(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燃料電池システムを提供する。【解決手段】例えば固体高分子電解質膜６ｄの両面に燃料極６ａ（アノード）及び空気極６ｂ（カソード）を構成すると共に、燃料極６ａに燃料ガスとしての水素ガスを供給し、空気極６ｂに酸化剤ガスとしての酸素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燃料電池システムＳにおいて、燃料極６ａに水素ガスを加湿供給するためのアノード側水経路５６と、空気極６ｂに酸素ガスを加湿供給するためのカソード側水経路５８とを備え、各水経路５６、５８の少なくとも一つは、不純物除去フィルタ６２を備える。【選択図】      図２
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【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、
システム内の水経路中に不純物除去フィルタ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、
前記各水経路の少なくとも一つは、不純物除去フィルタを備えることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項３】
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、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流入するガス流入部と、前記燃料ガス又は前記酸化剤ガスが流出するガス流出部とを有する加湿タンクを備え、
該加湿タンクに、前記不純物除去フィルタを設けたことを特徴とする請求項２の燃料電池システム。
【請求項４】
前記加湿タンクの前記ガス流入部に、前記不純物除去フィルタを設けたことを特徴とする請求項３の燃料電池システム。
【請求項５】
前記加湿タンクの前記ガス流出部に、前記不純物除去フィルタを設けたことを特徴とする請求項３又は請求項４の燃料電池システム。
【請求項６】
前記加湿タンク中の水面に前記不純物除去フィルタを設けたことを特徴とする請求項３、請求項４又は請求項５の燃料電池システム。
【請求項７】
前記加湿タンクは、当該加湿タンク内を前記ガス流入部側と前記ガス流出部側とに区画する隔壁を備え、
該隔壁を前記不純物除去フィルタにて構成したことを特徴とする請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の燃料電池システム。
【請求項８】
前記不純物除去フィルタは、金属、又は、燒結金属、又は、布、又は、不織布、又は、紙、若しくは、樹脂により構成されていることを特徴とする請求項１、請求項２、請求項３、請求項４、請求項５、請求項６又は請求項７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）、他方の側に空気極（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、空気極側には、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空気極側に進み、電子は、外部回路を流れる。空気極では、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する。
【０００５】
ここで、燃料極側に供給される燃料ガス及び空気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、空気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し、これらの粉体が改質ガス中に混入して電池内部にまで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。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が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。
【０００９】
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。
【００１０】
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】
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ものであって、システム内の水経路中に不純物除去フィルタを備えたことを特徴とする。
【００１２】
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において、システム内の水経路中に不純物除去フィルタを備えたので、システムの水経路中に、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効果的に不純物除去フィルタにて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。
【００１３】
請求項２の発明の燃料電池システムは、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、各水経路の少なくとも一つは、不純物除去フィルタを備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明によれば、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、各水経路の少なくとも一つは、不純物除去フィルタを備えるので、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除去することができるようになる。これにより、これら水経路を介して燃料電池内に粉体又はホコリ若しくは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３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、燃料ガス又は酸化剤ガスが流入するガス流入部と、燃料ガス又は酸化剤ガスが流出するガス流出部とを有する加湿タンクを備え、該加湿タンクに、不純物除去フィルタを設けたことを特徴とする。
【００１６】
請求項３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、燃料ガス又は酸化剤ガスが流入するガス流入部と、燃料ガス又は酸化剤ガスが流出するガス流出部とを有する加湿タンクを備え、該加湿タンクに、不純物除去フィルタを設けたので、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容易に除去することができるようになる。
【００１７】
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、燃料電池の流入部付近で不純物が固化し、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。
