JP2000348747A

JP2000348747A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2000348747A
Application number: JP11156012A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Yanagisawa; 伸浩柳沢
Original assignee: Isuzu Motors Ltd
Current assignee: Isuzu Motors Ltd
Priority date: 1999-06-03
Filing date: 1999-06-03
Publication date: 2000-12-15

Abstract

(57)【要約】【課題】強靱な水蒸気透過膜を有する加湿装置を提供
する。【解決手段】加湿水室１５と燃料ガス加湿室１６と、
加湿水室１５と酸化剤ガス加湿室１７とを対向させ、そ
れぞれの間に水蒸気透過性膜１１を介在させた加湿装置
において、水蒸気透過性膜１１を、ポリイミド樹脂を用
いて構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
燃料電池の電極へ供給するガスを加湿する加湿手段およ
び該加湿手段を内蔵した固体高分子電解質燃料電池に関
する。

【０００２】

【従来の技術】高分子電解質膜を用いた固体高分子電解
質燃料電池は、両面に流路を形成した炭素材料製バイポ
ーラーセパレータと、高分子電解質膜の両面にアノード
電極またはカソード電極として働く触媒電極を形成した
膜／電極組み合わせ部材を交互に積層し、その間にシー
ル用ガスケットを挾んで燃料電池スタックを構成してい
た。

【０００３】このような固体高分子電解質を用いた燃料
電池においては、高分子電解質のイオン導電性を良好に
保つために、燃料となる水素或いは水素を多く含んだ改
質ガスなどの燃料ガス、または、酸素源となる酸素或い
は空気などの酸化ガスに水蒸気を添加して加湿したガス
を、高分子電解質膜と電極を組み合わせた部材に供給し
ている。

【０００４】燃料ガスまたは酸化ガスを加湿する方法と
しては、加湿水を蓄えた加湿槽中に燃料ガスまたは酸化
ガスを吹き込んで加湿するバブリングと称する簡易な方
法もあるが、この加湿方法は、ガス中に微小な水粒子が
存在したり、加湿量の制御が難しいという問題がある。

【０００５】また、例えば、特開平７−１３５０１２号
公報、特開平９−９２３０８号公報などには、高分子電
解質膜または水透過膜を通して燃料ガスや酸化ガスを加
湿して、過剰な加湿による燃料電池の性能低下を防止す
る方法が提案されている。この方法は、ポリオレフィン
系樹脂フィルムまたはポリプロピレン、もしくは、パー
フルオロスルホン酸樹脂（Ｎａｆｉｏｎ）、セロハン、
ポリエステル、ポリアミドなど水蒸気透過性膜を用いて
おり、過剰な加湿を回避したり、ガス中の水滴の存在を
無くすという観点からは十分な性能を有しているが、信
頼性、コストの面で問題があった。すなわち、パーフル
オロスルホン酸樹脂は、引っ張り強度、引き裂き強度、
対クリープ性などの機械的強度が低く、かつ価格が高い
という問題を有している。さらに、ポリエステルは、燃
料電池の動作温度（７０〜８０℃）付近に熱変形温度が
あり、長期にわたる使用ではクリープによって漏水する
などの問題を生じるおそれがある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、その燃料電
池用加湿装置に関し、特に内部加湿器に好適な薄型の加
湿装置である。内部加湿器としては、フッ素系のイオン
交換膜であるＮａｆｉｏｎ樹脂の薄いフィルムがその透
湿性、化学的安定性から一般的に用いられているが、機
械的強度が低く、価格も高いという欠点があった。本発
明は、上記に鑑み、安価で機械的強度が高い加湿装置を
提供することを目的とする。

【０００７】

【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、Ｎａｆｉｏｎフィルムに代えて、透湿性
・機械的強度が高く、低コスト化が可能な、ポリイミド
樹脂フィルムを使うことを特徴とし、更にその特徴を活
かして薄型で強度等の面で信頼性の高い加湿器が実現で
きる。すなわち、上記課題を解決するために、請求項１
の発明は、固体高分子電解質型燃料電池の電極に供給す
る燃料ガスおよび／または酸化ガスを加湿するための加
湿装置において、燃料ガスおよび／または酸化ガスの流
通路と加湿水の流通路とを分離する水蒸気透過膜として
ポリイミド樹脂フィルムを用いた。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１の加湿装置に
おいて、燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給されガス流通
路を形成するガス室と、加湿水が供給され加湿水供給流
通路を形成する加湿水室に、水蒸気透過膜を挾む膜支持
部を設けた。

