(57)【要約】【課題】改質装置において生じる粉体や空気中のホコリやチリなどが電池内部に流入することを未然に回避することができると共に、加湿用の水タンクに付着した不純物を効果的に除去することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】固体高分子電解質膜６ｄの両面に燃料極（アノード）６ａ及び酸化剤極（カソード）６ｂを構成すると共に、燃料極６ａに水素ガス（燃料ガス）を供給し、酸化剤極６ｂに酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気を供給して水素ガスと酸素ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた電両電池システムＳにおいて、燃料極６ａに水素ガスを供給するためのアノード側ガス経路６０を備え、該アノード側ガス経路６０を構成する水タンク１１に、サイクロン発生装置６３（旋回流生成手段）を備えた。【選択図】      図２
2004200055.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反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
システム内の流体経路中に旋回流を生成する旋回流生成手段を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、前記アノードに燃料ガスを供給し、前記カソードに酸化剤ガスを供給して前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノードに燃料ガスを供給するためのアノード側ガス経路を備え、
該アノード側ガス経路に、前記旋回流生成手段を備えたことを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項３】
固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、前記アノードに燃料ガスを供給し、前記カソードに酸化剤ガスを供給して前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス経路を備え、
該カソード側ガス経路に、前記旋回流生成手段を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２の燃料電池システム。
【請求項４】
固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、前記アノードに燃料ガスを供給し、前記カソードに酸化剤ガスを供給して前記燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、
前記アノードに燃料ガスを加湿供給するためのアノード側水経路と、
前記カソードに酸化剤ガスを加湿供給するためのカソード側水経路と、
前記燃料電池を冷却するための冷却水経路とを備え、
前記各水経路のうちの少なくとも一つの経路中に旋回流を生成する旋回流生成手段を備えたことを特徴とする請求項１の燃料電池システム。
【請求項５】
前記アノード側水経路、及び／又は、前記カソード側水経路は、前記ガスを加湿するための水を貯留する加湿タンクを備え、
該加湿タンク内に前記旋回流生成手段を設けたことを特徴とする請求項４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、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの燃料ガスを水素ガスに改質する改質器と、一酸化炭素を変成するＣＯ変成器と、一酸化炭素を除去するＣＯ除去器（以下、これら改質器と、ＣＯ変成器と、ＣＯ除去器とを合わせて改質装置と称す。）と、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池システムが提案されている。
【０００３】
特に、家庭用の小型電源として固体高分子形燃料電池システムが用いられており、係る燃料電池システムにおける燃料電池は、固体高分子電解質膜の一方の側に燃料極（アノード）、他方の側に酸化剤極（カソード）の両電極を配したセルを多数積層して構成されている。燃料極側には、純水素ガス又は改質器で改質された水素リッチガスなどの燃料ガスが供給される。また、酸化剤極側には、ファンなどによって送給された酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気が供給される。
【０００４】
燃料ガスと酸化剤ガスが供給されると、燃料極側では、燃料ガス中の水素ガスが化学反応を生じ、プロトンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜を通って酸化剤極側に進み、電子は、外部回路を流れる。酸化剤極では、酸化剤中の酸素ガスと、固体高分子電解質膜を通って移動したプロトン及び外部回路を通って流入した電子が化学反応を生じ、水を生ずると共に起電力を発生していた。
