JP4599804B2 - Fuel cell - Google Patents
Fuel cell Download PDFInfo
- Publication number
- JP4599804B2 JP4599804B2 JP2003082416A JP2003082416A JP4599804B2 JP 4599804 B2 JP4599804 B2 JP 4599804B2 JP 2003082416 A JP2003082416 A JP 2003082416A JP 2003082416 A JP2003082416 A JP 2003082416A JP 4599804 B2 JP4599804 B2 JP 4599804B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- reaction
- reaction gas
- gas
- channel
- oxidant
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気化学反応によって発電を行う燃料電池に関し、詳しくは発電反応を行うガスの湿度を調節するためセル構造に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、この種の燃料電池は、特開平6−132038号公報に記載されたものが知られている。以下、従来の燃料電池について主に図8、図9、図10および図11を参照しながら説明する。なお、説明を解りやすくするため、燃料が水素、酸化剤が空気の場合について説明する。
【0003】
図8に示すように、電解質部101は固体高分子電解質膜102を導電性があり触媒が塗られた拡散層103で挟みつけて構成し、電解質部101の一方に溝状の燃料ガス流路104が形成された導電性の燃料ガスセパレータ105、他方に溝状の酸化剤ガス流路106が形成された導電性の酸化剤ガスセパレータ107が配するが、ここで用いられる溝状の流路は断面図に示すように深さ1mm程の溝である。また、拡散層103の周辺はシール材108で囲まれている。
【0004】
次に、図9に示すように電解質部101を燃料ガスセパレータ105と酸化剤ガスセパレータ107とで挟みつけて構成された単セル109a〜109jを集電板a110と集電板B111の間に積層し、これを絶縁板a112と絶縁板B113で挟み、その両端を更に端板a114と端板B115で挟みつけ積層体116を構成する。そして、図10に示すように積層体116の積層方向には端板A114から積層方向他端の集電板B111まで貫通するよう酸化剤ガス供給ヘッダー119と、酸化剤ガス排出ヘッダー120と、燃料ガス供給ヘッダー117と、燃料ガス排出ヘッダー118が設けてある。この燃料ガス供給ヘッダー117と燃料ガス排出ヘッダー118は図31で示されるように、燃料ガスセパレータ105の燃料ガス流路104の溝を介して連通されている。さらに、酸化剤ガス供給ヘッダー119が燃料ガス供給ヘッダー117同様に、酸化剤ガス排出ヘッダー120が燃料ガス排出ヘッダー118同様に設けてあり、この酸化剤ガス供給ヘッダー119と酸化剤ガス排出ヘッダー120とは図11で示されるように、酸化剤ガスセパレータ107の酸化剤ガス流路106の溝を介して連通している。
【0005】
つぎに動作について説明する。燃料ガス供給ヘッダー117から積層体116内に送り込まれた水素は単セル109a〜109jにある燃料ガスセパレータ105の燃料ガス流路104を通って燃料ガス排出ヘッダー118から積層体116外へ排出される。また、酸化剤ガス供給ヘッダー119から積層体116内に送り込まれた空気は単セル109a〜109jの酸化剤ガスセパレータ107の酸化剤ガス流路106を通って、酸化剤ガス排出ヘッダー120から積層体116外へ排出される。
【0006】
この時、電解質部101の燃料ガス流路104を流れる水素は一部イオンとなって固体高分子電解質膜102を通過して酸化剤ガス流路106側に達し、この酸化剤ガス流路106を流れる空気中の酸素と反応して水となる。また、酸化剤ガス流路106で生成された水の一部は固体高分子電解質膜102を浸透して燃料ガス流路104に移動する。そしてこのとき燃料ガスセパレータ105と酸化剤ガスセパレータ107間に直流電圧が生じ、この直流電圧を積層された単セル109a〜109jの数だけ加えた直流電圧が集電板A110と集電板B111間から取り出される。
【0007】
【特許文献1】
特開平6−132038号公報(第2頁、第2図)
【特許文献2】
特開平6−68896号公報(第3−4頁、第1−3図)
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
このような従来の燃料電池では、固体高分子電解質膜は十分な水分を含有することができないため、供給される燃料もしくは酸化剤を加湿することで燃料電池内に水分を供給する方法が一般的であり、別途にバブリングや水噴霧などの加湿器を必要としてコストアップの要因となっていた。また、燃料電池のセルと加湿器が別々の設置時には、加湿される流体は加湿器と燃料電池の本体内および両者の間で分流と合流を繰り返し複雑な流路のために圧力損失が生じ、燃料電池にガスを供給するためのガス供給機器の動力が大きくなるという課題があり、簡単な構成かつ低圧損となるシステム構成が出来る燃料電池が要求されている。
【0009】
また、燃料電池に加湿したガスを供給すると燃料電池本体で発電反応により生成された水分が燃料電池内で結露して流路を閉塞する。さらに、燃料電池内を流れるガスは発電反応により水分が生成されるため流路の上流側と下流側では湿度が異なり電解質部で水分分布が不均一になり、ガスの流れが乱れ発電反応が不安定になるという課題があり、セル内の発電反応により生成される水分による結露を防ぐと共に均一な湿度を保つ燃料電池が要求されている。
