JPH1140179A - 固体高分子型燃料電池 - Google Patents
固体高分子型燃料電池Info
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- JPH1140179A JPH1140179A JP9196730A JP19673097A JPH1140179A JP H1140179 A JPH1140179 A JP H1140179A JP 9196730 A JP9196730 A JP 9196730A JP 19673097 A JP19673097 A JP 19673097A JP H1140179 A JPH1140179 A JP H1140179A
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- H01M8/04022—Heating by combustion
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- 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】 電池起動時から瞬時に固体電解質膜の湿潤を
行なうことができ、外部から固体電解質膜を潤湿させる
のための水を供給しなくてもよい固体高分子型燃料電池
を提供する。 【解決手段】 固体高分子型燃料電池10に供給される燃
料ガスの一部と、酸化剤ガスの一部を直接燃焼反応させ
て、燃焼反応により生成された水で固体電解質膜12を湿
潤せしめるものである。具体的には、固体電解質膜12上
又はセルのガス流路上に燃料ガスと酸化剤ガスの一部を
直接に接触させて燃焼反応させる燃焼部30を設け、燃焼
反応により生成された水を固体電解質膜12に供給して湿
潤させる。
行なうことができ、外部から固体電解質膜を潤湿させる
のための水を供給しなくてもよい固体高分子型燃料電池
を提供する。 【解決手段】 固体高分子型燃料電池10に供給される燃
料ガスの一部と、酸化剤ガスの一部を直接燃焼反応させ
て、燃焼反応により生成された水で固体電解質膜12を湿
潤せしめるものである。具体的には、固体電解質膜12上
又はセルのガス流路上に燃料ガスと酸化剤ガスの一部を
直接に接触させて燃焼反応させる燃焼部30を設け、燃焼
反応により生成された水を固体電解質膜12に供給して湿
潤させる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池に用いられる固体電解質膜の湿潤に関するものであ
る。
電池に用いられる固体電解質膜の湿潤に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子型燃料電池(10)は、図５に示
すように、イオン導電性であってプロトンを移動させる
固体電解質膜(12)を具えており、該固体電解質膜(12)の
両面に電極(燃料極(14)と酸化剤極(16))が形成されたセ
ル(18)を構成し、該セルの燃料極側に燃料室(20)を設
け、セルの酸化剤極側に酸化剤室(22)を設けて、ユニッ
ト化している。ユニットの燃料室(20)にはメタンガス、
都市ガスなどを改質した水素リッチ燃料ガスが供給さ
れ、酸化剤室(22)には空気などの酸素を含む酸化剤ガス
が供給される。燃料極(14)では、燃料ガス中の水素ガス
がＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応によってプロトンと電子が
生成される。プロトンは固体電解質膜(12)を通って酸化
剤極(16)に向かい、電子は外部回路(24)に流れる。酸化
剤極(16)では、酸化剤ガス中の酸素、固体電解質膜(12)
を通って移動したプロトン、及び外部回路(24)を通って
流入した電子が、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反
応により、水を生じると共に、起電力を発生する。
すように、イオン導電性であってプロトンを移動させる
固体電解質膜(12)を具えており、該固体電解質膜(12)の
両面に電極(燃料極(14)と酸化剤極(16))が形成されたセ
ル(18)を構成し、該セルの燃料極側に燃料室(20)を設
け、セルの酸化剤極側に酸化剤室(22)を設けて、ユニッ
ト化している。ユニットの燃料室(20)にはメタンガス、
都市ガスなどを改質した水素リッチ燃料ガスが供給さ
れ、酸化剤室(22)には空気などの酸素を含む酸化剤ガス
が供給される。燃料極(14)では、燃料ガス中の水素ガス
がＨ2→２Ｈ+＋２ｅ-の反応によってプロトンと電子が
生成される。プロトンは固体電解質膜(12)を通って酸化
剤極(16)に向かい、電子は外部回路(24)に流れる。酸化
剤極(16)では、酸化剤ガス中の酸素、固体電解質膜(12)
を通って移動したプロトン、及び外部回路(24)を通って
流入した電子が、１／２Ｏ2＋２Ｈ+＋２ｅ-→Ｈ2Ｏの反
応により、水を生じると共に、起電力を発生する。
【０００３】固体電解質膜(12)は、一般にパーフルオロ
カーボンスルホン酸、スチレン−ジビニルベンゼンスル
ホン酸などの電解質材料から形成される。この種電解質
材料のイオン伝導率は、一例を図６に示すように、雰囲
気中の水分濃度に大きく左右されており、固体電解質膜
が乾燥している状態では抵抗が大きく、電池として作動
させるには適当ではない。そこで、従来は、図５に示す
如く、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管(26)(28)の一方
に加湿装置(90)を設け、燃料室(20)に供給される燃料ガ
