JP4482057B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、イオン伝導性を有する固体高分子を電解質とする固体高分子型燃料電池システムに関する。

近年、高効率のエネルギー変換装置として、燃料電池が注目を集めている。電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いた、いわゆる固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）は、コンパクトな構造で高出力密度がえられ、且つ簡略なシステムで運転が可能なことから、宇宙機器や電気自動車などの電源として注目されている。

従来のＰＥＦＣシステムは、図１に示すように、固体高分子型燃料電池本体１００と、メタン、ガソリン等の炭化水素又はメタノール等のアルコールを燃料とし、該燃料を改質して水素リッチガスを生成する改質器１０１と、水素リッチガス中のＣＯを低減するシフト反応器１０２と、選択酸化器１０３と、酸化剤として空気を供給するコンプレッサー１０４と、電池反応による発熱を取り除く冷却水を流す冷却系を構成する冷却水タンク１０５とを有し、改質器１０１としては、燃料と水蒸気から改質する水蒸気改質反応器および、燃料と空気から改質する部分酸化改質反応器と水蒸気改質反応器を組合せたオートサーマル型改質器が用いられ、また改質に必要な水蒸気は、凝縮器１０６で酸化剤ガス中の水蒸気を分離し、冷却系を経由して改質器１０１に供給する。

従来の固体高分子型燃料電池システムでは、凝縮器１０６で水蒸気を回収するので、回収した電池反応による生成水、すなわち純水を保持するタンクが必要になる。純水は、摂氏零度以下で凍結してしまい、冷却水および改質器用水蒸気として利用できなくなる虞がある。例えば、−４０℃の外気温にさらされる寒冷地にあっても起動を要求される電気自動車用システムに燃料電池システムを組み込んだ場合、問題になる。

かかる問題の対策として次のような方法が提案されている。特許文献１には、冷却水に不凍液を用いるとともに、冷却水系に水分離装置を設置し、純水を製造して加湿用の水として利用する方法が開示されている。この方法では、冷却水系の凍結を抑制し、かつ加湿および改質蒸気用に純水を供給することができるが、水分離装置で製造した純水を供給する配管が存在し、氷点下の環境では凍結するとともに、膨張により配管等が破裂する虞がある。

また、特許文献２には、電池内の酸化剤ガス流路に塩化カルシウムやプロピレングリコールなどの吸水剤を供給し、水を回収するとともに、再生器で吸収剤から水を再生する方法が開示されている。この方法では、酸化剤流路で蒸気の状態で水を回収することで純水の水のタンクを省略し、吸収剤の凝固点降下により水の凍結を極力抑制することができるが、吸収剤と酸化剤ガスの混合を防ぐ手段がなく、吸収剤が電極に侵入して電池反応を妨げるという問題、さらには電池作動温度の飽和蒸気圧に相当する水蒸気が酸化剤排出ガスに含まれてしまい、生成水すべてを回収できない問題がある。

さらに、特許文献１および特許文献２に開示されている方法を組合せて、不凍液を兼ねる吸収剤を電池内の酸化剤ガス流路に供給し、酸化剤ガス中の水を回収し、再生器で水を再生するとともに、冷却水として不凍液を用い、水分離装置により純水を製造して改質用蒸気とする構成を取ったとしても、上記に挙げた問題点を解決できない。

特開平８−１８５８７７号公報 特開平３−２９５１７６号公報

本発明の目的は、氷点下の低温でもシステム内における水分の凍結を抑制し得、氷点下の環境でも速やかに起動す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にある。

上記課題を解決するために本発明では、固体高分子型燃料電池本体と、凝固点が氷点以下の燃料及び水蒸気が供給され、該燃料を水蒸気改質反応により改質して前記燃料電池本体に供給する燃料改質器と、前記燃料電池本体の反応部を通過した後の既反応ガスと前記燃料電池本体の反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段と、前記温湿度交換手段から排出された既反応ガスから水分を分離する分離手段と、この分離手段からの水の一部と前記燃料とを混合する混合手段と、前記燃料を前記混合手段に与えるための燃料供給手段と、前記混合手段の混合液の一部を蒸気として前記燃料改質器に供給する混合液供給手段とを具備する。

本発明では、分離手段と混合手段とを分けていることにより、分離手段を小さくすることが可能となる。このことにより、分離手段に保持された水が凍結しても、該凍結水を短時間で解凍することができ、システムの起動性に影響を与えないようにすることができる。また、分離手段の水と空間との割合を適宜調整することによって水が凍結しても酸化剤排ガスの排出に影響を少なくすることができるので、システムの起動性への影響を極力抑えることができる。

さらに、前記燃料電池本体の反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段を設けることで、排ガス中の水分を大きく低下させることができる。このため、排ガス流路での水の凝縮を最小限に抑制することができ、排ガス流路での凍結を実質的に生じないようにすることができる。

ここで、前記分離手段と前記混合手段を一体化することにより、放熱を最小限に抑えることができ、混合手段の温度を高く維持することができる。また分離手段と混合手段との間に隔離板を設けていることにより、酸化剤ガスにメタノールが蒸発するのを抑制できる。

