JPH07320755A - 燃料電池 - Google Patents
燃料電池Info
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- JPH07320755A JPH07320755A JP6135104A JP13510494A JPH07320755A JP H07320755 A JPH07320755 A JP H07320755A JP 6135104 A JP6135104 A JP 6135104A JP 13510494 A JP13510494 A JP 13510494A JP H07320755 A JPH07320755 A JP H07320755A
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- 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
- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
- H01M8/04029—Heat exchange using liquids
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- 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
- H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
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- 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
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- General Chemical & Material Sciences (AREA)
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 単電池の面内の湿度を均一に保つことで、電
池性能の向上を図る。 【構成】 電解質膜１０をアノード２０，カソード３０
で挟持する単電池に沿わして燃料ガス流路溝４０及び酸
化ガス流路溝５０を形成する。両流路溝４０，５０はリ
ブ付きのセパレータ６０，７０から構成されており、セ
パレータ６０には冷却板９０が付される。冷却板９０
は、複数本の流路溝８０を２組に分けて、両組は、中央
部側に位置する程、流路溝間の間隔が大きくなるように
構成し、さらに両組に温度が異なる２系統の温調水を流
す。この構成により冷却板９０に温度勾配を発生させ
る。燃料ガス流路溝４０は、その温度勾配の高温部から
低温部側に向かう方向に流路が定められている。このた
め、燃料電池１では、燃料ガスについて、その温度の低
下に則して飽和水蒸気量を減少させることができ、これ
により、相対湿度を燃料ガス流路溝４０の出口側に向か
うにつれ徐々に高める。
池性能の向上を図る。 【構成】 電解質膜１０をアノード２０，カソード３０
で挟持する単電池に沿わして燃料ガス流路溝４０及び酸
化ガス流路溝５０を形成する。両流路溝４０，５０はリ
ブ付きのセパレータ６０，７０から構成されており、セ
パレータ６０には冷却板９０が付される。冷却板９０
は、複数本の流路溝８０を２組に分けて、両組は、中央
部側に位置する程、流路溝間の間隔が大きくなるように
構成し、さらに両組に温度が異なる２系統の温調水を流
す。この構成により冷却板９０に温度勾配を発生させ
る。燃料ガス流路溝４０は、その温度勾配の高温部から
低温部側に向かう方向に流路が定められている。このた
め、燃料電池１では、燃料ガスについて、その温度の低
下に則して飽和水蒸気量を減少させることができ、これ
により、相対湿度を燃料ガス流路溝４０の出口側に向か
うにつれ徐々に高める。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、電解質を２つの電極
で挟持する単電池に燃料ガス通路を沿わした燃料電池に
関する。
で挟持する単電池に燃料ガス通路を沿わした燃料電池に
関する。
【０００２】
【従来の技術】例えば、燃料電池の一つである固体高分
子型燃料電池では、次式に示すように、アノードでは水
素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは
酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応
が行なわれる。 アノード反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- カソード反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
子型燃料電池では、次式に示すように、アノードでは水
素ガスを水素イオンと電子にする反応が、カソードでは
酸素ガスと水素イオンおよび電子から水を生成する反応
が行なわれる。 アノード反応：Ｈ2→２Ｈ+＋２ｅ- カソード反応：２Ｈ+＋２ｅ-＋（１／２）Ｏ2→Ｈ2Ｏ
【０００３】アノードで発生した水素イオンは、水和状
態（Ｈ+・ｘＨ2Ｏ）となって電解質膜中をカソードに移
動する。この反応を連続して行なうには、電解質膜を飽
和含水させる必要があり、含水率が低下すると、電解質
膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能し
なくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしま
う。そこで、一般的には、アノードもしくはカソードに
供給する反応ガス（水素ガスまたは酸素ガス）を加湿す
ることにより、電解質膜の含水率を高める構成がとられ
ていた。
