JPH08315839A - 固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池システム - Google Patents
固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池システムInfo
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- JPH08315839A JPH08315839A JP7119418A JP11941895A JPH08315839A JP H08315839 A JPH08315839 A JP H08315839A JP 7119418 A JP7119418 A JP 7119418A JP 11941895 A JP11941895 A JP 11941895A JP H08315839 A JPH08315839 A JP H08315839A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 燃料ガスや酸化剤ガスを加湿器等を用いて加
湿しなくても固体高分子膜が保湿され、且つ、電池本体
に冷媒用の通路を別個に設けなくても高い冷却力を得る
ことのできる固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃
料電池システムを提供することを目的とする。 【構成】 気液分離器５は、電池本体２から回収された
気液混合物を、燃料ガス層と水層とに分離する。燃料ガ
スタンク３は気液分離器５の燃料ガス層に燃料ガスを供
給して、回収された燃料ガスと混合する。気液混合ユニ
ット４は、この混合された燃料ガスを、水循環ポンプ７
で送り込まれる水に吹き込んで気液混合物を生成する。
生成された気液混合物は、アノード側チャネルに供給さ
れる。一方、空気供給ファン１０は、カソード側チャネ
ルに空気を供給する。
湿しなくても固体高分子膜が保湿され、且つ、電池本体
に冷媒用の通路を別個に設けなくても高い冷却力を得る
ことのできる固体高分子型燃料電池及び固体高分子型燃
料電池システムを提供することを目的とする。 【構成】 気液分離器５は、電池本体２から回収された
気液混合物を、燃料ガス層と水層とに分離する。燃料ガ
スタンク３は気液分離器５の燃料ガス層に燃料ガスを供
給して、回収された燃料ガスと混合する。気液混合ユニ
ット４は、この混合された燃料ガスを、水循環ポンプ７
で送り込まれる水に吹き込んで気液混合物を生成する。
生成された気液混合物は、アノード側チャネルに供給さ
れる。一方、空気供給ファン１０は、カソード側チャネ
ルに空気を供給する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子型燃料電池
及び固体高分子型燃料電池システムに関する。
及び固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池は、その電池本体
に、固体高分子膜の両面にアノード層とカソード層とを
配したセルと、アノード層に対向して配された燃料ガス
通路と、カソード層に対向して配された酸化剤ガス通路
とを備えている。そして、燃料ガス通路に燃料ガス（例
えば水素リッチな燃料ガス）を供給すると共に、酸化剤
ガス通路に酸化剤ガス（例えば空気）を供給し、セルで
このガスの供給を受けて電気化学的反応を行うことよっ
て発電を行うようになっている。
に、固体高分子膜の両面にアノード層とカソード層とを
配したセルと、アノード層に対向して配された燃料ガス
通路と、カソード層に対向して配された酸化剤ガス通路
とを備えている。そして、燃料ガス通路に燃料ガス（例
えば水素リッチな燃料ガス）を供給すると共に、酸化剤
ガス通路に酸化剤ガス（例えば空気）を供給し、セルで
このガスの供給を受けて電気化学的反応を行うことよっ
て発電を行うようになっている。
【０００３】また、現在実用化されている電池本体の構
造としては、燃料ガス通路並びに酸化剤ガス通路が形成
されたセパレータと、セルとを交互に積層させた積層構
造とすることによって高電圧を取り出せるようになって
いるものが多い。ところで、固体高分子型燃料電池の運
転時には、発電に伴って熱が発生するが、自然冷却だけ
では冷却力が小さいため、所定の運転温度（５０〜１０
０℃程度）に保つため、一般的に燃料電池積層体内に数
セル毎に冷媒が流通できる専用の通路を設けることによ
り強制冷却しながら運転されている。
造としては、燃料ガス通路並びに酸化剤ガス通路が形成
されたセパレータと、セルとを交互に積層させた積層構
造とすることによって高電圧を取り出せるようになって
いるものが多い。ところで、固体高分子型燃料電池の運
転時には、発電に伴って熱が発生するが、自然冷却だけ
では冷却力が小さいため、所定の運転温度（５０〜１０
０℃程度）に保つため、一般的に燃料電池積層体内に数
セル毎に冷媒が流通できる専用の通路を設けることによ
り強制冷却しながら運転されている。
【０００４】また、固体高分子型燃料電池の運転中、固
体高分子膜は、イオン導電性を持つために膜の湿潤状態
が保持されていなければならない。運転中に燃料ガスと
酸化剤ガスとの反応に伴って生成される水は固体高分子
膜の保湿に寄与するが、それだけでは不十分で、外部か
ら水分を補給しつづけなければ固体高分子膜を保湿する
ことができない。そこで従来、固体高分子膜を保湿する
ために、電池本体に供給される燃料ガスや酸化剤ガスに
対して電池本体外部に設けた加湿器で加湿することによ
り固体高分子膜を保湿する外部加湿法が用いられてい
た。
体高分子膜は、イオン導電性を持つために膜の湿潤状態
が保持されていなければならない。運転中に燃料ガスと
酸化剤ガスとの反応に伴って生成される水は固体高分子
膜の保湿に寄与するが、それだけでは不十分で、外部か
ら水分を補給しつづけなければ固体高分子膜を保湿する
ことができない。そこで従来、固体高分子膜を保湿する
ために、電池本体に供給される燃料ガスや酸化剤ガスに
対して電池本体外部に設けた加湿器で加湿することによ
り固体高分子膜を保湿する外部加湿法が用いられてい
た。
【０００５】即ち、従来の固体高分子型燃料電池は、加
湿器等の装置を設けて水分を固体高分子膜に補給すると
共に、冷媒用の通路を開設して電池本体を強制的に冷却
するようになっているものが多かった。これに対して、
平１−１４０５６２号公報には、アスピレータで燃料ガ
スに霧状の水を供給することによって、固体高分子膜を
保湿すると共にカソード側から十分な水を蒸発させて電
池本体の冷却を行うことのできる固体高分子型燃料電池
が開示されており、この場合、電池本体内に冷媒用の通
路を別に設けなくても強制冷却が可能となる。
湿器等の装置を設けて水分を固体高分子膜に補給すると
共に、冷媒用の通路を開設して電池本体を強制的に冷却
するようになっているものが多かった。これに対して、
平１−１４０５６２号公報には、アスピレータで燃料ガ
スに霧状の水を供給することによって、固体高分子膜を
保湿すると共にカソード側から十分な水を蒸発させて電
池本体の冷却を行うことのできる固体高分子型燃料電池
が開示されており、この場合、電池本体内に冷媒用の通
路を別に設けなくても強制冷却が可能となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実際上
は、カソード側から水を蒸発させることによって得られ
る冷却力には限界があり、大きな冷却力を得ることが難
しいため、高出力密度あるいは大型の固体高分子型燃料
電池のように大きな冷却力を必要とする場合には、この
ような手段で冷却することは困難であると考えられる。
は、カソード側から水を蒸発させることによって得られ
る冷却力には限界があり、大きな冷却力を得ることが難
しいため、高出力密度あるいは大型の固体高分子型燃料
電池のように大きな冷却力を必要とする場合には、この
ような手段で冷却することは困難であると考えられる。
【０００７】本発明は、このような課題に鑑み、燃料ガ
スや酸化剤ガスを加湿器等を用いて加湿しなくても固体
高分子膜が保湿され、且つ、電池本体に冷媒用の通路を
別個に設けなくても高い冷却力を得ることのできる固体
高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池システムを
提供することを目的としている。
スや酸化剤ガスを加湿器等を用いて加湿しなくても固体
高分子膜が保湿され、且つ、電池本体に冷媒用の通路を
別個に設けなくても高い冷却力を得ることのできる固体
高分子型燃料電池及び固体高分子型燃料電池システムを
提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の固体高分子型燃料電池は、固体高分
子膜にアノード層及びカソード層を配したセルと、アノ
ード層と対向して形成されたアノード側通路と、カソー
ド層と対向して形成されたカソード側通路とを備える電
池本体と、アノード側通路に、液状の水に燃料ガスが混
合されてなる気液混合物を供給する混合物供給手段と、
