JPH0917438A - 燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システム - Google Patents

燃料電池を搭載した移動体における燃料電池システム

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JPH0917438A
JPH0917438A JP7159613A JP15961395A JPH0917438A JP H0917438 A JPH0917438 A JP H0917438A JP 7159613 A JP7159613 A JP 7159613A JP 15961395 A JP15961395 A JP 15961395A JP H0917438 A JPH0917438 A JP H0917438A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】外部から水分を補給する必要がなく、燃料電池
システムで使用する水分を燃料電池に連続的に供給する
ことを可能にする。 【構成】改質器14および改質反応後の水素ガス、酸化
剤ガスに加湿用の水分を供給する水タンク16と、この
加湿された水素ガスが供給される燃料電池18と、この
燃料電池18から排出される排出成分をガスと水分に分
離するとともに、前記分離された水分を前記水タンク1
6に供給するための第1および第2気液分離器20、2
2とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、例えば、水素ガス等の
燃料ガスにより作動する燃料電池を搭載した移動体にお
ける燃料電池システムに関する。
【0002】
【従来の技術】固体高分子電解質膜を挟んでアノード側
電極とカソード側電極とを対設した燃料電池セルをセパ
レータによって挟持して複数積層することにより構成さ
れた燃料電池が開発され、この燃料電池を自動車や2輪
車、携帯型発電機等の移動体の動力源電池として使用す
ることが実用化されつつある。
【0003】この種の燃料電池は、例えば、メタノール
の水蒸気改質により生成された水素ガス(燃料ガス)を
アノード側電極に供給するとともに、酸化剤ガス(空
気)をカソード側電極に供給することにより、前記水素
ガスがイオン化して固体高分子電解質内を流れ、これに
より燃料電池外部に電気エネルギが得られるように構成
されている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記燃料電
池では、有効な発電機能を発揮させるために、固体高分
子電解質膜およびイオン導電成分を、常時一定の湿潤状
態に維持する必要がある。このため、通常、燃料ガスを
加湿して燃料電池に供給する方式が採用されているが、
この加湿用の水を外部から補充しなければならない。ま
た、加湿用の水のほか、メタノール、メタン、またはエ
タノール等の炭化水素の水蒸気改質および燃料電池スタ
ックの冷却等にも水が必要である。従って、特に、燃料
電池が搭載された燃料電池自動車や携帯型発電機等で
は、この水の補充作業が相当に煩雑なものとなるという
問題が予想される。
【0005】本発明は、この種の問題を解決するもので
あり、外部から水分を補給する必要がなく、加湿用の水
分を連続的に燃料電池に供給することが可能な燃料電池
を搭載した移動体における燃料電池システムを提供する
ことを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明は、固体高分子電解質膜を挟んでアノード
側電極とカソード側電極を対設した燃料電池セルが複数
積層された燃料電池と、少なくとも前記燃料電池に供給
される燃料ガスおよび/または酸化剤ガスを加湿するた
めの水分を貯留する貯留部と、前記燃料電池から排出さ
れる排出成分をガスと水分に分離するとともに、前記分
離された水分を前記貯留部に供給するための気液分離手
段と、を備えることを特徴とする。
【0007】
【作用】上記の燃料電池を搭載した移動体における燃料
電池システムでは、加湿された燃料ガスと酸化剤ガスが
燃料電池に供給されると、この燃料ガスと酸化剤ガスが
反応して電気エネルギが得られるとともに水分が生成さ
れる。そして、この生成された水分は、未反応ガスに含
