JP2000311699A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

固体高分子型燃料電池

Info

Publication number
JP2000311699A
JP2000311699A JP11118517A JP11851799A JP2000311699A JP 2000311699 A JP2000311699 A JP 2000311699A JP 11118517 A JP11118517 A JP 11118517A JP 11851799 A JP11851799 A JP 11851799A JP 2000311699 A JP2000311699 A JP 2000311699A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
gas
oxygen electrode
fuel cell
oxidizing gas
fuel
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP11118517A
Other languages
English (en)
Inventor
Mitsuo Karakane
光雄 唐金
Shigeru Sakamoto
滋 坂本
Yasuo Miyake
泰夫 三宅
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sanyo Electric Co Ltd
Original Assignee
Sanyo Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sanyo Electric Co Ltd filed Critical Sanyo Electric Co Ltd
Priority to JP11118517A priority Critical patent/JP2000311699A/ja
Publication of JP2000311699A publication Critical patent/JP2000311699A/ja
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00Electrolytes
    • H01M2300/0017Non-aqueous electrolytes
    • H01M2300/0065Solid electrolytes
    • H01M2300/0082Organic polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Fuel Cell (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型・軽量で発電効率の高い固体高分子
型燃料電池を提供することを目的とする。 【構成】 固体高分子電解質膜1の両面に燃料極2及び
酸素極3を有し、燃料極2に燃料ガスが、酸素極3に酸
化剤ガスがそれぞれ給排されるように構成された単位セ
ルUCを備えると共に、前記酸素極3に供給される酸化
剤ガスの供給経路に、該酸素極3から排出される排出ガ
スの経路と連通するバッファ部20を設け、前記酸化剤
ガスは、前記バッファ部20内を通過中に、該バッファ
部20内を通過する前記排出ガスから排出される水蒸気
Vにより加湿されることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子膜を電
解質膜として用いた固体高分子型燃料電池に係り、特に
固体高分子膜を加湿するための酸化剤ガスの加湿機構に
関する。
【0002】
【従来の技術】図7は、従来の固体高分子型燃料電池の
単位セル構造を模式化して示す断面図である。単位セル
UCは、イオン導電性を示す固体高分子電解質膜1の一
方の面に燃料極2を、他方の面に酸素極3を配し、燃料
極2側に燃料室20を形成した燃料プレート21と、酸
素極3側に酸化剤室30を形成した酸化剤プレート31
との間に挟持することにより構成されている。そして、
通常はこのような単位セルUCが複数積層されて使用さ
れる。
【0003】燃料室20は燃料ガス供給配管(図示せ
ず)と連通しており、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30は酸化剤ガス供給配管(図示せず)に
連通しており、空気などの酸素を含む酸化剤ガスが供給
される。
【0004】燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されると、
燃料極2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1を通って酸素極3に進み、
電子は外部回路(図示せず)に流れる。酸素極3では、
酸化剤ガス中の酸素ガスと、固体高分子電解質膜1を通
って移動してきたプロトン、及び外部回路を通って流入
した電子が、1/2O 2+2H++2e-→H2Oの反応に
より、反応生成水を生ずるとともに起電力を発生する。
【0005】ところで、固体高分子電解質膜1として
は、例えばプロトン交換膜であるパーフルオロスルホン
酸膜(デュポン社製、商品名ナフィオン膜)が知られて
いる。斯かる電解質膜は分子中にプロトン(水素イオ
ン)交換基を持ち、乾燥状態では電気抵抗が高いが、湿
潤させることによりプロトン導電性電解質膜として機能
する。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。このように固体高分子電解質膜
を湿潤させる方法として、燃料ガス又は酸化剤ガスを予
め外部加湿器によって加湿した状態で燃料電池に供給す
る方法が知られている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、このように
燃料電池とは別に加湿器を設けると、装置全体の大型化
を生じさせ、コストを増大させる、という課題があっ
た。また、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、という課題もあった。
【0007】本発明は、斯かる課題を解決し、小型・軽
量で且つ発電効率の高い固体高分子型燃料電池を提供す
ることを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】斯かる従来の課題を解決
するために、本発明固体高分子型燃料電池は、固体高分
子電解質膜の両面に燃料極及び酸素極を有し、燃料極に
燃料ガスが、酸素極に酸化剤ガスがそれぞれ給排される
ように構成された単位セルを備えると共に、前記酸素極
に供給される酸化剤ガスの供給経路に、該酸素極から排
出される排出ガスの経路と連通するバッファ部を設け、
前記酸化剤ガスは、前記バッファ部内を通過中に、該バ
ッファ部内を通過する前記排出ガスから排出される水蒸
気により加湿されることを特徴とする。
【0009】また、前記排出ガスは前記バッファ部の下
方を通過して系外に排出され、前記酸化剤ガスは前記バ
ッファ部の上方を通過して前記酸素極に供給されること
を特徴とする。
【0010】さらに、前記バッファ部は、前記水蒸気を
吸引して前記酸化剤ガスの加湿を行う吸引機構を有する
ことを特徴とする。
【0011】加えて、前記吸引機構は、前記酸化剤ガス
を前記バッファ部内に導入するための噴出口を備える第
1の配管と、該噴出口を包含するように設けられた広口
の導入口を有し、酸化剤ガスを前記酸素極に導く第2の
配管と、からなることを特徴とする。
【0012】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施の形態に係
る固体高分子型燃料電池の概略構成を示すシステム構成
図である。
【0013】同図において、燃料ガスは、燃料ガス供給
配管11を通じて燃料極2に供給され、反応後の排ガス
は燃料ガス排出配管12を通じて外部に排出される。酸
化剤ガスは、第1,第2酸化剤ガス供給配管13及び1