態（Ｈ+・ｘＨ2Ｏ）となって電解質膜中をカソードに移
動する。この反応を連続して行なうには、電解質膜を飽
和含水させる必要があり、含水率が低下すると、電解質
膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機能し
なくなり、場合によっては、電極反応を停止させてしま
う。そこで、一般的には、アノードもしくはカソードに
供給する反応ガス（水素ガスまたは酸素ガス）を加湿す
ることにより、電解質膜の含水率を高める構成がとられ
ていた。
【０００４】ところで、こうした燃料電池では、通常、
電解質膜とアノードおよびカソードとからなる単電池の
表面に沿わして冷却媒体の通路が設けられていることか
ら、単電池の表面に、冷却媒体の通路の入口側で低く、
出口側で高いといった温度勾配が発生した。電解質膜が
飽和含水状態で保持する水の飽和水蒸気圧には温度依存
性があることから、単電池の面内の湿度がその温度勾配
に依存して不均一になるという不具合が生じた。そこ
で、この不具合を解消する燃料電池として、単電池の表
面の温度分布の低い部分側から反応ガスを流入し、面内
の温度分布の高い部分側から反応ガスを排出するよう
に、反応ガス通路方向を定めた構成が提案されていた
（特開平５−１４４４５１号公報）。
電解質膜とアノードおよびカソードとからなる単電池の
表面に沿わして冷却媒体の通路が設けられていることか
ら、単電池の表面に、冷却媒体の通路の入口側で低く、
出口側で高いといった温度勾配が発生した。電解質膜が
飽和含水状態で保持する水の飽和水蒸気圧には温度依存
性があることから、単電池の面内の湿度がその温度勾配
に依存して不均一になるという不具合が生じた。そこ
で、この不具合を解消する燃料電池として、単電池の表
面の温度分布の低い部分側から反応ガスを流入し、面内
の温度分布の高い部分側から反応ガスを排出するよう
に、反応ガス通路方向を定めた構成が提案されていた
（特開平５−１４４４５１号公報）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の燃料電池では、カソード側においては水が生成され
ることから、単電池の面内の湿度を確かに均一に保つこ
とができるが、これに対して、アノード側において上述
した構成をとっても、単電池面内の湿度を均一に保つこ
とができない。というのは、アノード側では、電極反応
により水が吸収されるのみで、前述したような生成水に
よる作用がないためであり、この結果、単電池面内の湿
度を均一に保つことができず、電解質膜の加湿状態にア
ンバランスを生じさせていた。そのため、加湿不足領域
では電池反応が低下し、加湿が良好な領域では電池反応
が集中化してしまい、結果的に出力が低下してしまうと
いう問題があった。
来の燃料電池では、カソード側においては水が生成され
ることから、単電池の面内の湿度を確かに均一に保つこ
とができるが、これに対して、アノード側において上述
した構成をとっても、単電池面内の湿度を均一に保つこ
とができない。というのは、アノード側では、電極反応
により水が吸収されるのみで、前述したような生成水に
よる作用がないためであり、この結果、単電池面内の湿
度を均一に保つことができず、電解質膜の加湿状態にア
ンバランスを生じさせていた。そのため、加湿不足領域
では電池反応が低下し、加湿が良好な領域では電池反応
が集中化してしまい、結果的に出力が低下してしまうと
いう問題があった。
【０００６】この発明の燃料電池は、こうした問題点に
鑑みてなされたもので、単電池の面内の湿度をより確実
に均一に保つことで、電池性能の向上を図ることを目的
としている。
鑑みてなされたもので、単電池の面内の湿度をより確実
に均一に保つことで、電池性能の向上を図ることを目的
としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。
【０００８】即ち、本発明の燃料電池は、電解質を２つ
の電極で挟持する単電池と、前記単電池の片側の表面に
接して設けられ、前記２つの電極の内の一方の電極に燃
料ガスを与える燃料ガス通路とを備えた燃料電池におい
て、前記単電池の前記表面方向に温度勾配を発生する温
度勾配発生源を備えるとともに、前記燃料ガス通路は、
前記単電池の前記表面の高温部から低温部に向かう方向
に流路を定めた構成であることを、その要旨としてい
る。
の電極で挟持する単電池と、前記単電池の片側の表面に
接して設けられ、前記２つの電極の内の一方の電極に燃
料ガスを与える燃料ガス通路とを備えた燃料電池におい
て、前記単電池の前記表面方向に温度勾配を発生する温
度勾配発生源を備えるとともに、前記燃料ガス通路は、
前記単電池の前記表面の高温部から低温部に向かう方向
に流路を定めた構成であることを、その要旨としてい
る。
【０００９】こうした燃料電池において、さらに、前記
単電池の他方側の表面に接して設けられ、前記燃料ガス
通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めつつ他方の
電極に酸化ガスを与える酸化ガス通路を備えるように構
成してもよい。また、前記燃料ガス通路の出口側の水蒸
気分圧を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に
応じて前記単電池の温度を調節する温度調節手段とを備
えるように構成してもよい。
単電池の他方側の表面に接して設けられ、前記燃料ガス
通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めつつ他方の
電極に酸化ガスを与える酸化ガス通路を備えるように構
成してもよい。また、前記燃料ガス通路の出口側の水蒸
気分圧を検出する検出手段と、該検出手段の検出結果に
応じて前記単電池の温度を調節する温度調節手段とを備
えるように構成してもよい。
【００１０】
【作用】燃料ガス通路を流れる燃料ガス中の相対湿度
