JP2002134156A - 純水素型燃料電池 - Google Patents
純水素型燃料電池Info
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- JP2002134156A JP2002134156A JP2000331439A JP2000331439A JP2002134156A JP 2002134156 A JP2002134156 A JP 2002134156A JP 2000331439 A JP2000331439 A JP 2000331439A JP 2000331439 A JP2000331439 A JP 2000331439A JP 2002134156 A JP2002134156 A JP 2002134156A
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- 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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Abstract
(57)【要約】
【課題】カソード加湿を可能とし、適度な状態の排出空
気を従スタックへ供給し、高利用率運転でも安定な運転
を可能とする。 【解決手段】主スタック１および従スタック２の２段直
列構成とし、これら両スタックの間に多孔質膜１８を有
する自己加湿部３を設け、この多孔質膜１８の一側に未
反応空気を流入させる一方、主スタック１の排出空気を
多孔質膜１８の他側に流入させ、この多孔質膜１８を介
して前記未反応空気と前記排出空気との間で温度および
湿度を交換する。
気を従スタックへ供給し、高利用率運転でも安定な運転
を可能とする。 【解決手段】主スタック１および従スタック２の２段直
列構成とし、これら両スタックの間に多孔質膜１８を有
する自己加湿部３を設け、この多孔質膜１８の一側に未
反応空気を流入させる一方、主スタック１の排出空気を
多孔質膜１８の他側に流入させ、この多孔質膜１８を介
して前記未反応空気と前記排出空気との間で温度および
湿度を交換する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料に純水素を用
いた純水素型燃料電池に関する。
いた純水素型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】現在の燃料電池は、改質装置で天然ガス
やメタノールを水素に改質し、この水素を改質ガスとし
て燃料電池へ供給するように構成されている。また、こ
の改質装置は、バーナで改質管を加熱して水素を取り出
すように構成されており、このバーナを加熱する熱源と
して、燃料電池の排ガスが利用されている。
やメタノールを水素に改質し、この水素を改質ガスとし
て燃料電池へ供給するように構成されている。また、こ
の改質装置は、バーナで改質管を加熱して水素を取り出
すように構成されており、このバーナを加熱する熱源と
して、燃料電池の排ガスが利用されている。
【０００３】このため、通常、燃料電池で消費される水
素は、入力を１００％とすると、そのうちの８０％程度
が発電に利用される一方、残りの２０％が改質装置のバ
ーナで燃焼され、改質管の加熱に利用されている。
素は、入力を１００％とすると、そのうちの８０％程度
が発電に利用される一方、残りの２０％が改質装置のバ
ーナで燃焼され、改質管の加熱に利用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、従来
の燃料電池においては、燃料の一部を改質反応に用いる
必要があるため、燃料利用率は８０％程度である。とこ
ろで、来る水素利用社会では、純水素が現在の都市ガス
のようにガス配管を通して供給され、純水素型燃料電池
は、このように供給される水素を利用するため、従来の
ような改質装置を必要としない。そのため、燃料電池発
電システムの効率向上を図るためには、供給される純水
素のほとんどを、燃料電池で電気を取り出すために利用
することが要求される。換言すれば、純水素型燃料電池
にあっては、高利用率運転が要求される。
の燃料電池においては、燃料の一部を改質反応に用いる
