JP2005183117A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池のアノード極の出口から排出される余剰水素ガスをリサイクルし、効率よく安定した運転を行なうことができる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】 燃料電池４から排出された余剰水素ガスを燃料電池４に戻してリサイクルするリサイクルライン21に、リターン水素ガス冷却器８と水落とし装置９を設けた。リターン水素ガス冷却器８を電池水冷却器13と一体に又は近接して設けた。リターン水素ガス冷却器８は換気ファン17と兼用とした空冷ファンを備えた。アノード出口遮断弁７を水素ガスに含まれる不純物の割合が２〜２０％の範囲になるように一定間隔で開閉するように構成した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、発電を行なう燃料電池装置に関する。

近年、新発電システムの一つとして、小容量分散発電が容易であり、ＮＯ_XやＳＯ_Xなどの有害物質の発生がなく、しかも低騒音というメリットを有する電解質膜と触媒とを利用した燃料電池装置が考えられている。

こうした燃料電池装置は、例えば特開２００２−２１６８２８号公報に開示されているように、水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、この燃料電池で発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換装置（インバータ）とにより基本的に構成される。

そして、上記基本的な構成において、各々の構成要素を円滑に動作させるために、燃料電池に酸素（空気）を供給する空気供給装置（空気ブロア）、燃料電池の電解膜質を加湿するために燃料電池に水を送るポンプ、水中の不純物を除去するイオン交換装置、燃料ガス，空気，水の流量を制御するコントローラー，電磁弁などの様々な補助機器が配置され、配管や配線によって物理的および電気的に接続されている。

ところで上記構成において、燃料電池のアノード極で消費される水素ガスは通常８０％程度であり、残りの余剰水素ガスを大気放出することは効率の面から不利である。また、可燃性ガスである水素ガスをそのまま大気放出することは、着火等による爆発により重大事故の発生につながりかねない。

そこでアノード極の出口から排出された余剰水素ガスをアノード極の入口に戻してリサイクルすることが考えられるが、その場合、余剰水素ガスが大気温度に対して高温で相当量の水蒸気を含んでいるため、そのままアノード極の入口に戻すと熱的にバランスが取れないといった問題があった。さらに、アノード極の入口付近で水蒸気が凝縮することによって水素ガスの配流を均一にできず、発電性能を低下させ、触媒，電解質膜の劣化を早めるといった不具合が発生する虞があった。
特開２００２−２１６８２８号公報

本発明は上記問題点を解決しようとするものであり、燃料電池のアノード極の出口から排出される余剰水素ガスをリサイクルし、効率よく安定した運転を行なうことができる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載の燃料電池装置によれば、燃料電池から排出された余剰水素ガスに含まれる水蒸気を除去することで、余剰水素ガスをリサイクルし、効率よく安定した運転を行なうことができる燃料電池装置を提供できる。

本発明の請求項２記載の燃料電池装置によれば、燃料電池から排出された余剰水素ガスに含まれる水蒸気を冷却手段で冷却し、余剰水素ガスから発生する凝縮水を分離手段で分離することで、効率よく燃料電池から排出された余剰水素ガスに含まれる水蒸気を除去することができる。

本発明の請求項３記載の燃料電池装置によれば、冷却手段を別の冷却手段と一体に又は離間して設けたことで、効率よく燃料電池から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

本発明の請求項４記載の燃料電池装置によれば、別の冷却手段が液冷却手段であることで、効率よく燃料電池から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

本発明の請求項５記載の燃料電池装置によれば、冷却手段は換気部と兼用とした送風部を備えことで、簡単な構成で燃料電池から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

本発明の請求項６記載の燃料電池装置によれば、弁体を所定間隔で開閉して水素ガスに含まれる不純物を外部へ排出することで、簡単な構成で水素ガスに含まれる不純物を外部へ排出することができる。

本発明の請求項７記載の燃料電池装置によれば、水素ガスに含まれる不純物の割合が所定の範囲になるように弁体を開閉することで、効率よく安定した運転を行なうことができる。

本発明の請求項１記載の燃料電池装置によれば、余剰水素ガスをリサイクルし、効率よく安定した運転を行なうことができる燃料電池装置を提供できる。

本発明の請求項２記載の燃料電池装置によれば、効率よく燃料電池から排出された余剰水素ガスに含まれる水蒸気を除去することができる。

本発明の請求項３記載の燃料電池装置によれば、効率よく燃料電池から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

本発明の請求項４記載の燃料電池装置によれば、効率よく燃料電池から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

本発明の請求項５記載の燃料電池装置によれば、簡単な構成で燃料電池から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

