JP2011222315A - 燃料電池システム及び膜加湿器 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池スタックに供給される酸素含有ガスの加温及び加湿を簡素な構成で実現する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】酸素含有ガスと冷却水とが膜加湿器５を並行流で通過することにより、膜加湿器５を介して冷却水の熱及び水分が酸素含有ガス側へ移動する。酸素含有ガスは熱及び水分を受け取ることにより温度及び湿度が上昇する。このように膜加湿器５を備え、且つ酸素含有ガス及び冷却水を並行流で通過させることによって、冷却水及び酸素含有ガスは膜加湿器５の出口側でほぼ同等の温度且つ酸素含有ガスにおいては露点温度が温度とほぼ同程度とすることが可能となるため、熱交換装置及び加湿装置といった複雑な装置を不要とした簡素な構成にすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システム及び膜加湿器に関する。

従来の燃料電池システムは、水素を含有する水素含有ガスと酸素含有ガスとを燃料電池スタックに供給し、燃料電池スタックで発電を行っている。この電池スタックは、アノードと、電解質と、カソードとからなるセルを複数枚積層しており、アノードに水素含有ガスが供給され、カソードに酸素含有ガスが供給される。また、燃料電池スタックには、アノードやカソード等を冷却するための冷却水が供給されている。

このような燃料電池システムは、例えば湿度９０％以上まで加湿した酸素含有ガスが燃料電池スタックのカソードに供給されている。また、燃料電池スタックの耐久性や安定性の観点から、燃料電池スタック内において電極の乾燥や結露を防止する必要がある。この乾燥や結露を防止するために、燃料電池スタックへ供給される酸素含有ガスと、冷却水との温度差を小さく保つ必要があり、例えばプラスマイナス３℃以下の温度差とする必要がある。このため、例えば特許文献１には、酸素含有ガスを加湿するための加湿装置と、冷却水と酸素含有ガスとの温度差（燃料電池スタックの入り口における冷却水と酸素含有ガスとの温度差）を所定範囲内とするための熱交換装置とを備えた燃料電池システムが記載されている。

特開２００５−０１１５６３号公報

しかしながら、従来の燃料電池システムでは、酸素含有ガスを加湿するための加湿装置と、冷却水と酸素含有ガスとの温度差を所定範囲内とするための熱交換装置とを設ける必要があり、燃料電池システムの機器構成やこれらの機器の制御が複雑になるといった問題がある。

そこで本発明は、燃料電池スタックに供給される酸素含有ガスの加温及び加湿を簡素な構成で実現する燃料電池システム、及び膜加湿器を提供することを目的とする。

本発明は、水素を含有する水素含有ガスが導入されるアノード、及び酸素含有ガスが導入されるカソードを有する燃料電池スタックと、カソード側へ酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入ラインと、燃料電池スタックを冷却するための冷却水を燃料電池スタックへ供給する冷却水供給ラインと、冷却水供給ライン及び酸素含有ガス導入ラインにあって、冷却水と酸素含有ガスとを並行流で通過させる膜加湿器と、を備えることを特徴とする。

この発明にあっては、酸素含有ガスと冷却水とが膜加湿器を並行流で通過することにより、膜加湿器を介して冷却水の熱及び水分が酸素含有ガス側へ移動する。酸素含有ガスは熱及び水分を受け取ることにより温度及び湿度が上昇する。このように膜加湿器を備え、且つ酸素含有ガス及び冷却水を並行流で通過させることによって、冷却水及び酸素含有ガスは膜加湿器の出口側でほぼ同等の温度且つ酸素含有ガスにおいては露点温度が温度とほぼ同程度とすることが可能となるため、熱交換装置及び加湿装置といった複雑な装置を不要とした簡素な構成にすることができる。さらに、熱容量の大きい冷却水を用いて熱及び湿分の交換を行うことで、冷却水温度の低下を抑えて起動時にカソードに供給される酸素含有ガスを冷却水と同等の温度まで効率よく加温及び加湿することができ、燃料電池スタック内でカソードの電極が乾燥することが無くなり、燃料電池スタックの耐久性を向上させることができる。

