JP2007042649A - 燃料電池システム、および燃料電池システムの作動方法 - Google Patents

燃料電池システム、および燃料電池システムの作動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高温用電解質膜の寿命を延長させることが可能な燃料電池システムおよび作動方法を提供する。
【解決手段】酸を含む電解質膜の両面に設けられるアノード電極およびカソード電極を具備する複数のメンブレン電極アセンブリと、アノード電極とカソード電極と接触するように設置される複数の導電性プレートとからなる燃料電池スタックと、アノード電極に水素含有ガスを供給するアノード引き込みラインと、アノード電極で生成された副産物と未反応水素含有ガスとを排出するアノード排出ラインと、カソード電極に酸素ガスを供給するカソード引き込みラインと、カソード電極で生成された副産物と未反応酸素ガスとを排出するカソード排出ラインと、アノード引き込みラインに設置され、水素含有ガスの温度を選択的に下げる冷却装置と、水素含有ガスに含まれた水分を除去する除湿装置とを具備する燃料電池システムが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却装置を具備した燃料電池システムおよび作動方法に係り、さらに詳細には、燃料電池システムに流入される水素含有ガスをバイパスラインに設けられている冷却装置で、所定温度に下げ、除湿装置での除湿効率を向上させた燃料電池システムおよび作動方法に関する。
燃料電池はメタノール、エタノール、天然ガスのような炭化水素系の物質内に含まれている水素と酸素との化学反応エネルギーを直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。燃料電池は、使われる電解質の種類により、リン酸型燃料電池、溶融炭酸塩型燃料電池、固体酸化物型燃料電池、高分子電解質型またはアルカリ型燃料電池などに分類される。それぞれの燃料電池は、根本的に同じ原理により作動されるが、使われる燃料の種類、運転温度、触媒、電解質などが、互いに異なる。
高分子電解質膜燃料電池（ＰＥＭＦＣ：Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）は、他の燃料電池に比べて出力特性にすぐれ、かつ作動温度が低く、併せて始動が早く、早い応答特性を有し、自動車のような移動用電源はもとより、住宅、公共建物のような分散用電源、および電子機器用のような小型電源など、その応用範囲が広いという長所を有する。
ＰＥＭＦＣにおいて、高分子電解質膜の材料としては、一般的に、パーフルオロスルホン酸ポリマー、例えば、ＮＡＦＩＯＮＴＭのような高分子電解質が使われてきた。係る高分子電解質膜は、適量の水を含湿することにより、高いイオン伝導性を発揮することとなる。したがって、係る高分子電解質膜が高いイオン伝導性を発揮するためには、適量の水を含湿する必要があり、乾燥状態では、十分なイオン伝導性を発揮することはできない。
従来のＰＥＭＦＣは、上述した高分子電解質膜の乾燥問題により、主に１００℃以下の温度、例えば、８０℃ほどの温度で作動されてきた。しかし、約１００℃以下の低い作動温度により、次のような問題点が発生することが知られている。すなわち、ＰＥＭＦＣの代表的な燃料である水素富化ガスは、天然ガスまたはメタノールのような有機燃料を改質して得るが、かかる水素富化ガスは、副産物として二酸化炭素だけではなく、一酸化炭素も含有する。一酸化炭素は、カソードとアノードとに含まれている触媒を被毒するという傾向がある。一酸化炭素で被毒されてた触媒の電気化学的活性は、大きく低下し、それにより、ＰＥＭＦＣの作動効率および寿命も深刻に打撃を受ける。注目する点は、一酸化炭素が触媒を被毒する傾向は、ＰＥＭＦＣの作動温度が低いほど深刻化するということである。
ここで、ＰＥＭＦＣの作動温度を約１５０℃以上に上昇させれば、一酸化炭素による触媒被毒を回避でき、ＰＥＭＦＣの温度制御も非常に容易になる。したがって、燃料改質器の小型化および冷却装置の単純化が可能になり、それにより、ＰＥＭＦＣ発電システム全体を小型化できる。
また、上述した一酸化炭素による触媒被毒を回避可能な燃料電池システムに使われる電解質膜は、水素イオン伝導体として、水の代わりに酸を使用する。したがって、電解質膜内に酸含有量を維持することが非常に重要である。酸は、水に溶解されやすいので、液相の水と直接的に接触すれば、溶解されて電極を介して流失される。したがって、液相の水を電解質膜と直接的に接触させないことが重要である。
