JPH06231788A

JPH06231788A - 固体高分子型燃料電池

Info

Publication number: JPH06231788A
Application number: JP5016116A
Authority: JP
Inventors: Makoto Uchida; 誠内田; Hiroko Aoyama; 裕子青山; Nobuo Eda; 信夫江田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1993-02-03
Filing date: 1993-02-03
Publication date: 1994-08-19

Abstract

(57)【要約】【目的】小型、軽量、高効率で低価格の固体高分子型
燃料電池を提供することを目的とする。【構成】固体高分子からなるイオン交換膜と、このイ
オン交換膜の両面に接して電極触媒層を有する正極およ
び負極からなる単位セルを、セパレータ板を介して積層
されてなる燃料電池において、正極もしくは負極の少な
くともどちらか一方に超音波による加湿ガスを導入し、
さらに、超音波によるガスの加湿部分が燃料電池と隣接
もしくは、内部に組み込まれてなる固体高分子型燃料電
池とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料として純水素また
はメタノール及び化石燃料からの改質水素などの還元剤
を用い、酸化剤として空気や酸素を用いる燃料電池に関
するものであり、特に固体高分子型燃料電池の加湿器に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば固体高分子型燃料電池は、固体高
分子電解質にプロトン伝導体であるカチオン交換膜を用
い、燃料として水素を、酸化剤として酸素をそれぞれ導
入した場合には次の反応が起こることが知られている。

【０００３】（化１）負極Ｈ₂ → ２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- （化２）正極１／２Ｏ₂ ＋２Ｈ⁺ ＋２ｅ^- → Ｈ₂Ｏ負極では水素がプロトンと電子に解離する。プロトンは
カチオン交換膜中を正極に向かって移動し、電子は導電
性のセパレータ板と直列に積層されたセルとさらに外部
の回路を移動して正極に至る。このとき発電が行われ
る。一方、正極ではカチオン交換膜中を移動してきたプ
ロトンと外部回路を移動してきた電子と外部から導入さ
れた酸素とが反応し水を生成する。この反応は発熱を伴
うので全体として次式のように表され、水素と酸素から
電気と水と熱を発生する。

【０００４】（化３）Ｈ₂ ＋１／２Ｏ₂ → Ｈ₂Ｏ固体高分子型燃料電池が他の燃料電池と大きく異なる点
は、電解質が固体高分子であるイオン交換膜で構成され
ている点である。このイオン交換膜にはパーフルオロカ
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）などが用いられるが、この膜が十分なプロトン
導電性を示すためには膜が十分に含水している必要があ
る。イオン交換膜を含水させる方法としては、例えば
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１３５（１９８
８）２２０９に記載されているように反応ガスを加湿器
に通すことによって水蒸気をセル内に導入しイオン交換
膜を含水する方法が取られる。イオン交換膜の含水率は
加湿ガスの露点温度に依存し、例えばＪ．Ｅｌｅｃｔｏ
ｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．１３９（１９９２）２５３０に
記載されているように温度の上昇にともなって含水率が
増加する。膜が飽和含水量となるには長時間を必要とす
るが、一旦膜中に吸収された水はポリマーに取り込まれ
保持されるために、含水率の処理温度以下の温度変化へ
の依存性は小さくなる。したがって、Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，３７（１９９２）
１８１に記載されているように、燃料電池を常温から迅
速に作動させることが可能になる。

【０００５】膜と電極を接合する方法としては例えば
Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２５１（１
９８８）２７２に記載されているように、１２０〜１３
０℃の温度で、約５０ａｔｍの圧力でプレスする方法が
用いられるが、この工程において膜の含水率は著しく低
下する。よって、各セルを組み立てた後に、加湿ガスを
セルに導入することによって、膜を含水させて、活性化
する。加湿ガスの条件として、Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ
ＰｏｗｅｒＳｏｕｒｃｅｓ，２２（１９８８）３５９
には、膜および電極内部の高分子膜樹脂の乾燥を防ぐた
めに水素燃料ガスの露点をセル温度よりも１０〜１５℃
高くし、酸素および空気の露点を約５℃高くすることが
記載されている。

