JP3141619B2 - 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池発電装置Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、固体高分子電解質型
燃料電池発電装置に係わり、固体高分子電解質型燃料電
池に供給する酸化剤ガスの加湿方法を改良した酸化剤ガ
ス供給系統の構成に関する。
燃料電池発電装置に係わり、固体高分子電解質型燃料電
池に供給する酸化剤ガスの加湿方法を改良した酸化剤ガ
ス供給系統の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】燃料電池として、これに使用される電解
質の種類により、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融
炭酸塩型，固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られ
ている。このうち、固体高分子電解質型燃料電池は、分
子中にプロトン（水素イオン）交換基を有する高分子樹
脂膜を飽和に含水させると，低い抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能することを利用した燃料電池
である。
質の種類により、固体高分子電解質型，りん酸型，溶融
炭酸塩型，固体酸化物型などの各種の燃料電池が知られ
ている。このうち、固体高分子電解質型燃料電池は、分
子中にプロトン（水素イオン）交換基を有する高分子樹
脂膜を飽和に含水させると，低い抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能することを利用した燃料電池
である。
【０００３】図３は、固体高分子電解質型燃料電池の単
電池を展開した状態で模式的に示した側面断面図であ
り、図４は、図３に示した単電池を使用した燃料電池セ
ル集積体を模式的に示した構成図である。図５は、図４
に示した燃料電池セル集積体を使用した固体高分子電解
質型燃料電池発電装置の供給系統図である。まず、図３
において、７は、電解質層７Ｃと、燃料電極（アノード
極でもある。）７Ａと、酸化剤電極（カソード極でもあ
る。）７Ｂとで構成されている燃料電池セルである。電
解質層７Ｃは、薄い矩形状をなした固体高分子電解質膜
（以降、ＰＥ膜と略称することがある。）からなってい
る。燃料電極７Ｂは、ＰＥ膜７Ｃの一方の主面に密接し
て積層されて、燃料ガス（例えば、水素あるいは水素を
高濃度に含んだガスである。）の供給を受ける電極であ
る。また，酸化剤電極７Ｂは、ＰＥ膜７Ｃの他方の主面
に密接して積層されて、酸化剤ガス（例えば、空気であ
る。）の供給を受ける電極である。燃料電極７Ａの外側
面側が，燃料電池セル７の一方の側面７ａであり、酸化
剤電極７Ｂの外側面側が，燃料電池セル７の他方の側面
７ｂである。燃料電極７Ａおよび酸化剤電極７Ｂは、共
に触媒活物質を含むそれぞれの触媒層と、この触媒層を
支持するとともに反応ガス（以降、燃料ガスと酸化剤ガ
スを総称してこのように言うことが有る。）を供給およ
び排出するとともに集電体としての機能を有する多孔質
の電極基材とからなり、前記触媒層をＰＥ膜７Ｃの両主
面にホットプレスにより密着させて配置される。
電池を展開した状態で模式的に示した側面断面図であ
り、図４は、図３に示した単電池を使用した燃料電池セ
ル集積体を模式的に示した構成図である。図５は、図４
に示した燃料電池セル集積体を使用した固体高分子電解
質型燃料電池発電装置の供給系統図である。まず、図３
において、７は、電解質層７Ｃと、燃料電極（アノード
極でもある。）７Ａと、酸化剤電極（カソード極でもあ
る。）７Ｂとで構成されている燃料電池セルである。電
解質層７Ｃは、薄い矩形状をなした固体高分子電解質膜
（以降、ＰＥ膜と略称することがある。）からなってい
る。燃料電極７Ｂは、ＰＥ膜７Ｃの一方の主面に密接し
て積層されて、燃料ガス（例えば、水素あるいは水素を
高濃度に含んだガスである。）の供給を受ける電極であ
る。また，酸化剤電極７Ｂは、ＰＥ膜７Ｃの他方の主面
に密接して積層されて、酸化剤ガス（例えば、空気であ
る。）の供給を受ける電極である。燃料電極７Ａの外側
面側が，燃料電池セル７の一方の側面７ａであり、酸化
剤電極７Ｂの外側面側が，燃料電池セル７の他方の側面
７ｂである。燃料電極７Ａおよび酸化剤電極７Ｂは、共
に触媒活物質を含むそれぞれの触媒層と、この触媒層を
支持するとともに反応ガス（以降、燃料ガスと酸化剤ガ
スを総称してこのように言うことが有る。）を供給およ
び排出するとともに集電体としての機能を有する多孔質
の電極基材とからなり、前記触媒層をＰＥ膜７Ｃの両主
面にホットプレスにより密着させて配置される。
【０００４】また、８Ａは、ガスを透過しない材料を用
いて製作され、この燃料電池セル７の一方の側面７ａ側
に配設されて，その片面に燃料ガス３１Ａを通流させる
とともに，未消費の水素を含む燃料ガスを排出するガス
流通溝８１Ａを多数有するセパレータである。８Ｂは、
