JP2007234519A - 固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 発電運転停止に伴う固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を省スペースで抑制することができる固体高分子電解質形燃料電池発電システム及びその運転方法を提供する。
【解決手段】 海水１００中に位置する水中航行体１０１の内部に搭載される固体高分子電解質形燃料電池発電システム１０において、燃料電池本体１１を温調する温調水４の循環流路に、水中航行体１０１の外部へ露出する冷却管１１５からなるバイパスを設け、運転停止の際に温調水４を冷却管１１５内に流通させて燃料電池本体１１内を１℃／分以上の降温速度で冷却して結露を生じさせて、十分に湿潤させて乾燥しにくくすることにより、燃料電池本体１１内に水素と酸素とが残存していても、固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を抑制できるようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法に関し、特に、水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置する場合に適用すると極めて有効なものである。

固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだセルをセパレータと共に複数積層したスタックを備える燃料電池本体に対して、水素ガスを含有する燃料ガスを加湿しながら当該燃料電池本体の燃料極膜側に供給し、酸素ガスを含有する酸化ガスを加湿しながら当該燃料電池本体の酸化極膜側に供給すると共に、当該燃料電池本体に温調水を流通させて当該燃料電池本体を発電運転温度（６０〜８０℃）に保持することにより、水素ガスと酸素ガスとを上記セルで電気化学的に反応させて、電力を得ることができるようにしたものである。

このような固体高分子形燃料電池発電システムにおいては、発電運転を停止する、すなわち、燃料ガス及び酸化ガスの供給を停止すると共に、温調水の送給を停止すると、燃料電池本体の前記セルの固体高分子電解質膜が乾燥していく状態で、燃料電池本体の内部に残存する水素と酸素とが上記セルで電気化学的に反応してしまうため、当該固体高分子電解質膜が破れ等の損傷を生じてしまう場合があった。

このため、上述したような固体高分子形燃料電池発電システムでは、発電運転を停止すると、燃料電池本体の燃料極膜側及び酸化極膜側に窒素ガス等の不活性ガスを送給して、燃料電池本体内に残存する水素ガス及び酸素ガスを当該燃料電池本体内からパージして当該燃料電池本体内を不活性ガス雰囲気とすることにより、固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を抑制するようにしている。

特許第３５６４１８０号公報

しかしながら、前述したような固体高分子形燃料電池発電システムを、例えば、水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置される発電システムに適用しようとすると、設置スペースが狭小であるため、嵩張ってしまう不活性ガスを前述したような保護のためだけにわざわざ搭載することに難点があった。

このようなことから、本発明は、発電運転停止に伴う固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を省スペースで抑制することができる固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法を提供することを目的とする。

前述した課題を解決するための、第一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだセルを備える燃料電池本体と、前記燃料電池本体の前記燃料極膜側に水素ガスを含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体の前記酸化極膜側に酸素ガスを含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池本体に温調水を流通させて当該燃料電池本体を発電運転温度に保持する温調水送給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体内に結露を生じさせるように当該燃料電池本体を冷却する急冷手段を備えていることを特徴とする。

第二番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、固体高分子電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだセルを備える燃料電池本体と、前記燃料電池本体の前記燃料極膜側に水素ガスを含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池本体の前記酸化極膜側に酸素ガスを含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、前記燃料電池本体に温調水を流通させて当該燃料電池本体を発電運転温度に保持する温調水送給手段とを備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、前記燃料電池本体を１℃／分以上の降温速度で冷却する急冷手段を備えていることを特徴とする。

第三番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第二番目の発明において、前記急冷手段が、前記温調水送給手段の前記温調水を１℃／分以上の降温速度で冷却する温調水急冷手段であることを特徴とする。

第四番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第三番目の発明において、前記温調水急冷手段が、前記温調水送給手段の前記温調水と３０℃以下の冷媒との間で熱交換させる熱交換手段を備えていることを特徴とする。