【0010】
また、特開平6−68896号公報に記載の燃料電池のように、単セルを構成する燃料ガスセパレータおよび酸化剤ガスセパレータと電解質部をその両端において所定の長さ延長し、延長した部分を透過膜として、一方の延長部分に燃料ガスの加湿部、他方の延長部分に酸化剤ガスの加湿部を設け、それぞれのガス加湿部において、一方のガスセパレータに構成されたガス流路と他方のガスセパレータに構成された水補給通路を電解質部を挟んで接触させる構成とし、水補給通路から水分を他方のガスセパレータ上のガス流路内を流れるガスに移行させることで加湿を行う方法が提案されているが、このような構成では燃料電池に供給するガスを加湿するために外部から水分を供給する必要があり、燃料電池が発電する際に発生する反応熱を冷却水などにより回収し、外部の熱を利用する機器などに供給するコージェネレーションシステムなどに燃料電池を利用する場合、水分が蒸発する際に熱を奪うことでシステム全体での熱効率が低下するという問題があった。
【0011】
本発明は、このような従来の課題を解決するものであり、燃料電池を運転する際に別途加湿器などを設ける必要が無く、分流などによる圧力損失を低減し、発電反応により生成した水分による流路の閉塞防止および均一な湿度維持により、燃料電池の安定動作と発電効率を維持することのできる燃料電池を提供することを目的としている。
【0012】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池は上記目的を達成するために、燃料及び酸化剤の一方である第1反応ガスと燃料及び酸化剤の他方である第2反応ガスとの電気化学反応によって発電を行うセルを備えた固体高分子型燃料電池において、固体高分子電解質膜の両面に触媒を設けた拡散層を有し、発電反応を行う反応部と、反応部と同一面上に配置され、固体高分子電解質膜を介して水分の移動を行う水回収部と、反応部及び水回収部の一方の面に第1反応ガスを流すための第1反応ガス流路と、反応部の他方の面に第2反応ガスを流すための第2反応ガス流路と、水回収部の他方の面に第1反応ガスを流すための加湿流路と、第1反応ガス流路及び加湿流路を高分子電解質膜を介して連結する第1反応ガス移行流路と、を備え、加湿流路を流れる第1反応ガスは、水回収部で加湿された後に第1反応ガス移行流路を通り第1反応ガス流路へ流れ、第1反応ガス流路を流れる第1反応ガスは、反応部での発電反応による水分発生後に水回収部で除湿されることを特徴とするものである。
【0013】
本発明によれば、別途に加湿器を必要とせず、加湿のための燃料電池への給水および燃料電池の反応熱を必要としないため熱をコージェネレーションシステムなどに有効利用することができ、反応部が発電反応を行う際に生じる熱により水回収部が保温されることにより加湿能力向上と結露を防止しすることができ、反応部と水回収部が最短で結ばれてガスの分流や合流による圧力損失を抑えてガスの供給機器の動力を低減することができる燃料電池が得られる。
【0014】
また、他の手段は燃料電池の発電を行う反応部に用いられるイオン交換膜を水回収部の透湿膜としても用い、同一の材料を用いたものである。
【0015】
本発明によれば、セルの構成が簡単になり、材料、製造においてコストダウンが可能となる燃料電池が得られる。
【0018】
また、他の手段は、第1反応ガス流路は、反応部及び水回収部を交互に流れる経路を備え、第1反応ガス流路を流れる第1反応ガスは、反応部での発電反応による水分の発生と水回収部での除湿を交互に繰り返すことを特徴とするものである。
【0019】
本発明によれば、発電反応により生成された水分を反応の途中で除湿する構成とすることより反応部の全域で高湿度でありながら結露の無い燃料または酸化剤による発電反応が可能となる燃料電池が得られる。
【0020】
また、他の手段は、第1反応ガス流路を流れる第1反応ガスは、反応部での発電反応による水分発生後に水回収部で除湿され、再度反応部に流入し、反応部での発電反応による水分発生後に水回収部で除湿されることを特徴とするものである。
【0021】
本発明によれば、1組の反応部と水回収部により反応部で生成された水分を都度に水回収部で除湿することができ一定の湿度に保つことができる燃料電池が得られる。
また、他の手段は、第1反応ガスを流通するための溝状の第1反応ガス流路が形成された導電性の第1セパレータと、第1反応ガスを流通するための溝状の加湿流路、及び、第2反応ガスを流通するための溝状の第2反応ガス流路が形成された導電性の第2セパレータと、をさらに有しており、反応部及び水回収部は、第1セパレータ及び第2セパレータの間に配置されており、第1セパレータ及び第2セパレータは、第1反応ガスの供給するための第1反応ガス供給孔と、第1反応ガスの排出するための第1反応ガス排出孔と、第2反応ガスの供給するための第2反応ガス供給孔と、第2反応ガスの排出するための第2反応ガス排出孔と、を有し、第1反応ガス供給孔及び第1反応ガス移行流路は、加湿流路によって繋がっており、第1反応ガス移行流路及び第1反応ガス排出孔は、第1反応ガス流路によって繋がっており、第2反応ガス供給孔及び第2反応ガス排出孔は、第2反応ガス流路によって繋がっていることを特徴とするものである。
【0022】
【発明の実施の形態】
