JPH10284095A - 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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JPH10284095A
JPH10284095A JP9082811A JP8281197A JPH10284095A JP H10284095 A JPH10284095 A JP H10284095A JP 9082811 A JP9082811 A JP 9082811A JP 8281197 A JP8281197 A JP 8281197A JP H10284095 A JPH10284095 A JP H10284095A
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gas
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solid polymer
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Abstract

(57)【要約】 【課題】発電にともない生じる生成水のガス通流溝への
凝縮が効果的に抑制され、安定して運転できるものとす
る。 【解決手段】セパレ─タ５Ａの電極と対向する発電領域
にガス通流溝６を配し、ガス入口１１より導入した反応
ガスをガス通流溝６に通流させて電気化学反応による発
電に用いたのち、ガス出口１２より排出するものにおい
て、ガス通流溝６の中間部分へと連通するガスの副導入
口１３を設けて、第２の反応ガスを供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子電解質
膜を電解質として用いる固体高分子電解質型燃料電池の
セル構造、特にセパレータに形成する反応ガスの流路の
構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は固体高分
子電解質膜の二つの主面に、それぞれアノード電極とカ
ソード電極を配して形成される。アノードおよびカソー
ド電極は、いずれも電極基材の上に電極触媒層を配して
形成され、固体高分子電解質膜には、スルホン酸基を持
つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜
として使用したもの、あるいは、パーフルオロスルホン
酸樹脂膜などが用いられる。
【０００３】固体高分子電解質膜は、分子中にプロトン
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で 20 Ω・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。電極基材は、多孔質体で、
燃料電池の反応ガス供給、排出手段、および集電体とし
て機能する。アノードおよびカソード電極においては、
気・液・固相の三相界面が形成され、電極触媒の触媒作
用により、それぞれ次式（１）、（２）の電気化学反応
が起きる。
【０００４】
【化１】 アノード電極 ； Ｈ2 ＝２Ｈ+ ＋２ｅ （１） カソード電極 ； (1/2)Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ =Ｈ2 Ｏ （２） すなわち、アノード電極においては、系の外部より供給
されたＨ2 ガスからプロトンと電子が生成する。生成し
たプロトンは、イオン交換膜内をカソード電極へ向かっ
て移動し、電子は外部回路を経てカソード電極へ移動す
る。一方、カソード電極においては、系の外部より供給
されたＯ2 ガスと、イオン交換膜内をアノード電極より
移動してきたプロトン、および外部回路より移動してき
た電子とが反応し、Ｈ2 Ｏを生成する。
【０００５】図３は、従来の固体高分子電解質型燃料電
池のセル構造を示す断面図である。電極基材３の上に電
極触媒層２が積層されて電極４が構成される。電極４を
固体高分子電解質膜１の両主面に配置し、ホットプレス
により熱圧着して電解質膜電極接合体９が形成される。
このように固体高分子電解質膜１に電極４が配置された
電解質膜電極接合体９は、両側に積層されるセパレータ
５により挟持して固定される。セパレータ５は、カーボ
ン板材を機械加工して形成されており、反応ガス通流溝
６ならびに冷却水通流溝７を備えている。アノード電極
側のセパレータ５の反応ガス通流溝６には燃料ガス（水
素ガス）が、また、カソード電極側のセパレータ５の反
応ガス通流溝６には酸化剤ガス（空気）が流される。固
体高分子電解質膜１が乾燥して水分を失うと、高抵抗と
なり抵抗損失が増大して電池特性が低下する。このた
め、反応ガスを加湿したのち供給することにより固体高
分子電解質膜１の乾燥を防止している。またセパレータ
５にはガスケット挿入陽の溝が備えられており、ガスケ
ット８を装着することにより、反応ガスの電池外部への
漏洩を防止している。
【０００６】電極４を構成する電極基材３には、一般
に、多孔質のカーボンペーパーが用いられており、反応
ガス通流溝６に燃料ガス、あるいは酸化剤ガスを供給す
ると、これらの反応ガスは電極基材３中を拡散して電極
触媒層２へと到達し、上述の電気化学反応を生じる。電
気化学反応により生成した電子は、電極基材３により集
電され、さらにセパレータ５を経て、外部回路へと出力
され、消費される。
【０００７】図４は、上記のセルのセパレータ５に形成
されているガス流路の形状を示す断面図である。反応ガ
スは、セパレータ５の上部に配されたガス入口１１より
導入され、電解質膜電極接合体９の電極４に対応する発
電領域に配されたガス通流溝６を下方へと通流して電気
