(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガス加湿タンクを経て加湿された水素と酸化剤加湿タンクを経て加湿された空気などの酸化剤によって発電する燃料電池と、空気極の排ガスと酸化剤加湿タンク中の水を熱交換して所定の温度の温水とするとともに空気極の排ガスの熱を回収して市水などの水を温水とする一体型熱交換器とを備えた固体高分子形燃料電池発電装置であって、
前記燃料ガス加湿タンクと酸化剤加湿タンクを燃料電池の鉛直下方に燃料電池ととともに一体的に配置するとともに、前記燃料ガス加湿タンクの温水あるいはこの温水を前記酸化剤加湿タンクの温水と熱交換した温水を加えた温水を冷却水として燃料電池に循環して送ることを特徴とする固体高分子形燃料電池発電装置。
【請求項２】
燃料極の排ガスの熱を回収する熱交換器を備え、前記一体型熱交換器で市水などの水を加熱して得られた温水をこの熱交換器で熱交換してさらに加熱することを特徴とする請求項１記載の固体高分子形燃料電池発電装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば家庭用の小型電源として好適な固体高分子形燃料電池発電装置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、ブタンなどの炭化水素系燃料ガスを水素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除去器と、このようにして得られた水素（改質ガス）と空気中の酸素などの酸化剤とを化学反応させて発電する燃料電池と、燃料電池の電極部を冷却するとともに反応空気の加湿のためのイオン交換樹脂などの水処理装置で処理された水（純水）を収納した水タンクと、前記改質器、燃料電池などの排ガスの熱を回収して温水とする熱交換器と、この温水を蓄える貯湯タンクなどを備えた小型電源としての固体高分子形燃料電池発電装置が提案されている。
【０００３】
固体高分子形燃料電池発電装置で使用する固体高分子電解質膜は含水させることによりプロトン導電性電解質として機能するもので、固体高分子形燃料電池においては、反応空気や燃料ガスなどの反応ガスに水蒸気を飽和に含ませて電極部に供給して運転する方法が採られている。
【０００４】
燃料極に水素を含む燃料ガス、空気極に空気を供給すると、燃料極では、水素分子を水素イオンと電子に分解する燃料極反応、空気極では、酸素と水素イオンと電子から水を生成する電気化学反応がそれぞれ行われ、燃料極から空気極に向かって外部回路を移動する電子により電力が負荷に供給されるとともに、空気極側に水が生成される。
【０００５】
図２は、従来の固体高分子形燃料電池発電装置（ＰＥＦＣ装置ＧＳ）の説明図である。
燃料電池１を用いたＰＥＦＣ装置ＧＳは、例えば、燃料電池１の他に熱回収装置ＲＤを含んでいる。
この熱回収装置ＲＤは、図示しない貯湯タンク、熱交換器２、３、４、ポンプ５を備えた温水の循環路などを備えている。
【０００６】
燃料電池１は、図示しない脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、燃料ガス加湿タンク６などからなる改質ガス供給装置および酸化剤加湿タンク７などからなる反応空気供給装置ならびに燃料極１ａ、空気極１ｋなどの電極および水タンク８、ポンプ９、冷却部１ｃなどからなる燃料電池１の冷却装置を備えている。
【０００７】
燃料電池１で発電された電力は図示しないＤＣ／ＤＣコンバータで昇圧され、図示しない配電系統連系インバータを介して商用電源に接続される、一方、ここから家庭や事務所などの照明や空調機などの他の電気機器用の電力として供給される。
【０００８】
このような燃料電池１を用いたＰＥＦＣ装置ＧＳでは、発電と同時に、例えば燃料電池１による発電時に発生する熱を利用して市水から温水を生成し、この温水を図示しない貯湯タンクに蓄えて、風呂や台所などに供給するなど、燃料電池１に使用される燃料がもつエネルギーの有効利用を図っている。
【０００９】