第五番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第三番目の発明において、前記温調水急冷手段が、冷却水を流通させる冷却水流通手段と、前記冷却水流通手段の前記冷却水と３０℃以下の冷媒との間で熱交換させる第一の熱交換手段と、前記冷却水流通手段の前記冷却水と前記温調水送給手段の前記温調水との間で熱交換させる第二の熱交換手段とを備えていることを特徴とする。

第六番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第二番目の発明において、前記急冷手段が、前記温調水を流通させる前記燃料電池本体の流通路に冷却水を流通させる冷却水流通手段と、前記冷却水流通手段の前記冷却水と３０℃以下の冷媒との間で熱交換させる熱交換手段とを備えていることを特徴とする。

第七番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目又は第二番目の発明において、前記急冷手段が、内部に前記燃料電池本体を入れられる容器と、前記容器内に冷却水を流通させる冷却水流通手段と、前記冷却水流通手段の前記冷却水と３０℃以下の冷媒との間で熱交換させる熱交換手段とを備えていることを特徴とする。

第八番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第一番目から第七番目の発明のいずれかにおいて、水中に位置する閉空間内に設置されるものであり、前記急冷手段が、上記閉空間の周囲の上記水を利用して前記燃料電池本体を冷却するものであることを特徴とする。

第九番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、第八番目の発明において、前記閉空間の周囲の前記水が海水であることを特徴とする。

また、前述した課題を解決するための、第十番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転方法は、第一番目の固体高分子形燃料電池発電システムの運転方法であって、発電運転を停止するときに、前記急冷手段により、当該燃料電池本体内に結露を生じさせるように当該燃料電池本体を冷却することを特徴とする。

第十一番目の発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムの運転方法は、第二番目の固体高分子形燃料電池発電システムの運転方法であって、発電運転を停止するときに、前記急冷手段により、前記燃料電池本体を１℃／分以上の降温速度で冷却することを特徴とする。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法によれば、発電運転を停止するときに、急冷手段で燃料電池本体内に結露を生じさせ、燃料電池本体内を十分に湿潤させることができるので、燃料電池本体内に水素と酸素とが残存していても、セルの固体高分子電解質膜を始めとして燃料電池本体内を乾燥しにくくすることができ、発電運転停止に伴う固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を省スペースで抑制することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法の実施形態を図面に基づいて以下に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態のみに限定されるものではない。

［第一番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法の第一番目の実施形態を図１に基づいて説明する。図１は、固体高分子形燃料電池発電システムを水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置した場合の概略構成図である。

図１に示すように、海水１００中に位置する閉空間である水中航行体１０１の内部には、固体高分子電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだセルをセパレータと共に複数積層したスタックを備える燃料電池本体１１が配設されている。

燃料電池本体１１の燃料ガス供給口には、燃料ガスである水素ガス１を送給する燃料ガス供給源である水素ボンベ１２が連絡している。水素ボンベ１２と燃料電池本体１１の燃料ガス供給口との間には、水素ボンベ１２からの水素ガス１を加湿する燃料ガス加湿手段である加湿器１４ａが設けられている。燃料電池本体１１の酸化ガス供給口には、酸化ガスである酸素ガス２を送給する酸化ガス供給源である酸素ボンベ１３が連絡している。酸素ボンベ１３と燃料電池本体１１の酸化ガス供給口との間には、酸素ボンベ１３からの酸素ガス２を加湿する酸化ガス加湿手段である加湿器１４ｂが設けられている。

燃料電池本体１１の燃料ガス排出口は、送給ブロア１５ａの受入口に連絡している。送給ブロア１５ａの送出口は、排ガス処理器１６の受入口に連絡すると共に、上記燃料電池本体１１の前記燃料ガス供給口に連絡している。燃料電池本体１１の酸化ガス排出口は、送給ブロア１５ｂの受入口に連絡している。送給ブロア１５ｂの送出口は、前記排ガス処理器１６の受入口に連絡すると共に、上記燃料電池本体１１の前記酸化ガス供給口に連絡している。

