JP4955914B2

JP4955914B2 - Fuel cell system

Info

Publication number: JP4955914B2
Application number: JP2004174239A
Authority: JP
Inventors: 孝志満津; 憲治木村
Original assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Motor Corp; Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2004-06-11
Filing date: 2004-06-11
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2024-06-11
Also published as: JP2005353470A

Description

本発明は、水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing fuel gas containing hydrogen.

従来より、水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムとして、例えば特許文献１あるいは特許文献２に示すものがある。
上記燃料電池には適切な作動温度があるため、上記燃料電池の温度をこの作動温度領域内に保つよう、温度レベル、分布を制御する必要がある。
そのために、上記燃料電池システムにおいては、気体あるいは液体の冷却媒体を流通させて、燃料電池の温度上昇を防ぎ、温度制御を行っている。 Conventionally, as a fuel cell system including a fuel cell that generates power using a hydrogen-containing fuel gas containing hydrogen, for example, there is one shown in Patent Document 1 or Patent Document 2.
Since the fuel cell has an appropriate operating temperature, it is necessary to control the temperature level and distribution so as to keep the temperature of the fuel cell within this operating temperature range.
Therefore, in the above fuel cell system, a gas or liquid cooling medium is circulated to prevent the temperature of the fuel cell from increasing and temperature control is performed.

一方、燃料電池の作動温度を例えば３００℃以上の所定領域とする場合も考えられる。
このような高温の温度領域を作動温度とする燃料電池としては、例えば特許文献３に示すものがある。この燃料電池においては、改質器を用いて炭化水素等を改質して上記水素含有燃料ガスを生成する場合に、該水素含有燃料ガスの温度を大幅に冷却させる必要がないなどの利点がある。上記改質器において生成される水素含有燃料ガスは４００℃以上の高温にあるが、上記燃料電池の作動温度もこれと略同等の高温であるからである。 On the other hand, there may be a case where the operating temperature of the fuel cell is set to a predetermined region of, for example, 300 ° C. or higher.
An example of a fuel cell having such a high temperature range as an operating temperature is disclosed in Patent Document 3. In this fuel cell, when the hydrocarbon-containing fuel gas is generated by reforming hydrocarbon or the like using a reformer, there is an advantage that the temperature of the hydrogen-containing fuel gas does not need to be significantly cooled. is there. This is because the hydrogen-containing fuel gas generated in the reformer is at a high temperature of 400 ° C. or higher, but the operating temperature of the fuel cell is also approximately the same high temperature.

しかし、上記のような高温で作動する燃料電池の温度制御に、例えば炭化水素系等の有機系の液体冷媒を用いると、炭化などの問題が生ずるおそれがある。このように、有機系の液体冷媒は、３００℃を超える温度領域においては耐熱性の観点から使用が困難となるおそれがある。
一方、気体の冷却媒体を用いると、熱容量が小さいために、冷却媒体の流量を非常に大きくする必要があると共に、上記冷却媒体を適量使用した場合には燃料電池内を循環する間に温度が大きく上昇してしまうために、燃料電池内において温度分布が発生しやすいという問題がある。これにより、燃料電池の均一な温度制御が困難となる。 However, when an organic liquid refrigerant such as a hydrocarbon is used for temperature control of a fuel cell that operates at a high temperature as described above, problems such as carbonization may occur. Thus, the organic liquid refrigerant may be difficult to use from the viewpoint of heat resistance in a temperature range exceeding 300 ° C.
On the other hand, when a gaseous cooling medium is used, since the heat capacity is small, it is necessary to make the flow rate of the cooling medium very large, and when an appropriate amount of the cooling medium is used, the temperature is increased while circulating in the fuel cell. Since the temperature rises greatly, there is a problem that temperature distribution tends to occur in the fuel cell. Thereby, uniform temperature control of the fuel cell becomes difficult.

燃料電池の内部において温度分布が発生すると、熱応力が発生し、燃料電池の耐久性が低下するおそれがある。
また、燃料電池内における局所的な温度低下は、電解質導電率の低下や水素脆化などの要因となり、また、局所的な温度上昇は、金属拡散による劣化の要因となって燃料電池の耐久性の低下の原因となるおそれがある。 When a temperature distribution is generated inside the fuel cell, thermal stress is generated, which may reduce the durability of the fuel cell.
In addition, a local temperature drop in the fuel cell causes factors such as a decrease in electrolyte conductivity and hydrogen embrittlement, and a local temperature rise causes deterioration due to metal diffusion. It may cause a decrease in

更に、３００℃以上の温度において液体状態にある冷却媒体であっても、例えば常温まで温度が下がると固形化してしまう場合もある。それ故、燃料電池システムの定常作動時は液状を保っていても、停止時において冷却媒体が固形化してしまうという問題が考えられる。
冷却媒体が固形化すると、その流動性が低下し、燃料電池システムの円滑な作動を妨げるおそれがある。また、固形化した冷却媒体が、冷媒循環流路に設けられたバルブ、駆動部、調整弁等、稼動部を有する各種要素において、咬み込みや作動不良等の不具合を招くおそれがある。
また、燃料電池システムの始動時においては、固形化した冷却媒体を融解する必要が生じ、円滑な始動が困難となるおそれがある。 Furthermore, even a cooling medium that is in a liquid state at a temperature of 300 ° C. or higher may solidify when the temperature is lowered to, for example, room temperature. Therefore, there is a problem that the cooling medium is solidified at the time of stoppage even if the liquid state is maintained during the steady operation of the fuel cell system.
When the cooling medium is solidified, its fluidity is lowered, and there is a possibility that the smooth operation of the fuel cell system is hindered. In addition, the solidified cooling medium may cause problems such as biting and malfunction in various elements having an operating part such as a valve, a driving part, and a regulating valve provided in the refrigerant circulation channel.
Further, when starting the fuel cell system, it is necessary to melt the solidified cooling medium, which may make it difficult to start the fuel cell system smoothly.

特開２００３−１５１５９９号公報JP 2003-151599 A 特開２００１−２２３０１７号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-2223017 特開２００４−１４６３３７号公報JP 2004-146337 A

本発明は、かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供しようとするものである。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and can efficiently perform uniform temperature control of a fuel cell having an operating temperature of 300 ° C. or higher and ensure smooth start-up and operation. It is an object of the present invention to provide a fuel cell system that can be used.

本発明は、水素を含有する水素含有燃料ガスを利用して、３００℃以上の作動温度で発電を行う燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
該燃料電池システムは、上記燃料電池を冷却するための冷却媒体を循環させる冷媒循環流路を有しており、
上記冷却媒体は、３００℃以上で液体状態にある無機系冷媒と、該無機系冷媒よりも融点の低い低融点媒体とを混合してなり、
かつ、上記燃料電池システムは、上記低融点媒体を上記無機系冷媒から分離して貯蔵するための分離機構を有することを特徴とする燃料電池システムにある（請求項１）。 The present invention relates to a fuel cell system including a fuel cell that generates power at an operating temperature of 300 ° C. or higher using a hydrogen-containing fuel gas containing hydrogen.
The fuel cell system has a refrigerant circulation passage for circulating a cooling medium for cooling the fuel cell,
The cooling medium, and an inorganic refrigerant in the liquid state at 300 ° C. or higher, Ri Na were mixed with low low-melting medium melting point than the inorganic-based refrigerant,
In addition, the fuel cell system includes a separation mechanism for separating and storing the low-melting-point medium from the inorganic refrigerant (claim 1).

