JP6592582B2

JP6592582B2 - 燃料電池システム

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Publication number: JP6592582B2
Application number: JP2018235684A
Authority: JP
Inventors: 武内　幸久; 幸久武内; 博史菅; 中村　俊之; 俊之中村; 誠大森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: JP2019129146A

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムでは、効率的な発電を維持するために、発電に伴って発熱する燃料電池を冷却することによって、燃料電池を適切な温度に保つ必要がある。そのため、燃料電池システムには、燃料電池を冷却するための冷却システムが設けられる。

特許文献１に記載の冷却システムは、冷却媒体供給流路と、冷却媒体排出流路と、冷却媒体を冷却する放熱器とを備えており、冷却媒体として「水」が用いられている。

特開２０１６−０９６０８９号公報

しかしながら、冷却媒体として「水」を用いると、外気温が低下すれば水が凍結してしまう場合があるため、水の凍結を防止するための加熱装置などを設ける必要があり、燃料電池システムが大型化してしまう。

本発明は、小型化可能な燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池システムは、燃料電池と、冷却媒体供給流路と、冷却媒体排出流路と、放熱器とを備える。冷却媒体供給流路は、燃料電池に冷却媒体を供給する。冷却媒体排出流路は、燃料電池から冷却媒体を排出する。放熱器は、冷却媒体排出流路と冷却媒体供給流路との間に配置され、冷却媒体を冷却する。冷却媒体の凝固点は、水の凝固点よりも低い。冷却媒体の沸点は、燃料電池の作動温度よりも低い。

本発明によれば、小型化可能な燃料電池システムを提供することができる。

燃料電池システムの構成を示す模式図固体アルカリ形燃料電池の構成を模式的に示す断面図

（燃料電池システム１００）
図１は、燃料電池システム１００の構成を示す模式図である。燃料電池システム１００は、固体アルカリ形燃料電池１０、燃料供給システム２０、酸化剤供給システム３０、及び冷却システム４０を備える。

固体アルカリ形燃料電池１０は、燃料と酸化剤とを電気化学的に反応させて電力を生みだす燃料電池の一例である。固体アルカリ形燃料電池１０の構成については後述する。

燃料供給システム２０は、固体アルカリ形燃料電池１０に燃料を供給する。燃料供給システム２０は、燃料供給流路２１、燃料排出流路２２、燃料タンク２３、及び燃料ポンプ２４を有する。燃料供給流路２１は、燃料タンク２３と固体アルカリ形燃料電池１０に接続される。燃料供給流路２１は、燃料タンク２３に貯留された燃料を固体アルカリ形燃料電池１０に供給する。燃料排出流路２２は、固体アルカリ形燃料電池１０に接続される。燃料排出流路２２は、固体アルカリ形燃料電池１０を通過した残燃料を外部に排出する。燃料ポンプ２４は、燃料供給流路２１上に配置される。燃料ポンプ２４は、燃料タンク２３に貯留された燃料を固体アルカリ形燃料電池１０に向けて送り出す。

酸化剤供給システム３０は、固体アルカリ形燃料電池１０に酸化剤を供給する。酸化剤供給システム３０は、酸化剤供給流路３１、酸化剤排出流路３２、及び酸化剤ポンプ３３を有する。酸化剤供給流路３１は、固体アルカリ形燃料電池１０に接続される。酸化剤供給流路３１は、酸化剤を固体アルカリ形燃料電池１０に供給する。酸化剤は、酸素（Ｏ_２）を含む。酸化剤としては、空気を用いることができる。酸化剤排出流路３２は、固体アルカリ形燃料電池１０に接続される。酸化剤排出流路３２は、固体アルカリ形燃料電池１０を通過した残酸化剤を外部に排出する。酸化剤ポンプ３３は、酸化剤供給流路３１上に配置される。酸化剤ポンプ３３は、酸化剤を固体アルカリ形燃料電池１０に向けて送り出す。

冷却システム４０は、燃料電池システム１００の動作中、発電に伴って発熱する固体アルカリ形燃料電池１０に冷却媒体を循環させることによって冷却し、固体アルカリ形燃料電池１０を発電に適した作動温度（５０℃以上２５０℃以下）に維持する。

