(57)【要約】【課題】燃料電池システムにおいて、冷却水補給時に燃料電池の温度が低下することなく、運転を安定に行うことのできるシステムを提供することを目的とする。【解決手段】燃料電池１１を所定の温度に保つために冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ４１と、冷却水循環経路４３と、冷却水を蓄える冷却水タンク４２と、冷却水を空気加湿装置３２に供給する冷却水消費経路４４と、冷却水補給経路４５とで構成し、熱交換器５０にて冷却水消費経路４４と冷却水補給経路４５との間で熱交換を行い冷却水を補給する。【選択図】図１
2010199092.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を所定の温度に維持する冷却水が循環する冷却水循環経路と、前記冷却水を循環させるための冷却水ポンプと、前記冷却水を蓄える冷却水タンクと、前記冷却水を消費する冷却水消費手段と、前記冷却水消費手段に前記冷却水タンク中の冷却水を供給する冷却水消費経路と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する冷却水補給経路とを具備し、前記冷却水タンク内部の冷却水と、前記冷却水補給経路により補給される冷却水との温度差を低減するよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
冷却水補給経路と冷却水消費経路との間で熱交換を行う熱交換器を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
冷却水補給経路が冷却水タンク内を通り、前記冷却水補給経路中の冷却水と前記冷却水タンク内の冷却水との間で熱交換を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項４】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を所定の温度に維持する冷却水が循環する冷却水循環経路と、前記冷却水を循環させるための冷却水ポンプと、冷却水循環経路と、前記冷却水を蓄える冷却水タンクと、前記冷却水を消費する冷却水消費手段と、前記冷却水消費手段に前記冷却水タンク中の冷却水を供給する冷却水消費経路と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する冷却水補給経路とを具備し、前記冷却水タンクを冷却水が温度分布を持つよう構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
冷却水タンクは、冷却水タンク隔壁を介して、冷却水循環経路と接続し、前記冷却水循環経路を循環する冷却水を蓄える循環水部と、冷却水補給経路と接続し前記冷却水補給経路から補給された冷却水を蓄える供給水部とに分けられ、前記循環水部と前記供給水部は、前記冷却水タンク隔壁の上部で連結されたことを特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【請求項６】
冷却水タンク隔壁に伝熱促進板を備えたことを特徴とする請求項５記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池を所定の温度に保つ冷却水およびその蒸気を使用して蒸気発生器にて蒸気を発生し、燃料ガス生成器や供給ガスの加湿を行っている（例えば特許文献1参照）。
【０００３】
その構成を図５に示す。燃料電池１１は、供給される水素リッチなガス（以下、燃料ガスとする）と空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により、電力および熱を発生させる。冷却水ポンプ４１により、燃料電池１１に接続された冷却水循環経路４３を冷却水が循環し、燃料電池１１を所定の温度に保つ。燃料ガスは、燃料ガス生成装置２１において、天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して生成される。冷却水循環経路４３に接続された冷却水消費経路４４より供給された冷却水を、水蒸気発生器２３にて燃料ガス生成装置２１内のバーナ２２で加熱し、水蒸気を供給する。また、酸化剤ガスとして空気が空気供給装置３１により燃料電池１１に供給される。消費され不足した冷却水は、冷却水補給経路４５により冷却水タンク４２に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１７６７７９号公報（第５頁、第1図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような燃料電池システムにおいては、冷却水タンク４２内部の冷却水を消費するため、常に所定の時間間隔で冷却水タンク４２に冷却水を補給しなければならない。しかし、補給される冷却水の温度は低く、冷却水タンク４２および冷却水循環経路４３内の冷却水との温度差が大きい。そのため、所定の時間間隔で冷却水タンク４２に冷却水を補給すると、冷却水タンク４２および冷却水循環経路４３の温度が急激に低下する。