JPH09259908A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来は、改質器の放熱により熱効率が悪く、燃
料電池を含んだシステム全体が大形化するといった問題
があった。 【解決手段】燃料極１と酸化剤極２とによって、電解質
３を挟持してなる単セル４が、複数積層されて燃料電池
本体５を構成する。燃料電池本体５内で起こる化学反応
によって発生する熱を冷却するために冷媒タンク６から
送り出された冷媒は、冷媒循環配管９によって、燃料電
池各部を循環し、再び冷媒タンク６に戻る。改質器本体
１６は、燃料極１からの水素ガスとブロア１７からの空
気とが送り込まれる燃料室１４と、水や液体燃料が送り
込まれる改質室１５とから構成される。改質器１３は、
燃料室１４と改質室１５の周囲に設けられる熱交換器１
８、１９とからなる。この様な構成により熱交換器１
８、１９が改質器本体１６からの放熱量を減少させ熱効
率を向上させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池に係り、
特に自動車等の車両用として用いることが好適な燃料電
池に関する。

【０００２】

【従来の技術】燃料電池は電気化学反応による発電方式
で、高効率と優れた環境特性のために脚光を浴びてい
る。この新しい発電装置の一種である燃料電池の仕組み
は、天然ガス等の燃料を改質して得られる水素と、空気
中の酸素とを電気化学的に反応させて直接発電するもの
であり、化学発電と呼ばれている。

【０００３】この様な従来の燃料電池の構成について、
図面を参照して説明する。図３は、燃料電池のシステム
構成図である。燃料極１０１と酸化剤極１０２との間に
電解質１０３が狭着され、単セル電池１０４を構成す
る。単セル電池１０４が複数積層され燃料電池本体１０
５を構成する。燃料電池本体１０５には、電解質１０３
を冷却するための冷却板１０６が設けられる。電解質１
０３の温度は約８５［℃］に制御される。燃料電池本体
１０５（燃料極１０１）には、燃料となる水素を供給す
るための改質器１０７が気化器１０９を介して接続され
る。改質器１０７には、改質器１０７を加熱するための
バーナ１０８が設けられる。バーナ１０８には、バーナ
１０８に空気を供給するブロア１１６が接続される。酸
化剤極１０２から排出される空気は、熱交換器１１７を
介してバーナ１０８に接続される。

【０００４】酸化剤極１０２に空気を供給するブロア１
１０が設けられる。改質器１０７に供給される水を蓄え
る水タンク１１３は、熱交換器１１４を介してバーナ１
０８に接続される。液体燃料を蓄積する燃料タンク１１
５は熱交換器１１２を介して改質器１０７に接続され
る。

【０００５】この様に構成される燃料電池は、以下の段
階をもって動作する。 （１）燃料タンク１１５から供給されるアルコール（メ
タノール）等の液体燃料と水タンク１１３から供給され
る水とはバーナ１０８に送られ混合物（液体燃料と水）
となり、その後バーナ１０８によって加熱されガス状態
の改質ガスとなる。ガス状態となった改質ガスは水素ガ
スを多く含んだ燃料ガスとなる。

【０００６】（２）燃料ガス（水素ガス）は、気化器１
０９を通って燃料極１０１に送られる。 （３）ブロア１１０から酸化剤１０２に送り込まれる空
気（酸素）と、水素ガスとが、電解質１０３内で化学反
応を起こし、電気を発生させる。

【０００７】（４）化学反応後の燃料極１０１からの水
素ガスと、酸化剤極１０２からの酸素とが、バーナ１０
８に送り込まれる。また、バーナ１０８にはブロア１１
１から空気が、液体燃料が貯蔵される燃料タンク１１３
から液体燃料が供給される。

【０００８】（５）バーナ１０８で水素ガス等を燃焼さ
せることで、改質器１０７内の液体燃料と水との混合物
を所望の温度に暖めている。また、単セル１０４を冷却
する冷却板１０６には、水タンク１１６から水等の冷却
水が循環されており、単セル１０４内で起こる化学反応
によって発生する反応熱を奪っている。

【０００９】冷却板１０６を通過した冷却水は、気化器
１１２及び加熱器１１４を通過する際に熱を奪われ水タ
ンク１１６に回収される。気化器１１２は、冷却水から
熱を奪って液体燃料を加熱する。また、バーナ１０８を
介して改質器１０７に送り込まれる水蒸気（水）を貯蓄
する水タンク１１３に接続される加熱器１１４は、気化
器１１２を通過した冷却水からを熱を奪って水を加熱す
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、自動車
等の移動体の電源として燃料電池を使用する場合に、燃
焼ガスを作る改質器を加熱するために必要となるバーナ
等の加熱器を用いることは安全上不可能である。

