JPH06267565A - 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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- JPH06267565A JPH06267565A JP5053680A JP5368093A JPH06267565A JP H06267565 A JPH06267565 A JP H06267565A JP 5053680 A JP5053680 A JP 5053680A JP 5368093 A JP5368093 A JP 5368093A JP H06267565 A JPH06267565 A JP H06267565A
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- JP
- Japan
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- fuel cell
- fuel
- pure hydrogen
- flow path
- cell
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- 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
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 高効率で簡素な固体高分子電解質燃料電池シ
ステムを提供する。 【構成】 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
体のアノード側に純水素燃料を、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、燃料電池から外部への純水素燃料の
排出流路を遮断する。
ステムを提供する。 【構成】 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
体のアノード側に純水素燃料を、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、燃料電池から外部への純水素燃料の
排出流路を遮断する。
Description
【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。
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図５
を参照して説明する。図５において、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１の両面には、それぞれ例えば白金触媒
からなるアノード２およびカソード３が設けられ、さら
にこれらの両面には多孔質カーボン電極４、５が設けら
れ、電極接合体６が構成されている。多孔質カーボン電
極４、５は外部回路７に接続されている。
を参照して説明する。図５において、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１の両面には、それぞれ例えば白金触媒
からなるアノード２およびカソード３が設けられ、さら
にこれらの両面には多孔質カーボン電極４、５が設けら
れ、電極接合体６が構成されている。多孔質カーボン電
極４、５は外部回路７に接続されている。
【０００３】アノード２には燃料ガスとして例えば水素
が加湿されて供給され、カソード３には酸化剤ガスとし
て例えば酸素が加湿されて供給される。アノード２に供
給された水素は、アノード２上で水素イオン化される。
水素イオンは電解質１中を水の介在のもとにＨ+ ・ｘＨ
2 Ｏとしてカソード３側へ移動し、電子は外部回路を通
してカソード３側へ移動する。移動した水素イオンは、
カソード３上で、酸化剤ガス中の酸素および外部回路７
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３側から燃料電池外へ排出される。このと
き、外部回路７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。これらの反応は以下のように
まとめられる。 アノード Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード １／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ 全反応 Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
が加湿されて供給され、カソード３には酸化剤ガスとし
て例えば酸素が加湿されて供給される。アノード２に供
給された水素は、アノード２上で水素イオン化される。
水素イオンは電解質１中を水の介在のもとにＨ+ ・ｘＨ
2 Ｏとしてカソード３側へ移動し、電子は外部回路を通
してカソード３側へ移動する。移動した水素イオンは、
カソード３上で、酸化剤ガス中の酸素および外部回路７
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３側から燃料電池外へ排出される。このと
き、外部回路７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。これらの反応は以下のように
まとめられる。 アノード Ｈ2 →２Ｈ+ ＋２ｅ- カソード １／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ- →Ｈ2 Ｏ 全反応 Ｈ2 ＋１／２Ｏ2 →Ｈ2 Ｏ
【０００４】前述したように、高分子イオン交換膜から
なる電解質１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、燃料ガスおよび／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。
