JP2003197245A

JP2003197245A - 燃料電池

Info

Publication number: JP2003197245A
Application number: JP2001395986A
Authority: JP
Inventors: Nobuki Hattori; 伸希服部; Shigenori Onuma; 重徳尾沼
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2001-12-27
Filing date: 2001-12-27
Publication date: 2003-07-11

Abstract

(57)【要約】【課題】燃料改質器を利用する場合において、凝縮水
による反応ガスの経路の閉塞を防止する。【解決手段】燃料改質器１０を、スタック１より下方
に設置し、また燃料改質器１０とスタック１とを接続す
る管路２５を、燃料改質器１０からスタック１に向かう
に従って常に上向きの経路となるように配設する。燃料
ガスが管路２５の管壁によって冷却され、過飽和となっ
た液相の水は、管路２５を下向きに流れて容器内に貯留
される。燃料改質器１０からスタック１の燃料電池セル
７への凝縮水の侵入が抑制され、これにより燃料ガスの
経路である管路２５の閉塞を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池に係り、特
に燃料ガスまたは酸化剤ガスに含まれる水蒸気の凝縮に
起因するガスの通流不良を防止するための構造に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】水素と酸素とを利用して直流電力を発生
する燃料電池のうち、例えば固体高分子電解質型燃料電
池では、発電時の副生成物として水蒸気が生成する。こ
の水蒸気が冷却に伴う過飽和によって凝縮し、液相の水
として存在すると、これが燃料ガスや酸化剤ガスなどの
反応ガスの供給経路や排出経路を閉塞し、発電効率を低
下させてしまう可能性がある。

【０００３】この液相の水を除去する目的から、従来、
燃料電池セルを積層してなるスタックに対し、その反応
ガス供給側または排出側の端部に隣接して、凝縮水をト
ラップし排出するための水分除去装置を設けた構成が提
案されている（特開平９−２２７１７号公報）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、燃料電池の
燃料として、天然ガスやプロパンガスから抽出した水素
を利用するために、これら天然ガスやプロパンガスから
水素を抽出するための燃料改質器を用いる構成が試みら
れている。しかし、上記従来の構成に、燃料改質器を単
に接続するのでは、燃料改質器からの凝縮水がスタック
に入ってしまうおそれがある。すなわち、上記従来の構
成では、燃料改質器が接続された場合の凝縮水の回収経
路が考慮されていない。

【０００５】そこで本発明の目的は、燃料電池におい
て、凝縮水による反応ガスの経路の閉塞を防止できる手
段を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、燃料ガ
スおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力を発生する
燃料電池セルを含んで構成される燃料電池であって、前
記燃料ガスの供給経路中に設けられ前記燃料ガスを改質
する燃料改質器を、前記燃料電池セルより下方に設置し
たことを特徴とする燃料電池である。

【０００７】第１の本発明では、燃料改質器を燃料電池
セルより下方に設置したので、燃料改質器から燃料電池
セルへの凝縮水の侵入が抑制され、これにより燃料ガス
の経路の閉塞を防止できる。

【０００８】第２の本発明は、第１の本発明の燃料電池
であって、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出経路中
に設けられ当該燃料ガスまたは酸化剤ガスに含有される
水分を前記燃料改質器への供給のために収容する回収水
タンクを、前記燃料改質器より下方に設置したことを特
徴とする燃料電池である。

【０００９】第２の本発明では、燃料改質器への供給の
ために凝縮水を収容する回収水タンクを、燃料改質器よ
り下方に設置したので、回収水タンクから燃料電池セル
や燃料改質器への凝縮水の侵入を抑制できる。

【００１０】第３の本発明は、燃料ガスおよび酸化剤ガ
スの供給を受けて直流電力を発生する燃料電池セルを含
んで構成される燃料電池であって、前記燃料ガスまたは
酸化剤ガスの経路中に設けられ当該燃料ガスまたは酸化
剤ガスに含有される水蒸気を除去する凝縮器または除湿
手段を、前記燃料電池セルより下方に設置したことを特
徴とする燃料電池である。

