JPH08306375A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

固体高分子型燃料電池

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Publication number
JPH08306375A
JPH08306375A JP7105561A JP10556195A JPH08306375A JP H08306375 A JPH08306375 A JP H08306375A JP 7105561 A JP7105561 A JP 7105561A JP 10556195 A JP10556195 A JP 10556195A JP H08306375 A JPH08306375 A JP H08306375A
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JP
Japan
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fuel cell
solid polymer
unit
water
reaction gas
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Application number
JP7105561A
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English (en)
Inventor
Ryuta Kondo
龍太 近藤
Tomomichi Asou
智倫 麻生
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
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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
    • H01M8/04291—Arrangements for managing water in solid electrolyte fuel cell systems
    • 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】 固体高分子膜への水分供給部と燃料電池部を
一体化し、各単位セルおよび電極への水分供給とガス供
給を確実に行い、各単位セルごとに運転条件を最適化し
て高出力、高効率な固体高分子型燃料電池の積層スタッ
クを提供する。 【構成】 燃料電池部２と水分供給部７とが一体に構成
された固体高分子型燃料電池の単位セル１を複数積層
し、各単位セル１に順次直列に反応ガスを供給するガス
直列供給路１０、１１を備えている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は固体高分子膜を電解質と
して用いた固体高分子型燃料電池に関し、詳しくは単位
セルの構造と、複数の単位セルを積層した積層スタック
に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図６は固体高分子型燃料電池の単位セル
構造を模式化して示す断面図であり、単位セル１は、イ
オン伝導性を有する固体高分子膜２と、その両面に密着
するように配された燃料電極３および酸化剤電極４とで
構成されている。単位セル１を挟持するバイポーラプレ
ート５は、導電性を有するガス不透過性板からなり、そ
の燃料電極３に接する面側に凹溝として形成された燃料
ガス通路６に燃料ガスとしての水素を、酸化剤電極４に
接する面側に凹溝として形成された酸化剤ガス通路７に
酸化剤ガスとしての酸素を供給することにより、単位セ
ル１の一対の電極間で電気化学反応に基づく発電が行わ
れる。なお、このように構成された単位セル１の出力電
圧は１Ｖ以下と低いので、単位セル１とバイポーラプレ
ート５を複数層積層してスタックを構成することによ
り、所望の出力電圧の固体高分子型燃料電池が得られ
る。
【０００３】一方、イオン伝導性を有する固体高分子膜
２としては、例えばプロトン交換膜であるパーフロロカ
ーボンスルホン酸膜（米国、デュポン社、商品名ナフィ
オン）を電解質膜として用いたものが知られており、固
体高分子膜２を飽和含水させることにより、プロトン伝
導性電解質膜として機能する。したがって、固体高分子
型燃料電池の発電効率を高く維持するためには、固体高
分子膜２を飽和含水状態に維持するとともに、固体高分
