JPH04296460A - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池発電装置に燃
料改質器とともに組込まれ、メタノールや天然ガス等の
原燃料を燃料改質器にて水素に富むガスに改質した改質
ガスを燃料とする燃料電池、特に燃料電池本体が起動時
に熱媒体により暖機され、運転時に冷却媒体により冷却
される燃料電池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は供給される燃料と酸化剤とに
より電池反応を起こして発電するものであり、通常燃料
はアルコール系のメタノールや炭化水素系のメタン等の
原燃料を燃料改質器にて水素に富むガスに改質した改質
ガスが使用され、酸化剤は空気が使用される。

【０００３】このような燃料改質器と燃料電池とを組合
わせて発電する燃料電池発電装置が構成され、図３に示
す系統からなるものが知られている。

【０００４】図３において燃料電池本体１は電解質層２
、これを挟持する燃料極３と空気極４，燃料極３に燃料
を供給する燃料室５と空気極４に空気を供給する空気室
６及び運転時冷却し、起動時暖機する冷却と加熱とを行
なう冷却・熱媒体が通流する伝熱管８を内蔵する冷却板
７とから構成されている。

【０００５】冷却板７には冷却・熱媒体を貯留する貯蔵
タンク９から冷却・熱媒体を伝熱管８を経て貯蔵タンク
９に戻して循環させる冷却・熱媒体循環系１０が接続さ
れている。冷却・熱媒体循環系１０は貯蔵タンク９の下
位に配設される循環ポンプ１１，温調用熱交換器１２と
を備えている。なお、貯蔵タンク９に貯留される冷却・
熱媒体は水であれば燃料電池運転時の冷却時には温度が
１５０〜１８０℃に保持され、これに応じてタンク内圧
力を飽和蒸気圧力である４．８〜１０．２ｋｇｆ／ｃｍ
２　に保持するために供給される水蒸気を調節する圧力
調整弁１３及び起動時暖機するために温度が１３０〜１
６０℃（このときの飽和蒸気圧力２．８〜６．　３ｋｇ
ｆ／ｃｍ２　）に保持するために水を加熱する電気ヒー
タ１４とを備えている。

【０００６】燃料改質器２０は炉容器２１の上部にバー
ナ２２を、内部に改質触媒が充填された改質管２３を備
えている。

【０００７】このような構成によりメタノールの原燃料
を貯蔵タンク９から水蒸気供給系２５を経て供給される
水蒸気とともに燃料改質器２０の改質管２３に通流させ
、バーナ２２での燃焼による熱媒体により改質管２３を
加熱して水素に富むガスに改質する。

【０００８】燃料電池本体１は燃料改質器２０から改質
ガス供給系１６を経て供給される改質ガスと空気供給系
１７から供給される空気とにより電池反応を起こして発
電する。この際電池反応に寄与しない水素を含むオフガ
スはオフガス排出系１８を経てバーナ２２に供給され、
燃料として使用される。また電池反応に寄与しない酸素
を含む排空気は空気排出系１９を経て外部に排出される
。

【０００９】ところで、この種のメタノールを原燃料と
する改質ガスを燃料として使用する燃料電池は、その運
転温度が高い程高い出力持性が得られるが、反面、燃料
電池本体を含む電池構成部材の耐熱性の面から運転温度
をあまり高く出来ない。一般には、運転温度は２００℃
以下に制限して運転を行うようにしている。このため燃
料電池の運転時、電池反応に伴って生じる熱は下記の方
法により除熱している。

【００１０】貯蔵タンク９から貯留された前記温度の冷
却・熱媒体としての冷却水を、冷却・熱媒体循環系１０
を経て循環ポンプ１１により冷却板７の伝熱管８に通流
し、この冷却水により燃料電池本体１を冷却して電池反
応時の熱を除去している。この冷却により高温になった
冷却水は温調用熱交換器１２にて冷却され、貯蔵タンク
９に戻される。

【００１１】ところで、改質により得られた水素に富む
改質ガスは、微量成分として一酸化炭素を含むが、この
成分は電極の触媒の活性を低下させる毒性（触媒への被
毒）を有する。この被毒作用は燃料電池の温度が低い場
合、特に強くなる。また、起動時、燃料電池の温度が低
い場合、水蒸気を含む改質ガスがセル内で結露して電解
質である燐酸の流出やガス通路の閉塞等の問題が発生す
る。

