(57)【要約】      （修正有）【課題】脱炭酸装置を別途設けることなく、簡便な構成で、ガス排出経路内で結露して凝縮した水分が酸性側に傾くことを抑制する燃料電池システムを提供する。【解決手段】空気オフガスＡ３及び燃焼オフガスＥＧ２を合流して排気口２５へ導くガス排出経路３０の内側に凹凸部を形成し、ガス排出経路３０内で結露して凝縮させた水分と空気オフガスＡ３との接触面積を大きくすることにより、従来のように脱炭酸装置を別途設ける必要がなく、簡便な構成で、ガス排出経路３０内で結露して凝縮させた水分中に含まれる二酸化炭素を空気オフガスＡ３に拡散することができ、ガス排出経路３０内で結露して凝縮した水分が酸性側に傾くことを抑えられる。【選択図】図１
2013125628.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料と水から水素含有ガスを生成する水素生成器と、
前記水素生成部で生成された前記水素含有ガスと、空気とを用いて発電を行う燃料電池と、
前記燃料電池から排出される燃料オフガス中の水素を燃焼させ、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
前記水素生成器、前記燃料電池、及び、前記燃焼器を収容する筺体と、
前記燃焼器から排出される燃焼オフガスを前記筺体の外部に排出する排気口と、
前記燃焼オフガスを前記燃焼器から前記排気口へ導くガス排出経路と、
前記ガス排出経路上に配置され、少なくとも前記燃焼オフガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、
前記凝縮器で凝縮した凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、
前記凝縮器及び前記凝縮水タンクを接続し、前記凝縮部で凝縮した凝縮水を流通する凝縮水経路と、
一端が前記燃料電池に接続され、他端が前記ガス排出経路の途中に接続され、前記燃料電池から排出される空気オフガスが前記凝縮水流路の少なくとも一部を通って排出するよう構成される空気オフガス経路と、
を備え、
前記ガス排出経路のうち、前記空気オフガス経路との接続部より下流で、かつ、前記凝縮器より下流の経路の内側には、凹凸部が形成される燃料電池システム。
【請求項２】
前記排気口は、前記凝縮水タンクより上部に配置されており、
前記ガス排出経路は、内部で凝縮した凝縮水が前記凝縮水タンクへ流れるよう、垂直に配置される「部分及び傾斜を持って配置される」部分のうちの少なくとも一方を有している、燃料電池システム。
【請求項３】
前記ガス排出経路は、前記筺体の内壁に沿うように配置される部分を有し、
前記凹凸部は、前記筺体の内壁に沿うように配置される部分に形成されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は燃料電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、家庭用の燃料電池コージェネシステムに適した方法として高分子形（ＰＥＭ）  燃料電池システムの開発が盛んに行われている。高分子形システムの燃料の１つである水素は、いまだインフラストラクチャーが十分ではない。このため、都市ガス、ＬＰガス、灯油等の原料を水素生成部で改質して水素リッチな燃料ガスを生成し、生成した燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを高分子形燃料電池を利用して電気化学的に反応させて発電を行う高分子形燃料電池システムが開発されている。
【０００３】
図５は、従来の燃料電池システムの概略構成を示す説明図である。図５に示すように従来の燃料電池システムは直方体の筺体１を備えている。筺体１の内部には脱硫器２と、水素生成部３と、加湿器４と、燃料電池５と、燃焼部６と、凝縮部７と、脱炭酸装置８と、凝縮水タンク９と、純粋器１０と、排気口部１１とが設けられている。
【０００４】
脱硫器２は筺体１の外部から供給された都市ガス、ＬＰガス、灯油等の原料ｍ１中の硫黄分を除去（脱硫）する。脱硫器２で脱硫された脱硫後の原料ｍ２は、水素生成部３に供給される。
【０００５】
水素生成部３は脱硫器２から供給された脱硫後の原料ｍ２を、純粋器１０から供給された純粋ｗ１を利用して改質反応させることにより水素リッチな燃料ガスｆｇ１を生成する。水素生成部３で生成された燃料ガスｆｇ１は、燃料電池５に供給される。
【０００６】
