JPH10106593A

JPH10106593A - 固体高分子型燃料電池，その運転方法及び固体高分子型燃料電池システム

Info

Publication number: JPH10106593A
Application number: JP8259774A
Authority: JP
Inventors: Ryuji Hatayama; 龍次畑山; Katsuya Oda; 勝也小田; Yukinori Akiyama; 幸徳秋山; Takahiro Isono; 隆博礒野; Akira Hamada; 陽濱田; Yasuo Miyake; 泰夫三宅; Masataka Kadowaki; 正天門脇; Shunsuke Taniguchi; 俊輔谷口; Toru Nakaoka; 透中岡; Minoru Kaneko; 実金子
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1996-09-30
Publication date: 1998-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、固体高分子型燃料電池において、
加湿温度の制御が容易な固体高分子型燃料電池及びその
運転方法を提供することを第一目的とし、簡略なシステ
ム構成の固体高分子型燃料電池システムを提供すること
を第二の目的としている。【解決手段】まず固体高分子型燃料電池の電解質膜の
膜厚を３〜４０μｍと薄くすることにより、低い露点の
反応ガスでも電解質膜の湿潤状態を電池運転時において
維持することを実現している。さらに、冷却と加湿用の
水を共用とすることで、固体高分子型燃料電池システム
構成を簡略にしている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に関し、殊に電池運転時に固体高分子膜を湿潤する
技術の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、固体高分子膜
からなる電解質膜の一方の側にカソードが配され他方の
側にアノードが配されたセルと、リブ及びガスチャネル
が形成されたセパレータ板とが交互に複数枚積層された
構成をしている。そして、カソードにカソードガス（空
気等の酸化剤ガス）をアノードにアノードガス（水素リ
ッチな燃料ガス）をそれぞれ供給し、両ガスを電気化学
反応させることにより発電するようになっている。この
電気化学反応は、アノードガスの水素が水素イオンとな
り、電解質膜の内部をアノード側からカソード側への移
動を伴うものであり、この水素イオンの伝導性が高い
程、単セル当たりの出力電圧を大きくすることができ
る。従って、電解質膜の素材や膜厚を選定する際におい
て、このイオン伝導性を考慮すると共に、セル積層時の
荷重や、反応ガスの差圧或は酸化還元反応等による膜自
体の物理的，化学的損傷が生じないようにすること等も
考慮して、従来は、例えばナフィオン（米国デュポン社
の商品名）のように強陽イオン交換基を有する素材から
なる膜厚が１００μｍ前後のイオン交換膜が主に採用さ
れていた。

【０００３】このような固体高分子型燃料電池では、電
解質膜が乾燥するとイオン伝導性が低下するので、運転
時には電解質膜の湿潤状態を保つように、アノードガス
又はカソードガスを電池の作動温度（通常、５０℃〜８
０℃）で露点となるように加湿して（例えば、作動温度
付近、８０℃前後の温水中にアノードガス又はカソード
ガスをバブリングして加湿する。）、燃料電池に供給す
る方法を主に採用していた。

【０００４】しかし、上記の加湿方法では、温水を得る
ためにヒータ等やそのための補機動力装置が別途必要で
あるため、その分だけシステムの効率が悪かった。これ
に対して、特開平７−３２６３７６号公報には、燃料電
池と各反応ガス加湿部との間で、水や水蒸気等の熱媒体
を循環させることによって、燃料電池の発電に伴って発
生する熱を各反応ガスの加湿に用いることができる技術
が開示されている。この技術によって、従来、加湿用の
熱源として必要であったヒータ電力等を不要にすること
ができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の固体高分子型燃料電池においては、加湿の温
度を電池作動温度付近の狭い範囲で厳密に制御しなけれ
ば、電解質膜の保湿が不十分或は過剰になるという課題
があった。また、燃料電池の発電の電気化学反応は発熱
反応であるので、燃料電池運転時には強制的に冷却する
必要があり、そのため上記加湿装置の他に冷却水用のタ
ンクをも設置しなければならずシステム構成の簡略性に
関しての課題があった。

【０００６】本発明は、上記課題に鑑みてなされたもの
であり、固体高分子型燃料電池において、加湿温度の制
御が容易な固体高分子型燃料電池及びその運転方法を提
供することを第一目的とし、簡略なシステム構成の固体
高分子型燃料電池システムを提供することを第二の目的
としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記第一の目的を達成す
るために本発明は、電解質膜を介してアノードとカソー
ドが配されたセルと、当該セルを挟持する挟持部材と、
当該挟持部材と前記アノードの間にはアノードガスチャ
ネルが、前記セパレータ板と前記カソードの間にはカソ
ードガスチャネルがそれぞれアノード或はカソードと密
接して設けられた固体高分子型燃料電池において、前記
電解質膜の厚みが、３〜４０μｍであることを特徴とし
ている。

【０００８】このように電解質膜の膜厚を薄くすること
で、電池作動温度と比べて低い露点の反応ガスを用いて
も発電することが可能となり、その結果、加湿制御の温
度幅が広がり加湿制御が容易になる。このような前記固
体高分子型燃料電池においては、加湿手段として室温相
当の水と接触させて加湿し燃料電池に供給すれば、電解
質膜の湿潤状態を維持することができる。この場合、加
湿用の温水を生成するための熱源が別途不要となので、
システム構成を簡略にできる。

【０００９】さらに前記固体高分子型燃料電池が、電池
反応によって生成した生成水を回収する生成水回収手段
と、当該回収手段により回収した生成水を用いてアノー
ドガス及びカソードガスの少なくとも一方を加湿する加
湿手段とを備えれば、加湿用の水を外部から別途補給す
る必要がない。また、電池作動温度を室温相当とすれ
ば、アノードガス及びカソードガスが共に無加湿状態で
運転することもできる。