まれて気液分離手段に導入され、この気液分離手段にお
いて、燃料電池を通過した未使用水分とともにガスから
分離されて貯留部に貯留される。これにより、燃料電池
で反応生成された水分をガス加湿用、水蒸気改質および
燃料電池スタック冷却用の水分として利用することがで
き、燃料電池システムの外部から水分を補充する必要が
ない。
【0008】
【実施例】本発明に係る燃料電池を搭載した移動体にお
ける燃料電池システムについて実施例を挙げ、添付の図
面を参照しながら以下詳細に説明する。
【0009】図1において、参照数字10は、第1の実
施例に係る燃料電池システムを示す。この燃料電池シス
テム10は、メタノールタンク12から供給されるメタ
ノールを水蒸気改質する改質器14と、この改質器14
に水分を供給するとともに前記改質器14から導出され
る水素ガス(燃料ガス)および二酸化炭素ガスを加湿す
るための水分を供給する水タンク(貯留部)16と、前
記加湿された水素ガスおよび二酸化炭素ガスが供給され
る燃料電池18と、この燃料電池18から排出される排
出成分をガスと水分に分離するとともに、この分離され
た水分を前記水タンク16に供給するための気液分離手
段である第1および第2気液分離器20、22とを備え
る。
【0010】水タンク16、改質器14、燃料電池1
8、第1および第2気液分離器20、22は、経路24
により連通している。
【0011】改質器14は、バーナー26を備えてお
り、このバーナー26には、第1気液分離器20から経
路28を介して未反応水素および二酸化炭素等が導入さ
れるとともに、空気、または必要に応じて第2気液分離
器22から管路30を介して未反応酸素および窒素等が
供給される。この第1および第2気液分離器20、22
は、冷却器、例えば、ラジエータで構成されている。
【0012】燃料電池18は、複数の燃料電池セル32
を積層して構成されており、各燃料電池セル32は、電
極構造体34とこの電極構造体34を挟持するセパレー
タ36とを備える。
【0013】この電極構造体34は、固体高分子電解質
膜38と、この固体高分子電解質膜38を挟んで対設さ
れる水素極(アノード側電極)40と、空気極(カソー
ド側電極)42とを有し、この水素極40とこの空気極
42は、電気モータ等の負荷44に接続されている。
【0014】セパレータ36には、水素ガスおよびブロ
ア46から供給される空気(酸化剤ガス)を電極構造体
34側に送り込むための孔部の他、水タンク16に経路
48a、48bを介して連通する冷却用空間(図示せ
ず)が形成されている。
【0015】燃料電池18では、後述するように、水素
ガスの利用率が33%以上に設定されている。
【0016】このように構成される燃料電池システム1
0の動作について説明する。
【0017】図2に示すように、改質器14にメタノー
ルタンク12からメタノール(CH 3 OH)が供給され
るとともに、この改質器14に水タンク16から水分が
供給され、バーナー26の加熱作用下に前記メタノール
の水蒸気改質が行われる。この改質器14におけるメタ
ノールの水蒸気改質の反応は、(1)式で表される。
【0018】 CH3 OH+(1+n)H2 O→3H2 +CO2 +nH2 O (n≧0) …(1) ここで、nは余剰分を示し、1よりも小さな値、例え
ば、0.3に設定されている。
【0019】メタノールの水蒸気改質反応後に、水タン
ク16から水分(mH2 O)が添加されることにより、
燃料電池18の水素極40に供給される作動ガスは、3
2+CO2 +(n+m)H2 Oの組成を有する。これ
によって、水素ガスの加湿が行われたことになる。
【0020】次に、燃料電池18に導入された作動ガス
中の水分は、その一部が電極構造体34を透過して空気
極42側に移動する。水分の電極構造体34内の透過率
を(1−x)(0<x<1)とすると、水素極40側に
残る作動ガス中の水分は、(n+m)xH2 Oとなり、
空気極42側に透過する作動ガス中の水分は、(n+
m)(1−x)H2 Oとなる。
【0021】一方、作動ガス中の水素ガスはイオン化し
て固体高分子電解質膜38内を空気極42側に流れる。
そして、水素イオンは、空気極42で酸素および電子と
反応して水が生成される。燃料電池18の水素(燃料)