カソード側通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給
手段とを備えることを特徴としている。
め、請求項１記載の固体高分子型燃料電池は、固体高分
子膜にアノード層及びカソード層を配したセルと、アノ
ード層と対向して形成されたアノード側通路と、カソー
ド層と対向して形成されたカソード側通路とを備える電
池本体と、アノード側通路に、液状の水に燃料ガスが混
合されてなる気液混合物を供給する混合物供給手段と、
カソード側通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給
手段とを備えることを特徴としている。
【０００９】また、請求項２記載の固体高分子型燃料電
池は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池に対して、
気液混合物は、水中に燃料ガスが細かく分散されたもの
であることを特徴としている。また、請求項３記載の固
体高分子型燃料電池は、請求項１記載の固体高分子型燃
料電池に対して、電池本体は、セルと、アノード側通路
並びにカソード側通路が形成されたプレートとが積層さ
れてなる積層型の燃料電池であることを特徴としてい
る。
池は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池に対して、
気液混合物は、水中に燃料ガスが細かく分散されたもの
であることを特徴としている。また、請求項３記載の固
体高分子型燃料電池は、請求項１記載の固体高分子型燃
料電池に対して、電池本体は、セルと、アノード側通路
並びにカソード側通路が形成されたプレートとが積層さ
れてなる積層型の燃料電池であることを特徴としてい
る。
【００１０】また、請求項４記載の固体高分子型燃料電
池は、請求項３記載の固体高分子型燃料電池に対して、
電池本体には、アノード側通路と連通するマニホールド
が形成され、混合物供給手段は、マニホールドと、マニ
ホールドに水を供給する水供給手段と、マニホールド内
に設置され、マニホールド内に供給された水に燃料ガス
を吹き込むガス吹込器とからなることを特徴としてい
る。
池は、請求項３記載の固体高分子型燃料電池に対して、
電池本体には、アノード側通路と連通するマニホールド
が形成され、混合物供給手段は、マニホールドと、マニ
ホールドに水を供給する水供給手段と、マニホールド内
に設置され、マニホールド内に供給された水に燃料ガス
を吹き込むガス吹込器とからなることを特徴としてい
る。
【００１１】また、請求項５記載の固体高分子型燃料電
池システムは、固体高分子膜にアノード層及びカソード
層を配したセルと、アノード層に対向して形成されたア
ノード側通路と、カソード層に対向して形成されたカソ
ード側通路とを備える電池本体と、燃料ガス供給源から
供給される燃料ガスを液状の水と混合して気液混合物を
生成する混合物生成器と、混合物生成器で生成された気
液混合物を、アノード側通路に供給する混合物供給手段
と、カソード側通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス
供給手段と、を備えることを特徴としている。
池システムは、固体高分子膜にアノード層及びカソード
層を配したセルと、アノード層に対向して形成されたア
ノード側通路と、カソード層に対向して形成されたカソ
ード側通路とを備える電池本体と、燃料ガス供給源から
供給される燃料ガスを液状の水と混合して気液混合物を
生成する混合物生成器と、混合物生成器で生成された気
液混合物を、アノード側通路に供給する混合物供給手段
と、カソード側通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス
供給手段と、を備えることを特徴としている。
【００１２】また、請求項６記載の固体高分子型燃料電
池システムは、請求項５記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムに対して、更に、アノード側通路から排出される
気液混合物を回収する混合物回収手段と、混合物回収手
段で回収した気液混合物と、燃料ガス供給源から供給さ
れる燃料ガスとを用いて、新たな気液混合物を生成する
混合物再生手段とを備え、混合物供給手段は、混合物再
生手段で生成された気液混合物もアノード側通路に供給
するものであることを特徴としている。
池システムは、請求項５記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムに対して、更に、アノード側通路から排出される
気液混合物を回収する混合物回収手段と、混合物回収手
段で回収した気液混合物と、燃料ガス供給源から供給さ
れる燃料ガスとを用いて、新たな気液混合物を生成する
混合物再生手段とを備え、混合物供給手段は、混合物再
生手段で生成された気液混合物もアノード側通路に供給
するものであることを特徴としている。
【００１３】また、請求項７記載の固体高分子型燃料電
池システムは、請求項６記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムに対して、混合物再生手段は、混合物生成器と、
混合物回収手段で回収された気液混合物を、燃料ガスと
水とに分離する気液分離器と、気液分離器で分離された
燃料ガスを、燃料ガス供給源からの燃料ガスと共に混合
物生成器に供給する燃料ガス供給手段とからなることを
特徴としている。
池システムは、請求項６記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムに対して、混合物再生手段は、混合物生成器と、
混合物回収手段で回収された気液混合物を、燃料ガスと
水とに分離する気液分離器と、気液分離器で分離された
燃料ガスを、燃料ガス供給源からの燃料ガスと共に混合
物生成器に供給する燃料ガス供給手段とからなることを
特徴としている。
【００１４】また、請求項８記載の固体高分子型燃料電
池システムは、請求項６記載の固体高分子型燃料電池シ
ステ対して、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスが
水素であることを特徴としている。また、請求項９記載
の固体高分子型燃料電池システムは、請求項７記載の固
体高分子型燃料電池システムに対して、更に、気液分離
器で分離された水を混合物生成器に返送する水返送手段
を備えることを特徴としている。
池システムは、請求項６記載の固体高分子型燃料電池シ
ステ対して、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスが
水素であることを特徴としている。また、請求項９記載
の固体高分子型燃料電池システムは、請求項７記載の固
体高分子型燃料電池システムに対して、更に、気液分離
器で分離された水を混合物生成器に返送する水返送手段
を備えることを特徴としている。
【００１５】また、請求項１０記載の固体高分子型燃料
電池システムは、請求項５記載の固体高分子型燃料電池
システムに対して、混合物生成器は、液状の水を滞留さ
せる水槽部と、水槽部に滞留する水に燃料ガスを吹き込
んで分散させるガス吹込器とからなることを特徴として
いる。また、請求項１１記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムは、請求項１０記載の固体高分子型燃料電池シス
テムに対して、アノード側通路は、その出口側が入口側
と同等又はより高い位置に配され、水槽部はアノード側
通路の下端より低い位置に設けられ、混合物供給手段
は、混合物生成器に供給される燃料ガスの圧力及び混合
物生成器で生成された気液混合物のガス相の浮力を用い
て気液混合物をアノード側通路に供給するものであるこ
とを特徴としいている。
電池システムは、請求項５記載の固体高分子型燃料電池
システムに対して、混合物生成器は、液状の水を滞留さ
せる水槽部と、水槽部に滞留する水に燃料ガスを吹き込
んで分散させるガス吹込器とからなることを特徴として
いる。また、請求項１１記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムは、請求項１０記載の固体高分子型燃料電池シス
テムに対して、アノード側通路は、その出口側が入口側
と同等又はより高い位置に配され、水槽部はアノード側
通路の下端より低い位置に設けられ、混合物供給手段
は、混合物生成器に供給される燃料ガスの圧力及び混合
物生成器で生成された気液混合物のガス相の浮力を用い
て気液混合物をアノード側通路に供給するものであるこ
とを特徴としいている。
【００１６】また、請求項１２記載の固体高分子型燃料
電池システムは、請求項１１記載の固体高分子型燃料電
池システムに対して、更に、アノード側通路の上端から
の気液混合物を回収し、燃料ガスと水とに分離する気液
分離槽と、気液分離器で分離された燃料ガスを燃料ガス
供給源からの燃料ガスと共に混合物生成器に供給する燃
料ガス供給手段とを備え、気液分離槽と前記水槽部とが
