JPH10321246A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】飽和水蒸気を含みかつ燃料電池の作動温度に調
整された水素ガスを前記燃料電池に供給するとともに、
構成を有効に簡素化および小型化することを可能にす
る。 【解決手段】燃料電池１２と、冷却水によりこの燃料電
池１２を冷却する冷却媒体循環装置１４と、水蒸気を含
む水素ガスを生成する燃料改質装置１６と、前記燃料電
池１２を冷却して温度が高くなった前記冷却水と前記水
蒸気を含む水素ガスとの間を熱交換させることにより、
該水蒸気を含む水素ガスを前記燃料電池１２の作動温度
と略同一温度にかつ飽和水蒸気を含むように調整する調
湿熱交換器１８とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、メタノールを改質
して生成される水素ガスを使用して作動する燃料電池を
備えた燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】固体高分子電解質膜を挟んでアノード側
電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパ
レータによって挟持して複数積層することにより構成さ
れた燃料電池が開発され、種々の用途に実用化されつつ
ある。

【０００３】この種の燃料電池は、例えば、メタノール
の水蒸気改質により生成された水素ガス（燃料ガス）を
アノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス（酸素
ガスを含む空気）をカソード側電極に供給することによ
り、前記水素ガスがイオン化して固体高分子電解質内を
流れ、これにより燃料電池の外部に電気エネルギが得ら
れるように構成されている。

【０００４】ところで、固体高分子電解質膜は、所望の
イオン導電性を発揮すべく適度な湿潤状態に維持される
必要がある一方、多量の水が導入されると、電極がフラ
ッディングを起こしてしまい、電極反応を阻害するおそ
れがある。このため、水蒸気により適度に加湿された水
素ガスをアノード側電極に供給する装置が採用されてお
り、例えば、特開平７−２２６２２４号公報に開示され
た燃料供給装置が知られている。

【０００５】この燃料供給装置は、炭化水素化合物を水
蒸気改質して水素ガスを水蒸気の混在状態で生成する改
質手段と、該生成された水素ガスを前記水蒸気とともに
前記燃料電池に供給する供給手段と、該供給される水素
ガスの経路において前記水蒸気を除去し、前記燃料電池
に供給される水素ガス中の水蒸気の混在量を調整する水
蒸気混在量調節手段とを備えている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
ＰＥＦＣ（固体高分子型燃料電池）とメタノール改質装
置との間に、水蒸気混在量調節手段としてバッファータ
ンクが配設されるとともに、このバッファータンクの冷
却媒体として前記ＰＥＦＣの冷却水を使用するように構
成されている。

【０００７】具体的には、冷却水を循環供給する冷却水
循環管路に、温度センサにより検出された電解質膜近傍
の温度に応じて冷却水流量を調整する冷却水ポンプと、
前記冷却水循環管路の冷却水を放熱により所定温度に冷
却（維持）する放熱器と、バッファータンクに接続され
て前記冷却水ポンプの下流で前記冷却水循環管路から分
岐しかつ前記放熱器の上流で該冷却水循環管路に合流す
るタンク冷却水循環管路とを備えている。

【０００８】しかしながら、上記のように、冷却水循環
管路に冷却水を放熱により所定温度に冷却（維持）する
放熱器が設けられるとともに、この冷却水循環管路とは
個別にタンク冷却水循環管路が設定されている。このた
め、装置全体が複雑化かつ大型化してしまうという問題
が指摘されている。

【０００９】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、飽和水蒸気を含みかつ燃料電池の作動温度に調整
された水素ガスを前記燃料電池に供給するとともに、構
成を有効に簡素化および小型化することが可能な燃料電
池システムを提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】前記の課題を解決するた
めに、本発明に係る燃料電池システムでは、冷却媒体循
環装置を介して循環する冷却水が、燃料電池を冷却する
ことによりこの燃料電池の作動温度と略同一温度になっ
た状態で調湿熱交換装置に供給される。一方、調湿熱交
換装置には、メタノールを改質して生成された水蒸気を
含む水素ガスが、冷却水よりも高い温度で供給される。

【００１１】このため、水蒸気を含む水素ガスは、その
露点よりも低い温度に調整され、過飽和部分の水蒸気が
凝縮して液体化し、前記水素ガスから除去される。従っ
て、燃料電池には、飽和水蒸気を含む水素ガスが確実に
供給され、簡単な構成で、前記燃料電池の安定した作動
が遂行可能になる。

