JP2002008679A - 燃料電池 - Google Patents
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- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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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
Abstract
(57)【要約】
【課題】 加湿器などの補助装置を省略可能であり、部
品装置の削減によるシステムの簡略化、コストダウンや
省スペース化が可能な燃料電池を提供する。 【解決手段】 単位セルを複数枚積層して構成される固
体高分子型燃料電池において、同一の単位セル内に、ア
ニオン交換膜による電極とカチオン交換膜による電極と
が接触せずに隣接して配置されており、それらの膜の両
側に触媒上で発生した電子を通す共通のガス拡散層が設
けられているとともに、さらにその外側に、ガス通路を
有する通電体であるインターコネクターが備えられてい
ることを特徴とする燃料電池。
品装置の削減によるシステムの簡略化、コストダウンや
省スペース化が可能な燃料電池を提供する。 【解決手段】 単位セルを複数枚積層して構成される固
体高分子型燃料電池において、同一の単位セル内に、ア
ニオン交換膜による電極とカチオン交換膜による電極と
が接触せずに隣接して配置されており、それらの膜の両
側に触媒上で発生した電子を通す共通のガス拡散層が設
けられているとともに、さらにその外側に、ガス通路を
有する通電体であるインターコネクターが備えられてい
ることを特徴とする燃料電池。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、自己加湿方式の燃
料電池システムに関し、より詳しくは、イオン交換膜を
備えた固体高分子型燃料電池であって、カチオン交換膜
とアニオン交換膜とを有する燃料電池システムに関す
る。
料電池システムに関し、より詳しくは、イオン交換膜を
備えた固体高分子型燃料電池であって、カチオン交換膜
とアニオン交換膜とを有する燃料電池システムに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池にはいくつかの種類があるが、
その中で固体高分子型燃料電池はコンパクトであり比較
的低温でも発電可能な特徴を有している。固体高分子型
燃料電池本体は、通常セルが複数枚積層されてスタック
を構成している。スタック内の各単位セルは、図４に示
すように、導電性かつ気体不透過性のプレートであるイ
ンターコネクター９を介して直列に接続・積層されてい
る。固体高分子燃料電池の主要構成部分であるイオン交
換膜１１には、一般にプロトン交換膜と呼ばれる陽イオ
ン交換膜が用いられている。燃料電池の基本構成単位で
ある単位セルは、通常、このプロトン交換膜１１（プロ
トン導電性高分子膜）の両側に触媒７，８が担持されて
おり、その外側にはガス拡散層３が配置されている。こ
の拡散層３は通常カーボンペーパーが用いられ、触媒上
で発生した電子を通す集電体層、カーボン製電極（水素
極・酸素極）として作用する。また、上記触媒としては
白金等の金属触媒が用いられ、例えばカーボン粒子等に
担持させて、バインダーである導電性高分子と混合した
触媒層７，８を形成している。
その中で固体高分子型燃料電池はコンパクトであり比較
的低温でも発電可能な特徴を有している。固体高分子型
燃料電池本体は、通常セルが複数枚積層されてスタック
を構成している。スタック内の各単位セルは、図４に示
すように、導電性かつ気体不透過性のプレートであるイ
ンターコネクター９を介して直列に接続・積層されてい
る。固体高分子燃料電池の主要構成部分であるイオン交
換膜１１には、一般にプロトン交換膜と呼ばれる陽イオ
ン交換膜が用いられている。燃料電池の基本構成単位で
ある単位セルは、通常、このプロトン交換膜１１（プロ
トン導電性高分子膜）の両側に触媒７，８が担持されて
おり、その外側にはガス拡散層３が配置されている。こ
の拡散層３は通常カーボンペーパーが用いられ、触媒上
で発生した電子を通す集電体層、カーボン製電極（水素
極・酸素極）として作用する。また、上記触媒としては
白金等の金属触媒が用いられ、例えばカーボン粒子等に
担持させて、バインダーである導電性高分子と混合した
触媒層７，８を形成している。
【０００３】上記各セルの外側には、ガス流路を有する
構造体であるプレートがあり、インターコネクター９と
呼ばれる。インターコネクター９に設けられたガス流路
４，５から反応ガスが供給される構造になっており、送
られる燃料ガスおよび酸化ガスによってセルの発電の能
力が決まる。ガス流通経路としては２系統が存在してお
り、一方は、燃料ガスが供給されて排出される流路４で
