JPH0696777A - 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
- Publication number
- JPH0696777A JPH0696777A JP4245347A JP24534792A JPH0696777A JP H0696777 A JPH0696777 A JP H0696777A JP 4245347 A JP4245347 A JP 4245347A JP 24534792 A JP24534792 A JP 24534792A JP H0696777 A JPH0696777 A JP H0696777A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- solid polymer
- polymer electrolyte
- water
- separator
- Prior art date
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- Pending
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-
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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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】セパレータに水の滞留がなく特性に優れる固体
高分子電解質型燃料電池を得る。 【構成】ガス通流溝の水保持力ヘッドＳとガス通流溝に
反応ガスを通流させたときのヘッドロスＬとが関係式
（Ｉ）を満足する。 【数１】ヘッドロスＬ＞水保持力ヘッドＳ
（Ｉ）
高分子電解質型燃料電池を得る。 【構成】ガス通流溝の水保持力ヘッドＳとガス通流溝に
反応ガスを通流させたときのヘッドロスＬとが関係式
（Ｉ）を満足する。 【数１】ヘッドロスＬ＞水保持力ヘッドＳ
（Ｉ）
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は固体高分子電解質型燃
料電池のセパレータに係り、特にセパレータのガス通流
溝に関する。
料電池のセパレータに係り、特にセパレータのガス通流
溝に関する。
【０００２】
【従来の技術】図３は従来の固体高分子電解質型燃料電
池の単電池を示す分解側面図である。単電池６のアノー
ド２及びカソード３は固体高分子電解質膜１の二つの主
面にそれぞれ密接して積層され、さらにその両外側に
は、反応ガスを外部より電極内に供給するとともに余剰
ガスを外部に排出するためのガス通流溝４を設けたガス
不透過性のセパレータ５が積層される。単電池は通常厚
さが10mm以下であり、又面積は大きいほどコストの低減
が図れるので、可能な限り大きく (１ｍ2 程度) 作られ
る。
池の単電池を示す分解側面図である。単電池６のアノー
ド２及びカソード３は固体高分子電解質膜１の二つの主
面にそれぞれ密接して積層され、さらにその両外側に
は、反応ガスを外部より電極内に供給するとともに余剰
ガスを外部に排出するためのガス通流溝４を設けたガス
不透過性のセパレータ５が積層される。単電池は通常厚
さが10mm以下であり、又面積は大きいほどコストの低減
が図れるので、可能な限り大きく (１ｍ2 程度) 作られ
る。
【０００３】固体高分子電解質膜１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、あるいはパ−フロロカ−ボンスル
ホン酸膜（米国、デュポン社製、商品名ナフィオン膜）
などが知られている。固体高分子電解質膜は分子中にプ
ロトン（水素イオン）交換基を有する。この膜を飽和に
含水させることで常温で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。膜の飽和含水量は
温度によって可逆的に変化する。
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、あるいはパ−フロロカ−ボンスル
ホン酸膜（米国、デュポン社製、商品名ナフィオン膜）
などが知られている。固体高分子電解質膜は分子中にプ
ロトン（水素イオン）交換基を有する。この膜を飽和に
含水させることで常温で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。膜の飽和含水量は
温度によって可逆的に変化する。
【０００４】アノード２及びカソード３はともに触媒活
物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持するとともに反
応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極
基材からなる。前記触媒層を固体高分子電解質膜と密着
させ、アノード側に燃料である水素、カソード側に酸化
剤として酸素又は空気を供給すると、それぞれの電極の
