JPH03102774A

JPH03102774A - 固体高分子電解質型燃料電池

Info

Publication number: JPH03102774A
Application number: JP1297613A
Authority: JP
Inventors: Choichi Furuya; 長一古屋; Kuninobu Ichikawa; 市川　国延; Ko Wada; 和田　香; Isao Hirata; 平田　勇夫; Hiroshi Nakajima; 宏中嶋; Takafumi Shimada; 嶋田　隆文; Yoshiyuki Takeuchi; 善幸竹内
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 1989-06-28
Filing date: 1989-11-17
Publication date: 1991-04-30
Anticipated expiration: 2013-06-04
Also published as: JP2761059B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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
３ｌ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を密着サ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。

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。

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。

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。

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。

（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
補給清を付設し、固体高分子電解質膜に接合したガス拡
ｒｒ！１′：ｒ１極と上記がスセパレー夕を交互に積層
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、」二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。

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ｍ
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、水供給用溝に連通ずる導入管に供給水の温度調
節藩及び流ｊｌ　，ｉｉ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ｉｔ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も
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｛ｆするものであれば秤類を問わない。例えば、
特開昭６２１５４５７１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ｆ１゜するものであればその秤類を
問わないが、例えば、バ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、所一定の強度
が得られるものであればよい。例えば、溝の幅をＩ　Ｏ
ｍｍ以下、溝の深さを１．　０１１１１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
ｔｉｌｌ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及び酸素ガスセバレータ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
構或する。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Ｍｉ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ｉ？ｆｔ　Ｉ　Ｏ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１ｌより導入され
、水素供給マニホールドｌ２からそれぞれの水素供給溝
６に送られ、水素極全而に水素を供給する。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ｌ４
より排出される。

冷却水は、冷却水供給口ｌ５より導入され冷却水マニホ
ールドｌ６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ｌ７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の両而１こは、酸素供給溝８と、必要に応
じて酸素補給溝９と、冷却水溝ｌＯを設けることができ
る。酸素ガスは、酸素供給口ｌ９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ｊ＋１　９
に送られ、酸素極全而に酸素を供給する。

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満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
、酸素袖給マニホールド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。

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。

第４図は、セパレー夕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而図、（＋））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１３−８矢視側断面図である。

（ａ）において、ガスセバレー夕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
ｌ２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ｌ３及び水素排出口ｌ４を介して過剰の水素は排
出される。また、」一記水供給溝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ノレドｌ７から
排出される。

他方、（ｂ）において、ガスセノく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１
９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２ｌ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ｌ５
から導入された冷却水を、冷却水供給マニホルドＩ６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ｌ
７及び冷却水排出口Ｉ８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夕を
、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ｌ）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
のテユポン製ナフィオン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、該親水性反応屑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
．　５１１１で有効面桔は目ｃｍＸ　ｌｉｅｓである。

ガスセパレータはｉ’（ちゅう製で、溝の幅が０．　５
＋ａｍで深さがＩ．　Ｏｍｇ＋のちのを用い、上記電極
の疎水性ガス拡散屑に密着させて燃料電池セルを構成し
た。

Ｌ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
一電圧特性を調べ、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
、Ｌ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、
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１００〜１５ＧＩＩＩＶという大輻の電
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のテユボン製ナフィオン＋１７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
ボンブラック及びボ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ボ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．　６ａｍで有
効面積は１９ｃｍ８　１９ｃｍである。ガスセパレータ
は真ちゅう製で、溝の幅がＩ　ａｒｍで深さが１ｍ＋ｓ
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
流密度一電圧特性を調べ、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、大幅の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。

【図面の簡単な説明】

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　）　ｒＪ’
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図は酸素ガスセバレータの
説明図であり、第３図（ａ）は正面図、同図（ｂ）はそ
の＾−Ａ失視側断而図、第４図は本発明の別の只体例で
あるガスセパレータの１具体例ノ詳細図であり、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而図、
同図（ｃ）は（ａ）のＡ−Ａ矢視側断面図、同図（ｄ）
は（ａ）のＢＨ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一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膜ｊ（７燃料電池
の説明図である。第１図（ｂ）第３図弟２図（α）（ｂ）弟４図− （α）第５図電流密度ＣＡ／ｃｍ２）第６図電Ｒ白度（Ａ／ｃｍ２）

Claims

【特許請求の範囲】

（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。
（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。
（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。