また、本発明では、温湿度変換手段を設けることにより、メタノール供給手段は一箇所で済み、システムの複雑化及び制御の複雑化を招くことはない。

さらに、本発明では、酸化剤ガスと燃料であるメタノール原液が混合することが抑制され、また酸化剤ガスと燃料であるメタノール原液とは純水で隔離されているため、安全性の確保のための手段は実質的に不要であり、システムの複雑化及び制御の複雑化を招くことは無い。

また、上記課題を解決するために本発明では、固体高分子型燃料電池本体と、燃料及び水蒸気が供給され、該燃料を水蒸気改質反応により改質して前記燃料電池本体に供給する燃料改質器と、前記燃料電池本体の反応部を通過した後の既反応の酸化剤排ガスと前記燃料電池本体の反応部を通過する前の未反応の酸化剤ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段と、前記温湿度交換手段から排出された前記酸化剤排ガス中の水と凝固点が氷点以下で沸点が水より高い媒体との混合液を生成する混合液生成手段と、この混合液生成手段の混合液を加熱して該混合液中に含まれる水を蒸発させることにより該混合液から水蒸気を生成し、該水蒸気を前記燃料改質器に供給する水蒸気生成手段とを具備する。

本発明によれば、燃料電池本体から排出された酸化剤排ガスから水分を分離し、該分離された水分の少なくとも一部と凝固点が氷点以下で沸点が水の沸点より高い媒体とを混合することにより、分離した水分の凝固点を下げることができ、分離した水の凍結を抑制することができるとともに、水の沸点より高い媒体を用いることで、分離器において水と前記媒体との混合液を加熱して該混合液中に含まれる水を水蒸気の形態で分離するとともに、分離器から前記媒体が酸化剤排ガスとともに排出されることを抑制することができ、さらに燃料と前記媒体とを別個にすることで、ガソリンなど水に溶けない燃料を用いたシステムにおいても凍結を抑制することができる。

ここで、前記混合液生成手段としては、前記燃料電池本体から排出された排ガスから水分を分離する分離手段と、この分離手段からの水の一部に前記燃料を混合する混合手段とを具備することができる。

また前記混合液生成手段は、前記燃料電池本体から排出された排ガスから水分を分離する分離手段と、この分離手段に前記媒体を供給する供給手段とを具備することができる。

さらに前記混合液生成手段は、前記燃料電池本体から排出された排ガスの一部と前記媒体とを混合する混合手段を具備することができる。

以上述べたように本発明の固体高分子型燃料電池システムは、凝固点が氷点以下の燃料及び水蒸気が供給され、該燃料を改質して前記燃料電池本体に供給する燃料改質器と、前記燃料電池本体の反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段と、前記温湿度交換手段から排出された既反応ガスから水分を分離する分離手段と、この分離手段からの水の一部と前記燃料とを混合する混合手段と、前記燃料を前記混合手段に与えるための燃料供給手段と、前記混合手段の混合液の一部を前記燃料改質器に供給する混合液供給手段とを具備する。

よって、本発明によれば、凝固点が氷点以下である媒体として、改質器に与える燃料を用いることにより、氷点以下の低温でもシステム内における水分の凍結を抑制することができ、氷点下の環境でも速やかに、システムを起動することができるようになる。また、排ガスから水分を分離する分離手段と、水の一部と前記燃料とを混合する混合手段を別個に設けることで、前記燃料が排ガスとともに排出されるのを防いで、システム効率の低下を抑制することができる。

さらに、前記燃料電池本体の反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段を設けることで、前記燃料電池本体の排ガスの温度を十分に低下させて排ガス流路での水蒸気の疑縮を抑制することができる。

また、本発明の固体高分子型燃料電池システムは、燃料及び水蒸気が供給され、該燃料を改質して前記燃料電池本体に供給する燃料改質器と、 前記燃料電池本体の反応部を通過した既反応ガスと、前記燃料電池スタックの反応部を通過する前の未反応ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段と、前記温湿度交換手段から排出された既反応ガス中の水と凝固点が氷点以下で沸点が水より高い媒体との混合液を生成する混合液生成手段と、この混合液生成手段の混合液から水蒸気を生成する生成手段とを具備する。

よって、本発明によれば、燃料電池本体から排出された燃料ガスまたは酸化剤ガスの排ガスから水分を分離し、該分離された水分の少なくとも一部と凝固点が氷点以下で沸点が水の沸点より高い媒体とを混合することにより、分離した水分の凝固点を下げることができ、分離した水の凍結を抑制することができるとともに、水の沸点より高い媒体を用いることで、分離器から前記媒体が排ガスとともに排出されることを抑制することができ、さらに燃料と前記媒体とを別個にすることで、ガソリンなど水に溶けない燃料を用いたシステムにおいても凍結を抑制することができる。