子型燃料電池の運転温度を５０〜１００℃程度に保持し
て固体高分子膜２の比抵抗を小さく保つ必要がある。と
ころが、運転温度を上記温度範囲に高めて発電を行う
と、燃料ガスおよび酸化剤ガスにより電気化学反応で生
成した水が系外に持ち出されるとともに、プロトンＨ+
が燃料電極３から酸化剤電極４に向けて固体高分子膜２
中を移動する際、プロトンに数分子の水が配向して一緒
に移動し、燃料ガス、酸化剤ガスとともに系外に持ち出
されることにより固体高分子膜２が乾燥し、飽和含水状
態を維持できず固体高分子型燃料電池の発電効率が低下
するという問題が発生する。
【０００４】そこで、このような事態を回避するため
に、反応ガス通路６、７に供給する反応ガス（燃料ガス
および酸化剤ガス）に水を添加して反応ガス中の水蒸気
濃度（水蒸気分圧）を高め、固体高分子膜２からの水分
の蒸発を抑えるよう構成したものが一般的に知られてい
る。反応ガスの加湿方法としては、燃料電池の外部に温
湯を溜めたタンクを用意し、この湯の中に反応ガスをバ
ブリングして加湿し、加湿した反応ガスを固体高分子型
燃料電池の各単位セルに供給する外部加湿法や、固体高
分子型燃料電池に隣接して加湿部を設け、ここで加湿し
た反応ガスを各単位セルに供給する内部加湿法がある。
【０００５】図７は内部加湿方式の従来の固体高分子型
燃料電池を示す模式図、図８は従来の内部加湿方式にお
ける加湿部を示す模式図である。図において、固体高分
子型燃料電池８はその側壁に隣接して反応ガスの加湿部
９を備え、加湿した燃料ガスおよび酸化剤ガスを燃料ガ
ス通路６および酸化剤ガス通路７にそれぞれ供給する。
加湿部９は図８に示すように、加湿用水透過膜１０ａ、
１０ｂを備え、それぞれ一方の面が加湿水通路１１に対
向し、他方の面が燃料ガス加湿室１４または酸化剤ガス
加湿室１５に対向するように構成され、燃料電池の廃熱
により加熱された水により湿潤した加湿用水透過膜１０
表面から水蒸気が発生し、この水蒸気により加湿された
反応ガスが固体高分子型燃料電池８の各単位セルの反応
ガス通路６、７にそれぞれ供給されるようになってい
る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来
の外部加湿方式においては、タンクで加湿した反応ガス
が燃料電池との間の配管途中で凝縮結露するのを防ぐた
め、配管の断熱および加熱を必要とし、かつタンクの加
熱用熱源を必要とするため、固体高分子型燃料電池の熱
効率の低下を招くという課題があり、また装置も大がか
りになるという課題があった。
【０００７】一方、上記従来の内部加湿方式において
は、加湿部を燃料電池スタックに隣接して配置するの
で、水蒸気発生の熱源としての燃料電池の廃熱利用が容
易であり、かつ加湿部と燃料電池の間のガス配管も比較
的簡単化できるという利点がある。しかしながら、導電
性をもたない高分子膜を水分透過膜として使用する燃料
電池とは別体の独立した装置であり、その部品点数も多
く組み立て作業が煩雑になるという課題がある。また、
燃料電池スタックとは独立しているため、燃料電池の廃
熱をうまく回収してスタック全体を均一な温度に制御す
るには、燃料電池スタックに別途冷却板などの冷却部を
設け、この冷却部で回収した廃熱を媒体を介して加湿部
に搬送し利用しなければならず、装置全体および加湿部
から燃料電池反応ガス通路の間や冷却部から加湿部の間
の配管系が複雑になり、熱効率の面でも不利になりやす
いという課題もあった。
【０００８】さらに、前述のようにプロトンが燃料電極
から固体高分子膜中を移動する際、数分子の水が配向し
てプロトンと一緒に移動し系外に持ち出されるので、燃
料電池上流で独立した装置により加湿すると電極の下流
へ行くにしたがって水分が消費され、固体高分子膜が乾
燥しやすくなる。そのため、各単位セルの電極面積をあ
まり大きくできず、かつ各単位セルに順次直列に反応ガ
スを供給することができず、並列供給しなければならな
い。
【０００９】したがって、反応ガスの各単位セル内での
流速が小さくなり、反応ガス供給路内で水分が凝縮して
障害物になると、ガス流速で系外に噴出することができ
ない。また、凝縮水の障害や他の原因により一部の単位
セルの反応ガス供給路の抵抗が大きくなると、その供給
路にはガスが流れにくくなり、各単位セルの反応ガス供
給量が不均等になり出力や発電効率が低下するばかりで
なく、流速が低下してますます凝縮水が溜まり、ついに
は反応ガスがほとんど流れず発電しなくなってしまうと
いった課題もあった。