利用率をUH とすると、(2)式の反応から3UH ・H
2 Oの反応生成水分が得られる。
【0022】 3H2 ・UH +3/2・O2 ・UH =3UH ・H2 O …(2) なお、水素(燃料)利用率UH とは、燃料電池が発電で
消費する水素ガス量(燃料ガス量)/燃料電池に供給し
た水素ガス量(燃料ガス量)として定義される。
【0023】生成水分は、その一部が電極構造体34を
透過して水素極40側に移動する。この生成水分の電極
構造体34内の透過率を(1−y)(0<y<1)とす
ると、空気極42側に残る生成水分は、3yUH 2
となり、水素極40側に透過する生成水分は、3(1−
y)UH 2 Oとなる。
【0024】従って、燃料電池18の水素極40側から
排出される排出成分は、未反応水素ガス、二酸化炭素ガ
スおよび{(n+m)x+3(1−y)UH }H2 Oと
なる一方、空気極42側から排出される排出成分は、未
反応酸素ガス、窒素ガスおよび{(n+m)(1−x)
+3yUH }H2 Oとなる。
【0025】次いで、燃料電池18の水素極40から排
出される排出成分は、第1気液分離器20に導入されて
ガスと水分に分離されるとともに、空気極42から排出
される排出成分は、第2気液分離器22に導入されてガ
スと水分に分離される。
【0026】その際、第1および第2気液分離器20、
22による水分回収率をそれぞれQ 1 、Q2 とすると、
この第1気液分離器20により回収される水分は、Q1
{(n+m)x+3(1−y)UH }H2 Oとなり、こ
の第2気液分離器22により回収される水分は、Q
2 {(n+m)(1−x)+3yUH }H2 Oとなり、
それぞれ経路24を介して水タンク16に供給される。
【0027】また、第1気液分離器20で分離された未
反応水素ガスおよび二酸化炭素ガスと未回収水分は、経
路28を介してバーナー26に導かれて燃焼および改質
等の温度保持に用いられる。第2気液分離器22で分離
された未反応酸素ガスおよび窒素ガスと未回収水分は、
管路30を介して排気され、または、必要に応じてバー
ナー26に導かれる。
【0028】一方、水タンク16からセパレータ36に
対して冷却水の供給回収が行われているが、このセパレ
ータ36から回収される水分に増減はなく、前記セパレ
ータ36に用いられる水分移動は考慮しない。このた
め、水タンク16から導出される全水分量は、(1+n
+m)H2 Oであり、この水タンク16に導入される全
水分量は、Q1 {(n+m)x+3(1−y)UH }H
2 O+Q2 {(n+m)(1−x)+3yUH 2 O}
となる。
【0029】そこで、水タンク16から導出される全水
分量がこの水タンク16に導入される全水分量より少な
ければ、該水タンク16内の水分量が減ることはなく、
これによって燃料電池システム10の外部から水分を補
給する必要がない。この条件を満たすためには、(3)
式を満たせばよい。
【0030】 (1+n+m)H2 O≦Q1 {(n+m)x+3(1−y)UH }H2 O +Q2 {(n+m)(1−x)+3yUH }H2 O …(3) さらに、水分の回収率が最大になるQ1 =Q2 =1にお
いて、水循環系の効率が最大になる。このため、Q1
2 =1を(3)式に代入すると、 UH ≧1/3 …(4) が導かれる。
【0031】なお、上記実施例では、燃料ガス(水素ガ
ス)の加湿の場合だけの水収支について述べたが、水は
単に燃料電池内を通過するだけであり、(3)式の両辺
で相殺されるため、酸化剤ガス(空気)の加湿を行った
場合も同様に、(4)式が導かれる。すなわち、酸化剤
ガスの加湿の水分をl、電極構造体34内の透過率を
(1−Z)(0<Z<1)とすると、 (1+n+m+l)H2 O≦Q1 {(n+m)x+3(1−y)UH +l(1 −Z)}H2 O+Q2 {(n+m)(1−x)+3yUH +lZ}H2 O …(5) となり、これから(4)式が導かれる。
【0032】ところで、水循環系の効率が最大であって
も、水素ガスの利用率が33%未満であれば、燃料電池
システム10内の水が減少してしまい、この燃料電池シ
ステム10を組み込む燃料電池自動車では、燃料である
メタノールの補給の他に水分の補給も必要となる。
【0033】従って、第1の実施例では、水素ガスの利
用率が33%以上でかつ第1および第2気液分離器2
