JPH0684533A - 固体高分子型燃料電池の加湿手段 - Google Patents
固体高分子型燃料電池の加湿手段Info
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- JPH0684533A JPH0684533A JP4257152A JP25715292A JPH0684533A JP H0684533 A JPH0684533 A JP H0684533A JP 4257152 A JP4257152 A JP 4257152A JP 25715292 A JP25715292 A JP 25715292A JP H0684533 A JPH0684533 A JP H0684533A
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Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- 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
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 燃料電池の高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、高
出力密度化を達成し、その性能を低下させずに防湿し、
オーバーヒートを防止し、小型化・軽量化を達成するこ
とにある。 【構成】 高分子電解質膜１０５の両側に白金触媒を担
持したアノード電極１０３及びカソード電極１０４を配
置し、溝の付いた集電板１０２を配置する。アノード電
極内に親水性樹脂を埋め込む。集電板１０２は圧縮、焼
結、黒鉛化されたカーボン粒子及び固着材の混合物から
形成されている。また、親水性樹脂に水を供給する方法
としては、カソードの電極の周辺部に水を満たした室を
設け、この部分より、浸透により水を供給させる。
出力密度化を達成し、その性能を低下させずに防湿し、
オーバーヒートを防止し、小型化・軽量化を達成するこ
とにある。 【構成】 高分子電解質膜１０５の両側に白金触媒を担
持したアノード電極１０３及びカソード電極１０４を配
置し、溝の付いた集電板１０２を配置する。アノード電
極内に親水性樹脂を埋め込む。集電板１０２は圧縮、焼
結、黒鉛化されたカーボン粒子及び固着材の混合物から
形成されている。また、親水性樹脂に水を供給する方法
としては、カソードの電極の周辺部に水を満たした室を
設け、この部分より、浸透により水を供給させる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料電池に関するもの
で、特に、固体高分子型燃料電池の加湿手段に関するも
のである。
で、特に、固体高分子型燃料電池の加湿手段に関するも
のである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、燃料電池において酸素と水素
を用いて電流を発生することが知られている。従来より
用いられている燃料電池の１つに高分子電解質膜を用い
た燃料電池がある。この種の燃料電池ユニットは、複数
の燃料電池で構成されている。各燃料電池は、高分子電
解質膜と、これを両側から挟むようにして触媒を含む電
極とからなっている。
を用いて電流を発生することが知られている。従来より
用いられている燃料電池の１つに高分子電解質膜を用い
た燃料電池がある。この種の燃料電池ユニットは、複数
の燃料電池で構成されている。各燃料電池は、高分子電
解質膜と、これを両側から挟むようにして触媒を含む電
極とからなっている。
【０００３】この高分子電解質膜は常に湿潤状態に維持
する必要がある。従って、高分子電解質膜を健全な状態
を維持するには、常に水分の補給が必要である。
する必要がある。従って、高分子電解質膜を健全な状態
を維持するには、常に水分の補給が必要である。
【０００４】この高分子電解質膜形式の燃料電池におけ
る、電力発生のメカニズムは周知の通りである。すなわ
ち、例えば、水素ガス等の燃料は、アノード側の電極へ
噴射され、カソード側の電極には酸素ガス等の強酸化性
物質が噴射される。
る、電力発生のメカニズムは周知の通りである。すなわ
ち、例えば、水素ガス等の燃料は、アノード側の電極へ
噴射され、カソード側の電極には酸素ガス等の強酸化性
物質が噴射される。
【０００５】このアノード及びカソードは主にフルオロ
カーボンを結着材として触媒を担持した導電材によって
構成されている。なお、触媒としては主に白金が用いら
れている。
カーボンを結着材として触媒を担持した導電材によって
構成されている。なお、触媒としては主に白金が用いら
れている。
【０００６】通常の固体高分子型燃料電池においては、
周知のように、アノード内の高分子電解質膜表面の触媒
が燃料をイオン化して、イオンと自由電子を発生する。
この自由電子は、適当な手段によって燃料電池の１つの
