JP3352716B2 - 固体高分子電解質型燃料電池装置 - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池装置

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JP3352716B2
JP3352716B2 JP07481392A JP7481392A JP3352716B2 JP 3352716 B2 JP3352716 B2 JP 3352716B2 JP 07481392 A JP07481392 A JP 07481392A JP 7481392 A JP7481392 A JP 7481392A JP 3352716 B2 JP3352716 B2 JP 3352716B2
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、イオン伝導性を有する
固体高分子を電解質として用いた固体高分子電解質型燃
料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】近年、高効率のエネルギー変換装置とし
て、燃料電池が注目を集めている。燃料電池は、これに
用いる電解質の種類により、例えばアルカリ性水溶液
型、固体高分子電解質型、りん酸型等の低温動作燃料電
池と、溶融炭酸塩型、固体酸化物電解質型等の高温動作
燃料電池とに大別される。
【０００３】これら燃料電池のうち、電解質としてプロ
トン伝導性を有する固体高分子電解質膜(Polymer Elect
rolyte：以下、ＰＥ膜と記す）を用いた燃料電池（以
下、ＰＥＦＣと記す）は、コンパクトな構造で高出力密
度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なことか
ら、宇宙用や車両用等の移動用電源として注目されてい
る。
【０００４】上記ＰＥ膜としては、スルホン酸基を持つ
ポリスチレン系の陽イオン交換膜、フルオロカーボンス
ルホン酸とポリビニリデンフルオライドとの混合膜、フ
ルオロカーボンマトリックスにトリフルオロエチレンを
グラフト化したもの等が知られており、最近ではパーフ
ルオロカーボンスルホン酸膜（例えばナフィオン：商品
名、デュポン社製）等が用いられている。このようなＰ
Ｅ膜を用いたＰＥＦＣは、ガス拡散層および触媒層とし
ての機能を有する一対の多孔質電極、すなわち燃料極と
酸化剤極とでＰＥ膜を挟持すると共に、両電極の外側に
燃料室および酸化剤室を形成する溝付きの集電体を配し
たものを単セルとし、このような単セルを冷却板等を介
して複数積層することにより構成される。
【０００５】このようなＰＥＦＣを用いた発電装置は、
一般に水を含む液体燃料を水素に富むガスに改質する改
質器等と組み合せることにより構成されている。図１４
に、一般的な燃料電池発電装置の構成を示す。同図にお
いて、１は燃料極２と酸化剤極３とで挟持したＰＥ膜４
を有する単セルを複数積層してなるＰＥＦＣ本体であ
り、燃料極２には改質器５から水蒸気を含む燃料ガス
（水素に富むガス）が供給される。また、酸化剤極３に
はブロア６から酸化剤ガスとして空気が供給される。Ｐ
ＥＦＣ本体１の動作温度は、通常、ＰＥ膜４の耐久性等
を考慮して 100℃以下、例えば80℃〜90℃程度に設定さ
れるため、ＰＥＦＣ本体１は冷却板７を介して冷媒８を
循環させることにより冷却している。
【０００６】ここで、アルコール等の液体燃料９は、燃
料用気化器１０により冷媒８の熱量によって気化された
後、改質器５に導入される。すなわち、ＰＥＦＣ本体１
の発電に伴う発熱量を気化熱量として利用している。改
質器５には、上記した液体燃料の蒸気と共に水蒸気を導
入し、これらが導入された改質器５の反応管（図示せ
ず）をバーナ１１で加熱することにより改質反応を進行
させ、水素に富むガスすなわち燃料ガスを生成してい
る。水蒸気の生成は、燃料用気化器１０と同様に、ＰＥ
