JPH1131519A - 固体高分子電解質型燃料電池システム - Google Patents

固体高分子電解質型燃料電池システム

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JPH1131519A
JPH1131519A JP9186908A JP18690897A JPH1131519A JP H1131519 A JPH1131519 A JP H1131519A JP 9186908 A JP9186908 A JP 9186908A JP 18690897 A JP18690897 A JP 18690897A JP H1131519 A JPH1131519 A JP H1131519A
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Hirohisa Kato
裕久 加藤
Hideto Kubo
秀人 久保
Toshiro Fujii
俊郎 藤井
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Abstract

(57)【要約】 【課題】小型軽量化と効率向上が可能な固体高分子電解
質型燃料電池を提供すること。 【解決手段】アノード１２またはカソード１３へ反応ガ
スを供給するために水潤滑型圧縮機２、３が採用され
る。このようにすれば、以下の作用効果を奏することが
できる。まず、従来の無潤滑型圧縮機に比較して摺動面
の面圧すなわち圧縮比および回転数を格段に向上できる
とともに摺動面からの反応ガスの漏れを減らして圧縮効
率も向上できるので、セル１内に油膜を生じてその性能
を劣化させることがなく、かつ、従来の無潤滑型圧縮機
より圧縮機２、３の体格を格段に（１／３〜１／２程
度）縮小することができる。また、圧縮効率の向上およ
び摩擦損失の低減により、駆動動力も大幅に減らすこと
ができる。したがって、本構成の燃料電池は、小型軽量
化および経済性の点で要求が厳しい車両用駆動電源とし
て用いる場合に特に実用的である。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は固体高分子電解質型
燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】従来の固体高分子電解質型燃料電池で
は、反応ガスの供給圧力を高める必要がある場合には、
固体高分子電解質膜を挟んで配設されるアノードおよび
カソードのいずれか一方または両方に無潤滑型圧縮機を
用いて個別に供給されるのが普通である。
【０００３】固体高分子電解質膜は、通常、プロトン
（水素イオン）交換基を含有するイオン交換膜からな
り、含水状態でプロトン導電性の電解質として機能する
ので、アノードおよびカソードに供給する反応ガスを加
湿してその乾燥を防ぎ、これにより膜の比導電率を高く
維持し、電池性能を向上させている。圧縮機、特に容積
可変式圧縮機の摺動面の潤滑形式として、上記した無潤
滑型すなわち低摩擦係数の固体潤滑剤（たとえば黒鉛や
二硫化モリブデン）や固体潤滑膜（ＰＴＦＥ膜）を用い
る固体潤滑方式、オイルやグリスを用いる油潤滑方式、
水膜を摺動面の潤滑に用いる水潤滑方式が公知である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述した固体高分子電
解質型燃料電池では、電解質、アノードおよびカソード
表面に油膜が付着すると反応活性が極端に低下してしま
うので、セルに供給する反応ガスを加圧するには、無潤
滑型圧縮機を用いざるを得なかった。しかし、シリンダ
ボアなどの摺動面をテフロン膜などで固体潤滑する無潤
滑型圧縮機は、ガス漏れおよび摩擦係数が大きいので摺
動面の面圧（圧縮比）を増大することが困難であり、摺
動材の摩耗の抑制のために摺動速度すなわち回転数も低
くせざるを得ないので、必要な反応ガス供給量を確保す
るために通常のオイル潤滑型の圧縮機に比較して体格を
著しく大型化せざるを得ず、その結果として、圧縮機の
駆動に必要な動力も通常のオイル潤滑型の圧縮機に比較
して格段に増大してしまうという問題があった。
【０００５】本発明は、上記問題点に鑑みなされたもの
であり、小型軽量化と効率向上が可能な固体高分子電解
質型燃料電池システムを提供することを、その解決すべ
