JP2002008674A - Fuel cell utilizing waste heat - Google Patents

Fuel cell utilizing waste heat

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JP2002008674A
JP2002008674A JP2000193598A JP2000193598A JP2002008674A JP 2002008674 A JP2002008674 A JP 2002008674A JP 2000193598 A JP2000193598 A JP 2000193598A JP 2000193598 A JP2000193598 A JP 2000193598A JP 2002008674 A JP2002008674 A JP 2002008674A
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Toshiya Omura
俊哉 大村
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    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a fuel cell utilizing waste heat which raises remarkably utilization efficiency of miscellaneous energies of the fuel cell. SOLUTION: In the fuel cell which is composed so as to utilize warm water provided by heating supplied water with the waste heat of the fuel cell. The fuel cell utilizing waste heat stores a main body of the fuel cell in a warm water storage container for collecting waste heat or a warm water passage container. Moreover, the warm water in the warm water storage container or the warm water passage container is used for warming and adding humidity of a fuel and air which are supplied to the fuel cell.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【０００１】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、排熱利用燃料電池
に関し、より詳しくは燃料電池自体から放散される熱や
燃料極排気、空気極排気等に含まれている諸エネルギー
を温水として効率的に利用するようにしてなる排熱利用
燃料電池に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a fuel cell utilizing exhaust heat, and more particularly, to efficient use of heat dissipated from the fuel cell itself and various energies contained in fuel electrode exhaust, air electrode exhaust, etc. as hot water. The present invention relates to a waste heat utilization fuel cell to be used for a fuel cell.

【０００２】[0002]

【従来の技術】燃料電池は、燃料と酸化剤の電気化学的
反応により燃料のもつ化学的エネルギーを電気的エネル
ギーに直接変換する装置であり、燃料から直流電力への
理論的な変換率は８０％以上にも及ぶ。ところが、実際
にはさまざまな抵抗すなわち分極等の影響でその変換効
率は５０％程度以下で使用されるのが一般である。電力
に変換されないエネルギーは排熱として放出されるが、
これを有効に利用することがエネルギーの有効利用、ひ
いては炭酸ガス排出量の削減にも有効である。2. Description of the Related Art A fuel cell is a device for directly converting the chemical energy of a fuel into electrical energy by an electrochemical reaction between a fuel and an oxidant. The theoretical conversion rate from fuel to DC power is 80%. % Or more. However, in practice, the conversion efficiency is generally about 50% or less due to various resistances, that is, the influence of polarization and the like. Energy that is not converted to electricity is released as waste heat,
Efficient use of this is also effective in effective use of energy and, in turn, reduction of carbon dioxide emissions.

【０００３】特に、排熱を有効に利用するためには、な
るべく排熱源すなわち燃料電池の温度に近い温度レベル
で排熱を回収する必要がある。また、比較的小規模の燃
料電池においては、通常その周囲からの放熱量が多いの
で、これをなるべく抑え、排熱回収用の熱媒体（水や空
気等）に無駄なく熱を伝える必要がある。燃料電池の排
熱は、通常、冷却水や冷却空気等の熱媒体に伝えられ、
その熱媒体を燃料電池の外部に導き、直接的又は間接的
に熱媒体に含まれる熱を利用する。例えば、熱媒体が水
の場合、燃料電池から出てくる電池冷却水を直接温水と
して利用するか、または温水発生用の熱交換器やそれを
含む貯湯槽に導くことにより温水を発生させ、それを利
用する。In particular, in order to effectively use the exhaust heat, it is necessary to recover the exhaust heat at a temperature level as close as possible to the exhaust heat source, that is, the temperature of the fuel cell. Further, in a relatively small-scale fuel cell, since the amount of heat radiation from the surrounding area is usually large, it is necessary to suppress this as much as possible and to transmit heat to the heat medium (water, air, etc.) for exhaust heat recovery without waste. . The exhaust heat of the fuel cell is usually transmitted to a heat medium such as cooling water or cooling air,
The heat medium is guided to the outside of the fuel cell, and the heat contained in the heat medium is used directly or indirectly. For example, when the heat medium is water, hot water is generated by using the battery cooling water coming out of the fuel cell directly as hot water, or by introducing it to a heat exchanger for generating hot water or a hot water storage tank containing the same. Use

【０００４】燃料電池の外表面からの放熱が、特に小容
量の燃料電池の場合に、排熱量に比較して大きくなり、
実質的に利用できる熱量が小さくなる。また、間接的に
利用する場合には、熱交換器等が配置された利用場所へ
の配管経路での放熱による熱ロスはもちろんのこと、そ
れに加えて利用可能な温度レベルを下げるという問題も
ある。さらに、燃料電池本体と貯湯槽を併設することに
より、広い設置スペースが要求される。[0004] The heat radiation from the outer surface of the fuel cell becomes large compared to the amount of exhaust heat, particularly in the case of a small capacity fuel cell.
The amount of heat that can be substantially used is reduced. Further, in the case of indirect use, not only heat loss due to heat radiation in a piping route to a use place where a heat exchanger or the like is arranged, but also there is a problem that the usable temperature level is lowered. . Further, by providing the fuel cell main body and the hot water storage tank together, a large installation space is required.

