JP2006004748A - 固体高分子形燃料電池の冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料ガス中に含まれるＣＯ₂ を冷却水中に溶解させないで、冷却水を冷却水循環経路を経て燃料電池に循環して送ることによりＣＯ₂ に起因する気泡や腐食の問題を解決した固体高分子形燃料電池の冷却装置の提供。
【解決手段】 冷却水の入った酸化剤加湿タンク３Ａを経て加湿された空気などの酸化剤と、酸化剤加湿タンク３Ａから移送される冷却水と間接的に熱交換される加湿用水の入った燃料ガス加湿タンク４Ａを経て加湿された燃料ガスによって発電する固体高分子形燃料電池１Ａの冷却装置であって、酸化剤加湿タンク３Ａ、燃料ガス加湿タンク４Ａ、熱交換装置２２および燃料電池１Ａを順次連結して冷却水を燃料電池１Ａに循環して送る構成とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば家庭用の小型電源として好適な固体高分子形燃料電池の冷却装置に関するものである。

近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系燃料ガスを水素に改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器と、このようにして得られた水素（改質ガス）と空気中の酸素などの酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池の電極部を冷却するとともに反応ガスの加湿のためのイオン交換樹脂などの水処理装置で処理された水（純水）を収納した水タンクなどを備えた小型電源としての固体高分子形燃料電池発電装置が提案されている（例えば特許文献１、２参照）。

固体高分子形燃料電池発電装置で使用する固体高分子電解質膜は含水させることによりプロトン導電性電解質として機能するもので、固体高分子形燃料電池においては、反応空気や燃料ガスなどの反応ガスに水蒸気を飽和に含ませて電極部に供給して運転する方法が採られている。

燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に空気を供給すると、燃料極では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成される。

図２に従来の燃料電池（ＰＥＦＣ）を示す。
燃料電池１は、図示しない脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経て供給される燃料ガスを加湿するための冷却水の入った燃料ガス加湿タンク４および加湿後の燃料ガスを燃料電池１の燃料極１ａへ供給するラインを備え、そして空気をポンプ２によって供給して加湿するための加湿用水の入った酸化剤加湿タンク３および加湿後の空気を燃料電池１の空気極１ｋへ供給するラインを備えるとともに、燃料ガス加湿タンク４中の冷却水をポンプ５により管路６を経て燃料電池１の冷却部１ｃへ供給するラインおよび燃料ガス加湿タンク４中の冷却水の一部を酸化剤加湿タンク３へ移送して加湿用水と間接的に熱交換して管路７、６を経て燃料電池１の冷却部１ｃへ供給するライン、冷却部１ｃからの冷却水を燃料ガス加湿タンク４へ送るラインからなる冷却水循環経路を備え、冷却水を冷却水循環経路を経て燃料電池１に循環して送る冷却装置を備えている。

水素濃度の高い水性ガス（燃料ガス）が燃料ガス加湿タンク４に供給され燃料ガス加湿タンク４内の冷却水中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。このようにして、燃料電池１における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の燃料ガスが燃料電池１の燃料極１ａに供給される。８はバブリング用の多孔板である。

一方、酸化剤加湿タンク３に空気などの酸化剤がポンプ２により供給され酸化剤加湿タンク３内の加湿用水中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。このようにして、燃料電池１における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池１の空気極１ｋに供給される。９はバブリング用の多孔板である。

燃料電池１では、燃料極１ａに供給された改質ガス中の水素と、空気極１ｋへ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。燃料電池１の冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池１が過熱しないようにするため、燃料電池１の電極１ａ、１ｋに並置された冷却装置であり、冷却部１ｃに、燃料ガス加湿タンク４の冷却水をポンプ５で管路６を通して循環させ、この冷却水で燃料電池１内の温度が発電に適した温度に保たれるように制御している。このようにして燃料電池１では所定の化学反応と発電が継続される。

１０は冷却水循環経路の冷却部１ｃの出口に設置した温度センサ（設定値：例えば７８〜８０℃）であり、温度センサ１０で検出した温度が設定値を越えた場合は図示しない制御装置から信号を電磁弁１１に送り、電磁弁１１を開けて燃料ガス加湿タンク４の冷却水を管路７を通して適量酸化剤加湿タンク３へ送り酸化剤加湿タンク３の加湿用水と間接的に熱交換して冷却した冷却水を管路７を経て管路６中の冷却水に加えて燃料電池１に循環して送り、燃料電池１内の温度を発電に適した温度に制御する。１２は冷却水循環経路の酸化剤加湿タンク４の上部気相部に設置したシャワー用の多孔板であり、燃料ガスの加湿を補助する。

