JP2002343368A - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
高分子電解質型燃料電池Info
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- JP2002343368A JP2002343368A JP2001146739A JP2001146739A JP2002343368A JP 2002343368 A JP2002343368 A JP 2002343368A JP 2001146739 A JP2001146739 A JP 2001146739A JP 2001146739 A JP2001146739 A JP 2001146739A JP 2002343368 A JP2002343368 A JP 2002343368A
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- fuel cell
- gas
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- 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
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- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高分子電解質型燃料電池の構成要素であるセ
パレータ板には、カーボン板や金属板が用いられる。カ
ーボン板は、材料コストと共にガス流路を形成するため
の加工コストを引き下げることが困難である。金属板
は、ガス拡散層との接触抵抗が高く、燃料電池の内部抵
抗、インピーダンスが高くなり、良好な発電効率が得ら
れない。 【解決手段】 ガス拡散層のセパレータ板と接する面側
に導電体層を形成する。この導電体層は、好ましくは、
溶射法により形成されたアルミニウム、ニッケルまたは
ステンレス鋼からなる。
パレータ板には、カーボン板や金属板が用いられる。カ
ーボン板は、材料コストと共にガス流路を形成するため
の加工コストを引き下げることが困難である。金属板
は、ガス拡散層との接触抵抗が高く、燃料電池の内部抵
抗、インピーダンスが高くなり、良好な発電効率が得ら
れない。 【解決手段】 ガス拡散層のセパレータ板と接する面側
に導電体層を形成する。この導電体層は、好ましくは、
溶射法により形成されたアルミニウム、ニッケルまたは
ステンレス鋼からなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポータブル電源、
電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステ
ム等に使用される高分子電解質型燃料電池に関する。
電気自動車用電源、家庭内コージェネレーションシステ
ム等に使用される高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】高分子電解質を用いた燃料電池は、水素
を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガ
スとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱と
を同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本
的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質
膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電
極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記
の電極は、通常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉
末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触
媒層、およびこの触媒層の外面に形成される、通気性と
電子伝導性を併せ持つガス拡散層からなる。電極に供給
される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、
二種類のガスが互いに混合しないように、電極の周囲に
は高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが
配置される。これらのシール材やガスケットは、電極及
び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられ
る。これを電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。Ｍ
ＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣
接したＭＥＡを互いに電気的に直列に、場合によっては
並列に、接続するための導電性のセパレータ板が配置さ
れる。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極
面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去る
ためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ
板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に
溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
