(57)【要約】      （修正有）【課題】加湿のための装置やランニングコストをかけることなく、酸化剤ガスに水分を供給することが可能な燃料電池発電装置を提供する。【解決手段】燃料電池スタック１０に酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管１４と、燃料電池に供給する冷却水が循環する冷却水循環配管１９の冷却板の側とを接続する連通配管２１を設け、燃料電池の反応熱を回収した冷却水を前記酸化剤ガスに添加する。この構成により、加湿装置および加湿のためのエネルギーが不要とし、かつ、発電反応に必要な水分を酸化剤ガスに添加することができる。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アノードとカソードとの間に水酸化物イオン伝導性の金属化合物を含有する電解質層を備えた燃料電池と冷却板とを複数積層した燃料電池スタックと、冷却水タンクと、前記冷却水タンクおよび前記冷却板を循環する冷却水が通流する冷却水循環配管とを備え、前記燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行う燃料電池発電装置において、
前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、前記冷却水循環配管の前記冷却板の冷却水出口側とを連通する連通配管を備え、
前記燃料電池の反応熱を回収した前記冷却水が、前記連通配管を経由して、前記酸化剤ガスに添加されることを特徴とする燃料電池発電装置。
【請求項２】
前記連通配管が、オリフィスを備えることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項３】
前記連通配管に流量計を備え、
前記連通配管と前記冷却水循環配管との分岐に三方弁を備え、
前記流量計の検出値が、前記燃料電池スタックの発電負荷に応じて予め設定された値となるように、前記三方弁の開度制御が行われることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
【請求項４】
前記燃料電池スタックから排出されたアノード排ガスと、前記酸化剤ガスとが熱交換する熱交換器を備え、
前記熱交換器が、前記酸化剤ガス供給配管の前記連通配管との接続部よりも上流側に配置されていることを特徴とする請求項１から３の何れかに記載の燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属化合物を電解質に用いた燃料電池発電装置、特に、水酸化物イオン伝導性の電解質を用いた燃料電池を備えた燃料電池発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池、一次・二次電池、水電解やセンサーなどの電気化学デバイスは、電極間に、イオンの伝導体である電解質を必要とする。
【０００３】
例えば、燃料電池は用いられる電解質の種類によって分類され、液体であるリン酸を用いたりん酸形燃料電池(PAFC)、100℃以下で作動する高分子電解質(パーフルオロスルホン酸等)を用いた固体高分子形燃料電池(PEFC)、600℃以上の高温で作動するイオン伝導性セラミックスを用いた固体酸化物形燃料電池(SOFC)などがある。
【０００４】
近年、上述した燃料電池の電解質とは異なるアニオン伝導性金属化合物を電解質として用いた電気化学デバイスの研究が進められている。これらの電解質は電荷キャリアが水酸化物イオン(アニオン)でありカソード反応が早いため、PEFCやPAFCのように触媒に高価なPtなどを用いなくても作動するという利点がある。また従来の固体酸化物形燃料電池（SOFC）のような高温ではなく、300℃以下でイオン伝導性を有するため、システムの低コスト化に有利であり、注目を集めている。
【０００５】
特許文献１には、ＮａＣｏ２Ｏ４、ＬａＳｒ３Ｆｅ３Ｏ１０及びＢｉ４Ｓｒ１４Ｆｅ２４Ｏ５６から選択された層状金属酸化物の焼結体からなる固体電解質層を挟むようにアノードとカソードとを配置して燃料電池を構成することが記載されている。
【０００６】
この電解質は水酸化物イオン（ＯＨ−）をイオン伝導体とし、アノードおよびカソードにおいて、以下の反応が進行する。
【０００７】
アノード：  Ｈ２＋２ＯＨ−＋２ｅ−→２Ｈ２Ｏ  
カソード：  １／２Ｏ２＋Ｈ２Ｏ＋２ｅ−→２ＯＨ−
このように、カソード側の反応には水が必要であり、カソード側へは加湿した酸素または加湿した空気を供給することが必要である。
【０００８】
一方、特許文献２や３に記載されているように、固体高分子形燃料電池においては、固体高分子電解質を湿潤状態に維持するため、カソードまたはアノードに供給す各反応ガスを加湿して供給することを行なっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国際公開第２０１０／００７９４９号パンフレット
【特許文献２】特開２０１１−４９１３１号公報
