JP2001185169A

JP2001185169A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JP2001185169A
Application number: JP36583499A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Yoshimoto; 保則吉本; Shigeru Sakamoto; 滋坂本
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-07-06

Abstract

(57)【要約】【課題】冷却水で電池の冷却を行うと共に燃料ガスを
加湿して固体高分子電解質膜を湿潤する、構成が簡単で
小型化した固体高分子型燃料電池を提供する。【解決手段】アノード側に燃料ガスが通る燃料室、カ
ソード側に酸化剤ガスが通る酸化剤室を設けた単位セル
を複数積層してセルユニットを構成し、隣り合うセルユ
ニットとセルユニットとの間に、冷却水流路と、燃料ガ
ス流路と、冷却水流路および燃料ガス流路を仕切るため
の、水が透過する導電性を有する水透過材と、からな
り、前記水透過材を透過した水によって燃料ガスの加湿
が行われる加湿室を備え、この加湿室を通過した加湿燃
料ガスによって固体高分子電解質膜の加湿を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関するものであり、さらに詳しくは固体高分子電
解質膜の湿潤を効率的に行なうことのできる固体高分子
型燃料電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５に示すように、固体高分子型燃料電
池１０は、イオン導電性であってプロトンを移動させる
固体高分子電解質膜１２の一方の面にアノード１４、他
方の面にカソード１６が形成されたセル１８を構成し、
該セル１８のアノード側に燃料室２０を設け、カソード
側に酸化剤室２２を設けた単位セル２４から形成され
る。単位セル２４は通常、複数積層されて固体高分子型
燃料電池１０を構成する。単位セルの燃料室には水素ガ
スを含む燃料ガスが供給され、酸化剤室には空気などの
酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。

【０００３】アノードでは、燃料ガス中の水素ガスがＨ
₂ →２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- の反応によってプロトンと電子が生
成される。プロトンは固体高分子電解質膜を通ってカソ
ードに向かい、電子は外部回路（図示せず）に流れる。
カソードでは、酸化剤ガス中の酸素と、固体高分子電解
質膜を通って移動したプロトン、及び外部回路を通って
流入した電子が、１／２Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- →Ｈ₂ Ｏ
の反応により、水を生じると共に、起電力を発生する。

【０００４】固体高分子型燃料電池の最適な作動温度
は、約８０℃から１００℃程度であるが、上記反応は発
熱を伴う反応であるため、一般に固体高分子型燃料電池
に冷却水が導入される。

【０００５】一方、固体高分子電解質膜は、一般にパー
フルオロカーボンスルホン酸、スチレン−ジビニルベン
ゼンスルホン酸などの電解質材料から形成される。この
種電解質材料のイオン伝導率は、雰囲気中の水分濃度に
大きく左右され、固体高分子電解質膜が乾燥している状
態では抵抗が大きく、電池として作動させるには適当で
はない。

【０００６】そこで、固体高分子型燃料電池の冷却に用
いられる冷却水の一部を、燃料ガスあるいは酸化剤ガス
の加湿に利用し、加湿されたガスにより固体高分子電解
質膜を湿潤させて、イオン導電性を向上させる方法が採
られている。ガスを加湿する方法として、燃料電池の外
部に加湿装置を設け、予めガスの加湿を行なった後、各
単位セルに供給する方法が知られているが（特開平８−
６４２１８号公報など）、外部加湿装置を設けることに
より、エネルギー効率が低下したり、固体高分子型燃料
電池が複雑化及び大型化してしまう問題がある。

【０００７】特開平７−２４０２２１号公報では、図６
に示すように、各燃料室２０と酸化剤室２２の背面に、
冷却水の流通する水路３０を設け、燃料室２０と水路３
０、酸化剤室２２と水路３０との間を、水は透過するが
ガスは透過しない膜３２で仕切り、該膜３２を透過して
水路３０から燃料室２０、酸化剤室２２に達する水によ
って、燃料室中の燃料ガスおよび酸化剤室中の酸化剤ガ
スを加湿して、固体高分子電解質膜の湿潤を行う固体高
分子型燃料電池１０が開示されている。しかし、前記膜
を透過した水を、直接燃料室、酸化剤室に供給してガス
の加湿を行うため、各燃料室、酸化剤室毎に水路を設け
る必要があり、小型化を充分に達成できない問題があ
る。

