JPH08138705A - Fuel cell humidifier - Google Patents
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- JPH08138705A JPH08138705A JP6302831A JP30283194A JPH08138705A JP H08138705 A JPH08138705 A JP H08138705A JP 6302831 A JP6302831 A JP 6302831A JP 30283194 A JP30283194 A JP 30283194A JP H08138705 A JPH08138705 A JP H08138705A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池の電極に供給
する燃料ガスを加湿する燃料電池の加湿装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell humidifier for humidifying a fuel gas supplied to an electrode of a fuel cell.
【0002】[0002]
【従来の技術】燃料電池の一つである固体高分子型燃料
電池では、次式に示すように、アノードでは水素ガスを
水素イオンと電子にする反応が、カソードでは酸素ガス
と水素イオンおよび電子から水を生成する反応が行なわ
れる。2. Description of the Related Art In a polymer electrolyte fuel cell, which is one of the fuel cells, the reaction of converting hydrogen gas into hydrogen ions and electrons at the anode and oxygen gas, hydrogen ions and electrons at the cathode are as shown in the following equation. From which water is produced.
【0003】アノード反応:H2→2H++2e- カソード反応:2H++2e-+(1/2)O2→H2OAnode reaction: H 2 → 2H + + 2e - Cathode reaction: 2H + + 2e − + (1/2) O 2 → H 2 O
【0004】アノードで発生した水素イオンは、水和状
態(H+・xH2O)となって電解質膜中をカソードに移
動する。このため、電解質膜のアノード側表面付近で
は、水が不足する状態となり、上述の反応を連続して行
なうには、この不足する水を補給する必要がある。固体
高分子型燃料電池に用いられる電解質膜は、湿潤状態で
良好な電気伝導性を有するが、含水率が低下すると、電
解質膜の電気抵抗が大きくなって電解質として十分に機
能しなくなり、場合によっては、電極反応を停止させて
しまう。The hydrogen ions generated at the anode become hydrated (H + .xH 2 O) and move to the cathode in the electrolyte membrane. For this reason, water becomes insufficient in the vicinity of the surface of the electrolyte membrane on the anode side, and in order to continuously carry out the above-mentioned reaction, it is necessary to replenish this insufficient water. The electrolyte membrane used in the polymer electrolyte fuel cell has good electric conductivity in a wet state, but when the water content decreases, the electric resistance of the electrolyte membrane increases and the electrolyte membrane does not sufficiently function as an electrolyte. Will stop the electrode reaction.
【0005】この水の補給は、燃料ガスを加湿すること
により行なうのが一般的である。燃料ガスを加湿する装
置としては、燃料ガスをバブリングして加湿する装置が
よく知られている。ところが、例えば電気自動車に搭載
された燃料電池スタックへこのバブリング加湿装置を用
いようとすると、大容積のバブラーを用意し、電気ヒー
タで加熱しなければならず、容積、消費エネルギーの点
で現実的とは言いがたい。This water replenishment is generally performed by humidifying the fuel gas. As a device for humidifying the fuel gas, a device for bubbling the fuel gas to humidify is well known. However, for example, when trying to use this bubbling humidifier for a fuel cell stack mounted on an electric vehicle, a bubbler with a large volume must be prepared and heated by an electric heater, which is practical in terms of volume and energy consumption. Hard to say.
【0006】そこで、他の加湿装置として、四フッ化エ
チレン樹脂製の多孔質膜を介して燃料ガスを加湿する装
置(例えば、特開平3−269958号公報)が提案さ
れている。これは、水とガスを多孔質膜をはさんで流
し、水の圧力をガスの圧力よりも高くすることにより、
圧力差によって、多孔質膜を介して水をガス側に透過さ
せて、しかも、その多孔質膜の表面で水を気化すること
により、ガスを加湿しようとするものである。Therefore, as another humidifying device, a device for humidifying the fuel gas through a porous membrane made of tetrafluoroethylene resin has been proposed (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 3-269958). This is because water and gas are made to flow through the porous membrane and the pressure of water is made higher than that of gas,
Due to the pressure difference, water is permeated to the gas side through the porous membrane, and the water is vaporized on the surface of the porous membrane to try to humidify the gas.
【0007】こうした多孔質膜を用いた加湿装置は、固
体高分子型燃料電池スタックの内部に組み込んだり、固
体高分子型燃料電池スタックの外側に一体として組み付
けたりすることが可能であり、加湿部をコンパクト化す
ることができ、さらには、燃料電池の反応に伴う発熱を
水の気化の為の熱として使うことができるので、電気ヒ
ータのような加熱手段を必要とせず、消費エネルギーの
点でも優れている。The humidifying device using such a porous membrane can be incorporated in the solid polymer type fuel cell stack or can be integrally assembled on the outer side of the solid polymer type fuel cell stack. Can be made compact, and since the heat generated by the reaction of the fuel cell can be used as heat for vaporizing water, a heating means such as an electric heater is not required, and the energy consumption is also reduced. Are better.
【0008】[0008]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この加
湿装置では、多孔質膜を介して水がガス側に透過するば
かりでなく、ガスが多孔質膜を介して水側に逆流する現
象が生じる。実際、水の圧力がガスの圧力よりかなり大
きい場合には、その逆流はほとんど発生しないが、水の
圧力とガスの圧力との差圧△Pが小さくなると、その逆
流は大きなものとなる。However, in this humidifying device, not only water permeates to the gas side through the porous membrane, but also a phenomenon occurs in which the gas flows back to the water side through the porous membrane. In fact, when the water pressure is much higher than the gas pressure, the reverse flow hardly occurs, but when the pressure difference ΔP between the water pressure and the gas pressure becomes small, the reverse flow becomes large.
【0009】これに対して、多孔質膜は、薄く強度の低
いものであることから、大きな圧力がかかると破損し易
いという性質があり、この性質を考え合わせると、多孔
質膜を介してガスが水側に逆流することはある程度容認
せざるを得ない。On the other hand, since the porous film is thin and has low strength, it has a property of being easily damaged when a large pressure is applied. Considering this property, gas is permeable through the porous film. There is no choice but to tolerate that the water flows back to the water side.
【0010】ガスが水側に漏れ出ると、多孔質膜と水と
の間にガスの層が生じ、加湿機能を低下させる問題や、
水の流路にガスが混入して水の流れを悪化させる問題が
生じた。これらの問題は、延いては、その加湿ガスが供
給される燃料電池の発電能力を低下させるに至った。When the gas leaks to the water side, a gas layer is formed between the porous membrane and water, and the humidifying function is deteriorated.
There is a problem that gas is mixed in the water flow path to deteriorate the flow of water. These problems eventually lead to a reduction in the power generation capacity of the fuel cell supplied with the humidified gas.
【0011】この発明の燃料電池の加湿装置は、これら
問題に鑑みてなされたもので、加湿機能の低下や、水の
流路の流れの悪化を防ぎ、延いては燃料電池の発電能力
の低下を防止することを目的としている。The humidifying device for a fuel cell of the present invention has been made in view of these problems. It prevents deterioration of the humidifying function and deterioration of the flow of water, and consequently the power generation capacity of the fuel cell. The purpose is to prevent.
【0012】[0012]
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
べく、前記課題を解決するための手段として、以下に示
す構成をとった。In order to achieve such an object, the following constitution is adopted as a means for solving the above problems.
【0013】即ち、本発明の第1の燃料電池の加湿装置
は、燃料電池の電極に供給する燃料ガスを加湿する加湿
装置であって、水の流路と前記燃料ガスの流路とに接
し、該水と該燃料ガスとの圧力差に応じて該水を透過す
る多孔質膜を備えるとともに、前記多孔質膜の内部また
は前記水の流路側の表面の少なくとも一方に触媒を設け
たことを、要旨としている。That is, the first fuel cell humidifier of the present invention is a humidifier for humidifying the fuel gas supplied to the electrodes of the fuel cell, and is in contact with the water flow path and the fuel gas flow path. A porous membrane that permeates the water according to the pressure difference between the water and the fuel gas, and a catalyst is provided on at least one of the inside of the porous membrane and the surface of the water on the flow channel side. , The summary.
【0014】本発明の第2の燃料電池の加湿装置は、燃
料電池の電極に供給する燃料ガスを加湿する加湿装置で
あって、水の流路と前記燃料ガスの流路とに接し、該水
と該燃料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質
膜を備えるとともに、通水性を有し、かつ、触媒を担持
する支持体を、前記水の流路中に設けたことを、要旨と
している。A second fuel cell humidifier of the present invention is a humidifier for humidifying a fuel gas supplied to an electrode of a fuel cell, the humidifier being in contact with a water flow path and the fuel gas flow path. A porous membrane that permeates the water according to the pressure difference between the water and the fuel gas is provided, and a support having water permeability and carrying a catalyst is provided in the water channel. Is the gist.
