JPH10247505A - 固体高分子電解質型燃料電池 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池Info
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- JPH10247505A JPH10247505A JP9049954A JP4995497A JPH10247505A JP H10247505 A JPH10247505 A JP H10247505A JP 9049954 A JP9049954 A JP 9049954A JP 4995497 A JP4995497 A JP 4995497A JP H10247505 A JPH10247505 A JP H10247505A
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- H01M8/04007—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids related to heat exchange
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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
Abstract
(57)【要約】
【課題】簡潔な構成でスタックが効率的に冷却され、高
出力密度への対応が可能で、かつ軽量で低コストのもの
とする。 【解決手段】スタック１に設けた燃料ガス流路１３に燃
料ガスを、また反応空気流路１２に酸化剤ガスとして空
気を通流して発電するものにおいて、スタック１の内部
に冷却空気流路１１を備え、空気供給ブロア２で供給し
た空気に水供給装置８で水を添加し、冷却空気流路１１
を通流させたのち反応空気流路１２へと通流する。排出
された空気は凝縮器６Ａで冷却凝縮させ、得られた凝縮
水は水供給装置８へと再循環させる。
出力密度への対応が可能で、かつ軽量で低コストのもの
とする。 【解決手段】スタック１に設けた燃料ガス流路１３に燃
料ガスを、また反応空気流路１２に酸化剤ガスとして空
気を通流して発電するものにおいて、スタック１の内部
に冷却空気流路１１を備え、空気供給ブロア２で供給し
た空気に水供給装置８で水を添加し、冷却空気流路１１
を通流させたのち反応空気流路１２へと通流する。排出
された空気は凝縮器６Ａで冷却凝縮させ、得られた凝縮
水は水供給装置８へと再循環させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子膜を
電解質として用い、電気化学反応により電気エネルギー
を得る固体高分子電解質型燃料電池に係わり、特に酸化
剤ガスとして用いる空気の通流路の構成に関する。
電解質として用い、電気化学反応により電気エネルギー
を得る固体高分子電解質型燃料電池に係わり、特に酸化
剤ガスとして用いる空気の通流路の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は、一般に用いられている固体高分
子電解質型燃料電池の最小発電単位であるセルの基本構
成を示す分解斜視図である。固体高分子膜よりなる電解
質膜２０の両面に、貴金属、主として白金を含む触媒層
２１を接合して膜電極複合体が形成されている。膜電極
複合体の両外面には拡散層２２が配され、燃料ガスある
いは酸化剤ガスを触媒層２１へと通過させる役割を果た
すとともに、電流を外部へ伝える働きをしている。これ
らをガス不透過性のセパレータ２３で挟んでセルが構成
される。図の構成例では、セパレータ２３の拡散層２２
の側の面がリブ構造に形成されており、リブとリブの間
の溝に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを通流させる構成で
ある。本構成のごときセルを多数積層して構成される燃
料電池スタックが、固体高分子電解質型燃料電池の電池
本体として用いられている。
子電解質型燃料電池の最小発電単位であるセルの基本構
成を示す分解斜視図である。固体高分子膜よりなる電解
質膜２０の両面に、貴金属、主として白金を含む触媒層
２１を接合して膜電極複合体が形成されている。膜電極
複合体の両外面には拡散層２２が配され、燃料ガスある
いは酸化剤ガスを触媒層２１へと通過させる役割を果た
すとともに、電流を外部へ伝える働きをしている。これ
