JP3702011B2

JP3702011B2 - 燃料電池及びその運転方法

Info

Publication number: JP3702011B2
Application number: JP22923195A
Authority: JP
Inventors: 光雄唐金; 雅敏上田; 一成大北; 晋吾鷲見; 邦弘中藤
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 1995-09-06
Filing date: 1995-09-06
Publication date: 2005-10-05
Anticipated expiration: 2015-09-06
Also published as: JPH0973911A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池本体からの未反応の燃料ガスを燃焼させる触媒燃焼器を備えた燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、小型のポータブル電源としてポータブル燃料電池が開発されている。このポータブル燃料電池は、数百ワット程度の発電が可能であり、従来から利用されているエンジンによって発電機を駆動させて発電するポータブル電源と比べて、大気汚染物質の排出が少ない点、騒音の発生が少ない点で優れている。
【０００３】
一般的にポータブル燃料電池は、リン酸型の発電セルが積層されてなる燃料電池本体を備え、これに空気を送り込む空気供給ファンや、燃料ガスとしての水素を送り込む水素吸蔵合金タンク等が、ケースに収納されて構成されており、その運転時においては、空気供給ファンによって送り込まれる空気と、水素供給源から供給される水素とを用いて発電を行うようになっている。
【０００４】
このようなポータブル燃料電池においては、できるだけ簡素な構成で、性能よく運転することができるよう考慮されており、空気供給ファンから燃料電池本体に送り込まれる空気で燃料電池本体を冷却する一方、燃料電池本体から排出される高温の排空気を水素吸蔵合金タンクの加温に用いるといった工夫もなされている。
【０００５】
ところで、燃料電池本体からは未反応の燃料ガスが排出されるため、ポータブル燃料電池には、通常、この未反応水素を処理するための触媒燃焼器が備えられている。この触媒燃焼器には白金触媒等が保持された触媒層が備えられており、この触媒層に未反応水素と空気との混合物を導いて触媒燃焼するようになっている。
【０００６】
従って、触媒燃焼器を作動させるためには、これに空気を送り込む必要があるが、送り込まれる空気の量が少なすぎると、温度が上昇し過ぎて触媒の劣化が早まり触媒燃焼器の性能が低下するという問題が生じる。そこで、ポータブル燃料電池においては、燃料電池本体に空気を送り込むファンとは別個に、小型の燃焼器用ファンを設置して触媒燃焼器に必要な量の空気を送り込むことが考えられる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このように別個の燃焼器用ファンを設置することは、ポータブル燃料電池の全体の構成をできるだけ簡素にするという観点からは、好ましいことではない。
従って、触媒燃焼器の性能を確保できるようにしながら、ポータブル燃料電池の構成を簡素にすることが、ポータブル燃料電池の設計上の課題の一つということができる。
【０００８】
また、このような課題は、ポータブル燃料電池だけに限られず、燃料電池本体から排出される未反応の燃料ガスを処理する触媒燃焼器を備えた燃料電池であれば、同様に存在すると考えられる。
本発明は、このような課題に鑑み、燃料電池本体から排出される未反応の燃料ガスを処理する触媒燃焼器を備えた燃料電池の設計に工夫をこらすことによって、燃料電池本体に空気を送り込むファンとは別のファンを設けることなく、触媒燃焼器の性能を確保することのできる燃料電池及びその運転方法を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、空気と燃料供給源から供給される燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池本体と、燃料電池本体に第１の流通路を介して空気を送風する送風ファンと、電池本体から排出される未反応の燃料ガスと酸素供給手段より第２の流通路を介して取り込まれた酸素とを触媒燃焼する触媒燃焼器とを備えた燃料電池において、送風ファンと酸素供給手段とを共用すると共に、第１の流通路と第２の流通路とを並行して設けたことを特徴としている。
