JP2003168458A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子形燃
料電池、リン酸形燃料電池、メタノール直接型燃料電
池、ジメチルエーテル直接型燃料電池、アルカリ形燃料
電池などの燃料電池、すなわち２００℃以下の低温で動
作する燃料電池に関し、特に酸化剤ガスの温度と湿度を
調整する温度湿度調整装置を備えた燃料電池に関するも
のである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell such as a polymer electrolyte fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, a methanol direct fuel cell, a dimethyl ether direct fuel cell and an alkaline fuel cell, that is, at a temperature of 200 ° C. or lower. The present invention relates to a fuel cell that operates at a low temperature, and particularly to a fuel cell that includes a temperature / humidity adjusting device that adjusts the temperature and humidity of an oxidant gas.
【０００２】[0002]
【従来の技術】燃料電池においては、燃料としての純水
素、天然ガス、プロパン、ブタン、メタノール及びジメ
チルエーテル等が、改質器で改質され、水素を主成分と
する二酸化炭素などのガスを含む改質燃料ガス、すなわ
ち燃料ガスに変換されて燃料電極に供給される。一方、
反応ガスとしては、空気、純酸素もしくは酸素濃度を高
めた空気が酸化剤ガス（酸化剤供給ガス）として酸化剤
電極に供給される。2. Description of the Related Art In a fuel cell, pure hydrogen as a fuel, natural gas, propane, butane, methanol, dimethyl ether, etc. are reformed by a reformer and contain a gas such as carbon dioxide containing hydrogen as a main component. It is converted into reformed fuel gas, that is, fuel gas and supplied to the fuel electrode. on the other hand,
As the reaction gas, air, pure oxygen, or air having an increased oxygen concentration is supplied to the oxidant electrode as an oxidant gas (oxidant supply gas).
【０００３】燃料電極および酸化剤電極では、水素と酸
素の反応によって水が生成される。そのため、電解質は
下流側で湿潤になり、酸化剤ガスに水分が添加されて排
出させる。燃料ガス側と酸化剤ガス側に排出される水分
の比率は、反応によって燃料電極と酸化剤電極のどちら
に生成水が生成されるかによらず、燃料ガスと酸化剤ガ
スの流量の比率によって決まる。すなわち、燃料ガスお
よび酸化剤ガスによって水分が持ち去られる。At the fuel electrode and the oxidizer electrode, water is produced by the reaction of hydrogen and oxygen. Therefore, the electrolyte becomes wet on the downstream side, and water is added to the oxidant gas and discharged. The ratio of the water discharged to the fuel gas side and the oxidant gas side depends on the ratio of the flow rates of the fuel gas and the oxidant gas, regardless of whether the generated water is generated in the fuel electrode or the oxidant electrode by the reaction. Decided. That is, moisture is carried away by the fuel gas and the oxidant gas.
【０００４】そして、供給する反応ガスが乾燥している
場合、酸化剤ガスの入口付近の電解質は乾燥してしま
う。このことは、固体高分子電解質、りん酸、硫酸、Ｋ
ＯＨなどの電解質の種類によらず同じことである。酸化
剤ガスおよび純水素の場合は、供給反応ガスが乾燥して
いるので加湿して供給する必要がある。また、燃料電池
は室温よりも高い温度で反応するので、反応ガスの出口
温度は、反応ガスの入口温度よりも高くなり、反応ガス
によって燃料電池を冷却することになる。If the reaction gas supplied is dry, the electrolyte near the inlet of the oxidant gas will be dry. This means that solid polymer electrolytes, phosphoric acid, sulfuric acid, K
It is the same regardless of the type of electrolyte such as OH. In the case of the oxidant gas and pure hydrogen, it is necessary to humidify and supply the supplied reaction gas because it is dry. Further, since the fuel cell reacts at a temperature higher than room temperature, the outlet temperature of the reaction gas becomes higher than the inlet temperature of the reaction gas, and the reaction gas cools the fuel cell.
【０００５】しかし、燃料電池の長所の１つは排熱利用
であり、反応ガスによって燃料電池の排熱が持ち去られ
てしまうと、冷却水の温度を充分に高めることができ
ず、排熱の有効利用が困難になる。このようなことか
ら、反応ガスの入口と出口での熱交換が行われている。However, one of the merits of the fuel cell is utilization of exhaust heat, and if the exhaust heat of the fuel cell is carried away by the reaction gas, the temperature of the cooling water cannot be sufficiently raised, and the exhaust heat is exhausted. Effective use becomes difficult. Because of this, heat exchange is performed at the inlet and outlet of the reaction gas.
【０００６】燃料電池では、電解質の種類によらず、燃
料電池を動作させるのに望ましい電解質の濃度の上限と
下限が存在する。その範囲を保つために、反応ガスの温
度と湿度の調節が行われている。In a fuel cell, there is an upper limit and a lower limit of the electrolyte concentration that is desirable for operating the fuel cell, regardless of the type of the electrolyte. In order to maintain the range, the temperature and humidity of the reaction gas are adjusted.
【０００７】このような状況は、電解質が高分子の中に
取り込まれている固体高分子形燃料電池においても全く
同じで、硫酸形燃料電池やりん酸形燃料電池に似てい
る。ただし、固体高分子電解質に含むべき水分の下限値
が高いので、他の燃料電池に比べると反応ガスの湿度を
やや高めに保つ必要がある。This situation is exactly the same in a polymer electrolyte fuel cell in which an electrolyte is incorporated in a polymer, and is similar to a sulfuric acid fuel cell and a phosphoric acid fuel cell. However, since the lower limit of the water content to be contained in the solid polymer electrolyte is high, it is necessary to keep the humidity of the reaction gas slightly higher than that of other fuel cells.
【０００８】従来の燃料電池では、特に酸化剤ガスの温
度湿度の調整が重要視されている。それは、燃料ガスに
比べて圧倒的に流量が多く、持ち去られる熱や水分が燃
料ガス側に比べて圧倒的に多いからである。In the conventional fuel cell, it is particularly important to adjust the temperature and humidity of the oxidant gas. This is because the flow rate is overwhelmingly higher than that of the fuel gas, and the heat and moisture carried away is overwhelmingly higher than that of the fuel gas side.
【０００９】従来の燃料電池で酸化剤ガスの供給ガスと
排出ガスとの間の温度と湿度の交換をさせるための装置
として用いられていたものとして、代表的なものが、例
えば特公昭６３−１８３０４号公報に記載されている。A typical one used as a device for exchanging temperature and humidity between a supply gas and an exhaust gas of an oxidant gas in a conventional fuel cell is, for example, Japanese Patent Publication No. 63- No. 18304.
【００１０】図７は例えば特公昭６３−１８３０４号公
報に記載された温度・湿度交換器および燃料電池発電シ
ステムの模式図である。尚、本発明においても、基本的
な構成は図７と同じ構成をしている。図７において、２
１０は、複数の燃料電池セルが積層されてなる燃料電池
スタックである。１１０は、燃料電池スタック２１０に
隣接して設けられ反応ガスとしての酸化剤ガスの温度と
湿度を調整する温度湿度調整装置である。燃料電池スタ
ック２１０には、電解質層１１１と、電解質層１１１を
挟むようにして設けられた酸化剤電極１１２、燃料電極
１１５からなる燃料電池セルが積層されて設けられてい
る。燃料電池は通常、数十ないし数百の燃料電池セルが
積層して用いられるが、図７では簡単のために一層の燃
料電池セルの構成を示している。FIG. 7 is a schematic view of a temperature / humidity exchanger and a fuel cell power generation system described in, for example, Japanese Patent Publication No. 63-18304. Also in the present invention, the basic configuration is the same as that of FIG. In FIG. 7, 2
10 is a fuel cell stack in which a plurality of fuel cells are stacked. Reference numeral 110 denotes a temperature / humidity adjusting device which is provided adjacent to the fuel cell stack 210 and adjusts the temperature and humidity of the oxidant gas as a reaction gas. In the fuel cell stack 210, a fuel cell unit including an electrolyte layer 111, an oxidant electrode 112 and a fuel electrode 115 that are provided so as to sandwich the electrolyte layer 111 is provided in a stacked manner. A fuel cell is usually used by stacking several tens to several hundreds of fuel cells, but FIG. 7 shows a structure of one fuel cell for simplicity.
【００１１】また、１１４は燃料電池セルに向かう酸化
剤ガス流路、１１５は燃料電池セルに向かう燃料ガス流
路である。そして、１１は燃料電池スタック２１０に供
給される酸化剤供給ガスの流れ、１２は燃料電池スタッ
ク２１０から排出された酸化剤排出ガスの流れである。
酸化剤供給ガスの流れ１１のうち、温度湿度調整装置１
１０に入る流れが１１ａ、温度湿度調整装置１１０を出
る流れが１１ｅである。また、酸化剤排出ガスの流れ１
２のうち、温度湿度調整装置１１０に入る流れが１２
ａ、温度湿度調整装置１１０を出る流れが１２ｅであ
る。Reference numeral 114 is an oxidant gas flow path toward the fuel cell, and 115 is a fuel gas flow path toward the fuel cell. 11 is the flow of the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack 210, and 12 is the flow of the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 210.
Temperature / humidity adjusting device 1 in flow 11 of oxidant supply gas
The flow entering 10 is 11a, and the flow exiting the temperature and humidity adjusting device 110 is 11e. Also, the flow of oxidant exhaust gas 1
Of the two, the flow entering the temperature and humidity adjustment device 110 is 12
The flow leaving the temperature / humidity adjusting device 110 is 12e.
【００１２】燃料電池スタック２１０から排出された酸
化剤排出ガス１２は、温度湿度調整装置１１０を通過し
て外部に排出され、熱と水分を温度湿度調整装置１１０
に伝達する。一方、燃料電池スタック２１０に供給され
る酸化剤供給ガス１１は、温度湿度調整装置１１０を通
って、熱と水分を受け取った後、燃料電池スタック２１
０に供給される。そして、酸化剤ガス入口付近の電解質
層１１１には、充分な量の水分が与えられるので、乾燥
によるイオン伝導抵抗の増加を軽減することができる。The oxidant exhaust gas 12 discharged from the fuel cell stack 210 passes through the temperature / humidity adjusting device 110 and is discharged to the outside, so that heat and moisture are removed from the temperature / humidity adjusting device 110.
Communicate to. On the other hand, the oxidant supply gas 11 supplied to the fuel cell stack 210 passes through the temperature and humidity adjusting device 110 to receive heat and moisture, and then the fuel cell stack 21.
Supplied to zero. Since a sufficient amount of water is provided to the electrolyte layer 111 near the oxidant gas inlet, it is possible to reduce an increase in ionic conduction resistance due to drying.
【００１３】図８は例えば特公昭６３−１８３０４号公
報に記載されている温度湿度調整装置の構成を示す断面
模式図である。図において、１２ａは温度湿度調整装置
１１０に入る酸化剤排出ガスの流れ、１２ｅは温度湿度
調整装置１１０を出る酸化剤排出ガスの流れ、１０２は
透水膜、１０３は酸化剤排出ガスの通路部、１０４は酸
化剤供給ガスの通路部である。FIG. 8 is a schematic sectional view showing the structure of a temperature / humidity adjusting device disclosed in, for example, Japanese Patent Publication No. 63-18304. In the figure, 12a is a flow of the oxidant exhaust gas entering the temperature / humidity adjusting device 110, 12e is a flow of the oxidant exhaust gas exiting the temperature / humidity adjusting device 110, 102 is a water-permeable membrane, 103 is a passage part of the oxidant exhaust gas, Reference numeral 104 is a passage portion for the oxidant supply gas.