【０００９】請求項３の発明は、請求項２の加湿装置に
おいて、膜支持部を、ガス室または加湿水室に設けた凸
条とした。

【００１０】請求項４の発明は、請求項２の加湿装置に
おいて、膜支持部を、多孔を有する金属材料から構成さ
れる支持部材とした。

【００１１】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
４の加湿装置を燃料電池に組み込んで、加湿器内蔵燃料
電池装置とした。

【００１２】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
４の加湿装置を燃料電池セルと一体化して加湿器一体化
燃料電池装置とした。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１〜図３を用いて。本発明にか
かる加湿装置の構成とこの加湿装置を備えた固体高分子
電解質燃料電池の構成を説明する。図１は、本発明の第
１の実施の形態にかかる加湿装置の構成を概念的に示す
縦断面図であり、図２は図１に示した加湿装置の一部の
分解斜視図である。図３は、図１、図２に示した加湿装
置を内蔵した固体高分子電解質燃料電池の構成を模式的
に示す図である。この実施の形態では、加湿装置１は、
燃料ガスと酸化剤ガスの双方を加湿する加湿装置を例に
とって説明する。

【００１４】図１、図２に示すように、加湿装置１は、
複数の加湿セル１０−１〜１０−４を積み上げて構成さ
れる。加湿セル１０は、ポリイミド樹脂フィルムを用い
た水蒸気透過性膜１１を、加湿水室／ガス室分離部材１
２と他の加湿水室／ガス室分離部材１２、または分離部
材１２と加湿水室用端板１３、もしくは分離部材１２と
ガス室用端板１４とで挾んで構成される。この実施の形
態では、加湿は、燃料（水素ガス：Ｈ２）ガスと酸化剤
（酸素ガス：Ｏ２）ガスに対して行われる。

【００１５】加湿水室／ガス室分離部材１２は、稠密な
炭素材料を機械加工して得ることができる。加湿水室／
ガス室分離部材１２は、平板状に形成され、一面側に加
湿水室１５が、他面側に燃料ガス加湿室１６または酸化
剤ガス加湿室１７が形成される。加湿水室１５と燃料ガ
ス加湿室１６、加湿水室１６と酸化剤ガス加湿室１７
は、加湿水室／ガス室分離部材１２によって分離されて
いる。

【００１６】加湿水室用端板１３は、平板状に形成さ
れ、一面に加湿水室１５が形成されている。ガス室用端
板１４は、平板状に形成され、一面に酸化剤ガス加湿室
１７が形成されている。

【００１７】加湿水室１５，燃料ガス加湿室１６，酸化
剤ガス加湿室１７には、それぞれ加湿水室／ガス室分離
部材１２および加湿水室用端板１３ならびにガス室用端
板１４の周囲の額縁部１９と同じ高さとされた凸条１８
が、複数本形成されている。凸条１８の間に加湿水また
はガスの流通路が形成される。水蒸気透過膜性膜１１を
挾む、加湿水室１５に設けた凸条１８とガス室１６，１
７に設けた凸条１８を、互いに交差するように設けて、
水蒸気透過性膜１１の変形を少なくすることが必要であ
る。さらに凸条１８の間隔は、水蒸気透過膜１１が、加
湿水とガスの圧力差によって破壊を伴うような変形を生
じないように密に配置される。

【００１８】加湿水室／ガス室分離部材１２の額縁部１
９の表面には、加湿水室１５やガス室１６，１７を取り
囲む段部２１が形成され、この段部に配置されたエラス
トマー製のシート型ガスケット２０によって、それぞれ
の部材間の気密性および水密性を保っている。

【００１９】この発明の水蒸気透過性膜１１には、ポリ
イミド樹脂（デュポン製，カプトンフィルム，厚さ２５
μｍ）からなる薄膜を用いる。ポリイミド樹脂膜は、機
械的強度が高く裂けにくいことから、膜に加わる圧力の
差を大きくすることができ、安全動作差圧範囲を広くと
ることができ、安全性および信頼性を向上させることが
できる。

【００２０】図２は、図１に示した加湿装置１の一部分
を分解して示す斜視図であり、加湿水室／ガス室分離部
材１２−１〜１２−３の形状および組立方を示してい
る。この図においては、加湿水室１５および燃料ガス加
湿室１６ならびに酸化剤ガス加湿室１７内に設けた水蒸
気透過性膜１１を支持する凸条１８と、額縁部１９の表
面に設ける段部２１およびシート型ガスケット２０は、
図示を省略している。

