JP4876435B2

JP4876435B2 - 固体高分子形燃料電池システムおよびその運転方法

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Publication number: JP4876435B2
Application number: JP2005147857A
Authority: JP
Inventors: 彰成中村; 正高尾関; 哲也上田; 達雄中山
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-05-20
Filing date: 2005-05-20
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2020-11-02
Also published as: JP2005285782A

Description

本発明は固体高分子形燃料電池を用いて発電を行なう固体高分子形燃料電池システムに関するものである。

以下に、従来の固体高分子形燃料電池システムについて、図面を参照しながら説明する。

図６は従来の固体高分子形燃料電池システムの構成図であり、固体高分子形の燃料電池１に対して冷却水タンク２から冷却水路３を通じて冷却水ポンプ４により純水冷却水を供給し、燃料電池１を通過した純水冷却水は、ラジエータのような熱交換器５によって冷却された後に冷却水タンク２に帰還する冷却水循環系統を構成している。

この時、冷却水の冷却を行なう熱交換器５より導電性イオンが純水冷却水中に溶け出し、この導電性イオンが増加すると燃料電池１内でショートして発電量が低下する問題があるため、冷却水中から導電性イオンを除去する必要があり、そのために、冷却水路３の途上に、熱交換器５から溶け出した伝導性イオンを除去するためのイオン交換樹脂を用いたイオン除去フィルター６を設けている。

また、イオン除去フィルター６を冷却水路３上に設置することにより、燃料電池１が高負荷運転で冷却水を多く必要とする場合には、イオン除去フィルター６での冷却水の圧力損失が大きくなるので、圧力損失の低減を図るためのバイパス路７を設け、また、低負荷運転でイオン除去フィルター６の圧力損失が影響を与えない程度の少量の冷却水を使用する場合には、イオン除去フィルター６に積極的に純水冷却水を通過させることのできる流量制御弁８をバイパス路７上に設けている。

固体高分子形燃料電池システムは通常７０〜８０℃の冷却水を循環させて運転する。上記従来例に示した固体高分子形燃料電池システムの冷却水路３は密閉構成を取っているため、システムを運転すると運転前の常温冷却水から発電中の高温冷却水に冷却水温度が変化し、それに従って冷却水タンク２内部の圧力および冷却水路３の水圧が上昇する。またシステム運転の停止時には、発電中の高温冷却水から運転終了後の常温冷却水に冷却水温度が変化し、それに従って冷却水タンク２内部の圧力および冷却水路３の水圧が下降する。したがって、温度変化による圧力変動に耐えうる冷却水タンク２および冷却水路３の構造にする必要がある。

また、イオン除去フィルター６は冷却水路３にあるため、冷却水の流量が増えることによりイオン除去フィルター６を通過する冷却水量が増加し、その結果、冷却水路３の圧力損失が増加する。従来例ではこれを回避するにバイパス路７および流量調整弁８を用いているが、部品点数の増加によりコストが増加する。

また、冷却水ポンプ４の能力を上げるという方法もあるが、これもコスト増加とともにシステムを運転する補機の消費電力が増加し、システムの総合的な効率を下げる要因となる。

また、イオン交換樹脂（特に陰イオン交換樹脂）は、耐用温度が比較的低いものがほとんどであるが、固体高分子形の燃料電池１を冷却する冷却水の温度は７０〜８０℃程度である。そのため、冷却水路３に備えられたイオン除去フィルター６内部のイオン交換樹脂は、耐用温度の点で厳しい条件での長時間運転により熱劣化がおこり、寿命が短くなり易く、さらに、冷却水の水質が良好な場合においても、同様に７０〜８０℃程度の冷却水が流れる。これは非効率であるとともに、イオン除去フィルター６内部のイオン交換樹脂の寿命をさらに短くする。

本発明は、上記従来の固体高分子形燃料電池システムが有する課題を考慮して、低コストで簡単な構成で、冷却水の水質維持のために用いるイオン交換樹脂の長寿命化を図り高効率な固体高分子形燃料電池システムとその運転方法を提供することを目的とする。

