(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、燃料ガスを昇圧する昇圧手段と、この昇圧手段に接続される脱流器とを順に接続して構成される改質装置を備え、前記改質装置と排熱を利用する熱回収装置との間を第１の管体で接続し、燃料電池と前記熱回収装置との間を第２の管体で接続し、前記第２の管体に連結する前記燃料電池のカソード排ガス出口を、前記第２の管体に連結する前記熱回収装置のカソード排ガス入口よりも高所に位置させると共に、前記第２の管体を傾斜させ、さらに前記第１の管体及び前記第２の管体から蒸気凝縮水が送り出される熱交換器を前記熱回収装置に具備し、この熱交換器は外部の機器である温水器と接続可能であり、前記温水器は、温水が上層、冷水が下層の、水温による２層状態のものであることを特徴とする燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
近年、新発電システムの一つとして、小容量分散発電が容易であり、ＮＯＸやＳＯＸなどの有害物質の発生がなく、しかも低騒音というメリットを有する電解質膜と触媒とを利用した燃料電池装置が考えられている。こうした燃料電池装置は、燃料ガスである天然ガスなどから水素ガスを生成する改質装置と、この水素ガスと酸化剤としての酸素（空気）との電気化学的反応により発電を行なう燃料電池と、この燃料電池に酸素（空気）を供給する空気供給装置（空気ブロア）と、燃料電池で発生した電気エネルギーを商用電圧・周波数に変換する電力変換装置（インバータ）と、燃料電池や改質装置で発生する熱を回収して、他の排熱利用外部機器に熱を供給する熱回収装置と、本体（パッケージ）内を換気する送風装置（換気ファン）と、排熱を利用しない場合の冷却に使用する放熱装置（クーリングモジュール）とにより基本的に構成される。また、上記基本的な構成において、各々の構成要素を円滑に動作させるために、天然ガスを昇圧するブロアや、天然ガスの硫黄分を除去する脱硫器や、改質装置に水（蒸気）を送るポンプや、燃料電池の電解膜質を加湿するために、この燃料電池に水を送るポンプや、水中の不純物を除去する浄化装置や、水の電解質を除去するイオン交換装置や、燃料ガス，空気，水の流量を電磁弁で制御する制御器としてのコントローラなどの、様々な補助機器が配置されている。
【０００３】
ところで上記構成においては、燃料電池や改質装置から発生する排ガス（排気ガス）を熱回収装置に案内するために、この燃料電池や改質装置と熱回収装置とをつなぐ配管が、本体の外部に例えばＳＵＳパイプなどを利用して設けられているが、この配管を無造作に接続すると、排ガス中の蒸気凝縮水が燃料電池や改質装置に逆流して、配管の内部や燃料電池および改質装置の排ガス出口部に水が溜まる。このため、配管圧力損失の増大や、燃料電池および改質装置の内部圧力上昇を来し、発電性能や改質性能を著しく低下させたり、水シール部材のシール性が低下するなど、安全性においても不具合が発生する。
【０００４】
本発明は上記問題点を解決しようとするものであり、排ガス中の蒸気凝縮水が燃料電池に逆流することを防止して、発電性能を低下させることなく安全な運転を可能にすると共に、改質器などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止し、さらに燃料電池からの蒸気凝縮水が保有する熱エネルギーを効率よく利用できる燃料電池装置を提供することをその目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明における燃料電池装置では、燃料電池から排出される蒸気凝縮水は、燃料電池と排熱を利用する熱回収装置との間の第２の管体を通過する際に途中で逆流することなく、この第２の管体をスムースに下って熱回収装置に送り出される。したがって、第２の管体中における蒸気凝縮水の逆流を防止し、配管圧力損失の増大や燃料電池内部の圧力上昇を招くことなく、安全に運転を行なうことが可能になる。