ターミナルから、カソードに接続された他方のターミナ
ルに流れ、このカソードを通って、酸素ガス等の酸化性
物質の還元に用いられる。
周知のように、アノード内の高分子電解質膜表面の触媒
が燃料をイオン化して、イオンと自由電子を発生する。
この自由電子は、適当な手段によって燃料電池の１つの
ターミナルから、カソードに接続された他方のターミナ
ルに流れ、このカソードを通って、酸素ガス等の酸化性
物質の還元に用いられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】一方、イオンは高分子
電解質膜を透過して高分子電解質膜の反対側に設置され
たカソードに送られる。このイオンの移動にともなって
数分子量の水分子が輸送される。イオンによる水の輸送
は、電気浸透またはプロトニックポンプ（protonic pum
p)と呼ばれている。従って、高分子電解質膜のアノード
側においては水の輸送に伴い乾燥が進む。これを防ぐた
め一般にはアノード内に噴射する燃料ガスを加湿してい
る。しかしながら、ガスの加湿により供給される水以上
に、カソード側に輸送される水が多くなるような、電流
が大きな領域では高分子電解質膜の乾燥が進み、膜抵抗
が増大し電池性能が低下し、燃料電池の高出力密度化に
対し問題となっていた。そのため、高分子電解質膜の乾
燥を防ぎつつ高出力密度化を達成する方法が望まれてい
る。
電解質膜を透過して高分子電解質膜の反対側に設置され
たカソードに送られる。このイオンの移動にともなって
数分子量の水分子が輸送される。イオンによる水の輸送
は、電気浸透またはプロトニックポンプ（protonic pum
p)と呼ばれている。従って、高分子電解質膜のアノード
側においては水の輸送に伴い乾燥が進む。これを防ぐた
め一般にはアノード内に噴射する燃料ガスを加湿してい
る。しかしながら、ガスの加湿により供給される水以上
に、カソード側に輸送される水が多くなるような、電流
が大きな領域では高分子電解質膜の乾燥が進み、膜抵抗
が増大し電池性能が低下し、燃料電池の高出力密度化に
対し問題となっていた。そのため、高分子電解質膜の乾
燥を防ぎつつ高出力密度化を達成する方法が望まれてい
る。
【０００８】そこで、本発明の目的は燃料電池の高分子
電解質膜の乾燥を防ぎつつ高出力密度化を達成する方法
により、燃料電池の小型化・軽量化を達成しうる固体高
分子型燃料電池を提供する事にある。
電解質膜の乾燥を防ぎつつ高出力密度化を達成する方法
により、燃料電池の小型化・軽量化を達成しうる固体高
分子型燃料電池を提供する事にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】高分子電解質膜と触媒を
有する電極とからなる固体高分子型燃料電池において親
水性樹脂または親水化処理を施した多孔質膜を電極内ま
たは電極周辺部または膜面上に設置し、多孔質膜を介し
て水を供給することを特徴とする固体高分子型燃料電池
の加湿手段である。親水性樹脂としては、官能基に−Ｃ
ＯＯＨ、−Ｃ−Ｏ−Ｃ−、−ＯＨ、−ＲＮＲ’、−ＳＯ
3 Ｈなどを持つ樹脂であれば良く、親水化処理について
も同様な官能基を付着させれば良い。
有する電極とからなる固体高分子型燃料電池において親
水性樹脂または親水化処理を施した多孔質膜を電極内ま
たは電極周辺部または膜面上に設置し、多孔質膜を介し
て水を供給することを特徴とする固体高分子型燃料電池
の加湿手段である。親水性樹脂としては、官能基に−Ｃ
ＯＯＨ、−Ｃ−Ｏ−Ｃ−、−ＯＨ、−ＲＮＲ’、−ＳＯ
3 Ｈなどを持つ樹脂であれば良く、親水化処理について
も同様な官能基を付着させれば良い。
【００１０】
【作用】前記手段を講じると燃料電池の高分子電解質膜
の乾燥を防ぎつつ高出力密度化を達成できる理由は以下
の通りである。
の乾燥を防ぎつつ高出力密度化を達成できる理由は以下
の通りである。
【００１１】アノードに図１のように親水性樹脂製また
は親水化処理を施した多孔質膜を組み込み、そのフィル
ムに水を浸透または毛細管現象により通すことにより、
アノード側に水を供給することが可能となり、水素ガス
が加湿され高分子電解質膜の乾燥を防止することが可能
となる。
は親水化処理を施した多孔質膜を組み込み、そのフィル
ムに水を浸透または毛細管現象により通すことにより、
アノード側に水を供給することが可能となり、水素ガス
が加湿され高分子電解質膜の乾燥を防止することが可能
となる。
【００１２】
【実施例】以下、この発明の実施例を添付図面に基づい
て説明する。実際の電池としては、これらのセルを積層
化した構造である。
て説明する。実際の電池としては、これらのセルを積層
化した構造である。
【００１３】実施例１）図１はこの発明に係る一部の単
セル構造を示す。高分子電解質膜１０５（Nafion（登録
商標）117:Dupont社製）の両側に白金触媒を担持したア
ノード電極１０３（導電性カーボン及びポリテトラフル
オロエチレンの混合物）及びカソード電極１０４（導電
