JP4547868B2 - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子電解質型燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池は、イオン導電性が付与された固体高分子電解質膜の両面に触媒を担持したガス拡散電極を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータを介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子電解質膜でのイオン導電と各ガス拡散電極の化学反応が進行して一対のガス拡散電極間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータを介して外部回路に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。
【０００３】
そして、燃料電池の酸化側の空気（酸素）と比較して、燃料電池の燃料側の水素の消費量が大きくなり、燃料電池システムの停止時に、燃料側の圧力が相対的に大きく低下するため、固体高分子電解質膜を挟む燃料側と酸化側との間に大きな圧力差が発生し、燃料電池の電池構成要素が劣化してしまうという問題点があった。また、停止時燃料側に残った水素は速やかに排出する必要がある。すなわち、停止後酸素が配管又は固体高分子電解質膜を通り流入すると急激な酸化反応を生じ高温化又は触媒の酸化劣化を生じる。この点を解消するため、燃料電池システム停止時に、燃料電池内の反応ガス（主に、水素）を不活性ガス（例えば、Ｎ２等）や反応済空気で置換することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、上記燃料電池で用いる反応ガスは、主成分である水素の濃度が高ければ、高いほど燃料電池の発電効率を向上させることができるため、酸素富化装置により酸素濃度が増加した酸素富化空気をスタック加湿部の空気導入口に供給するシステムが開示されている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平７−２７２７４０号公報
【特許文献２】
特開２０００−２６０４５８号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システム（特許文献１）は、窒素等の不活性ガスボンベを用いるため、運転している間、このガスボンベの残ガス量の確認と無くなると補充する必要があり、手間を要し、燃料電池システムが煩雑になり、コストも高くなるという問題点があった。また、特許文献２では、燃料電池システムの停止については、十分考慮がなされていなかった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、前記従来の課題を解決するもので、
固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、
前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータと、
前記燃料ガスの前記入口マニホールドに一方側が接続された燃料ガス入口管と、
空気から酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜と、
前記酸素分離膜によって分離された酸素ガス分子が排出される前記酸素分離膜の片方側と、
前記酸素分離膜によって分離された窒素ガス分子が前記燃料ガス入口管に連通するよう接続された前記酸素分離膜の他方側と、
前記酸素分離膜の前記片方側に配された送風機と、
を有する固体高分子電解質型燃料電池であって、
前記固体高分子電解質型燃料電池の運転時に、燃料ガスを前記燃料ガス入口管を介して前記燃料ガスの前記入口マニホールドに連通させると共に、
前記固体高分子電解質型燃料電池の運転停止時に、前記酸素分離膜の前記片方側を前記送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を前記酸素分離膜の前記片方側から排出し、前記酸素分離膜の前記他方側の窒素濃度が高くなった空気を前記酸素分離膜の前記他方側から前記燃料ガス入口管を介して前記燃料ガスの前記入口マニホールドに連通させるよう前記燃料ガス入口管の途中に開閉弁を有するものである。
【０００８】
これによって、運転停止時は、この窒素ガスを水素側に流し水素ガスを速やかに排出する事により、固体高分子電解質膜の劣化を防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池を提供できる。
特に、燃料ガス入口管の途中に開閉弁を構成したことにより、確実なガスの置換が可能となり、信頼性の向上が図れる。すなわち、燃料電池の運転中は開閉弁を閉止してアノード側には燃料ガスのみを流し燃料電池の高効率動作を保つ。次に燃料電池の停止時は、開閉弁を開放して、燃料ガスの水素ガスの供給を停止した後、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜を介して燃料ガスの入口マニホールドに連通した開閉弁を開放したことにより、空気から酸素ガス分子を除いたすなわち窒素ガス分子を速やかに燃料電池の燃料側に供給し、水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