【００１０】
このような構成により、従来のようにファンを別途に設置しなくても、触媒燃焼器は、送風ファンからの空気の流通路から燃焼用の空気を取り込んで触媒燃焼を行うことができる。また、触媒燃焼器は、送風ファンからの空気の流通路に介在することによって十分な空気に接して空冷されるので、高温による触媒劣化を回避することができる。
【００１１】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明に対して、燃料電池本体の上流側に設けられ、触媒燃焼器から排出された燃焼ガスと送風ファンから第１の流通路を介して送風された空気とが合流する合流部を備えることを特徴としている。
【００１２】
この場合、未反応燃料ガスを触媒燃焼することによって高温となった空気（以下燃焼空気と記載する）は、触媒燃焼器から燃料電池本体に送り込まれる空気の通路に戻される。従って、燃料電池本体における空気の入口側と出口側との温度差を小さくする効果を奏する。
【００１３】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の発明の運転方法であって、触媒燃焼器を、送風ファンから送風される空気により空冷することを特徴としている。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明の運転方法であって、燃料電池本体へ送風される空気を、触媒燃焼器から排出された燃焼ガスにより昇温することを特徴としている。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明についての実施例について、図面を参照しながら説明する。
（実施例１）
［ポータブル燃料電池の構成の説明］
図１は、本実施例に係るポータブル燃料電池の斜視図である。説明上、図１における矢印Ａの方向を前方、矢印Ａと直交する水平方向を横方向とする。
【００１６】
このポータブル燃料電池は、ポータブルサイズのケース１の中に、水素と空気の供給を受けて発電を行うリン酸型の燃料電池本体２と、貯蔵している水素を燃料電池本体２に供給する水素吸蔵合金タンク６と、燃料電池本体２に空気を供給する空気供給ファン８と、燃料電池本体２から排出される未反応水素を処理する触媒燃焼器１０と、外部に供給する電力の電圧を一定に制御するＤＣ−ＤＣコンバータ２０と、これら各部の動作を制御するための制御装置２１等が収納されて構成されている。
【００１７】
ケース１はジュラルミン等の軽金属で直方体状に形成されており、その上部には、空気取入口４１と空気排出口４２とが設けられている。なお、図１において、ポータブル燃料電池の内部構造を示すため、ケース１の上面，前面，一方の側面は透視して描かれている。
燃料電池本体２は、直方体状の電池スタック３と、電池スタック３の上面を覆い電池スタック３に水素を分配する分配マニホールド４と、電池スタック３の下面を覆い電池スタック３からの未反応水素を回収する回収マニホールド５とから構成されており、ケース１の中央下部に設置されている。
【００１８】
電池スタック３の構成については、図示しないが、所定枚数（例えば３０枚）の長方形状のリン酸型の発電セルがバイポーラプレートを介して横方向に積層され、その積層体の両端が端板で締め付けられて構成されている。
この燃料電池本体２において、分配マニホールド４に供給される水素ガスは、電池スタック３内を下方向に流れながら発電セルに供給され、未反応水素が回収マニホールド５で回収される。一方、電池スタック３の前面に供給される空気は、電池スタック３内を後方向に流れながら、発電セルに供給されると共に燃料電池本体２を空冷し、高温の排空気が電池スタック３の後面から排出される。
【００１９】
ケース１の内部には、この燃料電池本体２の後面，上面，前面に沿って、仕切り板３１，３２，３３が設けられている。
ケース１の内部は、仕切り板３１によって前後に仕切られ、その後方に後部空間３４が形成されている。また、仕切り板３１の前方空間は、仕切り板３２によって上下に仕切られ、その上方に上部空間３５が形成され、更にその下方の空間は仕切り板３３によって前後に仕切られ、その前方に前部空間３６が形成されている。なお、仕切り板３１及び仕切り板３３の電池スタック３と対向する部分は、電池スタック３に出入りする空気が流通できるよう開口されている。
【００２０】
