JPH09312166A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JPH09312166A
JPH09312166A JP8150505A JP15050596A JPH09312166A JP H09312166 A JPH09312166 A JP H09312166A JP 8150505 A JP8150505 A JP 8150505A JP 15050596 A JP15050596 A JP 15050596A JP H09312166 A JPH09312166 A JP H09312166A
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JP
Japan
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air
fuel cell
power generator
water
ion exchange
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JP8150505A
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English (en)
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Masataka Ueno
正隆 上野
Yutaka Nakajima
裕 中島
Koichi Shiraishi
剛一 白石
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Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Equos Research Co Ltd
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Publication date
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【目的】 高分子固体電解質型燃料電池発電装置におい
て、酸化剤ガスとして吸入される大気中空気を浄化する
と共に、その運転中スタック内の水分量を適切に自動調
整して一定出力を保持する。 【構成】 高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃料極
とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置において、
酸化剤ガスとして空気極に導入されまた空気極から排出
される空気の通路の少なくとも1カ所にイオン交換樹脂
等の水浄化剤および/または吸湿剤を設置したことを特
徴とする。具体的には、空気排出マニホールド14にイ
オン交換樹脂等の水浄化剤21が設置される。あるい
は、空気供給マニホールド13にイオン交換樹脂等の水
浄化剤18が設置されると共に、空気排出マニホールド
14に吸湿剤19が設置される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は燃料電池発電装置、
特に高分子固体電解質型燃料電池を用いた発電装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】高分子固体電解質型燃料電池において
は、装置の小型化およびコスト低減のために、酸化剤ガ
スとして大気中の空気をファンまたはブロワ等により燃
料電池スタック内に導入することが一般に行われてい
る。
【0003】また、高分子固体電解質型燃料電池におい
て電解質として用いられるイオン導電膜は、該燃料電池
の燃料極にて得られる水素イオンをプロトンの形態で電
解質膜中を空気極側に伝達することにより起電力が得ら
れるものであるが、安定した高出力を得るためには、こ
の電解質膜を常に最適な水分を均一に含んだ状態に保持
しておくことが重要である。
【0004】このために、従来は、燃料ガス(水素)ま
たは酸化剤ガス(空気または酸素)をバブリング装置等
の加湿器を用いて加湿し、この加湿されたガスを電解質
膜に通すことによって電解質膜を加湿する方法が一般に
採用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、酸化剤
ガスとして大気中空気を使用する場合、燃料電池が工場
敷地内で稼働される場合や車載される場合のように吸入
される空気が汚染されている場合には、空気中に粉塵が
多量に含まれている。
【0006】また、このような汚染空気には水に可溶な
成分が含まれており、特に水に溶けて酸性またはアルカ
リ性を示す成分を含む保持水が空気極から電解質膜を加
湿すると、電池性能を劣化させる原因となっていた。
【0007】さらに、汚染空気が燃料電池に導入される
と、電解質膜に与える悪影響だけでなく、電極や、ガス
通路となるマニホールドや空気導入管内においても水ア
カの堆積や腐食の原因となりかねない。
【0008】また、燃料電池スタックの運転中において
は、スタック内部の温度Ts(スタックを代表する温度