上記のＰＥＦＣ装置ＧＳの燃料ガス供給装置では、天然ガス、都市ガス、メタノール、ＬＰＧ、ブタンなどの炭化水素系の原燃料が脱硫器に供給され、ここで原燃料から硫黄成分が除去される。脱硫器を経た原燃料は、昇圧ポンプで昇圧されて改質器に供給される際に、水蒸気と合流して、供給される。改質器では、水素、二酸化炭素、および一酸化炭素を含む改質ガスが生成される。この改質器を経たガスは、ＣＯ変成器に供給され、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変成器を経たガスは、ＣＯ除去器に供給され、ここではＣＯ変成器を経たガス中の未変成の一酸化炭素が例えば１０ｐｐｍ以下に低減され、水素濃度の高い水性ガス（改質ガス）が燃料ガス加湿タンク６に供給され燃料ガス加湿タンク６内の温水中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池１における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の改質ガスが燃料電池１の燃料極１ａに供給される。
【００１０】
反応空気供給装置では、酸化剤加湿タンク７に空気などの酸化剤が供給され酸化剤加湿タンク７内の温水中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池１における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池１の空気極１ｋに供給される。
【００１１】
燃料電池１では、燃料極１ａに供給された改質ガス中の水素と、空気極１ｋへ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
燃料電池１の冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池１が過熱しないようにするため、燃料電池１の電極１ａ、１ｋに並置された冷却装置であり、冷却部１ｃに水タンク８の温水をポンプ９で冷却水として循環させ、この冷却水で燃料電池１内の温度が発電に適した温度（例えば７０〜８０℃程度）に保たれるように制御している。このようにして燃料電池１では所定の化学反応と発電が継続される。
【００１２】
一方、水タンク８の温水をポンプ５で熱交換器３へ導き空気極１ｋの排ガスと熱交換して循環させ、水タンク８の温水を所定の温度（設定温度：例えば約５０〜８０℃）に維持するようになっている。
一方、熱交換器３の下流に配置した熱交換器４へ市水を送って空気極１ｋの排ガスと熱交換して加熱した後、熱交換器２へ導き燃料極１ａの排ガスと熱交換してさらに加熱した後、図示しない貯湯タンクに送って貯湯し、必要に応じて外部に給湯する。
【００１３】
以上のような構成のＰＥＦＣ装置ＧＳは、発電と熱利用のコジェネレーションシステムの形態をとるので、燃料電池の発電効率が図られるばかりでなく、このシステムで使用される水の有効な再利用が図られる効果がある。
しかし、燃料ガス加湿タンク６と酸化剤加湿タンク７を図２に示すように配置すると熱ロスが大きくなり、燃料ガスおよび反応空気の露点が低くなり、燃料電池性能が不安定になったり、低下する問題があり、また燃料ガスおよび反応空気の供給経路から水が燃料電池１内に流入してセルを閉塞する恐れがあり、また装置をさらに小型化できないという問題があった。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、従来の上記問題を解決し、燃料ガスおよび反応空気の供給経路から水が燃料電池内に流入してセルを閉塞することがなく、安定して高い燃料電池性能を発揮できる上、さらなる小型化を達成した発電効率がより向上した発電効率固体高分子形燃料電池発電装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明の請求項１の固体高分子形燃料電池発電装置は、燃料ガス加湿タンクを経て加湿された水素と酸化剤加湿タンクを経て加湿された空気などの酸化剤によって発電する燃料電池と、空気極の排ガスと酸化剤加湿タンク中の水を熱交換して所定の温度の温水とするとともに空気極の排ガスの熱を回収して市水などの水を温水とする一体型熱交換器とを備えた固体高分子形燃料電池発電装置であって、
前記燃料ガス加湿タンクと酸化剤加湿タンクを燃料電池の鉛直下方に燃料電池ととともに一体的に配置するとともに、前記燃料ガス加湿タンクの温水あるいはこの温水を前記酸化剤加湿タンクの温水と熱交換した温水を加えた温水を冷却水として燃料電池に循環して送ることを特徴とする。
【００１６】
本発明の請求項２の固体高分子形燃料電池発電装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池発電装置において、燃料極の排ガスの熱を回収する熱交換器を備え、前記一体型熱交換器で市水などの水を加熱して得られた温水をこの熱交換器で熱交換してさらに加熱することを特徴とする。
【００１７】