【0015】ここで、燃料ガスとは、燃料電池のアノー
ド電極に供給する水素ガスもしくは水素含有ガスであ
る。Here, the fuel gas is hydrogen gas or hydrogen-containing gas supplied to the anode electrode of the fuel cell.
【0016】本発明の第3の燃料電池の加湿装置は、燃
料電池の電極に供給する材料ガスを加湿する加湿装置で
あって、水を貯える貯留路と前記材料ガスの流路とに接
し、該水と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過す
る多孔質膜と、前記水の貯留路中に滞留するガスの量を
検出するガス量検出手段と、前記滞留したガスを前記貯
留路から排気するガス抜き通路と、該ガス抜き通路を開
閉する開閉弁と、前記ガス量検出手段で検出されたガス
量に応じて前記開閉弁を開閉制御する制御手段とを備え
たことを、要旨としている。A third fuel cell humidifying device of the present invention is a humidifying device for humidifying a material gas supplied to an electrode of a fuel cell, which is in contact with a reservoir for storing water and a passage for the material gas. A porous membrane that permeates the water according to the pressure difference between the water and the material gas, a gas amount detection unit that detects the amount of the gas that accumulates in the water storage passage, and the accumulated gas A gas vent passage for exhausting gas from the storage passage, an on-off valve for opening and closing the gas vent passage, and a control means for controlling the opening and closing of the on-off valve according to the gas amount detected by the gas amount detecting means. , The summary.
【0017】ここで、材料ガスとは、燃料電池のアノー
ド電極に供給する水素ガスもしくは水素含有ガスであっ
てもよく、あるいは、カソード電極に供給する酸素含有
ガスであってもよい。Here, the material gas may be hydrogen gas or hydrogen-containing gas supplied to the anode electrode of the fuel cell, or may be oxygen-containing gas supplied to the cathode electrode.
【0018】[0018]
【作用】以上のように構成された本発明の第1の燃料電
池の加湿装置によれば、多孔質膜を透過して水の流路側
に現われた燃料ガス中の水素が、多孔質膜の内部または
前記水の流路側の表面の少なくとも一方に設けた触媒と
接することにより、水中に溶解している酸素と前記水素
とが反応して水となる。これにより、多孔質膜と水との
間にガス層を形成することがない。According to the humidifier for a first fuel cell of the present invention having the above-described structure, hydrogen in the fuel gas that has permeated through the porous membrane and appeared on the flow channel side of water is not absorbed by the porous membrane. By contacting with a catalyst provided inside or on at least one of the surfaces of the water on the flow path side, oxygen dissolved in water reacts with the hydrogen to become water. As a result, no gas layer is formed between the porous membrane and water.
【0019】なお、前記反応に寄与する水は、触媒が多
孔質膜の水流路側の表面に設けられている場合、その水
流路中の水であり、触媒が多孔質膜の内部に設けられて
いる場合には、水の流路側から燃料ガス側へ移動中の多
孔質内の水である。When the catalyst is provided on the surface of the porous membrane on the water channel side, the water contributing to the reaction is the water in the water channel, and the catalyst is provided inside the porous membrane. If present, it is water in the porous material that is moving from the water flow path side to the fuel gas side.
【0020】本発明の第2の燃料電池の加湿装置によれ
ば、多孔質膜を透過して水の流路側に進入した水素ガス
が、水の流路中に設けた支持体に担持させた触媒と接す
ることにより、水中に溶解している酸素と前記水素とが
反応して水となる。これにより、水の流路側に進入した
水素ガスを除去する。According to the second fuel cell humidifier of the present invention, the hydrogen gas that permeates the porous membrane and enters the water channel side is carried on the support provided in the water channel. By coming into contact with the catalyst, oxygen dissolved in water reacts with the hydrogen to become water. As a result, hydrogen gas that has entered the water flow path side is removed.
【0021】本発明の第3の燃料電池の加湿装置によれ
ば、ガス量検出手段で検出した水の貯留路中に滞留する
ガス量に応じて、制御手段によりガス抜き通路の開閉弁
を開閉制御する。これにより、多孔質膜を透過して水の
貯留路中に進入した材料ガスをガス抜き通路から逃す。According to the third fuel cell humidifier of the present invention, the control means opens and closes the on-off valve of the gas vent passage in accordance with the amount of gas accumulated in the water storage passage detected by the gas amount detection means. Control. As a result, the material gas that has permeated the porous membrane and entered the water storage passage is escaped from the gas vent passage.
【0022】[0022]
【実施例】以上説明した本発明の構成・作用を一層明ら
かにするために、以下本発明の好適な実施例について説
明する。Preferred embodiments of the present invention will be described below in order to further clarify the structure and operation of the present invention described above.
【0023】図1は、本発明の燃料電池の加湿装置を備
えた第1実施例としての固体高分子型燃料電池の発電シ
ステム1の概略構成図である。この燃料電池発電システ
ム1は、複数の電池セルからなる燃料電池本体10と、
水素ガスを加湿する水素ガス加湿器20と、酸素含有ガ
ス(空気)を加湿する酸素含有ガス加湿器30と、水を
貯える共用水タンク40とを備える。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power generation system 1 for a polymer electrolyte fuel cell as a first embodiment equipped with a humidifier for a fuel cell according to the present invention. The fuel cell power generation system 1 includes a fuel cell main body 10 including a plurality of battery cells,
A hydrogen gas humidifier 20 that humidifies hydrogen gas, an oxygen-containing gas humidifier 30 that humidifies an oxygen-containing gas (air), and a common water tank 40 that stores water are provided.
【0024】共用水タンク40は、管路50,加圧ポン
プ50Pを介して水素ガス加湿器20と接続され、管路
60,加圧ポンプ60Pを介して酸素含有ガス加湿器3
0と接続され、さらに、管路70,加圧ポンプ70Pを
介して燃料電池本体10の冷却部10aと接続されてい
る。したがって、共用水タンク40から水素ガス加湿器
20,酸素含有ガス加湿器30および冷却部10aに水
が供給される。The shared water tank 40 is connected to the hydrogen gas humidifier 20 via a pipe 50 and a pressure pump 50P, and the oxygen-containing gas humidifier 3 is connected via a pipe 60 and a pressure pump 60P.
0, and is further connected to the cooling unit 10a of the fuel cell main body 10 via the conduit 70 and the pressurizing pump 70P. Therefore, water is supplied from the shared water tank 40 to the hydrogen gas humidifier 20, the oxygen-containing gas humidifier 30, and the cooling unit 10a.
【0025】水素ガス加湿器20は、管路80を介して
燃料電池本体10のアノード側流路(後述する水素ガス
流路15p)の入口10bと接続され、酸素含有ガス加
湿器30は、管路90を介して燃料電池本体10のカソ
ード側流路(後述する酸素ガス流路14p)の入口10
cに接続されている。したがって、水素ガス加湿器20
で加湿された水素ガスは燃料電池本体10のアノード側
流路に、酸素含有ガス加湿器30で加湿された酸素含有
ガスは燃料電池本体10のカソード側流路に送られる。
なお、図中、10dはアノード側流路出口であり、10
eはカソード側流路出口である。The hydrogen gas humidifier 20 is connected to an inlet 10b of an anode side flow path (a hydrogen gas flow path 15p described later) of the fuel cell main body 10 via a pipe 80, and the oxygen-containing gas humidifier 30 is connected to a pipe. Inlet 10 of the cathode side flow passage (oxygen gas flow passage 14p described later) of the fuel cell main body 10 via the passage 90.
connected to c. Therefore, the hydrogen gas humidifier 20
The hydrogen gas humidified in (1) is sent to the anode-side flow path of the fuel cell main body 10, and the oxygen-containing gas humidified by the oxygen-containing gas humidifier 30 is sent to the cathode-side flow path of the fuel cell main body 10.
In the figure, 10d is an outlet on the anode side,
e is a cathode side flow path outlet.
