JP2002117878A

JP2002117878A - 燃料電池およびこれに用いられる水蒸気透過膜

Info

Publication number: JP2002117878A
Application number: JP2000306279A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Omori; 昭浩大森; Yosuke Koizumi; 洋介小泉; Katsuhiko Hamanaka; 克彦濱中
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2000-10-05
Filing date: 2000-10-05
Publication date: 2002-04-19

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料電池の加湿部で、電池部へ供給される空
気の酸素濃度を変化させずに、十分な加湿作用を得るこ
とができるようにする。【解決手段】この燃料電池は、電池反応を行う電池部
１と、空気側の加湿部２とを備えている。加湿部２は、
原料気体が導入される原料気体用流路２１と、電池部１
からの排出気体が導入される排出気体用流路２２と、こ
れらの流路を分離する水蒸気透過膜２３とからなる。こ
の水蒸気透過膜２３として、パーフルオロスルホン酸系
イオン交換樹脂の透湿性樹脂層を有する多孔質膜を使用
する。この膜は、水蒸気のみを高い透過能力で透過させ
て、水蒸気以外の気体を透過させにくい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池および燃
料電池に供給する原料ガスを加湿するのに好適に用いら
れる水蒸気透過膜に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、燃料電池は、水素等の燃料ガス
と空気（酸素）等の酸化剤ガスを、電解質を介して反応
させることにより、電気エネルギーを得るものである。
電解質として固体高分子膜を用いた固体高分子電解質型
燃料電池の電池セルは、固体高分子電解質膜とその両側
に配置された電極とで構成されている。この固体高分子
電解質型燃料電池では、固体高分子電解質膜として例え
ばプロトン交換基を有するイオン交換膜を用いている。
この膜は、飽和含水状態でプロトン交換を行うことによ
って、イオン導電性電解質として機能する。そのため、
固体高分子電解質型燃料電池は、一般に、電池反応を行
う電池部と、電池部へ供給する原料気体を加湿する加湿
部とを備えた構成となっている。

【０００３】この加湿部の従来例としては、例えば、特
開平１１−３５４１４２号公報に、電池部からの排出気
体に含まれている水蒸気を、水蒸気を選択的に透過する
半透膜を介して原料ガスとを接触させる自己加湿部が記
載されている。また、特開平６−１３２０３８号公報に
は、前記加湿部として、原料気体が導入される原料気体
用流路と、電池部からの排出気体が導入される排出気体
用流路と、これらの流路を分離する水蒸気透過膜とで構
成され、排出気体に含まれている水蒸気を、水蒸気透過
膜を透過させて排出気体用流路から原料気体用流路内に
入れ、この水蒸気と原料気体用流路内の原料ガスとを接
触させることにより、原料ガスを加湿するものが記載さ
れている。

【０００４】ここで、空気（酸化剤）側では、電池部か
ら排出された気体には、電池反応で生成された水蒸気、
加湿部から供給されて固体高分子電解質膜に吸収されな
かった水蒸気、加湿部から供給されて電池反応に使用さ
れなかった酸素と酸素以外の空気成分（窒素等）が含ま
れている。この排出気体をそのまま原料ガスと混合する
と、電池部へ供給される原料ガスの酸素濃度が変化する
ため、前記加湿部の水蒸気透過膜としては、水蒸気以外
の気体を確実に通さないものを使用する必要がある。

【０００５】また、原料気体は、電池部で損失される圧
力降下を考慮して、加湿部に高い圧力で供給されるた
め、加湿部の原料気体用流路と、電池部から排出される
気体が導入される排出気体用流路には圧力差が発生す
る。そこで、前記加湿部の原料気体用流路と排出気体用
流路を分離する水蒸気透過膜には、耐圧性が要求され
る。また、特開平８−２７３６８７号公報には、水蒸気
透過膜が中空糸膜であることを特徴とする加湿装置が記
載されている。