加湿器４は筺体１の外部から供給された空気ａ１を加熱して加湿空気ａ２を生成する。加湿器４にて生成された加湿空気ａ２は空気ポンプ１２により燃料電池５に供給される。
【０００７】
燃料電池５は水素生成部３で生成された燃料ガスｆｇ１中の水素と加湿器４で生成された加湿空気ａ２中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う。また、燃料電池５は、電気反応に使用されなかった水素を含む燃料オフガスｆｇ２を燃焼部６に排出し、電気化学反応に使用されなかった酸素及び電気反応により発生した水を含む空気オフガスａ３を凝縮部７に排出する。
【０００８】
燃焼部６は燃焼ファン１３を通じて筺体１の外部から供給される空気ａ４を利用して、燃料電池５から排出される燃料オフガスｆｇ２中の水素を燃焼させ、水素生成部３を加熱する。この加熱により、脱硫後の原料ｍ２の改質反応に必要な改質熱が得られる。燃焼部６において水素を燃焼した後に発生するガスは燃焼オフガスｅｇ１として燃焼部６から凝縮部７へ排出される。
【０００９】
凝縮部７は、燃料電池５から供給される燃焼部６から供給される燃焼オフガスｅｇ１中の水分が結露し凝縮した凝縮水ｃｗとして凝縮水タンク９へ回収する。一方凝縮部７からは空気オフガスａ５が凝縮水タンク９へ導かれる。凝縮部７で回収された燃焼オフガスｅｇ１に含まれた凝縮水ｃｗは、二酸化炭素が多く含まれるため、脱炭酸装置８で脱炭酸処理される。この脱炭酸装置８は脱炭酸効果を得るために、凝縮水ｃｗと空気オフガスａ５との対向接触を多くするよう比較的大きく複雑な構成としている。このような脱炭酸装置８で脱炭酸処理を行い、凝縮した水分が酸性側に傾くことを抑え、環境及び燃料電池システムに悪影響を及ぼさない配慮をしている。
【００１０】
凝縮水タンク９に貯水された凝縮水ｃｗは、改質水ポンプ１４により純粋器１０に送られ、純粋器１０により純粋ｗ１に変えられる。一方、凝縮部７を通過した空気オフガスａ５及び燃焼オフガスｅｇ２はガス排出経路１５を通過し排気口部１１に送られ、排気口部１１から筺体１の外部に排出される。
【００１１】
前記構成を有する従来の燃料電池システムとしては、例えば、特許文献１（特開２００９−７６２１６号公報）、特許文献２（特開２０１１−５４４５１号公報）に記載されたものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００９−７６２１６号公報
【特許文献２】特開２０１１−５４４５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかしながら、前記従来の構成では、脱炭酸装置が必要となり、構成が複雑になるという課題を有していた。
【００１４】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、従来と同様に脱炭酸効果を保ちつつ簡便な構成で燃焼オフガスの凝縮した水分が酸性側に傾くことを抑制する燃料電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素生成部で生成された水素含有ガスと、空気とを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガス中の水素を燃焼させ、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記水素生成器、前記燃料電池、及び、前記燃焼器を収容する筺体と、前記燃焼器から排出される燃焼オフガスを前記筺体の外部に排出する排気口と、前記燃焼オフガスを前記燃焼器から前記排気口へ導くガス排出経路と、前記ガス排出経路上に配置され、少なくとも前記燃焼オフガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、前記凝縮器及び前記凝縮水タンクを接続し、前記凝縮器で凝縮した凝縮水を流通する凝縮水経路と、一端が前記燃料電池に接続され、他端が前記ガス排出経路の途中に接続され、前記燃料電池から排出される空気オフガスが前記凝縮水経路の少なくとも一部を通って排出するよう構成される空気オフガス経路とを備え、前記ガス排出経路のうち、前記空気オフガス経路との接続部より下流で、かつ、前記凝縮器より下流の経路の内側には、凹凸部を形成したものである。
【００１６】
