(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素製造用原燃料及び改質用水を加熱しつつ改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部を含む水素製造装置と、
前記水素製造装置によって製造された改質ガスを消費して電力を発生する燃料電池スタックと、
前記燃料電池スタックの出口と水タンクとの間に熱交換器を備え、前記燃料電池スタックに冷却水を循環させて前記燃料電池スタックを前記冷却水で冷却した後、前記冷却水を前記熱交換器で冷却する燃料電池冷却系と、
を含む燃料電池システムであって、
前記水タンクを、冷却水を貯蔵すると共に、当該燃料電池システムの一部で回収した水が直接補給される１個の水タンクで構成する一方、
前記燃料電池冷却系を循環する水の一部を、前記改質用水として前記改質部に供給する改質用水供給系を、前記燃料電池スタックの出口と前記熱交換器との間に接続したことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記水タンクの出口と燃料電池スタックの入口との間にイオン交換樹脂を更に有する請求項１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記燃料電池システムの一部で回収した水は、前記燃料電池スタックで生成された水、前記燃料電池スタックのオフガス中の水分を凝縮した水、前記水素製造装置の改質部を加熱するバーナからの排ガス中の水分を凝縮した水のうち、少なくとも１つ以上を含む請求項１又は請求項２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃料電池システムのカソードからの空気を主とするオフガスの少なくとも一部を前記水タンクの水中に導いてバブリングを行う請求項１〜請求項３のいずれか１つに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、水素製造用原燃料及び改質用水を加熱しつつ改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部を含む水素製造装置と、前記改質ガスを消費して電力を発生する燃料電池スタックと、該燃料電池スタックに冷却水を循環させて冷却する燃料電池冷却系と、を備えた燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種の燃料電池システムにおいて、特許文献１に示すように、燃料電池スタックを冷却水タンクに蓄えた冷却水を、燃料電池スタックに循環させて燃料電池スタックを冷却する一方、燃料電池スタックからのオフガス中の水分を凝縮させて回収し、回収水タンクに蓄えた後、該回収水の一部を改質用水として、水素製造装置の改質部へ供給している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−４０５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１では、タンク及びポンプの数が増えてシステムのコンパクト化、コスト面で不利であった。
また、回収水タンクに蓄えられている間に放熱等により低温（常温）になった回収水を改質用水として用いているため、水素製造装置で該改質用水をスチーム化する際には、より多くの熱量が必要になる。つまり、変成器や選択酸化器で熱交換する熱量が増える。変成器や選択酸化器は、改質用水のスチーム化を兼ねた熱交換部だけでなく、ヒータや改質器を加熱するバーナからの排ガス等の加熱手段により、触媒の反応に好適な温度範囲に保たれているため、熱交換によって改質用水のスチーム化のために多くの熱量を奪われると、ヒータ通電やバーナへの供給燃料量を増やす必要があり、水素製造効率の低下を招いていた。
【０００５】
さらに、回収水タンクからの回収水を、ポンプを介して燃料電池冷却系内の冷却水タンクに補給しているが、この構成では、回収水タンク内に貯蔵されて放熱等により低温（常温）になった水が冷却水タンク内に間欠的に供給されるため、冷却水タンク内の水温が急激に低下し、電池電圧が低下する恐れがある。
また、改質器に供給される改質用水の水温変動は、変成器や選択酸化部の温度変化を招き、ひいてはそれらの触媒の劣化に繋がることから、変成器や選択酸化部を好適な温度範囲に保つために水素製造装置の制御を頻繁に行う必要があり、水素製造装置の寿命低下に繋がっていた。
【０００６】
加えて、冷却水タンクへ回収水を供給するポンプを駆動することで、燃料電池システム内における消費電力の増加を招き、発電効率の低下に繋がっていた。