あり、他方は、酸化ガスが供給されて排出される流路５
である。よって、インターコネクター９には、一方に燃
料ガスを供給するガス流路を有する面が設けられ、他方
に酸化ガスを供給するガス流路を有する面が設けられて
いる。
構造体であるプレートがあり、インターコネクター９と
呼ばれる。インターコネクター９に設けられたガス流路
４，５から反応ガスが供給される構造になっており、送
られる燃料ガスおよび酸化ガスによってセルの発電の能
力が決まる。ガス流通経路としては２系統が存在してお
り、一方は、燃料ガスが供給されて排出される流路４で
あり、他方は、酸化ガスが供給されて排出される流路５
である。よって、インターコネクター９には、一方に燃
料ガスを供給するガス流路を有する面が設けられ、他方
に酸化ガスを供給するガス流路を有する面が設けられて
いる。
【０００４】インターコネクター９は通電体であり、図
４に示すように燃料ガスと酸化ガスとを分離する機能を
兼ね備えている。ここで、燃料ガスとは通常、水素ガス
と水蒸気からなり、この水素ガスを含む燃料ガスに接す
る触媒層を水素極という。また、酸化ガスとは空気など
の酸素含有ガスのことであり、酸化ガスに接する触媒層
を酸素極という。
４に示すように燃料ガスと酸化ガスとを分離する機能を
兼ね備えている。ここで、燃料ガスとは通常、水素ガス
と水蒸気からなり、この水素ガスを含む燃料ガスに接す
る触媒層を水素極という。また、酸化ガスとは空気など
の酸素含有ガスのことであり、酸化ガスに接する触媒層
を酸素極という。
【０００５】この固体電解質燃料電池は外部に負荷を繋
ぐことにより、水素極で水素ガスがプロトンと電子とに
分解され、電解質膜中を酸素極側に移動する。その際、
プロトンは周辺にある水分子を引き連れて、クラスター
の形で移動する。これが水の電気浸透であり、この現象
により膜の水素極側は乾燥することになる。そのため、
一般的には水素極の水素ガスは外部で加湿した状態とし
て送り込まれ、膜の乾燥による電気抵抗の増大を抑制し
ている。しかしながら、十分な水蒸気圧を得るために、
水素ガスを加温する必要があるが、温度が上昇し過ぎる
と、水素・水蒸気の混合ガスの水蒸気分圧が大きくなり
すぎ、反応に必要な水素ガス自体の供給に悪影響を及ぼ
すことが知られている。この点を考慮して、燃料電池の
種々の膜については検討がなされている。
ぐことにより、水素極で水素ガスがプロトンと電子とに
分解され、電解質膜中を酸素極側に移動する。その際、
プロトンは周辺にある水分子を引き連れて、クラスター
の形で移動する。これが水の電気浸透であり、この現象
により膜の水素極側は乾燥することになる。そのため、
一般的には水素極の水素ガスは外部で加湿した状態とし
て送り込まれ、膜の乾燥による電気抵抗の増大を抑制し
ている。しかしながら、十分な水蒸気圧を得るために、
水素ガスを加温する必要があるが、温度が上昇し過ぎる
と、水素・水蒸気の混合ガスの水蒸気分圧が大きくなり
すぎ、反応に必要な水素ガス自体の供給に悪影響を及ぼ
すことが知られている。この点を考慮して、燃料電池の
種々の膜については検討がなされている。
【０００６】燃料電池では、酸素極側に運ばれたプロト
ンは電極上で酸素と反応して水を生成する。この水は、
電気浸透による水と同様に、速やかに外へ排出されなけ
ればならない。過剰の水は、隣接する拡散層のガス拡散
チャンネルを閉塞させ、有効電極面積を減少させるから
である。また、これらの水は、水素極側との水分濃度勾
配に従い水素極側に拡散する。この現象を、一般に逆拡
散という。したがって、膜の厚みを薄くすることによ
り、この濃度勾配を大きくして水の逆拡散を促進させる
方法が主流となっている。この方法によれば、無加湿に
近づけて加湿条件を緩和することができる。しかしなが
ら、膜を薄くすることにより、水素ガスがそのまま膜を
物理的条件で通常１％程度透過してしまうので、起電力
が減少するという問題があった。
ンは電極上で酸素と反応して水を生成する。この水は、
電気浸透による水と同様に、速やかに外へ排出されなけ
ればならない。過剰の水は、隣接する拡散層のガス拡散
チャンネルを閉塞させ、有効電極面積を減少させるから
である。また、これらの水は、水素極側との水分濃度勾
配に従い水素極側に拡散する。この現象を、一般に逆拡
散という。したがって、膜の厚みを薄くすることによ
り、この濃度勾配を大きくして水の逆拡散を促進させる
方法が主流となっている。この方法によれば、無加湿に
近づけて加湿条件を緩和することができる。しかしなが
ら、膜を薄くすることにより、水素ガスがそのまま膜を
物理的条件で通常１％程度透過してしまうので、起電力
が減少するという問題があった。
【０００７】また、内部加湿としては様々な方法が試さ
れている。例えば、１つには、通常表面に分散されてい
る電極触媒と同じ触媒を一定量膜中に分散させ、透過す
る水素と酸素をトラップして内部で水を生成することに
