JP3249282B2 - 固体高分子電解質燃料電池 - Google Patents

固体高分子電解質燃料電池

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JP3249282B2 JP01369094A JP1369094A JP3249282B2 JP 3249282 B2 JP3249282 B2 JP 3249282B2 JP 01369094 A JP01369094 A JP 01369094A JP 1369094 A JP1369094 A JP 1369094A JP 3249282 B2 JP3249282 B2 JP 3249282B2
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    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は含水することにより性能
を発揮する高分子電解質を用いる発電体すなわち電気化
学セル(以下セルともいう)にガスと水分を同時に供給
する方法(加湿法)を具備する燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子膜たとえばデュポンのナフィ
オン等を用いた燃料電池では、固体高分子膜が電解質と
してイオン伝導性を示すために十分な水分をその固体高
分子に含ませる必要があった。その方法として従来は図
3に示すように加湿用容器(加湿器の容器)を用意し、
その中で燃料ガス及び酸化剤ガスを温水中へくぐらせガ
スに水蒸気を含ませる方式(以下加湿器方式という)が
とられていた。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】従来の加湿器方式の燃
料電池では大きな加湿用容器(加湿器の容器)が必要と
なりコンパクト性を追及する燃料電池には適当でなかっ
た。また加湿のための水分量をコントロールするために
は、加湿水の温度を昇温制御するためのヒータが必要で
あった。そのためヒータ電力による燃料電池システムの
効率の低下が問題となっていた。本発明は、前記加湿用
容器も、ヒータ電力もまったく必要としないで燃料電池
の固体高分子膜に加湿を行うことができる燃料電池を提
供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】(第1の手段) 本発明に係る固体高分子電解質燃料電池は、固体高分子
電解質の両側を2つの電極で挟んだ燃料電池用発電体
(セル)8と該発電体にガスを供給するセパレータ1か
らなるスタック4を有する固体高分子電解質燃料電池に
おいて、前記セパレータ1は、一方の面に形成された複
数の燃料ガス供給溝22と、他方の面に形成された複数
の酸化剤ガス供給溝と、内部に形成された燃料ガス加湿
用の加湿水供給ヘッダ25と、内部に該加湿水供給ヘッ
ダに連通するように形成されて前記燃料ガス供給溝に加
湿水を供給する燃料ガス加湿用の加湿水注入管26と、
内部に形成された酸化剤ガス加湿用の加湿水供給ヘッダ
と、内部に該加湿水供給ヘッダに連通するように形成さ
れて前記酸化剤ガス供給溝に加湿水を供給する酸化剤ガ
ス加湿用の加湿水注入管とを具備し、前記セパレータの
燃料ガス供給溝22及び酸化剤ガス供給溝33の中で、
前記ガスに水分を加えることにより、前記ガスと水との
混合流を作り、前記燃料電池発電体にガスと水とを同時
に供給することを特徴とする。 (第2の手段) 本発明に係る固体高分子電解質燃料電池は、固体高分子
電解質の両側を2つの電極で挟んだ燃料電池用発電体
(セル)と該発電体にガスを供給するセパレータ1を有
する固体高分子電解質燃料電池において、前記セパレー
タは、一方の面に形成された複数の燃料ガス供給溝と、
内部に形成された燃料ガス加湿用の加湿水供給ヘッダ2
5と、内部に該加湿水供給ヘッダに連通するように形成
されて前記燃料ガス供給溝22に加湿水を供給する加湿
水注入管26を具備し、前記セパレータの燃料ガス供給
溝22の中で、燃料ガスに水分を加えることにより、前
記燃料ガスと水との混合流を作り、前記燃料電池発電体
に燃料ガスと水とを同時に供給することを特徴とする。 (第3の手段) 本発明に係る固体高分子電解質燃料電池は、固体高分子
電解質の両側を2つの電極で挟んだ燃料電池用発電体
(セル)と該発電体にガスを供給するセパレータ1を有
