JP2761059B2 - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
- Publication number
- JP2761059B2 JP2761059B2 JP1297613A JP29761389A JP2761059B2 JP 2761059 B2 JP2761059 B2 JP 2761059B2 JP 1297613 A JP1297613 A JP 1297613A JP 29761389 A JP29761389 A JP 29761389A JP 2761059 B2 JP2761059 B2 JP 2761059B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- oxygen
- hydrogen
- fuel cell
- polymer electrolyte
- solid polymer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Lifetime
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
Landscapes
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関する。
（従来の技術） 第７図は、従来の固体高分子電解質型燃料電池の概念
図である。この燃料電池は、湿潤した固体高分子電解質
膜31の両面に、ガス拡散性を有する酸素極32及び水素極
33をホットプレス等により接合し、それぞれの電極の背
面に酸素供給溝36若しくは水素供給溝37を設けたガスセ
パレータ34を密着させて電池セルを形成し、発電に伴う
熱を除去するために複数の電池セルの間に冷却水を流す
水供給溝38を備えたガスセパレータ35を設けて電極を冷
却するものである。なお、この水供給溝38は、酸素供給
溝36並びに水素供給溝37とは連通していない。また、固
体高分子電解質膜の湿潤状態を維持するためには、燃料
電池に供給する水素ガスに水蒸気を添加する方式が採用
されることもある。
図である。この燃料電池は、湿潤した固体高分子電解質
膜31の両面に、ガス拡散性を有する酸素極32及び水素極
33をホットプレス等により接合し、それぞれの電極の背
面に酸素供給溝36若しくは水素供給溝37を設けたガスセ
パレータ34を密着させて電池セルを形成し、発電に伴う
熱を除去するために複数の電池セルの間に冷却水を流す
水供給溝38を備えたガスセパレータ35を設けて電極を冷
却するものである。なお、この水供給溝38は、酸素供給
溝36並びに水素供給溝37とは連通していない。また、固
体高分子電解質膜の湿潤状態を維持するためには、燃料
電池に供給する水素ガスに水蒸気を添加する方式が採用
されることもある。
（発明が解決しようとする課題） しかし、上記の固体高分子電解質型燃料電池では、発
電の負荷変動に対して応答性が悪く、次のような欠点を
有している。
電の負荷変動に対して応答性が悪く、次のような欠点を
有している。
即ち、負荷の急激な増加時には、水素及び酸素の供給
量を増加させ、高い電流密度を得ようとすることになる
が、高電流密度の下では、電流の増加の２乗で発熱量も
増加するため、固体高分子電解質膜が乾燥してイオン導
電度を低下させ、出力が低下する。
量を増加させ、高い電流密度を得ようとすることになる
が、高電流密度の下では、電流の増加の２乗で発熱量も
増加するため、固体高分子電解質膜が乾燥してイオン導
電度を低下させ、出力が低下する。
また、この膜は湿潤状態で引き伸ばして２つの電極の
間に挟み、ホットプレス等で接合するので、膜が乾燥す
ると収縮して電極から剥離され、接合不良部分における
電極反応が阻害されるため、出力の急激な低下を来す。
間に挟み、ホットプレス等で接合するので、膜が乾燥す
ると収縮して電極から剥離され、接合不良部分における
電極反応が阻害されるため、出力の急激な低下を来す。
従来の燃料電池では、電池セルの間に冷却水供給溝を
設けたり、水素ガスに水蒸気を添加する方法が採用され
ているため、迅速な応答性が要求されない、定常的な負
荷での運転時には、電池セルの冷却及び膜の湿潤状態の
保持も可能であるが、高負荷への移行時など、急激な発
熱や膜の乾燥に対して、迅速に対応して冷却と増湿を図
ることはできなかった。
設けたり、水素ガスに水蒸気を添加する方法が採用され
ているため、迅速な応答性が要求されない、定常的な負
荷での運転時には、電池セルの冷却及び膜の湿潤状態の
保持も可能であるが、高負荷への移行時など、急激な発
熱や膜の乾燥に対して、迅速に対応して冷却と増湿を図
ることはできなかった。
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池の急激な高負
荷への移行時おける上記の欠点を解消し、電極温度の急
上昇と固体高分子電解質膜の含水率の急激な低下に対し
て迅速に対応し、電極等の冷却と固体高分子電解質膜の
増湿を確実に行うことができ、負荷変動に対しても安定
した発電を行うことを可能にした固体高分子電解質型燃
料電池を提供しようとするものである。
荷への移行時おける上記の欠点を解消し、電極温度の急
上昇と固体高分子電解質膜の含水率の急激な低下に対し
て迅速に対応し、電極等の冷却と固体高分子電解質膜の
増湿を確実に行うことができ、負荷変動に対しても安定
した発電を行うことを可能にした固体高分子電解質型燃
