JPH04138671A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、冷却システムを改良した燃料電池に関するも
のである。

［従来の技術］ 従来より、燃料と酸化剤とをリン酸等の電解質を介して
電気化学的に反応させ、燃料の持っている化学エネルギ
ーを電気エネルギーに変換することにより発電を行う燃
料電池が実用化されている。

このような発電反応は発熱を伴うので、その発電反応を
所定の温度下で行わせるために、燃料電池においては、
冷却システムが設けられている。

般的な冷却システムとしては、冷却媒体の種類により、
大きく水冷、空冷および油冷の３種類に分類される。こ
のうち、水冷方式を燃料電池に適用した場合、 （１）冷却効率が比較的高く、装置を小型にできる、 ・（２）燃料電池冷却過程で発生する水蒸気を燃料の改
質反応に利用できる、 等の理由から、従来の燃料電池では水冷方式の冷却シス
テムが採用されていた。

第２図は、そのような水冷方式を採用した燃料電池の従
来例を示す系統図である。この従来例の構成において、
１は燃料電池本体、２は冷却水系排熱回収熱交換器、３
は温度制御用熱交換器、４は気液分離器、５は冷却媒体
循環用ポンプ、６は改質器、７は排ガス系熱回収熱交換
器、８は凝縮器、９は凝縮器水タンク、１０は水処理装
置、１１は給水ポンプを示している。

燃料電池本体１は、電解質を挟む負極（−）の燃料極な
らびに正極（＋）の空気極と冷却板とを有して成り、燃
料極には燃料ガスが送り込まれ、空気極には空気等の酸
化剤ガスが送り込まれる。

改質器６はバーナーを有し都市ガスおよび空気を導びい
てバーナーの燃料とし、その燃焼熱で水蒸気が混入され
た都市ガスを反応させて水素を主成分とする燃料ガスに
改質し、燃料電池本体１へ送り込んでいる。この燃料電
池本体１から排出される未反応の水素を含む燃料極排ガ
スは、改質器２のバーナーの燃料として戻される構成と
なっている。改質器２のバーナーからの排ガスは、排ガ
ス系熱回収熱交換ｇＷ　７と凝縮器８を通り、大気中へ
排出される。

燃料電池本体１の冷却水系は、冷却水系排熱回収熱交換
器２と、温度制御用熱交換器３と、気水分離器４と、冷
却媒体循環用ポンプ５とが配管で結ばれて構成され、こ
こで、冷却媒体である水は、燃料電池本体１の冷却板を
通過して加熱され、気化してガス状（水蒸気）あるいは
温水と水蒸気の気液混合状となり、冷却水系排熱回収熱
交換器２および温度制御用熱交換器３で外部に熱を放出
し、その後、気液分離器４に気液混合状の二相状態で導
かれ、液体（水）は冷却媒体循環用ポンプ５を介して燃
料電池本体ｌの冷却板等の冷却経路を循環し、気体（水
蒸気）は気液分離器４から改質器６に導かれて利用され
ていた。

上記の冷却水系では、改質器６に水蒸気を供給している
ため水を補給する必要があり、排ガス系熱回収熱交換器
７と、凝縮器８と、凝縮器水タンク９と、水処理装置１
０と、給水ポンプ１１とで構成される水利用系統が設け
られている。ここで、燃１）電池本体１て生成された水
蒸気と改質２Ｊ６で水素を生成したときにバーナーの排
カス中生じる水蒸気は、排ガス熱回収熱交換器７と凝縮
器８て凝縮され、凝縮器水タンク９を介して水処理装置
１０て水処理れれた後、給水ポンプ１１で圧力を高めら
れて燃料電池本体１の冷却水系に戻されてイタ。この凝
縮器水タンク９には、弁１４を介して外部から給水でき
るようになっており、また、冷却水系からブローダウン
弁１５を介して水を戻すことができるようになっている
。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の技術における冷却水系に水利
用系統から冷却水を補給する燃料電池本体の冷却システ
ムでは、改質器６からの排ガス中の水分を凝縮させて回
収した水を冷却水として使用しているので、その排ガス
中に含まれている腐食性のあるリン酸等が冷却水系の配
管を腐食劣化させることがあり、冷却水系のブローダウ
ン、給水が頻繁に行われる結果となって、排熱回収温度
が低くなるとともに、冷却水の温度変動が大きく、振動
的になる場合もあった。また、水質管理を十分行なわな
いと、配管材料から冷却水の中に溶は出した金属イオン
か燃料電池本体ｌ内外の冷却水配管の絶縁を行っている
継ぎ手を７ヨートさせ、これにより燃料電池本体１かン
ヨート故障に至る場合かあった。また、冷却水系の水蒸
気（熱水）か高圧となるため配管材料や配管接続部に十
分な強度をとる必要があった。

