(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体高分子型燃料電池に燃焼器を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、給水を燃焼ガスで加熱し、且つ、給水を電池冷却水との間接加熱により加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、給水を、電池冷却水との間接加熱により加熱した後、燃焼器の燃焼ガスで加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
固体高分子型燃料電池に燃焼器及び貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯湯槽中に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項４】
請求項３に記載の燃料電池システムにおいて、貯湯槽中の温水を電池冷却水との間接熱交換器に導いて加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項５】
固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項６】
固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱により貯湯槽中の温水を加熱するとともに、燃焼ガスを貯湯槽中に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の燃料電池システムにおいて、貯湯槽中の温水を導管により電池冷却水との間接熱交換器に導いて加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項８】
請求項３〜７の何れか１項に記載の燃料電池システムおいて、電池冷却水との熱交換後の温水温度を検知し、固体高分子型燃料電池への燃料ガス量を増減するようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項９】
固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に配置した間接熱交換器に電池冷却水を循環させて貯湯槽中の温水を加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の燃料電池システムにおいて、燃焼器での燃焼ガスを貯湯槽中に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１１】
請求項９又は１０に記載の燃料電池システムにおいて、貯湯槽中の温水を給水ポンプを介して貯湯槽へ循環させるようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１２】
固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱により貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に電池冷却水を循環させる間接熱交換器を配置し、貯湯槽中の水を該間接熱交換器及び燃焼ガスとの間接熱交換器に順次通すようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の燃料電池システムにおいて、固体高分子型燃料電池へ供給する燃料ガスの１部をバイパスさせて燃焼器に供給することにより必要熱量をコントロールするようにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）における諸エネルギーを効率的に利用するようにしてなる固体高分子型燃料電池システム（装置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１はＰＥＦＣの一態様例を説明するための概略図である。図１中、１は高分子電解質膜、２はカソード電極（正極＝空気極又は酸素極）、３はアノード電極（負極＝燃料極又は水素極）であり、高分子電解質膜１は相対するこの正負両電極２、３間に当接して配置されている。また４はカソード電極側集電体、５はアノード電極側集電体であり、それぞれ正負の電極２及び３に当接されている。
【０００３】
カソード電極側集電体４の電極２側には酸素又は空気供給用の溝が設けられ、アノード電極側集電体５の電極３側には燃料ガス供給用の溝が設けられ、正極側集電体４の溝は酸素又は空気供給管６に、負極側集電体５の溝は燃料供給管７に連通している。８は正極側集電体４に当接して設けられたカソード端子板、９は負極側集電体５に当接して設けられたアノード端子板であり、電池の作動中にこれら端子板を通して電力が取り出される。
【０００４】
１０は左部枠体、１１は右部枠体であり、これら両枠体１０、１１により高分子電解質膜１からカソード端子板８及びアノード端子板９までの電池本体を被って固定されている。これら両枠体１０、１１間には、高分子電解質膜１からカソード端子板８及びアノード端子板９までの電池本体の周縁部を囲ってパッキン１２が設けられている。以上は、電池本体が単一の場合である。この電池本体を二つ以上積み重ねても構成されるが、基本的には以上の単一の電池本体の場合と同様である。