また、燃料電池装置としての運転を開始すると、燃料ガスが昇圧手段に入って昇圧され、脱硫器に送り出される。ここで燃料ガスに含まれる硫黄分が脱硫剤の吸着作用により取り除かれる。脱硫器により硫黄分を除去することで、その後の改質器などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止できる。さらに、熱回収装置内の熱交換器が外部の機器と接続可能となっており、燃料電池からの蒸気凝縮水が保有する熱エネルギーを、熱交換装置内の熱交換器を介して外部の機器で効率よく利用することが可能になる。
【０００６】
【発明の実施形態】
以下、本発明における燃料電池装置の各実施例について、添付図面を参照しながら説明する。図１〜図３は本発明の第１実施例を示すものであり、装置全体の概略構成をあらわした図１において、１は酸化剤ガスとしての酸素（空気）を供給する空気供給装置、２は天然ガスなどの燃料ガス（原燃料）から水素ガスを生成する改質装置であり、この空気供給装置１からの酸素と改質装置２からの水素ガスが、燃料電池３により電気化学反応を起こし、燃料電池３内で発電を行なうようになっている。また４は、燃料電池３で発生した電気エネルギー（直流電力）を商用電圧・周波数の交流電力に変換する電力変換装置としてのインバータである。前記改質装置２や燃料電池３で発生する熱（排ガス）は排熱利用熱交換器である回収装置すなわち熱回収装置５により回収され、交換器である熱交換器６に接続可能な外部の熱利用機器である例えば床暖房機器や温水器などの熱利用外部機器７に供給される。その他、これらの各構成要素を円滑に動作させるために、例えばポンプや、電磁弁や、これらのポンプおよび電磁弁などを制御する制御器としてのコントローラなどの補助機器８が設けられている。なお、この図１における概略構成は、後述する第２および第３実施例にも共通している。
【０００７】
次に、本装置の主要部におけるより詳細な構成を図２に基づき説明する。同図において、前記改質装置２は、燃料ガスを昇圧する昇圧ブロア11と、この昇圧ブロア11の吐出口に接続される活性炭などからなる脱硫器12と、脱硫器12の出口のその入口が接続され、触媒からなる改質部とこの改質部を加熱するバーナー部とにより構成される改質器13と、改質器13の出口にその入口が接続される触媒からなるＣＯシフト反応器14と、ＣＯシフト反応器14の出口にその入口が接続される触媒からなるＣＯ選択反応器15とを順に接続して構成される。また、ＣＯ選択反応器15の出口は燃料電池３のアノード17に接続され、アノード17の出口は改質器13のバーナー部に接続される。
【０００８】
前記燃料電池３は、触媒を担持した電極としてのアノード17とカソード18との間に、固体高分子からなる電解質膜19を挟持すると共に、アノード17およびカソード18のそれぞれに燃料ガスや空気を送り込むための流路を形成したセパレータ（図示せず）を備えて構成される。また21は、前記空気供給装置１を構成する空気ブロアで、この空気ブロア21の吐出口は３方向に分岐され、１つは燃料電池３のカソード18へ、他の１つは改質器13のバーナー部へ、他のもう１つはＣＯ選択反応器15へそれぞれ接続される。
【０００９】
改質器13を構成するバーナー部の排ガス出口は、水蒸気発生用熱交換器22の入口に接続される。そして、この改質器13のバーナー部からの排ガスは、水蒸気発生用熱交換器22を経由し、改質装置２のガス口であるバーナー排ガス出口23からバーナー排ガス配管24を通って、熱回収装置５のガス口であるバーナー排ガス入口25に送り出されるようになっている。またこれとは別に、燃料電池３を構成するカソード18のガス口すなわち出口（カソード排ガス出口26）が、カソード排ガス配管27により熱回収装置５のガス口であるカソード排ガス入口28に接続される。30は熱回収装置５の液相部に接続された水ポンプで、その吐出口は２方向に分岐され、一方の吐出口は燃料電池３のアノード17に接続され、他方の吐出口は改質装置２を構成する水蒸気発生用熱交換器22を経由して、改質器13の入口に接続される。
