JP3483116B2 - 高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
高分子電解質型燃料電池Info
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- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子電解質型燃
料電池に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来の高分子電解質型燃料電池は、プロ
トン導伝性の高分子電解質薄膜と、正極および負極の電
極、それぞれの電極周縁部に位置するガスケット、さら
にカーボンあるいは金属製のバイポーラ板や冷却板によ
り構成した。電池反応に寄与する電極触媒層は、貴金属
触媒を担持したカーボン粉末と電解質と同等の材料の混
合物を構成材料とし、これに必要によりフルオロカーボ
ン化合物系の撥水材などを添加した混合物が一般的な構
成材料である。電極は、前記電極触媒層とガス拡散層と
を接合して構成する。このようにして構成した電極は電
解質である高分子膜と組み合わせて電池を構成する。ア
ノードおよびカソードの構成材料は、純水素を燃料とし
て用いる場合、同一のものを使用することが可能であ
る。炭化水素系燃料を改質した水素リッチなガスを燃料
とする場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素による貴
金属触媒の被毒を抑制するため、アノード側のみにルテ
ニウムなどの耐ＣＯ被毒材料を添加して構成することも
考えられてきた。また、電極のＣＯ被毒特性は、温度が
高いほど緩和されるため、改質ガスを燃料に用いる場合
には７０℃から９０℃程度の比較的高温で電池を運転す
ることが一般的である。 【０００３】一方、電解質はスルホン基を含む炭化フッ
ソ系の高分子が一般的であり、水分を含んだ状態でプロ
トン伝導性の電解質として機能する。そのため電池の作
動状態では、電解質は常に水分を含んだ状態である必要
があるが、水分を含んだ状態の電解質は、強酸性を呈す
る。そのため、電解質と直接接する部分の材料には耐酸
性が要求される。 【０００４】電解質が水分を含んだ状態で電解質として
機能するため、高分子電解質型燃料電池を動作させる場
合には、電池運転温度と同程度の温度の露点まで加湿し
た燃料や空気を電池に供給する必要がある。特に電池運
転温度が高温になるほど、供給ガスの加湿制御が重要に
なってくる。 【０００５】ここで燃料の加湿と空気の加湿を比較する
と、空気側のガス供給量は燃料ガスより多いため、加湿
量としては空気側の方が大きくなるのが一般的である。
また、燃料として、炭化水素系の燃料を水蒸気改質等に
よって改質した水素リッチなガスを用いる場合、改質ガ
ス中には５０℃から６０℃程度の露点に相当する水蒸気
が含まれる。そのため、空気側と比較すると燃料ガス側
に添加する加湿量はより小さくなる。 【０００６】このような供給する燃料ガスや空気を加湿
するシステムとして、従来は、高分子電解質型燃料電池
を冷却する冷却水を用いて供給ガスを加湿する方法が一
般的であった。仮に８０℃の作動温度で電池を運転する
場合、例えば冷却水を７８℃で電池に入れ、排出された
冷却水は８３℃となるように冷却水の入口温度や流量を
コントロールするのが一般的である。このとき電池の冷
却水温度は基本的にほぼ電池運転温度と同じであるた
め、排出された冷却水と、供給するガスとの温度と湿度
を全熱交換すると、ほぼ電池運転温度に近い露点のガス
を供給することが可能である。 【０００７】この時、高分子電解質膜と同様の膜を介し
て、排冷却水と供給ガスを全熱交換する事も提案されて
いる。さらに、場合によってはこの全熱交換器を電池モ
ジュールと接するようにして、電池と同じエンドプレー
ト内部に設けた、通称内部加湿器も提案されている。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池による発電システムをコージェネレーションシステム