【０００６】また、加湿器に関しては、温水中に気泡を
導入する方法に加えて、電池内部での加湿する方式とし
て、加湿器部分を正極および負極にそれぞれ隣接させ、
加湿器は水とガスの流動部がナフィオン膜とチタンの多
孔板からなるシートで隔てられている構造をもつことに
よって、ガスをナフィオン膜を透過した水で加湿する方
法が記載されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の温水中に気泡を導入する方法では、最適な加湿ガスを
得るために、水をセル温度以上に加熱するためのヒータ
等の加熱部が必要となる。例えば電熱ヒータを用いた場
合には燃料電池より得られる電力の一部が消費される。
出力が１ｋＷ以下の小型の燃料電池では上記加熱部に消
費される電力が数十％以上になり、燃料電池の総合効率
がかなり低下する。また、水素の燃焼熱を利用した場合
には水素の酸化器が必要となり、構造が複雑となる。さ
らに、上記従来の電池内部で加湿する方法では、燃料電
池が発生する熱を利用することが可能であるが適切な加
湿量を得るためにはナフィオン膜とチタンの多孔板から
なるシート部分が電極の４倍以上の面積が必要となる。
ナフィオン膜および、チタンの多孔板は非常に高価な材
料であるため燃料電池の価格が増大する。

【０００８】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、小型、軽量、高効率で低価格な固体高分子型燃料電
池を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明によれば、固体高分子からなるイオン交換膜
と、このイオン交換膜の両面に接して電極触媒層を有す
る正極および負極からなる単位セルを、セパレータ板を
介して積層されてなる燃料電池において、正極もしくは
負極の少なくともどちらか一方に超音波による加湿ガス
を導入し、さらに、超音波によるガスの加湿部分が燃料
電池と隣接もしくは、内部に組み込まれてなる固体高分
子型燃料電池の構成としたものである。

【００１０】

【作用】この構成では、加湿部の水槽に接着された超音
波振動子が高周波で振動することによって、水が振動
し、霧が発生する。この水槽に水素または空気などの反
応ガスを導入することによって、反応ガスが加湿され、
後に、この加湿反応ガスを燃料電池に供給する。露点
は、反応ガスの導入量と超音波振動子の出力を調整する
ことによって調整する。加湿部では水蒸気ではなく水の
微粒子が生成しているので、飽和水蒸気量以上の水の微
粒子を発生させることによって、過飽和の加湿ガスを生
成することができる。よって、加湿部の温度がセル温度
よりも多少高温となった場合でも、セルに飽和状態の加
湿ガスを供給することができる。さらに、加湿部が燃料
電池と隣接もしくは内部に組み込まれる構造とし、燃料
電池で発生する熱を効率よく加湿部に供給した場合に
は、加湿部とセルとの温度差が小さくなり、超音波振動
子の出力をさらに小さくすることができる。ただし、超
音波振動子部分の温度が高温になると超音波振動子と水
槽との接着が不良となる。例えば、市販の超音波加湿器
の場合は６０℃で不良が生じる。したがって、接着剤の
耐熱性を上げるか、発振ユニット部に放熱フィンを付け
るなどの対策を打つことが望ましい。なお、過飽和の加
湿ガスの供給する場合には供給管内での結露に対して、
断熱材等の対策が必要であることはいうまでもない。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。

【００１２】図４は、一般的な固体高分子型燃料電池の
積層電池の外観図である。グラッシーカーボンなどの導
電性の素材からなるセパレータ板２と絶縁性のガスケッ
ト１が交互に積み重ねられ、最外側のセパレータ板に銅
製の集電板３が密着されている。この積層体を絶縁板４
を介してステンレス製のエンドプレート５ではさみ、エ
ンドプレート間をボルト、ナットで締めつける構造とな
っている。もちろん各パーツの材質は導電性、絶縁性、
耐熱性、ガス透過性などの条件が電池性能に悪影響をお
よぼさなければ上記の素材に限定されるものではない。

【００１３】図５は一般的な積層電池内部セルの断面図
を示した図である。中央のイオン交換膜１１の両面に電
極１２が接合され、その接合体の上下に溝付きのセパレ
ータ板２が位置している。イオン交換膜の面積は電極よ
り大きくなっており周囲をガスケットではさみ込み、各
セルのシールとセパレータ板どうし間の絶縁を行ってい
る。図に示したように必要に応じて積層体の内部にガス
通路１３を設置する場合（内部マニホールド型）には、
ガスケットがこのガス通路のシールも行う。溝付きのセ
パレータ板は溝の部分に多孔質状の溝付き板をはめ込む
場合やメッシュなどを用いるなどの様々な構造が可能で
ありこの構造が本発明を限定するものではない。

