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WO1999066580A1 - High polymer electrolyte fuel cell - Google Patents

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WO1999066580A1
WO1999066580A1 PCT/JP1999/003124 JP9903124W WO9966580A1 WO 1999066580 A1 WO1999066580 A1 WO 1999066580A1 JP 9903124 W JP9903124 W JP 9903124W WO 9966580 A1 WO9966580 A1 WO 9966580A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
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gas
polymer electrolyte
fuel cell
pefc
total heat
Prior art date
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Ceased
Application number
PCT/JP1999/003124
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Kazuhito Hatoh
Eiichi Yasumoto
Kazufumi Nishida
Hisaaki Gyoten
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to EP99923999A priority Critical patent/EP1098381A1/en
Publication of WO1999066580A1 publication Critical patent/WO1999066580A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the temperature of the cooling water discharged from the PEFC is basically the same as the operating temperature of the PEFC, the temperature of the cooling water discharged from the PEFC differs from the supply gas.
  • the transfer of heat and moisture by means of total heat exchange allows the preparation of supply gas with a dew point close to the operating temperature of the PEFC. It becomes.
  • the present invention is directed to an anode having a polymer electrolyte membrane and a catalyst reaction layer and sandwiching the above-mentioned polymer electrolyte membrane.
  • Separator with means for supplying fuel gas to the anode, such as fuel gas (eg, hydrogen gas), and oxidation to the power source.
  • fuel gas eg, hydrogen gas
  • gas eg, air
  • total heat exchange refers to the transfer of heat and moisture (water vapor) from one medium to the other. .
  • total heat exchange refers to the transfer of heat and moisture (water vapor) from one medium to the other.
  • the present invention relates to the inside of the end plates arranged at both ends of the polymer electrolyte fuel cell, or the insulating plate and the current collector plate.
  • the fuel gas and the oxidizer gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell described above are combined with the polymer molecule described above in connection with the end plate.
  • the above-mentioned total heat exchange group may be built in between the above-mentioned insulating plate and the insulating plate.
  • the total heat exchanger is connected to the endplate that constitutes PEFC.
  • the supply gas (fuel gas and oxidizer gas) that is humidified and heated by the total heat exchanger by being built inside the heat exchanger ) Can be reduced and the piping for supplying the PEFC to the PEFC can be reduced. As a result, it is possible to prevent the temperature of the fuel gas and the oxidizer gas that are heated while flowing through the piping from being lowered. .
  • An electrode catalyst was prepared by supporting acetylene black-based carbon powder with 25 wt% of white gold particles having an average particle diameter of about 3 OA.
  • the MEA is made of two separator plates so that the MEA faces two gas channels consisting of a non-porous force plate and two gas channels.
  • a single cell of PEFC of the present invention was constructed with MEA in between.
  • the total heat exchange capacity of the total heat exchange type internal humidifier obtained as described above was measured and evaluated.
  • the gas is supplied to the anode side as a fuel gas, and the dry air heated and humidified by the internal humidifier is converted into an oxidant gas to form a gas. Supplied to the C side. As a result, a battery voltage of 49 V was obtained at no load.
  • the flow rate of the cooling water is adjusted so that the Even if the temperature was set to 85 ° C at the outlet side of the PEFC, the PEFC continued to operate without any problems. In other words, it was confirmed that this waste water could be effectively used as a heat source, such as in a separate cogeneration system. Possibility of industrial use
  • the heat generated by the fuel gas and the oxidant gas supplied to the polymer electrolyte fuel cell and the discharged gas are separated by heat.
  • the total heat exchanger that exchanges moisture and moisture at the same time inside the end plate that constitutes the fuel cell described above, Cooling water after use can be used as a heat source for a separate cogeneration system.
  • a more complete internal heat exchanger can be realized. it can .

