JPH09180743A - 固体高分子形燃料電池 - Google Patents
固体高分子形燃料電池Info
- Publication number
- JPH09180743A JPH09180743A JP7334516A JP33451695A JPH09180743A JP H09180743 A JPH09180743 A JP H09180743A JP 7334516 A JP7334516 A JP 7334516A JP 33451695 A JP33451695 A JP 33451695A JP H09180743 A JPH09180743 A JP H09180743A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- fuel cell
- polymer electrolyte
- supplied
- condenser
- gas
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
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
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M2300/00—Electrolytes
- H01M2300/0017—Non-aqueous electrolytes
- H01M2300/0065—Solid electrolytes
- H01M2300/0082—Organic polymers
-
- 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
- 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
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】燃料電池本体に供給される反応ガスが簡便な構
成により的確に加湿される固体高分子形燃料電池を得
る。 【解決手段】燃料電池本体１１の燃料極１２より排出さ
れる水素系の排出ガス、および空気極１３より排出され
る酸素系の排出ガスの過半を、それぞれ凝縮器２５Ａ、
２５Ｂに通流させたのち、ポンプ１４Ａ、１４Ｂにおい
て、外部より供給される水素、あるいは酸素と合流さ
せ、再び燃料極１２と空気極１３とに供給する再循環回
路を構成し、温度コントローラ２０Ａ、２０Ｂにより凝
縮器２５Ａ、２５Ｂの温度を制御して、燃料極１２、空
気極１３に供給されるガスの水分量を制御する。
成により的確に加湿される固体高分子形燃料電池を得
る。 【解決手段】燃料電池本体１１の燃料極１２より排出さ
れる水素系の排出ガス、および空気極１３より排出され
る酸素系の排出ガスの過半を、それぞれ凝縮器２５Ａ、
２５Ｂに通流させたのち、ポンプ１４Ａ、１４Ｂにおい
て、外部より供給される水素、あるいは酸素と合流さ
せ、再び燃料極１２と空気極１３とに供給する再循環回
路を構成し、温度コントローラ２０Ａ、２０Ｂにより凝
縮器２５Ａ、２５Ｂの温度を制御して、燃料極１２、空
気極１３に供給されるガスの水分量を制御する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、固体高分子膜を
電解質層として用いる固体高分子形燃料電池に係わり、
特に燃料電池本体へ供給される反応ガスを加湿する構成
に関する。
電解質層として用いる固体高分子形燃料電池に係わり、
特に燃料電池本体へ供給される反応ガスを加湿する構成
に関する。
【０００２】
【従来の技術】図５は、固体高分子形燃料電池の基本構
成要素である単セルの一般的な構成を示す模式断面図で
ある。電解質層となるイオン導電性の高分子膜１の両主
面に、燃料極２と空気極３とが配され、さらに燃料極２
の外側の主面には燃料ガス流路６を備えた集電子４が、
また空気極３の外側の主面には空気流路７を備えた集電
子５が配設されており、ガスセパレータ８、９により隣
接する単セルとの間が分離されている。本構成におい
て、燃料ガス流路６および空気流路７に、それぞれ燃料
ガス、例えば水素と、空気あるいは酸素を通流させる
と、高分子膜１と燃料極２、空気極３との界面において
電気化学反応が生じ発電されることとなる。
成要素である単セルの一般的な構成を示す模式断面図で
ある。電解質層となるイオン導電性の高分子膜１の両主
面に、燃料極２と空気極３とが配され、さらに燃料極２
の外側の主面には燃料ガス流路６を備えた集電子４が、
また空気極３の外側の主面には空気流路７を備えた集電
子５が配設されており、ガスセパレータ８、９により隣
接する単セルとの間が分離されている。本構成におい
て、燃料ガス流路６および空気流路７に、それぞれ燃料
ガス、例えば水素と、空気あるいは酸素を通流させる
と、高分子膜１と燃料極２、空気極３との界面において
電気化学反応が生じ発電されることとなる。
【０００３】この固体高分子形燃料電池は、電解質層と
して用いられるイオン導電性の高分子膜１のイオン導電
率が高いため、従来のりん酸形燃料電池や溶融炭酸塩形
燃料電池などと比べて高出力密度を得ることができる。
また、本固体高分子形燃料電池では、定常運転温度は一
般的に 60 〜100 ℃程度であるが、室温付近におけるイ
オン導電率が他の燃料電池に比べて高く、室温から負荷
運転できるという特長がある。また、燃料ガスとして水
素を使用し、酸化剤ガスとして酸素を使用すれば、特に
高い出力密度が得られるので、据え置き用の燃料電池の
みならず移動用の燃料電池としても極めて効果的であ
る。
して用いられるイオン導電性の高分子膜１のイオン導電
率が高いため、従来のりん酸形燃料電池や溶融炭酸塩形
燃料電池などと比べて高出力密度を得ることができる。
また、本固体高分子形燃料電池では、定常運転温度は一
般的に 60 〜100 ℃程度であるが、室温付近におけるイ
オン導電率が他の燃料電池に比べて高く、室温から負荷
運転できるという特長がある。また、燃料ガスとして水
素を使用し、酸化剤ガスとして酸素を使用すれば、特に
高い出力密度が得られるので、据え置き用の燃料電池の
みならず移動用の燃料電池としても極めて効果的であ
る。
【０００４】この水素と酸素を用いる固体高分子形燃料
電池においては、水素と酸素を効果的に使用するため
に、電池本体より排出される排出ガスの過半を、外部よ
