JPH0696789A - 固体高分子電解質型燃料電池システム - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池システムInfo
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- JPH0696789A JPH0696789A JP4245346A JP24534692A JPH0696789A JP H0696789 A JPH0696789 A JP H0696789A JP 4245346 A JP4245346 A JP 4245346A JP 24534692 A JP24534692 A JP 24534692A JP H0696789 A JPH0696789 A JP H0696789A
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- polymer electrolyte
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
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Abstract
(57)【要約】
【目的】簡易な方法で運転条件の要求する適切な加湿が
てきる上、発電効率にも優れる固体高分子電解質型燃料
電池を得る。 【構成】加湿装置１０，１４により反応ガスに所定量の
水分を加え、次いで冷却板４の冷却媒体を介して熱交換
器１１，１５において水分を蒸発させる。
てきる上、発電効率にも優れる固体高分子電解質型燃料
電池を得る。 【構成】加湿装置１０，１４により反応ガスに所定量の
水分を加え、次いで冷却板４の冷却媒体を介して熱交換
器１１，１５において水分を蒸発させる。
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
料電池システムに係り、特に反応ガスに加湿するシステ
ムに関する。
料電池システムに係り、特に反応ガスに加湿するシステ
ムに関する。
【０００２】
【従来の技術】図４は従来の固体高分子電解質型燃料電
池の単電池を示す分解側面図である。アノード２及びカ
ソード３は固体高分子電解質膜１８の二つの主面にそれ
ぞれ密接して積層され、さらにその両外側には、反応ガ
スを外部より電極内に供給するとともに余剰ガスを外部
に排出するためのガス通流溝を設けたガス不透過性のセ
パレータ１９が積層される。単電池は通常厚さが10mm以
下であり、又面積は大きいほどコストの低減が図れるの
で、可能な限り大きく (１ｍ2 程度) 作られる。
池の単電池を示す分解側面図である。アノード２及びカ
ソード３は固体高分子電解質膜１８の二つの主面にそれ
ぞれ密接して積層され、さらにその両外側には、反応ガ
スを外部より電極内に供給するとともに余剰ガスを外部
に排出するためのガス通流溝を設けたガス不透過性のセ
パレータ１９が積層される。単電池は通常厚さが10mm以
下であり、又面積は大きいほどコストの低減が図れるの
で、可能な限り大きく (１ｍ2 程度) 作られる。
【０００３】固体高分子電解質膜１８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、あるいはパ−フロロカ−ボンス
ルホン酸膜（米国、デュポン社製、商品名ナフィオン
膜）などが知られている。固体高分子電解質膜は分子中
にプロトン（水素イオン）交換基を有する。この膜を飽
和に含水させることで常温で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。膜の飽和含水
量は温度によって可逆的に変化する。
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、あるいはパ−フロロカ−ボンス
ルホン酸膜（米国、デュポン社製、商品名ナフィオン
膜）などが知られている。固体高分子電解質膜は分子中
にプロトン（水素イオン）交換基を有する。この膜を飽
和に含水させることで常温で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。膜の飽和含水
量は温度によって可逆的に変化する。
【０００４】アノード２及びカソード３はともに触媒活
物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持するとともに反
応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極
基材からなる。前記触媒層を固体高分子電解質膜と密着
させ、アノード側に燃料である水素、カソード側に酸化
剤として酸素又は空気を供給すると、それぞれの電極の
触媒層と固体高分子電解質膜との界面で以下の電気化学
反応がおこる。
物質を含む触媒層と、前記触媒層を支持するとともに反
応ガスを供給しさらに集電体としての機能を有する電極
基材からなる。前記触媒層を固体高分子電解質膜と密着
させ、アノード側に燃料である水素、カソード側に酸化
剤として酸素又は空気を供給すると、それぞれの電極の
