JP3530419B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型の燃
料電池システムに係り、特に酸化剤ガスの加湿方法を改
良するための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】図７は、従来の固体高分子型の燃料電池
システムに用いられる燃料電池の単位セル構造を模式化
して示す断面図である。１はイオン導電性を示す固体高
分子からなる電解質膜であり、この電解質膜１の一方の
面にはアノード２が、他方の面にはカソード３が夫々設
けられている。また、アノード２側には該アノード２と
の間で燃料室４を形成するための燃料側プレート５が、
カソード３側には該カソード３との間で酸化剤室６を形
成するための酸化剤側プレート７が夫々配されている。
そして、通常の燃料電池システムにおいては、このよう
な構成の単位セルが複数個積層されて使用される。

【０００３】燃料室４は燃料ガス供給配管（図示せず）
と連通しており、純水素ガス又は改質器にて改質された
水素リッチガスなどの燃料ガスが供給される。また、酸
化剤室６は酸化剤ガス供給配管（図示せず）に連通して
おり、空気などの酸素を含む酸化剤ガスが供給される。

【０００４】燃料ガスと酸化剤ガスとが供給されると、
アノード２側では、燃料ガス中の水素ガスがＨ₂→２Ｈ⁺
＋２ｅ^-の反応によってプロトンと電子を生成する。プ
ロトンは電解質膜１を通ってカソード３に進み、電子は
外部回路（図示せず）に流れる。カソード３では、酸化
剤ガス中の酸素と、電解質膜１を通って移動してきたプ
ロトン、及び外部回路を通って流入した電子が、１／２
Ｏ₂＋２Ｈ⁺＋２ｅ^-→Ｈ₂Ｏの反応により、反応生成水を
生ずるとともに起電力を発生する。

【０００５】ところで、電解質膜１としては、例えばプ
ロトン交換膜であるパーフルオロスルホン酸膜（デュポ
ン社製、商品名ナフィオン膜）が知られている。斯かる
電解質膜は分子中にプロトン（水素イオン）交換基を持
ち、乾燥状態では電気抵抗が高いが、湿潤させることに
よりプロトン導電性電解質膜として機能する。このため
発電時には電解質膜を加湿して湿潤状態で保持する必要
がある。

【０００６】このように固体高分子からなる電解質膜を
湿潤させる方法として、従来燃料ガス又は酸化剤ガスを
予め外部加湿器によって加湿した状態で燃料電池に供給
する方法が知られている。

【０００７】また、燃料電池本体のカソードから排出さ
れるカソード排ガス中に含まれる水分を水凝集器によっ
て回収し、回収された水を燃料ガスや酸化剤ガスの加湿
に利用する方法も知られている（特開平７−７３８９４
号）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】然し乍ら、上記のよう
に外部加湿器を用いる方法では装置全体の大型化を招
き、コストを増大させると共に、加湿器作動用のエネル
ギー消費によって総合的な発電効率が低下してしまう、
という課題がある。

【０００９】また、水凝集器を用いる方法にあっても同
様に、水凝集器により回収した水を用いて燃料ガスや酸
化剤ガスの加湿を行うための加湿器が別途必要となり、
装置の大型化を招きコストを増大させると共に、システ
ムの総合的な発電効率の低下を招く。

【００１０】本発明は、斯かる課題を解決し、小型・軽
量で且つ発電効率の高い固体高分子型の燃料電池システ
ム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】斯かる従来の課題を解決
するために、本発明燃料電池システムは、電解質膜の両
面に夫々アノード及びカソードを配した単位セルを有す
る燃料電池本体と、前記アノード及びカソードに夫々燃
料ガス及び酸化剤ガスを供給する燃料ガス供給経路及び
酸化剤ガス供給経路と、前記酸化剤ガス供給経路に設け
られ、前記酸化剤ガスと前記カソードから排出されるカ
ソード排ガスとが導入されると共に、前記酸化剤ガスと
前記カソード排ガスとを熱交換させることにより、前記
カソード排ガス中に含まれる水分を凝集させる水凝集器
と、を備える燃料電池システムにおいて、前記水凝集器
の前記酸化剤ガスの排出口と前記カソード排ガスの排出
口とを連結すると共に、少なくとも前記燃料電池本体に
おける前記酸化剤ガスの供給口を覆うように設けられた
ガス透過性の吸水部材を備えることを特徴とする。