0、22の水分回収率に対応した値以上になるように燃
料電池18のパワープラントを作動させることにより、
外部からの水分の補給を行わずにタンク16内の水分を
連続的に活用することが可能になる。なお、ガス利用率
の調整は、供給する単位時間内の燃料ガスおよび酸化剤
ガスの量によって行うことができる。
【0034】このように、第1の実施例では、燃料電池
18を通過する水分およびこの燃料電池18内で反応生
成される水分を第1および第2気液分離器20、22に
よりガスから分離し、水タンク16に供給している。こ
れにより、燃料電池システム10内で水分の使用効率が
一挙に向上するという効果がある。
【0035】しかも、燃料電池18による水素ガスの利
用率を33%以上に設定することにより、水タンク16
から導出される水分量よりもこの水タンク16に導入さ
れる水分量を多くすることができる。従って、燃料電池
システム10内に外部から水分を補給する必要がなく、
特に、燃料電池システム10を組み込む燃料電池自動車
の取り扱い作業性が向上するという利点が得られる。
【0036】次に、第2の実施例に係る燃料電池システ
ム60について、図3を参照して以下に説明する。な
お、第1の実施例に係る燃料電池システム10と同一の
構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明
は省略する。
【0037】この燃料電池システム60では、メタンタ
ンク62から供給されるメタンを水蒸気改質する改質器
64を備えており、燃料電池18では、水素ガスの利用
率が50%以上に設定されている。
【0038】上記燃料電池システム60では、図3に示
すように、改質器64にメタンタンク62からメタン
(CH4 )が供給されるとともに、この改質器64に水
タンク16から水分が供給され、バーナー26の加熱作
用下に前記メタンの水蒸気改質が行われる。この改質器
64におけるメタンの水蒸気改質の反応は、(6)式で
表される。
【0039】 CH4 +(2+n)H2 O→4H2 +CO2 +nH2 O (n≧0) …(6) メタンの水蒸気改質反応後に、水タンク16から水分
(mH2 O)が添加されることにより、燃料電池18の
水素極40に供給される作動ガスは、4H2 +CO2
(n+m)H2 Oの組成を有する。さらに、燃料電池1
8に導入された作動ガス中の水分は、その一部が電極構
造体34を透過して空気極42側に移動する。水素極4
0側に残る作動ガス中の水分は、(n+m)xH2 Oで
あり、空気極42側に透過する作動ガス中の水分は、
(n+m)(1−x)H2 Oである。
【0040】一方、作動ガス中の水素ガスはイオン化し
て固体高分子電解質膜38内を空気極42側に流れる。
そして、水素イオンは、空気極42で酸素および電子と
反応し、(7)式から4UH ・H2 Oの反応生成水分が
得られる。
【0041】 4H2 ・UH +2O2 ・UH =4UH ・H2 O …(7) 生成水分は、その一部が電極構造体34を透過して水素
極40側に移動し、空気極42側に残る生成水分は、4
yUH 2 Oとなり、水素極40側に透過する生成水分
は、4(1−y)UH 2 Oとなる。
【0042】従って、燃料電池18の水素極40側から
排出される排出成分は、未反応水素ガス、二酸化炭素ガ
スおよび{(n+m)x+4(1−y)UH }H2 Oと
なる一方、空気極42側から排出される排出成分は、未
反応酸素ガス、窒素ガスおよび{(n+m)(1−x)
+4yUH }H2 Oとなる。
【0043】次に、燃料電池18の水素極40から排出
される排出成分は、第1気液分離器20に導入されてガ
スと水分に分離されるとともに、空気極42から排出さ
れる排出成分は、第2気液分離器22に導入されてガス
と水分に分離される。その際、第1および第2気液分離
器20、22により回収される水分は、Q1 {(n+
m)x+4(1−y)UH }H2 OとQ2 {(n+m)
(1−x)+4yUH }H2 Oとなり、それぞれ経路2
4を介して水タンク16に供給される。
【0044】水タンク16から導出される全水分量は、
(2+n+m)H2 Oであり、この水タンク16に導入
される全水分量は、Q1 {(n+m)x+4(1−y)
H}H2 O+Q2 {(n+m)(1−x)+4y