【００１０】このことは、例えば携帯用の燃料電池発電
システムのように簡略性が要求される場合に非常に有効
であると言える。また、第二の目的を達成するために本
発明の固体高分子型燃料電池システムは、電解質膜を介
してアノードとカソードが配されたセルと、セパレータ
板が交互に積層されと共に、前記セパレータ板と前記ア
ノード及びカソード間にはガスチャネルが形成され、且
つ、冷却水流通路が開設されており、当該冷却水流通路
に固体高分子型燃料電池に外設された水貯蔵部から冷却
水を循環供給する冷却水循環手段を有し、更に、前記水
貯蔵部にアノードガス及びカソードガスの少なくとも一
方を導入して加湿する加湿手段とを有することを特徴と
している。

【００１１】前記固体高分子型燃料電池システムでは、
水貯蔵部の水は、冷却用と反応ガスの加湿用を兼ねてい
る。そして、電池の発電によって生じる熱が反応ガスの
加湿に用いられるため、温水を得るためのヒータ等の熱
源を別途設置しなくてもよいので、それだけシステム構
成を簡略にすることができる。このような固体高分子型
燃料電池システムで、更に、電池反応によって生成した
生成水を回収して水貯蔵部に送り込む生成水回収手段を
備えれば、加湿に伴って水貯蔵部から失われる水を外部
から別途補給する必要がない。

【００１２】さらに、システムが水貯蔵部の水を用いて
水蒸気を発生し、燃料ガスを水蒸気改質することによっ
て水素リッチなガスを生成する改質装置を備えれば、水
貯蔵部の水が水蒸気改質のために用いられるため簡略な
システム構成とすることができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】

〔実施の形態１〕図１は、固体高分子型燃料電池（以
降、単に燃料電池１と言う。）の基本単位１ａの構成を
示す分解斜視図である。この燃料電池１の基本単位１０
０は、電解質膜１１の中央部にアノード１２とカソード
１３（図１においては電解質膜１１の背面にあって見え
ない。図２参照。）とが配されたセル１０と、セル１０
を挟持する１対のセパレータ板２０，３０と、アノード
１２，カソード１３と接するように、セパレータ板２
０，３０とセル１０との間に介挿された１対の集電体４
０，４１と、セパレータ板２０，３０の外周部とセル１
０との間に介挿されたこの部分をシールするシール材５
０，６０とが積層された構成である。

【００１４】そして、燃料電池１はこのような基本単位
１００が例えば５個積層される毎に、冷却プレート１１
０が介挿されて積層体が形成され、当該積層体の両端が
１対の端板（不図示）で押さえられて構成されている。
なお、積層される基本単位の数は、出力しようとする電
圧に応じて設定される。電解質膜１１は、長方形状のイ
オン交換膜であって、周部の４つの角の部分には、反応
ガス給排用の内部マニホールドを形成するための４つの
円形の貫通孔１４，１５，１６，１７（図１では見えな
い。）が開設されている。

【００１５】また、周部の中央には冷却水給排用の内部
マニホールドを形成するための貫通孔１８，１９（１９
は、図１では見えない。）が開設されている。前記電解
質膜１１の膜厚は、３〜４０μｍ、好ましくは５〜４０
μｍの範囲に設定されている。その理由は、４０μｍを
越えると単セル電圧の加湿温度に対する依存性が大きく
なり、加湿温度低下による単セル電圧の低下も大きくな
るため、又、３μｍ未満になると電池組立時の電解質膜
の取り扱いが困難になるため、又、５μｍ未満ではガス
クロスリークが大きくなるためである。

【００１６】電解質膜１１は、このように膜厚が従来よ
りも薄くされているだけでなく、膜の強度を確保するた
めに、イオン交換基を有さない補強剤が配合されたもの
を素材としている。電解質膜１１の具体例は、スルホン
酸基を持つポリスチレン系樹脂或はパーフルオロカーボ
ンスルホン酸に補強剤としてのポリテトラフルオロエチ
レン（テフロン，デュポン社製）を混合した混合膜，フ
ルオロカーボンスルホン酸と補強剤としてのポリビニリ
デンフロライドとの混合膜，このような混合膜にトリフ
ルオロエチレンを補強剤としてさらにグラフト化したも
の等の陽イオン交換性の高分子膜である。これらの高分
子膜は、陽イオン交換性の樹脂と補強剤とを混合したも
のをプレス加工することによって所定の厚みに成形され
ている。

【００１７】電解質膜１１は、上記のようにイオン交換
基を有さない補強剤が配合されているので、イオン交換
樹脂のみからなる膜（デュポン社製のナフィオン）の場
合と比べてイオン伝導性は低下する。この点はセルの発
電力にとってマイナスであるが、膜厚が薄くなっている
分、内部抵抗が低下し、これがセルの発電力に対して寄
与する。従って、従来のイオン交換性の樹脂単独の素材
からなる１００μｍ程度の電解質膜を用いる場合と比べ
て同等以上のセル発電力を得ることができる。

【００１８】アノード１２，カソード１３は、共に白金
担持カーボンからなる所定の厚さ（２０〜３０μｍ）の
同じ寸法の成形体であって、電解質膜１１の中央部に密
着されており、所定の白金担持量（０. ７ｍｇ／ｃｍ
２）に調整されている。セパレータ板２０，３０は、共
に電解質膜１１と同等の寸法に形成されたカーボン材料
からなるプレートであって、セパレータ板２０のアノー
ド１２と対向する側には複数のアノードガスチャネル２
１…が刻まれ（図１においては、セパレータ板２０の背
面側に形成されているので見えない。図２参照。）、セ
パレータ板３０のカソード１３と対向する側には複数の
カソードガスチャネル３１…が刻まれている。

