(57)【要約】  【課題】燃料電池に供給するガスの加湿エネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上する。  【解決手段】第１の加湿装置を、供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレート２４と、排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレート２５とを、水分移動膜２３を介して供給ガスの流路と排出ガスの流路とが接するように積層して構成し、第２の加湿装置を、供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第２の流路プレート２５と、冷却水の流路を形成する第１の流路プレート２４とを、水分移動膜２３を介して供給ガスの流路と冷却水の流路とが接するように積層して構成し、加湿装置５０に対する第２の加湿装置における第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５の合計積層段数比率を１０〜８０％とする。【選択図】図１
2006210151.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、順次加湿する第１の加湿装置と第２の加湿装置より構成し、前記第１の加湿装置を、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分を用いて前記加湿を行うものとし、前記第２の加湿装置を、温水を用いて前記加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートとを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成し、前記第２の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第２の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する第１の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成し、前記第２の加湿装置における前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートの合計積層段数比率を１０〜８０％とした燃料電池システム。
【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と熱供給を行なう燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の燃料電池システムでは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させるものとして知られている。この燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。前記燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段としては、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行なうバブラーがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気（オフガス）に含まれる水分（水蒸気）を、燃料電池の空気極側に供給する空気に、水蒸気透過膜を介して移動させ、それにより供給空気の加湿を行なう加湿装置も知られている（例えば特許文献２参照）。この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行なうことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図ることができる。
【特許文献１】特開平７−２８８１３４号公報
【特許文献２】特開平６−１３２０３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記従来の構成では、バブラーにおいて水の加熱のためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招く。
【０００５】
また、オフガスにより加湿を行う場合において、被加湿ガス（ここでは加湿される供給空気）を、加湿ガス（ここでは水分の供給元となる排出空気）以上の露点温度に加湿することができない。さらに、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなる課題があった。
【０００６】
したがって、上記従来の燃料電池システムは、コンパクト化が困難なものであった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記従来の課題を解決するために本発明は、燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置を第１の加湿装置と第２の加湿装置より構成し、前記第１の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートとを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成し、前記第２の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第２の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する第１の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成し、前記第２の加湿装置における前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートの合計積層段数比率を１０〜８０％と定めたものである。
【０００８】
