JPH0668886A - 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池のセル構造Info
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- JPH0668886A JPH0668886A JP4219490A JP21949092A JPH0668886A JP H0668886 A JPH0668886 A JP H0668886A JP 4219490 A JP4219490 A JP 4219490A JP 21949092 A JP21949092 A JP 21949092A JP H0668886 A JPH0668886 A JP H0668886A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【目的】酸化剤通路下流側での水分の凝縮を防止するこ
とにより、酸化剤ガスの供給障害、およびこれに起因す
る発電性能の低下を防止する。 【構成】イオン導電性を有する固体高分子膜２およびそ
の両面に結合した燃料電極３，酸化剤電極４からなる単
セル１と、ガス不透過性板の両面に凹溝として形成した
燃料ガス通路６および酸化剤通路７を有するバイポ−ラ
プレ−ト５とを交互に積層したスタックからなり、燃料
ガス通路および酸化剤通路の入口側セルマニホ−ルド１
６，１７を介して加湿燃料ガス９Ｆ，加湿酸化剤ガス９
Ａを供給し、運転中発生する固体高分子膜の乾燥を防止
するよう形成された固体高分子電解質型燃料電池におい
て、酸化剤通路７の流路の途中に未加湿酸化剤ガス９Ｄ
を供給する凝縮水除去手段３０を設ける。
とにより、酸化剤ガスの供給障害、およびこれに起因す
る発電性能の低下を防止する。 【構成】イオン導電性を有する固体高分子膜２およびそ
の両面に結合した燃料電極３，酸化剤電極４からなる単
セル１と、ガス不透過性板の両面に凹溝として形成した
燃料ガス通路６および酸化剤通路７を有するバイポ−ラ
プレ−ト５とを交互に積層したスタックからなり、燃料
ガス通路および酸化剤通路の入口側セルマニホ−ルド１
６，１７を介して加湿燃料ガス９Ｆ，加湿酸化剤ガス９
Ａを供給し、運転中発生する固体高分子膜の乾燥を防止
するよう形成された固体高分子電解質型燃料電池におい
て、酸化剤通路７の流路の途中に未加湿酸化剤ガス９Ｄ
を供給する凝縮水除去手段３０を設ける。
Description
【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スタッ
ク、ことにあらかじめ加湿した反応ガスの供給を受ける
固体高分子電解質型燃料電池スタックにおける酸化剤電
極の過度の湿潤を防止するセル構造に関する。
質膜として用いた固体高分子電解質型燃料電池スタッ
ク、ことにあらかじめ加湿した反応ガスの供給を受ける
固体高分子電解質型燃料電池スタックにおける酸化剤電
極の過度の湿潤を防止するセル構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】図５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５Ａ，５
Ｂ等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（ス
タック）が得られる。
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５Ａ，５
Ｂ等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（ス
タック）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。
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，酸化剤ガスとともに系外に
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。
