(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化水素系原燃料を水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを反応ガスとして電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池と、前記改質器から排出される燃焼排ガスと燃料電池から排出される排空気とを冷却して、前記燃焼排ガスおよび排空気中の水分を凝縮させて回収する水回収装置とを有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、
前記燃料電池に導入する反応ガス空気と前記水回収装置の回収水とを直接接触させて加湿する水接触式の空気加湿装置と、前記改質器から排出される燃焼排ガスによって前記回収水を加熱し、改質用の水蒸気を発生する熱交換器とを備え、前記水回収装置における回収水の一部を前記水接触式の空気加湿装置に導入し、水処理装置を経て前記熱交換器に導入してなることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項２】
請求項１記載の燃料電池発電装置において、前記水接触式の空気加湿装置は、水接触用の充填層を備えることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の燃料電池発電装置において、前記水回収装置は、前記凝縮用の冷却器を備え、この冷却器は、前記燃焼排ガスおよび排空気と回収水とを直接接触させて冷却する水接触式ガス冷却器とすることを特徴とする固体高分子電解質型燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガス（空気）とを燃料電池に供給して発電を行なう固体高分子電解質型燃料電池発電装置、特に、その加湿装置の構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガスやメタノール等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。
【０００４】
また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００６】
図２は、例えば都市ガスを原燃料とする従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置の一例であって、主に燃料改質および水回収系に着目した基本的な系統図である。
【０００７】
図２において、模式的に示した燃料電池２は、燃料極２ａと空気極２ｂとを有する単位セルを複数個重ねる毎に冷却管または冷却溝を有する図示しない冷却板を配設，積層することにより構成されている。
【０００８】
原燃料はまず改質用水蒸気とともに改質器１の触媒層１ｂに供給され、以下の反応により、水素と一酸化炭素に改質される。
【０００９】
CH4＋H2O→3H2＋CO  （吸熱反応）
その後、この改質ガスは、図示しないＣＯ変成器に供給され、以下の反応により、改質ガス中の―酸化炭素は１％程度まで低減される。
【００１０】
CO＋H2O→H2＋CO2  （発熱反応）
その後、さらに図示しないＣＯ除去器に供給され、以下の反応により、改質ガス中の一酸化炭素は数〜数十ppm程度まで低減された後、燃料電池の燃料極２ａに供給される。
【００１１】
CO＋1/2O2→CO2  （発熱反応）
上記の如く、改質器１において改質反応を行う場合、水蒸気を供給する必要があり、また、吸熱反応を行なわせるための熱の補給が必要であり、その熱源として改質器バーナ１ａの燃焼排ガスの顕熱を利用するのが一般的である。
【００１２】
燃料電池２で反応後の燃料ガスには残余の水素およびメタンを含んでいるので、これを改質器バーナ１ａに供給して改質反応の熱源とする。改質器バーナ１ａの燃焼用空気は、図示しないブロワにより供給される。
【００１３】
改質器１の燃焼排ガスは、熱交換器８に導入される。この熱交換器８には、後述する水回収装置４の回収水が、ポンプ５により水処理装置７を経て導入され、この熱交換器８において改質用の水蒸気を発生する。
【００１４】
熱交換器８において冷却された燃焼排ガスは、水回収装置４に導入され、散水と接触させることにより、燃焼排ガス中の水蒸気が凝縮する。さらに、水回収装置４には燃料電池の空気極２ｂで反応後の空気も投入し、同様に熱交換を行うことにより燃料電池での反応生成水を凝縮回収する。
【００１５】
また、水回収装置４は、ラシヒリング等の充填層からなる熱交換部４ａ，４ｂを備え、水蒸気を含む反応空気オフガスと燃焼排ガスを充填層下部から上方に通流し、一方上部から、必要に応じ図示しない外部冷却設備により冷却された回収水４ｃを散水して、充填層部分でガスと冷却水を直接接触させながら、ガス中の水蒸気分を凝縮・回収する。上記により、簡単な構造で効率よく水が回収される。
