JP3630113B2

JP3630113B2 - Fuel cell

Info

Publication number: JP3630113B2
Application number: JP2001172467A
Authority: JP
Inventors: 峰生和島
Original assignee: Hitachi Cable Ltd
Current assignee: Hitachi Cable Ltd
Priority date: 2001-06-07
Filing date: 2001-06-07
Publication date: 2005-03-16
Anticipated expiration: 2021-06-07
Also published as: JP2002367630A

Description

【発明の属する技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子電解質膜を用いた燃料電池に関するものである。
【従来の技術】
【０００２】
従来の燃料電池は、例えば、固体高分子電解質を用いたものは、図７に示すように、固体電解質１００を挟んで、触媒１０１，１０２、水素極（負極）１０３，防水膜１０５が設けられた空気極（正極）１０４で構成されている。水素極１０３では外部から供給された水素ガスが、水素極１０３内を通過させて反応帯域近くに達し、触媒１０１に吸収されて活性な水素になる。
【０００３】
この水素原子は、次式のように電解質中の水酸イオンと反応して水となり、その際、電子を空気極１０４に送る。
【０００４】
Ｈ₂ ＋２ＯＨ^- → ２Ｈ₂ Ｏ＋２ｅ^-
一方、空気極１０４では、触媒の存在の下で、空気極１０４から２個の電子を受け取り、外部から供給された酸素分子が、電解質１００からの水と反応して、水酸イオンを生成する。
【０００５】
１／２Ｏ₂ ＋Ｈ₂ Ｏ → ２ＯＨ^-
この空気極で生成した水酸イオンは、電解質１００中を移動してきた水素イオンと反応して水を生成し、全体の回路を形成する。
【０００６】
従って、電池全体の反応は、
Ｈ₂ ＋１／２Ｏ₂ → ２Ｈ₂ Ｏ
となり、燃料ガス中の水素と空気中の酸素が反応し水が生成する反応となる。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
さて、実際の燃料電池セルは、図８のように電解質１００を、空気供給プレート１０６と水素供給プレート１０７で挟んで構成され、空気供給プレート１０６に、酸素供給管１０８と排水管１０９が接続され、水素供給プレート１０７に水素供給管１１０と排ガス管（図示せず）が接続される。
【０００８】
図９は、図８のＦ−Ｆ線断面図を示したもので、空気供給プレート１０６と水素供給プレート１０７で、電解質１００を負極側触媒付き電極シート１１１と正極側触媒電極シート（防水シート付き）１１２を介して挟み、水素ガスや、酸素ガスを配管し供給する構造をとる。多くの場合、空気供給プレート１０６と水素供給プレート１０７にガス流路１１３，１１４を形成し、さらに電極シート１１１，１１２に溝１１５，１１６を設けている。
【０００９】
実用上は多数の積層構造をとるため、電極間にセパレータなどで絶縁分離している。従って、セルを組み立てるには、ガス漏れに対する配慮を各セル周囲全部に対して施す必要があり、またこの板状のものに配管を設け、原料ガスを供給してやる必要がある。
【００１０】
また、電解質のイオンの移動効率に関して電解質の水分濃度のコントロールが重要である。
【００１１】
図８，９に示すような従来の燃料電池セルではガス流路が狭く長くなり、ガスの流れの抵抗が大きくなったり、水分が凝縮して水滴ができ、排水がうまくできず、酸化ガスが到達しないところや、水分濃度分布のばらつきを生じていた。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、排水が良好に行える燃料電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、筒状に形成した固体高分子電解質の内外にそれぞれガス流路を形成する電極を設け、その酸素供給側のガス流路断面を水素供給側より大きく形成した燃料電池である。
【００１４】
請求項２の発明は、固体高分子電解質の内周に、外周に酸素供給用のガス流路が形成された筒状の正極側内部電極を設け、固体高分子電解質の外周に、内周に水素供給用のガス流路が形成された筒状の負極側外部電極を設け、上記正極側内部電極の中心に酸素供給用のガス流路で生成した水を排水する通路を形成した請求項１記載の燃料電池である。
【００１５】
請求項３の発明は、通路に排水管が接続され、その排水管に、酸素供給用のガス流路の水分濃度を制御する除湿器が接続された請求項２記載の燃料電池である。
【００１６】
請求項４の発明は、固体高分子電解質の内周に、外周に水素供給用のガス流路が形成された筒状の負極側内部電極を設け、固体高分子電解質の外周に、内周に酸素供給用のガス流路が形成された２重の筒状体からなる正極側外部電極を設けた請求項１記載の燃料電池である。
【００１７】
請求項５の発明は、正極側外部電極のガス流路に排水管を接続し、その排水管に、酸素供給用のガス流路の水分濃度を制御する除湿器が接続された請求項４記載の燃料電池である。
【発明の実施の形態】
【００１８】
以下、本発明の好適実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００１９】
図１〜３は、本発明の燃料電池の一実施の形態を示したもので、図１は、燃料電池の概略全体図、図２は、図１のＢ−Ｂ線断面図、図３は図１のＣ−Ｃ線断面図を示す。
【００２０】
先ず燃料電池セル２８は、円柱型に形成され、円筒状に形成した固体高分子電解質３０を挟んで、筒状の正極側内部電極３２と筒状の負極側外部電極３４とが設けられて構成される。この正極側内部電極３２の外周には、固体高分子電解質３０に酸素を供給すべく溝状のガス流路３１が形成され、負極側外部電極３４の内周には、固体高分子電解質３０に水素を供給すべく溝状のガス流路３３が形成される。この正極側内部電極３２の中心側には、ガス流路３１とつながり、酸素の供給と生成水を排出するための通路３５が形成される。なお、触媒層、防水層は図では省略しているが設けられている。
【００２１】
また、正極側内部電極３２と負極側外部電極３４は、通電性があり、気密性が保たれ、燃料電池としての環境下で腐食されなければ、特に材料に拠らない。
【００２２】
図１に示すように、水素ガス源４０には供給配管４１が接続され、その供給配管４１が、負極側外部電極３４のガス流路３３とつながるガス通路４３に接続され、他方、酸素ガス源４４には、ガス配管４５が接続され、その配管４５が通路３５に接続され、その通路３５の下部に排水管４６が接続され、その排水管４６に圧力調整弁と冷却器などからなる除湿器４７が接続され、その除湿器４７で除去された水が排水孔４８より排水されるようになっている。
【００２３】
なお、４９は電流電圧計である。
【００２４】
この実施の形態においては、水素ガス源４０と酸素ガス源４４からの燃料ガスの供給は、ガス流路３３，３１に供給して軸方向に流すだけなので配管が容易となる。
【００２５】
また、ガス流路３１と通路３５は、相互につながり、酸化ガスの流路断面が水素のガス流路３３より実質的に大きく形成され、正極側ガス流路３１で生成した水はそのガス流路３１から通路３５に排出され、排水管４６を通して良好に排水できる。
【００２６】
この際、除湿器４７で、排水孔４８に排水する排水量を調整することで、ガス流路３１内での水分濃度を自在に調整できると共にそのガス流路３１内で水分が凝集して排水が不良になることもない。
【００２７】
この燃料電池の運転は、１例として、水素を２気圧、酸素は１気圧とした。又酸素源として空気を用いた場合、圧力を５気圧にした。
【００２８】