本発明は、燃料および酸化剤となるガスの電気化学反応によって発電を行うセルを備えた燃料電池において、前記セル内で発電反応によって生成した水分を前記セルに供給する前記ガスに回収する水回収部を設けたものであり、セルに送るガスの加湿装置を別途に必要とせず加湿されたガスを発電を行う反応部に送ることができ、加湿のために燃料電池に外部から給水を不用とし、水の気化のために燃料電池の反応熱を用いることなくコージェネレーションシステムなどに有効利用でき、セル内に形成されるため水回収部での結露を防ぐという作用を有する。また、セル内で発電反応の途中で反応によって生成した水分を燃料および酸化剤となるガスへと回収する水回収部を設けたものであり、反応により生成した水分により加湿過多になったガスを除湿することができ、安定した湿度にガスを維持することができるという作用を有する。また、発電反応を行う反応部と、反応により生成した水分を供給される空気に回収するための水回収部が同一面上に設けられたものであり、簡単に反応部と水回収部一体化でき、反応部と水回収部が連続に設けらるためガスの分流が一度で済み、セルの厚さを変えることがないという作用を有する。また、酸化剤の流れるカソード流路または燃料の流れるアノード流路は発電反応部と水回収部を1度以上往復するものであり、カソード流路またはアノード流路を延長することで反応部で生成した水分を水回収部で除湿するという流路構成を容易に形成できるという作用を有する。また、酸化剤の流れるカソード流路または燃料の流れるアノード流路は発電反応部と水回収部の間を往復する様に折れ曲り部を一つ以上の設けたものであり、カソード流路またはアノード流路をつづら折にすることにより反応部と水回収部の間を容易に往復して酸化剤または燃料を発電反応と除湿が繰り返されて湿度を一定に保つことができるという作用を有する。また、酸化剤の流れるカソード流路または燃料の流れるアノード流路は始めに発電水回収部を通った後に反応部を通るものであり、発電反応前の酸化剤または燃料を必ず加湿できるという作用を有する。また、酸化剤の流れるカソード流路または燃料の流れるアノード流路は最後に水回収部を通るものであり、発電反応が終わった酸化剤または燃料の湿度が最も高いため、供給する空気を効率よく加湿できるという作用を有する。
【0023】
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。なお、従来例と同一のものは同一番号を付し、その詳細な説明を省略する。また、実施例においては説明を解りやすくするため、燃料は水素を含むガス、酸化剤は空気の場合について説明する。
【0024】
【実施例】
(実施例1)
図1および図2に示すように、電解質部101には発電を行う部分である反応部1と水回収部2が設けられ、反応部1および水回収部2の周辺はシール3で囲まれてある。水回収部2は透湿膜として固体高分子電解質膜102が配されたものでガス不透過性を有し水の移動を行うものである。また、反応部1は固体高分子電解質膜102の両側に導電性のある触媒を塗布した拡散層103を配したものである。そして、電解質部101の一方に溝状の酸化剤流路4が形成された導電性の酸化剤セパレータ5を配し、他方に溝状の燃料流路6および加湿流路7が形成された導電性の燃料セパレータ8を配する。酸化剤流路4、燃料流路6および加湿流路7は溝状の流路である。また、電解質部には加湿流路7と酸化剤流路4を繋ぐ酸化剤移行流路9が備えてある。
【0025】
次に、図3に示すように電解質部101を酸化剤セパレータ5と燃料セパレータ8で挟みつけて構成された単セル10a〜10jを集電板A110と集電板B111の間に積層し、これを絶縁板A112と絶縁板B113で挟み、その両端を更に端板A114と端板B115で挟みつけ積層体11を構成する。そして、図4に示すように積層体11の積層方向には端板A114から積層方向他端の集電板B111まで貫通するよう酸化剤ガス供給ヘッダー119と、酸化剤ガス排出ヘッダー120と、燃料ガス供給ヘッダー117と、燃料ガス排出ヘッダー118が設けてある。
【0026】
燃料及び酸化剤の流れる流路を図5および図6に示す、酸化剤ガス供給ヘッダー119と酸化剤移行流路9は燃料セパレータ8の加湿流路7により繋がり、酸化剤移行流路9と酸化剤ガス排出ヘッダー120は酸化剤流路4により繋がり、酸化剤が酸化剤ガス供給ヘッダー119から加湿流路7により水回収部2を通って酸化剤移行流路9に入り、酸化剤移行流路9から酸化剤流路4により反応部1および水回収部2を通って酸化剤ガス排出ヘッダー120に流れるよう備えてあり、酸化剤ガス供給ヘッダー119から入った酸化剤は水回収部2で反対面を流れる酸化剤に含まれる蒸気により加湿され酸化剤移行流路9に流れ、酸化剤移行流路9より入った酸化剤が反応部1で発電反応を起こした後に水回収部2の反対面を流れる酸化剤により除湿され、再び反応部1で発電反応を起こした後に水回収部2の反対面を流れる酸化剤により除湿される。また、燃料ガス供給ヘッダー117と燃料ガス排出ヘッダー118は酸化剤セパレータ5の燃料流路6により繋がり、燃料が燃料ガス供給ヘッダー117から燃料流路6により反応部1を通り燃料ガス排出ヘッダー118に入るよう備えてある。
【0027】
そして、単セルを図7に示すように、酸化剤ガス供給ヘッダー119により各単セルに供給された酸化剤は燃料セパレータ8上に設けられた加湿流路7に流入し、水回収部2で固体高分子電解質膜102を介して裏の面を流れる酸化剤中の水分により加湿された後に酸化剤移行流路9を通り、反対の面の酸化剤セパレータ5上の酸化剤流路4に流れる。酸化剤流路4を流れる酸化剤は反応部1に流入し発電反応が起きた後に水回収部2に流入し生成した蒸気が他方の面の酸化剤に移動することにより除湿され、再び反応部1に流入し発電反応が起きた後に水回収部2で同様に除湿され、酸化剤ガス排出ヘッダー120へ流入して燃料電池外部へと排出される。一方、燃料ガス供給ヘッダー117により供給された燃料は燃料セパレータ8上に設けられた燃料流路6により反応部1を流れ、他方の面を流れる酸化剤と発電反応が起き、燃料ガス排出ヘッダー118に流入し燃料電池外部へと排出される。