より、必要な水分量を得る方法である。しかし、この方
法でも同様に、起電力の低下の問題が起こる。また、膜
内部で反応熱によりピンホールが形成し、膜の劣化によ
る性能低下を招くおそれがあった。２つ目には、機械的
にスタックの出口で水分をトラップし、スタックの前段
の加湿部に循環する方法である。スタックとは、燃料電
池セルを複数枚積層して、単位モジュールとした構造体
である。しかし、この方法では、スタック後段で水分を
トラップする機構であるため、装置が大型化してしま
い、移動体用の燃料電池としては適さないという問題点
があった。３つ目には、インターコネクターの水素通路
の反対側に冷却通路を設け、そのインターコネクター自
体に水を拡散させ、反対側の水素を加湿する方法であ
る。通常、インターコネクターはカーボン材料を使用す
るが、そのままでは水素ガスが透過してしまうので、フ
ェノール樹脂などの高分子を含浸させて、気密性を高め
ている。しかし、水素ガスの気密性を高めることと、水
の拡散による水素の加湿とを、バランス良く行えるよう
にインターコネクターを製造するのは容易ではない。
れている。例えば、１つには、通常表面に分散されてい
る電極触媒と同じ触媒を一定量膜中に分散させ、透過す
る水素と酸素をトラップして内部で水を生成することに
より、必要な水分量を得る方法である。しかし、この方
法でも同様に、起電力の低下の問題が起こる。また、膜
内部で反応熱によりピンホールが形成し、膜の劣化によ
る性能低下を招くおそれがあった。２つ目には、機械的
にスタックの出口で水分をトラップし、スタックの前段
の加湿部に循環する方法である。スタックとは、燃料電
池セルを複数枚積層して、単位モジュールとした構造体
である。しかし、この方法では、スタック後段で水分を
トラップする機構であるため、装置が大型化してしま
い、移動体用の燃料電池としては適さないという問題点
があった。３つ目には、インターコネクターの水素通路
の反対側に冷却通路を設け、そのインターコネクター自
体に水を拡散させ、反対側の水素を加湿する方法であ
る。通常、インターコネクターはカーボン材料を使用す
るが、そのままでは水素ガスが透過してしまうので、フ
ェノール樹脂などの高分子を含浸させて、気密性を高め
ている。しかし、水素ガスの気密性を高めることと、水
の拡散による水素の加湿とを、バランス良く行えるよう
にインターコネクターを製造するのは容易ではない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、上記問
題点に鑑み、加湿器などの補助装置を必要とせずに水が
過剰となるのを抑制できるとともに、反応ガスに水の供
給が可能である、自己加湿方式の燃料電池システムを開
発すべく、鋭意検討した。その結果、本発明者らは、ア
ニオン交換膜ＭＥＡ（膜電極接合体）とカチオン交換膜
ＭＥＡとを交互に配置し、水の内部循環を行う自己加湿
型燃料電池とすることで、それぞれの膜の反対方向に移
動するイオンの移動に伴い、電気浸透による水と生成水
が循環して使用されることによって、かかる問題点が解
決されることを見い出した。本発明は、かかる見地より
完成されたものである。
題点に鑑み、加湿器などの補助装置を必要とせずに水が
過剰となるのを抑制できるとともに、反応ガスに水の供
給が可能である、自己加湿方式の燃料電池システムを開
発すべく、鋭意検討した。その結果、本発明者らは、ア
ニオン交換膜ＭＥＡ（膜電極接合体）とカチオン交換膜
ＭＥＡとを交互に配置し、水の内部循環を行う自己加湿
型燃料電池とすることで、それぞれの膜の反対方向に移
動するイオンの移動に伴い、電気浸透による水と生成水
が循環して使用されることによって、かかる問題点が解
決されることを見い出した。本発明は、かかる見地より
完成されたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】すなわち、本発明は、単
位セルを複数枚積層して構成される固体高分子型燃料電
池において、同一の単位セル内に、アニオン交換膜によ
る電極とカチオン交換膜による電極とが接触させずに隣
接して配置されており、その両側に触媒上で発生した電
子を通す共通のガス拡散層が設けられているとともに、
さらにその外側に、ガス通路を有する通電体であるイン
ターコネクターが備えられていることを特徴とする燃料
電池システムを提供するものである。本発明の燃料電池
では通常、単位セル内にガスを供給する前記ガス通路
が、アニオン交換膜に接するガス拡散層の部分、およ
び、カチオン交換膜に接するガス拡散層の部分、の両方
を接続するように設置される。
位セルを複数枚積層して構成される固体高分子型燃料電
池において、同一の単位セル内に、アニオン交換膜によ
る電極とカチオン交換膜による電極とが接触させずに隣
接して配置されており、その両側に触媒上で発生した電
子を通す共通のガス拡散層が設けられているとともに、
さらにその外側に、ガス通路を有する通電体であるイン
