JP4153608B2

JP4153608B2 - Polymer electrolyte fuel cell system

Info

Publication number: JP4153608B2
Application number: JP33624298A
Authority: JP
Inventors: 和夫齊藤; 宗一郎霜鳥; 美知郎堀
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: JP2000164229A

Description

【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システムに係り、特に、固体高分子型燃料電池の既反応ガス中に含まれる熱および水蒸気を未反応ガスに移動させる、温度および湿度交換構造に改良を施した固体高分子型燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、水素等の燃料と空気等の酸化剤を電気化学的に反応させることにより、燃料の持つ化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。この燃料電池は、用いられる電解質の種類により、アルカリ型、固体高分子型、リン酸型等の低温作動燃料電池と、溶融炭酸塩型、固体酸化物型等の高温作動燃料電池とに大別される。なかでも、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた固体高分子型燃料電池は、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、宇宙用や車両用などの電源として注目されている。
【０００３】
図１３は、固体高分子型燃料電池の構成を示したものである。すなわち、固体高分子型燃料電池は、アノード電極１ａ、カソード電極１ｂからなる一対のガス拡散電極に、それぞれＰｔ等からなる触媒層２ａ、２ｂを介して、イオン伝導性とガス分離機能を有する固体高分子電解質膜３を挟持させた単電池４と、それぞれの電極に反応ガスを供給するための溝を有するガス不透過性のセパレータ５で構成される。そして、アノード電極１ａに水素等の燃料ガス、カソード電極１ｂに空気等の酸化剤ガスを供給すると、電気化学反応により単電池４で起電力が生じる。この単電池４の起電力は高々１Ｖ程度と低いため、通常複数の単電池を積層した電池スタックとして使用される。
【０００４】
この電気化学反応は発熱反応であるため、余剰な熱を除去する必要がある。そのため、単電池４をセパレータ５を介して複数積層した単電池積層体６ごとに、内部に冷媒を流通させた冷却板７が挿入されている。また、系外へのガスリークは、ガス利用率の低下や水素等の可燃ガスによる爆発の危険性が生じるため、固体高分子電解質膜３とセパレータ５との間は、シール剤８によってガスシールされている。さらに、カソード電極１ｂでは、電極反応に伴い水が生成されるが、電極反応部に水が凝縮するとガス拡散性が悪化するため、この水は未反応ガスと共に電池外に排出されるように構成されている。
【０００５】
また、固体高分子電解質膜３としては、例えば、フッ素系イオン交換膜であるパーフルオロスルホン酸膜が知られているが、これらの固体高分子電解質膜は、分子中に水素イオンの交換基を持ち、飽和含水することによりイオン伝導性物質として機能する。
【０００６】
しかし、逆に固体高分子電解質膜が乾燥すると、イオン導電性が悪化し電池性能が著しく低下するため、固体高分子電解質膜の乾燥を防ぐような様々な手法が知られている。例えば、固体高分子電解質膜のような水蒸気透過膜の両面に水と反応ガスを流通させる構造の加湿器を用いて、予め反応ガスを加湿して供給する手法がある。この場合、通常加湿器は電池スタックと一体化されている。また、アノード電極、カソード電極に供給する反応ガスを互いに対向するように流通させ、運転温度を６０℃以下にして反応ガスの相対湿度を高めれば、反応ガスを加湿することなく発電可能であることも知られている。
【０００７】
一方、特開平６−１３２０３８号に示された発明のように、水蒸気透過膜によって隔てられたガス室に、それぞれ既反応ガスと未反応ガスを導くことにより、未反応ガスを加湿する方法が提案されている。この場合、電極反応に伴いカソード側で水蒸気が生成されるため、既反応ガスには飽和もしくはそれに近い水蒸気が含まれることなる。一方、未反応ガスに含まれる水蒸気量は少ないため、それぞれのガスには水蒸気分圧差が生じ、これを駆動力として、水蒸気を濃度拡散させることができる。
【０００８】
また、電池スタックの構成に関しては、特開平１０−１７２５８７号に示されているように、例えば、車載用などに応用する場合には、居住空間の床下にスタックを設置する場合があり、上下の狭い空間に設置する必要性から、電池スタックを偏平とすることが知られている。この場合、主要構成要素であるセパレータは長方形形状となり、流速を確保するために反応ガスを長辺に沿って流す構成となっている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したような加湿器や湿度交換によって反応ガスを加湿する方法には、以下に述べるような様々な問題点がある。すなわち、水蒸気透過膜の両面に水と反応ガスを流通させる構造の加湿器では、外気温が０℃以下に低下すると水流路で凍結が生じ、流路の閉塞を招いたり、氷の体積膨張により水蒸気透過膜膜が破れたり、セパレータが変形するといった恐れがある。
【００１０】
一方、加湿器を用いずに無加湿運転を行う場合は、固体高分子電解質膜や電池特性の長期安定性に問題があるばかりでなく、通常の運転温度である７０〜９０℃よりも低い６０℃以下で運転するため、改質ガスなどのように燃料中にＣＯを含むような燃料では、アノード触媒のＣＯ被毒によりアノード分極が増大し、電池特性が著しく低下するといった問題がある。
【００１１】
さらに、水蒸気透過膜によって隔てられたガス室に、それぞれ既反応ガスと未反応ガスを導くことにより加湿を行う方法では、両ガスの水蒸気分圧差だけで加湿を行うため、既反応ガス側での水蒸気濃度勾配による拡散抵抗、水蒸気透過膜内の拡散抵抗、さらに未反応ガス側での拡散抵抗など、水蒸気の拡散抵抗が非常に大きくなるため、十分な加湿をする場合には大きな加湿器が必要となり、コストがかかると同時にスペース的な制約にも問題がある。
【００１２】
また、長方形の断面を有する電池スタックに加湿器を一体化した構造を採用した場合には、加湿器の長辺側に沿って反応ガスを流すと、１セル当たりに加湿器を流れる流量が電池部に比較して一般的に多いため、圧損が極めて大きくなるといった欠点がある。圧損が大きくなると、ガスを供給するための圧力を上げる必要があり、そのための動力が増えることに繋がり、システムの効率低下を招くことになる。さらに、反応ガスが空気の場合には、大きなファンまたはコンプレッサが必要となるため、その設置スペースやコストが大きな問題となる。
【００１３】
本発明は、上述したような従来技術の問題点を解消するために提案されたものであり、その目的は、固体高分子電解質膜の乾燥を防ぎ、高性能で、コンパクトな固体高分子型燃料電池システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の固体高分子型燃料電池システムは、固体高分子膜を電解質とする固体高分子型燃料電池スタックと、電池反応部を通過した既反応ガスと電池反応部を通過する前の未反応ガスを、１μｍ以下の気孔径を有し水蒸気以外の気体の透過性が小さい薄膜と不織布の補強膜とを張り付けて成る保水性の多孔質体を介して接触させることにより、温度及び湿度交換を行う温湿度交換手段を備え、前記反応ガスの少なくとも一方は、前記多孔質体と接するように設けられた少なくとも一層のメッシュ状のガス供給経路内を流通するように構成したことを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記メッシュ状のガス供給経路が、金属製のメッシュより構成されていることを特徴とするものである。請求項３に記載の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記メッシュ状のガス供給経路が、高分子材料からなるメッシュより構成されていることを特徴とするものである。請求項４に記載の発明は、請求項１記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記メッシュ状のガス供給経路が、表面に撥水処理を施したメッシュより構成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
上記のような構成を有する請求項１乃至請求項４の発明によれば、低温の未反応ガスと高温の既反応ガスが、メッシュ状の流路を通って保水性の多孔質体を介して接触することにより、多孔質体で既反応ガスに含まれる水分の凝縮が生じ、多孔質体が凝縮水で濡れる。また、同時に熱交換も行われるため、未反応ガスの温度が上昇するとともに、多孔質体からの水分の蒸発が生じ、未反応ガスが加湿される。つまり、液状の水を用いることなく加湿が可能となる。さらに、ガス供給経路がメッシュ状の流路であることから、エンドプレートに接する場所を除き、多孔質体の両面から温度および湿度交換が行われるため、効率的に温湿度交換を行うことが可能となる。また、メッシュとしてステンレスや高分子のメッシュを用いることにより、構成が簡単で、かつ安価な流路が提供できる。しかも、メッシュに溜まった液状の水を速やかに排出させるために、メッシュに撥水処理を施すことにより、より圧損の低いメッシュ流路を形成することができる。したがって、凍結にも強く、かつコンパクトで安価な固体高分子型燃料電池システムを提供することが可能となる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、温湿度交換手段は、既反応ガスと未反応ガスが多孔質体を介して互いに対向流となるガス供給経路を有していることを特徴とするものである。上記のような構成を有する請求項５に記載の発明によれば、限られた面積で温度交換効率と湿度交換効率を大きくすることができるので、コンパクトな温湿度交換部を提供することができる。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、温湿度交換手段が、電池反応部と一体化して構成されていることを特徴とするものである。上記のような構成を有する請求項６に記載の発明によれば、温湿度交換手段を電池反応部と一体化して構成することにより、無駄な配管接続をする必要がなくなり、スペース効率を向上させることができるとともに、配管からの放熱をなくすことができるので、より効率の高いシステムを提供することができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記薄膜が、イオン交換膜であることを特徴とする。イオン交換膜はガスの選択性にすぐれており、既反応ガスに含まれる水分のみを透過させ、その他のガス、つまり水素、酸素、窒素等のガスは透過させない特徴を有するため、圧力が高い未反応ガスから低い既反応ガスへのガスの漏れを最小限に抑えることが可能となる。したがって効率の高いシステムの提供が可能となる。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、請求項１乃至請求項７のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記不織布の補強膜が親水性の処理を施されたものであることを特徴とするものである。請求項８に記載の発明では、既反応ガス中の水蒸気の凝縮水を安定に供給するために、親水性の処理を施された不織布の補強膜を用いている。これによって、未反応ガスを加湿するための水分を毛細管現象により膜面に一様に常時保持できるとともに、薄膜の強度を増し、耐久性を大幅に向上することができるので、効率のよい加湿が行え、信頼性の高いシステムを提供できる。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記保水性の多孔質体は、少なくともイオン交換膜と不織布の補強膜を含む複数の高分子膜の層より形成され、前記不織布の補強膜が既反応ガスと接触するように構成されていることを特徴とするものである。上記のような構成を有する請求項９に記載の発明によれば、凝縮水を積極的に保水することができるので、毛細管現象により、より均一な濡れを確保することができる。
【００２２】
請求項１０に記載の発明は、請求項１乃至請求項９のいずれか一に記載の固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記既反応ガスと未反応ガスは、酸化剤ガスであることを特徴とするものである。一般に酸化剤として空気を用いる場合には、酸素濃度が低く、かつ酸素の利用率が低いために、燃料ガスに対して空気流量が数倍多くなる。したがって、必要な加湿水分量は酸化剤ガスが大半であるため、酸化剤のみを対象とした温湿度交換部とすることにより、構造を単純化できるとともに、コンパクト化も可能となる。また、燃料ガスとして炭化水素系燃料の改質ガスを用いる場合には、本質的に水分が含まれており、わざわざ加湿する必要がないことも酸化剤ガスのみを対象とする理由である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態（以下、実施形態という）について、図面を参照して具体的に説明する。
【００２４】
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１は、本発明の固体高分子型燃料電池システムの第１実施形態の構成を示す分解斜視図である。なお、本実施形態では、酸化剤ガスである空気の温湿度交換を行う例について示している。すなわち、図１に示すように、本実施形態の固体高分子型燃料電池システムは、電池部９と温湿度交換部１０とが一体化されて構成されている。電池部９の温湿度交換部１０との接合面には、酸化剤ガスである未反応の空気を電池部に導入するための電池部未反応酸化剤ガス入口１７と、既反応の酸化剤ガスを電池部から排出するための電池部既反応酸化剤ガス出口１８が設けられている。また、燃料ガスを電池部に導入するための電池部燃料ガス入口１９、燃料ガスを電池部から排出するための電池部燃料ガス出口２０、冷却媒体を電池部に導入するための電池部冷却媒体入口２１及び冷却媒体を電池部から排出するための電池部冷却媒体出口２２が設けられている。
【００２５】
一方、温湿度交換部１０には、その前面に、酸化剤ガスである未反応の空気を温湿度交換部１０に導入するための未反応酸化剤ガス入口１２と、既反応の酸化剤ガスを温湿度交換部１０から排出するための既反応酸化剤ガス出口１１が設けられている。また、燃料ガスを温湿度交換部１０に導入するための燃料ガス入口１３、燃料ガスを温湿度交換部１０から排出するための燃料ガス出口１４、冷却媒体を温湿度交換部１０に導入するための冷却媒体入口１５及び冷却媒体を温湿度交換部１０から排出するための冷却媒体出口１６が設けられている。
【００２６】
また、温湿度交換部１０の前面のエンドプレート２３ａには、前記未反応酸化剤ガス入口１２に連通する未反応ガス入口マニホールド２４と、前記既反応酸化剤ガス出口１１に連通する既反応ガス出口マニホールド２６が設けられている。一方、後面のエンドプレート２３ｂには、前記電池部未反応酸化剤ガス入口１７に連通する未反応ガス出口マニホールド２５と、前記電池部既反応酸化剤ガス出口１８に連通する既反応ガス入口マニホールド２７が設けられている。なお、本実施形態の温湿度交換部１０は、酸化剤ガスである空気のみを対象としているので、燃料ガス、冷却媒体等はいずれも温湿度交換部１０に設けられた後述するマニホールド孔を通過して、電池部９へと供給されるように構成されている。
【００２７】
図２は、温湿度交換部の縦断面図を示すものである。すなわち、温湿度交換部は、前面のエンドプレート２３ａと後面のエンドプレート２３ｂとの間に、未反応ガスメッシュプレート３２ａ、既反応ガスメッシュプレート３２ｂ及び保水性の多孔質体３０を交互に積層してなる温湿度交換セルを備えている。また、前面のエンドプレート２３ａの上部には、上述した未反応ガス入口マニホールド２４が配設され、下部には、上述した既反応ガス出口マニホールド２６が配設されている。一方、後面のエンドプレート２３ｂの上部には、上述した既反応ガス入口マニホールド２７が配設され、下部には、上述した未反応ガス出口マニホールド２５が配設されている。
【００２８】
続いて、前記多孔質体３０とメッシュプレート３２について説明する。本発明において、多孔質体に必要な機能は、多孔質体を介して熱交換が効率よく行われること、既反応ガスに含まれる水蒸気の凝縮水を多孔質体に保持できることと、凝縮した水が浸透圧によって多孔質体を通り、未反応ガス側で表面における水蒸気分圧の差によって蒸発できるとともに、水蒸気以外の気体の透過性が小さいことである。
【００２９】
本実施形態では、これらの要件を満たすべく、多孔質体３０として、親水性の処理を施した不織布の表面に１μｍ以下の気孔径の小さい薄膜を張り付けた多孔質体を用いている。また、この薄膜としては、ガスの選択透過性に優れたイオン交換膜を用いている。そして、未反応空気と既反応空気が多孔質体３０を介して接触すると、未反応ガスの温度が既反応ガスの温度よりも低いために、既反応ガスに含まれる水蒸気が多孔質体内で凝縮し、多孔質体全体が濡れ、未反応ガス側で分圧差による蒸発が起こり、未反応ガスが加湿されるようになっている。
【００３０】
また、メッシュプレート３２は、図３及び図４に示したように、中央部に酸化剤ガスである空気を流通させるためのメッシュ３１が組み込まれており、その周囲にはガスシール４３が設けられ、空気の周囲への漏れを防止している。ここで用いているメッシュはステンレスのメッシュであるが、これに限られることはなく、耐食処理を施したアルミニウムであってもよく、また高分子系の材料を用いたメッシュでも構わない。但し、メッシュの織り方としては、平織り等、ガスが面方向に流通できるメッシュでなければならない。また、メッシュの構成としては、平織り、綾織り等、細線を織ったものや、平板上の薄板から細かい切り起こしを設けたグレーティングメッシュ等、ガスが面方向に流通できるメッシュでなければならない。
【００３１】
さらに、このメッシュに撥水加工をすることにより、凝縮によって生じた凝縮水をメッシュ流路から効果的に排出することにより、メッシュの流路圧損を減少させることができる。また、複数のメッシュ層を形成することにより、流路圧損を低下させたり、より強度を上げることも可能である。さらに、撥水加工と親水加工を行った複数のメッシュ層とすることにより、より効果的な排水機能と保水機能を持たせることができることはいうまでもない。
【００３２】
なお、図３は、温湿度交換セル内の未反応ガスメッシュプレート３２ａを示した平面図であり、図４は、既反応ガスメッシュプレート３２ｂを示した平面図である。すなわち、図３に示したように、未反応ガスメッシュプレート３２ａにおいては、中央部に設けられたメッシュ３１は、その上部に設けられた未反応ガス入口マニホールド孔４０と、下部に設けられた未反応ガス出口マニホールド孔４１と連通されている。一方、図４に示したように、既反応ガスメッシュプレート３２ｂにおいては、中央部に設けられたメッシュ３１は、その上部に設けられた既反応ガス入口マニホールド孔４２と、下部に設けられた既反応ガス出口マニホールド孔３９と連通されている。
【００３３】
また、図３及び図４に示したように、ガスシール４３には各ガスのマニホールド孔が設けられている。すなわち、メッシュ３１の左側部には、燃料ガス入口マニホールド孔３５及び冷却媒体入口マニホールド孔３７が設けられ、右側部には、燃料ガス出口マニホールド孔３６及び冷却媒体出口マニホールド孔３８が設けられている。
【００３４】
［１−２．作用］
上記のような構成を有する本実施形態の固体高分子型燃料電池システムは、以下のように作用する。すなわち、酸化剤ガスである未反応の空気は、温湿度交換部１０の前面のエンドプレート２３ａに設けられた空気入口部１２を通って温湿度交換部１０へと導かれ、前面のエンドプレート２３ａの内部に設けられた未反応ガス入口マニホールド２４を通って、各温湿度交換セルに分配され、未反応ガス出口マニホールド２５を通って電池部９へ導入される。同時に、電池部から排出された高温、高湿の既反応空気は、後面のエンドプレート２３ｂ内に設けられた既反応ガス入口マニホールド２７を通って、温湿度交換セルに分配され、既反応ガス出口マニホールド２６を通って外部に排出される。
【００３５】
温湿度交換セルは、図２に示したように、未反応ガスメッシュプレート３２ａ、既反応ガスメッシュプレート３２ｂ及び保水性の多孔質体３０を交互に積層した構造となっており、未反応空気と既反応空気が多孔質体３０を介して接触することにより、温湿度交換が行われる。すなわち、未反応ガスの温度は既反応ガスの温度よりも低いために、両者が接触すると、既反応ガスに含まれる水蒸気が多孔質体内で凝縮し、多孔質体全体が濡れ、未反応ガス側で分圧差による蒸発が起こり未反応ガスが加湿される。
【００３６】
この場合、温湿度交換セル内の未反応ガスメッシュプレート３２ａにおいては、図２及び図３に示したように、前面のエンドプレート２３ａ内の未反応ガス入口マニホールド２４を通って温湿度交換部へ導かれた未反応ガスは、未反応ガス入口マニホールド孔４０に導かれ、メッシュ３１の流路を通って、既反応ガスと温度、湿度交換を行った後、高温、高湿の空気となって未反応ガス出口マニホールド孔４１へ導出される。未反応ガス出口マニホールド孔４１を出た空気は、後面のエンドプレート２３ｂの内部に設けられた未反応ガス出口マニホールド２５を通って、電池部の未反応酸化剤ガス入口１７へと導かれる。
【００３７】
一方、温湿度交換セル内の既反応ガスメッシュプレート３２ｂにおいては、図２及び図４に示したように、後面のエンドプレート２３ｂ内の既反応ガス入口マニホールド２７を通って温湿度交換部へ導かれた高温、高湿の既反応ガスは、既反応ガス入口マニホールド孔４２に導かれ、メッシュ３１の流路を通って、未反応ガスと温度、湿度交換を行った後、既反応ガス出口マニホールド孔３９を通って、前面のエンドプレート２３ａの内部に設けられた既反応ガス出口マニホールド２６を通り、外部へと排出される。
【００３８】
なお、本実施形態の温湿度交換部は、酸化剤ガスである空気のみを対象としているので、燃料ガス、冷却媒体等はいずれも温湿度交換部に設けられたマニホールド孔を通過し、電池部へと供給される。
【００３９】
［１−３．効果］
このように、本実施形態によれば、温湿度交換部において、未反応ガスと既反応ガスを温度及び湿度交換させることにより、未反応ガスを電池反応に適した高温、高湿の状態とすることができるので、未反応ガスを加湿するために液体状の水を用いる必要がなく、低温時における凍結の問題がない。
【００４０】
さらに、温湿度交換部の内部の反応ガス流路を、１層又は複数層のメッシュ状の流路で構成することにより、メッシュの両面で温度、湿度交換が行われるために、交換面積を最大限にすることができるので、よりコンパクトなシステムとすることができる。また、既反応ガス中に含まれる水蒸気の凝縮量が増加し、既反応ガスと接する多孔質体への水の供給がより安定するために、より信頼性の高いシステムを提供することができる。