スの加湿を行なって、固体電解質膜(12)を湿潤させ、導
電性を向上させる方法が採られている。
カーボンスルホン酸、スチレン−ジビニルベンゼンスル
ホン酸などの電解質材料から形成される。この種電解質
材料のイオン伝導率は、一例を図６に示すように、雰囲
気中の水分濃度に大きく左右されており、固体電解質膜
が乾燥している状態では抵抗が大きく、電池として作動
させるには適当ではない。そこで、従来は、図５に示す
如く、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管(26)(28)の一方
に加湿装置(90)を設け、燃料室(20)に供給される燃料ガ
スの加湿を行なって、固体電解質膜(12)を湿潤させ、導
電性を向上させる方法が採られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】加湿装置(90)として
は、水を加熱して水蒸気化させ、セルに供給される燃料
ガス又は酸化剤ガス中に水蒸気を混合するタイプの加湿
装置が知られている。この種加湿装置には、加熱のため
のエネルギーを供給する必要があり、このエネルギーを
電池や外部エネルギー源から得ているため、発電効率の
低下に繋がっていた。また、加湿装置(90)に定期的に水
を補給する必要があって手間がかかり、さらに、気化し
た水が配管中で再度液化しないように、加湿装置(90)か
ら下流側の配管は保温しなければならず、加えて、加湿
装置(90)と保温手段(92)を制御する必要もあった。ま
た、加湿装置(90)を設けるとシステムの大型化してしま
う問題もあった。特に、固体高分子型燃料電池(10)をエ
ネルギー源とする加湿装置(90)を採用している場合、固
体電解質膜(12)が乾燥状態にある電池起動時には、電池
自体の発電量も小さいため加湿装置(90)の作動効率も低
い。この結果、瞬時に十分な固体電解質膜(12)の湿潤を
行なうことができない。固体電解質膜(12)を湿潤させ
て、所望の発電量を確保するには、起動開始から数分程
度の時間が必要であった。また、外部エネルギー源を利
用する加湿装置(90)の場合でも、固体高分子型燃料電池
の起動時から固体電解質膜(12)を湿潤させることは困難
であり、電池起動時から固体電解質膜(12)を湿潤させる
には、電池の起動前に予め加湿装置(90)を作動させてお
く必要があった。
は、水を加熱して水蒸気化させ、セルに供給される燃料
ガス又は酸化剤ガス中に水蒸気を混合するタイプの加湿
装置が知られている。この種加湿装置には、加熱のため
のエネルギーを供給する必要があり、このエネルギーを
電池や外部エネルギー源から得ているため、発電効率の
低下に繋がっていた。また、加湿装置(90)に定期的に水
を補給する必要があって手間がかかり、さらに、気化し
た水が配管中で再度液化しないように、加湿装置(90)か
ら下流側の配管は保温しなければならず、加えて、加湿
装置(90)と保温手段(92)を制御する必要もあった。ま
た、加湿装置(90)を設けるとシステムの大型化してしま
う問題もあった。特に、固体高分子型燃料電池(10)をエ
ネルギー源とする加湿装置(90)を採用している場合、固
体電解質膜(12)が乾燥状態にある電池起動時には、電池
自体の発電量も小さいため加湿装置(90)の作動効率も低
い。この結果、瞬時に十分な固体電解質膜(12)の湿潤を
行なうことができない。固体電解質膜(12)を湿潤させ
て、所望の発電量を確保するには、起動開始から数分程
度の時間が必要であった。また、外部エネルギー源を利
用する加湿装置(90)の場合でも、固体高分子型燃料電池
の起動時から固体電解質膜(12)を湿潤させることは困難
であり、電池起動時から固体電解質膜(12)を湿潤させる
には、電池の起動前に予め加湿装置(90)を作動させてお
く必要があった。
【０００５】上記課題に対処するため、加湿にエネルギ
ーを必要とせず、固体電解質膜(12)を瞬時に湿潤させる
ことができ、且つ起動時から十分な発電量を得ることの
できる固体高分子型燃料電池の開発が望まれている。
ーを必要とせず、固体電解質膜(12)を瞬時に湿潤させる
ことができ、且つ起動時から十分な発電量を得ることの
できる固体高分子型燃料電池の開発が望まれている。
【０００６】本発明の目的は、電池起動時から瞬時に固
体電解質膜の湿潤を行なうことができ、外部から固体電
解質膜を潤湿させるのための水は供給しなくてもよい固
体高分子型燃料電池を提供することである。
体電解質膜の湿潤を行なうことができ、外部から固体電
解質膜を潤湿させるのための水は供給しなくてもよい固
体高分子型燃料電池を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明の固体高分子型燃料電池は、電池(10)に供給
される燃料ガスの一部と、酸化剤ガスの一部を直接燃焼
反応させて、燃焼反応により生成された水で固体電解質
膜(12)を湿潤せしめるものである。具体的には、固体電
解質膜(12)上又はセルのガス流路上に燃料ガスと酸化剤
ガスの一部を直接に接触させて燃焼反応させる燃焼部(3
0)を設け、燃焼反応により生成された水を固体電解質膜
(12)に供給して湿潤させる。固体電解質膜(12)を効率的
に湿潤させるには、固体電解質膜の膜厚は薄い方が適し
ており、１０μｍ以上、７０μｍ以下とすることが望ま
しい。
に、本発明の固体高分子型燃料電池は、電池(10)に供給
される燃料ガスの一部と、酸化剤ガスの一部を直接燃焼
反応させて、燃焼反応により生成された水で固体電解質
膜(12)を湿潤せしめるものである。具体的には、固体電
解質膜(12)上又はセルのガス流路上に燃料ガスと酸化剤
