JP2014112464A - Fuel cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池に関する。より具体的には、本発明は、セルが平面配列された燃料電池に関する。 The present invention relates to a fuel cell. More specifically, the present invention relates to a fuel cell in which cells are arranged in a plane.
燃料電池は水素と酸素とから電気エネルギを発生させる装置であり、高い発電効率を得ることができる。燃料電池の主な特徴としては、従来の発電方式のように熱エネルギや運動エネルギの過程を経ない直接発電であるので、小規模でも高い発電効率が期待できること、窒素化合物等の排出が少なく、騒音や振動も小さいので環境性が良いことなどが挙げられる。このように、燃料電池は燃料のもつ化学エネルギを有効に利用でき、環境にやさしい特性を持っているので、21世紀を担うエネルギ供給システムとして期待され、宇宙用から自動車用、携帯機器用まで、大規模発電から小規模発電まで、種々の用途に使用できる将来有望な新しい発電システムとして注目され、実用化に向けて技術開発が本格化している。 A fuel cell is a device that generates electrical energy from hydrogen and oxygen, and can achieve high power generation efficiency. The main features of the fuel cell are direct power generation that does not go through the process of thermal energy and kinetic energy as in the conventional power generation method, so that high power generation efficiency can be expected even on a small scale, and there is little emission of nitrogen compounds, Noise and vibration are also small, so the environmental performance is good. In this way, the fuel cell can effectively use the chemical energy of fuel and has environmentally friendly characteristics, so it is expected as an energy supply system for the 21st century, from space use to automobiles and portable devices. It is attracting attention as a promising new power generation system that can be used for various applications from large-scale power generation to small-scale power generation, and technological development is in full swing toward practical application.
中でも、固体高分子形燃料電池は、他の種類の燃料電池に比べて、作動温度が低く、高い出力密度を持つ特徴があり、特に近年、携帯機器(携帯電話、ノート型パーソナルコンピュータ、PDA、MP3プレーヤ、デジタルカメラあるいは電子辞書、電子書籍)などの電源への利用が期待されている。携帯機器用の固体高分子形燃料電池の一つの形態として、複数の単セルを平面状に配列した平面配列型の燃料電池が知られている。 Among them, solid polymer fuel cells are characterized by low operating temperature and high output density compared to other types of fuel cells. Especially, in recent years, mobile devices (cell phones, notebook personal computers, PDAs, It is expected to be used for power sources such as MP3 players, digital cameras, electronic dictionaries, and electronic books. As one form of a polymer electrolyte fuel cell for portable devices, a planar array type fuel cell in which a plurality of single cells are arranged in a planar shape is known.
固体高分子形燃料電池では、起動時にアノード周辺の湿度が低いと、電解質膜が十分に機能しない。一方、運転中に湿度が高いと、フラッディングが起きる原因となる。そのため、停止中および運転中に、アノード周辺の湿度を適切な範囲に維持する必要がある。湿度を調節する技術として、吸水性無機物の粒状体の吸水性材料からなる調湿層を集電体に接して配置させた燃料電池が知られている(特許文献1)。 In a polymer electrolyte fuel cell, if the humidity around the anode is low at start-up, the electrolyte membrane does not function sufficiently. On the other hand, high humidity during operation can cause flooding. Therefore, it is necessary to maintain the humidity around the anode in an appropriate range during stoppage and operation. As a technique for adjusting the humidity, there is known a fuel cell in which a humidity control layer made of a water-absorbing material in the form of water-absorbing inorganic particles is disposed in contact with a current collector (Patent Document 1).
しかし、特許文献1の技術では、調湿層による湿度の調節が不十分であるという問題があった。特に、この技術では燃料電池の稼働状態に応じた湿度の調節ができないという問題があった。また、吸水性無機物がアノードに接触してしまう可能性があるため、燃料電池の性能が低下するという問題があった。
However, the technique of
本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、燃料電池の性能を低下させずに、燃料電池の稼働状態に応じて湿度を調節することのできる技術の提供にある。 This invention is made | formed in view of such a subject, The objective is to provide the technique which can adjust humidity according to the operating state of a fuel cell, without reducing the performance of a fuel cell.
