(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子電解質膜と、その両面に接合された一組の電極と、これらを挟持する一対のガス流路を備えたセパレータとからなる単電池ユニットを複数積層して燃料電池積層体を構成し、前記一対のガス流路にそれぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給して発電する固体高分子型燃料電池において、
少なくとも水蒸気を含むガスが供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの供給経路に、バイパス経路とこのバイパス経路に流れるガス流量を調整する流量調整手段とを設け、前記バイパス経路に、空気と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させる第１の温度低下手段を設けたことを特徴とする固体高分子型燃料電池。
【請求項２】
前記燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの供給経路の主経路に、燃料電池本体の内部温度に応じて燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させる第２の温度低下手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項３】
前記第２の温度低下手段は、燃料電池本体に給排出される冷却水と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させるものであることを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池。
【請求項４】
前記第２の温度低下手段は、空気と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させるものであることを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池に関するものであり、さらに詳しくは固体高分子電解質膜を用いる固体高分子型燃料電池内で燃料ガスまたは酸化剤ガス中に含まれる水蒸気が凝縮しないようにした固体高分子型燃料電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、固体高分子型燃料電池の単電池ユニットの基本構成を示す分解断面図である。固体高分子電解質膜１の両側の主面にアノード２とカソード３が接合してセルを構成し、このセルを、セルに面して反応ガス流通用のガス流路５を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路６を備えた導電性でかつガス不透過性の材料よりなる一組のセパレータ４により挟持して単電池ユニットを構成している。
【０００３】
図６は、固体高分子型燃料電池の燃料電池積層体の基本構成を示す断面図である。多数の単電池ユニット８を積層し、集電板９、電気絶縁と熱絶縁を目的とする絶縁板１０、ならびに荷重を加えて積層状態を保持するための締付板１１によって挟持し、ボルト１２とナット１４により締め付けられており、締め付け荷重は、皿バネ１３により加えられている。
【０００４】
図７は、単電池ユニット８を構成するセパレータ４のガス流路５の構成例を示す平面図である。図７は、セパレータ４のセル側より見た平面図で、セルの電極に面した発電領域７に、多数の平行に配されたガス流路５が形成されている。アノード２に面したセパレータ４に送られる燃料ガス、あるいはカソード３に面したセパレータ４に送られる酸化剤ガスは、ガス入口１５より入口側マニホールド１６へと導入され、多数のガス流路５に分流し、電極へ拡散して電気化学反応に寄与する。未反応ガスは出口側マニホールド１７へと集められ、ガス出口１８より排出される。なお、図７のガス入口連通孔１９とガス出口連通孔２０は、このセパレータ４と相対して配されるセパレータ４に流通するガスのガス入口、ガス出口に連通しており、相対する電極へのガスの供給に用いられるものである。
【０００５】