ガスの一部を直接に接触させて燃焼反応させる燃焼部(3
0)を設け、燃焼反応により生成された水を固体電解質膜
(12)に供給して湿潤させる。固体電解質膜(12)を効率的
に湿潤させるには、固体電解質膜の膜厚は薄い方が適し
ており、１０μｍ以上、７０μｍ以下とすることが望ま
しい。
【０００８】燃焼反応により水を生成する燃焼部(30)と
して、以下の各構造を挙げることができる。燃焼部(30)
は、例えば、固体電解質膜(12)の一部を、燃料極(14)と
酸化剤極(16)によって挟まずに、片面を燃料室(20)、他
面を酸化剤室(22)に露出させて、該露出部(32)にて燃料
ガスと酸化剤ガスをクロスリークさせて、固体電解質膜
の露出部(32)又はその近傍で燃焼反応させ、水を生成し
て、固体電解質膜(12)を湿潤させる構成とすることがで
きる。
して、以下の各構造を挙げることができる。燃焼部(30)
は、例えば、固体電解質膜(12)の一部を、燃料極(14)と
酸化剤極(16)によって挟まずに、片面を燃料室(20)、他
面を酸化剤室(22)に露出させて、該露出部(32)にて燃料
ガスと酸化剤ガスをクロスリークさせて、固体電解質膜
の露出部(32)又はその近傍で燃焼反応させ、水を生成し
て、固体電解質膜(12)を湿潤させる構成とすることがで
きる。
【０００９】また、前記露出部(32)の少なくとも一部
に、燃料ガスと酸化剤ガスの通過を許容するガス透過部
(34)を形成して、該ガス透過部(34)を通ってガスをクロ
スリークさせて燃焼反応させる構成としてもよい。
に、燃料ガスと酸化剤ガスの通過を許容するガス透過部
(34)を形成して、該ガス透過部(34)を通ってガスをクロ
スリークさせて燃焼反応させる構成としてもよい。
【００１０】また、燃料室(20)と酸化剤室(22)とから排
出される未反応ガスの排出管(44)(46)を経路中で合流さ
せて、合流部に触媒(36)を設けて燃焼部(30)とすること
もできる。未反応ガスは、触媒(36)にて燃焼して水を生
成する。この場合、燃焼部(30)には、生成された水を燃
料供給管(26)又は酸化剤供給管(28)に放出する水供給手
段(38)を設けて、生成された水を燃料ガス又は酸化剤ガ
ス中に放出し、固体電解質膜(12)を湿潤させることもで
きる。
出される未反応ガスの排出管(44)(46)を経路中で合流さ
せて、合流部に触媒(36)を設けて燃焼部(30)とすること
もできる。未反応ガスは、触媒(36)にて燃焼して水を生
成する。この場合、燃焼部(30)には、生成された水を燃
料供給管(26)又は酸化剤供給管(28)に放出する水供給手
段(38)を設けて、生成された水を燃料ガス又は酸化剤ガ
ス中に放出し、固体電解質膜(12)を湿潤させることもで
きる。
【００１１】さらに、燃焼部(30)は、電池の起動時に、
燃料ガス又は酸化剤ガスの一部を、他方の供給管に供給
するガス供給手段(40)を有し、燃料ガスと酸化剤ガスを
燃焼反応させて水を生成し、固体電解質膜(12)を湿潤さ
せることもできる。
燃料ガス又は酸化剤ガスの一部を、他方の供給管に供給
するガス供給手段(40)を有し、燃料ガスと酸化剤ガスを
燃焼反応させて水を生成し、固体電解質膜(12)を湿潤さ
せることもできる。
【００１２】
【作用及び効果】本発明の固体高分子型燃料電池(10)に
よれば、燃料ガスの一部と酸化剤ガスの一部を燃焼反応
させて水を生成し、生成された水を用いて固体電解質膜
(12)の湿潤を行なうことができるから、作動にエネルギ
ー供給しなければならない加湿装置(90)を不要とするこ
とができる。加湿装置及びその制御手段を設けなくてよ
いから、固体高分子型燃料電池(10)の小型化及び高効率
化を達成できる。さらに、水素と酸素を燃焼反応させる
と、瞬時に水が生成されるため、電池起動時における固
体電解質膜(12)の湿潤に特に効果的である。
よれば、燃料ガスの一部と酸化剤ガスの一部を燃焼反応
させて水を生成し、生成された水を用いて固体電解質膜
(12)の湿潤を行なうことができるから、作動にエネルギ
ー供給しなければならない加湿装置(90)を不要とするこ
とができる。加湿装置及びその制御手段を設けなくてよ
いから、固体高分子型燃料電池(10)の小型化及び高効率
化を達成できる。さらに、水素と酸素を燃焼反応させる
と、瞬時に水が生成されるため、電池起動時における固
体電解質膜(12)の湿潤に特に効果的である。
【００１３】固体電解質膜(12)に露出部(32)を形成した
り、該露出部にガス透過部(34)を形成して、燃焼反応を
生じさせた場合、生成された水を直接固体電解質膜(12)
の湿潤に用いることができる。
り、該露出部にガス透過部(34)を形成して、燃焼反応を
生じさせた場合、生成された水を直接固体電解質膜(12)
の湿潤に用いることができる。
【００１４】また、燃料室(20)と酸化剤室(22)から排出
される未反応排ガスを燃焼させることにより水を生成し
た場合、固体電解質膜(12)を湿潤させると、排ガス中の
未反応ガス成分の低減を図ることができる。
される未反応排ガスを燃焼させることにより水を生成し
た場合、固体電解質膜(12)を湿潤させると、排ガス中の
未反応ガス成分の低減を図ることができる。
【００１５】燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管に、他方
のガスの一部をガス供給手段(40)によって供給して燃焼
反応させる場合、ガス供給手段(40)に弁などの流量調節
手段を設けて、燃焼用に供給するガスの量を、電池の作
動状態に応じて調節するようにしてもよい。特に、固体
電解質膜(12)が乾燥状態にある電池起動時には多めのガ
スを供給して多量の水を生成するように燃焼反応させる