燃料電池セル７の他方の側面７ｂ側に配設されて，その
片面に酸化剤ガス４１Ａを通流させるとともに，未消費
の酸素を含む酸化剤ガス４１Ａを排出するガス流通溝８
１Ｂを多数有し、セパレータ８Ａと同様に、ガスを透過
しない材料で製作されたセパレータである。セパレータ
８Ａは、ガス流通溝８１Ａが形成された側面８Ａａを燃
料電池セル７の側面７ａに密接させて、また、セパレー
タ８Ｂは、ガス流通溝８１Ｂが形成された側面８Ｂａを
燃料電池セル７の側面７ｂに密接させて、それぞれ燃料
電池セル７を挟むようにして配設される。
いて製作され、この燃料電池セル７の一方の側面７ａ側
に配設されて，その片面に燃料ガス３１Ａを通流させる
とともに，未消費の水素を含む燃料ガスを排出するガス
流通溝８１Ａを多数有するセパレータである。８Ｂは、
燃料電池セル７の他方の側面７ｂ側に配設されて，その
片面に酸化剤ガス４１Ａを通流させるとともに，未消費
の酸素を含む酸化剤ガス４１Ａを排出するガス流通溝８
１Ｂを多数有し、セパレータ８Ａと同様に、ガスを透過
しない材料で製作されたセパレータである。セパレータ
８Ａは、ガス流通溝８１Ａが形成された側面８Ａａを燃
料電池セル７の側面７ａに密接させて、また、セパレー
タ８Ｂは、ガス流通溝８１Ｂが形成された側面８Ｂａを
燃料電池セル７の側面７ｂに密接させて、それぞれ燃料
電池セル７を挟むようにして配設される。
【０００５】さらに、６１は、セパレータ８Ａ，８Ｂの
ガス流通溝８１Ａ，８１Ｂ中を通流する反応ガス３１
Ａ，４１Ａが、通流路外に漏れ出るのを防止する役目を
負うガスシール体であり、それぞれのセパレータ８Ａ，
８Ｂの周縁部と、燃料電池セル７の周縁部との間の空所
に配置されるものである。１個の燃料電池セル７が発生
する電圧は、１〔Ｖ〕程度以下と低い値であるので、前
記した構成を持つ単電池６の多数個を、各燃料電池セル
７とこれに介挿されるセパレータ８Ａ，８Ｂを介して、
互いに直列接続した燃料電池セル集積体（以降、スタッ
クと略称することがある。）として構成し、電圧を高め
て実用に供されるのが一般的である。
ガス流通溝８１Ａ，８１Ｂ中を通流する反応ガス３１
Ａ，４１Ａが、通流路外に漏れ出るのを防止する役目を
負うガスシール体であり、それぞれのセパレータ８Ａ，
８Ｂの周縁部と、燃料電池セル７の周縁部との間の空所
に配置されるものである。１個の燃料電池セル７が発生
する電圧は、１〔Ｖ〕程度以下と低い値であるので、前
記した構成を持つ単電池６の多数個を、各燃料電池セル
７とこれに介挿されるセパレータ８Ａ，８Ｂを介して、
互いに直列接続した燃料電池セル集積体（以降、スタッ
クと略称することがある。）として構成し、電圧を高め
て実用に供されるのが一般的である。
【０００６】図４において、９は、複数の単電池６を積
層し、さらにその両端部に複数の単電池６の持つ燃料電
池セル７で発生した直流電気を取り出すための集電板９
１ａ，９１ｂと、単電池６および集電板９１ａ，９１ｂ
を構造体から電気的に絶縁するための電気絶縁板９２
ａ，９２ｂと、単電池６，集電板９１ａ，９１ｂ、およ
び電気絶縁板９２ａ，９２ｂを積層した積層体の両外端
部に配設される締付板９３ａ，９３ｂと、締付板９３
ａ，９３ｂに適度の加圧力を与える締め付けボルト９４
を備え、これらに加えて、複数の単電池６を積層する毎
に介挿される冷却体９５とで構成されている固体高分子
電解質型燃料電池のスタックである。
層し、さらにその両端部に複数の単電池６の持つ燃料電
池セル７で発生した直流電気を取り出すための集電板９
１ａ，９１ｂと、単電池６および集電板９１ａ，９１ｂ
を構造体から電気的に絶縁するための電気絶縁板９２
ａ，９２ｂと、単電池６，集電板９１ａ，９１ｂ、およ
び電気絶縁板９２ａ，９２ｂを積層した積層体の両外端
部に配設される締付板９３ａ，９３ｂと、締付板９３
ａ，９３ｂに適度の加圧力を与える締め付けボルト９４
を備え、これらに加えて、複数の単電池６を積層する毎
に介挿される冷却体９５とで構成されている固体高分子
電解質型燃料電池のスタックである。
【０００７】燃料電池セル７においては、後記する直流
電気の発電を行う際に、発電する電力とほぼ同等量の損
失が発生する。この損失による熱を除去するのが前記の
冷却体９５の役目である。冷却体９５には、熱を除去す
るための図示しない水を通流させて、燃料電池セル７を
後記する適温に保持する。したがって、図４に示した構
成のスタック９においては、セパレータ８Ａ，８Ｂは、
燃料電池セル７に供給する反応ガスの通流路を確保する
とともに、燃料電池セル７で発電された直流電気を、集
電板９１ａ，９１ｂに伝達する役目、さらには、燃料電
池セル７で生じた熱を冷却体９５に伝達する役目も果た
している。
電気の発電を行う際に、発電する電力とほぼ同等量の損
失が発生する。この損失による熱を除去するのが前記の
冷却体９５の役目である。冷却体９５には、熱を除去す
るための図示しない水を通流させて、燃料電池セル７を
後記する適温に保持する。したがって、図４に示した構
成のスタック９においては、セパレータ８Ａ，８Ｂは、
燃料電池セル７に供給する反応ガスの通流路を確保する
