JPH07161368A - 燃料電池 - Google Patents

燃料電池

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JPH07161368A
JPH07161368A JP5341570A JP34157093A JPH07161368A JP H07161368 A JPH07161368 A JP H07161368A JP 5341570 A JP5341570 A JP 5341570A JP 34157093 A JP34157093 A JP 34157093A JP H07161368 A JPH07161368 A JP H07161368A
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JP
Japan
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exchange membrane
ion exchange
membrane
water
fuel cell
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JP5341570A
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English (en)
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Yutaka Mizuno
裕 水野
Tomio Yasuma
富男 安間
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Yamaha Motor Co Ltd
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Yamaha Motor Co Ltd
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1016Fuel cells with solid electrolytes characterised by the electrolyte material
    • H01M8/1018Polymeric electrolyte materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/1007Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
    • YGENERAL 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
    • 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
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 イオン交換膜と触媒電極との接合状態を維持
し、発電性能の低下を防止し、信頼性を維持すると共
に、耐久性が向上する燃料電池を提供する。 【構成】 イオン交換膜9の一方面に正の触媒電極10
を有すると共に、他方面に負の触媒電極11を有し、水
素と酸素と反応させて水を生成し、その際に電気を発生
させる燃料電池1において、イオン交換膜9に、膨張を
吸収する手段30を施している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、水素と酸素と反応さ
せて水を生成し、その際に電気を発生させる燃料電池に
関する。
【0002】
【従来の技術】電気自動車には、例えば燃料電池を搭載
し、この燃料電池によって発生する電気を駆動源として
走行するものがある。この燃料電池は、イオン交換膜の
一方面に正の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触
媒電極を有し、水素と酸素と反応させて水を生成し、そ
の際に電気を発生させる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このような燃料電池で
は、水素と酸素との反応点がイオン交換膜と触媒電極と
の界面に生じるが、加温、加湿によってイオン交換膜と
触媒電極とでは膨張率が相違する。この両者の膨張率の
違いにより、イオン交換膜と触媒電極との接合状態が変
化し、イオン交換膜と触媒電極とのはがれ、イオン交換
膜の破れ等が生じることがあり、これにより反応点が安
定的に保持できない恐れがある。
【0004】その結果、発電性能が低下し、信頼性が維
持できないばかりでなく、耐久性が低下する等の問題が
発生する。このため、高性能で高効率な電極特性を維持
するために、イオン交換膜の伸び対策が重要である。
【0005】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
ので、イオン交換膜と触媒電極との接合状態を維持し、
発電性能の低下を防止し、信頼性を維持すると共に、耐
久性が向上する燃料電池を提供することを目的としてい
る。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、請求項1記載の発明は、イオン交換膜の一方面に正
の触媒電極を有すると共に、他方面に負の触媒電極を有
