JP2001102073A

JP2001102073A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2001102073A
Application number: JP28010699A
Authority: JP
Inventors: Harumichi Nakanishi; 治通中西
Original assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Current assignee: Daihatsu Motor Co Ltd
Priority date: 1999-09-30
Filing date: 1999-09-30
Publication date: 2001-04-13

Abstract

(57)【要約】【課題】固体高分子型の燃料電池を含むシステムにおい
て、エネルギ効率的に有利に、固体高分子膜を十分に湿
潤させる。【解決手段】燃料電池４と、水素ガス供給源と、酸素
ガス供給源と、水供給源５と、を備え、かつ、燃料電池
４が、水素ガス供給用溝部や酸素ガス供給用溝部が形成
された一対のプレートの間に、負極部、電解部としての
固体高分子膜、正極部が設けられた１または複数の単位
セルからなる燃料電池システムにおいて、水供給源５
を、燃料電池４よりも高位置に配置した。好ましくは、
燃料電池４において最外部に配置されたプレートに、厚
み方向に延びる貫通孔を介してプレートの一面に開放す
る中空状の空間を形成するととともに、この空間を水供
給源５に連通させた。また、貫通孔を、プレートの水素
ガス供給用溝部や酸素ガス供給用溝部の底面において、
溝部の延びる方向に並ぶようにして形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、水素ガスと酸素ガ
スとの反応により電気エネルギを生じる燃料電池燃料電
池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は、化学的エネルギ変化を直接
的に電気エネルギに変換できるため、他の発電方式に比
べて極めてエネルギ効率が高い。このことは、カルノー
サイクルに基づく内燃機関に比べて燃料電池はエネルギ
ロスが少なく、内燃機関の代替手段である電気自動車用
のモータの電力源としても有用であることを意味してい
る。そして、燃料電池を含むシステムでは、排気ガスが
主として水蒸気であり、内燃機関のように窒素化合物、
炭化水素、一酸化炭素といった有害ガスが排出されるこ
ともないため、環境保護の観点からも燃料電池を電力源
とした電気自動車の実用化が望まれている。

【０００３】ここで、従来より採用されている燃料電池
システムの一例を、図７を参照して説明する。上記燃料
電池システム７は、固体電解型の燃料電池７０、空気
（酸素ガス）供給源７１、水素ガス供給源７２、水供給
源７３、および加湿装置７４Ａ，７４Ｂを備えて大略構
成されている。

【０００４】この燃料電池システム７では、水素ガス供
給源７２からの水素ガスが、加湿装置７４Ａにより加湿
された後に、燃料電池７０に供給される。すなわち、固
体電解型の燃料電池７０では、電解質としての固体高分
子膜にプロトン導電性を付与すべく、固体高分子膜を湿
潤させる必要があることから、加湿した水素ガスが燃料
電池７０に供給される。一方、空気供給源７１からの空
気は、燃料電池システム７の運転初期においては加湿さ
れるが、定常運転時は加湿されずに燃料電池７０に供給
される。すなわち、燃料電池システム７の運転初期にお
いては、燃料電池７０の正極側における水の生成量が少
ないため、固体高分子膜が空気流によって乾燥して痛ん
でしまうため、運転初期において空気が加湿された状態
で供給される。加湿装置７４Ａ，７４Ｂは、たとえば水
を保持した水槽を有しており、この水槽内にガスを通じ
ることによりガスが加湿される。そして、ガス中に必要
量の水分を水蒸気として含ませるため、水槽内は、たと
えば８０℃程度に加熱される。なお、加湿装置７４Ａ，
７４Ｂには、バルブ７６を適宜切り替えることにより、
消費された量だけの水が水供給源７３から補給され、ま
たバルブ７７Ａ，７７Ｂを適宜切り替えることにより、
空気が加湿される状態と加湿されない状態とが選択され
る。

