JPH08321317A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 加湿器を燃料電池とは別に設けなくても燃料
電池への供給反応空気を加湿することができるように加
湿技術を改良した固体高分子型燃料電池を提供すること
を目的とする。 【構成】 固体高分子型燃料電池本体３には、反応空気
入口ヘッダー１１と出口ヘッダー１２が設けられてい
る。出口ヘッダー１２では、水素吸蔵合金タンク４が、
排空気と熱交換して水分を回収する。吸水性多孔質材７
は、回収した水を受け取り、反応空気入口ヘッダー１１
内に張設された短尺状布体７２を通過する空気を加湿す
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型燃料電池に
関し、特に供給反応空気の加湿技術を改良した固体高分
子型燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子型燃料電池においては、固体
高分子膜の一方の面にアノードを、他方の面にカソード
を取り付けたセルを複数枚積層して１つの燃料電池本体
を構成している。また、運転時には、外部からの空気を
前記燃料電池本体内の酸素極側に供給し、前記固体高分
子膜を介して燃料ガスと反応させている。

【０００３】その際、酸素極への供給反応空気が乾燥し
ていると、燃料電池本体内の固体高分子膜が乾燥してし
まい、該固体高分子膜の電気抵抗値が高くなる。その結
果、燃料電池発電時の電力ロスが大きくなり、該固体高
分子型燃料電池の発電容量が小さくなる。従って、固体
高分子型燃料電池に供給する空気は湿潤した状態でなけ
ればならない。このため、従来の固体高分子型燃料電池
においては、燃料電池本体に供給する反応空気を加湿す
るために燃料電池とは別に加湿器を設け、前記固体高分
子膜の乾燥を防いでいる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記加
湿器を別途設けた場合には、該燃料電池の設置場所を広
く確保する必要があり狭いスペースには設置が不可能で
あることや、加湿器を購入するための費用が必要である
ことなど、スペース的かつコスト的なデメリットがあっ
た。

【０００５】そこで、本発明は前記問題点に鑑み、加湿
器を燃料電池とは別に設けなくても燃料電池への供給反
応空気を加湿することができるように加湿技術を改良し
た固体高分子型燃料電池を提供することを目的としてい
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１に記載の発明においては、一側に反応空気
入口ヘッダーが、他の一側に反応空気出口ヘッダーが設
けられた固体高分子型燃料電池本体の前記反応空気出口
ヘッダー内に、燃料電池本体からの排空気と熱交換して
排空気中の水分を回収する水分回収器が設けられ、一
方、一端が前記水分回収器の回収した水を受け取るよう
水分回収器に近接して設けられた吸水性多孔材の他端が
前記反応空気入口ヘッダー内を横切る状態で該ヘッダー
内に張設されていることを特徴としている。

【０００７】請求項２に記載の発明においては、反応空
気入口ヘッダーと出口ヘッダーが一体化され、吸水性多
孔質材は前記一体化されたヘッダー内壁と固体高分子型
燃料電池本体との間に這設されていることを特徴として
いる。請求項３に記載の発明においては、反応空気出口
ヘッダー内に設ける水分回収器に固体高分子型燃料電池
本体に供給する燃料ガスを貯蔵する水素吸蔵合金タンク
を使用したことを特徴としている。

【０００８】

【作用】請求項１に記載の発明においては、固体高分子
型燃料電池本体には、その一側に反応空気入口ヘッダー
が、他の一側に反応空気出口ヘッダーが設けられてお
り、前記反応空気出口ヘッダー内には燃料電池本体から
の排空気と熱交換して排空気中の水分を回収する水分回
収器が設けられている。前記燃料電池本体からの排空気
は、燃料電池本体内での反応熱のために高温になってい
るとともに反応により生じた水を多量に含んでいる。こ
のため、前記排空気を前記水分回収器へ導入することに
より、排空気中に含まれている水分を回収することがで
きる。さらに、吸水性多孔質材は一端が前記水分回収器
の回収した水を受け取るように、水分回収器に近接して
設けられており、水分回収器からの水を無駄なく回収で
きるようになっている。また、該多孔質材の他端は前記
反応空気入口ヘッダー内を横切る状態で該ヘッダー内に
張設されているので、外部からの導入空気と広く接触で
き、空気を加湿することができるようになっている。