は、電解質膜への水蒸気の消費によって燃料ガス通路の
出口側に向かうにつれ徐々に低下するが、請求項１記載
の発明のように、単電池の表面の高温部から低温部に向
かう方向に燃料ガスを流すことにより、その温度の低下
に則して飽和水蒸気量を減少させることができ、これに
より、相対湿度を燃料ガスの流れ方向に対して均一にで
きる。この結果、上記電解質膜への水蒸気の消費による
相対湿度の低下が抑えられ、単電池の燃料極側の表面に
おける相対湿度は均一となる。
は、電解質膜への水蒸気の消費によって燃料ガス通路の
出口側に向かうにつれ徐々に低下するが、請求項１記載
の発明のように、単電池の表面の高温部から低温部に向
かう方向に燃料ガスを流すことにより、その温度の低下
に則して飽和水蒸気量を減少させることができ、これに
より、相対湿度を燃料ガスの流れ方向に対して均一にで
きる。この結果、上記電解質膜への水蒸気の消費による
相対湿度の低下が抑えられ、単電池の燃料極側の表面に
おける相対湿度は均一となる。
【００１１】請求項２記載の発明のように、酸化ガス通
路を、燃料ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を
定めた構成とすることで、酸化ガスは単電池の表面の低
温部から高温部に向かう方向に流れる。このため、酸化
ガス通路を流れる酸化ガスは電気反応による生成水を吸
収していくことによって徐々に水蒸気分圧が高まってい
くが、それに合わせて単電池の温度も上がるため、相対
湿度の上昇は抑制される。この結果、電池反応によって
発生した生成水は酸化ガスによってスムーズに排出さ
れ、フラッデイング等による反応低下が抑制できる。
路を、燃料ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を
定めた構成とすることで、酸化ガスは単電池の表面の低
温部から高温部に向かう方向に流れる。このため、酸化
ガス通路を流れる酸化ガスは電気反応による生成水を吸
収していくことによって徐々に水蒸気分圧が高まってい
くが、それに合わせて単電池の温度も上がるため、相対
湿度の上昇は抑制される。この結果、電池反応によって
発生した生成水は酸化ガスによってスムーズに排出さ
れ、フラッデイング等による反応低下が抑制できる。
【００１２】請求項３記載の燃料電池によれば、検出手
段により検出された燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧
に応じて、温度調節手段により単電池の温度が調節され
る。このため、何らかの原因で電解質が急激に乾燥状態
となり、燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧が低下した
場合に、その水蒸気分圧の低下に応じて単電池の温度の
調節が可能となり、電解質が湿潤状態に復帰される。
段により検出された燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧
に応じて、温度調節手段により単電池の温度が調節され
る。このため、何らかの原因で電解質が急激に乾燥状態
となり、燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧が低下した
場合に、その水蒸気分圧の低下に応じて単電池の温度の
調節が可能となり、電解質が湿潤状態に復帰される。
【００１３】
【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。
【００１４】図１は、本発明の第１実施例を適用した固
体高分子型の燃料電池１のセル構造の模式図、図２は、
その分解斜視図である。これらの図に示すように、燃料
電池１は、そのセル構造として、電解質膜１０と、この
電解質膜１０を両側から挟んでサンドイッチ構造とする
ガス拡散電極としてのアノード２０およびカソード３０
と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつ燃料ガス
の流路溝４０および酸化ガス（酸素含有ガス）の流路溝
５０を形成するセパレータ６０，７０とを備える。な
お、図１には、電解質膜１０，アノード２０およびカソ
ード３０からなる単電池を１つだけ示したが、実際は、
セパレータ６０，アノード２０，電解質膜１０，カソー
ド３０，セパレータ７０の順に単電池を複数個積層して
固体高分子型燃料電池を構成する。
体高分子型の燃料電池１のセル構造の模式図、図２は、
その分解斜視図である。これらの図に示すように、燃料
電池１は、そのセル構造として、電解質膜１０と、この
電解質膜１０を両側から挟んでサンドイッチ構造とする
ガス拡散電極としてのアノード２０およびカソード３０
と、このサンドイッチ構造を両側から挟みつつ燃料ガス
の流路溝４０および酸化ガス（酸素含有ガス）の流路溝
５０を形成するセパレータ６０，７０とを備える。な
お、図１には、電解質膜１０，アノード２０およびカソ
ード３０からなる単電池を１つだけ示したが、実際は、
セパレータ６０，アノード２０，電解質膜１０，カソー
ド３０，セパレータ７０の順に単電池を複数個積層して
固体高分子型燃料電池を構成する。
【００１５】また、燃料電池１は、積層した単電池間、
詳細には一方側のセパレータ７０と他方側のセパレータ
６０との間に、冷却水（温調水）の流路溝８０を形成す
る冷却板９０が介装されている。なお、この実施例で
は、単電池間に必ず一個の冷却板９０が設けられている
が、これに換えて、単電池を複数個（例えば、３〜８
個）積み重ねるごとに一個の冷却板９０を設けた構成と
してもよい。
詳細には一方側のセパレータ７０と他方側のセパレータ
６０との間に、冷却水（温調水）の流路溝８０を形成す
る冷却板９０が介装されている。なお、この実施例で
は、単電池間に必ず一個の冷却板９０が設けられている
が、これに換えて、単電池を複数個（例えば、３〜８
個）積み重ねるごとに一個の冷却板９０を設けた構成と
