JP4902181B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。より具体的には、本発明は、燃料電池システムを安定的に動作させる技術に関する。

一般に、固体高分子形燃料電池スタックは、固体高分子膜の一方の面にアノード、他方の面にカソードを接合して膜電極接合体（以下、「ＭＥＡ」と表記する）を構成し、このＭＥＡのアノードに対向して燃料流路を設けたアノード側プレートと、ＭＥＡのカソードに対向して酸化剤流路を設けたカソード側プレートとで挟んでセルを構成し、さらに、このセル間に冷却プレートを介在させて複数積層することにより積層体を形成し、この積層体の両端に端板を添えて締め付けることにより構成される。

固体高分子形燃料電池スタックは、アノード側プレートに改質ガス等の燃料ガスを流通させるとともに、カソード側プレートに空気等の酸化剤ガスを流通させ、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることにより直流電力を発電する。電気化学反応は発熱反応であるため、冷却プレートに冷却水を流通させて各セルを冷却することにより、固体高分子形燃料電池スタックの正常な運転温度（たとえば、約７０〜８０[℃]）の維持が図られている。

固体高分子形燃料電池スタックにおいて、端板に隣接する両端部のセルは外気の影響を受けやすい。このため、両端部のセルは他の部分のセルに比べて温度が低くなる（図７参照）。また、燃料ガスおよび酸化剤ガスをセルの上方から下方に流した場合には、図７に示すように、各セルの温度は上方ほど低温になる傾向がある。セルの温度が低下すると、アノード側プレートまたはカソード側プレートの流路を流れる反応ガス中の水蒸気が流路内で凝縮する。水蒸気が凝縮してできた凝縮水は、反応ガスの流れを阻害し、電池性能の低下を引き起こす。

このような現状を踏まえて、固体高分子形燃料電池スタックにおいて両端部のセルの温度低下を抑制する技術が望まれている。この種の技術としては、たとえば、両端の端板に冷却水を流すための流路を設け、運転温度に近い温度に昇温され、発電後に排出される冷却水を端板全面に設けられた流路に流して両端部のセルを加温する技術が知られている（たとえば、特許文献１）。
特開２００１−６８１４１号公報

特許文献１のように端板を特殊な構造としたり、端板の近傍に保温または加熱専用の部品を設置することは製造コストの増加の要因となる。また、加熱用の部品としてヒータなどを用いると、電力消費が発生し、燃料電池システムのエネルギー効率が低下してしまう。

本発明はこうした課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、コスト低減を図りつつ、両端部のセルを適度に加温して、燃料電池を安定的に動作させることができる燃料電池システムの提供にある。

本発明のある態様は燃料電池システムである。この燃料電池システムは、燃料極と酸化剤極との間に電解質膜が設けられた複数の単電池が積層された燃料電池スタックと、燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段とを備え、燃料供給手段の一部をなす熱源体および／または酸化剤供給手段の一部をなす熱源体が、前記燃料電池スタックの単電池積層方向の両端面以外の単電池積層方向と平行な外面に、燃料電池スタックと熱的に接した状態で設けられていることを特徴とする。

この態様によれば、燃料電池スタックを加温するための特別な装置や特殊な構造を要さずに、燃料電池システムの一部として用いられる既存の熱源体の熱によって燃料電池スタックを加温することができる。これにより、燃料電池スタックの加温を低コストで行うことができる。

熱源体が、燃料を改質するための改質装置からなるので、これによれば、特別な加温設備を用いることなく、低コストにて燃料電池スタックを加温することができる。

燃料および酸化剤が燃料電池スタックの端面の上部から投入され、改質装置が、燃料電池スタックの外面のうち上面または側面に設けられていてもよい。これによれば、燃料電池スタックの上部または側部の保温性を向上させることができる。

改質装置と燃料電池スタックの外面との間に、温度調節用の断熱材が設けられていてもよい。これによれば、約７００℃の高温状態にある改質装置から過剰な熱が燃料電池スタックに伝導することなく、燃料電池スタックを適温に加温することができる。

なお、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。

本発明によれば、コスト低減を図りつつ、両端部のセルを適度に加温して、燃料電池を安定的に動作させることができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る燃料電池システム１０の全体構成を示す概略図である。なお、図１の概略図は、主に各構成の機能やつながりを模式的に示した図であり、各構成の位置関係または配置を限定するものではない。

