JP2009140632A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】冷却水供給系の冷却水中に含まれる溶存酸素を除去して不純物除去手段のイオン交換樹脂の劣化を抑制し、耐久性を向上させた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】燃料電池２と、この燃料電池２を冷却する冷却水を供給する冷却水供給系４と、この冷却水供給系４の供給路５途中に挿入され、冷却水に含まれる不純物を除去する不純物除去手段７とを備えるものであって、冷却水供給系４の供給路５の不純物除去手段７よりも上流位置に、冷却水に含まれる溶存酸素を除去する溶存酸素除去手段６を設けると共に、溶存酸素除去手段６の運転を制御する制御部１０を設けている。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷却水を供給して燃料電池を冷却する燃料電池システムに関する。

周知の通り、燃料電池システムは、燃料改質装置により改質、生成された水素と酸素の結合エネルギを、燃料電池において直接電気エネルギに変換するものである。この燃料電池システムは、化学反応による発電であるために発電効率が高く、汚染物質の排出及び騒音が少ない環境性に優れており、また電力の供給と共に、発電に伴い生じ、排出される熱を温水や蒸気として回収することにより、コージェネレーションシステムとしての適用が可能であることから、工場や病院、店舗などの業務用、一般家庭用あるいは自動車用など、幅広い用途への採用が期待されている。

こうした燃料電池システムに用いられる燃料電池には、例えば固体高分子形燃料電池があり、これは、高分子電解質膜の両面に燃料極及び酸化剤極を接合した膜電極接合体を、その両側に燃料ガス流路及び酸化剤ガス流路が形成されたセパレータを設けて挟んだ構造を有している。また燃料極及び酸化剤極の一部を構成する触媒層は、白金や白金合金のような金属触媒を担持した炭素担体と高分子電解質との複合体から構成されている。そして、燃料電池は、一般に、このような構造の単セルを多数積層してなるスタックから構成されている。

また、燃料電池システムでは、発電に伴い燃料電池から発生する熱を回収するため、冷却水供給系を設けて燃料電池に冷却水を循環させている。燃料電池を循環する冷却水は、固形分やイオンといった不純物を含むことがあり、含まれる不純物の濃度が高い場合には、冷却水流路を閉塞したり、燃料電池内で金属等が析出したりするなどして、燃料電池システムの運転を継続することができなくなる虞が生じる。

こうした状況をなくすためには、冷却水中の不純物を除去する必要があり、不純物を除去する方法としては、冷却水配管に冷却水が通過するようにイオン交換樹脂を配置し、イオン交換樹脂によって不純物を除去する方法がある。しかし、冷却水中には溶存酸素が含まれており、この溶存酸素によってイオン交換樹脂の劣化が加速される。

この冷却水中に含まれる溶存酸素を除去する方法としては、冷却水中に窒素のような不活性ガスをバブリングする方法があるが、燃料電池システムの運転に際して窒素ボンベを常時準備しなければならず、さらに窒素ボンベ中の窒素量の監視やボンベ取り替え等の手間が掛かることになってしまう。

それに対し、溶存酸素や他の不純物を、電圧を印加することにより電気化学的反応によって除去する方法がある（例えば、特許文献１参照。）。しかし、通常、冷却用に用いている冷却水の比抵抗は非常に高く、特許文献１に示された方法のように、単に電圧を印加しただけでは電気化学反応はほとんど起こらず、溶存酸素を十分に除去することができない。
特開２００２−３６７６４０号公報

上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは、冷却水供給系の冷却水中に含まれる溶存酸素を除去して不純物除去手段のイオン交換樹脂の劣化を抑制し、耐久性を向上させた燃料電池システムを提供することにある。

本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、この燃料電池を冷却する冷却水を供給する冷却水供給系と、この冷却水供給系の供給路途中に挿入され、冷却水に含まれる不純物を除去する不純物除去手段とを備える燃料電池システムであって、前記冷却水供給系の前記供給路の前記不純物除去手段よりも上流位置に、冷却水に含まれる溶存酸素を除去する溶存酸素除去手段を設けると共に、前記溶存酸素除去手段の運転を制御する制御部を設けたものである。

