JP2002313404A - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents
固体高分子型燃料電池システムInfo
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 固体高分子膜から排出されるイオンを回収す
ることができる固体高分子型燃料電池システムを提供す
る。 【解決手段】 固体高分子型燃料電池システムでは、固
体高分子型燃料電池（２）は、燃料ガス供給管（６２）
と酸化剤ガス供給管（７０）を通してそれぞれ供給され
る燃料ガスと酸化剤ガスにより水を生成し、且つ電力を
出力する。残余の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃
料ガス排出管（５６）と酸化剤ガス排出管（６８）を通
してそれぞれ排出する。前記生成水は、前記燃料ガス排
出管（５６）と前記酸化剤ガス排出管（６８）の少なく
とも一方を通して排出される。第１のイオン除去ユニッ
ト（１２，１４）は、前記燃料ガス排出管（５６）と前
記酸化剤ガス排出管（６８）のうち少なくとも前記生成
水が排出される管の前記固体高分子型燃料電池（２）側
に設けられ、前記生成水中に含まれるイオンを除去す
る。
ることができる固体高分子型燃料電池システムを提供す
る。 【解決手段】 固体高分子型燃料電池システムでは、固
体高分子型燃料電池（２）は、燃料ガス供給管（６２）
と酸化剤ガス供給管（７０）を通してそれぞれ供給され
る燃料ガスと酸化剤ガスにより水を生成し、且つ電力を
出力する。残余の前記燃料ガスと前記酸化剤ガスとを燃
料ガス排出管（５６）と酸化剤ガス排出管（６８）を通
してそれぞれ排出する。前記生成水は、前記燃料ガス排
出管（５６）と前記酸化剤ガス排出管（６８）の少なく
とも一方を通して排出される。第１のイオン除去ユニッ
ト（１２，１４）は、前記燃料ガス排出管（５６）と前
記酸化剤ガス排出管（６８）のうち少なくとも前記生成
水が排出される管の前記固体高分子型燃料電池（２）側
に設けられ、前記生成水中に含まれるイオンを除去す
る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、高分子型燃料電池
とそれを使用する燃料電池システムに関する。
とそれを使用する燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来燃料電池は特殊な機器には使用され
てきたが、最近では、固体高分子膜の品質も向上し固体
高分子膜型燃料電池が開発されている。このため、自動
車をはじめとして家庭用発電器など種々の分野での応用
が検討されている。これらの適用分野では、民生用とし
て十分な耐久年数が必要であり、燃料電池及びそれを使
用するシステムの寿命は長いことが望ましい。しかしな
がら、本願発案者らは、固体高分子型燃料電池システム
を稼働中に、固体高分子型燃料電池の内部及び外部配管
の一部に腐蝕が発生することを発見した。原因を調べた
結果、それはフッ素イオンにより誘引されていることが
判明した。
てきたが、最近では、固体高分子膜の品質も向上し固体
高分子膜型燃料電池が開発されている。このため、自動
車をはじめとして家庭用発電器など種々の分野での応用
が検討されている。これらの適用分野では、民生用とし
て十分な耐久年数が必要であり、燃料電池及びそれを使
用するシステムの寿命は長いことが望ましい。しかしな
がら、本願発案者らは、固体高分子型燃料電池システム
を稼働中に、固体高分子型燃料電池の内部及び外部配管
の一部に腐蝕が発生することを発見した。原因を調べた
結果、それはフッ素イオンにより誘引されていることが
判明した。
【０００３】従来より固体高分子型燃料電池は複数の単
位セルとそれらを隔離するセパレーターとから構成され
ている。図６（ａ）は、単位セル構成の分解斜視図であ
り、図６（ｂ）は、単位セルの断面概念図である。図６
に示すように、各単位発電素子では、固体高分子膜の両
側に燃料ガス電極（アノード）と酸化剤ガス電極（カソ
ード）が接合されている。発電素子は、セパレーターに
より挟まれて単位セルを構成している。本図では、燃料
ガス電極と上部セパレーターとの間に燃料ガスが供給さ
れ、酸化剤ガス電極と下部セパレーターとの間に酸化剤
ガスが供給されている。燃料ガスと酸化剤ガスは固体高
分子膜を介して反応し、電力と生成水を生じる。原理的
にはこの水は純水であるはずであるが、実際にはフッ素
イオンが含まれていた。
位セルとそれらを隔離するセパレーターとから構成され
ている。図６（ａ）は、単位セル構成の分解斜視図であ
り、図６（ｂ）は、単位セルの断面概念図である。図６
に示すように、各単位発電素子では、固体高分子膜の両
側に燃料ガス電極（アノード）と酸化剤ガス電極（カソ
ード）が接合されている。発電素子は、セパレーターに
より挟まれて単位セルを構成している。本図では、燃料
ガス電極と上部セパレーターとの間に燃料ガスが供給さ
れ、酸化剤ガス電極と下部セパレーターとの間に酸化剤
ガスが供給されている。燃料ガスと酸化剤ガスは固体高
分子膜を介して反応し、電力と生成水を生じる。原理的
にはこの水は純水であるはずであるが、実際にはフッ素
イオンが含まれていた。
【０００４】固体高分子膜としては、例えば、「ナフィ
オン（Ｒ）膜」と呼ばれる固体高分子膜が知られてい
る。このような膜を使用することができるようになり、
固体高分子型燃料電池の寿命は飛躍的に延びている。こ
れらの膜の主構成はＰＴＦＥ（テフロン（Ｒ））とほぼ
等しく、炭素とフッ素の高分子体である。この基本構造
の概略は下記の通りであることが発売元であるデュポン
社等から公表されている。
オン（Ｒ）膜」と呼ばれる固体高分子膜が知られてい
る。このような膜を使用することができるようになり、
固体高分子型燃料電池の寿命は飛躍的に延びている。こ
れらの膜の主構成はＰＴＦＥ（テフロン（Ｒ））とほぼ
等しく、炭素とフッ素の高分子体である。この基本構造