【００１６】
ところで、固体高分子電解質型燃料電池に用いられる前述の固体高分子電解質膜は、水を含んだ湿潤状態において高いイオン（プロトン）伝導性を示すため、反応ガスを水で加湿することにより高い電池特性が得られる。
【００１７】
単電池内部の反応ガスの出口に近い部分は、ガス中に上流側の反応で生成した水(水蒸気)が多く含まれるので固体高分子電解質膜を湿潤状態に保つことは、比較的容易である。これに対し反応ガスの入口近傍では、特に、流通する反応ガスに持ち去られる水(水蒸気)が反応による生成水よりも多くなり、固体高分子電解質膜が乾燥して部分的な特性低下を引き起こす。
【００１８】
反応ガスを加湿する方法としては、スタックの外部に設けた加湿装置で反応ガスを加湿してから供給する方法（外部加湿方式）や、単電池と類似の寸法/形状の加湿セルをスタックの一部に組み込み、加湿セルを通った反応ガスを発電部に供給する方法（内部加湿方式）が考えられている。
【００１９】
例えば、外部加湿方式としては、加湿用容器に貯留された水の中に反応ガスを散気し、水中から脱気した反応ガスを燃料電池へ通流するように構成したもの（バブリング方式）や、特許第２６８４１５９号登録掲載公報に記載された加圧空気による水の噴霧方式、特開平５−３６４２８号公報に記載された超音波振動子を用いた加湿器による超音波加湿方式などが提案されている。
【００２０】
また、内部加湿方式としては、ガス流通溝を有するセパレータと、加湿水流通溝を有するセパレータとで多孔質支持体を介して水透過膜を挟持し、全体で加湿板を構成し、加湿膜としての水透過膜を介して反応ガスの加湿を行うように構成したもの等が提案されている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のような従来の固体高分子電解質型燃料電池発電装置および加湿方法においては、下記のような問題点があった。
【００２２】
まず、前記内部加湿方式および外部加湿方式の共通的な問題点としては、加湿装置において加湿用に使用される専用の水供給装置を必要とする点である。また、加湿用空気は、通常、燃料電池の阻害要因となる塵埃を含んでおり、これを除去するために、燃料電池入口にフィルターを設ける必要があり、構造の複雑さとメンテナンスを必要とする問題があった。
【００２３】
さらに、前記内部加湿方式は、燃料電池スタックの構造が複雑となり、メンテナンスの対象が増大する問題もある。
【００２４】
また、外部加湿方式の前記バブリング方式においては、前記フィルターを設ける必要はないが、加湿用容器に貯留された水の交換などのメンテナンスを必要とする。さらに、前記バブリング方式の場合、貯留された水の水頭圧がバブリング空気に作用するため、加湿用空気の圧力損失が大きくなり、そのため、空気加圧用の動力も大きくなる。
【００２５】
さらにまた、前記水の噴霧方式や超音波加湿方式などにおいては、空気加圧や超音波加湿のための動力や電力の消費が、同様に大きい問題がある。
【００２６】
この発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、この発明の課題は、加湿専用の外部供給水を使用することなく、かつ塵埃も除去できる簡便な装置で加湿を可能とし、さらに、消費電力等の低減を図った効率のよい加湿装置を備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置を提供することにある。
【００２７】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明は、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを反応ガスとして電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池と、前記改質器から排出される燃焼排ガスと燃料電池から排出される排空気とを冷却して、前記燃焼排ガスおよび排空気中の水分を凝縮させて回収する水回収装置とを有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、前記燃料電池に導入する反応ガス空気と前記水回収装置の回収水とを直接接触させて加湿する水接触式の空気加湿装置と、前記改質器から排出される燃焼排ガスによって前記回収水を加熱し、改質用の水蒸気を発生する熱交換器とを備え、前記水回収装置における回収水の一部を前記水接触式の空気加湿装置に導入し、水処理装置を経て前記熱交換器に導入してなるものとする（請求項１の発明）。
【００２８】
