JPH09161827A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JPH09161827A JPH09161827A JP7321452A JP32145295A JPH09161827A JP H09161827 A JPH09161827 A JP H09161827A JP 7321452 A JP7321452 A JP 7321452A JP 32145295 A JP32145295 A JP 32145295A JP H09161827 A JPH09161827 A JP H09161827A
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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
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Sustainable Energy (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【課題】集電突起を備えたセパレータとの接触部におい
て電極基材が破断する恐れがなく、安定して運転できる
ものとする。 【解決手段】固体高分子電解質体の両主面に、触媒層と
電極基材からなる電極を配し、さらにその両外面に、先
端が電極の電極基材に接する集電突起を備え且つ集電突
起と集電突起との間に反応ガスの通流路を形成するセパ
レータを配して構成される単セルを用いるものにおい
て、セパレータ８Ａに備えられた集電突起１４Ａの燃料
極基材３と接する先端の両側の突起端部１６Ａを丸味形
状に形成する。
て電極基材が破断する恐れがなく、安定して運転できる
ものとする。 【解決手段】固体高分子電解質体の両主面に、触媒層と
電極基材からなる電極を配し、さらにその両外面に、先
端が電極の電極基材に接する集電突起を備え且つ集電突
起と集電突起との間に反応ガスの通流路を形成するセパ
レータを配して構成される単セルを用いるものにおい
て、セパレータ８Ａに備えられた集電突起１４Ａの燃料
極基材３と接する先端の両側の突起端部１６Ａを丸味形
状に形成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電解質として固体
高分子電解質体を用いる固体高分子電解質型燃料電池の
単セルに係わり、特に電極とセパレータの接触部の構造
に関する。
高分子電解質体を用いる固体高分子電解質型燃料電池の
単セルに係わり、特に電極とセパレータの接触部の構造
に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は、固体高
分子電解質体の両主面に燃料極（アノード）と酸化剤極
（カソード）を配して形成される。固体高分子電解質体
には、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交
換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロカ
ーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合
膜、フロロカーボンマトリックスにトリフロロエチレン
をグラフト化したもの、あるいはパーフルオロスルホン
酸樹脂膜などが用いられる。
分子電解質体の両主面に燃料極（アノード）と酸化剤極
（カソード）を配して形成される。固体高分子電解質体
には、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交
換膜をカチオン導電性膜として使用したもの、フロロカ
ーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合
膜、フロロカーボンマトリックスにトリフロロエチレン
をグラフト化したもの、あるいはパーフルオロスルホン
酸樹脂膜などが用いられる。
【０００３】固体高分子電解質体は、分子中にプロトン
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で 20 Ωcm以下の比抵抗を示し、プロトン導電
性電解質として機能する。各電極においては気相、液
相、固相の三相界面が形成され、アノードにおいては下
記（１）式の、またカソードにおいては下記（２）式の
反応が起こる。
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で 20 Ωcm以下の比抵抗を示し、プロトン導電
性電解質として機能する。各電極においては気相、液
相、固相の三相界面が形成され、アノードにおいては下
記（１）式の、またカソードにおいては下記（２）式の
反応が起こる。
【０００４】