本発明の請求項６記載の燃料電池装置によれば、簡単な構成で水素ガスに含まれる不純物を外部へ排出することができる。

本発明の請求項７記載の燃料電池装置によれば、効率よく安定した運転を行なうことができる。

以下、本発明における燃料電池装置の一実施例について、添付図面を参照しながら説明する。なお、本実施例の燃料電池装置はポータブル型であって、燃料に水素ガスを用いて発電する固体高分子型燃料電池装置である。本装置の構成を示す図１において、１は燃料としての水素を取り入れるための燃料取入れ口であって、この燃料取入れ口１は燃料遮断弁２を経由して燃料電池４のアノード極５の入口５ａに接続され、アノード極５に水素を供給するように構成されている。一方、３は空気ブロアであって、この空気ブロア３は燃料電池４のカソード極６の入口６ａに接続され、燃料電池装置の外郭を形成するパッケージ15に設けられた吸気口16より空気を取り入れ、燃料電池４のカソード極６に空気を供給するように構成されている。

燃料電池４は触媒を担持した電極であるアノード極５，カソード極６と、アノード極５とカソード極６との間に挟持された固体高分子からなる電解質膜（図示せず）と、アノード極５とカソード極６のそれぞれに水素ガスと空気を送り込むセパレータ（図示せず）とから構成されている。

21はアノード極５の出口５ｂから排出された余剰水素ガスをアノード極５に入口５ａに戻してリサイクルするリサイクル部たるリサイクルラインであって、このリサイクルライン21は冷却手段たるリターン水素ガス冷却器８と分離手段たる水落とし装置９を備えている。このリターン水素ガス冷却器８と水落とし装置９により、余剰水素ガスに含まれる水蒸気を除去する除去手段たる削減手段が構成されている。そして、アノード極５の出口５ｂから排出された余剰水素ガスは、リターン水素ガス冷却器８により冷却され、水落とし装置９により液体としての凝縮水が分離された後、昇圧ブロア10によってアノード極５の入口５ａに戻されるように構成されている。

また、アノード極５の出口５ｂは、水素ガスに含まれる不純物を外部へ排出する弁体たるアノード出口遮断弁７の一端にも接続しており、このアノード出口遮断弁７の他端は水タンク11の気相に接続している。そして、通常、このアノード出口遮断弁７は閉状態であって、所定の一定間隔のインターバルで短時間、開となり、アノード極５の流路における水素ガスに含まれる不純物を排ガスとして水タンク11の気相域に送るように構成されている。ここで、アノード出口遮断弁７の開閉頻度は、アノード極５の流路の水素ガスに含まれる不純物の割合が２〜２０％の範囲になるように設定されている。なお、アノード極５の流路の水素ガスの純度は図示しないセンサーで検出され、燃料電池装置の運転を制御する図示しない電気制御装置が、このセンサーからの信号に基づきアノード出口遮断弁７の開閉を制御するように構成されている。

また、カソード極６の出口６ｂは水タンク11の気相にも接続しており、カソード極６から放出された余剰空気と冷却液としての冷却水が水タンク11の気相域に送られるように構成されている。そして、カソード極６から放出された余剰空気と冷却水は水タンク11内で気液分離され、このカソード極６から放出された余剰空気はアノード極５の排ガスとともに、送風部たる換気ファン17によって大気へ放出されるようになっている。

水タンク11は水ポンプ12を経由して冷却水を冷却する電池水冷却器13の一端に接続している。電池水冷却器13は換気ファン17の風によって冷却水を冷却するように構成されている。そして、電池水冷却器13の他端は冷却水を純水化するイオン交換装置14を経由してカソード極６に接続している。

このほか図示しないが、ガス，空気，水の流れや温度などを制御するためのセンサー，コントローラーや、これらと電気的に接続され燃料電池装置の運転を制御する電気制御装置などが設けられている。

つぎに、図２に基づいてリターン水素ガス冷却器８と水落とし装置９の構成について説明する。リターン水素ガス冷却器８はパイプを折畳んだ形状に形成されており、リターン水素ガス冷却器８の入口８ａはアノード極５の出口５ｂに接続し、出口８ｂは水落とし装置９の上部に接続している。また、リターン水素ガス冷却器８の入口８ａは出口８ｂよりも上方に位置し、ダウンフローに構成されている。