【００４１】
また、ステンレスのメッシュまたはアルミニウム等の金属のメッシュを用いることにより、このメッシュが伝熱フィンとして働くために、より効率のよい熱交換が行われることから、さらにコンパクトな温湿度交換部とすることができる。また、多少熱的なロスはあるが、メッシュに高分子材料を用いることにより、非常に軽量で安価な温湿度交換部を構成することができる。
【００４２】
また、凝縮水が多孔質体の保水能力以上に出てメッシュの中に溜まると、流路断面積が少なくなり流路の圧損が増加するが、メッシュを構成する部材に撥水加工を施すことにより、凝縮水を速やかに排出し、流路の圧損を低くすることができる。その結果、反応ガスを供給する圧力を小さくし、そのための動力を低減できるので、より高効率なシステムの提供が可能となる。さらにメッシュ層を複数層とし、目の細かいものと粗いものを組み合わせたり、撥水処理と親水処理を組み合わせたりすることにより、より効果的な水の排出や、保水性の向上を可能とすることができる。
【００４３】
さらに、温湿度交換部と電池部とを一体化することにより、熱ロスがなくなり、高効率となるばかりでなく、接続配管が不要となることから、スペース効率を最大限にすることができ、コンパクトなシステムを提供できる。
【００４４】
また、反応ガスとしては、酸化剤である空気側が量的にも支配的であり、また改質ガスを用いる場合、燃料ガス側はある程度加湿されていることから、温湿度交換部の対象を酸化剤ガスである空気のみとすることにより、システムを単純化できるので、コンパクトで安価なシステムが提供できる。
【００４５】
［１−４．他の実施形態］
なお、本実施形態においては、メッシュ流路は未反応ガス、既反応ガス両方のガス流路に設けられているが、通常、未反応ガスの圧力は既反応ガスの圧力よりも高いために、未反応ガス側から既反応ガス側へと多孔質体を押し付ける力が加わるために、未反応ガス側の流路が確保されるので、未反応ガス側のメッシュを省略してもよい。
【００４６】
また、本実施形態では温湿度交換部と電池部が一体化された構成であるが、これを分離した状態で使用しても構わない。しかし、分離した構成とした場合には、両者を配管によって接続する必要があるため、配管からの放熱ロス、スペース効率の低下は免れない。さらに、本実施形態ではメッシュを用いたが、メッシュと同等の効果のある多孔質体を、メッシュの替わりに利用できることは言うまでもない。
【００４７】
［２．第２実施形態］
第２実施形態は、上記第１実施形態の変形例であり、未反応ガスと既反応ガスが多孔質体を介して互いに対向するように流れる構成としたものである。
【００４８】
［２−１．構成］
図９は、第２実施形態における温湿度交換部の縦断面図である。なお、図２と同じ構成要素には同一の符号を付してある。本実施形態においては、未反応ガスと既反応ガスを多孔質体３０を介して互いに対向するように流れる構成とするために、後面のエンドプレート２３ｂの上部には、電池部から排出された既反応ガスが導かれる第１の既反応ガス入口マニホールド２７ａが設けられ、この第１の既反応ガス入口マニホールド２７ａに導入された既反応ガスは、エンドプレート２３ｂ内を通って、下部に設けられた第２の既反応ガス入口マニホールド２７ｂに導かれ、各温湿度交換セルへと分配されるように構成されている。そして、温度、湿度交換された既反応ガスは、前面のエンドプレート２３ａの上部に設けられた第１の既反応ガス出口マニホールド２６ａに導かれ、この第１の既反応ガス出口マニホールド２６ａに導入された既反応ガスは、エンドプレート２３ａ内を通って、下部に設けられた第２の既反応ガス出口マニホールド２６ｂに送られ、外部へと排出されるように構成されている。一方、未反応ガス側の構成は図２と同様であるため、未反応ガスは図中上から下へ流れ、既反応ガスは下から上へと流れるので、両者は多孔質体３０を介して互いに対向する方向に流れるようになっている。
【００４９】
［２−２．作用・効果］
上記のような構成を有する本実施形態においては、未反応ガスと既反応ガスが多孔質体を介して互いに対向して流れるために、対向型の熱交換器と同様の形態となる。一般に、伝熱面積が等しい場合には、対向型の熱交換器は並流型の熱交換器に比べて高い効率が期待できる。また、湿度交換の場合も、物質伝達のアナロジが熱伝達と同様であることが知られており、対向型の方が物質交換効率が良い。したがって、より高効率な温湿度交換部となるため、コンパクトで、高効率なシステムを提供することができる。
【００５０】
［３．第３実施形態］
［３−１．構成］
図１０は、本実施形態における保水性の多孔質体の縦断面図である。これまで説明してきたように、本発明は保水性の多孔質体を介して温度と湿度の交換を行うことが基本的な構成となっている。そのため、多孔質体に必要な機能は、多孔質体を介して熱交換が効率よく行われること、既反応ガスに含まれる水蒸気が凝縮した水を多孔質体に保持できること、凝縮した水が浸透圧によって多孔質体を通り、未反応ガス側で表面における水蒸気分圧の差によって蒸発できるとともに、水蒸気以外の気体の透過性が小さいことである。
【００５１】
これらの機能を実現するために、本実施形態で用いられる多孔質体は、２層構造をとっている。つまり、図１０に示したように、イオン交換膜４５に補強膜４６が貼り付けられている。ここで用いているイオン交換膜４５は、厚みが数十ミクロンで、水分は通すがその他のガスは通しにくい性質を持っており、ガスの選択透過性に優れている。そして、このイオン交換膜に水分を安定して供給するために、ポリプロピレンを材料とする繊維状の補強膜４６を貼り付け、強度を増すと同時に、凝縮水を毛細管作用によって膜面に均一に供給できるように構成されている。
【００５２】
さらに、補強膜４６の保水性を向上させるために、繊維状の補強膜に親水性処理を行うことも可能である。また、凝縮水は既反応ガス側で生成されることから、保水性の面を既反応ガスが通る流路に接するよう構成すると、さらなる性能向上が可能である。また、２層構造だけでなく、さらに複数の積層構造とすることにより、ガスの選択透過性をより高めたり、保水性を高めることも可能である。
【００５３】
［３−２．作用・効果］
上記のような構成を有する本実施形態においては、イオン交換膜に補強膜が貼り付けられているために、十分な膜の強度を得ることができる。また、ガスの選択透過性が優れることから、圧力の高い未反応ガスから既反応ガス側へのガスの透過が最小限に食い止められるので、空気を供給するための動力を最小限とすることができ、効率の良いシステムを提供することができる。
【００５４】
また、繊維状の補強膜を用いることにより、膜の強度を上げると同時に、毛細管作用によって凝縮水を膜面に均一に供給することができるので、効率の良い安定した湿度交換が可能となるため、信頼性の高いシステムの提供が可能となる。さらに、補強膜の保水性を向上させるために、繊維状の補強膜に親水性処理を行うことによって、保水性をさらに向上させることができる。また、保水性を向上させた繊維状の補強膜を、既反応ガスが通る流路に接するように配置することによって、さらなる性能向上が期待できる。
【００５５】
［４．参考例１］
参考例１は、上記第１実施形態の変形例であり、電池スタックの断面形状が偏平である場合を示したものである。
【００５６】
［４−１．構成］
固体高分子型燃料電池システムを車載用や家庭用機器に応用する場合には、コンパクト化が非常に重要な問題である。特に、上下の狭いスペースへ設置する場合には、偏平な電池スタックが必要となる。図５は、電池スタックが偏平断面をしている場合の、温湿度交換部の未反応ガスメッシュプレート３２ａを示したものである。図から明らかなように、未反応ガスメッシュプレート３２ａも、電池スタックの形状に対応して、上下が短く、左右に長い長方形となっている。
【００５７】
また、図５に示したように、未反応ガスメッシュプレート３２ａにおいては、中央部に設けられたメッシュ３１は、その上部に設けられた未反応ガス入口マニホールド孔４０と、下部に設けられた未反応ガス出口マニホールド孔４１と連通されており、未反応ガス入口マニホールド孔４０に導かれた未反応空気は、メッシュ部３１を通って、未反応ガス出口マニホールド孔４１へと導かれるように構成されている。
【００５８】
同様に、既反応ガスメッシュプレート３２ｂにおいても、図６に示したように、中央部に設けられたメッシュ３１は、その上部に設けられた既反応ガス入口マニホールド孔４２と、下部に設けられた既反応ガス出口マニホールド孔３９と連通され、既反応ガス入口マニホールド孔４２に導かれた既反応空気は、メッシュ部３１を通って、既反応ガス出口マニホールド孔３９へと導かれるように構成されている。なお、上記第１参考例で示した図３及び図４と共通な部分には同一符号を付し、説明は省略する。
【００５９】
本参考例のような長方形断面の電池部および温湿度交換部では、反応ガスの流路圧損を低くすることが極めて重要となる。この場合、電池部では、電池の性能を確保するために、反応ガスの流速をある程度確保する必要があるため、反応ガスを長辺に沿って流すことは従来例の説明でも述べた通りである。これに対して、温湿度交換部においては、その性能は必ずしも流速に大きく左右されないので、本参考例では、短辺に沿って反応ガスを流すように構成されている。
【００６０】
［４−２．作用］
上記のような構成を有する本参考例の固体高分子型燃料電池システムも、第１参考例と同様に作用する。すなわち、温湿度交換セル内の未反応ガスメッシュプレート３２ａに導かれた未反応ガスは、未反応ガス入口マニホールド孔４０に導かれ、メッシュ３１の流路を短辺方向に流れて、既反応ガスと温度、湿度交換を行った後、高温、高湿の空気となって未反応ガス出口マニホールド孔４１へ導出される。一方、温湿度交換セル内の既反応ガスメッシュプレート３２ｂに導かれた高温、高湿の既反応ガスは、既反応ガス入口マニホールド孔４２に導かれ、メッシュ３１の流路を短辺方向に流れて、未反応ガスと温度、湿度交換を行った後、既反応ガス出口マニホールド孔３９を通って、外部へと排出される。
【００６１】
一般に、加湿ユニットは電池スタックに比較して小さいため、温湿度交換セル１枚に流れるガス流量は、電池セルの数倍に相当する。したがって、電池部と同様に長辺に沿って流すと、未反応ガスと既反応ガスが直列関係にあることもあって、非常に大きな圧損が生じる。しかしながら、本参考例においては、温湿度交換部内部の反応ガスの流れを短辺方向に沿って流すことができるので、流路長さを短くでき、流路圧損を小さくすることができる。また、流路断面積は大きくできるので、反応ガスの流速を小さくすることができ、圧損をさらに小さくすることができる。
【００６２】
［４−３．効果］
このように、本参考例によれば、温湿度交換部における反応ガスの流れを、短辺方向に沿って流すことができるので、流路長さを短くでき、同時に流路断面積は大きくできるので、反応ガスの流速を小さくすることができ、流路圧損を小さくすることができる。その結果、空気を送り込むためのエネルギーを小さくすることができ、また、小さな空気供給ファンを用いることができるので、高効率でコンパクトな、安価なシステムの提供が可能となる。
【００６３】
［４−４．他の参考例］
図７及び図８は、本参考例の変形例を示したものであり、未反応ガスメッシュプレート及び既反応ガスメッシュプレートの構造をより単純化したものである。すなわち、図７に示したように、未反応ガスメッシュプレート３２ａのメッシュ３１の上部に設けられる未反応ガス入口マニホールド孔４０を、メッシュ３１の左上方にＬ字状に設け、また、下部に設けられる未反応ガス出口マニホールド孔４１を、メッシュ３１の右下方にＬ字状に設けている。同様に、図８に示したように、既反応ガスメッシュプレート３２ｂのメッシュ３１の上部に設けられる既反応ガス入口マニホールド孔４２を、メッシュ３１の右上方にＬ字状に設け、また、下部に設けられる既反応ガス出口マニホールド孔３９を、メッシュ３１の左下方にＬ字状に設けている。
【００６４】
その結果、図７及び図８に示した変形例では、それぞれのガスがメッシュプレートのほぼ対角線上に流れることになるため、その流路の長さは図５及び図６に示した参考例よりも長くなり、多少圧損が増加するが、構造はより単純となるというメリットがある。
【００６５】
［５．参考例２］
［５−１．構成］
図１１は、本参考例の固体高分子型燃料電池システムの構成を示すものであり、図１２は、熱交換器と湿度交換器の縦断面図を示すものである。なお、それぞれ、図１と同じ構成要素には同一符号を付し、説明は省略する。また、本参考例においても、酸化剤ガスである空気のみを対象としている。
【００６６】
すなわち、図１１に示したように、本参考例においては、電池部９に、未反応ガスと既反応ガスの熱交換器５０と湿度交換器５７が隣接して配置されている。また、熱交換器５０と湿度交換器５７は一体化された構造となっている。また、電池部で反応した既反応ガスである排出空気は、既反応ガス出口５１から既反応ガス通路５６を通って、熱交換器５０へと導か、一方、未反応ガスは、未反応ガス入口１２より熱交換器５０へと導かれるように構成されている。そして、熱交換器５０の内部では、図１２に示したように、不透過性の熱交換プレート５４を介して、未反応ガスと既反応ガスとの熱交換が行われるように構成されている。
【００６７】
通常、熱交換プレート５４には、ステンレスや耐食コーティングしたアルミニウムの薄板が用いられる。また、熱交換プレート５４には、それぞれのガスの流路を確保するために、その両面にプレスによって溝５８が設けられ、その周囲にはシール部材５５が設置され、ガスの漏れを防止している。
【００６８】
そして、熱交換され温度が上昇した未反応ガスは、次に、湿度交換器５７へと導かれ、同時に、多少温度が低下し、凝縮水を含んだ既反応ガスも湿度交換器５７へと導かれるように構成されている。この湿度交換器５７は、上記第３参考例と同様の形態（対向流型）をとり、未反応ガスと既反応ガスとの湿度交換が行われる。この湿度交換器５７を出た未反応ガスは電池部９へ供給され、既反応ガスは既反応ガス排出孔５２から外部へと排出される。
【００６９】
なお、本参考例においては、熱交換器５０と湿度交換器５７を直列に接続してあるが、これを湿度交換器の一部、既反応ガス側では上流側の膜面を不透過性にすることによって、同一の効果を持たせることも可能である。すなわち、同一面内で熱交換部と湿度交換部を設ける構造とすることにより、熱交換器と湿度交換器を共通の構造体とすることができ、より構成が単純化できる。
【００７０】
また、膜面を不透過性にする方法としては、保水性の多孔質体の一部に水分に対して不透過性のポリエチレンや高分子膜の薄いシートを貼り付ける方法や、ステンレスや耐食コーティングを施したアルミニウムの薄板を貼り付ける方法がある。貼り付ける位置は、既反応ガス流路の上流側となり、また、貼り付ける面は既反応ガス側がより効果が大きい。これは、既反応ガス側で一部凝縮した水が下流側の湿度交換部に移動する時に、多孔質体の中を毛細管現象で移動することができ、凝縮水が滞留することなくスムーズな湿度交換ができるからである。この場合、未反応ガスを既反応ガスと並行して流すことは言うまでもない。さらに、この変形例として、不透過部をより微細な多孔質体とし、水分を通りにくくする方法がある。この場合は、熱交換と同時に若干水分は透過して効果は小さくなるが、ほぼ同様な効果を得ることができる。
【００７１】
［５−２．作用・効果］
上記のような構成を有する本参考例は、以下に述べるように作用する。すなわち、既反応ガスは温度が約８０℃で、湿度がほぼ１００％のガスであるため、未反応ガスに比べて大きなエンタルピを保有している。つまり、未反応ガスと既反応ガスとの熱交換を行っても、未反応ガスの温度の上昇に比べて、既反応ガスの温度の低下は少ない。したがって、本参考例のように、まず始めに未反応ガスの温度を熱交換器５０で上昇させておいた後、湿度交換を行わせると、未反応ガスの水蒸気分圧が高くなる分だけ湿度交換効率が向上し、より多くの湿度交換が可能となる。この場合、既反応ガス側はそれほど大きな温度低下がないので、水蒸気分圧の低下を招くことなく、凝縮水を有効に未反応ガス側へと移動させることが可能となる。
【００７２】
このように、本参考例によれば、未反応ガスの温度を熱交換器でまず始めに上昇させておいた後、湿度交換を行わせることにより、湿度交換効率が向上し、より多くの湿度交換が可能となる。したがって、安定した確実な未反応ガスの加湿が可能となるばかりでなく、湿度交換効率が向上するため、よりコンパクトなシステムを提供することが可能となる。また、熱交換器と湿度交換器を一体化することにより、さらにコンパクトで高効率のシステムの提供が可能となる。その結果、加湿に液状の水を用いることなく、未反応ガスの加湿が効率よく行えるので、外気温が０℃以下と低い状態においても、凍結の問題がない、コンパクトで高効率なシステムの提供が可能となる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、保水性の多孔質体を介して、既反応ガスと未反応ガスを接触させることにより、既反応ガスの水分を効率よく未反応ガスへと移動させ加湿することができるので、加湿のために液体の水を供給する必要がなく、外気温が０℃以下となるような低温の環境下においても凍結の心配がなく、スムーズな起動が可能となる。
【００７４】
また、既反応ガスと未反応ガスを、多孔質体を挟んでメッシュ状の流路に流すことにより、流路の両面を温度ならびに湿度の交換面積として使用できるので、効率の良い温湿度交換が可能となる。これによってコンパクトで、かつ安定した高い性能の固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。
【００７５】
また、高さが低い偏平な固体高分子型燃料電池に対しても、温湿度交換部の流路を短辺に沿って流すことにより、低圧損化することができ、反応ガスを供給するための動力を小さくすることが可能となり、高効率のシステムを提供できる。また、反応ガス供給源を小さなファンまたはコンプレッサで対応可能となるので、小スペースで安価なシステムを提供できる。
【００７６】
さらに、保水性の多孔質体を、イオン交換膜とこれを補強する繊維状の補強膜を貼り合わせた構成とすることにより、保水性に優れ、水分のみを通し他のガスを透過させない選択性に優れたものとし、かつ丈夫な膜とすることができるので、信頼性の高い高効率なシステムが可能となる。また、温度交換部と湿度交換部を分離することにより、さらに効率の高いコンパクトなシステムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の固体高分子型燃料電池システムの第１実施形態の構成を示す分解斜視図
【図２】第１実施形態の温湿度交換部の構成を示す縦断面図
【図３】第１実施形態の未反応ガスメッシュプレートの構成を示す平面図
【図４】第１実施形態の既反応ガスメッシュプレートの構成を示す平面図
【図５】参考例１の未反応ガスメッシュプレートの構成を示す平面図
【図６】参考例１の既反応ガスメッシュプレートの構成を示す平面図
【図７】参考例１の未反応ガスメッシュプレートの変形例の構成を示す平面図
【図８】参考例１の既反応ガスメッシュプレートの変形例の構成を示す平面図
【図９】第２実施形態の温湿度交換部の構成を示す縦断面図
【図１０】第３実施形態の保水性の多孔質体の構成を示す縦断面図
【図１１】固体高分子型燃料電池システムの参考例２の構成を示す概略図
【図１２】参考例２の温湿度交換部の構成を示す縦断面図
【図１３】固体高分子型燃料電池の構成を示す縦断面図
【符号の説明】
９…電池部
１０…温湿度交換部
１１…既反応酸化剤ガス出口
１２…未反応酸化剤ガス入口
１７…電池部未反応酸化剤ガス入口
１８…電池部既反応酸化剤ガス出口
２３…エンドプレート
２４…未反応ガス入口マニホールド
２５…未反応ガス出口マニホールド
２６…既反応ガス出口マニホールド
２７…既反応ガス入口マニホールド
３０…保水性多孔質体
３１…メッシュ
３２…メッシュプレート
３９…既反応ガス出口マニホールド孔
４０…未反応ガス入口マニホールド孔
４１…未反応ガス出口マニホールド孔
４２…既反応ガス入口マニホールド孔
４３…ガスシール
４５…イオン交換膜
４６…補強膜
５０…熱交換器
５３…仕切り板
５４…熱交換プレート
５５…シール部材
５６…既反応ガス通路
５７…湿度交換器[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a polymer electrolyte fuel cell system, and in particular, improves the temperature and humidity exchange structure for transferring heat and water vapor contained in the already reacted gas of the polymer electrolyte fuel cell to the unreacted gas. The present invention relates to a solid polymer fuel cell system.
[0002]
[Prior art]
  A fuel cell is a device that directly converts chemical energy of a fuel into electrical energy by electrochemically reacting a fuel such as hydrogen with an oxidant such as air. Depending on the type of electrolyte used, this fuel cell is roughly classified into low-temperature operating fuel cells such as alkaline, solid polymer, and phosphoric acid, and high-temperature operating fuel cells such as molten carbonate and solid oxide. Is done. In particular, polymer electrolyte fuel cells that use proton-conducting polymer electrolyte membranes as electrolytes have a compact structure and high output density, and can be operated with a simple system. It is attracting attention as a power source for automobiles and vehicles.
[0003]
