JPH0850903A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】コンパクトな固体高分子型燃料電池の構造を提
供する。 【構成】発電素子５を挟持する一対のガス分離部材６、
７は発電素子５が延設される方向に対して垂直方向に互
い違いに突出する突出部６ａ、７ａを備え互いに他方の
ガス分離部材の表面６ｂ、７ｂに押しつけることによっ
て発電素子５を挟持する。発電素子５は一対のガス分離
部材６、７の表面６ｂ、７ｂに所定間隔ごとに接しつつ
ジグザグ状にガス分離部材６、７の延設方向に延びてい
る。斜めに延びる発電素子５と各ガス分離部材６、７と
で画成される空間８、９は、燃料ガスすなわちカソード
側ガスまたは酸化剤ガスすなわちカソード側ガスのガス
通路を構成する。
供する。 【構成】発電素子５を挟持する一対のガス分離部材６、
７は発電素子５が延設される方向に対して垂直方向に互
い違いに突出する突出部６ａ、７ａを備え互いに他方の
ガス分離部材の表面６ｂ、７ｂに押しつけることによっ
て発電素子５を挟持する。発電素子５は一対のガス分離
部材６、７の表面６ｂ、７ｂに所定間隔ごとに接しつつ
ジグザグ状にガス分離部材６、７の延設方向に延びてい
る。斜めに延びる発電素子５と各ガス分離部材６、７と
で画成される空間８、９は、燃料ガスすなわちカソード
側ガスまたは酸化剤ガスすなわちカソード側ガスのガス
通路を構成する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
に関する。
に関する。
【０００２】
【従来の技術及び解決しようとする課題】固体高分子型
燃料電池は、一般的に、水素イオン導電性の固体高分子
を白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構成さ
れる発電素子すなわち固体高分子−電極接合体及び各電
極面にそれぞれの反応ガスを供給するためのガス通路を
画成するともに、発電素子を両側から支持するガス分離
部材とを積層した構造を有する。そして、一方の電極に
燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化剤ガスを供給し
て、燃料ガスの酸化にかかる化学エネルギーを直接電気
エネルギーに変化することによってエネルギーを抽出す
るようになっている。ところで、固体高分子型燃料電池
において上記１つの発電素子とガス通路を構成する１対
のガス分離部材とから構成される１つの電池構造体すな
わちセルの積層数を増大すると電圧が増加し、１つのセ
ルの有効反応面積が増大することによって発生する電流
が増大する。固体高分子型燃料電池をコンパクトを達成
しつつ、電池の高出力化を達成することが望まれてい
る。コンパクト化を図るためにセルの１つの層を薄くす
るためにガス分離部材を薄くすることが提案されている
が、電池の積層構造の機械的強度が低下するという問題
が発生する。有効反応面積を増大させるためにガス分離
部材の発電素子支持部の面積を減少すると以下のような
問題が生じる。すなわち、ガス分離部材は電極面に接触
することによって高分子電解質膜を介して発生した電気
エネルギーを回収するための集電部材としても機能する
がこの接触面積を少なくしすぎると集電抵抗が増大し、
かえってエネルギー効率が低下するという問題が生じ
る。
燃料電池は、一般的に、水素イオン導電性の固体高分子
を白金触媒を担持したカーボン電極で挟み込んで構成さ
れる発電素子すなわち固体高分子−電極接合体及び各電
極面にそれぞれの反応ガスを供給するためのガス通路を
画成するともに、発電素子を両側から支持するガス分離
部材とを積層した構造を有する。そして、一方の電極に
燃料ガスを供給し、他方の電極に酸化剤ガスを供給し
て、燃料ガスの酸化にかかる化学エネルギーを直接電気
エネルギーに変化することによってエネルギーを抽出す
るようになっている。ところで、固体高分子型燃料電池
において上記１つの発電素子とガス通路を構成する１対
のガス分離部材とから構成される１つの電池構造体すな
わちセルの積層数を増大すると電圧が増加し、１つのセ
ルの有効反応面積が増大することによって発生する電流
が増大する。固体高分子型燃料電池をコンパクトを達成
しつつ、電池の高出力化を達成することが望まれてい
る。コンパクト化を図るためにセルの１つの層を薄くす
るためにガス分離部材を薄くすることが提案されている
が、電池の積層構造の機械的強度が低下するという問題
が発生する。有効反応面積を増大させるためにガス分離
部材の発電素子支持部の面積を減少すると以下のような
問題が生じる。すなわち、ガス分離部材は電極面に接触
することによって高分子電解質膜を介して発生した電気
エネルギーを回収するための集電部材としても機能する
がこの接触面積を少なくしすぎると集電抵抗が増大し、
かえってエネルギー効率が低下するという問題が生じ
る。
【０００３】さらに、固体高分子型燃料電池において
は、、燃料ガスと酸化剤ガスとをイオン化状態で酸化さ
せ、このときの化学エネルギーを取り出すように構成す
るものであるが、この場合、燃料ガスは、水素であり酸
化剤ガスは酸素または空気である。固体高分子型燃料電
池は、このガスを発電素子を介して対峙させる構造にな
っており、しかも、これらのガスをメイン通路から薄い
層構造の各セルに流通させるようになっている。このよ
うに固体高分子型燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガス
と極めて近接した状態において非接触状態を保持しなけ
ればならず、両ガスの混合状態を防ぐために極めて精度
の高いシール性が要求される。このシール性を確保する
ために、従来では、各燃料ガスと酸化剤ガスのそれぞれ
のメイン通路から各セルに分配するためのマニホールド
にシール部材を配し、ガス分離部材にシール部材を押し
つけるようにして燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止