このように作製した燃料電池セルに上述の燃料ガスを供給して運転したところ、０．８Ｖの起電力が発生した。
【００２９】
図４〜図６は、本発明の他の実施の形態を示したもので、図４は、燃料電池の概略全体図、図５は、図４のＤ−Ｄ線断面図、図６は図４のＥ−Ｅ線断面図を示す。
【００３０】
先ず燃料電池セル５２は、円柱型に形成され、固体電解質５０を挟んで、水素のガス流路５３が形成された負極側内部電極５４と、酸素の第１ガス流路５５が形成された正極側外部第１電極５６が設けられ、その外側に第２ガス流路５７が形成された正極側外部第２電極５８が設けられて構成され、その第１ガス流路５５と第２ガス流路５７とが適宜箇所でつながって形成される。なお、触媒層、防水層は図では省略しているが設けられている。
【００３１】
図４に示すように、酸素ガス源６０には供給配管６１が接続され、その供給配管６１が、正極側第１外部電極５６と第２外部電極５８のガス流路５５，５７とつながるガス通路６３に接続され、他方、水素ガス源６４には、ガス配管６５が接続され、その配管６５が負極側内部電極５４のガス流路５３に接続される。
【００３２】
また燃料電池セル５２の下部の排水管６６は、第１ガス流路５５と第２ガス流路５７と接続され、その排水管６６に圧力調整弁と冷却器などからなる除湿器６７が接続され、その除湿器６７で除去された水が排水孔６８より排水されるようになっている。
【００３３】
なお、６９は電流電圧計である。
【００３４】
この実施の形態においては、図１〜３の形態と逆に、水素ガス源６４のガスを中心側に、酸素ガス源６０からの酸素を外側に流し、その酸素のガス流路５５，５７を２段にし形成して流すことで、良好に排水できる。この際、除湿器６７で、排水孔６８に排水する排水量を調整することで、ガス流路５５，５７内での水分濃度を自在に調整できると共にそのガス流路５５，５７内で水分が凝集して排水が不良になることもない。
【００３５】
このように円柱型の燃料電池とすることで、複数セルに対して各ガス流路への配管が容易となる。また燃料電池セルは、縦でも横でも、生成される水の排水を考慮すればどちらでも構わない。また円柱型のセルの太さは、原理的には起電力に依存しないので、自由に設計できる。
【発明の効果】
【００３６】
以上要するに本発明によれば、酸素のガス流路を２段などに形成して広く形成することで、排水を良好にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施の形態の燃料電池の概略全体図である。
【図２】図１のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】図１のＣ−Ｃ線断面図を示す。
【図４】本発明の他の実施の形態の燃料電池の概略全体図である。
【図５】図４のＤ−Ｄ線断面図である。
【図６】図４のＥ−Ｅ線断面図である。
【図７】燃料電池セルの基本構造を示す図である。
【図８】従来の燃料電池セルを示す概略斜視図である。
【図９】図８のＦ−Ｆ線断面図である。
【符号の説明】
【００３８】
３０固体高分子電解質
３１正極側ガス流路
３２正極側内部電極
３３負極側ガス流路
３４負極側外部電極
３５通路 BACKGROUND OF THE INVENTION
[0001]
The present invention relates to a fuel cell using a solid polymer electrolyte membrane.
[Prior art]
[0002]
For example, a conventional fuel cell using a solid polymer electrolyte is provided with catalysts 101 and 102, a hydrogen electrode (negative electrode) 103, and a waterproof membrane 105 with a solid electrolyte 100 interposed therebetween as shown in FIG. The air electrode (positive electrode) 104 is configured. In the hydrogen electrode 103, hydrogen gas supplied from the outside passes through the hydrogen electrode 103 and reaches near the reaction zone, and is absorbed by the catalyst 101 to become active hydrogen.
[0003]
This hydrogen atom reacts with a hydroxide ion in the electrolyte as shown in the following formula to become water, and at that time, electrons are sent to the air electrode 104.
[0004]
H ₂ + 2OH ⁻ → 2H ₂ O + 2e ⁻
On the other hand, the air electrode 104 receives two electrons from the air electrode 104 in the presence of the catalyst, and oxygen molecules supplied from the outside react with water from the electrolyte 100 to generate hydroxide ions. .
[0005]
1 / 2O ₂ + H ₂ O → 2OH ⁻
The hydroxide ions generated at the air electrode react with the hydrogen ions that have moved through the electrolyte 100 to generate water, thereby forming the entire circuit.
[0006]
Therefore, the overall reaction of the battery is
H ₂ + 1 / 2O ₂ → 2H ₂ O
Thus, hydrogen in the fuel gas and oxygen in the air react to produce water.
[Problems to be solved by the invention]
[0007]
As shown in FIG. 8 , the actual fuel battery cell is configured by sandwiching the electrolyte 100 between the air supply plate 106 and the hydrogen supply plate 107, and the oxygen supply pipe 108 and the drain pipe 109 are connected to the air supply plate 106. A hydrogen supply pipe 110 and an exhaust gas pipe (not shown) are connected to the hydrogen supply plate 107.
[0008]