従来の固体高分子型燃料電池システムの構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態１の構成を示す図。 同実施形態２における分離器及び混合器の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態２の構成を示す図。 同実施形態における分離器の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態３の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態１の変形例の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態２の変形例の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態３の変形例の構成を示す図。 同実施形態における分離器の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態４の構成を示す図。 同実施形態における分離器の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態５の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態６の構成を示す図。 本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態７の構成を示す図。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２に示す本実施の形態の固体高分子型燃料電池システムでは、低凝固点媒体を燃料としており、具体的には、燃料タンク１０７に蓄えられた液体燃料、例えばメタノールを、供給ポンプ１１４により混合器１１３に供給し、また燃料ポンプ１１５、蒸発器１１６を経て改質器１０１に供給するようにしている。

また、本実施の形態では、空気排ガスから水蒸気を凝縮、分離する分離器１１２と、分離された水と低凝固点媒体を混合する混合器１１３を設けている。

ここで、液体燃料であるメタノールは、疑固点が氷点下の媒体であり、回収した水に混合することにより、凝固点を下げることができる。具体的には、メタノールの重量濃度４０％以上、メタノールと水のモル比１：２．７以上で、−４０℃以下の凝固点となる。

混合器１１３には、燃料であり且つ低凝固点媒体であるメタノールの濃度を測定するためのセンサ１２１が設けられており、混合器１１３内におけるメタノールが前述した濃度になるように、メタノールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御している。

一方、混合液はそのまま蒸発器１１６に送られ、蒸気となって改質器１０１で改質される。例えば、メタノールの水蒸気改質反応は、 理論式ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ→３Ｈ２＋ＣＯ２で起こる。すなわち、メタノールと水のモル比１：１以上が必要である。

従って、混合液のメタノール濃度は、メタノールと水のモル比が１：１〜１：２．７の範囲となるように調節される。

混合器１１３にはメタノールの濃度センサ１２１が設けられており、前述した濃度になるようにメタノールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。

改質器１０１には、混合液の蒸気が供給され、水素リッチガスに改質され、ＣＯ低減器１０２を経て燃料電池本体１００の燃料極１００ａに供給される。電池反応により所定量消費された後、未反応水素を含む燃料排ガスは改質器１０１のバーナーに供給され、改質器１０１の熱源となる。

コンプレッサー１１１で供給された空気は、温湿度交換器１１０を経て燃料電池本体１００の酸化剤極１００ｂに供給される。電池反応により所定量消費された後、電池反応による生成水を回収して排出される。排出された空気は、全熱交換器１１０により冷却されるとともに、水分を未反応空気に与え、加湿を行う。

図３を参照して分離器１１２と混合器１１３の詳細を説明する。すなわち、分離器１１２は、円筒形の容器１１２ａの上部にガス入口、ガス出口を設け、ガス入口に温湿度交換器１１０から排出された空気を供給した。空気は、電池反応による生成水を蒸気として含んでいるが、温湿度交換器１１０により温度が下がり、水蒸気が凝縮した状態で容器１１２ａに供給される。そして凝縮水が容器１１２ａの下部に溜まり、酸化剤ガスから分離される。

分離器１１２に溜まった凝縮水は純水なので、システム停止時には凍結の虞がある。このため、分離器１１２の容器１１２ａの大きさは小さいほうが望ましい。具体的には、５０ｋＷ出力の燃料電池システムにおいて、１リットル程度の大きさが良い。

混合器１１３も分離器１１２と同様に容器１１２ａで構成される。容器１１２ａの下部には、供給ポンプ１１４からの配管と、混合液ポンプ１１５への配管、および濃度センサ１２１を設けている。

分離器１１２と混合器１１３とは、図３に示す定量排出弁１１２ｂで結ばれている。定量排出弁１１２ｂは、バネを利用した弁で、分離器１１２で一定量の凝縮水が溜まると、その重みで開き、凝縮水を排出するようになっている。

本実施の形態では定量排出弁１１２ｂを用いたが、電磁弁とポンプをこれに代えて用いても良い。

排出された凝縮水は、ポンプ１１４により供給された燃料である低凝固点媒体と混合される。混合器１１３は、システムが停止した際の凍結の虞はないが、軽量化の観点から容器１１２ａの容量は小さい方が望ましい。具体的には、５０ｋＷ出力の燃料電池システムにおいて、２リットル程度の大きさが良い。

燃料電池本体１００の冷却板１００ｃには、冷却水ポンプ１２０により、不凍液が供給される。電池反応による熱を取り除いた後、電動ファン１１９により冷却され、循環される。ファン１１９の入口には、不凍液リザーバタンク１１８が接続され、不凍液の量を調整する。ここで用いられる不凍液としては、本実施形態における燃料であり、且つ、低凝固点媒体であるメタノール、後述する実施形態で用いる水より凝固点が低い媒体としてエチレングリコールを用いることができる。エチレングリコールの如き低凝固点媒体を水に混合することにより、水の凝固点を下げることができる。凝固点は媒体の種類と水及び媒体の混合比で決まる。エチレングリコールの場合、濃度３０〜５０質量％が最適である。