【００１９】また、セパレータ板２０，３０の各々に
は、４つの角の部分に円形の貫通孔２４，２５，２６，
２７並びに貫通孔３４，３５，３６，３７（３７は、図
１では見えない。）が開設され、周部の中央には貫通孔
３８，３９（３９は、図１では見えない。）が開設され
ている。図１に示されるように貫通孔３４及び貫通孔３
６は、複数のカソードガスチャネル３１…と連通されて
おり一方、図１には示されないが、これと同様に貫通孔
２５及び２７は、複数のカソードガスチャネル２１…と
連通されている。

【００２０】集電体４０，４１は、溌水処理を施した多
孔性カーボンの薄板からなり、アノード１２，カソード
１３よりも若干大きい寸法で形成されている。そして、
集電体を介してアノード１２と複数のアノードガスチャ
ネル２１…は対向し、集電体４１を介して、カソード１
３と複数のカソードガスチャネル３１とは対向してい
る。

【００２１】シール材５０，６０は、弾力性のある材質
（例えば、ＥＰＤＭゴム）からなる枠体状の板であっ
て、その外周は電解質膜１１の外周と同等の寸法であ
り、その内周５０ａ，６０ａは、アノード１２の外周１
２ａ、カソード１３の外周１３ａ（図１では見えない。
図２参照）、集電体４０，４１の外周４０ａ，４１ａと
同等の寸法である。

【００２２】また、シール材５０，６０の各々にも、前
記セパレータ板２０，３０の貫通孔２４〜２９それぞれ
と対応する位置に６つの円形の貫通孔５４〜５９（５７
及び５９は図１では見えない。）並びに６４〜６９（６
７及び６９は図１では見えない。）が開設されている。
冷却プレート１１０は、電解質膜１１と同等の縦，横寸
法の薄板であり、複数の冷却水通路１１１がセパレータ
３０と対向するように（図２参照）刻まれている。

【００２３】そして冷却プレート１１０各々にも、前記
セパレータ板２０，３０の貫通孔２４〜２９と対応する
位置に６つの貫通孔１１４〜１１９が開設されている。
貫通孔１１８，１１９は前記冷却水通路１１１と連通さ
れている。以上の各部材が積層されることにより、即
ち、セル１０、セパレータ板２０，３０，シール材５
０，６０及び冷却プレート１１０が積層されることによ
り、貫通孔２４，５４，１４，６４，３４，１１４によ
ってカソードガス供給用のマニホールドが構成され、貫
通孔２６，５６，１６，６６，３６，１１６によりカソ
ードガス排出用のマニホールドが構成されている。ま
た、貫通孔２５，５５，１５，６５，３５，１１５によ
りアノードガス供給用のマニホールドが構成され、貫通
孔２７…によってアノードガス排出用のマニホールドが
構成されている。

【００２４】また、貫通孔２８，５８，１８，６８，３
８，１１８によって冷却水供給用のマニホールドが構成
され、貫通孔２９，１９，６９，３９，１１９によって
冷却水排出用のマニホールドが構成される。そして、カ
ソードガス供給用のマニホールドに供給されるカソード
ガスは、複数のカソードガスチャネル３１に分配され、
カソード１３で発電に用いられた後、カソードガス排出
用のマニホールドから排出される。一方、アノードガス
供給用のマニホールドに供給されるアノードガスは、複
数のアノードガスチャネル２１…に分配され、アノード
１２で発電に用いられた後、アノードガス排出用のマニ
ホールドから排出されるようになっている。

【００２５】冷却水供給用のマニホールドに供給された
冷却水は、複数の通路１１１に分配され、冷却に用いら
れた後、冷却水排出用のマニホールドから排出されるこ
とになる。図２（図２は、図１に示す燃料電池１のＸ−
Ｘ軸での断面図である。）に示すように、電解質膜１１
の外周部分は、シール材５０，６０を介してセパレータ
板２０，３０で挟持されている。

【００２６】集電体４０は、シール材５０の内周５０ａ
の内側に丁度はまり込んでおり、集電体４１は、シール
材６０の内周６０ａの内側に丁度はまり込んでいる。〔加湿手段について〕以上のような構成の燃料電池１に
おいて反応ガスの加湿は、室温相当の水すなわち加熱し
ない水に反応ガスを接触させて行う。具体的には、従来
から知られているように水中に反応ガスをバブリングし
たり，反応ガス中に水を噴霧したり，水層の底部に超音
波振動子を設けて通過する反応ガス中に水の微粒子を飛
散させる方式の加湿装置を用いて行うこともできるが、
より簡単な方法として次のような加湿装置を用いて行う
ことができる。

【００２７】図３に示すように開閉可能な上蓋１０１ａ
と本体１０１ｂとからなる水滞留部１０１が、反応ガス
供給用の配管１０２に対して挿設されている。そして、
本体１０１ｂ内には純水１０３が蓄えられ、水層が形成
されている。その水層の上を反応ガスが通過する（図中
の太矢印）ような内部構造となっている。滞留部１０１
からガスが流出しないように前記上蓋１０１ａと本体１
０１ｂとの間にはシール材を介在させて、本体１０１ｂ
と上蓋１０１ａとは締め付けられている。

【００２８】これによって、室温において水層から発生
する水蒸気（図の波線矢印）で反応ガスはほぼ飽和さ
れ、室温相当の露点ガスとなる。このような加湿装置
は、アノードガス供給用或はカソードガス供給用配管の
どちらか一方だけに設けて燃料電池を運転することは可
能であるが、両配管に設置することもできる。

【００２９】このように燃料電池１において、加湿用の
温水を生成するための熱源やそのための電力源である補
助動力装置や水温を制御する機構が不要であって、室温
の水と単に接触させるだけで反応ガスを加湿して運転可
能であるのは、上述したように電解質膜の膜厚が従来よ
りも薄くされていることによるものである。なお、次の
ようにして燃料電池１の電池反応での生成水を用いて反
応ガスの加湿に用いることもできる。