【0026】燃料電池本体10の構成について次に説明
する。ここでは、簡単なため燃料電池本体10が一つの
電池セルから構成されている場合についてまず説明す
る。図2の構造図に示すように、電池セルは、電解質膜
11と、この電解質膜11を両側から挟んでサンドイッ
チ構造とするガス拡散電極としてのカソード12および
アノード13と、このサンドイッチ構造を両側から挟み
つつカソード12およびアノード13とで酸素含有ガス
および燃料ガスの流路を形成するセパレータ14,15
と、セパレータ14,15の外側に配置されカソード1
2およびアノード13の集電極となる集電板16,17
とにより構成されている。The structure of the fuel cell body 10 will be described below. Here, for simplicity, the case where the fuel cell main body 10 is composed of one battery cell will be described first. As shown in the structural diagram of FIG. 2, the battery cell has an electrolyte membrane 11, a cathode 12 and an anode 13 as gas diffusion electrodes which sandwich the electrolyte membrane 11 from both sides to form a sandwich structure, and the sandwich structure from both sides. Separator 14, 15 forming a flow path for an oxygen-containing gas and a fuel gas with the cathode 12 and the anode 13 while sandwiching them.
And the cathode 1 arranged outside the separators 14 and 15.
2 and collector plates 16 and 17 serving as collector electrodes for the anode 13
It is composed of
【0027】電解質膜11は、高分子材料、例えばフッ
素系樹脂により形成されたイオン交換膜であり、湿潤状
態で良好な電気電導性を示す。カソード12およびアノ
ード13は、炭素繊維からなる糸で織成したカーボンク
ロスにより形成されており、このカーボンクロスには、
触媒としての白金または白金と他の金属からなる合金等
を担持したカーボン粉がクロスの隙間に練り込まれてい
る。The electrolyte membrane 11 is an ion exchange membrane made of a polymer material, for example, a fluororesin, and exhibits good electric conductivity in a wet state. The cathode 12 and the anode 13 are made of carbon cloth woven with a yarn made of carbon fiber.
Carbon powder carrying platinum or an alloy of platinum and another metal as a catalyst is kneaded into the gap of the cloth.
【0028】セパレータ14,15は、ち密質のカーボ
ンプレートにより形成されている。カソード12側のセ
パレータ14は、カソード12の表面とで材料ガスであ
る酸素含有ガスの流路をなすと共にカソード12で生成
する水の集水路をなす酸素ガス流路14pを形成する。
また、アノード13側のセパレータ15は、アノード1
3の表面とで燃料ガスである水素ガスと水蒸気との混合
ガスの流路をなす水素ガス流路15pを形成する。集電
板16,17は、銅(Cu)により形成されている。The separators 14 and 15 are formed of a dense carbon plate. The separator 14 on the cathode 12 side forms a flow path for the oxygen-containing gas, which is a material gas, with the surface of the cathode 12, and also forms an oxygen gas flow path 14p that serves as a water collection path for water generated in the cathode 12.
The separator 15 on the anode 13 side is the anode 1
The surface of 3 forms a hydrogen gas flow path 15p that forms a flow path for a mixed gas of hydrogen gas as a fuel gas and water vapor. The collector plates 16 and 17 are made of copper (Cu).
【0029】これが単セルの基本的な構成であり、実際
には、セパレータ14,カソード12,電解質膜11,
アノード13,セパレータ15をこの順に複数組積層し
て、その外側に集電板16,17を配置することによ
り、燃料電池本体10は構成されている。This is the basic structure of a single cell. In practice, the separator 14, the cathode 12, the electrolyte membrane 11,
The fuel cell main body 10 is configured by stacking a plurality of sets of the anode 13 and the separator 15 in this order and disposing the current collectors 16 and 17 on the outer side thereof.
【0030】水素ガス加湿器20の構成について次に説
明する。水素ガス加湿器20は、図3の構造図に示すよ
うに、多孔質膜21と、この多孔質膜21の片側表面に
設けられた触媒反応層22と、多孔質膜21および触媒
反応層22を両側から挟みつつ水素ガスおよび水の流路
23p,24pを形成するセパレータ23,24とによ
り構成されている。なお、触媒反応層22は水の流路2
4pを形成するセパレータ24側に位置している。The structure of the hydrogen gas humidifier 20 will be described below. As shown in the structural diagram of FIG. 3, the hydrogen gas humidifier 20 includes a porous membrane 21, a catalytic reaction layer 22 provided on one surface of the porous membrane 21, a porous membrane 21 and a catalytic reaction layer 22. And the separators 23 and 24 that form the hydrogen gas and water flow paths 23p and 24p while sandwiching the both sides. The catalytic reaction layer 22 is the water flow path 2
It is located on the side of the separator 24 forming 4p.
【0031】多孔質膜21は、ポリオレフィン系の多孔
質のフィルムであって、空孔率が50[%]以上で、平
均孔径が0.05[μm]程度のものである。この多孔
質膜21は、フィルムを境とした両側の圧力差に応じて
水を透過するものである。多孔質膜21は、例えば、旭
化成工業から商品名「ハイポア1000」として入手す
ることができる。The porous film 21 is a polyolefin-based porous film having a porosity of 50% or more and an average pore diameter of about 0.05 μm. The porous membrane 21 allows water to permeate according to the pressure difference between both sides of the film. The porous membrane 21 can be obtained, for example, from Asahi Kasei Kogyo under the trade name “HIPORE 1000”.
【0032】触媒反応層22は、図4に示すように、触
媒としての白金22aを担持したカーボン粒子22bを
多孔質膜21の片側表面に分散付着させたものであり、
次のようにして多孔質膜21上に接着される。As shown in FIG. 4, the catalytic reaction layer 22 is formed by dispersing and adhering carbon particles 22b carrying platinum 22a as a catalyst on one surface of the porous membrane 21.
It adheres on the porous film 21 as follows.
【0033】まず、前記カーボン粒子22bを適当な溶
媒中に分散させて、分散溶液を作り、次いで、多孔質膜
21を加圧ろ過用ホルダにセットして、その分散溶液を
加圧ろ過する。この結果、溶媒のみは多孔質膜21を通
過し、前記カーボン粒子22bが多孔質膜表面に残留す
る。続いて、この状態の多孔質膜21の表面に、プロト
ン導電性固体電解質の溶液(例えば米国アルドリッチ社
から販売されているナフィオン5%溶液)を少量摘下し
たうえで、ホットプレスする。この結果、プロトン導電
性固体電解質の溶液が固化する過程で、いわば接着剤の
ような役目を果たしながら、前記カーボン粒子22bは
多孔質膜21表面に固着される。なお、このプロトン導
電性固体電解質は水も水素も、酸素も通過させるので、
たとえ、カーボン粒子22bの表面が、プロトン導電性
固体電解質で覆われたとしても問題ない。First, the carbon particles 22b are dispersed in an appropriate solvent to prepare a dispersion solution, and then the porous membrane 21 is set in a pressure filtration holder, and the dispersion solution is pressure filtered. As a result, only the solvent passes through the porous film 21, and the carbon particles 22b remain on the surface of the porous film. Then, on the surface of the porous membrane 21 in this state, a small amount of a solution of a proton conductive solid electrolyte (for example, a Nafion 5% solution sold by Aldrich Co., USA) is removed and then hot pressed. As a result, in the process of solidifying the solution of the proton conductive solid electrolyte, the carbon particles 22b are fixed to the surface of the porous film 21 while playing a role as an adhesive. Since this proton conductive solid electrolyte allows water, hydrogen and oxygen to pass therethrough,
Even if the surface of the carbon particles 22b is covered with the proton conductive solid electrolyte, there is no problem.
【0034】白金22aを担持したカーボン粒子22b
は次のような方法で作成されている。塩化白金酸水溶液
とチオ硫酸ナトリウムを混合して、亜硫酸白金錯体の水
溶液を得る。この水溶液を攪拌しながら、過酸化水素水
を摘下して、水溶液中にコロイド状の白金粒子を析出さ
せる。次に担体となるカーボンブラック〔例えばVul
can XC−72(米国のCABOT社の商標)やデ
ンカブラック(電気化学工業株式会社の商標)〕を添加
しながら、攪拌し、カーボンブラックの表面にコロイド
状の白金粒子を付着させる。次に溶液を吸引ろ過または
加圧ろ過して白金粒子が付着したカーボンブラックを分
離した後、脱イオン水で繰り返し洗浄した後、室温で完
全に乾燥させる。次に、凝集したカーボンブラックを粉
砕器で粉砕した後、水素還元雰囲気中で、250℃〜3
50℃で2時間程度加熱することにより、カーボンブラ
ック上の白金を還元するとともに、残留していた塩素を
完全に除去して、白金触媒が完成する。Carbon particles 22b carrying platinum 22a
Is created by the following method. An aqueous solution of platinum sulfite complex is obtained by mixing an aqueous solution of chloroplatinic acid and sodium thiosulfate. While stirring this aqueous solution, the hydrogen peroxide solution is removed to deposit colloidal platinum particles in the aqueous solution. Next, carbon black as a carrier [eg Vul
While adding can XC-72 (trademark of CABOT Co., USA) and Denka Black (trademark of Denki Kagaku Kogyo Co., Ltd.), the colloidal platinum particles are attached to the surface of the carbon black. Next, the solution is suction-filtered or pressure-filtered to separate the carbon black to which the platinum particles are attached, repeatedly washed with deionized water, and then completely dried at room temperature. Next, the aggregated carbon black is pulverized with a pulverizer and then in a hydrogen reducing atmosphere at 250 ° C. to 3 ° C.
