JP2002117883A

JP2002117883A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002117883A
Application number: JP2001229537A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Mizuno; 裕水野; Tomio Yasuma; 富男安間
Original assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Current assignee: Yamaha Motor Co Ltd
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2002-04-19

Abstract

(57)【要約】【課題】起動、停止等の運転状態でも燃料電池のセルの
性能を維持することができる。【解決手段】水素と酸素を含む空気を燃料電池セル１０
６に供給して発電を行う燃料電池システム１において、
燃料電池６はイオン交換膜１０７、正の触媒電極１０８
及び負の触媒電極１０９とからなる電極基材Ｂを積層し
て構成されるセルスタック１０３と、電極基材Ｂの水過
剰時に電極基材Ｂ内の水を吸収し電極基材Ｂの水不足時
に電極基材Ｂに対して水を供給する水保管部Ａとからな
り、水保管部Ａを電極基材Ｂに近接して配置するととも
に、燃料電池６の発電停止直後に水保管部Ａにセルスタ
ック１０３の外部から水を継続して供給し、水保管部Ａ
に水を保管し、燃料電池６の起動時に水保管部Ａの水を
電極基材Ｂに対して供給するように構成している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、原料を改質して
水素を製造し、得られた水素を燃料電池に供給して発電
を行う燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池システムとして、例えば加熱器
によって蒸発器を加熱し、この蒸発器で気化した原料を
触媒層に供給するようにした改質装置により、原料を改
質して水素を製造し、得られた水素を燃料電池に供給し
て発電を行うものがある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】燃料電池では、起動か
ら定常までは水過剰気味、定常状態では水不足、発電終
了から停止までは水過剰気味となる。このため、それぞ
れの運転モードに合わせた複雑な水供給制御が必要であ
った。特に、起動時は、燃料電池のセルの温度上昇にと
もなうイオン交換膜の周辺の湿度変化が大きく、外部か
ら水を供給しても、燃料電池のセルが冷えているために
水蒸気が途中でガス通路に凝縮してしまい、電極基材の
イオン交換膜を充分に加湿できなかった。

【０００４】このように、湿度制御が困難なことが、燃
料電池のセルの性能が劣化したり、発電初期にセル性能
が充分に出せない原因にもなっていた。

【０００５】また、多量の水を必要としたし、それによ
るガス通路閉塞などの悪影響も発生した。

【０００６】また、移動用に用いた場合、燃料電池のセ
ルに必要とされる水の供給量は、負荷レベル、セル温度
などにより激しく変動する。一方、加湿量は、その変化
の速さに対応できない。そのため、加湿量を適正に制御
することが困難であった。

【０００７】さらに、加湿不足とならないように、水を
変動の最高値で供給すると水分過剰となり、電極基材で
あるカーボンペーパーの細孔などの、ガスの拡散通路が
水で詰ってしまい、セルの性能が低下するという問題が
あった。また、水の変動を考慮して、平均値で水を供給
すると、供給の過不足を繰返すこととなり、セルの性能
が充分に出せなかった。

【０００８】この発明は、かかる点に鑑みてなされたも
ので、起動、停止等の運転状態でも燃料電池のセルの性
能を維持することができる燃料電池システムを提供する
ことを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決し、かつ
目的を達成するために、請求項１記載の発明は、水素と
酸素を含む空気を燃料電池のセルに供給して発電を行う
燃料電池システムにおいて、前記燃料電池はイオン交換
膜、正の触媒電極及び負の触媒電極とからなる電極基材
を積層して構成されるセルスタックと、前記電極基材の
水過剰時に前記電極基材内の水を吸収し前記電極基材の
水不足時に前記電極基材に対して水を供給する水保管部
とからなり、前記水保管部を前記電極基材に近接して配
置するとともに、前記燃料電池の発電停止直後に前記水
保管部に前記セルスタックの外部から水を継続して供給
し、前記水保管部に水を保管し、前記燃料電池の起動時
に前記水保管部の水を前記電極基材に対して供給するよ
うに構成したことを特徴としている。

