JP2000215901A - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents

固体高分子型燃料電池システム

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JP2000215901A
JP2000215901A JP10366106A JP36610698A JP2000215901A JP 2000215901 A JP2000215901 A JP 2000215901A JP 10366106 A JP10366106 A JP 10366106A JP 36610698 A JP36610698 A JP 36610698A JP 2000215901 A JP2000215901 A JP 2000215901A
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俊哉 大村
Kunihiro Nishizaki
邦博 西崎
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    • Y02E60/50—Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】ＰＥＦＣにおける余剰燃料や余剰空気、或いは
電池冷却水の利用効率を可及的に高めてなる固体高分子
型燃料電池システムを得る。 【解決手段】ＰＥＦＣに燃焼器を併置し、ＰＥＦＣから
の余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼さ
せ、燃焼ガスの熱を給水の加熱に利用するようにしてな
ることを特徴とする燃料電池システム。ＰＥＦＣに燃焼
器、貯湯槽を併置し、また燃焼器を貯湯槽内に配置する
など各種構成を採ることができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、固体高分子型燃料
電池（ＰＥＦＣ）における諸エネルギーを効率的に利用
するようにしてなる固体高分子型燃料電池システム（装
置）に関する。
【０００２】
【従来の技術】図１はＰＥＦＣの一態様例を説明するた
めの概略図である。図１中、１は高分子電解質膜、２は
カソード電極（正極＝空気極又は酸素極）、３はアノー
ド電極（負極＝燃料極又は水素極）であり、高分子電解
質膜１は相対するこの正負両電極２、３間に当接して配
置されている。また４はカソード電極側集電体、５はア
ノード電極側集電体であり、それぞれ正負の電極２及び
３に当接されている。
【０００３】カソード電極側集電体４の電極２側には酸
素又は空気供給用の溝が設けられ、アノード電極側集電
体５の電極３側には燃料ガス供給用の溝が設けられ、正
極側集電体４の溝は酸素又は空気供給管６に、負極側集
電体５の溝は燃料供給管７に連通している。８は正極側
集電体４に当接して設けられたカソード端子板、９は負
極側集電体５に当接して設けられたアノード端子板であ
り、電池の作動中にこれら端子板を通して電力が取り出
される。
【０００４】１０は左部枠体、１１は右部枠体であり、
これら両枠体１０、１１により高分子電解質膜１からカ
ソード端子板８及びアノード端子板９までの電池本体を
被って固定されている。これら両枠体１０、１１間に
は、高分子電解質膜１からカソード端子板８及びアノー
ド端子板９までの電池本体の周縁部を囲ってパッキン１
２が設けられている。以上は、電池本体が単一の場合で
ある。この電池本体を二つ以上積み重ねても構成される
が、基本的には以上の単一の電池本体の場合と同様であ
る。
【０００５】ＰＥＦＣは、作動時に温度８０〜１００℃
程度に維持する必要があるため、電池冷却水により冷却
される。冷却水は左部枠体１０及び右部枠体１１の内面
に設けられた溝（閉じた通路）に連通し、カソード端子
板８及びアノード端子板９の背面から間接的に冷却し、
自らは温められるので熱交換器で冷却され、ＰＥＦＣへ
循環される。また、熱交換器で電池冷却水を間接的に冷
却し、自らは温められた水は温湯として利用される。
【０００６】ところで、ＰＥＦＣにおける燃料水素は１
００％の利用率は難しく、このため未利用の余剰水素や
余剰空気が排出される。従来、この余剰水素は、そのま
ま放散させるか、燃焼させて排気されており、有効に利
用されていない。また固体高分子電解質膜は耐熱性上１
００℃程度が限度であり、このため上記のように電池冷
却水により冷却する必要があるが、このため電池冷却水
を介した熱の有効利用を図ることが考えられる。図２〜
図４はこれらの態様例を示す図である。
【０００７】図２は、電池冷却水の熱を間接熱交換器に
より温湯用に利用する場合であり、温湯用の熱が不足す
る場合には、ボイラからの熱も利用され、貯湯槽から給
湯される。しかし、この態様ではＰＥＦＣから出る余剰
水素を大気中に放出することになるので、その分ロスと
なる。図３は、余剰水素をＰＥＦＣへリサイクルさせて
利用する態様である。しかし、この態様ではリサイクル
のためのエネルギーロスが伴い、また余剰水素の全部を
リサイクルすることはできないので、この場合にもその
分ロスとなる。
【０００８】図４は余剰水素を改質器にリサイクルして