【００１０】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、固体高分子膜への水分供給部と燃料電池部を一体化
することにより、加湿性能が良く、燃料電池の冷却にも
寄与できる簡単、コンパクトな固体高分子型燃料電池を
得ることを目的とする。また、各単位セルおよび電極へ
の水分供給とガス供給を確実に行い、各単位セルごとに
運転条件を最適化して高出力、高効率な固体高分子型燃
料電池の積層スタックを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために以下の構成より成る。すなわち第１の構成と
しては、イオン伝導性を有する固体高分子膜と、固体高
分子膜の両面に配された一対の電極とからなる燃料電池
部と、固体高分子膜に水分を供給し燃料電池部と一体構
成の水分供給部とを備えたものである。
【００１２】また第２の構成としては、内部に燃料電池
反応ガスを拡散する導電性多孔体で形成され、固体高分
子膜に対向する面に、防水処理された複数の溝型水路か
らなる水分供給部を有する電極を備えたものである。
【００１３】また第３の構成としては、イオン伝導性を
有する固体高分子膜と、この両面に配された一対の電極
とからなる燃料電池部と、前記固体高分子膜に水分を供
給する水分供給部とが一体に構成された固体高分子型燃
料電池の単位セルを複数積層し、各単位セルに順次直列
に反応ガスを供給するガス直列供給路を備えたものであ
る。
【００１４】また第４の構成としては、各単位セルに、
固体高分子膜の含水量検知手段および水分供給量調節手
段を備え、含水量検知手段として、固体高分子膜の電導
度計を備えたものである。
【００１５】また第５の構成としては、各単位セルに、
燃料電池部の温度検知手段および温度調節手段を備えた
ものである。
【００１６】また第６の構成としては、各単位セルに、
燃料電池部の温度検知手段および固体高分子膜への水分
供給量調節手段を備えたものである。
【００１７】また第７の構成としては、複数の単位セル
の少なくとも１つの単位セルの反応ガス入口に、積層ス
タックを出たオフガスを再度反応ガスとして供給する再
循環流路と再循環手段を備えたものである。
【００１８】また第８の構成としては、各単位セルに、
反応ガスの入口流量検知手段および再循環流量調節手段
を備えたものである。
【００１９】また第９の構成としては、反応ガス入口
に、再循環手段として再循環流路からオフガスを吸引す
るアスピレータ部を備えたものである。
【００２０】
【作用】本発明は上記構成により以下の作用を有するも
のである。
【００２１】すなわち、第１の構成のイオン伝導性を有
する固体高分子膜と、この両面に配された一対の電極と
からなる燃料電池部と、固体高分子膜に水分を供給し燃
料電池部と一体構成の水分供給部とを備えた構成によ
り、単位セルに一体化した水分供給部が固体高分子膜に
水分を供給して含水状態を保持するばかりでなく、単位
セルの発電生成熱を水蒸気の蒸発潜熱として奪うので燃
料電池の冷却にも寄与でき、冷却と水分供給を少ない部
品点数で一体コンパクトに実現できる。また、水分供給
部が一体化しているので水分供給部と燃料電池部の間で
断熱や加熱する必要がなく、構成を簡単化できる。さら
に、単位セルごとに水分供給部を備えるので、固体高分
子膜の水分供給性能に優れ、積層スタックにおいては単
位セルの積層数により水分供給部の性能を最適化しなく
とも確実に固体高分子膜に水分供給できる。
【００２２】また第２の構成の、内部に燃料電池反応ガ
スを拡散する導電性多孔体で形成され、固体高分子膜に
対向する面に、防水処理された複数の溝型水路からなる
水分供給部を有する電極を備えた構成により、反応ガス
は導電性多孔体中を拡散して固体高分子膜との界面の燃
料電池反応場まで到達し、固体高分子膜補水用の水は撥
水処理により導電性多孔体中には浸透せず、水路溝を流
れて高分子膜に達し、電極面積の全体で固体高分子膜に
水分供給するので、電極の反応ガス出口側（下流側）で
も十分に水分供給でき、電極面積を大きくすることがで
きる。
【００２３】また第３の構成の、イオン伝導性を有する
固体高分子膜と、この両面に配された一対の電極とから
なる燃料電池部と、前記固体高分子膜に水分を供給する
水分供給部とが一体に構成された固体高分子型燃料電池
の単位セルを複数積層し、各単位セルに順次直列に反応
ガスを供給するガス直列供給路を備えた構成により、反
応ガスが各単位セルに分岐供給されないので、各単位セ
ル内での反応ガス流速は大きく、各単位セルに確実に供
給され不均等がない。また、各単位セルごとに水分供給
部を備えるので、固体高分子膜の水分供給性能に優れ、