冷却システム４０は、冷却媒体供給流路４１と、冷却媒体排出流路４２と、放熱器４３と、ファン４４とを有する。

本実施形態では、冷却媒体として、凝固点が水の凝固点よりも低く、かつ、沸点が固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度（５０℃以上２５０℃以下）よりも低い媒体が用いられる。このような冷却媒体としては、例えば、プロパノール、ブタノール、ヘキサノール、フッ素系不活性液体及びこれらの水溶液などから選択される少なくとも１種が挙げられる。

冷却媒体供給流路４１は、放熱器４３と固体アルカリ形燃料電池１０とに接続される。冷却媒体供給流路４１は、放熱器４３によって冷却された冷却媒体を固体アルカリ形燃料電池１０に供給する。冷却媒体排出流路４２は、固体アルカリ形燃料電池１０と放熱器４３とに接続される。冷却媒体排出流路４２は、固体アルカリ形燃料電池１０内で加熱された冷却媒体を排出する。冷却媒体排出流路４２は、冷却媒体を放熱器４３に導く。放熱器４３は、冷却媒体を冷却する。具体的には、放熱器４３は、その内部を流れる冷却媒体の熱をファン４４から送風される空気に放熱する。放熱器４３としては、周知のラジエータを用いることができる。

ここで、上述のとおり、冷却媒体の凝固点は水の凝固点よりも低い。そのため、水を冷却媒体として用いる場合に比べて、冷却媒体が凍結してしまうことを抑制できる。従って、冷却媒体の凍結を防止するための加熱装置などを設ける必要をなくすか、或いは、加熱装置などを設ける必要があるとしても小型化することができる。

また、上述のとおり、冷却媒体の沸点は固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度よりも低い。そのため、冷却媒体供給流路４１から固体アルカリ形燃料電池１０に供給される液体状の冷却媒体は、固体アルカリ形燃料電池１０の内部で沸点以上に加熱され、一部又は全部が気化することによって気体状又は気液混合状になる。この際、固体アルカリ形燃料電池１０から気化熱が奪われることによって、固体アルカリ形燃料電池１０は発電に適した作動温度（５０℃以上２５０℃以下）に維持される。気体状又は気液混合状になった冷却媒体は、冷却媒体排出流路４２から放熱器４３に送られる。放熱器４３に送られる気体状又は気液混合状の冷却媒体は、放熱器４３によって冷却されて液体状になる。液体状に戻された冷却媒体は、再び冷却媒体供給流路４１から固体アルカリ形燃料電池１０に供給される。このように、冷却媒体は、固体アルカリ形燃料電池１０における気化と、放熱器４３における液化とを繰り返す。従って、冷却媒体の膨張と凝縮とが継続的に生じることで冷却媒体が自然に循環するため、冷却媒体を強制的に循環させるための設備（例えば、冷却媒体ポンプや冷却媒体タンクなど）を設ける必要がない。

以上より、本実施形態に係る冷却システム４０によれば、燃料電池システム１００を小型化することができる。

（固体アルカリ形燃料電池１０）
燃料電池の一例として、固体アルカリ形燃料電池１０について説明する。固体アルカリ形燃料電池１０は、比較的低温で作動するアルカリ型燃料電池（ＡＦＣ）の一種である。本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池１０の作動温度は、５０℃以上２５０℃以下である。固体アルカリ形燃料電池１０は、例えばメタノールによって作動し、以下のような電気化学反応によって発電する。

・カソード１２：３／２Ｏ_２＋３Ｈ_２Ｏ＋６ｅ⁻→６ＯＨ⁻
・アノード１４：ＣＨ_３ＯＨ＋６ＯＨ⁻→６ｅ⁻＋ＣＯ_２＋５Ｈ_２Ｏ
・全体：ＣＨ_３ＯＨ＋３／２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ

図１は、固体アルカリ形燃料電池１０の構成を模式的に示す断面図である。固体アルカリ形燃料電池１０は、カソード１２、酸化剤供給手段１３、アノード１４、燃料供給手段１５、無機固体電解質体１６、カソード側セパレータ１７、及びアノード側セパレータ１８を備える。

カソード１２は、一般的に空気極と呼ばれる陽極である。固体アルカリ形燃料電池１０の発電中、カソード１２には、酸化剤供給手段１３を介して、酸素（Ｏ_２）を含む酸化剤が供給される。