【特許文献３】特開２００８−２４３５４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかし、従来の固体高分子形燃料電池においては、発電反応に水を必要とするわけではなく、電解質膜が乾燥しない程度に反応ガスを加湿すれば良かったが、水酸化物イオン伝導性の電解質を用いた燃料電池では、カソード反応に水を消費するので、発電に必要な量の水を供給する必要がある。従って、特許文献２や３に記載された従来の固体高分子形燃料電池で行っていた加湿方式をそのまま適用するのでは、発電に必要十分な水をカソードに供給することは困難であった。また、十分な加湿を行なうためには、装置が大型化し、加湿装置で消費するエネルギーも大きくなるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明においては、アノードとカソードとの間に水酸化物イオン伝導性の金属化合物を含有する電解質層を備えた燃料電池と冷却板とを複数積層した燃料電池スタックと、冷却水タンクと、前記冷却水タンクおよび前記冷却板を循環する冷却水が通流する冷却水循環配管とを備え、前記燃料電池スタックに燃料ガスと酸化剤ガスとを供給して発電を行う燃料電池発電装置において、前記燃料電池スタックに酸化剤ガスを供給する酸化剤ガス供給配管と、前記冷却水循環配管の前記冷却板の冷却水出口側とを連通する連通配管を備え、前記燃料電池の反応熱を回収した前記冷却水が、前記連通配管を経由して、前記酸化剤ガスに添加される構成とした。
【００１２】
さらに、前記連通配管には、オリフィスを備えることとする。
【００１３】
また、前記オリフィスを設けることに代えて、前記連通配管に流量計と、前記連通配管と前記冷却水循環配管との分岐に三方弁とを設け、前記流量計の検出値が、前記燃料電池スタックの発電負荷に応じて予め設定された値となるように、前記三方弁の開度制御が行うこととしてもよい。
【００１４】
さらに、燃料電池スタックから排出されたアノード排ガスと、燃料電池スタックに供給する酸化剤ガスとを熱交換させる熱交換器を、酸化剤ガス供給配管の前記連通配管との接続部よりも上流側に配置することが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成とすることにより、加湿装置および加湿のためのエネルギーが不要とし、かつ、発電反応に必要な水分を酸化剤ガスに添加することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の燃料電池発電装置に用いられる燃料電池セルの模式構造図。
【図２】本発明の燃料電池発電装置の実施形態を示す模式図。
【図３】本発明の燃料電池発電装置の異なる実施形態を示す模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の燃料電池発電装置に用いられる燃料電池（単セル）１の断面構造図である。燃料電池１は、水酸化物イオン（ＯＨ−）伝導性の金属酸化物からなる電解質層２の両主面に、触媒層３（アノード側触媒層３ａおよびカソード側触媒層３ｃ）とガス拡散層４とからなる電極５（アノード５ａおよびカソード５ｃ）を備え、電極５ａ，５ｃの外側にはセパレータ６が配置されている。セパレータ６には、ガス流路７が形成されている。またセパレータ６の周縁部はシール材８により封止されている。
【００１８】
電解質層２には、特許文献１に記載されたＮａＣｏ２Ｏ４、ＬａＳｒ３Ｆｅ３Ｏ１０及びＢｉ４Ｓｒ１４Ｆｅ２４Ｏ５６等、水酸化物イオン伝導性の金属化合物焼結体を用いることができる。
【００１９】
触媒層３には例えば、ＰｄやＰｔなどの従来公知の触媒金属または合金を用いる事ができ、また、触媒層３はアノード側にのみ設けることとしてもよい。
【００２０】
ガス拡散層４としては、カーボンペーパーや金属メッシュを用いることができる。また、セパレータ６としては、ガス不透過性のカーボン板や、金属板などを用いることができる。
【００２１】
本実施形態の燃料電池１は、具体的には以下のように作製した。
【００２２】
電解質層２の作製は、まず、ＮａＣｏ２Ｏ４粉末とＰＴＦＥディスパージョンとを組成比１００：５で混合したものを、エチレングリコールを溶媒として超音波を印加しながら攪拌混合してペーストにした。このペーストをポリイミドフイルムにスクリーン印刷法により塗布し、これを２８０℃の空気雰囲気下で熱処理することにより電解質層２とした。
【００２３】
アノード触媒層３ａは、ＮａＣｏ２Ｏ４粉末にＰｄを１５ｗｔ％担持したものをエチレングリコールと混合したものを、電解質層２の一方の表面にスクリーン印刷法により塗布した後、熱処理を施すことにより形成した。
【００２４】
カソード触媒層３ｃは、ＮａＣｏ２Ｏ４粉末をエチレングリコールと混合したものを、電解質層２の他方の表面にスクリーン印刷法により塗布した後、熱処理を施すことにより形成した。
【００２５】
ガス拡散層４には、東レ製のカーボンペーパー（ＴＧＰＨ６０）を用いた。また、セパレータ６は、燐片状黒鉛紛とフェノール樹脂からなる材料をモールド成形によりガス流路７を成形したものを使用した。
【００２６】
次に、上記により作製した燃料電池１を用いた本実施形態の燃料電池発電装置について、説明する。
【００２７】
図２は、本実施形態に係る燃料電池発電装置の説明図である。燃料電池スタック１０は、複数個の燃料電池１と冷却板１１とが積層されたものであるが、図２では模式的に燃料電池１と冷却板１１の各１個が図示されている。
【００２８】
