JP3293309B2 - 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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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
- H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
- H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
- H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
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- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
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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
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- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は燃料の有する化学エネル
ギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー部門で
用いる燃料電池のうち、固体高分子電解質型燃料電池に
関するものである。
ギーを直接電気エネルギーに変換するエネルギー部門で
用いる燃料電池のうち、固体高分子電解質型燃料電池に
関するものである。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池を用いた発
電システムは、自動車、電車、船舶、宇宙船、深海発電
設備、地上発電設備等に利用可能なものとして開発が進
められている。
電システムは、自動車、電車、船舶、宇宙船、深海発電
設備、地上発電設備等に利用可能なものとして開発が進
められている。
【０００３】これまでに提案されている固体高分子電解
質型燃料電池は、図７乃至図９に一例を示す如く、表面
に白金電極触媒を担持させた電解質膜１の両面を酸素極
２と燃料極３の両ガス拡散電極で挟んで重ね合わせてな
るセルＣをセパレータ４を介し積層してスタックとする
ようにし、各セパレータ４には、表裏両面にガス通路５
を形成して、酸素極２側には酸化剤ガスＯ2 を給排し、
又、燃料極３側には燃料ガスＨ2 を給排するように、中
央部の電極反応部を除く周辺部に酸化剤ガスの供給用及
び排出用の各流路孔６及び７と、燃料ガスの供給用及び
排出用の各流路孔８及び９を設けて、酸化剤ガスと燃料
ガスがセパレータ４を挟んでそれぞれのガス通路５を流
配されるようにしてあり、図７に示す如く、スタックを
エンドプレート１０及び１１で挾持し、四隅部に設けた
孔１３に締付用ボルト１２を通して所定の締付力を付与
するようにしてある。
質型燃料電池は、図７乃至図９に一例を示す如く、表面
に白金電極触媒を担持させた電解質膜１の両面を酸素極
２と燃料極３の両ガス拡散電極で挟んで重ね合わせてな
るセルＣをセパレータ４を介し積層してスタックとする
ようにし、各セパレータ４には、表裏両面にガス通路５
を形成して、酸素極２側には酸化剤ガスＯ2 を給排し、
又、燃料極３側には燃料ガスＨ2 を給排するように、中
央部の電極反応部を除く周辺部に酸化剤ガスの供給用及
び排出用の各流路孔６及び７と、燃料ガスの供給用及び
排出用の各流路孔８及び９を設けて、酸化剤ガスと燃料
ガスがセパレータ４を挟んでそれぞれのガス通路５を流
配されるようにしてあり、図７に示す如く、スタックを
エンドプレート１０及び１１で挾持し、四隅部に設けた
孔１３に締付用ボルト１２を通して所定の締付力を付与
するようにしてある。
【０００４】従来の固体高分子電解質型燃料電池では、
外部から供給するガスは加湿されてから供給される場合
もあるが、図７の如く加湿部１４を設けて、発電を行う
セルＣの積層部に導く前に加湿するようにしたものもあ
り、又、燃料電池の反応は発熱反応であるため、図７に
示す如く、数セルに１つずつ冷却部１５が設けられてい
る。
外部から供給するガスは加湿されてから供給される場合
もあるが、図７の如く加湿部１４を設けて、発電を行う
セルＣの積層部に導く前に加湿するようにしたものもあ
り、又、燃料電池の反応は発熱反応であるため、図７に
示す如く、数セルに１つずつ冷却部１５が設けられてい
る。
【０００５】上記各セルＣの燃料極３側及び酸素極２側
へ供給されるガス及び冷却部１５へ供給される冷却水の
流れは、図９の（イ）（ロ）（ハ）に一例を示すよう
に、燃料ガスも酸化剤ガスもエンドプレート１０の別々
の入口から供給されて加湿部１４で加湿された後、加湿
されたガスが発電セル部１６を流れてからエンドプレー
ト１０の出口から外部へ排出されるようにしてあり、冷
却水は、エンドプレート１０の入口から供給されて発電
セル部１６を冷却した後、加湿部１４を経てエンドプレ
ート１０の出口から外部へ排出されるようにしてある。
へ供給されるガス及び冷却部１５へ供給される冷却水の
流れは、図９の（イ）（ロ）（ハ）に一例を示すよう
に、燃料ガスも酸化剤ガスもエンドプレート１０の別々
の入口から供給されて加湿部１４で加湿された後、加湿
されたガスが発電セル部１６を流れてからエンドプレー
ト１０の出口から外部へ排出されるようにしてあり、冷
却水は、エンドプレート１０の入口から供給されて発電
