JP3858913B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、固体高分子型の燃料電池を用いて発電を行う固体高分子型燃料電池システムに関する。

以下に、従来の固体高分子型燃料電池システムについて説明する。

従来の固体高分子型燃料電池システムを図４に示した。図４で、１は燃料電池部であり、燃料処理装置２は天然ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素リッチなガスを生成して燃料電池１に供給する。また、燃料側加湿器５で、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する。６は空気供給装置であり、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する。このとき、酸化側加湿器７で供給空気を加湿する。燃料処理装置２は、改質ガスを生成する改質器３と、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水と反応させ二酸化炭素と水素にするための一酸化炭素変成器４とを具備する。

さらに、燃料電池１に水を送って冷却する冷却配管８と、配管内の水を循環させる冷却用ポンプ９と、燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する冷却用放熱器１０を備えている。

このような装置を用いて発電を行う時は、燃料電池１の温度を一定に保つため、冷却配管８を通して、冷却用ポンプ９で水を循環させ、冷却用放熱器１０で燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する。

上記のような燃料電池システムでは発電を行う際、燃料電池１で発生した熱を冷却用放熱器１０で外部へ放出するため、発電の際発生する熱を利用することができない。

また、一酸化炭素変成器４で変成された後の改質ガスは、少量の一酸化炭素がどうしても残留する。このような状況で、燃料電池１の一酸化炭素被毒を防止するためには、燃料電池システムの運転を、ある一定温度以上で行う必要がある。しかし、上記従来例のような燃料電池システムでは、冷却回路８の水を加熱する手段を持たず、起動時の燃料電池１の昇温、低負荷運転時の燃料電池１の温度維持等、燃料電池の温度調整が困難である。

本発明は、上述したこのような従来の固体高分子型燃料電池システムが有する課題を考慮して、燃料電池の温度調整および、発電により発生する熱の有効利用を図ることができる固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とするものである。

そのため、本発明の固体高分子型燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池へ熱輸送媒体を循環させる熱輸送媒体循環回路とを有する固体高分子型燃料電池システムであって、前記熱輸送媒体循環回路は、前記熱輸送媒体を加熱する加熱手段と、前記熱輸送媒体を冷却する冷却手段と、前記熱輸送媒体を循環させる循環手段と、前記冷却手段を短絡する短絡経路と、前記冷却手段及び前記短絡経路のそれぞれとに流れる前記熱輸送媒体の流量を調整する流量調整手段とを具備し、該流量調整手段は、前記冷却手段及び前記短絡経路のそれぞれに流れる前記熱輸送媒体の流量を調整して前記熱輸送媒体の放熱量を調整し、前記固体高分子
型燃料電池の温度を調整することを特徴とする。

また、本発明の固体高分子型燃料電池システムは、熱輸送媒体循環回路は、前記固体高分子型燃料電池で発生した熱の蓄熱手段を具備することが有用である。

また、本発明の固体高分子型燃料電池システムは、前記蓄熱手段で蓄熱した熱を用いて、前記固体高分子型燃料電池の温度を調整することが有用である。

以上の説明から明らかなように、本発明は、燃料電池の温度調整および、発電により発生する熱の有効利用を図ることができる固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。

（第１の実施の形態）
本発明に関する第１の実施の形態を説明する。

固体高分子型燃料電池システムの起動時は、熱輸送媒体循環回路が具備する加熱手段と循環手段を用いて、熱輸送媒体循環回路内の熱輸送媒体を加熱し循環させ、燃料電池を昇温する。また発電時に発生した熱を放熱し、燃料電池を冷却する場合は、熱輸送媒体循環回路が具備する冷却手段と循環手段を用いて、熱輸送媒体循環回路内の熱輸送媒体を冷却する。これで、燃料電池を冷却する。また低負荷運転時は、熱輸送媒体循環回路が具備する加熱手段と冷却手段と循環手段を用いて、一定温度の熱輸送媒体を燃料電池に流入することにより、燃料電池の温度を一定に維持する。以上の構成により、一定の安定した温度で燃料電池を運転することができ、一酸化炭素被毒による燃料電池の性能劣化を防止することができる。