以上のような課題を解決するため、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう固体高分子形燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクと、前記燃料電池より排出される排気燃料ガスを冷却し該排気燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる燃料側凝縮手段および／または前記燃料電池より排出される排気酸化剤ガスを冷却し該排気酸化剤ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる酸化剤側凝縮手段と、前記燃料側凝縮手段および／または前記酸化剤側凝縮手段で凝縮した凝縮水を貯える凝縮水タンクと、前記冷却水タンクより前記凝縮水タンクに前記冷却水タンクの余剰冷却水を排出する水排出路と、前記凝縮水タンクより前記冷却水タンクに水を供給する水供給手段を有する水供給路と、前記水供給路に前記冷却水タンクに供給する水の水質を調整する水質処理手段とを備え、運転終了時に、前記水供給手段が作動することを特徴とする固体高分子形燃料電池システムである。
また、本発明は、前記冷却水タンクの上方の空間は、前記水排出路を介して前記凝縮水タンクの上方の空間とを接続している固体高分子形燃料電池システムである。

以上説明したことから明らかなように、本発明は、終了時に水供給手段を作動することにより、終了時間の短い固体高分子形燃料電池システムを提供することが実現できる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図である。燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう固体高分子形の燃料電池１１と、燃料電池１１を冷却する冷却水を貯える冷却水タンク１２と、冷却水を循環させる冷却水路１３と、冷却水を冷却水路１３に循環させる手段としての冷却水ポンプ１４と、冷却水を冷却する熱交換器１５と、燃料電池１１より排出される排気燃料ガスを冷却し含まれる水蒸気を凝縮させる燃料側凝縮器１６と、燃料電池１１から排出される排気空気を冷却し含まれる水蒸気を凝縮させる空気側凝縮器１７と、燃料側凝縮器１６と空気側凝縮器器１７とで凝縮した水を蓄える大気に開放された凝縮水タンク１８と、凝縮水を冷却水タンク１２に送る水供給ポンプ１９を設けた水供給路２０と、冷却水タンク１２内部の余剰冷却水を排出する水排出路２１とを備えている。

次に、本実施の形態における固体高分子形燃料電池システムの運転動作を説明する。

燃料電池１１に供給する燃料ガスと酸化剤ガスは、温度・湿度調整されたガスである。燃料ガスとしては水素ガスを用いてもよいし、メタン等の炭化水素ガスを水蒸気改質することによって得られるような水素リッチな燃料ガスでも良い。また、酸化剤ガスは酸素ガスを用いてもよいし、空気等の酸素を含むガスでもよい。

燃料電池１１の電気化学反応によって燃料ガス内の水素と酸化剤ガス内の酸素が消費され、酸化剤ガス側に水が生成される。燃料電池１１から排出された酸化剤ガスは酸化剤側凝縮器１７に導かれ外気と熱交換することにより温度が低下し、排出空気に含まれる水蒸気は凝縮して水として凝縮タンク１８に回収される。一方、燃料電池１１から排出された排気燃料ガスは燃料側凝縮器１６に導かれ外気と熱交換することにより温度が低下し、排気燃料ガスに含まれる水蒸気は凝縮し水として凝縮タンク１８に回収される。

さらに、発電を行なう燃料電池１１の温度を７０℃以上で一定に保つために、冷却水路１３を通して、冷却水ポンプ１４で水を循環させ、熱交換器１５において燃料電池１１で発生した熱を外部へ放出する。また冷却水タンク１２内部の冷却水が減少したときは、水供給路２０の水供給ポンプ１９を作動させることにより冷却水タンク１２に凝縮水タンク１８の水を供給する。このとき水が過剰に入ったとしても、水排出路２１により余剰冷却水は凝縮タンク１８に排出される。さらに、冷却水タンク１２の上方にある気体は水排出路２１を通じて大気開放された凝縮水タンク１８と接続されているため、冷却水タンク１２内部の圧力は常に大気開放された状態と同等である。

上記本実施の形態における固体高分子形燃料電池システムの構成をとると、冷却水タンク１２内部の圧力は常に大気開放された状態と同等である。そのためシステム運転前の常温から発電中の高温に冷却水温度が変化すると、温度上昇により冷却水タンク１２の上方にある気体が膨張すると共に冷却水がそのときの温度の飽和水蒸気圧に対応して蒸発する。つまり、冷却水タンク１２の上方にある気体は飽和水蒸気を含む湿り気体となる。このとき冷却水タンク１２内部の圧力は常に大気開放された状態と同等である。この湿り気体は、水排出路２１を通じて外気に放熱しつつ凝縮水タンク１８に入る。凝縮水タンク１８内部の水は通常４０℃以下のため、凝縮水タンク内部の気体は４０℃以下の飽和水蒸気を含む気体である。したがって、冷却水タンク１２からの湿り気体は、水排出路２１と凝縮水タンク１８により４０℃程度に冷却され、過飽和分の水蒸気は凝縮し水として凝縮水タンク１８に回収される。