本発明のある態様は、燃料電池である。当該燃料電池は、電解質膜と、当該電解質膜の一方の面に設けられたアノード触媒層と、当該電解質膜の他方の面に設けられたカソード触媒層と、を有する膜電極接合体と、アノード触媒層に接する湿度調節部と、を有する。湿度調節部は、アノード触媒層に水素を供給するためのアノード室と、気体のみ通過可能な気液分離手段と、当該気液分離手段によりアノード触媒層から隔離され、飽和量を超える所定の無機塩を含む調湿用水溶液が収容された調湿室と、を有する。アノード室に存在する水蒸気が調湿用水溶液に吸収され、調湿用水溶液から蒸発した水蒸気がアノード室に供給されることにより、気液分離手段を介してアノード室の湿度が調節される。 One embodiment of the present invention is a fuel cell. The fuel cell includes a membrane electrode assembly including an electrolyte membrane, an anode catalyst layer provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer provided on the other surface of the electrolyte membrane, and an anode And a humidity control unit in contact with the catalyst layer. The humidity control unit includes an anode chamber for supplying hydrogen to the anode catalyst layer, a gas-liquid separation unit capable of passing only gas, and a predetermined inorganic substance that is isolated from the anode catalyst layer by the gas-liquid separation unit and exceeds the saturation amount A humidity control chamber containing a humidity control aqueous solution containing salt. The water vapor present in the anode chamber is absorbed by the humidity control aqueous solution, and the water vapor evaporated from the humidity control aqueous solution is supplied to the anode chamber, whereby the humidity of the anode chamber is adjusted via the gas-liquid separation means.
この態様によれば、燃料電池の運転中および停止中に、調湿用水溶液によりアノード室の湿度が調節される。また、気液分離手段により調湿用水溶液がアノード触媒層から隔離されているため、燃料電池の性能を低下させることもない。また、アノード室を調湿することによりカソード触媒層側で生成された水の制御も間接的に行うことができるため、カソード触媒層のフラッディングを防止することができる。また、燃料電池の運転停止中にアノード触媒層およびカソード触媒層を所望の範囲の湿度に保つことができるため、燃料電池を素早く起動することが可能となる。 According to this aspect, the humidity of the anode chamber is adjusted by the humidity control aqueous solution during operation and stop of the fuel cell. Further, since the humidity control aqueous solution is isolated from the anode catalyst layer by the gas-liquid separation means, the performance of the fuel cell is not deteriorated. Moreover, since the water produced on the cathode catalyst layer side can be controlled indirectly by adjusting the humidity of the anode chamber, flooding of the cathode catalyst layer can be prevented. In addition, since the anode catalyst layer and the cathode catalyst layer can be maintained at a humidity within a desired range while the fuel cell is stopped, the fuel cell can be started quickly.
上述した態様の燃料電池において、加熱により調湿用水溶液から調湿室の外へと水を蒸発させるための加熱手段をさらに有してもよい。また、加熱手段は、調湿室に隣接して設けられ、湿度調節部に水素を供給するための水素吸蔵合金を有する水素供給部であってもよい。また、調湿室は、取り外し可能であってもよい。また、燃料電池の運転中には調湿室が遮蔽され、停止中には調湿室が遮蔽されない状態とする遮蔽手段をさらに有してもよい。また、調湿室を遮蔽する遮蔽手段をさらに有し、調湿室は、アノード室に面する複数の区画に分離され、複数の区画には、アノード室をそれぞれ異なる湿度に調湿するための飽和水蒸気圧の異なる複数の調湿用水溶液がそれぞれ収容され、遮蔽手段は、複数の区画のうちの少なくとも一部の区画を、燃料電池の稼働状態に応じて遮蔽してもよい。 The fuel cell of the above-described aspect may further include a heating means for evaporating water from the humidity control aqueous solution to the outside of the humidity control chamber by heating. Further, the heating means may be a hydrogen supply unit provided adjacent to the humidity control chamber and having a hydrogen storage alloy for supplying hydrogen to the humidity control unit. Moreover, the humidity control chamber may be removable. In addition, the humidity control chamber may be shielded during operation of the fuel cell, and may be further provided with a shielding unit that does not shield the humidity control chamber during the stop. The humidity control chamber further includes a shielding means for shielding the humidity control chamber. The humidity control chamber is separated into a plurality of compartments facing the anode chamber. A plurality of humidity control aqueous solutions having different saturated water vapor pressures are accommodated, respectively, and the shielding means may shield at least some of the plurality of compartments according to the operating state of the fuel cell.
なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。 A combination of the above-described elements as appropriate can also be included in the scope of the invention for which patent protection is sought by this patent application.