してもよい。
【００１６】電解質膜１０は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。アノード２０およびカソ
ード３０は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンク
ロスにより形成されており、このカーボンクロスには、
触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等
を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれてい
る。
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。アノード２０およびカソ
ード３０は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンク
ロスにより形成されており、このカーボンクロスには、
触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等
を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれてい
る。
【００１７】セパレータ６０は、カーボンを圧縮して不
透過としたガス不透過カーボンにより形成されている。
セパレータ６０には、その一方面にリブが形成されてお
り、このリブとアノード２０の表面とで前記燃料ガスの
流路溝４０を形成している。また、セパレータ７０の一
方面にもリブが形成されており、このリブとカソード３
０の表面とで前記酸化ガスの流路溝５０を形成してい
る。なお、これら燃料ガス流路溝４０と酸化ガス流路溝
５０とは、互いに平行となっている。
透過としたガス不透過カーボンにより形成されている。
セパレータ６０には、その一方面にリブが形成されてお
り、このリブとアノード２０の表面とで前記燃料ガスの
流路溝４０を形成している。また、セパレータ７０の一
方面にもリブが形成されており、このリブとカソード３
０の表面とで前記酸化ガスの流路溝５０を形成してい
る。なお、これら燃料ガス流路溝４０と酸化ガス流路溝
５０とは、互いに平行となっている。
【００１８】燃料ガスおよび酸化ガスの流れについて次
に説明する。図２に示すように、燃料ガス源（図示せ
ず）から供給された燃料ガスＧ１は、セパレータ６０の
外郭フレームに形成された吸気マニホールド（図示せ
ず）を介して燃料ガス流路溝４０の各流路方向に分岐さ
れ、燃料ガス流路溝４０の各流路を図中、ｙ方向に流さ
れる。その後、燃料ガスＧ１は排気マニホールドを介し
て一旦集められて装置外部に排出される。一方、酸化ガ
ス源（図示せず）から供給された酸化ガスＧ２は、セパ
レータ７０の外郭フレームに形成された吸気マニホール
ド（図示せず）を介して酸化ガス流路溝５０の各流路方
向に分岐され、酸化ガス流路溝５０の各流路を図中、−
ｙ方向に流される。その後、酸化ガスＧ２は排気マニホ
ールドを介して一旦集められて装置外部に排出される。
に説明する。図２に示すように、燃料ガス源（図示せ
ず）から供給された燃料ガスＧ１は、セパレータ６０の
外郭フレームに形成された吸気マニホールド（図示せ
ず）を介して燃料ガス流路溝４０の各流路方向に分岐さ
れ、燃料ガス流路溝４０の各流路を図中、ｙ方向に流さ
れる。その後、燃料ガスＧ１は排気マニホールドを介し
て一旦集められて装置外部に排出される。一方、酸化ガ
ス源（図示せず）から供給された酸化ガスＧ２は、セパ
レータ７０の外郭フレームに形成された吸気マニホール
ド（図示せず）を介して酸化ガス流路溝５０の各流路方
向に分岐され、酸化ガス流路溝５０の各流路を図中、−
ｙ方向に流される。その後、酸化ガスＧ２は排気マニホ
ールドを介して一旦集められて装置外部に排出される。
【００１９】冷却板９０は、セパレータ６０と同じ素材
により形成されている。冷却板９０には、セパレータ６
０，７０と同様に、その一方面にリブが形成されてお
り、このリブとセパレータ７０の表面（酸化ガス流路溝
５０が形成されている面と反対側の面）とで温調水の流
路溝８０を形成している。この流路溝８０は、複数本の
流路から構成され、その方向は燃料ガス流路溝４０と酸
化ガス流路溝５０に対して直交する方向である。これら
流路の間隔は両端ほど狭く中央部に向かって徐々に大き
くなるように形成されている。複数本の流路は、２系統
の流路８０ａ，８０ｂに区別することができ、片側半分
に位置する流路８０ａには、第１の温度Ｔ１の温調水Ｗ
１（図２）が流され、他方側半分に位置する流路８０ｂ
には、第１の温度Ｔ１より低い第２の温度Ｔ２の温調水
Ｗ２（図２）が流される。第１の温度Ｔ１は、燃料電池
１の最適作動温度に近い値であり、例えば８０［℃］で
ある。第２の温度Ｔ２は、例えば７０［℃］である。
により形成されている。冷却板９０には、セパレータ６
０，７０と同様に、その一方面にリブが形成されてお
り、このリブとセパレータ７０の表面（酸化ガス流路溝
５０が形成されている面と反対側の面）とで温調水の流
路溝８０を形成している。この流路溝８０は、複数本の
流路から構成され、その方向は燃料ガス流路溝４０と酸
化ガス流路溝５０に対して直交する方向である。これら
流路の間隔は両端ほど狭く中央部に向かって徐々に大き
くなるように形成されている。複数本の流路は、２系統
の流路８０ａ，８０ｂに区別することができ、片側半分
に位置する流路８０ａには、第１の温度Ｔ１の温調水Ｗ
１（図２）が流され、他方側半分に位置する流路８０ｂ
には、第１の温度Ｔ１より低い第２の温度Ｔ２の温調水
Ｗ２（図２）が流される。第１の温度Ｔ１は、燃料電池
１の最適作動温度に近い値であり、例えば８０［℃］で
ある。第２の温度Ｔ２は、例えば７０［℃］である。
【００２０】こうした構成の冷却板９０では、前記温調
水Ｗ１，Ｗ２の温度差と流路溝８０の溝間隔の差から、
片側端部９０ａで最も高い温度Ｔ１、即ち、燃料電池の
