JPH0547394A - 固体高分子電解質型燃料電池およびその運転方法 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池およびその運転方法Info
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- JPH0547394A JPH0547394A JP3198136A JP19813691A JPH0547394A JP H0547394 A JPH0547394 A JP H0547394A JP 3198136 A JP3198136 A JP 3198136A JP 19813691 A JP19813691 A JP 19813691A JP H0547394 A JPH0547394 A JP H0547394A
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- solid polymer
- polymer electrolyte
- cell
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- 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
-
- 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
Abstract
(57)【要約】
【目的】固体高分子電解質の含水量を一定に保ち安定し
た電池の運転を可能にする。 【構成】セルと、水分量調整手段と、含水量検出手段と
を有し、セルは、所定量の水を含む固体高分子を電解質
として用い、燃料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスの供給
により発電するものであり、水分量調整手段は制御信号
に基づいて前記供給用反応ガス中の水分量を調節するも
のであり、含水量検出手段は前記固体高分子電解質の含
水量を検出して水分量調整手段を制御するものである。
た電池の運転を可能にする。 【構成】セルと、水分量調整手段と、含水量検出手段と
を有し、セルは、所定量の水を含む固体高分子を電解質
として用い、燃料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスの供給
により発電するものであり、水分量調整手段は制御信号
に基づいて前記供給用反応ガス中の水分量を調節するも
のであり、含水量検出手段は前記固体高分子電解質の含
水量を検出して水分量調整手段を制御するものである。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は固体高分子電解質型燃
料電池およびその運転方法に係り、特に固体高分子電解
質の含水量を最適状態に保持する固体高分子電解質型燃
料電池およびその運転方法に関する。
料電池およびその運転方法に係り、特に固体高分子電解
質の含水量を最適状態に保持する固体高分子電解質型燃
料電池およびその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は固体高分
子電解質膜の二つの主面にそれぞれアノードまたはカソ
ードおよび電極基材を配して形成される。アノードまた
はカソードの各電極は固体高分子電解質膜と電極基材と
により挟まれる。固体高分子電解質膜はスルホン酸基を
持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性
膜として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸とポ
リビニリデンフロライドの混合膜、あるいはフロロカー
ボンマトリックスにトリフロロエチレンをグラフト化し
たものなどが知られているが最近ではパーフロロカーボ
ンスルホン酸膜を用いて燃料電池の長寿命化を図ったも
のが知られるに至った。
子電解質膜の二つの主面にそれぞれアノードまたはカソ
ードおよび電極基材を配して形成される。アノードまた
はカソードの各電極は固体高分子電解質膜と電極基材と
により挟まれる。固体高分子電解質膜はスルホン酸基を
持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性
膜として使用したもの、フロロカーボンスルホン酸とポ
リビニリデンフロライドの混合膜、あるいはフロロカー
ボンマトリックスにトリフロロエチレンをグラフト化し
たものなどが知られているが最近ではパーフロロカーボ
ンスルホン酸膜を用いて燃料電池の長寿命化を図ったも
のが知られるに至った。
【０００３】固体高分子電解質膜は分子中にプロトン
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノードまたはカソードの電極において
