JP4685361B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池に燃料を供給する燃料供給系と、燃料電池を冷却する冷却系とを有する燃料電池システムに関する。

燃料電池の分野では、発電に伴って発熱する燃料電池を冷却する冷却系を有する燃料電池システムが提案されている(例えば、特許文献１)。特許文献１記載の燃料電池システムでは、燃料(水素ガス等)を燃料電池のアノード(陰極(燃料極))に供給する燃料供給系、及び酸化剤(空気や酸化ガス等)を燃料電池のカソード(陽極(酸素極))に供給する酸化剤供給系とは別に、燃料電池と熱交換器との間で冷媒を循環させて燃料電池を冷却する冷却系が用意されている。

また、液体燃料をアノードに供給するとともに、液体酸化剤を空気や酸化ガスの代わりにカソードに供給して発電を行う燃料電池システムが知られている(例えば、特許文献２
参照)。
特開２００３−１２３８１３号公報 特開２００３−３４６８６５号公報 特開２０００−３０６５９５号公報

しかしながら、特許文献１に記載されたような従来技術では、酸化剤供給系とは異なる冷却系が設けられていた。このため、燃料電池システムの大型化を招いていた。また、燃料電池に、酸化剤流路と冷媒流路との双方を設けなければならなかった。従って、燃料電池自体の大型化も招いていた。

さらに、酸化剤として空気や酸化ガスをカソードに供給する燃料電池システムでは、燃料電池の高出力時にカソードで大量に発生する生成水が酸素の拡散を阻害し(フラッディ
ングと呼ばれる)、出力低下を招くという問題があった。また、氷点下の環境下では、カ
ソードに滞留した生成水が凍結し、燃料電池の起動を阻害するという問題もあった。

本発明の目的は、適正に生成水を燃料電池の外部に排出することが可能であり、且つ小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することである。

本発明は、上述した目的を達成するために、以下の構成を採用する。即ち、本発明は酸素運搬機能と生成水の排出機能とを合わせ持つ液体を冷媒として燃料電池のカソードと冷却器との間で循環させることを特徴とする。

本発明の第１の態様は、電解質を挟むアノード及びカソードを含む少なくとも１つのセルを有する燃料電池と、
フルオロカーボンを含み、水及び酸素を溶かすことができる液体を、前記燃料電池のカソードと前記液体を冷却する熱交換器との間で循環させる循環手段と、を含むことを特徴とする燃料電池システムである。

本発明の第１の態様によれば、液体がカソードを通過するように循環する。このため、酸素が溶けた液体をカソードに供給することで、陽極反応に必要な酸素をカソードに供給することができる。陽極反応によってカソードで発生する生成水は、液体に溶けるとともに、液体とともに燃料電池の外部に排出される。従って、生成水によるフラッディングの発生を防止することができる。また、生成水が液体に溶けることにより、カソードにおける生成水の滞留が防止される。このため、氷点下において、カソードに滞留した生成水が
凍結し、燃料電池の起動が妨げられることを防止することができる。

一方、液体は、各カソードと熱交換器との間で循環するように構成される。このため、液体が発電によって生じた熱を燃料電池から奪い、液体が熱交換器で冷却されることで、放熱が行われる。このようにして、液体を冷媒として燃料電池を冷却することができるので、従来技術のように、酸化剤供給系とは異なる冷却系を用意する必要がない。従って、燃料電池システムの小型化及び簡素化を図ることができる。また、燃料電池においても、酸化剤流路とは別個に冷媒流路を設ける必要がなくなるので、燃料電池の小型化も図ることができる。

第１の態様における液体として、酸素の吸脱着機能を持つ物質が溶けており、且つ酸素及び水を溶かすことができる液体を適用することができる。

好ましくは、第１の態様における液体は、水より低い凝固点を持つように構成される。このようにすれば、液体が氷点下でも凍結しないので、氷点下でも燃料電池を起動させることが可能となる。

液体が氷点下でも凍結しない性質を持つようにする構成として、(１)第１の態様における液体として、水よりも凝固点が低い液体を主成分とする液体を適用する、(２)第１の態様における液体に、凝固点降下作用を持つ溶質を添加する、ことが考えられる。

また、第１の態様における液体は、フルオロカーボンを含むように構成される。このため、フルオロカーボンが持つ酸素及び水の溶解機能により、上述した酸素の供給と、適正な生成水の排出によるフラッディング及び生成水の凍結防止とを実現することができる。また、フルオロカーボンの凝固点が水より低いという性質を利用して、氷点下でも燃料電池を起動できるようにすることができる。

また、好ましくは、第１の態様における燃料電池システムは、フルオロカーボンを含む液体が適用される場合には、この液体を貯留するリザーバと、
前記リザーバ内の前記液体に酸素を溶解させる酸素溶解手段と、
前記液体に酸素を溶解させることによって生じる気相のフルオロカーボンを回収する回収手段と、をさらに含む。

