JPH0864218A - 固体高分子電解質型燃料電池の運転方法 - Google Patents
固体高分子電解質型燃料電池の運転方法Info
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- JPH0864218A JPH0864218A JP6200398A JP20039894A JPH0864218A JP H0864218 A JPH0864218 A JP H0864218A JP 6200398 A JP6200398 A JP 6200398A JP 20039894 A JP20039894 A JP 20039894A JP H0864218 A JPH0864218 A JP H0864218A
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
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Abstract
(57)【要約】
【目的】固体高分子電解質膜が過剰に乾燥したり濡れた
りすることがなく始動が容易な固体高分子電解質型燃料
電池を得る。 【構成】固体高分子電解質型燃料電池２１の燃料極２２
と空気極２３に加湿器２４，２５を介して加湿された燃
料ガスと空気の反応ガスをそれぞれ供給する際に加湿器
２４，２５を固体高分子電解質型燃料電池からの排出反
応ガスと熱交換させて加熱する。
りすることがなく始動が容易な固体高分子電解質型燃料
電池を得る。 【構成】固体高分子電解質型燃料電池２１の燃料極２２
と空気極２３に加湿器２４，２５を介して加湿された燃
料ガスと空気の反応ガスをそれぞれ供給する際に加湿器
２４，２５を固体高分子電解質型燃料電池からの排出反
応ガスと熱交換させて加熱する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は固体高分子電解質型燃
料電池の運転方法に係り、特に加湿器の温度制御方法に
関する。
料電池の運転方法に係り、特に加湿器の温度制御方法に
関する。
【０００２】
【従来の技術】固体高分子電解質型燃料電池は固体高分
子電解質膜の二つの主面にそれぞれ電極であるアノード
とカソードを配して形成される。アノードまたはカソー
ドの各電極は電極基材上に電極触媒層を配している。固
体高分子電解質膜はスルホン酸基を持つポリスチレン系
の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜として使用したも
の、フロロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフロラ
イドの混合膜、あるいはフロロカーボンマトリックスに
トリフロロエチレンをグラフト化したものなどが知られ
ているが最近ではパーフロロカーボンスルホン酸膜を用
いて燃料電池の長寿命化を図ったものが知られるに至っ
た。
子電解質膜の二つの主面にそれぞれ電極であるアノード
とカソードを配して形成される。アノードまたはカソー
ドの各電極は電極基材上に電極触媒層を配している。固
体高分子電解質膜はスルホン酸基を持つポリスチレン系
の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜として使用したも
の、フロロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフロラ
イドの混合膜、あるいはフロロカーボンマトリックスに
トリフロロエチレンをグラフト化したものなどが知られ
ているが最近ではパーフロロカーボンスルホン酸膜を用
いて燃料電池の長寿命化を図ったものが知られるに至っ
た。
【０００３】固体高分子電解質膜は分子中にプロトン
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノード（燃料極）またはカソード（空
気極）の電極においては三相界面が形成され電気化学反
応が起こる。
（水素イオン）交換基を有し、飽和に含水させることに
より常温で２０Ω・ｃｍ以下の比抵抗を示しプロトン導
電性電解質として機能する。飽和含水量は温度によって