【００１１】そこで、バーナ等を使用することなく、よ
り低い温度で化学反応を起こして燃料ガスを生成するた
めに、適当な触媒を用いている。触媒を使用すること
で、燃料ガスの生成温度を約７００［℃］まで低下させ
ることができる。

【００１２】しかし、改質器本体とその周囲との温度差
が大きく、放熱等によって熱交換効率も悪かった。ま
た、液体燃料の貯蔵容器や化学反応に必要な水や燃料電
池本体を冷却するための冷却水を蓄える容器も別途必要
となり、燃料電池を含んだシステム全体が大形化すると
いった問題もあった。

【００１３】そこで、本発明は上記従来の問題点に鑑み
てなされたもので、改質器の外表面温度を約１００
［℃］に低下させ、放熱を少なくし熱効率を向上させ、
また、熱交換器によって液体燃料や水の気化を行うこと
により、気化器を不要とし、同時に気化時間の短縮を可
能とする。また、液体燃料や水の気化器と改質ガスを冷
却する冷却器とが一体となることにより、燃料電池を含
んだシステム全体の小形軽量化を提供することを目的と
する。

【００１４】

【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、本発明は、水素ガスが供給される燃料極と、酸素
が供給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極と
に挟持され、水素ガスと酸素とを化学反応させて電気を
発生させる電解質と、前記燃料極に供給される水素ガス
を生成する改質室と、前記改質室からの改質ガスと前記
燃料極から排出される水素ガスとの熱交換を行う第１の
熱交換器と、前記燃料極から排出される水素ガスを燃焼
する燃焼室と、前記燃焼室から排出されるガスと前記改
質室に供給される水および液体燃料との熱交換を行う第
２の熱交換器とから構成される。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を図面を参
照しながら説明していく。図１は、燃料電池のシステム
構成で、図２は、燃料電池に係る改質器の分解斜視図で
ある。

【００１６】燃料極１と酸化剤極２とによって、電解質
３を挟持してなる単セル４が、複数積層されて燃料電池
本体５を構成する。酸化剤極２には空気を送り込むため
のブロア１１が設けられる。燃料電池本体５内でおこる
化学反応によって発生する熱を冷却するために、冷媒を
貯蔵する冷媒タンク６は、ポンプ７によって単セル４に
設けられる冷却板８に冷媒を供給する。冷媒タンク６か
ら送り出された冷媒は、冷媒循環配管９によって、燃料
電池各部を循環し、再び冷媒タンク６に戻る。冷媒循環
配管９には冷媒の循環途中で、液体燃料が貯蓄される燃
料タンク２０にポンプ２１を介して接続される熱交換器
１０と、水が貯蓄される水タンク２２にポンプ２３を介
して接続される熱交換器１２とが設けられる。

【００１７】また、改質器本体１６は、燃料極１からの
水素ガスとブロア１７からの空気とが送り込まれる燃料
室１４と、水や液体燃料が送り込まれる改質室１５とか
ら構成される。改質器１３は、燃料室１４と改質室１５
と改質室１５の周囲（図１中では改質室１５の上下）に
設けられる熱交換器１８（第１の熱交換器）、１９（第
２の熱交換器）とから構成される。

【００１８】ここで、改質器１３の詳細な構成について
説明する（図２参照）。改質器１３は、熱交換器１８、
改質器本体１６（改質室１５と燃料室１４とから構成さ
れる）、熱交換器１９の順に積層される。更に各構成要
素は厚さ０．３〜２［ｍｍ］のステンレス・スチールか
らなり、隣接するステンレス・スチールはろう付けや溶
接等により接合される。

【００１９】（１）熱交換器１８の構成。 熱交換器１８は、上部端板２４と混合加熱板２７と中間
板２９と改質ガス冷却板３０とから構成される。

【００２０】ブロア１７から供給される空気は、上部端
板２４の空気入口２５より混合加熱いた２７に送られ
る。また、燃料電池本体５の燃料極１から排出された水
素ガスは、ガス入口２６より混合加熱板２７に送り込ま
れる。送り込まれた空気と水素ガスとは、混合加熱板２
７のガス流通溝２８で混合され加熱される。空気あるい
は水素ガスと、改質ガスとは中間板２９によって仕切ら
れ混合することはない。中間板２９には、改質ガスが流
通する穴と、空気と水素とが混合する混合ガスが流通す
る穴とが設けられる。改質室１５から排出される改質ガ
スは、改質ガス冷却板３０の流通溝３１を流通する過程
で冷却され、中間板２９の穴を通過して上部端板２４に
設けられる改質ガス出口３２より改質器１３外部に排出
される。

