JPH0963623A - 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

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JPH0963623A
JPH0963623A JP7213151A JP21315195A JPH0963623A JP H0963623 A JPH0963623 A JP H0963623A JP 7213151 A JP7213151 A JP 7213151A JP 21315195 A JP21315195 A JP 21315195A JP H0963623 A JPH0963623 A JP H0963623A
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JP
Japan
Prior art keywords
gas
fastening plate
solid polymer
fitting
fuel cell
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Pending
Application number
JP7213151A
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English (en)
Inventor
Yasuhito Tanaka
泰仁 田中
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Fuji Electric Co Ltd
Original Assignee
Fuji Electric Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Abstract

(57)【要約】 【課題】締結板を通流する際の反応ガスの温度低下を防
止する。 【解決手段】一端にガス配管取り付け用のネジ21、他
端にはシール溝20を有して締結板17の支持孔17A
に装着される熱絶縁性のフィッティング18,19を備
える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は固体高分子電解質
型燃料電池の構造に係り、特に締結板における反応ガス
通流の構造に関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は固体高分
子電解質膜の二つの主面にそれぞれ電極であるアノード
とカソードを配して形成される。アノードまたはカソー
ドの各電極は電極基材上に電極触媒層を配している。固
体高分子電解質膜(固体高分子膜と略称する)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、あるいはフ
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
フト化したものなどが知られているが最近ではパーフロ
ロカーボンスルホン酸膜を用いて燃料電池の長寿命化を
図ったものが知られるに至った。
【0003】固体高分子電解質膜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20Ω・cm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。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノード(燃料極)またはカソード(空
気極)の電極においては三相界面が形成され電気化学反
応が起こる。
【0004】アノードでは(1)式の反応が起こる。 H2 =2H+ +2e (1) カソードでは(2)式の反応が起こる。 1/2O2 +2H+ +2e=H2 O (2) つまりアノードにおいては系の外部より供給された水素
がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオ
ン交換膜中をカソードに向かって移動し電子は外部回路
を通ってカソードに移動する。一方カソードにおいては
系の外部より供給された酸素とイオン交換膜中をアノー
ドより移動してきたプロトンと外部回路より移動してき
た電子が反応し、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
の単セルを示す断面図である。アノード1Bおよびカソ
ード1Cは厚さ100μmの固体高分子電解質膜1Aの
両主面に接して積層され固体高分子膜/電極集合体1を
構成する。電極の厚さは300μmである。電極は前述
のように電極基材上に電極触媒層を配して構成されるが
この電極触媒層は一般に微小な粒子状の白金触媒と水に
対する撥水性を有するフッ素樹脂から構成されており、
三相界面と反応ガスの効率的な拡散を維持するための細
孔が十分形成される。電極基材は前記触媒層を支持す
る。
【0006】電極の配置された固体高分子電解質膜1A
の外側には反応ガスを外部から導いてアノード1Bまた
はカソード1Cに供給する一対の例えばカーボンからな
るセパレータ2A,2Bが設けられる。セパレータ2
A,2Bはその主面に反応ガスを導く燃料ガス室3Aま
たは酸化剤ガス室3Bを備えるガス不透過性板である。
燃料ガス室3Aまたは酸化剤ガス室3Bの寸法は深さ1
mm,幅員1mmである。セパレータ2A,2Bには図
示しない燃料ガス供給孔、酸化剤ガス供給孔、燃料ガス
