JP3106554B2 - 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 - Google Patents
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Info
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- JP3106554B2 JP3106554B2 JP03157974A JP15797491A JP3106554B2 JP 3106554 B2 JP3106554 B2 JP 3106554B2 JP 03157974 A JP03157974 A JP 03157974A JP 15797491 A JP15797491 A JP 15797491A JP 3106554 B2 JP3106554 B2 JP 3106554B2
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は固体高分子電解質型燃
料電池に係り、特に膜包含水とガスの供給のためのセル
構造および方法に関する。
料電池に係り、特に膜包含水とガスの供給のためのセル
構造および方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池はこれに用いる電解質の種類に
より、例えばアルカリ型, 固体高分子電解質型およびリ
ン酸型などの低温動作形の燃料電池と、溶融炭酸塩型,
固体酸化物電解質型などの恒温動作形の燃料電池とに大
別される。
より、例えばアルカリ型, 固体高分子電解質型およびリ
ン酸型などの低温動作形の燃料電池と、溶融炭酸塩型,
固体酸化物電解質型などの恒温動作形の燃料電池とに大
別される。
【０００３】固体高分子電解質型燃料電池は固体高分子
電解質膜の２つの主面にそれぞれアノードまたはカソー
ドおよび電極基材を配して形成される。アノードまたは
カソードの各電極は固体高分子電解質膜と電極基材とに
よりサンドウィッチされる。固体高分子電解質膜はスル
ホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチ
オン導電性膜として使用したもの, フロロカーボンスル
ホン酸とポリビニニデンフロライドの混合膜, あるいは
フロロカーボンマトリックスにトリフロロエチレンをク
ラフト化したものなどが知られている。
電解質膜の２つの主面にそれぞれアノードまたはカソー
ドおよび電極基材を配して形成される。アノードまたは
カソードの各電極は固体高分子電解質膜と電極基材とに
よりサンドウィッチされる。固体高分子電解質膜はスル
ホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチ
オン導電性膜として使用したもの, フロロカーボンスル
ホン酸とポリビニニデンフロライドの混合膜, あるいは
フロロカーボンマトリックスにトリフロロエチレンをク
ラフト化したものなどが知られている。
【０００４】最近パーフロロカーボンスルホン酸膜 (米
国、デュポン社製、商品名ナフィオン膜) を用いること
により燃料電池を長寿命化したものなどが知られるよう
になった。固体高分子電解質膜は分子中にプロトン (水
素イオン) 交換基を有し、飽和に含水させることにより
常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電
解質として機能する。飽和含水量は温度によって可逆的
に変化する。
国、デュポン社製、商品名ナフィオン膜) を用いること
により燃料電池を長寿命化したものなどが知られるよう
になった。固体高分子電解質膜は分子中にプロトン (水
素イオン) 交換基を有し、飽和に含水させることにより
常温で20Ω・cm以下の比抵抗を示し、プロトン導電性電
解質として機能する。飽和含水量は温度によって可逆的
に変化する。
【０００５】電極基材は多孔質体で、燃料電池の反応ガ
ス供給手段, 集電体として機能する。アノードまたはカ
ソードの電極においては３相界面が形成され電気化学反