なる電解質１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、燃料ガスおよび／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。
【０００５】図６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１１内には図５に
示すような電極接合体が収容され、所定の部材により酸
化剤ガス、燃料ガス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１１の外部には、酸化剤ガス
の加湿器１２および燃料ガスの加湿器１３が設けられて
いる。これらの加湿器１２、１３には純水１６が満たさ
れ、それぞれヒータ１４、１５により所定の温度に加熱
される。
システムの一例を示す。燃料電池本体１１内には図５に
示すような電極接合体が収容され、所定の部材により酸
化剤ガス、燃料ガス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１１の外部には、酸化剤ガス
の加湿器１２および燃料ガスの加湿器１３が設けられて
いる。これらの加湿器１２、１３には純水１６が満たさ
れ、それぞれヒータ１４、１５により所定の温度に加熱
される。
【０００６】酸化剤ガスは加湿器１２中の純水１６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１１に送気される。同様に、燃料ガスは加湿器１３中
の純水１６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１１に送気される。燃料電池本体１１
内で使用されなかった残存酸化剤ガスは残存加湿水蒸気
および電池反応生成水とともに燃料電池本体１１外部へ
排出される。燃料電池本体１１内で使用されなかった残
存燃料ガスは残存加湿水蒸気とともにリサイクルポンプ
１７によって燃料ガス供給ラインへリサイクルされ、燃
料電池本体１１に再導入される。これは、燃料利用率を
向上させるためである。なお、残存燃料ガスはリサイク
ルされずに燃料電池本体１１外部へ排出されるようなシ
ステム構成もある。また、燃料電池本体１１は、冷却水
１８により冷却される。
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１１に送気される。同様に、燃料ガスは加湿器１３中
の純水１６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１１に送気される。燃料電池本体１１
内で使用されなかった残存酸化剤ガスは残存加湿水蒸気
および電池反応生成水とともに燃料電池本体１１外部へ
排出される。燃料電池本体１１内で使用されなかった残
存燃料ガスは残存加湿水蒸気とともにリサイクルポンプ
１７によって燃料ガス供給ラインへリサイクルされ、燃
料電池本体１１に再導入される。これは、燃料利用率を
向上させるためである。なお、残存燃料ガスはリサイク
ルされずに燃料電池本体１１外部へ排出されるようなシ
ステム構成もある。また、燃料電池本体１１は、冷却水
１８により冷却される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の固体高
分子電解質燃料電池システムには以下のような問題があ
る。
分子電解質燃料電池システムには以下のような問題があ
る。
【０００８】（１）残存した純水素燃料を燃料電池外へ
排出するシステムでは、燃料電池における燃料の利用率
が低くなり、次式に示すように燃料電池本体の発電効率
が小さくなる。 ηFC＝０．６７５×Ｖ×ηH2 ηFC：燃料電池本体の発電効率［％］ Ｖ：セル電圧［Ｖ／セル］ ηH2：燃料利用率［％］（＝発電に利用された燃料の流
量／供給燃料の流量×１００）
排出するシステムでは、燃料電池における燃料の利用率
が低くなり、次式に示すように燃料電池本体の発電効率
が小さくなる。 ηFC＝０．６７５×Ｖ×ηH2 ηFC：燃料電池本体の発電効率［％］ Ｖ：セル電圧［Ｖ／セル］ ηH2：燃料利用率［％］（＝発電に利用された燃料の流
量／供給燃料の流量×１００）
【０００９】（２）燃料電池における燃料の利用率を高
めるために、リサイクルラインを設け、残存純水素燃料
を再度燃料電池に導入する場合、補機、その他の機器が
必要となり、システムが複雑になる。また、リサイクル
のための動力も必要となり、燃料電池発電システム全体
の効率が下がる。本発明は、高効率で簡素な固体高分子
電解質燃料電池システムを提供することを目的とする。
めるために、リサイクルラインを設け、残存純水素燃料
を再度燃料電池に導入する場合、補機、その他の機器が
必要となり、システムが複雑になる。また、リサイクル
のための動力も必要となり、燃料電池発電システム全体
の効率が下がる。本発明は、高効率で簡素な固体高分子
電解質燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１０】
【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、燃料電池から外部への燃料の
排出流路を遮断したことを特徴とするものである。
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、燃料電池から外部への燃料の
排出流路を遮断したことを特徴とするものである。
【００１１】本発明において、燃料電池から外部への燃
料の排出流路を遮断するには、例えば燃料配流板（リブ
付きカーボンセパレータなど）に出口のない燃料流路を
形成する。また、燃料の排出流路が設けられている場合
には、排出流路に燃料を遮断する手段を設けてもよい。
料の排出流路を遮断するには、例えば燃料配流板（リブ
付きカーボンセパレータなど）に出口のない燃料流路を
形成する。また、燃料の排出流路が設けられている場合
には、排出流路に燃料を遮断する手段を設けてもよい。
【００１２】
【作用】本発明の固体高分子電解質燃料電池システムで
は、燃料の排出流路が遮断されており、電池内へ供給さ
れた燃料が外部へ排出されることがない。このように燃
料の出口を閉じたとしても、アノード上での水素化は起
こる。この場合、電池反応に使用された量に相当する量