その結果、定期的に燃料電池の温度が低下して、燃料電池システムの運転が不安定になるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を所定の温度に維持する冷却水が循環する冷却水循環経路と、前記冷却水を循環させるための冷却水ポンプと、前記冷却水を蓄える冷却水タンクと、前記冷却水を消費する冷却水消費手段と、前記冷却水消費手段に前記冷却水タンク中の冷却水を供給する冷却水消費経路と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する冷却水補給経路とを具備し、前記冷却水タンク内部の冷却水と、前記冷却水補給経路により補給される冷却水との温度差を低減するよう構成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の本発明の燃料電池システムは、冷却水補給経路と冷却水消費経路との間で熱交換を行う熱交換器を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、第３の本発明の燃料電池システムは、冷却水補給経路が冷却水タンク内を通り、前記冷却水補給経路中の冷却水と前記冷却水タンク内の冷却水との間で熱交換を行うことを特徴とする。
【０００９】
また、第４の本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を所定の温度に維持する冷却水が循環する冷却水循環経路と、前記冷却水を循環させるための冷却水ポンプと、冷却水循環経路と、前記冷却水を蓄える冷却水タンクと、前記冷却水を消費する冷却水消費手段と、前記冷却水消費手段に前記冷却水タンク中の冷却水を供給する冷却水消費経路と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する冷却水補給経路とを具備し、前記冷却水タンクを冷却水が温度分布を持つよう構成されていることを特徴とする。
【００１０】
また、第５の本発明の燃料電池システムは、冷却水タンクは、冷却水タンク隔壁を介して、冷却水循環経路と接続し、前記冷却水循環経路を循環する冷却水を蓄える循環水部と、冷却水補給経路と接続し前記冷却水補給経路から補給された冷却水を蓄える供給水部とに分けられ、前記循環水部と前記供給水部は、前記冷却水タンク隔壁の上部で連結されたことを特徴とする。
【００１１】
また、第６の本発明の燃料電池システムは、冷却水タンク隔壁に伝熱促進板を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明の燃料電池システムの構成によれば、補給された温度の低い冷却水は、消費される温度の高い冷却水と熱交換され、冷却水タンクには温度差が緩和された冷却水が補給される。その結果、燃料電池を循環する冷却水の急激な温度低下を発生することなく、安定して運転することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１の実施の形態による燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の第２の実施の形態による燃料電池システムの構成図
【図３】本発明の第３の実施の形態による燃料電池システムの構成図
【図４】本発明の第４の実施の形態による燃料電池システムの構成図
【図５】従来の燃料電池システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。本実施の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを用いて電力の発生を行う燃料電池１１と、原料を改質反応により水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池１１に供給する燃料ガス生成装置２１と、酸化剤ガスとして空気を燃料電池１１に供給する空気供給装置３１と、供給する空気を加湿する空気加湿装置３２と、燃料電池１１を所定の温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環経路４３と、冷却水を循環させるための冷却水循環ポンプ４１と、冷却水を蓄える冷却水タンク４２と、冷却水を空気加湿装置３２に供給する冷却水消費経路４４と、消費された冷却水を冷却水タンク４２に補給する冷却水補給経路４５と、冷却水消費経路４４中の冷却水と冷却水補給経路４５中の補給冷却水との間で熱交換を行う熱交換器５０とで構成されている。
【００１６】
以上のように構成された本実施の形態について、その動作を説明する。
【００１７】
燃料ガス生成装置２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置３１により供給される空気を用いて発電を行う。冷却水タンク４２から、冷却水またはその蒸気が冷却水消費経路４４により空気加湿装置３２に送られ、空気加湿装置３２は冷却水またはその蒸気を用いて、燃料電池１１に供給する空気を加湿する。冷却水消費経路４４にて消費され減少した冷却水は、冷却水補給経路４５により補給され一定量に保たれる。また、冷却水は、冷却水循環ポンプ４１により燃料電池１１を経由して冷却水循環経路４３を循環し、冷却水タンク４２に戻ることにより、発電により発生した熱を回収する。
【００１８】