水素吸蔵合金タンク６は、水素吸蔵合金を充填した複数本（図示例では５本）の水素吸蔵合金タンク単体６ａが連結されており、後部空間３４内に装着できるようになっている。そして、水素吸蔵合金タンク６と分配マニホールド４とは、水素導入管（不図示）で連結され、分配マニホールド４に水素が供給されるようになっている。
【００２１】
燃料電池本体２と水素吸蔵合金タンク６との間には、燃料電池本体２からの排空気の流れを調整するダンパ７（図１では図示しない。図２参照）が設けられている。ダンパ７の開状態においては、燃料電池本体２からの排空気が水素吸蔵合金タンク６に当たってこれを加熱し、閉状態においては、排空気が上方に排出され、水素吸蔵合金タンク６を加熱しないようになっている。なお、上述した空気排出口４２は、水素吸蔵合金タンク６の上方に設けられている。
【００２２】
空気供給ファン８は、その中央部分に吸気口８ａ，下側に送風口８ｂを備え、上部空間３５内で前部空間３６の上方位置に設置されている。なお、仕切り板３２の送風口８ｂと対する部分は開口され、送風口８ｂからの空気が仕切り板３２を通過できるようになっている。
触媒燃焼器１０は、上面と下面が開放された直方体状の外装板１１と、この外装板１１内の上部空間に挿入された棒状の水素供給ノズル１２と、外装板１１内部の下部空間に充填された触媒層１３とから構成されており、前部空間３６内で仕切り板３２の下方に設置された支持板３７によって、前部空間３６内の前方に固定されている。
【００２３】
なお支持板３７には、その上方からの空気が、適度な比率で触媒燃焼器１０の中側と外側とに分配されて下方に流れるよう、開口部３７ａと開口部３７ｂとが開設されている。また、図示はしないが、回収マニホールド５から水素供給ノズル１２までの間には、未反応水素を導く水素導入管が設けられている。
触媒層１３は、ハニカム状の保持体に白金触媒が保持されて形成され、ここを通過する未反応水素と空気との混合物を触媒燃焼するようになっている。
【００２４】
このような触媒燃焼器１０において、その上面から取り込まれた空気を用いて、回収マニホールド５からの未反応水素が触媒燃焼され、高温の燃焼ガスがその下面から排出される。
ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び制御装置２１は、上部空間３５内に重ねて設置されている。なお、上述した空気取入口４１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０及び制御装置２１に沿った位置に開設され、これらを効率よく空冷できるようになっている。なお、図には示さないが、前部空間３６内には、起動時に空気供給ファン８から燃料電池本体２に送られる空気を加熱する起動用ヒータが設置されている。
【００２５】
［ポータブル燃料電池の運転時の動作の説明］
図２（ａ）は、図１に示すポータブル燃料電池のＸ−Ｘ線概略断面図であって、図中に空気の流れが白抜き矢印で示されている。また、図２（ｂ）は、水素及び空気の流れを示すフロー図である。図２（ａ），（ｂ）を参照しながら、上記構成のポータブル燃料電池の運転時の動作について説明する。
【００２６】
運転中、制御装置２１は、水素吸蔵合金タンク６の圧力に基づいてダンパ７を開閉して水素吸蔵合金タンク６の加熱を調節する（即ち圧力が所定値より低いときは開き、所定値より高いときは閉じる）。これにより、水素吸蔵合金タンク６の内部圧力は適度な値に制御され、燃料電池本体２に安定して水素を供給する。
また、空気供給ファン８は、燃料電池本体２で発電した電力の一部を用いて駆動するようになっているが、制御装置２１は、燃料電池本体２の温度に基づいて、空気供給ファン８の出力を制御するので、燃料電池本体２は所定の運転温度に保たれる。
【００２７】
水素吸蔵合金タンク６から燃料電池本体２に供給された水素は、電池スタック３内を下方向に流れながら発電に供給された後、未反応水素は触媒燃焼器１０に導入される。
空気供給ファン８によって外部から取り込まれて前部空間３６に送り込まれる空気は、開口部３７ａと開口部３７ｂとに分配される。開口部３７ａを通った空気は触媒燃焼器１０を通過しながら、未反応水素と混合してその燃焼に用いられ、燃焼空気は触媒燃焼器１０から排出され、開口部３７ｂを通過した空気と合流して、燃料電池本体２へと流れ込む。
【００２８】
ここで、触媒燃焼器１０は、その内部を通過する空気と、開口部３７ｂを通過して外装板１１の外側を流れる空気とによって空冷されるが、空気供給ファン８の送風量は十分大きいので、触媒燃焼器１０が高温となって触媒劣化を引き起こすようなことはない。
