WO2001048850A1 - Systeme generateur de puissance a piles a combustible - Google Patents

Description

明細書 燃料電池発電シ ス テム 技術分野

本発明は、 燃料電池を用いた燃料電池発電シ ス テム に関する も のであ り、 さ らに詳し く は、 燃料電池の空気極に供給する空気中 に含まれる微細な塵埃、 塩分等の不純物を fiH便且つ効率良 く 除去 して、 燃料電池の出力特性の劣化を防止する と共に、 空気極に供 給する空気を適度に加温する こ と で、 固休高分子膜の電導性の低 下を防止した燃料電池発電シ ス テ ム に関するも のであ る。 背景技術

燃料電池は発電シ ス テムに応用される こ とがあ り、 従来例えば 図 6 に示すよ うな燃料電池発電シ ス テ ムが Dlj発されている。 こ の 燃料電池発電シ ス テ ム Sは、 単位セルの秸層休からなる燃料電池 本体 Aと、 純水素或は炭化水素系の燃料 Bを水素 リ ッ チガスに改 質して燃料電池本休 Aに供給する燃料処理装置 C と、 酸化剤と し ての空気を燃料電池本休 Aに供給する反応空気供給装 K D と、 燃 料電池本体 Aの出力直流電流を交流電流に変換する電力変換装置 (図略） と、 これら各部を制御する制御装置 （図略） とから鞲成 されている。

前記反応空気供給装置 Dは、 前処理フ ィ ル タ E及び空気フ ァ ン Fを備え、 前処理フ ィ ル タ Eで空気中の鹿埃を除去し、 空気フ ァ ン Fによ り空気を燃料電池本体 Aの空気極 Gに供給する。

燃料電池が固体高分子型の場合には、 図 7 のよ う に単位セル H は電解質層である固体萵分子膜 J と、 その両側に配置される空気 極 G (力 ソー ド） 、 燃料極 K ( ア ノ ー ド） と、 更にその両側に配 置される空気極側流路基板 L、 燃料極側流路基板 Mと で構成さ れ、 各単位セル H問にはセパレ 一夕 Nが介在されて多数の Φ位セ ル Hが積層一体化される。

と こ ろで、 上記従来の反応空気仉給装 Dは、 前記のよ う に空 気 （外気） 中に含まれる塵埃を除去して : 化するが、 現実には 粗い鹿埃を除去するに と どま り、 微細な鹿埃や ¾i分等の不純物を 除去する こ とはできない。 反応空気中に微細な塵埃、 塩分等の不 純物が含まれている と、 前処理フ ィ ル タ E を通過して空気極 Gに そのま ま供給されてし ま う。

このよ う な空気中の不純物は、 酸素と共に空気極 Gの電極触媒 層に到達し、 その電極触媒層に付着した り或は不純物の種類によ つては空気極 Gで生成する水に溶解する。 その結 ¾、 電極触砹 m のガス拡散性が低下した り、 溶解生成する不純物カチオ ン によ り 電極触媒中に存在する固体高分子或は電解質層である固体高分子 膜 J の電気伝導性が低下し、 出力特性を劣化させる現 giが生じ る。

又、 従来の固体高分子型燃料電池においては、 例えば特 平 8 — 6 4 2 1 8号公報にも M示されているよ う に、 固休高分子胶 J の電導性は固体高分子股 J の湿 性に大き く 左右され、 乾 空気 に噁されて固体高分子膜 J が乾 する と電導性が低下する。 そ の ため、 常に加湿のための水分を供給する必要がある。

本発明は、 上記従来の問 mを解決するためになされ、 燃料電池 の空気極に供給する空気中に含まれる微細な塵埃、 塩分等の不純 物を簡便且つ効率良 く 除去して、 燃料電池の出力特性の劣化を防 止する と共に、 空気極に供給する空気を適度に加湿する こ とで、 固体高分子膜の電導性の低下を防止する こ とを目的とする。 発明の開示