の概略は下記の通りであることが発売元であるデュポン
社等から公表されている。
【化１】 ここで、ＳＯ３ ―Ｈ＋が、官能基であり、残りの部分
は、テフロンとほぼ同じ構造を持つ主鎖及び側鎖であ
る。
は、テフロンとほぼ同じ構造を持つ主鎖及び側鎖であ
る。
【０００５】上記のような固体高分子膜を使用すると、
構成元素であるフッ素等が分離し、フッ素イオンのよう
な腐食性の強いイオンが生成され、各所で腐蝕が発生し
てしまった。
構成元素であるフッ素等が分離し、フッ素イオンのよう
な腐食性の強いイオンが生成され、各所で腐蝕が発生し
てしまった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、固体
高分子膜から排出されるイオンを捕集することにより、
燃料電池及び配管の腐蝕を防止できる固体高分子型燃料
電池システムを提供することである。
高分子膜から排出されるイオンを捕集することにより、
燃料電池及び配管の腐蝕を防止できる固体高分子型燃料
電池システムを提供することである。
【０００７】本発明の目的は、燃料電池に使用された燃
料ガスや酸化剤ガスの残余ガスをリサイクル（リサイク
ル）するような完全密閉型（クローズドタイプ）であり
ながら、イオンにより配管が腐蝕することのない固体高
分子型燃料電池システムを提供することである。
料ガスや酸化剤ガスの残余ガスをリサイクル（リサイク
ル）するような完全密閉型（クローズドタイプ）であり
ながら、イオンにより配管が腐蝕することのない固体高
分子型燃料電池システムを提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】以下に、本発明の種々の
観点を達成するための燃料電池システムについて説明す
る。以下に、添付図面を参照して、本発明の固体高分子
型燃料電池システムについて詳細に説明する。
観点を達成するための燃料電池システムについて説明す
る。以下に、添付図面を参照して、本発明の固体高分子
型燃料電池システムについて詳細に説明する。
【０００９】従来の固体高分子型燃料電池システムで
は、発電素子部から出てくるフッ素イオン等の腐食性イ
オンが、固体高分子型燃料電池に供給された燃料ガス又
は酸化剤ガスの両方もしくは一方の残余ガスに同伴され
る生成水に含まれている。そこで、本発明の固体高分子
型燃料電池システムでは、固体高分子型燃料電池からの
ガス排出管にイオン除去ユニットを設け、生成水中に含
まれるイオンを除去することとした。イオン除去ユニッ
トとしてはイオン交換樹脂を利用した反応筒を用いる。
は、発電素子部から出てくるフッ素イオン等の腐食性イ
オンが、固体高分子型燃料電池に供給された燃料ガス又
は酸化剤ガスの両方もしくは一方の残余ガスに同伴され
る生成水に含まれている。そこで、本発明の固体高分子
型燃料電池システムでは、固体高分子型燃料電池からの
ガス排出管にイオン除去ユニットを設け、生成水中に含
まれるイオンを除去することとした。イオン除去ユニッ
トとしてはイオン交換樹脂を利用した反応筒を用いる。
【００１０】しかしながら、水のイオン交換をするため
の一般的な反応筒は、イオン交換樹脂が密に充填されて
おり、本発明に適用するために必要となる残余ガスと生
成水とが同時に反応筒を通過する機構は設けられていな
い。そのため、一般的な反応筒では残余ガスがほとんど
通過することができず、また通過したとしても非常に大
きな圧力損失が有り、実際的ではない。
の一般的な反応筒は、イオン交換樹脂が密に充填されて
おり、本発明に適用するために必要となる残余ガスと生
成水とが同時に反応筒を通過する機構は設けられていな
い。そのため、一般的な反応筒では残余ガスがほとんど
通過することができず、また通過したとしても非常に大
きな圧力損失が有り、実際的ではない。
【００１１】そこで、本発明の固体高分子型燃料電池シ
ステムでは、排出ガスを導入する容器を設け、その容器
内にイオン交換樹脂と水を張り、ガスをバブリングさせ
ることによってイオンを除去することとした。
ステムでは、排出ガスを導入する容器を設け、その容器
内にイオン交換樹脂と水を張り、ガスをバブリングさせ
ることによってイオンを除去することとした。
【００１２】またバブリングを用いずに、ガス中の水滴
を捕集する水トラップ機構（例えば、ガス流速の鈍化、
邪魔板、ガス流れ方向の変化や、それらの組合せ、ウイ
ックのように親水性素材を捕集剤として用いるもの、イ
オン交換樹脂そのものを水トラップ用捕集剤として使用
する等）を持たせ、トラップした水のみをイオン交換樹
脂層に導入する方法を適用すれば、バブリングさせる場
合よりガスの圧力損失は大幅に軽減され、発電システム
としての効率が上昇する。またイオン交換樹脂層には捕
集された水のみが導入されるため、水位の保持機構など
が不要となりイオン交換樹脂層の設計が容易になるとい
う利点も持つ。
を捕集する水トラップ機構（例えば、ガス流速の鈍化、
邪魔板、ガス流れ方向の変化や、それらの組合せ、ウイ
ックのように親水性素材を捕集剤として用いるもの、イ
オン交換樹脂そのものを水トラップ用捕集剤として使用
する等）を持たせ、トラップした水のみをイオン交換樹
脂層に導入する方法を適用すれば、バブリングさせる場
合よりガスの圧力損失は大幅に軽減され、発電システム
としての効率が上昇する。またイオン交換樹脂層には捕
集された水のみが導入されるため、水位の保持機構など
が不要となりイオン交換樹脂層の設計が容易になるとい
う利点も持つ。
【００１３】一方、このような反応筒では、ガス出口と
浄化された水とが別々の排出口から排出されることとな
るが、この浄化された水は重力もしくはポンプなどの力
を利用して排出される必要があり、反応筒の配置位置が
制限されたり、ポンプが必要になったり、システム要件
が制約されることとなる。
浄化された水とが別々の排出口から排出されることとな
るが、この浄化された水は重力もしくはポンプなどの力
を利用して排出される必要があり、反応筒の配置位置が
制限されたり、ポンプが必要になったり、システム要件
