(57)【要約】【課題】燃料電池より排出された水を利用する具体的システムを提供し、同時にシステムの信頼性の向上、長寿命化に対し大きく貢献するものである。【解決手段】燃料電池６の熱回収用熱媒用容器、及び酸化剤ガス用加湿器を兼用し、前記燃料電池で生成した純水を含む該燃料電池より排出された水を貯留する回収容器１で、前記回収容器１の下部には燃料電池からの水を該回収容器１に供給する導入管４を連結し、更にこの導入管４途中で前記回収容器１に供給される酸化剤ガスの静圧分だけ液位位置より上方で、且つ回収容器１の上面板１２より下方の位置には排出管５を設けたことで、燃料電池内部を清浄な状態に保つ事が可能でしかも、システムの簡素化、低コスト化を実現したものである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池の熱回収用熱媒用容器、及び酸化剤ガス用加湿器を兼用し、前記燃料電池で生成した純水を含む該燃料電池より排出された水を貯留する回収容器で、
前記回収容器に貯留した水を燃料電池熱回収用熱媒、酸化剤ガス用加湿水、の用途に再利用する事を特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記回収容器の下部には燃料電池からの水を該回収容器に供給する導入管を連結し、更にこの導入管途中で前記回収容器に供給される酸化剤ガスの静圧分だけ液位位置より上方で、且つ回収容器の上面板より下方の位置には排出管を設けた事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】
前記回収容器内に、還元剤ガス中の水を凝縮する為の凝縮容器を設け、この凝縮容器の下部には還元剤ガスの供給管を連結すると共に、連絡管の一端を連結しその他端を還元剤ガスの静圧分だけ液位位置より上方で、且つ凝縮容器の上面板位置より下方に開口させた事を特徴とする請求項１及び２記載の燃料電池システムの構造。
【請求項４】
前記連絡管を燃料改質用水容器の水位位置より上に連結させ、凝縮余剰水を燃料改質用水として再利用する事を特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記燃料改質用水容器には、前記導入管途中の排出管が水位位置より上に連結すると共に、液位検知手段を備え、該水位検知手段で回収容器への純水の供給を制御する事を特徴とする請求項４記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池において発電時の反応により生成した純水を含む燃料加湿に使用した精製水または還元剤ガス由来凝縮水の一方、又は両方の回収水をシステム中の精製水を使用する部位に供給または再利用することで、燃料電池システムの簡略化、耐久性の向上、消費電力の低減を実現する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池はイオン導電体である電解質の両側に一対の電極を設け、一方の電極に酸化剤、他方に還元剤を供給し、電気化学的に発電する。燃料電池は、一般に燃料供給方法や、用いる電解質の種類によって様々種類があるが、中でも近年では固体高分子電解質に関する研究が進み作動温度が１００℃以下と低く電流密度が高い為小型の燃料電池の実用化が期待されている。
【０００３】
この固体高分子による発電に関わるプロトン伝導のためには、固体高分子電解質が常に適正な水分保持をする必要がある。
又還元剤としての水素含有ガスを得る為に、アルコール、エーテル、炭化水素系燃料などを水蒸気改質等の手法を用いて得ようとする場合にも水の供給が必要となる。
【０００４】
このような水の必要性に対し、従来技術としては燃料ガスオフガス、及び、酸化剤ガスオフガスに含まれる水を再利用する燃料電池システムがある。（例えば、特許文献１参照）
【０００５】
又燃料電池から排出される還元剤ガスオフガス中及び酸化剤ガスオフガス中に含まれるオフガス中の水を回収し、改質原料及び加湿水として再利用する燃料電池システムがある。（例えば、特許文献２）