するように構成していた。しかし、このようにシール方
法では、ガス分離部材に不均一な応力が発生し、ガス分
離部材の薄くするガス分離部材が変形してシール性が保
持出来なくなるという問題が生じる。
は、、燃料ガスと酸化剤ガスとをイオン化状態で酸化さ
せ、このときの化学エネルギーを取り出すように構成す
るものであるが、この場合、燃料ガスは、水素であり酸
化剤ガスは酸素または空気である。固体高分子型燃料電
池は、このガスを発電素子を介して対峙させる構造にな
っており、しかも、これらのガスをメイン通路から薄い
層構造の各セルに流通させるようになっている。このよ
うに固体高分子型燃料電池では、燃料ガスと酸化剤ガス
と極めて近接した状態において非接触状態を保持しなけ
ればならず、両ガスの混合状態を防ぐために極めて精度
の高いシール性が要求される。このシール性を確保する
ために、従来では、各燃料ガスと酸化剤ガスのそれぞれ
のメイン通路から各セルに分配するためのマニホールド
にシール部材を配し、ガス分離部材にシール部材を押し
つけるようにして燃料ガスと酸化剤ガスとの混合を防止
するように構成していた。しかし、このようにシール方
法では、ガス分離部材に不均一な応力が発生し、ガス分
離部材の薄くするガス分離部材が変形してシール性が保
持出来なくなるという問題が生じる。
【０００４】本発明はこのような事情に鑑みて構成され
たもので、上記のような問題点を解消しつつコンパクト
な固体高分子型燃料電池の構造を提供することを目的と
する。本発明の別の目的は、比較的簡単な構成でセル内
を流通するガス、冷却水等のシール性を改善することが
できる固体高分子型燃料電池の構造を提供することを目
的とする。
たもので、上記のような問題点を解消しつつコンパクト
な固体高分子型燃料電池の構造を提供することを目的と
する。本発明の別の目的は、比較的簡単な構成でセル内
を流通するガス、冷却水等のシール性を改善することが
できる固体高分子型燃料電池の構造を提供することを目
的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発
明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜の両側に
電極構成部材を配した発電素子と、該発電素子部材を挟
んで延び両側からこれを支持し、かつ該それぞれの電極
構成部材の側から発電素子に関与するそれぞれの反応ガ
スの通路を画成する一対のガス分離部材とを備えた構造
を積層して構成される固体高分子型燃料電池において、
前記発電素子を挟んで対峙する一対のガス分離部材が前
記反応ガス通路を構成するために前記発電素子の延設方
向に対してほぼ垂直方向に突出する突出部を有してお
り、該突出部は発電素子に対してその両側から交互に突
出するように設けられ発電素子が該突出部によってジグ
ザグ状に延びるように支持され、発電素子の両側に前記
各ガス分離部材との間に前記それぞれの反応ガスの通路
が画成されたことを特徴とする。１つの好ましい態様で
は、前記突出部が前記発電素子の延設方向に対して横方
向に不連続的に設けられる。すなわち、１つ１つの突出
部は、柱状の突起として延び互いの他方のガス分離部材
の表面との間に発電素子を挟み付けて支持している。
め、本発明は以下のように構成される。すなわち、本発
明の固体高分子型燃料電池は、高分子電解質膜の両側に
電極構成部材を配した発電素子と、該発電素子部材を挟
んで延び両側からこれを支持し、かつ該それぞれの電極
構成部材の側から発電素子に関与するそれぞれの反応ガ
スの通路を画成する一対のガス分離部材とを備えた構造
を積層して構成される固体高分子型燃料電池において、
前記発電素子を挟んで対峙する一対のガス分離部材が前
記反応ガス通路を構成するために前記発電素子の延設方
向に対してほぼ垂直方向に突出する突出部を有してお
り、該突出部は発電素子に対してその両側から交互に突
出するように設けられ発電素子が該突出部によってジグ
ザグ状に延びるように支持され、発電素子の両側に前記
各ガス分離部材との間に前記それぞれの反応ガスの通路
が画成されたことを特徴とする。１つの好ましい態様で
は、前記突出部が前記発電素子の延設方向に対して横方
向に不連続的に設けられる。すなわち、１つ１つの突出
部は、柱状の突起として延び互いの他方のガス分離部材
の表面との間に発電素子を挟み付けて支持している。
【０００６】さらに、本発明の別の特徴によれば、高分
子電解質膜の両側に電極構成部材を配した発電素子と、
該発電素子部材を挟んで延び両側からこれを支持し、か
つ該それぞれの電極構成部材の側から発電素子に関与す
るそれぞれの反応ガスの通路を画成する一対のガス分離
部材とを備えた発電セル構造体を積層して構成される固
体高分子型燃料電池において、前記高分子電解質膜が電
極構成部材を越えて延在する部分に配置されて電極構成
部材の周縁部を電極構成部材と面一となるように支持
し、、反応ガスをメインガス通路から前記各発電セル構
造体のガス通路に分配供給するガスマニホールドを少な
くとも備えたフレームがさらに設けられ、前記発電素子
とフレームとが接着されたことを特徴とする。この場合
に好ましくは、高分子電解質膜と前記フレームとの接触
部を接着剤で接着する。さらに別の態様では、固体高分
子型燃料電池と前記フレームとの接触部を熱接着するこ
とによって反応ガスのシール性を確保する。
子電解質膜の両側に電極構成部材を配した発電素子と、
該発電素子部材を挟んで延び両側からこれを支持し、か
つ該それぞれの電極構成部材の側から発電素子に関与す
るそれぞれの反応ガスの通路を画成する一対のガス分離
部材とを備えた発電セル構造体を積層して構成される固
体高分子型燃料電池において、前記高分子電解質膜が電
極構成部材を越えて延在する部分に配置されて電極構成
部材の周縁部を電極構成部材と面一となるように支持
し、、反応ガスをメインガス通路から前記各発電セル構
造体のガス通路に分配供給するガスマニホールドを少な
くとも備えたフレームがさらに設けられ、前記発電素子