として使用する場合、電池を冷却した排水を供給ガスの
全熱交換源として用いると、冷却水をコージェネレーシ
ョンシステムの熱源として使用するだけの熱を得にくく
なる。この時、電池から排出されるガスは、ほぼ電池運
転温度に近い温度が得られるが、コージェネレーション
システムの熱源として利用する場合には、電池からの排
ガスを熱交換しなければならない。しかしながら、ガス
とガスを熱交換する場合、熱交換器が大きくならざるを
得ないし、熱交換効率も低下する。 【０００９】 【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質
膜を正極と負極とで挟持し、さらに前記正極と前記負極
とをガス流路を形成したバイポーラ板で挟持したものを
単位電池とし、少なくとも前記単位電池と、集電板と、
絶縁板と、エンドプレートとを積層し、前記正極及び前
記負極にそれぞれ前記ガス流路を通じて空気と燃料ガス
とを供給することで電力を発生する高分子電解質型燃料
電池において、前記エンドプレートと前記絶縁板との
間、または前記絶縁板と前記集電板との間、または前記
集電板と前記単位電池との間に、前記正極に供給する空
気と前記正極から排出されるガスから熱および湿分を同
時に移動させる正極用全熱交換型内部加湿器と、前記負
極に供給する燃料ガスと前記負極から排出されるガスか
ら熱および湿分を同時に移動させる負極用全熱交換型内
部加湿器とを内蔵し、前記正極用全熱交換型内部加湿器
と前記負極用全熱交換型内部加湿器とは、前記単位電池
を構成する高分子電解質膜と同じ高分子電解質膜であっ
てかつ膜厚が２５μｍ以下である高分子電解質膜と、前
記高分子電解質膜を挟持した１対の親水性を有する多孔
質補強材と、前記多孔質補強材を挟持した１対の加湿器
用ガス流路板を積層した単位加湿器を複数個積層したこ
とを特徴とする。 【００１０】 【発明の実施の形態】上記の課題を解決するための手段
で記載したように、高分子電解質型燃料電池に供給する
ガスと排出されるガスの熱と湿度を同時に交換する全熱
交換器を電池と同じエンドプレート内に内蔵することに
よって、コージェネレーションシステムの熱源として利
用しやすい排冷却水を熱源として利用することが可能と
なる。 【００１１】また、２５μｍ以下の膜厚を有する高分子
電解質膜と同様の膜を介して全熱交換することによっ
て、よりコンパクトな内部全熱交換器を可能とすること
ができる。 【００１２】高分子電解質型燃料電池に供給するガスと
排出されるガスの、熱と湿度とを同時に交換する全熱交
換器を、電池と同じエンドプレート内に内蔵することに
よって、全熱交換器で加湿・加温したガスを電池に供給
するまでの配管が省略できる。また、配管を流通する間
に加温されたガス温度が低下することも防止できる。 【００１３】全熱交換器を電池外部に設置した場合、全
熱交換器から電池に入るまでの配管を保温することはも
ちろんであるが、仮に保温していたとしても管路の途中
で若干の温度低下は免れない。温度低下が起こった場
合、加湿ガスが結露して水蒸気が液化し、ミスト状の水
が電池に供給される場合がある。ミスト状の水がガスと
共に電池に供給された場合、水のミストが電池内の電極
表面を流れる間、電極表面が一瞬窒息状態に陥り、電池
電圧が急激に低下する現象が発生する。 【００１４】このとき、２５μｍ以下の膜厚を有する高
分子電解質膜と同様の膜を介して全熱交換することによ
って、よりコンパクトな内部全熱交換器を可能とするこ
とができる。 【００１５】更に、２５μｍ以下の膜厚を有する高分子
電解質膜と同様の膜を介して全熱交換する場合、膜の全
熱交換能力は非常に優れているが、微量のガスも膜を介
してクロスオーバーする。また、万一膜が破損した場合
にも安全性を確保するため、還元性ガスと酸化性ガスを
全熱交換しない構成をとることが望ましい。 【００１６】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。 【００１７】（実施例１） アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約３０
