JP2000510637A - 低温型燃料電池の排ガス中に含有されたエンタルピーを利用する方法および該方法を実施する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は、低温型燃料電池モジュール１の排ガス中の排熱を利用する方法に関するものである。本発明の場合、燃料電池からの排ガス５をコンデンサ６内に導入する。さらに本発明は、この方法を実施する装置に関するものである。

Description

【発明の詳細な説明】 低温型燃料電池の排ガス中に含有されたエンタルピー を利用する方法および該方法を実施する装置 本発明は、熱併給発電系（Kraft-Waerme-Kopplung）を備えた低温型燃料電池 装置、ならびに、低温型燃料電池モジュールの排熱を利用する方法に関する。 ドイツ連邦共和国特許第４２３４１５１号明細書に基づき、高温型燃料電池に おいて、熱交換器を介して燃料電池モジュールの排ガスからの熱を標準的なフロ ーヒータによって利用可能であることが公知である。ドイツ連邦共和国特許第４ ０３２９９３号明細書に基づき、特に低温型燃料電池モジュールであってもよい 燃料電池モジュールのアノード排ガスが燃焼のために利用可能であることが公知 である。このような従来技術における、高温型燃料電池を備えた構成の場合、高 温の排ガスが、未だ加熱されていない多量のＨ₂を含有する燃料を予熱するため に使用されている。しかしながらこれまでには、低温型燃料電池の排ガスに含ま れるエンタルピーまたは凝縮エネルギがエネルギ供給系の総合効率を高めるため に活用されるような方法や方法を実施するための装置は開示されていない。 本発明の課題は、低温型燃料電池の排ガス中に含有されるエンタルピーまたは 凝縮エネルギがエネルギ変 換系の総合効率を高めるために貢献するような方法ならびに方法を実施するため の装置を提供することである。 本発明は、特に低温型燃料電池が特に低い圧力で運転されてエネルギ供給装置 の系全体において利用可能である場合に、低温型燃料電池の排ガスに含有される 凝縮エネルギを著しく得ることができるという認識に基づいている。特にこの認 識は、低温型燃料電池モジュールに接続された２つの熱交換器、つまり冷却媒体 中に貯えられた熱を利用可能にする熱交換器と、排ガス中に含有されるエンタル ピーを利用可能にする熱交換器との組み合わせが、熱効率、ひいては低温型燃料 電池の熱的な利用度を高めて、Ｈ₂のＨ_U（下方の熱値「Ｈ_U」）に関連して１０ ０％よりも大きな、燃料Ｈ_Uの総合利用度が達成されるということに基づいてい る。 本発明による、低温型燃料電池モジュールの排熱を利用する方法においては、 蒸気状の反応生成物で富化しかつ加熱した排ガスを、低温型燃料電池モジュール から熱交換器に導入し、少なくとも、排ガス中に含有された蒸気状の反応生成物 を凝縮して、この際に自由になったエネルギを利用可能にする。さらに、本発明 による低温型燃料電池装置においては、力−熱カップリングつまり熱併給発電系 が設けられており、排ガスが、コンデンサを有する熱交換器に接続されている。 本発明の別の有利な手段は、請求項１および５以外の請求項に記載の構成、実 施例ならびに２つの図面により得られる。 排ガスのエンタルピーを利用可能にする熱交換器はコンデンサを含んでいる。 しかしながら熱交換器のそれ以外の構成も本発明の範囲を制限するものではない 。排ガスのエンタルピーを他の利用可能なエネルギに変換するエネルギ変換器も 、本発明に基づき使用することができる。 低温型燃料電池装置の燃料電池としては、運転温度がＭＣＦＣ（溶融炭酸塩形 燃料電池：運転温度は約６００℃）の運転温度を下回るような運転温度を有する あらゆる種類が使用可能である。例を挙げるならば、ＰＡＦＣ（燐酸形燃料電池 ：運転温度は約１５０℃〜２５０℃）、ＤＭＦＣ（メタノール直接形燃料電池： 運転温度は約８０℃〜１５０℃）、ＰＥＭ（膜形燃料電池：運転温度は約５０℃ 〜８０℃）ならびにＡＦＣ（アルカリ形燃料電池：運転温度は６０℃〜９０℃） がある。 特にポリマー膜（ＰＥＭ）形燃料電池が使用されると有利である。