らをガス不透過性のセパレータ２３で挟んでセルが構成
される。図の構成例では、セパレータ２３の拡散層２２
の側の面がリブ構造に形成されており、リブとリブの間
の溝に燃料ガスあるいは酸化剤ガスを通流させる構成で
ある。本構成のごときセルを多数積層して構成される燃
料電池スタックが、固体高分子電解質型燃料電池の電池
本体として用いられている。
【０００３】また、電解質膜２０として用いられている
固体高分子膜は、水を飽和に含ませることによって膜の
比抵抗が小さくなり、プロトン導電性電解質として機能
するので、発電効率を高く維持するには膜の含水状態を
飽和に維持することが必要である。したがって、反応ガ
スに水を供給して湿度を高めて燃料電池へ送り、膜から
の水の蒸発を抑えて、膜の乾燥を防ぐ方法が採られてい
る。
固体高分子膜は、水を飽和に含ませることによって膜の
比抵抗が小さくなり、プロトン導電性電解質として機能
するので、発電効率を高く維持するには膜の含水状態を
飽和に維持することが必要である。したがって、反応ガ
スに水を供給して湿度を高めて燃料電池へ送り、膜から
の水の蒸発を抑えて、膜の乾燥を防ぐ方法が採られてい
る。
【０００４】図６は、従来の固体高分子電解質型燃料電
池の反応ガス系統および冷却水系統の構成例を示す基本
系統図である。スタック１に酸化剤ガスとして送られる
空気は、空気供給ブロア２により昇圧して供給される。
空気は、スタック１に付設された加湿部４により水分を
添加され、その後、各セルの空気極側へと送られる。加
湿部４には、例えば水透過性の薄膜の両面に空気と冷却
水とを流して空気を加湿する方式等が用いられる。空気
中の酸素の一部は、セルの触媒層において還元され、水
を生成する。スタック１より排出された生成水を含む空
気は、凝縮器６へ送られ、余剰の水分を回収したのち外
部へと排出される。一方、燃料ガスは、高圧水素タンク
や燃料改質装置等の燃料供給源３より供給されて、スタ
ック１の各セルの燃料極側へと送られる。燃料ガスは、
スタック１に付設された加湿部４を通過させる場合と通
過させない場合とある。電池反応に伴ってスタック１で
生じる発熱を除去するために、熱交換して冷却水を冷却
する冷却装置５と、冷却水をスタック１へ送るポンプ７
とを組み込んだ冷却水循環系統が備えられている。な
お、図の系では含まれていないが、冷却水タンクを備え
る場合もある。
池の反応ガス系統および冷却水系統の構成例を示す基本
系統図である。スタック１に酸化剤ガスとして送られる
空気は、空気供給ブロア２により昇圧して供給される。
空気は、スタック１に付設された加湿部４により水分を
添加され、その後、各セルの空気極側へと送られる。加
湿部４には、例えば水透過性の薄膜の両面に空気と冷却
水とを流して空気を加湿する方式等が用いられる。空気
中の酸素の一部は、セルの触媒層において還元され、水
を生成する。スタック１より排出された生成水を含む空
気は、凝縮器６へ送られ、余剰の水分を回収したのち外
部へと排出される。一方、燃料ガスは、高圧水素タンク
や燃料改質装置等の燃料供給源３より供給されて、スタ
ック１の各セルの燃料極側へと送られる。燃料ガスは、
スタック１に付設された加湿部４を通過させる場合と通
過させない場合とある。電池反応に伴ってスタック１で
生じる発熱を除去するために、熱交換して冷却水を冷却
する冷却装置５と、冷却水をスタック１へ送るポンプ７
とを組み込んだ冷却水循環系統が備えられている。な
お、図の系では含まれていないが、冷却水タンクを備え
る場合もある。
【０００５】図７は、従来の固体高分子電解質型燃料電
池の反応ガス系統の他の構成例の基本系統図である。本
構成においては、スタック１の発熱の除去が冷却ファン
９による空冷により行われている。この構成では冷却水
系統が備えられていないので、空気供給ブロア２により
昇圧して供給された空気は、そのまま外部へ排出されて
おり、生成水の回収は行われていない。
池の反応ガス系統の他の構成例の基本系統図である。本
構成においては、スタック１の発熱の除去が冷却ファン
９による空冷により行われている。この構成では冷却水
系統が備えられていないので、空気供給ブロア２により
昇圧して供給された空気は、そのまま外部へ排出されて
おり、生成水の回収は行われていない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】上記のごとく、従来の
固体高分子電解質型燃料電池においては、スタック１で
生じる発熱を水冷あるいは空冷により除去して、所定の
運転温度に保持する方式が採られている。しかしなが