【０００５】燃料電池には各種あるが、図９は一例とし
て水冷式の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の一態様
例を説明する概略図である。図９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。There are various types of fuel cells, and FIG. 9 is a schematic diagram illustrating one embodiment of a water-cooled polymer electrolyte fuel cell (PEFC) as an example. 9, 1 is a polymer electrolyte membrane, 2 is a cathode electrode (positive electrode = air electrode or oxygen electrode), 3
Denotes an anode electrode (negative electrode = fuel electrode or hydrogen electrode), and the polymer electrolyte membrane 1 is disposed in contact between the opposite positive and negative electrodes 2 and 3. Reference numeral 4 denotes a cathode-side current collector, and reference numeral 5 denotes an anode-side current collector, which are in contact with the positive and negative electrodes 2 and 3, respectively.

【０００６】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。A groove for supplying oxygen or air is provided on the electrode 2 side of the cathode-side current collector 4, a fuel supply groove is provided on the electrode 3 side of the anode-side current collector 5, and a positive electrode is provided. The groove of the side current collector 4 communicates with the oxygen or air supply pipe 6, and the groove of the negative electrode side current collector 5 communicates with the fuel supply pipe 7. Reference numeral 8 denotes a cathode terminal plate provided in contact with the positive current collector 4, 9 denotes an anode terminal plate provided in contact with the negative current collector 5,
Electric power is extracted through these terminal plates during operation of the battery.

【０００７】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
での周縁部を囲ってパッキン１２が設けられている。以
上は電池が単一の場合であるが、これを二つ以上積み重
ねても構成されるが、基本的には以上の単一の電池の場
合と同様である。[0007] 10 is a left frame, 11 is a right frame,
These two frames 10 and 11 cover and are fixed from the polymer electrolyte membrane 1 to the cathode terminal plate 8 and the anode terminal plate 9. A packing 12 is provided between the two frame members 10 and 11 so as to surround the periphery from the polymer electrolyte membrane 1 to the cathode terminal plate 8 and the anode terminal plate 9. The above is the case of a single battery, but the configuration is also possible by stacking two or more batteries, but it is basically the same as the case of the single battery.

【０００８】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、
自らは温められて排出される。排出された冷却水は熱交
換器により適温に冷却されて燃料電池に循環供給され
る。図９中、Ｐはその循環用ポンプである。一般に、燃
料電池は、その種類に応じて最適な運転温度範囲が存在
し、その発電に伴い生じる熱を除去しなければならな
い。このため、冷却水や冷却空気等により冷却する必要
があり、その冷却水や冷却空気等を介した熱の有効利用
を図ることが考えられる。[0008] PEFC has a temperature of 80 to 100 ° C during operation.
Since the battery needs to be maintained at a certain level, it is cooled by battery cooling water. The cooling water communicates with grooves (closed passages) provided on the inner surfaces of the left frame 10 and the right frame 11, and indirectly cools from the back surfaces of the cathode terminal plate 8 and the anode terminal plate 9,
They are warmed and discharged. The discharged cooling water is cooled to an appropriate temperature by the heat exchanger and circulated and supplied to the fuel cell. In FIG. 9, P is a circulation pump. In general, a fuel cell has an optimum operating temperature range according to its type, and must remove heat generated by its power generation. For this reason, it is necessary to cool with cooling water, cooling air, or the like, and it is conceivable to effectively use heat via the cooling water, cooling air, or the like.

【０００９】図１０は、電池冷却水の熱を熱交換器によ
り温湯用に利用する態様例を示している。この場合、温
湯用の熱が不足する場合には、ボイラーからの熱も利用
され、貯湯槽から給湯される。このように熱交換器、ボ
イラー、ポンプ等の排熱利用機器が燃料電池本体と独立
して配置される場合、各機器及び諸配管は周囲環境に曝
されることになり、断熱上の配慮をしてもなお、それら
の表面温度、表面積に応じた放熱によるエネルギーロス
がある。また、構成機器数の増加に伴い、設置面積の増
加や設備自体のコストの増加に伴うイニシャルコスト面
での不利が、排熱の有効利用によるコスト低減をある程
度相殺するという問題もある。FIG. 10 shows an embodiment in which the heat of the battery cooling water is used for hot water by a heat exchanger. In this case, when the heat for the hot water is insufficient, the heat from the boiler is also used, and the hot water is supplied from the hot water storage tank. When the exhaust heat utilization devices such as heat exchangers, boilers, and pumps are arranged independently of the fuel cell body in this way, each device and various pipes are exposed to the surrounding environment, and consideration must be given to heat insulation. Even so, there is an energy loss due to heat radiation corresponding to the surface temperature and the surface area. Further, there is a problem that the initial cost disadvantage due to an increase in the installation area and an increase in the cost of the equipment itself with an increase in the number of components offsets the cost reduction by effective use of the exhaust heat to some extent.