  FIG. 13 shows the configuration of a solid polymer fuel cell. That is, the polymer electrolyte fuel cell is a solid having ion conductivity and a gas separation function through a pair of gas diffusion electrodes composed of an anode electrode 1a and a cathode electrode 1b via catalyst layers 2a and 2b each composed of Pt or the like. The cell 4 includes a polymer electrolyte membrane 3 and a gas-impermeable separator 5 having a groove for supplying a reaction gas to each electrode. When a fuel gas such as hydrogen is supplied to the anode electrode 1a and an oxidant gas such as air is supplied to the cathode electrode 1b, an electromotive force is generated in the unit cell 4 by an electrochemical reaction. Since the electromotive force of the unit cell 4 is as low as about 1 V, it is usually used as a battery stack in which a plurality of unit cells are stacked.
[0004]
  Since this electrochemical reaction is an exothermic reaction, it is necessary to remove excess heat. Therefore, for each unit cell stack 6 in which a plurality of unit cells 4 are stacked via separators 5, a cooling plate 7 in which a coolant is circulated is inserted. Further, gas leakage to the outside of the system causes a risk of explosion due to a decrease in gas utilization rate or a flammable gas such as hydrogen. Therefore, the solid polymer electrolyte membrane 3 and the separator 5 are sealed with a sealant 8. ing. Further, in the cathode electrode 1b, water is generated along with the electrode reaction, but when water is condensed in the electrode reaction portion, gas diffusibility deteriorates. Therefore, the water is discharged out of the battery together with the unreacted gas. Has been.
[0005]
  Further, as the solid polymer electrolyte membrane 3, for example, a perfluorosulfonic acid membrane which is a fluorine ion exchange membrane is known. These solid polymer electrolyte membranes have hydrogen ion exchange groups in the molecule. It functions as an ion-conducting substance by holding and saturating water.
[0006]
  However, conversely, when the solid polymer electrolyte membrane is dried, the ionic conductivity is deteriorated and the battery performance is remarkably lowered. Therefore, various methods for preventing the solid polymer electrolyte membrane from being dried are known. For example, there is a method in which a reactive gas is humidified and supplied in advance using a humidifier having a structure in which water and a reactive gas are circulated on both surfaces of a water vapor permeable membrane such as a solid polymer electrolyte membrane. In this case, the humidifier is usually integrated with the battery stack. In addition, if the reaction gas supplied to the anode electrode and the cathode electrode is circulated so as to face each other, the operating temperature is set to 60 ° C. or lower, and the relative humidity of the reaction gas is increased, it is possible to generate power without humidifying the reaction gas. Is also known.
[0007]
  On the other hand, as in the invention disclosed in JP-A-6-132038, a method for humidifying unreacted gas by introducing the reacted gas and the unreacted gas into the gas chambers separated by the water vapor permeable membrane is proposed. Has been. In this case, since water vapor is generated on the cathode side with the electrode reaction, the already-reacted gas contains water vapor that is saturated or close thereto. On the other hand, since the amount of water vapor contained in the unreacted gas is small, a difference in water vapor partial pressure occurs in each gas, and the concentration of water vapor can be diffused using this as a driving force.
[0008]
  Further, regarding the configuration of the battery stack, as shown in Japanese Patent Laid-Open No. 10-172587, for example, when applied to a vehicle, the stack may be installed under the floor of the living space. It is known that the battery stack is flattened because of the necessity to install it in a narrow space. In this case, the separator, which is a main component, has a rectangular shape, and is configured to flow the reaction gas along the long side in order to ensure a flow rate.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
  However, the above-described humidifier and the method of humidifying the reaction gas by exchanging humidity have various problems as described below. That is, in a humidifier having a structure in which water and reaction gas are circulated on both sides of the water vapor permeable membrane, freezing occurs in the water flow path when the outside air temperature drops to 0 ° C. or lower, which causes the flow path to be blocked or due to volume expansion of ice. There is a risk that the water vapor permeable membrane may be broken or the separator may be deformed.
[0010]
  On the other hand, when performing a non-humidifying operation without using a humidifier, there is a problem not only in the long-term stability of the solid polymer electrolyte membrane and battery characteristics, but also lower than the normal operating temperature of 70 to 90 ° C. 60 Since the fuel is operated at a temperature not higher than ° C., the fuel containing CO in the fuel such as reformed gas has a problem that the anode polarization increases due to CO poisoning of the anode catalyst, and the cell characteristics are remarkably deteriorated.
[0011]
  Furthermore, in the method of performing humidification by introducing the already reacted gas and the unreacted gas into the gas chambers separated by the water vapor permeable membrane, the humidification is performed only by the difference in water vapor partial pressure between the two gases. Diffusion resistance due to water vapor concentration gradient, diffusion resistance in the water vapor permeable membrane, and diffusion resistance on the unreacted gas side become very large, so a large humidifier is required for sufficient humidification. Thus, there is a problem in space constraints as well as cost.
[0012]
  In addition, when a structure in which a humidifier is integrated with a battery stack having a rectangular cross section is adopted, when a reaction gas is flowed along the long side of the humidifier, the flow rate of the humidifier per cell is Since there are generally many parts compared to the part, there is a disadvantage that the pressure loss becomes extremely large. When the pressure loss increases, it is necessary to increase the pressure for supplying the gas, leading to an increase in power for that purpose, leading to a reduction in system efficiency. Furthermore, when the reaction gas is air, a large fan or compressor is required, so that the installation space and cost are serious problems.
[0013]
  The present invention has been proposed in order to solve the above-described problems of the prior art, and its purpose is to prevent the solid polymer electrolyte membrane from being dried, and to have a high performance and compact solid polymer fuel. It is to provide a battery system.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, a polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1 includes a polymer electrolyte fuel cell stack having a solid polymer membrane as an electrolyte, an already reacted gas that has passed through a cell reaction unit, and Unreacted gas before passing through the battery reaction section,A thin film having a pore diameter of 1 μm or less and having a small gas permeability other than water vapor and a non-woven reinforcing film are attached.A temperature / humidity exchanging means for exchanging temperature and humidity by contacting through a water-retaining porous body is provided, and at least one of the reaction gases is provided so as to be in contact with the porous body. It is characterized in that it is configured to circulate in a gas supply path.
[0015]
  According to a second aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell system according to the first aspect, the mesh-shaped gas supply path is formed of a metal mesh. A third aspect of the present invention is the solid polymer fuel cell system according to the first aspect, wherein the mesh-like gas supply path is composed of a mesh made of a polymer material. is there. According to a fourth aspect of the present invention, in the polymer electrolyte fuel cell system according to the first aspect, the mesh-shaped gas supply path is composed of a mesh having a surface subjected to water repellent treatment. To do.
[0016]
  According to the first to fourth aspects of the invention having the above-described configuration, the low-temperature unreacted gas and the high-temperature pre-reacted gas pass through the mesh-shaped flow path and pass through the water-retaining porous body. By contacting, moisture in the already-reacted gas is condensed in the porous body, and the porous body gets wet with the condensed water. Moreover, since heat exchange is also performed at the same time, the temperature of the unreacted gas rises, moisture is evaporated from the porous body, and the unreacted gas is humidified. That is, humidification is possible without using liquid water. Furthermore, since the gas supply path is a mesh-like flow path, the temperature and humidity can be exchanged efficiently from both sides of the porous body except for the place where it contacts the end plate. It becomes. Further, by using a stainless steel or polymer mesh as the mesh, it is possible to provide a flow path that is simple in construction and inexpensive. Moreover, in order to quickly discharge the liquid water accumulated in the mesh, a mesh flow path with a lower pressure loss can be formed by applying a water repellent treatment to the mesh. Therefore, it is possible to provide a solid polymer fuel cell system that is resistant to freezing, compact, and inexpensive.
[0017]
  Claim 5The invention described in claim 1 to claim 1Claim 4In the polymer electrolyte fuel cell system according to any one of the above, the temperature / humidity exchanging means has a gas supply path in which the reacted gas and the unreacted gas are opposed to each other through the porous body. It is characterized by. Having the above configurationClaim 5Since the temperature exchange efficiency and the humidity exchange efficiency can be increased in a limited area, the compact temperature / humidity exchange unit can be provided.