とともに、燃料電池セル７で発電された直流電気を、集
電板９１ａ，９１ｂに伝達する役目、さらには、燃料電
池セル７で生じた熱を冷却体９５に伝達する役目も果た
している。
【０００８】このスタック９においては、複数の燃料電
池セル７が備える燃料電極７Ａおよび酸化剤電極７Ｂの
それぞれに、燃料電極７Ａには燃料ガスを、また、酸化
剤電極７Ｂに酸化剤ガスを供給することで、それぞれの
電極７Ａ，７Ｂの触媒層とＰＥ膜でなる電解質層７Ｃと
の界面に三相界面（前記触媒層中の触媒と、ＰＥ膜、い
ずれかの反応ガスとが、互い接する界面のことを言
う。）を形成させ、電気化学反応を生じさせることで直
流電気を発生させる。なお前記触媒層は、微小な粒子状
の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂から形成され
ており、しかも多数の細孔を形成することで、反応ガス
の三層界面までの効率的な拡散を維持するするととも
に、十分広い面積の三層界面が形成される構成としてい
る。
池セル７が備える燃料電極７Ａおよび酸化剤電極７Ｂの
それぞれに、燃料電極７Ａには燃料ガスを、また、酸化
剤電極７Ｂに酸化剤ガスを供給することで、それぞれの
電極７Ａ，７Ｂの触媒層とＰＥ膜でなる電解質層７Ｃと
の界面に三相界面（前記触媒層中の触媒と、ＰＥ膜、い
ずれかの反応ガスとが、互い接する界面のことを言
う。）を形成させ、電気化学反応を生じさせることで直
流電気を発生させる。なお前記触媒層は、微小な粒子状
の白金触媒とはっ水性を有するフッ素樹脂から形成され
ており、しかも多数の細孔を形成することで、反応ガス
の三層界面までの効率的な拡散を維持するするととも
に、十分広い面積の三層界面が形成される構成としてい
る。
【０００９】ところで、電解質層７Ｃを形成しているＰ
Ｅ膜は、前述したとおり、分子中にプロトン（水素イオ
ン）交換基を有する高分子膜であり、飽和に含水させる
と常温で２０〔Ω・ｃｍ〕以下の抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能する膜である。このＰＥ膜と
しては、現時点においては、パ−フルオロスルホン酸樹
脂膜（例えば、米国、デュポン社製、商品名ナフィオン
膜）等が知られている。このようなＰＥ膜を用いた電解
質層７Ｃと、触媒層と、反応ガスとが形成する三相界面
で生じる電気化学反応は、次のとおりである。
Ｅ膜は、前述したとおり、分子中にプロトン（水素イオ
ン）交換基を有する高分子膜であり、飽和に含水させる
と常温で２０〔Ω・ｃｍ〕以下の抵抗率を示してプロト
ン導電性電解質として機能する膜である。このＰＥ膜と
しては、現時点においては、パ−フルオロスルホン酸樹
脂膜（例えば、米国、デュポン社製、商品名ナフィオン
膜）等が知られている。このようなＰＥ膜を用いた電解
質層７Ｃと、触媒層と、反応ガスとが形成する三相界面
で生じる電気化学反応は、次のとおりである。
【００１０】アノード電極７Ａでは（１）式の反応が起
こる。
こる。
【００１１】
【数１】
【００１２】カソード電極７Ｂでは（２）式の反応が起
こる。
こる。
【００１３】
【数２】
【００１４】つまりアノード電極７Ａにおいては、外部
より供給された水素がプロトンと電子を生成する。この
生成されたプロトンは、ＰＥ膜７Ｃ中をカソード電極７
Ｂに向かって移動し、電子は、図示しない外部電気回路
を通ってカソード電極７Ｂに移動する。一方、カソード
電極７Ｂにおいては、外部より供給された酸素とＰＥ膜
７Ｃ中をアノード電極７Ａより移動してきたプロトンと
外部電気回路より移動してきた電子が反応し、水分を生
成する。かくして、燃料電池セル７は、水素と酸素を得
て直流電気を発電するのである。このような固体高分子
電解質型燃料電池においては、ＰＥ膜７Ｃの抵抗率を小
さくして高い発電効率が得られるようにするために、通
常、５０〔℃〕から１００〔℃〕程度の温度条件で運転
される。なお、このＰＥ膜７Ｃは、反応ガスである燃料
ガスや酸化剤ガスが透過しない膜でもあるので、反応ガ
スが相互に混合するいわゆるクロスリークを防止する役
目も果たしている。
より供給された水素がプロトンと電子を生成する。この
生成されたプロトンは、ＰＥ膜７Ｃ中をカソード電極７
Ｂに向かって移動し、電子は、図示しない外部電気回路
を通ってカソード電極７Ｂに移動する。一方、カソード
電極７Ｂにおいては、外部より供給された酸素とＰＥ膜
７Ｃ中をアノード電極７Ａより移動してきたプロトンと
外部電気回路より移動してきた電子が反応し、水分を生
成する。かくして、燃料電池セル７は、水素と酸素を得
て直流電気を発電するのである。このような固体高分子
電解質型燃料電池においては、ＰＥ膜７Ｃの抵抗率を小
さくして高い発電効率が得られるようにするために、通
常、５０〔℃〕から１００〔℃〕程度の温度条件で運転
される。なお、このＰＥ膜７Ｃは、反応ガスである燃料
ガスや酸化剤ガスが透過しない膜でもあるので、反応ガ
スが相互に混合するいわゆるクロスリークを防止する役
目も果たしている。
【００１５】前記したところにより、固体高分子電解質