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，酸化剤ガスとともに系外に
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）を加湿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。図６は反
応ガスの加湿方式を示すブロック図であり、固体高分子
電解質型燃料電池スタック１０の外部あるいは隣接して
加湿部１１を設けて燃料ガスまたは酸化剤ガスを加湿
し、加湿燃料ガス９Ｆまたは加湿酸化剤ガス９Ａとして
各単セルに供給するよう構成される。
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）を加湿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。図６は反
応ガスの加湿方式を示すブロック図であり、固体高分子
電解質型燃料電池スタック１０の外部あるいは隣接して
加湿部１１を設けて燃料ガスまたは酸化剤ガスを加湿
し、加湿燃料ガス９Ｆまたは加湿酸化剤ガス９Ａとして
各単セルに供給するよう構成される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】固体高分子電解質型燃
料電池は前述の反応式からも分かるように、プロトン導
電性の固体高分子膜を電解質膜として用いた場合には、
生成水が酸化剤電極（カソ−ド）側に発生するととも
に、プロトンに数分子の水が配向して燃料電極（アノ−
ド）から酸化剤電極（カソ−ド）に向けて移動する。こ
のため、加湿燃料ガス９Ｆおよび加湿酸化剤ガス９Ａを
供給する従来の固体高分子電解質型燃料電池では、酸化
剤通路７側，ことに酸化剤通路の下流側では、上流側で
発生する生成水が加湿酸化剤ガス９Ａに加わるために水
分が過剰となり、過飽和状態となった酸化剤ガス中の水
分が凝縮して酸化剤通路７の内壁面に付着する。その結
果、本来ガス透過性であるべき酸化剤電極４の基材層の
空孔が凝縮した水分によって閉塞されて酸化剤ガスの供
給障害が起こり、これが原因で固体高分子電解質型燃料
電池の発電性能が低下するという問題があり、その改善
が求められている。
料電池は前述の反応式からも分かるように、プロトン導
電性の固体高分子膜を電解質膜として用いた場合には、
生成水が酸化剤電極（カソ−ド）側に発生するととも
に、プロトンに数分子の水が配向して燃料電極（アノ−
ド）から酸化剤電極（カソ−ド）に向けて移動する。こ
のため、加湿燃料ガス９Ｆおよび加湿酸化剤ガス９Ａを
供給する従来の固体高分子電解質型燃料電池では、酸化
剤通路７側，ことに酸化剤通路の下流側では、上流側で
発生する生成水が加湿酸化剤ガス９Ａに加わるために水
分が過剰となり、過飽和状態となった酸化剤ガス中の水
分が凝縮して酸化剤通路７の内壁面に付着する。その結
果、本来ガス透過性であるべき酸化剤電極４の基材層の
空孔が凝縮した水分によって閉塞されて酸化剤ガスの供
給障害が起こり、これが原因で固体高分子電解質型燃料
電池の発電性能が低下するという問題があり、その改善
が求められている。
【０００７】この発明の目的は、酸化剤通路下流側での
水分の凝縮を防止することにより、酸化剤ガスの供給障
害、およびこれに起因する発電性能の低下を防止するこ
とにある。
水分の凝縮を防止することにより、酸化剤ガスの供給障
害、およびこれに起因する発電性能の低下を防止するこ
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
子膜およびその両面に密着して配された燃料電極および
酸化剤電極からなる単セルと、ガス不透過性板の両面に
凹溝として形成した燃料ガス通路および酸化剤通路を有
するバイポ−ラプレ−トとを交互に積層したスタックか
らなり、前記燃料ガス通路および酸化剤通路それぞれの
入口側セルマニホ−ルドからあらかじめ加湿された燃料
ガスおよび酸化剤ガスを供給し、運転中発生する前記固
体高分子膜の乾燥を防止するよう形成されたものにおい
て、前記酸化剤通路の流路の途中に未加湿の酸化剤ガス