【００１０】このように、起動時水保管部の水を供給す
るようにすることで、起動時に、水保管部がセルとほぼ
同じ温度で上昇していくため、外部から水を供給するも
のに比べて正確な湿度管理ができる。また、停止時に、
水をセルの内部または近傍に含んだ状態で保管できるの
で、保管中もセルの電極基材の湿度をほぼ飽和状態に保
つことが可能である。

【００１１】さらに、燃料電池の水の供給制御が容易で
あり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が可
能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度と
することができるので、水使用量の低減、水供給に必要
なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換器
等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小型
軽量化が可能となる。

【００１２】さらに、燃料電池の水の供給制御が容易で
あり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が可
能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度と
することができるので、水使用量の低減、水供給に必要
なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換器
等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小型
軽量化が可能となる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、この発明の燃料電池システ
ムの実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

【００１４】図１は燃料電池システムの実施例を示す構
成図である。

【００１５】燃料電池システム１は、例えば電気自動車
に備えられ、燃料電池によって発生する電気を駆動源と
して走行するものがある。この燃料電池システム１は、
メタノールタンク２、改質装置３、シフトコンバータ
４、選択酸化反応器５、燃料電池６、水分回収熱交換器
７、水タンク８及びコントローラ９等から構成されてい
る。コントローラ９は、バルブ、ポンプ、ファン等の各
機器及びセンサと接続されている。改質装置３、シフト
コンバータ４、選択酸化反応器５、燃料電池６の各部に
は温度センサＴｒ、Ｔｂ、Ｔｓ、Ｔｐ、Ｔｃが備えら
れ、これらの温度検出により各部がコントローラ９によ
って適正温度に制御される。

【００１６】改質装置３には、加熱器１０、蒸発器１
１、触媒層１２等が備えられている。加熱器１０には、
温度センサＴｂの温度検出によりバーナーポンプ１３が
駆動されてメタノールタンク２からメタノールが供給さ
れ、またバーナーファン１４の駆動で空気が供給され、
これらで燃焼されて蒸発器１１を加熱する。蒸発器１１
には、メタノールポンプ１５の駆動でメタノールタンク
２から供給されるメタノールと、また水ポンプ１６の駆
動で水タンク８から供給される水が混合して供給され
る。加熱器１０により蒸発器１１を加熱してメタノール
と水の混合燃料を気化し、この蒸発器１１で気化した燃
料を触媒層１２に供給する。

【００１７】この改質装置３により、原料を改質して水
素を製造し、温度センサＴｒの温度検出により得られた
水素をシフトコンバータ４、選択酸化反応器５を介して
燃料電池６に供給する。改質装置３とシフトコンバータ
４との間には、切換弁１７が設けられ、この切換弁１７
の作動で水素が改質装置３の加熱器１０に戻される。シ
フトコンバータ４は温度センサＴｓの温度検出により冷
却用空気ファン１８で冷却される。シフトコンバータ４
から送られる水素に、反応用空気ポンプ１９の駆動で供
給される空気を混合して選択酸化反応器５に供給され
る。選択酸化反応器５は温度センサＴｐの温度検出によ
り冷却用空気ファン２０で冷却される。選択酸化反応器
５と燃料電池６との間には、切換弁２１が設けられ、こ
の切換弁２１の作動で水素が改質装置３の加熱器１０に
戻される。

【００１８】燃料電池６には、冷却加湿ポンプ２２の駆
動で水タンク８から水が供給され、また温度センサＴｃ
の温度検出により加圧空気ポンプ２３の駆動で水分回収
熱交換器７から空気が供給され、これらの水、空気及び
水素から燃料電池６で発電を行う。燃料電池６で用いら
れた水は、水分回収熱交換器７で熱交換で水を得て水タ
ンク８に戻される。また、燃料電池６で発電のために用
いられた水素は、改質装置３の加熱器１０に戻される。