【０００５】
ここで、燃料極側に供給される燃料ガス及び酸化剤極側に供給される酸化剤ガスは、電解質膜における電気抵抗を低減すると共に、膜中の水移動を活発化させるため、湿潤状態であることが望ましい。
【０００６】
そこで、従来では、酸化剤ガスは、水が貯留された水タンクを通過した後、酸化剤極側に供給していた（例えば、特許文献１参照。）。これに加えて、燃料ガスを、水処理装置にて純水とされた水を通過した後、燃料極側に供給していたものもある。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２１６８２４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、改質装置において、触媒や吸着剤などが圧壊により粉化するため、これらの粉体が改質ガス中に混入した状態で水タンク内の水中に侵入する。そして、この水タンクにおいて、殆どの粉体は捕獲される。しかし、一部の粉体は、この水タンクにおいて加湿される改質ガスと共に、電池内部に流入してしまう問題があった。これら粉体が電池内部に流入すると、一部の電池内部を閉塞させ、燃料ガスを流入を阻害し、効率的に発電を行うことができないという問題がある。
【０００９】
他方、電池内部に流入する酸化剤ガスは、空気を用いているため、空気内に混入するホコリやチリなどの不純物の殆どは、水タンクにより捕獲されるが、一部のホコリやチリなどの不純物は水タンクにおいて加湿される空気と共に電池内部にまで流入し、これによっても一部の電池内部を閉塞させ、酸化剤ガスの流入を阻害し、電池性能の低下及び耐久性の低下を招く問題があった。
【００１０】
特に、燃料ガスや酸化剤ガスを効率的に電池内部に流入させるため、これらガスを整流する径の小さなノズルが電池のガス流入部に設けられている場合には、より一層容易に、改質装置から生じる粉体や、空気中のホコリやチリなどが当該ノズルを閉塞してしまう問題があった。
【００１１】
他方、水タンク内に捕獲された粉体又はホコリ若しくはチリなどの不純物は、定期的、若しくは、当該水タンク中の水の汚れ度合いに応じて、水タンクに貯留された水と共に排出されるが、水タンク内の水を全て排出した場合であっても、タンク内壁などに不純物が付着し、残留してしまう問題があった。
【００１２】
そこで、本発明は、従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、改質装置において生じる粉体や空気中のホコリやチリなどが電池内部に流入することを未然に回避することができると共に、加湿用の水タンクに付着した不純物を効果的に除去することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明の燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムであって、システム内の流体経路中に旋回流を生成する旋回流生成手段を備えたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムであって、システム内の流体経路中に旋回流を生成する旋回流生成手段を備えたので、システム内の流体経路中の燃料ガスと共に流入した粉体などの不純物や、酸化剤ガスと共に流入したホコリやチリなどの不純物を、旋回流生成手段による遠心分離により収集し、効果的に除去することができるようになる。これにより、燃料電池内に不純物が侵入するのを効果的に抑制することができ、円滑にガスを流入させ、効率的な発電を行うことができるようになる。
【００１５】
請求項２の発明の燃料電池システムは、上記発明に加えて、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えたものであって、アノードに燃料ガスを供給するためのアノード側ガス経路を備え、該アノード側ガス経路に、旋回流生成手段を備えたことを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明によれば、上記発明に加えて、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、アノードに燃料ガスを供給するためのアノード側ガス経路を備え、該アノード側ガス経路に、旋回流生成手段を備えたので、アノード側ガス経路内に存在する粉体を遠心分離により収集し、効果的に除去することができるようになる。これにより、アノード側ガス経路を介して燃料電池内に粉体が侵入するのを効果的に抑制することができ、円滑に燃料ガスを流入させ、効率的な発電を行うことができるようになる。
【００１７】