本実施の燃料電池システムの構成により、補給された温度の低い冷却水は、熱交換器５０にて消費される温度の高い冷却水と熱交換される。その結果、冷却水タンク４２には温度差が緩和された冷却水が補給され、燃料電池１１を循環する冷却水の急激な温度低下を発生することなく、燃料電池システムを安定して運転することが可能となる。
【００１９】
なお、本実施の形態では、冷却水を消費する装置として空気加湿装置３２を用いた構成を示したが、燃料電池１１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置や、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置２１や水蒸気発生器２３で冷却水を消費する構成でも同様の効果が得られる。
【００２０】
（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態における燃料電池システムは、冷却水補給経路４５が冷却水タンク４２内の冷却水中を通り熱交換を行う、熱交換部５１とで構成されている。
【００２１】
以上のように構成された本実施の形態について、その動作を説明する。
【００２２】
燃料ガス生成装置２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置３１により供給される空気を用いて発電を行う。冷却水タンク４２から、冷却水またはその蒸気が冷却水消費経路４４により空気加湿装置３２に送られ、空気加湿装置３２は冷却水またはその蒸気を用いて、燃料電池１１に供給する空気を加湿する。冷却水消費経路４４にて消費され減少した冷却水は、冷却水補給経路４５により補給され一定量に保たれる。また、冷却水は、冷却水循環ポンプ４１により燃料電池１１を経由して冷却水循環経路４３を循環され、冷却水タンク４２に戻ることにより、発電により発生した熱を回収する。
【００２３】
本実施の燃料電池システムの構成により、図２に示すように、冷却水循環経路に供給される水が存在する箇所と熱交換部５１とは所定の距離を置き、冷却水補給経路４５で補給される冷却水と冷却水循環経路に供給される冷却水が直接熱交換しないよう構成されていることから急激に冷却された冷却水が冷却水循環経路に導入されることがなくなる。また、冷却水循環経路への水の取出口と冷却水循環経路からの水の戻し口を互いに近接することで、対流が抑制され急激な温度低下の抑制効果の向上に繋がる。冷却水タンク４２内部で冷却水補給経路４５から補給される冷却水との温度差を緩和することができる。その結果、実施の形態１で説明した効果とともに、燃料電池システムを小型化することが可能となる。
【００２４】
なお、本実施の形態では、冷却水を消費する装置として空気加湿装置３２を用いた構成を示したが、燃料電池１１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置や、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置２１や水蒸気発生器２３で冷却水を消費する構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水消費経路４４は冷却水タンク４２に接続され、冷却水またはその蒸気を消費する構成としたが、冷却水循環経路４３の途中に冷却水消費経路４４を接続したり、冷却水消費経路４４を持たず冷却水を消費する装置が冷却水循環経路４３の途中に設置された構成でも同様の効果が得られる。
【００２５】
（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態における燃料電池システムは、高さ方向に細長い構造をした冷却水タンク４２とで構成されている。
【００２６】
以上のように構成された本実施の形態について、その動作を説明する。
【００２７】
燃料ガス生成装置２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置３１により供給される空気を用いて発電を行う。冷却水タンク４２の消費口４８から、冷却水またはその蒸気が冷却水消費経路４４により空気加湿装置３２に送られ、空気加湿装置３２は冷却水またはその蒸気を用いて、燃料電池１１に供給する空気を加湿する。冷却水消費経路４４にて消費され減少した冷却水は、冷却水タンク４２の供給口４９から冷却水供給経路４５により補給され一定量に保たれる。冷却水は、冷却水タンク４２の取水口４６から冷却水循環ポンプ４１により燃料電池１１を経由して冷却水循環経路４３を循環され、戻し口４７から冷却水タンク４２に戻ることにより、発電により発生した熱を除去する。冷却水タンク４２は、高さ方向に細長い構造をしており、その底面付近に取水口４６および戻し口４７が、上面付近に供給口４９が設置されている。
【００２８】
本実施の燃料電池システムの構成により、補給された温度の低い冷却水は冷却水タンク４２の上部に、循環する温度の高い冷却水は冷却水タンク４２の下部に位置する。その結果、冷却水タンク４２内部に温度分布が発生し、温度の低い冷却水が補給された場合でも、燃料電池１１を循環する冷却水を所定温度に保つことが可能となり、燃料電池システムを安定して運転することができる。また、図２に示すように冷却水循環経路の取出口と戻し口を近接させることでタンク内での対流は抑制され、上記温度分布がより確実に形成される。