燃料電池システム１０は、構成的には、電源ユニット２０および貯湯ユニット３０を備える。電源ユニット２０は、改質装置４０、燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０、酸化剤用湿熱交換器７０、熱交換器８０、コンバータ９０、インバータ９２、制御装置１００を有する。貯湯ユニット３０は、貯湯タンク３２を有する。本実施形態の燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、タンクに貯留された水を用いて加湿対象の気体をバブリングすることにより、加湿対象の気体を所定の湿度に加湿することができる。

燃料電池スタック５０は、燃料として水素ガスを用いるとともに、酸化剤として空気を用いて発電を行う。具体的には、燃料電池スタック５０を構成する各セル（単電池）において、固体高分子膜５２の一方の面に接するアノード５４では、式（１）で示す電極反応が起きる。一方、固体高分子膜５２の一方の面に接するカソード５６では、式（２）で示す電極反応が起きる。各セルは、冷却水プレート５８を流通する冷却水によって冷却され、約７０〜８０℃の適温に調節される。

燃料電池システム１０は、機能的には、燃料供給系、酸化剤供給系、冷却水系、給湯系および電気系を備える。以下、各系ごとに構成の詳細を説明する。

（燃料供給系）
燃料電池システム１０の外部からＬＰＧや都市ガスなどの原燃料（炭化水素系燃料）が供給される。改質装置４０は、原燃料を改質し、水素（燃料）を約８０％含有する改質ガスを生成する。改質装置４０は、少なくとも改質器および変成器（いずれも図示せず）を備え、さらに必要に応じて脱硫器およびＣＯ除去器（いずれも図示せず）を備える。改質装置４０には、原燃料、改質用水、空気および電池オフガスが供給される。

改質装置４０には、水処理装置４２で水処理が施された上水が改質用水として供給される。水処理装置４２は、逆浸透膜とイオン交換樹脂を用いて上水からの水を水処理する。水処理装置４２により、上水からの水の導電率が低下するとともに、有機物の混入が抑制される。水処理装置４２で水処理が施された水は、改質装置４０が有する改質器の水蒸気改質に用いられる。

電池オフガスは、燃料電池スタック５０で未反応のまま排出される改質ガスである。電池オフガスは、気液分離装置４４を経由して改質装置４０に送られる。気液分離装置４４において、電池オフガスの気体成分のみが取り出されて改質装置４０に送られ、バーナの燃料に用いられる。また、気液分離装置４４は、電池オフガスと改質用水とが熱交換可能な熱交換機能を兼ね備え、電池オフガスの熱により改質用水が加熱される。これにより、改質装置４０において改質用水を加熱して水蒸気にするのに必要なエネルギーを節約することができるため、燃料電池システム全体の効率を向上させることができる。

改質器は、バーナーで熱した触媒に原燃料を通すことにより、原燃料を水蒸気改質する。変成器は、改質器で改質された原燃料から水素約８０％、二酸化炭素約２０％、一酸化炭素１％以下の改質ガスを生成する。改質装置４０の起動時には、改質器を昇温するために、バーナにも原燃料が供給される。燃料電池システム１０が安定的に運転できるようになると、バーナへの原燃料の供給を停止し、燃料電池スタック５０から排出される電池オフガスをバーナに供給することにより、改質器の昇温が図られる。バーナの燃焼により生じる排ガスは、熱交換器８０を経由して燃料電池システム１０から外部へ排出される。

脱硫器は、原燃料としてＬＰＧや都市ガスなどを用いた場合に、ガス漏れに対する安全対策として付臭される硫化物を除去する。改質器の触媒が劣化することが抑制される。脱硫器によって硫化物が除去された原燃料は、改質器に送られる。

ＣＯ除去器は、一酸化炭素の影響を受けやすい低温（１００℃以下）で運転される燃料電池スタック５０へ改質ガスを供給する場合に、さらに改質ガスと酸素とを混合することによって、酸化炭素を選択的に酸化する。ＣＯ除去器により、改質ガス中の一酸化炭素濃度を１０ｐｐｍ以下にすることができる。

改質装置４０からの改質ガスは、燃料用湿熱交換器６０において加湿および加温された後、燃料電池スタック５０のアノード５４へ供給される。

（酸化剤供給系）
酸化剤として用いられる空気が燃料電池システム１０の外部からブロアなどを用いて取り込まれる。燃料電池システム１０に取り込まれた空気は、フィルタ（図示せず）により塵や浮遊物が除去される。燃料電池システム１０に取り込まれた空気の一部は改質装置４０に送られ、バーナの燃料に用いられる。その他の空気は酸化剤用湿熱交換器７０に送られる。酸化剤用湿熱交換器７０において酸化剤として用いられる空気が加湿および加温される。酸化剤用湿熱交換器７０で加湿及び加温された空気は、燃料電池スタック５０のカソード５６へ供給される。燃料電池スタック５０のカソード５６での反応後に残った空気は、熱交換器８４を経由して燃料電池システム１０から外部へ排気される。