可逆的に変化する。電極基材は多孔質体で燃料電池の反
応ガス供給手段または反応ガス排出手段および集電体と
して機能する。アノード（燃料極）またはカソード（空
気極）の電極においては三相界面が形成され電気化学反
応が起こる。
【０００４】アノードでは（１）式の反応が起こる。 Ｈ2 ＝２Ｈ+ ＋２ｅ （１） カソードでは（２）式の反応が起こる。 １／２Ｏ2 ＋２Ｈ+ ＋２ｅ＝Ｈ2 Ｏ （２） つまりアノードにおいては系の外部より供給された水素
がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオ
ン交換膜中をカソードに向かって移動し電子は外部回路
を通ってカソードに移動する。一方カソードにおいては
系の外部より供給された酸素とイオン交換膜中をアノー
ドより移動してきたプロトンと外部回路より移動してき
た電子が反応し、水を生成する。
がプロトンと電子を生成する。生成したプロトンはイオ
ン交換膜中をカソードに向かって移動し電子は外部回路
を通ってカソードに移動する。一方カソードにおいては
系の外部より供給された酸素とイオン交換膜中をアノー
ドより移動してきたプロトンと外部回路より移動してき
た電子が反応し、水を生成する。
【０００５】図５は固体高分子電解質型燃料電池を示す
断面図である。電極基材の上に電極触媒層が積層されて
燃料極２または空気極３が構成される。電極２または３
は固体高分子電解質膜（固体高分子膜，高分子膜ともい
う）１の両主面にホットプレスにより密着して配置され
る。電極の配置された固体高分子電解質膜１は集電子
４，５を介してガスセパレータ８，９により挟持され
る。集電子４，５を介してガスセパレータ８，９は図示
しないが冷却水を通流させるための冷却水通路が設けら
れる。集電子４の内部には燃料通路６が設けられて燃料
ガスが、また集電子５の内部には空気通路７が設けられ
て酸化剤ガスである空気が流される。ガスセパレータ
８，９は酸化剤ガスと燃料ガスを相互に分離する。
断面図である。電極基材の上に電極触媒層が積層されて
燃料極２または空気極３が構成される。電極２または３
は固体高分子電解質膜（固体高分子膜，高分子膜ともい
う）１の両主面にホットプレスにより密着して配置され
る。電極の配置された固体高分子電解質膜１は集電子
４，５を介してガスセパレータ８，９により挟持され
る。集電子４，５を介してガスセパレータ８，９は図示
しないが冷却水を通流させるための冷却水通路が設けら
れる。集電子４の内部には燃料通路６が設けられて燃料
ガスが、また集電子５の内部には空気通路７が設けられ
て酸化剤ガスである空気が流される。ガスセパレータ
８，９は酸化剤ガスと燃料ガスを相互に分離する。
【０００６】このような固体高分子電解質型燃料電池は
固体高分子電解質のイオン伝導性が高いために従来のリ
ン酸型の燃料電池に比し高い出力密度の電池となる。ま
たこの燃料電池はその定常運転温度が一般的に６０ない
し１００℃であるために室温付近におけるイオン伝導率
が他の燃料電池程低くなく室温からも負荷運転できる特
徴を持っている。
固体高分子電解質のイオン伝導性が高いために従来のリ
ン酸型の燃料電池に比し高い出力密度の電池となる。ま
たこの燃料電池はその定常運転温度が一般的に６０ない
し１００℃であるために室温付近におけるイオン伝導率
が他の燃料電池程低くなく室温からも負荷運転できる特
徴を持っている。
【０００７】固体高分子電解質膜１はその内部に水を包
含しており、電解質として機能するばかりでなく燃料ガ
スと酸化剤ガスが相互に混合するクロスリークを防止す
る。しかしながら上述のような従来の固体高分子電解質
型燃料電池にあっては固体高分子電解質膜の伝導性は膜
の湿潤性に大きく左右されるために乾燥空気にさらされ
ると膜が乾燥して導電性が悪くなる。即ちこの燃料電池
では乾燥した反応ガスが供給されると、高分子膜の乾燥
により、イオン導電率の低下による内部抵抗の増大によ
り、燃料電池の特性が低下する。
含しており、電解質として機能するばかりでなく燃料ガ
スと酸化剤ガスが相互に混合するクロスリークを防止す
る。しかしながら上述のような従来の固体高分子電解質
型燃料電池にあっては固体高分子電解質膜の伝導性は膜
