JP2016157597A - 燃料電池発電装置と方法 - Google Patents

Abstract

【課題】耐熱性を有する電解質膜を採用した燃料電池を用いて発電性能を高め、かつ燃料電池内の温度分布を狭く制御して安定運転を可能にする。【解決手段】運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池１０と、燃料電池１０に加圧冷却水Ｗを供給してこれを冷却する冷却装置２０と、を備える。加圧冷却水Ｗは、燃料電池内の最高セル温度ｔＨにおける飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧Ｐ１を有する。【選択図】図３

Description

本発明は、固体高分子型燃料電池を用いた燃料電池発電装置と方法に関する。

固体高分子型燃料電池（ｐｏｌｙｍｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ：ＰＥＦＣ）は、イオン伝導性を有する高分子膜を電解質として用いる燃料電池である。

ＰＥＦＣの基本構造は、アノード（燃料極、負極）、電解質膜（固体高分子膜）、カソード（空気極、正極）、及びセパレータ（バイポーラプレート）からなる。アノード、電解質膜、カソードを貼り合せて一体化したものを「膜／電極接合体」と呼ぶ。セパレータは、反応ガスの供給流路が彫り込まれた導電板である。膜／電極接合体をセパレータで挟みこんだ１つのセルを「単セル」と呼び、単セルを積層して高電圧を得られるようにしたものを「スタック」と呼ぶ。

アノードでは、水素やメタノールなどの燃料が供給され、式（１）の反応によって、プロトン（Ｈ^＋）と電子に分解する。
Ｈ_２→２Ｈ^＋＋２ｅ⁻・・・（１）
プロトン（Ｈ^＋）は、電解質膜内を、電子は導線内を通ってカソードに移動する。
カソードでは、電解質膜から来たプロトンと、導線から来た電子が空気中の酸素と反応して、式（２）の反応により水を生成する。
４Ｈ^＋＋Ｏ_２＋４ｅ⁻→２Ｈ_２Ｏ・・・（２）

ＰＥＦＣでは、膜中の水分がアノードからカソードへと移動し、アノード側では水分が徐々に失われる。そのため、燃料には水分を含ませる必要がある。この「水を使用する」という条件から、ＰＥＦＣは、０℃以下、又は１００℃以上での使用が困難であることが知られている。

上述したＰＥＦＣは、例えば特許文献１〜４に開示されている。

特許第４７２３７２３号公報 特開２００７−２２０６３７号公報 特開２０１２−２２１８６３号公報 特開２００４−２０６９２２号公報

特許文献１は、７０℃前後の温度で制御しながら発電運転を行なう固体高分子型燃料電池スタックを開示している。また、特許文献１は、燃料電池を冷却するために、ガス流路の向きと実質的に直交する向きに冷却媒体が流れる冷却媒体用流路を備えている。冷却媒体は、水又はエチレングリコール水溶液である。

特許文献２は、燃料電池の反応用ガスの供給経路を燃料電池内部に立体的に形成して、反応用ガスにより燃料電池を冷却すると同時に反応用ガスを加熱する構成を開示している。
すなわち特許文献２では、燃料電池の反応用ガスである水素と空気で冷却を行っているが、ガスによる冷却はその熱容量が小さいことから冷却水による冷却に比べて伝熱面積を大幅に増加する必要がある問題点がある。

特許文献３は、燃料電池の効率を上げるために、耐熱性を有する電解質膜を採用した燃料電池システム（高温型燃料電池）を開示している。高温型燃料電池を用いた場合、７０℃以上、１８０℃以下で燃料電池本体を運転することが可能となる。
また、特許文献３は、燃料電池の冷却を水の蒸発潜熱および蒸気で行う手段を提案している。しかし、水の蒸発潜熱および蒸気で冷却する場合、燃料電池の冷却媒体（水と蒸気）に温度分布が生じ、燃料電池内の温度分布が大きくなり、燃料電池の安定運転が困難になる可能性がある。