触媒層と固体高分子電解質膜との界面で以下の電気化学
反応がおこる。
【０００５】 アノ−ド H2→ 2H + ＋2e ・・・・・・・・・・・（１） カソ−ド 1/2 O2＋2H+ ＋2e → H2O ・・・・・・・・・・（２） 即ち、水素と酸素が反応して、水を生成する。触媒層
は、一般に微小な粒子状の白金触媒と水に対してはっ水
性を有するフッ素樹脂から形成されている。
は、一般に微小な粒子状の白金触媒と水に対してはっ水
性を有するフッ素樹脂から形成されている。
【０００６】セパレータは、ガスの透過を防ぐととも
に、溝により反応ガスを単電池面内に均等に供給し、発
生する電流を外部へ取り出すため集電を行う。単電池の
発生する電圧は１Ｖ以下であるので、実用上は電圧を高
めるために前記単電池を多数個直列に積層してスタック
として使用する。固体高分子電解質型燃料電池の運転温
度は、膜の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持する
ために、通常は５０ないし１００℃程度で運転される。
に、溝により反応ガスを単電池面内に均等に供給し、発
生する電流を外部へ取り出すため集電を行う。単電池の
発生する電圧は１Ｖ以下であるので、実用上は電圧を高
めるために前記単電池を多数個直列に積層してスタック
として使用する。固体高分子電解質型燃料電池の運転温
度は、膜の比抵抗を小さくして発電効率を高く維持する
ために、通常は５０ないし１００℃程度で運転される。
【０００７】燃料電池では、一般に発生電力にほぼ相当
する熱量を熱として発生し、この熱により単電池を多数
積層したスタックにおいてはスタック内に温度の分布が
生じる。そこでスタックでは、冷却板を内蔵してスタッ
クの温度を単電池の面方向並びにスタックの積層方向に
均一になるようにする。ここで一般に冷却媒体としては
水、空気等が用いられる。
する熱量を熱として発生し、この熱により単電池を多数
積層したスタックにおいてはスタック内に温度の分布が
生じる。そこでスタックでは、冷却板を内蔵してスタッ
クの温度を単電池の面方向並びにスタックの積層方向に
均一になるようにする。ここで一般に冷却媒体としては
水、空気等が用いられる。
【０００８】図５は従来の固体高分子電解質型燃料電池
のスタックを示す平面図である。単電池２１の複数個ご
とに冷却板２２を交互に積層し、その両端に図示しない
集電板、絶縁板、締付板を積層し、締め付けボルトで締
め付けて、スタックを構成する。このスタックに外部よ
り、単電池には燃料及び酸化剤を供給することで発電
し、冷却板には冷却媒体を供給することで余剰熱を除去
して冷却をする。このように積層されたスタックでの単
電池内部でのガスの流れ方向は、供給側を重力方向に対
して上側、排出側を下側にする。
のスタックを示す平面図である。単電池２１の複数個ご
とに冷却板２２を交互に積層し、その両端に図示しない
集電板、絶縁板、締付板を積層し、締め付けボルトで締
め付けて、スタックを構成する。このスタックに外部よ
り、単電池には燃料及び酸化剤を供給することで発電
し、冷却板には冷却媒体を供給することで余剰熱を除去
して冷却をする。このように積層されたスタックでの単
電池内部でのガスの流れ方向は、供給側を重力方向に対
して上側、排出側を下側にする。
【０００９】前述のとおり固体高分子電解質型燃料電池
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜を飽和に
含水させることで膜の比抵抗が小さくなりプロトン導電
性電解質として機能する。従って固体高分子電解質型燃
料電池の発電効率を高く維持するためには、膜の含水状
態を飽和状態に維持することが必要である。このため
に、従来から、膜が乾燥するのを防いで発電効率を維持
するために、反応ガスに水を供給して反応ガスの湿度を
高めて燃料電池へ供給し、膜から反応ガスへの水の蒸発
を抑えて、膜が乾燥することを防ぐ方法が実施されてき
た。
では、電解質保持層である固体高分子電解質膜を飽和に
含水させることで膜の比抵抗が小さくなりプロトン導電
性電解質として機能する。従って固体高分子電解質型燃
料電池の発電効率を高く維持するためには、膜の含水状
態を飽和状態に維持することが必要である。このため
に、従来から、膜が乾燥するのを防いで発電効率を維持
するために、反応ガスに水を供給して反応ガスの湿度を
高めて燃料電池へ供給し、膜から反応ガスへの水の蒸発
を抑えて、膜が乾燥することを防ぐ方法が実施されてき
た。
【００１０】図６は水透過性の膜を使用する従来の加湿
装置を示す原理図である。反応ガス（燃料ガスおよび酸
化剤ガス）を膜を介して水と接触させて、反応ガスを加
湿する。また図示しないが第二の方法として、あらかじ
め蒸気発生装置により水を気化し、この蒸気を反応ガス
に所要量混合して反応ガスを加湿する方式が知られてい
る。
装置を示す原理図である。反応ガス（燃料ガスおよび酸
化剤ガス）を膜を介して水と接触させて、反応ガスを加
湿する。また図示しないが第二の方法として、あらかじ
め蒸気発生装置により水を気化し、この蒸気を反応ガス
に所要量混合して反応ガスを加湿する方式が知られてい