作動温度にほぼ等しい温度となり、その後、図中ｙ方向
に移行するにつれ徐々に小さくなり、他方側端部９０ｂ
で最も低い温度Ｔ２となる。なお、冷却板９０により単
電池に過度な温度勾配を設けると、触媒反応速度の不均
一を招くため、単電池内の温度差は、２０［℃］以下が
望ましいことから、本実施例では、第１の温度Ｔ１と第
２の温度Ｔ２との温度差は２０［℃］以下、具体的には
１０［℃］となっている。
水Ｗ１，Ｗ２の温度差と流路溝８０の溝間隔の差から、
片側端部９０ａで最も高い温度Ｔ１、即ち、燃料電池の
作動温度にほぼ等しい温度となり、その後、図中ｙ方向
に移行するにつれ徐々に小さくなり、他方側端部９０ｂ
で最も低い温度Ｔ２となる。なお、冷却板９０により単
電池に過度な温度勾配を設けると、触媒反応速度の不均
一を招くため、単電池内の温度差は、２０［℃］以下が
望ましいことから、本実施例では、第１の温度Ｔ１と第
２の温度Ｔ２との温度差は２０［℃］以下、具体的には
１０［℃］となっている。
【００２１】以上のように構成された燃料電池１では、
冷却板９０により、電解質膜１０，アノード２０および
カソード３０からなる単電池の表面に、図３のグラフに
示すように、温度Ｔ１から温度Ｔ２まで徐々に低下する
温度勾配が発生する。燃料ガス流路溝４０は、温度Ｔ１
である高温部側にその入口が、温度Ｔ２である低温部側
にその出口が位置している。このため、燃料電池１で
は、燃料ガス流路溝４０を流れる燃料ガスについて、そ
の温度の低下に則して飽和水蒸気量を減少させることが
でき、これにより、相対湿度を燃料ガスの流れ方向に対
して均一にできる。燃料ガス通路を流れる燃料ガス中の
相対湿度は、電解質膜１０への水蒸気の消費によって燃
料ガス通路の出口側に向かうにつれ徐々に低下するはず
であるが、上述したように均一にすることができること
から、電解質膜１０への水蒸気の消費による相対湿度の
低下を抑えて、図３の２点鎖線に示すように、アノード
２０の表面における相対湿度を均一とすることができ
る。従って、電解質膜１０への加湿を均一に行なうこと
ができ、その結果、単電池での電気化学反応は安定した
ものなり、電池性能の向上を図ることができる。
冷却板９０により、電解質膜１０，アノード２０および
カソード３０からなる単電池の表面に、図３のグラフに
示すように、温度Ｔ１から温度Ｔ２まで徐々に低下する
温度勾配が発生する。燃料ガス流路溝４０は、温度Ｔ１
である高温部側にその入口が、温度Ｔ２である低温部側
にその出口が位置している。このため、燃料電池１で
は、燃料ガス流路溝４０を流れる燃料ガスについて、そ
の温度の低下に則して飽和水蒸気量を減少させることが
でき、これにより、相対湿度を燃料ガスの流れ方向に対
して均一にできる。燃料ガス通路を流れる燃料ガス中の
相対湿度は、電解質膜１０への水蒸気の消費によって燃
料ガス通路の出口側に向かうにつれ徐々に低下するはず
であるが、上述したように均一にすることができること
から、電解質膜１０への水蒸気の消費による相対湿度の
低下を抑えて、図３の２点鎖線に示すように、アノード
２０の表面における相対湿度を均一とすることができ
る。従って、電解質膜１０への加湿を均一に行なうこと
ができ、その結果、単電池での電気化学反応は安定した
ものなり、電池性能の向上を図ることができる。
【００２２】また、前記燃料電池１では、酸化ガス流路
溝５０中の酸化ガスは、燃料ガス流路溝４０中の燃料ガ
スと対向する方向に流されていることから、酸化ガスは
単電池の表面の低温部から高温部に向かう方向に流れる
ことになる。このため、酸化ガス流路溝５０を流れる酸
化ガスは電気反応による生成水を吸収していくことによ
って徐々に水蒸気分圧が高まっていくが、それに合わせ
て単電池の温度も上がるため、相対湿度の上昇は抑制さ
れる。この結果、電池反応によって発生した生成水は酸
化ガスによってスムーズに排出され、フラッデイング等
による反応低下が抑制でき、単電池の出力を安定化させ
ることができる。
溝５０中の酸化ガスは、燃料ガス流路溝４０中の燃料ガ
スと対向する方向に流されていることから、酸化ガスは
単電池の表面の低温部から高温部に向かう方向に流れる
ことになる。このため、酸化ガス流路溝５０を流れる酸
化ガスは電気反応による生成水を吸収していくことによ
って徐々に水蒸気分圧が高まっていくが、それに合わせ
て単電池の温度も上がるため、相対湿度の上昇は抑制さ
れる。この結果、電池反応によって発生した生成水は酸
化ガスによってスムーズに排出され、フラッデイング等
による反応低下が抑制でき、単電池の出力を安定化させ
ることができる。
【００２３】なお、前記第１実施例の燃料電池１では、
温度の相違する２系統の温調水を用い、冷却板９０の流
路溝８０の間隔を中央部程広くする構成としたが、これ
に換えて、一の温調水を用いて、冷却板９０の流路溝を
片側端部９０ａから他方側端部９０ｂに向かって徐々に
広くするように構成してもよい。この構成により、第１
実施例と同様に、冷却板９０の表面に温度勾配を発生さ
せることができ、ひいては、単電池表面に温度勾配を発
生させることができる。また、前記第１実施例では、セ
パレータ６０と冷却板９０とは別体のものを固着して使
用していたが、これに換えて、両者を一体化して構成し
てもよい。
温度の相違する２系統の温調水を用い、冷却板９０の流
路溝８０の間隔を中央部程広くする構成としたが、これ
に換えて、一の温調水を用いて、冷却板９０の流路溝を
片側端部９０ａから他方側端部９０ｂに向かって徐々に
広くするように構成してもよい。この構成により、第１
実施例と同様に、冷却板９０の表面に温度勾配を発生さ
せることができ、ひいては、単電池表面に温度勾配を発
生させることができる。また、前記第１実施例では、セ
パレータ６０と冷却板９０とは別体のものを固着して使
用していたが、これに換えて、両者を一体化して構成し
てもよい。
【００２４】また、前記第１実施例の燃料電池１では、