を供給する凝縮水除去手段を備えてなるものとする。
に、この発明によれば、イオン導電性を有する固体高分
子膜およびその両面に密着して配された燃料電極および
酸化剤電極からなる単セルと、ガス不透過性板の両面に
凹溝として形成した燃料ガス通路および酸化剤通路を有
するバイポ−ラプレ−トとを交互に積層したスタックか
らなり、前記燃料ガス通路および酸化剤通路それぞれの
入口側セルマニホ−ルドからあらかじめ加湿された燃料
ガスおよび酸化剤ガスを供給し、運転中発生する前記固
体高分子膜の乾燥を防止するよう形成されたものにおい
て、前記酸化剤通路の流路の途中に未加湿の酸化剤ガス
を供給する凝縮水除去手段を備えてなるものとする。
【０００９】また、凝縮水除去手段が、酸化剤通路を横
断する方向にバイポ−ラプレ−トに形成されたセルマニ
ホ−ルドと、その端部に連通する分岐部を持ちスタック
のシ−ル部を積層方向に貫通する一対の入口側ヘッダ−
とからなるものとする。さらに、凝縮水除去手段が、酸
化剤通路を横断する方向にバイポ−ラプレ−ト内に形成
された未加湿酸化剤ガスの流通孔と、その長手方向に分
布して酸化剤通路に連通するよう形成された噴出孔と、
前記流通孔の両端部に連通する分岐部を持ちスタックの
シ−ル部を積層方向に貫通するヘッダ−とからなるなる
ものとする。
断する方向にバイポ−ラプレ−トに形成されたセルマニ
ホ−ルドと、その端部に連通する分岐部を持ちスタック
のシ−ル部を積層方向に貫通する一対の入口側ヘッダ−
とからなるものとする。さらに、凝縮水除去手段が、酸
化剤通路を横断する方向にバイポ−ラプレ−ト内に形成
された未加湿酸化剤ガスの流通孔と、その長手方向に分
布して酸化剤通路に連通するよう形成された噴出孔と、
前記流通孔の両端部に連通する分岐部を持ちスタックの
シ−ル部を積層方向に貫通するヘッダ−とからなるなる
ものとする。
【００１０】
【作用】この発明の構成において、酸化剤通路の流路の
途中に未加湿の酸化剤ガスを供給する凝縮水除去手段を
設けるよう構成したことにより、凝縮水除去手段から供
給される乾燥した酸化剤ガスが上流側からの湿った酸化
剤ガスに加わり、これより下流の酸化剤ガス中の水蒸気
分圧を低下させるので、酸化剤ガスの過飽和状態が解消
され、酸化剤通路の内壁面への水分の凝縮を防止できる
とともに、凝縮水の蒸発が促され、酸化剤電極触媒層へ
の酸化剤ガスの供給障害を防止する機能が得られる。
途中に未加湿の酸化剤ガスを供給する凝縮水除去手段を
設けるよう構成したことにより、凝縮水除去手段から供
給される乾燥した酸化剤ガスが上流側からの湿った酸化
剤ガスに加わり、これより下流の酸化剤ガス中の水蒸気
分圧を低下させるので、酸化剤ガスの過飽和状態が解消
され、酸化剤通路の内壁面への水分の凝縮を防止できる
とともに、凝縮水の蒸発が促され、酸化剤電極触媒層へ
の酸化剤ガスの供給障害を防止する機能が得られる。
【００１１】また、凝縮水除去手段を例えば、シ−ル部
を積層方向に貫通するヘッダ−と、これに連通した凹溝
からなるセルマニホ−ルドとで構成すれば、バイポ−ラ
プレ−トにあらかじめ形成される凹溝およびヘッダ−孔
の多少の変更により、固体高分子電解質型燃料電池の積
層構造を大幅に変更することなく凝縮水除去手段を容易
に形成できる。
を積層方向に貫通するヘッダ−と、これに連通した凹溝
からなるセルマニホ−ルドとで構成すれば、バイポ−ラ
プレ−トにあらかじめ形成される凹溝およびヘッダ−孔
の多少の変更により、固体高分子電解質型燃料電池の積
層構造を大幅に変更することなく凝縮水除去手段を容易
に形成できる。
【００１２】さらに、凝縮水除去手段を例えば、酸化剤
通路に連通する噴出孔を有する未加湿酸化剤ガスの流通
孔、およびその両端に連通したヘッダ−とで構成すれ
ば、乾燥した酸化剤ガスを酸化剤通路中に分布供給でき
るので、酸化剤ガスの水蒸気分圧を均等に低減し、水分
の凝縮をよりよく防止する機能が得られる。
通路に連通する噴出孔を有する未加湿酸化剤ガスの流通
孔、およびその両端に連通したヘッダ−とで構成すれ
ば、乾燥した酸化剤ガスを酸化剤通路中に分布供給でき
るので、酸化剤ガスの水蒸気分圧を均等に低減し、水分
