JP2777299B2 - 燃料電池積層体の水素−水回収機構 - Google Patents
燃料電池積層体の水素−水回収機構Info
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は固体高分子電解質型燃
料電池積層体の水素−水回収機構に関し、詳しくはアノ
ード排ガスの水素と水を回収するための積層体の構成及
び機構に関するものである。
料電池積層体の水素−水回収機構に関し、詳しくはアノ
ード排ガスの水素と水を回収するための積層体の構成及
び機構に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、固体高分子電解質型燃料電池積層
体の水分を回収する方法としては、特開平2−8607
1号公報に開示された方法があった。それは酸素ガスの
圧力によりカソード側に発生した水を多孔性部材に吸収
させた後燃料電池外に排出するもので、カソード側の水
分を回収するには有効であったが、アノード排ガスの水
分の回収については考慮されていなかった。
体の水分を回収する方法としては、特開平2−8607
1号公報に開示された方法があった。それは酸素ガスの
圧力によりカソード側に発生した水を多孔性部材に吸収
させた後燃料電池外に排出するもので、カソード側の水
分を回収するには有効であったが、アノード排ガスの水
分の回収については考慮されていなかった。
【0003】一方、プロトンとともに数分子の水がアノ
ード側からカソード側へ移動するために、例えば特開平
1−40562号公報に開示された方法などを用いて、
常にアノード側を加湿する必要があった。さて、ここで
アノードガスとして純水素を用いる場合には、アノード
ガスをすべて再循環させることによりアノード側の水分
を再利用することができる。ところが、メタノールなど
の改質ガスを用いる場合には、アノード排気ガスとし
て、多くの水分と低濃度の水素をそのまま外部へ排出す
ることになり、それだけアノード側の加湿必要量が増す
という欠点があった。また、排出する水素の量を少なく
するために燃料の利用率を上げると、水素分圧の低下に
より特性が下がって発電量が少なくなったり、アノード
が腐食するなどの危険性があり、燃料の利用率を90%
以上にまで高めることはできなかった。従って、ある程
度の水素は外部に排出せざるを得なかった。ところが、
固体高分子電解質型燃料電池の主な用途であるメタノー
ル改質型電気自動車においては、例えばガレージや駐車
場で水素を外部へ排気することは危険であった。
ード側からカソード側へ移動するために、例えば特開平
1−40562号公報に開示された方法などを用いて、
常にアノード側を加湿する必要があった。さて、ここで
アノードガスとして純水素を用いる場合には、アノード
ガスをすべて再循環させることによりアノード側の水分
を再利用することができる。ところが、メタノールなど
の改質ガスを用いる場合には、アノード排気ガスとし
て、多くの水分と低濃度の水素をそのまま外部へ排出す
ることになり、それだけアノード側の加湿必要量が増す
という欠点があった。また、排出する水素の量を少なく
するために燃料の利用率を上げると、水素分圧の低下に
より特性が下がって発電量が少なくなったり、アノード
が腐食するなどの危険性があり、燃料の利用率を90%
以上にまで高めることはできなかった。従って、ある程
度の水素は外部に排出せざるを得なかった。ところが、
固体高分子電解質型燃料電池の主な用途であるメタノー
ル改質型電気自動車においては、例えばガレージや駐車
場で水素を外部へ排気することは危険であった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の固体高分子電解
質型燃料電池は以上述べたように、メタノールなどの改
質ガスを用いる場合、アノード側の加湿必要量が増すと
ともに、燃料の利用率に限界があり、水素を排出せざる
を得ず、電気自動車の場合など安全性に問題があった。
質型燃料電池は以上述べたように、メタノールなどの改
質ガスを用いる場合、アノード側の加湿必要量が増すと
ともに、燃料の利用率に限界があり、水素を排出せざる
を得ず、電気自動車の場合など安全性に問題があった。
【0005】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、アノードの排気ガスから水素と
