JPH07312223A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JPH07312223A JPH07312223A JP6102668A JP10266894A JPH07312223A JP H07312223 A JPH07312223 A JP H07312223A JP 6102668 A JP6102668 A JP 6102668A JP 10266894 A JP10266894 A JP 10266894A JP H07312223 A JPH07312223 A JP H07312223A
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gasket
- fuel cell
- plate
- exchange membrane
- ion exchange
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
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-
- 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
- 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】 低い締めつけ圧力で高いシール性を発揮する
ガスケットを用いることによって、軽く経済性の高い燃
料電池を提供することを目的とする。 【構成】 正極１２、電解質板１１、負極１２からなる
単位セルの周縁にガスケット３１を配し、セパレータ板
２を介在して積層された燃料電池において、ガスケット
はゴム板３２の少なくとも片面に独立気泡のスポンジ層
３３を一体に接着した構成とした。
ガスケットを用いることによって、軽く経済性の高い燃
料電池を提供することを目的とする。 【構成】 正極１２、電解質板１１、負極１２からなる
単位セルの周縁にガスケット３１を配し、セパレータ板
２を介在して積層された燃料電池において、ガスケット
はゴム板３２の少なくとも片面に独立気泡のスポンジ層
３３を一体に接着した構成とした。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料として純水素、ま
たはメタノール及び化石燃料からの改質水素などの還元
剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関する
ものであり、特に固体高分子電解質型燃料電池のガスケ
ットに関するものである。
たはメタノール及び化石燃料からの改質水素などの還元
剤を用い、空気や酸素を酸化剤とする燃料電池に関する
ものであり、特に固体高分子電解質型燃料電池のガスケ
ットに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】例えば固体高分子電解質型燃料電池は、
固体高分子電解質にプロトン伝導体であるカチオン交換
膜を用い、燃料として水素を、酸化剤として酸素を導入
した場合には、次の（化１）、（化２）反応が起こるこ
とが知られている。
固体高分子電解質にプロトン伝導体であるカチオン交換
膜を用い、燃料として水素を、酸化剤として酸素を導入
した場合には、次の（化１）、（化２）反応が起こるこ
とが知られている。
【０００３】
【化１】
【０００４】
【化２】
【０００５】負極では水素がプロトンと電子に解離す
る。プロトンはカチオン交換膜中を正極に向かって移動
し、電子は導電性のセパレータ板と直列に積層されたセ
ルとさらに外部の回路を移動して正極に至り、このとき
発電が行われる。一方、正極ではカチオン交換膜中を移
動してきたプロトンと外部回路を移動してきた電子と外
部から導入された酸素とが反応し水を生成する。この反
応は発熱を伴うので全体として水素と酸素から電気と水
と熱を発生する。
る。プロトンはカチオン交換膜中を正極に向かって移動
し、電子は導電性のセパレータ板と直列に積層されたセ
ルとさらに外部の回路を移動して正極に至り、このとき
発電が行われる。一方、正極ではカチオン交換膜中を移
動してきたプロトンと外部回路を移動してきた電子と外
部から導入された酸素とが反応し水を生成する。この反
応は発熱を伴うので全体として水素と酸素から電気と水
と熱を発生する。
【０００６】固体高分子電解質型燃料電池が他の燃料電
池と大きく異なる点は、電解質が固体高分子であるイオ
ン交換膜で構成されている点である。このイオン交換膜
にはパーフルオロカーボンスルホン酸膜（米国、デュポ
ン社製 商品名ナフィオン）等が用いられるが、この膜
が十分なプロトン導電性を示すためには膜が十分に水和
している必要がある。イオン交換膜を水和させる方法と