は三相界面が形成され電気化学反応が起こる。
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノードまたはカソードの電極において
は三相界面が形成され電気化学反応が起こる。
【０００４】アノードでは（１）式の反応が起きる。 Ｈ2 ＝２Ｈ+ ＋２ｅ （１） カソードでは（２）式の反応が起こる。 １／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ＝Ｈ2 Ｏ （２）
【０００５】つまりアノードにおいては系の外部より供
給された水素がプロトンと電子を生成する。生成したプ
ロトンはイオン交換膜中をカソードにむかって移動し電
子は外部回路を通ってカソードに移動する。一方カソー
ドにおいては系の外部より供給された酸素とイオン交換
膜中をアノードより移動してきたプロトンと外部回路よ
り移動してきた電子が反応し、水を生成する。
給された水素がプロトンと電子を生成する。生成したプ
ロトンはイオン交換膜中をカソードにむかって移動し電
子は外部回路を通ってカソードに移動する。一方カソー
ドにおいては系の外部より供給された酸素とイオン交換
膜中をアノードより移動してきたプロトンと外部回路よ
り移動してきた電子が反応し、水を生成する。
【０００６】このような固体高分子電解質型燃料電池に
おいてはプロトンがアノードよりカソードに向かってイ
オン交換膜中を移動する際に水和の状態で移動するため
アノード近傍では含水量が減少しイオン交換膜が乾いて
くる。そのためにアノード近傍では水を供給しないとプ
ロトンの移動が困難になる。また酸化剤として空気を用
いる場合は理論消費量の数倍の空気を送るためイオン交
換膜中の水分が空気に持ち出されそのために膜が乾いて
くる。このために従来は適量と計算される一定量の水蒸
気を燃料ガスおよぴ／または酸化剤ガス中に混入して電
池に送り込む方法を採用している。
おいてはプロトンがアノードよりカソードに向かってイ
オン交換膜中を移動する際に水和の状態で移動するため
アノード近傍では含水量が減少しイオン交換膜が乾いて
くる。そのためにアノード近傍では水を供給しないとプ
ロトンの移動が困難になる。また酸化剤として空気を用
いる場合は理論消費量の数倍の空気を送るためイオン交
換膜中の水分が空気に持ち出されそのために膜が乾いて
くる。このために従来は適量と計算される一定量の水蒸
気を燃料ガスおよぴ／または酸化剤ガス中に混入して電
池に送り込む方法を採用している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上述の従
来の方法にあっては水蒸気量を完全に適量に制御するこ
とは困難で長時間の運転後には膜は過剰の加湿状態にな
るかまたは乾燥状態となり電池性能が低下するという問
題があった。過剰の加湿状態では膜のみならず電極も濡
れてしまいガスの拡散が阻害され又乾燥状態になると膜
の電気抵抗が上昇する。この発明は上述の点に鑑みてな
されその目的は反応ガス中の水分量を最適値に維持する
ことにより長時間にわたり電池性能が安定した固体高分
子電解質型燃料電池およびその運転方法を提供すること
にある。
来の方法にあっては水蒸気量を完全に適量に制御するこ
とは困難で長時間の運転後には膜は過剰の加湿状態にな
るかまたは乾燥状態となり電池性能が低下するという問
題があった。過剰の加湿状態では膜のみならず電極も濡
れてしまいガスの拡散が阻害され又乾燥状態になると膜
の電気抵抗が上昇する。この発明は上述の点に鑑みてな
されその目的は反応ガス中の水分量を最適値に維持する
ことにより長時間にわたり電池性能が安定した固体高分
子電解質型燃料電池およびその運転方法を提供すること
にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上述の目的は第一の発明
によればセルと、水分量調整手段と、含水量検出手段と
を有し、セルは、所定量の水を含む固体高分子を電解質
として用い、燃料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスの供給
により発電するものであり、水分量調整手段は制御信号
に基づいて前記供給される反応ガス中の水分量を調節す
るものであり、含水量検出手段は前記セル中固体高分子
電解質の含水量を検出し水分量調節手段を制御するもの
であるとすることにより達成される。
によればセルと、水分量調整手段と、含水量検出手段と
を有し、セルは、所定量の水を含む固体高分子を電解質
として用い、燃料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスの供給
により発電するものであり、水分量調整手段は制御信号
に基づいて前記供給される反応ガス中の水分量を調節す
るものであり、含水量検出手段は前記セル中固体高分子
電解質の含水量を検出し水分量調節手段を制御するもの