排ガス処理器１６の送出口は、排出ポンプ１７の受入口に連絡している。排出ポンプ１７の排出口は、水中航行体１０１の外部へ連絡している。

燃料電池本体１１の温調水供給口には、温調水４を貯留すると共に温調水４を所定の温度（６０〜８０℃）に調整する温調水タンク１８が連絡している。温調水タンク１８と燃料電池本体１１の温調水供給口との間には、温調水タンク１８内の温調水４を燃料電池本体１１内に送給する温調水ポンプ１９が配設されている。燃料電池本体１１の温調水排出口は、上記温調水タンク１８に連絡している。

温調水ポンプ１９の送出口と燃料電池本体１１の温調水供給口との間には、バルブ１１１が配設されている。温調水ポンプ１９と上記バルブ１１１との間には、水中航行体１０１の外部へ露出する冷却管１１５の一端側が連絡している。上記バルブ１１１と燃料電池本体１１との間には、上記冷却管１１５の他端側が連絡している。この冷却管１１５の一端側近傍には、バルブ１１２が設けられている。

なお、本実施形態では、温調水タンク１８、温調水ポンプ１９等により、温調水送給手段を構成し、冷却管１１５等により、熱交換手段を構成し、当該熱交換手段、前記バルブ１１１，１１２等により、急冷手段である温調水急冷手段を構成している。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１０の運転方法を次に説明する。

〈発電運転開始〉
まず、前記バルブ１１１を開放する一方、前記バルブ１１２を閉止し、温調水ポンプ１９を作動させて、温調水タンク１８内の温調水４を燃料電池本体１１内に送給し、燃料電池本体１１内の温調水流通路に温調水４を流通させて燃料電池本体１１を発電運転温度（６０〜８０℃）に保持し、水素ガス用ブロア１５ａを作動させ、水素ボンベ１２内から水素ガス１を送出して加湿器１４ａで加湿しながら燃料電池本体１１の燃料極膜側に送給すると共に、酸素ガス用ブロア１５ｂを作動させ、酸素ボンベ１３内から酸素ガス２を送出して加湿器１４ｂで加湿しながら燃料電池本体１１の酸化極膜側に送給すると、水素ガスと酸素ガスとが燃料電池本体１１の前記セルにおいて電気化学的に反応して、電力が発生する。

燃料電池本体１１の前記セルに供給された使用済みの前記ガス１，２は、燃料電池本体１１から排出されて、前記ブロア１５ａ，１５ｂを介して、その一部が、当該燃料電池本体１１の前記供給口にそれぞれ送給され、前記ボンベ１１，１２からの新たな前記ガス１，２と共に燃料電池本体１１内に再び供給されることにより、未使用分が再利用されると共に、残りが、排ガス処理器１６に送給されて、反応処理されて水３となり、排出ポンプ１７により、水中航行体１０１の外部の海水１００中へ排水される。他方、燃料電池本体１１内から送出される前記温調水４は、温調水タンク１８内に戻されて、燃料電池本体１１内に再び送給される。

〈発電運転停止〉
そして、発電運転を停止する場合には、前記ブロア１５ａ，１５ｂの作動を停止し、前記ボンベ１２，１３からの前記ガス１の送給を停止し、前記温調水タンク１８による温調水４の温調を停止すると共に、前記バルブ１１２を開放して前記バルブ１１１を閉止して、温調水４を冷却管１１５内に流通させると、温調水４が、水中航行体１０１の周囲の海水１００（約４℃）と熱交換し、急速に冷却されながら燃料電池本体１１内の温調水流通路を流通する。これにより、燃料電池本体１１内は、発電運転温度（６０〜８０℃）から急速に冷却されて（降温速度：１℃／分以上）結露を生じ、前記スタック内が十分に湿潤するようになる。

つまり、燃料電池本体１１の運転を停止するときに、燃料電池本体１１内に結露を生じさせるように燃料電池本体１１を冷却するようにしたのである。

このため、燃料電池本体１１内に水素と酸素とが残存していても、前記セルの固体高分子電解質膜を始めとして前記スタック内が十分に湿潤して乾燥しにくくなっているので、当該固体高分子電解質膜の破れ等の損傷が抑制されるようになる。