とフレームとが接着されたことを特徴とする。この場合
に好ましくは、高分子電解質膜と前記フレームとの接触
部を接着剤で接着する。さらに別の態様では、固体高分
子型燃料電池と前記フレームとの接触部を熱接着するこ
とによって反応ガスのシール性を確保する。
【０００７】さらに別の態様では、発電素子部材を挟ん
で延び両側からこれを支持し、かつ該それぞれの電極構
成部材の側から発電素子に関与するそれぞれの反応ガス
の通路を画成するガス分離部材が設けられ、前記高分子
電解質膜と前記ガス分離部材とが接合された構造になっ
ている。さらに、本発明の別の特徴によれば、高分子電
解質膜の両側に電極構成部材を配した発電素子と、該発
電素子部材を挟んで延び両側からこれを支持し、かつ該
それぞれの電極構成部材の側から発電素子に関与するそ
れぞれの反応ガスの通路を画成する一対のガス分離部材
とを備えた発電セル構造体を積層して構成される固体高
分子型燃料電池において、電極構成部材を越えて高分子
電解質膜が延在する発電素子の周縁部に電極構成部材と
面一になるように該電極構成部材の周囲に配置されるフ
レームがさらに設けられ、前記フレームは高分子電解質
膜の両側に高分子電解質膜を挟んで配置され、少なくと
も一方のフレームの前記ガス分離部材との接合面には、
コーティング材が配置されていることを特徴とする。フ
レームは、好ましくは金属、フェノール樹脂、エポキシ
樹脂等の心材が配置される心材入りガスケットであり、
電極構成部材による電極領域すなわち活性領域をこえる
周辺領域に配置されて電極構成部材を支持する。
で延び両側からこれを支持し、かつ該それぞれの電極構
成部材の側から発電素子に関与するそれぞれの反応ガス
の通路を画成するガス分離部材が設けられ、前記高分子
電解質膜と前記ガス分離部材とが接合された構造になっ
ている。さらに、本発明の別の特徴によれば、高分子電
解質膜の両側に電極構成部材を配した発電素子と、該発
電素子部材を挟んで延び両側からこれを支持し、かつ該
それぞれの電極構成部材の側から発電素子に関与するそ
れぞれの反応ガスの通路を画成する一対のガス分離部材
とを備えた発電セル構造体を積層して構成される固体高
分子型燃料電池において、電極構成部材を越えて高分子
電解質膜が延在する発電素子の周縁部に電極構成部材と
面一になるように該電極構成部材の周囲に配置されるフ
レームがさらに設けられ、前記フレームは高分子電解質
膜の両側に高分子電解質膜を挟んで配置され、少なくと
も一方のフレームの前記ガス分離部材との接合面には、
コーティング材が配置されていることを特徴とする。フ
レームは、好ましくは金属、フェノール樹脂、エポキシ
樹脂等の心材が配置される心材入りガスケットであり、
電極構成部材による電極領域すなわち活性領域をこえる
周辺領域に配置されて電極構成部材を支持する。
【０００８】なお、コーティング材には、たとえば、Ｎ
ＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、ＰＴＦＥ等が挙げら
れる。
ＢＲ、フッ素ゴム、シリコンゴム、ＰＴＦＥ等が挙げら
れる。
【０００９】
【作用】本発明の構造において、固体高分子型燃料電池
は、発電素子とこれを両側から支持するガス分離部材と
を含むセルを積層状態にして構成される。そして、この
積層状態にあるセルを貫通する方向に燃料ガス、酸化剤
ガス、及び冷却水の各セルに供給するためのメイン通路
が設けられる。メイン通路は、セルの周囲に設けられ、
これを支持するフレーム領域内に設けられる。そして、
メイン通路は、供給通路及びリターン通路のそれぞれ対
になっている必要があるので、少なくとも６つの貫通孔
が上記フレーム上に形成されることになる。そして、本
発明では、発電素子を挟持する一対のガス分離部材は発
電素子が延設される方向に対して垂直方向に互い違いに
突出する突出部を備えている。そして突出部は発電素子
を互いに他方のガス分離部材の表面に押しつけることに
よって発電素子を挟持する。したがって、発電素子は、
一方のガス分離部材の表面から他方のガス分離部材の表
面に向かって斜めにのび、突出部によってガス分離部材
に表面に押しつけられて支持され、この後、今度は反対
方向の斜めに延びて当該一方のガス分離部材の表面に、
他方のガス分離部材の突出部によって押しつけらる。こ
のように、発電素子は一対のガス分離部材の表面に所定
間隔ごとに接しつつジグザグ状にガス分離部材の延設方
向に延びている。
は、発電素子とこれを両側から支持するガス分離部材と
を含むセルを積層状態にして構成される。そして、この
積層状態にあるセルを貫通する方向に燃料ガス、酸化剤
ガス、及び冷却水の各セルに供給するためのメイン通路
が設けられる。メイン通路は、セルの周囲に設けられ、
これを支持するフレーム領域内に設けられる。そして、
メイン通路は、供給通路及びリターン通路のそれぞれ対
になっている必要があるので、少なくとも６つの貫通孔
が上記フレーム上に形成されることになる。そして、本
発明では、発電素子を挟持する一対のガス分離部材は発
電素子が延設される方向に対して垂直方向に互い違いに
突出する突出部を備えている。そして突出部は発電素子
を互いに他方のガス分離部材の表面に押しつけることに
よって発電素子を挟持する。したがって、発電素子は、
一方のガス分離部材の表面から他方のガス分離部材の表
面に向かって斜めにのび、突出部によってガス分離部材
に表面に押しつけられて支持され、この後、今度は反対
方向の斜めに延びて当該一方のガス分離部材の表面に、
他方のガス分離部材の突出部によって押しつけらる。こ
のように、発電素子は一対のガス分離部材の表面に所定
間隔ごとに接しつつジグザグ状にガス分離部材の延設方
向に延びている。
【００１０】そして、斜めに延びる発電素子と各ガス分
離部材とで画成される空間は、燃料ガスまたは酸化剤ガ
スのガス通路を構成する。このように発電素子はこのよ
うに一対のガス分離部材の間にガス通路を形成しつつジ
グザグ状に配置されたのでガス分離部材の延設方向の単
位長さ当たりに配される発電素子はジグザグ状になって