き課題としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明の固体高分子電解
質型燃料電池システムの第一の構成では、アノードまた
はカソードへ反応ガスを供給するために水潤滑型圧縮機
が採用される。このようにすれば、以下の作用効果を奏
することができる。まず、無潤滑型圧縮機に比較して摺
動面の面圧すなわち圧縮比および回転数を格段に向上で
きるとともに、摺動面からの反応ガスの漏れを減らして
圧縮効率も向上できるので、セル内に油膜を生じてその
性能を劣化させることがなく、かつ、従来の無潤滑型圧
縮機より圧縮機の体格を格段に（１／３〜１／２程度）
縮小することができる。また、圧縮効率の向上および摩
擦損失の低減により、駆動動力も大幅に減らすことがで
きる。したがって、本構成の燃料電池は、小型軽量化お
よび経済性の点で要求が厳しい車両駆動電源として用い
る場合に特に実用的である。
【０００７】次に、水潤滑型圧縮機への水の補給系たと
えばタンクやポンプなどは既存の燃料電池の反応ガス加
湿用の水の補給系と共用することができるので、装置構
成を簡素化することができる。次に、水潤滑型圧縮機の
摺動面などから蒸発した水分は反応ガスを加湿するの
で、燃料電池へ供給される前の反応ガスの加湿機構の簡
素化ないし省略を実現でき、この加湿機構における水消
費量も低減ないし全廃することができる。
【０００８】本発明の固体高分子電解質型燃料電池シス
テムの第二の構成によれば上記第一の構成において更
に、ガス排出経路から抽出された水が水潤滑型圧縮機に
供給される。すなわち、燃料電池から生成した反応ガス
は加湿のために添加された水蒸気の他に、電池反応によ
る生成水を多量に含有するので、それを分離し、水潤滑
型圧縮機に還流させることにより、水潤滑型圧縮機への
水の補給間隔を延長したり、あるいは水の補給をなくし
たりすることができ、特に、固定的な補給水源に接続す
ることができない上、多量の補給水を常時保持すること
が困難な車両駆動モ−タ給電用の車載燃料電池において
特に効果的である。
【０００９】
【発明の実施の形態】水潤滑型圧縮機としてはシリンダ
ボアが水膜により潤滑される各種往復式容積方圧縮機の
他、スクロ−ル式圧縮機のごとき往復式容積型圧縮機も
採用することができる。また、ブロワなどの送風機など
も採用することができる。潤滑用の水は、シリンダボア
の他、軸受けなどの部分にも供給されることができる。
【００１０】
【実施例】
（実施例１）本発明の固体高分子電解質型燃料電池シス
テムの一構成例を、その配置図である図１を参照して説
明する。１は固体高分子電解質型燃料電池（セル）であ
って、内部には固体高分子電解質膜１１を挟んでアノー
ド１２とカソード１３とが設けられている。
【００１１】２、３は水潤滑型圧縮機であり、水潤滑型
圧縮機２は、図示しないリフォ−マ（改質器）から供給
される反応ガスをセルの反応圧力まで昇圧し、水潤滑型
圧縮機３は、図示しないフィルタを通じて外部から取り
入れた空気（本発明でいう反応ガス）をセルの反応圧力
まで昇圧する。上述のリフォ−マはメタノ−ルおよびス
チ−ムを原料として水素ガスおよび炭酸ガスからなる混
合ガス（本発明でいう反応ガス）を産生するものである
が、要部ではないのでこれ以上の説明は省略する。
【００１２】４はポンプであり、水潤滑型圧縮機２、３
の摺動面に潤滑用の水を補給する。５、６は水滴分離器
であり、水潤滑型圧縮機２、３で加圧された反応ガスに
混在する水滴はこれら水滴分離器５、６で分離される。
水滴分離器５から出た反応ガスはアノード１２に供給
され、水滴分離器６から出た空気はカソード１３に供給
され、セル１内で水素ガスと酸素ガスとから水が形成さ
れるとともに、アノード１２、カソード１３間に電位差
が形成される（発電が行われる）。
【００１３】アノード１２から出た反応ガスは、水素ガ
ス濃度が希薄化しているので、上記リフォ−マに送ら
れ、燃焼される。カソード１３から出た空気は、酸素ガ
ス濃度が希薄化しているので、水タンク７に送られる。
この空気には、水潤滑型圧縮機３から混入した水の他、
セル１で生成した水も水蒸気ないし水滴の形態で混入し
ており、これらの水分は、水タンク７で比重差により気
液分離された後、水タンク７の上部から排出管８を通じ
て外部に排出される。なお、９はブロワであり、水タン