利用する態様である。改質器は基本的には燃焼部と改質
部とから構成され、都市ガス等の炭化水素ガスが燃焼部
による加熱により改質部で水素リッチのガスに改質され
るが、余剰水素はその燃焼部における燃料として利用さ
れる。しかしこの態様では改質器を付設する場合にしか
適用できなし、また余剰水素の全部をリサイクルするこ
とはできないので、この場合にもその分ロスとなり危険
で環境汚染になってしまう。
【０００９】以上、何れの態様でもそれぞれ欠点がある
のに加え、余剰水素を図３〜図４のようにリサイクルし
て利用するにしても、余剰水素の全部をリサイクルする
ことはできないので、その分ロスとなり、同じくＰＥＦ
Ｃから排出される余剰空気の熱も無駄になる。また、Ｐ
ＥＦＣの電池冷却水を介して熱の有効利用を図るにして
も、ＰＥＦＣの設置箇所としてのビルや工場等で常時所
要温湯を得るには、給湯追い焚き設備が必要であり、そ
の分コストアップ、サイズアップになってしまう。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、ＰＥＦＣに
おける余剰燃料や余剰空気、或いは電池冷却水の熱を利
用しようとする場合において考えられる以上のような諸
欠点がなく、それらのエネルギー利用効率を可及的に高
めてなる固体高分子型燃料電池システムを提供すること
を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は、（１）固体高
分子型燃料電池に燃焼器を併置し、該電池からの余剰燃
料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼
ガスの熱を給水の加熱に利用するようにしてなることを
特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１２】本発明は、（２）固体高分子型燃料電池に
燃焼器を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空
気を該燃焼器に通して燃焼させ、給水を燃焼ガスで加熱
し、且つ、給水を電池冷却水との間接加熱により加熱す
るようにしてなることを特徴とする燃料電池システムを
提供する。
【００１３】本発明は、（３）固体高分子型燃料電池に
燃焼器及び貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス
及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯
湯槽に導入して貯湯槽中の温水を加熱するようにしてな
ることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１４】本発明は、(４)固体高分子型燃料電池に燃
焼器及び貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及
び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯湯
槽中に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする燃
料電池システムを提供する。
【００１５】本発明は、（５）固体高分子型燃料電池に
燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃
料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱
及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱するようにし
てなることを特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１６】本発明は、（６）固体高分子型燃料電池に
燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃
料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼
熱により貯湯槽中の温水を加熱するとともに、燃焼ガス
を貯湯槽中に直接吹き込むことを特徴とする燃料電池シ
ステムを提供する。
【００１７】本発明は、（７）固体高分子型燃料電池に
燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃
料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱
及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱するととも
に、貯湯槽中に配置した間接熱交換器に電池冷却水を循
環させて貯湯槽中の温水を加熱するようにしてなること
を特徴とする燃料電池システムを提供する。
【００１８】本発明は、（８）固体高分子型燃料電池に
燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃
料ガス及び余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱
により貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に
電池冷却水を循環させる間接熱交換器を配置し、貯湯槽
中の水を該間接熱交換器及び燃焼ガスとの間接熱交換器
に順次通すようにしてなることを特徴とする燃料電池シ
ステムを提供する。
【００１９】
【発明の実施の形態】ＰＥＦＣの燃料ガスとしては、純
度９９．９９％と云うような高純度の水素が用いられ
る。水素は水の電解、石炭やコークスのガス化、液体燃
料のガス化、ガス体燃料の変成、コークス炉ガスの液化
分離、メタノールやアンモニアの分解など各種の方法で
得られるが、本発明においてはその由来を問わず何れも
使用される。このうち、容易に入手でき安価でクリーン
であることなどから、天然ガスや都市ガス等の炭化水素
ガスを改質して得られた水素を主成分とする改質ガスが
特に有利に使用される。
【００２０】本発明においては、ＰＥＦＣからの余剰水
素及び余剰空気を別途併置した燃焼器に供給して燃焼さ
せ、その燃焼熱を水の加熱に利用する。その利用の仕方
としては、その燃焼ガスを間接熱交換又は直接熱交換に
より利用する。間接熱交換では間接熱交換器を介して行
われ、直接熱交換は水を収容した貯湯槽中に燃焼ガスを
直接吹き込むことで行われる。
【００２１】また、本発明においては、燃焼器を貯湯槽
中に配置することにより、燃焼器で発生する熱の放逸を
防ぎ、その発生熱の実質上全部を水の加熱に利用するこ
とができる。ビルや工場、その他の施設におけるＰＥＦ
Ｃの設置箇所で多量の温湯が必要な場合や冬期などで所
定量の温水を得るのに必要な熱が不足する場合には、Ｐ
ＥＦＣへ供給する燃料ガスの量を増やすか、或いは燃料
ガスの１部をバイパスさせて燃焼器に供給することによ
り対処することができる。さらに、本発明においては、
ＰＥＦＣにおける電池冷却水の熱を水の加熱に利用す
る。
【００２２】
【実施例】以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく
説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないこと
はもちろんである。
【００２３】《実施例１》図５はＰＥＦＣに燃焼器を併
置し、ＰＥＦＣからの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃焼
器に通して燃焼させ、燃焼ガスの熱を給水の加熱に利用
する例である。ＰＥＦＣの燃料極からの余剰水素及び空
気極からの余剰空気を燃焼器に通して燃焼させ、その燃
焼ガスを熱交換器に導入し、給水と熱交換させて加熱す
る。加熱された給水は、温水として利用される。ＰＥＦ
Ｃの電池冷却水はポンプを介して閉回路により循環さ
せ、熱交換器を介して給水を加熱し温水を得ることがで
きる。ＰＥＦＣが例えば１００℃で作動される場合、そ
のための温度制御は上記閉回路の途中に設けられた熱交
換器に供給する水量を調節することにより行われる。
【００２４】図５の例では、燃焼器の燃焼ガスによる給
水加熱と、電池冷却水による給水加熱をパラレルに行う
が、図６は両加熱を直列に行う例である。給水をＰＥＦ
Ｃの電池冷却水との熱交換により加熱した後、熱交換器
を介して燃焼器からの燃焼ガスで加熱する。図５〜６
中、Ｔ１は温水の温度検知器であり、ここで検知された
温水温度の如何により給水量を増減することができる。
【００２５】《実施例２》図７〜８は、図５〜６の例に
おいて、ＰＥＦＣへ供給する燃料ガスの一部を燃焼器へ
バイパスさせるようにした例である。燃料ガスを燃焼器
へ積極的に加え、熱量をコントロールし、より多量の温
水を得る必要がある場合や冬期などのように所定量の温
水を得る上で熱が不足する場合などに適用することがで
きる。燃料ガスの一部をバイパスさせて燃料極からの余
剰水素とともに燃焼器に供給する。図７〜８中、Ｔ１は
温水の温度検知器であり、その温度の如何によりバイパ
スからの燃料ガスを増減することができる。燃料ガスの
一部を燃焼器へバイパスさせる構成は、以下の全ての実
施例においても必要に応じて適用される。
【００２６】《実施例３》図９は、ＰＥＦＣに燃焼器と
貯湯槽を併置し、ＰＥＦＣからの余剰燃料ガス及び余剰
空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯湯槽に導
入して貯湯槽中の温水を加熱する例である。燃焼ガスは
貯湯槽に導入され、ここで熱交換器を介した間接熱交換
により貯湯槽中の温水を加熱した後、排出される。図１
０は上記間接熱交換に代えて、燃焼ガスを貯湯槽中に直
接吹き込むことにより貯湯槽中の温水を加熱する例であ
る。燃焼ガスの直接吹き込みにより燃焼ガスが保有する
熱をより有効に回収することができる。
【００２７】図９〜１０の何れの場合にも、貯湯槽中の
温水は、電池冷却水との間接熱交換器に導いてさらに加
熱し温水として利用するが、温水の必要量に応じて一部
を貯湯槽へ戻すようにしてもよい。また、温度検知器Ｔ
ｌにより電池冷却水との熱交換後の温水温度を検知し、
ＰＥＦＣへの燃料ガス量を増減することができる。これ
らの点は、下記実施例４（図１１〜１２）についても同
