(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質としての固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料供給路に内包されて前記燃料が内部を通過する導電性の多孔体と、前記多孔体に水分を供給する給水手段と、前記多孔体を誘導加熱により発熱させる加熱コイルと、前記加熱コイルを制御する制御部とを備えた固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項２】
前記燃料供給路の凹部である保水凹部を備え、前記保水凹部に前記多孔体を配設した請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項３】
前記保水凹部と前記給水手段とを連通する水循環路を備えた請求項２記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項４】
電気化学反応で生成される水分を前記多孔体に還流させる生成水還流路を備えた請求項１記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【請求項５】
前記生成水還流路に気液分離部を備えた請求項４記載の固体高分子電解質型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は飽和含水することによりプロトン導電性を示す固体高分子電解質膜を電解質保持層とする固体高分子電解質型燃料電池の、飽和含水状態を保持する加湿装置を備えた燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の固体高分子電解質型燃料電池として、例えば図４に示す特開平５―５４９００号公報のものがあった。図に示すように、１は固体高分子電解質膜であり、その両面に密着してアノード電極２とカソード電極３が設けられ、それぞれの外側には燃料通路４および酸化剤通路５が設けられており、燃料供給通路６および酸化剤供給通路７から燃料および酸化剤である反応ガスが供給される。燃料および酸化剤の少なくとも一方側に３００μｍ以下に微小粒子化した霧を添加する加湿装置として、噴霧ノズル８および加圧ポンプ９が反応ガス供給通路内に設けられている。固体高分子電解質膜１は、分子中にプロトン交換基を持ち、飽和含水することによりプロトン導電性電解質として機能するとともに、燃料ガスと酸化剤ガスの混合を防ぐ隔膜としても機能する。従って、固体高分子電解質型燃料電池の発電効率を高く維持するためには固体高分子電解質膜中の水分を飽和状態に維持するとともに、固体高分子電解質型燃料電池の運転温度を５０〜１００℃程度に保持して固体高分子電解質膜の比抵抗を低く保つ必要がある。このため、反応ガスの加湿装置である噴霧ノズル８および加圧ポンプ９を設け、反応ガス内に３００μｍ以下の微小粒子化した霧を混入させ、燃料電池の発電生成熱によって蒸気化させ、飽和含水された固体高分子電解質膜の水蒸気分圧と平衡状態を保ち、固体高分子電解質膜中の水分の乾燥を阻止し、効率の高い運転を行うようになっていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記従来の構成では、反応ガスを加湿するために噴霧ノズルや加圧ポンプなどの動力噴霧器が必要であり、システムが複雑な構成となり小型化できず、微小粒子化した霧の発生量を燃料電池の負荷変動と整合させるための高精度な霧化状態制御が必要であり、さらに動力噴霧器等の霧化手段では、霧化量を増大させると噴霧中に含まれる粗大粒子の割合が増加するので、燃料電池の発電負荷の増加に応じて霧化量を増大させると粒子径が大きくなり、結露による電極の目詰まりが発生し、このため発電出力が著しく低下してしまうという課題があった。
【０００４】
本発明の第１の目的は上記従来の課題を解決するもので、固体高分子電解質膜中の水分の乾燥を阻止するために、噴霧ノズルや加圧ポンプなどの動力噴霧器を必要とせず、簡単なシステム構成で小型化でき、しかも発電負荷変動に応じた燃料ガスの湿度制御が容易に行える固体高分子型燃料電池を提供することである。
【０００５】
また第２の目的は、固体高分子電解質膜中の水分の乾燥を阻止するために、噴霧ノズルや加圧ポンプなどの動力噴霧器を必要とせず、燃料ガスの湿度制御が簡単な給水制御で確実に行える固体高分子型燃料電池を提供することである。
【０００６】
また第３の目的は、固体高分子電解質膜中の水分の乾燥を阻止するために、噴霧ノズルや加圧ポンプなどの動力噴霧器を必要とせず、燃料ガスの湿度制御が簡単な構成で確実に行うことができ、過剰に供給された水分を再利用できる固体高分子型燃料電池を提供することである。