（冷却水系）
燃料電池システム１０は、循環ポンプ（図示せず）によって冷却水が循環する冷却水系を有している。燃料電池スタック５０の各セルは、燃料電池スタック５０に設けられた冷却水流路に冷却水を流通させることによって適温に冷却される。燃料電池スタック５０の発電で発生した熱エネルギーは、冷却水によって燃料電池スタック５０の外部に取り出される。燃料電池スタック５０から排出された冷却水の一部は、燃料用湿熱交換器６０で貯湯タンク３２からの水および燃料用湿熱交換器６０に貯留されているバブリング用の水と熱交換した後に、酸化剤用湿熱交換器７０に送られる。燃料電池スタック５０から排出された冷却水の残りの部分は、酸化剤用湿熱交換器７０に直接送られてバブリング用の水として用いられる。

（給湯系）
貯湯タンク３２には上水が供給される。このとき上水は貯湯タンク３２の下部から供給されることが好ましい。

貯湯タンク３２からの水は、バーナの燃焼により生じる排ガスと熱交換器８０において熱交換する。これにより、排ガスが有する熱エネルギーを無駄なく利用して貯湯タンク３２からの水を加熱して、湯水を貯留することができるので、燃料電池システムの熱効率が向上する。

また、貯湯タンク３２からの水は、燃料電池スタック５０から排出される電池オフガス、および反応後の空気と、それぞれ熱交換器８２、熱交換器８４において熱交換する。これにより、燃料電池スタック５０の排ガスが有する熱エネルギーを貯湯タンク３２からの水の加熱に有効利用して湯水を貯留することができるので、燃料電池システムの熱効率が向上する。

貯湯タンク３２の下部から送出された水は、上述したように熱交換器８０、熱交換器８２および熱交換器８４によって温められた後、貯湯タンク３２の上部に環流する。また、貯湯タンク３２の下部から送出された水は、燃料用湿熱交換器６０において温められた後、貯湯タンク３２の上部に環流する。

（電気系）
燃料電池スタック５０にて発生した直流電力は、コンバータ９０により所定電圧（たとえば２４Ｖ）の直流電力に変換された後、インバータ９２によって交流電力（たとえば１００Ｖ）に変換される。インバータ９２で変換された交流電力は系統９４へ出力される。また、コンバータ９０で変換された所定電圧の直流電力は、制御装置１００などの電源として利用される。

制御装置１００は、改質装置４０から供給される燃料の供給量および外部から取り込まれる空気の供給量を調節して、燃料電池スタック５０による発電量を制御する。この他に、制御装置１００は、冷却水用の配管に設けられた制御バルブの開度や、循環ポンプを調節して冷却水の水量を制御する。さらに、制御装置１００は、貯湯タンク３２からの水を循環させるための循環ポンプ、コンバータ９０およびインバータ９２等との間で電気信号を送受信して、これらの各種機器を制御する。制御装置１００はリモートコントローラ９６と赤外線通信が可能である。ユーザは、リモートコントローラ９６を用いて、燃料電池システム１０の動作を操作したり、貯湯タンク３２の湯温などを設定することができる。

図２は、燃料電池システム１０の主な構成の配置を示す斜視図である。図２は、構成の重なりなどの視覚上の制約に縛られない燃料電池システム１０の３次元イメージであり、配管等の部材は適宜省略されている。また、図３は、改質装置４０、燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の配置を示す平面図である。

燃料電池システム１０は、収容ケース１２の中に収められている。収容ケース１２の底部に、貯湯ユニット３０、制御装置１００およびブロア、各種ポンプ類などが収められた補機類ユニット１４が設置されている。制御装置１００および補機類ユニット１４の上方の空間に、改質装置４０、燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０が固定されている。本実施形態では、改質装置４０、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、いずれも長方体である。改質装置４０を長方体とするために、改質器、変成器、脱硫器およびＣＯ除去器が積層された積層型の改質装置４０を用いることが望ましい。