様である。
【００２８】《実施例４》図１１〜１２はＰＥＦＣに燃
焼器を収容した貯湯槽を併置し、ＰＥＦＣからの余剰燃
料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼
熱及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱する例であ
る。燃焼器を貯湯槽内の水中に配置することにより、燃
焼熱がより完全に回収される。図１１は燃焼器での燃焼
ガスの熱を間接熱交換により回収する場合である。図１
２は燃焼器での燃焼ガスを貯湯槽内の水中に直接吹き込
む場合であり、これにより間接熱交換器を省略しシンプ
ル化を図ることができる。
【００２９】《実施例５》図１３〜１４は、ＰＥＦＣに
燃焼器を収容した貯湯槽を併置し、ＰＥＦＣからの余剰
燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃
焼熱及び燃焼ガスにより貯湯槽中の温水を加熱するとと
もに、貯湯槽中に配置した間接熱交換器に電池冷却水を
循環させて貯湯槽中の温水を加熱する例である。電池冷
却水は貯湯槽中に配置した熱交換器に循環し、貯湯槽中
の温水を加熱する。
【００３０】図１３は燃焼器での燃焼ガスの熱を間接熱
交換により回収する場合、図１４は燃焼器での燃焼ガス
を貯湯槽内の水中に直接吹き込む場合である。図１４の
直接吹き込みの場合には間接熱交換器を省略しシンプル
化を図ることができる。図１３〜１４の何れの場合に
も、貯湯槽中の温水を給水ポンプを介した導管により貯
湯槽へ循環させることができる。
【００３１】《実施例６》図１５は、ＰＥＦＣに燃焼器
を収容した貯湯槽を併置し、ＰＥＦＣからの余剰燃料ガ
ス及び余剰空気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱に
より貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に電
池冷却水を循環させる間接熱交換器を配置し、貯湯槽中
の水を該間接熱交換器及び燃焼ガスとの間接熱交換器に
順次通すようにした例である。
【００３２】貯湯槽中の水は、ポンプＰ、導管を介して
電池冷却水との間接熱交換器、燃焼器からの燃焼ガスと
の間接熱交換器に順次通すことにより加熱される。その
際、余剰の温湯は適宜貯湯槽へ戻される。貯湯槽には温
水の消費量に応じて給水される。本実施例は図６又は図
８における熱交換器を全て貯湯槽内に沈めた場合に相当
している。燃焼器、熱交換器及び配管は全て貯湯槽内に
配置されているので、ＰＥＦＣから得られる諸エネルギ
ーをほぼ完全に利用し回収することができる。
【００３３】
【発明の効果】本発明によれば、ＰＥＦＣからの余剰水
素及び余剰空気を燃焼器で燃焼させ、その熱を効率的に
利用することができる。また、ＰＥＦＣへ供給する燃料
ガスの量を増やすか、或いは燃料ガスの一部を燃焼器に
バイパスさせることにより、温水の需要量の変動や冬期
などに対応させることができる。また、併せてＰＥＦＣ
における電池冷却水の熱利用効率を可及的に高めること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＰＥＦＣの一態様例を説明するための概略図。
【図２】ＰＥＦＣ電池冷却水の熱を温湯用に利用する例
を示す図。
【図３】ＰＥＦＣ余剰水素をＰＥＦＣへリサイクルして
利用する例を示す図。
【図４】ＰＥＦＣ余剰水素を改質器にリサイクルして利
用する例を示す図。
【図５】本発明の実施例を示す図。
【図６】本発明の他の実施例を示す図。
【図７】本発明の他の実施例を示す図。
【図８】本発明の他の実施例を示す図。
【図９】本発明の他の実施例を示す図。
【図１０】本発明の他の実施例を示す図。
【図１１】本発明の他の実施例を示す図。
【図１２】本発明の他の実施例を示す図。
【図１３】本発明の他の実施例を示す図。
【図１４】本発明の他の実施例を示す図。
【図１５】本発明の他の実施例を示す図。
【符号の説明】
１ 高分子電解質膜 ２ カソード電極（正極＝空気極又は酸素極） ３ アノード電極（負極＝燃料極又は水素極） ４ カソード電極側集電体 ５ アノード電極側集電体 ６ 酸素又は空気供給管 ７ 燃料（通常は水素）供給管 ８ カソード端子板 ９ アノード端子板 １０ 左部枠体 １１ 右部枠体 １２ パッキン Ｔ１ 温度検知器 Ｐ ポンプ

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】固体高分子型燃料電池に燃焼器を併置し、
    該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通
    して燃焼させ、燃焼ガスの熱を給水の加熱に利用するよ
    うにしてなることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 【請求項２】固体高分子型燃料電池に燃焼器を併置し、
    該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を該燃焼器に通
    して燃焼させ、給水を燃焼ガスで加熱し、且つ、給水を