【0028】
この様に、燃料電池に供給される酸化剤は外部から水分を供給することなく、発電反応を起こした酸化剤に含まれる生成した水分を水回収部2により供給される酸化剤へと移動させることで加湿し発電反応に必要な水分を固体高分子電解質膜102へ供給する。また、発電反応が進むにつれ発生した水分は酸化剤流路4を流れる酸化剤の湿度を上昇させて結露するが、反応部1と水回収部2を交互に通過することにより発電反応と除湿を繰り返すため結露を生じない。そのため、燃料に含まれる水分が酸化剤流路4上で結露による水滴または水滴のブリッジが流路を閉塞し酸化剤不足などの原因で起きる電圧低下を防止し、燃料電池を安定して運転することが可能となることに加え、流れが妨げられることによる圧力損失の増大を防止することが可能となる。また、加湿器および接続管内でガスの温度が低下することにより結露が生じていたが、セル内に水回収部2を設けることで反応部1が発電時に発生する熱により水回収部2は反応部1とほぼ同温度になるため、水回収部2での結露による圧力損失の増大を防止することができ、ガスを供給する供給機器の動力の低減と反応部1への高湿度のガスの最適な供給が可能となる。また、従来の方法では燃料電池の酸素の利用率を40%、セルの温度を70℃とする場合、発電反応により空気中の露点温度が運転温度を超えると結露が発生して運転に支障をきたすため、結露を起こさない供給空気の露点温度は約60℃以下となる。しかし、空気温度が70℃のときの露点温度の約60℃は相対湿度では約64%と低い。固体高分子電解質膜102を保湿するためには高湿度が望ましく、本実施例の燃料電池では反応途中で除湿する構成とすることよって、高湿度の空気を供給しながら反応途中で発生した水分を除湿することにより水分が結露することを防止した発電反応が可能となるため、発電効率が上がり製品寿命が長することが可能となる。
【0029】
なお、本実施例においては反応後の酸化剤に含まれる水分を供給する酸化剤に回収する構造としたが、反応後の酸化剤に含まれる水分を供給する燃料に回収する構造でも良く、または、反応後の燃料に含まれる水分を供給する燃料または酸化剤に回収する構造でも良く、さらに、反応後の燃料と酸化剤の一方または両者に含まれる水分を供給する酸化剤と燃料に回収する構造でも良く、その作用効果に差異を生じない。また、本実施例では単セルを構成する部材は全て平面上に構成したが曲面を有する部材で構成しても良く、その作用効果に差異を生じない。
【0030】
【発明の効果】
以上の実施例から明らかなように、本発明によればセル内に発電を行う反応部と発電反応により生成した水分で供給するガスを加湿する水回収部を設けることにより、加湿器を別途に設ける必要が無く、加湿のために燃料電池に外部から給水を不用とすると共に水の気化のために燃料電池の反応熱を用いることなくコージェネレーションシステムなどに有効利用できるという効果のある燃料電池を提供できる。
【0031】
また、水回収部を反応部と同一セル内に設けることにより反応部が発電反応により生じる熱により水回収部が反応部とほぼ同一温度で保持されるため、水回収部における結露を防止でき圧力損失の増大による供給動力の増大や、ガスの流れが不安定になることを防止することができる効果のある燃料電池を提供できる。
【0032】
また、反応部で生成した水分を水回収部で反応途中に除湿することにより反応部の初めから高湿度の燃料または酸化剤を供給することができ、酸化剤または燃料が流れる流路内で結露することなく一定の範囲で高い湿度が保持されるため、発電効率が上がり製品寿命が長く安定した発電反応ができる効果のある燃料電池を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1における電解質部の説明図
【図2】実施例1におけるセルの反応部の断面図
【図3】実施例1におけるセルの水回収部の断面図
【図4】実施例1における積層体の斜視図
【図5】実施例1における燃料セパレータの説明図
【図6】実施例1における酸化剤セパレータの説明図
【図7】実施例1における燃料および酸化剤の経路の模式図
【図8】従来例におけるセルの断面図
【図9】従来例における積層体の斜視図
【図10】従来例における燃料ガスセパレータの説明図
【図11】従来例における酸化剤ガスセパレータの説明図
【符号の説明】
1 反応部
2 水回収部
4 酸化剤流路
6 燃料流路
7 加湿流路
9 酸化剤移行流路
10 セル
101 電解質部
102 固体子分子電解質膜
103 拡散層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell that generates power by an electrochemical reaction, and more particularly to a cell structure for adjusting the humidity of a gas that performs a power generation reaction.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of fuel cell, one described in JP-A-6-132038 has been known. Hereinafter, a conventional fuel cell will be described mainly with reference to FIGS. 8, 9, 10 and 11. FIG. For ease of explanation, the case where the fuel is hydrogen and the oxidant is air will be described.