セル部１６を冷却した後、加湿部１４を経てエンドプレ
ート１０の出口から外部へ排出されるようにしてある。
【０００６】図中、１７はセンターブス（＋極）、１８
はゴムパッド、１９は多孔になっているファイバーサポ
ートである。
はゴムパッド、１９は多孔になっているファイバーサポ
ートである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】ところが、上記従来の
固体高分子電解質型燃料電池は、電流密度が非常に大き
くとれるため、小型軽量化できる可能性を持っている
が、大出力化のためには、電圧を高くする必要がある。
このためにはセルの段数を増やさなければならないが、
セル１段当りの電圧が０．７〜０．８Ｖであるので、図
９（イ）（ロ）（ハ）に示す発電セル部１６の長さが長
くなる傾向がある。発電セル部１６の長さが長くなる
と、図８（イ）（ロ）の如くガスの給排を、酸化剤ガス
の給排用の流路孔６，７及び燃料ガスの給排用の流路孔
８，９のみによっている構成上、各セルへのガスの供給
及び残りのガスの排出や、酸素極２側で生成された水の
排出が適切に行われにくくなって、セルの特性を悪化す
るおそれがあると共に、冷却が均一に行われにくくな
り、温度分布の不均一によりセル特性が悪化するおそれ
がある。特に、上記生成水が効率よく排出されないと、
濃度過電圧、すなわち、電極における反応物質及び反応
生成物の補給及び除去が円滑に行かなくなり電極の反応
が妨害されること、が大きくなり、セル電圧が低下す
る。又、自動車や船舶等、動揺や加速度、傾斜等が厳し
いものに適用する場合、生成水の分布がセルごとに異な
ることも考えられ、生成水が一部のセルに滞留する可能
性がある。このような場合、生成水の滞留したセルの電
圧が低下し、又、滞留した生成水によりガスの流れが阻
害されるため、スタック内の出力分布も不均一になるお
それがある。
固体高分子電解質型燃料電池は、電流密度が非常に大き
くとれるため、小型軽量化できる可能性を持っている
が、大出力化のためには、電圧を高くする必要がある。
このためにはセルの段数を増やさなければならないが、
セル１段当りの電圧が０．７〜０．８Ｖであるので、図
９（イ）（ロ）（ハ）に示す発電セル部１６の長さが長
くなる傾向がある。発電セル部１６の長さが長くなる
と、図８（イ）（ロ）の如くガスの給排を、酸化剤ガス
の給排用の流路孔６，７及び燃料ガスの給排用の流路孔
８，９のみによっている構成上、各セルへのガスの供給
及び残りのガスの排出や、酸素極２側で生成された水の
排出が適切に行われにくくなって、セルの特性を悪化す
るおそれがあると共に、冷却が均一に行われにくくな
り、温度分布の不均一によりセル特性が悪化するおそれ
がある。特に、上記生成水が効率よく排出されないと、
濃度過電圧、すなわち、電極における反応物質及び反応
生成物の補給及び除去が円滑に行かなくなり電極の反応
が妨害されること、が大きくなり、セル電圧が低下す
る。又、自動車や船舶等、動揺や加速度、傾斜等が厳し
いものに適用する場合、生成水の分布がセルごとに異な
ることも考えられ、生成水が一部のセルに滞留する可能
性がある。このような場合、生成水の滞留したセルの電
圧が低下し、又、滞留した生成水によりガスの流れが阻
害されるため、スタック内の出力分布も不均一になるお
それがある。
【０００８】そこで、本発明は、セル段数を増やして大
出力化したときや、自動車や船舶等、動揺、加速度、傾
斜等の条件が厳しい場合も、ガスや湿分の供給やガス、
生成水の排出を適切に行えるようにすると共に、セル全
体の温度を一様に保つことを容易にしてセルの特性向上
を図るようにしようとするものである。
出力化したときや、自動車や船舶等、動揺、加速度、傾
斜等の条件が厳しい場合も、ガスや湿分の供給やガス、
生成水の排出を適切に行えるようにすると共に、セル全
体の温度を一様に保つことを容易にしてセルの特性向上
を図るようにしようとするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、表面に白金電極触媒を担持させた高分子
電解質膜を酸素極と燃料極の両ガス拡散電極で挟み、酸
素極側には酸化剤ガスを、又、燃料極側には燃料ガスを
それぞれ給排するようにしてあるセルをセパレータを介
し多層に積層すると共に、数セルごとに冷却部を備えて
スタックとしてある固体高分子電解質型燃料電池におい
て、上記セルの酸素極側のセパレータに、外部から酸化
剤ガスを給排するための供給口と該供給口と連通する供
給流路孔、及び排出口と該排出口と連通する排出流路孔
をそれぞれ設けて、電極部の酸化剤ガス用のガス通路と
連通させると共に、燃料極側のセパレータに、外部から
燃料ガスを給排するための供給口と該供給口と連通する
供給流路孔、及び排出口と該排出口と連通する排出流路
孔をそれぞれ設けて、電極部の燃料ガス用のガス通路と
連通させ、且つ酸素極側のセパレータに、セル冷却用の
冷却水を給排するための供給口と排出口を設け、更に、
上記各セルの酸素極側セパレータに設けた酸化剤ガスの
排出口に、流量調節弁付きのラインを接続して、該ライ
ンにエジェクタを取り付け、上記流量調節弁を、セル電
圧の検出値又はセル内の生成水の水位検出値に基づき制
御器により調節するようにし、圧縮空気をエジェクタに
通すことによりセル内の生成水を排出させるようにした
構成とする。
決するために、表面に白金電極触媒を担持させた高分子
電解質膜を酸素極と燃料極の両ガス拡散電極で挟み、酸
素極側には酸化剤ガスを、又、燃料極側には燃料ガスを
それぞれ給排するようにしてあるセルをセパレータを介
し多層に積層すると共に、数セルごとに冷却部を備えて
スタックとしてある固体高分子電解質型燃料電池におい