【０００５】燃料電池７０では、供給された水素ガス
が、負極部において水素イオンと電子に解離される。こ
のときに生じた水素イオンは、固体高分子膜を通過して
正極部に達し、電子は、一旦燃料電池７０外に取り出さ
れ、外部回路７５を経由して燃料電池７０の正極部に戻
される。そして、外部回路７５では、電子の移動によ
り、電気エネルギが取り出される。一方、酸素ガスは、
燃料電池７０の正極部において、水素イオンおよび電子
と反応して水が生成される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の燃料電池シ
ステム７では、水素ガスや酸素ガスを加湿する際に、水
槽内を通過させる構成であるため、水素ガスや酸素ガス
に大きな圧力を付与しなげればならず、システム全体と
してのエネルギ効率が悪い。また、燃料電池７０に水素
ガスなどを供給する際の圧力損出を小さくすべくガスに
含ませる水を蒸気の状態とするのが好ましく、また必要
量の水を蒸気の状態で水素ガスや酸素ガスに含ませるべ
く、ガス温度を上昇させて飽和蒸気圧を大きくする必要
があることから、たとえば水槽内を８０℃程度に加熱し
ておく必要がある。このため、上記燃料電池システム７
では、加熱によるエネルギ損失も大きい。

【０００７】本発明は、上記した事情のもとで考え出さ
れたものであって、固体高分子型の燃料電池を含むシス
テムにおいて、エネルギ効率的に有利に、固体高分子膜
を十分に湿潤させることをその課題としている。

【０００８】

【発明の開示】上記の課題を解決するため、本発明で
は、次の技術的手段を講じている。

【０００９】すなわち、本発明により提供される燃料電
池システムは、燃料電池と、この燃料電池に水素ガスを
供給するための水素ガス供給源と、上記燃料電池に酸素
ガスを供給するための酸素ガス供給源と、を備え、か
つ、上記燃料電池が、水素ガスを水素イオンと電子に解
離する負極部と、水素イオン、電子および酸素ガスを反
応させて水を生成する正極部と、上記負極部と上記正極
部との間に配置されるとともに水素イオンの移動を許容
する固体高分子膜と、上記負極部に隣接して配置され、
かつ上記負極部に水素ガスを供給するための水素ガス供
給用溝部が一面に設けられた第１のプレートと、上記正
極部に隣接して配置され、かつ上記正極部に酸素ガスを
供給するための酸素ガス供給用溝部が一面に設けられた
第２のプレートと、を有する１または複数の単位セルか
らなる燃料電池システムであって、上記燃料電池よりも
高位置に配置されるとともに、上記固体高分子膜を湿潤
させるべく上記燃料電池に供給する水を保持した水供給
源を備えていることを特徴としている。

【００１０】上記構成では、燃料電池よりも高位置に配
置された水供給源から燃料電池に水が供給され、これに
より固体高分子膜が湿潤させられる。このため、燃料電
池に供給すべき水には、水供給源と燃料電池との高低差
に応じた位置エネルギが与えられる。したがって、燃料
電池に水を供給する際には、水に対して全く運動エネル
ギを付与しなくとも、また少ない運動エネルギの付与に
より、燃料電池に水を供給することができ、燃料電池シ
ステムとしてのエネルギ効率が改善される。

【００１１】なお、水供給源と燃料電池との高低差は、
水に付与すべき運動エネルギの大きさに応じて設定すれ
ばよい。

【００１２】好ましい実施の形態においては、上記燃料
電池において最外部に配置された上記第１のプレートお
よび上記第２のプレートのうちの少なくとも一方は、当
該プレートの厚み方向に延びる貫通孔を介して当該プレ
ートの上記一面に開放する中空状の空間を有し、かつ、
この空間が上記水供給源に連通している。