ターコネクターが備えられていることを特徴とする燃料
電池システムを提供するものである。本発明の燃料電池
では通常、単位セル内にガスを供給する前記ガス通路
が、アニオン交換膜に接するガス拡散層の部分、およ
び、カチオン交換膜に接するガス拡散層の部分、の両方
を接続するように設置される。
【００１０】本発明によれば、加湿器などの補助装置を
省略することができ、部品装置の削減によるシステムの
簡略化、コストダウンや省スペース化が可能である。ま
た、本発明の燃料電池では、外部から送り込まれるガス
が加湿によって加わる水蒸気分圧の影響を受けない。そ
して、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを用いるの
で、互いに水の生成と電気浸透側とが逆側になり、前段
で加湿して、反応に要する水分を得ることができる。さ
らに、ＯＨ-イオンとＨ+イオンとの輸率の違いから、膜
面積や膜厚の違いにより膜の特性を変化させることがで
きる。なお、出力電圧を計測していれば、湿度の過不足
を把握することが可能であり、運転状態を調節すれば外
部からの加湿は一切不要にできる。また、水の循環比率
は、水が過剰になってガスが通りにくくなるフラッディ
ング現象が生じない範囲で、主に空気側の流量や温度に
より調整可能である。以下、本発明の実施の形態につい
て、詳細に説明する。
省略することができ、部品装置の削減によるシステムの
簡略化、コストダウンや省スペース化が可能である。ま
た、本発明の燃料電池では、外部から送り込まれるガス
が加湿によって加わる水蒸気分圧の影響を受けない。そ
して、カチオン交換膜とアニオン交換膜とを用いるの
で、互いに水の生成と電気浸透側とが逆側になり、前段
で加湿して、反応に要する水分を得ることができる。さ
らに、ＯＨ-イオンとＨ+イオンとの輸率の違いから、膜
面積や膜厚の違いにより膜の特性を変化させることがで
きる。なお、出力電圧を計測していれば、湿度の過不足
を把握することが可能であり、運転状態を調節すれば外
部からの加湿は一切不要にできる。また、水の循環比率
は、水が過剰になってガスが通りにくくなるフラッディ
ング現象が生じない範囲で、主に空気側の流量や温度に
より調整可能である。以下、本発明の実施の形態につい
て、詳細に説明する。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明は、２種類のイオン交換膜
を用いて単位セルを構成する、水自己循環システムによ
る燃料電池システムである。本発明では、カチオン交換
膜（プロトン交換膜）に加えて、アニオン交換膜を使用
する。セル内にカチオン交換膜が設けられている部分の
反応は、以下のようになる。 水素極： Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ- 酸素極： １／２Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ セル内にアニオン交換膜が設けられている部分の反応
は、以下のようになる。 水素極： Ｈ2 ＋ ２ＯＨ- → ２Ｈ2Ｏ ＋２ｅ- 酸素極： １／２Ｏ2 ＋ Ｈ2Ｏ ＋２ｅ- → ２Ｏ
Ｈ-
を用いて単位セルを構成する、水自己循環システムによ
る燃料電池システムである。本発明では、カチオン交換
膜（プロトン交換膜）に加えて、アニオン交換膜を使用
する。セル内にカチオン交換膜が設けられている部分の
反応は、以下のようになる。 水素極： Ｈ2 → ２Ｈ+ ＋２ｅ- 酸素極： １／２Ｏ2 ＋ ２Ｈ+ ＋２ｅ- → Ｈ2Ｏ セル内にアニオン交換膜が設けられている部分の反応
は、以下のようになる。 水素極： Ｈ2 ＋ ２ＯＨ- → ２Ｈ2Ｏ ＋２ｅ- 酸素極： １／２Ｏ2 ＋ Ｈ2Ｏ ＋２ｅ- → ２Ｏ
Ｈ-
【００１２】同一セル内に、アニオン交換膜による電極
とカチオン交換膜による電極とを隣接した形態で配置
し、共通のガス拡散層を両側に設ける。但し、電極同士
は互いに接触しないようにする。この拡散層は通常カー
ボンペーパーが用いられ、触媒上で発生した電子を通す
集電体層である。その外側には、ガス通路の構造体であ
るインターコネクターが設けられ、このインターコネク
ターは通電体であり、燃料ガスと酸化ガスとを分離する
機能を兼ね備えている。カチオン交換膜の部分では外部
に負荷を繋ぐことにより、水素極で水素ガスがプロトン
と電子とに分解され、電解質膜中を酸素極側に移動す
る。その際、プロトンは周辺にある水分子を引き連れ
て、クラスターの形で移動する。これが水の電気浸透で
あり、この現象により膜の水素極側は乾燥する。
とカチオン交換膜による電極とを隣接した形態で配置
し、共通のガス拡散層を両側に設ける。但し、電極同士
は互いに接触しないようにする。この拡散層は通常カー
ボンペーパーが用いられ、触媒上で発生した電子を通す
集電体層である。その外側には、ガス通路の構造体であ