このように本実施形態では、燃料電池本体から排出された酸化剤ガス中に含まれる水分を分離する分離手段と、水の一部と前記燃料とを混合する混合手段を別個に設けることで、酸化剤排ガス中に含まれる水分の凝固点を下げ、凍結を抑制することができ、氷点下の環境でも速やかに、システムを起動することができるようになるとともに、前記燃料が排ガスとともに排出されるのを防いで、システム効率の低下を抑制することができる。

また、温湿度交換手段により酸化剤排ガスの温度が十分に低下するため、システムが停止した時に酸化剤排ガスのガス流路内で水蒸気の凝縮を生じる量を少なくでき、複雑なシステムおよび制御をすることなく酸化剤排ガス流路内の凍結を抑制することができる。

さらに、本実施の形態では、温湿度変換器１１０を設けることにより、メタノール供給手段は一箇所で済み、システムの複雑化及び制御の複雑化を招くことはない。

さらに、本実施の形態では、酸化剤ガスと燃料であるメタノール原液とが混合することが無く、また酸化剤ガスと燃料であるメタノール原液とは純水で隔離されているため、安全性の確保のための手段は不要であり、システムの複雑化及び制御の複雑化を招くことは無い。

図４は、本発明の実施の形態２を示すものであり、図２及び図３と同一部分には同一符号を付している。本実施形態では、図２における分離器１１２、混合器１１３を一体化してなる分離混合器１３０を設け、分離器１１２で生じた凝縮熱を混合器１１３に与える構成とした。

図５に分離混合器１３０の断面図を示す。分離混合器１３０は、容器１３０ａを有し、分離器１１２と混合器１１３とは隔離板１３０ｂを介して一体化されている。分離器１１２は、実施形態１同様に、上部にガス入口、ガス出口を設け、ガス入口に燃料電池本体１００から排出された空気を供給した。空気は、電池反応による生成水を蒸気として含んでいるが、温湿度交換器１１０により温度が下がり、水蒸気が凝縮した状態で容器に供給される。そして、凝縮水が容器の下に溜まり、酸化剤ガスから分離される。

分離された純水は、隔離板１３０ａの一部に設けられた連絡流路により、混合器に供給とされる。混合器１１３は下部に供給ポンプ１１４からの配管と、混合液ポンプ１１５への配管、および濃度センサ１２１を設けている。混合器１１３では、分離された水と、燃料であるメタノールの混合液が生成される。混合液は実施形態１と同様にポンプ１１５を経由して蒸発器１１６に至る。

本実施形態にあっても、燃料電池本体から排出された酸化剤ガス中に含まれる水分を分離する分離器１１２と、水の一部と前記燃料とを混合する混合器１１３を設けることで、酸化剤排ガス中に含まれる水分の凝固点を下げ、凍結を抑制することができ、氷点下の環境でも速やかに、システムを起動することができるようになるとともに、前記燃料が排ガスとともに排出されるのを防いで、システム効率の低下を抑制することができる。

また、温湿度交換手段により酸化剤排ガスの温度が十分に低下するため、システムが停止した時に酸化剤排ガスのガス流路内で水蒸気の凝縮を生じる量を少なくでき、複雑なシステムおよび制御をすることなく酸化剤排ガス流路内の凍結を抑制することができる。

これらの効果に加えて、本実施形態では、分離器１１２と混合器１１３とを一体化した分離混合器１３０を用いており凝縮熱など分離器１１２で生じる熱を混合器１１３の混合液に与えることができ、混合液の温度を上げる効果がある。これにより、蒸発器で与える熱量が少なくて済み、システム効率が向上する。

図６、図７は、本発明の実施の形態１、２の変形例を示すものであり、図２〜図５と同一部分には同一符号を付している。本例は、回収した水と液体燃料の混合液を混合ポンプ１１５で水蒸気発生器１１６に供給し、混合液の蒸気を改質器１０１に供給するだけでなく、燃料タンク１０７から燃料ポンプ１０８、蒸発器１０９を経て改質器１０１に供給するようにした。本実施の形態は、改質器１０１が、部分酸化改質器と水蒸気酸化改質器を組み合わせたオートサーマル方式改質器の場合に好適である。すなわち、オートサーマル方式では、部分酸化による反応を含み、水蒸気改質器に比べ、改質に必要な水蒸気の量が少ない。このため、酸化剤排ガスからの凝縮水が少なくて済み、分離器１１２および混合器１１３を小さくできる。その反面、水蒸気発生器で生成される燃料蒸気も少なくなるので、足りない燃料蒸気量を、蒸発器１０９にて補うことができる。

本実施の形態では、実施の形態１、２のと同等の効果を奏するのに加えて、例えばオートサーマル方式改質器など必要水蒸気量が少ない時には、蒸発器１０９においても燃料蒸気を生成し、分離１１２および混合器１１３を小さくできるという効果をもつ。

図８は、実施の形態３の固体高分子型燃料電池システムを示しており、空気排ガスから分離した水と混合する媒体を、疑固点が氷点以下で、沸点が水より高い媒体とした。具体的には、沸点が約２００℃のエチレングリコールを用いた。また、液体燃料としては、ガソリンを用いた。