【０００８】特開平９−９２３０８号公報には、図７に
示すように、固体高分子膜１２の一方の面にアノード１
４、他方の面にカソード１６を有するセル１８に対し、
アノード側に燃料ガスが流通する燃料室２０、カソード
側に酸化剤ガスが流通する酸化剤室２２を設けた単位セ
ル２４を複数積層して構成され、積層された複数の単位
セル２４によってセルユニット２６を構成し、隣り合う
セルユニット２６とセルユニット２６との間に、冷却水
の流通する冷却水流路４６と、燃料ガスの流通する燃料
ガス流路４８を備え、冷却水流路４６と燃料ガス流路４
８は、透湿性を有する電気絶縁性の膜１００（具体的に
は、パーフルオロスルホン酸樹脂膜などのフッ素系イオ
ン交換樹脂膜、セロハン、ポリエステル樹脂、ポリアミ
ド樹脂などの膜）によって仕切られ、冷却水流路４６か
ら膜１００を透過した水によって燃料ガス流路４８中の
燃料ガスの加湿が行われる加湿室２８を備え、加湿室２
８を通過した加湿燃料ガスによって固体高分子電解質膜
１２の加湿を行う固体高分子型燃料電池１０が開示され
ている。

【０００９】しかしながら、上記構成の固体高分子型燃
料電池１０においては、透湿性を有する膜として電気絶
縁性の膜１００を用いているため下記問題がある。透湿性を有する電気絶縁性の膜１００の外周部に電気
導電部（集電部）を設ける必要がある。この電気導電部は、面積を広くしなければ抵抗が大き
くなる。電気絶縁性の高分子の水透過膜１００は表面の親水性
が低いため、図８に示すように、冷却水流路４６から膜
１００を透過した水が水滴１０１となってつきやすいた
め燃料ガスの流路４８を塞ぎ易い。

【００１０】そこで、多孔性カーボン板にパーフルオロ
カーボンスルホン酸などを含浸させた水は透過させるが
ガスは透過させない導電性の水透過膜を用い、冷却水流
路中の冷却水の全量をこの水透過膜を透過させて燃料ガ
ス流路側に供給し、燃料ガス中に蒸発して蒸発潜熱によ
り冷却効果を挙げるとともに燃料ガスを加湿するように
した固体高分子型燃料電池が提案されている（特開平１
１−１１１３１１号公報）。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、多孔性カーボ
ン板にパーフルオロカーボンスルホン酸などを含浸させ
た水透過膜を用いるこの提案は、該水透過膜を透過する
水量を調節し難いため燃料ガスの加湿度合いの制御が困
難であり、固体高分子電解質膜を安定して湿潤させてイ
オン導電性を向上できない恐れがある。また、コストの
増大を招く。本発明の目的は、固体高分子型燃料電池の
内部で冷却を行うとともに、冷却水流路中の冷却水の一
部の適切な量を水透過膜を透過させて燃料ガス流路側お
よび／または酸化剤ガス流路側に供給して燃料ガスおよ
び／または酸化剤ガスを加湿して、加湿した燃料ガスお
よび／または酸化剤ガスにより固体高分子電解質膜を安
定して湿潤させてイオン導電性を向上できるようにし
た、構成が簡単で、小型化を達成した固体高分子型燃料
電池を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者は従来の問題を
解決するために鋭意研究した結果、水が透過する導電性
を有する水透過膜として、ガス流路と冷却水流路に連通
する多数の微細な通路を有し、毛細管現象により水が透
過してガス流路へ移動してガスの加湿を行えるような導
電性を有する水透過膜を用いることにより、課題を解決
できることを見いだし、本発明を成すに到った。