料電池を提供しようとするものである。
（課題を解決するための手段） 本発明は、（１）固体高分子電解質膜の両面にガス拡
散電極を接合し、水素若しくは酸素供給溝を設けたガス
セパレータをそれぞれの電極の背面に密着させた燃料電
池において、水素極に接合するガスセパレータに対し、
水素供給溝の間に水供給溝を付設したことを特徴とする
固体高分子電解質型燃料電池、及び（２）ガスセパレー
タの水素極側に水素供給溝及び水供給溝を付設し、酸素
極側に酸素供給溝、必要に応じて水供給溝及び／又は酸
素補給溝を付設し、固体高分子電解質膜に接合したガス
拡散電極と上記ガスセパレータを交互に積層し、ガスセ
パレータを挟んだ電極を接続することにより、電池セル
を直列に結合したことを特徴とする上記（１）記載の固
体高分子電解質型燃料電池である。
散電極を接合し、水素若しくは酸素供給溝を設けたガス
セパレータをそれぞれの電極の背面に密着させた燃料電
池において、水素極に接合するガスセパレータに対し、
水素供給溝の間に水供給溝を付設したことを特徴とする
固体高分子電解質型燃料電池、及び（２）ガスセパレー
タの水素極側に水素供給溝及び水供給溝を付設し、酸素
極側に酸素供給溝、必要に応じて水供給溝及び／又は酸
素補給溝を付設し、固体高分子電解質膜に接合したガス
拡散電極と上記ガスセパレータを交互に積層し、ガスセ
パレータを挟んだ電極を接続することにより、電池セル
を直列に結合したことを特徴とする上記（１）記載の固
体高分子電解質型燃料電池である。
なお、上記の固体高分子電解質型燃料電池において、
酸素極に密着させるガスセパレータについても、水素極
と同様に冷却水供給溝を付設することが好ましい。
酸素極に密着させるガスセパレータについても、水素極
と同様に冷却水供給溝を付設することが好ましい。
また、高負荷時の高電流密度の下では、酸素極におい
て酸素ガスの拡散抵抗が増加するのに対して、酸素供給
量を増加させる必要がある。そこで、上記酸素ガスセパ
レータに酸素供給溝とは別に酸素補給溝を付設して、酸
素の拡散供給量を増加させることが好ましい。
て酸素ガスの拡散抵抗が増加するのに対して、酸素供給
量を増加させる必要がある。そこで、上記酸素ガスセパ
レータに酸素供給溝とは別に酸素補給溝を付設して、酸
素の拡散供給量を増加させることが好ましい。
さらに、水供給用溝に連通する導入管に供給水の温度
調節器及び流量調節弁を設け、温度センサーを電極若し
くは固体高分子電解質膜の近傍に配置し、また、水分セ
ンサーを固体高分子電解質膜に配置し、両センサーの信
号により温度調節器及び流量調節弁を制御することによ
り、負荷変動に対しても自動運転を行うことができる。
なお、溝内の水蒸気圧を水素圧並びに酸素圧より高く保
持することにより、水供給溝に水素又は酸素が漏出する
ことを防ぐことができ、電極表面に常時水を接触保持す
ることができ、冷却効果を保持することができる。
調節器及び流量調節弁を設け、温度センサーを電極若し
くは固体高分子電解質膜の近傍に配置し、また、水分セ
ンサーを固体高分子電解質膜に配置し、両センサーの信
号により温度調節器及び流量調節弁を制御することによ
り、負荷変動に対しても自動運転を行うことができる。
なお、溝内の水蒸気圧を水素圧並びに酸素圧より高く保
持することにより、水供給溝に水素又は酸素が漏出する
ことを防ぐことができ、電極表面に常時水を接触保持す
ることができ、冷却効果を保持することができる。
本発明の燃料電池で用いる各部材の材質は、ガス拡散
電極については疎水性細孔を有し、電子伝導性及びガス
透過性を有するものであれば種類を問わない。例えば、
特開昭62−154571号公報に記載の公知の方法で容易に作
製することができる。また、固体高分子電解質膜はプロ
トン導電性を有するものであればその種類を問わない
が、例えば、パーフルオロスルフォン酸樹脂を用いるこ
とができる。さらに、ガスセパレータはカーボン、真ち
ゅう等の金属で作製することができる。このガスセパレ
ータが導電性材料で作製するときには、電極から直接導
線を引き出さず、該ガスセパレータから引き出すことが
できる。また、ガスセパレータに設けける水素、酸素又
は水の供給溝の大きさは、供給する流体の圧力損失が大
きくならず、集電抵抗が大きくならない範囲で、かつ、
所定の強度が得られるものであればよい。例えば、溝の
幅を1.0mm以下、溝の深さを1.0mm程度とすることが好ま
しい。
電極については疎水性細孔を有し、電子伝導性及びガス
透過性を有するものであれば種類を問わない。例えば、
特開昭62−154571号公報に記載の公知の方法で容易に作
製することができる。また、固体高分子電解質膜はプロ
トン導電性を有するものであればその種類を問わない
が、例えば、パーフルオロスルフォン酸樹脂を用いるこ
とができる。さらに、ガスセパレータはカーボン、真ち
ゅう等の金属で作製することができる。このガスセパレ
ータが導電性材料で作製するときには、電極から直接導
線を引き出さず、該ガスセパレータから引き出すことが
できる。また、ガスセパレータに設けける水素、酸素又
は水の供給溝の大きさは、供給する流体の圧力損失が大
きくならず、集電抵抗が大きくならない範囲で、かつ、
所定の強度が得られるものであればよい。例えば、溝の
幅を1.0mm以下、溝の深さを1.0mm程度とすることが好ま
しい。
（作用） 第１〜３図は本発明の１具体例である固体高分子電解
質型燃料電池の説明図である。第１図（ａ）は１つの燃