【００１０】
32は市水の流入量を制御する電磁弁で、その出口は熱回収装置５の熱交換器６を経由して、熱利用外部機器７である温水器33の温水入口34に接続される。また35は、温水器33の温水出口である。36は温水器33の冷水出口であり、この冷水出口36は循環ポンプ37を経由して熱回収装置５の熱交換器６に接続される。循環ポンプ37は、温水器33の冷水を熱回収装置５に送り込むものである。その他、この図２には図示していないが、ガス，空気および水の流れや温度を制御するためのセンサ，コントローラおよび開閉器（例えば電磁弁）などの補助機器８や、燃料電池３で得た直流発電電力を交流電力に変換するインバータ４や、装置の運転を制御する制御装置なども、本装置内に配置・接続される。
【００１１】
図３は、燃料電池装置の主要部における構成を示すものである。同図において、41は燃料電池装置本体の外郭を形成する箱状のパッケージであり、このパッケージ41内の基台42上には、前述のバーナー点火プラグ43を備えた改質装置２の他に、燃料電池３と、熱回収装置５と、電力変換装置としてのインバータ４がそれぞれ配置される。また、基台42の下部には、各種センサや、コントローラや電磁弁などの補助機器８が配設される。パッケージ41の外部には温水器33が設けられ、この温水器33の温水入口34および冷水出口36が、循環ポンプ37を経由して熱回収装置５に接続される。さらに、電磁弁32も循環ポンプ37と共にパッケージ41の内部に設けられる。
【００１２】
改質装置２のバーナー排ガス出口23は、熱回収装置５のバーナー排ガス入口25よりも高い位置に設けられる。また、燃料電池３のカソード排ガス出口26も、熱回収装置５のカソード排ガス入口28よりも高い位置に設けられる。改質装置２のバーナー排ガス出口23と熱回収装置５のバーナー排ガス入口25との間を連結するバーナー排ガス配管24は、熱回収装置５側に下り勾配となるように傾斜配管されており、また燃料電池３のカソード排ガス出口26と熱回収装置５のカソード排ガス入口28との間を連結するカソード排ガス配管27も、熱回収装置５側に下り勾配となるように傾斜配管されている。
【００１３】
次に、上記構成についてその作用を説明する。燃料電池装置としての運転を開始すると、燃料ガスが改質装置２の昇圧ブロア11に入って昇圧され、脱硫器12に送り出される。ここで燃料ガスに含まれる硫黄分が脱硫剤の吸着作用により取り除かれる。なお、本実施例では脱硫剤として活性炭を用いたが、他の触媒を用いてもよく、要するに燃料ガス中に含まれる硫黄分を除去できればよい。脱硫器12により硫黄分を除去する目的は、その後の改質器13などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止することにある。
【００１４】
脱硫器12を通過した燃料ガスは、水蒸気発生用熱交換器22で発生した水蒸気と混合され、改質器13の改質部に入る。この改質部はバーナー部により約750℃前後に加熱されており、燃料ガスはここで触媒の作用により水素ガスと炭酸ガス（二酸化炭素）とに変化する。しかし、ここで生成したガスには、一酸化炭素も若干含まれているが、後述する固体高分子型の燃料電池３は、一酸化炭素によりその性能が著しく低下するため、一酸化炭素の濃度を一定値以下にする必要がある。
【００１５】
改質器13を通過した燃料ガスは、次のＣＯシフト反応器14に入り、ここでも触媒の作用により一酸化炭素は水蒸気と反応して水素ガスと二酸化炭素とに変化し、一酸化炭素の濃度はかなり低いレベルにまで低下する。ＣＯシフト反応器14を通過した燃料ガスは、さらにＣＯ選択反応器15に入り、空気ブロア21により送り込まれた空気（酸素）と混合され、その中に含まれる一酸化炭素が触媒の作用により二酸化炭素に変化する。この時点で初めて燃料電池３に悪影響を及ぼさない濃度まで、燃料ガス中に含まれる一酸化炭素の濃度を下げることができる。