の湿潤性に大きく左右されるために乾燥空気にさらされ
ると膜が乾燥して導電性が悪くなる。即ちこの燃料電池
では乾燥した反応ガスが供給されると、高分子膜の乾燥
により、イオン導電率の低下による内部抵抗の増大によ
り、燃料電池の特性が低下する。
【０００８】この乾燥状態が継続されると、高分子膜の
体積減少により、高分子膜と電極，電極と集電子間の電
気的接触がわるくなり、燃料電池の特性が低下する。従
って固体高分子電解質型燃料電池においては反応ガスを
加湿して供給している。図６は従来の加湿器を含む固体
高分子電解質型燃料電池を示す配置図である。この加湿
器１２，１２Ａは水中に反応ガスを通過して加湿するも
のである。加湿器は一定の温度に制御されており所定の
飽和蒸気圧の反応ガスが燃料電池のセル２１に供給され
る。加湿器１２，１２Ａの温度は温度調節器１１，１３
により温度Ｔ1,Ｔ2 に制御される。
体積減少により、高分子膜と電極，電極と集電子間の電
気的接触がわるくなり、燃料電池の特性が低下する。従
って固体高分子電解質型燃料電池においては反応ガスを
加湿して供給している。図６は従来の加湿器を含む固体
高分子電解質型燃料電池を示す配置図である。この加湿
器１２，１２Ａは水中に反応ガスを通過して加湿するも
のである。加湿器は一定の温度に制御されており所定の
飽和蒸気圧の反応ガスが燃料電池のセル２１に供給され
る。加湿器１２，１２Ａの温度は温度調節器１１，１３
により温度Ｔ1,Ｔ2 に制御される。
【０００９】図７は従来の散水型の加湿器を示す配置図
である。加湿タンク１４に収納された補給水はポンプ１
５により汲み上げられて加湿器１６の上部から散水され
る。反応ガスは所定の水蒸気圧に加湿されて燃料電池に
供給される。加湿量の制御は従来加湿器の温度を所定の
温度に設定することにより行われた
である。加湿タンク１４に収納された補給水はポンプ１
５により汲み上げられて加湿器１６の上部から散水され
る。反応ガスは所定の水蒸気圧に加湿されて燃料電池に
供給される。加湿量の制御は従来加湿器の温度を所定の
温度に設定することにより行われた
【００１０】。
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な従来の加湿方法では例えば水温を７０℃に制御した場
合は運転温度を室温から上昇させると加湿量が高すぎる
ためにセル内部で水蒸気が凝縮し、電極中の触媒層が水
で濡れて電極反応が円滑に進行しなくなる。また室温か
らの運転に備えて、加湿器の設定温度を低く設定すると
室温付近では問題はないがセルの温度が高くなると反応
ガスの加湿量が低く結果として乾燥したガスをセルに供
給することとなり、燃料電池の良好な始動ができないと
いう問題があった。加湿器の設定温度をセル温度に対応
して変化させる方法を採用したがセル運転が大変煩雑で
ある上に熱源として電気を利用するために電池により発
電したエネルギを消費することとなりエネルギの総合効
率が低下するという問題があった。
な従来の加湿方法では例えば水温を７０℃に制御した場
合は運転温度を室温から上昇させると加湿量が高すぎる
ためにセル内部で水蒸気が凝縮し、電極中の触媒層が水
で濡れて電極反応が円滑に進行しなくなる。また室温か
らの運転に備えて、加湿器の設定温度を低く設定すると
室温付近では問題はないがセルの温度が高くなると反応
ガスの加湿量が低く結果として乾燥したガスをセルに供
給することとなり、燃料電池の良好な始動ができないと
いう問題があった。加湿器の設定温度をセル温度に対応
して変化させる方法を採用したがセル運転が大変煩雑で
ある上に熱源として電気を利用するために電池により発
電したエネルギを消費することとなりエネルギの総合効
率が低下するという問題があった。
【００１１】この発明は上述の点に鑑みてなされ、その
目的は固体高分子電解質型燃料電池の運転における加湿
器の温度制御方法を改良して容易且つ安定した始動が可
能な上にエネルギ効率にも優れる固体高分子電解質型燃
料電池の運転方法を提供することにある。
目的は固体高分子電解質型燃料電池の運転における加湿
器の温度制御方法を改良して容易且つ安定した始動が可
能な上にエネルギ効率にも優れる固体高分子電解質型燃