が制約されることとなる。
【００１４】そこで、反応筒内部にてガスと浄化された
水とを再び混合することとした。これによれば、浄化さ
れた水は、圧力損失をあまり受けずに流出するガスに再
び同伴されるため、追加のポンプなどを必要とせず、反
応筒が無い場合とほぼ同じシステム要件にて設計でき
る。
水とを再び混合することとした。これによれば、浄化さ
れた水は、圧力損失をあまり受けずに流出するガスに再
び同伴されるため、追加のポンプなどを必要とせず、反
応筒が無い場合とほぼ同じシステム要件にて設計でき
る。
【００１５】また、本発明の固体高分子型燃料電池シス
テムは、燃料ガス又は酸化剤ガス燃料ガスの少なくとも
一方の残余ガスを再び供給側に戻すガスリサイクル機構
（ガスリサイクルシステム）と供給ガスの加湿器とを備
え、固体高分子型燃料電池の生成水が加湿器に戻る場合
に、除去すべきイオンを含む生成水が加湿器の水と混合
できることを利用して加湿器の液層部でイオンを除去す
ることとした。
テムは、燃料ガス又は酸化剤ガス燃料ガスの少なくとも
一方の残余ガスを再び供給側に戻すガスリサイクル機構
（ガスリサイクルシステム）と供給ガスの加湿器とを備
え、固体高分子型燃料電池の生成水が加湿器に戻る場合
に、除去すべきイオンを含む生成水が加湿器の水と混合
できることを利用して加湿器の液層部でイオンを除去す
ることとした。
【００１６】加湿器液層部のイオン除去方法として本発
明では、加湿器内に直接イオン除去ユニットを設置して
その場（加湿器内）でイオンを除去する方法と、加湿器
の水量を利用して水をポンプ等で外部に引き出してイオ
ン除去ユニットに導入する方法とを考案した。また、こ
れら加湿器の水を浄化するイオン除去ユニットを用いる
ことによって加湿器の水は常に清浄に保たれるため、腐
食性を持たず、加湿器の水を燃料電池の冷却水として兼
用したり、ガスリサイクル用のエジェクタ駆動水として
兼用したりすることが可能となる。
明では、加湿器内に直接イオン除去ユニットを設置して
その場（加湿器内）でイオンを除去する方法と、加湿器
の水量を利用して水をポンプ等で外部に引き出してイオ
ン除去ユニットに導入する方法とを考案した。また、こ
れら加湿器の水を浄化するイオン除去ユニットを用いる
ことによって加湿器の水は常に清浄に保たれるため、腐
食性を持たず、加湿器の水を燃料電池の冷却水として兼
用したり、ガスリサイクル用のエジェクタ駆動水として
兼用したりすることが可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照して、本発
明の固体高分子型燃料電池システムを説明する。図１、
図２は、全体のシステム系統の例を示し、図３乃至図５
は、イオン除去ユニット部分の拡大図である。
明の固体高分子型燃料電池システムを説明する。図１、
図２は、全体のシステム系統の例を示し、図３乃至図５
は、イオン除去ユニット部分の拡大図である。
【００１８】まず、図１を参照して、本発明の第１の実
施の形態による固体高分子型燃料電池システムの全体の
システム系統を説明する。ここではガスリサイクルシス
テムを持つものを記載した。
施の形態による固体高分子型燃料電池システムの全体の
システム系統を説明する。ここではガスリサイクルシス
テムを持つものを記載した。
【００１９】第１の実施の形態による固体高分子型燃料
電池システムでは、固体高分子型燃料電池２は、燃料ガ
ス供給管６２と酸化剤ガス供給管７０を通してそれぞれ
供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行い、電
力を出力し、且つ反応副生物として生成水を排出する。
残余の燃料ガスと酸化剤ガスとは、燃料ガス排出管５６
と酸化剤ガス排出管６８を通してそれぞれ排出される。
ここで、反応副生物である生成水は、燃料ガス排出管５
６と酸化剤ガス排出管６８の少なくとも一方を、多くの
場合には両方を通して排出される。
電池システムでは、固体高分子型燃料電池２は、燃料ガ
ス供給管６２と酸化剤ガス供給管７０を通してそれぞれ
供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより発電を行い、電
力を出力し、且つ反応副生物として生成水を排出する。
残余の燃料ガスと酸化剤ガスとは、燃料ガス排出管５６
と酸化剤ガス排出管６８を通してそれぞれ排出される。
ここで、反応副生物である生成水は、燃料ガス排出管５
６と酸化剤ガス排出管６８の少なくとも一方を、多くの
場合には両方を通して排出される。
【００２０】更に、この実施の形態では、燃料として水
素が用いられ、酸化剤ガスとしては酸素が用いられる。
固体高分子型燃料電池システムは、燃料ガス加湿器６、
酸化剤ガス加湿器４、燃料ガス側加湿水ポンプ１６、酸
化剤ガス側加湿水ポンプ１８、燃料ガスリサイクル機構
の燃料ガスエジェクタ１０、酸化剤ガスリサイクル機構
の酸化剤ガスエジェクタ８を具備する完全密閉型（クロ
ーズドタイプ）のシステムである。
素が用いられ、酸化剤ガスとしては酸素が用いられる。
固体高分子型燃料電池システムは、燃料ガス加湿器６、
酸化剤ガス加湿器４、燃料ガス側加湿水ポンプ１６、酸
化剤ガス側加湿水ポンプ１８、燃料ガスリサイクル機構
の燃料ガスエジェクタ１０、酸化剤ガスリサイクル機構
の酸化剤ガスエジェクタ８を具備する完全密閉型（クロ
ーズドタイプ）のシステムである。
【００２１】燃料ガスは、ガス供給系５２から新規に供
給されるものと、燃料ガスエジェクタ１０からリサイク
ルされるものとが、燃料ガス加湿器６で混合され燃料電
池２へ供給される。燃料ガス排出管５６から排出される
残余の燃料ガスは、燃料ガスエジェクタ１０によって冷
却水と共に燃料ガス加湿器６にリサイクルされる。ここ
で冷却水と呼ばれる燃料ガス側の循環水は、燃料ガス加
湿器６から出て、燃料ガス側加湿水ポンプ１６により、
冷却水供給管５４、冷却器４０、固体高分子型燃料電池
２、冷却水排水管５８、及び冷却水排水管の途中に設け
られた燃料ガスエジェクタ１０を通り、燃料ガス加湿器