連通していることを特徴としている。
電池システムは、請求項１１記載の固体高分子型燃料電
池システムに対して、更に、アノード側通路の上端から
の気液混合物を回収し、燃料ガスと水とに分離する気液
分離槽と、気液分離器で分離された燃料ガスを燃料ガス
供給源からの燃料ガスと共に混合物生成器に供給する燃
料ガス供給手段とを備え、気液分離槽と前記水槽部とが
連通していることを特徴としている。
【００１７】
【作用】請求項１記載の固体高分子型燃料電池によれ
ば、混合物供給手段によって、アノード側通路に、気液
混合物が供給され、酸化剤ガス供給手段によって、カソ
ード側通路に酸化剤ガスが供給される。そして、気液混
合物がアノード側通路を流れるとき、それに含まれる燃
料ガスがアノード層に供給される一方、カソード側通路
を流れる酸化剤ガスがカソード層に供給されて、セルに
おける発電がなされる。
ば、混合物供給手段によって、アノード側通路に、気液
混合物が供給され、酸化剤ガス供給手段によって、カソ
ード側通路に酸化剤ガスが供給される。そして、気液混
合物がアノード側通路を流れるとき、それに含まれる燃
料ガスがアノード層に供給される一方、カソード側通路
を流れる酸化剤ガスがカソード層に供給されて、セルに
おける発電がなされる。
【００１８】また、気液混合物がアノード側通路を流れ
るとき、この気液混合物中の水が冷却水と同様に作用
し、熱交換を行うことによって、電池本体が冷却される
と共に、固体高分子膜には水分が供給されて保湿がなさ
れる。従って、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する加湿器
を設ける必要はなく、電池本体に冷媒用の通路を別個に
設けなくても高い冷却力を得ることができる。
るとき、この気液混合物中の水が冷却水と同様に作用
し、熱交換を行うことによって、電池本体が冷却される
と共に、固体高分子膜には水分が供給されて保湿がなさ
れる。従って、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する加湿器
を設ける必要はなく、電池本体に冷媒用の通路を別個に
設けなくても高い冷却力を得ることができる。
【００１９】また、請求項２記載の固体高分子型燃料電
池によれば、気液混合物は、水中に燃料ガスが細かく分
散されている。従って、気液混合物中の燃料ガスのアノ
ード層への拡散性も優れる。また、請求項３記載の固体
高分子型燃料電池によれば、電池本体は、セルと、アノ
ード側通路並びにカソード側通路が形成されたプレート
とが積層されてなる積層型の燃料電池である。
池によれば、気液混合物は、水中に燃料ガスが細かく分
散されている。従って、気液混合物中の燃料ガスのアノ
ード層への拡散性も優れる。また、請求項３記載の固体
高分子型燃料電池によれば、電池本体は、セルと、アノ
ード側通路並びにカソード側通路が形成されたプレート
とが積層されてなる積層型の燃料電池である。
【００２０】この場合、電池本体に冷却プレート等の部
材を介挿させなくても高い冷却力を得ることができるの
で、その分、燃料電池のサイズを小さくすることができ
る。また、請求項４記載の固体高分子型燃料電池によれ
ば、電池本体には、アノード側通路と連通するマニホー
ルドが形成されており、水供給手段は、マニホールドに
水を供給し、ガス吹込器は、供給された水に燃料ガスを
吹き込むことによってマニホールド内に気液混合物を生
成する。そして、生成された気液混合物は、アノード側
通路に供給される。
材を介挿させなくても高い冷却力を得ることができるの
で、その分、燃料電池のサイズを小さくすることができ
る。また、請求項４記載の固体高分子型燃料電池によれ
ば、電池本体には、アノード側通路と連通するマニホー
ルドが形成されており、水供給手段は、マニホールドに
水を供給し、ガス吹込器は、供給された水に燃料ガスを
吹き込むことによってマニホールド内に気液混合物を生
成する。そして、生成された気液混合物は、アノード側
通路に供給される。
【００２１】また、請求項５記載の固体高分子型燃料電
池システムによれば、混合物生成器では、燃料ガス供給
源から供給される燃料ガスが、液状の水と混合されて気
液混合物が生成される。そして、生成された気液混合物
は、混合物供給手段によってアノード側通路に供給され
る。一方、酸化剤ガス供給手段によって、カソード側通
路に酸化剤ガスが供給される。
池システムによれば、混合物生成器では、燃料ガス供給
源から供給される燃料ガスが、液状の水と混合されて気
液混合物が生成される。そして、生成された気液混合物
は、混合物供給手段によってアノード側通路に供給され
る。一方、酸化剤ガス供給手段によって、カソード側通
路に酸化剤ガスが供給される。
【００２２】アノード側通路を流れる気液混合物に含ま
れる燃料ガスがアノード層に供給される一方、カソード
側通路を流れる酸化剤ガスがカソード層に供給されて、
セルにおける発電がなされる。また、気液混合物がアノ
ード側通路を流れるとき、この気液混合物中の水が冷却
水と同様に作用し、熱交換を行うことによって、電池本
体が冷却されると共に、固体高分子膜には水分が供給さ
れて保湿がなされる。
れる燃料ガスがアノード層に供給される一方、カソード
側通路を流れる酸化剤ガスがカソード層に供給されて、
セルにおける発電がなされる。また、気液混合物がアノ
ード側通路を流れるとき、この気液混合物中の水が冷却
水と同様に作用し、熱交換を行うことによって、電池本
体が冷却されると共に、固体高分子膜には水分が供給さ
れて保湿がなされる。
【００２３】従って、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する
ための装置を設ける必要はなく、電池本体に別個に冷媒
用の通路を設けなくても高い冷却力を得ることができ
る。また、請求項６記載の固体高分子型燃料電池システ
ムによれば、アノード側通路から排出される気液混合物
は、混合物回収手段によって回収される。そして、混合
物再生手段では、混合物回収手段で回収した気液混合物
と、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスとを用い
て、新たな気液混合物が生成される。
ための装置を設ける必要はなく、電池本体に別個に冷媒
用の通路を設けなくても高い冷却力を得ることができ
る。また、請求項６記載の固体高分子型燃料電池システ
ムによれば、アノード側通路から排出される気液混合物
は、混合物回収手段によって回収される。そして、混合
物再生手段では、混合物回収手段で回収した気液混合物
と、燃料ガス供給源から供給される燃料ガスとを用い
て、新たな気液混合物が生成される。
【００２４】混合物再生手段で生成された気液混合物
は、混合物供給手段によってアノード側通路に供給され
る。従って、電池本体で使用された混合物は循環して発
電に用いられ、燃料ガス供給源は、燃料電池本体で反応
に消費された燃料ガスに相当する分だけを補給すればよ
いので、燃料ガスの利用効率を高めることができる。
は、混合物供給手段によってアノード側通路に供給され
る。従って、電池本体で使用された混合物は循環して発
電に用いられ、燃料ガス供給源は、燃料電池本体で反応
に消費された燃料ガスに相当する分だけを補給すればよ
いので、燃料ガスの利用効率を高めることができる。
【００２５】また、請求項７記載の固体高分子型燃料電
池システムによれば、混合物回収手段で回収された気液
混合物は、気液分離器によって燃料ガスと水とに分離さ
れ、気液分離器で分離されたガスは、燃料ガス供給手段
によって、燃料ガス供給源からの燃料ガスと共に混合物
生成器に供給される。そして、混合物生成器によって、
新たな気液混合物が生成され、生成された気液混合物
は、混合物供給手段によってアノード側通路に供給され
る。
池システムによれば、混合物回収手段で回収された気液
混合物は、気液分離器によって燃料ガスと水とに分離さ
れ、気液分離器で分離されたガスは、燃料ガス供給手段
によって、燃料ガス供給源からの燃料ガスと共に混合物
生成器に供給される。そして、混合物生成器によって、
新たな気液混合物が生成され、生成された気液混合物
は、混合物供給手段によってアノード側通路に供給され
る。
【００２６】また、請求項８記載の固体高分子型燃料電
池システムによれば、燃料ガスが水素であるので、電池
本体で発電に使用されて回収された混合物中の燃料ガス
も水素である。従って、長時間運転しても、循環する燃
料ガスの成分は変化せず、長時間にわたって安定に運転
ができる。
池システムによれば、燃料ガスが水素であるので、電池
本体で発電に使用されて回収された混合物中の燃料ガス
も水素である。従って、長時間運転しても、循環する燃
料ガスの成分は変化せず、長時間にわたって安定に運転
ができる。
【００２７】また、請求項９記載の固体高分子型燃料電
池システムによれば、気液分離器で分離された水は、水
返送手段によって混合物生成器に返送され、混合物生成
器では、返送された水を用いて気液混合物が生成され
る。従って、水が循環して利用されるので、水の補給