次に、本発明の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システムにおいては、３００℃以上の作動温度で発電を行なう上記燃料電池を冷却するための冷却媒体として、３００℃以上で液体状態にある無機系冷媒を用いている。無機系冷媒は無機物により構成されているため熱安定性に優れ、３００℃以上という高温においても変質することがない。
それ故、上記無機系冷媒は、作動温度を３００℃以上の所定領域とする燃料電池を温度制御するための冷却媒体として、充分に機能することができる。 Next, the effects of the present invention will be described.
In the fuel cell system, an inorganic refrigerant that is in a liquid state at 300 ° C. or higher is used as a cooling medium for cooling the fuel cell that generates power at an operating temperature of 300 ° C. or higher . Since the inorganic refrigerant is composed of an inorganic substance, it has excellent thermal stability and does not deteriorate even at a high temperature of 300 ° C. or higher.
Therefore, the inorganic refrigerant can sufficiently function as a cooling medium for controlling the temperature of the fuel cell in which the operating temperature is a predetermined region of 300 ° C. or higher.

また、上記無機系冷媒は、３００℃以上において液体の状態に保つことができる。それ故、上記冷却媒体を熱容量の大きい状態で冷媒循環流路に流通させることができるため、燃料電池との熱交換効率を高くすることができる。そして、燃料電池を通過する間における冷却媒体の温度上昇を抑制することができるため、燃料電池内部の温度分布の均一化を図ることができる。 The inorganic refrigerant can be kept in a liquid state at 300 ° C. or higher. Therefore, since the cooling medium can be circulated through the refrigerant circulation passage with a large heat capacity, the efficiency of heat exchange with the fuel cell can be increased. And since the temperature rise of the cooling medium while passing through the fuel cell can be suppressed, the temperature distribution inside the fuel cell can be made uniform.

また、上記冷却媒体は、上記無機系冷媒と上記低融点媒体とを混合してなる。そのため、冷却媒体の温度が下がって上記無機系冷媒が固形化しても、上記低融点媒体は液体状態を保つことができる。それ故、固形化した無機系冷媒は、液体の低融点媒体と共に冷媒循環流路を流動することができる。
このように、上記冷却媒体は、低温状態においても流動性を確保することができる。 The cooling medium is a mixture of the inorganic refrigerant and the low melting point medium. Therefore, even if the temperature of the cooling medium decreases and the inorganic refrigerant solidifies, the low-melting-point medium can maintain a liquid state. Therefore, the solidified inorganic refrigerant can flow in the refrigerant circulation channel together with the liquid low melting point medium.
Thus, the cooling medium can ensure fluidity even in a low temperature state.

また、冷却媒体の流動性を確保することにより、冷媒循環流路に設けられたバルブ、駆動部、調整弁等、稼動部を有する各種要素における、咬み込みや作動不良等の不具合を防ぐことができ、燃料電池システムの円滑な作動を確保することができる。
また、固形化した無機系冷媒を、燃料電池システムの始動時に上記低融点媒体と共に円滑に流動させることで、上記無機系冷媒の融解、液化を促進することができる。その結果、燃料電池システムの円滑な始動を確保することができる。
特に、本発明においては、上記燃料電池システムは、上記低融点媒体を上記無機系冷媒から分離して貯蔵するための分離機構を有する。
そのため、燃料電池システムの定常作動時においては、低融点媒体を除去した状態で熱容量の大きい無機系冷媒からなる冷却媒体を循環させて、燃料電池の冷却を行うことができる。それ故、燃料電池を通過する間における冷却媒体の温度上昇を小さくして、燃料電池内部の温度分布の均一化を図ることができると共に、冷却効率の向上を図ることができる。 In addition, by ensuring the fluidity of the cooling medium, it is possible to prevent problems such as biting and malfunction in various elements having operating parts such as valves, driving parts, adjusting valves, etc. provided in the refrigerant circulation flow path. And smooth operation of the fuel cell system can be ensured.
Moreover, melting and liquefaction of the inorganic refrigerant can be promoted by causing the solidified inorganic refrigerant to smoothly flow together with the low-melting-point medium when the fuel cell system is started. As a result, a smooth start of the fuel cell system can be ensured.
In particular, in the present invention, the fuel cell system has a separation mechanism for separating and storing the low-melting-point medium from the inorganic refrigerant.
Therefore, at the time of steady operation of the fuel cell system, the fuel cell can be cooled by circulating a cooling medium made of an inorganic refrigerant having a large heat capacity with the low melting point medium removed. Therefore, the temperature rise of the cooling medium while passing through the fuel cell can be reduced, the temperature distribution inside the fuel cell can be made uniform, and the cooling efficiency can be improved.

以上のごとく、本発明によれば、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供することができる。 As described above, according to the present invention, there is provided a fuel cell system capable of efficiently performing uniform temperature control of a fuel cell having an operating temperature of 300 ° C. or higher and ensuring smooth start-up and operation. can do.

本発明（請求項１）において、上記無機系冷媒は、無機物で構成された冷媒であって、例えば、硝酸カリウム（KNO₃）と亜硝酸ナトリウム（NaNO₂）と硝酸ナトリウム（NaNO₃）との混合物からなるものがある。また、その混合比としては、例えば、硝酸カリウム（KNO₃）５３重量％、亜硝酸ナトリウム（NaNO₂）４０重量％、硝酸ナトリウム（NaNO₃）７重量％とすることができる。この組成の無機系冷媒は、融点が約１４２℃となる。
また、上記低融点媒体の融点は、例えば１５０℃以下であることが好ましい。この場合には、燃料電池システムの停止時においても、低融点媒体の固形化を確実に防止し、冷却媒体の流動性を確保することができる。 In the present invention (Claim 1), the inorganic refrigerant is an inorganic refrigerant, for example, a mixture of potassium nitrate (KNO ₃ ), sodium nitrite (NaNO ₂ ), and sodium nitrate (NaNO ₃ ). There is something that consists of. The mixing ratio can be, for example, 53% by weight of potassium nitrate (KNO ₃ ), 40% by weight of sodium nitrite (NaNO ₂ ), and 7% by weight of sodium nitrate (NaNO ₃ ). The inorganic refrigerant having this composition has a melting point of about 142 ° C.
The melting point of the low-melting medium is preferably 150 ° C. or lower, for example. In this case, even when the fuel cell system is stopped, solidification of the low melting point medium can be reliably prevented, and the fluidity of the cooling medium can be ensured.