本発明は、このような従来の課題に着目してなされたもので、コンパクトかつ低コスト化を促進すると共に、システム各部の作動効率を高めた燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このため本発明は、水素製造用原燃料及び改質用水を加熱しつつ改質して水素リッチな改質ガスを生成する改質部を含む水素製造装置と、前記水素製造装置によって製造された改質ガスを消費して電力を発生する燃料電池スタックと、前記燃料電池スタックの出口と水タンクとの間に熱交換器を備え、前記燃料電池スタックに冷却水を循環させて前記燃料電池スタックを前記冷却水で冷却した後、前記冷却水を前記熱交換器で冷却する燃料電池冷却系と、を含む燃料電池システムであって、以下の構成を含む。
【０００８】
前記水タンクを、冷却水を貯蔵すると共に、当該燃料電池システムの一部で回収した水が直接補給される１個の水タンクで構成する一方、
前記燃料電池冷却系を循環する水の一部を、前記改質用水として前記改質部に供給する改質用水供給系を、前記燃料電池スタックの出口と前記熱交換器との間に接続した。
【発明の効果】
【０００９】
水タンクが１個で済み、また当該水タンクは複雑な構造を要しないため、システムのレイアウトをコンパクト化することができ、製造コストも低減できる。
また、燃料電池冷却系を循環する高温な冷却水の一部を、改質用水として改質部に供給するため、改質用水のスチーム化に必要な熱量を低減することができ、水素製造効率を高めることができる。
【００１０】
さらに、システムの一部から回収した水を水タンク内に直接補給することにより、急激な水温の変動を抑制することができるため、水タンク用のヒータも設ける必要がなく、また、回収水タンクから冷却水タンクへの水供給を行っていたポンプの駆動がなくなることで、燃料電池システムの発電効率を高めることができる。また、水素製造装置の制御負荷が低減され、水素製造装置の長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係る燃料電池システムの概略を示すブロック図。
【図２】同上実施形態の一部を変更した実施形態に係る燃料電池システムの概略を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る燃料電池システムの概略を示す図である。
水素製造用原燃料ポンプ１は、後述するように改質されて水素ガスを生成する元となる原燃料、例えば、灯油やメタノール等の液体燃料、天然ガス，メタンガス等の気体燃料など水素成分を含む燃料を水素製造装置２の改質部２１に供給する。なお、原燃料が硫黄成分を含んでいる場合は脱硫装置を設け、該脱硫装置を介して原燃料から硫黄成分を除去した後、改質部２１に供給する。
【００１３】
水素製造装置２は、前記改質部２１と、変成器２２及び選択酸化器２３からなるＣＯ除去部２４と、を備えて構成される。
改質部２１は、改質反応を促進する改質触媒を備え、前記原燃料ポンプ１からの原燃料と改質用水とが混合した状態で供給されつつ、改質反応により水素リッチな改質ガスを生成する。
【００１４】
この改質反応は吸熱反応であるため、改質部２１には、バーナ２１ａが一体に備えられ、該バーナ２１ａにバーナ燃焼用燃料ポンプ３から供給された燃焼用燃料を燃焼して、改質部２１を加熱し、改質反応を促進する。該燃焼用燃料は、水素製造用原燃料と同一でもよいが、異なる燃料を使用してもよく、また、改質ガス生成後は後述する燃料電池スタックのアノードからの余剰のオフガスに切換え又はこれを併用する。
【００１５】
ＣＯ除去部２４の変成器２２は、前記改質部２１を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度をシフト反応により低減する。
ＣＯ除去部２４の選択酸化器２３は、前記変成器２２を経た改質ガス中の一酸化炭素濃度を酸化反応によりさらに低減し、ＣＯ等の不純物を許容値以下まで低減した水素リッチな改質ガスとする。
【００１６】
このようにして水素製造装置２で得られた改質ガスが、固体高分子形燃料電池（以下ＰＥＦＣという）スタック４のアノード４ａに供給される。
ＰＥＦＣスタック４は、複数の電池セル（図示しない）が積み重ねられて構成され、改質ガスを用いて発電してＤＣ電流を出力する。電池セルは、アノードとカソードと、アノード及びカソード間に配置された高分子電解質膜とを有しており、アノードに改質ガスを導入させると共に、カソードに空気を導入させることで、各電池セルにおいて電気化学的な発電反応が行われることになる。
【００１７】
また、ＰＥＦＣスタック４は、発電反応に応じて発熱するため、冷却水を循環させて冷却する燃料電池冷却系を、以下のように配設する。