応がおこる。アノードでは次式の反応がおこる。 Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ ──────────(1) カソードでは次式の反応がおこる。 1/2Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ→Ｈ2Ｏ ──────────(2) つまり、アノードにおいては、系の外部より供給された
水素がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンは
イオン交換膜中をカソードに向かって移動し、電子は外
部回路を通ってカソードに移動する。一方、カソードに
おいては、系の外部より供給された酸素と、イオン交換
膜中をアノードより移動してきたプロトンと、外部回路
より移動してきた電子が反応し、水を生成する。
ス供給手段, 集電体として機能する。アノードまたはカ
ソードの電極においては３相界面が形成され電気化学反
応がおこる。アノードでは次式の反応がおこる。 Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ ──────────(1) カソードでは次式の反応がおこる。 1/2Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ→Ｈ2Ｏ ──────────(2) つまり、アノードにおいては、系の外部より供給された
水素がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンは
イオン交換膜中をカソードに向かって移動し、電子は外
部回路を通ってカソードに移動する。一方、カソードに
おいては、系の外部より供給された酸素と、イオン交換
膜中をアノードより移動してきたプロトンと、外部回路
より移動してきた電子が反応し、水を生成する。
【０００６】このような固体高分子電解質型燃料電池に
おいてはプロトンがアノードよりカソードに向かってイ
オン交換膜中を移動する際に水和の状態で移動するため
にアノード近傍では含水量が減少しイオン交換膜が乾い
てくるという現象がおこる。そのためにアノード近傍で
は水を供給しないとプロトンの移動が困難となる。一方
カソードにおいては式(2) で示すように水を生成する
が、一般的に固体高分子電解質型燃料電池は100 ℃以下
の温度で運転されるために、カソード側において生成す
る水は液体状態であると考えられる。そのためにカソー
ドにおいては電池反応による生成水とプロトン水和水に
より過剰の水が貯まり、電極基材の細孔を閉塞して反応
ガスの拡散が阻害されるようになる。
おいてはプロトンがアノードよりカソードに向かってイ
オン交換膜中を移動する際に水和の状態で移動するため
にアノード近傍では含水量が減少しイオン交換膜が乾い
てくるという現象がおこる。そのためにアノード近傍で
は水を供給しないとプロトンの移動が困難となる。一方
カソードにおいては式(2) で示すように水を生成する
が、一般的に固体高分子電解質型燃料電池は100 ℃以下
の温度で運転されるために、カソード側において生成す
る水は液体状態であると考えられる。そのためにカソー
ドにおいては電池反応による生成水とプロトン水和水に
より過剰の水が貯まり、電極基材の細孔を閉塞して反応
ガスの拡散が阻害されるようになる。
【０００７】従って固体高分子電解質型燃料電池を連続
して効率良く運転するためにはアノードへの膜包含水の
供給とカソードからの蓄積水の排出を適正に行うことが
必要になる。従来このようなイオン交換膜の含水量の最
適制御を行うために、イオン交換膜包含水を供給する場
合にはセルの運転温度よりも高い温度に維持された水の
中に燃料ガスをバブリングさせて加湿し、このガスをセ
ルのアノード側に供給していた。またカソードに蓄積し
た水の排出の場合には乾燥した大量の酸化剤ガスをセル
のカソードに供給したり、あるいはカソードで蒸発した
水蒸気を冷却して凝縮させ、その後ウイック等で系外に
排出するなどの方法が行われていた。
して効率良く運転するためにはアノードへの膜包含水の
供給とカソードからの蓄積水の排出を適正に行うことが
必要になる。従来このようなイオン交換膜の含水量の最
適制御を行うために、イオン交換膜包含水を供給する場
合にはセルの運転温度よりも高い温度に維持された水の
中に燃料ガスをバブリングさせて加湿し、このガスをセ
ルのアノード側に供給していた。またカソードに蓄積し