したがって、本実施形態によれば、嵩張ってしまう不活性ガスを搭載しなくても済ますことができるので、発電運転停止に伴う固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を省スペースで抑制することができる。

［第二番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法の第二番目の実施形態を図２に基づいて説明する。図２は、固体高分子形燃料電池発電システムを水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置した場合の概略構成図である。なお、前述した第一番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一番目の実施形態での説明と同様な説明を省略する。

図２に示すように、温調水ポンプ１９の送出口は、熱交換器１２６の一方の受入口に連絡している。この熱交換器１２６の一方の送出口は、燃料電池本体１１の温調水供給口に連絡している。当該熱交換器１２６の他方の受入口には、水中航行体１０１の外部へ露出する冷却管１１５の一端側が連絡している。この冷却管１１５の他端側は、循環ポンプ１２３の送出口に連絡している。循環ポンプ１２３の受入口には、冷却水５を貯留する冷却水タンク１２４が連絡している。上記熱交換器１２６の他方の送出口は、上記冷却水タンク１２４に連絡している。

なお、本実施形態では、循環ポンプ１２３、冷却水タンク１２４等により、冷却水流通手段を構成し、冷却管１１５等により、第一の熱交換手段を構成し、熱交換器１２６等により、第二の熱交換手段を構成し、当該冷却水流通手段、当該第一の熱交換手段、当該第二の熱交換手段等により、急冷手段である温調水急冷手段を構成している。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム２０においては、前述した第一番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１０の場合と同様に操作することにより、発電運転を行うことができる。

そして、発電運転を停止する場合には、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、前記ブロア１５ａ，１５ｂの作動を停止すると共に、前記ボンベ１２，１３からの前記ガス１の送給を停止し、前記温調水タンク１８による温調水４の温調を停止した後、前記循環ポンプ１２３を作動させると、冷却水タンク１２４内の冷却水５が、冷却管１１５内を流通して、水中航行体１０１の周囲の海水１００（約４℃）と熱交換して冷却された後、前記熱交換器１２６内を流通することにより、前記温調水４と熱交換して当該温調水４を急速に冷却する。

前記熱交換器１２６内を流通して前記冷却水５により冷却された上記温調水４は、燃料電池本体１１内の温調水流通路を流通することにより、燃料電池本体１１内を発電運転温度（６０〜８０℃）から急速に冷却して（降温速度：１℃／分以上）結露を生じさせ、前記スタック内を十分に湿潤させる。

つまり、前述した第一番目の実施形態では、温調水４と海水１００とを直接的に熱交換させるようにしたが、本実施形態では、海水１００で冷却した冷却水５で温調水４を冷却、すなわち、温調水４と海水１００とを間接的に熱交換させるようにしたのである。

このため、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、燃料電池本体１１内に水素と酸素とが残存していても、前記セルの固体高分子電解質膜を始めとして前記スタック内が十分に湿潤して乾燥しにくくなっているので、当該固体高分子電解質膜の破れ等の損傷が抑制されるようになる。

したがって、本実施形態によれば、前述した第一番目の実施形態の場合と同様に、嵩張ってしまう不活性ガスを搭載しなくても済ますことができるので、発電運転停止に伴う固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を省スペースで抑制することができる。

［第三番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法の第三番目の実施形態を図３に基づいて説明する。図３は、固体高分子形燃料電池発電システムを水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置した場合の概略構成図である。なお、前述した第一，二番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一，二番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一，二番目の実施形態での説明と同様な説明を省略する。

図３に示すように、燃料電池本体１１の温調水排出口と前記温調水タンク１８との間には、バルブ１１１が配設されている。燃料電池本体１１の温調水排出口と上記バルブ１１１との間は、冷却水タンク１２４に連絡している。燃料電池本体１１の温調水排出口と上記バルブ１１１との間と、冷却水タンク１２４との間には、バルブ１１２が配設されている。冷却水タンク１２４には、循環ポンプ１２３の受入口が連絡している。循環ポンプ１２３の送出口には、水中航行体１０１の外部へ露出する冷却管１１５の一端側が連絡している。冷却管１１５の他端側は、燃料電池本体１１の温調水供給口と温調水ポンプ１９の送出口との間に連絡している。