本発明によれば、燃料電池の性能を低下させずに、稼働状態に応じて燃料電池の内部の湿度を調節することができる。 According to the present invention, the humidity inside the fuel cell can be adjusted according to the operating state without degrading the performance of the fuel cell.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る燃料電池10の構造を示す側面方向の概略図である。なお、各概略図は、主に各構成の機能やつながりを模式的に示した図であり、各構成の位置関係または配置を限定するものではない。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic side view showing the structure of a
図1に示すように、燃料電池10は、主な構成として、膜電極接合体20、湿度調節部30、および水素供給部50を有する。
As shown in FIG. 1, the
膜電極接合体20は、電解質膜22、電解質膜22の一方の面に設けられたアノード触媒層24、電解質膜22の他方の面に設けられたカソード触媒層26を備える。アノード触媒層24には、燃料ガスとして水素が供給される。一方、カソード触媒層26には酸化剤として空気が供給される。一対のアノード触媒層24とカソード触媒層26との間に電解質膜22が狭持されることによりセルが構成され、各セルは水素と空気中の酸素との電気化学反応により発電する。
The
このように、本実施の形態の燃料電池では、アノード触媒層24にカソード触媒層26が対となり、セルが平面状に形成されている。ここでは1つのセルのみを示したが、複数のセルが積層構造に形成されていてもよい。
Thus, in the fuel cell of the present embodiment, the
カソード触媒層26の面のうち電解質膜22が設けられた面とは反対の面側に、当該面と所定距離を空けて、気液分離手段28が設けられている。気液分離手段28は、水蒸気は通すが液体の水は通さない。気液分離手段28としては、テフロン(登録商標)の多孔質膜などの気液分離膜を使用することができる。
A gas-liquid separation means 28 is provided on the surface of the
湿度調節部30は、アノード触媒層24の面のうち電解質膜22が設けられた面とは反対の面を1つの面とする容器状に形成されている。湿度調節部30は、当該反対の面から順に、アノード室32と、調湿室34とを有する。アノード室32には、後述する水素供給部50により、アノード触媒層24に供給される水素が入れられる。調湿室34には、飽和量を超える所定の無機塩を含む調湿用水溶液36が収容されている。アノード室32と調湿室34とは、気液分離手段38により互いに隔離されている。気液分離手段38は、水蒸気は通すが液体の水は通さない。気液分離手段38としては、気液分離手段28と同様の気液分離膜を使用することができる。
The
調湿用水溶液36を調湿室34に収容すると、調湿用水溶液36とアノード室32の内部の水蒸気圧が平衡状態に達した場合、アノード室32の湿度はその無機塩固有の湿度に保たれる。アノード室32の湿度を調節しやすくするために、アノード室32の体積を小さくし、気液分離手段38の表面積を大きくすることが好ましい。アノード室32の体積が気液分離手段38の表面積に対して相対的に大きい場合には、湿度調節部30の内部にファンを取り付けることにより、アノード室32の内部の空気を撹拌し湿度が平衡状態に達しやすくすることが好ましい。
When the humidity control
アノード室32を低湿度に保った場合、カソード触媒層26において生成された水はアノード触媒層24側へ逆拡散が促進される。これにより、カソード触媒層26のフラッディングを防止することができる。一方、アノード室32を高湿度に保った場合、カソード触媒層26において生成された水はアノード触媒層24側へ逆拡散が起こりにくくなる。これにより、カソード触媒層26の乾燥(ドライアウト)が防止される。つまり、燃料電池10の性能や外部環境に応じて無機塩を使い分けることにより、アノード触媒層24とカソード触媒層26の周囲の湿度を調節することができ、燃料電池10の性能を安定させることができる。
When the
このような調湿用水溶液36に用いられる無機塩としては、調節される相対湿度が低いものから順に、たとえば、フッ化セシウム(CsF)、臭化リチウム(LiBr)、塩化リチウム(LiCl)、酢酸カリウム(CH3COOK)、塩化マグネシウム(MgCl2)、炭酸カリウム(K2CO3)、臭化ナトリウム(NaBr)、ヨウ化カリウム(KI)、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化カリウム(KCl)、硫酸カリウム(K2SO4)などを使用することができる。
Examples of the inorganic salt used for the humidity control
図2は、実施の形態1に係る燃料電池10に使用可能な無機塩の各温度における相対湿度を示すグラフである。5℃〜45℃まで5℃間隔で、9段階の温度における相対湿度が示されている。上述したいずれの化合物も、温度が高くなるにつれ、相対湿度がわずかに低下する傾向はあるものの、相対湿度は温度にはほとんど依存しない。