上記発明によれば、加湿専用の外部供給水が不要となり、かつ塵埃も除去できる簡便な装置で、反応ガス空気を容易に加湿することができる。さらに、水回収装置の回収水と反応ガス空気とを直接接触させて加湿するので、大きな動力や電力の消費なしに、効率よく加湿できる。また、空気と水との接触時間が比較的長くなるので、回収水により、空気を予熱できる利点もある。
さらに、空気中の塵埃を含む回収水が清浄化される。また、改質器燃焼排ガスから回収した水には炭酸イオンが含まれているが、前記水回収装置および空気加湿装置における燃料電池反応後の空気および燃料電池への供給空気と接触させることにより、凝縮水中の二酸化炭素を気相中に放散できる。これにより、水処理装置におけるイオン交換樹脂の寿命を伸ばすことができる。
【００２９】
なお、前記バブリング方式においても、空気と水は直接接触するが、前述のように、水頭圧がバブリング空気に作用するため、空気加圧用の動力が大きくなる問題がある。これに対して、本発明の水接触式の空気加湿装置の場合には、空気の流れの中で、水蒸気の状態で空気に作用するので、空気と水との接触時間が比較的長くとも、動力が大きくなる問題はない。
【００３０】
前記請求項１の発明の実施態様としては、下記請求項２ないし３の発明が好適である。即ち、請求項１記載の燃料電池発電装置において、前記水接触式の空気加湿装置は、水接触用の充填層を備えるものとする（請求項２の発明）。これにより、加湿が均等に行なわれて、加湿の確実性が向上する。
【００３１】
さらに、請求項１または２に記載の燃料電池発電装置において、前記水回収装置は、前記凝縮用の冷却器を備え、この冷却器は、前記燃焼排ガスおよび排空気と回収水とを直接接触させて冷却する水接触式ガス冷却器とする（請求項３の発明）。水と直接接触させる方式のため、回収効率が向上する。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００３３】
図１は、この発明に関わる実施例を示す系統図であり、図２と同じ機能を有する部材には同一の番号を付して説明を省略する。図１と図２との相違点は、概ね、図１においては、図２に対して、さらに、空気加湿装置３およびこの空気加湿装置と、水回収装置４ならびに水処理装置７とを接続するポンプ６を含む系統を備える点である。然して、空気加湿装置３は、燃料電池に導入する反応ガス空気と水回収装置４の回収水とを直接接触させて加湿する水接触式の空気加湿装置が望ましい。さらにこの水接触式の空気加湿装置は、水接触用の充填層を備えることが望ましい。
【００３４】
図１に示す燃料電池発電装置において、回収した生成水４ｃはポンプ５により水回収装置４における散水に利用するとともに、一部を分岐させて空気加湿装置３における散水にも利用する。
【００３５】
燃料電池の反応ガス空気は、図示しないブロワにより空気加湿装置３に供給し、前記の散水と接触させることにより、空気中の塵埃を洗浄除去するとともに飽和温度までの加湿を行い、燃料電池２の空気極２ｂに供給する。水接触式空気加湿器３ａに散水した後の水３ｂは、ポンプ６により水処理装置７に供給し、水中の溶存イオン等を除去した後に熱交換器８に供給して改質蒸気用の水として利用する。
【００３６】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して水素リッチな燃料ガスを生成する改質器と、前記燃料ガスと空気とを反応ガスとして電気化学反応に基づいて発電を行なう燃料電池と、前記改質器から排出される燃焼排ガスと燃料電池から排出される排空気とを冷却して、前記燃焼排ガスおよび排空気中の水分を凝縮させて回収する水回収装置とを有する固体高分子電解質型燃料電池発電装置において、前記燃料電池に導入する反応ガス空気と前記水回収装置の回収水とを直接接触させて加湿する水接触式の空気加湿装置と、前記改質器から排出される燃焼排ガスによって前記回収水を加熱し、改質用の水蒸気を発生する熱交換器とを備え、前記水回収装置における回収水の一部を前記水接触式の空気加湿装置に導入し、水処理装置を経て前記熱交換器に導入してなるものとしたので、
加湿専用の外部供給水を使用することなく、かつ塵埃も除去できる簡便な装置で加湿を可能とし、さらに、消費電力等の低減を図った効率のよい加湿装置を備えた固体高分子電解質型燃料電池発電装置を提供することができる。また、前記水処理装置により、空気中の塵埃を含む回収水が清浄化される。さらに前記水処理装置におけるイオン交換樹脂の寿命を伸ばすこともできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の燃料電池発電装置の実施例を示す系統図
【図２】  従来の燃料電池発電装置の一例を示す系統図
【符号の説明】
１：改質器、１ａ：改質器バーナ、１ｂ：触媒層、２：燃料電池、２ａ：燃料極、２ｂ：空気極、３：空気加湿装置、４：水回収装置、５，６：ポンプ、７：水処理装置、８：熱交換器。
【図１】
0004419329.tif 000002
【図２】
0004419329.tif 000003