【００２１】加湿水室／ガス室分離部材１２−１および
加湿水室／ガス室分離部材１２−２は、一方の面に燃料
ガス加湿室１６を他方の面に加湿水室１５を有してい
る。加湿水室／ガス室分離部材１２−３は、一方の面に
酸化剤ガス加湿室１７を他方の面に加湿水室１５を有し
ている。加湿水室／ガス室分離部材１２−１，１２−２
とで燃料ガスに対する加湿セル１０−２を形成し、加湿
水室／ガス室分離部材１２−２と１２−３で酸化剤ガス
に対する加湿セル１０−３を形成している。

【００２２】各加湿水室／ガス室分離部材１２には、加
湿水供給路２２、加湿水排出路２３、燃料ガス供給路２
４、燃料ガス排出路２５、酸化剤ガス供給路２６、酸化
剤ガス排出路２７が、額縁部１９の一面から他面に貫通
して設けられている。これらの通路は、各加湿水室／ガ
ス室分離部材１２を積層したときに、それぞれ各分離部
材を連通した流通路を形成する。これらの流通路用の開
口は、水蒸気透過性膜１１にも対応する個所に設けられ
ている。

【００２３】各加湿水室／ガス室分離部材１２の額縁部
１９の他面の表面には加湿水供給路２２と加湿水室１５
とを結ぶ溝２２１および加湿水室１５と加湿水排出路２
３を結ぶ溝２３１が設けられている。

【００２４】加湿水室／ガス室分離部材１２−１，１２
−２の額縁部１９の一面には、燃料ガス供給路２４と燃
料ガス加湿室１６とを結ぶ溝２４１および燃料ガス加湿
室１６と燃料ガス排出路２５を結ぶ溝２５１が設けられ
ている。

【００２５】加湿水室／ガス室分離部材１２−３の額縁
部１９の一面には、酸化剤ガス供給路２６と酸化剤ガス
加湿室１７とを結ぶ溝２６１および酸化剤ガス加湿室１
７と酸化剤ガス排出路２７を結ぶ溝２７１が設けられて
いる。

【００２６】加湿水供給路２２に供給された加湿水は、
溝２２１を介して加湿水室１５へ供給され、溝２３１を
介して加湿水排出路２３へ排出される。燃料ガス供給路
２４に供給された燃料ガスは、溝２４１を介して燃料ガ
ス加湿室１６に供給され、溝２５１を介して燃料ガス排
出路２５へ排出される。酸化剤ガス供給路２６に供給さ
れた酸化剤ガスは、溝２６１を介して酸化剤ガス加湿室
１７に供給され、溝２７１を介して酸化剤ガス排出路２
７へ排出される。

【００２７】加湿装置１の加湿水供給路２２には、燃料
電池の排気から回収した水や、加湿水タンクに貯蔵され
た水が加湿水循環用ポンプを用いて供給される。燃料ガ
ス加湿室１６において水蒸気透過性膜１１を透過した水
蒸気が燃料ガスに供給され、燃料ガスを加湿する。酸化
剤ガス加湿室１７において水蒸気透過性膜１１を透過し
てきた水蒸気が酸化剤ガスに供給され、酸化剤ガスを加
湿する。

【００２８】このようにして、燃料ガスおよび酸化剤ガ
スを加湿して湿潤したガスとして固体高分子電解質燃料
電池に供給することによって、固体電解質に水分を供給
することができる。

【００２９】図３は、上記加湿装置１を燃料電池スタッ
ク５と一体にした燃料電池の構成を概念的に示す図であ
る。図において、加湿装置１は、図１および図２に示し
た加湿装置と同じ構造を有している。燃料電池スタック
５は、複数の燃料電池セル５０−１〜５０−８を積層し
て構成される。それぞれの燃料電池セル５０は、固体高
分子電解質膜５１と、この電解質膜５１の燃料ガス室５
６に対向する面に設けたアノード電極５２と、電解質膜
５１の酸化剤ガス室５７に対向する面に設けたカソード
電極５３とを、分離部材５４もしくは端板５５で挾んで
構成される。この燃料電池の構造は、従来の固体高分子
電解質燃料電池の構成を、多くの改変なしに使用するこ
とができる。

【００３０】加湿装置１の燃料ガス排出路２５から送ら
れる加湿された燃料ガスは、端板５４に設けた燃料ガス
通路を介して燃料電池スタック５に供給される。同様
に、加湿装置１の酸化剤ガス排出路２７から送られる加
湿された酸化剤ガスは端板５４に設けた酸化剤ガス通路
を介して燃料電池スタック５に供給される。加湿装置１
に供給された加湿水は、加湿装置１の端板１３を経由し
て排出される。