特許文献４は、燃料電池本体の運転圧力を上昇させ、外部からの水の補給をなくした燃料電池システム（加圧型燃料電池）を開示している。
しかし、特許文献４では、燃料電池本体を圧力容器内に収容するため、システムが大型化する問題点があった。

本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、耐熱性を有する電解質膜を採用した燃料電池を用いて発電性能を高め、かつ燃料電池内の温度分布を狭く制御して安定運転を可能にする燃料電池発電装置と方法を提供することにある。

本発明によれば、運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池と、
前記燃料電池に加圧冷却水を供給してこれを冷却する冷却装置と、を備え、
前記加圧冷却水は、燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧を有する、ことを特徴とする燃料電池発電装置が提供される。

前記燃料電池に供給する前記供給圧は、燃料電池内の最高セル温度に応じて、約０．１０ＭＰａから約１．２６ＭＰａの範囲である。

前記燃料電池は、膜／電極接合体を間に挟持しこれを冷却する導電性かつ耐圧構造の複数の金属セパレータを有し、
各金属セパレータは、内部に前記加圧冷却水が通過する冷却水流路を有する。

前記冷却装置は、
前記供給圧より低くかつ加圧冷却水の保有温度における飽和蒸気圧より高い保有圧で前記加圧冷却水を保有する加圧水タンクと、
前記加圧水タンクから前記加圧冷却水を前記供給圧に加圧して前記燃料電池に供給する加圧水ポンプと、
燃料電池から出た前記加圧冷却水を冷却する冷却器と、
前記加圧冷却水を加圧水タンク内の前記保有圧まで減圧する減圧装置と、を有する。

また、本発明によれば、運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池と、
前記燃料電池に加圧冷却水を供給してこれを冷却する冷却装置と、を準備し、
前記加圧冷却水を、燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧に保持して、液体状態の前記加圧冷却水で前記燃料電池を冷却する、ことを特徴とする燃料電池発電方法が提供される。

上記本発明の装置及び方法によれば、運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池（高温型の固体高分子型燃料電池）を用いるので、従来の７０℃前後の運転温度と比較して発電性能（例えば燃料電池の発電効率）を高めることができる。

また、本発明によれば、燃料電池に加圧冷却水を供給してこれを冷却する冷却装置を備える。加圧冷却水は、燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧を有するので、燃料電池内において加圧冷却水の沸騰を防止して液体状態を維持できる。

従って、燃料電池は常に液体状態の加圧冷却水で冷却されるので、燃料電池内の温度分布を狭く制御して安定運転が可能となる。

固体高分子型燃料電池の模式図である。 本発明で用いる燃料電池の全体構成図である。 本発明による燃料電池発電装置の全体構成図である。

以下、本発明の実施形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。

図１は、固体高分子型燃料電池の模式図である。
この図において、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、アノードＡ、電解質膜Ｔ、カソードＣ、及びセパレータＳからなる。また、この例では、セパレータＳとアノードＡ及びカソードＣとの間にガス拡散層Ｇがそれぞれ挟持されている。
なおこの図では、明瞭化のため、それぞれのコンポーネント間を隔てて示している。

膜／電極接合体１は、アノードＡ、電解質膜Ｔ、カソードＣを貼り合せて一体化したものである。また単セル２は、膜／電極接合体１（及びガス拡散層Ｇ）を１対のセパレータＳで挟みこんで構成されている。さらに、スタック（図示せず）は、複数の単セル２を積層して構成される。以下、単セル２を単に「セル２」と呼ぶ。

図２は、本発明で用いる燃料電池１０の全体構成図である。
この図において、燃料電池１０は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）で
あり、上述した複数のセル２を積層して構成したスタック３を有する。なおこの図では、ガス拡散層Ｇの図示を省略している。
またこの図において、電解質膜Ｔの上側にカソードＣ、下側にアノードＡを示しているが、上下が逆であってもよい。また、上下方向にセル２を積層したスタック３を示しているが、水平方向でも斜め方向であってもよい。