て、上記セルの酸素極側のセパレータに、外部から酸化
剤ガスを給排するための供給口と該供給口と連通する供
給流路孔、及び排出口と該排出口と連通する排出流路孔
をそれぞれ設けて、電極部の酸化剤ガス用のガス通路と
連通させると共に、燃料極側のセパレータに、外部から
燃料ガスを給排するための供給口と該供給口と連通する
供給流路孔、及び排出口と該排出口と連通する排出流路
孔をそれぞれ設けて、電極部の燃料ガス用のガス通路と
連通させ、且つ酸素極側のセパレータに、セル冷却用の
冷却水を給排するための供給口と排出口を設け、更に、
上記各セルの酸素極側セパレータに設けた酸化剤ガスの
排出口に、流量調節弁付きのラインを接続して、該ライ
ンにエジェクタを取り付け、上記流量調節弁を、セル電
圧の検出値又はセル内の生成水の水位検出値に基づき制
御器により調節するようにし、圧縮空気をエジェクタに
通すことによりセル内の生成水を排出させるようにした
構成とする。
【００１０】又、各セルの燃料極側セパレータに設けた
燃料ガスの供給口に接続したラインに水素ボンベ又は改
質器を接続し、上記ラインに設けた流量調節弁を、セル
電圧の検出値に基づき制御器により調節するようにし
て、燃料を供給できるようにしたりすることができる。
燃料ガスの供給口に接続したラインに水素ボンベ又は改
質器を接続し、上記ラインに設けた流量調節弁を、セル
電圧の検出値に基づき制御器により調節するようにし
て、燃料を供給できるようにしたりすることができる。
【００１１】更に、動揺、加速度、傾斜、振動、セルご
との電圧を制御信号として用いる制御器により流量調節
弁を調節させてスタックを構成する全セルの最適制御を
行うようにするようにしてもよい。
との電圧を制御信号として用いる制御器により流量調節
弁を調節させてスタックを構成する全セルの最適制御を
行うようにするようにしてもよい。
【００１２】
【作用】生成水が溜って来てガスの流れが阻害される
と、そのセルの電圧が低下して来るので、セルの電圧を
検出したり、セル内の生成水の水位を検出して生成水を
積極的に排出させるようにすると、生成水を効率よく排
出できて電圧低下や出力分布の不均一を防止することが
できる。又、セルの外部から供給する冷却水によりセル
の温度制御を行うことができると共に、この冷却水の流
路に不活性ガスを高圧で供給すると、酸化剤ガス及び燃
料ガスのセルからの漏洩を防止することが可能となる。
と、そのセルの電圧が低下して来るので、セルの電圧を
検出したり、セル内の生成水の水位を検出して生成水を
積極的に排出させるようにすると、生成水を効率よく排
出できて電圧低下や出力分布の不均一を防止することが
できる。又、セルの外部から供給する冷却水によりセル
の温度制御を行うことができると共に、この冷却水の流
路に不活性ガスを高圧で供給すると、酸化剤ガス及び燃
料ガスのセルからの漏洩を防止することが可能となる。
【００１３】電圧が低下したセルの燃料極側へ濃度の高
い燃料ガスを外部より供給すると、濃度が低下したセル
の燃料ガスの量を調節することができ、又、動揺、加速
度、傾斜、振動、セルごとの電圧等を基に制御器からの
指令でスタックの全セルをセルごと又はセルグループご
とに出口側のガス、冷却水の量を調節することにより、
セルの性能、スタック全体の特性が最良になるように制
御することができる。
い燃料ガスを外部より供給すると、濃度が低下したセル
の燃料ガスの量を調節することができ、又、動揺、加速
度、傾斜、振動、セルごとの電圧等を基に制御器からの
指令でスタックの全セルをセルごと又はセルグループご
とに出口側のガス、冷却水の量を調節することにより、
セルの性能、スタック全体の特性が最良になるように制
御することができる。
【００１４】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して説明
する。
する。
【００１５】図１乃至図５はいずれも本発明の一実施例
として、図７に示した従来方式と同様に発電セル部１６
と加湿部１４と冷却部１５を有して横に積層してあり、
ガスが加湿部１４を経てから発電セル部１６に流配され
て排出されるようにしてある構成において、電解質膜１
をガス拡散電極としての酸素極２と燃料極３と同じ大き
さとし且つこれら電極を金属製としてこれに直接凹凸を
設けてガス通路を形成したものについて示す。
として、図７に示した従来方式と同様に発電セル部１６
と加湿部１４と冷却部１５を有して横に積層してあり、
ガスが加湿部１４を経てから発電セル部１６に流配され
て排出されるようにしてある構成において、電解質膜１
をガス拡散電極としての酸素極２と燃料極３と同じ大き
さとし且つこれら電極を金属製としてこれに直接凹凸を
設けてガス通路を形成したものについて示す。
【００１６】すなわち、表面に白金電極触媒を担持させ
てある固体高分子電解質膜１を同じ大きさの酸素極２と
燃料極３で挟み、酸素極２の背面側には、多数列に凹凸
を形成してガス通路５ａとすると共に、燃料極３の背面
側には、上記ガス通路５ａと直交する方向に延びる多数
列の凹凸を形成してガス通路５ｂとして、酸素極２側に
酸化剤ガスＯ2 を、又、燃料極３側に燃料ガスＨ2 をそ
れぞれ給排させるようにした１つのセルＣを、片面の中
央部に凹部を形成した酸素極側セパレータ４ａと燃料極
側セパレータ４ｂとで挟み、セパレータ４ａと４ｂの周
辺部同士を絶縁材兼シール材を介在させてシールさせる
ようにし、且つ上記両セパレータ４ａと４ｂには、電極
２，３に形成された各ガス通路５ａと５ｂの両端部の位
置にヘッダー部２０ａ，２０ｂと２０ｃ，２０ｄをそれ
ぞれ形成し、酸素極側セパレータ４ａには、上記ヘッダ
ー部２０ａと２０ｂに外部から酸化剤ガスを給排できる
供給流路孔２１と排出流路孔２２を図２（イ）に示す如