また、固体高分子電解質型燃料電池を酸素分離膜の片方を送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を排出し、酸素分離膜の他方の窒素濃度が高くなった空気を燃料ガスの入口マニホールドに連通させたことにより、酸素分離膜により高濃度の窒素ガスを停止時の燃料電池のアノード側に供給でき安定して確実なガスの置換が可能となり、信頼性の向上が図れる。
【０００９】
すなわち、固体高分子電解質型燃料電池の運転停止時は、燃料ガスの水素ガスの供給を停止した後、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜を介して燃料ガスの入口マニホールドに連通したことにより、空気から酸素ガス分子を除いたすなわち窒素ガス分子を燃料電池の燃料側に供給し、水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、固体高分子電解質型燃料電池の運転停止後、水素ガスが燃料電池内に残り、カソード側への拡散によりカソード側での酸素との反応や、アノード側に停止時に空気の混入により、燃焼による高温化、触媒の劣化を防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
特に、酸素分離膜は圧力差があると、ガス種により溶解拡散の速度が異なる事を利用している。酸素分離膜の両面に圧力差を設けると、大気側の酸素が膜表面に溶解し膜内を拡散し減圧側の膜表面から離脱するという原理で動作する。このため、酸素分離膜の片方を送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を排出し、酸素分離膜の他方の窒素濃度が十分に高くなった空気を燃料ガス入口管を介して燃料ガスの入口マニホールドに連通させたことにより、燃料電池の停止時、ほとんど窒素の高濃度窒素ガスで、燃料電池の燃料側の水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、安定して確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
【００１０】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、
固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、
前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータと、
前記燃料ガスの前記入口マニホールドに一方側が接続された燃料ガス入口管と、
空気から酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜と、
前記酸素分離膜によって分離された酸素ガス分子が排出される前記酸素分離膜の片方側と、
前記酸素分離膜によって分離された窒素ガス分子が前記燃料ガス入口管に連通するよう接続された前記酸素分離膜の他方側と、
前記酸素分離膜の前記片方側に配された送風機と、
を有する固体高分子電解質型燃料電池であって、
前記固体高分子電解質型燃料電池の運転時に、燃料ガスを前記燃料ガス入口管を介して前記燃料ガスの前記入口マニホールドに連通させると共に、
前記固体高分子電解質型燃料電池の運転停止時に、前記酸素分離膜の前記片方側を前記送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を前記酸素分離膜の前記片方側から排出し、前記酸素分離膜の前記他方側の窒素濃度が高くなった空気を前記酸素分離膜の前記他方側から前記燃料ガス入口管を介して前記燃料ガスの前記入口マニホールドに連通させるよう前記燃料ガス入口管の途中に開閉弁を有するものである。
【００１１】
これによって、運転停止時は、この窒素ガスを水素側に流し水素ガスを速やかに排出する事により、固体高分子電解質膜の劣化を防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池を提供できる。
特に、燃料ガス入口管の途中に開閉弁を構成したことにより、確実なガスの置換が可能となり、信頼性の向上が図れる。すなわち、燃料電池の運転中は開閉弁を閉止してアノード側には水素ガスのみを流し燃料電池の高効率動作を保つ。次に燃料電池の停止時は、開閉弁を開放して、燃料ガスの水素ガスの供給を停止した後、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜を介して燃料ガスの入口マニホールドに連通した開閉弁を開放したことにより、空気から酸素ガス分子を除いたすなわち窒素ガス分子を速やかに燃料電池の燃料側に供給し、水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
特に、固体高分子電解質型燃料電池を酸素分離膜の片方を送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を排出し、酸素分離膜の他方の窒素濃度が高くなった空気を燃料ガスの入口マニホールドに連通させたことにより、酸素分離膜により高濃度の窒素ガスを停止時の燃料電池のアノード側に供給でき安定して確実なガスの置換が可能となり、信頼性の向上が図れる。
