JPH06338338A - 燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方法 - Google Patents
燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方法Info
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- JPH06338338A JPH06338338A JP5126751A JP12675193A JPH06338338A JP H06338338 A JPH06338338 A JP H06338338A JP 5126751 A JP5126751 A JP 5126751A JP 12675193 A JP12675193 A JP 12675193A JP H06338338 A JPH06338338 A JP H06338338A
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 発電システムを小型化すると共に、電池発熱
エネルギを有効利用する。 【構成】 冷却水流路溝３９、４１を流れる冷却水が電
池発熱を吸収して気化すると、多孔性の燃料配流板３
２、酸化剤配流板３６を通り抜けて純水素、酸化剤を加
湿し、電解質３４を加湿する。
エネルギを有効利用する。 【構成】 冷却水流路溝３９、４１を流れる冷却水が電
池発熱を吸収して気化すると、多孔性の燃料配流板３
２、酸化剤配流板３６を通り抜けて純水素、酸化剤を加
湿し、電解質３４を加湿する。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の高分子イオ
ン交換膜の加湿方法に関する。
ン交換膜の加湿方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】 （１）固体高分子電解質燃料電池の発電原理 図３に固体高分子電解質燃料電池の一例を示す。電解質
０１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触媒電極（例えば白金）０
２，０３を付着させ、さらにその両面を多孔質カーボン
電極０４，０５でサンドウィッチ状にはさみ重ねて電極
接合体０６を構成している。ここで、アノード極側に供
給された燃料中の水素（Ｈ2 ）は、触媒電極（アノード
極）０２上で水素イオン化され、水素イオンは電解質０
１中を水の介在のもと、Ｈ+ ・ｘＨ2 Ｏとしてカソード
極側へ移動する。触媒電極（カソード極）０３上で酸化
剤中の酸素（Ｏ2 ）及び外部回路０７を流通してきた電
子（ｅ- ）と反応し水を生成し、燃料電池外へ排出され
る。この時、外部回路０７を流通した電子（ｅ- ）の流
れが直流の電気エネルギーとして利用できる。この反応
を下記「化１」に示す。
０１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触媒電極（例えば白金）０
２，０３を付着させ、さらにその両面を多孔質カーボン
電極０４，０５でサンドウィッチ状にはさみ重ねて電極
接合体０６を構成している。ここで、アノード極側に供
給された燃料中の水素（Ｈ2 ）は、触媒電極（アノード
極）０２上で水素イオン化され、水素イオンは電解質０
１中を水の介在のもと、Ｈ+ ・ｘＨ2 Ｏとしてカソード
極側へ移動する。触媒電極（カソード極）０３上で酸化
剤中の酸素（Ｏ2 ）及び外部回路０７を流通してきた電
子（ｅ- ）と反応し水を生成し、燃料電池外へ排出され
る。この時、外部回路０７を流通した電子（ｅ- ）の流
れが直流の電気エネルギーとして利用できる。この反応
を下記「化１」に示す。
【０００３】
【化１】
【０００４】ところで、電解質０１となる高分子イオン
交換膜において、前述のような水素イオン透過性を実現
させるためには、この膜を常に充分なる保水状態に保持
しておく必要があり、通常、燃料、又は酸化剤に電池の
運転温度（常温〜１００℃程度）近傍の飽和水蒸気を含
