JP2005243574A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 水を含む容器および加熱手段を有する加湿器を具備する燃料電池システムにおいて、さらにミストが前記燃料電池に混入することを防止するミスト混入防止手段を設ける。
【選択図】図4
Description
従来の一般的な高分子電解質型燃料電池の構造および動作について、図1および2を用いて説明する。図1は、燃料電池における単電池の構造を示す部分断面図である。図1に示すように、高分子電解質型燃料電池を構成する単電池においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜1の両面に、白金系の金属触媒をカーボン粉末に担持させて得られる触媒体を主成分とする触媒層2aおよび2cが密着して配置されている。
そして、燃料電池を構成する際には、隣接するMEA5を機械的に固定するとともに互いに電気的に直列に接続し、また、電極に反応ガスを供給し、反応により発生したガスや余剰のガスを運び去るためのガス流路をMEA5に接する面に形成した導電性セパレータ7aおよび7cでMEA5を挟む。
MEA用のガスケット11はMEA5と導電性セパレータ7aおよび7cとの封止を行い、導電性セパレータ用のガスケット10は導電性セパレータ7aおよび7c間を封止する。
単電池の電圧は低いため、単電池20を複数個を直列に積層してスタックを構成することが通常行われている。なお、図2においては、便宜上、4個の単電池を積層した様子を示している。そして、集電板21aおよび21c、ならびに絶縁板22aおよび22cを配し、端板23aおよび23cはスタックを締結して機械的に保持する。
燃料電池システムは、主として原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池、酸化剤ガスを加湿する加湿器を含む。燃料電池に用いられる高分子電解質膜は湿潤状態でその機能を発揮するため、酸化剤ガスは加湿して供給する必要がある。
結露した水が存在すると、外部から混入した不純物や燃料電池システム内の不純物(例えば配管などを構成する材料に起因する金属片やクロロフルオロカーボンなどの有機物など)が、前記水とともに燃料電池に供給されたり、燃料電池への水蒸気の充分な供給が妨げられ、電池性能の低下を招いてしまうという問題があるからである。
この場合、前記加湿酸化剤ガス配管がサーペンタイン状であるのも有効であり、サーペンタイン状部分が重力方向において上下するように配置し、前記サーペンタイン状部分の下部に水抜き弁を設けるのが有効である。
ブロワー41は酸化剤ガスを酸化剤ガス配管36を経て燃料電池33に導く。排気管42は燃料電池33から排出された酸化剤ガスを燃料電池システム外に排出し、燃料電池33で利用されなかった燃料ガスは、オフガス配管35によって再び燃料ガス生成器32に流れ込む。
電力回路部43は燃料電池33から電力を取り出し、制御部44は流体制御弁40および電力回路部43などを制御する。ポンプ45は、冷却水入口配管46から燃料電池33の冷却水流路に水を流す。
ここで、本発明に係る燃料電池システムは、加湿器〜燃料電池の間における構造に最大の特徴を有するが、加湿器のタイプとしては種々のものを採用することができる。
全熱交換型加湿器は、ガスを隔離し水分を透過する透湿膜として燃料電池に用いられる高分子電解質膜と同じ膜を用い、この透湿膜の一方 の側に低温低加湿の供給ガスを流し、他方の側に燃料電池からの高温高加湿の排出ガスを流し、熱および水分を交換して加湿する。また 市販されている複数の透湿微細配管より構成される除湿器も同様に微細配管の内外にそれぞれ供給ガス、排出ガスを流すことにより全熱交換型加湿器として利用可能である。
以下においては、バブラー型加湿器を用いる場合に代表させて、本発明に係る燃料電池システムを図面を参照しながら説明する。
図4は、本発明の第1の実施の形態に係る燃料電池システムにおける加湿器37付近の構造を説明するための図である。図4に示すように、加湿器37は水を含む容器37aおよびヒーターなどの加熱手段(図示せず)を具備する。
この加湿器はバブラーと呼ばれ、酸化剤ガス配管36から供給された酸化剤ガスを、加熱手段によって容器37a内で適温に加熱された水(温水)に通し、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを加湿酸化剤ガス配管38から燃料電池33に供給する。