また、本発明は、水素を含有する水素含有ガスが導入されるアノード、及び酸素含有ガスが導入されるカソードを有する燃料電池スタックと、カソード側へ酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入ラインと、燃料電池スタックを冷却するための冷却水を燃料電池スタックへ供給する冷却水供給ラインと、冷却水供給ライン及び酸素含有ガス導入ラインにあって、冷却水と酸素含有ガスとを対向流で通過させる膜加湿器と、を備えることを特徴とする。

この発明にあっては、冷却水が膜加湿器を通過する際に、膜加湿器出口側に向かって酸素含有ガスとの温度差が大きくなることで熱交換効率が高くなり、並行流で通過させた場合に比べて、膜加湿器出口の冷却水の温度と膜加湿器出口の酸素含有ガスの温度とを比較したときに冷却水温度より酸素含有ガスの温度及び露点温度をほぼ同程度または高くすることが可能となる。この構成にすることで、燃料電池スタックへ酸素含有ガスが供給されるまでの配管放熱等の温度低下を見込んだうえで、酸素含有ガスを効率よく加温することができる。また、膜加湿器での熱及び湿分の移動が小さい場合に、この構成を適用してもよい。

また、冷却水供給ラインであって且つ膜加湿器上流側において、冷却水を昇温する昇温手段を、更に備えることが好適である。

この場合には、昇温手段によって冷却水が昇温され、膜加湿器において効率よく酸素含有ガスを加温することができる。

また、昇温手段は、カソードに酸素含有ガスが供給される前に、予め冷却水を昇温する、ことが好適である。

この場合には、予め冷却水が昇温されていることにより、燃料電池スタックの発電開始時に予め昇温された冷却水によって素早く酸素含有ガスを加温加湿することができ、燃料電池スタックの発電効率を向上させることができる。

また、本発明は、水素を含有する水素含有ガスが導入されるアノード、及び酸素含有ガスが導入されるカソードを有する燃料電池スタックと、カソード側へ酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入ラインと、燃料電池スタックを冷却するために供給された冷却水を燃料電池スタックから排出する冷却水排出ラインと、冷却水排出ライン及び酸素含有ガス導入ラインにあって、冷却水と酸素含有ガスとを並行流または対向流で通過させる膜加湿器と、を備えることを特徴とする。

この発明にあっては、燃料電池スタックから排出され、燃料電池スタックに供給される冷却水よりも温度が高い冷却水を用いて、膜加湿器において酸素含有ガスの温度及び湿度を上昇させることができる。これにより、燃料電池スタックへ酸素含有ガスが供給されるまでの配管放熱等の温度低下を見込んだうえで、酸素含有ガスを効率よく加温することができる。また、膜加湿器での熱及び湿分の移動が小さい場合に、この構成を適用してもよい。

本発明は、第１の流路、及び第２の流路を備え、第１の流路を流れる第１の流体と第２の流路を流れる第２の流体との間で熱及び湿分の交換を行う膜加湿器であって、第１の流体は液体であり、第２の流体は気体である、ことを特徴とする。

この発明にあっては、膜加湿器を通過する液体と気体との間で、熱及び湿分の交換が行われる。このように、熱の交換と、湿分の交換とを膜加湿器によって行うことができるため、熱の交換と湿分の交換とを個別の装置によって行う場合と比較して、構成を簡素化することができる。

本発明によれば、燃料電池スタックに供給される酸素含有ガスの加温及び加湿を簡素な構成で実現する燃料電池システム、及び膜加湿器を提供することができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ本発明に係る燃料電池システムの好適な実施形態について詳細に説明する。