【００１２】さらに、水蒸気を含む水素ガスは、調湿熱
交換装置を介して燃料電池作動温度付近まで温度が低下
する。これにより、高温な改質ガス（水素ガスを含む）
により電解質膜が損傷することを有効に阻止することが
できるとともに、燃料電池の安定作動が円滑に達成され
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の実施形態に係る
燃料電池システムの概略構成を示す図である。この燃料
電池システム１０は、燃料電池１２と、冷却水（冷却媒
体）を循環して前記燃料電池１２を冷却する冷却媒体循
環装置１４と、燃料であるメタノール（ＣＨ₃ ＯＨ）、
水および空気を介して水蒸気を含む水素ガスを生成する
燃料改質装置１６と、前記燃料電池１２を冷却して温度
が高くなった前記冷却水と前記水蒸気を含む水素ガスと
を熱交換させることにより、該水蒸気を含む水素ガス
を、前記燃料電池１２の作動温度と略同一温度にかつ飽
和水蒸気を含むように調整する調湿熱交換器（調湿熱交
換装置）１８とを備える。

【００１４】燃料電池１２は、複数の燃料電池セル２０
を積層して構成されており、各燃料電池セル２０は、固
体高分子電解質膜２２と、この固体高分子電解質膜２２
を挟んで対設される水素極（アノード側電極）２４と、
空気極（カソード側電極）２６とを有し、この水素極２
４とこの空気極２６は、セパレータ２８により挟持され
ている。

【００１５】冷却媒体循環装置１４は、循環経路３０に
装着された冷却水タンク３２を備え、この冷却水タンク
３２の導出口側には、熱交換器３４と循環ポンプ３６が
直列的に接続される。この循環ポンプ３６の吐出側が燃
料電池１２の冷却水導入口に連通する。冷却水タンク３
２の導入口側には、バルブ３１および調湿熱交換器１８
を介して燃料電池１２の冷却水導出口が連通する。この
バルブ３１は、冷却水経路３３を介して燃料改質装置１
６に給水自在である。

【００１６】燃料改質装置１６は、図２に示すように、
バーナー等の触媒燃焼器３８と、部分酸化改質手段４０
と、選択酸化手段４２とを備える。選択酸化手段４２
は、ＣＯを選択酸化触媒として、Ｐｔ、Ｒｕ、Ｒｈまた
はＰｄと、あるいはこれらの合金からなる貴金属触媒を
有している。

【００１７】図１に示すように、燃料改質装置１６から
燃料電池１２に至る燃料経路４４が設けられており、こ
の燃料経路４４の途上には、調湿熱交換器１８、気液分
離器４６、補助加湿器４８および湿度センサ５０が介装
される。補助加湿器４８は、超音波加湿方式、インジェ
クタによる水の霧化供給方式または膜加湿方式等を用い
ることができる。

【００１８】燃料電池１２に酸化剤ガスとして酸素ガス
を含む空気を供給するために、空気経路５２が設けられ
る。この空気経路５２には、フィルタ５４、エアコンプ
レッサ５６およびインタクーラ５８が直列的に配設され
る。

【００１９】燃料電池１２には、この燃料電池１２から
排出される排出成分をガスと水分とに分離するための第
１および第２気液分離器６０、６２が装着される。燃料
電池１２から第１および第２気液分離器６０、６２を介
して水タンク６４に連なる第１および第２水経路６６、
６８が設けられる。

【００２０】第１水経路６６には、水回収用第１熱交換
器７０、第１気液分離器６０、第１補助タンク７２が直
列的に配設されるとともに、第２水経路６８には、水回
収用第２熱交換器７４、第２気液分離器６２および第２
補助タンク７６が直列的に配設される。第１気液分離器
６０を介して水分から分離された未反応水素および二酸
化炭素等は、第１ガス経路７８を介して燃料改質装置１
６を構成する触媒燃焼器３８に供給される一方、第２気
液分離器６２を介して水分から分離された未反応酸素お
よび窒素等は、第２ガス経路８０を介して前記触媒燃焼
器３８に供給される。

【００２１】水タンク６４には、第３および第４水経路
８２、８４が設けられる。第３水経路８２は、水ポンプ
８６を介して水タンク６４から補助加湿器４８に給水
し、第４水経路８４は、気液分離器４６から第３補助タ
ンク８８を介して前記水タンク６４に水分を導入する。

【００２２】このように構成される燃料電池システム１
０の動作について、以下に説明する。

【００２３】先ず、燃料改質装置１６にメタノール、水
および空気が供給されるとともに、触媒燃焼器３８が駆
動される。このため、（１）式に示すように、メタノー
ルの一部が空気と燃焼触媒上で燃焼して、メタノールお
よび水の気化が促進されるとともに、気化したメタノー
ルは、部分酸化改質手段４０で（２）式に示す酸化改質
反応が行われる。