【００１８】
請求項４の発明の燃料電池システムは、上記発明において、加湿タンクのガス流入部に、不純物除去フィルタを設けたことを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明によれば、上記発明において、加湿タンクのガス流入部に、不純物除去フィルタを設けたので、加湿タンクに流入する以前に不純物除去フィルタにてガス中の不純物を除去することができるようになる。これにより、より一層効果的に燃料ガス又は酸化剤ガス中の不純物の除去することができるようになる。
【００２０】
請求項５の発明の燃料電池システムは、請求項３又は請求項４の発明において、加湿タンクのガス流出部に、不純物除去フィルタを設けたことを特徴とする。
【００２１】
請求項５の発明によれば、請求項３又は請求項４の発明において、加湿タンクのガス流出部に、不純物除去フィルタを設けたので、加湿タンクから流出する以前に不純物除去フィルタにてガス中の不純物を除去することができるようになる。これにより、より一層効果的に燃料ガス又は酸化剤ガス中の不純物の除去することができるようになる。
【００２２】
請求項６の発明の燃料電池システムは、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿タンク中の水面に不純物除去フィルタを設けたことを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿タンク中の水面に不純物除去フィルタを設けたので、加湿タンクに流入された燃料ガス又は酸化剤ガスを一旦加湿タンク中に貯留された水中を通過し、その水面において、燃料ガス又は酸化剤ガス中に混入された不純物を除去した後、燃料電池のアノード側又はカソード側に供給することができるようになる。
【００２４】
請求項７の発明の燃料電池システムは、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の発明において、加湿タンクは、当該加湿タンク内をガス流入部側とガス流出部側とに区画する隔壁を備え、該隔壁を不純物除去フィルタにて構成したことを特徴とする。
【００２５】
請求項７の発明によれば、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の発明において、加湿タンクは、当該加湿タンク内をガス流入部側とガス流出部側とに区画する隔壁を備え、該隔壁を不純物除去フィルタにて構成するので、加湿タンクに流入された燃料ガス又は酸化剤ガスを一旦加湿タンク中に貯留された水中を通過させ、隔壁によりこれらガスの露点温度を確実に所定の温度まで上昇させた後、燃料電池のアノード側又はカソード側に供給することができるようになる。またこのとき、当該隔壁は、不純物除去フィルタにより構成されていることから、効果的にガス中に混入された不純物を除去することができるようになる。
【００２６】
請求項８の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、不純物除去フィルタは、金属、又は、燒結金属、又は、布、又は、不織布、又は、紙、若しくは、樹脂により構成されていることを特徴とする。
【００２７】
請求項８の発明によれば、上記各発明において、不純物除去フィルタは、金属、又は、燒結金属、又は、布、又は、不織布、又は、紙、若しくは、樹脂により構成されているので、容易に不純物除去フィルタを構成することができ、コストの高騰を抑制することができるようになる。
【００２８】
【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。
【００２９】
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。
【００３０】
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からの未変性の一酸化炭素を除去するＣＯ除去器５とを備えている。尚、この改質器３は、図示しない改質触媒層の間に例えばスチールウールなどのガス透過性クッション材が設けられている。
【００３１】
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、空気極（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及び空気極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。
【００３２】
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。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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
そして、ＣＯ除去器５は、ガス管２３を介して水タンク１１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。
【００３６】
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。
【００３７】
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の空気極６ｂに接続される。この空気極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、空気極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。
【００３８】
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。
【００３９】
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を参照して説明する。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。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、これらタンク１１及び１２内部には、上述した如く配管９又は１０により、純水が供給される。
【００４０】
また、これらタンク１１及び１２には、配管２３又は３１を介して水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含有した空気が供給されるが、これら配管２３又は３１には、タンク１１又は１２内に貯留される水中に浸漬された吐出ノズル６０（ガス流入部）が着脱自在に接続されている。
【００４１】
この吐出ノズル６０には、配管２３又は３１より供給された水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）をタンク１１又は１２内の水中に吐出する吐出孔６１が複数形成されている。また、この吐出ノズル６０には、当該吐出ノズル６０を被覆する不純物除去フィルタ６２が取り付けられている。
【００４２】