【０００６】
しかし、この場合燃料ガスオフガス中及び、酸化剤ガスオフガス中の水を凝縮し、一つの貯留部に貯留し、改質原料及び燃料ガス、酸化剤ガスの加湿水として再利用しているが、燃料ガスオフガス中には不純物が含まれているため、そのまま再利用すると燃料電池の性能低下に繋がる。
【０００７】
これを解決するために、還元剤ガス凝縮水を回収し改質原料水として利用する方法がある。（例えば、特許文献３）
又回収水を脱塩処理した後、これを燃料電池に供給する方法もある。（例えば、特許文献４）しかし、家庭用燃料電池システムのように低コストでしかもコンパクトに製作するには現実的でない。
【０００８】
又発電時に燃料電池で発生する熱を回収する方法の従来技術としては、一旦精製水と熱交換し、その後高温となった精製水を再度市水と熱交換する方法がある。精製水を使用するのは、電導度が高い熱媒を使用すると燃料電池から電流がリークする恐れがあるためであるが、閉ループ内で長時間循環を続けると徐々に伝導度が上昇してしまう問題がある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平６−３２５７８０号公報
【特許文献２】
特開平９−１７４３８号公報
【特許文献３】
特開２０００−２２３１４４号公報
【特許文献４】
特開２０００−３３１７０３公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
家庭用燃料電池コジェネレーションシステムの実用化への課題の一つとして、燃料電池より排出された水の簡単な回収、再利用方法の確立が挙げられる。本発明は燃料電池より排出された水を利用する具体的システムを提供し、同時にシステムの信頼性の向上、長寿命化に対し大きく貢献するものである。
【００１１】
【課題を解決する手段】
この発明はこの点に着目し上記課題を解決する為、システムの構造上、燃料電池より排出された加湿ガスを凝縮したうえ特別な動力を必要とせずに水を回収し、精製水容器内の液位を常に一定に保持し、また、酸化剤ガスと還元剤ガスの接触なしに、燃料電池内部を清浄な状態に保ちつつ、同用途または、別用途に再度利用できるようにしたものである。
【００１２】
【発明の実施形態】
本発明の基本的な構造は図１に示すように、ガス加湿器等の回収容器１から加湿ガスを得る為に、該回収容器１内の液中にガス２を導入すると雰囲気温度の本液体の飽和ガスが得られる。これを加湿済みガス３として燃料電池へ導入する。このとき、回収容器１内はガス２の供給によって一定の静圧を有するので、静圧分だけ、容器内液面位置は低下し、同時に導入管４の液面位置は上昇する。
【００１３】
この関係は、ｈ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（ρ・ｇ）で示され、（大気圧等の様に）Ｐ２が決まれば、ガス２の供給と下流の燃料電池等の圧損によって決まる容器内圧力Ｐ１によりｈは決定する。
【００１４】
よって、このｈ分だけ高い位置に、排出管５を配すことで、ガス入力２によって導入管４の液面が上昇した分を無駄に排出することは防止できる。また、燃料電池より排出された、ガスを凝縮器を介して導入管４より導入することで、回収容器１への水回収を行い再度利用を可能とし、更に余剰分は排気と排出管５から排出される為、液面位置は常に一定に保たれる。更に、構造的にガスが導入管４から排出することもなく、全量が加湿後燃料電池に導入可能である。
【００１５】
【実施例】
次に本発明を燃料電池システムに使用した一実施例を図２から図４で説明するが、先ず図２では、燃料電池６は作動時発熱し、結果として熱回収用熱媒容器及び酸化剤ガス加湿器を兼用する回収容器１の温度は上昇するが、精製水及び市水熱交換用の送液手段７が温度検出手段８からの信号を受けて回収容器１の温度が一定となる精製水の供給を制御するものである。
【００１６】