の凝縮をよりよく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
燃料電池のセル構造を模式化して示す断面図であり、以
下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１において、プロ
トン導電性を有する固体高分子膜１の両面に燃料電極３
および酸化剤電極４を接合した単セル１は、その燃料電
極側に積層されたバイポ−ラプレ−ト５Ａに凹溝として
燃料ガス通路６，入口側セルマニホ−ルド１６，および
出口側セルマニホ−ルド２６が形成され、加湿燃料ガス
９Ｆが入口側セルマニホ−ルド１６を介して燃料ガス通
路６に供給され、燃料電極に拡散した水素がアノ−ド反
応に寄与するとともに、燃料ガスが高い水蒸気分圧を保
持することにより固体高分子膜の乾燥が阻止される。ま
た、酸化剤電極側に積層されたバイポ−ラプレ−ト５Ｂ
に凹溝として酸化剤通路７，入口側セルマニホ−ルド２
７，および出口側セルマニホ−ルド２７が形成され、加
湿酸化剤ガス９Ａが入口側セルマニホ−ルド１７を介し
て酸化剤通路７に供給され、酸化剤電極に拡散した酸素
がカソ−ド反応に寄与するとともに、酸化剤ガス９Ａが
高い水蒸気分圧を保持することによって酸化剤通路の上
流部分での固体高分子膜の乾燥が阻止される。
る。図１はこの発明の実施例になる固体高分子電解質型
燃料電池のセル構造を模式化して示す断面図であり、以
下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１において、プロ
トン導電性を有する固体高分子膜１の両面に燃料電極３
および酸化剤電極４を接合した単セル１は、その燃料電
極側に積層されたバイポ−ラプレ−ト５Ａに凹溝として
燃料ガス通路６，入口側セルマニホ−ルド１６，および
出口側セルマニホ−ルド２６が形成され、加湿燃料ガス
９Ｆが入口側セルマニホ−ルド１６を介して燃料ガス通
路６に供給され、燃料電極に拡散した水素がアノ−ド反
応に寄与するとともに、燃料ガスが高い水蒸気分圧を保
持することにより固体高分子膜の乾燥が阻止される。ま
た、酸化剤電極側に積層されたバイポ−ラプレ−ト５Ｂ
に凹溝として酸化剤通路７，入口側セルマニホ−ルド２
７，および出口側セルマニホ−ルド２７が形成され、加
湿酸化剤ガス９Ａが入口側セルマニホ−ルド１７を介し
て酸化剤通路７に供給され、酸化剤電極に拡散した酸素
がカソ−ド反応に寄与するとともに、酸化剤ガス９Ａが
高い水蒸気分圧を保持することによって酸化剤通路の上
流部分での固体高分子膜の乾燥が阻止される。
【００１４】さらに、酸化剤電極側に積層されたバイポ
−ラプレ−ト５Ｂの酸化剤通路７の中間位置には、酸化
剤通路を横断する方向に形成された凹溝からなるセルマ
ニホ−ルド３７と、その両端に連通して未加湿酸化剤ガ
ス９Ｄを供給するヘッダ−３７Ａとからなる凝縮水除去
手段３０が形成され、未加湿酸化剤ガス９Ｄがこの凝縮
水除去手段３０を介して酸化剤通路７内に供給され、上
流側で生成水が発生することにより水分が過剰となった
酸化剤ガスに乾燥した酸化剤ガス９Ｄを混合し、水蒸気
分圧が低下した酸化剤ガスが下流側に流れることによ
り、酸化剤通路７の内壁面に凝縮水が付着するのを防止
するよう構成される。
−ラプレ−ト５Ｂの酸化剤通路７の中間位置には、酸化
剤通路を横断する方向に形成された凹溝からなるセルマ
ニホ−ルド３７と、その両端に連通して未加湿酸化剤ガ
ス９Ｄを供給するヘッダ−３７Ａとからなる凝縮水除去
手段３０が形成され、未加湿酸化剤ガス９Ｄがこの凝縮
水除去手段３０を介して酸化剤通路７内に供給され、上
流側で生成水が発生することにより水分が過剰となった
酸化剤ガスに乾燥した酸化剤ガス９Ｄを混合し、水蒸気
分圧が低下した酸化剤ガスが下流側に流れることによ
り、酸化剤通路７の内壁面に凝縮水が付着するのを防止
するよう構成される。
【００１５】図２は実施例におけるバイポ−ラプレ−ト
を酸化剤通路側から見た平面図、図３は図２におけるＡ
−Ａ方向の断面図であり、バイポ−ラプレ−ト５Ｂの酸
化剤通路７は、その外周部分にシ−ル部８を残し，かつ