り供給される水素あるいは酸素と混合し、再び電池本体
へと供給して使用する再循環方式が一般的に用いられ
る。一方、高分子膜の導電性は膜の湿潤度に大きく影響
され、乾燥気体中に暴露されると、高分子膜の水分が蒸
発し、膜が乾燥して導電性が低下する。すなわち、反応
ガスである燃料ガスや酸素、空気等の酸化剤ガスを乾燥
した状態で供給すると、高分子膜が乾燥してイオン導電
率が低下し、これに伴って内部抵抗が増加し、燃料電池
特性が低下することとなる。さらに、この乾燥状態が促
進されると、高分子膜の体積の縮小が生じるので、高分
子膜１と燃料極２あるいは空気極３との間、燃料極２と
集電子４との間、空気極３と集電子５との間の接触が悪
くなり、電極反応の不良や集電の不良を引き起こして、
燃料電池としての機能を果たさなくなる。したがって、
従来の固体高分子形燃料電池においては、これらの事態
の発生を防止するために、反応ガスの供給回路に加湿器
を組み込み、加湿して供給する方法が採られている。
電池においては、水素と酸素を効果的に使用するため
に、電池本体より排出される排出ガスの過半を、外部よ
り供給される水素あるいは酸素と混合し、再び電池本体
へと供給して使用する再循環方式が一般的に用いられ
る。一方、高分子膜の導電性は膜の湿潤度に大きく影響
され、乾燥気体中に暴露されると、高分子膜の水分が蒸
発し、膜が乾燥して導電性が低下する。すなわち、反応
ガスである燃料ガスや酸素、空気等の酸化剤ガスを乾燥
した状態で供給すると、高分子膜が乾燥してイオン導電
率が低下し、これに伴って内部抵抗が増加し、燃料電池
特性が低下することとなる。さらに、この乾燥状態が促
進されると、高分子膜の体積の縮小が生じるので、高分
子膜１と燃料極２あるいは空気極３との間、燃料極２と
集電子４との間、空気極３と集電子５との間の接触が悪
くなり、電極反応の不良や集電の不良を引き起こして、
燃料電池としての機能を果たさなくなる。したがって、
従来の固体高分子形燃料電池においては、これらの事態
の発生を防止するために、反応ガスの供給回路に加湿器
を組み込み、加湿して供給する方法が採られている。
【０００５】図６は、従来の固体高分子形燃料電池の反
応ガス供給回路の基本構成の一例を示すフロー図であ
る。本構成においては、燃料電池本体１１の燃料極１２
より排出された排出ガスの過半は、凝縮器１５Ａへと送
られて過剰の水分を除去されたのち、ポンプ１４Ａにお
いて加湿器１６Ａで加湿されて供給される水素と合流
し、再び燃料電池本体１１の燃料極１２へと送られる。
同様に、空気極１３より排出された排出ガスの過半は、
凝縮器１５Ｂへと送られて過剰の水分を除去されたの
ち、ポンプ１４Ｂにおいて加湿器１６Ｂで加湿されて供
給される酸素と合流し、再び燃料電池本体１１の空気極
１３へと送られる。本構成において用いられる加湿器１
６Ａ、１６Ｂには、反応ガスを水中を通して通流させ加
湿する方式の加湿器や、反応ガスに水を散水して加湿す
る方式の加湿器などが用いられる。
応ガス供給回路の基本構成の一例を示すフロー図であ
る。本構成においては、燃料電池本体１１の燃料極１２
より排出された排出ガスの過半は、凝縮器１５Ａへと送
られて過剰の水分を除去されたのち、ポンプ１４Ａにお
いて加湿器１６Ａで加湿されて供給される水素と合流
し、再び燃料電池本体１１の燃料極１２へと送られる。
同様に、空気極１３より排出された排出ガスの過半は、
凝縮器１５Ｂへと送られて過剰の水分を除去されたの
ち、ポンプ１４Ｂにおいて加湿器１６Ｂで加湿されて供
給される酸素と合流し、再び燃料電池本体１１の空気極
１３へと送られる。本構成において用いられる加湿器１
６Ａ、１６Ｂには、反応ガスを水中を通して通流させ加
湿する方式の加湿器や、反応ガスに水を散水して加湿す
る方式の加湿器などが用いられる。
【０００６】図７は、従来の固体高分子形燃料電池の反
応ガス供給回路の基本構成の他の例を示すフロー図であ
る。本構成においては、燃料極１２より排出された排出
ガスの過半は、凝縮器１５Ａで過剰の水分を除去された
のち、ポンプ１４Ａにおいて外部より送られる水分量の
微量な水素と合流し、加湿器１６Ａで加湿されて再び燃
料極１２へと送られる。同様に、空気極１３より排出さ
れた排出ガスの過半も、ポンプ１４Ｂにおいて外部より
供給された水分量の微量な酸素と合流したのち、加湿器
１６Ｂで加湿され空気極１３へと送られる。この構成に
おいて用いられる加湿器１６Ａ、１６Ｂは、圧力損失が
少ないことが必要となるので、水分を透過する膜の片面
に水を通流させ、その反対面に反応ガスを送って加湿す
る膜加湿方式が一般的に用いられている。
応ガス供給回路の基本構成の他の例を示すフロー図であ
る。本構成においては、燃料極１２より排出された排出
ガスの過半は、凝縮器１５Ａで過剰の水分を除去された
のち、ポンプ１４Ａにおいて外部より送られる水分量の
微量な水素と合流し、加湿器１６Ａで加湿されて再び燃
料極１２へと送られる。同様に、空気極１３より排出さ
れた排出ガスの過半も、ポンプ１４Ｂにおいて外部より
供給された水分量の微量な酸素と合流したのち、加湿器
１６Ｂで加湿され空気極１３へと送られる。この構成に
おいて用いられる加湿器１６Ａ、１６Ｂは、圧力損失が
少ないことが必要となるので、水分を透過する膜の片面
に水を通流させ、その反対面に反応ガスを送って加湿す
る膜加湿方式が一般的に用いられている。
【０００７】これらの構成においては、加湿器１６Ａ、
１６Ｂの水の温度を制御することによって加湿量を制御
し、供給する反応ガスを飽和水蒸気圧の近傍まで加湿す
る方法が採られている。
１６Ｂの水の温度を制御することによって加湿量を制御
し、供給する反応ガスを飽和水蒸気圧の近傍まで加湿す
る方法が採られている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】上記のように、従来の
固体高分子形燃料電池では、反応ガスの供給回路に加湿
器を組み込み、反応ガスを加湿して供給することによ
り、高分子膜を湿潤に保持し、所定のイオン導電率を維
持させる方法が採られている。しかしながら、これらの
方法においては、装置に加湿器を組み込む必要があるの
で、装置全体が大きくなり、重量も重くなってしまうと
いう難点がある。また、組み込んだ加湿器に供給する加
湿水には、通常反応水が用いられているが、反応水の戻
し配管の組み込み、加湿水の流量制御が必要となり、配
管系統の構成が複雑となってしまうという欠点がある。
固体高分子形燃料電池では、反応ガスの供給回路に加湿