【００１０】ところで、燃料電池においては、燃料とな
るガスを１００％利用するのは困難である。例えば燃料
が高純度水素の場合であっても、微量不純物が発電を継
続するうちに燃料極ガス中に蓄積し、微量のパージが必
要となる。ただ、この場合は放散される余剰燃料はごく
微量である。しかし、水素以外のガスをある程度含むガ
ス、例えば都市ガスやＬＰＧ、メタノールといった炭素
を含む燃料を改質して得た水素を含むガス（改質ガス）
を使用する場合は、燃料極において水素分圧が必要以上
に低下することを防ぐために、恒常的に燃料極から余剰
燃料を排出する必要がある。この余剰燃料を利用せずに
放散すると、明らかに多大なエネルギーロスになる。図
１０の態様においても、燃料利用率を低くせざるを得な
い場合には、燃料排出に伴うエネルギーロスが生じる。In a fuel cell, it is difficult to use 100% of a gas serving as a fuel. For example, even when the fuel is high-purity hydrogen, trace impurities accumulate in the fuel electrode gas while power generation is continued, and a trace purge is required. However, in this case, the surplus fuel dissipated is very small. However, a gas containing a certain amount of gas other than hydrogen, for example, a gas containing hydrogen obtained by reforming a fuel containing carbon such as city gas, LPG, and methanol (reformed gas)
When the fuel electrode is used, it is necessary to constantly discharge surplus fuel from the fuel electrode in order to prevent the hydrogen partial pressure from unnecessarily lowering at the fuel electrode. Dissipating without using this surplus fuel will obviously result in significant energy losses. In the embodiment of FIG. 10 as well, if the fuel utilization rate has to be reduced, an energy loss occurs due to fuel discharge.

【００１１】図１１はこの燃料排出に伴うエネルギーロ
スを減じるために燃料極排気をリサイクルポンプにより
燃料極入口側にリサイクルする例である。この対策によ
り余剰燃料の排出量を削減することができるが、リサイ
クルするためのエネルギーロスを伴い、且つ、水素以外
のガスが燃料系内に蓄積するので、ある程度の余剰燃料
排出も必要である。さらに、余剰燃料をリサイクルする
ための配管、ポンプ等の設備も必要となり、特に燃料電
池（ＦＣ）が小容量機の場合にはコスト的に不利とな
る。FIG. 11 shows an example in which the fuel electrode exhaust is recycled to the fuel electrode inlet side by a recycle pump in order to reduce the energy loss accompanying the fuel discharge. Although this measure can reduce the amount of surplus fuel discharged, it involves energy loss for recycling and accumulates gases other than hydrogen in the fuel system, so that a certain amount of surplus fuel discharge is required. In addition, facilities such as pipes and pumps for recycling surplus fuel are required, which is disadvantageous in terms of cost especially when the fuel cell (FC) is a small capacity machine.

【００１２】余剰水素を有効に利用する例としては図１
２に示す態様がある。すなわち余剰燃料を改質器（都市
ガス等を水素を含む改質ガスに改質する）にリサイクル
して燃焼させ、改質反応で必要な熱を供給することによ
って有効利用し、エネルギーロスを防いでいる。しか
し、この態様では、改質器を燃料電池本体に付設する場
合にしか適用できないし、また、付設されていても改質
器が水蒸気改質器のような外熱式ではなく、部分燃焼改
質器などのように外部からの加熱が不要な場合には適用
できない。また、図１１、図１２のいずれの態様におい
ても、図１０の態様と同様の問題、すなわち排熱利用の
ための各機器、配管からの放熱によるエネルギーロス、
設備コスト増等の問題がある。FIG. 1 shows an example of effectively using surplus hydrogen.
There is an embodiment shown in FIG. That is, surplus fuel is recycled and burned in a reformer (reforming city gas etc. into reformed gas containing hydrogen), and the heat required in the reforming reaction is supplied effectively to prevent the energy loss. In. However, this embodiment is applicable only when the reformer is attached to the fuel cell main body, and even if it is attached, the reformer is not an external heat type such as a steam reformer, but a partial combustion reformer. It is not applicable when external heating is not required, such as in a porcelain bowl. In each of the embodiments of FIGS. 11 and 12, the same problem as in the embodiment of FIG. 10, that is, energy loss due to heat radiation from each device and piping for utilizing exhaust heat,
There is a problem such as an increase in equipment costs.