ＦＣ本体１の発電に伴う熱量を気化用熱源とする水用気
化器１２により、水１３を水蒸気としている。また、Ｐ
Ｅ膜４は、飽和吸湿された状態では高い伝導性を示すも
のの、乾燥するとほとんど絶縁体となるため、この意味
からも燃料ガス中に水蒸気を含ませている。
【０００７】なお、ＰＥＦＣ本体１の出力制御は、発電
指令に従って、出力制御装置１４により燃料電池電流を
制御することによって行い、同時に燃料電池電流に応じ
て燃料ガス量や空気量を変化させている。図中１５は電
力変換装置である。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上述したよ
うなＰＥＦＣ発電装置において、パーフルオロカーボン
スルホン酸膜に代表されるＰＥ膜４は85℃前後では安定
であり、電池作動条件下で 4万時間以上の耐久性を示す
ものの、それ以上の温度（特に 100℃以上）になると劣
化速度が高くなるため、冷却板７に冷媒８を流して冷却
を行い、80℃〜90℃程度の温度（動作温度）に保つよう
に構成している。
【０００９】しかしながら、冷媒８としては一般的に水
が用いられており、水の沸点はよく知られているように
100℃（大気圧下）であるため、 100℃では蒸発の潜熱
により一定温度となるものの、ＰＥ膜４が最も安定に存
在し得る85℃前後の温度に保つためには、循環させる水
の温度コントロールを厳密に行わなければならないとい
う欠点があった。また、ＰＥＦＣの発電能力増大のため
にセルの大型化が進むと、セル面内での起電反応の不均
一性が顕著になり、従って発熱も不均一となるため、一
部では多量の熱が発生する。このような場合に、水を冷
媒として用いていると、水の沸点である 100℃になる部
分が多数存在することとなり、その部分ではＰＥ膜４が
激しく劣化し、長期間安定に動作させることができない
という問題が発生している。
【００１０】このように、従来の装置構成では、ＰＥＦ
Ｃが安定に動作し得る、例えば80℃〜90℃程度の温度に
保つことが困難であるため、ＰＥＦＣの経時安定性の向
上を図ることが強く望まれていた。
【００１１】一方、図１４に示した装置構成において
は、改質器５へ液体原料を送り込む前に燃料電池の発電
に伴う発熱により、水を含む液体原料を十分に気化さ
せ、改質器５での反応をすみやかに行わせることが重要
なポイントになっている。これに対して、動作温度が 1
00℃以下であるＰＥＦＣの場合には、沸点が 100℃以下
の液体燃料は十分に気化し得るものの、十分な水蒸気量
を得ることは当然できず、改質器５での反応性が低下し
たり、またＰＥ膜４の劣化を誘発する等の問題が生じて
しまう。
【００１２】このようなことから、動作温度が 100℃以
下であるＰＥＦＣにおいても、外部から熱を供給するこ
となく十分な水蒸気量を得ることを可能にし、これによ
って発電効率の低下を防止すると共に、長期間安定に動
作させ得るような装置構成の出現が強く望まれていた。
【００１３】本発明は、このような課題に対処するため
になされたもので、動作温度が 100℃以下であるＰＥＦ
Ｃの発電効率の低下や経時劣化等を防止し、長期間安定
に動作させ得る固体高分子電解質型燃料電池装置を提供
することを主な目的としており、具体的には 100℃以下
の動作温度を安定に保持し得る固体高分子電解質型燃料
電池装置、およびそのような動作温度でも十分な水蒸気
量が得られる固体高分子電解質型燃料電池装置を提供す
ることを目的としている。
【００１４】
【００１５】
【課題を解決するための手段】本発明における 固体高分
子電解質型燃料電池装置は、燃料極と酸化剤極とにより
挟持された固体高分子電解質膜を有する単セルが複数積
層されて構成された燃料電池本体と、水および液体燃料
を気化させる液体原料気化機構と、前記気化された水お
よび液体燃料を水素に富むガスに改質する改質器と、前
記改質ガスを前記燃料極に供給する燃料ガス供給系と、