【００１２】
すなわち、固体高分子電解質膜は高温になると電気変換率の低下や材料劣化による信頼性の低下を生じ、これを防止するため、運転中は空気や水を流して冷却しているが運転停止とともに冷却は停止する。
【００１３】
また、酸素ガスと水素ガスが存在すると触媒近くで燃焼反応を促進し急激な温度上昇により触媒性能は劣化する。そこで、固体高分子電解質型燃料電池の運転停止時は、燃料ガスの水素ガスの供給を停止した後、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜を燃料ガス入口管を介して燃料ガスの入口マニホールドに連通したことにより、空気から酸素ガス分子を除いたすなわち窒素ガス分子を燃料電池の燃料側に供給し、水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、固体高分子電解質型燃料電池の運転停止後、水素ガスが燃料電池内に残り、カソード側への拡散によりカソード側での酸素との反応や、アノード側に停止時に空気の混入により、燃焼による高温化、触媒の劣化を防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
特に、酸素分離膜は圧力差があると、ガス種により溶解拡散の速度が異なる事を利用している。酸素分離膜の両面に圧力差を設けると、大気側の酸素が膜表面に溶解し膜内を拡散し減圧側の膜表面から離脱するという原理で動作する。このため、酸素分離膜の片方を送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を排出し、酸素分離膜の他方の窒素濃度が十分に高くなった空気を燃料ガス入口管を介して燃料ガスの入口マニホールドに連通させたことにより、燃料電池の停止時、ほとんど窒素の高濃度窒素ガスで、燃料電池の燃料側の水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、安定して確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
【００１７】
請求項２記載の発明は、特に請求項１の固体高分子電解質型燃料電池の酸素分離膜の片方を送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を酸化ガス入口管を介して酸化ガスの入口マニホールドに連通させたことにより、燃料電池の燃料側のガスの置換により高温化と触媒の劣化を防止して信頼性を高めるとともに、燃料電池のカソード側の酸素分圧を高くでき燃料電池の高効率化が可能となる。
【００１８】
すなわち、酸素分離膜の片方を送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を排出し、酸素分離膜の他方の窒素濃度が十分に高くなった空気を燃料ガスの入口マニホールドに連通させたことにより、燃料電池の停止時、ほとんど窒素の高濃度窒素ガスで、燃料電池の燃料側の水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、安定して確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。そして、酸素分離膜の片方を送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を、酸化ガスの入口マニホールドに連通させたことによりカソード側の酸素分圧が高くなる。燃料電池の発電効率は固体高分子膜のプロトン伝導度により決まり、このプロトン伝導度は、アノード、カソードの各ガスのガス分圧に影響する。カソード側に空気を用い、その酸素濃度２０．８％から酸素濃度が高くなった空気をカソードに供給することにより燃料電池の発電効率が上昇する。
このため、燃料電池の高効率化が可能となり、同じ発電効率の設定の場合は燃料電池の小型化が可能であり、コンパクト化と安価が図れ、また、使用性能が向上できる。
【００１９】
請求項３記載の発明は、特に請求項１または２の固体高分子電解質型燃料電池を酸素分離膜は複数備え、直列に配置したことにより、酸素分離膜により空気はより高濃度に酸素ガスと窒素ガスに分離でき、燃料電池の燃料側のガスの置換により高温化と触媒の劣化を完全に防止して信頼性を高めるとともに、燃料電池のカソード側の酸素分圧をより高くでき燃料電池のさらに高効率化が可能となる。
【００２０】
すなわち、酸素分離膜は圧力差があると、ガス種により溶解拡散の速度が異なる事を利用している。酸素分離膜の両面に圧力差を設けると、大気側の酸素が膜表面に溶解し膜内を拡散し減圧側の膜表面から離脱するという原理で動作する。
このため、一定の圧力差では面積に応じて分離されるガスの濃度が決まる。そこで、酸素分離膜を複数備え、直列に配置したことにより、格段で逐次分離でき、圧力差を大きくしなくてもかつ面積を大きくしなくても、酸素分離効率がさらに向上し、高濃度のガスに分離できる。このため、酸素分離膜は複数備え、直列に配置したことにより、カソード側には高濃度の酸素ガスを供給し、停止時アノード側には高濃度の窒素ガスを流して水素ガスの置換が可能となり、安定して確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。そして、カソード側の酸素濃度をさらに高めた空気をカソードに供給することにより燃料電池の発電効率が上昇する。このため、燃料電池のさらなる高効率化が可能となり、同じ発電効率の設定の場合は燃料電池の小型化が可能であり、コンパクト化と安価がさらに図れ、また、使用性能が向上できる。