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Description

明 細 書 高 分子電解 質 型 燃料電池 技術 分 野
本 発 明 は 高 分子電解質 型 燃 料電池 に 関 す る 。 背 景技術
従来 の 固 体 高 分子電解 質 型 燃 料 電 池 （ 以 下 、 「 P E F C 」 と い う 。 ） は 、 プ ロ ト ン 伝導性 の 固 体 高 分子電解質 薄膜、 力 ソ ー ド お よ び ア ノ ー ド の 電極 、 そ れぞれ の 電極 周 縁部 に 位置す る ガ ス ケ ッ ト 、 な ら び に 力 一 ボ ン ま た は 金 属 製 の バ イ ポ ー ラ （ セ パ レ ー 夕 ） 板 お よ び冷却板 に よ り 構 成 さ れ る 。
電池反 応 に 寄 与す る 電極 の 触媒反 応 層 は 、 貴金 属触媒 を 担 持 し た カ ー ボ ン 粉末 に プ ロ ト ン 伝 導性 の 高 分子電解 質 を 混 合 し て 得 ら れ る 混 合 物 で構成す る の が一般 的 で あ る 。 ま た 、 必 要 に 応 じ て 、 前記混合物 に は 、 ポ リ テ ト ラ フ リレ オ 口 エ チ レ ン （ P T F E ) な ど の フ ル ォ ロ カ 一 ボ ン 系 高 分子化 合 物 を 撥水材 と し て 添加 す る 。 そ し て 、 電極 は 、 前 記触媒 反 応 層 と ガ ス 拡散層 と を 接合 さ せ て 形 成す る 。
こ の よ う に し て 構成 さ れ る 電極 を ァ ノ ー ド お よ びカ ソ ー ド と し て 用 い 、 固 体 高 分子電解質 膜 と 組 み合 わ せ て 電 池 の 基本 部 分 を 構 成す る 。 ァ ノ 一 ド お よ びカ ソ ー ド に つ い て は 、 純水 素 を 燃料 と し て 用 い る 場 合 、 同 じ 構 成 の も の を 使用 す る こ と が可 能 で あ る 。 し か し 、 炭化 水 素 系 燃料 を 改質 し て 得 ら れ る 水 素 リ ッ チ な 改質 ガ ス を 燃料 と し て 用 い る 場 合 、 改 質 ガ ス 中 に 含 ま れ る 一酸 化 炭 素 （ C O ) に よ っ て 貴 金 属触媒が 被 毒す る 。 そ こ で 、 こ の よ う な 被毒 を 抑 制 す る た め 、 ァ ノ ー ド に の み ル テ ニ ウ ム な ど を 添加 す る こ と も 提 案 さ れ て い る 。 ま た 、 電極 の 反 応触媒層 の C O 被 毒特性 は温度 が 高 い ほ ど 緩和 さ れ る た め 、 改質 ガ ス を 燃料 に 用 い る 場 合 に は 7 0 〜 9 0 °C 程度 の 比 較的 高 温 で P E F C を 運 転 す る こ と が一般 的 で あ る 。
一方 、 固 体 高 分子電解 質 膜 を 構成す る 電解質 に は 、 ス ル ホ ン 基 を 含 む フ ル ォ ロ カ 一 ボ ン 系 高 分子化合 物 が一般 的 に 用 い ら れて い る 。 こ の 電解質 は水 分 を 含 ん だ 状態 で プ ロ ト ン 伝 導性 を 発揮す る た め 、 P E F C の 作動 時 に は 電解質 に 常 に 水分 を 含 ま せ て お く 必 要 が あ る 。 な お 、 水 分 を 含 ん だ状態 の 電解質 は強酸性 を 呈す る た め 、 直接電 解 質 に 接す る 部分 に は耐酸性 が要 求 さ れ る 。
