JP2002025584A

JP2002025584A - 固体高分子電解質型燃料電池とその加湿方法

Info

Publication number: JP2002025584A
Application number: JP2000202877A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kabasawa; 明裕樺澤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-07-04
Filing date: 2000-07-04
Publication date: 2002-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】システムが単純で、装置がコンパクトとなる
自己加湿型の固体高分子電解質型燃料電池とその加湿方
法を提供する。【解決手段】電解質膜３１を挟んで配設した触媒電極
層４０を有するアノード電極およびカソード電極と、ガ
ス流通溝５０を有するアノード側セパレータ３２ａおよ
びカソード側セパレータ３２ｋとを備えた固体高分子電
解質型燃料電池において、アノードガスとカソードガス
とを対向して通流するようになし、さらに、電解質膜を
挟んで配設した触媒電極層の外側隣接部であって、かつ
反応ガスの上流部および下流部の両側に、固体高分子電
解質膜の両面を対向して流れる反応ガスの一方から他方
へ電解質膜を介して水分を移動させる加湿部４１を設
け、燃料電池反応生成水によって電解質膜３１を加湿す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子電解
質型燃料電池とその固体高分子電解質膜を加湿する方法
に関する。

【従来の技術】一般に固体高分子電解質型燃料電池の最
小発電単位であるセルの構成は図８のように表わされ
る。膜電極接合体（ＭＥＡ：ＭｅｍｂｒａｎｅＥｌｅ
ｃｔｒｏｄｅＡｓｓｅｍｂｌｙ）は、電解質膜３１の
両面に貴金属（主として白金）を含む触媒層４０（以
下、触媒電極層ともいう。）を接合して形成される。Ｍ
ＥＡの外側には多孔質の拡散層３３（以下、拡散電極層
ともいう。）があって、反応ガスとしての燃料ガスと酸
化剤ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働
きをする。多孔質の拡散層３３と触媒層４０とを合わせ
て、燃料ガスが通流される側をアノード電極，酸化剤ガ
スが通流される側をカソード電極という。また、広義の
ＭＥＡには拡散層を含めることもある。上記両電極を、
燃料ガス流路および酸化剤ガス流路を備えたセパレータ
３２で挟むことにより、セルが構成される。このセルを
多数積層したものをスタックという。電解質膜にはフッ
素系の高分子材料が最も一般的に使用されている。代表
的な市販の電解質膜にはNafion^TM（米国・デュポン社製
商品名）がある。これらの電解質膜の特徴は、他の高分
子電解質と比較してプロトン伝導性が高いことと、電解
質膜が乾燥すると急激にプロトン伝導性が低下すること
である。このため固体高分子電解質型燃料電池では常に
電解質膜を適当な含水状態に制御することが求められ
る。通常は反応ガスを加湿することによって電解質膜の
乾燥を防止する。図９は、図８とは一部異なるセル構成
の模式的断面図である。図９に示す高分子電解質型燃料
電池においては、固体高分子の電解質膜３１の両側に、
触媒電極層４０，拡散電極層３３を配設し、これらを、
ガス流通溝５０を有するカソード側セパレータ３２ｋお
よびアノード側セパレータ３２ａで挟持し、電池単セル
を構成しているが、図９に示すセパレータの片面には、
発電反応による発熱を冷却するための冷却水流通溝６０
が加工してある。ところで、前述のように、固体高分子
電解質型燃料電池に用いられる固体高分子電解質膜は、
水を含んだ湿潤状態において高いイオン（プロトン）伝
導性を示すため、反応ガスを水で加湿することにより高
い電池特性が得られる。反応ガスを加湿する方法として
有力な方法の一つとしては、加湿膜を介して反応ガスの
加湿を行うように構成されたものがある。図１０に示す
ように、加湿膜としての水透過膜７１を介して反応ガス
の加湿を行うもので、ガス流通溝７４を有するセパレー
タＡ７２と、加湿水流通溝７５を有するセパレータＢ７
３とで多孔質支持体７６を介して水透過膜７１を挟持
し、全体で加湿板を構成する。加湿水は、水透過膜７１
を透過し、ガス流通溝でガスと接触して反応ガスを加湿
する。この加湿板を１個または複数個積層し加湿器とす
る．図１１は、従来の燃料電池の加湿システムの概略構
成を示すが、加湿器と積層燃料電池を一体化，もしくは
加湿器を外部に設置し、反応ガスを加湿する構成を有し
ている。加湿器としては、前述のように、加湿膜を介し
て加湿を行うように構成されたもの以外に、加湿用容器
に貯留された水の中に反応ガスを散気し、水中から脱気
した反応ガスを積層燃料電池へ通流するように構成した
ものもある。これらの加湿器は、加湿水が必要であるた
めシステムが複雑化し、サイズも大きくなる。前記加湿
膜を用いた外部加湿方式の構成は、例えば特開平６−１
３２０３８号公報に記載されている。装置全体をコンパ
クトにするために、加湿部をセルと一体化した構成の固
体高分子電解質型燃料電池も提案されている（特開平６
−６８８９６号公報参照）。上記公報に記載された燃料
電池は、固体高分子電解質膜が、互いに対向する燃料電
極および酸化剤電極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として、一方の延長部分に燃
料ガスの加湿部、他方の延長部分に酸化剤ガスの加湿部
を設けた構成を有するものである。