ら、冷却水を用いて冷却する方式においては、冷却装置
５やポンプ７を組み込んだ冷却水系統を備える必要があ
り、また図６には図示されていないが、長期の運転に際
してセル間の短絡を生じないように冷却水の電気伝導度
を所定値以下に維持するためには、脱イオン化装置（イ
オン交換樹脂）を組み込む必要があるので、燃料電池ス
タックに付加して設置すべき機器が増加し、システムの
重量やコストが増大してしまうという難点がある。
固体高分子電解質型燃料電池においては、スタック１で
生じる発熱を水冷あるいは空冷により除去して、所定の
運転温度に保持する方式が採られている。しかしなが
ら、冷却水を用いて冷却する方式においては、冷却装置
５やポンプ７を組み込んだ冷却水系統を備える必要があ
り、また図６には図示されていないが、長期の運転に際
してセル間の短絡を生じないように冷却水の電気伝導度
を所定値以下に維持するためには、脱イオン化装置（イ
オン交換樹脂）を組み込む必要があるので、燃料電池ス
タックに付加して設置すべき機器が増加し、システムの
重量やコストが増大してしまうという難点がある。
【０００７】また、空冷方式とすれば上記のごとき冷却
水系統は不要となるが、空気は水と比較して冷却能力が
低いので大容量のファンを用いて大量の空気を導入する
必要がある。したがって、必要となる補機動力が増大
し、発電効率が高くできないという問題点がある。さら
に空冷方式においては、冷却能力が低いのでスタックの
出力密度を高く採ることが困難であり、スタックの小型
化が本質的に困難であるという難点がある。
水系統は不要となるが、空気は水と比較して冷却能力が
低いので大容量のファンを用いて大量の空気を導入する
必要がある。したがって、必要となる補機動力が増大
し、発電効率が高くできないという問題点がある。さら
に空冷方式においては、冷却能力が低いのでスタックの
出力密度を高く採ることが困難であり、スタックの小型
化が本質的に困難であるという難点がある。
【０００８】本発明の目的は、従来の冷却水系統のごと
きシステムを用いずともスタックが効率的に冷却され、
高出力密度への対応が可能で、かつ軽量で低コストの固
体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
きシステムを用いずともスタックが効率的に冷却され、
高出力密度への対応が可能で、かつ軽量で低コストの固
体高分子電解質型燃料電池を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、固体高分子電解質膜の両面に
触媒層を接合して形成された膜電極複合体を拡散層で挟
み、ガス不透過性材料よりなるセパレータを介して複数
積層して燃料電池スタックを構成し、一方の触媒層に燃
料ガスを、もう一方の触媒層に酸化剤ガスとして空気を
通流して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体
高分子電解質型燃料電池において、 （１）燃料電池スタックに、触媒層と気密に隔てて冷却
ガス流路を備えることとし、かつ、予め水を添加した空
気を、この冷却ガス流路に通流させたのち、触媒層に空
気を供給する反応ガス流路に通流させるよう構成するこ
ととする。
めに、本発明においては、固体高分子電解質膜の両面に
触媒層を接合して形成された膜電極複合体を拡散層で挟
み、ガス不透過性材料よりなるセパレータを介して複数
積層して燃料電池スタックを構成し、一方の触媒層に燃
料ガスを、もう一方の触媒層に酸化剤ガスとして空気を
通流して電気化学反応により電気エネルギーを得る固体
高分子電解質型燃料電池において、 （１）燃料電池スタックに、触媒層と気密に隔てて冷却
ガス流路を備えることとし、かつ、予め水を添加した空
気を、この冷却ガス流路に通流させたのち、触媒層に空
気を供給する反応ガス流路に通流させるよう構成するこ
ととする。
【００１０】（２）さらに上記（１）の固体高分子電解
質型燃料電池において、冷却ガス流路を通流した空気を
凝縮させて得られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流させ
る空気中へと再循環させる回路を備えることとする。 （３）また、上記（１）あるいは（２）の固体高分子電
解質型燃料電池において、反応ガス流路を通流した空気
を凝縮させて得られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流さ