【００３０】すなわち、前記各反応ガス排出用マニホー
ルド少なくともどちらか一方から流出するガスを気液分
離器（不図示）に導いて、これで回収した水を配管１０
４を経由して本体１０１ｂ内に導入するようにすれば、
外部から本体１０１ｂ内に水を補給する必要がない。ま
た、この生成水は作動温度近くにまで昇温されたもので
あるため、水滞留部１０１における反応ガスの加湿はよ
り進行することになる。

【００３１】さらに、前記滞留部１０１の水層の底部
に、超音波振動子（不図示）を設けて、通過する反応ガ
ス中に水の微粒子を飛散させてこれにより反応ガスを加
湿することもできる。なお、燃料電池１は電解質膜の膜
厚が従来よりも薄くされているので、室温相当の温度で
運転する場合には、アノードガス及びカソードガスを共
に無加湿でも発電可能であり（実験２参照）、このよう
な運転形態は、例えば携帯用の燃料電池発電システムの
簡略性が要求される場合に非常に有効であると言える。

【００３２】〔電解質膜の保湿についての考察〕次に、
電解質膜１１の発電時の保湿について水蒸気分圧の観点
から説明する。発電時に電解質膜は、対向するアノード
及びカソードを経由して反応ガスを媒体にして流れ込む
水蒸気と接触する。このとき、作動温度下において、ア
ノードガスチャネルを流れる加湿されたアノードガスの
水蒸気分圧及びカソードガスチャネルを流れる加湿され
たカソードガスの水蒸気分圧と、電解質膜の素材である
樹脂繊維間に形成される微小な間隙（以降、電解質膜空
間という。）の水蒸気分圧それぞれとの平衡が確保され
れば、電解質膜の吸着水の蒸発を防ぐことができる。

【００３３】一方、アノードガスの水蒸気分圧が電解質
膜空間の水蒸気分圧よりも小さい場合、電解質膜の吸着
水がアノード側に水蒸気化し、カソードガスの水蒸気分
圧が電解質膜空間の水蒸気分圧より小さい場合には同様
にして膜の吸着水がカソード側に水蒸気化する。このよ
うに気化して損失する水分は、カソードでの酸化反応に
よって生成する生成水でもって補給されるが、電解質膜
の膜厚が大きい場合では、膜内部やアノード側にまでは
補給できず膜の厚み方向に湿潤状態に勾配ができてしま
う。

【００３４】これに対して、電解質膜の膜厚が薄けれ
ば、カソードでの酸化反応による生成水でもって、前記
のように損失する水量は、膜表面だけでなく内部にまで
十分に補うことができ、膜の厚み方向に湿潤状態に勾配
を生じることがないので、膜のイオン伝導性の低下を抑
制することができる。以上説明したような作用は、膜厚
が薄い程顕著であると言える。

【００３５】〔実験１〕 ★ 実験の方法燃料電池の構成は既述の燃料電池１と同一とし、電解質
膜の膜厚を１２５μｍ，４０μｍ，２０μｍと変えたも
のを用いて以下のような実験した。電解質膜は、主素材
をパーフルオロスルホン酸樹脂とし、これにテフロンを
補強剤として使用し製造したものを使用している（実験
２及び３においても同様の素材からなる膜を使用してい
る。）。

【００３６】電流密度５００ｍＡ／ｃｍ²，作動温度８
０℃，アノードガス加湿温度８０℃の運転条件で運転
し、カソードガスの加湿温度を変化させた場合のセル１
個当たりの電圧（ｍＶ）と内部抵抗値（ｍΩ・ｃｍ²）
を測定した。それらの結果を図４，図５に示した。な
お、カソードガスには、空気を用い、アノードガスには
水素ガスを用いた。

【００３７】また、各反応ガスの加湿は所定の水温の水
中に各反応ガスをバブリングして行い、その水温が加湿
温度となる。そして、当該温度で発生する水蒸気量がカ
ソードガス中に含有されることになり、即ち、バブリン
グされたカソードガスはその水温を露点とする水蒸気を
含有するということになる。なお、カソードガス無加湿
の場合についても測定した。

【００３８】★ 実験の結果及び考察まず、図４に示すように、カソードガス加湿温度が８０
℃において電圧は膜厚によらず略同等の最大の値を示
し、そして、カソードガスの加湿温度が低下するに従い
電圧は低下する傾向を示しているが、電解質膜の膜厚が
薄くなるほど、電圧の温度依存性が小さくなり、加湿温
度の低下による電圧の減少率が小さくなる。したがっ
て、低いカソードガス加湿温度において高い電圧を得る
ことが可能となる。即ち、加湿制御の温度幅が拡大され
るので加湿の制御が容易に行えると言える。

【００３９】例えば、従来の１２５μｍの膜厚の電解質
膜を用いた場合、４８０ｍＶの電圧を得ようとすれば、
少なくとも６０℃の温度で加湿しなければならないが、
４０μｍと従来の略３分の１の膜厚の電解質膜を用いれ
ば、加湿温度は４５℃と大幅に低下しても十分に４８０
ｍＶを発電することができる。さらに薄い膜厚２０μｍ
の場合、カソードガスを加湿することなく無加湿で供し
ても４８０ｍＶを確保することができる。

【００４０】なお、すべての膜厚で加湿温度が８０℃を
越えると電圧が低下しているのは、電池の作動温度が８
０℃であるのでカソードガス中の水蒸気が過飽和にな
り、電極面上に結露して電極内へのカソードガスの透過
性が損なわれ、カソードでの十分な酸化反応が行われな
くなるためである。なお、この実験では２０，４０，１
２５μｍの膜厚について調べたが、膜厚が厚くなるにし
たがって、電圧の温度依存性が大きくなる傾向があるこ
とを別途の実験によっても確認した。

