JPH09312164A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

燃料電池発電装置

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JPH09312164A
JPH09312164A JP8150507A JP15050796A JPH09312164A JP H09312164 A JPH09312164 A JP H09312164A JP 8150507 A JP8150507 A JP 8150507A JP 15050796 A JP15050796 A JP 15050796A JP H09312164 A JPH09312164 A JP H09312164A
Authority
JP
Japan
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fuel cell
air
exhaust gas
cooling
circulation path
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Pending
Application number
JP8150507A
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English (en)
Inventor
Masataka Ueno
正隆 上野
Yutaka Nakajima
裕 中島
Koichi Shiraishi
剛一 白石
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Equos Research Co Ltd
Original Assignee
Equos Research Co Ltd
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Publication date
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    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高分子固体電解質型燃料電池スタックを大型
化する必要のない簡易冷却方式を提供する。 【構成】 高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃料極
とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置において、
電池反応後に空気極から排出された排出ガスの少なくと
も一部を空気極に再導入するための循環路16を設ける
と共に、この循環路を流れる排出ガスを冷却する冷却手
段19を設けることを特徴とする。冷却手段は、外気と
の熱交換により、あるいは水素吸蔵合金との熱交換によ
り、循環路内の排出ガスを冷却するものとすることが好
適である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高分子固体電解質型
燃料電池発電装置に関する。
【0002】
【従来の技術】高分子固体電解質型燃料電池においては
電解質としてイオン導電膜が用いられ、該燃料電池の燃
料極にて得られる水素イオンをプロトンの形態で電解質
膜中を空気極側に伝達することにより起電力を得るもの
である。
【0003】このような高分子固体電解質型燃料電池に
おいて安定した出力を得るためには、燃料電池を所定温
度範囲(たとえば60〜90℃)に維持する必要があ
り、電池反応による温度上昇を抑えるために、燃料電池
スタックの運転中にスタックを冷却する手段として、従
来は、冷却水または冷却ガス用の流路を反応ガス流路と
は別個にスタック内に設けていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】ところが、スタック冷
却手段としての冷却媒体流路を反応ガス流路と別に設け
ることは、燃料電池スタックの構造を複雑化、大型化さ
せるものであり、コスト的にも問題があった。また、燃
料電池スタックが大型化することは、特に車載用途の場
合には致命的な欠点となりかねない。
【0005】
【課題を解決するための手段】そこで本発明は、高分子
固体電解質型燃料電池スタックを大型化する必要のない
簡易冷却方式を提供することを目的とする。
【0006】すなわち本発明は、高分子固体電解質膜の
両側に空気極と燃料極とが配されてなる燃料電池を用い
た発電装置において、電池反応後に空気極から排出され
た排出ガスの少なくとも一部を空気極に再導入するため
の循環路を設けると共に、この循環路を流れる排出ガス
を冷却する冷却手段を設けることを特徴とする。
【0007】冷却手段は、外気との熱交換により、ある
いは水素吸蔵合金との熱交換により、循環路内の排出ガ
スを冷却するものとすることが好適である。
【0008】さらに、本発明の好適な態様による燃料電
池発電装置は、燃料電池スタックと、燃料電池スタック
に隣接して一体的に設けられる空気循環路と、燃料電池
スタックの空気極から排出された排出ガスの少なくとも
一部を空気極に再導入するべく空気循環路に設けられる
循環駆動手段と、燃料電池スタックの空気供給側または
空気排出側の少なくともいずれか一方に隣接して設けら
れて空気循環路を流れる排出ガスを外気との熱交換によ
り冷却する第1の冷却手段と、燃料電池スタックの空気
供給側または空気排出側の少なくともいずれか一方に隣
接して設けられて空気循環路を流れる排出ガスを水素吸
蔵合金との熱交換により冷却する第2の冷却手段と、を
有してなることを特徴とする。
【0009】第1の冷却手段は冷却ファンおよび/また