Åの白金粒子を２５重量％担持したものを反応電極の触
媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させ
た溶液に、（化１）で示したパーフルオロカーボンスル
ホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパー
ジョン溶液を混合し、ペースト状にした。このペースト
を原料としスクリーン印刷法をもちいて、厚み２５０μ
ｍのカーボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成し
た。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ
／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．
２ｍｇ／ｃｍ2となるよう調整した。 【００１８】 【化１】【００１９】これらの電極は、正極・負極共に同一構成
とし、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導
性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が
電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合し
て、電極／電解質接合体（ＭＥＡ）を作成した。ここで
は、プロトン伝導性高分子電解質として、（化２）に示
したパーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚み
に薄膜化したものを用いた。 【００２０】 【化２】【００２１】前記ＭＥＡが非多孔質カーボンからなるバ
イポーラ板２枚のガス流路と向かい合う形で、２枚のバ
イポーラ板の間にＭＥＡを挟んで、高分子電解質型燃料
電池を構成した。 【００２２】この高分子電解質型燃料電池を、単位電池
として、同様の構成の高分子電解質型燃料電池を連続的
に１００段積層した。この積層電池の両外側に、それぞ
れ必要なガスマニホールド・冷却水マニホールド用穴を
設けた集電板を取り付け、さらに一方の外側には、全熱
交換型内部加湿器を設置した。 【００２３】内部加湿器は、中心部に電解質と同じ膜を
使用し、膜を補強するため親水処理を施した厚み１８０
μｍのカーボンペーパーで挟み、さらに電池のバイポー
ラ板と同様のガス流路を有するＳＵＳ３１６製の薄板で
挟持して単位全熱交換型内部加湿器を構成した。 【００２４】この全熱交換型内部加湿器を、単位加湿器
として、連続的に４０段積層した。この時、電池に供給
する空気は、まず全熱交換型内部加湿器内の、（化２）
に示したパーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの
厚みに薄膜化した膜で仕切られた一方のガス流路空間に
並列に入り、全熱交換型内部加湿器を出た空気は、燃料
電池スタックに供給され、電池から排出された空気が全
熱交換型内部加湿器内の電解質膜で仕切られたもう一方
のガス流路空間に並列に入り、排出される構成をとっ
た。 【００２５】４０段積層した全熱交換型加湿器は、２０
段が空気加湿用、残り２０段が燃料加湿用として構成し
ており、空気加湿用と燃料加湿用全熱交換プレートは、
１枚ずつ交互に積層して構成した。燃料ガスは空気と同
様に、供給ガスと排出ガスが全熱交換する構造をとるよ
う構成した。 【００２６】この時使用した全熱交換型内部加湿器を、
電池に組み込む前に加湿器の部分のみで全熱交換能力の
測定を行った。入口側に供給する空気には温度２８℃、
露点−２８℃の乾燥空気を使用し、電池からの排ガスの
空気を導入する側には電池排ガスを模擬した温度７５
℃、露点７５℃の空気を供給して全熱交換を行った。 【００２７】その結果、入口ガスは全熱交換器の出口で
は、温度６５℃、露点６５℃に加温・加湿されており、
排ガス空気を導入する側から排出された空気は、温度５
６℃、露点５２℃まで降温・除湿されている事を確認し
た。 【００２８】そこで、全熱交換型内部加湿器を内蔵した