カソード１２は、アルカリ型燃料電池に使用される公知のカソード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。カソード触媒の例としては、白金族元素（Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ）、鉄族元素（Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ）等の第８〜１０族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第８〜１０族に属する元素）、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の第１１族元素（ＩＵＰＡＣ形式での周期表において第１１族に属する元素）、ロジウムフタロシアニン、テトラフェニルポルフィリン、Ｃｏサレン、Ｎｉサレン（サレン＝Ｎ，Ｎ’−ビス（サリチリデン）エチレンジアミン）、銀硝酸塩、及びこれらの任意の組み合わせが挙げられる。カソード１２における触媒の担持量は特に限定されないが、好ましくは０．１〜１０ｍｇ／ｃｍ^２、より好ましくは、０．１〜５ｍｇ／ｃｍ^２である。カソード触媒はカーボンに担持させるのが好ましい。カソード１２ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

カソード１２の作製方法は特に限定されないが、例えば、カソード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を無機固体電解質体１６の一方の面に塗布することにより形成すればよい。

酸化剤供給手段１３は、上述した酸化剤供給システム３０の酸化剤供給流路３１と酸化剤排出流路３２とに接続される。酸化剤供給手段１３には酸化剤供給流路３１から酸化剤が供給され、酸化剤供給手段１３を通過した残酸化剤は酸化剤排出流路３２から外部に排出される。

アノード１４は、一般的に燃料極と呼ばれる陰極である。固体アルカリ形燃料電池１０の発電中、アノード１４には、燃料供給手段１５を介して、水素原子（Ｈ）を含む燃料が供給される。

水素原子を含む燃料は、アノード１４において水酸化物イオン（ＯＨ⁻）と反応可能であり、かつ、カソード１２において酸素と反応して水を生成可能なものであればよい。

このような燃料は、液体燃料及び気体燃料のいずれの形態であってもよい。液体燃料は、燃料化合物そのものが液体であってもよいし、固体の燃料化合物を水やアルコール等の液体に溶解させたものであってもよい。

燃料化合物としては、例えば、（ｉ）ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２）、水加ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２Ｏ）、炭酸ヒドラジン（（ＮＨ_２ＮＨ_２）_２ＣＯ_２）、硫酸ヒドラジン（ＮＨ_２ＮＨ_２・Ｈ_２ＳＯ_４）、モノメチルヒドラジン（ＣＨ_３ＮＨＮＨ_２）、ジメチルヒドラジン（（ＣＨ_３）_２ＮＮＨ_２、ＣＨ_３ＮＨＮＨＣＨ_３）、及びカルボンヒドラジド（（ＮＨＮＨ_２）_２ＣＯ）等のヒドラジン類、（ｉｉ）尿素（ＮＨ_２ＣＯＮＨ_２）、（ｉｉｉ）アンモニア（ＮＨ_３）、（ｉｖ）イミダゾール、１，３，５−トリアジン、３−アミノ−１，２，４−トリアゾール等の複素環類化合物、（ｖ）ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ）、硫酸ヒドロキシルアミン（ＮＨ_２ＯＨ・Ｈ_２ＳＯ_４）等のヒドロキシルアミン類、及びこれらの組合せが挙げられる。

上記燃料化合物のうち炭素を含まない化合物（すなわち、ヒドラジン、水加ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、アンモニア、ヒドロキシルアミン、硫酸ヒドロキシルアミン等）は、一酸化炭素による触媒被毒の問題が無いため耐久性の向上を図ることができるだけでなく、二酸化炭素の排出を無くすこともできる。

上記燃料化合物は、そのまま燃料として用いてもよいが、水及び／又はアルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソプロパノールなどの低級アルコール等）に溶解させた溶液として用いてもよい。例えば、上記燃料化合物のうち、ヒドラジン、水化ヒドラジン、モノメチルヒドラジン及びジメチルヒドラジンは液体であるので、そのまま液体燃料として使用可能である。また、炭酸ヒドラジン、硫酸ヒドラジン、カルボンヒドラジド、尿素、イミダゾール、及び３−アミノ−１，２，４−トリアゾール、及び硫酸ヒドロキシルアミンは固体であるが水に可溶である。１，３，５−トリアジン及びヒドロキシルアミンは固体であるがアルコールに可溶である。アンモニアは気体であるが水に可溶である。このように、固体の燃料化合物は、水又はアルコールに溶解させて液体燃料として使用可能である。燃料化合物を水及び／又はアルコールに溶解させて用いる場合、溶液中の燃料化合物の濃度は、例えば１〜９０重量％であり、好ましくは１〜３０重量％である。