このようにすれば、液体に対する酸素の溶解処理によって生じる気相のフルオロカーボンを回収することができる。これによって、回収されたフルオロカーボンを再利用することができる。

また、好ましくは、第１の態様における燃料電池システムは、液体中の水分の少なくとも一部を除去する水分除去手段をさらに含む。液体には生成水が溶けるので、これらに含まれる水分量が増加する。水分除去手段を設けることで、不要な水分を除去し、液体中の水分量を適正な範囲に保つことができる。

本発明によれば、適正に生成水を燃料電池の外部に排出することが可能であり、且つ小型化を図ることができる。
また、本発明によれば、適正に生成水を燃料電池の外部に排出することが可能であり、且つ小型化を図ることができ、燃料電池で発電される電流密度を高めることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。実施形態の構成は例示であり、本
発明は実施形態の構成に限定されない。
〔第１実施形態〕
図１は、本発明による燃料電池システムの第１実施形態の構成例を示す図である。図１には、燃料電池の一例として固体高分子電解質型燃料電池(ＰＥＦＣ)が適用された燃料電池システムの一実施形態が示されている。このような燃料電池は、例えば車両に搭載される。

図１に示す燃料電池システム１００において、燃料電池１は、複数のセル２が積層されてなるセルスタックを備えている。各セル２は、固体高分子電解質膜(陽イオン交換膜(ＰＥＭ：proton exchange membrane))３をアノード(陰極)４が及びカソード(陽極)５が挟み、これらがさらにアノード側のセパレータ６及びカソード側のセパレータ７で挟まれることによって構成されている。

アノード４及びカソード５は、それぞれ、触媒層と拡散層とを有し、各触媒層はＰＥＭ３と接触し、各拡散層はセパレータ６，７にそれぞれ接触するように配置される。触媒層は、カーボン粒子に触媒としての白金粒子が担持された構造を持つ。拡散層には、例えばカーボンペーパやカーボンクロスが適用される。

各セル２は、一般には、電解質膜(ＰＥＭ)と両電極の触媒層とが一体化されたＭＥＡ(membrane electrode assembly)の両側に、拡散層材料がそれぞれ配置され、これらがセパ
レータ６，７で挟み込まれることによって構成される。

アノード４には、燃料としての水素が供給される。このため、燃料電池システム１００は、燃料の供給系として、燃料を貯留した燃料源８と、燃料源８に貯留された燃料を燃料電池１の各アノード４に供給する供給装置９とを備える。

燃料源８には、水素ガス、水素及び二酸化炭素のような混合ガスなどの気体燃料、あるいは、水素を含む液体アルコール(例えば、エタノール，メタノール，ジエチルエーテル)、水素化錯体水溶液のような液体燃料が貯留される。供給装置９としては、燃料が気体燃料である場合には、エアコンプレッサやブロワのような装置が適用され、燃料が液体燃料である場合には、ポンプのような装置が適用される。

燃料電池１には、燃料流路が設けられている。アノード側の各セパレータ６の拡散層と接触する面には、燃料流路の一部として機能する溝が拡散層に向かって開口した状態で設けられている。

供給装置９から供給される燃料は、燃料電池１の燃料流路の入口を通って各セパレータ６の溝を通過する。このとき、溝からアノード４の拡散層に向かって燃料が拡散することで、アノード４に燃料が供給される。そして、溝を通過した燃料は、燃料流路の出口から外部に排出される。なお、外部に排出された燃料は、例えば、図１に示すように再び燃料源８まで戻るように構成され、燃料の循環路が形成されるように構成することが可能である。

各アノード４へ供給される燃料は、拡散層で拡散しながら触媒層に到達する。触媒層では、触媒による陰極反応(酸化反応)により、燃料中の水素がプロトン(水素イオン)と電子とに分離される。水素イオンは、ＰＥＭ３を通ってカソード５へ移動する。一方、電子は外部回路を通ってカソード５へ移動する。

一方、燃料電池１には、さらに酸化剤流路が設けられている。カソード側の各セパレータ７の拡散層と接触する面には、酸化剤流路の一部として機能する溝が拡散層に向かって
開口した状態で設けられている。

従って、燃料電池１に供給される酸化剤は、酸化剤流路の入り口を通って各セパレータ７の溝を通過する。このとき、酸化剤は溝からカソード５の拡散層に拡散する。このようにしてカソード５に酸化剤が供給される。酸化剤はカソード５の拡散層で拡散しながら触媒層に到達する。触媒層では、酸化剤に含まれる酸素と、アノード４から移動してきた水素イオン及び電子とによる陽極反応(還元反応)が発生し、水が生成される。

このようなセル２における陰極及び陽極反応の際に、アノード４から外部回路を通ってカソード５に移動する電子(即ち、電流)が、外部回路に接続される負荷１０に対する動力として利用される。なお、燃料及び酸化剤の供給／供給停止は、セル２毎に行うように構成することができる。