図８において、改質器１０１で水素リッチガスに改質された燃料ガスは、ＣＯ低減器１０２を経て燃料電池本体１００の燃料極１００ａに供給される。電池反応により所定量消費された後、未反応水素を含む燃料排ガスは改質器１０１のバーナーに供給され、改質器１０１の熱源となる。

コンプレッサー１１１で供給された空気は、温湿度交換器を１１０を経て燃料電池本体１００の酸化剤極１００ｂに供給される。電池反応により所定量消費された後、電池反応による生成水を回収して排出される。排出された空気は、全熱交換器１１０により冷却される共に、水分を未反応空気に与え、加湿を行う。

本実施形態では、空気排ガスから水蒸気を凝縮及び分離する分離器１１２と、分離された水と低凝固点媒体を混合する混合器１１３を設けている。この分離器１１２及び混合器１１３は、図３に示すものと同等のものである。タンク１２６には、低凝固点媒体としてエチレングリコールが貯められており、供給ポンプ１１４により混合器１１３に与えられる。

混合器１１３で溜められた混合液は、混合ポンプ１１５により蒸気発生器１１６に供給される。蒸気発生器１１６では、図示しない熱源により加熱され、混合液中の水を蒸発させて蒸気を作る。水蒸気は改質用として供給される。残留した混合液中の低凝固点媒体は戻しポンプ１２７によりタンク１２６に戻される。本実施の形態では、低凝固点媒体として沸点が水より高いエチレングリコールを用いているため、蒸気発生器１１６では、水蒸気だけを生成し、エチレングリコールと分離することが可能となる。

混合器１１３ではシステムが停止した際の凍結の虞れはないが、軽量化の観点から容器の容量は小さい方が望ましい。具体的には、５０ｋＷ出力の燃料電池システムにおいて、２リットル程度の大きさが良い。

改質器１０１では、燃料であるガソリンが、燃料ポンプ１０８、蒸発器１０９を経て供給され、前述した水蒸気と混合され、水素リッチガスに改質される。燃料供給量と水蒸気の供給量の比は１：１から１：３になるように調整される。具体的には、この範囲になるように燃料ポンプ１０８と混合液ポンプ１１５の供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。燃料であるメタノール又は低凝固点媒体としてエチレングリコールを用いることができる。

出力５０ｋＷの本実施形態の燃料電池システムと、従来の燃料電池システムを、一定時間運転したあと停止し、室温が−４０℃に設定された環境試験室に１日放置した。その後起動試験を行った。

本実施形態の燃料電池システムでは、冷却水および混合液がともに不凍液であり、凍結しなかった。このため、速やかに改質用の水蒸気を生成でき、システムが約１分で起動した。分離器１１２では、停止時に残っていた５００ｍリットルの凝縮水が凍結したが、起動後の空気排ガス中の水蒸気の凝縮潜熱により、約１０秒で融解した。

一方、従来の燃料電池システムでは、改質用の水蒸気を純水の冷却水で賄っているため、冷却水が凍結することがあり、起動することができない場合があった。

このように、酸化剤排ガスから水蒸気を凝縮・分離する分離器１１２と、分離された水と低凝固点媒体を混合する混合器１１３を設けることにより、酸化剤ガス中から回収した水の凝固点を下げ、氷点下の低温でも凍結を抑制することができ、氷点下の環境でも速やかに起動することができる。

本実施の形態は、水に溶けない燃料を用いる場合に好適である。例えばガソリンなどは水にとけないため、実施の形態１及び２のように、酸化剤排ガスから分離した水に混合しても、混じり合わず、水の凝固点を下げることができない。従って、低凝固点媒体を燃料とは別に用意することで、ガソリンなど水に溶けない燃料に対しても、酸化剤排ガスから分離した水の凍結を抑制することができる。

さらに、低凝固点媒体として水より沸点が高い媒体を用いることで、蒸気発生器にて水蒸気だけを生成・分離することが可能となる。

図９は、実施の形態４の固体高分子型燃料電池システムを示しており、実施の形態３と同様に燃料であるガソリンとは別に低凝固点媒体としてエチレングリコールを用いるようにしている。

本実施形態では、実施形態４における分離器１１２と混合器１１３を一体化した、図１０に示す分離器１２２を設けている。つまり、酸化剤排ガスから水蒸気を凝縮、分離する分離器１２２を設けると共に、この分離器１１２に低凝固点媒体を供給するようにした。また分離器１２２での凝縮量を計算するため、空気排ガス中の水蒸気量を測定する湿度センサ１２４と、全熱交換後１１０の空気排ガス温度を測定する温度センサ１２３を設けている。

分離器１２２にて分離された凝縮水は、供給ポンプ１１４により供給された低凝固点媒体と混合される。低凝固点媒体は、水より凝固点が低い媒体、例えばエチレングリコールなどを用いる。水に低凝固点媒体を混合することにより、水の凝固点を下げることができる。凝固点は媒体の種類と水および媒体の混合比で決まる。エチレングリコールの場合、濃度３０〜５０質量％が最適である。