た水の排出の場合には乾燥した大量の酸化剤ガスをセル
のカソードに供給したり、あるいはカソードで蒸発した
水蒸気を冷却して凝縮させ、その後ウイック等で系外に
排出するなどの方法が行われていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来のよ
うにイオン交換膜包含水を水蒸気として供給する方法に
おいては、反応ガスの加湿温度における飽和水蒸気圧と
セルの温度における飽和水蒸気圧の差に相当する量の水
量がイオン交換膜内部で凝縮するので水和による移動量
を補うのに充分でなく、また加湿温度を高めると水蒸気
分圧が増大して (80℃で0.47気圧、90℃で0.69気圧) 燃
料ガスの分圧が低下し、燃料ガスの供給量が減少して特
性の低下を招くという問題があった。
うにイオン交換膜包含水を水蒸気として供給する方法に
おいては、反応ガスの加湿温度における飽和水蒸気圧と
セルの温度における飽和水蒸気圧の差に相当する量の水
量がイオン交換膜内部で凝縮するので水和による移動量
を補うのに充分でなく、また加湿温度を高めると水蒸気
分圧が増大して (80℃で0.47気圧、90℃で0.69気圧) 燃
料ガスの分圧が低下し、燃料ガスの供給量が減少して特
性の低下を招くという問題があった。
【０００９】この発明は上述の点に鑑みてなされ、その
目的は膜包含水と燃料ガスのそれぞれが充分に効率良く
アノードに到達するようにして電流電圧特性に優れる固
体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
目的は膜包含水と燃料ガスのそれぞれが充分に効率良く
アノードに到達するようにして電流電圧特性に優れる固
体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上述の目的は第一の発明
によれば、固体高分子電解質膜と、アノード室と、カソ
ード室と、リブ付アノードと、リブ付カソードと、水分
配手段とを有し、固体高分子電解質膜はアノード室とカ
ソード室に挟まれるものであり、アノード室はリブ付ア
ノードと水分配手段を収納するとともに給水管、燃料ガ
ス供給管、水と燃料ガスの共通排出管が接続され、カソ
ード室はリブ付カソードを収納するとともに酸化剤ガス
供給管、水と酸化剤ガスの共通排出管が接続され、リブ
付アノードは、導電性多孔質材からなり、主面の一つに
水と燃料ガスを通流させるリブを有し、このリブの設け
られた主面に相対する面は平坦な面で、触媒層を介して
固体高分子電解質膜と接して配置され、リブ付カソード
は、導電性多孔質材からなり、主面の一つに酸化剤ガス
を通流させるリブを有し、このリブの設けられた主面に
相対する面は平坦な面で、触媒層を介して固体高分子電
解質膜と接して配置され、水分配手段はリブ付アノード
の各リブに水を分配するものであるとすることにより達
成される。
によれば、固体高分子電解質膜と、アノード室と、カソ
ード室と、リブ付アノードと、リブ付カソードと、水分
配手段とを有し、固体高分子電解質膜はアノード室とカ
ソード室に挟まれるものであり、アノード室はリブ付ア
ノードと水分配手段を収納するとともに給水管、燃料ガ
ス供給管、水と燃料ガスの共通排出管が接続され、カソ
ード室はリブ付カソードを収納するとともに酸化剤ガス
供給管、水と酸化剤ガスの共通排出管が接続され、リブ
付アノードは、導電性多孔質材からなり、主面の一つに
水と燃料ガスを通流させるリブを有し、このリブの設け
られた主面に相対する面は平坦な面で、触媒層を介して
固体高分子電解質膜と接して配置され、リブ付カソード
は、導電性多孔質材からなり、主面の一つに酸化剤ガス
を通流させるリブを有し、このリブの設けられた主面に
相対する面は平坦な面で、触媒層を介して固体高分子電
解質膜と接して配置され、水分配手段はリブ付アノード
の各リブに水を分配するものであるとすることにより達
成される。
【００１１】また第二の発明によれば、第一の工程と、
第二の工程とを有し、第一の工程は、リブ付アノードの
リブに燃料ガスを通流させるとともに、水を水分配手段
を介して通流させ、次いで前記燃料ガスと水を共通の排
出管を用いて排出させる工程で、ここにリブ付アノード
は導電性多孔質材からなり、主面の一つに前記リブを設
けるとともに、このリブの設けられた主面に相対する平