を含有する燃料ガスと空気など酸素を含有する酸化剤ガ
スとを電気化学的に反応させることにより、電力と熱と
を同時に発生させるものである。この燃料電池は、基本
的には、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質
膜、および高分子電解質膜の両面に形成された一対の電
極、すなわちアノードとカソードから構成される。前記
の電極は、通常、白金族金属触媒を担持したカーボン粉
末を主成分とし、高分子電解質膜の表面に形成される触
媒層、およびこの触媒層の外面に形成される、通気性と
電子伝導性を併せ持つガス拡散層からなる。電極に供給
される燃料ガスおよび酸化剤ガスが外にリークしたり、
二種類のガスが互いに混合しないように、電極の周囲に
は高分子電解質膜を挟んでガスシール材やガスケットが
配置される。これらのシール材やガスケットは、電極及
び高分子電解質膜と一体化してあらかじめ組み立てられ
る。これを電解質膜−電極接合体（ＭＥＡ）と呼ぶ。Ｍ
ＥＡの外側には、これを機械的に固定するとともに、隣
接したＭＥＡを互いに電気的に直列に、場合によっては
並列に、接続するための導電性のセパレータ板が配置さ
れる。セパレータ板のＭＥＡと接触する部分には、電極
面に反応ガスを供給し、生成ガスや余剰ガスを運び去る
ためのガス流路が形成される。ガス流路は、セパレータ
板と別に設けることもできるが、セパレータ板の表面に
溝を設けてガス流路とする方式が一般的である。
【０００３】これらの溝に燃料ガスおよび酸化剤ガスを
供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞ
れ供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐
し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぐ配管治
具が必要となる。この治具をマニホルドと呼び、上記の
ような燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管から直接つ
なぎ込むタイプを外部マニホルドを呼ぶ。このマニホル
ドには、構造をより簡単にした内部マニホルドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホルドとは、ガス流路を形成
したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出
入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスおよ
び酸化剤ガスを供給するものである。燃料電池は、運転
中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するた
めに、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セ
ル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。冷却部をセ
パレータ板とセパレータ板との間に挿入する形式と、セ
パレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする形
式とがあり、後者が多く利用される。これらのＭＥＡと
セパレータ板および冷却部を交互に重ねて１０〜２００
セル積層し、その積層体を集電板と絶縁板を介して端板
で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積
層電池の構造である。
供給するためには、燃料ガスおよび酸化剤ガスをそれぞ
れ供給する配管を、使用するセパレータ板の枚数に分岐
し、その分岐先を直接セパレータ板の溝につなぐ配管治
具が必要となる。この治具をマニホルドと呼び、上記の
ような燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給配管から直接つ
なぎ込むタイプを外部マニホルドを呼ぶ。このマニホル
ドには、構造をより簡単にした内部マニホルドと呼ぶ形
式のものがある。内部マニホルドとは、ガス流路を形成
したセパレータ板に、貫通した孔を設け、ガス流路の出
入り口をこの孔まで通し、この孔から直接燃料ガスおよ
び酸化剤ガスを供給するものである。燃料電池は、運転
中に発熱するので、電池を良好な温度状態に維持するた
めに、冷却水等で冷却する必要がある。通常、１〜３セ
ル毎に、冷却水を流す冷却部が設けられる。冷却部をセ
パレータ板とセパレータ板との間に挿入する形式と、セ
パレータ板の背面に冷却水流路を設けて冷却部とする形
式とがあり、後者が多く利用される。これらのＭＥＡと
セパレータ板および冷却部を交互に重ねて１０〜２００
セル積層し、その積層体を集電板と絶縁板を介して端板
で挟み、締結ボルトで両端から固定するのが一般的な積
層電池の構造である。
【０００４】このような高分子電解質型燃料電池では、
セパレータ板は導電性が高く、かつ燃料ガスおよび酸化
剤ガスに対して気密性が高く、さらに水素／酸素を酸化
還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要があ
る。このような理由から、従来のセパレータ板は、通常
グラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材料で構
成され、ガス流路もその表面の切削や、膨張黒鉛の場合
は型による成型により、作製されていた。従来のカーボ
ン板の切削による方法では、カーボン板の材料コストと
共に、これを切削するためのコストを引き下げることが
困難であった。また、膨張黒鉛を用いる方法も材料コス
トが高く、これが実用化のための障害と考えられてい