さらに、メタノール、エタノール等のアルコール類やエーテル類を含む炭化水素系液体燃料、メタン等の炭化水素系ガス、或いは純水素などは、そのまま燃料として用いることができる。特に、本実施形態に係る固体アルカリ形燃料電池１０に用いられる燃料としては、メタノールが好適である。メタノールは、気体状態、液体状態、及び、気液混合状態のいずれであってもよい。

アノード１４は、アルカリ型燃料電池に使用される公知のアノード触媒を含むものであればよく、特に限定されない。アノード触媒の例としては、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｒｕ、Ｓｎ、及びＰｄ等の金属触媒が挙げられる。金属触媒は、カーボン等の担体に担持されるのが好ましいが、金属触媒の金属原子を中心金属とする有機金属錯体の形態としてもよく、このような有機金属錯体を担体として担持されていてもよい。また、アノード触媒の表面には多孔質材料等で構成された拡散層を配置してもよい。アノード１４ないしそれを構成する触媒の好ましい例としては、ニッケル、コバルト、銀、白金担持カーボン（Ｐｔ／Ｃ）、パラジウム担持カーボン（Ｐｄ／Ｃ）、ロジウム担持カーボン（Ｒｈ／Ｃ）、ニッケル担持カーボン（Ｎｉ／Ｃ）、銅担持カーボン（Ｃｕ／Ｃ）、及び銀担持カーボン（Ａｇ／Ｃ）が挙げられる。

アノード１４の作製方法は特に限定されないが、例えば、アノード触媒及び所望により担体をバインダーと混合してペースト状にし、このペースト状混合物を無機固体電解質体１６のカソード１２と反対側の面に塗布することにより形成すればよい。

燃料供給手段１５は、上述した燃料供給システム２０の燃料供給流路２１と燃料排出流路２２とに接続される。燃料供給手段１５には燃料供給流路２１から燃料が供給され、燃料供給手段１３を通過した残燃料は燃料排出流路２２から排出される。

無機固体電解質体１６は、カソード１２とアノード１４との間に配置される。無機固体電解質体１６は、カソード側表面１６Ｓとアソード側表面１６Ｔとを有する。カソード側表面１６Ｓは、無機固体電解質体１６の外表面のうちカソード１２が配置される空間に露出する領域であり、カソード１２と対向する。アソード側表面１６Ｔは、無機固体電解質体１６の外表面のうちアノード１４が配置される空間に露出する領域であり、アノード１４と対向する。

無機固体電解質体１６は、水酸化物イオン伝導性を有するセラミックスである。無機固体電解質体１６の水酸化物イオン伝導度は、高ければ高いほど好ましいが、典型的には１０^−４〜１０^−１Ｓ／ｃｍである。

無機固体電解質体１６は、層状複水酸化物（ＬａｙｅｒｅｄＤｏｕｂｌｅＨｙｄｒｏｘｉｄｅ、以下「ＬＤＨ」という。）によって構成することができる。この場合、無機固体電解質体１６は、ＡＥＭ（アニオン交換膜）のような有機系材料を電解質として用いる場合に比べて優れた耐熱性及び耐久性を発揮する。

ＬＤＨは、一般式：［Ｍ^２＋ _１−ｘＭ^３＋ _ｘ（ＯＨ）_２］［Ａ^ｎ− _ｘ／ｎ・ｍＨ_２Ｏ］（式中、Ｍ^２＋は２価の陽イオンであり、Ｍ^３＋は３価の陽イオンであり、Ａ^ｎ−はｎ価の陰イオンであり、ｎは１以上の整数であり、ｘは０．１〜０．４である）によって表される基本組成を有する。

上記一般式において、Ｍ^２＋は、任意の２価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはＭｇ^２＋、Ｃａ^２＋及びＺｎ^２＋が挙げられ、より好ましくはＭｇ^２＋である。Ｍ^３＋は、任意の３価の陽イオンでありうるが、好ましい例としてはＡｌ^３＋又はＣｒ^３＋が挙げられ、より好ましくはＡｌ^３＋である。Ａ^ｎ−は、任意の陰イオンでありうるが、好ましい例としてはＯＨ⁻及びＣＯ_３ ^２−が挙げられる。