の燃料を供給しさえすれば、電池反応は起こる。ただ
し、燃料中に水素および水以外に不純物が含まれる場合
には不純物が電池内で濃縮されるので、本発明では純水
素燃料が用いられる。
は、燃料の排出流路が遮断されており、電池内へ供給さ
れた燃料が外部へ排出されることがない。このように燃
料の出口を閉じたとしても、アノード上での水素化は起
こる。この場合、電池反応に使用された量に相当する量
の燃料を供給しさえすれば、電池反応は起こる。ただ
し、燃料中に水素および水以外に不純物が含まれる場合
には不純物が電池内で濃縮されるので、本発明では純水
素燃料が用いられる。
【００１３】本発明では、リサイクルラインを設けるこ
となく、燃料の利用率を１００％とすることができる。
したがって、従来のリサイクルラインを設けたシステム
と比較して、発電電力のロスが少なくなり、システム全
体の効率が高くなる。また、リサイクルラインおよびそ
れに付属する補機、その他の機器が不要であるため、シ
ステム全体が簡素化され、プラントコストを低減でき
る。
となく、燃料の利用率を１００％とすることができる。
したがって、従来のリサイクルラインを設けたシステム
と比較して、発電電力のロスが少なくなり、システム全
体の効率が高くなる。また、リサイクルラインおよびそ
れに付属する補機、その他の機器が不要であるため、シ
ステム全体が簡素化され、プラントコストを低減でき
る。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
する。
【００１５】図１は本発明の一実施例における固体高分
子電解質燃料電池システムを構成する単位電池の分解斜
視図、図２は断面図である。図１および図２において、
電極接合体６のカソード側には酸化剤配流板２１が設け
られ、この酸化剤配流板２１には酸化剤流路２２が形成
されている。一方、電極接合体６のアノード側には多孔
質材料からなる純水素配流板２３が設けられ、この純水
素配流板２３には純水素流路２４が形成されている。こ
の純水素流路２４は排出流路がなく、燃料電池内部で閉
じている。さらに、純水素配流板２３の外側には、冷却
水セパレータ２５が設けられ、この冷却水セパレータ２
５には冷却水流路２６が形成されている。
子電解質燃料電池システムを構成する単位電池の分解斜
視図、図２は断面図である。図１および図２において、
電極接合体６のカソード側には酸化剤配流板２１が設け
られ、この酸化剤配流板２１には酸化剤流路２２が形成
されている。一方、電極接合体６のアノード側には多孔
質材料からなる純水素配流板２３が設けられ、この純水
素配流板２３には純水素流路２４が形成されている。こ
の純水素流路２４は排出流路がなく、燃料電池内部で閉
じている。さらに、純水素配流板２３の外側には、冷却
水セパレータ２５が設けられ、この冷却水セパレータ２
５には冷却水流路２６が形成されている。
【００１６】酸化剤は外部から酸化剤配流板２１の酸化
剤流路２２を通して電極接合体６のカソードに供給され
て電池反応に使用される。電池反応に使用されなかった
残存酸化剤は電池外部へ排出される。純水素は外部から
冷却水セパレータ２５を通過して純水素配流板２３の純
水素流路２４を通して電極接合体６のアノードに供給さ
れて電池反応に使用される。しかし、純水素流路２４の
排出流路が電池内部で遮断されているため、電池反応に
使用されなかった残存純水素は電池外部へ排出されるこ
とはなく、そのまま燃料電池内に残留する。したがっ
て、常に電池反応に使用された純水素に相当する量の純
水素が供給される。冷却水は外部から冷却水セパレータ
２５の冷却水流路２６を通して再び外部へ排出される。
供給された冷却水の一部は、多孔質材料からなる純水素
配流板２３の気孔に浸透して移動し、電極接合体６のア
ノードへ供給されて、電池反応に関与する。すなわち、
水は水素イオンとともに電解質中をカソード側へ移動す
るため、アノード側で濃縮されて蓄積することはない。
剤流路２２を通して電極接合体６のカソードに供給され
て電池反応に使用される。電池反応に使用されなかった
残存酸化剤は電池外部へ排出される。純水素は外部から
冷却水セパレータ２５を通過して純水素配流板２３の純
水素流路２４を通して電極接合体６のアノードに供給さ
れて電池反応に使用される。しかし、純水素流路２４の
排出流路が電池内部で遮断されているため、電池反応に
使用されなかった残存純水素は電池外部へ排出されるこ
とはなく、そのまま燃料電池内に残留する。したがっ
て、常に電池反応に使用された純水素に相当する量の純
水素が供給される。冷却水は外部から冷却水セパレータ
２５の冷却水流路２６を通して再び外部へ排出される。
供給された冷却水の一部は、多孔質材料からなる純水素
配流板２３の気孔に浸透して移動し、電極接合体６のア
ノードへ供給されて、電池反応に関与する。すなわち、
水は水素イオンとともに電解質中をカソード側へ移動す
るため、アノード側で濃縮されて蓄積することはない。
【００１７】本発明の固体高分子電解質燃料電池では、
燃料である純水素の排出流路が遮断されており、電池内
へ供給された純水素が外部へ排出されることがない。こ
のため、リサイクルラインを設けることなく、純水素の
利用率を１００％とすることができる。したがって、従
来のリサイクルラインを設けたシステムと比較して、発
電電力のロスが少なくなり、システム全体の効率が高く
なる。また、リサイクルラインおよびそれに付属する補
機、その他の機器が不要であるため、システム全体が簡
素化され、プラントコストを低減できる。なお、以下の
ように、本発明には種々の変形例が考えられる。
燃料である純水素の排出流路が遮断されており、電池内
へ供給された純水素が外部へ排出されることがない。こ
のため、リサイクルラインを設けることなく、純水素の
利用率を１００％とすることができる。したがって、従
来のリサイクルラインを設けたシステムと比較して、発
電電力のロスが少なくなり、システム全体の効率が高く
なる。また、リサイクルラインおよびそれに付属する補
機、その他の機器が不要であるため、システム全体が簡
素化され、プラントコストを低減できる。なお、以下の
ように、本発明には種々の変形例が考えられる。