こ の目的を達成するための技術的手段と して、 本発明は、 燃料 電池本体の酸化剤ガス仉給経路内に少な く と も 1 箇所以上、 水ィ共 給手段によ り湿潤状態が保持された湿 フ ィ ル タを備えてい る燃 料電池発電シ ス テ ムを要旨とする。

又、 こ の燃料電池発 シ ス テ ムにおいて、 湿潤フ ィ ル タ は、 吸 水性或は親水性を有する シー ト状多孔性材料で m成された こ と、 湿潤フ ィ ル タは、 少な く と も 2層以上の吸水性或は親水性を有 するシ一 ト状多孔性材料が問隔を隔てて配 i された 成である こ と、

燃料電池本体の冷却水流通経路或は加湿水流通経路と、 湿潤さ れる湿潤フ ィ ルタ とを迚通する経路を有し、 この経路よ り供給さ れる水によ り前記温 フ ィ ル タ の湿 M 態を保持する こ と、 燃料電池本体から排出される未反応空気中の ^成水を 'ϊ ^する ための凝縮手段を有し、 こ の凝縮手段に よ り された水を湿潤 フ イ ル ク の温潤用と して利用する こ と、

燃料電池シ ス テ ム外から ^給される水の一部を、 湿潤フ ィ ル タ の湿潤用と し て利用する こ と、

投入燃料を改質して水素 リ ッ チな改 ϊ¾ガスを生成させる燃料処 理装置を有する燃料電池シ ス テ ムにおいて、 前記燃料処 ¾1装置か ら回収される水を湿 フ ィ ル タ の湿 ' JTJと して利 JI]する こ と、 更に、 湿潤フ ィ ルタ と水供給手段とが相互に接触している構造 を有する こ と、 温潤フ ィ ル タ への水供給手段が、 その湿潤フ ィ ル タ と間隔をあけて配置され、 こ の水供給手段によ り水を噴霧或 は滴下させる こ と によ り前記湿 フ ィ ル タ に水が供給される構造 を有する こ と、

湿潤フ ィ ル タへの水佻給手段が、 その湿 m フ ィ ル タ の下方に設 置された貯水槽であ り、 こ の貯水槽の水と前記湿澗フ ィ ル タ と を 接触させる こ とによ り湿 フ ィ ル タ の湿 状態が保持される こ と 、 を要旨とするものである。

本発明は、 反応空気供給装置に空気中の微細な塵埃、 塩分等を 除去する不純物除去手段を備える こ と で、 不純物を含まない清'净 な空気を燃料電池の空気極に 給する こ とができ る。 その結果、 不純物に起因するガス拡散性の低下或は固体高分子股の電導性の 低下を防止し、 セルの出力特性を向上させる こ とができ る。

又、 湿潤フ ィ ル タ と して、 例えば吸水性の高いシ 一 ト状多孔性 材料を用いる こ とによ り、 供給された水が湿 フ ィ ルタ をほぼ均 一に溘ら して湿潤状態を保持する こ とが可能とな り、 空気中の不 純物を捕捉する能力を '大させる と共に、 湿 ?1¾空気によ り固休高 分子膜を適度に湿潤させる こ とで電導性の向上を図る こ とができ る。 更に、 酸化剤ガス佻給経路内に湿潤フ ィ ル タを備える こ と に よ り空気が湿潤された状態で燃料電池本体に供給される こ と で、 固体高分子膜の湿 m状態が維持され、 固休高分子股:の電導性を良 好に保つこ とができ る。 図面の简単な説明

図 1 は、 本発明に係る反応空気供給装 ^を用いた燃料電池発電 シ ス テ ム の実施形態を示す構成図である。

図 2は、 本発明に係る他の反応空気供給装置を用いた燃料電池 発電シ ス テムの実施形態を示す構成図である。

図 3は、 湿潤フ ィ ル タ の水供給手段の 1 例を示す一部破断概略 斜視図である。

図 4は、 湿潤フ ィ ル タ の他の水供給手段を示す説 IIJ]図である。 5 図 5は、 実験によ り得られた電池電圧の,経時変化を示すグラ フ 図である。

図 6は、 従来の反応空気供給装 ίΞを用いた燃料電池発電シ ス テ ムを示す構成図である。

図 7は、 燃料電池発電シ ス テ ムにおける燃料電池本体の構成を 10 示す分解斜視図である。 発明を実施するための ίδ良の形態

次に、 本発明に係る燃料電池用反応空気供給装置の実施形態を 添付図面に基づいて説明する。 こ こ では本発明を i!ll解し易いよ う i s に、 従来と同一の 成部材は同一の符号を付ける。 図 1 において