【０００６】特開平１１−３５４１４２号公報には、自
己加湿部の半透膜の材質については何ら記載がない。ま
た、特開平６−１３２０３８号公報では、水蒸気透過膜
の例として旭硝子社製の「ＳＵＮＳＥＰ−Ｗ」が挙げて
ある。この「ＳＵＮＳＥＰ−Ｗ」の材質は、スルフォン
酸基を有するフッ素系の共重合体である。また、特開平
８−２７３６８７号公報では、水蒸気透過膜として、パ
ーフルオロカーボンスルホン酸等のイオン交換膜で中空
糸膜であることを特徴とする加湿装置が提案されてい
る。

【０００７】上記のような水蒸気透過膜の厚さは小さい
ほどよい。それは、水分が水蒸気透過膜を透過する際
に、移動距離が短い方が水分の透過速度を早くすること
ができ、また、パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹
脂は非常に高価な材料であり、その使用量を出来る限り
減らして製造コストを小さくすることができるからであ
る。しかし、薄いパーフルオロスルホン酸系イオン交換
膜単独で使用するには、必要な機械的強度、特に耐圧性
を与えるために、一定の厚みをもたせなければならな
い。そのため、水蒸気透過膜の厚さを小さくするには限
度があった。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
技術に見られる前記問題点を解決し、水蒸気透過性能に
優れ、コスト的に安く、強度が強く使用寿命の長い燃料
電池および水蒸気透過膜を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、前記課題
を解決すべき鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成する
に至った。すなわち、（１）電池反応を行う電池部と、電池部へ供給する原
料気体を加湿する加湿部とを備え、前記電池部は、固体
高分子電解質膜とその両側に配置された電極とからなる
電池セルを有するものであり、前記加湿部は、原料気体
が導入される原料気体用流路と、電池部からの排出気体
が導入される排出気体用流路と、これらの流路を分離す
る水蒸気透過膜とで構成され、排出気体に含まれている
水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体用流路か
ら原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料気体用流
路内の原料ガスとを接触させることにより原料ガスを加
湿するものである燃料電池において、前記水蒸気透過膜
は、高分子樹脂多孔膜の表面に硬化したパーフルオロス
ルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂層を設け
た構造を有することを特徴とする燃料電池。

【００１０】（２）電池反応を行う電池部と、電池部
へ供給する原料気体を加湿する加湿部とを備え、前記電
池部は、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電
極とからなる電池セルを有するものであり、前記加湿部
は、原料気体が導入される原料気体用流路と、電池部か
らの排出気体が導入される排出気体用流路と、これらの
流路を分離する水蒸気透過膜とで構成され、排出気体に
含まれている水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出
気体用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と
原料気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより
原料ガスを加湿するものである燃料電池において、前記
水蒸気透過膜は、高分子樹脂多孔膜の細孔中に硬化した
パーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿
性樹脂層を設けた構造を有することを特徴とする燃料電
池。

【００１１】（３）高分子樹脂多孔膜の表面に硬化し
たパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透
湿性樹脂層を設けた構造を有することを特徴とする水蒸
気透過膜。（４）高分子樹脂多孔膜の細孔中に硬化したパーフル
オロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂層
を設けた構造を有することを特徴とする水蒸気透過膜。（５）高分子樹脂多孔膜がシート状であることを特徴
とする、（３）または（４）の水蒸気透過膜。（６）高分子樹脂多孔膜が中空糸状であることを特徴
とする、（３）または（４）の水蒸気透過膜。（７）透湿性材料であるパーフルオロスルホン酸系イ
オン交換樹脂の対イオンが、プロトンであることを特徴
とする、（３）または（４）の水蒸気透過膜。である。

【００１２】本発明に用いられる、パーフルオロスルホ
ン酸系イオン交換樹脂としては、下記一般式（１）で表
される単位の共重合体が好適に用いられる。

【００１３】

【化１】

【００１４】特に、水蒸気透過性能の点で下記一般式
（２）で表される旭化成工業（株）社製、商品名Ａｃｉ
ｐｌｅｘ−ＳＳが好適に用いられる。

【００１５】

【化２】

【００１６】本発明に用いられる高分子樹脂多孔膜の素
材としては、特に限定されるものではないが、ポリエチ
レン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリフッ化ビニ
リデン、ポリアクリルニトリル、ポリカーボネート、ポ
リテトラフルオロエチレン、ポリテトラフルオロエチレ
ン／ヘキサフロロプロピレン共重合体、ポリエーテルエ
ーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトン（ＰＥ
Ｋ）等が好ましい。耐熱性、耐薬品性の点でポリプロピ
レン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロエチ
レン、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ
エーテルケトン（ＰＥＫ）が特に好ましい。