しては、例えばＪ．Ｅｌｅｃｔｏｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏ
ｃ．１３５（１９８８）２２０９頁に記載されているよ
うに反応ガスを加湿器に通すことによって水蒸気をセル
内に導入してイオン交換膜の乾燥を防ぐ方法が取られ
る。また、各セルをシールする方法としては、例えば
Ｊ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，２９（１９９０）３
６７頁に記載されているようにイオン交換膜の面積を電
極面積よりも大きくし、イオン交換膜の電極と接合され
ていない周囲部分を上下のガスケットで挟み込む方法が
取られる。
池と大きく異なる点は、電解質が固体高分子であるイオ
ン交換膜で構成されている点である。このイオン交換膜
にはパーフルオロカーボンスルホン酸膜（米国、デュポ
ン社製 商品名ナフィオン）等が用いられるが、この膜
が十分なプロトン導電性を示すためには膜が十分に水和
している必要がある。イオン交換膜を水和させる方法と
しては、例えばＪ．Ｅｌｅｃｔｏｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏ
ｃ．１３５（１９８８）２２０９頁に記載されているよ
うに反応ガスを加湿器に通すことによって水蒸気をセル
内に導入してイオン交換膜の乾燥を防ぐ方法が取られ
る。また、各セルをシールする方法としては、例えば
Ｊ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｏｕｒｃｅｓ，２９（１９９０）３
６７頁に記載されているようにイオン交換膜の面積を電
極面積よりも大きくし、イオン交換膜の電極と接合され
ていない周囲部分を上下のガスケットで挟み込む方法が
取られる。
【０００７】ガスケットの材質としてはポリテトラフル
オロエチレン（米国，デュポン社製商品名テフロン）を
コーティングしたガラス繊維布やフッソゴムが用いられ
ている。
オロエチレン（米国，デュポン社製商品名テフロン）を
コーティングしたガラス繊維布やフッソゴムが用いられ
ている。
【０００８】また、米国特許第４，８２６，７４１号明
細書ではシリコンゴムやフッソゴムが用いられている。
この構成時、ガスケットは約５０〜２００μｍのイオン
交換膜の厚みを吸収しつつ隣合うセパレータ板間の絶縁
とガスシールを行わなければならない。そこで、セルの
締めつけ圧力を大きくしてガスケットをつぶしたり、ガ
スケットのイオン交換膜が当たる部分の厚みを膜厚分だ
け薄くする微細な加工が必要であった。
細書ではシリコンゴムやフッソゴムが用いられている。
この構成時、ガスケットは約５０〜２００μｍのイオン
交換膜の厚みを吸収しつつ隣合うセパレータ板間の絶縁
とガスシールを行わなければならない。そこで、セルの
締めつけ圧力を大きくしてガスケットをつぶしたり、ガ
スケットのイオン交換膜が当たる部分の厚みを膜厚分だ
け薄くする微細な加工が必要であった。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の方法では、セルの積層数が増すにつれて吸収すべきイ
オン交換膜の厚みが積算されて大きくなるために吸収し
きれなくなったり、非常に大きな締めつけ圧力を必要と
し、強度を確保するためにエンドプレートやボルトナッ
トなどの他のハウジングが大がかりなものになる。ま
た、ガスケットやイオン交換膜やセパレータ板の厚みの
ばらつきによって十分なガスシール性が確保できないな
どの欠点を有していた。さらに、イオン交換膜は含水率
の変化にともなって膜厚が変化するため、従来のガスケ
ット材料では応力緩和性が大きいことから、当初確保さ
れていたシール性が運転途中で低下するという危険を有
していた。
の方法では、セルの積層数が増すにつれて吸収すべきイ
オン交換膜の厚みが積算されて大きくなるために吸収し
きれなくなったり、非常に大きな締めつけ圧力を必要と
し、強度を確保するためにエンドプレートやボルトナッ
トなどの他のハウジングが大がかりなものになる。ま
た、ガスケットやイオン交換膜やセパレータ板の厚みの
ばらつきによって十分なガスシール性が確保できないな
どの欠点を有していた。さらに、イオン交換膜は含水率
の変化にともなって膜厚が変化するため、従来のガスケ
ット材料では応力緩和性が大きいことから、当初確保さ
れていたシール性が運転途中で低下するという危険を有
していた。
【００１０】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、低い締めつけ圧力で高いシール性を発揮するガスケ
ットを用いることによって、より軽く経済性の高い燃料
電池、特に固体高分子電解質型燃料電池を提供すること