【００２９】
なお、本実施の形態では、冷却水を消費する装置として空気加湿装置３２を用いた構成を示したが、燃料電池１１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置や、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置２１や水蒸気発生器２３で冷却水を消費する構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水消費経路４４は冷却水タンク４２に接続され、冷却水またはその蒸気を消費する構成としたが、冷却水循環経路４３の途中に冷却水消費経路４４を接続したり、冷却水消費経路４４を持たず冷却水を消費する装置が冷却水循環経路４３の途中に設置された構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水タンク４２の上面付近に取水口４６および戻し口４７が、底面付近に供給口４９が設置される構成でも同様の効果が得られる。
【００３０】
（実施の形態４）
図４は、本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態における燃料電池システムは、冷却水タンク４２を取水口４６および戻し口４７を持つ循環水部５３と、供給口４９を持つ供給水部５４に分ける冷却水タンク隔壁５２とで構成されている。
【００３１】
以上のように構成された本実施の形態について、その動作を説明する。
【００３２】
燃料ガス生成装置２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置３１により供給される空気を用いて発電を行う。冷却水タンク４２の消費口４８から、冷却水またはその蒸気が冷却水消費経路４４により空気加湿装置３２に送られ、空気加湿装置３２は冷却水またはその蒸気を用いて、燃料電池１１に供給する空気を加湿する。冷却水消費経路４４にて消費され減少した冷却水は、冷却水タンク４２の供給口４９から冷却水補給経路４５により補給され一定量に保たれる。冷却水は、冷却水タンク４２の取水口４６から冷却水循環ポンプ４１により燃料電池１１を経由して冷却水循環経路４３を循環され、戻し口４７から冷却水タンク４２に戻ることにより、発電により発生した熱を回収する。冷却水タンク４２は、冷却水タンク隔壁５２により循環水部５３と供給水部５４に分けられる。循環水部５３の底面付近には取水口４６が設置され、上面付近に戻し口４７が設置される。供給水部５４の底面付近には供給口４９が設置される。循環水部５３と供給水部５４は、冷却水タンク隔壁５２の上部で連結され、供給水部５４に供給された冷却水が、その連結部から循環水部５３に供給される。
【００３３】
本実施の燃料電池システムの構成により、冷却水タンク４２の内部に循環水部５３、供給水部５４と温度分布を持つことが可能となり、供給水部５３に補給された温度の低い冷却水が、温度の高い循環水部５４から伝熱を受け上記連結部より順次供給されるため、温度の高い循環部５３に温度の低い冷却水が供給され、より確実に燃料電池へ供給する冷却水の温度が急激に低下することがなくなり、燃料電池１１を循環する冷却水を所定温度に保つことが可能となる。その結果、冷却水タンク４２内に冷却水タンク隔壁５２を設けることで、熱交換器などの複雑で高価な部品を使用することなく、燃料電池システムの安定運転を低コストで実現することが可能となる。さらに、冷却水タンク隔壁５２に伝熱促進板を備えた構造にすることにより、伝熱促進板を設けない場合に比べて冷却水タンク４２内部の温度分布をより小さな空間で実現することができ、燃料電池システムの小型化が可能となる。
【００３４】
なお、本実施の形態では、冷却水を消費する装置として空気加湿装置３２を用いた構成を示したが、燃料電池１１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置や、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置２１や水蒸気発生器２３で冷却水を消費する構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水消費経路４４は冷却水タンク４２に接続され、冷却水またはその蒸気を消費する構成としたが、冷却水循環経路４３の途中に冷却水消費経路４４を接続したり、冷却水消費経路４４を持たず冷却水を消費する装置が冷却水循環経路４３の途中に設置された構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水タンク隔壁５２の上部にて循環水部５３と供給水部５４が連結される構成を示したが、冷却水タンク隔壁５２の下部で連結され、供給口４９が供給水部５４の上面付近に設置された構成でも同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明の燃料電池システムは、冷却水の補給により急激な温度変化を抑制するという効果を有し、家庭用、自動車用、携帯用等の燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００３６】