性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混合物）
を配置し、溝の付いた集電板１０２を配置する。このア
ノード電極内に親水性樹脂１０１を埋め込む。
セル構造を示す。高分子電解質膜１０５（Nafion（登録
商標）117:Dupont社製）の両側に白金触媒を担持したア
ノード電極１０３（導電性カーボン及びポリテトラフル
オロエチレンの混合物）及びカソード電極１０４（導電
性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混合物）
を配置し、溝の付いた集電板１０２を配置する。このア
ノード電極内に親水性樹脂１０１を埋め込む。
【００１４】集電板１０２は圧縮、焼結、黒鉛化された
カーボン粒子及び固着材の混合物から形成されている。
１０１の親水性樹脂はエチレンとメタクリル酸の共重合
樹脂のフィルムであり、形状を図４に示す。
カーボン粒子及び固着材の混合物から形成されている。
１０１の親水性樹脂はエチレンとメタクリル酸の共重合
樹脂のフィルムであり、形状を図４に示す。
【００１５】また、親水性樹脂に水を供給する方法とし
ては図１のように、アノード電極の周辺部にＯリング１
１１で独立させ、水を満たした室を設け、この部分よ
り、浸透により水を供給させる。
ては図１のように、アノード電極の周辺部にＯリング１
１１で独立させ、水を満たした室を設け、この部分よ
り、浸透により水を供給させる。
【００１６】この構造の固体高分子型燃料電池をセル温
度５５℃にて水素１気圧、酸素１気圧にて１Ａ／ｃｍ2
の電流密度で発電した。結果、１時間後も出力低下は見
られなかった。尚図中１０６は加湿水、１０７は水素入
口、１０８は酸素入口、１０９は水素出口、１１０は酸
素出口である。
度５５℃にて水素１気圧、酸素１気圧にて１Ａ／ｃｍ2
の電流密度で発電した。結果、１時間後も出力低下は見
られなかった。尚図中１０６は加湿水、１０７は水素入
口、１０８は酸素入口、１０９は水素出口、１１０は酸
素出口である。
【００１７】実施例２）図２はこの発明に係る一部の単
セル構造を示す。高分子電解質膜１０５（Nafion（登録
商標）117:Dupont社製）の両側に白金触媒を担持したア
ノード電極１０３（導電性カーボン及びポリテトラフル
オロエチレンの混合物）及びカソード電極１０４（導電
性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混合物）
を配置し、溝の付いた集電体１０２を配置する。このア
ノード電極側に親水性の多孔性フィルム１０１を接触さ
せる。
セル構造を示す。高分子電解質膜１０５（Nafion（登録
商標）117:Dupont社製）の両側に白金触媒を担持したア
ノード電極１０３（導電性カーボン及びポリテトラフル
オロエチレンの混合物）及びカソード電極１０４（導電
性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混合物）
を配置し、溝の付いた集電体１０２を配置する。このア
ノード電極側に親水性の多孔性フィルム１０１を接触さ
せる。
【００１８】集電体１０２は圧縮、焼結、黒鉛化された
カーボン粒子及び固着材の混合物から形成されている。
カーボン粒子及び固着材の混合物から形成されている。
【００１９】図１，図２において、１０１はフッ素樹脂
多孔膜（住友電気工業株式会社製ポアフロン（商標登録
済み））表面にポリビニルアルコールを電子線グラフト
重合法により担持し、表面を親水化処理したものであ
る。これを幅３ｍｍに切り出し、図１，図２のように固
体高分子電解質膜表面に圧着し、この親水化処理多孔膜
を介して水を補給しながら、燃料電池の作動を試験し
た。なお、高分子電解質膜表面の一部のみを親水化処理
多孔質膜を被覆した系では、高分子電解質膜表面の露出
率が９０％になるよう全て統一した。
多孔膜（住友電気工業株式会社製ポアフロン（商標登録
済み））表面にポリビニルアルコールを電子線グラフト
重合法により担持し、表面を親水化処理したものであ
る。これを幅３ｍｍに切り出し、図１，図２のように固
体高分子電解質膜表面に圧着し、この親水化処理多孔膜
を介して水を補給しながら、燃料電池の作動を試験し
た。なお、高分子電解質膜表面の一部のみを親水化処理
多孔質膜を被覆した系では、高分子電解質膜表面の露出
率が９０％になるよう全て統一した。
【００２０】この構造の固体高分子型燃料電池を水素１
気圧、酸素１気圧にて１Ａ／ｃｍ2の電流密度で発電し
た。結果、１時間運転後も出力低下は見られなかった。
気圧、酸素１気圧にて１Ａ／ｃｍ2の電流密度で発電し
た。結果、１時間運転後も出力低下は見られなかった。
【００２１】実施例３）図１，図２はこの発明に係る一
部の単セル構造を示す。イオン交換膜１０５（Nafion
（登録商標）117:Dupont社製）の両側に白金触媒を担持
したアノード電極１０３（導電性カーボン及びポリテト
ラフルオロエチレンの混合物）及びカソード電極１０４
