JPH0689730A - 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Info
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- JPH0689730A JPH0689730A JP4241079A JP24107992A JPH0689730A JP H0689730 A JPH0689730 A JP H0689730A JP 4241079 A JP4241079 A JP 4241079A JP 24107992 A JP24107992 A JP 24107992A JP H0689730 A JPH0689730 A JP H0689730A
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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-
- H—ELECTRICITY
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/1007—Fuel cells with solid electrolytes with both reactants being gaseous or vaporised
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- 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
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ことにある。 【構成】固体高分子電解質膜２の両面に燃料電極３およ
び酸化剤電極４を配した単セル１と、燃料ガス通路６，
酸化剤通路７，およびその入口セルマニホ−ルド，出口
セルマニホ−ルドを有するバイポ−ラプレ−ト５とを交
互に積層したスタックからなり、入口側セルマニホ−ル
ドからあらかじめ加湿した反応ガスを供給して固体高分
子膜の乾燥を防止するよう形成されたものにおいて、酸
化剤通路側の入口セルマニホ−ルド１７と出口セルマニ
ホ−ルド２７との中間に凹溝として形成された未加湿酸
化剤供給部３７と、この供給部からその上流側酸化剤通
路の一部にかけて収納された吸水材３９とからなる凝縮
水除去手段３０を備える。
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ことにある。 【構成】固体高分子電解質膜２の両面に燃料電極３およ
び酸化剤電極４を配した単セル１と、燃料ガス通路６，
酸化剤通路７，およびその入口セルマニホ−ルド，出口
セルマニホ−ルドを有するバイポ−ラプレ−ト５とを交
互に積層したスタックからなり、入口側セルマニホ−ル
ドからあらかじめ加湿した反応ガスを供給して固体高分
子膜の乾燥を防止するよう形成されたものにおいて、酸
化剤通路側の入口セルマニホ−ルド１７と出口セルマニ
ホ−ルド２７との中間に凹溝として形成された未加湿酸
化剤供給部３７と、この供給部からその上流側酸化剤通
路の一部にかけて収納された吸水材３９とからなる凝縮
水除去手段３０を備える。
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、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
電解質型燃料電池における水分の制御構造に関する。
質膜として用いた固体高分子電解質型燃料電池、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
電解質型燃料電池における水分の制御構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は従来の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）３お
よび酸化剤電極（カソ−ド）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
するガス不浸透性板からなり、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５とを複数層交互
に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。
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）３お
よび酸化剤電極（カソ−ド）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
するガス不浸透性板からなり、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５とを複数層交互
に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（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+ ＋２
ｅ- ）が、カソ−ド（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（２Ｈ+ ＋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
とともに、カソ−ド側に水が生成する。
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（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+ ＋２
ｅ- ）が、カソ−ド（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（２Ｈ+ ＋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