坦な主面が触媒層を介して固体高分子電解質膜に接して
配置するものであり、第二の工程は、リブ付カソードの
リブに酸化剤ガスを通流させ、次いでカソードに生成し
た水とともに酸化剤ガスを排出する工程で、ここにリブ
付カソードは導電性多孔質材からなり、主面の一つに前
記リブを設けるとともに、このリブの設けられた主面に
相対する平坦な主面が触媒層を介して固体高分子電解質
膜に接して配置するものであるとすることにより達成さ
れる。
第二の工程とを有し、第一の工程は、リブ付アノードの
リブに燃料ガスを通流させるとともに、水を水分配手段
を介して通流させ、次いで前記燃料ガスと水を共通の排
出管を用いて排出させる工程で、ここにリブ付アノード
は導電性多孔質材からなり、主面の一つに前記リブを設
けるとともに、このリブの設けられた主面に相対する平
坦な主面が触媒層を介して固体高分子電解質膜に接して
配置するものであり、第二の工程は、リブ付カソードの
リブに酸化剤ガスを通流させ、次いでカソードに生成し
た水とともに酸化剤ガスを排出する工程で、ここにリブ
付カソードは導電性多孔質材からなり、主面の一つに前
記リブを設けるとともに、このリブの設けられた主面に
相対する平坦な主面が触媒層を介して固体高分子電解質
膜に接して配置するものであるとすることにより達成さ
れる。
【００１４】
【作用】リブ付アノードあるいはリブ付アノード室のリ
ブは燃料ガスと水の双方の通流を可能にしてリブ付アノ
ードあるいはＬ字状のボアに燃料ガスと水を拡散させ
る。電極であるアノードに到達した水はイオン交換膜の
包含水となり、燃料ガスはプロトンＨ+ となる。このよ
うにしてイオン交換膜の包含水は液体状態で供給され、
燃料ガスも水蒸気圧の影響を受けることなく高い分圧で
供給される。
ブは燃料ガスと水の双方の通流を可能にしてリブ付アノ
ードあるいはＬ字状のボアに燃料ガスと水を拡散させ
る。電極であるアノードに到達した水はイオン交換膜の
包含水となり、燃料ガスはプロトンＨ+ となる。このよ
うにしてイオン交換膜の包含水は液体状態で供給され、
燃料ガスも水蒸気圧の影響を受けることなく高い分圧で
供給される。
【００１５】水は水分配手段により、リブ付アノードの
各リブに均等に分配され特有の水の通流状態を作り出
す。横架体に設けられた細路を流下した水はリブ付アノ
ードのリブの前記細路に対応する表面上を通流する。燃
料ガスはリブの他の表面を通流する。導電性多孔質体内
には水が毛管現象により移動するので、リブの表面上を
水が通流するのと同一の効果が得られる。ウイック内に
は水が毛管現象で移動するので、ウイックの形成したネ
ットワーク状に水が通流することになる。親水性帯状体
には横架体の細路から水が流下するので、リブに沿い、
リブの内部を水が通流する。
各リブに均等に分配され特有の水の通流状態を作り出
す。横架体に設けられた細路を流下した水はリブ付アノ
ードのリブの前記細路に対応する表面上を通流する。燃
料ガスはリブの他の表面を通流する。導電性多孔質体内
には水が毛管現象により移動するので、リブの表面上を
水が通流するのと同一の効果が得られる。ウイック内に
は水が毛管現象で移動するので、ウイックの形成したネ
ットワーク状に水が通流することになる。親水性帯状体
には横架体の細路から水が流下するので、リブに沿い、
リブの内部を水が通流する。
【００１６】リブ付カソードのリブに関してその酸化剤
ガスまたは水の通流はリブ付アノードの場合と同様であ
る。
ガスまたは水の通流はリブ付アノードの場合と同様であ
る。
【００１７】
【実施例】(実施例１) 次にこの発明の実施例を図面に基いて説明する。図１は
請求項１で定義された発明の実施例に係る固体高分子電
解質型燃料電池を示し、図１(a) はその要部配置図、図
１(b) はアノード室内部の拡大分解斜視図である。この
図において１はアノード室、２はカソード室、３は固体
高分子電解質膜、４はリブ付アノード、５はリブ付カソ
ードであり、該アノード, 該カソードはいずれも平坦面
は電解質膜側、リブ面はガス側になるよう配置されてお
り、平坦面には白金触媒 (図示せず）が塗布され、電解
質膜３に圧接されている。ガスはリブが形成する縦溝内
を流れる。液体の水はタンク６よりポンプ７で燃料ガス
供給管8Aとは別の給水管９でアノード室１に供給され、