請求項３の発明の燃料電池システムは、上記各発明に加えて、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えたものであって、カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス経路を備え、該カソード側ガス経路に、旋回流生成手段を備えたことを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明によれば、上記各発明に加えて、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス経路を備え、該カソード側ガス経路に、旋回流生成手段を備えたので、カソード側ガス経路内に存在するホコリやチリなどの不純物を遠心分離により収集し、効果的に除去することができるようになる。これにより、カソード側ガス経路を介して燃料電池内にホコリやチリなどの不純物が侵入するのを効果的に抑制することができ、円滑に酸化剤ガスを流入させ、効率的な発電を行うことができるようになる。
【００１９】
請求項４の発明の燃料電池システムは、請求項１の発明において、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えたものであって、アノードに燃料ガスを加湿供給するためのアノード側水経路と、カソードに酸化剤ガスを加湿供給するためのカソード側水経路と、燃料電池を冷却するための冷却水経路とを備え、各水経路のうちの少なくとも一つの経路中に旋回流を生成する旋回流生成手段を備えたことを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明に加えて、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、アノードに燃料ガスを加湿供給するためのアノード側水経路と、カソードに酸化剤ガスを加湿供給するためのカソード側水経路と、燃料電池を冷却するための冷却水経路とを備え、各水経路のうちの少なくとも一つの経路中に旋回流を生成する旋回流生成手段を備えたので、各水経路内の水中に存在する粉体又はホコリ若しくはチリなどの不純物を旋回流生成手段による遠心分離により収集し、効果的にこれら不純物を除去することができるようになる。
【００２１】
特に、前記冷却水経路に錆が発生した場合、その錆は、燃料電池内において、固化すると、燃料電池自体の温度分布にばらつきが生じ、水管理のバランスが崩れ、電圧がばらつき、場合によっては運転ができなくなる場合がある。本発明によれば、旋回流生成手段を冷却水経路にも配置することにより、燃料電池や冷却水経路中に不純物が固化することを抑制することができ、電池及びシステムの信頼性が向上する。
【００２２】
請求項５の発明の燃料電池システムは、上記発明において、アノード側水経路、及び／又は、カソード側水経路は、ガスを加湿するための水を貯留する加湿タンクを備え、該加湿タンク内に旋回流生成手段を設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項５の発明によれば、上記発明において、アノード側水経路、及び／又は、カソード側水経路は、ガスを加湿するための水を貯留する加湿タンクを備え、該加湿タンク内に旋回流生成手段を設けたので、加湿タンクにて、容易に粉体又はホコリ若しくはチリなどの不純物を旋回流生成手段による遠心分離により収集することができ、容易にこれら不純物を除去することができるようになる。
【００２４】
これにより、燃料ガス又は酸化剤ガスを加湿タンクにて加湿しつつ、不純物を除去した状態で燃料電池のアノード側若しくはカソード側に供給することができるようになる。そのため、燃料電池の内部で不純物が固化し、当該燃料電池の流路を閉塞する不都合を未然に回避することができるようになる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。本実施例における燃料電池システムＳは、ＰＥＦＣ装置Ｔ（ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル）を備えた固体高分子形燃料電池システムである。
【００２６】
この燃料電池システムＳは、上記ＰＥＦＣ装置Ｔの他に燃料電池システムの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムを構築するため、貯湯タンク７を含む熱回収装置を有している。
【００２７】
ここで、図１を参照して本発明を適用した燃料電池システムＳについて説明する。この燃料電池システムＳでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタン等の原料の供給源である原料供給源１と、原料ガスから硫黄成分を除去する脱硫器２と、改質装置１３と、固体高分子形の燃料電池６とを備える。改質装置１３は、原料ガスから燃料ガスとなる水素と、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器３と、この改質器３からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するＣＯ変成器４と、このＣＯ変成器４からの未変成の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。