１１    燃料電池
２１    燃料ガス生成装置
２２    バーナ
２３    水蒸気発生器
３１    燃料供給装置
３２    空気加湿装置
４１    冷却水循環ポンプ
４２    冷却水タンク
４３    冷却水循環経路
４４    冷却水消費経路
４５    冷却水補給経路
４６    取水口
４７    戻し口
４８    消費口
４９    供給口
５０    熱交換器
５１    冷却水供給熱交換部
５２    冷却水タンク隔壁
５３    循環水部
５４    供給水部
【図１】
2010199092.tif 000003
【図２】
2010199092.tif 000004
【図３】
2010199092.tif 000005
【図４】
2010199092.tif 000006
【図５】
2010199092.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月23日(2010.6.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池を用いて発電を行う燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムでは、燃料電池を所定の温度に保つ冷却水およびその蒸気を使用して蒸気発生器にて蒸気を発生し、燃料ガス生成器や供給ガスの加湿を行っている（例えば特許文献1参照）。
【０００３】
その構成を図５に示す。燃料電池１１は、供給される水素リッチなガス（以下、燃料ガスとする）と空気などの酸化剤ガスとの電気化学反応により、電力および熱を発生させる。冷却水ポンプ４１により、燃料電池１１に接続された冷却水循環経路４３を冷却水が循環し、燃料電池１１を所定の温度に保つ。燃料ガスは、燃料ガス生成装置２１において、天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して生成される。冷却水循環経路４３に接続された冷却水消費経路４４より供給された冷却水を、水蒸気発生器２３にて燃料ガス生成装置２１内のバーナ２２で加熱し、水蒸気を供給する。また、酸化剤ガスとして空気が空気供給装置３１により燃料電池１１に供給される。消費され不足した冷却水は、冷却水補給経路４５により冷却水タンク４２に供給される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平６−１７６７７９号公報（第５頁、第1図）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような燃料電池システムにおいては、冷却水タンク４２内部の冷却水を消費するため、常に所定の時間間隔で冷却水タンク４２に冷却水を補給しなければならない。しかし、補給される冷却水の温度は低く、冷却水タンク４２および冷却水循環経路４３内の冷却水との温度差が大きい。そのため、所定の時間間隔で冷却水タンク４２に冷却水を補給すると、冷却水タンク４２および冷却水循環経路４３の温度が急激に低下する。その結果
、定期的に燃料電池の温度が低下して、燃料電池システムの運転が不安定になるという問題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、第１の本発明の燃料電池システムは、燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を所定の温度に維持する冷却水が循環する冷却水循環経路と、前記冷却水を循環させるための冷却水ポンプと、前記冷却水を蓄える冷却水タンクと、前記冷却水を消費する冷却水消費手段と、前記冷却水消費手段に前記冷却水タンク中の冷却水を供給する冷却水消費経路と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する冷却水補給経路とを具備し、前記冷却水タンクは、冷却水タンク隔壁を介して、前記冷却水循環経路と接続し、前記冷却水循環経路を循環する冷却水を蓄える循環水部と、前記冷却水補給経路と接続し前記冷却水補給経路から補給された冷却水を蓄える供給水部とに分けられ、前記循環水部と前記供給水部とは、前記冷却水タンク隔壁の上部で連結されるとともに、前記冷却水消費経路が、前記供給水部より前記冷却水を取り出すように構成されていることを特徴とする。
【０００７】
また、第２の本発明の燃料電池システムは、前記冷却水タンク隔壁に伝熱促進板を備えたことを特徴とする。
【０００８】
また、第３の本発明の燃料電池システムは、前記冷却水消費手段は、前記酸化剤ガスまたは前記燃料ガスを加湿する加湿装置であることを特徴とする。
【０００９】
また、第４の本発明の燃料電池システムは、前記冷却水消費装置は、前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置であることを特徴とする。
【００１０】