必要があるため、燃料利用率は８０％程度である。とこ
ろで、来る水素利用社会では、純水素が現在の都市ガス
のようにガス配管を通して供給され、純水素型燃料電池
は、このように供給される水素を利用するため、従来の
ような改質装置を必要としない。そのため、燃料電池発
電システムの効率向上を図るためには、供給される純水
素のほとんどを、燃料電池で電気を取り出すために利用
することが要求される。換言すれば、純水素型燃料電池
にあっては、高利用率運転が要求される。
【０００５】しかしながら、燃料電池では多くのセルが
積層されており、その積層されたセルに燃料を供給する
と、セル間の配流のアンバランスにより、水素が多く流
れるセルと少なく流れるセルとが現れ、少なく流れたセ
ルの燃料利用率は１００％に到達する。このように利用
率が１００％に到達したセルでは、セルの出口側で水素
が不足する。
積層されており、その積層されたセルに燃料を供給する
と、セル間の配流のアンバランスにより、水素が多く流
れるセルと少なく流れるセルとが現れ、少なく流れたセ
ルの燃料利用率は１００％に到達する。このように利用
率が１００％に到達したセルでは、セルの出口側で水素
が不足する。
【０００６】このような局部的な水素不足により、この
部分のカソード電位が上昇し、カソード電極に腐食が発
生する。さらに、水素が不足すると、アノード電位が正
の電位に移行し（転極現象）、アノード電極で腐食が発
生する。このように腐食が発生すると、電極基板を構成
するカーボンが消失し、電池運転は不可能となる。
部分のカソード電位が上昇し、カソード電極に腐食が発
生する。さらに、水素が不足すると、アノード電位が正
の電位に移行し（転極現象）、アノード電極で腐食が発
生する。このように腐食が発生すると、電極基板を構成
するカーボンが消失し、電池運転は不可能となる。
【０００７】この課題を解決するための手段としては、
燃料電池スタックを主スタックと従スタックとからなる
２段直列構成とし、主スタックの排出ガスを従スタック
の入口に導入するスタック構成とすることで、スタック
全体では高利用率運転としながらも、主スタックおよび
従スタックの燃料利用率は低減され、結果として安定し
た運転が可能となる。
燃料電池スタックを主スタックと従スタックとからなる
２段直列構成とし、主スタックの排出ガスを従スタック
の入口に導入するスタック構成とすることで、スタック
全体では高利用率運転としながらも、主スタックおよび
従スタックの燃料利用率は低減され、結果として安定し
た運転が可能となる。
【０００８】しかしながら、高利用率運転では、小型セ
ルの実験結果からガス流量が少なくなり、従来のアノー
ド加湿方式では水分の排出が困難となることが判明し
た。また、上述した二段直列構成方式では、従スタック
へ導入されるガスの加湿量が多くなり、運転が困難とな
る。
ルの実験結果からガス流量が少なくなり、従来のアノー
ド加湿方式では水分の排出が困難となることが判明し
た。また、上述した二段直列構成方式では、従スタック
へ導入されるガスの加湿量が多くなり、運転が困難とな
る。
【０００９】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、カソード加湿を可能とし、適度な状態の排出空気を
従スタックへ供給し、高利用率運転でも安定な運転が可
能な純水素型燃料電池を提供することを目的とする。
で、カソード加湿を可能とし、適度な状態の排出空気を
従スタックへ供給し、高利用率運転でも安定な運転が可
能な純水素型燃料電池を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、請求項１記載の発明では、燃料電池スタックを主ス
タックおよび従スタックの２段直列構成とし、これら両
スタックの間に多孔質膜を有する自己加湿部を設け、こ
の自己加湿部の多孔質膜の一側に未反応空気を流入させ
る一方、前記主スタックの排出空気を前記自己加湿部の
多孔質膜の他側に流入させ、この多孔質膜を介して前記
未反応空気と前記排出空気との間で温度および湿度を交
換することを特徴とする。
め、請求項１記載の発明では、燃料電池スタックを主ス
タックおよび従スタックの２段直列構成とし、これら両
スタックの間に多孔質膜を有する自己加湿部を設け、こ
の自己加湿部の多孔質膜の一側に未反応空気を流入させ
