JPH0467572A - 燃料電池発電システム - 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】 ［発明の目的コ （産業上の利用分野） 本発明は、燃料電池発電システムに係り、特に、燃料電
池空気極内の酸素濃度を低減する手段に改良を施した燃
料電池発電システムに関するものである。

（従来の技術） 近年、燃料の有しているエネルギーを直接電気的エネル
ギーに変換するものとして燃料電池発電システムが知ら
れている。この燃料電池発電システムは、通常、電解質
を挟んで一対の多孔質電極を配置して燃料電池単位セル
を構成すると共に、一方の電極である燃料極の背面に水
素等の燃料を接触させ、また、他方の電極である空気極
の背面に空気等の酸化剤を接触させ、このとき起こる電
気化学的反応を利用して、上記電極間から電気エネルギ
ーを取り出すようにしたものであり、この様な単位セル
を多数枚積層配置して燃料電池スタックを構成し、これ
に前記燃料と酸化剤が供給されている限り、高い変換効
率で電気エネルギーを取り出すことができるものである
。

また、前記の電気化学的反応は、高温・高圧条件下で良
好な効率が得られるため、前記燃料電池スタックを密閉
形圧力容器内に収納して、高圧下での運転が行えるよう
にすると共に、冷却水を燃料電池スタック内に設けられ
た冷却器に導入し、一定の高温運転条件が保持できるよ
うに構成するのが一般的である。

この様な従来の燃料電池発電システムの構成を第３図に
示した。即ち、燃料極１ａ、空気極１ｂ。

冷却器１ｃより成る燃料電池スタック１ｄが、圧力容器
１ｅの内部に収納されて燃料電池本体１が構成されてい
る。なお、燃料電池スタック１ｄは、前述した様に単位
セルの多数枚積層体であるが、図中ではこれを簡略化し
、全て一対の要素で示している。

この様な燃料電池の発電状態においては、燃料極１ａに
、燃料供給装置２より燃料弁３を介して高濃度水素ガス
等の燃料が供給される。また、空気極１ｂへは、空気供
給装置４より空気弁５を介して、空気等の酸化剤ガス（
以下の例では空気とする）が供給される。さらに、燃料
電池スタック１ｄの冷却器ＩＣへは、冷却水ループを介
して冷却水が供給され、電池で発生した熱を吸収したの
ち、冷却器ＩＣより排出される。排出された高温水乃至
高温２相流水は気水分離器６へ導入され、水蒸気６ａと
漬水６ｂに分離される。燃料電池スタックの冷却器ＩＣ
出口が高温水の場合も、冷却器ＩＣと気水分離器６の間
に適当な減圧手段を設けることで、気水分離器６内で水
蒸気６ａを分離することができる。また、水蒸気６ａは
熱回収系７に送られ、その熱は種々の目的に利用される
。

一方、気水分離された後の漬水６ｂは再び冷却水ループ
に入り、熱交換器８で温度調節されたのち、冷却水ポン
プ９によって燃料電池スタ・ンク１ｄの冷却器ＩＣに導
入される。また、給水系１０より給水弁１１を介して、
蒸気として放出された冷却水の不足分を外部より給水し
て補っている。さらに、前記空気極１ｂの入口側には、
窒素等の不活性ガス供給装置１２より、不活性ガス供給
弁１３を介して、窒素等の不活性ガスを導入できるよう
に構成されている。これは、燃料電池の発生電圧が過大
の場合あるいは発電運転停止の直後において、空気極内
に不活性ガスを注入し、空気極内の酸素濃度の低減を行
うためのものである。

上述した様に空気極内の酸素濃度を低減する目的は、次
の通りである。即ち、燃料電池が低電流密度で発電運転
を行ったり、あるいは発電運転を停止した直後で、まだ
空気極内に十分な空気が残留している場合等においては
、積層された各単位セルには、定格発電時に比べて高い
電圧が発生するが、これが特定のレベルを越え、過電圧
の状態が長く続くと、電極腐食反応が進行し、電池の紅
年的特性の劣化を招くことになる。そこで、この様な劣
化を防止するために、必要に応じて空気極内の酸素濃度
の低減を行い、電池過電圧の発生を防止しているのであ
る。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記の様に構成された従来の燃料電池発
電システムにおいては、以下に述べるような解決すべき
課題があった。即ち、例えば多数本の燃料電池スタック
を有する大形の発電システムにおいては、各スタックの
空気極内の酸素濃度の低減を、低負荷運転時や発電運転
停止後に確実に行なおうとすると、窒素ガス等の不活性
ガスの消費量は、長期の運転や頻度の高い運転・停止サ
イクルを考えると相当量必要となり、発電システム全体
としてのランニングコストを大きいものにしていた。ま
た、不活性ガスの貯蔵、供給装置（例えば、液体窒素の
蒸発器など）への初期投資も必要であるため、設備コス
ト及び設備スペース上でも不利であり、窒素等の不活性
ガスを用いない電池空気極の酸素濃度低減手段の開発が
切望されていた。