く設けると共に、燃料極側セパレータ４ｂには、上記ヘ
ッダー部２０ｃと２０ｄに外部から燃料ガスを給排でき
る供給流路孔２３と排出流路孔２４を図２（ロ）に示す
如く設ける。
てある固体高分子電解質膜１を同じ大きさの酸素極２と
燃料極３で挟み、酸素極２の背面側には、多数列に凹凸
を形成してガス通路５ａとすると共に、燃料極３の背面
側には、上記ガス通路５ａと直交する方向に延びる多数
列の凹凸を形成してガス通路５ｂとして、酸素極２側に
酸化剤ガスＯ2 を、又、燃料極３側に燃料ガスＨ2 をそ
れぞれ給排させるようにした１つのセルＣを、片面の中
央部に凹部を形成した酸素極側セパレータ４ａと燃料極
側セパレータ４ｂとで挟み、セパレータ４ａと４ｂの周
辺部同士を絶縁材兼シール材を介在させてシールさせる
ようにし、且つ上記両セパレータ４ａと４ｂには、電極
２，３に形成された各ガス通路５ａと５ｂの両端部の位
置にヘッダー部２０ａ，２０ｂと２０ｃ，２０ｄをそれ
ぞれ形成し、酸素極側セパレータ４ａには、上記ヘッダ
ー部２０ａと２０ｂに外部から酸化剤ガスを給排できる
供給流路孔２１と排出流路孔２２を図２（イ）に示す如
く設けると共に、燃料極側セパレータ４ｂには、上記ヘ
ッダー部２０ｃと２０ｄに外部から燃料ガスを給排でき
る供給流路孔２３と排出流路孔２４を図２（ロ）に示す
如く設ける。
【００１７】又、上記１つのセルＣを挾持するセパレー
タ４ａと４ｂには、複数個の酸化剤ガス供給用流路孔６
と排出用流路孔７を各々積層方向に貫通させて設けると
共に、複数個の燃料ガス供給用流路孔８と排出用流路孔
９を各々積層方向に貫通させて設け、上記酸素極側セパ
レータ４ａでは酸化剤ガスの給排用流路孔６，７がヘッ
ダー部２０ａ，２０ｂと連通し、又、上記燃料極側セパ
レータ４ｂでは燃料ガスの給排用流路孔８，９がヘッダ
ー部２０ｃ，２０ｄと連通するようにしてある。
タ４ａと４ｂには、複数個の酸化剤ガス供給用流路孔６
と排出用流路孔７を各々積層方向に貫通させて設けると
共に、複数個の燃料ガス供給用流路孔８と排出用流路孔
９を各々積層方向に貫通させて設け、上記酸素極側セパ
レータ４ａでは酸化剤ガスの給排用流路孔６，７がヘッ
ダー部２０ａ，２０ｂと連通し、又、上記燃料極側セパ
レータ４ｂでは燃料ガスの給排用流路孔８，９がヘッダ
ー部２０ｃ，２０ｄと連通するようにしてある。
【００１８】更に、上記酸素極側セパレータ４ａと燃料
極側セパレータ４ｂには、冷却水流路孔２５を積層方向
に貫通させて設けると共に、セル冷却用の冷却水流路孔
２６を設ける。
極側セパレータ４ｂには、冷却水流路孔２５を積層方向
に貫通させて設けると共に、セル冷却用の冷却水流路孔
２６を設ける。
【００１９】なお、２７は酸化剤ガスの供給口、２８は
酸化剤ガスの排出口、２９は燃料ガスの供給口、３０は
燃料ガスの排出口、３１は冷却水の供給口、３２は冷却
水の排出口であり、その他図７乃至図９と同一のものに
は同一符号が付してある。
酸化剤ガスの排出口、２９は燃料ガスの供給口、３０は
燃料ガスの排出口、３１は冷却水の供給口、３２は冷却
水の排出口であり、その他図７乃至図９と同一のものに
は同一符号が付してある。
【００２０】本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、
上述した構成のセルを横方向に多段に積層してスタック
とするもので、上記各セルごとの酸化剤ガスの排出口２
８を利用することにより、各セルごとに生成水を積極的
に排除できるようにしたり、各セルごとやセルグループ
ごとに、自動車や船舶等の動揺、加速度、傾斜、振動、
セル電圧等によるガス又は水の制御を行うことができる
ようにしたり、又は各セルへの燃料ガスの供給口２９を
利用することにより、燃料ガスの量を調節するようにし
たり、各セルごと、セルグループごと、あるいはスタッ
ク全体として燃料ガスのコントロールができるようにす
ることが可能である。
上述した構成のセルを横方向に多段に積層してスタック
とするもので、上記各セルごとの酸化剤ガスの排出口２
８を利用することにより、各セルごとに生成水を積極的
に排除できるようにしたり、各セルごとやセルグループ
ごとに、自動車や船舶等の動揺、加速度、傾斜、振動、
セル電圧等によるガス又は水の制御を行うことができる
ようにしたり、又は各セルへの燃料ガスの供給口２９を
利用することにより、燃料ガスの量を調節するようにし
たり、各セルごと、セルグループごと、あるいはスタッ
ク全体として燃料ガスのコントロールができるようにす
ることが可能である。
【００２１】図１は各セルごとに生成水を積極的に排除
させるようにする実施例を示すもので、酸化剤ガスの排
出口２８に、途中に流量調節弁３３を有する排出ライン
３４を接続して、その先端にエジェクタ３５を取り付
け、圧縮機３６で圧縮された空気を上記エジェクタ３５
を通すことにより生じる吸引作用で酸素極２側から生成
水を積極的に排出させるようにし、且つ上記エジェクタ
３５を駆動させた空気は、湿分分離器３７で水分を除い
た後、酸化剤ガスとしてセルＣに直接供給させるように
するか、あるいは、大気に放出させるようにし、更に、
上記流量調節弁３３は、セルごとの電圧の検出値ｅとセ
ルごとの水位の検出値ｆに基づき制御器３８で演算され
て制御器３８からの指令により調節されるようにしてあ
る。
させるようにする実施例を示すもので、酸化剤ガスの排
出口２８に、途中に流量調節弁３３を有する排出ライン
３４を接続して、その先端にエジェクタ３５を取り付
け、圧縮機３６で圧縮された空気を上記エジェクタ３５
を通すことにより生じる吸引作用で酸素極２側から生成
水を積極的に排出させるようにし、且つ上記エジェクタ
３５を駆動させた空気は、湿分分離器３７で水分を除い
た後、酸化剤ガスとしてセルＣに直接供給させるように