【００１１】第３の本発明では、燃料ガスまたは酸化剤
ガスに含有される水蒸気を除去する凝縮器または除湿手
段を、燃料電池セルより下方に設置したので、凝縮器や
除湿手段から燃料電池セルへの凝縮水の侵入を抑制でき
る。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の好適な実施の形態
について図面に基づき詳細に説明する。図１において、
第１実施形態の燃料電池は、多数の燃料電池セル７を重
ねてなるスタック１、スタック１から排出される燃料ガ
スおよび酸化剤ガス（以下適宜に反応ガスという）に含
まれる水分をそれぞれ凝縮させる凝縮器２，３、凝縮に
より得られた液相の水を収容する回収水タンク６、燃料
ガスを改質する燃料改質器１０、回収水タンク６からの
水を燃料改質器１０に給送するポンプ１２、およびスタ
ック１に外気を給送するブロワ１３を含んで構成されて
いる。

【００１３】燃料電池セル７は、図２に示すとおり、電
解質膜７Ｃの一方の側面に燃料電極膜７Ａを、また他方
の側面に酸化剤電極膜７Ｂを、それぞれホットプレスに
より密着させてなる。

【００１４】電解質膜７Ｃは、飽和に含水することによ
り常温で２０Ω／ｃｍ以下の電気抵抗率を示しプロトン
導電性電解質として機能する固体高分子電解質膜であ
り、分子中にプロトン交換基を有するもの、例えばパー
フルオロスルホン酸樹脂膜などのフッ素系イオン交換樹
脂膜や、炭化水素系イオン交換樹脂膜、複合樹脂膜を用
いるのが好適である。燃料電極膜７Ａおよび酸化剤電極
膜７Ｂには、電解質膜７Ｃ側に触媒層が形成された多孔
質の導電性材料、例えばカーボンペーパーを用いるのが
好適である。

【００１５】燃料電池セル７の両側面は、セパレータ８
１，８２によって挟まれＯリング８３により密封されて
いる。

【００１６】したがって、燃料電極膜７Ａ・酸化剤電極
膜７Ｂに反応ガスが供給されると、各電極膜に形成され
た触媒層と、電解質膜７Ｃとの界面に、気相（燃料ガス
または酸化剤ガス）・液層（固体高分子電解質）・固相
（触媒）の三相界面が形成され、電気化学反応により直
流電力が発生する。

【００１７】すなわち、燃料電極膜７Ａ側では、水素の
分解によりＨ^＋イオン（プロトン）と電子（ｅ⁻）が生
成される（Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻）。

【００１８】また、酸化剤電極膜７Ｂ側では、酸素・水
素および電子の結合により、水蒸気が生成する（（１／
２）Ｏ_２＋２Ｈ^＋＋２ｅ⁻→Ｈ_２Ｏ）。

【００１９】これらの反応の結果、燃料電極膜７Ａで生
成されたＨ^＋イオン（プロトン）は、電解質膜７Ｃ中を
酸化剤電極膜７Ｂに向かって移動し、また電子（ｅ⁻）
は、図示しない負荷を通って酸化剤電極膜７Ｂに移動す
る。他方、酸化剤電極膜７Ｂでは、酸化剤ガス中に含有
される酸素と、電解質膜７Ｃ中を燃料電極膜７Ａから移
動してきたＨ^＋イオンと、図示しない負荷装置を通って
移動してきた電子とが反応し、Ｈ_２Ｏ（水蒸気）が生成
される。

【００２０】セパレータ８１，８２には、燃料電池セル
７に反応ガスを供給・排出する手段として、ガス通流用
の溝８１Ａ，８２Ａが形成されている。溝８１Ａには燃
料ガスが、溝８２Ａには酸化剤ガスが通流するように、
スタック１を構成する各燃料電池セル７にはその厚さ方
向の通孔および図示しない管路が設けられ、各燃料電池
セル７が反応ガスの通流に関して互いに並列に接続され
る。反応に用いられた燃料ガスは管路２１から、また反
応に用いられた酸化剤ガスは管路２２から、それぞれ排
出される。

【００２１】凝縮器２，３は、反応ガス中の水蒸気が凝
縮してなる液相の水を貯留する容器と、容器内部に突出
し外部からの冷却水の循環により容器内の反応ガスを冷
却する図示しない水冷管とを備えている。スタック１か
らの管路２１は凝縮器２に、また管路２２は凝縮器３に
接続されている。凝縮器２，３にはまた、反応ガスが流
出される流出管２８，２９が接続されている。管路２
１，２２を通流してきて容器内に吐出された反応ガス
は、水冷管によって冷却され、過飽和となった液相の水
が容器内に貯留される。

