JP4013218B2

JP4013218B2 - 固体高分子電解質形燃料電池

Info

Publication number: JP4013218B2
Application number: JP2002120687A
Authority: JP
Inventors: 理嗣曽根; 三司上野; 三郎桑島
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2002-04-23
Filing date: 2002-04-23
Publication date: 2007-11-28
Anticipated expiration: 2022-04-23
Also published as: US20030198851A1; EP1389806B1; NO334403B1; DE60305587T2; US20110159383A1; DE60305587D1; JP2003317747A; US7273672B2; EP1389806A1; NO20031790L; US20070259231A1; NO20031790D0

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料極側の気体と酸化剤極側の気体を固体高分子電解質膜を介して電気化学的に反応させて電力を発生させる固体高分子電解質形燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素等の燃料と空気（酸素）等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、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装置である。そして、その中でも、電解質に高分子形水素イオン交換膜等を用いた固体高分子電解質形燃料電池は、出力密度が高いこと、構造が単純であること、動作温度が比較的低いこと等の優れた特徴を有しているため、近年、より一層の技術開発の期待が高まっている。
【０００３】
従来のこのような固体高分子形燃料電池で、地上において使用されているものとして、例えば、図２１に示すようなものがある。これは、固体高分子電解質膜１と、該固体高分子電解質膜１を挟むように配置された燃料極２及び酸化剤極３とを有する電池スタック４を備え、前記燃料極２及び前記酸化剤極３の上部には水素供給口５、空気（酸素）供給口６がそれぞれ設けられている。このような固体高分子電解質形燃料電池では、前記固体高分子電解質膜１内での水素イオンの移動に水分が不可欠であり、前記固体高分子電解質膜２の乾燥を防止する必要があるため、前記水素供給口５及び空気供給口６にはそれぞれ加湿器７，８が接続されている。また、前記燃料極２及び前記酸化剤極３の下部には水素排出口９、空気（酸素）排出口１０がそれぞれ設けられている。
【０００４】
通常、前記燃料側２の加湿器７には、メタノール、ガソリン、メタンガス等の炭化水素系燃料を改質して得た水素が導入され、前記酸化剤極３の加湿器８には、コンプレッサー（図示せず）により所定圧まで加圧された空気が導入される。そして、前記水素及び空気はそれぞれ、前記加湿器７，８により加湿された後、前記水素供給口５及び空気供給口６を通って前記燃料極２側及び酸化剤極３側に供給される。このように燃料極２側及び酸化剤極３側に供給された水素及び空気は、前記固体高分子電解質膜１に沿って並行に流れ、電気化学的に反応し、電力を発生させた後、前記水素排出口９、空気排出口１０を通って前記電池スタック４外部へ排出される。
【０００５】
また、従来の別の例の固体高分子形燃料電池として、例えば、１９６０年代にジェミニ宇宙機において使用されたものがあり、これは、電解質としてスチレン系の固体高分子、燃料として純水素、酸化剤として純酸素を使用している。そして、この場合には、電極近傍に吸水性のあるウィックが設けられ、該ウィックによって、電池スタック内で純水素と純酸素が反応時に発生した生成水を吸収し、除去すると共に、吸収した生成水を自然蒸発させ、電池スタック内を加湿するようになっている。
【０００６】