【０００５】
ＰＥＦＣは、作動時に温度８０〜１００℃程度に維持する必要があるため、電池冷却水により冷却される。冷却水は左部枠体１０及び右部枠体１１の内面に設けられた溝（閉じた通路）に連通し、カソード端子板８及びアノード端子板９の背面から間接的に冷却し、自らは温められるので熱交換器で冷却され、ＰＥＦＣへ循環される。また、熱交換器で電池冷却水を間接的に冷却し、自らは温められた水は温湯として利用される。
【０００６】
ところで、ＰＥＦＣにおける燃料水素は１００％の利用率は難しく、このため未利用の余剰水素や余剰空気が排出される。従来、この余剰水素は、そのまま放散させるか、燃焼させて排気されており、有効に利用されていない。また固体高分子電解質膜は耐熱性上１００℃程度が限度であり、このため上記のように電池冷却水により冷却する必要があるが、このため電池冷却水を介した熱の有効利用を図ることが考えられる。図２〜図４はこれらの態様例を示す図である。
【０００７】
図２は、電池冷却水の熱を間接熱交換器により温湯用に利用する場合であり、温湯用の熱が不足する場合には、ボイラからの熱も利用され、貯湯槽から給湯される。しかし、この態様ではＰＥＦＣから出る余剰水素を大気中に放出することになるので、その分ロスとなる。図３は、余剰水素をＰＥＦＣへリサイクルさせて利用する態様である。しかし、この態様ではリサイクルのためのエネルギーロスが伴い、また余剰水素の全部をリサイクルすることはできないので、この場合にもその分ロスとなる。
【０００８】
図４は余剰水素を改質器にリサイクルして利用する態様である。改質器は基本的には燃焼部と改質部とから構成され、都市ガス等の炭化水素ガスが燃焼部による加熱により改質部で水素リッチのガスに改質されるが、余剰水素はその燃焼部における燃料として利用される。しかしこの態様では改質器を付設する場合にしか適用できなし、また余剰水素の全部をリサイクルすることはできないので、この場合にもその分ロスとなり危険で環境汚染になってしまう。
【０００９】
以上、何れの態様でもそれぞれ欠点があるのに加え、余剰水素を図３〜図４のようにリサイクルして利用するにしても、余剰水素の全部をリサイクルすることはできないので、その分ロスとなり、同じくＰＥＦＣから排出される余剰空気の熱も無駄になる。また、ＰＥＦＣの電池冷却水を介して熱の有効利用を図るにしても、ＰＥＦＣの設置箇所としてのビルや工場等で常時所要温湯を得るには、給湯追い焚き設備が必要であり、その分コストアップ、サイズアップになってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、ＰＥＦＣにおける余剰燃料や余剰空気、或いは電池冷却水の熱を利用しようとする場合において考えられる以上のような諸欠点がなく、それらのエネルギー利用効率を可及的に高めてなる固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（１）固体高分子型燃料電池に燃焼器を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスの熱を給水の加熱に利用するようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１２】
本発明は、（２）固体高分子型燃料電池に燃焼器を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、給水を燃焼ガスで加熱し、且つ、給水を電池冷却水との間接加熱により加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１３】
本発明は、（３）固体高分子型燃料電池に燃焼器及び貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯湯槽に導入して貯湯槽中の温水を加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１４】
本発明は、（４）固体高分子型燃料電池に燃焼器及び貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯湯槽中に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１５】
本発明は、（５）固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１６】
本発明は、（６）固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱により貯湯槽中の温水を加熱するとともに、燃焼ガスを貯湯槽中に直接吹き込むことを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１７】
本発明は、（７）固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に配置した間接熱交換器に電池冷却水を循環させて貯湯槽中の温水を加熱するようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１８】