触媒層と固体高分子電解質膜との界面で以下の電気化学
反応がおこる。
物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持するとともに反
応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極
基材からなる。前記触媒層を固体高分子電解質膜と密着
させ、アノード側に燃料である水素、カソード側に酸化
剤として酸素又は空気を供給すると、それぞれの電極の
触媒層と固体高分子電解質膜との界面で以下の電気化学
反応がおこる。
【０００５】 アノ−ド H2→ 2H + ＋2e ・・・・・・・・・・（１） カソ−ド 1/2 O2＋2H+ ＋2e → H2O ・・・・・・・・・・（２） 即ち、水素と酸素が反応して、水を生成する。触媒層
は、一般に微小な粒子状の白金触媒と水に対してはっ水
性を有するフッ素樹脂から形成されている。
は、一般に微小な粒子状の白金触媒と水に対してはっ水
性を有するフッ素樹脂から形成されている。
【０００６】セパレータは、ガスの透過を防ぐととも
に、溝により反応ガスを単電池面内に均等に供給し、発
生する電流を外部へ取り出すため集電を行う。単電池の
発生する電圧は１Ｖ以下であるので、実用上は電圧を高
めるために前記単電池を多数個直列に積層してスタック
として使用する。固体高分子電解質型燃料電池の運転温
度は、膜の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持する
ために、通常は５０ないし１００℃程度で運転される。
に、溝により反応ガスを単電池面内に均等に供給し、発
生する電流を外部へ取り出すため集電を行う。単電池の
発生する電圧は１Ｖ以下であるので、実用上は電圧を高
めるために前記単電池を多数個直列に積層してスタック
として使用する。固体高分子電解質型燃料電池の運転温
度は、膜の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持する
ために、通常は５０ないし１００℃程度で運転される。
【０００７】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、この熱により単電池を多数
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
クの温度を単電池の面方向並びにスタックの積層方向に
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。
する熱量を熱として発生し、この熱により単電池を多数
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
クの温度を単電池の面方向並びにスタックの積層方向に
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。
【０００８】図４は従来の固体高分子電解質型燃料電池
のスタックを示す側面図である。単電池６の複数個ごと
に冷却板７を交互に積層し、その両端に、集電板８、絶
縁板９、締付板10を積層し、締め付けボルト11で締め付
けて、スタック12を構成する。このスタックに外部よ
り、単電池には燃料及び酸化剤を供給することで発電
し、冷却板に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。このように積層されたスタックでの単
電池内部でのガスの流れ方向は、供給側を重力方向に対
して上側、排出側を下側にする。
のスタックを示す側面図である。単電池６の複数個ごと
に冷却板７を交互に積層し、その両端に、集電板８、絶
縁板９、締付板10を積層し、締め付けボルト11で締め付
けて、スタック12を構成する。このスタックに外部よ
り、単電池には燃料及び酸化剤を供給することで発電
し、冷却板に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。このように積層されたスタックでの単
電池内部でのガスの流れ方向は、供給側を重力方向に対
して上側、排出側を下側にする。
【０００９】前述のとおり固体高分子電解質型燃料電池
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜を飽和に
含水させることで膜の比抵抗が小さくなりプロトン導電
性電解質として機能する。従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。このため
に、従来から、膜が乾燥するのを防いで発電効率を維持
するために、反応ガスに水を供給して反応ガスの湿度を
高めて燃料電池へ供給し、膜から反応ガスへの水の蒸発
を抑えて、膜が乾燥することを防ぐ方法が実施されてき
た。
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜を飽和に
含水させることで膜の比抵抗が小さくなりプロトン導電