る。近年、従来より使用されたカーボン材料に代えて、
ステンレス鋼などの金属板を用いる試みが行われてい
る。
セパレータ板は導電性が高く、かつ燃料ガスおよび酸化
剤ガスに対して気密性が高く、さらに水素／酸素を酸化
還元する際の反応に対して高い耐食性を持つ必要があ
る。このような理由から、従来のセパレータ板は、通常
グラッシーカーボンや膨張黒鉛などのカーボン材料で構
成され、ガス流路もその表面の切削や、膨張黒鉛の場合
は型による成型により、作製されていた。従来のカーボ
ン板の切削による方法では、カーボン板の材料コストと
共に、これを切削するためのコストを引き下げることが
困難であった。また、膨張黒鉛を用いる方法も材料コス
トが高く、これが実用化のための障害と考えられてい
る。近年、従来より使用されたカーボン材料に代えて、
ステンレス鋼などの金属板を用いる試みが行われてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述の金属板
を用いる方法では、ガス拡散層との接触抵抗が高く、高
分子電解質型燃料電池の内部抵抗およびインピーダンス
が高くなり、良好な発電効率が得られないという問題が
ある。本発明は、セパレータ板とガス拡散層との接触部
に起因する抵抗を低減し、出力の高い燃料電池を提供す
ることを目的とする。
を用いる方法では、ガス拡散層との接触抵抗が高く、高
分子電解質型燃料電池の内部抵抗およびインピーダンス
が高くなり、良好な発電効率が得られないという問題が
ある。本発明は、セパレータ板とガス拡散層との接触部
に起因する抵抗を低減し、出力の高い燃料電池を提供す
ることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、ガス拡散層のセパレータ板と接する面側に
導電体層を形成する。すなわち、本発明の高分子電解質
型燃料電池は、触媒層とガス拡散層とを有する一対の電
極、前記一対の電極によって挟持された高分子電解質
膜、前記電極の外側に配され、一方の電極へ燃料ガスを
供給する流路を有するアノード側セパレータ板および他
方の電極へ酸化剤ガスを供給する流路を有するカソード
側セパレータ板を具備し、前記ガス拡散層のセパレータ
板と接する面側に導電体層を有することを特徴とする。
上記の構成により、セパレータ板、特に金属製セパレー
タ板との接触抵抗を小さくし、内部抵抗およびインピー
ダンスが低く、発電効率の高い高分子電解質型燃料電池
を実現することができる。
決するため、ガス拡散層のセパレータ板と接する面側に
導電体層を形成する。すなわち、本発明の高分子電解質
型燃料電池は、触媒層とガス拡散層とを有する一対の電
極、前記一対の電極によって挟持された高分子電解質
膜、前記電極の外側に配され、一方の電極へ燃料ガスを
供給する流路を有するアノード側セパレータ板および他
方の電極へ酸化剤ガスを供給する流路を有するカソード
側セパレータ板を具備し、前記ガス拡散層のセパレータ
板と接する面側に導電体層を有することを特徴とする。
上記の構成により、セパレータ板、特に金属製セパレー
タ板との接触抵抗を小さくし、内部抵抗およびインピー
ダンスが低く、発電効率の高い高分子電解質型燃料電池
を実現することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】本発明の高分子電解質型燃料電池
は、拡散層のセパレータ板と接する面側の少なくとも一
部に導電体層を有する。この導電体層は、セパレータ板
とガス拡散層との接触抵抗を低減する。本発明の好まし
い態様においては、前記導電体層は、溶射法により形成
されたアルミニウム、ニッケルまたはステンレス鋼から
なる。以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明
する。ここに用いられた構造図は理解を容易にするため
のものであって、各要素の相対的な大きさや位置関係は
必ずしも正確ではない。
は、拡散層のセパレータ板と接する面側の少なくとも一
部に導電体層を有する。この導電体層は、セパレータ板
とガス拡散層との接触抵抗を低減する。本発明の好まし
い態様においては、前記導電体層は、溶射法により形成
されたアルミニウム、ニッケルまたはステンレス鋼から
なる。以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明
する。ここに用いられた構造図は理解を容易にするため
のものであって、各要素の相対的な大きさや位置関係は
必ずしも正確ではない。
【０００８】図１は、本発明による高分子電解質燃料電
池の単位セルを示す縦断面図である。１０は電解質膜−
電極接合体（MEA）を表す。このMEAは高分子電解質膜１
１、これを挟むアノード１２およびカソード１３からな
る。MEAの外側には、アノード側導電性セパレータ板２
１とカソード側導電性セパレータ板３１が配され、さら
にその外側に集電板２２と３２が配置されている。これ
を単電池として複数個が直列に接続され、電池スタック
が構成される。セパレータ板２１は、アノード１２と接
する面に燃料ガスの流路を形成する溝４１を有する。同
様に、カソード側導電性セパレータ板３１は、カソード
１３に接する面に酸化剤ガスの流路を形成する溝４２を
有する。ここでは、アノード側導電性セパレータ板およ
びカソード側導電性セパレータ板は、各々独立に形成し
たが、アノード側導電性セパレータ板およびカソード側
導電性セパレータ板を一枚のセパレータ板で構成し、そ
の一方の面をアノード側導電性セパレータ板とし、他方
の面をカソード側導電性セパレータとすることもでき
る。
池の単位セルを示す縦断面図である。１０は電解質膜−
電極接合体（MEA）を表す。このMEAは高分子電解質膜１
１、これを挟むアノード１２およびカソード１３からな
る。MEAの外側には、アノード側導電性セパレータ板２
１とカソード側導電性セパレータ板３１が配され、さら