【００１３】上記構成では、水供給源からの水が、中空
状の空間に一旦供給された後、貫通孔を介して当該プレ
ートに隣接する正極部や負極部、ひいては固体高分子膜
に供給され、固体高分子膜が湿潤される。このように、
本発明では、固体高分子膜を湿潤させるための水を加熱
して蒸気化する必要がないことから、エネルギ効率的に
も有利である。また、燃料電池に供給すべき水素ガスや
酸素ガスを加湿すべく、水槽などにガスを通じる必要も
ないことから、ガスに付与すべき圧力が小さくて済み、
この点においてもエネルギ的に有利である。

【００１４】なお、貫通孔は、中空状の空間に繋がり、
プレートの一面において開放していればよく、水素ガス
供給用溝部や酸素ガス供給用溝部の底面に並ぶようにし
て形成してもよく、溝部以外の部位に形成してもよく、
また溝部および溝部以外の部分の双方に形成してもよ
い。ただし、燃料電池が複数の単位セルからなる場合に
は、少なくとも溝部の底面に並ぶように貫通孔を形成す
るのが好ましい。溝部の底面に貫通孔を形成すれば、最
外層の単位セルに供給されなかった水は、水素ガスや酸
素ガスに伴って他のセルに供給され、他の単位セルの高
分子膜を湿潤させることができるからである。

【００１５】また、本発明の燃料電池システムは、家庭
用および業務用などのように設置型として構築される場
合ばかりでなく、自動車などの輸送車両などの電力源と
して構築される場合にも適用可能である。そして、自動
車の電力源として構築される場合には、水供給源を自動
車のルーフに設置するように構成することも可能であ
る。そうすれば、水供給源の水に位置エネルギを付与す
ることができる。

【００１６】本発明のその他の特徴および利点は、以下
に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好ましい実施の形
態を、図１ないし図６を参照して具体的に説明する。な
お、図１は本発明の燃料電池システムの概略図、図２は
本発明の燃料電池システムを自動車に適用した例を表す
模式図、図３は図１の燃料電池システムを構成する燃料
電池スタックの全体斜視図、図４は図３のIV−IV線に沿
う断面図、図５は図３の燃料電池スタックを構成する燃
料電池の分解斜視図、図６は燃料電池の最端に配置され
たプレートの要部拡大図である。

【００１８】上記燃料電池システム１は、図１に示した
ように水素ガス供給源２、空気供給源３、燃料電池４、
水供給源５、および外部回路を備えて大略構成されてい
る。

【００１９】水素ガス供給源２は、燃料電池４に燃料と
しての水素ガスを供給するためのものであり、たとえば
液化水素ガスを充填した水素ボンベ、水素ガスを吸蔵し
た水素吸蔵合金などにより構成される。また、メタノー
ルなどの炭化水素系の化合物を、水蒸気改質するなどし
て水素ガスを生成させる装置を構成し、これを水素ガス
供給源としてもよい。

【００２０】空気供給源３は、空気として酸素ガスを燃
料電池４に供給するためのものであり、たとえば公知の
エアコンプレッサなどにより構成される。

【００２１】燃料電池４は、図３に示したように複数の
単位セル４０を直列的に積層した状態で、ボルトＢおよ
びナットＮを用いて、一対のエンドプレート４Ａの間に
各単位セルを挟持した構成とされている。この燃料電池
４は、燃料電池システム１が自動車用として構築される
場合には、たとえば図２に示したように自動車６０のエ
ンジンルーム６２内に配置される。もちろん、燃料電池
４は、自動車６０のトランクルーム６３やその下部位置
に配置してもよい。

【００２２】各単位セル４０は、図４および図５に示し
たように、正極部４１、負極部４２、および電解部４３
が、一対のプレート４４，４４（４４，４７、４４，４
８）の間に挟持された構成となっている。そして、隣り
合う単位セル４０どうしは、１枚のプレート４４を共用
するとともに、このプレート４４により実質的に仕切ら
れている。