を目的とする。
で、低い締めつけ圧力で高いシール性を発揮するガスケ
ットを用いることによって、より軽く経済性の高い燃料
電池、特に固体高分子電解質型燃料電池を提供すること
を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明によれば、正極、電解質板、負極からなる単
位セルの周縁にガスケットを配し、セパレータ板を介在
して積層された燃料電池において、ガスケットをゴム板
の少なくとも片面に独立気泡のスポンジ層を一体に接着
した構成としたものである。
に、本発明によれば、正極、電解質板、負極からなる単
位セルの周縁にガスケットを配し、セパレータ板を介在
して積層された燃料電池において、ガスケットをゴム板
の少なくとも片面に独立気泡のスポンジ層を一体に接着
した構成としたものである。
【００１２】
【作用】この構成では、独立気泡のスポンジ層がイオン
交換膜の厚みを気泡の圧縮によって吸収する。また、部
分的な凹凸に対しても個々の独立した気泡が圧縮するた
めにセパレータ板のウネリや粗さも吸収することができ
る。さらに、密閉された気泡を圧縮させるので応力緩和
が小さく、スポンジ層がゴムのソリッド層の基板に接着
されているために、内部に高圧のガスを用いた場合にも
スポンジ層と基板との接着力によってスポンジ層が外側
に逃げることはない。
交換膜の厚みを気泡の圧縮によって吸収する。また、部
分的な凹凸に対しても個々の独立した気泡が圧縮するた
めにセパレータ板のウネリや粗さも吸収することができ
る。さらに、密閉された気泡を圧縮させるので応力緩和
が小さく、スポンジ層がゴムのソリッド層の基板に接着
されているために、内部に高圧のガスを用いた場合にも
スポンジ層と基板との接着力によってスポンジ層が外側
に逃げることはない。
【００１３】
【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。
しながら説明する。
【００１４】図３は、一般的な固体高分子電解質型燃料
電池の積層電池の外観図である。グラッシーカーボンな
どの導電性の素材からなるセパレータ板２と絶縁性のガ
スケット１が交互に積み重ねられ、最外側のセパレータ
板に銅製の集電板３が密着されている。この積層体を絶
縁板４を介してステンレス製のエンドプレート５ではさ
み、エンドプレート間をボルト、ナットで締めつける構
造となっている。
電池の積層電池の外観図である。グラッシーカーボンな
どの導電性の素材からなるセパレータ板２と絶縁性のガ
スケット１が交互に積み重ねられ、最外側のセパレータ
板に銅製の集電板３が密着されている。この積層体を絶
縁板４を介してステンレス製のエンドプレート５ではさ
み、エンドプレート間をボルト、ナットで締めつける構
造となっている。
【００１５】もちろん各パーツの材質は導電性、絶縁
性、耐熱性、ガス透過性などの条件が電池性能に悪影響
をおよぼさなければ、上記の素材に限定されるものでは
ない。
性、耐熱性、ガス透過性などの条件が電池性能に悪影響
をおよぼさなければ、上記の素材に限定されるものでは
ない。
【００１６】図４は一般的な積層電池内部セルの断面図
を示した図である。中央のイオン交換膜１１の両面に電
極１２が接合され、その接合体の上下に溝付きのセパレ
ータ板２が位置している。イオン交換膜の面積は電極１
２よりも大きくなっており、周囲をガスケットではさみ
込み、各セルのシールとセパレータ板どうし間の絶縁を
行っている。図に示したように必要に応じて積層体の内
部にガス通路１３を設置する場合（内部マニホールド
型）には、ガスケットがこのガス通路のシールも行う。
溝付きのセパレータ板２は溝の部分に多孔質状の溝付き
板をはめ込む場合やメッシュなどを用いるなどの様々な
構造が可能であり、この構造が本発明を限定するもので
はない。
を示した図である。中央のイオン交換膜１１の両面に電
極１２が接合され、その接合体の上下に溝付きのセパレ
ータ板２が位置している。イオン交換膜の面積は電極１
２よりも大きくなっており、周囲をガスケットではさみ
込み、各セルのシールとセパレータ板どうし間の絶縁を
行っている。図に示したように必要に応じて積層体の内
部にガス通路１３を設置する場合（内部マニホールド
型）には、ガスケットがこのガス通路のシールも行う。
溝付きのセパレータ板２は溝の部分に多孔質状の溝付き
板をはめ込む場合やメッシュなどを用いるなどの様々な
構造が可能であり、この構造が本発明を限定するもので
はない。
【００１７】（実施例１）図１は本発明の実施例１のセ
ルの断面を示す。図中ガスケット２１は、厚み０．８ｍ
ｍのエチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）２２の片面