るインターコネクターが設けられ、このインターコネク
ターは通電体であり、燃料ガスと酸化ガスとを分離する
機能を兼ね備えている。カチオン交換膜の部分では外部
に負荷を繋ぐことにより、水素極で水素ガスがプロトン
と電子とに分解され、電解質膜中を酸素極側に移動す
る。その際、プロトンは周辺にある水分子を引き連れ
て、クラスターの形で移動する。これが水の電気浸透で
あり、この現象により膜の水素極側は乾燥する。
【００１３】一方、アニオン交換膜の移動イオン種は、
上記反応式に示すようにＯＨ-イオンであり、この部分
ではカチオン交換膜の部分とは逆方向にイオンの移動が
起こる。水の生成は水素極で起こり、ＯＨ-イオンによ
る電気浸透も起こるため、水分の濃度勾配はカチオン交
換膜と逆になる。水素、酸素ガスの流れについて、これ
ら２つの交換膜を交互に通過することにより、生成する
水のリサイクルを行うことができる。ここで、本発明に
用いられるカチオン交換膜としては、例えばNafion（商
標）などが挙げられる。また、アニオン交換膜は基本的
に耐熱高分子であってアニオン基を持っているものであ
れば使用可能であり、特に限定されるものではないが、
例えばTOSFLEX（商標）などの高分子化合物を好適に用
いることができる。
上記反応式に示すようにＯＨ-イオンであり、この部分
ではカチオン交換膜の部分とは逆方向にイオンの移動が
起こる。水の生成は水素極で起こり、ＯＨ-イオンによ
る電気浸透も起こるため、水分の濃度勾配はカチオン交
換膜と逆になる。水素、酸素ガスの流れについて、これ
ら２つの交換膜を交互に通過することにより、生成する
水のリサイクルを行うことができる。ここで、本発明に
用いられるカチオン交換膜としては、例えばNafion（商
標）などが挙げられる。また、アニオン交換膜は基本的
に耐熱高分子であってアニオン基を持っているものであ
れば使用可能であり、特に限定されるものではないが、
例えばTOSFLEX（商標）などの高分子化合物を好適に用
いることができる。
【００１４】本発明のセル内の配置を最も簡略化した一
例として、図１を示す。ここでは、２つの種類の異なる
カチオン膜１とアニオン膜２とを上下に配置し、その外
側に配置されたガス流路４，５にガスを流す方法であ
る。カチオン交換膜１とアニオン交換膜２とは接触せ
ず、その間には空間として分離帯６が設けられている。
ここで例えば、カチオン交換膜１が上、アニオン交換膜
２が下の場合、水素ガスを下側から導入する必要があ
る。カチオン交換膜１が上であるから、電気浸透水と生
成水とは拡散層３を通って下部に流れる。その水を利用
して、下側のアニオン膜電極による反応を行う。上側の
カチオン膜１での反応において、水素は加湿されている
必要があるので、水素ガスは下側のアニオン膜で得られ
た水分を上側に供給するように水分をリサイクルする。
酸素ガスは、上側から流れてカチオン膜１で得られた水
分をリサイクルする。したがって、本発明における膜の
レイアウトは上下方向に限られるものではなく、ガスの
供給方向によって適宜定めることができる。図２には、
ガス通路や交換膜のレイアウトを定めた他の実施の形態
を示す。図２（ａ）では、アニオン交換膜２とカチオン
交換膜１の間を、１本のガス流路が複数の箇所で横断す
る形態である。また、（ｂ）では、同一面上に複数のア
ニオン交換膜２とカチオン交換膜１を交互に配置して、
それらの膜の面上を複数のガス流路が横断する形態であ
る。カチオン交換膜およびアニオン交換膜の厚さは特に
限定されるものではなく任意に定めることができるが、
電極反応の効率やセルとして積層する観点から、通常約
１０μｍ〜１．０ｍｍの範囲である。図３は、本発明を
用いた場合の水の電気分解を模式的に表した図である。
例として、図１を示す。ここでは、２つの種類の異なる
カチオン膜１とアニオン膜２とを上下に配置し、その外
側に配置されたガス流路４，５にガスを流す方法であ
る。カチオン交換膜１とアニオン交換膜２とは接触せ
ず、その間には空間として分離帯６が設けられている。
ここで例えば、カチオン交換膜１が上、アニオン交換膜
２が下の場合、水素ガスを下側から導入する必要があ
る。カチオン交換膜１が上であるから、電気浸透水と生
成水とは拡散層３を通って下部に流れる。その水を利用
して、下側のアニオン膜電極による反応を行う。上側の
カチオン膜１での反応において、水素は加湿されている
必要があるので、水素ガスは下側のアニオン膜で得られ
た水分を上側に供給するように水分をリサイクルする。
酸素ガスは、上側から流れてカチオン膜１で得られた水
分をリサイクルする。したがって、本発明における膜の
レイアウトは上下方向に限られるものではなく、ガスの
供給方向によって適宜定めることができる。図２には、
ガス通路や交換膜のレイアウトを定めた他の実施の形態
を示す。図２（ａ）では、アニオン交換膜２とカチオン
交換膜１の間を、１本のガス流路が複数の箇所で横断す
る形態である。また、（ｂ）では、同一面上に複数のア