これによって、空気オフガス及び燃焼オフガスを合流して排気口へ導くガス排出経路の内部に凹凸部を形成するため、ガス排出経路内で結露して凝縮した水分と空気オフガスとの接触面積を大きくすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の燃料電池システムによれば、脱炭酸装置を別途設ける必要がなく、簡便な構成で、ガス排出経路内で結露して凝縮した水分中に含まれる二酸化炭素を空気オフガス中に拡散することができ、ガス排出経路内で結露した水分が酸性側に傾くことを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの概略構成を示す説明図
【図２】本発明の実施の形態１における燃料電池システムの要部断面図
【図３】本発明の実施の形態２における燃料電池システムの概略構成を示す説明図
【図４】本発明の実施の形態２における燃焼電池システムの要部断面図
【図５】従来の燃料電池システムの概略構成を示す説明図
【発明を実施するための形態】
【００１９】
第１の発明は、原料と水から水素生成部で生成された水素含有ガスと、空気とを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池から排出される燃料オフガス中の水素を燃焼させ、前記水素生成器を加熱する燃焼器と、前記水素生成器、前記燃料電池、及び、前記燃焼器を収容する筺体と、前記燃焼器から排出される燃焼オフガスを前記筺体の外部に排出する排気口と、前記燃焼オフガスを前記燃焼器から前記排気口へ導くガス排出経路と、前記ガス排出経路上に配置され、少なくとも前記燃焼オフガス中の水分を凝縮させる凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した凝縮水を貯水する凝縮水タンクと、前記凝縮器及び前記凝縮水タンクを接続し、前記凝縮器で凝縮した凝縮水を流通する凝縮水経路と、一端が前記燃料電池に接続され、他端が前記ガス排出経路の途中に接続され、前記燃料電池から排出される空気オフガスが前記凝縮水経路の少なくとも一部を通って排出するよう構成される空気オフガス経路とを備え、前記ガス排出経路のうち、前記空気オフガス経路との接続部より下流で、かつ、前記凝縮器より下流の経路の内側には、凹凸部が形成される燃料電池システムである。
【００２０】
この構成により、空気オフガス及び燃焼オフガスを合流して排気口へ導くガス排出経路の内部に凹凸部を形成するため、ガス排出経路内で結露して凝縮した水分と空気オフガスとの接触面積を大きくすることができ、脱炭酸装置を別途設ける必要がなく、簡便な構成で、ガス排出経路内で結露して凝縮した水分中に含まれる二酸化炭素を空気オフガス中に拡散することができ、ガス排出経路内で結露して凝縮した水分が酸性側に傾くことを抑制できる。また、凹凸部にすることで、ガス排出経路を長くすることなく、接触面積を大きくできるので、コンパクトな燃料電池システムにもできる。
【００２１】
第２の発明は、特に、第１の発明の前記排気口は、前記凝縮水タンクより上部に配置されており、前記ガス排出経路は、内部で凝縮した凝縮水が前記凝縮水タンクへ流れるよう、垂直に配置される部分及び傾斜を持って配置される部分のうちの少なくとも一方を有する燃料電池システムである。
【００２２】
この構成により、ガス排出経路内で結露して凝縮した水分が酸性側に傾くことを抑制しつつ、水分を凝縮水タンクに確実に回収できる。
【００２３】
第３の発明は、特に、第１の発明または第２の発明の前記ガス排出経路は、前記筺体の内壁に沿うように配置される部分を有し、前記凹凸部は、前記筺体の内壁に沿うように配置される部分に形成する燃料電池システムである。
【００２４】
この構成により、ガス排出経路のうち筺体の内壁に沿うように配置される経路は、筺体に近いため外気によって冷却されやすい。そのため、当該経路内では、結露して凝縮した水分が発生しやすく、当該経路内に凹凸部を形成することにより、水分が発生しやすい箇所の経路内の表面積を増やすことができ、ガス排出経路内で結露して凝縮した水分と空気オフガスとの接触面積を大きくすることがより確実にできる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００２６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成を示す説明図であり、図２は本発明の第１の実施の形態における燃料システムの要部断面図である。
【００２７】