本発明は、（８）固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱により貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に電池冷却水を循環させる間接熱交換器を配置し、貯湯槽中の水を該間接熱交換器及び燃焼ガスとの間接熱交換器に順次通すようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
ＰＥＦＣの燃料ガスとしては、純度９９．９９％と云うような高純度の水素が用いられる。水素は水の電解、石炭やコークスのガス化、液体燃料のガス化、ガス体燃料の変成、コークス炉ガスの液化分離、メタノールやアンモニアの分解など各種の方法で得られるが、本発明においてはその由来を問わず何れも使用される。このうち、容易に入手でき安価でクリーンであることなどから、天然ガスや都市ガス等の炭化水素ガスを改質して得られた水素を主成分とする改質ガスが特に有利に使用される。
【００２０】
本発明においては、ＰＥＦＣからの余剰水素及び余剰空気を別途併置した燃焼器に供給して燃焼させ、その燃焼熱を水の加熱に利用する。その利用の仕方としては、その燃焼ガスを間接熱交換又は直接熱交換により利用する。間接熱交換では間接熱交換器を介して行われ、直接熱交換は水を収容した貯湯槽中に燃焼ガスを直接吹き込むことで行われる。
【００２１】
また、本発明においては、燃焼器を貯湯槽中に配置することにより、燃焼器で発生する熱の放逸を防ぎ、その発生熱の実質上全部を水の加熱に利用することができる。ビルや工場、その他の施設におけるＰＥＦＣの設置箇所で多量の温湯が必要な場合や冬期などで所定量の温水を得るのに必要な熱が不足する場合には、ＰＥＦＣへ供給する燃料ガスの量を増やすか、或いは燃料ガスの１部をバイパスさせて燃焼器に供給することにより対処することができる。さらに、本発明においては、ＰＥＦＣにおける電池冷却水の熱を水の加熱に利用する。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。
【００２３】
《実施例１》
図５はＰＥＦＣに燃焼器を併置し、ＰＥＦＣからの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスの熱を給水の加熱に利用する例である。ＰＥＦＣの燃料極からの余剰水素及び空気極からの余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、その燃焼ガスを熱交換器に導入し、給水と熱交換させて加熱する。加熱された給水は、温水として利用される。ＰＥＦＣの電池冷却水はポンプを介して閉回路により循環させ、熱交換器を介して給水を加熱し温水を得ることができる。ＰＥＦＣが例えば１００℃で作動される場合、そのための温度制御は上記閉回路の途中に設けられた熱交換器に供給する水量を調節することにより行われる。
【００２４】
図５の例では、燃焼器の燃焼ガスによる給水加熱と、電池冷却水による給水加熱をパラレルに行うが、図６は両加熱を直列に行う例である。給水をＰＥＦＣの電池冷却水との熱交換により加熱した後、熱交換器を介して燃焼器からの燃焼ガスで加熱する。図５〜６中、Ｔ１は温水の温度検知器であり、ここで検知された温水温度の如何により給水量を増減することができる。
【００２５】
《実施例２》
図７〜８は、図５〜６の例において、ＰＥＦＣへ供給する燃料ガスの一部を燃焼器へバイパスさせるようにした例である。燃料ガスを燃焼器へ積極的に加え、熱量をコントロールし、より多量の温水を得る必要がある場合や冬期などのように所定量の温水を得る上で熱が不足する場合などに適用することができる。燃料ガスの一部をバイパスさせて燃料極からの余剰水素とともに燃焼器に供給する。図７〜８中、Ｔ１は温水の温度検知器であり、その温度の如何によりバイパスからの燃料ガスを増減することができる。燃料ガスの一部を燃焼器へバイパスさせる構成は、以下の全ての実施例においても必要に応じて適用される。
【００２６】
《実施例３》
図９は、ＰＥＦＣに燃焼器と貯湯槽を併置し、ＰＥＦＣからの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯湯槽に導入して貯湯槽中の温水を加熱する例である。燃焼ガスは貯湯槽に導入され、ここで熱交換器を介した間接熱交換により貯湯槽中の温水を加熱した後、排出される。図１０は上記間接熱交換に代えて、燃焼ガスを貯湯槽中に直接吹き込むことにより貯湯槽中の温水を加熱する例である。燃焼ガスの直接吹き込みにより燃焼ガスが保有する熱をより有効に回収することができる。
【００２７】
図９〜１０の何れの場合にも、貯湯槽中の温水は、電池冷却水との間接熱交換器に導いてさらに加熱し温水として利用するが、温水の必要量に応じて一部を貯湯槽へ戻すようにしてもよい。また、温度検知器Ｔｌにより電池冷却水との熱交換後の温水温度を検知し、ＰＥＦＣへの燃料ガス量を増減することができる。これらの点は、下記実施例４（図１１〜１２）についても同様である。
【００２８】
《実施例４》
