２は、靜電誘導に
より集電極４０の積層面の接着剤５０に立つように植え
付けられる。続いて、集電極４０に塗布した接着剤５０
を温度１５０℃で３０分間乾燥して硬化させて（ステッ
プＳ１３０）、集電極４０を完成する。
工程図に基づいて形成した。以下この工程図に基づき集
電極４０の形成の様子について説明する。まず、リブ４
２が形成された集電極４０の基材の積層面に接着剤５０
を塗布する（ステップＳ１００）。続いて、集電極４０
をアース接続またはマイナスに帯電させると共にカーボ
ン短繊維５２をプラスに帯電させる（ステップＳ１１
０）。そして、アース接続またはマイナスに帯電させた
集電極４０の接着剤５０を塗布した積層面に、プラスに
帯電させたカーボン短繊維５２を散布する（ステップＳ
１２０）。すると、カーボン短繊維５２は、靜電誘導に
より集電極４０の積層面の接着剤５０に立つように植え
付けられる。続いて、集電極４０に塗布した接着剤５０
を温度１５０℃で３０分間乾燥して硬化させて（ステッ
プＳ１３０）、集電極４０を完成する。
【００１９】こうして構成された単電池１０を積層して
なる燃料電池は、電解質膜２０および２つのガス拡散電
極３０を挟んで対峙する一対のガス流路４４に酸化ガス
および燃料ガスを流せば、前述の反応式（１）および
（２）に示した電気化学反応を行ない、化学エネルギを
直接電気エネルギに変換する。
なる燃料電池は、電解質膜２０および２つのガス拡散電
極３０を挟んで対峙する一対のガス流路４４に酸化ガス
および燃料ガスを流せば、前述の反応式（１）および
（２）に示した電気化学反応を行ない、化学エネルギを
直接電気エネルギに変換する。
【００２０】次に単電池１０を積層してなる燃料電池が
運転されているときのガス流路４４内の様子について説
明する。まず、カソード極側のガス流路４４内の様子に
ついて説明する。カソード極側のガス流路４４には、燃
料電池が運転されると、電解質膜２０のカソード極側の
ガス拡散電極３０の表面で発生する水（式（１）参照）
がガス拡散電極３０を構成する何等処理されていない炭
素繊維によりガス流路４４側の表面に導かれる。カーボ
ン短繊維５２は、完全に乾いているときは若干の撥水性
を呈するが、一旦濡れるとそれ以後は親水性を呈する。
今、燃料電池の定常運転状態を考えれば、カーボン短繊
維５２は、発電により生じる水により濡れた状態となっ
て親水性を呈する。
運転されているときのガス流路４４内の様子について説
明する。まず、カソード極側のガス流路４４内の様子に
ついて説明する。カソード極側のガス流路４４には、燃
料電池が運転されると、電解質膜２０のカソード極側の
ガス拡散電極３０の表面で発生する水（式（１）参照）
がガス拡散電極３０を構成する何等処理されていない炭
素繊維によりガス流路４４側の表面に導かれる。カーボ
ン短繊維５２は、完全に乾いているときは若干の撥水性
を呈するが、一旦濡れるとそれ以後は親水性を呈する。
今、燃料電池の定常運転状態を考えれば、カーボン短繊
維５２は、発電により生じる水により濡れた状態となっ
て親水性を呈する。
【００２１】親水性を呈するカーボン短繊維５２は、ガ
ス流路４４内に生じた生成水に接触すると、この生成水
を引き寄せて、図４の説明図に示すように、カーボン短
繊維５２の毛根部付近に接着剤５０の表面を覆うような
保水皮膜６０を形成する。その後、ガス流路４４に生じ
る生成水は、カーボン短繊維５２と接触することにより
引き寄せられて保水皮膜６０に次々と取り込まれる。し
たがって、生成水が集まって大きな水滴になって酸化ガ
スのガス流路４４内の流れを阻害することがない。保水
皮膜６０に取り込まれた水は、その重力によりガス流路
４４から排出される他、保水皮膜６０表面およびカーボ
ン短繊維５２表面からガス流路４４を流れる酸化ガスに
気化してガス流路４４から排出される。酸化ガスへの気