FIG. 9 is a cross-sectional view taken along the line F-F of FIG. 8. The electrolyte 100 is composed of an air supply plate 106 and a hydrogen supply plate 107. ) And sandwiched through 112, and a hydrogen gas or oxygen gas is piped and supplied. In many cases, gas flow paths 113 and 114 are formed in the air supply plate 106 and the hydrogen supply plate 107, and grooves 115 and 116 are provided in the electrode sheets 111 and 112.
[0009]
In practice, in order to take a large number of laminated structures, the electrodes are insulated and separated with a separator or the like. Therefore, in order to assemble the cells, it is necessary to give consideration to gas leakage to the entire periphery of each cell, and it is necessary to provide piping for the plate-like material and supply the raw material gas.
[0010]
In addition, it is important to control the water concentration of the electrolyte with respect to the ion transfer efficiency of the electrolyte.
[0011]
In the conventional fuel cell as shown in FIGS. 8 and 9 , the gas flow path is narrow and long, the resistance of the gas flow is increased, the water is condensed and water droplets are formed, the drainage is not successful, and the oxidizing gas is generated. It did not reach, and there were variations in moisture concentration distribution.
[0012]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a fuel cell that solves the above-described problems and can drain water well.
[Means for Solving the Problems]
[0013]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, an electrode for forming a gas flow path is provided inside and outside of a solid polymer electrolyte formed in a cylindrical shape, and the gas flow path cross section on the oxygen supply side is supplied with hydrogen. This is a fuel cell formed larger than the side.
[0014]
According to the second aspect of the present invention, a cylindrical positive electrode internal electrode having an oxygen supply gas channel formed on the outer periphery is provided on the inner periphery of the solid polymer electrolyte, and on the outer periphery of the solid polymer electrolyte. provided a negative electrode side external electrode of the hydrogen supply-shaped cylinder gas flow path is formed of claim 1 forming a passage for draining the water produced by the gas flow path for oxygen supply to the center of the positive electrode-side internal electrode It is a fuel cell of description.
[0015]
A third aspect of the present invention is the fuel cell according to the second aspect , wherein a drain pipe is connected to the passage, and a dehumidifier for controlling the moisture concentration of the gas flow path for supplying oxygen is connected to the drain pipe.
[0016]
According to a fourth aspect of the present invention, a cylindrical negative electrode on the inner periphery of the solid polymer electrolyte is provided with a gas flow channel for supplying hydrogen on the outer periphery, and the outer periphery of the solid polymer electrolyte is provided on the inner periphery. a fuel cell according to claim 1, wherein the gas channel is provided with a positive electrode side external electrode made of double tubular body formed of oxygen supply.
[0017]
The invention of claim 5 connects the drain pipe to the gas flow path of the positive side external electrode, on the drain pipe, according to claim 4, wherein the dehumidifier to control the water content of the gas flow path for oxygen supply is connected This is a fuel cell.
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[0018]
Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings.
[0019]
1 to 3 show an embodiment of a fuel cell according to the present invention . FIG. 1 is a schematic overall view of the fuel cell, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line BB in FIG . The CC sectional view taken on the line of FIG. 1 is shown.
[0020]
First, the fuel cell 28 is formed in a columnar shape, and includes a cylindrical positive electrode-side internal electrode 32 and a cylindrical negative electrode-side external electrode 34 with a solid polymer electrolyte 30 formed in a cylindrical shape interposed therebetween. Is done. A groove-like gas flow path 31 is formed on the outer periphery of the positive side internal electrode 32 to supply oxygen to the solid polymer electrolyte 30, and the solid polymer electrolyte 30 is formed on the inner periphery of the negative side external electrode 34. A groove-like gas flow path 33 is formed to supply hydrogen. A passage 35 for supplying oxygen and discharging produced water is formed on the center side of the positive electrode 32 on the center side. Note that the catalyst layer and the waterproof layer are omitted in the figure.
[0021]
The positive electrode side internal electrode 32 and the negative electrode side external electrode 34 are not particularly dependent on materials unless they are electrically conductive, airtight, and corroded in the environment of a fuel cell.
[0022]
As shown in FIG. 1 , a supply pipe 41 is connected to the hydrogen gas source 40, and the supply pipe 41 is connected to a gas passage 43 connected to the gas passage 33 of the negative external electrode 34, while the oxygen gas source 44, a gas pipe 45 is connected, the pipe 45 is connected to a passage 35, a drain pipe 46 is connected to a lower portion of the passage 35, and a dehumidifier comprising a pressure regulating valve and a cooler is connected to the drain pipe 46. 47 is connected, and the water removed by the dehumidifier 47 is drained from the drain hole 48.
[0023]
Reference numeral 49 denotes a current voltmeter.
[0024]
In this embodiment, the supply of the fuel gas from the hydrogen gas source 40 and the oxygen gas source 44 is only supplied to the gas flow paths 33 and 31 and flows in the axial direction, so that piping is facilitated.
[0025]
Further , the gas channel 31 and the channel 35 are connected to each other, and the cross section of the oxidizing gas channel is formed to be substantially larger than the hydrogen gas channel 33, and the water generated in the positive gas channel 31 is the gas flow. It is discharged from the passage 31 to the passage 35 and can be drained well through the drain pipe 46.
[0026]
At this time, by adjusting the amount of drainage discharged to the drain hole 48 by the dehumidifier 47, the moisture concentration in the gas flow path 31 can be adjusted freely, and the water is condensed in the gas flow path 31 and the drainage is discharged. It will not be bad.
[0027]
As an example of the operation of this fuel cell, hydrogen was set to 2 atm and oxygen was set to 1 atm. When air was used as the oxygen source, the pressure was 5 atm.
[0028]
When the above fuel gas was supplied to the fuel cell thus produced and operated, an electromotive force of 0.8 V was generated.
[0029]
4 to 6 show other embodiments of the present invention . FIG. 4 is a schematic overall view of the fuel cell, FIG. 5 is a sectional view taken along the line DD of FIG. 4 , and FIG . 4 is a sectional view taken along line E-E.