型燃料電池の発電効率を高く維持するためには、前記運
転温度でＰＥ膜７Ｃの含水状態を飽和状態に維持するこ
とが必要であり、このために、燃料ガス３１Ａおよび酸
化剤ガス４１Ａは加湿をし、それぞれの反応ガスを飽和
に近い蒸気圧状態に調整して燃料電池に供給している。
図５において、１Ａは、固体高分子電解質型燃料電池２
と、燃料ガス供給系統３と、酸化剤ガス供給系統４Ａ
と、冷却水系統５とを備えた固体高分子電解質型燃料電
池発電装置である。固体高分子電解質型燃料電池２は、
１台ないし複数台のスタック９を備えており、図５中に
おいては、燃料電極２１と，酸化剤電極２２と，冷却体
２３とを備えたものとして、模式的に示している。
型燃料電池の発電効率を高く維持するためには、前記運
転温度でＰＥ膜７Ｃの含水状態を飽和状態に維持するこ
とが必要であり、このために、燃料ガス３１Ａおよび酸
化剤ガス４１Ａは加湿をし、それぞれの反応ガスを飽和
に近い蒸気圧状態に調整して燃料電池に供給している。
図５において、１Ａは、固体高分子電解質型燃料電池２
と、燃料ガス供給系統３と、酸化剤ガス供給系統４Ａ
と、冷却水系統５とを備えた固体高分子電解質型燃料電
池発電装置である。固体高分子電解質型燃料電池２は、
１台ないし複数台のスタック９を備えており、図５中に
おいては、燃料電極２１と，酸化剤電極２２と，冷却体
２３とを備えたものとして、模式的に示している。
【００１６】燃料ガス供給系統３は、燃料電極２１に燃
料ガス３１Ａを供給するものであり、燃料ガス源３１
と、加湿装置３２と、配管３３，３４，３５，３６を備
えている。燃料ガス３１Ａは燃料ガス源３１から配管３
３により加湿装置３２に供給され、加湿装置３２におい
て加湿されたうえで、配管３４により燃料電極２１に供
給される。燃料電極２１において消費されなかった水素
を含む排出燃料ガスは、その一部は配管３５から固体高
分子電解質型燃料電池発電装置１Ａの外部に排出される
が、その大部分は配管３６を経て配管３４に循環され
る。
料ガス３１Ａを供給するものであり、燃料ガス源３１
と、加湿装置３２と、配管３３，３４，３５，３６を備
えている。燃料ガス３１Ａは燃料ガス源３１から配管３
３により加湿装置３２に供給され、加湿装置３２におい
て加湿されたうえで、配管３４により燃料電極２１に供
給される。燃料電極２１において消費されなかった水素
を含む排出燃料ガスは、その一部は配管３５から固体高
分子電解質型燃料電池発電装置１Ａの外部に排出される
が、その大部分は配管３６を経て配管３４に循環され
る。
【００１７】酸化剤ガス供給系統４Ａは、酸化剤電極２
２に酸化剤ガス４１Ａを供給するものであり、大気等の
低圧の酸化剤ガス源４１と、空気圧縮機等の酸化剤ガス
加圧装置４２と、加湿装置４３と、配管４８ａ，４８
ｂ，４６を備えている。酸化剤ガス源４１から供給され
た酸化剤ガス４１Ａは、加圧装置４２で加圧されたうえ
で配管４８ａにより加湿装置４３に供給され、加湿装置
４３において加湿されたうえで、配管４８ｂにより酸化
剤電極２２に供給される。酸化剤電極２２において酸素
が消費された排出酸化剤ガスは、配管４６から固体高分
子電解質型燃料電池発電装置１Ａの外部に排出される。
２に酸化剤ガス４１Ａを供給するものであり、大気等の
低圧の酸化剤ガス源４１と、空気圧縮機等の酸化剤ガス
加圧装置４２と、加湿装置４３と、配管４８ａ，４８
ｂ，４６を備えている。酸化剤ガス源４１から供給され
た酸化剤ガス４１Ａは、加圧装置４２で加圧されたうえ
で配管４８ａにより加湿装置４３に供給され、加湿装置
４３において加湿されたうえで、配管４８ｂにより酸化
剤電極２２に供給される。酸化剤電極２２において酸素
が消費された排出酸化剤ガスは、配管４６から固体高分
子電解質型燃料電池発電装置１Ａの外部に排出される。
【００１８】冷却水系統５は、固体高分子電解質型燃料
電池２の発電反応に際して発生する損失による熱を除去
するための冷却水５１Ａを冷却体２３に供給するととも
に、冷却体２３で加熱された冷却水５１Ａを加湿装置３
２，４３に供給するものであり、冷却水ポンプ５１と、
配管５２を備えている。冷却水５１Ａは、まず、冷却水
ポンプ５１により加圧されたうえで配管５２を介して冷
却体２３に供給され、冷却体２３を所定温度に冷却す
る。冷却体２３から除熱することで加熱された冷却水５
１Ａは、配管５２を介して順次加湿装置３２および加湿
装置４３に供給されて、前記したところによる燃料ガス
３１Ａおよび酸化剤ガス４１Ａの加湿に使用される。こ
れにより、反応ガス３１Ａ，４１Ａに、ほぼ冷却水５１
Ａの温度に相当する温度に従う飽和水蒸気圧に相当する
水蒸気を含ませることができることとなる。
電池２の発電反応に際して発生する損失による熱を除去
するための冷却水５１Ａを冷却体２３に供給するととも
に、冷却体２３で加熱された冷却水５１Ａを加湿装置３
２，４３に供給するものであり、冷却水ポンプ５１と、
配管５２を備えている。冷却水５１Ａは、まず、冷却水
ポンプ５１により加圧されたうえで配管５２を介して冷
却体２３に供給され、冷却体２３を所定温度に冷却す
る。冷却体２３から除熱することで加熱された冷却水５