酸化剤通路内に集電用リブ１８を残した凹溝として形成
され、その最上流側に入口側セルマニホ−ルド１７，最
下流側に出口側セルマニホ−ルド２７，両者の中間に未
加湿酸化剤ガス９Ｄ供給用のセルマニホ−ルド３７が、
酸化剤通路より深い凹溝として形成され、各セルマニホ
−ルドの両端部はシ−ル部８にスタックを積層方向に貫
通する孔として形成されたヘッダ−１７Ａ，２７Ｂ，お
よび３７Ａに連通することにより、酸化剤ガスの供給，
排出が可能になる。
を酸化剤通路側から見た平面図、図３は図２におけるＡ
−Ａ方向の断面図であり、バイポ−ラプレ−ト５Ｂの酸
化剤通路７は、その外周部分にシ−ル部８を残し，かつ
酸化剤通路内に集電用リブ１８を残した凹溝として形成
され、その最上流側に入口側セルマニホ−ルド１７，最
下流側に出口側セルマニホ−ルド２７，両者の中間に未
加湿酸化剤ガス９Ｄ供給用のセルマニホ−ルド３７が、
酸化剤通路より深い凹溝として形成され、各セルマニホ
−ルドの両端部はシ−ル部８にスタックを積層方向に貫
通する孔として形成されたヘッダ−１７Ａ，２７Ｂ，お
よび３７Ａに連通することにより、酸化剤ガスの供給，
排出が可能になる。
【００１６】このように構成された凝縮水除去手段を有
する固体高分子電解質型燃料電池スタックにおいて、加
湿酸化剤ガス９Ａはヘッダ−１７Ａ内で各単セル１のセ
ルマニホ−ルド１７に分配されて酸化剤通路７に流入
し、酸素の消費によりそのガス量が徐々に減少するとと
もに生成水が発生して水分量が徐々に増した状態とな
る。そこで、酸化剤ガス中の水蒸気が過飽和状態となる
位置より幾分上流側に凝縮水除去手段３０を設け、ヘッ
ダ−３７Ａで各単セルのセルマニホ−ルド３７に未加湿
の酸化剤ガス９Ｄを分配して酸化剤通路内で上流側から
の酸化剤ガスと混合すれば、酸化剤ガス中の水蒸気濃度
を未飽和状態に低減できるので、酸化剤通路７の内壁面
に水分が凝縮して付着し、これが原因で酸化剤電極４へ
の酸素の供給障害が発生することを阻止できるととも
に、既に凝縮した水を蒸発させ、出口側のセルマニホ−
ルド２７およびヘッダ−２７Ｂを介して過剰な水分をオ
フガスとともに外部に排出することができる。
する固体高分子電解質型燃料電池スタックにおいて、加
湿酸化剤ガス９Ａはヘッダ−１７Ａ内で各単セル１のセ
ルマニホ−ルド１７に分配されて酸化剤通路７に流入
し、酸素の消費によりそのガス量が徐々に減少するとと
もに生成水が発生して水分量が徐々に増した状態とな
る。そこで、酸化剤ガス中の水蒸気が過飽和状態となる
位置より幾分上流側に凝縮水除去手段３０を設け、ヘッ
ダ−３７Ａで各単セルのセルマニホ−ルド３７に未加湿
の酸化剤ガス９Ｄを分配して酸化剤通路内で上流側から
の酸化剤ガスと混合すれば、酸化剤ガス中の水蒸気濃度
を未飽和状態に低減できるので、酸化剤通路７の内壁面
に水分が凝縮して付着し、これが原因で酸化剤電極４へ
の酸素の供給障害が発生することを阻止できるととも
に、既に凝縮した水を蒸発させ、出口側のセルマニホ−
ルド２７およびヘッダ−２７Ｂを介して過剰な水分をオ
フガスとともに外部に排出することができる。
【００１７】なお、酸化剤通路内での酸化剤ガス中の水
分量の分布は、単セル１の電極面積，加湿酸化剤ガス９
Ａの供給量やその加湿状態によって変化するので、凝縮
水除去手段３０の位置および未加湿酸化剤ガス９Ｄの供
給量は、酸化剤通路７内での水分量の分布状態を勘案し
て最適位置および量を決めてよく、かつ必要に応じて複
数箇所に設けるよう構成されてよい。
分量の分布は、単セル１の電極面積，加湿酸化剤ガス９
Ａの供給量やその加湿状態によって変化するので、凝縮
水除去手段３０の位置および未加湿酸化剤ガス９Ｄの供
給量は、酸化剤通路７内での水分量の分布状態を勘案し
て最適位置および量を決めてよく、かつ必要に応じて複
数箇所に設けるよう構成されてよい。
【００１８】図４はこの発明の異なる実施例を示すバイ
ポ−ラプレ−トの平面図であり、酸化剤電極側のバイポ
−ラプレ−ト４５Ｂに形成された凝縮水除去手段４０
が、スタックをその積層方向に貫通する未加湿酸化剤ガ
ス９Ｄ供給用のヘッダ−４７Ａと、これに両端が連通す