る一方、前記主スタックの排出空気を前記自己加湿部の
多孔質膜の他側に流入させ、この多孔質膜を介して前記
未反応空気と前記排出空気との間で温度および湿度を交
換することを特徴とする。
【００１１】請求項１記載の発明によれば、主スタック
と従スタックとの間に自己加湿部を設け、この自己加湿
部に未反応空気を流入させることにより、カソード加湿
が可能となる。また、主スタックの排出空気を自己加湿
部に流入させることにより、排出空気が除湿されるとと
もに、適度な加湿状態の排出空気を従スタックに供給す
ることができる。
と従スタックとの間に自己加湿部を設け、この自己加湿
部に未反応空気を流入させることにより、カソード加湿
が可能となる。また、主スタックの排出空気を自己加湿
部に流入させることにより、排出空気が除湿されるとと
もに、適度な加湿状態の排出空気を従スタックに供給す
ることができる。
【００１２】請求項２記載の発明では、請求項１記載の
純水素型燃料電池において、前記自己加湿部に燃料用加
湿膜を設け、この燃料用加湿膜の一側に未反応燃料を流
入させる一方、前記主スタックの排出燃料を前記燃料用
加湿膜の他側に流入させ、この燃料用加湿膜を介して前
記未反応燃料と前記排出燃料との間で温度および湿度を
交換することを特徴とする。
純水素型燃料電池において、前記自己加湿部に燃料用加
湿膜を設け、この燃料用加湿膜の一側に未反応燃料を流
入させる一方、前記主スタックの排出燃料を前記燃料用
加湿膜の他側に流入させ、この燃料用加湿膜を介して前
記未反応燃料と前記排出燃料との間で温度および湿度を
交換することを特徴とする。
【００１３】請求項２記載の発明によれば、燃料の加湿
が不足する場合でも未反応燃料は加湿されるとともに、
主スタックからの排出燃料は除湿され、適度に加湿され
た排出燃料を従スタックに供給することができる。
が不足する場合でも未反応燃料は加湿されるとともに、
主スタックからの排出燃料は除湿され、適度に加湿され
た排出燃料を従スタックに供給することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明に係る純水素型燃料
電池の実態形態を図面に基づいて具体的に説明する。
電池の実態形態を図面に基づいて具体的に説明する。
【００１５】［第１実施形態］図１は本発明に係る純水
素型燃料電池の第１実態形態を示す構成図、図２は第１
実施形態の内部を示す構成図である。
素型燃料電池の第１実態形態を示す構成図、図２は第１
実施形態の内部を示す構成図である。
【００１６】本実施形態では燃料として純水素が用いら
れており、図１に示すように１つの燃料電池スタック
は、主スタック１および従スタック２の２段直列構成と
し、これら主スタック１と従スタック２との間に自己加
湿部３が設けられている。
れており、図１に示すように１つの燃料電池スタック
は、主スタック１および従スタック２の２段直列構成と
し、これら主スタック１と従スタック２との間に自己加
湿部３が設けられている。
【００１７】主スタック１には、互いに対向して空気入
口６および空気出口７が、燃料入口１２および燃料出口
１３がそれぞれ設置されている。また、自己加湿部３に
は、未反応空気入口４および未反応空気出口５が、排出
空気入口８および排出空気出口９がそれぞれ互いに対向
して設置されている。さらに、従スタック２には、空気
入口１０および空気出口１１が、燃料入口１４および燃
料出口１５がそれぞれ互いに対向して設置されている。
口６および空気出口７が、燃料入口１２および燃料出口
１３がそれぞれ設置されている。また、自己加湿部３に
は、未反応空気入口４および未反応空気出口５が、排出
空気入口８および排出空気出口９がそれぞれ互いに対向
して設置されている。さらに、従スタック２には、空気
入口１０および空気出口１１が、燃料入口１４および燃
料出口１５がそれぞれ互いに対向して設置されている。
【００１８】図２に示すように、主スタック１には、多
数の主スタック用セル１６が、従スタック２には従スタ
ック用セル１７がそれぞれ積層され、自己加湿部３に
は、高分子材料からなる多孔質膜としての空気用自己加
湿膜１８が設置されている。
数の主スタック用セル１６が、従スタック２には従スタ
ック用セル１７がそれぞれ積層され、自己加湿部３に