[0030]
First, the fuel battery cell 52 is formed in a cylindrical shape, and a negative electrode-side internal electrode 54 in which a hydrogen gas flow channel 53 is formed and a positive electrode in which a first gas flow channel 55 of oxygen is formed with the solid electrolyte 50 interposed therebetween. The first external gas electrode 55 and the second gas flow channel are configured by providing a positive external second electrode 58 in which a second external gas electrode 57 is formed on the outer side. 57 is connected at appropriate places. Note that the catalyst layer and the waterproof layer are omitted in the figure.
[0031]
As shown in FIG. 4 , a supply pipe 61 is connected to the oxygen gas source 60, and the supply pipe 61 is connected to the gas flow paths 55 and 57 of the positive first external electrode 56 and the second external electrode 58. On the other hand, a gas pipe 65 is connected to the hydrogen gas source 64, and the pipe 65 is connected to the gas flow path 53 of the negative side internal electrode 54.
[0032]
A drain pipe 66 below the fuel battery cell 52 is connected to the first gas flow path 55 and the second gas flow path 57, and a dehumidifier 67 including a pressure regulating valve and a cooler is connected to the drain pipe 66. The water removed by the dehumidifier 67 is drained from the drain hole 68.
[0033]
Reference numeral 69 denotes a current voltmeter.
[0034]
In this embodiment, contrary to the embodiment shown in FIGS. 1 to 3 , the gas from the hydrogen gas source 64 is flowed to the center and the oxygen from the oxygen gas source 60 is flowed to the outside. By forming and flowing in two stages, it is possible to drain well. At this time, the moisture concentration in the gas flow paths 55 and 57 can be adjusted freely by adjusting the amount of drainage discharged to the drain hole 68 by the dehumidifier 67 and the water is condensed in the gas flow paths 55 and 57. And drainage does not become defective.
[0035]
By using a cylindrical fuel cell in this way, piping to each gas flow path is facilitated for a plurality of cells. The fuel cells may be either vertical or horizontal as long as the generated water drainage is taken into consideration. Further, the thickness of the cylindrical cell does not depend on the electromotive force in principle, and can be designed freely.
【The invention's effect】
[0036]
In short, according to the present invention, it is possible to improve the drainage by forming the oxygen gas flow path in two stages and so on.
[Brief description of the drawings]
[0037]
FIG. 1 is a schematic overall view of a fuel cell according to an embodiment of the present invention.
2 is a sectional view taken along line B-B of FIG.
3 shows a sectional view taken along line C-C of FIG.
FIG. 4 is a schematic overall view of a fuel cell according to another embodiment of the present invention.
5 is a sectional view taken along line D-D of FIG.
6 is a sectional view taken along line E-E in FIG. 4.
FIG. 7 is a diagram showing a basic structure of a fuel cell.
FIG. 8 is a schematic perspective view showing a conventional fuel cell.
9 is a sectional view taken along line F-F in FIG. 8.
[Explanation of symbols]
[0038]
30 solid polymer electrolyte
31 Positive gas flow path
32 positive side internal electrode
33 Negative gas flow path
34 Negative electrode external electrode
35 passages