水を回収してアノード入口側へ戻し、アノードガスとし
て再利用することにより、燃料を効率よく利用でき、ア
ノード側の加湿必要量を減らせ、また外部へ排出する水
素量を少なくして排気の危険性を減らし安全性を向上で
きる固体高分子電解質型燃料電池積層体の水素−水回収
機構を提供することを目的とする。
ためになされたもので、アノードの排気ガスから水素と
水を回収してアノード入口側へ戻し、アノードガスとし
て再利用することにより、燃料を効率よく利用でき、ア
ノード側の加湿必要量を減らせ、また外部へ排出する水
素量を少なくして排気の危険性を減らし安全性を向上で
きる固体高分子電解質型燃料電池積層体の水素−水回収
機構を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】この発明の燃料電池積層
体の水素−水回収機構は、固体高分子電解質型燃料電池
積層体の発電集電板の外側に、水素−水回収セル、ガス
分離板及び回収セル集電板を配設し、アノード排ガスを
上記水素−水回収セルに供給し、上記発電集電板と回収
セル集電板の間に電流を流すことにより、水分を含む純
水素を発生させ、これをアノード入口側へ戻すようにし
たものである。
体の水素−水回収機構は、固体高分子電解質型燃料電池
積層体の発電集電板の外側に、水素−水回収セル、ガス
分離板及び回収セル集電板を配設し、アノード排ガスを
上記水素−水回収セルに供給し、上記発電集電板と回収
セル集電板の間に電流を流すことにより、水分を含む純
水素を発生させ、これをアノード入口側へ戻すようにし
たものである。
【0007】発電集電板と回収セル集電板間を電気的に
短絡し、上記両集電板間に補助燃料電池を配設し、この
補助燃料電池で発電した電力により水素−水回収セルを
駆動し、アノードの排気ガス中の水素と水を回収するよ
うにしたものである。
短絡し、上記両集電板間に補助燃料電池を配設し、この
補助燃料電池で発電した電力により水素−水回収セルを
駆動し、アノードの排気ガス中の水素と水を回収するよ
うにしたものである。
【0008】そして、アノード排気ガスの水素−水回収
セルへの供給、及び上記水素−水回収セルで回収した水
素と水の上記アノードの入口側への供給流路は、発電集
電板、上記水素−水回収セル及びガス分離板を貫通する
穴によって構成されている。
セルへの供給、及び上記水素−水回収セルで回収した水
素と水の上記アノードの入口側への供給流路は、発電集
電板、上記水素−水回収セル及びガス分離板を貫通する
穴によって構成されている。
【0009】
【作用】この発明における水素−水回収セルは電流を流
すことによりアノード排ガスから水素と水を回収して水
分を含む純水素を発生する。そしてこれをアノードガス
として再利用するので、アノード側の加湿必要量が減
り、また、外部へ排出する水素量が少なくなる。
すことによりアノード排ガスから水素と水を回収して水
分を含む純水素を発生する。そしてこれをアノードガス
として再利用するので、アノード側の加湿必要量が減
り、また、外部へ排出する水素量が少なくなる。
【0010】また、補助燃料電池を設けており、この自
己発電により水素−水回収セルの電力をまかなうので、
外部電流が不要となる。
己発電により水素−水回収セルの電力をまかなうので、
外部電流が不要となる。
【0011】さらに、アノード排気ガス及び回収した水
素と水の供給流路を発電集電板、上記水素−水回収セル
及びガス分離板を貫通する穴によって構成しているの
で、外部マニホールドが不要となり、構成を著しく簡単
にできる。
素と水の供給流路を発電集電板、上記水素−水回収セル
及びガス分離板を貫通する穴によって構成しているの
で、外部マニホールドが不要となり、構成を著しく簡単
にできる。
【0012】
実施例1.以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1はこの発明の一実施例の固体高分子電解質型
燃料電池積層体の水素−水回収機構の構成を示す模式正
面図である。図において、1は一方の発電集電板、2は
他方の発電集電板、3は回収セル集電板、4は両面に白
金触媒を有する固体高分子電解質膜からなる水素−水回
収セルで、一方の発電集電板1と回収セル集電板3の間
