JP5063619B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池特に固体高分子形燃料電池は、電解質膜の一方の面にアノード電極、他方の面にカソード電極を接合してなる膜電極接合体（以下、ＭＥＡと称す）と、反応ガス（燃料ガスと酸化剤）を流通させるプレートと、冷却水等の熱媒体を流通させるプレートとを組み合わせてこれらを複数枚積層一体化することにより電池スタックが構成される。そして、膜電極接合体のアノード電極側には燃料ガスを、カソード電極側には空気等の酸化剤を供給し、電解質膜を介して電気化学反応を生じさせることで直流電力を発電するようにしてある。

上記固体高分子形燃料電池において、電解質膜は発電中にプロトン透過性を充分発揮させるために湿潤していることが要求される。このため、従来は反応ガスを加湿器で加湿した後に燃料電池に供給し、反応ガス中に含まれている水蒸気により電解質膜を濡らして湿潤状態を維持するようにしている。

ところが、加湿した反応ガスを電池スタックのプレートに供給すると、プレートのガス入口付近で冷やされて反応ガスの露点が低下し、反応ガス中の水蒸気がガス流路内で凝縮して付着する現象が生じる。ガス流路に凝縮水が付着すると、反応ガスの流通が阻まれて複数の流路へのガス分配が不均一になったり、電極へのガス供給が不足したりして発電性能の低下を招くことになる。このような凝縮水に起因する発電性能の低下を防止する手段としては、例えばガス流路に吸水材を設けたり、或はガス流路の中間部から未加湿ガスを供給して凝縮水を除去する等の先行技術が開示されている（例えば、特許文献１）。

又、固体高分子形燃料電池は、正常運転を続行するために運転温度が約８０℃に設定されているが、電気化学反応は発熱反応であるため電池スタックの温度が昇温される。このため、従来は電池スタックのプレートに冷却水等の熱媒体を供給して冷却し、電池スタックを適正運転温度に保持するようにしている。熱媒体としての冷却水供給手段としては、燃料電池と水タンクとを連結した冷却水の循環経路を構成し、水タンクからポンプを介して燃料電池に供給するのが一般的である（例えば、特許文献２）。

特開平６−８９７３０号公報 特開平１０−５５８１２号公報

上記従来の凝縮水除去手段によると、ガス流路に関連させて吸水材を取り付けたり、或はガス流路の中間部に未加湿ガスの供給孔を設けたりする必要があり、その取付作業や孔加工等に手間が掛かる問題がある。又、上記従来の冷却水供給手段によると、構成は簡単であるが高温（７８〜８０℃）となって燃料電池から排出される冷却水の熱を有効利用できない問題がある。

本発明は、上記従来技術における問題を解決するためになされ、ガス流路に何ら加工を施すことなく凝縮水対策が可能であり、又燃料電池から排出される熱媒体の熱を有効利用できるようにした燃料電池及び燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記の目的を解決するための手段として、本発明の請求項１は、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路が設けられたバイポーラプレートと、一方の面に燃料流路、他方の面に熱媒体流路が設けられ、その燃料流路側の面を前記バイポーラプレートの酸化剤流路側の面に向かい合わせに対向させ、その間に膜電極接合体を挟んで位置付けられるアノー
ド冷却プレートと、一方の面に酸化剤流路が設けられ、他方の平面側を前記アノード冷却プレートの熱媒体流路側の面に対向させて位置付けられるカソード冷却プレートとを有し、前記カソード冷却プレートに対して、その酸化剤流路側の面に前記バイポーラプレートと同じ構成のバイポーラプレートの燃料流路側の面を向かい合わせに対向させると共に、その間に前記膜電極接合体と同じ構成の膜電極接合体を挟み込んで当該バイポーラプレートが位置付けられ、このように各プレートを組み合わせて複数積層して電池スタックが構成される燃料電池と、
前記燃料電池に連結され、この燃料電池に供給される酸化剤としての空気を加湿する空気加湿器及び／又は前記燃料電池に供給される燃料を加湿する燃料加湿器と、
前記空気加湿器に連結され、前記燃料電池から排出される空気と前記空気加湿器に供給される前の反応ガスとの間で全熱交換させる全熱交換器と、
前記燃料電池と前記空気加湿器及び／又は前記燃料加湿器とを連結した熱媒体循環経路とを備え、
前記燃料電池の運転時は、反応ガス（燃料ガスと酸化剤）のうち少なくとも一方の反応ガスの入口領域においては、当該反応ガスの露点は前記熱媒体の温度以下に設定すると共に、前記一方の反応ガスの出口領域においては、当該反応ガスの露点は前記熱媒体の温度以上に設定することを特徴とする燃料電池システムを要旨とする。