【００１８】例えば、図３に示すように、電極接合体６
のアノードに、水を直接供給し、純水素燃料を多孔質材
料からなる配流板２３の気孔を通して供給するようにし
てもよい。
のアノードに、水を直接供給し、純水素燃料を多孔質材
料からなる配流板２３の気孔を通して供給するようにし
てもよい。
【００１９】また、図４に示すように純水素燃料を加湿
器１３を通して燃料電池本体１１のアノード側に供給
し、燃料電池本体１１から外部への燃料排出配管に遮断
弁１９を設けてもよい。この図に破線で示すように、純
水素燃料のリサイクルラインを有するシステムにおい
て、このリサイクルラインに遮断弁１９を設けてもよ
い。これらの変形例でも、前述した実施例と同様の効果
を得ることができる。
器１３を通して燃料電池本体１１のアノード側に供給
し、燃料電池本体１１から外部への燃料排出配管に遮断
弁１９を設けてもよい。この図に破線で示すように、純
水素燃料のリサイクルラインを有するシステムにおい
て、このリサイクルラインに遮断弁１９を設けてもよ
い。これらの変形例でも、前述した実施例と同様の効果
を得ることができる。
【００２０】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、高
効率で簡素な固体高分子電解質燃料電池システムを提供
できる。
効率で簡素な固体高分子電解質燃料電池システムを提供
できる。
【図１】本発明の一実施例における固体高分子電解質燃
料電池システムの単位電池の分解斜視図。
料電池システムの単位電池の分解斜視図。
【図２】本発明の一実施例における固体高分子電解質燃
料電池システムの単位電池の断面図。
料電池システムの単位電池の断面図。
【図３】本発明の他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単位電池の断面図。
燃料電池システムの単位電池の断面図。
【図４】本発明のさらに他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。
電解質燃料電池システムの構成図。
【図５】固体高分子電解質燃料電池の原理を示す説明
図。
図。
【図６】従来の固体高分子電解質燃料電池システムの構
成図。
成図。
１…固体高分子電解質、２…アノード、３…カソード、
４，５…カーボン電極、６…電極接合体、７…外部回
路、１１…燃料電池本体、１２，１３…加湿器、１４，
１５…ヒータ、１６…純水、１７…リサイクルポンプ、
１８…冷却水、１９…遮断弁、２１…酸化剤配流板、２
２…酸化剤流路、２３…純水素配流板、２４…純水素流
路、２５…冷却水セパレータ、２６…冷却水流路。
４，５…カーボン電極、６…電極接合体、７…外部回
路、１１…燃料電池本体、１２，１３…加湿器、１４，
１５…ヒータ、１６…純水、１７…リサイクルポンプ、
１８…冷却水、１９…遮断弁、２１…酸化剤配流板、２
２…酸化剤流路、２３…純水素配流板、２４…純水素流
路、２５…冷却水セパレータ、２６…冷却水流路。
Claims (1)
- 【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、燃料電池から外部への燃料の排出流路
を遮断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 |
|---|---|---|---|
| JP5053680A JPH06267565A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 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 |
|---|---|---|---|
| JP5053680A JPH06267565A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 固体高分子電解質燃料電池システム |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06267565A true JPH06267565A (ja) | 1994-09-22 |
Family
ID=12949539
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5053680A Withdrawn JPH06267565A (ja) | 1993-03-15 | 1993-03-15 | 固体高分子電解質燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06267565A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004079843A1 (ja) * | 2003-03-05 | 2004-09-16 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | 燃料電池、燃料電池用酸化剤配流板 |
-
1993
- 1993-03-15 JP JP5053680A patent/JPH06267565A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2004079843A1 (ja) * | 2003-03-05 | 2004-09-16 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | 燃料電池、燃料電池用酸化剤配流板 |
| CN100428550C (zh) * | 2003-03-05 | 2008-10-22 | 丰田自动车株式会社 | 燃料电池,燃料电池用氧化剂流场板 |
| US7820334B2 (en) | 2003-03-05 | 2010-10-26 | Aisin Seiki Kabushiki Kaisha | Fuel cell and oxidant distribution plate for fuel cell |
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