６まで循環される。固体高分子型燃料電池２では発電に
伴い発熱するが、この冷却水により冷却され、適切な作
動温度に保持される。
給されるものと、燃料ガスエジェクタ１０からリサイク
ルされるものとが、燃料ガス加湿器６で混合され燃料電
池２へ供給される。燃料ガス排出管５６から排出される
残余の燃料ガスは、燃料ガスエジェクタ１０によって冷
却水と共に燃料ガス加湿器６にリサイクルされる。ここ
で冷却水と呼ばれる燃料ガス側の循環水は、燃料ガス加
湿器６から出て、燃料ガス側加湿水ポンプ１６により、
冷却水供給管５４、冷却器４０、固体高分子型燃料電池
２、冷却水排水管５８、及び冷却水排水管の途中に設け
られた燃料ガスエジェクタ１０を通り、燃料ガス加湿器
６まで循環される。固体高分子型燃料電池２では発電に
伴い発熱するが、この冷却水により冷却され、適切な作
動温度に保持される。
【００２２】酸化剤ガスは、ガス供給系７２から新規に
供給されるものと、酸化剤ガスエジェクタ８からリサイ
クルされるものとが、酸化剤ガス加湿器４で混合され燃
料電池２へ供給される。酸化剤ガス排出管６８から排出
される残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガスエジェクタ８に
よって循環水と共に酸化剤ガス加湿器４にリサイクルさ
れる。ここで循環水と呼ばれる酸化剤ガス側の水は、酸
化剤ガス加湿器４から出て、酸化剤ガス側加湿水ポンプ
１８により、循環管６４，６６、及び循環管６４，６６
の途中に設けられた酸化剤ガスエジェクタ８を通り、酸
化剤ガス加湿器４まで循環される。
供給されるものと、酸化剤ガスエジェクタ８からリサイ
クルされるものとが、酸化剤ガス加湿器４で混合され燃
料電池２へ供給される。酸化剤ガス排出管６８から排出
される残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガスエジェクタ８に
よって循環水と共に酸化剤ガス加湿器４にリサイクルさ
れる。ここで循環水と呼ばれる酸化剤ガス側の水は、酸
化剤ガス加湿器４から出て、酸化剤ガス側加湿水ポンプ
１８により、循環管６４，６６、及び循環管６４，６６
の途中に設けられた酸化剤ガスエジェクタ８を通り、酸
化剤ガス加湿器４まで循環される。
【００２３】燃料ガス加湿器６と酸化剤ガス加湿器４
は、それぞれヒータ１１３，１１２を内蔵し、固体高分
子型燃料電池２に供給される燃料ガスと酸化剤ガスをそ
れぞれ適切な加湿度に調節し、燃料電池の反応特性を良
好に保つ役目を持つ。
は、それぞれヒータ１１３，１１２を内蔵し、固体高分
子型燃料電池２に供給される燃料ガスと酸化剤ガスをそ
れぞれ適切な加湿度に調節し、燃料電池の反応特性を良
好に保つ役目を持つ。
【００２４】尚、上記の説明では、イオン除去ユニット
の説明は省略されている。イオン除去ユニットについて
は、以下に詳細に説明する。
の説明は省略されている。イオン除去ユニットについて
は、以下に詳細に説明する。
【００２５】次に、図２を参照して、本発明の第２の実
施の形態による固体高分子型燃料電池システムの全体の
システム系統を説明する。第２の実施の形態による固体
高分子型燃料電池システムの構成は、ほぼ第１の実施の
形態における固体高分子型燃料電池システムと同様であ
る。異なる点は、イオン除去ユニットだけである。
施の形態による固体高分子型燃料電池システムの全体の
システム系統を説明する。第２の実施の形態による固体
高分子型燃料電池システムの構成は、ほぼ第１の実施の
形態における固体高分子型燃料電池システムと同様であ
る。異なる点は、イオン除去ユニットだけである。
【００２６】第１及び第２の実施の形態に示す固体高分
子型燃料電池システムは、深海探査用の潜水艇などに使
用されるものを一例として記述した。この場合、生成
水、燃料ガス、酸化剤ガス等をやたらに放出することが
できないため、生成水、燃料ガス、酸化剤ガス等の全て
がクローズドシステムとして構成されている。
子型燃料電池システムは、深海探査用の潜水艇などに使
用されるものを一例として記述した。この場合、生成
水、燃料ガス、酸化剤ガス等をやたらに放出することが
できないため、生成水、燃料ガス、酸化剤ガス等の全て
がクローズドシステムとして構成されている。
【００２７】しかしながら固体高分子膜を使用した固体
高分子型燃料電池では、前述の通り、フッ素イオンのよ
うなイオンが排出され、本実施例のような循環系内を循
環すると、各所で腐蝕が発生することになる。
高分子型燃料電池では、前述の通り、フッ素イオンのよ
うなイオンが排出され、本実施例のような循環系内を循
環すると、各所で腐蝕が発生することになる。
【００２８】そこで、燃料ガス排出管５６と酸化剤ガス
排出管６８のうち少なくとも生成水が排出される管の固
体高分子型燃料電池２側に、生成水中に含まれるイオン
を除去するための第１のイオン除去ユニット１２，１４
が設けられている。燃料ガス加湿器６と酸化剤ガス加湿
器４には、冷却水又は前記循環水に含まれるイオンを除
去するための第２のイオン除去ユニット７６、７８が設
けられている。これにより、イオン除去ができ、目的と
する防蝕が可能となる。尚、第２のイオン除去ユニット
７６，７８は、少なくとも生成水が排出されるようには
設けられることが望ましい。
排出管６８のうち少なくとも生成水が排出される管の固
体高分子型燃料電池２側に、生成水中に含まれるイオン
を除去するための第１のイオン除去ユニット１２，１４
が設けられている。燃料ガス加湿器６と酸化剤ガス加湿
器４には、冷却水又は前記循環水に含まれるイオンを除
去するための第２のイオン除去ユニット７６、７８が設
けられている。これにより、イオン除去ができ、目的と
する防蝕が可能となる。尚、第２のイオン除去ユニット
７６，７８は、少なくとも生成水が排出されるようには
設けられることが望ましい。
【００２９】また、冷却水供給管５４の燃料ガス加湿器
６側と、循環管６４，６６の酸化剤ガス加湿器４側との
少なくとも一方に設けられ、冷却水又は循環水に含まれ
