(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学反応に伴う反応熱を燃料電池の積層体から除去するための冷却水を供給する冷却水系統に、冷却水入口と冷却水出口とを有し前記冷却水を保持する冷却水タンクを備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、
前記冷却水タンクが、接続配管により内部の冷却水が連通する第一及び第二のタンクからなり、
前記第一のタンクがレベルセンサーと、前記冷却水系統外に余剰冷却水を排出する冷却水排出口とを有すると共に、前記冷却水排出口が前記レベルセンサーの検出信号により開閉が制御される弁を備え、
燃料電池の積層体より排出される燃料ガスの排ガス及び酸化剤ガスの排ガスのうち、圧力が高い排ガスが前記第一のタンクに、圧力が低い排ガスが前記第二のタンクに各々導入されることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項２】
電気化学反応に伴う反応熱を燃料電池の積層体から除去するための冷却水を供給する冷却水系統に、冷却水入口と冷却水出口とを有し前記冷却水を保持する冷却水タンクを備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、
前記冷却水タンクが、接続配管により内部の冷却水が連通する第一及び第二のタンクからなり、
前記第一のタンクが、前記接続配管の開口部にフロートを備えた弁を有し、
前記第二のタンクが前記冷却水系統外に余剰冷却水を排出する冷却水排出口を有すると共に、当該冷却水排出口がフロートを備えた弁を有し、
燃料電池の積層体より排出される燃料ガスの排ガス及び酸化剤ガスの排ガスのうち、圧力が高い排ガスが前記第一のタンクに、圧力が低い排ガスが前記第二のタンクに各々導入されることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項３】
電気化学反応に伴う反応熱を燃料電池の積層体から除去するための冷却水を供給する冷却水系統に、冷却水入口と冷却水出口とを有し前記冷却水を保持する冷却水タンクを備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、
前記冷却水タンクは、開口部により互いに連通する第一のタンクと第二のタンクとを鉛直方向の上下に積層されてなり、
前記第一のタンク内の前記開口部がフロートを備えた弁を有し、
前記第二のタンクが前記冷却水系統外に余剰冷却水を排出する冷却水排出口を有すると共に、当該冷却水排出口がフロートを備えた弁を有し、
燃料電池の積層体より排出される燃料ガスの排ガス及び酸化剤ガスの排ガスのうち、圧力が高い排ガスが前記第一のタンクに、圧力が低い排ガスが前記第二のタンクに各々導入されることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
この発明は、固体高分子電解質膜を電解質層として用いる燃料電池積層体を備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置に関する。
【従来の技術】
固体高分子電解質型燃料電池の最小発電単位である単電池の発生電圧は約0.7Ｖである。このため、実際の発電装置では、複数の単電池を積層して構成される燃料電池積層体（スタック）が用いられる。燃料電池積層体では発電に伴って発電量とほぼ同等の熱が発生するので、燃料電池積層体にはこの熱を除去するために冷却構造が備えられており、冷却水により冷却する方法が一般に採られている。特に固体高分子電解質型燃料電池では、電解質の乾燥を防止し、加湿状態に保持して用いる必要があるため、冷却水の一部を燃料電池積層体の加湿に有効利用する方法が通常用いられている。なお、燃料電池積層体の出力密度が低い場合には、水冷方式に替わって空冷方式が用いられる場合もある。
図４は、水冷方式の冷却系統を備えた従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の冷却系統、反応ガス系統の要部を示すフロー図である。図において、反応ガス系統の上流側は省略されている。