積層スタックのガス出口側にある単位セルにおいても確
実に固体高分子膜に水分供給され、高分子膜の乾燥を防
ぐことができる。さらに、反応ガス流速が大きくなるの
で、ガス供給路内で障害物となった凝縮水などの水滴を
排出することができる。
【００２４】また第４の構成の、各単位セルに、固体高
分子膜の含水量検知手段および水分供給量調節手段を備
え、含水量検知手段として、固体高分子膜の電導度計を
備えた構成により、含水量検知手段である固体高分子膜
の電導度計の信号に基づいて水分供給量調節手段を操作
し、固体高分子膜の含水量を最適状態に維持することが
できるので、安定した燃料電池の発電運転ができる。ま
た、各単位セルごとに固体高分子膜の含水量条件を最適
化でき、各単位セルがすべて最大の性能を発揮できるの
で、トータルの積層スタック出力および効率の向上を図
れる。
【００２５】また第５の構成の、各単位セルに、燃料電
池部の温度検知手段および温度調節手段を備えた構成に
より、温度検知手段の信号に基づいて温度調節手段を操
作し、各単位セルの温度条件を最適状態に維持すること
ができるので、安定した燃料電池の発電運転ができる。
また、各単位セルごとに温度条件を最適化でき、各単位
セルがすべて最大の性能を発揮できるので、トータルの
積層スタック出力および効率の向上を図れる。
【００２６】また第６の構成の、各単位セルに、燃料電
池部の温度検知手段および固体高分子膜への水分供給量
調節手段を備えた構成により、構成を簡単化し少ない部
品点数で各単位セルの温度条件を最適状態に維持するこ
とができる。
【００２７】また第７の構成の、複数の単位セルの少な
くとも１つの単位セルの反応ガス入口に、積層スタック
を出たオフガスを再度反応ガスとして供給する再循環流
路と再循環手段を備えた構成により、積層スタックの入
口側（上流側）単位セルで反応ガスが次第に消費され、
出口側で反応ガス供給量が部分的に低下しても、反応ガ
ス量低下部分に再循環流路から補給することができるの
で、各単位セルへの反応ガス供給量を均等化できる。ま
た、再循環流路からの補給により反応ガス流速が大きく
なるので、ガス供給路内で障害物となった凝縮水などの
水滴を確実に排出することができる。さらに、反応ガス
の利用率が高まり、エネルギー効率も向上できる。
【００２８】また第８の構成の、各単位セルに、反応ガ
スの入口流量検知手段および再循環流量調節手段を備え
た構成により、入口流量検知手段の信号に基づいて再循
環流量調節手段を操作し、各単位セルの反応ガス流量条
件を最適状態に維持することができるので、安定した燃
料電池の発電運転ができる。また、各単位セルごとに反
応ガス流量条件を最適化でき、各単位セルがすべて最大
の性能を発揮できるので、トータルの積層スタック出力
および効率の向上を図れる。
【００２９】また第９の構成の、反応ガス入口に、再循
環手段として再循環流路からオフガスを吸引するアスピ
レータ部を備えた構成により、反応ガスの入口における
大きな流速を利用してアスピレータ部で負圧を発生し、
動力なしに再循環流路からオフガスを吸引するので、自
らが発電した電力を消費することなくオフガスの再循環
が可能となり、積層スタック出力および効率の向上を図
れる。
【００３０】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
【００３１】図１は本発明の一実施例による固体高分子
型燃料電池の単位セル構造を示す断面図であり、単位セ
ル１の燃料電池部２は、イオン伝導性を有する固体高分
子膜３と、その両面に配された一対の電極であって、内
部に燃料電池反応ガスを拡散することが可能な導電性多
孔体の燃料電極４および酸化剤電極５とで構成されてい
る。燃料電極４および酸化剤電極５の固体高分子膜３に
対向する面側には凹溝として形成された複数の水路６か
らなる水分供給部７が燃料電池部２と一体に構成され、
導電性を有するガス不透過性板からなるバイポーラプレ
ート８で燃料電池部２と水分供給部７を挟持し、単位セ
ル１を構成している。
【００３２】固体高分子型燃料電池の電解質である固体
高分子膜３には、スルホン酸基をもつポリスチレン系の
陽イオン交換膜や、パーフロロカーボンスルホン酸膜
（米国、デュポン社、商品名ナフィオン）などの分子中
にプロトン交換基をもつ膜が使用されており、水路６に
水を流して水分供給部７により固体高分子膜３を飽和含
水させることにより、プロトン伝導性電解質膜として機
能する。そして、一方の多孔体の燃料電極４に燃料ガス
として供給され電極内を拡散してきた水素は、電極内ま