前記の濃度となるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。具体的には、コンプレッサ１１１の供給量と、湿度センサ１２４で測定した湿度から、空気排ガス中の水蒸気量を測定する。そして、全熱交換後１１０の空気温度から、水蒸気の凝縮量を計算する。凝縮量の４３％〜１００％と等しくなるように、低凝固点媒体であるエチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。

分離器１２２で溜められた混合液は、混合ポンプ１１５により蒸気発生器１１６に供給される。蒸気発生器１１６では、図示しない熱源により加熱され、混合液中の水を蒸発させて蒸気を作る。水蒸気は改質用として供給される。残留した混合液中の低疑固点媒体は戻しポンプ１２７によりタンク１２６に戻される。

本実施の形態では、低凝固点媒体として沸点が水より高いエチレングリコールを用いているため、蒸気発生器１１６では、水蒸気だけを生成し、エチレングリコールと分離することが可能となる。

出力５０ｋＷの本実施形態の燃料電池システムを、一定時間運転したあと停止し、室温が−４０℃に設定された環境試験室に１日放置した。その後起動試験を行った。

本実施形態の燃料電池システムでは、冷却水および混合液がともに不凍液であり、凍結しなかった。このため、速やかに改質用の水蒸気を生成でき、システムが約１分で起動した。

このように、酸化剤排ガスから水蒸気を凝縮、分離する分離器１２２を設け、分離器１２２に低凝固点媒体を供給するようにしたことにより、実施形態４と同様に回収した水の凍結を抑制することができるとともに、分離器１２２である容器を水タンクとしても利用でき、コンパクトになる。

本実施の形態においても、実施の形態３同様、水に溶けない燃料を用いる場合に好適である。例えばガソリンなどは水に溶けないため、実施の形態１および２のように、酸化剤排ガスから分離した水に混合しても、混じり合わず、水の凝固点を下げることができない。従って、低凝固点媒体を燃料とは別に用意することで、ガソリンなど水に溶けない燃料に対しても、酸化剤排ガスから分離した水の凍結を抑制することができる さらに、低凝固点媒体として水より沸点が高い媒体を用いることで、蒸気発生器にて水蒸気だけを生成・分離することが可能となる。

図１１は、実施の形態５の固体高分子型燃料電池システムを示しており、実施の形態３、４と同様に燃料であるガソリンとは別に低凝固点媒体としてエチレングリコールを用いるようにしている。

本実施の形態では、酸化剤排ガスと凝固点が摂氏零度以下である媒体と混合する混合器１２５を設けている。図１２に混合器１２５の断面図を示す。本実施形態の混合器１２５は、酸化剤排ガス配管１２５ａの壁から配管を挿入し、当該配管の先端が、酸化剤ガス下流に平行になるように向ける。燃料を供給ポンプ１１４により酸化剤排ガスの中に噴射し、混合する。混合液および酸化剤排ガスは、分離器１２２に供給され、混合液は下部に溜まる。分離器１２２は、実施形態１、３と同形状のものである。

低凝固点媒体は、水より凝固点が低い媒体、例えばエチレングリコールなどを用いる。水に低凝固点媒体を混合することにより、水の凝固点を下げることができる。凝固点は媒体の種類と水および媒体の混合比で決まる。エチレングリコールの場合、濃度３０〜５０質量％が最適である。

前記の濃度となるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。具体的には、コンプレッサ１１１の供給量と、湿度センサ１２４で測定した湿度から、空気排ガス中の水蒸気量を測定する。そして、全熱交換後１１０の空気温度から、水蒸気の凝縮量を計算する。凝縮量の４３％〜１００％と等しくなるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。

分離器１２２で溜められた混合液は、混合ポンプ１１５により蒸気発生器１１６に供給される。蒸気発生器１１６では、図示しない熱源により加熱され、混合液中の水を蒸発させて蒸気を作る。水蒸気は改質用として供給される。残留した混合液中の低凝固点媒体は戻しポンプ１２７によりタンク１２６に戻される。

本実施の形態では、低凝固点媒体として沸点が水より高いエチレングリコールを用いているため、蒸気発生器１１６では、水蒸気だけを生成し、エチレングリコールと分離することが可能となる。

出力５０ｋＷの本実施形態の燃料電池システムを、一定時間運転したあと停止し、室温が−４０℃に設定された環境試験室に１日放置した。その後起動試験を行った。

本実施形態の燃料電池システムでは、冷却水および混合液がともに不凍液であり、凍結しなかった。このため、速やかに改質用の水蒸気を生成でき、システムが約１分で起動した。

このように、本実施形態では、酸化剤排ガスと凝固点が摂氏零度以下である媒体とを混合する混合器１２５を設けていることにより、回収した水の凍結を抑制することができる。本実施の形態においても、実施の形態３同様、水に溶けない燃料を用いる場合に好適である。例えばガソリンなどは水にとけないため、実施の形態１および２のように、酸化剤排ガスから分離した水に混合しても、混じり合わず、水の凝固点を下げることができない。従って、低凝固点媒体を燃料とは別に用意することで、ガソリンなど水に溶けない燃料に対しても、酸化剤排ガスから分離した水の凍結を抑制することができる。