料電池セルの平断面図であり、同図（ｂ）は（ａ）中の
Ａ領域の拡大断面図である。湿潤させた固体高分子電解
質膜１を伸長状態に維持し、ガス拡散性の水素極２と酸
素極３で挟み、ホットプレス等で密着させ、さらに、水
素ガスセパレータ４及び酸素ガスセパレータ５を重ね
る。現実には、図示したセルを多数積層して燃料電池を
構成する。水素ガスセパレータ４には、水素供給溝６を
設け、電極表面とによりガス流路を形成する。水素供給
溝６の間には冷却水溝７を設け、電極及び固体高分子電
解質膜の冷却と該膜の水分補給を行う。冷却水の流れ方
向は、水素ガスの流れと同じ方向でもよいし、逆向きで
もよい。酸素ガスセパレータ５には、酸素供給溝８を設
け、酸素を供給するが、高負荷時に酸素極３のガス拡散
抵抗が増加するので、酸素ガス圧を増加させるだけで
は、十分に酸素を供給することができない。そこで、酸
素補給溝９を付設することにより、酸素供給量を確保す
ることが好ましい。また、酸素極３側でも、固体高分子
電解質膜に対する水分の補給と冷却目的で冷却水溝10を
設けることができる。
質型燃料電池の説明図である。第１図（ａ）は１つの燃
料電池セルの平断面図であり、同図（ｂ）は（ａ）中の
Ａ領域の拡大断面図である。湿潤させた固体高分子電解
質膜１を伸長状態に維持し、ガス拡散性の水素極２と酸
素極３で挟み、ホットプレス等で密着させ、さらに、水
素ガスセパレータ４及び酸素ガスセパレータ５を重ね
る。現実には、図示したセルを多数積層して燃料電池を
構成する。水素ガスセパレータ４には、水素供給溝６を
設け、電極表面とによりガス流路を形成する。水素供給
溝６の間には冷却水溝７を設け、電極及び固体高分子電
解質膜の冷却と該膜の水分補給を行う。冷却水の流れ方
向は、水素ガスの流れと同じ方向でもよいし、逆向きで
もよい。酸素ガスセパレータ５には、酸素供給溝８を設
け、酸素を供給するが、高負荷時に酸素極３のガス拡散
抵抗が増加するので、酸素ガス圧を増加させるだけで
は、十分に酸素を供給することができない。そこで、酸
素補給溝９を付設することにより、酸素供給量を確保す
ることが好ましい。また、酸素極３側でも、固体高分子
電解質膜に対する水分の補給と冷却目的で冷却水溝10を
設けることができる。
第２図（ａ）は水素ガスセパレータ４の正面図であ
り、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視側断面図である。水素
ガスセパレータ４の両面には、水素供給溝６と冷却水溝
７を交互に設け、水素ガスは、水素供給口11より導入さ
れ、水素供給マニホールド12からそれぞれの水素供給溝
６に送られ、水素極全面に水素を供給する。余剰の水素
は、水素排出マニホールド13を介して水素排出口14より
排出される。冷却水は、冷却水供給口15より導入され冷
却水マニホールド16よりそれぞれの冷却水溝７に供給さ
れ、水蒸気は電極を拡散して固体高分子電解質膜を湿潤
する。余剰の水は冷却水排出マニホールド17を介して冷
却水排出口18より排出される。燃料電池の定常運転時に
は、系外で水素ガスに水蒸気を添加して固体高分子電解
質膜の水分補給をすればよいが、高負荷時にはこの方式
のみでは水分補給が不足するので、冷却水から補給する
ことが好ましい。冷却水と接触する電極表面では、電極
温度に対応した水蒸気圧が保持されるので、膜の湿潤状
態が常に良好に保たれる。
り、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視側断面図である。水素
ガスセパレータ４の両面には、水素供給溝６と冷却水溝
７を交互に設け、水素ガスは、水素供給口11より導入さ
れ、水素供給マニホールド12からそれぞれの水素供給溝
６に送られ、水素極全面に水素を供給する。余剰の水素
は、水素排出マニホールド13を介して水素排出口14より
排出される。冷却水は、冷却水供給口15より導入され冷
却水マニホールド16よりそれぞれの冷却水溝７に供給さ
れ、水蒸気は電極を拡散して固体高分子電解質膜を湿潤
する。余剰の水は冷却水排出マニホールド17を介して冷
却水排出口18より排出される。燃料電池の定常運転時に
は、系外で水素ガスに水蒸気を添加して固体高分子電解
質膜の水分補給をすればよいが、高負荷時にはこの方式
のみでは水分補給が不足するので、冷却水から補給する
ことが好ましい。冷却水と接触する電極表面では、電極
温度に対応した水蒸気圧が保持されるので、膜の湿潤状
態が常に良好に保たれる。
第３図（ａ）は酸素ガスセパレータ５の正面図であ
り、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視側断面図である。酸素
ガスセパレータ５の両面には、酸素供給溝８と、必要に
応じて酸素補給溝９と、冷却水溝10を設けることができ
る。酸素ガスは、酸素供給口19より導入され、酸素供給
マニホールド20からそれぞれの酸素供給溝９に送られ、
酸素極全面に酸素を供給する。電極を拡散しない過剰の
酸素は、酸素排出マニホールド21を介して酸素排出口22
より排出される。高負荷時の高電流密度下では、酸素極
の酸素ガス拡散抵抗が増加し、他方酸素の供給量を増加
させる必要があるため、酸素供給溝８に追加して酸素補
給溝９を設け、これに対応することが好ましい。補給酸
素ガスは、酸素補給口23、酸素補給マニホールド24を経
て、酸素補給溝９に供給され、過剰の酸素ガスは、酸素
排出マニホールド25、酸素排出口26を介して排出され