たは電極と固体高分子膜３との間に配された白金等の触
媒作用によりプロトンＨ+になり、飽和含水した固体高
分子膜３を通って、他方の酸化剤電極５に酸化剤ガスと
して供給され電極内を拡散してきた酸素と電池反応を生
じて発電するのである。
【００３３】したがって、固体高分子膜３をイオン伝導
性電解質膜として機能させ、固体高分子型燃料電池の発
電効率を高く維持するためには、固体高分子膜３の比抵
抗を小さく保つために単位セル１の運転温度を５０〜１
００℃程度に保持するとともに、固体高分子膜３を飽和
含水状態に維持する必要があるが、単位セル１には燃料
電池部２に一体構成された水分供給部７を備えているの
で、電気化学反応により生成した水や、プロトンＨ+が
固体高分子膜３中を移動する際に一緒に移動した数分子
の水が、燃料ガスや酸化剤ガスとともに系外に持ち出さ
れても、常に固体高分子膜３に水分を補給し飽和含水状
態に維持できる。固体高分子膜補水用の水は水路６を流
れて固体高分子膜３に達し、電極面積の全体で固体高分
子膜３に水分供給するので、電極の反応ガス出口側（下
流側）でも十分に水分供給して高分子膜３の乾燥を防
ぐ。したがって、電極全体で効率よく発電反応を行うこ
とができ、燃料電池単位セルの発電効率の向上が図れ、
また電極面積を大きくして大出力化することも容易にな
る。
【００３４】また、単位セル１の発電生成熱を水路６を
流れてきた水が冷却水として、あるいは蒸発する際の蒸
発潜熱として奪うので燃料電池の冷却にも寄与でき、燃
料電池の廃熱をうまく回収して燃料電池全体を均一に温
度制御できる。したがって、燃料電池の温度制御と固体
高分子膜３への水分供給を、少ない部品点数で一体コン
パクトに実現できる。さらに、水分供給部７が一体化し
ているので水分供給部７と燃料電池部２の間で加湿水蒸
気の凝縮防止のため反応ガス通路を断熱や加熱する必要
がなく、構成を簡単化でき、組立工数の低減や製造コス
トの低減も図れる。単位セルごとに水分供給部７を備え
るので、固体高分子膜の水分供給性能に優れ、積層スタ
ックにおいては単位セルの積層数により水分供給部７の
性能を最適化しなくとも確実に固体高分子膜に水分供給
することもできる。
【００３５】図２は本発明の他の実施例による固体高分
子型燃料電池の積層スタックを示す分解構成図であり、
図１と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な
説明は省略する。図において、９は単位セル１を複数積
層した固体高分子型燃料電池の積層スタックであり、複
数のバイポーラプレート８の図中右面には燃料ガスとし
ての水素を燃料電池部２に導く燃料電極４が配せられ、
左面には酸化剤ガスとしての酸素を導く酸化剤電極５が
固体高分子膜３を挟んだ面で流れ方向が直交するように
配せられ、一体構成の燃料電池部２と水分供給部７を構
成し、これを電気的に直列に積層している。各バイポー
ラプレート８には、各単位セル１の燃料電極４に順次直
列に燃料ガスを供給するように連通する燃料ガス直列供
給路１０と、酸化剤電極５に順次直列に酸化剤ガスを供
給するように連通する酸化剤ガス直列供給路１１が設け
られている。
【００３６】上記構成において、燃料ガス直列供給路１
０と酸化剤ガス直列供給路１１にそれぞれ一端から反応
ガスを供給すると、反応ガスは各単位セル１で発電反応
しながら、燃料ガス直列供給路１０または酸化剤ガス直
列供給路１１を通って順次隣の単位セル１に供給され、
それぞれ他端より排出される。この際、反応ガスは各単
位セルに分岐供給されないので、各単位セル内での反応
ガス流速を大きくでき、各単位セルに確実かつ均等に供
給できる。また、各単位セル１ごとに水分供給部７を備
えるので、固体高分子膜３の水分供給性能に優れ、積層
スタックのガス出口側にある単位セル１においても確実
に固体高分子膜３に水分供給され、高分子膜３の乾燥を
防いで効率よく発電することができる。さらに、反応ガ
ス流速が大きくなるので、ガス直列供給路１０または１
１内で障害物となった凝縮水などの水滴を排出すること
ができ、燃料電池反応場まで確実に反応ガスを供給し効
率よく発電することができる。
【００３７】図３は本発明の他の実施例による固体高分
子型燃料電池の積層スタックを示す構成図であり、図１
および図２と同符号のものは相当する構成要素であり、
詳細な説明は省略する。図において、積層スタック９の
各単位セル１の固体高分子膜３を挟む一対のバイポーラ
プレート８間には固体高分子膜３の含水量を微小抵抗で
測る電導度計１２が複数の固体高分子膜３のそれぞれに
