JP3510285B2 - 固体高分子電解質燃料電池システム - Google Patents
固体高分子電解質燃料電池システムInfo
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- oxidant
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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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- H01M2300/00—Electrolytes
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- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体高分子電解質燃料電
池システムに関する。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子電解質燃料電池の原理を以下
に説明する。高分子イオン交換膜例えばスルホン酸基を
持つフッ素樹脂系イオン交換膜からなる電解質の両面
に、それぞれ例えば白金触媒からなるアノードおよびカ
ソードが設けられ、さらにこれらの両面に多孔質カーボ
ン電極が設けられ、電極接合体が構成される。多孔質カ
ーボン電極は外部回路に接続される。アノードには燃料
として例えば水素が加湿されて供給され、カソードには
酸化剤として例えば酸素が加湿されて供給される。アノ
ードに供給された水素は、アノード上で水素イオン化さ
れる。水素イオンは電解質中を水の介在のもとにＨ+ ・
ｘＨ2 Ｏとしてカソード側へ移動し、電子は外部回路を
通してカソード側へ移動する。移動した水素イオンは、
カソード上で、酸化剤中の酸素および外部回路を通過し
た電子と反応して水を生成する。生成した水は、カソー
ド側から燃料電池外へ排出される。このとき、外部回路
を通過する電子の流れを直流の電気エネルギーとして利
用できる。 【０００３】前述したように、高分子イオン交換膜から
なる電解質において、水素イオン透過性を実現するため
には、電解質を常に十分な保水状態に保持する必要があ
る。このため、通常、燃料および／または酸化剤に電池
の運転温度（常温〜１００℃程度）近辺相当の飽和水蒸
気を含ませて加湿し、燃料および酸化剤を電極接合体に
供給している。 【０００４】図２に、従来の固体高分子電解質燃料電池
システムの一例を示す。燃料電池本体１内には前記のよ
うな電極接合体が収容され、所定の部材により酸化剤、
燃料および冷却水の流路がそれぞれ形成されている。燃
料電池本体１の外部には、酸化剤の加湿器２および燃料
の加湿器３が設けられている。これらの加湿器２、３に
は純水６が満たされ、それぞれヒータ４、５により所定
の温度に加熱される。 【０００５】酸化剤は加湿器２中の純水６を通過し、飽
和蒸気圧相当の湿分を含んだ状態で燃料電池本体１に送
気される。同様に、燃料は加湿器３中の純水６を通過
し、飽和蒸気圧相当の湿分を含んだ状態で燃料電池本体
１に送気される。燃料電池本体１内で使用されなかった
残存酸化剤は残存加湿水蒸気および電池反応生成水とと
もに燃料電池本体１外部へ排出される。燃料電池本体１
内で使用されなかった残存燃料は残存加湿水蒸気ととも
に燃料電池本体１外部へ排出される。また、燃料電池本
体１は、冷却水７により冷却される。 【０００６】なお、燃料電池本体１から排出される未利
用の燃料および酸化剤は、ポンプなどによりそれぞれの
供給ラインの加湿器２，３より上流側へ戻され、リサイ
クル使用される場合もある。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】図２に示した従来の固
体高分子電解質燃料電池システムでは、燃料電池本体の
外部に純水を貯溜した燃料用および酸化剤用の加湿器を
設けているため、システム全体が大きくなる。また、加
湿器及び貯溜純水の温度を維持するために、外部からヒ
ータに電気エネルギーを供給する必要があるため、エネ
ルギー効率が悪い。さらに、未利用の燃料および酸化剤
をリサイクル利用しようとすると、別にポンプなどの機
器が必要となり、システムの系統が複雑になる。本発明
の目的は、システム全体の大きさが小さく、しかもエネ
ルギー効率の良好な固体高分子電解質燃料電池システム
を提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の固体高分子電解
質燃料電池システムは、固体高分子電解質の両面にそれ
ぞれアノードおよびカソードを接合した電極接合体を有
し、電極接合体のアノード側に燃料を、カソード側に酸
化剤をそれぞれ供給して発電を行う固体高分子電解質燃
料電池システムにおいて、燃料供給ラインおよび酸化剤
供給ラインの両方に蒸気エゼクタを設けるとともに、燃