１Ａは、配管５２を介して順次加湿装置３２および加湿
装置４３に供給されて、前記したところによる燃料ガス
３１Ａおよび酸化剤ガス４１Ａの加湿に使用される。こ
れにより、反応ガス３１Ａ，４１Ａに、ほぼ冷却水５１
Ａの温度に相当する温度に従う飽和水蒸気圧に相当する
水蒸気を含ませることができることとなる。
【００１９】なおまた、セパレータとしては、前述した
溝８１Ａあるいは溝８１Ｂを一方の側面のみに配設した
構成のセパレータ８Ａ，８Ｂ以外に、スタック構成の際
に互いに隣接するセパレータの溝も一体に形成すること
で，スタック構成の合理化を図るために、溝８１Ａ，８
１Ｂをその両側面に配設するようにしたセパレータも知
られている。
溝８１Ａあるいは溝８１Ｂを一方の側面のみに配設した
構成のセパレータ８Ａ，８Ｂ以外に、スタック構成の際
に互いに隣接するセパレータの溝も一体に形成すること
で，スタック構成の合理化を図るために、溝８１Ａ，８
１Ｂをその両側面に配設するようにしたセパレータも知
られている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】前述した従来技術によ
る固体高分子電解質型燃料電池発電装置においては、ス
タック９の備える燃料電池セル７を構成するＰＥ膜から
なる電解質層７Ｃは、ほぼ冷却水５１Ａの温度に相当す
る温度に従う飽和水蒸気圧に相当する水蒸気を含んだ燃
料ガス３１Ａと酸化剤ガス４１Ａとにより、加湿をされ
るのであるが、なお、次記する問題が残存している。す
なわち、前述したとおり、冷却水５１Ａは冷却体２３か
ら受熱するのであり、また冷却体２３から冷却水５１Ａ
に与えられる熱は、セパレータ８Ａ，８Ｂ等を介して伝
達された燃料電池セル７において発生した損失熱である
から、冷却水５１Ａの温度は、固体高分子電解質型燃料
電池２の運転温度よりも５〜１０〔℃〕程度、常に低温
となる。このため，この冷却水５１Ａで加湿したとして
も、反応ガスは燃料電池２の運転温度に相当する飽和蒸
気圧まで加湿されることはない。特に，高い運転温度の
場合には、温度差が僅かであっても飽和蒸気圧が大きく
変わることとなるので、前記の冷却水温度と燃料電池２
の運転温度との温度差により、反応ガスの加湿度合いは
大きく影響を受ける。この結果、ＰＥ膜７Ｃの抵抗率を
十分に低下させることができず、固体高分子電解質型燃
料電池２の発電特性に悪影響を与えることとなる。
る固体高分子電解質型燃料電池発電装置においては、ス
タック９の備える燃料電池セル７を構成するＰＥ膜から
なる電解質層７Ｃは、ほぼ冷却水５１Ａの温度に相当す
る温度に従う飽和水蒸気圧に相当する水蒸気を含んだ燃
料ガス３１Ａと酸化剤ガス４１Ａとにより、加湿をされ
るのであるが、なお、次記する問題が残存している。す
なわち、前述したとおり、冷却水５１Ａは冷却体２３か
ら受熱するのであり、また冷却体２３から冷却水５１Ａ
に与えられる熱は、セパレータ８Ａ，８Ｂ等を介して伝
達された燃料電池セル７において発生した損失熱である
から、冷却水５１Ａの温度は、固体高分子電解質型燃料
電池２の運転温度よりも５〜１０〔℃〕程度、常に低温
となる。このため，この冷却水５１Ａで加湿したとして
も、反応ガスは燃料電池２の運転温度に相当する飽和蒸
気圧まで加湿されることはない。特に，高い運転温度の
場合には、温度差が僅かであっても飽和蒸気圧が大きく
変わることとなるので、前記の冷却水温度と燃料電池２
の運転温度との温度差により、反応ガスの加湿度合いは
大きく影響を受ける。この結果、ＰＥ膜７Ｃの抵抗率を
十分に低下させることができず、固体高分子電解質型燃
料電池２の発電特性に悪影響を与えることとなる。
【００２１】この発明は、前述の従来技術の問題点に鑑
みなされたものであり、その目的は、反応ガスに対する
加湿状態を改善した固体高分子電解質型燃料電池発電装
置を提供することにある。
みなされたものであり、その目的は、反応ガスに対する
加湿状態を改善した固体高分子電解質型燃料電池発電装
置を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】この発明では前述の目的
は、固体高分子電解質型燃料電池と、この固体高分子電
解質型燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統
と、固体高分子電解質型燃料電池に酸化剤ガスを供給す
る酸化剤ガス供給系統とを備えた固体高分子電解質型燃
料電池発電装置であって、前記酸化剤ガス供給系統が、
酸化剤ガスを加圧して供給する酸化剤ガス加圧装置と、
酸化剤ガスを加湿する加湿装置とを有するものにおい
て、前記加湿装置が、酸化剤ガス加圧装置よりも酸化剤
ガスの通流に関する上流側に配設された構成とすること
により達成される。
は、固体高分子電解質型燃料電池と、この固体高分子電
解質型燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス供給系統
と、固体高分子電解質型燃料電池に酸化剤ガスを供給す
る酸化剤ガス供給系統とを備えた固体高分子電解質型燃