るようバイポ−ラプレ−ト４５Ｂ内に沿層方向にトンネ
ル状に形成された未加湿酸化剤ガス９Ｄの流通孔４７
と、その長手方向に分散して形成された未加湿酸化剤ガ
スの噴出孔４８とで構成された点が前述の実施例と異な
っており、このように構成することにより、酸化剤通路
内に分布して噴出した未加湿酸化剤ガス９Ｄが、上流側
からの湿った酸化剤ガスとよく混合され、酸化剤ガスの
水蒸気分圧を均一に低減し、凝縮水の発生および除去を
より確実に行える利点が得られる。
ポ−ラプレ−トの平面図であり、酸化剤電極側のバイポ
−ラプレ−ト４５Ｂに形成された凝縮水除去手段４０
が、スタックをその積層方向に貫通する未加湿酸化剤ガ
ス９Ｄ供給用のヘッダ−４７Ａと、これに両端が連通す
るようバイポ−ラプレ−ト４５Ｂ内に沿層方向にトンネ
ル状に形成された未加湿酸化剤ガス９Ｄの流通孔４７
と、その長手方向に分散して形成された未加湿酸化剤ガ
スの噴出孔４８とで構成された点が前述の実施例と異な
っており、このように構成することにより、酸化剤通路
内に分布して噴出した未加湿酸化剤ガス９Ｄが、上流側
からの湿った酸化剤ガスとよく混合され、酸化剤ガスの
水蒸気分圧を均一に低減し、凝縮水の発生および除去を
より確実に行える利点が得られる。
【００１９】
【発明の効果】この発明は前述のように、酸化剤通路の
流路の途中に未加湿の酸化剤ガスを供給する凝縮水除去
手段を設けるよう構成したことにより、凝縮水除去手段
から供給される乾燥した酸化剤ガスが上流側からの湿っ
た酸化剤ガスに加わり、これより下流の酸化剤ガス中の
水蒸気分圧を低下させるので、電極反応により酸化剤電
極側に生成した水が加湿酸化剤ガスに加わることによっ
て酸化剤ガス中の水分が過飽和状態になるという従来技
術の問題点が解消され、酸化剤通路の内壁面への水分の
凝縮を防止できるとともに、凝縮水の蒸発が促され、酸
化剤電極触媒層への酸化剤ガスの供給障害と、これに起
因する発電性能の低下とが排除された信頼性の高い固体
高分子電解質型燃料電池を提供することができる。
流路の途中に未加湿の酸化剤ガスを供給する凝縮水除去
手段を設けるよう構成したことにより、凝縮水除去手段
から供給される乾燥した酸化剤ガスが上流側からの湿っ
た酸化剤ガスに加わり、これより下流の酸化剤ガス中の
水蒸気分圧を低下させるので、電極反応により酸化剤電
極側に生成した水が加湿酸化剤ガスに加わることによっ
て酸化剤ガス中の水分が過飽和状態になるという従来技
術の問題点が解消され、酸化剤通路の内壁面への水分の
凝縮を防止できるとともに、凝縮水の蒸発が促され、酸
化剤電極触媒層への酸化剤ガスの供給障害と、これに起
因する発電性能の低下とが排除された信頼性の高い固体
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
料電池のセル構造を模式化して示す断面図
料電池のセル構造を模式化して示す断面図
【図２】実施例におけるバイポ−ラプレ−トを酸化剤通
路側から見た平面図
路側から見た平面図
【図３】図２におけるＡ−Ａ方向の断面図
【図４】この発明の異なる実施例を示すバイポ−ラプレ
−トの平面図
−トの平面図
【図５】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
式化して示す断面図
【図６】反応ガスの加湿方式を示すブロック図
１ 単セル ２ 固体高分子膜（プロトン交換膜） ３ 燃料電極 ４ 酸化剤電極 ５Ａ 燃料電極側のバイポ−ラプレ−ト ５Ｂ 酸化剤電極側のバイポ−ラプレ−ト ６ 燃料ガス通路 ７ 酸化剤通路 ８ シ−ル部 ９Ａ 加湿酸化剤ガス ９Ｆ 加湿燃料ガス ９Ｄ 未加湿酸化剤ガス １０ スタック １１ 加湿部 １６ セルマニホ−ルド（燃料ガス入口側） ２６ セルマニホ−ルド（オフガス出口側） １７ セルマニホ−ルド（酸化剤ガス入口側） １７Ａ ヘッダ−（酸化剤ガス入口側） ２７ セルマニホ−ルド（オフガス出口側） ２７Ｂ ヘッダ−（オフガス出口側） ３０ 凝縮水除去手段 ３７ セルマニホ−ルド（凝縮水除去手段側） ３７Ａ ヘッダ−（未加湿酸化剤ガス供給側） ４０ 凝縮水除去手段 ４５Ｂ 酸化剤電極側バイポ−ラプレ−ト ４７ 未加湿酸化剤ガスの流通孔 ４７Ａ ヘッダ−（未加湿酸化剤ガス供給側） ４８ 噴出孔