【００３１】このようにして、燃料電池スタック５に加
湿装置１を一体化した燃料電池を提供することができ
る。この燃料電池は、加湿装置１の水蒸気透過性膜１１
に強度の強いポリイミド樹脂フィルムを用いているの
で、加湿水室およびガス室に設ける凸条が膜１１に接触
する面積を小さくして、加湿水またはガス流路を大きく
することができるので、加湿装置自体を小型化すること
ができ、燃料電池装置自体を小型化することができる。

【００３２】上記構成を有する加湿装置を用いて、ポリ
イミド樹脂の有効性を検証した。水蒸気透過性膜１１と
して、本発明にかかる加湿装置では前述したデュポン製
のポリイミド樹脂膜（カプトン）を使用し、参照例では
パーフルオロスルホン酸樹脂膜（Ｎａｆｉｏｎ）を使用
し、ガスと加湿水との差圧を０．５Ｋｇ／ｃｍ^２と１．
０Ｋｇ／ｃｍ^２としてそれぞれ５個の資料について漏れ
の発生を観察した。差圧０．５Ｋｇ／ｃｍ^２では、ポリ
イミド樹脂を用いた場合漏れの発生は０件であったが、
Ｎａｆｉｏｎを用いた場合には漏れの発生は１件であっ
た。差圧１．０Ｋｇ／ｃｍ^２では、ポリイミド樹脂を用
いた場合漏れの発生は０件であったが、Ｎａｆｉｏｎを
用いた場合には漏れの発生は３件であった。

【００３２】上記構成を有する加湿装置を用いて、ポリ
イミド樹脂の有効性を検証した。水蒸気透過性膜１１と
して、本発明にかかる加湿装置では前述したデュポン製
のポリイミド樹脂膜（カプトン）を使用し、参照例では
パーフルオロスルホン酸樹脂膜（Ｎａｆｉｏｎ）を使用
し、ガスと加湿水との差圧を０．５Ｋｇ／ｃｍ^２と１．
０Ｋｇ／ｃｍ^２としてそれぞれ５個の資料について漏れ
の発生を観察した。差圧０．５Ｋｇ／ｃｍ^２では、ポリ
イミド樹脂を用いた場合漏れの発生は０件であったが、
Ｎａｆｉｏｎを用いた場合には漏れの発生は１件であっ
た。差圧１．０Ｋｇ／ｃｍ^２では、ポリイミド樹脂を用
いた場合漏れの発生は０件であったが、Ｎａｆｉｏｎを
用いた場合には漏れの発生は３件であった。このよう
に、水蒸気透過性膜１１としてポリイミド樹脂を用いた
本発明は、ガスと加湿水との差圧を大きくとることがで
きるので、同一の面積の水蒸気透過性膜を用いて、多く
の水蒸気をガスに供給することができるので、加湿装置
の加湿性能を向上させることができる。

【００３３】さらに、本発明によれば、ポリイミド樹脂
フィルムからなる水蒸気透過性膜１１を通して燃料電池
の電極に供給されるガスを加湿することによって、ガス
への過剰な加湿が行われたり、或いは水滴が混入するこ
とが防止でき、燃料電池の電極が水滴によってぬれて反
応が阻害されること（フラッディング）を抑制すること
が可能となる。

【００３４】図４〜図１０を用いて。本発明にかかる加
湿装置を一体化した固体高分子電解質燃料電池（以下、
この実施の形態では、加湿装置を一体化した固体高分子
電解質燃料電池を一体化燃料電池といい、一体化燃料電
池を構成する加湿セルと一体化した燃料電池セルを一体
化燃料電池セルという）の構成を説明する。図４は、一
体化燃料電池セルの構成を概念的に示す縦断面図であ
り、図５は図４に示した一体化燃料電池セルを複数箇積
層した一体化燃料電池スタックの構成を模式的に示す図
である。図６〜図９は、一体化燃料電池セルを構成する
分離部材の形状を説明する平面図であり、図６は加湿装
置の加湿水室／ガス室分離部材３１の酸化剤ガス室側の
平面図、図７は加湿装置の加湿水室／ガス室分離部材３
１の加湿水室側の平面図、図８は燃料電池セルのガス室
分離部材３２の燃料ガス加湿室側の平面図、図９は燃料
電池セルのガス室分離部材３２の燃料ガス室側の平面図
である。図１０は一体化燃料電池セルの一部の分解斜視
図である。この実施の形態では、加湿装置１は、燃料ガ
スを加湿する加湿装置を例にとって説明する。この実施
の形態に捕らわれることなく、加湿装置１は、燃料ガス
の加湿のみならず、酸化剤ガスをも加湿するようにして
もよい。