以上説明したように本発明に係る請求項１の発明によれば、一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路を設けたバイポーラプレートと、一方の面に燃料流路、他方の面に熱媒体流路を設けたアノード冷却プレートと、一方の面に酸化剤流路、他方の面は平面のカソード冷却プレートとを膜電極接合体を介して組み合わせることにより、電池スタックを積層一体化した構成の燃料電池において、反応ガスの入口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以下、反応ガスの出口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以上に設定したので、反応ガス入口領域では反応ガス中の水蒸気の結露を防止することができ、これにより反応ガス流路に何ら加工を施すことなく凝縮水対策が可能となると共に、出口領域では反応ガス中の水蒸気の結露を強制的に行うことができ、圧力損失を平準化してガス分配を均一化することができ、これにより反応ガスの流通を良好にして燃料電池の発電性能を向上させることができる。
又、前記燃料電池に空気加湿器及び／又は燃料加湿器を連結し、燃料電池から排出される熱媒体をこれら加湿器に導入して熱交換させるので、燃料電池から排出される熱媒体の熱を有効利用することができる。

更に、前記燃料電池に全熱交換器を連結し、燃料電池から排出される空気と前記空気加湿器に供給する前の反応ガスとの間で全熱交換させるので、燃料電池から排出される未反応酸化剤（空気）の熱を有効利用することができる。

本発明に係る燃料電池システムにおける電池スタックの一部の構成要素を示す概略断面図である。 電池スタックに組み込まれたバイポーラプレートを示すもので、（ａ）は燃料流路側の平面図、（ｂ）は酸化剤流路側の平面図である。 電池スタックに組み込まれたアノード冷却プレートを示すもので、（ａ）は燃料流路側の平面図、（ｂ）は水流路側の平面図である。 電池スタックに組み込まれたカソード冷却プレートを示すもので、（ａ）は酸化剤流路側の平面図、（ｂ）は流路が形成されていない側の平面図である。 本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す構成図である。

次に、本発明に係る燃料電池システムの実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。図１は、燃料電池スタックの一部の構成要素を示す概略断面図である。図１において、１はバイポーラプレートであり、一方の面に凹溝状の燃料流路１ａがストレートに並設され、他方の面には同じく凹溝状の酸化剤流路１ｂがストレートに並設されている。

図２（ａ）は、バイポーラプレート１の燃料流路側の平面図であり、燃料流路１ａの入口には各燃料流路１ａに連通する凹部状の入口ヘッダ部１ｃが設けられ、この入口ヘッダ部１ｃは燃料供給用マニホールド１ｄに連結している。又、燃料流路１ａの出口には各燃料流路１ａに連通する凹部状の出口ヘッダ部１ｅが設けられ、この出口ヘッダ部１ｅは燃料排出用マニホールド１ｆに連結している。更に、燃料流路１ａの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部１ｇが取り付けられて各燃料流路１ａの断面積が縮小されている。これにより、燃料ガスは燃料供給用マニホールド１ｄから入口ヘッダ部１ｃに流入し、流路抵抗発生部１ｇにより加速されて各燃料流路１ａに流れ込み、燃料流路１ａの出口から出口ヘッダ部１ｅに排出されて合流すると共に、燃料排出用マニホールド１ｆに排出される。

図２（ｂ）は、バイポーラプレート１の酸化剤流路側の平面図であり、酸化剤流路１ｂの入口には各酸化剤流路１ｂに連通する凹部状の入口ヘッダ部１ｈが設けられ、酸化剤流路１ｂの出口には各酸化剤流路１ｂに連通する凹部状の出口ヘッダ部１ｉが設けられている。酸化剤流路１ｂの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部１ｊが取り付けられて各酸化剤流路１ｂの断面積が縮小されている。これにより、酸化剤としての空気が入口ヘッダ部１ｈに流れ込み、流路抵抗発生部１ｊにより加速されて各酸化剤流路１ｂに流れ込み、酸化剤流路１ｂの出口から出口ヘッダ部１ｉに排出されて外部に排気される。尚、図２（ａ）、（ｂ）において、１ｋは水供給用マニホールドであり、１ｍは水排出用マニホールドである。