【００２２】回収水タンク６は密閉容器であり、凝縮器
２，３からの液相の水と、外部からの管路３０を通じて
適宜に供給される水とが貯留される。凝縮器２と回収水
タンク６とを結ぶ管路２３には、手動閉止弁８が介装さ
れている。回収水タンク６の排出側に接続された管路２
７は燃料改質器１０に接続されており、管路２７の中途
にはポンプ１２が介装されている。

【００２３】燃料改質器１０は、図示しない脱硫器・改
質器・ＣＯ変成器およびＣＯ除去器をこの順に接続して
なる公知の構成である。脱硫器で硫黄分を除去された燃
料ガスは、改質器において約７００°Ｃの加熱下でメタ
ンと水蒸気との反応により水素を発生させる（ＣＨ_４＋
Ｈ_２Ｏ→ＣＯ＋３Ｈ_２，ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋
Ｈ_２）。なお、この水素に混在する一酸化炭素は、ＣＯ
変成器で水蒸気と反応することにより二酸化炭素と水素
との混合気となり（ＣＯ＋Ｈ_２Ｏ→ＣＯ_２＋Ｈ_２）、さ
らにＣＯ除去器で酸素と反応することにより二酸化炭素
となる（ＣＯ＋（１／２）Ｏ_２→ＣＯ_２）。

【００２４】燃料改質器１０とスタック１とを接続する
管路２５の中途であって燃料改質器１０の近傍には、凝
縮水をトラップするための水分除去装置１１が設けられ
ている。水分除去装置１１は、液相の水を貯留する密閉
容器からなり、その上端に接続された管路２５はスタッ
ク１に、また側端に接続された管路２５は燃料改質器１
０に、それぞれ接続されている。燃料改質器１０から管
路２５を通って容器内に吐出された燃料ガスは、容器の
側壁などによって冷却され、過飽和となった液相の水が
容器内に貯留される。また、水分除去装置１１からスタ
ック１に向けて管路２５内を通流する燃料ガスが、管路
２５の管壁によって冷却され、過飽和となった液相の水
は、管路２５を下向きに流れて容器内に貯留される。

【００２５】燃料改質器１０は、スタック１より下方に
設置されている。すなわち、燃料改質器１０は、その燃
料ガスが通流する内面の上端が、常にスタック１の内部
の底面より、重力方向に関して低い高さ位置となるよう
に設置されている。また、燃料改質器１０とスタック１
とを接続する管路２５は、燃料改質器１０からスタック
１に向かうに従って常に上向きの経路となるように、つ
まり、その長手方向に位相を異にする任意の２点（特
に、管路２５の底部をなす２点）について、終端２５Ａ
に近い側の点が、始端２５Ｂに近い側の点に対して、重
力方向に関し常に上側となるか、あるいは等しい高さ位
置となるように配設されている。

【００２６】また、水分除去装置１１も、スタック１よ
り下方に配置されている。すなわち、水分除去装置１１
は、その容器の内面の上端が、常にスタック１の内部の
底面より、重力方向に関して低い高さ位置となるように
設置されている。また管路２５のうち少なくとも水分除
去装置１１とスタック１とを結ぶ部分は、水分除去装置
１１からスタック１に向かうに従って常に上向きの経路
となるように、つまり、その長手方向に位相を異にする
任意の２点（とくに、管路２５の底部をなす２点）につ
いて、終端２５Ａに近い側の点が、水分除去装置１１に
近い側の点に対して重力方向に関し常に上側となるか、
あるいは等しい高さ位置となるように配設されている。

【００２７】また、回収水タンク６は、燃料改質器１０
より下方に設置されている。すなわち、回収水タンク６
は、その容器の内面の上端が、常に燃料改質器１０の内
部の底面より、重力方向に関して低い高さ位置となるよ
うに設置されている。

【００２８】また、凝縮器２，３は、いずれもスタック
１より下方に設置されている。また、凝縮器２，３とス
タック１とを接続する管路２１，２２は、スタック１か
ら凝縮器２，３に向かうに従って常に下向きの経路とな
るように、つまり、その長手方向に位相を異にする任意
の２点（特に、管路２１，２２の底部をなす２点）につ
いて、終端２１Ａ，２２Ａに近い側の点が、始端２１
Ｂ，２２Ｂに近い側の点に対して、重力方向に関し常に
下側となるか、あるいは等しい高さ位置となるように配
設されている。