By heating at 50 ° C. for about 2 hours, platinum on carbon black is reduced and residual chlorine is completely removed to complete the platinum catalyst.
【0035】なお、この実施例では、白金触媒の担持量
は、多孔質膜1cm2 当たり、白金重量で0.01mg
となっている。この白金重量はガスが多孔質膜21を介
して水側に逆流しやすい場合には(つまり水の圧力とガ
ス圧力との差圧△Pが小さいほど)多くする。また、同
じ差圧であれば、単位面積当たりの加湿量の多い多孔質
膜を用いる場合は白金重量を多くする。つまり、それぞ
れの加湿装置の構成条件、運転条件に応じて白金重量の
最適値を決めればよい。また、実施例では、触媒として
白金を用いていたが、これに換えて、白金と他の金属か
らなる合金を用いた構成としても構わない。さらに、実
施例では、担持体として、カーボン粉を用いていたが、
これに換えて、シリカ粉、チタニア粉、アルミナ粉など
を用いた構成としても構わない。In this example, the amount of platinum catalyst supported was 0.01 mg by weight of platinum per cm 2 of the porous membrane.
Has become. The weight of platinum is increased when the gas easily flows back to the water side through the porous membrane 21 (that is, the smaller the pressure difference ΔP between the water pressure and the gas pressure is). If the pressure difference is the same, the platinum weight is increased when a porous membrane having a large amount of humidification per unit area is used. That is, the optimum value of platinum weight may be determined according to the configuration conditions and operating conditions of each humidifier. Further, although platinum is used as the catalyst in the embodiment, it may be replaced with an alloy made of platinum and another metal. Furthermore, in the examples, carbon powder was used as the carrier,
Instead of this, a structure using silica powder, titania powder, alumina powder, or the like may be used.
【0036】セパレータ23,24は、カーボンを圧縮
してガス不透過とした緻密質のカーボンプレートにより
形成されている。セパレータ23,24の多孔質膜21
側の表面には、平行に配列された複数の凸部が設けられ
ており、複数の凸部と多孔質膜21とで複数の水素ガス
流路23pおよび水流路24pを形成する。また、セパ
レータ23,24と多孔質膜21とは、Oリング25,
26によりシールされており、また、多孔質膜21の長
手方向の両側はシール部材27,28によりシールされ
ている。The separators 23 and 24 are formed of a dense carbon plate which is made by impressing carbon to make it impermeable to gas. Porous film 21 of separators 23 and 24
A plurality of protrusions arranged in parallel are provided on the surface on the side, and the plurality of protrusions and the porous membrane 21 form a plurality of hydrogen gas passages 23p and water passages 24p. In addition, the separators 23 and 24 and the porous film 21 have O-rings 25,
It is sealed by 26, and both sides in the longitudinal direction of the porous membrane 21 are sealed by sealing members 27, 28.
【0037】なお、実施例ではセパレータ23をガス不
透過カーボンにより形成したが、水素ガスに侵されない
材質かつ熱伝導性に優れている材質であれば如何なる材
質により形成しても構わない。また、セパレータ24は
水に対して安定な材質でかつ熱伝導性に優れている材質
であれば如何なる材質により形成しても構わない。Although the separator 23 is made of gas impermeable carbon in the embodiment, it may be made of any material as long as it is a material that is not attacked by hydrogen gas and has excellent thermal conductivity. Further, the separator 24 may be formed of any material as long as it is a material stable to water and has excellent thermal conductivity.
【0038】こうして構成された水素ガス加湿器20の
水素ガス流路23pの入口は、図示しない改質器と接続
されており、その水素ガス流路23pの出口は、前述し
た管路(燃料電池本体10のアノード側流路入口10b
に至る管路)80と接続されている。また、水素ガス加
湿器20の水流路24pの入口は、共用水タンク40に
至る管路50と接続されており、その水流路24pの出
口は、閉塞されている。この結果、水流路24pを流れ
る水の圧力と水素ガス流路23pを流れる水素ガスの圧
力との差に応じて、図4に示すように、水流路24p中
の水が多孔質膜21および触媒反応層22を透過する。
この透過した水は、多孔質膜21の表面で気化して水素
ガス流路23pを流れる水素ガスを加湿する。The inlet of the hydrogen gas flow path 23p of the hydrogen gas humidifier 20 thus constructed is connected to a reformer (not shown), and the outlet of the hydrogen gas flow path 23p is connected to the above-mentioned conduit (fuel cell). Anode side flow path inlet 10b of the main body 10
To a conduit 80). Further, the inlet of the water flow passage 24p of the hydrogen gas humidifier 20 is connected to the pipe 50 leading to the shared water tank 40, and the outlet of the water flow passage 24p is closed. As a result, depending on the difference between the pressure of the water flowing through the water channel 24p and the pressure of the hydrogen gas flowing through the hydrogen gas channel 23p, as shown in FIG. It penetrates the reaction layer 22.
The permeated water vaporizes on the surface of the porous membrane 21 and humidifies the hydrogen gas flowing through the hydrogen gas flow path 23p.
【0039】酸素含有ガス加湿器30は、前述した水素
ガス加湿器20から触媒反応層22を除いた構成、即
ち、電解質膜をセパレータで挟んだ構成であり、ここで
は、詳しい説明は省略する。この酸素含有ガス加湿器3
0により、水側の圧力と酸素含有ガス側の圧力との差に
応じて水が多孔質膜121を透過する。この透過した水
は、その多孔質膜表面で気化して酸素含有ガスを加湿す
る。The oxygen-containing gas humidifier 30 has a structure in which the catalytic reaction layer 22 is removed from the hydrogen gas humidifier 20 described above, that is, a structure in which an electrolyte membrane is sandwiched between separators, and detailed description thereof is omitted here. This oxygen-containing gas humidifier 3
When 0, water permeates the porous membrane 121 according to the difference between the pressure on the water side and the pressure on the oxygen-containing gas side. The permeated water vaporizes on the surface of the porous membrane to humidify the oxygen-containing gas.
【0040】こうして構成された燃料電池発電システム
1は、上述した化学反応により化学エネルギを直接電気
エネルギに変換するが、水素ガス加湿器20および酸素
含有ガス加湿器30で加湿された水素ガスおよび酸素含
有ガスにより、この化学反応がスムーズに行なわれてい
る。The fuel cell power generation system 1 configured as described above directly converts chemical energy into electric energy by the above-described chemical reaction, but the hydrogen gas and oxygen humidified by the hydrogen gas humidifier 20 and the oxygen-containing gas humidifier 30 are used. The contained gas facilitates this chemical reaction.
【0041】すなわち、燃料電池本体10のアノード1
3では、水素が水素イオンと電子となる反応が行なわ
れ、生じた水素イオンが、アノード13付近の水と結合
して水和状態となって電解質膜11内を移動する。この
ため、そのままでは電解質膜11のアノード13付近で
水が不足するが、この不足は、水素ガスと水蒸気との混
合ガス中の水蒸気により補給される。この結果、電解質
膜11は常に湿潤状態となり、水素イオンは電解質膜1
1内をスムーズに移動することができ、陰極反応がスム
ーズに行なわれる。カソード12では、水素イオンと電
子と酸素とにより水を生成する反応が行なわれる。酸素
含有ガスと水蒸気の混合ガス中の水蒸気は、電解質膜1
1の湿潤状態を確保する役目を果たしている。That is, the anode 1 of the fuel cell body 10
In 3, a reaction is performed in which hydrogen becomes an electron with a hydrogen ion, and the generated hydrogen ion combines with water in the vicinity of the anode 13 to be in a hydrated state and move in the electrolyte membrane 11. Therefore, if water is left as it is in the vicinity of the anode 13 of the electrolyte membrane 11, this shortage is replenished by the water vapor in the mixed gas of hydrogen gas and water vapor. As a result, the electrolyte membrane 11 is always in a wet state, and hydrogen ions are not contained in the electrolyte membrane 1.