固体高分子電解質膜１としては、スルホン酸基を持つポリスチレン系の陽イオン交換膜をカチオン導電性膜としたもの、フロロカーボンスルホン酸とポリビニリデンフロライドの混合膜、フロロカーボンマトリックスにトリフロロエチレンをグラフト化したもの、及びパーフロロカーボンスルホン酸膜（米国デュポン社製、商品名ナフィオン膜）などが知られている。これらの固体高分子電解質膜は分子中にプロトン交換基を有しており、含水量を飽和させると比抵抗が常温で２０Ωｃｍ２  以下となり、プロトン導電性電解質として機能する。
【０００６】
アノード２に水素を含む燃料ガス、カソード３に酸素を含む酸化剤ガスを供給すると、アノード２では、水素分子を水素イオンと電子に分解するアノード反応、カソード３では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する以下の電気化学反応がそれぞれ行われ、アノードからカソードに向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、カソード側に水が生成されることとなる。
【０００７】
アノード；Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ−（アノード反応）
カソード；２Ｈ＋＋（１／２）Ｏ２＋２ｅ−→Ｈ２Ｏ（カソード反応）
全体    ；Ｈ２＋（１／２）Ｏ２→Ｈ２Ｏ
上記のように固体高分子電解質膜１は飽和に含水させることによりプロトン導電性電解質として機能し、また高温になると固体高分子電解質膜１が変態してプロトン導電性が低くなるので、固体高分子型燃料電池においては、運手温度を５０〜１００℃程度とし、反応ガスに水蒸気を飽和に含ませて各単電池ユニット８に供給して運転する方法が採られている。
【０００８】
アノード２に供給する水素を含む燃料ガスとしてはメタノールや天然ガス、パラフィンなどの炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水蒸気を含みかつ水素を含む燃料ガスが燃料電池に供給される。
【０００９】
一方、単電池ユニット８においては、このような所定量の水蒸気を含有する燃料ガスを燃料電池に供給すると、流路内で過飽和となった燃料ガス中の水分が凝縮、結露してガス流路内に滞留する。また、カソード３では、上記のごとく電気化学反応に伴って生成水が生じるので、単電池ユニット８を流れるガスには生成水に対応した水分が加わり、下流側になるほど多量の水分が含まれることとなる。したがって、水蒸気を飽和に含ませて供給したガスは下流側で過飽和となり、過剰な水分が凝縮、結露してガス流路内に滞留する。
特に、運転開始直後で定常運転時の温度に燃料電池が達していない場合は、過剰な水分が凝縮、結露してガス流路内に滞留し易い。また、定常運転時においても負荷が急激に減少した場合には、燃料電池温度が低下するために、やはり過剰な水分が凝縮、結露してガス流路内に滞留し易い。このように、ガス流路に滞留水が付着すると、ガスの円滑な流れが阻害され、ガスの供給量が不足して発電特性が低下し、安定、かつ高出力が維持できなくなるので、燃料電池内で水分が凝縮、結露しないようにすることが必要となる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ガス流路内に凝縮、結露した滞留水を除去するために、図８に示すような、燃料ガスを供給するガス供給装置２１に、加湿器２３を経てガスを供給する回路とこの回路に並列に設けられた加湿器２３を迂回する回路を備え、さらに供給するガスの流れを前記の二つの回路の間で切り換える制御弁２４、ならびに制御弁２４の動作を制御する制御装置２５、流量調整弁２２を備えた固体高分子型燃料電池が提案されている（特開平１０−６４５６９号公報）。この技術は、必要に応じて制御装置２５により制御弁２４を切り替えて加湿器２３を迂回する回路にガスを流通させて単電池ユニット８に乾燥ガスを送り、ガス流路に凝縮、結露した滞留水を蒸発させ除去できるというものである。
【００１１】
この技術は一旦燃料電池のガス流路に凝縮、結露した滞留水を蒸発させ除去することを目的とするものであり、燃料電池の起動後に時間が経つにつれて発生する過飽和となった過剰な水分がガス流路内に凝縮、結露して滞留し、発電特性が低下し、安定して運転ができなくなり、かつ高出力が維持できなくなる問題がある。
【００１２】