なお、本実施形態では、前記バルブ１１１，１１２、循環ポンプ１２３、冷却水タンク１２４等により、冷却水流通手段を構成し、冷却管１１５等により熱交換手段を構成し、当該冷却水流通手段、当該熱交換手段等により、急冷手段を構成している。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム３０においては、前述した第一，二番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１０，２０の場合と同様に操作することにより、発電運転を行うことができる。

そして、発電運転を停止する場合には、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、前記ブロア１５ａ，１５ｂの作動を停止すると共に、前記ボンベ１２，１３からの前記ガス１の送給を停止し、前記温調水タンク１８による温調水４の温調を停止するだけでなく、さらに、前記温調水ポンプ１９の作動を停止し、前記バルブ１１１を閉止すると共に前記バルブ１１２を開放し、前記循環ポンプ１２３を作動させると、冷却水タンク１２４内の冷却水５が、冷却管１１５内を流通して、水中航行体１０１の周囲の海水１００（約４℃）と熱交換して冷却された後、燃料電池本体１１内の前記温調水流通路を流通して、燃料電池本体１１内を発電運転温度（６０〜８０℃）から急速に冷却することにより（降温速度：１℃／分以上）、結露を生じさせて、前記スタック内を十分に湿潤させる。

つまり、前述した第一，二番目の実施形態では、温調水４を海水１で冷却して燃料電池本体１１の内部を流通させることにより、燃料電池本体１１内部を急速に冷却するようにしたが、本実施形態では、温調水４に代えて、冷却水５を海水１で冷却して燃料電池本体１１の内部を流通させることにより、燃料電池本体１１内部を急速に冷却するようにしたのである。

このため、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、燃料電池本体１１内に水素と酸素とが残存していても、前記セルの固体高分子電解質膜を始めとして前記スタック内が十分に湿潤して乾燥しにくくなっているので、当該固体高分子電解質膜の破れ等の損傷が抑制されるようになる。

したがって、本実施形態によれば、前述した第一，二番目の実施形態の場合と同様に、嵩張ってしまう不活性ガスを搭載しなくても済ますことができるので、発電運転停止に伴う固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を省スペースで抑制することができる。

［第四番目の実施形態］
本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法の第四番目の実施形態を図４に基づいて説明する。図４は、固体高分子形燃料電池発電システムを水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置した場合の概略構成図である。なお、前述した第一〜三番目の実施形態と同様な部分については、前述した第一〜三番目の実施形態の説明で用いた符号と同様な符号を用いることにより、前述した第一〜三番目の実施形態での説明と同様な説明を省略する。

図４に示すように、燃料電池本体１１は、冷却水５を貯留する冷却水タンク１４４の内部に入れられている。冷却水タンク１４４には、循環ポンプ１２３の受入口が連絡している。循環ポンプ１２３の送出口には、冷却管１１５の一端側が連絡している。冷却管１１５の他端側は、前記冷却水タンク１４４に連絡している。

なお、本実施形態では、冷却水タンク１４４等により、容器を構成し、循環ポンプ１２３等により、冷却水流通手段を構成し、冷却管１１５等により熱交換手段を構成し、当該容器、当該冷却水流通手段、当該熱交換手段等により、急冷手段を構成している。

このような本実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム４０においては、前述した第一〜三番目の実施形態に係る固体高分子形燃料電池発電システム１０，２０，３０の場合と同様に操作することにより、発電運転を行うことができる。

そして、発電運転を停止する場合には、前述した第一〜三番目の実施形態の場合と同様に、前記ブロア１５ａ，１５ｂの作動を停止して、前記ボンベ１２，１３からの前記ガス１の送給を停止し、前記温調水タンク１８による温調水４の温調を停止すると共に、前記温調水ポンプ１９の作動を停止して、前記循環ポンプ１２３を作動させると、冷却水タンク１２４内の冷却水５が、冷却管１１５内を流通して、水中航行体１０１の周囲の海水１００と熱交換して冷却された後、冷却水タンク１２４内を流通して、燃料電池本体１１を外部から急速に冷却することにより、燃料電池本体１１の内部に結露を生じさせて、前記スタック内が十分に湿潤するようになる。