[0003]
As shown in FIG. 8, the
[0004]
Next, as shown in FIG. 9, single cells 109a to 109j configured by sandwiching the
[0005]
Next, the operation will be described. Hydrogen fed from the fuel
[0006]
At this time, hydrogen flowing through the fuel
[0007]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Laid-Open No. 6-132038 (
[Patent Document 2]
JP-A-6-68896 (page 3-4, Fig. 1-3)
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In such a conventional fuel cell, since the solid polymer electrolyte membrane cannot contain sufficient moisture, a method of supplying moisture into the fuel cell by humidifying the supplied fuel or oxidant is generally used. In addition, a separate humidifier such as bubbling or water spray is required, which has been a factor in increasing costs. In addition, when the fuel cell and the humidifier are installed separately, the fluid to be humidified causes pressure loss due to a complicated flow path that repeats diversion and merging in and between the humidifier and the main body of the fuel cell, There is a problem that the power of a gas supply device for supplying gas to the fuel cell becomes large, and a fuel cell capable of a simple configuration and a system configuration with low pressure loss is required.
[0009]
Further, when humidified gas is supplied to the fuel cell, moisture generated by the power generation reaction in the fuel cell main body condenses inside the fuel cell and closes the flow path. In addition, since the gas flowing in the fuel cell generates moisture due to the power generation reaction, the humidity differs between the upstream and downstream sides of the flow path, and the moisture distribution is uneven in the electrolyte section. There is a problem of becoming stable, and there is a demand for a fuel cell that prevents condensation due to moisture generated by a power generation reaction in the cell and maintains a uniform humidity.
[0010]
In addition, as in the fuel cell described in Japanese Patent Laid-Open No. 6-68896, the fuel gas separator and oxidant gas separator constituting the single cell and the electrolyte part are extended by a predetermined length at both ends, and the extended part is transmitted. As a membrane, a fuel gas humidification part is provided in one extension part, and an oxidant gas humidification part is provided in the other extension part. In each gas humidification part, the gas flow path formed in one gas separator and the other gas A method has been proposed in which the water supply passage configured in the separator is brought into contact with the electrolyte portion interposed therebetween, and humidification is performed by transferring moisture from the water supply passage to the gas flowing in the gas flow path on the other gas separator. However, in such a configuration, it is necessary to supply moisture from the outside in order to humidify the gas supplied to the fuel cell, and the reaction heat generated when the fuel cell generates power is reduced. When a fuel cell is used in a cogeneration system that collects water by rejected water and supplies it to equipment that uses external heat, the heat efficiency of the entire system is reduced by removing heat when water evaporates. There was a problem.
[0011]
The present invention solves such a conventional problem, and it is not necessary to provide a separate humidifier or the like when operating the fuel cell, reduces pressure loss due to shunting, etc., and depends on moisture generated by the power generation reaction. It is an object of the present invention to provide a fuel cell capable of maintaining stable operation and power generation efficiency of the fuel cell by preventing the blockage of the flow path and maintaining uniform humidity.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the fuel cell of the present invention includes a cell that generates power by an electrochemical reaction between a first reaction gas that is one of fuel and oxidant and a second reaction gas that is the other of fuel and oxidant. A solid polymer electrolyte fuel cell having a diffusion layer provided with a catalyst on both sides of a solid polymer electrolyte membrane, and a reaction part for performing a power generation reaction, disposed on the same surface as the reaction part, A water recovery unit that moves moisture through the membrane, a first reaction gas channel for flowing the first reaction gas through one surface of the reaction unit and the water recovery unit, and a second reaction gas on the other side of the reaction unit. A polymer electrolyte membrane includes a second reaction gas channel for flowing the reaction gas, a humidification channel for flowing the first reaction gas to the other surface of the water recovery unit, and the first reaction gas channel and the humidification channel. A first reactive gas transition flow path connected via a first reactive gas flowing through the humidified flow path Is flowed to the first reaction gas channel through the first reaction gas transfer channel after being humidified by the water recovery unit, and the first reaction gas flowing through the first reaction gas channel is water generated by the power generation reaction in the reaction unit. It is characterized in that it is dehumidified in the water recovery unit after it is generated .
[0013]
According to the present invention, a separate humidifier is not required, water supply to the fuel cell for humidification and reaction heat of the fuel cell are not required, so heat can be effectively used in a cogeneration system and the like. The water recovery unit is kept warm by the heat generated when the unit performs a power generation reaction, so that the humidification capacity can be improved and condensation can be prevented. Thus, a fuel cell capable of reducing the power loss of the gas supply device while suppressing the pressure loss due to is obtained.
[0014]
Another means is to use the same material by using an ion exchange membrane used in the reaction section for generating power of the fuel cell as a moisture permeable membrane in the water recovery section.
[0015]
According to the present invention, it is possible to obtain a fuel cell in which the configuration of the cell is simplified and the cost can be reduced in materials and production.
[0018]
Further, the other means is that the first reaction gas channel includes a path that alternately flows through the reaction unit and the water recovery unit, and the first reaction gas that flows through the first reaction gas channel is generated by a power generation reaction in the reaction unit. It is characterized in that generation of moisture and dehumidification in the water recovery unit are alternately repeated .
