JPH04259759A - 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 - Google Patents

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

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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】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質（以
下「ＰＥ」という。）を用いた燃料電池及び電解セルの
高性能化を図る隔膜加湿構造に関するものである。
【０００２】
【従来技術とその課題】燃料電池は、高エネルギ効率、
無公害の発電装置として、エネルギ資源の枯渇、地球規
模の環境汚染が問題となっている今、実用化が急がれて
いる。
【０００３】ＰＥを用いた燃料電池は軽量、大出力が期
待され（Ｄ．Ｗａｔｋｉｎｓ　　ｅｔａｌ．、Ｐｒｏｃ
ｅｅｄｉｎｇ　　ｏｆ　　ｔｈｅ　　３３ｒｄ　　Ｉｎ
ｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　　Ｐｏｗｅｒ　　Ｓｏｕｒｃ
ｅｓ　　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ、ＰＰ．７８２−７９１、
１３−１６Ｊｕｎｅ（１９８８）：文献１や、Ｅ．Ａ．
Ｔｉｃｉａｎｅｌｌｉ　　ｅｔ　　ａｌ．、Ｊ．Ｅｌｅ
ｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ　　Ｓｏｃｉｅｔｙ、１３５
、２２０９（１９８８）：文献２に記載されている。）
電気自動車その他の小型電力電源として期待される。ま
た、ＰＥを用いた電解セルはメタノール、エチレン等の
気体状の炭化水素等を原料とする電解合成用のセルとし
て将来期待される。 これらのセルの性能は用いられるＰＥのイオン伝導性に
大きく支配される。ＰＥ中に十分な水分が含まれていな
いと、その伝導性が著しく低下し、抵抗が著しく増大し
てセル性能が低下する。
【０００４】この解決法として用いられている方法は、
反応ガス（燃料水素ガス及び酸化剤酸素または空気）に
水蒸気を含ませ、セル内に送り込んでいる。しかし、水
蒸気分圧だけ、反応ガスが希釈されその分圧が低下し、
その上電極触媒層中の反応ガスの拡散も阻害されるため
、特性の低下を来たす。また、変動する負荷に追従して
、水蒸気圧を十分制御できず、ＰＥが乾燥したり、逆に
触媒層を濡らしすぎてしまったりし、特性低下を来たす
。
【０００５】他に、ＰＥ中をアノードからカソードに向
かって電流に比例してＨ＋　イオンが移動するが、Ｈ＋
　イオンが数分子のＨ２　Ｏを同伴するため、アノード
側のＨ２　Ｏの欠乏がカソード側より大きい（Ｔ．Ｓｐ
ｒｉｎｇｒ　　ｅｔ　　ａｌ．、Ｅｘｔｅｎｄｅｄ　　
Ａｂｓｔｒａｃｔ．Ｎｏ１１８、Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃ
ｈｅｍｉｃａｌ　　ＳｏｃｉｅｔｙＭｅｅｔｉｎｇ、ｖ
ｏｌ９０−２、Ｏｃｔ（１９９０）：文献３に記載され
ている。）が水蒸気の混入方式での対応は困難である。 従って、負荷変動の激しい移動動力電源としては、これ
らの問題を解決することが必須であり、電解セルについ
ても同様の問題点を含むものである。
【０００６】
【発明の目的】本発明は、ＰＥを用いた燃料電池及び電
解セルを実現に向け、前述の問題点を解決する方法を提
供することを目的とする。
【０００７】
【問題点を解決するための手段】本発明は、固体高分子
電解質を用いた燃料電池及び電解セルにおいて、固体高
分子電解質に水を供給するための細い通路を設けて成る
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
で、前記固体高分子電解質に設けられた細い通路が耐蝕
性の縒糸を一方向、一定間隔に埋め込んだものである固