に回収セルのガス分離板5を介して複数積層して配設さ
れる。6は固体高分子電解質膜を挟んでカソードとアノ
ードを有する単セルで、この単セル6と燃料電池のガス
分離板7を順に積層し、両端部に発電集電板1,2を配
設して燃料電池積層体を構成している。8はアノードガ
ス入口側マニホールド、9はアノードガス出口側マニホ
ールド、10は排気ガスマニホールド、11は回収水素
−水マニホールド、12はカソードガス出口側マニホー
ルド、13は絶縁板、14は押さえ板、15はアノード
ガス入口、16は水素−水回収ガス出口、17は水素−
水回収ガス入口である。
する。図1はこの発明の一実施例の固体高分子電解質型
燃料電池積層体の水素−水回収機構の構成を示す模式正
面図である。図において、1は一方の発電集電板、2は
他方の発電集電板、3は回収セル集電板、4は両面に白
金触媒を有する固体高分子電解質膜からなる水素−水回
収セルで、一方の発電集電板1と回収セル集電板3の間
に回収セルのガス分離板5を介して複数積層して配設さ
れる。6は固体高分子電解質膜を挟んでカソードとアノ
ードを有する単セルで、この単セル6と燃料電池のガス
分離板7を順に積層し、両端部に発電集電板1,2を配
設して燃料電池積層体を構成している。8はアノードガ
ス入口側マニホールド、9はアノードガス出口側マニホ
ールド、10は排気ガスマニホールド、11は回収水素
−水マニホールド、12はカソードガス出口側マニホー
ルド、13は絶縁板、14は押さえ板、15はアノード
ガス入口、16は水素−水回収ガス出口、17は水素−
水回収ガス入口である。
【0013】カソードガス入口側マニホールドがカソー
ドガス出口側マニホールド12の裏側に取り付けられて
おり、発電集電板1,2間の単セル6に対して、アノー
ドガスとカソードガスが直交するように外部マニホール
ド8,9,12を用いて供給されている。
ドガス出口側マニホールド12の裏側に取り付けられて
おり、発電集電板1,2間の単セル6に対して、アノー
ドガスとカソードガスが直交するように外部マニホール
ド8,9,12を用いて供給されている。
【0014】次に動作について説明する。固体高分子電
解質型燃料電池積層体の発電原理については特開平2−
86071号公報や特開平1−140562号公報に詳
細に記述されているので、ここでは言及しない。固体高
分子電解質膜としてはDupont社のナフィオン11
7やナフィオン115、Dow社の膜などが用いられ
る。単セル6にはガス分離板7を用いてアノードガスと
カソードガスが供給される。アノードガスとしてはメタ
ノールの改質ガス、カソードガスとしては空気が一般的
に用いられ、アノードガスは何らかの手段により加湿さ
れる。アノードガスの排ガスはアノード出口側マニホー
ルド9を通って回収セルのガス分離板5から水素−水回
収セル4に供給され、発電集電板1と回収セル集電板3
の間に外部電流を流すことによって水分を含む純水素
(CO2 を含まないガス)を発生し、このガスは回収水
素−水マニホールド11で集められ、水素−水回収ガス
出口16、水素−水回収ガス入口17を通ってアノード
ガス入口側マニホールド8に供給され、アノードガスと
して再利用される。水素と水が回収され、殆ど炭酸ガス
のみとなった水素−水回収セル4の出口ガスは排気ガス
として排気ガスマニホールド10から外部へ排出され
る。
解質型燃料電池積層体の発電原理については特開平2−
86071号公報や特開平1−140562号公報に詳
細に記述されているので、ここでは言及しない。固体高
分子電解質膜としてはDupont社のナフィオン11
7やナフィオン115、Dow社の膜などが用いられ
る。単セル6にはガス分離板7を用いてアノードガスと
カソードガスが供給される。アノードガスとしてはメタ
ノールの改質ガス、カソードガスとしては空気が一般的
に用いられ、アノードガスは何らかの手段により加湿さ
れる。アノードガスの排ガスはアノード出口側マニホー
ルド9を通って回収セルのガス分離板5から水素−水回
収セル4に供給され、発電集電板1と回収セル集電板3
の間に外部電流を流すことによって水分を含む純水素
(CO2 を含まないガス)を発生し、このガスは回収水
素−水マニホールド11で集められ、水素−水回収ガス
出口16、水素−水回収ガス入口17を通ってアノード
ガス入口側マニホールド8に供給され、アノードガスと