【００１３】本発明の請求項１は、固体高分子電解質膜
の一方の面にアノード、他方の面にカソードを有するセ
ルに対し、アノード側に燃料ガスが流通する燃料室、カ
ソード側に酸化剤ガスが流通する酸化剤室を設けた単位
セルを複数積層して構成され、積層された複数の単位セ
ルによってセルユニットを構成し、隣り合うセルユニッ
トとセルユニットとの間には、冷却水の流通する冷却水
流路と、燃料ガスの流通する燃料ガス流路と、冷却水流
路および燃料ガス流路を仕切るための、水が透過する導
電性を有する水透過材と、からなり、前記水透過材を透
過した水によって燃料ガスの加湿が行われる加湿室を備
え、この加湿室を通過した加湿燃料ガスによって固体高
分子電解質膜の加湿を行う固体高分子型燃料電池におい
て、前記水透過材は、前記燃料ガス流路と前記冷却水流
路に連通する多数の微細な通路を備えることを特徴とす
る固体高分子型燃料電池に関するものである。

【００１４】本発明の請求項２は、固体高分子電解質膜
の一方の面にアノード、他方の面にカソードを有するセ
ルに対し、アノード側に燃料ガスが流通する燃料室、カ
ソード側に酸化剤ガスが流通する酸化剤室を設けた単位
セルを複数積層して構成され、積層された複数の単位セ
ルによってセルユニットを構成し、隣り合うセルユニッ
トとセルユニットとの間には、冷却水の流通する冷却水
流路と、酸化剤ガスの流通する酸化剤ガス流路と、冷却
水流路および酸化剤ガス流路を仕切るための、水が透過
する導電性を有する水透過材と、からなり、前記水透過
材を透過した水によって酸化剤ガスの加湿が行われる加
湿室を備え、この加湿室を通過した加湿酸化剤ガスによ
って固体高分子電解質膜の加湿を行う固体高分子型燃料
電池において、前記水透過材は、前記酸化剤ガス流路と
前記冷却水流路に連通する多数の微細な通路を備えるこ
とを特徴とする固体高分子型燃料電池に関するものであ
る。

【００１５】本発明の請求項３は、固体高分子電解質膜
の一方の面にアノード、他方の面にカソードを有するセ
ルに対し、アノード側に燃料ガスが流通する燃料室、カ
ソード側に酸化剤ガスが流通する酸化剤室を設けた単位
セルを複数積層して構成され、積層された複数の単位セ
ルによってセルユニットを構成し、隣り合うセルユニッ
トとセルユニットとの間には、冷却水の流通する２つの
冷却水流路と、燃料ガスの流通する燃料ガス流路と、酸
化剤ガスの流通する酸化剤ガス流路と、一方の冷却水流
路と前記燃料ガス流路との間および他方の冷却水流路と
前記酸化剤ガス流路との間をそれぞれ仕切るための、水
が透過する導電性を有する水透過材とからなり、前記水
透過材を透過した水によって燃料ガスおよび酸化剤ガス
の加湿が行われる加湿室を備え、この加湿室を通過した
加湿燃料ガスおよび加湿酸化剤ガスによって固体高分子
電解質膜の加湿を行う固体高分子型燃料電池において、
前記水透過材は、前記燃料ガス流路および前記酸化剤ガ
ス流路と前記冷却水流路に連通する多数の微細な通路を
備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池に関する
ものである。

【００１６】本発明の請求項４は、請求項１から請求項
３のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
毛細管現象および／または圧力差によって水が前記水透
過材における前記通路を経て前記冷却水流路から前記燃
料ガル流路または前記酸化剤ガス流路へ移動して燃料ガ
スまたは酸化剤ガスの加湿を行うことを特徴とするもの
である。

【００１７】本発明の請求項５は、請求項１から請求項
４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池において、
前記加湿室に用いられる前記水透過材の表面は、前記燃
料ガス流路および／または前記酸化剤ガス流路に対峙す
る面と前記冷却水流路に対峙する面で気孔率が異なるこ
とを特徴とし、前記燃料ガス流路および／または前記酸
化剤ガス流路に対峙する面への水滴発生を防止するなど
の場合はこの面の気孔率を、前記冷却水流路に対峙する
面の気孔率より大きくする。