る。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の加
湿方式には次のような問題があった。即ち第一の膜を介
して加湿する方式では、膜を通してガス側に移動する水
の量が一定になるために必要とする量の水を十分に反応
ガス側に供給できないし、燃料電池の運転条件（温度、
圧力、ガス流量等）で異なるガスの所要加湿量をコント
ロールできないという問題があった。さらに加湿に要す
る膜面積の関係から床面積が大きくなるという問題もあ
った。
湿方式には次のような問題があった。即ち第一の膜を介
して加湿する方式では、膜を通してガス側に移動する水
の量が一定になるために必要とする量の水を十分に反応
ガス側に供給できないし、燃料電池の運転条件（温度、
圧力、ガス流量等）で異なるガスの所要加湿量をコント
ロールできないという問題があった。さらに加湿に要す
る膜面積の関係から床面積が大きくなるという問題もあ
った。
【００１２】また第二の蒸気発生装置を用いる方式では
蒸気を発生させるために要する熱量が大きくなり燃料電
池発電システムの発電効率を低下させるし、蒸気を発生
させるための設備が大規模になりシステムが複雑になる
等の問題があった。この発明は上述の点に鑑みてなさ
れ、その目的は簡易な発電システムにより、加湿の制御
が容易である上、発電効率にも優れる固体高分子電解質
型燃料電池の発電システムを提供することにある。
蒸気を発生させるために要する熱量が大きくなり燃料電
池発電システムの発電効率を低下させるし、蒸気を発生
させるための設備が大規模になりシステムが複雑になる
等の問題があった。この発明は上述の点に鑑みてなさ
れ、その目的は簡易な発電システムにより、加湿の制御
が容易である上、発電効率にも優れる固体高分子電解質
型燃料電池の発電システムを提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば単電池と、冷却板と、加湿装置と、熱交換器とを
有し、冷却板は単電池の所定数毎に単電池と交互に積層
され、加湿装置は燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスの少
なくとも一方に水を加え、熱交換器は冷却板からの冷却
媒体を用いて前記加湿された反応ガスを所定温度に加熱
し、単電池は電極の配された固体高分子電解質膜と、前
記電極の配置された固体高分子電解質膜を挟持して電極
に前記加湿加熱された反応ガスを供給するセパレータと
からなり、固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプ
ロトンが拡散するとすることにより達成される。
よれば単電池と、冷却板と、加湿装置と、熱交換器とを
有し、冷却板は単電池の所定数毎に単電池と交互に積層
され、加湿装置は燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスの少
なくとも一方に水を加え、熱交換器は冷却板からの冷却
媒体を用いて前記加湿された反応ガスを所定温度に加熱
し、単電池は電極の配された固体高分子電解質膜と、前
記電極の配置された固体高分子電解質膜を挟持して電極
に前記加湿加熱された反応ガスを供給するセパレータと
からなり、固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプ
ロトンが拡散するとすることにより達成される。
【００１４】固体高分子電解質型燃料電池の運転に必要
とする水を反応ガスに供給して、これを電池の冷却媒体
と熱交換して蒸発させ、セパレータを介して電極に供給
する。
とする水を反応ガスに供給して、これを電池の冷却媒体
と熱交換して蒸発させ、セパレータを介して電極に供給
する。
【００１５】
【作用】燃料電池の運転に必要とされる水分は反応ガス
に添加する水量により制御することができる。反応ガス
に添加した水は熱交換器により蒸発させるから設備が簡
易である。反応ガスに添加した水は冷却板の冷却媒体を
通流させる熱交換器を介して蒸発させるから燃料電池の
反応熱エネルギを利用して水蒸発を行うこととなり、発
電効率を従来の電池より高める。
に添加する水量により制御することができる。反応ガス
に添加した水は熱交換器により蒸発させるから設備が簡
易である。反応ガスに添加した水は冷却板の冷却媒体を
通流させる熱交換器を介して蒸発させるから燃料電池の
反応熱エネルギを利用して水蒸発を行うこととなり、発
電効率を従来の電池より高める。
【００１６】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基いて説明す
る。 実施例１ 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
電池システムを示す配置図である。燃料電池１のアノー
ド２には、配管５により水素が供給され、カソード３に
は、配管６により空気が供給される。さらに冷却板４に
は冷却水が配管７により供給される。
る。 実施例１ 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