せる空気中へと再循環させる回路を備えることとする。
質型燃料電池において、冷却ガス流路を通流した空気を
凝縮させて得られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流させ
る空気中へと再循環させる回路を備えることとする。 （３）また、上記（１）あるいは（２）の固体高分子電
解質型燃料電池において、反応ガス流路を通流した空気
を凝縮させて得られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流さ
せる空気中へと再循環させる回路を備えることとする。
【００１１】固体高分子電解質型燃料電池を上記（１）
のごとく構成すれば、空気は、燃料電池スタック中に備
えられた冷却ガス流路を通流してスタックを冷却したの
ち、反応ガス流路を通流して電気化学反応を生じること
となる。すなわち、スタックは空冷により冷却されるこ
ととなるが、冷却ガス流路がスタック中に配設されてい
るので、冷却効率が高く、より小型に構成することがで
きる。とくに、予め水を添加した空気を供給して通流さ
せることとしているので、冷却ガス流路を通流する際、
空気中に液状あるいは霧状に含まれた水分はスタックか
らの熱を受けて一部あるいは全体が蒸発し、蒸発潜熱に
よりスタックが効果的に冷却されることとなり、同時に
反応ガス流路に送られる空気が加湿されることとなる。
のごとく構成すれば、空気は、燃料電池スタック中に備
えられた冷却ガス流路を通流してスタックを冷却したの
ち、反応ガス流路を通流して電気化学反応を生じること
となる。すなわち、スタックは空冷により冷却されるこ
ととなるが、冷却ガス流路がスタック中に配設されてい
るので、冷却効率が高く、より小型に構成することがで
きる。とくに、予め水を添加した空気を供給して通流さ
せることとしているので、冷却ガス流路を通流する際、
空気中に液状あるいは霧状に含まれた水分はスタックか
らの熱を受けて一部あるいは全体が蒸発し、蒸発潜熱に
よりスタックが効果的に冷却されることとなり、同時に
反応ガス流路に送られる空気が加湿されることとなる。
【００１２】さらに上記（２）のごとく、冷却ガス流路
を通流して水蒸気を飽和に含んだ空気を冷却させ凝縮さ
せて得られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流させる空気
中へと再循環させる回路を備え、あるいはさらに（３）
のごとく、反応ガス流路を通流した空気を凝縮させて得
られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流させる空気中へと
再循環させる回路を備えることとすれば、水が効率的に
利用され、水の供給装置の小型化が可能となる。
を通流して水蒸気を飽和に含んだ空気を冷却させ凝縮さ
せて得られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流させる空気
中へと再循環させる回路を備え、あるいはさらに（３）
のごとく、反応ガス流路を通流した空気を凝縮させて得
られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流させる空気中へと
再循環させる回路を備えることとすれば、水が効率的に
利用され、水の供給装置の小型化が可能となる。
【００１３】
＜実施例１＞図１は、本発明による固体高分子電解質型
燃料電池の実施例１の反応ガス系統の構成を示す基本系
統図、図２は、本実施例のスタック１における空気の流
れを示す模式図、図３は、図２のＸ−Ｘ面のセル部分の
拡大断面図である。
燃料電池の実施例１の反応ガス系統の構成を示す基本系
統図、図２は、本実施例のスタック１における空気の流
れを示す模式図、図３は、図２のＸ−Ｘ面のセル部分の
拡大断面図である。
【００１４】図１に見られるように、本実施例の構成で
は、空気供給ブロア２により供給され、水供給装置８よ
り水分を受けた空気を、まずスタック１の内部に形成さ
れた冷却空気流路１１に通流させてスタック１の冷却に
使用し、その後、再びスタック１の内部の反応空気流路
１２に通流させて発電反応に用いるよう構成している。
また、発電反応に寄与したのちスタック１より放出され
た空気は、凝縮器６Ａで冷却され、水分を除去したのち
外部へ放出するよう構成されており、凝縮器６Ａで得ら
れた凝縮水は、水供給装置８へと再循環されて送られ、
導入する空気への水分の補給に再利用されている。
は、空気供給ブロア２により供給され、水供給装置８よ