【００４１】次に、図５より、膜厚が薄い方が内部抵抗
は小さいことが分かる。例えば、カソードガス加湿温度
が５０℃において、膜厚１２５μｍでは、十分に電解質
膜の湿潤状態を確保できないため、単セルの内部抵抗
は、４５０ｍΩ・ｃｍ²と非常に大きな値を示すが、膜
厚４０μｍでは、２５０ｍΩ・ｃｍ²と低下し、さらに
膜厚２０μｍでは、１５０ｍΩ・ｃｍ²と１２５μｍの
３分の１にまで低下する。また、膜厚４０μｍ及び２０
μｍの電池を無加湿で運転した場合においてさえ、膜厚
１２５μｍのカソードガス加湿温度が５０℃の場合の内
部抵抗値よりも小さな内部抵抗値を示していた。

【００４２】なお、以上の実験では、アノードガスを８
０℃で加湿した場合について調べたが、アノードガス及
びカソードガス双方を同時に加湿せずに、一方のみを加
湿した場合でも、単セル１個当たりの電圧は若干低下し
たが、上記に実験の場合とほぼ同様の傾向が認められ
た。〔実験２〕 ★ 実験の方法実験１で用いた膜厚２０μｍの燃料電池１を用いて、作
動温度を室温（２５℃）として、アノードガス，カソー
ドガス共に無加湿で運転を行った。そこで電流密度を０
〜５００ｍＡ／ｃｍ²の範囲で変化させながら、セル電
圧（ｍＶ）を測定した。

【００４３】★ 実験の結果図６は、上記実験の結果であって、電流密度とセル電圧
の関係を示す特性図である。図６より、電流密度が４０
０ｍＶ／ｃｍ²以下の範囲では、４８０ｍＶ以上のセル
電圧が得られることが分かる。

【００４４】〔実験３〕 ★ 実験の方法図７に示すように、膜厚１〜１２５μｍの電解質膜を、
気密性を有するハウジングで表裏面の周部を挟持し、水
素ガスと窒素ガスをハウジングと膜の形成する空間に対
峙した状態で封入し、電解質膜を通過して窒素ガス中に
流入する水素ガスの量をクロスリーク量として測定し
た。

【００４５】★ 実験の結果各膜厚についてのクロスリーク量を膜厚が１２５μｍの
クロスリーク量を１とした場合の相対値を図８に示し
た。図８に示したように、電解質膜の膜厚が薄くなるほ
どクロスリーク量は増加傾向にあった。そして、５μｍ
未満ではクロスリーク量の増大が顕著であることが分か
る。従って、膜厚は５μｍ以上が好ましいと言える。

【００４６】〔実施の形態２〕本実施の形態に係る固体
高分子型燃料電池システムは、電解質膜１１に膜厚１２
５μｍのパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂の膜（デ
ュポン社製のナフィオン）を用いる以外は燃料電池１と
同様の構成の固体高分子型燃料電池と、以下説明する加
湿装置７０と、それらを連結する配管系とから構成され
ており、電池運転時には加湿装置７０でアノードガスの
みを加湿するようになっている。

【００４７】以下、図９及び１０を用いて加湿装置７０
の構成及び加湿方法について説明する。図９は、加湿装
置７０の外観図であり、図１０は、加湿装置７０の概略
断面図である。図９に示すように本加湿装置７０は、有
底の円筒管状の装置本体７０ａと天板７０ｂとから構成
され、本体７０ａ側面上部にはアノードガスの給排用の
配管７０１，７０２が連結されている。

【００４８】さらに、本加湿装置７０は、燃料電池を冷
却するための冷却水槽をも兼ねるものであって、冷却水
を燃料電池に供給するための配管７０３が装置本体７０
ａ側面下部に、冷却水を装置本体内に導入するための配
管７０４が天板７０ｂに連結されている。図１０に示す
ように加湿装置７０の内部空間７１０は、熱伝導性の仕
切板７３で仕切られ、アノードガス加湿槽７１と冷却水
槽７２とが形成され、内部に純水が貯蔵されている。そ
して両槽間では、仕切板７３を介して熱交換がなされる
ようになっている。

【００４９】アノードガス加湿槽７１において、上記の
アノードガス供給用の管７０１は、その先端が水層中に
まで挿入され、上記のアノードガス排出用の配管７０２
は、水層より上の位置で当該槽７１と連通されている。
また、上記の冷却水用の配管７０３，７０４は、冷却水
槽７２と連通されている。

【００５０】仕切板７３の下部には、例えばＳＵＳ製の
泡切フィルタ７４が設けられている。これによりアノー
ドガス加湿槽７１と冷却水槽７２との間で水が流通可能
であると共に、アノードガスの気泡が冷却水槽７２へ移
動するのは阻止されるようになっている。泡切フィルタ
７４の細孔径は、配管７０１から水中にバブリングされ
るアノードガスの気泡の径よりも小さい径にすることが
望ましい。

【００５１】★ 冷却水循環機能について配管７０３に挿設されたポンプ７０５を駆動することに
より、冷却水槽７２内に貯蔵された水は、配管７０３を
経由して冷却水として燃料電池に供され、燃料電池から
排出される水は、配管７０４を経由して冷却水槽７２に
戻って繰り返し冷却水として用いられる。配管７０４か
ら戻る水は、燃料電池の作動温度付近のまで昇温されて
いるため、冷却水槽７２内の水の温度は、ヒータ等熱源
がなくとも電池の反応熱によって昇温され電池から排出
される冷却水を熱媒体として作動温度付近にまで昇温さ
れることになる。