ませて、すなわち加湿して燃料及び酸化剤を電極接合体
０６に供給し、膜の保水状態を保つようにしている。
交換膜において、前述のような水素イオン透過性を実現
させるためには、この膜を常に充分なる保水状態に保持
しておく必要があり、通常、燃料、又は酸化剤に電池の
運転温度（常温〜１００℃程度）近傍の飽和水蒸気を含
ませて、すなわち加湿して燃料及び酸化剤を電極接合体
０６に供給し、膜の保水状態を保つようにしている。
【０００５】（２）従来の固体高分子電解質燃料電池の
運転システム 図４に従来の固体高分子電解質燃料電池の運転システム
の一例を示す。純水素燃料０１１及び酸化剤０１２は、
電気ヒータ０１３，０１４で所定の温度に温められた加
湿装置０１５，０１６中の純水０１７中を通過させるこ
とにより、その飽和水蒸気分圧相当の湿分を含むことに
なる。この加湿された純水素燃料０１１、又は酸化剤０
１２を燃料電池本体０１８に送気する。燃料電池本体０
１８で使用されなかった純水素燃料０１１、又は酸化剤
０１２は、残存した純水素燃料０１１の場合は残存加湿
水蒸気と共に、又残存した酸化剤０１２の場合は残存加
湿水蒸気と電池反応生成水と共に燃料電池本体０１８外
に排出される。ここで、排出された純水素燃料０１１
は、燃料利用率向上のためリサイクルポンプ０１９によ
りリサイクルされ再び燃料電池本体０１８に再導入され
るような運転システム構成をとっている。
運転システム 図４に従来の固体高分子電解質燃料電池の運転システム
の一例を示す。純水素燃料０１１及び酸化剤０１２は、
電気ヒータ０１３，０１４で所定の温度に温められた加
湿装置０１５，０１６中の純水０１７中を通過させるこ
とにより、その飽和水蒸気分圧相当の湿分を含むことに
なる。この加湿された純水素燃料０１１、又は酸化剤０
１２を燃料電池本体０１８に送気する。燃料電池本体０
１８で使用されなかった純水素燃料０１１、又は酸化剤
０１２は、残存した純水素燃料０１１の場合は残存加湿
水蒸気と共に、又残存した酸化剤０１２の場合は残存加
湿水蒸気と電池反応生成水と共に燃料電池本体０１８外
に排出される。ここで、排出された純水素燃料０１１
は、燃料利用率向上のためリサイクルポンプ０１９によ
りリサイクルされ再び燃料電池本体０１８に再導入され
るような運転システム構成をとっている。
【０００６】（３）従来の固体高分子電解質燃料電池の
ガスセパレータの構成 図５に、従来の内部マニホールド型、または内部ヘッダ
型の固体高分子電解質燃料電池のガスセパレータの外観
を示す。同図に示すように、ガスセパレータ０２０には
燃料電池に導入される流体０２１、すなわち燃料、又は
酸化剤、又は冷却水を流入する流体導入孔０２２が形成
されており、該流体０２１は当該流体導入孔０２２より
燃料電池本体内に導入され、入口側流体ヘッダ０２３を
通じて流体流路溝０２４に分配供給され、燃料電池の電
池反応や冷却に寄与する。その後、残存した燃料、又は
酸化剤、あるいは発電時の発熱を吸収し温水となった冷
却水は、出口側流体ヘッダ０２５に集められ、流体排出
孔０２６を通じて燃料電池本体外に排出されるようにな
っている。
ガスセパレータの構成 図５に、従来の内部マニホールド型、または内部ヘッダ
型の固体高分子電解質燃料電池のガスセパレータの外観
を示す。同図に示すように、ガスセパレータ０２０には
燃料電池に導入される流体０２１、すなわち燃料、又は
酸化剤、又は冷却水を流入する流体導入孔０２２が形成
されており、該流体０２１は当該流体導入孔０２２より
燃料電池本体内に導入され、入口側流体ヘッダ０２３を
通じて流体流路溝０２４に分配供給され、燃料電池の電
池反応や冷却に寄与する。その後、残存した燃料、又は
酸化剤、あるいは発電時の発熱を吸収し温水となった冷
却水は、出口側流体ヘッダ０２５に集められ、流体排出
孔０２６を通じて燃料電池本体外に排出されるようにな
っている。
【０００７】（４）従来の固体高分子電解質燃料電池の
構成 図６に、従来の内部マニホールド型、または内部ヘッダ
型の固体高分子電解質燃料電池の構成例を示す。燃料電