前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系
とを具備する固体高分子電解質型燃料電池装置におい
て、前記液体原料気化機構は、少なくとも前記水の気化
用熱源の少なくとも一部として、前記改質器からの廃熱
および前記改質ガスが有する熱量の少なくとも一方を用
いていることを特徴としている。
【００１６】さらに、上記固体高分子電解質型燃料電池
装置において、前記酸化剤ガス供給系としてターボコン
プレッサを用い、前記ターボコンプレッサを前記改質器
からの廃熱で動作させると共に、該ターボコンプレッサ
により加圧された酸化剤ガスが有する熱量を、前記液体
原料気化機構における水の気化用熱源の一部として用い
たことを特徴としている。
【００１７】
【００１８】
【作用】本 発明の固体高分子電解質型燃料電池装置にお
いては、液体原料の一部である水の気化熱量として、改
質器からの廃熱や改質ガスが有する熱量を利用してい
る。これらは十分な熱量を有することから、これらと例
えば冷媒との熱交換を併用することにより、十分な水蒸
気量を得ることが可能となる。よって、改質器での反応
性の低下やＰＥ膜の劣化を防止することができ、これに
よりＰＥＦＣ本体の長寿命化や高効率化を達成すること
が可能となる。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の固体電解質型燃料電池装置の
実施例について、図面を参照して説明する。
【００２０】図１は、本発明の一実施例の固体電解質型
燃料電池装置の概略構成を示す図である。同図におい
て、２１は燃料極２２と空気極２３とで挟持した固体高
分子電解質膜（ＰＥ膜）２４を有する単セル２５を複数
積層して構成した燃料電池本体、すなわちＰＥＦＣ本体
である。
【００２１】上記単セル２５の一構成例を図２に示す。
ＰＥ膜２４の両表面上には、アノード側電極となる燃料
極２２と、カソード側電極となる酸化剤極２３とが一体
的に形成されている。ＰＥ膜１は、パーフルオロカーボ
ンスルフォン酸樹脂、例えばナフィオン（商品名、デュ
ポン社製）等のプロトン伝導性のイオン交換樹脂により
構成されている。また、燃料極２２および酸化剤極２３
は、多孔質状態のガス拡散電極であり、多孔質触媒層と
ガス拡散層の両方の機能を兼ね備えるものである。これ
ら電極２２、２３は、白金、パラジウムあるいはこれら
の合金等の触媒を担持した導電性微粒子、例えばカーボ
ン微粒子をポリテトラフルオロエチレンのような疎水性
樹脂結合剤により保持した多孔質体によって構成されて
いる。
【００２２】また、燃料極２２の他方の面には、多孔質
カーボン支持体２６を介して、燃料ガス例えば水素に富
む改質ガスの通路となると共に燃料室を形成する溝２７
ａが設けられた導電性物質、例えばカーボンからなる集
電板２７が配置されている。また、酸化剤極２３の他方
の面には、多孔質導電性撥水層２８を介して、酸化剤ガ
ス例えば空気の通路が上記燃料ガス通路と直交するよう
に設けられ、かつ酸化剤室を形成する溝２９ａを有する
導電性物質、例えばカーボンからなる集電板２９が配置
されている。これら集電板２７、２９はセパレータとし
ての機能も有している。
【００２３】これらＰＥ膜２４、燃料極２２、酸化剤極
２３および集電板２７、２９等の積層体により、ＰＥＦ
Ｃの単セル２５が構成されている。そして、このような
単セル２５を、図３に示すように、冷却板３０を介して
複数直列に積層することによりＰＥＦＣスタック、すな
わちＰＥＦＣ本体２１が構成されている。このＰＥＦＣ
本体２１の発電に伴って発生する熱は、冷媒タンク３１
に収容された冷媒３２を、各冷却板３０内に冷媒循環ポ
ンプ３３で供給することにより除去され、ＰＥＦＣ本体
２１は安定した動作が可能な 100℃以下の温度、例えば
80℃〜90℃程度の動作温度で運転される。冷媒３２は、
冷媒循環配管３４により循環使用され、冷媒タンク３１