り水分を受けた空気を、まずスタック１の内部に形成さ
れた冷却空気流路１１に通流させてスタック１の冷却に
使用し、その後、再びスタック１の内部の反応空気流路
１２に通流させて発電反応に用いるよう構成している。
また、発電反応に寄与したのちスタック１より放出され
た空気は、凝縮器６Ａで冷却され、水分を除去したのち
外部へ放出するよう構成されており、凝縮器６Ａで得ら
れた凝縮水は、水供給装置８へと再循環されて送られ、
導入する空気への水分の補給に再利用されている。
【００１５】用いられているスタック１は、電極面積 3
00cm2 のセルを１２層積層した直流出力１ｋＷのスタッ
クで、運転圧力は常圧、電流密度は 0.4 A/cm2、セル電
圧は0.7 Ｖである。液状あるいは霧状に水分を含む空気
は、図２に示したように、冷却空気入口マニホールド１
４より導入され、スタック１の内部を流れて冷却空気出
口マニホールド１５へと達し、再び反応空気入口１６よ
りスタック１の内部へと送られ、反応用の空気として発
電反応に寄与したのち、反応空気出口より排出される。
スタック１は、図３の拡大断面図に示したごとく、固体
高分子電解質膜の両面に触媒層を接合して形成された膜
電極複合体１８の両面にガス不透過性材料よりなる２枚
の波形のセパレータ１９を配することにより、膜電極複
合体１８の燃料極触媒層側に燃料ガス流路１３を、ま
た、空気極触媒層側に反応空気流路１２を形成し、さら
に、２枚のセパレータ１９の間に膜電極複合体１８より
隔たって冷却空気流路１１を形成している。
00cm2 のセルを１２層積層した直流出力１ｋＷのスタッ
クで、運転圧力は常圧、電流密度は 0.4 A/cm2、セル電
圧は0.7 Ｖである。液状あるいは霧状に水分を含む空気
は、図２に示したように、冷却空気入口マニホールド１
４より導入され、スタック１の内部を流れて冷却空気出
口マニホールド１５へと達し、再び反応空気入口１６よ
りスタック１の内部へと送られ、反応用の空気として発
電反応に寄与したのち、反応空気出口より排出される。
スタック１は、図３の拡大断面図に示したごとく、固体
高分子電解質膜の両面に触媒層を接合して形成された膜
電極複合体１８の両面にガス不透過性材料よりなる２枚
の波形のセパレータ１９を配することにより、膜電極複
合体１８の燃料極触媒層側に燃料ガス流路１３を、ま
た、空気極触媒層側に反応空気流路１２を形成し、さら
に、２枚のセパレータ１９の間に膜電極複合体１８より
隔たって冷却空気流路１１を形成している。
【００１６】本スタック１を空気利用率４０％で運転し
て定格の１ｋＷの直流出力を得るために必要な反応空気
の流量は 6.3×10-2[m3/min]である。冷却空気とセルの
温度差を 30 Ｋととし、この流量の空気を30Ｋ温度上昇
させる際に消費される熱量を算出すると約 40 Ｗ、すな
わち電極の単位面積当たりに換算すると 11[mW/cm2]と
なる。また、電気化学反応に伴って生じる生成水の蒸発
熱を電極の単位面積当たりに換算すると約 90[mW/cm2]
となり、両者を合わせてもこれらの要する熱量は 0.1[W
/cm2] で、スタック１で生じる発熱量 0.31[W/cm2]を消
費するには不十分である。一方、本構成において、冷却
空気流路１１の相当直径を仮に１mmとし、冷却空気とセ
ルの温度差を 30 Ｋ、ヌセルト数を 3.6、空気の熱伝導
率を 27.5 ×10-3[W/mK]とすれば、単位面積当たりの冷
却能力は約 0.3[W/cm2] と評価される。発熱量は上記の
ごとく 0.31[W/cm2]であり、冷却能力と発熱量はほぼ等
しくなるが、算出された冷却能力は、熱伝達特性の優れ
た層流状態での限界冷却能力に対応しているため、実際
に得られる冷却能力はより低い値に制限される。すなわ
ち、冷却空気流路１１を通流する冷却空気のみでは、ス
タック１の発熱量 0.31[W/cm2]を除去して所定温度に保
持することは困難である。
て定格の１ｋＷの直流出力を得るために必要な反応空気
の流量は 6.3×10-2[m3/min]である。冷却空気とセルの
温度差を 30 Ｋととし、この流量の空気を30Ｋ温度上昇
させる際に消費される熱量を算出すると約 40 Ｗ、すな
わち電極の単位面積当たりに換算すると 11[mW/cm2]と
なる。また、電気化学反応に伴って生じる生成水の蒸発
熱を電極の単位面積当たりに換算すると約 90[mW/cm2]
となり、両者を合わせてもこれらの要する熱量は 0.1[W
