JPH06338342A - 固体高分子電解質型燃料電池セルスタック構造 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池セルスタック構造Info
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- JPH06338342A JPH06338342A JP5128662A JP12866293A JPH06338342A JP H06338342 A JPH06338342 A JP H06338342A JP 5128662 A JP5128662 A JP 5128662A JP 12866293 A JP12866293 A JP 12866293A JP H06338342 A JPH06338342 A JP H06338342A
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- Japan
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- electrode
- ion exchange
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】負極側のガスに加湿する必要のない構造の固体
高分子電解質型燃料電池を得る。 【構成】水素導伝性を有する高分子電解質からなるイオ
ン交換膜と、該イオン交換膜の両面に触媒成分を担持し
たカーボン電極シートを備えた固体高分子電解質型燃料
電池において、イオン交換膜の同一平面上では前記カー
ボン電極シートからなる正極と負極の両方を隣どうしに
なるように接合し、かつ該イオン交換膜の積層方向に
は、前記正極と負極とが相対するように積層したことを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池セルスタック構
造。
高分子電解質型燃料電池を得る。 【構成】水素導伝性を有する高分子電解質からなるイオ
ン交換膜と、該イオン交換膜の両面に触媒成分を担持し
たカーボン電極シートを備えた固体高分子電解質型燃料
電池において、イオン交換膜の同一平面上では前記カー
ボン電極シートからなる正極と負極の両方を隣どうしに
なるように接合し、かつ該イオン交換膜の積層方向に
は、前記正極と負極とが相対するように積層したことを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池セルスタック構
造。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質型燃
料電池セルスタック構造に関する。
料電池セルスタック構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の固体高分子電解質型燃料電池の電
極構造としては、例えば第７図に示すように水素イオン
導伝性を有する電解質からなるイオン交換膜３を用い、
その両面に白金などの触媒成分を担持したカーボン電極
シートからなり、片側を正極１、その反対側を負極２と
するものである。電池反応としては、正極１および負極
２にそれぞれ酸素および水素を流し、負極２である水素
極でイオン化した水素がイオン交換膜３を通って正極１
である酸素極に達し、そこで起こる水の生成反応で生じ
る電気を取り出すものである。燃料電池の中で通常電気
自動車用としては、出力密度が高く作動温度が低く、起
動が早い高分子電解質型が適しており、また電解質が固
体であることから軽量、コンパクトに設計でき、スタッ
ク構造のシールが容易であるなど安全性に優れているた
め、上述のような単セルをいくつか積層してスタックと
して用いられている。
極構造としては、例えば第７図に示すように水素イオン
導伝性を有する電解質からなるイオン交換膜３を用い、
その両面に白金などの触媒成分を担持したカーボン電極
シートからなり、片側を正極１、その反対側を負極２と
するものである。電池反応としては、正極１および負極
２にそれぞれ酸素および水素を流し、負極２である水素
極でイオン化した水素がイオン交換膜３を通って正極１
である酸素極に達し、そこで起こる水の生成反応で生じ
る電気を取り出すものである。燃料電池の中で通常電気
自動車用としては、出力密度が高く作動温度が低く、起
動が早い高分子電解質型が適しており、また電解質が固
体であることから軽量、コンパクトに設計でき、スタッ
ク構造のシールが容易であるなど安全性に優れているた
め、上述のような単セルをいくつか積層してスタックと
して用いられている。
【０００３】さらに、上述の反応により正極側で生成し
た水を排水する方法については、特開平２−８７４８１
号公報に提案されている方法によって行われている。
た水を排水する方法については、特開平２−８７４８１
号公報に提案されている方法によって行われている。
【０００４】
【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セルスタック構
造にあっては、イオン交換膜の片側に正極のみを、その
反対側に負極のみを接合する構造となっていたため、イ
オン交換膜の正極側には水が生成するが、負極側には水
が生成しなかった。イオン交換膜が乾いてしまっては、
本来の性能を発揮できないため、負極側のガスを加湿し
てイオン交換膜を含水し、正極側の過剰な水を排出しな
なければならないという問題点があった。
うな従来の固体高分子電解質型燃料電池セルスタック構
造にあっては、イオン交換膜の片側に正極のみを、その
反対側に負極のみを接合する構造となっていたため、イ
