JP2007280773A - 固体高分子形燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水ラインに設置されるイオン交換器の寿命を長くし、メンテナンスの頻度を大幅に低減することができる固体高分子形燃料電池システムを提供する。
【解決手段】冷却水ライン１３に設置されたイオン交換器１６の上流側に、ＣＯ₂除去装置２０を配設する。このＣＯ₂除去装置２０としては、例えば、中空糸膜等の気液分離膜を用いた脱気装置や、所定の吸着剤を備えた吸着装置を用いる。前記脱気装置としては、例えば、中空糸型多孔気液分離膜を応用して、気相側を真空または低圧に維持することにより、液中のガスを分離する装置を用いる。吸着装置の吸着剤としては、活性炭等を用いる。
【選択図】図１

Description

本発明は、固体高分子形燃料電池システムに係り、特に、冷却水中のＣＯ₂除去方法に改良を施した固体高分子形燃料電池システムに関するものである。

燃料電池発電システムは、燃料である水素と酸化剤である酸素とを電気化学的に反応させて直接電気を取り出すものであり、高い効率で電気エネルギーを取り出すことができると同時に、静かで、有害な排ガスを出さないという環境性に優れた特徴を有するシステムである。

なかでも、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子膜を用いた固体高分子形燃料電池は、コンパクトで、高出力密度が得られ、且つ簡略なシステムで運転可能なことから、定置用分散電源、宇宙用、車両用等の電源としても注目されている。

このような固体高分子形燃料電池としては、例えば、特許文献１に記載されたような単セル構成を有したものが知られている。すなわち、特許文献１に記載された固体高分子形燃料電池においては、図３に示すように、高分子膜１の両側に、白金などの触媒をそれぞれ担持してなる燃料極触媒層２及び酸化剤極触媒層３が形成され、さらに、これらの触媒層２、３に対向するように、それぞれの層に、ガス拡散性を有する多孔質層から成る燃料極ガス拡散層４及び酸化剤極ガス拡散層５が配置され、これらにより酸化剤極及び燃料極が形成されている。なお、これらの集合体は一般に膜電極接合体と呼ばれている。

さらに、前記燃料極、酸化剤極各々に対向するように、それぞれの面に燃料ガスまたは酸化剤ガスを供給するための凹溝が形成された燃料極セパレータ６及び酸化剤極セパレータ７が配置されて単電池が構成されている。なお、酸化剤極に接する酸化剤極セパレータ７は、多孔質体を用いて形成されている。また、酸化剤極に接するセパレータの反対側には、冷却水を流通するための冷却板８が配置されている。この冷却板８も多孔質体で形成されている。これら膜電極接合体、セパレータ、冷却板を多数積層して、セルスタック９が構成されている。

また、図４は、特許文献１において、上記のように構成されたセルスタックを燃料電池システムとして組み込んだシステム図である。すなわち、図４に示すように、セルスタック９には、燃料ガス供給ライン１０から燃料が供給され、酸化剤供給ライン１１から酸化剤ガスとして通常空気が供給され、冷却板には冷却水が供給されるように構成されている。なお、この冷却水は、ポンプ１２により冷却水ライン１３を循環するように構成されている。

また、前記冷却水ライン１３中には、圧力基準タンク１４が設けられている。この圧力基準タンク１４は、冷却水が大気圧と同じ圧力となるように、冷却水の一部が大気と接する排気口と繋がっている。

また、冷却水はポンプ１２により冷却水ライン１３を流通するが、前記圧力基準タンク１４が大気圧と同じ圧力なので、セルスタックの冷却水入口圧Ｂは大気圧よりも低い圧力となっている。他方、酸化剤としての空気はブロワー等により昇圧されて酸化剤極に供給されるので、酸化剤極を流れる空気の圧力Ａは大気圧よりも高い圧力となっている。そのため、酸化剤極に生成した生成水は、上記の圧力差によって酸化剤極から多孔質体であるガス拡散層及びセパレータを通って冷却水系内へ移動し、スタックの外へ除去される。

また、燃料電池システムの冷却水系においては、スタックの腐食防止及び短絡防止のために、冷却水の伝導度を所定値以下に抑える必要がある。そのため、図４に示すように、冷却水ライン１３にバイパスライン１５を設け、そのバイパスラインにイオン交換器１６を配置することが一般的である。

なお、一般に、燃料電池システムの冷却水系において伝導度が上昇する要因は、主として配管、セルスタック等の構成部材から溶出する金属等の陽イオンである。これらの溶出速度に依存する電気伝導度の上昇速度は遅いので、図４に示す構成において、イオン交換器の交換時間は、通常、数千時間以上である。

一方、上述したようなセルスタックの構成では、燃料ガス中のＣＯ₂が膜を通して酸化剤極に拡散、または膜中の水に溶解して酸化剤極に拡散し、そのまま冷却水と一緒に冷却水系に運び出される。このようにして冷却水に溶解したＣＯ₂は、その一部は炭酸イオンとなって冷却水中に存在し、蓄積する。このようにして冷却水中に生成した炭酸イオンは、冷却水系に設置された前記イオン交換器１６で除去されるように構成されている。
特表平１１−５０８７２６号公報