体高分子電解質燃料電池及び電解セルの隔膜加湿構造で
あり、前記固体高分子電解質に設けられた細い通路が該
固体高分子電解質からなる隔膜の厚さの中心より偏在し
たものであり、またその偏在がアノード側にあり、前記
固体高分子電解質に設けられた細い通路に、ポンプによ
って強制的に加湿量および加湿速度が変えられる固体高
分子電解質燃料電池及び電解セルの隔膜加湿構造である
。
【０００８】以下、本発明の詳細について説明する。Ｐ
Ｅを隔膜とし、水を供給するための細い通路を該隔膜内
に設けて直接水を一方方向より運転条件（電流密度、温
度等）に対応して供給量を変えることにより、前述の問
題を容易に解決できる。また、水を供給するための細い
通路を耐蝕性の縒糸を、一方向、一定間隔に埋め込んで
おけば、該耐蝕性の縒糸により供給した水が毛細管現象
により速やかにＰＥ内に供給されるのである。さらに、
水を供給するための細い通路をＰＥ内の厚みの中心より
偏在させアノード側に近くさせることでアノードの乾燥
を重点的に抑制させることができるのである。
【０００９】以上のようなＰＥを用いた隔膜は、実験室
的にはＰＥとして例えばナフィオン膜に１ｍｍ間隔で耐
蝕性の糸で例えばテトロン糸の縒糸を配置し、別にアル
ミ箔上にナフィオン溶液を塗布して薄い膜を調製し、該
膜を前記配置した縒糸上に乗せホットプレスして作製す
ればよいものである。工学的には、イオン交換膜の製膜
時に上述の如く配した糸を一体成膜すればよい。しかし
、膜強化のため、上記糸と直交する糸を付加したり、別
途織布または不織布を付加することを妨げるものでない
。
【００１０】上記のように作成した水供給通路１（テト
ロンの縒糸を埋め込んだ通路）を設けたＰＥ隔膜２に通
常燃料電池に用いられるガス拡散電極をアノード３、カ
ソード４として両側に接合した状態を図１に示すもので
ある。また、燃料電池及び電解セルとしての構造は図２
に示すようなもので、ガス供給及びセパレータ兼用バイ
ポーラ板５、５′の間にパッキン６、７、８を用いてシ
ールする。セル間連絡通路を通って、スタック下部より
供給された水は液ダメ（入口）９側より水供給通路１を
通って、ＰＥ隔膜２に水を供給し、液ダメ（出口）９′
側に出て、その後セル間連絡口を通って、上部より外部
に流出させる。水の供給圧力を変えることにより、運転
条件に対応させ速やかに加湿度の調節ができるものであ
る。以下、本発明の実施例を記載するが、該実施例は本
発明を限定するものではない。
【００１１】
【実施例】市販のＰＥ（デュポン製：ナフィオン１１７
Ｒ　）厚み約０．１５ｍｍ、大きさ５０×５０ｍｍに、
１ｍｍ間隔でテトロン糸の縒糸（約０．１ｍｍ径）４８
本を配置した。別に、アルミ箔に溶液状ＰＥ（デュポン
製：ナフィオン）を塗布し０．０５ｍｍ厚の膜５０×５
０ｍｍを形成したものを前記テトロン糸の上に乗せ、５
０ｋｇ／ｃｍ２　、１５０℃でホットプレスしてアルミ
箔を剥がして、水を供給するための細い通路のテトロン
の縒糸を埋め込んだＰＥ隔膜を作製した。また、別途、
通常リン酸型燃料電池用に用いると同様のアノード及び
カソード用ガス拡散電極をカーボンブラックに白金触媒
を３０ｗｔ％担持したものを用い、電極中の触媒量を０
．５ｍｇ／ｃｍ２　になるように調製し、この触媒層表
面に前記文献２と同様の方法でナフィオン溶液を４ｍｇ
／ｃｍ２　塗布、含浸させる。しかる後、この２枚のア
ノード、カソードの間に前記で作製したＰＥ隔膜を挟み
、２５ｋｇ／ｃｍ２、１５０℃でホットプレスして、Ｐ
Ｅ隔膜を用いた燃料電池電極本体を作製した。
【００１２】
【比較例】実施例のＰＥ隔膜の代わりに市販のＰＥ膜の
みとし、その他は実施例と同様に操作してＰＥ膜を用い
た燃料電池電極を作製した。上記のように実施例と比較
例で作製したそれぞれの燃料電池を図２に示すシール構
造を持つ単セル試験装置に組み込み、液ダメ（入口）９
側の膜上に参照電極をセットした。この電位を基準にし
てアノード側、カソード側の膜抵抗をカレントインタラ
プタ法を用いて種々の条件で運転して抵抗値を測定比較
したところ、表１に示したような結果であった。表１は