化は、保水皮膜６０およびカーボン短繊維５２の表面全
体から行なわれるから、カーボン短繊維５２を植毛しな
い集電極に比して酸化ガスとの接触面積が大きくなり酸
化ガスへの気化によって排出される生成水の量は飛躍的
に増加する。
ス流路４４内に生じた生成水に接触すると、この生成水
を引き寄せて、図４の説明図に示すように、カーボン短
繊維５２の毛根部付近に接着剤５０の表面を覆うような
保水皮膜６０を形成する。その後、ガス流路４４に生じ
る生成水は、カーボン短繊維５２と接触することにより
引き寄せられて保水皮膜６０に次々と取り込まれる。し
たがって、生成水が集まって大きな水滴になって酸化ガ
スのガス流路４４内の流れを阻害することがない。保水
皮膜６０に取り込まれた水は、その重力によりガス流路
４４から排出される他、保水皮膜６０表面およびカーボ
ン短繊維５２表面からガス流路４４を流れる酸化ガスに
気化してガス流路４４から排出される。酸化ガスへの気
化は、保水皮膜６０およびカーボン短繊維５２の表面全
体から行なわれるから、カーボン短繊維５２を植毛しな
い集電極に比して酸化ガスとの接触面積が大きくなり酸
化ガスへの気化によって排出される生成水の量は飛躍的
に増加する。
【００２２】燃料電池が運転停止されると、ガス流路４
４には不活性ガス等が導入されて密閉されるのが通常で
あるので、燃料電池の運転停止中にカーボン短繊維５２
が完全に乾燥することはまずない。また、カーボン短繊
維５２が完全に乾燥しても、燃料電池の運転が継続され
ることにより、そのうち濡れて親水性を呈するから、上
述のように保水皮膜６０を形成して生成水をガス流路４
４から排出する。
４には不活性ガス等が導入されて密閉されるのが通常で
あるので、燃料電池の運転停止中にカーボン短繊維５２
が完全に乾燥することはまずない。また、カーボン短繊
維５２が完全に乾燥しても、燃料電池の運転が継続され
ることにより、そのうち濡れて親水性を呈するから、上
述のように保水皮膜６０を形成して生成水をガス流路４
４から排出する。
【００２３】一方、アノード極側のガス流路４４には、
飽和蒸気圧近くまで加湿された燃料ガスが流されるか
ら、単電池１０の運転状況によっては、過飽和となりガ
ス流路４４の形成面に水蒸気が結露する場合がある。こ
うした結露により生じる水は、カソード極側と同様に親
水性を呈するカーボン短繊維５２に引き寄せられて保水
皮膜６０を形成する。過剰の水がガス流路４４内に生じ
た場合には、保水皮膜６０内に取り込まれた水は、その
重力によりガス流路４４から排出される。また、燃料ガ
スの水蒸気圧が飽和水蒸気圧にまで至っていないときに
は、保水皮膜６０に取り込まれた水が保水皮膜６０の表
面およびカーボン短繊維５２の表面から燃料ガスに気化
し、燃料ガスの水蒸気圧を飽和水蒸気圧として、電解質
膜２０のアノード極側で不足する水の補給を促進する。
飽和蒸気圧近くまで加湿された燃料ガスが流されるか
ら、単電池１０の運転状況によっては、過飽和となりガ
ス流路４４の形成面に水蒸気が結露する場合がある。こ
うした結露により生じる水は、カソード極側と同様に親
水性を呈するカーボン短繊維５２に引き寄せられて保水
皮膜６０を形成する。過剰の水がガス流路４４内に生じ
た場合には、保水皮膜６０内に取り込まれた水は、その
重力によりガス流路４４から排出される。また、燃料ガ
スの水蒸気圧が飽和水蒸気圧にまで至っていないときに
は、保水皮膜６０に取り込まれた水が保水皮膜６０の表
面およびカーボン短繊維５２の表面から燃料ガスに気化
し、燃料ガスの水蒸気圧を飽和水蒸気圧として、電解質
膜２０のアノード極側で不足する水の補給を促進する。
【００２４】また、実施例の集電極４０では、リブ４２
のガス拡散電極３０と接触する端面４６にもカーボン短
繊維５２が植毛されている。このため、この端面４６と
接触するガス拡散電極３０の接触部３４と端面４６との