【００２３】正極部４１および負極部４２は、集電体４
１ａ，４２ａと触媒層４１ｂ，４２ｂとからなる。各集
電体４１ａ，４２ａは、たとえば導体粒を固めた多孔質
体として形成されており、触媒層４１ｂ，４２ｂは、た
とえば炭素粒からなる多孔質マトリクスに、プラチナな
どの適宜の触媒粉末を担持させたものとして形成されて
いる。そして、正極部４１および負極部４２は、その周
縁部をガスケット４５に囲まれた状態で燃料電池４０を
構成している。これらのガスケット４５は、四隅部のそ
れぞれに貫通孔４５ａ，４５ｂが形成されている。

【００２４】電解部４３は、プロトン導電性を示し、プ
ロトンとしての水素イオンを選択的に透過させるイオン
交換膜により構成されている。そして、この電解部４３
の四隅部のそれぞれには、ガスケット４５の貫通孔４５
ａ，４５ｂに対応して貫通孔４３ａ，４３ｂが形成され
ている。

【００２５】各プレート４４，４７，４８は、たとえば
ステンレス鋼やチタン合金などの導体により形成されて
いる。図４および図５に示したように、最外部以外のプ
レート４４の一面側には、水素ガス供給用溝部４４Ａを
構成するとともに、直線状に延びる複数の直線状溝部４
４ａが形成されており、他面側には、空気（酸素ガス）
供給用溝部４４Ｂを構成するとともに、直線状に延びる
複数の直線状溝部４４ｂが設けられている。水素ガス供
給用溝部４４Ａの各直線状溝部４４ａの端部どうしは、
共通溝部４４ｅを介して連通している。空気供給用溝部
４４Ｂの各直線状溝部４４ｂの端部どうしも同様に、図
面上には表れていないが共通溝部を介して連通してい
る。そして、各プレート４４の四隅部には、ガスケット
４５の貫通孔４５ａ，４５ｂに対応して貫通孔４４ｃ，
４４ｄが設けられている。これらの貫通孔４４ｃ，４４
ｄのうち、対角配置された貫通孔４４ｃは、水素ガス供
給用の共通溝部４４ｅに連通しており、残りの貫通孔４
４ｄは、酸素ガス供給用の共通溝部に連通している。

【００２６】図４において最左側に配置されたプレート
４７および最右側に配置されたプレート４８は、中空状
の空間４７ｇ，４８ｇを有している。プレート４７の他
面には、複数の直線状の溝部４７ｂからなる空気供給用
溝部４７Ｂが形成されているとともに、プレート４８の
一面には、複数の直線状溝部４８ａからなる水素ガス供
給用溝部４８Ａが形成されている。プレート４７の直線
状の溝部４７ａおよびプレート４８の直線状の溝部４８
ａの底面には、図４および図６に良く表れているように
複数の貫通孔４７ｈ，４８ｈが中空状の空間４７ｇ，４
８ｇに連通するようにして形成されている。また、プレ
ート４７の一面およびプレート４８の他面の中央部に
は、中空状を空間４７ｇ，４８ｇに繋がる透孔４７ｉ，
４８ｉが形成され、各プレート４７，４８の四隅部に
は、ガスケット４５の貫通孔４５ａ，４５ｂに対応して
貫通孔４７ｃ，４７ｄ，４８ｃ，４８ｄが設けられてい
る。プレート４７では、対角配置された貫通孔４７ｄが
空気供給用溝部４７Ａに連通し、プレート４８では、対
角配置された貫通孔４８ｃが水素ガス供給用溝部４８Ｂ
に連通している。なお、各プレート４７，４８の中空状
の空間４７ｇ，４８ｇは、たとえば各プレート４７，４
８のそれぞれを、凹部を有する２部材から構成し、これ
らの部材の張り合わせることにより形成される。