【０００９】請求項２に記載の発明においては、反応空
気入口ヘッダーと反応空気出口ヘッダーが一体化され、
吸水性多孔質材は前記一体化されたヘッダー内壁と固体
高分子型燃料電池本体との間に這設されており、外部か
らの導入空気は吸水性多孔質材から水分を受け取り湿潤
状態となった後、前記固体高分子型燃料電池本体へと入
るようになっている。

【００１０】請求項３に記載の発明においては、反応空
気出口ヘッダー内に設ける水分回収器に固体高分子型燃
料電池本体に供給する燃料ガスを貯蔵する水素吸蔵合金
タンクを使用している。水素吸蔵合金は、吸蔵している
水素ガスを放出する際吸熱反応を起こし、その結果、該
タンクは冷却される。従って、前記固体高分子型燃料電
池本体からの高温かつ多湿の排空気は前記水素吸蔵合金
タンクにより冷却されて該タンクの周囲に結露し、前記
吸水性多孔質材が水分を受け取る。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照しなが
ら具体的に説明する。燃料電池１は、筺体２、燃料電池
本体３、水素吸蔵合金タンク４、反応空気供給用ファン
５、ラジエータ６及び吸水性多孔質材７から構成されて
おり、左側部分が反応空気入口ヘッダー１１、右側部分
が反応空気出口ヘッダー１２となっている。

【００１２】筺体２は外観が角筒状をしており、中央部
には正面、上面及び背面にわたって開口２ａが設けら
れ、また、反応空気出口ヘッダー１２側には天板部に開
口２ｂが設けられている。中央部の開口２ａは、燃料電
池本体３を筺体２内に収容するためのものであり、通常
は図１及び図２に示すように、閉塞蓋２１によって密閉
されている。また、反応空気出口ヘッダー１２側の開口
２ｂは、水素吸蔵合金タンク４を出し入れするためのも
のであり、開閉自在な閉塞蓋２２が取り付けられてい
る。

【００１３】前記中央部開口２ａの下端縁には、図３に
示すような舌片状の燃料電池本体載置台板２３が設けら
れている。また、筺体２の正面中央部下方には、余剰水
排出用のドレイン２４が設けられている。筺体２の左右
両側の反応空気入口ヘッダー１１及び出口ヘッダー１２
には、小寸法の角筒体２５，２６がそれぞれ連接されて
おり、該角筒体２５，２６の端面開口を通じて、燃料電
池本体３への反応空気の供給及び燃料電池本体３からの
排空気の排出が可能となっている。

【００１４】燃料電池本体３は、発電部３１及びマニホ
ールド部３２，３３から構成されている。発電部３１
は、固体高分子膜の一方の面にアノードを、他方の面に
カソードを配したセルが複数枚積層されており、例え
ば、該セルの２層ごとに冷却プレートが組み込まれてあ
る。マニホールド部３２，３３は、前記発電部３１の正
面及び背面に取り付けてある。図３に示すように、正面
側マニホールド部３２は、右側が水素ガスマニホールド
３２ａ、左側が冷却水マニホールド３２ｂであり、背面
側マニホールド部３３は、左側が水素ガスマニホールド
３３ａ、右側が冷却水マニホールド３３ｂである。水素
ガスマニホールド３２ａ，３３ａと前記発電部３１の各
セルのアノードとは水素ガスが流通可能なように連通さ
れており、冷却水マニホールド３２ｂ，３３ｂと前記発
電部３１の各冷却プレートとは冷却水が流通可能なよう
に連通されている。前記発電部３１の各セルのカソード
は、前記マニホールド部３２，３３が配設されていない
二側面のうちの一方の面３４から反応空気を取り入れ、
他方の面３５から排空気を排出するようになっている。
燃料電池本体３は、図３に示すように、側面３４を反応
空気入口ヘッダー１１側に向け、側面３５を反応空気出
口ヘッダー１２側に向けて、前記開口部２ａを通じて筺
体２内に収容され、前記燃料電池本体載置台板２３上に
載置される。