まず、本実施形態に係る燃料電池システムの全体構成について説明する。図１は、燃料電池システム１の概略構成図である。図１に示すように燃料電池システム１は、例えば、都市ガス、ＬＰＧのような気体燃料または、灯油のような液体燃料から水素含有ガスとしての改質ガスを生成する改質装置２と、改質装置２によって生成された改質ガスを用いて発電を行う燃料電池スタック３と、を備えている。燃料電池システム１は、例えば、家庭用の電力供給源として利用されるものであり、容易に入手することができ且つ独立して貯蔵することができるという観点から、液体燃料として灯油が用いられている。

改質装置２は、液体燃料を改質して改質ガスを生成するためのものであり、改質器２１及びバーナ２２を有している。改質器２１は、液体燃料と水蒸気とを改質触媒で水蒸気改質反応させて、水素を含有する改質ガスを生成する。バーナ２２は、改質器２１の改質触媒を加熱することで、水蒸気改質反応に必要な熱量を供給する。なお、改質装置２に供給される液体燃料は、図示しない脱硫器によって脱硫されている。

燃料電池スタック３は、電池セル３０が複数積み重ねられて構成されており、改質装置２で得られた改質ガスを用いて発電して直流電流を出力する。電池セル３０は、アノード３１と、カソード３２と、アノード３１及びカソード３２間に配置された固体高分子である電解質（不図示）とを有しており、アノード３１に改質ガスを導入させると共に、カソード３２に酸素含有ガス（例えば、空気等）を導入させることで、各電池セル３０において電気化学的な発電反応が行われることになる。なお、図１では、複数積み重ねられる電池セル３０のうち１つの電池セル３０のみを図示してある。また、燃料電池スタック３は、アノード３１やカソード３２を冷却する冷却水が流通する冷却水流路３３を有している。

また、燃料電池システム１は、カソード３２に導入される酸素含有ガスを流通させる酸素含有ガス導入ラインＬ１２と、カソード３２から導出されたガスを流通させるガス導出ラインＬ１１とを備えている。また、酸素含有ガス導入ラインＬ１２には、カソード３２に酸素含有ガスを導入するためのエアブロワＡ１が設けられている。

また、燃料電池システム１は、アノード３１に導入される改質ガスを流通させる改質ガス導入ラインＬ２２と、アノード３１から導出されたガスを流通させるガス導出ラインＬ２１とを備えている。改質ガス導入ラインＬ２２の上流側は改質器２１に接続され、改質器２１で生成された改質ガスは改質ガス導入ラインＬ２２を通ってアノード３１に導入される。また、ガス導出ラインＬ２１は、改質ガス導入ラインＬ２２を通じてアノード３１に供給された改質ガスのうち、燃料電池スタック３において発電に寄与しなかった水素を含むガスを排出させるためのものである。このガス導出ラインＬ２１の下流側は、バーナ２２に接続されており、バーナ２２の燃料としてアノード３１から導出されたガスが利用可能となっている。

また、燃料電池システム１は、アノード３１やカソード３２を冷却するために冷却水流路３３に導入される冷却水が流通する冷却水供給ラインＬ３２と、冷却水流路３３から導出された冷却水が流通する冷却水排出ラインＬ３１とを備える。冷却水供給ラインＬ３２には、冷却水を燃料電池スタック３に導入するためのポンプＷＰ１が設けられている。

また、燃料電池システム１は、改質ガス導入ラインＬ２２を流れる改質ガスと、冷却水供給ラインＬ３２を流れる冷却水との間で熱交換を行う熱交換器６（昇温手段）を備える。改質ガスは、冷却水と比較して温度が高く熱交換器６を介して冷却水へ熱が移動する。

また、燃料電池システム１は、第１の流路５１を流れる流体と第２の流路５２を流れる流体とを並行流（同一方向の流れ）で通過させ、双方の流体間で熱及び湿分の交換を行う膜加湿器５を備える。膜加湿器５の第１の流路５１は、冷却水供給ラインＬ３２に接続され、第２の流路５２は酸素含有ガス導入ラインＬ１２に接続される。従って、膜加湿器５の第１の流路５１には燃料電池スタック３に供給される冷却水が流れ、第２の流路５２にはカソード３２に供給される酸素含有ガスが流れる。

