JP3276175B2 - 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Info
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- solid polymer
- polymer electrolyte
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- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
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- 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
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- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、固体高分子電解質燃料
電池スタックと加湿装置とからなる固体高分子電解質燃
料電池に関する。
電池スタックと加湿装置とからなる固体高分子電解質燃
料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】周知の如く、固体高分子電解質燃料電池
の発電原理は図１に示す通りである。電極接合体１は、
電解質（高分子イオン交換膜）２としてフッ素樹脂系の
高分子イオン交換膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ
素樹脂系イオン交換膜）を用い、これを中央にして両面
に例えば白金からなる触媒電極（負極）３，触媒電極
（陽極）４を付着させ、更にその両面をポーラスなカー
ボン電極（負極）５，カーボン電極（陽極）６でサンド
イッチ状に挟み重ねた構成となっている。
の発電原理は図１に示す通りである。電極接合体１は、
電解質（高分子イオン交換膜）２としてフッ素樹脂系の
高分子イオン交換膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ
素樹脂系イオン交換膜）を用い、これを中央にして両面
に例えば白金からなる触媒電極（負極）３，触媒電極
（陽極）４を付着させ、更にその両面をポーラスなカー
ボン電極（負極）５，カーボン電極（陽極）６でサンド
イッチ状に挟み重ねた構成となっている。
【０００３】セパレータ７の流通溝により燃料電池本体
内に導入される水素は、電解質２である高分子イオン交
換膜の水素イオン透過性を持たせるために、通常、導入
前に燃料電池の運転温度付近における飽和水蒸気分圧相
当の水蒸気を含有させ、即ち加湿させて導入される。酸
素又は空気についても、同様の理由から加湿させること
がある。
内に導入される水素は、電解質２である高分子イオン交
換膜の水素イオン透過性を持たせるために、通常、導入
前に燃料電池の運転温度付近における飽和水蒸気分圧相
当の水蒸気を含有させ、即ち加湿させて導入される。酸
素又は空気についても、同様の理由から加湿させること
がある。
【０００４】電極接合体１に供給された水素は、触媒電
極（負極）３上で水素イオン化され、水素イオンは電解
質２中でＨ+ ・ｘＨ2 Ｏとして触媒電極（陽極）４側へ
向って移動する。この時、水素イオンはｘ個のＨ2 Ｏを
伴って負極から陽極へ移動するため、水素と共に導入さ
れた水蒸気は水素の流路方向に沿って徐々に陽極側へ透
過し乾きガスに近づいていくことになる。
極（負極）３上で水素イオン化され、水素イオンは電解
質２中でＨ+ ・ｘＨ2 Ｏとして触媒電極（陽極）４側へ
向って移動する。この時、水素イオンはｘ個のＨ2 Ｏを
伴って負極から陽極へ移動するため、水素と共に導入さ
れた水蒸気は水素の流路方向に沿って徐々に陽極側へ透
過し乾きガスに近づいていくことになる。
【０００５】カーボン電極（陽極）６へ達した水素イオ
ンは、酸化剤として同じく電池本体内に導入された酸素
と反応して水を生成し、未反応酸素と共に排出される。
同様に、水素イオン化されなかった未反応水素も燃料電
池本体から排出される。
ンは、酸化剤として同じく電池本体内に導入された酸素
と反応して水を生成し、未反応酸素と共に排出される。
同様に、水素イオン化されなかった未反応水素も燃料電
池本体から排出される。
【０００６】また、従来の固体高分子電解質燃料電池の
加湿システム装置は、図２に示す通りである。同図は、
燃料である水素、酸化剤である酸素（又は空気）、両者
を加湿して燃料電池へ導入した例を示す。ここで、加湿
水源としては、燃料電池の排熱を回収し、温水となった