【００２９】以上のとおり構成された本実施形態では、
燃料改質器１０をスタック１より下方に設置し、また燃
料改質器１０とスタック１とを接続する管路２５を、燃
料改質器１０からスタック１に向かうに従って常に上向
きの経路となるように配設した。したがって本実施形態
では、燃料改質器１０からスタック１の燃料電池セル７
への凝縮水の侵入が抑制され、これにより燃料ガスの経
路である管路２５の閉塞を防止できる。

【００３０】また本実施形態では、回収水タンク６を燃
料改質器１０より下方に設置したので、回収水タンク６
から燃料改質器１０への凝縮水の侵入を抑制でき、とく
にポンプ１２のリークや故障があった場合に燃料改質器
１０に過剰な水が供給されてしまう事態を防止できる。
また本実施形態では、燃料改質器１０をスタック１より
下方に設置し、その燃料改質器１０に対して回収水タン
ク６を更に下方に設置したので、結果として回収水タン
ク６がスタック１に対して下方となり、回収水タンク６
からスタック１の燃料電池セル７への凝縮水の侵入を防
止できる。

【００３１】なお、本実施形態では、燃料改質器１０の
内面の上端が常にスタック１の内部の底面より下となる
構成としたが、本発明では燃料改質器１０に収容される
水の想定される水面（例えば冷却時の）が常にスタック
１の内部の底面より低い高さ位置となるように、燃料改
質器１０を設置することとすれば足り、本発明に所期の
効果を相当程度に実現できる。また、本実施形態では回
収水タンク６の容器の内面の上端が常に燃料改質器１０
の内部の底面より下となる構成としたが、本発明では回
収水タンク６の容器に収容される水の想定される水面が
常に燃料改質器１０の内部の底面より低い高さ位置とな
るように、回収水タンク６を設置することとすれば足
り、本発明に所期の効果を相当程度に実現できる。また
同様に、本実施形態では、水分除去装置１１の容器の内
面の上端が常にスタック１の内部の底面より下となる構
成としたが、本発明では水分除去装置１１の容器に収容
される水の想定される水面が常にスタック１の内部の底
面より低い高さ位置となるように、水分除去装置１１を
設置することとすれば足り、本発明に所期の効果を相当
程度に実現できる。

【００３２】また本実施形態では、凝縮器２，３を、い
ずれもスタック１より下方に設置したので、凝縮器２，
３からスタック１の燃料電池セル７への凝縮水の侵入を
抑制できる。なお、本実施形態では、凝縮器２，３の容
器の内面の上端が常にスタック１の内部の底面より下と
なる構成としたが、本発明では凝縮器２，３の容器に収
容される水の想定される水面が常にスタック１の内部の
底面より低い高さ位置となるように、水分除去装置１１
を設置することとすれば足り、本発明に所期の効果を相
当程度に実現できる。また本実施形態では、凝縮器２，
３の両者をスタック１より下方に設置することとした
が、本発明では凝縮器２，３のいずれか一方をスタック
１より下方に設置することとしてもよく、本発明に所期
の効果を相当程度に実現できる。

【００３３】次に、第２実施形態について説明する。第
２実施形態は、第１実施形態における各部材と略同様の
部材によって構成されており、その配置と、一部の部材
が置換された点とにおいて異なるのみであるので、第１
実施形態におけるものと同一の部材には同一符号を付し
てその詳細の説明は省略する。

【００３４】図３において、燃料改質器１０はスタック
１の側方に配置されている。燃料改質器１０は管路３１
によって水分除去装置３２と連通されており、管路３１
の中途であって水分除去装置３２の近傍の点から分岐す
る管路３４は、スタック１に連通されている。水分除去
装置３２の構成は、上記第１実施形態における水分除去
装置１１と同様である。

【００３５】管路３１は、燃料改質器１０から水分除去
装置３２に向かうに従って常に下向きの経路となるよう
に、つまり、その長手方向に位相を異にする任意の２点
（特に、管路３１の底部をなす２点）について、終端３
１Ａに近い側の点が、始端３１Ｂに近い側の点に対し
て、重力方向に関し常に下側となるか、あるいは等しい
高さ位置となるように配設されている。水分除去装置３
２からスタック１に至る管路３４は水平にされている。