つまり、前述した第一〜三番目の実施形態では、燃料電池本体１１を内部から急速に冷却することにより、燃料電池本体１１の内部に結露を生じさせるようにしたが、本実施形態では、燃料電池本体１１を外部から急速に冷却することにより、燃料電池本体１１の内部に結露を生じさせるようにしたのである。

このため、前述した第一〜三番目の実施形態の場合と同様に、燃料電池本体１１内に水素と酸素とが残存していても、前記セルの固体高分子電解質膜を始めとして前記スタック内が十分に湿潤して乾燥しにくくなっているので、当該固体高分子電解質膜の破れ等の損傷が抑制されるようになる。

したがって、本実施形態によれば、前述した第一〜三番目の実施形態の場合と同様に、嵩張ってしまう不活性ガスを搭載しなくても済ますことができるので、発電運転停止に伴う固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を省スペースで抑制することができる。

［他の実施形態］
なお、前述した第三，四番目の実施形態では、海水１と直接的に熱交換させた冷却水５により燃料電池本体１１を急速に冷却するようにしたが、他の実施形態として、例えば、海水１と熱交換させた他の冷却水と上記冷却水５とを熱交換させる、すなわち、海水１と冷却水５とを間接的に熱交換させて燃料電池本体１１を急速に冷却するようにすることも可能である。

また、前述した第一〜四番目の実施形態では、海水１中に位置する閉空間内に設置したときに、当該閉空間の周囲の海水１を利用して燃料電池本体１１を冷却する場合について説明したが、他の実施形態として、例えば、河川や湖沼等の水中に位置する閉空間内に設置したときには、当該閉空間の周囲の河川水や湖沼水を利用して燃料電池本体１１を冷却することができる。

さらに、本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムは、前述したような水を利用して冷却する場合に限らず、固体高分子形の燃料電池本体１１の内部に結露を生じさせて当該燃料電池１１の内部を十分に湿潤させ得るように当該燃料電池本体１１を冷却する冷媒、言い換えれば、燃料電池本体１１の内部を１℃／分以上（好ましくは５℃／分以上）の降温速度で冷却できる冷媒、すなわち、３０℃以下（好ましくは１０℃以下）の冷媒であれば利用することができ、他の実施形態として、例えば、液体水素を燃料ガス源として使用すると共に、当該液体水素を冷媒（温度：−２５３℃）として利用して冷却することや、液体酸素を酸化ガス源として使用すると共に、当該液体酸素を冷媒（温度：−１８３℃）として利用して冷却することも可能である。

しかしながら、海水１中に位置する閉空間内に設置する発電システムに適用する場合には、前述した第一〜四番目の実施形態のように、当該閉空間の周囲の海水１を冷媒として利用し、河川や湖沼等の水中に位置する閉空間内に設置する場合には、当該閉空間の周囲の河川水や湖沼水を冷媒として利用すれば、最も簡単に低コストで済ますことができるので、非常に好ましい。

また、前述した第一〜四番目の実施形態では、水中航行体等のような海水１中に位置する閉空間内に設置する発電システムに適用した場合について説明したが、他の実施形態として、地上に設置する定地用の一般的な発電システムに適用することができるのはもちろんのこと、例えば、宇宙航行体等のような宇宙に位置する閉空間内に設置する発電システムに適用することも可能である。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システム及びその運転方法は、発電運転停止に伴う固体高分子電解質膜の破れ等の損傷を省スペースで抑制することができるので、産業上、極めて有益に利用することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムを水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置した場合の第一番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムを水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置した場合の第二番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムを水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置した場合の第二番目の実施形態の概略構成図である。 本発明に係る固体高分子形燃料電池発電システムを水中航行体等のような海水中に位置する閉空間内に設置した場合の第二番目の実施形態の概略構成図である。