【００２４】 ＣＨ₃ ＯＨ＋３／２Ｏ₂ →ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ Ｏ …（１） ＣＨ₃ ＯＨ＋１／２Ｏ₂ →ＣＯ₂ ＋２Ｈ₂ ＋ＣＯ（微量） …（２） これにより、水素ガスと二酸化炭素ガスが生成される。
その際、（２）式に示す酸化改質反応は、発熱反応であ
るため、若干ではあるが、メタノールの一部が気化した
水と反応し、（３）式に示す水蒸気改質反応が惹起され
る。

【００２５】 ＣＨ₃ ＯＨ＋Ｈ₂ Ｏ→ＣＯ₂ ＋３Ｈ₂ ＋ＣＯ（微量） …（３） なお、（２）式に示す酸化改質反応と（３）式に示す水
蒸気改質反応とは、（２）式：（３）式の反応の割合
が、１：０．２〜０．３の比率で惹起される。

【００２６】次いで、（２）式および（３）式で生成さ
れた微量の一酸化炭素は、選択酸化手段４２により、
（４）式の反応によって酸化され、二酸化炭素が得られ
る。

【００２７】 ＣＯ＋１／２Ｏ₂ →ＣＯ₂ …（４） 燃料改質装置１６から燃料経路４４には、二酸化炭素ガ
ス、水素ガス、窒素ガスおよびメタノールと空気との燃
焼によって生成された水蒸気を含む改質ガスが送り出さ
れる。改質ガスは、先ず、調湿熱交換器１８に導入され
る一方、この調湿熱交換器１８には、冷却媒体循環装置
１４を構成する循環経路３０を流れる冷却水が燃料電池
１２を冷却した後に導入されている。

【００２８】ここで、調湿熱交換器１８において、改質
ガスの温度が１５０℃〜２５０℃である一方、冷却水の
温度が燃料電池１２の作動温度である６０℃〜１００℃
となっている。このため、改質ガスと冷却水との間で熱
交換が行われ、改質ガス中の水蒸気は、その露点よりも
低い温度に調整されて過飽和部分が凝縮し、液体化す
る。

【００２９】従って、改質ガスは飽和水蒸気を含んだ状
態で気液分離器４６を通って補助加湿器４８に供給され
るとともに、液体化した水分は、第４水経路８４を介し
て第３補助タンク８８に一旦貯留された後、水タンク６
４に供給される。

【００３０】補助加湿器４８を通った改質ガスは、湿度
センサ５０によって含有する水蒸気量が不足しているか
否かが判断される。そして、改質ガス中の水蒸気が飽和
状態にないと判断されると、水ポンプ８６を介して第３
水経路８２から水タンク６４内の水が補助加湿器４８に
送られる。これにより、改質ガス中に水蒸気の補充が行
われ、飽和水蒸気を含む前記改質ガスが燃料電池１２に
供給されることになる。

【００３１】一方、エアコンプレッサ５６が駆動され、
フィルタ５４を介して外部から導入された圧縮空気は、
インタクーラ５８で所望の温度に調整された後、燃料電
池１２内に導入される。この燃料電池１２では、水素極
２４側に飽和水蒸気を含む改質ガスが供給されるととも
に、空気極２６側に空気（酸素ガスを含む）が供給され
る。このため、改質ガス中の水素ガスがイオン化して固
体高分子電解質膜２２内を空気極２６側に流れ、この水
素イオンが前記空気極２６で酸素および電子と反応して
水が生成される。

【００３２】そして、燃料電池１２の水素極２４から排
出される排出成分は、第１熱交換器７０から第１気液分
離器６０に導入されてガスと水分に分離され、同様に、
空気極２６から排出される排出成分は、第２熱交換器７
４から第２気液分離器６２に導入されてガスと水分に分
離される。

【００３３】第１および第２気液分離器６０、６２によ
り回収される水分は、それぞれ第１および第２水経路６
６、６８を介して第１および第２補助タンク７２、７６
に一旦貯留された後、水タンク６４に供給される。ま
た、第１気液分離器６０で分離された未反応水素ガスお
よび二酸化炭素ガスと未回収水分は、第１ガス経路７８
を介して触媒燃焼器３８に導かれて燃焼および改質等の
温度保持に用いられる。第２気液分離器６２で分離され
た未反応酸素ガスおよび窒素ガスと未回収水分は、必要
に応じて第２ガス経路８０を介して触媒燃焼器３８に送
られる。

【００３４】この場合、本実施形態では、燃料改質装置
１６で生成される水蒸気を含む比較的高温（１５０℃〜
２５０℃）の改質ガスを調湿熱交換器１８に導入する一
方、この調湿熱交換器１８には、燃料電池１２の複数の
燃料電池セル２０を冷却してこの燃料電池セル２０の作
動温度（６０℃〜１００℃）に加温された冷却水が導入
される。