にその外側に集電板２２と３２が配置されている。これ
を単電池として複数個が直列に接続され、電池スタック
が構成される。セパレータ板２１は、アノード１２と接
する面に燃料ガスの流路を形成する溝４１を有する。同
様に、カソード側導電性セパレータ板３１は、カソード
１３に接する面に酸化剤ガスの流路を形成する溝４２を
有する。ここでは、アノード側導電性セパレータ板およ
びカソード側導電性セパレータ板は、各々独立に形成し
たが、アノード側導電性セパレータ板およびカソード側
導電性セパレータ板を一枚のセパレータ板で構成し、そ
の一方の面をアノード側導電性セパレータ板とし、他方
の面をカソード側導電性セパレータとすることもでき
る。
【０００９】
【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。 《実施例１》アセチレンブラックに、平均粒径約３０Å
の白金粒子を５０：５０の重量比で担持させて電極の触
媒とした。この触媒粉末のイソプロパノ−ル分散液に、
パーフルオロスルホン酸粉末のエタノール分散液（旭硝
子（株）のフレミオン）を混合してペースト状にした。
このペーストを原料として、スクリーン印刷法を用い
て、厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に触媒
層を形成した。カーボン不織布の他方の面には、プラズ
マ溶射法を用いＳＵＳ３１６の導電体層を形成した。こ
のプラズマ溶射に際しては、セパレータ板のガス流路と
なる溝の部分に対応する部分は、マスキングして導電体
層を形成していない。こうして得られた電極の触媒層中
に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロ
カーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるよ
うにした。
の白金粒子を５０：５０の重量比で担持させて電極の触
媒とした。この触媒粉末のイソプロパノ−ル分散液に、
パーフルオロスルホン酸粉末のエタノール分散液（旭硝
子（株）のフレミオン）を混合してペースト状にした。
このペーストを原料として、スクリーン印刷法を用い
て、厚み２５０μｍのカーボン不織布の一方の面に触媒
層を形成した。カーボン不織布の他方の面には、プラズ
マ溶射法を用いＳＵＳ３１６の導電体層を形成した。こ
のプラズマ溶射に際しては、セパレータ板のガス流路と
なる溝の部分に対応する部分は、マスキングして導電体
層を形成していない。こうして得られた電極の触媒層中
に含まれる白金量は０．５ｍｇ／ｃｍ2、パーフルオロ
カーボンスルホン酸の量は１．２ｍｇ／ｃｍ2となるよ
うにした。
【００１０】これらの電極は、アノード、カソード共に
同一構成とし、電極より一回り大きい面積を有するプロ
トン伝導性の高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷し
た触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによ
って接合して、MEAを作成した。ここでは、プロトン伝
導性の高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンス
ルホン酸（米国ディポン社のナフィオン膜）を用いた。
得られたMEAの両側に所定のシール材とＳＵＳ３１６の
セパレータ板を配して単電池を構成した。そして、単電
池試験装置にセットし、電池特性を調べた。単電池のア
ノードには露点が７５℃となるように加温・加湿した水
素ガスを、カソードには露点が６０℃となるように加温
・加湿した空気をそれぞれ供給し、電池温度を８０℃、
燃料利用率を８０％、空気利用率を４０％に設定した。
同一構成とし、電極より一回り大きい面積を有するプロ
トン伝導性の高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷し
た触媒層が電解質膜側に接するようにホットプレスによ
って接合して、MEAを作成した。ここでは、プロトン伝
導性の高分子電解質膜として、パーフルオロカーボンス
ルホン酸（米国ディポン社のナフィオン膜）を用いた。
得られたMEAの両側に所定のシール材とＳＵＳ３１６の
セパレータ板を配して単電池を構成した。そして、単電
池試験装置にセットし、電池特性を調べた。単電池のア
ノードには露点が７５℃となるように加温・加湿した水
素ガスを、カソードには露点が６０℃となるように加温
・加湿した空気をそれぞれ供給し、電池温度を８０℃、
燃料利用率を８０％、空気利用率を４０％に設定した。
【００１１】図２に単電池の電流−電圧特性を比較して
示した。図２は、ガス拡散層の片面に導電体層を形成し
た実施例の単電池の特性（曲線ａ）が、導電体層を形成
しない比較例の単電池の特性（曲線ｂ）よりも優れてい
ることを示している。この違いは、金属セパレータ板と
ガス拡散層との接触抵抗の差に起因するものと考えられ
る。以上より、本発明によれば、ガス拡散層の片面に導
電体層を形成した結果、従来のカーボン板の切削工法に
替わり、ステンレス鋼などの金属材料を切削加工しない
で用いることができるので、量産時に大幅なコスト低減
が図れる。また、セパレータ板を一層薄くできるので積
層電池のコンパクト化に寄与する。
示した。図２は、ガス拡散層の片面に導電体層を形成し
た実施例の単電池の特性（曲線ａ）が、導電体層を形成
しない比較例の単電池の特性（曲線ｂ）よりも優れてい
ることを示している。この違いは、金属セパレータ板と
ガス拡散層との接触抵抗の差に起因するものと考えられ
る。以上より、本発明によれば、ガス拡散層の片面に導
電体層を形成した結果、従来のカーボン板の切削工法に
替わり、ステンレス鋼などの金属材料を切削加工しない
で用いることができるので、量産時に大幅なコスト低減