に厚み０．７ｍｍのＥＰＤＭの独立気泡のスポンジ層２
３を接着したものである。本発明のガスケット２１は、
イオン交換膜１１に接する部分の独立した気泡が、セパ
レータ板２どうしに挟まれた部分よりもさらに圧縮され
ることによってイオン交換膜１１の厚みを吸収しつつセ
パレータ板間、イオン交換膜とセパレータ間の両方のシ
ールを行うことができた。締めつけ圧力は従来の気泡の
ないフッ素ゴムを用いた場合がシール圧１０ｋｇ／ｃｍ
2を必要としたのに対して、本発明のガスケットの場合
には３ｋｇ／ｃｍ2以上で十分であった。さらに、スポ
ンジ層だけのシートでは非常に柔らかいためにセル及び
ガス通路の内圧が高圧になるとガスケットが外側にずれ
て吹き切れてしまったのに対して、本発明のガスケット
の場合には固いゴム板が心材となり、このゴム板とスポ
ンジ層との接着力によってスポンジ層のズレが防止され
て吹き切れを起こさなかった。
ルの断面を示す。図中ガスケット２１は、厚み０．８ｍ
ｍのエチレン−プロピレンゴム（ＥＰＤＭ）２２の片面
に厚み０．７ｍｍのＥＰＤＭの独立気泡のスポンジ層２
３を接着したものである。本発明のガスケット２１は、
イオン交換膜１１に接する部分の独立した気泡が、セパ
レータ板２どうしに挟まれた部分よりもさらに圧縮され
ることによってイオン交換膜１１の厚みを吸収しつつセ
パレータ板間、イオン交換膜とセパレータ間の両方のシ
ールを行うことができた。締めつけ圧力は従来の気泡の
ないフッ素ゴムを用いた場合がシール圧１０ｋｇ／ｃｍ
2を必要としたのに対して、本発明のガスケットの場合
には３ｋｇ／ｃｍ2以上で十分であった。さらに、スポ
ンジ層だけのシートでは非常に柔らかいためにセル及び
ガス通路の内圧が高圧になるとガスケットが外側にずれ
て吹き切れてしまったのに対して、本発明のガスケット
の場合には固いゴム板が心材となり、このゴム板とスポ
ンジ層との接着力によってスポンジ層のズレが防止され
て吹き切れを起こさなかった。
【００１８】（実施例２）図２は本発明の実施例２のセ
ルの断面を示す。ガスケット３１は、厚み０．７ｍｍの
ＥＰＤＭ板３２の両面に厚み０．４ｍｍのＥＰＤＭの独
立気泡のスポンジ層３３を接着した。実施例１と同様の
シール効果に加えて、セパレータ板と接する面にもスポ
ンジ層が存在するために、スポンジ層がセパレータ板表
面の凹凸を吸収してさらにシール効果が増大した。従っ
て、セパレータ板の接触面の加工精度を低く押さえるこ
とが可能となった。このガスケットを用いた場合のシー
ル圧は２ｋｇ／ｃｍ2で十分であった。
ルの断面を示す。ガスケット３１は、厚み０．７ｍｍの
ＥＰＤＭ板３２の両面に厚み０．４ｍｍのＥＰＤＭの独
立気泡のスポンジ層３３を接着した。実施例１と同様の
シール効果に加えて、セパレータ板と接する面にもスポ
ンジ層が存在するために、スポンジ層がセパレータ板表
面の凹凸を吸収してさらにシール効果が増大した。従っ
て、セパレータ板の接触面の加工精度を低く押さえるこ
とが可能となった。このガスケットを用いた場合のシー
ル圧は２ｋｇ／ｃｍ2で十分であった。
【００１９】なお、本実施例ではガスケットの材料とし
て前記の材質を用いたが、この固体高分子電解質型燃料
電池は作動温度が１００℃以下であるので、種々の弾性
材料が使用できる。ただし、イオン交換膜がその交換基
としてスルホン酸基をもち酸性を示すので、ガスケット
の接触面は耐酸性が必要である。
て前記の材質を用いたが、この固体高分子電解質型燃料
電池は作動温度が１００℃以下であるので、種々の弾性
材料が使用できる。ただし、イオン交換膜がその交換基
としてスルホン酸基をもち酸性を示すので、ガスケット
の接触面は耐酸性が必要である。
【００２０】以上の耐熱性と耐酸性の条件が満たされれ
ばどのような材質を選択することも可能であり、本発明
は実施例の材料に限定されない。
ばどのような材質を選択することも可能であり、本発明
は実施例の材料に限定されない。
【００２１】さらに、本実施例ではガスケットを１枚使
用してイオン交換膜を一方向からシールする方法を示し
たが、ガスケットを２枚使用してイオン交換膜を挟み込
む方法を使っても同様の効果が得られた。また、上記の
実施例では固体高分子電解質型燃料電池を一例として述
べたが、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等にお
いても同様の効果を示した。
用してイオン交換膜を一方向からシールする方法を示し
たが、ガスケットを２枚使用してイオン交換膜を挟み込
む方法を使っても同様の効果が得られた。また、上記の
実施例では固体高分子電解質型燃料電池を一例として述
べたが、リン酸型燃料電池、アルカリ型燃料電池等にお
いても同様の効果を示した。
【００２２】
【発明の効果】以上のように本発明は、燃料電池におい