料電池発電装置であって、前記酸化剤ガス供給系統が、
酸化剤ガスを加圧して供給する酸化剤ガス加圧装置と、
酸化剤ガスを加湿する加湿装置とを有するものにおい
て、前記加湿装置が、酸化剤ガス加圧装置よりも酸化剤
ガスの通流に関する上流側に配設された構成とすること
により達成される。
【００２３】
【作用】この発明においては、固体高分子電解質型燃料
電池発電装置の備える酸化剤ガス供給系統を、酸化剤ガ
ス加圧装置の酸化剤ガスの通流に関する上流側に加湿装
置を配設した構成としたことにより、酸化剤ガスに対す
る加湿は、酸化剤ガスが加圧されていない状態で行われ
る。ところで、気体の飽和蒸気圧は、よく知られている
とおり，その温度にのみ関係して，その雰囲気圧力には
関係しないものである。また、水蒸気の分圧は飽和圧力
を越えることができないものである。これから、気体中
の水蒸気分圧は次の性質を持つこととなる。
電池発電装置の備える酸化剤ガス供給系統を、酸化剤ガ
ス加圧装置の酸化剤ガスの通流に関する上流側に加湿装
置を配設した構成としたことにより、酸化剤ガスに対す
る加湿は、酸化剤ガスが加圧されていない状態で行われ
る。ところで、気体の飽和蒸気圧は、よく知られている
とおり，その温度にのみ関係して，その雰囲気圧力には
関係しないものである。また、水蒸気の分圧は飽和圧力
を越えることができないものである。これから、気体中
の水蒸気分圧は次の性質を持つこととなる。
【００２４】一定の気体温度において雰囲気圧力（全
圧）が高くなっても飽和水蒸気圧は変化せず、一定の
気体温度において雰囲気圧力（全圧）が高くなると、水
蒸気分圧は高くなる。したがって、加圧されておらず圧
力の低い状態での酸化剤ガスの水蒸気分圧が不飽和の状
態であっても、この状態の酸化剤ガスを加圧して一定の
圧力以上とすることで、酸化剤ガスの水蒸気圧力を燃料
電池の運転温度における飽和圧力にすることが可能とな
る。
圧）が高くなっても飽和水蒸気圧は変化せず、一定の
気体温度において雰囲気圧力（全圧）が高くなると、水
蒸気分圧は高くなる。したがって、加圧されておらず圧
力の低い状態での酸化剤ガスの水蒸気分圧が不飽和の状
態であっても、この状態の酸化剤ガスを加圧して一定の
圧力以上とすることで、酸化剤ガスの水蒸気圧力を燃料
電池の運転温度における飽和圧力にすることが可能とな
る。
【００２５】このような飽和蒸気圧状態の酸化剤ガスを
燃料電池セルに供給することで、ＰＥ膜からの水分の蒸
発を防止することが可能になる。
燃料電池セルに供給することで、ＰＥ膜からの水分の蒸
発を防止することが可能になる。
【００２６】
【実施例】以下この発明の実施例を図面を参照して詳細
に説明する。図１は、この発明の一実施例による固体高
分子電解質型燃料電池発電装置の供給系統図である。図
１において図５に示した従来例による固体高分子電解質
型燃料電池発電装置と同一部分には同じ符号を付し、そ
の説明を省略する。
に説明する。図１は、この発明の一実施例による固体高
分子電解質型燃料電池発電装置の供給系統図である。図
１において図５に示した従来例による固体高分子電解質
型燃料電池発電装置と同一部分には同じ符号を付し、そ
の説明を省略する。
【００２７】図１において、１は、図５に示した従来例
による固体高分子電解質型燃料電池発電装置１Ａに対し
て、酸化剤ガス供給系統４Ａに替えて酸化剤ガス供給系
統４を用いるようにした固体高分子電解質型燃料電池発
電装置である。酸化剤ガス供給系統４は、酸化剤電極２
２に酸化剤ガス４１Ａを供給するものであり、大気等の
酸化剤ガス源４１と、空気圧縮機等の酸化剤ガス加圧装
置４２と、加湿装置４３と、配管４５ａ，４５ｂ，４５
ｃ，４５ｄおよび４６と、必要に応じて設置される冷却
器４４とを備えている。酸化剤ガス源４１から供給され
た酸化剤ガス４１Ａは、まず配管４５ａにより加湿装置
４３に供給され、加湿装置４３において冷却体２３にお
いて加熱された冷却水５１Ａにより加湿されたうえで、
配管４５ｂにより酸化剤ガス加圧装置４２に送られて加
圧される。酸化剤ガス加圧装置４２で断熱圧縮されるこ
とで、酸化剤ガス４１Ａが過度に温度上昇する場合に
は、冷却器４４が備えられ、加圧された酸化剤ガス４１
Ａは、配管４５ｃにより冷却器４４に送られて固体高分
子電解質型燃料電池２の運転温度を少なくとも越えない
温度にまで冷却される。加湿されしかも冷却器４４で冷
却された酸化剤ガス４１Ａは、配管４５ｃにより酸化剤
電極２２に供給される。
による固体高分子電解質型燃料電池発電装置１Ａに対し
て、酸化剤ガス供給系統４Ａに替えて酸化剤ガス供給系
統４を用いるようにした固体高分子電解質型燃料電池発
電装置である。酸化剤ガス供給系統４は、酸化剤電極２
２に酸化剤ガス４１Ａを供給するものであり、大気等の
酸化剤ガス源４１と、空気圧縮機等の酸化剤ガス加圧装
置４２と、加湿装置４３と、配管４５ａ，４５ｂ，４５
ｃ，４５ｄおよび４６と、必要に応じて設置される冷却
器４４とを備えている。酸化剤ガス源４１から供給され
た酸化剤ガス４１Ａは、まず配管４５ａにより加湿装置
４３に供給され、加湿装置４３において冷却体２３にお