料電池の運転方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】上述の目的はこの発明に
よれば固体高分子電解質膜と、電極と、ガスセパレータ
を有する固体高分子電解質型燃料電池に加湿器を介して
加湿された燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスをそれぞれ
供給する固体高分子電解質型燃料電池の運転方法におい
て、加湿器を固体高分子電解質型燃料電池からの排熱媒
体と熱交換させて加熱するとすることにより達成され
る。
よれば固体高分子電解質膜と、電極と、ガスセパレータ
を有する固体高分子電解質型燃料電池に加湿器を介して
加湿された燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスをそれぞれ
供給する固体高分子電解質型燃料電池の運転方法におい
て、加湿器を固体高分子電解質型燃料電池からの排熱媒
体と熱交換させて加熱するとすることにより達成され
る。
【００１３】この際に排熱媒体は固体高分子電解質型燃
料電池の排出ガスと冷却水のうちの少なくとも一つを用
いる。さらに排熱媒体は加湿器を通流する前の反応ガス
と、通流したあとの反応ガスの少なくとも一つと熱交換
させることが有効である。
料電池の排出ガスと冷却水のうちの少なくとも一つを用
いる。さらに排熱媒体は加湿器を通流する前の反応ガス
と、通流したあとの反応ガスの少なくとも一つと熱交換
させることが有効である。
【００１４】
【作用】加湿器を固体高分子電解質型燃料電池からの排
熱媒体と熱交換させて加熱すると加湿器の温度が燃料電
池の運転温度と連動することとなり反応ガス中の水蒸気
圧が固体高分子電解質からの水分の乾燥を防止するに必
要な最適の蒸気圧に常時制御される。
熱媒体と熱交換させて加熱すると加湿器の温度が燃料電
池の運転温度と連動することとなり反応ガス中の水蒸気
圧が固体高分子電解質からの水分の乾燥を防止するに必
要な最適の蒸気圧に常時制御される。
【００１５】加湿器の加熱に排熱を利用するので発電に
よる電気を消費しない。さらに排熱媒体は加湿器を通流
する前の反応ガスと、通流したあとの反応ガスの少なく
とも一つと熱交換させると排熱の利用の効率が促進され
る。
よる電気を消費しない。さらに排熱媒体は加湿器を通流
する前の反応ガスと、通流したあとの反応ガスの少なく
とも一つと熱交換させると排熱の利用の効率が促進され
る。
【００１６】
【実施例】次にこの発明の実施例を図面に基いて説明す
る。 実施例１ 図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃料
電池システムを示す構成図である。
る。 実施例１ 図１はこの発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃料
電池システムを示す構成図である。
【００１７】燃料極２２を通流した燃料ガスは加湿器２
４において熱交換し加湿器２４を加熱する。加湿器にお
いて燃料ガスは加熱された温度に対応する水蒸気圧の水
分を含む。空気極においても同様のことが起こる。この
ようにして反応ガスの水蒸気圧は燃料電池の運転温度に
対応した水蒸気圧となり反応ガスが乾燥したり過剰の水
分を含むことがなくなる。 実施例２ 図２はこの発明の異なる実施例に係る固体高分子電解質
型燃料電池システムを示す構成図である。
４において熱交換し加湿器２４を加熱する。加湿器にお
いて燃料ガスは加熱された温度に対応する水蒸気圧の水
分を含む。空気極においても同様のことが起こる。この
ようにして反応ガスの水蒸気圧は燃料電池の運転温度に
対応した水蒸気圧となり反応ガスが乾燥したり過剰の水
分を含むことがなくなる。 実施例２ 図２はこの発明の異なる実施例に係る固体高分子電解質
型燃料電池システムを示す構成図である。
【００１８】この場合は反応排ガスは加湿器と熱交換す
ることがない。排出反応ガスに替わって燃料電池の冷却
水が加湿器の加熱に利用される。冷却水は燃料ガスの加
湿器２６を経て空気極２３の加湿器２７へと循環する。
燃料ガスの加湿器２６は空気極２３の加湿器２７よりも