燃料電池本体２に供給された空気は、電池スタック３内を後方向に流れながら発電に供給されると共に、燃料電池本体２を空冷する。ここで、燃料電池本体２においては空気の入口側が出口側より温度が低くなるという温度分布の不均一が生じる傾向にあるが、本実施例では、上記のように燃料電池本体２に流れる空気に高温の燃焼空気が混合されるため、上記の温度分布の不均一を抑制する効果を奏する。
【００２９】
このように制御装置２１による制御のもとで空気と水素の供給を受け、燃料電池本体２で発電される電力は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０で電圧変換され外部に供給される。
なお、ＤＣ−ＤＣコンバータ２０や制御装置２１は、運転中には発熱により徐々に温度が上昇するが、常に外部からの空気にさらされているので、過度の温度上昇が防止される。
【００３０】
（実施例２）
図３（ａ）は、本実施例のポータブル燃料電池の構成を示す概略断面図であって、図中に空気の流れを白抜き矢印で示している。また、図３（ｂ）は、本実施例のポータブル燃料電池における水素及び空気の流れを示すフロー図である。説明上、実施例１と同様の構成要素については、同じ番号を付しその説明を省略する。
【００３１】
本実施例のポータブル燃料電池は、実施例１のポータブル燃料電池と同様の構成であるが、触媒燃焼器１０の下面から排出される燃焼空気を後部空間３４に送出するダクト５０が設けられている。
このダクト５０は、触媒燃焼器１０の下面から下方に延びる垂直ダクト部５１と、その下端から後方に延設された水平ダクト部５２とからなり、水平ダクト部５２は、角筒形状であって、前部空間３６から、燃料電池本体２の片側の側面とケース１との間隙を通過し、後部空間３４にわたって設けられている。
【００３２】
本実施例のポータブル燃料電池の運転時においては、触媒燃焼器１０から排出される高温の燃焼空気は、燃料電池本体２へ流れ込むことなく、ダクト５０を通って後部空間３４の下部に流れ込み、燃料電池本体２から排出される排空気と混合されて後部空間３４を上昇し、空気排出口４２から外部に排出される。
本実施例においても、触媒燃焼器１０が、その内部を通過する空気と外装板１１の外側を流れる空気とによって十分空冷される効果については、実施例１と同様である。
【００３３】
本実施例では、実施例１のように燃料電池本体２の温度分布の不均一を抑制する効果はないが、起動時に、触媒燃焼器１０から排出される高温の燃焼空気を水素吸蔵合金タンク６に当てて加熱し水素吸蔵合金タンク６からの水素の発生を高めることにより、起動時間を短縮することができる。
（参考例１）
図４（ａ）は、本参考例のポータブル燃料電池の構成を示す概略断面図であって、図中に空気の流れを白抜き矢印で示している。また、図４（ｂ）は、本参考例のポータブル燃料電池における水素及び空気の流れを示すフロー図である。説明上、実施例１と同様の構成要素については、同じ番号を付しその説明を省略する。
【００３４】
本参考例のポータブル燃料電池は、実施例１のポータブル燃料電池と同様の構成であるが、触媒燃焼器１０が後部空間３４の上部に設けられ、燃料電池本体２から排出される排空気は、すべて触媒燃焼器１０を通過するように構成されている。
本参考例では、触媒燃焼器１０では下から上に空気が流れるので、触媒燃焼器１０の上下の向きは実施例１と反対である。また、水素吸蔵合金タンク６は、触媒燃焼器１０の下方に設けられている。
【００３５】
本参考例においても、触媒燃焼器１０が、その内部を通過する空気によって十分空冷される。
また、リン酸型の燃料電池の場合、運転時に燃料電池本体の排空気中に有機物等の不純物が含まれ、温度の低い起動時においては、その不純物が燃料電池本体からの排空気に混ざって排出されるという問題があるが、本参考例のポータブル燃料電池の運転時においては、このような不純物が燃料電池本体２から排出されても、触媒燃焼器１０中でその不純物が触媒燃焼により処理される。従って、起動時における前記不純物の排出が防止できる。
【００３６】
（参考例２）
図５（ａ）は、本参考例のポータブル燃料電池の構成を示す概略断面図であって、図中に空気の流れを白抜き矢印で示している。また、図５（ｂ）は、本参考例のポータブル燃料電池における水素及び空気の流れを示すフロー図である。説明上、実施例１と同様の構成要素については、同じ番号を付しその説明を省略する。
【００３７】
本参考例のポータブル燃料電池は、参考例１のポータブル燃料電池と同様の構成であるが、参考例１においては燃料電池本体２からの排空気がすべて触媒燃焼器１０を通過するようになっているのに対して、本参考例においては、燃料電池本体２からの排空気の一部だけが触媒燃焼器１０を通過するようになっている。