【００３５】これにより、改質ガスの温度は、燃料電池
セル２０の作動温度に近似した温度に調整され、この改
質ガス中に含まれる水蒸気量が飽和状態となる。従っ
て、燃料電池１２には、飽和水蒸気を含む改質ガスが確
実に供給され、固体高分子電解質膜２２を適度に加湿す
ることができ、前記燃料電池１２の安定した作動が遂行
可能になるという効果が得られる。

【００３６】しかも、燃料電池１２に供給される改質ガ
スの温度が、この燃料電池１２の作動温度近傍に調整さ
れるため、例えば、高温の改質ガスを該燃料電池１２に
供給する際のように固体高分子電解質膜２２が損傷する
ことを確実に阻止することができるとともに、該燃料電
池１２の安定した作動が円滑に達成される。

【００３７】さらに、本実施形態では、冷却媒体循環装
置１４を構成する循環経路３０に調湿熱交換器１８が直
接介装されており、この調湿熱交換器１８に冷却水を供
給すべく専用の経路を前記循環経路３０から分岐形成す
る必要がない。しかも、燃料電池１２を冷却してこの燃
料電池１２の作動温度に加温された冷却水を用いるだけ
であり、この冷却水を放熱器等により温度調整する必要
がない。これにより、燃料電池システム１０全体の構成
が一挙に簡素化かつ小型化されるという利点が得られ
る。

【００３８】また、調湿熱交換器１８で高温の改質ガス
と冷却水との熱交換を行うため、特に、燃料電池１２の
始動時に冷却水の温度を上げることができる。従って、
燃料電池１２本体の温度を迅速に上げることが可能にな
り、前記燃料電池１２の始動時間を有効に短縮化し得る
という効果がある。

【００３９】さらにまた、本実施形態では、燃料改質装
置１６が、部分酸化改質手段４０を備えている。ここ
で、水蒸気改質では、メタノールに対して多量の水を供
給する必要があり、余剰分の水が燃料電池１２内に導入
されるおそれがある。これに対し、部分酸化改質手段４
０を用いることにより、含有水を有効に低減することが
でき、燃料電池１２に余剰の水分が導入されることを確
実に阻止することが可能になる。

【００４０】しかも、通常の水蒸気改質では、吸熱反応
であるために熱を供給する必要がある一方、酸化改質で
は、発熱反応であり、熱供給手段が不要になる。このた
め、部分酸化改質手段４０を用いることにより、始動性
および反応性等に優れるという利点がある。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、本発明に係る燃料電池シ
ステムでは、燃料電池を冷却してこの燃料電池の作動温
度に近似する温度になった冷却水を調湿熱交換装置に供
給し、メタノール改質により生成された水蒸気を含む高
温の水素ガスと前記冷却水との間で熱交換させることに
より、前記水蒸気を含む水素ガスがその露点よりも低い
温度に調整される。従って、飽和水蒸気を含む水素ガス
を燃料電池に確実に供給することができ、前記燃料電池
の安定した作動が遂行可能になる。さらに、メタノール
改質により生成された水素ガスの温度が燃料電池の作動
温度付近まで低下されており、電解質膜の損傷を有効に
阻止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概
略構成図である。

【図２】前記燃料電池システムを構成する燃料改質装置
の概略構成図である。

【符号の説明】

１０…燃料電池システム １２…燃料電池 １４…冷却媒体循環装置 １６…燃料改質装置 １８…調湿熱交換器 ２０…燃料電池セル ２４…水素極 ２６…空気極 ３０…循環経路 ３８…触媒燃焼器 ４０…部分酸化改質手段 ４８…補助加湿器 ６０、６２…気液分離器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 藤井 洋介 埼玉県和光市中央１−４−１ 株式会社本 田技術研究所内

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】固体高分子電解質膜を挟んでカソード側電
   極とアノード側電極を対設し、前記カソード側電極に酸
   化剤ガスを供給する一方、前記アノード側電極に水素ガ
   スを供給して起電力を発生させる燃料電池と、 冷却媒体を循環して前記燃料電池を冷却する冷却媒体循
   環装置と、 メタノールを改質して前記アノード側電極に供給される
   水蒸気を含む水素ガスを生成する燃料改質装置と、 前記燃料電池を冷却して温度が高くなった前記冷却媒体
   と前記水蒸気を含む水素ガスとを熱交換させることによ
   り、該水蒸気を含む水素ガスを、前記燃料電池の作動温
   度と略同一温度にかつ飽和水蒸気を含むように調整する
   調湿熱交換装置と、 を備えることを特徴とする燃料電池システム。