積層高分子電解質型燃料電池の両外側に、それぞれ必要
なガスマニホールド・冷却水マニホールド用穴を設けた
・絶縁板・エンドプレートを取り付け、最外側の両エン
ドプレート間を、ボルトとバネとナットを用いて、電極
面積に対して２０ｋｇ／ｃｍ2の圧力で締め付け、高分
子電解質型燃料電池スタックを構成した。 【００２９】この高分子電解質型燃料電池スタックに冷
却水を流しながら７５℃に保持し、負極側に乾燥水素ガ
スを内部加湿によって加湿・加温して供給し、正極側に
乾燥空気を内部加湿器によって加湿・加温して供給した
ところ、無負荷時に４９Ｖの電池電圧を得た。 【００３０】さらに、この電池を燃料利用率８０％、酸
素利用率４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連
続発電試験を行ったところ、５０００時間以上にわたっ
て３１Ｖ以上の電池電圧を保ったまま、電池電圧の劣化
なく発電が可能であった。また、この時の排冷却水温度
は、出口側で８５℃となるよう冷却水流量を調整しても
問題なく電池は作動を続け、１０℃の温度差を有する温
水を、熱源として有効に利用できることを確認した。 【００３１】 【発明の効果】以上のように本発明は、高分子電解質型
燃料電池に供給するガスと排出されるガスの熱と湿度を
同時に交換する全熱交換器を電池と同じエンドプレート
内に内蔵することによって、コージェネレーションシス
テムの熱源として利用しやすい排冷却水を熱源として利
用することが可能となる。 【００３２】また、２５μｍ以下の膜厚を有する高分子
電解質膜と同様の膜を介して全熱交換することによっ
て、よりコンパクトな内部全熱交換器を可能とすること
ができる。
料電池に関する。 【０００２】 【従来の技術】従来の高分子電解質型燃料電池は、プロ
トン導伝性の高分子電解質薄膜と、正極および負極の電
極、それぞれの電極周縁部に位置するガスケット、さら
にカーボンあるいは金属製のバイポーラ板や冷却板によ
り構成した。電池反応に寄与する電極触媒層は、貴金属
触媒を担持したカーボン粉末と電解質と同等の材料の混
合物を構成材料とし、これに必要によりフルオロカーボ
ン化合物系の撥水材などを添加した混合物が一般的な構
成材料である。電極は、前記電極触媒層とガス拡散層と
を接合して構成する。このようにして構成した電極は電
解質である高分子膜と組み合わせて電池を構成する。ア
ノードおよびカソードの構成材料は、純水素を燃料とし
て用いる場合、同一のものを使用することが可能であ
る。炭化水素系燃料を改質した水素リッチなガスを燃料
とする場合、改質ガス中に含まれる一酸化炭素による貴
金属触媒の被毒を抑制するため、アノード側のみにルテ
ニウムなどの耐ＣＯ被毒材料を添加して構成することも
考えられてきた。また、電極のＣＯ被毒特性は、温度が
高いほど緩和されるため、改質ガスを燃料に用いる場合
には７０℃から９０℃程度の比較的高温で電池を運転す
ることが一般的である。 【０００３】一方、電解質はスルホン基を含む炭化フッ
ソ系の高分子が一般的であり、水分を含んだ状態でプロ
トン伝導性の電解質として機能する。そのため電池の作
動状態では、電解質は常に水分を含んだ状態である必要
があるが、水分を含んだ状態の電解質は、強酸性を呈す
る。そのため、電解質と直接接する部分の材料には耐酸
性が要求される。 【０００４】電解質が水分を含んだ状態で電解質として
機能するため、高分子電解質型燃料電池を動作させる場
合には、電池運転温度と同程度の温度の露点まで加湿し
た燃料や空気を電池に供給する必要がある。特に電池運
転温度が高温になるほど、供給ガスの加湿制御が重要に
なってくる。 【０００５】ここで燃料の加湿と空気の加湿を比較する
と、空気側のガス供給量は燃料ガスより多いため、加湿
量としては空気側の方が大きくなるのが一般的である。
また、燃料として、炭化水素系の燃料を水蒸気改質等に
よって改質した水素リッチなガスを用いる場合、改質ガ
ス中には５０℃から６０℃程度の露点に相当する水蒸気
が含まれる。そのため、空気側と比較すると燃料ガス側