前記電解質 は水 分 を 含 ん だ状態で そ の 機能 を 発 揮す る た め 、 P E F C を 作動 さ せ る 場 合 に は 、 P E F C の 作動 温度 と ほ ぼ 同 じ 温度 の 露 点 を 有 す る よ う に 加湿 し た 燃料 ガ ス お よ び空 気 を P E F C に 供給す る 必 要 が あ る 。 特 に 作動温度 が高 温 に な る ほ ど 供給 さ れ る ガ ス （ 燃料 ガ ス 、 お よ び空 気 な ど の 酸化 剤 ガ ス ） の 加 湿 制御 が重 要 に な つ て く る 。 こ こ で 、 燃 料 ガ ス お よ び空気 の 加 湿 の 程 度 に つ い て 比 較す る と 、 P E F C へ の 空 気供 給量 は燃料 ガ ス 供 給量 よ り 多 い た め 、 燃料 ガ ス よ り も 空 気 に 対す る 加 湿 の 程 度 の ほ う が大 き く な る の が 一般 的 で あ る 。
P E F C へ の 供給 ガ ス を 加 湿 す る 方 法 と し て は 、 従来 は 、 P E F C を 冷却 す る た め の 冷却 水 を 用 い て 供 給 ガ ス を 加湿す る 方 法 が一般 的 で あ っ た 。 仮 に 8 0 °C の 作 動温 度 で P E F C を 運転す る 場 合 、 例 え ば 7 8 °C の 冷 却水 を P E F C に 導 入 し 、 冷 却 水 の 流 量 を 制 御 す る こ と に よ つ て 、 P E F C カゝ ら 排 出 さ れ る 冷却 水 の 温度 を 8 3 °C と な る よ う に し て い る 。
こ の と き 、 P E F C か ら 排 出 さ れ る 冷却 水 の 温度 は基 本 的 に P E F C の 作動温度 と ほ ぼ 同 じ で あ る た め 、 排 出 さ れ る 冷却水 と 供給 ガ ス と の あ い だ で 全熱交換 に よ っ て 熱 お よ び湿 分 を 移 動 さ せ る と 、 P E F C の 作動温度 に 近 い 露 点 を 有 す る 供給 ガ ス を 調 製す る こ と が可能 と な る 。
こ の よ う な 全 熱交換 の 方法 と し て 、 固 体 高 分子電解質 膜 と 同 様 の 膜 を 介 し て 、 排 出 さ れ た 冷却水 と 供給 ガ ス の あ い だで 全 熱 交換す る 方 法 が提案 さ れ て い る 。
し 力、 し 、 P E F C に よ る 発電 シ ス テ ム を コ ー ジ エ ネ レ — シ ヨ ン シ ス テ ム と し て 使用 す る 場 合 、 P E F C を 冷却 し た 後 の 冷 却 水 の み を 供給 ガ ス と の あ い だ の 全熱交換源 と し て 用 い て も 、 充 分 な 熱源 と は な ら な い 。
ま た 、 P E F C カゝ ら 排 出 さ れ る 水 の 温度 は ほ ぼ P E F C の 作動温度 に 近 い た め 、 こ の 排 出 さ れ た 水 を コ ー ジ ェ ネ レ 一 シ ョ ン シ ス テ ム の 熱源 と し て 利 用 す る こ と も 考 え ら れ る 。 し か し 、 こ の 場 合 に は排 出 さ れ た 水 と 供給 ガ ス と の あ い だで 熱交換 さ せ な け れ ばな ら な い 。 温排水 と 供 給 ガ ス と の あ い だで 熱交換 を 行 う 場 合 、 液体 と 気体 と の 間 で 熱 の 交換 を し な け れ ばな ら な い 。 こ の た め 、 熱交換 器 の 規模 を 大 き く し な け れ ばな ら ず 、 熱交換効 率 も 低下 す る と い う 問 題 が あ る 。
そ こ で 、 本 発 明 の 目 的 は 、 P E F C か ら 排 出 さ れ る ガ ス と 、 P E F C に 供給 さ れ る ガ ス と の あ い だ で 熱 お よ び 湿分 を 移 動 さ せ る 効 率 的 な 全 熱交換 を 可 能 と す る こ と に あ る 。 発 明 の 開 示