さらに、近年、成層圏プラットフォーム構想において、ＮＡＳＡが飛行を計画しているＵＬＤＢ（Ultra Long Durability Balloon）でも、１９９９年のアメリカ航空宇宙学会（ＡＩＡＡ）で発表されているように、固体高分子形燃料電池が使用されており、この場合も燃料として純水素、酸化剤として純酸素が使用されている。しかし、システムの簡略化のため、加湿器は設けられておらず、電池スタック内で発生した生成水は、斜めに設置された電池スタックから外部へ滴り落ち、回収されないようになっている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、前者の図２１に示した従来例では、酸素の供給源として空気を使用しているため、前記電池スタック４内で反応しなかった未反応ガスを再循環させるようとすると、空気中の不活性ガスの窒素が前記電池スタック４内に蓄積し、酸素の分圧が下がり、電池特性が著しく低下する。このため、未反応ガスを前記電池スタック４内に再循環させることができず、酸化剤の利用効率を向上させることが困難であった。また、燃料の未反応ガスについても、循環させると、ＣＯ₂や未改質燃料が蓄積し、電池特性を低下させてしまうので、循環させることができないといった問題があった。
【０００８】
また、前記酸化剤極３側の気体として空気を使用する場合には、空気中の酸素含有量は２１％程度であるから、７９％程度の窒素が燃料電池に供給されることになる。すなわち、前記電池スタック４内には常に不活性ガスである窒素が流通することになり、この窒素の介在により、水蒸気割合は最大で３４．７％までしか上がらない。常圧下、空気中の酸素の利用率５０％で燃料電池を運転した場合、運転温度を５９℃以下に抑えることが必要となり、運転温度の許容範囲が狭くなるといった問題もあった。
【０００９】
そして、このように空気を外部に排出せざるを得ない結果、空気の排出と共に、前記電池スタック４内で発生した生成水が前記電池スタック４の外部に排出され、前記固体高分子電解質膜１の、特に、前記空気供給口６付近が乾燥しやすくなり、反応に寄与する領域が狭くなるおそれがある。そのため、上記したように、前記水素供給口５と空気供給口６の両方、又は一方に前記加湿器７，８を設ける必要があり、燃料電池の小型化、軽量化が図り難いといった問題があった。
【００１０】
また、後者のＵＬＤＢでの従来例では、電池スタック内で発生した生成水は電池スタックから外部へ重力によって滴り落ちるようになっているため、生成水の除去はその滴り落ちる速度に依存し、高出力の発電には適さなかった。さらに、電池スタック内の加湿はウィックに吸収された生成水の自然蒸発によって行われ、電池スタック内の湿度制御は行われていなかった。さらにまた、除去された生成水は回収されずにそのまま外部へ排出されていた。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決すべくなされたものであり、加湿器を設けることなく、電池特性の向上を図り、また、燃料極及び酸化剤極の気体の利用効率の向上、燃料電池の小型化、軽量化、運転コストの低減化が可能で、高出力発電に適した固体高分子電解質形燃料電池を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が設けられ、前記燃料極側に供給された気体と前記酸化剤極側に供給された気体との電気化学的反応により電力を発生する単電池を積層させた電池スタックを備えた固体高分子電解質形燃料電池であって、前記燃料極側に供給された気体と前記酸化剤極側に供給された気体の前記電池スタック内でのそれぞれの全体的な流れの向きが互いに対向するように設けられ、前記酸化極側で発生した生成水の前記燃料極と前記酸化剤極間での相互移動により、前記固体高分子電解質膜の水分保有領域が拡大されるように構成されていることを特徴とする。
【００１３】
好ましくは、前記燃料極と酸化剤極のうちの少なくとも酸化剤極側からの気体の排出口を前記酸化剤極側への気体の供給路に接続して閉循環路を形成し、該閉循環路に凝縮器を設け、または、前記燃料極と酸化剤極のうちの少なくとも酸化剤極側からの気体の排出路と前記酸化剤極側への気体の供給源とを凝縮器に接続すると共に前記凝縮器の出口側を前記酸化剤極側への気体の供給口に接続し、閉循環路を形成し、また、前記閉循環路が設けられていない側の気体の排出口を閉塞する。
【００１４】
さらに好ましくは、前記燃料極側に純水素が供給され、前記酸化剤極側に純酸素が供給される。
【００１５】
さらにまた、前記凝縮器で凝縮した凝縮水を収容する手段を備え、また、前記凝縮器の冷却媒体の温度を電池の運転温度の−３０℃〜＋１０℃の範囲に制御するための温度制御手段を備え、さらに、前記閉循環路を循環するガス量を、電力発生時に電気化学的に必要とされる理論ガス量の２〜１０倍に制御するための流量制御手段を備えている。