【００２１】（２）改質器本体１６（改質室１５及び燃
料室１４）の構成。 改質器本体１６と熱交換器１８とはセパレータ板３３を
挟んで接続される。燃料室１４内の燃料室板３４に設け
られる穴から水素ガスと空気との混合ガスは触媒３５に
供給され、触媒３５中を矢印方向に通過する際に化学反
応を起こして熱を発生する。この時の温度は、７００
［℃］程度である。触媒３５を通過した混合ガスは、燃
料室板３４に設けられる別の穴から排出される。

【００２２】改質室１５は、改質室板３６に設けられる
穴から水蒸気と気化した燃料ガスとを混合させた混合ガ
スを、触媒３７を矢印方向に流通することにより、水素
ガスに富んだ改質ガスを発生させ、改質室板３６に設け
られる別の穴から排出される。 燃料室１４と改質室１
５とでセパレータ板３８を挟持する。

【００２３】この様な改質器本体１６を複数積層させる
ことで、水素ガスの所望の生成量を得ることができる。

【００２４】（３）熱交換器１９の構成。 下部端板３９には、冷媒の冷媒循環配管９に設けられた
熱交換器１０で加熱された液体燃料の入口４０と、冷媒
の冷媒循環配管９に設けられた熱交換器１２で加熱され
た水の入口４１と、燃料室１４から排出される混合ガス
の排ガスの出口である排ガス出口４２とが設けられる。

【００２５】下部端板３９から供給された水は、蒸気板
４３に設けられる流通溝４４を流通する過程で加熱され
水蒸気となる。また、燃料室１４から排出された排ガス
は、冷却板４５に設けられる流通溝４６を流通する過程
で冷却される。蒸発板４３から排出される水蒸気と液体
燃料とは、混合加熱板４７に設けられる流通溝４８を流
通する過程で混合され加熱される。混合され加熱された
燃料ガスと水蒸気とは、改質室１５へ送られる。蒸気板
４３と冷却板４５、あるいは冷却板４５と混合加熱板４
７との間にはセパレータ板３８が設けられる。また、改
質室本体１６と熱交換器１９との間には、セパレータ板
３８が設けられる。

【００２６】この様な構成からなる本発明の燃料電池の
動作について説明する。水タンク２２からの水は、熱交
換器１２によって加熱され、熱交換器１９に送り込まれ
る。同時に、燃料タンク２０からの燃料は、熱交換器１
０によって加熱され、熱交換器１９に送られる。熱交換
器１９では、水と燃料とを燃料室１４から排出されるガ
スで再度加熱し気化させ、気化した気化ガスはその後改
質室１５に供給される。改質室１５内の化学反応によっ
て作られた改質ガス（水素ガス）は、熱交換器１８で冷
却され燃料極１に送られる。改質ガスが改質室１５から
送られる燃料極１と、ブロア１１から供給される空気が
送られる酸化剤極２と、電解質３とで化学反応が起こ
り、その化学反応によって発生した熱を電気エネルギ
（直流電流）として取り出し、その後図示しない直流交
流変換器に送られる。燃料電池本体５は、冷媒タンク６
から供給される冷媒の循環によって冷却されることによ
り、燃料電池本体５を約８５℃の温度に保ち安定な動作
を行っている。

【００２７】燃料極１から排出される改質ガスは、ブロ
ア１７から送り込まれる空気と混合され、熱交換器１８
で加熱される。加熱された改質ガスは、燃料室１４に送
られ燃焼し、その後熱交換器１９で冷却され、改質器１
３外部に排出される。

【００２８】冷却板８を通過して温められた冷媒は、熱
交換器１０、１２で、冷媒が燃料電池本体５から奪った
熱を水や液体燃料に熱を伝達することによって、熱を放
熱し冷媒タンク６に戻る前に温度を低下させる。

【００２９】熱交換器１８は、燃料電池本体５の燃料極
１から排出される水素ガスを含むガスとブロア１７から
の空気とを加熱する一方で、改質室１５からの改質ガス
を冷却する。

【００３０】熱交換器１９は、水タンク２２からの水を
熱交換器１２で加熱したものと、また燃料タンク２０か
らの液体燃料を熱交換器１０で加熱したものとを、気化
し再び加熱する一方で、燃料室１４から排出される排出
ガスを冷却する。

【００３１】さらに、燃料電池の改質室１３の動作につ
いて説明する。熱交換器１８の上部端板２４の空気入口
２５から空気が、ガス入口２６から水素ガスが混合加熱
板２７のガス流通溝２８で混合され、その後改質器本体
１６の燃料室板３４の触媒３５中を矢印方向に流通し、
化学反応によって発熱する。触媒３５を通過し化学反応
後の水素ガスと空気とは、熱交換器１９の冷却板４５に
設けられる流通溝４６で熱を奪われ、下部端板３９の排
ガスの出口４２から排出される。