定常運転中は、冷却水タンク内部の温度は７０℃以上の一定温度であるため、冷却水タンク１２の上方の気体は体積変化しないし、冷却水の蒸発もほとんど起こらない。またシステム運転の停止時には、発電中の高温冷却水から運転終了後の常温冷却水に冷却水温度が変化することにより冷却水タンク１２内部の気体が体積収縮するとともに水蒸気が凝縮する。このとき減少した体積に相当する気体が大気開放された凝縮水タンク１８から水排出路２１を通じて冷却水タンク１２に流入するため、冷却水タンク１２内部の圧力は停止時においても常に大気開放された状態と同等である。

すなわち、本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの構成をとることによって、冷却水タンク１２内部の圧力を常に大気開放と同等の状態に保つことができ、冷却水タンク１２および冷却水路１３を圧力変動に耐えうる構造にする必要がない。

なお、本実施の形態では、燃料側凝縮器１６と酸化剤側凝縮器１７の両方を設けているが、燃料側凝縮器１６と酸化剤側凝縮器１７のどちらか一方を設けても同等の効果がある。

さらに、本実施の形態では、燃料側凝縮器１６と酸化剤側凝縮器１７は、外気と熱交換する空冷式熱交換器として説明したが、水と熱交換する水冷式熱交換器を用いても同等の効果がある。

（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図である。ただし、図１と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。

本実施の形態では、水供給路２０にイオン除去フィルター２２を備えている点で図１に示した実施の形態１と異なっている。

イオン除去フィルター２２はイオン交換樹脂を用いて水に含まれているイオンを除去するものであり、冷却水タンク１２に供給する水の水質調整を行なう。

上記本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの構成をとると、実施の形態１で示した作用とともに、冷却水タンク１２に供給する水を水質調整できる。しかも凝縮水は４０℃程度であるため、イオン交換樹脂の耐用温度以下での使用が可能となり、熱劣化は防止することができる。

また、上記本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの構成をとると、以下に示すような運転も実現できる。

冷却水タンク１２内部の冷却水が減少していないときに水供給ポンプ１９を作動させる。すると、水供給路２０を通じて水質調整された水が冷却水タンク１２に供給される。それに応じて過剰となった冷却水は水排出路２１を通じて排出され、凝縮水タンク１８に回収される。冷却水タンク１２に供給される水は、排出される水と比較して水質は良好である。そのため、冷却水の水質を良化することができる。

また、凝縮水タンク１８に回収される冷却水は７０℃以上の高温であるが、燃料側凝縮器１６および空気側凝縮器１７で凝縮し回収される凝縮水は４０℃程度であるため、イオン除去フィルター２２を通過する水はイオン交換樹脂の耐用温度を超えることはない。すなわちイオン交換樹脂の熱劣化がなく、イオン除去フィルター２２の長寿命化を実現しつつシステム運転中においても冷却水の水質維持を行なうことができる。

また、これによりシステム運転中に常時水供給ポンプ１９を作動させて、常時冷却水の水質維持を行なうことも可能となる。

さらに、上記本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの構成では、イオン除去フィルター２２は水供給路２０にある。そのため、従来例に示したようなバイパス路７および流量調整弁８を用いる必要も、冷却水ポンプ４の能力を上げる必要もない。すなわち、部品点数の増加や能力アップによるコスト増加や補機の消費電力増加のない、低コストで高効率な固体高分子形燃料電池システムを実現できる。

したがって、本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの構成をとることによって、実施の形態１にて説明した作用とともに、冷却水の水質維持かつイオン除去フィルター２２の長寿命化を実現するとともに、低コストでシステムの総合的な効率を向上することが実現できる。

さらに、本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの効果的な運転方法を説明する。

本運転方法とは、システム運転の起動時と終了時のどちらか一方または両方のときに、水供給ポンプ１９を作動させて冷却水の水質を維持する運転方法である。

システム起動時の冷却水は低温である。それにより冷却水タンク１２に供給される水と排出される水との温度差はほとんどないため、熱ロスがほとんどない。また、システム運転の終了時の場合、燃料電池１１での発熱がないため冷却水は供給される水と排出される水との熱量分だけ熱量が減少し、その熱量に応じて冷却水温度が下がる。すなわち、冷却水および燃料電池１１をより早く冷却するため終了時間を短縮できる効果がある。