【発明が解決しようとする課題】前述のように、従来の
固体高分子電解質型燃料電池における電解質膜の加湿シ
ステムは、加湿水が必要であるためシステムが複雑化
し、サイズも大きくなる問題がある。特開平６−６８８
９６号公報に記載されたものにおいても、電解質膜の延
長部分の反応ガス加湿部には通水が必要であり、従前の
装置に比較してコンパクト性においては向上がみられる
ものの、水の補給システムが複雑になることに変わりは
ない。この発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、
この発明の課題は、システムが単純で、装置がコンパク
トとなる固体高分子電解質型燃料電池とその加湿方法を
提供することにある。

【課題を解決するための手段】前述の課題を解決するた
めに、この発明においては、固体高分子電解質膜を挟ん
で配設した触媒電極層を有するアノード電極およびカソ
ード電極と、アノード側セパレータおよびカソード側セ
パレータとを備えた固体高分子電解質型燃料電池におい
て、反応ガスとしてのアノードガスとカソードガスとを
対向して通流するようになし、さらに、前記固体高分子
電解質膜を挟んで配設した触媒電極層の外側隣接部であ
って、かつ反応ガスの上流部および下流部の両側に、前
記固体高分子電解質膜の両面を対向して流れる反応ガス
の一方から他方へ電解質膜を介して水分を移動させる加
湿部を設けたものとする（請求項１の発明）。上記のよ
うに、膜電極接合体の一部を加湿部として利用し、この
加湿部を介して、アノードガス（出口側）でカソードガ
ス（入口側）を加湿し、また、カソードガス（出口側）
でアノードガス（入口側）を加湿することにより、電池
外部に加湿器を設置する必要が無く、また加湿水の供給
も必要無いため、燃料電池システムが単純でコンパクト
となる。前記請求項１の発明の加湿部に関わる実施態様
としては、下記が好適である。即ち、請求項１記載の燃
料電池において、前記加湿部は、固体高分子電解質膜を
挟んで触媒電極層の延長上に設けたものとする（請求項
２の発明）。また、前記請求項１の発明のセパレータに
関わる実施態様としては、下記が好適である。即ち、請
求項１記載の燃料電池において、アノード側セパレータ
およびカソード側セパレータは、その主面を矩形とな
し、この矩形主面の中央部に蛇行するガス流通溝を形成
してなり、このガス流通溝の両端部分を前記加湿部に対
向させ、ガス流通溝の中央部分を前記触媒電極層に対向
させて形成してなるものとする（請求項３の発明）。さ
らに、固体高分子電解質膜の加湿方法としては、請求項
４の方法が好適である。即ち、固体高分子電解質膜を挟
んで配設した触媒電極層を有するアノード電極およびカ
ソード電極と、アノード側セパレータおよびカソード側
セパレータとを備えた固体高分子電解質型燃料電池の固
体高分子電解質膜を加湿する方法であって、反応ガスと
してのアノードガスとカソードガスとを対向して通流
し、反応ガスの上流部および下流部において、対向して
流れる反応ガスの一方から他方へ固体高分子電解質膜を
介して水分を移動させることにより、燃料電池反応生成
水によって固体高分子電解質膜を加湿することとする。
前記固体高分子電解質膜を介しての水分の移動機能に
は、対向する反応ガスの水蒸気濃度勾配に基づく拡散作
用が大きく関与すると考えられ、上記方法によれば、燃
料電池の反応生成水によって、外部から給水せずに自己
加湿が可能であり、加湿システムとして合理的であって
かつシンプルとなる。