【００２８】
燃料電池６は、改質装置１３のＣＯ除去器５からの一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）と空気中に含まれる酸素（酸化剤ガス）とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池６は、固体高分子電解質膜６ｄの両面に燃料極（アノード）６ａと、酸化剤極（カソード）６ｂとを配した図示しないセルが多数積層して構成され、更に、この燃料電池６を冷却するための冷却部６ｃを備えている。尚、これら燃料極６ａ及び酸化剤極６ｂには、それぞれ水素ガス又は酸素ガスを流通させるための図示しないガス通路が形成されており、これらガス通路のガス流入部には、ガス通路内に流入するガスを整流するため、ガス通路よりも小さい径にて形成されるノズルが設けられているものとする。
【００２９】
前記原料供給源１からはガス管１７が延出され、このガス管１７には電磁開閉弁１８及び昇圧ポンプ１９が設けられ、ガス管１７は脱硫器２に接続される。脱硫器２はガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に接続される。尚、これらガス管１７、電磁開閉弁１８、昇圧ポンプ１９、脱硫器２、ガス管２２及び後述する水タンク１１及びガス管２３によりアノード側ガス経路６０を構成するものとする。そして、この改質器３は、図示しないガス管により、ＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５と順次接続されている。この改質装置１３には、昇圧ポンプ４０が設けられた配管４１を介して水タンク２１が接続される。
【００３０】
ここで、水タンク２１は、水道管を通じて市水が供給された水処理装置８により純水とされた水を貯留するものである。本実施例において水処理装置８は、例えばイオン交換樹脂により構成されており、これにより、市水は純水とされる。
【００３１】
尚、水処理装置８にて純水とされた水は、この他にも、昇圧ポンプ４４により各配管９、１０を介して水タンク（燃料加湿タンク）１１及び空気加湿タンク１２に搬送される。また、水道管を介して供給される市水は、貯湯タンク７にも供給されているものとする。尚、水タンク１１及び空気加湿タンク１２の詳細は後述する。
【００３２】
そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３（前記アノード側ガス経路６０を構成する。）を介して水タンク１１（同じく前記アノード側ガス経路６０を構成する。）に接続され、この水タンク１１は、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに接続される。この燃料極６ａは、配管３７を介して改質装置１３に接続されていると共に、配管３７には、ドレン水配管３８が接続されている。これにより、水タンク１１と、配管２４及び配管３７により燃料極６ａに燃料ガスとしての水素ガスを加湿供給するアノード側水経路５６が構成される。
【００３３】
また、水タンク１１は、配管２５を介して燃料電池６の冷却部６ｃに接続され、冷却部６ｃは、熱回収用熱交換器２７が介設された配管２６を介して再び水タンク１１に接続されている。これにより、水タンク１１をアノード側水経路５６と共有したかたちで、水タンク１１と、配管２５、熱回収用熱交換器２７及び配管２６により燃料電池６を冷却するための冷却水経路５７が構成される。
【００３４】
他方、上記空気加湿タンク１２は、配管３１を介して空気供給源３０と接続され、配管３２を介して燃料電池６の酸化剤極６ｂに接続される。これら配管３１、空気加湿タンク１２及び配管３２によりカソード側ガス経路６１を構成するものとする。この酸化剤極６ｂは、配管３４を介して熱回収用熱交換器３３に接続される。この熱回収用熱交換器３３には、排気ダクト３５及びドレン水配管３６が接続される。これにより、空気加湿タンク１２と、配管３２と、配管３４と、熱回収用熱交換器３３と、配管３６により、酸化剤極６ｂに酸化剤ガスとしての空気中の酸素ガスを加湿供給するカソード側水経路５８が構成される。
【００３５】
尚、上記貯湯タンク７は、昇圧ポンプ４５により温水配管４２を介して上述した熱回収用熱交換器２７と接続されていると共に、昇圧ポンプ４６により温水配管４３を介して上述した熱回収用熱交換器３３と接続されている。
【００３６】
ここで、アノード側水経路５６及び冷却水経路５７の両者を兼ねている水タンク１１及び空気加湿タンク１２の構成について図２及び図３を参照して説明する。図２は水タンク１１又は空気加湿タンク１２の内部構成を示す側面から見た構成説明図、図３は図２の内部構成を示す平面から見た構成説明図を示している。尚、図２において、水タンク１１に接続される冷却水経路５７の配管２５及び２６は省略するものとする。