符号の説明

１ 水素ガス
２ 酸素ガス
３ 水
４ 温調水
５ 冷却水
１０，２０，３０，４０ 固体高分子形燃料電池発電システム
１１ 燃料電池本体
１２ 水素ボンベ
１３ 酸素ボンベ
１４ａ，１４ｂ 加湿器
１５ａ，１５ｂ 送給ブロア
１６ 排ガス処理器
１７ 排出ポンプ
１８ 温調水タンク
１９ 温調水ポンプ
１００ 海水
１０１ 水中航行体
１１１，１１２ バルブ
１１５ 冷却管
１２３ 循環ポンプ
１２４ 冷却水タンク
１２６ 熱交換器
１４４ 冷却水タンク

Claims (11)

1. 固体高分子電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだセルを備える燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の前記燃料極膜側に水素ガスを含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池本体の前記酸化極膜側に酸素ガスを含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   前記燃料電池本体に温調水を流通させて当該燃料電池本体を発電運転温度に保持する温調水送給手段と
   を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体内に結露を生じさせるように当該燃料電池本体を冷却する急冷手段を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
2. 固体高分子電解質膜を燃料極膜と酸化極膜とで挟んだセルを備える燃料電池本体と、
   前記燃料電池本体の前記燃料極膜側に水素ガスを含有する燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、
   前記燃料電池本体の前記酸化極膜側に酸素ガスを含有する酸化ガスを供給する酸化ガス供給手段と、
   前記燃料電池本体に温調水を流通させて当該燃料電池本体を発電運転温度に保持する温調水送給手段と
   を備えている固体高分子形燃料電池発電システムにおいて、
   前記燃料電池本体を１℃／分以上の降温速度で冷却する急冷手段を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
3. 請求項１又は請求項２において、
   前記急冷手段が、前記温調水送給手段の前記温調水を１℃／分以上の降温速度で冷却する温調水急冷手段である
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
4. 請求項３において、
   前記温調水急冷手段が、前記温調水送給手段の前記温調水と３０℃以下の冷媒との間で熱交換させる熱交換手段を備えている
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
5. 請求項３において、
   前記温調水急冷手段が、
   冷却水を流通させる冷却水流通手段と、
   前記冷却水流通手段の前記冷却水と３０℃以下の冷媒との間で熱交換させる第一の熱交換手段と、
   前記冷却水流通手段の前記冷却水と前記温調水送給手段の前記温調水との間で熱交換させる第二の熱交換手段と
   を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
6. 請求項１又は請求項２において、
   前記急冷手段が、
   前記温調水を流通させる前記燃料電池本体の流通路に冷却水を流通させる冷却水流通手段と、
   前記冷却水流通手段の前記冷却水と３０℃以下の冷媒との間で熱交換させる熱交換手段と
   を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
7. 請求項１又は請求項２において、
   前記急冷手段が、
   内部に前記燃料電池本体を入れられる容器と、
   前記容器内に冷却水を流通させる冷却水流通手段と、
   前記冷却水流通手段の前記冷却水と３０℃以下の冷媒との間で熱交換させる熱交換手段と
   を備えていることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
8. 請求項１から請求項７のいずれかにおいて、
   水中に位置する閉空間内に設置されるものであり、
   前記急冷手段が、上記閉空間の周囲の上記水を利用して前記燃料電池本体を冷却するものである
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
9. 請求項８において、
   前記閉空間の周囲の前記水が海水である
   ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システム。
10. 請求項１の固体高分子形燃料電池発電システムの運転方法であって、
    発電運転を停止するときに、前記急冷手段により、当該燃料電池本体内に結露を生じさせるように当該燃料電池本体を冷却する
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システムの運転方法。
11. 請求項２の固体高分子形燃料電池発電システムの運転方法であって、
    発電運転を停止するときに、前記急冷手段により、前記燃料電池本体を１℃／分以上の降温速度で冷却する
    ことを特徴とする固体高分子形燃料電池発電システムの運転方法。

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