【００１４】（実施例１）図１に加湿器の断面図を示し
た。超音波振動子２１は加湿器３０の底面に取りつけ
る。水素や空気などの反応ガスは入口３１から導入され
る。反応ガスは超音波振動子２１により生成された霧と
混合され、加湿された後、出口３２より、燃料電池本体
へ供給される。加湿器への給水は給水口３３よりなされ
る。

【００１５】ヒータで暖められた温水中に反応ガスの気
泡を導入する従来の方法では、１時間に約５００ｍｌの
水の加湿を行うために約４６０Ｗの電力を必要とした。
一方、本発明の超音波による加湿をした場合には、同じ
５００ｍｌの水の加湿を約５０Ｗの電力で行うことがで
きた。燃料電池はどちらの加湿方法を用いた場合もほぼ
同等の性能であった。

【００１６】（実施例２）図２に燃料電池本体に組み込
む方式の加湿ユニットの見取図と、図３に燃料電池本体
へ加湿ユニットが組み込まれた例を示した。超音波振動
子２１は加湿ユニット４０の底面に取りつける。水素や
空気などの反応ガスは入口６から導入される。反応ガス
は超音波振動子２１により生成された霧と混合され、加
湿された後、出口７より、隣接した燃料電池積層体のマ
ニホールドへ供給される。加湿器への給水はエンドプレ
ートを通して給水口３３よりなされる。

【００１７】本発明の実施例２の方法により、加湿ユニ
ット内部の水が燃料電池より発生する熱で暖められ、よ
り高い効率で加湿ガスを発生することが可能となった。
実施例１の構成では１時間に約５００ｍｌの水の加湿を
行うために約５０Ｗの電力を必要としたが、実施例２の
構成では約３０Ｗの電力で行うことができた。

【００１８】本実施例では水素および空気の加湿ユニッ
トを燃料電池の単位セルの積層体の外側に配置したが、
積層単位セルの中間位置に加湿ユニットを配置すること
も可能であり、燃料電池の熱を有効に利用できる配置で
あれば設置位置が本発明を限定するものではない。な
お、加湿ユニットは、熱伝導、スタック締めつけ圧、作
動温度、燃料電池のセル構造などによりさまざまな材質
および形状が考えられ、それぞれ最適化がはかられるこ
とが望ましく、それらが本発明を限定するものではな
い。

【００１９】

【発明の効果】以上のように本発明は、超音波による加
湿を行うことによって、従来法と比較して、約１０％の
電力で加湿が可能となった。また、本発明の方法は従来
例に述べたような、水素の酸化器は必要とせず、構造が
簡単となる。さらに、ナフィオン膜および、チタンの多
孔板などの非常に高価な材料を用いない。また、加湿ユ
ニットを燃料電池本体に組み込むことによって、さらに
省電力化が可能となる。

【００２０】以上の効果により、小型、軽量、高効率で
低価格な固体高分子型燃料電池を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の加湿器の断面図

【図２】本発明の実施例２の加湿ユニットの見取図

【図３】本発明の実施例２の加湿ユニットが燃料電池本
体へ組み込まれた図

【図４】一般的な固体高分子型燃料電池の外観図

【図５】一般的なセルの断面図

【符号の説明】

１ガスケット２セパレータ板３集電板４絶縁板５エンドプレート６水素入口７水素出口８酸素入口９酸素出口１０排水ドレン１１イオン交換膜１２電極１３ガス通路２１超音波振動子２２発振機３０加湿器３１反応ガス入口３２反応ガス出口３３給水口３４水４０加湿ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】固体高分子からなるイオン交換膜と、この
イオン交換膜の両面に接して電極触媒層を有する正極お
よび負極からなる単位セルを、セパレータ板を介して積
層されてなる燃料電池において、正極もしくは負極の少
なくともどちらか一方に超音波による加湿ガスを導入し
たことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】固体高分子からなるイオン交換膜と、この
イオン交換膜の両面に接して電極触媒層を有する正極お
よび負極からなる単位セルを、セパレータ板を介して積
層されてなる燃料電池において、超音波によるガスの加
湿部分が燃料電池と隣接もしくは、内部に組み込まれて
なる請求項１記載の固体高分子型燃料電池。