る。また、酸素極側からも冷却することにより、冷却の
即応性を保持することが好ましい。そのため、冷却水
は、冷却水供給口27より導入し、冷却水マニホールド28
よりそれぞれの冷却水溝10に供給する。余剰の水は冷却
水排出マニホールド29を介して冷却水排出口30より排出
される。なお、冷却水は室温の水を通常使用するが、必
要に応じて供給水の温度を調節してもよい。
り、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ矢視側断面図である。酸素
ガスセパレータ５の両面には、酸素供給溝８と、必要に
応じて酸素補給溝９と、冷却水溝10を設けることができ
る。酸素ガスは、酸素供給口19より導入され、酸素供給
マニホールド20からそれぞれの酸素供給溝９に送られ、
酸素極全面に酸素を供給する。電極を拡散しない過剰の
酸素は、酸素排出マニホールド21を介して酸素排出口22
より排出される。高負荷時の高電流密度下では、酸素極
の酸素ガス拡散抵抗が増加し、他方酸素の供給量を増加
させる必要があるため、酸素供給溝８に追加して酸素補
給溝９を設け、これに対応することが好ましい。補給酸
素ガスは、酸素補給口23、酸素補給マニホールド24を経
て、酸素補給溝９に供給され、過剰の酸素ガスは、酸素
排出マニホールド25、酸素排出口26を介して排出され
る。また、酸素極側からも冷却することにより、冷却の
即応性を保持することが好ましい。そのため、冷却水
は、冷却水供給口27より導入し、冷却水マニホールド28
よりそれぞれの冷却水溝10に供給する。余剰の水は冷却
水排出マニホールド29を介して冷却水排出口30より排出
される。なお、冷却水は室温の水を通常使用するが、必
要に応じて供給水の温度を調節してもよい。
また、酸素ガスセパレータにおける、酸素補給溝並び
に冷却水溝の付設は必須ではない。高負荷時の運転条件
によっては省略することも可能である。
に冷却水溝の付設は必須ではない。高負荷時の運転条件
によっては省略することも可能である。
さらに、図面には示していないが、電極又は固体高分
子電解質膜の近傍に温度センサーを付設し、かつ、固体
高分子電解質膜には水分センサーを付設して、負荷変動
時における運転状況を検知し、冷却水の温度及び供給量
を調節することにより、安定した自動運転を可能にす
る。
子電解質膜の近傍に温度センサーを付設し、かつ、固体
高分子電解質膜には水分センサーを付設して、負荷変動
時における運転状況を検知し、冷却水の温度及び供給量
を調節することにより、安定した自動運転を可能にす
る。
第４図は、セパレータの両面に水素と酸素をそれぞれ
供給するガスセパレータの１具体例の詳細図であり、同
図（ａ）は水素側からみた正面図、（ｂ）は酸素側から
みた正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視側断面図、
（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視側断面図である。
供給するガスセパレータの１具体例の詳細図であり、同
図（ａ）は水素側からみた正面図、（ｂ）は酸素側から
みた正面図、（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視側断面図、
（ｄ）は（ａ）のＢ−Ｂ矢視側断面図である。
（ａ）において、ガスセパレータの水素極側表面に
は、水素供給溝６と冷却水供給溝７が付設されており、
該水素供給溝６には水素供給口11及び水素供給マニホル
ド12を介して燃料である水素が供給され、水素排出マニ
ホルド13及び水素排出口14を介して過剰の水素は排出さ
れる。また、上記水供給溝７には、（ｄ）にみるよう
に、酸素極側の冷却水供給マニホルド16から連通孔を介
して冷却水が供給され、水供給溝７を通過した冷却水は
再び酸素極側の冷却水排出マニホルド17から排出され
る。
は、水素供給溝６と冷却水供給溝７が付設されており、
該水素供給溝６には水素供給口11及び水素供給マニホル
ド12を介して燃料である水素が供給され、水素排出マニ
ホルド13及び水素排出口14を介して過剰の水素は排出さ
れる。また、上記水供給溝７には、（ｄ）にみるよう
に、酸素極側の冷却水供給マニホルド16から連通孔を介
して冷却水が供給され、水供給溝７を通過した冷却水は
再び酸素極側の冷却水排出マニホルド17から排出され
る。
他方、（ｂ）において、ガスセパレータの酸素極側表
面には、酸素供給溝８が付設されており、酸素供給口19
及び酸素供給マニホルド20を介して酸素が供給され、過
剰の酸素は酸素排出マニホルド21及び酸素排出口26を介
して排出される。また、この表面には、（ｄ）にみるよ
うに、冷却水供給マニホルド16及び冷却水排出マニホル
ド17が付設されており、冷却水供給口15から導入された
冷却水を、冷却水供給マニホルド16を介して水素極側の
上記水供給溝７に供給し、該溝を通過した冷却水は再び
酸素極側の冷却水排出マニホルド17を及び冷却水排出口
18を介して系外に排出される。
面には、酸素供給溝８が付設されており、酸素供給口19
及び酸素供給マニホルド20を介して酸素が供給され、過
剰の酸素は酸素排出マニホルド21及び酸素排出口26を介
して排出される。また、この表面には、（ｄ）にみるよ
うに、冷却水供給マニホルド16及び冷却水排出マニホル
ド17が付設されており、冷却水供給口15から導入された
冷却水を、冷却水供給マニホルド16を介して水素極側の