本発明の目的は、燃料電池の運転開始直後であっても、燃料電池の起動後に時間が経っても、また、定常運転時において、負荷が急激に減少した場合であっても、水分がガス流路内に凝縮、結露して滞留するのを防止し、安定して運転ができるとともに、高出力が維持できる固体高分子型燃料電池を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は従来の問題を解決するために鋭意研究した結果、少なくとも燃料ガスまたは酸化剤ガス供給経路のいずれか一方に、燃料ガスまたは酸化剤ガスの温度を低下させる手段を設け、燃料電池本体の内部温度もしくはそれ以下の適切な温度を有するガスとし、そのガスを燃料電池本体へ供給することにより、課題を解決できることを見いだし、本発明を成すに到った。
【００１４】
本発明の請求項１の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、その両面に接合された一組の電極と、これらを挟持する一対のガス流路を備えたセパレータとからなる単電池ユニットを複数積層して燃料電池積層体を構成し、前記一対のガス流路にそれぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給して発電する固体高分子型燃料電池において、
少なくとも水蒸気を含むガスが供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの供給経路に、バイパス経路とこのバイパス経路に流れるガス流量を調整する流量調整手段とを設け、前記バイパス経路に、空気と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させる第１の温度低下手段を設けたことを特徴とするものである。
【００１５】
本発明の請求項２の固体高分子型燃料電池は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池において、前記燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの供給経路の主経路に、燃料電池本体の内部温度に応じて燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させる第２の温度低下手段を設けたことを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項３の固体高分子型燃料電池は、請求項２記載の固体高分子型燃料電池において、前記第２の温度低下手段は、燃料電池本体に給排出される冷却水と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させるものであることを特徴とする。
【００１７】
本発明の請求項４の固体高分子型燃料電池は、請求項２記載の固体高分子型燃料電池において、前記第２の温度低下手段は、空気と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させるものであることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１は本発明の固体高分子型燃料電池の第１の実施例を示す要部の説明図である。
図１において、３０は、炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して水蒸気および水素を含む燃料ガスを生成する改質装置、３１は、改質装置３０で生成された水蒸気および水素を含む燃料ガスと、燃料電池本体３２から排出された冷却水との間で熱交換を行わせて燃料ガス中に含まれる水蒸気の一部を凝縮させ、燃料ガスの温度を燃料電池本体３２の内部温度もしくはそれ以下の温度とし、この温度を低下させた燃料ガスを同燃料電池本体３２に供給する、燃料ガス供給経路内に設けた第１熱交換器、３３は、第１熱交換器３１で熱交換した冷却水と第１熱交換器３１で凝縮して生成した凝縮水を貯蔵するタンクである。
【００１９】
一方、３４は、酸素を含む酸化剤ガスを加湿する加湿器、３５は、空気を冷媒として熱交換を行わせ、加湿器３４で加湿された酸化剤ガスに含まれる水蒸気の一部を凝縮させて酸化剤ガスの温度を低下させる第２熱交換器、３６は、第２熱交換器３５を途中に設けたバイパス経路、３７は、バイパス経路３６に設けた流量制御用の流量調節弁、３８は、流量調節弁３７の動作を制御する制御装置である。
【００２０】