本発明は、上記問題点を解決するために創案されたもの
で、燃料電池本体の冷却系の配管の腐食を防止し、その
冷却系の冷却媒体の品質管理等のメンテナンスを不要に
するとともに、冷却媒体の温度変動を小さくして排熱回
収温度を高くする冷却システムを備えた燃料電池を提供
することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ 上記の目的を達成するための本発明の燃料電池の構成は
、 改質器に水蒸気を供給して水素を生成し、この水素と酸
素を電解質を介して反応させて発電する燃料電池におい
て、 冷却媒体が他の系と分離され閉じられた経路で燃料電池
本体の冷却経路を循環し該燃料電池本体を冷却する冷却
系を設け、 この冷却系に前記燃料電池本体で加熱された冷却媒体に
より該燃料電池本体もしくは前記改質器の排ガスから凝
縮して得られる水または外部から供給される水を蒸発さ
せて得た水蒸気を該改質器に供給する水蒸気発生手段を
設けることを特徴とする。

［作用］ 本発明は、燃料電池本体の冷却系の熱を利用して水蒸気
を発生させ改質器へ水蒸気を供給することで、燃料電池
本体の冷却系を改質器への水蒸気供給系や燃料電池本体
あるいは改質器の排ガスから凝縮した水の水利用系統な
どの他の系から冷却媒体を分離した閉じた系とすること
により、冷却媒体の品質の悪化を防止してその品質の管
理を不要にし、その冷却媒体のブローダウンや補給を不
要にして冷却媒体の温度変動を小さ（し、冷却系からの
排熱回収温度を高く安定に維持する。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を図面に基ついて詳細に説明する
。

第１図は本発明の一実施例の燃料電池の構成を示す系統
図である。本実施例の構成において、１は燃料電池本体
、２は冷却系排熱回収熱交換器、３は温度制御用熱交換
器、５は冷却媒体循環用ポンプ、６は改質器、７は排ガ
ス系排熱回収熱交換器、８は凝縮器、９は凝縮器水タン
ク、１０は水処理装置、１１は給水ポンプ、１２は水蒸
気発生熱交換器、１３は冷却媒体タンクを示す。

燃料電池本体１および改質器６は従来例で説明したもの
と同様に構成される。本実施例は、燃料電池本体１の冷
却系にその冷却系の熱を利用する水蒸気発生熱交換器１
２と冷却媒体タンク１３を設けて、その冷却系を、改質
器２の排ガス系および燃料電池本体で生成される水を改
質器２への水蒸気供給系に利用する水利用系統から分離
し、閉じた系とすることを特徴とする。

すなわち、本実施例の燃料電池本体ｌの冷却系は、燃料
電池本体１の冷却経路出口＝水蒸気発生熱交換器１２−
冷却系排熱回収熱交換器２−温度制御用熱交換器３−冷
却媒体タンク１３−冷却媒体循環用ボンブ５−燃料電池
本体１の冷却経路入口の経路が配管で接続されて構成さ
れ、燃料電池本体ｌを冷却し加熱され気化してカス状ま
たは気液混合の二相状態となった冷却媒体を、水蒸気発
生熱交換器１２に導き、この水蒸気発生熱交換器１２に
水処理装置１０を介して凝縮水タンク９より供給された
水に自らの熱を与えて水蒸気にかえた後に、二相状態で
、冷却系排熱回収熱交換器２に導く。次に、冷却系排熱
回収熱交換器２に導かれ熱を放出し自らは液化して温度
制御用熱交換器３で燃料電池本体１の冷却に適した温度
まで下げられた冷却媒体を、冷却媒体タンク１３を介し
て冷却媒体循環用ポンプ５に導く。冷却媒体循環用ポン
プ５は、冷却媒体に循環力を与えて、冷却媒体を燃料電
池本体１に導き、以下同様のサイクルの繰り返しを可能
にする。従って、上記の冷却媒体はこの冷ＬＩｌ系たけ
て循環し、この冷却系は水利用系統や改質器６の水蒸気
供給系とは媒体が分離された閉じた系となる。

一方、改質器６への水蒸気供給系および水利用系統は、
改質器６の排ガス出口、燃料電池本体１の空気極排ガス
−排ガス系排熱回収熱交換器７゜凝縮器８→凝縮器水タ
ンク９→水処理装置ｌＯ→給水ポンプ１１−水蒸気発生
熱交換器１２→改質器６の原料入口の経路が配管で接続
されて構成され、水蒸気発生熱交換器Ｉ２で発生した水
蒸気は、都市ガスとともに改質器６に導かれ水素を生成
するとともに、燃料電池本体Ｉで酸素と水素が反応した
際に生成される水蒸気や改質器６のバーナーでの水素の
燃焼により生成される水蒸気は、それぞれの排ガスと混
合して排ガス系排熱回収熱交換器７および凝縮器８に導
かれ、この２つの熱交換器７，８で水に凝縮される。こ
のように凝縮された水は、凝縮水タンク９を介して水処
理装置２１０に導かれ、水処理された後、給水ポンプ１
１で水蒸気発生熱交換器１２に導かれ、ここで冷却系の
熱で蒸発されて上記改質器６に導びかれる水ｆ気となる
。