共通排出管11A で排出水と排出燃料ガスに分離される。
分離された水はタンク６に戻り、再循環使用される。
請求項１で定義された発明の実施例に係る固体高分子電
解質型燃料電池を示し、図１(a) はその要部配置図、図
１(b) はアノード室内部の拡大分解斜視図である。この
図において１はアノード室、２はカソード室、３は固体
高分子電解質膜、４はリブ付アノード、５はリブ付カソ
ードであり、該アノード, 該カソードはいずれも平坦面
は電解質膜側、リブ面はガス側になるよう配置されてお
り、平坦面には白金触媒 (図示せず）が塗布され、電解
質膜３に圧接されている。ガスはリブが形成する縦溝内
を流れる。液体の水はタンク６よりポンプ７で燃料ガス
供給管8Aとは別の給水管９でアノード室１に供給され、
共通排出管11A で排出水と排出燃料ガスに分離される。
分離された水はタンク６に戻り、再循環使用される。
【００１８】給水管９よりアノード室内に流入した水は
アノード室上部の横架体10より細路12を通ってリブ付ア
ノード４の溝に通流する。通流する水の量は僅かである
ので、溝の壁面に付いて流下し、溝全体を塞ぐようなこ
とはなく、従って燃料ガス供給管8Aからの燃料ガスの通
流を妨げることはない。流下した水は一部はリブ付アノ
ード４に吸収され、電解質膜に吸収される。吸収されな
かった水は下部で合流し、未反応の燃料ガスと共に共通
排出管11A から排出される。カソード室２では酸化剤ガ
ス供給管8Bより酸化剤ガスが供給され、リブ付カソード
のリブを通流したあとカソードに生成する水とともに共
通排出管11B により排出される。白金触媒 (図示せず）
はリブ付カソード５と固体高分子電解質膜３の間に形成
される。
アノード室上部の横架体10より細路12を通ってリブ付ア
ノード４の溝に通流する。通流する水の量は僅かである
ので、溝の壁面に付いて流下し、溝全体を塞ぐようなこ
とはなく、従って燃料ガス供給管8Aからの燃料ガスの通
流を妨げることはない。流下した水は一部はリブ付アノ
ード４に吸収され、電解質膜に吸収される。吸収されな
かった水は下部で合流し、未反応の燃料ガスと共に共通
排出管11A から排出される。カソード室２では酸化剤ガ
ス供給管8Bより酸化剤ガスが供給され、リブ付カソード
のリブを通流したあとカソードに生成する水とともに共
通排出管11B により排出される。白金触媒 (図示せず）
はリブ付カソード５と固体高分子電解質膜３の間に形成
される。
【００１９】(実施例２) 図２は請求項１で定義された発明の異なる実施例に係る
固体高分子電解質型燃料電池のアノード室内部を示す拡
大分解斜視図である。導電性多孔質板14がリブ付アノー
ドのリブに接して設けられる。
固体高分子電解質型燃料電池のアノード室内部を示す拡
大分解斜視図である。導電性多孔質板14がリブ付アノー
ドのリブに接して設けられる。
【００２０】水は多孔質板14の上端から供給され、多孔
質板全体に広がり、水の一部は多孔質板からリブ付アノ
ード４に移動し、さらにアノードを通って電解質膜に吸
収される。残余の水は多孔質板14の下端から滲出し未反
応の燃料ガスと共に排出される。多孔質板は金属が適し
ている。そのほか吸水性の高いカーボン不織布、カーボ
ン織布も用いられる。
質板全体に広がり、水の一部は多孔質板からリブ付アノ
ード４に移動し、さらにアノードを通って電解質膜に吸
収される。残余の水は多孔質板14の下端から滲出し未反
応の燃料ガスと共に排出される。多孔質板は金属が適し
ている。そのほか吸水性の高いカーボン不織布、カーボ
ン織布も用いられる。
【００２１】(実施例３) 図３は請求項１で定義された発明のさらに異なる実施例
に係る固体高分子電解質型燃料電池のリブ付アノードと
ウイックを示す斜視図である。リブ付アノード4Aの溝に
沿ってウイック (灯心)15 が編み目状にはりめぐらされ
ている。水はウイックの上端からしみこみ、ウイック15
全体に広がり、水の一部はウイック15からリブ付アノー
ド4Aに移動し、さらに電解質膜３に吸収される。残余の
水は、ウイックの下端から滲出し未反応の燃料ガスと共
に、排出される。ウイックは細線をより合わせたもので
あり、各種の天然糸, 合成糸, 金属線が好適に用いられ
る。
に係る固体高分子電解質型燃料電池のリブ付アノードと
ウイックを示す斜視図である。リブ付アノード4Aの溝に