間に、カーボン短繊維５２による微小な隙間を有する層
が形成され、この層の隙間を介してガス流路４４の酸化
ガスまたは燃料ガスが接触部３４の内部に拡散する。ま
た、端面４６に植毛されたカーボン短繊維５２がガス拡
散電極３０を形成するカーボン繊維に絡みつくため、集
電極４０とガス拡散電極３０との接触抵抗が小さくな
る。さらに、ガス流路４４を形成するリブ４２の側面等
に植毛したカーボン短繊維５２は、ガス流路４４内の酸
化ガスまたは燃料ガスの流れを乱し、酸化ガスまたは燃
料ガスのガス拡散電極３０への拡散性を向上させる。
のガス拡散電極３０と接触する端面４６にもカーボン短
繊維５２が植毛されている。このため、この端面４６と
接触するガス拡散電極３０の接触部３４と端面４６との
間に、カーボン短繊維５２による微小な隙間を有する層
が形成され、この層の隙間を介してガス流路４４の酸化
ガスまたは燃料ガスが接触部３４の内部に拡散する。ま
た、端面４６に植毛されたカーボン短繊維５２がガス拡
散電極３０を形成するカーボン繊維に絡みつくため、集
電極４０とガス拡散電極３０との接触抵抗が小さくな
る。さらに、ガス流路４４を形成するリブ４２の側面等
に植毛したカーボン短繊維５２は、ガス流路４４内の酸
化ガスまたは燃料ガスの流れを乱し、酸化ガスまたは燃
料ガスのガス拡散電極３０への拡散性を向上させる。
【００２５】図５は、本実施例の単電池１０とカーボン
短繊維５２が植毛されていない単電池（以下「従来例の
単電池」という。）における電流密度とセル電圧との関
係を例示したグラフである。グラフ中、曲線Ａは単電池
１０の電流密度とセル電圧との関係を示し、曲線Ｃは従
来例の単電池の電流密度とセル電圧との関係を示す。な
お、曲線Ｂは、図６に示す単電池１１０の電流密度とセ
ル電圧との関係である。単電池１１０は、図１中の破線
円に相当する部分を拡大した図６に示すように、実施例
の単電池１０の変形例で、集電極１４０のリブ１４２の
端面１４６にカーボン短繊維５２が植毛されていない点
を除いて単電池１０と同一の構成を備える。
短繊維５２が植毛されていない単電池（以下「従来例の
単電池」という。）における電流密度とセル電圧との関
係を例示したグラフである。グラフ中、曲線Ａは単電池
１０の電流密度とセル電圧との関係を示し、曲線Ｃは従
来例の単電池の電流密度とセル電圧との関係を示す。な
お、曲線Ｂは、図６に示す単電池１１０の電流密度とセ
ル電圧との関係である。単電池１１０は、図１中の破線
円に相当する部分を拡大した図６に示すように、実施例
の単電池１０の変形例で、集電極１４０のリブ１４２の
端面１４６にカーボン短繊維５２が植毛されていない点
を除いて単電池１０と同一の構成を備える。
【００２６】図５のグラフに示すように、カーボン短繊
維５２を植毛した単電池１０は、植毛されていない従来
例の単電池に比して、その性能の著しい向上が認めら
る。リブ１４２の端面１４６にカーボン短繊維５２が植
毛されていない単電池１１０であっても、従来例の単電
池に比して十分な性能の向上が認めらる。
維５２を植毛した単電池１０は、植毛されていない従来
例の単電池に比して、その性能の著しい向上が認めら
る。リブ１４２の端面１４６にカーボン短繊維５２が植
毛されていない単電池１１０であっても、従来例の単電
池に比して十分な性能の向上が認めらる。
【００２７】以上説明した燃料電池によれば、集電極４
０のガス流路４４を形成する面にカーボン短繊維５２を
植毛したことにより、ガス流路４４に生じる水をガス流
路４４から確実に排出することができ、生成水による酸
化ガスまたは燃料ガスのガス拡散電極３０への拡散の阻
害を防止することができる。したがって、効率の良い燃
料電池とすることができる。
０のガス流路４４を形成する面にカーボン短繊維５２を
植毛したことにより、ガス流路４４に生じる水をガス流
路４４から確実に排出することができ、生成水による酸