【０００７】
また第４の目的は、固体高分子電解質膜中の水分の乾燥を阻止するために、噴霧ノズルや加圧ポンプなどの動力噴霧器を必要とせず、燃料ガスの湿度制御が簡単な構成で確実に行うことができ、カソード電極での生成水を再利用して補給水量を低減できる固体高分子型燃料電池を提供することである。
【０００８】
また第５の目的は、固体高分子電解質膜中の水分の乾燥を阻止するために、噴霧ノズルや加圧ポンプなどの動力噴霧器を必要とせず、燃料ガスの湿度制御が簡単な構成で確実に行うことができ、生成水への酸化剤ガスの混入を防止して安全に生成水の再利用を図った固体高分子型燃料電池を提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために以下の構成より成る。すなわち、電解質としての固体高分子電解質膜と、前記固体高分子電解質膜に燃料を供給する燃料供給路と、前記燃料供給路に内包されて前記燃料が内部を通過する導電性の多孔体と、前記多孔体に水分を供給する給水手段と、前記多孔体を誘導加熱により発熱させる加熱コイルと、前記加熱コイルを制御する制御部とを備えた構成としている。
【００１０】
また第２の構成としては、前記燃料供給路の凹部である保水凹部を備え、前記保水凹部に前記多孔体を配設した構成としている。
【００１１】
また第３の構成としては、前記保水凹部と前記給水手段とを連通する水循環路を備えた構成としている。
【００１２】
また第４の構成としては、電気化学反応で生成される水分を前記多孔体に還流させる生成水還流路を備えた構成としている。
【００１３】
また第５の構成としては、前記生成水還流路に気液分離部を備えた構成としている。
【００１４】
【作用】
上記構成により本発明の固体高分子電解質型燃料電池は以下の作用を果たす。すなわち、燃料供給路に導入された燃料ガスは多孔体に接触しながら通過するが、導電性の多孔体は制御部によって制御された加熱コイルの誘導加熱による内部発熱によって所定温度に昇温され、かつ給水手段から供給された水分によって含水状態が保たれているので、燃料ガスは多孔体を通過する際に所定温度に加熱されるとともに、その温度での相対湿度が１００％である飽和蒸気として速やかに平衡状態に達することとなり、燃料ガスの湿度制御が高い応答性で確実に行える。
【００１５】
また第２の構成の、燃料供給路の凹部である保水凹部を備え、前記保水凹部に多孔体を配設した構成により、給水手段から供給された水は燃料供給路の保水凹部に溜められた後、保水凹部に配設された多孔体に含浸されるので、保水凹部に水が保持さえされていれば給水手段からの給水量を精度良く制御する必要がなく、多孔体を通過する燃料ガスは所定温度での飽和水蒸気と確実に平衡状態が保たれる。
【００１６】
また第３の構成の、保水凹部と給水手段とを連通する水循環路を備えた構成により、給水手段から供給された水は燃料供給路の保水凹部に溜められた後、保水凹部に配設された多孔体に含浸されるので、保水凹部に水が保持さえされていれば給水手段からの給水量を精度良く制御する必要がなく、保水凹部の所定水位を越えて給水された水は水循環路を経て給水手段に還流されるので、過剰に供給された水分が保水凹部からあふれだして燃料供給路を閉そくすることもなく供給水を再利用でき、多孔体を通過する燃料ガスは所定温度での飽和水蒸気と確実に平衡状態が保たれる。
【００１７】
また第４の構成の、電気化学反応で生成される水分を多孔体に還流させる生成水還流路を備えた構成により、酸素と水素イオンと電子の電気化学反応で生成される水が、生成水還流路を経て多孔体に供給されるので、給水手段からの補給水量を低減できる。
【００１８】
また第５の構成の、生成水還流路に気液分離部を備えた構成により、酸素と水素イオンと電子の電気化学反応で生成される水が、生成水還流路の気液分離部を経て多孔体に供給されるので、酸化剤ガスの燃料供給路への混入を防止して安全に生成水の再利用を図ることができる。
【００１９】
【実施例】
以下本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は本発明の第１の実施例の固体高分子電解質型燃料電池の要部断面図である。
【００２１】
図１において、１０は固体高分子電解質膜であり、その両面に密着してアノード電極１１とカソード電極１２が設けられ、それぞれの外側には燃料通路１３および酸化剤通路１４が設けられており、燃料通路１３は燃料供給路１５と、酸化剤通路１４は酸化剤供給路１６とそれぞれ連通されている。燃料供給路１５の通路内には燃料が内部を通過する導電性の多孔体１７が設けられており、加熱コイル１８は多孔体１７を誘導加熱する磁界発生部であり、制御部２０を介して電力源（図示せず）に接続され燃料供給路１５の外側に設けられている。１９は多孔体１７に水を供給する給水手段である。