図３は、従来の燃料電池の１形態である固体高分子型燃料電池の単セルの基本構成を示す分解断面図である。高分子イオン交換膜（例えば、スルホン酸基を持つフッ素樹脂系イオン交換膜）などの固体高分子電解質膜１３の両側の主面にそれぞれ貴金属（主として白金）を含む空気極側触媒層１４および燃料極側触媒層１５を接合してセルが構成される。空気極側触媒層１４および燃料極側触媒層１５と対向して、それぞれ空気極側ガス拡散層１６および燃料極側ガス拡散層１７が配置される。これによりそれぞれ空気極１ｋおよび燃料極１ａが構成される。これらのガス拡散層１６および１７は、それぞれ酸化剤ガスおよび燃料ガスを通過させると同時に、電流を外部に伝える働きをする。そして、セルに面して、反応ガス流通用のガス流路１８を備え、相対する主面に冷却水流通用の冷却水流路１９を備えた導電性でかつガス不透過性の材料（例えばカーボン）よりなる一組のセパレータ２０により挟持して単セル２１が構成される。
燃料電池１は多数の単セル２１を積層し、図示しない集電板、電気絶縁と熱絶縁を目的とする絶縁板ならびに荷重を加えて積層状態を保持するための締付板によって挟持し、ボルトとナットにより締め付けられて構成されている。
特開２００３−２１７６２０号公報 特開２００３−２１７６２３号公報

しかし、従来の固体高分子形燃料電池は、脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経て供給される燃料ガス（ＣＯ₂ を含む改質ガス）を冷却水の入った燃料ガス加湿タンクへ供給して加湿するため、燃料ガス中に含まれるＣＯ₂ が冷却水に溶解し、ＣＯ₂ が溶解して酸性になった冷却水が冷却水循環経路を経て燃料電池の多数の微細な冷却水流路を備えた冷却部へ供給されると、溶解したＣＯ₂が冷却水中で気泡となって燃料電池の冷却部の冷却水流路に停滞、滞留するなどにより冷却水の均一な流れが損なわれたり、冷却水が流れなくなったりして冷却が不十分となり、燃料電池内の温度を発電に適した温度に均一に保つことができなくなり、効率のよい発電を継続して行うことができなくなる問題があるとともに、燃料ガス加湿タンク、冷却水循環経路などが腐食して、冷却水循環経路や冷却水流路を狭めたり、錆が剥離して冷却水循環経路や燃料電池の冷却部の微細な冷却水流路を閉塞したりするので、冷却水の均一な流れが損なわれたり、冷却水が流れなくなったりして冷却が不十分となり、燃料電池内の温度を発電に適した温度に均一に保つことができなくなり、効率のよい発電を継続して行うことができなくなる問題があった。

本発明の目的は、燃料ガス中に含まれるＣＯ₂ を冷却水中に溶解させないようにして、冷却水を冷却水循環経路を経て燃料電池へ循環して送ることにより、ＣＯ₂ に起因する気泡や腐食の問題を解決し、燃料電池内の温度を発電に適した温度に均一に保ち、効率のよい発電を継続して行うことができる固体高分子形燃料電池の冷却装置を提供することである。

上記課題を解消するための本発明の請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の冷却装置は、冷却水の入った酸化剤加湿タンクを経て加湿された空気などの酸化剤と、前記酸化剤加湿タンクから移送される冷却水と間接的に熱交換される加湿用水の入った燃料ガス加湿タンクを経て加湿された燃料ガスによって発電する固体高分子形燃料電池の冷却装置であって、
前記酸化剤加湿タンク、前記燃料ガス加湿タンク、熱交換装置および前記燃料電池を順次連結して冷却水を前記燃料電池に循環して送る構成としたことを特徴とする。