とともに、カソ−ド側に水が生成する。
【０００４】上述のように、固体高分子電解質型燃料電
池では、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。
池では、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５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５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。
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。
【０００７】図６は従来のバイボ−ラプレ−トを酸化剤
通路側から見た平面図であり、酸化剤通路７は、バイポ
−ラプレ−ト５の一方の面の周囲にガスシ−ル面８およ
び導電接触用の複数のリブ１８を残した凹溝として形成
され、その両端は同じく凹溝として形成された入口セル
マニホ−ルド１７および出口セルマニホ−ルド２７に連
通しており、スタックをその積層方向に貫通する一対の
入口ヘッダ−１７Ａから入口セルマニホ−ルド１７に流
入した加湿酸化剤９Ａが、酸化剤通路７内を分布して流
れる過程で酸素が消費され、オフガス９Ｗとなって出口
セルマニホ−ルド２７に集まり、一対の出口ヘッダ−２
７Ｂを経由して外部に排出される。
通路側から見た平面図であり、酸化剤通路７は、バイポ
−ラプレ−ト５の一方の面の周囲にガスシ−ル面８およ
び導電接触用の複数のリブ１８を残した凹溝として形成
され、その両端は同じく凹溝として形成された入口セル
マニホ−ルド１７および出口セルマニホ−ルド２７に連
通しており、スタックをその積層方向に貫通する一対の
入口ヘッダ−１７Ａから入口セルマニホ−ルド１７に流
入した加湿酸化剤９Ａが、酸化剤通路７内を分布して流
れる過程で酸素が消費され、オフガス９Ｗとなって出口
セルマニホ−ルド２７に集まり、一対の出口ヘッダ−２
７Ｂを経由して外部に排出される。
【０００８】ところが、加湿酸化剤ガス９Ａが酸化剤通
路内を流れる過程でカソ−ドからの生成水が水蒸気とな
って加わるために、下流に行く程水分が過剰になり、酸
化剤通路の出口付近でついに過飽和となった水分が凝縮
し、バイポ−ラプレ−トやカソ−ドの表面に付着した凝
縮水１９が酸化剤通路７の一部を閉塞するという事態が
発生し、これが原因で酸化剤通路７内の酸化剤の流れの
分布が偏り，酸化剤の供給障害が局部的に発生するた
め、発電性能の低下を招くという問題があった。また、
一度酸化剤通路の出口に付着した凝縮水は、スタックに
機械的振動を加えるか、あるいは反応ガスの圧力を瞬間
的に高めたりしなければ除去することが困難であり、そ
の改善が求められている。
路内を流れる過程でカソ−ドからの生成水が水蒸気とな
って加わるために、下流に行く程水分が過剰になり、酸
化剤通路の出口付近でついに過飽和となった水分が凝縮
し、バイポ−ラプレ−トやカソ−ドの表面に付着した凝
縮水１９が酸化剤通路７の一部を閉塞するという事態が
発生し、これが原因で酸化剤通路７内の酸化剤の流れの
分布が偏り，酸化剤の供給障害が局部的に発生するた
め、発電性能の低下を招くという問題があった。また、
一度酸化剤通路の出口に付着した凝縮水は、スタックに
機械的振動を加えるか、あるいは反応ガスの圧力を瞬間
的に高めたりしなければ除去することが困難であり、そ
の改善が求められている。
【０００９】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。
【００１０】
【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，酸化剤通路，およびそ
の入口セルマニホ−ルド，出口セルマニホ−ルドを有す
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した燃料ガス
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、
前記酸化剤通路側の入口セルマニホ−ルドと出口セルマ
ニホ−ルドとの中間に凹溝として形成された未加湿酸化
剤ガスの供給部と、この供給部からその上流側酸化剤通
路の一部にかけてガス流を阻害しないよう収納された吸
水材とからな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，酸化剤通路，およびそ
の入口セルマニホ−ルド，出口セルマニホ−ルドを有す
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した燃料ガス
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、
前記酸化剤通路側の入口セルマニホ−ルドと出口セルマ
ニホ−ルドとの中間に凹溝として形成された未加湿酸化
剤ガスの供給部と、この供給部からその上流側酸化剤通
路の一部にかけてガス流を阻害しないよう収納された吸
水材とからなる凝縮水除去手段を備えてなるものとす
る。
【００１１】また、吸水材が、酸化剤通路側の出口セル
マニホ−ルドからその上流側酸化剤通路の一部にかけて
ガス流を阻害しないよう収納されてなるものとする。さ
らに、吸水材が、未加湿酸化剤ガスの供給部あるいは出
口セルマニホ−ルドにスタックを貫通して連通するそれ
ぞれ一対のヘッダ−の一方側にも充填され、凝縮水の排
出路を形成してなるものとする。
マニホ−ルドからその上流側酸化剤通路の一部にかけて
ガス流を阻害しないよう収納されてなるものとする。さ
らに、吸水材が、未加湿酸化剤ガスの供給部あるいは出
口セルマニホ−ルドにスタックを貫通して連通するそれ
ぞれ一対のヘッダ−の一方側にも充填され、凝縮水の排
出路を形成してなるものとする。
【００１２】
【作用】この発明の構成において、酸化剤通路の流路の
途中に未加湿酸化剤供給部および吸水材からなる凝縮水
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に上流側からの