するか、あるいは、大気に放出させるようにし、更に、
上記流量調節弁３３は、セルごとの電圧の検出値ｅとセ
ルごとの水位の検出値ｆに基づき制御器３８で演算され
て制御器３８からの指令により調節されるようにしてあ
る。
【００２２】したがって、今、酸素極２側で生成された
水を排除しようとするときは、セル電圧及びセルごとの
水位をモニタリングし、電圧が極端に下がったセルにつ
いては、その原因を制御器３８で確定するようにし、生
成水の排除が良好に行われていないことが原因の場合及
び水位が一定レベル以上になっている場合は、そのセル
の酸化剤ガスの排出口２８に連絡させた流量調節弁３３
を開き、エジェクタ３５に圧縮空気を供給して通過させ
ることによりエジェクタ３５を駆動させ、生成水を排出
させるようにする。これによりセル内の生成水が良好に
排出されるので、ガスの流れが生成水により阻害される
という事態が避けられ、セル内の燃料利用率、酸化剤利
用率を上昇させることが可能となる。
水を排除しようとするときは、セル電圧及びセルごとの
水位をモニタリングし、電圧が極端に下がったセルにつ
いては、その原因を制御器３８で確定するようにし、生
成水の排除が良好に行われていないことが原因の場合及
び水位が一定レベル以上になっている場合は、そのセル
の酸化剤ガスの排出口２８に連絡させた流量調節弁３３
を開き、エジェクタ３５に圧縮空気を供給して通過させ
ることによりエジェクタ３５を駆動させ、生成水を排出
させるようにする。これによりセル内の生成水が良好に
排出されるので、ガスの流れが生成水により阻害される
という事態が避けられ、セル内の燃料利用率、酸化剤利
用率を上昇させることが可能となる。
【００２３】次に、１つのスタックを構成する全セルの
最適制御を行うときは、制御器３８に、制御信号として
動揺ａ、加速度ｂ、傾斜ｃ、振動ｄ、セルごとの電圧検
出値ｅ、等を入力するようにし、フィードフォワード制
御や各種最適制御手法を用いて、制御器３８からの指令
でガス又は水の排出量を制御するようにする。この場
合、スタック全体として制御するのでは最適制御は難し
いが、図３の（イ）の如く各セルごとにガス又は水の制
御を行ったり、（ロ）の如くいくつかのセルをグループ
として行うようにすることにより、スタック全体として
の最適な制御を行うことができることになる。
最適制御を行うときは、制御器３８に、制御信号として
動揺ａ、加速度ｂ、傾斜ｃ、振動ｄ、セルごとの電圧検
出値ｅ、等を入力するようにし、フィードフォワード制
御や各種最適制御手法を用いて、制御器３８からの指令
でガス又は水の排出量を制御するようにする。この場
合、スタック全体として制御するのでは最適制御は難し
いが、図３の（イ）の如く各セルごとにガス又は水の制
御を行ったり、（ロ）の如くいくつかのセルをグループ
として行うようにすることにより、スタック全体として
の最適な制御を行うことができることになる。
【００２４】図４は各セルごとに燃料ガスとしての水素
の量を調節できるようにした例を示すもので、各セルの
燃料ガスの供給口２９にライン３９を介して燃料極３側
に水素ボンベ４０又は改質器４１を接続し、セルごとの
電圧の検出値ｅを制御器３８に入力してセルごとの電圧
をモニタリングし、電圧の低下したセルについて流量調
節弁４３を開いて燃料、すなわち、水素ボンベ４０から
の水素ガス又は改質器４１からの改質ガス中よりＣＯ除
去装置４２でＣＯを除去したガスを選択的に供給して燃
料濃度を上昇させるようにする。
の量を調節できるようにした例を示すもので、各セルの
燃料ガスの供給口２９にライン３９を介して燃料極３側
に水素ボンベ４０又は改質器４１を接続し、セルごとの
電圧の検出値ｅを制御器３８に入力してセルごとの電圧
をモニタリングし、電圧の低下したセルについて流量調
節弁４３を開いて燃料、すなわち、水素ボンベ４０から
の水素ガス又は改質器４１からの改質ガス中よりＣＯ除
去装置４２でＣＯを除去したガスを選択的に供給して燃
料濃度を上昇させるようにする。
【００２５】動力用等負荷変動幅や変動速度が大きいも
のの場合、図７に示すエンドプレート１０に近いセルと
遠いセルでは燃料温度に大きな差が生じる可能性があ
る。燃料濃度が下がっていて電圧が低下しているセルに
図４により選択的に高濃度の燃料を供給するようにすれ
ば、負荷応答性を向上させることが可能となる。この
際、図１に示す水分排出方式を組み合わせることにより
セル内の湿分を最適に保つことも可能であり、又、固体
高分子電解質膜１に担持される白金触媒は、ＣＯに被毒
されるが、燃料ガスの供給口２９より供給する水素ボン
ベ４０からの水素ガス又は改質器４１からの改質ガスの
代りに、Ｏ2 ガスを供給させるようにすれば、ＣＯ2 に
することができてＣＯに被毒したセルを急速に回復させ
ることが可能となる。 図４において、燃料ガス供給口
２９に接続されるライン３９の途中に加湿器４４を設け
ると、水素ガス又は改質ガスを加湿して供給することが
可能となり、セル内の湿分を調節することができる。
のの場合、図７に示すエンドプレート１０に近いセルと
遠いセルでは燃料温度に大きな差が生じる可能性があ
る。燃料濃度が下がっていて電圧が低下しているセルに
図４により選択的に高濃度の燃料を供給するようにすれ
ば、負荷応答性を向上させることが可能となる。この
際、図１に示す水分排出方式を組み合わせることにより
セル内の湿分を最適に保つことも可能であり、又、固体
高分子電解質膜１に担持される白金触媒は、ＣＯに被毒
されるが、燃料ガスの供給口２９より供給する水素ボン
ベ４０からの水素ガス又は改質器４１からの改質ガスの
代りに、Ｏ2 ガスを供給させるようにすれば、ＣＯ2 に
することができてＣＯに被毒したセルを急速に回復させ
ることが可能となる。 図４において、燃料ガス供給口