るイオンを除去するための第３のイオン除去ユニット２
８／３０が設けられてもよい。また、冷却水供給管５４
の途中に設けられた冷却水バイパス管２０の途中と、酸
化剤ガス加湿器６と酸化剤ガスエジェクタ８の間に設け
られた循環水バイパス管２４の途中との少なくとも一方
に設けられ、冷却水又は循環水に含まれるイオンを除去
するための第４のイオン除去ユニット２２、２６が設け
られてもよい。これら第１〜４のイオン除去ユニットは
１つだけ設けられてもよいし、また複数設けられてもよ
い。
６側と、循環管６４，６６の酸化剤ガス加湿器４側との
少なくとも一方に設けられ、冷却水又は循環水に含まれ
るイオンを除去するための第３のイオン除去ユニット２
８／３０が設けられてもよい。また、冷却水供給管５４
の途中に設けられた冷却水バイパス管２０の途中と、酸
化剤ガス加湿器６と酸化剤ガスエジェクタ８の間に設け
られた循環水バイパス管２４の途中との少なくとも一方
に設けられ、冷却水又は循環水に含まれるイオンを除去
するための第４のイオン除去ユニット２２、２６が設け
られてもよい。これら第１〜４のイオン除去ユニットは
１つだけ設けられてもよいし、また複数設けられてもよ
い。
【００３０】また、本発明の固体高分子型燃料電池を製
造する際には、高分子膜の両側に燃料ガス側電極と酸化
剤ガス側電極とを溶着して電極アッセンブリが形成さ
れ、前記電極アッセンブリが洗浄され、記洗浄された電
極アッセンブリを用いて燃料電池の単位セルが形成され
る。ここで、前記洗浄は、熱水を用いる煮沸洗浄である
ことが望ましい。
造する際には、高分子膜の両側に燃料ガス側電極と酸化
剤ガス側電極とを溶着して電極アッセンブリが形成さ
れ、前記電極アッセンブリが洗浄され、記洗浄された電
極アッセンブリを用いて燃料電池の単位セルが形成され
る。ここで、前記洗浄は、熱水を用いる煮沸洗浄である
ことが望ましい。
【００３１】次に、図３乃至図５を用いて、イオン除去
ユニットを詳細に説明する。全体システム系統である図
１、図２に記載したイオン除去ユニット１２，１４は、
例えば、図３（ａ）に示すバブリングポット１００であ
る。バブリングポット１００内には水が張られ、その中
に排出ガスが通される。ガス成分は泡となり出て行く
が、水分はポット１００内に在留する。ポット１００の
水中にはイオン交換樹脂があり、排出されたフッ素イオ
ンはイオン交換樹脂に吸着する。こうして、フッ素イオ
ンを取り除くことができる。但し、この場合には、燃料
ガス及び酸化剤ガスを循環させるときの圧力損失が大き
い。
ユニットを詳細に説明する。全体システム系統である図
１、図２に記載したイオン除去ユニット１２，１４は、
例えば、図３（ａ）に示すバブリングポット１００であ
る。バブリングポット１００内には水が張られ、その中
に排出ガスが通される。ガス成分は泡となり出て行く
が、水分はポット１００内に在留する。ポット１００の
水中にはイオン交換樹脂があり、排出されたフッ素イオ
ンはイオン交換樹脂に吸着する。こうして、フッ素イオ
ンを取り除くことができる。但し、この場合には、燃料
ガス及び酸化剤ガスを循環させるときの圧力損失が大き
い。
【００３２】このため、バブリングポット１００に代え
て、図３（ｂ）に示す邪魔板によるトラップ構造１０２
が採用されてもよい。排出ガスのガス成分はそのまま出
力され、トラップ構造１０２の底には水成分が残る。底
には、バブリングポット１００と同様に、イオン交換樹
脂が存在し、フッ素イオンを吸着する。トラップ構造１
０２では、圧力損失が小さく、ポンプ１６，１８の駆動
能力を増加する必要がないなどの利点がある。トラップ
構造としては、その他の方式として図５（ａ）に示す反
応筒内に粒子径の大きい（約５ｍｍ〜２０ｍｍの）ダミ
ーボールを混入し、イオン交換樹脂層の中に空間を作る
ものもイオン捕捉能は高く有効である。
て、図３（ｂ）に示す邪魔板によるトラップ構造１０２
が採用されてもよい。排出ガスのガス成分はそのまま出
力され、トラップ構造１０２の底には水成分が残る。底
には、バブリングポット１００と同様に、イオン交換樹
脂が存在し、フッ素イオンを吸着する。トラップ構造１
０２では、圧力損失が小さく、ポンプ１６，１８の駆動
能力を増加する必要がないなどの利点がある。トラップ
構造としては、その他の方式として図５（ａ）に示す反
応筒内に粒子径の大きい（約５ｍｍ〜２０ｍｍの）ダミ
ーボールを混入し、イオン交換樹脂層の中に空間を作る
ものもイオン捕捉能は高く有効である。
【００３３】更に、図５（ｂ）に示すように分離したガ
スの流路を浄化した水の流路に交叉・合流することによ
って、ガスと水とを再び混合し排出する構造を持つイオ
ン除去ユニットが可能となり、配置が容易となる。
スの流路を浄化した水の流路に交叉・合流することによ
って、ガスと水とを再び混合し排出する構造を持つイオ
ン除去ユニットが可能となり、配置が容易となる。
【００３４】次に、図１、図２に記載したイオン除去ユ
ニット７６，７８は、図４（ａ）に概念的に示される。
イオン除去ユニット７６，７８は、前述の通り、燃料ガ
ス加湿器６と酸化剤ガス加湿器４内に設けられる。イオ
ン除去ユニット７６，７８は、イオン交換樹脂が封入さ
れた水の出入りが自由な容器である。この容器はイオン
交換樹脂の交換時にイオン交換樹脂を容易に取り出すこ
とも可能とする。
ニット７６，７８は、図４（ａ）に概念的に示される。
イオン除去ユニット７６，７８は、前述の通り、燃料ガ
ス加湿器６と酸化剤ガス加湿器４内に設けられる。イオ
ン除去ユニット７６，７８は、イオン交換樹脂が封入さ
れた水の出入りが自由な容器である。この容器はイオン
交換樹脂の交換時にイオン交換樹脂を容易に取り出すこ
とも可能とする。
【００３５】このイオン除去ユニットは、加湿器４，６
内の加湿するためのヒーターにより損傷する恐れがあ
り、また加湿器４，６の構造が複雑になるということは
あるが、加湿器内部に内包されてしまうため、システム
として構造がコンパクトになる。これは、固体高分子型
燃料電池システムが潜水艇のように限られた空間内に設