は、高分子材料からなる多孔質膜としての空気用自己加
湿膜１８が設置されている。
【００１９】次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２０】上記のような構成を有する本実施形態の純
水素型燃料電池においては、主スタック１の排出空気
は、多数の主スタック用セル１６内で加熱されるととも
にカソード極で水分が生成され、高温の生成水蒸気を含
んだ状態となる。この排出空気を保水性の多孔質膜から
構成される自己加湿部３の空気用自己加湿膜１８の一側
へ流入させる一方、主スタック１の未反応空気を自己加
湿部３の空気用自己加湿膜１８の他側に流入させること
により、この空気用自己加湿膜１８を介して高温で生成
水を含んだ排出空気と乾燥した低温の外気温の未反応空
気との間で、温度および湿度が交換される。その結果、
主スタック１の乾燥した未反応空気は加湿されるととも
に、高温・生成水蒸気を含んだ排出空気は除湿される。
水素型燃料電池においては、主スタック１の排出空気
は、多数の主スタック用セル１６内で加熱されるととも
にカソード極で水分が生成され、高温の生成水蒸気を含
んだ状態となる。この排出空気を保水性の多孔質膜から
構成される自己加湿部３の空気用自己加湿膜１８の一側
へ流入させる一方、主スタック１の未反応空気を自己加
湿部３の空気用自己加湿膜１８の他側に流入させること
により、この空気用自己加湿膜１８を介して高温で生成
水を含んだ排出空気と乾燥した低温の外気温の未反応空
気との間で、温度および湿度が交換される。その結果、
主スタック１の乾燥した未反応空気は加湿されるととも
に、高温・生成水蒸気を含んだ排出空気は除湿される。
【００２１】そして、この加湿空気を主スタック１の空
気入口６に流入させるとともに、除湿された排出空気を
従スタック２の空気入口１０に流入させる。なお、燃料
は主スタック１の燃料入口１２に供給され、主スタック
１からの排出燃料は自己加湿部３を流通させることな
く、従スタック２の燃料入口１４に流入させる。
気入口６に流入させるとともに、除湿された排出空気を
従スタック２の空気入口１０に流入させる。なお、燃料
は主スタック１の燃料入口１２に供給され、主スタック
１からの排出燃料は自己加湿部３を流通させることな
く、従スタック２の燃料入口１４に流入させる。
【００２２】このように本実施形態によれば、主スタッ
ク１の空気入口６に加湿空気を供給することができると
ともに、除湿された排出空気を従スタック２の空気入口
１０に供給することができる。
ク１の空気入口６に加湿空気を供給することができると
ともに、除湿された排出空気を従スタック２の空気入口
１０に供給することができる。
【００２３】［第２実施形態］図３は本発明に係る純水
素型燃料電池の第２実態形態を示す構成図、図４は第２
実施形態の内部を示す構成図である。なお、前記第１実
施形態と同一の部分には同一の符号を付して説明する。
素型燃料電池の第２実態形態を示す構成図、図４は第２
実施形態の内部を示す構成図である。なお、前記第１実
施形態と同一の部分には同一の符号を付して説明する。
【００２４】本実施形態においては、図３に示すように
図１の構成に加え、主スタック１と従スタック２との間
に空気用自己加湿部３ａおよび燃料用自己加湿部３ｂが
設けられ、この燃料用自己加湿部３ｂには、燃料入口１
９および燃料出口２０、排出燃料入口２１および排出燃
料出口２２がそれぞれ対向して設置されている。
図１の構成に加え、主スタック１と従スタック２との間
に空気用自己加湿部３ａおよび燃料用自己加湿部３ｂが
設けられ、この燃料用自己加湿部３ｂには、燃料入口１
９および燃料出口２０、排出燃料入口２１および排出燃
料出口２２がそれぞれ対向して設置されている。
【００２５】また、図４に示すように、空気用自己加湿
部３ａには空気用自己加湿膜１８ａが、燃料用自己加湿
部３ｂには燃料用加湿膜としての燃料用自己加湿膜１８
ｂがそれぞれ設置されている。なお、第１および第２実
施形態とも図示していないが、主スタック１と従スタッ
ク２とは、外部接続導体で電気的に接続され、主スタッ
ク１と従スタック２の両端から電気を取り出す構造とな
っている。
部３ａには空気用自己加湿膜１８ａが、燃料用自己加湿
部３ｂには燃料用加湿膜としての燃料用自己加湿膜１８
ｂがそれぞれ設置されている。なお、第１および第２実