に付設された冷却フィン３５等により冷却される。ま
た、図４は冷却板３０の一具体例を示す図であり、この
冷却板３０は熱伝導性に優れた材質、例えばカーボン、
銅、アルミニウム合金等からなる冷却板本体３６内に、
冷媒流通パイプ３７を埋め込んだ構成となっている。ま
た、冷却板３０としては、厚さ 0.2mm〜 0.5mm程度の薄
板に、パイプに相当する冷媒流通溝を形成したもの等を
用いることもできる。
【００２４】そして、この実施例の固体電解質型燃料電
池装置においては、上記冷媒３２として、ＰＥＦＣ本体
２１の動作温度近傍の沸点を有する液体を用いている。
このような冷媒３２としては、ＰＥＦＣ本体２１の設定
動作温度に対して±10℃の範囲に沸点を有する有機系液
体、またＰＥ膜２４の種類にもよるが、沸点が 100℃未
満の有機系液体を用いることが好ましい。冷媒の沸点が
ＰＥＦＣ本体２１の動作温度に対して +10℃を超える
と、過熱点（ホットスポット）が発生する危険性が高ま
り、ＰＥ膜２４の劣化を速めることとなる。また、冷媒
の沸点が動作温度に対して -10℃未満となると、ＰＥＦ
Ｃ本体２１の動作温度が低くなり過ぎて、発電効率の低
下を招くこととなる。
【００２５】このような冷媒の具体例としては、メタノ
ールやエタノール等の低級アルコールや、上記沸点を満
足するフッ素系不活性液体等が挙げられる。このフッ素
系不活性液体としては、炭化水素の水素の少なくとも一
部をフッ素や塩素等で置換した低沸点液体、例えばパー
フルオロカーボンや代替フロン等が挙げられる。このよ
うなフッ素系不活性液体は、不燃性で安全性に優れ、か
つ熱伝導性が高いために冷媒として好適である。
【００２６】上記したような条件を満足する冷媒３２を
用いることにより、冷媒３２の蒸発潜熱によって、冷媒
３２の沸点近傍の温度すなわち設定動作温度に、ＰＥＦ
Ｃ本体２１の温度を保つことができる。また、ＰＥＦＣ
本体２１のセル面内に不均一な熱領域が発生しても、冷
媒３２の沸点より異常に高い温度とはならないため、Ｐ
Ｅ膜２４が長期間安定な状態を保ち得る動作温度を保つ
ことができる。
【００２７】ＰＥＦＣ本体２１の動作温度を一定に保つ
冷媒３２は、上述したように、冷却板３０および冷媒循
環配管３４を介して循環使用される。そして、この冷媒
循環配管３４には、液体燃料用気化器３８および第１の
水用気化器３９が介挿されている。これら気化器３８、
３９は、ＰＥＦＣ本体２１の発電に伴う発熱量を気化熱
量として利用する熱交換器である。液体燃料タンク４０
に収容されたアルコール等の液体燃料４１は、基本的に
沸点が低いために、液体燃料用気化器３８のみによっ
て、すなわち冷媒３２との熱交換のみによって十分に気
化することができる。よって、液体燃料タンク４０から
液体燃料供給ポンプ４２により液体燃料用気化器３８に
送られて蒸気化され、この蒸気化された液体燃料が改質
器４３に導入されるよう構成されている。
【００２８】これに対して、水タンク４４に収容された
水４５は、冷媒３２との熱交換のみでは熱量が不足し、
十分に蒸気化することができない。そこで、まず水供給
ポンプ４６によって上記した第１の水用気化器３９に送
り予熱した後、第２の水用気化器４７に送る。この第２
の水用気化器４７は、改質器４３から送出される改質ガ
スの熱量を気化熱量として利用する熱交換器である。こ
こで、改質ガスは 150℃程度の温度を有するため、十分
な熱量を得ることができる。また、改質ガスはＰＥＦＣ
本体２１に供給する際には、動作温度程度まで冷却しな
ければならないため、上記第２の水用気化器４７は改質
ガスの冷却装置としても機能する。
【００２９】これら第１および第２の水用気化器３９、
４７だけでも、水量等によっては十分な水蒸気を発生さ
せることが可能であるが、この実施例においては改質器
４３の加熱用バーナ４８の廃熱を熱源とする第３の水用
気化器４９で最終的に水を気化させ、改質器４３に導入