なお、熱輸送媒体循環回路に、冷却手段を短絡する短絡経路と、冷却手段と短絡経路とに流れる熱輸送媒体の流量を調整する流量調整手段とを具備する事ができる。これにより、冷却手段からの放熱量を調整することができ、低負荷運転時における加熱手段の作動を低減する。

（第２の実施の形態）
第２の本発明に対する実施の形態を説明する。

固体高分子型燃料電池システムの起動時の昇温、低負荷運転時の温度維持等の温度調整については、第１の実施の形態と同じである。固体高分子型燃料電池システムの運転時に、熱輸送媒体循環回路の蓄熱手段を作動させることにより、燃料電池で発生した熱を蓄熱することができる。蓄熱した熱は随時必要に応じて熱利用装置を通して給湯やヒータなどの熱源に利用することが可能である。また、予め蓄熱した熱を熱輸送媒体循環回路内の熱輸送媒体の昇温に用いることにより、加熱手段の作動を低減することが可能である。

次に、本発明の具体的実施例について図面を参照しながら説明する。

（実施例１）
図１は、請求項１に記載した第１の本発明の具体的実施例である固体高分子型燃料電池システムを示す構成図である。本実施例における固体高分子型燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池１と、原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器３および前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成した後、前記改質ガスを前記燃料ガスとして燃料電池１へ供給する一酸化炭素変成器４を有する燃料処理装置２と、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器５と、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する空気供給装置６と、供給空気を加湿する酸化側加湿器７と、燃料電池１に熱輸送媒体を送って燃料電池１の温度調整をする配管１１と、配管１１内の熱輸送媒体を循環させるポンプ１２と、燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する放熱器１３と、配管１１を流れる熱輸送媒体を加熱する加熱手段としての加熱器１４とで構成する。

上記の各部材は、図4で示した従来の固体高分子型燃料電池システムのものと同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図4で示した従来の固体高分子型燃料電池システムでのものと同じである。また、配管１１、ポンプ１２、放熱器１３、加熱器１４は、本実施例の熱輸送媒体循環回路を構成する。

次に、本実施例における熱輸送媒体循環回路の動作を説明する。

起動時は、熱輸送媒体循環回路内の加熱器１４およびポンプ１２を作動させ、熱輸送媒体を昇温することにより、燃料電池１を昇温する。燃料電池システムの運転中に、燃料電池１において発生した熱を放熱するときは、放熱器１３を作動させることにより、熱輸送媒体は外気と熱交換し、熱を外部へ放出する。低負荷運転時において燃料電池１の温度を維持する場合、加熱器１４を作動させ、燃料電池１入口の熱輸送媒体の温度を一定に保つことにより燃料電池１の温度を維持する。

改質ガスを用いる燃料電池システムの運転において、燃料電池１の温度が６０℃を下回ると、燃料電池１は一酸化炭素被毒され、性能が著しく劣化する。従来例の場合、加熱手段がないため燃料電池１の性能劣化は避けられない。ところが、加熱手段を具備する本実施例の固体高分子型燃料電池システムにおいて、加熱器１４として電気容量が１ｋＷのヒータを、熱輸送媒体として純水（２７℃、２．５Ｌ）を用いて燃料電池１を昇温したところ、約２０分後に燃料電池１の温度が７０℃に達することが確認でき、その後の運転において安定した燃料電池システムの運転を実現できた。なお、昇温の時間を短縮するには、加熱器１４として電気容量のより大きいヒータを用いることにより可能となる。また、低負荷運転時においても、加熱器１４内の熱輸送媒体の温度が７２℃となるように加熱器１４を温度制御作動させると、燃料電池１の温度は７０℃で安定することが確認できた。

（実施例２）
図２は、請求項２に記載した第２の本発明の具体的実施例である固体高分子型燃料電池システムを示す構成図である。本実施例の固体高分子型燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池１と、原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器３および前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成した後、前記改質ガスを前記燃料ガスとして燃料電池１へ供給する一酸化炭素変成器４を有する燃料処理装置２と、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器５と、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する空気供給装置６と、供給空気を加湿する酸化側加湿器７と、燃料電池１に熱輸送媒体を送って燃料電池１の温度調整をする配管２１と、配管２１内の熱輸送媒体を循環させるポンプ２２と、燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する放熱器２３と、配管２１を流れる熱輸送媒体を加熱する加熱手段としての加熱器２４と、放熱器２３を短絡する短絡経路２５と、放熱器２３と短絡経路２５とを流れる熱輸送媒体の流量を調整する流量調整手段としての流量調整弁２６，２７とで構成する。