さらに、前記溶存酸素除去手段は、電気化学反応によって溶存酸素を除去するものであることを特徴とし、
さらに、前記溶存酸素除去手段は、溶存酸素を水に還元して除去するものであることを特徴とし、
さらに、前記溶存酸素除去手段は、対向配置した水素ガス電極の間に冷却水を通流させて溶存酸素を除去するものであることを特徴とし、
さらに、前記水素ガス電極は、水素ガスを供給する水素ガス供給部と、水素酸化還元反応を起こす触媒層と、プロトン伝導性を有する電解質膜とを順に積層し、かつ前記電解質膜面を冷却水に接するよう配置したものであることを特徴とする。

また、前記溶存酸素除去手段は、冷却水の温度を上げる昇温部と、冷却水から溶存酸素を排出するガス排出部と、前記昇温部で昇温した冷却水の温度を下げる降温部とを備え、前記制御部により前記昇温部の昇温運転を制御するものであることを特徴とするものであり、
さらに、前記溶存酸素除去手段は、冷却水の温度を上げる昇温部と、この昇温部で昇温した冷却水の温度を下げる降温部とを備え、前記制御部により前記昇温部の昇温運転を制御するものであり、且つ対向配置した水素ガス電極の間に冷却水を通流させ、電気化学反応によって溶存酸素を除去するものであることを特徴とするものである。

本発明によれば、冷却水供給系の冷却水中に含まれる溶存酸素を除去でき、不純物除去手段のイオン交換樹脂の劣化が抑制でき、燃料電池システムの耐久性を向上させることができる等の効果を奏する。

以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

先ず第１の実施形態を図１乃至図３により説明する。図１は燃料電池システムの概略構成を示す図であり、図２は溶存酸素除去手段を示す図であり、図３は溶存酸素除去部の横断面図である。

図１乃至図３において、燃料電池システム１は、例えば固体高分子形の燃料電池２と、燃料改質装置３を備え、さらに燃料電池２の発生熱を回収するために冷却水を循環させて冷却する冷却水供給系４を備えて構成されている。燃料電池２は、単セルを多数積層してなるスタックから構成されており、一部が白金や白金合金のような金属触媒を担持した炭素担体で構成されたアノード電極２ａと、カソード電極２ｂとを備え、かつ両電極２ａ，２ｂの間に高分子電解質でなる電解質膜２ｃを挟持している。さらに燃料電池２は、アノード電極２ａに燃料改質装置３から供給された炭化水素系燃料の原燃料を改質して得た水素リッチガスの水素と、カソード電極２ｂに外部から取り込まれ供給された空気の酸素の結合エネルギを直接電気エネルギに変換する。

冷却水供給系４は、冷却水を燃料電池２に供給する供給路５を備えており、その供給路５途中には、溶存酸素除去手段６と不純物除去手段７が、不純物除去手段７を下流側に配置するようにして挿入されている。不純物除去手段７は、イオン交換樹脂によって冷却水中に含まれる固形分やイオンといった不純物を除去するよう構成されており、それらが燃料電池２に流入しないようになっている。

また供給路５は、燃料電池２の冷却水ジャケット８の導入口８ａに接続されており、供給路５から導入口８ａに供給された冷却水は、冷却水ジャケット８を流れる間に燃料電池２の発生熱によって温度が上昇し、冷却水ジャケット８の排出口８ｂから排出され、図示しない熱交換手段によって熱回収が行なわれるようになっている。

また、供給路５の不純物除去手段７の上流側に挿入された溶存酸素除去手段６は、溶存酸素除去部９と、制御部１０とを備えて構成されている。溶存酸素除去部９は、筐体１１内に冷却水が流入口１２ａから流出口１２ｂに貫通するように通流する冷却水流路１２を有し、さらに冷却水流路１２の両側には、水素ガス電極１３ａ，１３ｂを対向配置するように設けられている。