冷却水を用いている。燃料電池スタック11へ導入される
水素、酸素（又は空気）は加湿装置12で燃料電池運転温
度付近の飽和水蒸気分圧相当の水蒸気を含有、即ち加湿
させられる。加湿させられた水素、酸素（又は空気）
は、燃料電池スタック11内のすべての電極接合体挿入面
13へセパレータ14の流路溝を通じて分配されるようにな
っている。なお、図中の15は、冷却水面を示す。
加湿システム装置は、図２に示す通りである。同図は、
燃料である水素、酸化剤である酸素（又は空気）、両者
を加湿して燃料電池へ導入した例を示す。ここで、加湿
水源としては、燃料電池の排熱を回収し、温水となった
冷却水を用いている。燃料電池スタック11へ導入される
水素、酸素（又は空気）は加湿装置12で燃料電池運転温
度付近の飽和水蒸気分圧相当の水蒸気を含有、即ち加湿
させられる。加湿させられた水素、酸素（又は空気）
は、燃料電池スタック11内のすべての電極接合体挿入面
13へセパレータ14の流路溝を通じて分配されるようにな
っている。なお、図中の15は、冷却水面を示す。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
加湿システム装置は以下の課題を有する。
加湿システム装置は以下の課題を有する。
【０００８】(1) 燃料となる水素の加湿を燃料電池へ導
入する入口でのみ行なうため、燃料電池内へ導入される
水蒸気量が、加湿温度における飽和水蒸気分圧相当の水
蒸気量に限定されてしまう。従って、電解質面積あるい
は電極接合体面積を大きくしようとする場合、水素を加
湿していた水蒸気はＨ+ ・ｘＨ2 Ｏの形で徐々に酸素又
は空気側に透過し、水素の流路溝終末近傍では水蒸気圧
が低くなって乾きガスに近づき、電解質である高分子イ
オン交換膜の保水状態を維持できなくなる。
入する入口でのみ行なうため、燃料電池内へ導入される
水蒸気量が、加湿温度における飽和水蒸気分圧相当の水
蒸気量に限定されてしまう。従って、電解質面積あるい
は電極接合体面積を大きくしようとする場合、水素を加
湿していた水蒸気はＨ+ ・ｘＨ2 Ｏの形で徐々に酸素又
は空気側に透過し、水素の流路溝終末近傍では水蒸気圧
が低くなって乾きガスに近づき、電解質である高分子イ
オン交換膜の保水状態を維持できなくなる。
【０００９】(2) 燃料である水素が一度に全電極接合体
に分配供給されるため、電極接合体へ供給される水素の
ガス流速が極めて小さくなり、電極接合体面数が多い場
合、流量分配を均等にすることが極めて困難である。
に分配供給されるため、電極接合体へ供給される水素の
ガス流速が極めて小さくなり、電極接合体面数が多い場
合、流量分配を均等にすることが極めて困難である。
【００１０】この発明はこうした事情を考慮してなされ
たもので、電解質である高分子イオン交換膜の保水状態
を維持できるとともに、電極接合体へ供給される水素の
ガス流速を大きくして水素の各スタックでの均等分配を
容易に行なえる固体高分子電解質燃料電池を提供するこ
とを目的とする。
たもので、電解質である高分子イオン交換膜の保水状態
を維持できるとともに、電極接合体へ供給される水素の
ガス流速を大きくして水素の各スタックでの均等分配を
容易に行なえる固体高分子電解質燃料電池を提供するこ
とを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】この発明は、複数に分割
された固体高分子電解質燃料電池スタックと、前記各ス
タックの上流側に夫々設けられた、燃料を加湿する加湿
装置とを有し、前記各スタックと複数の加湿装置とを交
互に接続して燃料が消費されていく過程の中で各スタッ
クへ供給される燃料を逐次加湿していくことを特徴とす
る固体高分子電解質燃料電池である。
された固体高分子電解質燃料電池スタックと、前記各ス
タックの上流側に夫々設けられた、燃料を加湿する加湿
装置とを有し、前記各スタックと複数の加湿装置とを交
互に接続して燃料が消費されていく過程の中で各スタッ
クへ供給される燃料を逐次加湿していくことを特徴とす
る固体高分子電解質燃料電池である。
【００１２】図３は、この発明に係る燃料電池の加湿シ
ステム装置の概略構成図を示す。図中の21，22，23は複
数に分割された燃料電池スタックであり、これらの燃料
電池スタック21〜23の上流側には各スタック21〜23へ導
入される燃料水素を逐次加湿できるよう加湿装置24，加
湿装置（中間）25，26が夫々配置されている。なお、酸
化剤である酸素又は空気も必要に応じ加湿することもあ
る。ここで、加湿装置24〜26の湿水源としては、各スタ
ックの排冷却水を逐次利用する全スタックを冷却し終っ
た排冷却水を利用することが考えられる。
ステム装置の概略構成図を示す。図中の21，22，23は複