沿ってウイック (灯心)15 が編み目状にはりめぐらされ
ている。水はウイックの上端からしみこみ、ウイック15
全体に広がり、水の一部はウイック15からリブ付アノー
ド4Aに移動し、さらに電解質膜３に吸収される。残余の
水は、ウイックの下端から滲出し未反応の燃料ガスと共
に、排出される。ウイックは細線をより合わせたもので
あり、各種の天然糸, 合成糸, 金属線が好適に用いられ
る。
【００２２】(実施例４) 図４は請求項１で定義された発明のさらに異なる実施例
に係る固体高分子電解質型燃料電池のリブ付アノードと
親水性帯状体を示す斜視図である。リブ付アノード4Bの
リブ13A に親水性帯状体16がリブ13A に沿ってはめ込ま
れている。親水性帯状体16の上端部への水の供給は図１
(b) のような横架体10から細路12を通って供給される。
水の一部は親水性帯状体16からリブ付アノード４に移動
し、さらに電解質膜３に吸収される。残余の水は、親水
性帯状体16の下端からしみでて未反応の燃料ガスと共に
排出される。親水性帯状体16は金属多孔質棒, フェルト
棒, 撚糸等が使用できる。
に係る固体高分子電解質型燃料電池のリブ付アノードと
親水性帯状体を示す斜視図である。リブ付アノード4Bの
リブ13A に親水性帯状体16がリブ13A に沿ってはめ込ま
れている。親水性帯状体16の上端部への水の供給は図１
(b) のような横架体10から細路12を通って供給される。
水の一部は親水性帯状体16からリブ付アノード４に移動
し、さらに電解質膜３に吸収される。残余の水は、親水
性帯状体16の下端からしみでて未反応の燃料ガスと共に
排出される。親水性帯状体16は金属多孔質棒, フェルト
棒, 撚糸等が使用できる。
【００２３】図５は請求項１で定義された発明の実施例
１〜４に係る燃料電池の特性51を従来の特性52と対比し
て示す線図である。イオン交換膜の包含水は、液体状態
で供給されるため、イオン交換膜は常時充分な湿潤状態
に維持され、抵抗分極が小さくなる。また高濃度の燃料
ガスが供給可能で濃度分極も小さくその結果良好な分極
特性の固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
１〜４に係る燃料電池の特性51を従来の特性52と対比し
て示す線図である。イオン交換膜の包含水は、液体状態
で供給されるため、イオン交換膜は常時充分な湿潤状態
に維持され、抵抗分極が小さくなる。また高濃度の燃料
ガスが供給可能で濃度分極も小さくその結果良好な分極
特性の固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
【００３０】
【発明の効果】本発明においては、リブ付アノードのリ
ブには燃料ガスと水供給手段からの水がよく通流してリ
ブ付アノードの細孔に燃料ガスと水を充分拡散させる。
電極に到達した水はイオン交換膜が含有する包含水とな
り燃料ガスはプロトンＨ+となる。このようにしてイオ
ン交換膜の包含水は液体状態で供給され、燃料ガスも水
蒸気圧の影響を受けることなく高い分圧で供給される。
この結果イオン交換膜は常時充分な湿潤状態に維持さ
れ、抵抗分極が小さくなる。また高濃度の燃料ガスによ
り濃度分極も小さくなり、リブ付カソードのリブにおけ
る酸化剤ガスや排出水の良好な通流と相まって分極特性
に優れる固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
ブには燃料ガスと水供給手段からの水がよく通流してリ
ブ付アノードの細孔に燃料ガスと水を充分拡散させる。
電極に到達した水はイオン交換膜が含有する包含水とな
り燃料ガスはプロトンＨ+となる。このようにしてイオ
ン交換膜の包含水は液体状態で供給され、燃料ガスも水
蒸気圧の影響を受けることなく高い分圧で供給される。
この結果イオン交換膜は常時充分な湿潤状態に維持さ
れ、抵抗分極が小さくなる。また高濃度の燃料ガスによ
り濃度分極も小さくなり、リブ付カソードのリブにおけ
る酸化剤ガスや排出水の良好な通流と相まって分極特性
に優れる固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
【図１】請求項１で定義された発明の実施例に係る固体
高分子電解質型燃料電池を示し、図１(a) はその要部配