また、上記燃料電池は、上記水素含有燃料ガスが供給されるアノード流路と、酸素を含有する酸素含有ガスが供給されるカソード流路と、該カソード流路と上記アノード流路との間に配設された電解質体とを有しており、該電解質体は、上記アノード流路に供給された上記水素含有燃料ガス中の水素を透過させるための水素分離金属層と、該水素分離金属層を透過した上記水素を水素プロトンの状態にして透過させて上記カソード流路に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層とを積層してなることが好ましい（請求項２）。 In addition, the fuel cell includes an anode flow path to which the hydrogen-containing fuel gas is supplied, a cathode flow path to which an oxygen-containing gas containing oxygen is supplied, and between the cathode flow path and the anode flow path. A hydrogen separation metal layer for allowing hydrogen in the hydrogen-containing fuel gas supplied to the anode channel to pass therethrough, and the hydrogen separation metal layer. It is preferable to laminate a proton conductor layer made of ceramics for allowing the hydrogen that has permeated to reach the cathode flow path in the form of hydrogen protons.

この場合には、上記燃料電池を、例えば４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃の高温状態で作動させることができる。
即ち、上記燃料電池は、上記水素分離金属層と上記プロトン伝導体層とを積層してなる電解質体を備えており、セラミックスからなる上記プロトン伝導体層は水分を含浸させずに用いることができるため、上記のような高温状態で作動させることができる。 In this case, the fuel cell can be operated at a high temperature of, for example, 400 to 600 ° C or 400 to 500 ° C.
That is, the fuel cell includes an electrolyte body formed by laminating the hydrogen separation metal layer and the proton conductor layer, and the proton conductor layer made of ceramic can be used without being impregnated with moisture. Therefore, it can be operated in a high temperature state as described above.

そのため、改質器を用いて炭化水素等を改質して上記水素含有燃料ガスを生成する場合に、例えば４００℃以上の高温の水素含有燃料ガスを大幅に冷却させることなく、上記燃料電池に供給することができる。
そして、かかる燃料電池システムに本発明を適用することにより、燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができ、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。 Therefore, when reforming hydrocarbons or the like using a reformer to produce the hydrogen-containing fuel gas, the fuel cell can be used without significantly cooling the high-temperature hydrogen-containing fuel gas of, for example, 400 ° C. or higher. Can be supplied.
By applying the present invention to such a fuel cell system, uniform temperature control of the fuel cell can be performed efficiently, and smooth start-up and operation can be ensured. It can be fully demonstrated.

また、上記無機系冷媒は、上記燃料電池の作動温度域で液体状態にある無機系冷媒であることが好ましい（請求項３）。
この場合には、例えば３００〜６００℃、４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃という上記の水素分離膜型の燃料電池の作動温度領域において、冷却媒体を液体状態に保つことができるため、上記燃料電池の温度分布制御を効率的に行うことができる。 The inorganic refrigerant is preferably an inorganic refrigerant that is in a liquid state in the operating temperature range of the fuel cell.
In this case, for example, the cooling medium can be kept in a liquid state in the operating temperature region of the hydrogen separation membrane type fuel cell of 300 to 600 ° C., 400 to 600 ° C., or 400 to 500 ° C. The temperature distribution control of the fuel cell can be performed efficiently.

また、上記無機系冷媒は、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウムの少なくとも１種を含むことが好ましい（請求項４）。
この場合には、３００℃以上の高温においても変質することなく液体状態に保つことができる冷却媒体を容易に得ることができる。 The inorganic refrigerant preferably contains at least one of potassium nitrate, sodium nitrite, and sodium nitrate.
In this case, a cooling medium that can be maintained in a liquid state without being deteriorated even at a high temperature of 300 ° C. or higher can be easily obtained.

また、上記低融点媒体は、上記無機系冷媒よりも沸点が低いことが好ましい（請求項５）。
この場合には、上記低融点媒体のみを気化させることにより、上記低融点媒体と上記無機系冷媒とを容易に分離することができる。これにより、燃料電池システムの定常作動時においては、低融点媒体を除去した状態で熱容量の大きい無機系冷媒からなる冷却媒体を循環させて、燃料電池の冷却を行うことができる。それ故、燃料電池を通過する間における冷却媒体の温度上昇を小さくして、燃料電池内部の温度分布の均一化を図ることができると共に、冷却効率の向上を図ることができる。 Moreover, it is preferable that the low-melting-point medium has a boiling point lower than that of the inorganic refrigerant.
In this case, the low melting point medium and the inorganic refrigerant can be easily separated by vaporizing only the low melting point medium. As a result, during the steady operation of the fuel cell system, the fuel cell can be cooled by circulating a cooling medium made of an inorganic refrigerant having a large heat capacity with the low melting point medium removed. Therefore, the temperature rise of the cooling medium while passing through the fuel cell can be reduced, the temperature distribution inside the fuel cell can be made uniform, and the cooling efficiency can be improved.

なお、上記低融点媒体の沸点は、上記無機系冷媒の沸点よりも高く、例えば１５０〜４００℃であることが好ましい。これにより、固形化した無機系冷媒を液体状態にある低融点媒体と共に円滑に流動させることができると共に、無機系冷媒と低融点媒体との分離が容易となる。
上記沸点が４００℃を超える場合には、燃料電池の作動条件において、液体の無機系冷媒と低融点媒体とを分離することが困難となるおそれがある。一方、上記沸点が１５０℃未満の場合には、温度低下に伴い無機系冷媒が固形化したときにおいても低融点媒体が気体の状態にあるおそれがあり、低融点媒体を、固形化した無機系冷媒と共に流動させることが困難となるおそれがある。 In addition, the boiling point of the low melting point medium is higher than the boiling point of the inorganic refrigerant, and is preferably 150 to 400 ° C, for example. As a result, the solidified inorganic refrigerant can smoothly flow together with the low melting point medium in a liquid state, and separation of the inorganic refrigerant and the low melting point medium is facilitated.
When the boiling point exceeds 400 ° C., it may be difficult to separate the liquid inorganic refrigerant and the low melting point medium under the operating conditions of the fuel cell. On the other hand, when the boiling point is less than 150 ° C., the low melting point medium may be in a gaseous state even when the inorganic refrigerant is solidified with a decrease in temperature. It may be difficult to flow together with the refrigerant.

また、本発明（請求項１の発明）において、上記燃料電池システムは、上記低融点媒体を上記無機系冷媒から分離して貯蔵するための分離機構を有する。
そのため、燃料電池システムの定常作動時においては、低融点媒体を除去した状態で熱容量の大きい無機系冷媒からなる冷却媒体を循環させて、燃料電池の冷却を行うことができる。それ故、燃料電池を通過する間における冷却媒体の温度上昇を小さくして、燃料電池内部の温度分布の均一化を図ることができると共に、冷却効率の向上を図ることができる。
また、燃料電池システムの停止時など、冷却媒体の温度が下がった場合に、分離、貯蔵しておいた低融点媒体を、冷媒循環流路に戻して、無機系冷媒と共に循環させることができる。これにより、冷却媒体の円滑な流通を確保することができる。 Further, in the present invention (invention according to claim 1), the fuel cell system, that have a separation mechanism for storing the low-melting medium is separated from the inorganic-based refrigerant.
Therefore , at the time of steady operation of the fuel cell system, the fuel cell can be cooled by circulating a cooling medium made of an inorganic refrigerant having a large heat capacity with the low melting point medium removed. Therefore, the temperature rise of the cooling medium while passing through the fuel cell can be reduced, the temperature distribution inside the fuel cell can be made uniform, and the cooling efficiency can be improved.
In addition, when the temperature of the cooling medium decreases, such as when the fuel cell system is stopped, the separated and stored low-melting-point medium can be returned to the refrigerant circulation passage and circulated together with the inorganic refrigerant. Thereby, smooth circulation of the cooling medium can be ensured.