性電解質として機能する。従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。このため
に、従来から、膜が乾燥するのを防いで発電効率を維持
するために、反応ガスに水を供給して反応ガスの湿度を
高めて燃料電池へ供給し、膜から反応ガスへの水の蒸発
を抑えて、膜が乾燥することを防ぐ方法が実施されてき
た。
【００１０】前述の通り、燃料電池の発電では反応生成
物として水が生成し、この生成水は余剰の反応ガスとと
もに燃料電池の外へ排出される。このため単電池内の反
応ガスの流れ方向で、ガス中に含有される水の量に分布
ができる。即ち、反応ガスは、単電池内でのガスの流れ
の上流側（供給側）に対してガスの流れの下流側（出口
側）では反応生成水に相当する量だけ多量に水を含有す
る。従って供給するガスを飽和状態に加湿して固体高分
子電解質型燃料電池に供給すると、出口側のガス中には
過飽和な水蒸気が含まれることになる。この結果ガスの
出口側では過飽和に相当する水は液体状態の水になる。
この液体状の水はガス通流溝を塞いで、ガスの流れを阻
害する。ガスの流れが阻害されると電極へのガス供給が
不足して反応効率の低下を生ずる。そのため余剰の液体
状の水は速やかに外部に排出することが、運転上極めて
重要である。
物として水が生成し、この生成水は余剰の反応ガスとと
もに燃料電池の外へ排出される。このため単電池内の反
応ガスの流れ方向で、ガス中に含有される水の量に分布
ができる。即ち、反応ガスは、単電池内でのガスの流れ
の上流側（供給側）に対してガスの流れの下流側（出口
側）では反応生成水に相当する量だけ多量に水を含有す
る。従って供給するガスを飽和状態に加湿して固体高分
子電解質型燃料電池に供給すると、出口側のガス中には
過飽和な水蒸気が含まれることになる。この結果ガスの
出口側では過飽和に相当する水は液体状態の水になる。
この液体状の水はガス通流溝を塞いで、ガスの流れを阻
害する。ガスの流れが阻害されると電極へのガス供給が
不足して反応効率の低下を生ずる。そのため余剰の液体
状の水は速やかに外部に排出することが、運転上極めて
重要である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のガ
ス通流溝にあっては反応生成水のためにガスの流れの下
流部で反応ガス中に過飽和の水蒸気が含まれるため水の
凝縮が起こる。そのためにガス通流溝内に液体状の水が
滞留してガス通流溝を閉塞しその結果反応ガスの自由な
移動を阻害して電池の出力の不安定かを招くという問題
があった。
ス通流溝にあっては反応生成水のためにガスの流れの下
流部で反応ガス中に過飽和の水蒸気が含まれるため水の
凝縮が起こる。そのためにガス通流溝内に液体状の水が
滞留してガス通流溝を閉塞しその結果反応ガスの自由な
移動を阻害して電池の出力の不安定かを招くという問題
があった。
【００１２】またこの出力の不安定かを防止するために
供給ガス中の水分量を減らすと、膜が乾燥して電池の内
部抵抗が増大し、出力の低下を招く。さらにガス通流溝
内の水が自然流下するように溝幅や溝深さを大きくする
ことも考えられるが溝幅を広げるとセパレータと電極と
の電気的接触が悪化して電流の効率的な集電や電極で発
生する熱の除去が困難となり、溝深さを深くするとセパ
レータの厚さが増大するという問題があった。
供給ガス中の水分量を減らすと、膜が乾燥して電池の内
部抵抗が増大し、出力の低下を招く。さらにガス通流溝
内の水が自然流下するように溝幅や溝深さを大きくする
ことも考えられるが溝幅を広げるとセパレータと電極と
の電気的接触が悪化して電流の効率的な集電や電極で発
生する熱の除去が困難となり、溝深さを深くするとセパ
レータの厚さが増大するという問題があった。
【００１３】この発明は上述の点に鑑みてなされ、その
目的はセパレータのガス通流溝につきその最適化を図る
ことにより水によるガス閉塞がなく特性に優れる固体高
分子電解質型燃料電池を提供することにある。
目的はセパレータのガス通流溝につきその最適化を図る
ことにより水によるガス閉塞がなく特性に優れる固体高
分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【００１４】
【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、電極と、セパレータとを
有し、固体高分子電解質膜はその二つの主面に電極が密
着して配置され、セパレータは前記電極の配置された固
体高分子電解質膜を挟持し、固体高分子電解質膜は水を
包含して膜中をプロトンが拡散し、セパレータは電極に
燃料ガスまたは酸化剤ガスの反応ガスを供給するガス通
流溝を有し、ガス通流溝の水の保持力をＳ、ガス通流溝
に反応ガスが通流するときのヘッドロスをＬとするとき
にＳとＬが関係式（Ｉ）を満足するとすることにより達
成される。
よれば固体高分子電解質膜と、電極と、セパレータとを
有し、固体高分子電解質膜はその二つの主面に電極が密
着して配置され、セパレータは前記電極の配置された固
体高分子電解質膜を挟持し、固体高分子電解質膜は水を
包含して膜中をプロトンが拡散し、セパレータは電極に