【００３５】図４、図５に示すように、一体化燃料電池
７は、複数（８個）の一体化燃料電池セル７０を積み上
げて構成される。一体化燃料電池セル７０は、加湿セル
１０と燃料電池セル５０とを一体化して構成される。

【００３６】加湿セル１０は、ポリイミド樹脂フィルム
を用いた水蒸気透過性膜１１を、加湿水室／ガス室分離
部材３１と、ガス室分離部材３２とで挾んで構成され
る。

【００３７】燃料電池セル５０は、固体高分子電解質膜
５１と、この電解質膜５１の燃料ガス室５６に対向する
面に設けたアノード電極５２と、電解質膜５１の酸化剤
ガス室５７に対向する面に設けたカソード電極５３と
を、分離部材３１と分離部材３２で挾んで構成される。

【００３８】加湿セル１０と燃料電池セル５０は、背中
合わせに一体化されている。この実施の形態では、加湿
は、燃料ガスのみに対して行われる。

【００３９】加湿水室／ガス室分離部材３１とガス室分
離部材３２は、稠密な炭素材料を機械加工して得ること
ができる。

【００４０】加湿水室／ガス室分離部材３１は、平板状
に形成され、一面側に加湿水室１５が、他面側に燃料電
池用の酸化剤ガス室５７が形成される。それぞれの室は
分離部材３１によって分離されている。

【００４１】ガス室分離部材３２は、平板状に形成さ
れ、一面側に燃料ガス加湿室１６が、他面側に燃料電池
用の燃料ガス室５６が形成される。それぞれの室は分離
部材３２によって分離されている。

【００４２】加湿水室１５，燃料ガス加湿室１６，燃料
ガス室５６，酸化剤ガス室５７には、それぞれ分離部材
３１，３２の周囲の額縁部１９と同じ高さとされた凸条
１８が、複数本形成されている。凸条１８の間に加湿水
またはガスの流通路が形成される。

【００４３】水蒸気透過性膜１１を挾む、加湿水室１５
に設けた凸条１８と燃料ガス加湿室１６に設けた凸条１
８を、互いに交差するように設けて、水蒸気透過性膜１
１の変形を少なくすることが必要である。さらに凸条１
８の間隔は、水蒸気透過膜１１が、加湿水とガスの圧力
差によって破壊を伴うような変形を生じないように密に
配置される。

【００４４】同様に、固体高分子電解質膜５１とアノー
ド電極５２とカソード電極５３の積層体を挾む、燃料ガ
ス室５６に設けた凸条１８と酸化剤ガス室５７に設けた
凸条１８を、互いに交差するように設けて、固体高分子
電解質膜５１の変形を少なくすることが必要である。

【００４５】さらに、凸条１８の間隔は、固体高分子電
解質膜５１が、燃料ガスと酸化剤ガスの圧力差によって
破壊を伴うような変形を生じないように密に配置され
る。

【００４６】図４に示した分離部材の平面形状を示す図
６〜図９を用いて、加湿水室／ガス室分離部材３１と、
ガス室分離部材３２の平面形状を説明する。図６は図４
に示した加湿水室／ガス室分離部材３１の左側から見た
平面を、図７は図４に示した加湿水室／ガス室分離部材
３１の右側から見た平面を、図８は図４に示した分離部
材３２の左側から見た平面を、図９は分離部材３２の右
側から見た平面を示している。

【００４７】図６に示すように、加湿水室／ガス室分離
部材３１の固体高分子電解質膜５１と対向する面には、
酸化剤ガス室５７が設けられるとともに、額縁部１９の
酸化剤ガス室５７の周囲にはシート型のガスケット２０
を配置する段部２１が設けられる。さら、加湿水室／ガ
ス室分離部材３１の額縁部１９には両面の間を繋ぐ加湿
水供給路２２、加湿水排出路２３、燃料ガス供給路２
４、燃料ガス排出路２５、酸化剤ガス供給路２６、酸化
剤ガス排出路２７が設けられている。酸化剤ガス供給路
２６と酸化剤ガス室５７とは溝２６１で、酸化剤ガス排
出路２７と酸化剤ガス室５７とは溝２７１で結ばれる。

【００４８】図７に示すように、加湿水室／ガス室分離
部材３１の水蒸気透過性膜１１と対向する面には、加湿
水室１５が設けられるとともに、額縁部１９の加湿水室
１５の周囲にはシート型ガスケット２０を配置する段部
２１が設けられる。さら、加湿水室／ガス室分離部材３
１の額縁部１９には両面の間を繋ぐ加湿水供給路２２、
加湿水排出路２３、燃料ガス供給路２４、燃料ガス排出
路２５、酸化剤ガス供給路２６、酸化剤ガス排出路２７
が設けられている。加湿水供給路２２と加湿水室１５と
は溝２２１で、加湿水排出路２３と加湿水室１５とは溝
２３１で結ばれる。