に添加する加湿量はより小さくなる。 【０００６】このような供給する燃料ガスや空気を加湿
するシステムとして、従来は、高分子電解質型燃料電池
を冷却する冷却水を用いて供給ガスを加湿する方法が一
般的であった。仮に８０℃の作動温度で電池を運転する
場合、例えば冷却水を７８℃で電池に入れ、排出された
冷却水は８３℃となるように冷却水の入口温度や流量を
コントロールするのが一般的である。このとき電池の冷
却水温度は基本的にほぼ電池運転温度と同じであるた
め、排出された冷却水と、供給するガスとの温度と湿度
を全熱交換すると、ほぼ電池運転温度に近い露点のガス
を供給することが可能である。 【０００７】この時、高分子電解質膜と同様の膜を介し
て、排冷却水と供給ガスを全熱交換する事も提案されて
いる。さらに、場合によってはこの全熱交換器を電池モ
ジュールと接するようにして、電池と同じエンドプレー
ト内部に設けた、通称内部加湿器も提案されている。 【０００８】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、燃料電
池による発電システムをコージェネレーションシステム
として使用する場合、電池を冷却した排水を供給ガスの
全熱交換源として用いると、冷却水をコージェネレーシ
ョンシステムの熱源として使用するだけの熱を得にくく
なる。この時、電池から排出されるガスは、ほぼ電池運
転温度に近い温度が得られるが、コージェネレーション
システムの熱源として利用する場合には、電池からの排
ガスを熱交換しなければならない。しかしながら、ガス
とガスを熱交換する場合、熱交換器が大きくならざるを
得ないし、熱交換効率も低下する。 【０００９】 【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
め、本発明の高分子電解質型燃料電池は、高分子電解質
膜を正極と負極とで挟持し、さらに前記正極と前記負極
とをガス流路を形成したバイポーラ板で挟持したものを
単位電池とし、少なくとも前記単位電池と、集電板と、
絶縁板と、エンドプレートとを積層し、前記正極及び前
記負極にそれぞれ前記ガス流路を通じて空気と燃料ガス
とを供給することで電力を発生する高分子電解質型燃料
電池において、前記エンドプレートと前記絶縁板との
間、または前記絶縁板と前記集電板との間、または前記
集電板と前記単位電池との間に、前記正極に供給する空
気と前記正極から排出されるガスから熱および湿分を同
時に移動させる正極用全熱交換型内部加湿器と、前記負
極に供給する燃料ガスと前記負極から排出されるガスか
ら熱および湿分を同時に移動させる負極用全熱交換型内
部加湿器とを内蔵し、前記正極用全熱交換型内部加湿器
と前記負極用全熱交換型内部加湿器とは、前記単位電池
を構成する高分子電解質膜と同じ高分子電解質膜であっ
てかつ膜厚が２５μｍ以下である高分子電解質膜と、前
記高分子電解質膜を挟持した１対の親水性を有する多孔
質補強材と、前記多孔質補強材を挟持した１対の加湿器
用ガス流路板を積層した単位加湿器を複数個積層したこ
とを特徴とする。 【００１０】 【発明の実施の形態】上記の課題を解決するための手段
で記載したように、高分子電解質型燃料電池に供給する
ガスと排出されるガスの熱と湿度を同時に交換する全熱
交換器を電池と同じエンドプレート内に内蔵することに
よって、コージェネレーションシステムの熱源として利
用しやすい排冷却水を熱源として利用することが可能と
なる。 【００１１】また、２５μｍ以下の膜厚を有する高分子
電解質膜と同様の膜を介して全熱交換することによっ
て、よりコンパクトな内部全熱交換器を可能とすること
ができる。 【００１２】高分子電解質型燃料電池に供給するガスと
排出されるガスの、熱と湿度とを同時に交換する全熱交
換器を、電池と同じエンドプレート内に内蔵することに
よって、全熱交換器で加湿・加温したガスを電池に供給
するまでの配管が省略できる。また、配管を流通する間
に加温されたガス温度が低下することも防止できる。 【００１３】全熱交換器を電池外部に設置した場合、全
熱交換器から電池に入るまでの配管を保温することはも