として、たとえばスタックのほぼ中央セルに設置した温
度センサにより検知する)がスタック出口側の温度Tm
(酸化剤ガスまたは燃料ガスの排出側マニホールド内に
設置した温度センサにより検知する)よりも高くなる、
すなわちTs>Tmとなるため、ガス排出側マニホール
ド内において排出ガスが冷却され、該排出ガス中の水分
が凝結して水滴を生じ、この凝結水が電極上のガス流路
を閉塞してセル電圧を低下させるという問題があった。
【0009】特に、空気極では電池反応により水が生成
されるため、空気排出マニホールド内において上記現象
が顕著に発生していた。
【0010】
【課題を解決するための手段】そこで本発明は、高分子
固体電解質膜型燃料電池発電装置において、酸化剤ガス
として吸入される大気中空気を浄化すると共にその運転
中スタック内の水分量を適切に自動調整し、一定出力を
保持することを目的とする。
【0011】すなわち本発明は、高分子固体電解質膜の
両側に空気極と燃料極とが配されてなる燃料電池を用い
た発電装置において、酸化剤ガスとして空気極に導入さ
れまた空気極から排出される空気の通路の少なくとも1
カ所に水浄化剤および/または吸湿剤を設置したことを
特徴とする燃料電池発電装置である。
【0012】水浄化剤としてはイオン交換樹脂が好適に
用いられる。イオン交換樹脂は一般に吸水性を有するた
め、吸湿剤としての作用を兼ねることができる。
【0013】本発明の好適な一態様によれば、空気排出
マニホールドにイオン交換樹脂等の水浄化剤が設置され
る。
【0014】また、本発明の他の好適な態様によれば、
空気供給マニホールドにイオン交換樹脂等の水浄化剤が
設置されると共に、空気排出マニホールドに吸湿剤が設
置される。
【0015】
【発明の実施の形態】図1は本発明による高分子固体電
解質型燃料電池発電装置の構成を示す概略図であり、燃
料電池10は空気極(カソード)の側から見た側面図と
して示されている。公知のように、この燃料電池におい
ては高分子固体電解質膜を挟んで空気極と反対側に、水
素等の燃料ガスが導入される燃料極(アノード)が配さ
れている。なお、実際にはこのような燃料電池セルが多
数積層されたスタックとして実用に供されるものであ
る。
【0016】酸化剤ガスとしての空気が空気導入路11
から送風ファン12により空気供給マニホールド13に
供給され、空気極に供給される。
【0017】公知のように、燃料電池の燃料極に水素ガ
ス、空気極に空気が供給されることにより、高分子固体
電解質膜の中を水素イオンがプロトンの形で移動し、電
池反応が行われる。このとき、空気極では、供給された
酸素が移動してきた水素イオンおよび電子と反応して水
を生成する。
【0018】したがって、空気極から排出される排出ガ
スには、未反応の酸素に加えて空気極における反応生成
水が水蒸気として含まれている。
【0019】この排出ガスは空気排出マニホールド14
から空気排出路15に送入されるが、空気排出路15に
は排気バルブ16が設けられ、空気極からの排出ガス
は、そのうちの排気バルブ16の開度に応じた一定量が
系外に排出されるように構成されている。
【0020】排気バルブ16の開度は、燃料電池10の
出力電流値および空気極からの排出ガス温度との相関に
よって決定され、燃料電池10に最適な水バランス条件
を与えるよう制御手段(CPU)17により制御される
が、この制御は本発明の主題に直接関連しないので、説
明を省略する。
【0021】空気供給マニホールド13にはイオン交換
樹脂18が設置されている。イオン交換樹脂18は樹脂
の有するイオン交換作用により水に含まれる不純物を除
去するものであり、たとえば筒状のフィルタとして空気
供給マニホールド13内の適所に設置される。イオン交
換樹脂18は現場にて樹脂交換可能なカートリッジ式フ
ィルタとして用いることが好ましい。
【0022】空気供給マニホールド13に設置されたイ
オン交換樹脂18は、空気導入路11から送風ファン1
2により導入される空気中の不純物を予め除去した状態
として燃料電池の空気極に供給し、これにより空気極に
おける反応生成水の汚染を未然に防止する。
【0023】また、空気排出マニホールド14には吸湿
剤19が設置されている。吸湿剤19としては、たとえ
ば繊維シート、スポンジ状多孔質剤、多孔質ビーズ等を
適宜用いることができる。シート状の吸湿剤19は空気
の流動を妨げないので、そのまま空気排出マニホールド
14の全断面領域に設置することができる。その他の形
状のものは、マニホールド内に設置可能とすべくプラス
チック容器等に入れて設置する。
【0024】空気排出マニホールド14に設置された吸
湿剤19は、空気極からの排出ガス中に含まれる余分な
水分を除去し、マニホールド14内における水の凝縮を
防止ないし抑制する。特に燃料電池稼働中においては、
一般にスタック温度Tsよりもマニホールド温度Tmの
方が低くなり、これによりマニホールド14内で水の凝
縮が生ずる傾向を有するが、この凝縮水が吸湿剤19に
吸水されるため、ガス流路の閉塞を防止することができ
る。
【0025】図2は空気循環型とした高分子固体電解質