かかる積層段数の比率を確保することにより、前記第２の加湿装置における水温の著しい低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することにより、システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、それぞれ前記燃料電池に供給される燃料ガス及び酸化剤ガスである供給燃料ガス及び供給酸化剤ガスの少なくとも一方を加湿する加湿装置を備え、前記加湿装置を、順次加湿する第１の加湿装置と第２の加湿装置より構成し、前記第１の加湿装置を、それぞれ前記燃料電池から排出された前記燃料ガス及び前記酸化剤ガスである排出燃料ガス及び排出酸化剤ガスの少なくともいずれかに含まれる水分を用いて前記加湿を行うものとし、前記第２の加湿装置を、温水を用いて前記加湿を行うものとした燃料電池システムにおいて、前記第１の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第１の流路プレートと、前記排出燃料ガス及び前記排出酸化剤ガスの少なくとも一方の排出ガスの流路を形成する第２の流路プレートとを、水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記排出ガスの流路とが接するように複数積層して構成し、前記第２の加湿装置を、前記供給燃料ガス及び前記供給酸化剤ガスの少なくとも一方の供給ガスの流路を形成する第２の流路プレートと、前記冷却水の流路を形成する第１の流路プレートとを、前記水分移動膜を介して前記供給ガスの流路と前記冷却水の流路とが接するように複数積層して構成し、前記第２の加湿装置における前記第１の流路プレートと前記第２の流路プレートの合計積層段数比率を１０〜８０％としたものである。
【００１１】
かかる構成により、前記第２の加湿装置の水温は著しく低下することがなく、したがって、前記水温の維持に消費するエネルギーが抑制でき、その結果、効率の高い燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムと称す）の構成を示す模式図である。
【００１３】
図１に示すように、本実施の形態の燃料電池システムは、空気供給装置４０と、第１の加湿装置２２および第２の加湿装置２１ａよりなる加湿装置５０と、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、燃料処理加湿装置２１ｂと、冷却水放熱器１３と、冷却水タンク１４と、冷却水ポンプ１２と、空気経路３と、第１の冷却水経路６と、第２の冷却水流路６ａと、第３の冷却水流路６ｂと、貯湯タンク４５と、貯湯水循環経路１５とを主な要素として構成されている。
【００１４】
空気供給装置４０から空気経路１を介して加湿装置５０に供給された空気は、第１の加湿装置２２で加湿され、さらに第２の加湿装置２１ａによって加湿される。第２の加湿装置２１ａによって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、空気経路３を介して燃料電池１１の空気極側に供給される。
【００１５】
一方、燃料処理装置４２には、燃料供給装置４１から燃料経路８を介して、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等の原料が供給される。前記炭素及び水素から構成される化合物を含むガス等及びアルコール等としては、例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等が好ましい。ここでは、燃料処理装置４２として、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部が設けられた構成を採用した場合について説明する。
【００１６】
燃料処理装置４２では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチなガスが生成される。該水素リッチなガスは、燃料ガス経路９ａを介して燃料処理加湿装置２１ｂに供給され、加湿される。ここで、燃料処理加湿装置２１ｂとしては、第２の加湿装置２１ａにおいて前述した加湿装置が用いられている。
【００１７】
加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１１の燃料ガスとして、燃料ガス経路９ｂを通じて燃料電池１１の燃料極側に供給される。燃料電池１１では、空気極側に供給された空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス（以下、燃料ガスと称す）とが反応することにより発電が行われ、電気と熱が発生する。
【００１８】
燃料電池１１に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気経路４を介して、第１の加湿装置２２に供給される。前記第１の加湿装置では、供給された該排出空気に含まれる水分を利用して、酸化剤ガスとして燃料電池１１に供給される空気の加湿が行われる。そして、第１の加湿装置２２を経た空気は、排出ガス経路５を通じて排出される。一方、燃料電池１１での反応に利用されなかった燃料ガスは、排出ガス経路１０を介して排出される。
【００１９】
第２の加湿装置２１ａには、燃料電池１１から回収した第１の冷却水流路６ａが接続され、空気経路１を通り、第１の加湿装置２２で加湿された空気を第２の加湿装置２１ａでさらに加湿した該冷却水が、第２の冷却水流路６ｂに接続されている。
【００２０】
貯湯水タンク４５と貯湯タンク４５に貯めた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と前期貯湯タンク４５から給水した水を冷却水放熱器（熱交換器）１３を経由して再び貯湯タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５とにより、第２の加湿装置２１ａで加湿に利用された後の冷却水から、冷却水放熱器１３に熱が与えられ、この熱が貯湯水循環経路１５を通って貯湯水タンク４５に供給され、ここで蓄熱される。
【００２１】