図１において、２はアノード冷却プレートであり、一方の面に凹溝状の燃料流路２ａがストレートに並設され、他方の面には同じく凹溝状の熱媒体流路２ｂがストレートに並設されている。

図３（ａ）は、アノード冷却プレート２の燃料流路側の平面図であり、燃料流路２ａの入口には各燃料流路２ａに連通する凹部状の入口ヘッダ部２ｃが設けられ、この入口ヘッダ部２ｃは燃料供給用マニホールド２ｄに連結している。又、燃料流路２ａの出口には各燃料流路２ａに連通する凹部状の出口ヘッダ部２ｅが設けられ、この出口ヘッダ部２ｅは燃料排出用マニホールド２ｆに連結している。更に、燃料流路２ａの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部２ｇが取り付けられて各燃料流路２ａの断面積が縮小されている。これにより、燃料ガスは燃料供給用マニホールド２ｄから入口ヘッダ部２ｃに流入し、流路抵抗発生部２ｇにより加速されて各燃料流路２ａに流れ込み、燃料流路２ａの出口から出口ヘッダ部２ｅに排出されて合流すると共に、燃料排出用マニホールド２ｆに排出される。

図３（ｂ）は、アノード冷却プレート２の熱媒体流路側の平面図であり、熱媒体流路２ｂの入口には各熱媒体流路２ｂに連通する凹部状の入口ヘッダ部２ｈが設けられ、この入口ヘッダ部２ｈは熱媒体供給用マニホールド２ｋに連結している。又、熱媒体流路２ｂの出口には各熱媒体流路２ｂに連通する凹部状の出口ヘッダ部２ｉが設けられ、この出口ヘッダ部２ｉは熱媒体排出用マニホールド２ｍに連結している。これにより、熱媒体としての水は熱媒体供給用マニホールド２ｋから入口ヘッダ部２ｈに流入し、各熱媒体流路２ｂに流れ込み、熱媒体流路２ｂの出口から出口ヘッダ部２ｉに排出されて合流すると共に、熱媒体排出用マニホールド２ｍに排出される。

このように構成されたアノード冷却プレート２は、燃料流路２ａ側の面を前記バイポーラプレート１の酸化剤流路１ｂ側の面に対向させ、その間にＭＥＡを挟んで位置付けられる。このＭＥＡの外周部を取り囲むようにしてガスケットＧが配設される。

図１において、３はカソード冷却プレートであり、一方の面に凹溝状の酸化剤通路３ｂがストレートに並設されている。

図４（ａ）は、カソード冷却プレート３の酸化剤流路３ｂ側の平面図であり、酸化剤流路３ｂの入口には各酸化剤流路３ｂに連通する凹部状の入口ヘッダ部３ｈが設けられ、酸化剤流路３ｂの出口には各酸化剤流路３ｂに連通する凹部状の出口ヘッダ部３ｉが設けられている。酸化剤流路３ｂの入口領域には、ノズル状の流路抵抗発生部３ｇが取り付けられて各酸化剤流路３ｂの断面積が縮小されている。これにより、酸化剤としての空気が入口ヘッダ部３ｈに流れ込み、流路抵抗発生部３ｇにより加速されて各酸化剤流路３ｂに流れ込み、酸化剤流路３ｂの出口から出口ヘッダ部３ｉに排出されて外部に排気される。図４（ｂ）はカソード冷却プレート３の酸化剤流路３ｂが形成されていない側の平面図である。尚、図４（ａ）、（ｂ）において、３ｄは燃料供給用マニホールド、３ｆは燃料排出用マニホールド、３ｋは熱媒体供給用マニホールド、３ｍは熱媒体排出用マニホールドである。

このカソード冷却プレート３は、酸化剤流路３ｂの形成されていない面側を前記アノード冷却プレート２の熱媒体流路２ｂ側の面に対向させて位置付けられる。更に、このカソード冷却プレート３に対して、酸化剤流路３ｂ側の面に前記バイポーラプレート１と同じ構成のバイポーラプレート１の燃料流路１ａ側の面を対向させると共に、その間にＭＥＡを挟みこんで当該バイポーラプレート１が位置付けられる。この場合もＭＥＡの外周部を取り囲むようにしてガスケットＧが取り付けられる。

このような順番で各プレートを組み合わせて複数枚積層し、両端部にはエンドプレート（図略）を配置し、これらをロッド等で締め付け一体化することにより電池スタックが構成される。そして、前記各プレートにおける燃料供給用マニホールド、燃料排出用マニホールド、熱媒体供給用マニホールド、熱媒体排出用マニホールドは、いずれも電池スタックの積層方向に連通した連通孔を構成する。