化学反応を生じ、発電に寄与したのち、残余のガスはガ
ス出口１２より外部へ排出される。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】反応ガスは、ガス入口
１１よりガス出口１２へと進むに従い、電気化学反応を
生じて消費されるため、流量が減少し、流速が低下す
る。また、酸化剤の空気または酸素ガスが供給されるカ
ソード側のセパレータ５においては、電気化学反応に伴
って水が生成され、下流側に行くにしたがい生成水が累
積するので、ガス出口１２に近い領域では水が凝縮しや
すくなる。さらに上記のように下流側ではガスの流速も
低下するので、凝縮した生成水によってガス通流溝６が
閉塞されたり、あるいは水が溝の壁面に付着し、滞留す
る現象が生じる危険性がある。このように、ガス通流溝
６に水が凝縮する状態になると、電極４を構成する電極
基材３あるいは電極触媒層２が水に濡れ、多孔質体の空
孔が水で覆われるので、電極触媒層２への反応ガスの拡
散が阻害されて、電池特性が低下する事態が起きること
となる。
【０００９】本発明の目的は、発電に伴い生じる生成水
の反応ガス通流溝への凝縮が効果的に抑制され、安定し
て電池出力が得られる固体高分子電解質型燃料電池を提
供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、平板状の固体高分子電解質膜
の両主面に電極を配して形成された電解質膜電極接合体
と、電解質膜電極接合体の電極に対向して反応ガス通流
溝を備えたガス不透過性材料よりなるセパレータを積層
して構成し、セパレータに備えたガス入口より反応ガス
を導入し、反応ガス通流溝を通流させて電気化学反応に
より発電させ、セパレータに備えたガス出口より排出す
る固体高分子電解質型燃料電池において、 （１）セパレータに、前記の反応ガス通流溝の中間部分
へと連通して第２の反応ガスを導入する副導入口を備
え、乾燥した反応ガスあるいは加湿した反応ガスを導入
することとする。
【００１１】（２）あるいは、ガス入口と反応ガス通流
溝の中間部分との間に、反応ガスを分流する分岐通流溝
を備え、例えば、アノード側の電極に対向する反応ガス
通流溝に加湿した反応ガスを、またカソード側の電極に
対向する反応ガス通流溝に乾燥した反応ガスを通流する
こととする。 上記の（１）のごとく副導入口を設けて、第２の反応ガ
スとして乾燥した反応ガスを供給すれば、電気化学反応
に伴って生成された水が水蒸気として保持されることと
なるので、水の凝縮が防止され、電池特性の低下が回避
される。また、第２の反応ガスとして加湿した反応ガス
を供給すれば、この反応ガスの調整により反応ガス通流
溝の加湿条件を容易に変動させることができるので、水
の凝縮が防止され、電池特性の低下が回避されるばかり
でなく、セル温度の変動が生じても容易に安定出力を維
持させることが可能となる。
【００１２】また、上記の（２）のごとく分岐通流溝を
備えて、反応ガス通流溝の中間部分に分流した反応ガス
を供給することとすれば、水分量の少ない反応ガスの導
入により水の凝縮が抑制されることとなる。とくに、ア
ノード側の電極に対向する反応ガス通流溝に加湿した反
応ガスを、またカソード側の電極に対向する反応ガス通
流溝には乾燥した反応ガスを供給することとすれば、ア
ノード側は一定して加湿状態が保持され、一方カソード
側では、電気化学反応に伴い生じる生成水により加湿さ
れ、かつ、反応ガス通流溝の中間部分より導入される反
応ガスによって水の凝縮が抑制されるので、ガス通流溝
の凝縮水による閉塞や、凝縮水の溝の壁面への付着、滞
留を生じることなく、残余の反応ガスは外部へと排出さ
れる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞図１は、本発明による固体高分子電解質型
燃料電池の実施例１のセルのセパレータに形成されたガ
ス流路の形状を示す断面図である。本実施例のセパレー
タ５Ａに備えられたガス流路の特徴は、ガス通流溝６の
中間部分に連通する副導入口１３が備えられている点に
ある。本構成では、加湿された反応ガスがガス入口１１
より導入され、電極部に対応して蛇行して配されたガス
通流溝６を通流し、ガス出口１２より排出される。同時
に、第２の反応ガスとして乾燥した反応ガスが副導入口
１３よりガス通流溝６の中間部分へと導入され、ガス入
口１１より導入された反応ガスの流れと合流して下流側
へと流れ、ガス出口１２より排出される。したがって、
本構成においては、副導入口１３より導入される乾燥し
た反応ガスによって、ガス通流溝６を流れる反応ガスの
水蒸気分圧が低下するので、水の凝縮が抑制され、凝縮
水のガス通流溝６の壁面への付着、滞留や流露の閉塞が
回避されるので、安定した電池特性が得られる。
【００１４】なお、固体高分子電解質型燃料電池は運転
中にセルの温度が変動する場合には、反応ガスの加湿条
件を調整することにより電池出力を安定に維持すること
ができる。図４のごとき従来の構成では反応ガスの加湿
条件を急速に変化させることは困難であるが、本実施例
のごとく、副導入口１３より第２の反応ガスを導入する
こととし、適量に加湿された反応ガスを導入して流量を
調整すれば、加湿条件の調整が容易となるので、水の凝
縮が抑制さればかりでなく、セル温度の変動にも容易に
追随する安定な電池特性が得られる。
【００１５】＜実施例２＞図２は、本発明による固体高
分子電解質型燃料電池の実施例２のセルのセパレータに
形成されたガス流路の形状を示す断面図である。本実施
例のセパレータ５Ｂに備えられたガス流路の特徴は、ガ
ス入口１１とガス通流溝６の中間部分との間に分岐通流
溝１４を備え、反応ガスの一部を分流して分岐導入口１
５よりガス通流溝６の中間部分へと供給するよう構成し