料電池本体から排出される未利用のガスすべてをそのガ
スの供給ラインにおける前記蒸気エゼクタよりも上流側
へ戻すリサイクルラインを設け、閉ループ化したことを
特徴とするものである。 【０００９】 【作用】本発明においては、燃料供給ラインおよび酸化
剤供給ラインの両方に蒸気エゼクタを設けており、燃料
および酸化剤は蒸気エゼクタの吸引作用により所定量吸
引され、加湿および予熱された状態で燃料電池本体へ供
給される。また、燃料電池本体の排出側から供給ライン
の蒸気エゼクタよりも上流側へ戻すリサイクルラインを
設けているので、未利用のガスすべてを蒸気エゼクタの
吸引作用により吸引してリサイクル利用することができ
る。 【００１０】したがって、従来のように燃料電池本体の
外部に燃料用および酸化剤用の加湿器を設ける必要がな
く、システム全体の大きさをコンパクトにできる。ま
た、未利用の燃料および酸化剤をリサイクル利用するた
めに、ポンプなどの特別の機器を用いる必要がない。 【００１１】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 【００１２】図１は本発明の固体高分子電解質燃料電池
システムの構成図である。図１において、燃料電池本体
１内には電極接合体が収容され、所定の部材により酸化
剤、燃料および冷却水の流路がそれぞれ形成されてい
る。燃料電池本体１は、冷却水７により冷却される。ボ
ンベ、改質器などの燃料供給装置２１からの燃料供給ラ
イン２２は、蒸気エゼクタ１３およびドレンセパレータ
１５を介して燃料電池本体１の燃料供給側に接続されて
いる。ボンベなどの酸化剤供給装置２５からの酸化剤供
給ライン２６は、蒸気エゼクタ１４およびドレンセパレ
ータ１６を介して燃料電池本体１の酸化剤供給側に接続
されている。蒸気発生装置１１からの蒸気供給ライン１
２は、蒸気エゼクタ１３，１４にそれぞれ接続されてい
る。なお、蒸気発生装置１１は独立に設けてもよいが、
燃料供給装置２１の一部として併設されたものでもよ
い。 【００１３】また、燃料電池本体１の燃料排出側には、
ドレンセパレータ２３を備えた燃料リサイクルライン２
４が接続されており、この燃料リサイクルライン２４は
燃料供給ライン２２の蒸気エゼクタ１３より上流側に接
続されている。同様に、燃料電池本体１の酸化剤排出側
には、ドレンセパレータ２７を備えた酸化剤リサイクル
ライン２８が接続されており、この酸化剤リサイクルラ
イン２８は酸化剤供給ライン２６の蒸気エゼクタ１４よ
り上流側に接続されている。 【００１４】この燃料電池システムの動作を説明する。
蒸気発生装置１１で発生した蒸気が蒸気供給ライン１２
を通して蒸気エゼクタ１３に導入されると、そのエゼク
タ作用によって生じる吸引力により、燃料供給ライン２
２から燃料が吸引される。燃料は加湿および予熱され、
ドレンセパレータ１５で余分な湿分が分離された後、燃
料電池本体１へ供給される。燃料は燃料電池本体１内で
電池反応に用いられる。電池反応に利用されなかった残
燃料は、蒸気エゼクタ１３のエゼクタ作用によって生じ
る吸引力により、燃料リサイクルライン２４を通して燃
料供給ライン２２の蒸気エゼクタ１３より上流側に戻さ
れ、リサイクル利用される。同様に、蒸気発生装置１１
で発生した蒸気が蒸気供給ライン１２を通して蒸気エゼ
クタ１４に導入されると、そのエゼクタ作用によって生
じる吸引力により、酸化剤供給ライン２６から燃料が吸
引される。酸化剤は加湿および予熱され、ドレンセパレ
ータ１６で余分な湿分が分離された後、燃料電池本体１
へ供給される。酸化剤は燃料電池本体１内で電池反応に
用いられる。電池反応に利用されなかった残酸化剤は、
蒸気エゼクタ１４のエゼクタ作用によって生じる吸引力
により、酸化剤リサイクルライン２８を通して酸化剤供
給ライン２６の蒸気エゼクタ１４より上流側に戻され、
リサイクル利用される。 【００１５】このような構成の燃料電池システムでは、
燃料供給ライン２２および酸化剤供給ライン２６にそれ
ぞれ蒸気エゼクタ１３，１４を設けており、燃料および
酸化剤は蒸気エゼクタ１３，１４の吸引作用により所定
量吸引され、加湿および予熱された状態で燃料電池本体
１へ供給される。また、燃料電池本体１の各排出側から
各供給ライン２２，２６の蒸気エゼクタ１３，１４より
も上流側へ戻すリサイクルライン２４，２８を設けてい
るので、未利用のガスを蒸気エゼクタの吸引作用により
吸引してリサイクル利用することができる。 【００１６】したがって、従来のように燃料電池本体の
外部に燃料用および酸化剤用の加湿器を設ける必要がな
く、システム全体の大きさをコンパクトにできる。ま
た、未利用の燃料および酸化剤をリサイクル利用するた
めに、ポンプなどの特別の機器を用いる必要がない。 【００１７】 【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、全
体の大きさが小さく、しかもエネルギー効率の良好な固
体高分子電解質燃料電池システムを提供できる。