この不純物除去フィルタ６２は、例えば燒結金属を網状に形成したものであり、この網の径は、少なくとも燃料電池６の燃料極６ａ又は空気極６ｂに設けられる前記ノズルの径よりも小さいものであるとする。尚、本実施例では、不純物除去フィルタ６２を燒結金属により構成しているが、これ以外にも、金属又は布、不織布、紙若しくは樹脂などにより構成しても良いものとする。
【００４３】
尚、不純物除去フィルタ６２は、吐出ノズル６０の接続部において、当該吐出ノズル６０の周囲でシールするように取り付けられていると共に、当該不純物除去フィルタ６２は、吐出ノズル６０を取り外す際に、容易に着脱できる構成とされているものとする。
【００４４】
更に、これらタンク１１又は１２には、上述した如く、タンク１１又は１２にて加湿された加湿ガスを燃料電池６の燃料極６ａ又は空気極６ｂに供給するためのガス流出部を構成する配管２４又は３２が接続されている。
【００４５】
また、これらタンク１１又は１２には、当該タンク１１又は１２内を、吐出ノズル６０側と配管２４又は３２側とに区画する隔壁６３が設けられている。この隔壁６３には、上部にガスを流通させるためのガス流通口６５が形成されているものとする。尚、係るタンク１１及び１２内の水は、図示しない加熱手段により任意に加熱され、所定の温度にまで昇温されているものとする。尚、図中６４は、排水用の配管であり、当該燃料電池システムＳの停止後に開放され、タンク１１又は１２内の水を排出するものである。
【００４６】
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。
【００４７】
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。尚、この改質器３では、上述した如く改質触媒層の間に例えばスチールウールなどのガス透過性クッション材が設けられているため、運転の際に生じる振動などによって圧壊された当該クッション材から微量の粉体が生じる。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性される。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性の一酸化炭素が除去される。
【００４８】
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。
【００４９】
この水タンク１１では、配管２３に接続された吐出ノズル６０の吐出孔６１より水タンク１１内に貯留された水中に上述した如き水素ガス（燃料ガス）が吐出される。このとき、水素ガス中には、改質器５において、微量の粉体が混入されているが、吐出ノズル６０には、不純物除去フィルタ６２が取り付けられているため、この不純物除去フィルタ６２より当該粉体が捕獲され、不純物が除去された状態の水素ガスが水タンク１１内の水中に吐出される。
【００５０】
そして、水タンク１１内に吐出された水素ガスは、当該水タンク１１に隔壁６３が設けられていることから、十分に均一の温度にまで昇温された状態で水面から流出し、隔壁６３上部のガス流通口を通過して、配管２４を介して燃料電池６の燃料極６ａに供給される。
【００５１】
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。
【００５２】
ここで、空気加湿タンク１２では、上述した如き水タンク１１と同様に、配管３１に接続された吐出ノズル６０の吐出孔６１より空気加湿タンク１２内に貯留された水中に上述した如き酸素ガス（酸化剤ガス）を含んだ空気が吐出される。このとき、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が、吐出ノズル６０には、不純物除去フィルタ６２が取り付けられているため、この不純物除去フィルタ６２より当該ホコリやチリなどの不純物が捕獲され、不純物が除去された状態の空気が空気加湿タンク１２内の水中に吐出される。
【００５３】
そして、空気加湿タンク１２内に吐出された空気は、当該空気加湿タンク１２に隔壁６３が設けられていることから、確実に均一に所定の温度、即ち設定されたガスの露点温度にまで昇温された状態で水面から流出し、配管３２を介して燃料電池６の空気極６ｂに供給される。
【００５４】
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を通って空気極６ｂ側に進み、電子は、図示しない外部回路を流れる。空気極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。
【００５５】
ここで、燃料極６ａ側に供給される水素ガス及び空気極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。
【００５６】
また、水タンク１１及び空気加湿タンク１２では、それぞれ不純物除去フィルタ６２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。
【００５７】
更に、燃料電池６の燃料極６ａ及び空気極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。
【００５８】
また、水タンク１１において、不純物が除去されることから、冷却水経路５７内を循環する水中の不純物をも除去することが可能となり、冷却水経路５７を構成する燃料電池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る。
【００５９】
係る実施例では、上述した如く不純物除去フィルタ６２は、各タンク１１又は１２の吐出ノズル６０に設けられているため、水素ガス（燃料ガス）や酸素ガス（酸化剤ガス）が当該タンク１１又は１２内に流入する以前に不純物除去フィルタ６２によりガス中の不純物を除去することができるようになる。
【００６０】
そして、上述した如く空気極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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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、２００Ｖ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。
【００６６】
尚、本実施例では、各水経路５６又は５８の水タンク１１又は空気加湿タンク１２のガス流入部、即ち吐出ノズル６０に不純物除去フィルタ６２を設けているが、これ以外にも、図３に示す如く水タンク１１又は空気加湿タンク１２のガス流出部、即ち、配管２４又は３２とこれらタンク１１又は１２との接続部に不純物除去フィルタ６２を設けても良いものとする。
【００６７】
この場合、水タンク１１又は空気加湿タンク１２から加湿された水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気を水タンク１１又は空気加湿タンク１２から流出する以前に不純物除去フィルタ６２にてガス中の不純物を除去することができるため、効果的に不純物の除去を行うことができ、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６８】