燃料電池システム１００は、酸素を各カソード５に供給するとともに、各カソード５で生成される水を効率良く除去するために、酸素及び水を溶かすことができる液体を酸化剤として用いる(以下、カソード５に供給される液体酸化剤を「カソード液」と称する)。

第１実施形態では、カソード液として、フルオロカーボンが適用される。フルオロカーボンとしては、所望の酸素及び水の溶解機能を期待することができる限り、あらゆる種類のフルオロカーボンをカソード液として適用することができる。但し、水の親和性が高い種類のフルオロカーボンを用いるのが好ましい。例えば、水酸基や酢酸基、スルホン酸基で修飾されたフルオロカーボンが好適である。

また、カソード液として、フルオロカーボンのみからなる液体の代わりに、フルオロカーボンを主成分とする液体を適用することができる。例えば、フルオロカーボンと水との親和性を高めるために、乳化剤のような添加剤を配合することが考えられる。

この場合、フルオロカーボンが持つ酸素及び水の溶解機能に鑑み、カソード液の初期状態(酸素及び生成水が溶かされていない状態)において、フルオロカーボンの含有量が全体の５０％以上となるように構成するのが好ましい。

また、燃料電池システム１００は、カソード液を燃料電池１の冷媒として利用し、カソード液を燃料電池１の各カソード５と、カソード液を冷却するラジエータ１１との間で循環させる。このため、次のような構成を備えている。

燃料電池システム１００は、カソード液を貯留するリザーブタンク１２と、リザーブタンク１２内に空気を導入するエアコンプレッサ１３と、カソード液を燃料電池１に供給するポンプ(循環ポンプ)１４とを備える。リザーブタンク１２とポンプ１４とは、配管１５で接続されており、ポンプ１４と燃料電池１に設けられた酸化剤流路の入口とは、配管１６で接続されている。

リザーブタンク１２に貯留されたカソード液は、エアコンプレッサ１３からの空気で泡立てられる(バブリングされる)。これにより、カソード液に空気(酸素)が溶ける。酸素が溶けたカソード液は、ポンプ１４により、配管１５及び１６を通って燃料電池１に供給され、酸化剤流路を通って各カソード５に供給される。なお、酸素をカソード液に溶かし込む方法として、上記したようなバブリング(気液接触)による方法の他に、気体透過膜を用いる方法を適用することができる。

燃料電池１の酸化剤流路の出口とラジエータ１１の入り口との間は、配管１７により接続されている。配管１７には、その途中で分岐するバイパス管１８が接続されており、バ
イパス管１８は、サーモスタット１９に接続されている。

サーモスタット１９は、弁体の移動により開閉する第１弁室(図中右側)及び第２弁室(
図中左側)を有している。第１弁室には、バイパス管１８が接続される第１の流体入口と
、配管２０と接続される流体出口とが設けられている。第２弁室には、ラジエータ１１の流体出口に接続された配管２１が接続される第２の流体入口が設けられている。

サーモスタット１９の弁は、第１の流体入口から第１弁室に流れ込むカソード液の温度が所定温度より低い間は、第１弁室と第２弁室との間を閉じる。これに対し、第１の流体入口から第１弁室に流れ込むカソード液の温度が所定温度よりも高くなると、弁が開き、第１弁室と第２弁室とが連通された状態になる。

燃料電池１は、発電に伴い発熱する。このとき発生する熱は、燃料電池１の内部を通過するカソード液に移動し、燃料電池１が冷却される。一方、配管１７及びバイパス管１８を通ってサーモスタット１９に流れ込むカソード液の温度が所定温度より低い間は、弁が閉状態を維持し、第１弁室内のカソード液は、流体出口から配管１９へ流れる。このように、カソード液の温度が所定温度よりも低い間は、カソード液はラジエータ１１をバイパスする。これによって、カソード液が常にラジエータで冷却されることによる燃料電池１のオーバークールを防止することができる。

その後、バイパス管１８を通ってサーモスタット１９に流れ込むカソード液の温度が所定温度よりも高くなると、弁が開き、第１弁室と第２弁室とが連通された状態になる(図
１は開弁状態を示している)。すると、燃料電池１から排出されるカソード液は、配管１
７を通ってラジエータ１１に供給され、ラジエータ１１で冷却された後、配管２１を通ってサーモスタット１９の第２の流体入口から第２弁室に流れ込む。

このとき、第２弁室と第１弁室とは連通状態になっている。このため、第２弁室内のカソード液は、第１弁室を通って流体出口から配管２０へ流れる。このように、カソード液の温度が所定温度よりも高い間は、カソード液がラジエータ１１を経由する。これによって、燃料電池１の温度が適正な範囲(予定される運転時の温度)で保たれる。