ポリマー膜 形燃料電池とはＰＥＭ形燃料電池を意味し、この場合、ＰＥＭはポリマー電解質 膜（Polymer-Elektrolyt-Membran）またはプロトン交換膜（Proton-Exchange-Me mbrane）を表す。この他にも、ＳＰＥ（固体ポリマー電解質：Solid Polymer El ectr olyte）形燃料電池、ＳＰＦＣ（固体ポリマー形燃料電池：Solid polymer fuel cell）、ＰＥＦＣ（ポリマー電解質形燃料電池：polymer electrolyte fuel cel l）およびＩＥＭ（イオン交換膜：Ion Exchange Membran）形燃料電池がしばし ば見出される。これらは高分子膜電解質を有する燃料電池である。 付加的に排ガスエンタルピーを利用可能にするために、消費されて加熱された 冷却媒体中に貯えられたエネルギが熱交換器を介して利用可能にされるような装 置も特に有利である。特に、冷却媒体のための熱交換器も、排ガスのための熱交 換器もスペース節約的に、ただ１つのユニット内に組み込むことができると好ま しい。このような構成においては、冷却媒体が、冷却媒体を循環して案内するこ とができると、すなわち、冷却媒体を冷却および再生の後に再び燃料電池モジュ ールに供給されると特に有利である。 −燃料電池モジュールの排ガスからのエンタルピーがコンデンサにおいて、利 用可能なエネルギ（例えば熱エネルギ）に変換され、 −燃料電池反応の凝縮された生成物、例えば水がＰＥＭ形燃料電池モジュール 内に給湿のために再び戻されるような、 ＰＥＭ形燃料電池モジュールを備えた装置も有利である。 このような構成の場合、液状に生じた生成水は付加 的な管路を介して、反応物、通常の場合には反応ガスのための管路内に供給する ことができる。この生成水は、反応ガスを給湿するため、または膜を給湿するた めにも役立つ。さらに、コンデンサから得られた水はいかようにも利用可能にす ることができる（例えば家庭用水）。 本発明による方法の場合、排ガス全体、つまりアノード排ガスおよびカソード 排ガスを一緒に熱交換器に導入するか、一方の排ガス、つまりアノード排ガスま たはカソード排ガスのいずれかのみを導入することができる。 本発明による方法の場合、３０℃〜１５０℃の燃料電池モジュールの運転温度 において有利に運転が行われる。特に、５０℃〜１００℃の温度範囲が有利であ り、４５℃〜８０℃の温度範囲または約７０℃の運転温度が特に有利である。 本発明による方法において、排ガスの残留熱を、排ガスがコンデンサを去った あとに、暖房の目的で使用しても有利である。特に、熱交換器から発生した排ガ スの少なくとも一部を、暖房しようとする建造物の室内空気中に直接的に供給す ることができる。しかしながら熱交換器またはコンデンサから出た排ガスは、こ のために付加的に設けられた管路を介して別の熱交換器に導入されてもよい。こ の場合、この排ガスは新鮮水を加熱するために役立つ。 「燃料電池モジュール」とは、本来の電気化学的な変換器とこれに所属する調 節素子と発生器とこれに所属の給湿器とを含むユニットを意味する。「燃料電池 装置」とは、前記モジュールとこれに所属の周辺機器とを含む装置を意味する。 「含む」という動詞を選んだことによって、両部材名（…モジュールおよび…装 置）によりこれらのユニットをその特徴に限定せずに、さらに別の多くの構成部 材を有し得ることを表現しようとしたものである。 本発明による方法およびこの方法を実施するための装置における燃料電池とし ては、既に述べたように、全ての低温型燃料電池が当てはまる。この電池がＰＥ Ｍ形燃料電池であると有利である。燃料電池において変換された反応物は本発明 においてはいかなる制限をも受けるものではない。これらは、燃料電池内でオキ シダントまたは燃料として作用することができるあらゆるガスおよび液体である 。その例を挙げるならば、空気、酸素、およびこれらの成分から成る任意の混合 物、ならびに水素、メタノール、合成ガスおよび／または改質ガスならびに天然 ガスである。 冷却媒体の種類は、使用される燃料電池の種類に応じて考えられる。例えば、 有利に使用されるＰＥＭ形燃料電池ブロックのためには、脱イオン水または他の 非導電性媒体、例えばエチレングリコール、空気または何らかのガスが挙げられ る。