上記の構成の固体高分子型燃料電池において、改質装置３０で炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水蒸気および水素を含む燃料ガスは、第１熱交換器３１で燃料電池本体３２から排出される冷却水と熱交換して水蒸気の一部が凝縮されるとともに、冷却水の温度と略同程度の温度とされる。したがって、燃料ガスが燃料電池本体３２よりも若干低い程度の温度とされるので、燃料ガス中に含まれる水分は燃料電池本体３２のガス流路５内で凝縮したり、結露して滞留しない。そして第１熱交換器３１で熱交換した冷却水と第１熱交換器３１で凝縮して生成した凝縮水はタンク３３を経て燃料電池本体３２の図示しない冷却水流路６に供給されて循環使用される。
【００２１】
かかる構成によれば、燃料電池本体３２から排出される冷却水の温度は同本体３２の内部温度よりも２〜３℃低めの温度に維持されているので、急激な負荷の変動が生じた場合にあっても燃料電池本体３２の内部温度の変動に応じて燃料ガスの温度を低下させることができる。このため、燃料電池本体３２に安定して同本体３２よりも若干低めの温度の燃料ガスを供給することが可能となり、ガス流路５内での水蒸気の凝縮や結露を抑制することができる。
【００２２】
尚、本実施例においては燃料ガスを燃料電池本体３２から排出される冷却水と熱交換させるようにしたが、これに限らず燃料電池本体３２に供給する冷却水と熱交換させるようにしてもよい。燃料電池本体３２に供給する冷却水の温度も排出側よりは５〜６℃低い温度に維持されるので、排出側の冷却水を用いた場合と同様の効果を奏する。
【００２３】
以上のように、熱交換器の冷媒として燃料電池本体３２に給排出される冷却水を用いる替わりに、外部の空気を冷媒として用いることができる。図１に示す固体高分子型燃料電池においては、酸化剤ガス側の熱交換器の冷媒として空気を用いている。
【００２４】
酸素を含む酸化剤ガスは加湿器３４で加湿され、その一部はバイパス経路３６に流れて第２熱交換器３５で空気と熱交換されて加湿された酸化剤ガスに含まれる水蒸気の一部が凝縮されるとともに、温度が外部の空気温度程度にまで低下される。温度が外部の空気温度程度にまで低下された酸化剤ガスは、制御装置３８および流量調節弁３７により流量をコントロールされ、加湿器３４で加湿された酸素を含む酸化剤ガスと合流して燃料電池本体３２に供給される。
【００２５】
このとき、合流した後の燃料電池本体３２に供給される酸化剤ガスの温度が、燃料電池本体３２の内部温度よりも若干低い温度となるように、制御装置３８および流量調節弁３７によってバイパス経路３６を流通する酸化剤ガスの流量が制御される。尚、流量調節弁３７の替わりにダンパーを用いて流量を調節するようにしてもよい。
したがって、燃料電池本体３２の内部温度よりも若干低い温度とされた酸化剤ガスが燃料電池本体３２に供給されるので、酸化剤ガス中に含まれる水分は燃料電池本体３２のガス流路５内で凝縮したり、結露して滞留しない。そして第２熱交換器３５で凝縮して生成した凝縮水は前記タンク３３に送られて冷却水として循環使用される。
【００２６】
本発明の固体高分子型燃料電池は、燃料電池運転開始直後であっても、また燃料電池の起動後に時間が経っても、あるいは急激な負荷変動が生じた場合にあっても、バイパス経路３６を流れる酸化剤ガスの流量を調整することにより燃料電池本体３２に供給される酸化剤ガスの温度を同本体３２の内部温度よりも若干低めの温度に調整することができるので、水分がガス流路５内に凝縮、結露して滞留することを抑制することができ、安定して発電を行うことができるとともに高出力を維持できる。
【００２７】
尚、上述した熱交換器は燃料ガス側または酸化剤ガス側のいずれに設けてもよく、少なくとも水蒸気を含むガスが供給される側の供給経路に設ければよい。また、熱交換器の冷媒としては燃料電池本体から給排出される冷却水、あるいは空気のいずれを用いてもよい。
【００２８】
図２は本発明の固体高分子型燃料電池の第２の実施例を示す要部の説明図である。本実施例においては第１実施例とは逆に、酸化剤ガスの供給経路に燃料電池本体３２から排出される冷却水を冷媒とする第１熱交換器３１を設け、燃料ガスの供給経路に空気を冷媒とする第２熱交換器３５を設けている。尚、第１実施例と同様に燃料電池本体３２に供給する冷却水を冷媒としてもよい。
図２において、３０は、炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して水蒸気および水素を含む燃料ガスを生成する改質装置、３５は、空気を熱交換器の冷媒として熱交換を行わせ、改質装置３０で生成した水蒸気および水素を含む燃料ガスに含まれる水蒸気の一部を凝縮させて燃料ガスの温度を低下させる第２熱交換器、３７は、バイパス経路３６に設けた流量調節弁、３８は、流量調節弁３７の動作を制御する制御装置である。