、 1 は燃料電池発電シ ス テ ム S中の反応空気供給装 iSであ り 、 前 処理フ ィ ルタ E と、 空気フ ァ ン F と、 水によ り湿潤される湿潤フ イ ル ク 2 とを備えてい る。

前記湿潤フ ィ ル タ 2 は、 吸水性或は親水性を有する シ 一 ト 状多 20 孔性材料で構成され、 例えば図 3 のよ う に周 H]に枠体 3 を取 り付 けてハ ウ ジ ン グ 4内に直立状態で保持されてい る。 こ の場合、 シ

― ト状多孔性材料で 成されたフ ィ ル タ本体は Φ 造と な って いるが、 2層以上を適宜の問隔をあけて配置した多 構造にする こ と あ 。

25 前記ハ ウ ジ ン グ 4は、 背而側に反応空気の空気導入管 5が取 り 付け られ、 こ の空気 入管 5 は前記空気フ ァ ン Fに接続され、 空 気フ ァ ン Fによ り送風さ れた反応空気が空気導入管 5 を介してハ ウ ジ ン グ 4 内に流入する。 又、 ハ ウ ジ ン グ 4の正而側には反応空 気の排気管 6が取り付け られ、 この排気管 6 は前記燃料電池本体 A の空気極側流通基板 L に反応空気を供給すベ く 接続さ れて い る。 これによ り、 ハウ ジ ン グ 4内に導入された反応空気は、 前記 湿潤フ ィ ル タ 2 を通過した後に空気極 Gに供給される。

更に、 ハ ウ ジ ン グ 4 の側而上部から内部に至る水 ¾入管 7 が水 平方向に取り付けられ、 こ の水 入 7 はハウ ジ ン グ 4内に位 iS する部分で且つ前記湿潤フ ィ ル タ 2に対而する側に複数の ノ ズル 8又は小孔が並設され、 管端部は閉塞されてい る。 従って、 水 入管 7を通ってハ ウ ジ ン グ 4内に導入された水は、 ノ ズル 8又は 小孔から喷霧され前記湿潤フ ィ ル タ 2をほぼ均一な湿潤状態に保 持する こ とができ る。 図示は省略したが、 水導入管 7 を湿^ フ ィ ル夕 2の上方に配 し、 下側にあけた複数の小孔から水を滴下す る構成にする場合も ある。

一方、 ハ ウ ジ ン グ 4 の側而下部には排液 ^ 9が 11¾り付け られ、 前記湿潤フ ィ ル タ 2から流下した不純物溶解水をハ ウ ジ ン グ 4外 に排出で き る よ う に し てあ る。 こ の俳液管 9 と前記水^入管 7 は、 図 1 のよ う に燃料 11池本休 Aの？ 却部 P に冷却水を供給する 冷却水流通経路 Qにそれぞれ接続して循 式のバィ パスを形成す る。 その際、 ハ ウ ジ ン グ 4 の排液管 9から排出される汚 ¾lj水が冷 却水流通経路 Q内に混入しないよ う に、 途中に水処 !装 fi¾ 1 0 を 配設して浄水を行う よ う にする。

湿潤フ ィ ル タ 2 への水佻給手段と し ては、 こ の他に例えば前記 固体高分子膜 J を加湿するために燃料極側流路 S板 Mに水を供給 する加湿水流通経路 （図略） を利用するか、 或は燃料電池本休 A から排出される未反応空気中の生成水を凝縮手段 （図略） で ΙΤΙΪ集 して利用するか、 又は燃料電池発電シ ス テ ム S外から供給される 水の一部を利用する等の種々の手段が考えられる。

更に、 図 2 のよ う に、 燃料電池発電シ ス テ ム S の燃料処 Θ!装置 cから回収される水を利用する こ と も可能である。 燃料処 I！ .