そして、加湿酸化剤ガス中の水蒸気が結露してミスト(水滴や不純物も含み得る)が燃料電池に供給されてしまわないように、ミスト混入防止手段として、加湿酸化剤ガスが重力方向において上に向かって流れるように、加湿酸化剤ガス配管38に高低差Hを有する部分(上り勾配部分)38bを設ける。
ここで、高低差Hを有する部分38bは重力方向に対して平行であっても、また、ある程度の角度を有していてもよく、ミストなどが重力によってその場に止まったり下方に落ちたりして燃料電池33に混入することはない範囲で適宜設計変更することが可能である。
また、このようなサーペンタイン状部分38cを設ける場合は、ミストなどをサーペンタイン状部分38cの下部に溜めることができ、燃料電池33に混入することを防止することができる。そして、水抜き弁38dを設け、溜まった水(ドレン水)をここから排出すればよい。
図6は、本発明の第2の実施の形態に係る燃料電池システムにおける加湿器37付近の構造を説明するための図である。図6に示すように、加湿器37は水を含む容器37aおよびヒーターなどの加熱手段(図示せず)を具備する。
この加湿器はバブラーと呼ばれ、酸化剤ガス配管36から供給された酸化剤ガスを、加熱手段によって容器37a内で適温に加熱された水(温水)に通し、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを加湿酸化剤ガス配管38から燃料電池33に供給する。
そして、ミスト混入防止手段として、さらにミストを物理的に捕捉するミスト捕捉容器37bを加湿器37に設ける。このミスト捕捉容器37bは、加湿酸化剤ガスが当該容器を通過する際、加湿酸化剤ガス中の水蒸気が結露してミストが生成されると、このミストを容器の底に物理的に捕捉し、燃料電池33に供給されるのを防ぐ。
なお、図6においてはミスト捕捉容器37bを加湿器37内に設けたが、本発明に係る燃料電池システムにおいては、加湿器37の外側に別個の部材としてミスト捕捉容器を設けてもよい。また、容器37aとミスト捕捉容器37bとの間、およびミスト捕捉容器37bと燃料電池33との間は、それぞれ加湿酸化剤ガス配管38および38’で接続すればよい。
図7は、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池システムにおける加湿器37付近の構造を説明するための図である。図7に示すように、加湿器37は水を含む容器37aおよびヒーターなどの加熱手段(図示せず)を具備する。
この加湿器はバブラーと呼ばれ、酸化剤ガス配管36から供給された酸化剤ガスを、加熱手段によって容器37a内で適温に加熱された水(温水)に通し、水蒸気を含む加湿後酸化剤ガスを加湿酸化剤ガス配管38から燃料電池33に供給する。
そして、本発明の第3の実施の形態に係る燃料電池システムにおいては、燃料電池33を加湿器37よりも重力方向において高い位置に設けるのが好ましい。これは、加湿器37からミストなどが燃料電池33に混入するのを防止するためである。
また、燃料電池33の高さを固定したい場合には、例えばボルトとナットなどを用いて所定の位置に燃料電池33を固定すればよい。この場合、ボルトおよびナットも前記高さ設定手段を構成する。
上述の第1の実施の形態〜第3の実施の形態に示すような本発明に係る燃料電池システムにおいては、加湿後の酸化剤ガスに含まれる水蒸気が結露することによって生じたミスト(水滴を含む)や、ガス流の動圧により発生した不純物を含むミストが燃料電池の混入することを効果的に防止することができ、燃料電池システムの電圧低下および耐久性低下を抑制することができる。
また、上記では、酸化剤ガスを加湿するための加湿器について説明したが、必要に応じて、燃料ガスを加湿するための加湿器を設けることもあり、この場合には、燃料ガス用の加湿器付近にも上記のような構造を採用することが好ましい。
そのため、例えば酸化剤ガス配管36と燃料電池33との間、燃料ガス配管34と燃料生成器32との間、および燃料ガス配管34と燃料電池33との間に、それぞれフッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを介した接続部を設けるのが有効である。
もちろん、その他の構成部材を接続する部分においても、すべてフッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを用いるのが好ましい。
特に、フレキシブル配管は、上記フッ素樹脂、オレフィン系樹脂、フッ素ゴムなどで構成するのが好ましい。