燃料電池の作動温度は、一酸化炭素による触媒被毒を回避するために、ほぼ１５０℃であるので、液相の水が一般的な稼動条件の下では、電極層に存在する可能性は稀薄であり、ほとんど気相に存在する。しかし、燃料電池の稼動を停止させれば、燃料電池スタックが常温に冷却されるので、電極に水が発生し、それにより、電解質膜内の酸が流失することとなる。したがって、燃料電池が冷却されても、液相の水を生成させないことが重要である。
このような中、燃料電池の冷却時に、電極に液相の水が発生することを防止するための技術が開発されている。例えば、特許文献１では、燃料電池の冷却時に、電極に液相の水が発生することを防止するために、乾燥剤（ｄｅｓｉｃｃａｎｔ）を燃料電池スタックに配置する方法を使用している。しかしながら、上記方法は、電極気孔内の水分を十分に除去し難いだけではなく、燃料電池の単位セル数が増加すればするほど、乾燥剤の量を増加させなければならないという短所がある。
米国特許第６４９２０４４号明細書
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、燃料電池システムの稼動停止時に、燃料電池スタックに入り込む水素含有ガス内の水分を効率的に除去する手段を具備した冷却装置を備えた燃料電池システムおよび作動方法を提供することである。
上記目的を達成するために、本発明の第１の観点によれば、酸を含む電解質膜の両面にそれぞれ設けられるアノード電極およびカソード電極を具備する複数のメンブレン電極アセンブリと、上記アノード電極と上記カソード電極と接触するように設置される複数の導電性プレートとからなる燃料電池スタックと、上記燃料電池スタックに連結され、上記アノード電極に水素含有ガスを供給するアノード引き込みラインと、上記燃料電池スタックに連結され、上記アノード電極で生成された副産物と未反応水素含有ガスとを排出するアノード排出ラインと、上記燃料電池スタックに連結され、上記カソード電極に酸素ガスを供給するカソード引き込みラインと、上記燃料電池スタックに連結され、上記カソード電極で生成された副産物と未反応酸素ガスとを排出するカソード排出ラインと、上記アノード引き込みラインに設置され、上記水素含有ガスの温度を選択的に下げる冷却装置と、上記水素含有ガスに含まれた水分を除去する除湿装置とを具備する燃料電池システムが提供される。
また、上記冷却装置は、上記アノード引き込みラインの水素含有ガスのフロー方向における、上記除湿装置の前段に設けられるバイパスラインに連結されるとしてもよい。
また、上記バイパスラインには、上記水素含有ガスを、選択的に上記バイパスラインに通過させる弁が設けられるとしてもよい。
また、上記冷却装置は、上記バイパスラインの外部を覆い包むパイプを備え、上記パイプには、冷却物質が供給されるとしてもよい。
また、上記冷却装置は、上記バイパスライン内部にコールドジャンクションが配置され、上記バイパスライン外部にホットジャンクションが配置された熱電素子であるとしてもよい。
また、上記除湿装置は、乾燥剤であるとしてもよい。
また、上記乾燥剤は、シリカゲルまたは分子体であるとしてもよい。
また、上記目的を達成するために、本発明の第２の観点によれば、燃料電池システムの稼動停止時には、冷却装置に水素含有ガスを通過させることにより、上記水素含有ガスの温度を下げて、上記温度が下げられた水素含有ガスを燃料電池スタックへ送り、燃料電池システムの稼動時には、水素含有ガスを冷却装置を通過させることなく、燃料電池スタックに送る燃料電池システムの作動方法が提供される。
また、上記冷却装置は、上記燃料電池システムの稼動停止時に、上記水素含有ガスの温度を水素含有ガスの露点温度以上に下げるとしてもよい。
また、上記冷却装置は、上記水素含有ガスの温度を７０〜７５℃以上に下げるとしてもよい。
本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池システムに流入する水素含有ガスを、バイパスラインに設置された冷却装置で所定の温度に下げ、除湿装置での除湿効果を向上させることにより、燃料電池システムの停止時に、電解質膜に含まれる酸の損失を防止することができる。したがって、本発明に係る燃料電池システムは、高温用電解質膜の寿命を延長させることができる。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の構成を示す概略図である。また、図２は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムに適用された単位セルの構成を概略的に示す断面図である。