酸化剤ガスには一般に空気が用いられ、ブロアやコンプレッサーなどによって、酸化剤ガス入口９から燃料電池積層体１の内部へと供給される。また、燃料ガスには水素、あるいは水素を含むガスが用いられ、水素ボンベ、あるいは燃料改質装置より供給され、燃料ガス入口１０を経て燃料電池積層体１の内部へと送られる。既に述べたように固体高分子電解質型燃料電池は電解質を加湿状態に保持して用いる必要があるので、酸化剤ガスと燃料ガスは、燃料電池積層体１に組み込まれた図示しない加湿部、あるいは燃料電池積層体１の前段に配した図示しない加湿装置によって加湿して供給される。燃料電池積層体１では、酸化剤ガスと燃料ガスの導入により電気化学反応が起こり、生じた電気エネルギーは図示しない導電線を通して外部へ取出される。電気化学反応に寄与することなく燃料電池積層体１から排出された酸化剤排ガスと燃料排ガスは、それぞれ除滴タンク５，６へと送られ、水分が滴下され回収される。除滴タンク５，６を出た酸化剤排ガスと燃料排ガスは、続いて、燃焼器１２へと送られ、残存する酸素と水素により燃焼される。燃焼後の排ガスはガス出口１１より外部へと排出される。
除滴タンク５，６において酸化剤排ガスおよび燃料排ガスから回収された水は、レベルセンサー７Ａ，７Ｂの検出信号によって開閉制御される電磁弁８Ａ，８Ｂと、水回収ポンプ４Ａ，４Ｂによって、冷却系統に備えられた冷却水タンク１３へと移送される。冷却水タンク１３に保持された冷却水は、冷却水循環ポンプ３によって燃料電池積層体１へと送られ、一部は酸化剤排ガスおよび燃料排ガスの加湿に使用され、残部は燃料電池積層体１の除熱に使用される。燃料電池積層体１において発熱を吸収して高温となった冷却水は、ラジエーター２において放熱し、冷却されて、再び冷却水タンク１３へと戻る。回収水を加えて冷却水タンク１３の貯水量が過剰になると、レベルセンサー７Ｃの検出信号によって電磁弁８Ｃが開き、排出水出口より排出される。
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置では、燃料電池積層体１の冷却系統の冷却水の一部が燃料電池積層体の電解質の加湿に有効利用され、効率的な運転が行われている。しかしながら、本構成の発電装置にあっても、なお以下のごとき問題点がある。
すなわち、本構成においては、冷却系統に備えられた冷却水タンク１３の他に、酸化剤排ガスと燃料排ガスから水分を滴下、回収するための除滴タンク５，６が設けられるので、付帯するレベルセンサー７Ａ，７Ｂ、電磁弁８Ａ，８Ｂ、水回収ポンプ４Ａ，４Ｂを含めて構成部品点数が多くなる。したがって、低コスト化が困難となるとともに、設置スペースが大きくなり、小型化ができないという難点がある。
本発明の目的は、これらの従来技術の難点を解消し、酸化剤排ガスと燃料排ガスに含まれる水分が簡単な構成の装置で効果的に回収され、少ない構成部品点数でコンパクトに構成できる固体高分子電解質型燃料電池発電装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明においては、
電気化学反応に伴う反応熱を燃料電池の積層体から除去するための冷却水を供給する冷却水系統に、冷却水入口と冷却水出口とを有し前記冷却水を保持する冷却水タンクを備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、
（１）前記冷却水タンクが、接続配管により内部の冷却水が連通する第一及び第二のタンクからなり、  前記第一のタンクがレベルセンサーと、前記冷却水系統外に余剰冷却水を排出する冷却水排出口とを有すると共に、前記冷却水排出口が前記レベルセンサーの検出信号により開閉が制御される弁を備え、  燃料電池の積層体より排出される燃料ガスの排ガス及び酸化剤ガスの排ガスのうち、圧力が高い排ガスが前記第一のタンクに、圧力が低い排ガスが前記第二のタンクに各々導入されるものとする。また、