【化１】Ｈ2 ＝ ２Ｈ+ ＋２ｅ- （１） 1/2 Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- ＝Ｈ2Ｏ （２） すなわち、アノードにおいては、外部より供給された水
素ガスからプロトンと電子が生成する。生成されたプロ
トンはイオン交換膜内をカソードに向かって移動し、電
子は外部回路を経てカソードへ移動する。カソードにお
いては、外部より供給された酸素ガスと、イオン交換膜
内をアノードより移動してきたプロトンおよび外部回路
を経て移動してきた電子とが反応し、水を生成する。
素ガスからプロトンと電子が生成する。生成されたプロ
トンはイオン交換膜内をカソードに向かって移動し、電
子は外部回路を経てカソードへ移動する。カソードにお
いては、外部より供給された酸素ガスと、イオン交換膜
内をアノードより移動してきたプロトンおよび外部回路
を経て移動してきた電子とが反応し、水を生成する。
【０００５】図３は、従来の固体高分子電解質型燃料電
池の単セルの構造を模式的に示す断面図である。平板状
の固体高分子電解質体１の両主面に、多孔質の導電性材
料からなる燃料極基材３の上に燃料極触媒層２を積層し
てなる平板状の燃料極４と、多孔質の導電性材料からな
る酸化剤極基材６の上に酸化剤極触媒層５を積層してな
る同じく平板状の酸化剤極７とを配して熱圧着し、その
両外面に配した導電性材料からなるセパレータ８とセパ
レータ９により挟持して固定されており、シール１３に
より気密に保持されている。
池の単セルの構造を模式的に示す断面図である。平板状
の固体高分子電解質体１の両主面に、多孔質の導電性材
料からなる燃料極基材３の上に燃料極触媒層２を積層し
てなる平板状の燃料極４と、多孔質の導電性材料からな
る酸化剤極基材６の上に酸化剤極触媒層５を積層してな
る同じく平板状の酸化剤極７とを配して熱圧着し、その
両外面に配した導電性材料からなるセパレータ８とセパ
レータ９により挟持して固定されており、シール１３に
より気密に保持されている。
【０００６】セパレータ８の燃料極４の側の主面には、
先端が燃料極基材３に接する複数の集電突起１４と、そ
の間に形成される燃料ガス通流溝１０とが備えられてお
り、燃料ガス通流溝１０に通流することにより、多孔質
の燃料極基材３を拡散して燃料極触媒層２へと燃料ガス
（水素）が供給される。また、電気的な接続は、導電性
材料からなるセパレータ８の集電突起１４と導電性材料
からなる燃料極基材３との接触により保持されている。
同様に、セパレータ９の酸化剤極７の側の主面には、先
端が酸化剤極基材６に接する複数の集電突起１５と、そ
の間に形成される酸化剤ガス通流溝１１とが備えられて
おり、酸化剤ガス通流溝１１に通流することにより酸化
剤極触媒層５へと酸化剤ガスが供給され、集電突起１５
と酸化剤極基材６との接触により電気的な接続が保持さ
れている。さらに、二つのセパレータの外面には冷却水
を流す冷却水通流溝１２が備えられており、70〜80℃の
冷却水を供給することにより、運転開始時には単セルを
加熱して温度を上昇させ、定常運転時には電気化学反応
に伴う発熱を吸収して温度上昇を抑制し単セルの温度を
70〜80℃の所定温度に維持する役割をはたしている。
先端が燃料極基材３に接する複数の集電突起１４と、そ
の間に形成される燃料ガス通流溝１０とが備えられてお
り、燃料ガス通流溝１０に通流することにより、多孔質
の燃料極基材３を拡散して燃料極触媒層２へと燃料ガス
（水素）が供給される。また、電気的な接続は、導電性
材料からなるセパレータ８の集電突起１４と導電性材料
からなる燃料極基材３との接触により保持されている。
同様に、セパレータ９の酸化剤極７の側の主面には、先
端が酸化剤極基材６に接する複数の集電突起１５と、そ
の間に形成される酸化剤ガス通流溝１１とが備えられて
おり、酸化剤ガス通流溝１１に通流することにより酸化
剤極触媒層５へと酸化剤ガスが供給され、集電突起１５
と酸化剤極基材６との接触により電気的な接続が保持さ
れている。さらに、二つのセパレータの外面には冷却水
を流す冷却水通流溝１２が備えられており、70〜80℃の
冷却水を供給することにより、運転開始時には単セルを
加熱して温度を上昇させ、定常運転時には電気化学反応
に伴う発熱を吸収して温度上昇を抑制し単セルの温度を
70〜80℃の所定温度に維持する役割をはたしている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】図４は、従来の固体高
分子電解質型燃料電池の単セルの要部拡大断面図で、燃
料極基材３と集電突起１４との接触部を模式的に示した
ものである。前述のようにセパレータ８と燃料極４との
電気的接続は、集電突起１４と燃料極基材３との接触に
より保持されているので、接触電気抵抗が小さくなるよ
うに接触圧力を加えた状態で組み立てられている。した
がって、図４に示したように、多孔質材料からなる燃料
極基材３の集電突起１４に面する部分は圧縮され、集電
突起１４に面しない部分は燃料ガス通流溝１０へ凸とな
