JPH06267562A - 固体高分子電解質燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質燃料電池Info
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- JPH06267562A JPH06267562A JP5053321A JP5332193A JPH06267562A JP H06267562 A JPH06267562 A JP H06267562A JP 5053321 A JP5053321 A JP 5053321A JP 5332193 A JP5332193 A JP 5332193A JP H06267562 A JPH06267562 A JP H06267562A
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- Japan
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- oxidant
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- fuel
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- water
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】この発明は、酸化剤流路の下流域でも生成水や
移動水の蒸気によるガス拡散排出が行われ易く、また液
体化や液滴化した生成水や移動水も排出され易くして、
安定した電池反応を継続してなしえることを主要な目的
とする。 【構成】電解質(32)の両面側にアノード極、カソード極
を夫々配置した積層体(31)と、前記積層体(31)のアノー
ド極側に設けられ、前記アノード極に燃料を供給する燃
料流路(36)を有した燃料配流板(37)と、前記積層体(31)
のカソード極側に設けられ、前記カソード極に酸化剤を
供給する酸化剤流路(39)を有した酸化剤配流板(40)とを
具備し、酸化剤が供給される側のカソード極を、酸化剤
の上流流路域から下流流路域に沿って空隙率を徐々に大
きくし、空隙率を酸化剤流路(39)に沿って変化させるこ
とを特徴とする固体高分子電解質燃料電池。
移動水の蒸気によるガス拡散排出が行われ易く、また液
体化や液滴化した生成水や移動水も排出され易くして、
安定した電池反応を継続してなしえることを主要な目的
とする。 【構成】電解質(32)の両面側にアノード極、カソード極
を夫々配置した積層体(31)と、前記積層体(31)のアノー
ド極側に設けられ、前記アノード極に燃料を供給する燃
料流路(36)を有した燃料配流板(37)と、前記積層体(31)
のカソード極側に設けられ、前記カソード極に酸化剤を
供給する酸化剤流路(39)を有した酸化剤配流板(40)とを
具備し、酸化剤が供給される側のカソード極を、酸化剤
の上流流路域から下流流路域に沿って空隙率を徐々に大
きくし、空隙率を酸化剤流路(39)に沿って変化させるこ
とを特徴とする固体高分子電解質燃料電池。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、酸化剤が供給される
側のカソード極に改良を施した固体高分子電解質燃料電
池に関する。
側のカソード極に改良を施した固体高分子電解質燃料電
池に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質燃料電池は、図１に示
すように、電解質１に高分子イオン交換膜（例えば、ス
ルホン酸基を持つフッ素樹脂イオン交換膜）を用い、両
側に触媒電極層（例えば白金）２，３及び多孔質カーボ
ン電極４，５を備えた電極接合体６構造をしている。ア
ノード極側に供給された加湿燃料中の水素は、触媒電極
（アノード極）２上で水素イオン化され、水素イオンは
電解質１中を水の介在もとＨ+ ・ｘＨ2 Ｏとして、カソ
ード極側へ水と共に移動する。
すように、電解質１に高分子イオン交換膜（例えば、ス
ルホン酸基を持つフッ素樹脂イオン交換膜）を用い、両
側に触媒電極層（例えば白金）２，３及び多孔質カーボ
ン電極４，５を備えた電極接合体６構造をしている。ア
ノード極側に供給された加湿燃料中の水素は、触媒電極
（アノード極）２上で水素イオン化され、水素イオンは
電解質１中を水の介在もとＨ+ ・ｘＨ2 Ｏとして、カソ
ード極側へ水と共に移動する。
【０００３】移動した水素イオンは、触媒電極（カソー
ド電極）３上で酸化剤中の酸素及び外部回路７を流通し
てきた電子と反応して水を生成し、その生成水はカソー
ド極３より燃料電池外へ排出されることになる。この
時、外部回路７を流通した電子流れを直流の電気エネル
ギーとして利用できる。なお、電解質１となる高分子イ
オン交換膜において、前述のような水素イオン透過性を
実現させるためには、この膜を常に充分なる保水状態に
保持しておく必要があり、通常、燃料又は酸化剤に電池
の運転温度近辺相当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち
加湿して燃料及び酸化剤を電極接合体６に供給し、膜の
保水状態を保つようにしている。以下に、上記固体高分