図５は、本発明に係る燃料電池システムの実施形態を示す構成図であり、燃料電池４の熱媒体排出口４ａに空気加湿器５を連結し、この空気加湿器５に燃料加湿器６を連結し、この燃料加湿器６に熱交換器７を連結すると共に、この熱交換器７に燃料電池４の熱媒体供給口４ｂを連結することにより熱媒体としての水の水循環経路８を構成する。

又、燃料電池４の酸化剤排出口４ｃに全熱交換器９を連結し、この全熱交換器９に前記空気加湿器５を連結し、この空気加湿器５に燃料電池４の酸化剤供給口４ｄを連結することにより酸化剤としての空気の空気供給経路１０を構成する。尚、酸化剤供給口４ｄは電池スタックの上部に取り付けた酸化剤供給用の外部マニホールド（図略）に設け、この外部マニホールドから各プレートの酸化剤流路に酸化剤としての空気を分配供給し、酸化剤排出口４ｃは電池スタックの下部に取り付けた酸化剤排出用の外部マニホールド（図略）に設け、各プレートの酸化剤流路から排出される酸化剤としての空気を合流させて酸化剤排出口４ｃから排出するように構成する。

更に、前記燃料加湿器６には燃料改質装置１１が連結され、都市ガス等の原燃料を燃料改質装置１１で水素主体の改質ガスを生成し、この改質ガスを燃料加湿器６で加湿した後、燃料電池４の燃料供給口４ｅに供給するように構成する。燃料加湿器６の内部には水が溜められており、この水に改質ガスをバブリングすることで改質ガスを加湿する。燃料電池４の燃料供給口４ｅに供給された加湿燃料ガスは、燃料供給用マニホールドにより電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れ、各プレートの燃料入口ヘッダ部に分配供給されて各燃料流路に沿って流通し、燃料流路から排出される燃料ガス（未反応に終わった燃料ガス）は出口ヘッダ部で合流し、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて外部に排出される。外部に排出される未反応燃料ガスは、燃料排出口４ｆから前記燃料改質装置の改質器バーナに送り込んで燃焼するのが一般的である。

酸化剤として外部から取り込んだ空気は、前記全熱交換器９で熱と水分を交換した後、燃料電池の酸化剤供給口４ｄ（詳しくは外部マニホールドの酸化剤供給口）に供給する。空気加湿器５の内部には水が溜められており、この水に空気をバブリングすることで空気を加湿する。燃料電池４の酸化剤供給口４ｄに供給された加湿空気は、各プレートの入口ヘッダ部に分配供給されて各酸化剤流路に沿って流通し、酸化剤流路から排出される空気（未反応に終わった空気）は出口ヘッダ部で合流し、燃料電池４の酸化剤排出口４ｃ（詳しくは外部マニホールドの酸化剤排出口）から排出される。この排出された未反応空気は、前記全熱交換器７を通って外部に排気される。

このようにして、燃料電池４に燃料ガスと酸化剤とが供給され、前記ＭＥＡの電解質膜を介して電気化学反応が生じることで直流電力が発電される。一方、前記水循環経路８内の水は、燃料電池４の熱媒体供給口４ｂに供給され、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて各アノード冷却プレート２の入口ヘッダ部に分配供給されて各熱媒体流路に沿って流通し、熱媒体流路から排出される水は出口ヘッダ部で合流し、電池スタック内の積層方向に形成された前記連通孔を流れて熱媒体排出口４ａから排出される。

アノード冷却プレート２は、前記のように熱媒体流路２ｂが燃料流路２ａと背中合わせ状態に設けられているため、このアノード冷却プレート２を冷却することができる。又、アノード冷却プレート２の熱媒体流路２ｂは、前記のようにカソード冷却プレート３の酸化剤流路が形成されていない面側に面接しているため、このカソード冷却プレート３も冷却することができる。これにより、発電中における燃料電池４を冷却して正常な運転温度（約８０℃）に保持する。

ところで、燃料電池４から排出される熱媒体としての水の温度は７８℃程度にまで昇温されており、この高温水を前記空気加湿器５に導入すると内部の水の温度を高めることができる。空気加湿器５を通過した水温は７６℃程度に下がり、この中温水を前記燃料加湿器６に導入する。前記のように燃料加湿器６には燃料改質装置１１からの高温（１００〜１５０℃）の改質ガスが導入されてバブリングされるため、蒸発熱を奪われるが内部の水は７５〜７６℃に維持される。