るように変形される。一方、従来の集電突起１４は、加
工が容易で加工工数の少ない方形断面形状が用いられて
おり、集電突起１４の先端の両端の突起端部１６は直角
状に形成されているので、燃料極基材３の突起端部１６
に接する部分には応力集中が生じて多大な応力が加わる
こととなる。すなわち、従来の構成においては、応力が
過大になると燃料極基材３が破断して集電機能を損なう
事態となり、さらには燃料極基材３が燃料ガス通流溝１
０へ飛び出してガスの通流を妨げる事態を引き起こす危
険性がある。なお、この難点は、燃料極基材３と集電突
起１４との接触部のみならず、酸化剤極基材６とセパレ
ータ９の集電突起１５との接触部においても生じる。
分子電解質型燃料電池の単セルの要部拡大断面図で、燃
料極基材３と集電突起１４との接触部を模式的に示した
ものである。前述のようにセパレータ８と燃料極４との
電気的接続は、集電突起１４と燃料極基材３との接触に
より保持されているので、接触電気抵抗が小さくなるよ
うに接触圧力を加えた状態で組み立てられている。した
がって、図４に示したように、多孔質材料からなる燃料
極基材３の集電突起１４に面する部分は圧縮され、集電
突起１４に面しない部分は燃料ガス通流溝１０へ凸とな
るように変形される。一方、従来の集電突起１４は、加
工が容易で加工工数の少ない方形断面形状が用いられて
おり、集電突起１４の先端の両端の突起端部１６は直角
状に形成されているので、燃料極基材３の突起端部１６
に接する部分には応力集中が生じて多大な応力が加わる
こととなる。すなわち、従来の構成においては、応力が
過大になると燃料極基材３が破断して集電機能を損なう
事態となり、さらには燃料極基材３が燃料ガス通流溝１
０へ飛び出してガスの通流を妨げる事態を引き起こす危
険性がある。なお、この難点は、燃料極基材３と集電突
起１４との接触部のみならず、酸化剤極基材６とセパレ
ータ９の集電突起１５との接触部においても生じる。
【０００８】本発明は、上記のごとき従来技術の難点を
考慮してなされたもので、その目的は、セパレータとの
接触部において電極基材が破断する恐れがなく、安定し
て運転できる固体高分子電解質型燃料電池を提供するこ
とにある。
考慮してなされたもので、その目的は、セパレータとの
接触部において電極基材が破断する恐れがなく、安定し
て運転できる固体高分子電解質型燃料電池を提供するこ
とにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、平板状の固体高分子電解質体
の両主面に、電極基材の内面に触媒層を積層してなる平
板状の電極を配して挟持し、その両外面に、先端が電極
基材と接して配される複数の集電突起を備え且つ集電突
起と集電突起との間に形成される溝部を反応ガス通流路
とする一組のセパレータを配し、構成される単セルを用
いる固体高分子電解質型燃料電池において、 (1) 電極基材と接するセパレータの集電突起の先端の両
端の突起端部を、丸味形状に形成することとする。
めに、本発明においては、平板状の固体高分子電解質体
の両主面に、電極基材の内面に触媒層を積層してなる平
板状の電極を配して挟持し、その両外面に、先端が電極
基材と接して配される複数の集電突起を備え且つ集電突
起と集電突起との間に形成される溝部を反応ガス通流路
とする一組のセパレータを配し、構成される単セルを用
いる固体高分子電解質型燃料電池において、 (1) 電極基材と接するセパレータの集電突起の先端の両
端の突起端部を、丸味形状に形成することとする。
【００１０】(2) あるいは、電極基材と接するセパレー
タの集電突起を、根元より先端が狭い台形状断面を備え
るものとして形成することとする。上記のごとくとすれ
ば、セパレータの集電突起と電極基材との間に接触圧力
を加えて組み立てても、集電突起の両端部に面する電極
基材部分における応力集中は、従来に比較して大幅に緩
和され、破断が防止されることとなる。
タの集電突起を、根元より先端が狭い台形状断面を備え
るものとして形成することとする。上記のごとくとすれ
ば、セパレータの集電突起と電極基材との間に接触圧力
を加えて組み立てても、集電突起の両端部に面する電極
基材部分における応力集中は、従来に比較して大幅に緩
和され、破断が防止されることとなる。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体高分子電解
質型燃料電池の第１の実施の形態を示す単セルの要部拡
大断面図で、燃料極基材と集電突起との接触部を模式的
に示したものである。本構成の従来例との相違点は、セ
パレータ８Ａに設けられた集電突起１４Ａの先端の両側
の突起端部１６Ａが丸味形状に形成されていることにあ
る。したがって、集電突起１４Ａと燃料極基材３との接
触電気抵抗が小さくなるように接触圧力を加えても、燃
料極基材３の突起端部１６Ａに面する部分へ加わる応力
は、従来例のように集中することなく分散されることと
なるので、燃料極基材３の破断、あるいは燃料ガス通流