（導電性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混
合物）を配置し、溝の付いた集電板１０２を配置する。
部の単セル構造を示す。イオン交換膜１０５（Nafion
（登録商標）117:Dupont社製）の両側に白金触媒を担持
したアノード電極１０３（導電性カーボン及びポリテト
ラフルオロエチレンの混合物）及びカソード電極１０４
（導電性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混
合物）を配置し、溝の付いた集電板１０２を配置する。
【００２２】集電板１０２は圧縮、焼結、黒鉛化された
カーボン粒子及び固着材の混合物から形成されている。
カーボン粒子及び固着材の混合物から形成されている。
【００２３】実施例２．で用いた１０１の表面親水化多
孔膜に替えて、親水性樹脂である部分的にアセタール化
したポリビニルアルコールを固体電解質膜表面に担持
し、この樹脂を介して水を補給しながら、発電開始時か
らの起電力の経時変化、および水素ガス、酸素ガスの利
用率の経時変化を記した。なお使用したポリビニルアル
コール樹脂のアセタール化比率は１０％，２５％，５０
％と変化させた。
孔膜に替えて、親水性樹脂である部分的にアセタール化
したポリビニルアルコールを固体電解質膜表面に担持
し、この樹脂を介して水を補給しながら、発電開始時か
らの起電力の経時変化、および水素ガス、酸素ガスの利
用率の経時変化を記した。なお使用したポリビニルアル
コール樹脂のアセタール化比率は１０％，２５％，５０
％と変化させた。
【００２４】表１に示すように、比較例１に比べ起電力
の低下が抑制されていることが認められるが、アセター
ル化比率１０％のものにもわずかながら起電力の低下が
認められる。これは、アセタール化比率の低いポリビニ
ルアルコールは、水への溶解性が強く、電池を動作させ
ている間に、この樹脂が高分子電解質膜全体を覆いつく
し、ガスの供給が行われ難くなったためと考えられる。
の低下が抑制されていることが認められるが、アセター
ル化比率１０％のものにもわずかながら起電力の低下が
認められる。これは、アセタール化比率の低いポリビニ
ルアルコールは、水への溶解性が強く、電池を動作させ
ている間に、この樹脂が高分子電解質膜全体を覆いつく
し、ガスの供給が行われ難くなったためと考えられる。
【００２５】
【表１】
【００２６】比較例１）図３はこの発明の比較例に係る
一部の単セル構造を示す。イオン交換膜１０５（Nafion
（登録商標）117:Dupont社製）の両側に白金触媒を担持
したアノード電極１０３（導電性カーボン及びポリテト
ラフルオロエチレンの混合物）及びカソード電極１０４
（導電性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混
合物）を配置し、溝の付いた集電板１０２を配置する。
一部の単セル構造を示す。イオン交換膜１０５（Nafion
（登録商標）117:Dupont社製）の両側に白金触媒を担持
したアノード電極１０３（導電性カーボン及びポリテト
ラフルオロエチレンの混合物）及びカソード電極１０４
（導電性カーボン及びポリテトラフルオロエチレンの混
合物）を配置し、溝の付いた集電板１０２を配置する。
【００２７】集電板１０２は圧縮、焼結、黒鉛化された
カーボン粒子及び固着材の混合物から形成されている。
カーボン粒子及び固着材の混合物から形成されている。
【００２８】このセル温度５５℃のセルへ７０℃の飽和
水蒸気で加湿した水素１気圧及び酸素１気圧を供給し
た。結果、運転開始後９０秒後に出力電圧が０Ｖ以下に
なった。
水蒸気で加湿した水素１気圧及び酸素１気圧を供給し
た。結果、運転開始後９０秒後に出力電圧が０Ｖ以下に
なった。
【００２９】
【発明の効果】上記の如く、本発明は、親水性樹脂また
は親水化処理を施した多孔質膜を電極内または電極周辺
部または膜面上に設置し、親水性樹脂または多孔質膜を
介して水を供給するようにしたので、高分子電解質膜の
乾燥を防ぎ、高出力密度比を達成し、燃料電池の性能を
低下させずに除湿し、オーバーヒートの防止と共に、燃
料電池の小型化・軽量化を達成するものである。
は親水化処理を施した多孔質膜を電極内または電極周辺
部または膜面上に設置し、親水性樹脂または多孔質膜を
介して水を供給するようにしたので、高分子電解質膜の
乾燥を防ぎ、高出力密度比を達成し、燃料電池の性能を
低下させずに除湿し、オーバーヒートの防止と共に、燃
料電池の小型化・軽量化を達成するものである。
【図１】この発明に係る実施例１の単セル構造の断面
図。
図。
【図２】同上の実施例２の単セル構造の断面図。
【図３】同上の比較例１の単セル構造の断面図。
【図４】この発明に用いる親水性樹脂の拡大平面図。