【００１６】
また好ましくは、前記固体高分子電解質膜の厚さは、１０〜５０ミクロンである。
【００１７】
さらに好ましくは、前記凝縮水を収容する手段は凝縮水を吸収する手段を備え、さらに、前記凝縮器は、前記循環ガスが前記吸収手段に接触しながら円滑に流通する流通手段をさらに備え、または、前記凝縮器は、前記循環ガスを冷却する冷却手段と、該冷却手段で凝縮した水を収容する手段とを備え、該収容手段は前記冷却手段と分離して設けられ、また、前記凝縮器は、前記吸収手段を圧縮し、該吸収手段に吸収された凝縮水を前記凝縮器外へ強制的に排出させる凝縮水排出手段を備え、さらに、圧縮後、復元可能なように構成され、さらにまた、前記凝縮水排出手段の作動間隔は、前記収容手段の生成水収容量と前記電池スタックの単電池積層数と発電電気量とに基づいて制御されるように構成されている。
【００１８】
また好ましくは、複数の前記凝縮器が並列に設けられ、さらに、前記閉循環路に前記凝縮器を迂回するバイパス路が設けられている。
【００１９】
このような構成において、前記燃料極側に供給された気体と前記酸化剤極側に供給された気体は前記電池スタック内で互いに対向する向きに流れ、前記固体高分子電解質膜を介して酸素側と水素側間で水分の相互移動が行われるため、加湿器を設けることなく、前記固体高分子電解質膜内の水分保有領域が拡大され、良好な電池特性を得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照しつつ、本発明の実施の形態を説明する。
【００２１】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子電解質形燃料電池を示している。該固体高分子電解質形燃料電池には電池スタック２１が設けられ、該電池スタック２１は、水素イオン電解質膜２２を挟んで燃料極２３と酸化剤極２４とが対面するように配置された単電池２５をセパレータ２６（図２参照）を介して複数積層することにより構成されるが、図１では説明の簡略化のため単電池２５のみで示している。前記燃料極２３及び前記酸化剤極２４の上部には水素供給口２７、酸素排出口２８がそれぞれ設けられ、また、前記燃料極２３及び前記酸化剤極２４の下部には水素排出口２９、酸素供給口３０がそれぞれ設けられている。前記セパレータ２６は、図２に示されているように、矩形平板状を成し、表面側の燃料極側部分３１と、裏面側の酸化剤極側部分３２とから構成されている。そして、前記燃料極側部分３１には、前記水素供給口２７、水素排出口２９に対応して水素入口３３、水素出口３４が設けられ、前記酸化剤極側部分３２には、前記酸素供給口３０、酸素排出口２８に対応して酸素入口３５、酸素出口３６が設けられ、それぞれの流路パターン３７，３８は櫛状を成し、水素と酸素の全体的な流れの向き（図２中の太矢印参照）が対向するように形成されている。
【００２２】
本実施の形態に係る固体高分子電解質形燃料電池では、好ましくは、燃料として純水素、酸化剤として純酸素が使用され、純水素は前記水素供給口２７を介して前記燃料極２３側に供給され、純酸素は前記酸素供給口３０を介して前記酸化剤極２４側に供給される。前記電池スタック２１内に供給された純水素及び純酸素は前記水素イオン電解質膜２２に沿って互いに対向する向きに流れ、純水素と純酸素の反応時に酸素側で発生する生成水は、図３に示されているように、前記水素イオン電解質膜２２を通じて移動し、拡散し、水素側へ水を供給し、これにより、前記水素供給口２７付近の純水素が加湿される。加湿された純水素は前記純酸素の流れに対向する向きに流れ、純水素の消費と共に水蒸気量が多くなり、前記水素排出口２９付近では、水素側から酸素側に水分移動が生じ、前記酸素供給口３０付近が加湿される。この結果、前記電池スタック２１内では、前記水素イオン電解質膜２２を介して酸素側と水素側間で水分の相互移動が行われ、前記イオン電解質膜２２内の水分保有領域が拡大され、良好な電池特性を得ることができる。
【００２３】