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、凝縮水の蒸発が促されるとともに、未
加湿酸化材供給部の上流側に接した酸化剤通路の内壁面
に凝縮する凝縮水を吸水材が吸収して酸化剤通路の閉塞
を防止するので、酸化剤電極触媒層への酸化剤ガスの供
給障害を防止し、固体高分子電解質型燃料電池の発電性
能を安定して維持する機能が得られる。
途中に未加湿酸化剤供給部および吸水材からなる凝縮水
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に上流側からの
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、凝縮水の蒸発が促されるとともに、未
加湿酸化材供給部の上流側に接した酸化剤通路の内壁面
に凝縮する凝縮水を吸水材が吸収して酸化剤通路の閉塞
を防止するので、酸化剤電極触媒層への酸化剤ガスの供
給障害を防止し、固体高分子電解質型燃料電池の発電性
能を安定して維持する機能が得られる。
【００１３】また、吸水材を出口セルマニホ−ルド側に
も設けるよう構成すれば、出口セルマニホ−ルドの上流
側に接した酸化剤通路の凝縮水による閉塞も排除され、
より安定した発電性能を維持する機能が得られる。さら
に、吸水材を未加湿酸化剤ガスの供給部あるいは出口セ
ルマニホ−ルドにスタックを貫通して連通するそれぞれ
一対のヘッダ−の一方側にも充填し、凝縮水の排出路を
形成するよう構成すれば、吸水材が凝縮水を常に吸収可
能な状態に保持して凝縮水除去作用を発揮する機能が得
られる。
も設けるよう構成すれば、出口セルマニホ−ルドの上流
側に接した酸化剤通路の凝縮水による閉塞も排除され、
より安定した発電性能を維持する機能が得られる。さら
に、吸水材を未加湿酸化剤ガスの供給部あるいは出口セ
ルマニホ−ルドにスタックを貫通して連通するそれぞれ
一対のヘッダ−の一方側にも充填し、凝縮水の排出路を
形成するよう構成すれば、吸水材が凝縮水を常に吸収可
能な状態に保持して凝縮水除去作用を発揮する機能が得
られる。
【００１４】
【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、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、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が一対のヘッダ−１６Ａ，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、出口側セ
ルマニホ−ルド２６，ヘッダ−２６Ｂを介して排出され
ることにより、燃料電極３に拡散した水素がアノ−ド反
応に寄与するとともに、加湿燃料ガス９Ｆが高い水蒸気
分圧を保持することにより固体高分子膜２の加湿が行わ
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、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、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が一対のヘッダ−１６Ａ，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、出口側セ
ルマニホ−ルド２６，ヘッダ−２６Ｂを介して排出され
ることにより、燃料電極３に拡散した水素がアノ−ド反
応に寄与するとともに、加湿燃料ガス９Ｆが高い水蒸気
分圧を保持することにより固体高分子膜２の加湿が行わ
れる。
【００１５】また、酸化剤電極４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１７，および出口側セルマニホ−ルド２
７が形成され、加湿酸化剤ガス９Ａが一対のヘッダ−１
７Ａ，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、出口側セルマニホ−ルド２７，ヘッダ−
２７Ｂを介して排出されることにより、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、加湿酸
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。
−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１７，および出口側セルマニホ−ルド２
７が形成され、加湿酸化剤ガス９Ａが一対のヘッダ−１
７Ａ，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、出口側セルマニホ−ルド２７，ヘッダ−
２７Ｂを介して排出されることにより、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、加湿酸
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。
【００１６】さらに実施例の場合、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
らなる未加湿酸化材供給部３７と、この供給部３７から
その上流側酸化剤通路７の一部にかけてガス流を阻害し
ないよう収納された吸水材３９とからなる凝縮水除去手
段３０が設けられ、一対のヘッダ−３７Ａ，未加湿酸化
材供給部３７を経由して未加湿酸化剤ガス９Ｄが酸化剤
通路７の中間位置に供給され、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が混合し、水蒸気分圧が低下した酸化剤
ガスが下流側に流れ、酸化剤通路内の過剰な水分の蒸発
を促して酸化剤通路７の内壁面に凝縮水が付着するのを
防止するするとともに、未加湿酸化材供給部３７の上流
側に接した酸化剤通路内で生成した凝縮水を吸水材３９
が吸収することにより、酸化剤通路の閉塞を防止するこ
とができる。