また、上記低融点媒体は水であることが好ましい（請求項６）。
この場合には、低温状態における冷却媒体の流動性を容易に確保することができる。
また、水は、気体状態、液体状態を通じて、無機系冷媒への被毒などの影響を与えるおそれがない。また、３００℃を超える高温となった場合にも、分解、変質するおそれがない。また、水の沸点は充分に低いため、流動可能となった無機系冷媒との分離を容易に行うことができる。
また、加圧することにより、水の沸点を高くし、例えば１５０℃以上に調整することができる。
次に、上記無機系冷媒は常温まで温度が下がると固形化するものを用いることができる（請求項７）。 The low-melting-point medium is preferably water (Claim 6 ).
In this case, the fluidity of the cooling medium in a low temperature state can be easily ensured.
Moreover, there is no possibility that water will affect the inorganic refrigerant through gas state and liquid state. In addition, there is no risk of decomposition or alteration when the temperature exceeds 300 ° C. In addition, since the boiling point of water is sufficiently low, it can be easily separated from the inorganic refrigerant that can flow.
In addition, by applying pressure, the boiling point of water can be increased, for example, adjusted to 150 ° C. or higher.
Next, the inorganic refrigerant can be used to solidify when the temperature decreases to room temperature (claim 7).

本発明の実施例にかかる燃料電池システムにつき、図１〜図１０を用いて説明する。
本例の燃料電池システム１は、図１に示すごとく、水素を含有する水素含有燃料ガス５１を利用して発電を行う燃料電池３を備えている。
燃料電池システム１は、上記燃料電池３を冷却するための冷却媒体４０を循環させる冷媒循環流路４を有している。
そして、上記冷却媒体４０は、図２〜図６に示すごとく、無機系冷媒４１と、該無機系冷媒４１よりも融点及び沸点の低い低融点媒体４２とを混合してなる。 A fuel cell system according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 of this example includes a fuel cell 3 that generates power using a hydrogen-containing fuel gas 51 containing hydrogen.
The fuel cell system 1 has a refrigerant circulation passage 4 for circulating a cooling medium 40 for cooling the fuel cell 3.
As shown in FIGS. 2 to 6, the cooling medium 40 is formed by mixing an inorganic refrigerant 41 and a low melting point medium 42 having a melting point and a boiling point lower than those of the inorganic refrigerant 41.

上記無機系冷媒４１としては、硝酸カリウム（KNO₃）と亜硝酸ナトリウム（NaNO₂）と硝酸ナトリウム（NaNO₃）との混合物からなるものを用いる。また、その混合比としては、硝酸カリウム（KNO₃）５３重量％、亜硝酸ナトリウム（NaNO₂）４０重量％、硝酸ナトリウム（NaNO₃）７重量％とすることができる。この組成の無機系冷媒４１は、融点が約１４２℃となる。 The inorganic refrigerant 41 is made of a mixture of potassium nitrate (KNO ₃ ), sodium nitrite (NaNO ₂ ), and sodium nitrate (NaNO ₃ ). The mixing ratio can be 53 wt% potassium nitrate (KNO ₃ ), 40 wt% sodium nitrite (NaNO ₂ ), and 7 wt% sodium nitrate (NaNO ₃ ). The inorganic refrigerant 41 having this composition has a melting point of about 142 ° C.

なお、本例では、無機系冷媒４１として、硝酸カリウム、亜硝酸ナトリウム、硝酸ナトリウムを用いたが、上記無機系冷媒４１は、これらに限定されず、水素分離膜型燃料電池の作動温度（例えば３００〜６００℃）で液体状態にある無機物であればよい。
一方、上記低融点媒体４１としては、水（H₂O）を用いる。ただし、この水は、約０．４ＭＰａの圧力に加圧されていることにより、沸点が約１５０℃以上となっている。 In this example, potassium nitrate, sodium nitrite, and sodium nitrate are used as the inorganic refrigerant 41. However, the inorganic refrigerant 41 is not limited to these, and the operating temperature of the hydrogen separation membrane fuel cell (for example, 300). It may be an inorganic substance in a liquid state at ˜600 ° C.).
On the other hand, as the low melting point medium 41, water (H ₂ O) is used. However, this water has a boiling point of about 150 ° C. or higher by being pressurized to a pressure of about 0.4 MPa.

上記燃料電池システム１は、図７〜図９に示すごとく、低融点媒体４２を無機系冷媒４１から分離して貯蔵するための分離機構１５を有する。
該分離機構１５は、図７に示すごとく、気化した低融点媒体４２が液体の無機系冷媒４１よりも比重が小さくなることを利用して、低融点媒体４２を無機系冷媒４１から分離する。即ち、上記分離機構１５は、冷媒循環流路４のうち最も高い位置にある部位において、冷媒循環流路４の上方に連通するように形成されている。
また、気体の低融点媒体４２は、気液分離膜を用いて無機系冷媒４１と分離することもできる。 The fuel cell system 1 includes a separation mechanism 15 for separating and storing the low melting point medium 42 from the inorganic refrigerant 41 as shown in FIGS.
The separation mechanism 15 separates the low melting point medium 42 from the inorganic refrigerant 41 by utilizing the fact that the vaporized low melting point medium 42 has a lower specific gravity than the liquid inorganic refrigerant 41 as shown in FIG. That is, the separation mechanism 15 is formed so as to communicate with the upper side of the refrigerant circulation channel 4 at the highest position in the refrigerant circulation channel 4.
The gaseous low melting point medium 42 can also be separated from the inorganic refrigerant 41 using a gas-liquid separation membrane.

そして、図８に示すごとく、分離した低融点媒体４２は、冷却することで液化し、再利用のために貯蔵する。このとき、液化した低融点媒体４２を、図１に示すタンク１４へ送り、貯蔵してもよい。 Then, as shown in FIG. 8, the separated low-melting-point medium 42 is liquefied by cooling and stored for reuse. At this time, the liquefied low melting point medium 42 may be sent to the tank 14 shown in FIG. 1 and stored.

図１に示すごとく、上記冷媒循環流路４は、冷却媒体４０を貯蔵するためのタンク１４と連通されている。
また、冷媒循環流路４の一部には、冷却媒体４０との熱交換を行うための熱交換用流体６１を流通させる熱交換流路６０が並行して配設されている。その手段としては、例えば、上記冷媒循環流路４を外側に配し、上記熱交換流路６０を内側に配した二重管を構成することができる。
また、冷媒循環流路４は、冷却媒体４０と熱交換用流体６１との熱交換を行うための熱交換ユニット６２を設けている。 As shown in FIG. 1, the refrigerant circulation channel 4 communicates with a tank 14 for storing a cooling medium 40.
In addition, a heat exchange channel 60 through which a heat exchanging fluid 61 for exchanging heat with the cooling medium 40 is circulated in part of the refrigerant circulation channel 4. As the means, for example, a double pipe in which the refrigerant circulation channel 4 is arranged on the outside and the heat exchange channel 60 is arranged on the inside can be configured.
The refrigerant circulation flow path 4 is provided with a heat exchange unit 62 for performing heat exchange between the cooling medium 40 and the heat exchange fluid 61.