図２において、アノードＡとセパレータＳの間に図示しないマニホールドを介して、水素やメタノールなどの燃料が供給され、上述した式（１）の反応によって、プロトン（Ｈ^＋）と電子に分解する。
また、カソードＣとセパレータＳの間に図示しないマニホールドを介して、空気が供給され、電解質膜Ｔから来たプロトンと、導線から来た電子が空気中の酸素と反応して、式（２）の反応により水を生成する。

図２において、燃料電池１０は、導電性かつ耐圧構造の複数の金属セパレータ１２を有する。金属セパレータ１２は、膜／電極接合体１を間に挟持し、これを冷却する。また、各金属セパレータ１２は、内部に加圧冷却水Ｗが通過する冷却水流路１１を有する。
この構成により、燃料電池１０を圧力容器内に収容することなく、加圧冷却水Ｗで燃料電池１０を冷却することができる。

図３は、本発明による燃料電池発電装置の全体構成図である。
この図において、本発明の燃料電池発電装置は、燃料電池１０と冷却装置２０を備える。

燃料電池１０は、運転温度ｔが８０℃以上、１８０℃以下である高温型の固体高分子型燃料電池である。なお、燃料電池１０の運転温度ｔとは、燃料電池１０が正常に発電する際の平均温度を意味する。固体高分子型燃料電池は、運転温度ｔより低い温度、例えば常温（約２０〜３０℃）でも発電することができる。

燃料電池１０の運転温度ｔに対し、燃料電池１０内のセル温度はｔ−αからｔ＋αの範囲で温度が制御される。αはこの例では１０℃である。なお、「セル温度」とは、上述したセル２の温度を意味する。
すなわち、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨは、運転温度ｔより高く、例えば９０℃以上、１９０℃以下であり、燃料電池１０内の最低セル温度ｔＬは、運転温度ｔより低く、例えば７０℃以上、１７０℃以下である。

図３において、本発明の燃料電池発電装置は、さらに、原料ガス供給ライン１３、空気供給ライン１４、アノード排気ライン１５、カソード排気ライン１６、インバータ１７、及び制御装置１８を備える。

原料ガス供給ライン１３は、原料ガス（アノードガスＡＧ１）を燃料電池１０のアノードＡへ供給する。原料ガスは、例えば水素や改質ガスである。
空気供給ライン１４は、空気（カソードガスＣＧ１）を燃料電池１０のカソードＣへ供給する。
アノード排気ライン１５は、アノードＡを通過した排ガス（アノード排ガスＡＧ２）を燃料電池１０から排気する。
カソード排気ライン１６は、カソードＣを通過した排ガス（カソード排ガスＣＧ２）を燃料電池１０から排気する。

インバータ１７は、燃料電池１０に接続され、燃料電池１０で発電された直流電力を交流電力に変換する。
制御装置１８は、需要側の要求に応じて、インバータ１７を制御し、変換された発電出力（交流電力）を外部に出力する。また制御装置１８は、冷却装置２０も制御する。

図３において、冷却装置２０は、燃料電池１０に加圧冷却水Ｗを供給してこれを冷却する。この加圧冷却水Ｗは、金属セパレータ１２の冷却水流路１１に供給され、各セル２を冷却した後、冷却水流路１１から外部に排出される。

燃料電池１０に供給する加圧冷却水Ｗは、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨにおける飽和蒸気圧及び大気圧よりも高い供給圧Ｐ１を有する。燃料電池１０の運転温度ｔが８０℃以上、１８０℃以下である場合、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨは、運転温度ｔより高く、この例では９０℃以上、１９０℃以下である。

大気圧における飽和蒸気圧は、約０．１０ＭＰａであり、１９０℃における飽和蒸気圧は、約１．２６ＭＰａである。従って、燃料電池１０に供給する加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１は、燃料電池内の最高セル温度ｔＨに応じて、約０．１０ＭＰａから約１．２６ＭＰａの範囲で設定される。