水タンク５とＰＥＦＣスタック４との間を、冷却水ポンプ６及びイオン交換樹脂７を介装した第１冷却水配管８によって接続すると共に、ＰＥＦＣスタック４と水タンク５との間を、熱交換器９を介装した第２冷却水配管１０によって接続する。
【００１８】
水タンク５内に貯蔵した冷却水を冷却水ポンプ６によって吸引吐出し、イオン交換樹脂７を介して不純物を除去して純水とした後、ＰＥＦＣスタック４内を流通させて、ＰＥＦＣスタック４を冷却する。ＰＥＦＣスタック４を流出した冷却水は、熱交換器９を介して図示しない貯湯槽に貯蔵されて循環する湯と熱交換して冷却された後、水タンク５内に戻される。
【００１９】
また前記燃料電池冷却系内から一部の冷却水を取り出して改質用水として用いる。
本第１実施形態では、第２冷却水配管１０の、燃料電池冷却系内でより高温となるＰＥＦＣスタック４と熱交換器９との間の位置に、改質用水ポンプ１１を介装した改質用水配管１２の入口を接続し、該改質用水配管１２の出口を、水素製造装置２の改質部２１に接続する。
【００２０】
前記改質用水配管１２内の改質用水は、改質部２１のバーナ２１ａからの排ガスとの間で熱交換する熱交換器１３及び、選択酸化器２３及び変成器２２内の各熱交換部２３ａ及び２２ａを通過する間に加熱され、少なくとも一部が水蒸気となって改質部２１に供給される。なお、選択酸化器２３及び変成器２２の温度は、熱交換部２３ａ及び２２ａの他、改質器を加熱するためのバーナ排ガスとの熱交換部（図示せず）やヒータ（図示せず）等の加熱手段により好適な温度範囲になるよう制御されている。
【００２１】
かかる燃料電池冷却系の水タンク５内に、燃料電池システムの一部から回収した水が直接補給される。該水補給系は、以下のように構成される。
ＰＥＦＣスタック４のカソードでの反応により生成される水を、カソード４ｂから前記水タンク５に回収水として導く第１回収水配管１４を配設する。
また、上述したように、水素製造装置２からの改質ガス生成後に、燃料電池スタックのアノードからの余剰のオフガスをバーナ２１ａに供給するため、アノードオフガス配管１５を配設する一方、このアノードオフガス配管１５の途中にオフガスを燃料電池冷却系の冷却水と熱交換する熱交換器１６を配設する。そして、該熱交換器１６内でオフガス中の水分を凝縮した凝縮水を熱交換器１６のドレン口から前記水タンク５に回収水として導く第２回収水配管１７を配設する。
【００２２】
また、バーナ２１ａからの排ガスを放出する排ガス配管１８の途中に燃料電池冷却系の冷却水によって熱交換する熱交換器１９を配設する。さらに、該熱交換器１８内で排ガス中の水分を凝縮した凝縮水を、熱交換器１８のドレン口から前記水タンク５に回収水として導く第３回収水配管２０を配設する。
さらに、水タンク５に、上水（常温水）を補給する上水補給配管３１が配設される。該上水補給配管３１には、開閉弁３２が介装される。
【００２３】
通常は、上記各部からの回収水による補給で、水タンク５には十分な量の水を蓄えることができるが、何らかの原因で水タンク５内の水が不足した場合には、開閉弁３２を開いて上水補給配管２１から水を補給することができ、また、メンテナンス時等に空とした水タンク５に上水補給配管２１から上水を供給することができる。なお、上水補給配管２１は、上水に限らず純水補給配管として利用することも可能である。
【００２４】
一方、ＰＥＦＣスタック４にカソードからの余剰空気を主とするオフガスの一部を水タンク５の水中に導くカソードオフガス配管３３を配設し、バブリングを行う。
以下、上記第１実施形態の効果について説明する。
まず、従来設けられていた回収水タンク及び回収水タンクから冷却水タンクへの補給用ポンプ、さらには補給用の制御等を不要とし、複雑な構造を要しない１個の水タンク５と１個の冷却水ポンプ６を用いて簡易な制御を行うだけで済むため、システムのコンパクト化を促進できると共に、製造コストも大幅に低減できる。
【００２５】
また、燃料電池冷却系から取り出された高温（約７０度）な冷却水を改質用水として改質部２１に供給する構成としたため、上水や回収水等の低温水（常温水）をそのまま改質用水として用いる場合に比較し、改質用水のスチーム化に必要な熱量、即ち、ヒータ通電やバーナへの供給燃料量を大幅に減少することができ、水素製造効率を向上させることができる。
【００２６】
特に、本第１実施形態では、ＰＥＦＣスタック４の出口と熱交換器９、１６との間の最も高温な水を改質用水として取り出す構成としたため、改質用水のスチーム化に必要な熱量を最大限減少させることができる。
また、燃料電池冷却系の水タンク５に、システム各部からの回収水を直接補給することにより、個別に回収水タンクを設けた場合に生じる回収水の放熱ロスや、低温化した水が水タンクに補給されることによる水温変動を抑制できる。一定時間に水タンクに流入する回収水量と冷却水量とを比較すると冷却水量の方が十分に多量であるため、回収水タンクに一定量蓄えられてからまとめて冷却水タンクに補給するより、常時直接的に冷却水タンクに補給する方が冷却水に与える影響が小さいからである。
