JP2000277128A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 特に燃料ガスの出口近傍における水詰まりを
抑制し、安定して作動する固体高分子型燃料電池を提供
する。また、酸化剤ガスの流れ方向における温度勾配を
小さくすることで、特に改質ガスを燃料ガスとして用い
る固体高分子型燃料電池でのセル性能及び寿命特性の向
上を図る。 【解決手段】 電解質膜30の両面に電極22,24を有する
セル20に対し、一方の側に燃料ガスの供給される燃料室
40、他方の側に酸化剤ガスの供給される酸化剤室50を形
成したセルユニット26を複数積層してなる固体高分子型
燃料電池において、電解質膜30は、燃料室40又は酸化剤
室50に対向する少なくとも一方の面の一部に、電極を具
えない非電極領域32を設ける。
抑制し、安定して作動する固体高分子型燃料電池を提供
する。また、酸化剤ガスの流れ方向における温度勾配を
小さくすることで、特に改質ガスを燃料ガスとして用い
る固体高分子型燃料電池でのセル性能及び寿命特性の向
上を図る。 【解決手段】 電解質膜30の両面に電極22,24を有する
セル20に対し、一方の側に燃料ガスの供給される燃料室
40、他方の側に酸化剤ガスの供給される酸化剤室50を形
成したセルユニット26を複数積層してなる固体高分子型
燃料電池において、電解質膜30は、燃料室40又は酸化剤
室50に対向する少なくとも一方の面の一部に、電極を具
えない非電極領域32を設ける。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料室の水詰まり
を防止し、セル性能の低下及び寿命特性の低下を防ぐこ
とのできる固体高分子型燃料電池に関するものである。
を防止し、セル性能の低下及び寿命特性の低下を防ぐこ
とのできる固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池(10)は、図５に示
すように、電解質膜(30)の一方の面にアノード電極(2
2)、他方の面にカソード電極(24)を配したセル(20)を、
アノード電極側に燃料室(40)を形成した燃料プレート(4
2)、カソード電極側に酸化剤室(50)を形成した酸化剤プ
レート(52)で挟持したセルユニット(26)を複数積層して
構成される。燃料室(40)は、セルユニット(26)に形成さ
れた燃料配管(44)に連通しており、純水素ガス又は改質
器にて改質された水素リッチガスなどの燃料ガスが供給
される。また、酸化剤室(50)は、セルユニット(26)に形
成された酸化剤配管(54)に連通しており、空気などの酸
素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。燃料ガスと酸化
剤ガスが供給されると、アノード電極側では、燃料ガス
中の水素ガスがＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応によってプロ
トンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜
を通ってカソード電極に進み、電子は外部回路(図示せ
ず)を流れる。カソード電極では、酸化剤ガス中の酸素
ガスと、固体高分子電解質膜を通って移動したプロト
ン、及び外部回路を通って流入した電子が、１／２Ｏ2
＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反応により、水を生ずるとと
もに起電力を発生する。
すように、電解質膜(30)の一方の面にアノード電極(2
2)、他方の面にカソード電極(24)を配したセル(20)を、
アノード電極側に燃料室(40)を形成した燃料プレート(4
2)、カソード電極側に酸化剤室(50)を形成した酸化剤プ
レート(52)で挟持したセルユニット(26)を複数積層して
構成される。燃料室(40)は、セルユニット(26)に形成さ
れた燃料配管(44)に連通しており、純水素ガス又は改質
器にて改質された水素リッチガスなどの燃料ガスが供給
される。また、酸化剤室(50)は、セルユニット(26)に形
成された酸化剤配管(54)に連通しており、空気などの酸
素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。燃料ガスと酸化
剤ガスが供給されると、アノード電極側では、燃料ガス
中の水素ガスがＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応によってプロ
トンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜
を通ってカソード電極に進み、電子は外部回路(図示せ
ず)を流れる。カソード電極では、酸化剤ガス中の酸素
ガスと、固体高分子電解質膜を通って移動したプロト
ン、及び外部回路を通って流入した電子が、１／２Ｏ2
＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反応により、水を生ずるとと
もに起電力を発生する。
【０００３】固体高分子型燃料電池の電気化学反応は発
熱反応である。このため、電池の適正作動温度(約８０
〜１００℃)を超える昇温を防止する目的で、各セルユ