[0018]
  Claim 6The invention described in claim 1 to claim 1Claim 4In the polymer electrolyte fuel cell system according to any one of the above, the temperature / humidity exchanging means is integrated with the cell reaction section. Having the above configurationClaim 6According to the invention described in (4), the temperature / humidity exchanging means is integrated with the battery reaction portion, so that it is not necessary to make a wasteful pipe connection, the space efficiency can be improved, and the heat radiation from the pipe can be improved. Therefore, a more efficient system can be provided.
[0019]
  The invention according to claim 7 is the polymer electrolyte fuel cell system according to any one of claims 1 to 6,The thin film is an ion exchange membrane.The ion exchange membrane has excellent gas selectivity, and only allows moisture contained in the already-reacted gas to permeate. Other gases, that is, gases such as hydrogen, oxygen, and nitrogen do not permeate. It is possible to minimize gas leakage from the reaction gas to the low existing reaction gas. Therefore, it is possible to provide a highly efficient system.
[0020]
  The invention according to claim 8 is the first aspect of the present invention.7In the polymer electrolyte fuel cell system according to any one ofThe nonwoven fabric reinforcing film is subjected to a hydrophilic treatment. In the invention described in claim 8, in order to stably supply the condensed water of water vapor in the already-reacted gas, a non-woven reinforcing membrane subjected to hydrophilic treatment is used. As a result, moisture for humidifying the unreacted gas can be constantly kept uniformly on the membrane surface by capillary action, and the thin filmTherefore, the durability can be greatly improved, so that efficient humidification can be performed and a highly reliable system can be provided.
[0021]
  The invention according to claim 9 is the polymer electrolyte fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the water-retaining porous body includes at least an ion exchange membrane.Non-wovenFormed of a plurality of polymer film layers including a reinforcing film ofNon-wovenThe reinforcing film is configured to be in contact with the already reacted gas. According to the invention described in claim 9 having the above-described configuration, since the condensed water can be actively retained, more uniform wetting can be ensured by capillary action.
[0022]
  Claim 10The invention described in claim 1 to claim 1Claim 9In the polymer electrolyte fuel cell system according to any one of the above, the already-reacted gas and the unreacted gas are oxidant gases. In general, when air is used as the oxidant, the oxygen flow rate is low and the utilization rate of oxygen is low, so the air flow rate is several times higher than the fuel gas. Therefore, since most of the required humidified moisture amount is oxidant gas, the structure can be simplified and the size can be reduced by using the temperature / humidity exchanging part only for the oxidant. In addition, when the reformed gas of hydrocarbon fuel is used as the fuel gas, water is essentially contained, and it is not necessary to humidify the fuel gas.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter referred to as embodiments) will be specifically described with reference to the drawings.
[0024]
[1. First Embodiment]
[1-1. Constitution]
  FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of the first embodiment of the polymer electrolyte fuel cell system of the present invention. In addition, in this embodiment, the example which performs temperature / humidity exchange of the air which is oxidizing agent gas is shown. That is, as shown in FIG. 1, the polymer electrolyte fuel cell system of this embodiment is configured by integrating a battery unit 9 and a temperature / humidity exchange unit 10. A battery unit unreacted oxidant gas inlet 17 for introducing unreacted air, which is an oxidant gas, into the battery unit, and a previously reacted oxidant gas, are joined to the temperature / humidity exchange unit 10 of the battery unit 9. Is discharged from the battery part. The battery part already-reacted oxidant gas outlet 18 is provided. Also, a battery part fuel gas inlet 19 for introducing the fuel gas into the battery part, a battery part fuel gas outlet 20 for discharging the fuel gas from the battery part, and a battery part cooling medium for introducing the cooling medium into the battery part An inlet 21 and a battery part cooling medium outlet 22 for discharging the cooling medium from the battery part are provided.
[0025]
  On the other hand, the temperature / humidity exchange unit 10 has an unreacted oxidant gas inlet 12 for introducing unreacted air, which is an oxidant gas, into the temperature / humidity exchange unit 10 and a previously reacted oxidant gas. A pre-reacted oxidant gas outlet 11 for discharging from the temperature / humidity exchange unit 10 is provided. Also, a fuel gas inlet 13 for introducing the fuel gas into the temperature / humidity exchange unit 10, a fuel gas outlet 14 for discharging the fuel gas from the temperature / humidity exchange unit 10, and a cooling medium for introduction into the temperature / humidity exchange unit 10. The cooling medium inlet 15 and the cooling medium outlet 16 for discharging the cooling medium from the temperature / humidity exchange unit 10 are provided.
[0026]
  Further, an unreacted gas inlet manifold 24 communicating with the unreacted oxidant gas inlet 12 and a previously reacted gas outlet communicating with the previously reacted oxidant gas outlet 11 are provided on the end plate 23 a on the front surface of the temperature / humidity exchange unit 10. A manifold 26 is provided. On the other hand, on the rear end plate 23b, an unreacted gas outlet manifold 25 communicating with the battery part unreacted oxidant gas inlet 17 and an already reacted gas inlet manifold 27 communicating with the battery part already reacted oxidant gas outlet 18 are provided. Is provided. Since the temperature / humidity exchange unit 10 of this embodiment is intended only for air, which is an oxidant gas, fuel gas, cooling medium, and the like all pass through a manifold hole described later provided in the temperature / humidity exchange unit 10. Thus, the battery unit 9 is configured to be supplied.
[0027]
  FIG. 2 shows a longitudinal sectional view of the temperature / humidity exchange section. That is, the temperature / humidity exchange unit alternately stacks the unreacted gas mesh plate 32a, the already reacted gas mesh plate 32b, and the water-retaining porous body 30 between the front end plate 23a and the rear end plate 23b. The temperature / humidity exchange cell. Further, the above-mentioned unreacted gas inlet manifold 24 is disposed at the upper part of the front end plate 23a, and the aforementioned previously reacted gas outlet manifold 26 is disposed at the lower part. On the other hand, the above-described already-reacted gas inlet manifold 27 is disposed at the upper part of the rear end plate 23b, and the above-mentioned unreacted gas outlet manifold 25 is disposed at the lower part.
[0028]
  Next, the porous body 30 and the mesh plate 32 will be described. In the present invention, the functions necessary for the porous body are that heat exchange is efficiently performed through the porous body, the condensed water of water vapor contained in the existing reaction gas can be held in the porous body, and the condensed water The osmotic pressure passes through the porous body and can evaporate due to the difference in water vapor partial pressure on the surface on the unreacted gas side, and the permeability of gases other than water vapor is small.
[0029]
  In this embodiment, in order to satisfy these requirements, a porous body 30 is used in which a thin film having a pore size of 1 μm or less is attached to the surface of a nonwoven fabric subjected to hydrophilic treatment. As this thin film, an ion exchange membrane having excellent gas selective permeability is used. When the unreacted air and the already reacted air come into contact with each other through the porous body 30, the temperature of the unreacted gas is lower than the temperature of the already reacted gas, so that the water vapor contained in the already reacted gas is condensed in the porous body. However, the entire porous body is wetted, and evaporation due to a partial pressure difference occurs on the unreacted gas side, so that the unreacted gas is humidified.
[0030]
  As shown in FIGS. 3 and 4, the mesh plate 32 incorporates a mesh 31 for circulating air as an oxidant gas at the center, and a gas seal 43 is provided around the mesh 31. Prevents air leakage. The mesh used here is a stainless steel mesh, but is not limited to this, and may be aluminum subjected to corrosion resistance treatment or a mesh using a polymer material. However, the mesh should be woven such as plain weave so that gas can flow in the surface direction. The mesh structure must be a mesh that allows gas to circulate in the surface direction, such as a plain weave, twill weave, or other fine line woven, or a grating mesh provided with fine cuts from a thin plate.
[0031]
  Furthermore, by performing water-repellent processing on the mesh, the condensed water generated by the condensation is effectively discharged from the mesh flow path, thereby reducing the flow path pressure loss of the mesh. Further, by forming a plurality of mesh layers, it is possible to reduce the flow path pressure loss or increase the strength. Furthermore, it goes without saying that a more effective drainage function and water retention function can be provided by using a plurality of mesh layers subjected to water repellent processing and hydrophilic processing.
[0032]