している。改質器バーナ４８の廃熱は、十分な熱量を有
するため、十分な水蒸気量例えば飽和水蒸気量を得るこ
とができる。
【００３０】このように、水４５はまず冷媒３２の熱に
より加熱（第１の水用気化器３９）され、次に改質ガス
と熱交換（第２の水用気化器４７）されて沸点近くまで
加熱され、最後に改質器バーナ４８の廃熱と熱交換（第
３の水用気化器４９）され、蒸気として改質器４３に導
入される。従来例のように冷媒の熱のみではなく、改質
口ガスが有する熱量や改質器バーナ４８の廃熱を利用す
ることにより、確実に水蒸気を生成することができる。
【００３１】このようにして改質器４３に導入された、
蒸気化された液体燃料および水蒸気は、改質器４３内で
改質器バーナ４８により加熱され、水蒸気を含む燃料ガ
ス、すなわち水素に富むガスに改質された後、ＰＥＦＣ
本体２１の燃料極２２に供給される。また、酸化剤極２
３には、ブロア５０から酸化剤ガスとして空気が供給さ
れる。このように、燃料ガスと空気とをＰＥＦＣ本体２
１に供給することにより発電が行われる。
【００３２】なお、上記改質器バーナ４８には、メタノ
ール等の助燃燃料がポンプ５１により供給されると共
に、ブロア５２から空気が供給される。また、改質器バ
ーナ４８には、燃料極２２から排出される未反応水素を
含むオフガスを供給する配管５３、および酸化剤極２３
の出口側に接続された凝集器５４により凝集された反応
生成物を供給する配管５５が接続されており、改質器バ
ーナ４８の燃焼コストの低減を図っている。
【００３３】次に、上記構成の固体電解質型燃料電池の
具体例について説明する。まず、10個の単セル２５（例
えば 300mm× 300mm）を用い、 2つの単セル２５に 1つ
の冷却板３０となるように積層して、ＰＥＦＣ本体２１
を組み立てた。そして、冷媒３２としてフッ素系不活性
液体、具体的にはフロリナート FC-84（商品名、住友ス
リーエム社製：沸点80℃）を用いて、ＰＥＦＣ本体２１
を冷却しつつ電池運転を行い、中央部の単セル２５（第
５セル）での面内温度分布を測定した。
【００３４】また、本発明との比較例として、冷媒とし
て水を用いると共に、冷媒の循環量等により電池運転温
度を85℃に設定し、上記実施例と同様に、第５セルの面
内温度分布を測定した。
【００３５】図５に比較例の面内温度分布を、また図６
に実施例の面内温度分布を示す。図５から明らかなよう
に、冷媒として水を用いた比較例では、燃料ガスおよび
酸化剤ガスの出口側にホットスポットが生じていた。こ
れに対し、図６から明らかなように、実施例では低沸点
冷媒による熱除去効果によって、ホットスポットは生じ
ておらず、安定して電池運転が可能であることが分か
る。
【００３６】また、図７に上記実施例および比較例のセ
ル電圧の経時変化を示す。なお、セルの運転条件は、作
動温度（セル中心部温度）が85℃となるようにした。図
７から明らかなように、比較例のＰＥＦＣはホットスポ
ットの影響によってＰＥ膜が劣化し、1000時間経過後に
セル電圧が徐々に低下したのに対し、実施例のＰＥＦＣ
では長時間安定に動作させることができることが分か
る。
【００３７】また、上記した実施例の固体高分子電解質
燃料電池装置を用いて、上述した冷媒および運転条件で
水蒸気の発生量を調べたところ、十分な水蒸気量が得ら
れていることを確認した。このように、冷媒として低沸
点有機液体、すなわち冷媒との熱交換量が水よりさらに
低い液体を用いた場合においても、改質ガスの熱量や改
質バーナ４８の廃熱により、十分な気化熱量を確保する
ことができ、これにより十分な量の水蒸気を得ることが
可能となる。従って、改質器４３で効率よく改質反応を
進行させることができると共に、水分量の不足によるＰ
Ｅ膜２４の劣化を防止することができる。
【００３８】なお、上記実施例においては、冷媒として
有機液体を用いた例につい説明したが、改質ガスの熱量
や改質バーナ４８の廃熱を水４５の気化熱として利用す