【発明の実施の形態】図面に基づき、この発明の実施例
について以下にのべる。図１および図２は、この発明の
実施例に関わる電解質膜・電極接合体（MEA）の模式正
面図および模式断面図を示す。例えば、白金または白金
ルテニウム合金をカーボン粒子上に担持した触媒粒子を
４フッ化エチレン樹脂のバインダーで結着した触媒電極
層４０を電解質膜３１の中央部に設け、これに図３およ
び図４に示すセパレータを積層した際に、セパレータの
ガス流通溝５０の反応ガス上流部および下流部と対向し
触媒電極層が形成されていない電解質膜領域（図２の破
線で示す部分）を加湿部４２とする。電解質膜３１の加
湿部４２には、例えばカーボン粒子を４フッ化エチレン
樹脂のバインダーで結着した加湿部カーボン層４１を設
け、ここには、触媒は含まれない。触媒電極層４０は反
応ガスがよく拡散し、水との接触面積が増えるように多
孔質状になっている。加湿部カーボン層４１は電解質膜
３１を挟んで両側に設置する。また、触媒電極層４０は
加湿部カーボン層４１とほぼ同じ厚さである。なお、本
実施例では、加湿部４２に、加湿部カーボン層４１を設
ける構成としたが、加湿部カーボン層４１を省略するこ
ともできる。図３は、この発明の実施例に関わる加湿部
付きアノード側セパレータの模式正面図である。セパレ
ータはその主面を矩形となし、アノードガスは、アノー
ドガス入口マニホールド５１から出口マニホールド５２
に向かって、ガス流通溝５０を流れる。ガス流通溝５０
は、電極触媒層部５３のガス流通溝の他に、加湿対象部
５４のガス流通溝を形成してあり、反応ガスは、加湿対
象部５４，電極触媒層部５３，加湿対象部の順番で通過
するように、矩形主面の中央部に蛇行するガス流通溝を
形成してある。図４は，この発明の実施例に関わる加湿
部付きカソード側セパレータの模式正面図である。カソ
ードガスは、カソードガス入口マニホールド５５から出
口マニホールド５６に向かって、ガス流通溝５０を流れ
る。カソードガスは、前記アノード側セパレータと同様
に、加湿対象部５４，電極触媒層部５３，加湿対象部５
４の順番で通過する。この際、アノード側セパレータと
カソード側セパレータのガスの流れ方向は逆で、対向す
る方向に流れる。なお、図３および図４において、５３
および５４は、燃料電池冷却水用のマニホールドであ
る。図５は、この発明の実施例に関わる燃料電池単セル
の模式断面図である。カソードガスは、まず図の下側の
入口側加湿部４２の近傍を流れ、加湿部から移動してく
る水で加湿され、電極触媒層４０の部分で反応し、反応
により生成した水によりさらに加湿され、出口側の加湿
部４２に達する。この加湿部では、水蒸気の濃度勾配に
よりカソードからアノードへ水が移動する。アノードガ
スはこの加湿部近傍を流れ、加湿部から移動してくる水
で加湿され、電極触媒層部で反応し、出口の加湿部近傍
に達する。また、この加湿部では水蒸気の濃度勾配によ
りアノードからカソードへ水が移動する。アノードガス
とカソードガスを対向に流すことにより、各加湿部で、
アノードからカソード，カソードからアノードに水が移
動し、その移動した水により反応ガスが加湿される。上
記のように、電池反応により生成した反応生成水を利用
して、各ガスを加湿するため、加湿水を供給する必要は
無く、自己加湿が可能となって加湿システムがシンプル
となる。図６は、図１１に対応して示すこの発明に関わ
る燃料電池の加湿システムの概略構成を示すが、加湿シ
ステムが自己加湿型でシンプルとなるので、装置全体と
してコンパクトとなる。図７は、この発明に関わる燃料
電池のセル特性を示す。加湿器なしの従来例に比較し、
自己加湿型のこの発明に係るセルの場合には、セル特性
が格段に向上する。

