(57)【要約】【課題】燃料電池の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の長期使用時の信頼性の向上を図る。【解決手段】酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池５と、酸化剤ガスを燃料電池５に供給する酸化剤ガス供給経路７と、燃料電池５の熱を回収する冷却水を循環する冷却水循環経路１１と、冷却水から熱を回収する冷却水熱交換器１２と、冷却水熱交換器１２から熱を回収する熱媒体を循環する熱回収経路１３と、冷却水循環経路１１を流れる冷却水を用いて、酸化剤ガス供給経路７を流れる酸化剤ガスを加湿する加湿器８と、を備えた燃料電池システムにおいて、加湿器８を、冷却水循環経路１１のうち、冷却水熱交換器１２の下流側、かつ、燃料電池５の上流側の経路に配置した。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、
酸化剤ガスを前記燃料電池に供給する酸化剤ガス供給経路と、
前記燃料電池の熱を回収する冷却水を循環する冷却水循環経路と、
前記冷却水から熱を回収する冷却水熱交換器と、
前記冷却水熱交換器から熱を回収する熱媒体を循環する熱回収経路と、
前記冷却水循環経路を流れる前記冷却水を用いて、酸化剤ガス供給経路を流れる前記酸化剤ガスを加湿する加湿器と、
を備え、
前記加湿器は、前記冷却水循環経路のうち、前記冷却水熱交換器の下流側、かつ、前記燃料電池の上流側の経路に配置された、
燃料電池システム。
【請求項２】
前記加湿器は、透過膜を用いた加湿器である、請求項１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、燃料電池の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器を備える燃料電池システムの構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は水素を含む水素含有ガスと酸素を含む酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電して電気と熱を同時に発生させる装置である。燃料電池は燃料の持つ化学エネルギーを力学的エネルギーに変換することなく直接電気エネルギーとして取り出せるので発電効率が高いことで注目されている。
【０００３】
燃料電池は、一般的には電気と熱を併給する燃料電池システムと、発生した熱を貯める貯湯タンクとを合せて設置することが必要である。そのため、燃料電池システムの普及のためには集合住宅を含めた狭小地住宅への設置のため、燃料電池システムと貯湯タンクのサイズを小型化することが必要となる。
【０００４】
また、固体高分子型燃料電池では、電解質としてプロトン伝導性を有する固体高分子電解質膜を用いるが、この固体高分子電解質膜のプロトン伝導性は膜の湿潤度に大きく影響され、乾燥状態または湿潤不足の状態では、プロトン伝導性が悪化して発電性能が低下するため、水素含有ガスと酸化剤ガスの少なくとも一方を、加湿手段により湿潤状態に加湿して、燃料電池に供給するシステムが知られている（例えば特許文献１参照）。
【０００５】
特許文献１は、燃料電池を冷却して得られた温水を用いて反応ガスの加湿を行い、燃料電池の排熱を加湿に利用することにより、燃料電池システムの総合的なエネルギー効率を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−５５２１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記従来の構成に基づく構成では、燃料電池を冷却して得られた高温の冷却水を用いて反応ガスの加湿を行うため、冷却水の温度は反応ガスの加湿に利用することにより低下する。そのため、燃料電池の冷却水の温度で決まる貯湯タンクの水温が低下してしまうという課題があった。
【０００８】
すなわち、貯湯タンクの水温の低下は熱容量の低下に繋がり、貯湯タンクのサイズを大きく確保しなければならず、集合住宅を含めた狭小地住宅への設置ができないという課題があった。
【０００９】
また、貯湯タンクの水温を高温にするために、燃料電池を冷却する冷却水の温度を高温化する方法も考えられるが、燃料電池の冷却水温度の高温化は、燃料電池の運転温度を上昇させることに繋がるため、燃料電池の使用材料の長期使用時の温度耐性低下の懸念があった。
【００１０】