上記水供給溝７に供給し、該溝を通過した冷却水は再び
酸素極側の冷却水排出マニホルド17を及び冷却水排出口
18を介して系外に排出される。
本発明に係る燃料電池は、このようなガスセパレータ
を、第７図のように、電解質膜の両面に接合されたガス
拡散電極表面に密着積層して構成される。そして、それ
ぞれの供給溝より拡散電極に水素及び酸素を供給して、
電極反応をすすめて発電を行うとともに、水素供給溝か
ら水素極に、かつ、冷却水マニホルドから酸素極に冷却
水を供給し、固体高分子電解質膜を冷却するとともに該
膜に必要な水分を補給するようにしたものである。
を、第７図のように、電解質膜の両面に接合されたガス
拡散電極表面に密着積層して構成される。そして、それ
ぞれの供給溝より拡散電極に水素及び酸素を供給して、
電極反応をすすめて発電を行うとともに、水素供給溝か
ら水素極に、かつ、冷却水マニホルドから酸素極に冷却
水を供給し、固体高分子電解質膜を冷却するとともに該
膜に必要な水分を補給するようにしたものである。
（実施例１） 第１〜３図の固体高分子電解質型燃料電池を用いて発
電を行った。固体高分子電解質膜は、厚さ0.17mmのテュ
ポン製ナフィオン117膜を用い、水素極及び酸素極は、
ともに白金粉末、親水性カーボンブラック及びポリ四フ
ッ化物からなる親水性反応層と、疎水性カーボンブラッ
ク及びポリ四フッ化物からなる疎水性ガス拡散層とを有
し、該親水性反応層を上記電解質膜に接触するように重
ねてホットプレスで接合した。電極の厚さは0.5mmで有
効面積は11cm×11cmである。ガスセパレータは真ちゅう
製で、溝の幅が0.5mmで深さが1.0mmのものを用い、上記
電極の疎水製ガス拡散層に密着させて燃料電池セルを構
成した。
電を行った。固体高分子電解質膜は、厚さ0.17mmのテュ
ポン製ナフィオン117膜を用い、水素極及び酸素極は、
ともに白金粉末、親水性カーボンブラック及びポリ四フ
ッ化物からなる親水性反応層と、疎水性カーボンブラッ
ク及びポリ四フッ化物からなる疎水性ガス拡散層とを有
し、該親水性反応層を上記電解質膜に接触するように重
ねてホットプレスで接合した。電極の厚さは0.5mmで有
効面積は11cm×11cmである。ガスセパレータは真ちゅう
製で、溝の幅が0.5mmで深さが1.0mmのものを用い、上記
電極の疎水製ガス拡散層に密着させて燃料電池セルを構
成した。
上記燃料電池のガスセパレータから引き出した導線を
可変抵抗負荷器に接続し、燃料電池を稼働させ、電流密
度−電圧特性を調べ、その結果を第５図に示した。実線
は、原料ガスである水素ガスに水蒸気を添加するととも
に、上記燃料電池の水供給溝を介して固体高分子電解質
膜に水分を補給しながら、負荷変動試みたものであり、
１秒間に負荷器の抵抗を半分に低下させたところ、上記
特性は図中Ａ点からＢ点に移行した。この間、燃料電池
の内部抵抗の増加にともなう電圧降下は数mVであり、出
力は約30％上昇した。
可変抵抗負荷器に接続し、燃料電池を稼働させ、電流密
度−電圧特性を調べ、その結果を第５図に示した。実線
は、原料ガスである水素ガスに水蒸気を添加するととも
に、上記燃料電池の水供給溝を介して固体高分子電解質
膜に水分を補給しながら、負荷変動試みたものであり、
１秒間に負荷器の抵抗を半分に低下させたところ、上記
特性は図中Ａ点からＢ点に移行した。この間、燃料電池
の内部抵抗の増加にともなう電圧降下は数mVであり、出
力は約30％上昇した。
一方、比較のために、上記水分の補給を停止し、水素
ガスへの水蒸気添加のみにより、燃料電池を上記と同様
に稼働させたところ、負荷変動に伴い、上記特性は点線
のように、図中Ａ点からＣ点に移行し、燃料電池の内部
抵抗の増加による100〜150mVという大幅の電圧降下がみ
とめられ、出力は約10％低下した。
ガスへの水蒸気添加のみにより、燃料電池を上記と同様
に稼働させたところ、負荷変動に伴い、上記特性は点線
のように、図中Ａ点からＣ点に移行し、燃料電池の内部
抵抗の増加による100〜150mVという大幅の電圧降下がみ
とめられ、出力は約10％低下した。
（実施例２） 第４図のセパレータを使用した固体高分子電解質型燃
料電池を用いて発電を行った。固体高分子電解質膜は、
厚さ0.17mmのテュポン製ナフィオン117膜を用い、水素
極及び酸素極は、ともに白金粉末、親水性カーボンブラ
ック及びポリ四フッ化物からなる親水性反応層と、疎水
性カーボンブラック及びポリ四フッ化物からなる疎水性
ガス拡散層とを有し、該親水性反応層を上記電解質膜に
接触するように重ねて120℃で１分間ホットプレスして
で接合した。電極の厚さは0.6mmで有効面積は19cm×19c
mである。ガスセパレータは真ちゅう製で、溝の幅が1mm
で深さが1mmのものを用い、上記電極の疎水性ガス拡散
層に密着させて燃料電池を構成した。
料電池を用いて発電を行った。固体高分子電解質膜は、
厚さ0.17mmのテュポン製ナフィオン117膜を用い、水素
極及び酸素極は、ともに白金粉末、親水性カーボンブラ
ック及びポリ四フッ化物からなる親水性反応層と、疎水
性カーボンブラック及びポリ四フッ化物からなる疎水性
ガス拡散層とを有し、該親水性反応層を上記電解質膜に
接触するように重ねて120℃で１分間ホットプレスして
で接合した。電極の厚さは0.6mmで有効面積は19cm×19c
mである。ガスセパレータは真ちゅう製で、溝の幅が1mm
で深さが1mmのものを用い、上記電極の疎水性ガス拡散