器を組み込み、反応ガスを加湿して供給することによ
り、高分子膜を湿潤に保持し、所定のイオン導電率を維
持させる方法が採られている。しかしながら、これらの
方法においては、装置に加湿器を組み込む必要があるの
で、装置全体が大きくなり、重量も重くなってしまうと
いう難点がある。また、組み込んだ加湿器に供給する加
湿水には、通常反応水が用いられているが、反応水の戻
し配管の組み込み、加湿水の流量制御が必要となり、配
管系統の構成が複雑となってしまうという欠点がある。
【０００９】本発明は、上記のごとき従来技術の難点を
解消し、燃料電池本体に供給される反応ガスが簡便な構
成により的確に加湿される固体高分子形燃料電池を提供
することを目的とする。
解消し、燃料電池本体に供給される反応ガスが簡便な構
成により的確に加湿される固体高分子形燃料電池を提供
することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明においては、 (1) 固体高分子膜を電解質層として用いる固体高分子形
燃料電池において、燃料電池本体から排出される排出ガ
スの少なくとも一部が、過剰な水分を除去する凝縮器に
通流されたのち、外部より供給される反応ガスと合流さ
れて、再び燃料電池本体へ供給される再循環回路を備
え、かつ、凝縮器に、通流するガスの温度を制御する温
度調整機能を備えることとし、燃料極へ供給される燃料
ガス系統と、空気極へ供給される酸化剤ガス系統とのう
ち、少なくともいずれか一方の系統に、上記の温度調整
機能を有する凝縮器を備えた再循環回路を備えることと
する。
めに、本発明においては、 (1) 固体高分子膜を電解質層として用いる固体高分子形
燃料電池において、燃料電池本体から排出される排出ガ
スの少なくとも一部が、過剰な水分を除去する凝縮器に
通流されたのち、外部より供給される反応ガスと合流さ
れて、再び燃料電池本体へ供給される再循環回路を備
え、かつ、凝縮器に、通流するガスの温度を制御する温
度調整機能を備えることとし、燃料極へ供給される燃料
ガス系統と、空気極へ供給される酸化剤ガス系統とのう
ち、少なくともいずれか一方の系統に、上記の温度調整
機能を有する凝縮器を備えた再循環回路を備えることと
する。
【００１１】(2) また、上記の固体高分子形燃料電池に
おいて、再循環回路に、温度調整機能を有する凝縮器を
通流した後の排出ガスを加熱し、露点以上に保持する機
能を有する熱交換器を備えることとし、例えば、燃料電
池本体から排出される排出ガスを加熱源として構成され
る熱交換器を備えることとする。 (3) さらに、上記の固体高分子形燃料電池において、凝
縮器を、外部より燃料電池本体へ供給される反応ガスを
冷媒として構成することとする。
おいて、再循環回路に、温度調整機能を有する凝縮器を
通流した後の排出ガスを加熱し、露点以上に保持する機
能を有する熱交換器を備えることとし、例えば、燃料電
池本体から排出される排出ガスを加熱源として構成され
る熱交換器を備えることとする。 (3) さらに、上記の固体高分子形燃料電池において、凝
縮器を、外部より燃料電池本体へ供給される反応ガスを
冷媒として構成することとする。
【００１２】上記(1) のごとくにすれば、温度を制御す
ることにより凝縮器を通流するガスの水分が制御され、
外部より供給される反応ガスと合流して燃料電池本体へ
供給されるガスの水分が制御されることとなるので、従
来のように加湿器を用いなくとも、所定の湿潤なガスを
燃料電池本体へ供給できる。また、(2) のごとくにすれ
ば、凝縮器を通流したガスが加熱され、ガスの露点が上
昇するので、供給されるガスの水分が凝縮する危険性が
なく、安定して湿潤なガスを燃料電池本体へ供給できる
こととなる。
ることにより凝縮器を通流するガスの水分が制御され、
外部より供給される反応ガスと合流して燃料電池本体へ
供給されるガスの水分が制御されることとなるので、従
来のように加湿器を用いなくとも、所定の湿潤なガスを
燃料電池本体へ供給できる。また、(2) のごとくにすれ
ば、凝縮器を通流したガスが加熱され、ガスの露点が上
昇するので、供給されるガスの水分が凝縮する危険性が
なく、安定して湿潤なガスを燃料電池本体へ供給できる
こととなる。
【００１３】また、(3) のごとくにすれば、凝縮器の冷
媒回路に冷却水を別途供給することなく、排気ガスを冷
却することができることとなる。
媒回路に冷却水を別途供給することなく、排気ガスを冷
却することができることとなる。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の固体高分子形燃
料電池の第１の実施の形態の反応ガス供給系の基本構成
を示すフロー図である。本構成は、水素と酸素を反応ガ
スとして使用する固体高分子形燃料電池の反応ガス供給
系で、 75 ℃の運転温度で用いられる燃料電池本体１１
の燃料極１２より排出される水素系の排出ガス、および
空気極１３より排出される酸素系の排出ガスの過半を、
それぞれ温度コントローラ２０Ａ、２０Ｂにより温度制
御される凝縮器２５Ａ、２５Ｂに通流させたのち、ポン
プ１４Ａ、１４Ｂにおいて、外部より供給される水分量
の微量な水素、あるいは酸素と合流させ、再び燃料極１
２と空気極１３とに供給する再循環回路を備えて構成さ
れている。
料電池の第１の実施の形態の反応ガス供給系の基本構成
を示すフロー図である。本構成は、水素と酸素を反応ガ
スとして使用する固体高分子形燃料電池の反応ガス供給
系で、 75 ℃の運転温度で用いられる燃料電池本体１１
の燃料極１２より排出される水素系の排出ガス、および
空気極１３より排出される酸素系の排出ガスの過半を、
それぞれ温度コントローラ２０Ａ、２０Ｂにより温度制
御される凝縮器２５Ａ、２５Ｂに通流させたのち、ポン
プ１４Ａ、１４Ｂにおいて、外部より供給される水分量
の微量な水素、あるいは酸素と合流させ、再び燃料極１
２と空気極１３とに供給する再循環回路を備えて構成さ
れている。
【００１５】本構成において、水素系の凝縮器２５Ａを
通流する再循環流量を外部より供給する流量の５倍と
し、凝縮器２５Ａを温度コントローラ２０Ａにより 65
℃に制御して運転するものとすれば、 65 ℃の飽和水蒸
気圧は 25.01 kPaであるので、燃料極１２に供給される
ガスの飽和水蒸気圧は、その 5/6の 20.84 kPaとなり、
露点は 62 ℃に制御されることとなる。同様に、酸素系