本発明の固体高分子形燃料電池発電装置は、空気極の排ガスと酸化剤加湿タンク中の水を熱交換して所定の温度の温水とするとともに空気極の排ガスの熱を回収して市水などの水を温水とすることができる一体型熱交換器を用いるので熱交換器が小型化される。
そして、前記燃料ガス加湿タンクの温水あるいはこの温水を前記酸化剤加湿タンクの温水と熱交換した温水を加えた温水を冷却水として燃料電池に循環して送って冷却して燃料電池内の温度が発電に適した温度に保たれるように制御するので、従来使用していた水タンクが不要となり、さらに前記燃料ガス加湿タンクと酸化剤加湿タンクを燃料電池の鉛直下方に燃料電池ととともに例えば１つの枠内に配置して３者を一体的に配置したので一層小型化できる上、燃料ガスおよび反応空気の供給経路から水が燃料電池内に流入してセルを閉塞することがなく、安定して高い燃料電池性能を発揮でき、発電効率がより向上する。
さらに燃料極の排ガスの熱を回収する熱交換器を設け、前記一体型熱交換器で市水などの水を加熱して得られた温水をこの熱交換器で熱交換してさらに加熱することにより排熱回収をさらに効率よく行うことができる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。
図１は、本発明の固体高分子形燃料電池発電装置の一実施形態を説明する説明図である。
図１において、図２に示した構成部分と同じ構成部分には同一参照符号を付すことにより、重複した説明を省略する。
【００１９】
図１に示した本発明の固体高分子形燃料電池発電装置（ＰＥＦＣ装置ＧＳ１）は、燃料電池１の他に熱回収装置ＲＤを含んでいる。この熱回収装置ＲＤは、図示しない貯湯タンク、熱交換器２、一体型熱交換器１０、ポンプ５を備えた温水の循環路などを備えている。
【００２０】
燃料電池１は、図示しない脱硫器、改質器、ＣＯ変成器、ＣＯ除去器、燃料ガス加湿タンク６などからなる改質ガス供給装置およびポンプ１５、酸化剤加湿タンク７などからなる反応空気供給装置ならびに燃料極１ａ、空気極１ｋなどの電極および管路２０、２１、ポンプ１８、電磁弁１４、冷却部１ｃなどからなる燃料電池１の冷却装置を備えている。
【００２１】
水素濃度の高い水性ガス（改質ガス）が燃料ガス加湿タンク６に供給され燃料ガス加湿タンク６内の温水（例えば７５〜７８℃）中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池１における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の改質ガスが燃料電池１の燃料極１ａに供給される。
１１はバブリング用の多孔板である。
【００２２】
反応空気供給装置では、酸化剤加湿タンク７に空気などの酸化剤がポンプ１５により供給され酸化剤加湿タンク７内の温水（例えば６０〜６５℃）中に泡立てつつ気相部に送出することによって加湿が行われる。
このようにして、燃料電池１における反応が適度に維持されるように水分を与えられた後の反応空気が燃料電池１の空気極１ｋに供給される。
１２はバブリング用の多孔板である。
【００２３】
燃料電池１では、燃料極１ａに供給された改質ガス中の水素と、空気極１ｋへ供給された空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われる。
燃料電池１の冷却装置は、この電気化学反応の反応熱などで燃料電池１が過熱しないようにするため、燃料電池１の電極１ａ、１ｋに並置された冷却装置であり、冷却部１ｃに燃料ガス加湿タンク６の温水をポンプ１８で冷却水として管路２０を通して循環させ、この冷却水で燃料電池１内の温度が発電に適した温度（例えば７８〜８０℃程度）に保たれるように制御している。このようにして燃料電池１では所定の化学反応と発電が継続される。
【００２４】
１３は冷却水循環経路の冷却部１ｃの出口に設置した温度センサ（設定値：例えば７８〜８０℃）であり、温度センサ１３で検出した温度が設定値を越えた場合は図示しない制御装置から信号を電磁弁１４に送り、電磁弁１４を開けて燃料ガス加湿タンク６の温水を管路２１を通して適量酸化剤加湿タンク７へ送り酸化剤加湿タンク７の温水と熱交換した温水を管路２０中の温水に加えて冷却水として燃料電池１に循環して送り、燃料電池１内の温度を発電に適した温度に制御する。
１６は冷却水循環経路の燃料ガス加湿タンク６の上部気相部に設置したシャワー用の多孔板であり、燃料ガスの加湿を補助する。
【００２５】