図１を参照すると、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００は、数十ないし数百個の単位セル１０が積層された燃料電池スタック２０を具備する。各単位セル１０は、図２に示すように、ＭＥＡ（Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ Ａｓｓｅｍｂｌｙ；メンブレン電極アセンブリ）を具備する。
ＭＥＡは、リン酸が含浸された電解質膜１１の第１面に配置されたアノード電極１２と、電解質膜１１の第２面に配置されたカソード電極１３とを具備する。上記ＭＥＡの各面上には、各電極１２，１３に水素含有ガスまたは酸素含有ガスを供給する導電性プレート１４，１５が設置される。また、ＭＥＡには、ガスの移動通路である流路１４ａ、１５ａが設けられる。
燃料電池スタック２０には、アノード電極１２に水素含有ガスを供給するアノード引き込みライン３１と、アノード電極１２で生成された反応物および未反応の水素含有ガスを排出するアノード排出ライン３２とが連結されている。カソード電極１３には、酸素含有ガス、例えば、空気を供給するカソード引き込みライン３３と、カソード電極１３で生成された反応物および未反応の空気を排出するカソード排出ライン３４とが連結されている。燃料電池スタック２０には、アノード引き込みライン３１、アノード排出ライン３２、カソード引き込みライン３３、カソード排出ライン３４とそれぞれ連結された貫通孔２２が形成される。燃料電池スタック２０には、貫通孔２２が少なくとも４つ形成されているが、図１では、便宜上、２つの貫通孔を図示している。実際、各貫通孔２２は、１本のガスライン３１〜３４と連通される。
本発明のアノード引き込みライン３１には、水素含有ガスのバイパスライン４０が設置されている。アノード引き込みライン３１と連結されるバイパスライン４０の両端には、第１スリーウェイ弁４１および第２スリーウェイ弁４２が設置されている。また、バイパスライン４０には、水素含有ガスを冷却する冷却装置５０が設置されている。上記冷却装置５０は、ほぼ１５０℃の水素含有ガスを露点温度以上に冷却させる。
第２スリーウェイ弁４２および燃料電池スタック２０間のアノード引き込みライン３１には、除湿装置６０が設置される。除湿装置６０は、ガス中に含まれた水分を吸収するためのものである。除湿装置６０は、電解質膜１１の酸を溶解させる水分を事前に除去する。ここで、本発明の実施形態に係る除湿装置６０は、アノード引き込みライン３１を通過する水素含有ガスと接触する、例えば、シリカゲル、分子体などの乾燥剤でありうる。なお、除湿装置６０が乾燥剤に限られないことは、言うまでもない。
燃料電池システム１００のアノード電極１２に供給される水素含有ガスは、ほぼ１５０℃であり、その概略的な組成は、ＣＯ２＋５Ｈ２＋Ｈ２Ｏである。
一方、燃料電池システム１００を停止する場合、アノード電極１２に供給された水素含有ガスは、常温に冷却される。このとき、１分子の水は、２５℃で５／６モルが液体状態で存在し、１／６モルは、ガス状態で存在する。したがって、液体状態の水がアノード電極１２に存在すれば、水が電解質膜１１のリン酸を溶解させて電解質膜１１のリン酸濃度を下げ、したがって、燃料電池の性能を悪化させてしまう。
本発明の実施形態に係る冷却装置５０および除湿装置６０は、アノード電極１２に残っている水をアノード排出ライン３２に強制的に排出させるために使われる水素含有ガスの温度を下げ、上記除湿装置６０で水素含有ガスに含まれた水分を容易に除去するためのものである。
上記冷却装置５０は、アノード電極１２に流入されるガスの温度をほぼ１５０℃から、水素含有ガスの露点温度である６５℃以上、例えば、７０〜７５℃に下げる。このように、水素含有ガスの温度を下げれば、除湿装置６０が水素含有ガス内の水分を容易に除去することができる。すなわち、冷却装置５０は、除湿装置６０で除去される水分の量を増加させるためのものである。除湿装置６０を通過した水素含有ガスは、電極内に残っている水をアノード排出ライン３２に排出させる。
図３は、本発明の実施形態に係る冷却装置の第１の構成例を概略的に示す図面である。図３を参照すると、冷却装置５０は、水素含有ガスが通過するバイパスライン４０の外部を覆い包むパイプ５１を具備する。パイプ５１には、引き込み口５２と排出口５３とが形成されており、引き込み口５２および排出口５３を介して冷却物質、例えば、水または空気を通過させてバイパスライン４０内部の水素含有ガスの温度を下げる。