It is possible to move smoothly in 1 and the cathode reaction is performed smoothly. At the cathode 12, a reaction for producing water is carried out by hydrogen ions, electrons and oxygen. The water vapor in the mixed gas of the oxygen-containing gas and the water vapor is the electrolyte membrane 1
It plays the role of ensuring the wet condition of 1.
【0042】以上詳述したように、この第1実施例の燃
料電池発電システム1では、燃料電池に供給する水素ガ
スを水素ガス加湿器20で加湿している。この水素ガス
加湿器20では、多孔質膜21の表面に触媒反応層22
が設けられていることから、図4に示すように、水素ガ
ス流路23p側から多孔質膜21を透過して触媒反応層
22に達した水素ガスは、ここで白金22aの作用によ
り、水中に溶解している酸素と反応して水となる。これ
により、水素ガス流路23p側から水流路24p側に逆
流した水素ガスにより多孔質膜21と水との間にガス層
が形成されるということを防ぐことができる。なお、反
応して生成された水は、水流路24p側に存在している
水と混合されることから何の悪影響も与えない。As described above in detail, in the fuel cell power generation system 1 of the first embodiment, the hydrogen gas supplied to the fuel cell is humidified by the hydrogen gas humidifier 20. In this hydrogen gas humidifier 20, the catalytic reaction layer 22 is formed on the surface of the porous film 21.
Therefore, as shown in FIG. 4, the hydrogen gas that has permeated the porous film 21 from the hydrogen gas flow path 23p side and reached the catalytic reaction layer 22 is treated in water by the action of the platinum 22a. Reacts with the oxygen dissolved in to form water. As a result, it is possible to prevent a gas layer from being formed between the porous membrane 21 and water by the hydrogen gas flowing back from the hydrogen gas flow path 23p side to the water flow path 24p side. The water generated by the reaction has no adverse effect because it is mixed with the water existing on the water flow path 24p side.
【0043】したがって、そのガス層により加湿機能が
低下するのを防止することができ、延いては、燃料電池
本体10の発電能力の低下を防止することができる。Therefore, it is possible to prevent the humidifying function from being deteriorated by the gas layer, and it is possible to prevent the power generation capacity of the fuel cell main body 10 from being deteriorated.
【0044】本発明の第2実施例について次に説明す
る。図5は、第2実施例の水素ガス加湿器に用いられる
多孔質膜121の模式図である。図5に示すように、こ
の第2実施例の水素ガス加湿器は、第1実施例の水素ガ
ス加湿器20と比較して、触媒反応層22がなく、それ
に換えて、多孔質膜121の内部に、触媒としての白金
122aを担持したシリカ粒子122bを有するもので
ある。The second embodiment of the present invention will be described below. FIG. 5 is a schematic diagram of the porous membrane 121 used in the hydrogen gas humidifier of the second embodiment. As shown in FIG. 5, the hydrogen gas humidifier according to the second embodiment does not have the catalytic reaction layer 22 as compared with the hydrogen gas humidifier 20 according to the first embodiment. It has silica particles 122b carrying platinum 122a as a catalyst therein.
【0045】前記シリカ粒子122bは多孔質膜121
の内部に次のようにして形成される。まず、無機充填物
であるシリカ粒子の表面に白金を担持し、次いで、この
無機充填物を用いて、膜を成膜し、膜の内部に白金が担
持された状態にする。白金触媒の担持量は多孔質膜1c
m2 あたり白金重量で0.01mgとすればよい。The silica particles 122b are the porous film 121.
It is formed in the following manner. First, platinum is supported on the surface of silica particles, which are inorganic fillers, and then a film is formed using this inorganic filler so that platinum is supported inside the membranes. The supported amount of platinum catalyst is the porous membrane 1c.
The platinum weight per m 2 may be 0.01 mg.
【0046】なお、前記無機充填物には、この実施例の
ようにシリカ粉が使われているが、これに換えて、チタ
ニア粉や、アルミナ粉も使えるし、コストを気にしない
のであれば、ジルコニア粉や窒化ホウ素粉や窒化アルミ
ニウム粉を使うこともできる。こうした粉末表面に白金
触媒を担持する方法は、広く一般に行なわれており、こ
こでは詳しい説明は省略する。Although silica powder is used for the inorganic filler as in this embodiment, titania powder or alumina powder can be used in place of silica powder, so long as the cost is not a concern. It is also possible to use zirconia powder, boron nitride powder or aluminum nitride powder. Such a method of supporting a platinum catalyst on the surface of powder is widely and generally performed, and a detailed description thereof will be omitted here.
【0047】こうした構成の第2実施例の水素ガス加湿
器では、触媒である白金122aを担持するシリカ粒子
122bが多孔質膜121の内部に設けられていること
から、水素ガス流路側から多孔質膜121を透過して水
流路側に到達しようとする水素ガスは、多孔質膜121
の内部を通過する途中で、白金122aの作用により、
水流路側から膜流路側に至る正常の流れの水の中に溶解
している酸素と反応して水になる。これにより、第1実
施例と同様に、水素ガス流路23p側から水流路24p
側に逆流した水素ガスにより多孔質膜21と水との間に
ガス層が形成されるということを防ぐことができる。し
たがって、第1実施例と同様に、そのガス層により加湿
機能が低下するのを防止することができ、延いては、燃
料電池本体10の発電能力の低下を防止することができ
る。In the hydrogen gas humidifier of the second embodiment having such a structure, since the silica particles 122b carrying the platinum 122a which is the catalyst are provided inside the porous film 121, the hydrogen gas flow channel side is porous. The hydrogen gas that permeates the membrane 121 and tries to reach the water flow path side is the porous membrane 121.
While passing through the inside of the
Water reacts with oxygen dissolved in water in a normal flow from the water channel side to the membrane channel side to become water. As a result, as in the first embodiment, the water flow path 24p is moved from the hydrogen gas flow path 23p side.
It is possible to prevent a gas layer from being formed between the porous film 21 and water by the hydrogen gas flowing back to the side. Therefore, similarly to the first embodiment, it is possible to prevent the humidifying function from being deteriorated by the gas layer, and it is possible to prevent the power generation capacity of the fuel cell main body 10 from being deteriorated.
【0048】本発明の第3実施例について次に説明す
る。図6は、この第3実施例としての燃料電池発電シス
テム201の概略構成図である。この燃料電池発電シス
テム201は、第1実施例の燃料電池発電システム1と
比較して、図6に示すように、水素ガス加湿器220の
構成と、共用水タンク40と水素ガス加湿器20を結ぶ
管路50に後述するホルダ300を設けた点が相違し、
その他の構成については同一である。なお、同一のパー
ツには第1実施例と同じ符号を付けた。The third embodiment of the present invention will be described below. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a fuel cell power generation system 201 as the third embodiment. Compared to the fuel cell power generation system 1 of the first embodiment, this fuel cell power generation system 201 includes a hydrogen gas humidifier 220, a shared water tank 40, and a hydrogen gas humidifier 20 as shown in FIG. The difference is that a holder 300 described later is provided in the connecting pipe 50,
The other configurations are the same. The same parts are designated by the same reference numerals as in the first embodiment.
【0049】この実施例の水素ガス加湿器220は、第
1実施例の水素ガス加湿器20において触媒反応層22
を除いた構成、即ち、多孔質膜21だけをセパレータ2
3,24により挟んだ構成を備える。The hydrogen gas humidifier 220 of this embodiment is similar to the hydrogen gas humidifier 20 of the first embodiment except that the catalytic reaction layer 22 is used.
Except for the porous membrane 21.
It is provided with a structure sandwiched by 3, 24.
【0050】ホルダ300について次に説明する。図7
はホルダ300の斜視図、図8はホルダ300を分解し
た分解斜視図である。両図に示すように、ホルダ300
は、互いに重ねた2枚のサポートスクリーン301,3
02の片側表面に、触媒としての白金を担持した膜体3
03を設け、これらを、2枚のパッキング304,30
5によりシール性を高めつつ内側ボディ306と外側ボ
ディ307との間に挟み込む。そして、これらをロック
ナット用ガスケット308を介してロックナット309
により締め付けたものである。なお、内側ボディ306
および外側ボディ307には貫通孔が設けられており、
こうした構成により、ホルダ300は流路の途中に膜体
303を保持する働きをする。The holder 300 will be described below. Figure 7
8 is a perspective view of the holder 300, and FIG. 8 is an exploded perspective view of the holder 300. As shown in both figures, the holder 300
Is the two support screens 301, 3 that are stacked on each other.