改質装置４０と燃料電池スタック５０との間には、断熱材４６が設けられている。改質装置４０が改質処理を実行しているときの改質装置４０の典型的な表面温度は約７００℃である。断熱材４６によって、改質装置４０から伝達する熱の温度が約７０℃に抑えられる。これにより、燃料および酸化剤を燃料電池スタック５０の上部から投入する場合に相対的に低温となる燃料電池スタック５０の上部が、改質装置４０で発生した熱を有効的に活用することによって保温される。この結果、燃料電池スタック５０の上下方向の熱分布が均一化し、燃料電池スタック５０の動作がより安定になる。このように、燃料電池スタック５０の両端部のセルを特別な加温装置を用いることなく、既存の改質装置４０を加温用の熱源体として利用することにより、燃料電池システム１０の低コスト化を図ることができる。また、改質装置４０で発生した熱が有効利用されるので、燃料電池システム１０の効率が向上する。

燃料電池スタック５０は、セル間に冷却プレートを介在させて複数積層した積層体５１と、集電体５３および絶縁体５５を介して積層体５１の両端に端板１１０ａおよび端板１１０ｂを添えて締め付けることにより構成されている。燃料電池スタック５０は、ボルト、ナットなどの締結部材１０２により締め付けられている。本実施形態では、燃料電池スタック５０のセル積層方向の一方の端部および他方の端部にそれぞれ、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０が設けられている。本実施形態では、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、燃料電池スタック５０の端部に添えられた端板１１０ａおよび端板１１０ｂとそれぞれ部分的に面接触している。燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の温度は、燃料電池スタック５０で発生した熱を奪うことにより昇温した冷却水の温度（約７０℃）に近い。このため、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の熱が、端板１１０ａ、端板１１０ｂをそれぞれ伝播することにより、燃料電池スタック５０の両端部のセルが加温される。この結果、燃料電池スタック５０の各セル温度が積層方向でほぼ一定になるため、各セルの出力電圧のばらつきが抑制され、燃料電池スタック５０の動作がより安定になる。このように、燃料電池スタック５０の両端部のセルを特別な加温装置を用いることなく、既存の燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０を加温用の熱源体として利用することにより、燃料電池システム１０の低コスト化を図ることができる。また、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の熱が有効利用されるので、燃料電池システム１０の効率が向上する。

図４は、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０と燃料電池スタック５０との接続例を示す。この例では、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の上面に、燃料用の配管１２０ａおよび酸化剤用の配管１２０ｂがそれぞれ接続されている。配管１２０ａおよび配管１２０ｂは、燃料電池スタック５０の燃料用のマニホールド１３０ａおよび酸化剤用のマニホールド１３０ｂにそれぞれ接続されている。配管１２０ａおよび配管１２０ｂを経由して、改質ガスおよび空気がそれぞれ燃料電池スタック５０に供給される。これによれば、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０が燃料電池スタック５０から離間して設けられている場合に比べて、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０と燃料電池スタック５０との接続に用いられる配管の長さが短くなるので、燃料電池スタック５０に供給される改質ガスおよび空気の温度低下が抑制され、燃料電池スタック５０をより適切な条件で動作させることができる。

図５は、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０と燃料電池スタック５０のマニホールドとの他の接続例を示す。この例では、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の接触面に開口部１４０ａおよび開口部１４０ｂが設けられている。開口部１４０ａおよび開口部１４０ｂは、燃料電池スタック５０の燃料用のマニホールド１３０ａおよび酸化剤用のマニホールド１３０ｂにそれぞれ直接に接続されている。これによれば、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０と燃料電池スタック５０とを接続するための配管が不要になるため、燃料電池スタック５０に供給される燃料および酸化剤の温度低下がより確実に抑制される。この結果、燃料電池スタック５０をより適切な条件で動作させることができる。

（参考形態２）
本参考形態は、燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の構成あるいは配置を除いて、実施形態１と同様な構成を有する。このため、実施形態２の説明では、実施形態１と同様な構成について記述を適宜省略する。

上述した実施形態１では、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、端板１１０ａおよび端板１１０ｂとそれぞれ部分的に面接触している。これに対して、参考形態２では、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の接触面は、それぞれ端板１１０ａおよび端板１１０ｂの接触面と同等な形状を有し、端板１１０ａおよび端板１１０ｂの全面に燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０がそれぞれ接触している。締結部材１１２は、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０を貫通しており、燃料電池スタック５０と、その両端部に設置された燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０とが締結部材１０２により一体的に締め付けられている。