溝１０Ａの閉塞による流量のアンバランスを生じる危険
性が回避され、安定して運転できることとなる。
質型燃料電池の第１の実施の形態を示す単セルの要部拡
大断面図で、燃料極基材と集電突起との接触部を模式的
に示したものである。本構成の従来例との相違点は、セ
パレータ８Ａに設けられた集電突起１４Ａの先端の両側
の突起端部１６Ａが丸味形状に形成されていることにあ
る。したがって、集電突起１４Ａと燃料極基材３との接
触電気抵抗が小さくなるように接触圧力を加えても、燃
料極基材３の突起端部１６Ａに面する部分へ加わる応力
は、従来例のように集中することなく分散されることと
なるので、燃料極基材３の破断、あるいは燃料ガス通流
溝１０Ａの閉塞による流量のアンバランスを生じる危険
性が回避され、安定して運転できることとなる。
【００１２】図２は、本発明の固体高分子電解質型燃料
電池の第２の実施の形態を示す単セルの要部拡大断面図
で、燃料極基材と集電突起との接触部の他の実施例を模
式的に示したものである。本構成においては、セパレー
タ８Ｂに設けられた集電突起１４Ｂが、根元より先端が
狭い台形状断面を備えるものとして形成されている。し
たがって、集電突起１４Ｂの先端の両側の突起端部１６
Ｂは鈍角をなして燃料極基材３と接することとなり、燃
料極基材３の突起端部１６Ｂに面する部分へ加わる応力
が緩和されることとなる。本構成による応力の緩和効果
は図１の構成に比較すると小さいが、本構成の加工は容
易で、加工コストが安いという利点がある。また、本構
成の台形状の集電突起１４Ｂは、従来の方形状の集電突
起１４に比べて本質的に強度が高くなるので、燃料極基
材３と接する部分の幅Ｈを従来より狭く形成できること
となり、これに対応して燃料ガス通流溝１０Ｂの燃料極
基材３と接する部分の幅を広くとる、したがって燃料ガ
スの拡散面積を広くとることが出来ることとなるので、
単位面積当たりの出力を向上できる利点ももつ。
電池の第２の実施の形態を示す単セルの要部拡大断面図
で、燃料極基材と集電突起との接触部の他の実施例を模
式的に示したものである。本構成においては、セパレー
タ８Ｂに設けられた集電突起１４Ｂが、根元より先端が
狭い台形状断面を備えるものとして形成されている。し
たがって、集電突起１４Ｂの先端の両側の突起端部１６
Ｂは鈍角をなして燃料極基材３と接することとなり、燃
料極基材３の突起端部１６Ｂに面する部分へ加わる応力
が緩和されることとなる。本構成による応力の緩和効果
は図１の構成に比較すると小さいが、本構成の加工は容
易で、加工コストが安いという利点がある。また、本構
成の台形状の集電突起１４Ｂは、従来の方形状の集電突
起１４に比べて本質的に強度が高くなるので、燃料極基
材３と接する部分の幅Ｈを従来より狭く形成できること
となり、これに対応して燃料ガス通流溝１０Ｂの燃料極
基材３と接する部分の幅を広くとる、したがって燃料ガ
スの拡散面積を広くとることが出来ることとなるので、
単位面積当たりの出力を向上できる利点ももつ。
【００１３】なお、図１に示した例では、方形状の集電
突起１４Ａの先端の両側の突起端部１６Ａが丸味形状に
形成されたものを例示しているが、集電突起の形状は方
形状に限るものではなく、例えば図２に示したごとき台
形状のものであっても同様の効果が得られることは、図
示するまでもなくあきらかである。
突起１４Ａの先端の両側の突起端部１６Ａが丸味形状に
形成されたものを例示しているが、集電突起の形状は方
形状に限るものではなく、例えば図２に示したごとき台
形状のものであっても同様の効果が得られることは、図
示するまでもなくあきらかである。
【００１４】
【発明の効果】上述のように、本発明では、 (1) 固体高分子電解質型燃料電池を請求項１に記載した
ごとき構成とすることとしたので、集電突起の両端部に
面する電極基材部分に働く応力が分散され、従来に比較
して大幅に低減したので、電極基材の破断の恐れがな
く、安定して運転できる固体高分子電解質型燃料電池が
得られることとなった。
ごとき構成とすることとしたので、集電突起の両端部に
面する電極基材部分に働く応力が分散され、従来に比較
して大幅に低減したので、電極基材の破断の恐れがな
く、安定して運転できる固体高分子電解質型燃料電池が
得られることとなった。
【００１５】(2) さらに、請求項２のごとき構成とすれ
ば、集電突起の両端部に面する電極基材部分に働く応力
集中が従来に比較して大幅に緩和されるので、電極基材
の破断の恐れがなく、安定して運転できる固体高分子電
解質型燃料電池として好適である。
ば、集電突起の両端部に面する電極基材部分に働く応力
集中が従来に比較して大幅に緩和されるので、電極基材
の破断の恐れがなく、安定して運転できる固体高分子電
解質型燃料電池として好適である。
【図１】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第１の
実施の形態の単セルの燃料極基材と集電突起との接触部