ニオン交換膜２とカチオン交換膜１を交互に配置して、
それらの膜の面上を複数のガス流路が横断する形態であ
る。カチオン交換膜およびアニオン交換膜の厚さは特に
限定されるものではなく任意に定めることができるが、
電極反応の効率やセルとして積層する観点から、通常約
１０μｍ〜１．０ｍｍの範囲である。図３は、本発明を
用いた場合の水の電気分解を模式的に表した図である。
【００１５】本発明の燃料電池では、上記のようなイオ
ン交換膜を配置した単位セルを基本構成とし、インター
コネクターを介して積層して、スタックを構成する。す
なわち、イオン交換膜の両側には白金触媒等が塗布され
た触媒層があり、その外側に電極である水素極および酸
素極が設けられている。これらの電極には通常カーボン
部材が用いられており、例えばカーボンペーパー又はカ
ーボンクロス等が使用される。このイオン交換膜を水素
極および酸素極で挟み込んだ構造が一単位のセルであ
り、圧着プレスなどによって張り付けて製造される。単
位セルの両側には反応ガス流路を有するインターコネク
ター９が設けられており、これらが一体となって燃料電
池本体を構成する。このセル／インターコネクターを積
層したものが燃料電池スタックであり、１つのセルで発
生する起電力が例えば１Ｖである場合、セルを１００枚
積層すれば約１００Ｖのスタックになる。
ン交換膜を配置した単位セルを基本構成とし、インター
コネクターを介して積層して、スタックを構成する。す
なわち、イオン交換膜の両側には白金触媒等が塗布され
た触媒層があり、その外側に電極である水素極および酸
素極が設けられている。これらの電極には通常カーボン
部材が用いられており、例えばカーボンペーパー又はカ
ーボンクロス等が使用される。このイオン交換膜を水素
極および酸素極で挟み込んだ構造が一単位のセルであ
り、圧着プレスなどによって張り付けて製造される。単
位セルの両側には反応ガス流路を有するインターコネク
ター９が設けられており、これらが一体となって燃料電
池本体を構成する。このセル／インターコネクターを積
層したものが燃料電池スタックであり、１つのセルで発
生する起電力が例えば１Ｖである場合、セルを１００枚
積層すれば約１００Ｖのスタックになる。
【００１６】また、インターコネクターに要求される基
本性能としては、電子が移動できる電子伝導性を有して
いることである。そして、水素と酸素とを、電極に供給
するような構造を有していなければならない。インター
コネクターの一方の面、水素極に接する面には水素供給
用のガス流路が備えられ、他方の面、酸素極に接する面
には酸素供給用のガス流路が備えられている。これらの
ガス流路をガスが流通して、水素極および酸素極に、燃
料ガスおよび酸化ガスを供給できるようになっている。
インターコネクターの厚さは適宜定められるが、通常約
１．０〜３．０ｍｍ程度で用いられる。材料強度として
は、圧縮強度を一定以上に維持することによって使用に
耐えられる材料として選定可能であり、導電性を維持し
ながら強度を上げることが必要である。なお、酸化ガス
の供給については通常空気をそのまま導入することがで
きる。燃料ガスの供給については種々の供給方法を適用
でき、特に限定されるものではないが、例えばメタノー
ル等の原料を水素製造装置において水蒸気改質反応によ
って水素に変換し、該水素を水素精製装置等を経て供給
する態様が挙げられる。
本性能としては、電子が移動できる電子伝導性を有して
いることである。そして、水素と酸素とを、電極に供給
するような構造を有していなければならない。インター
コネクターの一方の面、水素極に接する面には水素供給
用のガス流路が備えられ、他方の面、酸素極に接する面
には酸素供給用のガス流路が備えられている。これらの
ガス流路をガスが流通して、水素極および酸素極に、燃
料ガスおよび酸化ガスを供給できるようになっている。
インターコネクターの厚さは適宜定められるが、通常約
１．０〜３．０ｍｍ程度で用いられる。材料強度として
は、圧縮強度を一定以上に維持することによって使用に
耐えられる材料として選定可能であり、導電性を維持し
ながら強度を上げることが必要である。なお、酸化ガス
の供給については通常空気をそのまま導入することがで
きる。燃料ガスの供給については種々の供給方法を適用
でき、特に限定されるものではないが、例えばメタノー
ル等の原料を水素製造装置において水蒸気改質反応によ
って水素に変換し、該水素を水素精製装置等を経て供給
する態様が挙げられる。
【００１７】
【発明の効果】本発明の燃料電池によれば、加湿器など
の補助装置を省略可能であり、部品装置の削減によるシ
ステムの簡略化、コストダウンや省スペース化が可能で
ある。また、本発明の燃料電池では、外部から送り込ま
れるガスが加湿によって加わる水蒸気分圧の影響を受け
ない。そして、セル内において水が過剰となって有効電
極面積を減少させてしまうのを防止できるとともに、自