FIG. 2 is a graph showing the relative humidity at each temperature of the inorganic salt that can be used in the
無機塩の選択は、最終的なアノード室32の湿度に応じて行う。たとえば、アノード室32の湿度を低湿度にしたい場合には、図2で示すグラフの下部に示されている無機塩、つまりフッ化セシウム(CsF)に近い無機塩を選択し、アノード室32の湿度を高湿度に調節したい場合には、図2で示すグラフの上部に示されている無機塩、つまり硫酸カリウム(K2SO4)に近い無機塩を選択する。
The selection of the inorganic salt is performed according to the final humidity of the
水素供給部50は、弁54が開かれた状態で、ガス配管52を通じてアノード室32に水素を供給する。カソード触媒層26において電気化学反応により生成され、逆拡散によりアノード室32に到達した水は調湿用水溶液36に吸収され、アノード室32は一定湿度に保たれる。調湿用水溶液36中の無機塩がすべて溶解し飽和水溶液でなくなり調湿能力を失った場合、運転停止後に水は、弁62が開かれた状態で、ガス配管60を通じてアノード室32から排出される。稼働状態では弁62は閉じているため、湿度調節部30は、水素供給部50以外に対しては閉じた、デッドエンドな空間を形成している。
The
燃料電池10の運転中には、水素供給部50から供給された水素が膜電極接合体20にて反応する。この反応により生成した水が逆拡散によりアノード室32に到達する。到達した水の一部は、水蒸気の状態で気液分離手段38を通過し、調湿用水溶液36に吸収される。一方、燃料電池10の停止中などアノード室32の湿度が低い場合には、調湿用水溶液36から蒸発した水蒸気が気液分離手段38を通過し、アノード室32に供給される。
During operation of the
本実施の形態によると、燃料電池10の運転中および停止中に、調湿用水溶液36によりアノード室32の湿度が調節される。また、気液分離手段38により調湿用水溶液36がアノード触媒層24から隔離されているため、燃料電池10の性能を低下させることもない。また、アノード室32を調湿することによりカソード触媒層26側で生成された水の制御も間接的に行うことができるため、カソード触媒層26のフラッディングを防止することができる。また、燃料電池10の運転停止中にアノード触媒層24およびカソード触媒層26を所望の範囲の湿度に保つことができるため、燃料電池10を素早く起動することが可能となる。
According to the present embodiment, the humidity of the
(実施の形態2)
図3は、実施の形態2に係る燃料電池10の構造を示す側面方向の概略図である。以下、実施の形態2に係る燃料電池10について実施の形態1と異なる点を中心に説明する。
(Embodiment 2)
FIG. 3 is a schematic side view showing the structure of the
実施の形態2の燃料電池10では、水素供給部50が調湿室34に隣接して設けられている。水素供給部50は、湿度調節部30に水素を供給するための水素吸蔵合金を有する。ガス配管56に取り付けられた弁58を開状態とし、ガス配管56を通じて水素供給部50に水素を充填する際に、水素供給部50が発熱する。この熱を調湿室34に供給することにより、調湿用水溶液36に吸収された水は、気液分離手段38を介して調湿室34の外側へ蒸発させ、無機塩が再結晶するので調湿用水溶液36の調湿性能を回復させることができる。つまり、水素供給部50は、アノード室32に水素を供給する機能を有するとともに、調湿室34に熱を供給する加熱手段としての機能も有する。なお、ガス配管56はガス配管52と同時に使用しないため、ガス配管52と共用にしてガス配管52で水素供給部50に水素ガスの充填を行っても良い。
In the
本実施の形態によると、省スペースで簡易かつ低コストに、調湿用水溶液36の調湿性能を回復させることができる。
According to the present embodiment, the humidity control performance of the humidity control
(実施の形態3)
図4は、実施の形態3に係る燃料電池10の構造を示す側面方向の概略図である。図4(a)は、運転中の燃料電池10の概略図である。図4(b)は、運転停止中に燃料電池10の調湿部70を取り外した状態の概略図である。本実施の形態の燃料電池10は、気液分離手段38に加え、アノード室32に追加的な気液分離手段40が設けられた点、ならびに水素供給部50、調湿室34および気液分離手段38から構成される調湿部70が、燃料電池10のその他の部分から取り外し可能である点が、実施の形態2に係る燃料電池10とは異なる。また、ガス配管52には、アノード室32の開閉状態を調節する弁54に加え、調湿部70が取り外された場合に水素供給部50を閉状態に調節する弁64が設けられている。
(Embodiment 3)
FIG. 4 is a schematic side view illustrating the structure of the
燃料電池10から切り離された調湿部70には、気液分離手段38側から燃料電池10とは別の装置である加熱装置100が当てられる。加熱装置100は、気液分離手段38を介して調湿用水溶液36を加熱することにより、調湿用水溶液36に吸収された水を、気液分離手段38を介して調湿室34の外側へ蒸発させる。
A