膜加湿器５では、第１の流路５１を流れる冷却水と、第２の流路５２を流れる酸素含有ガスとの間で熱と湿分の交換が行われる。具体的には、冷却水から熱と湿分とが酸素含有ガスに移動し、酸素含有ガスが加温及び加湿される。なお、酸素含有ガスが所望の温度及び湿度となるように、第１の流路５１や第２の流路５２の流路長さ等が設定される。膜加湿器５によって冷却水と酸素含有ガスとの間で熱及び湿分の交換が行われることにより、膜加湿器５から燃料電池スタック３に導入される冷却水と酸素含有ガスとの温度の差が所定範囲内（例えば、プラスマイナス３℃以下）となり、酸素含有ガスが所望の湿度に加湿された状態となる。

また、燃料電池システム１は、ポンプＷＰ１を制御する制御部４を備えている。制御部４は、燃料電池スタック３による発電の開始前（カソード３２に酸素含有ガスが供給される前）に、予めポンプＷＰ１を作動させて熱交換器６において改質ガスと冷却水との間で熱交換を行わせ、冷却水を予め昇温しておく。なお、不図示ではあるが冷却水は循環系となっており、改質ガスと熱交換を行い継続して受熱することで冷却水全体の温度が上昇する。これにより、燃料電池スタック３による発電が開始されるときに、予め昇温された冷却水を用いて膜加湿器５において素早く酸素含有ガスを加温及び加湿することができる。なお、改質ガスを用いて予め冷却水を昇温している間は、改質ガスが改質ガス導入ラインＬ２２を通じてアノード３１に導入されないように、図示しない電磁弁等によって改質ガスの流通が遮断されている。

続いて、本実施形態にかかる燃料電池システム１の作用及び効果について説明する。本実施形態の燃料電池システム１によれば、酸素含有ガスと冷却水とが膜加湿器５を並行流で通過することにより、膜加湿器５を介して冷却水の熱及び水分が酸素含有ガス側へ移動する。酸素含有ガスは熱及び水分を受け取ることにより温度及び湿度が上昇する。このように膜加湿器５を備え、且つ酸素含有ガス及び冷却水を並行流で通過させることによって、冷却水及び酸素含有ガスは膜加湿器５の出口側でほぼ同等の温度且つ酸素含有ガスにおいては露点温度が温度とほぼ同程度とすることが可能となるため、熱交換装置及び加湿装置といった複雑な装置を不要とした簡素な構成にすることができる。さらに、熱容量の大きい冷却水を用いて熱及び湿分の交換を行うことで、冷却水温度の低下を抑えて起動時にカソード３２に供給される酸素含有ガスを冷却水と同等の温度まで効率よく加温及び加湿することができ、燃料電池スタック３内でカソード３２の電極が乾燥することが無くなり、燃料電池スタック３の耐久性を向上させることができる。

また、熱交換器６において改質ガスの熱によって冷却水が昇温されるため、膜加湿器５において効率よく酸素含有ガスを加温することができる。

また、予め冷却水を昇温しておくことにより、燃料電池スタック３の発電開始時に素早く酸素含有ガスを加温することができ、燃料電池スタック３の発電効率を向上させることができる。

また、膜加湿器５を通過する液体と気体との間で、熱及び湿分の交換が行われる。このように、熱の交換と、湿分の交換とを膜加湿器５によって行うことができるため、熱の交換と湿分の交換とを個別の装置によって行う場合と比較して、構成を簡素化することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、膜加湿器５内において、冷却水と酸素含有ガスとを並行流（同一方向の流れ）で通過させる（図１参照）ものとしたが、これ以外にも、例えば、冷却水と酸素含有ガスとを対向流（逆方向の流れ）で通過させることもできる。この場合には、冷却水が膜加湿器５を通過する際に、膜加湿器出口側に向かって酸素含有ガスとの温度差が大きくなることで熱交換効率が高くなり、並行流で通過させた場合と比べて、膜加湿器出口の冷却水の温度と膜加湿器出口の酸素含有ガスの温度とを比較したときに冷却水温度より酸素含有ガスの温度及び露点温度はほぼ同程度または高くすることが可能となる。この構成にすることで、燃料電池スタック３へ酸素含有ガスが供給されるまでの配管放熱等の温度低下を見込んだうえで、酸素含有ガスを効率よく加温することができる。また、膜加湿器５での熱及び湿分の移動が小さい場合に、この構成を適用してもよい。