上記の各部材は、図4で示した従来の固体高分子型燃料電池システムのものと同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図4で示した従来の固体高分子型燃料電池システムでのものと同じである。また、配管２１、ポンプ２２、放熱器２３、加熱器２４、短絡経路２５、流量調整弁２６、２７は、本実施例の熱輸送媒体循環回路を構成する。なお、流量調整弁２７を常に閉とすると、実施例１と同等の熱輸送媒体循環回路となる。

次に、本実施例における熱輸送媒体循環回路の動作を説明する。燃料電池システムの起動時には、流量調整弁２７を開、２６を閉とし、加熱器２４およびポンプ２２を作動させ、燃料電池１を昇温する。燃料電池システムの運転中に、燃料電池１において発生した熱を放熱するときは、流量調整弁２６を開、２７を閉とする。冷却ポンプ２２により熱輸送媒体循環回路を循環する熱輸送媒体は、燃料電池１で発生した熱を放熱器２３で外気と熱交換することにより外部へ放出する。低負荷運転時において燃料電池１の温度を維持するために熱輸送媒体の放熱量を調整する場合、流量調整弁２６、２７を適切な開度の開とする。

低負荷運転時は、上記の方法での燃料電池１の温度維持が困難な場合、流量調整弁２７を開、２６を閉とし、加熱器２４を作動させ、燃料電池１入口における熱輸送媒体の温度を一定に保つことにより、燃料電池１の温度を維持する。

本実施例の固体高分子型燃料電池システムは、燃料電池の昇温および低負荷運転時の温度維持について、実施例１記載の具体的効果と同じ効果が得られた。さらに、流量調整弁２６，２７を作動することにより、低負荷運転時には放熱量を調整することができ、加熱器２４の作動を低減することができた。

（実施例３）
図３は、請求項３と請求項４に記載した第３の本発明の具体的実施例である固体高分子型燃料電池システムを示す構成図である。

本実施例における固体高分子型燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスを用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池１と、原料を水蒸気改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質器３および前記改質ガスに含まれる一酸化炭素を変成した後、前記改質ガスを前記燃料ガスとして燃料電池１へ供給する一酸化炭素変成器４を有する燃料処理装置２と、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器５と、酸化剤の空気を燃料電池１に供給する空気供給装置６と、供給空気を加湿する酸化側加湿器７と、燃料電池１に熱輸送媒体を送って燃料電池１の温度調整をする配管３１と、配管３１内の熱輸送媒体を循環させるポンプ３２と、燃料電池１で発生した熱を外部へ放出する放熱器３３と、配管３１を流れる熱輸送媒体を加熱する加熱手段としての加熱器３４、と燃料電池１で発生した熱を蓄熱する蓄熱手段としての蓄熱器３５と、放熱器３３および蓄熱器３５を短絡する短絡経路３６と、放熱器３３と蓄熱器３５と短絡経路３６とに流れる熱輸送媒体の流量を調整する流量調整手段としての流量調整弁３７，３８，３９とで構成する。

上記の各部材は、図4で示した従来の固体高分子型燃料電池システムのものと同じ機能を有するものについては、同一符号を付与しており、それらの機能の詳細は、図4で示した従来の固体高分子型燃料電池システムでのものと同じである。また、配管３１、ポンプ３２、放熱器３３、加熱器３４、蓄熱器３５、短絡経路３６、流量調整弁３７、３８、３９は、本実施例の熱輸送媒体循環回路を構成する。なお、流量調整弁３８、３９を常に閉とすると実施例１と同等の熱輸送媒体循環回路となり、流量調整弁３８を常に閉とすると実施例２と同等の熱輸送媒体循環回路となる。