し、水素と酸素と反応させて水を生成し、その際に電気
を発生させる燃料電池において、前記イオン交換膜に、
膨張を吸収する手段を施したことを特徴としている。
【0007】
【作用】この請求項1記載の発明では、イオン交換膜
に、膨張を吸収する手段を施しており、イオン交換膜の
伸びを吸収することで変形が少なくなり、イオン交換膜
と触媒電極との接合状態を維持でき、発電性能の低下を
防止し、信頼性が向上すると共に、耐久性が向上する。
【0008】
【実施例】以下、この発明の燃料電池の実施例を図面に
基づいて詳細に説明する。
【0009】図1は燃料電池の構成を示す縦断面図であ
る。この燃料電池1には、ガスケット2,3を介して一
対のセパレータ4,5が組み付けられ、この一対のセパ
レータ4,5の間には接合体6が配置されている。一対
のセパレータ4,5にはそれぞれ熱媒体通路7,8が設
けられ、この熱媒体通路7,8に循環ポンプ50、熱交
換器51の作動で熱媒体を供給して温度調節が行われ
る。この熱媒体としては、例えば市販の熱媒体で、水、
リフォーマの原料、バーナーの燃料等が用いられる。
【0010】接合体6は、中央にイオン交換膜9を有
し、このイオン交換膜9の一方に正の触媒電極10を、
他方に負の触媒電極11を接合し、さらに正の触媒電極
10の外側にガス拡散層12を、負の触媒電極11の外
側にガス拡散層13を接合して構成されている。
【0011】一方のセパレータ4のガス拡散層12と接
する面には互いに連通するガス流路14が形成され、さ
らにガス流路14の一方に連通する流入通路15が形成
され、また他方に連通する流出通路16が形成されてい
る。
【0012】他方のセパレータ5のガス拡散層13と接
する面には互いに連通するガス流路17が形成され、さ
らにガス流路17の一方に連通する流入通路18が形成
され、また他方に連通する流出通路19が形成されてい
る。
【0013】この一方のセパレータ4の流入通路15か
ら加温、加湿した酸素と水を供給すると、この酸素と水
はガス流路14を流れ、他方のセパレータ5の流入通路
18から加温、加湿した水素と水を供給すると、この水
素と水はガス流路17を流れる。このとき、接合体6に
より水素と酸素の電気化学的な反応により水を生成し、
その際の自由エネルギーの変化を電気エネルギーとして
取り出す発電が行われ、主として酸素と水が流出通路1
6から、主として水素と水が流出通路19から排出され
る。
【0014】接合体6による水素と酸素の電気化学的な
反応は、一方では酸素と水がガス拡散層12、触媒電極
10を通り、イオン交換膜9の表面に供給され、他方で
は水素と水がガス拡散層13、触媒電極11を通り、イ
オン交換膜9の表面に供給され、この触媒電極10とイ
オン交換膜9の界面及び触媒電極11とイオン交換膜9
の界面で行われる。
【0015】この接合体6による水素と酸素の電気化学
的な反応で、水はイオン交換膜9の中でH+の移動を助
ける役割をしている。即ち、H+はイオン交換膜9中の
イオン交換基の間を、隣接する水分子を移動しながら、
あるいは水分子を伴って泳動しながら進んでいく。従っ
て、水が不足するとH+の移動の抵抗が大きくなり、性
能が低下する。
【0016】このイオン交換膜9の両面には、膨張を吸
収する手段30が施されており、この膨張を吸収する手
段30は凹部31で構成され、この凹部31はイオン交
換膜9の両面の対称位置に形成されている。
【0017】従って、燃料電池1では、水素と酸素との
反応点がイオン交換膜9と触媒電極10,11との界面
に生じるが、加温、加湿によってイオン交換膜9と触媒
電極10,11との膨張率の違いにより、イオン交換膜
9が伸びる。このとき、イオン交換膜9に形成した凹部
31により伸びを吸収するため、イオン交換膜9と触媒
電極10,11との接合状態を維持することができ、発
電性能の低下を防止し、信頼性を維持すると共に、耐久
性が向上する。また、イオン交換膜9に形成した凹部3
1で、触媒電極10,11とイオン交換膜9との接触面
積を増加させることができ、その分発電効率が向上す
る。
【0018】また、イオン交換膜9に施された膨張を吸
収する手段30を構成する凹部31は、図2に示すよう
に、イオン交換膜9の両面の非対称位置に形成してもよ
く、また図3に示すようにイオン交換膜9に片面のみに
形成してもよい。
【0019】また、イオン交換膜に施された膨張を吸収
する手段30は、凸部32で構成することができ、この
凸部32は、図4に示すように、イオン交換膜9の両面
の非対称位置に形成してもよく、また図5に示すように
イオン交換膜9に一方面のみに形成してもよい。このよ
うに、イオン交換膜9に凸部32を形成するものでは、
凸部32によって触媒電極に余裕ができてイオン交換膜
9の伸びに追従することができる。
【0020】また、イオン交換膜に施された膨張を吸収
する手段30は、図6に示すように、イオン交換膜9自
体を波形に形成することで構成してもよく、さらに図7
に示すようにイオン交換膜9自体を蛇腹状に形成して構
成してもよい。
【0021】さらに、イオン交換膜に施された膨張を吸
収する手段30は、溝33で構成することができ、この
溝33は、図8に示すように格子状に形成してもよく、
また図9に示すように中央部で溝を多く形成してもよ
く、さらに図10に示すように大きく蛇行させて形成し
てもよく、また図11に示すように連続したひだ状に形
成してもよい。
【0022】これらの溝33は、イオン交換膜9の片面