【００２７】各エンドプレート４Ａは、図３および図４
に示したように各プレート４４，４７，４８よりも一回
り大きな形状とされており、それぞれのエンドプレート
４Ａの四隅部どうしがボルトＢおよびナットＮを介して
繋げられている。そして、各部材の貫通孔に対応して、
４つの貫通孔が形成されている４ａ，４ｂが形成されて
おり、中央部には、透孔４ｃが形成されている。各エン
ドプレート４Ａと、最端に配置されたプレート４７，４
８との間には、絶縁部材４９が配されている。この絶縁
部材４９は、その四隅部に各部材の貫通孔に対応して貫
通孔４９ａ，４９ｂが形成され、中央部には、エンドプ
レート４Ａおよびプレート４７，４８の透孔４ｃ，４７
ｉ，４８ｉに対応して透孔４９ｃが形成されている。燃
料電池４の状態では、各部材に形成された貫通孔どうし
が連通してガス流路４６ａ，４６ｂが形成されており
（図４参照）、エンドプレート４Ａの貫通孔４ａ，４ｂ
は、ガス流路４６ａ，４６ｂと連通して燃料電池４にお
ける水素ガスまたは空気の出入口となる。また、エンド
プレート４Ａ、絶縁部材４９、およびプレート４７（４
８）の透孔４ｃ，４９ｃ，４７ｉ（４８ｉ）どうしが連
通し、これがプレート４７（４８）の中空状の空間４７
ｇ（４８ｇ）に繋がっている。

【００２８】水供給源５は、たとえば容器内に水を保持
した構成とされており、燃料電池システム１が自動車の
電力源として構築される場合には、たとえば図２に示し
たように自動車６０のルーフ６１に配置される。

【００２９】外部回路６は、燃料電池４において生じた
電子の移動により、電気エネルギを取り出す回路であ
り、たとえば図示しないバッテリや電気自動車のモータ
などの電力消費装置に繋げられている。

【００３０】以上のように構成された燃料電池システム
１では、図１および図４に示したように水素ガス供給源
２からの水素ガスは、ガス流路４６ａに導入され、各プ
レート４４，４８の貫通孔４４ｄ，４８ｄから水素ガス
供給用溝部４４Ａ，４８Ａに供給される。一方、空気供
給源３からの空気は、ガス流路４６ｂに導入され、各プ
レート４４，４７の空気供給溝部４４Ｂ，４７Ｂに空気
が供給される。

【００３１】また、水供給源５からは、エンドプレート
４Ａ、絶縁部材４９、およびプレート４７，４８の透孔
４ｃ，４９ｃ，４７ｉ，４８ｉを介して、プレート４
７，４８の中空状の空間４７ｇ，４８ｇに水が供給され
る。中空状の空間４７ｇ，４８ｇに供給された水は、プ
レート４７，４８の溝部４７Ｂ，４８Ａの底面に形成さ
れた貫通孔４７ｈ，４８ｈを介して、その一部が正極部
４１や負極部４２を通過して最端に配置された電解部４
３としてのイオン交換膜に供給され、イオン交換膜が湿
潤される。また、水の一部は、水素ガスや空気の流れに
乗って他の単位セル４０のイオン交換膜に供給され、こ
れを湿潤させる。このようにして、各単位セル４０のイ
オン交換膜にプロトン（水素イオン）導電性が付与され
る。なお、プレート４８側からの水の供給は、燃料電池
４の運転初期にのみ選択的に行ってもよい。すなわち、
燃料電池４の運転初期は、正極において水が十分に生成
しないため、イオン交換膜が供給される空気の流れによ
ってイオン交換膜が乾燥して損傷してしまうおそれがあ
るため、プレート４８側からの水の供給は燃料電池４の
運転初期のみに行えば十分である。