【００４９】図８に示すように、ガス室分離部材３２の
水蒸気透過性膜１１と対向する面には、燃料ガス加湿室
１６が設けられるとともに、額縁部１９の燃料ガス加湿
室１６の周囲にはシート型ガスケット２０を配置する段
部２１が設けられる。さら、ガス室分離部材３２の額縁
部１９には両面の間を繋ぐ加湿水供給路２２、加湿水排
出路２３、燃料ガス供給路２４、燃料ガス排出路２５、
酸化剤ガス供給路２６、酸化剤ガス排出路２７と、燃料
ガス加湿室１６と燃料ガス室５６を結ぶ燃料ガス連絡路
２８が設けられている。燃料ガス供給路２４と燃料ガス
加湿室１６とは溝２４１で、燃料ガス連絡路２８と燃料
ガス加湿室１６とは溝２８１で結ばれる。

【００５０】図９に示すように、ガス室分離部材３２の
固体高分子電解質膜５１と対向する面には、燃料ガス室
５６が設けられるとともに、額縁部１９の燃料ガス室５
６の周囲にはシート型ガスケット２０を配置する段部２
１が設けられる。さら、ガス室分離部材３２の額縁部１
９には両面の間を繋ぐ、加湿水供給路２２、加湿水排出
路２３、燃料ガス供給路２４、燃料ガス排出路２５、酸
化剤ガス供給路２６、酸化剤ガス排出路２７と、燃料ガ
ス連絡路２８が設けられている。燃料ガス連絡路２８と
燃料ガス室５６とは溝２８１で、燃料ガス排出路２５と
燃料ガス室５７とは溝２５１で結ばれる。

【００５１】この発明の水蒸気透過性膜１１には、ポリ
イミド樹脂膜（デュポン製，カプトンフィルム，厚さ２
５μｍ）を用いる。ポリイミド樹脂膜は、機械的強度が
高く裂けにくいことから、膜に加わる圧力の差を大きく
することができ、安全動作差圧範囲を広くとることがで
き、安全性および信頼性を向上させることができる。さ
らに、本発明にかかる加湿装置を負荷変動の大きな燃料
電池と組み合わせて使用する場合、より大きな圧力変動
に耐えることができる。

【００５２】上記のような構造を有する分離部材３１，
３２を用いて組み立てた一体型燃料電池セルの構造を図
１０を用いて説明する。

【００５３】図１０は、図４〜図９に示した加湿セル１
０および燃料電池セル５０を一体化した一体化燃料電池
セル７０の一部分を分解して示す斜視図であり、分離部
材３〜３２の形状および組立方を示している。この図に
おいては、加湿水室１５および燃料ガス加湿室１６内に
設ける水蒸気透過性膜１１を支持する凸条１８と、燃料
ガス室５６および酸化剤ガス室５７内に設ける固体高分
子電解質膜５１を支持する凸条１８と、額縁部１９の表
面に設ける段部２１およびガスケット２０は、図示を省
略している。

【００５４】図示のように、加湿水室／ガス室分離部材
３１の一面と、水蒸気透過性膜１１と、ガス室分離部材
３２と、固体高分子電解質膜５１と、加湿水室／ガス室
分離部材３１の他面とを順次積み重ねることによって、
一体化燃料電池セル７０が形成される。この一体化燃料
電池セル７０を複数箇積み重ねて、一体化燃料電池スタ
ック７が構成される。

【００５５】加湿水供給路２２に供給された加湿水は、
溝２２１を介して加湿水室１５へ供給され、溝２３１を
介して加湿水排出路２３へ排出される。

【００５６】燃料ガス供給路２４に供給された燃料ガス
は、溝２４１を介して燃料ガス加湿室１６に供給され
る。ここで加湿された燃料ガスは、溝２８１および燃料
ガス連絡路２８ならびに溝２８１を介して、隣接する燃
料電池５０の燃料ガス室５６へ供給され、溝２５１を介
して燃料ガス排出路２５へ排出される。

【００５７】酸化剤ガス供給路２６に供給された酸化剤
ガスは、溝２６１を介して酸化剤ガス室５７に供給さ
れ、溝２７１を介して酸化剤ガス排出路２７へ排出され
る。

【００５８】加湿装置１の加湿水供給路２２には、燃料
電池の排気から回収した水や、加湿水タンクに貯蔵され
た水が加湿水循環用ポンプを用いて供給される。水蒸気
透過性膜１１を透過した水蒸気が、燃料ガス加湿室１６
に供給された燃料ガスに供給され、燃料ガスを加湿す
る。