また、第５の本発明の燃料電池システムは、前記冷却水消費装置は、水蒸気発生器であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように本発明の燃料電池システムの構成によれば、補給された温度の低い冷却水は、消費される温度の高い冷却水と熱交換され、冷却水タンクには温度差が緩和された冷却水が補給される。その結果、燃料電池を循環する冷却水の急激な温度低下を発生することなく、安定して運転することが可能な燃料電池システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の参考の形態による燃料電池システムの構成図
【図２】本発明の第２の参考の形態による燃料電池システムの構成図
【図３】本発明の第３の参考の形態による燃料電池システムの構成図
【図４】本発明の実施の形態による燃料電池システムの構成図
【図５】従来の燃料電池システムの構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図１から図４を用いて説明する。
【００１４】
（参考の形態１）
図１は、本発明の第１の参考の形態における燃料電池システムを示す構成図である。本参考の形態における燃料電池システムは、燃料ガスと空気などの酸化剤ガスとを用いて電力の発生を行う燃料電池１１と、原料を改質反応により水素を含む燃料ガスを生成し、燃料電池１１に供給する燃料ガス生成装置２１と、酸化剤ガスとして空気を燃料電池１１に供給する空気供給装置３１と、供給する空気を加湿する空気加湿装置３２と、燃料電池１
１を所定の温度に保つための冷却水が循環する冷却水循環経路４３と、冷却水を循環させるための冷却水循環ポンプ４１と、冷却水を蓄える冷却水タンク４２と、冷却水を空気加湿装置３２に供給する冷却水消費経路４４と、消費された冷却水を冷却水タンク４２に補給する冷却水補給経路４５と、冷却水消費経路４４中の冷却水と冷却水補給経路４５中の補給冷却水との間で熱交換を行う熱交換器５０とで構成されている。
【００１５】
以上のように構成された本参考の形態について、その動作を説明する。
【００１６】
燃料ガス生成装置２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置３１により供給される空気を用いて発電を行う。冷却水タンク４２から、冷却水またはその蒸気が冷却水消費経路４４により空気加湿装置３２に送られ、空気加湿装置３２は冷却水またはその蒸気を用いて、燃料電池１１に供給する空気を加湿する。冷却水消費経路４４にて消費され減少した冷却水は、冷却水補給経路４５により補給され一定量に保たれる。また、冷却水は、冷却水循環ポンプ４１により燃料電池１１を経由して冷却水循環経路４３を循環し、冷却水タンク４２に戻ることにより、発電により発生した熱を回収する。
【００１７】
本参考の燃料電池システムの構成により、補給された温度の低い冷却水は、熱交換器５０にて消費される温度の高い冷却水と熱交換される。その結果、冷却水タンク４２には温度差が緩和された冷却水が補給され、燃料電池１１を循環する冷却水の急激な温度低下を発生することなく、燃料電池システムを安定して運転することが可能となる。
【００１８】
なお、本参考の形態では、冷却水を消費する装置として空気加湿装置３２を用いた構成を示したが、燃料電池１１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置や、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置２１や水蒸気発生器２３で冷却水を消費する構成でも同様の効果が得られる。
【００１９】
（参考の形態２）
図２は、本発明の第２の参考の形態における燃料電池システムを示す構成図である。参考の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本参考の形態における燃料電池システムは、冷却水補給経路４５が冷却水タンク４２内の冷却水中を通り熱交換を行う、熱交換部５１とで構成されている。
【００２０】
以上のように構成された本参考の形態について、その動作を説明する。
【００２１】
燃料ガス生成装置２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置３１により供給される空気を用いて発電を行う。冷却水タンク４２から、冷却水またはその蒸気が冷却水消費経路４４により空気加湿装置３２に送られ、空気加湿装置３２は冷却水またはその蒸気を用いて、燃料電池１１に供給する空気を加湿する。冷却水消費経路４４にて消費され減少した冷却水は、冷却水補給経路４５により補給され一定量に保たれる。また、冷却水は、冷却水循環ポンプ４１により燃料電池１１を経由して冷却水循環経路４３を循環され、冷却水タンク４２に戻ることにより、発電により発生した熱を回収する。
【００２２】
本参考の燃料電池システムの構成により、図２に示すように、冷却水循環経路に供給される水が存在する箇所と熱交換部５１とは所定の距離を置き、冷却水補給経路４５で補給される冷却水と冷却水循環経路に供給される冷却水が直接熱交換しないよう構成されていることから急激に冷却された冷却水が冷却水循環経路に導入されることがなくなる。また
、冷却水循環経路への水の取出口と冷却水循環経路からの水の戻し口を互いに近接することで、対流が抑制され急激な温度低下の抑制効果の向上に繋がる。冷却水タンク４２内部で冷却水補給経路４５から補給される冷却水との温度差を緩和することができる。その結果、参考の形態１で説明した効果とともに、燃料電池システムを小型化することが可能となる。