【００１７】このような高分子樹脂多孔膜の孔径は、特
に限定されるものではないが、０．０１〜１０μｍが好
ましく、より好ましくは０．１〜５μｍである。孔径が
０．０１μｍ未満であると多孔膜の製造上の困難さが増
し、孔径が１０μｍを越えると、耐圧性を維持し、気体
が漏れないように透湿性樹脂を均一にコーティングする
ことが難しい傾向がある。また、本発明の高分子樹脂多
孔膜の空孔率は、特に限定されるものではないが、２０
〜９８％が好ましく、より好ましくは３０〜９５％であ
る。空孔率が２０％より低いと、透湿性能が低下し、空
孔率が９８％を越えると多孔膜の強度が弱くなる傾向が
ある。

【００１８】このような高分子樹脂多孔膜の形態として
は、シート状のものと中空糸状のものが挙げられるが、
中空糸状のものが単位体積中の膜面積を多くとることが
できるため、さらに好ましい。高分子樹脂多孔膜がシー
ト状である場合、シートの厚さは、特に限定されるもの
ではないが５〜２００μｍが好ましく、より好ましくは
１０〜１００μｍである。高分子樹脂多孔膜シートの膜
厚が薄いほど、水蒸気透過速度は速くなるが、現状で
は、膜厚が５μｍ以下の高分子樹脂多孔膜シートを作成
することは困難である。

【００１９】また、高分子樹脂多孔膜シートの膜厚の下
限値は、燃料電池に必要とされる機械的強度、特に耐圧
性によって決まる。高分子樹脂多孔膜が中空糸状である
場合、中空糸の内径は特に限定されるものではないが、
０．１〜５ｍｍが好ましく、より好ましくは０．５〜３
ｍｍである。内径が０．１ｍｍより小さいと、ガスを流
したときの圧力損失が大きくなり余分な動力が必要とな
り効率が悪くなる傾向がある。内径が５ｍｍを越えると
機械的強度が強い中空糸を作りにくい傾向がある。ま
た、中空糸の外径も特に限定されるものではないが、内
径の１．１〜２倍のものが、強度と水蒸気透過性のバラ
ンスが優れていて好ましい。

【００２０】本発明において高分子樹脂多孔膜の表面に
硬化した透湿性樹脂層を設けた構造とは、透湿性樹脂層
が多孔膜の表面近傍の細孔を埋没するとともに、表面に
もコーティング層をもつ構造をいう。ここで、硬化した
とは、コーティング操作後に、透湿性樹脂が脱溶媒さ
れ、流動性がなくなる状態をいう。高分子樹脂多孔膜の
表面形状は凹凸であるため、これを利用して界面で極め
て大きな接着面積をとることも可能である。また、透湿
性樹脂層の一部が高分子樹脂多孔膜の細孔を一部埋める
ことで、アンカー効果を得ることも可能であり、その場
合密着性は極めて高いものとなる。

【００２１】透湿性樹脂のコーティング層の厚みは、特
に限定されるものではないが、高分子樹脂多孔膜の厚み
に対して、１〜６０％が好ましく、さらに好ましくは５
〜５０％である。高分子樹脂多孔膜が中空糸の場合、コ
ーティング層は中空糸の外壁面近傍および、内壁面近傍
のどちらでも構わない。本発明において高分子樹脂多孔
膜の細孔中に硬化した透湿性樹脂層を設けた構造とは、
高分子樹脂多孔膜の細孔中に、透湿性樹脂の硬化物を埋
没させた構造をいう。

【００２２】高分子樹脂多孔膜の細孔中に埋没させる場
合の透湿性樹脂の量は、多孔膜の細孔の全部を充填させ
る量であっても良いが、好ましくはその細孔の一部のみ
を充填させるような量であり、かつ、多孔膜の片面から
反対面まで貫通孔が存在しない量である。