燃料加湿器６を通過した高温水は、前記熱交換器７に導入され、ここで貯湯タンク（図略）からの水との間で熱交換され、この水は温水となって貯湯タンクに戻される。熱交換器７を通過した水温は７４℃程度に下がり、この低温水は前記燃料電池４の熱媒体供給口４ｂに供給される。従って、燃料電池４から排出される水を水循環経路８に沿って循環させることにより、熱媒体としての水の熱を有効利用することができる。

本発明では、前記反応ガスの入口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以下、反応ガスの出口領域においては、反応ガスの露点は熱媒体の温度以上に設定する。

反応ガスの入口領域において、反応ガスの露点は熱媒体の温度より低く設定すると、反応ガスが入口領域で熱媒体により加温されることになり、これにより入口領域で加湿反応ガス中の水蒸気が凝縮するのを防ぐことができる。従って、反応ガスの入口領域で凝縮水が流路に付着することはなく、反応ガスは円滑に流れ始めることになる。

反応ガスの出口領域において、反応ガスの露点は熱媒体の温度より高くなるように設定すると、反応ガスが出口領域で熱媒体により冷やされて反応ガス中の水蒸気が凝縮することがある。しかしながら、出口領域で凝縮水が熱媒体流路に付着した場合には、各熱媒体流路に均一に圧力が掛かって水滴を飛ばし易くなるため、短時間にて凝縮水を出口ヘッダ部に排除することができる。従来のように一部の流路に凝縮水が付着して詰まると、各流路でのガス分配に不均一が生じて発電性能が不安定になると共に、他の流路に反応ガスが逃げて水滴を飛ばし難くなる。本発明では、上記のように反応ガス出口領域の各流路内で強制的に結露させることにより、圧力損失を平準化してガス分配を均一化することができる。

上記実施形態では、燃料ガスと酸化剤は並行流であって重力方向の上から下に流れ、熱媒体は反応ガスと対向流であったが、熱媒体は反応ガスと並行流で実施することも可能である。

１…バイポーラプレート
１ａ…燃料流路
１ｂ…酸化剤流路
２…アノード冷却プレート
２ａ…燃料流路
２ｂ…熱媒体流路
３…カソード冷却プレート
３ｂ…酸化剤流路
４…燃料電池
５…空気加湿器
６…燃料加湿器
７…熱交換器
８…水循環経路
９…全熱交換器
１０…空気供給経路
１１…燃料改質装置

Claims (1)

1. 一方の面に燃料流路、他方の面に酸化剤流路が設けられたバイポーラプレートと、一方の面に燃料流路、他方の面に熱媒体流路が設けられ、その燃料流路側の面を前記バイポーラプレートの酸化剤流路側の面に向かい合わせに対向させ、その間に膜電極接合体を挟んで位置付けられるアノード冷却プレートと、一方の面に酸化剤流路が設けられ、他方の平面側を前記アノード冷却プレートの熱媒体流路側の面に対向させて位置付けられるカソード冷却プレートとを有し、前記カソード冷却プレートに対して、その酸化剤流路側の面に前記バイポーラプレートと同じ構成のバイポーラプレートの燃料流路側の面を向かい合わせに対向させると共に、その間に前記膜電極接合体と同じ構成の膜電極接合体を挟み込んで当該バイポーラプレートが位置付けられ、このように各プレートを組み合わせて複数積層して電池スタックが構成される燃料電池と、
   前記燃料電池に連結され、この燃料電池に供給される酸化剤としての空気を加湿する空気加湿器及び／又は前記燃料電池に供給される燃料を加湿する燃料加湿器と、前記空気加湿器に連結され、前記燃料電池から排出される空気と前記空気加湿器に供給される前の反応ガスとの間で全熱交換させる全熱交換器と、 前記燃料電池と前記空気加湿器及び／又は前記燃料加湿器とを連結した熱媒体循環経路とを備え、
   前記燃料電池の運転時は、反応ガス（燃料ガスと酸化剤）のうち少なくとも一方の反応ガスの入口領域においては、当該反応ガスの露点は前記熱媒体の温度以下に設定すると共に、前記一方の反応ガスの出口領域においては、当該反応ガスの露点は前記熱媒体の温度以上に設定することを特徴とする燃料電池システム。

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