ことが望ましい。
のガスの一部をガス供給手段(40)によって供給して燃焼
反応させる場合、ガス供給手段(40)に弁などの流量調節
手段を設けて、燃焼用に供給するガスの量を、電池の作
動状態に応じて調節するようにしてもよい。特に、固体
電解質膜(12)が乾燥状態にある電池起動時には多めのガ
スを供給して多量の水を生成するように燃焼反応させる
ことが望ましい。
【００１６】
【発明の実施の形態】本発明の固体高分子型燃料電池(1
0)は、図１乃至図４に示すように、固体電解質膜(12)の
片面に燃料極(14)、他面に酸化剤極(16)を形成したセル
(18)を、燃料極側の燃料室(20)と、酸化剤極側の酸化剤
室(22)の間に設けている。なお、従来技術に挙げた固体
高分子型燃料電池(図５参照)と同一符号を付した部材、
及び起電力の発生プロセスについては同じであり、重複
する部分の説明は適宜省略する。
0)は、図１乃至図４に示すように、固体電解質膜(12)の
片面に燃料極(14)、他面に酸化剤極(16)を形成したセル
(18)を、燃料極側の燃料室(20)と、酸化剤極側の酸化剤
室(22)の間に設けている。なお、従来技術に挙げた固体
高分子型燃料電池(図５参照)と同一符号を付した部材、
及び起電力の発生プロセスについては同じであり、重複
する部分の説明は適宜省略する。
【００１７】本発明の固体高分子型燃料電池(10)は、図
１乃至図４に示すように、従来のようなエネルギーを必
要とする加湿装置(90)(図５参照)を具えておらず、燃料
ガスと酸化剤ガスを燃焼反応させて、水を生成する燃焼
部(30)を具えており、燃焼部(30)にて生成された水が固
体電解質膜(12)の湿潤に用いられる。燃焼部(30)の例と
して、固体電解質膜をガス透過性としたもの、未反応排
ガスを利用したもの、供給ガスの一部を燃焼反応させる
ものについて、順に説明する。
１乃至図４に示すように、従来のようなエネルギーを必
要とする加湿装置(90)(図５参照)を具えておらず、燃料
ガスと酸化剤ガスを燃焼反応させて、水を生成する燃焼
部(30)を具えており、燃焼部(30)にて生成された水が固
体電解質膜(12)の湿潤に用いられる。燃焼部(30)の例と
して、固体電解質膜をガス透過性としたもの、未反応排
ガスを利用したもの、供給ガスの一部を燃焼反応させる
ものについて、順に説明する。
【００１８】固体電解質膜をガス透過性にした例 図１は、固体電解質膜(12)の一部を、燃料極(14)及び酸
化剤極(16)で挟まずに、露出させて、露出部(32)でガス
をクロスリークさせた実施例である。固体電解質膜(12)
の露出部(32)は、電極(14)(16)で挟まれた部分の厚さ
(約５０μｍ)よりも薄膜化(約１０μｍ以下が望ましい)
させて、ガスをクロスリークし易くしている。なお、固
体電解質膜(12)の膜厚と、ガスのリーク量には一定の相
関があるため、リーク量を調節するための別途機構を設
ける必要はない。燃料室(20)に燃料ガス、酸化剤室(22)
に酸化剤ガスを供給すると、供給されたガスの一部が固
体電解質膜(12)の露出部(32)にてクロスリークし、燃焼
反応が生じる。燃焼反応により生じた水が、直接固体電
解質膜(12)を湿潤させる。なお、固体電解質膜(12)の露
出部(32)は、ガスの供給側に設けて、燃焼反応により生
じた水が、ガスの流れの下流側に位置する電極(14)(16)
に挟まれた固体電解質膜(12)を湿潤させるようにするこ
とが望ましい。
化剤極(16)で挟まずに、露出させて、露出部(32)でガス
をクロスリークさせた実施例である。固体電解質膜(12)
の露出部(32)は、電極(14)(16)で挟まれた部分の厚さ
(約５０μｍ)よりも薄膜化(約１０μｍ以下が望ましい)
させて、ガスをクロスリークし易くしている。なお、固
体電解質膜(12)の膜厚と、ガスのリーク量には一定の相
関があるため、リーク量を調節するための別途機構を設
ける必要はない。燃料室(20)に燃料ガス、酸化剤室(22)
に酸化剤ガスを供給すると、供給されたガスの一部が固
体電解質膜(12)の露出部(32)にてクロスリークし、燃焼
反応が生じる。燃焼反応により生じた水が、直接固体電
解質膜(12)を湿潤させる。なお、固体電解質膜(12)の露
出部(32)は、ガスの供給側に設けて、燃焼反応により生
じた水が、ガスの流れの下流側に位置する電極(14)(16)
に挟まれた固体電解質膜(12)を湿潤させるようにするこ
とが望ましい。
【００１９】また、異なる実施例として、図２に示すよ
うに、固体電解質膜(12)の一部を上記と同様に露出させ
て、露出部(32)にガスを通過させるガス透過部(34)を形
成することもできる。ガス透過部(34)を構成する材料と
して、非導電性のガス透過性材料、例えばセラミックフ
ィルターなどの多孔質体を挙げることができる。ガス透
過部(34)は、例えばガス透過性材料を固体電解質膜(12)
と共にホットプレスすることにより、固体電解質膜(12)
に溶着させることができる。上記と同様に、固体電解質
膜(12)のガス透過部(34)を形成する位置は、ガスの供給
側とすることが望ましい。ガス透過性材料として、多孔
質体を用いる場合、多孔質体の気孔径や気孔率を適宜設
定することによって、ガスの透過量を設定できる。燃料
室(20)に燃料ガス、酸化剤室(22)に酸化剤ガスを供給す
ると、供給されたガスの一部がガス透過部(34)にて燃焼
反応する。この燃焼反応により生じた水が、固体電解質
膜(12)を湿潤させる。なお、ガス透過部(34)は、固体電
解質膜(12)にホットプレスされる以外に、燃料と酸化剤
をクロスリークさせる別の場所に設けることも可能であ