すなわち、燃料電池１０に供給する加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１は、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨに応じて、その飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧Ｐ１に設定する。
例えば、最高セル温度ｔＨが８０℃以上、１００℃未満の場合には、加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１を大気圧における飽和蒸気圧（約０．１０ＭＰａ）より高い供給圧Ｐ１（例えば、約０．１２ＭＰａ）に設定する。また、最高セル温度ｔＨが１９０℃の場合には、加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１を１９０℃における飽和蒸気圧（約１．２６ＭＰａ）より高い供給圧Ｐ１（例えば、約１．３０ＭＰａ）に設定する。
最高セル温度ｔＨが１００℃以上、１９０℃未満の場合も同様である。

上述した構成により、燃料電池１０内における加圧冷却水Ｗの沸騰を防止して液体状態を維持することができる。

図３において、冷却装置２０は、加圧水タンク２２、加圧水ポンプ２４、冷却器２６、及び減圧装置２８を有する。

加圧水タンク２２は、供給圧Ｐ１より低くかつ加圧冷却水Ｗの温度における飽和蒸気圧より高い保有圧Ｐ０で加圧冷却水Ｗを保有する。燃料電池１０に供給する供給圧Ｐ１は、上述の例では、約０．１２ＭＰａから約１．３０ＭＰａであり、加圧水タンク２２内の保有圧Ｐ０は、供給圧Ｐ１より低くかつ加圧冷却水Ｗの温度における飽和蒸気圧より高い、例えば約０．１０ＭＰａから約１．２６ＭＰａである。
また、燃料電池１０に供給する加圧冷却水Ｗの供給温度ｔ１は、最低セル温度ｔＬ（上述の例では、７０℃以上、１７０℃以下）に設定する。
なお、加圧水タンク２２内の保有圧Ｐ０を、供給圧Ｐ１より低くかつ加圧冷却水Ｗの温度における飽和蒸気圧より高い圧力に保持するための圧力調整装置（図示せず）を設けることが好ましい。

加圧水ポンプ２４は、加圧水タンク２２と燃料電池１０（金属セパレータ１２の冷却水流路１１）を結ぶ加圧供給ライン２３に設けられ、加圧水タンク２２から供給される加圧冷却水Ｗを供給圧Ｐ１に加圧して燃料電池１０に供給する。
金属セパレータ１２の冷却水流路１１において、加圧冷却水Ｗの供給圧Ｐ１は、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨ（例えば、９０℃以上、１９０℃以下）における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧Ｐ１（約０．１２ＭＰａから約１．３０ＭＰａ）を有する。従って、燃料電池内において加圧冷却水Ｗの沸騰を防止して液体状態を維持できる。

上述した制御装置１８は、燃料電池１０内の最高セル温度ｔＨを上述した範囲に制御する。この制御は、例えば加圧水ポンプ２４による加圧冷却水Ｗの流量を制御することで実施することができる。
燃料電池１０を出た加圧冷却水Ｗの排水温度ｔ２は、燃料電池１０の冷却により供給温度ｔ１より上昇し、この温度上昇により排水圧Ｐ２も供給圧Ｐ１より高くなる。

冷却器２６及び減圧装置２８は、燃料電池１０（金属セパレータ１２の冷却水流路１１）と加圧水タンク２２を結ぶ加圧排水ライン２５に設けられている。

冷却器２６は、加圧冷却水Ｗを排水温度ｔ２から加圧水タンク２２内の保有温度ｔ０まで冷却する。加圧水タンク２２内の保有温度ｔ０は、燃料電池１０に供給する供給温度ｔ１と同一であってもよい。
また冷却器２６は、この例では燃料電池１０から出た加圧冷却水Ｗを冷却しているが、燃料電池１０に供給する前の加圧冷却水Ｗを冷却するように構成してもよい。
冷却器２６は、空冷ラジエータを用いる空冷冷却器、又は冷却媒体（水）と熱交換する水冷冷却器である。

減圧装置２８は、燃料電池１０から出た加圧冷却水Ｗを、排水圧Ｐ２から加圧水タンク内の保有圧Ｐ０まで減圧する。減圧装置２８は、例えば、背圧弁、所定クラック圧を有する弁（例えば逆止弁）、減圧弁である。減圧装置２８は、加圧冷却水Ｗの排水圧Ｐ２を所定値に維持できるように減圧機能を有する弁であればよい。