て、ガスケットはゴム板の少なくとも片面に独立気泡の
スポンジ層を一体に接着した構成とした。これにより、
独立気泡のスポンジ層がイオン交換膜の厚みやセパレー
タ板の凹凸を気泡の圧縮によって吸収するので、小さな
締めつけ圧力で優れたシール性能を実現できる。また、
独立気泡のスポンジ層がゴム板に接着されているため
に、内部に高圧のガスを用いた場合にも接着力によって
スポンジ層が外側に逃げない。
て、ガスケットはゴム板の少なくとも片面に独立気泡の
スポンジ層を一体に接着した構成とした。これにより、
独立気泡のスポンジ層がイオン交換膜の厚みやセパレー
タ板の凹凸を気泡の圧縮によって吸収するので、小さな
締めつけ圧力で優れたシール性能を実現できる。また、
独立気泡のスポンジ層がゴム板に接着されているため
に、内部に高圧のガスを用いた場合にも接着力によって
スポンジ層が外側に逃げない。
【００２３】以上の効果により、締めつけ圧力の大幅な
低減が実現できるためエンドプレート、セパレータ、電
極などの強度を低減することができ、例えばエンドプレ
ートとして従来ステンレス鋼を使用していたものに代え
てエンジニアプラスチックなどの材料を使用することが
可能となり、小型軽量で経済性の高い燃料電池が実現で
きる。
低減が実現できるためエンドプレート、セパレータ、電
極などの強度を低減することができ、例えばエンドプレ
ートとして従来ステンレス鋼を使用していたものに代え
てエンジニアプラスチックなどの材料を使用することが
可能となり、小型軽量で経済性の高い燃料電池が実現で
きる。
【図１】本発明の実施例１におけるセルの断面図
【図２】本発明の実施例２におけるセルの断面図
【図３】一般的な固体高分子電解質型燃料電池の外観図
【図４】一般的なセルの断面図
１ ガスケット ２ セパレータ板 ３ 集電板 ４ 絶縁板 ５ エンドプレート ６ 水素入口 ７ 水素出口 ８ 酸素入口 ９ 酸素出口 １０ 排水ドレン １１ イオン交換膜 １２ 電極 １３ ガス通路 ２１ 実施例１のガスケット ２２ ゴム板 ２３ スポンジ層 ３１ 実施例２のガスケット ３２ ゴム板 ３３ スポンジ層
Claims (2)
- 【請求項１】正極、電解質板、負極からなる単位セルの
周縁にガスケットを配し、セパレータ板を介在して積層
された燃料電池において、上記ガスケットはゴム板の少
なくとも片面に独立気泡のスポンジ層を一体に接着した
構造よりなる燃料電池。 - 【請求項２】固体高分子からなるイオン交換膜と、この
イオン交換膜に接する両面に電極触媒層を有する正極お
よび負極からなる単位セルの周縁にガスケットを配し、
セパレータ板を介在して積層された燃料電池において、
ゴム板の少なくとも片面に独立気泡のスポンジ層を一体
に接着した構造のガスケットを用いた燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6102668A JPH07312223A (ja) | 1994-05-17 | 1994-05-17 | 燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6102668A JPH07312223A (ja) | 1994-05-17 | 1994-05-17 | 燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07312223A true JPH07312223A (ja) | 1995-11-28 |
Family
ID=14333618
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6102668A Pending JPH07312223A (ja) | 1994-05-17 | 1994-05-17 | 燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH07312223A (ja) |
Cited By (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| US7014939B2 (en) | 2001-01-30 | 2006-03-21 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell and fuel cell stack |
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-
1994
- 1994-05-17 JP JP6102668A patent/JPH07312223A/ja active Pending
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