/cm2] で、スタック１で生じる発熱量 0.31[W/cm2]を消
費するには不十分である。一方、本構成において、冷却
空気流路１１の相当直径を仮に１mmとし、冷却空気とセ
ルの温度差を 30 Ｋ、ヌセルト数を 3.6、空気の熱伝導
率を 27.5 ×10-3[W/mK]とすれば、単位面積当たりの冷
却能力は約 0.3[W/cm2] と評価される。発熱量は上記の
ごとく 0.31[W/cm2]であり、冷却能力と発熱量はほぼ等
しくなるが、算出された冷却能力は、熱伝達特性の優れ
た層流状態での限界冷却能力に対応しているため、実際
に得られる冷却能力はより低い値に制限される。すなわ
ち、冷却空気流路１１を通流する冷却空気のみでは、ス
タック１の発熱量 0.31[W/cm2]を除去して所定温度に保
持することは困難である。
【００１７】これに対して本実施例の構成では、水供給
装置８より水分を受けた空気を冷却空気流路１１に導入
してを冷却することとしているので、液状あるいは霧状
に含まれた水分の蒸発熱がスタック１の発熱量 0.31[W/
cm2]の除去に効果的に作用することとなる。すなわち、
本構成において、生成水の約 2.3倍の水量を予め水供給
装置８より空気へ付加して供給することとすれば、生成
水と空気への付加水の蒸発熱、ならびに所定の流量の反
応空気の温度上昇により、スタック１の発熱量が吸収さ
れ、所定の温度に保持されることとなる。なお、このと
き、反応空気入口１６における水蒸気分圧は 27.3 kPa
、反応空気出口での水蒸気分圧は 37.0kPa となる。
装置８より水分を受けた空気を冷却空気流路１１に導入
してを冷却することとしているので、液状あるいは霧状
に含まれた水分の蒸発熱がスタック１の発熱量 0.31[W/
cm2]の除去に効果的に作用することとなる。すなわち、
本構成において、生成水の約 2.3倍の水量を予め水供給
装置８より空気へ付加して供給することとすれば、生成
水と空気への付加水の蒸発熱、ならびに所定の流量の反
応空気の温度上昇により、スタック１の発熱量が吸収さ
れ、所定の温度に保持されることとなる。なお、このと
き、反応空気入口１６における水蒸気分圧は 27.3 kPa
、反応空気出口での水蒸気分圧は 37.0kPa となる。
【００１８】本構成とすれば、従来用いていた冷却水系
統のごとき大型のシステムを用いずともスタックが効率
的に冷却できるので、軽量で、低コストの固体高分子電
解質型燃料電池が得られることとなり、水供給装置８よ
り空気へ付加する水量を増加させることにより冷却性能
を向上させることができるので、高出力密度の燃料電池
への対応が可能となる。
統のごとき大型のシステムを用いずともスタックが効率
的に冷却できるので、軽量で、低コストの固体高分子電
解質型燃料電池が得られることとなり、水供給装置８よ
り空気へ付加する水量を増加させることにより冷却性能
を向上させることができるので、高出力密度の燃料電池
への対応が可能となる。
【００１９】＜実施例２＞図４は、本発明による固体高
分子電解質型燃料電池の実施例２のスタックにおける空
気の流れを示す模式図である。本実施例の反応ガス系統
の構成は、スタック部分を除いて、図１に示した実施例
１の反応ガス系統と基本的に同一で、空気供給ブロアで
供給される空気に、水供給装置を用いて水分を付加し、
スタック内の冷却空気流路に通流させてスタックを冷却
し、その後、スタック内の反応空気流路に通流させて発
電反応に用いるよう構成されており、また、発電反応に
寄与したのちスタックより放出される空気に含まれる水
分は、凝縮器で凝縮させて水供給装置へと送り、導入す
る空気への水分の補給に再利用されている。
分子電解質型燃料電池の実施例２のスタックにおける空
気の流れを示す模式図である。本実施例の反応ガス系統
の構成は、スタック部分を除いて、図１に示した実施例
１の反応ガス系統と基本的に同一で、空気供給ブロアで
供給される空気に、水供給装置を用いて水分を付加し、
スタック内の冷却空気流路に通流させてスタックを冷却
し、その後、スタック内の反応空気流路に通流させて発
電反応に用いるよう構成されており、また、発電反応に
寄与したのちスタックより放出される空気に含まれる水
分は、凝縮器で凝縮させて水供給装置へと送り、導入す
る空気への水分の補給に再利用されている。
【００２０】本実施例と実施例１との差異はスタック内
での空気流路の構成にあり、本実施例においては、図４
に模式的に示したように、液状あるいは霧状に水分を含
んでスタック１Ａの冷却空気入口マニホールド１４Ａへ
