JPH06132038A - 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

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JPH06132038A
JPH06132038A JP4280358A JP28035892A JPH06132038A JP H06132038 A JPH06132038 A JP H06132038A JP 4280358 A JP4280358 A JP 4280358A JP 28035892 A JP28035892 A JP 28035892A JP H06132038 A JPH06132038 A JP H06132038A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】反応ガス量の変化に応じて安定した加湿量が得
られ、小型化，大容量化が容易な反応ガス加湿装置を備
えた固体高分子電解質型燃料電池を得る。 【構成】イオン導電性を有する固体高分子膜２および燃
料電極３，酸化剤電極４を有する単セル１を、凹溝から
なる反応ガス通路６，７を有するバイポ−ラプレ−トを
介して複数層積層してなる固体高分子電解質型燃料電池
スタック１０において、水蒸気透過膜１２と、この水蒸
気透過膜により画成された加湿ガス室１３および被加湿
ガス室１４とを備え、反応ガス通路から排出されるオフ
ガスを加湿ガス，反応ガス通路に供給する反応ガスを被
加湿ガスとして反応ガスを加湿する反応ガス加湿装置１
１，２１を設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子膜を電解
質膜として用いた固体高分子電解質型燃料電池、ことに
固体高分子膜を加湿するための反応ガスの加湿構造に関
する。
【０００２】
【従来の技術】図２は固体高分子電解質型燃料電池の単
セル構造を模式化して示す断面図であり、単セル１は、
イオン導電性を有する固体高分子膜２と、その両面に密
着するよう支持された燃料電極（アノ−ド電極）３およ
び酸化剤電極（カソ−ド電極）４とで構成される。ま
た、単セル１を挟持するバイポ−ラプレ−ト５は導電性
を有するガス不透過性板からなり、その燃料電極３に接
する面側に凹溝として形成された燃料ガス通路６に燃料
ガスとしての水素を、酸化剤電極４に接する面側に凹溝
として形成された酸化剤通路７に酸化剤としての酸素ま
たは反応空気を供給することにより、単セル１の一対の
電極間で電気化学反応に基づく発電が行われる。なお、
このように構成された単セル１の出力電圧は１Ｖ以下と
低いので、単セル１とバイポ−ラプレ−ト５を複数層積
層してスタックを構成することにより、所望の出力電圧
の固体高分子電解質型燃料電池が得られる。
【０００３】一方、イオン導電性を有する固体高分子膜
１としては、例えばプロトン交換膜であるパ−フロロカ
−ボンスルホン酸膜（米国，デュポン社，商品名ナフィ
オン）を電解質膜として用いたものが知られており、分
子中にプロトン（水素イオン）交換基を持ち、飽和含水
す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とともに、燃料ガ
スと酸化剤ガスの混合を防ぐ隔膜としても機能する。す
なわち、アノ−ド電極（燃料電極）側では水素分子を水
素イオンと電子に分解するアノ−ド反応（Ｈ2 →２Ｈ+
＋２ｅ- ）が、カソ−ド電極（酸化剤電極）側では酸素
と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応（２
Ｈ+ ＋1/2 Ｏ2 ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ）なるカソ−ド反応が
それぞれ行われ、全体としてＨ2 ＋1/2 Ｏ2 →Ｈ2 Ｏな
る電気化学反応が行われ、アノ−ドからカソ−ドに向か
って外部回路を移動する電子により発電電力が負荷に供
給される。
【０００４】上述のように、固体高分子電解質型燃料電
池ては、電解質膜を飽和含水させることにより、膜はプ
ロトン交換膜として機能するものであるから、固体高分
子電解質型燃料電池の発電効率を高く維持するためには
固体高分子膜２中を飽和含水状態に維持するとともに、
固体高分子電解質型燃料電池の運転温度を５０〜１００