本運転方法は、発電中に燃料電池から発生する熱を回収し給湯・暖房等に熱利用する固体高分子形燃料電池コージェネレーションシステムにおいてより効果的である。

（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図である。ただし、図２と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。

本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムでは、水供給ポンプ１９の作動を制御する制御部２３があり、制御部２３にはシステムの運転回数をカウントし記録する運転回数記録手段２４と運転回数を初期状態にリセットする運転回数リセット手段２５を備えている。

運転回数記憶手段２４は、システム運転の終了後に運転回数ｎに１加えた値ｎ＋１を記憶し直す。また、運転回数リセット手段２５は水供給ポンプ１９の作動終了後に運転回数記憶手段２４の運転回数ｎを初期状態の０に変更する。

運転回数記憶手段２４が記憶している運転回数ｎと水供給ポンプ１９を作動させるための運転回数のしきい値ｎ１を比較して、ｎ＞ｎ１のとき、制御部２３から指令を出し、水供給ポンプ１９を作動する。水供給ポンプ１９作動終了の指令を制御部２３から水供給ポンプ１９に出して水供給ポンプ１９の作動を終了した後、運転回数リセット手段２５にて運転回数記憶手段２４の運転回数ｎを初期状態の０にする。ｎ＜ｎ１またはｎ＝ｎ１のとき、水供給ポンプ１９は作動しない。

制御部２３から水供給ポンプ１９に出す指令は、作動可能ないずれの時間でもよい。また、複数回指令を出しても良い。複数回指令を出す場合は、その最終指令による水供給ポンプ１９の作動・作動終了の後に、運転回数リセット手段２５にて運転回数記憶手段２４の運転回数ｎを初期状態の０にする。

したがって本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの構成をとり、水供給ポンプ１９の作動を運転回数で管理することによって、冷却水の水質維持に作動する水供給ポンプ１９を最適作動することができる。それにより最適な冷却水の水質維持を可能にし、かつ、イオン除去フィルター２２の寿命をより長寿命化することが可能である。すなわち、冷却水の水質維持を行なうイオン除去フィルター２２の長寿命化を実現できる固体高分子方燃料電池システムである。

なお本実施の形態では、運転回数記憶手段２４はシステム運転の終了後に運転回数ｎに１加えた値ｎ＋１を記憶し直す、としたが、運転回数をｎからｎ＋１に記憶し直すのは、起動、終了を含むシステム運転のいずれの時であっても同じ効果が得られる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の実施の形態４における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図である。ただし、図２と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。

本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムでは、水供給ポンプ１９の作動を制御する制御部２６があり、制御部２６にはシステムの運転時間をカウントし記録する運転時間記録手段２７と運転時間を初期状態にリセットする運転時間リセット手段２８を備えている。

運転時間記憶手段２７は、システム運転の積算時間をカウントしその時間を記憶し直す。また、運転時間リセット手段２８は水供給ポンプ１９の作動終了後に運転時間記憶手段２７の運転時間を初期状態の０に変更する。

運転時間記憶手段２７が記憶している運転時間Ｔと水供給ポンプ１９を作動させるための運転時間のしきい値Ｔ１を比較して、Ｔ＞Ｔ１のとき、制御部２６から指令を出し、水供給ポンプ１９を作動する。水供給ポンプ１９作動終了の指令を制御部２６から水供給ポンプ１９に出して水供給ポンプ１９の作動を終了した後、運転時間リセット手段２８にて運転時間記憶手段２７の運転時間Ｔを初期状態の０にする。Ｔ＜Ｔ１またはＴ＝Ｔ１のとき、水供給ポンプ１９は作動しない。

制御部２６から水供給ポンプ１９に出す指令は、作動可能ないずれの時間でもよい。また、複数回指令を出しても良い。複数回指令を出す場合は、その最終指令による水供給ポンプ１９の作動・作動終了の後に、運転時間リセット手段２８にて運転時間記憶手段２７の運転時間Ｔを初期状態の０にする。

したがって本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの構成をとり、水供給ポンプ１９の作動を運転時間で管理することによって、冷却水の水質維持に作動する水供給ポンプ１９を最適作動することができる。それにより最適な冷却水の水質維持を可能にし、かつ、イオン除去フィルター２２の寿命をより長寿命化することが可能である。すなわち、冷却水の水質維持を行なうイオン除去フィルター２２の長寿命化を実現できる固体高分子方燃料電池システムである。