これによれば、端板１１０ａおよび端板１１０ｂの全体を保温することができるため、燃料電池スタック５０の両端部のセルに対する保温性が向上し、燃料電池スタック５０をより安定的に動作させることができる。

（参考形態３）
本参考形態は、燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の構成あるいは配置を除いて、参考形態２と同様な構成を有する。このため、参考形態３の説明では、参考形態２と同様な構成について記述を適宜省略する。

図６は、参考形態３の燃料電池スタック５０、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の構成あるいは配置を示す。参考形態３の燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０は、燃料電池スタック５０の端板として十分な強度を備える。このため、参考形態３では、燃料電池スタック５０を締め付けるための端板が不要となり、燃料電池スタック５０をよりコンパクトにすることができるとともに、燃料電池スタック５０の部品点数が減るため、燃料電池システム１０の製造コストを低減することができる。また、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０から燃料電池スタック５０の両端部の単電池への熱伝達の経路が短縮されるため、燃料電池スタック５０の両端部のセルに対する保温性が向上し、燃料電池スタック５０をより安定的に動作させることができる。

また、本実施形態では、図４に示した接続例を適用することにより、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０と燃料電池スタック５０とを接続するための配管が不要になるため、燃料電池スタック５０に供給される燃料および酸化剤の温度低下がより確実に抑制される。この結果、燃料電池スタック５０をより適切な条件で動作させることができる。

本発明は、上述の各実施の形態に限定されるものではなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうるものである。

たとえば、上述の各実施の形態では、燃料用湿熱交換器６０および酸化剤用湿熱交換器７０の両方が燃料電池スタック５０と接触している構成が例示されているが、燃料用湿熱交換器６０または酸化剤用湿熱交換器７０のいずれかが燃料電池スタック５０と接触している構成であっても、当然に上述した効果がある程度は得られる。

また、改質装置４０の設置位置は、燃料電池スタック５０の上部に限られず、燃料電池スタック５０の側部であってもよい。これによれば、燃料電池スタック５０の各セルの側面が、改質装置４０で発生した熱を有効的に活用することによって保温される。この結果、燃料電池スタック５０の上下方向の熱分布が均一化し、燃料電池スタック５０の動作がより安定になる。

実施形態１に係る燃料電池システムの全体構成を示す概略図である。 燃料電池システムの主な構成の配置を示す斜視図である。 改質装置、燃料電池スタック、燃料用湿熱交換器および酸化剤用湿熱交換器の配置を示す平面図である。 燃料用湿熱交換器および酸化剤用湿熱交換器と燃料電池スタックとの接続例を示す図である。 燃料用湿熱交換器および酸化剤用湿熱交換器と燃料電池スタックとの他の接続例を示す図である。 参考形態３の燃料電池スタック、燃料用湿熱交換器および酸化剤用湿熱交換器の構成あるいは配置を示す図である。 燃料電池スタックが発電しているときの各セルの温度を積層順に示したグラフである。各セルについて、上部、中央部および下部の温度がそれぞれ示されている。

１０ 燃料電池システム、２０ 電源ユニット、３０ 貯湯ユニット、３２ 貯湯タンク、４０ 改質装置、４２ 水処理装置、４４ 気液分離装置、５０ 燃料電池スタック、６０ 燃料用湿熱交換器、７０ 酸化剤用湿熱交換器、８０，８２，８４ 熱交換器、９０ コンバータ、９２ インバータ、１００ 制御装置。

Claims (3)

1. 燃料極と酸化剤極との間に電解質膜が設けられた複数の単電池が積層された燃料電池ス
   タックと、
   前記燃料極に燃料を供給する燃料供給手段と、
   前記酸化剤極に酸化剤を供給する酸化剤供給手段と、
   を備え、
   前記燃料供給手段の一部をなす熱源体および／または前記酸化剤供給手段の一部をなす
   熱源体が、前記燃料電池スタックの単電池積層方向の両端面以外の単電池積層方向と平行な外面に、前記燃料電池スタックと熱的に接した状態で設けられており、
   前記熱源体が、前記燃料を改質するための改質装置であることを特徴とする燃料電池シ
   ステム。
2. 前記燃料および酸化剤が前記燃料電池スタックの前記端面の上部から投入され、前記改質装置が、前記燃料電池スタックの前記外面のうち上面または側面に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記改質装置と前記燃料電池スタックの前記外面との間に、温度調節用の断熱材が設けられている
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。