オン交換膜の正極側には水が生成するが、負極側には水
が生成しなかった。イオン交換膜が乾いてしまっては、
本来の性能を発揮できないため、負極側のガスを加湿し
てイオン交換膜を含水し、正極側の過剰な水を排出しな
なければならないという問題点があった。
【０００５】また、従来の固体高分子電解質型燃料電池
セルスタック構造を用いた場合でも、両電極のサイズを
小さくして単位面積あたりの個数を増やせば、加湿しな
くても電極間の隙間から正極で生成した水が負極へ供給
可能となる。しかし、加湿しなくても十分機能するまで
単位面積あたりの電極の個数を増やすことは構造上極め
て困難なことであり、負極側に含水の必要のない構造の
固体高分子電解質型燃料電池を得ることが課題となって
いた。
セルスタック構造を用いた場合でも、両電極のサイズを
小さくして単位面積あたりの個数を増やせば、加湿しな
くても電極間の隙間から正極で生成した水が負極へ供給
可能となる。しかし、加湿しなくても十分機能するまで
単位面積あたりの電極の個数を増やすことは構造上極め
て困難なことであり、負極側に含水の必要のない構造の
固体高分子電解質型燃料電池を得ることが課題となって
いた。
【０００６】
【課題を解決するための手段】この発明は、このような
従来の問題点に着目してなされたもので、水素導伝性を
有する高分子電解質からなるイオン交換膜と、該イオン
交換膜の両面に触媒成分を担持したカーボン電極シート
を備えた固体高分子電解質型燃料電池において、イオン
交換膜の同一平面上では前記カーボン電極シートからな
る正極と負極の両方を隣どうしになるように接合し、か
つ該イオン交換膜の積層方向には、前記正極と負極とが
相対するように積層したことを特徴とする固体高分子電
解質型燃料電池セルスタック構造とすることにより、上
記課題を解決することを目的としている。
従来の問題点に着目してなされたもので、水素導伝性を
有する高分子電解質からなるイオン交換膜と、該イオン
交換膜の両面に触媒成分を担持したカーボン電極シート
を備えた固体高分子電解質型燃料電池において、イオン
交換膜の同一平面上では前記カーボン電極シートからな
る正極と負極の両方を隣どうしになるように接合し、か
つ該イオン交換膜の積層方向には、前記正極と負極とが
相対するように積層したことを特徴とする固体高分子電
解質型燃料電池セルスタック構造とすることにより、上
記課題を解決することを目的としている。
【０００７】
【作用】この発明の固体高分子電解質型燃料電池セルス
タック構造は、セルスタックの片面から酸素、他の面か
ら水素を流すと、酸素と水素が互いに混合することなく
交互に電極上に流れ込む構造となっている。
タック構造は、セルスタックの片面から酸素、他の面か
ら水素を流すと、酸素と水素が互いに混合することなく
交互に電極上に流れ込む構造となっている。
【０００８】ガスを流しはじめると正極である水素極上
で水が生成し、イオン交換膜へしみこむ。本発明の固体
高分子電解質型燃料電池セルスタック構造は、イオン交
換膜に正極と負極とを隣どうしに接合しているのでイオ
ン交換膜へしみこんだ水が負極へ素早く供給され、加湿
する必要がなくなる。
で水が生成し、イオン交換膜へしみこむ。本発明の固体
高分子電解質型燃料電池セルスタック構造は、イオン交
換膜に正極と負極とを隣どうしに接合しているのでイオ
ン交換膜へしみこんだ水が負極へ素早く供給され、加湿
する必要がなくなる。
【０００９】高分子電解質型燃料電池の酸素極側での電
極反応は、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏとなり、ま
た水素極側での電極反応は、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-とな
り、全体反応として、１／２Ｏ2＋Ｈ2＋→Ｈ2Ｏであ
り、水の電気分解の逆反応を利用して電力を取り出すも
のである。
極反応は、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏとなり、ま
た水素極側での電極反応は、Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ-とな
り、全体反応として、１／２Ｏ2＋Ｈ2＋→Ｈ2Ｏであ
り、水の電気分解の逆反応を利用して電力を取り出すも
のである。
【００１０】
【実施例】以下、この発明を図面に基づいて説明する。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン導電性
を有する高分子電解質膜としてイオン交換膜を用い、そ
の両端面には白金を触媒成分として担持したカーボン電
極シートから成り立っている。
本発明の高分子電解質型燃料電池は、水素イオン導電性
を有する高分子電解質膜としてイオン交換膜を用い、そ
の両端面には白金を触媒成分として担持したカーボン電
極シートから成り立っている。
【００１１】本発明においては、高分子電解質としてパ
ーフルオロカーボンスルホン酸、フェノールスルホン
酸、ポリスチレンスルホン酸およびポリトリフルオロス
チレンスルホン酸等を用ることができる。また、集電体
の素材は錆にくく、且つ溶けにくい材料であればよいた
め、チタン、ステンレス−アルミニウム合金等を用いる
ことができる。さらに、隣合う両電極の大きさ、個数お
よび形状は任意でよい。
ーフルオロカーボンスルホン酸、フェノールスルホン
酸、ポリスチレンスルホン酸およびポリトリフルオロス
チレンスルホン酸等を用ることができる。また、集電体
の素材は錆にくく、且つ溶けにくい材料であればよいた
め、チタン、ステンレス−アルミニウム合金等を用いる