池システムに関する。 【０００２】 【従来の技術】固体高分子電解質燃料電池の原理を以下
に説明する。高分子イオン交換膜例えばスルホン酸基を
持つフッ素樹脂系イオン交換膜からなる電解質の両面
に、それぞれ例えば白金触媒からなるアノードおよびカ
ソードが設けられ、さらにこれらの両面に多孔質カーボ
ン電極が設けられ、電極接合体が構成される。多孔質カ
ーボン電極は外部回路に接続される。アノードには燃料
として例えば水素が加湿されて供給され、カソードには
酸化剤として例えば酸素が加湿されて供給される。アノ
ードに供給された水素は、アノード上で水素イオン化さ
れる。水素イオンは電解質中を水の介在のもとにＨ+ ・
ｘＨ2 Ｏとしてカソード側へ移動し、電子は外部回路を
通してカソード側へ移動する。移動した水素イオンは、
カソード上で、酸化剤中の酸素および外部回路を通過し
た電子と反応して水を生成する。生成した水は、カソー
ド側から燃料電池外へ排出される。このとき、外部回路
を通過する電子の流れを直流の電気エネルギーとして利
用できる。 【０００３】前述したように、高分子イオン交換膜から
なる電解質において、水素イオン透過性を実現するため
には、電解質を常に十分な保水状態に保持する必要があ
る。このため、通常、燃料および／または酸化剤に電池
の運転温度（常温〜１００℃程度）近辺相当の飽和水蒸
気を含ませて加湿し、燃料および酸化剤を電極接合体に
供給している。 【０００４】図２に、従来の固体高分子電解質燃料電池
システムの一例を示す。燃料電池本体１内には前記のよ
うな電極接合体が収容され、所定の部材により酸化剤、
燃料および冷却水の流路がそれぞれ形成されている。燃
料電池本体１の外部には、酸化剤の加湿器２および燃料
の加湿器３が設けられている。これらの加湿器２、３に
は純水６が満たされ、それぞれヒータ４、５により所定
の温度に加熱される。 【０００５】酸化剤は加湿器２中の純水６を通過し、飽
和蒸気圧相当の湿分を含んだ状態で燃料電池本体１に送
気される。同様に、燃料は加湿器３中の純水６を通過
し、飽和蒸気圧相当の湿分を含んだ状態で燃料電池本体
１に送気される。燃料電池本体１内で使用されなかった
残存酸化剤は残存加湿水蒸気および電池反応生成水とと
もに燃料電池本体１外部へ排出される。燃料電池本体１
内で使用されなかった残存燃料は残存加湿水蒸気ととも
に燃料電池本体１外部へ排出される。また、燃料電池本
体１は、冷却水７により冷却される。 【０００６】なお、燃料電池本体１から排出される未利
用の燃料および酸化剤は、ポンプなどによりそれぞれの
供給ラインの加湿器２，３より上流側へ戻され、リサイ
クル使用される場合もある。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】図２に示した従来の固
体高分子電解質燃料電池システムでは、燃料電池本体の
外部に純水を貯溜した燃料用および酸化剤用の加湿器を
設けているため、システム全体が大きくなる。また、加
湿器及び貯溜純水の温度を維持するために、外部からヒ
ータに電気エネルギーを供給する必要があるため、エネ
ルギー効率が悪い。さらに、未利用の燃料および酸化剤
をリサイクル利用しようとすると、別にポンプなどの機
器が必要となり、システムの系統が複雑になる。本発明
の目的は、システム全体の大きさが小さく、しかもエネ
ルギー効率の良好な固体高分子電解質燃料電池システム
を提供することにある。 【０００８】 【課題を解決するための手段】本発明の固体高分子電解
質燃料電池システムは、固体高分子電解質の両面にそれ
ぞれアノードおよびカソードを接合した電極接合体を有
し、電極接合体のアノード側に燃料を、カソード側に酸
化剤をそれぞれ供給して発電を行う固体高分子電解質燃
料電池システムにおいて、燃料供給ラインおよび酸化剤
供給ラインの両方に蒸気エゼクタを設けるとともに、燃
料電池本体から排出される未利用のガスすべてをそのガ
スの供給ラインにおける前記蒸気エゼクタよりも上流側
へ戻すリサイクルラインを設け、閉ループ化したことを
特徴とするものである。 【０００９】 【作用】本発明においては、燃料供給ラインおよび酸化
剤供給ラインの両方に蒸気エゼクタを設けており、燃料
および酸化剤は蒸気エゼクタの吸引作用により所定量吸
引され、加湿および予熱された状態で燃料電池本体へ供
給される。また、燃料電池本体の排出側から供給ライン
の蒸気エゼクタよりも上流側へ戻すリサイクルラインを
設けているので、未利用のガスすべてを蒸気エゼクタの
吸引作用により吸引してリサイクル利用することができ
る。 【００１０】したがって、従来のように燃料電池本体の
外部に燃料用および酸化剤用の加湿器を設ける必要がな
く、システム全体の大きさをコンパクトにできる。ま
た、未利用の燃料および酸化剤をリサイクル利用するた
めに、ポンプなどの特別の機器を用いる必要がない。 【００１１】 【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。 【００１２】図１は本発明の固体高分子電解質燃料電池