子電解質燃料電池における反応式を示す。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：（１／２）Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ 全反応：Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ 図２は、従来の固体高分子電解質燃料電池の構成の一例
を示す。
ド電極）３上で酸化剤中の酸素及び外部回路７を流通し
てきた電子と反応して水を生成し、その生成水はカソー
ド極３より燃料電池外へ排出されることになる。この
時、外部回路７を流通した電子流れを直流の電気エネル
ギーとして利用できる。なお、電解質１となる高分子イ
オン交換膜において、前述のような水素イオン透過性を
実現させるためには、この膜を常に充分なる保水状態に
保持しておく必要があり、通常、燃料又は酸化剤に電池
の運転温度近辺相当の飽和水蒸気を含ませて、すなわち
加湿して燃料及び酸化剤を電極接合体６に供給し、膜の
保水状態を保つようにしている。以下に、上記固体高分
子電解質燃料電池における反応式を示す。 アノード側：Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード側：（１／２）Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ 全反応：Ｈ2 ＋（１／２）Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ 図２は、従来の固体高分子電解質燃料電池の構成の一例
を示す。
【０００４】図中の11は、電解質12の上下に第１触媒電
極（アノード極）13，第２触媒電極（カソード極）14を
積層した積層体である。この積層体11の上側には、第１
カーボン電極（アノード電極）15，燃料流路16を有した
燃料配流板17が設けられている。前記積層体11の下側に
は、第２カーボン電極（アノード電極）18，酸化剤流路
19を有した酸化剤配流板20が設けられている。
極（アノード極）13，第２触媒電極（カソード極）14を
積層した積層体である。この積層体11の上側には、第１
カーボン電極（アノード電極）15，燃料流路16を有した
燃料配流板17が設けられている。前記積層体11の下側に
は、第２カーボン電極（アノード電極）18，酸化剤流路
19を有した酸化剤配流板20が設けられている。
【０００５】こうした燃料電池において、前記燃料流路
16を流れてきた燃料水素は、第１カーボン電極15を通過
し、第１触媒電極13上で水素イオン化され、水素イオン
は電解質12中を水の介在のもとＨ+ ・ｘＨ2 Ｏとして、
カソード極側へ水と共に移動する。この水素イオンによ
り、第２触媒電極14上で生成された水と、水素イオンと
共にアノード極側より電解質12中を移動してきた水は、
蒸気あるいは、一部液体のまま、酸化剤流路19に沿って
均一な空隙率構造をした第２カーボン電極18を通過し、
酸化剤が流れる酸化剤流路19に排出されるようになって
いる。
16を流れてきた燃料水素は、第１カーボン電極15を通過
し、第１触媒電極13上で水素イオン化され、水素イオン
は電解質12中を水の介在のもとＨ+ ・ｘＨ2 Ｏとして、
カソード極側へ水と共に移動する。この水素イオンによ
り、第２触媒電極14上で生成された水と、水素イオンと
共にアノード極側より電解質12中を移動してきた水は、
蒸気あるいは、一部液体のまま、酸化剤流路19に沿って
均一な空隙率構造をした第２カーボン電極18を通過し、
酸化剤が流れる酸化剤流路19に排出されるようになって
いる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図２に
示すような酸化剤流路に沿ってその空隙率が均一な多孔
質なカーボン電極では、電池反応に伴って発生する生成
水、及び水素イオンと共にアノード極よりカソード極へ
移動する移動水が、酸化剤流路17の下流へ向かうほど、
その酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が上昇するため、蒸気
となってガス拡散排出されにくくなることになる。ま
た、一部液体化、液滴化した生成水や移動水が、カソー
ド極側の多孔質なカーボン電極中に詰まり、多孔質なカ
ーボン電極中の酸化剤のガス拡散が阻止され易い構造と
なっていた。このため、安定な電池反応が行われにくい
状況が起こっていた。
示すような酸化剤流路に沿ってその空隙率が均一な多孔
質なカーボン電極では、電池反応に伴って発生する生成
水、及び水素イオンと共にアノード極よりカソード極へ
移動する移動水が、酸化剤流路17の下流へ向かうほど、
その酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が上昇するため、蒸気
となってガス拡散排出されにくくなることになる。ま
た、一部液体化、液滴化した生成水や移動水が、カソー
ド極側の多孔質なカーボン電極中に詰まり、多孔質なカ
ーボン電極中の酸化剤のガス拡散が阻止され易い構造と
なっていた。このため、安定な電池反応が行われにくい
状況が起こっていた。
【０００７】この発明はこうした事情に考慮してなされ