本発明は、燃料電池の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池の長期使用時の信頼性の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記従来の課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス供給経路と、燃料電池の熱を回収する冷却水を循環する冷却水循環経路と、冷却水から熱を回収する冷却水熱交換器と、冷却水熱交換器から熱を回収する熱媒体を循環する熱回収経路と、冷却水循環経路を流れる冷却水を用いて、酸化剤ガス供給経路を流れる酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備え、加湿器は、冷却水循環経路のうち、冷却水熱交換器の下流側、かつ、燃料電池の上流側の経路に配置されている。
【００１２】
この構成とすることにより、燃料電池の熱を回収した冷却水の温度を加湿器で低下することを防止することが可能となり、熱回収経路を循環する熱媒体の温度を高温にすることが可能となる。
【００１３】
また、燃料電池の熱を冷却水熱交換器及び加湿器で低下させた後の冷却水を燃料電池に供給することが可能となり、燃料電池の運転温度を低下させ、燃料電池の使用材料の長期使用時の温度耐性低下を防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却して得られた冷却水の温度を加湿器で低下させずに高温に維持したまま冷却水熱交換器に供給することで、貯湯タンクの水温を高温に保つことができる。
【００１５】
また、貯湯タンクの水温を維持したままでも燃料電池の運転温度を低下させ、燃料電池の使用材料の長期使用時の温度耐性低下を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図
【図２】従来の構成に基づく燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図
【図３ａ】燃料電池通流前後の冷却水の温度が同一の場合における、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの冷却水の温度分布を従来の構成のものと対比させた説明図
【図３ｂ】冷却水熱交換器通流前後の冷却水の温度が同一の場合における、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの冷却水の温度分布を従来の構成のものと対比させた説明図
【図４】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を模式的に示すブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１７】
第１の発明は、酸化剤ガス及び水素含有ガスを用いて発電する燃料電池と、酸化剤ガスを燃料電池に供給する酸化剤ガス供給経路と、燃料電池の熱を回収する冷却水を循環する冷却水循環経路と、冷却水から熱を回収する冷却水熱交換器と、冷却水熱交換器から熱を回収する熱媒体を循環する熱回収経路と、冷却水循環経路を流れる冷却水を用いて、酸化剤ガス供給経路を流れる酸化剤ガスを加湿する加湿器と、を備え、加湿器は、冷却水循環経路のうち、冷却水熱交換器の下流側、かつ、燃料電池の上流側の経路に配置された、燃料電池システムである。
【００１８】
この構成とすることにより、燃料電池の熱を回収した冷却水の温度を加湿器で低下する
ことを防止することが可能となり、熱回収経路を循環する熱媒体の温度を高温にすることが可能となる。
【００１９】
また、燃料電池の熱を冷却水熱交換器及び加湿器で低下させた後の冷却水を燃料電池に供給することが可能となり、燃料電池の運転温度を低下させ、燃料電池の使用材料の長期使用時の温度耐性低下を防止することが可能となり、燃料電池の長期使用時の信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００２０】
第２の発明は、第１の発明における加湿器を、透過膜を用いた加湿器で構成している。この構成とすることより、単位面積当りの接触面積を広く利用できる透過膜を介して、酸化剤ガスと冷却水とを効率よく接触させることが可能となり、酸化剤ガスの加湿能力を低下させることなく、加湿器を小型にすることが可能となり、燃料電池システムのサイズを小型にすることが可能となる。
【００２１】
以下、本発明の実施の形態を具体的に例示する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２２】
また、全ての図面において、本発明を説明するために必要となる構成要素のみを抜粋して図示しており、その他の構成要素については図示を省略している。さらに、本発明は以下の実施の形態に限定されない。
【００２３】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る、燃料電池５の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器８を備えた燃料電池システム１００の概略構成を模式的に示すブロック図である。本発明の実施の形態１では、簡略のために本発明に必要な構成のみを記載している。