【００１２】これらの問題を解決するため冷却板７の伝
熱管８に貯蔵タンク９から前記温度の冷却水を循環ポン
プ１１により通流させて燃料電池本体１を暖機し、起動
時結露を防止し、被毒作用を低減する温度の約１１０℃
に昇温した後に改質ガスを燃料電池に供給して発電を行
なっている。なお、暖機した後の低温の冷却水は温調用
熱交換器１２を作動させずに貯蔵タンク９に戻され、電
気ヒータ１４により加熱される。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上記のように燃料電池
本体を運転時冷却し、起動時暖機する装置を備えた燃料
電池では、これが組込まれる燃料電池発電装置の外形寸
法の制約がある場合、特に高さ方向の制約が有る場合に
は、貯蔵タンク９から循環ポンプ１１までの高さｈ（吸
込揚程）が十分にとれず、循環ポンプ１１にて冷却・熱
媒体を供給している際に、ポンプ吸込側でキャビテーシ
ョン（ベーパー・ロック）現象が発生し、このため適正
な冷却・熱媒体の供給不能になるとともに、ポンプのイ
ンペラーの破損につながる危険性がある。

【００１４】また、適正な吸込揚程を確保すると、装置
が大型化する問題があり、ビル等においては設置場所の
制約から、燃料電池発電装置自体の設置不能となる問題
が発生する。

【００１５】また、必要吸込揚程の小さい循環ポンプは
、インペラー形状など特注で製作する必要があり、コス
トがかかる問題がある。

【００１６】本発明の目的は、貯蔵タンクからの冷却・
熱媒体を循環ポンプにより燃料電池の冷却板に送出する
際、ポンプ駆動時キャビテーションの発生を防止できる
燃料電池を提供することである。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明によれば起動時暖機し、運転時冷却させる冷
却・熱媒体が通流する冷却板を有する燃料電池本体と、
前記冷却・熱媒体を貯留する貯蔵タンクと、この貯蔵タ
ンク内の冷却・熱媒体を貯蔵タンクの下位に配設される
供給ポンプにより冷却板に通流させる冷却・熱媒体供給
系とを備える燃料電池において、貯蔵タンクと供給ポン
プの吸込口との間の冷却・熱媒体供給系に冷却・熱媒体
を冷却する冷却器を設けるものとする。

【００１８】また、供給ポンプを駆動する電動機の入力
の変化率を検出する入力変化率検出器と、前記冷却器を
流れ、冷却・熱媒体を冷却する冷却媒体の流量を制御す
る流量制御弁と、入力変化率検出器で検出された入力変
化率と所定の入力変化率との偏差から流量制御弁を制御
す制御手段とを設けるものとする。

【００１９】

【作用】燃料電池本体の冷却板に液体の冷却・熱媒体を
貯蔵タンクから供給ポンプにより送液する際、吸込揚程
が小さい場合キャビテーションが発生する。しかし、こ
のキャビテーションはポンプに流入する液体の温度を、
この液体の圧力に対応する飽和温度より低い温度にする
程この温度に対応する飽和蒸気圧力が低くなり、キャビ
テーションは生じ難くなる。

【００２０】したがって貯蔵タンクと供給ポンプの吸込
口との間の冷却・熱媒体供給系に設けた冷却器により貯
蔵タンクからの冷却・熱媒体を冷却して低温にして供給
ポンプに吸込ませることにより、キャビテーションの発
生を防止する。

【００２１】また供給ポンプにキャビテーションが生じ
た場合には供給ポンプを駆動する電動機の入力が低下す
る。この場合この入力の変化率を検出する入力変化率検
出器により検出した入力の変化率と、キャビテーション
を起こさない入力の所定の変化率の目標値との偏差から
制御手段により貯蔵タンクからの冷却・熱媒体を冷却す
る冷却媒体の流量を流量制御弁により制御することによ
り、冷却・熱媒体の温度を低下させてキャビテーション
の発生を防止する。

【００２２】

【実施例】以下図面に基づいて本発明の実施例について
説明する。図１は本発明の実施例による燃料電池を備え
た燃料電池発電装置の系統図である。なお、図１及び後
述する図２において図３の従来例と同一部分には同じ符
号を付し、その説明を省略する。図１において図３の従
来例と異なるのは貯蔵タンク９と循環ポンプ１１との間
の冷却・熱媒体循環系１０に冷却器としての冷却媒体が
流れる伝熱管３１を内蔵する熱交換器３０を設けたこと
である。

【００２３】このような構成により、燃料電池の運転時
、電池反応により生じる熱を除去して運転温度を保持す
るために、貯蔵タンク９内の１５０〜１８０℃の冷却・
熱媒体の水を熱交換器３０にて伝熱管３１を通流する冷
却媒体によりキャビテーションを起こさない程度の温度
まで冷却して循環ポンプ１１に吸込ませ、ポンプ作用に
より冷却板７に送水することにより、電池反応により生
じる熱を除去する。なお除熱して高温になった水は前述
のように温調用熱交換器１２により冷却されて貯蔵タン
ク９に戻される。