4を通じて酸素極3に供給され、第1,第2酸化剤ガス
排出配管15,16を介して排出される。前述の通り、
燃料ガスとしては純水素ガス又は改質器にて改質された
水素リッチガスを使用することができる。また、酸化剤
ガスとしては、空気などの酸素を含むガスを使用するこ
とができる。
【0014】加えて、本発明にあっては第1,第2酸化
剤ガス供給配管13,14から構成される酸化剤ガスの
供給経路に、第1,第2酸化剤ガス排出配管15,16
から構成される酸化剤ガスの排出経路と連通するバッフ
ァ部20を備えている。
【0015】図2に示す要部拡大断面図を参照して、第
1酸化剤ガス供給配管13の先端は細径の噴出口とされ
ており、そしてこの噴出口がバッファ部20の上方にお
いて、内部に突出するように配置されている。第2酸化
剤ガス供給配管14の先端はラッパ状に開口されてお
り、この開口部が第1酸化剤ガス供給配管13における
噴出口を包含するように、噴出口の近傍に配置されてい
る。
【0016】また、第1,第2酸化剤ガス排出配管1
5,16は共にバッファ部20の下方に接続されてい
る。
【0017】前述のように、酸素極3では生成水が生成
される。この生成水は、水蒸気の状態で排出ガス中に含
まれている。このため排出ガスがバッファ部20に導入
されると、比重の小さい水蒸気Vは上方に移動する。
【0018】酸化剤ガスは第1酸化剤供給配管13の先
端の噴出口を通じてバッファ部20内に吹き込まれ、そ
して上方に移動した水蒸気Vを吸引してラッパ状に開口
された開口部に引き込まれ、第2酸化剤供給配管14へ
導出される。
【0019】即ち、本発明によれば、酸素極3に供給さ
れる酸化剤ガスの供給経路に、酸素極3から排出される
排出ガスの排出経路と連通するバッファ部20を設けて
いる。そして、酸化剤ガスはバッファ部20内の上方を
通過し、排出ガスはバッファ部20内の下方を通過する
ように構成されている。このため、本発明によれば、バ
ッファ部20内の下方を通過する排出ガスから蒸発して
上方に移動する水蒸気がバッファ部20の上方を通過す
る酸化剤ガスと混合されるため、水蒸気により加湿され
た状態の酸化剤ガスを酸素極に供給することが可能とな
る。
【0020】加えて、第1及び第2酸化剤供給配管1
3,14の先端の形状は、バッファ部20内において上
方に移動してきた水蒸気Vを吸引しやすい構成とされ、
水蒸気Vを吸引するための吸引機構の役割を備えてい
る。このため、酸化剤ガス中に吸引される水蒸気の量を
増加させることが可能となる。
【0021】従って本発明によれば、加湿器を外部に設
けることなく酸化剤ガスを加湿することが可能となり、
小型・軽量であると共に、発電効率の高い固体高分子型
燃料電池を提供することができる。
【0022】次に、本発明の実施例について図3及び図
4を参照して説明する。図3は本実施例で用いた燃料電
池の構成を示す斜視図であり、電極面積(有効反応面
積)が100cm2の単位セルUCをセパレータ(図示
せず)を介して16個積層して構成されている。また、
一方の側面には酸化剤ガスの供給口(図示せず)が露出
されており、対向する側面には排出口(図示せず)が露
出されている。
【0023】また、酸化剤の排出口から排出される排出
ガスを酸化剤の供給口の方向に輸送するための筐体40
を有している。この筐体40には、酸化剤ガスを供給す
るための供給配管41と、排出ガスを外部に排出するた
めの排出配管42が接続されている。この筐体40内に
おいて、燃料電池FCの酸素極から排出された排出ガス
は、図中矢印で示す方向ように供給口側に輸送され、一
部は排出配管42から外部に排出される。
【0024】図4に示す要部拡大断面図を参照して、供
給配管41の先端は噴出口を形成し、筐体40の内部に
まで突出して配置されている。また、この噴出口を包含
するように先端がラッパ状とされた導入口を有する導入
部43が設けらている。そして、供給配管41から供給
された酸化剤ガスは筐体40の内部で排出ガス中に含ま
れる水蒸気Vを吸引し、加湿された状態でラッパ状の導
入口から導入部43に導かれ、各単位セルUCの酸素極
に分配される。従って、本実施例にあっては筐体40内
において、破線で囲んだ部分Aがバッファ部として機能
している。
【0025】そして、この燃料電池を、燃料ガスとして
純水素、酸化剤ガスとして空気を用い、電流密度0.5
A/cm2,燃料利用率70%の条件で運転した。
【0026】図5は、本実施例の燃料電池において生成
される生成水の量と酸化剤利用率との関係を示す特性図
である。同図を参照して、実線Aはバッファ部を備えな
い以外は本実施例燃料電池と同一の構成を有する比較例
の燃料電池において外部に排出される生成水の量であ
る。実線Bは本実施例燃料電池において系外に排出され
る生成水の量である。同図に示すように、本発明によれ
ば外部に排出される生成水の量を従来装置よりも大幅に
低減でき、酸化剤ガスの加湿に有効に利用できることが
わかる。酸化剤ガスの加湿に利用される生成水の量は、
実線Aであらわされる生成水量と実線Bであらわされる
生成水量との差となり、これを図中に実線Cで示す。
【0027】また、同図において破線Dは、シミュレー
ションにより求めた固体高分子電解質膜を湿潤させるた
めに必要な最低限の水量であり、これからわかるよう
に、本発明によれば電解質膜を湿潤させるのに十分な量
の水を酸化剤ガスに供給することができる。
【0028】図6は、本実施例燃料電池のセル電圧を示
す特性図であり、実線が本発明を、また破線が比較例の
燃料電池のセル電圧を示している。同図に示す如く、本
発明の方が高いセル電圧が得られており、特に酸化剤利
用率が小さい領域でセル電圧を大きく向上できることが
わかる。
【0029】以上説明したように、本発明によれば、加
湿器を設けることなく酸化剤ガスを加湿することが可能
となり、小型・軽量であると共に、発電効率の高い固体
高分子型燃料電池を提供することができる。
【0030】尚、本発明におけるバッファ部を設ける位
置は特に限定されるものではないが、バッファ部に至る
までの排出ガスの経路が長すぎると、その間に排出ガス
が冷却され、排出ガス中の水蒸気が凝縮するので好まし
くない。このため、図4に示す如くバッファ部を燃料電
池と近接して設けることが好ましい。
【0031】また、単位セル中における酸化剤ガスの経
路をU字状とし、排出口を導入口と同じ側に配置し、同
一面において排出口が下方、導入口が上方となるように
配置すると、この面を覆うように筐体を設ければ良いの
で、燃料電池の構成をよりコンパクトにできる。
【0032】さらに、水蒸気の状態の生成水を吸引する
方法としては上述した形状に限定されるものではなく、
バッファ部の上方に移動する水蒸気を効率良く吸引でき
るものであれば、いかなる形状のものであっても良いこ
とは言うまでもない。
【0033】
【発明の効果】以上説明した如く、本発明によれば、加
湿器を外部に設けることなく酸化剤ガスを加湿すること
が可能となり、小型・軽量であると共に、発電効率の高
い固体高分子型燃料電池を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態に係る燃料電池の概略構成
を示すシステム構成図である。
【図2】本発明に係る燃料電池の要部拡大断面図であ
る。
【図3】本発明の実施例に係る燃料電池の概略構成を示
す斜視図である。
【図4】本発明の実施例に係る燃料電池の要部拡大断面
図である。
【図5】本発明燃料電池における生成水量を示す特性図
である。
【図6】本発明と比較例の燃料電池のセル電圧を示す特
性図である。
【図7】単位セルの断面図である。
【符号の説明】
1…固体高分子電解質膜、2…燃料極、3…酸素極、1
1…燃料ガス供給配管、12…燃料ガス排出配管、13
…第1酸化剤ガス供給配管、14…第2酸化剤ガス供給
配管、15…第1酸化剤ガス排出配管、16…第2酸化
剤ガス排出配管、20…バッファ部、V…水蒸気
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 Fターム(参考) 5H026 AA06 5H027 AA06