図４は、本発明の実施形態に係る冷却装置の第２の構成例を概略的に示す図面である。図４を参照すると、本発明の実施形態に係る冷却装置５０’としては、熱電素子が用いられる。上記熱電素子のコールドジャンクション５３をバイパスライン４０の内部に配置し、コールドジャンクション５３の両側に設けられているｐ型物質５４とｎ型物質５５とに所定の直流電流を流せば、コールドジャンクション５３は、熱を吸収し、吸収された熱は、ホットジャンクション５６、５７から放出される。したがって、バイパスライン４０の内部は、冷却される。ここで、上記熱電素子の冷却程度は、熱電素子に印加される直流電流の大きさにより調節が可能である。
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１００の作用について、図１を参照して詳細に説明する。
燃料電池システム１００の稼動を停止する場合、第１スリーウェイ弁４１および第２スリーウェイ弁４２を、水素含有ガスが冷却装置５０を通過するバイパスライン４０に転換する。冷却装置５０は、水素含有ガスを露点温度以上、例えば、ほぼ７０〜７５℃に冷却させる。冷却装置５０によって冷却された水素含有ガスは、除湿装置６０を通過しつつ水分が除去され、燃料電池スタック２０に引き込まれる。また、水素含有ガスは、アノード電極１２に残存する水分をブローし、アノード排出ライン３２を介して外部に排出される。したがって、燃料電池システム１００は、燃料電池システム１００の停止時に、残存する水分による電解質膜１１のリン酸の排出を防止しすることができるので、燃料電池システム１００の寿命を従来の燃料電池システムよりも延長することができる。
一方、再び燃料電池システム１００を作動する場合には。あらかじめ第１スリーウェイ弁４１および第２スリーウェイ弁４２を水素含有ガスがバイパスライン４０を通過しないように転換する。次に、ほぼ１５０℃の水素含有ガスは、除湿装置６０を通過しつつ、除湿装置６０としての乾燥剤に吸着された水分を蒸発させて燃料電池スタック２０およびアノード排出ライン３２を介して外部に排出する。このように、乾燥された乾燥剤は、燃料電池システム１００の稼動を停止する場合において、再度水分除去用に使用することが可能である。
（燃料電池システムの作動方法）
次に、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの作動方法について説明する。
燃料電池システムの稼動を停止する場合、冷却装置を用いて水素含有ガスを冷却する（Ｓ１００）。冷却装置は、水素含有ガスの温度を、水素含有ガスの露点温度以上の温度に下げる。ここで、上記水素含有ガスの露点温度以上の温度は、７０〜７５℃以上に下げることが望ましい。
ステップＳ１００で冷却された水素含有ガスは、除湿装置により除湿され、アノード電極に残存する水分を外部に排出する（Ｓ１０２）。したがって、燃料電池システムは、燃料電池システムの完全停止時に、残存する水分による電解質膜のリン酸の排出を防止しすることができる。
燃料電池システムを稼動させる場合、冷却装置を通過させない（Ｓ１０４）。したがって、燃料電池システムの稼動には、水素含有ガスは冷却されない。ここで、燃料電池システムの稼動時における水素含有ガスの温度は、１５０℃ほどとなる。
ステップＳ１０４において、冷却装置を通過しない水素含有ガスは、除湿装置が吸着した水分を蒸発させ、アノード電極に供給される（Ｓ１０６）。したがって、除湿装置は、水分の吸着機能を回復し、燃料電池システムの稼動が再度停止された場合には、水素含有ガスを除湿することができる。
以上に示したように、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの作動方法は、燃料電池システムの稼動を停止する場合、あるいは、燃料電池システムを稼動させる場合に応じて、水素含有ガスを冷却するか否かを変更する。本発明の実施形態に係る燃料電池システムの作動方法は、水素含有ガスを冷却するか否かを適宜変更することにより、燃料電池システムの稼動停止時には、燃料電池スタックに入り込む水素含有ガス内の水分を効率的に除去することができる。また、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの作動方法は、燃料電池システムの作動時には、アノード電極に水素含有ガスを供給するとともに、燃料電池システムの稼動停止時に水素含有ガス内の水分を除湿するための除湿機能の回復を図ることができる。したがって、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの作動方法を適用した燃料電池システムは、電解質膜に含まれる酸の損失を防止することが可能となるので、高温用電解質膜の寿命を延長させることができる。