本発明は、上記の欠点を解消するために提案されたもの
で、その目的は、燃料電池空気極の酸素濃度の低減を、
より安価な手段で行なうことを可能とし、また、設置ス
ペースの縮小化を可能とした燃料電池発電システムを提
供することにある。

［発明の構成コ （課題を解決するための手段） 本発明は、単位電池を多数個積層して成るセルスタック
を密閉圧力容器内に収納した燃料電池と、この燃料電池
を冷却する冷却水ループと、この冷却水ループの燃料電
池出口側に配置されて水蒸気を放出する気水分離器とを
有して成る燃料電池発電システムにおいて、前記気水分
離器より放出される水蒸気の一部を、燃料電池の空気極
内に導入し、空気極内の酸素濃度の低減を行なうように
したことを特徴とするものである。

（作用） 本発明の燃料電池発電システムによれば、従来の窒素等
の不活性ガスに替えて、気水分離器より放出される水蒸
気の一部を、空気極への注入ガスとして利用することが
できるので、従来必要であった窒素ガス等の不活性ガス
の貯蔵及び供給設備を不要とし、あるいは縮小すること
ができる。

（実施例） 以下、本発明の実施例を第１図及び第２図に基づいて具
体的に説明する。なお、第３図に示した従来型と同一の
部材については、同一の符号を付して、説明を省略する
。

■第１実施例 本実施例においては、第１図に示した様に、気水分離器
６によって分離された水蒸気６ａの一部を、空気極１ｂ
に導入するための空気極用水蒸気ライン２０が設けられ
ている。この空気極用水蒸気ライン２０は、気水分離器
６と熱回収系７をつなぐ水蒸気ラインから分岐して設け
られ、水蒸気供給弁２１を介して空気極１ｂへの空気供
給ラインに接続されている。また、前記水蒸気供給弁２
１は、電池電圧が過大とならないように電池電圧を監視
し、電圧検出レベルに応じて、その開度が調節されてい
る。

なお、電池発電運転が停止した直後においては、予め定
めた時系列スケジュールに従って、水蒸気供給弁２１の
開度を調節しても良い。また、空気極１ｂ内において、
注入された水蒸気が多量に凝縮しないように、適切な水
蒸気注入圧力を保持することができるように、水蒸気供
給弁２１のサイズを選ぶことが望ましい。例えば、２０
０℃、５ａｔａの運転条件で燃料電池の発電運転を行な
っている場合、冷却水ループ系の圧力を約１５．９ａｔ
ａで運転すれば、電池スタック内で２相流冷却が行なわ
れる。従って、気水分離器６より得られろ水蒸気は、こ
の圧力に近い飽和水蒸気となっている。この水蒸気の一
部を水蒸気供給弁２１で５．５ａｔａに減圧して空気極
に導入しようとする場合には、水蒸気の等エンタルピ変
化のため、水蒸気の温度は約１７０℃に低下するが、凝
縮温度の１５５℃に対しては余裕があるため、空気極内
では運転温度の２００℃近くまで水蒸気温度が上昇する
ことを考慮すれば、空気極内部で凝縮してしまうことは
ない。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電システム
は、以下に述べる様に作用する。即ち、電池過電圧発生
時や発電運転停止直後において、水蒸気供給弁２１を開
くことにより、気水分離器６によって分離された水蒸気
６ａの一部を、空気極用水蒸気ライン２０によって空気
極１ｂ内に導入することができるので、水蒸気６ａによ
って空気極１ｂ内部の酸素濃度の低減を計ることができ
る。その結果、従来、空気極内部の酸素濃度の低減に用
いられていた窒素等の不活性ガスが不要となり、また、
これら不活性ガスを多量に貯蔵しておく必要もなくなる
。従って、機器の設置スペースを縮小でき、また、コス
トの削減が可能となる。

■第２実施例 本実施例においても、第２図に示した様に、気水分離器
６によって分離された水蒸気６ａの一部を、空気極１ｂ
に導入するための空気極用水蒸気ライン２０が設けられ
ている。この空気極用水蒸気ライン２０は、気水分離器
６と熱回収系７をつなぐ水蒸気ラインから分岐して設け
られ、水蒸気供給弁２１及びその下流側に設けられた熱
交換器２２を介して、空気極１ｂへの空気供給ラインに
接続されている。また、前記熱交換器２２は、気水分離
器６によって分離された高温の漬水６ｂと熱交換するよ
うに構成されている。また、前記空気極用水蒸気ライン
２０には、不活性ガス供給弁１３を介して窒素等の不活
性ガス供給装置１２が接続され、空気極１ｂの酸素濃度
の低減を水蒸気あるいは不活性ガスのいずれによっても
行えるように構成されている。さらに、空気極１ｂの排
出ライン２５側に、凝縮器２３と気水分離器２４が設け
られ、電池の発電動作に伴い空気極１ｂにおいて生成・
放出される水蒸気を凝縮して、水分回収を行えるように
構成されている。その他の構成は、第１実施例と同様で
ある。