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体高分子電解質膜の両面に燃料極及び
    酸素極を有し、燃料極に燃料ガスが、酸素極に酸化剤ガ
    スがそれぞれ給排されるように構成された単位セルを備
    えると共に、 前記酸素極に供給される酸化剤ガスの供給経路に、該酸
    素極から排出される排出ガスの経路と連通するバッファ
    部を設け、 前記酸化剤ガスは、前記バッファ部内を通過中に、該バ
    ッファ部内を通過する前記排出ガスから排出される水蒸
    気により加湿されることを特徴とする固体高分子型燃料
    電池。
  2. 【請求項2】 前記排出ガスは前記バッファ部の下方を
    通過して系外に排出され、前記酸化剤ガスは前記バッフ
    ァ部の上方を通過して前記酸素極に供給されることを特
    徴とする請求項1記載の固体高分子型燃料電池。
  3. 【請求項3】 前記バッファ部は、前記水蒸気を吸引し
    て前記酸化剤ガスの加湿を行う吸引機構を有することを
    特徴とする請求項1又は2記載の固体高分子型燃料電
    池。
  4. 【請求項4】 前記吸引機構は、前記酸化剤ガスを前記
    バッファ部内に導入するための噴出口を備える第1の配
    管と、該噴出口を包含するように設けられた広口の導入
    口を有し、酸化剤ガスを前記酸素極に導く第2の配管
    と、からなることを特徴とする請求項3記載の固体高分
    子型燃料電池。
JP11118517A 1999-04-26 1999-04-26 固体高分子型燃料電池 Pending JP2000311699A (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11118517A JP2000311699A (ja) 1999-04-26 1999-04-26 固体高分子型燃料電池