（実施の形態５）
図５は、本発明の実施の形態５における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図である。ただし、図２と同部材かつ同機能を有するものについては同一符号を付与しており、説明を省略する。

本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムでは、冷却水路１３を循環する冷却水の水質を検知する水質検知器２９と、水供給ポンプ１９の作動を制御する制御部３０を備えている。

また制御部３０には第１の水準値と第２の水準値を備え、第１の水準値は水質検知器２９の示す値がその値より悪化した場合に水供給ポンプ１９を作動させるしきい値であり、第２の水準値は水供給ポンプ１９作動中に水質検知器２９の示す値がその値より良化した場合に水供給ポンプ１９の作動を停止させるしきい値である。

本実施の形態では特に水質検知器２９として導電率計を用いる。さらに第１の水準値として導電率ａ１を、第２の水準値として導電率ａ２を使用する。

水質検知器２９で計測された導電率ａが、水供給ポンプ１９を作動させるための第１の水準値である導電率ａ１を比較して、ａ＞ａ１のとき、制御部３０から指令を出し、水供給ポンプ１９を作動する。水供給ポンプ１９は、ａ＜ａ２となるまで作動し続ける。

水供給ポンプ１９の作動中に、水質検知器２９で計測された導電率ａが、水供給ポンプ１９の作動を停止させるための第２の水準値である導電率ａ２を比較して、ａ＜ａ２のとき、制御部３０から指令を出し、水供給ポンプ１９の作動を停止する。水供給ポンプ１９は、再度ａ＞ａ１となるまで停止し続ける。

なお、制御部３０から水供給ポンプ１９に出す指令は、作動可能ないずれの時間でもよい。

したがって本実施の形態に示す固体高分子形燃料電池システムの構成をとり、水供給ポンプ１９の作動を冷却水の水質で管理することによって、冷却水の水質維持に作動する水供給ポンプ１９を最適作動することができる。それにより最適な冷却水の水質維持を可能にし、かつ、イオン除去フィルター２２の寿命をより長寿命化することが可能である。すなわち、冷却水の水質維持を行なうイオン除去フィルター２２の長寿命化を実現できる固体高分子方燃料電池システムである。

なお、本実施の形態では特に冷却水の水質検知方法として導電率計を用いた導電率計測について説明を行なったが、ｐＨを用いて冷却水の水質を管理しても同様の効果が得られる。

本発明にかかる燃料電池システムは、熱ロスを少なく、または終了時間を短くしながら冷却水の水質を維持することが可能であるという効果を有し、家庭用等として有用である。

本発明の実施の形態１における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図本発明の実施の形態２における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図本発明の実施の形態３における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図本発明の実施の形態４における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図本発明の実施の形態５における固体高分子形燃料電池システムを示す構成図従来の固体高分子形燃料電池システムを示す構成図

符号の説明

１１燃料電池
１２冷却水タンク
１３冷却水路
１４冷却水ポンプ
１５熱交換器
２２イオン除去フィルター
１６燃料側凝縮器
１７空気側凝縮器
１８凝縮水タンク
１９水供給ポンプ
２０水供給路
２１水排出路
２３，２６，３０制御部
２４運転回数記憶手段
２５運転回数リセット手段
２７運転時間記憶手段
２８運転時間リセット手段
２９水質検知器

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行なう固体高分子形燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンクと、前記燃料電池より排出される排気燃料ガスを冷却し該排気燃料ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる燃料側凝縮手段および／または前記燃料電池より排出される排気酸化剤ガスを冷却し該排気酸化剤ガスに含まれる水蒸気を凝縮させる酸化剤側凝縮手段と、前記燃料側凝縮手段および／または前記酸化剤側凝縮手段で凝縮した凝縮水を貯える凝縮水タンクと、前記冷却水タンクより前記凝縮水タンクに前記冷却水タンクの余剰冷却水を排出する水排出路と、前記凝縮水タンクより前記冷却水タンクに水を供給する水供給手段を有する水供給路と、前記水供給路に前記冷却水タンクに供給する水の水質を調整する水質処理手段とを備え、運転終了時に、前記水供給手段が作動することを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
前記冷却水タンクの上方の空間は、前記水排出路を介して前記凝縮水タンクの上方の空間と接続している請求項１記載の固体高分子形燃料電池システム。