【００２３】また、このような構造をとる水蒸気透過膜
では、表面にはコーティング層が無いため、剥離が生じ
にくいという利点がある。また、この構造の膜は、パー
フルオロスルホン酸系イオン交換樹脂が充填された構造
となっているため、イオン交換樹脂が多量の水を含んだ
場合でも、膜全体で膨張することが防止される。したが
って、スタック型やカートリッジ型の構造体を製造する
場合に膜の寸法変化が少なく設計・製作が容易になる。

【００２４】本発明による水蒸気透過膜は特に、燃料電
池の原料ガスに適用するにあたっては、膜の両側にある
気体中の水蒸気のみを透過し、他の気体成分は透過させ
ないようにする必要があるため、貫通孔を有さないのが
好ましい。すなわち、水蒸気以外の気体の透過率は、
「ＪＩＳ−Ｐ８１１７」に示す透気度で１０００秒／１
００ｃｃ以上が好ましく、より好ましくは１００００秒
／１００ｃｃ以上である。この値（透気度１００００秒
／１００ｃｃ以上）は、１００ｃｃの気体を透過させる
ために必要な時間が１００００秒以上であることを意味
する。

【００２５】本発明のパーフルオロスルホン酸系イオン
交換樹脂のスルホン酸基の対イオンは、プロトン型がナ
トリウム等の金属イオンよりも水蒸気透過性能が高く好
ましい。本発明の水蒸気透過膜の作製方法としては、特
に限定されるものではないが、例えばパーフルオロスル
ホン酸系イオン交換基を有するポリマー溶液をアルコー
ル、ケトン、エステルのような有機溶媒中に溶解、分散
させた溶液を塗布した後、脱溶媒する方法が挙げられ
る。

【００２６】塗布の具体的方法としては、特に限定され
るものではないが、例えばグラビアロール、リバースロ
ール、ドクターロール、キスロール等を用いた方法や、
噴霧、浸漬、ろ過等の方法が挙げられる。高分子樹脂多
孔膜の表面に透湿性樹脂層を設ける場合には、ロールに
よる方法、噴霧法が好ましく、高分子樹脂多孔膜の細孔
中に透湿性樹脂層を設ける場合は、浸漬法、ろ過法が特
に好ましい。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１は、本発明の燃料電池の一実施形態を示
す概略構成図である。この燃料電池は、原料ガスとし
て、水素からなる燃料ガスと空気からなる酸化剤ガスを
用い、水素側はメタノールの改質反応で得られ、加湿状
態で供給されるため、空気側にのみ加湿部を備えた構成
となっている。すなわち、この燃料電池は、電池反応を
行う電池部１と、空気側の加湿部２とを備えている。電
池部１は、固体高分子電解質膜と、その両側に配置され
た電極（酸化極および燃料剤極）とからなる電池セル
を、内部に有するものである。

【００２８】加湿部２は、原料気体が導入される原料気
体用流路２１と、電池部１からの排出気体が導入される
排出気体用流路２２と、これらの流路を分離する水蒸気
透過膜２３とで構成されている。この加湿部２の原料気
体用流路２１の気体導入口には、空気供給源であるコン
プレッサー３が配管３１で接続されている。この原料気
体用流路２１の気体導出口は、電池部１の酸化剤極側の
ガス通路の入口と、配管３２で接続されている。排出気
体用流路２２の気体導入口は、電池部１の酸化剤極側の
ガス通路の出口と、配管３３で接続されている。排出気
体用流路２２の気体導出口には、排気用の配管３４が接
続されている。

【００２９】水素供給源４は、電池部１の燃料極側のガ
ス通路の入口と、配管４１で接続されている。電池部１
の燃料極側のガス通路の出口には、排気用の配管４２が
接続されている。この燃料電池によれば、電池部１の酸
化剤極側のガス通路の出口から配管３３には、電池反応
で生成された水蒸気、加湿部２の原料気体用流路２１か
ら供給されて固体高分子電解質膜に吸収されなかった水
蒸気、加湿部２の原料気体用流路２１から供給されて電
池反応に使用されなかった酸素と酸素以外の空気成分
（窒素等）を含む気体が排出される。この排出気体は、
配管３３から、加湿部２の排出気体用流路２２内に導入
される。