水素ガス電極１３ａ，１３ｂは、それぞれ、例えば燃料電池２の電解質膜２ｃと同じ、高分子電解質でプロトン伝導性を有する電解質膜１４ａ，１４ｂと、同じく、例えば燃料電池２の白金や白金合金のような金属触媒を炭素担体に担持させて構成した水素酸化還元反応を起こす触媒層１５ａ，１５ｂと、水素ガスを触媒層１５ａ，１５ｂに供給するガス流路を形成する水素ガス供給部１６ａ，１６ｂとを順に積層したものとなっている。そして、２つの電解質膜１４ａ，１４ｂは、互いの膜面が冷却水流路１２を挟んで対向し、対向する膜面が冷却水に接している。

なお、水素ガス供給部１６ａ，１６ｂは、カーボンや金属等の電気伝導性を持つ部材で形成されており、触媒層１５ａ，１５ｂと電気的に接続されている。また、筐体１１については、電気絶縁部材で形成されているか、もしくは水素ガス電極１３ａ，１３ｂの各筐体部材１１ａ，１１ｂは互いに電気的に絶縁されている。

また、水素ガス供給部１６ａ，１６ｂは、それぞれのガス流入口１６ｃに遮断弁１９とガス圧力計２０が流路途中に挿入された水素ガス流路２１が接続されていて、例えば燃料改質装置３などの水素ガス源から水素ガスが供給されるようになっている。そして、水素ガス供給部１６ａ，１６ｂには、制御部１０での制御のもとに所定ガス圧力以上の水素ガスが満たされるようになっている。なお、２１ａは水素ガス供給部１６ａ，１６ｂに水素ガスを分岐して等分配するようガス圧力計２０よりも下流の水素ガス流路２１に挿入した分岐管である。

一方、水素ガス供給部１６ａ，１６ｂには、制御部１０での制御のもとに、燃料電池２、例えば単セルを多数積層したスタックのアノード電極２ａ、カソード電極２ｂの電圧が、導線２２ａ，２２ｂを通じ印加されるようになっている。

そして、上記のように構成されたものでは、アノード電極２ａに燃料改質装置３から水素リッチガスの水素が供給され、カソード電極２ｂに酸素が供給されて燃料電池２の運転が開始され、水素と酸素の結合エネルギが変換されて電気エネルギが生み出される。この運転の開始と同時に、冷却水供給系４の供給路５に冷却水が流される。そして、溶存酸素除去手段６を流れる間に冷却水中の溶存酸素が水に還元されて冷却水として流下する。

すなわち、燃料電池２の運転に際し溶存酸素除去手段６では、制御部１０での制御のもとに遮断弁１９を開放し、ガス圧力計２０でガス圧力を監視しながら水素ガス源から水素ガスを水素ガス供給部１６ａ，１６ｂに所定圧力で満たされるように供給し、所定圧力となった時点で遮断弁１９を閉止する。また水素ガス供給部１６ａ，１６ｂには、制御部１０をＯＮ状態にして燃料電池２のスタックの各電極２ａ，２ｂの電圧を印加する。

これにより、一方のアノード電極２ａが接続されている水素ガス電極１３ａでは、触媒層１５ａにてプロトン還元反応が起こり、他方のカソード電極２ｂが接続されている水素ガス電極１３ｂでは、触媒層１５ｂにて水素酸化反応が起こる。その際、触媒層１５ａで生じたプロトンは、電解質膜１４ａと冷却水と電解質膜１４ｂを介して触媒層１５ｂに移動し、また触媒層１５ｂで生成した水素ガスは、水素ガス供給部１６ｂから水素ガス供給部１６ａに移動する。そして、こうした反応が起こる間、水素ガス電極１３ａ，１３ｂの触媒層１５ａ，１５ｂは、水素電極電位に近い低電位に保持されるため、冷却水中の溶存酸素が存在すると、触媒層１５ａ，１５ｂで酸化還元反応が起こり、それによって溶存酸素が水に還元され、冷却水として冷却水流路１２を流下することになる。