ニット又は数セルユニット毎に、冷却水の流通する冷却
室(図示せず)を形成した固体高分子型燃料電池がある。
冷却室は冷却水の流通する冷却配管に接続されており、
ポンプなどの循環手段によって冷却水を冷却室に供給
し、燃料電池を冷却する。
熱反応である。このため、電池の適正作動温度(約８０
〜１００℃)を超える昇温を防止する目的で、各セルユ
ニット又は数セルユニット毎に、冷却水の流通する冷却
室(図示せず)を形成した固体高分子型燃料電池がある。
冷却室は冷却水の流通する冷却配管に接続されており、
ポンプなどの循環手段によって冷却水を冷却室に供給
し、燃料電池を冷却する。
【０００４】ところで、固体高分子型燃料電池に用いら
れる電解質膜は、乾燥状態では電気抵抗が高く、湿潤し
た状態ですぐれたイオン伝導性を示す。このため、発電
時には電解質膜を加湿して湿潤状態で保持する必要があ
る。電解質膜を湿潤させる方法として、燃料ガス又は酸
化剤ガス(以下、必要に応じて「反応ガス」という)を予
め外部加湿器によって加湿して燃料電池に供給する所謂
「外部加湿方式」と、冷却水の一部を燃料室又は酸化剤
室に直接導入して、反応ガス中に蒸散させる所謂「内部
加湿方式」がある。
れる電解質膜は、乾燥状態では電気抵抗が高く、湿潤し
た状態ですぐれたイオン伝導性を示す。このため、発電
時には電解質膜を加湿して湿潤状態で保持する必要があ
る。電解質膜を湿潤させる方法として、燃料ガス又は酸
化剤ガス(以下、必要に応じて「反応ガス」という)を予
め外部加湿器によって加湿して燃料電池に供給する所謂
「外部加湿方式」と、冷却水の一部を燃料室又は酸化剤
室に直接導入して、反応ガス中に蒸散させる所謂「内部
加湿方式」がある。
【０００５】外部加湿方式の燃料電池における反応ガス
の加湿方法として、温水中に反応ガスをバブリングさせ
たり、水蒸気透過膜を用いて加湿する方法が知られてい
るが、何れも加湿によって反応ガスの温度が低下する。
温度低下に伴って反応ガスの露点も下がるため、電池の
適正作動温度よりも低い温度の反応ガスを飽和状態まで
加湿しても、電池内部で反応ガスが昇温したときに反応
ガスの相対湿度は低下するから、電解質膜が乾燥してし
まう虞れがあった。また、これら外部加湿器の設置によ
って装置が大型化したり、加湿器作動用のエネルギー消
費によって総合的な発電効率が低下してしまう問題があ
った。
の加湿方法として、温水中に反応ガスをバブリングさせ
たり、水蒸気透過膜を用いて加湿する方法が知られてい
るが、何れも加湿によって反応ガスの温度が低下する。
温度低下に伴って反応ガスの露点も下がるため、電池の
適正作動温度よりも低い温度の反応ガスを飽和状態まで
加湿しても、電池内部で反応ガスが昇温したときに反応
ガスの相対湿度は低下するから、電解質膜が乾燥してし
まう虞れがあった。また、これら外部加湿器の設置によ
って装置が大型化したり、加湿器作動用のエネルギー消
費によって総合的な発電効率が低下してしまう問題があ
った。
【０００６】内部加湿方式の燃料電池における反応ガス
の加湿方法として、図５に示すように、冷却配管(60)と
燃料室(40)を接続し、冷却水の一部を燃料室(40)に導入
する燃料電池(10)や、冷却室と隣り合う燃料室の隔壁に
微細な通水孔を開設し、冷却水の一部を通水孔を介して
燃料室に導入する燃料電池(図示せず)、さらに、冷却室
と隣り合う燃料室との隔壁を、水は透過するがガスは透
過しない水透過性板から構成し、冷却室を流通する冷却
水の一部を水透過性板を介して燃料室に導入する燃料電
池(図示せず)が知られている。これら加湿方法では、燃
料室に供給された水(以下「加湿水」という)の一部が、
セルユニットを透過して酸化剤ガス中に蒸発し、このと
きに燃料電池の熱を奪うため、燃料電池を冷却する効果
も同時に得ることができる。
の加湿方法として、図５に示すように、冷却配管(60)と
燃料室(40)を接続し、冷却水の一部を燃料室(40)に導入
する燃料電池(10)や、冷却室と隣り合う燃料室の隔壁に
微細な通水孔を開設し、冷却水の一部を通水孔を介して
燃料室に導入する燃料電池(図示せず)、さらに、冷却室
と隣り合う燃料室との隔壁を、水は透過するがガスは透
過しない水透過性板から構成し、冷却室を流通する冷却
水の一部を水透過性板を介して燃料室に導入する燃料電
池(図示せず)が知られている。これら加湿方法では、燃
料室に供給された水(以下「加湿水」という)の一部が、
セルユニットを透過して酸化剤ガス中に蒸発し、このと
きに燃料電池の熱を奪うため、燃料電池を冷却する効果
も同時に得ることができる。
【０００７】しかしながら、上述のような内部加湿式の
燃料電池に、電池の作動温度よりも露点の低い乾燥した
酸化剤ガスを導入すると、セルユニットを透過して酸化
剤ガス中に蒸発する加湿水の量は、酸化剤ガスの入口側
で多く、出口に向かうほど減少する。このため、酸化剤
ガスの入口側で電解質膜が乾燥してイオン伝導性が低下
する問題と、酸化剤ガスの入口側で電池温度が低下し、
出口側で高温となり温度勾配が生ずる問題がある。
燃料電池に、電池の作動温度よりも露点の低い乾燥した
酸化剤ガスを導入すると、セルユニットを透過して酸化
剤ガス中に蒸発する加湿水の量は、酸化剤ガスの入口側
で多く、出口に向かうほど減少する。このため、酸化剤
ガスの入口側で電解質膜が乾燥してイオン伝導性が低下