【発明の効果】上記のとおり、この発明によれば、固体
高分子電解質膜を挟んで配設した触媒電極層を有するア
ノード電極およびカソード電極と、アノード側セパレー
タおよびカソード側セパレータとを備えた固体高分子電
解質型燃料電池において、反応ガスとしてのアノードガ
スとカソードガスとを対向して通流するようになし、さ
らに、前記固体高分子電解質膜を挟んで配設した触媒電
極層の外側隣接部であって、かつ反応ガスの上流部およ
び下流部の両側に、前記固体高分子電解質膜の両面を対
向して流れる反応ガスの一方から他方へ電解質膜を介し
て水分を移動させる加湿部を設け、燃料電池反応生成水
によって固体高分子電解質膜を加湿するようにしたの
で、外部から給水せずに自己加湿が可能となり、加湿シ
ステムが単純で、装置がコンパクトとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例に関わる電解質膜・電極接合
体の模式正面図

【図２】この発明の実施例に関わる電解質膜・電極接合
体の模式断面図

【図３】この発明の実施例に関わる加湿部付きアノード
側セパレータの模式正面図

【図４】この発明の実施例に関わる加湿部付きカソード
側セパレータの模式正面図

【図５】この発明の実施例に関わる燃料電池単セルの模
式断面図

【図６】この発明に関わる燃料電池の加湿システムの概
略構成を示す図

【図７】この発明に関わる燃料電池のセル特性を示す図

【図８】従来の燃料電池のセル構成を示す斜視図

【図９】従来の燃料電池の異なるセル構成を示す模式断
面図

【図１０】従来の燃料電池の加湿板の構成を示す模式断
面図

【図１１】従来の燃料電池の加湿システムの概略構成を
示す図

【符号の説明】

３１：電解質膜、３２ｋ：カソード側セパレータ、３２
ａ：アノード側セパレータ、３３：拡散電極層、４０：
触媒電極層、４１：加湿部カーボン層、４２：加湿部、
５０：ガス流通溝、５３：電極触媒層部、５４：加湿対
象部。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子電解質膜を挟んで配設した触
媒電極層を有するアノード電極およびカソード電極と、
アノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを
備えた固体高分子電解質型燃料電池において、反応ガス
としてのアノードガスとカソードガスとを対向して通流
するようになし、さらに、前記固体高分子電解質膜を挟
んで配設した触媒電極層の外側隣接部であって、かつ反
応ガスの上流部および下流部の両側に、前記固体高分子
電解質膜の両面を対向して流れる反応ガスの一方から他
方へ電解質膜を介して水分を移動させる加湿部を設けた
ことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、前記
加湿部は、固体高分子電解質膜を挟んで触媒電極層の延
長上に設けたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料
電池。
【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、アノ
ード側セパレータおよびカソード側セパレータは、その
主面を矩形となし、この矩形主面の中央部に蛇行するガ
ス流通溝を形成してなり、このガス流通溝の両端部分を
前記加湿部に対向させ、ガス流通溝の中央部分を前記触
媒電極層に対向させて形成してなることを特徴とする固
体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】固体高分子電解質膜を挟んで配設した触
媒電極層を有するアノード電極およびカソード電極と、
アノード側セパレータおよびカソード側セパレータとを
備えた固体高分子電解質型燃料電池の固体高分子電解質
膜を加湿する方法であって、反応ガスとしてのアノード
ガスとカソードガスとを対向して通流し、反応ガスの上
流部および下流部において、対向して流れる反応ガスの
一方から他方へ固体高分子電解質膜を介して水分を移動
させることにより、燃料電池反応生成水によって固体高
分子電解質膜を加湿することを特徴とする固体高分子電
解質型燃料電池の加湿方法。