いる分だけ長くなり、したがって発電素子の面積は大き
くなる。すなわち、ガス分離部材の延設長さに対する出
力密度を高めることができる。さらに、本例の別の特徴
によれば、上記メイン通路から各セルの上記ガス通路に
ガスを導入させる構造は、メイン通路からの分岐部すな
わちマニホールドには、ガスをシールするために発電素
子の高分子電解質膜をフレームとを接着する接着手段が
設けられるので、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がフレ
ームの表面を介して混合状態が生じることを有効に防止
することができる。
離部材とで画成される空間は、燃料ガスまたは酸化剤ガ
スのガス通路を構成する。このように発電素子はこのよ
うに一対のガス分離部材の間にガス通路を形成しつつジ
グザグ状に配置されたのでガス分離部材の延設方向の単
位長さ当たりに配される発電素子はジグザグ状になって
いる分だけ長くなり、したがって発電素子の面積は大き
くなる。すなわち、ガス分離部材の延設長さに対する出
力密度を高めることができる。さらに、本例の別の特徴
によれば、上記メイン通路から各セルの上記ガス通路に
ガスを導入させる構造は、メイン通路からの分岐部すな
わちマニホールドには、ガスをシールするために発電素
子の高分子電解質膜をフレームとを接着する接着手段が
設けられるので、燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がフレ
ームの表面を介して混合状態が生じることを有効に防止
することができる。
【００１１】
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。図
１は、本発明に１実施例にかかる固体高分子型燃料電池
の要部を示す概略断面図であり、図２は図１の固体高分
子型燃料電池の１つのセルを模式的に示す斜視図であ
る。本例の固体高分子型燃料電池にかかるセル１は、反
応イオンを担持し、この移動を生じさせて反応を行わせ
る高分子電解質膜２と、この高分子電解質膜２の両側に
配置される電極構成部材３、４から構成される発電素子
５と、この発電素子５を両側から挟持するガス分離部材
６、７とを含んで構成される電池構成体すなわちセルを
積層して構成される。上記電極は、高分子電解質膜に両
側でホットプレス法などを用いて接着される。ガス分離
部材６、７は、導電性、かつ気密性の材料たとえば、ア
モルファスカーボンなどで構成される。そして、本発明
では、発電素子５を挟持する一対のガス分離部材６、７
は発電素子５が延設される方向に対して垂直方向に互い
違いに突出する突出部６ａ、７ａを備えている。そして
突出部６ａ、７ａは発電素子５を互いに他方のガス分離
部材の表面６ｂ、７ｂに押しつけることによって発電素
子５を挟持する。したがって、発電素子５は、一方のガ
ス分離部材６の表面６ｂから他方のガス分離部材の表面
７ｂに向かって斜めにのび、突出部６ａによってガス分
離部材７の表面７ｂに押しつけられて支持され、この
後、今度は反対方向の斜めに延びて当該一方のガス分離
部材６ｂの表面に、他方のガス分離部材７の突出部７ａ
によって押しつけらる。このように、発電素子５は一対
のガス分離部材６、７の表面６ｂ、７ｂに所定間隔ごと
に接しつつジグザグ状にガス分離部材６、７の延設方向
に延びている。
１は、本発明に１実施例にかかる固体高分子型燃料電池
の要部を示す概略断面図であり、図２は図１の固体高分
子型燃料電池の１つのセルを模式的に示す斜視図であ
る。本例の固体高分子型燃料電池にかかるセル１は、反
応イオンを担持し、この移動を生じさせて反応を行わせ
る高分子電解質膜２と、この高分子電解質膜２の両側に
配置される電極構成部材３、４から構成される発電素子
５と、この発電素子５を両側から挟持するガス分離部材
６、７とを含んで構成される電池構成体すなわちセルを
積層して構成される。上記電極は、高分子電解質膜に両
側でホットプレス法などを用いて接着される。ガス分離
部材６、７は、導電性、かつ気密性の材料たとえば、ア
モルファスカーボンなどで構成される。そして、本発明
では、発電素子５を挟持する一対のガス分離部材６、７
は発電素子５が延設される方向に対して垂直方向に互い
違いに突出する突出部６ａ、７ａを備えている。そして
突出部６ａ、７ａは発電素子５を互いに他方のガス分離
部材の表面６ｂ、７ｂに押しつけることによって発電素
子５を挟持する。したがって、発電素子５は、一方のガ
ス分離部材６の表面６ｂから他方のガス分離部材の表面
７ｂに向かって斜めにのび、突出部６ａによってガス分
離部材７の表面７ｂに押しつけられて支持され、この
後、今度は反対方向の斜めに延びて当該一方のガス分離
部材６ｂの表面に、他方のガス分離部材７の突出部７ａ
によって押しつけらる。このように、発電素子５は一対
のガス分離部材６、７の表面６ｂ、７ｂに所定間隔ごと
に接しつつジグザグ状にガス分離部材６、７の延設方向
に延びている。
【００１２】そして、斜めに延びる発電素子５と各ガス
分離部材６、７とで画成される空間８、９は、燃料ガス
すなわちカソード側ガスまたは酸化剤ガスすなわちカソ
ード側ガスのガス通路を構成する。図３を参照すると、
上記構造において、ガス分離部材６の平面図が示されて
おり、突起部６ａは、ガス分離部材６の延設方向に対し
横方向にリブを形成するように延びている。このよう
に、本例では、発電素子５の配設を立体的にして一対の
ガス分離部材６、７の間にガス通路８、９を形成しつつ
ジグザグ状に配置したのでガス分離部材６、７の延設方
向の単位長さ当たりに配される発電素子５はジグザグ状
になっている分だけ長くなり、したがって発電素子５の
有効反応面積は大きくなる。すなわち、ガス分離部材
６、７の延設長さに対する出力密度を高めることができ
る。図４、及び図５を参照すると、本発明の他の実施例
にかかるセル１の構造が示されている。本例の構成で
は、突出部６ａは、横方向に不連続状態で延びている。
すなわち、１つ１つの突出部が独立して柱状に延びて他