の凝縮器２５Ｂを通流する再循環流量を外部より供給す
る流量の４倍とし、凝縮器２５Ｂを温度コントローラ２
０Ｂにより 60 ℃に制御して運転するものとすれば、空
気極１３に供給されるガスの露点は 55 ℃に制御される
こととなる。
通流する再循環流量を外部より供給する流量の５倍と
し、凝縮器２５Ａを温度コントローラ２０Ａにより 65
℃に制御して運転するものとすれば、 65 ℃の飽和水蒸
気圧は 25.01 kPaであるので、燃料極１２に供給される
ガスの飽和水蒸気圧は、その 5/6の 20.84 kPaとなり、
露点は 62 ℃に制御されることとなる。同様に、酸素系
の凝縮器２５Ｂを通流する再循環流量を外部より供給す
る流量の４倍とし、凝縮器２５Ｂを温度コントローラ２
０Ｂにより 60 ℃に制御して運転するものとすれば、空
気極１３に供給されるガスの露点は 55 ℃に制御される
こととなる。
【００１６】図２は、本発明の固体高分子形燃料電池の
第２の実施の形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフ
ロー図である。本構成は、水素と空気を反応ガスとして
使用する固体高分子形燃料電池の反応ガス供給系で、空
気系は吹き抜け方式としているため加湿量が多いので従
来の加湿器を用いている。これに対して水素系は、第１
の実施の形態の水素系と同様に、排出ガスの過半を凝縮
器２５Ａに通流させ、凝縮器２５Ａを温度コントローラ
２０Ａにより温度制御して再循環させ、その水分量を制
御している。
第２の実施の形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフ
ロー図である。本構成は、水素と空気を反応ガスとして
使用する固体高分子形燃料電池の反応ガス供給系で、空
気系は吹き抜け方式としているため加湿量が多いので従
来の加湿器を用いている。これに対して水素系は、第１
の実施の形態の水素系と同様に、排出ガスの過半を凝縮
器２５Ａに通流させ、凝縮器２５Ａを温度コントローラ
２０Ａにより温度制御して再循環させ、その水分量を制
御している。
【００１７】本構成において、燃料電池本体１１を 75
℃の運転温度で使用し、水素系の凝縮器２５Ａを通流す
る再循環流量を外部より供給する流量の８倍とすると
き、凝縮器２５Ａを 70 ℃に制御して運転すれば、燃料
極１２に供給されるガスの飽和水蒸気圧は 27.70 kPaと
なり、露点は 67 ℃に制御される。また、 60 ℃に制御
して運転すれば、燃料極１２に供給されるガスの飽和水
蒸気圧は 17.25 kPaとなり、露点は 57 ℃に制御され
る。すなわち、凝縮器２５Ａの温度を温度コントローラ
２０Ａによって制御することにより、燃料極１２に供給
されるガスの露点が自由に制御でき、燃料電池本体１１
の運転温度以下の必要な加湿露点に調整して、所要の加
湿ガスを供給することができる。
℃の運転温度で使用し、水素系の凝縮器２５Ａを通流す
る再循環流量を外部より供給する流量の８倍とすると
き、凝縮器２５Ａを 70 ℃に制御して運転すれば、燃料
極１２に供給されるガスの飽和水蒸気圧は 27.70 kPaと
なり、露点は 67 ℃に制御される。また、 60 ℃に制御
して運転すれば、燃料極１２に供給されるガスの飽和水
蒸気圧は 17.25 kPaとなり、露点は 57 ℃に制御され
る。すなわち、凝縮器２５Ａの温度を温度コントローラ
２０Ａによって制御することにより、燃料極１２に供給
されるガスの露点が自由に制御でき、燃料電池本体１１
の運転温度以下の必要な加湿露点に調整して、所要の加
湿ガスを供給することができる。
【００１８】なお、本構成では空気系は吹き抜け方式と
しているが、第１の実施の形態の酸素系と同様に、空気
極１３より排出される排出ガスの過半を凝縮器に通流さ
せたのち、ポンプにおいて外部より供給される空気と合
流させ、再び空気極１３へと供給する再循環回路を備え
て構成し、凝縮器を温度コントローラにより温度制御し
て加湿量を制御する方式とすることもできる。
しているが、第１の実施の形態の酸素系と同様に、空気
極１３より排出される排出ガスの過半を凝縮器に通流さ
せたのち、ポンプにおいて外部より供給される空気と合
流させ、再び空気極１３へと供給する再循環回路を備え
て構成し、凝縮器を温度コントローラにより温度制御し
て加湿量を制御する方式とすることもできる。
【００１９】図３は、本発明の固体高分子形燃料電池の
第３の実施の形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフ
ロー図である。本構成は、水素と酸素を反応ガスとして
使用する固体高分子形燃料電池の反応ガス供給系で、図
１に示した第１の実施の形態との差異は、水素系の再循
環回路に、凝縮器２５Ａで冷却された排出ガスを加熱す
る熱交換器１７Ａが備えられ、さらに酸素系の再循環回
路に、凝縮器２５Ｂで冷却された排出ガスを加熱する熱
交換器１７Ｂが備えられている点にある。
第３の実施の形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフ
ロー図である。本構成は、水素と酸素を反応ガスとして
使用する固体高分子形燃料電池の反応ガス供給系で、図
１に示した第１の実施の形態との差異は、水素系の再循
環回路に、凝縮器２５Ａで冷却された排出ガスを加熱す
る熱交換器１７Ａが備えられ、さらに酸素系の再循環回
路に、凝縮器２５Ｂで冷却された排出ガスを加熱する熱
交換器１７Ｂが備えられている点にある。
【００２０】本構成を用いると、再循環されるガスの温
度が露点よりも高くなるので、含まれる水分が系内に凝
縮することなく供給され、加湿ガスが安定して供給でき
ることとなる。また、図に示した構成では、熱交換器１
７Ａ、１７Ｂは、燃料極１２と空気極１３から排出され
る高温の排出ガスを通流して加熱する方式としているの
で、特別に加熱源を設置する必要がなく、簡便に加熱す
ることができる。
度が露点よりも高くなるので、含まれる水分が系内に凝
縮することなく供給され、加湿ガスが安定して供給でき
ることとなる。また、図に示した構成では、熱交換器１
７Ａ、１７Ｂは、燃料極１２と空気極１３から排出され
る高温の排出ガスを通流して加熱する方式としているの
で、特別に加熱源を設置する必要がなく、簡便に加熱す
ることができる。
【００２１】図４は、本発明の固体高分子形燃料電池の
第４の実施の形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフ
ロー図である。本構成は、水素と酸素を反応ガスとして
使用する固体高分子形燃料電池の反応ガス供給系で、そ
の特徴は、外部から供給される水素を、水素系の再循環
回路に備えられた凝縮器２５Ａの冷却媒体として通流し
たのち燃料極１２へと供給し、同様に、外部から供給さ
れる酸素を、酸素系の再循環回路に備えられた凝縮器２
５Ｂの冷却媒体として通流したのち空気極１３へと供給
する構成とした点にある。気体による冷却効率は液体に
よるものに比べて一般的に劣るが、本反応ガス供給系で
凝縮器２５Ａ、２５Ｂに必要とされる冷却能力は小さ
く、本構成により所要の冷却を行うことができる。この
ように外部から供給される水素や酸素を冷却媒体として
用いることとすれば、特別に冷媒を供給する必要がなく
なり、簡便な系で所要の冷却を得ることができる。
第４の実施の形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフ
ロー図である。本構成は、水素と酸素を反応ガスとして
使用する固体高分子形燃料電池の反応ガス供給系で、そ
の特徴は、外部から供給される水素を、水素系の再循環
回路に備えられた凝縮器２５Ａの冷却媒体として通流し
たのち燃料極１２へと供給し、同様に、外部から供給さ
れる酸素を、酸素系の再循環回路に備えられた凝縮器２
５Ｂの冷却媒体として通流したのち空気極１３へと供給
する構成とした点にある。気体による冷却効率は液体に
よるものに比べて一般的に劣るが、本反応ガス供給系で
凝縮器２５Ａ、２５Ｂに必要とされる冷却能力は小さ
く、本構成により所要の冷却を行うことができる。この
ように外部から供給される水素や酸素を冷却媒体として
用いることとすれば、特別に冷媒を供給する必要がなく
なり、簡便な系で所要の冷却を得ることができる。
【００２２】なお、本構成では、水素系、酸素系の再循
環回路に熱交換器１７Ａ、１７Ｂを備えた反応ガス供給
系の場合について例示しているが、熱交換器１７Ａ、１
７Ｂを備えない場合についてもどうようの効果が得られ
ることは図示するまでもなく明らかであり、また水素
系、酸素系の再循環回路のいずれか一方にのみ用いても
効果的である。
環回路に熱交換器１７Ａ、１７Ｂを備えた反応ガス供給
系の場合について例示しているが、熱交換器１７Ａ、１
７Ｂを備えない場合についてもどうようの効果が得られ
ることは図示するまでもなく明らかであり、また水素
系、酸素系の再循環回路のいずれか一方にのみ用いても
効果的である。
【００２３】
【発明の効果】上述のように、本発明によれば、 (1) 固体高分子膜を電解質層として用いる固体高分子形
燃料電池において、燃料電池本体から排出される排出ガ
スの少なくとも一部が、過剰な水分を除去する凝縮器に
通流されたのち、外部より供給される反応ガスと合流さ
れて、再び燃料電池本体へ供給される再循環回路を備
え、かつ、凝縮器に、通流するガスの温度を制御する温
度調整機能を備えることとしたので、従来のように加湿
器を用いなくとも、燃料電池本体に供給される反応ガス
が簡便な構成により的確に加湿される固体高分子形燃料
電池が得られることとなった。
燃料電池において、燃料電池本体から排出される排出ガ
スの少なくとも一部が、過剰な水分を除去する凝縮器に
通流されたのち、外部より供給される反応ガスと合流さ
れて、再び燃料電池本体へ供給される再循環回路を備
え、かつ、凝縮器に、通流するガスの温度を制御する温
度調整機能を備えることとしたので、従来のように加湿
器を用いなくとも、燃料電池本体に供給される反応ガス
が簡便な構成により的確に加湿される固体高分子形燃料
電池が得られることとなった。
【００２４】(2) さらに、再循環回路に、温度調整機能
を有する凝縮器を通流した後の排出ガスを加熱し、露点
以上に保持する機能を有する熱交換器を備えることと
し、例えば、燃料電池本体から排出される排出ガスを加
熱源として構成される熱交換器を備えることとすれば、
ガスの水分が凝縮することなく安定して燃料電池本体へ
供給されることとなるので、より好適である。
を有する凝縮器を通流した後の排出ガスを加熱し、露点
以上に保持する機能を有する熱交換器を備えることと
し、例えば、燃料電池本体から排出される排出ガスを加
熱源として構成される熱交換器を備えることとすれば、
ガスの水分が凝縮することなく安定して燃料電池本体へ
供給されることとなるので、より好適である。
【００２５】(3) さらに、凝縮器を、外部より燃料電池
本体へ供給される反応ガスを冷媒として構成することと
すれば、冷媒回路に冷却水を別途供給する必要がなく、
より簡便な構成とすることができることとなる。
本体へ供給される反応ガスを冷媒として構成することと
すれば、冷媒回路に冷却水を別途供給する必要がなく、
より簡便な構成とすることができることとなる。
【図１】本発明の固体高分子形燃料電池の第１の実施の
形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフロー図
形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフロー図
【図２】本発明の固体高分子形燃料電池の第２の実施の
形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフロー図
形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフロー図
【図３】本発明の固体高分子形燃料電池の第３の実施の
形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフロー図
形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフロー図
【図４】本発明の固体高分子形燃料電池の第４の実施の
形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフロー図
形態の反応ガス供給系の基本構成を示すフロー図
【図５】固体高分子形燃料電池の単セルの一般的な構成
を示す模式断面図
を示す模式断面図
【図６】従来の固体高分子形燃料電池のガス供給系の基
本構成の一例を示すフロー図
本構成の一例を示すフロー図
【図７】従来の固体高分子形燃料電池のガス供給系の基
本構成の他の例を示すフロー図
本構成の他の例を示すフロー図