本願第１の発明は、熱回収用熱媒容器及び酸化剤ガス加湿器を回収容器１で兼用し、燃料電池１で生成した純水を含む燃料電池より排出される酸化剤排気を凝縮器９を介し凝縮水を回収容器１に回収し、同時に燃料電池６の熱回収用の冷却ポンプ１０を常時動作させる事で常に燃料電池に導入する酸化剤ガスの加湿状態を燃料電池６の温度での水の飽和状態の酸化性ガスとして導入することが可能である。
【００１７】
又燃料電池６が発電状態では酸化剤排出ガス中には、酸化剤ガスを加湿したときの加湿分の水と燃料電池６中で生成された純水が含まれる為、回収容器１に水位を一定とするための排出管５を配した場合、発電量が大きく、回収水量が大きい時は余剰な液体水は酸化剤排気ガスと共に排出管５から排出される為、回収容器１の水は生成水によって希釈され、常に清浄な状態を保持する事が可能である。
【００１８】
逆に発電量が小さく生成水が少量で酸化性排ガス中の凝縮水の回収のロス等で、回収容器１の水位が保持できない場合には、該回収容器１に設置した液位検出手段１１から信号を受け、精製水を補充する為の送液手段７の開閉を行う。この構造により、回収容器１内は清浄な水と希釈されるため、燃料電池１の電解質膜にも悪影響を与えない上、回収容器１内の水のイオン濃度上昇による燃料電池６からの電流リークを回避する効果もある。更に、容器を兼用とすることで、液位検出手段１１及び、精製水の補充手段の設置数低減の効果もある。
【００１９】
本願第２の発明は、図１に示す様に酸化剤加湿ガスを得る場合、回収容器１内の水中に酸化剤ガス２を導入すると雰囲気温度の本液体の飽和ガスが得られる。これを加湿済み酸化剤ガス３として燃料電池６へ導入する。このとき、回収容器１内は酸化剤ガス２の供給によって一定の静圧を有するので、静圧分だけ回収容器１内液面位置は低下し、同時に導入管４の液面位置は上昇する。
【００２０】
この関係は、ｈ＝（Ｐ１−Ｐ２）／（ρ・ｇ）で示され、（大気圧等の様に）Ｐ２が決まれば、酸化剤ガス２の供給と下流の燃料電池６、や凝縮器９などの圧損によって決まる回収容器１内圧力Ｐ１によりｈは決定する。このｈ分だけ高い位置に、排出管５を配し且つ回収容器１の上面板１２より低い位置とすことで、入力ガス２によって導入管４の液面が上昇した分を無駄に排出することは防止できる。
【００２１】
又燃料電池６より排出された、ガスを凝縮器９を介して導入管４より導入することで、回収容器１への水回収を行い再度利用を可能とし、更に余剰分は排気と共に排出管５から排出される為、液面位置は常に一定に保たれる。更に、構造的にガスが排出管５から排出することもなく、全量が加湿後燃料電池６に導入可能である。
【００２２】
当然のことながら図２に示す様に、酸化剤ガス送気手段１３は停止時の水の流入を防ぐ為、水面位置より上方に位置させるべきである。
【００２３】
還元剤ガスについて、本願第２の発明と同様な効果を発現するものである。炭化水素の水蒸気改質は通常コーキング防止の目的で水が過剰な組成で供給し改質を行う。この結果、生成還元剤ガスは非常に多くの未反応水を含有した状態となっている為、適正な水含有状態として燃料電池６に供給する必要から改質ガスの温度を低下させ、凝縮器９で回収した凝縮水を還元剤ガスの排出なしに排出管５より排出するものである。
【００２４】
本願第３の発明は図３に示す様に、還元剤ガス（Ｈ２含有ガス）中の凝縮容器１４を回収容器１内に位置させ、且つ凝縮容器１４の水位位置より下から一端を取り出した連絡管１５の他端を、凝縮容器１４の水位位置より上側、且つ凝縮容器１４の上面板１６より下の位置で改質用燃料水を有する改質用燃料水容器１７の液面位置より上側に開口した構造である。
【００２５】
又回収容器１からの導入管４途中の排出管５もこの改質用燃料水容器１７の液面位置より上側で且つ回収容器１の上面板１２より下の位置に接続させた構造である。
【００２６】