ることは、冷媒として水を用いる場合においても有効で
ある。すなわち、水を冷媒として用いる場合において
も、ＰＥＦＣの運転温度が 100℃であると、水の気化に
要する熱量を十分に得ることはできないため、改質ガス
の熱量や改質バーナ４８の廃熱を気化熱量として利用す
ることにより、初めて十分な水蒸気量を得ることが可能
となる。
【００３９】次に、本発明の他の実施例について図８を
参照して説明する。この実施例の固体電解質型燃料電池
装置においては、酸化剤ガス供給系としてターボコンプ
レッサ６１を用いており、このターボコンプレッサ６１
にその動作熱として、改質器バーナ４８の廃熱を供熱管
６２を介して供給している。ターボコンプレッサ６１に
よれば、加圧空気をＰＥＦＣ本体２１の酸化剤極２３に
供給することができるため、電池性能のより一層の向上
を図ることができる。また、ターボコンプレッサ６１か
ら排出される加圧空気は 200℃程度の温度となるため、
この加圧空気が有する熱量を水４５の気化熱として用い
ることができる。そこで、この実施例においては、加圧
空気供給配管６３に第３の水用気化器６４として熱交換
器を配置している。
【００４０】すなわち、この実施例においては、水タン
ク４４に収容された水４５は、前述した実施例と同様
に、まず水供給ポンプ４６によって第１の水用気化器３
９に送られ、冷媒３２の熱量により予熱された後、改質
ガスとの熱交換器である第２の水用気化器４７に送られ
る。この第２の水用気化器４７によって、さらに加熱さ
れた水４５は、上記した第３の水用気化器６４に送ら
れ、水蒸気化された後に改質器４３に導入される。
【００４１】この実施例の固体電解質型燃料電池装置に
よれば、改質器バーナ４８の廃熱をターボコンプレッサ
６１の動作熱として用い、加圧空気の供給を可能にする
と共に、加圧空気が有する熱量を水４５の気化熱量の一
部として利用することを可能にしているため、前述した
実施例と同様に、液体原料の一部となる水４５を十分に
飽和水蒸気化することができ、かつ電池性能の向上を図
ることができる。
【００４２】上記した実施例の固体電解質型燃料電池装
置を用いて、前述した実施例と同様な冷媒および運転条
件で電池運転を行い、その際の水蒸気の発生量を調べた
ところ、前述した実施例と同様な良好な結果が得られ
た。
【００４３】なお、上記した各実施例においては、水の
気化熱量として、冷媒が有する熱量と併用して、改質ガ
スの熱量、改質バーナ４８の廃熱、加圧空気の熱量等を
用いているが、これらのみで水の気化を行うような装置
構成とすることもできる。
【００４４】また、上記実施例においては、液体燃料と
してメタノール等のアルコールを用いた例について説明
したが、これらとガソリンとの混合物を用いることも可
能である。また、このアルコール等とガソリンとの混合
物は、本発明による固体電解質型燃料電池装置に限ら
ず、各種の燃料電池に対しても有効である。これは、ガ
ソリンに含まれる炭化水素は沸点が 160℃以下であり、
改質器の動作温度 250℃では蒸発して、触媒上にて改質
され、水素に富むガスとすることができるためである。
【００４５】ところで、前述した各実施例の固体電解質
型燃料電池においては、改質ガスの熱量、改質バーナ４
８の廃熱、加圧空気の熱量等を気化熱量として水を蒸気
化させ、例えば飽和蒸気圧に相当する水を燃料ガス中に
含ませて供給する装置について説明したが、例えば以下
に示すような構成を採用することによって、燃料ガス量
とは別個に、ＰＥ膜２４に単独で水を供給することが可
能となる。ＰＥ膜を加湿する場合に、燃料ガスの流量で
ＰＥ膜の加湿量を制御すると、燃料ガスの多量供給によ
る発電効率の低下を招く恐れがあるためである。
【００４６】図９に示すように、この実施例における燃
料極（アノード）側の集電体７０は、燃料室となる溝を
有する多孔質カーボン製集電体本体７１の側面に沿わせ
て、吸水性を有する多孔質シート７２が配置されて構成