は、固体電解質膜を透過して蒸発する等により失われた
分だけを行えばよい。
池システムによれば、気液分離器で分離された水は、水
返送手段によって混合物生成器に返送され、混合物生成
器では、返送された水を用いて気液混合物が生成され
る。従って、水が循環して利用されるので、水の補給
は、固体電解質膜を透過して蒸発する等により失われた
分だけを行えばよい。
【００２８】また、請求項１０記載の固体高分子型燃料
電池システムによれば、混合物生成器において、水槽部
に液状の水が滞留し、ガス吹込器で燃料ガスが吹き込ま
れて、水中に燃料ガスが細かく分散された気液混合物が
生成される。従って、この気液混合物がアノード側通路
を通過するときに、良好な冷却効果を示すと共に、燃料
ガスのアノード層への分散が優れる。
電池システムによれば、混合物生成器において、水槽部
に液状の水が滞留し、ガス吹込器で燃料ガスが吹き込ま
れて、水中に燃料ガスが細かく分散された気液混合物が
生成される。従って、この気液混合物がアノード側通路
を通過するときに、良好な冷却効果を示すと共に、燃料
ガスのアノード層への分散が優れる。
【００２９】また、請求項１１記載の固体高分子型燃料
電池システムによれば、アノード側通路は、その出口側
が入口側と同等又はより高い位置に配され、水槽部はア
ノード側通路の下端より低い位置に設けられている。そ
して、混合物生成器で生成された気液混合物は、ガス相
の圧力及び浮力によってアノード側通路に供給され、自
動的にアノード側通路を出口側に進む。
電池システムによれば、アノード側通路は、その出口側
が入口側と同等又はより高い位置に配され、水槽部はア
ノード側通路の下端より低い位置に設けられている。そ
して、混合物生成器で生成された気液混合物は、ガス相
の圧力及び浮力によってアノード側通路に供給され、自
動的にアノード側通路を出口側に進む。
【００３０】従って、混合物供給手段として、強制的に
気液混合物を送り込む循環ポンプ等を用いる必要はな
い。また、請求項１２記載の固体高分子型燃料電池シス
テムによれば、気液分離槽において、アノード側通路の
上端からの気液混合物が回収されて、水と燃料ガスとに
分離される。
気液混合物を送り込む循環ポンプ等を用いる必要はな
い。また、請求項１２記載の固体高分子型燃料電池シス
テムによれば、気液分離槽において、アノード側通路の
上端からの気液混合物が回収されて、水と燃料ガスとに
分離される。
【００３１】また、燃料ガス供給手段によって、気液分
離器で分離されたガスが、燃料ガス供給源からの燃料ガ
スと共に混合物生成器に供給される。そして、混合物再
生手段では、供給された燃料ガスを用いて新たな気液混
合物が生成され、混合物供給手段によってアノード側通
路に供給される。従って、電池本体で使用された燃料ガ
スは外部に出されることなく循環して発電に用いられ、
燃料ガス供給源は、燃料電池本体で反応に消費された燃
料ガスに相当する分だけを補給すればよく、燃料ガスの
利用効率を高めることができる。
離器で分離されたガスが、燃料ガス供給源からの燃料ガ
スと共に混合物生成器に供給される。そして、混合物再
生手段では、供給された燃料ガスを用いて新たな気液混
合物が生成され、混合物供給手段によってアノード側通
路に供給される。従って、電池本体で使用された燃料ガ
スは外部に出されることなく循環して発電に用いられ、
燃料ガス供給源は、燃料電池本体で反応に消費された燃
料ガスに相当する分だけを補給すればよく、燃料ガスの
利用効率を高めることができる。
【００３２】また、気液分離槽と水槽部とが連通してい
るので、気液分離器で分離された水は水槽部に戻されて
循環して利用されるので、水の補給は、固体電解質膜を
透過して蒸発する等によって失われた分だけを行えばよ
い。
るので、気液分離器で分離された水は水槽部に戻されて
循環して利用されるので、水の補給は、固体電解質膜を
透過して蒸発する等によって失われた分だけを行えばよ
い。
【００３３】
【実施例】以下本発明の実施例について、図面を参照し
ながら具体的に説明する。 （実施例１） 〔固体高分子型燃料電池システムの全体構成の説明〕図
１は、実施例１に係る固体高分子型燃料電池システムの
全体構成を示す斜視図であり、図２は、その模式図であ
る。
ながら具体的に説明する。 （実施例１） 〔固体高分子型燃料電池システムの全体構成の説明〕図
１は、実施例１に係る固体高分子型燃料電池システムの
全体構成を示す斜視図であり、図２は、その模式図であ
る。
【００３４】図に示すように、固体高分子型燃料電池シ
ステム１は、燃料ガス（水素リッチな改質ガス）と水と
の気液混合物及び空気の供給を受けて発電を行う電池本
体２と、燃料ガスの供給源である燃料ガスタンク３と、
燃料ガスと水とを混合して気液混合物を生成するため電
池本体２に取り付けられた気液混合ユニット４と、電池
本体２から気液混合物を回収して燃料ガス層と水層とに
分離する気液分離器５と、気液混合ユニット４に燃料ガ
スを送り込む燃料ガスポンプ６と、システム内で水を循
環させるための水循環ポンプ７と、循環する水を冷却す
るための熱交換器８と、水の補給を行うための水補給タ
ンク９と、電池本体２に空気を供給する空気供給ファン
１０等から構成されている。
ステム１は、燃料ガス（水素リッチな改質ガス）と水と
の気液混合物及び空気の供給を受けて発電を行う電池本
体２と、燃料ガスの供給源である燃料ガスタンク３と、
燃料ガスと水とを混合して気液混合物を生成するため電
池本体２に取り付けられた気液混合ユニット４と、電池
本体２から気液混合物を回収して燃料ガス層と水層とに
分離する気液分離器５と、気液混合ユニット４に燃料ガ
スを送り込む燃料ガスポンプ６と、システム内で水を循
環させるための水循環ポンプ７と、循環する水を冷却す
るための熱交換器８と、水の補給を行うための水補給タ
ンク９と、電池本体２に空気を供給する空気供給ファン
１０等から構成されている。
【００３５】図３は、電池本体２及び気液混合ユニット
４の構成を示す分解斜視図である。電池本体２は、固体
高分子膜２１にアノード層２２（図２参照）とカソード
層２３とを配してなる複数枚（本実施例では６枚）のセ
ル２０と、セパレータ３０とが互いに積層され、一対の
端板４０，４１（図４参照）で押さえられて構成されて
いる。セパレータ３０のアノード層２２と対向する側に
は複数のアノード側チャネル３１が形成され、カソード
層２３と対向する側には複数のカソード側チャネル３２
（図２参照）が形成されている。なお、図３では、アノ
ード層２２及びカソード側チャネル３２は、カソード層
２３及びアノード側チャネル３１の背面にあって見えな
い。また、図示はしないが、アノード層２２とアノード
側チャネル３１との間には、溌水処理を施した集電体が
介挿され、カソード層２３とカソード側チャネル３２と
の間にも集電体が介挿されている。
４の構成を示す分解斜視図である。電池本体２は、固体
高分子膜２１にアノード層２２（図２参照）とカソード
層２３とを配してなる複数枚（本実施例では６枚）のセ
ル２０と、セパレータ３０とが互いに積層され、一対の
端板４０，４１（図４参照）で押さえられて構成されて
いる。セパレータ３０のアノード層２２と対向する側に
は複数のアノード側チャネル３１が形成され、カソード
層２３と対向する側には複数のカソード側チャネル３２
（図２参照）が形成されている。なお、図３では、アノ
ード層２２及びカソード側チャネル３２は、カソード層
２３及びアノード側チャネル３１の背面にあって見えな
い。また、図示はしないが、アノード層２２とアノード
側チャネル３１との間には、溌水処理を施した集電体が
介挿され、カソード層２３とカソード側チャネル３２と
の間にも集電体が介挿されている。
【００３６】固体高分子膜２１は、長方形状の薄膜であ
って、ナフィオン１１５（ＵＳＡＤｕ Ｐｏｎｔ社製、
厚み：０．１３ｍｍ）が用いられている。アノード層２
２，カソード層２３は、共に白金担持カーボンを材料と
した所定の厚さの層であって、固体高分子膜２１の中央
部にホットプレスによって密着されており、所定の白金
担持量（０．７ｍｇ／ｃｍ2）に調整されている。そし
て、固体高分子膜２１の４つ角の部分には、内部マニホ
ールドを形成するための４つの円形の窓２４〜２７が形
成されている。
って、ナフィオン１１５（ＵＳＡＤｕ Ｐｏｎｔ社製、
厚み：０．１３ｍｍ）が用いられている。アノード層２
２，カソード層２３は、共に白金担持カーボンを材料と
した所定の厚さの層であって、固体高分子膜２１の中央
部にホットプレスによって密着されており、所定の白金
担持量（０．７ｍｇ／ｃｍ2）に調整されている。そし
て、固体高分子膜２１の４つ角の部分には、内部マニホ
ールドを形成するための４つの円形の窓２４〜２７が形
成されている。
【００３７】セパレータ３０は、固体高分子膜２１と同
等の大きさであって、アノード側チャネル３１は上下方
向に、カソード側チャネル３２は水平方向に形成されて
いる。また、セパレータ３０にも、同様に内部マニホー
ルドを形成するための４つの円形の窓３４〜３７が形成