ことができる。さらに、隣合う両電極の大きさ、個数お
よび形状は任意でよい。
【００１２】実施例１ 第１図は、本発明の第１の実施例を示す図である。まず
その構成を説明すると、パーフルオロカーボンスルホン
酸からなる厚さ１００μｍのイオン交換膜（商品名：ナ
フィオン、デュポン社製）の両側に１ｃｍ角の厚さ１０
０μｍのカーボンシート製の正極と負極とを隣りどうし
交互に接合する。本実施例では、電極の個数は縦２列横
２列の４個とした。また、正極の裏には負極、負極の裏
には正極を接合する。第２図に実施例１の断面図を示
す。第２図に示す両電極の上にはチタン製の集電体と、
第３図に示す形状のカーボン製端子板を配設する。端子
板の素材は導電体であればよく、また隣どうしの電極の
接着防止およびガスの混合を防ぐために、端子板の角
（第１図中の格子点４）をテフロンでシールし、絶縁し
た。
その構成を説明すると、パーフルオロカーボンスルホン
酸からなる厚さ１００μｍのイオン交換膜（商品名：ナ
フィオン、デュポン社製）の両側に１ｃｍ角の厚さ１０
０μｍのカーボンシート製の正極と負極とを隣りどうし
交互に接合する。本実施例では、電極の個数は縦２列横
２列の４個とした。また、正極の裏には負極、負極の裏
には正極を接合する。第２図に実施例１の断面図を示
す。第２図に示す両電極の上にはチタン製の集電体と、
第３図に示す形状のカーボン製端子板を配設する。端子
板の素材は導電体であればよく、また隣どうしの電極の
接着防止およびガスの混合を防ぐために、端子板の角
（第１図中の格子点４）をテフロンでシールし、絶縁し
た。
【００１３】第２図は第１図に示す本実施例の断面図で
あるが、第１図におけるＡ−Ａ′断面もＢ−Ｂ′断面と
同一構造である。
あるが、第１図におけるＡ−Ａ′断面もＢ−Ｂ′断面と
同一構造である。
【００１４】実施例２ 第５図は、本発明の第２の実施例を示す平面図である。
本実施例は、白金を触媒成分として担持したカーボン電
極シートを用い、幅５ｍｍの渦巻状の電極を作成し、正
極と負極との間を２ｍｍあけてイオン交換膜に接合し
た。本実施例で用いたカーボン電極シートおよびイオン
交換膜は、実施例１と同様のものである。第４図に本実
施例の第５図におけるＣ−Ｃ′断面を示す。第４図は、
両電極１および２の上に断面がコ字型のチタン製の集電
体６と、カーボン製の端子板５を配設したものである。
本実施例は、白金を触媒成分として担持したカーボン電
極シートを用い、幅５ｍｍの渦巻状の電極を作成し、正
極と負極との間を２ｍｍあけてイオン交換膜に接合し
た。本実施例で用いたカーボン電極シートおよびイオン
交換膜は、実施例１と同様のものである。第４図に本実
施例の第５図におけるＣ−Ｃ′断面を示す。第４図は、
両電極１および２の上に断面がコ字型のチタン製の集電
体６と、カーボン製の端子板５を配設したものである。
【００１５】比較例 第７図は、従来の高分子電解質型燃料電池の電極構造を
示す図である。本比較例は、実施例１と同様の材料を用
いイオン交換膜の両側に２ｃｍ角のカーボンシート製の
電極を接合し、これを実施例１と同様に積層した。
示す図である。本比較例は、実施例１と同様の材料を用
いイオン交換膜の両側に２ｃｍ角のカーボンシート製の
電極を接合し、これを実施例１と同様に積層した。
【００１６】試験例１ 実施例１および比較例について、燃料ガスの流量を調整
して電流を変化させたときの電圧の変化を第５図に示し
た。
して電流を変化させたときの電圧の変化を第５図に示し
た。
【００１７】比較例において、負極側のガスを加湿した
ものを『加湿あり』とし、加湿しないものを『加湿な
し』と示した。比較例は、加湿しないものは加湿したも
のと比べると、電圧が降下しているのが認められる。こ
れに対し、本発明の実施例１は負極側ガスを加湿しない
にもかかわらず、比較例の加湿ありの場合と殆ど同程度
の性能を示しているのが認められる。
ものを『加湿あり』とし、加湿しないものを『加湿な
し』と示した。比較例は、加湿しないものは加湿したも
のと比べると、電圧が降下しているのが認められる。こ
れに対し、本発明の実施例１は負極側ガスを加湿しない
にもかかわらず、比較例の加湿ありの場合と殆ど同程度
の性能を示しているのが認められる。
【００１８】
【発明の効果】この発明は、水素導伝性を有する高分子
電解質からなるイオン交換膜と、該イオン交換膜の両面
に触媒成分を担持したカーボン電極シートを備えた固体
高分子電解質型燃料電池において、イオン交換膜の同一
平面上では前記カーボン電極シートからなる正極と負極
の両方を隣どうしになるように接合し、かつ該イオン交
換膜の積層方向には、前記正極と負極とが相対するよう
に積層したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池セルスタック構造ととしたため、電極を小さく分割
し、直列に接続することにより高電圧が得られる。ま
た、電極と電極との隙間からイオン交換膜に含水できる
ため、負極に供給するガスを加湿しなくても良い。
電解質からなるイオン交換膜と、該イオン交換膜の両面
に触媒成分を担持したカーボン電極シートを備えた固体
高分子電解質型燃料電池において、イオン交換膜の同一
平面上では前記カーボン電極シートからなる正極と負極
の両方を隣どうしになるように接合し、かつ該イオン交
換膜の積層方向には、前記正極と負極とが相対するよう
に積層したことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池セルスタック構造ととしたため、電極を小さく分割
し、直列に接続することにより高電圧が得られる。ま