次に、本実施例における熱輸送媒体循環回路の動作を説明する。燃料電池システムの起動時には、流量調整弁３９を開、３７、３８を閉とし、加熱器３４およびポンプ３２を作動させ、燃料電池１を昇温する。燃料電池システムの運転中に、燃料電池１において発生した熱を放熱するときは、流量調整弁３７を開、３８、３９を閉とする。冷却ポンプ３２により熱輸送媒体循環回路を循環する熱輸送媒体は、燃料電池１で発生した熱を放熱器３３で外気と熱交換することにより外部へ放出する。燃料電池１において発生した熱を蓄熱するときは、流量調整弁３８を開、３７、３９を閉とする。冷却ポンプ３２により熱輸送媒体循環回路を循環する熱輸送媒体は、蓄熱器３５で熱交換をすることにより、蓄熱器３５に蓄熱される。放熱量および蓄熱量を調整する場合は、流量調整弁３７、３８、３９の開度を適切に調整する。低負荷運転時において燃料電池１の温度が低下する場合は、流量調整弁３７、３８、３９の開度を適切に調整するとともに、加熱器３４を作動させ、燃料電池１入口における熱輸送媒体の温度を一定に保つことることにより、燃料電池１の温度を維持する。

本実施例の固体高分子型燃料電池システムは、流量調整弁３７、３８、３９を作動させることにより、実施例１および実施例２と同等の熱輸送媒体循環回路を形成することができる。そのため、実施例１および実施例２の具体的効果と同じ効果が得られる。また、固体高分子型燃料電池システムを燃料電池の発電端において出力電力１．８ｋＷの運転を行った場合、熱輸送媒体には１．６ｋＷ相当の熱量増加が確認できた。このとき、効率９０％の蓄熱器によって蓄熱することにより、１．４ｋＷの熱を蓄熱できる。蓄熱した熱は、随時必要に応じて熱利用装置（図示せず）を通して給湯やヒータなどの熱源に利用することが可能である。

なお、燃料電池システムの起動時には、まず、流量調整弁３８を開、３７、３９を閉とし、予め蓄熱器３５に蓄熱した熱または、予め蓄熱器３５に蓄熱した熱と加熱器３４を用いることにより燃料電池１を昇温し、ついで、流量調整弁３９を開、３７、３８を閉とし、燃料電池１を昇温することもできる。上記方法により、蓄熱された余剰熱を有効利用することができるとともに、加熱器の作動を低減することができた。

本発明の第１の実施例の固体高分子型燃料電池システムを示す構成図 本発明の第２の実施例の固体高分子型燃料電池システムを示す構成図 本発明の第３の実施例の固体高分子型燃料電池システムを示す構成図 従来の固体高分子型燃料電池システムを示す構成図

符号の説明

１ 燃料電池
２ 燃料処理装置
３ 改質器
４ 一酸化炭素変成器
５ 燃料側加湿器
６ 空気供給装置
７ 酸化側加湿器
８ 冷却配管
９ ポンプ
１０ 放熱器
１１ 配管
１２ ポンプ
１３ 放熱器
１４ 加熱器
２１ 配管
２２ ポンプ
２３ 放熱器
２４ 加熱器
２５ 短絡経路
２６ 流量調整弁
２７ 流量調整弁
３１ 配管
３２ ポンプ
３３ 放熱器
３４ 加熱器
３５ 蓄熱器
３６ 短絡経路
３７ 流量調整弁
３８ 流量調整弁
３９ 流量調整弁

Claims (3)

1. 燃料ガスと酸化ガスとを用いて発電を行う固体高分子型燃料電池と、前記固体高分子型燃料電池へ熱輸送媒体を循環させる熱輸送媒体循環回路とを有する固体高分子型燃料電池システムであって、前記熱輸送媒体循環回路は、前記熱輸送媒体を加熱する加熱手段と、前記熱輸送媒体を冷却する冷却手段と、前記熱輸送媒体を循環させる循環手段と、前記冷却手段を短絡する短絡経路と、前記冷却手段及び前記短絡経路のそれぞれに流れる前記熱輸送媒体の流量を調整する流量調整手段とを具備し、該流量調整手段は、前記冷却手段及び前記短絡経路のそれぞれに流れる前記熱輸送媒体の流量を調整して前記熱輸送媒体の放熱量を調整し、前記固体高分子型燃料電池の温度を調整することを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
2. 前記熱輸送媒体循環回路は、前記固体高分子型燃料電池で発生した熱の蓄熱手段を具備することを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
3. 前記蓄熱手段で蓄熱した熱を用いて、前記固体高分子型燃料電池の温度を調整することを特徴とする請求項２記載の固体高分子型燃料電池システム。

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