図１及び図２において、筺体１６は、長手方向が重力方向と略平行になるように配置されている。筺体１６の内部には脱硫器１７と、水素生成器１８と、加湿器１９と、燃料電池２０と、燃焼器２１と、凝縮器２２と、凝縮水タンク２３と、純水器２４と、排気口２５とが設けられている。  脱硫器１７は、筺体１６の外部から供給された都市ガス、ＬＰガス、灯油等の原料Ｍ１中の硫黄分を除去（脱硫）する。脱硫器１７で脱硫された脱硫後の原料Ｍ２は、水素生成器１８に供給される。水素生成器１８は、脱硫器１７から供給された脱硫後の原料Ｍ２を、純水器２４から供給された純水Ｗ１を利用して改質反応させることにより、水素リッチな燃料ガスＦＧ１を生成する。水素生成器１８で生成された燃料ガスＦＧ１は、燃料電池２０に供給される。加湿器１９は、筺体１６の外部から供給された空気Ａ１を加湿して加湿空気Ａ２を生成する。加湿器１９にて生成された加湿空気Ａ２は、空気ポンプ２６により燃料電池２０に供給される。燃料電池２０は、固体高分子型燃料電池である。燃料電池２０は、水素生成器１８で生成された燃料ガスＦＧ１中の水素と加湿器１９で生成された加湿空気Ａ２中の酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う。また、燃料電池２０は、電気化学反応に使用されなかった水素を含む燃料オフガスＦＧ２を燃焼器２１に排出し、電気反応に使用されなかった酸素及び電気化学反応により発生した水を含む空気オフガスＡ３を凝縮器２２に排出する。燃焼器２１は、燃焼ファン２７を通じて筺体１６の外部から供給される空気Ａ４を利用して、燃料電池２０から排出される燃料オフガスＦＧ２中の水素を燃焼させ、水素生成器１８を加熱する。この加熱により、脱硫後の原料Ｍ２の改質反応に必要な改質熱が得られる。燃焼器２１において水素を燃焼した後に発生するガスは、燃焼オフガスＥＧ１として燃焼器２１から凝縮器２２へ排出される。凝縮器２２は燃焼器２１から排出される燃焼オフガスＥＧ１の水分を凝縮して凝縮水ＣＷを回収する。凝縮器２２で回収された凝縮水ＣＷは凝縮水タンク２３大気開放部を含む凝縮水経路２８を流通し凝縮水タンク２３に貯水される。凝縮水タンク２３に貯水された凝縮水ＣＷは改質水ポンプ２９により純水器２４に送られ、純水器２４により純水Ｗ１に変えられる。この純水Ｗ１は、水素生成器１８に供給される。そして、燃焼器２１から排出される燃焼オフガスＥＧ１及び凝縮器２２を通過した燃焼オフガスＥＧ２を排気口２５へ導くガス排出経路３０があり、燃料電池２０から排出された空気オフガスＡ３が凝縮水ＣＷが流通する凝縮水経路２８を通るようにした空気オフガス経路３１があり、この空気オフガス経路３１はガス排出経路３０の途中に接続され、この接続部より下流で、かつ、凝縮器２２より下流のガス排出経路３０内側には凹凸部ｘが形成されている。さらに排気口２５は凝縮水タンク２３より上部に配置されるとともに、ガス排出経路３０は筺体１６の内壁に沿うように垂直に配置される部分を持ち、凹凸部ｘは筺体１６の内壁に沿うように配置される部分に形成されている。
【００２８】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００２９】
まず、使用者がスタートボタンを押すなどして燃料電池システムの駆動開始が指示されると、脱硫器１７に原料Ｍ１が供給され、かつ、改質水ポンプ２９が駆動される。脱硫器１７に供給された原料Ｍ１は、脱硫器１７により原料Ｍ１に含まれる硫黄分が除去され、脱硫後の原料Ｍ２として水素生成器１８に供給される。一方、改質水ポンプ２９の駆動により、凝縮水タンク２３から純水器２４に水が送られる。純水器２４に送られた水は、純水器２４により純水Ｗ１にされた後、水素生成器１８に供給される。脱硫後の原料Ｍ２と純水Ｗ１とは、水素生成器１８内で改質反応する。これにより、水素リッチな燃料ガスＦＧ１が生成される。生成された燃料ガスＦＧ１は、燃料電池２０に供給される。また、前記駆動開始の指示により、加湿器１９に空気Ａ１が供給され、かつ、空気ポンプ２６が駆動される。加湿器１９に供給された空気Ａ１は、加湿器１９で加湿され、加湿空気Ａ２として燃料電池２０に供給される。燃料電池２０に供給された燃料ガスＦＧ１と加湿空気Ａ