ヒートパイプ冷却も可 能である。この場合、熱交換器はヒートパイプ媒体のためのコンデンサである。 ヒートパイプ冷却とは、冷却しようとする部分が、１つの三次元通路（パイプ） によってより低温の部分に結合されており、冷却しようとする部分においてパイ プ内に含有される液体が蒸発させられ、より低温の第２の部分において再び凝縮 されることを云う。 アノード排ガスとは、燃料電池のアノード室を去る排ガス、つまり燃料電池の 燃料の排ガスのことを云う。同様にカソード排ガスとは、燃料電池のカソード室 を去る排ガス、つまりオキシダントの排ガスのことを云う。 この方法は定置式のエネルギ供給系において使用されると有利であるが、しか し、可動式のエネルギ供給系においての使用を排除するものではない。定置式の エネルギ供給系は大型設備として形成されるだけではなく、個々の家屋または住 居用設備に、本発明による方法で運転されるエネルギ供給系を装備することもで きる。このエネルギ供給系は電流・熱供給手段を含んでいる。暖房および／また は温水調製の目的で熱を使用することができる。電気エネルギは蓄電器、例えば バッテリまたは弾み車で、熱エネルギは蓄熱器で利用することができる。一般的 には、本発明による原理は、あらゆる寸法で実現することができる。この場合定 置式の加熱系、例えば住居用設備における使用が、本 発明の展開の中心を成している。「燃料電池」および「燃料電池装置」という概 念は、寸法に関して相応の規定を有することはない。これらは使用分野に応じて 大きく変更を加えることができる。 エネルギ変換器であってもよい、排ガスのための本発明による熱交換器は排ガ スのエネルギを利用する。このエネルギは、ガスが比較的低温にもたらされたと きに先ず自由になり、次いで、蒸気の液化時に凝縮エネルギとして自由になる。 引き出そうとする分子力のエネルギ、つまり凝縮エネルギは、一層大きな成分と なる。このようなエネルギは液体の固有の蒸発エネルギに等しい。水においてこ のエネルギは特に高い価、つまり４．０６×１０⁷Ｊ／ｍｏｌまたは２．２５× １０⁶Ｊ／ｋｇを有する。本発明によればこのようなエネルギは、燃料電池に続 いて位置するユニットを介して利用される。 有利に使用されるＰＥＭ形燃料電池の場合、生成水はカソード側に形成される 。このカソード側ではオキシダントが流れる。蒸気で飽和されたカソード排ガス が熱交換器内に導入されると相応に有利であるがしかし、それぞれ個別の燃料電 池内部の水の濃度差が大きいことに基づき、また拡散によって、生成水はアノー ド側にも見出すことができ、このアノード排ガスが熱交換器に導入されても有利 である。 さらに、熱交換器またはコンデンサ内に生じた生成 水は、さらに別の用途で、特に反応物または膜の給湿のために利用できるばかり でなく、さらに、生成物の凝縮後に第２の排ガス中に残っているエンタルピーを 放出することもできる。燃料電池から出る排ガスとは異なり、「第２の排ガス」 とは、熱交換器、エネルギ変換器またはコンデンサから出て、より低温である排 ガスのことを云う。それにもかかわらず、このような第２の排ガスも、利用され ていないエネルギおよびエンタルピーを有している。このエネルギおよびエンタ ルピーが利用可能であると有利である。特に、この第２の排ガスは、暖房のため に室内空気に直接に供給することができる。このほかに、この第２の排ガスを部 分的に室内空気に供給し、部分的に別のエネルギ変換器または熱交換器に供給す ることもできる。 「コンデンサ」はここでは通常、凝縮・熱交換器と一般的な同義語として用い られる。改質器とは、炭化水素化合物（例えば天然ガスまたはメタノール）を有 するＨ₂発生器を意味する。 上記の定義は、請求の範囲、明細書、図面の説明に当てはまる。以下に、本発 明による方法を用いながらＰＥＭ形燃料電池で家屋にエネルギ供給するという一 例について説明する。 第１図および第２図は、本発明による方法の定置式の使用事例の系技術を示し たものである。 第１図には、装置のブロック線図が示されている。 この図の真ん中には、燃料電池モジュール１が位置している。この燃料電池モジ ュールは管路２，３を備えている。