配管２０は、水分除去手段としての水分離部２２の入口に接続されている。また、配管２０には、その途中で分岐するバイパス管２３の一端が接続されている。バイパス管２３の他端は、第１入口(図中左側)と、第２入口(図中下側)及び出口(図中上側)を有する三方弁２５の第１入口に接続されている。三方弁２５の第２入口は、水分離部２２の出口と、配管２４により接続されている。また、三方弁２５の出口は、他端がリザーブタンク１２の内部に案内された配管２６の一端と接続されている。

水分離部２２は、カソード液中に含まれる水分を除去する水分離膜を含む。水分離膜として、例えば、水を透過するが、フルオロカーボンを透過しない半透膜が適用される。配管２０から水分離部２２に流れ込むカソード液は、水分離部２２で水分が除去され、配管２４へと流れる。なお、水分離膜として気体透過膜を適用することもできる。

三方弁２５は、内蔵している弁の開閉動作により、第１入口と第２入口との一方が開いているときは他方が閉じるように動作する(出口は常に開いている)。従って、第１入口が開いているときは、配管２０に流れ込むカソード液は、水分離部２２を経由することなく、バイパス管２３，三方弁２５及び配管２６を通って再びリザーブタンク１２で貯留される。これに対し、第２入口が開いているときは、配管２０に流れ込むカソード液は、水分離部２２で水分が除去された後、配管２４，三方弁２５及び配管２６を通ってリザーブタンク１２内に戻る。

燃料電池システム１００は、以上説明したような、燃料電池１の各カソード５及びラジエータ１１を経由するカソード液の循環路を有し、各カソード５とラジエータ１１との間でカソード液を循環させる。このようにカソード液が循環することで、各カソード４は常にカソード液で満たされた状態となっている。

なお、サーモスタット１９は、本発明の必須の構成要素ではない。もっとも、カソード液の温度測定手段(例えば温度計)を用意し、燃料電池１が冷えすぎないようにするのが好ましい。

三方弁２５は、動作信号に従って弁の開閉動作(第１及び第２入口の開閉動作)を行う電磁弁であり、三方弁２５の動作制御は、水分量検知手段としての第１センサ２７，発電量検知手段としての第２センサ２８，並びに、制御手段及び監視手段としての制御装置２９によって行われる。

第１センサ２７は、配管２６に取り付けられており、配管２６を流れるカソード液に含まれる水分量を測定する。第１センサ２７として、既存の様々な水分検知センサを適用することができる。第１センサ２７は、測定された水分量を示す信号を制御装置２９に与える。

第２センサ２８は、電流計及び電圧計を含む。図１では燃料電池１と外部回路との接続状態を模式的に図示してあるが、燃料電池１は、外部回路を介して、燃料電池１の直流出力を交流出力に変換するインバータ３０と接続され、インバータ３０は、交流出力を受け取って所定の動作を行う負荷１０と接続されている。

第２センサ２８を構成する電圧計は、燃料電池１のセルスタックの両端間の電圧値を測定する。一方、第２センサ２８を構成する電流計は、燃料電池１から出力される電流値を測定する。第２センサ２８は、電圧値及び電流値の測定結果を示す信号を制御装置２９に与える。

制御装置２９は、ＣＰＵ(Central Processing Unit)，主記憶，補助記憶，入出力イン
タフェース，周辺装置を備えている。制御装置２９は、補助記憶に記憶された三方弁２５の制御プログラムを主記憶にロードし、実行することによって、三方弁２５の制御(カソ
ード液に含まれる水分量の調整、即ち、水分離部２２による水分除去処理の開始／停止)
を制御する。

ここに、三方弁２５の制御方法として、(１)第１センサ２７で検出される水分量に応じて三方弁２５の動作を制御する第１の方法と、(２)第２センサ２８で検出される電流値及び電圧値に基づいて三方弁２５の動作を制御する第２の方法とを適用することができる。

第１の方法では、制御装置２９は、第１センサ２７から受け取る水分量の測定結果と、予め用意されている水分量の閾値(例えば１０ｐｐｍ)とを比較し、測定結果が閾値を上回っている間、第１入口を閉じて第２入口を開く動作信号を三方弁２５に与え続ける。

これによって、当該動作信号が与えられている間、カソード液は水分離部２２を経由する状態となり、カソード液から水分が除去される。一方、動作信号が与えられていない間は、三方弁２５は、第１入口を開いて第２入口を閉じる状態となる。従って、第１の方法では、水がカソード液(フルオロカーボン)に溶けきれなくなる状態(飽和状態)が発生する前に、カソード液に含まれる水分量を低減することが可能となる。

水分量の測定方法として、例えば、次のような方法を適用することができる。即ち、第１センサ２７は、カソード液中に配置される水分センサを含み、水分センサはカソード液中の水分を吸収する吸水性材料と、吸水性材料に接触する一対の電極を含み、この電極間の静電容量を検知(静電容量値は吸水性材料で吸収された水分量に応じて増加する)する。制御装置２９は、水分センサで検知された静電容量に応じた水分量を、静電容量値−水分量の関係を示すデータから求める。もっとも、水分量の測定方法は、このような構成に限られるものではなく、既存の様々な測定原理に基づく水分量の測定方法を適用することができる。