システムの構成図である。図１において、燃料電池本体
１内には電極接合体が収容され、所定の部材により酸化
剤、燃料および冷却水の流路がそれぞれ形成されてい
る。燃料電池本体１は、冷却水７により冷却される。ボ
ンベ、改質器などの燃料供給装置２１からの燃料供給ラ
イン２２は、蒸気エゼクタ１３およびドレンセパレータ
１５を介して燃料電池本体１の燃料供給側に接続されて
いる。ボンベなどの酸化剤供給装置２５からの酸化剤供
給ライン２６は、蒸気エゼクタ１４およびドレンセパレ
ータ１６を介して燃料電池本体１の酸化剤供給側に接続
されている。蒸気発生装置１１からの蒸気供給ライン１
２は、蒸気エゼクタ１３，１４にそれぞれ接続されてい
る。なお、蒸気発生装置１１は独立に設けてもよいが、
燃料供給装置２１の一部として併設されたものでもよ
い。 【００１３】また、燃料電池本体１の燃料排出側には、
ドレンセパレータ２３を備えた燃料リサイクルライン２
４が接続されており、この燃料リサイクルライン２４は
燃料供給ライン２２の蒸気エゼクタ１３より上流側に接
続されている。同様に、燃料電池本体１の酸化剤排出側
には、ドレンセパレータ２７を備えた酸化剤リサイクル
ライン２８が接続されており、この酸化剤リサイクルラ
イン２８は酸化剤供給ライン２６の蒸気エゼクタ１４よ
り上流側に接続されている。 【００１４】この燃料電池システムの動作を説明する。
蒸気発生装置１１で発生した蒸気が蒸気供給ライン１２
を通して蒸気エゼクタ１３に導入されると、そのエゼク
タ作用によって生じる吸引力により、燃料供給ライン２
２から燃料が吸引される。燃料は加湿および予熱され、
ドレンセパレータ１５で余分な湿分が分離された後、燃
料電池本体１へ供給される。燃料は燃料電池本体１内で
電池反応に用いられる。電池反応に利用されなかった残
燃料は、蒸気エゼクタ１３のエゼクタ作用によって生じ
る吸引力により、燃料リサイクルライン２４を通して燃
料供給ライン２２の蒸気エゼクタ１３より上流側に戻さ
れ、リサイクル利用される。同様に、蒸気発生装置１１
で発生した蒸気が蒸気供給ライン１２を通して蒸気エゼ
クタ１４に導入されると、そのエゼクタ作用によって生
じる吸引力により、酸化剤供給ライン２６から燃料が吸
引される。酸化剤は加湿および予熱され、ドレンセパレ
ータ１６で余分な湿分が分離された後、燃料電池本体１
へ供給される。酸化剤は燃料電池本体１内で電池反応に
用いられる。電池反応に利用されなかった残酸化剤は、
蒸気エゼクタ１４のエゼクタ作用によって生じる吸引力
により、酸化剤リサイクルライン２８を通して酸化剤供
給ライン２６の蒸気エゼクタ１４より上流側に戻され、
リサイクル利用される。 【００１５】このような構成の燃料電池システムでは、
燃料供給ライン２２および酸化剤供給ライン２６にそれ
ぞれ蒸気エゼクタ１３，１４を設けており、燃料および
酸化剤は蒸気エゼクタ１３，１４の吸引作用により所定
量吸引され、加湿および予熱された状態で燃料電池本体
１へ供給される。また、燃料電池本体１の各排出側から
各供給ライン２２，２６の蒸気エゼクタ１３，１４より
も上流側へ戻すリサイクルライン２４，２８を設けてい
るので、未利用のガスを蒸気エゼクタの吸引作用により
吸引してリサイクル利用することができる。 【００１６】したがって、従来のように燃料電池本体の
外部に燃料用および酸化剤用の加湿器を設ける必要がな
く、システム全体の大きさをコンパクトにできる。ま
た、未利用の燃料および酸化剤をリサイクル利用するた
めに、ポンプなどの特別の機器を用いる必要がない。 【００１７】 【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、全
体の大きさが小さく、しかもエネルギー効率の良好な固
体高分子電解質燃料電池システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例における固体高分子電解質燃料
電池システムの構成図。 【図２】従来の固体高分子電解質燃料電池システムの構
成図。 【符号の説明】 １…燃料電池本体、２、３…加湿器、４、５…ヒータ、
６…純水、７…冷却水、１１…蒸気発生装置、１２…蒸
気供給ライン、１３，１４…蒸気エゼクタ、１５，１６
…ドレンセパレータ、２１…燃料供給装置、２２…燃料
供給ライン、２３…ドレンセパレータ、２４…燃料リサ
イクルライン、２５…酸化剤供給装置、２６…酸化剤供
給ライン、２７…ドレンセパレータ、２８…酸化剤リサ
イクルライン。
電池システムの構成図。 【図２】従来の固体高分子電解質燃料電池システムの構
成図。 【符号の説明】 １…燃料電池本体、２、３…加湿器、４、５…ヒータ、
６…純水、７…冷却水、１１…蒸気発生装置、１２…蒸
気供給ライン、１３，１４…蒸気エゼクタ、１５，１６
…ドレンセパレータ、２１…燃料供給装置、２２…燃料
供給ライン、２３…ドレンセパレータ、２４…燃料リサ
