JP3147518B2 - 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子膜を電解
質膜として用いた固体高分子電解質型燃料電池スタッ
ク、ことに固体高分子膜を加湿するためのセル構造に関
する。

【０００２】

【従来の技術】図４は固体高分子電解質型燃料電池の単
セル構造を模式化して示す断面図であり、単セル１は、
イオン導電性を有する固体高分子膜２と、その両面に密
着するよう支持された燃料電極（アノ−ド電極）３およ
び酸化剤電極（カソ−ド電極）４とで構成される。ま
た、単セル１を挟持するバイポ−ラプレ−ト５は導電性
を有するガス不透過性板からなり、その燃料電極３に接
する面側に凹溝として形成された燃料ガス通路６に燃料
ガスとしての水素を、酸化剤電極４に接する面側に凹溝
として形成された酸化剤通路７に酸化剤としての酸素を
供給することにより、単セル１の一対の電極間で電気化
学反応に基づく発電が行われる。なお、このように構成
された単セル１の出力電圧は１Ｖ以下と低いので、単セ
ル１とバイポ−ラプレ−ト５を複数層積層してスタック
を構成することにより、所望の出力電圧の固体高分子電
解質型燃料電池が得られる。

【０００３】一方、イオン導電性を有する固体高分子膜
１としては、例えばプロトン交換膜であるパ−フロロカ
−ボンスルホン酸膜（米国，デュポン社，商品名ナフィ
オン）を電解質膜として用いたものが知られており、分
子中にプロトン（水素イオン）交換基を持ち、飽和含水
することにより常温で２０Ω-cm 以下の比抵抗を示し、
プロトン導電性電解質として機能するとともに、燃料ガ
スと酸化剤ガスの混合を防ぐ隔膜としても機能する。す
なわち、アノ−ド電極（燃料電極）側では水素分子を水
素イオンと電子に分解するアノ−ド反応（Ｈ₂ →２Ｈ⁺
＋２ｅ^- ）が、カソ−ド電極（酸化剤電極）側では酸素
と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応（２
Ｈ⁺ ＋1/2 Ｏ₂ ＋２ｅ^- →Ｈ₂ Ｏ）なるカソ−ド反応が
それぞれ行われ、全体としてＨ₂ ＋1/2 Ｏ₂ →Ｈ₂ Ｏな
る電気化学反応が行われ、アノ−ドからカソ−ドに向か
って外部回路を移動する電子により発電電力が負荷に供
給される。

【０００４】上述のように、固体高分子電解質型燃料電
池ては、電解質膜を飽和含水させることにより、膜はプ
ロトン交換膜として機能するものであるから、固体高分
子電解質型燃料電池の発電効率を高く維持するためには
固体高分子膜２中を飽和含水状態に維持するとともに、
固体高分子電解質型燃料電池の運転温度を５０〜１００
°C 程度に保持して固体高分子膜の比抵抗を低く保つ必
要がある。このため、各単セル１の固体高分子電解質膜
２はあらかじめ飽和量の水を含水させた状態でスタック
の組立作業が行われる。ところが、運転温度を上記温度
範囲に高めて発電を行うと、下記に示す固体高分子膜２
の乾燥作用が発生し、固体高分子膜２を飽和含水状態に
維持できず固体高分子電解質型燃料電池の発電効率が低
下するという問題が発生する。すなわち、燃料ガスおよ
び酸化剤ガスにより電気化学反応で生成した水が系外に
持ち出されるとともに、アノ−ド反応において生成した
プロトン２Ｈ⁺ が固体高分子膜中をアノ−ドからカソ−
ドに向けて移動する際、プロトンに数分子の水が配向し
て一緒に移動し、燃料ガス，酸化剤とともに系外に持ち
出されることにより、固体高分子膜の乾燥が進行する。

【０００５】そこで、このような事態を回避するため
に、反応ガス通路６および７に供給する反応ガス（燃料
ガスおよび酸化剤）に水を添加して反応ガス中の水蒸気
濃度（水蒸気分圧）を高め、固体高分子膜２からの水分
の蒸発を抑えるよう構成したものが知られている。反応
ガスの加湿方法としては、燃料電池の外部に温湯を溜め
たタンクを用意し、この湯の中に反応ガスをバブリンク
して加湿し、加湿した反応ガスを固体高分子電解質型燃
料電池の各単セルに供給する外部加湿法が知られてい
る。また、固体高分子電解質型燃料電池に隣接して加湿
部を設け、ここで加湿した反応ガスを各単セルに供給す
る内部加湿法も知られている。