【００２９】
一方、３４は、酸素を含む酸化剤ガスを加湿する加湿器、３１は、加湿器３４で加湿された酸化剤ガスを、燃料電池本体３２から排出された冷却水を冷媒として熱交換を行わせて酸化剤ガス中に含まれる水蒸気の一部を凝縮させて、酸化剤ガスの温度を燃料電池本体３２の内部温度もしくはそれ以下の温度とし、温度が低下した酸化剤ガスを同燃料電池本体３２に供給する、酸化剤ガス供給経路内に設けた第１熱交換器、３３は、第１熱交換器３１で熱交換した冷却水と第１熱交換器３１で凝縮して生成した凝縮水を貯蔵するタンクである。
【００３０】
上記の構成の固体高分子型燃料電池において、改質装置３０で炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水蒸気および水素を含む燃料ガスは、その一部がバイパス経路３６に流れて第２熱交換器３５で空気と熱交換されて含まれる水蒸気の一部が凝縮されるとともに、その温度が空気温度程度にまで低下せしめられる。
【００３１】
温度の低下した燃料ガスは制御装置３８および流量調節弁３７により流量をコントロールされ、改質装置３０で生成した水蒸気および水素を含む燃料ガスと合流して燃料電池本体３２に供給される。このとき合流した後の燃料電池本体３２に供給される燃料ガスの温度が燃料電池本体３２の内部温度もしくはそれ以下の温度となるように、制御装置３８および流量調節弁３７によってバイパス経路３６を流通する燃料ガスの流量が制御される。
【００３２】
したがって、燃料電池本体３２の内部温度よりも若干低い温度とされた燃料ガスが燃料電池本体３２に供給されるので、燃料ガス中に含まれる水分は燃料電池本体３２のガス流路５内で凝縮したり、結露して滞留しない。そして第２熱交換器で凝縮して生成した凝縮水は前記タンク３３に送られて冷却水として循環使用される。
【００３３】
本実施例の本発明の固体高分子型燃料電池は、燃料電池運転開始直後であっても、また燃料電池の起動後に時間が経っても、あるいは急激な負荷変動が生じた場合にあっても、合流した後の燃料電池本体３２に供給される燃料ガスの温度が燃料電池本体３２の内部温度もしくはそれ以下の温度となるように、制御装置３８および流量調節弁３７によってバイパス経路３６を流通する燃料ガスの流量が制御されるので、水分がガス流路５内に凝縮、結露して滞留することを抑制することができ、安定して発電を行うことができるとともに高出力を維持できる。
【００３４】
一方、加湿器３４で加湿された酸化剤ガスは、第１熱交換器３１で固体高分子型燃料電池本体３２から排出される冷却水と熱交換して水蒸気の一部が凝縮されるとともに、冷却水の温度と略同程度の温度とされる。したがって、燃料電池本体本体３２よりも若干低い程度の温度のガスとされるので酸化剤ガス中に含まれる水分は燃料電池本体３２のガス流路５内で凝縮したり、結露して滞留しない。そして第１熱交換器３１で熱交換した冷却水と第１熱交換器３１で凝縮して生成した凝縮水はタンク３３を経て燃料電池本体３２の図示しない冷却水流路６に供給されて循環使用される。
【００３５】
かかる構成によれば、燃料電池本体３２から排出される冷却水の温度は、急激な負荷の変動が生じた場合にあっても常に同本体３２よりも若干低めの温度に維持されているので、燃料電池本体３２に安定して同本体３２よりも若干低めの温度の酸化剤ガスを供給することができる。したがって、燃料電池運転開始直後であっても、また燃料電池の起動後に時間が経っても、あるいは急激な負荷変動が生じた場合にあっても、水分がガス流路５内に凝縮、結露して滞留することがなく、安定して発電を行うことができるとともに高出力を維持できる。
【００３６】
図３は本発明の固体高分子型燃料電池の第３の実施例を示す要部の説明図である。
図３において、３０は、炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して水蒸気および水素を含む燃料ガスを生成する改質装置、３５は、改質装置３０で生成した水蒸気および水素を含む燃料ガスの一部をバイパス経路３６へバイパスして空気を熱交換器の冷媒として熱交換を行わせ、含まれる水蒸気の一部を凝縮させるとともに温度を低下させる第２熱交換器、