【００１４】温度湿度調整装置１１０は、吸湿性のある
紙と折り曲げた厚紙を交互に並べて構成されており、吸
湿性のある紙は透水膜１０２として機能し、山谷折りさ
れた厚紙は、酸化剤排出ガスの通路部１０３および、酸
化剤供給ガスの通路部１０４の空間を形成する。山谷折
りされた厚紙は交互に直交する向きに並べられており、
側面から酸化剤供給ガスと酸化剤排出ガスが透水膜１０
２を介して直交して流れるように構成されている。The temperature / humidity adjusting device 110 is constituted by alternately arranging hygroscopic paper and folded cardboard, the hygroscopic paper functions as the water permeable membrane 102, and the cardboard folded in ridges and valleys is an oxidizer. A space is formed for the exhaust gas passage portion 103 and the oxidant supply gas passage portion 104. Cardboards that are folded in a mountain and valley are arranged in a direction that is orthogonal to each other.
The oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas from the side surface are the water permeable membrane 10.
It is configured to flow orthogonally through 2.
【００１５】透水膜１０２と山谷折りされた厚紙の積層
数は、酸化剤ガスの流量や加湿必要量に応じて増減され
る。図８の正面に見える側面は、酸化剤供給ガスの通路
部１０４の出口側に相当する。The number of layers of the water permeable membrane 102 and the cardboard folded in a valley is increased or decreased according to the flow rate of the oxidizing gas and the required amount of humidification. The side surface seen in the front of FIG. 8 corresponds to the outlet side of the oxidant supply gas passage 104.
【００１６】酸化剤排出ガスは図８の左から右に山谷折
りされた厚紙部分を通って酸化剤排出ガスの通路部１０
３を移動する。その際に、厚紙部分の上下の透水膜１０
２に熱と水分が吸収される。透水膜１０２に吸収された
熱と水分は、透水膜１０２を透過して酸化剤供給ガスの
通路部１０４を通ってきた酸化剤供給ガスに付加され
る。The oxidant exhaust gas passes through a cardboard portion folded from the left to the right in FIG.
Move 3. At that time, the water-permeable membranes 10 above and below the thick paper portion.
2. Heat and moisture are absorbed. The heat and moisture absorbed by the water permeable film 102 are added to the oxidant supply gas that has passed through the water permeable film 102 and has passed through the passage 104 of the oxidant supply gas.
【００１７】[0017]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな構成の温度湿度調整装置１１０においては、水分が
溜まる場所が、酸化剤排出ガスの通路部１０３の入口近
傍に限られてしまう。そのため、酸化剤排出ガスの通路
部１０３の入口近傍を通った酸化剤供給ガスは充分に加
湿されるものの、中央付近や出口近傍を通った酸化剤供
給ガスはほとんど加湿されない。そのため、積層数を多
くして温度や湿度の交換率を高めざるを得ず、燃料電池
スタック２１０と同程度の大きさになってしまい問題で
あった。しかも従来の温度湿度調節装置１１０では、酸
化剤排出ガスの温度・湿度に比べて、酸化剤供給ガスの
温度・湿度は、それぞれ１０℃、相対湿度１０％程度低
めになり、十分な加温と加湿を与えることができないの
で問題であった。これは燃料ガスについても同様であっ
た。However, in the temperature / humidity adjusting device 110 having such a configuration, the place where water is accumulated is limited to the vicinity of the inlet of the passage portion 103 for the oxidant exhaust gas. Therefore, the oxidant supply gas passing through the vicinity of the inlet of the oxidant exhaust gas passage 103 is sufficiently humidified, but the oxidant supply gas passing through the vicinity of the center and the vicinity of the outlet is hardly humidified. Therefore, the number of stacked layers must be increased to increase the exchange rate of temperature and humidity, and the size becomes about the same as the fuel cell stack 210, which is a problem. Moreover, in the conventional temperature / humidity control device 110, the temperature / humidity of the oxidant supply gas is about 10 ° C. and the relative humidity is about 10% lower than the temperature / humidity of the oxidant exhaust gas, respectively, and sufficient heating is achieved. It was a problem because it could not be humidified. This was also true for fuel gas.
【００１８】また、一般に燃料電池に供給される反応ガ
スに関しては、大気中や燃料中に含まれるＳＯｘなどの
イオウ化合物が燃料電池スタック２１０に取り込まれ
て、不可逆的に性能を大きく劣化させてしまうことが知
られているが、従来の温度湿度調節装置１１０では、こ
れを除去する能力がほとんどなく問題であった。[0018] Generally, regarding the reaction gas supplied to the fuel cell, a sulfur compound such as SOx contained in the atmosphere or in the fuel is taken into the fuel cell stack 210 and irreversibly deteriorates the performance. However, the conventional temperature / humidity control device 110 has a problem that it has almost no ability to remove it.
【００１９】さらに、酸化剤ガスでは、大気中のほこ
り、ごみ及び微粒子が、また、燃料ガスでは、改質触媒
が微粉化して砕けた微粒子などが燃料電池スタック２１
０にとりこまれて流路入口付近を閉塞することがある
が、従来の温度湿度調節装置１１０では、これを除去す
る能力に乏しいので問題であった。Further, in the oxidant gas, dust, dust and fine particles in the atmosphere are contained, and in the fuel gas, fine particles obtained by pulverizing and reforming the reforming catalyst are formed in the fuel cell stack 21.
However, the conventional temperature / humidity adjusting device 110 has a problem in that it has a poor ability to remove it.
【００２０】また、大気中の臭い成分や配管の金属イオ
ン、水に含まれるカルシウムなどのイオン成分が電極に
取り込まれて、被毒したり、イオン伝導抵抗を高めるな
どの悪影響を与えているが、従来の温度湿度調節装置１
１０では、これを除去する能力に乏しいので問題であっ
た。Further, odorous components in the atmosphere, metal ions in pipes, and ionic components such as calcium contained in water are taken up by the electrodes and poisoned and adversely affect ion conductivity. , Conventional temperature and humidity controller 1
In No. 10, there was a problem because the ability to remove this was poor.
【００２１】このように、従来の燃料電池の温度湿度調
整装置は、温度・湿度の交換が容易な領域が限定さてお
り、加湿能力に限りがあり、面積の小さな透水膜を多数
積層して構成する必要があり、温度湿度調整装置の大き
さが燃料電池スタックに匹敵するぐらいに大きくなり嵩
張るなどの問題があった。さらには、燃料電池スタック
に有害な成分を除去する能力に乏しい問題があった。As described above, the conventional temperature / humidity adjusting device for a fuel cell has a limited area where temperature / humidity can be easily exchanged, has a limited humidifying capacity, and is constructed by laminating a large number of small water-permeable membranes. However, there is a problem in that the size of the temperature / humidity adjusting device becomes as large as a fuel cell stack and bulky. Further, there is a problem that the fuel cell stack has a poor ability to remove harmful components.
【００２２】この発明は、上述のような課題を解決する
ためになされたものであり、温度・湿度の交換を高効率
で行うことができ装置の小型化を図ることができ、さら
に反応ガス中に含まれる埃や不純物などを除去すること
が可能な温度湿度調整装置を備えた燃料電池を得ること
を目的とする。The present invention has been made in order to solve the above-mentioned problems, and the temperature and humidity can be exchanged with high efficiency, the apparatus can be downsized, and the reaction gas It is an object of the present invention to obtain a fuel cell equipped with a temperature / humidity adjusting device capable of removing dust and impurities contained in the fuel cell.
【００２３】[0023]
【課題を解決するための手段】この発明に係る燃料電池
は、電解質層、電解質層を挟んで設けられた燃料電極お
よび酸化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを燃
料電極に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供
給ガスを酸化剤電極に浸透させて、燃料ガスと酸化剤供
給ガスとを電界質層を介して反応させて発電し、反応後
の酸化剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料
電池スタックと、燃料電池スタックに接続され、燃料電
池スタックに供給する酸化剤供給ガスと燃料電池スタッ
クから排出される酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度
交換を行う温度湿度調整装置とを有する燃料電池であっ
て、温度湿度調整装置は、少なくとも３つに分割された
第１、第２、第３の温度湿度調整領域を有し、各々の温
度湿度調整領域においては、酸化剤供給ガスと酸化剤排
出ガスとが温度湿度調整膜を介して対峙し、外部から供
給された酸化剤供給ガスは、第１の温度湿度調整領域、
第２の温度湿度調整領域、第３の温度湿度調整領域の順
に流れ、一方、燃料電池スタックから排出された酸化剤
排出ガスは、第３の温度湿度調整領域、第２の温度湿度
調整領域、第１の温度湿度調整領域の順に流れる。A fuel cell according to the present invention has an electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidizer electrode provided with the electrolyte layer interposed therebetween, and allows a fuel gas supplied from the outside to permeate the fuel electrode. Similarly, the oxidant supply gas supplied from the outside is permeated into the oxidant electrode, the fuel gas and the oxidant supply gas are caused to react with each other through the electrolyte layer to generate electricity, and the oxidant supply gas after the reaction is oxidized. Heat exchange and humidity exchange are performed between the fuel cell stack that is discharged as agent exhaust gas and the oxidant supply gas that is connected to the fuel cell stack and that is supplied to the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas that is exhausted from the fuel cell stack. A temperature / humidity adjusting device, wherein the temperature / humidity adjusting device has first, second, and third temperature / humidity adjusting regions divided into at least three. To Information, the oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas is opposed through the temperature and humidity adjustment film, oxidant supply gas supplied from the outside, a first temperature and humidity adjustment area,
The second temperature / humidity adjusting region and the third temperature / humidity adjusting region flow in this order, while the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack is the third temperature / humidity adjusting region, the second temperature / humidity adjusting region, Flows in the order of the first temperature and humidity adjustment area.
【００２４】また、第１、第２、第３の温度湿度調整領
域は、それぞれ、酸化剤供給ガスが流れる流路と酸化剤
排出ガスが流れる流路とが温度湿度調整膜を介して直交
して形成されている温度湿度調整セルが、ガスの流通方
向に垂直に複数積層されてなり、第１の温度湿度調整領
域において温度湿度調整セルの一側から他側に流れる酸
化剤供給ガスは、第２の温度湿度調整領域において第１
の温度湿度調整領域と反対方向にながれ、さらに第３の
温度湿度調整領域においては第２の温度湿度調整領域と
反対方向に流れ、第３の温度湿度調整領域において酸化
剤供給ガスと直交して流れる酸化剤排出ガスは、第２の
温度湿度調整領域において第３の温度湿度調整領域と反
対方向にながれ、さらに第１の温度湿度調整領域におい
ては第２の温度湿度調整領域と反対方向に流れる。Further, in the first, second and third temperature / humidity adjusting regions, the flow path of the oxidant supply gas and the flow path of the oxidant discharge gas are orthogonal to each other through the temperature / humidity adjusting film. The temperature and humidity adjustment cells formed by stacking a plurality of vertically perpendicular to the gas flow direction, the oxidant supply gas flowing from one side of the temperature and humidity adjustment cell to the other side in the first temperature and humidity adjustment region, The first in the second temperature and humidity adjustment area
Flowing in the direction opposite to the second temperature / humidity adjusting region in the third temperature / humidity adjusting region, and in the third temperature / humidity adjusting region at right angles to the oxidant supply gas. The flowing oxidant exhaust gas flows in the second temperature / humidity adjusting area in the opposite direction to the third temperature / humidity adjusting area, and further flows in the first temperature / humidity adjusting area in the opposite direction to the second temperature / humidity adjusting area. .
【００２５】また、第３の温度湿度調整領域に用いられ
る温度湿度調整膜は、プロトン伝導性を有する固体高分
子電解質膜である。Further, the temperature / humidity adjusting membrane used in the third temperature / humidity adjusting area is a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity.
【００２６】 また、第１の温度湿度調整領域に用いら
れる温度湿度調整膜に、カーボン粉末が含まれている。Further, the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains carbon powder.
【００２７】また、第１の温度湿度調整領域に用いられ
る温度湿度調整膜に、貴金属を担持したカーボン粉末が
含まれている。The temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting area contains carbon powder carrying a noble metal.