されている。窓３４と窓３５とはセパレータ３０の対角
線方向に位置しており、窓３４とアノード側チャネル３
１と窓３５とを連通させるために、アノード側チャネル
３１の上端に沿ったマニホールド溝３８及びアノード側
チャネル３１の下端に沿ったマニホールド溝３９とが形
成されている。
等の大きさであって、アノード側チャネル３１は上下方
向に、カソード側チャネル３２は水平方向に形成されて
いる。また、セパレータ３０にも、同様に内部マニホー
ルドを形成するための４つの円形の窓３４〜３７が形成
されている。窓３４と窓３５とはセパレータ３０の対角
線方向に位置しており、窓３４とアノード側チャネル３
１と窓３５とを連通させるために、アノード側チャネル
３１の上端に沿ったマニホールド溝３８及びアノード側
チャネル３１の下端に沿ったマニホールド溝３９とが形
成されている。
【００３８】同様に、窓３６と窓３７ともセパレータ３
０の対角線方向に位置し、カソード側チャネル３２の両
横端に沿って、窓３６及び窓３７を連通するマニホール
ド溝が設けられている。また、一方の端板４０にも同様
の窓４３〜４７（図１参照）が開設されており、これら
の孔によって、電池本体２には、積層方向に長く端板４
０側に開口部を有する４つの円筒状のマニホールド、即
ち、窓２４，３４，４４からなる上部マニホールド１４
と、窓３５，４５等からなる下部マニホールド１５と、
窓２６，３６，４６からなる上部マニホールド１６と、
窓２７，３７，４７からなる下部マニホールド１７とが
形成されている。
０の対角線方向に位置し、カソード側チャネル３２の両
横端に沿って、窓３６及び窓３７を連通するマニホール
ド溝が設けられている。また、一方の端板４０にも同様
の窓４３〜４７（図１参照）が開設されており、これら
の孔によって、電池本体２には、積層方向に長く端板４
０側に開口部を有する４つの円筒状のマニホールド、即
ち、窓２４，３４，４４からなる上部マニホールド１４
と、窓３５，４５等からなる下部マニホールド１５と、
窓２６，３６，４６からなる上部マニホールド１６と、
窓２７，３７，４７からなる下部マニホールド１７とが
形成されている。
【００３９】本実施例では、上部マニホールド１４が混
合物供給用、下部マニホールド１５が混合物排出用、上
部マニホールド１６が空気供給用、下部マニホールド１
７が空気排出用として用いられる。気液混合ユニット４
は、混合物供給用の上部マニホールド１４に装着されて
おり、上部マニホールド１４内に滞留している水に燃料
ガスを吹き込む円柱状のバブラー５１と、バブラー５１
を上部マニホールド１４内に支持するための円筒支持枠
５２と、上部マニホールド１４の入口を閉じる円筒蓋部
５３とから構成されている。
合物供給用、下部マニホールド１５が混合物排出用、上
部マニホールド１６が空気供給用、下部マニホールド１
７が空気排出用として用いられる。気液混合ユニット４
は、混合物供給用の上部マニホールド１４に装着されて
おり、上部マニホールド１４内に滞留している水に燃料
ガスを吹き込む円柱状のバブラー５１と、バブラー５１
を上部マニホールド１４内に支持するための円筒支持枠
５２と、上部マニホールド１４の入口を閉じる円筒蓋部
５３とから構成されている。
【００４０】図４は、上部マニホールド１４及び気液混
合ユニット４の内部構造を示す断面図である。図３，４
に示すように、バブラー５１は、上部マニホールド１４
とほぼ同等の長さを有し、メッシュ径５μｍの焼結金属
で形成されており、円筒蓋部５３を貫通するガス入口部
５４から送り込まれる燃料ガスを、円筒支持枠５２内に
滞留する水に細かく分散することができるようになって
いる。
合ユニット４の内部構造を示す断面図である。図３，４
に示すように、バブラー５１は、上部マニホールド１４
とほぼ同等の長さを有し、メッシュ径５μｍの焼結金属
で形成されており、円筒蓋部５３を貫通するガス入口部
５４から送り込まれる燃料ガスを、円筒支持枠５２内に
滞留する水に細かく分散することができるようになって
いる。
【００４１】円筒支持枠５２は、上部マニホールド１４
に丁度はまり込む大きさの円筒状枠体であって、マニホ
ールド溝３８と対面する側には、開口部５２ａが開設さ
れており、バブラー５１は円筒支持枠５２によって上部
マニホールド１４の中心付近に支持されている。円筒蓋
部５３は、端板４０の窓４４にはめ込まれることによっ
て固定され上部マニホールド１４の入口を塞ぐように形
成されており、円筒支持枠５２内に水を取り入れる水入
口５５が取り付けられている。
に丁度はまり込む大きさの円筒状枠体であって、マニホ
ールド溝３８と対面する側には、開口部５２ａが開設さ
れており、バブラー５１は円筒支持枠５２によって上部
マニホールド１４の中心付近に支持されている。円筒蓋
部５３は、端板４０の窓４４にはめ込まれることによっ
て固定され上部マニホールド１４の入口を塞ぐように形
成されており、円筒支持枠５２内に水を取り入れる水入
口５５が取り付けられている。
【００４２】再び図１，２を参照して説明する。気液分
離器５は、密閉容器６０の側部に回収混合物入口６１
が、また上部に燃料ガス入口６３と燃料ガス出口６４と
が、また底部に補給水入口６２と水出口６５とが取り付
けられて構成されている。また、下部マニホールド１５
と回収混合物入口６１とは、配管７１で連結され、燃料
ガス出口６４と気液混合ユニット４のガス入口部５４と
は、燃料ガスポンプ６が途中に介在する配管７２で連結
され、水出口６５と気液混合ユニット４の水入口５５と
は、熱交換器８及び水循環ポンプ７が途中に介在する配
管７３で連結されている。
離器５は、密閉容器６０の側部に回収混合物入口６１
が、また上部に燃料ガス入口６３と燃料ガス出口６４と
が、また底部に補給水入口６２と水出口６５とが取り付
けられて構成されている。また、下部マニホールド１５
と回収混合物入口６１とは、配管７１で連結され、燃料
ガス出口６４と気液混合ユニット４のガス入口部５４と
は、燃料ガスポンプ６が途中に介在する配管７２で連結
され、水出口６５と気液混合ユニット４の水入口５５と
は、熱交換器８及び水循環ポンプ７が途中に介在する配
管７３で連結されている。
【００４３】また、燃料ガスタンク３と燃料ガス入口６
３とは、圧力調節弁３ａを介して配管７４で連結されて
おり、圧力調節弁３ａによって密閉容器６０内が一定の
圧力に保たれるよう燃料ガスが供給されるようになって
いる。 〔固体高分子型燃料電池システム１の動作の説明〕気液
混合ユニット４では、水入口５５から供給された水が、
円筒支持枠５２内（上部マニホールド１４内）に滞留
し、ガス入口部５４から供給される燃料ガスがその水の
中に分散されることによって気液混合物が生成する。そ
して、生成した気液混合物は、各マニホールド溝３８を
通ってアノード側チャネル３１に分配され、発電に用い
られながらアノード側チャネル３１を通過し、各マニホ
ールド溝３９で合流して下部マニホールド１５から排出
される。
３とは、圧力調節弁３ａを介して配管７４で連結されて
おり、圧力調節弁３ａによって密閉容器６０内が一定の
圧力に保たれるよう燃料ガスが供給されるようになって
いる。 〔固体高分子型燃料電池システム１の動作の説明〕気液
混合ユニット４では、水入口５５から供給された水が、
円筒支持枠５２内（上部マニホールド１４内）に滞留
し、ガス入口部５４から供給される燃料ガスがその水の
中に分散されることによって気液混合物が生成する。そ
して、生成した気液混合物は、各マニホールド溝３８を
通ってアノード側チャネル３１に分配され、発電に用い
られながらアノード側チャネル３１を通過し、各マニホ
ールド溝３９で合流して下部マニホールド１５から排出
される。
【００４４】このように気液混合物がアノード側チャネ
ル３１を通過するので、固体高分子膜２１に水分が補給
されると共に、気液混合物が冷却水と同様の働きをなし
て電池本体２を冷却する。なお、上述したようにアノー
ド層２２とアノード側チャネル３１との間には、溌水処
理を施した集電体が介挿されているので、長時間運転し
ても、アノード層２２が気液混合物に水没することな
く、アノード層２２の反応サイトに燃料ガスが供給され
る。
ル３１を通過するので、固体高分子膜２１に水分が補給
されると共に、気液混合物が冷却水と同様の働きをなし
て電池本体２を冷却する。なお、上述したようにアノー
ド層２２とアノード側チャネル３１との間には、溌水処
理を施した集電体が介挿されているので、長時間運転し
ても、アノード層２２が気液混合物に水没することな
く、アノード層２２の反応サイトに燃料ガスが供給され
る。
【００４５】下部マニホールド１５から排出された気液
混合物は、配管７１を通って回収混合物入口６１から気
液分離器５に入り、燃料ガス層（上層）と水層（下層）
とに分離される。また、燃料ガスタンク３から供給され
る燃料ガスは、燃料ガス入口６３から気液分離器５の燃
料ガス層に入って回収された燃料ガスと混合され、燃料
ガス出口６４から送出される。そして、燃料ガス出口６
４から送出された燃料ガスは、燃料ガスポンプ６で気液
混合ユニット４のガス入口部５４に送り込まれる。