【００１６】
ＣＯ選択反応器15を通過した燃料ガスは、燃料電池３の一方の電極であるアノード17に送り込まれる。また、他方の電極であるカソード18には、空気ブロア21により空気（酸素）が送り込まれる。アノード17の水素は触媒の作用によりイオン化し、電解膜質19を通ってカソード18側の酸素と結び付く。これにより、水が生成されると同じに反応熱が発生する。またこの電気化学反応によって、アノード17にマイナス極、カソード18にプラス極の電位が生じ、燃料電池３より電力を取り出すことができる。
【００１７】
アノード17を通過した燃料ガスは、大部分の水素ガスが消費されているが、まだかなりの濃度で水素ガスを含んでおり、これを改質器13のバーナー部に戻して、空気ブロア21により送り込まれた空気と混合させ、バーナー部で燃焼する。これにより、残留する水素ガスを改質部の昇温に用いることができる。
【００１８】
カソード18を通過した空気は、燃料電池３で発生した水（水蒸気）と熱を有しており、これを燃料電池３のカソード排ガス出口26からカソード排ガス配管27を経て熱回収装置５に通過させることにより水に戻し、水ポンプ30によって燃料電池３のアノード17に送り込むことで、固体高分子膜（電解質膜19）の加湿および燃料電池３の冷却に使用する。同じく水ポンプ30により、水蒸気発生用熱交換器22に送り込まれた水は、改質器13のバーナー部から排出されるバーナー排ガスによって加熱され、水蒸気となって昇圧ブロア11からの燃料ガスと共に改質器13の改質部に入る。その際、燃料電池３のカソード排ガス出口26は、熱回収装置５のカソード排ガス入口28よりも高い位置に設けられており、しかもカソード排ガス配管27は、熱回収装置５側に下り勾配となるように傾斜配管されているので、カソード排ガス配管27を通過する蒸気凝縮水は途中で逆流することなく、スムーズに熱回収装置５に送り出される。
【００１９】
また、水蒸気発生用熱交換器22を通過したバーナー排ガスは、改質装置２のバーナー排ガス出口23からバーナー排ガス配管24を通って熱回収装置５に送り込まれ、そこで持っている熱エネルギーを放出する。ここでも、改質装置２のバーナー排ガス出口23は、熱回収装置５のバーナー排ガス入口25よりも高い位置に設けられており、しかもバーナー排ガス配管24は、熱回収装置５側に下り勾配となるように傾斜配管されているので、バーナー排ガス配管24を通過する蒸気凝縮水は途中で逆流することなく、スムーズに熱回収装置５に送り出される。
【００２０】
次に、熱利用外部機器７の動作について説明する。先ず、燃料電池装置を運転する前に電磁弁32を開放し、市水を温水器33に満たしておく。その後、燃料電池装置の運転を開始すると循環ポンプ37が作動し、この循環ポンプ37によって温水器33の冷水が冷却出口36から熱回収装置５の熱交換器６に送り込まれ、燃料電池３のカソード18や改質器13のバーナー部からの排ガスの熱エネルギーを貰って温水となる。この温水は熱回収装置５から温水入口34に送り出され、再び温水器33に戻る。温水器33の内部は水温の違いにより２層状態となっており、温水は貯水槽の上層に、冷水は貯水槽の下層に位置している。ここで貯水槽の上部に取付けられた温水出口35を開放することにより、熱交換装置５を利用して得た温水を使用することが可能になる。
【００２１】
以上のように本実施例では、燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行なう燃料電池装置において、改質装置２と回収装置としての熱回収装置５との間を管体であるバーナー排ガス配管24で接続し、このバーナー排ガス配管24の一端に連結する改質装置２のガス口としてのバーナー排ガス出口23を、バーナー排ガス配管24の他端に連結する熱回収装置５のガス口としてのバーナー排ガス入口25よりも高所に位置させると共に、バーナー排ガス配管24を傾斜させている。
【００２２】