数に分割された燃料電池スタックであり、これらの燃料
電池スタック21〜23の上流側には各スタック21〜23へ導
入される燃料水素を逐次加湿できるよう加湿装置24，加
湿装置（中間）25，26が夫々配置されている。なお、酸
化剤である酸素又は空気も必要に応じ加湿することもあ
る。ここで、加湿装置24〜26の湿水源としては、各スタ
ックの排冷却水を逐次利用する全スタックを冷却し終っ
た排冷却水を利用することが考えられる。
【００１３】
【作用】上記の構成において、固体高分子電解質燃料電
池のスタックを分割し、あるいは直列に接続し、各スタ
ックへ燃料を水素を逐次加湿しながら導入することによ
り、
池のスタックを分割し、あるいは直列に接続し、各スタ
ックへ燃料を水素を逐次加湿しながら導入することによ
り、
【００１４】(1) 電解質である高分子イオン膜をＨ+ ・
ｘＨ2 Ｏの形で透過する水蒸気分を常に補うことが可能
となり、水素のセパレータ上の流路溝終末近傍で水蒸気
圧が確保できる。即ち、電解質である高分子イオン交換
膜の保水状態を維持できるようになる。
ｘＨ2 Ｏの形で透過する水蒸気分を常に補うことが可能
となり、水素のセパレータ上の流路溝終末近傍で水蒸気
圧が確保できる。即ち、電解質である高分子イオン交換
膜の保水状態を維持できるようになる。
【００１５】(2) 各電極接合体に分配供給されるガス流
速を分配数が少なくことで大きく採ることが可能とな
り、水素の各スタックでの均等分配が容易に行なえるよ
うになる。
速を分配数が少なくことで大きく採ることが可能とな
り、水素の各スタックでの均等分配が容易に行なえるよ
うになる。
【００１６】
【実施例】以下、この発明の一実施例を図面を参照して
説明する。いずれの実施例の場合も、固体高分子電解質
燃料電池スタックを分割あるいは直列に燃料である水素
ラインを接続し、各スタック上流に加湿装置を設けた例
を示す。 （実施例１）
説明する。いずれの実施例の場合も、固体高分子電解質
燃料電池スタックを分割あるいは直列に燃料である水素
ラインを接続し、各スタック上流に加湿装置を設けた例
を示す。 （実施例１）
【００１７】図４を参照する。図中の31は第１の燃料電
池スタックを示し、32は第２の燃料電池スタックを示
す。これら燃料電池スタックは積層された複数のセパレ
ータ33を有し、34は電極接合体挿入面を示し、35は冷却
水面を示す。前記第１の燃料電池スタック31の上流側に
は加湿装置36が配置され、第２の燃料電池スタック32の
上流側には中間加湿装置37が配置されている。
池スタックを示し、32は第２の燃料電池スタックを示
す。これら燃料電池スタックは積層された複数のセパレ
ータ33を有し、34は電極接合体挿入面を示し、35は冷却
水面を示す。前記第１の燃料電池スタック31の上流側に
は加湿装置36が配置され、第２の燃料電池スタック32の
上流側には中間加湿装置37が配置されている。
【００１８】こうした構成の燃料電池の加湿システム装
置において、第１の燃料電池スタック31に供給される水
素及び酸素（又は空気）は、第２の燃料電池スタック32
より排出される湿水となった冷却水により加湿され、第
１の燃料電池スタック31に導入される。更に、第１の燃
料電池スタック31より排出される残った水素及び酸素
（又は空気）は、第１の燃料電池スタック31より排出さ
れる湿水となった冷却水により加湿され、第２の燃料電
池スタック32に導入される。 （実施例２）図５を参照する。但し、図４と同部材は同
符号を付して説明を省略する。
置において、第１の燃料電池スタック31に供給される水
素及び酸素（又は空気）は、第２の燃料電池スタック32
より排出される湿水となった冷却水により加湿され、第
１の燃料電池スタック31に導入される。更に、第１の燃
料電池スタック31より排出される残った水素及び酸素
（又は空気）は、第１の燃料電池スタック31より排出さ
れる湿水となった冷却水により加湿され、第２の燃料電
池スタック32に導入される。 （実施例２）図５を参照する。但し、図４と同部材は同
符号を付して説明を省略する。
【００１９】第１の燃料電池スタック31に供給される水
素及び酸素（又は空気）は、第１の燃料電池スタック31
及び第２の燃料電池スタック32を冷却し排出される湿水
となった冷却水により加湿され、第１の燃料電池スタッ
ク31に導入される。更に、第１の燃料電池スタック31よ
り排出される残った水素及び酸素（又は空気）は、第１
の燃料電池スタック31及び第２の燃料電池スタック32を
冷却し排出される湿水となった冷却水により加湿され、
第２の燃料電池スタック32に導入される。 （実施例３）図６を参照する。但し、図４と同部材は同
符号を付して説明を省略する。この実施例３は、図４に