池に導入される純水素燃料、又は酸化剤は、図４に示さ
れるような外部に備えられた加湿装置０１５，０１６に
より一旦加湿され、加湿された純水素燃料、又は酸化剤
として燃料電池に供給される。燃料電池本体は、図５に
示したような内部マニホールド型、または内部ヘッダ型
のセパレータに電極接合体を挟み、その背後に冷却水を
導くための冷却水セパレータを配した構成となってい
る。加湿された純水素燃料０２１Ａ、又は加湿された酸
化剤０２１Ｂは、各々純水素燃料ガスセパレータ０２０
Ａ、または酸化剤ガスセパレータ０２０Ｂに設けられた
純水素燃料流路溝０２４Ａ、酸化剤流路溝０２４Ｂを通
じて各々電極接合体０３１の表面に設けられたアノード
極０３２、カソード極０３３に各々分配、供給され電池
反応に寄与する。電池発熱は、純水素燃料ガスセパレー
タ０２０Ａの背後に配された冷却水セパレータ０３４の
冷却水導入孔０３５から導入される冷却水流路溝０３６
を流れる冷却水０３７に吸収され燃料電池本体の冷却に
寄与するようになっている。その後、残存した純水素燃
料０２１Ａ、又は酸化剤０２１Ｂ、あるいは発電時の電
池発熱を吸収し温水となった冷却水０３７は、各々、各
排出孔０２６Ａ、０２６Ｂ、０３８を通じて燃料電池本
体外に排出されるようになっている。
構成 図６に、従来の内部マニホールド型、または内部ヘッダ
型の固体高分子電解質燃料電池の構成例を示す。燃料電
池に導入される純水素燃料、又は酸化剤は、図４に示さ
れるような外部に備えられた加湿装置０１５，０１６に
より一旦加湿され、加湿された純水素燃料、又は酸化剤
として燃料電池に供給される。燃料電池本体は、図５に
示したような内部マニホールド型、または内部ヘッダ型
のセパレータに電極接合体を挟み、その背後に冷却水を
導くための冷却水セパレータを配した構成となってい
る。加湿された純水素燃料０２１Ａ、又は加湿された酸
化剤０２１Ｂは、各々純水素燃料ガスセパレータ０２０
Ａ、または酸化剤ガスセパレータ０２０Ｂに設けられた
純水素燃料流路溝０２４Ａ、酸化剤流路溝０２４Ｂを通
じて各々電極接合体０３１の表面に設けられたアノード
極０３２、カソード極０３３に各々分配、供給され電池
反応に寄与する。電池発熱は、純水素燃料ガスセパレー
タ０２０Ａの背後に配された冷却水セパレータ０３４の
冷却水導入孔０３５から導入される冷却水流路溝０３６
を流れる冷却水０３７に吸収され燃料電池本体の冷却に
寄与するようになっている。その後、残存した純水素燃
料０２１Ａ、又は酸化剤０２１Ｂ、あるいは発電時の電
池発熱を吸収し温水となった冷却水０３７は、各々、各
排出孔０２６Ａ、０２６Ｂ、０３８を通じて燃料電池本
体外に排出されるようになっている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】このような従来の固体
高分子電解質燃料電池では、図４に示したように、純水
素燃料０１１及び酸化剤０１２を加湿するために、燃料
電池本体外に電気ヒータ０１３，０１４を備えた加湿装
置０１５，０１６を設けなければならず、システム全体
が非常に大規模なものになってしまっている。また、燃
料電池系内へ熱エネルギーを加えていながらも、燃料電
池系内から熱エネルギーが排出されるシステムになって
おり、エネルギーの利用効率に大きな問題がある。
高分子電解質燃料電池では、図４に示したように、純水
素燃料０１１及び酸化剤０１２を加湿するために、燃料
電池本体外に電気ヒータ０１３，０１４を備えた加湿装
置０１５，０１６を設けなければならず、システム全体
が非常に大規模なものになってしまっている。また、燃
料電池系内へ熱エネルギーを加えていながらも、燃料電
池系内から熱エネルギーが排出されるシステムになって
おり、エネルギーの利用効率に大きな問題がある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】前述した課題を解決する
ため、本発明は、高分子イオン交換膜を両側から電極で
挟んでなる電極接合体を前記電極側から挟むと共に燃料