【００３７】
これら水タンク１１及び空気加湿タンク１２は、密閉された容器により構成されており、内部には、上述した如き配管９又は１０により供給される市水が貯留される。これらタンク１１又は１２の下部には、水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気を供給する配管２３又は３１が接続されている。このタンク１１又は１２の上部には、タンク１１又は１２内に貯留される水の水面よりも高い位置に、当該タンク１１又は１２により加湿された後の水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気を前記燃料電池６へ供給する配管２４又は３２が接続されている。
【００３８】
そして、このタンク１１又は１２の内部には、旋回流生成手段としてのサイクロン発生装置６３が設けられている。このサイクロン発生装置６３は、タンク１１又は１２内下部に配設されたサイクロン発生筒６４及び当該サイクロン発生筒６４の下部に設けられたガス誘導板６５とにより構成される。サイクロン発生筒６４は、上下に開放した筒状体により構成されており、上部は徐々に先細り形状とされ、上端に上部開口６４Ａが形成される。そして、このサイクロン発生筒６４の下端には、複数の切欠が形成され、当該サイクロン発生筒６４が配設されるタンク１１又は１２の底面と共に排出口６４Ｂが形成されている。
【００３９】
また、ガス誘導板６５は、サイクロン発生筒６４の外周とタンク１１又は１２の内壁との間に位置して設けられている。このとき、このガス誘導板６５の一端は、前記配管２３又は３１と接続されてと共に、このガス誘導板６５の他端は、当該配管２３又は３１と接続された一端よりも高い位置となるように徐々に傾斜して設けられている。
【００４０】
他方、タンク１１又は１２の底面には、サイクロン発生筒６４の底面中心に対応する位置に排水孔６６が形成されており、更に、この底面は、当該排水孔６６に向かって徐々に下方に傾斜して形成されている。尚、この排水孔６６には、開閉弁６７を介して排水管６８が接続されている。
【００４１】
以上の構成により、燃料電池システムＳの運転が開始されると、原料供給源１から原料ガスが、電磁開閉弁１８を介して昇圧ポンプ１９に入り、当該昇圧ポンプ１９にて昇圧されて、脱硫器２に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器２に、例えば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器２を経た原料ガスは、ガス管２２を介して改質装置１３の改質器３に供給される。
【００４２】
この改質器３では、水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。そして、この改質器３を経たガスは、ＣＯ変成器４に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。このＣＯ変成器４を経たガスは、ＣＯ除去器５に供給され、ここではＣＯ変成器４を経たガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。尚、この改質装置１３では、上述した如く、運転の際に生じる振動などによって圧壊された微量の粉体が生じる。
【００４３】
このＣＯ除去器５を経た当該一酸化炭素が除去された後の水素（燃料ガス）が、ガス管２３を介して水タンク１１に供給される。このとき、水タンク１１には、予め水道管を介して水処理装置８に供給され、当該水処理装置８にて純水とされた水が貯留されている。
【００４４】
この水タンク１１には、例えば図示しないポンプなどにより加速された例えば３０Ｌ／ｍの水素ガス（燃料ガス）が配管２３を介して吐出される。水タンク１１内に吐出された水素ガス（燃料ガス）は、ガス誘導板６５に沿って、サイクロン発生筒６４の上方に旋回しながら誘導され、更に、先細り形状とされたサイクロン発生筒６４の上部において、より一層加速して旋回する。
【００４５】
このとき、水タンク１１内に供給される水素ガス（燃料ガス）中には、改質器５において生成された微量の粉体が混入されているため、当該粉体は、水素ガス（燃料ガス）と共に、加速して旋回され、遠心力により、粉体と水素ガスとに遠心分離される。これにより、粉体は、水タンク１１の底面に捕集され、当該水タンク１１の底面形状に沿って排水孔６６に集積される。尚、サイクロン発生筒６４の外方に捕集された粉体は、前記排出口６４Ｂを通過して、排水孔６６に捕集される。
【００４６】
そして、サイクロン発生筒６４により旋回され水タンク１１の上方に上昇した水素ガス（燃料ガス）は、粉体が除去された状態で、水タンク１１に貯留された水の水面より噴出し、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに供給される。
【００４７】