温度が高くなるので燃料ガス中の水蒸気圧は空気中の水
蒸気圧よりも高くなる。燃料極は空気極に比して水分が
少なくなるので上述のような水蒸気圧の分配は燃料電池
の運転を安定化する。 実施例３ 図３はこの発明のさらに異なる実施例に係る固体高分子
電解質型燃料電池システムを示す構成図である。
ることがない。排出反応ガスに替わって燃料電池の冷却
水が加湿器の加熱に利用される。冷却水は燃料ガスの加
湿器２６を経て空気極２３の加湿器２７へと循環する。
燃料ガスの加湿器２６は空気極２３の加湿器２７よりも
温度が高くなるので燃料ガス中の水蒸気圧は空気中の水
蒸気圧よりも高くなる。燃料極は空気極に比して水分が
少なくなるので上述のような水蒸気圧の分配は燃料電池
の運転を安定化する。 実施例３ 図３はこの発明のさらに異なる実施例に係る固体高分子
電解質型燃料電池システムを示す構成図である。
【００１９】この場合は排出ガスと冷却水の両方が加湿
器を加熱する。燃料極の加湿器２８は燃料排ガスにより
加熱されるが空気極の加湿器２９は空気排ガスと冷却水
により加熱される。この場合には排熱の利用効率がより
高まる。 実施例４ 図４はこの発明のさらに異なる実施例に係る固体高分子
電解質型燃料電池システムを示す構成図である。
器を加熱する。燃料極の加湿器２８は燃料排ガスにより
加熱されるが空気極の加湿器２９は空気排ガスと冷却水
により加熱される。この場合には排熱の利用効率がより
高まる。 実施例４ 図４はこの発明のさらに異なる実施例に係る固体高分子
電解質型燃料電池システムを示す構成図である。
【００２０】加湿器３０は前段の熱交換器３２と後段の
熱交換器３３を有する。加湿器３１は同様に前段の熱交
換器３４と後段の熱交換器３５を有する。前段の熱交換
器は反応ガス中の水分の凝結を防止する。後段の熱交換
器は反応ガスを予熱する。前段の熱交換器３２，３４と
後段の熱交換器３３，３５を設けると排熱利用の熱効率
が向上する。
熱交換器３３を有する。加湿器３１は同様に前段の熱交
換器３４と後段の熱交換器３５を有する。前段の熱交換
器は反応ガス中の水分の凝結を防止する。後段の熱交換
器は反応ガスを予熱する。前段の熱交換器３２，３４と
後段の熱交換器３３，３５を設けると排熱利用の熱効率
が向上する。
【００２１】
【発明の効果】この発明によれば加湿器を固体高分子電
解質型燃料電池からの排熱媒体と熱交換させて加熱する
ので加湿器の温度が燃料電池の運転温度と連動すること
となり反応ガス中の水蒸気圧が固体高分子電解質からの
水分の乾燥を防止するに必要な最適の蒸気圧に常時制御
され燃料電池の始動から定常運転への移行が滑らかに進
行し始動容易な固体高分子電解質型燃料電池が得られ
る。
解質型燃料電池からの排熱媒体と熱交換させて加熱する
ので加湿器の温度が燃料電池の運転温度と連動すること
となり反応ガス中の水蒸気圧が固体高分子電解質からの
水分の乾燥を防止するに必要な最適の蒸気圧に常時制御
され燃料電池の始動から定常運転への移行が滑らかに進
行し始動容易な固体高分子電解質型燃料電池が得られ
る。
【００２２】排熱媒体は加湿器を通流する前の反応ガス
と、通流したあとの反応ガスの少なくとも一つと熱交換
させると排熱の利用の効率が促進され電池駆動により得
られた電気エネルギを消費することがないことと相まっ
てエネルギ効率の高い固体高分子電解質型燃料電池が得
られる。
と、通流したあとの反応ガスの少なくとも一つと熱交換
させると排熱の利用の効率が促進され電池駆動により得
られた電気エネルギを消費することがないことと相まっ
てエネルギ効率の高い固体高分子電解質型燃料電池が得
られる。
【図１】この発明の実施例に係る固体高分子電解質型燃
料電池システムを示す構成図
料電池システムを示す構成図
【図２】この発明の異なる実施例に係る固体高分子電解
質型燃料電池システムを示す構成図
質型燃料電池システムを示す構成図
【図３】この発明のさらに異なる実施例に係る固体高分
子電解質型燃料電池システムを示す構成図
子電解質型燃料電池システムを示す構成図
【図４】この発明のさらに異なる実施例に係る固体高分
子電解質型燃料電池システムを示す構成図
子電解質型燃料電池システムを示す構成図