置図、図１(b) はアノード室内部の拡大分解斜視図
高分子電解質型燃料電池を示し、図１(a) はその要部配
置図、図１(b) はアノード室内部の拡大分解斜視図
【図２】請求項１で定義された発明の異なる実施例に係
る固体高分子電解質型燃料電池のアノード室内部を示す
拡大分解斜視図
る固体高分子電解質型燃料電池のアノード室内部を示す
拡大分解斜視図
【図３】請求項１で定義された発明のさらに異なる実施
例に係る固体高分子電解質型燃料電池のリブ付アノード
とウイックを示す斜視図
例に係る固体高分子電解質型燃料電池のリブ付アノード
とウイックを示す斜視図
【図４】請求項１で定義された発明のさらに異なる実施
例に係る固体高分子電解質型燃料電池のリブ付アノード
と親水性帯状体を示す斜視図
例に係る固体高分子電解質型燃料電池のリブ付アノード
と親水性帯状体を示す斜視図
【図５】請求項１で定義された発明の実施例１〜４に係
る燃料電池の特性を従来の特性と対比して示す線図
る燃料電池の特性を従来の特性と対比して示す線図
１ アノード室 ２ カソード室 ３ 固体高分子電解質膜 ４ リブ付アノード ５ 永久磁石カソード ６ タンク ７ ポンプ ８Ａ 燃料ガス供給管 ８Ｂ 酸化剤ガス供給管 ９ 給水管 １０ 横架体 １１Ａ 共通排出管 １１Ｂ 共通排出管 １２ 細路 １３ リブ １４ 導電性多孔質板 １５ ウイック １６ 親水性帯状体
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平１−309263（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−102774（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−140562（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−59661（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−168565（ＪＰ，Ａ) 特公 昭37−15354（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許4855193（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/00 - 8/24
Claims (10)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜と、アノード室と、カ
ソード室と、リブ付アノードと、リブ付カソードと、水
分配手段とを有し、 固体高分子電解質膜はアノード室とカソード室に挟まれ
るものであり、 アノード室はリブ付アノードと水分配手段を収納すると
ともに給水管、燃料ガス供給管、水と燃料ガスの共通排
出管が接続され、 カソード室はリブ付カソードを収納するとともに酸化剤
ガス供給管、水と酸化剤ガスの共通排出管が接続され、 リブ付アノードは、導電性多孔質材からなり、主面の一
つに水と燃料ガスを通流させるリブを有し、このリブの
設けられた主面に相対する面は平坦な面で、触媒層を介
して固体高分子電解質膜と接して配置され、 リブ付カソードは、導電性多孔質材からなり、主面の一
つに酸化剤ガスを通流させるリブを有し、このリブの設
けられた主面に相対する面は平坦な面で、触媒層を介し
て固体高分子電解質膜と接して配置され、 水分配手段はリブ付アノードの各リブに水を分配するも
のであ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２】請求項１記載の燃料電池において、水分配
手段はリブ付アノードの上部に位置するとともにその内
部に水の流下する細路の設けられた横架体であることを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、水分配
手段はリブ付アノードのリブを有する面に配された導電
性多孔質体であ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】請求項１記載の燃料電池において、水分配
手段はリブ付アノードのリブに沿ってリブ間に網状に設