水落とし装置９は密閉した容器状に形成されており、中央部には微細ステンレスウール層18が設けられ、この微細ステンレスウール層18によって水落とし装置９の内部が上層19と下層20に仕切られている。そして、水落とし装置９の上部に接続したリターン水素ガス冷却器８から導かれた余剰水素ガスと凝縮水が、水落とし装置９の内部に設けられた導入パイプ９ａを経由して水落とし装置９の下層20に導入されるように構成されている。また、水落とし装置９の下層20の底部には凝縮水を排出するための凝縮水排出口９ｂが設けられ、上層19の上部には余剰水素ガスを排出するための余剰水素ガス排出口９ｃが設けられている。そして、余剰水素ガス排出口９ｃは昇圧ブロア10に接続し、凝縮水排出口９ｂは水タンク11に接続している。

図３は、リターン水素ガス冷却器８と電池水冷却器13の配置を示す概略説明図である。リターン水素ガス冷却器８は電池水冷却器13と近接して設けられており、リターン水素ガス冷却器８は電池水冷却器13とともに換気ファン17により冷却されるように構成されている。このように、パッケージ15内の換気を行なう換気ファン17は、リターン水素ガス冷却器８と電池水冷却器13の空冷ファンとして兼用されている。

次に、上記構成について、その作用を説明する。図示しない起動スイッチを入れると水素ガスが燃料取入れ口１から燃料遮断弁２を経由して燃料電池４のアノード極５に送り込まれる。また、燃料電池４のカソード極６には空気ブロア３によって空気（酸素）が送り込まれる。

アノード極５の水素は触媒の作用によりイオン化して電解質膜を通り、カソード極６の酸素と結びついて水が生成するとともに反応熱が発生する。また、電気化学反応によってアノード極５に＋極の電位，カソード極６に−極の電位が生じ、このアノード極５，カソード極６から直流電力が取り出され、図示しない電力変換装置により交流商用電気エネルギーに変換されて、外部負荷に供給される。

アノード極５を通過する水素ガスは約８０％が消費され、アノード極５の出口５ｂから消費されなかった約２０％の余剰水素ガスが放出される。アノード極５の出口５ｂにおける余剰水素ガスの温度は、燃料電池４の反応熱により６０〜８０℃となり、大量の水蒸気を含んでいる。この水蒸気を含んだ余剰水素ガスはリサイクルライン６のリターン水素ガス冷却器８で冷却され、水落とし装置９により凝縮水が分離された後、昇圧ブロア10によってアノード極５の入口５ａに戻されてリサイクルされる。より詳細には、アノード極５から放出された余剰水素ガスは、リターン水素ガス冷却器８の入口８ａよりリターン水素ガス冷却器８に入り、ダウンフローに構成されたリターン水素ガス冷却器８の内部で冷却されて水蒸気が凝縮して凝縮水となる。この余剰水素ガスと凝縮水はリターン水素ガス冷却器８の出口８ｂから水落とし装置９の内部に設けられた導入パイプ９ａを経由して水落とし装置９の下層20に導入され、凝縮水は凝縮水排出口９ｂから水タンク11へ排出され、その後、冷却水としてリサイクルされる。また、水落とし装置９の下層20に導入された余剰水素ガスは、微細ステンレスウール層18の微細孔を通過することでさらに水蒸気が除去され、余剰水素ガス排出口９ｃから昇圧ブロア10に向けて排出される。このように、余剰水素ガスに含まれる水蒸気を完全に除去し、この余剰水素ガスと燃料取入れ口１からの水素ガスとを混合してアノード極５の入口５ａに供給することにより、燃料電池装置の発電を安定して継続させることができる。

また、アノード出口遮断弁７は一定間隔のインターバルで短時間、開となり、水素ガスに含まれる不純物を排ガスとして水タンク11の気相域に送る。ここで、アノード出口遮断弁７の開閉頻度は、アノード極５の流路の水素ガスに含まれる不純物の割合が２〜２０％の範囲になるように設定されている。

また、カソード極６から放出された余剰空気と冷却水は水タンク11の気相域に送られ、水タンク11内で気液分離され、このカソード極６から放出された余剰空気はアノード極５の排ガスとともに、換気ファン17によって大気へ放出される。

燃料電池４の反応熱により高温化した冷却水は、カソード極６から水タンク11に入り、この水タンク11の冷却水は、水ポンプ12から電池水冷却器13に送られて冷却され、イオン交換装置14により純水化された後、カソード極６に供給される。なお、電池水冷却器13は、リターン水素ガス冷却器８とともに換気ファン17による空冷によって冷却される。

以上のように、本実施例では、水素ガスと酸化剤ガスの電気化学的反応により発電を行なう燃料電池４を備えた燃料電池装置において、前記燃料電池４から排出された余剰水素ガスを前記燃料電池４に戻してリサイクルするリサイクルライン21を備え、このリサイクルライン21に前記余剰水素ガスに含まれる水蒸気を除去する除去手段を設けている。