と送られた冷却空気は、冷却空気流路を通流し電気化学
反応に伴う発熱を吸収してスタック１Ａを冷却し、加熱
されて温度上昇する。この際、水分の一部は蒸発して空
気を加湿し、残余の水分は冷却空気出口マニホールド１
５Ａ内に凝縮して貯液される。加湿された空気は、冷却
空気出口マニホールド１５Ａの内部に設けられた導入口
より反応空気流路へと導かれ、電気化学反応に寄与した
のち、空気排ガスとしてスタック１Ａより排出され、後
段に設置された凝縮器へと送られる。一方、冷却空気出
口マニホールド１５Ａの内部に貯液された凝縮水は、ポ
ンプ２４によって冷却空気入口マニホールド１４Ａへと
送られ、導入された冷却空気とともに、再度冷却空気流
路を通流し、スタック１Ａの冷却および反応空気の加湿
に再度利用される。
での空気流路の構成にあり、本実施例においては、図４
に模式的に示したように、液状あるいは霧状に水分を含
んでスタック１Ａの冷却空気入口マニホールド１４Ａへ
と送られた冷却空気は、冷却空気流路を通流し電気化学
反応に伴う発熱を吸収してスタック１Ａを冷却し、加熱
されて温度上昇する。この際、水分の一部は蒸発して空
気を加湿し、残余の水分は冷却空気出口マニホールド１
５Ａ内に凝縮して貯液される。加湿された空気は、冷却
空気出口マニホールド１５Ａの内部に設けられた導入口
より反応空気流路へと導かれ、電気化学反応に寄与した
のち、空気排ガスとしてスタック１Ａより排出され、後
段に設置された凝縮器へと送られる。一方、冷却空気出
口マニホールド１５Ａの内部に貯液された凝縮水は、ポ
ンプ２４によって冷却空気入口マニホールド１４Ａへと
送られ、導入された冷却空気とともに、再度冷却空気流
路を通流し、スタック１Ａの冷却および反応空気の加湿
に再度利用される。
【００２１】本構成においては、スタック１Ａの温度
は、導入される冷却空気の流量により調節される。ま
た、反応空気の加湿量は、冷却空気出口マニホールド１
５Ａの内部の飽和蒸気圧、したがってスタック１Ａの温
度により自動的に調節されることとなる。
は、導入される冷却空気の流量により調節される。ま
た、反応空気の加湿量は、冷却空気出口マニホールド１
５Ａの内部の飽和蒸気圧、したがってスタック１Ａの温
度により自動的に調節されることとなる。
【００２２】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、 （１）固体高分子電解質型燃料電池を請求項１に記載の
ごとく構成することとしたので、コンパクトで、かつ水
の蒸発潜熱を効果的に用いた冷却効率の高い方式により
スタックが冷却できることとなり、高出力密度への対応
が可能で、かつ軽量で低コストの固体高分子電解質型燃
料電池が得られることとなった。
ごとく構成することとしたので、コンパクトで、かつ水
の蒸発潜熱を効果的に用いた冷却効率の高い方式により
スタックが冷却できることとなり、高出力密度への対応
が可能で、かつ軽量で低コストの固体高分子電解質型燃
料電池が得られることとなった。
【００２３】（２）さらに固体高分子電解質型燃料電池
を請求項２、あるいは３に記載のごとく構成することと
すれば、水が効率的に利用され、水の供給装置の小型化
が可能となるので、高出力密度への対応が可能で、かつ
軽量で低コストの固体高分子電解質型燃料電池としてよ
り好適である。
を請求項２、あるいは３に記載のごとく構成することと
すれば、水が効率的に利用され、水の供給装置の小型化
が可能となるので、高出力密度への対応が可能で、かつ
軽量で低コストの固体高分子電解質型燃料電池としてよ
り好適である。
【図１】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の実
施例１の反応ガス系統の構成を示す基本系統図
施例１の反応ガス系統の構成を示す基本系統図
【図２】実施例１のスタックにおける空気の流れを示す
模式図
模式図
【図３】図２のＸ−Ｘ面のセル部分の拡大断面図
【図４】本発明による固体高分子電解質型燃料電池の実
施例２のスタックにおける空気の流れを示す模式図
施例２のスタックにおける空気の流れを示す模式図
【図５】一般に用いられている固体高分子電解質型燃料
電池のセルの基本構成を示す分解斜視図
電池のセルの基本構成を示す分解斜視図
【図６】固体高分子電解質型燃料電池の反応ガス系統お
よび冷却水系統の従来例を示す基本系統図
よび冷却水系統の従来例を示す基本系統図
【図７】固体高分子電解質型燃料電池の反応ガス系統の
他の従来例の基本系統図
他の従来例の基本系統図