ちろんであるが、仮に保温していたとしても管路の途中
で若干の温度低下は免れない。温度低下が起こった場
合、加湿ガスが結露して水蒸気が液化し、ミスト状の水
が電池に供給される場合がある。ミスト状の水がガスと
共に電池に供給された場合、水のミストが電池内の電極
表面を流れる間、電極表面が一瞬窒息状態に陥り、電池
電圧が急激に低下する現象が発生する。 【００１４】このとき、２５μｍ以下の膜厚を有する高
分子電解質膜と同様の膜を介して全熱交換することによ
って、よりコンパクトな内部全熱交換器を可能とするこ
とができる。 【００１５】更に、２５μｍ以下の膜厚を有する高分子
電解質膜と同様の膜を介して全熱交換する場合、膜の全
熱交換能力は非常に優れているが、微量のガスも膜を介
してクロスオーバーする。また、万一膜が破損した場合
にも安全性を確保するため、還元性ガスと酸化性ガスを
全熱交換しない構成をとることが望ましい。 【００１６】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照しながら
説明する。 【００１７】（実施例１） アセチレンブラック系カーボン粉末に、平均粒径約３０
Åの白金粒子を２５重量％担持したものを反応電極の触
媒とした。この触媒粉末をイソプロパノールに分散させ
た溶液に、（化１）で示したパーフルオロカーボンスル
ホン酸の粉末をエチルアルコールに分散したディスパー
ジョン溶液を混合し、ペースト状にした。このペースト
を原料としスクリーン印刷法をもちいて、厚み２５０μ
ｍのカーボン不織布の一方の面に電極触媒層を形成し
た。形成後の反応電極中に含まれる白金量は０．５ｍｇ
／ｃｍ2、パーフルオロカーボンスルホン酸の量は１．
２ｍｇ／ｃｍ2となるよう調整した。 【００１８】 【化１】【００１９】これらの電極は、正極・負極共に同一構成
とし、電極より一回り大きい面積を有するプロトン伝導
性高分子電解質膜の中心部の両面に、印刷した触媒層が
電解質膜側に接するようにホットプレスによって接合し
て、電極／電解質接合体（ＭＥＡ）を作成した。ここで
は、プロトン伝導性高分子電解質として、（化２）に示
したパーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの厚み
に薄膜化したものを用いた。 【００２０】 【化２】【００２１】前記ＭＥＡが非多孔質カーボンからなるバ
イポーラ板２枚のガス流路と向かい合う形で、２枚のバ
イポーラ板の間にＭＥＡを挟んで、高分子電解質型燃料
電池を構成した。 【００２２】この高分子電解質型燃料電池を、単位電池
として、同様の構成の高分子電解質型燃料電池を連続的
に１００段積層した。この積層電池の両外側に、それぞ
れ必要なガスマニホールド・冷却水マニホールド用穴を
設けた集電板を取り付け、さらに一方の外側には、全熱
交換型内部加湿器を設置した。 【００２３】内部加湿器は、中心部に電解質と同じ膜を
使用し、膜を補強するため親水処理を施した厚み１８０
μｍのカーボンペーパーで挟み、さらに電池のバイポー
ラ板と同様のガス流路を有するＳＵＳ３１６製の薄板で
挟持して単位全熱交換型内部加湿器を構成した。 【００２４】この全熱交換型内部加湿器を、単位加湿器
として、連続的に４０段積層した。この時、電池に供給
する空気は、まず全熱交換型内部加湿器内の、（化２）
に示したパーフルオロカーボンスルホン酸を２５μｍの
厚みに薄膜化した膜で仕切られた一方のガス流路空間に
並列に入り、全熱交換型内部加湿器を出た空気は、燃料
電池スタックに供給され、電池から排出された空気が全
熱交換型内部加湿器内の電解質膜で仕切られたもう一方
のガス流路空間に並列に入り、排出される構成をとっ
た。 【００２５】４０段積層した全熱交換型加湿器は、２０
段が空気加湿用、残り２０段が燃料加湿用として構成し
ており、空気加湿用と燃料加湿用全熱交換プレートは、
１枚ずつ交互に積層して構成した。燃料ガスは空気と同
様に、供給ガスと排出ガスが全熱交換する構造をとるよ
う構成した。 【００２６】この時使用した全熱交換型内部加湿器を、
電池に組み込む前に加湿器の部分のみで全熱交換能力の