Membrane body 3 carrying platinum as a catalyst on one surface of 02
03, and these are packed into two packing 304, 30
It is sandwiched between the inner body 306 and the outer body 307 while improving the sealing property by means of 5. The lock nut 309 and the lock nut 309 are then passed through the lock nut gasket 308.
It is tightened by. The inner body 306
And the outer body 307 is provided with a through hole,
With such a configuration, the holder 300 functions to hold the film body 303 in the middle of the flow path.
【0051】膜体303は、ポリエステルの不織布であ
り、厚さ150[μm]程度のものであり、水の通過を
阻害しない程度の通水性を備える。この膜体303に
は、片側の表面(勿論、両側でも構わない)に白金が担
持されている。なお、白金の担持量は、膜体303の1
[cm2 ]あたり、白金重量で0.05[mg]程度で
ある。なお膜体303はポリエステル系のほか、ポリエ
チレン系、ポリプロピレン系、ポリアミド系、ポリスル
ホン系の不織布であってもよい。The membrane 303 is a polyester non-woven fabric, has a thickness of about 150 [μm], and has water permeability that does not hinder the passage of water. The film body 303 has platinum supported on one surface (both sides may be used, of course). Note that the amount of platinum carried is 1 of the film body 303.
The weight of platinum is about 0.05 [mg] per [cm 2 ]. In addition to the polyester type, the film body 303 may be a polyethylene type, polypropylene type, polyamide type, or polysulfone type nonwoven fabric.
【0052】こうした構成のホルダ300は、共用水タ
ンク40と水素ガス加湿器20を結ぶ管路50の間、特
にこの実施例では、加圧ポンプ50Pと水素ガス加湿器
20との間の管路50に配設されている。The holder 300 having such a structure is provided between the pipe 50 connecting the common water tank 40 and the hydrogen gas humidifier 20, and in particular, in this embodiment, between the pressurizing pump 50P and the hydrogen gas humidifier 20. It is arranged at 50.
【0053】以上詳述したように、この第3実施例の燃
料電池発電システム201では、燃料電池に供給する水
素ガスを水素ガス加湿器220で加湿しているが、この
加湿の際、多孔質膜21を介して水素ガス流路側から水
流路側へ水素ガスが進入する。その水素ガスは、その
後、水素ガス加湿器220から管路50を経由して共用
水タンク40の方向に進むが、その際にホルダ300に
設けられた膜体303の白金と接することにより、水中
に溶解している酸素と反応して水となる。これにより、
管路50に進入した水素ガスを除去することができる。As described above in detail, in the fuel cell power generation system 201 of the third embodiment, the hydrogen gas supplied to the fuel cell is humidified by the hydrogen gas humidifier 220. Hydrogen gas enters from the hydrogen gas channel side to the water channel side through the membrane 21. After that, the hydrogen gas advances from the hydrogen gas humidifier 220 to the shared water tank 40 via the pipe line 50. At that time, the hydrogen gas comes into contact with the platinum of the film body 303 provided in the holder 300, and Reacts with the oxygen dissolved in to form water. This allows
The hydrogen gas that has entered the pipeline 50 can be removed.
【0054】従来、そうした管路に進入した水素ガス
は、その管路の水の流れを悪化させたり、共用水タンク
に進入して共用水タンクから、再び水素ガス加湿器の水
流路に混入したり、あるいは、酸素含有ガス加湿器の水
流路に混入したりして、両加湿器の加湿機能の低下に結
びつくが、これに対して、この実施例の燃料電池発電シ
ステム201では、前述したように管路50に進入した
水素ガスを除去することができることから、水素ガス加
湿器220および酸素含有ガス加湿器230の加湿機能
の低下を防止することができ、延いては、加湿がなされ
る燃料電池本体10の発電能力の低下を防止することが
できる。Conventionally, hydrogen gas that has entered such a pipe deteriorates the flow of water in that pipe or enters the common water tank and mixes into the water flow path of the hydrogen gas humidifier again from the common water tank. Or, if it is mixed in the water flow path of the oxygen-containing gas humidifier, the humidification function of both humidifiers is deteriorated. On the other hand, in the fuel cell power generation system 201 of this embodiment, as described above. Since it is possible to remove the hydrogen gas that has entered the pipeline 50, it is possible to prevent deterioration of the humidification function of the hydrogen gas humidifier 220 and the oxygen-containing gas humidifier 230, and, in turn, the fuel to be humidified. It is possible to prevent the power generation capacity of the battery body 10 from decreasing.
【0055】なお、前記第3実施例において、ホルダ3
00を、水素ガス加湿器220の水流路24pの出口側
の集合管に設けた構成としてもよい。In the third embodiment, the holder 3
00 may be provided in the collecting pipe on the outlet side of the water flow path 24p of the hydrogen gas humidifier 220.
【0056】本発明の第4実施例について次に説明す
る。図9は、この第4実施例としての水素ガス加湿シス
テムの概略構成図である。図9に示すように、この水素
ガス加湿システム401は、加湿器本体410を中心に
備える。加湿器本体410は、多孔質膜421と、この
多孔質膜421を挟んで一方に水素ガスの流路423p
を、他方に水流路424pを形成する部材423,42
4とにより構成されている。The fourth embodiment of the present invention will be described below. FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a hydrogen gas humidification system as the fourth embodiment. As shown in FIG. 9, the hydrogen gas humidifying system 401 mainly includes a humidifier body 410. The humidifier main body 410 has a porous film 421 and a hydrogen gas passage 423p on one side with the porous film 421 interposed therebetween.
And members 423, 42 forming a water flow path 424p on the other side.
4 and.
【0057】部材423により形成される水素ガス流路
423pは、改質器から燃料電池本体に至る管路430
の途中に配管されており、また、部材424により形成
される水流路424pは、入口側が、加圧ポンプ440
を介して水タンク450と接続され、出口側は閉塞され
ている。さらに、この水流路424pには制御バルブ4
60の設けられたガス抜き管路470が接続されてい
る。なお、この出口側が入口側に対して上部に位置する
ように、加湿器本体410の配置が定められている。The hydrogen gas flow path 423p formed by the member 423 is a conduit 430 from the reformer to the fuel cell body.
The water flow path 424p formed by the member 424 has a pressure pump 440 on the inlet side.
It is connected to the water tank 450 through and the outlet side is closed. Further, the control valve 4 is provided in the water channel 424p.
A degassing line 470 provided with 60 is connected. The humidifier main body 410 is arranged such that the outlet side is located above the inlet side.
【0058】また、この水素ガス加湿システム401
は、管路470の加湿器本体410から制御バルブ46
0までの間に設けられ、水流路424pの液面の高さを
検出する水位センサ480と、水位センサ480に電気
的に接続される電子制御ユニット490とを備える。Further, this hydrogen gas humidifying system 401
From the humidifier body 410 of the line 470 to the control valve 46.
A water level sensor 480, which is provided between 0 and 0, detects the height of the liquid surface of the water flow path 424p, and an electronic control unit 490 electrically connected to the water level sensor 480.
【0059】電子制御ユニット490は、周知のCP
U,ROM,RAM等を備えたマイクロコンピュータか
ら構成され、水位センサ480からの検出信号に応じて
制御バルブ460を開閉制御する。詳しくは、電子制御
ユニット490のROMには所定のプログラムが予め記
憶されており、そのプログラムに従って電子制御ユニッ
ト490は制御バルブ460の開閉制御を行なってい
る。The electronic control unit 490 is a well-known CP.
The microcomputer is composed of a microcomputer including U, ROM, RAM, etc., and controls the opening / closing of the control valve 460 according to the detection signal from the water level sensor 480. Specifically, a predetermined program is stored in advance in the ROM of the electronic control unit 490, and the electronic control unit 490 controls the opening / closing of the control valve 460 according to the program.
【0060】電子制御ユニット490のCPUにより実
行される制御バルブ開閉処理について、図10のフロー
チャートに沿って説明する。図10に示すように、CP
Uは、まず、水位センサ480の検出信号を取り込み
(ステップ500)、その検出信号から示される水位が
予め定めた所定水位を下回っているか否かを判定する
(ステップ510)。ここで、その水位が所定水位を下
回ったと判定されると、水流路424pには所定量以上
のガスが貯えられたものとして、制御バルブ460に制
御信号を送って制御バルブ460を開状態に制御する
(ステップ520)。The control valve opening / closing process executed by the CPU of the electronic control unit 490 will be described with reference to the flowchart of FIG. As shown in FIG.