化ガスまたは燃料ガスのガス拡散電極３０への拡散の阻
害を防止することができる。したがって、効率の良い燃
料電池とすることができる。
【００２８】また、リブ４２の端面４６にカーボン短繊
維５２を植毛したことにより、接触部３４と端面４６と
の接触部に微小な隙間を有する層を形成するので、この
層の隙間から酸化ガスまたは燃料ガスを接触部３４の内
部に拡散させることができる。このように接触部３４の
内部にまで酸化ガスまたは燃料ガスを拡散させるので、
電気化学反応に寄与するガス拡散電極３０の利用率を高
くして、単電池１０ひいては燃料電池の性能を向上させ
ることができる。さらに、リブ４２の端面４６のカーボ
ン短繊維５２がガス拡散電極３０を形成するカーボン繊
維に絡みつくので、接触抵抗を小さくすることができ、
内部抵抗の小さな燃料電池とすることができる。加え
て、ガス流路４４を形成するリブ４２の側面等に植毛し
たカーボン短繊維５２がガス流路４４の酸化ガスまたは
燃料ガスの流れを乱し、ガス拡散電極３０への拡散性を
向上させることができる。
維５２を植毛したことにより、接触部３４と端面４６と
の接触部に微小な隙間を有する層を形成するので、この
層の隙間から酸化ガスまたは燃料ガスを接触部３４の内
部に拡散させることができる。このように接触部３４の
内部にまで酸化ガスまたは燃料ガスを拡散させるので、
電気化学反応に寄与するガス拡散電極３０の利用率を高
くして、単電池１０ひいては燃料電池の性能を向上させ
ることができる。さらに、リブ４２の端面４６のカーボ
ン短繊維５２がガス拡散電極３０を形成するカーボン繊
維に絡みつくので、接触抵抗を小さくすることができ、
内部抵抗の小さな燃料電池とすることができる。加え
て、ガス流路４４を形成するリブ４２の側面等に植毛し
たカーボン短繊維５２がガス流路４４の酸化ガスまたは
燃料ガスの流れを乱し、ガス拡散電極３０への拡散性を
向上させることができる。
【００２９】なお、実施例では、太さ５μｍ，長さ１０
０μｍのカーボン短繊維５２を植毛したが、この太さお
よび長さに限定されるものでなく、太さは０．１μｍな
いし１００μｍ好ましくは１μｍないし１０μｍ，長さ
は１０μｍないし１ｍｍ好ましくは５０μｍないし３０
０μｍでよい。この太さおよび長さは、ガス流路４４の
幅および奥行きの大きさなどにより定まるものである。
０μｍのカーボン短繊維５２を植毛したが、この太さお
よび長さに限定されるものでなく、太さは０．１μｍな
いし１００μｍ好ましくは１μｍないし１０μｍ，長さ
は１０μｍないし１ｍｍ好ましくは５０μｍないし３０
０μｍでよい。この太さおよび長さは、ガス流路４４の
幅および奥行きの大きさなどにより定まるものである。
【００３０】また、実施例では、カーボン繊維をそのま
ま用いてカーボン短繊維５２としたが、カーボン繊維の
表面を親水処理したものを用いる構成も好適である。親
水処理の手法としては、架橋ポリアクリル酸塩等の高吸
水性樹脂やメタクリル樹脂等でカーボン繊維の表面をコ
ーティングする手法がある。このようにカーボン短繊維
５２の表面を親水処理すれば、カーボン短繊維５２が完
全に乾いた状態で運転を開始しても、カーボン短繊維５
２が撥水性を呈することがなく早期に保水皮膜６０を形
成することができる。
ま用いてカーボン短繊維５２としたが、カーボン繊維の
表面を親水処理したものを用いる構成も好適である。親
水処理の手法としては、架橋ポリアクリル酸塩等の高吸
水性樹脂やメタクリル樹脂等でカーボン繊維の表面をコ
ーティングする手法がある。このようにカーボン短繊維
５２の表面を親水処理すれば、カーボン短繊維５２が完
全に乾いた状態で運転を開始しても、カーボン短繊維５
２が撥水性を呈することがなく早期に保水皮膜６０を形
成することができる。
【００３１】実施例では、カーボン短繊維５２を集電極
４０のガス流路４４を形成する面に植毛したが、少なく