【００３２】ここで、水素ガス供給用溝部４４Ａ，４８
Ａに達した水素ガスは、負極部４２の集電体４２ａを通
過して触媒層４２ｂに達する。そして、触媒層４２ｂに
達した水素ガスは、水素イオンと電子に解離される。水
素イオンは、電解部４３を透過して正極部４１の触媒層
４１ｂに達する。電子は、再び集電体４２ａを通過して
プレート４４に達し、隣合う燃料電池４０の正極部４１
の触媒層４１ｂに達する。最終的には図４の最右のプレ
ート４８からの電子は、外部回路６（図１参照）を経由
して図４の最左のプレート４７に戻される。このとき、
外部回路６において、電気エネルギが取り出される。

【００３３】一方、空気供給用溝部４４Ｂ，４８Ｂに達
した空気は、正極部４１の集電体４１ａを通過して触媒
層４１ｂに達する。そして、触媒層４１ｂに達した空気
中の酸素ガスは、電解部４３を透過した水素イオンと、
隣の燃料電池４０からの電子と反応して水を生成する。

【００３４】なお、水素ガス用流路４６ｂに供給された
水素ガスのうち、酸素ガスと反応しなかった水素ガス
は、一旦燃料電池４から排出されるが、この水素ガスを
再び燃料電池に燃料として再供給してもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の燃料電池システムの概略図である。

【図２】本発明の燃料電池システムを自動車に適用した
例を表す模式図である。

【図３】図１の燃料電池システムを構成する燃料電池の
全体斜視図である。

【図４】図３のIV−IV線に沿う断面図である。

【図５】図３の燃料電池を構成する単位セルの分解斜視
図である。

【図６】燃料電池の最端に配置されたプレートの要部拡
大図である。

【図７】従来の燃料電池システムの一例を表す概略図で
ある。

【符号の説明】

１燃料電池システム２水素ガス供給源３空気供給源４燃料電池４０単位セル４１正極部４１ａ集電体（正極部の）４１ｂ触媒層（正極部の）４２負極部４２ａ集電体（負極部の）４２ｂ触媒層（負極部の）４３電解部４４プレート４４Ａ，４８Ａ水素ガス供給用溝部４４Ｂ，４７Ｂ空気（酸素ガス）供給用溝部４７ｇ，４８ｇ空間（最端に配置されたプレートの）４７ｈ，４８ｈ貫通孔（最端に配置されたプレートの
溝部の）５水供給源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料電池と、この燃料電池に水素ガスを
供給するための水素ガス供給源と、上記燃料電池に酸素
ガスを供給するための酸素ガス供給源と、を備え、か
つ、上記燃料電池が、水素ガスを水素イオンと電子に解
離する負極部と、水素イオン、電子および酸素ガスを反
応させて水を生成する正極部と、上記負極部と上記正極
部との間に配置されるとともに水素イオンの移動を許容
する固体高分子膜と、上記負極部に隣接して配置され、
かつ上記負極部に水素ガスを供給するための水素ガス供
給用溝部が一面に設けられた第１のプレートと、上記正
極部に隣接して配置され、かつ上記正極部に酸素ガスを
供給するための酸素ガス供給用溝部が一面に設けられた
第２のプレートと、を有する１または複数の単位セルか
らなる燃料電池システムであって、上記燃料電池よりも高位置に配置されるとともに、上記
固体高分子膜を湿潤させるべく上記燃料電池に供給する
水を保持した水供給源を備えていることを特徴とする、
燃料電池システム。
【請求項２】上記燃料電池において最外部に配置され
た上記第１のプレートおよび上記第２のプレートのうち
の少なくとも一方は、当該プレートの厚み方向に延びる
貫通孔を介して当該プレートの上記一面に開放する中空
状の空間を有し、かつ、この空間が上記水供給源に連通
している、請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】上記貫通孔は、上記水素ガス供給用溝部
または上記酸素ガス供給用溝部の底面に並ぶようにして
形成されている、請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】自動車の電力源として使用されるととも
に、上記水供給源が上記自動車のルーフに配置されてい
る、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の燃料電池
システム。