排出孔、酸化剤ガス排出孔が設けられる。固体高分子膜
/電極集合体1はセパレータ2Aと2Bによりガスシー
ル5を介して挟まれ固体高分子膜/電極集合体1を構成
する。ガスシール5は図示しない切り込みを備え、固体
高分子膜/電極集合体1への燃料ガスと酸化剤ガスの選
択的な供給、排出を行う。
【0007】図4は従来の締結板を示す斜視図である。
締結板10は金属からなる中実板であり締結ボルトが間
挿する貫通孔16と反応ガス供給孔14と反応ガス排出
孔15を備える。反応ガス供給孔14はシール溝14A
とガス配管の取り付けネジ14Bを備える。14Cはガ
ス口である。反応ガス排出孔15はシール溝15Aとガ
ス配管の取り付けネジ15Bとガス口15Cを備える。
【0008】図5は従来の固体高分子電解質型燃料電池
を示す斜視図である。単セル6は複数個が積層されて単
セル集合体となり、集電板8は上記単セル集合体の電流
を取り出す。電気絶縁板9は単セル集合体と締結板10
を絶縁する。電池集合体は締結板10と締結ボルト1
1,締結具13,皿バネ12を用い組み立てられる。単
セル6内では反応ガスは鉛直方向に流れる。
【0009】固体高分子電解質型燃料電池の運転温度は
固体高分子電解質膜の電気抵抗を小さくして発電効率を
高めるために通常50ないし100℃の温度で運転され
る。この単セルの発生する電圧は1V以下であるので、
実用上は電圧を高めるために前記単セルを複数個直列に
積層してスタックとして使用される。燃料電池では、一
般に発生電力にほぼ相当する熱量を熱として発生し、こ
の熱により単セルを多数積層したスタックにおいてはス
タック内に温度の分布が生じる。そこでスタックでは、
冷却板を内蔵してスタックの温度を単セルの面方向,積
層方向にできるだけ均一になるようにする。ここで一般
に冷却媒体としては水、空気等が用いられる。冷却板は
冷却媒体を供給することで余剰熱を除去して冷却をす
る。
【0010】前述のとおり固体高分子電解質型燃料電池
では、固体高分子電解質膜1Aを飽和に含水させること
により膜の比抵抗が小さくなり、膜はプロトン導電性電
解質として機能する。したがって、固体高分子電解質型
燃料電池の発電効率を高く維持するためには、膜の含水
状態を飽和状態に維持することが必要である。膜の乾燥
を防いで発電効率を維持するために、反応ガスには水蒸
気が添加され、膜からガスへの水の蒸発が抑えられる。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の固体高分子電解質型燃料電池にあっては次のよ
うな問題点がある。すなわち各単電池の温度制御に対し
て、集電板と接する単電池の熱が集電板と電気絶縁板を
伝わり締結板に伝熱する。このために燃料電池端部であ
る締結板で大気中に熱が放熱され、集電板と接する両端
の単電池の温度が低下し両端の単電池の発電効率が低下
する。特に発電面積を拡大した場合に放熱量が増加し、
集電板と接する両端の単電池の発電効率低下が増加する
欠点がある。また締結板のガス供給口とガス排気口内を
ガスが通過する際に、ガス供給口とガス排気口が締結板
と一体であるため、締結板が反応ガスの温度を奪いガス
の温度低下が起こり、締結板の内部に水滴が発生する。
発生した水滴はガス入口側に最も近い単電池のガス溝に
流れ込み、ガス溝を封鎖し、単電池の発電効率を低下さ
せる。
【0012】この発明は上述の点に鑑みてなされその目
的は、締結板による反応ガスの冷却を防止し、さらに集
電板と電気絶縁板による伝熱を低減するとともに締結板
のガス供給口とガス排気口内での水滴発生を防止して発
電効率に優れる固体高分子電解質型燃料電池を提供する
ことにある。
【0013】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば固体高分子電解質膜とその両面に配設された電極
からなる固体高分子膜/電極集合体を反応ガス供給孔と
反応ガス排出孔を備えた二つのセパレータで挟んで単セ
ルを構成し、該単セルの複数個を二つの締結板の間にお
いて積層し締結ボルトを介して締結してスタックを形成
し、前記スタックに締結板を介して燃料ガスと酸化剤ガ
スの反応ガスを供給する固体高分子電解質型燃料電池に
おいて、一端にガス配管取り付け用のネジ、他端にはシ
ール溝を有して締結板の支持孔に装着される熱絶縁性の
フィッティングを備えるとすることにより達成される。
【0014】上述の発明においてフィッティングはシー
ル溝を有する端部が締結板の主面より突出して締結板の
支持孔に装着されるとすること、またはフィッティング
は撥水性であるとすることが有効である。フィッティン
グを用いて反応ガスを通流させると、フィッティングは
熱伝導率が低いので反応ガスが直接締結板の内部を通流
する場合に比較して反応ガスが締結板により冷却される
度合が少なくなる。
【0015】フィッティングは締結板の支持孔にシール
溝を有する他端を突出して装着されると締結板と電気絶
縁板が直接的に接触することがなくなり電気絶縁板から
締結板への熱伝導が減少する。フィッティングが撥水性
である場合にはフィッティングの内部で結露することが
なく反応ガスの閉塞が起こらない。
【0016】
【発明の実施の形態】締結板には金属板が用いられる。
撥水性のフィッティングとしてはフッ素樹脂の他にポリ
プロピレン,ナイロン,セラミックス等を用いることが
できる。
【0017】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基いて説明す