た、電極と電極との隙間からイオン交換膜に含水できる
ため、負極に供給するガスを加湿しなくても良い。
【図１】本発明の実施例１
【図２】実施例１の断面図（Ａ−Ａ′断面）
【図３】端子板拡大図
【図４】本発明の実施例２
【図５】実施例２の断面図（Ｃ−Ｃ′断面）
【図６】電流Ｉ（Ａ／ｃｍ2）を変化させた時の電圧Ｅ
（Ｖ）の変化を示すグラフ
（Ｖ）の変化を示すグラフ
【図７】従来の高分子電解質型燃料電池の電極構造
１ 正極 ２ 負極 ３ イオン交換膜 ４ 絶縁シール ５ 端子板 ６ 集電体
Claims (1)
- 【請求項１】水素導伝性を有する高分子電解質からなる
イオン交換膜と、該イオン交換膜の両面に触媒成分を担
持したカーボン電極シートを備えた固体高分子電解質型
燃料電池において、 イオン交換膜の同一平面上では前記カーボン電極シート
からなる正極と負極の両方を隣どうしになるように接合
し、かつ該イオン交換膜の積層方向には、前記正極と負
極とが相対するように積層することを特徴とする固体高
分子電解質型燃料電池セルスタック構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5128662A JPH06338342A (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 固体高分子電解質型燃料電池セルスタック構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5128662A JPH06338342A (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 固体高分子電解質型燃料電池セルスタック構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06338342A true JPH06338342A (ja) | 1994-12-06 |
Family
ID=14990349
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5128662A Pending JPH06338342A (ja) | 1993-05-31 | 1993-05-31 | 固体高分子電解質型燃料電池セルスタック構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06338342A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999052164A1 (en) * | 1998-04-03 | 1999-10-14 | Plug Power Inc. | Pem-type fuel cell assembly having multiple parallel fuel cell sub-stacks |
| KR100387244B1 (ko) * | 2001-03-16 | 2003-06-12 | 삼성전자주식회사 | 직접메탄올 연료전지용 단전극 셀팩 |
| JP2003317791A (ja) * | 2002-04-24 | 2003-11-07 | Hitachi Maxell Ltd | 液体燃料電池 |
| JP2004164866A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-10 | Dainippon Printing Co Ltd | 燃料電池用触媒層形成シート、触媒層−電解質膜積層体及びこれらの製造方法 |
| JP2004164861A (ja) * | 2002-11-08 | 2004-06-10 | Dainippon Printing Co Ltd | 燃料電池用触媒層形成シート、該シートの製造方法及び触媒層−電解質膜積層体の製造方法 |
| JP2004319455A (ja) * | 2003-03-31 | 2004-11-11 | Honda Motor Co Ltd | 平面積層型燃料電池 |
| JP2009054600A (ja) * | 2008-11-05 | 2009-03-12 | Dainippon Printing Co Ltd | 触媒層−電解質膜積層体の製造方法 |
| JP2010192447A (ja) * | 2002-04-03 | 2010-09-02 | Three M Innovative Properties Co | 積層装置および方法 |
| JP2011071122A (ja) * | 1997-10-10 | 2011-04-07 | 3M Co | 膜電極アセンブリ |
| US8338052B2 (en) | 2007-11-26 | 2012-12-25 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Method for manufacturing a membrane-electrode assembly, with folding process |
| JP2014192096A (ja) * | 2013-03-28 | 2014-10-06 | Toppan Printing Co Ltd | 膜電極接合体、および、固体高分子形燃料電池 |
-
1993
- 1993-05-31 JP JP5128662A patent/JPH06338342A/ja active Pending
Cited By (13)
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