３１は、改質装置３０で生成した水蒸気および水素を含む燃料ガスを燃料電池本体３２から排出された冷却水を熱交換器の冷媒として熱交換を行わせて水蒸気の一部を凝縮させるとともに温度を低下させる燃料ガス供給経路内に設けた第１熱交換器、
３６は、第２熱交換器３５を途中に設けたバイパス経路、３７は、バイパス経路３６の途中に設けた流量調節弁、３８は、流量調節弁３７の動作を制御する制御装置である。
【００３７】
一方、３４は、酸素を含む酸化剤ガスを加湿する加湿器、３１は、空気を熱交換器の冷媒として熱交換を行わせ、加湿器３４で加湿された酸化剤ガスに含まれる水蒸気の一部を凝縮させるとともに温度を低下させる第１熱交換器、３５は、空気を熱交換器の冷媒として熱交換を行わせ、加湿器３４で加湿された酸化剤ガスに含まれる水蒸気の一部を凝縮させるとともに温度を低下させる第２熱交換器、３６は、第２熱交換器３５を途中に設けたバイパス経路、３７は、バイパス経路３６の途中に設けた流量調節弁、３８は、流量調節弁３７の動作を制御する制御装置である。
【００３８】
上記の構成の固体高分子型燃料電池において、改質装置３０で炭化水素系の原燃料を水蒸気改質して生成した水蒸気および水素を含む燃料ガスは、その一部がバイパス経路３６に流れて第２熱交換器３５で空気と熱交換されて含まれる水蒸気の一部が凝縮されるとともに温度が低下せしめられる。
温度が低下した燃料ガスは制御装置３８および流量調節弁３７により流量をコントロールされ、そして第１熱交換器３１において改質装置３０で生成した水蒸気および水素を含む燃料ガスを燃料電池本体３２から排出された冷却水を冷媒として熱交換を行わせて水蒸気の一部を凝縮させて温度を低下させた燃料ガスと合流して燃料電池本体３２に供給される。
【００３９】
第２熱交換器３５では外部の空気温度程度の温度とした燃料ガスを、第１熱交換器３１で燃料電池本体３２の内部温度程度の温度とした燃料ガスと混合して燃料電池本体３２に供給するので、燃料電池本体３２に供給される燃料ガス中に含まれる水分は燃料電池本体３２のガス流路５内で凝縮したり、結露することが抑制される。
【００４０】
一方、酸素を含む酸化剤ガスは加湿器３４で加湿され、その一部はバイパス経路３６に流れて第２熱交換器３５で空気と熱交換されて水蒸気の一部が凝縮されるとともに温度が低下せしめられる。温度が低下した酸化剤ガスは制御装置３８および流量調節弁３７により流量をコントロールされ、第１熱交換器３１で空気と熱交換されて水蒸気の一部が凝縮されて温度が低下せしめられた酸化剤ガスと合流して燃料電池本体３２に供給される。
かかる構成によっても、燃料電池本体３２には温度が低下せしめられた酸化剤ガスが供給されるので、この酸化剤ガス中に含まれる水分は燃料電池本体３２のガス流路５内で凝縮したり、結露して滞留することが抑制される。
【００４１】
そして第１熱交換器３１で燃料ガスと熱交換した冷却水は前記タンク３３に送られて冷却水として循環使用される。そして図示しないが各第１熱交換器３１や各第２熱交換器３５で凝縮して生成した凝縮水は冷却水とともにタンク３３を経て燃料電池本体３２の図示しない冷却水流路６に供給されて循環使用される。
本発明の固体高分子型燃料電池は、燃料電池の運転開始直後であっても、また燃料電池の起動後に時間が経っても、あるいは急激な負荷変動が生じた場合にあっても、水分がガス流路５内に凝縮、結露して滞留することがなく、安定して発電を行うことができるとともに高出力を維持できる。
【００４２】
図４は、本発明の固体高分子型燃料電池を起動し、長時間発電を行った際のセル電圧と発電時間の関係を示すグラフである。尚、同図において実施例は図１に示す構成の固体高分子型燃料電池についての実験結果であり、比較例は、第１熱交換器を備えずに改質装置３０から供給される燃料ガスを直接燃料電池本体３２に供給する以外は、図１と同一の構成を有する燃料電池についての結果である。図４から、実施例の本発明の固体高分子型燃料電池は運転開始直後であっても、起動後に時間が経っても、水分がガス流路内に凝縮、結露して滞留することがなく、安定して運転することができるとともに高出力が維持できることが判る。それに対して比較例の場合は、起動後に時間が経つと、水分がガス流路内に凝縮、結露して滞留し、セル電圧が不安定となり、安定して運転ができず、高出力が維持できないことが判る。
【００４３】