方のガス分離部材の表面まで達している。
分離部材６、７とで画成される空間８、９は、燃料ガス
すなわちカソード側ガスまたは酸化剤ガスすなわちカソ
ード側ガスのガス通路を構成する。図３を参照すると、
上記構造において、ガス分離部材６の平面図が示されて
おり、突起部６ａは、ガス分離部材６の延設方向に対し
横方向にリブを形成するように延びている。このよう
に、本例では、発電素子５の配設を立体的にして一対の
ガス分離部材６、７の間にガス通路８、９を形成しつつ
ジグザグ状に配置したのでガス分離部材６、７の延設方
向の単位長さ当たりに配される発電素子５はジグザグ状
になっている分だけ長くなり、したがって発電素子５の
有効反応面積は大きくなる。すなわち、ガス分離部材
６、７の延設長さに対する出力密度を高めることができ
る。図４、及び図５を参照すると、本発明の他の実施例
にかかるセル１の構造が示されている。本例の構成で
は、突出部６ａは、横方向に不連続状態で延びている。
すなわち、１つ１つの突出部が独立して柱状に延びて他
方のガス分離部材の表面まで達している。
【００１３】このように構成することにより、発電素子
の有効反応面積をさらに増大することができ、コンパク
ト化を促進することができる。ただし、この場合には、
前例の構造と比べて、突出部６ａ、７ａの頂部における
発電素子５との接触面積が減少しがちとなるので、突出
部の所定の必要な接触面積を確保できるように突出部の
間隔、大きさ、個数等を設定する必要がある。図６、図
７及び図８を参照して、発電素子の周辺部の構造を説明
する。本例の固体高分子型燃料電池は、上記したよう
に、発電素子５とこれを両側から支持するガス分離部材
６、７とを含むセル１を積層状態にして構成される。図
６、図７に示すように、積層されるセル１の一部を構成
する発電素子は平面的にみて矩形状を成しており、その
周囲には、この矩形状の発電素子５を支持する平面矩形
状のフレーム１０が配される。そして、この積層状態に
あるセルを貫通する方向に燃料ガス酸化剤ガス及び冷却
水を各セルに供給するためのメイン通路１７が設けられ
る。メイン通路１７は、セルの周囲に設けられ、これを
支持するフレーム領域内に設けられる。そして、メイン
通路は、供給通路及びリターン通路のそれぞれ対になっ
ている必要があるので、少なくとも６つの貫通孔１１、
１２、１３、１４、１５及び１６が上記フレーム１０上
に形成されることになる。本例では、燃料ガスとしての
水素、酸化剤ガスとしての空気を流通させるそれぞれ一
対のメイン通路の一部を構成する貫通口１１、１２及び
１３、１４を備えている。さらに冷却水通路のための貫
通口１５、１６が設けられる。
の有効反応面積をさらに増大することができ、コンパク
ト化を促進することができる。ただし、この場合には、
前例の構造と比べて、突出部６ａ、７ａの頂部における
発電素子５との接触面積が減少しがちとなるので、突出
部の所定の必要な接触面積を確保できるように突出部の
間隔、大きさ、個数等を設定する必要がある。図６、図
７及び図８を参照して、発電素子の周辺部の構造を説明
する。本例の固体高分子型燃料電池は、上記したよう
に、発電素子５とこれを両側から支持するガス分離部材
６、７とを含むセル１を積層状態にして構成される。図
６、図７に示すように、積層されるセル１の一部を構成
する発電素子は平面的にみて矩形状を成しており、その
周囲には、この矩形状の発電素子５を支持する平面矩形
状のフレーム１０が配される。そして、この積層状態に
あるセルを貫通する方向に燃料ガス酸化剤ガス及び冷却
水を各セルに供給するためのメイン通路１７が設けられ
る。メイン通路１７は、セルの周囲に設けられ、これを
支持するフレーム領域内に設けられる。そして、メイン
通路は、供給通路及びリターン通路のそれぞれ対になっ
ている必要があるので、少なくとも６つの貫通孔１１、
１２、１３、１４、１５及び１６が上記フレーム１０上
に形成されることになる。本例では、燃料ガスとしての
水素、酸化剤ガスとしての空気を流通させるそれぞれ一
対のメイン通路の一部を構成する貫通口１１、１２及び
１３、１４を備えている。さらに冷却水通路のための貫
通口１５、１６が設けられる。
【００１４】メイン通路から各セルの向けての導入部分
は、酸化剤ガス及び冷却水についても同様の構造になっ
ているので、以下、燃料ガスの導入部の構造について代
表的に説明し、その他のものについての詳細な説明は省
略する。図８には、本例の固体高分子型燃料電池の燃料
ガスのメイン通路１７とマニホールド１８の部分の断面
図が示されており、メイン通路１７から各セルの上記燃
料ガス通路８にガスを導入させる構造すなわちメイン通
路１７からの分岐部すなわちマニホールド１８には、ガ
スをシールするために発電素子の高分子電解質膜をフレ
ーム１０と接着するシール部分が存在する。シール部分
１９は、図６において貫通口１１の周囲を覆うように矩
形形状で設けられている。そして、電極３、４と高分子
電解質膜２からなる発電素子５が一対のガス分離部材
６、７に挟まれている。そして電極４の端部において
は、ほぼこの電極３の縁部と面一になるように一方の電
極側のガス分離部材６、７には切り欠き部６ｃ、７ｃが
設けられている。そしてこの切り欠き部７の下側にはメ
イン通路１７からガスを導入する導入部すなわちマニホ
ールド１８の空間が設けられる。発電素子５の中間層す
なわち高分子電解質膜層２はメイン通路１７の位置まで
延びている。また他方のガス分離部材側６は電極３の周
縁からメイン通路１７までの間には、フレーム１０が介
在する。このようにメイン通路１７から各発電素子５の
電極面に対応するまでの導入部においては、ガスを導入
する電極４の側は、マニホールド１８が形成された高分
子電解質膜２とガス分離部材との間に空隙が不可避的に
形成されることになる。従来では、この部分にシール部
材２０を挟んで高分子電解質膜２が他方のガス分離部材
６から分離してしまうこと防止するようにしていた。こ
のようにしないと、他方のガス分離部材６とフレーム１
０との間には、平面的にずれた他の位置において他のガ