【００１８】本発明の請求項６は、請求項５記載の固体
高分子型燃料電池において、前記加湿室に用いられる前
記水透過材は、気孔率の異なった２種類の多孔質板を積
層して構成されることを特徴とするものである。

【００１９】本発明の請求項７は、請求項６記載の固体
高分子型燃料電池において、前記冷却水流路に対峙する
多孔質板として充填材を充填した多孔質板を用いたこと
を特徴とするものである。

【００２０】本発明の請求項８は、請求項６あるいは請
求項７記載の固体高分子型燃料電池において、前記多孔
質板は、カーボン繊維もしくは金属繊維からなることを
特徴とするものである。

【００２１】本発明の請求項９は、請求項７あるいは請
求項８記載の固体高分子型燃料電池において、前記充填
材は、ポリテトラフルオロエチレン、パーフルオロカー
ボンスルホン酸、テトラフルオロエチレン−ペルフルオ
ロアルキルビニルエーテル共重合体、テトラフルオロエ
チレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体、ポリクロ
ロトリフルオロエチレン、ポリフッ化ビニリデン、ポリ
フッ化ビニルおよびテトラフルオロエチレン−エチレン
共重合体からなる群から選ばれたフッ素樹脂および、カ
ーボン粉末、金属粉末、ガラス粉末、ラセミック粉末、
シリカゲル粉末およびゼオライト粉末からなる群から選
ばれる１種類以上の充填材であることを特徴とするもの
である。

【００２２】本発明の請求項１０は、請求項１から請求
項９のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池におい
て、前記水透過材の表面は、前記燃料ガス流路および／
または前記酸化剤ガス流路の壁面より親水性が高いこと
を特徴とするものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下本発明を詳細に説明する。図
１は本発明の固体高分子型燃料電池の一実施例の断面模
式図である。燃料ガス、酸化剤ガス及び冷却水の固体高
分子型燃料電池１０への供給と排出は、電池の端部とな
る単位セルから行なわれる。燃料ガスの流れ方向を実線
矢印、冷却水の流れ方向は点線矢印で夫々示している。
なお、酸化剤ガスの流れは図示していない。

【００２４】セル１８は、固体高分子電解質膜１２と、
該固体高分子電解質膜１２の一方の面にアノード１４、
他方の面にカソード１６を配して構成され（図５、図７
参照）、セル１８の外周をセルプレート５５で包囲して
いる。燃料プレート５４は、セルと向かい合う位置に、
多数の凹溝６０が開設されてなる燃料室２０を具える。
燃料室２０は、後述する加湿室２８に連通する燃料流路
４０に繋がっている。燃料室２０で消費された燃料排ガ
スは、燃料流路４０とは逆の位置に設けられた燃料出口
６６に排出される。

【００２５】酸化剤プレート５６には、セル１８と向か
い合う位置に、凹溝からなる酸化剤室２２を配してい
る。酸化剤室２２は、図示しない酸化剤流路と連通して
おり、酸化剤室２２で消費された酸化剤排ガスは、前記
酸化剤流路とは逆の位置に設けられた図示しない酸化剤
出口から排出される。

【００２６】上記構成のセルプレート５５、燃料プレー
ト５４及び酸化剤プレート５６から構成される単位セル
２４を複数積層してセルユニット２６が形成される。セ
ルユニット２６とセルユニット２６の間に設けられた加
湿室２８の中に冷却水と燃料ガスの通路４６、４８を夫
々別個に設け、冷却水通路４６と燃料ガス通路４８との
間を、水が透過する導電性の水透過材５０によって仕切
っている。すなわち、加湿室２８は、夫々凹溝６２、９
０の開設された第１加湿プレート８２と第２加湿プレー
ト８４の間に、水透過材５０を配したものであり、第１
加湿プレート８２の冷却水通路４６には、冷却水を供給
する配管７４から冷却水を供給し、第２加湿プレート８
４の燃料ガス通路４８には、燃料ガスを供給する配管７
６から燃料ガスを供給している。そして水透過材５０を
透過した水によって燃料ガスの加湿を行なうものであ
る。加湿された燃料ガスは、燃料流路４０を通って各燃
料室２０に供給され、電池反応に利用される。