イクルライン、２５…酸化剤供給装置、２６…酸化剤供
給ライン、２７…ドレンセパレータ、２８…酸化剤リサ
イクルライン。
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 固体高分子電解質の両面にそれぞれアノ
ードおよびカソードを接合した電極接合体を有し、電極
接合体のアノード側に燃料を、カソード側に酸化剤をそ
れぞれ供給して発電を行う固体高分子電解質燃料電池シ
ステムにおいて、燃料供給ラインおよび酸化剤供給ライ
ンの両方に蒸気エゼクタを設けるとともに、燃料電池本
体から排出される未利用のガスすべてをそのガスの供給
ラインにおける前記蒸気エゼクタよりも上流側へ戻すリ
サイクルラインを設け、閉ループ化したことを特徴とす
る固体高分子電解質燃料電池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04635093A JP3510285B2 (ja) | 1993-03-08 | 1993-03-08 | 固体高分子電解質燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04635093A JP3510285B2 (ja) | 1993-03-08 | 1993-03-08 | 固体高分子電解質燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06260198A JPH06260198A (ja) | 1994-09-16 |
| JP3510285B2 true JP3510285B2 (ja) | 2004-03-22 |
Family
ID=12744703
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04635093A Expired - Lifetime JP3510285B2 (ja) | 1993-03-08 | 1993-03-08 | 固体高分子電解質燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3510285B2 (ja) |
Families Citing this family (16)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5441821A (en) * | 1994-12-23 | 1995-08-15 | Ballard Power Systems Inc. | Electrochemical fuel cell system with a regulated vacuum ejector for recirculation of the fluid fuel stream |
| JP3564214B2 (ja) * | 1995-11-17 | 2004-09-08 | 三菱重工業株式会社 | 固体高分子型燃料電池 |
| US6013385A (en) * | 1997-07-25 | 2000-01-11 | Emprise Corporation | Fuel cell gas management system |
| JPH11162488A (ja) * | 1997-11-25 | 1999-06-18 | Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd | カソードへ蒸気注入する燃料電池発電装置 |
| JP3923627B2 (ja) * | 1997-11-25 | 2007-06-06 | 株式会社東芝 | 固体高分子電解質型燃料電池システム |
| JPH11260386A (ja) * | 1998-03-12 | 1999-09-24 | Toshiba Corp | 燃料電池発電プラントおよびその運転制御方法 |
| 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 |
| JP3832249B2 (ja) * | 2001-01-29 | 2006-10-11 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池装置 |
| DE10104246C1 (de) * | 2001-01-31 | 2002-06-06 | Zsw | Brennstoffzellen mit integrierter Befeuchtung sowie Verfahren zum Befeuchten von Brennstoffzellen-Prozeßgas |
| JP3818068B2 (ja) * | 2001-02-14 | 2006-09-06 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム |
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