燃料ガスまたは酸化剤ガスの反応ガスを供給するガス通
流溝を有し、ガス通流溝の水の保持力をＳ、ガス通流溝
に反応ガスが通流するときのヘッドロスをＬとするとき
にＳとＬが関係式（Ｉ）を満足するとすることにより達
成される。
【００１５】
【数２】 ヘッドロスＬ＞水保持力ヘッドＳ … （Ｉ）
【００１６】
【作用】関係式（Ｉ）が満足されると、ガス通流溝に水
の滞留が発生しない。関係式（Ｉ）のうち水保持力ヘッ
ドＳはガス通流溝の寸法と材質が決める。ヘッドロスＬ
はガス通流溝寸法、ガス流速、ガス性状が決める。
の滞留が発生しない。関係式（Ｉ）のうち水保持力ヘッ
ドＳはガス通流溝の寸法と材質が決める。ヘッドロスＬ
はガス通流溝寸法、ガス流速、ガス性状が決める。
【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
燃料電池のセパレータを示す寸法図である。本セパレー
タは、グラファイトカーボン粒子粉末とフェノール樹脂
粉末の混合粉末をプレス用型に充填して１８０℃で５分
加熱プレスを行う事で容易に製作することができる。ま
た本実施例では溝の深さ０．８mm、セパレータの厚さ1.
8mm溝幅２．０ｍｍ、長さ１００ｍｍである。セパレー
タの厚さは従来よりも薄くできる。
る。図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型
燃料電池のセパレータを示す寸法図である。本セパレー
タは、グラファイトカーボン粒子粉末とフェノール樹脂
粉末の混合粉末をプレス用型に充填して１８０℃で５分
加熱プレスを行う事で容易に製作することができる。ま
た本実施例では溝の深さ０．８mm、セパレータの厚さ1.
8mm溝幅２．０ｍｍ、長さ１００ｍｍである。セパレー
タの厚さは従来よりも薄くできる。
【００１８】上述のガス通流溝に発生する水保持力ヘッ
ドは水柱で約１５ｍｍである。このガス通流溝に流速
０．５ｍ／ｓで空気を流すと、水柱で約２０ｍｍのヘッ
ドロスを発生する。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の特性を示す線図である。安定
した運転状態が得られており、水の排出が良好であるこ
とがわかる。
ドは水柱で約１５ｍｍである。このガス通流溝に流速
０．５ｍ／ｓで空気を流すと、水柱で約２０ｍｍのヘッ
ドロスを発生する。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の特性を示す線図である。安定
した運転状態が得られており、水の排出が良好であるこ
とがわかる。
【００１９】ガス通流溝とガス性状の具体例が表１に示
される。
される。
【００２０】
【表１】 表１に示す通り関係式（Ｉ）が満足されるときに水の滞
留がなく良好な結果が得られる。
留がなく良好な結果が得られる。
【００２１】
【発明の効果】この発明によれば固体高分子電解質膜
と、電極と、セパレータとを有し、固体高分子電解質膜
はその二つの主面に電極が密着して配置され、セパレー
タは前記電極の配置された固体高分子電解質膜を挟持
し、固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトン
が拡散し、セパレータは電極に燃料ガスまたは酸化剤ガ
スの反応ガスを供給するガス通流溝を有し、ガス通流溝
の水保持力ヘッドをＳ、ガス通流溝に反応ガスが通流す
るときのヘッドロスをＬとするときにＳとＬが関係式
（Ｉ）を満足するので、ガス通流溝内に水が滞留するこ
とがなく安定性に優れる固体高分子電解質型燃料電池が
得られる。
と、電極と、セパレータとを有し、固体高分子電解質膜
はその二つの主面に電極が密着して配置され、セパレー
タは前記電極の配置された固体高分子電解質膜を挟持
し、固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトン
が拡散し、セパレータは電極に燃料ガスまたは酸化剤ガ
スの反応ガスを供給するガス通流溝を有し、ガス通流溝
の水保持力ヘッドをＳ、ガス通流溝に反応ガスが通流す
るときのヘッドロスをＬとするときにＳとＬが関係式
（Ｉ）を満足するので、ガス通流溝内に水が滞留するこ
とがなく安定性に優れる固体高分子電解質型燃料電池が
得られる。
【００２２】
【数３】 ヘッドロスＬ＞水保持力ヘッドＳ … （Ｉ）
【図１】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池のセパレータを示す寸法図
料電池のセパレータを示す寸法図
【図２】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池の特性を示す線図
料電池の特性を示す線図
【図３】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単電池を
示す分解側面図
示す分解側面図
【図４】従来の固体高分子電解質型燃料電池のスタック
を示す側面図
を示す側面図