【００２４】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１００は、燃料電池５、ブロアー６、酸化剤ガス供給経路７、加湿器８、冷却水循環経路１１、冷却水熱交換器１２、熱回収経路１３を備えている。
【００２５】
燃料電池５は、アノードとカソードを有している（図示せず）。なお、燃料電池５は、高分子電解質形燃料電池や直接内部改質型固体酸化物形燃料電池や間接内部改質型固体酸化物形燃料電池等の各種の燃料電池を用いることができる。また、燃料電池５の構成は、一般的な燃料電池と同様に構成されているため、その詳細な説明は省略する。
【００２６】
熱回収経路１３は、本実施の形態１においては、その一部が、燃料電池システム１００外に位置するように設けられている。熱回収経路１３には、冷却水熱交換器１２が設けられている。そして、熱回収経路１３内の熱媒体は、冷却水熱交換器１２で他の熱媒体と熱交換しながら通流する。なお、熱媒体としては、水又は不凍液（例えば、エチレングリーコール含有液）等を用いることができる。
【００２７】
次に本発明の実施の形態１の特徴部分である冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器８の構成について説明する。
【００２８】
加湿器８は、酸化剤ガス供給経路７と冷却水循環経路１１とを接触するように設けられていて、酸化剤ガス供給経路７を通流する酸化剤ガスと冷却水循環経路１１を通流する冷却水との間で酸化剤ガスを加湿するように構成されている。
【００２９】
なお、図示しないが冷却水循環経路１１には、加湿をするために必要な水を貯めておく水タンクや、水を供給するために必要な水供給経路及び水供給ポンプが配置される。
【００３０】
本実施の形態において、加湿器８は、複数の中空糸膜で構成する態様を例示している。中空糸膜は一端が閉じた筒状の透過膜であり、水蒸気選択透過性を持っており、中空糸膜の内側と外側で水蒸気分圧の差があると水分子は分圧差に応じて膜内を移動する。
【００３１】
そのため、酸化剤ガス供給経路７を通流する低水蒸気分圧の酸化剤ガスと冷却水循環経路１１を通流する高水蒸気分圧の冷却水との間の分圧差により、水蒸気のみが選択的に酸化剤ガスに移動する。
【００３２】
また、本実施の形態では、中空糸膜式を例示したが、酸化剤ガスを効率よく加湿するように構成されていれば、どのような態様であってもよく、例えば、板状の透過膜で構成された透過膜式加湿器であってもよい。
【００３３】
この構成にすることにより、燃料電池５のカソードは、ブロアー６から酸化剤ガス供給経路７を介して供給される酸素を含む酸化剤ガス（本実施の形態では空気を用いている）を効率よく加湿することができる。
【００３４】
ここで、燃料電池５で生成されたオフ酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガス経路１０を介して排気部１４に集合した後、燃料電池システム１００外に排出される。
【００３５】
また、加湿器８は、冷却水循環経路１１のうち、冷却水熱交換器１２の下流側、かつ、燃料電池５の上流側の経路に配置するように構成されている。
【００３６】
この構成にすることにより、燃料電池５の熱を回収した冷却水の温度を加湿器８で低下させることなく冷却水熱交換器１２に供給することが可能となる。また、燃料電池５の熱を回収した冷却水の温度を冷却水熱交換器１２及び加湿器８で低下させた後、燃料電池５に供給することが可能となり、燃料電池５の運転温度を低下させ、燃料電池５の使用材料の長期使用時の温度耐性低下を防止することが可能となり、燃料電池５の長期使用時の信頼性の向上を図ることが可能となる。
【００３７】
図２は、従来の構成に基づく燃料電池５の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器８を備えた燃料電池システム１００の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００３８】
図２に示すように、従来の構成に基づく燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、加湿器８の配置構成のみが異なる。
【００３９】
従来の構成に基づく加湿器８は、冷却水循環経路１１のうち、冷却水熱交換器１２の上流側、かつ、燃料電池５の下流側の経路に配置するように構成されている。
【００４０】
図３ａと図３ｂは、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの冷却水の温度分布を従来の構成のものと対比させた説明図である。
【００４１】
図３ａと図３ｂにおいて、α１〜α２は従来の構成に基づく燃料電池５通流前後の温度、α２〜α３は従来の構成に基づく加湿器８通流前後の温度、α３〜α４は従来の構成に基づく冷却水熱交換器１２通流前後の温度を示している。