【００２７】上記構成の固体高分子型燃料電池１０に、
燃料ガス、冷却水、酸化剤ガスを供給すると、冷却水は
各加湿室２８に流入し、単位セル２４を冷却し、これに
よって、各単位セルの温度を、作動に最適な温度（約８
０℃〜１００℃）に維持することができる。燃料ガスは
加湿室２８に流入し、水透過材５０を透過した水によっ
て加湿され、加湿燃料ガスは、燃料流路４０に排出さ
れ、燃料流路４０に連通する各燃料室２０に供給され、
固体高分子電解質膜１２を湿潤させると共に、図示しな
い酸化剤流路を通って各酸化剤室２２に供給された酸化
剤ガスとの間で、セル１８を介して反応し、起電力を発
生する。

【００２８】なお、図示しないが、燃料ガスに代えて、
酸化剤ガスを加湿室２８に導入し、水透過材５０を透過
した水によって酸化剤ガスの加湿を行なう場合について
も、上記とほぼ同様な作用、効果を発揮することができ
る。

【００２９】図２は本発明の固体高分子型燃料電池の加
湿室２８の一実施例の断面模式図である。加湿室２８に
用いられる水透過材５０は、気孔率の異なった２種類の
多孔質板５０Ａ、５０Ｂを積層して構成されている。気
孔率の異なった２種類の多孔質板５０Ａ、５０Ｂはそれ
ぞれ冷却水流路４６と燃料ガス流路４８に通じる多数の
微細な通路５０Ｃ、５０Ｄを備えており、通路５０Ｃ、
５０Ｄにより冷却水流路４６と燃料ガス流路４８とが連
通する。

【００３０】２種類の多孔質板５０Ａ、５０Ｂは、両者
とも毛細管現象により冷却水流路４６から通路５０Ｃ、
５０Ｄを経て水を引き込む性質を持っており、冷却水流
路４６に対峙する側（５０Ａ）に気孔率の小さい方を配
し、燃料ガス流路４８（５０Ｂ）側には、気孔率の大き
い方が配される。

【００３１】冷却水流路４６に対峙する側（５０Ａ）に
気孔率の小さい方を配するのは、水が燃料ガス流路４８
側へ流れ込む量を制御するためである。

【００３２】燃料ガス流路４８側（５０Ｂ）に、気孔率
の大きい方を配するのは、燃料ガスの触れる水透過材５
０全面に水を行き渡らせて親水層ないしは保水層とな
し、安定して燃料ガスの加湿を行わせること及び燃料ガ
ス流路４８を形成する面に前記図８に示したように水が
水滴となって付き燃料ガス流路４８を塞ぎ燃料ガスの分
配を悪化させることを防止するためである。多孔質板の
通路の径および気孔率は特に限定されないが、具体的に
は、例えば多孔質板５０Ａの通路の径は例えば約１μｍ
以下で、気孔率が約６０％であり、多孔質板５０Ｂの通
路の径は例えば約１〜９０μｍで、気孔率が約７５％で
ある例を挙げることができる。多孔質板５０Ａの通路の
径を約１μｍ以下とすることにより毛細管現象が強く働
くようになる。多孔質板５０Ａ、５０Ｂはカーボン繊維
や金属繊維を用いることができる。

【００３３】図３は本発明の固体高分子型燃料電池の加
湿室２８の他の実施例の断面模式図である。図３におい
て加湿室２８に用いられる水透過材５０は、積層された
多孔質板５０Ａ、５０Ｂの冷却水流路４６側（５０Ａ）
が、カーボン繊維や金属繊維にカーボン粉末５０Ｅとフ
ッ素樹脂５０Ｆを混合したものを充填したもので構成さ
れている。作用については図２に示したものと同様であ
るが、セルに用いられる電極材料、集電体材料を用いて
製造することができるため安価に製造できる。