以上のように構成されて動作する実施例の作用を述べる
。

本実施例の燃料電池本体ｌの冷却系は、上述のように閉
じた系となり、燃料電池本体１あるいは改質器６からの
排ガス中の水分が燃料電池本体１の冷却水として使用さ
れないので、冷却媒体が水であれば、その水質は良好の
ままの状態が維持されて水質管理が不要となる。また、
従来までは、水質を維持するために冷却水のブローダウ
ン、給水が頻繁に行われ、冷却水の温度変動が大きく、
振動的になっている場合があったが、本実施例では、燃
料電池本体１の冷却系を閉じた系として水質管理を不要
としたことにより、ブローダウンおよび給水も不要とな
り、冷却系の温度変動も小さくすることができる。この
ように、冷却系の温度変動を小さくすることで、冷却系
排熱回収熱交換器２により安定的に外部への高熱の取り
出しが行える。安定的な高熱の取り出しは、この熱を利
用して吸収式冷凍機等を運転する場合には特に介助とな
る。

また、本実施例の燃料電池本体ｌの冷却系か閉じた系で
あり、冷却媒体か改質器６の水蒸気供給系や水利用系統
とは分離されていることから、その冷却媒体として水辺
外の媒体、例えばフッ素系不活性液体を用いることがで
きる。リン酸型燃料電池本体の冷却媒体の温度は１７０
〜１８０ビＣ］程度となるため、冷却媒体として水を用
いる場合には、その圧力が７〜９［ｋｇ／ｃｒｒ＋’］
程度となり、配管材料や継き平部に十分な強度をとる必
要がある。これに対して、冷却媒体としてフッ素系不活
性液体を用いた場合には、その圧力は大気圧近傍となり
、配管等へのイニシャルコストを削減できる。例えば、
沸点１５５ピＣ］のフッ素系不活性液体を冷却媒体とし
て使用した場合には、大気圧より少し高めの圧力で冷却
媒体を循環させることができる。

なお、本発明はリン酸型以外の燃料電池に適用できるこ
とは自明であり、冷却系の構成やその冷却媒体も上記実
施例に限定されるものではない。

このように、本発明はその主旨に沿って種々に応用され
、種々の実施態様を取り得るものである。

［発明の効果コ 以上の説明で明らかなように、本発明の燃料電池によれ
ば、燃料電池本体の冷却系が他の系と分離されるので、
冷却媒体の品質が良好に維持され、冷却媒体の品質の管
理が不要となり、メンテナンスコストを低下させること
ができる。また、冷却媒体の品質が維持される結果、冷
却媒体のブローダウン、冷却媒体の補給が不要となるた
め、冷却媒体の温度変動を小さくできるとともに、排熱
回収温度を高くすることができ、燃料電池の総合効率を
高めることができる。

さらに、請求項２のフッ素系不活性液体を冷却媒体に用
いた発明によれば、冷却媒体の圧力を大気圧レベルまで
低下させることができるので、配管等の強度を小さくす
ることができ、イニシャルコストを低減させることがで
きるとともに、安全性も向上する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例の燃′＃−Ｉ電池の構成を示
す系統図、第２図は従来例の燃料電池の構成を示す系統
図である。 ｌ・・燃料電池本体、２・・冷却系排熱収熱交換器、３
・温度制御用熱交換器、４・・気液分離器、５・冷却媒
体循環用ポンプ、６・・・改質器、７・・排ガス系非熱
回収熱交換器、８・凝縮器、９−・−凝縮器水タンク、
１０・・水処理装置、１１・・・給水ポンプ、１２・・
水蒸気発生熱交換器、１３・・冷却媒体タンク。 １−−−、！ｊ’）ｊ：己木（本 ２−−−；＋！セＰ水」ｈい↑ブー懸口り双場−ト５艷
↑男−１１忌−３−−−ｉ１度′＆１１唇Ｐ用鰺交橋蛛
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Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）改質器に水蒸気を供給して水素を生成し、この水
   素と酸素を電解質を介して反応させて発電する燃料電池
   において、 冷却媒体が他の系と分離され閉じられた経路で燃料電池
   本体の冷却経路を循環し該燃料電池本体を冷却する冷却
   系を設け、 この冷却系に前記燃料電池本体で加熱された冷却媒体に
   より該燃料電池本体もしくは前記改質器の排ガスから凝
   縮して得られる水または外部から供給される水を蒸発さ
   せて得た水蒸気を該改質器に供給する水蒸気発生手段を
   設けることを特徴とする燃料電池。
2. （２）冷却媒体にフッソ系不活性液体を用いることを特
   徴とする請求項１記載の燃料電池。