【００５２】★ 加湿機能について次に、加湿装置７０におけるアノードガスの加湿機能に
ついて説明する。アノードガスは、配管７０１を経由し
て水層中にバブリングされることにより加湿される。こ
うして加湿されたアノードガスはアノードガス加湿槽７
１内の水層上部の空間に滞留した後、配管７０２を経由
して燃料電池（不図示）に供給される。このようなアノ
ードガスの流れを図１０においては細矢印で示してい
る。

【００５３】アノードガス加湿槽７１の水層の水は、冷
却水槽７２内の温水と泡切フィルタ７４を通して交換さ
れることと（図１０の太矢印）、仕切板７３を介して冷
却水槽７２の熱が伝導することにより冷却水槽７２内の
水と同様に作動温度付近の温水となる。したがって、前
記のように加湿されたアノードガスは、電池作動温度で
飽和量の水蒸気が含有されたものとなる。

【００５４】また、前記泡切フィルタ７４によって、ア
ノードガス加湿槽７１の水層に導入されたアノードガス
は、冷却水槽７２内に混入しない。以上のような加湿装
置７０は、水の温度は発電時の電池の発生熱によって昇
温することで、水を温めるためのヒータやヒータ作動の
ための補助動力装置等が不要にし、反応ガスの加湿と燃
料電池の冷却という２つの異なる機能を同時に果たすこ
とが可能な装置である。

【００５５】★ その他なお、本実施の形態では、アノードガスの加湿は、水層
中にアノードガスをバブリングする方式で行ったが、そ
れ以外にも、前記ガス層にアノードガスを導入し、アノ
ードガス加湿槽７１の底部に設置した超音波振動子（不
図示）で水層の水面から水の微粒子を発生させ、これを
含有させたアノードガスを燃料電池に供給することもで
きる。

【００５６】また、本実施の形態では加湿はアノードガ
スだけを加湿したが、加湿は必ずしもアノードガスでは
なくカソードガスを加湿するようにしてもよい。また、
本実施の形態では、加湿に伴って加湿装置７０内の水が
失われるため、これを補給する必要があるが、発電時に
カソード側での酸化反応によって生成する生成水をカソ
ードガス排出用のマニホールドから排出されるガス中か
ら気液分離気器（不図示）で分離したり、アノードガス
の排出用のマニホールドから排出されるガスから気液分
離器によって、水分を分離し、分離した水を冷却水槽７
２に供するようにすることもできる。

【００５７】このように電池反応による生成水を回収し
て補給すれば、別途に水を供給しなくても加湿によって
失われる水分の補給がなされる。なお、本実施の形態の
固体高分子型燃料電池システムにおいて、メタンガス等
の天然ガスを水蒸気改質反応して水素リッチなガスを生
成する改質器（不図示）を設けて、この水素リッチなガ
スをアノードガスとして使用することもできる。この場
合、前記冷却水槽の温水を温水を水蒸気発生器に導い
て、これを水蒸気化して、改質器に導入して、水蒸気改
質反応用の水蒸気として用いるようなシステム構成とす
ることもできる。

【００５８】〔実施の形態３〕本実施の形態に係る固体
高分子型燃料電池システムは、実施の形態２と同様、燃
料電池と加湿装置８０とそれらを連結する配管系とから
構成されるが、加湿装置８０では運転時にアノードガス
及びカソードガス共に加湿を行う。図１１は、本実施の
形態に係る加湿装置８０の外観図であり、図１２は、概
略断面図である。

【００５９】実施の形態２の加湿装置７０と同様に本加
湿装置８０も、燃料電池を冷却する冷却水槽をも兼ねる
有底の円筒管状の装置本体８０ａと天板８０ｂとから構
成されているが、加湿装置８０の内部空間８５０は仕切
板８３で２つに仕切られてアノードガス加湿槽８１とカ
ソードガス加湿槽８２が形成されており、両槽に所定量
の純水が貯蔵されている。

【００６０】そして、本体８０ａ側面上部にはアノード
ガス及びカソードガスの給排用の配管８０１〜８０４が
連結されている。アノードガス供給用の配管８０１は、
その先端がアノードガス加湿槽８１内の水層中に達する
ところまで挿入され，アノードガス排出用の配管８０２
は、同加湿槽８１の水層より上の位置に連結されてい
る。

【００６１】また、これと同様の形態でカソードガス加
湿槽８２に、配管８０３及び配管８０４が設けられてい
る。また、装置本体８０ａ底面には、燃料電池に冷却水
を供給するポンプが介挿された配管８０５がアノードガ
ス加湿槽８１と連通して連結され、天板８０ｂには、燃
料電池からの冷却水を回収する配管８０６がカソードガ
ス加湿槽８２と連通して連結され、本体８０ａ側面上部
には、同槽８２に対して制御弁８１７が介設された補給
水の導入用の配管８０７が連結されている。

【００６２】さらに、本体８０ａ側面下部には制御弁８
１８の挿設された連通管８０８がカソードガス加湿槽８
１とアノードガス加湿槽８２の水層を連通するよう連結
されている。また、天板８０ｂには、第一圧力測定口８
０９及び第二圧力測定口８１０が開設され、各圧力測定
口には圧力センサが設置されて、アノードガス加湿槽８
１及びカソードガス加湿槽８２のガス圧を測定できるよ
うになっている。