して再利用される。水素と水が回収され、殆ど炭酸ガス
のみとなった水素−水回収セル4の出口ガスは排気ガス
として排気ガスマニホールド10から外部へ排出され
る。
【0015】図2は水素−水回収セル4の作用を説明す
る模式説明図である。図において18は固体高分子電解
質膜で、厚さは 0.2mm以下である。19と20は白金触
媒層であり、アノードの排ガス1中の水素は白金上でプ
ロトンに置き換わり電解質膜18を通って対極に達し、
ここで再び水素に変換される。白金上での水素の酸化還
元反応は殆ど過電圧を要さないので極めて効率よく図2
の反応を起こさせることができる。プロトン1個に対し
て数分子の水が一緒に移動することが知られており、プ
ロトンとともにその数倍の水分子を回収することができ
る。従って、回収されたガス24は水分(水蒸気または
液体)を含んだ純水素となり、炭酸ガスを含まず、アノ
ードガスとしては最も適した組成となっている。一方、
回収セルの排ガス22は大部分が炭酸ガスとなる。な
お、回収する水素及び水の量は外部電流の電圧によりコ
ントロールすることができる。
る模式説明図である。図において18は固体高分子電解
質膜で、厚さは 0.2mm以下である。19と20は白金触
媒層であり、アノードの排ガス1中の水素は白金上でプ
ロトンに置き換わり電解質膜18を通って対極に達し、
ここで再び水素に変換される。白金上での水素の酸化還
元反応は殆ど過電圧を要さないので極めて効率よく図2
の反応を起こさせることができる。プロトン1個に対し
て数分子の水が一緒に移動することが知られており、プ
ロトンとともにその数倍の水分子を回収することができ
る。従って、回収されたガス24は水分(水蒸気または
液体)を含んだ純水素となり、炭酸ガスを含まず、アノ
ードガスとしては最も適した組成となっている。一方、
回収セルの排ガス22は大部分が炭酸ガスとなる。な
お、回収する水素及び水の量は外部電流の電圧によりコ
ントロールすることができる。
【0016】この発明では、水素−水回収セル4に電流
を流すことによりアノード排ガスから水素と水を回収し
て水分を含む純水素を発生させ、これをアノードガスと
して再利用しており、アノード側の加湿必要量が減り、
燃料を効率よく利用できる。また、外部へ排出する水素
量が少なくなり、排気の危険性が減り安全性が向上す
る。
を流すことによりアノード排ガスから水素と水を回収し
て水分を含む純水素を発生させ、これをアノードガスと
して再利用しており、アノード側の加湿必要量が減り、
燃料を効率よく利用できる。また、外部へ排出する水素
量が少なくなり、排気の危険性が減り安全性が向上す
る。
【0017】実施例2.この発明の他の実施例において
は、図1に示す発電集電板1と回収セル集電板3との間
を短絡するとともに、両集電板1,3間に補助燃料電池
を挿入している。そして水素−水回収セル4への電力の
供給はこの補助燃料電池によってまかなわれる。水素−
水回収セル1セルあたりに必要な電圧は0.1〜0.2V程度
なので、水素−水回収セル数セルに対して1セルの補助
燃料電池で充分に電力がまかなわれる。なお、この場
合、外部マニホールド8,9,12は発電集電板1及び
補助燃料電池を含む形に配置される。補助燃料電池は単
セル6と同一の仕様であってもよい。
は、図1に示す発電集電板1と回収セル集電板3との間
を短絡するとともに、両集電板1,3間に補助燃料電池
を挿入している。そして水素−水回収セル4への電力の
供給はこの補助燃料電池によってまかなわれる。水素−
水回収セル1セルあたりに必要な電圧は0.1〜0.2V程度
なので、水素−水回収セル数セルに対して1セルの補助
燃料電池で充分に電力がまかなわれる。なお、この場
合、外部マニホールド8,9,12は発電集電板1及び
補助燃料電池を含む形に配置される。補助燃料電池は単
セル6と同一の仕様であってもよい。
【0018】実施例3.また、この発明のさらに他の実
施例においては、アノード排気ガスの水素−水回収セル
への供給及び水素−水回収セルからアノード入り口側へ
の配管は発電集電板1、水素−水回収セル4及びガス分
離板5を貫通する穴によって構成している。従って外部
マニホールドが不要となり、構造が簡素化される。セル
やガス分離板を貫通する穴を用いて反応ガスを供給する
方法は、例えば特開平2−86071号公報に詳細に記