冷却板９０の流路溝８０の間隔を中央部程広くする構成
としたが、これに換えて、２系統の温調水を、燃料電池
１の最適作動温度よりも低いもの（冷却水）とした場
合、次のように構成することもできる。温調水が６０
［℃］および５０［℃］といった最適作動温度よりも低
い温度の場合、冷却板９０の流路溝８０の間隔が密な部
分ほど温度が下がる傾向になるため、第１実施例と同様
な図３に示した温度勾配を発生させるには、第１系統の
流路８０ａを、第２系統の流路８０ｂと同様に、図２に
おいてはｙ軸の正の方向に流路溝８０の間隔が狭くなる
ようにした方がよい。
冷却板９０の流路溝８０の間隔を中央部程広くする構成
としたが、これに換えて、２系統の温調水を、燃料電池
１の最適作動温度よりも低いもの（冷却水）とした場
合、次のように構成することもできる。温調水が６０
［℃］および５０［℃］といった最適作動温度よりも低
い温度の場合、冷却板９０の流路溝８０の間隔が密な部
分ほど温度が下がる傾向になるため、第１実施例と同様
な図３に示した温度勾配を発生させるには、第１系統の
流路８０ａを、第２系統の流路８０ｂと同様に、図２に
おいてはｙ軸の正の方向に流路溝８０の間隔が狭くなる
ようにした方がよい。
【００２５】次に、本発明の第２実施例を説明する。こ
の実施例は、第１実施例と同じ構成の燃料電池（本体）
１を備えた上で、冷却板９０の流路溝８０に供給する第
１および第２の温調水Ｗ１，Ｗ２の温度を調節可能とし
たものである。詳しくは、図４の概略構成図に示すよう
に、冷却板９０の流路溝８０の片側流路８０ａに第１の
循環流路１００を接続し、流路溝８０の他方側流路８０
ｂに第２の循環路２００を接続し、両循環路１００，２
００の途中に、ファン１１０，２１０を備えたラジエタ
ー１２０，２２０と循環ポンプ１３０，２３０とをそれ
ぞれ設けた。循環ポンプ１３０，２３０は、外部からの
制御信号を受けて循環量を制御可能なタイプである。さ
らに、この実施例では、燃料ガス流路溝４０の出口側の
マニホールド内に設けられ、その出口側の水蒸気分圧を
検出する湿度センサ３００が設けられている。この湿度
センサ３００と循環ポンプ１３０，２３０は電子制御ユ
ニット（ＥＣＵ）４００に接続される。
の実施例は、第１実施例と同じ構成の燃料電池（本体）
１を備えた上で、冷却板９０の流路溝８０に供給する第
１および第２の温調水Ｗ１，Ｗ２の温度を調節可能とし
たものである。詳しくは、図４の概略構成図に示すよう
に、冷却板９０の流路溝８０の片側流路８０ａに第１の
循環流路１００を接続し、流路溝８０の他方側流路８０
ｂに第２の循環路２００を接続し、両循環路１００，２
００の途中に、ファン１１０，２１０を備えたラジエタ
ー１２０，２２０と循環ポンプ１３０，２３０とをそれ
ぞれ設けた。循環ポンプ１３０，２３０は、外部からの
制御信号を受けて循環量を制御可能なタイプである。さ
らに、この実施例では、燃料ガス流路溝４０の出口側の
マニホールド内に設けられ、その出口側の水蒸気分圧を
検出する湿度センサ３００が設けられている。この湿度
センサ３００と循環ポンプ１３０，２３０は電子制御ユ
ニット（ＥＣＵ）４００に接続される。
【００２６】ＥＣＵ４００は、マイクロコンピュータを
中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設
定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行す
るＣＰＵ４１０、ＣＰＵ４１０で各種演算処理を実行す
るのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納
されたＲＯＭ４２０、同じくＣＰＵ４１０で各種演算処
理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書き
されるＲＡＭ４３０、湿度センサ３００からの出力信号
を入力する入力回路４４０と、ＣＰＵ４１０での演算結
果に応じて循環ポンプ１３０，２３０に制御信号を出力
する出力回路４５０等を備えている。
中心とした論理回路として構成され、詳しくは、予め設
定された制御プログラムに従って所定の演算等を実行す
るＣＰＵ４１０、ＣＰＵ４１０で各種演算処理を実行す
るのに必要な制御プログラムや制御データ等が予め格納
されたＲＯＭ４２０、同じくＣＰＵ４１０で各種演算処
理を実行するのに必要な各種データが一時的に読み書き
されるＲＡＭ４３０、湿度センサ３００からの出力信号
を入力する入力回路４４０と、ＣＰＵ４１０での演算結
果に応じて循環ポンプ１３０，２３０に制御信号を出力
する出力回路４５０等を備えている。
【００２７】こうした構成のＥＣＵ４００のＣＰＵ４１
０よって、湿度センサ３００で検出された水蒸気分圧に
応じて、循環ポンプ１３０，２３０が制御されることに
より、冷却板９０を流れる温調水の温度が調整される。
０よって、湿度センサ３００で検出された水蒸気分圧に
応じて、循環ポンプ１３０，２３０が制御されることに
より、冷却板９０を流れる温調水の温度が調整される。
【００２８】次に、ＣＰＵ４１０により実行される温調
水温制御処理について、図５のフローチャートに沿って
説明する。この制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行
されるものである。ＣＰＵ４１０は、まず、湿度センサ
３００から燃料ガス流路溝４０の出口側の水蒸気分圧Ｐ
Ｒを読み込む（ステップＳ５００）。次いで、その水蒸
気分圧ＰＲが所定の圧力Ｐ０（ガス流量、または要求出
力値に応じて設定される値である）より低い値か否かを
判定し（ステップＳ５１０）、ここで、肯定判定される
と、第１および第２の循環ポンプ１３０，２３０の回転
数を上昇する処理を行なう（ステップＳ５２０）。第１
および第２の循環ポンプ１３０，２３０は、燃料電池１
の定常運転時には、所定の回転数ｎ１，ｎ２（ｎ１，ｎ
２は正の値）でそれぞれ運転されるが、ステップＳ５２