本発明の実施形態に係る冷却装置を具備した燃料電池システムおよび作動方法は、例えば、燃料電池関連の技術分野に効果的に適用可能である。
本発明の実施形態に係る燃料電池システムの構成を示す概略図である。 本発明の実施形態に係る燃料電池システムに適用された単位セルの構成を概略的に示す断面図である。 本発明の実施形態に係る冷却装置の第１の構成例を概略的に示す図面である。 本発明の実施形態に係る冷却装置の第２の構成例を概略的に示す図面である。
符号の説明
１０ 単位セル
１１ 電解質膜
１２ アノード電極
１３ カソード電極
１４、１５ プレート
１４ａ、１５ａ 流路
２０ 燃料電池スタック
２２ 貫通孔
３１ アノード引き込みライン
３２ アノード排出ライン
３３ カソード引き込みライン
３４ カソード排出ライン
４０ バイパスライン
４１ 第１スリーウェイ弁
４２ 第２スリーウェイ弁
５０、５０’ 冷却装置
５１ パイプ
５２ 引き込み口
５３ 排出口
５４ ｐ型物質
５５ ｎ型物質
５６、５７ ホットジャンクション
６０ 除湿装置
１００ 燃料電池システム

Claims (10)

  1. 酸を含む電解質膜の両面にそれぞれ設けられるアノード電極およびカソード電極を具備する複数のメンブレン電極アセンブリと、前記アノード電極と前記カソード電極と接触するように設置される複数の導電性プレートとからなる燃料電池スタックと；
    前記燃料電池スタックに連結され、前記アノード電極に水素含有ガスを供給するアノード引き込みラインと；
    前記燃料電池スタックに連結され、前記アノード電極で生成された副産物と未反応水素含有ガスとを排出するアノード排出ラインと；
    前記燃料電池スタックに連結され、前記カソード電極に酸素ガスを供給するカソード引き込みラインと；
    前記燃料電池スタックに連結され、前記カソード電極で生成された副産物と未反応酸素ガスとを排出するカソード排出ラインと；
    前記アノード引き込みラインに設置され、前記水素含有ガスの温度を選択的に下げる冷却装置と；
    前記水素含有ガスに含まれた水分を除去する除湿装置と；
    を具備することを特徴とする、燃料電池システム。
  2. 前記冷却装置は、前記アノード引き込みラインの水素含有ガスのフロー方向における、前記除湿装置の前段に設けられるバイパスラインに連結されることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記バイパスラインには、前記水素含有ガスを、選択的に前記バイパスラインに通過させる弁が設けられることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
  4. 前記冷却装置は、前記バイパスラインの外部を覆い包むパイプを備え、
    前記パイプには、冷却物質が供給されることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
  5. 前記冷却装置は、前記バイパスライン内部にコールドジャンクションが配置され、前記バイパスライン外部にホットジャンクションが配置された熱電素子であることを特徴とする、請求項２に記載の燃料電池システム。
  6. 前記除湿装置は、乾燥剤であることを特徴とする、請求項１に記載の燃料電池システム。
  7. 前記乾燥剤は、シリカゲルまたは分子体であることを特徴とする、請求項６に記載の燃料電池システム。
  8. 燃料電池システムの稼動停止時には、冷却装置に水素含有ガスを通過させることにより、前記水素含有ガスの温度を下げて、前記温度が下げられた水素含有ガスを燃料電池スタックへ送り、燃料電池システムの稼動時には、水素含有ガスを冷却装置を通過させることなく、燃料電池スタックに送ることを特徴とする、燃料電池システムの作動方法。
  9. 前記冷却装置は、前記燃料電池システムの稼動停止時に、前記水素含有ガスの温度を水素含有ガスの露点温度以上に下げることを特徴とする、請求項８に記載の燃料電池システム。
  10. 前記冷却装置は、前記水素含有ガスの温度を７０〜７５℃以上に下げることを特徴とする、請求項９に記載の燃料電池システムの作動方法。
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