アノード室32に追加的な気液分離手段40を設けたことにより、気液分離手段38を有する調湿部70が取り外された状態でも、アノード室32は気液分離手段40によって覆われている。
By providing the additional gas-liquid separation means 40 in the
本実施の形態によると、さらに効率的に調湿用水溶液36の調湿性能を回復させることができる。また、アノード室32が気液分離手段40で覆われていることにより、調湿部70を取り外した状態でも、アノード室32から水が過度に蒸発するのを防ぎ、アノード室32の湿度を適切に保つことができる。また、アノード室32に異物などが混入して燃料電池10の性能が低下することを防ぐことができる。なお、加熱装置100に加えて、実施の形態2と同様に水素供給部50を用いて、調湿用水溶液36に熱を加えてもよい。また、調湿部70が取り外された状態で、調湿室34を開けて調湿用水溶液36を直接交換してもよい。また、調湿部70は、調湿室34および気液分離手段38から構成され、水素供給部50が設けられていなくてもよい。
According to the present embodiment, the humidity control performance of the humidity control
(実施の形態4)
図5は、実施の形態4に係る燃料電池10の構造を示す側面方向の概略図である。図5(a)は、運転中の燃料電池10の概略図である。図5(b)は、運転停止中に燃料電池10の調湿部70を取り外した状態の概略図である。本実施の形態の燃料電池10は、気液分離手段40に代えて、遮蔽手段80を設けた点が実施の形態3に係る燃料電池10とは異なる。
(Embodiment 4)
FIG. 5 is a schematic side view illustrating the structure of the
遮蔽手段80は、収容室82と、遮蔽部材84と、第1ローラ86と、第2ローラ88とを有する。収容室82は、遮蔽部材84、第1ローラ86、および第2ローラ88を収容している。遮蔽部材84は、通気性を有さず、収容室82から引き出された状態で、アノード室32から水蒸気が外に出ていくことを遮蔽する。第1ローラ86は、遮蔽部材84を巻き付けて収容室82に収容する。第2ローラ88は、遮蔽部材84が収容室82から引き出されるときに、遮蔽部材84に余計な負荷がかかることを防止し、かつアノード触媒層24に接触しないように遮蔽部材84を張った状態に保つ。
The shielding
図5(b)のように、弁54と弁64との間に設けられたガス配管52の図示しない結合部において、燃料電池10から調湿部70を取り外した状態では、遮蔽部材84を収容室82から引き出し、アノード室32の遮蔽手段80とは反対側の側面にて遮蔽部材84を固定することにより、アノード室32を覆う。
As shown in FIG. 5B, the shielding
本実施の形態によると、湿度調節部30内に気液分離手段を1つしか使用しないため、実施の形態3に比べ、湿度の調節をより迅速に行うことができる。また、調湿部70が取り外された場合の水蒸気の流出をさらに効果的に防止することができる。
According to the present embodiment, since only one gas-liquid separation means is used in the
(実施の形態5)
図6は、実施の形態5に係る燃料電池10の構造を示す側面方向の概略図である。図6(a)は、運転停止中の燃料電池10の概略図である。図6(b)は、運転中の燃料電池10の概略図である。本実施の形態の燃料電池10は、遮蔽手段80を設けた点が実施の形態1に係る燃料電池10とは異なる。また、他の実施の形態とは異なり、本実施の形態の燃料電池10は、燃料電池10の運転中にデッドエンドな空間が形成されないフロータイプの燃料電池である。なお、本図では省略したが、本実施の形態に係る燃料電池10では、図1または図3に示した水素供給部50がガス配管52を介して取り付けられている。
(Embodiment 5)
FIG. 6 is a schematic side view illustrating the structure of the
遮蔽手段80の構造は、実施の形態4と同様である。本実施の形態では、燃料電池10の運転中には、図6(a)のように遮蔽部材84がアノード室32を覆い、アノード室32が調湿されない。一方、運転停止中には、燃料電池10のアノード触媒層24を調湿するため、図6(b)のように遮蔽部材84を収容室82に収容し、アノード室32を遮蔽部材84で覆わない。この場合、ガス配管52およびガス配管60が閉じられ、デッドエンドな空間が形成される。
The structure of the shielding means 80 is the same as that of the fourth embodiment. In the present embodiment, during operation of the
本実施の形態によると、燃料電池10の運転停止中にアノード室32の湿度を簡易に調節することができる。
According to the present embodiment, the humidity of the
(実施の形態6)
図7は、実施の形態6に係る燃料電池10の構造を示す側面方向の概略図である。図7(a)は、運転停止中の燃料電池10の概略図である。図7(b)は、運転中の燃料電池10の概略図である。図7(c)は、調湿用水溶液36の性能回復中の燃料電池10の概略図である。本実施の形態の燃料電池10は、調湿室34がそれぞれアノード室32に面する2つの区画に分離された点、それらの2つの区画には異なる2種類の調湿用水溶液がそれぞれ収容された点、および遮蔽手段80が設けられた点が、実施の形態1に係る燃料電池10とは異なる。なお、本図でも、図6と同様に、水素供給部50を省略した。