【００６３】加湿によって失われた水の補給は、配管８
０７に挿設された制御弁８１７を加湿装置内に設けられ
たセンサ（不図示）からの信号により、制御して適宜な
される。また、連通管８０８の制御弁８１８は通常は開
かれて、両槽の水が流通するようにされているが、両槽
のガス圧に大きな差が生じた時には、制御弁８１８を閉
じてアノードガスとカソードガスとが混合しないように
される。この制御は、前記の各圧力センサで各加湿槽の
ガス圧を検知し、そして、その信号を受けて各圧力計測
器８４１，８４２で圧力を計測した計測結果に基づい
て、アノードガス加湿槽８１内のガス圧とカソードガス
加湿槽８２内のガス圧との差圧を差圧演算器８４３で演
算処理し、その演算結果に基づき制御器８４４で制御弁
が閉じられる。

【００６４】アノードガスは、アノードガス供給用の配
管８０１からアノードガス加湿槽８１の水層中に吹き込
まれ、同槽８１の上部空間からアノードガス排出用の配
管８０３を通って、燃料電池に供給されるようになって
いる。このようなアノードガスの流れを図中の細実線矢
印にて示す。一方、カソードガスは、カソードガス供給
用の配管８０３からカソードガス加湿槽８２の水層中に
吹き込まれ、同槽８２の上部空間からカソードガス排出
用の配管８０４を通って、燃料電池に供給されるように
なっている。このようなカソードガスの流れを図中の点
線矢印にて示す。

【００６５】このような加湿装置８０によると実施形態
２の加湿装置７０と同様の効果を有すると共に、双方の
反応ガスを同時に加湿するので、電池の運転をより安定
してなすことが可能となる。 ★ その他前記配管８０５及び配管８０６とは、前述の位置に限定
されず、共にカソードガス加湿槽に或はアノードガス加
湿槽に開設することもできる。

【００６６】また、前記連通管８０８内部には、前記の
泡切フィルタを取り付けて各ガス加湿槽の水層に導入さ
れる各反応ガスが各ガス加湿槽に跨って混入しないよう
にすることもできる。〔実施の形態４〕本実施の形態に係る固体高分子型燃料
電池システムは、実施の形態３のシステムと同様である
が、加湿装置９０の内部構造が加湿装置８０と異なって
いる。

【００６７】図１３は、加湿装置９０の内部構造を示す
概略断面図である。加湿装置９０の内部空間９５０が仕
切板９３で仕切られて、アノードガス加湿槽９１とカソ
ードガス加湿槽９２との２つの槽が形成されている点
は、加湿装置８０と同様であるが、さらに、アノードガ
ス加湿槽９１は仕切板９１０で２つの第１加湿槽９１１
と第２加湿槽９１２とに仕切られ、カソードガス加湿槽
９２は仕切板９２０で２つの第３加湿槽９２１と第４加
湿槽９２２とに仕切られ、各槽には所定量の純水が貯蔵
されているそして、第１及び第２加湿槽は、仕切板９１
０の下端に開設された通路９１０ａにより連通され、第
３加湿槽と第４加湿槽のは、仕切板９２０の下端に開設
された通路９２０ａにより連通されている。

【００６８】また、アノードガス加湿槽９１とカソード
ガス加湿槽９２とは下端部で制御弁９３１が介設された
連通管９３０によって連通されている。この制御弁９３
１は、実施の形態３の制御弁８１８と同様にコントロー
ルされ、これによって第１〜第４加湿槽の水位が同等に
保たれるようになっている。アノードガスは、アノード
ガス供給用の配管９０１から第１加湿槽９１１の水層中
に吹き込まれ、更に第１加湿槽９１１の上部空間から第
２加湿槽９１２の水層中に吹き込まれ、第２加湿槽９１
２の上部空間からアノードガス排出用の配管９０３を通
って、燃料電池に供給されるようになっている。このよ
うなアノードガスの流れを図中の細実線矢印にて示す。

【００６９】一方、カソードガスは、カソードガス供給
用の配管９０４から第３加湿槽９２１の水層中に吹き込
まれ、更に第３加湿槽９２１の上部空間から第４加湿槽
９２２の水層中に吹き込まれ、第４加湿槽９１２の上部
空間からカソードガス排出用の配管９０６を通って、燃
料電池に供給されるようになっている。このようなカソ
ードガスの流れを図中の点線矢印にて示す。

【００７０】本実施の形態の固体高分子型燃料電池シス
テムは、実施の形態３のシステムと同様の効果を有する
と共に、加湿装置９０では各反応ガスを水と連続的に２
回接触させることで加湿されるので、反応ガスの加湿は
より進行されることになり、安定した加湿を行うことが
可能となる。〔変形例〕以上、本発明を実施の形態に基づいて説明し
てきたが、本発明の内容が、上述の実施の形態に限定さ
れないのは勿論であり、以下のようなものも本発明に含
まれる。

【００７１】（ａ）上記実施形態１〜４においては、
内部マニホールド方式の燃料電池の例を示したが、外部
マニホールド方式の燃料電池においても同様に実施する
ことができる。（ｂ）実験２の２０μｍの膜厚の電解質膜を用い室温
で運転する場合、アノードガス及びカソードガスは０℃
の露点となる状態の水蒸気量を含有したものでも運転可
能であった。

【００７２】（ｃ）各実験で用いた電解質膜の素材
は、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂を主な素材と
していたが、他のイオン交換樹脂を主な素材として用い
た場合でも、同様の結果が得られた。（ｄ）上記実施の形態１〜４のシステムにおいて、冷
却水が燃料電池に至る手前に熱交換器（不図示）を設置
して、燃料電池に供される冷却水の水温を調整できるよ
うにしてもよい。。

【００７３】（ｅ）上記実施の形態２〜４の加湿装置
において、水槽中に反応ガスをバブリングする際、気泡
は微小である方が加湿状態が進行するので、反応ガスを
導入する配管の開口部分に微細な網目状のフィルタを設
けることもできる。（ｆ）上記実施の形態２の加湿装置では、冷却水槽と
アノードガス加湿槽は各々泡切フィルタによって仕切ら
れ、水のみが流通し反応ガスが各槽に跨って混入しない
ようにしているが、混入しても燃料電池の運転に支障が
なければ、この泡切フィルタは設置せずに、その代わり
に水が流通する通路を仕切板の下端部分に開設すること
も可能である。