が図れる。また、セパレータ板を一層薄くできるので積
層電池のコンパクト化に寄与する。
【００１２】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、ガス拡散
層の片面に導電体層を形成することにより、優れた高分
子電解質型燃料電池を提供することができる。
層の片面に導電体層を形成することにより、優れた高分
子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図１】本発明の実施例における単電池の縦断面図であ
る。
る。
【図２】本発明の実施例の単電池と比較例の単電池の特
性を示す図である。
性を示す図である。
１０ ＭＥＡ １１ 高分子電解質膜 １２ アノード １３ カソード ２１、３１ セパレータ板 ２２、３２ 集電板 ４１、４２ 溝
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 保坂 正人 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Ｆターム(参考） 5H018 AA06 AS02 AS03 BB07 CC06 DD06 DD08 EE02 EE04 EE10 5H026 AA06 BB00 BB04 CC03 CX04 EE02 EE08
Claims (2)
- 【請求項１】 触媒層とガス拡散層とを有する一対の電
極、前記一対の電極によって挟持された高分子電解質
膜、前記電極の外側に配され、一方の電極へ燃料ガスを
供給する流路を有するアノード側セパレータ板および他
方の電極へ酸化剤ガスを供給する流路を有するカソード
側セパレータ板を具備し、前記ガス拡散層のセパレータ
板と接する面側に導電体層を有することを特徴とする高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】 前記導電体層が、溶射法により形成され
たアルミニウム、ニッケルまたはステンレス鋼からなる
請求項１記載の高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001146739A JP2002343368A (ja) | 2001-05-16 | 2001-05-16 | 高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001146739A JP2002343368A (ja) | 2001-05-16 | 2001-05-16 | 高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002343368A true JP2002343368A (ja) | 2002-11-29 |
Family
ID=18992334
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001146739A Pending JP2002343368A (ja) | 2001-05-16 | 2001-05-16 | 高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002343368A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006080084A (ja) * | 2004-09-08 | 2006-03-23 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池スタック |
| JP2007538370A (ja) * | 2004-05-20 | 2007-12-27 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | Ｐｅｍ燃料電池用の高性能膜電極接合体（ｍｅａ）を製造するための新しいアプローチ |
| US9786929B2 (en) | 2008-09-18 | 2017-10-10 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Fuel cell and fuel cell stack comprising the same |
-
2001
- 2001-05-16 JP JP2001146739A patent/JP2002343368A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007538370A (ja) * | 2004-05-20 | 2007-12-27 | ゼネラル・モーターズ・コーポレーション | Ｐｅｍ燃料電池用の高性能膜電極接合体（ｍｅａ）を製造するための新しいアプローチ |
| US8101319B2 (en) | 2004-05-20 | 2012-01-24 | GM Global Technology Operations LLC | Approach to make a high performance membrane electrode assembly (MEA) for a PEM fuel cell |
| JP2006080084A (ja) * | 2004-09-08 | 2006-03-23 | Samsung Sdi Co Ltd | 燃料電池スタック |
| US9786929B2 (en) | 2008-09-18 | 2017-10-10 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Fuel cell and fuel cell stack comprising the same |
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