水素と酸素を前記水素イオン電解質膜２２に沿って同方向に流した、いわゆる並行流（図４参照）の場合と、水素と酸素を前記水素イオン電解質膜２２に沿って逆向きに流した、いわゆる対向流（図５参照）の場合による燃料電池の出力特性を対比した図６からも明らかなように、並行流の場合には、取出す電流が大きくなるに従い、平均単電池電圧が著しく低下するのに対して、対向流の場合には、前記電解質膜２２を介して燃料極２３側と酸化剤極２４側間で水が相互に移動することにより前記電解質膜２２内に水の保有領域が拡大されるため、取出す電流が大きくなっても安定した電池電圧を確保することが可能となる。
【００２４】
なお、図６の試験は、運転温度を６５℃、水素及び酸素の各電流に対するガス利用率を３０％として実施し、前記電池スタック２１は、有効面積８１ｃｍ²からなる前記単電池２５をカーボン製のガス溝付きセパレータ３９（図７参照）を介して４個積層したものを使用した。また、前記燃料極２３及び酸化剤極２４は共に白金を単位面積当り０．５ｍｇ／ｃｍ²有し、前記水素イオン電解質膜２２はフッ素系固体高分子膜で、米国のAldrich社製のナフィヨン溶液を用いて約３０ミクロンの厚さの固体膜を形成したものを使用した。さらに、前記セパレータ３９は、図７に示すように、蛇行した流路パターン４０，４１を有しているが、水素及び酸素の全体的な流れの向き（図７中の太矢印参照）は対向するようになっている。そして、その流路パターン４０，４１は溝幅を１．５ｍｍ、溝深さを１．０ｍｍ、土手部の幅を１．５ｍｍ、溝加工部４２を一辺９ｃｍの正方形とし、前記セパレータ３９の外形寸法を一辺１３ｃｍの正方形とした。
【００２５】
また、図６の試験と同様の条件のもと、前記電解質膜２２の厚さを、６．５マイクロメートル、１５マイクロメートル、３０マイクロメートル、４５マイクロメートル、６０マイクロメートルと変えた時の発電電流に対する平均単電池電圧の出力特性を測定し、その結果を図８に示した。これにより、６０マイクロメートルの厚さの膜を使用した場合には、発電電流を大きく取得すると電池電圧が著しく低下する傾向が見られた。この現象は、膜厚が厚くなったことにより電池内で膜を介する水の浸透・拡散が良好に行われず、特に大電流側で水の浸透・拡散の遅れが顕著となって電池電圧の急激な低下を生じたためであり、膜厚を５０ミクロンより厚くすると起こることが分かった。一方、１５マイクロメートル、３０マイクロメートル、４５マイクロメートルの厚さの膜を用いた電池は良好な電池電圧特性を示し、さらに、図８には示されていないが、定電流維持試験においても良好な結果を示した。また、６．５マイクロメートルの薄い膜を使用した場合には、図８に示された範囲では良好な電池電圧特性を示しているが、機械的強度が弱くなり、前記電池スタック２１の締付け時に破損が生じ、定電流維持試験を行うと早期にガスのクロスオーバーが起こり、水素ガスが直接酸素ガスと反応してしまい、電池電圧が低下した。これらのことから、前記電解質膜２２の厚さは１０〜５０マイクロメートルが好ましいということができる。
【００２６】
次に、図９を参照しつつ、本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子電解質形燃料電池を説明する。なお、説明の簡略化のため、図９中において、図１に示した構成と同等のものについては同符号を付し、それらの構成についての詳細な説明は省略する。
【００２７】
本実施の形態に係る固体高分子電解質形燃料電池では、水素排出口２９が閉塞され、また、酸化剤極２４側の酸素排出口２８と酸素供給口３０に接続された酸素供給管５１とが接続され、閉循環路５２が形成されている。該閉循環路５２には、凝縮器５３及び循環ポンプ５４が直列に設けられ、さらに、前記閉循環路５２を循環するガスを所定流量に制御するための流量制御手段（図示せず）が設けられている。
【００２８】
図１０には、負荷電流を３０Ａとし、酸素循環率（酸素循環量／理論酸素量）を０，２，４，８と変化させた時の、発電時間に対する平均単電池電圧の出力特性が示されており、また、図１１には、負過電流を３０Ａ、酸素循環率を４、運転温度を６５℃として、継続運転を実施した時の電池電圧の出力特性が示されている。これらの図１０及び図１１からも分かるように、循環率が２倍未満では生成水が前記電池スタック２１内部に蓄積し、早期に電池特性の低下が生じやすい。また、循環率が１０倍を超えると、ガス流速が上昇し過ぎて前記凝縮器５３における湿度制御が難しくなったり、或いは、ガス流速の上昇に伴い電池内の圧力損失が大きくなり、水素側と酸素側の差圧が過大となり、クロスオーバー等の不測の事態が生じやすくなる。従って、前記閉循環路５２を循環する酸素量は、電力発生時に電気化学的に必要とされる理論酸素量の２〜１０倍の範囲に保たれるのが好ましい。