対して設けられている。また、各単位セル１には水分供
給部７に水を送るポンプ１３が接続され、このポンプ１
３は、その回転数を変えることにより水の供給流量が可
変、調節できるようになっている。電導度計１２とポン
プ１３は対応する単位セルごとに電気的に接続され、固
体高分子膜３の電導度計１２の信号に基づいて水分供給
部７への水分供給量調節手段であるポンプ１３が運転調
節されるので、固体高分子膜３の含水量を最適状態に維
持することができ、安定した燃料電池の発電運転ができ
る。また、各単位セル１ごとに固体高分子膜３の含水量
を電導度計１２で検知し、水分供給量をポンプ１３で調
節することにより含水量条件を最適化し、各単位セルが
すべて最大の性能を発揮できるので、トータルの積層ス
タック出力および効率の向上を図れ、省エネルギーが可
能となる。
【００３８】図４は本発明のさらに他の実施例による固
体高分子型燃料電池の積層スタックを示す構成図であ
り、図１、図２および図３と同符号のものは相当する構
成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、積
層スタック９の各単位セル１の電極近傍には温度検知手
段１４が設けられ、水分供給量調節手段と温度調節手段
を兼ねるポンプ１３と対応する単位セルごとに電気的に
接続されている。
【００３９】上記構成において、水分供給量調節手段と
温度調節手段を兼ねるポンプ１３は、温度検知手段１４
の信号に基づいて運転調節され、各単位セル１の温度条
件を最適状態に維持することができるので、安定した燃
料電池の発電運転ができる。また、各単位セル１ごとに
温度条件を最適化でき、各単位セルがすべて最大の性能
を発揮できるので、トータルの積層スタック出力および
効率の向上を図れ、省エネルギーが可能となる。また、
水分供給量調節手段と温度調節手段をポンプ１３１つで
実現しているので、簡単構成の少ない部品点数で各単位
セルの温度条件を最適状態に維持することができ、組立
工数の低減や製造コストの低減も図れる。
【００４０】図５は本発明の他の実施例による固体高分
子型燃料電池の積層スタックを示す断面図であり、図１
から図４と同符号のものは相当する構成要素であり、詳
細な説明は省略する。図において、反応ガスの積層スタ
ック出口１５には、積層スタック出口１５を出たオフガ
スを、再度反応ガスとして積層スタック出口１５近傍に
積層されている単位セル１ａに供給する再循環流路１６
が接続され、単位セル１ａの反応ガス入口１７に設けら
れたアスピレータ部１８を介してオフガスを単位セル１
ａに供給できるよう構成されている。また、再循環流路
１６の途中には再循環流量調節手段である絞り弁１９が
設けられ、反応ガス入口１７とアスピレータ部１８の間
に設けられた入口流量検知手段２０の信号に基づき操作
できるようになっている。
【００４１】上記構成において、積層スタック９の入口
からガス直列供給路１０または１１を流れてきた反応ガ
スは、各単位セルで発電反応を生じ、次第に消費され積
層スタック出口１５より排出される。そして、積層スタ
ック出口１５近傍の単位セル１ａの反応ガス供給量が入
口流量検知手段２０により所定の流量より小さいと判定
されると、絞り弁１９の開度を大きくする。ガス直列供
給路１０または１１の流速は大きいので、この流速を利
用してアスピレータ部１８で負圧を発生し、動力なしに
積層スタック出口１５から出たオフガスを再循環流路１
６から吸引補給することができる。したがって、各単位
セル１の反応ガス供給量を均等化することができるので
安定した燃料電池の発電運転ができ、各単位セル１ごと
に反応ガス流量条件を最適化して各単位セルがすべて最
大の性能を発揮できるので、トータルの積層スタック出
力および効率の向上を図れ、省エネルギーが可能とな
る。
【００４２】また、再循環流路１６からの反応ガス補給
により反応ガス流量が大きくなり流速が大きくなるの
で、ガス直列供給路１０または１１内で障害物となった
凝縮水などの水滴を確実に排出することができ、燃料電
池反応場まで確実に反応ガスを供給し効率よく発電する
ことができる。さらに、反応ガスの利用率が高まり、エ
ネルギー効率も向上できる。
【００４３】さらに、アスピレータ部１８で動力なしに
再循環流路１６からオフガスを吸引するので、自らが発
電した電力を消費することなくオフガスの再循環が可能
となり、積層スタック出力および効率の向上を図れ、省
エネルギーが可能となる。
【００４４】
【発明の効果】以上説明したように本発明のハイブリッ
ド燃料電池発電装置は、以下に述べる効果を有するもの
である。