する問題と、酸化剤ガスの入口側で電池温度が低下し、
出口側で高温となり温度勾配が生ずる問題がある。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】電解質膜の乾燥は、燃
料室への加湿水の供給量を増やすことで抑えることがで
きるが、加湿水の供給量を増やすと、燃料室の燃料ガス
出口側で水がガス流路に詰まって、ガス流路が閉塞され
やすくなる。ガス流路が閉塞すると、燃料ガスの流通が
阻害されるから、電池性能が不安定になる問題がある。
料室への加湿水の供給量を増やすことで抑えることがで
きるが、加湿水の供給量を増やすと、燃料室の燃料ガス
出口側で水がガス流路に詰まって、ガス流路が閉塞され
やすくなる。ガス流路が閉塞すると、燃料ガスの流通が
阻害されるから、電池性能が不安定になる問題がある。
【０００９】温度勾配の影響は、燃料ガスとして純水素
ガスを利用する場合には、セル性能の温度依存性が小さ
いため大きな問題は生じない。しかし、改質ガスを燃料
ガスとして利用する場合、改質ガス中に含まれる一酸化
炭素によるアノード触媒の活性低下作用が、低温の部分
で特に顕著に現れる。その結果、高温の領域に電流が集
中するから、セル性能の低下を引き起こし、寿命特性の
低下を招く問題がある。
ガスを利用する場合には、セル性能の温度依存性が小さ
いため大きな問題は生じない。しかし、改質ガスを燃料
ガスとして利用する場合、改質ガス中に含まれる一酸化
炭素によるアノード触媒の活性低下作用が、低温の部分
で特に顕著に現れる。その結果、高温の領域に電流が集
中するから、セル性能の低下を引き起こし、寿命特性の
低下を招く問題がある。
【００１０】上記問題は、酸化剤ガスを加湿して燃料電
池に供給することによって解消できるが、加湿のための
熱及び加湿水を供給する装置や配管が必要となり、装置
が大型化及び複雑化する不都合があるため、簡便な方法
でこれらの問題を解決することが望まれている。
池に供給することによって解消できるが、加湿のための
熱及び加湿水を供給する装置や配管が必要となり、装置
が大型化及び複雑化する不都合があるため、簡便な方法
でこれらの問題を解決することが望まれている。
【００１１】本発明の目的は、特に燃料ガスの出口近傍
における水詰まりを抑制し、安定して作動する固体高分
子型燃料電池を提供することである。また、酸化剤ガス
の流れ方向における温度勾配を小さくすることにより、
特に改質ガスを燃料ガスとして用いる固体高分子型燃料
電池におけるセル性能及び寿命特性の向上を図ることで
ある。
における水詰まりを抑制し、安定して作動する固体高分
子型燃料電池を提供することである。また、酸化剤ガス
の流れ方向における温度勾配を小さくすることにより、
特に改質ガスを燃料ガスとして用いる固体高分子型燃料
電池におけるセル性能及び寿命特性の向上を図ることで
ある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の固体高分子型燃料電池(10)は、電解質膜(3
0)の両面に電極(22)(24)を有するセル(20)に対し、一方
の側に燃料ガスの供給される燃料室(40)、他方の側に酸
化剤ガスの供給される酸化剤室(50)を形成したセルユニ
ット(26)を複数積層してなる固体高分子型燃料電池にお
いて、電解質膜(30)は、燃料室(40)又は酸化剤室(50)に
対向する少なくとも一方の面の一部に、電極を具えない
非電極領域(32)を設けたものである。非電極領域(32)
は、酸化剤ガスの入口近傍及び／又は燃料ガスの出口近
傍に形成することが望ましく、酸化剤ガスの入口と、燃
料ガスの出口は、電解質膜(30)を挟んで対向して設ける
ことがより望ましい。燃料室(40)には、燃料ガスと加湿
水を供給することが望ましい。
に、本発明の固体高分子型燃料電池(10)は、電解質膜(3
0)の両面に電極(22)(24)を有するセル(20)に対し、一方
の側に燃料ガスの供給される燃料室(40)、他方の側に酸
化剤ガスの供給される酸化剤室(50)を形成したセルユニ
ット(26)を複数積層してなる固体高分子型燃料電池にお
いて、電解質膜(30)は、燃料室(40)又は酸化剤室(50)に
対向する少なくとも一方の面の一部に、電極を具えない
非電極領域(32)を設けたものである。非電極領域(32)
は、酸化剤ガスの入口近傍及び／又は燃料ガスの出口近
傍に形成することが望ましく、酸化剤ガスの入口と、燃
料ガスの出口は、電解質膜(30)を挟んで対向して設ける
ことがより望ましい。燃料室(40)には、燃料ガスと加湿
水を供給することが望ましい。
【００１３】
【作用及び効果】燃料室(40)に導入された加湿水は、燃
料室(40)に導入された燃料ガス中に蒸散して、セル(20)
を加湿しつつ、燃料室(40)の出口側に向かう。このと
き、加湿された燃料ガスと、乾燥している酸化剤ガスと
の間で、水分濃度のバランスを保つために、一部の水分
がセル(20)の非電極領域(32)を通って、燃料室(40)から
酸化剤室(50)側に流れ込む。酸化剤室(50)に流れ込んだ
加湿水(反応生成水を含む)は、乾燥した酸化剤ガス中に
蒸散する。
料室(40)に導入された燃料ガス中に蒸散して、セル(20)
を加湿しつつ、燃料室(40)の出口側に向かう。このと