【００２９】
前記凝縮器５３は、図１２に示されているように、円筒形状の容器５５と、該容器５５の外周に設けられた冷却器５６と、前記容器５５内の底部近くに取付けられた穴明き板５７と、該穴明き板５７上に積層された円筒形状の吸収材５８とで概略構成されている。前記吸収材５８には鉛直方向に複数の連通孔６０が穿設され、前記吸収材５８が水を吸収しても酸素の流れを阻害しないようになっており、この結果、安定した高い発電性能を維持することが可能になる。また、前記容器５５の外周部には、上部にガス導入口６１、下部にガス排出口６２が設けられ、前記冷却器５６には、下部に冷媒導入口６３、上部に冷媒排出口６４が設けられている。さらに、前記冷却器５６には、該冷却器５６内を循環する冷媒の温度を所定温度に制御するための温度制御手段（図示せず）が設けられている。
【００３０】
本実施の形態においては、一例として、前記容器５５はステンレス製で、厚さを０．５ｍｍ、直径を８ｃｍ、高さを２０ｃｍとし、前記冷却器５６は、外径を１１ｃｍとし、前記循環ポンプ５４はダイアフラム型ポンプを使用した。また、前記吸収材５８は、直径を７．５ｃｍ、厚さを１５ｃｍ、空孔率を８０％とし、約５００ｍｌの生成水を収容可能な市販のナイロン製不織布を使用し、前記連通孔６０の内径を４ｍｍとした。
【００３１】
なお、前記凝縮器５３の別の例としては、図１３に示すように、前記吸収材５８と、吸水性は良くないがガス流通性の良い多孔質材６５とを交互に積層し、前記吸収材５８の任意の位置に前記連通孔６０を穿設させた凝縮器６６を使用してもよい。この場合には、酸素がより広範囲に拡散し、より良好な凝縮性能を発揮することができる。
【００３２】
また、図１４に示すように、凝縮器６６’を、冷却装置６７と、凝縮水収容装置６８とに分離してもよい。この場合には、前記冷却装置６７において酸素排ガス中の水蒸気が凝縮し、その凝縮により発生した生成水が前記凝縮水収容装置６８に収容される。すなわち、生成水の凝縮機能と収容機能とが分離されるので、生成水の収容量を増やすために前記容器５５の外径を大きくしても、冷却効率が低下することはなく、生成水の凝縮をより効率的に行うことが可能となる。
【００３３】
さらに、図１５に示すように、前記凝縮器６６の容器５５の内面に沿って上下に摺動可能なピストン部６９を前記吸収材５８の上方に設けてもよく、前記ピストン部６９は、所定間隔で、前記吸収材５８、多孔質材６５を上方から圧縮し、前記吸収材５８に収容された生成水を絞り出し、その生成水を排水口７０から外部に強制的に排出させる（図１５（ｂ）参照）。そして、生成水の排出後、前記ピストン部６９は元の位置まで上昇し、前記吸収材５８及び多孔質材６５は自らの復元力で元の状態に戻る（図１５（ａ）参照）。この場合の生成水を前記凝縮器６６外部へ排出する間隔は、前記凝縮器６６の生成水収容量と前記電池スタック２１の単電池積層数及び発電電気量とに基づいて決定される。また、生成水収容量は、理論的に次式
生成水収容量（g）＝電流（Ａ）×通電時間（秒）／Ｆ×９（ｇ）×電池スタック数
（ここで、Ｆはファラデー定数で、９６５００クーロン（Ａ・秒）、９（ｇ）は１ファラデーで生成する水の質量を示す）
により算出できるので、電流値、通電時間が任意に変わっても個別に上記式を適用して各生成水収容量を求め、それらを累積計算することで全体の生成水収容量を求めることができる。従って、生成水収容量を前記凝縮器６６の生成水収容限界量以内に設定することにより継続運転が可能となる。すなわち、この場合には、生成水の排出間隔を適切に設定することにより、燃料電池の発電作用を妨げることなく、大電流での発電を行うことが可能になる。
【００３４】
また、前記凝縮器６６は、複数系統、例えば、図１６及び図１７に示すように、２系統設けてもよい。この場合には、前記凝縮器６６，６６の上流側に制御弁７１を設け、図１６のように、それぞれの凝縮器６６，６６を独立して動作させたり、或いは、図１７のように、一方の凝縮器６６のピストン部６９が動作している間は他方の凝縮器６６に酸素排ガスが流れるように制御したりすることにより、酸素排ガス中の蒸気を連続的に凝縮させ、生成水を除去することができる。
【００３５】
さらに、図１８に示すように、前記凝縮器６６を迂回するバイパス管７２を設け、前記凝縮器６６において生成水の排出動作が行われている間、好ましくは短時間、前記凝縮器６６を通過させずに酸素排ガスを直接前記電池スタック２１に戻すようにしてもよい（図１８（ｂ）参照）。