【００４５】すなわち、第１の構成のイオン伝導性を有
する固体高分子膜と、この両面に配された一対の電極と
からなる燃料電池部と、固体高分子膜に水分を供給し燃
料電池部と一体構成の水分供給部とを備えた構成によ
り、単位セルに一体化した水分供給部が固体高分子膜に
水分を供給して含水状態を保持するばかりでなく、単位
セルの発電生成熱を水蒸気の蒸発潜熱として奪うので燃
料電池の冷却にも寄与でき、燃料電池の廃熱をうまく回
収して燃料電池全体の均一温度制御と固体高分子膜への
水分供給を、少ない部品点数で一体コンパクトに実現で
きる。また、水分供給部が一体化しているので水分供給
部と燃料電池部の間で断熱や加熱する必要がなく、構成
を簡単化でき、組立工数の低減や製造コストの低減も図
れる。さらに、単位セルごとに水分供給部を備えるの
で、固体高分子膜の水分供給性能に優れ、積層スタック
においては単位セルの積層数により水分供給部の性能を
最適化しなくとも確実に固体高分子膜に水分供給でき
る。
【００４６】また第２の構成の、内部に燃料電池反応ガ
スを拡散する導電性多孔体で形成され、固体高分子膜に
対向する面に、防水処理された複数の溝型水路からなる
水分供給部を有する電極を備えた構成により、固体高分
子膜補水用の水は水路溝を流れて固体高分子膜に達し、
電極面積の全体で固体高分子膜に水分供給するので、電
極の反応ガス出口側（下流側）でも十分に水分供給して
高分子膜の乾燥を防ぐ。したがって、電極全体で効率よ
く発電反応を行うことができ、燃料電池単位セルの発電
効率の向上が図れ、また電極面積を大きくして大出力化
することも容易になる。
【００４７】また第３の構成の、燃料電池部と水分供給
部とが一体に構成された固体高分子型燃料電池の単位セ
ルを複数積層し、各単位セルに順次直列に反応ガスを供
給するガス直列供給路を備えた構成により、反応ガスが
各単位セルに分岐供給されないので、各単位セル内での
反応ガス流速を大きくでき、各単位セルに確実かつ均等
に供給できる。また、各単位セルごとに水分供給部を備
えるので、固体高分子膜の水分供給性能に優れ、積層ス
タックのガス出口側にある単位セルにおいても確実に固
体高分子膜に水分供給され、高分子膜の乾燥を防いで効
率よく発電することができる。さらに、反応ガス流速が
大きくなるので、ガス供給路内で障害物となった凝縮水
などの水滴を排出することができ、燃料電池反応場まで
確実に反応ガスを供給し効率よく発電することができ
る。
【００４８】また第４の構成の、各単位セルに、固体高
分子膜の含水量検知手段および水分供給量調節手段を備
え、含水量検知手段として、固体高分子膜の電導度計を
備えた構成により、固体高分子膜の電導度計の信号に基
づいて水分供給量調節手段を操作し、固体高分子膜の含
水量を最適状態に維持することができるので、安定した
燃料電池の発電運転ができる。また、各単位セルごとに
固体高分子膜の含水量条件を最適化でき、各単位セルが
すべて最大の性能を発揮できるので、トータルの積層ス
タック出力および効率の向上を図れ、省エネルギーが可
能となる。
【００４９】また第５の構成の、各単位セルに、燃料電
池部の温度検知手段および温度調節手段を備えた構成に
より、温度検知手段の信号に基づいて温度調節手段を操
作し、各単位セルの温度条件を最適状態に維持すること
ができるので、安定した燃料電池の発電運転ができる。
また、各単位セルごとに温度条件を最適化でき、各単位
セルがすべて最大の性能を発揮できるので、トータルの
積層スタック出力および効率の向上を図れ、省エネルギ
ーが可能となる。
【００５０】また第６の構成の、各単位セルに、燃料電
池部の温度検知手段および固体高分子膜への水分供給量
調節手段を備えた構成により、構成を簡単化し少ない部
品点数で各単位セルの温度条件を最適状態に維持するこ
とができる。
【００５１】また第７の構成の、複数の単位セルの少な
くとも１つの単位セルの反応ガス入口に、積層スタック
を出たオフガスを再度反応ガスとして供給する再循環流
路と再循環手段を備えた構成により、積層スタックの入
口側（上流側）単位セルで反応ガスが次第に消費され、
出口側で反応ガス供給量が部分的に低下しても、反応ガ
ス量低下部分に再循環流路から補給することができるの
で、各単位セルへの反応ガス供給量を均等化できる。ま
た、再循環流路からの補給により反応ガス流速が大きく
なるので、ガス供給路内で障害物となった凝縮水などの
水滴を確実に排出することができ、燃料電池反応場まで
確実に反応ガスを供給し効率よく発電することができ
る。さらに、反応ガスの利用率が高まり、エネルギー効
率も向上できる。