Cからの回収水と しては、 燃料処理装^ Cで使用される冷却水或 は燃料処理装置 C のバーナー排ガス中に含まれる水蒸気を凝縮し た凝縮水等が利用でき る。

上記のよ うな問接的な給水方式のみな らず、 湿 ?ΙΪ|フ ィ ル タ 2 と 水供給手段とが接触している 0Ϊ接的な給水方式でも良 く 、 その一 例と しては図 4 のよ う に湿潤フ ィ ル タ 2 の下方に貯水お¹ 1 1 を設 置し、 こ の貯水糟 1 1 内の水に湿 フ ィ ル タ 2 の下端部を接触さ せる。 湿潤フ ィ ル タ 2は、 フ ィ ル タ本体の -毛管現象によ り 水を吸 い上げてほぼ均一な 状態となる。 この ¾合、 l!r水槽 1 1 には 水を供給して水而がほぼ一定の ¾さ と なるよ う に保持し、 潤フ ィ ル タ 2を流下した不純物を含む汚 SJ水は貯水 1 1 外に流出 さ せる こ とが好ま しい。 湿^川と しての特別な機器類を必要と し な いので、 水供給手段の 造がきわめて簡 <ϊ-'なものとなる。

図 1 の燃料電池発電シ ス テ ム S においては、 燃料処理装 E C に 炭化水素系燃料が^給され、 水素 リ ツ チガス に改^される と共に 燃料電池本体 Αの燃料極 Kに供給され、 空気極 Gには外気から取 り込まれた空気が、 前処理フ ィ ル タ E と湿 フ ィ ル タ 2 と を通過 した後に供給される こ と に よ り 、 燃料 池本休 A内で発電がな さ れる。 即ち、 燃料極 Kで水素 リ ツ チ ガスが水素イ オ ン と fg子と に 分解され、 水素イ オ ンは固休高分子膜 J を通って空気極 Gに移動 し、 電子は外部回路を通って空気極 Gに流れ込み、 これらが空気 極 Gに供給された空気中の酸素と反応して水が生成される。

この際、 外気から取り込まれた空気中には鹿埃、 塩分等の不純 物が含まれてお り、 前処理フ ィ ル タ E を通過する際に粗い塵埃が 除去され、 空気フ ァ ン F によ り送風されて湿潤フ ィ ル タ 2 を通過 する際に、 前処理フ ィ ルタ Eでは除去されなかつた微細な鹿埃や 塩分等の不純物が除去される。 湿 フ ィ ル タ 2 は、 前記のよ う に ほぼ均一な湿潤状態に保持されてい る ので、 効率良 く 不純物の除 去を行う こ とが可能であ る。

こ のよ うにして、 空気極 Gには清铮な反応空気が供給される こ と から、 空気中の不純物が空気極 Gに付着した り或は空気極 Gで 生成する水に溶解する こ とがな く 、 従ってガス拡散性が低下した り、 溶解生成する不純物カ チ オ ン に よ り固休高分子或は電解質層 である固体高分子膜 J の 導性が低下した り、 出力特性が劣化す る と い っ たマ イ ナ ス現象を防止する こ と がで き る。

前記冷却水流通経路 Qから分岐した水は、 水 入管 7から ノ ズ ノレ 8又は小孔から湿 mフ ィ ルタ 2 に喷霧供給され、 微細な鹿埃、 塩分等の不純物を含む汚 m水は湿 フ ィ ル タ 2を流下して排液管 9からハウ ジ ン グ 4外に排出され、 水処理装 S 1 0 において '净化 された後に？令却水流通経路 Q に合流する。 こ のよ う に し て、 冷却 水は循環バィ パスに沿つて循 mし 利用される。