層に密着させて燃料電池を構成した。
上記燃料電池の両端のガスセパレータから引き出した
導線を可変抵抗負荷器に接続し、燃料電池を稼働させ、
電流密度−電圧特性を調べ、その結果を第６図に示し
た。実線は、原料ガスである水素ガスに水蒸気を添加す
るとともに、上記燃料電池の水供給溝を介して固体高分
子電解質膜に水分を補給しながら、負荷変動を試みたも
のであり、第７図の実線のように電圧降下は数mVと僅か
に出力が上昇した。
導線を可変抵抗負荷器に接続し、燃料電池を稼働させ、
電流密度−電圧特性を調べ、その結果を第６図に示し
た。実線は、原料ガスである水素ガスに水蒸気を添加す
るとともに、上記燃料電池の水供給溝を介して固体高分
子電解質膜に水分を補給しながら、負荷変動を試みたも
のであり、第７図の実線のように電圧降下は数mVと僅か
に出力が上昇した。
一方、比較のために、上記水分の補給を停止し、水素
ガスへの水蒸気添加のみにより、燃料電池を上記と同様
に稼働させたところ、負荷変動に伴い、上記特性は点線
に示すように、大幅な電圧降下及び出力低下が認めら
れ、30分のテストで電極の焼き付けを起こして湿田不能
となった。
ガスへの水蒸気添加のみにより、燃料電池を上記と同様
に稼働させたところ、負荷変動に伴い、上記特性は点線
に示すように、大幅な電圧降下及び出力低下が認めら
れ、30分のテストで電極の焼き付けを起こして湿田不能
となった。
（発明の効果） 本発明は、上記の構成を採用することによって、高負
荷運転への切り換えにおいても、固体高分子電解質膜の
温度及び含水率を一定の範囲内に保持することができ、
高負荷への移行時の即応性に優れ、高出力を短時間で得
ることができ、負荷変動に対して安定して運転すること
のできる燃料電池を提供することができるようになっ
た。
荷運転への切り換えにおいても、固体高分子電解質膜の
温度及び含水率を一定の範囲内に保持することができ、
高負荷への移行時の即応性に優れ、高出力を短時間で得
ることができ、負荷変動に対して安定して運転すること
のできる燃料電池を提供することができるようになっ
た。
第１〜３図は本発明の１具体例である固体高分子電解質
型燃料電池の説明図であり、第１図（ａ）は１つの燃料
電池セルの平断面図、同図（ｂ）は（ａ）の中のＡ領域
の拡大断面図、第２図は水素ガスセパレータの説明図で
あり、第２図（ａ）は正面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ
矢視側断面図、第３図は酸素ガスセパレータの説明図で
あり、第３図（ａ）は正面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ
矢視側断面図、第４図は本発明の別の具体例であるガス
セパレータの１具体例の詳細図であり、第４図（ａ）は
ガスセパレータの水素極側からみた正面図、同図（ｂ）
はガスセパレータの酸素極側からみた正面図、同図
（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視側断面図、同図（ｄ）は
（ａ）のＢ−Ｂ矢視側断面図、第５及び６図は実施例及
び比較例の燃料電池の電流密度−電圧特性を示したグラ
フ、第７図は従来の固体高分子電解質型燃料電池の説明
図である。
型燃料電池の説明図であり、第１図（ａ）は１つの燃料
電池セルの平断面図、同図（ｂ）は（ａ）の中のＡ領域
の拡大断面図、第２図は水素ガスセパレータの説明図で
あり、第２図（ａ）は正面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ
矢視側断面図、第３図は酸素ガスセパレータの説明図で
あり、第３図（ａ）は正面図、同図（ｂ）はそのＡ−Ａ
矢視側断面図、第４図は本発明の別の具体例であるガス
セパレータの１具体例の詳細図であり、第４図（ａ）は
ガスセパレータの水素極側からみた正面図、同図（ｂ）
はガスセパレータの酸素極側からみた正面図、同図
（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視側断面図、同図（ｄ）は
（ａ）のＢ−Ｂ矢視側断面図、第５及び６図は実施例及
び比較例の燃料電池の電流密度−電圧特性を示したグラ
フ、第７図は従来の固体高分子電解質型燃料電池の説明
図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中嶋 宏 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22 号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 嶋田 隆文 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22 号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (72)発明者 竹内 善幸 広島県広島市西区観音新町４丁目６番22 号 三菱重工業株式会社広島研究所内 (56)参考文献 特開 平１−140562（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−309263（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01M 8/02 H01M 8/04 H01M 8/10 ＥＣＬＡ