いて加熱された冷却水５１Ａにより加湿されたうえで、
配管４５ｂにより酸化剤ガス加圧装置４２に送られて加
圧される。酸化剤ガス加圧装置４２で断熱圧縮されるこ
とで、酸化剤ガス４１Ａが過度に温度上昇する場合に
は、冷却器４４が備えられ、加圧された酸化剤ガス４１
Ａは、配管４５ｃにより冷却器４４に送られて固体高分
子電解質型燃料電池２の運転温度を少なくとも越えない
温度にまで冷却される。加湿されしかも冷却器４４で冷
却された酸化剤ガス４１Ａは、配管４５ｃにより酸化剤
電極２２に供給される。
【００２８】この発明では前述の構成としたので、酸化
剤ガス４１Ａは、まず冷却水５１Ａにより加湿される。
続いて酸化剤ガス加圧装置４２で加圧されることによ
り、その水蒸気分圧を高くされることで、その水蒸気圧
力を飽和圧力にすることが可能となるのである。これに
より、加湿源として温度の低い冷却水５１Ａを用いたと
しても、固体高分子電解質型燃料電池２の備えるＰＥ膜
７Ｃの含水状態を飽和状態に維持することが可能になる
ものである。
剤ガス４１Ａは、まず冷却水５１Ａにより加湿される。
続いて酸化剤ガス加圧装置４２で加圧されることによ
り、その水蒸気分圧を高くされることで、その水蒸気圧
力を飽和圧力にすることが可能となるのである。これに
より、加湿源として温度の低い冷却水５１Ａを用いたと
しても、固体高分子電解質型燃料電池２の備えるＰＥ膜
７Ｃの含水状態を飽和状態に維持することが可能になる
ものである。
【００２９】実施例における今までの説明では、酸化剤
ガス供給系統４は冷却器４４を備えるとしてきたが、こ
れに限定されるものではなく、例えば、酸化剤ガス加圧
装置４２で断熱圧縮されることにより生じる温度上昇度
が小さい場合には、冷却器４４の設置は不要である。
ガス供給系統４は冷却器４４を備えるとしてきたが、こ
れに限定されるものではなく、例えば、酸化剤ガス加圧
装置４２で断熱圧縮されることにより生じる温度上昇度
が小さい場合には、冷却器４４の設置は不要である。
【００３０】
【発明の効果】この発明においては、前述の構成とする
ことにより、酸化剤ガスが飽和状態に加湿されること
で、ＰＥ膜の含水状態を飽和状態に維持することが可能
になるものである。これにより、この発明を適用した固
体高分子電解質型燃料電池発電装置における燃料電池セ
ルの発電特性は、図２の単電池の発電特性のグラフ中に
示すように、従来例の場合の燃料電池セルの発電特性に
対して、高い特性を得ることが可能となるとの効果が有
る。
ことにより、酸化剤ガスが飽和状態に加湿されること
で、ＰＥ膜の含水状態を飽和状態に維持することが可能
になるものである。これにより、この発明を適用した固
体高分子電解質型燃料電池発電装置における燃料電池セ
ルの発電特性は、図２の単電池の発電特性のグラフ中に
示すように、従来例の場合の燃料電池セルの発電特性に
対して、高い特性を得ることが可能となるとの効果が有
る。
【図１】この発明の一実施例による固体高分子電解質型
燃料電池発電装置の供給系統図
燃料電池発電装置の供給系統図
【図２】この発明を適用した固体高分子電解質型燃料電
池発電装置における単電池の発電特性を、従来例の場合
と比較して示したグラフ
池発電装置における単電池の発電特性を、従来例の場合
と比較して示したグラフ
【図３】固体高分子電解質型燃料電池の単電池を展開し
た状態で模式的に示した側面断面図
た状態で模式的に示した側面断面図
【図４】図３に示した単電池を使用した燃料電池セル集
積体を模式的に示した構成図
積体を模式的に示した構成図
【図５】図４に示した燃料電池セル集積体を使用した固
体高分子電解質型燃料電池発電装置の供給系統図
体高分子電解質型燃料電池発電装置の供給系統図
１ 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 ２ 固体高分子電解質型燃料電池 ２２ 酸化剤電極 ２３ 冷却体 ３ 燃料ガス供給系統 ４ 酸化剤ガス（空気）供給系統 ４１ 酸化剤ガス（空気）源 ４２ 酸化剤ガス加圧装置（空気圧縮機） ４３ 加湿装置 ４４ 冷却器 ５１Ａ 冷却水
Claims (1)
- 【請求項１】固体高分子電解質型燃料電池と、この固体
高分子電解質型燃料電池に燃料ガスを供給する燃料ガス
供給系統と、固体高分子電解質型燃料電池に酸化剤ガス
を供給する酸化剤ガス供給系統とを備えた固体高分子電
解質型燃料電池発電装置であって、前記酸化剤ガス供給
系統が、酸化剤ガスを加圧して供給する酸化剤ガス加圧
装置と、酸化剤ガスを加湿する加湿装置とを有するもの
において、 前記加湿装置は、酸化剤ガス加圧装置よりも酸化剤ガス
の通流に関する上流側に配設されたものであることを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05118852A JP3141619B2 (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP05118852A JP3141619B2 (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06333583A JPH06333583A (ja) | 1994-12-02 |