き、加湿された燃料ガスと、乾燥している酸化剤ガスと
の間で、水分濃度のバランスを保つために、一部の水分
がセル(20)の非電極領域(32)を通って、燃料室(40)から
酸化剤室(50)側に流れ込む。酸化剤室(50)に流れ込んだ
加湿水(反応生成水を含む)は、乾燥した酸化剤ガス中に
蒸散する。
【００１４】本発明の固体高分子型燃料電池(10)は、燃
料室(40)中の過剰な水分を、非電極領域(32)を介して、
酸化剤室(50)に送り込むことによって、燃料室(40)にお
ける加湿水の滞留を防止できるから、燃料室(40)中の水
詰まりを防止することができる。特に、非電極領域(32)
を、燃料室(40)の燃料ガス出口側に設けると、燃料ガス
出口近傍での加湿水の滞留が防止できるから、燃料ガス
出口近傍における水詰まりを抑制することができ、発電
の安定性を確保することができる。
料室(40)中の過剰な水分を、非電極領域(32)を介して、
酸化剤室(50)に送り込むことによって、燃料室(40)にお
ける加湿水の滞留を防止できるから、燃料室(40)中の水
詰まりを防止することができる。特に、非電極領域(32)
を、燃料室(40)の燃料ガス出口側に設けると、燃料ガス
出口近傍での加湿水の滞留が防止できるから、燃料ガス
出口近傍における水詰まりを抑制することができ、発電
の安定性を確保することができる。
【００１５】非電極領域(32)を、酸化剤室(50)の酸化剤
ガス入口側に設けることによって、酸化剤室に導入され
た酸化剤ガスを、予め酸化剤ガス入口の近傍で十分に加
湿することができるから、酸化剤室内の温度勾配が小さ
くなり、酸化剤ガス入口側に近いカソード電極の乾燥や
温度低下を防止することができる。従って、改質ガスを
燃料ガスとして使用した場合でも、一酸化炭素による触
媒被毒の影響を受けにくく、温度勾配によって生ずる電
流の集中を防止できるから、電極を有効に利用すること
ができ、セル性能及び寿命特性を向上させることができ
る。また、酸化剤ガスの加湿に外部加湿器等を必要とし
ないから、装置の簡素化及び小型化を図ることができ
る。
ガス入口側に設けることによって、酸化剤室に導入され
た酸化剤ガスを、予め酸化剤ガス入口の近傍で十分に加
湿することができるから、酸化剤室内の温度勾配が小さ
くなり、酸化剤ガス入口側に近いカソード電極の乾燥や
温度低下を防止することができる。従って、改質ガスを
燃料ガスとして使用した場合でも、一酸化炭素による触
媒被毒の影響を受けにくく、温度勾配によって生ずる電
流の集中を防止できるから、電極を有効に利用すること
ができ、セル性能及び寿命特性を向上させることができ
る。また、酸化剤ガスの加湿に外部加湿器等を必要とし
ないから、装置の簡素化及び小型化を図ることができ
る。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の固体高分子型燃料電池(1
0)は、図１に示すように、電解質膜(30)の一方の面にア
ノード電極(22)、他方の面にカソード電極(24)を配した
セル(20)を、アノード電極側に燃料室(40)を形成した燃
料プレート(42)、カソード電極側に酸化剤室(50)を形成
した酸化剤プレート(52)で挟持したセルユニット(26)を
複数積層して構成される。なお、図では１つのセルユニ
ットのみを示している。
0)は、図１に示すように、電解質膜(30)の一方の面にア
ノード電極(22)、他方の面にカソード電極(24)を配した
セル(20)を、アノード電極側に燃料室(40)を形成した燃
料プレート(42)、カソード電極側に酸化剤室(50)を形成
した酸化剤プレート(52)で挟持したセルユニット(26)を
複数積層して構成される。なお、図では１つのセルユニ
ットのみを示している。
【００１７】燃料室(40)には、セルユニット(26)に形成
された燃料配管(44)及び冷却配管(60)が接続されてお
り、燃料配管(44)から純水素ガス又は改質器にて改質さ
れた水素リッチガスなどの燃料ガス、冷却配管(60)から
加湿水が供給される。酸化剤室(50)には、同様にセルユ
ニット(26)に形成された酸化剤配管(54)が接続されてお
り、酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。また、燃
料室(40)、酸化剤室(50)には、夫々反応後の排ガスが排
出される燃料排出管(46)と酸化剤排出管(56)が夫々接続
されている。酸化剤配管(54)及び酸化剤排出管(56)は、
図１に示すように、燃料ガスの供給方向と逆向きに酸化
剤室(50)を流通するように設けることが望ましい。
された燃料配管(44)及び冷却配管(60)が接続されてお
り、燃料配管(44)から純水素ガス又は改質器にて改質さ
れた水素リッチガスなどの燃料ガス、冷却配管(60)から
加湿水が供給される。酸化剤室(50)には、同様にセルユ
ニット(26)に形成された酸化剤配管(54)が接続されてお
り、酸素ガスを含む酸化剤ガスが供給される。また、燃
料室(40)、酸化剤室(50)には、夫々反応後の排ガスが排
出される燃料排出管(46)と酸化剤排出管(56)が夫々接続
されている。酸化剤配管(54)及び酸化剤排出管(56)は、
図１に示すように、燃料ガスの供給方向と逆向きに酸化
剤室(50)を流通するように設けることが望ましい。