本発明の請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の冷却装置は、冷却水の入った酸化剤加湿タンクを経て加湿された空気などの酸化剤と、前記酸化剤加湿タンクから移送される冷却水と間接的に熱交換される加湿用水の入った燃料ガス加湿タンクを経て加湿された燃料ガスによって発電する固体高分子形燃料電池の冷却装置であって、前記酸化剤加湿タンク、前記燃料ガス加湿タンク、熱交換装置および前記燃料電池を順次連結して冷却水を前記燃料電池に循環して送る構成としたので、
燃料ガスは冷却水に接触することなく加湿用水で加湿され、燃料ガス中に含まれるＣＯ₂ が冷却水中に溶解しなくなり、それによりＣＯ₂ に起因する気泡や腐食の問題がなくなり、燃料電池内の温度を発電に適した温度に均一に保ち、効率のよい発電を継続して行うことができる、という顕著な効果を奏する。
また適当な熱容量を有する加湿タンクを用いて加湿することにより、負荷変動など外乱が生じても、加湿タンクの水温に相当する露点に維持することができ、燃料電池の温度が例え変動した際も、それに連れて露点が変動するので安定した露点制御が可能になり、燃料電池における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応ガスを燃料電池に供給できる効果があるとともに、燃料電池からでた冷却水中で空気などの酸化剤を直接バブリングして加湿することで高い酸化剤露点を確保できるという効果がある。

次に本発明を図を用いて実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池の冷却装置の１例を模式的に説明する説明図である。
図１に示したように燃料電池１Ａは、空気をポンプ２Ａによって供給して加湿するための冷却水の入った酸化剤加湿タンク３Ａおよび加湿後の空気を燃料電池１Ａの空気極１ｋへ供給する管路３Ｂを備えるとともに、図示しない脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経て供給される燃料ガスを加湿するための加湿用水の入った燃料ガス加湿タンク４Ａおよび加湿後の燃料ガスを燃料電池１Ａの燃料極１ａへ供給する管路４Ｂを備え、そして酸化剤加湿タンク３Ａ中の冷却水をポンプ５Ａにより燃料ガス加湿タンク４Ａへ移送する管路６Ａ、燃料ガス加湿タンク４Ａ中で加湿用水と間接的に熱交換した後、冷却水を熱交換装置２２で熱交換して温度制御するための管路６Ｂ、その後、燃料電池１Ａの冷却部１ｃへ冷却水を供給する管路６Ｃおよび冷却部１ｃからの冷却水を酸化剤加湿タンク３Ａへ送る管路６Ｄからなる冷却水循環経路を備え、冷却水を冷却水循環経路を経て燃料電池１Ａに循環して送る冷却装置を備えている。

図示しない脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器を経て供給される水素濃度の高い水性ガス（改質ガス）（燃料ガス）が燃料ガス加湿タンク４Ａに供給され燃料ガス加湿タンク４Ａ内の加湿用水（例えば７３〜７６℃）中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池１Ａにおける反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の燃料ガスが燃料電池１Ａの燃料極１ａに供給される。
８はバブリング用の多孔板である。

一方、酸化剤加湿タンク３Ａに空気などの酸化剤がポンプ２Ａにより供給され酸化剤加湿タンク３Ａ内の冷却水（例えば７５〜７８℃）中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池１Ａにおける反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池１Ａの空気極１ｋに供給される。
９はバブリング用の多孔板である。

燃料電池１Ａでは、燃料極１ａに供給された改質ガス中の水素と、空気極１ｋへ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
燃料電池１Ａの冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池１Ａが過熱しないようにするため、燃料電池１Ａの電極１ａ、１ｋに並置された冷却装置であり、酸化剤加湿タンク３Ａの冷却水をポンプ５Ａで管路６Ａを経て燃料ガス加湿タンク４Ａへ移送して加湿用水と間接的に熱交換した後、管路６Ｂを経て熱交換装置２２で熱交換して温度制御した後、管路６Ｃを通して燃料電池１Ａの冷却部１ｃへ供給して燃料電池１Ａの冷却に使用し、冷却部１ｃからの冷却水を管路６Ｄを通して酸化剤加湿タンク３Ａへ戻して循環させ、この冷却水で燃料電池１Ａ内の温度が発電に適した温度（例えば７８〜８０℃程度）に保たれるように制御している。このようにして燃料電池１Ａでは所定の化学反応と発電が継続される。
１２Ａは冷却水循環経路の酸化剤加湿タンク３Ａの上部気相部に設置したシャワー用の多孔板であり、酸化剤の加湿を補助する。

