JPH0795447B2 - 固体高分子電解質燃料電池 - Google Patents

固体高分子電解質燃料電池

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JPH0795447B2
JPH0795447B2 JP1033526A JP3352689A JPH0795447B2 JP H0795447 B2 JPH0795447 B2 JP H0795447B2 JP 1033526 A JP1033526 A JP 1033526A JP 3352689 A JP3352689 A JP 3352689A JP H0795447 B2 JPH0795447 B2 JP H0795447B2
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Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は、燃料電池に関し、特に、燃料電池の冷却と
ともに電解質薄膜の湿潤状態の保持を効果的に行うこと
のできる固体高分子電解質燃料電池に関するものであ
る。
［従来の技術］ 従来より、固体高分子薄膜を電解質として用いた燃料電
池が知られている。このような燃料電池においては、作
動効率を高めるために電解質薄膜を湿潤状態に保持する
ことが望ましい。米国特許第3,061,658号に開示される
固体高分子電解質薄膜を用いた燃料電池においては、カ
ソード活物質である酸素流に水を混入することにより燃
料電池内に水を導入して電解質薄膜の湿潤状態を保持し
ている。
［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、電解質薄膜のカソード表面には、電解反
応により水が生成されるうえ、更にアノード側からも陽
子が移動するにつれて水が運ばれてくるので、上記の方
法による場合には、カソード側に過剰の水が供給される
ことになり、酸素とカソードとの接触が水膜により妨げ
られることになる。
そこで、本発明の目的は、燃料電池のアノード側に水を
供給して電解質薄膜の乾燥を効果的に防止することがで
きるとともに、燃料電池の冷却を同時に行うことのでき
る固体高分子電解質燃料電池を提供することにある。
［問題点を解決するための手段］ 上記及び上記以外の目的を達成するために、本発明の構
成によれば、 アノード触媒層とカソード触媒層とをその相反する側の
面にそれぞれ有する固体高分子電解質薄膜と、 前記アノード触媒層に隣接して配されるとともに、連続
面を有する基部と、前記アノード触媒層に対向して配さ
れ、前記アノード触媒層に当接する複数の凸部とこれら
凸部間に配されてガス状のアノー活物質が流通する通路
を形成する凹部とからなる凹凸部とを有する多孔性のア
ノードプレートと、 前記アノードプレートの基部内に前記アノード活物質の
圧力に近い圧力において水を導入する手段とから構成さ
れ、 これにより、前記水は、前記基部から前記凸部内に連続
して供給されて前記電解質薄膜内に吸収される一方、前
記凹部から蒸発して冷却効果を奏する、 ことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池が提供され
る。
［作 用］ アノードプレート基部内に導入された水は、その一部が
電解質薄膜との接触面より電解質薄膜内に吸収されて電
解質薄膜の乾燥を防ぐ一方、残余の水は電解質薄膜との
非接触面より蒸発して冷却効果を奏する。
［実 施 例］ 以下に、本発明の実施例を添付図面を参照して説明す
る。
第１図において、電解質薄膜２の一方の面上にはカソー
ド触媒４が配されており、反対側の面上にはアノード触
媒６が配されている。アノード触媒６に隣接して多孔性
のアノードプレート８が配設されており、このプレート
８は電解質薄膜２と対向する側において凹部10と凸部12
とから形成される凹凸部を有する。凸部12はアノード触
媒層６と当接しており、凹部10は、水素ガスが流通する
通路を形成している。アノードプレート８はその他方の
側において上記凹凸部と連続する基部14を有しており、
この基部14の上記他方の側は連続面を形成している。基