とも表面が親水性を呈する短繊維であれば、その材質は
カーボンに限られるものではない。例えば、導電性金属
により形成され表面が親水処理された短繊維でもよい。
また、図６に示した単電池１１０のように端面１４６に
カーボン短繊維５２を植毛しない構成とすれば、カーボ
ン短繊維５２に代えて導電性を有しない材料（例えば、
樹脂等）により形成され表面が親水処理された短繊維で
あってもかまわない。
４０のガス流路４４を形成する面に植毛したが、少なく
とも表面が親水性を呈する短繊維であれば、その材質は
カーボンに限られるものではない。例えば、導電性金属
により形成され表面が親水処理された短繊維でもよい。
また、図６に示した単電池１１０のように端面１４６に
カーボン短繊維５２を植毛しない構成とすれば、カーボ
ン短繊維５２に代えて導電性を有しない材料（例えば、
樹脂等）により形成され表面が親水処理された短繊維で
あってもかまわない。
【００３２】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、リン酸型燃料電池に適用する構成など、本
発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様
で実施し得ることは勿論である。
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、リン酸型燃料電池に適用する構成など、本
発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様
で実施し得ることは勿論である。
【００３３】
【発明の効果】以上説明したように本発明の第１の燃料
電池によれば、流路形成部材の燃料の流路を形成する面
に複数植立されたカーボンにより形成された短繊維が燃
料の流路内に生じる水を引き寄せて燃料の流路を形成す
る面の表面付近に保水層を形成すると共に、燃料と生成
水との接触面積を大きくして水の燃料への気化を促進す
るので、燃料の流路内に生じる水を燃料の流路から排出
することができる。したがって、燃料の流路内に生じる
水により燃料の電極への拡散が阻害されることがなく、
燃料電池の運転効率を高く維持することができる。
電池によれば、流路形成部材の燃料の流路を形成する面
に複数植立されたカーボンにより形成された短繊維が燃
料の流路内に生じる水を引き寄せて燃料の流路を形成す
る面の表面付近に保水層を形成すると共に、燃料と生成
水との接触面積を大きくして水の燃料への気化を促進す
るので、燃料の流路内に生じる水を燃料の流路から排出
することができる。したがって、燃料の流路内に生じる
水により燃料の電極への拡散が阻害されることがなく、
燃料電池の運転効率を高く維持することができる。
【００３４】カーボンにより形成された短繊維の表面を
親水処理した燃料電池によれば、表面が親水処理された
短繊維が保水層の形成を促進するので、燃料の流路内に
生じる水を燃料の流路から速やかに排出することができ
る。
親水処理した燃料電池によれば、表面が親水処理された
短繊維が保水層の形成を促進するので、燃料の流路内に
生じる水を燃料の流路から速やかに排出することができ
る。
【００３５】本発明の第２の燃料電池によれば、流路形
成部材の燃料の流路を形成する面に複数植立された親水
性を呈する短繊維が燃料の流路内に生じる水を引き寄せ
て燃料の流路を形成する面の表面付近に保水層を形成す
ると共に、燃料と生成水との接触面積を大きくして水の
燃料への気化を促進するので、燃料の流路内に生じる水
を燃料の流路から排出することができる。したがって、
燃料の流路内に生じる水により燃料の電極への拡散が阻
害されることがなく、燃料電池の運転効率を高く維持す
ることができる。
成部材の燃料の流路を形成する面に複数植立された親水
性を呈する短繊維が燃料の流路内に生じる水を引き寄せ