上述 の よ う な 問 題 点 を 解決す る た め 、 本 発 明 は 、 高 分 子電解質膜、 触媒反 応 層 を 有 し か つ 前 記 高 分子電解質膜 を 挟 む ア ノ ー ド お よ び力 ソ ー ド 、 ア ノ ー ド に 燃料 ガ ス ( 例 え ば水 素 ガ ス ） を 供給す る た め の 手段 を 有す る セ パ レ ー 夕 、 お よ び力 ソ ー ド に 酸化剤 ガ ス （ 例 え ば空 気） を 供給す る た め の 手 段 を 有 す る セ パ レ 一 夕 を 具備す る 単電 池 、 集電板 、 絶縁板 な ら び に エ ン ド プ レ ー ト を 積 層 し て な る 高 分子電解質 型 燃料 電池 に お い て 、 以下 の よ う な 構 成 を 採用 す る 。
す な わ ち 、 前 記 高 分子電解質 型燃 料 電池 の 両端 部 に 配 し た エ ン ド プ レ ー ト の 内 側 、 ま た は 前 記絶縁板 と 前記集 電 板 も し く は 前 記 エ ン ド プ レ 一 ト と の い ずれ か の あ い だ に 、 供給 さ れ る 燃料 ガ ス お よ び酸化 剤 ガ ス に 、 排 出 さ れ る ガ ス か ら 熱 お よ び湿 分 を 同 時 に 移 動 さ せ る 全 熱 交換器 を 内 蔵 さ せ る 。
こ の と き 、 力 ソ ー ド 側 に 供給 す る 酸 化剤 ガ ス と 、 力 ソ ー ド 側 カゝ ら 排 出 さ れ る ガ ス と の あ い だ で 熱 お よ び湿 分 を 移 動 さ せ る 全 熱 交 換 を 行 う こ と が有効 で あ る 。
ま た 、 前 記 全 熱交 換 は 、 2 5 m 以 下 の 膜厚 を 有 す る 高 分子電解質 膜 を 介 し て 行 う こ と が望 ま し い 。
な お 、 本 明 細 書 に お い て い う 「 全 熱 交換 」 と は 、 一方 の 媒体 か ら 他方 の 媒体 に 熱 お よ び湿 分 （ 水蒸気） を 移 動 さ せ る こ と を レ う 。 発 明 を 実 施す る た め の 最 良 の 形態
上述 の よ う に 、 本 発 明 は 、 高 分子電解質 型燃料電池 の 両端部 に 配 し た エ ン ド プ レ ー ト の 内 側 、 ま た は 前 記絶縁 板 と 前 記集電 板 も し く は 前 記 エ ン ド プ レ ー ト と の あ い だ に 、 前 記 高 分子電解質 型 燃料電 池 に 供給 さ れ る 燃 料 ガ ス お よ び酸 化 剤 ガ ス に 、 前 記 高 分子電解 質 型 燃料電 池 か ら 排 出 さ れ る ガ ス カゝ ら 熱 お よ び湿 分 を 同 時 に 移 動 さ せ る 全 熱 交換器 を 内 蔵 さ せ る 。 も ち ろ ん 、 前 記絶縁板 と 絶縁板 の あ い だ に 前 記 全熱交換基 を 内 蔵 さ せ て も よ い 。
こ れ に よ り 、 本 発 明 の P E F C 力、 ら 排 出 さ れ る 温水 を 前 記 P E F C を 含 む コ 一 ジ エ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム の 熱 源 と し て 別 途効 率 的 に 利 用 す る こ と が 可 能 と な る 。
ま た 、 全 熱 交 換器 を P E F C を 構 成 す る エ ン ド プ レ ー ト の 内 側 に 内 蔵す る こ と に よ っ て 、 全 熱 交 換器 に よ っ て 加 湿 お よ び加 温 さ れ た 供 給 ガ ス （ 燃 料 ガ ス お よ び酸化 剤 ガ ス ） を P E F C に 供給 す る た め の 配管 を 減 ら し 、 省 略 す る こ と が で き る 。 こ れ に よ り 、 配管 内 を 流通す る あ い だ に 加 温 さ れ た 燃料 ガ ス お よ び酸 化 剤 ガ ス の 温度 が低下 す る こ と を 防 止 す る こ と も で き る 。