さらに、低凝固点媒体として水より沸点が高い媒体を用いることで、蒸気発生器にて水蒸気だけを生成・分離することが可能となる。

図１３は、実施形態６の燃料電池システムを示しており、全システムのうち、燃料改質器１０１から燃料電池本体１００の燃料極１００ａまでの経路を示している。その他の空気供給系、空気排ガス系、冷却系については、実施形態１，２と同様の構成とした。

本実施形態では、燃料改質器１０１から排出させた改質ガスから水蒸気を分離する分離器１１２と、分離された水と凝固点が摂氏零度以下である媒体とを混合する混合器１１３とを設けている。

水蒸気を分離する分離器１１２および低凝固点媒体と混合する混合器１１３は、実施形態４と同様のものを用いている。改質ガスは、改質反応の際の余剰水を蒸気として含んでいるが、図示しない熱交換器により温度が下がり、水蒸気が凝縮した状態で容器に供給される。そして凝縮水が容器の下部に溜まり、改質ガスから分離される。

低凝固点媒体を供給する手段として、供給ポンプ１１４と配管とを用いた。分離器１１２の円筒形容器の下部に当該配管を接続し、供給ポンプ１１４を介して低凝固点媒体を供給するようにしている。そして、分離された凝縮水は、供給ポンプ１１４により供給された低凝固点媒体と混合される。

低凝固点媒体としては、メタノール燃料の場合はメタノールを用い、ガソリン燃料の場合はエチレングリコールを用いる。

前記の濃度となるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニットで制御する。具体的には、コンプレッサ１１１の供給量と、湿度センサ１２４で測定した湿度から、空気排ガス中の水蒸気量を測定する。そして、全熱交換後の空気温度から、水蒸気の凝縮量を計算する。凝縮量の４３％〜１００％と等しくなるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。混合器１１３で溜められた混合液は、混合ポンプ１１５により蒸気発生器１１６に供給される。

本実施形態が効果的となるのは、改質ガスから水蒸気を回収する場合である 具体的には、ガス圧力０．１Ｍｐａ以上、水素利用率８０％以下、作動温度７０℃以下、メタノール水蒸気改質反応のメタノール：水モル比１：２．７以上の場合である。これらの動作条件を満たす場合には、燃料入口で水蒸気の凝縮を生じる。

よって、改質ガスから水を回収する場合にも、燃料改質器１０１から排出された改質ガスから水蒸気を分離する分離器と、分離された水と凝固点が摂氏零度以下である媒体とを混合する混合器を設けることで、回収した水の凍結を抑制することができる。

図１４は、実施形態７の燃料電池システムを示しており、全システムのうち、燃料改質器１０１から燃料電池本体１００の燃料極１００ａまでの経路を示す。その他の空気供給系、空気排ガス系、冷却系については、実施の形態１，２と同様の構成とした。

本実施形態では、図４及び図５で示した、図１３における分離器１１２及び混合器１１３を一体化した分離混合器１３０を用い、分離器１１２で生じる凝縮熱を混合器１１３に与える構成とした。

本実施形態において、改質ガスは、改質反応の際の余剰水を蒸気として含んでいるが、図示しない熱交換器により温度が下がり、水蒸気が凝縮した状態で分離器１１２の容器に供給される。そして凝縮水が分離器１１２の容器の下部に溜まり、改質ガスから分離される。

分離された凝縮水は、供給ポンプ１１４により供給された低凝固点媒体と混合される。低凝固点媒体は、水より凝固点が低い媒体、例えばエチレングリコールなどを用いる。水に低凝固点媒体を混合することにより、水の凝固点を下げることができる。凝固点は媒体の種類と水および媒体の混合比で決まる。エチレングリコールの場合、濃度３０〜５０質量％が最適である。

前記の濃度となるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。具体的には、湿度センサ１２８、温度センサ１２９で測定した湿度、温度から、改質ガス中の水蒸気量を測定する。そして、改質ガス温度から、水蒸気の凝縮量を計算する。凝縮量の４３％〜１００％と等しくなるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。混合液は、混合ポンプ１１５により蒸気発生器１１６に供給させる。

本実施形態が効果的となるのは、改質ガスから水蒸気を回収する場合である。具体的には、ガス圧力０．１Ｍｐａ以上、水素利用率８０％以下、作動温度７０℃以下、メタノール水蒸気改質反応の、メタノール：水モル比１：２．７以上の場合である。これらの動作条件を満たす場合には、燃料入口で水蒸気の凝縮を生じる。

改質ガスから水を回収する場合にも、燃料改質器１０１から排出された改質ガスから水蒸気を凝縮、分離する分離混合器１３０に低凝固点媒体を供給することで、回収した水の凍結を抑制することができる。

これらの効果に加えて、本実施形態では、分離器１１２と混合器１１３とを一体化した分離混合器１３０を用いており凝縮熱など分離器１１２で生じる熱を混合器１１３の混合液に与えることができ、混合液の温度を上げる効果がある。これにより、蒸発器で与える熱量が少なくて済み、システム効率が向上する。