本発明で用い得る高分子電解質型燃料電池においては、水素イオンを選択的に輸送する高分子電解質膜1の両面に、白金系の金属触媒をカーボン粉末に担持させて得られる触媒体を主成分とする触媒層2aおよび2cが密着して配置されている。この触媒層においては、式(1):H2→2H++2e-の反応と、式(2):1/2O2+2H++2e-→H2Oの反応が行われ、全体としては式(3):H2+1/2O2→H2Oで示される反応が行われる。
触媒層2aおよび2cの外面には、ガス通気性と導電性を兼ね備えたガス拡散層3aおよび3cがそれぞれ配置される。このガス拡散層3aおよび3cと触媒層2aおよび2cとでそれぞれ電極4aおよび4cが構成される。燃料ガスの関与する電極4aをアノードといい、酸化剤ガスの関与する電極4cをカソードと呼ぶ。そして、高分子電解質膜1と一対の電極4aおよび4cとの接合体を、電解質膜電極接合体(MEA)5という。
基本的には、高分子電解質膜1と、一対の電極4aおよび4cと、一対の導電性セパレータ7aおよび7cとによって、基本の燃料電池単位(単電池)が構成される。導電性セパレータ7aおよび7cは、MEA5とは反対の面において、隣の単電池の導電性セパレータ7cおよび7aと接する。また、隣接する導電性セパレータ7aおよび7c間には冷却水通路8が設けられ、ここを冷却水が流れる。冷却水はMEA5の温度を調整するように熱を移動させる。
また、高分子電解質1は固定電荷を有しており、固定電荷の対イオンとして水素イオンが存在している。高分子電解質1には水素イオンを選択的に透過させる機能が求められるが、そのためには高分子電解質1が水分を保持していることが必要である。水分を含むことにより、固定されている固定電荷が電離し、固定電荷の対イオンである水素がイオン化して移動できるからである。
単電池の電圧は通常0.75V程度と低いため、単電池20を複数個を直列に積層し、高電圧が得られるスタックを構成することが通常行われている。なお、図2においては、便宜上、4個の単電池を積層した様子を示している。集電板21aおよび21cはスタックから外部に電流を取り出すために設置され、絶縁板22aおよび22cは単電池と外部を電気的に絶縁する。端板23aおよび23cはスタックを締結して機械的に保持する。
原料ガスとしては天然ガス、プロパンガスなど炭化水素系のガスを使用することができる。以下の実施例においては、メタン、エタン、プロパンおよびブタンガスの混合ガスであって主成分をメタンとする都市ガスの13Aを用いた。
そこで、ガス清浄部39として、特にターシャリブチルメルカプタン(TBM)、ジメチルサルファイド(DMS)、テトラヒドロチオフィン(THT)等の、ガス付臭剤の不純物の除去に用いられる材料を用いるのが有効である。ガス付臭剤は通常不純物として硫黄化合物を含んでいる。
同時に発生する一酸化炭素は、式(5):CO+H2O→CO2+H2に示されるようなシフト反応と、式(6):CO+1/2O2→CO2で示されるるような一酸化炭素選択酸化反応により、10ppm以下にまで低減される。
冷却水は、ポンプ45によって冷却水入口配管46から燃料電池33の冷却水流路に流された後、冷却水出口配管47から外部に運ばれる。図3には図示していないが、冷却水入口配管46や冷却水出口配管47には、通常給湯器などの熱を溜めるまたは利用する機器などを接続してもよい。これにより燃料電池33で発生する熱を取りだし、給湯などに利用できる。
電力回路部43は、燃料電池33が発電を開始した後、燃料電池33から直流の電力を引き出す役割をする。制御部44には、燃料電池システムの他の部分の制御を最適に保つよう制御させるのが有効である。
以下において、実施例を用いて本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。
まず、炭素粉末であるアセチレンブラック(電気化学工業(株)製のデンカブラック、粒径35nm)を、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)の水性ディスパージョン(ダイキン工業(株)製のD1)と混合し、乾燥重量としてPTFEを20重量%含む撥水インクを調製した。このインクを、ガス拡散層の基材となるカーボンペーパー(東レ(株)製のTGPH060H)の上に塗布して含浸させ、熱風乾燥機を用いて300℃で熱処理し、ガス拡散層(約200μm)を形成した。