て燃料の流路を形成する面の表面付近に保水層を形成す
ると共に、燃料と生成水との接触面積を大きくして水の
燃料への気化を促進するので、燃料の流路内に生じる水
を燃料の流路から排出することができる。したがって、
燃料の流路内に生じる水により燃料の電極への拡散が阻
害されることがなく、燃料電池の運転効率を高く維持す
ることができる。
【図１】本発明の好適な一実施例である燃料電池を構成
する単電池１０の構成を例示する説明図である。
する単電池１０の構成を例示する説明図である。
【図２】図１中の破線円の部分を拡大して示した拡大説
明図である。
明図である。
【図３】集電極４０の形成の様子を例示する工程図であ
る。
る。
【図４】カーボン短繊維５２の毛根部付近に形成される
保水皮膜６０の様子を例示する説明図である。
保水皮膜６０の様子を例示する説明図である。
【図５】単電池１０と従来例の単電池における電流密度
とセル電圧との関係を例示したグラフである。
とセル電圧との関係を例示したグラフである。
【図６】実施例の単電池１０の変形例である単電池１１
０の一部を拡大して示した拡大説明図である。
０の一部を拡大して示した拡大説明図である。
１０…単電池 ２０…電解質膜 ３０…ガス拡散電極 ３２…触媒層 ３４…接触部 ４０…集電極 ４２…リブ ４４…ガス流路 ４６…端面 ５０…接着剤 ５２…カーボン短繊維 ６０…保水皮膜 １１０…単電池 １４０…集電極 １４２…リブ １４６…端面
Claims (3)
- 【請求項１】 電解質層と、該電解質層を挟持して発電
層を形成する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料
の流路を形成する流路形成部材と、を備えた燃料電池で
あって、 前記流路形成部材は、前記流路を形成する面にカーボン
により形成された短繊維を複数植立してなる燃料電池。 - 【請求項２】 前記短繊維は、少なくとも表面が親水性
を呈するよう親水処理してなる短繊維である請求項２記
載の燃料電池。 - 【請求項３】 電解質層と、該電解質層を挟持して発電
層を形成する電極と、該発電層を挟持し該電極とで燃料
の流路を形成する流路形成部材と、を備えた燃料電池で
あって、 前記流路形成部材は、前記流路を形成する面に、少なく
とも表面が親水性を呈する短繊維を複数植立してなる燃
料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6289245A JPH08130025A (ja) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6289245A JPH08130025A (ja) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08130025A true JPH08130025A (ja) | 1996-05-21 |
Family
ID=17740663
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6289245A Pending JPH08130025A (ja) | 1994-10-28 | 1994-10-28 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08130025A (ja) |
Cited By (17)
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-
1994
- 1994-10-28 JP JP6289245A patent/JPH08130025A/ja active Pending
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