【００２８】また、第１の温度湿度調整領域に用いられ
る温度湿度調整膜に、粘着性の物質が含まれている。Further, the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains an adhesive substance.
【００２９】さらに、第１の温度湿度調整領域に用いら
れる温度湿度調整膜に、イオウ酸化物を吸着する物質が
含まれている。Further, the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains a substance that adsorbs sulfur oxides.
【００３０】[0030]
【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
について説明する。
実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１に係る燃
料電池の温度湿度調整装置の斜視図である。温度湿度調
整装置１００は、第１の温度湿度調整領域１、第２の温
度湿度調整領域２および第３の温度湿度調整領域３を並
設して備えている。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Embodiment 1. 1 is a perspective view of a temperature and humidity adjusting device for a fuel cell according to Embodiment 1 of the present invention. The temperature / humidity adjusting device 100 includes a first temperature / humidity adjusting area 1, a second temperature / humidity adjusting area 2 and a third temperature / humidity adjusting area 3 which are arranged in parallel.
【００３１】図１において、５は第１の温度湿度調整領
域１に設けられた酸化剤ガス供給ダクト、６は第１の温
度湿度調整領域１に設けられた酸化剤ガス排出ダクトで
ある。一方、７は第３の温度湿度調整領域３に設けられ
た燃料電池スタックへの酸化剤入口ポート、８は第３の
温度湿度調整領域３に設けられた燃料電池スタックから
の酸化剤出口ポートである。In FIG. 1, 5 is an oxidant gas supply duct provided in the first temperature / humidity adjustment region 1, and 6 is an oxidant gas discharge duct provided in the first temperature / humidity adjustment region 1. On the other hand, 7 is an oxidant inlet port to the fuel cell stack provided in the third temperature / humidity adjustment area 3, and 8 is an oxidant outlet port from the fuel cell stack provided in the third temperature / humidity adjustment area 3. is there.
【００３２】また、１１ａは温度湿度調整装置１００に
流入する酸化剤供給ガスの流れ、１１ｅは温度湿度調整
装置１００から出て図示しない燃料電池スタックに供給
される酸化剤供給ガスの流れ、１２ａは図示しない燃料
電池スタックから出て温度湿度調整装置１００に流入す
る酸化剤排出ガスの流れ、１２ｅは温度湿度調整装置１
００から排出される酸化剤排出ガスの流れである。Further, 11a is a flow of the oxidant supply gas flowing into the temperature / humidity adjusting device 100, 11e is a flow of the oxidant supply gas supplied from the temperature / humidity adjusting device 100 and supplied to a fuel cell stack (not shown), and 12a is The flow of the oxidant exhaust gas flowing out of the fuel cell stack (not shown) and flowing into the temperature / humidity adjusting apparatus 100, and 12e is the temperature / humidity adjusting apparatus 1
00 is a flow of oxidant exhaust gas.
【００３３】さらにまた、１３は第１の温度湿度調整領
域１と第２の温度湿度調整領域２の間の仕切板、１４は
第２の温度湿度調整領域２と第３の温度湿度調整領域３
の間の仕切板である。Furthermore, 13 is a partition plate between the first temperature and humidity adjusting area 1 and the second temperature and humidity adjusting area 2, and 14 is a second temperature and humidity adjusting area 2 and a third temperature and humidity adjusting area 3.
It is a partition plate between.
【００３４】本実施の形態の温度湿度調整装置１００
は、フェノール樹脂で構成された箱形の筐体を有してい
る。外径寸法は、縦２００ｍｍ、横１５０ｍｍ、奥行き
１２０ｍｍである。この大きさは従来の酸化剤供給ガス
の温度湿度調整装置の３分の１の容積である。Temperature / humidity adjusting device 100 of the present embodiment
Has a box-shaped housing made of phenolic resin. The outer diameter dimension is 200 mm in length, 150 mm in width, and 120 mm in depth. This size is one-third the volume of a conventional oxidant supply gas temperature and humidity adjusting device.
【００３５】図１には示していないが、それぞれの温度
湿度調整領域には、それぞれ６枚の温度湿度調整膜が配
設されており、従来例と同様に、温度湿度調整膜と折り
畳まれた隔壁が交互に積層されてなる温度湿度調整セル
が６セル積層された構成になっている。そしてこの温度
湿度調整膜を介して、酸化剤供給ガスと酸化剤排出ガス
が直交して流れるようになっている。Although not shown in FIG. 1, six temperature / humidity adjusting films are provided in each of the temperature / humidity adjusting regions, and they are folded with the temperature / humidity adjusting film as in the conventional example. Six temperature / humidity adjusting cells in which partition walls are alternately laminated are laminated. Then, the oxidant supply gas and the oxidant discharge gas flow orthogonally through the temperature / humidity adjusting film.
【００３６】第１、第２および第３の温度湿度調整領域
１、２、３は、各々フェノール樹脂板で構成された仕切
板１３、１４によって仕切られている。そして、図中２
点鎖線は、後で詳しく述べる温度湿度調整膜の面と温度
湿度調整領域の共通ガスマニホールド部の位置を示して
いる。The first, second and third temperature / humidity adjusting regions 1, 2, 3 are partitioned by partition plates 13, 14 each made of a phenol resin plate. And 2 in the figure
The dotted chain line indicates the position of the common gas manifold portion in the surface of the temperature / humidity adjusting film and the temperature / humidity adjusting region, which will be described in detail later.
【００３７】酸化剤供給ガスは、矢印１１ａに示される
ように酸化剤ガス供給ダクト５から温度湿度調整装置１
００に入り、太点線矢印１１ｂのように第１の温度湿度
調整領域１において図１の下側から上側に流れ、共通ガ
スマニホールド部で折り返して、第２の温度湿度調整領
域２では、太点線矢印１１ｃのように図１の上側から下
側に流れ、さらに共通ガスマニホールド部で折り返し
て、第３の温度湿度調整領域３では、太点線矢印１１ｄ
のように図１の下側から上側に流れ、矢印１１ｅに示さ
れるように酸化剤入口ポート７を通って燃料電池スタッ
クに向かう。The oxidant supply gas is supplied from the oxidant gas supply duct 5 to the temperature / humidity adjusting device 1 as shown by an arrow 11a.
00, flows from the lower side to the upper side in FIG. 1 in the first temperature / humidity adjusting area 1 as indicated by the thick dotted arrow 11b, and folds back at the common gas manifold portion, and in the second temperature / humidity adjusting area 2, the thick dotted line As shown by the arrow 11c, it flows from the upper side to the lower side in FIG. 1 and is further folded back at the common gas manifold portion.
1 from the lower side to the upper side through the oxidant inlet port 7 toward the fuel cell stack as shown by an arrow 11e.
【００３８】一方、燃料電池スタックを出た酸化剤排出
ガスは、矢印１２ａに示されるように酸化剤出口ポート
８から温度湿度調整装置１００に入り、白抜き点線矢印
１２ｂのように第３の温度湿度調整領域３を図１の右側
から左側に水平方向に流れ、共通ガスマニホールド部で
折り返して、第２の温度湿度調整領域２を白抜き点線矢
印１２ｃのように図１の左側から右側に水平方向に流
れ、さらに共通ガスマニホールド部で折り返して、第１
の温度湿度調整領域１を白抜き点線矢印１２ｄのように
図１の右側から左側に水平方向に流れ、矢印１２ｅに示
されるように酸化剤ガス排出ダクト６を通って温度湿度
調整装置１００から排出される。On the other hand, the oxidant exhaust gas that has exited the fuel cell stack enters the temperature / humidity adjusting device 100 from the oxidant outlet port 8 as shown by the arrow 12a, and reaches the third temperature as shown by the white dotted arrow 12b. The humidity adjusting region 3 flows horizontally from the right side to the left side in FIG. 1 and is folded back at the common gas manifold portion, and the second temperature and humidity adjusting region 2 is horizontally moved from the left side to the right side in FIG. 1 as shown by the white dotted arrow 12c. Flow in the same direction and then fold back at the common gas manifold to
1 flows horizontally from the right side to the left side in FIG. 1 as indicated by a white dotted arrow 12d, and is discharged from the temperature and humidity adjusting device 100 through an oxidant gas discharge duct 6 as shown by an arrow 12e. To be done.
【００３９】酸化剤排出ガスは、燃料電池で発生した熱
と生成水によって高温高湿の状態にあり、この酸化剤排
出ガスが最初に通過する第３の温度湿度調整領域３は、
酸化剤排出ガスが大量の凝縮熱を与えるので３つの温度
湿度調整領域の中で最も温度が高くなる。The oxidant exhaust gas is in a high temperature and high humidity state due to the heat generated in the fuel cell and the produced water, and the third temperature / humidity adjusting region 3 through which the oxidant exhaust gas first passes is
Since the oxidant exhaust gas gives a large amount of condensation heat, the temperature becomes the highest in the three temperature / humidity adjustment regions.
【００４０】一方、酸化剤供給ガスは、室温に近い温度
で湿度も低い。そのため、最も低温で乾燥した酸化剤供
給ガスが最初に通過する第１の温度湿度調整領域１は乾
燥した酸化剤供給ガスが大量の蒸発熱を奪い３つの温度
湿度調整領域の中で最も低温になる。On the other hand, the oxidizing agent supply gas has a low humidity at a temperature close to room temperature. Therefore, in the first temperature / humidity adjustment area 1 through which the oxidant supply gas dried at the lowest temperature first passes, the dry oxidant supply gas takes a large amount of heat of evaporation and becomes the lowest temperature among the three temperature / humidity adjustment areas. Become.
【００４１】すなわち、第３の温度湿度調整領域３が最
も温度が高く、第２、第１の順番に温度が低くなる。ま
た、第３の温度湿度調整領域３が最も湿潤で、第２、第
１の順番で湿度が低下する。このように本実施の形態に
係る燃料電池においては、高温高湿、中温中湿、低温低
湿の３つの領域を備えている。That is, the temperature in the third temperature / humidity adjusting region 3 is the highest, and the temperature decreases in the second and first order. Further, the third temperature / humidity adjusting region 3 is the most wet, and the humidity decreases in the second and first order. As described above, the fuel cell according to the present embodiment has three regions of high temperature and high humidity, medium temperature and intermediate humidity, and low temperature and low humidity.
【００４２】図２は本実施の形態に係る燃料電池の温度
湿度調整装置１００および燃料電池スタック２００の斜
視図である。矢印１６ａ、１６ｂ、１６ｃは燃料電池ス
タック２００内での酸化剤ガスの流れを示している。図
２の本実施の形態の燃料電池スタック２００は、固体高
分子形燃料電池であって７５個の燃料電池セルが積層さ
れて設けられている。各燃料電池セルの構造は、従来例
と同じである。セルの有効面積は１００ｃｍ2である。
酸化剤ガスは、鉛直方向上下に配置された図示しない内
部マニホールドを介して、図２の上側から下側へ流れる
ように構成されている。FIG. 2 is a perspective view of the fuel cell temperature and humidity adjusting apparatus 100 and the fuel cell stack 200 according to the present embodiment. Arrows 16a, 16b, 16c indicate the flow of the oxidant gas in the fuel cell stack 200. The fuel cell stack 200 of the present embodiment of FIG. 2 is a polymer electrolyte fuel cell and is provided by stacking 75 fuel cell units. The structure of each fuel cell is the same as the conventional example. The effective area of the cell is 100 cm 2 .
The oxidant gas is configured to flow from the upper side to the lower side in FIG. 2 via internal manifolds (not shown) arranged vertically above and below.