【００２３】
なお、本参考の形態では、冷却水を消費する装置として空気加湿装置３２を用いた構成を示したが、燃料電池１１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置や、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置２１や水蒸気発生器２３で冷却水を消費する構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水消費経路４４は冷却水タンク４２に接続され、冷却水またはその蒸気を消費する構成としたが、冷却水循環経路４３の途中に冷却水消費経路４４を接続したり、冷却水消費経路４４を持たず冷却水を消費する装置が冷却水循環経路４３の途中に設置された構成でも同様の効果が得られる。
【００２４】
（参考の形態３）
図３は、本発明の第３の参考の形態における燃料電池システムを示す構成図である。参考の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本参考の形態における燃料電池システムは、高さ方向に細長い構造をした冷却水タンク４２とで構成されている。
【００２５】
以上のように構成された本参考の形態について、その動作を説明する。
【００２６】
燃料ガス生成装置２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置３１により供給される空気を用いて発電を行う。冷却水タンク４２の消費口４８から、冷却水またはその蒸気が冷却水消費経路４４により空気加湿装置３２に送られ、空気加湿装置３２は冷却水またはその蒸気を用いて、燃料電池１１に供給する空気を加湿する。冷却水消費経路４４にて消費され減少した冷却水は、冷却水タンク４２の供給口４９から冷却水供給経路４５により補給され一定量に保たれる。冷却水は、冷却水タンク４２の取水口４６から冷却水循環ポンプ４１により燃料電池１１を経由して冷却水循環経路４３を循環され、戻し口４７から冷却水タンク４２に戻ることにより、発電により発生した熱を除去する。冷却水タンク４２は、高さ方向に細長い構造をしており、その底面付近に取水口４６および戻し口４７が、上面付近に供給口４９が設置されている。
【００２７】
本参考の燃料電池システムの構成により、補給された温度の低い冷却水は冷却水タンク４２の上部に、循環する温度の高い冷却水は冷却水タンク４２の下部に位置する。その結果、冷却水タンク４２内部に温度分布が発生し、温度の低い冷却水が補給された場合でも、燃料電池１１を循環する冷却水を所定温度に保つことが可能となり、燃料電池システムを安定して運転することができる。また、図２に示すように冷却水循環経路の取出口と戻し口を近接させることでタンク内での対流は抑制され、上記温度分布がより確実に形成される。
【００２８】
なお、本参考の形態では、冷却水を消費する装置として空気加湿装置３２を用いた構成を示したが、燃料電池１１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置や、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置２１や水蒸気発生器２３で冷却水を消費する構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水消費経路４４は冷却水タンク４２に接続され、冷却水またはその蒸気を消費する構成としたが、冷却水循環経路４３の途中に冷却水消費経路４４を接続したり、冷却水消費経路４４を持たず冷却水を消費する装置が冷却水循環経路４３の途中に設置された構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水タンク４２の上面付近に取水
口４６および戻し口４７が、底面付近に供給口４９が設置される構成でも同様の効果が得られる。
【００２９】
（実施の形態）
図４は、本発明の実施の形態における燃料電池システムを示す構成図である。実施の形態１と同様の構成要素については、同一符号を付与し、その説明を省略する。本実施の形態における燃料電池システムは、冷却水タンク４２を取水口４６および戻し口４７を持つ循環水部５３と、供給口４９を持つ供給水部５４に分ける冷却水タンク隔壁５２とで構成されている。
【００３０】
以上のように構成された本実施の形態について、その動作を説明する。
【００３１】
燃料ガス生成装置２１は、外部から供給された天然ガスなどの原料を水蒸気を含む雰囲気下で加熱して改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する。燃料電池１１は、生成された燃料ガスと空気供給装置３１により供給される空気を用いて発電を行う。冷却水タンク４２の消費口４８から、冷却水またはその蒸気が冷却水消費経路４４により空気加湿装置３２に送られ、空気加湿装置３２は冷却水またはその蒸気を用いて、燃料電池１１に供給する空気を加湿する。冷却水消費経路４４にて消費され減少した冷却水は、冷却水タンク４２の供給口４９から冷却水補給経路４５により補給され一定量に保たれる。冷却水は、冷却水タンク４２の取水口４６から冷却水循環ポンプ４１により燃料電池１１を経由して冷却水循環経路４３を循環され、戻し口４７から冷却水タンク４２に戻ることにより、発電により発生した熱を回収する。冷却水タンク４２は、冷却水タンク隔壁５２により循環水部５３と供給水部５４に分けられる。循環水部５３の底面付近には取水口４６が設置され、上面付近に戻し口４７が設置される。供給水部５４の底面付近には供給口４９が設置される。循環水部５３と供給水部５４は、冷却水タンク隔壁５２の上部で連結され、供給水部５４に供給された冷却水が、その連結部から循環水部５３に供給される。