【００３０】ここで、水蒸気透過膜２３は、この排出気
体用流路２２内の排出気体に含まれている気体のうち水
蒸気のみを透過して、水蒸気以外の気体を透過させな
い。そのため、排出気体用流路２２内の排出気体に含ま
れている気体のうち水蒸気のみが排出気体用流路２２か
ら原料気体用流路２１内に入る。そして、この原料気体
用流路２１内で、排出気体に含まれていた水蒸気とコン
プレッサー（空気供給源）３から供給された空気（原料
ガス）が接触して、空気が加湿される。この加湿された
空気が、配管３２から電池部１の酸化剤極側のガス通路
の入口に導入される。

【００３１】したがって、この加湿部２によれば、電池
部１へ供給される空気の酸素濃度を変化させずに、十分
な加湿作用を得ることができる。その結果、特に自動車
用として好適な燃料電池が得られる。なお、この実施形
態の燃料電池は、原料ガスとして、水素からなる燃料ガ
スと空気からなる酸化剤ガスを用い、水素側はメタノー
ルの改質反応で加湿状態で供給されるため、空気側にの
み加湿部２を備えている。しかしながら、本発明の燃料
電池はこれに限定されず、水素等からなる燃料ガス側に
のみ加湿部を設けた構成、燃料ガス側と酸化剤ガス側の
両方に加湿部を設けた構成にも適用できる。また、本発
明の水蒸気透過膜は、燃料電池の加湿部以外の用途にも
適用できる。

【００３２】以下、本発明の水蒸気透過膜について、実
施例および比較例を用いて、より具体的に説明する。

【００３３】

【実施例１】先ず、パーフルオロスルホン酸系イオン交
換樹脂（商品名Ａｃｉｐｌｅｘ−ＳＳ−１０８０、旭化
成工業（株）社製）をエタノール（和光純薬工業（株）
社製）で２倍に希釈しコーティング液を調整した。この
溶液を、ガラス板上にひろげた、膜厚２０μｍ、空孔率
４７％のポリプロピレン製多孔膜（商品名ユーポアＺ０
３１、宇部興産（株）社製）の上に滴下し、２５０μｍ
設定のブレードコーターにて、均一に流延し、ポリプロ
ピレン製多孔膜の上に均一なコーティング層を作った。
次ぎにこの膜を８０℃で１時間加熱することにより、溶
媒のエタノールを除去した後、ポリプロピレン製多孔膜
をガラス板から剥がした。これにより、ポリプロピレン
製多孔膜の表面に均一なコーティング層をもつ本発明の
水蒸気透過膜が得られた。得られた本発明の水蒸気透過
膜の厚みは、２２μｍであった。

【００３４】コーティング後乾燥したコーティング膜の
質量から、コーティングを行う前のポリプロピレン製多
孔膜の質量を引いて、膜面上にコーティングされたパー
フルオロスルホン酸イオン交換樹脂の単位面積あたりの
質量を求めたところ、４．７ｇ／ｍ²であった。この水
蒸気透過膜の性能（水蒸気透過性と水蒸気以外の気体の
非透過性）を、図２および３に示すセルを用いて調べ
た。

【００３５】このセルは、正方形に切り出した２枚のポ
リカーボネート板５を平行に対向配置し、両ポリカーボ
ネート板５の間にゴムパッキング６を介して、水蒸気透
過膜２３を配置したものである。各ポリカーボネート板
５に、正方形の一つの対角線の両端に孔を開けて、各孔
に短管５１〜５４を固定することにより、乾燥窒素入口
５１、乾燥窒素出口５２、加湿空気入口５３、加湿空気
出口５４を設けている。ゴムパッキング６は、ポリカー
ボネート板５の短管５１〜５４固定位置より外側に配置
されている。

【００３６】これにより、このセルにおいて、乾燥窒素
入口５１と加湿空気出口５４が水蒸気透過膜２３を挟ん
で対向配置、乾燥窒素出口５２と加湿空気入口５３が水
蒸気透過膜２３を挟んで対向配置され、水蒸気透過膜２
３を介して乾燥窒素と加湿空気が向流接触になるように
する。また、２枚のポリカーボネート板５と水蒸気透過
膜の間隔は２ｍｍに設定した。水蒸気透過膜２３の有効
面積は０．００５ｍ²である。