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP11118517A JP2000311699A (ja) 1999-04-26 1999-04-26 固体高分子型燃料電池

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2000311699A true JP2000311699A (ja) 2000-11-07

Family

ID=14738594

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP11118517A Pending JP2000311699A (ja) 1999-04-26 1999-04-26 固体高分子型燃料電池

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2000311699A (ja)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002061867A2 (de) * 2001-01-31 2002-08-08 Viessmann Werke Gmbh & Co. Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas
KR20030042640A (ko) * 2001-11-23 2003-06-02 (주)세티 연료전지스택의 캐소드에서의 공기의 가열 및 가습시스템
JP2012234837A (ja) * 2012-09-03 2012-11-29 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池システムおよびその制御方法

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002061867A2 (de) * 2001-01-31 2002-08-08 Viessmann Werke Gmbh & Co. Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas
WO2002061867A3 (de) * 2001-01-31 2003-06-12 Viessmann Werke Kg Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas
KR20030042640A (ko) * 2001-11-23 2003-06-02 (주)세티 연료전지스택의 캐소드에서의 공기의 가열 및 가습시스템
JP2012234837A (ja) * 2012-09-03 2012-11-29 Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp 燃料電池システムおよびその制御方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108432011B (zh) 带有集成的脱水器的用于燃料电池系统的加湿器、燃料电池系统以及带有这种燃料电池系统的车辆
EP0800708B1 (en) Electrochemical fuel cell system with a regulated vacuum ejector for recirculation of the fluid fuel stream
CA2490877C (en) Humidity controlled solid polymer electrolyte fuel cell assembly
JP3530793B2 (ja) 燃料電池およびその運転方法
TW543233B (en) Fuel cell stack and operating method thereof
JPH06338338A (ja) 燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方法
US7163760B2 (en) Fuel cell stack having a bypass flow passage
JP4806139B2 (ja) 燃料電池の加湿システム
JP2008146883A (ja) 燃料電池装置
JP3356721B2 (ja) 燃料電池装置
JP4064135B2 (ja) 燃料電池スタック
JPH09283162A (ja) 固体高分子型燃料電池
KR20210004152A (ko) 연료전지용 가습기
KR101127004B1 (ko) 내부 막가습기를 포함하는 연료전지 스택
US7090941B2 (en) Fuel cell stack and a method of supplying reactant gases to the fuel cell stack
JP2000311699A (ja) 固体高分子型燃料電池
US7811718B2 (en) Fuel cell
JP2003031254A (ja) 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法
JPH06338332A (ja) 固体高分子電解質燃料電池用ガスセパレータ
JP2008146859A (ja) 膜−電極接合体およびそれを備えた燃料電池
JPH11111311A (ja) 固体高分子型燃料電池
JP2003187838A (ja) 燃料電池スタック
JP3615508B2 (ja) 燃料電池スタック
JP3530419B2 (ja) 燃料電池システム
JP2001325974A (ja) 燃料電池発電システム