【００１９】燃料電池システム１では、加熱器１０によ
って蒸発器１１を加熱し、この蒸発器１１で気化した原
料を触媒層１２に供給するようにした改質装置３によ
り、原料を改質して水素を製造し、得られた水素をシフ
トコンバータ４及び選択酸化反応器５を介して燃料電池
６に供給して発電を行い、改質装置３は、燃料改質によ
る反応ガスの一部を触媒層１２の途中から取り出して、
戻し系３０を介して加熱器１０に戻すように構成してい
る。戻し系３０は、触媒層１２側に設けられた反応ガス
取出部３１と、この反応ガス取出部３１と加熱器１０側
とを連結する配管３２と、この配管３２に備えられたバ
ルブ３３から構成され、バルブ３３を開くことで燃料改
質による反応ガスの一部を触媒層１２から取り出して加
熱器１０に戻される。バルブ３３は、ＯＮ／ＯＦＦバル
ブまたは流量調整バルブが用いられる。

【００２０】次に、図２乃至図４に基づいて燃料電池の
具体的な実施例を説明する。図２は燃料電池の正面図、
図３は図２のＩＩＩ-III線に沿う断面図、図４は図２の
Ｘ−Ｘ線及びＹ−Ｙ線に沿う断面図である。

【００２１】燃料電池６は、組付軸１０２により組み付
けられたセルスタック１０３を備えている。セルスタッ
ク１０３はセパレータ１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃを
組みにして複数積層して組み付けて構成され、セパレー
タ１０４ａとセパレータ１０４ｃとの間にガス遮断板１
０４ｄが設けられている。セパレータ１０４ｃには、ガ
ス遮断板１０４ｄとの間にトンネル通路１１５ｂが形成
されている。セパレータ１０４ａ，１０４ｂの間には、
セル１０６が備えられている。セル１０６の電極基材Ｂ
は、イオン交換膜１０７、正の触媒電極１０８及び負の
触媒電極１０９から構成されている。イオン交換膜１０
７の外周部１０７ａは、セパレータ１０４ａ，１０４ｂ
の間に挟んで保持され、イオン交換膜１０７の一方面に
は正の触媒電極１０８を有し、他方面に負の触媒電極１
０９を有しており、このセル１０６により反応ガスの水
素と酸素とを反応させて水を生成し、その際に電気を発
生させる。

【００２２】セル１０６の正の触媒電極１０８の外側に
は、ポーラス部材で形成されたポーラスガイド体１１０
を接触させて配置され、負の触媒電極１０９の外側にも
ポーラス部材で形成されたポーラスガイド体１１１を接
触させて配置され、ポーラス部材で電極基材の外側に水
過剰時の吸収及び水不足時の供給のための水保管部Ａを
構成している。

【００２３】ポーラスガイド体１１０，１１１は多孔質
なポーラス部材で成形され、それぞれ一面側には等間隔
に溝１１０ａ，１１１ａが形成されている。ポーラスガ
イド体１１０は溝１１０ａが形成された側を正の触媒電
極１０８と接触させ、ポーラスガイド体１１１は溝１１
１ａをポーラスガイド体１１０の溝１１０ａと直交する
方向に向けて配置されている。ポーラスガイド体１１０
の溝１１０ａと正の触媒電極１０８との間に連通する反
応ガス通路１１２が設けられ、ポーラスガイド体１１１
の溝１１１ａと負の触媒電極１０９との間に連通する反
応ガス通路１１３が設けられている。

【００２４】セルスタック１０３には、セル１０６が角
度α傾斜させて配置され、セル１０６の周囲を囲むセパ
レータ１０４ｂ，１０４ｃの間にガスケット１１４が設
けられ、ガスケット１１４によりセル１０６をシールし
ている。セルスタック１０３の左側上方には水素の入口
部１１５が設けられ、右側下方には水素の出口部１１６
が設けられ、入口部１１５及び出口部１１６の周囲を囲
むようにセパレータ１０４ａ，１０４ｂとの間にガスケ
ット１１７，１１８が設けられ、入口部１１５及び出口
部１１６をシールしている。入口部１１５には、セル１
０６の積層方向に入口通路１１５ａが形成され、この入
口通路１１５ａから４個のトンネル通路１１５ｂがガス
ケット１１４の下方を通ってセル１０６の分配通路１１
５ｃに連通し、分配通路１１５ｃから反応ガス通路１１
３に連通している。出口部１１６には、セル１０６の積
層方向に出口通路１１６ａが形成され、この出口通路１
１６ａに連通された４個のトンネル通路１１６ｂはガス
ケット１１４の下方を通ってセル１０６の集合通路１１
６ｃに連通し、集合通路１１６ｃは反応ガス通路１１３
と連通している。