【００３６】
さらにまた、上記実施の形態においては、前記吸収材５８はナイロン製不織布を使用しているが、レーヨン、天然繊維等の織布、不織布等、吸水性の良好な材料を適宜選択可能であり、また、前記冷却器５６の冷媒としては、水、アンモニア水、エチレングリコール、ミネラルオイル等を使用環境に応じて適宜使用可能である。また、酸素排ガスが冷却されやすいように前記吸収材５８を収納した前記容器５５の内壁に凹凸を設けて熱伝導面積を大きくしてもよい。
【００３７】
図１９には、上記した第１の実施の形態の場合と同一仕様の電池スタック２１を、運転温度を６５℃、電流を３０Ａ、酸素循環率を４とし、前記冷却装置６７と凝縮水収容装置６８とに分離されたタイプの凝縮器６６’（図１４参照）を冷却冷媒に水を用いて運転させ、冷却水温度を２０℃、４０℃、５５℃、６５℃、７５℃、８５℃と変えた場合の平均単電池電圧の出力を測定した結果が示されている。これによると、冷却水温度を２０℃にした場合には、電解質膜の乾燥により徐々に電池電圧の低下が生じ、また、冷却水温度を８５℃にした場合には、電解質膜が濡れすぎて近接する触媒層やその外部にあるセパレータまで濡れてしまい、反応ガスの電解質膜への拡散が阻害される、いわゆるフラッディング現象が発生し、電池電圧の低下が生じたが、その他の温度では顕著な電圧低下減少は観察されなかった。すなわち、冷却水温度を電池の運転温度の−３０℃〜＋１０℃に設定すれば、比較的良好な経時特性が得られることが判明した。さらに、経験的に循環率が大きい場合には高めの温度に、循環率が小さい場合には低めの温度に設定するのが好ましいことも分かった。
【００３８】
以下、本発明の実施の形態に係る固体高分子電解質形燃料電池の作用を説明する。
【００３９】
本実施の形態に係る固体高分子電解質形燃料電池においても、上記した第１の実施の形態と同様に、好ましくは、燃料として純水素、酸化剤として純酸素が使用され、前記電池スタック２１内に供給された純水素及び純酸素は前記水素イオン電解質膜２２に沿って互いに対向する向きに流れ、電力を発生させる。この場合、前記水素排出口２９は閉塞されているので、純水素のガス利用率はほぼ１００％となる。また、純酸素は、純水素と反応後、前記流量制御手段により所定流量に制御され、前記酸素排出口２８、閉循環路５２、ガス導入口６１を通って前記凝縮器５３に流入する。該凝縮器５３に流入した純酸素排ガスは、前記冷却器５６により所定温度に冷却され、純酸素排ガス中の水蒸気は凝縮し、生成水が発生する。そして、該生成水は、純酸素が前記連通孔６０を通過する間に、前記吸収材５８に吸収される。前記凝縮器５３を通過し、前記ガス排出口６２を通って前記凝縮器５３外部に排出された純酸素は、前記循環ポンプ５４により圧送され、前記閉循環路５２から前記酸素供給管５１に流入し、純酸素供給源からの純酸素と合流した後、再び、前記酸素供給口３０を通って前記電池スタック２１の酸化剤極２４側に戻る。
【００４０】
このように、前記水素排出口２９を閉塞すると共に、前記酸化剤極２４側に前記閉循環路５２を形成することにより、水素及び酸素のガス利用率はそれぞれほぼ１００％となる。また、酸素の循環量や温度を制御することにより、酸素と水素の反応により発生した生成水の電池スタック２１内部への蓄積を防ぎつつ、前記電解質膜の湿度を所定範囲に保持することが可能となる。
【００４１】
また、発電時に発生した生成水は凝縮器に収容され、その流量が適正に制御されるので、生成水が前記電解質膜上に蓄積したり、フラッディング現象が発生したりすることがなく、効率よく発電を行うことが可能になる。さらに、前記凝縮器５３，６６の吸収材５８に収容された水は、宇宙のような閉鎖環境では飲料水として使用することが可能となるし、電気分解することにより水素と酸素を生成することにより、再度発電に利用することもできる。
【００４２】
さらに、上記した凝縮器５３，６６，６６’によれば、大電流で発電を行った際に大量に発生する生成水をも効率よく除去することができ、発電性能を維持することが可能なる。また、前記凝縮器５３，６６，６６’に吸収材５８を設けることにより、特に、宇宙のような微小重力下においても、前記凝縮器５３，６６，６６’内で生成水が浮遊したりすることがなく、安定した発電を行うことができる。
【００４３】