尚、旋回される水素ガス（燃料ガス）と共に、水タンク１１上方に上昇した粉体は、水面付近で中心部に収集され、その後、沈降し、サイクロン発生筒６４の上部開口６４Ａを通過して排水孔６６に捕集される。
【００４８】
そして、水タンク１１の排水孔６６に収集された粉体は、前記開閉弁６７を開放することにより、少量の水と共に、排水管６８を介して外部に排出される。これにより、水タンク１１内に水素ガス（燃料ガス）と共に流入した粉体を、容易に捕集し、除去することができる。また、少量の水の排出によって水タンク１１内の粉体を排出するすることができるため、当該システムＳの運転中であっても、水タンク１１内の粉体を排出することができるようになる。また、この場合、フィルタによる不純物除去ではないため、交換などのメンテナンス作業を回避することができると共に、この不純物除去効果は半永久的に持続させることができる。そのため、長期に渡る信頼性を確保することができる。
【００４９】
他方、空気供給源３０から酸化剤ガスとしての酸素を含んだ空気が空気加湿タンク１２に供給される。このとき、空気加湿タンク１２には、予め水道管を介して水処理装置８に供給され、当該水処理装置８にて純水とされた水が貯留されている。
【００５０】
ここで、空気加湿タンク１２には、上述した如き水タンク１１と同様に、例えば図示しないポンプなどにより加速された例えば３０Ｌ／ｍの酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気が配管３１を介して吐出される。空気加湿タンク１２内に吐出された空気は、ガス誘導板６５に沿って、サイクロン発生筒６４の上方に旋回しながら誘導され、更に、先細り形状とされたサイクロン発生筒６４の上部において、より一層加速して旋回する。
【００５１】
このとき、空気加湿タンク１２内に供給される空気中には、ホコリやチリなどの不純物が混入されているため、当該粉体は、空気と共に、加速して旋回され、遠心力により、不純物と空気とに遠心分離される。これにより、不純物は、空気加湿タンク１２の底面に捕集され、当該空気加湿タンク１２の底面形状に沿って排水孔６６に集積される。尚、サイクロン発生筒６４の外方に捕集された不純物は、前記排出口６４Ｂを通過して、排水孔６６に捕集される。
【００５２】
そして、サイクロン発生筒６４により旋回され空気加湿タンク１２の上方に上昇した空気は、不純物が除去された状態で、空気加湿タンク１２に貯留された水の水面より噴出し、配管３２を介して燃料電池６の酸化剤極６ｂに供給される。
【００５３】
尚、かかる場合も旋回される空気と共に、空気加湿タンク１２上方に上昇した不純物は、水面付近で中心部に収集され、その後、沈降し、サイクロン発生筒６４の上部開口６４Ａを通過して排水孔６６に捕集される。
【００５４】
そして、空気加湿タンク１２の排水孔６６に収集された不純物は、前記開閉弁６７を開放することにより、少量の水と共に、排水管６８を介して外部に排出される。これにより、空気加湿タンク１２内に空気と共に流入した不純物を、容易に捕集し、除去することができる。また、少量の水の排出によって空気加湿タンク１２内の不純物を排出するすることができるため、当該システムＳの運転中であっても、空気加湿タンク１２内の不純物を排出することができるようになる。この場合も、フィルタによる不純物除去ではないため、交換などのメンテナンス作業を回避することができると共に、この不純物除去効果は半永久的に持続させることができる。そのため、長期に渡る信頼性を確保することができる。
【００５５】
これにより、燃料電池６に水素ガス（燃料ガス）と、酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気が供給されると、燃料極６ａ側では、水素ガスが化学反応を生じ、プロトンと電子を生成する。プロトンは固体高分子電解質膜６ｄを通って酸化剤極６ｂ側に進み、電子は、図示しない外部回路を流れる。酸化剤極６ｂでは、酸素ガスと、固体高分子電解質膜６ｄを通って移動したプロトン及び外部回路を通って流入した電子が化学反応を生じ、水を生ずると共に起電力を発生する。
【００５６】
ここで、燃料極６ａ側に供給される水素ガス及び酸化剤極６ｂ側に供給される酸素ガスを含む空気は、それぞれ水タンク１１及び空気加湿タンク１２において加湿された状態で、燃料電池６に送られているため、固体高分子電解質膜６ｄにおける電気抵抗を低減することができると共に、当該膜６ｄ中の水移動を活発化させることができるようになる。
【００５７】
また、水タンク１１及び空気加湿タンク１２では、それぞれサイクロン発生装置６３より粉体又はホコリ若しくはチリなどの不純物が除去された状態で、燃料電池６に送られているため、燃料電池６内に不純物が侵入するのを効果的に抑制することができるようになる。これにより、燃料電池６内に円滑に水素ガス（燃料ガス）及び酸素ガス（酸化剤ガス）を流入させ、電池性能を向上させ、効率的な発電を行うことができる。また、燃料電池６内を好適な状態に保持することができるため、耐久性の向上を図ることができる。