【００４２】
また、β１〜β２は本発明の実施の形態１に係わる加湿器８通流前後の温度、β２〜β３は本発明の実施の形態１に係わる燃料電池５通流前後の温度、β３〜β４は本発明の実施の形態１に係わる冷却水熱交換器１２通流前後の温度を示している。
【００４３】
図３ａの特性線（イ）は従来の構成に基づく冷却水循環経路１１を通流する冷却水の温度分布、図３ａの特性線（ロ）は本発明の実施の形態１に係る冷却水循環経路１１を通流する冷却水の温度分布を示している。
【００４４】
本発明の効果を従来の構成に基づく実施例との温度分布で分けて例示するために、図３ａでは、燃料電池５通流前後の冷却水の温度が従来の構成に基づく実施例と本発明の実施の形態１で同一の場合の態様を例示している。なお、図３ａでは、各構成部品同士をつなぐ経路からの放熱による温度変化はないものとして例示している。
【００４５】
図３ａの線図で示す通り、本発明の実施の形態１に係わる燃料電池システム１００によれば、燃料電池５通流前後の冷却水の温度が従来の構成に基づく実施例と本発明の実施の形態１で同一の場合において、冷却水熱交換器１２通流後の冷却水の温度は（Ａ）＜（Ｂ）となり、熱回収経路１３を循環する熱媒体の温度を高温にすることが可能となる。
【００４６】
図３ｂの特性線（ハ）は従来の構成に基づく冷却水循環経路１１を通流する冷却水の温度分布、図３ｂの特性線（ニ）は本発明の実施の形態１に係る冷却水循環経路１１を通流する冷却水の温度分布を示している。
【００４７】
本発明の効果を従来の構成に基づく実施例との温度分布で分けて例示するために、図３ｂでは、冷却水熱交換器１２通流前後の冷却水の温度が従来の構成に基づく実施例と本発明の実施の形態１で同一の場合の態様を例示している。なお、図３ｂでは、各構成部品同士をつなぐ経路からの放熱による温度変化はないものとして例示している。
【００４８】
図３ｂの線図で示す通り、本実施の形態１に係わる燃料電池システム１００によれば、冷却水熱交換器１２通流前後の冷却水の温度が従来の構成に基づく実施例と本発明の実施の形態１で同一の場合において、燃料電池５通流前の冷却水の温度は（Ｃ）＞（Ｄ）となり、燃料電池５の運転温度を低下させることが可能となる。
【００４９】
本発明の実施の形態１の燃料電池システム１００によれば、燃料電池５の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器８を備える燃料電池システム１００において、燃料電池５を冷却して得られた冷却水の温度を加湿器８で低下させずに高温に維持したまま冷却水熱交換器１２に供給することで、貯湯タンクの水温を高温に保つことができる。また、貯湯タンクの水温を維持したままでも燃料電池の運転温度を低下させ、燃料電池の使用材料の長期使用時の温度耐性低下を防止することが可能となる。
【００５０】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２に係る、燃料電池５の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器８を備えた燃料電池システム１００の概略構成を模式的に示すブロック図である。
【００５１】
図４に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１００は、実施の形態１に係る燃料電池システム１００と基本的構成は同じであるが、水素生成器１の構成内容を具体的に例示し、加湿器８の構成が異なる点が異なる。
【００５２】
水素生成器１は、改質器１ａと該改質器を加熱するための燃焼器１ｂを有している。
【００５３】
改質器１ａは、原料ガスと水を改質反応させて、水素を含む燃料ガスを生成するように構成されている。改質器１ａで生成された燃料ガスは、燃料ガス供給経路４ａを介して、燃料電池５のアノード（図示せず）に供給される。
【００５４】
なお、水素生成器１の改質器１ａには、原料供給部２と水供給器３が接続されている。原料供給部２は、その流量を調整しながら、改質器１ａに気体状態の原料である原料ガスを供給するように構成されている。原料供給部２としては、例えば、流量調整弁とポンプで構成されていてもよく、流量調整可能なポンプで構成されていてもよい。
【００５５】
燃焼器１ｂは、燃料電池５と燃焼器１ｂとを連通させるオフ燃料ガス経路４ｂが接続されている。燃焼器１ｂは、オフ燃料ガス経路４ｂを介して、燃料電池５から排出される燃料ガスであるオフ燃料ガスを燃焼して、オフ燃焼ガスを生成する。なお、燃焼器１ｂには別途原料を供給するための経路を直接形成してもよい。
【００５６】
ここで、原料とは、成分として少なくとも炭化水素を有する気体又は液体を意味し、例えば、天然ガス、石炭、石油、もしくはメタンハイドレートなどの化石燃料で、都市ガスなどである。
【００５７】