[0019]
According to the present invention, the moisture generated by the power generation reaction is dehumidified in the middle of the reaction, so that the fuel can be generated by the fuel or the oxidant without condensation while being highly humid throughout the reaction part. A battery is obtained.
[0020]
Another means is that the first reaction gas flowing through the first reaction gas channel is dehumidified by the water recovery unit after the generation of moisture by the power generation reaction in the reaction unit, flows into the reaction unit again, and generates power in the reaction unit. It is characterized in that it is dehumidified in the water recovery unit after the generation of water by the reaction .
[0021]
According to the present invention, it is possible to obtain a fuel cell in which moisture generated in the reaction part by the pair of reaction part and water recovery part can be dehumidified by the water recovery part each time and kept at a constant humidity.
In addition, the other means includes a conductive first separator in which a groove-shaped first reaction gas channel for flowing the first reaction gas is formed, and a groove-shaped humidification for flowing the first reaction gas. And a conductive second separator formed with a channel-shaped second reaction gas channel for circulating the second reaction gas, and the reaction unit and the water recovery unit are The first separator and the second separator are disposed between the first separator and the second separator, and the first separator and the second separator are for supplying a first reaction gas and for discharging the first reaction gas. The first reaction gas has a first reaction gas discharge hole, a second reaction gas supply hole for supplying the second reaction gas, and a second reaction gas discharge hole for discharging the second reaction gas. The supply hole and the first reaction gas transfer channel are connected by a humidification channel, and the first reaction gas transfer channel is connected. And the first reaction gas discharge hole is connected by a first reaction gas flow path, and the second reaction gas supply hole and the second reaction gas discharge hole are connected by a second reaction gas flow path. Is.
[0022]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention relates to a fuel cell including a cell that generates power by an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant gas, and recovers the water generated by the power generation reaction in the cell to the gas supplied to the cell. It is possible to send the humidified gas to the reaction unit that generates power without the need for a humidifier for the gas to be sent to the cell, and the fuel cell does not require external water supply for humidification. It can be effectively used in a cogeneration system or the like without using the reaction heat of the fuel cell for water vaporization, and has the effect of preventing dew condensation in the water recovery part because it is formed in the cell. In addition, a water recovery unit is provided that recovers the moisture generated by the reaction in the middle of the power generation reaction in the cell into a gas that becomes a fuel and an oxidant, and the gas that has become excessively humidified by the moisture generated by the reaction. It can be dehumidified and has the effect of maintaining gas at a stable humidity. In addition, the reaction part that performs the power generation reaction and the water recovery part for recovering the water generated by the reaction to the supplied air are provided on the same surface, and the reaction part and the water recovery part are easily integrated. In addition, since the reaction part and the water recovery part are continuously provided, the gas can be divided once, and the thickness of the cell is not changed. In addition, the cathode flow path through which the oxidant flows or the anode flow path through which the fuel flows is generated by the reaction section by reciprocating the power generation reaction section and the water recovery section at least once. It has the effect that the flow path configuration of dehumidifying the water that has been removed by the water recovery unit can be easily formed. Further, the cathode flow path through which the oxidant flows or the anode flow path through which the fuel flows is provided with one or more bent portions so as to reciprocate between the power generation reaction section and the water recovery section. By bending the flow path, it is possible to easily reciprocate between the reaction part and the water recovery part to repeat the power generation reaction and dehumidification of the oxidant or fuel to keep the humidity constant. In addition, the cathode flow path through which the oxidant flows or the anode flow path through which the fuel flows first passes through the reaction section after passing through the power generation water recovery section, so that the oxidant or fuel before the power generation reaction can be always humidified. Have. In addition, the cathode flow path through which the oxidant flows or the anode flow path through which the fuel flows lastly passes through the water recovery unit, and since the humidity of the oxidant or fuel after the power generation reaction is highest, the supplied air is efficiently supplied. Has the effect of being humidified.
[0023]
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the same number is attached | subjected to the same thing as a prior art example, and the detailed description is abbreviate | omitted. Further, in the embodiment, for easy understanding, a case where the fuel is a gas containing hydrogen and the oxidant is air will be described.
[0024]
【Example】
Example 1
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
[0025]
Next, as shown in FIG. 3, the
[0026]
The flow path for the fuel and the oxidant is shown in FIGS. 5 and 6. The oxidant
[0027]
Then, as shown in FIG. 7, the oxidant supplied to each single cell by the oxidant
[0028]
In this way, the oxidant supplied to the fuel cell moves the generated water contained in the oxidant that has caused the power generation reaction to the oxidant supplied by the
[0029]
In the present embodiment, the structure is such that the moisture contained in the oxidant after the reaction is recovered to supply the oxidant, but the structure may be such that the moisture contained in the oxidant after the reaction is recovered in the fuel that is supplied, or Further, the structure may be such that the moisture contained in the fuel after the reaction is recovered to the fuel or the oxidant, and further the oxidant and the fuel that supply the moisture contained in one or both of the fuel and the oxidant after the reaction are recovered. It may be a structure and does not make a difference in its effects. Further, in this embodiment, all the members constituting the single cell are formed on a plane, but may be formed of a member having a curved surface, and there is no difference in the operation and effect.
[0030]
【The invention's effect】
As is clear from the above embodiments, according to the present invention, a humidifier is separately provided by providing a reaction unit for generating power and a water recovery unit for humidifying a gas supplied with moisture generated by the power generation reaction in the cell. There is no need to provide a fuel cell that can be effectively used in a cogeneration system or the like without using water supply from the outside for humidification and without using the reaction heat of the fuel cell for water vaporization. Can be provided.