Claims (3)
- 【請求項１】イオン導電性を有する固体高分子膜および
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
からなる単セルと、ガス不透過性板の両面に凹溝として
形成した燃料ガス通路および酸化剤通路を有するバイポ
−ラプレ−トとを交互に積層したスタックからなり、前
記燃料ガス通路および酸化剤通路それぞれの入口側セル
マニホ−ルドからあらかじめ加湿された燃料ガスおよび
酸化剤ガスを供給し、運転中発生する前記固体高分子膜
の乾燥を防止するよう形成されたものにおいて、前記酸
化剤通路の流路の途中に未加湿の酸化剤ガスを供給する
凝縮水除去手段を備えてなることを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池のセル構造。 - 【請求項２】凝縮水除去手段が、酸化剤通路を横断する
方向にバイポ−ラプレ−トに形成されたセルマニホ−ル
ドと、その端部に連通する分岐部を持ちスタックのシ−
ル部を積層方向に貫通する一対の入口側ヘッダ−とから
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
型燃料電池のセル構造。 - 【請求項３】凝縮水除去手段が、酸化剤通路を横断する
方向にバイポ−ラプレ−ト内に形成された未加湿酸化剤
ガスの流通孔と、その長手方向に分布して酸化剤通路に
連通するよう形成された噴出孔と、前記流通孔の両端部
に連通する分岐部を持ちスタックのシ−ル部を積層方向
に貫通するヘッダ−とから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のセル構造。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4219490A JPH0668886A (ja) | 1992-08-19 | 1992-08-19 | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4219490A JPH0668886A (ja) | 1992-08-19 | 1992-08-19 | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0668886A true JPH0668886A (ja) | 1994-03-11 |
Family
ID=16736267
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4219490A Pending JPH0668886A (ja) | 1992-08-19 | 1992-08-19 | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0668886A (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5939218A (en) * | 1994-11-11 | 1999-08-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Polyelectrolytic fuel cell and the method of controlling the operation thereof |
| WO2001059863A3 (de) * | 2000-02-14 | 2002-05-02 | Siemens Ag | Brennstoffzellenblock mit einem an betriebsgaszuleitung angeschlossenen kondenswasserabscheider |
| KR20020032874A (ko) * | 2000-10-27 | 2002-05-04 | 이계안 | 이온교환막을 이용한 연료전지용 가습장치 |