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
らなる未加湿酸化材供給部３７と、この供給部３７から
その上流側酸化剤通路７の一部にかけてガス流を阻害し
ないよう収納された吸水材３９とからなる凝縮水除去手
段３０が設けられ、一対のヘッダ−３７Ａ，未加湿酸化
材供給部３７を経由して未加湿酸化剤ガス９Ｄが酸化剤
通路７の中間位置に供給され、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が混合し、水蒸気分圧が低下した酸化剤
ガスが下流側に流れ、酸化剤通路内の過剰な水分の蒸発
を促して酸化剤通路７の内壁面に凝縮水が付着するのを
防止するするとともに、未加湿酸化材供給部３７の上流
側に接した酸化剤通路内で生成した凝縮水を吸水材３９
が吸収することにより、酸化剤通路の閉塞を防止するこ
とができる。
【００１７】なお、吸水材３９としては、水に対する濡
れ性、および熱的，化学的安定性に優れ、有害イオンを
発生しない繊維であればよく、例えばガラス繊維布，ガ
ラス不織布などが適しており、酸化剤通路および未加湿
酸化剤供給部に段差を設けてバイポ−ラプレ−ト５に固
着することが好ましい。また、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９Ａの供給量やその加湿状態によって変化する
ので、酸化剤通路７内での水分量の分布状態を勘案して
凝縮水除去手段３０の位置を決めるとともに、加湿酸化
剤９Ａに対する未加湿酸化剤９Ｄの供給量を制御するこ
とが好ましく、必要に応じて凝縮水除去手段を複数箇所
に設けるよう構成されてよい。
れ性、および熱的，化学的安定性に優れ、有害イオンを
発生しない繊維であればよく、例えばガラス繊維布，ガ
ラス不織布などが適しており、酸化剤通路および未加湿
酸化剤供給部に段差を設けてバイポ−ラプレ−ト５に固
着することが好ましい。また、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９Ａの供給量やその加湿状態によって変化する
ので、酸化剤通路７内での水分量の分布状態を勘案して
凝縮水除去手段３０の位置を決めるとともに、加湿酸化
剤９Ａに対する未加湿酸化剤９Ｄの供給量を制御するこ
とが好ましく、必要に応じて凝縮水除去手段を複数箇所
に設けるよう構成されてよい。
【００１８】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。
【００１９】また、出口セルマニホ−ルド２７側にも吸
水材２９を設けるよう構成すれば、出口セルマニホ−ル
ド２７の上流側に接した酸化剤通路の凝縮水を吸水材２
９が吸収して酸化剤通路の閉塞を排除するので、より安
定した発電性能を維持できる利点が得られる。さらに、
吸水材３９または２９を未加湿酸化剤供給部３７あるい
は出口セルマニホ−ルド２７に連通するそれぞれ一対の
ヘッダ−３７Ａ，２７Ｂそれぞれの一方ヘッダ−側にも
充填し、凝縮水の排出路を形成するよう構成すれば、吸
水材が凝縮水を常に吸収可能な状態に保持し、凝縮水除
去作用を長期間安定して発揮するので、固体高分子電解
質型燃料電池の発電性能の長期安定性を向上できる利点
が得られる。
水材２９を設けるよう構成すれば、出口セルマニホ−ル
ド２７の上流側に接した酸化剤通路の凝縮水を吸水材２
９が吸収して酸化剤通路の閉塞を排除するので、より安
定した発電性能を維持できる利点が得られる。さらに、
吸水材３９または２９を未加湿酸化剤供給部３７あるい
は出口セルマニホ−ルド２７に連通するそれぞれ一対の
ヘッダ−３７Ａ，２７Ｂそれぞれの一方ヘッダ−側にも
充填し、凝縮水の排出路を形成するよう構成すれば、吸
水材が凝縮水を常に吸収可能な状態に保持し、凝縮水除
去作用を長期間安定して発揮するので、固体高分子電解
質型燃料電池の発電性能の長期安定性を向上できる利点
が得られる。
【００２０】
【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酸化剤供給部および吸水材からなる
凝縮水除去手段を設けるよう構成した。その結果、未加
湿酸化剤供給部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混合し、これより下流の
酸化剤ガス中の水蒸気分圧を低下させ、過剰な水分の蒸
発を促すとともに、凝縮水を吸水材が吸収して酸化剤通
路の閉塞を阻止するので、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、凝縮水が酸化剤通路を閉塞すること
によって生ずる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酸化剤供給部および吸水材からなる
凝縮水除去手段を設けるよう構成した。その結果、未加
湿酸化剤供給部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混合し、これより下流の
酸化剤ガス中の水蒸気分圧を低下させ、過剰な水分の蒸
発を促すとともに、凝縮水を吸水材が吸収して酸化剤通
路の閉塞を阻止するので、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、凝縮水が酸化剤通路を閉塞すること
によって生ずる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】従来の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
を模式化して示す断面図
【図５】反応ガスの加湿方式を示すブロック図
【図６】従来のバイボ−ラプレ−トを酸化剤通路側から
見た平面図
見た平面図
１ 単セル ２ 固体高分子膜（プロトン交換膜） ３ 燃料電極（アノ−ド） ４ 酸化剤電極（カソ−ド） 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） ２９ 吸水材 ３０ 凝縮水除去手段 ３７ 未加湿酸化材供給部 ３７Ａ ヘッダ−（未加湿酸化剤ガス供給側） ３９ 吸水材