| JP3141619B2 true JP3141619B2 (ja) | 2001-03-05 |
Family
ID=14746739
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP05118852A Expired - Fee Related JP3141619B2 (ja) | 1993-05-21 | 1993-05-21 | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3141619B2 (ja) |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE19636908C2 (de) * | 1996-09-11 | 2001-08-16 | Siemens Ag | Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage |
| JP4517414B2 (ja) * | 1999-01-18 | 2010-08-04 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システムおよび水回収方法 |
| DE19910695C1 (de) | 1999-03-10 | 2000-08-10 | Siemens Ag | Verfahren zum Betreiben einer Brennstoffzellenanlage und Brennstoffzellenanlage |
| JP4505874B2 (ja) * | 1999-05-06 | 2010-07-21 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池の水供給装置 |
| DE19931061A1 (de) * | 1999-07-01 | 2001-01-11 | Mannesmann Ag | Anordnung zum Beheizen/Kühlen einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem |
| DE19956653A1 (de) * | 1999-11-25 | 2001-05-31 | Fev Motorentech Gmbh | Verfahren zur Verbesserung der Leistung einer Brennstoffzelle, insbesondere Brennstoffzelle für den mobilen Einsatz |
| TW496010B (en) * | 2000-03-23 | 2002-07-21 | Sanyo Electric Co | Solid high molcular type fuel battery |
| JP3398130B2 (ja) | 2000-08-10 | 2003-04-21 | 三洋電機株式会社 | 燃料電池装置 |
| JP5189719B2 (ja) * | 2001-01-22 | 2013-04-24 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
| JP4801261B2 (ja) * | 2001-01-23 | 2011-10-26 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池システム |
| JP3831836B2 (ja) * | 2001-04-20 | 2006-10-11 | 富士電機ホールディングス株式会社 | 固体高分子形燃料電池発電装置 |
| US6630260B2 (en) * | 2001-07-20 | 2003-10-07 | General Motors Corporation | Water vapor transfer device for a fuel cell power plant |
| KR20040003659A (ko) * | 2002-07-03 | 2004-01-13 | 엘지전자 주식회사 | 연료전지의 냉각/가습장치 |
| KR102529902B1 (ko) * | 2016-12-12 | 2023-05-08 | 현대자동차주식회사 | 연료전지 시스템 |
| CN111350652B (zh) * | 2020-01-10 | 2020-11-24 | 擎能动力科技(苏州)有限公司 | 一种燃料电池压缩机测试试验设备及其应用 |
-
1993
- 1993-05-21 JP JP05118852A patent/JP3141619B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06333583A (ja) | 1994-12-02 |
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