【図５】固体高分子電解質型燃料電池を示す断面図
【図６】従来の加湿器を含む固体高分子電解質型燃料電
池システムを示す構成図
池システムを示す構成図
【図７】従来の散水型の加湿器を示す配置図
１ 高分子膜 ２ 燃料極 ３ 空気極 ４ 集電子 ５ 集電子 ６ 燃料通路 ７ 空気通路 ８ ガスセパレータ ９ ガスセパレータ １０ セル １１ 温度調節器 １２ 加湿器 １２Ａ 加湿器 １３ 温度調節器 １４ 加湿タンク １５ ポンプ １６ 加湿器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 丸山 晋一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内
Claims (3)
- 【請求項１】固体高分子電解質膜と、電極と、ガスセパ
レータを有する固体高分子電解質型燃料電池に加湿器を
介して加湿された燃料ガスと酸化剤ガスの反応ガスをそ
れぞれ供給する固体高分子電解質型燃料電池の運転方法
において、加湿器を、固体高分子電解質型燃料電池から
の排熱媒体と熱交換させて加熱することを特徴とする固
体高分子電解質型燃料電池の運転方法。 - 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、排熱媒
体は固体高分子電解質型燃料電池の排出ガスと冷却水の
うちの少なくとも一つであることを特徴とする固体高分
子電解質型燃料電池の運転方法。 - 【請求項３】請求項１記載の燃料電池において、排熱媒
体は加湿器を通流する前の反応ガスと通流したあとの反
応ガスの少なくとも一つと熱交換するものであることを
特徴とする固体高分子電解質型燃料電池の運転方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6200398A JPH0864218A (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 固体高分子電解質型燃料電池の運転方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6200398A JPH0864218A (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 固体高分子電解質型燃料電池の運転方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0864218A true JPH0864218A (ja) | 1996-03-08 |
Family
ID=16423664
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6200398A Pending JPH0864218A (ja) | 1994-08-25 | 1994-08-25 | 固体高分子電解質型燃料電池の運転方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0864218A (ja) |
Cited By (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP0831543A1 (en) * | 1996-09-02 | 1998-03-25 | Honda Giken Kogyo Kabushiki Kaisha | Gas humidifying device for use with a fuel cell |
| WO2001048850A1 (en) * | 1999-12-24 | 2001-07-05 | Sanyo Electric Co., Ltd. | Fuel cell power generating system |
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1994
- 1994-08-25 JP JP6200398A patent/JPH0864218A/ja active Pending
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