この様な構成を有する本実施例の燃料電池発電システム
は、以下に述べる様に作用する。即ち、水蒸気供給弁２
１を開くことにより、気水分離器６によって分離された
水蒸気６ａの一部を、空気極用水蒸気ライン２０によっ
て空気極１ｂ内に導入するが、その際、空気極用水蒸気
は水蒸気供給弁２１で減圧され、等エンタルピ変化によ
りその温度が低下する。しかし、本実施例においては、
空気極用水蒸気ライン２０上に、気水分離器６によって
分離された高温の成木６ｂと熱交換する熱交換器２２が
設けられているため、温度が低下した空気極用水蒸気は
高温の成木６ｂによって加熱され、再び高温の水蒸気と
なって空気極１ｂ内に導入される。その結果、空気極に
導入される水蒸気の温度は凝縮温度レベルより十分に高
くなり、例えば、約２００℃の電池運転圧力下において
、電池運転圧力が１０ａ　ｔ　ａ近くであっても、空気
極に導入される水蒸気が空気極内で凝縮しないようにす
ることが可能となる。従って、燃料電池の運転圧力条件
が１０ａｔａ程度の高圧であっても、空気極内の酸素濃
度の低減を水蒸気によって行なうことが可能となる。一
般に、燃料電池運転圧力は高いほど発電効率が良くなる
ので、以上の様な高圧運転時においても、空気極内の酸
素濃度の低減を水蒸気で行えることは非常に好ましいこ
とである。

一方、発電開始前または発電停止後のように、電池発熱
による水蒸気生成が行なわれない場合においては、不活
性ガス供給弁１３を開いて、窒素等の不活性ガスを空気
極１ｂに導入することによって、空気極内の酸素濃度の
低減が行なわれる。

ただし、窒素等の不活性ガスの貯蔵量及び供給量は、従
来と比べ小さくすることができる。さらに、本実施例に
おいては、空気極１ｂの排出ライン２５側に、凝縮器２
３と気水分離器２４が設けられているため、電池の発電
動作に伴い空気極１ｂより排出される水蒸気を凝縮して
水分として回収することができ、再び電池冷却水ループ
への補給水として利用することができる。

この様に、本実施例においては、燃料電池の発電運転中
には、空気極用水蒸気によって空気極内の酸素濃度の低
減が行なわれ、一方、水蒸気が十分に得られない発電停
止中等においては、従来通り窒素等の不活性ガスを用い
ることができるので、どの様な運転状況下でも、十分な
空気極内の酸素濃度の低減が行なわれる。

［発明の効果］ 以上述べた様に、本発明によれば、電池冷却水ループに
配設される気水分離器より放出される水蒸気の一部を、
燃料電池の空気極に導入するように構成することにより
、燃料電池空気極の酸素濃度の低減を、より安価な手段
で行なうことができ、また、設置スペースの縮小化を可
能とした燃料電池発電システムを提供することができる
。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の燃料電池発電システムの第１実施例を
示す構成図、第２図は本発明の第２実施例を示す構成図
、第３図は従来の燃料電池発電システムの一例を示す構
成図である。 ｌ・・・燃料電池本体、１ａ・・・燃料極、１ｂ・・・
空気極、１！：・・・冷却器、１ｄ・・・燃料電池スタ
ック、１ｅ・・・圧力容器、２・・・燃料供給装置、３
・・・燃料弁、４・・・空気供給装置、５・・・空気弁
、６・・・気水分離器、６ａ・・・水蒸気、６ｂ・・・
成木、７・・・熱回収系、８・・・熱交換器、９・・・
冷却水ポンプ、１０・・・給水系、１１・・・給水弁、
１２・・・不活性ガス供給装置、１３・・・不活性ガス
供給弁、２０・・・空気極用水蒸気ライン、２１・・・
水蒸気供給弁、２２・・・熱交換器、２３・・・凝縮器
、２４・・・気水分離器、２５・・・排出ライン。 ・１３ ，１２ 第

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 単位電池を多数個積層して成るセルスタックを密閉圧力
   容器内に収納した燃料電池と、この燃料電池を冷却する
   冷却水ループと、この冷却水ループの燃料電池出口側に
   配置されて水蒸気を放出する気水分離器とを有して成る
   燃料電池発電システムにおいて、 前記気水分離器より放出される水蒸気の一部を、前記燃
   料電池の空気極内に導入し、空気極内の酸素濃度の低減
   を行なうようにしたことを特徴とする燃料電池発電シス
   テム。