【００５８】
更に、燃料電池６の燃料極６ａ及び酸化剤極６ｂのガス通路に径の小さなノズルが設けられている場合であっても、粉体やホコリ若しくはチリなどの不純物が当該ノズルにて固化し、ノズルを閉塞させてしまう不都合を回避することができる。
【００５９】
他方、冷却水経路５７に錆が発生した場合、その錆は、燃料電池６の冷却部６ｃにおける流路にて固化すると、燃料極６ａ及び酸化剤極６ｂにより構成される各セルの温度分布にばらつきが生じ、水管理のバランスが崩れ、セル電圧がばらつき、場合によっては運転ができなくなる場合がある。本発明では、サイクロン発生装置６３を冷却水経路５７にも配置することにより、燃料電池６の冷却部６ｃや配管２６中に不純物が固化することを抑制することができ、電池６及びシステムＳの信頼性が向上する。
【００６０】
係る実施例では、上述した如くサイクロン発生装置６３は、各タンク１１又は１２に設けられているが、これ以外にも、水タンク１１又は空気加湿タンク１２に接続される配管２３や２４（アノード側ガス経路６０）又は３１や３２（カソード側ガス経路６１）に当該サイクロン発生装置６３を設けた図示しない不純物分離容器を設け、水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気中の不純物除去を行っても同様の効果を得ることができるものとする。
【００６１】
そして、上述した如く酸化剤極６ｂから配管３４に導出された空気は、燃料電池６の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク７の水が温水配管４３を介して循環する熱回収用熱交換器３３で熱回収された後、排気ダクト３５を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器３３での熱交換によって、貯湯タンク７の水が温度上昇する。他方、燃料電池６の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器３３にて貯湯タンク７の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水としてドレン水配管３６より外部に排出される。
【００６２】
他方、燃料電池６では、電気化学反応が行われるため、この電気化学反応により活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧による熱が発生する。このとき、燃料電池６の冷却部６ｃには、図示しないポンプにより、水タンク１１の水が供給され、当該冷却部６ｃを経た水は、配管２６を介して熱回収用熱交換器２７を通過し、再び水タンク１１に帰還する冷却水経路５７が構成されている。
【００６３】
ここで、熱回収用熱交換器２７には、上記貯湯タンク７の水が温水配管４２を介して循環しているため、貯湯タンク７の水が温度上昇し、水タンク１１の水の温度が低下する。これにより、水タンク１１の水が冷却部６ｃを循環することにより、燃料電池６が冷却される。
【００６４】
尚、上述した如く貯湯タンク７の水は発電の際に生じる熱を利用して温度上昇するため、この熱を利用して市水から温水を生成し、この温水は、家庭において図示しない風呂やキッチンなどに供給することができる。これにより、燃料電池システムＳが、コージェネレーションシステムの形態をとることが可能となり、エネルギーの有効活用が図られる。従って、高い総合熱効率が得られるので、原燃料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【００６５】
尚、上記において燃料極６ａから排出される未反応水素ガスは、改質器３が、内部に図示しないバーナを有していることから、配管３７を介して、オフガスとしてバーナに供給される。また、燃料電池６における化学反応により生じ、燃料極６ａに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置１３において生じたドレン水は、ドレン水配管３８により外部に排出されるものとする。
【００６６】
そして、上述した如く燃料電池６にて水素ガス（燃料ガス）と空気中の酸素（酸化剤ガス）とを化学反応させて発電された電力は、昇圧コンバータ１５を経て、１００Ｖにまで昇圧され、系統連系インバータ１６に送られ、ここから、単相３線の１００Ｖ／２００Ｖの電源として図示しない家庭に供給される。
【００６７】
尚、本実施例では、燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いた燃料電池システムＳについて説明しているが、これ以外に、水経路若しくはガス経路を燃料電池システムに有しているものであれば他の種類の燃料電池を用いた燃料電池システムであっても、同様の効果が得られる。