また、こうした溶存酸素を水に還元することで水素ガス供給部１６ａ，１６ｂの水素ガスは消費され、水素ガス供給部１６ａ，１６ｂのガス圧力は低下する。そして、ガス圧力が所定圧力以下となったことがガス圧力計２０で検知されると、再び制御部１０で遮断弁１９を開放するよう制御し、水素ガスを水素ガス流路２１に流して水素ガス供給部１６ａ，１６ｂのガス圧力を所定圧力に戻し、遮断弁１９を閉止する。

このようにして溶存酸素除去手段６で溶存酸素の除去が行われた冷却水は、溶存酸素除去部９の冷却水流路１２の流出口１２ｂから不純物除去手段７に流下する。これにより、不純物除去手段７での冷却水に含まれる溶存酸素によるイオン交換樹脂の劣化は抑制されることになる。

さらに、不純物除去手段７で不純物が除去された冷却水は、燃料電池２の冷却水ジャケット８を流れて燃料電池２の発生熱によって昇温し、熱交換手段に流れて熱回収が行なわれる。

以上のように、燃料電池システム１を構成することで、比抵抗が比較的高い冷却水においても溶存酸素除去手段６での溶存酸素の除去を行うことができ、不純物除去手段７は冷却水に含まれる溶存酸素によるイオン交換樹脂の劣化が抑制できて長寿命化を図ることができ、燃料電池システム１の耐久性を向上させることができる。

次に第２の実施形態を図４により説明する。図４は燃料電池システムの概略構成を示す図である。なお、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる実施形態の構成について説明する。

図４において、燃料電池システム３１は、例えば固体高分子形の燃料電池２と、燃料改質装置（図示せず）を備え、さらに燃料電池２の発生熱を回収するために冷却水を循環させ、冷却する冷却水供給系３２を備えて構成されている。燃料電池２は、単セルを多数積層してなるスタックから構成されており、アノード電極２ａ、カソード電極２ｂ、電解質膜２ｃを備えている。そして、燃料電池２は、アノード電極２ａに燃料改質装置から供給された水素リッチガスの水素と、カソード電極２ｂに供給された空気の酸素の結合エネルギを直接電気エネルギに変換する。

冷却水供給系３２は、冷却水を燃料電池２に供給する供給路５を備えており、その供給路５途中には、溶存酸素除去手段３３と不純物除去手段７とが、不純物除去手段７を下流側に配置するようにして挿入されている。不純物除去手段７は、イオン交換樹脂によって冷却水中に含まれる固形分やイオンといった不純物を除去するよう構成されており、それらが燃料電池２に流入しないようになっている。

また供給路５は、燃料電池２の冷却水ジャケット８の導入口８ａに接続されており、供給路５から導入口８ａに供給された冷却水は、冷却水ジャケット８を流れる間に燃料電池２の発生熱によって温度が上昇し、冷却水ジャケット８の排出口８ｂから排出され、図示しない熱交換手段によって熱回収が行なわれるようになっている。

また、供給路５の不純物除去手段７の上流側に挿入された溶存酸素除去手段３３は、昇温部３４と、ガス排出部３５と、降温部３６と、制御部３７とを備えて構成されている。昇温部３４は、供給路５周囲を覆う例えば筒状の電熱ヒータ等を設けて構成されており、図示しない電源からの電力供給を受けて、供給路５を通流する冷却水の温度を上昇させる昇温運転ができるようになっている。そして、昇温部３４のＯＮ／ＯＦＦ及び冷却水の温度に対応した通電量の調節は制御部３７で行うようになっている。

ガス排出部３５は、冷却水とカソード電極から排出される排ガスと接し、冷却水から出た溶存酸素を排出する構造となっている。なお、冷却水と接するガス雰囲気は、カソード電極の排ガスだけでなく、窒素等の不活性ガスや大気であってもよい。