、電池運転温度を６０℃とし、本発明による加湿法と従
来の蒸気加湿法（アノード、カソード反応ガスとも６０
℃で飽和加湿）によって加湿されたＰＥ膜の面積当りの
抵抗値比較を示すものである。
【００１３】
【表１】
【００１４】表１のＡ−Ｃ値の比較から明らかな如く、
従来法に比較し、本法による加湿膜は、膜全体の抵抗値
で２／３に低下する。またＡ−Ｒの比較から明らかな如
く、本法の加湿法により特にアノード側の乾燥が抑制さ
れ、著しい膜抵抗値の低下がもたらされ、本発明の効果
が顕著であることが示された。この膜抵抗の低下により
５００ｍＡ／ｃｍ２　の発電で約５０ｍＶ、１Ａ／ｃｍ
２　の発電で１００ｍＶ電池電圧の向上がもたらされる
。図３には、抵抗値の電流密度の依存性を示した。少な
くとも５００ｍＡ／ｃｍ２　の高電流密度発電まで、抵
抗値の全く増加のない状態で運転できることが分かる。
【００１５】尚、上記実施例では、水を供給するための
細い通路にテトロンの縒糸を埋め込んだＰＥ隔膜を用い
たが、本発明はこれに限るものではなく、中空繊維（例
えば外径２０μｍ、内径７〜８μｍのポリエステル中空
繊維）から成る縒糸を埋め込んだＰＥ隔膜を用いても良
いものである。このようなＰＥ隔膜を用いた場合、埋め
込まれた縒糸が中空繊維から成っているので、繊維の中
空部分にも水が入り、中空繊維の微細孔（直径０．０１
〜３μｍ）を通してＰＥ隔膜に供給される。従ってその
分水の供給が増えるので、水の供給するための通路をそ
の分細くすることもでき、それによってＰＥ隔膜の厚さ
を薄くして導電性を高めることも可能となり、極めて有
効である。
【００１６】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
の加湿構造とした隔膜を用いることにより、膜抵抗値の
低下がもたらされ、その結果、電池電圧の向上が得られ
るもので従来の課題を一挙に解決することのできる画期
的なものと言える。
【図面の簡単な説明】
【図１】テトロン糸の縒糸を埋め込んだＰＥ隔膜をガス
拡散電極から成るアノード、カソードで挟み接合した状
態の斜視図。
【図２】シール構造を持つ単セルに組上げたＰＥ隔膜を
用いた燃料電池の断面図。
【図３】本発明の隔膜加湿構造における膜抵抗の電流密
度依存性を示すグラフ。
【符号の説明】
１　　水供給通路 ２　　ＰＥ隔膜 ３　　アノード ４　　カソード ５、５′　　バイポーラ板 ６、７、８　　パッキン ９　　電解液ダメ入口 ９′　　電解液ダメ出口

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】　　固体高分子電解質を用いた燃料電池及
    び電解セルにおいて、固体高分子電解質に水を供給する
    ための細い通路を設けて成る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。
  2. 【請求項２】　　前記固体高分子電解質に設けられた細
    い通路が耐蝕性の縒糸を一方向、一定間隔に埋め込んだ
    ものである請求項１に記載の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。
  3. 【請求項３】　　前記固体高分子電解質に設けられた細
    い通路が該固体高分子電解質からなる隔膜の厚さの中心
    より偏在したものである請求項１又は２に記載の固体高
    分子電解質燃料電池及び電解セルの隔膜加湿構造。
  4. 【請求項４】　　前記固体高分子電解質に設けられた細
    い通路が、燃料電池又は電解セルにおけるアノード側に
    偏在したものである請求項１〜３のいずれかに記載の固
    体高分子電解質燃料電池及び電解セルの隔膜加湿構造。
  5. 【請求項５】　　前記固体高分子電解質に設けられた細
    い通路に、ポンプによって強制的に加湿量および加湿速
    度が変えられる請求項１〜４のいずれかに記載の固体高
    分子電解質燃料電池及び電解セルの隔膜加湿構造。
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