また、膜加湿器５の第１の流路５１を冷却水供給ラインＬ３２に接続するものとしたが、第１の流路５１を冷却水排出ラインＬ３１に接続してもよい。この場合には、冷却水供給ラインＬ３２を流れる冷却水よりも温度が高い冷却水を用いて、膜加湿器５において酸素含有ガスの温度及び湿度を上昇させることができる。これにより、燃料電池スタック３へ酸素含有ガスが供給されるまでの配管放熱等の温度低下を見込んだうえで、酸素含有ガスを効率よく加温することができる。また、膜加湿器５での熱及び湿分の移動が小さい場合に、この構成を適用してもよい。

また、冷却水の昇温を、改質ガスを用いて行うものとしたが、これ以外にも、例えば、改質装置２から排出される排気ガスを利用したり、燃料電池システム１から排出される熱を用いて生成されたお湯を蓄えている場合には、お湯の熱を利用して冷却水を昇温することもできる。また、ヒータによって冷却水を昇温することもできる。

また、燃料電池スタック３のアノード３１にガスタンク等から純水素を供給する場合には、改質装置２は設けなくてもよい。

１…燃料電池システム、３…燃料電池スタック、３１…アノード、３２…カソード、５…膜加湿器、６…熱交換器、Ｌ１２…酸素含有ガス導入ライン、Ｌ３１…冷却水排出ライン、Ｌ３２…冷却水供給ライン。

Claims (6)

1. 水素を含有する水素含有ガスが導入されるアノード、及び酸素含有ガスが導入されるカソードを有する燃料電池スタックと、
   前記カソード側へ酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入ラインと、
   前記燃料電池スタックを冷却するための冷却水を前記燃料電池スタックへ供給する冷却水供給ラインと、
   前記冷却水供給ライン及び前記酸素含有ガス導入ラインにあって、前記冷却水と前記酸素含有ガスとを並行流で通過させる膜加湿器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 水素を含有する水素含有ガスが導入されるアノード、及び酸素含有ガスが導入されるカソードを有する燃料電池スタックと、
   前記カソード側へ酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入ラインと、
   前記燃料電池スタックを冷却するための冷却水を前記燃料電池スタックへ供給する冷却水供給ラインと、
   前記冷却水供給ライン及び前記酸素含有ガス導入ラインにあって、前記冷却水と前記酸素含有ガスとを対向流で通過させる膜加湿器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
3. 前記冷却水供給ラインであって且つ膜加湿器上流側において、前記冷却水を昇温する昇温手段を、更に備える、ことを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記昇温手段は、前記カソードに前記酸素含有ガスが供給される前に、予め前記冷却水を昇温する、ことを特徴とする請求項３に記載の燃料電池システム。
5. 水素を含有する水素含有ガスが導入されるアノード、及び酸素含有ガスが導入されるカソードを有する燃料電池スタックと、
   前記カソード側へ酸素含有ガスを供給する酸素含有ガス導入ラインと、
   前記燃料電池スタックを冷却するために供給された冷却水を前記燃料電池スタックから排出する冷却水排出ラインと、
   前記冷却水排出ライン及び前記酸素含有ガス導入ラインにあって、前記冷却水と前記酸素含有ガスとを並行流または対向流で通過させる膜加湿器と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
6. 第１の流路、及び第２の流路を備え、前記第１の流路を流れる第１の流体と前記第２の流路を流れる第２の流体との間で熱及び湿分の交換を行う膜加湿器であって、
   前記第１の流体は液体であり、前記第２の流体は気体である、ことを特徴とする膜加湿器。

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