【００２２】
上記構成において、燃料ガスは燃料供給路１５に内包された多孔体１７に接触しながら通過し、燃料通路１３に導入される。多孔体１７は制御部２０によって制御された加熱コイル１８の誘導加熱によって所定温度に昇温され、かつ給水手段１９から供給された水分によって含水状態が保たれているので、燃料ガスは多孔体１７を通過する際に加熱されるとともに、その温度での相対湿度が１００％である飽和蒸気として平衡状態に達する。燃料通路１３からアノード電極１１に供給された燃料ガスはアノード電極１１で冷やされて結露による目詰まりを生じることもなく固体高分子電解質膜１０を加湿でき、アノード電極１１の触媒層で水素イオンと電子に分解される。一方、酸化剤である酸素は酸化剤供給路１６を経て酸化剤通路１４からカソード電極１２に供給され、カソード電極１２の触媒層で酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応が行なわれ、アノード電極１１からカソード電極１２に向かって外部回路を移動する電子により発電電力が得られる。誘導加熱による内部発熱でありかつ多孔体１７は単位質量当りの伝熱面積が大きいので、燃料ガスの急速な温度上昇と高い温度応答性が実現でき、燃料電池の発電開始を早くでき発電負荷の変動に応じて加湿制御を速やかに行なうことができるので、発電負荷変動が大きい家庭用の発電装置として要求発電負荷に整合した発電運転を行なうことができる。
【００２３】
図２は本発明の第２の実施例の固体高分子電解質型燃料電池の要部断面図であり、図１と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、燃料供給路１５の一部に設けられた凹部は保水凹部２１であり、保水凹部２１には多孔体１７が配設されており、保水凹部２１の底部と給水手段１９は水循環路２２で連通されており、酸化剤通路１４と多孔体１７は気液分離部２３を介して生成水還流路２４で連通されている。
【００２４】
上記構成において、水は給水手段１９から供給され、燃料供給路１５の保水凹部２１に溜められた後、保水凹部２１に配設された多孔体１７に含浸される。保水凹部２１に水が保持さえされていれば給水手段１９からの給水量を精度良く制御する必要がなく、多孔体１７を通過する燃料ガスは所定温度での飽和水蒸気と確実に平衡状態が保たれ、相対湿度１００％で燃料通路１３に導入される。保水凹部２１の所定水位を越えて給水された水は、水循環路２２を経て給水手段１９に還流されるので、過剰に供給された水分が保水凹部２１からあふれだして燃料供給路１５を閉そくすることもなく供給水を再利用できる。カソード電極の触媒層では酸素と水素イオンと電子の電気化学反応によって水が生成されるが、この生成水は、生成水還流路２４を経て多孔体１７に供給されるので、給水手段１９からの補給水量を低減できる。しかも、気液分離部２３によって酸化剤ガスの燃料供給路１５への混入を防止して安全に生成水の再利用を図ることができる。
【００２５】
図３は本発明の第３の実施例の固体高分子電解質型燃料電池の要部断面図であり、図１と同符号のものは相当する構成要素であり、詳細な説明は省略する。図において、燃料通路１３及び酸化剤通路１４の内部には多孔体１７がアノード電極１１及びカソード電極１２にそれぞれ密接して設けられており、燃料通路１３と酸化剤通路１４の外側には加熱コイル１８が構成されている。１９は給水手段でありアノード電極１１に密接した多孔体１７に連通されている。
【００２６】
上記構成において、燃料通路１３に導入された燃料ガスはアノード電極１１に密接して設けられた多孔体１７に接触しながら内部を通過した後、アノード電極１１に到達するが、多孔体１７は加熱コイル１８の誘導加熱による内部発熱によって所定温度に昇温され、給水手段１９から供給された水分によって含水状態が保たれているので、燃料ガスは多孔体１７を通過する際に加熱されるとともに、その温度での相対湿度が１００％である飽和蒸気として平衡状態に達することとなり、その平衡状態を維持したまま密接して設けられたアノード電極１１に供給される。従ってアノード電極１１での結露による目詰まりを生じることなく固体高分子電解質膜１０中の水分の乾燥を防止できるので安定した発電出力を得ることができ、アノード電極１１と加湿及び温度制御を行なう多孔体１７とを一体構成としているので、システムの小型化を図るとともに放熱損失の低減を図ることができる。また、酸化剤である酸素は酸化剤通路１４からカソード電極１２に供給され、カソード電極１２の触媒層での酸素と水素イオンと電子の電気化学反応により水が生成される。生成された水はカソード電極１２内を移動して外部に排出されるが、カソード電極１２には誘導加熱によって所定温度に加熱された多孔体１７が密接して設けられており、多孔体１７からカソード電極１２への伝熱によって、カソード電極１２内の生成水が蒸発できるので、生成水によるカソード電極１２の目詰まりが防止でき、さらに生成水の水蒸気は酸化剤ガスによって固体高分子電解質膜１０に供給されるので、生成水の再利用によって固体高分子膜１２を加湿できる。