  3 is a plan view showing an unreacted gas mesh plate 32a in the temperature / humidity exchange cell, and FIG. 4 is a plan view showing an already-reacted gas mesh plate 32b. That is, as shown in FIG. 3, in the unreacted gas mesh plate 32a, the mesh 31 provided in the central portion is connected to the unreacted gas inlet manifold hole 40 provided in the upper portion and the unreacted gas inlet manifold hole 40 provided in the lower portion. It communicates with the reaction gas outlet manifold hole 41. On the other hand, as shown in FIG. 4, in the already-reacted gas mesh plate 32b, the mesh 31 provided at the center portion has the already-reacted gas inlet manifold hole 42 provided at the upper portion thereof and the already-reacted gas inlet manifold hole 42 provided at the lower portion thereof. It communicates with the reaction gas outlet manifold hole 39.
[0033]
  As shown in FIGS. 3 and 4, the gas seal 43 is provided with manifold holes for the respective gases. That is, a fuel gas inlet manifold hole 35 and a cooling medium inlet manifold hole 37 are provided on the left side of the mesh 31, and a fuel gas outlet manifold hole 36 and a cooling medium outlet manifold hole 38 are provided on the right side. .
[0034]
[1-2. Action]
  The polymer electrolyte fuel cell system of the present embodiment having the above configuration operates as follows. That is, unreacted air that is an oxidant gas is guided to the temperature / humidity exchange unit 10 through the air inlet 12 provided on the front end plate 23a of the temperature / humidity exchange unit 10, and the front end plate 23a. Is passed through the unreacted gas inlet manifold 24 and distributed to each temperature / humidity exchange cell, and is introduced into the battery unit 9 through the unreacted gas outlet manifold 25. At the same time, the high-temperature, high-humidity already reacted air discharged from the battery unit is distributed to the temperature / humidity exchange cell through the already-reacted gas inlet manifold 27 provided in the rear end plate 23b. It is discharged to the outside through the manifold 26.
[0035]
  As shown in FIG. 2, the temperature / humidity exchange cell has a structure in which unreacted gas mesh plates 32a, already reacted gas mesh plates 32b, and water-retaining porous bodies 30 are alternately stacked, When the already-reacted air comes into contact with the porous body 30, the temperature and humidity are exchanged. That is, since the temperature of the unreacted gas is lower than the temperature of the already-reacted gas, when they come into contact with each other, water vapor contained in the already-reacted gas is condensed in the porous body, and the entire porous body is wetted, and the unreacted gas side The evaporation due to the partial pressure difference occurs and the unreacted gas is humidified.
[0036]
  In this case, in the unreacted gas mesh plate 32a in the temperature / humidity exchange cell, as shown in FIGS. 2 and 3, the unreacted gas inlet manifold 24 in the front end plate 23a passes through the unreacted gas mesh plate 32a. The guided unreacted gas is guided to the unreacted gas inlet manifold hole 40, exchanges the temperature and humidity with the already reacted gas through the flow path of the mesh 31, and becomes high-temperature and high-humidity air. The unreacted gas outlet manifold hole 41 is led out. The air exiting the unreacted gas outlet manifold hole 41 is guided to the unreacted oxidant gas inlet 17 in the battery section through the unreacted gas outlet manifold 25 provided in the rear end plate 23b.
[0037]
  On the other hand, in the already-reacted gas mesh plate 32b in the temperature / humidity exchange cell, as shown in FIGS. 2 and 4, it is led to the temperature / humidity exchange section through the already-reacted gas inlet manifold 27 in the rear end plate 23b. The high-temperature and high-humidity already reacted gas is guided to the already-reacted gas inlet manifold hole 42, exchanges the temperature and humidity with the unreacted gas through the flow path of the mesh 31, and then reaches the already-reacted gas outlet manifold. It passes through the hole 39, passes through the already-reacted gas outlet manifold 26 provided inside the front end plate 23a, and is discharged to the outside.
[0038]
  In addition, since the temperature / humidity exchange part of the present embodiment is intended only for the air that is the oxidant gas, the fuel gas, the cooling medium, etc. pass through the manifold holes provided in the temperature / humidity exchange part, and the battery part Supplied to.
[0039]
[1-3. effect]
  As described above, according to the present embodiment, the temperature and humidity are exchanged between the unreacted gas and the already reacted gas in the temperature / humidity exchanging unit, so that the unreacted gas is in a high temperature and high humidity state suitable for the battery reaction. Therefore, it is not necessary to use liquid water to humidify the unreacted gas, and there is no problem of freezing at low temperatures.
[0040]
  Furthermore, since the reaction gas flow path inside the temperature / humidity exchange section is composed of one or more mesh-shaped flow paths, the temperature and humidity can be exchanged on both sides of the mesh. Therefore, the system can be made more compact. Further, since the amount of water vapor contained in the already-reacted gas increases and the supply of water to the porous body in contact with the already-reacted gas becomes more stable, a more reliable system can be provided.
[0041]
  In addition, by using a mesh of stainless steel or a metal mesh such as aluminum, since this mesh works as a heat transfer fin, more efficient heat exchange is performed. Can do. In addition, although there is some thermal loss, a very lightweight and inexpensive temperature / humidity exchange unit can be configured by using a polymer material for the mesh.
[0042]
  In addition, if the condensed water exceeds the water retention capacity of the porous body and accumulates in the mesh, the cross-sectional area of the flow path decreases and the pressure loss of the flow path increases. Thus, the condensed water can be discharged quickly, and the pressure loss of the flow path can be reduced. As a result, the pressure for supplying the reaction gas is reduced.TheAnd since the power for that can be reduced, a more efficient system can be provided. In addition, the mesh layer has multiple layers,roughBy combining things or combining water repellent treatment and hydrophilic treatment, it is possible to discharge water more effectively and improve water retention.
[0043]
  Furthermore, by integrating the temperature / humidity exchange part and the battery part, not only heat loss is eliminated and the efficiency becomes high, but also no connection piping is required, so space efficiency can be maximized, A compact system can be provided.
[0044]
  In addition, as the reaction gas, the air side, which is the oxidant, is dominant in terms of quantity, and when the reformed gas is used, the fuel gas side is humidified to some extent. Since the system can be simplified by using only air as the agent gas, a compact and inexpensive system can be provided.
[0045]
[1-4. Other Embodiments]
  In this embodiment, the mesh channel is provided in both the unreacted gas and the gas channel of the already reacted gas, but since the pressure of the unreacted gas is usually higher than the pressure of the already reacted gas, Since a force for pressing the porous body from the unreacted gas side to the already-reacted gas side is applied, a flow path on the unreacted gas side is secured, and therefore the mesh on the unreacted gas side may be omitted.
[0046]
  In this embodiment, the temperature / humidity exchange unit and the battery unit are integrated, but they may be used in a separated state. However, in the case of a separated configuration, it is necessary to connect the two by piping, and thus heat dissipation loss from the piping and reduction in space efficiency are inevitable. Furthermore, although the mesh is used in the present embodiment, it goes without saying that a porous body having the same effect as the mesh can be used instead of the mesh.
[0047]
[2. Second Embodiment]
  The second embodiment is a modification of the first embodiment, in which the unreacted gas and the already reacted gas flow so as to face each other through the porous body.
[0048]
[2-1. Constitution]
  FIG. 9 is a longitudinal sectional view of the temperature / humidity exchange unit in the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as FIG. In the present embodiment, since the unreacted gas and the already reacted gas flow through the porous body 30 so as to face each other, the upper portion of the end plate 23b on the rear surface has already been discharged from the battery unit. A first pre-reacted gas inlet manifold 27a through which the reaction gas is guided is provided, and the pre-reacted gas introduced into the first pre-reacted gas inlet manifold 27a is provided in the lower part through the end plate 23b. The second reaction gas inlet manifold 27b is led to be distributed to each temperature and humidity exchange cell. The already-reacted gas whose temperature and humidity have been exchanged is led to a first already-reacted gas outlet manifold 26a provided on the upper portion of the front end plate 23a, and introduced into the first already-reacted gas outlet manifold 26a. The already-reacted gas passes through the end plate 23a, is sent to a second already-reacted gas outlet manifold 26b provided at the lower portion, and is discharged to the outside. On the other hand, since the configuration on the unreacted gas side is the same as that in FIG. 2, the unreacted gas flows from the top to the bottom in the figure, and the already-reacted gas flows from the bottom to the top. It is designed to flow in directions that oppose each other.
[0049]
[2-2. Action / Effect]