混合物は、配管７１を通って回収混合物入口６１から気
液分離器５に入り、燃料ガス層（上層）と水層（下層）
とに分離される。また、燃料ガスタンク３から供給され
る燃料ガスは、燃料ガス入口６３から気液分離器５の燃
料ガス層に入って回収された燃料ガスと混合され、燃料
ガス出口６４から送出される。そして、燃料ガス出口６
４から送出された燃料ガスは、燃料ガスポンプ６で気液
混合ユニット４のガス入口部５４に送り込まれる。
【００４６】一方、気液分離器５で分離された水は、水
出口６５から熱交換器８を通過することによって規定の
温度に冷却され、水循環ポンプ７で気液混合ユニット４
の水入口５５に送り込まれる。そして、気液混合ユニッ
ト４では、燃料ガスポンプ６で送り込まれた燃料ガス
が、水循環ポンプ７で送り込まれた水に吹き込まれ、新
たな気液混合物が生成される。
出口６５から熱交換器８を通過することによって規定の
温度に冷却され、水循環ポンプ７で気液混合ユニット４
の水入口５５に送り込まれる。そして、気液混合ユニッ
ト４では、燃料ガスポンプ６で送り込まれた燃料ガス
が、水循環ポンプ７で送り込まれた水に吹き込まれ、新
たな気液混合物が生成される。
【００４７】このように、システム１においては、電池
本体２から回収された気液混合物と燃料ガスタンク３か
らの燃料ガスを用いて、新たな気液混合物が生成されて
電池本体２に供給されるようになっている。なお、気液
分離器５内の水位が低下すれば、水補給タンク９から補
給水入口６２に水が補給されるようになっているので、
セル２０を透過してカソード側チャネル３２に蒸発する
ことにより水が失われたとしても、循環する水の量は一
定に保たれる。
本体２から回収された気液混合物と燃料ガスタンク３か
らの燃料ガスを用いて、新たな気液混合物が生成されて
電池本体２に供給されるようになっている。なお、気液
分離器５内の水位が低下すれば、水補給タンク９から補
給水入口６２に水が補給されるようになっているので、
セル２０を透過してカソード側チャネル３２に蒸発する
ことにより水が失われたとしても、循環する水の量は一
定に保たれる。
【００４８】また、空気供給ファン１０から上部マニホ
ールド１６に供給された空気は、入口側ののマニホール
ド溝からカソード側チャネル３２に分配され、発電に用
いられながら各カソード側チャネル３２を通って、出口
側のマニホールド溝で合流し、下部マニホールド１７か
ら電池本体２の外に排出される。 〔固体高分子型燃料電池システム１の効果についての説
明〕システム１においては、気液混合物がアノード側チ
ャネル３１を通過するので、固体高分子膜２１に水分が
補給される。従って、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する
ための加湿器を設けたりする必要がない。
ールド１６に供給された空気は、入口側ののマニホール
ド溝からカソード側チャネル３２に分配され、発電に用
いられながら各カソード側チャネル３２を通って、出口
側のマニホールド溝で合流し、下部マニホールド１７か
ら電池本体２の外に排出される。 〔固体高分子型燃料電池システム１の効果についての説
明〕システム１においては、気液混合物がアノード側チ
ャネル３１を通過するので、固体高分子膜２１に水分が
補給される。従って、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿する
ための加湿器を設けたりする必要がない。
【００４９】また、アノード側チャネル３１を通過する
気液混合物が冷却水と同様の働きをなして電池本体２を
強制冷却する。これは、水が固体高分子膜を透過してカ
ソード層側から蒸発することによって得られる冷却と比
べて冷却効果が大きい。また特に、気液混合ユニット４
によって生成される気液混合物は、水に燃料ガスが細か
く分散されたものであるので、通常の冷却水と同様に電
池本体２を効率よく冷却すると共に、燃料ガスがアノー
ド層２２に効率よく供給される。
気液混合物が冷却水と同様の働きをなして電池本体２を
強制冷却する。これは、水が固体高分子膜を透過してカ
ソード層側から蒸発することによって得られる冷却と比
べて冷却効果が大きい。また特に、気液混合ユニット４
によって生成される気液混合物は、水に燃料ガスが細か
く分散されたものであるので、通常の冷却水と同様に電
池本体２を効率よく冷却すると共に、燃料ガスがアノー
ド層２２に効率よく供給される。
【００５０】（実施例２） 〔固体高分子型燃料電池システムの全体構成の説明〕図
５は、実施例２に係る固体高分子型燃料電池システムの
全体構成を示す斜視図であり、図６は、その模式図であ
る。図中、実施例１の固体高分子型燃料電池システム１
と同一の構成要素については同一の番号を付してその説
明を省略する。
５は、実施例２に係る固体高分子型燃料電池システムの
全体構成を示す斜視図であり、図６は、その模式図であ
る。図中、実施例１の固体高分子型燃料電池システム１
と同一の構成要素については同一の番号を付してその説
明を省略する。
【００５１】図に示すように、この固体高分子型燃料電
池システム１０１は、電池本体２と、燃料ガスタンク３
と、電池本体２に取り付けられた気液混合ユニット４
と、燃料ガスポンプ６と、水補給タンク９と、空気供給
ファン１０と、電池本体２から気液混合物を回収して燃
料ガス層と水層とに分離する分離タンク１０２と、分離
タンク１０２で分離された燃料ガスと燃料ガスタンク３
からの燃料ガスとを混合するバッファタンク１０３と、
分離タンク１０２内の水層を冷却する冷却ファン１０４
等から構成されている。
池システム１０１は、電池本体２と、燃料ガスタンク３
と、電池本体２に取り付けられた気液混合ユニット４
と、燃料ガスポンプ６と、水補給タンク９と、空気供給
ファン１０と、電池本体２から気液混合物を回収して燃
料ガス層と水層とに分離する分離タンク１０２と、分離
タンク１０２で分離された燃料ガスと燃料ガスタンク３
からの燃料ガスとを混合するバッファタンク１０３と、
分離タンク１０２内の水層を冷却する冷却ファン１０４
等から構成されている。
【００５２】実施例１の固体高分子型燃料電池システム
１では、電池本体２の上部マニホールド１４に気液混合
ユニット４が装着され、下部マニホールド１５から混合
物が排出されるようになっていたが、本実施例の固体高
分子型燃料電池システム１０１では、下部マニホールド
１５に気液混合ユニット４が装着され、上部マニホール
ド１４から混合物が排出されるようになっている。
１では、電池本体２の上部マニホールド１４に気液混合
ユニット４が装着され、下部マニホールド１５から混合
物が排出されるようになっていたが、本実施例の固体高
分子型燃料電池システム１０１では、下部マニホールド
１５に気液混合ユニット４が装着され、上部マニホール
ド１４から混合物が排出されるようになっている。
【００５３】分離タンク１０２は、電池本体２の端板４
０の側方に、電池本体２と同等の高さに設置されてお
り、密閉容器１１０の上部に回収混合物入口１１１が、
また上部に燃料ガス出口１１３が、また底部に補給水入
口１１２と水出口１１４とが取り付けられて構成されて
いる。冷却ファン１０４は、分離タンク１０２の下部に
送風し、分離タンク１０２内の水層を規定の温度に冷却
できるように設けられている。
０の側方に、電池本体２と同等の高さに設置されてお
り、密閉容器１１０の上部に回収混合物入口１１１が、
また上部に燃料ガス出口１１３が、また底部に補給水入
口１１２と水出口１１４とが取り付けられて構成されて
いる。冷却ファン１０４は、分離タンク１０２の下部に
送風し、分離タンク１０２内の水層を規定の温度に冷却
できるように設けられている。
【００５４】また、上部マニホールド１４と回収混合物
入口１１１とは配管１２１で連結され、燃料ガス出口１
１３とバッファタンク１０３とは配管１２２で連結さ
れ、バッファタンク１０３と気液混合ユニット４のガス
入口部５４とは、燃料ガスポンプ６が途中に介在する配
管１２３で連結されている。また、水出口１１４と気液
混合ユニット４の水入口５５とは配管１２４で連結され
ることにより、分離タンク１０２と下部マニホールド１
５とが連通されている。
入口１１１とは配管１２１で連結され、燃料ガス出口１
１３とバッファタンク１０３とは配管１２２で連結さ
れ、バッファタンク１０３と気液混合ユニット４のガス
入口部５４とは、燃料ガスポンプ６が途中に介在する配
管１２３で連結されている。また、水出口１１４と気液
混合ユニット４の水入口５５とは配管１２４で連結され
ることにより、分離タンク１０２と下部マニホールド１
５とが連通されている。
【００５５】また、燃料ガスタンク３とバッファタンク
１０３とは、圧力調節弁３ａを介して配管１２５で連結
されており、圧力調節弁３ａによってバッファタンク１
０３内が一定の圧力に保たれながら燃料ガスが供給され
るようになっている。また、分離タンク１０２内の水位
が低下すれば、水供給ポンプ９ａによって水補給タンク
９から水が補給されることにより、循環する水の量は一
定に保たれれるようになっている。