に形成しても、あるいは両面に形成してもよい。さら
に、これらの溝33を水通路とすることができ、図8乃
至図11に示すように溝33のパターンにより水通路の
入口と出口を自由に変えることができる。
【0023】また、イオン交換膜9の表面に形成された
細かい溝33は、機械加工刃、プラズマのような電気的
処理、プレス、または製膜時の型成型等により作ること
ができる。
【0024】また、イオン交換膜に施された膨張を吸収
する手段30は、突起34で構成することができ、この
突起34は、図12に示すように均等に分布させて形成
しても、図13に示すように中央を密にして分布に変化
をもたせてもよい。また、突起34の形状は、図12及
び図13ではイボ状に形成されているが、図14に示す
ようにリブ状に形成してもよい。
【0025】このように、イオン交換膜9に突起34が
形成され、このイオン交換膜9を図15に示すように、
イオン交換膜9を両側から触媒電極10,11により締
め付けることにより突起34が押さえられ、この後イオ
ン交換膜9を膨潤させると突起34と触媒電極10,1
1の締め付け部との接触圧により突起34間Dのイオン
交換膜9の伸びを抑えることができる。
【0026】また、イオン交換膜に施された膨張を吸収
する手段30は、図16に示すように孔を有する細径の
格子状パイプ35をイオン交換膜液36に浸すことによ
り、小面積の膜を多く作製したイオン交換膜9自体で構
成することができる。このイオン交換膜9は、図17に
示すように、膜面積の狭小化により膨潤により伸びの影
響を小さくすることができ、イオン交換膜9の水または
水蒸気の供給が格子状パイプ35の孔37から直接必要
分行なえ、しかも格子状パイプ35が補強材を兼ねるこ
とができる。
【0027】さらに、このようなイオン交換膜9は、図
18乃至図21に示す種々の格子状パイプ35のロール
を、図22に示すようにイオン交換膜液36に浸し、そ
の後乾燥機38乾燥して製作される。
【0028】前記したように、格子状パイプ35には、
孔37が形成されており、この孔37の位置、数、形状
等は、例えば位置が結合部、中間部に形成され、その数
は結合部では数ケ所、中間部では2ケ所、形状は円形、
長方形に形成される。
【0029】
【発明の効果】前記したように、請求項1記載の発明
は、イオン交換膜に、膨張を吸収する手段を施したか
ら、イオン交換膜が伸びた時に伸びを吸収することで変
形が少なくなり、イオン交換膜と触媒電極との接合状態
を維持でき、発電性能の低下を防止し、信頼性が向上す
ると共に、耐久性が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】燃料電池の構成を示す縦断面図である。
【図2】イオン交換膜の両面に凹部を形成した実施例を
示す図である。
【図3】イオン交換膜の片面に凹部を形成した実施例を
示す図である。
【図4】イオン交換膜の両面に凸部を形成した実施例を
示す図である。
【図5】イオン交換膜の片面に凸部を形成した実施例を
示す図である。
【図6】イオン交換膜を波形に形成した実施例を示す図
である。
【図7】イオン交換膜を蛇腹状に形成した実施例を示す
図である。
【図8】イオン交換膜に格子状の溝を形成した実施例を
示す図である。
【図9】イオン交換膜に中央で密集した溝を形成した実
施例を示す図である。
【図10】イオン交換膜に蛇行した溝を形成した実施例
を示す図である。
【図11】イオン交換膜に連続したひだ状の溝を形成し
た実施例を示す図である。
【図12】イオン交換膜に突起を均等に分布させたて形
成した実施例を示す図である。
【図13】イオン交換膜に突起を不均等に分布させて形
成した実施例を示す図である。
【図14】イオン交換膜の突起の他の実施例を示す図で
ある。
【図15】イオン交換膜の膨潤を示す図である。
【図16】イオン交換膜を格子状パイプで形成する実施
例を示す図である。
【図17】イオン交換膜の膨潤を示す図である。
【図18】イオン交換膜の格子状パイプの実施例を示す
図である。
【図19】イオン交換膜の格子状パイプの他の実施例を
示す図である。
【図20】イオン交換膜の格子状パイプの他の実施例を
示す図である。
【図21】イオン交換膜の格子状パイプの他の実施例を
示す図である。
【図22】イオン交換膜を格子状パイプで形成する実施
例を示す図である。
【符号の説明】
1 燃料電池 9 イオン交換膜 10,11 触媒電極 30 膨張を吸収する手段

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 イオン交換膜の一方面に正の触媒電極を
    有すると共に、他方面に負の触媒電極を有し、水素と酸
    素と反応させて水を生成し、その際に電気を発生させる
    燃料電池において、前記イオン交換膜に、膨張を吸収す
    る手段を施したことを特徴とする燃料電池。
JP5341570A 1993-12-10 1993-12-10 燃料電池 Pending JPH07161368A (ja)

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JP5341570A JPH07161368A (ja) 1993-12-10 1993-12-10 燃料電池

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