電池システムを示す配置図である。燃料電池１のアノー
ド２には、配管５により水素が供給され、カソード３に
は、配管６により空気が供給される。さらに冷却板４に
は冷却水が配管７により供給される。
【００１７】水素はポンプ8 を介して水配管9 を通して
供給される水素加湿用の水と加湿装置10で高精度に混合
され、熱交換器11を経由してアノードに供給される。熱
交換器11には配管５が接続され、前記水素ガスと水の混
合体と冷却水との間で熱交換が行われる。空気は、ポン
プ12で水配管13を通して供給される空気加湿用の水と加
湿装置14で高精度に混合され、熱交換器15を経由してカ
ソードに供給される。熱交換器15には配管7 が接続さ
れ、前記空気と水の混合体と冷却水との間で熱交換が行
われる。 実施例２ 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
型燃料電池システムを示す配置図である。本実施例は、
反応ガスに対する水分の混合精度が十分でない場合に適
用され実施例１の構成に加えてアノードの配管５とアノ
ードとの間に水分除去器１６を、カソードの空気供給用
配管６とカソードとの間に水分除去器１７をそれぞれ設
ける。この水分除去器は熱交換器１１および１５におい
て蒸発しない液状の水がある場合にこの水分を分離して
外部に排出する。 実施例３ 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
電解質型燃料電池システムを示す配置図である。
供給される水素加湿用の水と加湿装置10で高精度に混合
され、熱交換器11を経由してアノードに供給される。熱
交換器11には配管５が接続され、前記水素ガスと水の混
合体と冷却水との間で熱交換が行われる。空気は、ポン
プ12で水配管13を通して供給される空気加湿用の水と加
湿装置14で高精度に混合され、熱交換器15を経由してカ
ソードに供給される。熱交換器15には配管7 が接続さ
れ、前記空気と水の混合体と冷却水との間で熱交換が行
われる。 実施例２ 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
型燃料電池システムを示す配置図である。本実施例は、
反応ガスに対する水分の混合精度が十分でない場合に適
用され実施例１の構成に加えてアノードの配管５とアノ
ードとの間に水分除去器１６を、カソードの空気供給用
配管６とカソードとの間に水分除去器１７をそれぞれ設
ける。この水分除去器は熱交換器１１および１５におい
て蒸発しない液状の水がある場合にこの水分を分離して
外部に排出する。 実施例３ 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
電解質型燃料電池システムを示す配置図である。
【００１８】本実施例は実施例２の構成に加えて燃料電
池から排出される水素の一部を循環して燃料電池の水素
ガスの入口側に戻す場合を示している。セパレータの内
部等で水蒸気が凝縮した場合に凝縮した水で反応ガスの
閉塞が起こらないように反応ガスの流速を高めるが、こ
の際に反応ガスの一部が循環される。
池から排出される水素の一部を循環して燃料電池の水素
ガスの入口側に戻す場合を示している。セパレータの内
部等で水蒸気が凝縮した場合に凝縮した水で反応ガスの
閉塞が起こらないように反応ガスの流速を高めるが、こ
の際に反応ガスの一部が循環される。
【００１９】
【発明の効果】この発明によれば単電池と、冷却板と、
加湿装置と、熱交換器とを有し、冷却板は単電池の所定
数毎に単電池と交互に積層され、加湿装置は燃料ガスと
酸化剤ガスの反応ガスの少なくとも一方に水を加え、熱
交換器は冷却板からの冷却媒体を用いて前記加湿された
反応ガスを所定温度に加熱し、単電池は電極の配された
固体高分子電解質膜と、前記電極の配置された固体高分
子電解質膜を挟持して電極に前記加湿加熱された反応ガ
スを供給するセパレータとからなり、固体高分子電解質
膜は水を包含して膜中をプロトンが拡散するので、燃料
電池の運転に必要とされる水分は反応ガスに添加する水
量により制御することができる。また加湿用の水分の蒸
発は燃料電池の反応熱エネルギを利用することができる
から発電効率を従来の電池より高めることができる。設
備も全体として簡易化される。
加湿装置と、熱交換器とを有し、冷却板は単電池の所定
数毎に単電池と交互に積層され、加湿装置は燃料ガスと
酸化剤ガスの反応ガスの少なくとも一方に水を加え、熱
交換器は冷却板からの冷却媒体を用いて前記加湿された
反応ガスを所定温度に加熱し、単電池は電極の配された
固体高分子電解質膜と、前記電極の配置された固体高分
子電解質膜を挟持して電極に前記加湿加熱された反応ガ
スを供給するセパレータとからなり、固体高分子電解質
膜は水を包含して膜中をプロトンが拡散するので、燃料
電池の運転に必要とされる水分は反応ガスに添加する水
量により制御することができる。また加湿用の水分の蒸
発は燃料電池の反応熱エネルギを利用することができる
から発電効率を従来の電池より高めることができる。設
備も全体として簡易化される。