上述のようにして得たガス拡散層と触媒層とを、高分子電解質膜(米国DuPont社のNafion112膜)の両面に接合し、MEA5を作製した。
このようにして作製した図1に示す構造を有する単電池を60個積層し、図2に示す構造を有する燃料電池33を得た。そして、図3に示す構造を有する燃料電池システムを作製した。各構成部材や配管の接続部分には、フッ素系樹脂製ガスケットまたは金属製ガスケットを用いた。
また、比較例1および2として、高低差Hを5cmまたは10cmと設定した他は、実施例1と同様にして比較用の燃料電池システムDおよびEを作製した。
加えて、実施例6として、加湿器37付近の構造に図6に示す構造を採用してミスト捕捉容器37bおよび水抜き弁37cを設けた他は、実施例1と同様にして本発明に係る燃料電池システムHを作製した。
上述のようにして作製した燃料電池システムA〜Dを用いて、以下の条件で運転試験をした。
まず、燃料電池を起動させて燃料電池システムで発電と発熱を行った(運転工程)。この運転工程において、原料ガスとしては都市ガスの13Aガスを用い、酸化剤ガスとしては空気を用いた。燃料電池33の温度を70℃、燃料ガス利用率(Uf)を70%、酸化剤ガス利用率(Uo)を40%に設定した。また、過ヒーターによって容器37aを加熱し、空気が70℃の露点を有するように加湿した。電力回路部43から電力としてある電圧の電流を取り出した。電流は電極の見かけ面積に対して、0.2A/cm2の電流密度となるように調整した。なお、実施例2において、ミスト捕捉手段を構成する容器37bの温度は70℃に設定した。
ついで、経時的に電圧変化の測定を行い、電圧低下率を評価する耐久試験を行った。結果を図8に示す。図8からわかるように、燃料電池システムB、CおよびHの電圧低下が最も小さく、つぎに燃料電池システムA、FおよびGの電圧低下が小さかった。それに対して燃料電池システムEおよびDの電圧低下は非常に大きかった。
高低差Hが15〜100cmの燃料電池システムの電圧低下は、製品の耐久目標レベルの20mV以内であった。それに対して、高低差Hが5cmおよび10cmの燃料電池システムDおよびEは、電圧低下が非常に大きく、製品目標レベルに到達していなかった。
2a 触媒層
2c 触媒層
3a ガス拡散層
3c ガス拡散層
4a 電極
4c 電極
7a 導電性セパレータ
7c 導電性セパレータ
32 燃料ガス生成器
33 燃料電池
37 加湿器
39 ガス清浄部
43 電力回路部
44 制御部
Claims (8)
- 原料ガス配管と;原料ガスから水素を含む燃料ガスを生成する燃料ガス生成器と;前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と;前記燃料ガス生成器から前記燃料ガスを前記燃料電池に供給する燃料ガス配管と;前記燃料電池からのオフガスを前記燃料ガス生成器に供給するオフガス配管と;酸化剤ガス配管と;酸化剤ガスを加湿する加湿器と;加湿された前記酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する加湿酸化剤ガス配管とを含む燃料電池システムであって、
ミストが前記燃料電池に混入することを防止するミスト混入防止手段を具備することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記ミスト混入防止手段が、前記加湿酸化剤ガス配管における15〜100cmの高低差を有する部分である請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記加湿酸化剤ガス配管が重力方向において上下するサーペンタイン状部分を有する請求項2記載の燃料電池システム。
- 前記サーペンタイン状部分の下部に水抜き弁を有する請求項3記載の燃料電池システム。
- 前記ミスト混入防止手段が、ミストを捕捉するミスト捕捉容器である請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記ミスト捕捉容器の下部に水抜き弁を有する請求項5記載の燃料電池システム。
- 重力方向において前記燃料電池および前記加湿器の位置を調節する高さ設定手段を具備する請求項1記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池と前記加湿器との高低差が15〜100cmである請求項7記載の燃料電池システム。
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