従って、上記一般式において、Ｍ^２＋がＭｇ^２＋を含み、Ｍ^３＋がＡｌ^３＋を含み、Ａ^ｎ−がＯＨ⁻及び／又はＣＯ_３ ^２−を含むのが特に好ましい。ｎは、１以上の整数であるが、好ましくは１又は２である。ｘは、０．１〜０．４であるが、好ましくは０．２〜０．３５である。ｍは、任意の実数である。

また、上記一般式においてＭ^３＋の一部または全部を４価以上の価数の陽イオンで置き換えてもよく、その場合は、上記一般式における陰イオンＡ^ｎ−の係数ｘ／ｎは適宜変更されてよい。

無機固体電解質体１６は、水酸化物イオン伝導性を有する無機固体電解質を含む粒子群のみによって構成されていてもよいが、この粒子群の緻密化や硬化を助ける補助成分を含んでいてもよい。

また、無機固体電解質体１６は、基材としての開気孔性の多孔質体と、この多孔質体の孔を埋めるように孔中に析出及び成長させた無機固体電解質（例えばＬＤＨ）との複合体であってもよい。多孔質体は、アルミナ及びジルコニアなどのセラミックス材料や、発泡樹脂又は繊維状物質からなる多孔性シート等の絶縁性材料によって構成することができる。

無機固体電解質体１６は、板状、膜状及び層状のいずれの形態であってもよい。無機固体電解質体１６が膜状又は層状である場合、無機固体電解質体１６は、膜状又は層状の無機固体電解質体が多孔質基材上又は多孔質基材中に形成されたものであってもよい。無機固体電解質体１６が膜状又は層状である場合、無機固体電解質体１６の厚さは、１００μｍ以下とすることができ、好ましくは７５μｍ以下、より好ましくは５０μｍ以下、さらに好ましくは２５μｍ以下、特に好ましくは５μｍ以下である。無機固体電解質体１６を薄くすることによって、無機固体電解質体１６の抵抗を低減できる。無機固体電解質体１６の厚さの下限値は、用途に応じて設定可能であるが、ある程度の堅さを確保するには１μｍ以上が好ましく、２μｍ以上がより好ましい。無機固体電解質体１６が板状である場合、無機固体電解質体１６の厚さは、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍとすることができ、好ましくは０．０２ｍｍ〜０．２ｍｍであり、より好ましくは０．０５ｍｍ〜０．１ｍｍである。

カソード１２、アノード１４及び無機固体電解質体１６は、固体アルカリ形燃料電池１０の発電部を構成する。この発電部は、カソード側セパレータ１７とアノード側セパレータ１８とによって挟持されている。

カソード側セパレータ１７は、板状の本体部１７ａ、複数の第１凸部１７ｂ、及び複数の第２凸部１７ｃを有する。各第１凸部１７ｂは、本体部１７ａのカソード側の主面上に形成される。各第１凸部１７ｂは、カソード１２と電気的に接続される。各第１凸部１７ｂは、リブ状に形成することができる。各第１凸部１７ｂの隙間は、酸化剤供給手段１３から供給される酸化剤が流れる酸化剤流路１７ｄとなっている。各第２凸部１７ｃは、本体部１７ａのカソード１２と反対側の主面上に形成される。各第２凸部１７ｃは、リブ状に形成することができる。各第２凸部１７ｃの内部には、冷却媒体流路１７ｅが形成される。冷却媒体流路１７ｅは、上述した冷却システム４０の冷却媒体供給流路４１と冷却媒体排出流路４２とに接続される。冷却媒体流路１７ｅには、冷却媒体供給流路４１を介して放熱器４３から液体状の冷却媒体が供給される。冷却媒体流路１７ｅを流れる冷却媒体は、発電部から熱を奪って気化することにより気体状又は気液混合状になる。気体状又は気液混合状の冷却媒体は、冷却媒体排出流路４２を介して放熱器４３に送られる。冷却媒体流路１７ｅは、複数本の流路を含んでいてもよいし、１本の流路であってもよい。