例 え ば 、 全 熱交換器 を P E F C の 外 部 に 設置 し た 場合 全 熱交換器 か ら P E F C に つ な が る 配管 を 保温す る 必 要 が あ る 。 こ の 保温 の 必要 性 は 、 P E F C の 構造 を 複 雑 に し 、 さ ら に コ ス ト がか カゝ る と い う 問 題 が あ る 。 ま た 、 仮 に 保温 し て い た と し て も 、 配管 の 途 中 で温度 が低 下す る こ と は免 れ な い 。 こ の よ う な 温度低下 が起 こ っ た 場合 、 加湿 さ れ た 燃 料 ガ ス お よ び空 気 が結 露 し て 水蒸気 が液化 し 、 ミ ス ト 状 の 水 が P E F C に 供給 さ れ る 場合 が あ る 。 ミ ス 卜 状 の 水 が燃料 ガ ス お よ び酸化剤 ガ ス と と も に P E F C に 供給 さ れ た 場合 、 ミ ス ト 状 の 水 が P E F C 内 の 電 極表 面 'を 流 れ る 間 、 電極 表 面 が一 時 的 に 窒息 （ 酸 欠 ） 状 態 に 陥 り 、 得 ら れ る 電 池 電圧 が急激 に 低下 し て し ま う と い う 問 題 が あ る 。
本 発 明 に よ れ ば 、 前 述 し た 構 成 を 採 る こ と に よ り 、 こ の よ う な 問 題 を 回 避す る こ と が で き る 。
こ の と き 、 好 ま し く は 2 5 以 下 の 膜厚 を 有 す る 高 分子電解質膜 と 同 様 の 膜 を 介 し て 全 熱 交換す る こ と に よ つ て 、 よ り コ ン パ ク ト な 内 部全 熱交 換器 を 可能 と す る こ と が で き る 。 こ の と き の 、 膜厚 の 上 限 は 、 本 発 明 の 効果 を 損 な わ な い 範 囲 で あ れ ば特 に 制 限 は な い が 、 例 え ば 5 0 m程度 で あ れ ば よ い 。
ま た 、 炭 化 水 素 系 燃料 を 水 蒸 気改質 し て 得 ら れ る 改質 ガ ス を 燃料 と し て 用 い る 場 合 、 こ の 燃 料 ガ ス を そ の ま ま P E F C に 導 入 し 、 酸 化 剤 ガ ス と P E F C カゝ ら 排 出 さ れ る ガ ス と の あ い だ で の み 全熱 交 換 を 行 っ て も よ い 。
さ ら に 、 2 5 以下 の 膜厚 を 有 す る 高 分子電解質膜 と 同 様 の 膜 を 介 し て 全 熱 交換す る 場 合 、 膜 の 全 熱 交 換能 力 は 非 常 に 優 れ て い る が 、 微 量 の 水 素 ガ ス も 膜 を 通 過 し て し ま う 。 ま た 、 万 一膜 が破損 し た 場 合 に も 安 全 性 を 確 保す る た め 、 水 素 ガ ス と 空 気 と が直 接 接触 し な い 構 成 を 採 る こ と が必 要 で あ る 。 実 施例
以 下 に 、 実 施例 を 用 い て 本発 明 を 説 明 す る が 、 本 発 明 は こ れ ら の み に 限定 さ れ る も の で は な い 。 実施例 1
( 1 ) P E F C の 単電 池 の 作製
ア セ チ レ ン ブ ラ ッ ク 系 カ ー ボ ン 粉末 に 、 平 均粒 径 約 3 O A の 白 金 粒子 を 2 5 重 量 ％ 担持 し た も の を 電極 の 触媒 と し た 。 こ の 触媒粉 末 を イ ソ プ ロ ノ° ノ ー ル に 分散 さ せ た 分 散液 に 、 式 （ 1 ) ：
