JP4746511B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents
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Description
J.F.McElroy and L.J.Nuttall,"Status of Solid Polymer Electrolyte Technology and Potential for Transportation Applications," 17th IECEC, 1982, pp.667-671. 1968年米国
(2)燃料電池本体入口部もしくは温湿度交換器の未反応ガス入口部の少なくとも一方に、その温度を検出するガス温度検出手段が設けられている。
(3) 前記ガス温度検出手段が検出した燃料電池本体入口部もしくは温湿度交換器の未反応ガス入口部の少なくとも一方の温度に応じて、前記温度制御手段が前記冷却媒体の流量を増減することで燃料電池本体の温度を高分子電解質膜の耐熱温度以下に制御するように構成されている。
[構成]
本発明の参考の実施の形態について説明する。図1は参考の実施の形態のシステム系統図を示しており、図2は本発明の温湿度交換器の温湿度交換の原理を示す概念図を示したものである。
以上述べたように、参考の実施の形態では、未反応ガスと既反応ガスを温湿度交換する温湿度交換器2の働きにより、燃料電池本体1から排出された既反応ガスの廃熱を利用して未反応ガスの加湿することができる。このとき、温度センサ19が検出した燃料電池本体1の温度に基づいて、制御ユニット8が空気供給ファン5を制御して温湿度交換器2に対する空気の供給量を調整している。したがって、最適な温度条件下で温湿度交換器2に反応ガスを供給可能であり、温湿度交換器2は高い能力を発揮することができる。その結果、効率良く未反応ガス(空気)を加湿して固体高分子電解質膜103の乾燥防止を行うことができる。これにより、システムの大形化及び重量化を招くことなく、安定した運転の維持が可能である。また、燃料電池本体1の温度を検出することによって、システムを構成する各機器の動作を的確に制御することができる。したがって、余分な機器を動作させる必要がなく、エネルギーの無駄を省いて高効率なシステムを提供することができる。
[構成]
図5は本発明の他の参考の実施の形態のシステム系統図を示している。システムの要素部品およびそれらの構成はほぼ参考の実施の形態と同様であるので、詳細な説明はここでは省略する。この参考の実施の形態では、燃料電池本体1の空気出口に湿度センサ21が設けられた点が構成上の特徴である。
この参考の実施の形態には、上記参考の実施の形態に加えて次のような作用効果がある。燃料電池本体1の空気出口つまり温湿度交換器2入口の湿度を検出しており、検出された湿度から温湿度交換器2が最適な条件で動作するように燃料電池本体1の温度を変化させることができる。これによって燃料電池本体1の出口の湿度を常時最適な85%〜100%に制御することができ、システムの安定した運転を可能とすることができる。
[構成]
次に、本発明の他の参考の実施の形態について説明する。図6はこの参考の実施の形態のシステム系統図を示している。システムの要素部品およびそれらの構成はほぼ参考の実施の形態と同様であるので、詳細な説明はここでは省略する。本実施の形態では、未反応空気供給管6に対して冷却媒体循環経路18内の冷却媒体加熱用バーナ11の燃焼ガス出口が接続され、システムの起動時にバーナ11の燃焼ガスが未反応空気供給管6に供給されるように構成された点、及び未反応空気供給管6に切替弁25が設置され、システムの起動時にバーナ11の燃焼ガスが燃料電池本体1に供給されるように構成された点に特徴がある。
システムの起動時に冷却媒体の加熱が必要な場合、バーナ11の高温の燃焼ガスによって冷却媒体加熱器10が加熱され、熱交換によって冷却媒体が加熱されるが、この燃焼ガスはバーナ出口ではまだ十分に温度が高い。そのため、この参考の実施の形態では、この燃焼ガスを未反応空気供給管6を介して温湿度交換器2及び燃料電池本体1に導くことによって、捨てられる熱を予熱に回し、より効率的な予熱ができることになる。また、この燃焼ガスは水分を含むために、燃料電池本体1内部の固体高分子電解質膜103や、温湿度交換器2内の多孔質体50に適度な湿分を与えて高湿度状態とすることができ、より起動をスムーズにすることができる。
[構成]
次に、本発明の他の参考の実施の形態について説明する。図7はこの参考の実施の形態のシステム系統図である。この参考の実施の形態の基本構成も参考の実施の形態と同様であるが、燃料電池本体1側に改質器30によって炭化水素系の燃料から得られた水素が燃料供給管16より燃料電池本体1内部へ供給される点が異なっており、改質器30の下流側に改質ガスを燃焼させて冷却媒体を加熱する触媒バーナ31を設けたことに特徴がある。以下、改質器30に設置される機器について説明する。33は改質器30に燃料を供給するためにポンプであり、通常メタノールを利用する場合は水分を含んだ状態で供給されるようになっている。また、32はバーナ31に燃焼用空気を供給するためのファン、34は改質器30の予熱バーナである。