２９に接続されるライン３９の途中に加湿器４４を設け
ると、水素ガス又は改質ガスを加湿して供給することが
可能となり、セル内の湿分を調節することができる。
【００２６】各セルの燃料極側へ図４のように外部より
供給する燃料ガスの供給量を、制御信号として動揺ａ、
加速度ｂ、傾斜ｃ、振動ｄ、セルの電圧検出値ｅ等の信
号により最適に制御することができる。図５はその例を
示すもので、この場合、（イ）の如く各セルごと、
（ロ）の如くセルグループごと、あるいは（ハ）の如く
スタック全体として制御させることができる。
供給する燃料ガスの供給量を、制御信号として動揺ａ、
加速度ｂ、傾斜ｃ、振動ｄ、セルの電圧検出値ｅ等の信
号により最適に制御することができる。図５はその例を
示すもので、この場合、（イ）の如く各セルごと、
（ロ）の如くセルグループごと、あるいは（ハ）の如く
スタック全体として制御させることができる。
【００２７】次に、図６は本発明の他の実施例を示すも
ので、酸素極２及び燃料極３を金属製としてこれに直接
ガス通路形成用の凹凸を形成した構成の前記実施例に代
えて、カーボン等からなる一枚の多孔板とし、且つこれ
には直接ガス通路を形成する凹凸を設ける作業が大変と
なるので、セパレータ４ａと４ｂの表面に凹凸を設けて
ガス通路５ａ，５ｂを形成するようにしたもので、その
他の構成は前記実施例の場合と同様である。
ので、酸素極２及び燃料極３を金属製としてこれに直接
ガス通路形成用の凹凸を形成した構成の前記実施例に代
えて、カーボン等からなる一枚の多孔板とし、且つこれ
には直接ガス通路を形成する凹凸を設ける作業が大変と
なるので、セパレータ４ａと４ｂの表面に凹凸を設けて
ガス通路５ａ，５ｂを形成するようにしたもので、その
他の構成は前記実施例の場合と同様である。
【００２８】この実施例の場合でも、図１、図３乃至図
５のようにして制御することができる。
５のようにして制御することができる。
【００２９】なお、本発明は上記実施例のみに限定され
るものではなく、たとえば、ガスを外部より供給した
後、セルへ供給する前に加湿する場合を例として説明し
たが、外部の加湿器で加湿したガスをセルに供給するよ
うにしてもよいこと、酸化剤ガスと燃料ガスを直交流と
なるように流す場合を示したが、ガスの流れ方向が対向
流、並行流となるようにガス通路、ガス給排用流路孔を
設けてもよいこと、電解質膜１をガス拡散電極２，３と
同じ大きさとした場合を示したが、電解質膜１はセパレ
ータ４ａ，４ｂと同じ大きさとしてもよいこと、セパレ
ータとして、酸素極側セパレータ４ａと燃料極側セパレ
ータ４ｂを用いて、これら各セパレータ４ａ，４ｂの表
面側に電極に対応させて凹部を形成させたものを示した
が、１枚のセパレータの両面中央部に酸素極２と燃料極
３を配置する部分を形成させたり、ガス通路を形成させ
るようにしてもよいこと、セル冷却水を給排するための
供給口３１、排出口３２、冷却水流路孔２６を燃料極側
セパレータに設けた構成とすること、その他本発明の要
旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論
である。
るものではなく、たとえば、ガスを外部より供給した
後、セルへ供給する前に加湿する場合を例として説明し
たが、外部の加湿器で加湿したガスをセルに供給するよ
うにしてもよいこと、酸化剤ガスと燃料ガスを直交流と
なるように流す場合を示したが、ガスの流れ方向が対向
流、並行流となるようにガス通路、ガス給排用流路孔を
設けてもよいこと、電解質膜１をガス拡散電極２，３と
同じ大きさとした場合を示したが、電解質膜１はセパレ
ータ４ａ，４ｂと同じ大きさとしてもよいこと、セパレ
ータとして、酸素極側セパレータ４ａと燃料極側セパレ
ータ４ｂを用いて、これら各セパレータ４ａ，４ｂの表
面側に電極に対応させて凹部を形成させたものを示した
が、１枚のセパレータの両面中央部に酸素極２と燃料極
３を配置する部分を形成させたり、ガス通路を形成させ
るようにしてもよいこと、セル冷却水を給排するための
供給口３１、排出口３２、冷却水流路孔２６を燃料極側
セパレータに設けた構成とすること、その他本発明の要
旨を逸脱しない範囲内で種々変更を加え得ることは勿論
である。
【００３０】
【発明の効果】以上述べた如く、本発明の固体高分子電
解質型燃料電池によれば、電解質膜を酸素極と燃料極の
両ガス拡散電極で挟み、酸素極側に酸化剤ガスを給排さ
せるようにすると共に燃料極側に燃料ガスを給排させる
ようにしたセルをセパレータを介し積層してスタックと
するようにしてある構成において、上記酸素極に、上記
酸化剤ガスの給排用流路孔を設けるほかに、上記セルの
酸素極側のセパレータに、外部から酸化剤ガスを給排す
るための供給口と該供給口と連通する供給流路孔、及び
排出口と該排出口と連通する排出流路孔をそれぞれ設け
て、電極部の酸化剤ガス用のガス通路と連通させると共
に、燃料極側のセパレータに、外部から燃料ガスを給排
するための供給口と該供給口と連通する供給流路孔、及
び排出口と該排出口と連通する排出流路孔をそれぞれ設
けて、電極部の燃料ガス用のガス通路と連通させ、且つ
酸素極側のセパレータに、セル冷却用の冷却水を給排す
るための供給口と排出口を設け、更に、上記各セルの酸
素極側セパレータに設けた酸化剤ガスの排出口に、流量
調節弁付きのラインを接続して、該ラインにエジェクタ
を取り付け、上記流量調節弁を、セル電圧の検出値又は
セル内の生成水の水位検出値に基づき制御器により調節
するようにし、圧縮空気をエジェクタに通すことにより
セル内の生成水を排出させるようにした構成としたり、
上記各セルの燃料極側セパレータに設けた燃料ガスの供
給口に、流量調節弁付きのラインを接続して、該ライン
に水素ボンベ又は改質器を接続し、上記ラインに設けた