【００１２】また、本発明にあっては、前記水凝集器
は、前記酸化剤ガスの排出口を前記カソード排ガスの排
出口よりも下方に配設されたことを特徴とする。

【００１３】さらに、前記燃料電池本体は、酸化剤ガス
の供給口とカソード排ガスの排出口とを同一面側に有
し、且つ前記供給口を前記排出口よりも下方に配置した
ことを特徴とする。

【００１４】加えて、前記吸水部材から漏出する過剰の
水分を溜めるための貯水部を有すると共に、前記吸水部
材が当該貯水部内に延設され、少なくとも前記燃料電池
本体の起動時には前記吸水部材が前記貯水部内に溜めら
れた水と接していることを特徴とする。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態に係
る燃料電池システムについて、図１乃至３を参照して説
明する。図１は本実施形態に係る燃料電池システムの概
略構成を示すシステム構成図であり、図２は燃料電池本
体を含む要部の分解斜視図、図３は図２におけるＸ−Ｘ
線矢視正面図である。

【００１６】図１を参照して、１０は燃料電池本体、２
０はメタン、プロパン等の炭化水素系の原燃料から水素
リッチな改質ガスを生成するための燃料改質系である。
燃料電池本体１０は図９に示す単位セルが複数個積層さ
れて構成されている。また、燃料改質系２０は通常改質
器２１、ＣＯ変成器２２及びＣＯ除去器２３から構成さ
れている。

【００１７】原燃料は燃料改質系２０によりＣＯ濃度が
１０ｐｐｍ程度にまで低減された水素リッチな改質ガス
とされて、燃料電池本体１０のアノード１１に供給され
る。また、アノード１１から排気されたアノード排ガス
は、改質器２１加熱用のバーナーに供給され、このバー
ナーの燃料として再利用される。

【００１８】燃料電池本体１０のカソード１３に酸化剤
ガスを供給するための経路には、この酸化剤ガスと、カ
ソード１３から排出されたカソード排ガスとを熱交換さ
せることによりカソード排ガス中に含まれる水分を凝集
させるための水凝集器３０が設けられている。

【００１９】図２に示す如く、本実施形態においては水
凝集器３０としてプレートフィン型熱交換器を用いる。
この水凝集器３０は、水平方向に第１ガス流通路Ｔ１が
開設された第１プレートＰ１と、垂直方向に第２ガス通
路Ｔ２が開設された第２プレートＰ２とが、交互に積層
された積層体からなる（同図では、４枚のプレートＰ１
と、３枚のプレートＰ２とが積層されている）。そし
て、水平方向の第１ガス通路Ｔ１にはフィン３１が挿設
されて熱交換率の向上を図っている。

【００２０】そして、燃料電池本体１０におけるカソー
ド排ガスの排出口１０Ａ側に枠体３２を取付し、この枠
体３２の内周３２Ａに中空で角筒状の連結部材３３を立
設し、当該連結部材３３に水凝集器３０を取付けてい
る。

【００２１】斯かる構成によって、燃料電池本体１０の
カソードから排出されるカソード排ガスは、連結部材３
３の内周側壁３３Ａが形成する通路を通じて、水凝集器
３０の第１ガス通路Ｔ１に導入される。

【００２２】また、水凝集器３０の上面にはマニホール
ド３４が取付けられ、該マニホールド３４の中央部には
ファン３５が取付けられている。このファン３５により
酸化剤ガスとなる空気が水凝集器３０の第２ガス通路Ｔ
２に送り込まれる。

【００２３】水凝集器３０には、ファン３５が送る空気
を、該水凝集器３０から燃料電池本体１０に酸化剤ガス
として案内するダクト４０が設けられている。このダク
ト４０は、その入口側４０Ａが前記第２ガス通路Ｔ２の
排出口３０Ｂと連通し、その出口側４０Ｂが燃料電池本
体１０における酸化剤ガスの供給口１０Ｂと連通された
状態で取付けられている。