置されなければならないときに有利である。
内の加湿するためのヒーターにより損傷する恐れがあ
り、また加湿器４，６の構造が複雑になるということは
あるが、加湿器内部に内包されてしまうため、システム
として構造がコンパクトになる。これは、固体高分子型
燃料電池システムが潜水艇のように限られた空間内に設
置されなければならないときに有利である。
【００３６】また、図１、図２に記載したイオン除去ユ
ニット２８，３０は、図４（ｂ）に概念的に示される。
前述の通り、イオン除去ユニット２８は冷却水供給管５
４の途中に設けられ、また、イオン除去ユニット３０は
循環水供給管６４の途中に設けられている。イオン除去
ユニット２８と３０は、ポンプ１８，１６から吐出され
る水からイオン除去をすることから、一般的に使用され
るイオン交換樹脂筒と同じく、特殊な内部構造を持たな
い反応筒を用いることが出来る。
ニット２８，３０は、図４（ｂ）に概念的に示される。
前述の通り、イオン除去ユニット２８は冷却水供給管５
４の途中に設けられ、また、イオン除去ユニット３０は
循環水供給管６４の途中に設けられている。イオン除去
ユニット２８と３０は、ポンプ１８，１６から吐出され
る水からイオン除去をすることから、一般的に使用され
るイオン交換樹脂筒と同じく、特殊な内部構造を持たな
い反応筒を用いることが出来る。
【００３７】但し、本実施例のように冷却水として兼用
したりエジェクタの駆動水として兼用する場合には兼用
する対象によって循環水量が決定され、その水量に適し
た反応筒は容積が大きくなるとともに圧力損失が大きく
なりシステム特性を低下させる要因となることが多い。
したりエジェクタの駆動水として兼用する場合には兼用
する対象によって循環水量が決定され、その水量に適し
た反応筒は容積が大きくなるとともに圧力損失が大きく
なりシステム特性を低下させる要因となることが多い。
【００３８】このように循環水の兼用を行い、且つ目的
のイオン除去ユニットを設置するためには、図４（ｃ）
に示す位置にイオン除去ユニット２２，２６を設ける方
法がある。前述の通り、イオン除去ユニット２２は、冷
却水供給管５４に分岐路２０が設けられ、その分岐路２
０の途中に設けられる。また、イオン除去ユニット２６
は、循環水供給管６４に分岐路２４が設けられ、その分
岐路２４の途中に設けられる。
のイオン除去ユニットを設置するためには、図４（ｃ）
に示す位置にイオン除去ユニット２２，２６を設ける方
法がある。前述の通り、イオン除去ユニット２２は、冷
却水供給管５４に分岐路２０が設けられ、その分岐路２
０の途中に設けられる。また、イオン除去ユニット２６
は、循環水供給管６４に分岐路２４が設けられ、その分
岐路２４の途中に設けられる。
【００３９】イオン除去ユニット２２と２６は、イオン
除去ユニット２８と３０と同じく、特殊な内部構造を持
たない反応筒へイオン交換樹脂を充填したものを用いる
ことが出来る。この場合には、イオンの除去能力は、分
岐量および反応筒内容積により定まる。分離量が任意に
設定することができることから設計自由度が有り、シス
テム特性を低下させないというメリットがある。
除去ユニット２８と３０と同じく、特殊な内部構造を持
たない反応筒へイオン交換樹脂を充填したものを用いる
ことが出来る。この場合には、イオンの除去能力は、分
岐量および反応筒内容積により定まる。分離量が任意に
設定することができることから設計自由度が有り、シス
テム特性を低下させないというメリットがある。
【００４０】これらイオン除去ユニット２８，３０や２
２，２６は、液層のみからイオン除去を行うため、イオ
ン除去能が高く、また一般的な手法を適用できるなどの
メリットも大きいが、燃料ガス加湿器６と酸化剤ガス加
湿器４の後流側に設けられるので、加湿器４，６にイオ
ンが流入することは避けられない。このため、加湿器等
に耐蝕性の強くない金属を用いる必要がある場合には、
イオン除去ユニット１２、１４、及びイオン除去ユニッ
ト７６，７８と一緒に使用することが望ましい。
２，２６は、液層のみからイオン除去を行うため、イオ
ン除去能が高く、また一般的な手法を適用できるなどの
メリットも大きいが、燃料ガス加湿器６と酸化剤ガス加
湿器４の後流側に設けられるので、加湿器４，６にイオ
ンが流入することは避けられない。このため、加湿器等
に耐蝕性の強くない金属を用いる必要がある場合には、
イオン除去ユニット１２、１４、及びイオン除去ユニッ
ト７６，７８と一緒に使用することが望ましい。
【００４１】本発明の実施形態では、燃料ガス及び酸化
剤ガスともにリサイクルされているが、どちらもリサイ
クルされていない場合でも、どちらか一方だけがリサイ
クルされている場合でも本願は適用可能である。また、
本発明の実施形態では、固体高分子型燃料電池２への冷
却水は燃料ガスをリサイクルするためにも使用されてい
るが、酸化剤ガスをリサイクルするために使用されても
よい。そのためには、上記の説明において、酸化剤ガス
と燃料ガスを入れ替えて読めば十分である。また、本発
明による固体高分子型燃料電池システムは、自動車など
の車両に搭載される燃料電池システムにも適用可能であ
る。
剤ガスともにリサイクルされているが、どちらもリサイ
クルされていない場合でも、どちらか一方だけがリサイ
クルされている場合でも本願は適用可能である。また、
本発明の実施形態では、固体高分子型燃料電池２への冷
却水は燃料ガスをリサイクルするためにも使用されてい
るが、酸化剤ガスをリサイクルするために使用されても
よい。そのためには、上記の説明において、酸化剤ガス
と燃料ガスを入れ替えて読めば十分である。また、本発
明による固体高分子型燃料電池システムは、自動車など
の車両に搭載される燃料電池システムにも適用可能であ
る。
【００４２】
【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、固
体高分子型燃料電池システムは、固体高分子膜から排出
されるイオンを回収することができる。従って、生成水
が外部環境を腐蝕し汚染することがない。
体高分子型燃料電池システムは、固体高分子膜から排出
されるイオンを回収することができる。従って、生成水
が外部環境を腐蝕し汚染することがない。
【００４３】固体高分子型燃料電池は、実施例で述べた
潜水艇ばかりでなく自動車での利用や家庭での分散発電
システムとしての利用が検討されている。この場合、生
成水がそのまま垂れ流された場合、フッ素イオンのよう
な有害なイオンが捲き散らかされることになる。そのよ
うな事態を防止するためにも本発明は有効である。
潜水艇ばかりでなく自動車での利用や家庭での分散発電
システムとしての利用が検討されている。この場合、生
成水がそのまま垂れ流された場合、フッ素イオンのよう
な有害なイオンが捲き散らかされることになる。そのよ
うな事態を防止するためにも本発明は有効である。
【００４４】もちろん、本発明の固体高分子型燃料電池
システムは、配管の腐蝕をも防止できる。従って、固体
高分子型燃料電池システムの寿命を延ばすことができ
る。
システムは、配管の腐蝕をも防止できる。従って、固体
高分子型燃料電池システムの寿命を延ばすことができ
る。
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による固体高
分子型燃料電池システムの構成を示すブロック図であ
る。
分子型燃料電池システムの構成を示すブロック図であ
る。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態による固体高
分子型燃料電池システムの構成を示すブロック図であ
る。
分子型燃料電池システムの構成を示すブロック図であ
る。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施形態による固体高
分子型燃料電池システムで使用されるイオン除去ユニッ
トとしてのバブリングポットを示す図であり、図３
（ｂ）は、イオン除去ユニットとしてのトラップ構造を
示す図である。
分子型燃料電池システムで使用されるイオン除去ユニッ
トとしてのバブリングポットを示す図であり、図３
（ｂ）は、イオン除去ユニットとしてのトラップ構造を
示す図である。
【図４】図４（ａ）は、加湿器に設けられたイオン交換
樹脂を示す図であり、図４（ｂ）は、本発明の実施形態
による固体高分子型燃料電池システムで使用されるイオ
ン除去ユニットとしての供給管に設けられたイオン交換
樹脂を示す図であり、図４（ｃ）は、イオン除去ユニッ
トとしての供給管からの分岐路に設けられたイオン交換
樹脂を示す図である。
樹脂を示す図であり、図４（ｂ）は、本発明の実施形態
による固体高分子型燃料電池システムで使用されるイオ
ン除去ユニットとしての供給管に設けられたイオン交換
樹脂を示す図であり、図４（ｃ）は、イオン除去ユニッ
トとしての供給管からの分岐路に設けられたイオン交換
樹脂を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、ダミーボールを用いたイオン除
去ユニットの構造を示す図であり、図５（ｂ）は、分離
したガスと浄化した水とが再混合されて排出されるイオ
ン除去ユニットの構造を示す図である。
去ユニットの構造を示す図であり、図５（ｂ）は、分離
したガスと浄化した水とが再混合されて排出されるイオ
ン除去ユニットの構造を示す図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の一実施形態による固体
高分子型燃料電池システムで使用される単位セルの分解
図であり、図６（ｂ）は、単位セルの組立図である。
高分子型燃料電池システムで使用される単位セルの分解
図であり、図６（ｂ）は、単位セルの組立図である。
２：固体高分子型燃料電池 ４：酸化剤ガス加湿器 ６：燃料ガス加湿器 ８：酸化剤ガスエジェクタ １０：燃料ガスエジェクタ １２，１４，２２，２６，２８，３０，７６，７８：イ
オン除去ユニット １６：冷却水用ポンプ（燃料ガス側加湿水ポンプとも呼
ぶ） １８：循環水ポンプ（酸化剤ガス側加湿水ポンプとも呼
ぶ） ２０：冷却水バイパス管 ２４：循環水バイパス管 ３２：燃料ガスボンベ ３４：酸化剤ガスボンベ ５２：燃料ガス供給系配管 ５４：冷却水供給管 ５６：燃料ガス排出管 ５８、６０：冷却水排水管 ６２：燃料ガス供給管 ６４：循環水供給管 ６６：循環水排水管 ６８：酸化剤ガス排出管 ７０：酸化剤ガス供給管 ７２：酸化剤ガス供給系配管 １００：バブリングポット １０２：トラップ構造 １１３，１１２：ヒータ １１０，１１１：ドレイン
オン除去ユニット １６：冷却水用ポンプ（燃料ガス側加湿水ポンプとも呼
ぶ） １８：循環水ポンプ（酸化剤ガス側加湿水ポンプとも呼
ぶ） ２０：冷却水バイパス管 ２４：循環水バイパス管 ３２：燃料ガスボンベ ３４：酸化剤ガスボンベ ５２：燃料ガス供給系配管 ５４：冷却水供給管 ５６：燃料ガス排出管 ５８、６０：冷却水排水管 ６２：燃料ガス供給管 ６４：循環水供給管 ６６：循環水排水管 ６８：酸化剤ガス排出管 ７０：酸化剤ガス供給管 ７２：酸化剤ガス供給系配管 １００：バブリングポット １０２：トラップ構造 １１３，１１２：ヒータ １１０，１１１：ドレイン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 山根 司 長崎県長崎市飽の浦町１番１号 三菱重工 業株式会社長崎造船所内 Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA09 BC19 BE07
Claims (8)
- 【請求項１】燃料ガス供給管と酸化剤ガス供給管を通し
てそれぞれ供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより水を
生成し、且つ電力を出力し、残余の燃料ガスと酸化剤ガ
スとを燃料ガス排出管と酸化剤ガス排出管を通して排出
ガスとして排出する固体高分子型燃料電池と、 前記生成水は前記燃料ガス排出管と前記酸化剤ガス排出