ク７を間接冷却して水蒸気の凝縮を促進する機能を有す
る。
【００１４】水滴分離器５、６から出た分離水もその自
重により水タンク７に送られ、回収され、水タンク７の
水はポンプ４により再び水潤滑型圧縮機２、３に送られ
る。この実施例では、水潤滑型圧縮機２、３として、ピ
ストン式圧縮機を用いたが、それ以外の圧縮機を採用す
ることは当然可能である。これら水潤滑型圧縮機２、３
において、ポンプ４は主にシリンダボア表面に水膜を形
成するために、たとえばシリンダボアに吸入される前の
反応ガスに噴霧するなどして混合されるが、従来のオイ
ル供給方法と同様の方法でシリンダボアの内周面（摺動
面）に供給することも可能である。
【００１５】水滴分離器５、６は反応ガスが移動する水
平方向に対して直角にガス通過可能なスクリ−ンを設け
たりして水滴分離する周知の構造を採用できる他、水潤
滑型圧縮機２、３から吐出される流動ガスの運動エネル
ギを利用して、旋回流を形成し、水滴を遠心方向に選択
的に飛ばして分離する周知の遠心分離構造を採用できる
ことも当然である。
【００１６】なお、排出管６の途中にノズルを設けて減
圧する構成を採用すれば、水タンク７の内部を高圧化で
きるので、ポンプ４を省略しても、水潤滑型圧縮機２、
３に水を十分に供給することができる。以上説明した本
実施例の固体高分子電解質型燃料電池システムを用いれ
ば、上記説明した本発明の作用効果を実現できることは
明白である。 また、水滴分離器５、６は必須の構成で
はなく、セル１内への大粒の水滴の流入を防止できる場
合には省略することもできる。
【００１７】また、水滴分離器５または６の前または後
に加湿器を設けることができることは当然である。この
ようにすれば、水潤滑型圧縮機２、３から反応ガスに補
給される水量が少ない場合に有効である。更に、この加
湿器が水滴分離器５、６を兼用することも当然可能であ
り、この場合には、水滴分離器５、６の代わりに加湿器
を設置することができる。
【００１８】更に、上述の水潤滑型圧縮機２、３の一方
を省略して無潤滑型圧縮機を用いることもできることも
当然である。 （実施例２）本発明の他の実施例を図２を参照して説明
する。この実施例の電池は、図１に示す実施例１の電池
の構成から、ポンプ４、ブロワ７を省くと共に、セル１
から出る空気から水を回収することなく、水タンク７に
補給水を供給する簡素な構成を採用したものであり、水
の補給が容易である場合に実施例１よりも構造を簡素化
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の固体高分子電解質型燃料電池シス
テムの一実施例を示す配置図である。
【図２】 他の実施例の固体高分子電解質型燃料電池シ
ステムを示す配置図である。
【符号の説明】
１ セル ２、３ 水潤滑型圧縮機

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 固体高分子電解質膜を挟んでアノードお
    よびカソードを配設してなるセルと、前記アノードへ反
    応ガスを供給する第一の反応ガス供給経路と、前記カソ
    ードへ反応ガスを供給する第二の反応ガス供給経路と、
    前記セルから前記ガスを排出するガス排出経路とを備
    え、前記両反応ガス供給経路の少なくとも一方は、前記
    反応ガスを圧縮する加圧手段を備える固体高分子電解質
    型燃料電池システムにおいて、 前記加圧手段は、水潤滑型圧縮機からなることを特徴と
    する固体高分子電解質型燃料電池システム。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の固体高分子電解質型燃料
    電池システムにおいて、前記ガス排出経路から抽出され
    た水を前記水潤滑型圧縮機へ還流するリサイクル手段を
    有することを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池シ
    ステム。
  3. 【請求項３】 請求項１または２記載の固体高分子電解
    質型燃料電池システムにおいて、車両に搭載されて車両
    駆動用モ−タへ電力を供給することを特徴とする固体高
    分子電解質型燃料電池システム。
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