部14は、上記凹凸部と同様に多孔質であり、その端部か
らポンプにより導入された水がその孔内に充満してい
る。従って、この基部14は、上記凹凸部に対して帯水層
として機能する。
水素ガス流は、凹部10により形成される通路内に矢印Ａ
の方向において導入される一方、水は、アノードプレー
ト８内に矢印Ｂの方向においてポンプにより導入され
る。水素ガスの圧力は、13789Pa（20psia）より若干高
く、この値は、燃料電池が約109℃（228゜Ｆ）において
作動されるときの水蒸気圧に相当する。アノープレート
８の基部14内に導入された水は、凸部12内に拡散して電
解質薄膜２との当接面より電解質薄膜２内に吸収され、
その後電気浸透によりカソード側に搬送される一方、凹
部10内に蒸発して水素ガス流内に混入される。この水蒸
気が混入された水素ガス流は矢印Ｃの方向においてアノ
ードプレート８から排出される。不浸透性のカーボンあ
るいは同様の材質から成る隔離用プレート16は、隣接し
て配される他の燃料電池（図示せず）への水及び水素ガ
スの進入を阻止する。
カソード触媒層４に隣接してアノードプレート８と同様
の多孔性カソードプレート18が配設されており、このカ
ソードプレート18は、カソード触媒層４に対向して配さ
れ凹部20及び凸部22から形成される凹凸部及びこれに連
続する基部19を有している。カソードプレート18は、燃
料電池のカソード側に電解反応により生成される水及び
アノード側より電気浸透により搬送されてくる水を吸収
し、カソードとカソード活物質である酸素との接触が水
膜により阻害されるのを防止する。
尚、部分的に防湿効果を奏するカーボン紙（図示せず）
をカソード触媒層４と凸部22間に介装することが好まし
い。
カソード側にて生成された水及びアノード側より搬送さ
れてきた水は、上記カーボン紙を透過して凸部22に至
り、一方、酸素は凸部22からカソードプレート18の基部
19内へ拡散される。不透過性のカーボンあるいは同様の
材質から成る隔離用プレート24がカソードプレート18に
隣接して配設されており、これによりスタック内に隣接
して配されている他の燃料電池から当該燃料電池を隔離
している。
第２図は、アノードプレート８の凹凸面を示している。
凹部10及び凸部12が形成されたアノードプレート８は、
全体として略ワッフルアイロン、つまり平面上に四角柱
またはその他の形状を有する複数の突起部を設けた形状
を有しており、矢線Ａ及びＣは、通路を流れる水素の流
通方向を示している。通路内に導入された矢印Ａにて示
される水素ガスは非常に乾燥しており、このため、この
導入直後の乾燥した水素ガスと接触する電解質薄膜の一
部は、過度に乾燥される危険性が高い。一方、この乾燥
した水素ガスは、アノープレート８に形成された通路内
を通過中にアノードプレート８らの水蒸気を捕捉するた
め、電解質薄膜の上記一部に続く部分は過度に乾燥する
ことはない。電解質薄膜の上記一部が過度に乾燥するの
を防ぐために、アノードプレート８の水素ガス導入部に
テーパ状、つまり先細りとなるように形成されたシュラ
ウド（被覆部材）26を配設してもよい。このようにシュ
ラウドを配設して電解質薄膜及びアノードプレートをと
もに覆うことで、水素ガス導入部付近においては水素ガ
スとアノードプレートとの接触面積は小さくなる。従っ
て、水素ガス導入部付近における水分蒸発量は小さくな
り、アノードプレートが過度に乾燥することはなくな
る。また、水素ガスは内部に進むにつれてアノードプレ
ート等から水分を少しずつ奪い、水分含有率が高くなる
ので、その含有率が高くなるにつれてつれて水素ガスと
アノードプレートとの接触面積が大きくなるようにして
も過度に乾燥するおそれは少なくなる。従って、この実
施例ではシュラウドをテーパ状として水素ガスが内部に
進入するにつれて接触面積が広くなるようにしている。
電解質薄膜についても同様のことがいえる。このテーパ
状のシュラウド26は、アノードプレート８と一体に形成
することも別体として形成することも可能である。シュ
ラウド26により、アノードプレート８からの過剰の水分
蒸発を防ぐことが可能となるとともに、電解質薄膜２が