°C 程度に保持して固体高分子膜の比抵抗を低く保つ必
要がある。このため、各単セル１の固体高分子電解質膜
２はあらかじめ飽和量の水を含水させた状態でスタック
の組立作業が行われる。ところが、運転温度を上記温度
範囲に高めて発電を行うと、下記に示す固体高分子膜２
の乾燥作用が発生し、固体高分子膜２を飽和含水状態に
維持できず固体高分子電解質型燃料電池の発電効率が低
下するという問題が発生する。すなわち、燃料ガスおよ
び酸化剤ガスにより電気化学反応で生成した水が系外に
持ち出されるとともに、アノ−ド反応において生成した
プロトン２Ｈ+ が固体高分子膜中をアノ−ドからカソ−
ドに向けて移動する際、プロトンに数分子の水が配向し
て一緒に移動し、燃料ガス，酸化剤とともに系外に持ち
出されることにより、固体高分子膜の乾燥が進行する。
【０００５】そこで、このような事態を回避するため
に、反応ガス通路６および７に供給する反応ガス（燃料
ガスおよび酸化剤）に水を添加して反応ガス中の水蒸気
濃度（水蒸気分圧）を高め、固体高分子膜２からの水分
の蒸発を抑えるよう構成したものが知られている。反応
ガスの加湿方法としては、燃料電池の外部に燃料電池の
運転温度あるいはそれ以上に加熱した湯を溜めた加湿器
を設け、この加湿器の温湯の中に反応ガスをバブリンク
して加湿し、加湿した反応ガスを固体高分子電解質型燃
料電池の各単セルに供給するバブリング加湿法が知られ
ている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上述のバブリング式加
湿器を用いる加湿方法においては、反応ガスの供給量に
応じて加湿器におけるガスのバブリング量を調節する必
要があるため、固体高分子電解質型燃料電池が大型化す
るとともにバブリング量が増し、これに対応して加湿器
が大型化するとともに、燃料電池の負荷の変動に対応し
てバブリング量を制御し、かつ充分加湿した状態で燃料
電池に遅滞なく供給する制御が困難になるという問題が
あった。
【０００７】また、加湿器の水温を運転温度と同等以上
に保持するための熱源および給水を外部に求める必要が
あり、固体高分子電解質型燃料電池としての熱効率が低
下するという問題もあった。この発明の目的は、反応ガ
ス量の変化に関わりなく安定した加湿量が得られ、小型
化，大容量化が可能な反応ガス加湿装置を備えた固体高
分子電解質型燃料電池を得ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明によれば、イオン導電性を有する固体高分
子膜と、その両面に密着して配された燃料電極および酸
化剤電極とからなる単セルを、ガス不透過性板の両面の
前記燃料電極および酸化剤電極それぞれに対向する部分
に凹溝からなる反応ガス通路を有するバイポ−ラプレ−
トを介して複数層積層してなる固体高分子電解質型燃料
電池において、水蒸気透過膜と、この水蒸気透過膜によ
り画成された加湿ガス室および被加湿ガス室とを備え、
前記反応ガス通路から排出されるオフガスを加湿ガス，
前記反応ガス通路に供給する反応ガスを被加湿ガスとし
て反応ガスを加湿する反応ガス加湿装置を設けてなるも
のとする。
【０００９】また、反応ガス加湿装置の加湿ガス室が酸
化剤通路の出口側に連通して空気極オフガスを導入し、
被加湿ガス室が酸化剤通路の入口側に連通して加湿した
反応空気を酸化剤通路に供給するよう形成してなるもの
とする。さらに、反応ガス加湿装置の加湿ガス室が燃料
ガス通路の出口側に連通して燃料極オフガスを導入し、
被加湿ガス室が燃料ガス通路の入口側に連通して加湿し
た燃料ガスを燃料ガス通路に供給するよう形成してなる
ものとする。
【００１０】
【作用】この発明の構成において、水蒸気透過膜と、こ
の水蒸気透過膜により画成された加湿ガス室および被加
湿ガス室とを備え、反応ガス通路から排出されるオフガ
スを加湿ガス，反応ガス通路に供給する反応ガスを被加
湿ガスとして反応ガスを加湿する反応ガス加湿装置を設
けるよう構成したことにより、反応ガス通路内で反応ガ
スに発電生成水が水蒸気となって加わることにより水蒸
気分圧が上昇したオフガスを加湿ガスとし、未加湿の反
応ガスに対する水蒸気分圧の差を利用して水蒸気透過膜
を透過した水蒸気により未加湿の反応ガスを加湿し、加
湿反応ガスとして燃料電池に供給する発電生成水の閉回