【０００６】図５は内部加湿方式の従来の固体高分子電
解質型燃料電池を示す模式図、図６は従来の内部加湿方
式における加湿部を示す模式図である。図において、固
体高分子電解質型燃料電池１０はその側壁に隣接して反
応ガスの加湿部１１を備え、加湿した燃料ガスおよび酸
化剤を各単セルの燃料ガス通路６および酸化剤通路７に
それぞれ供給する。加湿部１１は図６に示すように、電
子導電性を持たない固体高分子膜（メンブランフィルタ
−）を加湿用水透過膜１２Ａ，１２Ｂとし、それぞれ一
方の面側が加湿水通路１３に対向し、他方の面が燃料ガ
ス加湿室１６または酸化剤加湿室１７に対向するよう構
成され、燃料電池の排熱により加熱された水により湿潤
した加湿用水透過膜１２表面から水蒸気が発生し、この
水蒸気により加湿された燃料ガスおよび酸化剤が固体高
分子電解質型燃料電池１０の各単セルの燃料ガス通路６
および酸化剤通路７にそれぞれ供給される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述の外部加湿方式に
おいては、タンクで加湿した反応ガスが燃料電池との間
の配管中で凝縮するのを防ぐために、配管の断熱および
加熱を必要とし、かつタンクの加熱用熱源を必要とする
ため、固体高分子電解質型燃料電池の熱効率の低下を招
くという問題があり、かつ装置も大掛かりになるという
欠点がある。

【０００８】一方上述の内部加湿方式においては、加湿
部を燃料電池スタックに隣接して配置するので、水蒸気
発生の熱源としての燃料電池の排熱の利用が容易であ
り、かつ加湿部と燃料電池の間のガス配管も簡単化でき
る利点がある。しかしながら、燃料電池とは別体のイオ
ン導電性を持たない高分子膜を水分透過膜として使用し
た独立した装置であり、その部品点数も多く，組立作業
が煩雑になるという問題がある。また、加湿部を単セル
の層間に積層できれば、加湿用の補給水の蒸発潜熱を燃
料電池の冷却に利用することが可能であり、加湿部を冷
却板に兼用できると期待されるが、加湿用水透過膜が電
子導電性を持たないため、単セルの層間に積層するとス
タックの導電性が失われるため、加湿部を燃料電池の冷
却板として兼用できないという問題も存在する。

【０００９】この発明の目的は、燃料電池スタックと一
体化することにより、組立作業が容易で、加湿性能がよ
く、燃料電池の冷却にも寄与できる加湿部を備えた固体
高分子電解質型燃料電池のセル構造を得ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、イオン導電性を有する固体高分
子膜と、その両面に密着して配された燃料電極および酸
化剤電極とからなる単セルが、前記燃料電極および酸化
剤電極それぞれに対向する部分に凹溝からなる燃料ガス
通路または酸化剤通路を有するガス不透過性板を介して
複数層積層された固体高分子電解質型燃料電池におい
て、固体高分子膜周縁部を挟持する一方のガス不透過性
板に前記燃料ガス通路または酸化剤通路に連通する凹溝
として形成されたガス加湿通路と、他方のガス不透過性
板の前記ガス加湿通路に対向する部分に独立した凹溝と
して形成された水補給通路とからなる加湿部を設けてな
り、前記ガス加湿通路で加湿された燃料ガスまたは酸化
剤が、燃料ガス通路または酸化剤通路に供給されるよう
構成することとする。

【００１１】さらにまた、前記加湿部の配置が、固体高
分子膜に対して互いに対称な位置に配されて、一方が燃
料ガスの加湿部を、他方が酸化剤の加湿部を形成してな
ることとする。

【００１２】

【００１３】

【作用】上記のごとく構成すれば、固体高分子電解質型
燃料電池の積層構造を殆ど変えることなく一体化された
反応ガスの加湿部を単セル毎に備えた固体高分子電解質
型燃料電池を構成できるので、部品点数および組立工数
の増加を回避する機能が得られる。また、各単セル毎に
加湿部備えるので固体高分子膜の加湿性能に優れ、かつ
固体高分子膜周縁部分から本体部分への水分の移行も期
待できるので固体高分子膜の高い乾燥防止機能が得られ
る。さらに、単セルの両サイドに一体化した加湿部が、
単セルの発電生成熱を水蒸気の蒸発潜熱として奪うの
で、加湿部が応答速度の速い冷却板を兼ね、固体高分子
電解質型燃料電池の温度分布を改善する機能が得られ
る。

【００１４】さらに、固体高分子膜の２つの延長部分に
おけるガス供給通路および水補給通路の配置を、固体高
分子膜に対して互いに対称な位置とするよう構成すれ
ば、一方の延長部分に燃料ガスの加湿部を、他方の延長
部分に酸化剤の加湿部を、固体高分子電解質型燃料電池
の構成に影響を及ぼさずに形成することができる。さら
にまた、前記ガス加湿通路で加湿された燃料ガスまたは
酸化剤が、燃料ガス通路または酸化剤通路に供給される
よう構成したことにより、加湿部の所要面積を必要最小
限に縮小できるとともに、加湿部で加湿した反応ガスを
燃料ガス通路または酸化剤通路に供給するまでの間に水
分を凝縮させることがなく、固体高分子膜を効率よく加
湿する機能が得られる。