また、燃料電池１１で発生した熱を除去するために、冷却水タンク１４の冷却水が、冷却水ポンプ１２によって加圧され、冷却水経路７を介して燃料電池１１に供給される。ここでは、冷却水タンク１４の冷却水が、７０℃程度に維持されている。燃料電池１１の熱は、供給された冷却水によって除去される。そして、前記熱を回収して温度が７５℃程度となった冷却水は、第１の冷却水流路６ａ、第２の冷却水流路６ｂ、第３の冷却水流路６ｃを順次通り、再び冷却水タンク１４に戻される。ここで、第２の冷却水流路６ｂと第３の冷却水流路６ｃの間には、冷却水放熱器１３が設けられており、冷却水の熱は、冷却水放熱器１３によって放出される。
【００２２】
このような放熱により、冷却水は、再び７０℃程度まで冷却される。燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、該冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池１１を所定の温度に維持することが可能となる。
【００２３】
次に、本実施の形態の特徴である、加湿装置５０の第１の加湿装置における供給空気への加湿動作について説明する。
【００２４】
図２、図３、図４及び図５は、図１の燃料電池システムにおける第１の加湿装置の構成を説明するための図であり、図２は第１の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図、図３は第２の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図、図４は、図２の第１流路プレートと図３の第２の流路プレートを積層して構成された加湿装置の模式的な斜視図である。図５は、加湿装置の構成を示す縦断面図である。
【００２５】
図２、図３、図４及び図５に示すように、第１の加湿装置２２は、第１の端板３１と第２の端板３２との間に介挿されており、第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５が水分移動膜２３を介して、交互に複数積層されて構成されている。第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５はそれぞれ外周シール部２４ｓ、２５ｓを有し、第１の加湿装置２２から外部への供給空気及び排出空気のもれをシールしている。第１の流路プレート２４には、燃料電池１１から供給される空気の流路（以下、供給空気流路と称す）２４ａが第１の流路プレート２４の貫通した中空部（貫通空間）に形成され、第２の流路プレート２５には、燃料電池１１から排出された空気の流路（以下、排出空気流路と称す）２５ａが第２の流路プレート２５の貫通した中空部（貫通空間）に形成されている。水分移動膜２３は、水分を選択的に透過させる膜であり、例えば、ナフィオン系膜等のプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。第１の流路プレート２４の供給空気流路２４ａは、第１の流路プレート２４の中央部を貫通する中空穴によって形成され、また、一体形成された供給空気の経路となるマニホールド孔２８ａ、２８ｂと連通している。
【００２６】
また、第２の流路プレート２５についても、同様に排出空気流路２５ａは、第２の流路プレート２５の中央部を貫通する中空穴によって形成され、また、一体形成された排出空気の経路となるマニホールド孔２９ａ、２９ｂと連通している。そして、第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５の各マニホールド孔２８ａ、２８ｂ、２９ａ、２９ｂの位置がそれぞれ一致するように複数の第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５を交互に積層することによって、その積層体において、マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’、マニホールド孔２９ａが連通してなる排気空気の導入流路２９ａ’、及び、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排気空気の取り出し流路２９ｂ’が形成される。マニホールド孔２８ａが連通してなる供給空気の導入流路２８ａ’は、空気経路１に接続され、マニホールド孔２８ｂが連通してなる供給空気の取り出し流路２８ｂ’は、第２の端板３２のマニホールド孔３０に接続されている。
【００２７】
それにより、空気経路１から第１の加湿装置２２の第１の流路プレート２４に供給された空気（すなわち供給空気）が第１の流路プレート２４の中空穴（貫通空間）に形成された供給空気流路２４ａに沿って流れ、第２の端板３２のマニホールド孔３０に送られる。一方、マニホールド孔２９ａが連通してなる排出空気の導入流路２９ａ’は、空気経路４に接続され、マニホールド孔２９ｂが連通してなる排出空気の取り出し流路２９ｂ’は、空気経路５に接続されている。それにより、空気経路４から第１の加湿装置２２の第２の流路プレート２５に供給された空気（すなわち排出空気）が、排出空気の導入流路２９ａ’を通って第２の端板３２に当たり、プレート２５の中空穴（貫通空間）に形成された排出空気流路２５ａに沿って流れ、略Ｕ字形流路を形成して空気経路５に送られる。
【００２８】
このように第２の流路プレート２５の中空穴（貫通空間）において、水分移動膜２３を介して対向する供給空気と排出空気の流れが形成される。
【００２９】
第１の加湿装置２２では、上記構成を有する複数の第１の流路プレート２４と第２の流路プレート２５とが、それぞれ水分移動膜２３を介して積層されていることから、第１の流路プレート２４の供給空気流路２４ａを流れる供給空気と第２の流路プレート２５の排出空気流路２５ａを流れる排出空気は、水分移動膜２３を介して接している。
【００３０】
ここで、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも多くの水分を含むことから、かかる構成の第１の加湿装置２２では、水分移動膜２３を介して、排出空気から供給空気に水分（具体的には水蒸気）が与えられる。特に、供給空気と排出空気とは、対向する流れを形成し、かつ水分移動膜２３を介して接するため、前記水分の移動が効率よく行われる。また、燃料電池１１から排出された排出空気は、供給空気よりも温度が高いため、第１の加湿装置２２では、前記水分の移動とともに、熱エネルギーも排出空気から供給空気に与えられ、それにより供給空気が加熱される。