Figure imgf000010_0001
F— c— F
F-C— CF3 〇
F-C— F
Y
S03H
( 式 中 、 X = l 、 Y = 2 、 m = 5 〜 1 3 . 5 、 n = 1 0 0 0 ) で 示 さ れ る パ ー フ ル ォ ロ カ 一 ボ ン ス ル ホ ン 酸 の 粉 末 を エ チル ア ル コ ー ル に 分散 さ せ た 分 散液 を 混合 し 、 ぺ ー ス ト 状 に し た 。 こ の ペ ー ス ト を 用 い て ス ク リ ー ン 印刷 法 を 用 い て 、 厚 み 2 5 0 i m の 力 一 ボ ン 不織布 の 一方 の 面 に 触媒 反応 層 を 形 成 し た 。 触媒 反 応 層 を 形 成 し て な る 電極 中 に 含 ま れ る 白 金 量 を 0 . 5 m g / c m 2、 パ 一 フ ル ォ ロ カ ー ボ ン ス ル ホ ン 酸 の 量 を 1 . S m g Z c m 2と な る よ う に 調 整 し た 。 こ の よ う に し て 得 た 電極 を カ ソ 一 ド お よ び ア ノ ー ド と し て 用 い た 。
つ ぎ に 、 得 ら れ た 電 極 よ り 一 回 り 大 き い 面 積 を 有 す る プ ロ ト ン 伝 導 性高 分子電解 質 膜 の 両 面 に 、 印 刷 さ れ た触 媒反 応層 が電解質膜 に 接 す る よ う に 、 前記電極 を 重ね 、 ホ ッ ト プ レ ス に よ っ て 接 合 し て 電極 Z 電解 質 接 合 体 （ M E A ) を 作 製 し た 。 こ こ で は 、 プ ロ ト ン 伝 導性 高 分子電 解質 と し て 、 前 記式 （ 1 ) で 示 さ れ る ノ°一 フ ル ォ ロ カ ー ボ ン ス ル ホ ン 酸 を 2 5 m の 厚 み に 薄膜化 し た も の を 用 い た 。
前 記 M E A が 非 多孔 質 力 一 ボ ン か ら な る セ ノ \° レ ー 夕 板 2 枚 の ガ ス 流 路 と 向 か い 合 う よ う に 、 2 枚 の セ パ レ 一 夕 板 の 間 に M E A を 挟 ん で 、 本発 明 の P E F C の 単電 池 を 構 成 し た 。
( 2 ) 内 部 加 湿器 の 作 製
前記 高 分子電解質膜 と 同 じ 膜 を 、 親 水化処 理 を 施 し た 厚 み 1 8 0 m の 2 枚 の 力 一 ボ ン ペ ー パ ー で挟 ん だ 。 さ ら に 、 前 記セ ノ \° レ 一 夕 板 と 同 様 の ガ ス 流路 を 有 す る 2 枚 の S U S 3 1 6 製 の 薄板 で 力 一 ボ ン ペ ー パ ー の 外 側 を 挟 持 し 、 単位全 熱交 換型 内 部加 湿器 を 構 成 し た 。 こ の 単位 内 部加湿器 を 連続 的 に 4 0 段積 層 し 、 全 熱交換器 で あ る 内 部加湿器 と し た 。
単位加 湿器 を 4 0 段 積 層 し て 得 ら れ た 全 熱交 換 型 内 部 加湿器 は 、 2 0 段 を 酸化 剤 ガ ス 加 湿用 、 残 り 2 0 段 を 燃 料 ガ ス 加湿 用 と し た 。 酸 化 剤 ガ ス 加 湿 用 単位加 湿 器 と 燃 料 ガ ス 加 湿 用 単位加湿器 を 隔 て る 全熱交換 プ レ ー ト は 、 1 枚 づっ 交 互 に 積 層 し て 構 成 し た 。 ま た 、 酸化剤 ガ ス と 同 様 に 、 燃料 ガ ス も 排 出 ガ ス と の あ い だで 全熱 交 換 で き る 構成 と し た 。