する固体高分子電解質燃料電池において、前記セパレー
タ1は、一方の面に形成された複数の酸化剤ガス供給溝
33と、内部に形成された酸化剤ガス加湿用の加湿水供
給ヘッダと、内部に該加湿水供給ヘッダに連通するよう
に形成されて前記酸化剤ガス供給溝33に加湿水を供給
する加湿水注入管を具備し、前記セパレータの酸化剤ガ
ス供給溝33の中で、酸化剤ガスに水分を加えることに
より、前記酸化剤ガスと水との混合流を作り、前記燃料
電池発電体に酸化剤ガスと水とを同時に供給することを
特徴とする。
【0005】(第4の手段)本発明に係る固体高分子電
解質燃料電池は、第1の手段、第2の手段又は第3の手
段において、ガス供給溝の加湿水注入口の部分で、ガス
供給溝を細くすることを特徴とする。
【0006】
【作用】本発明の燃料電池は、燃料電池のスタック4の
中でガスと水とを混合した後に、燃料電池の発電体(セ
ル)へ供給する構造にしている。そのため、セパレータ
のガス供給溝に直接水を滴入することができるように水
用の注入口を設けている。すなわち、セパレータ1とセ
ル8を積層した、スタック4に供給されたガス(燃料ガ
ス、酸化剤ガス)、はヘッダー部(もしくはマニホール
ド部)を経てセパレータ1のガス供給溝に流れ込む。そ
してガス供給溝にある加湿水注入口から供給された水滴
とガスは、混合され加湿されたガスとなって発電体(セ
ル)に到達する。
【0007】
【実施例】本発明の第1実施例を図1に、第2実施例を
図2に示す。 [第1実施例]図1は直交流型バイポーラセパレータ
(セパレータの片面に燃料が、もう片面に酸化剤が流
れ、セパレータの片面がアノードに、もう片面がカソー
ドになり、燃料ガスと酸化剤ガスの流れが直交するも
の)に加湿用注入口を設けた例である。
【0008】燃料ガス加湿用水は加湿水供給ヘッダ入口
24から加湿水供給ヘッダ25、加湿水注入管26を通
って加湿水注入口27から燃料ガス供給溝22に注入さ
れる。そこで、燃料ガスと加湿用水が混合されつつ、さ
らに燃料ガス供給溝22を流れ、セル8に供給される。
酸化剤ガスも加湿用水と混合されつつ、供給される。す
なわち本発明の固体高分子電解質燃料電池は、燃料電池
のスタック4の中でガスと水とを混合し、加湿されたガ
スを発電体(セル)へ供給する構造にしている。そのた
め、セパレータとしては図1に示す直交流型バイポーラ
セパレータ(以下セパレータ又はバイポーラセパレータ
という)1を用いる。
【0009】本発明に用いるバイポーラセパレータ1に
おいては、図1に示すように、燃料ガスはバイポーラセ
パレータ1の1つの面(以下燃料ガス流入面という)の
燃料ガス供給溝22から流入させ、酸化剤ガスは、前記
燃料ガス流入面に隣接する面(以下酸化剤ガス流入面と
いう)の酸化剤ガス供給溝33から流入させ、燃料ガス
の流れ21の方向と酸化剤ガスの流れ31の方向が直交
するようにし、セパレータ1の1つの面をアノードに
し、その面に隣接する面をカソードにする。
【0010】[第2実施例]図2は第2実施例の加湿水
注入管26、加湿水注入口27の拡大断面図である。第
2実施例では第1実施例のセパレータを次のように改造
する。すなわち図2に示すようにガス供給溝の加湿水注
入口の部分において、ガス供給溝を細くする。このよう
にすると、加湿水の供給と混合がスムーズに行われる。
図2では、ガス供給溝22の溝の深さを変化させて溝を
細くしているが、溝幅を変えて溝を細くしてもよい。ま
たその両方によって溝を細くしてもよい。
【0011】実施例1のようにガス供給溝にて加湿水と
ガスを混合する方法でも発電は可能であるが、実施例2
に示すように加湿水の注入口の部分の溝形状の検討およ
び、加湿水注入管の径太さ(図示省略)を検討すること
によっても加湿用容器を用いたときの発電性能と同等な
出力電圧を得ることができる。
【0012】
【発明の効果】本発明は前述のように構成されているの
で、以下に記載するような効果を奏する。 (1)スタック4内で加湿を行うため加湿器が不要とな
りコンパクトになる。 (2)セルに直接水を供給するため加湿水分量の制御が
容易になると同時にヒータ電力が不要となりシステムの
効率を高くすることができる。 (3)注入された加湿水が蒸気になる際に発電面で発生
する熱を吸収するため冷却用の冷媒の循環量を従来より
少なくすることが可能となる。 (4)そのためポンプ動力の軽減により、効率を向上で