更にまた、図４に示す如く水タンク１１又は空気加湿タンク１２に貯留される水の水面に前記不純物除去フィルタ６２を設けても良いものとする。かかる場合には、水タンク１１又は空気加湿タンク１２に流入された水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気が一旦水タンク１１又は空気加湿タンク１２中に貯留された水中を通過し、その水面において、水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気中に混入された不純物を除去した後、燃料電池６の燃料極６ａ又は空気極６ｂに供給することができ、上記実施例と同様の効果を得ることができる。
【００６９】
また、図５に示す如く水タンク１１又は空気加湿タンク１２に設けられる隔壁６３を不純物除去フィルタ６２により構成しても良いものとする。尚、かかる場合において、隔壁６３は、フィルタ６２により構成されるため、ガス流通口は、形成しないものとする。
【００７０】
これにより、水タンク１１又は空気加湿タンク１２に流入された水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気が一旦水タンク１１又は空気加湿タンク１２中に貯留された水中を通過し、隔壁６３において、水素ガス（燃料ガス）又は酸素ガス（酸化剤ガス）を含む空気中に混入された不純物を除去した後、燃料電池６の燃料極６ａ又は空気極６ｂに供給することができ、上記実施例と同様の効果を得ることができる。また、かかる場合には、隔壁６３を不純物除去フィルタ６２により構成することから、より一層構造の簡素化を図ることができるようになる。
【００７１】
更に、上記各実施例では、各タンク１１、１２に不純物除去フィルタ６２を設けているが、当該不純物除去フィルタ６２は、各水経路５６、５７、５８中であって、燃料電池６の上流側であれば、配管２４、配管２６又は３２中であっても良いものとする。
【００７２】
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、水経路を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。
【００７３】
【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において、システム内の水経路中に不純物除去フィルタを備えたので、システム内の水経路中に、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効果的に不純物除去フィルタにて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。
【００７４】
請求項２の発明によれば、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、各水経路の少なくとも一つは、不純物除去フィルタを備えるので、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除去することができるようになる。これにより、これら水経路を介して燃料電池内に粉体又はホコリ若しくは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。
【００７５】
請求項３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、燃料ガス又は酸化剤ガスが流入するガス流入部と、燃料ガス又は酸化剤ガスが流出するガス流出部とを有する加湿タンクを備え、該加湿タンクに、不純物除去フィルタを設けたので、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容易に除去することができるようになる。
【００７６】
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、燃料電池の流入部付近で不純物が固化し、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。
【００７７】
請求項４の発明によれば、上記発明において、加湿タンクのガス流入部に、不純物除去フィルタを設けたので、加湿タンクに流入する以前に不純物除去フィルタにてガス中の不純物を除去することができるようになる。これにより、より一層効果的に燃料ガス又は酸化剤ガス中の不純物の除去することができるようになる。
【００７８】
請求項５の発明によれば、請求項３又は請求項４の発明において、加湿タンクのガス流出部に、不純物除去フィルタを設けたので、加湿タンクから流出する以前に不純物除去フィルタにてガス中の不純物を除去することができるようになる。これにより、より一層効果的に燃料ガス又は酸化剤ガス中の不純物の除去することができるようになる。
【００７９】
請求項６の発明によれば、請求項３、請求項４又は請求項５の発明において、加湿タンク中の水面に不純物除去フィルタを設けたので、加湿タンクに流入された燃料ガス又は酸化剤ガスを一旦加湿タンク中に貯留された水中を通過し、その水面において、燃料ガス又は酸化剤ガス中に混入された不純物を除去した後、燃料電池のアノード側又はカソード側に供給することができるようになる。
【００８０】
請求項７の発明によれば、請求項３、請求項４、請求項５又は請求項６の発明において、加湿タンクは、当該加湿タンク内をガス流入部側とガス流出部側とに区画する隔壁を備え、該隔壁を不純物除去フィルタにて構成するので、加湿タンクに流入された燃料ガス又は酸化剤ガスを一旦加湿タンク中に貯留された水中を通過させ、隔壁によりこれらガスの露点温度を確実に所定の温度まで上昇させた後、燃料電池のアノード側又はカソード側に供給することができるようになる。またこのとき、当該隔壁は、不純物除去フィルタにより構成されていることから、効果的にガス中に混入された不純物を除去することができるようになる。
【００８１】
請求項８の発明によれば、上記各発明において、不純物除去フィルタは、金属、又は、燒結金属、又は、布、又は、不織布、又は、紙、若しくは、樹脂により構成されているので、容易に不純物除去フィルタを構成することができ、コストの高騰を抑制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の構成を示す説明図である。
【図３】他の実施例のタンクの構成を示す説明図である。
【図４】もう一つの他の実施例のタンクの構成を示す説明図である。
【図５】更にもう一つの他の実施例のタンク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  空気極（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（ガス流出部）
５６  アノード側水経路
５８  カソード側水経路
６０  吐出ノズル（ガス流入部）
６１  吐出孔
６２  不純物除去フィルタ
６３  隔壁
【図１】
2004199980.tif 000003
【図２】
2004199980.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004199980.tif 000006
【図５】
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