【００５９】このようにして、加湿セル１０と燃料電池
セル５０を一体化した一体化燃料電池セル７０を積層し
た一体化燃料電池スタック７を提供することができる。
この燃料電池は、加湿装置１の水蒸気透過性膜１１に強
度の強いポリイミド樹脂フィルムを用いているので、加
湿水室１５および燃料ガス加湿室１６に設ける凸条１８
が膜１１に接触する面積を小さくして、加湿水または燃
料ガス流通路を大きくすることができるので、加湿装置
自体を小型化することができ、燃料電池装置自体を小型
化することができる。

【００６０】本発明によれば、ポリイミド樹脂フィルム
からなる水蒸気透過性膜１１を通して燃料電池の電極に
供給されるガスを加湿することによって、ガスへの過剰
な加湿が行われたり、或いは水滴が混入することが防止
でき、燃料電池の電極が水滴によってぬれて反応が阻害
されることを抑制することが可能となる。

【００６１】本発明の第３の実施の形態を、図１１，図
１２を用いて説明する。上記第１および第２の実施の形
態では、加湿水室１５，燃料ガス加湿室１６、酸化剤ガ
ス加湿室１７，燃料ガス室５６，酸化剤ガス室５７に設
ける凸条１８は、稠密炭素材料からなる分離部材１１，
３１，３２を機械加工して設けているが、これは、材料
費および加工費が高く、また薄型化も難しいという問題
があった。この実施の形態は、第１および第２の実施の
形態に示した、分離部材１２，端板１３，１４，分離部
材５４，端板５５の加湿水室１５，燃料ガス加湿室１
６，燃料ガス室５６，酸化剤ガス室５７内に設けた凸条
１８に代えて、他の膜支持手段を用いた点に特徴を有し
ている。

【００６２】図１１は、第３の実施の形態にかかる膜支
持部材を用いた酸化剤ガス室の平面形状を模式的に示す
平面図であり、繰返し設けられた開口４１を一部に示し
その他の部分では開口の中心が十文字で示されている。
図１２は、この膜支持部材を用いた一体化燃料電池セル
の構造を模式的に示す拡大部分断面図である。

【００６３】図１１に示すように、分離部材３１の酸化
剤ガス室５７には、金属薄板から形成された膜支持部材
４０が設けられている。膜支持部材４０には、多数の開
口４１が設けられており、その表裏間で燃料ガスまたは
酸化剤ガスもしくは加湿水が流通する。さらに、膜支持
部材４０には、破線で示した尾根部４２と一点鎖線で示
した谷部４３が繰返し設けられて波形に形成されてい
る。

【００６４】図１２に示すように、水蒸気透過性膜１１
は、加湿水室１５内に配置された膜支持部材４０の尾根
４２と、燃料ガス加湿室１６内に配置された膜支持部材
４０の尾根４２とに挾まれて支持される。同様に、陰極
５２と陽極５３が両面に設けられた固体高分子電解質５
１は、燃料ガス室５６内に配置された膜支持部材４０の
尾根４２と、酸化剤ガス室５７内に配置された膜支持部
材４０の尾根４２とに挾まれて支持される。

【００６５】このように構成することによって、凸条を
ガス室内などに機械加工によって設ける必要がなくな
り、かつガス室を薄くすることができるので、簡易な構
造の加湿器として、小型化、低価格化を実現することが
できる。この実施の形態では、加工の容易な金属材料か
らなる膜支持部材を用いて流通路を形成するので、機械
加工の簡略化による加工費用の低減、薄型金属材料の使
用による薄型化が可能となる。膜支持部材を形成する金
属材料として、チタン（Ｔi），ニッケル（Ｎi），クロ
ム（Ｃr）の純金属、あるいは、ステンレス等の耐蝕性
合金、あるいはその表面に金メッキなどの耐触性皮膜を
形成したものを使用する。さらに、この実施の形態では
１層の膜支持部材４０を用いているが、膜支持部材４０
を複数枚重ねて膜の支持と流体の流通路を形成してもよ
い。

【００６６】上記の実施の形態では、膜支持部材４０と
して多数の開口４１を有する金属薄板を波形に形成し
て、膜の支持機能と流体の流通路を得たが、膜支持部材
４０としては、金属多孔部材である金網，パンチングメ
タル，発泡金属等を積層することにより形成することが
できる。