(Embodiment 6)
FIG. 7 is a schematic side view showing the structure of the
調湿室34は、仕切90により、第1の区画92と第2の区画94とに分離されている。第1の区画92には、低湿度用の調湿用水溶液96が収容されている。第2の区画94には、高湿度用の調湿用水溶液98が収容されている。低湿度用の調湿用水溶液96としては、たとえば図2に列挙した無機塩のうち、グラフ下部のフッ化セシウム(CsF)に近い無機塩を選択する。一方、高湿度用の調湿用水溶液98としては、グラフ上部の硫酸カリウム(K2SO4)に近い無機塩を選択する。
The
アノード室32の一方の側面には、収容室82が設けられている。収容室82には、遮蔽部材84が収容される。遮蔽部材84は、一方の端部が延長部材110に取り付けられた状態で、第1ローラ86に取り付けられている。延長部材110は、通気性を有する。遮蔽部材84の他方の端部には、線状の弾性部材112が取り付けられている。弾性部材112は、アノード室32の対向する側面において固定されている。弾性部材112の素材としては、バイメタルや形状記憶合金を好適に使用することができる。
A
図7(a)に示すように、燃料電池10の運転停止中では、弾性部材112が収縮することにより、収容室82から遮蔽部材84が引き出され、第2の区画94を覆う。この場合、第1の区画92は、通気性を有する延長部材110により覆われる。図7(b)に示すように、燃料電池10の運転中には、第1ローラ86が回転し延長部材110を周囲に巻き付けて遮蔽部材84を移動させることにより、遮蔽部材84が第1の区画92を覆う。この場合、弾性部材112は伸長するが、弾性部材112は線状であるため、第2の区画94の通気性は確保される。図7(c)に示すように、調湿室34の調湿性能を回復させる場合には、第1ローラ86がさらに回転し延長部材110および遮蔽部材84を周囲に巻き付けることにより、第1の区画92および第2の区画94が遮蔽部材84により覆われない状態となる。この状態で、図3の水素供給部50を用いて、または図4(b)のように調湿部70を取り外した状態で加熱装置100を用いて、低湿度用の調湿用水溶液96および高湿度用の調湿用水溶液98を加熱することにより、これらの調湿性能を回復させる。
As shown in FIG. 7A, when the operation of the
本実施の形態によると、燃料電池10の稼働状態と停止中の湿度調節部30の最適湿度が異なる場合でも、カソード触媒層26の周辺のフラッディングの防止とカソード触媒層26の周辺のドライアウトの防止とをさらに効率的に両立させることができる。
According to the present embodiment, even when the operating state of the
なお、本実施の形態では、調湿室34に2つの区画が設けられている場合を示したが、区画は3つ以上であってもよい。また、各区画のいずれかを排他的に覆うのではなく、たとえば2つ以上の区画をそれぞれ部分的に覆うことにより、アノード室32の湿度をそれぞれの無機塩により調節される湿度の中間の湿度に調節してもよい。
In the present embodiment, a case is shown in which two compartments are provided in the
(実施の形態7)
図8は、実施の形態7に係る燃料電池10およびカソード用調湿装置120の構造を示す側面方向の概略図である。図8(a)は、運転中の燃料電池10およびカソード触媒層26を調湿するためのカソード用調湿装置120の概略図である。図8(b)は、運転停止中に、カソード用調湿装置120を燃料電池10に取り付けた状態を示す側面方向の概略図である。
(Embodiment 7)
FIG. 8 is a schematic side view illustrating the structure of the
図8(a)に示すように、カソード触媒層26を調湿するためのカソード用調湿装置120が、燃料電池10とは別に設けられている。カソード用調湿装置120には、調湿用水溶液122が収容されている。また、カソード用調湿装置120には、気液分離手段124が取り付けられている。気液分離手段124は、水蒸気は通すが液体の水は通さない。気液分離手段124としては、実施の形態1の気液分離手段28や気液分離手段38と同様の気液分離膜を使用することができる。図8(c)のように、燃料電池10の運転停止中に、気液分離手段124が気液分離手段28と近接するように、カソード用調湿装置120を燃料電池10に気密に取り付けた状態で、カソード触媒層26周辺の湿度を調節する。
As shown in FIG. 8A, a cathode
本実施の形態によると、燃料電池10の運転停止中にカソード触媒層26周辺の湿度を所定の湿度に保つことができる。
According to the present embodiment, the humidity around the
本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications such as design changes can be added based on the knowledge of those skilled in the art. The form can also be included in the scope of the present invention.