上記燃料電池３は、図１、図１０に示すごとく、上記水素含有燃料ガス５１が供給されるアノード流路３２と、酸素を含有する酸素含有ガス５２が供給されるカソード流路３３と、該カソード流路３３と上記アノード流路３２との間に配設された電解質体３１とを有している。該電解質体３１は、上記アノード流路３２に供給された水素含有燃料ガス５１中の水素を透過させるための水素分離金属層３１１と、該水素分離金属層３１１を透過した水素を水素プロトンの状態にして透過させてカソード流路３３に到達させるためのセラミックスからなるプロトン伝導体層３１２とを積層してなる。 As shown in FIGS. 1 and 10, the fuel cell 3 includes an anode channel 32 to which the hydrogen-containing fuel gas 51 is supplied, a cathode channel 33 to which an oxygen-containing gas 52 containing oxygen is provided, An electrolyte body 31 is provided between the cathode channel 33 and the anode channel 32. The electrolyte body 31 includes a hydrogen separation metal layer 311 for allowing hydrogen in the hydrogen-containing fuel gas 51 supplied to the anode flow path 32 to pass through, and hydrogen that has passed through the hydrogen separation metal layer 311 in a hydrogen proton state. Then, a proton conductor layer 312 made of ceramics for passing through and reaching the cathode channel 33 is laminated.

上記水素分離金属層３１１は、パラジウム（Ｐｄ）とバナジウム（Ｖ）との積層金属からなる。なお、水素分離金属層３１１は、パラジウムのみでもよく、これを含有する合金とすることもできる。また、水素分離金属層３１１は、３気圧のアノードガス供給条件下において、電流密度に換算して１０Ａ／ｃｍ²を超える水素透過性能（水素分離性能）を有している。こうして、水素分離金属層３１１の導電抵抗は無視できる程度に小さくしている。
また、上記プロトン伝導体層３１２は、セラミックスとしてのペロブスカイト型酸化物からなる。そして、プロトン伝導体層３１２の導電抵抗は、固体高分子型電解質膜の導電抵抗と同じくらいになるまで小さくしている。また、ペロブスカイト型酸化物としては、例えば、ＢａＣｅＯ₃系のもの、ＳｒＣｅＯ₃系のものがある。 The hydrogen separation metal layer 311 is made of a laminated metal of palladium (Pd) and vanadium (V). Note that the hydrogen separation metal layer 311 may be made of only palladium or an alloy containing the palladium. Further, the hydrogen separation metal layer 311 has a hydrogen permeation performance (hydrogen separation performance) exceeding 10 A / cm ² in terms of current density under an anode gas supply condition of 3 atm. Thus, the conductive resistance of the hydrogen separation metal layer 311 is made small enough to be ignored.
The proton conductor layer 312 is made of a perovskite oxide as a ceramic. The conductive resistance of the proton conductor layer 312 is reduced until it is about the same as the conductive resistance of the solid polymer electrolyte membrane. As the perovskite-type oxide, such as those of BaCeO ₃ system, there is a SrCeO ₃ system.

また、図１０に示すごとく、上記電解質体３１は、上記プロトン伝導体層３１２における上記アノード流路３２の側の表面に形成したアノード電極３２１（陽極）と、上記プロトン伝導体層３１２における上記カソード流路３３の側の表面に形成したカソード電極３３１（陰極）とを有している。また、アノード電極３２１とカソード電極３３１との間には、上記燃料電池３から電力を取り出すための電池出力線３６が接続されている。 As shown in FIG. 10, the electrolyte body 31 includes an anode electrode 321 (anode) formed on the surface of the proton conductor layer 312 on the anode flow channel 32 side, and the cathode of the proton conductor layer 312. It has a cathode electrode 331 (cathode) formed on the surface on the channel 33 side. A battery output line 36 for taking out electric power from the fuel cell 3 is connected between the anode electrode 321 and the cathode electrode 331.

また、上記プロトン伝導体層３１２におけるアノード電極３２１は、上記水素分離金属層３１１を構成するパラジウムにより構成している。また、上記プロトン伝導体層３１２におけるカソード電極３３１は、Ｐｔ系の電極触媒により構成している。なお、アノード電極３２１も、Ｐｔ系の電極触媒により構成することもできる。
上記燃料電池３の作動温度は４００〜６００℃、好ましくは４００〜５００℃であり、この温度範囲に燃料電池３の温度を保つように、図１に示すごとく、冷却媒体４０を冷媒循環流路４に流通させている。 Further, the anode electrode 321 in the proton conductor layer 312 is made of palladium constituting the hydrogen separation metal layer 311. The cathode electrode 331 in the proton conductor layer 312 is composed of a Pt-based electrode catalyst. The anode electrode 321 can also be composed of a Pt-based electrode catalyst.
The operating temperature of the fuel cell 3 is 400 to 600 ° C., preferably 400 to 500 ° C. In order to keep the temperature of the fuel cell 3 within this temperature range, as shown in FIG. 4 is distributed.

また、図１に示すごとく、上記燃料電池システム１は、改質用燃料５０から水素含有燃料ガス５１を生成する改質反応流路２１と、該改質反応流路２１を加熱するための加熱流路２２とを有する改質器２を備えている。
また、上記加熱流路２２においては、改質器燃焼用ガス５４を供給してこれを燃焼させることにより、改質反応流路２１を加熱する。
上記改質用燃料５０としては、炭化水素燃料を用いる。また、上記改質器燃焼用ガス５４としては、改質原料の炭化水素燃料を用いる。また、これに代えて、或いはこれと共に、未使用Ｈ₂、加熱ＣＯ、ＣＨ₄などを含むアノードオフガス５１１を加熱流路２２に供給し、燃焼させることもできる。 As shown in FIG. 1, the fuel cell system 1 includes a reforming reaction channel 21 that generates a hydrogen-containing fuel gas 51 from the reforming fuel 50, and heating for heating the reforming reaction channel 21. A reformer 2 having a flow path 22 is provided.
Further, the reforming reaction channel 21 is heated by supplying the reformer combustion gas 54 and burning it in the heating channel 22.
As the reforming fuel 50, a hydrocarbon fuel is used. As the reformer combustion gas 54, a hydrocarbon fuel as a reforming raw material is used. Alternatively, or together with this, the anode off-gas 511 containing unused H ₂ , heated CO, CH _4, etc. can be supplied to the heating channel 22 and burned.

また、図１に示すごとく、上記改質器２と燃料電池３との間には、燃料ガス用熱交換器１１が配設されており、改質器２において生成した水素含有燃料ガス５１の温度を調整して、燃料電池３に送り込むよう構成されている。また、上記燃料ガス用熱交換器１１においては、燃料電池３のカソード流路３３から排出されたカソードオフガス５２１との間で熱交換させることにより、上記水素含有燃料ガス５１の温度を調整する。 As shown in FIG. 1, a fuel gas heat exchanger 11 is disposed between the reformer 2 and the fuel cell 3, and the hydrogen-containing fuel gas 51 generated in the reformer 2 The temperature is adjusted and sent to the fuel cell 3. In the fuel gas heat exchanger 11, the temperature of the hydrogen-containing fuel gas 51 is adjusted by exchanging heat with the cathode off gas 521 discharged from the cathode flow path 33 of the fuel cell 3.