【００１８】電解質膜(30)は、パーフルオロカーボンス
ルホン酸などの固体高分子材料から構成される。電解質
膜(30)の膜厚は、湿潤状態を維持し、水の移動を良好と
するために、薄く形成した方が効果が大きいが、膜厚を
あまり薄くしすぎると強度が低下するため、５μｍ以上
とすることが望ましい。
ルホン酸などの固体高分子材料から構成される。電解質
膜(30)の膜厚は、湿潤状態を維持し、水の移動を良好と
するために、薄く形成した方が効果が大きいが、膜厚を
あまり薄くしすぎると強度が低下するため、５μｍ以上
とすることが望ましい。
【００１９】電解質膜(30)に形成されるアノード電極(2
2)とカソード電極(24)は、少なくとも一方の電極を、対
応する燃料室(40)又は酸化剤室(50)と対向する領域より
も小さく形成する。両電極は、白金・ルテニウム合金を
カーボンに担持した触媒を電解質膜(30)の所定の領域
に、ホットプレスによって接合して形成することができ
る。非電極領域(32)は、電解質膜(30)の片面だけに設け
ても、透水効果を高めることができるが、電解質膜(30)
の両面に設けた方が、より高い透水効果を得ることがで
きる。なお、電極(22)(24)の表面には、ガス拡散効果を
高めるために導電性の集電体層(図示せず)が設けられる
が、この集電体層は、非電極領域(32)に被さっていても
構わない。アノード電極側に非電極領域(32)を設ける場
合、アノード電極(22)の面積と、非電極領域(32)の面積
との比は、１：０.０５〜１：１とすることが適当であ
り、１：０.１〜１：０.６とすることが望ましい。同様
に、カソード電極側に非電極領域(32)を設ける場合、カ
ソード電極(24)の面積と、非電極領域(32)の面積との比
は、１：０.０５〜１：１とすることが適当であり、
１：０.１〜１：０.６とすることが望ましい。
2)とカソード電極(24)は、少なくとも一方の電極を、対
応する燃料室(40)又は酸化剤室(50)と対向する領域より
も小さく形成する。両電極は、白金・ルテニウム合金を
カーボンに担持した触媒を電解質膜(30)の所定の領域
に、ホットプレスによって接合して形成することができ
る。非電極領域(32)は、電解質膜(30)の片面だけに設け
ても、透水効果を高めることができるが、電解質膜(30)
の両面に設けた方が、より高い透水効果を得ることがで
きる。なお、電極(22)(24)の表面には、ガス拡散効果を
高めるために導電性の集電体層(図示せず)が設けられる
が、この集電体層は、非電極領域(32)に被さっていても
構わない。アノード電極側に非電極領域(32)を設ける場
合、アノード電極(22)の面積と、非電極領域(32)の面積
との比は、１：０.０５〜１：１とすることが適当であ
り、１：０.１〜１：０.６とすることが望ましい。同様
に、カソード電極側に非電極領域(32)を設ける場合、カ
ソード電極(24)の面積と、非電極領域(32)の面積との比
は、１：０.０５〜１：１とすることが適当であり、
１：０.１〜１：０.６とすることが望ましい。
【００２０】非電極領域(32)は、燃料室(40)の燃料ガス
出口近傍又は酸化剤ガスの入口近傍に形成することが望
ましく、図１に示すように、電解質膜(30)を挟んで燃料
ガス出口と酸化剤ガス入口が対向するように燃料排出管
(46)及び酸化剤配管(54)を接続して、非電極領域(32)
が、燃料排出管(46)及び酸化剤配管(54)の両方に対向す
るように設けることがより望ましい。
出口近傍又は酸化剤ガスの入口近傍に形成することが望
ましく、図１に示すように、電解質膜(30)を挟んで燃料
ガス出口と酸化剤ガス入口が対向するように燃料排出管
(46)及び酸化剤配管(54)を接続して、非電極領域(32)
が、燃料排出管(46)及び酸化剤配管(54)の両方に対向す
るように設けることがより望ましい。
【００２１】上記構成の固体高分子型燃料電池(10)の燃
料室(40)に燃料ガス及び加湿水を導入し、酸化剤室(50)
に酸化剤ガスを導入する。加湿水は、燃料室(40)にて燃
料ガス中に蒸散してセル(20)を加湿する。燃料ガスと酸
化剤ガスは、加湿されたセル(20)によって電気化学反応
し、発電が行なわれる。燃料ガス中に残存する加湿水
は、燃料排ガスと共に燃料室(40)の出口側に向かう。こ
のとき、湿潤状態の燃料ガスと、乾燥状態の酸化剤ガス
との間で、水分濃度のバランスを保つために、一部の水
分がセル(20)の非電極領域(32)を通って、燃料室(40)か
ら酸化剤室(50)側に流れ込む。酸化剤室(50)に流れ込ん
だ加湿水(反応生成水を含む)は、乾燥した酸化剤ガス中
に蒸散して、酸化剤ガスを加湿する。
料室(40)に燃料ガス及び加湿水を導入し、酸化剤室(50)
に酸化剤ガスを導入する。加湿水は、燃料室(40)にて燃
料ガス中に蒸散してセル(20)を加湿する。燃料ガスと酸
化剤ガスは、加湿されたセル(20)によって電気化学反応
し、発電が行なわれる。燃料ガス中に残存する加湿水
は、燃料排ガスと共に燃料室(40)の出口側に向かう。こ
のとき、湿潤状態の燃料ガスと、乾燥状態の酸化剤ガス
との間で、水分濃度のバランスを保つために、一部の水
分がセル(20)の非電極領域(32)を通って、燃料室(40)か
ら酸化剤室(50)側に流れ込む。酸化剤室(50)に流れ込ん
だ加湿水(反応生成水を含む)は、乾燥した酸化剤ガス中