０では、この回転数をｎ１＋ｎ０，ｎ２＋ｎ０（ｎ０は
正の値）にそれぞれ上昇する。
水温制御処理について、図５のフローチャートに沿って
説明する。この制御処理は、所定時間毎に繰り返し実行
されるものである。ＣＰＵ４１０は、まず、湿度センサ
３００から燃料ガス流路溝４０の出口側の水蒸気分圧Ｐ
Ｒを読み込む（ステップＳ５００）。次いで、その水蒸
気分圧ＰＲが所定の圧力Ｐ０（ガス流量、または要求出
力値に応じて設定される値である）より低い値か否かを
判定し（ステップＳ５１０）、ここで、肯定判定される
と、第１および第２の循環ポンプ１３０，２３０の回転
数を上昇する処理を行なう（ステップＳ５２０）。第１
および第２の循環ポンプ１３０，２３０は、燃料電池１
の定常運転時には、所定の回転数ｎ１，ｎ２（ｎ１，ｎ
２は正の値）でそれぞれ運転されるが、ステップＳ５２
０では、この回転数をｎ１＋ｎ０，ｎ２＋ｎ０（ｎ０は
正の値）にそれぞれ上昇する。
【００２９】ステップＳ５２０の実行後、または、ステ
ップＳ５２０で、否定判定、即ち、水蒸気分圧ＰＲが所
定の圧力Ｐ０以上であると判定された場合には、処理は
ステップＳ５３０に進む。ステップＳ５３０では、水蒸
気分圧ＰＲが圧力Ｐ０よち高い所定の圧力Ｐ１を越えた
か否かを判定する。ここで、肯定判定されると、第１お
よび第２の循環ポンプ１３０，２３０の回転数を定常運
転時の回転数ｎ１，ｎ１に復帰する処理を行なう（ステ
ップＳ５４０）。その後、「リターン」に進み、このル
ーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップＳ５２０
で、否定判定、即ち、水蒸気分圧ＰＲが所定の圧力Ｐ１
に達していないと判定された場合にも、「リターン」に
進み、このルーチンの処理を一旦終了する。
ップＳ５２０で、否定判定、即ち、水蒸気分圧ＰＲが所
定の圧力Ｐ０以上であると判定された場合には、処理は
ステップＳ５３０に進む。ステップＳ５３０では、水蒸
気分圧ＰＲが圧力Ｐ０よち高い所定の圧力Ｐ１を越えた
か否かを判定する。ここで、肯定判定されると、第１お
よび第２の循環ポンプ１３０，２３０の回転数を定常運
転時の回転数ｎ１，ｎ１に復帰する処理を行なう（ステ
ップＳ５４０）。その後、「リターン」に進み、このル
ーチンの処理を一旦終了する。一方、ステップＳ５２０
で、否定判定、即ち、水蒸気分圧ＰＲが所定の圧力Ｐ１
に達していないと判定された場合にも、「リターン」に
進み、このルーチンの処理を一旦終了する。
【００３０】こうして構成された温調水温制御ルーチン
によれば、燃料ガス流路溝４０の出口側の水蒸気分圧Ｐ
Ｒが所定の圧力Ｐ０より低下すると、第１および第２の
循環ポンプ１３０，２３０の回転数が定常運転時の回転
数ｎ１，ｎ２から所定回転数ｎ０だけそれぞれ高められ
る。このため、冷却板９０の流路溝８０を流れる温調水
の温度は第１系統，第２系統共、それぞれ低下すること
になり、この結果、燃料ガス流路溝４０および酸化ガス
流路溝５０を流れる各ガス中の飽和水蒸気量が減少し
て、ガス中の湿度が高くなる。従って、この第２実施例
では、何らかの原因で電解質膜１０が急激に乾燥状態と
なり、湿度センサ３００で検出された燃料ガス流路溝４
０の出口側の水蒸気分圧が所定値Ｐ１以下に低下した場
合に、燃料ガス流路溝４０を流れる燃料ガスおよび酸化
ガス流路溝５０を流れる酸化ガス中の湿度を高めること
ができ、その結果、電解質膜１０を湿潤状態に確実に復
帰させることができる。よって、電池性能の向上を図る
ことができる。
によれば、燃料ガス流路溝４０の出口側の水蒸気分圧Ｐ
Ｒが所定の圧力Ｐ０より低下すると、第１および第２の
循環ポンプ１３０，２３０の回転数が定常運転時の回転
数ｎ１，ｎ２から所定回転数ｎ０だけそれぞれ高められ
る。このため、冷却板９０の流路溝８０を流れる温調水
の温度は第１系統，第２系統共、それぞれ低下すること
になり、この結果、燃料ガス流路溝４０および酸化ガス
流路溝５０を流れる各ガス中の飽和水蒸気量が減少し
て、ガス中の湿度が高くなる。従って、この第２実施例
では、何らかの原因で電解質膜１０が急激に乾燥状態と
なり、湿度センサ３００で検出された燃料ガス流路溝４
０の出口側の水蒸気分圧が所定値Ｐ１以下に低下した場
合に、燃料ガス流路溝４０を流れる燃料ガスおよび酸化
ガス流路溝５０を流れる酸化ガス中の湿度を高めること
ができ、その結果、電解質膜１０を湿潤状態に確実に復
帰させることができる。よって、電池性能の向上を図る
ことができる。
【００３１】なお、循環路中に電気式ヒータを配し、水
蒸気分圧ＰＲが大きくなりすぎ、即ち、余剰に加湿され
ているような場合には、その電気式ヒータを作動させ、
逆に相対湿度を下げるように制御することを可能であ
る。また、その場合、その電気式ヒータを始動時に作動
させ、燃料電池の始動特性を向上させるようにしてもよ
い。
蒸気分圧ＰＲが大きくなりすぎ、即ち、余剰に加湿され
ているような場合には、その電気式ヒータを作動させ、
逆に相対湿度を下げるように制御することを可能であ
る。また、その場合、その電気式ヒータを始動時に作動
させ、燃料電池の始動特性を向上させるようにしてもよ
い。
【００３２】前述した循環ポンプ１３０，２３０の制御
では、両循環ポンプ１３０，２３０を共に制御したが、
燃料ガスの出口側のポンプ２３０のみ制御するようにし
てもよい。また、湿度センサを入口側にも追加し、両循
環ポンプ１３０，２３０を個別に制御してもよい。さら
には、ファン１１０，２１０の回転数を制御することに
よって温度制御することも可能である。
では、両循環ポンプ１３０，２３０を共に制御したが、
燃料ガスの出口側のポンプ２３０のみ制御するようにし
てもよい。また、湿度センサを入口側にも追加し、両循
環ポンプ１３０，２３０を個別に制御してもよい。さら
には、ファン１１０，２１０の回転数を制御することに
よって温度制御することも可能である。
【００３３】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内におい