上述したように、従来の固体高分子形燃料電池システムにおいては、セルスタックに供給される燃料ガス中のＣＯ₂が冷却水系に拡散、溶解し、冷却水中に溶け込んだＣＯ₂により生成される炭酸イオンは、イオン交換器１６に吸着するため、冷却水中の炭酸イオンが増えることにより、イオン交換器１６の寿命を縮めることとなっていた。その結果、イオン交換器１６の交換時期が短期間となり、メンテナンスの頻度が増えてしまうという問題点があった。このことから、冷却水中に溶存するＣＯ₂を効率良く除去する技術の開発が切望されていた。

本発明は、上述したような従来技術の問題点を解決するために提案されたものであり、その目的は、冷却水ラインに設置されたイオン交換器に導入される冷却水中の溶存ＣＯ₂量を低減することにより、イオン交換器の寿命を長くし、メンテナンスの頻度を大幅に低減することができる固体高分子形燃料電池システムを提供することにある。

上記の目的を達成するため、請求項１〜請求項５に記載の発明は、固体高分子膜を電解質とし、該電解質膜の一方に燃料極、他方に酸化剤極を配する膜電極接合体と、燃料ガスが流通する流路が形成された燃料極セパレータと、多孔質な基板に酸化剤が流通する流路が形成された酸化剤極セパレータと、前記多孔質な基板に冷却水が流通する流路が形成された冷却水用セパレータとからなる単電池を複数積層してなる燃料電池スタック、および前記冷却水を前記燃料電池スタックに循環させる冷却水ラインを備えた固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記冷却水ラインにＣＯ₂除去装置を設置したことを特徴とするものである。

また、前記ＣＯ₂除去装置として、気液分離膜を備えた脱気装置、あるいはＣＯ₂吸着剤による吸着装置が用いられる。この脱気装置としては、例えば、中空糸膜を応用して液中のガスを分離する装置が用いられる。また、吸着装置の吸着剤としては活性炭が用いられる。

上記のような構成を有する請求項１〜請求項５に記載の発明によれば、固体高分子形燃料電池システムの冷却水系にＣＯ₂除去装置を設けることにより、冷却水中に溶け込んだＣＯ₂を除去し、炭酸イオンの生成を抑制することができるので、イオン交換器の寿命を長くすることができる。

以上のような本発明によれば、冷却水ラインに設置されたイオン交換器に導入される冷却水中の溶存ＣＯ₂量を低減することにより、イオン交換器の寿命を長くし、メンテナンスの頻度を大幅に低減することができる固体高分子形燃料電池システムを提供することができる。

以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムを適用した実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、図４に示した従来の固体高分子型燃料電池システムの冷却水ラインに、ＣＯ₂除去装置を備えたことを特徴とするものである。従って、以下の説明においては、図４に示した従来型と同様の構成については、説明を省略する。

（構成）
本実施形態においては、図１に示したように、冷却水ライン１３に、後述するようなＣＯ₂除去装置２０が配設されている。なお、図１においては、ＣＯ₂除去装置２０は、圧力基準タンク１４の下流側に設置されているが、その設置位置は特に限定されず、ポンプ１２と圧力基準タンク１４の間でも良く、また、ポンプ１２の上流側でも良い。

ただし、冷却水に溶解したＣＯ₂からの炭酸イオン生成量は、ＣＯ₂濃度の上昇と共に増加するため、イオン交換器１６で炭酸イオンを吸着する前にＣＯ₂を除去することが必要である。従って、前記ＣＯ₂除去装置は、イオン交換器１６の上流側に設置することが望ましい。

また、前記ＣＯ₂除去装置２０としては、例えば、中空糸膜等の気液分離膜を用いた脱気装置や、所定の吸着剤を備えた吸着装置を用いることができる。前記脱気装置としては、例えば、ＥＲＣ社製デガッサー（登録商標）のように、中空糸型多孔気液分離膜を応用して、気相側を真空または低圧に維持することにより、液中のガスを分離する装置を用いることができる。また、吸着装置の吸着剤としては、活性炭等を用いることができる。

なお、前記脱気装置は、例えば、図２に示すように構成されている。すなわち、脱気装置の本体部分は二重構造となっており、外側に位置するケース３０内に、中空糸膜等の気液分離膜から成るチューブ３１が設置され、また、前記ケース３０には真空ポンプ３２が接続されている。そして、真空ポンプ３２によりケース３０内を真空あるいは低圧にした状態で、チューブ３１に冷却水を供給するように構成されている。

これにより、チューブ３１に供給された冷却水中の溶存ＣＯ₂は、中空糸膜等の気液分離膜から成るチューブ３１を介して、チューブ３１とケース３０との間に形成されたガス捕集部３３に拡散する。その結果、冷却水中から溶存ＣＯ₂を除去することができる。