【００３１】
上記のようにして、第１の加湿装置２２によって加湿された供給空気は、第２の端板３２を介して、第２の加湿装置２１ａに供給される。ここで、第２の加湿装置２１ａに供給された空気は、前述のようにあらかじめ第１の加湿装置２２によって加温及び加湿されているため、従来のように第２の加湿装置２１ａのみで加湿する場合に比べて、第２の加湿装置２１ａでは少ない加熱及び加湿でよい。それゆえ、第２の加湿装置２１ａに要する熱エネルギーや水分を低減することが可能となる。
【００３２】
さらに、加湿装置５０の所定の大きさにおいて、加湿装置５０に対する第２の加湿装置構成比は、図６の特性図に示すように１０〜８０％の範囲内で、加湿装置５０の空気流路出口の露点（空気流路３）及び第２の冷却水流路６ｂの温度は、所定の露点及び温度を確保することができる。
【００３３】
このように本実施の形態では、あらかじめ第１の加湿装置２２によって供給空気の加温及び加湿を行うことにより、第２の加湿装置での２１ａでの消費エネルギーを低減することが可能であり、システム全体のエネルギー効率の向上を図ることが可能となる。また、第２の加湿装置２１ａでの消費水分が低減可能であることから、第２の加湿装置２１ａに補給する水分の量を抑えることが可能となる。その結果、補給した水分による温度変動を抑制することが可能となり、第２の加湿装置２１ａにおいて安定した加湿量を実現することができる。
【００３４】
さらに、かかる構成の燃料電池システムでは、第１の加湿装置２２と第２の加湿装置２１ａとにより、段階的に効率よく加湿を行うことが可能となるため、供給空気を高露点に加湿する場合においても、大型の第１の加湿装置及び第２の加湿装置を必要とせず、よってシステムのコンパクト化を図ることが可能となる。
【００３５】
なお、上記においては、燃料電池１１に供給される燃料ガス（以下、供給燃料ガスと称す）が、燃料加湿装置２１ｂのみで加湿される場合について説明したが、供給燃料ガスについても、前述の供給空気の場合と同様に、第２の燃料加湿装置２１ａの上流に第１の燃料加湿装置を設けて段階的に加湿を行う構成であってもよい。
【００３６】
かかる構成では、燃料電池１１から排出される排出燃料ガスが第１の燃料加湿装置に供給され、第１の燃料加湿装置において、排出燃料ガスの水分が供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加湿が行われるとともに、排出燃料ガスの熱エネルギーが供給燃料ガスに与えられて供給燃料ガスの加熱が行われる。それにより、供給空気の場合において前述したように、第２の燃料加湿装置２１ｂにおける消費エネルギーの低減化が図られ、その結果、燃料電池システムのエネルギー効率の向上が図られるとともに、第２の燃料加湿装置２１ｂにおける水分の消費量の低減化が図られて加湿量の安定化を図ることができる。
【００３７】
このような第１の燃料加湿装置は、例えば空気供給側において前述した第１の加湿装置２２の構成と同様、水分移動膜を介して複数の第１の流路プレートと第２の流路プレートを積層した構成を有しており、この場合、第１の流路プレートの中空穴に供給燃料ガス流路２４ａが形成されるとともに、第２の流路プレートの中空穴に排出燃料ガス流路２５ａが形成される。
【００３８】
このように、燃料電池システムにおいて、燃料電池１１からの排出ガスを用いて供給ガスの加湿を行う第１の加湿装置は、空気側及び燃料側の両方に設けられてもよく、また、いずれか一方に用いられてもよい。なお、燃料電池１１からの排出空気は、排出燃料ガスよりも高湿度であり、また、排出空気の方が、排出燃料ガスよりも、水分移動膜を介した水分移動において、効率よく水分のみを供給空気に与えることが可能である。このことから、空気供給側に第１の加湿装置を配置することが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
以上のように、本発明にかかる燃料電池システムは、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化を図ることが可能となるので、第１の加湿器の排出空気経路４の除湿が行なえることを利用して、供給空気の除湿等の用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す模式図
【図２】同実施の形態における加湿装置を構成する第１の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図
【図３】同実施の形態における加湿装置を構成する第２の流路プレートの構成を模式的に示す斜視図
【図４】同実施の形態における第１の流路プレートと第２の流路プレートを積層して構成された加湿装置の模式的な斜視図
【図５】同実施の形態における加湿装置の構成を示す縦断面図
【図６】同実施の形態における第２の加湿装置構成比の特性図
【符号の説明】
【００４１】
１，２，３  空気経路
４，５  排出空気経路
６ａ  第１の冷却水流路
６ｂ  第２の冷却水流路
６ｃ  第３の冷却水流路
７    冷却水流路
１１  燃料電池
１２  冷却水ポンプ
１３  冷却水放熱器
１４  冷却水タンク
１５  貯湯水経路
２１ａ  第２の加湿装置
２２  第１の加湿装置
２３  水分移動膜
２４  第１の流路プレート
２４ａ  供給空気流路
２４ｓ，２５ｓ  外周シール部
２５  第２の流路プレート
２５ａ  排出空気流路
３１  第１の端板
３２  第２の端板
３３  第３の端板
５０  加湿装置
【図１】
2006210151.tif 000003
【図２】
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【図３】
2006210151.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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