第２の方法では、制御装置２９は、第２センサ２８から継続的に与えられる電流値及び電圧値を用いて燃料電池１の発電量を監視する。そして、制御装置２９は、例えば、発電量が増加しながら予め用意された所定の閾値を超えた場合には、燃料電池１で大量の水が生成されるものとして、第１入口を閉じて第２入口を開く動作信号を三方弁２５に与え続ける。

これによって、当該動作信号が与えられている間、カソード液は水分離部２２を経由する状態となり、カソード液から水分が除去される。一方、動作信号が与えられていない間は、三方弁２５は、第１入口を開いて第２入口を閉じる状態となる。その後、制御装置２９は、発電量が所定の閾値を下回った場合には、動作信号の出力を停止する。動作信号の出力を開始する閾値と、停止する閾値とは同じであっても異なっていても良い。

このように、第２の方法は、第１の方法に燃料電池１での水の生成(水分量の増加)と、これに伴うカソード液の水分量の増加の検知との間にタイムラグが生じることに鑑み、燃料電池１の発電量の監視により、燃料電池１で生成される水の量(カソード液中の水分量)が増加することが予想される場合に、前もってカソード液中の水分量を低減することが可能となる。

制御装置２９は、第１及び第２の方法による制御の双方を並列に行い、水分量及び発電量に基づく水分量の調整を行う。例えば、水分量が対応する閾値を超えていなくても、発電量が上昇しながら対応する閾値を超えた場合には、水分離部２２による処理を開始する。このような第１及び第２の方法に基づく水分量調整により、カソード液中の水分量が適正な範囲に保たれる。

なお、制御装置２９が、水分量と発電量との双方が組み合わせられた条件により動作信号の出力開始／停止の判断を行うようにしても良い。例えば、水分量及び発電量がともに閾値を超えていないが、発電量の増加傾向(勾配)より、近い将来において(短時間で)水分量の閾値を越えることが予想される(例えば、測定値と閾値との差分が所定値より小さい)場合には、動作信号の出力を開始するように構成することができる。

また、上述したような水分量の増加を事前に予測したカソード液の水分量調整を行うことができる限り、制御装置２９が電圧値と電流値との一方のみを用いて、動作信号の出力開始／停止の判断を行うようにしても良い。

さらに、燃料電池システム１００は、カソード液のバブリングにより蒸発してリザーブタンク１２内に発生する気相のフルオロカーボンを回収する。このための構成として、リリーフ弁３１と、フルオロカーボン回収部３２とを備える。

リリーフ弁３１は、リザーブタンク１２の上部(天板)に取り付けられている。リザーブタンク１２は、配管１５及び２６やエアコンプレッサ１３からの空気の導通管が挿通されていることを除いて密閉状態となっている。

リリーフ弁３１は、リザーブタンク１２内の圧力が所定の値を超えると自動的に開状態となり、リザーブタンク１２内から排出される気体をフルオロカーボン回収部３２に与える。リリーフ弁３１は、リザーブタンク１２の圧力が所定値まで下がると、自動的に閉じる。

フルオロカーボン回収部３２は、フルオロカーボンとその他の気体(空気)とを分離する機能を持つ膜を含んでおり、この膜によって気体中のフルオロカーボンが分離され、残りの気体(空気)は外部に排出される。このようにして回収されたフルオロカーボンは、適宜の手段により、再びリザーブタンク１２内に供給される。

次に、燃料電池システムの動作例について、カソード液の流れを中心に説明する。図１において、燃料源(燃料タンク)８に貯留された燃料は、供給装置９によって燃料電池の各セル２のアノード４に供給される。

一方、リザーブタンク１２に貯留されたカソード液に対し、エアコンプレッサ１３からの空気が導入され、酸素がカソード液に溶解する。酸素が溶解したカソード液は、ポンプ１４によって燃料電池１の各カソード５に供給される。

これによって、燃料電池１では、各アノード４で陰極反応が起こり、各カソード５で陽極反応が起こり、発電が行われるとともに、各カソード５で水が生成される。生成された水は、カソード液に溶ける。酸素が消費され且つ水が溶けたカソード液は、燃料電池１から配管１７に排出される。このようにして、生成水はカソード液によってカソード５から持ち去られる。

配管１７に排出されたカソード液は、配管１７を通ってラジエータ１１の方へと流れる。このとき、カソード液の温度がサーモスタット１９の開弁温度に達している場合には、カソード液は、ラジエータ１１で冷却された後、配管２０へと流れる。これに対し、カソード液の温度がサーモスタット１９の開弁温度に達していない場合には、カソード液は、ラジエータ１１を通過することなく配管２０へと流れる。