おいて酸化剤である酸素又は空気を各スタックに初めか
ら分岐して供給するようにしたことを要旨とする。 （実施例４）図７を参照する。但し、図４と同部材は同
符号を付して説明を省略する。この実施例４は、図５に
おいて酸化剤である酸素又は空気を各スタックに初めか
ら分岐して供給するようにしたことを要旨とする。
素及び酸素（又は空気）は、第１の燃料電池スタック31
及び第２の燃料電池スタック32を冷却し排出される湿水
となった冷却水により加湿され、第１の燃料電池スタッ
ク31に導入される。更に、第１の燃料電池スタック31よ
り排出される残った水素及び酸素（又は空気）は、第１
の燃料電池スタック31及び第２の燃料電池スタック32を
冷却し排出される湿水となった冷却水により加湿され、
第２の燃料電池スタック32に導入される。 （実施例３）図６を参照する。但し、図４と同部材は同
符号を付して説明を省略する。この実施例３は、図４に
おいて酸化剤である酸素又は空気を各スタックに初めか
ら分岐して供給するようにしたことを要旨とする。 （実施例４）図７を参照する。但し、図４と同部材は同
符号を付して説明を省略する。この実施例４は、図５に
おいて酸化剤である酸素又は空気を各スタックに初めか
ら分岐して供給するようにしたことを要旨とする。
【００２０】このように、上記実施例によれば、第１燃
料電池スタック31，第２の燃料電池スタック32を分割、
あるいは直列に接続し、燃料である水素のラインの各ス
タックの上流側に加湿装置36，中間加湿装置37を設ける
ことにより、以下に述べる利点を有する。
料電池スタック31，第２の燃料電池スタック32を分割、
あるいは直列に接続し、燃料である水素のラインの各ス
タックの上流側に加湿装置36，中間加湿装置37を設ける
ことにより、以下に述べる利点を有する。
【００２１】(1) 電解質である高分子イオン交換膜を透
過して酸素又は空気側へ移動してしまう水蒸気を、各加
湿装置36で補うことが可能となる。従って、高分子イオ
ン交換膜をセパレータ上の水素流路溝に沿って全域にわ
たり十分なる保水状態に維持することができる。
過して酸素又は空気側へ移動してしまう水蒸気を、各加
湿装置36で補うことが可能となる。従って、高分子イオ
ン交換膜をセパレータ上の水素流路溝に沿って全域にわ
たり十分なる保水状態に維持することができる。
【００２２】(2) 各電極接合体への分配数が少なくなる
ため、セパレータ上の水素流路溝内の水素ガス流束を大
きく取ることが可能となる。従って、水素の各スタック
内における電極接合体への均等分配を行ないやすくな
る。
ため、セパレータ上の水素流路溝内の水素ガス流束を大
きく取ることが可能となる。従って、水素の各スタック
内における電極接合体への均等分配を行ないやすくな
る。
【００２３】
【発明の効果】以上詳述したようにこの発明によれば、
電解質である高分子イオン交換膜の保水状態を維持でき
るとともに、電極接合体へ供給される水素のガス流速を
大きくして水素の各スタックでの均等分配を容易に行な
える固体高分子電解質燃料電池を提供できる。
電解質である高分子イオン交換膜の保水状態を維持でき
るとともに、電極接合体へ供給される水素のガス流速を
大きくして水素の各スタックでの均等分配を容易に行な
える固体高分子電解質燃料電池を提供できる。
【図１】固体高分子電解質燃料電池の発電原理を示す説
明図。
明図。
【図２】従来の燃料電池の加湿システム装置の説明図。
【図３】この発明に係る燃料電池の加湿システム装置の
概略構成図。
概略構成図。
【図４】この発明の実施例１に係る燃料電池の加湿シス
テム装置の説明図。
テム装置の説明図。
【図５】この発明の実施例２に係る燃料電池の加湿シス
テム装置の説明図。
テム装置の説明図。
【図６】この発明の実施例３に係る燃料電池の加湿シス
テム装置の説明図。
テム装置の説明図。
【図７】この発明の実施例４に係る燃料電池の加湿シス
テム装置の説明図。
テム装置の説明図。
31…第１の燃料電池スタック、 32…第２の燃
料電池スタック、33…セパレータ、
36…加湿装置、37…中間加湿装置。
料電池スタック、33…セパレータ、
36…加湿装置、37…中間加湿装置。
Claims (1)
- 【請求項１】 複数に分割された固体高分子電解質燃料
電池スタックと、前記各スタックの上流側に夫々設けら
れた、燃料を加湿する加湿装置とを有し、前記各スタッ
クと複数の加湿装置とを交互に接続して燃料が消費され
ていく過程の中で各スタックへ供給される燃料を逐次加
湿していくことを特徴とする固体高分子電解質燃料電