The U first takes in the detection signal of the water level sensor 480 (step 500), and determines whether or not the water level indicated by the detection signal is below a predetermined predetermined water level (step 510). Here, when it is determined that the water level is below the predetermined water level, it is determined that a predetermined amount or more of gas has been stored in the water flow path 424p, and a control signal is sent to the control valve 460 to control the control valve 460 to the open state. (Step 520).
【0061】一方、ステップ510でその水位が所定水
位を上回っていると判定されたときには、ステップ52
0を飛ばして、制御バルブ460を閉状態のままにして
おく。こうしてこのルーチンで示す処理を一旦終える。On the other hand, when it is determined in step 510 that the water level exceeds the predetermined water level, step 52
0 is skipped and the control valve 460 remains closed. In this way, the processing shown in this routine is once completed.
【0062】以上のように構成された水素ガス加湿シス
テム401では、多孔質膜421を介して水素ガス流路
423p側から水流路424p側に進入した水素ガスの
量が所定量以上に達すると、制御バルブ460を開状態
とすることで、水流路424pに滞留した水素ガスをガ
ス抜き管路470からリークしている。なお、図示はし
なかったが、このリークしたガスは集めて水素ガス系統
側に戻される。In the hydrogen gas humidification system 401 configured as described above, when the amount of hydrogen gas that has entered from the hydrogen gas flow passage 423p side to the water flow passage 424p side through the porous membrane 421 reaches a predetermined amount or more, By opening the control valve 460, the hydrogen gas accumulated in the water channel 424p leaks from the degassing conduit 470. Although not shown, the leaked gas is collected and returned to the hydrogen gas system side.
【0063】したがって、多孔質膜421を透過して水
素ガス流路423p側から水流路424p側に進入した
水素ガスにより多孔質膜421と水との間にガス層が形
成されるということを防ぐことができる、この結果、第
1実施例と同様に、ガス層により加湿機能が低下するの
を防止することができ、延いては、この水素ガス加湿器
410で加湿がなされる燃料電池本体の発電能力の低下
を防止することができる。Therefore, it is prevented that a gas layer is formed between the porous film 421 and water by the hydrogen gas that has permeated the porous film 421 and entered from the hydrogen gas flow channel 423p side to the water flow channel 424p side. As a result, similarly to the first embodiment, it is possible to prevent the humidifying function from being deteriorated by the gas layer, and, by extension, the fuel cell main body that is humidified by the hydrogen gas humidifier 410. It is possible to prevent a decrease in power generation capacity.
【0064】なお、この第4実施例では、水素ガス加湿
システムとして、燃料電池のアノードに供給する水素ガ
スを加湿する構成としていたが、これに換えて、燃料電
池のカソードに供給する酸素含有ガスを加湿する構成と
してもよい。即ち、ガス流路423pには水素ガスに換
えて酸素含有ガスを流す構成とする。この構成によって
も、第4実施例と同様に、ガス層により加湿機能が低下
するのを防止することができる。In the fourth embodiment, the hydrogen gas humidifying system is designed to humidify the hydrogen gas supplied to the anode of the fuel cell. However, instead of this, an oxygen-containing gas supplied to the cathode of the fuel cell is used. May be humidified. That is, the gas flow path 423p is configured to flow the oxygen-containing gas instead of the hydrogen gas. Also with this configuration, it is possible to prevent the humidifying function from being deteriorated by the gas layer, as in the fourth embodiment.
【0065】前述した実施例に換えて、最も簡単に、多
孔質膜と水流路との間にガス層が形成されるのを防ぐ構
成について次に説明する。その構成を示すのが図11の
構成図である。図11に示すように、この水素ガス加湿
器600は、多孔質膜621と、この多孔質膜621を
両側から挟みつつ水素ガスおよび水の流路623p,6
24pを形成するセパレータ623,624とを備えた
上で、水流路624pが水素ガス流路623pに対して
上側となるように配置されている。In place of the above-described embodiment, the simplest structure for preventing the formation of a gas layer between the porous membrane and the water flow passage will be described below. The configuration is shown in FIG. As shown in FIG. 11, the hydrogen gas humidifier 600 includes a porous film 621 and hydrogen gas and water channels 623p, 6 while sandwiching the porous film 621 from both sides.
In addition to the separators 623 and 624 forming 24p, the water channel 624p is arranged so as to be on the upper side with respect to the hydrogen gas channel 623p.
【0066】図12には望ましくない例を示した。この
図12に示すように、水流路が水素ガス流路に対して下
側に来ると、水素ガス流路側から多孔質膜を通過して水
流路側に進入したガスが水流路と多孔質膜の間に滞留し
(図中、Gにガスが滞留)、この為、水が多孔質膜に触
れることが出来なくなり、結果として、内部加湿機能が
働かなくなる恐れがある。FIG. 12 shows an undesirable example. As shown in FIG. 12, when the water flow path is below the hydrogen gas flow path, the gas that has passed through the porous film from the hydrogen gas flow path side and entered the water flow path side is separated into the water flow path and the porous film. In the meantime, gas stays in the gap (in the figure, gas stays in G), so that water cannot contact the porous membrane, and as a result, the internal humidifying function may not work.
【0067】これに対して、この実施例では、水流路6
24pが水素ガス流路623pに対して上側となるよう
に配置されていることから、水素ガス流路623p側か
ら多孔質膜621を通過して水流路624p側に進入し
たガスは、水流路624pの上側(多孔質膜621と反
対の側)に溜まり、そのガスが水流路624pと多孔質
膜621の間に滞留することがない。このため、そのガ
スに起因する加湿機能の低下を防止することができ、延
いては、加湿がなされる燃料電池の発電能力の低下を防
止することができる。On the other hand, in this embodiment, the water flow path 6
Since 24p is arranged so as to be on the upper side with respect to the hydrogen gas flow channel 623p, the gas that has passed through the porous membrane 621 from the hydrogen gas flow channel 623p side and has entered the water flow channel 624p side is the water flow channel 624p. Does not accumulate in the upper side (the side opposite to the porous membrane 621) and the gas thereof does not stay between the water channel 624p and the porous membrane 621. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the humidifying function due to the gas, and it is possible to prevent the power generation capacity of the fuel cell to be humidified from decreasing.
【0068】以上本発明の実施例について説明したが、
本発明はこうした実施例に何等限定されるものではな
く、例えば、多孔質膜を、ボリオレフィン系のフィルム
に換えてセルロース系、ポリアミド系、ポリスルホン
系、ポリプロピレン系等のフィルムとした構成等、本発
明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々なる態様で
実施し得ることは勿論である。The embodiments of the present invention have been described above.
The present invention is in no way limited to these examples, for example, the porous membrane, instead of a polyolefin film, a cellulose-based, polyamide-based, polysulfone-based, polypropylene-based film, etc. Needless to say, the present invention can be implemented in various modes without departing from the scope of the invention.
【0069】[0069]
【発明の効果】以上説明したように請求項1記載の燃料
電池の加湿装置では、多孔質膜の内部または水の流路側
の表面の少なくとも一方に設けた触媒により、多孔質膜
を透過して水の流路側に現われた水素ガスを水に変化さ
せることができる。このため、その水素ガスに起因する
加湿機能の低下を防止することができ、延いては、加湿
がなされる燃料電池の発電能力の低下を防止することが
できる。As described above, in the humidifier for a fuel cell according to the first aspect of the invention, the catalyst provided on at least one of the inside of the porous membrane and the surface on the water flow path side allows the permeation of the porous membrane. The hydrogen gas that appears on the water flow path side can be changed to water. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the humidification function due to the hydrogen gas, and it is possible to prevent the deterioration of the power generation capacity of the humidified fuel cell.
【0070】請求項2記載の燃料電池の加湿装置では、
水の流路中に配置された触媒により、多孔質膜を透過し
て水の流路側に進入した水素ガスを水に変化させること
ができる。このため、水の流路側に進入した水素ガスを
除去することができる。従って、その水素ガスに起因す
る加湿機能の低下を防止することができ、延いては、加
湿がなされる燃料電池の発電能力の低下を防止すること
ができる。In the fuel cell humidifier of the second aspect,
The hydrogen gas that permeates the porous membrane and enters the flow path of water can be changed to water by the catalyst arranged in the flow path of water. Therefore, the hydrogen gas that has entered the flow path of water can be removed. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the humidification function due to the hydrogen gas, and it is possible to prevent the deterioration of the power generation capacity of the fuel cell to be humidified.