１ 高分子膜 ２ 燃料極 ３ 空気極 ４ 集電子 ５ 集電子 ６ 燃料ガス流路 ７ 空気流路 ８ ガスセパレータ ９ ガスセパレータ １１ 燃料電池本体 １２ 燃料極 １３ 空気極 １４Ａ，１４Ｂ ポンプ １５Ａ，１５Ｂ 凝縮器 １６ 加湿器 １６Ａ，１６Ｂ 加湿器 １７Ａ，１７Ｂ 熱交換器 ２０Ａ，２０Ｂ 温度コントローラ ２５Ａ，２５Ｂ 凝縮器
Claims (5)
- 【請求項１】固体高分子膜からなる電解質層の両主面に
燃料極と空気極とを配し、燃料極に燃料ガスを、また空
気極に酸化剤ガスを通流して電気化学反応により電気エ
ネルギーを得る固体高分子形燃料電池において、燃料電
池本体から排出される排出ガスの少なくとも一部が、過
剰な水分を除去する凝縮器に通流されたのち、外部より
供給される反応ガスと合流されて、再び燃料電池本体へ
供給される再循環回路を備え、かつ、凝縮器が、通流す
るガスの温度を制御する温度調整機能を有してなること
を特徴とする固体高分子形燃料電池。 - 【請求項２】請求項１に記載の固体高分子形燃料電池に
おいて、燃料極へ供給される燃料ガス系統と、空気極へ
供給される酸化剤ガス系統とのうち、少なくともいずれ
か一方の系統が、前記の温度調整機能を有する凝縮器を
再循環回路に備えてなることを特徴とする固体高分子形
燃料電池。 - 【請求項３】請求項１または２に記載の固体高分子形燃
料電池において、再循環回路が、温度調整機能を有する
凝縮器を通流した後の排出ガスを加熱し、露点以上に保
持する機能を有する熱交換器を備えてなることを特徴と
する固体高分子形燃料電池。 - 【請求項４】請求項３に記載の固体高分子形燃料電池に
おいて、再循環回路に備える前記熱交換器が、燃料電池
本体から排出される排出ガスを加熱源として構成されて
なることを特徴とする固体高分子形燃料電池。 - 【請求項５】請求項１、２、３または４に記載の固体高
分子形燃料電池において、前記の凝縮器が、外部より燃
料電池本体へ供給される反応ガスを冷媒として構成され
てなることを特徴とする固体高分子形燃料電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7334516A JPH09180743A (ja) | 1995-12-22 | 1995-12-22 | 固体高分子形燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7334516A JPH09180743A (ja) | 1995-12-22 | 1995-12-22 | 固体高分子形燃料電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09180743A true JPH09180743A (ja) | 1997-07-11 |
Family
ID=18278285
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7334516A Pending JPH09180743A (ja) | 1995-12-22 | 1995-12-22 | 固体高分子形燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH09180743A (ja) |
Cited By (20)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001041243A1 (de) * | 1999-11-29 | 2001-06-07 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Brennstoffzelle mit kreislauf des oxidationsmittels |
| KR20030018921A (ko) * | 2001-08-31 | 2003-03-06 | 현대자동차주식회사 | 차량용 연료전지 시스템 |
| US6562501B1 (en) | 1999-11-30 | 2003-05-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Control system for fuel cell |
| WO2002061867A3 (de) * | 2001-01-31 | 2003-06-12 | Viessmann Werke Kg | Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas |
| JP2005332768A (ja) * | 2004-05-21 | 2005-12-02 | Toyota Motor Corp | 固体高分子電解質型燃料電池システム |
| JP2006134743A (ja) * | 2004-11-08 | 2006-05-25 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| WO2006012953A3 (fr) * | 2004-07-20 | 2006-08-10 | Conception & Dev Michelin Sa | Controle de l'humidification de la membrane polymere d'une pile a combustible |
| EP1284514A3 (en) * | 2001-08-16 | 2007-01-24 | Asia Pacific Fuel Cell Technologies, Ltd. | Anode stream recirculation system for a fuel cell |
| JP2007103373A (ja) * | 2005-10-04 | 2007-04-19 | Gm Global Technology Operations Inc | 燃料電池システムにおける水質量の平衡方法 |
| WO2007129719A1 (ja) * | 2006-05-10 | 2007-11-15 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム及びその循環比算出方法 |
| JP2009519567A (ja) * | 2005-12-13 | 2009-05-14 | ビーワイディー カンパニー リミテッド | 燃料電池システムおよびその制御方法 |