測定を行った。入口側に供給する空気には温度２８℃、
露点−２８℃の乾燥空気を使用し、電池からの排ガスの
空気を導入する側には電池排ガスを模擬した温度７５
℃、露点７５℃の空気を供給して全熱交換を行った。 【００２７】その結果、入口ガスは全熱交換器の出口で
は、温度６５℃、露点６５℃に加温・加湿されており、
排ガス空気を導入する側から排出された空気は、温度５
６℃、露点５２℃まで降温・除湿されている事を確認し
た。 【００２８】そこで、全熱交換型内部加湿器を内蔵した
積層高分子電解質型燃料電池の両外側に、それぞれ必要
なガスマニホールド・冷却水マニホールド用穴を設けた
・絶縁板・エンドプレートを取り付け、最外側の両エン
ドプレート間を、ボルトとバネとナットを用いて、電極
面積に対して２０ｋｇ／ｃｍ2の圧力で締め付け、高分
子電解質型燃料電池スタックを構成した。 【００２９】この高分子電解質型燃料電池スタックに冷
却水を流しながら７５℃に保持し、負極側に乾燥水素ガ
スを内部加湿によって加湿・加温して供給し、正極側に
乾燥空気を内部加湿器によって加湿・加温して供給した
ところ、無負荷時に４９Ｖの電池電圧を得た。 【００３０】さらに、この電池を燃料利用率８０％、酸
素利用率４０％、電流密度０．７Ａ／ｃｍ2の条件で連
続発電試験を行ったところ、５０００時間以上にわたっ
て３１Ｖ以上の電池電圧を保ったまま、電池電圧の劣化
なく発電が可能であった。また、この時の排冷却水温度
は、出口側で８５℃となるよう冷却水流量を調整しても
問題なく電池は作動を続け、１０℃の温度差を有する温
水を、熱源として有効に利用できることを確認した。 【００３１】 【発明の効果】以上のように本発明は、高分子電解質型
燃料電池に供給するガスと排出されるガスの熱と湿度を
同時に交換する全熱交換器を電池と同じエンドプレート
内に内蔵することによって、コージェネレーションシス
テムの熱源として利用しやすい排冷却水を熱源として利
用することが可能となる。 【００３２】また、２５μｍ以下の膜厚を有する高分子
電解質膜と同様の膜を介して全熱交換することによっ
て、よりコンパクトな内部全熱交換器を可能とすること
ができる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(72)発明者 行天 久朗
大阪府門真市大字門真1006番地 松下電
器産業株式会社内
(56)参考文献 特開 平６−132038（ＪＰ，Ａ)
特開 平９−35737（ＪＰ，Ａ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
H01M 8/04,8/24
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 高分子電解質膜を正極と負極とで挟持
し、さらに前記正極と前記負極とをガス流路を形成した
バイポーラ板で挟持したものを単位電池とし、少なくと
も前記単位電池と、集電板と、絶縁板と、エンドプレー
トとを積層し、前記正極及び前記負極にそれぞれ前記ガ
ス流路を通じて空気と燃料ガスとを供給することで電力
を発生する高分子電解質型燃料電池において、 前記エンドプレートと前記絶縁板との間、または前記絶
縁板と前記集電板との間、または前記集電板と前記単位
電池との間に、前記正極に供給する空気と前記正極から
排出されるガスから熱および湿分を同時に移動させる正
極用全熱交換型内部加湿器と、前記負極に供給する燃料
ガスと前記負極から排出されるガスから熱および湿分を
同時に移動させる負極用全熱交換型内部加湿器とを内蔵
し、 前記正極用全熱交換型内部加湿器と前記負極用全熱交換
型内部加湿器とは、前記単位電池を構成する高分子電解
質膜と同じ高分子電解質膜であってかつ膜厚が２５μｍ
以下である高分子電解質膜と、前記高分子電解質膜を挟
持した１対の親水性を有する多孔質補強材と、前記多孔
質補強材を挟持した１対の加湿器用ガス流路板を積層し
た単位加湿器を複数個積層したことを特徴とする高分子
電解質型燃料電池。
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