ここで、水素生成器１の燃焼器１ｂで生成されたオフ燃焼ガスは、改質器１ａを加熱した後にオフ燃焼ガス経路９に排出され、オフ燃焼ガス経路９を介して排気部１４に集合した後、燃料電池システム１００外に排出される。なお、オフ燃焼ガスには、酸素、二酸化炭素、窒素、一酸化炭素、窒素酸化物が含まれている。
【００５８】
水供給器３は、凝縮水タンク（図示せず）で貯えられている凝縮水を改質器１ａに供給するものである。水供給器３としては、改質器１ａにその流量を調整しながら、凝縮水を供給するように構成されていれば、どのような態様であってもよく、例えば、流量調整弁とポンプで構成されていてもよく、流量調整可能なポンプで構成されていてもよい。
【００５９】
凝縮水タンクに貯えられている凝縮水は、若干の不純物を含むため、イオン交換樹脂を供えている浄化器（図示せず）を介して純水化され、水供給器３に供給される。
【００６０】
燃料電池５は、アノードとカソードを有している。なお、本実施の形態２においては、水素生成器１と燃料電池５とを別々に構成する態様を採用したが、これに限定されず、固体酸化物形燃料電池のように水素生成器１と燃料電池５が一体で構成されていてもよい。この場合、水素生成器１と燃料電池５とが共通の断熱材で覆われた一つのユニットとして構成され、水素生成器１の燃焼器１ｂは、改質器１ａだけでなく燃料電池５も加熱する。
【００６１】
また、直接内部改質型固体酸化物形燃料電池においては、燃料電池５のアノードが改質器１ａの機能を有することから、燃料電池５のアノードと水素生成器１の改質器１ａとが一体で構成されていてもよい。
【００６２】
加湿器８は、酸化剤ガス供給経路７と冷却水循環経路１１とを接触するように設けられていて、加湿器８内に貯めた冷却水の中に酸化剤ガスを気泡状にして通過させることにより、酸化剤ガス供給経路７を通流する酸化剤ガスと冷却水循環経路１１を通流する冷却水との間で酸化剤ガスを積極的に接触させ加湿するように構成されている。
【００６３】
なお、図示しないが冷却水循環経路１１には、加湿をするために必要な水を貯めておく水タンクや、水を供給するために必要な水供給経路及び水供給ポンプが配置される。この構成にすることにより、燃料電池５のカソードは、ブロアー６から酸化剤ガス供給経路７を介して供給される酸素を含む酸化剤ガス（本実施の形態では空気を用いている）に効率よく加湿することができる。
【００６４】
本実施の形態２においては、加湿器８は、バブラー式で構成する態様を例示したが、酸
化剤ガスを効率よく加湿するように構成されていれば、どのような態様であってもよく、例えば、水分を含む性質を持ったフィルターに水を滴下させながら通風させることにより蒸発させる滴下浸透気化式などの気化式加湿器であってもよい。
【００６５】
また、加湿器８は、冷却水循環経路１１のうち、冷却水熱交換器１２の下流側、かつ、燃料電池５の上流側の経路に配置するように構成されている。
【００６６】
このように構成された本発明の実施の形態２の燃料電池システム１００であれば、実施の形態１の燃料電池システム１００を具体的に構成し、実施の形態１と同様に、燃料電池５の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器８を備える燃料電池システム１００において、燃料電池５を冷却して得られた冷却水の温度を加湿器８で低下させずに高温に維持したまま冷却水熱交換器１２に供給することで、貯湯タンクの水温を高温に保つことができる。また、貯湯タンクの水温を維持したままでも燃料電池５の運転温度を低下させ、燃料電池５の使用材料の長期使用時の温度耐性低下を防止することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明の燃料電池システムは、燃料電池の冷却水を用いて酸化剤ガスを加湿する加湿器を備える燃料電池システムにおいて、燃料電池を冷却して得られた冷却水の温度を加湿器で低下させずに高温に維持したまま熱交換器に供給することで、貯湯タンクの水温を高温に保つことができる。また、貯湯タンクの水温を維持したままでも燃料電池の運転温度を低下させ、燃料電池の長期使用時の信頼性の向上を図ることが可能となるため、家庭用の燃料電池システムに好適である。
【符号の説明】
【００６８】
１  水素生成器
１ａ  改質器
１ｂ  燃焼器
２  原料供給部
３  水供給器
４ａ  燃料ガス供給経路
４ｂ  オフ燃料ガス経路
５  燃料電池
６  ブロアー
７  酸化剤ガス供給経路
８  加湿器
９  オフ燃焼ガス経路
１０  オフ酸化剤ガス経路
１１  冷却水循環経路
１２  冷却水熱交換器
１３  熱回収経路
１４  排気部
１００  燃料電池システム
【図１】
2016131087.tif 000003
【図２】
2016131087.tif 000004
【図３ａ】
2016131087.tif 000005
【図３ｂ】
2016131087.tif 000006
【図４】
2016131087.tif 000007