なお、このような脱気装置においては、上述したように、ガス捕集部３３を適宜真空または大気圧に対して負圧に維持すると、効率良くＣＯ₂を分離することができる。また、ガス捕集部３３を真空または低圧に維持するための方法としては、捕集したガスを真空ポンプで吸引する方法や、捕集部の外側内壁にモレキュラーシーブ等、ＣＯ₂を吸着する物質を層状に形成する方法を用いることができる。

（作用・効果）
このような構成を有する本実施形態の固体高分子形燃料電池システムにおいては、以下のようにして、冷却水中に溶解したＣＯ₂が効率良く除去される。すなわち、燃料極に供給される燃料に含まれていたＣＯ₂が、燃料極から高分子膜中を拡散して酸化剤極に到達し、酸化剤極で生成された生成水中に溶解、拡散し、さらに、酸化剤極からセパレータ、冷却板の細孔を通って冷却水中へ運ばれたとしても、このイオン化していない溶存ＣＯ₂は、イオン交換器１６の上流側に設置されたＣＯ₂除去装置２０によって取り除かれる。

これにより、冷却水中の溶存ＣＯ₂量が大幅に減少するため、冷却水中で生成される炭酸イオンの生成量を抑制することができる。その結果、イオン交換器１６に吸着する炭酸イオンの量が大幅に低減されるので、イオン交換器１６の寿命が長くなり、必要とされるメンテナンス量が大幅に軽減される。

また、前記ＣＯ₂除去装置２０は、冷却水ライン１３のライン上に設置することができるので、冷却水ライン１３に別のバイパスラインを設ける必要がなく、コンパクトな構成で効率良く冷却水中に溶存したＣＯ₂を除去することができる。

（他の実施形態）
本発明は、上記のような実施形態に限定されるものではなく、ＣＯ₂除去装置の形式は、冷却水中のＣＯ₂を除去する機能を有するものであれば特に限定されないが、上述したような脱気装置、あるいは冷却水を通す容器内にＣＯ₂吸収剤を充填した装置を用いることが好ましい。

また、ＣＯ₂吸収剤としては、冷却水中のＣＯ₂を吸収し得る物質であれば良く、特に限定されない。また、ＣＯ₂を吸収するものであれば、その作用機作は特に限定されず、いわゆる吸収のほか、吸着、吸着のうち反応あるいは溶解を伴う収着等、いずれでも良い。

また、ＣＯ₂吸収剤の使用態様としては、粒状や顆粒状等として容器内に充填する方法、ハニカム状の基材に担持して容器内に配置する等、種々の態様が適用できる。

また、燃料極セパレータが多孔質な基板で構成された燃料電池システムの場合においては、燃料ガス中のＣＯ₂が膜を透過して冷却水系に溶解するだけでなく、燃料極セパレータを通して冷却水系に溶解する。本発明は、上記構成の燃料電池スタックを用いたシステムにおいても、冷却水系に溶解したＣＯ₂を効率良く除去することができる。

本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの構成を示す概略図。 ＣＯ₂除去装置の一例である脱気装置の構成を示す斜視断面図。 固体高分子形燃料電池における単セルの構成を示す概略図。 従来の固体高分子形燃料電池システムの構成を示す概略図。

符号の説明

１…固体高分子膜
２…燃料極触媒層
３…酸化剤極触媒層
４…燃料極ガス拡散層
５…酸化剤極ガス拡散層
６…燃料極セパレータ
７…酸化剤極セパレータ
８…冷却板
９…セルスタック
１０…燃料ガス供給ライン
１１…酸化剤供給ライン
１２…ポンプ
１３…冷却水ライン
１４…圧力基準タンク
１５…バイパスライン
１６…イオン交換器
２０…ＣＯ₂除去装置
３０…ケース
３１…チューブ
３２…真空ポンプ
３３…ガス捕集部

Claims (5)

1. 固体高分子膜を電解質とし、該電解質膜の一方に燃料極、他方に酸化剤極を配する膜電極接合体と、燃料ガスが流通する流路が形成された燃料極セパレータと、多孔質な基板に酸化剤が流通する流路が形成された酸化剤極セパレータと、前記多孔質な基板に冷却水が流通する流路が形成された冷却水用セパレータとからなる単電池を複数積層してなる燃料電池スタック、および前記冷却水を前記燃料電池スタックに循環させる冷却水ラインを備えた固体高分子形燃料電池システムにおいて、
   前記冷却水ラインにＣＯ₂除去装置を設置したことを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
2. 前記ＣＯ₂除去装置が、気液分離膜を備えた脱気装置であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池システム。
3. 前記気液分離膜が、中空糸膜であることを特徴とする請求項２に記載の固体高分子形燃料電池システム。
4. 前記ＣＯ₂除去装置が、ＣＯ₂吸着剤であることを特徴とする請求項１に記載の固体高分子形燃料電池システム。
5. 前記ＣＯ₂吸着剤の成分が、主として活性炭であることを特徴とする請求項４に記載の固体高分子形燃料電池システム。

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