る。図1はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型
燃料電池の締結板を示す分解斜視図である。締結板17
は、金属からなりフィッティングの支持孔17Aを備え
さらに貫通孔17Bを備えている。フィッティング(給
気用)18とフィッティング(排気用)19は、熱伝導
率の低く且つ撥水性の樹脂例えばフッ素樹脂を用い、段
付円柱形の大円上にシール溝20を備え、もう一方の小
円上に、ガス配管取り付けネジ21が備えられ、シール
溝20とガス配管取り付けネジ21の中心にガス口22
が備えられている。このフィッティング18,19は、
フィッティング支持孔17Aへ挿入支持され、シール溝
20のあるフィッティングの端面は、締結板17の主面
と同じレベルかあるいは突出して配置される。突出して
配置されると電気絶縁板から締結板への熱伝導はフィッ
ティングを介して行われるので熱伝導が少なくなる。ま
たフィッティングを通流する反応ガスは締結板と直接的
に接触しないので締結板による反応ガスの冷却が少なく
なる。さらにフィッティングは撥水性であるので、フィ
ッティング内部での結露がなく反応ガスの閉塞が起こら
ない。
【0018】またガス配管取り付けネジ21の設けられ
た端面は締結板の他の主面と同じレベルに配置される。
図2はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃料
電池を示す斜視図である。複数の単電池6を順次積層し
単電池6で発生した直流電気を取り出すための集電板8
と、単電池6および集電板8を電気的に絶縁する電気絶
縁板9と、単電池6、集電板8、および電気絶縁板9か
らなる積層体の両端部に配設される締結板17とから構
成される。締結板17のフィッティング支持孔17A
に、フィッティング18,19を装着し、締結板17に
適度の加圧力を与える締付ボルト11、締付用皿バネ1
2、締付具13を複数個備えて構成される。このように
構成されたスタックにおいては、反応ガスの流れ方向は
給気口を重力方向に対して上側に排気口を重力方向に対
して下側に配置する。
【0019】
【発明の効果】この発明によればフィッティングを締結
板に装着して用いるので締結板通流に際して反応ガスが
締結板により冷却されることがなく締結板近傍の単セル
の温度低下が防止される。フィッティングを締結板より
突出して締結板に装着しこの突出部を介して電池の締結
を行うときは電気絶縁板から締結板への熱伝導が減少し
て締結板近傍の単セルの温度低下が防止される。また撥
水性のフィッティングを使用するときは締結板通流に際
して水滴の発生が防止され反応ガスの閉塞がなくなる。
このようにして発電効率に優れる固体高分子電解質型燃
料電池が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池の締結板を示す分解斜視図
【図2】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池を示す斜視図
【図3】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単セルを
示す断面図
【図4】従来の固体高分子電解質型燃料電池の締結板を
示す斜視図
【図5】従来の固体高分子電解質型燃料電池を示す斜視
【符号の説明】
1 固体高分子膜/電極集合体 1A 固体高分子膜 1B アノード 1C カソード 2A セパレータ 2B セパレータ 3A 燃料ガス室 3B 酸化剤ガス室 6 単セル 8 集電板 9 電気絶縁板 10 締結板 11 締結ボルト 12 皿バネ 13 締結具 14 反応ガス供給孔 14A シール溝 14B 取り付けネジ 15 反応ガス排出孔 15A シール溝 15B 取り付けネジ 16 貫通孔 17 締結板 17A 貫通孔 17B フィッティングの支持孔 18 フィッティング 18B ガス通流孔 19 フィッティング 20 シール溝 21 ガス配管取り付け用ネジ 22 ガス口

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固体高分子電解質膜とその両面に配設され
    た電極からなる固体高分子膜/電極集合体を反応ガス供
    給孔と反応ガス排出孔を備えた二つのセパレータで挟ん
    で単セルを構成し、該単セルの複数個を二つの締結板の
    間において積層し締結ボルトを介して締結してスタック
    を形成し、前記スタックに締結板を介して燃料ガスと酸
    化剤ガスの反応ガスを供給する固体高分子電解質型燃料
    電池において、一端にガス配管取り付け用のネジ、他端
    にはシール溝を有して締結板の支持孔に装着される熱絶
    縁性のフィッティングを備えることを特徴とする固体高
    分子電解質型燃料電池。
  2. 【請求項2】請求項1に記載の燃料電池において、フィ
    ッティングはシール溝を有する端部が締結板の主面より
    突出して締結板の支持孔に装着されることを特徴とする
    固体高分子電解質型燃料電池。
  3. 【請求項3】請求項1に記載の燃料電池において、フィ
    ッティングは撥水性であることを特徴とする固体高分子
    電解質型燃料電池。
JP7213151A 1995-08-22 1995-08-22 固体高分子電解質型燃料電池 Pending JPH0963623A (ja)

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