【００３６】他方、凝縮器２からの液相の水の流出経路
には、Ｓ字トラップ管３３が接続されている。このＳ字
トラップ管３３は、凝縮器２から下方に向かう経路の下
端となる第１の折り返し部から、上向きにＵ字形に折り
返し、次に第２の折り返し部から下向きにＵ字形に折り
返してなる形状であり、第１の折り返し部を下端として
液相の水が溜まることにより、第１の折り返し部を境に
凝縮器２側と回収水タンク６側との間において、密閉状
の封じ切り（すなわち、液相の水による凝縮器２内の燃
料ガスの外部からの遮断）が実現される。

【００３７】以上のとおり構成された第２実施形態で
は、燃料改質器１０と水分除去装置３２とを接続する管
路３１を、燃料改質器１０から水分除去装置３２に向か
うに従って常に下向きの経路となるように配設すると共
に、水分除去装置３２をスタック１の近傍に設置した。
したがって、燃料改質器１０からスタック１の燃料電池
セル７への凝縮水の侵入が抑制され、これにより燃料ガ
スの経路である管路３１の閉塞を防止できる。また、凝
縮器２の排出側にＳ字トラップ管３３を接続した。これ
により燃料ガスを封止でき、構造を簡易にすることがで
きる。

【００３８】なお本実施形態では、水分除去装置３２か
らスタック１に至る管路３４を水平としたが、この管路
３４を、水分除去装置３２側からスタック１側に向かう
に従って常に上向きの経路となるように、つまり、その
長手方向に位相を異にする任意の２点（特に、管路３４
の底部をなす２点）について、スタック１に近い側の点
が、水分除去装置３２に近い側の点に対して、重力方向
に関し常に上側となるように配設してもよい。また管路
３４の一部をスタック１側に向かうに従って上向きの経
路となるようにし、他の一部を水平となるようにしても
よく、前者の割合が大きいほど、スタック１への水の侵
入を良く抑制することができる。

【００３９】また本実施形態では、凝縮器２からの液相
の水の流出経路にＳ字トラップ管３３を設けたので、簡
易な構造により凝縮器２内の燃料ガスの封じ切りを行う
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１実施形態の燃料電池の概略構成を示すブ
ロック図である。

【図２】第１実施形態の燃料電池の燃料電池セルを示
す平面視した分解断面図である。

【図３】第２実施形態の燃料電池の概略構成を示すブ
ロック図である。

【符号の説明】

１スタック、２，３凝縮器、６回収水タンク、７
燃料電池セル、１０燃料改質器、１１，３２水分除
去装置。

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１４年３月１９日（２００２．３．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００６

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００６】

【課題を解決するための手段】第１の本発明は、燃料ガ
スおよび酸化剤ガスの供給を受けて直流電力を発生する
燃料電池セルを含んで構成される燃料電池であって、前
記燃料ガスの供給経路中に設けられ前記燃料ガスを改質
反応により生成する燃料改質器を、前記燃料電池セルよ
り下方に設置したことを特徴とする燃料電池である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者尾沼重徳愛知県刈谷市朝日町２丁目１番地アイシン精機株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA16 BC06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受け
て直流電力を発生する燃料電池セルを含んで構成される
燃料電池であって、前記燃料ガスの供給経路中に設けられ前記燃料ガスを改
質する燃料改質器を、前記燃料電池セルより下方に設置
したことを特徴とする燃料電池。
【請求項２】請求項１に記載の燃料電池であって、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの排出経路中に設けられ
当該燃料ガスまたは酸化剤ガスに含有される水分を前記
燃料改質器への供給のために収容する回収水タンクを、
前記燃料改質器より下方に設置したことを特徴とする燃
料電池。
【請求項３】燃料ガスおよび酸化剤ガスの供給を受け
て直流電力を発生する燃料電池セルを含んで構成される
燃料電池であって、前記燃料ガスまたは酸化剤ガスの経路中に設けられ当該
燃料ガスまたは酸化剤ガスに含有される水蒸気を除去す
る凝縮器または除湿手段を、前記燃料電池セルより下方
に設置したことを特徴とする燃料電池。