H }H2 Oとなる。このため、水タンク16から導出
される全水分量がこの水タンク16に導入される全水分
量より少なければ、該水タンク16内の水分量が減るこ
とはなく、これによって燃料電池システム60の外部か
ら水分を補給する必要がない。この条件を満たすために
は、(8)式を満たせばよい。
【0045】 (2+n+m)H2 O≦Q1 {(n+m)x+4(1−y)UH }H2 O +Q2 {(n+m)(1−x)+4yUH }H2 O …(8) さらに、水分の回収率が最大になるQ1 =Q2 =1にお
いて、水循環系の効率が最大になる。このため、Q1
2 =1を(8)式に代入すると、 UH ≧1/2 …(9) が導かれる。
【0046】従って、第2の実施例では、水素ガスの利
用率が50%以上でかつ第1および第2気液分離器2
0、22の水分回収率に対応した値以上になるように燃
料電池18のパワープラントを作動させることにより、
外部からの水分の補給を行わずに水タンク16内の水分
を連続的に活用することが可能になる。
【0047】次いで、第3の実施例に係る燃料電池シス
テム80について、図4を参照して以下に説明する。な
お、第1の実施例に係る燃料電池システム10と同一の
構成要素には、同一の参照符号を付してその詳細な説明
は省略する。
【0048】この燃料電池システム80では、エタノー
ルタンク82から供給されるエタノールを水蒸気改質す
る改質器84を備えており、燃料電池18では、水素ガ
スの利用率が50%以上に設定されている。
【0049】上記燃料電池システム80では、図4に示
すように、改質器84にエタノールタンク82からエタ
ノール(C2 5 OH)が供給されるとともに、この改
質器84に水タンク16から水分が供給され、バーナー
26の加熱作用下に前記エタノールの水蒸気改質が行わ
れる。この改質器84におけるエタノールの水蒸気改質
の反応は、(10)式で表される。
【0050】 (C2 5 OH)+(3+n)H2 O →6H2 +2CO2 +nH2 O (n≧0) …(10) エタノールの水蒸気改質反応後に、水タンク16から水
分(mH2 O)が添加されることにより、燃料電池18
の水素極40に供給される作動ガスは、6H2+2CO
2 +(n+m)H2 Oの組成を有する。さらに、燃料電
池18に導入された作動ガス中の水分は、その一部が電
極構造体34を透過して空気極42側に移動する。水素
極40側に残る作動ガス中の水分は、(n+m)xH2
Oであり、空気極42側に透過する作動ガス中の水分
は、(n+m)(1−x)H2 Oである。
【0051】一方、作動ガス中の水素ガスはイオン化し
て固体高分子電解質膜38内を空気極42側に流れる。
そして、水素イオンは、空気極42で酸素および電子と
反応し、(11)式から6UH ・H2 Oの反応生成水分
が得られる。
【0052】 6H2 ・UH +3O2 ・UH =6UH ・H2 O …(11) 生成水分は、その一部が電極構造体34を透過して水素
極40側に移動し、空気極42側に残る生成水分は、6
yUH 2 Oとなり、水素極40側に透過する生成水分
は、6(1−y)UH 2 Oとなる。
【0053】従って、燃料電池18の水素極40側から
排出される排出成分は、未反応水素ガス、二酸化炭素ガ
スおよび{(n+m)x+6(1−y)UH }H2 Oと
なる一方、空気極42側から排出される排出成分は、未
反応酸素ガス、窒素ガスおよび{(n+m)(1−x)
+6yUH }H2 Oとなる。
【0054】次に、燃料電池18の水素極40から排出
される排出成分は、第1気液分離器20に導入されてガ
スと水分に分離されるとともに、空気極42から排出さ
れる排出成分は、第2気液分離器22に導入されてガス
と水分に分離される。その際、第1および第2気液分離
器20、22により回収される水分は、Q1 {(n+
m)x+6(1−y)UH }H2 OとQ2 {(n+m)
(1−x)+6yUH }H2 Oとなり、それぞれ経路2
4を介して水タンク16に供給される。
【0055】水タンク16から導出される全水分量は、
(3+n+m)H2 Oであり、この水タンク16に導入
される全水分量は、Q1 {(n+m)x+6(1−y)
H}H2 O+Q2 {(n+m)(1−x)+6y