（２）前記冷却水タンクが、接続配管により内部の冷却水が連通する第一及び第二のタンクからなり、  前記第一のタンクが、前記接続配管の開口部にフロートを備えた弁を有し、  前記第二のタンクが前記冷却水系統外に余剰冷却水を排出する冷却水排出口を有すると共に、当該冷却水排出口がフロートを備えた弁を有し、燃料電池の積層体より排出される燃料ガスの排ガス及び酸化剤ガスの排ガスのうち、圧力が高い排ガスが前記第一のタンクに、圧力が低い排ガスが前記第二のタンクに各々導入されるものとする。
（３）前記冷却水タンクは、開口部により互いに連通する第一のタンクと第二のタンクとを鉛直方向の上下に積層されてなり、前記第一のタンク内の前記開口部がフロートを備えた弁を有し、前記第二のタンクが前記冷却水系統外に余剰冷却水を排出する冷却水排出口を有すると共に、当該冷却水排出口がフロートを備えた弁を有し、燃料電池の積層体より排出される燃料ガスの排ガス及び酸化剤ガスの排ガスのうち、圧力が高い排ガスが前記第一のタンクに、圧力が低い排ガスが前記第二のタンクに各々導入されるものとする。
【発明の実施の形態】
＜実施例１＞図１は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の第１の実施例における冷却系統、反応ガス系統の要部を、図４の従来例に対比して示したすフロー図である。図１においても、反応ガス系統の上流側は省略されている。
冷却水タンクは、第１タンク１３ａと第２タンク１３ｂを単純に配管接続して構成されており、第１タンク１３ａのガス収納部と第２タンク１３ｂのガス収納部は、保持された冷却水により隔離されている。冷却水タンクに保持された冷却水は、冷却水循環ポンプ３によって第２タンク１３ｂより燃料電池積層体１へと送られ、燃料電池積層体１の除熱および酸化剤排ガスと燃料排ガスの加湿に使用される。燃料電池積層体１より排出された高温の冷却水は、ラジエーター２で冷却され、再び第２タンク１３ｂへと戻る。
燃料電池積層体１より排出された燃料排ガスと酸化剤排ガスは、それぞれ第１タンク１３ａおよび第２タンク１３ｂへと導入され、除滴されたのち燃焼器１２に送られて燃焼される。第１タンク１３ａおよび第２タンク１３ｂの水位はそれぞれのガス収納部の圧力によって決まる。したがって、第１タンク１３ａと燃焼器１２との間の圧力損失と第２タンク１３ｂと燃焼器１２との間の圧力損失が同等になるように構成すれば、第１タンク１３ａと第２タンク１３ｂの水位は等しくなる。圧力損失に差が生じて第１タンク１３ａと第２タンク１３ｂの内部圧力が異なると、内部圧力の高いタンクの水位は内部圧力の低いタンクの水位より下方に保持される。二つのタンクに導入された排ガスが直接混合するのを防止するには、タンクに保持された冷却水の水位を二つのタンクを接続する配管より上方に保持する必要がある。このため内部圧力のより高いタンク、例えば図１においては燃料排ガスが導入される第１タンク１３ａに、レベルセンサー７とその検出信号によって開閉制御される電磁弁８を付設して水位を確保することとする。
本構成では、従来用いられていた３個の貯水タンク、すなわち１個の冷却水タンクと２個の除滴タンクが、第１タンク１３ａと第２タンク１３ｂを単純に配管接続して構成した１個の冷却水タンクに置き換えられるので、構成部品数が削減され、所要スペースも小さくなる。
＜実施例２＞
図２は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の第２の実施例に用いられる冷却水タンクの構成を示す断面図である。
本冷却水タンクは、図１のごとき冷却系統、反応ガス系統において、燃料排ガスと酸化剤排ガスの圧力が異なる場合に用いられるもので、本実施例は、燃料排ガスの圧力が酸化剤排ガスの圧力より高い場合の構成を示すものである。
図に見られるように、燃料排ガス入口１７と燃料排ガス出口１８を備えた第１タンク１３ａと、酸化剤排ガス入口１９、酸化剤排ガス出口２０、冷却水入口２１および冷却水出口２２を備えた第２タンク１３ｂは接続配管により接続されている。第１タンク１３ａの接続配管の連結部にはフロート１５の作用により機械的に開閉操作される弁１６が備えられており、第１タンク１３ａの内部と第２タンク１３ｂの内部は、冷却水とこの弁１６を介して連結されている。第１タンク１３ａの水位が上がると、フロート１５が上方に移動し、これに伴って弁１６が開き、貯留された冷却水は回収水戻り口２３より接続配管を通して第２タンク１３ｂへと送られる。第２タンク１３ｂの水位が上がると、第２タンク１３ｂに備えられたフロート１５Ａと弁１６Ａの動作により、内部に貯留された冷却水は排出水出口２４より外部へと排出される。