Claims (3)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜の両面にガス拡散電極
を接合し、水素若しくは酸素供給溝を設けたガスセパレ
ータをそれぞれの電極の背面に密着させた燃料電池にお
いて、水素極に密着させるガスセパレータに対し、水素
供給溝の間に水供給溝を付設し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】酸素極に密着させるガスセパレータに対
し、酸素供給溝の間に水供給溝を付設したことを特徴と
する請求項（１）記載の固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】酸素極に密着させるガスセパレータに高負
荷時の酸素補給溝を付設したことを特徴とする請求項
（１）又は（２）記載の固体高分子電解質型燃料電池。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1-163730 | 1989-06-28 | ||
| JP16373089 | 1989-06-28 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03102774A JPH03102774A (ja) | 1991-04-30 |
| JP2761059B2 true JP2761059B2 (ja) | 1998-06-04 |
Family
ID=15779577
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1297613A Expired - Lifetime JP2761059B2 (ja) | 1989-06-28 | 1989-11-17 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2761059B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3106554B2 (ja) * | 1990-08-03 | 2000-11-06 | 富士電機株式会社 | 固体高分子電解質型燃料電池およびその膜包含水とガスの供給方法 |
| JP3245929B2 (ja) * | 1992-03-09 | 2002-01-15 | 株式会社日立製作所 | 燃料電池及びその応用装置 |
| US5350643A (en) * | 1992-06-02 | 1994-09-27 | Hitachi, Ltd. | Solid polymer electrolyte type fuel cell |
| CA2286701A1 (en) * | 1997-04-10 | 1998-10-15 | Magnet-Motor Gesellschaft Fur Magnetmotorische Technik Mbh | Cooling and wetting polymer-electrolyte fuel cells |
| DE19819324A1 (de) | 1998-04-30 | 1999-11-04 | Emitec Emissionstechnologie | Verfahren zur Benetzung wenigstens einer der Oberflächen eines Elektrolyten in einer Brennstoffzelle |
| US6780533B2 (en) * | 1999-12-17 | 2004-08-24 | Utc Fuel Cells, Llc | Fuel cell having interdigitated flow channels and water transport plates |
| DE10085305T1 (de) * | 1999-12-17 | 2002-11-21 | Int Fuel Cells Llc | Brennstoffzelle mit einer hydrophilen Substratschicht |
| KR100554050B1 (ko) | 2002-12-02 | 2006-02-22 | 산요덴키가부시키가이샤 | 연료 전지 및 연료 전지 시스템 |
| ITMI20031881A1 (it) * | 2003-10-01 | 2005-04-02 | Nuvera Fuel Cells Europ Srl | Separatore bipolare per batteria di celle a combustibile. |
| KR100542200B1 (ko) | 2004-01-30 | 2006-01-10 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지 시스템 |
| JP2006164606A (ja) * | 2004-12-03 | 2006-06-22 | Mitsubishi Electric Corp | 燃料電池用セパレータ及び燃料電池スタック |
| CN100505402C (zh) * | 2004-12-28 | 2009-06-24 | 松下电器产业株式会社 | 燃料电池及包括该燃料电池的燃料电池堆 |
| KR101246524B1 (ko) | 2004-12-28 | 2013-03-26 | 파나소닉 주식회사 | 고분자 전해질형 연료 전지 발전 시스템 |