【図１】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池システムを示す配置図
料電池システムを示す配置図
【図２】この発明の異なる実施例に係る固体高分子電解
質型燃料電池システムを示す配置図
質型燃料電池システムを示す配置図
【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システムを示す配置図
子電解質型燃料電池システムを示す配置図
【図４】従来の固体高分子電解質型燃料電池の単電池を
示す分解側面図
示す分解側面図
【図５】従来の固体高分子電解質型燃料電池のスタック
を示す平面図
を示す平面図
【図６】水透過性の膜を使用する従来の加湿装置を示す
原理図
原理図
【符号の説明】 １ 燃料電池 ２ アノード ３ カソード ４ 冷却板 ５ 水素供給用の配管 ６ 空気供給用の配管 ７ 冷却用の配管 ８ ポンプ ９ 水素加湿用の水配管 10 加湿装置 11 熱交換器 12 ポンプ 13 空気加湿用の水配管 14 加湿装置 15 熱交換器 16 水分除去器 17 水分除去器 18 固体高分子電解質膜 19 セパレータ 20 シール材 21 単電池 22 冷却板
Claims (5)
- 【請求項１】単電池と、冷却板と、加湿装置と、熱交換
器とを有し、 冷却板は単電池の所定数毎に単電池と交互に積層され、 加湿装置は燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスの少なくと
も一方に水を加え、 熱交換器は冷却板からの冷却媒体を用いて前記加湿され
た反応ガスを所定温度に加熱し、 単電池は電極の配された固体高分子電解質膜と、前記電
極の配置された固体高分子電解質膜を挟持して電極に前
記加湿加熱された反応ガスを供給するセパレータとから
なり、 固体高分子電解質膜は水を包含して膜中をプロトンが拡
散することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池シ
ステム。 - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、電極は
電極基材に電極触媒層が積層された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システム。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、水分除
去器が熱交換器とセパレータの間に配設されることを特
徴とする固体高分子電解質型燃料電池システム。 - 【請求項４】請求項１記載の燃料電池において、加湿装
置は霧状の水を供給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システム。 - 【請求項５】請求項１記載の燃料電池において、熱交換
器の加熱温度は固体高分子電解質型燃料電池の運転温度
以下であることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池システム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04245346A JP3111682B2 (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 固体高分子電解質型燃料電池システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP04245346A JP3111682B2 (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 固体高分子電解質型燃料電池システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0696789A true JPH0696789A (ja) | 1994-04-08 |
| JP3111682B2 JP3111682B2 (ja) | 2000-11-27 |
Family
ID=17132310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP04245346A Expired - Lifetime JP3111682B2 (ja) | 1992-09-16 | 1992-09-16 | 固体高分子電解質型燃料電池システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3111682B2 (ja) |
Cited By (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2002343387A (ja) * | 2001-05-21 | 2002-11-29 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | 燃料電池及びその動作方法 |
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