Claims (3)
- 【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，酸化剤通路，およびその入口セルマ
ニホ−ルド，出口セルマニホ−ルドを有するバイポ−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
通路側の入口セルマニホ−ルドと出口セルマニホ−ルド
との中間に凹溝として形成された未加湿酸化剤ガスの供
給部と、この供給部からその上流側酸化剤通路の一部に
かけてガス流を阻害しないよう収納された吸水材とから
な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。 - 【請求項２】吸水材が、酸化剤通路側の出口セルマニホ
−ルドからその上流側酸化剤通路の一部にかけてガス流
を阻害しないよう収納され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。 - 【請求項３】吸水材が、未加湿酸化剤ガスの供給部ある
いは出口セルマニホ−ルドにスタックを貫通して連通す
るそれぞれ一対のヘッダ−の一方側にも充填され、凝縮
水の排出路を形成してなることを特徴とする請求項１ま
たは請求項２記載の固体高分子電解質型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4241079A JPH0689730A (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4241079A JPH0689730A (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0689730A true JPH0689730A (ja) | 1994-03-29 |
Family
ID=17068982
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4241079A Pending JPH0689730A (ja) | 1992-09-10 | 1992-09-10 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0689730A (ja) |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0924785A2 (en) * | 1997-12-18 | 1999-06-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and bipolar separator for the same |
| US5939218A (en) * | 1994-11-11 | 1999-08-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Polyelectrolytic fuel cell and the method of controlling the operation thereof |
| FR2786027A1 (fr) * | 1998-11-12 | 2000-05-19 | Commissariat Energie Atomique | Plaques bipolaires pour pile a combustible et pile a combustible comprenant ces plaques |
| US6503650B1 (en) | 1999-06-30 | 2003-01-07 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell system |
| KR100539114B1 (ko) * | 2001-08-30 | 2005-12-26 | 산요덴키가부시키가이샤 | 연료 전지 |
| US7138200B1 (en) | 1997-12-18 | 2006-11-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and separator for the same |
| US7175933B2 (en) | 2003-05-13 | 2007-02-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and vehicle with fuel cell system mounted thereon |
| US7588851B2 (en) | 2002-05-20 | 2009-09-15 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack structure |
| JP2010225536A (ja) * | 2009-03-25 | 2010-10-07 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
| US8067126B2 (en) | 2002-12-02 | 2011-11-29 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell, method for operating full cell and fuel cell system |
| CN113445980A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-28 | 徐州工程学院 | 一种强化地面钻井水力压裂增透效果的方法 |
-
1992
- 1992-09-10 JP JP4241079A patent/JPH0689730A/ja active Pending
Cited By (20)
| 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 |