又、 空気極 Gに供給される淸 な反応空気は、 湿潤フ ィ ル タ 2 を通過する際に適度に湿酒されるため、 前記固体高分子膜 j が乾 燥した反応空気に噁される こ と はな く 、 固体高分子膜 j が乾燥し て電導性が低下する現象を防止する こ とができ る。

図 2 の燃料電池発電シ ス テ ム S においても同様に、 燃料処理装 置 C に炭化水素系燃料が供給され、 水素 リ ツ チ ガ ス に改質される と共に燃料電池本休 Aの燃料極 Kに供給され、 空気極 Gには外気 から取り込まれた空気が、 前処理フ ィ ル タ E と湿潤フ ィ ル タ 2 と を通過した後に供給され、 燃料電池本体 A内で前記のよ う に発電 がなされる。

この場合も、 外気から取り込まれた空気は、 前処理フ ィ ル タ E を通過する際に粗い塵埃が除去され、 空気フ ァ ン F に よ り送風さ れて湿潤フ ィ ル タ 2 を通過する際に、 前処 iフ ィ ル タ E では除去 されなかっ た微細な鹿埃や塩分等の不純物が除去される。 こ の 際、 湿潤フ ィ ル タ 2は、 ほぼ均一な湿潤状態に保持されているの で、 効率良 く 不純物の除去を行う こ と がで き る。

空気極 Gには洁 な反応空気が供給される こ とから、 空気中の 不純物が空気極 Gに付 ¾f した り或は空気極 Gで生成する水に溶解 する こ とがな く 、 こ のためガス拡散性の低下、 固体高分子或は 解質層である固体高分子胶 J の 性の低下、 及び出力特性の劣 化を防止する こ とができ る。

前記燃料処理装 S Cから取り込んだ水は、 水 ¾入 !？ 7か ら ノ ズ ノレ 8又は小孔から湿 Mフ ィ ル タ 2 に "i ¾供給され、 不純物を含む 汚濁水は湿潤フ ィ ル タ 2 を流下して俳液管 9 か ら ハ ウ ジ ン グ 4外 に排出され、 水処理装置 1 0 にて淨化された後に？令却水流通経路 Qに合流する。

この場合も、 前記空気極 Gに仉給される溃 nな反応空気は、 湿 潤フ ィ ル タ 2を通過する際に適 に湿潤されるため、 前記固休 Ά 分子膜 J が乾燥せず電導性が低下する こ とがない。

図 1及び図 2に示す湿潤フ ィ ル タ 2 の性能を検証するために、 不純物ガス成分と して 5 S¾量％の塩水を含む模擬反応空気を反応 空気供給装置に流し、 得ら れた反応空気中の塩水濃^を測定し た。 その結果、 図 1 、 図 2のいずれの場合においても、 湿潤フ ィ ル 夕 2で処理された空気の塩分濃度は塩分濃度測定装置の検出限 界以下に低下した。 又、 同様に微細な塵埃を含むガスに関しても 充分な除去性能を有する こ とが実証された。

又、 図 1 (実施例） 及び図 5 (比蛟例） の燃料電池発電シ ス テ ムに 5重量％の塩水を含む模擬反応空気と、 純水素ガス と を供給 して運転した結¾得られた電池電圧の経時変化を図 5 に示す。 同 図から分かる よ う に、 本実施例の燃料電池発 シ ス テ ム によれ ば、 運転時間の增大に伴 う電池電圧の低下を抑 する こ とがで き、 信頼性に優れた燃料電池発^シ ス テ ムを提供する こ とができ る。

(発明の効果）

以上説明したよ う に、 本発明は、 燃料電池発電シ ス テ ム の反応 空気供給装置において、 空気中に含まれる不純物を除去する不純 物除去手段と して湿潤させた空気フ ィ ル タを備える構成と したの で、 前処理フ ィ ル タ で除去し きれない微細な鹿埃、 塩分等の不純 物を効率良 く 付着して除去する こ とが可能とな り、 淸 な反応空 気を燃料電池本体の空気極に供給する こ と がで き る。 これに よ り、 従来不純物を含む反応空気がその ま ま空気極に供給される こ とで発生していたガス拡散性の低下、 及び溶解生成する不純物力 チオンの影響による固体高分子膜の電導性の低下を阻止し、 これ らに起因する燃料電池のセル特性が低下する といつた問题を解消 する こ とができ る。