アノード側セパレータ１８は、板状の本体部１８ａ、複数の第１凸部１８ｂ、及び複数の第２凸部１８ｃを有する。各第１凸部１８ｂは、本体部１８ａのアノード側の主面上に形成される。各第１凸部１８ｂは、アノード１４と電気的に接続される。各第１凸部１８ｂは、リブ状に形成することができる。各第１凸部１８ｂの隙間は、燃料電池供給手段１５から供給される燃料が流れる燃料流路１８ｄとなっている。各第２凸部１８ｃは、本体部１８ａのアノード１４と反対側の主面上に形成される。各第２凸部１８ｃは、リブ状に形成することができる。各第２凸部１８ｃの内部には、冷却媒体流路１８ｅが形成される。冷却媒体流路１８ｅは、上述した冷却システム４０の冷却媒体供給流路４１と冷却媒体排出流路４２とに接続される。冷却媒体流路１８ｅには、冷却媒体供給流路４１を介して放熱器４３から液体状の冷却媒体が供給される。冷却媒体流路１８ｅを流れる冷却媒体は、発電部から熱を奪って気化することにより気体状又は気液混合状になる。気体状又は気液混合状の冷却媒体は、冷却媒体排出流路４２を介して放熱器４３に送られる。冷却媒体流路１８ｅは、複数本の流路を含んでいてもよいし、１本の流路であってもよい。

なお、固体アルカリ形燃料電池１０は、複数の発電部がセパレータを介して電気的に直列に接続された積層構造を有していてもよい。この場合、カソード側セパレータ１７とアノード側セパレータ１８とを区別する必要はなく、１種類のセパレータを用いることができる。

（燃料電池システム１００の運転）
燃料電池システム１００は、燃料供給システム２０によって固体アルカリ形燃料電池１０に気化させた燃料を供給し、酸化剤供給システム３０によって固体アルカリ形燃料電池１０に酸化剤を供給するとともに、固体アルカリ形燃料電池１０を所定の作動温度（５０℃以上２５０℃以下）を冷却システム４０によって循環される冷却媒体の沸点よりも高くすることによって運転することができる。

（他の実施形態）
上記実施形態において、冷却システム４０は、冷却媒体を強制的に循環させるための冷却媒体ポンプを備えないこととしたが、安定的な冷却媒体の循環を維持するために、冷却媒体ポンプを備えていてもよい。冷却媒体ポンプは、冷却媒体を放熱器４３から固体アルカリ形燃料電池１０に送り出すことができればよく、冷却媒体供給流路４１及び冷却媒体排出流路４２のいずれに配置されていてもよい。

上記実施形態において、冷却システム４０は、冷却媒体を貯留するための冷却媒体タンクを備えないこととしたが、安定的な冷却媒体の循環を維持するために、冷却媒体タンクを備えていてもよい。冷却媒体タンクは、放熱器４３の下流に配置されていることが好ましい。

以下において本発明の実施例について説明する。ただし、本発明は以下に説明する実施例には限定されない。

（燃料電池システム１００の作製）
（１）無機固体電解質体１６の作製
まず、原料粉末として、市販の層状複水酸化物であるハイドロタルサイト粉末（ＤＨＴ−４Ｈ、協和化学工業株式会社製）粉末を用意した。この原料粉末の組成はＭｇ^２＋ _０．６８Ａｌ^３＋ _０．３２（ＯＨ）_２ＣＯ_３ ^２− _０．１６・ｍＨ_２Ｏであった。直径２０ｍｍの円板状の金型に原料粉末を充填して、５００ｋｇｆ／ｃｍ^２の成形圧で一軸プレス成形することによって、相対密度５３％、直径２０ｍｍ、厚さ約０．８ｍｍの成形体を得た。なお、この相対密度の測定は、室温、相対湿度２０％以下で２４時間保管した成形体について行った。

次に、得られた成形体をアルミナ鞘中で焼成した。この焼成は、急激な昇温により水分や二酸化炭素が放出して成形体が割れるのを防ぐため、１００℃／ｈ以下の速度で昇温を行い、７５０℃の最高温度に達した時点で５時間保持した後、冷却することにより行った。この昇温から降温（１００℃以下）に至るまでの全焼成時間は６２時間であった。

次に、外側にステンレス製ジャケットを備えたテフロン（登録商標）製の密閉容器に焼成体を入れ、大気中でイオン交換水と共に封入した。そして、１００℃で５時間保持する再生条件で焼成体に水熱処理を施した後、厚みが０．３ｍｍになるよう研磨し、ろ紙で焼成体表面の水分を拭き取った。こうして得られた焼成体を２５℃、相対湿度が５０％程度の室内で自然脱水（乾燥）することによって、無機固体電解質体１６を形成した。

（２）カソード１２及びアノード１４の作製
Ｐｔ担持量２０ｗｔ％の白金担持カーボン（以下、「Ｐｔ／Ｃ」という。）と、バインダーであるカルボキシメチルセルロース（以下、「ＣＭＣバインダー」という。）とを準備した。