る。
うに、固体電解質膜(12)の一部を上記と同様に露出させ
て、露出部(32)にガスを通過させるガス透過部(34)を形
成することもできる。ガス透過部(34)を構成する材料と
して、非導電性のガス透過性材料、例えばセラミックフ
ィルターなどの多孔質体を挙げることができる。ガス透
過部(34)は、例えばガス透過性材料を固体電解質膜(12)
と共にホットプレスすることにより、固体電解質膜(12)
に溶着させることができる。上記と同様に、固体電解質
膜(12)のガス透過部(34)を形成する位置は、ガスの供給
側とすることが望ましい。ガス透過性材料として、多孔
質体を用いる場合、多孔質体の気孔径や気孔率を適宜設
定することによって、ガスの透過量を設定できる。燃料
室(20)に燃料ガス、酸化剤室(22)に酸化剤ガスを供給す
ると、供給されたガスの一部がガス透過部(34)にて燃焼
反応する。この燃焼反応により生じた水が、固体電解質
膜(12)を湿潤させる。なお、ガス透過部(34)は、固体電
解質膜(12)にホットプレスされる以外に、燃料と酸化剤
をクロスリークさせる別の場所に設けることも可能であ
る。
【００２０】未反応排ガスを利用した例 図３は、燃料室(20)の未反応排ガスを放出する排出管(4
4)と、酸化剤室(22)の未反応ガスを放出する排出管(46)
を、触媒(36)を有する燃焼部(30)にて合流させるもので
ある。固体高分子型燃料電池(10)では、供給される燃料
ガス中の水素ガス及び酸化剤ガス中の酸素ガスが完全に
反応せずに、一部が未反応ガスとして放出される。これ
ら未反応ガス中の水素ガスと酸素ガスを合流させて、触
媒(36)を有する燃焼部(30)にて燃焼させる。なお、図３
では、燃焼部(30)を供給管(26)(28)の上方に設けている
が、これは、生成された水を、重力を利用して下方の燃
料ガス供給管(26)に流下させるためである。触媒(36)と
して、Ｐｔなどの貴金属粉末をハニカム構造のＡｌ2Ｏ3
(アルミナ)などに担持させたものを例示することができ
る。燃料室(20)及び酸化剤室(22)から未反応ガスが放出
されると、未反応ガスは、それぞれ排出管(44)(46)を通
って、触媒(36)を具えた燃焼部(30)に流入し、未反応ガ
ス中の水素ガスと酸素ガスが、触媒(36)と接触して燃焼
反応して水を生成する。燃焼反応により生成された水及
び残ガスは、燃焼部(30)から燃焼排ガス管(48)に放出さ
れ、水は燃焼排ガス管(48)から分岐する水供給手段(38)
を通って、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管(26)(28)の
一方に放出される。また、残ガスは燃焼排ガス管(48)か
ら外部に放出される。なお、水と残ガスを分離するため
に、必要に応じて水と残ガスの混合ガスを冷却してもよ
い。水供給手段(38)から供給ガス中に放出された水は、
固体電解質膜(12)の湿潤に用いられる。
4)と、酸化剤室(22)の未反応ガスを放出する排出管(46)
を、触媒(36)を有する燃焼部(30)にて合流させるもので
ある。固体高分子型燃料電池(10)では、供給される燃料
ガス中の水素ガス及び酸化剤ガス中の酸素ガスが完全に
反応せずに、一部が未反応ガスとして放出される。これ
ら未反応ガス中の水素ガスと酸素ガスを合流させて、触
媒(36)を有する燃焼部(30)にて燃焼させる。なお、図３
では、燃焼部(30)を供給管(26)(28)の上方に設けている
が、これは、生成された水を、重力を利用して下方の燃
料ガス供給管(26)に流下させるためである。触媒(36)と
して、Ｐｔなどの貴金属粉末をハニカム構造のＡｌ2Ｏ3
(アルミナ)などに担持させたものを例示することができ
る。燃料室(20)及び酸化剤室(22)から未反応ガスが放出
されると、未反応ガスは、それぞれ排出管(44)(46)を通
って、触媒(36)を具えた燃焼部(30)に流入し、未反応ガ
ス中の水素ガスと酸素ガスが、触媒(36)と接触して燃焼
反応して水を生成する。燃焼反応により生成された水及
び残ガスは、燃焼部(30)から燃焼排ガス管(48)に放出さ
れ、水は燃焼排ガス管(48)から分岐する水供給手段(38)
を通って、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管(26)(28)の
一方に放出される。また、残ガスは燃焼排ガス管(48)か
ら外部に放出される。なお、水と残ガスを分離するため
に、必要に応じて水と残ガスの混合ガスを冷却してもよ
い。水供給手段(38)から供給ガス中に放出された水は、
固体電解質膜(12)の湿潤に用いられる。
【００２１】なお、触媒(36)を有する燃焼部(30)の設置
場所は、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管(26)(28)の下
流側、つまり燃料室(20)又は酸化剤室(22)に近い位置に
設けることが望ましい。燃焼により生成された水の通る
経路が長い場合には、適宜水供給手段(38)の保温を行な
えばよい。
場所は、燃料ガス又は酸化剤ガスの供給管(26)(28)の下
流側、つまり燃料室(20)又は酸化剤室(22)に近い位置に
設けることが望ましい。燃焼により生成された水の通る
経路が長い場合には、適宜水供給手段(38)の保温を行な
えばよい。
【００２２】供給ガスの一部を燃焼反応させた例 図４に示すように、供給される燃料ガス又は酸化剤ガス
の供給管(26)(28)の一方から、他方の供給管に向けてガ
ス供給手段(40)を設け、燃料ガスの一部と酸化剤ガスの
一部を燃焼反応させて水を生成し、生成された水を用い