池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26476092A JP3276175B2 (ja) | 1992-10-02 | 1992-10-02 | 固体高分子電解質燃料電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26476092A JP3276175B2 (ja) | 1992-10-02 | 1992-10-02 | 固体高分子電解質燃料電池 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06119931A JPH06119931A (ja) | 1994-04-28 |
| JP3276175B2 true JP3276175B2 (ja) | 2002-04-22 |
Family
ID=17407810
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26476092A Expired - Lifetime JP3276175B2 (ja) | 1992-10-02 | 1992-10-02 | 固体高分子電解質燃料電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3276175B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100821324B1 (ko) | 2007-05-15 | 2008-04-11 | 한국에너지기술연구원 | 연료전지의 가습시스템 |
Families Citing this family (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4812920B2 (ja) * | 2000-02-22 | 2011-11-09 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
| JP4996005B2 (ja) * | 2000-09-01 | 2012-08-08 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池用加湿装置 |
| JP3963716B2 (ja) * | 2001-12-13 | 2007-08-22 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池スタック |
| KR20030081943A (ko) * | 2002-04-15 | 2003-10-22 | 현대자동차주식회사 | 연료전지의 가습 시스템 |
| JP3699063B2 (ja) | 2002-06-26 | 2005-09-28 | 本田技研工業株式会社 | 燃料電池およびその制御方法 |
| DE10232871A1 (de) | 2002-07-19 | 2004-02-05 | Daimlerchrysler Ag | Brennstoffzelle mit interner Gasregulierung |
| AU2003289262A1 (en) * | 2002-12-26 | 2004-07-29 | Sony Corporation | Hydrogen gas humidity controller, fuel cell, hydrogen gas humidity controlling method, and humidity controlling method of fuel cell |
| JP5148258B2 (ja) * | 2007-12-14 | 2013-02-20 | 三菱重工業株式会社 | 固体高分子形燃料電池 |
| CN105375048B (zh) * | 2015-12-07 | 2018-11-06 | 中国东方电气集团有限公司 | 燃料电池***与利用其供电的方法 |
| JP7110913B2 (ja) * | 2018-10-30 | 2022-08-02 | トヨタ自動車株式会社 | 燃料電池システム |
-
1992
- 1992-10-02 JP JP26476092A patent/JP3276175B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100821324B1 (ko) | 2007-05-15 | 2008-04-11 | 한국에너지기술연구원 | 연료전지의 가습시스템 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH06119931A (ja) | 1994-04-28 |
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