図１１〜１２はＰＥＦＣに燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、ＰＥＦＣからの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱する例である。燃焼器を貯湯槽内の水中に配置することにより、燃焼熱がより完全に回収される。図１１は燃焼器での燃焼ガスの熱を間接熱交換により回収する場合である。図１２は燃焼器での燃焼ガスを貯湯槽内の水中に直接吹き込む場合であり、これにより間接熱交換器を省略しシンプル化を図ることができる。
【００２９】
《実施例５》
図１３〜１４は、ＰＥＦＣに燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、ＰＥＦＣからの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に配置した間接熱交換器に電池冷却水を循環させて貯湯槽中の温水を加熱する例である。電池冷却水は貯湯槽中に配置した熱交換器に循環し、貯湯槽中の温水を加熱する。
【００３０】
図１３は燃焼器での燃焼ガスの熱を間接熱交換により回収する場合、図１４は燃焼器での燃焼ガスを貯湯槽内の水中に直接吹き込む場合である。図１４の直接吹き込みの場合には間接熱交換器を省略しシンプル化を図ることができる。図１３〜１４の何れの場合にも、貯湯槽中の温水を給水ポンプを介した導管により貯湯槽へ循環させることができる。
【００３１】
《実施例６》
図１５は、ＰＥＦＣに燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、ＰＥＦＣからの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱により貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に電池冷却水を循環させる間接熱交換器を配置し、貯湯槽中の水を該間接熱交換器及び燃焼ガスとの間接熱交換器に順次通すようにした例である。
【００３２】
貯湯槽中の水は、ポンプＰ、導管を介して電池冷却水との間接熱交換器、燃焼器からの燃焼ガスとの間接熱交換器に順次通すことにより加熱される。その際、余剰の温湯は適宜貯湯槽へ戻される。貯湯槽には温水の消費量に応じて給水される。本実施例は図６又は図８における熱交換器を全て貯湯槽内に沈めた場合に相当している。燃焼器、熱交換器及び配管は全て貯湯槽内に配置されているので、ＰＥＦＣから得られる諸エネルギーをほぼ完全に利用し回収することができる。
【００３３】
【発明の効果】
本発明によれば、ＰＥＦＣからの余剰水素及び余剰空気を燃焼器で燃焼させ、その熱を効率的に利用することができる。また、ＰＥＦＣへ供給する燃料ガスの量を増やすか、或いは燃料ガスの一部を燃焼器にバイパスさせることにより、温水の需要量の変動や冬期などに対応させることができる。また、併せてＰＥＦＣにおける電池冷却水の熱利用効率を可及的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＥＦＣの一態様例を説明するための概略図。
【図２】ＰＥＦＣ電池冷却水の熱を温湯用に利用する例を示す図。
【図３】ＰＥＦＣ余剰水素をＰＥＦＣへリサイクルして利用する例を示す図。
【図４】ＰＥＦＣ余剰水素を改質器にリサイクルして利用する例を示す図。
【図５】本発明の実施例を示す図。
【図６】本発明の他の実施例を示す図。
【図７】本発明の他の実施例を示す図。
【図８】本発明の他の実施例を示す図。
【図９】本発明の他の実施例を示す図。
【図１０】本発明の他の実施例を示す図。
【図１１】本発明の他の実施例を示す図。
【図１２】本発明の他の実施例を示す図。
【図１３】本発明の他の実施例を示す図。
【図１４】本発明の他の実施例を示す図。
【図１５】本発明の他の実施例を示す図。
【符号の説明】
１  高分子電解質膜
２  カソード電極（正極＝空気極又は酸素極）
３  アノード電極（負極＝燃料極又は水素極）
４  カソード電極側集電体
５  アノード電極側集電体
６  酸素又は空気供給管
７  燃料（通常は水素）供給管
８  カソード端子板
９  アノード端子板
１０  左部枠体
１１  右部枠体
１２  パッキン
Ｔ１  温度検知器
Ｐ  ポンプ
【図１】
0003602357.tif 000002
【図２】
0003602357.tif 000003
【図３】
0003602357.tif 000004
【図４】
0003602357.tif 000005
【図５】
0003602357.tif 000006
【図６】
0003602357.tif 000007
【図７】
0003602357.tif 000008
【図８】
0003602357.tif 000009
【図９】
0003602357.tif 000010
【図１０】
0003602357.tif 000011
【図１１】
0003602357.tif 000012
【図１２】
0003602357.tif 000013
【図１３】
0003602357.tif 000014
【図１４】
0003602357.tif 000015
【図１５】
0003602357.tif 000016