管路２を介してオキシダント（空気）が燃料 電池モジュール１に供給され、管路３を介して、燃料（Ｈ₂）が供給される。こ の場合オキシダントは、空気、酸素、またはこれら両者から成る任意の混合物で ある。また燃料は、水素、メタノール、合成ガスおよび／または改質ガス、なら びに天然ガスである。改質ガスまたはメタノールの場合、管路３にはさらに改質 器４が前接続されていてよい。導出部５を介して、排ガスが燃料電池モジュール を去り、コンデンサ６に達する。コンデンサでは排ガスが冷却されて凝縮され、 生成水が生ぜしめられる。管路７はコンデンサ６を介して加熱された水を一方で は接続個所８を介して温水貯え器９に供給し、他方では管路１０を介して熱交換 器１１に供給する。この熱交換器は直接的に家庭に接続されている。コンデンサ ６の他方の側では、導出部１３において、第２の排気、および凝縮されて生ぜし められた生成水がコンデンサ６を去る。燃料電池モジュール１の左側には、生ぜ しめられた電気が電流変換器１２に案内される。この電流変換器は燃料電池モジ ュールによって生ぜしめられた直流電流を交流電流に変換する。交流電流は一方 では家庭に供給することができ、他方では公共の配電網に供給することができる 。 第２図は、水素・空気運転時に熱デカップリング(Waermeauskopplung)下でＰ ＥＭ形燃料電池によりエネルギ供給を行う、家庭用エネルギ供給装置を示す別の 回路図である。図面の最も左側には、燃料電池モジュール１が示されている。こ の燃料電池モジュールは、２つの管路２，３を介して水素および空気を供給され る。燃料電池モジュールに続いて右側には、冷却循環路が位置している。この冷 却循環路においては冷却媒体が、ユニット６の熱交換器と燃料電池モジュール１ との間を循環している。冷却媒体は、例えば５０℃の温度において燃料電池モジ ュール内に流入し、この燃料電池モジュールを例えば７０℃の温度で出る。ポン プ７を介して、約７０℃の高温の導出流は、ユニット６およびこの場所で熱交換 器に達する。この熱交換器は加熱循環路に接続されており、この熱交換器におい て冷却媒体は約５０℃への冷却下で熱エネルギを放出する。このような温度によ って、冷却媒体は再び再生され、これを燃料電池モジュール内に導入することが できる。 管路５を介して、水蒸気で飽和されるかまたは少なくとも富化された排気が燃 料電池モジュール１からユニット６に達する。このユニットは熱交換器以外にさ らにコンデンサを一体に有している。ユニット６のコンデンサにおいては、排気 中に含有された水蒸気が凝縮されて水が形成される。この水は雑用水(Nutzwasse r)として出口８を介してユニット６を出る。自由になった凝縮熱、排気熱、なら びに冷却媒体の熱は、熱交換器・コンデンサユニットに接続された加熱循環路に 熱エネルギを供給するために利用される。この熱循環路において循環する加熱媒 体は、例えばユニット６内に例えば４５℃の温度で流入し、このユニットを、約 ２０℃だけ加熱されて例えば６５℃で再び出る。次いで加熱媒体はポンプ１０を 介して分配器１１に達する。この分配器を介して加熱媒体は部分的に加熱体１２ に案内され、部分的に温水貯え器１３に案内される。温水貯え器は１０℃の温か い上水を供給され、この上水をこのような系において約６０℃にまで加熱する。 燃料電池モジュール１の他方の側では、直流電流・交流電流変換器を通って案内 された電流が家屋の給電のために得られる（線路１２）。 本発明による系は、電気を提供するのみならず暖房および温水調製のための熱 を供給することもできる。加熱循環路は省略されてもよい。この場合には、熱は 温水調製のためにのみ利用される。 第２図に記載した温度は、好ましい運転温度であるが、しかしこの系は、エネ ルギ供給系の熱効率を高めながら、約３０℃〜４０℃の燃料電池モジュールの運 転温度まで作業する。熱交換器・コンデンサユニット６から得られた水は、雑用 水系に導入できるだけでなく、一部または全部を、燃料電池モジュールの膜を給 湿するために使用することもできる。ユニット６から管路９を介して出た排気は 、残留熱含量を有している。この残留熱含量は直接的に暖房に利用するか、また は別の熱交換器を介して利用することもできる。