前記のように燃料電池１Ａは、冷却水の入った酸化剤加湿タンク３Ａを経て加湿された空気などの酸化剤と、酸化剤加湿タンク３Ａから移送される冷却水と間接的に熱交換される加湿用水の入った燃料ガス加湿タンク４Ａを経て加湿された燃料ガスによって発電するものであり、酸化剤加湿タンク３Ａ、ポンプ５Ａ、燃料ガス加湿タンク４Ａ、熱交換装置２２および燃料電池１Ａの冷却部１ｃを管路６Ａ〜６Ｄにより順次連結して冷却水を燃料電池１Ａに循環して送る構成としたので、燃料ガスは冷却水に接触することなく加湿用水で加湿され、燃料ガス中に含まれるＣＯ₂ が冷却水中に溶解することがなくなり、それによりＣＯ₂ に起因する気泡や腐食の問題がなくなり、燃料電池１Ａ内の温度を発電に適した温度に均一に保ち、効率のよい発電を継続して行うことができる。
適当な熱容量を有する加湿タンク３Ａ、４Ａを用いて加湿することにより、負荷変動など外乱が生じても、反応ガスを加湿タンク３Ａ、４Ａの水温に相当する露点に維持することができ、燃料電池１Ａの温度が例え変動した際も、それに連れて露点が変動するので安定した露点制御が可能になり、燃料電池１Ａにおける反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応ガスを燃料電池１Ａに供給できる効果があるとともに、燃料電池１Ａからでた冷却水中で空気などの酸化剤を直接バブリングして加湿することで高い酸化剤露点を確保できる。

次に燃料電池１Ａ（システム出力定格値７５０Ｗ時）を連続安定運転した際の各部の温度の例を示す。
冷却部１ｃの入口近傍の管路６Ｃ中の冷却水温度 ６９℃
冷却部１ｃの出口近傍の管路６Ｄ中の冷却水温度 ７４℃
酸化剤加湿タンク３Ａの入口近傍の管路６Ｄ中の冷却水温度 ７２℃
燃料ガス加湿タンク４Ａの出口近傍の管路６Ｂ中の冷却水温度６９℃
燃料極１ａの入口近傍の管路４Ｂ中の燃料ガス温度 ７０℃
空気極１ｋの入口近傍の管路３Ｂ中の空気温度 ６８℃

なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。

本発明の請求項１に記載の固体高分子形燃料電池の冷却装置は、冷却水の入った酸化剤加湿タンクを経て加湿された空気などの酸化剤と、前記酸化剤加湿タンクから移送される冷却水と間接的に熱交換される加湿用水の入った燃料ガス加湿タンクを経て加湿された燃料ガスによって発電する固体高分子形燃料電池の冷却装置であって、
前記酸化剤加湿タンク、前記燃料ガス加湿タンク、熱交換装置および前記燃料電池を順次連結して冷却水を前記燃料電池に循環して送る構成としたので、
燃料ガスの加湿は冷却水に接触することなく加湿用水で加湿され、燃料ガス中に含まれるＣＯ₂ が冷却水中に溶解することがなくなり、それによりＣＯ₂ に起因する気泡や腐食の問題がなくなり、燃料電池内の温度を発電に適した温度に均一に保ち、効率のよい発電を継続して行うことができる、という顕著な効果を奏するので、産業上の利用価値が高い。

本発明による固体高分子形燃料電池の冷却装置の一実施形態を示す説明図である。 従来の固体高分子形燃料電池の冷却装置を示す説明図である。 固体高分子形燃料電池の単セルの基本構成を示す分解断面図である。

符号の説明

１、１Ａ 燃料電池
１ａ 燃料極
１ｋ 空気極
１ｃ 冷却部
２、２Ａ、５、５Ａ ポンプ
３、３Ａ 酸化剤加湿タンク
４、４Ａ 燃料ガス加湿タンク
６、６Ａ〜６Ｄ、７ 管路
１３ 固体高分子電解質膜
１８ ガス流路
１９ 冷却水流路
２２ 熱交換装置

Claims (1)

1. 冷却水の入った酸化剤加湿タンクを経て加湿された空気などの酸化剤と、前記酸化剤加湿タンクから移送される冷却水と間接的に熱交換される加湿用水の入った燃料ガス加湿タンクを経て加湿された燃料ガスによって発電する固体高分子形燃料電池の冷却装置であって、
   前記酸化剤加湿タンク、前記燃料ガス加湿タンク、熱交換装置および前記燃料電池を順次連結して冷却水を前記燃料電池に循環して送る構成としたことを特徴とする固体高分子形燃料電池の冷却装置。

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