一方、酸化剤加湿タンク７の温水をポンプ５で一体型熱交換器１０へ導き空気極１ｋの排ガスと熱交換して循環させ、酸化剤加湿タンク７の温水を所定の温度に維持するようになっている。１９は温度制御装置であり酸化剤加湿タンク７の温水の温度を所定の温度に維持するように信号をポンプ５に送りポンプ５を作動させて制御する。
また一体型熱交換器１０へ市水を送って空気極１ｋの排ガスと熱交換して加熱した後、熱交換器２へ導き燃料極１ａの排ガスと熱交換してさらに加熱した後、図示しない貯湯タンクに送って貯湯し、必要に応じて外部に給湯する。
本発明で用いる前記一体型熱交換器１０は、上記のように酸化剤加湿タンク７の温水と空気極１ｋの排ガスと良好に熱交換できるとともに水と空気極１ｋの排ガスとも良好に熱交換できるような構成のものであればよく、その構造、材質、形式などは特に限定されるものではない。小型で簡単な構成のものが好ましく使用できる。
【００２６】
本発明のＰＥＦＣ装置ＧＳ１は、図１に示すように燃料ガス加湿タンク６と酸化剤加湿タンク７を燃料電池１の鉛直下方に燃料電池１ととともに１つの枠１７内に配置して３者を一体的にコンパクトに配置するので一層小型化できる。枠１７はこれら３者を一体的にコンパクトに配置することができるものであれば金属枠、耐熱性および／または断熱性を有する隔壁を備えた金属枠、金属性仕切などでよく、特に限定されるものではない。耐熱性および／または断熱性を有する無機質隔壁を備えた金属枠は好ましく使用できる一例である。
以上のような構成の本発明のＰＥＦＣ装置ＧＳ１は、燃料ガス加湿タンクと酸化剤加湿タンクにおける熱ロスが小さくなり、燃料ガスおよび反応空気の露点が高く安定して維持され、また鉛直下方に配置される燃料ガスおよび反応空気の供給経路から水が鉛直上方に配置された燃料電池１内に流入することがなくなり、安定して高い燃料電池性能を発揮でき、発電効率がより向上する。
【００２７】
なお、上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或は範囲を減縮するものではない。又、本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能である。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の請求項１記載の固体高分子形燃料電池発電装置は、燃料ガス加湿タンクを経て加湿された水素と酸化剤加湿タンクを経て加湿された空気などの酸化剤によって発電する燃料電池と、空気極の排ガスと酸化剤加湿タンク中の水を熱交換して所定の温度の温水とするとともに空気極の排ガスの熱を回収して市水などの水を温水とする一体型熱交換器とを備えた固体高分子形燃料電池発電装置であって、前記燃料ガス加湿タンクと酸化剤加湿タンクを燃料電池の鉛直下方に燃料電池ととともに一体的に配置するとともに、前記燃料ガス加湿タンクの温水あるいはこの温水を前記酸化剤加湿タンクの温水と熱交換した温水を加えた温水を冷却水として燃料電池に循環して送るので、前記３者を一体的に配置したり、一体型熱交換器を用いたことや、従来使用していた水タンクが不要となるなどにより一層小型化できる上、燃料ガス加湿タンクと酸化剤加湿タンクにおける熱ロスが小さくなり、燃料ガスおよび反応空気の露点が高く安定して維持され、また、燃料ガスおよび反応空気の供給経路から水が燃料電池内に流入してセルを閉塞することがなくなり、安定して高い燃料電池性能を発揮でき、発電効率がより向上するという顕著な効果を奏する。
【００２９】
本発明の請求項２記載の固体高分子形燃料電池発電装置は、請求項１記載の固体高分子形燃料電池発電装置において、燃料極の排ガスの熱を回収する熱交換器を備え、前記一体型熱交換器で市水などの水を加熱して得られた温水をこの熱交換器で熱交換してさらに加熱するので、請求項１記載の固体高分子形燃料電池発電装置と同じ作用効果を奏するとともに、排熱回収をさらに効率よく行うことができるというさらなる顕著な効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による固体高分子形燃料電池発電装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】従来の固体高分子形燃料電池発電装置の説明図である。
【符号の説明】
１  燃料電池
２、３、４  熱交換器
５、９、１５、１８  ポンプ
６  燃料ガス加湿タンク
７  酸化剤加湿タンク
８  水タンク
１０  一体型熱交換器
１７  枠
ＧＳ、ＧＳ１  固体高分子形燃料電池発電装置
ＲＤ  熱回収装置
【図１】
0003906083.tif 000002
【図２】
0003906083.tif 000003