１０３とは、圧力調節弁３ａを介して配管１２５で連結
されており、圧力調節弁３ａによってバッファタンク１
０３内が一定の圧力に保たれながら燃料ガスが供給され
るようになっている。また、分離タンク１０２内の水位
が低下すれば、水供給ポンプ９ａによって水補給タンク
９から水が補給されることにより、循環する水の量は一
定に保たれれるようになっている。
【００５６】〔固体高分子型燃料電池システム１０１の
動作の説明〕分離タンク１０２の水位は一定に保たれて
いるので、分離タンク１０２の下部は常に水で満たされ
ている。また、分離タンク１０２と下部マニホールド１
５とは連通しているので、自動的に下部マニホールド１
５には水が供給されて満たされる。
動作の説明〕分離タンク１０２の水位は一定に保たれて
いるので、分離タンク１０２の下部は常に水で満たされ
ている。また、分離タンク１０２と下部マニホールド１
５とは連通しているので、自動的に下部マニホールド１
５には水が供給されて満たされる。
【００５７】気液混合ユニット４では、下部マニホール
ド１５内に滞留する水に、ガス入口部５４から供給され
る燃料ガスが分散され、気液混合物が生成される。下部
マニホールド１５内で生成された気液混合物は、ガス相
の圧力及び浮力によって上方に移動する。即ち、各マニ
ホールド溝３９を通ってアノード側チャネル３１に分配
されて、発電に用いられながら各アノード側チャネル３
１を上方に通過し、マニホールド溝３８で合流して上部
マニホールド１４から排出される。
ド１５内に滞留する水に、ガス入口部５４から供給され
る燃料ガスが分散され、気液混合物が生成される。下部
マニホールド１５内で生成された気液混合物は、ガス相
の圧力及び浮力によって上方に移動する。即ち、各マニ
ホールド溝３９を通ってアノード側チャネル３１に分配
されて、発電に用いられながら各アノード側チャネル３
１を上方に通過し、マニホールド溝３８で合流して上部
マニホールド１４から排出される。
【００５８】そして、上部マニホールド１４から排出さ
れた気液混合物は、配管１２１を通って分離タンク１０
２に入り、燃料ガス層（上層）と水層（下層）とに分離
される。そして、分離された燃料ガスは、配管１２２を
通ってバッファタンク１０３に入る。バッファタンク１
０３では、燃料ガスタンク３から供給される燃料ガス
と、配管１２２からの燃料ガスが混合される。そして、
混合された燃料ガスは、配管１２３を通って、燃料ガス
ポンプ６で気液混合ユニット４のガス入口部５４に送り
込まれる。
れた気液混合物は、配管１２１を通って分離タンク１０
２に入り、燃料ガス層（上層）と水層（下層）とに分離
される。そして、分離された燃料ガスは、配管１２２を
通ってバッファタンク１０３に入る。バッファタンク１
０３では、燃料ガスタンク３から供給される燃料ガス
と、配管１２２からの燃料ガスが混合される。そして、
混合された燃料ガスは、配管１２３を通って、燃料ガス
ポンプ６で気液混合ユニット４のガス入口部５４に送り
込まれる。
【００５９】一方、分離タンク１０２で分離された水
は、冷却ファン１０４によって規定の温度に冷却され、
配管１２４を通って自動的に水入口５５から下部マニホ
ールド１５に送り込まれる。そして、気液混合ユニット
４では、分離タンク１０２から送り込まれた水にバッフ
ァタンク１０３から送り込まれた燃料ガスが吹き込ま
れ、新たな気液混合部が生成される。
は、冷却ファン１０４によって規定の温度に冷却され、
配管１２４を通って自動的に水入口５５から下部マニホ
ールド１５に送り込まれる。そして、気液混合ユニット
４では、分離タンク１０２から送り込まれた水にバッフ
ァタンク１０３から送り込まれた燃料ガスが吹き込ま
れ、新たな気液混合部が生成される。
【００６０】このように、システム１０１においては、
電池本体２から回収された混合物と燃料ガスタンク３か
らの燃料ガスを用いて、新たな気液混合物が生成されて
電池本体２に供給されるようになっている。なお、本実
施例においては、アノード側チャネル３１が上下方向に
配されている例を示したが、アノード側チャネル３１
は、その出口側が入口側より高いか同じ高さに配されて
いれば、気液混合物がガス相の圧力及び浮力で出口側に
進むことができるので、同様に実施することができる。
電池本体２から回収された混合物と燃料ガスタンク３か
らの燃料ガスを用いて、新たな気液混合物が生成されて
電池本体２に供給されるようになっている。なお、本実
施例においては、アノード側チャネル３１が上下方向に
配されている例を示したが、アノード側チャネル３１
は、その出口側が入口側より高いか同じ高さに配されて
いれば、気液混合物がガス相の圧力及び浮力で出口側に
進むことができるので、同様に実施することができる。
【００６１】〔固体高分子型燃料電池システム１０１の
効果についての説明〕実施例１のシステム１と同様、気
液混合物がアノード側チャネル３１を通過することによ
って固体高分子膜２１に水分が補給されるので、燃料ガ
スや酸化剤ガスを加湿するための装置を設ける必要がな
い。また、アノード側チャネル３１を通過する気液混合
物が冷却水と同様の働きをなし、電池本体２を効率よく
冷却する。
効果についての説明〕実施例１のシステム１と同様、気
液混合物がアノード側チャネル３１を通過することによ
って固体高分子膜２１に水分が補給されるので、燃料ガ
スや酸化剤ガスを加湿するための装置を設ける必要がな
い。また、アノード側チャネル３１を通過する気液混合
物が冷却水と同様の働きをなし、電池本体２を効率よく
冷却する。
【００６２】また、本実施例のシステム１０１は、実施
例１のシステム１のように水循環ポンプ７を設けなくて
も、気液混合ユニット４に供給される燃料ガスの圧力及
び気液混合物の浮力によって自動的に気液混合物がアノ
ード側チャネル３１を通過して水の循環がなされる。 （その他の事項）本発明では、アノード層と対向する通
路に気液混合物が流され、それに含まれる燃料ガスがア
ノード層に供給されるようになっている。ここで、アノ
ード側に対して気液混合物を供給するようにしたのは、
燃料ガスの有効成分である水素の拡散性が優れているの
で、気液混合物として供給してもアノード層に水素が十
分拡散するため、電池性能にも影響が少ないことを考慮
して行っている。
例１のシステム１のように水循環ポンプ７を設けなくて
も、気液混合ユニット４に供給される燃料ガスの圧力及
び気液混合物の浮力によって自動的に気液混合物がアノ
ード側チャネル３１を通過して水の循環がなされる。 （その他の事項）本発明では、アノード層と対向する通
路に気液混合物が流され、それに含まれる燃料ガスがア
ノード層に供給されるようになっている。ここで、アノ
ード側に対して気液混合物を供給するようにしたのは、
燃料ガスの有効成分である水素の拡散性が優れているの
で、気液混合物として供給してもアノード層に水素が十
分拡散するため、電池性能にも影響が少ないことを考慮
して行っている。
【００６３】これに対して、カソード側の酸化剤ガスは
拡散性が劣るため、カソード層側の通路に酸化剤ガスの
気液混合物を供給した場合は、電池性能が低下すると考
えられる。なお、上記実施例１，２においては、燃料ガ
スとして水素リッチな改質ガスを用い、これを循環して
使用しているため、長時間運転する場合は、水素以外の
成分がシステム内を循環する燃料ガス中に蓄積すること
が考えられる。この場合は、運転に支障のないように、
循環する燃料ガスを、燃料ガスタンク３からの新しい燃
料ガスで入れ換える必要がある。
拡散性が劣るため、カソード層側の通路に酸化剤ガスの
気液混合物を供給した場合は、電池性能が低下すると考
えられる。なお、上記実施例１，２においては、燃料ガ
スとして水素リッチな改質ガスを用い、これを循環して
使用しているため、長時間運転する場合は、水素以外の
成分がシステム内を循環する燃料ガス中に蓄積すること
が考えられる。この場合は、運転に支障のないように、
循環する燃料ガスを、燃料ガスタンク３からの新しい燃
料ガスで入れ換える必要がある。
【００６４】これに対して、燃料ガスとして水素を用い
る場合は、長時間運転しても循環する燃料ガスの成分が
変化することはないので、長時間安定して運転できる。
また、上記実施例１，２の電池本体においては、内部マ
ニホールドを有し、それに気液混合ユニットが設置され
ているが、外部マニホールドに気液混合ユニットが設置
された構成とすることもできる。
る場合は、長時間運転しても循環する燃料ガスの成分が
変化することはないので、長時間安定して運転できる。
また、上記実施例１，２の電池本体においては、内部マ
ニホールドを有し、それに気液混合ユニットが設置され
ているが、外部マニホールドに気液混合ユニットが設置
された構成とすることもできる。
【００６５】また、上記実施例１，２の固体高分子膜燃
料電池システムでは、電池本体内のマニホールドに滞留
する水に焼結金属のバブラーで燃料ガスを吹き込むこと
によって気液混合物を生成するようになっているが、噴
霧ノズルやアスピレータ等で燃料ガスを吹き込むように
することもできる。また、電池本体とは別個に、水槽と