| JP2009238390A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-15 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2009238392A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-15 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| US7919211B2 (en) | 2001-01-18 | 2011-04-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | On-board fuel cell system and method of controlling the same |
| JP2011249321A (ja) * | 2010-05-27 | 2011-12-08 | Korea Inst Of Machinery & Materials | 未反応物質除去機能を有する開放型燃料電池システム |
| KR101134702B1 (ko) * | 2005-05-04 | 2012-04-13 | 현대자동차주식회사 | 연료전지의 배출가스 재순환 장치 및 그 제어방법 |
| WO2013187110A1 (ja) * | 2012-06-13 | 2013-12-19 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
| US9406956B2 (en) | 2010-05-27 | 2016-08-02 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Closed loop type fuel cell system with unreacted material removing function |
| JP2019106288A (ja) * | 2017-12-12 | 2019-06-27 | 株式会社東芝 | 水素電力貯蔵システムおよび水素電力貯蔵方法 |
| JP2021180085A (ja) * | 2020-05-12 | 2021-11-18 | 株式会社豊田自動織機 | 燃料電池スタックの活性化方法 |
-
1995
- 1995-12-22 JP JP7334516A patent/JPH09180743A/ja active Pending
Cited By (26)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001041243A1 (de) * | 1999-11-29 | 2001-06-07 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Brennstoffzelle mit kreislauf des oxidationsmittels |
| US6562501B1 (en) | 1999-11-30 | 2003-05-13 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Control system for fuel cell |
| US7919211B2 (en) | 2001-01-18 | 2011-04-05 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | On-board fuel cell system and method of controlling the same |
| WO2002061867A3 (de) * | 2001-01-31 | 2003-06-12 | Viessmann Werke Kg | Brennstoffzellen mit integrierter befeuchtung sowie verfahren zum befeuchten von brennstoffzellen-prozessgas |
| EP1284514A3 (en) * | 2001-08-16 | 2007-01-24 | Asia Pacific Fuel Cell Technologies, Ltd. | Anode stream recirculation system for a fuel cell |
| KR20030018921A (ko) * | 2001-08-31 | 2003-03-06 | 현대자동차주식회사 | 차량용 연료전지 시스템 |
| JP2005332768A (ja) * | 2004-05-21 | 2005-12-02 | Toyota Motor Corp | 固体高分子電解質型燃料電池システム |
| WO2006012953A3 (fr) * | 2004-07-20 | 2006-08-10 | Conception & Dev Michelin Sa | Controle de l'humidification de la membrane polymere d'une pile a combustible |
| JP2008507102A (ja) * | 2004-07-20 | 2008-03-06 | コンセプション エ デヴェロップマン ミシュラン ソシエテ アノニム | 燃料電池の高分子膜の加湿制御 |
| JP2006134743A (ja) * | 2004-11-08 | 2006-05-25 | Honda Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| KR101134702B1 (ko) * | 2005-05-04 | 2012-04-13 | 현대자동차주식회사 | 연료전지의 배출가스 재순환 장치 및 그 제어방법 |
| JP2007103373A (ja) * | 2005-10-04 | 2007-04-19 | Gm Global Technology Operations Inc | 燃料電池システムにおける水質量の平衡方法 |
| JP2009519567A (ja) * | 2005-12-13 | 2009-05-14 | ビーワイディー カンパニー リミテッド | 燃料電池システムおよびその制御方法 |