【００１５】水素吸蔵合金タンク４は、二枚の平板状プ
レート４１，４２の間に円筒状の水素吸蔵合金タンク単
体４ａを水平姿勢で複数本列設した構成である。前記平
板状プレート４１，４２の下端には脚部４１ａ，４２ａ
が設けられ、水素吸蔵合金タンク４が自立できるように
してある。また、前記平板状プレート４１の上部には、
燃料電池本体３への水素ガス供給口となるカプラー４３
が取り付けられてある。該カプラー４３と前記正面側水
素ガスマニホールド３２ａとの間は、フレキシブルパイ
プ８０によって連結されており、水素ガスが前記水素ガ
スマニホールド３２ａに供給できるようになっている。
また、水素吸蔵合金タンク４は、図２に示すように、各
水素吸蔵合金タンク単体４ａが横方向に配置され、一定
の間隔を開けて縦方向に一列で積層されているため、反
応空気出口ヘッダー１２内で燃料電池本体３からの排空
気と効率よく熱交換できるような構成となっている。

【００１６】反応空気供給用ファン５は、反応空気入口
ヘッダー１１の角筒体２５内に取り付けられており、外
部の空気を強制的に燃料電池本体３へ供給する働きをす
る。ラジエータ６は、図２に示すように、前記反応空気
供給用ファン５と燃料電池本体３との間に設けられてい
る。また、ラジエータ６は前記冷却水マニホールド３２
ｂ，３３ｂとパイプ８１によって連結されており（３３
ｂと連結されているパイプは図示していない。）、前記
冷却プレートを循環した冷却水を導入させて外部からの
供給空気と熱交換させ、再度冷却プレートへ還流させる
構成となっている。

【００１７】吸水性多孔質材７は、例えば綿繊維、レー
ヨン繊維、ポリビニルアルコール系繊維等の吸水性を有
する繊維を素材とする１枚の長尺状布体７１と２枚の短
尺状布体７２とで構成されている。該長尺状布体７１の
右端７１ａは反応空気出口ヘッダー１２内にあり水素吸
蔵合金タンク４の直下に位置し、左端側７１ｂを反応空
気入口ヘッダー１１内に位置した状態で筺体２の底面に
這設されている。２枚の短尺状布体７２は、前記左端側
７１ｂから分岐され、反応空気入口ヘッダー１１内を下
方から上方へ横切る状態で架設されている。なお、短尺
状布体７２は、通気性を有するように繊維を荒く編んだ
布であって、左端側７１ｂの分岐は長尺状布体７１に短
尺状布体７２を縫合させて構成されており、布体７１，
７２には剛性がないので、短尺状布体７２はその上端が
図示しない保持具により筺体２内壁に保持されている。

【００１８】次に上記構成の固体高分子型燃料電池１に
おける、通常の運転時の状態を以下に説明する。反応空
気供給用ファン５によって強制的に反応空気入口ヘッダ
ー１１内に導入された空気は、ラジエータ６と熱交換し
た後吸水性多孔質材７を透過し燃料電池本体３内に入
る。この場合、供給された空気はラジエータ６によって
温められ、短尺状布体７２の繊維間を通過する際に、該
多孔質材７の水分を気化させてその水蒸気を取り込む。

【００１９】一方、燃料電池本体３内では、固体高分子
膜を介して供給空気中の酸素と燃料水素ガスとが反応し
て発電が起こり、その際、酸素極（カソード）側では、
酸素と水素との反応により生成した反応生成水、及び水
素イオンが水素極（アノード）側から酸素極（カソー
ド）側へ移動する際に、該水素イオンと結合して移動し
た反応移動水が存在している。従って、燃料電池本体３
からの排空気は、反応熱のために高温であるとともに、
酸素極（アノード）から水分を吸収して多湿となってい
る。この高温多湿の排空気は、反応空気出口ヘッダー１
２内で水素吸蔵合金タンク４と熱交換した後、燃料電池
１外部へ排出される。