流量調節弁を、セル電圧の検出値に基づき制御器により
調節するようにして、燃料を供給できるようにした構成
とし、動揺、加速度、傾斜、振動、セルごとの電圧を制
御信号として用いる制御器により流量調節弁を調節させ
てスタックを構成する全セルの最適制御を行う構成とし
てあるので、次の如き優れた効果を奏し得る。 (i) 酸素極側に設けた酸化剤ガスの出口に排出ラインを
接続して生成水を積極的に排出させるようにするので、
生成水が良好に排出されないで濃度過電圧が大きくなり
セル電圧が低下したり或は生成水によりガスの流れが阻
害されてスタック内の出力分布が不均一になるという事
態を防止できる。 (ii)スタックにおける各セルの特性は、燃料利用率によ
って大きく変わり、各セルごとに燃料濃度に不均一があ
ると、負荷応答性が悪くなるが、燃料濃度が下がって電
圧の低下したセルに対して外部から燃料ガスの供給口よ
り燃料ガスを供給することができるので、電圧の下がっ
たセルに選択的に高濃度の燃料を供給させることにより
負荷応答性を向上させることができる。 (iii) セパレータ内にセル又はセル群ごとに冷却水の供
給口及び排出口を設けているので、セル又はセル群ごと
に温度制御を行うことができ、又、冷却水流路に、燃料
及び酸化剤ガスより若干圧力の高い不活性ガスを流すこ
とにより、セルの冷却のみでなく、セルから外部へ燃料
ガス及び酸化剤ガスが漏洩することを防ぐことができ、
更に、この不活性ガスの成分を常時チェックすることに
より燃料ガス及び酸化剤ガスがセルから漏洩したことを
検知することもできる。 (iv)セルの段数を増やして大出力が得られるようにし
て、スタック全体としてセルごと及びセルグループごと
のガスの制御を行うようにするので、特性改善のために
有効である。
解質型燃料電池によれば、電解質膜を酸素極と燃料極の
両ガス拡散電極で挟み、酸素極側に酸化剤ガスを給排さ
せるようにすると共に燃料極側に燃料ガスを給排させる
ようにしたセルをセパレータを介し積層してスタックと
するようにしてある構成において、上記酸素極に、上記
酸化剤ガスの給排用流路孔を設けるほかに、上記セルの
酸素極側のセパレータに、外部から酸化剤ガスを給排す
るための供給口と該供給口と連通する供給流路孔、及び
排出口と該排出口と連通する排出流路孔をそれぞれ設け
て、電極部の酸化剤ガス用のガス通路と連通させると共
に、燃料極側のセパレータに、外部から燃料ガスを給排
するための供給口と該供給口と連通する供給流路孔、及
び排出口と該排出口と連通する排出流路孔をそれぞれ設
けて、電極部の燃料ガス用のガス通路と連通させ、且つ
酸素極側のセパレータに、セル冷却用の冷却水を給排す
るための供給口と排出口を設け、更に、上記各セルの酸
素極側セパレータに設けた酸化剤ガスの排出口に、流量
調節弁付きのラインを接続して、該ラインにエジェクタ
を取り付け、上記流量調節弁を、セル電圧の検出値又は
セル内の生成水の水位検出値に基づき制御器により調節
するようにし、圧縮空気をエジェクタに通すことにより
セル内の生成水を排出させるようにした構成としたり、
上記各セルの燃料極側セパレータに設けた燃料ガスの供
給口に、流量調節弁付きのラインを接続して、該ライン
に水素ボンベ又は改質器を接続し、上記ラインに設けた
流量調節弁を、セル電圧の検出値に基づき制御器により
調節するようにして、燃料を供給できるようにした構成
とし、動揺、加速度、傾斜、振動、セルごとの電圧を制
御信号として用いる制御器により流量調節弁を調節させ
てスタックを構成する全セルの最適制御を行う構成とし
てあるので、次の如き優れた効果を奏し得る。 (i) 酸素極側に設けた酸化剤ガスの出口に排出ラインを
接続して生成水を積極的に排出させるようにするので、
生成水が良好に排出されないで濃度過電圧が大きくなり
セル電圧が低下したり或は生成水によりガスの流れが阻
害されてスタック内の出力分布が不均一になるという事
態を防止できる。 (ii)スタックにおける各セルの特性は、燃料利用率によ
って大きく変わり、各セルごとに燃料濃度に不均一があ
ると、負荷応答性が悪くなるが、燃料濃度が下がって電
圧の低下したセルに対して外部から燃料ガスの供給口よ
り燃料ガスを供給することができるので、電圧の下がっ
たセルに選択的に高濃度の燃料を供給させることにより
負荷応答性を向上させることができる。 (iii) セパレータ内にセル又はセル群ごとに冷却水の供
給口及び排出口を設けているので、セル又はセル群ごと
に温度制御を行うことができ、又、冷却水流路に、燃料
及び酸化剤ガスより若干圧力の高い不活性ガスを流すこ
とにより、セルの冷却のみでなく、セルから外部へ燃料
ガス及び酸化剤ガスが漏洩することを防ぐことができ、
更に、この不活性ガスの成分を常時チェックすることに
より燃料ガス及び酸化剤ガスがセルから漏洩したことを
検知することもできる。 (iv)セルの段数を増やして大出力が得られるようにし
て、スタック全体としてセルごと及びセルグループごと
のガスの制御を行うようにするので、特性改善のために
有効である。
【図１】本発明の一実施例を示すもので、生成水を排出
するようにした例を示す１つのセルの切断側面図であ
る。
するようにした例を示す１つのセルの切断側面図であ
る。
【図２】図１の断面を示すもので、（イ）はＡ矢視図、
（ロ）はＢ矢視図である。
（ロ）はＢ矢視図である。
【図３】図１のセルを多段に積層して酸素極側のガス及
び生成水の量の制御を行う例を示すもので、（イ）は各
セルごとに制御を行う場合の切断側面図、（ロ）はいく
つかのセルをグループとして制御を行う場合の切断側面
図である。
び生成水の量の制御を行う例を示すもので、（イ）は各
セルごとに制御を行う場合の切断側面図、（ロ）はいく