配管２０を流れるカソード液は、三方弁２５の第１入口が閉じており且つ第２入口が開いていれば、水分離部２２で水分が除去された後、三方弁２５及び配管２６を流れてリザーブタンク１２内へ戻る。これに対し、三方弁２５の第１入口が開いており且つ第２入口が閉じている場合には、カソード液は、水分離部２２を経由することなく(バイパスして)リザーブタンク１２内に戻る。

燃料電池システムの第１実施形態によれば、水及び酸素を溶かすことができるカソード液(液体酸化剤)としてフルオロカーボンが適用され、酸素が溶けたフルオロカーボンが燃料電池１の各カソード５に供給される。

これによって、酸素を各カソード５に供給することができる。各カソード５で発生する生成水は、フルオロカーボンに溶けて燃料電池１の外部に排出される。従って、生成水によるフラッディングの発生を防止することができる。また、生成水の滞留が防止されるので、氷点下において、カソードに滞留した生成水が凍結し、燃料電池の起動が妨げられることを防止することができる。

また、燃料電池システムの第１実施形態によれば、ポンプ１４が、リザーブタンク１２内のカソード液を燃料電池１に供給することで、カソード液を燃料電池１とラジエータ(
熱交換器)１１との間で循環させる。このように、ポンプ１４が循環手段として機能する
。

このため、カソード液が発電によって燃料電池１で生じる熱を持ち去り、ラジエータ１１で冷却されることで、放熱が行われる。このように、カソード液が燃料電池１の冷媒として機能し、燃料電池１を冷却することができる。従って、酸化剤供給系とは異なる冷却系(従来の冷却系)を用意する必要がない。

従って、従来の冷却系(冷却液の配管など)が不要となるので、燃料電池システムの小型化を図ることができる。また、燃料電池(セパレータ)に、酸化剤流路とは別に冷媒流路を設ける必要がなくなる。このため、燃料電池の小型化も図ることができる。従って、燃料電池が車載される場合には、限られた車内スペースを有効に利用することが可能となる。

さらに、第１実施形態では、カソード液としてフルオロカーボンが使用されている。フルオロカーボンはその凝固点が水より低い。このため、氷点下において、カソード液が凍結し、燃料電池１を起動させることができなくなることを防止することができる。

また、上記した構成により、カソード５はカソード液で満たされた状態であるので、カソード５中に生じる生成水や結露水はカソード液に溶ける。この点でも、生成水や結露水が凍結して燃料電池１の起動を妨げることがない。

また、第１実施形態では、カソード液としてのフルオロカーボンがリザーブタンク１２に貯留され、エアコンプレッサ１３によるバブリングで酸素をフルオロカーボンに溶解させる。バブリングにより生じる気相のフルオロカーボンは、リリーフ弁３１を介してフルオロカーボン回収部３２に与えられ、回収される。

このように、リザーブタンク１２がリザーバとして機能し、エアコンプレッサ１３が酸素溶解手段として機能し、フルオロカーボン回収部３２が回収手段として機能する。これによって、バブリングにより蒸発した気相のフルオロカーボンを回収し、再利用を図ることができる。従って、フルオロカーボンの浪費を防止することができる。

なお、上述した説明では、水分離部２２は所定条件が満たされた場合のみ使用される構成としているが、常に水分離部２２による水分の除去が行われる構成としても良い。この場合、水分離部２２を用いてカソード液中の水分量を調整する水分量調整手段(バイパス
管２３，三方弁２４，第１センサ２７，第２センサ２８，制御装置２９)は不要となる。

また、燃料電池システム１００において、燃料として液体燃料が適用され、液体燃料がアノードと燃料源８(貯留源)との間を循環するように構成されている場合には、この液体燃料の循環路にラジエータのような熱交換器を配置し、熱交換器が液体燃料を冷却するように構成することができる。この場合には、さらに燃料電池の冷却効果を高めることができる。

〔第１参考例〕
次に、燃料電池システムの第１参考例を図１を用いて説明する。第１参考例では、カソード液として水及び酸素を溶解可能な不凍液が適用される。不凍液は、水のような溶媒にエチレングリコールや硫酸のような溶質が添加されることによる凝固点降下により、氷点下においても凍結しない性質を持つ液体である。

図１に示す燃料電池システム１００は、不凍液をカソード液として適用することができる。この場合、フルオロカーボン回収部３２は不要となる。また、リリーフ弁３１も省略することができる。但し、カソード液がリザーブタンク１２内から飛び出さないように構
成されているのが好ましい。

以上の点を除き、第１参考例の構成及び動作は、第１実施形態と同じである。このため、これらの説明は省略する。燃料電池システムの第１参考例の作用及び効果は、フルオロカーボン特有の作用及び効果を除き、第１実施形態と同じである。第１参考例では、カソード液として不凍液を用いるので、氷点下でもカソード液が凍結しない。このため、氷点下の環境下でも、円滑に燃料電池の運転を開始することができる。