述されており、容易に構成することができる。
施例においては、アノード排気ガスの水素−水回収セル
への供給及び水素−水回収セルからアノード入り口側へ
の配管は発電集電板1、水素−水回収セル4及びガス分
離板5を貫通する穴によって構成している。従って外部
マニホールドが不要となり、構造が簡素化される。セル
やガス分離板を貫通する穴を用いて反応ガスを供給する
方法は、例えば特開平2−86071号公報に詳細に記
述されており、容易に構成することができる。
【0019】なお、固体高分子電解質型燃料電池におい
ては、このような穴を用いて反応ガスなどの配管を行う
ことがむしろ一般的である。この実施例においては、単
セル6のガス分離板7のアノードガス出口側の穴を集電
板1、水素−水回収セル4及びガス分離板5を貫通させ
て各々の水素−水回収セルの触媒層19に供給し、水素
−水回収セルの他方の触媒層20から発生した水分を含
む純水素を別の穴で集電板1、水素−水回収セル4及び
ガス分離板5を貫通させてアノードガス入り口側の穴に
つなげることにより、容易に図1の外部マニホールドに
よる配管と同様の機能を構成することができる。ただ
し、セル面積が大きい場合には外部マニホールドを用い
た方が構造が簡単な場合も考えられる。
ては、このような穴を用いて反応ガスなどの配管を行う
ことがむしろ一般的である。この実施例においては、単
セル6のガス分離板7のアノードガス出口側の穴を集電
板1、水素−水回収セル4及びガス分離板5を貫通させ
て各々の水素−水回収セルの触媒層19に供給し、水素
−水回収セルの他方の触媒層20から発生した水分を含
む純水素を別の穴で集電板1、水素−水回収セル4及び
ガス分離板5を貫通させてアノードガス入り口側の穴に
つなげることにより、容易に図1の外部マニホールドに
よる配管と同様の機能を構成することができる。ただ
し、セル面積が大きい場合には外部マニホールドを用い
た方が構造が簡単な場合も考えられる。
【0020】
【発明の効果】以上のように、この発明の燃料電池積層
体の水素−水回収機構によれば、固体高分子電解質型燃
料電池積層体の少なくとも一方の発電集電板の外側に回
収セル集電板を設けるとともに、上記発電集電板と回収
セル集電板との間に 両面に白金触媒を有する固体高分
子電解質膜からなる水素−水回収セルをガス分離板を介
して少なくとも1セル以上積層して配設し、アノードの
排気ガスを上記水素−水回収セルに導き、上記発電集電
板と回収セル集電板間に電流を流して上記アノードの排
気ガス中の水素と水を回収して上記アノードの入口側へ
戻すようにしたので、燃料を効率よく利用でき、アノー
ドガスの加湿必要量を低減でき、また排気ガス中の水素
量を低減でき、安全性が向上する。
体の水素−水回収機構によれば、固体高分子電解質型燃
料電池積層体の少なくとも一方の発電集電板の外側に回
収セル集電板を設けるとともに、上記発電集電板と回収
セル集電板との間に 両面に白金触媒を有する固体高分
子電解質膜からなる水素−水回収セルをガス分離板を介
して少なくとも1セル以上積層して配設し、アノードの
排気ガスを上記水素−水回収セルに導き、上記発電集電
板と回収セル集電板間に電流を流して上記アノードの排
気ガス中の水素と水を回収して上記アノードの入口側へ
戻すようにしたので、燃料を効率よく利用でき、アノー
ドガスの加湿必要量を低減でき、また排気ガス中の水素
量を低減でき、安全性が向上する。
【0021】また、補助燃料電池を挿入することによっ
て、外部電流によらず自己発電で水素−水回収セルの電
力をまかない水素と水の回収を行うことができる。
て、外部電流によらず自己発電で水素−水回収セルの電
力をまかない水素と水の回収を行うことができる。
【0022】さらに、アノードの排気ガスを水素−水回
収セルに供給し、上記水素−水回収セルで回収した水素
と水を上記アノードの入口側へ供給する流路を、発電集
電板、上記水素−水回収セル及びガス分離板を貫通する
穴によって構成しているので、外部マニホールドが不要
になり、構造が簡素化できる。
収セルに供給し、上記水素−水回収セルで回収した水素
と水を上記アノードの入口側へ供給する流路を、発電集
電板、上記水素−水回収セル及びガス分離板を貫通する
穴によって構成しているので、外部マニホールドが不要
になり、構造が簡素化できる。