【００２５】セルスタック１０３の上方右側には酸素の
入口部１１９が設けられ、下方左側には酸素の出口部１
２０が設けられ、入口部１１９及び出口部１２０の周囲
を囲むようにセパレータ１０４ａ，１０４ｂの間にガス
ケット１２１，１２２が設けられ、入口部１１９及び出
口部１２０をシールしている。入口部１１９には、セル
１０６の積層方向に入口通路１１９ａが形成され、この
入口通路１１９ａから４個のトンネル通路１１９ｂがガ
スケット１１４の下方を通ってセル１０６の分配通路１
１９ｃに連通し、分配通路１１９ｃから反応ガス通路１
１２に連通している。出口部１２０には、セル１０６の
積層方向に出口通路１２０ａが形成され、この出口通路
１２０ａに連通された４個のトンネル通路１２０ｂはガ
スケット１１４の下方を通ってセル１０６の集合通路１
２０ｃに連通し、集合通路１２０ｃは反応ガス通路１１
２と連通している。

【００２６】また、ガス遮断板１０４ｄの図３での下面
であるポーラスガイド体１１０との接触部には水通路１
２３が形成されている。水通路１２３の一方１２３ａ
は、ガスケット１１４の下方を通るトンネル通路１２４
ａを介して水素の入口部１１５の近傍で上側に設けられ
た排出部１２４に連通され、他方１２３ｂはガスケット
１１４の下方を通るトンネル通路１２５ａを介して水素
の出口部１１６の近傍で下側に設けられた供給部１２５
に連通されている。排出部１２４及び供給部１２５の周
囲を囲むようにセパレータ１０４ａ，１０４ｃの間にガ
スケット１２６ａ，１２７ａが設けられ、排出部１２４
及び供給部１２５をシールしている。

【００２７】また、セパレータ１０４ｂの図３での上面
であるポーラスガイド体１１０との接触部には、水通路
１２８が形成されている。水通路１２８の一方１２８ａ
はガスケット１１４の下方を通るトンネル通路１２９ａ
を介して酸素の入口部１１９の近傍で右側に設けられた
排出部１２９に連通され、他方１２８ｂはガスケット１
１４の下方を通るトンネル通路１３０ａを介して酸素の
出口部１２０の近傍で左側に設けられた供給部１３０に
連通されている。排出部１２９及び供給部１３０の周囲
を囲むようにセパレータ１０４ａ，１０４ｂの間にガス
ケット１２６ｂ，１２７ｂが設けられ、排出部１２９及
び供給部１３０をシールしている。

【００２８】従って、セルスタック１０３の水素の入口
部１１５から加温、加湿した水素を供給すると、この水
分を含む水素は入口通路１１５ａからトンネル通路１１
５ｂを通ってセル１０６の分配通路１１５ｃに導かれ、
分配通路１１５ｃから反応ガス通路１１３を流れる。一
方、酸素の入口部１１９から加温、加湿した酸素を供給
すると、この水分を含む酸素は入口通路１１９ａからト
ンネル通路１１９ｂを通ってセル１０６の分配通路１１
９ｃに連通し、分配通路１１９ｃから反応ガス通路１１
２を流れる。

【００２９】このとき、セル１０６により反応ガスの水
素と酸素の電気化学的な反応により水を生成し、その際
の自由エネルギーの変化を電気エネルギーとして取り出
す発電が行われる。セル１０６は、セパレータ１０４ｃ
を介して隣接したセル１０６と直列に接続され、発生し
た電力はセルスタック１０３の両端部に設けられた不図
示の集電部より取り出される。