【００３７】このセルの加湿空気入口５３に、相対湿度
７０％ＲＨで温度７７℃の加湿空気を、流量２リットル
／分で供給するとともに、乾燥窒素入口５１に、相対湿
度６％ＲＨで温度７７℃の乾燥窒素を流量２リットル／
分で供給した。これらの加湿空気および乾燥窒素の供給
を３０分間行った後に、乾燥窒素出口５２内の気体の相
対湿度と酸素濃度を測定した。その結果、相対湿度は４
２％ＲＨであり、酸素濃度は０％であった。

【００３８】次ぎに、この水蒸気透過膜の耐圧性を調べ
た。ステンレス製ホルダー（ＡＤＶＡＮＴＥＣ社製、Ｋ
Ｓ−４７）に、φ４７ｍｍに切り出した水蒸気透過膜を
装着し、１２０℃のオーブン中に２時間放置した。その
後、１２０℃の雰囲気中で、ステンレスホルダーの一方
（水蒸気透過膜の１次側）に、１５０ｋＰａの空気圧を
加え、もう一方（水蒸気透過膜の２次側）はチューブ
で、オーブンの外に配置した水槽まで導き、泡の発生を
観察した。膜差圧１５０ｋＰａで１時間加圧したとこ
ろ、泡の発生は無く、水蒸気透過膜の１２０℃雰囲気中
での耐圧性が確認された。

【００３９】

【実施例２】実施例１と同様のコーティング液を調整し
た。この溶液を、公称孔径０．１μｍ、中空糸内径１．
９ｍｍ、有効膜面積０．００８ｍ²のポリオレフィン製
中空糸膜モジュール（商品名マイクローザＰＳＰ−０１
３、旭化成工業（株）社製）の内圧側から、シリンジを
用いて注入し、コーティング液は中空糸膜の内側から外
側にろ過され、全量で約１００ミリリットルをろ過し
た。次ぎに、中空糸の内側および外側の余分なコーティ
ング液を垂れきり、その後８０℃で１時間加熱すること
により、溶媒のエタノールを除去した。これにより、ポ
リオレフィン製中空糸膜の細孔内部にパーフルオロスル
ホン酸系イオン交換樹脂が充填された本発明の中空糸タ
イプの水蒸気透過膜が得られた。

【００４０】この水蒸気透過膜の性能（水蒸気透過性と
水蒸気以外の気体の非透過性）を、図４に示す中空糸膜
モジュールを用いて調べた。すなわち、乾燥窒素入口５
１と、乾燥窒素出口５２を中空糸膜モジュールの内側流
路の両端に各接続し、加湿空気入口５３と、加湿空気出
口５４を中空糸モジュールの外側流路に各接続した。こ
のとき、乾燥窒素入口５１と加湿空気入口５３は、中空
糸膜モジュールの長手方向に対して、離れた方に対峙
し、乾燥窒素と加湿空気が中空糸膜を介して向流接触と
なるようにした。

【００４１】中空糸膜モジュールは、本発明の中空糸状
水蒸気透過膜が数本、封止剤７によりケース８に固定さ
れており、中空糸内側と中空糸外側は液密的に仕切られ
ている。この中空糸膜モジュールセルの加湿空気入口５
３に、相対湿度７０％ＲＨで温度７７℃の加湿空気を、
流量２リットル／分で供給するとともに、乾燥窒素入口
５１に、相対湿度６％ＲＨで温度７７℃の乾燥窒素を流
量２リットル／分で供給した。これらの加湿空気および
乾燥窒素の供給を３０分間行った後に、乾燥窒素出口５
２内の気体の相対湿度と酸素濃度を測定した。その結
果、相対湿度は３６％ＲＨであり、酸素濃度は０％であ
った。