であるとすることにより達成される。
【０００９】また他の発明によれば、セルの電流電圧特
性が所定の特性となったときに固体高分子電解質の含水
量を含水量検出手段を用いて検出して水分調整の増加ま
たは減少の方向を決めるとともに水分量調整手段を操作
して供給用反応ガス中の水分量を調整し、セル固体高分
子電解質の含水量を最適に制御することにより達成され
る。
性が所定の特性となったときに固体高分子電解質の含水
量を含水量検出手段を用いて検出して水分調整の増加ま
たは減少の方向を決めるとともに水分量調整手段を操作
して供給用反応ガス中の水分量を調整し、セル固体高分
子電解質の含水量を最適に制御することにより達成され
る。
【００１０】
【作用】含水量検出手段の信号に基づいて水分量調整手
段を操作し固体高分子電解質の含水量を最適状態に維持
することができる。また固体高分子電解質が過剰湿潤の
状態または過剰乾燥の状態になりセルの電流電圧出力が
低下したときに水分量調整手段の動作を開始することが
できる。この際水分量を増加するかあるいは減少するか
を含水量検出手段が決める。このようにして固体高分子
電解質の含水量が最適値にフィードバック制御されるの
で固体高分子電解質型燃料電池は長時間にわたり安定し
た状態で運転される。
段を操作し固体高分子電解質の含水量を最適状態に維持
することができる。また固体高分子電解質が過剰湿潤の
状態または過剰乾燥の状態になりセルの電流電圧出力が
低下したときに水分量調整手段の動作を開始することが
できる。この際水分量を増加するかあるいは減少するか
を含水量検出手段が決める。このようにして固体高分子
電解質の含水量が最適値にフィードバック制御されるの
で固体高分子電解質型燃料電池は長時間にわたり安定し
た状態で運転される。
【００１１】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質
型燃料電池を示す配置図である。セル１への空気供給配
管２の途中に設けられた加湿器３をバイパスしてバイパ
ス管４を設け、このバイパス管４の途中に開閉弁５を設
ける。電導度計６は固体高分子電解質の電導度を測定す
る。
する。図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質
型燃料電池を示す配置図である。セル１への空気供給配
管２の途中に設けられた加湿器３をバイパスしてバイパ
ス管４を設け、このバイパス管４の途中に開閉弁５を設
ける。電導度計６は固体高分子電解質の電導度を測定す
る。
【００１２】コントローラ１５にはセルの電流電圧特性
と電導度計６の出力とが入力される。セルの起動時は弁
閉とし、加湿器３を通して空気をセル１に供給する。膜
は徐々に湿潤化し、それにつれて出力が上昇しセルは運
転可能な状態となる。加湿器による水分供給と負荷電流
の大きさにより、固体高分子電解質が過剰加湿の状態に
なると出力は徐々に低下し始め、ついには予め定めた電
流−電圧特性を下回る出力になる。この時電導度計は電
導度の増大を指示する。コントローラ１５はこの両者の
信号から供給用反応ガス中の水分加湿量を減少するべき
ことを決定する。開閉弁５は弁開となる。空気は圧力損
失の関係でバイパスを主に流れるようになり、乾燥した
空気がセル１に送られ、膜は徐々に乾燥し、それにつれ
て出力が上昇し正常な電流電圧特性となる。
と電導度計６の出力とが入力される。セルの起動時は弁
閉とし、加湿器３を通して空気をセル１に供給する。膜
は徐々に湿潤化し、それにつれて出力が上昇しセルは運
転可能な状態となる。加湿器による水分供給と負荷電流
の大きさにより、固体高分子電解質が過剰加湿の状態に
なると出力は徐々に低下し始め、ついには予め定めた電
流−電圧特性を下回る出力になる。この時電導度計は電
導度の増大を指示する。コントローラ１５はこの両者の
信号から供給用反応ガス中の水分加湿量を減少するべき
ことを決定する。開閉弁５は弁開となる。空気は圧力損
失の関係でバイパスを主に流れるようになり、乾燥した
空気がセル１に送られ、膜は徐々に乾燥し、それにつれ
て出力が上昇し正常な電流電圧特性となる。
【００１３】また加湿の状態と負荷電流の大きさによ
り、固体高分子電解質が過剰乾燥の状態になると出力が
徐々に低下し始め、ついには予め定めた電流−電圧特性
を下回る。このとき電導度計６の電導度は低い指示値を
示す。コントローラ１５はこの両者の信号から加湿器に
おける水分加湿量を増加するべきことを決定する。開閉
弁５は弁閉とする。すると再び加湿器３を通って加湿さ
れた空気が送られ、膜が湿潤し出力が回復する。上述の
例でバイパス管が空気側に設けられている理由は過剰加
湿で性能の劣化するのは主に空気極であるためであり、
水素極側では一定加湿で目的を達するからである。図５
はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃料電池