ス（酸化剤ガス）を他方の電極面に導入するためのマニ
ホールド（図示せず）が設けられ、このマニホールドを
介して他のガスがフレーム１０とガス分離部材６との隙
間からメイン通路１７に漏れでて両者が混合する恐れが
生じるからである。
は、酸化剤ガス及び冷却水についても同様の構造になっ
ているので、以下、燃料ガスの導入部の構造について代
表的に説明し、その他のものについての詳細な説明は省
略する。図８には、本例の固体高分子型燃料電池の燃料
ガスのメイン通路１７とマニホールド１８の部分の断面
図が示されており、メイン通路１７から各セルの上記燃
料ガス通路８にガスを導入させる構造すなわちメイン通
路１７からの分岐部すなわちマニホールド１８には、ガ
スをシールするために発電素子の高分子電解質膜をフレ
ーム１０と接着するシール部分が存在する。シール部分
１９は、図６において貫通口１１の周囲を覆うように矩
形形状で設けられている。そして、電極３、４と高分子
電解質膜２からなる発電素子５が一対のガス分離部材
６、７に挟まれている。そして電極４の端部において
は、ほぼこの電極３の縁部と面一になるように一方の電
極側のガス分離部材６、７には切り欠き部６ｃ、７ｃが
設けられている。そしてこの切り欠き部７の下側にはメ
イン通路１７からガスを導入する導入部すなわちマニホ
ールド１８の空間が設けられる。発電素子５の中間層す
なわち高分子電解質膜層２はメイン通路１７の位置まで
延びている。また他方のガス分離部材側６は電極３の周
縁からメイン通路１７までの間には、フレーム１０が介
在する。このようにメイン通路１７から各発電素子５の
電極面に対応するまでの導入部においては、ガスを導入
する電極４の側は、マニホールド１８が形成された高分
子電解質膜２とガス分離部材との間に空隙が不可避的に
形成されることになる。従来では、この部分にシール部
材２０を挟んで高分子電解質膜２が他方のガス分離部材
６から分離してしまうこと防止するようにしていた。こ
のようにしないと、他方のガス分離部材６とフレーム１
０との間には、平面的にずれた他の位置において他のガ
ス（酸化剤ガス）を他方の電極面に導入するためのマニ
ホールド（図示せず）が設けられ、このマニホールドを
介して他のガスがフレーム１０とガス分離部材６との隙
間からメイン通路１７に漏れでて両者が混合する恐れが
生じるからである。
【００１５】しかし、マニホールド１８にシール部材２
０を配置する構造では、ガス分離部材６、７に圧力がか
かることになるため、ガス分離部材６、７に剛性を持た
せることが必要となり、剛性が不足すると、これが変形
してガス漏れを防止できなくなるという問題があった。
また、剛性を確保するためには、ガス分離部材の厚みが
増すので、全体として固体高分子型燃料電池が厚くなる
という問題がある。本例の構造では、この問題に鑑み、
上記のマニホールド１８の対応する位置においてフレー
ム１０と発電素子５（高分子電解質膜２）、フレーム１
０とガス分離部材６とを接着するように構成する。この
電解膜２とフレームとの接着は、フレームが高分子部材
である場合には、熱圧着が有効である。さらに、図９に
示すように高分子電解質膜２とフレーム１０との間に接
着剤２１を配して接着剤により両者を接着してシール性
を確保するようにしてもよい。接着剤として、たとえ
ば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、金属、ＮＢＲ、フ
ッ素ゴムなどを用いることができる。このように本例の
構造では、ガス分離部材７と発電素子５の周縁部にある
マニホールドの領域において、接着手段を設けたので、
燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がフレームの表面を介し
て混合状態になることを有効に防止することができる。
０を配置する構造では、ガス分離部材６、７に圧力がか
かることになるため、ガス分離部材６、７に剛性を持た
せることが必要となり、剛性が不足すると、これが変形
してガス漏れを防止できなくなるという問題があった。
また、剛性を確保するためには、ガス分離部材の厚みが
増すので、全体として固体高分子型燃料電池が厚くなる
という問題がある。本例の構造では、この問題に鑑み、
上記のマニホールド１８の対応する位置においてフレー
ム１０と発電素子５（高分子電解質膜２）、フレーム１
０とガス分離部材６とを接着するように構成する。この
電解膜２とフレームとの接着は、フレームが高分子部材
である場合には、熱圧着が有効である。さらに、図９に
示すように高分子電解質膜２とフレーム１０との間に接
着剤２１を配して接着剤により両者を接着してシール性
を確保するようにしてもよい。接着剤として、たとえ
ば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、金属、ＮＢＲ、フ
ッ素ゴムなどを用いることができる。このように本例の
構造では、ガス分離部材７と発電素子５の周縁部にある
マニホールドの領域において、接着手段を設けたので、
燃料ガス、酸化剤ガス、冷却水がフレームの表面を介し
て混合状態になることを有効に防止することができる。
【００１６】図１０、図１１及び図１２を参照すると、
本発明のさらに他の実施例が示されている。本例のフレ
ームは、高分子電解質膜２を挟むように両側に配置され
てお、電極構成部材３、４による活性領域を越えて高分
子電解質膜２が延びる部分に配置される。この場合、フ
レーム１０は電極構成部材３、４とほぼ同じ厚さに構成
されるので、中央部分の電極構成部材３、４と高分子電
解質膜２とからなる発電素子５として機能する部分のそ
の周囲のフレーム１０と高分子電解質膜２とからなる部
分とはほぼ同じ厚さとなっている。したがって、ガス分
離部材６、７に挟まれる構造体は、活性部分から周辺部
分に到るまでほぼ同じ厚さで構成されるため、両側から
ガス分離部材６、７で挟まれて支持される場合には、全
面にわたって均一圧力によって締めつけられる。このこ
とは、ガス分離部材６、７と発電素子（高分子電解質膜