本参考例においては、後部空間３４内に、燃料電池本体２からの排空気を上下に分割する仕切り板３８が設けられている。そして、触媒燃焼器１０は仕切り板３８上に設けられ、仕切り板３８の下側から触媒燃焼器１０内に空気が流れ込むようになっている。
【００３８】
このような構成により、燃料電池本体２から排出される排空気の中で、仕切り板３８の上側に排出されるものは触媒燃焼器１０を通過せず外部に排出され、仕切り板３８の下側に排出されるものは触媒燃焼器１０を通過して外部に排出される。
本参考例においても、触媒燃焼器１０が、その内部を通過する空気と外装板１１の外側を流れる空気とによって十分空冷される。
【００３９】
また、仕切り板３８の位置を調整することによって、触媒燃焼器１０に流れ込む排空気の量と、直接外部に排出される排空気の量との比率を調整することができる。また、仕切り板３８の下側に排出された排空気は、触媒燃焼器１０中で不純物が触媒燃焼されるので、起動時における排空気の脱臭効果をその分だけ得ることができる。
【００４０】
なお、上記実施例１、２、参考例１及び２においては、水素吸蔵合金タンクを備えたポータブル燃料電池の例を示したが、水素吸蔵合金タンクを備えず、例えば外部の水素ボンベから水素の供給を受けて運転するポータブル燃料電池においても同様に実施することができる。また、燃料ガスとしては、水素に限られず、水素リッチな燃料ガスであれば同様に実施することができる。
【００４１】
また、上記実施例１、２、参考例１及び２においてはポータブル燃料電池の例を示したが、本発明は、燃料電池本体に空気を送り込むファンと、未反応の燃料ガスを処理する触媒燃焼器を備えた燃料電池であれば、同様に実施することができる。
【００４２】
【発明の効果】
請求項１〜４記載の発明によれば、触媒燃焼器は、燃料電池本体に空気を送り込む送風ファンからの空気の流通路から取り込んだ空気で触媒燃焼させることができ、また触媒燃焼器の空冷も十分行うことができるので、従来のようにファンを別途に設置しなくても触媒燃焼器の性能を確保することができ、燃料電池の構成を簡素化することができる。
【００４３】
請求項２及び請求項４記載の発明によれば、更に燃料電池本体における空気の入口側と出口側との温度差を小さくする効果により、燃料電池本体の電池特性の向上や長寿命化に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１に係るポータブル燃料電池の斜視図である。
【図２】図１に示すポータブル燃料電池のＸ−Ｘ線概略断面図、及びそのポータブル燃料電池における水素及び空気の流れを示すフロー図である。
【図３】実施例２のポータブル燃料電池の構成を示す概略断面図、及びそのポータブル燃料電池における水素及び空気の流れを示すフロー図である。
【図４】参考例１のポータブル燃料電池の構成を示す概略断面図、及びそのポータブル燃料電池における水素及び空気の流れを示すフロー図である。
【図５】参考例２のポータブル燃料電池の構成を示す概略断面図、及びそのポータブル燃料電池における水素及び空気の流れを示すフロー図である。
【符号の説明】
２燃料電池本体
６水素吸蔵合金タンク
８空気供給ファン
１０触媒燃焼器
３７支持板
５０ダクト

Claims

空気と燃料供給源から供給される燃料ガスとを用いて発電を行う燃料電池本体と、前記燃料電池本体に第１の流通路を介して空気を送風する送風ファンと、前記電池本体から排出される未反応の燃料ガスと酸素供給手段より第２の流通路を介して取り込まれた酸素とを触媒燃焼する触媒燃焼器とを備えた燃料電池において、
前記送風ファンと前記酸素供給手段とを共用すると共に、前記第１の流通路と前記第２の流通路とを並行して設けたことを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、
前記燃料電池本体の上流側に設けられ、前記触媒燃焼器から排出された燃焼ガスと前記送風ファンから前記第１の流通路を介して送風された空気とが合流する合流部を備えることを特徴とする燃料電池。
請求項１記載の燃料電池において、
前記触媒燃焼器を、前記送風ファンから送風される空気により空冷することを特徴とする燃料電池の運転方法。
請求項２記載の燃料電池において、
前記燃料電池本体へ送風される空気を、前記触媒燃焼器から排出された燃焼ガスにより昇温することを特徴とする燃料電池の運転方法。