〔第２参考例〕
次に、燃料電池システムの第２参考例を図２を用いて説明する。第２参考例では、カソード液として酸素及び水を溶かすことができる超臨界流体が適用される。超臨界流体とは、気体と液体が共存できる限界の温度及び圧力(臨界点)を超えた状態にあり、拡散性と溶解性とを合わせ持つ流体である。例えば、水は、温度３７５℃、圧力２２Ｍｐａで超臨界状態(超臨界水)となる。カソード液として、水や二酸化炭素のような様々な物質による超臨界流体を適用することができる。

図２に示すように、燃料電池システムの第２参考例(燃料電池システム１０１)は、燃料電池システム１００(図１)と同様の構成を持つ。このため、同じ構成については説明を省略し、主として相違点について説明する。

図２において、燃料電池１Ａは、第１実施形態で説明したようなＰＥＦＣではなく、適用が予定される超臨界流体が持つ温度よりも高い温度での運転が予定される燃料電池である。また、超臨界流体の循環路は、サーモスタットによるバイパス路がない点を除き、第１実施形態と同じである。但し、超臨界流体が高熱であることに鑑み、各構成の材料として超臨界流体の温度に応じた耐熱性を持つ材料が選択される。

図２において、ポンプ１４の出口は、配管１５Ａを介して、リザーブタンク１２内に貯留された流体(例えば水)から超臨界流体を作り出すための超臨界流体生成部(超臨界流体
生成手段)３３が接続されている。

超臨界流体生成部３３は、例えば、配管１５Ａからの流体を昇圧する加圧ポンプと、加圧ポンプを経た流体をさらに加熱昇圧する熱交換器とを含み、これらにより与えられる熱と圧力とにより、超臨界流体を生成する。超臨界流体は、配管１６に送出され、これを通って燃料電池１の各カソード５に供給される。

超臨界流体は、第１実施形態と同様に、燃料電池１Ａを通過する際に、各カソード５に酸素を供給するとともに生成水を自身に溶かす。このとき、燃料電池１の温度が超臨界流体よりも高い温度となっていれば、超臨界流体は燃料電池１から熱を奪う。そして、超臨界流体は、配管１７へ排出される。

超臨界流体は、ラジエータ１１によって冷却される。なお、図２には、熱交換器として、空冷によるラジエータ１１を図示しているが、空冷による構成に代えて、例えば、熱交換器内の超臨界流体の流路上に、冷媒が循環する循環路(循環パイプ)が設けられ、循環パイプを介した冷媒と超臨界流体の熱交換が行われ、当該冷媒が別の熱交換器で冷却される構成を適用することができる。

なお、超臨界流体は、少なくとも配管１６から燃料電池１を経て配管１７に排出されるまでの間に超臨界状態が維持されていれば、期待される酸素供給及び生成水の排出を行うことができる。その後、配管１７より後段の循環路を流れる超臨界流体が温度や圧力低下により亜臨界状態，気体，液体のいずれかになったとしても、超臨界流体生成部３３にて
、再び超臨界状態に戻される。このように、燃料電池のカソードと熱交換器との間で循環する流体が少なくとも燃料電池を通過する間は超臨界状態を保つように構成されていれば良い。

このように、図２に示す構成は、循環路が一部(配管１６−燃料電池１)を除いて開放されていても良い例を示している。但し、このような構成に代えて、一旦流体が超臨界状態となった後は、超臨界状態が維持されるように循環路を密閉系で構成しても良い。

この場合、循環路は、耐圧性・保温性を持つ材料で構成される。さらに、例えば、リザーブタンク１２が耐圧容器として構成され、超臨界流体生成部３３の代わりに、超臨界状態維持手段として、耐圧容器内の流体を所望の温度及び圧力下における状態まで加熱及び昇圧する加熱器及び加圧器とが用意される。そして、加熱器及び加圧器により、リザーブタンク１２(耐圧容器)内で超臨界状態にされた流体が、図１に示すような構成、即ち配管１５，ポンプ１４及び配管１６を通って燃料電池１Ａに供給されるように構成される。

また、密閉系が適用される場合には、図２に示すラジエータ１１に相当する熱交換器として、例えば、冷媒の循環路(循環パイプ)の一部が密閉系(超臨界流体の循環路上)に配置され、循環パイプを介して冷媒と超臨界流体との間で熱交換が行われ、密閉系の外部に配置された循環路の一部を流れる冷媒が他の熱交換器により冷却される構成を有するものを適用するのが好ましい。

以上の点を除き、第２参考例の構成及び動作は第１実施形態と同様である。第２参考例の作用及び効果は、カソード液の内容が異なる点を除き、第１実施形態と同様の作用及び効果を持つ。