もしくは酸化剤が流れる流路溝を前記電極側に形成した
配流板を多孔性体で構成し、前記配流板の外側となる背
面に冷却水を流すことにより、電池発熱で気化した一部
の前記冷却水を前記配流板を通り抜けさせて、前記流路
溝を流れる前記燃料もしくは前記酸化剤を加湿して前記
高分子イオン交換膜を加湿、あるいは、前記冷却水の一
部を液体のまま前記配流板を通り抜けさせて、前記電極
接合体に加水して前記高分子イオン交換膜を加湿するこ
とで、燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方法を構成
したのである。
ため、本発明は、高分子イオン交換膜を両側から電極で
挟んでなる電極接合体を前記電極側から挟むと共に燃料
もしくは酸化剤が流れる流路溝を前記電極側に形成した
配流板を多孔性体で構成し、前記配流板の外側となる背
面に冷却水を流すことにより、電池発熱で気化した一部
の前記冷却水を前記配流板を通り抜けさせて、前記流路
溝を流れる前記燃料もしくは前記酸化剤を加湿して前記
高分子イオン交換膜を加湿、あるいは、前記冷却水の一
部を液体のまま前記配流板を通り抜けさせて、前記電極
接合体に加水して前記高分子イオン交換膜を加湿するこ
とで、燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方法を構成
したのである。
【００１０】
【作用】前述した構成による燃料電池の高分子イオン交
換膜の加湿方法では、冷却水が電池の発熱を吸収してそ
の一部が気化すると、多孔性の配流板を通り抜けるの
で、流路溝を流れる燃料もしくは酸化剤が加湿されて、
高分子イオン交換膜は加湿される。また、冷却水の一部
が液体のまま多孔性の配流板を通り抜けると、この通り
抜けた冷却水は、電極接合体を加水するので、高分子イ
オン交換膜は加湿される。
換膜の加湿方法では、冷却水が電池の発熱を吸収してそ
の一部が気化すると、多孔性の配流板を通り抜けるの
で、流路溝を流れる燃料もしくは酸化剤が加湿されて、
高分子イオン交換膜は加湿される。また、冷却水の一部
が液体のまま多孔性の配流板を通り抜けると、この通り
抜けた冷却水は、電極接合体を加水するので、高分子イ
オン交換膜は加湿される。
【００１１】
【実施例】本発明による燃料電池の高分子イオン交換膜
の加湿方法の一実施例を図面に基づいて説明する。な
お、図１には、その主要部の概略構成を示す。
の加湿方法の一実施例を図面に基づいて説明する。な
お、図１には、その主要部の概略構成を示す。
【００１２】図１に示すように、フッ素樹脂系の高分子
イオン交換膜である電解質３４の図中、右側には、アノ
ード極３３が設けられ、電解質３４の図中、左側には、
カソード極３５が設けられており、これら電解質３４、
アノード極３３、カソード極３５などで電極接合体が構
成されている。
イオン交換膜である電解質３４の図中、右側には、アノ
ード極３３が設けられ、電解質３４の図中、左側には、
カソード極３５が設けられており、これら電解質３４、
アノード極３３、カソード極３５などで電極接合体が構
成されている。
【００１３】アノード極３３の図中、右側には、導電性
を有する多孔性の燃料配流板３２が設けられ、カソード
極３５の図中、左側には、導電性を有する多孔性の酸化
剤配流板３６が設けられている。燃料配流板３２のアノ
ード極３３との対向面には、燃料である純水素が流れる
燃料流路溝３８が複数形成され、酸化剤配流板３６のカ
ソード極３５との対向面には、酸化剤が流れる酸化剤流
路溝４０が複数形成されている。
を有する多孔性の燃料配流板３２が設けられ、カソード
極３５の図中、左側には、導電性を有する多孔性の酸化
剤配流板３６が設けられている。燃料配流板３２のアノ
ード極３３との対向面には、燃料である純水素が流れる
燃料流路溝３８が複数形成され、酸化剤配流板３６のカ
ソード極３５との対向面には、酸化剤が流れる酸化剤流
路溝４０が複数形成されている。
【００１４】燃料配流板３２の図中、右側には、導電性
を有する冷却水セパレータ３１が設けられ、酸化剤配流