【００３４】図４は本発明の固体高分子型燃料電池の他
の実施例の断面模式図である。この実施例は、燃料ガス
と酸化剤ガスの両方を加湿した実施例である。加湿室
は、図４に示すように、第１加湿プレート８２と第２加
湿プレート８４との間に形成された燃料ガスの加湿室２
８と、第２加湿プレート８４と第３加湿プレート８６と
の間に形成された酸化剤ガスの加湿室２９から構成され
る。燃料ガスの加湿室２８は、図１に示した本発明の固
体高分子型燃料電池の加湿室２８と同じ構成であるため
説明を省略する。なお、燃料ガスの流れ方向を実線矢
印、冷却水の流れ方向を点線矢印、酸化剤の流れ方向を
一点鎖線矢印で示す。

【００３５】酸化剤ガスの加湿室２９は、第２加湿プレ
ート８４の裏面に導電性を有し、ガスと水の両方を通過
させる水ガス透過性膜９４を配し、該水ガス透過性膜９
４と、凹溝の開設された冷却水通路４７を有する第３加
湿プレート８６との間に、導電性の水透過材５１を挟ん
で構成される。水ガス透過性膜９４は、酸化剤ガスを供
給する配管７５に接続されており、該膜９４の内部を酸
化剤ガスが流通する。第３加湿プレート８６の冷却水通
路４７に供給された冷却水は、単位セル２４の冷却を行
なうと共に、水透過材５１を透過し、水ガス透過性膜９
４側に供給される。７４は、冷却水を供給する配管であ
り、７６は、燃料ガスを供給する配管、４４は気水分離
手段、７０は冷却水が排水される冷却排水出口である。
水透過材５１を通過した冷却水は、酸化剤ガス中に蒸発
されて酸化剤ガスを加湿する。加湿された酸化剤ガス
は、酸化剤流路６４を通って各酸化剤室２２に供給さ
れ、電池反応に利用される。酸化剤排ガスは酸化剤出口
６８から排出される。上記のように、燃料ガスだけでな
く、酸化剤ガスも加湿させることにより、固体高分子電
解質膜１２の湿潤をより好適に行なうことができる。

【００３６】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各
部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の
技術的範囲内で種々の変形が可能である。

【００３７】

【発明の効果】本発明の請求項１記載の固体高分子型燃
料電池は、構成が簡単で、冷却水によって電池の冷却を
行うと同時に、冷却水流路中の冷却水の一部の適切な量
を水透過材を透過させて燃料ガス流路側に供給して燃料
ガスを加湿してセルに供給することにより、固体高分子
電解質膜を安定して湿潤させてイオン導電性を向上でき
るようにしたため、外部に加湿装置を設ける必要がな
い。また、加湿部を構成する水透過材は電気導電性を有
するため、水透過材の外周部に電気導電部を設ける必要
がなく、燃料ガス流路の薄型が行えるため、小型化を達
成できる。

【００３８】本発明の請求項２記載の固体高分子型燃料
電池は、燃料ガスに代えて、酸化剤ガスを加湿室に導入
して酸化剤ガスの加湿を行うようにしたので、本発明の
請求項１記載の固体高分子型燃料電池とほぼ同様な作
用、効果を発揮することができる。

【００３９】本発明の請求項３記載の固体高分子型燃料
電池は、燃料ガスと酸化剤ガスを加湿室に導入して燃料
ガスと酸化剤ガスの加湿を行うようにしたので、冷却水
によって電池の冷却を効果的に行うと同時に、固体高分
子電解質膜の湿潤をより好適に行なうことができる。

【００４０】本発明の請求項４記載の固体高分子型燃料
電池は、毛細管現象および／または圧力差によって水が
前記水透過材における前記通路を経て前記冷却水流路か
ら前記燃料ガル流路または前記酸化剤ガス流路へ移動し
て燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿を行うようにしたの
で、冷却水流路中の冷却水の一部の適切な量を制御して
水透過材を透過させて燃料ガス流路側または前記酸化剤
ガス流路側に供給して燃料ガスまたは酸化剤ガスを加湿
できる。

【００４１】本発明の請求項５記載の固体高分子型燃料
電池は、前記加湿室に用いられる前記水透過材の表面
は、前記燃料ガス流路および／または前記酸化剤ガス流
路に対峙する面と前記冷却水流路に対峙する面で気孔率
が異なることを特徴とし、前記燃料ガス流路および／ま
たは前記酸化剤ガス流路に対峙する面への水滴発生を防
止するなどの場合はこの面の気孔率を、前記冷却水流路
に対峙する面の気孔率より大きくするので、水透過材を
透過する水量を制御できる上、水滴発生を防止できるの
で燃料ガスや酸化剤ガスの分配の悪化を防止できる。