    電池冷却水との間接加熱により加熱するようにしてなる
    ことを特徴とする燃料電池システム。
  3. 【請求項３】請求項２において、給水を、電池冷却水と
    の間接加熱により加熱した後、燃焼器の燃焼ガスで加熱
    するようにしてなることを特徴とする燃料電池システ
    ム。
  4. 【請求項４】固体高分子型燃料電池に燃焼器及び貯湯槽
    を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃
    焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯湯槽に導入して貯
    湯槽中の温水を加熱するようにしてなることを特徴とす
    る燃料電池システム。
  5. 【請求項５】固体高分子型燃料電池に燃焼器及び貯湯槽
    を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空気を燃
    焼器に通して燃焼させ、燃焼ガスを貯湯槽中に直接吹き
    込むようにしてなることを特徴とする燃料電池システ
    ム。
  6. 【請求項６】請求項４又は５において、貯湯槽中の温水
    を電池冷却水との間接熱交換器に導いて加熱するように
    してなることを特徴とする燃料電池システム。
  7. 【請求項７】固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した
    貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空
    気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱及び燃焼ガスによ
    り貯湯槽中の温水を加熱するようにしてなることを特徴
    とする燃料電池システム。
  8. 【請求項８】固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容した
    貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰空
    気を該燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱により貯湯槽中
    の温水を加熱するとともに、燃焼ガスを貯湯槽中に直接
    吹き込むことを特徴とする燃料電池システム。
  9. 【請求項９】請求項７又は８において、貯湯槽中の温水
    を導管により電池冷却水との間接熱交換器に導いて加熱
    するようにしてなることを特徴とする燃料電池システ
    ム。
  10. 【請求項１０】請求項４〜９の何れか１項において、電
    池冷却水との熱交換後の温水温度を検知し、ＰＥＦＣへ
    の燃料ガス量を増減するようにしてなることを特徴とす
    る燃料電池システム。
  11. 【請求項１１】固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容し
    た貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰
    空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱及び燃焼ガスに
    より貯湯槽中の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に配
    置した間接熱交換器に電池冷却水を循環させて貯湯槽中
    の温水を加熱するようにしてなることを特徴とする燃料
    電池システム。
  12. 【請求項１２】請求項１１において、燃焼器での燃焼ガ
    スを貯湯槽中に直接吹き込むようにしてなることを特徴
    とする燃料電池システム。
  13. 【請求項１３】請求項１１又は１２において、貯湯槽中
    の温水を給水ポンプを介して貯湯槽へ循環させるように
    してなることを特徴とする燃料電池システム。
  14. 【請求項１４】固体高分子型燃料電池に燃焼器を収容し
    た貯湯槽を併置し、該電池からの余剰燃料ガス及び余剰
    空気を燃焼器に通して燃焼させ、燃焼熱により貯湯槽中
    の温水を加熱するとともに、貯湯槽中に電池冷却水を循
    環させる間接熱交換器を配置し、貯湯槽中の水を該間接
    熱交換器及び燃焼ガスとの間接熱交換器に順次通すよう
    にしてなることを特徴とする燃料電池システム。
  15. 【請求項１５】請求項１〜１４の何れか１項に記載の燃
    料電池システムにおいて、固体高分子型燃料電池へ供給
    する燃料ガスの１部をバイパスさせて燃焼器に供給する
    ことにより必要熱量をコントロールするようにしてなる
    ことを特徴とする燃料電池システム。
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Cited By (8)

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