１ スタック １Ａ スタック ２ 空気供給ブロア ３ 燃料供給装置 ６Ａ 凝縮器 ８ 水供給装置 １１ 冷却空気流路 １２ 反応空気流路 １３ 燃料ガス流路 １４ 冷却空気入口マニホールド １４Ａ 冷却空気入口マニホールド １５ 冷却空気出口マニホールド １５Ａ 冷却空気出口マニホールド １６ 反応空気入口 １７ 反応空気出口 １８ 膜電極複合体 １９ セパレータ ２４ ポンプ
Claims (3)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜の両面に触媒層を接合
して形成された膜電極複合体を拡散層で挟み、ガス不透
過性材料よりなるセパレータを介して複数積層して燃料
電池スタックを構成し、一方の触媒層に燃料ガスを、も
う一方の触媒層に酸化剤ガスとして空気を供給し、電気
化学反応により電気エネルギーを得る固体高分子電解質
型燃料電池において、燃料電池スタックが、触媒層と気
密に隔てて配された冷却ガス流路を備え、かつ、予め水
を添加した空気を該冷却ガス流路に通流させたのち触媒
層に空気を供給する反応ガス流路に通流させるよう構成
されていることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電
池。 - 【請求項２】請求項１に記載の固体高分子電解質型燃料
電池において、冷却ガス流路を通流した空気を凝縮させ
て得られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流させる空気中
へと再循環させる回路を備えたことを特徴とする固体高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項３】請求項１または２に記載の固体高分子電解
質型燃料電池において、反応ガス流路を通流した空気を
凝縮させて得られる凝縮水を、冷却ガス流路に通流させ
る空気中へと再循環させる回路を備えたことを特徴とす
る固体高分子電解質型燃料電池。
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|---|---|---|---|
| JP09049954A JP3077618B2 (ja) | 1997-03-05 | 1997-03-05 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
| US09/034,207 US6045934A (en) | 1997-03-05 | 1998-03-04 | Solid polymer electrolyte fuel cell |
| DE19809575A DE19809575A1 (de) | 1997-03-05 | 1998-03-05 | Brennstoff-Element mit einem festen Polymer-Elektrolyten |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09049954A JP3077618B2 (ja) | 1997-03-05 | 1997-03-05 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10247505A true JPH10247505A (ja) | 1998-09-14 |
| JP3077618B2 JP3077618B2 (ja) | 2000-08-14 |
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ID=12845441
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09049954A Expired - Fee Related JP3077618B2 (ja) | 1997-03-05 | 1997-03-05 | 固体高分子電解質型燃料電池 |
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| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6045934A (ja) |
| JP (1) | JP3077618B2 (ja) |
| DE (1) | DE19809575A1 (ja) |
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