１ 固体高分子電解質膜 ２ アノード ３ カソード ４ ガス通流溝 ５ セパレータ ６ 単電池 ７ 冷却板 ８ 集電板 ９ 絶縁板 10 締付板 11 締め付けボルト 12 スタック
Claims (4)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜と、電極と、セパレー
タとを有し、 固体高分子電解質膜はその二つの主面に電極が密着して
配置され、 セパレータは前記電極の配置された固体高分子電解質膜
を挟持し、 固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトンが拡
散し、 セパレータは電極に燃料ガスまたは酸化剤ガスの反応ガ
スを供給するガス通流溝を有し、ガス通流溝の水保持力
ヘッドをＳ、ガス通流溝に反応ガスが通流するときのヘ
ッドロスをＬとするときにＳとＬが関係式（Ｉ）を満足
することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 【数１】 ヘッドロスＬ＞水保持力ヘッドＳ ・・・（Ｉ） - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、電極は
電極基材に電極触媒層が積層されたものであることを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、セパレ
ータはグラファイトカーボン粉体とフェノール樹脂粉体
とを混合しホットプレスし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４】請求項１記載の燃料電池において、関係式
（Ｉ）を満足する場合はガス通流溝の寸法が溝幅２．０
ｍｍ、溝深さ０．８ｍｍ、溝長さ１００ｍｍで且つガス
流速が０．５ｍ／ｓであ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 |
|---|---|---|---|
| JP4245347A JPH0696777A (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4245347A JPH0696777A (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0696777A true JPH0696777A (ja) | 1994-04-08 |
Family
ID=17132324
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4245347A Pending JPH0696777A (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0696777A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003061043A1 (fr) * | 2001-12-27 | 2003-07-24 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Pile a combustible |
| WO2013031145A1 (ja) | 2011-08-31 | 2013-03-07 | 昭和電工株式会社 | 熱硬化性樹脂組成物、その硬化物及び成形体の製造方法、硬化物、成形体、並びに燃料電池用セパレータ |
| CN110574199A (zh) * | 2017-04-28 | 2019-12-13 | Ess技术有限公司 | 运行氧化还原液流电池的***和方法 |
-
1992
- 1992-09-16 JP JP4245347A patent/JPH0696777A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2003061043A1 (fr) * | 2001-12-27 | 2003-07-24 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Pile a combustible |
| WO2013031145A1 (ja) | 2011-08-31 | 2013-03-07 | 昭和電工株式会社 | 熱硬化性樹脂組成物、その硬化物及び成形体の製造方法、硬化物、成形体、並びに燃料電池用セパレータ |
| JPWO2013031145A1 (ja) * | 2011-08-31 | 2015-03-23 | 昭和電工株式会社 | 熱硬化性樹脂組成物、その硬化物及び成形体の製造方法、硬化物、成形体、並びに燃料電池用セパレータ |
| CN110574199A (zh) * | 2017-04-28 | 2019-12-13 | Ess技术有限公司 | 运行氧化还原液流电池的***和方法 |
| CN110574199B (zh) * | 2017-04-28 | 2024-04-19 | Ess技术有限公司 | 运行氧化还原液流电池的***和方法 |
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