【００２７】
これにより、水素製造装置に供給される改質用水の水温が安定的になり、水素製造装置の制御負荷を低減することができる。また、水タンク用のヒータを設けることなくＰＥＦＣスタック４の発電動作を安定化できる。
また、水タンク５の出口とＰＥＦＣスタック４との間にイオン交換樹脂７を配設したことにより、各種水配管やＰＥＦＣスタック４を構成するセパレータに起因する金属イオン、又は上水補給を行った場合に含有するシリカやその他の不純物を除去した高純度な純水を改質用水として用いることができ、また、燃料電池冷却系に循環させることができる。
【００２８】
このため、改質触媒の劣化やＰＥＦＣスタック４でリーク電流を引き起こす原因となる冷却水の導電性の上昇を抑制し、ＰＥＦＣスタック４を構成するセパレータ（図示せず）や、冷却水配管８、１０、改質用水配管１２や冷却水配管８、１０、回収水配管１４、１７、２０の閉塞、冷却水ポンプ６や改質用水ポンプ１１の故障を低減することができる。
また、水タンク５内の水には、回収水の補給により二酸化炭素等が多く含まれる場合があるが、本実施形態では、カソード４ｂからの空気を主としたオフガスの少なくとも一部を水タンク５内の水中に導いてバブリングを行うことにより、水中の二酸化炭素を極力放出させることができる。なお、水タンク５には、水タンク５内から放出されるガスを排出するためのガス抜き孔が形成されている。
【００２９】
これにより、二酸化炭素を含有した酸性水によるイオン交換樹脂７の損傷を抑制でき、ひいては、金属イオンや不純物を含んだ水によるＰＥＦＣスタック４や冷却水ポンプ６の故障、さらには改質用水配管１２の閉塞及び改質触媒の劣化を抑制できる。
図２は、参考例を示す。
本参考例では、改質用水配管１２の入口を、第１冷却水配管８の水タンク５の出口とＰＥＦＣスタック４の入口との間の位置に接続し、ここから改質用水として取り出す構成とする。
【００３０】
ＰＥＦＣスタック４内を冷却水が循環する際に、ＰＥＦＣスタックの気密が不十分であると冷却水中に空気（酸素）を含んでしまう可能性があるが、かかる構成とすれば、ＰＥＦＣスタック４に入る前の空気（酸素）を含まない水を改質器に供給することができるため、空気（酸素）による改質触媒の酸化劣化を抑制できる。
また、熱交換器９,１６による熱交換後の適度に高温で、より安定した温度の改質用水を供給できるため、改質用水のスチーム化のために選択酸化器２３ａや変成器２２ａで熱交換される熱量が安定し、水素製造装置２の制御負荷がより軽減され、水素製造装置の長寿命化を図ることができる。
【００３１】
さらに、本参考例では、改質用水配管１２の入口を水タンク５の出口より下流のイオン交換樹脂７とＰＥＦＣスタック４との間の位置に接続しているため、イオン交換樹脂７によって金属イオンや不純物を除去した直後の、より高純度な純水を改質用水として供給することができるため、金属イオンや不純物による改質触媒の劣化、改質用ポンプ１１の故障、改質用水配管１２の閉塞等を、より効果的に抑制できる。
【００３２】
ここで、従来のように回収水タンクを別個に設けて回収水タンクからの回収水を改質用水として供給する場合に、同様の効果を得ようとすると、燃料電池冷却系と改質用水供給系とにそれぞれ１個、計２個のイオン交換樹脂を配設する必要がある。これに対し、本第２実施形態では、１個のイオン交換樹脂を配設すればよく、システムのコンパクト化、低コスト化をさらに促進できる。
【００３３】
尚、以上に本発明の実施形態を図面に基づいて説明したが、図示の実施形態はあくまで本発明を例示するものであり、本発明は、説明した実施形態により直接的に示されるものに加え、特許請求の範囲内で当業者によりなされる各種の改良・変更を包含するものであることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３４】
１…水素製造用原燃料ポンプ
２…水素製造装置
３…バーナ燃焼用燃料ポンプ
４…ＰＥＦＣスタック
５…冷却水タンク
６…冷却水ポンプ
７…イオン交換樹脂
８…第１冷却水配管
９…熱交換器
１０…第２冷却水配管
１１…改質用水ポンプ
１２…改質用水配管
１３…熱交換器
１４…第１回収水配管
１５…アノードオフガス配管
１６…熱交換器
１７…第２回収水配管
１８…排ガス配管
１９…熱交換器
２０…第３回収水配管
２１…改質部
２２…変成器
２３…選択酸化器
２４…ＣＯ除去部
３１…上水補給配管
３２…開閉弁
３３…カソードオフガス配管
【図１】
0005502521.tif 000002
【図２】
0005502521.tif 000003