| KR20030081943A (ko) * | 2002-04-15 | 2003-10-22 | 현대자동차주식회사 | 연료전지의 가습 시스템 |
| US6855442B2 (en) | 2001-06-08 | 2005-02-15 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Fuel cell and method of operating same |
| JP2005537611A (ja) * | 2002-07-19 | 2005-12-08 | ダイムラークライスラー・アクチェンゲゼルシャフト | 内部ガス制御燃料電池 |
| WO2007148793A1 (ja) * | 2006-06-23 | 2007-12-27 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | 固体電解質形燃料電池スタック |
| JP2011222508A (ja) * | 2010-04-06 | 2011-11-04 | Samsung Sdi Co Ltd | 水分交換機、及び燃料電池スタック |
-
1992
- 1992-08-19 JP JP4219490A patent/JPH0668886A/ja active Pending
Cited By (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5939218A (en) * | 1994-11-11 | 1999-08-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Polyelectrolytic fuel cell and the method of controlling the operation thereof |
| US7014936B2 (en) | 2000-02-14 | 2006-03-21 | Siemens Aktiengesellschaft | Fuel cell block |
| WO2001059863A3 (de) * | 2000-02-14 | 2002-05-02 | Siemens Ag | Brennstoffzellenblock mit einem an betriebsgaszuleitung angeschlossenen kondenswasserabscheider |
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| US7972748B2 (en) | 2002-07-19 | 2011-07-05 | Daimler Ag | Internally gas regulated fuel cell |
| US8039170B2 (en) | 2002-07-19 | 2011-10-18 | Daimler Ag | Internally gas regulated fuel cell |
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| US8273493B2 (en) | 2006-06-23 | 2012-09-25 | Ngk Spark Plug Co., Ltd. | Solid electrolyte fuel cell stack |
| JP5107917B2 (ja) * | 2006-06-23 | 2012-12-26 | 日本特殊陶業株式会社 | 固体電解質形燃料電池スタック |
| JP2011222508A (ja) * | 2010-04-06 | 2011-11-04 | Samsung Sdi Co Ltd | 水分交換機、及び燃料電池スタック |
| US8877394B2 (en) | 2010-04-06 | 2014-11-04 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Fuel cell system |
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