  In the present embodiment having the above-described configuration, since the unreacted gas and the already-reacted gas flow to face each other through the porous body, the configuration is the same as that of the opposed heat exchanger. In general, when the heat transfer areas are equal, the opposed heat exchanger can be expected to have higher efficiency than the parallel flow heat exchanger. Also, in the case of humidity exchange, it is known that the substance transfer analogy is similar to heat transfer, and the opposite type has better substance exchange efficiency. Therefore, since it becomes a more efficient temperature / humidity exchange part, a compact and highly efficient system can be provided.
[0050]
[3. Third Embodiment]
[3-1. Constitution]
  FIG. 10 is a longitudinal sectional view of a water-retaining porous body in the present embodiment. As described above, the basic configuration of the present invention is to exchange temperature and humidity through a water-retaining porous body. Therefore, the functions required for the porous body are that heat exchange is efficiently performed through the porous body, that water in which the water vapor contained in the existing reaction gas is condensed can be retained in the porous body, and the condensed water permeates. This is because it can pass through the porous body by pressure and can be evaporated by the difference in water vapor partial pressure on the surface on the unreacted gas side, and the permeability of gases other than water vapor is small.
[0051]
  In order to realize these functions, the porous body used in the present embodiment has a two-layer structure. That is, as shown in FIG. 10, the reinforcing membrane 46 is attached to the ion exchange membrane 45. The ion exchange membrane 45 used here has a thickness of several tens of microns, allows moisture to pass therethrough but prevents other gases from passing through, and has excellent gas selective permeability. In order to stably supply moisture to the ion exchange membrane, a fibrous reinforcing membrane 46 made of polypropylene is attached to increase the strength, and at the same time, condensed water is uniformly supplied to the membrane surface by capillary action. It is configured to be able to.
[0052]
  Furthermore, in order to improve the water retention of the reinforcing membrane 46, it is possible to perform a hydrophilic treatment on the fibrous reinforcing membrane. Further, since the condensed water is generated on the already-reacted gas side, further performance improvement can be achieved if the water retention surface is configured to be in contact with the flow path through which the already-reacted gas passes. Further, not only the two-layer structure but also a plurality of laminated structures can be used to further increase the gas selective permeability and to increase the water retention.
[0053]
[3-2. Action / Effect]
  In the present embodiment having the above-described configuration, a sufficient strength of the membrane can be obtained because the reinforcing membrane is attached to the ion exchange membrane. In addition, since the selective permeability of gas is excellent, the permeation of gas from the unreacted gas with high pressure to the already reacted gas side is kept to a minimum, so that the power for supplying air can be minimized. And an efficient system can be provided.
[0054]
  In addition, by using a fibrous reinforcing membrane, the strength of the membrane is increased, and at the same time, condensed water can be supplied uniformly to the membrane surface by capillary action, so that efficient and stable humidity exchange is possible. It is possible to provide a highly reliable system. Furthermore, in order to improve the water retention of the reinforcing membrane, the water retention can be further improved by performing a hydrophilic treatment on the fibrous reinforcing membrane. Further, a further improvement in performance can be expected by arranging a fibrous reinforcing membrane with improved water retention so as to be in contact with the flow path through which the already reacted gas passes.
[0055]
[4.Reference example 1]
  Reference example 1These are modifications of the first embodiment, and show a case where the cross-sectional shape of the battery stack is flat.
[0056]
[4-1. Constitution]
  When applying a polymer electrolyte fuel cell system to in-vehicle or household equipment, downsizing is a very important issue. In particular, a flat battery stack is required for installation in narrow spaces above and below. FIG. 5 shows the unreacted gas mesh plate 32a of the temperature / humidity exchange part when the battery stack has a flat cross section. As is apparent from the figure, the unreacted gas mesh plate 32a is also a rectangle that is short in the vertical direction and long in the horizontal direction, corresponding to the shape of the battery stack.
[0057]
  Further, as shown in FIG. 5, in the unreacted gas mesh plate 32a, the mesh 31 provided in the central portion is connected to the unreacted gas inlet manifold hole 40 provided in the upper portion and the unreacted gas inlet manifold hole 40 provided in the lower portion. The reaction gas outlet manifold hole 41 communicates with the unreacted gas inlet manifold hole 40 and the unreacted air led to the unreacted gas outlet manifold hole 41 through the mesh portion 31. ing.
[0058]
  Similarly, also in the already-reacted gas mesh plate 32b, as shown in FIG. 6, the mesh 31 provided in the central portion is provided in the already-reacted gas inlet manifold hole 42 provided in the upper portion and in the lower portion. The already-reacted air communicated with the already-reacted gas outlet manifold hole 39 and led to the already-reacted gas inlet manifold hole 42 is configured to be led to the already-reacted gas outlet manifold hole 39 through the mesh portion 31. Yes. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to FIG.3 and FIG.4 common part shown by the said 1st reference example, and description is abbreviate | omitted.
[0059]
  Reference exampleIn such a battery section and temperature / humidity exchange section having a rectangular cross section, it is extremely important to reduce the pressure loss of the reaction gas flow path. In this case, in the battery part, in order to ensure the performance of the battery, it is necessary to ensure a certain flow velocity of the reaction gas. Therefore, the reaction gas flows along the long side as described in the description of the conventional example. . On the other hand, in the temperature and humidity exchange part, its performance is not necessarily greatly influenced by the flow velocity,Reference exampleThen, it is comprised so that a reactive gas may flow along a short side.
[0060]
[4-2. Action]
  Having the above configurationReference exampleThis solid polymer fuel cell system also operates in the same manner as the first reference example. That is, the unreacted gas led to the unreacted gas mesh plate 32a in the temperature / humidity exchange cell is led to the unreacted gas inlet manifold hole 40, and flows in the short side direction through the flow path of the mesh 31, so After the temperature and humidity are exchanged, high-temperature and high-humidity air is led to the unreacted gas outlet manifold hole 41. On the other hand, the high-temperature and high-humidity already-reacted gas led to the already-reacted gas mesh plate 32b in the temperature / humidity exchange cell is led to the already-reacted gas inlet manifold hole 42 and flows through the flow path of the mesh 31 in the short side direction. Then, after exchanging temperature and humidity with the unreacted gas, it passes through the already-reacted gas outlet manifold hole 39 and is discharged to the outside.
[0061]
  In general, since the humidification unit is small compared to the battery stack, the flow rate of gas flowing in one temperature / humidity exchange cell corresponds to several times that of the battery cell. Therefore, when flowing along the long side in the same manner as the battery part, the unreacted gas and the already reacted gas are in a series relationship, and a very large pressure loss occurs. However,Reference example, The flow of the reaction gas inside the temperature / humidity exchange section can be made to flow along the short side direction, so that the flow path length can be shortened and the flow path pressure loss can be reduced. Further, since the cross-sectional area of the channel can be increased, the flow rate of the reaction gas can be reduced, and the pressure loss can be further reduced.
[0062]
[4-3. effect]
  in this way,Reference exampleSince the flow of the reaction gas in the temperature / humidity exchange section can be made to flow along the short side direction, the flow path length can be shortened and the flow path cross-sectional area can be increased at the same time. The flow path pressure loss can be reduced. As a result, energy for sending air can be reduced, and a small air supply fan can be used, so that a highly efficient, compact, and inexpensive system can be provided.
[0063]
[4-4. Other reference examples]
  7 and 8Reference exampleThis is a modified example of the structure of the unreacted gas mesh plate and the already reacted gas mesh plate. That is, as shown in FIG. 7, the unreacted gas inlet manifold hole 40 provided in the upper part of the mesh 31 of the unreacted gas mesh plate 32a is provided in an L shape at the upper left of the mesh 31, and is provided in the lower part. The unreacted gas outlet manifold hole 41 is provided in an L shape on the lower right side of the mesh 31. Similarly, as shown in FIG. 8, an already-reacted gas inlet manifold hole 42 provided in the upper part of the mesh 31 of the already-reacted gas mesh plate 32b is provided in an L shape on the upper right side of the mesh 31, and in the lower part. The already-reacted gas outlet manifold hole 39 provided is provided in an L shape on the lower left side of the mesh 31.
[0064]
  As a result, in the modified examples shown in FIGS. 7 and 8, each gas flows almost on the diagonal line of the mesh plate. Therefore, the length of the flow path is longer than that in the reference examples shown in FIGS. However, there is a merit that the structure is simpler, although the pressure loss slightly increases.