【図1】この発明の一実施例の燃料電池積層体の水素−
水回収機構を示す模式正面図である。
水回収機構を示す模式正面図である。
【図2】この発明に係わる水素−水回収セルの作用を説
明する模式説明図である。
明する模式説明図である。
【符号の説明】 1 発電集電板 2 発電集電板 3 回収セル集電板 4 水素−水回収セル 5 ガス分離板 6 単セル 8 アノード入口側マニホールド 9 アノード出口側マニホールド 10 排気ガスマニホールド 11 回収水素−水マニホールド 12 カソード出口側マニホールド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−13094(JP,A) 特開 昭61−114478(JP,A) 米国特許4671080(US,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/04 - 8/06
Claims (3)
- 【請求項1】 固体高分子電解質膜を挟んでカソードと
アノードを有する単セルを複数積層し、両端部に上記複
数の単セルから電流を集電する発電集電板を配設した固
体高分子電解質型燃料電池積層体、この燃料電池積層体
の少なくとも一方の上記発電集電板の外側に回収セル集
電板を設けるとともに、上記発電集電板と回収セル集電
板との間に 両面に白金触媒を有する固体高分子電解質
膜からなる水素−水回収セルをガス分離板を介して少な
くとも1セル以上積層して配設し、上記燃料電池積層体
のアノードの排気ガスを上記水素−水回収セルに導き、
上記発電集電板と回収セル集電板間に電流を流して上記
アノードの排気ガス中の水素と水を回収して上記アノー
ドの入口側へ戻すようにした燃料電池積層体の水素−水
回収機構。 - 【請求項2】 発電集電板と回収セル集電板との間に固
体高分子電解質膜を挟んでカソードとアノードを有する
単セルを1セル以上有する補助燃料電池を配設し、上記
発電集電板と回収セル集電板間を電気的に短絡し、上記
補助燃料電池で発電した電力により水素−水回収セルを
駆動し、アノードの排気ガス中の水素と水を回収して上
記アノードの入口側へ戻すようにした請求項1記載の燃
料電池積層体の水素−水回収機構。 - 【請求項3】 燃料電池積層体のアノードの排気ガスを
水素−水回収セルに供給し、上記水素−水回収セルで回
収した水素と水を上記アノードの入口側へ供給する流路
が、発電集電板、上記水素−水回収セル及びガス分離板
を貫通する穴によって構成されている請求項1または2
記載の燃料電池積層体の水素−水回収機構。
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---|---|---|---|
JP3331035A JP2777299B2 (ja) | 1991-12-16 | 1991-12-16 | 燃料電池積層体の水素−水回収機構 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP3331035A JP2777299B2 (ja) | 1991-12-16 | 1991-12-16 | 燃料電池積層体の水素−水回収機構 |
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---|---|
JPH05166528A JPH05166528A (ja) | 1993-07-02 |
JP2777299B2 true JP2777299B2 (ja) | 1998-07-16 |
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US4671080A (en) | 1986-01-13 | 1987-06-09 | The Boeing Company | Closed cryogenic cooling system without moving parts |
-
1991
- 1991-12-16 JP JP3331035A patent/JP2777299B2/ja not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (1)
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