導入直後の乾燥した水素ガスと接触する面積を減少する
ことにより電解質薄膜２の乾燥を防止することが可能と
なる。
本発明に係る燃料電池においては、多孔性のアノードプ
レートは、電解質薄膜の乾燥を防ぐ水分の供給手段であ
り、かつ多孔性アノードプレート表面から水分が蒸発す
る際に周囲から気化熱が奪われることから、燃料電池の
冷却手段でもある。このように簡素な構成でありなが
ら、水分を過不足なく供給するとともに燃料電池を冷却
することができるという優れた効果を有する。
アノードプレート８の基部14内への水の導入は、導入さ
れる水と水素ガスとの圧力差を保持することにより行う
ことができ、通常、水圧を水素ガスよりも高く設定して
行う。その水圧調節はポンプにより容易に行うことがで
きる。
また、水素ガス流に混入された排出された水蒸気は、そ
の後液化され、ポンプにより貯蔵タンクに回収されて再
循環の用に供される。
尚、プレート８及び18は、非触媒PTFE結合電極物質、多
孔性焼結粉末、多孔性ファィバー又は多孔性高分子フィ
ルムにて形成することが可能である。
［効 果］ 本発明においては、アノードプレート内に水を導入する
ことにより、その一部が電解質薄膜との接触面より電解
質薄膜内に吸収されて電解質薄膜の乾燥を防ぐ一方、残
余の水が電解質薄膜との非接触面より蒸発して冷却効果
を奏するため、カソード側に過剰の水分を導入すること
なく、電解質薄膜の湿潤状態の保持とともに、燃料電池
の冷却を効果的に達成することができる。
尚、本発明は、上記の実施例の構成に限定されるもので
はなく、本発明の要旨の範囲に含まれる全ての変形、変
更を含むものであり、従って、特許請求の範囲に記載し
た要件を満足する全ての構成は本発明に含まれるもので
ある。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例に基づく燃料電池の構成を示
す部分断面図であり、第２図は、アノードプレートの凹
凸面を示す平面図である。 ２……電解質薄膜 ４……カソード触媒層 ６……アノード触媒層 ８……アノードプレート 10……アノードプレート凹部 12……アノードプレート凸部 14……アノードプレート基部 18……カソードプレート 20……カソードプレート凹部 22……カソードプレート凸部

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】アノード触媒層とカソード触媒層とをその
    相反する側の面にそれぞれ有する固体高分子電解質薄膜
    と、 前記アノード触媒層に隣接して配されるとともに、連続
    面を有する基部と、前記アノード触媒層に対向して配さ
    れ、前記アノード触媒層に当接する複数の凸部とこれら
    凸部間に配されてガス状のアノード活物質が流通する通
    路を形成する凹部とからなる凹凸部とを有する多孔性の
    アノードプレートと、 前記アノードプレートの基部内に前記アノード活物質の
    圧力に近い圧力において水を導入する手段とから構成さ
    れ、 これにより、前記水は、前記基部から前記凸部内に連続
    して供給されて前記電解質薄膜内に吸収される一方、前
    記凹部から蒸発して冷却効果を奏する、 ことを特徴とする固体高分子電解質燃料電池。
  2. 【請求項２】前記アノードプレートとこれに隣接して配
    される他の燃料電池間に不浸透性のプレートを配設し、
    これにより、前記水が前記アノードプレートから前記他
    の燃料電池内に浸透するのを防止することを特徴とする
    請求項（１）に記載の固体高分子電解質燃料電池。
  3. 【請求項３】前記通路のアノード活物質の入口側に前記
    電解質薄膜のガス状アノード活物質との接触面を覆うよ
    うに複数の被覆部材を配し、これにより、前記電解質薄
    膜が導入直後の乾燥したガス状アノード活物質と接触し
    て局部的に乾燥するのを防止すことを特徴とする請求項
    （１）または（２）に記載の固体高分子電解質燃料電
    池。
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