たもので、酸化剤が供給される側の多孔質なカーボン電
極を、酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って空隙
率を徐々に大きくすることにより、空隙率を酸化剤流路
に沿って変化させ、もって酸化剤流路の下流域でも生成
水や移動水の蒸気によるガス拡散排出が行われ易く、ま
た液体化や液滴化した生成水や移動水も排出され易くし
て、安定した電池反応を継続してなしえる固体高分子電
解質燃料電池を提供することを目的とする。
たもので、酸化剤が供給される側の多孔質なカーボン電
極を、酸化剤の上流流路域から下流流路域に沿って空隙
率を徐々に大きくすることにより、空隙率を酸化剤流路
に沿って変化させ、もって酸化剤流路の下流域でも生成
水や移動水の蒸気によるガス拡散排出が行われ易く、ま
た液体化や液滴化した生成水や移動水も排出され易くし
て、安定した電池反応を継続してなしえる固体高分子電
解質燃料電池を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この発明は、電解質の両
面側にアノード極、カソード極を夫々配置した積層体
と、前記積層体のアノード極側に設けられ、前記アノー
ド極に燃料を供給する燃料流路を有した燃料配流板と、
前記積層体のカソード極側に設けられ、前記カソード極
に酸化剤を供給する酸化剤流路路を有した酸化剤配流板
とを具備し、酸化剤が供給される側のカソード極を、酸
化剤の上流流路域から下流流路域に沿って空隙率を徐々
に大きくし、空隙率を酸化剤流路に沿って変化させるこ
とを特徴とする固体高分子電解質燃料電池である。
面側にアノード極、カソード極を夫々配置した積層体
と、前記積層体のアノード極側に設けられ、前記アノー
ド極に燃料を供給する燃料流路を有した燃料配流板と、
前記積層体のカソード極側に設けられ、前記カソード極
に酸化剤を供給する酸化剤流路路を有した酸化剤配流板
とを具備し、酸化剤が供給される側のカソード極を、酸
化剤の上流流路域から下流流路域に沿って空隙率を徐々
に大きくし、空隙率を酸化剤流路に沿って変化させるこ
とを特徴とする固体高分子電解質燃料電池である。
【０００９】
【作用】酸化剤が供給される側の多孔質なカーボン電極
構造を、酸化剤流路の上流流路域から下流流路域に沿っ
て空隙率を徐々に大きくして、空隙率を酸化剤流路に沿
って変化させることで、酸化剤流路の下流流路域におい
て酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が上昇しても、生成水や
移動水が蒸気となってガス拡散排出されやすく、あるい
は、液体化や液滴化した生成水や移動水がカーボン電極
を通過して酸化剤流路中に排出されやすくなる。
構造を、酸化剤流路の上流流路域から下流流路域に沿っ
て空隙率を徐々に大きくして、空隙率を酸化剤流路に沿
って変化させることで、酸化剤流路の下流流路域におい
て酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が上昇しても、生成水や
移動水が蒸気となってガス拡散排出されやすく、あるい
は、液体化や液滴化した生成水や移動水がカーボン電極
を通過して酸化剤流路中に排出されやすくなる。
【００１０】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図３を参照して
説明する。
説明する。
【００１１】図中の31は、高分子イオン交換膜（例え
ば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂イオン交換膜）から
なる電解質32の上下に第１触媒電極（アノード極）33，
第２触媒電極（カソード極）34を夫々積層した積層体で
ある。この積層体31の上側には、第１カーボン電極（ア
ノード電極）35，及び燃料流路36を有した燃料配流板37
が設けられている。前記積層体31の下側には、第２カー
ボン電極（アノード電極）38，及び酸化剤流路39を有し
た酸化剤配流板40が設けられている。こうした燃料電池
において、酸化剤が供給される側の多孔質な第２カーボ
ン電極38は、酸化剤流路の上流流路域から下流流路域に
沿って（矢印方向）空隙率を徐々に大きくして、空隙率
を酸化剤流路39に沿って変化させた構造となっている。
ば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂イオン交換膜）から
なる電解質32の上下に第１触媒電極（アノード極）33，
第２触媒電極（カソード極）34を夫々積層した積層体で
ある。この積層体31の上側には、第１カーボン電極（ア
ノード電極）35，及び燃料流路36を有した燃料配流板37
が設けられている。前記積層体31の下側には、第２カー
ボン電極（アノード電極）38，及び酸化剤流路39を有し
た酸化剤配流板40が設けられている。こうした燃料電池
において、酸化剤が供給される側の多孔質な第２カーボ
ン電極38は、酸化剤流路の上流流路域から下流流路域に
沿って（矢印方向）空隙率を徐々に大きくして、空隙率
を酸化剤流路39に沿って変化させた構造となっている。
【００１２】こうした構造の固体高分子電解質燃料電池
において、燃料流路36を流れてきた燃料水素は第１カー