10 燃料電池、20 膜電極接合体、22 電解質膜、24 アノード触媒層、26 カソード触媒層、28、124 気液分離手段、30 湿度調節部、32 アノード室、34 調湿室、36、96、98、122 調湿用水溶液、38、40 気液分離手段、50 水素供給部、52、56、60 ガス配管、54、58、62、64 弁、70 調湿部、80 遮蔽手段、82 収容室、84 遮蔽部材、86 第1ローラ、88 第2ローラ、90 仕切、92 第1の区画、94 第2の区画、110 延長部材、112 弾性部材、120 カソード用調湿装置
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記アノード触媒層に接する湿度調節部と、を有する燃料電池であって、
前記湿度調節部は、前記アノード触媒層に水素を供給するためのアノード室と、気体のみ通過可能な気液分離手段と、当該気液分離手段により前記アノード触媒層から隔離され、飽和量を超える所定の無機塩を含む調湿用水溶液が収容された調湿室と、を有し、
前記アノード室に存在する水蒸気が前記調湿用水溶液に吸収され、前記調湿用水溶液から蒸発した水蒸気が前記アノード室に供給されることにより、前記気液分離手段を介して前記アノード室の湿度が調節されることを特徴とする燃料電池。 A membrane electrode assembly having an electrolyte membrane, an anode catalyst layer provided on one surface of the electrolyte membrane, and a cathode catalyst layer provided on the other surface of the electrolyte membrane;
A humidity control unit in contact with the anode catalyst layer,
The humidity adjusting unit is isolated from the anode catalyst layer by the gas chamber and the gas-liquid separation unit that allows only gas to pass through the anode chamber for supplying hydrogen to the anode catalyst layer and exceeds the saturation amount. A humidity control chamber containing a humidity control aqueous solution containing a predetermined inorganic salt,
The water vapor present in the anode chamber is absorbed by the humidity control aqueous solution, and the water vapor evaporated from the humidity control aqueous solution is supplied to the anode chamber, whereby the humidity of the anode chamber is passed through the gas-liquid separation means. A fuel cell characterized in that is adjusted.
前記調湿室は、前記アノード室に面する複数の区画に分離され、
前記複数の区画には、前記アノード室をそれぞれ異なる湿度に調湿するための異なる複数の調湿用水溶液がそれぞれ収容され、
前記遮蔽手段は、前記複数の区画のうちの少なくとも一部の区画を、燃料電池の稼働状態に応じて遮蔽することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の燃料電池。 Further comprising shielding means for shielding the humidity control chamber;
The humidity control chamber is separated into a plurality of compartments facing the anode chamber,
Each of the plurality of compartments contains a plurality of different humidity control aqueous solutions for adjusting the humidity of the anode chamber to different humidity, respectively.
The fuel cell according to any one of claims 1 to 4, wherein the shielding means shields at least a part of the plurality of compartments according to an operating state of the fuel cell.
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