さらにまた、前記凝縮器５３，６６，６６’の冷媒温度を適宜制御し、閉循環路５２を通って電池スタック２１に再供給される循環ガスの蒸気圧を調節し、所望の湿度を含んだ循環ガスを電池スタック２１に再供給しているので、前記凝縮器５３，６６，６６’で取り除く生成水量と、循環させるガスの循環量とをバランス良く制御することができる。したがって、前記電池スタック２１内の水が過剰に除かれ、前記電解質膜２２が乾燥し、水素イオンの伝導を阻害するドライアウト現象を発生させることはなく、電池性能を向上させることが可能となる。
【００４４】
また、酸化剤ガスとして酸素を使用しているため、ガス循環により供給ガスを１００％利用することが可能である。また、循環率を調整することにより、任意に生成水の割合を変えることができるため、燃料電池の運転温度の許容範囲を広くとることが可能となる。常圧下、ガス循環率２で燃料電池を運転した場合、運転温度は上限８７℃まで許容することが可能になる。
【００４５】
なお、上記実施の形態では、前記酸化剤２４極側に前記閉循環路５２を設けているが、該閉循環路５２は前記燃料極２３、酸化剤極２４のいずれか側、又は両側に設けてもよいが、好ましくは、少なくとも生成水が生ずる側、すなわち、前記水素イオン電解質膜２２を用いる場合には酸化剤極２４側、水酸イオン、炭酸イオン等の電解質膜を用いる場合には燃料極２３側に設けるのがよい。
【００４６】
また、図２０に示されているように、前記酸素供給源は前記凝縮器５３の入口側に接続してもよい。この場合の酸素循環量と電池特性の関係も、上記実施の形態の場合と同様な結果が得られたが、反応により消費される酸素の補給が前記凝縮器５３を経由してなされるので、前記電池スタック２１内への循環ガスの湿度制御をより実施しやすいという利点を有している。また、前記凝縮器５３の温度は５〜１０℃下げて運転が可能である。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べた如く本発明によれば、燃料極側に供給された気体と酸化剤極側に供給された気体の電池スタック内での全体的な流れの向きが互いに対向するように設けられ、固体高分子電解質膜を介して酸素側と水素側間で水分の相互移動が行われるため、加湿器を設けることなく、固体高分子電解質膜内の水分保有領域が拡大され、良好な電池特性を得ることができる。
【００４８】
また、加湿器を設ける必要がないため、燃料電池の小型化、軽量化が図れ、さらに、閉循環路を形成したり、電池スタックからの気体排出口を閉塞したりすることにより、燃料極側及び酸素極側の気体の利用率の向上を図ることができる。
【００４９】
さらにまた、閉循環路内の循環ガスの流量や温度を制御し、電池スタック内の湿度を制御することにより、電池性能の向上、運転コストの低減化、高出力発電を可能にする等種々の優れた効果を発揮する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す概略図である。
【図２】（ａ）は本実施の形態におけるセパレータの表面側を示す平面図、（ｂ）は該セパレータの裏面側を示す平面図である。
【図３】本実施の形態における電池スタック内での水移動モデルを示す説明図である。
【図４】電池スタック内での酸素と水素の並行流を示す説明図である。
【図５】本実施の形態における電池スタック内での酸素と水素の対向流を示す説明図である。
【図６】ガスの流れ方向の違いによる電圧−電流特性を示す図である。
【図７】（ａ）は本実施の形態におけるセパレータの表面側を示す平面図、（ｂ）は該セパレータの裏面側を示す平面図である。
【図８】電解質膜の厚さの違いによる電圧−電流特性を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態を示す概略図である。
【図１０】本実施の形態において、循環率の違いによる電池電圧の経時変化を示す図である。
【図１１】本実施の形態において、循環率が４の場合の電池電圧の経時変化を示す図である。
【図１２】本実施の形態における凝縮器を示す概略図である。
【図１３】本実施の形態における凝縮器の別の例を示す概略図である。
【図１４】本実施の形態における凝縮器のさらに別の例を示す概略図である。
【図１５】（ａ）は凝縮器で生成水を吸収している状態を示す概略図であり、（ｂ）は凝縮器に吸収された生成水を絞り出している状態を示す概略図である。
【図１６】本実施の形態において、凝縮器を並列に設置した場合を示す概略図である。
【図１７】本実施の形態において、凝縮器を並列に設置した場合を示す概略図である。