【００１３】燃料電池の排熱は、燃料極排気以外に、空
気極排気も燃料電池の運転温度レベルの熱を有している
ので、この排熱も回収される場合が多い。具体的には、
燃料電池と別置きの熱交換器が使用される。ただし、こ
の場合にも電池冷却水や冷却空気等から排熱回収をする
場合と同様の放熱ロスや設備コスト増の問題がある。さ
らに、特にＰＥＦＣなどのように低温で運転される燃料
電池の場合には、低温ガスを対象とした熱交換器となる
ので、熱回収温度の低下や熱交換器の大型化に伴う設置
スペース面の問題や設備コスト面での問題も存在する。As for the exhaust heat of the fuel cell, in addition to the fuel electrode exhaust, the air electrode exhaust also has heat at the operating temperature level of the fuel cell. Therefore, this exhaust heat is often recovered. In particular,
A heat exchanger separate from the fuel cell is used. However, also in this case, there is a problem of heat radiation loss and an increase in equipment cost as in the case of recovering exhaust heat from battery cooling water, cooling air, or the like. Furthermore, in the case of a fuel cell, such as a PEFC, which operates at a low temperature, since the heat exchanger is used for low-temperature gas, the space for installation due to a decrease in heat recovery temperature and an increase in the size of the heat exchanger. There are also problems in terms of cost and equipment costs.

【００１４】[0014]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、燃料電池に
おける燃料極排気や空気極排気、燃料極排気中の余剰水
素、あるいは電池冷却水等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をなくし、燃料
電池の排熱の温度レベルを実質上下げることなく温水
（温湯）として取り出すようにし、それらのもつエネル
ギーの利用効率を可及的に高めてなる排熱利用燃料電池
を提供することを目的とする。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention provides a fuel cell having a fuel electrode exhaust, an air electrode exhaust, surplus hydrogen in the fuel electrode exhaust, and a fuel cell cooling water. The exhaust heat utilization fuel cell which eliminates such drawbacks and takes out as hot water (hot water) without substantially lowering the temperature level of the exhaust heat of the fuel cell, thereby increasing the energy use efficiency of the exhaust heat as much as possible. The purpose is to provide.

【００１５】[0015]

【課題を解決するための手段】本発明は（１）燃料電池
の排熱により給水を加熱して温水として利用するように
してなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収
するための温水貯留容器又は温水流通容器内に収容して
なることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。SUMMARY OF THE INVENTION The present invention relates to (1) a fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and is used as hot water. The present invention provides a waste heat utilizing fuel cell characterized by being housed in a warm water storage container or a warm water circulation container.

【００１６】本発明は（２）燃料電池の排熱により給水
を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池
であって、燃料電池本体を排熱を回収するための温水貯
留容器又は温水流通容器内に収容するとともに、燃料電
池の電池冷却水を温水貯留容器又は温水流通容器内の水
中に配置された熱交換器に通して温水を発生させるよう
にしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供す
る。The present invention relates to (2) a fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein the fuel cell body is a hot water storage container or hot water for recovering the exhaust heat. Exhaust heat, which is housed in a circulation container, and is configured to generate hot water by passing battery cooling water of the fuel cell through a heat exchanger disposed in water in a hot water storage container or hot water distribution container. Provide use fuel cells.

【００１７】本発明は（３）燃料電池の排熱により給水
を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池
であって、燃料電池本体を排熱を回収するための温水貯
留容器又は温水流通容器内に収容するとともに、燃料
電池の燃料極の排気を燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、
燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出され
る温空気、および空気極からの排気のうちの少なくと
も１つを、温水貯留容器又は温水流通容器中の水に直接
吹き込むようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料
電池を提供する。The present invention relates to (3) a fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell to be used as hot water, wherein the fuel cell body is a hot water storage container or hot water for recovering the exhaust heat. A combustion gas that is housed in a distribution container and burned by a combustor with exhaust from a fuel cell anode,
The fuel cell is cooled by air, and at least one of hot air discharged after cooling the fuel cell and exhaust air from the air electrode is directly blown into water in the hot water storage container or the hot water circulation container. A fuel cell utilizing exhaust heat is provided.