己加湿方式にて反応ガスに水の供給が可能である。
の補助装置を省略可能であり、部品装置の削減によるシ
ステムの簡略化、コストダウンや省スペース化が可能で
ある。また、本発明の燃料電池では、外部から送り込ま
れるガスが加湿によって加わる水蒸気分圧の影響を受け
ない。そして、セル内において水が過剰となって有効電
極面積を減少させてしまうのを防止できるとともに、自
己加湿方式にて反応ガスに水の供給が可能である。
【図１】本発明で用いられるイオン交換膜による単位セ
ル構成の一例を示す構成斜視図である。
ル構成の一例を示す構成斜視図である。
【図２】本発明で用いられるイオン交換膜の他の配置例
を示す概略構成図である。
を示す概略構成図である。
【図３】本発明を用いた場合の水の電気分解を模式的に
表した図である。
表した図である。
【図４】燃料電池システムの層構成および作用を、１つ
の単位セルによって模式的に表した図である。
の単位セルによって模式的に表した図である。
１ カチオン交換膜 ２ アニオン交換膜 ３ ガス拡散層 ４ ガス流路（燃料ガス） ５ ガス流路（酸化ガス） ６ 分離帯 ７ 触媒層（水素極側） ８ 触媒層（酸素極側） ９ インターコネクター １０ 負荷 １１ イオン交換膜
Claims (2)
- 【請求項１】 単位セルを複数枚積層して構成される固
体高分子型燃料電池において、同一の単位セル内に、ア
ニオン交換膜による電極とカチオン交換膜による電極と
が接触せずに隣接して配置されており、それらの膜の両
側に触媒上で発生した電子を通す共通のガス拡散層が設
けられているとともに、さらにその外側に、ガス通路を
有する通電体であるインターコネクターが備えられてい
ることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 単位セルにガスを供給する前記ガス通路
が、アニオン交換膜に接するガス拡散層の部分、およ
び、カチオン交換膜に接するガス拡散層の部分、の両方
を接続するように設置されていることを特徴とする請求
項１記載の燃料電池。
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|---|---|---|---|
| JP2000182612A JP3738956B2 (ja) | 2000-06-19 | 2000-06-19 | 燃料電池 |
| US09/884,002 US6803137B2 (en) | 2000-06-19 | 2001-06-18 | Fuel cell |
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| JP2000182612A JP3738956B2 (ja) | 2000-06-19 | 2000-06-19 | 燃料電池 |
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|---|---|---|---|
| JP2000182612A Expired - Fee Related JP3738956B2 (ja) | 2000-06-19 | 2000-06-19 | 燃料電池 |
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| JP2004288583A (ja) * | 2003-03-25 | 2004-10-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池 |
| JP2008311043A (ja) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
| KR101320007B1 (ko) * | 2012-02-29 | 2013-10-21 | 한국과학기술연구원 | 연료 전지 장치의 자체 가습 방법 및 이를 이용한 연료 전지 장치 |
| US10396383B2 (en) | 2017-01-24 | 2019-08-27 | Korea Institute Of Science And Technology | Membrane electrode assembly and fuel cell comprising the same |
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| JP2009009769A (ja) * | 2007-06-27 | 2009-01-15 | Canon Inc | アルカリ形燃料電池 |
| US20100028736A1 (en) * | 2008-08-01 | 2010-02-04 | Georgia Tech Research Corporation | Hybrid Ionomer Electrochemical Devices |