[0065]
[5. Reference Example 2]
[5-1. Constitution]
  FIG.Reference exampleFIG. 12 is a longitudinal sectional view of a heat exchanger and a humidity exchanger. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same component as FIG. 1, respectively, and description is abbreviate | omitted. Also,Reference exampleHowever, only air that is an oxidant gas is targeted.
[0066]
  That is, as shown in FIG.Reference exampleIn FIG. 3, the unreacted gas, the heat exchanger 50 for the reacted gas, and the humidity exchanger 57 are disposed adjacent to the battery unit 9. Moreover, the heat exchanger 50 and the humidity exchanger 57 have an integrated structure. In addition, the exhaust air that is the reacted gas that has reacted in the battery unit is led from the already reacted gas outlet 51 through the already reacted gas passage 56 to the heat exchanger 50, while the unreacted gas is unreacted gas inlet. 12 is led to the heat exchanger 50. Then, as shown in FIG. 12, the heat exchanger 50 is configured such that heat exchange between the unreacted gas and the already-reacted gas is performed via the impermeable heat-exchange plate 54. .
[0067]
  Usually, the heat exchange plate 54 is a thin plate of stainless steel or aluminum coated with corrosion resistance. The heat exchange plate 54 is provided with grooves 58 by pressing on both sides in order to secure each gas flow path, and a seal member 55 is installed around the groove 58 to prevent gas leakage. Yes.
[0068]
  The unreacted gas whose temperature has been increased by heat exchange is then led to the humidity exchanger 57, and at the same time, the temperature is slightly lowered, and the already-reacted gas containing condensed water is also led to the humidity exchanger 57. It is configured to be. The humidity exchanger 57 has the same form (counterflow type) as that of the third reference example, and the humidity exchange between the unreacted gas and the already reacted gas is performed. The unreacted gas exiting from the humidity exchanger 57 is supplied to the battery unit 9, and the already reacted gas is discharged from the already reacted gas discharge hole 52 to the outside.
[0069]
  In addition,Reference exampleIn FIG. 1, the heat exchanger 50 and the humidity exchanger 57 are connected in series, but this is the same by making the upstream membrane surface impervious on a part of the humidity exchanger, on the already reacted gas side. It is also possible to have the effect of. That is, by adopting a structure in which the heat exchange part and the humidity exchange part are provided in the same plane, the heat exchanger and the humidity exchanger can be made a common structure, and the configuration can be further simplified.
[0070]
  In addition, as a method of making the membrane surface impermeable, a method of attaching a thin sheet of polyethylene or polymer membrane that is impermeable to moisture to a part of the water-retaining porous body, stainless steel or corrosion-resistant coating There is a method of pasting a thin aluminum plate. The pasting position is on the upstream side of the already-reacted gas channel, and the pasting gas side is more effective on the pasting surface. This is because when the water partially condensed on the already-reacted gas side moves to the humidity exchange section on the downstream side, it can move in the porous body by capillarity, so that the condensed water does not stay and has a smooth humidity. This is because it can be exchanged. In this case, needless to say, the unreacted gas is allowed to flow in parallel with the already-reacted gas. Furthermore, as this modification, there is a method of making the impervious portion a finer porous body and making it difficult for moisture to pass through. In this case, moisture is slightly permeated at the same time as the heat exchange and the effect is reduced, but almost the same effect can be obtained.
[0071]
[5-2. Action / Effect]
  Having the above configurationReference exampleWorks as described below. That is, since the already reacted gas is a gas having a temperature of about 80 ° C. and a humidity of almost 100%, it has a larger enthalpy than the unreacted gas. That is, even if heat exchange is performed between the unreacted gas and the already-reacted gas, the decrease in the temperature of the already-reacted gas is less than the increase in the temperature of the unreacted gas. Therefore,Reference exampleAs described above, when the temperature of the unreacted gas is first raised in the heat exchanger 50 and then the humidity is exchanged, the humidity exchange efficiency is improved by the amount by which the water vapor partial pressure of the unreacted gas increases. More humidity exchange is possible. In this case, since the temperature of the already-reacted gas does not decrease so much, the condensed water can be effectively moved to the unreacted gas without causing a decrease in the water vapor partial pressure.
[0072]
  in this way,Reference exampleAccording to the above, by first increasing the temperature of the unreacted gas with the heat exchanger and then performing the humidity exchange, the humidity exchange efficiency is improved, and more humidity exchange is possible. Therefore, not only stable and reliable humidification of the unreacted gas is possible, but also the humidity exchange efficiency is improved, so that a more compact system can be provided. Further, by integrating the heat exchanger and the humidity exchanger, it is possible to provide a more compact and highly efficient system. As a result, it is possible to efficiently humidify the unreacted gas without using liquid water for humidification, so that a compact and highly efficient system free from the problem of freezing even when the outside air temperature is as low as 0 ° C or less is provided. Is possible.
[0073]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, the moisture of the already-reacted gas is efficiently transferred to the unreacted gas by bringing the already-reacted gas into contact with the unreacted gas through the water-retaining porous body. Since it can be humidified, there is no need to supply liquid water for humidification, and there is no risk of freezing even in a low temperature environment where the outside air temperature is 0 ° C. or lower, and smooth startup is possible. .
[0074]
  In addition, by flowing the unreacted gas and unreacted gas through the mesh-like flow path with the porous body in between, both sides of the flow path can be used as the temperature and humidity exchange area, so efficient temperature and humidity exchange is possible. It becomes possible. This makes it possible to provide a compact and stable high performance polymer electrolyte fuel cell system.
[0075]
  In addition, a flat polymer electrolyte fuel cell having a low height can be reduced in pressure by flowing the flow path of the temperature / humidity exchange section along the short side to supply a reactive gas. As a result, it is possible to reduce the power of the system and provide a highly efficient system. In addition, since the reaction gas supply source can be handled by a small fan or compressor, it is possible to provide an inexpensive system in a small space.
[0076]
  Furthermore, the water-retaining porous body has a structure in which an ion exchange membrane and a fibrous reinforcing membrane that reinforces it are bonded together, so that it has excellent water retention and does not allow other gases to pass through only moisture. Therefore, a highly reliable system with high reliability can be realized. Further, by separating the temperature exchange unit and the humidity exchange unit, a more efficient and compact system can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view showing the configuration of a first embodiment of a polymer electrolyte fuel cell system of the present invention.
FIG. 2 is a longitudinal sectional view showing a configuration of a temperature / humidity exchange unit of the first embodiment.
FIG. 3 is a plan view showing a configuration of an unreacted gas mesh plate according to the first embodiment.
FIG. 4 is a plan view showing the configuration of the already reacted gas mesh plate of the first embodiment.
[Figure 5]Reference example 1Plan view showing the structure of the unreacted gas mesh plate
[Fig. 6]Reference example 1Plan view showing the configuration of the existing reactive gas mesh plate
[Fig. 7]Reference example 1The top view which shows the structure of the modification of an unreacted gas mesh plate
[Fig. 8]Reference example 1The top view which shows the structure of the modification of the existing reaction gas mesh plate
FIG. 9Second embodimentSectional view showing the configuration of the temperature and humidity exchange section
FIG. 10Third embodimentA longitudinal sectional view showing the structure of a water-retaining porous body
FIG. 11Schematic showing the configuration of Reference Example 2 of the polymer electrolyte fuel cell system
FIG.Reference example 2Sectional view showing the configuration of the temperature and humidity exchange section
FIG. 13 is a longitudinal sectional view showing the configuration of a polymer electrolyte fuel cell.
[Explanation of symbols]
9 ... Battery part
10 ... Temperature / humidity exchange part
11 ... Already reacted oxidant gas outlet
12 ... Unreacted oxidant gas inlet
17 ... Battery unit unreacted oxidant gas inlet
18 ... Battery unit already reacted oxidant gas outlet
23 ... End plate
24 ... Unreacted gas inlet manifold
25 ... Unreacted gas outlet manifold
26 ... Existing reaction gas outlet manifold
27 ... Existing reaction gas inlet manifold
30 ... Water-retaining porous body
31 ... Mesh
32 ...Mesh plate
39 ... Existing reaction gas outlet manifold hole
40: Unreacted gas inlet manifold hole
41 ... Unreacted gas outlet manifold hole
42 ... Reacted gas inlet manifold hole
43 ...Gas seal
45 ... Ion exchange membrane
46 ... Reinforcing membrane
50 ... Heat exchanger
53 ... Partition plate
54 ... Heat exchange plate
55. Sealing member
56 ... Already reacted gas passage
57 ... Humidity exchanger