【００１８】本発明は（４）燃料電池の排熱により給水
を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池
であって、燃料電池本体を排熱を回収するための温水貯
留容器又は温水流通容器内に収容するとともに、温水貯
留容器又は温水流通容器内に、燃料極へ供給する燃料お
よび空気極へ供給する空気のうちの少なくとも１つを、
それら容器内の温水と熱交換する機構を設けてなること
を特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。The present invention relates to (4) a fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein the fuel cell body is used to recover exhaust heat or a hot water storage container or hot water. While housed in the distribution container, in the hot water storage container or the hot water distribution container, at least one of the fuel supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode,
Disclosed is a fuel cell utilizing exhaust heat, which is provided with a mechanism for exchanging heat with hot water in the containers.

【００１９】本発明は（５）燃料電池の排熱により給水
を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池
であって、燃料電池本体を排熱を回収するための温水貯
留容器又は温水流通容器内に収容するとともに、温水貯
留容器又は温水流通容器内に、燃料極へ供給する燃料お
よび空気極へ供給する空気のうちの少なくとも１つを、
それら容器内の温水で加湿する機構を設けてなることを
特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。The present invention relates to (5) a fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell to be used as hot water, wherein a hot water storage container or hot water is provided for recovering the exhaust heat of the fuel cell body. While housed in the distribution container, in the hot water storage container or the hot water distribution container, at least one of the fuel supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode,
Disclosed is a fuel cell utilizing exhaust heat, which is provided with a mechanism for humidifying with hot water in the containers.

【００２０】本発明は（６）燃料電池の排熱により給水
を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池
であって、燃料電池本体を排熱を回収するための温水貯
留容器又は温水流通容器内に収容するとともに、温水貯
留容器又は温水流通容器への給水を温水貯留容器又は温
水流通容器内へ散布して、燃料電池の燃料極の排気を
燃焼させた燃焼ガス、燃料電池を空気により冷却し、
燃料電池冷却後排出される温空気、および空気極から
の排気のうちの少なくとも１つと直接接触させるように
してなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供す
る。The present invention relates to (6) a fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein the fuel cell body is a hot water storage container or hot water for recovering the exhaust heat. While being housed in the distribution container, the water supplied to the hot water storage container or the hot water distribution container is sprayed into the hot water storage container or the hot water distribution container, and the combustion gas and the fuel cell obtained by burning the exhaust of the fuel electrode of the fuel cell are air. Cooling by
Provided is a fuel cell utilizing exhaust heat, which is brought into direct contact with at least one of warm air discharged after cooling of the fuel cell and exhaust from an air electrode.

【００２１】本発明は（７）燃料電池の排熱により給水
を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池
であって、温水貯留容器又は温水流通容器内に、燃料極
へ供給する燃料および空気極へ供給する空気のうちの少
なくとも１つを、それら容器内の温水と熱交換する機構
を設けてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供
する。The present invention relates to (7) a fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein the fuel supplied to the fuel electrode is stored in a hot water storage container or a hot water distribution container. And a mechanism for exchanging heat with at least one of air supplied to the cathode and hot water in the containers.

【００２２】本発明は（８）燃料電池の排熱により給水
を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池
であって、温水貯留容器又は温水流通容器内に、燃料極
へ供給する燃料および空気極へ供給する空気のうちの少
なくとも１つを、それら容器内の温水を用いて加湿する
機構を設けてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を
提供する。The present invention relates to (8) a fuel cell in which feed water is heated by exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein fuel supplied to a fuel electrode is stored in a hot water storage container or a hot water circulation container. And a mechanism for humidifying at least one of the air supplied to the cathode using hot water in the containers.

【００２３】[0023]

【発明の実施の形態】燃料電池においては、燃料と酸化
剤との発熱反応（Ｈ2＋１/２Ｏ2＝Ｈ2Ｏ）に伴い熱を発
生する。本発明は、燃料電池本体を温水を貯留する容器
又は温水を流通させるための容器内に収容することによ
り燃料電池で発生する熱の放散を可及的に防ぎ、その熱
により給水を加熱して温水として利用するようにしてな
る排熱利用燃料電池である。燃料としては各種製造法で
得られた水素や水素を含むガス（改質ガス等）が用いら
れる。酸化剤としては空気のほか、酸素富化空気なども
用いられるが、本明細書ではこれらを含めて空気と指称
している。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS In a fuel cell, heat is generated by an exothermic reaction between a fuel and an oxidant (H 2 + / O 2 = H 2 O). The present invention prevents the heat generated in the fuel cell from dissipating as much as possible by housing the fuel cell body in a container for storing hot water or a container for flowing hot water, and heats the water supply by the heat. This is a waste heat utilization fuel cell to be used as hot water. As the fuel, hydrogen or a gas containing hydrogen (reformed gas or the like) obtained by various production methods is used. As the oxidizing agent, in addition to air, oxygen-enriched air and the like are used, and in the present specification, these are referred to as air.