次に、（Ｐｔ／Ｃ）：（ＣＭＣバインダー）：（水）の重量比が９ｗｔ％：０．９ｗｔ％：９０ｗｔ％の比率となるように、Ｐｔ／Ｃ、ＣＭＣバインダー及び水を混合してペースト化した。

次に、得られたペーストを無機固体電解質体１６の一方の面に印刷してカソード１２とし、他方の面に印刷してアノード１４とした。

（３）固体アルカリ形燃料電池１０の組み立て
１０枚の固体アルカリ形燃料電池１０と９枚のセパレータとを交互に積層して、積層体をネジで締結することによって、固体アルカリ形燃料電池１０を組み立てた。セパレータには、両主面に凸部を有し、かつ、内部に冷却媒体流路が形成されたものを用いた（図２参照）。

（４）燃料電池システム１００の作製
図１に示した燃料供給システム２０、酸化剤供給システム３０、及び冷却システム４０に固体アルカリ形燃料電池１０を組み込み、冷却システム４０に冷却媒体を充填した。使用した冷却媒体の種類は、表１に示すとおりである。なお、実施例１，３，６，８，９及び比較例３では、冷却媒体としてスリーエムジャパン株式会社製のフッ素系不活性液体を用いた。

（固体アルカリ形燃料電池１０の凍結試験）
固体アルカリ形燃料電池１０を−１０℃の環境に２４時間曝し、冷却媒体の凝固が発生したか否かを確認した。表１では、冷却媒体の凝固が発生した場合を×と評価し、冷却媒体の凝固が発生しなかった場合を○と評価した。

（燃料電池システム１００の運転試験）
まず、固体アルカリ形燃料電池１０を表１に示す作動温度に加熱した。作動温度から冷却媒体の沸点を引いた温度差ΔＴを表１に纏めて示す。

次に、燃料供給システム２０によって固体アルカリ形燃料電池１０に気化させたメタノールを供給し、酸化剤供給システム３０によって固体アルカリ形燃料電池１０に加湿空気を供給した。

そして、作動温度±１℃の温度範囲で運転を継続できたか否かを確認した。表１では、作動温度±１℃の温度範囲で運転を継続できなかった場合を×と評価し、作動温度±１℃の温度範囲で運転を継続できた場合を○と評価した。

表１に示すように、水を冷却媒体として用いた比較例１では、凍結試験において冷却媒体が凍結してしまい、固体アルカリ形燃料電池１０に冷却媒体を循環させることができなくなった。また、冷却媒体の沸点が作動温度よりも高かった比較例２，３では、運転試験において十分な冷却効果を得られず、作動温度±１℃の温度範囲で運転を継続できなかった。

一方で、実施例１〜９では、冷却媒体の凝固点が水の凝固点（０℃）よりも低かったため、凍結試験において冷却媒体の凝固が発生せず、また、冷却媒体の沸点が作動温度よりも低かったため、運転試験において作動温度±１℃の温度範囲で運転を継続できた。

１０固体アルカリ形燃料電池
１２カソード
１３酸化剤供給手段
１４アノード
１５燃料供給手段
１６無機固体電解質体
１７カソード側セパレータ
１８アノード側セパレータ
２０燃料供給システム
３０酸化剤供給システム
４０冷却システム
１００燃料電池システム

Claims

燃料電池と、
前記燃料電池に冷却媒体を供給する冷却媒体供給流路と、
前記燃料電池から前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出流路と、
前記冷却媒体排出流路と前記冷却媒体供給流路との間に配置され、前記冷却媒体を冷却する放熱器と、
を備え、
前記冷却媒体の凝固点は、水の凝固点よりも低く、
前記冷却媒体の沸点は、前記燃料電池の作動温度よりも低く、
前記冷却媒体排出流路は、前記燃料電池において気体状又は気液混合状となった冷却媒体を前記燃料電池から前記放熱器に直接導き、
前記冷却媒体供給流路は、前記放熱器において液体状となった冷却媒体を前記放熱器から前記燃料電池に直接導く、
燃料電池システム。
前記燃料電池の作動温度は、５０℃以上２５０℃以下である、
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記冷却媒体を前記放熱器から前記燃料電池に送り出す冷却媒体ポンプを備える、
請求項１又は２に記載の燃料電池システム。