型燃料電池発電装置に本発明を適用した実施例を示す概
略図である。図2において図1と同様の構成要素には同
一の符号が付されている。
【0026】図2の構成が図1と異なるのは、空気極か
ら排出ガスを排出させる空気排出路15が循環路20を
介して空気導入路11と接続されている点であり、この
ような空気循環型として構成されているため、反応生成
水を伴った排出ガスを空気極に再導入することができる
ものである。
【0027】すなわち、空気極からの排気ガスは、その
うちの排気バルブ16の開度に応じた一定量が系外に排
出され、残量が循環路20および空気導入路11を介し
て空気極に再導入される。
【0028】このようにして反応生成水を含んだ排出ガ
スが燃料電池10の空気極に再導入されることにより、
反応生成水(水蒸気)が濃度差により電解質膜に浸透し
て燃料極側に移動し、さらに燃料極側に移動した水分は
電気浸透水として空気極側へと移動することとなり、こ
れら水分の往復移動によって電解質膜の加湿が効率的且
つ平均的に行われる。
【0029】排気バルブ16の開度は、燃料電池10の
出力電流値および空気極からの排出ガス温度との相関に
よって決定され、燃料電池10に最適な水バランス条件
を与えるよう制御手段(CPU)17により制御される
が、この制御は本発明の主題に直接関連しないので、説
明を省略する。
【0030】空気排出マニホールド14にはイオン交換
樹脂21が設置されている。このイオン交換樹脂21に
は先述の図1の実施例において空気供給マニホールド1
3に設置したイオン交換樹脂18と同様のものを用いる
ことができる。
【0031】空気極から排出された排出ガスは、空気排
出マニホールド14内においてイオン交換樹脂21で浄
化されると共に、該イオン交換樹脂21の吸水性により
過剰な含有水分が除去される。
【0032】図2の実施例は空気循環型として構成され
ているため、浄化された空気が循環路20および空気導
入路11を通って空気極に再導入される。このため、空
気供給マニホールド13内にイオン交換樹脂を設置しな
くても、空気極に供給される空気は実用上十分な程度に
浄化されている。
【0033】勿論、図2の実施例においても、図1の実
施例と同様に、空気供給マニホールド13にイオン交換
樹脂(18)を設置すると共に空気排出マニホールド1
4には吸湿剤(19)を設置することができる。また、
図2の実施例では、循環路20に吸湿剤(19)を設置
してもよい。
【0034】
【発明の効果】本発明によれば、酸化剤ガスとして大気
中空気を用いる高分子固体電解質型燃料電池スタックに
おいて、特に工場内設置や車載等の場合のように吸入す
る空気が不純物を含んで汚染されているときであって
も、予め不純物を取り除いて浄化した状態で空気極に供
給するので、電池性能を良好に維持することができる。
【0035】また、特に空気排出側におけるマニホール
ドでの過剰な凝縮水の発生が防止されるので、ガス流路
の閉塞が防止され、出力低下を防止することができる。
【0036】本発明で用いられるイオン交換樹脂等の水
浄化剤および吸湿剤はたとえばカートリッジ式とするこ
とにより容易に交換可能であり、また再生により再使用
可能であるため、低コストにて長期にわたって本発明の
効果を持続させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による高分子固体電解質型燃料電池発電
装置の概略構成を示す模式図である。
【図2】本発明を空気循環型の高分子固体電解質型燃料
電池発電装置に適用した実施例の概略構成を示す模式図
である。
【符号の説明】
10 燃料電池 11 空気導入路 12 送風ファン 13 空気供給マニホールド 14 空気排出マニホールド 15 空気排出路 16 排気バルブ 17 制御手段(CPU) 18 イオン交換樹脂(水浄化剤) 19 吸湿剤 20 循環路 21 イオン交換樹脂(水浄化剤)

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃
    料極とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置におい
    て、酸化剤ガスとして空気極に導入されまた空気極から
    排出される空気の通路の少なくとも1カ所に水浄化剤お
    よび/または吸湿剤を設置したことを特徴とする燃料電
    池発電装置。
  2. 【請求項2】 前記水浄化剤がイオン交換樹脂よりなる
    ことを特徴とする請求項1の燃料電池発電装置。
  3. 【請求項3】 空気排出マニホールドに水浄化剤が設置
    されることを特徴とする請求項1の燃料電池発電装置。
  4. 【請求項4】 空気供給マニホールドに水浄化剤が設置
    されると共に、空気排出マニホールドに吸湿剤が設置さ
    れることを特徴とする請求項1の燃料電池発電装置。
JP8150505A 1996-05-23 1996-05-23 燃料電池発電装置 Pending JPH09312166A (ja)

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