| US8895196B2 (en) * | 2009-09-24 | 2014-11-25 | Georgia Tech Research Corporation | Electrochemical devices based on multiple junction ionic conductive membranes |
| DE102012017598A1 (de) * | 2012-09-06 | 2014-03-06 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Polymerelektrolytmembran für eine Brennstoffzelle, sowie Membran-Elektroden-Einheit und Brennstoffzelle mit einer solchen |
| US10199667B2 (en) | 2016-11-30 | 2019-02-05 | Nissan North America, Inc. | Segmented cation-anion exchange membrane for self-humidification of fuel cells and method of making |
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|---|---|---|---|---|
| US5338412A (en) * | 1992-04-27 | 1994-08-16 | Burk Melvyn I | Electrochemical device for removal and regeneration of oxygen and method |
| US5399184A (en) * | 1992-05-01 | 1995-03-21 | Chlorine Engineers Corp., Ltd. | Method for fabricating gas diffusion electrode assembly for fuel cells |
| JP3773325B2 (ja) * | 1997-03-17 | 2006-05-10 | ジャパンゴアテックス株式会社 | 高分子固体電解質燃料電池用ガス拡散層材料及びその接合体 |
| US5961796A (en) * | 1997-06-03 | 1999-10-05 | Lynntech, Inc. | Bipolar membranes with fluid distribution passages |
| US6207312B1 (en) | 1998-09-18 | 2001-03-27 | Energy Partners, L.C. | Self-humidifying fuel cell |
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2000
- 2000-06-19 JP JP2000182612A patent/JP3738956B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2001
- 2001-06-18 US US09/884,002 patent/US6803137B2/en not_active Expired - Fee Related
- 2001-06-19 DE DE10129190A patent/DE10129190B4/de not_active Expired - Fee Related
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| JP2004288583A (ja) * | 2003-03-25 | 2004-10-14 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 燃料電池 |
| JP4599804B2 (ja) * | 2003-03-25 | 2010-12-15 | パナソニック株式会社 | 燃料電池 |
| JP2008311043A (ja) * | 2007-06-14 | 2008-12-25 | Fuji Electric Holdings Co Ltd | 固体高分子形燃料電池 |
| KR101320007B1 (ko) * | 2012-02-29 | 2013-10-21 | 한국과학기술연구원 | 연료 전지 장치의 자체 가습 방법 및 이를 이용한 연료 전지 장치 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| US20020034671A1 (en) | 2002-03-21 |
| US6803137B2 (en) | 2004-10-12 |
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