の運転特性を示す線図である。定電流密度において安定
した運転が可能であることがわかる。
り、固体高分子電解質が過剰乾燥の状態になると出力が
徐々に低下し始め、ついには予め定めた電流−電圧特性
を下回る。このとき電導度計６の電導度は低い指示値を
示す。コントローラ１５はこの両者の信号から加湿器に
おける水分加湿量を増加するべきことを決定する。開閉
弁５は弁閉とする。すると再び加湿器３を通って加湿さ
れた空気が送られ、膜が湿潤し出力が回復する。上述の
例でバイパス管が空気側に設けられている理由は過剰加
湿で性能の劣化するのは主に空気極であるためであり、
水素極側では一定加湿で目的を達するからである。図５
はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃料電池
の運転特性を示す線図である。定電流密度において安定
した運転が可能であることがわかる。
【００１４】図２はこの発明の異なる実施例に係る固体
高分子電解質型燃料電池を示す配置図である。空気を水
中を通過させて加湿する加湿器８を通してセル１に供給
する。空気は水の温度での飽和水蒸気を含んでセル１に
供給される。弁開閉のかわりにヒータ９のオンオフを行
い膜を一定範囲の湿潤度に保って出力を安定化する。
高分子電解質型燃料電池を示す配置図である。空気を水
中を通過させて加湿する加湿器８を通してセル１に供給
する。空気は水の温度での飽和水蒸気を含んでセル１に
供給される。弁開閉のかわりにヒータ９のオンオフを行
い膜を一定範囲の湿潤度に保って出力を安定化する。
【００１５】図３はこの発明のさらに異なる実施例に係
る固体高分子電解質型燃料電池を示す配置図である。空
気供給管２に水蒸気発生器１０からの水蒸気供給管１１
を接続し、水蒸気供給管１１の途中に開閉弁５を設け
る。加湿水分量の調整は開閉弁５をオンオフして行う。
る固体高分子電解質型燃料電池を示す配置図である。空
気供給管２に水蒸気発生器１０からの水蒸気供給管１１
を接続し、水蒸気供給管１１の途中に開閉弁５を設け
る。加湿水分量の調整は開閉弁５をオンオフして行う。
【００１６】図４はこの発明のさらに異なる実施例に係
る固体高分子電解質型燃料電池を示す配置図である。セ
ル１からの排出空気の一部を供給側にもどす戻し管１２
の途中に流量調整弁１３を設け、コントローラ１５から
の信号に基づき調整弁１３の開度を調整する。この場合
は電導度計６の指示値に反比例した開度調整が行われ
る。排出空気の湿度は高いので、戻し流量を多くすれば
供給空気の湿度は高くなり、戻し流量を少なくすれば供
給空気は乾燥する。
る固体高分子電解質型燃料電池を示す配置図である。セ
ル１からの排出空気の一部を供給側にもどす戻し管１２
の途中に流量調整弁１３を設け、コントローラ１５から
の信号に基づき調整弁１３の開度を調整する。この場合
は電導度計６の指示値に反比例した開度調整が行われ
る。排出空気の湿度は高いので、戻し流量を多くすれば
供給空気の湿度は高くなり、戻し流量を少なくすれば供
給空気は乾燥する。
【００１７】
【発明の効果】第一の発明によればセルと、水分量調整
手段と、含水量検出手段とを有し、セルは、所定量の水
を含む固体高分子を電解質として用い、燃料ガスと酸化
剤ガスの両反応ガスの供給により発電するものであり、
水分量調整手段は制御信号に基づいて前記供給用反応ガ
ス中の水分量を調節するものであり、含水量検出手段は
前記固体高分子電解質の含水量を検出して水分量調整手
段を制御するものであるとするので固体高分子電解質は
常時最適の含水状態に保持され安定した電池の運転が可
能となる。
手段と、含水量検出手段とを有し、セルは、所定量の水
を含む固体高分子を電解質として用い、燃料ガスと酸化
剤ガスの両反応ガスの供給により発電するものであり、
水分量調整手段は制御信号に基づいて前記供給用反応ガ
ス中の水分量を調節するものであり、含水量検出手段は
前記固体高分子電解質の含水量を検出して水分量調整手
段を制御するものであるとするので固体高分子電解質は
常時最適の含水状態に保持され安定した電池の運転が可
能となる。
【００１８】また第二の発明によれば、セルの電流電圧
特性が所定の特性となったときに固体高分子電解質の含
水量を含水量検出手段を用いて検出して水分調整の増加
または減少の方向を決めるとともに水分量調整手段を操
作して供給用反応ガス中の水分量を調整し、セル固体高
分子電解質の含水量を最適に制御するのでセルの電極が
過剰湿度により濡れた場合のように水分量の調整が真に
必要とされる場合のみ水分量調節手段が動作して安定し
た電池の運転を有効に行うことが可能となる。
特性が所定の特性となったときに固体高分子電解質の含
水量を含水量検出手段を用いて検出して水分調整の増加
または減少の方向を決めるとともに水分量調整手段を操
作して供給用反応ガス中の水分量を調整し、セル固体高