【００２４】また、本明細書においては、温水を貯留す
る容器を温水貯留容器と指称し、温水を流通させるため
の容器を温水流通容器と指称している。ここで温水貯留
容器とは、例えば貯湯槽のように温湯を必要に応じて放
出して利用する容器の意味であり、給水は導管を通して
容器に供給され、そこで加熱され、導管を通して給湯さ
れる。温水流通容器とは、水道管等の導管の途中に配置
され、そこで得られた温湯を常時利用する（一時停止さ
れる場合もあり得る）容器の意味である。以下、特に必
要な場合を除き温水貯留容器について記載しているが、
温水流通容器についても同様である。Further, in this specification, a container for storing hot water is referred to as a hot water storage container, and a container for distributing hot water is referred to as a hot water distribution container. Here, the hot water storage container means a container that discharges and uses hot water as needed, such as a hot water storage tank, for example, in which water is supplied to the container through a conduit, heated therein, and then supplied through the conduit. The hot water circulation container means a container which is disposed in the middle of a conduit such as a water pipe and always uses (may be temporarily stopped) the hot water obtained there. Hereinafter, the hot water storage container is described unless otherwise required,
The same applies to the hot water circulation container.

【００２５】温水貯留容器は、内壁と外壁との２重壁構
造で構成される。その底部についても同様である。内壁
上端と外壁上端との間は蓋をし密封される。これら外
壁、底部、蓋の外面には断熱材等を配置して断熱され
る。その内外両壁間に水道水等の水が供給される。内壁
内には空間が設けられ、その空間に燃料電池本体が配置
される。内壁内の上部は、燃料電池本体を配置した後、
断熱材等を配置して断熱される。本発明においては、こ
れにより燃料電池本体からの熱が内壁を通して両壁間に
供給された水に伝えられ、給水を加熱して温水（温湯）
とする。なお、燃料電池へ供給する燃料、空気用の各導
管、燃料電池からの燃料極排気、空気極排気用の各導
管、電力取出用導線等は、好ましくは内壁内の上部から
延ばして配置されるが、その他適宜な仕方で配置しても
よい。The hot water storage container has a double wall structure of an inner wall and an outer wall. The same applies to the bottom. A lid is sealed between the upper end of the inner wall and the upper end of the outer wall. A heat insulating material or the like is arranged on these outer walls, the bottom, and the outer surface of the lid to be insulated. Water such as tap water is supplied between the inner and outer walls. A space is provided in the inner wall, and the fuel cell body is disposed in the space. After placing the fuel cell body, the upper part inside the inner wall
A heat insulating material or the like is arranged for heat insulation. In the present invention, the heat from the fuel cell body is thereby transmitted to the water supplied between the two walls through the inner wall, and the supply water is heated to produce hot water (hot water).
And Note that the fuel to be supplied to the fuel cell, the respective conduits for air, the fuel electrode exhaust from the fuel cell, the respective conduits for exhausting the air electrode, the lead wires for power extraction, and the like are preferably arranged to extend from the upper portion in the inner wall. However, they may be arranged in any other appropriate manner.

【００２６】燃料電池には各種あるが、各燃料電池はそ
れぞれ所定温度範囲で作動される。例えばＰＥＦＣでは
８０〜１００℃程度、リン酸型燃料電池では１９０〜２
００℃程度というような温度範囲に保持される。このた
め燃料電池は冷却水や冷却空気等によりその作動時に冷
却し、そのような温度範囲に維持する必要がある。本発
明においては、電池冷却水等を温水貯留容器の内壁と外
壁間に設けた熱交換器に循環することにより、電池冷却
水等の熱を温水貯留容器中の水の加熱に利用する。There are various types of fuel cells, and each fuel cell is operated in a predetermined temperature range. For example, PEFC is about 80 to 100 ° C., and phosphoric acid type fuel cell is 190 to 200 ° C.
It is kept in a temperature range of about 00 ° C. For this reason, it is necessary to cool the fuel cell at the time of its operation with cooling water, cooling air, or the like, and to maintain the temperature in such a temperature range. In the present invention, the heat of the battery cooling water or the like is used for heating the water in the hot water storage container by circulating the battery cooling water or the like to the heat exchanger provided between the inner wall and the outer wall of the hot water storage container.