されている。この多孔質吸水性シート７２としては、高
分子多孔質シート、例えばシートフェノール樹脂を主成
分とする多孔質シート（具体的にはユニベックス（商品
名、ユニチカ社製）やカイノール樹脂シート等が用いら
れる。
【００４７】そして、このアノード側の集電体７０と、
カソード側の空気室となる溝７３ａを有する緻密質カー
ボン製集電体７３とで、燃料極／ＰＥ膜／酸化剤極によ
る積層体７４を挟むことにより、単セル７５を構成す
る。また、多孔質吸水性シート７２の四隅に給水穴７２
ａを設け、この給水穴７２ａに絶縁性を有する給水用多
孔質パイプ７６、例えば孔径 1μm 〜 2μm 程度のテフ
ロン多孔質体、孔径10μm 程度のガラス多孔質体、孔径
1μm 〜10μm 程度、気孔率 40%〜 60%程度のセラミッ
クス多孔質体等を挿入して水を供給する。なお、給水穴
７２ａと給水用多孔質パイプ７６との間には、水の分配
が円滑に進むように、吸湿性のよいセラミックス粉末や
粉末状高分子材料等を詰めておくとよい。
【００４８】上記多孔質吸水性シート７２を有するアノ
ード側集電体７０の具体例を、図１０および図１１に示
す。なお、図１１（ａ）は図１０のＡ−Ａ′断面を、図
１１（ｂ）は図１０のＢ−Ｂ′断面を示している。これ
らの図に示すアノード側集電体７０は、枠状に形成した
多孔質吸水性シート７２内に多孔質カーボン製集電体本
体７１を挿入配置すると共に、溝７１ａの一部にも多孔
質吸水性シート７２を配置して構成している。このよう
な構成とすることにより、水を多孔質カーボン製集電体
本体７１側に均一に供給することができる。ただし、改
質ガスを流す方向、すなわち溝７１ａの形成方向と直交
する側の多孔質吸水性シート７２の高さは、ガス流を阻
害しないように、ウエッブ部（溝７１ａの残肉部）７２
ｂより0.1mm〜 0.2mm程度低くなるように設定すること
が好ましい。
【００４９】給水用多孔質パイプ７６より供給された水
は、多孔質吸水性シート７２を通じて、多孔質カーボン
製集電体本体７１、燃料極およびＰＥ膜を順に加湿して
いくことになり、ＰＥ膜を単独で十分に加湿することが
できる。また、カソード側の集電体７３は、緻密なカー
ボン板で構成しているため、水供給過剰によるフラッデ
ィング現象を引き起こすこともない。
【００５０】また、図１２に水の供給方法を示す。例え
ば、単セル７５を積層してなるＰＥＦＣ本体７７の上方
に設置した水タンク７８から定量ポンプ７９により水を
供給する。この際、水の供給は、ＰＥＦＣ本体７７のセ
ル電圧をセル電圧モニタ８０で測定し、このセル電圧が
一定となるように、すなわち定格電圧が所定低下率（例
えば5%）となったときに、ポンプ７９が作動するように
制御系８１で制御する。これにより、反応ガス量とは独
立して水分量をコントロールすることができる。なお、
水タンク７８への水の供給は、例えば図１３に示すよう
に、酸化剤極から排出される反応生成物から水分のみを
水分分離器８２等で取り出し、さらに含まれる不純イオ
ンや不純物等を除去装置８３で取り除いた後、水タンク
７８へ供給すればよい。不純イオンはイオン交換樹脂等
によって、また不純物は活性炭等によって除去すること
ができる。
【００５１】なお、上記ＰＥ膜への水供給方法は、本発
明の固体電解質型燃料電池装置に限らず、電解質を加湿
する必要がある各種の燃料電池に適用可能である。
【００５２】
【発明の効果】 以上説明したように本発明によれば、
１００℃以下の動作温度でも十分な水蒸気量が得られる
ため、動作温度が１００℃以下であるＰＥＦＣの発電効
率の低下や経時劣化等を防止することができ、よって長
時間安定にかつ効率よく運転することが可能な固体高分
子電解質型燃料電池装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例のＰＥＦＣ装置の構成を示す
図である。
【図２】本発明の一実施例のＰＥＦＣ装置における単セ