を模式的に示す要部拡大断面図
実施の形態の単セルの燃料極基材と集電突起との接触部
を模式的に示す要部拡大断面図
【図２】本発明の固体高分子電解質型燃料電池の第２の
実施の形態の単セルの燃料極基材と集電突起との接触部
を模式的に示す要部拡大断面図
実施の形態の単セルの燃料極基材と集電突起との接触部
を模式的に示す要部拡大断面図
【図３】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単セルの
構造を示す模式断面図
構造を示す模式断面図
【図４】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単セルの
燃料極基材と集電突起との接触部を模式的に示す要部拡
大断面図
燃料極基材と集電突起との接触部を模式的に示す要部拡
大断面図
１ 固体高分子電解質体 ２ 燃料極触媒層 ３ 燃料極基材 ４ 燃料極 ５ 酸化剤極触媒層 ６ 酸化剤極基材 ７ 酸化剤極 ８，８Ａ，８Ｂ セパレータ（燃料極側） ９ セパレータ（酸化剤極側） １０，１０Ａ，１０Ｂ 燃料ガス通流溝 １１ 酸化剤ガス通流溝 １２ 冷却水通流溝 １４，１４Ａ，１４Ｂ 集電突起（燃料極側） １６，１６Ａ，１６Ｂ 突起端部（燃料極側）
Claims (2)
- 【請求項１】平板状の固体高分子電解質体の両主面に、
電極基材の内面に触媒層を積層してなる平板状の電極を
配して挟持し、その両外面に、先端が電極基材と接して
配される複数の集電突起を備え且つ集電突起と集電突起
との間に形成される溝部を反応ガス通流路とする一組の
セパレータを配し、構成される単セルを用いる固体高分
子電解質型燃料電池において、電極基材と接するセパレ
ータの集電突起の先端の両端の突起端部が丸味形状に形
成されてなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池。 - 【請求項２】平板状の固体高分子電解質体の両主面に、
電極基材の内面に触媒層を積層してなる平板状の電極を
配して挟持し、その両外面に、先端が電極基材と接して
配される複数の集電突起を備え且つ集電突起と集電突起
との間に形成される溝部を反応ガス通流路とする一組の
セパレータを配し、構成される単セルを用いる固体高分
子電解質型燃料電池において、電極基材と接するセパレ
ータの集電突起が、根元より先端が狭い台形状断面を備
えるものとして形成されてなることを特徴とする固体高
分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7321452A JPH09161827A (ja) | 1995-12-11 | 1995-12-11 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7321452A JPH09161827A (ja) | 1995-12-11 | 1995-12-11 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09161827A true JPH09161827A (ja) | 1997-06-20 |
Family
ID=18132725
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7321452A Pending JPH09161827A (ja) | 1995-12-11 | 1995-12-11 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09161827A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001043217A1 (fr) * | 1999-12-06 | 2001-06-14 | Hitachi Chemical Company, Ltd. | Cellule electrochimique, separateur pour cellule electrochimique et procede de fabrication |
| JP2002184431A (ja) * | 2000-12-15 | 2002-06-28 | Aisin Seiki Co Ltd | 燃料電池用セパレータおよび燃料電池 |
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| CN112771700A (zh) * | 2018-09-18 | 2021-05-07 | 上海旭济动力科技有限公司 | 流体引导流路及具备该流体引导流路的燃料电池 |
-
1995
- 1995-12-11 JP JP7321452A patent/JPH09161827A/ja active Pending
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