【００５２】また第８の構成の、各単位セルに、反応ガ
スの入口流量検知手段および再循環流量調節手段を備え
た構成により、入口流量検知手段の信号に基づいて再循
環流量調節手段を操作し、各単位セルの反応ガス流量条
件を最適状態に維持することができるので、安定した燃
料電池の発電運転ができる。また、各単位セルごとに反
応ガス流量条件を最適化でき、各単位セルがすべて最大
の性能を発揮できるので、トータルの積層スタック出力
および効率の向上を図れ、省エネルギーが可能となる。
【００５３】また第９の構成の、反応ガス入口に、再循
環手段として再循環流路からオフガスを吸引するアスピ
レータ部を備えた構成により、反応ガスの入口における
大きな流速を利用してアスピレータ部で負圧を発生し、
動力なしに再循環流路からオフガスを吸引するので、自
らが発電した電力を消費することなくオフガスの再循環
が可能となり、積層スタック出力および効率の向上を図
れ、省エネルギーが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による固体高分子型燃料電池
の単位セル構造を示す断面図
【図２】本発明の他の実施例による固体高分子型燃料電
池の積層スタックを示す分解構成図
【図３】同電池の積層スタックを示す構成図
【図４】本発明のさらに他の実施例による固体高分子型
燃料電池の積層スタックを示す構成図
【図５】本発明の他の実施例による固体高分子型燃料電
池の積層スタックを示す断面図
【図６】固体高分子型燃料電池の単位セル構造を模式化
して示す断面図
【図７】従来の内部加湿方式の固体高分子型燃料電池を
示す模式図
【図８】同電池における加湿部を示す模式図
【符号の説明】
１ 単位セル ２ 燃料電池部 ３ 固体高分子膜 ４ 燃料電極 ５ 酸化剤電極 ６ 水路 ７ 水分供給部

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】イオン伝導性を有する固体高分子膜と、前
    記固体高分子膜の両面に配された一対の電極とからなる
    燃料電池部と、前記固体高分子膜に水分を供給し前記燃
    料電池部と一体構成の水分供給部とを備えた固体高分子
    型燃料電池。
  2. 【請求項２】内部に燃料電池反応ガスを拡散する導電性
    多孔体で形成され、固体高分子膜に対向する面に、防水
    処理された複数の溝型水路からなる水分供給部を有する
    電極を備えた請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
  3. 【請求項３】イオン伝導性を有する固体高分子膜と、こ
    の両面に配された一対の電極とからなる燃料電池部と、
    前記固体高分子膜に水分を供給する水分供給部とが一体
    に構成された固体高分子型燃料電池の単位セルを複数積
    層し、各単位セルに順次直列に反応ガスを供給するガス
    直列供給路を備えた固体高分子型燃料電池。
  4. 【請求項４】各単位セルに、固体高分子膜の含水量検知
    手段および水分供給量調節手段を備えた請求項３記載の
    固体高分子型燃料電池。
  5. 【請求項５】含水量検知手段は、固体高分子膜の電導度
    計である請求項４記載の固体高分子型燃料電池。
  6. 【請求項６】各単位セルに、燃料電池部の温度検知手段
    および温度調節手段を備えた請求項３又は請求項４記載
    の固体高分子型燃料電池。
  7. 【請求項７】各単位セルに、燃料電池部の温度検知手段
    および固体高分子膜への水分供給量調節手段を備えた請
    求項３又は請求項４記載の固体高分子型燃料電池。
  8. 【請求項８】複数の単位セルの少なくとも１つの単位セ
    ルの反応ガス入口に、積層スタックを出たオフガスを再
    度反応ガスとして供給する再循環流路と再循環手段を備
    えた請求項３記載の固体高分子型燃料電池。
  9. 【請求項９】各単位セルに、反応ガスの入口流量検知手
    段および再循環流量調節手段を備えた請求項８記載の固
    体高分子型燃料電池。
  10. 【請求項１０】反応ガス入口に、再循環手段として再循
    環流路からオフガスを吸引するアスピレータ部を備えた
    請求項８記載の固体高分子型燃料電池。
JP7105561A 1995-04-28 1995-04-28 固体高分子型燃料電池 Pending JPH08306375A (ja)

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