【００２７】燃料電池の燃料極からは燃料極排気が排出
される。燃料極排気はそれ自体熱を保有しているので、
本発明においてはその熱を水の加熱に利用する。また、
燃料極排気には余剰水素が含まれているので、本発明に
おいては、その余剰水素を燃焼させ、発生燃焼ガスを温
水貯留容器の内壁と外壁間の水中に直接吹き込むことに
より、その熱を水の加熱に利用する。余剰水素の燃焼に
は空気が必要であるが、空気としては外部からの空気で
もよいが、空気極の排気や、燃料電池の冷却に空気を用
いる場合にはその空気を利用することができる。また、
その燃焼には好ましくは触媒燃焼器を使用することがで
き、触媒としては例えば白金、パラジウム等の貴金属触
媒が用いられる。Fuel electrode exhaust is discharged from the fuel electrode of the fuel cell. Since the anode exhaust has its own heat,
In the present invention, the heat is used for heating water. Also,
Since the fuel electrode exhaust contains excess hydrogen, in the present invention, the excess hydrogen is burned, and the generated combustion gas is directly blown into the water between the inner wall and the outer wall of the hot water storage container, thereby transferring the heat to the water. Used for heating. Although air is necessary for the combustion of surplus hydrogen, the air may be external air. However, when air is used for exhausting the air electrode or cooling the fuel cell, the air can be used. Also,
Preferably, a catalytic combustor can be used for the combustion, and a noble metal catalyst such as platinum or palladium is used as the catalyst.

【００２８】燃料電池の空気極からの排気も同じく熱を
保有している。本発明においては、その空気極からの排
気を温水貯留容器内の水中に直接吹き込むことにより水
の加熱に利用する。また、燃料電池は、その冷却のた
め、電池冷却水に代えて空気を用いる場合もある。この
場合、電池冷却用の空気自体は加熱される。そこで、本
発明においては、燃料電池から出た該空気を温水貯留容
器内の水中に直接吹き込むことにより、水の加熱に利用
する。この場合、該空気を空気極排気と一緒に温水貯留
容器内の水中に吹き込むようにしてもよい。Exhaust from the air electrode of the fuel cell also retains heat. In the present invention, the exhaust gas from the air electrode is directly blown into the water in the hot water storage container to be used for heating water. In some cases, the fuel cell uses air instead of cell cooling water to cool it. In this case, the battery cooling air itself is heated. Therefore, in the present invention, the air discharged from the fuel cell is directly blown into the water in the hot water storage container to be used for water heating. In this case, the air may be blown into the water in the hot water storage container together with the air electrode exhaust.

【００２９】燃料電池へ供給する燃料は、予め加温して
おくのが燃料電池として効率的である。本発明において
は、該燃料を温水貯留容器内の温水で加温して燃料電池
へ供給する。これにより燃料電池システム内の熱の有効
利用を図ることができる。燃料の加熱は温水貯留容器内
に配置された熱交換機構により行うことができ、熱交換
機構としてはフィン付チューブその他適宜の形式の熱交
換器を用いることができる。It is efficient to heat the fuel supplied to the fuel cell in advance as a fuel cell. In the present invention, the fuel is heated by hot water in a hot water storage container and supplied to the fuel cell. Thereby, the heat in the fuel cell system can be effectively used. Heating of the fuel can be performed by a heat exchange mechanism arranged in the hot water storage container. As the heat exchange mechanism, a finned tube or other appropriate type of heat exchanger can be used.

【００３０】また、ＰＥＦＣなどの場合においては、電
解質膜の特性低下を防ぐために、供給燃料及び供給空気
のうちの一方または両方が通常加湿される。本発明にお
いては、その加湿を温水貯留容器内に配置された高分子
膜や多孔質セラミックス等からなる水浸透性の加湿器中
を通すことにより行うことができる。このように、供給
燃料及び供給空気のうちの少なくとも１つ、すなわちそ
れらの一方または両方の加湿に温水貯留容器内の温水を
利用できるので、この点でも有利である。その加湿は、
変形態様として、燃料電池本体を温水貯留容器内に収容
しない場合にも適用できる。In the case of PEFC or the like, one or both of the supplied fuel and the supplied air are usually humidified in order to prevent deterioration of the characteristics of the electrolyte membrane. In the present invention, the humidification can be performed by passing the humidifier through a water-permeable humidifier made of a polymer membrane, a porous ceramic, or the like disposed in a hot water storage container. As described above, at least one of the supplied fuel and the supplied air, that is, one or both of the supplied fuel and the supplied air can be humidified using the hot water in the hot water storage container, which is also advantageous in this respect. The humidification is
As a modified embodiment, the present invention can be applied to a case where the fuel cell main body is not housed in the hot water storage container.