【００３２】
本実施の形態の燃料電池システムの構成により、冷却水タンク４２の内部に循環水部５３、供給水部５４と温度分布を持つことが可能となり、供給水部５３に補給された温度の低い冷却水が、温度の高い循環水部５４から伝熱を受け上記連結部より順次供給されるため、温度の高い循環部５３に温度の低い冷却水が供給され、より確実に燃料電池へ供給する冷却水の温度が急激に低下することがなくなり、燃料電池１１を循環する冷却水を所定温度に保つことが可能となる。その結果、冷却水タンク４２内に冷却水タンク隔壁５２を設けることで、熱交換器などの複雑で高価な部品を使用することなく、燃料電池システムの安定運転を低コストで実現することが可能となる。さらに、冷却水タンク隔壁５２に伝熱促進板を備えた構造にすることにより、伝熱促進板を設けない場合に比べて冷却水タンク４２内部の温度分布をより小さな空間で実現することができ、燃料電池システムの小型化が可能となる。
【００３３】
なお、本実施の形態では、冷却水を消費する装置として空気加湿装置３２を用いた構成を示したが、燃料電池１１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿装置や、燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置２１や水蒸気発生器２３で冷却水を消費する構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水消費経路４４は冷却水タンク４２に接続され、冷却水またはその蒸気を消費する構成としたが、冷却水循環経路４３の途中に冷却水消費経路４４を接続したり、冷却水消費経路４４を持たず冷却水を消費する装置が冷却水循環経路４３の途中に設置された構成でも同様の効果が得られる。また、冷却水タンク隔壁５２の上部にて循環水部５３と供給水部５４が連結される構成を示したが、冷却水タンク隔壁５２の下部で連結され、供給口４９が供給水部５４の上面付近に設置された構成でも同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明の燃料電池システムは、冷却水の補給により急激な温度変化を抑制するという効果を有し、家庭用、自動車用、携帯用等の燃料電池システムとして有用である。
【符号の説明】
【００３５】
１１    燃料電池
２１    燃料ガス生成装置
２２    バーナ
２３    水蒸気発生器
３１    燃料供給装置
３２    空気加湿装置
４１    冷却水循環ポンプ
４２    冷却水タンク
４３    冷却水循環経路
４４    冷却水消費経路
４５    冷却水補給経路
４６    取水口
４７    戻し口
４８    消費口
４９    供給口
５０    熱交換器
５１    冷却水供給熱交換部
５２    冷却水タンク隔壁
５３    循環水部
５４    供給水部
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を所定の温度に維持する冷却水が循環する冷却水循環経路と、前記冷却水を循環させるための冷却水ポンプと、冷却水循環経路と、前記冷却水を蓄える冷却水タンクと、前記冷却水を消費する冷却水消費手段と、前記冷却水消費手段に前記冷却水タンク中の冷却水を供給する冷却水消費経路と、前記冷却水タンクに冷却水を補給する冷却水補給経路とを具備し、
前記冷却水タンクは、冷却水タンク隔壁を介して、前記冷却水循環経路と接続し、前記冷却水循環経路を循環する冷却水を蓄える循環水部と、前記冷却水補給経路と接続し前記冷却水補給経路から補給された冷却水を蓄える供給水部とに分けられ、前記循環水部と前記供給水部とは、前記冷却水タンク隔壁の上部で連結されるとともに、
前記冷却水消費経路が、前記供給水部より前記冷却水を取り出すように構成されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記冷却水タンク隔壁に伝熱促進板を備えたことを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記冷却水消費手段は、前記酸化剤ガスまたは前記燃料ガスを加湿する加湿装置であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却水消費手段は、前記燃料ガスを生成する燃料ガス生成装置であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却水消費手段は、水蒸気発生器であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池システム。