は冷却フィンよりなるものとすることができる。
【0010】第2の冷却手段は水素吸蔵合金で作られた
筒状の複数のマニホールドよりなるものとすることがで
きる。この場合、排出ガスは該マニホールド間を通過す
る間に水素吸蔵合金との熱交換により冷却されると共に
該熱交換により水素吸蔵合金から放出される水素ガスを
前記マニホールドから燃料電池スタックの燃料極に供給
するよう構成される。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は本発明による高分子固体電
解質型燃料電池の構成を示す概略図であり、燃料電池1
0は空気極(カソード)の側から見た側面図として示さ
れている。公知のように、この燃料電池においては高分
子固体電解質膜を挟んで空気極と反対側に、水素等の燃
料ガスが導入される燃料極(アノード)が配されてい
る。なお、実際にはこのような燃料電池セルが多数積層
されたスタックとして実用に供されるものである。
【0012】酸化剤ガスとしての空気が空気導入路11
から送風ファン12により空気供給マニホールド13に
供給され、空気極に供給される。
【0013】公知のように、燃料電池の燃料極に水素ガ
ス、空気極に空気が供給されることにより、高分子固体
電解質膜の中を水素イオンがプロトンの形で移動し、電
池反応が行われる。このとき、空気極では、供給された
酸素が移動してきた水素イオンおよび電子と反応して水
を生成する。
【0014】したがって、空気極から排出される排出ガ
スには、未反応の酸素に加えて空気極における反応生成
水(蒸気)が含まれている。
【0015】この排出ガスは空気排出マニホールド14
から空気排出路15に送入されるが、空気排出路は循環
路16を介して空気導入路11と接続されているため、
反応生成水を伴った排出ガスを空気極に再導入すること
ができる。
【0016】すなわち、循環路16に接続して排気バル
ブ17が設けられ、空気極からの排気ガスは、そのうち
の排気バルブ17の開度に応じた一定量が系外に排出さ
れ、残量が循環路16および空気導入路11を介して空
気極に再導入される。
【0017】このようにして反応生成水を含んだ排出ガ
スが燃料電池10の空気極に再導入されることにより、
反応生成水(水蒸気)が濃度差により電解質膜に浸透し
て燃料極側に移動し、さらに燃料極側に移動した水分は
電気浸透水として空気極側へと移動することとなり、こ
れら水分の往復移動によって電解質膜の加湿が効率的且
つ平均的に行われる。
【0018】排気バルブ17の開度は、燃料電池10の
出力電流値および空気極からの排出ガス温度との相関に
よって決定され、燃料電池10に最適な水バランス条件
を与えるよう制御手段(CPU)18により制御される
が、この制御は本発明の主題に直接関連しないので、説
明を省略する。
【0019】本発明においては、循環路16に冷却手段
19が設けられる。冷却手段19には任意の構成を採用
することができるが、特に、冷却フィンを循環路16の
周囲に配置し、これに必要に応じて冷却ファンを組み合
わせたものとし、循環路16を通る排出ガスを外気との
間で熱交換させて冷却するように構成することが、小型
化およびコスト低減の上で有利である。
【0020】このようにして冷却手段19で冷却された
排出ガスが空気導入路11を介して空気極に導入される
ことになるので、燃料電池スタックを冷却することがで
きる。
【0021】図1の実施例は燃料電池発電装置を空気循
環型に構成したものであるが、循環路16を燃料電池ス
タックと一体的に構成してもよい。このような構成例が
図2および図3に示される。
【0022】この燃料電池スタック20において、空気
(酸化剤ガス)は、各セルに設けられる空気流路21に
図2において手前側から供給され、スタック20から排
出された排出ガスは冷却ファン22および冷却フィン2
3により外気と熱交換されて冷却された後、スタック2
0の底部に設けられた循環ファン24により空気流路2
1に再導入される。
【0023】循環ファン24には、クロスフローファ
ン、プロペラファン、シロッコファン等の任意のタイプ
のものを用いることができる。
【0024】スタック20の空気流路21導入側には水
素吸蔵合金よりなるマニホールド25が設けられてお
り、循環空気はマニホールド25間を通過した後に空気
流路21に再導入される。かくして空気の循環流路が形
成されている。
【0025】水素吸蔵合金とは発熱反応により水素を吸
蔵し、吸熱反応により水素を放出する合金であり、La
Ni5、TiFe、ZrMn2、Mg2Ni等の二元合金
が代表的なものである。LaNi5の場合には、50〜
80℃程度に加熱されると、LaNi5H6→LaNi5
+3H2の吸熱反応により1時間当たり約300リット
ルの水素ガスを放出する。
【0026】循環空気は、スタック内空気流路21から
排出された後に冷却ファン22および冷却フィン23で
冷却されると共に、空気流路21に再導入される前にマ
ニホールド25間を通過するときに水素吸蔵合金に熱を
与えることによって冷却される。すなわち、循環空気は
外気および水素吸蔵合金の双方と熱交換されることによ
り十分に冷却された状態で空気流路21に再導入され、
スタック20の温度上昇を抑制する。
【0027】水素吸蔵合金から放出された水素ガスは、
マニホールド25から所定の流路(図示せず)を通って
スタック20の水素極に供給され、電池反応に消費され
た後に排出される。スタック20における水素ガスの流
路は、空気と直交方向に流れる直交流式、空気と対向し
て流れる対向流式のいずれを採用してもよい。
【0028】なお、図2においては、新鮮な外気を系外
から導入する空気導入路11(図1)に接続される吸気