| US7572537B2 (en) | 1997-12-18 | 2009-08-11 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and separator for the same |
| EP0924785A2 (en) * | 1997-12-18 | 1999-06-23 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and bipolar separator for the same |
| EP0924785A3 (en) * | 1997-12-18 | 2003-12-17 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and bipolar separator for the same |
| US7138200B1 (en) | 1997-12-18 | 2006-11-21 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell and separator for the same |
| FR2786027A1 (fr) * | 1998-11-12 | 2000-05-19 | Commissariat Energie Atomique | Plaques bipolaires pour pile a combustible et pile a combustible comprenant ces plaques |
| WO2000030199A1 (fr) * | 1998-11-12 | 2000-05-25 | Commissariat A L'energie Atomique | Plaques bipolaires pour pile a combustible et pile a combustible comprenant ces plaques |
| US6503650B1 (en) | 1999-06-30 | 2003-01-07 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell system |
| KR100539114B1 (ko) * | 2001-08-30 | 2005-12-26 | 산요덴키가부시키가이샤 | 연료 전지 |
| US7588851B2 (en) | 2002-05-20 | 2009-09-15 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell stack structure |
| US8206866B2 (en) | 2002-12-02 | 2012-06-26 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell, method for operating fuel cell and fuel cell system |
| US8067126B2 (en) | 2002-12-02 | 2011-11-29 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell, method for operating full cell and fuel cell system |
| US8221926B2 (en) | 2002-12-02 | 2012-07-17 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell, method for operating fuel cell and fuel cell system |
| US8268500B2 (en) | 2002-12-02 | 2012-09-18 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell, method for operating fuel cell and fuel cell system |
| US8563181B2 (en) | 2002-12-02 | 2013-10-22 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell, method for operating fuel cell and fuel cell system |
| US8715869B2 (en) | 2002-12-02 | 2014-05-06 | Jx Nippon Oil & Energy Corporation | Fuel cell, method for operating fuel cell and fuel cell system |
| US7175933B2 (en) | 2003-05-13 | 2007-02-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and vehicle with fuel cell system mounted thereon |
| DE102004017281B4 (de) * | 2003-05-13 | 2008-09-11 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha, Toyota | Brennstoffzellen-System und Verwendung eines Brennstoffzellen-Systems in einem Fahrzeug |
| JP2010225536A (ja) * | 2009-03-25 | 2010-10-07 | Toshiba Corp | 燃料電池 |
| CN113445980A (zh) * | 2021-07-08 | 2021-09-28 | 徐州工程学院 | 一种强化地面钻井水力压裂增透效果的方法 |
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