上記の構成により、この参考の実施の形態では、改質器30下流側に設けられたバーナ31で改質ガス中の水素を燃料させ、その熱で冷却媒体を加熱することができる。起動時に改質器30で生成された水素を発電に用いるには、まだ温度が上がっていないため効率が悪く、さらにCOも含まれている場合が多いので、燃料電池本体1の劣化につながる場合がある。しかし本実施の形態では、改質器30のガスをバーナ31にて燃焼させてしまうため、より多くの熱を燃料電池本体1の予熱に用いることができる。しかも、バーナ31の燃焼ガスを燃料電池本体1内部へ供給し燃料電池本体1を加熱することができる。したがって、燃焼ガスを直接燃料電池本体1内部へと供給できるので、冷却媒体の加熱に燃焼ガスの加熱を加え、より多くの熱で燃料電池本体1の予熱ができるようになる。
[構成]
次に、本発明の他の参考の実施の形態について説明する。図8は本実施の形態を示す固体高分子型燃料電池のシステム系統図を示している。システムの要素部品およびそれらの構成はほぼ前記参考の実施の形態と同様であるので、詳細な説明はここでは省略する。本実施の形態では、改質器30下流側に設けられたバーナ31の燃焼ガスを燃料電池本体1の燃料ガス供給側に接続するとともに、温湿度交換器2の未反応ガス供給管5に接続していることが特徴である。
上記のように構成されたシステムでは、温湿度交換器2の予熱による起動時間の短縮化という作用効果に加えて、未反応ガス供給管5を介して温湿度交換器2にバーナ31の燃焼ガスを供給できるので、温湿度交換器2内部の多孔質体50にも水分の供給が可能となり、多孔質体50の加湿が可能となる。したがって、予熱が終了して乾燥した未反応ガスが供給されても、よりスムーズに立ち上げが可能となる。
[構成]
図9は本発明の第1の実施の形態のシステム系統図である。システムの要素部品およびそれらの構成はほぼ前記参考の実施の形態と同様であるので、詳細な説明はここでは省略する。本実施の形態では、燃料電池本体1の燃料ガス入口部に温度検出手段37を設け、制御ユニット8により検出された温度に応じて冷却媒体の流量を制御するように構成されたことに特徴がある。
上記のように構成されたシステムにおいては、前記参考の実施の形態で得られる作用に加えて、燃料電池本体1の入口部の燃焼ガスの温度を検出しこの温度に応じて冷却媒体の流量を制御することによって、燃料電池本体1の予熱するための燃焼ガスの温度を120℃以下とし、高分子電解質膜3を劣化させないように適正な温度に維持することができる。したがって、システムの信頼性がいっそう向上する。
2…温湿度交換器
3…未反応空気の電池入口
4…既反応空気の電池出口
5…未反応空気供給ファン
6…未反応空気供給管
7…既反応空気排出管
8…制御ユニット
9…冷却媒体供給ポンプ
10…冷却媒体加熱器
11…冷却媒体加熱バーナ
12…放熱器
13…放熱ファン
14…バーナ用燃料供給ポンプ
15…燃焼用空気供給ファン
16…燃料ガス供給管
17…燃料ガス排出管
18…冷却媒体循環経路
19,37…温度センサ
20…燃料ガスバルブ冷却ファン
21…湿度センサ
25,36…燃焼ガス−未反応空気の切替弁
30…改質器
31…改質ガスバーナ
32…空気供給ファン
33…燃料ポンプ
34…改質器予熱バーナ
35…空気切り替え弁
50…保水性多孔質体
51…未反応ガス供給溝
52…既反応ガス供給溝
53…エンドプレート
55…セパレータ
Claims (4)
- 固体高分子電解質膜を有し酸化剤ガスと燃料ガスを取り入れて多量の水蒸気を含む既反応ガスを排出する燃料電池本体と、
炭化水素系の燃料を改質して燃料ガスとなる改質ガスを生成する改質器と、
保水性の多孔質体を有し、前記既反応ガスと酸化剤ガスを取り入れ、該多孔質体を介して前記既反応ガスと酸化剤ガスを接触させることにより、接触したガス間の熱及び水分の交換を行う温湿度交換器と、
前記燃料電池本体を冷却する冷却媒体の循環経路と、
前記冷却媒体の流量を増減することで燃料電池本体の温度を制御する温度制御手段とが具備された固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記燃料電池の起動時において、前記改質器の下流側の改質ガスを燃焼させ、この燃焼ガスを燃料電池本体入口部もしくは温湿度交換器の未反応ガス入口部の少なくとも一方に供給するバーナと、
燃料電池本体入口部もしくは温湿度交換器の未反応ガス入口部の少なくとも一方に、その温度を検出するガス温度検出手段が設けられ、
前記ガス温度検出手段が検出した燃料電池本体入口部もしくは温湿度交換器の未反応ガス入口部の少なくとも一方の温度に応じて、前記温度制御手段が前記冷却媒体の流量を増減することで燃料電池本体の温度を高分子電解質膜の耐熱温度以下に制御することを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記バーナが触媒燃焼器であることを特徴とする請求項1記載の固体高分子型燃料電池システム。
- システムの起動時に前記バーナの燃焼ガスが前記酸化剤ガスの供給経路に供給されるように構成されたことを特徴とする請求項1または2記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記バーナの燃焼ガスが前記温湿度交換器の未反応ガス供給側に供給されるように構成されたことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の固体高分子型燃料電池システム。
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