上記実施例の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施例に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の固体高分子型燃料電池は、固体高分子電解質膜と、その両面に接合された一組の電極と、これらを挟持する一対のガス流路を備えたセパレータとからなる単電池ユニットを複数積層して燃料電池積層体を構成し、前記一対のガス流路にそれぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを供給して発電する固体高分子型燃料電池において、
少なくとも水蒸気を含むガスが供給される燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの供給経路に、バイパス経路とこのバイパス経路に流れるガス流量を調整する流量調整手段とを設け、前記バイパス経路に、空気と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させる第１の温度低下手段を設けたので、燃料電池の運転開始直後であっても、燃料電池の起動後に時間が経っても、あるいは急激な負荷変動が生じた場合にあっても、水分がガス流路内に凝縮、結露して滞留するのを防止でき、安定した運転が可能であり、かつ高出力が維持できるという顕著な効果を奏する。
【００４５】
本発明の請求項２の固体高分子型燃料電池は、前記燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの供給経路の主経路に、燃料電池本体の内部温度に応じて燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させる第２の温度低下手段を設けたので、前記燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの供給経路の主経路においても水分がガス流路内に凝縮、結露して滞留するのを防止でき、安定した運転が可能であり、かつ高出力が維持できるという顕著な効果を奏する。
【００４６】
本発明の請求項３の固体高分子型燃料電池は、請求項２記載の固体高分子型燃料電池において、前記第２の温度低下手段が、燃料電池本体に給排出される冷却水と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させるものとしたので、前記と同様な効果を奏するとともにこの冷却水と熱交換させる燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を常時燃料電池本体の内部温度よりも若干低い温度に維持できるというさらなる顕著な効果を奏する。
【００４７】
本発明の請求項４の固体高分子型燃料電池は、前記第２の温度低下手段が、空気と熱交換を行わせることにより燃料ガスおよび／または酸化剤ガスの温度を低下させるものとしたので、水分がガス流路内に凝縮、結露して滞留するのを容易に防止でき、安定した運転が可能であり、かつ高出力が維持できるという顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池の第１の実施例を示す要部の説明図である。
【図２】本発明の固体高分子型燃料電池の第２の実施例を示す要部の説明図である。
【図３】本発明の固体高分子型燃料電池の第３の実施例を示す要部の説明図である。
【図４】本発明の固体高分子型燃料電池を起動し、長時間発電を行った際のセル電圧と発電時間の関係を示すグラフである。
【図５】固体高分子型燃料電池の単電池ユニットの基本構成を示す分解断面図である。
【図６】固体高分子型燃料電池の燃料電池積層体の基本構成を示す断面図である。
【図７】単電池ユニットを構成するセパレータのガス流路の構成例を示す平面図である。
【図８】従来の固体高分子型燃料電池の要部の説明図である。
【符号の説明】
１  固体高分子電解質膜
２  アノード
３  カソード
４  セパレータ
５  ガス流路
６  冷却水流路
８  単電池ユニット
１６  入口側マニホールド
１７  出口側マニホールド
１８  ガス出口
３０  改質装置
３１  第１熱交換器
３２  燃料電池本体
３３  タンク
３４  酸化剤ガス加湿器
３５  第２熱交換器
３６  バイパス経路
３７  流量調節弁
３８  制御装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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