又、 反応空気の加温は、 湿潤フ ィ ルタを通過する際に行われる という二次的効果もあ り 、 固休高分子膜の乾燥による電導性の低 下を阻止し、 燃料電池の電圧が低下する とい う f !]题も解消する こ とが可能とな り、 燃料電池の信顿性を向上させる と共に長寿命化 を図るこ とができ る。 産業上の利用可能性

本発明の燃料電池発電シ ス テ ムは、 燃料電池の空気極に供給す る空気中に含まれる微細な鹿埃、 塩分等の不純物を ΠΠ便且つ効率 良 く 除去して、 燃料電池の出力特性の劣化を防止する と共に、 空 気極に供給する空気を適度に加湿する こ とで、 固体高分子股の n 導性の低下を防止でき るので、 鹿荬上有用である。

Claims

請求の範囲

1 . 燃料電池本体の酸化剤ガス供給経路内に少な く と も 1 箇所以 上、 水供給手段によ り湿 状態が保持された湿潤フ ィ ル タ を備え ている こ とを特徴とする燃料電池発電シ ス テ ム。

2 . 湿潤フ ィ ル タは、 吸水性或は親水性を有する シ ー ト状多孔性 材料で構成された諮求项 1 記 ¾の燃料電池発電シ ス テ ム。

3 . 湿潤フ ィ ル タ は、 少な く と も 2層以上の吸水性或は親水性を 有するシ 一 ト状多孔性材料が fli]隔を隔てて配 Eされた構成である 請求； TM 1 記載の燃料 ¾池発電シ ス テ ム。

4 . 燃料電池本体の冷却水流通経路或は加湿水流通経路と、 湿潤 される湿潤フ ィ ル タ とを連通する経路を宵し、 こ の経路よ り供給 される水によ り前記湿潤フ イ ルク の湿 ί|ϊ|状態を保持する請求项 1 記載の燃料電池発電シ ス テ ム。

5 . 燃料電池本体から排出される未反応空気中の生成水を打 Ι'ί集す るための凝縮手段を有し、 こ の凝縮手段によ り拙 された水を湿 潤フ ィ ル タ の湿潤用と して利用する請求项 1 記載の燃料電池発電 シ ス テ ム。

6 . 燃料電池シ ス テ ム外から ^給される水の一部を、 湿潤フ ィ ル タ の湿潤用と し て利用する請求: ΤΠ 1 記載の燃料 ; !池発電シ ス テ ム

7 . 投入燃料を改質して水素 リ ッ チな改質ガ スを生成させる燃料 処理装置を有する燃料電池シ ス テ ム に おいて、 前記燃料処理装置 から回収される水を湿潤フ ィ ル タ の湿潤用と して利用する請求項 1記載の燃料電池発電シ ス テ ム。

8 . 湿潤フ ィ ル タ と水供給手段とが相互に接触している構造を有 する請求項 1， 4， 5， 6又は 7記載の燃料電池発電シ ス テ ム。

9 . 湿潤フ ィ ル タ への水供給手段が、 その湿潤フ イ ル ク と問隔を あけて配置され、 こ の水供給手段によ り水を喷霧或は滴下させる こ と によ り前記湿潤フ イ ル ク に水が供給される描造を有する請求 項 1， 4， 5 , 6又は 7記載の燃料電池発電シ ス テ ム。

1 0 . 湿潤フ イ ル クへの水佻給手段が、 その湿潤フ ィ ル タ の下方 に設置された貯水糟であ り 、 こ の貯水桫の水と前記湿 フ ィ ル タ とを接触させる こ とによ り湿^フ ィ ル タ の湿潤状態が保持される 請求項 1， 4， 5 , 6又は 7記服の燃料 ΫΕ池発電シ ス テ ム。