図１に示すごとく、上記燃料ガス用熱交換器１１を通過して高温の状態となっているカソードオフガス５２１は、改質器２の改質反応流路２１に導かれる。これにより、燃料電池３における反応に使用されなかったカソードオフガス５２１中の残存酸素とガス顕熱により輸送される熱を、改質反応流路２１において有効に利用することができる。 As shown in FIG. 1, the cathode offgas 521 that has passed through the fuel gas heat exchanger 11 and is in a high temperature state is guided to the reforming reaction channel 21 of the reformer 2. As a result, the oxygen remaining in the cathode offgas 521 that has not been used for the reaction in the fuel cell 3 and the heat transported by gas sensible heat can be effectively utilized in the reforming reaction channel 21.

また、燃料電池３のアノード流路３２から排出された高温のアノードオフガス５１１も、改質器２の改質反応流路２１に導かれる。これにより、燃料電池３の電解質体３１における水素分離金属層３１１を透過しなかったアノードオフガス５１１中の残存水素とガス顕熱により輸送される熱を、有効に再利用することができる。
また、上記アノードオフガス５１１の一部は、熱交換用流体６１として、タンク１４の流路、熱交換流路６０、熱交換ユニット６２を順次通過する。これにより、冷却媒体４０との熱交換を行う。 Further, the high-temperature anode off gas 511 discharged from the anode flow path 32 of the fuel cell 3 is also guided to the reforming reaction flow path 21 of the reformer 2. Thereby, the residual hydrogen in the anode off-gas 511 that has not permeated the hydrogen separation metal layer 311 in the electrolyte body 31 of the fuel cell 3 and the heat transported by gas sensible heat can be effectively reused.
A part of the anode off gas 511 sequentially passes through the flow path of the tank 14, the heat exchange flow path 60, and the heat exchange unit 62 as the heat exchange fluid 61. Thereby, heat exchange with the cooling medium 40 is performed.

また、上記改質器２の加熱流路２２から排出された改質器燃焼オフガス５４１は、燃料電池システム１の外部に排出される。
なお、図１は燃料電池システム１の模式図であり、冷媒循環流路４や熱交換流路６０等の流路に設けられた、各種ポンプ、各種バルブ、各種弁、その他の要素については記載を省略してある。 Further, the reformer combustion off-gas 541 discharged from the heating flow path 22 of the reformer 2 is discharged outside the fuel cell system 1.
FIG. 1 is a schematic diagram of the fuel cell system 1, and various pumps, various valves, various valves, and other elements provided in the refrigerant circulation flow path 4 and the heat exchange flow path 60 are described. Is omitted.

以下に、図２〜図９を用いて、燃料電池システム１の作動状況に伴う、冷却媒体４０の状態変化等につき説明する。
燃料電池システム１の停止時においては、図２に示すごとく、冷却媒体４０における無機系冷媒４１は温度低下することにより固形化する。一方、低融点媒体４２は、液体の状態を保っている。これにより、冷却媒体４０の流動性は確保されている。 Hereinafter, changes in the state of the cooling medium 40 associated with the operation status of the fuel cell system 1 will be described with reference to FIGS.
When the fuel cell system 1 is stopped, as shown in FIG. 2, the inorganic refrigerant 41 in the cooling medium 40 is solidified as the temperature decreases. On the other hand, the low melting point medium 42 is kept in a liquid state. Thereby, the fluidity | liquidity of the cooling medium 40 is ensured.

次に、燃料電池システム１の始動時においては、冷却媒体４０の温度はまだ充分に高くないが、上述のごとく冷却媒体４０の流動性は確保されている。そのため、図３に示すごとく、無機系冷媒４１は固体の状態のまま低融点媒体４２に浮遊しつつ、低融点媒体４２と共に冷媒循環流路４の中を流動する。
そして、固体の無機系冷媒４１は、冷媒循環流路４を循環する中で、熱交換ユニット６２等において熱を受けることにより温度上昇し、図４、図５に示すごとく、徐々に融解され、液化する。 Next, when the fuel cell system 1 is started, the temperature of the cooling medium 40 is not yet sufficiently high, but the fluidity of the cooling medium 40 is ensured as described above. Therefore, as shown in FIG. 3, the inorganic refrigerant 41 flows in the refrigerant circulation passage 4 together with the low melting point medium 42 while floating in the low melting point medium 42 in a solid state.
The solid inorganic refrigerant 41 rises in temperature by receiving heat in the heat exchange unit 62 and the like while circulating through the refrigerant circulation passage 4, and is gradually melted as shown in FIGS. Liquefaction.

更に、冷却媒体４０の温度が上昇し、約１５０℃を超えると、図６に示すごとく、低融点媒体４２が気化する。一方、上記無機系冷媒４１は、冷却媒体４０が約１４２℃に達すると、略完全に液化する。
そして、気化した低融点媒体４２は、図７に示すごとく、分離機構１５によって無機系冷媒４１と分離され、貯蔵される。
これにより、冷媒循環流路４においては、低融点媒体４２と分離された液体の無機系冷媒４１からなる冷却媒体４０が循環する。 Further, when the temperature of the cooling medium 40 rises and exceeds about 150 ° C., the low melting point medium 42 is vaporized as shown in FIG. On the other hand, the inorganic refrigerant 41 is almost completely liquefied when the cooling medium 40 reaches about 142 ° C.
Then, the vaporized low melting point medium 42 is separated from the inorganic refrigerant 41 by the separation mechanism 15 and stored, as shown in FIG.
Thereby, in the refrigerant circulation channel 4, the cooling medium 40 made of the liquid inorganic refrigerant 41 separated from the low melting point medium 42 circulates.

また、上記分離機構１５において分離され気化した低融点媒体４２は、図８に示すごとく、冷却することにより液化しておく。
そして、燃料電池システム１の停止時や始動時等、冷却媒体４０が温度低下して無機系冷媒４１の固化温度（約１４２℃）以下となる前に、図９に示すごとく、液化された上記低融点媒体４２を冷媒循環流路４に再注入する。
これにより、冷却媒体４０の流動性を確保する。 Further, the low melting point medium 42 separated and vaporized in the separation mechanism 15 is liquefied by cooling as shown in FIG.
Then, when the fuel cell system 1 is stopped or started, the temperature of the cooling medium 40 decreases before the temperature becomes below the solidification temperature (about 142 ° C.) of the inorganic refrigerant 41, as shown in FIG. The low melting point medium 42 is reinjected into the refrigerant circulation channel 4.
Thereby, the fluidity of the cooling medium 40 is ensured.