このようにすると、燃料電池４から排出された余剰水素ガスに含まれる水蒸気を除去することで、燃料電池４のアノード極５の入口５ａへの凝縮水の流入を防止でき、アノード極５での水素ガスの配流を均一にできるので、余剰水素ガスをリサイクルし、効率よく安定した発電性能を得ることができ、燃料電池４の心臓部である触媒や電解質膜の劣化防止にも効果を有する。

また、本実施例では、前記除去手段は、前記余剰水素ガスを冷却する冷却手段たるリターン水素ガス冷却器８と、前記余剰水素ガスから発生する凝縮水を分離する分離手段たる水落とし装置９とから構成されている。

このようにすると、燃料電池４から排出された余剰水素ガスに含まれる水蒸気をリターン水素ガス冷却器８で冷却し、余剰水素ガスから発生する凝縮水を水落とし装置９で分離することで、効率よく燃料電池４から排出された余剰水素ガスに含まれる水蒸気を除去することができる。

また、本実施例では、前記冷却手段たるリターン水素ガス冷却器８は、別の冷却手段と一体に又は近接して設けられている。

このようにすると、リターン水素ガス冷却器８を別の冷却手段と一体に又は近接して設けたことで、効率よく燃料電池４から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

また、本実施例では、前記別の冷却手段は、前記燃料電池４の冷却水を冷却する電池水冷却手段たる電池水冷却器13である。

このようにすると、別の冷却手段が電池水冷却器13であることで、効率よく燃料電池４から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

また、本実施例では、前記冷却手段たるリターン水素ガス冷却器８は空冷ファンを備え、この空冷ファンは換気ファン17と兼用としている。

このようにすると、リターン水素ガス冷却器８は換気ファン17と兼用とした空冷ファンを備えたことで、簡単な構成で燃料電池４から排出された余剰水素ガスを冷却することができる。

また、本実施例では、前記水素ガスに含まれる不純物を外部へ排出する弁体たるアノード出口遮断弁７を備え、このアノード出口遮断弁７を一定間隔で開閉するように構成している。

このようにすると、アノード出口遮断弁７を一定間隔で開閉して水素ガスに含まれる不純物を外部へ排出することで、簡単な構成で水素ガスに含まれる不純物を外部へ排出することができる。

さらに、本実施例では、前記水素ガスに含まれる不純物の割合が２〜２０％の範囲になるように前記弁体たるアノード出口遮断弁７を開閉するように構成している。

このようにすると、水素ガスに含まれる不純物の割合が２〜２０％の範囲になるようにアノード出口遮断弁７を開閉することで、効率よく安定した運転を行なうことができる。

本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内において種々の変形実施が可能である。例えば、実施例では固体高分子型の燃料電池装置について説明したが、溶融炭素型や固体酸化物型などの他の発電方式でも構わない。また、リターン水素ガス冷却器８は電池水冷却器13と一体に構成してもよいなど、種々の変形が可能である。

本発明の一実施例の燃料電池装置の構成を示す概略説明図である。 同上リターン水素ガス冷却器と水落とし装置の構成を示す概略説明図である。 同上リターン水素ガス冷却器と電池水冷却器の配置を示す概略説明図である。

符号の説明

４ 燃料電池
７ アノード出口遮断弁（弁体）
８ リターン水素ガス冷却器（冷却手段）（削減手段）
９ 水落とし装置（分離手段）（削減手段）
13 電池水冷却器（電池水冷却手段）（別の冷却手段）
17 換気ファン（空冷ファン）（送風部）
21 リサイクルライン（リサイクル部）

Claims (7)

1. 発電を行なう燃料電池を備えた燃料電池装置において、リサイクルするリサイクル部を備え、このリサイクル部に水蒸気を減少させる削減手段を設けたことを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記削減手段は、ガスを冷却する冷却手段と、液体を分離する分離手段とから構成されたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
3. 前記冷却手段は、別の冷却手段と一体に又は離間して設けられたことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池装置。
4. 前記別の冷却手段は、前記燃料電池の冷却液を冷却する液冷却手段であることを特徴とする請求項３記載の燃料電池装置。
5. 前記冷却手段は送風部を備え、この送風部は換気部と兼用としたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の燃料電池装置。
6. 弁体を備え、この弁体を所定間隔で開閉するように構成したことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の燃料電池装置。
7. 不純物の割合が所定の範囲になるように前記弁体を開閉するように構成したことを特徴とする請求項６記載の燃料電池装置。

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