路が得られるとともに、燃料電池の発熱を奪って温度が
上昇したオフガスの熱エネルギ−を水蒸気透過膜を介し
て常温の反応ガスに回収する発電生成熱の閉回路を形成
できるので、固体高分子電解質型燃料電池が排出する生
成水および生成熱を反応ガスにリサイクルし、外部熱源
を必要とせずに反応ガスを加湿，予熱する機能が得られ
る。
【００１１】また、燃料電池に供給する反応ガス量とオ
フガス量とは常に比例関係があり、かつ発電生成水およ
び生成熱も反応ガスの供給量に比例するので、反応ガス
の加湿および予熱を特別の制御を必要とせずに遅滞なく
行う機能が得られる。さらに、水蒸気透過膜を例えば波
型に折り畳んで配置することにより、反応ガス加湿装置
を大型化することなく水蒸気透過膜の表面積を反応ガス
量に対応して容易に拡張できるので、反応ガス加湿装置
の小型化，大容量化を容易化する機能が得られる。
【００１２】さらにまた、反応ガス加湿装置は燃料ガス
側，酸化剤ガス側いずれに設けてもよく、また双方に設
けることにより、固体高分子電解質膜の乾燥をより確実
に防止する機能が得られる。
【００１３】
【実施例】以下、この発明を実施例に基づいて説明す
る。図１はこの発明の実施例になる固体高分子電解質型
燃料電池を模式化して示すシステム構成図であり、従来
技術と同じ構成部分には同一参照符号を付すことによ
り、重複した説明を省略する。図において、反応ガス加
湿装置としての酸化剤加湿装置１１および燃料ガス加湿
装置２１は、ともにその気密容器内を加湿ガス室１３と
被加湿ガス室１４とに画成する水蒸気透過膜１２を備え
る。水蒸気透過膜１２には、例えば旭硝子社製，商品名
SUNSEP-Wが用いられる。なお、水蒸気透過膜１２を蛇腹
状に折り畳んだ状態で気密容器内セットするか、あるい
は複数枚の水蒸気透過膜を用い、互いに並列な複数の加
湿ガス室１３および被加湿ガス室１４にそれぞれ画成す
るよう構成すれば、水蒸気透過膜１２の表面積を気密容
器を大型化せずに反応ガスの最大供給量に対応して拡張
できる利点が得られる。
【００１４】また、燃料ガスとしての水素を貯蔵するボ
ンベ１５を調整弁１６および燃料ガス加湿装置２１の被
加湿ガス室１４を介して固体高分子電解質型燃料電池１
０の燃料電極３側の燃料ガス通路６に連結し、その出口
側から排出される燃料極オフガスを加湿ガス室１３およ
びリリ−フ弁１６を介して系外に放出するよう構成する
ことにより、燃料ガス加湿系が構成される。また、反応
空気ブロワ１８により供給される酸化剤としての反応空
気を酸化剤加湿装置１１の被加湿ガス室１４を介して固
体高分子電解質型燃料電池１０の酸化剤電極４側の酸化
剤通路７に連結し、その出口側から排出される空気極オ
フガスを加湿ガス室１３およびリリ−フ弁１９を介して
系外に放出するよう構成することにより、酸化剤の加湿
系が構成される。
【００１５】上述のように構成された固体高分子電解質
型燃料電池において酸化剤加湿装置１１は、例えば燃料
電池１０の酸化剤通路７内で酸化剤電極４で生成した発
電生成水が水蒸気となって反応空気に加わるので、酸化
剤通路７から排出される空気極オフガスの水蒸気分圧が
上昇し、水蒸気透過膜１２を介して向流接触する反応空
気との間に水蒸気分圧の差が発生する。また、燃料電池
の発熱を奪って燃料電池の運転温度以上に温度が上昇し
た空気極オフガスの熱エネルギ−は水蒸気透過膜１２を
介して常温の反応空気に伝達され、反応空気の温度が運
転温度近くにまで上昇する。その結果、水蒸気分圧の差
を利用して水蒸気透過膜１２を透過した水蒸気が運転温
度近くに予熱された未加湿の反応空気を加湿することに
なり、飽和状態に加湿された運転温度に近い反応空気を
固体高分子電解質型燃料電池の酸化剤通路７を介して酸
化剤電極４に供給し、電極の乾燥を防止することができ
る。このように、酸化剤加湿装置１１によれば、固体高
分子電解質型燃料電池の発電生成水および生成熱を常
温，未加湿の反応空気側にリサイクルして反応空気の加
湿および予熱を同時に行うことができる。
【００１６】また、燃料電池に供給する反応ガス量とオ
フガス量とは常に比例関係にあり、かつ発電生成水およ
び生成熱も反応ガスの供給量に比例するので、反応ガス
の加湿および予熱が特別の制御を必要とせずに遅滞なく
行われ、負荷の変動に対応して加湿された反応ガスを固
体高分子電解質型燃料電池に供給できる利点が得られ
る。