ま た 、 前 記 内 部加 湿 器 は つ ぎ の よ う な 機構 を 有 す る よ う に 構 成 し た 。 す な わ ち 、 P E F C に 供給 さ れ る 酸化 剤 ガ ス が 、 ま ず 前記 内 部加 湿器 内 に お い て 、 前記膜 と 一方 の 前記 薄 板 の あ い だ に 位 置す る ガ ス 流 路 に 並 列 に 入 る 。 つ ぎ に 、 前 記 内 部加 湿 器 を 出 た 酸化剤 ガ ス が P E F C に 供 給 さ れ 、 P E F C カゝ ら 排 出 さ れ た 酸 化剤 ガ ス が 、 前 記 内 部加 湿器 内 に お い て 、 前 記膜 と 他方 の 前記 薄板 と の あ い だ に 位置 す る ガ ス 流 路 に 並列 に 入 っ て 排 出 さ れ る 。
[ 評価 ]
こ こ で 、 本 発 明 の P E F C に 組み込 む 前 に 、 前 述 の よ う に し て 得 た 全 熱交換型 内 部加湿器 の 全 熱交換能 力 を 測 定 、 評価 し た 。
入 口 側 に 供給す る 空 気 に は 、 温度 2 8 ° (： 、 露点 一 2 8 °C の 乾燥 空 気 A を 使用 し 、 電 池 か ら の 排 ガ ス の 空 気 を 導 入 す る 側 に は電 池 排 ガ ス を 模擬 し た 温度 7 5 °C 、 露 点 Ί 5 °C の 空気 B を 供給 し て 全 熱交換 を 行 っ た 。
そ の 結 果 、 前 記 内 部 加 湿器 の 入 口 に お け る 空 気 A は 、 加 温 お よ び加 湿 さ れ 、 前 記 内 部加 湿器 の 出 口 に お い て は 温度 6 5 ° (： 、 露点 6 5 °C を 有す る 空 気 と な っ て い た 。 ま た 、 前記 内 部加 湿 器 か ら 排 出 さ れ た 空 気 B は 、 温 度 が低 下 し 、 か つ 除 湿 さ れ 、 温度 5 6 ° (： 、 露 点 5 2 °C を 有 す る 空 気 と な っ て い た 。
( 3 ) P E F C の 作 製
前 記 （ 1 ) で 作 製 し た 単電池 を 連続 的 に 1 0 0 段積層 し 、 得 ら れ た 積層 電池 の 両外側 に 、 そ れぞれ 必 要 な ガ ス マ 二 ホ ー ル ド 用 孔 お よ び 冷 却 水 マ 二 ホ ー ル ド 用 孔 を 設 け た 集電板 を 取 り 付 け た 。 さ ら に 、 一方 の 集電板 の 外 側 に は 、 前記 （ 2 ) で 作 製 し た 全 熱 交換型 内 部加 湿器 を 設置 し た 。
つ ぎ に 、 前 記 内 部加 湿 器 を 内 蔵 し た 積 層 電 池 の 両 外側 に 、 そ れぞれ必 要 な ガ ス マ 二 ホ ー ル ド 用 孔 お よ び冷却水 マ 二 ホ ー ル ド 用 孔 を 設 け た 絶縁板 な ら び に エ ン ド プ レ ー ト を 取 り 付 け た 。 さ ら に 、 両端 の エ ン ド プ レ ー 卜 の 外側 力、 ら 、 ボ ル ト 、 バ ネ お よ びナ ッ ト を 用 い て 、 電極 面 積 に 対 し て 2 0 k g / c m 2の 圧 力 で 締 め 付 け 、 本 発 明 の P E F C を 作 製 し た 。
[ 評価 ]
上述 の よ う に し て 得 た P E F C に 冷 却 水 を 流 し な が ら 7 5 °C に 保持 し 、 前 記 内 部加 湿器 に よ っ て 加湿 お よ び加 温 し た 乾燥水 素 ガ ス を 燃料 ガ ス と し て ァ ノ 一 ド 側 に 供給 し 、 前記 内 部加 湿器 に よ っ て 加湿 お よ び加 温 し た 乾燥空 気 を 酸化剤 ガ ス と し て カ ソ 一 ド 側 に 供 給 し た 。 こ れ に よ り 、 無負 荷時 に 4 9 V の 電池電圧 を 得 た 。