【００１５】

【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる固体高分子電解質型
燃料電池のセル構造を模式化して示す断面図、図２は実
施例におけるバイポ−ラプレ−トを燃料ガス通路側から
見た平面図、図３は実施例におけるバイポ−ラプレ−ト
を酸化剤通路側から見た平面図であり、従来技術と同じ
構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した
説明を省略する。図において、単セルを構成するイオン
導電性を有する固体高分子膜２２が、これを介して互い
に対向する燃料電極３および酸化剤電極４の両側方に所
定の長さ延長され、この延長部分を水分の透過膜２２
Ａ，２２Ｂとして一方の延長部分に燃料ガスの加湿部３
６，他方の延長部分に酸化剤の加湿部３７が形成され
る。

【００１６】燃料ガスの加湿部３６は、固体高分子膜２
２の延長部分２２Ｂを水分の透過膜とし、これを挟持す
る一方のバイポ−ラプレ−ト２５Ａに燃料ガス通路６に
連通する凹溝としての燃料ガス加湿通路２６を形成し、
他方のバイポ−ラプレ−ト２５Ｂの燃料ガス加湿通路２
６に対向する部分に独立した凹溝からなる水補給通路２
４を形成することにより、各単セルと一体化した燃料ガ
スの加湿部３６を備えた固体高分子電解質型燃料電池が
構成される。また、酸化剤の加湿部３７としては、固体
高分子膜２２の延長部分２２Ａを水分の透過膜とし、こ
れを挟持する一方のバイポ−ラプレ−ト２５Ｂに酸化剤
通路７に連通する凹溝としての酸化剤加湿通路２７を形
成し、他方のバイポ−ラプレ−ト２５Ａの酸化剤加湿通
路２７に対向する部分に独立した凹溝からなる水補給通
路２３を形成することにより、各単セルと一体化した燃
料ガスの加湿部３７を備えた固体高分子電解質型燃料電
池が構成される。

【００１７】また、１つの単セルにおける燃料ガスの加
湿部３６および酸化剤の加湿部３７は、固体高分子膜の
２つの延長部分におけるガス加湿通路２６，２７と、水
補給通路２３，２４との配置を、固体高分子膜に対して
互いに対称な位置とすることにより、燃料ガス通路６に
連通した燃料ガス加湿通路２６と、酸化剤通路７に連通
した酸化剤加湿通路２７とを１枚の固体高分子膜２２の
延長部分を利用する形で形成することができる。

【００１８】さらに、図２または図３に示すように、水
補給通路２３，２４はバイポ−ラプレ−ト２５Ａ，２５
Ｂ外周側のシ−ル部２８に連結して形成されたリブ２８
Ｂにより、ガス通路６，７と画成され、シ−ル部２８を
貫通する補給水の入口２３Ａ，２４Ａと、出口２３Ｂ，
２４Ｂを介して補給水の給排水がそれぞれ行われる。ま
た、燃料ガスの加湿通路２６，または酸化剤の加湿通路
２７は、燃料ガス通路６，酸化剤通路７との間にリブ２
８Ａを備え、加湿通路を通った燃料ガスまたは酸化剤が
Ｕタ−ンして燃料ガス通路６または酸化剤通路７に流入
するよう形成され、加湿通路で加湿された反応ガス中の
水分を凝縮させることなく燃料ガス通路または酸化剤通
路に供給できるとともに、加湿部が占める面積を最小限
度に縮小することができる。

【００１９】実施例になるセル構造を有する単セルは、
加湿部３６および３７中の補給水が、単セルの発電生成
熱を単セルから直接，あるいは図示しない冷却板の延長
部分から受けて加熱され、湿潤した水分透過膜２２Ａ，
２２Ｂの表面で水蒸気が発生し、この水蒸気により加湿
通路２６，２７内の反応ガスが加湿され、これに連通し
た燃料ガス通路６および酸化剤通路７に加湿された燃料
ガスまたは酸化剤が供給される。

【００２０】このように構成されたセル構造を有する単
セルの積層体として構成される固体高分子電解質型燃料
電池においては、バイポ−ラプレ−トにあらかじめ形成
する凹溝の形状をガス加湿通路，水補給通路に対応して
形成しておくことにより、固体高分子電解質型燃料電池
の積層構造を殆ど変えることなく一体化された反応ガス
の加湿部を単セル毎に備えた固体高分子電解質型燃料電
池を構成できるので、部品点数および組立工数の増加が
回避されて製造コストの低減が可能になるとともに、各
単セル毎に加湿部が設けられて反応ガスの加湿性能がよ
く、かつ湿潤した延長部分から直接水分が固体高分子膜
の本体部分に移行して乾燥を防止する機能が加わるの
で、高度の乾燥防止性能を有するセル構造を備えた固体
高分子電解質型燃料電池を経済的にも有利に得ることが
できる。