このようにすると、改質装置２から排出される蒸気凝縮水は、バーナー排ガス配管24を通過する際に途中で逆流することなく、このバーナー排ガス配管24をスムースに下って熱回収装置５に送り出される。したがって、バーナー排ガス配管24中における蒸気凝縮水の逆流を防止し、配管圧力損失の増大や改質装置２内部の圧力上昇を招くことなく、安全に運転を行なうことが可能になる。
【００２３】
また本実施例では、燃料ガスを昇圧する昇圧ブロア11と、この昇圧ブロア11に接続される脱流器12とを備え、燃料電池３と熱回収装置５の間を管体であるカソード排ガス配管27で接続し、このカソード排ガス配管27の一端に連結する燃料電池３のガス口としてのカソード排ガス出口26を、カソード排ガス配管27の他端に連結する熱回収装置５のガス口であるカソード排ガス入口28よりも高所に位置させると共に、カソード排ガス配管27を傾斜させている。
【００２４】
このようにすると、燃料電池３から排出される蒸気凝縮水は、燃料電池３と排熱を利用する熱回収装置５との間のカソード排ガス配管27を通過する際に途中で逆流することなく、このカソード排ガス配管27をスムースに下って熱回収装置５に送り出される。したがって、カソード排ガス配管27中における蒸気凝縮水の逆流を防止し、配管圧力損失の増大や燃料電池３内部の圧力上昇を招くことなく、安全に運転を行なうことが可能になる。また、燃料電池装置としての運転を開始すると、燃料ガスが改質装置２の昇圧ブロア11に入って昇圧され、脱硫器12に送り出される。ここで燃料ガスに含まれる硫黄分が脱硫剤の吸着作用により取り除かれる。脱硫器12により硫黄分を除去することで、その後の改質器14などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止できる。
【００２５】
さらに、本実施例における熱回収装置５は熱交換器６を具備し、この熱交換器６は外部の機器である熱利用外部機器７と接続可能となっている。このようにすると、改質装置２や燃料電池３からの蒸気凝縮水が保有する熱エネルギーを、熱交換装置５内の熱交換器６を介して熱利用外部機器７で効率よく利用することが可能になる。
【００２６】
なお本実施例では、改質装置２と熱回収装置５とを接続する配管、および燃料電池３と熱回収装置５を接続する配管について説明したが、特に部品を限定するものではなく、要は燃料電池装置における配管圧力損失の増大、部品内部の圧力上昇を防止し、性能低下を起すことなく安全に運転が行なわれる目的を達成できればよい。また熱利用外部機器７についても、本実施例では温水器33を利用しているが、例えば室内の暖房に使用してもよく、その用途は問わない。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の燃料電池装置によれば、排ガス中の蒸気凝縮水が燃料電池に逆流することを防止して、発電性能を低下させることなく安全な運転を可能にすると共に、改質器などの触媒が燃料硫黄分により劣化するのを防止し、さらに燃料電池からの蒸気凝縮水が保有する熱エネルギーを効率よく利用できる燃料電池装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の各実施例に共通する燃料電池装置の概略を示すブロック構成図である。
【図２】  本発明の第１実施例における燃料電池装置のより詳細な説明図である。
【図３】  同上燃料電池装置の縦断面図である。
【符号の説明】
３  燃料電池
５  熱回収装置
６  熱回収器
７  熱利用外部機器（外部の機器）
11  昇圧ブロア
12  脱流器
24  バーナー排ガス配管（第１の管体）
26  カソード排ガス出口
27  カソード排ガス配管（第２の管体）
28  カソード排ガス入口
33  温水器
【図１】
0003809646.tif 000002
【図２】
0003809646.tif 000003
【図３】
0003809646.tif 000004