【００２１】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００２２】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の全体構成図、図２は燃料電池のセパレータの構成図、図３は燃料電池の発電セルの断面図を示す。図３において、固体高分子電解質型燃料電池は、イオン伝導性が付与された固体高分子電解質膜１１の両面に触媒を担持したガス拡散電極１２を両面に重ね合わせて発電セルを構成している。そして、この発電セルは複数個を接続して所定の電圧を得る。このため、発電セル間にセパレータ１を介在させ発電セルを積層してスタック化する。そして、セパレータの両側にそれぞれ燃料ガス及び酸化ガスを供給してそれぞれのガス拡散電極１２に燃料ガス及び酸化ガスを供給すると、固体高分子電解質膜１１でのイオン導電と各ガス拡散電極の電気化学反応が進行して一対のガス拡散電極１２間に電圧が発生し、集電電極の機能を持つ両端側の一対のセパレータ１を介して外部回路（図示せず）に給電する。この様な発電においては、供給ガスを出来るだけ均等にガス拡散電極１２の電極面に供給することがガス利用率を高め、発電効率と出力性能を良くする。
【００２３】
図２に示すセパレータ１は、セパレータ１の流路溝２は、ガス拡散電極１２に対応した形状としガス不透過性と導電性を有するカーボン、表面処理をした金属等を用いて構成する。入口マニホールド３から燃料または酸化ガスが流入され、流路溝２の溝を経たガスを出口マニホールド４より流出する。他方酸化ガスまたは燃料ガスのセパレータ１はこのセパレータ１の背面側に同様の流れる構成を設け入口マニホールド５及び出力マニホールド６よりガスの流入と導出が行われる。これにより、固体高分子電解質の膜１１を挟持する一対のガス拡散電極１２のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口側から出口側に導く流路溝２を形成したセパレータ１を構成している。
【００２４】
そして、図１に示す固体高分子電解質型燃料電池は、積層発電セル１３は、図３に示した固体高分子電解質膜１１の両面に触媒を担持したガス拡散電極１２を両面に重ね合わせて発電セル間にセパレータ１を介在させ発電セルを積層してスタック化してあり、端版１４により締結してある。（電力の取り出し用電極や回路は図示せず） 酸化ガスは、フィルターや湿度調整部等と接続した酸化ガス入口管１５により入口マニホールド３に接続し、出口マニホールド４には酸化ガス出口管１６により酸化ガス送風機１７に接続してある。また、燃料ガスは、燃料タンク、改質器や湿度調整部等と接続した燃料ガス入口管１８により入口マニホールド５に接続し、出口マニホールド６には燃料ガス出口管１９により燃料ガス送風機２０に接続してある。そして、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜２１を介して燃料ガスの入口マニホールド５に連通する燃料ガス入口管１８と開閉弁２２を介して接続してある。また。酸素分離膜２１の他方は排気ファン２３を介して外気に開放している。
【００２５】
以上のように構成された酸素分離膜を用いた固体高分子電解質型燃料電池について、以下その動作、作用を説明する。
【００２６】
酸化ガスは、酸化ガス送風機１７を動作させることにより、フィルターや湿度調整部等で調整された後、酸化ガス入口管１５から積層発電セル１３の入口マニホールド３からはいりセパレータ１の流路溝２を流れた後、出口マニホールド４から酸化ガス出口管１６を通り酸化ガス送風機１７から外部に流れる。同時に、燃料ガス送風機２０を動作させることにより、燃料ガスは、燃料タンク、改質器や湿度調整部等から燃料ガス入口管１８を通り、積層発電セル１３の入口マニホールド５からはいりセパレータ１の流路溝２を流れた後、出口マニホールド６から燃料ガス出口管１９を通り燃料ガス送風機２０から外部に放出する。放出する酸化ガス、燃料ガスは、熱交換器、加湿交換器等に連結して、その熱、湿度、未分解ガス等再度利用しても良い。燃料ガスが流路溝２を流れる時、ガス拡散電極に拡散して電気化学反応を行い、水となり順次質量を減じながら出口マニホールド４に至り排出される。
【００２７】
そして、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜２１を介して燃料ガスの入口マニホールド５に連通させて構成してあるため、運転停止時は、この窒素ガスを水素側に流し水素ガスを速やかに排出する事により、固体高分子電解質膜１１の劣化を防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池を提供できる。
【００２８】