板３７の図中、左側にも、導電性を有する冷却水セパレ
ータ３７が設けられている。冷却水セパレータ３１の燃
料配流板３２との対向面には、冷却水が流れる冷却水流
路溝３９が複数形成され、冷却水セパレータ３７の酸化
剤配流板３６との対向面にも、冷却水が流れる冷却水流
路溝４１が複数形成されている。
を有する冷却水セパレータ３１が設けられ、酸化剤配流
板３７の図中、左側にも、導電性を有する冷却水セパレ
ータ３７が設けられている。冷却水セパレータ３１の燃
料配流板３２との対向面には、冷却水が流れる冷却水流
路溝３９が複数形成され、冷却水セパレータ３７の酸化
剤配流板３６との対向面にも、冷却水が流れる冷却水流
路溝４１が複数形成されている。
【００１５】このような燃料電池では、冷却水流路溝３
９を流れる冷却水は、電池発熱を吸収して、その一部が
蒸気となって多孔性の燃料配流板３２を通り抜け、燃料
流路溝３８を流れる純水素を加湿し、アノード極３３を
介して電解質３４を加湿する。また、冷却水の一部は、
液状のまま多孔性の燃料配流板３２に浸透し、アノード
極３３まで到達し、電解質３４を加湿する。
９を流れる冷却水は、電池発熱を吸収して、その一部が
蒸気となって多孔性の燃料配流板３２を通り抜け、燃料
流路溝３８を流れる純水素を加湿し、アノード極３３を
介して電解質３４を加湿する。また、冷却水の一部は、
液状のまま多孔性の燃料配流板３２に浸透し、アノード
極３３まで到達し、電解質３４を加湿する。
【００１６】これと同様に、冷却水流路溝４１を流れる
冷却水は、電池発熱を吸収して、その一部が蒸気となっ
て多孔性の酸化剤配流板３６を通り抜け、酸化剤流路溝
４０を流れる酸化剤を加湿し、カソード極３５を介して
電解質を加湿する。また、冷却水の一部は、液状のまま
多孔性の酸化剤配流板３６に浸透し、カソード極３５ま
で到達し、電解質３４を加湿する。
冷却水は、電池発熱を吸収して、その一部が蒸気となっ
て多孔性の酸化剤配流板３６を通り抜け、酸化剤流路溝
４０を流れる酸化剤を加湿し、カソード極３５を介して
電解質を加湿する。また、冷却水の一部は、液状のまま
多孔性の酸化剤配流板３６に浸透し、カソード極３５ま
で到達し、電解質３４を加湿する。
【００１７】前述した実施例では、冷却水セパレータ３
１，３７に冷却水流路溝３９，４１を形成したが、配流
板に冷却水流路溝を形成しても良い。このような他の実
施例を図２に基づいて説明する。なお、図２には、その
概略構成を示す。但し、前述した実施例と同様な部分に
ついては、同一の符号を付けて説明を省略する。
１，３７に冷却水流路溝３９，４１を形成したが、配流
板に冷却水流路溝を形成しても良い。このような他の実
施例を図２に基づいて説明する。なお、図２には、その
概略構成を示す。但し、前述した実施例と同様な部分に
ついては、同一の符号を付けて説明を省略する。
【００１８】図２に示すように、平板状の冷却水セパレ
ータ４２と対向する燃料配流板４３の対向面には、冷却
水流路溝４６が複数形成され、平板状の冷却水セパレー
タ４５と対向する酸化剤配流板４４の対向面にも、冷却
水流路溝４７が複数形成されている。
ータ４２と対向する燃料配流板４３の対向面には、冷却
水流路溝４６が複数形成され、平板状の冷却水セパレー
タ４５と対向する酸化剤配流板４４の対向面にも、冷却
水流路溝４７が複数形成されている。
【００１９】従って、前述した実施例と同様に、冷却水
流路溝４６，４７を流れる冷却水は、多孔性のこれら配
流板４３，４４を通り抜けて、純水素及び酸化剤を加湿
すると共に、電解質３４を加湿する。
流路溝４６，４７を流れる冷却水は、多孔性のこれら配
流板４３，４４を通り抜けて、純水素及び酸化剤を加湿
すると共に、電解質３４を加湿する。
【００２０】
【発明の効果】前述したように本発明による燃料電池の
高分子イオン交換膜の加湿方法では、気化した冷却水を
多孔性の配流板を通り抜けさせて、燃料もしくは酸化剤
を加湿して、高分子イオン交換膜を加湿、あるいは、冷
却水の一部を液体のまま多孔性の配流板を通り抜けさせ