【００３０】主として水素と水はセル１０６の集合通路
１１６ｃに集められ、トンネル通路１１６ｂを通って出
口通路１１６ａに導かれて出口部１１６から排出され
る。主として酸素と水はセル１０６の集合通路１２０ｃ
に集められ、トンネル通路１２０ｂを通って出口通路１
２０ａに導かれて出口部１２０から排出される。

【００３１】セル１０６による水素と酸素の電気化学的
な反応は、一方では酸素と水がポーラスガイド体１１
０、正の触媒電極１０８を通り、イオン交換膜１０７の
表面に供給され、他方では水素と水がポーラスガイド体
１１１、負の触媒電極１０９を通り、イオン交換膜１０
７の表面に供給され、この正の触媒電極１０８とイオン
交換膜１０７の界面及び負の触媒電極１０９とイオン交
換膜１０７の界面で行われる。イオン交換膜１０７は、
含水率により伸びが大きく変化するので、イオン交換膜
１０７の加湿レベルを常に適正に保ってイオン交換膜１
０７の伸びを一定に保ち、界面を安定に保つことが必要
である。

【００３２】このセル１０６による反応ガスの水素と酸
素の電気化学的な反応で電気が発生し、その際に水が生
成されるが、このセル１０６内部の相対湿度による伸び
だけではなく、内部に発生する凝縮水、生成水、供給過
剰水などの過剰水が、イオン交換膜１０７に直接接触す
るとさらに伸び、セル１０６の性能が劣化するが、セル
１０６の両側の触媒電極１０８，１０９にポーラスガイ
ド体１１０，１１１を接触させて配置しており、セル１
０６内部に発生する凝縮水、生成水、供給過剰水などの
過剰水をポーラスガイド体１１０，１１１により吸収し
て除去することができる。

【００３３】このため、イオン交換膜１０７の伸びを防
止でき、セル１０６の性能を長期間、高効率に保つこと
ができ、また反応ガスの拡散性低下を防止している。こ
のように、特別な装置を使用しないで過剰水を除去する
ことができ、簡単、低価格、コンパクト及び軽量な装置
とすることができる。ポーラスガイド体１１０，１１１
により反応ガス通路１１２，１１３を形成することで、
水を供給する時にポーラスガイド体１１０，１１１によ
り吸収されて一部は反応ガス通路１１２，１１３に拡散
し、一部は直接触媒電極１０８，１０９へ移動すること
により加湿を効果的に行なうとともに、過剰水が発生し
た場合、これを吸収して不足時に供給するダンパー効果
があり、適量の加湿が可能である。

【００３４】また、燃料電池６のセルスタック１０３内
部に、イオン交換膜１０７、正の触媒電極１０８及び負
の触媒電極１０９から構成されている電極基材の外側に
水過剰時の吸収及び水不足時の供給のための水保管部Ａ
を設け、停止時水保管部Ａに水を保管しておき、起動時
に水保管部Ａの水を供給するように構成している。

【００３５】このように、燃料電池の起動時に水保管部
Ａの水を供給することで、起動時に、水保管部Ａがセル
１０６とほぼ同じ温度で上昇していくため、外部から水
を供給するものに比べて正確な湿度管理ができる。ま
た、停止時に、水をセル１０６の内部または近傍に含ん
だ状態で水保管部Ａに保管できるので、保管中もセル１
０６のイオン交換膜１０７の湿度をほぼ飽和状態に保つ
ことが可能である。

【００３６】さらに、燃料電池６の水の供給制御が容易
であり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が
可能となる。また、水の供給量をセル１０６が必要な最
小限度とすることができるので、水使用量の低減、水供
給に必要なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、
熱交換器等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効
率・小型軽量化が可能となる。

【００３７】また、起動時水保管部Ａに水を保管してお
き、定常時水保管部Ａの水を供給するように構成してい
る。このように、定常時水保管部Ａの水を供給するよう
にすることで、起動時に、凝縮水や過剰水を確保でき、
加湿水の供給量を低減できる。また、起動中、加湿に寄
与しない水がガス通路から除去されるので、発電開始か
ら性能を高く維持できる。