すなわち、固体高分子電解質膜１１は高温になると電気変換率の低下や材料劣化による信頼性の低下を生じ、これを防止するため、運転中は空気や水を流して冷却しているが運転停止とともに冷却は停止する。また、酸素ガスと水素ガスが存在すると触媒近くで燃焼反応を促進し急激な温度上昇により触媒性能は劣化する。そこで、固体高分子電解質型燃料電池の運転停止時は、燃料ガスの水素ガスの供給を停止した後、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜２１を介して燃料ガスの入口マニホールド５に連通したことにより、空気から酸素ガス分子を除いたすなわち窒素ガス分子を燃料電池の燃料側に供給し、水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、固体高分子電解質型燃料電池の運転停止後、水素ガスが燃料電池内に残り、カソード側への拡散によりカソード側での酸素との反応や、アノード側に停止時に空気の混入により、燃焼による高温化、触媒の劣化を防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
【００２９】
また、酸素分離膜２１と燃料ガスの入口マニホールド５の連通路の途中に開閉弁２２を構成したことにより、確実なガスの置換が可能となり、信頼性の向上が図れる。すなわち、燃料電池の運転中は開閉弁２２を閉止してアノード側には水素ガスのみを流し燃料電池の高効率動作を保つ。次に燃料電池の停止時は、開閉弁２２を開放して、燃料ガスの水素ガスの供給を停止した後、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜２１を介して燃料ガスの入口マニホールド５に連通した開閉弁２２を開放したことにより、空気から酸素ガス分子を除いたすなわち窒素ガス分子を速やかに燃料電池の燃料側に供給し、水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
【００３０】
また、酸素分離膜２１の片方を送風機２３により減圧して酸素濃度が高くなった空気を排出し、酸素分離膜２１の他方の窒素濃度が高くなった空気を燃料ガスの入口マニホールド５に連通させたことにより、酸素分離膜２１の他方は排気ファン２３を介して外気に開放しているため、排気ファン２３を動作させると空気導入口２４から吸引し入った空気は酸素分離膜２１で酸素を多く含むガスとして排気ファン２３から外気に排出される。そのため酸素分離膜２１の開閉弁２２に連通した部分に溜まった空気は窒素比率が次第に大きくなり、しばらくするとほとんど窒素のガスとなる。
【００３１】
そのため、酸素分離膜２１により高濃度の窒素ガスを停止時の燃料電池のアノード側に供給でき安定して確実なガスの置換が可能となり、信頼性の向上が図れる。
【００３２】
すなわち、酸素分離膜２１は圧力差があると、ガス種により溶解拡散の速度が異なる事を利用している。酸素分離膜２１の両面に圧力差を設けると、大気側の酸素が膜表面に溶解し膜内を拡散し減圧側の膜表面から離脱するという原理で動作する。このため、酸素分離膜２１の片方を送風機２３により減圧して酸素濃度が高くなった空気を排出し、酸素分離膜２１の他方の窒素濃度が十分に高くなった空気を燃料ガスの入口マニホールド５に連通させたことにより、燃料電池の停止時、ほとんど窒素の高濃度窒素ガスで、燃料電池の燃料側の水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、安定して確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。
【００３３】
（実施例２）
図４は、本発明の第２の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の全体構成図を示す。実施例１と異なるところは、酸素分離膜２１の片方を送風機２３により減圧して酸素濃度が高くなった空気を酸化ガスの入口マニホールド３に連通させたことにより、燃料電池の燃料側のガスの置換により高温化と触媒の劣化を防止して信頼性を高めるとともに、燃料電池のカソード側の酸素分圧を高くでき燃料電池の高効率化が可能となる。
【００３４】
すなわち、酸素分離膜２１の片方を送風機２３により減圧して酸素濃度が高くなった空気を排出し、酸素分離膜２１の他方の窒素濃度が十分に高くなった空気を燃料ガスの入口マニホールド３に連通させたことにより、燃料電池の停止時、ほとんど窒素の高濃度窒素ガスで、燃料電池の燃料側の水素ガスを追い出し窒素ガスで置換できる。このため、安定して確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。そして、酸素分離膜２１の片方を送風機２３により減圧して酸素濃度が高くなった空気を、酸化ガスの入口マニホールド３に連通させたことによりカソード側の酸素分圧が高くなる。燃料電池の発電効率は固体高分子電解質膜１１のプロトン伝導度により決まり、このプロトン伝導度は、アノード、カソードの各ガスのガス分圧に影響する。カソード側に空気を用い、その酸素濃度２０．８％から酸素濃度が高くなった空気をカソードに供給することにより燃料電池の発電効率が上昇する。このため、燃料電池の高効率化が可能となり、同じ発電効率の設定の場合は燃料電池の小型化が可能であり、コンパクト化と安価が図れ、また、使用性能が向上できる。
【００３５】
（実施例３）
図５は、本発明の第３の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の部分構成図を示す。実施例１と異なるところは、酸素分離膜２１は複数備え、直列に配置したことにある。本実施例では酸素分離膜を２１（ａ），２１（ｂ），２１（ｃ）と３枚を直列としてある。このことにより、酸素分離膜２１（ａ），２１（ｂ），２１（ｃ）により空気はより高濃度に酸素ガスと窒素ガスに分離でき、燃料電池の燃料側のガスの置換により高温化と触媒の劣化を完全に防止して信頼性を高めるとともに、燃料電池のカソード側の酸素分圧をより高くでき燃料電池のさらに高効率化が可能となる。