きるとともに、冷媒用配管を細くできることにより、コ
ンパクト性を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例のセパレータを示す図
【図2】本発明の第2実施例のセパレータを示す図
【図3】第3図は、従来の装置の加湿方法を示す図。
【符号の説明】
1…セパレータ、 4…スタック、 8…発電体(セル)、 9…電極、 10…電解質、 11…シール材、 12…加湿用容器(加湿器の容器)、 13…ヒータ、 14…スタック、 21…燃料ガスの流れ、 22…燃料ガス供給溝、 24…加湿水供給ヘッダ入口(燃料ガス加湿用)、 25…加湿水供給ヘッダ(燃料ガス加湿用)、 26…加湿水注入管(燃料ガス加湿用)、 27…加湿水注入口(燃料ガス加湿用)、 31…酸化剤ガスの流れ、 33…酸化剤ガス供給溝、 35…加湿水供給ヘッダ入口(酸化剤ガス加湿用)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−41230(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01M 8/04 H01M 8/02 H01M 8/10

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 固体高分子電解質の両側を2つの電極で
    挟んだ燃料電池用発電体と該発電体にガスを供給するセ
    パレータからなるスタックを有する固体高分子電解質燃
    料電池において、 前記セパレータは、一方の面に形成された複数の燃料ガ
    ス供給溝と、他方の面に形成された複数の酸化剤ガス供
    給溝と、内部に形成された燃料ガス加湿用の加湿水供給
    ヘッダと、内部に該加湿水供給ヘッダに連通するように
    形成されて前記燃料ガス供給溝に加湿水を供給する燃料
    ガス加湿用の加湿水注入管と、内部に形成された酸化剤
    ガス加湿用の加湿水供給ヘッダと、内部に該加湿水供給
    ヘッダに連通するように形成されて前記酸化剤ガス供給
    溝に加湿水を供給する酸化剤ガス加湿用の加湿水注入管
    とを具備し、 前記セパレータの燃料ガス供給溝及び酸化剤ガス供給溝
    の中で、前記ガスに水分を加えることにより、前記ガス
    と水との混合流を作り、前記燃料電池発電体にガスと水
    とを同時に供給することを特徴とする固体高分子電解質
    燃料電池。
  2. 【請求項2】 固体高分子電解質の両側を2つの電極で
    挟んだ燃料電池用発電体と該発電体にガスを供給するセ
    パレータを有する固体高分子電解質燃料電池において、 前記セパレータは、一方の面に形成された複数の燃料ガ
    ス供給溝と、内部に形成された燃料ガス加湿用の加湿水
    供給ヘッダと、内部に該加湿水供給ヘッダに連通するよ
    うに形成されて前記燃料ガス供給溝に加湿水を供給する
    加湿水注入管を具備し、 前記セパレータの燃料ガス供給溝の中で、燃料ガスに水
    分を加えることにより、前記燃料ガスと水との混合流を
    作り、前記燃料電池発電体に燃料ガスと水とを同時に供
    給することを特徴とする固体高分子電解質燃料電池。
  3. 【請求項3】 固体高分子電解質の両側を2つの電極で
    挟んだ燃料電池用発電体と該発電体にガスを供給するセ
    パレータを有する固体高分子電解質燃料電池において、 前記セパレータは、一方の面に形成された複数の酸化剤
    ガス供給溝と、内部に形成された酸化剤ガス加湿用の加
    湿水供給ヘッダと、内部に該加湿水供給ヘッダ に連通す
    るように形成されて前記酸化剤ガス供給溝に加湿水を供
    給する加湿水注入管を具備し、 前記セパレータの酸化剤ガス供給溝の中で、酸化剤ガス
    に水分を加えることにより、前記酸化剤ガスと水との混
    合流を作り、前記燃料電池発電体に酸化剤ガスと水とを
    同時に供給することを特徴とする固体高分子電解質燃料
    電池。
  4. 【請求項4】 ガス供給溝の加湿水注入口の部分におい
    て、ガス供給溝を細くすることを特徴とする請求項1、
    2、又は3いずれか記載の固体高分子電解質燃料電池。
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