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記燃料電池システム１においては、上記燃料電池３を冷却するための冷却媒体４０として、無機系冷媒４１を用いている。無機系冷媒４１は無機物により構成されているため熱安定性に優れ、３００℃以上という高温においても変質することがない。
それ故、上記無機系冷媒４１は、作動温度を３００℃以上の所定領域（本例の場合は４００〜６００℃）とする燃料電池３を温度制御するための冷却媒体４０として、充分に機能することができる。 Next, the function and effect of this example will be described.
In the fuel cell system 1, an inorganic refrigerant 41 is used as the cooling medium 40 for cooling the fuel cell 3. Since the inorganic refrigerant 41 is composed of an inorganic substance, it has excellent thermal stability and does not change even at a high temperature of 300 ° C. or higher.
Therefore, the inorganic refrigerant 41 functions sufficiently as a cooling medium 40 for controlling the temperature of the fuel cell 3 in which the operating temperature is a predetermined region of 300 ° C. or higher (400 to 600 ° C. in this example). be able to.

また、上記無機系冷媒４１は、３００℃以上において液体の状態に保つことができる。即ち、本例の無機系冷媒４１の融点は約１４２℃であり、３００℃以上においては液体状態である。
それ故、上記冷却媒体４０（無機系冷媒４１）を熱容量の大きい状態で冷媒循環流路４に流通させることができるため、燃料電池３との熱交換効率を高くすることができる。そして、燃料電池３を通過する間における冷却媒体４０の温度上昇を抑制することができるため、燃料電池３内部の温度分布の均一化を図ることができる。 The inorganic refrigerant 41 can be kept in a liquid state at 300 ° C. or higher. That is, the melting point of the inorganic refrigerant 41 of this example is about 142 ° C., and is in a liquid state at 300 ° C. or higher.
Therefore, since the cooling medium 40 (inorganic refrigerant 41) can be circulated through the refrigerant circulation passage 4 with a large heat capacity, the efficiency of heat exchange with the fuel cell 3 can be increased. And since the temperature rise of the cooling medium 40 during passing through the fuel cell 3 can be suppressed, the temperature distribution inside the fuel cell 3 can be made uniform.

また、上記冷却媒体４０は、上記無機系冷媒４１と上記低融点媒体４２とを混合してなる。そのため、冷却媒体４０の温度が下がって無機系冷媒４１が固形化しても、低融点媒体４２は液体状態を保つことができる。それ故、図３、図４に示すごとく、固形化した無機系冷媒４１は、液体の低融点媒体４２と共に冷媒循環流路４を流動することができる。
このように、上記冷却媒体４０は、低温状態においても流動性を確保することができる。 The cooling medium 40 is a mixture of the inorganic refrigerant 41 and the low melting point medium 42. Therefore, even when the temperature of the cooling medium 40 is lowered and the inorganic refrigerant 41 is solidified, the low melting point medium 42 can be kept in a liquid state. Therefore, as shown in FIGS. 3 and 4, the solidified inorganic refrigerant 41 can flow in the refrigerant circulation passage 4 together with the liquid low melting point medium 42.
Thus, the cooling medium 40 can ensure fluidity even in a low temperature state.

また、冷却媒体４０の流動性を確保することにより、冷媒循環流路４に設けられたバルブ、駆動部、調整弁等、稼動部を有する各種要素における、咬み込みや作動不良等の不具合を防ぐことができ、燃料電池システム１の円滑な作動を確保することができる。
また、固形化した無機系冷媒４１を、燃料電池システム１の始動時に低融点媒体４２と共に円滑に流動させることで、無機系冷媒４１の融解、液化を促進することができる。その結果、燃料電池システム１の円滑な始動を確保することができる。 In addition, by ensuring the fluidity of the cooling medium 40, problems such as biting and malfunction in various elements having an operating part such as a valve, a drive part, and an adjustment valve provided in the refrigerant circulation channel 4 are prevented. Therefore, the smooth operation of the fuel cell system 1 can be ensured.
Moreover, melting and liquefaction of the inorganic refrigerant 41 can be promoted by causing the solidified inorganic refrigerant 41 to smoothly flow together with the low-melting-point medium 42 when the fuel cell system 1 is started. As a result, the fuel cell system 1 can be started smoothly.

また、上記燃料電池３は、図１０に示すごとく、上記水素分離金属層３１１と上記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１を有する燃料電池である。
そのため、上記燃料電池３を、４００〜６００℃、或いは４００〜５００℃の高温状態で作動させることができる。即ち、上記燃料電池３は、上記水素分離金属層３１１と上記プロトン伝導体層３１２とを積層してなる電解質体３１１を備えており、セラミックスからなる上記プロトン伝導体層３１２は水分を含浸させずに用いることができるため、上記のような高温状態で作動させることができる。 Further, as shown in FIG. 10, the fuel cell 3 is a fuel cell having an electrolyte body 31 formed by laminating the hydrogen separation metal layer 311 and the proton conductor layer 312.
Therefore, the fuel cell 3 can be operated at a high temperature of 400 to 600 ° C. or 400 to 500 ° C. That is, the fuel cell 3 includes an electrolyte body 311 in which the hydrogen separation metal layer 311 and the proton conductor layer 312 are laminated, and the proton conductor layer 312 made of ceramic is not impregnated with moisture. Therefore, it can be operated at a high temperature as described above.

そのため、改質器２を用いて炭化水素（改質用燃料５０）を改質して生成された、４００〜６００℃という高温の水素含有燃料ガス５１を大幅に冷却させることなく、上記燃料電池３に供給することができる。
そして、かかる燃料電池システム１に本発明を適用することにより、燃料電池３の温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができ、本発明の作用効果を充分に発揮することができる。 Therefore, the fuel cell is produced without significantly cooling the hydrogen-containing fuel gas 51 having a high temperature of 400 to 600 ° C. generated by reforming the hydrocarbon (reforming fuel 50) using the reformer 2. 3 can be supplied.
And by applying this invention to this fuel cell system 1, while being able to perform temperature control of the fuel cell 3 efficiently, smooth start-up and operation | movement can be ensured, the effect of this invention is obtained. It can be fully demonstrated.

また、特にこのような燃料電池３においては、温度分布が内部に生ずると、熱応力の発生による耐久性の低下の要因となるが、上記のごとく温度分布の均一化を図ることにより、燃料電池３の耐久性を向上させることができる。また、この均一温度場の実現により、燃料電池３内における水素脆化や金属拡散等の不具合も防止することができる。 In particular, in such a fuel cell 3, if a temperature distribution is generated inside, it may cause a decrease in durability due to the generation of thermal stress. However, by making the temperature distribution uniform as described above, 3 durability can be improved. Also, by realizing this uniform temperature field, problems such as hydrogen embrittlement and metal diffusion in the fuel cell 3 can be prevented.

また、上記低融点媒体４２は、無機系冷媒４１よりも沸点が低いため、図７に示すごとく、低融点媒体４２のみを気化させることにより、低融点媒体４２と無機系冷媒４１とを容易に分離することができる。これにより、燃料電池システム１の定常作動時においては、図８に示すごとく、低融点媒体４２を除去した状態で熱容量の大きい無機系冷媒４１からなる冷却媒体４０を循環させて、燃料電池１の冷却を行うことができる。それ故、燃料電池３を通過する間における冷却媒体４０の温度上昇を小さくして、燃料電池３内部の温度分布の均一化を図ることができると共に、冷却効率の向上を図ることができる。 Further, since the low melting point medium 42 has a lower boiling point than that of the inorganic refrigerant 41, the low melting point medium 42 and the inorganic refrigerant 41 can be easily obtained by vaporizing only the low melting point medium 42 as shown in FIG. Can be separated. As a result, during steady operation of the fuel cell system 1, as shown in FIG. 8, the cooling medium 40 made of the inorganic refrigerant 41 having a large heat capacity is circulated with the low-melting-point medium 42 removed, and the fuel cell 1 Cooling can be performed. Therefore, the temperature increase of the cooling medium 40 while passing through the fuel cell 3 can be reduced, the temperature distribution inside the fuel cell 3 can be made uniform, and the cooling efficiency can be improved.