【００２４】さらに、本発明にあっては、水凝集器３０
の前記第１ガス通路Ｔ１から排出されるカソード排ガス
の排出口３０Ａと、第２ガス通路Ｔ２から排出される酸
化剤ガスの排出口３０Ｂとを連結するように連続して設
けられた吸水部材５０を有している。また、燃料電池本
体１０における酸化剤ガスの供給口１０Ｂを覆うように
延在して設けている（図３参照）。

【００２５】この吸水部材５０は、例えば綿繊維、レー
ヨン繊維、ポリビニルアルコール系繊維のように、素材
そのものが吸水性を有する材料からなる吸水膜から構成
することができる。また、紙，木綿，カーボン，ガラス
等を基体とする繊維材料や、アクリル，ナイロン等から
なる合成繊維、或いは多孔質のセラミック材料或いはカ
ーボン等、素材そのものは吸水性を持たなくても毛管力
によって吸水性を付与した材料から構成することができ
る。

【００２６】また、吸水部材５０としてはガス透過性を
有するものを用いる必要がある。このためには吸水部材
５０を、素材自体がガス透過性を有する材料から構成す
れば良い。或いは、多数の小孔を開設することによって
構造的に吸水性を付与した吸水部材を用いても良い。そ
して、斯様にガス透過性を有する吸水部材５０を、水凝
集器３０におけるカソード排ガスの排出口３０Ａと、酸
化剤ガスの排出口３０Ｂと、燃料電池本体１０における
酸化剤ガスの供給口１０Ｂとを完全に覆うように設け
る。

【００２７】以上の構成の燃料電池システムは、定常運
転時には以下のように動作する。

【００２８】メタンガス、プロパンガス等の炭化水素系
の原料ガスは、改質器２１により水蒸気改質され、水素
リッチな改質ガスとされる。この改質ガスは、ＣＯ変成
器２２及びＣＯ除去器２３によりガス中のＣＯ濃度が１
０ｐｐｍ程度にまで低減され、燃料電池本体１０のアノ
ード１１に供給される。一方、酸化剤ガスとなる空気は
ファン３５により燃料電池本体１０のカソード１３に供
給され、燃料電池本体１０が発電する。

【００２９】ここで、ファン３５により取り込まれた空
気は図３において白抜きの矢印で示すように、先ず水凝
集器３０の第２ガス通路Ｔ２に導入される。また、水凝
集器３の第１ガス通路Ｔ１には、図３において黒塗りの
矢印で示すように、燃料電池本体１０のカソードから排
出されるカソード排ガスが導入される。このカソード排
ガスは、電池作動温度である８０℃〜１００℃程度にま
で加熱された状態で第１ガス通路Ｔ１に導入され、そし
て第２ガス通路Ｔ２を流れる室温程度の空気との間で熱
交換することにより冷却される。

【００３０】カソード排ガス中には前述の通りカソード
で生成された反応生成水が水蒸気として含有されてお
り、上記のように冷却されることでこの水蒸気は凝集さ
れ、凝集水を生じる。この凝集水は第１ガス通路Ｔ１を
流れるカソード排ガスの圧力により排出口３０Ａに吹き
飛ばされ、そしてこの排出口３０Ａを覆うように設けら
れた吸水部材５０により吸収される。

【００３１】吸水部材５０により吸収された凝集水は、
毛細管現象及び重力の影響により、吸水部材５０中を、
水凝集器３０における第２ガス通路Ｔ２の排出口３０Ｂ
を覆う領域にまで移動する。即ち、本実施形態にあって
は図３に示す如く、酸化剤ガスが流れる第２ガス通路Ｔ
２の排出口３０Ｂが、カソード排ガスが流れる第１ガス
通路Ｔ１の排出口３０Ａよりも下方となるように水凝集
器３０を配している。従って、第１ガス通路Ｔ１の排出
口３０Ａにおいて吸水部材５０により吸収された凝集水
は、毛細管現象だけでなく重力の効果によっても第２ガ
ス通路Ｔ２の排出口３０Ｂを覆う部分にまで移動する。