【００７４】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、電解質膜を介してアノードとカソードが配されたセ
ルと、セパレータ板が交互に積層された構成であって、
前記セパレータ板と前記アノードの間にはアノードガス
チャネルが、前記セパレータ板と前記カソードの間には
カソードガスチャネルがそれぞれアノード或はカソード
と密接して設けられた固体高分子型燃料電池において、
前記電解質膜の膜厚を３μｍ〜４０μｍと薄いものを用
いることにより、低い露点の反応ガスを用いて発電する
ことが可能となり、加湿制御の温度幅が広がり加湿制御
を容易に行うことができる。

【００７５】一方、電解質膜を介してアノードとカソー
ドが配されたセルと、セパレータ板が交互に積層される
と共に、前記セパレータ板と前記アノード及びカソード
間にはガスチャネルが形成され、且つ、冷却水流通路が
開設された固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型
燃料電池に外設された水貯蔵部から冷却水を当該冷却水
流通路に循環供給する冷却水循環手段と、前記水貯蔵部
にアノードガス及びカソードガスの少なくとも一方を導
入して加湿する加湿手段とを有する固体高分子型燃料電
池システムにおいては、温水を得るための熱源やそのた
めの動力装置を別途設置する必要がないので電池のシス
テム構成を簡略にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１に係る固体高分子型燃料電池１の
主要部分の構成を示す分解斜視図である。

【図２】固体高分子型燃料電池１の主要部分の切断図で
ある。

【図３】実施の形態１に係る滞留部の外観図である。

【図４】実験１の結果であって、セル１個当たりの電圧
のアノードガス加湿温度特性を表す図である。

【図５】実験１の結果であって、セル１個当たりの内部
抵抗値のアノードガス加湿温度特性を表す図である。

【図６】実験２の結果であって、アノードガス及びカソ
ードガス共に無加湿で運転した場合のセル電圧の電流密
度特性を表す図である。

【図７】実験３の方法を表す図である。

【図８】実験３の結果であって、電解質膜の膜厚とガス
クロスリーク量との関係を表す図である。

【図９】実施の形態２に係る加湿装置の構成を示す外観
図である。

【図１０】実施の形態２に係る加湿装置の構成を示す概
略断面図である。

【図１１】実施の形態３に係る加湿装置の外観図であ
る。

【図１２】実施の形態３に係る加湿装置の内部構造を表
す概略図である。

【図１３】実施の形態４に係る加湿装置の内部構造を表
す概略図である。

【符号の説明】

１固体高分子型燃料電池１０セル１１電解質膜１２アノード１３カソード２０，３０セパレータ板２１アノードガスチャネル３１カソ−ドガスチャネル４０，４１集電体５０，６０シール材１１０冷却プレート７０加湿装置７１アノードガス加湿槽７２冷却水槽７３仕切板７４泡切フィルタ８０加湿装置８１アノードガス加湿槽８２カソードガス加湿槽８３仕切板８０８連通管９０加湿装置９１アノードガス加湿槽９１１第１加湿槽９１２第２加湿槽９２カソードガス加湿槽９２１第３加湿槽９２２第４加湿槽９３，９１０，９２０仕切板１０１水滞留部

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号ＦＩＨ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 (72)発明者礒野隆博大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者濱田陽大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者三宅泰夫大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者門脇正天大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者谷口俊輔大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者中岡透大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者金子実大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内 (72)発明者安尾耕司大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号三洋電機株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜を介してアノードとカソードが
配されたセルと、当該セルを挟持する挟持部材とからな
り、当該挟持部材と前記アノード及びカソードの間には
ガスチャネルが設けられた固体高分子型燃料電池におい
て、前記電解質膜の厚みが、３〜４０μｍであることを特徴
とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】前記固体高分子型燃料電池は、更にアノ
ードガス及びカソードガスの少なくとも一方を室温相当
の水に接触させて加湿する加湿手段を有することを特徴
とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】前記固体高分子型燃料電池は、更に電池
反応によって生成する生成水を回収する生成水回収手段
と、当該生成水回収手段により回収した生成水を用いてアノ
ードガス及びカソードガスの少なくとも一方を加湿する
加湿手段と、を有することを特徴とする請求項１記載の固体高分子型
燃料電池。
【請求項４】請求項１記載の固体高分子型燃料電池の
運転方法であって、作動温度を室温相当とし、アノードガス及びカソードガ
スを共に無加湿とすることを特徴とする固体高分子型燃
料電池の運転方法。
【請求項５】電解質膜を介してアノードとカソードが
配されたセルと、セパレータ板が交互に積層されると共
に、前記セパレータ板と前記アノード及びカソード間に
はガスチャネルが形成され、且つ、冷却水流通路が開設
された固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池に外設された水貯蔵部から冷
却水を当該冷却水流通路に循環供給する冷却水循環手段
と、前記水貯蔵部にアノードガス及びカソードガスの少なく
とも一方を導入して加湿する加湿手段と、を有することを特徴とする固体高分子型燃料電池システ
ム。
【請求項６】前記固体高分子型燃料電池システムは、
更に、電池反応による生成水を水貯蔵部に送り込む生成水回収
手段を有することを特徴とする請求項５記載の固体高分
子型燃料電池システム。
【請求項７】前記固体高分子型燃料電池システムは、
更に、前記水貯蔵部の水を用いて水蒸気を発生し、燃料ガスを
水蒸気改質することによって水素リッチなガスを生成す
る改質装置を備えることを特徴とする請求項５又は６記
載の固体高分子型燃料電池システム。