【００２１】また、単セルの両サイドに一体化した加湿
部が、単セルの発電生成熱を水蒸気の蒸発潜熱として奪
うので、加湿部が応答速度の速い冷却板の機能を兼ね、
固体高分子電解質型燃料電池の温度分布を改善できる利
点が得られる。

【００２２】

【発明の効果】この発明は前述のような構成とした結
果、外部加湿方式の固体高分子電解質型燃料電池に比
べ、加湿部が燃料電池と一体化されることにより加湿タ
ンクおよびガス配管を必要とせず装置の構成を簡素化で
きるとともに、燃料電池の生成熱を水蒸気発生用熱源と
して直接利用できるので熱効率が高く、かつ加湿部を各
単セルが備えることにより加湿性能の高いセル構造を備
えた固体高分子電解質型燃料電池を経済的にも有利に提
供することができる。

【００２３】また、燃料電池に加湿部を併設した従来の
内部加湿方式の固体高分子電解質型燃料電池に比べ、燃
料電池本体と一体化した加湿部を各単セル毎に備え、か
つ燃料電池の生成熱を水蒸気発生用熱源として直接利用
できるため、単セル温度の変化に対する加湿量の応答速
度高く、固体高分子膜の延長部分から本体部分への水分
の直接補給も期待できるので、優れた固体高分子膜の乾
燥防止効果が得られる。また、一体化されることにより
部品点数およびその組立工数を低減できるので、製造コ
ストを大幅に低減できる経済効果が得られる。さらに、
加湿部に供給される補給水が冷却水としても機能するの
で、各単セルに冷却板を設けたと同様の冷却効果が得ら
れ、単セルの面方向および固体高分子電解質型燃料電池
の積層方向の温度分布を改善してセル特性を向上する波
及効果も期待できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例になる固体高分子電解質型燃
料電池のセル構造を模式化して示す断面図

【図２】実施例におけるバイポ−ラプレ−トを燃料ガス
通路側から見た平面図

【図３】実施例におけるバイポ−ラプレ−トを酸化剤通
路側から見た平面図

【図４】固体高分子電解質型燃料電池の単セル構造を模
式化して示す断面図

【図５】内部加湿方式の従来の固体高分子電解質型燃料
電池を示す模式図

【図６】従来の内部加湿方式における加湿部を示す模式
図

【符号の説明】

１ 単セル ２ 固体高分子膜 ３ 燃料電極 ４ 酸化剤電極 ５ バイポ−ラプレ−ト ６ 燃料ガス通路 ７ 酸化剤通路 ８ ガスシ−ル部（リブ） １０ 固体高分子電解質型燃料電池（スタック） １１ 加湿部 １２ 加湿用水透過膜 １３ 加湿水通路 １６ 燃料ガス加湿室 １７ 酸化剤加湿室 ２２ 固体高分子膜 ２２Ａ 固体高分子膜の延長部分（水分透過膜） ２２Ｂ 固体高分子膜の延長部分（水分透過膜） ２３ 水補給通路 ２４ 水補給通路 ２５Ａ バイポ−ラプレ−ト ２５Ｂ バイポ−ラプレ−ト ２６ 燃料ガス加湿通路 ２７ 酸化剤加湿通路 ２８ シ−ル部 ２８Ａ リブ（ガスＵタ−ン用） ２８Ｂ リブ（水補給通路の画成用） ３６ 燃料ガス加湿部 ３７ 酸化剤加湿部

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】イオン導電性を有する固体高分子膜と、そ
   の両面に密着して配された燃料電極および酸化剤電極と
   からなる単セルが、前記燃料電極および酸化剤電極それ
   ぞれに対向する部分に凹溝からなる燃料ガス通路または
   酸化剤通路を有するガス不透過性板を介して複数層積層
   された固体高分子電解質型燃料電池において、 固体高分子膜周縁部を挟持する一方のガス不透過性板に
   前記燃料ガス通路または酸化剤通路に連通する凹溝とし
   て形成されたガス加湿通路と、他方のガス不透過性板の
   前記ガス加湿通路に対向する部分に独立した凹溝として
   形成された水補給通路とからなる加湿部を設けてなり、 前記ガス加湿通路で加湿された燃料ガスまたは酸化剤
   が、燃料ガス通路または酸化剤通路に供給されることを
   特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
2. 【請求項２】前記加湿部の配置が、固体高分子膜に対し
   て互いに対称な位置に配されて、一方が燃料ガスの加湿
   部を、他方が酸化剤の加湿部を形成してなることを特徴
   とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。