けられたウイックであ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５】請求項１記載の燃料電池において、水分配
手段はリブ付アノードの上部に位置するとともにその内
部に水の流下する細路の設けられた横架体と、リブ付ア
ノードのリブに沿いリブ内に埋込まれた親水性帯状体で
あ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６】第一の工程と、第二の工程とを有し、 第一の工程は、リブ付アノードのリブに燃料ガスを通流
させるとともに、水を水分配手段を介して通流させ、次
いで前記燃料ガスと水を共通の排出管を用いて排出させ
る工程で、ここにリブ付アノードは導電性多孔質材から
なり、主面の一つに前記リブを設けるとともに、このリ
ブの設けられた主面に相対する平坦な主面が触媒層を介
して固体高分子電解質膜に接して配置するものであり、 第二の工程は、リブ付カソードのリブに酸化剤ガスを通
流させ、次いでカソードに生成した水とともに酸化剤ガ
スを排出する工程で、ここにリブ付カソードは導電性多
孔質材からなり、主面の一つに前記リブを設けるととも
に、このリブの設けられた主面に相対する平坦な主面が
触媒層を介して固体高分子電解質膜に接して配置するも
のであることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池
の膜包含水とガスの供給方法。 - 【請求項７】請求項６記載の膜包含水とガスの供給方法
において、横架体をリブ付アノードの上部に設けるとと
もに、その内部に水の流下する細路を設け、この細路を
介して水をリブ付アノードのリブに通流させることを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池の膜包含水とガス
の供給方法。 - 【請求項８】請求項６記載の膜包含水とガスの供給方法
において、リブ付アノードのリブを有する面に導電性多
孔質体を配置しこの導電性多孔質体により、前記リブに
水を通流させることを特徴とする固体高分子電解質型燃
料電池の膜包含水とガスの供給方法。 - 【請求項９】請求項６記載の膜包含水とガスの供給方法
において、リブ付アノードのリブに沿ってリブ間に網状
にウイックを配し、このウイックに水を通流させること
を特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の膜包含水と
ガスの供給方法。 - 【請求項１０】請求項６記載の膜包含水とガスの供給方
法において、横架体をリブ付アノードの上部に設けると
ともに、その内部に水の流下する細路を設け、さらにリ
ブ付アノードのリブ内に親水性帯状体を設けて、前記細
路を介して前記親水性帯状体に水を通流させることを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池の膜包含水とガス
の供給方法。
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| JP20634690 | 1990-08-03 | ||
| JP2-206346 | 1990-08-03 | ||
| JP03157974A JP3106554B2 (ja) | 1990-08-03 | 1991-06-28 | 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 |
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| JP03157974A Expired - Fee Related JP3106554B2 (ja) | 1990-08-03 | 1991-06-28 | 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 |
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-
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|---|---|---|---|
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