【0071】請求項3記載の燃料電池の加湿装置では、
多孔質膜を透過して水の貯留路中に進入したガス量が多
くなると、外部に排気することができる。このため、そ
のガスに起因する加湿機能の低下を防止することがで
き、延いては、加湿がなされる燃料電池の発電能力の低
下を防止することができる。In the humidifying device for a fuel cell according to claim 3,
When the amount of gas that has passed through the porous membrane and entered the water storage passage increases, it can be exhausted to the outside. Therefore, it is possible to prevent the deterioration of the humidifying function due to the gas, and it is possible to prevent the power generation capacity of the fuel cell to be humidified from decreasing.
【図1】本発明の燃料電池の加湿装置を備えた第1実施
例としての固体高分子型燃料電池の発電システム1の概
略構成図である。FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power generation system 1 for a polymer electrolyte fuel cell as a first embodiment including a fuel cell humidifier of the present invention.
【図2】燃料電池本体の電池セルの構造図である。FIG. 2 is a structural diagram of a battery cell of a fuel cell body.
【図3】水素ガス加湿器20の構造図である。FIG. 3 is a structural diagram of a hydrogen gas humidifier 20.
【図4】触媒反応層22周辺の模式図である。FIG. 4 is a schematic view of the vicinity of a catalytic reaction layer 22.
【図5】第2実施例の水素ガス加湿器に用いられる多孔
質膜121の模式図である。FIG. 5 is a schematic diagram of a porous membrane 121 used in the hydrogen gas humidifier of the second embodiment.
【図6】第3実施例としての燃料電池発電システム20
1の概略構成図である。FIG. 6 is a fuel cell power generation system 20 as a third embodiment.
It is a schematic block diagram of 1.
【図7】第3実施例で用いられるホルダ300の斜視図
である。FIG. 7 is a perspective view of a holder 300 used in the third embodiment.
【図8】ホルダ300の分解斜視図である。FIG. 8 is an exploded perspective view of a holder 300.
【図9】第4実施例としての水素ガス加湿システムの概
略構成図である。FIG. 9 is a schematic configuration diagram of a hydrogen gas humidification system as a fourth embodiment.
【図10】電子制御ユニット490により実行される制
御バルブ開閉処理を示すフローチャートである。FIG. 10 is a flowchart showing a control valve opening / closing process executed by an electronic control unit 490.
【図11】他の実施例の水素ガス加湿器600の構造図
である。FIG. 11 is a structural diagram of a hydrogen gas humidifier 600 according to another embodiment.
【図12】望ましくない比較例の構造図である。FIG. 12 is a structural diagram of an undesired comparative example.
1…燃料電池発電システム 10…燃料電池本体 10a…冷却部 10b…アノード側流路入口 10c…カソード側流路入口 11…電解質膜 12…カソード 13…アノード 14…セパレータ 14p…酸素ガス流路 15…セパレータ 15p…水素ガス流路 16,17…集電板 20…水素ガス加湿器 21…多孔質膜 22…触媒反応層 22a…白金 22b…カーボン粒子 23…セパレータ 23p…水素ガス流路 24…セパレータ 24p…水流路 25,26…Oリング 27,28…シール部材 30…酸素含有ガス加湿器 40…共用水タンク 50…管路 50P…加圧ポンプ 60…管路 60P…加圧ポンプ 70…管路 70P…加圧ポンプ 80,90…管路 121…多孔質膜 122a…白金 122b…シリカ粒子 201…燃料電池発電システム 220…水素ガス加湿器 230…酸素含有ガス加湿器 300…ホルダ 301,302…サポートスクリーン 303…膜体 304,305…パッキング 306…内側ボディ 307…外側ボディ 308…ロックナット用ガスケット 309…ロックナット 401…水素ガス加湿システム 410…加湿器本体 410…水素ガス加湿器 421…多孔質膜 423,424…部材 423p…水素ガス流路 424p…水流路 430…管路 440…加圧ポンプ 450…水タンク 460…制御バルブ 470…管路 480…水位センサ 490…電子制御ユニット 600…水素ガス加湿器 621…多孔質膜 623,624…セパレータ 623p…水素ガス流路 624p…水流路 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Fuel cell power generation system 10 ... Fuel cell main body 10a ... Cooling part 10b ... Anode side channel inlet 10c ... Cathode side channel inlet 11 ... Electrolyte membrane 12 ... Cathode 13 ... Anode 14 ... Separator 14p ... Oxygen gas channel 15 ... Separator 15p ... Hydrogen gas flow path 16, 17 ... Current collector 20 ... Hydrogen gas humidifier 21 ... Porous membrane 22 ... Catalytic reaction layer 22a ... Platinum 22b ... Carbon particles 23 ... Separator 23p ... Hydrogen gas flow path 24 ... Separator 24p ... Water flow path 25, 26 ... O-ring 27, 28 ... Seal member 30 ... Oxygen-containing gas humidifier 40 ... Shared water tank 50 ... Pipe line 50P ... Pressurizing pump 60 ... Pipe line 60P ... Pressurizing pump 70 ... Pipe line 70P ... Pressure pumps 80, 90 ... Pipeline 121 ... Porous membrane 122a ... Platinum 122b ... Silica particles 201 ... Fuel cell power generation Stem 220 ... Hydrogen gas humidifier 230 ... Oxygen-containing gas humidifier 300 ... Holder 301, 302 ... Support screen 303 ... Membrane 304, 305 ... Packing 306 ... Inner body 307 ... Outer body 308 ... Lock nut gasket 309 ... Lock nut 401 ... Hydrogen gas humidifying system 410 ... Humidifier main body 410 ... Hydrogen gas humidifier 421 ... Porous membrane 423, 424 ... Member 423p ... Hydrogen gas flow path 424p ... Water flow path 430 ... Pipe line 440 ... Pressurizing pump 450 ... Water tank 460 ... Control valve 470 ... Pipe line 480 ... Water level sensor 490 ... Electronic control unit 600 ... Hydrogen gas humidifier 621 ... Porous membrane 623, 624 ... Separator 623p ... Hydrogen gas flow path 624p ... Water flow path
Claims (3)
湿する加湿装置であって、 水の流路と前記燃料ガスの流路とに接し、該水と該燃料
ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備え
るとともに、 前記多孔質膜の内部または前記水の流路側の表面の少な
くとも一方に触媒を設けた燃料電池の加湿装置。1. A humidifying device for humidifying a fuel gas supplied to an electrode of a fuel cell, wherein the humidifier is in contact with a water flow path and the fuel gas flow path, and responds to a pressure difference between the water and the fuel gas. And a water-permeable porous membrane, and a fuel cell humidifier provided with a catalyst on at least one of the inside of the porous membrane and the surface of the water on the flow channel side.
湿する加湿装置であって、 水の流路と前記燃料ガスの流路とに接し、該水と該燃料
ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質膜を備え
るとともに、 通水性を有し、かつ、触媒を担持する支持体を、前記水
の流路中に設けた燃料電池の加湿装置。2. A humidifying device for humidifying a fuel gas supplied to an electrode of a fuel cell, wherein the humidifier is in contact with a water flow path and the fuel gas flow path, and responds to a pressure difference between the water and the fuel gas. A humidifier for a fuel cell, which comprises a porous membrane that allows water to permeate therethrough and which has a support having water permeability and carrying a catalyst provided in the water flow path.
湿する加湿装置であって、 水を貯える貯留路と前記材料ガスの流路とに接し、該水
と該材料ガスとの圧力差に応じて該水を透過する多孔質
膜と、 前記水の貯留路中に滞留するガスの量を検出するガス量
検出手段と、 前記滞留したガスを前記貯留路から排気するガス抜き通
路と、 該ガス抜き通路を開閉する開閉弁と、 前記ガス量検出手段で検出されたガス量に応じて前記開
閉弁を開閉制御する制御手段とを備えた燃料電池の加湿
装置。3. A humidifying device for humidifying a material gas supplied to an electrode of a fuel cell, the humidifier being in contact with a storage passage for storing water and a flow path of the material gas, and for reducing a pressure difference between the water and the material gas. A porous membrane permeable to the water, a gas amount detection means for detecting the amount of gas retained in the water storage passage, a gas vent passage for exhausting the retained gas from the storage passage, A humidifier for a fuel cell, comprising: an on-off valve that opens and closes a gas vent passage; and a control unit that controls the opening and closing of the on-off valve according to the amount of gas detected by the gas amount detection unit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP6302831A JPH08138705A (en) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Fuel cell humidifier |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP6302831A JPH08138705A (en) | 1994-11-10 | 1994-11-10 | Fuel cell humidifier |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH08138705A true JPH08138705A (en) | 1996-05-31 |
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ID=17913624
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP (1) | JPH08138705A (en) |
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1994
- 1994-11-10 JP JP6302831A patent/JPH08138705A/en active Pending
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