て、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、本発明の要旨を逸脱しない範囲内におい
て、種々なる態様で実施し得ることは勿論である。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように本発明の燃料電池で
は、単電池の表面の高温部から低温部に向かう方向に燃
料ガスを流すことにより、単電池の電解質への加湿を均
一なものとすることができる。その結果、単電池での電
気化学反応は安定したものとなり、電池性能の向上を図
ることができる。
は、単電池の表面の高温部から低温部に向かう方向に燃
料ガスを流すことにより、単電池の電解質への加湿を均
一なものとすることができる。その結果、単電池での電
気化学反応は安定したものとなり、電池性能の向上を図
ることができる。
【００３５】また、酸化ガスの流れ方向を燃料ガスの流
れ方向に対向させることにより、酸化ガスの電極側から
も単電池の電解質への加湿の均一化を図ることができ
る。その結果、単電池での電気化学反応は安定したもの
となり、より一層の電池性能の向上を図ることができ
る。
れ方向に対向させることにより、酸化ガスの電極側から
も単電池の電解質への加湿の均一化を図ることができ
る。その結果、単電池での電気化学反応は安定したもの
となり、より一層の電池性能の向上を図ることができ
る。
【００３６】さらに、燃料ガス通路の出口側の水蒸気分
圧に応じて単電池の温度を調節することにより、不足の
事態における単電池の急激な乾燥を抑えることができ、
電池性能の向上をより一層図ることができる。
圧に応じて単電池の温度を調節することにより、不足の
事態における単電池の急激な乾燥を抑えることができ、
電池性能の向上をより一層図ることができる。
【図１】本発明の第１実施例を適用した燃料電池１のセ
ル構造の模式図である。
ル構造の模式図である。
【図２】そのセル構造の分解斜視図である。
【図３】燃料ガス流路溝４０の位置に対する単電池表面
の温度勾配と電解質膜１０の相対湿度との変化を示すグ
ラフである。
の温度勾配と電解質膜１０の相対湿度との変化を示すグ
ラフである。
【図４】本発明の第２実施例の全体構成を示す概略構成
図である。
図である。
【図５】電子制御ユニット４００で実行される温調水温
制御ルーチンを示すフローチャートである。
制御ルーチンを示すフローチャートである。
１…燃料電池 １０…電解質膜 ２０…アノード ３０…カソード ４０…燃料ガス流路溝 ５０…酸化ガス流路溝 ６０…セパレータ ７０…セパレータ ８０…流路溝 ９０…冷却板 １００…第１の循環流路 １１０…ファン １２０…ラジエター １３０…第１の循環ポンプ ２００…第２の循環路 ２１０…ファン ２２０…ラジエター ２３０…第２の循環ポンプ ３００…湿度センサ ４００…電子制御ユニット ４１０…ＣＰＵ ４２０…ＲＯＭ ４３０…ＲＡＭ ４４０…入力回路 ４５０…出力回路 Ｇ１…燃料ガス Ｇ２…酸化ガス ＰＲ…水蒸気分圧 Ｔ１…第１の温度 Ｔ２…第２の温度 Ｗ１…第１の温調水 Ｗ２…第２の温調水
Claims (3)
- 【請求項１】 電解質を２つの電極で挟持する単電池
と、 前記単電池の片側の表面に接して設けられ、前記２つの
電極の内の一方の電極に燃料ガスを与える燃料ガス通路
とを備えた燃料電池において、 前記単電池の前記表面方向に温度勾配を発生する温度勾
配発生源を備えるとともに、 前記燃料ガス通路は、 前記単電池の前記表面の高温部から低温部に向かう方向
に流路を定めた構成であることを特徴とする燃料電池。 - 【請求項２】 請求項１記載の燃料電池であって、 さらに、 前記単電池の他方側の表面に接して設けられ、前記燃料
ガス通路の流れ方向と対向する方向に流路を定めつつ他
方の電極に酸化ガスを与える酸化ガス通路を備える燃料
電池。 - 【請求項３】 請求項１または２記載の燃料電池であっ
て、 さらに、 前記燃料ガス通路の出口側の水蒸気分圧を検出する検出
手段と、 該検出手段の検出結果に応じて前記単電池の温度を調節
する温度調節手段とを備える燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13510494A JP3555178B2 (ja) | 1994-05-24 | 1994-05-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP13510494A JP3555178B2 (ja) | 1994-05-24 | 1994-05-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07320755A true JPH07320755A (ja) | 1995-12-08 |
| JP3555178B2 JP3555178B2 (ja) | 2004-08-18 |
Family
ID=15143936
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP13510494A Expired - Fee Related JP3555178B2 (ja) | 1994-05-24 | 1994-05-24 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3555178B2 (ja) |
Cited By (14)
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1994
- 1994-05-24 JP JP13510494A patent/JP3555178B2/ja not_active Expired - Fee Related
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