【００３２】また、下部端板３９の水の入口４１から供
給される水が、蒸気板４３の流通溝４４を通過する際に
水蒸気となる。下部端板３９の液体燃料の入口４０から
供給される液体燃料と水蒸気とが、混合加熱板４７の流
通溝４８を通過する際に、混合される。混合された水蒸
気と燃料ガスとは、改質室板３６の触媒３７を通過する
際に化学反応によって水素ガスに富んだ改質ガスを発生
し、その後熱交換器１８の改質ガス冷却板３０の流通溝
３１を通過する際に冷却され、上部端板２４の改質ガス
出口３２から排出される。

【００３３】以上述べた様な本発明では、改質ガスを生
成するための改質室１５の温度が化学反応によって約７
００［℃］になるため、改質器本体１６周辺に熱交換器
を設けることにより、改質器本体１６からの放熱量を減
少させ熱効率を良くすることができ、温度制御を簡便に
し、また改質室内を所望の温度にするために使用される
液体燃料の使用量を減少させることができる。

【００３４】また、放熱を防ぐ熱交換器１９に所定の熱
を持たせるために必要な液体燃料（熱源）も燃料室から
排出される反応ガスを使用することにより余分な熱源も
不要であり、燃料電池の小形軽量化ができると共にコス
ト低減に寄与する。

【００３５】さらに、熱交換器１９によって液体燃料や
水を加熱し気体とすることで、気化器を不要とし装置の
小形軽量化ができ、また気化時間の短縮にも貢献する。
また、バーナ等の加熱器を具備しないため、加熱器が使
用できない場合（例えば自動車等の車両用）の電源とし
て活用でき、また火気を不要とすることで安全性が向上
する。

【００３６】なお、本発明は上記実施例に限定されず、
その主旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できるこ
とはいうまでもない。例えば、各種ガス（水素や空気
等）の出入口はガスが少なくとも流通すれば良く、その
形状、配置場所は適時変更して構わない。

【００３７】

【発明の効果】以上説明した様に本発明によれば、改質
器の放熱を減少させて改質室の熱効率を向上させること
ができ、また火気を不要とすることで安全性を高めるこ
とができる。また、液体燃料や水を気化する気化器を不
要とし、液体燃料や水の気化器と改質ガスを冷却する冷
却器とを一体化させることによってシステム全体が小形
軽量化ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の燃料電池のシステム構成図

【図２】 本発明の燃料電池に係る改質器の分解斜視図

【図３】 従来の燃料電池のシステム構成図

【符号の説明】

１ 燃料極 ２ 酸化剤極 ３ 電解質 ４ 単セル ５ 燃料電池本体 ６ 冷媒タンク ７、２１、２３ ポンプ ８ 冷却板 ９ 冷媒循環配管 １０、１２、熱交換器 １８ 熱交換器（第１の熱交換器） １９ 熱交換器（第２の熱交換器） １３ 改質器 １４ 燃料室 １５ 改質室 １６ 改質器本体 １１、１７ ブロア ２０ 燃料タンク ２２ 水タンク ２４ 上部端板 ２５ 空気入口 ２６ ガス入口 ２７、４７ 混合加熱板 ２８ ガス流通溝 ２９ 中間板 ３０ 改質ガス冷却板 ３１、４４、４６、４８ 流通溝 ３２ 改質ガス出口 ３３、３８ セパレータ板 ３４ 燃料室板 ３５、３７ 触媒 ３６ 改質室板 ３９ 下部端板 ４０ 液体燃料の入口 ４１ 水の入口 ４２ 排ガスの出口 ４３ 蒸気板 ４５ 冷却板

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】水素ガスが供給される燃料極と、酸素が供
   給される酸化剤極と、前記燃料極と前記酸化剤極とに挟
   持され、水素ガスと酸素とを化学反応させて電気を発生
   させる電解質と、前記燃料極に供給される水素ガスを生
   成する改質室と、前記改質室からの改質ガスと前記燃料
   極から排出される水素ガスとの熱交換を行う第１の熱交
   換器と、前記燃料極から排出される水素ガスを燃焼する
   燃焼室と、前記燃焼室から排出されるガスと前記改質室
   に供給される水および液体燃料との熱交換を行う第２の
   熱交換器ととから構成されることを特徴とする燃料電
   池。
2. 【請求項２】前記燃料極と前記酸化剤極と前記電解質と
   で起こる化学反応から発生する熱を冷却する冷却板が設
   けられることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。