H }H2 Oとなる。このため、水タンク16から導出
される全水分量がこの水タンク16に導入される全水分
量より少なければ、該水タンク16内の水分量が減るこ
とはなく、これによって燃料電池システム80の外部か
ら水分を補給する必要がない。この条件を満たすために
は、(12)式を満たせばよい。
【0056】 (3+n+m)H2 O≦Q1 {(n+m)x+6(1−y)UH }H2 O +Q2 {(n+m)(1−x)+6yUH }H2 O …(12) さらに、水分の回収率が最大になるQ1 =Q2 =1にお
いて、水循環系の効率が最大になる。このため、Q1
2 =1を(12)式に代入すると、 UH ≧1/2 …(13) が導かれる。
【0057】従って、第3の実施例では、水素ガスの利
用率が50%以上でかつ第1および第2気液分離器2
0、22の水分回収率に対応した値以上になるように燃
料電池18のパワープラントを作動させることにより、
外部からの水分の補給を行わずに水タンク16内の水分
を連続的に活用することが可能になる。
【0058】
【発明の効果】以上のように、本発明に係る燃料電池を
搭載した移動体における燃料電池システムによれば、以
下の効果乃至利点が得られる。
【0059】燃料電池に供給された燃料ガスが反応して
水分が生成され、この水分が他の排出成分とともに気液
分離手段に導入されるため、前記水分は、排出成分から
分離されて貯留部に供給される。これにより、燃料電池
で反応生成された水分を加湿用の水、メタノール、メタ
ン、またはエタノール等の炭化水素の水蒸気改質および
燃料電池スタックの冷却用として利用することができ、
燃料電池システム全体が利用する水を燃料電池システム
の外部から補充する必要がない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例に係る燃料電池システム
の概略構成説明図である。
【図2】前記第1の実施例に係る燃料電池システムにお
ける各種反応の説明図である。
【図3】本発明の第2の実施例に係る燃料電池システム
における各種反応の説明図である。
【図4】本発明の第3の実施例に係る燃料電池システム
における各種反応の説明図である。
【符号の説明】
10、60、80…燃料電池システム 12…メタノー
ルタンク 14、64、84…改質器 16…水タンク 18…燃料電池 20、22…気
液分離器 32…燃料電池セル 34…電極構造
体 36…セパレータ 40…水素極 42…空気極 62…メタンタ
ンク 82…エタノールタンク

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】固体高分子電解質膜を挟んでアノード側電
    極とカソード側電極を対設した燃料電池セルが複数積層
    された燃料電池と、 少なくとも前記燃料電池に供給される燃料ガスおよび/
    または酸化剤ガスを加湿するための水分を貯留する貯留
    部と、 前記燃料電池から排出される排出成分をガスと水分に分
    離するとともに、前記分離された水分を前記貯留部に供
    給するための気液分離手段と、 を備えることを特徴とする燃料電池を搭載した移動体に
    おける燃料電池システム。
  2. 【請求項2】請求項1記載の燃料電池システムにおい
    て、メタノールの水蒸気改質により前記燃料ガスである
    水素ガスを生成する改質器を備え、前記燃料ガスの利用
    率が、33%以上であることを特徴とする燃料電池を搭
    載した移動体における燃料電池システム。
  3. 【請求項3】請求項1記載の燃料電池システムにおい
    て、メタンの水蒸気改質により前記燃料ガスである水素
    ガスを生成する改質器を備え、前記燃料ガスの利用率
    が、50%以上であることを特徴とする燃料電池を搭載
    した移動体における燃料電池システム。
  4. 【請求項4】請求項1記載の燃料電池システムにおい
    て、エタノールの水蒸気改質により前記燃料ガスである
    水素ガスを生成する改質器を備え、前記燃料ガスの利用
    率が、50%以上であることを特徴とする燃料電池を搭
    載した移動体における燃料電池システム。
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