【００３６】
すなわち、酸素分離膜２１（ａ），２１（ｂ），２１（ｃ）は圧力差があると、ガス種により溶解拡散の速度が異なる事を利用している。酸素分離膜２１（ａ），２１（ｂ），２１（ｃ）の両面に圧力差を設けると、大気側の酸素が膜表面に溶解し膜内を拡散し減圧側の膜表面から離脱するという原理で動作する。このため、一定の圧力差では面積に応じて分離されるガスの濃度が決まる。そこで、酸素分離膜２１（ａ），２１（ｂ），２１（ｃ）を複数備え、直列に配置したことにより、格段で逐次分離でき、圧力差を大きくしなくてもかつ面積を大きくしなくても、酸素分離効率がさらに向上し、高濃度のガスに分離できる。このため、酸素分離膜２１（ａ），２１（ｂ），２１（ｃ）は複数備え、直列に配置したことにより、カソード側には高濃度の酸素ガスを供給し、停止時アノード側には高濃度の窒素ガスを流して水素ガスの置換が可能となり、安定して確実なガスの置換が可能となり、燃焼による高温化、触媒の劣化を確実に防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池とすることが出来る。そして、カソード側の酸素濃度をさらに高めた空気をカソードに供給することにより燃料電池の発電効率が上昇する。このため、燃料電池のさらなる高効率化が可能となり、同じ発電効率の設定の場合は燃料電池の小型化が可能であり、コンパクト化と安価がさらに図れ、また、使用性能が向上できる。
【００３７】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜を介して燃料ガスの入口マニホールドに連通させて構成したことによって、運転停止時は、この窒素ガスを水素側に流し水素ガスを速やかに排出する事により、固体高分子電解質膜の劣化を防止して信頼性を高めた固体高分子電解質型燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における固体高分子電解質型燃料電池を示す全体構成図
【図２】本発明の第１の実施例における固体高分子電解質型燃料電池のセパレータの構成図
【図３】本発明の第１の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の発電セルの断面図
【図４】本発明の第２の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の全体構成図
【図５】本発明の第３の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の部分構成図
【符号の説明】
１ セパレータ
３ 入口マニホールド（酸化ガス）
４ 出口マニホールド（酸化ガス）
５ 入口マニホールド（燃料ガス）
６ 出口マニホールド（燃料ガス）
１１ 固体高分子電解質膜
１２ ガス拡散電極
１５ 酸化ガス入口管
１８ 燃料ガス入口管
２１ 酸素分離膜
２２ 開閉弁
２３ 送風機

Claims (3)

1. 固体高分子電解質膜を挟持する一対のガス拡散電極と、
   前記ガス拡散電極のおのおのの面に燃料ガスと酸化ガスをそれぞれの入口マニホールドから出口マニホールドに導く流路溝を形成したセパレータと、
   前記燃料ガスの前記入口マニホールドに一方側が接続された燃料ガス入口管と、
   空気から酸素ガス分子と窒素ガス分子を分離する酸素分離膜と、
   前記酸素分離膜によって分離された酸素ガス分子が排出される前記酸素分離膜の片方側と、
   前記酸素分離膜によって分離された窒素ガス分子が前記燃料ガス入口管に連通するよう接続された前記酸素分離膜の他方側と、
   前記酸素分離膜の前記片方側に配された送風機と、
   を有する固体高分子電解質型燃料電池であって、
   前記固体高分子電解質型燃料電池の運転時に、燃料ガスを前記燃料ガス入口管を介して前記燃料ガスの前記入口マニホールドに連通させると共に、
   前記固体高分子電解質型燃料電池の運転停止時に、前記酸素分離膜の前記片方側を前記送風機により減圧して酸素濃度が高くなった空気を前記酸素分離膜の前記片方側から排出し、前記酸素分離膜の前記他方側の窒素濃度が高くなった空気を前記酸素分離膜の前記他方側から前記燃料ガス入口管を介して前記燃料ガスの前記入口マニホールドに連通させるよう前記燃料ガス入口管の途中に開閉弁を有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池。
2. 前記酸化ガスの前記入口マニホールドに接続された酸化ガス入口管を有し、前記酸素分離膜の前記片方側から排出された酸素濃度が高くなった空気を前記酸化ガス入口管を介して前記酸化ガスの前記入口マニホールドに連通させたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。
3. 酸素分離膜は複数備え、直列に配置したことを特徴とする請求項１または２記載の固体高分子電解質型燃料電池。

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