【００４２】

【実施例３】実施例１で得たコーティング膜を、１Ｎ水
酸化ナトリウム水溶液に所定時間浸漬することにより、
ポリプロピレン製多孔膜の表面にコーティングされてい
るパーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂のスルホン
酸基のＨをナトリウムに置換した。この水蒸気透過膜の
性能（水蒸気透過性と水蒸気以外の気体の非透過性）
を、実施例１と同じ方法で調べた。すなわち、セルの水
蒸気透過膜２３としてこのイオン交換基の対イオンがナ
トリウムである水蒸気透過膜を取り付けて、乾燥窒素出
口５２内の気体の相対湿度と酸素濃度を測定したとこ
ろ、相対湿度は１６％ＲＨであり、酸素濃度は０％であ
った。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の燃料電池
によれば、加湿部で、電池部へ供給される空気の酸素濃
度を変化させずに、十分な加湿作用を得ることができ
る。その結果、特に自動車用として好適な燃料電池が得
られる。また、本発明の水蒸気透過膜は、水蒸気のみを
高い透過能力で透過させて水蒸気以外の気体を確実に透
過させないため、燃料電池の加湿部用の水蒸気透過膜と
して特に好適なものとなる。また、本発明の水蒸気透過
膜は、従来の室内の換気に用いる全熱交換素子用膜とは
異なり、耐圧性と耐熱性を十分有しているため、耐膜差
圧性と耐熱性が要求される分野、特に燃料電池の加湿部
用の水蒸気透過膜として特に好適なものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池の一実施形態を示す概略構成
図である。

【図２】実施例および比較例で水蒸気透過膜の性能を調
べるために用いたセルを示す斜視図である。

【図３】実施例および比較例で水蒸気透過膜の性能を調
べるために用いたセルを示す断面図である。

【図４】実施例で水蒸気透過膜の性能を調べるために用
いた中空糸膜モジュールを示す断面図である。

【符号の説明】

１電池部２加湿部２１原料気体用流路２２排出気体用流路２３水蒸気透過膜２４中空糸状の水蒸気透過膜３コンプレッサー（空気供給源）３１配管３２配管３４配管４水素供給源４１配管４２配管５ポリカーボネート板６ゴムパッキング７封止部８ケース５１乾燥窒素入口５２乾燥窒素出口５３加湿空気入口５４加湿空気出口

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電池反応を行う電池部と、電池部へ供給
する原料気体を加湿する加湿部とを備え、前記電池部
は、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極と
からなる電池セルを有するものであり、前記加湿部は、
原料気体が導入される原料気体用流路と、電池部からの
排出気体が導入される排出気体用流路と、これらの流路
を分離する水蒸気透過膜とで構成され、排出気体に含ま
れている水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体
用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料
気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより原料
ガスを加湿するものである燃料電池において、前記水蒸
気透過膜は、高分子樹脂多孔膜の表面に硬化したパーフ
ルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹脂
層を設けた構造を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項２】電池反応を行う電池部と、電池部へ供給
する原料気体を加湿する加湿部とを備え、前記電池部
は、固体高分子電解質膜とその両側に配置された電極と
からなる電池セルを有するものであり、前記加湿部は、
原料気体が導入される原料気体用流路と、電池部からの
排出気体が導入される排出気体用流路と、これらの流路
を分離する水蒸気透過膜とで構成され、排出気体に含ま
れている水蒸気を、水蒸気透過膜を透過させて排出気体
用流路から原料気体用流路内に入れ、この水蒸気と原料
気体用流路内の原料ガスとを接触させることにより原料
ガスを加湿するものである燃料電池において、前記水蒸
気透過膜は、高分子樹脂多孔膜の細孔中に硬化したパー
フルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹
脂層を設けた構造を有することを特徴とする燃料電池。
【請求項３】高分子樹脂多孔膜の表面に硬化したパー
フルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性樹
脂層を設けた構造を有することを特徴とする水蒸気透過
膜。
【請求項４】高分子樹脂多孔膜の細孔中に硬化したパ
ーフルオロスルホン酸系イオン交換樹脂からなる透湿性
樹脂層を設けた構造を有することを特徴とする水蒸気透
過膜。
【請求項５】高分子樹脂多孔膜がシート状であること
を特徴とする、請求項３または４記載の水蒸気透過膜。
【請求項６】高分子樹脂多孔膜が中空糸状であること
を特徴とする、請求項３または４記載の水蒸気透過膜。
【請求項７】透湿性材料であるパーフルオロスルホン
酸系イオン交換樹脂の対イオンが、プロトンであること
を特徴とする、請求項３または４記載の水蒸気透過膜。