て固体電解質膜(12)を湿潤させるものである。燃料ガス
と酸化剤ガスとの燃焼効率を高めるために、燃料ガスと
酸化剤ガスの合流部又は合流部よりも下流側に、触媒(3
6)を設けることが望ましい。触媒(36)は、図に示すよう
に、燃料室(20)又は酸化剤室(22)の内部に設けると、触
媒(36)での燃焼反応により生成された水で、効率的に固
体電解質膜(12)を湿潤させることができる。
の供給管(26)(28)の一方から、他方の供給管に向けてガ
ス供給手段(40)を設け、燃料ガスの一部と酸化剤ガスの
一部を燃焼反応させて水を生成し、生成された水を用い
て固体電解質膜(12)を湿潤させるものである。燃料ガス
と酸化剤ガスとの燃焼効率を高めるために、燃料ガスと
酸化剤ガスの合流部又は合流部よりも下流側に、触媒(3
6)を設けることが望ましい。触媒(36)は、図に示すよう
に、燃料室(20)又は酸化剤室(22)の内部に設けると、触
媒(36)での燃焼反応により生成された水で、効率的に固
体電解質膜(12)を湿潤させることができる。
【００２３】
【実施例】本発明の固体高分子型燃料電池(実施例１及
び２)と、従来の固体高分子型燃料電池(比較例３及び
４)をそれぞれ製作して、起動後の抵抗変化及び電池電
圧の変化を測定した。以下、各固体高分子型燃料電池の
作製条件を示す。
び２)と、従来の固体高分子型燃料電池(比較例３及び
４)をそれぞれ製作して、起動後の抵抗変化及び電池電
圧の変化を測定した。以下、各固体高分子型燃料電池の
作製条件を示す。
【００２４】実施例１の固体高分子型燃料電池は、図１
に示すように、固体電解質膜(12)の一部を電極(14)(16)
で挟まずに露出させた電池である。固体電解質膜(12)
は、電極(14)(16)の大きさとほぼ同じ大きさを有し厚さ
が約２０μｍである固体電解質膜の間に、厚さ約１０μ
ｍの固体電解質膜を挟んでホットプレスして溶着させた
ものであって、固体電解質膜の電極(14)(16)に挟まれた
部分の厚さは約５０μｍ、露出部(32)の厚さは約１０μ
ｍである。
に示すように、固体電解質膜(12)の一部を電極(14)(16)
で挟まずに露出させた電池である。固体電解質膜(12)
は、電極(14)(16)の大きさとほぼ同じ大きさを有し厚さ
が約２０μｍである固体電解質膜の間に、厚さ約１０μ
ｍの固体電解質膜を挟んでホットプレスして溶着させた
ものであって、固体電解質膜の電極(14)(16)に挟まれた
部分の厚さは約５０μｍ、露出部(32)の厚さは約１０μ
ｍである。
【００２５】実施例２の固体高分子型燃料電池は、図４
に示すように、燃料ガスの一部をガス供給手段(40)を介
して酸化剤ガスの供給管(28)に供給して、酸化剤室(22)
に設けられた触媒(36)にて触媒燃焼させて水を生成し、
固体電解質膜(12)の湿潤を行なう電池である。
に示すように、燃料ガスの一部をガス供給手段(40)を介
して酸化剤ガスの供給管(28)に供給して、酸化剤室(22)
に設けられた触媒(36)にて触媒燃焼させて水を生成し、
固体電解質膜(12)の湿潤を行なう電池である。
【００２６】比較例３の固体高分子型燃料電池は、外部
エネルギーにより作動する加湿装置(90)を具えた電池で
ある(図５参照)。加湿装置(90)の作動には、固体高分子
型燃料電池の発電量の約１０％程度のエネルギーが必要
である。
エネルギーにより作動する加湿装置(90)を具えた電池で
ある(図５参照)。加湿装置(90)の作動には、固体高分子
型燃料電池の発電量の約１０％程度のエネルギーが必要
である。
【００２７】比較例４の固体高分子型燃料電池は、固体
電解質膜の湿潤を行なっていない電池である。
電解質膜の湿潤を行なっていない電池である。
【００２８】上記実施例１、実施例２、比較例１及び比
較例２の固体高分子型燃料電池に水素ガスを含む燃料ガ
スと、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給して、固体電解
質膜の抵抗と、５００ｍＡ／ｃｍ2における電池電圧
を、電池起動時から所定時間毎に測定した。なお、電池
電圧はセルの純放電量を示している。結果を表１及び表
２に示す。
較例２の固体高分子型燃料電池に水素ガスを含む燃料ガ
スと、酸素ガスを含む酸化剤ガスを供給して、固体電解
質膜の抵抗と、５００ｍＡ／ｃｍ2における電池電圧
を、電池起動時から所定時間毎に測定した。なお、電池
電圧はセルの純放電量を示している。結果を表１及び表
２に示す。
【００２９】
【表１】
【００３０】
【表２】
【００３１】表１を参照すると、何れの固体高分子型燃
料電池についても時間の経過と共に固体電解質膜の電気
抵抗は低下しているが、固体電解質膜を湿潤させている
実施例１、実施例２及び比較例１は、固体電解質膜を湿
潤させていない比較例２に比べて、電気抵抗が極めて小
さくなっていることがわかる。なお、比較例２の固体高
分子型燃料電池においても、発電反応によって少量の水
が生成されるが、固体電解質膜を湿潤させるほど十分で
ないことがわかる。また、表２を参照すると、固体電解
質膜を湿潤させた実施例１、実施例２及び実施例３は、
起動２０秒後には放電を開始しているが、比較例２は起
動６０秒後に放電を開始していることがわかる。
料電池についても時間の経過と共に固体電解質膜の電気
抵抗は低下しているが、固体電解質膜を湿潤させている
実施例１、実施例２及び比較例１は、固体電解質膜を湿
潤させていない比較例２に比べて、電気抵抗が極めて小
さくなっていることがわかる。なお、比較例２の固体高
分子型燃料電池においても、発電反応によって少量の水
が生成されるが、固体電解質膜を湿潤させるほど十分で
ないことがわかる。また、表２を参照すると、固体電解