【００４２】本発明の請求項６記載の固体高分子型燃料
電池で用いる、気孔率の異なった２種類の多孔質板を積
層して構成した水透過材は、構成が簡単で、容易に作れ
るとともに、水透過材を透過する水量をよく制御でき
る。

【００４３】本発明の請求項７記載の固体高分子型燃料
電池は、冷却水流路に対峙する多孔質板として充填材を
充填した多孔質板を用いたので、水透過材を透過する水
量をよく制御できる。

【００４４】本発明の請求項８記載の固体高分子型燃料
電池は、カーボン繊維もしくは金属繊維からなる多孔質
板を用いたので、構成が簡単で、容易に作れる上、水透
過材を透過する水量をよく制御できる。

【００４５】本発明の請求項９記載の固体高分子型燃料
電池に用いた充填剤は入手も容易で安価である上、水透
過材を透過する水量をよく制御できる。

【００４６】本発明の請求項１０記載の固体高分子型燃
料電池は、水透過材の表面が燃料ガス流路および／また
は酸化剤ガス流路の壁面より親水性が高いので、ガスの
触れる水透過材全面に水を行き渡らせて安定してガスの
加湿を行わせることができ、ガス流路を形成する水透過
材面に水が水滴となって付きガス流路を塞ぎガスの分配
を悪化させることを防止できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の一実施例の断
面模式図である。