【００２７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の固体高分子電解質型燃料電池は、以下に述べる効果を有するものである。
【００２８】
すなわち、燃料供給路に内包された含水状態にある導電性の多孔体と、この多孔体を誘導加熱により加熱する加熱コイルとを備えているという第１の構成により、燃料ガスは燃料供給路に内包された多孔体に接触しながら通過するが、多孔体は所定温度に昇温され、かつ給水手段から供給された水分によって含水状態が保たれているので、燃料ガスは多孔体を通過する際に所定温度に加熱されるとともに、その温度での相対湿度が１００％である飽和蒸気として速やかに平衡状態に達する。誘導加熱による内部発熱でありかつ多孔体は単位質量当りの伝熱面積が大きいので、燃料ガスの急速な温度上昇と高い温度応答性が実現でき、燃料電池の発電開始を早くでき発電負荷の変動に応じて加湿制御を速やかに行なうことができるので、発電負荷変動が大きい家庭用の発電装置として要求発電負荷に整合した発電運転を行なうことができエネルギーの有効利用を図ることができる。さらに、多孔体の誘導加熱による内部発熱であるから周囲への放熱損失が低減でき、温度制御のための電力量が小さくでき正味の利用可能な発電出力が大きくできる。さらに、燃料ガスは所定温度に加熱され、その温度での相対湿度が１００％である飽和蒸気として速やかに平衡状態に達し、結露による目詰まりを生じることもなく固体高分子電解質膜の乾燥を防止でき安定な発電出力を得ることができる。
【００２９】
また、燃料供給路の凹部である保水凹部を備え、この保水凹部に多孔体を配設するという第２の構成により、給水手段から供給された水は燃料供給路の保水凹部に溜められた後、保水凹部に配設された多孔体に含浸されるので、保水凹部に水が保持さえされていれば給水手段からの給水量を精度良く制御する必要がなく、多孔体を通過する燃料ガスは所定温度での飽和水蒸気と確実に平衡状態が保たれ、相対湿度１００％となる。従って給水量の簡単な制御によって固体高分子電解質膜を加湿でき、安定な発電出力を得ることができる。
【００３０】
また、保水凹部と給水手段とを連通する水循環路を備えるという第３の構成により、給水手段から供給された水は燃料供給路の保水凹部に溜められた後、保水凹部に配設された多孔体に含浸されるので、保水凹部に水が保持さえされていれば給水手段からの給水量を精度良く制御する必要がなく、保水凹部の所定水位を越えて給水された水は水循環路を経て給水手段に還流されるので、過剰に供給された水分が保水凹部からあふれだして燃料供給路を閉そくすることもなく供給水を再利用でき、多孔体を通過する燃料ガスは所定温度での飽和水蒸気と確実に平衡状態が保たれ、相対湿度１００％となり安定な発電出力を得ることができる。
【００３１】
また、電気化学反応で生成される水分を多孔体に還流させる生成水還流路を備えるという第４の構成により、酸素と水素イオンと電子の電気化学反応で生成される水が、生成水還流路を経て多孔体に供給されるので、給水手段からの補給水量を低減でき水資源の有効利用を図ることができる。
【００３２】
また、生成水還流路に気液分離部を備えるという第５の構成により、酸素と水素イオンと電子の電気化学反応で生成される水が、生成水還流路の気液分離部を経て多孔体に供給されるので、酸化剤ガスの燃料供給路への混入を防止して安全に生成水の再利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の要部断面図
【図２】本発明の第２の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の要部断面図
【図３】本発明の第３の実施例における固体高分子電解質型燃料電池の要部断面図
【図４】従来の固体高分子電解質型燃料電池のシステム構成図
【符号の説明】
１０  固体高分子電解質膜
１５  燃料供給路
１７  多孔体
１８  加熱コイル
１９  給水手段
２０  制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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