| US8383279B2 (en) | 2006-05-10 | 2013-02-26 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | Fuel cell system and method for calculating circulation ratio in the same |
| JP2007305390A (ja) * | 2006-05-10 | 2007-11-22 | Toyota Motor Corp | 燃料電池システム及びその循環比算出方法 |
| WO2007129719A1 (ja) * | 2006-05-10 | 2007-11-15 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 燃料電池システム及びその循環比算出方法 |
| JP2009238392A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-15 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| JP2009238390A (ja) * | 2008-03-25 | 2009-10-15 | Equos Research Co Ltd | 燃料電池システム |
| US9406956B2 (en) | 2010-05-27 | 2016-08-02 | Korea Institute Of Machinery & Materials | Closed loop type fuel cell system with unreacted material removing function |
| JP2011249321A (ja) * | 2010-05-27 | 2011-12-08 | Korea Inst Of Machinery & Materials | 未反応物質除去機能を有する開放型燃料電池システム |
| WO2013187110A1 (ja) * | 2012-06-13 | 2013-12-19 | 日産自動車株式会社 | 燃料電池システム及び燃料電池システムの制御方法 |
| JP2013258061A (ja) * | 2012-06-13 | 2013-12-26 | Nissan Motor Co Ltd | 燃料電池システム |
| CN104364953A (zh) * | 2012-06-13 | 2015-02-18 | 日产自动车株式会社 | 燃料电池系统以及燃料电池系统的控制方法 |
| US9755257B2 (en) | 2012-06-13 | 2017-09-05 | Nissan Motor Co., Ltd. | Fuel cell system and method for controlling fuel cell system |
| JP2019106288A (ja) * | 2017-12-12 | 2019-06-27 | 株式会社東芝 | 水素電力貯蔵システムおよび水素電力貯蔵方法 |
| JP2021180085A (ja) * | 2020-05-12 | 2021-11-18 | 株式会社豊田自動織機 | 燃料電池スタックの活性化方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JPH09180743A (ja) | 固体高分子形燃料電池 | |
| JP3077618B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JP4074061B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池システム | |
| JP4072707B2 (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池発電装置とその運転方法 | |
| KR20050022349A (ko) | 고체 고분자형 연료 전지 시스템 및 그 운전 방법 | |
| JP3606514B2 (ja) | 積層型燃料電池システム | |
| JP2004031135A (ja) | 燃料電池およびその制御方法 | |
| JP2006210004A (ja) | 燃料電池システム | |
| JP2002158023A (ja) | 燃料電池システム | |
| JPH10284095A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH09283162A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JP2017525102A (ja) | ウィックを用いた低温ｐｅｍ燃料電池における内部加湿 | |
| JP2001006698A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池と同燃料電池用拡散層の製造方法 | |
| JPH0668896A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池のセル構造 | |
| JP3950562B2 (ja) | 固体高分子型燃料電池システム | |
| JPH06124722A (ja) | 加温・加湿システム装置及び燃料電池 | |
| JP2001176529A (ja) | 固体高分子型燃料電池本体および固体高分子型燃料電池発電システム | |
| JP4672120B2 (ja) | 燃料電池装置及び燃料電池装置の運転方法。 | |
| JP2000277128A (ja) | 固体高分子型燃料電池 | |
| JPH0689730A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH1064569A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 | |
| JPH06119931A (ja) | 燃料電池の加湿システム装置 | |
| JPH0864218A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池の運転方法 | |
| JP2005100975A (ja) | 固体高分子型燃料電池システム及びその運転方法 | |
| JPH0935737A (ja) | 固体高分子電解質型燃料電池 |