【００３２】そして、第２ガス通路Ｔ２に導入された空
気は、排出口３０Ｂを通過する際に吸水部材５０中に含
まれる凝集水により加湿されてダクト４０内に導入さ
れ、そして該ダクト４０内を図中白抜きの矢印で示す方
向に通過して燃料電池本体１０における酸化剤ガス供給
口１０Ｂからカソードに供給される。

【００３３】また、給水部材５０中に吸収された凝集水
が燃料電池本体の供給口１０Ｂを覆う部分にまで移動
し、空気を第２ガス通路Ｔ２の排出口３０Ｂと燃料電池
本体１０の供給口１０Ｂとの２箇所で加湿することがで
きることから、加湿の効果をさらに向上させることがで
きる。

【００３４】以上のように、本実施形態の燃料電池シス
テムによれば、加湿器を設けることなく酸化剤ガスを加
湿することができる。また、１つのファン３５で水凝集
器３０の冷媒となる空気と、酸化剤ガスとなる空気を供
給することができるため、システム構成を簡素なものと
することができる。この結果、本発明によれば、システ
ム構成をコンパクト化でき、システム全体の発電効率を
向上することができると共に、コストの低減を図ること
ができる。

【００３５】また、ファン３５によりガス通路Ｔ２に取
り込まれた空気は水凝集器３０内でカソード排ガスと熱
交換され、加熱された状態でカソードに供給されるの
で、燃料電池本体の温度が均一化され、発電効率及び寿
命の向上を図ることができる。

【００３６】（実施例） 上記実施の形態に基づいた燃料電池システムにおいて、
電極面積が１００ｃｍ²の単位セルを１６個積層して燃
料電池本体を作製し、さらに吸水部材としてナイロン不
織布を用いて図３に示す構成の燃料電池システムを用意
した。この図３の構成に対応する燃料電池システムを実
施例とする。また、比較例として、吸水部材を設けない
以外は実施例と同一の構成を有する燃料電池システムを
用意した。

【００３７】そして、この実施例及び比較例の燃料電池
システムを、電流密度０．５Ａ／ｃｍ²，燃料利用率７
０％，酸化剤ガス利用率１０％，電池作動温度８０℃の
条件で作動させ、そのときのセル電圧の経時変化を測定
した。その結果を図４に示す。

【００３８】同図から明らかな通り、従来の燃料電池シ
ステムにおいてはセル電圧の経時的な低下が大きいのに
対し、本発明によればセル電圧の経時的な低下が小さ
く、長時間にわたって高いセル電圧を得ることができ
る。

【００３９】尚、本発明に係る燃料電池システムは、以
上の実施の形態に限定されるものではない。以下に、本
発明の燃料電池システムに係る別の実施の形態について
説明する。

【００４０】図５は、本発明の第２の実施の形態に係る
燃料電池システムの構成を示す正面図である。尚、同図
において、図３と同一の機能を呈する部分には同一の符
号を付している。

【００４１】本実施形態に係る燃料電池システムにおい
ては、燃料電池本体１内における酸化剤ガスの経路を前
述の実施形態から変更し、カソード排ガスの排出口１０
Ａと、酸化剤ガスの供給口１０Ｂとを同一面側に配して
おり、さらに酸化剤ガスの供給口１０Ｂをカソード排ガ
スの排出口１０Ａよりも下方に位置させている。斯かる
構成によれば、前述の実施形態よりもダクト４０の経路
を短くすることができるため、システムの構成をよりコ
ンパクト化することができる。

【００４２】また、水凝集器３０にて加熱された酸化剤
ガスが燃料電池本体１０に供給されるまでに通過する距
離が短いため、酸化剤ガスの温度低下を抑制することが
できることから、電池内での温度分布をより均一化させ
ることができる。さらには、ダクト４０内を通過中に酸
化剤ガスの温度が低下することによる酸化剤ガス中の水
分の凝集を抑制することがでるため、酸化剤ガスの加湿
により一層効果的である。