〔第３参考例〕
次に、燃料電池システムの第３参考例を図３を用いて説明する。第３参考例では、カソード液として、酸素の吸脱着機能を持つ物質が溶けており、且つ水を溶かすことができる液体を適用する。

例えば、カソード液を構成する溶媒として水が適用される場合には、酸素の吸脱着機能(酸素運搬機能)を持つ物質(酸素吸脱着物質)として、(１)酸素の吸脱着機能を持つアルブミンヘム(合成アルブミンヘム)、(２)酸素の吸脱着機能を持つポルフィリン錯体に水溶化機能を持たせた分子やその会合体、(３)ヘモグロビン等のような公知の水溶性物質を適用することができる。

そして、これらの酸素吸脱着物質(酸素輸送物質)の少なくとも１つの水溶液をカソード液として適用することができる。例えば、カソード液として上記のアルブミンヘムの水溶液が適用される場合には、カソード液中の酸素含有量を、同一体積あたり、空気中酸素の２〜３倍にすることが可能である。

また、酸素吸脱着物質(酸素輸送物質)の水溶液に、さらに、エチレングリコールや硫酸のような凝固点降下作用を持つ溶質を添加することにより、氷点下でも凍結しない性質を持つカソード液を構成することができる。また、カソード液中の酸素輸送物質の濃度を高めることで、カソード液に氷点下でも凍らない性質を持たせることが考えられる。

図３に示す燃料電池システム１０２の構成は、フルオロカーボン回収部３２が無い点を除き、第１実施形態で説明した燃料電池システム１００と同じである。このため、説明を省略する。

但し、カソード液に係る作用が異なる。即ち、エアコンプレッサ１３によりリザーブタンク１２内のカソード液に空気を通じると、カソード液中に溶けている酸素吸脱着物質Ｘに酸素が吸着する。これによって、カソード液中には、酸素吸脱着物質Ｘが無い場合よりも多くの酸素が溶けた状態となる。

このようなカソード液がポンプ１４によって燃料電池１の各カソード５に供給されると、カソード液は、カソード５の拡散層で拡散しながら触媒層に到達する。触媒層では、酸素吸脱着物質Ｘから酸素が離脱し、アノード４からの水素イオンと電子との間で陽極反応(還元反応)を行い、水となる。

このとき、酸素吸脱着物質Ｘによってカソード５には多くの酸素が供給されているので、陽極反応の効率が高まり、燃料電池１の発電電流密度が向上する。これによって、酸化剤として高濃度酸素や高圧空気を適用した場合に近い電流密度を得ることができる。

そして、陽極反応によりカソード５中で生成された水は、カソード液に溶けて、燃料電池１の外部に排出され、必要に応じてラジエータ１１で冷却される。その後、カソード液は、必要に応じて水分離部２２で水分が除去(濃縮)され、リザーブタンク１２内に戻される。

第３参考例によれば、第１実施形態で説明した作用及び効果と同様の作用及び効果を得ることができる。さらに、酸素吸脱着物質Ｘによる酸素運搬機能により、カソード５への酸素の供給量を増加することができる。これによって、高い電流密度を得ることが可能となる。

以上説明した第１実施形態及び第１〜第３参考例の構成は、本発明の目的を逸脱しない範囲内において、適宜組み合わせることができる。

本発明による燃料電池システムの第１実施形態及び第１参考例の構成図 燃料電池システムの第２参考例の構成図 燃料電池システムの第３参考例の構成図

Ｘ 酸素吸脱着物質
１ 燃料電池
２ セル
４ アノード
５ カソード
１１ ラジエータ(熱交換器)
１２ リザーブタンク
１４ ポンプ(循環手段)
２２ 水分離部(除去手段)
２７ 第１センサ(水分量検知部)
２９ 制御装置(制御手段，監視手段)
３２ フルオロカーボン回収部(回収手段)

Claims (4)

1. 電解質を挟むアノード及びカソードを含む少なくとも１つのセルを有する燃料電池と、
   水酸基、酢酸基、又はスルホン酸基で修飾されたフルオロカーボンを含み、水及び酸素を溶かすことができる液体を、前記燃料電池のカソードと前記液体を冷却する熱交換器との間で循環させる循環手段と、
   を含み、
   前記循環手段は、酸素が溶けた前記液体を前記燃料電池のカソードに供給すると共に、前記燃料電池のカソードで生成される水を前記液体に溶かして前記燃料電池から排出することを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記液体は、水より低い凝固点を持つように構成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記フルオロカーボンを含む液体を貯留するリザーバと、
   前記リザーバ内の前記液体に酸素を溶解させる酸素溶解手段と、
   前記酸素溶解手段が前記液体に酸素を溶解させることによって生じる気相のフルオロカーボンを回収する回収手段と、
   をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。
4. 前記液体中の水分の少なくとも一部を除去する水分除去手段
   をさらに含む請求項１〜３のいずれかに記載の燃料電池システム。
   

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