本発明の燃料電池発電方法は、上述した燃料電池１０と冷却装置２０を準備し、加圧冷却水Ｗを、燃料電池内の最高セル温度ｔＨにおける飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧Ｐ１に保持して、液体状態の加圧冷却水Ｗで燃料電池１０を冷却する。

上述した本発明の装置及び方法によれば、運転温度ｔが８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池１０（高温型の固体高分子型燃料電池）を用いるので、従来の７０℃前後の運転温度と比較して発電性能（例えば燃料電池１０の発電効率）を高めることができる。

また、本発明によれば、燃料電池１０に加圧冷却水Ｗを供給してこれを冷却する冷却装置２０を備える。加圧冷却水Ｗは、燃料電池内の最高セル温度ｔＨ（例えば、９０℃以上、１９０℃以下）における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧Ｐ１（約０．１２ＭＰａから約１．３０ＭＰａ）を有する。従って、燃料電池内において加圧冷却水Ｗの沸騰を防止して液体状態を維持できる。

従って、燃料電池１０は常に液体状態の加圧冷却水Ｗで冷却されるので、燃料電池内の温度分布を狭く制御して安定運転が可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。

Ａ アノード（燃料極、負極）、Ｃ カソード（空気極、正極）、
Ｇ ガス拡散層、Ｓ セパレータ（バイポーラプレート）、
Ｔ 電解質膜（固体高分子膜）、ＡＧ１ アノードガス、
ＡＧ２ アノード排ガス、ＣＧ１ カソードガス、
ＣＧ２ カソード排ガス、Ｗ 加圧冷却水、ｔ 運転温度、
ｔＨ 最高セル温度、ｔＬ 最低セル温度、ｔ０ 保有温度、
ｔ１ 供給温度、ｔ２ 排水温度、Ｐ０ 保有圧、Ｐ１ 供給圧、
Ｐ２ 排水圧、１ 膜／電極接合体、２ 単セル（セル）、
３ スタック、１０ 燃料電池（高温型の固体高分子型燃料電池）、
１１ 冷却水流路、１２ 金属セパレータ、１３ 原料ガス供給ライン、
１４ 空気供給ライン、１５ アノード排気ライン、
１６ カソード排気ライン、１７ インバータ、１８ 制御装置、
２０ 冷却装置、２２ 加圧水タンク、２３ 加圧供給ライン、
２４ 加圧水ポンプ、２５ 加圧排水ライン、２６ 冷却器、
２８ 減圧装置

Claims (5)

1. 運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池と、
   前記燃料電池に加圧冷却水を供給してこれを冷却する冷却装置と、を備え、
   前記加圧冷却水は、燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧を有する、ことを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記燃料電池に供給する前記供給圧は、燃料電池内の最高セル温度に応じて、約０．１０ＭＰａから約１．２６ＭＰａの範囲である、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記燃料電池は、膜／電極接合体を間に挟持しこれを冷却する導電性かつ耐圧構造の複数の金属セパレータを有し、
   各金属セパレータは、内部に前記加圧冷却水が通過する冷却水流路を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記冷却装置は、
   前記供給圧より低くかつ加圧冷却水の保有温度における飽和蒸気圧より高い保有圧で前記加圧冷却水を保有する加圧水タンクと、
   前記加圧水タンクから前記加圧冷却水を前記供給圧に加圧して前記燃料電池に供給する加圧水ポンプと、
   燃料電池から出た前記加圧冷却水を冷却する冷却器と、
   前記加圧冷却水を加圧水タンク内の前記保有圧まで減圧する減圧装置と、を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
5. 運転温度が８０℃以上、１８０℃以下である燃料電池と、
   前記燃料電池に加圧冷却水を供給してこれを冷却する冷却装置と、を準備し、
   前記加圧冷却水を、燃料電池内の最高セル温度における飽和蒸気圧及び大気圧を超える供給圧に保持して、液体状態の前記加圧冷却水で前記燃料電池を冷却する、ことを特徴とする燃料電池発電方法。
   

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