ル構造を示す断面図である。
【図３】本発明の一実施例のＰＥＦＣ装置における冷媒
の循環経路を示す図である。
【図４】本発明のＰＥＦＣ装置に用いる冷却板の一構成
例を示す図である。
【図５】水を冷媒として用いた従来のＰＥＦＣ装置の電
池運転時におけるセル内の温度分布を示す図である。
【図６】本発明の一実施例によるＰＥＦＣ装置の電池運
転時におけるセル内の温度分布を示す図である。
【図７】本発明の一実施例によるＰＥＦＣ装置の電池特
性を従来例と比較して示す図である。
【図８】本発明の他の実施例のＰＥＦＣ装置の構成を示
す図である。
【図９】水の供給方法を改善した単セルの構成を示す図
である。
【図１０】図９に示す単セルに用いたアノード側集電体
の構成を示す図である。
【図１１】図１０に示すアノード側集電体の断面図であ
る。
【図１２】図９に示す単セルへの水供給方法を説明する
ための図である。
【図１３】図９に示す単セルを用いたＰＥＦＣの水循環
方法を説明するための図である。
【図１４】従来の燃料電池の装置構成を示す図である。
【符号の説明】
２１……ＰＥＦＣ本体 ２２……燃料極 ２３……空気極 ２４……固体高分子電解質膜（ＰＥ膜） ２５……単セル ３０……冷却板 ３２……冷媒 ３０……冷却板 ３８……液体燃料用気化器 ３９……第１の水用気化器 ４３……改質器 ４７……第２の水用気化器 ４８……改質器バーナ ４９、６４……第３の水用気化器 ５０……空気供給用ブロア ６１……ターボコンプレッサ
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭53−64739（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−203165（ＪＰ，Ａ) 特開 昭59−29985（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−269955（ＪＰ，Ａ) 実開 昭57−139001（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/06 H01M 8/10

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 燃料極と酸化剤極とにより挟持された固
    体高分子電解質膜を有する単セルが複数積層されて構成
    された燃料電池本体と、水および液体燃料を気化させる
    液体原料気化機構と、前記気化された水および液体燃料
    を水素に富むガスに改質する改質器と、前記改質ガスを
    前記燃料極に供給する燃料ガス供給系と、前記酸化剤極
    に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給系とを具備する
    固体高分子電解質型燃料電池装置において、 前記液体原料気化機構は、少なくとも前記水の気化用熱
    源の少なくとも一部として、前記改質器からの廃熱およ
    び前記改質ガスが有する熱量の少なくとも一方を用いて
    いることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池装
    置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の固体高分子電解質型燃料
    電池装置において、 前記酸化剤ガス供給系としてターボコンプレッサを用
    い、前記ターボコンプレッサを前記改質器からの廃熱で
    動作させると共に、該ターボコンプレッサにより加圧さ
    れた酸化剤ガスが有する熱量を、前記液体原料気化機構
    における水の気化用熱源の一部として用いたことを特徴
    とする固体高分子電解質型燃料電池装置。
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