| JP4034804B2 (ja) * | 2004-12-28 | 2008-01-16 | 松下電器産業株式会社 | 高分子電解質型燃料電池発電システム |
| FR2903229B1 (fr) * | 2006-06-30 | 2009-05-29 | Helion Soc Par Actions Simplif | Structure de cellule elementaire pour pile a combustible equipee de moyens d'etancheite |
| WO2021240722A1 (ja) * | 2020-05-28 | 2021-12-02 | 株式会社日立ハイテク | 燃料電池モジュールおよび燃料電池システム |
-
1989
- 1989-11-17 JP JP1297613A patent/JP2761059B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH03102774A (ja) | 1991-04-30 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP2761059B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP4037698B2 (ja) | 固体高分子型セルアセンブリ | |
| JP3107229B2 (ja) | 固体高分子電解質燃料電池及び電解セルの隔膜加湿構造 | |
| JP4172174B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JP2000251913A (ja) | 積層型燃料電池の運転方法、積層型燃料電池及び積層型燃料電池システム | |
| JPH1131520A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| US7745032B2 (en) | Fuel cell with humidifier | |
| JPH08167424A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH09283157A (ja) | 燃料電池、燃料電池の製造方法、複合ガスセパレータ、およびその製造方法 | |
| JP2002025584A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池とその加湿方法 | |
| JP4632917B2 (ja) | 固体高分子形燃料電池 | |
| JP3321219B2 (ja) | 固体高分子電解質電気化学セル用隔膜の製造方法 | |
| US6682835B2 (en) | Method and apparatus for increasing the operational efficiency of a fuel cell power plant | |
| EP1187240A1 (en) | Operation method for polymer electrolytic fuel cell | |
| JP2001357869A (ja) | 固体高分子型燃料電池スタック | |
| JP3738956B2 (ja) | 燃料電池 | |
| JPH0668896A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 | |
| JP2002164057A (ja) | 固体高分子型燃料電池とその製造方法 | |
| JPH0950819A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP4606038B2 (ja) | 高分子電解質型燃料電池及びその運転方法 | |
| JP4880131B2 (ja) | ガス拡散電極およびこれを用いた燃料電池 | |
| US6852440B1 (en) | Fuel cell with improved long term performance, method for operating a PME fuel cell and PME fuel cell battery | |
| JP7076418B2 (ja) | 燃料電池システム及びその制御方法 | |
| JPH1173979A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH08306375A (ja) | 固体高分子型燃料電池 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080320 Year of fee payment: 10 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090320 Year of fee payment: 11 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100320 Year of fee payment: 12 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term | ||
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100320 Year of fee payment: 12 |