ボン電極36を通過し、第１触媒電極33上で水素イオン化
され、水素イオンは電解質32中を水の介在のもとＨ+ ・
ｘＨ2 Ｏとして、カソード極側へ水と共に移動する。こ
の水素イオンにより第２触媒電極34上で生成された水
と、水素イオンと共にアノード極側より電解質32中を移
動してきた水は、酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が高くて
も、蒸気あるいは、一部は液体のまま、第２カーボン電
極38を通過し、酸化剤が流れる酸化剤流路39に排出され
るようになっている。 上記実施例によれば、酸化剤が
供給される側の多孔質な第２カーボン電極38は、酸化剤
流路39の上流流路域から下流流路域に沿って空隙率を徐
々に大きくして、空隙率を酸化剤流路39に沿って変化さ
せた構造となっている。従って、酸化剤流路39の上流流
路域で排出された生成水や移動水により、酸化剤流路39
の下流流路域では、その酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が
上昇するが、多孔質な第２カーボン電極38の空隙率が大
きくなっていることから、酸化剤流路39の下流域でも生
成水や移動水の蒸気によるガス拡散排出が行われやす
く、また、液体化や液滴化した生成水や移動水も、第２
カーボン電極38を通過して酸化剤流路39中に排出されや
すくなっている。これにより、安定した電池反応を継続
して行なうことが可能となる。
において、燃料流路36を流れてきた燃料水素は第１カー
ボン電極36を通過し、第１触媒電極33上で水素イオン化
され、水素イオンは電解質32中を水の介在のもとＨ+ ・
ｘＨ2 Ｏとして、カソード極側へ水と共に移動する。こ
の水素イオンにより第２触媒電極34上で生成された水
と、水素イオンと共にアノード極側より電解質32中を移
動してきた水は、酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が高くて
も、蒸気あるいは、一部は液体のまま、第２カーボン電
極38を通過し、酸化剤が流れる酸化剤流路39に排出され
るようになっている。 上記実施例によれば、酸化剤が
供給される側の多孔質な第２カーボン電極38は、酸化剤
流路39の上流流路域から下流流路域に沿って空隙率を徐
々に大きくして、空隙率を酸化剤流路39に沿って変化さ
せた構造となっている。従って、酸化剤流路39の上流流
路域で排出された生成水や移動水により、酸化剤流路39
の下流流路域では、その酸化剤雰囲気中の水蒸気分圧が
上昇するが、多孔質な第２カーボン電極38の空隙率が大
きくなっていることから、酸化剤流路39の下流域でも生
成水や移動水の蒸気によるガス拡散排出が行われやす
く、また、液体化や液滴化した生成水や移動水も、第２
カーボン電極38を通過して酸化剤流路39中に排出されや
すくなっている。これにより、安定した電池反応を継続
して行なうことが可能となる。
【００１３】
【発明の効果】以上詳述した如くこの発明によれば、酸
化剤が供給される側の多孔質なカーボン電極を、酸化剤
の上流流路域から下流流路域に沿って空隙率を徐々に大
きくすることにより、空隙率を酸化剤流路に沿って変化
させ、もって酸化剤流路の下流域でも生成水や移動水の
蒸気によるガス拡散排出が行われ易く、また液体化や液
滴化した生成水や移動水も排出され易くして、安定した
電池反応を継続してなしえる固体高分子電解質燃料電池
を提供できる。
化剤が供給される側の多孔質なカーボン電極を、酸化剤
の上流流路域から下流流路域に沿って空隙率を徐々に大
きくすることにより、空隙率を酸化剤流路に沿って変化
させ、もって酸化剤流路の下流域でも生成水や移動水の
蒸気によるガス拡散排出が行われ易く、また液体化や液
滴化した生成水や移動水も排出され易くして、安定した
電池反応を継続してなしえる固体高分子電解質燃料電池
を提供できる。
【図１】固体高分子電解質燃料電池の機能を説明するた
めの図。
めの図。
【図２】従来の固体高分子電解質燃料電池の説明図。
【図３】この発明の一実施例に係る固体高分子電解質燃
料電池の説明図。
料電池の説明図。
31…積層体、 32…電解質、 33…
第１触媒電極、34…第２触媒電極、 35…第１カーボ
ン電極、 36…燃料流路、37…燃料配流板、 38…
第２カーボン電極、 39…酸化剤流路、40…酸化剤配流
板。
第１触媒電極、34…第２触媒電極、 35…第１カーボ
ン電極、 36…燃料流路、37…燃料配流板、 38…
第２カーボン電極、 39…酸化剤流路、40…酸化剤配流
板。
Claims (1)
- 【請求項１】 電解質の両面側にアノード極、カソード
極を夫々配置した積層体と、前記積層体のアノード極側
に設けられ、前記アノード極に燃料を供給する燃料流路
を有した燃料配流板と、前記積層体のカソード極側に設
けられ、前記カソード極に酸化剤を供給する酸化剤流路
を有した酸化剤配流板とを具備し、酸化剤が供給される
側のカソード極を、酸化剤の上流流路域から下流流路域
に沿って空隙率を徐々に大きくし、空隙率を酸化剤流路
に沿って変化させることを特徴とする固体高分子電解質
燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5053321A JPH06267562A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 固体高分子電解質燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5053321A JPH06267562A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 固体高分子電解質燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06267562A true JPH06267562A (ja) | 1994-09-22 |
Family
ID=12939463
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5053321A Withdrawn JPH06267562A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 固体高分子電解質燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06267562A (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1176654A3 (en) * | 2000-07-25 | 2002-08-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| JP2005174648A (ja) * | 2003-12-09 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2006012546A (ja) * | 2004-06-24 | 2006-01-12 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP2006253038A (ja) * | 2005-03-11 | 2006-09-21 | Equos Research Co Ltd | セパレータユニット及び燃料電池スタック |
| EP1298745A3 (en) * | 2001-09-28 | 2006-10-04 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
| WO2007089029A1 (en) * | 2006-02-03 | 2007-08-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| WO2011013711A1 (ja) | 2009-07-28 | 2011-02-03 | ジャパンゴアテックス株式会社 | 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層部材および固体高分子形燃料電池 |
-
1993
- 1993-03-15 JP JP5053321A patent/JPH06267562A/ja not_active Withdrawn
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP1176654A3 (en) * | 2000-07-25 | 2002-08-14 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| US6933067B2 (en) | 2000-07-25 | 2005-08-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| EP1298745A3 (en) * | 2001-09-28 | 2006-10-04 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell |
| JP2005174648A (ja) * | 2003-12-09 | 2005-06-30 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2006012546A (ja) * | 2004-06-24 | 2006-01-12 | Toyota Motor Corp | 燃料電池 |
| JP2006253038A (ja) * | 2005-03-11 | 2006-09-21 | Equos Research Co Ltd | セパレータユニット及び燃料電池スタック |
| WO2007089029A1 (en) * | 2006-02-03 | 2007-08-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| US8940449B2 (en) | 2006-02-03 | 2015-01-27 | Canon Kabushiki Kaisha | Fuel cell |
| WO2011013711A1 (ja) | 2009-07-28 | 2011-02-03 | ジャパンゴアテックス株式会社 | 固体高分子形燃料電池用ガス拡散層部材および固体高分子形燃料電池 |
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