【図２】本発明の固体高分子型燃料電池の加湿室の一実
施例の断面模式図である。

【図３】本発明の固体高分子型燃料電池の加湿室の他の
実施例の断面模式図である。

【図４】本発明の固体高分子型燃料電池の他の実施例の
断面模式図である。

【図５】従来の固体高分子型燃料電池の１例の断面模式
図である。

【図６】従来の他の固体高分子型燃料電池の断面模式図
である。

【図７】従来の他の固体高分子型燃料電池の断面模式図
である。

【図８】図７に示した固体高分子型燃料電池の加湿室の
断面模式図である。

【符号の説明】

１０固体高分子型燃料電池１２固体高分子電解質膜１４アノード１６カソード１８セル２０燃料室２２酸化剤室２４単位セル２６セルユニット２８、２９加湿室４６、４７冷却水流路４８燃料ガス流路５０、５１水透過材５０Ｃ、５０Ｄ通路５０Ａ、５０Ｂ多孔板５０Ｅ、５０Ｆ充填材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜の一方の面にアノー
ド、他方の面にカソードを有するセルに対し、アノード
側に燃料ガスが流通する燃料室、カソード側に酸化剤ガ
スが流通する酸化剤室を設けた単位セルを複数積層して
構成され、積層された複数の単位セルによってセルユニ
ットを構成し、隣り合うセルユニットとセルユニットと
の間には、冷却水の流通する冷却水流路と、燃料ガスの
流通する燃料ガス流路と、冷却水流路および燃料ガス流
路を仕切るための、水が透過する導電性を有する水透過
材と、からなり、前記水透過材を透過した水によって燃
料ガスの加湿が行われる加湿室を備え、この加湿室を通
過した加湿燃料ガスによって固体高分子電解質膜の加湿
を行う固体高分子型燃料電池において、前記水透過材
は、前記燃料ガス流路と前記冷却水流路に連通する多数
の微細な通路を備えることを特徴とする固体高分子型燃
料電池。
【請求項２】固体高分子電解質膜の一方の面にアノー
ド、他方の面にカソードを有するセルに対し、アノード
側に燃料ガスが流通する燃料室、カソード側に酸化剤ガ
スが流通する酸化剤室を設けた単位セルを複数積層して
構成され、積層された複数の単位セルによってセルユニ
ットを構成し、隣り合うセルユニットとセルユニットと
の間には、冷却水の流通する冷却水流路と、酸化剤ガス
の流通する酸化剤ガス流路と、冷却水流路および酸化剤
ガス流路を仕切るための、水が透過する導電性を有する
水透過材と、からなり、前記水透過材を透過した水によ
って酸化剤ガスの加湿が行われる加湿室を備え、この加
湿室を通過した加湿酸化剤ガスによって固体高分子電解
質膜の加湿を行う固体高分子型燃料電池において、前記
水透過材は、前記酸化剤ガス流路と前記冷却水流路に連
通する多数の微細な通路を備えることを特徴とする固体
高分子型燃料電池。
【請求項３】固体高分子電解質膜の一方の面にアノー
ド、他方の面にカソードを有するセルに対し、アノード
側に燃料ガスが流通する燃料室、カソード側に酸化剤ガ
スが流通する酸化剤室を設けた単位セルを複数積層して
構成され、積層された複数の単位セルによってセルユニ
ットを構成し、隣り合うセルユニットとセルユニットと
の間には、冷却水の流通する２つの冷却水流路と、燃料
ガスの流通する燃料ガス流路と、酸化剤ガスの流通する
酸化剤ガス流路と、一方の冷却水流路と前記燃料ガス流
路との間および他方の冷却水流路と前記酸化剤ガス流路
との間をそれぞれ仕切るための、水が透過する導電性を
有する水透過材とからなり、前記水透過材を透過した水
によって燃料ガスおよび酸化剤ガスの加湿が行われる加
湿室を備え、この加湿室を通過した加湿燃料ガスおよび
加湿酸化剤ガスによって固体高分子電解質膜の加湿を行
う固体高分子型燃料電池において、前記水透過材は、前
記燃料ガス流路および前記酸化剤ガス流路と前記冷却水
流路に連通する多数の微細な通路を備えることを特徴と
する固体高分子型燃料電池。
【請求項４】毛細管現象および／または圧力差によっ
て水が前記水透過材における前記通路を経て前記冷却水
流路から前記燃料ガル流路または前記酸化剤ガス流路へ
移動して燃料ガスまたは酸化剤ガスの加湿を行うことを
特徴とする、請求項１から請求項３のいずれかに記載の
固体高分子型燃料電池。
【請求項５】前記加湿室に用いられる前記水透過材の
表面は、前記燃料ガス流路および／または前記酸化剤ガ
ス流路に対峙する面と前記冷却水流路に対峙する面で気
孔率が異なることを特徴とし、前記燃料ガス流路および
／または前記酸化剤ガス流路に対峙する面への水滴発生
を防止するなどの場合はこの面の気孔率を、前記冷却水
流路に対峙する面の気孔率より大きくする、請求項１か
ら請求項４のいずれかに記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項６】前記加湿室に用いられる前記水透過材
は、気孔率の異なった２種類の多孔質板を積層して構成
されることを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃
料電池。
【請求項７】前記冷却水流路に対峙する多孔質板とし
て充填材を充填した多孔質板を用いたことを特徴とする
請求項６記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項８】前記多孔質板は、カーボン繊維もしくは
金属繊維からなることを特徴とする請求項６あるいは請
求項７記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項９】前記充填材は、ポリテトラフルオロエチ
レン、パーフルオロカーボンスルホン酸、テトラフルオ
ロエチレン−ペルフルオロアルキルビニルエーテル共重
合体、テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピ
レン共重合体、ポリクロロトリフルオロエチレン、ポリ
フッ化ビニリデン、ポリフッ化ビニルおよびテトラフル
オロエチレン−エチレン共重合体からなる群から選ばれ
たフッ素樹脂および、カーボン粉末、金属粉末、ガラス
粉末、ラセミック粉末、シリカゲル粉末およびゼオライ
ト粉末からなる群から選ばれる１種類以上の充填材であ
ることを特徴とする請求項７あるいは請求項８記載の固
体高分子型燃料電池。
【請求項１０】前記水透過材の表面は、前記燃料ガス
流路および／または前記酸化剤ガス流路の壁面より親水
性が高いことを特徴とする、請求項１から請求項９のい
ずれかに記載の固体高分子型燃料電池。