後者は装置が熱を主に温水調製 のために使用する場合に当てはまる。ユニット６の構造は、熱交換器とコンデン サとを組み合わせたいかなる形状を有していてもよい。系全体の効率は、ユニッ ト６から出た排気のエネルギ含有量が低ければ低いほど高くなる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項 【提出日】平成１０年４月６日（１９９８．４．６） 【補正内容】 請求の範囲 1. ＰＥＭ形燃料電池モジュールの排熱を利用する方法において、 蒸気状の反応生成物で富化されて加熱された排ガスを燃料電池モジュールか ら熱交換器に導入して、少なくとも、排ガス中に含有された蒸気状の反応生成物 を凝縮し、その際に自由になったエネルギを利用可能にすることを特徴とする、 ＰＥＭ形燃料電池モジュールの排熱を利用する方法。 2. 付加的に加熱した冷却媒体を、燃料電池モジュールから流出させた後で熱交 換器内に導入する、請求項１記載の方法。 3. 建造物または建造物集合体に定置式の電気・熱供給を行うために用いる、請 求項１または２記載の方法。 4. 低温型燃料電池モジュールの排熱を利用する方法において、 蒸気状の反応生成物で富化されて加熱された排ガスを低温型燃料電池モジュ ールから熱交換器またはコンデンサに導入して、少なくとも、排ガス中に含有さ れた蒸気状の反応生成物を凝縮し、その際に自由になったエネルギを利用可能に し、「第２の排ガス」中つまり、熱交換器またはコンデンサから出た排ガス中に 残った残留熱をさらに利用することを特 徴とする、低温型燃料電池モジュールの排熱を利用する方法。 5. 熱併給発電系を備えたＰＥＭ形燃料電池装置において、 排ガスが、コンデンサを含む熱交換器に接続されていることを特徴とする、 ＰＥＭ形燃料電池装置。 6. 付加的に冷却媒体の流出部が熱交換器に接続されている、請求項５記載のＰ ＥＭ形燃料電池装置。 7. 液状に生じた反応生成物をコンデンサから再び燃料電池モジュールに導入す る管路が設けられている、請求項５または６項記載のＰＥＭ形燃料電池装置。 8. 熱併給発電系を備えた低温型燃料電池装置において、 排ガスが、コンデンサを含む熱交換器に接続されており、第２の排ガス、つ まり、熱交換器またはコンデンサから流出した排ガスを、部分的にまたは全体的 に、供給しようとする家屋の内部に導入するための管路が設けられていることを 特徴とする、低温型燃料電池装置。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1. 低温型燃料電池モジュールの排熱を利用する方法において、 蒸気状の反応生成物で富化されて加熱された排ガスを低温型燃料電池モジュ ールから熱交換器に導入して、少なくとも、排ガス中に含有された蒸気状の反応 生成物を凝縮し、その際に自由になったエネルギを利用可能にすることを特徴と する、低温型燃料電池モジュールの排熱を利用する方法。 2. 付加的に加熱した冷却媒体を、燃料電池モジュールから流出させた後で熱交 換器内に導入する、請求項１記載の方法。 3. 「第２の排ガス」中つまり、熱交換器またはコンデンサを貫流した後に存在 する排ガス中に残った残留熱を利用する、請求項１記載の方法。 4. 建造物または建造物集合体に定置式の電気・熱供給を行うために用いる、請 求項１から３までのいずれか１項記載の方法。 5. 熱併給発電系を備えた低温型燃料電池装置において、 排ガスが、コンデンサを含む熱交換器に接続されていることを特徴とする、低 温型燃料電池装置。 6. 付加的に冷却媒体の流出部が熱交換器に接続されている、請求項５記載の低 温型燃料電池装置。 7. 液状に生じた反応生成物をコンデンサから再び低温型燃料電池モジュールに 導入する管路が設けられている、請求項５または６項記載の低温型燃料電池装置 。 8. 燃料電池がＰＥＭ（ポリマー電解質膜）形燃料電池である、請求項５から７ までのいずれか１項記載の低温型燃料電池装置。 9. 第２の排ガス、つまり、熱交換器またはコンデンサを貫流した後に存在する 排ガスを、部分的にまたは全体的に、供給しようとする家屋の内部に導入する管 路が設けられている、請求項５から８までのいずれか１項記載の低温型燃料電池 装置。