て、電極接合体に加水して、高分子イオン交換膜を加湿
するので、冷却水が吸収した熱エネルギーをそのまま加
湿に用いることができ、熱エネルギーを有効利用するこ
とができる。また、加湿装置や電気ヒータが不要とな
り、システム全体を大幅に小型化することができる。
高分子イオン交換膜の加湿方法では、気化した冷却水を
多孔性の配流板を通り抜けさせて、燃料もしくは酸化剤
を加湿して、高分子イオン交換膜を加湿、あるいは、冷
却水の一部を液体のまま多孔性の配流板を通り抜けさせ
て、電極接合体に加水して、高分子イオン交換膜を加湿
するので、冷却水が吸収した熱エネルギーをそのまま加
湿に用いることができ、熱エネルギーを有効利用するこ
とができる。また、加湿装置や電気ヒータが不要とな
り、システム全体を大幅に小型化することができる。
【図１】本発明による燃料電池の高分子イオン交換膜の
加湿方法を応用した一実施例の主要部概略構成図であ
る。
加湿方法を応用した一実施例の主要部概略構成図であ
る。
【図２】その他の実施例の主要部概略構成図である。
【図３】固体高分子電解質燃料電池の発電原理を示す概
略図である。
略図である。
【図４】従来の固体高分子電解質燃料電池の運転システ
ムを示す概略図である。
ムを示す概略図である。
【図５】従来の内部マニホールド型または内部ヘッダ型
の固体高分子電解質燃料電池のガスセパレータの外観図
である。
の固体高分子電解質燃料電池のガスセパレータの外観図
である。
【図６】従来の内部マニホールド型または内部ヘッダ型
の固体高分子電解質燃料電池の構成を表す分解斜視図で
ある。
の固体高分子電解質燃料電池の構成を表す分解斜視図で
ある。
３１ 冷却水セパレータ ３２ 燃料配流板 ３３ アノード極 ３４ 電解質 ３５ カソード極 ３６ 酸化剤配流板 ３７ 冷却水セパレータ ３８ 燃料流路溝 ３９ 冷却水流路溝 ４０ 酸化剤流路溝 ４１ 冷却水流路溝
Claims (1)
- 【請求項１】 高分子イオン交換膜を両側から電極で挟
んでなる電極接合体を前記電極側から挟むと共に燃料も
しくは酸化剤が流れる流路溝を前記電極側に形成した配
流板を多孔性体で構成し、前記配流板の外側となる背面
に冷却水を流すことにより、電池発熱で気化した一部の
前記冷却水を前記配流板を通り抜けさせて、前記流路溝
を流れる前記燃料もしくは前記酸化剤を加湿して前記高
分子イオン交換膜を加湿、あるいは、前記冷却水の一部
を液体のまま前記配流板を通り抜けさせて、前記電極接
合体に加水して前記高分子イオン交換膜を加湿すること
を特徴とする燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方
法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5126751A JPH06338338A (ja) | 1993-05-28 | 1993-05-28 | 燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP5126751A JPH06338338A (ja) | 1993-05-28 | 1993-05-28 | 燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06338338A true JPH06338338A (ja) | 1994-12-06 |
Family
ID=14943017
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP5126751A Withdrawn JPH06338338A (ja) | 1993-05-28 | 1993-05-28 | 燃料電池の高分子イオン交換膜の加湿方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06338338A (ja) |
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