[0031]
In addition, by providing the water recovery unit in the same cell as the reaction unit, the reaction unit is kept at almost the same temperature as the reaction unit by the heat generated by the power generation reaction. An effective fuel cell capable of preventing an increase in supply power due to an increase in loss and an unstable gas flow can be provided.
[0032]
In addition, by dehumidifying the water generated in the reaction unit during the reaction in the water recovery unit, high-humidity fuel or oxidant can be supplied from the beginning of the reaction unit, and dew condensation occurs in the flow path through which the oxidant or fuel flows. Therefore, since the high humidity is maintained within a certain range, it is possible to provide a fuel cell that has an effect of improving the power generation efficiency and having a long product life and a stable power generation reaction.
[Brief description of the drawings]
1 is an explanatory view of an electrolyte part in Example 1. FIG. 2 is a cross-sectional view of a reaction part of a cell in Example 1. FIG. 3 is a cross-sectional view of a water recovery part of a cell in Example 1. FIG. 5 is an explanatory diagram of a fuel separator in Example 1. FIG. 6 is an explanatory diagram of an oxidant separator in Example 1. FIG. 7 is a schematic diagram of fuel and oxidant paths in Example 1. FIG. 8 is a sectional view of a cell in a conventional example. FIG. 9 is a perspective view of a laminate in a conventional example. FIG. 10 is an explanatory diagram of a fuel gas separator in a conventional example. Figure [Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (4)
固体高分子電解質膜の両面に触媒を設けた拡散層を有し、発電反応を行う反応部と、
前記反応部と同一面上に配置され、固体高分子電解質膜を介して水分の移動を行う水回収部と、
前記反応部及び前記水回収部の一方の面に前記第1反応ガスを流すための第1反応ガス流路と、
前記反応部の他方の面に前記第2反応ガスを流すための第2反応ガス流路と、
前記水回収部の他方の面に前記第1反応ガスを流すための加湿流路と、
前記第1反応ガス流路及び前記加湿流路を前記高分子電解質膜を介して連結する第1反応ガス移行流路と、を備え、
前記加湿流路を流れる前記第1反応ガスは、前記水回収部で加湿された後に前記第1反応ガス移行流路を通り前記第1反応ガス流路へ流れ、前記第1反応ガス流路を流れる前記第1反応ガスは、前記反応部での発電反応による水分発生後に前記水回収部で除湿されることを特徴とする固体高分子型燃料電池。In a polymer electrolyte fuel cell including a cell that generates power by an electrochemical reaction between a first reaction gas that is one of fuel and an oxidant and a second reaction gas that is the other of a fuel and an oxidant,
A reaction part having a diffusion layer provided with a catalyst on both sides of the solid polymer electrolyte membrane, and performing a power generation reaction;
A water recovery unit that is disposed on the same plane as the reaction unit and moves moisture through the solid polymer electrolyte membrane;
A first reaction gas flow path for flowing the first reaction gas through one surface of the reaction unit and the water recovery unit;
A second reaction gas flow path for flowing the second reaction gas to the other surface of the reaction section;
A humidifying channel for flowing the first reaction gas to the other surface of the water recovery unit;
A first reaction gas transition channel that connects the first reaction gas channel and the humidification channel via the polymer electrolyte membrane,
The first reaction gas flowing through the humidification channel flows through the first reaction gas transfer channel to the first reaction gas channel after being humidified by the water recovery unit, and passes through the first reaction gas channel. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1, wherein the flowing first reactive gas is dehumidified by the water recovery unit after moisture is generated by a power generation reaction in the reaction unit.
前記第1反応ガス流路を流れる前記第1反応ガスは、前記反応部での発電反応による水分の発生と前記水回収部での除湿を交互に繰り返すことを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。 The first reaction gas channel includes a path that alternately flows through the reaction unit and the water recovery unit,
Wherein the first reaction gas flowing through the first reactant gas channel is according to claim 1, characterized in that alternating dehumidified in generation and the water recovery portion of the water by the power generation reaction in the reaction unit Solid polymer fuel cell.
第1反応ガスを流通するための溝状の加湿流路、及び、第2反応ガスを流通するための
溝状の第2反応ガス流路が形成された導電性の第2セパレータと、
をさらに有しており、
前記反応部及び前記水回収部は、前記第1セパレータ及び前記第2セパレータの間に配置されており、
前記第1セパレータ及び前記第2セパレータは、
前記第1反応ガスの供給するための第1反応ガス供給孔と、
前記第1反応ガスの排出するための第1反応ガス排出孔と、
前記第2反応ガスの供給するための第2反応ガス供給孔と、
前記第2反応ガスの排出するための第2反応ガス排出孔と、を有し、
前記第1反応ガス供給孔及び前記第1反応ガス移行流路は、前記加湿流路によって繋がっており、
前記第1反応ガス移行流路及び前記第1反応ガス排出孔は、前記第1反応ガス流路によって繋がっており、
前記第2反応ガス供給孔及び前記第2反応ガス排出孔は、前記第2反応ガス流路によって繋がっていることを特徴とする請求項1に記載の固体高分子型燃料電池。 A conductive first separator formed with a groove-shaped first reaction gas channel for flowing the first reaction gas;
A grooved humidification channel for circulating the first reaction gas, and a channel for circulating the second reaction gas
A conductive second separator formed with a groove-shaped second reaction gas flow path;
And
The reaction part and the water recovery part are arranged between the first separator and the second separator,
The first separator and the second separator are:
A first reaction gas supply hole for supplying the first reaction gas;
A first reactive gas discharge hole for discharging the first reactive gas;
A second reaction gas supply hole for supplying the second reaction gas;
A second reaction gas discharge hole for discharging the second reaction gas,
The first reaction gas supply hole and the first reaction gas transfer channel are connected by the humidification channel,
The first reaction gas transfer channel and the first reaction gas discharge hole are connected by the first reaction gas channel,
2. The polymer electrolyte fuel cell according to claim 1 , wherein the second reactive gas supply hole and the second reactive gas discharge hole are connected by the second reactive gas flow path .