また、上記燃料電池システム１は、図７〜図９に示すごとく、上記分離機構１５を有するため、燃料電池システム１の定常作動時においては、低融点媒体４２を除去した状態で無機系冷媒４１からなる冷却媒体４０を循環させて、燃料電池３の冷却を行うことができる。それ故、上記のごとく、燃料電池３内部の温度分布の均一化、及び冷却効率の向上を図ることができる。 Since the fuel cell system 1 has the separation mechanism 15 as shown in FIGS. 7 to 9, the inorganic refrigerant 41 is removed with the low melting point medium 42 removed during steady operation of the fuel cell system 1. The fuel cell 3 can be cooled by circulating the cooling medium 40 comprising the following. Therefore, as described above, the temperature distribution inside the fuel cell 3 can be made uniform and the cooling efficiency can be improved.

また、燃料電池システム１の停止時など、冷却媒体４０の温度が下がった場合に、図９に示すごとく、分離、貯蔵しておいた低融点媒体４２を、冷媒循環流路４に戻して、無機系冷媒４１と共に循環させることができる。これにより、冷却媒体４０の円滑な流通を確保することができる。 Further, when the temperature of the cooling medium 40 decreases, such as when the fuel cell system 1 is stopped, as shown in FIG. 9, the separated and stored low melting point medium 42 is returned to the refrigerant circulation flow path 4, It can be circulated together with the inorganic refrigerant 41. Thereby, smooth circulation of the cooling medium 40 can be ensured.

また、上記低融点媒体４２は水であるため、低温状態における冷却媒体４０の流動性を容易に確保することができる。また、水は、気体状態、液体状態を通じて、無機系冷媒４１への被毒などの影響を与えるおそれがない。また、３００℃を超える高温となった場合にも、分解、変質するおそれがない。また、水の沸点は充分に低いため、流動可能となった無機系冷媒４２との分離を容易に行うことができる。 Further, since the low melting point medium 42 is water, the fluidity of the cooling medium 40 in a low temperature state can be easily ensured. Moreover, there is no possibility that water may affect the inorganic refrigerant 41 through gas or liquid. In addition, there is no risk of decomposition or alteration when the temperature exceeds 300 ° C. In addition, since the boiling point of water is sufficiently low, separation from the inorganic refrigerant 42 that can flow can be easily performed.

以上のごとく、本例によれば、作動温度が３００℃以上の燃料電池の均一な温度制御を効率的に行うことができると共に、円滑な始動及び作動を確保することができる燃料電池システムを提供することができる。 As described above, according to the present example, a fuel cell system capable of efficiently performing uniform temperature control of a fuel cell having an operating temperature of 300 ° C. or higher and ensuring smooth start-up and operation is provided. can do.

実施例における、燃料電池システムの模式図。The schematic diagram of the fuel cell system in an Example. 実施例における、燃料電池システム停止時の冷却媒体の模式図。The schematic diagram of the cooling medium at the time of a fuel cell system stop in an Example. 実施例における、燃料電池システム始動時の冷却媒体の模式図。The schematic diagram of the cooling medium at the time of a fuel cell system start in an Example. 実施例における、無機系冷媒が融解しつつある状態の冷却媒体の模式図。The schematic diagram of the cooling medium in the state in which the inorganic type refrigerant | coolant is melting in the Example. 実施例における、無機系冷媒が液化した状態の冷却媒体の模式図。The schematic diagram of the cooling medium in the state which the inorganic type refrigerant | coolant liquefied in the Example. 実施例における、低融点媒体が気化した状態の冷却媒体の模式図。The schematic diagram of the cooling medium in the state in which the low melting-point medium vaporized in an Example. 実施例における、気化した低融点媒体を無機系冷媒から分離する方法を示す模式図。The schematic diagram which shows the method of isolate | separating the vaporized low melting-point medium from an inorganic type refrigerant | coolant in an Example. 実施例における、燃料電池システムの定常作動時の冷却媒体の模式図。The schematic diagram of the cooling medium at the time of the steady operation of the fuel cell system in an Example. 実施例における、液化した低融点媒体を冷媒循環流路へ再注入する状態を示す模式図。The schematic diagram which shows the state in which the liquefied low melting-point medium in an Example is reinjected into a refrigerant | coolant circulation flow path. 実施例における、燃料電池の説明図。Explanatory drawing of the fuel cell in an Example.

Explanation of symbols

１燃料電池システム
２改質器
３燃料電池
４冷媒循環流路
４０冷却媒体
４１無機系冷媒
４２低融点媒体
５１水素含有燃料ガス DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Fuel cell system 2 Reformer 3 Fuel cell 4 Refrigerant circulation flow path 40 Cooling medium 41 Inorganic refrigerant 42 Low melting point medium 51 Hydrogen-containing fuel gas

Claims

In a fuel cell system including a fuel cell that generates power at an operating temperature of 300 ° C. or higher using a hydrogen-containing fuel gas containing hydrogen,
The fuel cell system has a refrigerant circulation passage for circulating a cooling medium for cooling the fuel cell,
The cooling medium, and an inorganic refrigerant in the liquid state at 300 ° C. or higher, Ri Na were mixed with low low-melting medium melting point than the inorganic-based refrigerant,
The fuel cell system has a separation mechanism for separating and storing the low-melting-point medium from the inorganic refrigerant .

2. The fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell includes an anode channel to which the hydrogen-containing fuel gas is supplied, a cathode channel to which an oxygen-containing gas containing oxygen is supplied, the cathode channel and the anode channel. An electrolyte body disposed between the hydrogen separation metal layer for allowing hydrogen in the hydrogen-containing fuel gas supplied to the anode flow path to pass therethrough, and the hydrogen body. A fuel cell system comprising: a proton conductor layer made of ceramics for laminating the hydrogen that has passed through the separation metal layer in a hydrogen proton state and allowing the hydrogen to reach the cathode channel.

3. The fuel cell system according to claim 2, wherein the inorganic refrigerant is an inorganic refrigerant in a liquid state in an operating temperature range of the fuel cell.

4. The fuel cell system according to claim 1, wherein the inorganic refrigerant includes at least one of potassium nitrate, sodium nitrite, and sodium nitrate. 5.

5. The fuel cell system according to claim 1, wherein the low-melting-point medium has a boiling point lower than that of the inorganic refrigerant.

In any one of claims 1 to 5 fuel cell system, wherein the low-melting medium is water.

The fuel cell system according to any one of claims 1 to 6 , wherein the inorganic refrigerant is solidified when the temperature is lowered to room temperature.