に蒸散して、酸化剤ガスを加湿する。
【００２２】なお、図３に示すように、酸化剤室(50)
を、非電極領域(32)が対向する加湿室(57)と、カソード
電極(24)が対向する反応室(58)とに区画し、加湿室(57)
と反応室(58)を連結配管(59)によって接続することもで
きる。このような構成とすることによって、非電極領域
(32)を透過した水分によって、酸化剤ガスを予め加湿室
(57)で加湿してから、反応室(58)に導入することができ
る。
を、非電極領域(32)が対向する加湿室(57)と、カソード
電極(24)が対向する反応室(58)とに区画し、加湿室(57)
と反応室(58)を連結配管(59)によって接続することもで
きる。このような構成とすることによって、非電極領域
(32)を透過した水分によって、酸化剤ガスを予め加湿室
(57)で加湿してから、反応室(58)に導入することができ
る。
【００２３】また、酸化剤室(50)に供給する酸化剤ガス
を、予め昇温、加湿しておくと、酸化剤室(50)の温度勾
配を小さくすることができる。
を、予め昇温、加湿しておくと、酸化剤室(50)の温度勾
配を小さくすることができる。
【００２４】
【実施例】＜実施例１＞図１に示すように、電解質膜(3
0)の膜厚と、電極に対する非電極領域(32)の面積を種々
変えたセルを作製し、これを用いた固体高分子型燃料電
池(10)を組み立てて、セル電圧を測定した。本実施例に
おいて、各セル(20)のアノード電極(22)及びカソード電
極(24)の面積は同じに設定している。なお、比較のため
に、非電極領域(32)を設けていないセルを作製し、同様
に固体高分子型燃料電池を組み立てた。固体高分子型燃
料電池(10)は、図１に示すように、燃料配管(44)及び冷
却配管(60)を酸化剤排出管(56)と対向して設け、燃料排
出管(46)と酸化剤配管(54)を対向して形成したものを使
用し、セル(20)は、非電極領域(32)が、燃料排出管(46)
及び酸化剤配管(54)と対向するように取り付けた。
0)の膜厚と、電極に対する非電極領域(32)の面積を種々
変えたセルを作製し、これを用いた固体高分子型燃料電
池(10)を組み立てて、セル電圧を測定した。本実施例に
おいて、各セル(20)のアノード電極(22)及びカソード電
極(24)の面積は同じに設定している。なお、比較のため
に、非電極領域(32)を設けていないセルを作製し、同様
に固体高分子型燃料電池を組み立てた。固体高分子型燃
料電池(10)は、図１に示すように、燃料配管(44)及び冷
却配管(60)を酸化剤排出管(56)と対向して設け、燃料排
出管(46)と酸化剤配管(54)を対向して形成したものを使
用し、セル(20)は、非電極領域(32)が、燃料排出管(46)
及び酸化剤配管(54)と対向するように取り付けた。
【００２５】上記固体高分子型燃料電池(10)には、燃料
ガスとして、改質器によって改質された水素リッチガス
(一酸化炭素ガスを２０ｐｐｍ含有)を供給し、酸化剤ガ
スとして空気を供給し、電流密度を０.４Ａ／ｃｍ2とし
たときのセル電圧を測定した。結果を図２に示す。な
お、図２において、枠内の数字は電解質膜(30)の膜厚を
示している。
ガスとして、改質器によって改質された水素リッチガス
(一酸化炭素ガスを２０ｐｐｍ含有)を供給し、酸化剤ガ
スとして空気を供給し、電流密度を０.４Ａ／ｃｍ2とし
たときのセル電圧を測定した。結果を図２に示す。な
お、図２において、枠内の数字は電解質膜(30)の膜厚を
示している。
【００２６】図２を参照すると、どの固体高分子型燃料
電池についても、非電極領域(32)を形成することによ
り、非電極領域(32)を形成していない電池(面積比０：
従来例)と比べてセル電圧が高くなっていることがわか
る。これは、非電極領域(32)にて燃料室(40)から酸化剤
室(50)に水が移動して、酸化剤ガスが加湿された結果、
燃料室(40)の水詰まりが防止され、また、酸化剤ガスの
加湿によって酸化剤室(50)の温度勾配が小さくなり、電
流の集中を防止することができたためである。さらに、
一酸化炭素による触媒の被毒が防止できたためである。
また、電解質膜(30)の膜厚が薄くなるほど、非電極領域
(32)の面積比が小さくても大きな効果を得ることができ
た。これは、非電極領域(32)の電解質膜(30)の膜厚が薄
い方が、水が透過しやすいためである。このため、電解
質膜(30)の膜厚は薄い方が好ましいが、あまり薄くしす
ぎると強度が低下するため、電解質膜(30)の膜厚は５μ
ｍ以上とすることが望ましい。電解質膜(30)の膜厚が１
０μｍの場合、電極に対する非電極領域(32)の面積比が
約０.３〜０.５のところでセル電圧が最大となってお
り、膜厚が５０μｍ、１００μｍ及び１２５μｍの電池
については、面積比が大きくなるほど高いセル電圧を示
している。従って、電極の面積と非電極領域(32)の面積
の比は、１：０．０５〜１：１とすることが望ましい。
なお、非電極領域（３２）は、電気化学反応に直接寄与
しないため、非電極領域(32)の面積比を大きくすると、
セルの大型化を招くため、電極の面積と非電極領域(32)
の面積の比は約１：０.１〜１：０.６とすることがより
望ましい。また、電解質膜(30)の膜厚は、１００μｍ以
下とすることがより望ましい。