図１５は、実施形態８の燃料電池システムを示しており、全システムのうち、燃料改質器から燃料極までの経路を示す。その他のシステム、例えば、空気供給系、空気排ガス系、冷却系については、実施形態１，２と同様の構成である。本実施形態では、改質ガスと凝固点が摂氏零度以下である媒体とを混合する混合器１３１を設けている。この混合器１３１は実施形態５における混合器１２５と同様のものを用いた。

混合器１２９においては、改質ガス配管の壁から配管を挿入し、先端が改質ガス下流に平行になるように向ける。低凝固点媒体を供給ポンプ１１４により改質ガスの中に噴射し、混合する。

混合液および改質ガスは、分離器１１２に供給され、混合液は下部に溜まる。分離器１１２は実施形態５と同形状のもので、低凝固点媒体供給配管を省略したものを用いている。

低凝固点媒体は、水より凝固点が低い媒体、例えばエチレングリコールなどを用いる。水に低凝固点媒体を混合することにより、水の凝固点を下げることができる。凝固点は媒体の種類と水および媒体の混合比で決まる。エチレングリコールの場合、濃度３０〜５０質量％が最適である。

前記の濃度となるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。具体的には、湿度センサ１２８で測定した湿度から、改質ガス中の水蒸気量を測定する。そして、改質ガス温度から、水蒸気の凝縮量を計算する。凝縮量の４３％〜１００％と等しくなるように、エチレングリコールの供給量をコントローラーユニット１１７で制御する。

混合器１３１で溜められた混合液は、混合ポンプ１１５に上り蒸気発生器１１６に供給される。

本実施形態が効果的となるのは、改質ガスから水蒸気を回収する場合である。具体的には、ガス圧力０．１Ｍｐａ以上、水素利用率８０％以下、作動温度７０℃以下、メタノール水蒸気改質反応のメタノール：水モル比１：２．７以上の場合である。これらの動作条件を満たす場合には、燃料入口で水蒸気の凝縮を生じる。

改質ガスから水を回収する場合にも、燃料改質器１０１から排出された改質ガスと凝固点が摂氏零度以下である媒体とを混合する混合器１３１を設けることで、回収した水の凍結を抑制することができる。

本発明によれば、燃料電池本体から排出された燃料ガスまたは酸化剤ガスの排ガスから水分を分離し、該分離された水分の少なくとも一部と凝固点が氷点以下で沸点が水の沸点より高い媒体とを混合することにより、分離した水分の凝固点を下げることができ、分離した水の凍結を抑制することができるとともに、水の沸点より高い媒体を用いることで、分離器から前記媒体が排ガスとともに排出されることを抑制することができ、さらに燃料と前記媒体とを別個にすることで、ガソリンなど水に溶けない燃料を用いたシステムにおいても凍結を抑制することができる。

１００…燃料電池本体、１００ａ…燃料極、１００ｂ…酸化剤極、１００ｃ…冷却板、
１０１…改質器、１０２…ＣＯ低減器、１０７…燃料タンク、１０８…燃料ポンプ、１０９…蒸発器、
１１０…温湿度交換器（全熱交換器）、１１１…コンプレッサー、
１１２…分離器、１１２ａ…容器、１１２ｂ…定量排出弁、
１１３…混合器、１１４…供給ポンプ、1１５…燃料ポンプ、
１１６…蒸発器（水蒸気発生器）、１１７…コントローラーユニット、
１１８…不凍液リザーバタンク、１１９…電動ファン、１２０…冷却水ポンプ、
１２１…濃度センサ、１２２…分離器、１２３…温度センサ、１２４…湿度センサ、１２５…混合器、１２６…タンク、１２８…湿度センサ、１２９…温度センサ、
１３０…分離混合器、１３０ｂ…隔離板、１３１…混合器。

Claims (4)

1. 固体高分子型燃料電池本体と、
   燃料及び水蒸気が供給され、該燃料を水蒸気改質反応により改質して前記燃料電池本体に供給する燃料改質器と、
   前記燃料電池本体の反応部を通過した後の既反応の酸化剤排ガスと前記燃料電池本体の反応部を通過する前の未反応の酸化剤ガスとの熱と水分の交換を行う温湿度交換手段と、
   前記温湿度交換手段から排出された前記酸化剤排ガス中の水と凝固点が氷点以下で沸点が水より高い媒体との混合液を生成する混合液生成手段と、
   この混合液生成手段の混合液を加熱して該混合液中に含まれる水を蒸発させることにより該混合液から水蒸気を生成し、該水蒸気を前記燃料改質器に供給する水蒸気生成手段とを具備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. 前記混合液生成手段は、前記温湿度交換手段から排出された前記酸化剤排ガスから水分を分離する分離手段と、この分離手段の水の一部と前記媒体とを混合する混合手段と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. 前記混合液生成手段は、前記温湿度交換手段から排出された前記酸化剤排ガスから水分を分離する分離手段と、この分離手段に前記媒体を供給する供給手段と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。
4. 前記混合液生成手段は、前記温湿度交換手段から排出された排ガスの一部と前記媒体とを混合する混合手段と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。

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