つかのセルをグループとして制御を行う場合の切断側面
図である。
【図４】図１のセルの燃料極側へ高濃度の燃料を外部か
ら供給する例を示す切断側面図である。
ら供給する例を示す切断側面図である。
【図５】セルを多段に積層して燃料極側への燃料の量の
制御について示すもので、（イ）は各セルごとに制御を
行う場合の切断側面図、（ロ）はいくつかのセルをグル
ープとして制御を行う場合の切断側面図、（ハ）はスタ
ック全体として制御を行う場合の切断側面図である。
制御について示すもので、（イ）は各セルごとに制御を
行う場合の切断側面図、（ロ）はいくつかのセルをグル
ープとして制御を行う場合の切断側面図、（ハ）はスタ
ック全体として制御を行う場合の切断側面図である。
【図６】本発明の他の実施例を示す１つのセルの切断側
面図である。
面図である。
【図７】従来の固体高分子電解質型燃料電池の一例を示
す概略切断側面図である。
す概略切断側面図である。
【図８】図７におけるセルの正面を示すもので、（イ）
は酸素極側とセパレータを示す図、（ロ）は燃料極側と
セパレータを示す図である。
は酸素極側とセパレータを示す図、（ロ）は燃料極側と
セパレータを示す図である。
【図９】図７の従来例における各ガスと冷却水の流れの
例を示すもので、（イ）は燃料ガスの流れを示す図、
（ロ）は酸化剤ガスの流れを示す図、（ハ）は冷却水の
流れを示す図である。
例を示すもので、（イ）は燃料ガスの流れを示す図、
（ロ）は酸化剤ガスの流れを示す図、（ハ）は冷却水の
流れを示す図である。
１ 電解質膜 ２ 酸素極 ３ 燃料極 ４ａ 酸素極側セパレータ ４ｂ 燃料極側セパレータ ５ａ，５ｂ ガス通路 １５ 冷却部 ２１ 酸化剤ガス供給流路孔 ２２ 酸化剤ガス排出流路孔 ２３ 燃料ガス供給流路孔 ２４ 燃料ガス排出流路孔 ２５，２６ 冷却水流路孔 ２７ 酸化剤ガスの供給口 ２８ 酸化剤ガスの排出口 ２９ 燃料ガスの供給口 ３０ 燃料ガスの排出口 ３１ 冷却水の供給口 ３２ 冷却水の排出口 ３３ 流量調節弁 ３４ ライン（排出ライン） ３５ エジェクタ ３８ 制御器 ３９ ライン ４０ 水素ボンベ ４１ 改質器 ４３ 流量調節弁 Ｃ セル
Claims (5)
- 【請求項１】 表面に白金電極触媒を担持させた高分子
電解質膜を酸素極と燃料極の両ガス拡散電極で挟み、酸
素極側には酸化剤ガスを、又、燃料極側には燃料ガスを
それぞれ給排するようにしてあるセルをセパレータを介
し多層に積層すると共に、数セルごとに冷却部を備えて
スタックとしてある固体高分子電解質型燃料電池におい
て、上記セルの酸素極側のセパレータに、外部から酸化
剤ガスを給排するための供給口と該供給口と連通する供
給流路孔、及び排出口と該排出口と連通する排出流路孔
をそれぞれ設けて、電極部の酸化剤ガス用のガス通路と
連通させると共に、燃料極側のセパレータに、外部から
燃料ガスを給排するための供給口と該供給口と連通する
供給流路孔、及び排出口と該排出口と連通する排出流路
孔をそれぞれ設けて、電極部の燃料ガス用のガス通路と
連通させ、且つ酸素極側のセパレータに、セル冷却用の
冷却水を給排するための供給口と排出口を設け、更に、
上記各セルの酸素極側セパレータに設けた酸化剤ガスの
排出口に、流量調節弁付きのラインを接続して、該ライ
ンにエジェクタを取り付け、上記流量調節弁を、セル電
圧の検出値又はセル内の生成水の水位検出値に基づき制
御器により調節するようにし、圧縮空気をエジェクタに
通すことによりセル内の生成水を排出させるようにした
構成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。 - 【請求項２】 表面に白金電極触媒を担持させた高分子
電解質膜を酸素極と燃料極の両ガス拡散電極で挟み、酸
素極側には酸化剤ガスを、又、燃料極側には燃料ガスを
それぞれ給排するようにしてあるセルをセパレータを介
し多層に積層すると共に、数セルごとに冷却部を備えて
スタックとしてある固体高分子電解質型燃料電池におい
て、上記セルの酸素極側のセパレータに、外部から酸化
剤ガスを給排するための供給口と該供給口と連通する供
給流路孔、及び排出口と該排出口と連通する排出流路孔
をそれぞれ設けて、電極部の酸化剤ガス用のガス通路と
連通させると共に、燃料極側のセパレータに、外部から
燃料ガスを給排するための供給口と該供給口と連通する
供給流路孔、及び排出口と該排出口と連通する排出流路
孔をそれぞれ設けて、電極部の燃料ガス用のガス通路と
連通させ、且つ酸素極側のセパレータに、セル冷却用の
冷却水を給排するための供給口と排出口を設け、更に、
上記各セルの燃料極側セパレータに設けた燃料ガスの供
給口に、流量調節弁付きのラインを接続して、該ライン
に水素ボンベ又は改質器を接続し、上記ラインに設けた
流量調節弁を、セル電圧の検出値に基づき制御器により
調節するようにして、燃料を供給できるようにした構成
を有することを特徴とする請求項１記載の固体高分子電
解質型燃料電池。 - 【請求項３】 動揺、加速度、傾斜、振動、セルごとの
電圧を制御信号として用いる制御器により流量調節弁を
調節させてスタックを構成する全セルの最適制御を行う
ようにする請求項２記載の固体高分子電解質型燃料電
池。 - 【請求項４】 酸素極と燃料極を金属製とし、該両電極
の片面にガス通路形成用の凹凸を直接設けて電極にガス
通路を形成させてなる請求項１、２又は３記載の固体高
分子電解質型燃料電池。 - 【請求項５】 酸素極と燃料極をカーボン板の一枚板と
してセパレータの表面にガス通路形成用の凹凸を設け、
セパレータにガス通路を形成させてなる請求項１、２又
は３記載の固体高分子電解質型燃料電池。
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