燃料電池スタック１０には、燃料電池１のアノード５ａに燃料ガスを供給する燃料ガス供給配管１２と、アノード５ａから排出されたアノード排ガスが流れる燃料ガス排出配管１３、燃料電池の１のカソード５ｃへ酸化剤ガス（本実施形態では空気）を供給する酸化剤ガス供給配管１４と、カソード５ｃから排出されたカソード排ガスが流れる酸化剤ガス排出配管１５とが接続している。
【００２９】
燃料ガス供給配管１２の上流側には、都市ガスやメタン発酵ガス等の原燃料を改質して水素からなる燃料ガスを生成する燃料改質装置１６が接続され、酸化剤ガス供給配管１４の上流側には、酸化剤ガス供給手段として空気ブロア１７が接続されている。
【００３０】
燃料電池スタック１０の冷却板１１には、冷却水タンク１８に貯留された冷却水が、ポンプ２０により冷却水循環配管１９経由して供給され、冷却板１１を通流して昇温した冷却水は冷却水タンク１８へと還流される。
【００３１】
冷却板１１の冷却水出口側の冷却水循環配管１９と、酸化剤ガス供給配管１４とは、連通配管２１により連通されており、連通配管２１には、オリフィス２２が設けられている。
【００３２】
燃料ガス排出配管１３の配管経路には熱交換器２３が設けられており、熱交換器２３の排熱回収水配管２４を通流する冷却水によりアノード排ガスが冷却される。これにより、アノード排ガス中の電池反応により生成した水蒸気は凝縮水となり、冷却水タンク１８に回収される。冷却水タンク１８に導入され、凝縮水が回収された後のアノード排ガスは、排気管２５を通じて改質装置１６のバーナー（不図示）で燃料の一部として利用される。
【００３３】
熱交換器２３には、連通配管２１との分岐より下流側において、冷却水循環配管１９も接続されており、燃料電池スタック１０の排熱が回収される。
【００３４】
排熱回収系配管２４により回収された排熱は、不図示の貯湯タンクに回収して給湯等に有効利用される。
【００３５】
冷却水タンク１８には、補給水配管２６が接続されており、冷却水タンク１８に設けられた水位計（不図示）の値が所定値を下回る場合は、イオン交換樹脂筒２７に通水後の水道水が補給される。
【００３６】
以上の構成を備えた本実施形態における燃料電池発電装置の運転においては、燃料電池スタック１０の運転温度の設定値を１５０℃とし、制御装置２８は、温度センサー２９の検出値が設定値の１５０℃となるように、ポンプ２０の回転数を制御して冷却水循環配管１９を流れる冷却水流量を調整する。
【００３７】
そして、冷却水循環配管１９により冷却板１１に供給された冷却水は、燃料電池１の反応熱により昇温され蒸気となる。そして、この蒸気の一部が、連通配管２１およびオリフィス２２を経由して酸化剤ガス供給配管１４に導入される。尚、オリフィス２２の絞りは、定格運転時において燃料電池スタック１０へ供給される酸化剤ガスの露点が６２℃となるように調整しておく。これにより、酸化剤ガスと共に水蒸気を燃料電池１のカソード５ｃへ供給することができ、別途加湿器を設ける必要もない。
【００３８】
尚、上記露点の調整は、用いる電解質のイオン伝導の加湿依存特性に応じて、露点を５０〜１５０℃の範囲で設定することができる。
【００３９】
図３は、本発明の異なる実施形態を示す燃料電池発電装置である。図２の実施形態と共通する構成については、同一の部番を付して説明を省略する。
【００４０】
本実施形態の燃料電池発電装置においては、連通配管２１と冷却水循環配管１９との分岐点に三方弁３１と、流量計３２を備えている。また、燃料ガス排出配管１３および酸化剤ガス供給配管１４の経路上に、アノード排ガスと酸化剤ガスとが熱交換する熱交換器３３を備えている。
【００４１】
本実施形態においては、冷却板１１から排出された蒸気は、三方弁３１を介して連通配管２１に導入される。制御装置２８は、連通配管２１に設けられた流量計２１の流量検出値が、燃料電池スタック１０の発電負荷に応じて予め設定された流量となるように、三方弁３１の開度の制御を行う。
【００４２】
これにより、出力電流に応じて必要量の水分を酸化剤ガスと共に供給することができる。また、熱交換器３３を設け、スタック１０から排出された高温のアノード排ガスにより昇温された後の酸化剤ガスに、連通配管２１からの蒸気を供給するので、カソード５ｃに供給される酸化剤ガスの露点を上げることができ、加湿量を増大することができる。
【符号の説明】
【００４３】
１  燃料電池
２  電解質層
３  触媒層
４  ガス拡散層
５ａ  アノード
５ｃ  カソード
６  セパレータ
７  ガス流路
８  シール材
１０  燃料電池スタック
１１  冷却板
１２  燃料ガス供給配管
１３  燃料ガス排出配管
１４  酸化剤ガス供給配管
１５  酸化剤ガス排出配管
１６  燃料改質装置
１７  空気ブロア
１８  冷却水タンク
１９  冷却水循環配管
２０  ポンプ
２１  連通配管
２２  オリフィス
２３，３３，３４  熱交換器
２４  排熱回収系配管
２５  排気管
２６  補給水配管
２７  イオン交換樹脂筒
２８  制御装置
２９  温度センサー
３１  三方弁
３２  流量計
【図１】
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【図２】
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【図３】
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