【００３８】さらに、燃料電池６の水の供給制御が容易
であり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が
可能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度
とすることができるので、水使用量の低減、水供給に必
要なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換
器等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小
型軽量化が可能となる。

【００３９】図５乃至図８は水保管部の他の実施例を示
している。図５の水保管部Ａは、多層構造になってお
り、第１保管部Ａ１は通路３００を有するポーラス部材
で形成され、第２保管部Ａ２も同様にポーラス部材で形
成されている。水は、第１保管部Ａ１の通路３００から
第２保管部Ａ２に吸収して保持されるが、第１保管部Ａ
１が第２保管部Ａ２より水の吸収が良く、水保管部Ａを
多層構造にすることで保水量を増やしている。

【００４０】図６の水保管部Ａも、多層構造になってお
り、第１保管部Ａ１は同様に通路３００を有するポーラ
ス部材で形成され、第２保管部Ａ２はポーラス部材また
は不浸透材で形成されている。第２保管部Ａ２の第１保
管部Ａ１側に凹部を有しており、この凹部と第１保管部
Ａ１との間に空間が形成され、この空間で通路３０１を
形成している。水は、第１保管部Ａ１の通路３００から
第２保管部Ａ２に吸収して保持されるが、さらに通路３
０１によって水が多量に且つ確実に保持される。

【００４１】図７の水保管部Ａも、多層構造になってお
り、第１保管部Ａ１は通路３００を有するポーラス部材
で形成され、第２保管部Ａ２も同様にポーラス部材で形
成されているが、この第２保管部Ａ２の外側に不浸透材
Ｃが配置されている。第１保管部Ａ１には通路３００の
間に、電極基材Ｂの外側と第２保管部Ａ２とを連通する
ガイド通路３０２が形成されている。また、第２保管部
Ａ２には、不浸透材Ｃとの間に水通路３０３が形成され
ている。従って、負圧で引くことによって、第１保管部
Ａ１に水が通路３００から吸収され、さらにガイド通路
３０２により第２保管部Ａ２に吸収され、水の吸収が速
くなっている。

【００４２】図８の水保管部Ａも、多層構造になってお
り、第１保管部Ａ１は通路３００を有するポーラス部材
で形成され、この第１保管部Ａ１の外側に不浸透材Ｃが
配置されている。不浸透材Ｃには、第１保管部Ａ１との
間に水通路３０４が形成され、水が水通路３０４から第
１保管部Ａ１に円滑に供給される。

【００４３】図９及び図１０は水保管部Ａの配置位置を
示している。図９の実施例では、電極基材で構成される
セル１０６の両側にガス通路４００が形成されており、
このガス通路４００の空間内に水保管部Ａが形成されて
いる。このように、水保管部Ａが電極基材のセル１０６
から離れた位置に配置され、水ポンプ４０１により供給
される水は水保管部Ａに保管される。

【００４４】図１０の実施例では、電極基材で構成され
るセル１０６の両側に、水素の入口部１１５と、水素の
出口部１１６が設けられている。入口部１１５には、セ
ル１０６の積層方向に入口通路１１５ａが形成され、こ
の入口通路１１５ａから４個のトンネル通路１１５ｂが
セル１０６の分配通路１１５ｃに連通され、この入口側
に水保管部Ａが形成される。

【００４５】また、出口部１１６には、セル１０６の積
層方向に出口通路１１６ａが形成され、この出口通路１
１６ａから４個のトンネル通路１１６ｂがセル１０６の
集合通路１１６ｃに連通され、この出口側に水保管部Ａ
が形成される。

【００４６】次に、図１１に基づき燃料電池システムの
運転について説明する。図１１（ａ）において、特性曲
線ａ１は従来の運転を、特性曲線ｂ１、ｃ１はそれぞれ
本発明を示している。また、図１１（ｂ）において、特
性曲線ａ２は従来の運転を、特性曲線ｂ２、ｃ２はそれ
ぞれ本発明を示している。