２とは、燃料電池２０内で電気化学的に反応する。これにより、発電が行われる。この発電により得られた電力は、インバータ（図示せず）を介して系統電源に供給される。電気化学反応に使用されなかった酸素及び電気化学反応により発生した水を含む空気オフガスＡ３は、空気オフガス経路３１を通り、燃料電池２０から凝縮水経路２８に送られる。電気化学反応に使用されなかった水素を含む燃料オフガスＦＧ２は、燃料電池２０から燃焼器２１に供給され、燃焼器２１により、燃焼ファン２７から供給された空気Ａ４とともに燃焼される。これにより、水素生成器１８が加熱され、脱硫後の原料Ｍ２の改質反応に必要な改質熱が得られる。燃料オフガスＦＧ２と空気Ａ４とを燃焼した際に発生する燃焼オフガスＥＧ１は、凝縮器２２に送られ、凝縮器２２により燃焼オフガスＥＧ１中の熱と凝縮水ＣＷとが回収される。回収された凝縮水ＣＷは、凝縮水経路２８を通じて凝縮水タンク２３に蓄えられる。凝縮水タンク２３に蓄えられた凝縮水ＣＷは、上述したように、改質水ポンプ２９の駆動により凝縮水タンク２３から純水器２４に送られる。一方、空気オフガス経路３１は凝縮水経路２８の途中で合流しており、この凝縮水経路２８中で燃焼オフガスＥＧ１の二酸化炭素を含む凝縮水ＣＷと対向接触させている。そして、空気オフガス経路３１と凝縮水経路２８の合流部、すなわちガス排出経路３０と空気オフガス経路３１の接続部より下流のガス排出経路３０内側の凹凸部ｘを燃焼オフガスＥＧ２、及び空気オフガスＡ３が混合された状態で通り、排気口２５から排出される。
【００３０】
本実施の形態１においては、空気オフガスＡ３及び燃焼オフガスＥＧ２を合流して排気口２５へ導くガス排出経路３０の内側に凹凸部ｘを形成し、ガス排出経路３０内で結露して凝縮させた水分と空気オフガスＡ３との接触面積を大きくしている。これにより、従来のように脱炭酸装置を別途設ける必要がなく、簡便な構成で、ガス排出経路３０内で結露して凝縮させた水分中に含まれる二酸化炭素を空気オフガスＡ３に拡散することができ、ガス排出経路３０内で結露して凝縮した水分が酸性側に傾くことを抑えられる。
【００３１】
さらに、凹凸部ｘにすることで、ガス排出経路を長くすることなく、接触面積を大きくできるので、コンパクトな燃料電池システムにもできる。
【００３２】
また、本実施の形態１においては、排気口２５は凝縮水タンク２３より上部にあり、ガス排出経路３０は、内部で凝縮した凝縮水が凝縮水タンク２３へ流れるように垂直にしていることにより、ガス排出経路３０内で結露して凝縮した水分が酸性側に傾くことを抑えつつ、水分を凝縮水タンク２３に回収できる。
【００３３】
また、本実施の形態１においては、ガス排出経路３０は、筺体１６の内壁に沿うように配置される部分に凹凸部ｘを形成していることにより、凹凸部ｘは筺体１６に近いので、外気によって冷却されやすい。これにより、水分が発生しやすい箇所の経路内の表面積を増やすことができ、ガス排出経路３０内で結露して凝縮した水分と空気オフガスＡ３との接触面積を大きくしることがより確実にできる。
【００３４】
（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池システムを示す概略構成を示す説明図であり、図４は本発明の第２の実施の形態における燃料システムの要部断面図である。
【００３５】
図３及び図４において、空気オフガス経路３１は凝縮器２２に連通された凝縮水経路２８の配管部分に接続されており、その凝縮器２２に連通された凝縮水経路２８の配管部分の一部を通過した後、ガス排出経路３０に接続されている。
【００３６】
以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。
【００３７】
空気オフガス経路３１とガス排出経路３０の他の接続例を挙げたものであり、実施の形態１と同様の動作、作用である。
【００３８】
以上のように、空気オフガス経路３１、ガス排出経路３０の接続方法は燃料電池システムのメンテ性等を検討し、様々な接続方法とすることができる。
【００３９】
本発明にかかる燃料電池システムは、燃焼オフガスの凝縮水中の二酸化炭素の脱炭酸処理が簡便な方法で可能となるので、部品削減、メンテ性、組み立て作業性を向上させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明の燃料電池システムは、例えば、定置用燃料電池システムに適用することができる。
【符号の説明】
【００４１】
１６  筺体
１７  脱硫器
１８  水素生成器
１９  加湿器
２０  燃料電池
２１  燃焼器
２２  凝縮器
２３  凝縮水タンク
２４  純水器
２５  排気口
２６  空気ポンプ
２７  燃焼ファン
２８  凝縮水経路
２９  改質水ポンプ
３０  ガス排出経路
３１  空気オフガス経路
ｘ  凹凸部
【図１】
2013125628.tif 000003
【図２】
2013125628.tif 000004
【図３】
2013125628.tif 000005
【図４】
2013125628.tif 000006
【図５】
2013125628.tif 000007