１０１ 親水性樹脂 １０２ 集電板 １０３ アノード電極 １０４ カソード電極 １０５ 高分子電解質膜 １０６ 加湿水 １０７ 水素入口 １０８ 酸素入口 １０９ 水素出口 １１０ 酸素出口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 柏木 亨 大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電 気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者 花房 幸司 大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電 気工業株式会社大阪製作所内
Claims (1)
- 【請求項１】 高分子電解質膜と触媒を有する電極とか
らなる固体高分子型燃料電池において親水性樹脂または
親水化処理を施した多孔質膜を電極内または電極周辺部
または膜面上に設置し、親水性樹脂または親水化処理を
施した多孔質膜を介して水を供給することを特徴とする
固体高分子型燃料電池の加湿手段。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4257152A JPH0684533A (ja) | 1992-08-31 | 1992-08-31 | 固体高分子型燃料電池の加湿手段 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP4257152A JPH0684533A (ja) | 1992-08-31 | 1992-08-31 | 固体高分子型燃料電池の加湿手段 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0684533A true JPH0684533A (ja) | 1994-03-25 |
Family
ID=17302439
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP4257152A Pending JPH0684533A (ja) | 1992-08-31 | 1992-08-31 | 固体高分子型燃料電池の加湿手段 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0684533A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0872907A1 (en) * | 1997-04-11 | 1998-10-21 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell |
| WO1999057778A3 (de) * | 1998-04-30 | 2000-03-02 | Emitec Emissionstechnologie | Verfahren zur benetzung wenigstens einer der oberflächen eines elektrolyten in einer brennstoffzelle |
| JP2006522434A (ja) * | 2003-01-31 | 2006-09-28 | ソシエテ ビック | 燃料電池用燃料カートリッジ |
-
1992
- 1992-08-31 JP JP4257152A patent/JPH0684533A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0872907A1 (en) * | 1997-04-11 | 1998-10-21 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell |
| US6083638A (en) * | 1997-04-11 | 2000-07-04 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell |
| WO1999057778A3 (de) * | 1998-04-30 | 2000-03-02 | Emitec Emissionstechnologie | Verfahren zur benetzung wenigstens einer der oberflächen eines elektrolyten in einer brennstoffzelle |
| US6630258B1 (en) | 1998-04-30 | 2003-10-07 | Emitec Gesellschaft Fuer Emissionstechnologie Mbh | Process for wetting at least one of the surfaces of an electrolyte in a fuel cell |
| JP2006522434A (ja) * | 2003-01-31 | 2006-09-28 | ソシエテ ビック | 燃料電池用燃料カートリッジ |
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