【００２４】起動時においては運転時と同様に貯蔵タン
ク内の１３０〜１６０℃の冷却・熱媒体の水を熱交換器
３０にて冷却してキャビテーションを起こさない程度の
温度に下げた後循環ポンプ１１に吸込ませてポンプ作用
により冷却板７に送水し、燃料電池本体１を改質ガスの
燃料電池送気可能な温度まで昇温する。なお昇温により
低温になった水は前述のように貯蔵タンク９に戻され電
気ヒータ１４により加熱される。

【００２５】図２は本発明の異なる実施例による燃料電
池を備えた燃料電池発電装置の系統図である。図２にお
いて図１と異なるのは熱交換器３０の伝熱管３１に接続
される入口管３２に流量調整弁３４を設け、さらに循環
ポンプ１１を駆動する電動機の入力電力の変化率を検出
する入力変化率検出器３６と、この入力変化率検出器３
６からの入力電力の変化率とキャビテーションを起さな
いときの所定の入力電力の変化率の目標値との偏差から
流量調整弁３４を制御する流量調節器３７を設けたこと
である。なお３８は熱交換器３０から循環ポンプ１１に
吸込まれる冷却水の温度を測定する温度計である。

【００２６】このような構成により燃料電池の運転時及
び起動時前述のように貯蔵タンク９から冷却・熱媒体の
水を循環ポンプ１１により燃料電池本体１の冷却板７に
送水する際、キャビテーションが生じた場合には循環ポ
ンプ１１を駆動する電動機の入力電力が低下する。この
入力電力の変化率を入力変化率検出器３６で検出し、こ
の検出入力変化率の信号を流量調節器３７に入力し、流
量調節器３７により検出入力変化率とキャビテーション
を起さないときの所定の入力電力の入力変化率の目標値
との偏差から流量調整弁３４を制御して熱交換器３０に
流れる冷却媒体の流量を制御することにより、貯蔵タン
ク９からの冷却・熱媒体の水を冷却してキャビテーショ
ンを起さないようにする。

【００２７】なお、温度計３８により上記冷却されて低
下した冷却・熱媒体の水の温度の低下状態を監視する。

【００２８】このようにすることにより必要最小限の冷
却・熱媒体の水の温度低下でキャビテーションの発生を
防止できる。

【００２９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば燃料電池本体を冷却，暖機する冷却・熱媒体を
貯留する貯蔵タンクと供給ポンプとの間の管路に設けら
れた冷却器により前記冷却・熱媒体を冷却してキャビテ
ーションの発生を防止する温度にまで低下して供給ポン
プに吸込ませるようにしたことにより、また前記冷却器
を流れて冷却・熱媒体を冷却する冷却媒体の流量を循環
ポンプを駆動する電動機の入力変化率により制御して貯
蔵タンクからの冷却・熱媒体をキャビテーションの発生
を防止する温度にまで低下させて供給ポンプに吸込ませ
るようにしたことにより、燃料電池本体の冷却，暖機時
に供給ポンプにより冷却・熱媒体を冷却板に送液しても
キャビテーションの発生を防止するので、供給ポンプの
吸込揚程を大きくとる必要がなくなり、したがって装置
全体を小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例による燃料電池を備えた燃料電
池発電装置の系統図

【図２】本発明の異なる実施例による燃料電池を備えた
燃料電池発電装置の系統図

【図３】従来の燃料電池を備えた燃料電池発電装置の系
統図

【符号の説明】

１　　　　燃料電池本体 ９　　　　貯蔵タンク １０　　　　冷却・熱媒体循環系 １１　　　　循環ポンプ ３０　　　　熱交換器 ３４　　　　流量調整弁 ３６　　　　入力変化率検出器 ３７　　　　流量調節器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】起動時暖機し、運転時冷却させる冷却・熱
   媒体が通流する冷却板を有する燃料電池本体と、冷却・
   熱媒体を貯留する貯蔵タンクと、この貯蔵タンク内の冷
   却・熱媒体を貯蔵タンクの下位に配設される供給ポンプ
   により冷却板に通流させる冷却・熱媒体供給系とを備え
   る燃料電池において、貯蔵タンクと供給ポンプの吸込口
   との間の冷却・熱媒体供給系に冷却・熱媒体を冷却する
   冷却器を設けたことを特徴とする燃料電池。
2. 【請求項２】請求項１記載の燃料電池において、供給ポ
   ンプを駆動する電動機の入力の変化率を検出する入力変
   化率検出器と、前記冷却器を流れ、冷却・熱媒体を冷却
   する冷却媒体の流量を制御する流量制御弁と、入力変化
   率検出器で検出された入力変化率と所定の入力変化率の
   目標値との偏差から流量制御弁を制御する制御手段とを
   設けたことを特徴とする燃料電池。