また降温部３６は、昇温部３４で温度が上昇した冷却水を、例えば冷却水の流路外面に放熱フィンを設けて降温したり、冷却水の流れに対し対向流となるように冷媒を流し降温したりして所定温度以下にまで降下させる熱交換器を備えて構成されている。

そして、上記のように構成されたものでは、アノード電極２ａに燃料改質装置から水素が供給され、カソード電極２ｂに酸素が供給されて燃料電池２の運転が開始され、水素と酸素の結合エネルギが変換されて電気エネルギが生み出される。この運転の開始と同時に、冷却水供給系３２の供給路５に冷却水が流される。そして、溶存酸素除去手段３３を流れる間に冷却水が昇温され、ガス排出部３５で溶存酸素がガス雰囲気中に放出され、その後、冷却水が降温され不純物除去手段７へと流下する。

すなわち、燃料電池２の運転に際し溶存酸素除去手段３２では、制御部３７での制御のもとに供給路５を通流する冷却水が昇温部３４の電熱ヒータ等によって加熱され、温度が上昇する。この昇温に伴い冷却水に含まれる溶存酸素はガス排出部３５で気体となって除去され、冷却水中の溶存酸素量は減少する。さらに降温部３６に流下した溶存酸素が除去された冷却水は、降温部３６を流れる間に熱交換器によって温度が降下し、所定温度以下となって下流に配置された不純物除去手段７に流れる。これにより、不純物除去手段７での冷却水に含まれる溶存酸素によるイオン交換樹脂の劣化は抑制されることになる。

さらに、不純物除去手段７で不純物が除去された冷却水は、燃料電池２の冷却水ジャケット８を流れて燃料電池２の発生熱によって昇温し、熱交換手段に流れて熱回収が行なわれる。

以上のように、燃料電池システム３１を構成することで、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。

本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの溶存酸素除去手段を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る燃料電池システムの溶存酸素除去部の横断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る燃料電池システムの概略構成を示す図である。

符号の説明

２…燃料電池
４…冷却水供給系
５…供給路
６…溶存酸素除去手段
７…不純物除去手段
９…溶存酸素除去部
１０…制御部
１３ａ，１３ｂ…水素ガス電極
１４ａ，１４ｂ…電解質膜
１５ａ，１５ｂ…触媒層

Claims (7)

1. 燃料電池と、この燃料電池を冷却する冷却水を供給する冷却水供給系と、この冷却水供給系の供給路途中に挿入され、冷却水に含まれる不純物を除去する不純物除去手段とを備える燃料電池システムであって、
   前記冷却水供給系の前記供給路の前記不純物除去手段よりも上流位置に、冷却水に含まれる溶存酸素を除去する溶存酸素除去手段を設けると共に、前記溶存酸素除去手段の運転を制御する制御部を設けたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記溶存酸素除去手段は、電気化学反応によって溶存酸素を除去するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記溶存酸素除去手段は、溶存酸素を水に還元して除去するものであることを特徴とする請求項１及び２記載の燃料電池システム。
4. 前記溶存酸素除去手段は、対向配置した水素ガス電極の間に冷却水を通流させて溶存酸素を除去するものであることを特徴とする請求項１乃至３記載の燃料電池システム。
5. 前記水素ガス電極は、水素ガスを供給する水素ガス供給部と、水素酸化還元反応を起こす触媒層と、プロトン伝導性を有する電解質膜とを順に積層し、かつ前記電解質膜面を冷却水に接するよう配置したものであることを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
6. 前記溶存酸素除去手段は、冷却水の温度を上げる昇温部と、冷却水から溶存酸素を排出するガス排出部と、前記昇温部で昇温した冷却水の温度を下げる降温部とを備え、前記制御部により前記昇温部の昇温運転を制御するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記溶存酸素除去手段は、冷却水の温度を上げる昇温部と、この昇温部で昇温した冷却水の温度を下げる降温部とを備え、前記制御部により前記昇温部の昇温運転を制御するものであり、且つ対向配置した水素ガス電極の間に冷却水を通流させ、電気化学反応によって溶存酸素を除去するものであることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。

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