た点にある。本構成では、ガス通流溝６を通流して電気
化学反応により生成水が生じて反応ガス中の水分量が増
加しても、分岐導入口１５より導入された反応ガスによ
って水分量が低減され、溝内への水の凝縮が抑制され
る。特に、アノード側の電極に対向する反応ガス通流溝
６に加湿した反応ガスを、またカソード側の電極に対向
する反応ガス通流溝６に乾燥した反応ガスを供給するこ
ととすれば、アノード側は一定して加湿状態が保持さ
れ、カソード側は電気化学反応に伴い生じる生成水によ
り加湿され、かつ、反応ガス通流溝の中間部分より導入
される反応ガスによって水分量の増大が抑えられるの
で、水の凝縮の抑制に特に効果的である。
【００１６】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、平板状
の固体高分子電解質膜の両主面に電極を配して形成され
た電解質膜電極接合体と、電解質膜電極接合体の電極に
対向して反応ガス通流溝を備えたガス不透過性材料より
なるセパレータを積層して構成し、セパレータに備えた
ガス入口より反応ガスを導入し、反応ガス通流溝を通流
させて電気化学反応により発電させ、セパレータに備え
たガス出口より排出する固体高分子電解質型燃料電池に
おいて、 （１）セパレータに、前記の反応ガス通流溝の中間部分
へと連通して第２の反応ガスを導入する副導入口を備
え、乾燥した反応ガスあるいは加湿した反応ガスを導入
することとしたので、発電に伴い生じる生成水の反応ガ
ス通流溝への凝縮が効果的に抑制され、安定して電池出
力が得られる固体高分子電解質型燃料電池が得られるこ
ととなった。
【００１７】（２）また、ガス入口と反応ガス通流溝の
中間部分との間に、反応ガスを分流する分岐通流溝を備
え、例えば、アノード側の電極に対向する反応ガス通流
溝に加湿した反応ガスを、またカソード側の電極に対向
する反応ガス通流溝に乾燥した反応ガスを通流すること
としても、発電に伴う生成水の反応ガス通流溝への凝縮
が抑制されるので、安定して電池出力が得られる固体高
分子電解質型燃料電池として好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の実
施例１のセルのセパレータに形成されたガス流路の形状
を示す断面図
【図２】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の実
施例２のセルのセパレータに形成されたガス流路の形状
を示す断面図
【図３】従来の固体高分子電解質型燃料電池のセル構造
を示す断面図
【図４】図３のセルのセパレータに形成されているガス
通流溝の形状を示す断面図
【符号の説明】
１ 固体高分子電解質膜 ２ 電極触媒層 ３ 電極基材 ４ 電極 ５ セパレータ ５Ａ，５Ｂ セパレータ ６ ガス通流溝 ９ 電解質膜電極接合体 １１ ガス入口 １２ ガス出口 １３ 副導入口 １４ 分岐通流溝 １５ 分岐導入口

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】平板状の固体高分子電解質膜の両主面に電
    極を配して形成された電解質膜電極接合体と、電解質膜
    電極接合体の電極に対向して反応ガス通流溝を備えたガ
    ス不透過性材料よりなるセパレータを積層して構成し、
    セパレータに備えたガス入口より反応ガスを導入し、反
    応ガス通流溝を通流させて電気化学反応により発電さ
    せ、セパレータに備えたガス出口より排出する固体高分
    子電解質型燃料電池において、セパレータに、前記の反
    応ガス通流溝の中間部分へと連通して第２の反応ガスを
    導入する副導入口を備えた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】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、副導入口より導入される前記の第２の反
    応ガスが乾燥した反応ガスであることを特徴とする固体
    高分子電解質型燃料電池。
  3. 【請求項３】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、副導入口より導入される前記の第２の反
    応ガスが加湿した反応ガスであることを特徴とする固体
    高分子電解質型燃料電池。
  4. 【請求項４】平板状の固体高分子電解質膜の両主面に電
    極を配して形成された電解質膜電極接合体と、電解質膜
    電極接合体の電極に対向して反応ガス通流溝を備えたガ
    ス不透過性材料よりなるセパレータを積層して構成し、
    セパレータに備えたガス入口より反応ガスを導入し、反
    応ガス通流溝を通流させて電気化学反応により発電さ
    せ、セパレータに備えたガス出口より排出する固体高分
    子電解質型燃料電池において、ガス入口と反応ガス通流
    溝の中間部分との間に、反応ガスを分流する分岐通流溝
    を備えたことを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
    池。
  5. 【請求項５】請求項４に記載の固体高分子電解質型燃料
    電池において、電解質膜電極接合体のアノード側の電極
    に対向するセパレータの反応ガス通流溝に通流させる反
    応ガスを加湿した反応ガスとし、カソード側の電極に対
    向するセパレータの反応ガス通流溝に通流させる反応ガ
    スを乾燥した反応ガスとしたことを特徴とする固体高分
    子電解質型燃料電池。
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