【００１７】さらに、水蒸気透過膜を例えば波型に折り
畳んで配置することにより、反応ガス加湿装置を大型化
することなく水蒸気透過膜の表面積を反応ガスガ量に対
応して容易に拡張できるので、反応ガス加湿装置の小型
化，大容量化を容易化できる利点が得られる。なお、燃
料ガス加湿装置２１についても得られる機能は酸化剤加
湿装置１１のそれと同様であるが、発電生成水の放出量
が酸化剤通路７側に多く、燃料ガス通路側に少ないた
め、燃料ガス加湿装置２１による燃料ガスの加湿量が不
足する場合には、バブリング式加湿器などを補助的に設
け、加湿量の不足を補うよう構成されてよい。
【００１８】
【発明の効果】この発明は前述のように、水蒸気透過膜
と、この水蒸気透過膜により画成された加湿ガス室およ
び被加湿ガス室とを備え、反応ガス通路から排出される
オフガスを加湿ガス，反応ガス通路に供給する反応ガス
を被加湿ガスとして反応ガスを加湿する反応ガス加湿装
置を設けるよう構成した。その結果、固体高分子電解質
型燃料電池の発電生成水および生成熱を水蒸気透過膜を
介して常温，未加湿の反応ガス側にリサイクルし、反応
ガスの加湿および予熱を同時に行えるとともに、燃料電
池に供給する反応ガス量とオフガス量とは常に比例関係
にあり、負荷の変動に対応して反応ガスの加湿および予
熱を特別の制御を必要とせずに遅滞なく行え、かつ反応
ガス加湿装置を大型化することなく水蒸気透過膜の表面
積を反応ガス量に対応して容易に拡張できるので、バブ
リング式加湿器を用いた従来の加湿方法での問題点が排
除され、外部熱源や水の補給を必要とせずに大容量化，
小型化容易な水蒸気加湿装置を用い、負荷の変動に遅滞
なく対応して加湿かつ予熱した反応ガスを燃料電池に供
給し、固体高分子電解質膜の乾燥を防止できる固体高分
子電解質型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施例になる固体高分子電解質型燃
料電池を模式化して示すシステム構成図
【図２】固体高分子電解質型燃料電池の単セル構造を模
式化して示す断面図
【符号の説明】
１ 固体高分子電解質型燃料電池の単セル ２ 固体高分子電解質膜 ３ 燃料電極 ４ 酸化剤電極 ５ バイポ−ラプレ−ト ６ 燃料ガス通路 ７ 酸化剤通路 １０ 固体高分子電解質型燃料電池（スタック） １１ 反応ガス加湿装置（酸化剤加湿装置） １２ 固体高分子電解質膜 １３ 加湿ガス室 １４ 被加湿ガス室 １５ 水素ボンベ １８ 反応空気ブロワ ２１ 反応ガス加湿装置（燃料ガス加湿装置）

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】イオン導電性を有する固体高分子膜と、そ
    の両面に密着して配された燃料電極および酸化剤電極と
    からなる単セルを、ガス不透過性板の両面の前記燃料電
    極および酸化剤電極それぞれに対向する部分に凹溝から
    なる反応ガス通路を有するバイポ−ラプレ−トを介して
    複数層積層してなるものにおいて、水蒸気透過膜と、こ
    の水蒸気透過膜により画成された加湿ガス室および被加
    湿ガス室とを備え、前記反応ガス通路から排出されるオ
    フガスを加湿ガス，前記反応ガス通路に供給する反応ガ
    スを被加湿ガスとして反応ガスを加湿する反応ガス加湿
    装置を設けてなることを特徴とする固体高分子電解質型
    燃料電池。
  2. 【請求項２】反応ガス加湿装置の加湿ガス室が酸化剤通
    路の出口側に連通して空気極オフガスを導入し、被加湿
    ガス室が酸化剤通路の入口側に連通して加湿した反応空
    気を酸化剤通路に供給するよう形成してなることを特徴
    とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。
  3. 【請求項３】反応ガス加湿装置の加湿ガス室が燃料ガス
    通路の出口側に連通して燃料極オフガスを導入し、被加
    湿ガス室が燃料ガス通路の入口側に連通して加湿した燃
    料ガスを燃料ガス通路に供給するよう形成してなること
    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。
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