【００４３】そして、吸水部材５０を燃料電池本体にお
ける酸化剤ガスの供給口１０Ｂにまで延在して設ける
と、加湿の効果をより一層向上させることができる。

【００４４】さらに、図６に示すさらに別の実施の形態
に係る燃料電池システムにおいては、ダクト４０内の下
方に貯水部７０を設け、この貯水部７０内に前記吸水部
材５０を延在させている。斯かる形態によれば、吸水部
材５０に吸収された凝集水のうち該吸水部材５０から漏
出する過剰の水分をこの貯水部７０に溜めることができ
る。

【００４５】そして、吸水部材５０の長さを調整し、こ
の吸水部材５０の一端が常に貯水部７０に溜められた水
と直接接するようにすると、カソード排ガス中の水分が
少ない燃料電池システムの起動時にあっても、貯水部７
０に溜められた水分が毛細管現象により吸水部材５０を
湿潤させ、このため加湿された酸化剤ガスを燃料電池本
体１０に供給することが可能となり、起動時における出
力の安定を図ることができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明した如く、本発明によれば、加
湿器を設けることなく酸化剤ガスの加湿を効率良く行う
ことが可能となり、システム構成をコンパクト化でき、
システム全体の発電効率を向上することができると共
に、コストの低減を図ることができる。

【００４７】また、ファンにより第２ガス通路に取り込
まれた空気は水凝集器内でカソード排ガスと熱交換さ
れ、加熱された状態でカソードに供給されるので、燃料
電池本体の温度が均一化され、発電効率及び寿命の向上
を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概
略構成を示すシステム構成図である。

【図２】前記システムにおける要部分解斜視図である。

【図３】図２におけるＸ−Ｘ線矢視正面図である。

【図４】実施例及び比較例にかかわる燃料電池システム
の特性図である。

【図５】別の実施形態に係る燃料電池システムの正面図
である。

【図６】さらに別の実施形態に係る燃料電池システムの
正面図である。

【図７】単位セルの断面図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池本体、２０…燃料改質系、３０…水凝集
器、３５…ファン、４０…ダクト、５０…吸水部材

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−132038（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−128269（ＪＰ，Ｕ) 国際公開00／014819（ＷＯ，Ａ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01M 8/04 - 8/06,8/10

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電解質膜の両面に夫々アノード及びカソー
   ドを配した単位セルを有する燃料電池本体と、前記アノ
   ード及びカソードに夫々燃料ガス及び酸化剤ガスを供給
   する燃料ガス供給経路及び酸化剤ガス供給経路と、前記
   酸化剤ガス供給経路に設けられ、前記酸化剤ガスと前記
   カソードから排出されるカソード排ガスとが導入される
   と共に、前記酸化剤ガスと前記カソード排ガスとを熱交
   換させることにより、前記カソード排ガス中に含まれる
   水分を凝集させる水凝集器と、を備える燃料電池システ
   ムにおいて、 前記水凝集器の前記酸化剤ガスの排出口と前記カソード
   排ガスの排出口とを連結すると共に、少なくとも前記燃
   料電池本体における前記酸化剤ガスの供給口を覆うよう
   に設けられたガス透過性の吸水部材を備えることを特徴
   とする燃料電池システム。
2. 【請求項２】前記水凝集器は、前記酸化剤ガスの排出口
   を前記カソード排ガスの排出口よりも下方に配設された
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 【請求項３】前記燃料電池本体は、酸化剤ガスの供給口
   とカソード排ガスの排出口とを同一面側に有し、且つ前
   記供給口を前記排出口よりも下方に配置したことを特徴
   とする請求項１または２記載の燃料電池システム。
4. 【請求項４】前記吸水部材から漏出する過剰の水分を溜
   めるための貯水部を有すると共に、前記吸水部材が当該
   貯水部内に延設され、少なくとも前記燃料電池本体の起
   動時には前記吸水部材が前記貯水部内に溜められた水と
   接していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか
   に記載の燃料電池システム。