施形態とも図示していないが、主スタック１と従スタッ
ク２とは、外部接続導体で電気的に接続され、主スタッ
ク１と従スタック２の両端から電気を取り出す構造とな
っている。
【００２６】次に、本実施形態の作用を説明する。
【００２７】前記第１実施形態では、高分子材料からな
る空気用自己加湿膜１８は、カソード側から加湿され、
水の濃度勾配によりカソード極からアノード極に水分が
逆拡散し、アノード極も加湿される。
る空気用自己加湿膜１８は、カソード側から加湿され、
水の濃度勾配によりカソード極からアノード極に水分が
逆拡散し、アノード極も加湿される。
【００２８】しかし、膜の厚さ、電流条件などによって
燃料極の加湿が不足する場合には、燃料用自己加湿部３
ｂに燃料用自己加湿膜１８ｂを設け、未反応燃料を燃料
用自己加湿膜１８ｂの一側へ流入させる一方、主スタッ
ク１の排出燃料を燃料用自己加湿膜１８ｂの他側に流入
させ、この燃料用自己加湿膜１８ｂを介して両者を接触
させることにより、両者間で温度および湿度を変換させ
る。
燃料極の加湿が不足する場合には、燃料用自己加湿部３
ｂに燃料用自己加湿膜１８ｂを設け、未反応燃料を燃料
用自己加湿膜１８ｂの一側へ流入させる一方、主スタッ
ク１の排出燃料を燃料用自己加湿膜１８ｂの他側に流入
させ、この燃料用自己加湿膜１８ｂを介して両者を接触
させることにより、両者間で温度および湿度を変換させ
る。
【００２９】そして、加湿した未反応燃料を主スタック
１の燃料入口１２に流入させ、主スタック１の排出燃料
は燃料用自己加湿部３ｂを通った後、従スタック２の燃
料入口１４に流入させる。なお、空気の流れは前記第１
実施形態と同様である。
１の燃料入口１２に流入させ、主スタック１の排出燃料
は燃料用自己加湿部３ｂを通った後、従スタック２の燃
料入口１４に流入させる。なお、空気の流れは前記第１
実施形態と同様である。
【００３０】このように本実施形態によれば、燃料の加
湿が不足する場合でも未反応燃料は加湿されるととも
に、主スタック１からの排出燃料は除湿され、適度に加
湿された排出燃料を従スタック２に供給することができ
る。
湿が不足する場合でも未反応燃料は加湿されるととも
に、主スタック１からの排出燃料は除湿され、適度に加
湿された排出燃料を従スタック２に供給することができ
る。
【００３１】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、高
利用率運転対応として構成されたスタックにおいて、主
スタックと従スタックとの間に自己加湿部を設け、この
自己加湿部に未反応空気を流入させることにより、カソ
ード加湿が可能となる。また、主スタックの排出空気を
自己加湿部に流入させることにより、排出空気が除湿さ
れるとともに、適度な加湿状態の排出空気を従スタック
に供給することができる。その結果、安定した高利用率
運転を可能とした純水素型燃料電池を提供することがで
きる。
利用率運転対応として構成されたスタックにおいて、主
スタックと従スタックとの間に自己加湿部を設け、この
自己加湿部に未反応空気を流入させることにより、カソ
ード加湿が可能となる。また、主スタックの排出空気を
自己加湿部に流入させることにより、排出空気が除湿さ
れるとともに、適度な加湿状態の排出空気を従スタック
に供給することができる。その結果、安定した高利用率
運転を可能とした純水素型燃料電池を提供することがで
きる。
【図１】本発明に係る純水素型燃料電池の第１実態形態
を示す構成図。
を示す構成図。
【図２】第１実施形態の内部を示す構成図。
【図３】本発明に係る純水素型燃料電池の第２実態形態
を示す構成図。
を示す構成図。
【図４】第２実施形態の内部を示す構成図。