バブラーからなる気液混合物の生成器を設けて、生成し
た気液混合物を電池本体に送り込むようにすることもで
きる。
料電池システムでは、電池本体内のマニホールドに滞留
する水に焼結金属のバブラーで燃料ガスを吹き込むこと
によって気液混合物を生成するようになっているが、噴
霧ノズルやアスピレータ等で燃料ガスを吹き込むように
することもできる。また、電池本体とは別個に、水槽と
バブラーからなる気液混合物の生成器を設けて、生成し
た気液混合物を電池本体に送り込むようにすることもで
きる。
【００６６】また、上記実施例１，２の電池本体は、複
数のセルとセパレータとを積層させた積層構造である
が、電池本体が単一のセルからなる場合でも同様に実施
することができる。
数のセルとセパレータとを積層させた積層構造である
が、電池本体が単一のセルからなる場合でも同様に実施
することができる。
【００６７】
【発明の効果】本発明の固体高分子型燃料電池並びに固
体高分子型燃料電池システムによれば、気液混合物がア
ノード層と対向するセル通路を通過することによって固
体高分子膜に水分が補給される。また、この気液混合物
は、冷却水としての働きもなし、電池本体を効率よく冷
却することができる。
体高分子型燃料電池システムによれば、気液混合物がア
ノード層と対向するセル通路を通過することによって固
体高分子膜に水分が補給される。また、この気液混合物
は、冷却水としての働きもなし、電池本体を効率よく冷
却することができる。
【００６８】従って、燃料ガスや酸化剤ガスを加湿器等
を用いて加湿しなくても固体高分子膜が保湿され、且
つ、電池本体に冷媒用の通路を設けなくても高い冷却力
を得ることができる。本発明は、高電力或は大型の固体
高分子型燃料電池のように、大きな冷却力を必要とする
場合にも、適用できるので、その実用的効果は大きい。
を用いて加湿しなくても固体高分子膜が保湿され、且
つ、電池本体に冷媒用の通路を設けなくても高い冷却力
を得ることができる。本発明は、高電力或は大型の固体
高分子型燃料電池のように、大きな冷却力を必要とする
場合にも、適用できるので、その実用的効果は大きい。
【図１】実施例１に係る固体高分子型燃料電池システム
の全体構成を示す斜視図である。
の全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示す固体高分子型燃料電池システムの模
式図である。
式図である。
【図３】電池本体２及び気液混合ユニット４の構成を示
す分解斜視図である。
す分解斜視図である。
【図４】上部マニホールド１４及び気液混合ユニット４
の内部構造を示す断面図である。
の内部構造を示す断面図である。
【図５】実施例２に係る固体高分子型燃料電池システム
の全体構成を示す斜視図であ
の全体構成を示す斜視図であ
【図６】図５に示す固体高分子型燃料電池システムの模
式図である。
式図である。
【符号の説明】 １ 固体高分子型燃料電池システム ２ 電池本体 ３ 燃料ガスタンク ４ 気液混合ユニット ５ 気液分離器 ６ 燃料ガスポンプ ７ 水循環ポンプ ８ 熱交換器 １０ 空気供給ファン １４ 上部マニホールド １５ 下部マニホールド ２０ セル ２１ 固体高分子膜 ２２ アノード層 ２３ カソード層 ３０ セパレータ ３１ アノード側チャネル ３２ カソード側チャネル ５１ バブラー １０１ 固体高分子型燃料電池システム １０２ 分離タンク １０４ 冷却ファン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中岡 透 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 三宅 泰夫 大阪府守口市京阪本通２丁目５番５号 三 洋電機株式会社内
Claims (12)
- 【請求項１】 固体高分子膜にアノード層及びカソード
層を配したセルと、前記アノード層と対向して形成され
たアノード側通路と、前記カソード層と対向して形成さ
れたカソード側通路とを備える電池本体と、 前記アノード側通路に、液状の水に燃料ガスが混合され
てなる気液混合物を供給する混合物供給手段と、 前記カソード側通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス
供給手段とを備えることを特徴とする固体高分子型燃料
電池。 - 【請求項２】 上記気液混合物は、水中に燃料ガスが細
かく分散されたものであることを特徴とする請求項１記
載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項３】 前記電池本体は、 前記セルと、アノード側通路並びにカソード側通路が形
成されたプレートとが積層されてなる積層型の燃料電池
であることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃
料電池。 - 【請求項４】 前記電池本体には、アノード側通路と連
通するマニホールドが形成され、 前記混合物供給手段は、 前記マニホールドと、 該マニホールドに水を供給する水供給手段と、 前記マニホールド内に設置され、該マニホールド内に供
給された水に燃料ガスを吹き込むガス吹込器とからなる
ことを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電
池。 - 【請求項５】 固体高分子膜にアノード層及びカソード
層を配したセルと、前記アノード層に対向して形成され
たアノード側通路と、前記カソード層に対向して形成さ
れたカソード側通路とを備える電池本体と、 燃料ガス供給源から供給される燃料ガスを液状の水と混
合して気液混合物を生成する混合物生成器と、 前記混合物生成器で生成された気液混合物を、前記アノ
ード側通路に供給する混合物供給手段と、 前記カソード側通路に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス
供給手段と、 を備えることを特徴とする固体高分子型燃料電池システ
ム。 - 【請求項６】 前記固体高分子型燃料電池システムは、 更に、前記アノード側通路から排出される気液混合物を
回収する混合物回収手段と、 混合物回収手段で回収した気液混合物と、燃料ガス供給
源から供給される燃料ガスとを用いて、新たな気液混合
物を生成する混合物再生手段とを備え、 前記混合物供給手段は、混合物再生手段で生成された気
液混合物もアノード側通路に供給するものであることを
特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池システ
ム。 - 【請求項７】 前記混合物再生手段は、 前記混合物生成器と、 混合物回収手段で回収された気液混合物を、燃料ガスと
水とに分離する気液分離器と、 前記気液分離器で分離された燃料ガスを、燃料ガス供給
源からの燃料ガスと共に混合物生成器に供給する燃料ガ
ス供給手段とからなることを特徴とする請求項６記載の
固体高分子型燃料電池システム。 - 【請求項８】 請求項６記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムにおいて、 前記燃料ガス供給源から供給される燃料ガスが水素であ
ることを特徴とする請求項６記載の固体高分子型燃料電
池システム。 - 【請求項９】 請求項７記載の固体高分子型燃料電池シ
ステムは、 更に、気液分離器で分離された水を混合物生成器に返送
する水返送手段を備えることを特徴とする請求項７記載
の固体高分子型燃料電池システム。 - 【請求項１０】 請求項５記載の混合物生成器は、 液状の水を滞留させる水槽部と、該水槽部に滞留する水
に燃料ガスを吹き込んで分散させるガス吹込器とからな
ることを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電
池システム。 - 【請求項１１】 請求項１０記載の固体高分子型燃料電
池システムにおいて、 前記アノード側通路は、その出口側が入口側と同等又は
より高い位置に配され、 前記水槽部はアノード側通路の下端より低い位置に設け
られ、 前記混合物供給手段は、混合物生成器に供給される燃料
ガスの圧力及び混合物生成器で生成された気液混合物の
ガス相の浮力を用いて気液混合物をアノード側通路に供
給するものであることを特徴とする請求項１０記載の固
体高分子型燃料電池システム。 - 【請求項１２】 請求項１１記載の固体高分子型燃料電
池システムにおいて、 更に、前記アノード側通路の上端からの気液混合物を回
収し、燃料ガスと水とに分離する気液分離槽と、 前記気液分離器で分離された燃料ガスを燃料ガス供給源
からの燃料ガスと共に混合物生成器に供給する燃料ガス
供給手段とを備え、 前記気液分離槽と前記水槽部とが連通していることを特
徴とする請求項１１記載の固体高分子型燃料電池システ
ム。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
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