【図１８】（ａ）は凝縮器で生成水を吸収している状態を示す概略図であり、（ｂ）は凝縮器が吸収された生成水を絞り出していると共に酸素が凝縮器を迂回している状態を示す概略図である。
【図１９】本実施の形態において、冷却水温度の違いによる電池電圧の経時変化を示す図である。
【図２０】本実施の形態の別の例を示す概略図である。
【図２１】従来例を示す概略図である。
【符号の説明】
２１電池スタック
２２水素イオン電解質膜
２３燃料極
２４酸化剤極
２７水素供給口
２８酸素排出口
２９水素排出口
３０酸素供給口
５１酸素供給管
５２閉循環路
５３凝縮器
５６冷却器
５８吸収材
６０連通孔
６６凝縮器
６７冷却装置
６８凝縮水収容装置
６９ピストン部
７２バイパス管

Claims

固体高分子電解質膜を挟んで燃料極と酸化剤極が設けられ、前記燃料極側に供給された燃料ガスとしての純水素と前記酸化剤極側に供給された酸化剤ガスとしての純酸素との電気化学的反応により電力を発生する単電池を積層させた電池スタックを備えた固体高分子電解質形燃料電池であって、
前記燃料極側に供給された前記燃料ガスと前記酸化剤極側に供給された前記酸化剤ガスの前記電池スタック内でのそれぞれの流れの向きが互いに対向するように設けられ、前記酸化極側で発生した生成水の前記燃料極と前記酸化剤極間での相互移動により、前記固体高分子電解質膜の水分保有領域が拡大されるように構成されており、
前記水素燃料ガスおよび酸化剤ガスはそれぞれの貯蔵・供給源から無加湿で電池スタックに供給されるようになっており、
酸化剤ガスの供給源から酸化剤ガス供給管を通じて酸化剤極側へ酸化剤ガスを供給すると共に、酸化剤極側からの気体の排出路を凝縮器に接続し、前記凝縮器の出口側を前記酸化剤ガス供給管に合流させて、閉循環路を形成しており、
前記凝縮水を収容する手段は凝縮水を吸収する手段を備えており、
前記凝縮器は、前記吸収手段を圧縮し、該吸収手段に吸収された凝縮水を前記凝縮器外へ強制的に排出させる凝縮水排出手段を備えていることを特徴とする固体高分子電解質形燃料電池。
前記閉循環路が設けられていない側の気体の排出口を閉塞した請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記凝縮器で凝縮した凝縮水を収容する手段を備えている請求項１または２に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記凝縮器の冷却媒体の温度を燃料電池の温度の−３０℃〜＋１０℃の範囲に制御するための温度制御手段を備えている請求項１又は２に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記閉循環路を循環するガス量を、電力発生時に電気化学的に必要とされる理論ガス量の２〜１０倍に制御するための流量制御手段を備えている請求項１又は２に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記固体高分子電解質膜の厚さは、１０〜５０ミクロンである請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記凝縮器は、前記循環ガスが前記吸収手段に接触しながら円滑に流通する流通手段をさらに備えている請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記凝縮器は、前記循環ガスを冷却する冷却手段と、該冷却手段で凝縮した水を収容する手段とを備え、該収容手段は前記冷却手段と分離して設けられている請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記吸収手段は、圧縮後、復元可能なように構成されている請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記凝縮水排出手段の作動間隔は、前記収容手段の生成水収容量と前記電池スタックの単電池積層数と発電電気量とに基づいて制御されるように構成されている請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
複数の前記凝縮器が並列に設けられている請求項１に記載の固体高分子電解質形燃料電池。
前記閉循環路に前記凝縮器を迂回するバイパス路が設けられている請求項１または２に記載の固体高分子電解質形燃料電池。