ま た 、 こ の P E F C を 用 い て 、 燃料 利 用 率 8 0 % 、 酸 素 利 用 率 4 0 % お よ び電 流 密度 0 . 7 A Z c m 2の 条 件 で 連続発電 試験 を 行 っ た と こ ろ 、 5 0 0 0 時 間 以 上 に わ た っ て 3 I V 以 上 の 電池電 圧 を 保 っ た ま ま 、 発 電 が可 能 で あ っ た 。
さ ら に 、 こ の と き 冷却水 の 流 量 を 調 整 し 、 排冷 却水 の 温度 を P E F C の 出 口 側 で 8 5 °C と な る よ う に し て も 、 P E F C は 問 題 な く 作 動 を 続 け た 。 す な わ ち 、 こ の 排温 水 を 、 別 途 コ ー ジ エ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム な ど の 熱源 と し て 有効 に 利 用 で き る こ と を 確 認 し た 。 産 業 上 の 利 用 の 可 能性
以 上 の よ う に 、 本発 明 に よ れ ば 、 高 分子電解質 型 燃料 電池 に 供給す る 燃料 ガ ス お よ び酸化 剤 ガ ス と 、 排 出 さ れ る ガ ス の あ い だ で 熱 お よ び湿 分 を 同 時 に 交換す る 全 熱交 換器 を 、 前 記 燃料電 池 を 構成す る ェ ン ド ブ レ 一 卜 の 内 側 に 内 蔵す る こ と に よ っ て 、 使用 後 の 冷 却水 を 別 途 コ ー ジ エ ネ レ ー シ ョ ン シ ス テ ム の 熱源 と し て 利 用 す る こ と がで き る 。 ま た 、 前記燃料電 池 を 構 成す る 電解質膜 と 同 じ 膜 を 用 い る こ と に よ り 、 よ り コ ン ノ \° ク 卜 な 内 部全熱交換器 を 実現 す る こ と が で き る 。

Claims

請 求 の 範 囲
1 . 高 分子電解 質膜 、 触媒反 応 層 を 有 し か つ 前 記 高 分 子電解質膜 を 挟 む 力 ソ ー ド お よ び ア ノ ー ド 、 ア ノ ー ド に 燃 料 ガ ス を 供給す る た め の 手 段 を 有 す る セ パ レ 一 タ 、 お よ び力 ソ ー ド に 酸化剤 ガ ス を 供給す る た め の 手 段 を 有す る セ パ レ ー 夕 を 具備 す る 単電池 、 集電 板 、 絶縁板 な ら び に ェ ン ド ブ レ ー ト を 積層 し て な る 高 分子電解質 型 燃 料電 池 で あ っ て 、
前 記 高 分子電解質 型 燃料電 池 の 両端部 に 配 し た ェ ン ド プ レ ー ト の 内 側 、 ま た は 前 記絶縁板 と 前 記集電 板 も し く は 前記 エ ン ド プ レ ー ト の い ずれ か の あ い だ に 、 前記燃料 ガ ス お よ び酸化 剤 ガ ス に 、 排 出 さ れ る ガ ス か ら 熱 お よ び湿 分 を 同 時 に 移 動 さ せ る 全 熱交換器 を 内 蔵す る 高 分子電解 質 型 燃料電 池 。
2 . 前 記 力 ソ ー ド 側 に 供給 さ れ る 燃料 ガ ス と 、 前記 力 ソ ー ド 側 か ら 排 出 さ れ る ガ ス と の あ い だ で 前記 全 熱交換 を 行 う 請求 の 範 囲 第 1 項 記載 の 高 分子電解質型 燃料電池 3 . 2 5 / m以下 の 膜厚 を 有す る 高 分子電解質 膜 を 介 し て 前記 全熱交換 を 行 う 請求 の 範 囲 第 1 項記載 の 高 分子 電解質 型 燃 料 電池 。
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