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003082416A JP4599804B2 (en) | 2003-03-25 | 2003-03-25 | Fuel cell |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003082416A JP4599804B2 (en) | 2003-03-25 | 2003-03-25 | Fuel cell |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004288583A JP2004288583A (en) | 2004-10-14 |
JP4599804B2 true JP4599804B2 (en) | 2010-12-15 |
Family
ID=33295715
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003082416A Expired - Fee Related JP4599804B2 (en) | 2003-03-25 | 2003-03-25 | Fuel cell |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4599804B2 (en) |
Families Citing this family (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2007125751A1 (en) | 2006-04-24 | 2007-11-08 | Panasonic Corporation | Mea member, and polyelectrolyte fuel cell |
JP2007329009A (en) * | 2006-06-07 | 2007-12-20 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | Solid polymer electrolyte fuel cell |
JP2008198385A (en) * | 2007-02-08 | 2008-08-28 | Sharp Corp | Fuel cell |
JP5470698B2 (en) * | 2007-11-29 | 2014-04-16 | 日産自動車株式会社 | Operation control apparatus and operation control method for fuel cell system |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000277128A (en) * | 1999-03-24 | 2000-10-06 | Sanyo Electric Co Ltd | Solid polymer type fuel cell |
JP2002008679A (en) * | 2000-06-19 | 2002-01-11 | Suzuki Motor Corp | Fuel cell |
JP2002025584A (en) * | 2000-07-04 | 2002-01-25 | Fuji Electric Co Ltd | Solid high polymer molecule electrolyte fuel cell and its humidifying method |
JP2003288923A (en) * | 2002-03-28 | 2003-10-10 | Matsushita Ecology Systems Co Ltd | Fuel cell |
-
2003
- 2003-03-25 JP JP2003082416A patent/JP4599804B2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2000277128A (en) * | 1999-03-24 | 2000-10-06 | Sanyo Electric Co Ltd | Solid polymer type fuel cell |
JP2002008679A (en) * | 2000-06-19 | 2002-01-11 | Suzuki Motor Corp | Fuel cell |
JP2002025584A (en) * | 2000-07-04 | 2002-01-25 | Fuji Electric Co Ltd | Solid high polymer molecule electrolyte fuel cell and its humidifying method |
JP2003288923A (en) * | 2002-03-28 | 2003-10-10 | Matsushita Ecology Systems Co Ltd | Fuel cell |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004288583A (en) | 2004-10-14 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP6660472B2 (en) | Humidifier with integrated water separator for fuel cell system, fuel cell system and vehicle with the same | |
EP1365466B1 (en) | Method and apparatus for distributing water to an ion-exchange membrane in a fuel cell | |
JP3382708B2 (en) | Gas separator for solid polymer electrolyte fuel cells | |
JP4037698B2 (en) | Solid polymer cell assembly | |
JP5076343B2 (en) | Fuel cell separator and fuel cell | |
WO1995025357A1 (en) | Electrochemical fuel cell stack with humidification section located upstream from the electrochemically active section | |
JP3559693B2 (en) | Solid polymer electrolyte fuel cell | |
JPH09283162A (en) | Solid high molecular fuel cell | |
JP2002170584A (en) | Solid polymer type fuel battery | |
US7727660B2 (en) | Modified fuel cells with internal humidification and/or temperature control systems | |
US20080217795A1 (en) | Humidifier device for fuel cell | |
JP4612977B2 (en) | Fuel cell stack and reaction gas supply method thereof | |
JP4599804B2 (en) | Fuel cell | |
JPH0689730A (en) | Fuel cell with high polymer solid electrolyte | |
JP2000277128A (en) | Solid polymer type fuel cell | |
JPH06119931A (en) | Device of humidifying system for fuel cell | |
JP4085668B2 (en) | Fuel cell | |
JP2007234314A (en) | Fuel cell system | |
JP3921936B2 (en) | Fuel cell gas flow path | |
JPH0668886A (en) | Cell structure of solid polymer electrolytic fuel cell | |
EP2277224A1 (en) | Separator plate configuration for a fuel cell | |
JP4886128B2 (en) | Fuel cell stack | |
JP4454352B2 (en) | Total heat exchanger | |
WO2005055333A2 (en) | Cathode saturation arrangement for fuel cell power plant | |
JP5208489B2 (en) | Fuel cell stack |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20050912 |
|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20051013 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20080527 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20080617 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080818 |
|
RD01 | Notification of change of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7421 Effective date: 20091119 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20091124 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20091217 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20100831 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20100913 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131008 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20131008 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |