(57)【要約】【課題】  従来の固体高分子型燃料電池システムは、燃料電池で発生した大量の水蒸気が、燃料電池の空気側圧力の変動をもたらし、電池特性を低下させている。【解決手段】  少なくとも、水素を含む燃料ガスと空気を用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池２１と、燃料電池２１への供給空気と燃料電池２１からの排出空気との間の熱交換を行うとともに、供給空気の加湿および排出空気の除湿を行う湿度交換型熱交換器２６と、湿度交換型熱交換器２６より排出される空気に含まれる水蒸気を凝縮して回収する空気側水回収器２７と、空気側水回収器２７で得られた凝縮水を蓄える水タンク２８とを備え、最上部に燃料電池２１が位置し、燃料電池２１の下方に湿度交換型熱交換器２６が位置し、湿度交換型熱交換器２６の下方に空気側水回収器２７が位置し、空気側水回収器２７の下方に水タンク２８が位置することを特徴とする、固体高分子型燃料電池システム。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
水素を含む燃料ガスと空気を用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池と、
前記燃料電池への供給空気と前記燃料電池からの排出空気との間の熱交換を行うとともに、前記供給空気の加湿および前記排出空気の除湿を行う湿度交換型熱交換器と、
前記湿度交換型熱交換器より排出される空気に含まれる水蒸気を凝縮して回収する空気側水回収器と、
前記空気側水回収器で得られた凝縮水を蓄える水タンクとを備え、
前記燃料電池、前記湿度交換型熱交換器、前記空気側水回収器、及び前記水タンクは、最上部に前記燃料電池が位置し、前記燃料電池の下方に前記湿度交換型熱交換器が位置し、前記湿度交換型熱交換器の下方に前記空気側水回収器が位置し、前記空気側水回収器の下方に前記水タンクが位置することを特徴とする、固体高分子型燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子型燃料電池を用いて発電を行う固体高分子型燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
以下に、従来の固体高分子型燃料電池システムについて説明する。
【０００３】
図３に、従来の固体高分子型燃料電池システムを示す。水素生成装置２は天然ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素リッチなガスを燃料電池１に供給する。水素生成装置２には、改質反応に必要な温度まで昇温させるバーナー３が設置されている。水素生成装置２の出口には、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器４が設置されている。また、酸化剤としての空気は、空気供給装置５から供給され、空気側加湿器６により加湿される。燃料側加湿器４および空気側加湿器６は、燃料電池１の高分子膜の特性を保つためのものである。空気側加湿器６は、燃料電池１から排出される空気から水蒸気を回収する湿度交換型熱交換器で構成されている。燃料電池１から排出され空気側加湿器６で湿度を下げた空気は、空気側水回収器７で外気により冷却され、さらに除湿される。得られた凝縮水は水タンク８に蓄えられる。回収された水は、燃料側水ポンプ９により水素生成装置２および燃料側加湿器４に送られ、燃料改質および燃料側加湿に利用される。燃料電池１では、電気とともに熱が生じるために、冷却水を送る冷却用ポンプ１０と、発生した熱を外部へ放出する冷却用放熱器１１を備えている。
【０００４】
水素生成装置２内では、天然ガスから水素リッチなガスを生成する改質反応を促進するために、温度が７００℃程度になるようにバーナー３で加熱する。この改質反応には水蒸気が必要となるため、燃料側水ポンプ９より水が供給されている。水素生成装置２を出た燃料ガスは、燃料側加湿器４で加湿され、燃料電池１に送り込まれる。燃料電池１より排出される発電に用いられなかった燃料ガスは、バーナー３に送られ燃焼に利用される。なお、起動時は改質に必要な温度に達しないために、充分に水素に変換することができない。このとき改質ガスには一酸化炭素を多く含んでいる。一酸化炭素は燃料電池１の特性を大きく低下させることから、燃料電池１にガスを流すことができない。したがって、改質ガスを直接バーナー３に供給するバイパス回路１２が設けられている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来例のような燃料電池システムにおいて発電を行う際に、燃料電池１において大量の水蒸気が生成し、これが空気側加湿器６や空気側流路で結露し、空気側圧力および空気流量が変動し、電池特性が低下する課題を生じた。
【０００６】
本発明は、上述したこのような従来の固体高分子型燃料電池システムが有する課題を考慮して、高効率で安定した運転を確保することができ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ものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、少なくとも、
水素を含む燃料ガスと空気を用いて発電を行う固体高分子型の燃料電池と、
前記燃料電池への供給空気と前記燃料電池からの排出空気との間の熱交換を行うとともに、前記供給空気の加湿および前記排出空気の除湿を行う湿度交換型熱交換器と、
前記湿度交換型熱交換器より排出される空気に含まれる水蒸気を凝縮して回収する空気側水回収器と、
前記空気側水回収器で得られた凝縮水を蓄える水タンクとを備え、
前記燃料電池、前記湿度交換型熱交換器、前記空気側水回収器、及び前記水タンクは、最上部に前記燃料電池が位置し、前記燃料電池の下方に前記湿度交換型熱交換器が位置し、前記湿度交換型熱交換器の下方に前記空気側水回収器が位置し、前記空気側水回収器の下方に前記水タンクが位置することを特徴とする、固体高分子型燃料電池システムである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、高効率運転を図ることができる固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。
【０００９】
すなわち、空気流路内に生じる凝縮水を重力を利用してスムーズに排出させることにより、空気流路の圧力変動が抑えられ、電池内部の反応が一定状態で進み、高い効率が得られる。
【００１０】
このように本発明によれば、高効率な運転が可能となるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１２】
（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における固体高分子型燃料電池システムを示す構成図である。水素を含む燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池２１には、水素生成装置２２から天然ガスなどの原料が水蒸気改質された水素リッチなガスが供給される。水素生成装置２２には、改質反応に必要な温度まで昇温させるバーナー２３が設置されている。水素生成装置２２の出口には、燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器２４が設置されている。また、酸化剤としての空気は、空気供給装置２５から供給され、空気側加湿器２６により加湿される。燃料側加湿器２４および空気側加湿器２６は、燃料電池２１の高分子膜の特性を保つためのものである。
【００１３】
空気側加湿器２６は、燃料電池２１から排出される空気から水蒸気を回収する湿度交換型熱交換器で構成されている。燃料電池２１から排出され空気側加湿器２６で湿度を下げた空気は、空気側水回収器２７で外気により冷却され、さらに除湿される。得られた凝縮水は水タンク２８に蓄えられる。回収された水は、燃料側水ポンプ２９により水素生成装置２２および燃料側加湿器２４に送られ、燃料改質および燃料側加湿に利用される。燃料電池２１では電気とともに熱が生じるために、冷却水を送る冷却用ポンプ３０と、発生した熱を外部へ放出する冷却用放熱器３１を備えている。
【００１４】
次に、このような本実施の形態の動作を説明する。
燃料電池２１内部では、水素を含む改質ガスと空気が反応して大量の水蒸気が生じる。この水蒸気は、空気側流路で形成されるために、その大部分が空気側の出口から流出してくる。この時、液化した水が含まれる。本発明では、燃料電池２１は最上部に位置するため、液化した水も滞留することなくスムーズに流下することができる。流出した空気は空気側加湿器２６に流入する。空気側加湿器２６では、空気供給装置２５から供給される低温、低湿度の空気に水蒸気と熱を与える。このときの降温により凝縮水が生じる。凝縮水を含む空気は、下方に位置する空気側水回収器２７に重力によりスムーズに流出する。空気側水回収器２７は、外部空気により冷却され、水蒸気を凝縮させる。
【００１５】
以上のように、本実施の形態の効果として、凝縮して生じる水滴を重力を利用してスムーズに流下することができることから、空気流路の圧力変動が抑えられる。これにより、空気の流れが安定し、電池内部の反応が一定状態で進み、高い効率が得られる。
【００１６】
次に、本発明に関連する発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１７】
図２は、本発明に関連する発明の実施の形態における固体高分子型燃料電池システムを示す構成図である。水素を含む燃料ガスと空気を用いて発電を行う燃料電池４１には、水素生成装置４２から、天然ガスなどの原料が水蒸気改質された水素リッチなガスが供給される。水素生成装置４２には、改質反応に必要な温度まで昇温させるバーナー４３が設置されている。水素生成装置４２の出口には、燃料電池４１に供給する燃料ガスを加湿する燃料側加湿器４４が設置されている。また、酸化剤としての空気は、空気供給装置４５から供給され、空気側加湿器４６により加湿される。燃料側加湿器４４および空気側加湿器４６は、燃料電池４１の高分子膜の特性を保つためのものである。空気側加湿器４６は、燃料電池４１から排出される空気から水蒸気を回収する湿度交換型熱交換器で構成されている。燃料電池４１から排出され空気側加湿器４６で湿度を下げた空気は、空気側水回収器４７で外気により冷却され、さらに除湿される。また、燃料電池４１から排出された燃料ガスは、燃料側水回収器４８で外気により冷却され、凝縮水を生じる。双方から得られた凝縮水は水タンク４９に蓄えられる。回収された水は、燃料側水ポンプ５０により水素生成装置４２および燃料側加湿器４４に送られ、燃料改質および燃料側加湿に利用される。燃料電池４１では電気とともに熱が生じるために、冷却水を送る冷却用ポンプ５１と、発生した熱を外部へ放出する冷却用放熱器５２を備えている。
【００１８】
水素生成装置４２内では、天然ガスから水素リッチなガスを生成する改質反応を促進するために、温度が７００℃程度になるようにバーナー４３で加熱する。この改質反応には水蒸気が必要となるため、燃料側水ポンプ５０より水が供給されている。水素生成装置４２を出た燃料ガスは、燃料側加湿器４４で加湿され、燃料電池４１に送り込まれる。燃料電池４１より排出される発電に用いられなかった燃料ガスは、バーナー４３に送られ燃焼に利用される。このとき、燃料ガスは加湿時の水蒸気や、水素の消耗によって生じる水分を含んでいるが、燃料側水回収器４８を経由することにより、水蒸気量を減らしてバーナー４３に入る。
【００１９】
次に、このような本発明に関連する発明の実施の形態に関する動作を説明する。
【００２０】
起動時は改質に必要な温度に達しないために、充分に水素に変換することができない。このとき一酸化炭素を多く含むため、そのまま燃料電池４１にガスを流すと燃料電池４１の触媒が被毒し、特性を大きく低下させる。したがって、改質ガスを直接燃料側水回収器４８に運ぶように、切り替え弁５３を切り替える。これにより、一酸化炭素による被毒が回避できる。また、切り替えられた改質ガスは、燃料側水回収器４８により、大量に含んだ水分を分離するため、バーナー４３でスムーズに燃焼させることができる。したがって、改質ガスのエネルギーを有効利用でき、効率よく短時間で起動させることができる。
【００２１】
従来例の固体高分子型燃料電池システムでは、起動時に改質ガスをバイパスすると、改質ガスに含まれている水分によって、充分に燃焼することができず、臭気を発生したり、昇温時間が逆に長くなる場合があった。
【００２２】
対して本発明に関連する発明の固体高分子型燃料電池システムによれば、起動時の改質ガスの水蒸気を除湿した後に燃焼させることから、改質ガスのエネルギーを有効利用でき、効率よく短時間でスムーズに起動させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明にかかる固体高分子型燃料電池システムは、空気流路の圧力変動が抑えられ、電池内部の反応が一定状態で進み、高い効率が得られるものであり、固体高分子型燃料電池システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態における固体高分子型燃料電池システムを示す構成図
【図２】本発明に関連する発明の実施の形態における固体高分子型燃料電池システムを示す構成図
【図３】従来の固体高分子型燃料電池システムを示す構成図
【符号の説明】
【００２５】
１、２１，４１  燃料電池
２、２２，４２  水素生成装置
３、２３，４３  バーナー
４、２４，４４  燃料側加湿器
５、２５，４５  空気供給装置
６，２６，４６  空気側加湿器
７、２７，４７  空気側水回収器
８，２８，４９  水タンク
４８            燃料側水回収器
【図１】
2005251759.tif 000003
【図２】
2005251759.tif 000004
【図３】
2005251759.tif 000005