口および排出ガスを系外に排出する空気排出路15(図
1)に接続される排気口はいずれも図示省略されてい
る。
【0029】また、図2および図3においては、冷却フ
ァン22および冷却フィン23による冷却手段をスタッ
ク20の空気排出側に設け、水素吸蔵合金マニホールド
25との熱交換による冷却部をスタック20の空気供給
側に設けた構成が示されているが、これらを反対にして
設けてもよい。
【0030】燃料電池スタックと一体的に設けた循環路
に空気を循環させる構成の別の例が図4に示される。こ
の例では、スタック26内の空気流路(図示せず)にお
ける空気の流れ方向をスタック26の上半部と下半部と
で対向させ、それぞれの空気排出側に冷却ファン28が
設けられている。
【0031】この構成の場合、スタック26の上半部に
おいて空気流路を通過して排出された空気は、循環ファ
ン27aにより下方域に送られ、ここで冷却ファン28
aで冷却された後、スタック26の下半部における空気
流路に導入される。そして反対側に排出された空気は、
水素吸蔵合金マニホールド29間を通過する間に熱交換
により冷却され、循環ファン27bにより上方域に送ら
れ、ここで冷却ファン28bおよび水素吸蔵合金マニホ
ールド29との熱交換で冷却された後、スタック26の
上半部における空気流路に導入される。
【0032】かくして、空気の循環流路が形成され、且
つ、スタック26に供給される空気は十分に冷却されて
いるため、燃料電池運転中もスタックの温度上昇を抑制
することができる。
【0033】
【発明の効果】本発明によれば、高分子固体電解質型燃
料電池スタックにおいて空気極に供給される酸化剤ガス
が十分に冷却されているため、燃料電池運転中における
スタック温度の上昇を抑制し、安定した出力を得ること
ができる。
【0034】本発明で採用するスタック冷却手段は空気
の循環流路に設けられるため、空気流路とは別に冷却媒
体用の流路を設ける必要がない。したがって、燃料電池
スタックを大型化させることがなく、車載用途に特に適
したものとなる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例による高分子固体電解質型燃
料電池を用いた発電装置の概略構成を示す模式図であ
る。
【図2】本発明の他の実施例による高分子固体電解質型
燃料電池スタックを概略的に示す一部破断斜視図であ
る。
【図3】図2のスタックにおける空気の流れと共にその
横断面を概略的に示す断面図である。
【図4】本発明の更に別の実施例による高分子固体電解
質型燃料電池スタックを示す図3に対応する断面図であ
る。
【符号の説明】
10 燃料電池 11 空気導入路 12 送風ファン 13 空気供給マニホールド 14 空気排出マニホールド 15 空気排出路 16 循環路 17 排気バルブ 18 制御手段(CPU) 19 冷却手段 20 燃料電池スタック 21 空気流路 22 冷却ファン 23 冷却フィン 24 循環ファン 25 水素吸蔵合金マニホールド 26 燃料電池スタック 27 循環ファン 28 冷却ファン 29 水素吸蔵合金マニホールド

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 高分子固体電解質膜の両側に空気極と燃
    料極とが配されてなる燃料電池を用いた発電装置におい
    て、電池反応後に空気極から排出された排出ガスの少な
    くとも一部を空気極に再導入するための循環路を設ける
    と共に、この循環路を流れる排出ガスを冷却する冷却手
    段を設けることを特徴とする燃料電池発電装置。
  2. 【請求項2】 前記冷却手段が外気との熱交換により循
    環路内の排出ガスを冷却するものであることを特徴とす
    る請求項1の燃料電池発電装置。
  3. 【請求項3】 前記冷却手段が水素吸蔵合金との熱交換
    により循環路内の排出ガスを冷却するものであることを
    特徴とする請求項1の燃料電池発電装置。
  4. 【請求項4】 燃料電池スタックと、前記燃料電池スタ
    ックに隣接して一体的に設けられる空気循環路と、前記
    燃料電池スタックの空気極から排出された排出ガスの少
    なくとも一部を空気極に再導入するべく前記空気循環路
    に設けられる循環駆動手段と、前記燃料電池スタックの
    空気供給側または空気排出側の少なくともいずれか一方
    に隣接して設けられて前記空気循環路を流れる排出ガス
    を外気との熱交換により冷却する第1の冷却手段と、前
    記燃料電池スタックの空気供給側または空気排出側の少
    なくともいずれか一方に隣接して設けられて前記空気循
    環路を流れる排出ガスを水素吸蔵合金との熱交換により
    冷却する第2の冷却手段と、を有してなることを特徴と
    する燃料電池発電装置。
  5. 【請求項5】 前記第1の冷却手段が冷却ファンおよび
    /または冷却フィンよりなることを特徴とする請求項4
    の燃料電池発電装置。
  6. 【請求項6】 前記第2の冷却手段が水素吸蔵合金で作
    られた筒状の複数のマニホールドよりなり、排出ガスは
    前記マニホールド間を通過する間に水素吸蔵合金との熱
    交換により冷却されると共に該熱交換により水素吸蔵合
    金から放出される水素ガスを前記マニホールドから前記
    燃料電池スタックの燃料極に供給するよう構成されてな
    ることを特徴とする請求項4の燃料電池発電装置。
JP8150507A 1996-05-23 1996-05-23 燃料電池発電装置 Pending JPH09312164A (ja)

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