−電極構成部材接合体）及びフレーム−高分子電解質膜
接合体との接着を均一化することができ、ガス通路から
のガス漏れを防止するのに役立つ。本例の構成では、ガ
ス分離部材に３つの平行な溝２２が設けてあり、フレー
ム−高分子電解質膜接合体とガス分離部材とが接合され
たときメイン通路と活性領域におけるガス通路とを連絡
するガス通路が構成される。このように複数の細長いガ
ス通路によってメイン通路から分岐させることによって
分岐部のガス分離部材とフレーム−高分子電解質膜接合
体との締めつけ力の低下を少なくすることができるの
で、単１のマニホールドによって分岐する構造に比べ
て、メイン通路からの分岐部におけるフレーム−高分子
電解質膜接合体とガス分離部材との良好な密着性を得る
ことができる。
本発明のさらに他の実施例が示されている。本例のフレ
ームは、高分子電解質膜２を挟むように両側に配置され
てお、電極構成部材３、４による活性領域を越えて高分
子電解質膜２が延びる部分に配置される。この場合、フ
レーム１０は電極構成部材３、４とほぼ同じ厚さに構成
されるので、中央部分の電極構成部材３、４と高分子電
解質膜２とからなる発電素子５として機能する部分のそ
の周囲のフレーム１０と高分子電解質膜２とからなる部
分とはほぼ同じ厚さとなっている。したがって、ガス分
離部材６、７に挟まれる構造体は、活性部分から周辺部
分に到るまでほぼ同じ厚さで構成されるため、両側から
ガス分離部材６、７で挟まれて支持される場合には、全
面にわたって均一圧力によって締めつけられる。このこ
とは、ガス分離部材６、７と発電素子（高分子電解質膜
−電極構成部材接合体）及びフレーム−高分子電解質膜
接合体との接着を均一化することができ、ガス通路から
のガス漏れを防止するのに役立つ。本例の構成では、ガ
ス分離部材に３つの平行な溝２２が設けてあり、フレー
ム−高分子電解質膜接合体とガス分離部材とが接合され
たときメイン通路と活性領域におけるガス通路とを連絡
するガス通路が構成される。このように複数の細長いガ
ス通路によってメイン通路から分岐させることによって
分岐部のガス分離部材とフレーム−高分子電解質膜接合
体との締めつけ力の低下を少なくすることができるの
で、単１のマニホールドによって分岐する構造に比べ
て、メイン通路からの分岐部におけるフレーム−高分子
電解質膜接合体とガス分離部材との良好な密着性を得る
ことができる。
【００１７】さらに、本例の構成では、フレーム１０の
ガス分離部材６、７との接合面には、コーティング材を
塗布されており、これによってフレーム−高分子電解質
膜接合体がガス分離部材６、７との接合されて発電セル
を構成するとき両者の密着性を高める効果がある。これ
によって、ガス通路からのガス漏れを有効に防止するこ
とができる。
ガス分離部材６、７との接合面には、コーティング材を
塗布されており、これによってフレーム−高分子電解質
膜接合体がガス分離部材６、７との接合されて発電セル
を構成するとき両者の密着性を高める効果がある。これ
によって、ガス通路からのガス漏れを有効に防止するこ
とができる。
【００１８】
【発明の効果】以上のように本発明の１つの特徴によれ
ば、発電素子の配設構造を立体的にジグザグ状に配置し
たものとしたので、有効反応面積の拡大を図りつつ、固
体高分子型燃料電池を小型にすることができる。また、
マニホールド領域における燃料ガスと酸化剤ガスとの混
合が生じることを簡単な構成で有効に防止することがで
きる。
ば、発電素子の配設構造を立体的にジグザグ状に配置し
たものとしたので、有効反応面積の拡大を図りつつ、固
体高分子型燃料電池を小型にすることができる。また、
マニホールド領域における燃料ガスと酸化剤ガスとの混
合が生じることを簡単な構成で有効に防止することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施例にかかる固体高分子型燃料電
池の１層のセルを示す断面図、
池の１層のセルを示す断面図、
【図２】図１のセルの発電素子のレイアウトを示す斜視
図、
図、
【図３】図１のガス分離部材の部分平面図、
【図４】本発明の他の実施例にかかるセルの斜視図、
【図５】図４の実施例におけるセルの平面図、
【図６】固体高分子型燃料電池のセルの周縁部の機構を
示す平面図、
示す平面図、
【図７】図６の固体高分子型燃料電池の周縁部を示す部
分断面図、
分断面図、
【図８】フレームは発電素子の積層状態を示す分解斜視
図、
図、
【図９】セルの周縁部の接着構造の他の例を示す部分断
面図、
面図、
【図１０】ガスメイン通路の周辺部を示すセルの部分平
面図、
面図、
【図１１】図１０のＡ−Ａ断面図、
【図１２】図１１のＢ−Ｂ断面図である。
１ セル、 ２ 高分子電解質膜、 ３、４ 電極、 ５ 発電素子、 ６、７ ガス分離部材、 ８、９ ガス通路、 １０ フレーム、 １１、１２、１３、１４、１５、１６ ガス及び冷却水
用貫通孔。 １７ メイン通路、 ２２ 溝。
用貫通孔。 １７ メイン通路、 ２２ 溝。
Claims (7)
- 【請求項１】高分子電解質膜の両側に電極構成部材を配
した発電素子と、該発電素子部材を挟んで延び両側から
これを支持し、かつ該それぞれの電極構成部材の側から
発電素子に関与するそれぞれの反応ガスの通路を画成す
る一対のガス分離部材とを備えた発電セル構造体を積層
して構成される固体高分子型燃料電池において、 前記発電素子を挟んで対峙する一対のガス分離部材が前
記反応ガス通路を構成するために前記発電素子の延設方
向に対してほぼ垂直方向に突出する突出部を有してお
り、該突出部は発電素子に対してその両側から交互に突
出するように設けられ発電素子が該突出部によってジグ
ザグ状に延びるように支持され、発電素子の両側に前記
各ガス分離部材との間に前記それぞれの反応ガスの通路
が画成されたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 【請求項２】請求項１において、前記突出部が前記発電