【００６７】本明細書において用いたポリイミド樹脂と
は、主鎖中に酸イミド結合を持つ高分子の総称をいい、
ポリイミド、ポリアミド−イミド、ポリエステル−イミ
ドなどを含んでいる。

【００６８】

【発明の効果】固体高分子電解質燃料電池の水蒸気透過
性膜１１にＮａｆｉｏｎ膜を用いた従来の加湿装置で
は、Ｎａｆｉｏｎ膜の機械的強度が低いことからガス／
加湿水間の差圧を十分小さく制御し膜の破れを防止する
必要があったが、本発明で用いたポリイミド樹脂フィル
ムは機械的強度が高く裂けにくいため、安全動作可能差
圧範囲が広く取れ安全性、信頼性が向上する。さらに、
流通路の形状も膜の機械的強度が向上したことにより膜
を支える流通路の巾を広く取ることができるので、同一
面積膜を用いたときに有効加湿面積が広くなり、装置を
小型化することが可能となり、また加工工数の減少によ
るコストダウンが可能となる。

【００６９】また、通常の大気温度あたりでは、ポリイ
ミド樹脂に比べ、強度が同等以上のポリエステル樹脂に
比べても、耐熱温度が格段に優れているので、耐久性に
優れる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態にかかる加湿装置の
構造を模式的に説明する断面図。

【図２】図１に示した加湿装置の積層構造を説明する斜
視図。

【図３】本発明にかかる加湿装置を組み込んだ燃料電池
装置の構造を模式的に説明する断面図。

【図４】本発明の第２の実施の形態にかかる加湿セルを
一体化した燃料電池セルの構造を模式的に説明する断面
図。

【図５】図４に示した一体化燃料電池セルを積層した一
体化燃料電池スタックの構造を模式的に説明する断面
図。

【図６】図４に示した一体化燃料電池セルの酸化剤ガス
室側の形状を示す平面図。

【図７】図４に示した一体化燃料電池セルの加湿水室側
の形状を示す平面図。

【図８】図４に示した一体化燃料電池セルの燃料ガス加
湿室側の形状を示す平面図。

【図９】図４に示した一体化燃料電池セルの燃料ガス室
側の形状を示す平面図。

【図１０】図４に示した一体化燃料電池セルの積層構造
を説明する斜視図。

【図１１】本発明の第３の実施の形態にかかる加湿装置
の酸化剤ガス室側の形状を示す平面図。

【図１２】図１１に示した膜支持部材を用いた燃料電池
セルの構造を模式的に説明する部分断面図。

【符号の説明】

１加湿装置５燃料電池スタック７一体化燃料電池装置１０加湿セル１１水蒸気透過性膜１２加湿水室／ガス室分離部材（分離部材）１３加湿水室用端板１４ガス室用端板１５加湿水室１６燃料ガス加湿室１７酸化剤ガス加湿室１８凸条１９額縁部２０シート型ガスケット２１ガスケット受け用段部２２加湿水供給路２３加湿水排出路２４燃料ガス供給路２５燃料ガス排出路２６酸化剤ガス供給路２７酸化剤ガス排出路２８燃料ガス連絡路３１加湿水室／ガス室分離部材（分離部材）３２ガス室分離部材４０膜支持部材４１開口４２尾根部４３谷部５０燃料電池セル５１固体高分子電解質膜５２陰極（アノード電極）５３陽極（カソード電極）５４分離部材５５端板５６燃料電池燃料ガス室５７燃料電池酸化剤ガス室

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質型燃料電池の電極に供
給する燃料ガスおよび／または酸化ガスを加湿するため
の加湿装置であって、燃料ガスおよび／または酸化ガス
の流通路と加湿水の流通路とを分離する水蒸気透過膜と
してポリイミド樹脂フィルムを用いたことを特徴とする
加湿装置。
【請求項２】燃料ガスまたは酸化剤ガスが供給されガ
ス流通路を形成するガス室と、加湿水が供給され加湿水
供給流通路を形成する加湿水室に、水蒸気透過膜を挾む
膜支持部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の加
湿装置。
【請求項３】膜支持部が、ガス室または加湿水室に設
けた凸条である請求項２に記載の加湿装置。
【請求項４】膜支持部が、多孔を有する金属材料から
構成される支持部材である請求項２に記載の加湿装置。
【請求項５】請求項１ないし請求項４のいずれか１項
に記載された加湿装置を燃料電池に組み込んだ加湿器内
蔵燃料電池装置。
【請求項６】請求項１ないし請求項４のいずれか１項
に記載された加湿装置を燃料電池セルと一体化した加湿
器一体化燃料電池装置。