質膜を湿潤させた実施例１、実施例２及び実施例３は、
起動２０秒後には放電を開始しているが、比較例２は起
動６０秒後に放電を開始していることがわかる。
【００３２】表１及び表２より、実施例１、実施例２
は、比較例１と殆んど性能の差がないが、比較例１は、
加湿装置が発電量の約１０％に相当するエネルギーを消
費するため、固体高分子型燃料電池の総エネルギー効率
では、実施例１及び実施例２の固体高分子型燃料電池
は、比較例１よりも優れている。また、比較例１は、加
湿装置に水を供給する必要があり、加湿装置の設置によ
って固体高分子型燃料電池の大型化するが、本発明例で
ある実施例１及び実施例２の固体高分子型燃料電池に
は、このような問題もなく優れている。
は、比較例１と殆んど性能の差がないが、比較例１は、
加湿装置が発電量の約１０％に相当するエネルギーを消
費するため、固体高分子型燃料電池の総エネルギー効率
では、実施例１及び実施例２の固体高分子型燃料電池
は、比較例１よりも優れている。また、比較例１は、加
湿装置に水を供給する必要があり、加湿装置の設置によ
って固体高分子型燃料電池の大型化するが、本発明例で
ある実施例１及び実施例２の固体高分子型燃料電池に
は、このような問題もなく優れている。
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の断面図であ
る。
る。
【図２】本発明の固体高分子型燃料電池の異なる実施例
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図３】本発明の固体高分子型燃料電池の異なる実施例
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図４】本発明の固体高分子型燃料電池の異なる実施例
を示す断面図である。
を示す断面図である。
【図５】従来の固体高分子型燃料電池の断面図である。
【図６】固体電解質膜の相対湿度と内部抵抗の関係を示
すグラフである。
すグラフである。
(10) 固体高分子型燃料電池 (12) 固体電解質膜 (14) 燃料極 (16) 酸化剤極 (30) 燃焼部 (32) 露出部 (34) ガス透過部 (36) 触媒
Claims (6)
- 【請求項１】 燃料極(14)と酸化剤極(16)との間に固体
電解質膜(12)を配し、燃料極側に燃料室(20)、酸化剤極
側に酸化剤室(22)を設け、燃料室(20)に燃料ガスを供給
する燃料供給管(26)を接続し、酸化剤室(22)に酸化剤ガ
スを供給する酸化剤供給管(28)を接続してなる固体高分
子型燃料電池において、 電池(10)内に燃料ガスの一部と酸化剤ガスの一部を直接
燃焼反応させる燃焼部(30)を具え、該燃焼部(30)にて燃
焼反応で生成された水を固体電解質膜(12)に供給して、
固体電解質膜(12)を湿潤せしめることを特徴とする固体
高分子型燃料電池。 - 【請求項２】 固体電解質膜(12)の一部は、燃料極(14)
と酸化剤極(16)によって挟まずに、片面が燃料室(20)、
他面が酸化剤室(22)に露出しており、該露出部(32)で燃
料ガスと酸化剤ガスをクロスリークさせて燃焼反応を生
じせしめ、生成された水によって固体電解質膜(12)を湿
潤せしめる請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項３】 固体電解質膜(12)の露出部(32)の少なく
とも一部に、燃料ガスと酸化剤ガスの通過を許容するガ
ス透過部(34)を形成し、該ガス透過部(34)において燃料
ガスと酸化剤ガスをクロスリークさせて燃焼反応を生じ
せしめ、生成された水によって固体電解質膜(12)を湿潤
せしめる請求項２に記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項４】 燃料室(20)及び酸化剤室(22)から夫々排
出される未反応ガスの排出管(44)(46)は経路中で合流し
ており、該合流部に触媒(36)を具えることにより、未反
応ガスどうしを触媒(36)において燃焼反応させて、燃焼
により生成された水を、燃料供給管(26)又は酸化剤供給
管(28)に放出して、固体電解質膜(12)を湿潤せしめる請
求項１に記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項５】 燃料ガス又は酸化剤ガスの一部を、他方
の供給管に供給するガス供給手段(40)を有し、燃料ガス
の一部と酸化剤ガスの一部を燃焼反応させて水を生成
し、生成された水を用いて固体電解質膜(12)を湿潤せし
める請求項１に記載の固体高分子型燃料電池。 - 【請求項６】 固体電解質膜(12)は、厚さ１０μｍ以上
７０μｍ以下である請求項１乃至請求項５の何れかに記
載の固体高分子型燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19673097A JP3706462B2 (ja) | 1997-07-23 | 1997-07-23 | 固体高分子型燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19673097A JP3706462B2 (ja) | 1997-07-23 | 1997-07-23 | 固体高分子型燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1140179A true JPH1140179A (ja) | 1999-02-12 |
| JP3706462B2 JP3706462B2 (ja) | 2005-10-12 |
Family