Claims

2. A fuel cell comprising: a solid polymer electrolyte formed in a cylindrical shape, and an electrode for forming a gas flow path provided inside and outside thereof; and a gas flow path cross section on the oxygen supply side is formed larger than the hydrogen supply side.

A cylindrical positive internal electrode having an oxygen supply gas channel formed on the outer periphery is provided on the inner periphery of the solid polymer electrolyte, and a hydrogen supply gas channel is provided on the inner periphery of the solid polymer electrolyte. The fuel cell according to claim 1, wherein a cylindrical negative electrode on the side of the positive electrode is provided, and a passage for draining water generated in the gas flow path for supplying oxygen is formed at the center of the positive electrode.

3. The fuel cell according to claim 2, wherein a drain pipe is connected to the passage, and a dehumidifier for controlling the moisture concentration of the gas flow path for supplying oxygen is connected to the drain pipe.

Provided on the inner periphery of the solid polymer electrolyte is a cylindrical negative electrode on the outer periphery of which a gas channel for supplying hydrogen is formed, and on the outer periphery of the solid polymer electrolyte, the gas channel for supplying oxygen on the inner periphery The fuel cell according to claim 1, further comprising a positive electrode-side external electrode made of a double cylindrical body formed with a gas.

The fuel cell according to claim 4, wherein a drain pipe is connected to the gas flow path of the positive electrode side external electrode, and a dehumidifier for controlling the moisture concentration of the gas flow path for supplying oxygen is connected to the drain pipe.