分子電解質の含水量を最適に制御するのでセルの電極が
過剰湿度により濡れた場合のように水分量の調整が真に
必要とされる場合のみ水分量調節手段が動作して安定し
た電池の運転を有効に行うことが可能となる。
【図１】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池を示す配置図
料電池を示す配置図
【図２】この発明の異なる実施例に係る固体高分子電解
質型燃料電池を示す配置図
質型燃料電池を示す配置図
【図３】この発明のさらに異なる実施例に係る固体高分
子電解質型燃料電池を示す配置図
子電解質型燃料電池を示す配置図
【図４】この発明のさらに異なる実施例に係る固体高分
子電解質型燃料電池を示す配置図
子電解質型燃料電池を示す配置図
【図５】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池の運転特性を示す線図
料電池の運転特性を示す線図
【符号の説明】 １ セル ２ 空気供給配管 ３ 加湿器 ４ バイパス管 ５ 開閉弁 ６ 電導度計 ８ 加湿器 ９ ヒータ １０ 水蒸気発生器 １１ 水蒸気供給管 １２ 戻し管 １３ 流量調整弁 １４ 循環ポンプ １５ コントローラ
Claims (6)
- 【請求項１】セルと、水分量調整手段と、含水量検出手
段とを有し、 セルは、所定量の水を含む固体高分子を電解質として用
い、燃料ガスと酸化剤ガスの両反応ガスの供給により発
電するものであり、 水分量調整手段は制御信号に基づいて前記供給用反応ガ
ス中の水分量を調節するものであり、 含水量検出手段は前記固体高分子電解質の含水量を検出
して水分量調整手段を制御するものであることを特徴と
する固体高分子電解質型燃料電池。 - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、水分量
調整手段は加湿器であることを特徴とする固体高分子電
解質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、水分量
調整手段は加湿器をバイパスするバイパス管とそれに設
けられたバルブであることを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池。 - 【請求項４】請求項１記載の燃料電池において、水分量
調整手段は排出用反応ガスを供給用反応ガスにフィード
バックする回路であることを特徴とする固体高分子電解
質型燃料電池。 - 【請求項５】請求項１記載の燃料電池において、含水量
検出手段は含水状態の高分子電解質の電導度を測定する
電導度計であることを特徴とする固体高分子電解質型燃
料電池。 - 【請求項６】セルの電流電圧特性が所定の特性となった
ときに固体高分子電解質の含水量を含水量検出手段を用
いて検出して水分調整の増加または減少の方向を決める
とともに水分量調整手段を操作して供給用反応ガス中の
水分量を調整し、セル固体高分子電解質の含水量を最適
に制御することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池の運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3198136A JPH0547394A (ja) | 1991-08-08 | 1991-08-08 | 固体高分子電解質型燃料電池およびその運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3198136A JPH0547394A (ja) | 1991-08-08 | 1991-08-08 | 固体高分子電解質型燃料電池およびその運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0547394A true JPH0547394A (ja) | 1993-02-26 |
Family
ID=16386049
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3198136A Pending JPH0547394A (ja) | 1991-08-08 | 1991-08-08 | 固体高分子電解質型燃料電池およびその運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0547394A (ja) |
Cited By (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0714597A (ja) * | 1993-06-07 | 1995-01-17 | Daimler Benz Ag | 燃料電池装置の運転用プロセスガスに加湿する方法及び装置 |
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