【００４３】酸化剤入口ポート７から燃料電池スタック
２００に入った酸化剤ガスは、燃料電池スタック２００
の上方に配置された酸化剤入口側内部マニホールドを矢
印１６ａに示すように通り、各セルの酸化剤ガス流路を
矢印１６ｂに示すように通り、酸素が消費されると共に
生成水が付加され、さらにセルの発電による発熱によっ
て加熱される。そして、図２の下方に配置された酸化剤
出口側内部マニホールドを矢印１６ｃに示すように通っ
て、酸化剤出口ポート８を通って温度湿度調整装置１０
０に入る。The oxidant gas that has entered the fuel cell stack 200 from the oxidant inlet port 7 is
Through the oxidant inlet-side internal manifold disposed above, and through the oxidant gas flow path of each cell as indicated by arrow 16b, oxygen is consumed and produced water is added, Further, it is heated by the heat generated by the power generation of the cell. Then, the temperature / humidity adjusting device 10 is passed through the oxidant outlet side internal manifold arranged in the lower part of FIG.
Enter 0.
【００４４】燃料電池スタック２００から排出される酸
化剤排出ガスは加温加湿されて高温高湿のガスとなる。
一方、燃料電池スタック２００に供給される酸化剤供給
ガスは、一般に大気中の空気がブロワーやコンプレッサ
ーで集められて供給されるので、温度湿度調整装置１０
０に流入する前では低温低湿である。そして、温度湿度
調整装置１００の内部で、温度湿度調整膜を介して酸化
剤排出ガスと温度・湿度交換をすることによって、昇温
されまた相対湿度も増大する。The oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 200 is heated and humidified to become a high temperature and high humidity gas.
On the other hand, the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack 200 is generally the air in the atmosphere collected and supplied by a blower or a compressor, so that the temperature / humidity adjusting device 10
Before entering 0, the temperature is low and low humidity. Then, the temperature and humidity are exchanged with the oxidizing agent exhaust gas through the temperature and humidity adjusting film inside the temperature and humidity adjusting device 100, so that the temperature is raised and the relative humidity is also increased.
【００４５】本実施の形態の燃料電池の温度湿度調整装
置の構成を、さらに詳細に以下の図３、図４、図５およ
び図６を用いて説明する。図３は第１の温度湿度調整領
域１の平面図（Ａ）、平面図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う矢
視断面図（Ｂ）および平面図（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う矢
視断面図（Ｃ）をともに示す説明図である。図３におい
て、２２は酸化剤ガス供給ダクト５に設けられた酸化剤
ガス供給ポートである。２３は酸化剤ガス排出ダクト６
に設けられた酸化剤ガス排出ポートである。１１ｂは酸
化剤供給ガスの流れ、１２ｄは酸化剤排出ガスの流れで
ある。The configuration of the temperature / humidity adjusting device for a fuel cell according to this embodiment will be described in more detail with reference to FIGS. 3, 4, 5, and 6 below. FIG. 3 is a plan view (A) of the first temperature / humidity adjustment area 1, a sectional view (B) taken along the line BB of the plan view (A) and a line C-C of the plan view (A). It is explanatory drawing which shows both arrow cross-sectional views (C). In FIG. 3, 22 is an oxidant gas supply port provided in the oxidant gas supply duct 5. 23 is an oxidant gas discharge duct 6
Is an oxidant gas discharge port provided in the. Reference numeral 11b is a flow of the oxidant supply gas, and 12d is a flow of the oxidant discharge gas.
【００４６】２６は第１領域の温度湿度調整膜、２７は
酸化剤排出ガスの通路が設けられた隔壁、２８は酸化剤
供給ガスの通路が設けられた隔壁、２９は酸化剤供給第
１領域入口共通ガスマニホールド、３０は酸化剤供給第
１領域出口共通ガスマニホールド、３１は酸化剤排出第
１領域入口共通ガスマニホールド、３２は酸化剤排出第
１領域出口共通ガスマニホールドである。Reference numeral 26 is a temperature / humidity adjusting film in the first region, 27 is a partition wall provided with a passage for an oxidant exhaust gas, 28 is a partition wall provided with a passage for an oxidant supply gas, and 29 is an oxidant supply first region. An inlet common gas manifold, 30 is an oxidant supply first region outlet common gas manifold, 31 is an oxidant discharge first region inlet common gas manifold, and 32 is an oxidant discharge first region outlet common gas manifold.
【００４７】第１の温度湿度調整領域１は、３つの温度
湿度調整領域の中では最も低温低湿の領域になる。第１
の温度湿度調整領域１には、酸化剤ガス供給ダクト５と
酸化剤ガス排出ダクト６があり、それぞれに酸化剤ガス
供給ポート２２と酸化剤ガス排出ポート２３が取り付け
られている。The first temperature / humidity adjustment area 1 is the lowest temperature / low humidity area among the three temperature / humidity adjustment areas. First
The temperature / humidity adjustment region 1 has an oxidant gas supply duct 5 and an oxidant gas discharge duct 6, and an oxidant gas supply port 22 and an oxidant gas discharge port 23 are attached to each.
【００４８】空気ブロワーやエアコンプレッサーなどを
用いて集められた空気などの酸化剤供給ガスは、酸化剤
ガス供給ポート２２から供給され、温度湿度調整装置１
００を通って燃料電池スタック２００に供給され、発電
に使用された後、高温多湿となって酸化剤排出ガスとな
る。そして、再び温度湿度調整装置１００に入り、温度
湿度調整装置１００を通過する間に温度と湿度を温度湿
度調整膜を介して酸化剤供給ガスに与えて低温低湿とな
った後、酸化剤ガス排出ポート２３から排出される。An oxidant supply gas such as air collected by using an air blower or an air compressor is supplied from the oxidant gas supply port 22, and the temperature / humidity adjusting device 1 is provided.
After being supplied to the fuel cell stack 200 through 00 to be used for power generation, it becomes hot and humid and becomes oxidant exhaust gas. Then, the temperature and humidity adjusting device 100 is reentered, and while passing through the temperature and humidity adjusting device 100, the temperature and humidity are supplied to the oxidant supply gas through the temperature and humidity adjusting film to reduce the temperature and humidity, and then the oxidant gas is discharged. It is discharged from the port 23.
【００４９】第１領域の温度湿度調整膜２６には片面に
活性炭を塗布した厚さ１５０μｍの和紙を使用し、イオ
ウ酸化物を吸着する物質である活性炭の微粉末を塗布し
た面を酸化剤供給ガス側に向けて配置した。また、酸化
剤排出ガスの通路が設けられた隔壁２７および、酸化剤
供給ガスの通路が設けられた隔壁２８には山谷折りされ
た厚紙（クラフト紙）を用いた。The temperature / humidity adjusting film 26 in the first region is made of Japanese paper having a thickness of 150 μm and coated with activated carbon on one side, and the surface coated with fine powder of activated carbon, which is a substance that adsorbs sulfur oxides, is supplied with an oxidizing agent. It was placed toward the gas side. In addition, the partition wall 27 provided with the passage for the oxidant exhaust gas and the partition wall 28 provided with the passage for the oxidant supply gas were made of cardboard (kraft paper) folded in ridges and valleys.
【００５０】第１領域の温度湿度調整膜２６は、酸化剤
排出ガス中の水分を凝縮させて熱を奪い、酸化剤排出ガ
スの温度と湿度を下げる。また、吸収した水分を浸透に
よって反対の面に移動させて、低温で乾燥している酸化
剤供給ガスに接触させ、水分を蒸発させて酸化剤供給ガ
スを加湿し昇温させる。温度湿度調整膜２６の表裏の伝
熱によっても酸化剤排出ガスが冷却され酸化剤供給ガス
が加熱される。しかし、膜の表裏の伝熱による熱の顕熱
移動よりも、凝縮と蒸発による潜熱移動の方が移動する
熱量が大きい場合が多い。The temperature / humidity adjusting film 26 in the first region condenses the moisture in the oxidant exhaust gas to remove heat and lower the temperature and humidity of the oxidant exhaust gas. Further, the absorbed moisture is moved to the opposite surface by permeation and brought into contact with the oxidant supply gas that is dried at a low temperature to evaporate the moisture to humidify the oxidant supply gas and raise the temperature. The oxidant exhaust gas is cooled and the oxidant supply gas is also heated by heat transfer between the front and back of the temperature / humidity adjusting film 26. However, in many cases, the amount of heat transferred by latent heat transfer by condensation and evaporation is larger than the transfer of heat by sensible heat transfer by heat transfer on the front and back of the film.
【００５１】また、酸化剤供給ガス側に面した活性炭の
微粉末は、酸化剤供給ガスに含まれるイオウ化合物、窒
素化合物、アンモニア類などの燃料電池の酸化剤電極の
機能を阻害する物質をその広い表面積で吸着し除去す
る。なお、チリやほこりの類もこの第１の温度湿度調製
領域１において膜に付着して除去される。In addition, the fine powder of activated carbon facing the oxidant supply gas side contains substances such as sulfur compounds, nitrogen compounds and ammonia contained in the oxidant supply gas that inhibit the function of the oxidizer electrode of the fuel cell. Adsorbs and removes over a large surface area. It should be noted that dust and dirt are also attached to and removed from the film in the first temperature / humidity adjusting region 1.
【００５２】図４は第２の温度湿度調整領域２の平面図
（Ｄ）、平面図（Ｄ）のＥ−Ｅ線に沿う矢視断面図
（Ｅ）および平面図（Ｄ）のＦ−Ｆ線に沿う矢視断面図
（Ｆ）をともに示す説明図である。図４において、３６
は第２領域の温度湿度調整膜、３７は共通ガスマニホー
ルド間を移動する酸化剤供給ガスの流れ、３８は共通ガ
スマニホールド間を移動する酸化剤排出ガスの流れ、３
９は酸化剤供給第２領域入口共通ガスマニホールド、４
０は酸化剤供給第２領域出口共通ガスマニホールド、４
１は酸化剤排出第２領域入口共通ガスマニホールド、４
２は酸化剤排出第２領域出口共通ガスマニホールドであ
る。FIG. 4 is a plan view (D) of the second temperature / humidity adjusting region 2, a sectional view (E) taken along the line EE in the plan view (D) and FF in the plan view (D). It is explanatory drawing which shows the arrow sectional drawing (F) along a line. In FIG. 4, 36
Is a temperature / humidity adjusting film in the second region, 37 is a flow of the oxidant supply gas moving between the common gas manifolds, 38 is a flow of the oxidant exhaust gas moving between the common gas manifolds, 3
9 is a common gas manifold for the second region inlet of the oxidant supply, 4
0 is a common gas manifold for the oxidant supply second area outlet, 4
1 is a common gas manifold for the second region inlet of the oxidant discharge, 4
Reference numeral 2 is a common gas manifold for the outlet of the oxidant discharge second region.
【００５３】酸化剤供給第２領域入口共通ガスマニホー
ルド３９は、図３に示す酸化剤供給第１領域出口共通ガ
スマニホールド３０と連通している。矢印３７は、酸化
剤供給第１領域出口共通ガスマニホールド３０から酸化
剤供給第２領域入口共通ガスマニホールド３９に向かう
酸化剤供給ガスの流れを示している。矢印３７は、さら
に酸化剤供給第２領域出口共通ガスマニホールド４０か
ら後で述べる酸化剤供給第３領域入口共通ガスマニホー
ルドに向かう酸化剤供給ガスの流れを示している。The oxidant supply second region inlet common gas manifold 39 is in communication with the oxidant supply first region outlet common gas manifold 30 shown in FIG. The arrow 37 indicates the flow of the oxidant supply gas from the oxidant supply first region outlet common gas manifold 30 toward the oxidant supply second region inlet common gas manifold 39. The arrow 37 further indicates the flow of the oxidant supply gas from the oxidant supply second region outlet common gas manifold 40 to the oxidant supply third region inlet common gas manifold described later.
【００５４】一方、酸化剤排出第２領域出口共通ガスマ
ニホールド４２は、図３に示す酸化剤排出第１領域入口
共通ガスマニホールド３１と連通している。矢印３８
は、酸化剤排出第２領域出口共通ガスマニホールド４２
から酸化剤排出第１領域入口共通ガスマニホールド３１
に向かう酸化剤排出ガスの流れを示している。矢印３８
は、さらに後で述べる酸化剤排出第３領域出口共通ガス
マニホールド５３から酸化剤排出第２領域入口共通ガス
マニホールド４１に向かう酸化剤排出ガスの流れを示し
ている。On the other hand, the oxidant discharge second area outlet common gas manifold 42 communicates with the oxidant discharge first area inlet common gas manifold 31 shown in FIG. Arrow 38
Is the common gas manifold 42 for the oxidant discharge second region outlet
From the oxidant discharge from the first region inlet common gas manifold 31
3 shows the flow of oxidant exhaust gas towards the. Arrow 38
Shows a flow of the oxidant discharge gas from the oxidant discharge third region outlet common gas manifold 53 described later to the oxidant discharge second region inlet common gas manifold 41.
【００５５】第２の温度湿度調整領域２は、３つの温度
湿度調整領域の中では中温中湿の領域になる。第１の温
度湿度調整領域１で、多少加温加湿された酸化剤供給ガ
スは、第２の温度湿度調整領域２においてさらに加温加
湿される。また、第３の温度湿度調整領域３で熱と水分
を奪われた酸化剤排出ガスは、第２の温度湿度調整領域
２においてさらに熱と水分が奪われ、その熱と水分は第
２領域の温度湿度調製膜３６を介して、酸化剤供給ガス
に付加される。The second temperature / humidity adjusting area 2 is an intermediate temperature / humidity area among the three temperature / humidity adjusting areas. The oxidant supply gas that has been heated and humidified in the first temperature and humidity adjustment area 1 is further heated and humidified in the second temperature and humidity adjustment area 2. Further, the oxidant exhaust gas from which heat and moisture are deprived in the third temperature and humidity adjustment area 3 is further deprived of heat and moisture in the second temperature and humidity adjustment area 2, and the heat and moisture are absorbed in the second area. It is added to the oxidant supply gas through the temperature / humidity adjusting film 36.
【００５６】第２領域の温度湿度調整膜３６には厚さ１
５０μｍの和紙を使用した。また、酸化剤排出ガスの通
路が設けられた隔壁２７および、酸化剤供給ガスの通路
が設けられた隔壁２８には第１の温度湿度調製領域１と
同様に山谷折りされた厚紙（クラフト紙）を用いた。The temperature / humidity adjusting film 36 in the second region has a thickness of 1
50 μm Japanese paper was used. Similarly to the first temperature / humidity adjusting region 1, the partition wall 27 provided with the passage for the oxidant exhaust gas and the partition wall 28 provided with the passage for the oxidant supply gas are folded in a mountain (valley) cardboard (kraft paper). Was used.
【００５７】第２領域の温度湿度調整膜３６は、酸化剤
排出ガス中の水分を凝縮させて熱を奪い、酸化剤排出ガ
スの温度と湿度を下げる。また、吸収した水分を浸透に
よって反対の面に移動させて、低温で乾燥している酸化
剤供給ガスに接触させ、水分を蒸発させて酸化剤供給ガ
スを加湿し昇温させる。The temperature / humidity adjusting film 36 in the second region condenses moisture in the oxidant exhaust gas to remove heat and lower the temperature and humidity of the oxidant exhaust gas. Further, the absorbed moisture is moved to the opposite surface by permeation and brought into contact with the oxidant supply gas that is dried at a low temperature to evaporate the moisture to humidify the oxidant supply gas and raise the temperature.
【００５８】図５は第３の温度湿度調整領域３の平面図
（Ｇ）、平面図（Ｇ）のＨ−Ｈ線に沿う矢視断面図
（Ｈ）および平面図（Ｇ）のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図
（Ｉ）をともに示す説明図である。図５において、４６
は第３領域の温度湿度調整膜、５０は酸化剤供給第３領
域入口共通ガスマニホールド、５１は酸化剤供給第３領
域出口共通ガスマニホールド、５２は酸化剤排出第３領
域入口共通ガスマニホールド、５３は酸化剤排出第３領
域出口共通ガスマニホールドである。FIG. 5 is a plan view (G) of the third temperature / humidity adjusting region 3, a sectional view (H) taken along the line HH of the plan view (G) and I-I of the plan view (G). It is explanatory drawing which shows the arrow sectional drawing (I) along a line. In FIG. 5, 46
Is a temperature / humidity adjusting film of the third region, 50 is an oxidant supply third region inlet common gas manifold, 51 is an oxidant supply third region outlet common gas manifold, 52 is an oxidant discharge third region inlet common gas manifold, 53 Is a common gas manifold for the outlet of the oxidant discharge third region.
【００５９】酸化剤供給第３領域入口共通ガスマニホー
ルド５０は、図４に示す酸化剤供給第２領域出口共通ガ
スマニホールド４０と連通している。一方、酸化剤排出
第３領域出口共通ガスマニホールド５３は、図４に示す
酸化剤排出第２領域入口共通ガスマニホールド４１と連
通している。The oxidant supply third region inlet common gas manifold 50 communicates with the oxidant supply second region outlet common gas manifold 40 shown in FIG. On the other hand, the oxidant discharge third region outlet common gas manifold 53 communicates with the oxidant discharge third region inlet common gas manifold 41 shown in FIG.
【００６０】第３の温度湿度調整領域３は、３つの温度
湿度調整領域の中で最も高温高湿の領域になる。第２の
温度湿度調整領域２で、さらに加温加湿された酸化剤供
給ガスは、第３の温度湿度調整領域３において燃料電池
で用いるのに十分な程度にまで加温加湿される。一方、
燃料電池スタック２００から排出された酸化剤排出ガス
は、第３の温度湿度調整領域３において大量の熱と水分
が奪われ、その熱と水分は第３領域の温度湿度調製膜４
６を介して、酸化剤供給ガスに付加される。The third temperature / humidity adjustment area 3 is the highest temperature / high humidity area among the three temperature / humidity adjustment areas. The oxidant supply gas that has been further heated and humidified in the second temperature and humidity adjustment area 2 is heated and humidified to a sufficient degree for use in the fuel cell in the third temperature and humidity adjustment area 3. on the other hand,
The oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 200 is deprived of a large amount of heat and moisture in the third temperature / humidity adjusting region 3, and the heat and moisture are removed from the temperature / humidity adjusting film 4 in the third region.
Via 6 to the oxidant feed gas.
【００６１】第３領域の温度湿度調整膜４６には厚さ５
０μｍのプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜
（ナフィオン１１２、デュポン社）を２枚のカーボンペ
ーパー（東レ）で挟んで１８０℃でホットプレスしたも
のを使用した。また、酸化剤排出ガスの通路が設けられ
た隔壁２７および、酸化剤供給ガスの通路が設けられた
隔壁２８には第１の温度湿度調製領域１と同様に山谷折
りされた厚紙（クラフト紙）を用いた。The temperature and humidity adjusting film 46 in the third region has a thickness of 5
A solid polymer electrolyte membrane (Nafion 112, DuPont) having a proton conductivity of 0 μm was sandwiched between two carbon papers (Toray) and hot pressed at 180 ° C. was used. Similarly to the first temperature / humidity adjusting region 1, the partition wall 27 provided with the passage for the oxidant exhaust gas and the partition wall 28 provided with the passage for the oxidant supply gas are folded in a mountain (valley) cardboard (kraft paper). Was used.
【００６２】第３領域の温度湿度調整膜４６では、酸化
剤排出ガス中の水分を凝縮させて熱を奪い、酸化剤排出
ガスの温度と湿度を下げる。また、吸収した水分を浸透
によって反対の面に移動させて、低温で乾燥している酸
化剤供給ガスに接触させ、水分を蒸発させて酸化剤供給
ガスを加湿し昇温させる。また、第３領域の温度湿度調
整膜４６は、イオン交換膜なので、酸化剤供給ガス中に
含まれる金属イオン等、燃料電池の酸化剤電極の機能を
阻害する物質を除去する。In the temperature / humidity adjusting film 46 in the third region, the moisture in the oxidant exhaust gas is condensed to remove heat, and the temperature and humidity of the oxidant exhaust gas are lowered. Further, the absorbed moisture is moved to the opposite surface by permeation and brought into contact with the oxidant supply gas that is dried at a low temperature to evaporate the moisture to humidify the oxidant supply gas and raise the temperature. Further, since the temperature / humidity adjusting film 46 in the third region is an ion exchange film, it removes substances that impair the function of the oxidant electrode of the fuel cell, such as metal ions contained in the oxidant supply gas.
【００６３】図６は温度湿度調整装置１００を燃料電池
スタック２００側から見た平面図である。本実施の形態
の温度湿度調整装置１００は、酸化剤入口ポート７と酸
化剤出口ポート８を介して燃料電池スタック２００から
着脱自在とされている。そのため、温度湿度調整装置１
００を燃料電池スタック２００から取り外して、汚れた
温度湿度調整膜を容易に取り替えることができる。FIG. 6 is a plan view of the temperature / humidity adjusting device 100 viewed from the fuel cell stack 200 side. The temperature and humidity adjusting device 100 of the present embodiment is detachable from the fuel cell stack 200 via the oxidant inlet port 7 and the oxidant outlet port 8. Therefore, the temperature and humidity adjustment device 1
00 can be removed from the fuel cell stack 200, and the dirty temperature and humidity adjustment membrane can be easily replaced.
【００６４】本実施の形態の温度湿度調整装置１００を
１ｋＷ級の固体高分子形燃料電池スタック２００に装着
して、１００回の起動停止や負荷の変化を含むおよそ５
００時間の運転試験を行ったところ、従来の温度湿度調
整装置よりも高い出力電圧を保って運転できることを確
認した。The temperature / humidity adjusting device 100 of the present embodiment is mounted on a 1 kW class solid polymer electrolyte fuel cell stack 200, and about 5 times including 100 times of starting and stopping and load change.
When the operation test was performed for 00 hours, it was confirmed that the operation could be performed while maintaining a higher output voltage than that of the conventional temperature and humidity adjusting device.
【００６５】このように本実施の形態の燃料電池は、電
解質層、電解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸
化剤電極を有し、外部から供給され燃料ガスを燃料電極
に浸透させ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガス
を酸化剤電極に浸透させて、燃料ガスと酸化剤供給ガス
とを電界質層を介して反応させて発電し、反応後の酸化
剤供給ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池ス
タック２００と、燃料電池スタック２００に接続され、
燃料電池スタック２００に供給する酸化剤供給ガスと燃
料電池スタック２００から排出される酸化剤排出ガスと
の間で熱交換・湿度交換を行う温度湿度調整装置１００
とを有する燃料電池であって、温度湿度調整装置１００
は、少なくとも３つに分割された第１、第２、第３の温
度湿度調整領域１、２、３を有し、各々の温度湿度調整
領域１、２、３においては、酸化剤供給ガスと酸化剤排
出ガスとが温度湿度調整膜２６、３６、４６を介して対
峙し、外部から供給された酸化剤供給ガスは、第１の温
度湿度調整領域１、第２の温度湿度調整領域２、第３の
温度湿度調整領域３の順に流れ、一方、燃料電池スタッ
ク２００から排出された酸化剤排出ガスは、第３の温度
湿度調整領域３、第２の温度湿度調整領域２、第１の温
度湿度調整領域１の順に流れる。そのため、低温低湿
度、中温中湿度、高温高湿度の順に、反応供給ガスを効
率的に加温加湿することができ、温度・湿度の交換を高
効率で行うことができるので、装置の小型化を図ること
ができる。As described above, the fuel cell according to the present embodiment has the electrolyte layer, the fuel electrode and the oxidant electrode provided with the electrolyte layer sandwiched therebetween, and the fuel gas supplied from the outside is permeated into the fuel electrode. The oxidant supply gas supplied from the outside is permeated into the oxidant electrode, the fuel gas and the oxidant supply gas are reacted through the electrolyte layer to generate electricity, and the oxidant supply gas after the reaction is discharged by the oxidant. Connected to the fuel cell stack 200 and the fuel cell stack 200 that discharges as gas,
Temperature / humidity adjusting device 100 that performs heat exchange / humidity exchange between the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack 200 and the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 200.
A fuel cell having:
Has at least three first, second, and third temperature / humidity adjustment regions 1, 2, and 3. In each of the temperature / humidity adjustment regions 1, 2, and 3, an oxidant supply gas is supplied. The oxidant exhaust gas faces the temperature / humidity adjusting films 26, 36, and 46, and the oxidant supply gas supplied from the outside includes a first temperature / humidity adjusting area 1 and a second temperature / humidity adjusting area 2, The oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack 200 flows in the order of the third temperature / humidity adjustment region 3, while the third temperature / humidity adjustment region 3, the second temperature / humidity adjustment region 2, and the first temperature Flow in the order of the humidity adjustment area 1. Therefore, the reaction supply gas can be efficiently heated and humidified in the order of low temperature low humidity, medium temperature medium humidity, and high temperature high humidity, and the temperature and humidity can be exchanged with high efficiency. Can be achieved.
【００６６】また、第１、第２、第３の温度湿度調整領
域１、２、３は、それぞれ、酸化剤供給ガスが流れる流
路と酸化剤排出ガスが流れる流路とが温度湿度調整膜２
６、３６、４６を介して直交して形成されている温度湿
度調整セルが、ガスの流通方向に垂直に複数積層されて
なり、第１の温度湿度調整領域１において温度湿度調整
セルの一側から他側に流れる酸化剤供給ガスは、第２の
温度湿度調整領域２において第１の温度湿度調整領域１
と反対方向にながれ、さらに第３の温度湿度調整領域３
においては第２の温度湿度調整領域２と反対方向に流
れ、第３の温度湿度調整領域３において酸化剤供給ガス
と直交して流れる酸化剤排出ガスは、第２の温度湿度調
整領域２において第３の温度湿度調整領域３と反対方向
にながれ、さらに第１の温度湿度調整領域１においては
第２の温度湿度調整領域２と反対方向に流れる。そのた
め、構造を複雑にすることなく、酸化剤供給ガスと酸化
剤排出ガスを効果的に温度湿度交換させることができ
る。In the first, second, and third temperature / humidity adjusting regions 1, 2, and 3, the temperature / humidity adjusting film has a flow path through which the oxidant supply gas flows and a flow path through which the oxidant exhaust gas flows. Two
A plurality of temperature / humidity adjusting cells that are formed orthogonal to each other through 6, 36, 46 are stacked vertically in the gas flow direction, and one side of the temperature / humidity adjusting cell in the first temperature / humidity adjusting region 1 is formed. The oxidant supply gas flowing from the other side to the other side in the second temperature / humidity adjusting area 2
Flow in the opposite direction to the third temperature and humidity adjustment area 3
In the second temperature / humidity adjusting area 2, the oxidant exhaust gas flowing in the third temperature / humidity adjusting area 3 in the direction orthogonal to the oxidant supply gas is in the second temperature / humidity adjusting area 2. 3 flows in the direction opposite to the temperature / humidity adjustment region 3 and further flows in the direction opposite to the second temperature / humidity adjustment region 2 in the first temperature / humidity adjustment region 1. Therefore, the oxidizing agent supply gas and the oxidizing agent exhaust gas can be effectively exchanged in temperature and humidity without complicating the structure.
【００６７】実施の形態２．本実施の形態では、実施の
形態１の第１の温度湿度調製領域１に用いる温度湿度調
製膜２６の酸化剤供給ガス側に、高比面積を持つカーボ
ン粉末であるアセチレンブラックに貴金属である白金微
粒子を担持した白金担持カーボンを液状になった固体高
分子電解質であるナフィオン液（アルドリッチ）に混ぜ
て吹き付けたものを使用した。そして、ホルムアルデヒ
ド臭のある酸化剤ガスとして供給した。すると、温度湿
度調製装置の出口ガスからはホルムアルデヒド臭がなく
なっており、臭い成分を白金触媒で付着して分解除去で
きることが判明した。Embodiment 2. In the present embodiment, acetylene black, which is a carbon powder having a high specific area, and platinum, which is a noble metal, are provided on the oxidant supply gas side of the temperature / humidity adjusting film 26 used in the first temperature / humidity adjusting region 1 of the first embodiment. Platinum-supporting carbon supporting fine particles was mixed with Nafion liquid (Aldrich), which is a liquid solid polymer electrolyte, and sprayed. Then, it was supplied as an oxidant gas having formaldehyde odor. Then, it was found that the formaldehyde odor disappeared from the outlet gas of the temperature and humidity adjusting device, and the odorous component could be attached and decomposed and removed by the platinum catalyst.
【００６８】しかしながら、温度湿度調製膜２６を第３
の温度湿度調製領域３に用いた場合にはホルムアルデヒ
ド臭が残っていた。このようなことから、低温で吸着力
が強く、低湿度でカーボンが濡れすぎておらず高い表面
積を保っているので臭い成分の除去効果が高かったと考
えられる。However, the temperature / humidity adjusting film 26 is set to the third position.
When used in the temperature and humidity adjustment region 3 of No. 3, formaldehyde odor remained. From these facts, it is considered that the adsorption effect was high because the adsorption power was strong at low temperature, the carbon was not too wet at low humidity, and the high surface area was maintained.
【００６９】実施の形態３．本実施の形態では、第１の
温度湿度調製領域１に用いる温度湿度調製膜２６の酸化
剤供給ガス側に、粘着性の物質としてスプレー糊（スリ
ーエム社）を吹き付けたものを使用し、ハウスダストを
含む空気を酸化剤ガスとして供給したところ、ハウスダ
ストのほとんど全てが第１の温度湿度調製領域１の温度
湿度調製膜２６に付着して除去できることが判明した。Third Embodiment In the present embodiment, the temperature and humidity adjusting film 26 used in the first temperature and humidity adjusting region 1 is sprayed with a spray glue (3M Co., Ltd.) as an adhesive substance on the oxidant supply gas side, and the house dust is used. It was found that almost all the house dust can be attached to and removed from the temperature / humidity adjusting film 26 in the first temperature / humidity adjusting region 1 by supplying the air containing air as the oxidant gas.
【００７０】しかしながら、第３の温度湿度調製領域３
で温度湿度調製膜にスプレー糊（スリーエム社）を吹き
付けたもの２６を使用したところ、しばらく使用してい
ると糊が高温高湿で劣化し、糊としての機能を失ってし
まった。However, the third temperature / humidity adjusting region 3
Then, when the temperature-humidity adjusting film sprayed with spray glue (3M Co., Ltd.) 26 was used, the glue deteriorated due to high temperature and high humidity and lost its function as a glue after being used for a while.
【００７１】実施の形態４．本実施の形態では、第２の
温度湿度調製領域２に用いる温度湿度調製膜３６に、
０．１Ｎの水酸化カリウム水溶液を塗布し乾燥させた。
また、酸化剤供給ガスとして５０ｐｐｍのＳＯｘを混合
したものを用いた。６時間供給を継続した後ＳＯｘを分
析したところ、大量に検出され、酸性化合物であるＳＯ
ｘがアルカリ性の水酸化カリウムに中和されて硫酸カリ
ウムとなってトラップされていることが判明した。Fourth Embodiment In the present embodiment, the temperature / humidity adjusting film 36 used in the second temperature / humidity adjusting area 2 is
A 0.1 N potassium hydroxide aqueous solution was applied and dried.
Further, a mixture of 50 ppm SOx was used as the oxidant supply gas. When SOx was analyzed after continuing the supply for 6 hours, a large amount was detected, and SOx which is an acidic compound was detected.
It was found that x was neutralized by alkaline potassium hydroxide to be potassium sulfate and trapped.
【００７２】ＳＯｘは、あらゆる種類の燃料電池を不可
逆的に劣化させることが知られている。一方、空気中に
は、自動車の排気ガスなどからＳＯｘが微量含まれてお
り、これらの物質による劣化が懸念されていた。SOx is known to irreversibly deteriorate all types of fuel cells. On the other hand, a small amount of SOx is contained in the air from the exhaust gas of automobiles, etc., and there has been a concern about deterioration due to these substances.
【００７３】温度湿度調製膜によるこれら不純物のトラ
ップは燃料電池の寿命を延ばす効果を与える。０．１Ｎ
の水酸化カリウム水溶液を塗布し乾燥させた温度湿度調
製膜３６を第１の温度湿度調製領域１に用いた場合には
効果が少なく、第３の温度湿度調製領域３に用いた場合
には、しばらくすると水酸化カリウム成分が凝縮した水
に流されて下に溜まってしまって機能しなくなった。The trapping of these impurities by the temperature / humidity adjusting film has the effect of extending the life of the fuel cell. 0.1N
When the temperature / humidity adjusting film 36 obtained by applying and drying the potassium hydroxide aqueous solution is used in the first temperature / humidity adjusting region 1, the effect is small, and when it is used in the third temperature / humidity adjusting region 3, After a while, the potassium hydroxide component was washed away by the condensed water and accumulated underneath, and it stopped functioning.
【００７４】実施の形態５．本実施の形態では、酸化剤
ガスではなく、ＣＯを５０ppm含むメタンの改質ガスを
反応ガスとして用いた。また、図１によく似た構成では
あるが、第１、第２、第３の温度湿度調整膜を６枚では
なく、２枚に減らして構成したものを用いた。燃料電池
スタックの燃料ガス入口、燃料ガス出口に接続して、起
動停止や負荷の変化を含む運転試験を行い、従来の温度
湿度調整装置よりも高い出力電圧を保って運転できるこ
とを確認した。Embodiment 5. In the present embodiment, the reformed gas of methane containing 50 ppm of CO is used as the reaction gas instead of the oxidant gas. Further, although the structure is very similar to that of FIG. 1, the number of the first, second, and third temperature / humidity adjusting films reduced to two instead of six was used. By connecting to the fuel gas inlet and the fuel gas outlet of the fuel cell stack, an operation test including start-stop and load change was performed, and it was confirmed that the output voltage could be maintained higher than that of the conventional temperature and humidity adjusting device.
【００７５】実施の形態６．本実施の形態では、実施の
形態５と同様の構成で、第１の温度湿度調製領域１に用
いる温度湿度調製膜の酸化剤供給ガス側に、高比面積を
持つカーボン粉末であるアセチレンブラックに白金微粒
子を担持した白金担持カーボンを液状になった固体高分
子電解質であるナフィオン液（アルドリッチ）に混ぜて
吹き付けたものを使用し、ガス混合機を用いてＣＯ濃度
を５０ppmから５００ppmまで変化させてメタン改質ガス
を模擬したガスを供給したところ、ＣＯ被毒が急に高く
なっても、セル電圧への影響が小さくなっており、高い
セル電圧を保てることが分かった。Sixth Embodiment In the present embodiment, with the same configuration as in the fifth embodiment, acetylene black, which is a carbon powder having a high specific area, is provided on the oxidant supply gas side of the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region 1. Using a mixture of platinum-supporting carbon carrying platinum fine particles and Nafion liquid (Aldrich), which is a liquid solid polymer electrolyte, and spraying it, change the CO concentration from 50ppm to 500ppm using a gas mixer. When a gas simulating a methane reformed gas was supplied, even if CO poisoning suddenly became high, the influence on the cell voltage was small, and it was found that a high cell voltage can be maintained.
【００７６】これは、低温低湿度領域にある白金触媒が
高濃度のＣＯを吸着し、徐々に脱着するために、ＣＯ濃
度の急激な上昇によるセル電圧の急激な低下を防ぐこと
ができたためで、ＣＯ濃度のバッファーとして機能した
ためと考えられる。改質ガス中のＣＯ濃度が状況によっ
て大きく変化する可能性があり、これを緩和する機能は
出力電圧を安定化させる上で極めて重要である。This is because the platinum catalyst in the low temperature and low humidity region adsorbs a high concentration of CO and gradually desorbs it, so that it is possible to prevent a sharp decrease in cell voltage due to a sharp increase in CO concentration. , It is considered that it functioned as a buffer for CO concentration. The CO concentration in the reformed gas may change significantly depending on the situation, and the function of mitigating this is extremely important for stabilizing the output voltage.
【００７７】なお、上記実施の形態では、温度湿度調製
膜として和紙を用いた場合を示したが、ポリプロピレン
不織布、ポリプロピレン多孔質膜、ポリチレン不織布、
ポリエチレン多孔質膜、ポリスチレン不織布、天然パル
プ紙、綿布、綿不織布、布、フェルト、カーボン不織
布、カーボンクロス、カーボンペーパーなどを用いても
よく、あるいはこれらを組み合わせたものであってもよ
く同様の効果が得られる。In the above embodiment, the case where Japanese paper is used as the temperature / humidity adjusting film is shown. However, polypropylene non-woven fabric, polypropylene porous film, polyethylene non-woven fabric,
A polyethylene porous film, polystyrene non-woven fabric, natural pulp paper, cotton cloth, cotton non-woven fabric, cloth, felt, carbon non-woven fabric, carbon cloth, carbon paper, or the like may be used, or a combination thereof may be used with the same effect. Is obtained.
【００７８】また、上記実施の形態では、温度湿度調製
膜として使用する固体高分子電解質膜としてナフィオン
１１２を用いた場合を示したが、アシプレックス（旭化
成）、フレミオン（旭硝子）、ゴア膜（ジャパンゴアッ
テクス）などを用いても良く、これらスルフォン酸基を
側鎖に持つフッ素系の膜以外にカルボン酸基を側鎖に持
つフッ素系の膜や炭化水素系の膜を用いても良い。In the above embodiment, the case where Nafion 112 is used as the solid polymer electrolyte membrane used as the temperature / humidity adjusting membrane is shown. However, Aciplex (Asahi Kasei), Flemion (Asahi Glass), Gore membrane (Japan Goattex) or the like may be used, and in addition to these fluorine-based films having a sulfonic acid group as a side chain, a fluorine-based film having a carboxylic acid group as a side chain or a hydrocarbon-based film may be used.
【００７９】なお、上記実施の形態では反応ガスとして
酸化剤ガスの場合を示したが、純水素や改質ガスなどの
燃料ガスの場合でもよく、同様の効果が得られる。In the above embodiment, the case where the oxidant gas is used as the reaction gas has been described, but the case of using a fuel gas such as pure hydrogen or a reformed gas is also possible, and the same effect can be obtained.
【００８０】[0080]
【発明の効果】この発明は、以上のように構成されてい
るので、以下に記載されるような効果を奏する。Since the present invention is constituted as described above, it has the following effects.
【００８１】この発明に係る燃料電池は、電解質層、電
解質層を挟んで設けられた燃料電極および酸化剤電極を
有し、外部から供給され燃料ガスを燃料電極に浸透さ
せ、同じく外部から供給された酸化剤供給ガスを酸化剤
電極に浸透させて、燃料ガスと酸化剤供給ガスとを電界
質層を介して反応させて発電し、反応後の酸化剤供給ガ
スを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタック
と、燃料電池スタックに接続され、燃料電池スタックに
供給する酸化剤供給ガスと燃料電池スタックから排出さ
れる酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿度交換を行う温
度湿度調整装置とを有する燃料電池であって、温度湿度
調整装置は、少なくとも３つに分割された第１、第２、
第３の温度湿度調整領域を有し、各々の温度湿度調整領
域においては、酸化剤供給ガスと酸化剤排出ガスとが温
度湿度調整膜を介して対峙し、外部から供給された酸化
剤供給ガスは、第１の温度湿度調整領域、第２の温度湿
度調整領域、第３の温度湿度調整領域の順に流れ、一
方、燃料電池スタックから排出された酸化剤排出ガス
は、第３の温度湿度調整領域、第２の温度湿度調整領
域、第１の温度湿度調整領域の順に流れるので、低温低
湿度、中温中湿度、高温高湿度の順に、反応供給ガスを
効率的に加温加湿することができ、温度・湿度の交換を
高効率で行うことができるので、装置の小型化を図るこ
とができる。The fuel cell according to the present invention has an electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidizer electrode provided with the electrolyte layer sandwiched between them, and a fuel gas supplied from the outside permeates the fuel electrode and is also supplied from the outside. The oxidant supply gas permeates the oxidant electrode, the fuel gas and the oxidant supply gas react with each other through the electrolyte layer to generate electricity, and the oxidant supply gas after the reaction is discharged as the oxidant exhaust gas. A temperature / humidity adjusting device that is connected to the fuel cell stack and performs heat exchange / humidity exchange between the oxidant supply gas supplied to the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack; And a temperature and humidity adjusting device, wherein the temperature and humidity adjusting device is divided into at least three first, second, and
A third temperature / humidity adjusting area is provided, and in each temperature / humidity adjusting area, the oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas face each other through the temperature / humidity adjusting film, and the oxidant supply gas supplied from the outside is provided. Flows in the order of the first temperature / humidity adjustment area, the second temperature / humidity adjustment area, and the third temperature / humidity adjustment area, while the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack is adjusted to the third temperature / humidity adjustment area. Since the region, the second temperature and humidity adjustment region, and the first temperature and humidity adjustment region flow in this order, the reaction supply gas can be efficiently heated and humidified in the order of low temperature low humidity, medium temperature medium humidity, and high temperature high humidity. Since the temperature and humidity can be exchanged with high efficiency, the size of the device can be reduced.
【００８２】また、第１、第２、第３の温度湿度調整領
域は、それぞれ、酸化剤供給ガスが流れる流路と酸化剤
排出ガスが流れる流路とが温度湿度調整膜を介して直交
して形成されている温度湿度調整セルが、ガスの流通方
向に垂直に複数積層されてなり、第１の温度湿度調整領
域において温度湿度調整セルの一側から他側に流れる酸
化剤供給ガスは、第２の温度湿度調整領域において第１
の温度湿度調整領域と反対方向にながれ、さらに第３の
温度湿度調整領域においては第２の温度湿度調整領域と
反対方向に流れ、第３の温度湿度調整領域において酸化
剤供給ガスと直交して流れる酸化剤排出ガスは、第２の
温度湿度調整領域において第３の温度湿度調整領域と反
対方向にながれ、さらに第１の温度湿度調整領域におい
ては第２の温度湿度調整領域と反対方向に流れるので、
構造を複雑にすることなく、酸化剤供給ガスと酸化剤排
出ガスを効果的に温度湿度交換させることができる。Further, in the first, second, and third temperature / humidity adjustment regions, the flow path through which the oxidant supply gas flows and the flow path through which the oxidant exhaust gas flows are orthogonal to each other through the temperature / humidity adjustment film. The temperature and humidity adjustment cells formed by stacking a plurality of vertically perpendicular to the gas flow direction, the oxidant supply gas flowing from one side of the temperature and humidity adjustment cell to the other side in the first temperature and humidity adjustment region, The first in the second temperature and humidity adjustment area
Flowing in the direction opposite to the second temperature / humidity adjusting region in the third temperature / humidity adjusting region, and in the third temperature / humidity adjusting region at right angles to the oxidant supply gas. The flowing oxidant exhaust gas flows in the second temperature / humidity adjusting area in the opposite direction to the third temperature / humidity adjusting area, and further flows in the first temperature / humidity adjusting area in the opposite direction to the second temperature / humidity adjusting area. So
The oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas can be effectively exchanged in temperature and humidity without complicating the structure.
【００８３】また、第３の温度湿度調整領域に用いられ
る温度湿度調整膜は、プロトン伝導性を有する固体高分
子電解質膜である。そのため、温度湿度の最も高い領域
で、水に付着しやすいイオン成分を効果的に脱イオンし
て酸化剤供給ガスから除去することができる。The temperature / humidity adjusting membrane used in the third temperature / humidity adjusting area is a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity. Therefore, it is possible to effectively deionize and remove from the oxidant supply gas the ionic components that tend to adhere to water in the region of the highest temperature and humidity.
【００８４】また、第１の温度湿度調整領域に用いられ
る温度湿度調整膜に、カーボン粉末が含まれているの
で、カーボン粉末が湿潤しすぎて水分で気孔が埋まって
しまって表面積が低下することの少ない低温低湿度領域
において、燃料電池の電極を被毒する可能性のある臭い
成分を活性炭の広大な表面積に吸着させて除去すること
ができる。Further, since the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting area contains carbon powder, the carbon powder becomes too wet and the pores are filled with water, so that the surface area is reduced. In a low-temperature low-humidity region in which the amount of heat is low, odorous components that may poison the electrodes of the fuel cell can be adsorbed and removed on the vast surface area of the activated carbon.
【００８５】また、第１の温度湿度調整領域に用いられ
る温度湿度調整膜に、貴金属を担持したカーボン粉末が
含まれているので、カーボン粉末が湿潤しすぎて水分で
気孔が埋まってしまって表面積が低下することの少ない
低温低湿度領域において、燃料電池の電極を被毒する可
能性のある臭い成分を活性炭の広大な表面積に吸着させ
て除去することができる。また、ＣＯを大量に吸着し、
改質ガス中のＣＯ濃度が急激に増加した場合でも、ＣＯ
濃度の変化を緩和し、燃料電池スタックの出力電圧への
影響を緩和することができる。Further, since the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains the carbon powder carrying the noble metal, the carbon powder is too wet and the pores are filled with the water, so In a low-temperature low-humidity region in which the temperature does not decrease, odorous components that may poison the electrodes of the fuel cell can be adsorbed and removed on the vast surface area of the activated carbon. It also adsorbs a large amount of CO,
Even if the CO concentration in the reformed gas suddenly increases, the CO
It is possible to mitigate the change in concentration and mitigate the influence on the output voltage of the fuel cell stack.
【００８６】また、第１の温度湿度調整領域に用いられ
る温度湿度調整膜に、粘着性の物質が含まれているの
で、粘着物質が高温多湿によって寿命劣化するような物
質の場合でも、低温低湿度の領域で、酸化剤供給ガスに
含まれるごみなどの粒子状や繊維状の物質を効率的に粘
着物質によって吸着除去することができる。Further, since the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains an adhesive substance, even if the adhesive substance is a substance whose life is deteriorated due to high temperature and high humidity, the low temperature / low temperature In the humidity range, particulate or fibrous substances such as dust contained in the oxidant supply gas can be efficiently adsorbed and removed by the adhesive substance.
【００８７】さらに、第１の温度湿度調整領域に用いら
れる温度湿度調整膜に、イオウ酸化物を吸着する物質が
含まれているので、適度な湿り気を有する中温中湿度領
域において、燃料電池の性能を大幅に低下させるイオウ
化合物を効果的に吸着除去することができる。Further, since the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting area contains a substance that adsorbs sulfur oxides, the performance of the fuel cell in the medium temperature / humidity area having an appropriate amount of moist air. It is possible to effectively adsorb and remove a sulfur compound that significantly reduces
【図１】 この発明の実施の形態１に係る燃料電池の温
度湿度調整装置の斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of a temperature and humidity adjusting device for a fuel cell according to a first embodiment of the present invention.
【図２】 本実施の形態に係る燃料電池の温度湿度調整
装置および燃料電池スタックの斜視図である。FIG. 2 is a perspective view of a temperature and humidity adjusting device for a fuel cell and a fuel cell stack according to the present embodiment.
【図３】 第１の温度湿度調整領域の平面図（Ａ）、平
面図（Ａ）のＢ−Ｂ線に沿う矢視断面図（Ｂ）および平
面図（Ａ）のＣ−Ｃ線に沿う矢視断面図（Ｃ）をともに
示す説明図である。FIG. 3 is a plan view (A) of the first temperature / humidity adjustment region, a sectional view (B) taken along the line BB of the plan view (A) and a line C-C of the plan view (A). It is explanatory drawing which shows both arrow cross-sectional views (C).
【図４】 第２の温度湿度調整領域の平面図（Ｄ）、平
面図（Ｄ）のＥ−Ｅ線に沿う矢視断面図（Ｅ）および平
面図（Ｄ）のＦ−Ｆ線に沿う矢視断面図（Ｆ）をともに
示す説明図である。FIG. 4 is a plan view (D) of the second temperature and humidity adjustment region, a sectional view (E) taken along the line EE of the plan view (D) and a line FF of the plan view (D). It is explanatory drawing which shows both arrow cross-sectional views (F).
【図５】 第３の温度湿度調整領域の平面図（Ｇ）、平
面図（Ｇ）のＨ−Ｈ線に沿う矢視断面図（Ｈ）および平
面図（Ｇ）のＩ−Ｉ線に沿う矢視断面図（Ｉ）をともに
示す説明図である。FIG. 5 is a plan view (G) of a third temperature / humidity adjustment region, a sectional view (H) taken along line HH of the plan view (G) and a line I-I of the plan view (G). It is explanatory drawing which shows the arrow cross section (I) together.
【図６】 温度湿度調整装置を燃料電池スタック側から
見た平面図である。FIG. 6 is a plan view of the temperature / humidity adjusting device as viewed from the fuel cell stack side.
【図７】 従来の温度・湿度交換器および燃料電池発電
システムの模式図である。FIG. 7 is a schematic diagram of a conventional temperature / humidity exchanger and a fuel cell power generation system.
【図８】 従来の温度湿度調整装置の構成を示す断面模
式図である。FIG. 8 is a schematic sectional view showing a configuration of a conventional temperature and humidity adjusting device.
１００ 温度湿度調整装置、１ 第１の温度湿度調整領
域、２ 第２の温度湿度調整領域、３ 第３の温度湿度
調整領域、２００ 燃料電池スタック、２６第１領域の
温度湿度調整膜、２９ 酸化剤供給第１領域入口共通ガ
スマニホールド、３０ 酸化剤供給第１領域出口共通ガ
スマニホールド、３１ 酸化剤排出第１領域入口共通ガ
スマニホールド、３２ 酸化剤排出第１領域出口共通ガ
スマニホールド、３６ 第２領域の温度湿度調整膜、３
９ 酸化剤供給第２領域入口共通ガスマニホールド、４
０ 酸化剤供給第２領域出口共通ガスマニホールド、４
１ 酸化剤排出第２領域入口共通ガスマニホールド、４
２ 酸化剤排出第２領域出口共通ガスマニホールド、４
６ 第３領域の温度湿度調整膜、５０ 酸化剤供給第３
領域入口共通ガスマニホールド、５１ 酸化剤供給第３
領域出口共通ガスマニホールド、５２ 酸化剤排出第３
領域入口共通ガスマニホールド、５３ 酸化剤排出第３
領域出口共通ガスマニホールド。100 temperature / humidity adjusting device, 1st temperature / humidity adjusting region, 2nd temperature / humidity adjusting region, 3rd temperature / humidity adjusting region, 200 fuel cell stack, 26 1st region temperature / humidity adjusting film, 29 oxidation Agent supply first area inlet common gas manifold, 30 Oxidant supply first area outlet common gas manifold, 31 Oxidant discharge first area inlet common gas manifold, 32 Oxidant discharge first area outlet common gas manifold, 36 Second area Temperature and humidity adjustment film, 3
9 Oxidant supply second area inlet common gas manifold, 4
0 Oxidant supply second area outlet common gas manifold, 4
1 Oxidant discharge second area inlet common gas manifold, 4
2 Oxidant discharge second area outlet common gas manifold, 4
6 Temperature / humidity control film in the third area, 50 Oxidant supply third
Area inlet common gas manifold, 51 oxidant supply third
Area common gas manifold, 52 oxidant discharge third
Area inlet common gas manifold, 53 oxidant discharge third
Area common gas manifold.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｂ０１Ｊ 20/20 Ｂ０１Ｊ 20/20 Ｂ ５Ｈ０２７ Ｈ０１Ｍ 8/10 Ｈ０１Ｍ 8/10 (72)発明者 吉村 晃久 東京都千代田区丸の内二丁目２番３号 三 菱電機株式会社内 Ｆターム(参考） 4D019 AA01 BA12 BC09 CA01 CB04 4D020 AA06 BA01 BA08 BB07 CA03 4D052 AA00 AA02 CA02 CA09 HA00 4G066 AA04B AA13B AC02C AE06C BA07 CA02 CA23 CA28 CA29 CA35 DA01 DA03 5H026 AA03 AA04 AA06 AA08 5H027 AA03 AA04 AA06 AA08 BC06─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (51) Int.Cl. 7 Identification code FI theme code (reference) B01J 20/20 B01J 20/20 B 5H027 H01M 8/10 H01M 8/10 (72) Inventor Akihisa Yoshimura Tokyo 2-3-2 Marunouchi, Chiyoda-ku Sanryo Electric Co., Ltd. F term (reference) 4D019 AA01 BA12 BC09 CA01 CB04 4D020 AA06 BA01 BA08 BB07 CA03 4D052 AA00 AA02 CA02 CA09 HA00 4G066 AA04B AA13B AC02C AE35 CA01 CA29 CA07 CA02 CA02 CA29 DA03 5H026 AA03 AA04 AA06 AA08 5H027 AA03 AA04 AA06 AA08 BC06
Claims (7)
た燃料電極および酸化剤電極を有し、外部から供給され
燃料ガスを前記燃料電極に浸透させ、同じく外部から供
給された酸化剤供給ガスを前記酸化剤電極に浸透させ
て、前記燃料ガスと前記酸化剤供給ガスとを前記電界質
層を介して反応させて発電し、反応後の前記酸化剤供給
ガスを酸化剤排出ガスとして排出する燃料電池スタック
と、 前記燃料電池スタックに接続され、該燃料電池スタック
に供給する前記酸化剤供給ガスと前記燃料電池スタック
から排出される前記酸化剤排出ガスとの間で熱交換・湿
度交換を行う温度湿度調整装置と を有する燃料電池であって、 前記温度湿度調整装置は、少なくとも３つに分割された
第１、第２、第３の温度湿度調整領域を有し、各々の温
度湿度調整領域においては、前記酸化剤供給ガスと前記
酸化剤排出ガスとが温度湿度調整膜を介して対峙し、 外部から供給された前記酸化剤供給ガスは、前記第１の
温度湿度調整領域、前記第２の温度湿度調整領域、前記
第３の温度湿度調整領域の順に流れ、 一方、前記燃料電池スタックから排出された前記酸化剤
排出ガスは、前記第３の温度湿度調整領域、前記第２の
温度湿度調整領域、前記第１の温度湿度調整領域の順に
流れることを特徴とする燃料電池。1. An electrolyte layer, a fuel electrode and an oxidant electrode provided with the electrolyte layer sandwiched therebetween, and a fuel gas supplied from the outside permeates the fuel electrode, and an oxidant supply also supplied from the outside. Gas is permeated into the oxidant electrode, the fuel gas and the oxidant supply gas are reacted through the electrolyte layer to generate electricity, and the oxidant supply gas after the reaction is discharged as an oxidant exhaust gas. And a heat exchange / humidity exchange between the oxidant supply gas that is connected to the fuel cell stack and that is supplied to the fuel cell stack and the oxidant exhaust gas that is exhausted from the fuel cell stack. And a temperature / humidity adjusting device for performing the temperature / humidity adjusting device, wherein the temperature / humidity adjusting device has first, second, and third temperature / humidity adjusting regions divided into at least three. In the region, the oxidant supply gas and the oxidant exhaust gas face each other via a temperature / humidity adjusting film, and the oxidant supply gas supplied from the outside is the first temperature / humidity adjusting region, 2 in order of the temperature and humidity adjustment region and the third temperature and humidity adjustment region, while the oxidant exhaust gas discharged from the fuel cell stack is the third temperature and humidity adjustment region and the second temperature and humidity adjustment region. A fuel cell, characterized in that it flows in the order of a humidity adjusting region and the first temperature and humidity adjusting region.
域は、それぞれ、 前記酸化剤供給ガスが流れる流路と前記酸化剤排出ガス
が流れる流路とが前記温度湿度調整膜を介して直交して
形成されている温度湿度調整セルが、該ガスの流通方向
に垂直に複数積層されてなり、 前記第１の温度湿度調整領域において前記温度湿度調整
セルの一側から他側に 流れる前記酸化剤供給ガスは、前記第２の温度湿度調整
領域において前記第１の 温度湿度調整領域と反対方向にながれ、さらに前記第３
の温度湿度調整領域にお いては前記第２の温度湿度調整領域と反対方向に流れ、 前記第３の温度湿度調整領域において前記酸化剤供給ガ
スと直交して流れる前記酸化剤排出ガスは、前記第２の
温度湿度調整領域において前記第３の温度湿度調整領域
と反対方向にながれ、さらに前記第１の温度湿度調整領
域においては前記第２の温度湿度調整領域と反対方向に
流れることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池。2. In the first, second, and third temperature / humidity adjustment regions, the flow path through which the oxidant supply gas flows and the flow path through which the oxidant exhaust gas flows through the temperature / humidity adjustment film, respectively. A plurality of temperature and humidity adjustment cells that are formed orthogonal to each other are stacked vertically to the flow direction of the gas, and from one side of the temperature and humidity adjustment cell to the other side in the first temperature and humidity adjustment region. The flowing oxidant supply gas flows in the second temperature / humidity adjustment region in the opposite direction to the first temperature / humidity adjustment region, and further, the third temperature / humidity adjustment region
In the temperature / humidity adjustment region of the second temperature / humidity adjustment region, and in the third temperature / humidity adjustment region, the oxidant exhaust gas flowing orthogonal to the oxidant supply gas is In the temperature / humidity adjustment area of the second temperature / humidity adjustment area, and in the first temperature / humidity adjustment area of the second temperature / humidity adjustment area. The fuel cell according to item 1.
る温度湿度調整膜は、プロトン伝導性を有する固体高分
子電解質膜であることを特徴とする請求項１または２に
記載の燃料電池。3. The fuel cell according to claim 1, wherein the temperature / humidity adjusting membrane used in the third temperature / humidity adjusting region is a solid polymer electrolyte membrane having proton conductivity.
る温度湿度調整膜に、カーボン粉末が含まれていること
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料
電池。4. The fuel cell according to claim 1, wherein the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains carbon powder.
る温度湿度調整膜に、貴金属を担持したカーボン粉末が
含まれていることを特徴とする請求項１ないし３のいず
れかに記載の燃料電池。5. The fuel according to claim 1, wherein the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains a carbon powder carrying a noble metal. battery.
る温度湿度調整膜に、粘着性の物質が含まれていること
を特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料
電池。6. The fuel cell according to claim 1, wherein the temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains an adhesive substance.
る温度湿度調整膜に、イオウ酸化物を吸着する物質が含
まれていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれ
かに記載の燃料電池。7. The temperature / humidity adjusting film used in the first temperature / humidity adjusting region contains a substance that adsorbs sulfur oxides. Fuel cell.
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|---|---|---|---|---|
| JP2005310614A (en) * | 2004-04-23 | 2005-11-04 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | Fuel cell generator |
| JP2006164822A (en) * | 2004-12-09 | 2006-06-22 | Honda Motor Co Ltd | Cathode gas supply device of fuel cell |
| JP2022518279A (en) * | 2019-04-24 | 2022-03-14 | アウディ アクチェンゲゼルシャフト | A humidifier module, a humidifier, a fuel cell system with the humidifier, and a method of humidifying gas. |
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| JP2022518279A (en) * | 2019-04-24 | 2022-03-14 | アウディ アクチェンゲゼルシャフト | A humidifier module, a humidifier, a fuel cell system with the humidifier, and a method of humidifying gas. |
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