本構成では、圧力が相対的に高い燃料排ガスを導入する第１タンク１３ａに弁１６が設けられているので、圧力差が大きくとも冷却水の水位が所定値以下に低下する恐れはない。また、燃料排ガスが酸化剤排ガスより圧力が高いため、酸化剤排ガスが第１タンク１３ａの側へ侵入する恐れもない。
＜実施例３＞
図３は、本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の第３の実施例に用いられる冷却水タンクの構成を示す断面図である。
本冷却水タンクも、図２の冷却水タンクと同様に、燃料排ガスと酸化剤排ガスの圧力が異なる場合に用いられるもので、本実施例も、燃料排ガスの圧力が酸化剤排ガスの圧力より高い場合の構成を示すものである。
本実施例の特徴は、図に見られるように、第１タンク１３ａと第２タンク１３ｂを鉛直方向の上下に配した点にある。本構成の場合も、第１タンク１３ａの水位が上がると、フロート１５が上方に移動し、これに伴って弁１６が開き、貯留された冷却水は回収水戻り口２３より第２タンク１３ｂへと送られる。
本構成においても、圧力が相対的に高い燃料排ガスを導入する第１タンク１３ａに弁１６が設けられているので、圧力差が大きくとも冷却水の水位が所定値以下に低下する恐れはない。また、燃料排ガスが酸化剤排ガスより圧力が高いため、酸化剤排ガスが第１タンク１３ａの側へ侵入する恐れもない。さらに、本構成では第１タンク１３ａと第２タンク１３ｂが上下方向に密接して配されるので、設置所要面積が極めて小さくなり、固体高分子電解質型燃料電池発電装置をコンパクトに構成することができる。
なお、上記の実施例２および実施例３の冷却水タンクでは、機械式のフロート１５と弁１６とを用いることとしているが、実施例１に用いられているもののごとく、フロートスイッチとこれの検知信号によって作動する電磁弁の組み合わせとしてもよい。
【発明の効果】
本発明によれば、上述のごとく、固体高分子電解質型燃料電池発電装置を、請求項１、あるいは２、あるいは３のごとく構成することとしたので、酸化剤排ガスと燃料排ガスに含まれる水分が簡単な構成の装置で効果的に回収され、構成部品点数が少なく、かつコンパクトに構成できると共に、二つのタンクに導入された各排ガスの圧力に差があっても前記各排ガスが直接混合するのを防止することが可能な固体高分子電解質型燃料電池発電装置が得られることとなった。
【図面の簡単な説明】
【図１】   本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の第１の実施例の冷却系統、反応ガス系統の要部を示すフロー図
【図２】   本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の第２の実施例に用いられる冷却水タンクの構成を示す断面図
【図３】   本発明の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の第３の実施例に用いられる冷却水タンクの構成を示す断面図
【図４】   従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の冷却水系統、反応ガス系統の要部を示すフロー図
【符号の説明】
１ 燃料電池積層体
２ ラジエータ
３ 冷却水循環ポンプ
７ フロートスイッチ
８ 電磁弁
９ 酸化剤ガス入口
１０ 燃料ガス入口
１２ 燃焼器
１３ 冷却水タンク
１３ａ 第１タンク（冷却水タンク）
１３ｂ 第２タンク（冷却水タンク）
１４ 排出水出口
１５，１５Ａ フロート
１６，１６Ａ 弁
１７ 燃料排ガス入口
１８ 燃料排ガス出口
１９ 酸化剤排ガス入口
２０ 酸化剤排ガス出口
２１ 冷却水入口
２２ 冷却水出口
２３ 回収水戻り口
２４ 排出水出口
【図１】
0003931462.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
0003931462.tif 000005