【００２０】水素吸蔵合金における水素ガスの放出過程
は吸熱反応であるため、前記水素吸蔵合金タンク４は水
素ガスの放出に伴って冷却されている。従って、燃料電
池本体３からの排空気は、前記水素吸蔵合金タンク４と
の熱交換の際、該タンク４の周囲に水滴を生じさせる。
この結露過程は、前記排空気とタンク４との熱交換がな
されている間、継続して起こるため、水滴は次第に大き
くなり、やがて、タンク４の直下の設けられた長尺状布
体７１の右端７１ａ上に滴下する。滴下した水は毛細管
現象によって長尺状布体７１内を左端側７１ｂに向かっ
て運ばれて、反応空気入口ヘッダー１１内に張設された
短尺状布体７２の上端にまで達し、該短尺状布体７２を
通過する供給反応空気の加湿に供される。前記反応空気
出口ヘッダー１２内で排空気から回収される水の量の方
が、反応空気入口ヘッダー１１内で供給反応空気へ吸収
される水の量よりも多い場合には、余剰の水が前記多孔
質材７からあふれることもあるが、その際には、余剰水
排出用ドレイン２４から余剰水を排出することが可能で
ある。

【００２１】なお、本実施例では、反応空気供給用ファ
ン５と短尺状布体７２との間に、ラジエータ６が設けら
れ、供給空気はラジエータ６と熱交換した後短尺状布体
７２を透過するが、この場合に限られることはなく、効
率は多少低下するが、ラジエータ６が設けられず、供給
空気はすぐに短尺状布体７２を透過してもよいことは言
うまでもない。

【００２２】また、上記実施例では、短尺状布体７２と
して通気性を有する２枚の布を用い、これを反応空気入
口ヘッダー１１内に架設したが、代わりに、細い短冊状
の布等を反応空気入口ヘッダー１１内に張りめぐらせて
もよい。また、本実施例では、水素吸蔵合金タンク４が
水分回収器を兼用しているが、別個の水分回収器を設置
しても全く問題はない。

【００２３】

【発明の効果】上述のように、請求項１に記載の発明に
おいては、水分回収器で回収された水を吸水性多孔質材
の毛細管現象により反応空気入口ヘッダーへ移動させ、
外部からの供給反応空気を加湿している。従って、加湿
器を別途設けなくても、燃料電池本体内の固体高分子膜
の乾燥を防止することができる。

【００２４】請求項２に記載の発明においては、反応空
気入口ヘッダーと出口ヘッダーが一体化されているため
燃料電池の構成部材数を少なくでき、該燃料電池の装置
としてのまとまりがよく、外観上見た目がよい。また、
前記吸水性多孔質材が外部に露出しておらず、該多孔質
材からの水の無駄な蒸発を防ぐことができる。請求項３
に記載の発明においては、水素吸蔵合金タンクは水素放
出器としての役割と水分回収器としての役割の２通りを
している。従って、該燃料電池の構成部材数を少なくす
ることができ、装置の軽量化、小型化を図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池の全体斜視
図である。

【図２】図１におけるＸ−Ｘ断面図である。

【図３】図１における中央部閉塞蓋２１を取り外した図
である。

【符号の説明】

１ 固体高分子型燃料電池 ３ 固体高分子型燃料電池本体 ４ 水素吸蔵合金タンク ７ 吸水性多孔質材 １１ 反応空気入口ヘッダー １２ 反応空気出口ヘッダー ７１ 長尺状布体 ７１ａ 長尺状布体右端 ７１ｂ 長尺状布体左端 ７２ 短尺状布体

フロントページの続き (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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一側に反応空気入口ヘッダーが、他の一
   側に反応空気出口ヘッダーが設けられた固体高分子型燃
   料電池本体の前記反応空気出口ヘッダー内に、燃料電池
   本体からの排空気と熱交換して排空気中の水分を回収す
   る水分回収器が設けられ、一方、一端が前記水分回収器
   の回収した水を受け取るよう水分回収器に近接して設け
   られた吸水性多孔材の他端が前記反応空気入口ヘッダー
   内を横切る状態で該ヘッダー内に張設されていることを
   特徴とする固体高分子型燃料電池。
2. 【請求項２】 反応空気入口ヘッダーと出口ヘッダーが
   一体化され、吸水性多孔質材は前記一体化されたヘッダ
   ー内壁と固体高分子型燃料電池本体との間に這設されて
   いることを特徴とする請求項１の固体高分子型燃料電
   池。
3. 【請求項３】 反応空気出口ヘッダー内に設ける水分回
   収器に固体高分子型燃料電池本体に供給する燃料ガスを
   貯蔵する水素吸蔵合金タンクを使用したことを特徴とす
   る請求項１の固体高分子型燃料電池。