ID=16362645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19673097A Expired - Fee Related JP3706462B2 (ja) | 1997-07-23 | 1997-07-23 | 固体高分子型燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3706462B2 (ja) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001048850A1 (fr) * | 1999-12-24 | 2001-07-05 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Systeme generateur de puissance a piles a combustible |
| US6383676B1 (en) | 1999-03-01 | 2002-05-07 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell device |
| JP2005516349A (ja) * | 2002-01-18 | 2005-06-02 | インテリジェント エナジー リミテッド | 燃料電池の酸素除去及び事前調整システム |
| JP2005174855A (ja) * | 2003-12-15 | 2005-06-30 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
| WO2005088750A1 (ja) * | 2004-03-15 | 2005-09-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 高分子電解質型燃料電池 |
| JPWO2005006479A1 (ja) * | 2003-07-14 | 2006-08-24 | 日本電気株式会社 | 燃料電池システム、燃料電池の運転方法、およびガス処理装置 |
| US8367263B2 (en) | 2006-02-02 | 2013-02-05 | Ritsumeikan Trust | Fuel cell, fuel cell apparatus, vehicle and co-generation system including the same and fuel cell operation method |
-
1997
- 1997-07-23 JP JP19673097A patent/JP3706462B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| US6383676B1 (en) | 1999-03-01 | 2002-05-07 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Polymer electrolyte fuel cell device |
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| US7785746B2 (en) | 2002-01-18 | 2010-08-31 | Intelligent Energy Limited | Fuel cell oxygen removal and pre-conditioning system |
| JP4840896B2 (ja) * | 2002-01-18 | 2011-12-21 | インテリジェント エナジー リミテッド | 燃料電池の酸素除去及び事前調整システム |
| JPWO2005006479A1 (ja) * | 2003-07-14 | 2006-08-24 | 日本電気株式会社 | 燃料電池システム、燃料電池の運転方法、およびガス処理装置 |
| JP4899477B2 (ja) * | 2003-07-14 | 2012-03-21 | 日本電気株式会社 | 燃料電池システム、燃料電池の運転方法、およびガス処理装置 |
| JP2005174855A (ja) * | 2003-12-15 | 2005-06-30 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム |
| JP4507584B2 (ja) * | 2003-12-15 | 2010-07-21 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
| WO2005088750A1 (ja) * | 2004-03-15 | 2005-09-22 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 高分子電解質型燃料電池 |
| US8367263B2 (en) | 2006-02-02 | 2013-02-05 | Ritsumeikan Trust | Fuel cell, fuel cell apparatus, vehicle and co-generation system including the same and fuel cell operation method |
| JP5263868B2 (ja) * | 2006-02-02 | 2013-08-14 | 学校法人立命館 | 燃料電池セル、燃料電池装置、これを備えた車両及び熱電併給装置 |
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