この構造を持つ事で本願第３の発明による効果を発現する上、還元剤ガスの凝縮容器１４を回収容器１内に位置させ、冷却ポンプ１０による燃料電池１での熱回収及び温度検出手段８からの信号によって作動／停止する送液手段７によって燃料電池１、酸化剤ガスの加湿温度及び還元剤ガスの凝縮温度が比較的近い温度で行われる。この結果燃料電池６の電解質の湿潤状態が良好となるので、安定した燃料電池６の運転が実現できる。
【００２７】
更に改質用燃料水容器１７内の液位が低下したとき、改質用燃料水容器１７に配した液位検出手段１１からの信号によって、回収容器１に備えた送液手段７を開として精製水の補充を行う。これによって回収容器１内の液位が上昇し、酸化剤ガス送気手段１３による静圧分を含め、導入管４の管内水位が改質用燃料水容器１７の接続箇所である排出管５の高さに至ると、改質燃料用水容器１７に流入する。改質用燃料水容器１７内の液位が充分な量となると、液位検出手段１１からの信号で、精製水補充のための送液手段７を閉とする。
このことで、回収容器１内の水を常に清浄な状態に保つ事が可能である。
【００２８】
図４は図３の様に位置させた、回収容器１からの導入管４途中の排出管５を改質用燃料水容器１７の液面位置より上側で且つ回収容器１の上面板１２より下の位置に接続させた構造である。
【００２９】
この構造により、本願第１、２の発明の効果を保持しつつ、回収容器１からの余剰水を供給ポンプ１８を介して改質用燃料水として再利用可能である上、改質用燃料水が改質用燃料水容器１７から回収容器１へ逆流し、該回収容器１内を汚染する事も無い。
【００３０】
更に改質用燃料水容器１７内の液位が低下したとき、改質用燃料水容器１７に配した液位検出手段１１からの信号によって、回収容器１に備えた送液手段７を開として精製水の補充を行う。これによって回収容器１内の液位が上昇し、酸化剤ガス送気手段１３による静圧分を含め、導入管４の管内水位が改質用燃料水容器１７の接続箇所である排出管５の高さに至ると、改質燃料用水容器１７に流入する。改質用燃料水容器１７内の液位が充分な量となると、液位検出手段１１からの信号で、精製水補充のための送液手段７を閉とする。
このことで、上記同様に回収容器１内の水を常に清浄な状態に保つ事が可能である。
【００３１】
又燃料電池１から酸化剤排気は凝縮器９を介し水を凝縮させ、導入管４で回収容器１へ回収されると同時に、余剰水と酸化剤ガス排気は、改質用燃料水容器１７へ流入し、水は改質に再利用され酸化剤ガス排気は酸化剤ガス排気箇所及び余剰水は溢れ口１９から廃棄される。
【００３２】
改質用燃料水容器１７内は常に酸化剤ガス排気が流入しているが還元剤ガスは構造上、改質用燃料水容器１７に流入することがないので、改質用燃料水容器１７内を爆発性雰囲気にする事もなく、酸化剤ガス由来の凝縮水および還元剤ガス由来の凝縮水をともに、改質に再利用できる。
【００３３】
回収容器１内方底部には熱交換器２０が備えられ、該回収容器１内の高温水と熱交換して循環ポンプ２１を備えた循環路２２を介して、熱使用部２３に熱を送りここで各種の熱として使用して、効率の向上を図るものである。
【００３４】
【発明の効果】
以上の様にこの発明によれば、燃料電池より排出された酸化剤消費ガスに由来の凝縮水及び、還元性ガス由来の凝縮水をシステムの構造上無駄なく回収再利用する事が可能であり、燃料電池内部を清浄な状態に保つ事が可能でしかも、システムの簡素化、低コスト化を実現したものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の基本構成図。
【図２】この発明の一実施例を示す燃料電池システムの構成図。
【図３】この発明の他の実施例を示す構成図。
【図４】この発明の更に別の実施例を示す構成図。
【符号の説明】
１  回収容器
４  導入管
５  排出管
６  燃料電池
８  液位検出手段
１２、１６  上面板
１４  凝縮容器
１５  連絡管
１７  燃料改質用水容器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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