管との少なくとも一方を通して排出され、前記燃料ガス
排出管と前記酸化剤ガス排出管のうち、前記生成水が排
出される少なくとも一方の管の前記固体高分子型燃料電
池側に設けられ、前記排出ガスに同伴する前記生成水中
に含まれるイオンを除去するためのイオン除去ユニット
とを具備する固体高分子型燃料電池システム。 - 【請求項２】請求項１に記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムにおいて、 前記イオン除去ユニットは、前記排出ガスとそれに同伴
する前記生成水を前記排出ガスと前記生成水とに分離
し、分離された前記生成水からイオンを除去する固体高
分子型燃料電池システム。 - 【請求項３】請求項２に記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムにおいて、 前記イオン除去ユニットは、分離された前記排出ガスと
前記イオンが除去された前記生成水とを再び混合し排出
する固体高分子型燃料電池システム。 - 【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載の固体高
分子型燃料電池システムにおいて、 前記残余の燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を再
び供給側に戻すガスリサイクル機構と、前記戻すガスは
前記生成水を伴い、 前記戻されたガスを加湿して前記固体高分子型燃料電池
に供給する加湿器とをさらに具備し、 前記加湿器は、前記ガスリサイクル機構によって、前記
戻されたガスに同伴されて前記加湿器まで戻された前記
生成水中に含まれるイオンを除去するための第１イオン
除去ユニットを具備する固体高分子型燃料電池システ
ム。 - 【請求項５】請求項４に記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムにおいて、 前記ガスリサイクル機構は、その途中に設けられ、前記
生成水中に含まれるイオンを除去するための第２イオン
除去ユニットを具備する固体高分子型燃料電池システ
ム。 - 【請求項６】請求項４又は５に記載の固体高分子型燃料
電池システムにおいて、 前記ガスリサイクル機構は、前記排出ガスとそれに同伴
される前記生成水を前記燃料電池から除くためのエジェ
クタを具備し、前記エジュエクタは、前記加湿器からの
水により駆動され、前記生成水中に含まれるイオンは除
去される固体高分子型燃料電池システム。 - 【請求項７】燃料ガス供給管と酸化剤ガス供給管を通し
てそれぞれ供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより水を
生成し、且つ電力を出力し、残余の燃料ガスと酸化剤ガ
スとを燃料ガス排出管と酸化剤ガス排出管を通して排出
する固体高分子型燃料電池と、 前記残余の燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を再
び供給側に戻すガスリサイクル機構と、 前記戻されたガスを加湿して前記固体高分子型燃料電池
に供給する加湿器とを具備し、 前記加湿器は、前記ガスリサイクル機構によって、前記
戻されたガスに同伴されて前記加湿器まで戻された前記
生成水中に含まれるイオンを除去するための第１イオン
除去ユニットを具備する固体高分子型燃料電池システ
ム。 - 【請求項８】燃料ガス供給管と酸化剤ガス供給管を通し
てそれぞれ供給される燃料ガスと酸化剤ガスにより水を
生成し、且つ電力を出力し、残余の燃料ガスと酸化剤ガ
スとを燃料ガス排出管と酸化剤ガス排出管を通して排出
する固体高分子型燃料電池と、 残余の燃料ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を再び供
給側に戻すガスリサイクル機構と、前記戻すガスは前記
生成水を伴い、 前記戻されたガスを加湿して前記固体高分子型燃料電池
に供給する加湿器とを具備し、 前記ガスリサイクル機構は、その途中に設けられ、前記
生成水中に含まれるイオンを除去するための第２イオン
除去ユニットを具備する固体高分子型燃料電池システ
ム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001115814A JP5021868B2 (ja) | 2001-04-13 | 2001-04-13 | 固体高分子型燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001115814A JP5021868B2 (ja) | 2001-04-13 | 2001-04-13 | 固体高分子型燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002313404A true JP2002313404A (ja) | 2002-10-25 |
| JP5021868B2 JP5021868B2 (ja) | 2012-09-12 |
Family
ID=18966651
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001115814A Expired - Fee Related JP5021868B2 (ja) | 2001-04-13 | 2001-04-13 | 固体高分子型燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5021868B2 (ja) |
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2001
- 2001-04-13 JP JP2001115814A patent/JP5021868B2/ja not_active Expired - Fee Related
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