Claims

A solid polymer fuel cell stack using a solid polymer membrane as an electrolyte, an already reacted gas that has passed through the cell reaction part, and an unreacted gas that has not passed through the cell reaction part have a pore size of 1 μm or less other than water vapor A temperature-humidity exchanging means for exchanging temperature and humidity by contacting through a water-retaining porous body formed by attaching a thin film having a low gas permeability and a reinforcing film of nonwoven fabric ;
The solid polymer fuel cell system is configured such that at least one of the reaction gases flows through at least one mesh-shaped gas supply path provided in contact with the porous body.

2. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, wherein the mesh gas supply path is made of a metal mesh.

2. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, wherein the mesh-shaped gas supply path is composed of a mesh made of a polymer material.

2. The polymer electrolyte fuel cell system according to claim 1, wherein the mesh-shaped gas supply path is composed of a mesh having a surface subjected to water repellent treatment.

5. The temperature / humidity exchanging means has a gas supply path in which the already-reacted gas and the unreacted gas are opposed to each other through the porous body. The polymer electrolyte fuel cell system according to any one of the above.

The solid polymer fuel cell system according to any one of claims 1 to 4, wherein the temperature / humidity exchanging means is configured integrally with a battery reaction section.

The solid polymer fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein the thin film is an ion exchange membrane .

The solid polymer fuel cell system according to any one of claims 1 to 7 , wherein the nonwoven fabric reinforcing membrane is subjected to a hydrophilic treatment .

The water-retaining porous body is formed from a plurality of polymer membrane layers including at least an ion exchange membrane and a nonwoven fabric reinforcing membrane, and the nonwoven fabric reinforcing membrane is configured to come into contact with a previously reacted gas. The solid polymer fuel cell system according to any one of claims 1 to 6, wherein

The solid polymer fuel cell system according to any one of claims 1 to 9, wherein the already-reacted gas and the unreacted gas are oxidant gases.