【００６８】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムであって、システム内の流体経路中に旋回流を生成する旋回流生成手段を備えたので、システム内の流体経路中の燃料ガスと共に流入した粉体などの不純物や、酸化剤ガスと共に流入したホコリやチリなどの不純物を、旋回流生成手段による遠心分離により収集し、効果的に除去することができるようになる。これにより、燃料電池内に不純物が侵入するのを効果的に抑制することができ、円滑にガスを流入させ、効率的な発電を行うことができるようになる。
【００６９】
請求項２の発明によれば、上記発明に加えて、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、アノードに燃料ガスを供給するためのアノード側ガス経路を備え、該アノード側ガス経路に、旋回流生成手段を備えたので、アノード側ガス経路内に存在する粉体を遠心分離により収集し、効果的に除去することができるようになる。これにより、アノード側ガス経路を介して燃料電池内に粉体が侵入するのを効果的に抑制することができ、円滑に燃料ガスを流入させ、効率的な発電を行うことができるようになる。
【００７０】
請求項３の発明によれば、上記各発明に加えて、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、カソードに酸化剤ガスを供給するためのカソード側ガス経路を備え、該カソード側ガス経路に、旋回流生成手段を備えたので、カソード側ガス経路内に存在するホコリやチリなどの不純物を遠心分離により収集し、効果的に除去することができるようになる。これにより、カソード側ガス経路を介して燃料電池内にホコリやチリなどの不純物が侵入するのを効果的に抑制することができ、円滑に酸化剤ガスを流入させ、効率的な発電を行うことができるようになる。
【００７１】
請求項４の発明によれば、請求項１の発明に加えて、固体高分子電解質膜の両面にアノード及びカソードを構成すると共に、アノードに燃料ガスを供給し、カソードに酸化剤ガスを供給して燃料ガスと酸化剤ガスとを反応させ、電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムにおいて、アノードに燃料ガスを加湿供給するためのアノード側水経路と、カソードに酸化剤ガスを加湿供給するためのカソード側水経路と、燃料電池を冷却するための冷却水経路とを備え、各水経路のうちの少なくとも一つの経路中に旋回流を生成する旋回流生成手段を備えたので、各水経路内の水中に存在する粉体又はホコリ若しくはチリなどの不純物を旋回流生成手段による遠心分離により収集し、効果的にこれら不純物を除去することができるようになる。
【００７２】
特に、前記冷却水経路に錆が発生した場合、その錆は、燃料電池内において、固化すると、燃料電池自体の温度分布にばらつきが生じ、水管理のバランスが崩れ、電圧がばらつき、場合によっては運転ができなくなる場合がある。本発明によれば、旋回流生成手段を冷却水経路にも配置することにより、燃料電池や冷却水経路中に不純物が固化することを抑制することができ、電池及びシステムの信頼性が向上する。
【００７３】
請求項５の発明によれば、上記発明において、アノード側水経路、及び／又は、カソード側水経路は、ガスを加湿するための水を貯留する加湿タンクを備え、該加湿タンク内に旋回流生成手段を設けたので、加湿タンクにて、容易に粉体又はホコリ若しくはチリなどの不純物を旋回流生成手段による遠心分離により収集することができ、容易にこれら不純物を除去することができるようになる。
【００７４】
これにより、燃料ガス又は酸化剤ガスを加湿タンクにて加湿しつつ、不純物を除去した状態で燃料電池のアノード側若しくはカソード側に供給することができるようになる。そのため、燃料電池の内部で不純物が固化し、当該燃料電池の流路を閉塞する不都合を未然に回避することができるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の燃料電池システムＳの回路図である。
【図２】本発明の燃料電池システムのタンク１１又は１２の構成を示す説明図である。
【図３】本発明の燃料電池システムのタンク１１又は１２の構成を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｓ  燃料電池システム
１  原料ガス
２  脱硫器
６  燃料電池
６ａ  燃料極（アノード）
６ｂ  酸化剤極（カソード）
６ｄ  固体高分子電解質膜
１１、６９  水タンク
１２  空気加湿タンク
２４、３２  配管
５６  アノード側水経路
５８  カソード側水経路
６０  アノード側ガス経路
６１  カソード側ガス経路
６３  サイクロン発生装置（旋回流生成手段）
６４  サイクロン発生筒
６４Ａ  上部開口
６４Ｂ  排出口
６５  ガス誘導板
６６  排水孔
６７  開閉弁
６８  排水管
【図１】
2004200055.tif 000003
【図２】
2004200055.tif 000004
【図３】
2004200055.tif 000005