【００４７】従来のものでは、停止時において、燃料電
池システムの停止操作直後に、燃料電池への水蒸気の供
給を徐々に停止する。保管時において、周囲の温度によ
り、セル内部の湿度が変化する。温度が低下により徐々
に飽和湿度に近づき、それを越えると水分が凝縮して通
路などを閉塞する。また、温度が上昇しても凝縮水が偏
在しているため、電極基材の膜への加湿効果は少ない。
起動時において、発電開始に先だって、外部から水（ま
たは水蒸気）を供給するための準備（ポンプを駆動し
て、加熱または熱交換により水蒸気を作る。）を行って
おく。発電開始にともない、セルの温度を適正温度まで
上昇させるとともに、外部から水（または水蒸気）を供
給していく。発電時において、出力及びセルの温度など
に応じて、水分供給量を変える必要があるため、頻繁に
加湿量を変えなくてはならない等の問題がある。

【００４８】本発明の燃料電池システム１である図１１
（ｂ）の実施例では、燃料電池の発電停止時において、
燃料電池の外部からの（水）水蒸気の供給を停止せず、
発電時と同じかまたはそれ以上の流量を送り続け、水保
管部Ａに水として吸収させる。保管時において、周囲の
温度による飽和湿度に保たれ、凝縮分は、さらに吸収さ
れる。起動時において、発電開始にともない、セル１０
６の温度を適正温度まで上昇させる。これには、外部加
熱または自己発熱を用いる。外部からの水（または水蒸
気）供給は初期には行わず、水保管部Ａの水を利用す
る。水保管部Ａの水は、セル温度の上昇とともに温度が
上昇し、ガス通路へ蒸発していく。これにより、ガス通
路は飽和湿度近くに保たれる。保管水の自然蒸発による
加湿だけでは、時間的に限界があるので、起動時間を短
縮するために、一定時間経過後、外部から水（または水
蒸気）を供給していく。発電時において、水分の吸収・
放出効果を利用できるので、頻繁に加湿量を変えなくて
も適正加湿制御が可能である。

【００４９】また、図１１（ｃ）の実施例では、停止時
において、システムの停止操作直後に、水（水蒸気）の
供給を徐々に停止する。保管時において、周囲の温度に
よる飽和湿度に保たれる。凝縮分は、さらに吸収され
る。起動時において、発電開始に先だって、外部から水
（または水蒸気）を供給するための準備（ポンプを駆動
して、加熱または熱交換により水蒸気を作る。）を行っ
ておく。発電開始にともない、セルの温度を適正温度ま
で上昇させるとともに、外部から水（または水蒸気）を
供給していく。水保管部Ａの水を多少利用できるため、
外部からの水（または水蒸気）供給は初期には行わず水
保管部Ａの水を利用する。そのため水供給量は従来に比
べて少なくて済む。水を供給しながら、水保管部Ａに水
を保管しておき後で湿度管理に使う。発電時において、
水分の吸収・放出効果を利用できるので、頻繁に加湿量
を変えなくても適正加湿制御が可能である。

【００５０】図１２は燃料電池システムの他の実施例を
示す構成図である。この実施例の燃料電池６は、図１と
同様に構成されるが、図１と異なりエア用ポンプ５００
の駆動で改質装置３に配置される加熱部５０１に水タン
ク８から空気を送り、この加熱部５０１で加熱された空
気を燃料電池６の入口側５０２に送るように構成されて
いる。また、水用加湿ポンプ５１０の駆動で改質装置３
に配置される加熱部５１１に水タンク８から水を送り、
この加熱部５１１で加熱された水を燃料電池６の入口側
５１２に送るように構成されている。

【００５１】燃料電池６では、水素側は入口が水分多
く、また空気側は出口が水分多くなる。このため、所定
のタイミングでエア用ポンプ５００の駆動で改質装置３
に配置される加熱部５０１に送り、この加熱部５０１で
加熱された空気を燃料電池６の入口側５０２に送る。ま
た、所定のタイミングで水素用加湿ポンプ５１０の駆動
で改質装置３に配置される加熱部５１１に水タンク８か
ら水素を送り、この加熱部５１１で加熱された水素を燃
料電池６の入口側５１２に送る。