素子の延設方向に対して横方向に不連続的に設けられた
ことを特徴とする固体高分子型燃料電池。 - 【請求項３】高分子電解質膜の両側に電極構成部材を配
した発電素子と、該発電素子を挟んで延び両側からこれ
を支持し、かつ該それぞれの電極構成部材の側から発電
素子に関与するそれぞれの反応ガスの通路を画成する一
対のガス分離部材とを備えた発電セル構造体を積層して
構成される固体高分子型燃料電池において、 前記高分子電解質膜が電極構成部材を越えて延在する部
分に配置されて電極構成部材の周縁部を電極構成部材と
面一となるように支持し、反応ガスをメインガス通路か
ら前記各発電セル構造体のガス通路に分配供給するガス
マニホールドを少なくとも備えたフレームがさらに設け
られ、 前記発電素子とフレームとが接着されたことを特徴とす
る固体高分子型燃料電池。 - 【請求項４】請求項３において、 高分子電解質膜と前
記フレームとの接触部を接着剤で接着したことを特徴と
する固体高分子型燃料電池。 - 【請求項５】請求項３において、固体高分子型燃料電池
と前記フレームとの接触部を熱接着したことを特徴とす
る固体高分子型燃料電池。 - 【請求項６】請求項３において、さらに発電素子部材を
挟んで延び両側からこれを支持し、かつ該それぞれの電
極構成部材の側から発電素子に関与するそれぞれの反応
ガスの通路を画成するガス分離部材が設けられ、前記高
分子電解質膜と前記ガス分離部材とが接合されたことを
特徴とするた固体高分子型燃料電池。 - 【請求項７】高分子電解質膜の両側に電極構成部材を配
した発電素子と、該発電素子部材を挟んで延び両側から
これ支持し、かつ該それぞれの電極構成部材の側から発
電素子に関与するそれぞれの反応ガスの通路を画成する
一対のガス分離部材とを備えた発電セル構造体を積層し
て構成される固体高分子型燃料電池において、 電極構成部材を越えて高分子電解質膜が延在する発電素
子の周縁部に電極構成部材と面一になるように該電極構
成部材の周囲に配置されるフレームがさらに設けられ、 前記フレームは高分子電解質膜の両側に高分子電解質膜
を挟んで配置され、少なくとも一方のフレームの前記ガ
ス分離部材との接合面には、コーティング材が配置され
ていることを特徴とする固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6185537A JPH0850903A (ja) | 1994-08-08 | 1994-08-08 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6185537A JPH0850903A (ja) | 1994-08-08 | 1994-08-08 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0850903A true JPH0850903A (ja) | 1996-02-20 |
Family
ID=16172547
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6185537A Pending JPH0850903A (ja) | 1994-08-08 | 1994-08-08 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0850903A (ja) |
Cited By (24)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999060649A1 (de) * | 1998-05-18 | 1999-11-25 | Firma Carl Freudenberg | Brennstoffzelle |
| GB2339067A (en) * | 1998-07-01 | 2000-01-12 | British Gas Plc | Internal cooling arrangement fo undulate MEA fuel cell stack |
| WO2000002273A3 (en) * | 1998-07-01 | 2000-02-24 | British Gas Plc | Electrochemical fuel cell having a membrane electrode assembly formed in-situ and methods for forming same |
| WO2000002268A3 (en) * | 1998-07-01 | 2000-04-13 | British Gas Plc | Membrane electrode assembly providing interconnection of reactant gas flowpaths in ondulate mea fuel cell stacks |
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| FR2870388A1 (fr) * | 2004-05-12 | 2005-11-18 | Peugeot Citroen Automobiles Sa | Cellule de pile a combustible a electrolyte solide |
| US6969563B1 (en) | 2002-03-01 | 2005-11-29 | Angstrom Power | High power density fuel cell stack using micro structured components |
| US6989215B1 (en) | 2002-02-06 | 2006-01-24 | Angstrom Power | Apparatus of high power density fuel cell layer with micro structured components |
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