電池についても、非電極領域(32)を形成することによ
り、非電極領域(32)を形成していない電池(面積比０：
従来例)と比べてセル電圧が高くなっていることがわか
る。これは、非電極領域(32)にて燃料室(40)から酸化剤
室(50)に水が移動して、酸化剤ガスが加湿された結果、
燃料室(40)の水詰まりが防止され、また、酸化剤ガスの
加湿によって酸化剤室(50)の温度勾配が小さくなり、電
流の集中を防止することができたためである。さらに、
一酸化炭素による触媒の被毒が防止できたためである。
また、電解質膜(30)の膜厚が薄くなるほど、非電極領域
(32)の面積比が小さくても大きな効果を得ることができ
た。これは、非電極領域(32)の電解質膜(30)の膜厚が薄
い方が、水が透過しやすいためである。このため、電解
質膜(30)の膜厚は薄い方が好ましいが、あまり薄くしす
ぎると強度が低下するため、電解質膜(30)の膜厚は５μ
ｍ以上とすることが望ましい。電解質膜(30)の膜厚が１
０μｍの場合、電極に対する非電極領域(32)の面積比が
約０.３〜０.５のところでセル電圧が最大となってお
り、膜厚が５０μｍ、１００μｍ及び１２５μｍの電池
については、面積比が大きくなるほど高いセル電圧を示
している。従って、電極の面積と非電極領域(32)の面積
の比は、１：０．０５〜１：１とすることが望ましい。
なお、非電極領域（３２）は、電気化学反応に直接寄与
しないため、非電極領域(32)の面積比を大きくすると、
セルの大型化を招くため、電極の面積と非電極領域(32)
の面積の比は約１：０.１〜１：０.６とすることがより
望ましい。また、電解質膜(30)の膜厚は、１００μｍ以
下とすることがより望ましい。
【００２７】＜実施例２＞本実施例は、図３に示すよう
に、実施例１の固体高分子型燃料電池の酸化剤室(50)
を、非電極領域(32)と対向する加湿室(57)と、カソード
電極と対向する反応室(58)とに区画し、加湿室(57)と反
応室(58)を連結配管(59)によって接続したものである。
このように、酸化剤室(50)を加湿室(57)と反応室(58)に
区画することによって、供給される酸化剤ガスの加湿を
より良好に行なうことができる。
に、実施例１の固体高分子型燃料電池の酸化剤室(50)
を、非電極領域(32)と対向する加湿室(57)と、カソード
電極と対向する反応室(58)とに区画し、加湿室(57)と反
応室(58)を連結配管(59)によって接続したものである。
このように、酸化剤室(50)を加湿室(57)と反応室(58)に
区画することによって、供給される酸化剤ガスの加湿を
より良好に行なうことができる。
【００２８】＜実施例３＞本実施例は、図４に示すよう
に、実施例１の固体高分子型燃料電池の酸化剤配管(54)
と酸化剤排出管(56)との間に熱交換器(62)を設けたもの
であり、酸化剤配管(54)を流通する酸化剤ガスと、酸化
剤室(50)にて温度が高められた酸化剤排ガスとの間で熱
交換して、酸化剤室(50)に昇温された酸化剤ガスを供給
するようにしている。酸化剤ガスを予め昇温させること
によって、実施例１と比較して、より多くの水を酸化剤
ガス中に蒸発させる。また、昇温した酸化剤ガスを酸化
剤室(50)に供給することによって、酸化剤室(50)の温度
が全体的に上昇し、温度勾配を小さくできるから、一酸
化炭素による触媒被毒の影響をより小さくすることがで
きる。
に、実施例１の固体高分子型燃料電池の酸化剤配管(54)
と酸化剤排出管(56)との間に熱交換器(62)を設けたもの
であり、酸化剤配管(54)を流通する酸化剤ガスと、酸化
剤室(50)にて温度が高められた酸化剤排ガスとの間で熱
交換して、酸化剤室(50)に昇温された酸化剤ガスを供給
するようにしている。酸化剤ガスを予め昇温させること
によって、実施例１と比較して、より多くの水を酸化剤
ガス中に蒸発させる。また、昇温した酸化剤ガスを酸化
剤室(50)に供給することによって、酸化剤室(50)の温度
が全体的に上昇し、温度勾配を小さくできるから、一酸
化炭素による触媒被毒の影響をより小さくすることがで
きる。
【００２９】なお、酸化剤室(50)から排出される酸化剤
排ガスは、高温であるだけでなく、加湿されているか
ら、熱交換器の配管(54)(56)どうしの隔壁(図示せず)を
水透過性の材料で形成すると、熱交換と同時に、酸化剤
ガスの加湿も行なうことができる。熱交換と共に水蒸気
の交換を行なうことによって、酸化剤ガスがセルに持ち
込む熱量が増加するため、電池の温度をより高くするこ
とができ、一酸化炭素による触媒被毒の影響をさらに小
さくすることができる。
排ガスは、高温であるだけでなく、加湿されているか
ら、熱交換器の配管(54)(56)どうしの隔壁(図示せず)を
水透過性の材料で形成すると、熱交換と同時に、酸化剤
ガスの加湿も行なうことができる。熱交換と共に水蒸気
の交換を行なうことによって、酸化剤ガスがセルに持ち
込む熱量が増加するため、電池の温度をより高くするこ
とができ、一酸化炭素による触媒被毒の影響をさらに小
さくすることができる。
【００３０】上記実施例の説明は、本発明を説明するた
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
めのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定
し、或は範囲を減縮する様に解すべきではない。又、本
発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲
に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の断面図であ
る。
る。
【図２】実施例１の結果を示すグラフである。
【図３】本発明の固体高分子型燃料電池の異なる実施例
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図４】本発明の固体高分子型燃料電池の更に異なる実
施例を示す断面図である。
施例を示す断面図である。
【図５】従来の固体高分子型燃料電池の断面図である。
(10) 固体高分子型燃料電池 (20) セル (30) 電解質膜 (32) 非電極領域 (40) 燃料室 (50) 酸化剤室
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 米津 育郎 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 西尾 晃治 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 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 HH02 HH03 5H027 AA06
Claims (10)
- 【請求項１】 電解質膜(30)の両面に電極(22)(24)を有
するセル(20)に対し、一方の側に燃料ガスの供給される
燃料室(40)、他方の側に酸化剤ガスの供給される酸化剤
室(50)を形成したセルユニット(26)を複数積層してなる
固体高分子型燃料電池において、 電解質膜(30)は、燃料室(40)又は酸化剤室(50)に対向す
る少なくとも一方の面の一部に、電極を具えない非電極
領域(32)を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電
池。 - 【請求項２】 非電極領域(32)は、酸化剤ガスの入口近
傍に形成される請求項１に記載の固体高分子型燃料電
池。 - 【請求項３】 非電極領域(32)は、燃料ガスの出口近傍
に形成される請求項１又は請求項２に記載の固体高分子
型燃料電池。 - 【請求項４】 酸化剤ガスの入口と、燃料ガスの出口
は、電解質膜(30)を挟んで対向して設けられる請求項１
乃至請求項３の何れかに記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項５】 燃料室(40)には、燃料ガスと加湿水が供
給される請求項１乃至請求項４の何れかに記載の固体高
分子型燃料電池。 - 【請求項６】 酸化剤室側の電極面積と、酸化剤室側の
非電極領域(32)の面積の比は、１：０.０５〜１：１で
ある請求項１乃至請求項５の何れかに記載の固体高分子
型燃料電池。 - 【請求項７】 燃料室側の電極面積と、燃料室側の非電
極領域(32)の面積の比は、１：０.０５〜１：１である
請求項１乃至請求項６の何れかに記載の固体高分子型燃
料電池。 - 【請求項８】 非電極領域(32)の電解質膜(30)膜厚は、
５〜１００μｍである請求項１乃至請求項７の何れかに
記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項９】 酸化剤室(50)へ供給される酸化剤ガス
と、酸化剤室(50)から排出される酸化剤排ガスとの間に
は、熱交換を行なう熱交換器(62)が配備される請求項１
乃至請求項８の何れかに記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項１０】 酸化剤室(50)へ供給される酸化剤ガス
と、酸化剤室(50)から排出される酸化剤排ガスとの間に
は、水分の交換を行なう手段が配備される請求項１乃至
請求項９の何れかに記載の固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11079347A JP2000277128A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11079347A JP2000277128A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000277128A true JP2000277128A (ja) | 2000-10-06 |
Family
ID=13687379
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11079347A Pending JP2000277128A (ja) | 1999-03-24 | 1999-03-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000277128A (ja) |
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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