１ 主スタック ２ 従スタック ３ 自己加湿部 ３ａ 空気用自己加湿部 ３ｂ 燃料用自己加湿部 ４ 未反応空気入口 ５ 未反応空気出口 ６ 空気入口 ７ 空気出口 ８ 排出空気入口 ９ 排出空気出口 １０ 空気入口 １１ 空気出口 １２ 燃料入口 １３ 燃料出口 １４ 燃料入口 １５ 燃料出口 １６ 主スタック用セル １７ 従スタック用セル １８ 空気用自己加湿膜（多孔質膜） １８ａ 空気用自己加湿膜 １８ｂ 燃料用自己加湿膜（燃料用加湿膜） １９ 燃料入口 ２０ 燃料出口 ２１ 排出燃料入口 ２２ 排出燃料出口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 酒井 勝則 神奈川県川崎市川崎区浮島町２番１号 株 式会社東芝浜川崎工場内 (72)発明者 田中 和久 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 (72)発明者 狩野 昭雄 神奈川県横浜市鶴見区末広町二丁目４番地 株式会社東芝京浜事業所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA02 CX04
Claims (2)
- 【請求項１】 燃料電池スタックを主スタックおよび従
スタックの２段直列構成とし、これら両スタックの間に
多孔質膜を有する自己加湿部を設け、この自己加湿部の
多孔質膜の一側に未反応空気を流入させる一方、前記主
スタックの排出空気を前記自己加湿部の多孔質膜の他側
に流入させ、この多孔質膜を介して前記未反応空気と前
記排出空気との間で温度および湿度を交換することを特
徴とする純水素型燃料電池。 - 【請求項２】 請求項１記載の純水素型燃料電池におい
て、前記自己加湿部に燃料用加湿膜を設け、この燃料用
加湿膜の一側に未反応燃料を流入させる一方、前記主ス
タックの排出燃料を前記燃料用加湿膜の他側に流入さ
せ、この燃料用加湿膜を介して前記未反応燃料と前記排
出燃料との間で温度および湿度を交換することを特徴と
する純水素型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000331439A JP2002134156A (ja) | 2000-10-30 | 2000-10-30 | 純水素型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000331439A JP2002134156A (ja) | 2000-10-30 | 2000-10-30 | 純水素型燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002134156A true JP2002134156A (ja) | 2002-05-10 |
Family
ID=18807781
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000331439A Pending JP2002134156A (ja) | 2000-10-30 | 2000-10-30 | 純水素型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2002134156A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006073501A (ja) * | 2004-08-05 | 2006-03-16 | Denso Corp | 燃料電池システム |
| CN100461513C (zh) * | 2004-03-25 | 2009-02-11 | 三星Sdi株式会社 | 燃料电池系统 |
| US8877394B2 (en) | 2010-04-06 | 2014-11-04 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Fuel cell system |
-
2000
- 2000-10-30 JP JP2000331439A patent/JP2002134156A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| CN100461513C (zh) * | 2004-03-25 | 2009-02-11 | 三星Sdi株式会社 | 燃料电池系统 |
| JP2006073501A (ja) * | 2004-08-05 | 2006-03-16 | Denso Corp | 燃料電池システム |
| US8877394B2 (en) | 2010-04-06 | 2014-11-04 | Samsung Sdi Co., Ltd. | Fuel cell system |
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