【００５２】このように、エア用ポンプ５００及び水用
加湿ポンプ５１０の駆動による入換え、これにより水分
を均一に保つことができ、この入換えのタイミングは、
一定時間おき、一定電流量発生後、一定電力量発生後、
負荷が０（または一定値以下）になる度毎、或は起動／
停止の度毎に行なう。この空気の入換えは、バルブ５０
３，５０４の作動で行ない、また水素の入換えは、バル
ブ５１３，５１４の作動で行なう。

【００５３】

【発明の効果】前記したように、請求項１記載の発明
は、燃料電池はイオン交換膜、正の触媒電極及び負の触
媒電極とからなる電極基材を積層して構成されるセルス
タックと、電極基材の水過剰時に電極基材内の水を吸収
し電極基材の水不足時に電極基材に対して水を供給する
水保管部とからなり、水保管部を電極基材に近接して配
置するとともに、燃料電池の発電停止直後に水保管部に
セルスタックの外部から水を継続して供給し、水保管部
に水を保管し、燃料電池の起動時に水保管部の水を電極
基材に対して供給するように構成し、起動時に水保管部
の水を供給するから、起動時に、水保管部がセルとほぼ
同じ温度で上昇していくため、起動時に外部から水を供
給するものに比べて正確な湿度管理ができる。また、発
電停止時に、水をセルの内部または近傍に含んだ状態で
保管できるので、保管中もセルのイオン交換膜の湿度を
ほぼ飽和状態に保つことが可能である。

【００５４】さらに、燃料電池の水の供給制御が容易で
あり、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が可
能となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度と
することができるので、水使用量の低減、水供給に必要
なポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換器
等の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小型
軽量化が可能となる。

【００５５】起動時に、凝縮水や過剰水を確保できるの
で、加湿水の供給量を低減できる。また、起動中、加湿
に寄与しない水がガス通路から除去されるので、発電開
始から性能を高く維持できる。

【００５６】また、燃料電池の水の供給制御が容易であ
り、かつ発電時に、負荷変動に対応した水の供給が可能
となる。また、水の供給量をセルが必要な最小限度とす
ることができるので、水使用量の低減、水供給に必要な
ポンプ動力の低減、加熱量の低減、気化部、熱交換器等
の小型化、水タンクの小型化が可能で、高効率・小型軽
量化が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】燃料電池システムの実施例を示す構成図であ
る。

【図２】燃料電池の正面図である。

【図３】図２のIII-III線に沿う断面図である。

【図４】図２のＸ−Ｘ線及びＹ−Ｙ線に沿う断面図であ
る。

【図５】水保管部の他の実施例を示す図である。

【図６】水保管部の他の実施例を示す図である。

【図７】水保管部の他の実施例を示す図である。

【図８】水保管部の他の実施例を示す図である。

【図９】水保管部の配置を示す他の実施例を示す図であ
る。

【図１０】水保管部の配置を示す他の実施例を示す図で
ある。

【図１１】燃料電池システムの運転について説明するず
である。

【図１２】燃料電池システムの他の実施例を示す構成図
である。

【符号の説明】

１燃料電池システム６燃料電池１０３セルスタック１０６燃料電池セル１０７イオン交換膜１０８正の触媒電極１０９負の触媒電極Ｂ電極基材Ａ水保管部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】水素と酸素を含む空気を燃料電池のセルに
供給して発電を行う燃料電池システムにおいて、前記燃料電池はイオン交換膜、正の触媒電極及び負の触
媒電極とからなる電極基材を積層して構成されるセルス
タックと、前記電極基材の水過剰時に前記電極基材内の水を吸収し
前記電極基材の水不足時に前記電極基材に対して水を供
給する水保管部とからなり、前記水保管部を前記電極基材に近接して配置するととも
に、前記燃料電池の発電停止直後に前記水保管部に前記
セルスタックの外部から水を継続して供給し、前記水保
管部に水を保管し、前記燃料電池の起動時に前記水保管部の水を前記電極基
材に対して供給するように構成したことを特徴とする燃
料電池システム。