【００３１】さらに、本発明においては、給水を温水貯
留容器内、すなわちのその内壁と外壁間に散布し、前記
燃料極排気の燃焼ガス、空気極排気、あるいは電池冷却
水に代えて空気を用いる場合の電池冷却空気と直接接触
させるようにすることで、それらガスが保有している熱
をさらに有効に利用することができる。この場合、温水
貯留容器内にラシッヒリング等を配置することにより給
水とそれらガスとの接触効率を上げることができる。Further, in the present invention, the supply water is sprayed in the hot water storage container, that is, between the inner wall and the outer wall thereof, and air is used instead of the combustion gas of the fuel electrode exhaust, the air electrode exhaust, or the cell cooling water. By making direct contact with the battery cooling air in such a case, the heat held by those gases can be used more effectively. In this case, by arranging a Raschig ring or the like in the hot water storage container, the contact efficiency between the water supply and the gas can be increased.

【００３２】[0032]

【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。なお、図１〜８はそれぞれ実施例１
〜８に対応し、また各図面において共通する部分には同
じ符号を用いている。EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but it goes without saying that the present invention is not limited to these Examples. 1 to 8 respectively show the first embodiment.
The same reference numerals are used for the portions corresponding to those in FIGS.

【００３３】《実施例１》図１は実施例１を示す図であ
る。温水貯留容器は内壁Ｋと外壁Ｌとの２重壁構造で構
成される。その底部についても同様である。内壁Ｋ内に
は空間Ｓが設けられ、空間Ｓ中に燃料電池本体が配置さ
れる。なお、図１中燃料電池本体は相対的に縮小して示
している。内壁Ｋと外壁Ｌの間に水が供給され、燃料電
池本体からの熱が内壁Ｋを通して水に伝えられ、水を加
熱して温水とする。内壁Ｋからの熱を可及的に利用でき
るようにするため、２重壁構造内の水面は高い位置とな
るようにするのが望ましい。これらの点は、実施例２〜
７についても同様である。なお、後述実施例８の場合に
は、空気極排気等との直接接触式熱交換機構を設けるの
で、水面はその分低い位置とされる。Embodiment 1 FIG. 1 is a diagram showing Embodiment 1. The hot water storage container has a double wall structure including an inner wall K and an outer wall L. The same applies to the bottom. A space S is provided in the inner wall K, and the fuel cell body is disposed in the space S. In FIG. 1, the fuel cell body is shown in a relatively reduced size. Water is supplied between the inner wall K and the outer wall L, and heat from the fuel cell main body is transmitted to the water through the inner wall K, and the water is heated to become hot water. In order to utilize the heat from the inner wall K as much as possible, it is desirable that the water surface in the double wall structure be at a high position. These points are described in Example 2
7 is the same. In the case of Example 8 described later, since a direct contact heat exchange mechanism with air electrode exhaust or the like is provided, the water surface is set to a lower position accordingly.

【００３４】内壁Ｋは、その横断面が４角形状その他の
多角形状、円形状、あるいはこれらの変形形状等、適宜
の形状とすることができる。内壁Ｋを通して燃料電池本
体からの熱をより有効に伝える必要があるため、その横
断面形状は燃料電池本体の外周側の形状と同じ形状、あ
るいはその外周側形状に可及的に合わせた形状にするの
が好ましい。外壁Ｌもこれに対応した形状に構成される
が、後述実施例６（図６参照）のように内壁Ｋと外壁Ｌ
の間に熱交換機構や加湿機構を配置する場合には、その
配置箇所の部分に必要な幅をもたせるようにしてもよ
い。The inner wall K can have an appropriate shape such as a quadrangle, other polygons, a circle, or a deformed shape thereof. Since it is necessary to more effectively transmit heat from the fuel cell body through the inner wall K, its cross-sectional shape should be the same as the shape on the outer peripheral side of the fuel cell body, or a shape that matches the outer peripheral shape as much as possible. Is preferred. The outer wall L is also formed in a shape corresponding to this, but as in the sixth embodiment (see FIG. 6) described later, the inner wall K and the outer wall L
When a heat exchange mechanism or a humidification mechanism is arranged between the two, the necessary width may be provided at the portion where the heat exchange mechanism or the humidification mechanism is arranged.

【００３５】内壁Ｋの上端と外壁Ｌの上端との間は蓋を
し必要に応じて密封される。これら外壁Ｌ、底部、蓋の
外面には断熱材等を配置して断熱される。内壁Ｋ内の上
部は、その空間Ｓ中に燃料電池本体を配置した後、断熱
材等を配置して断熱される。なお、内壁Ｋの上端、外壁
Ｌの上端、内壁Ｋ内の上端を含めて同一の蓋を配置して
もよい。これらの点は以下の実施例でも同様である。A cover is provided between the upper end of the inner wall K and the upper end of the outer wall L, and the space is sealed if necessary. A heat insulating material or the like is disposed on the outer wall L, the bottom, and the outer surface of the lid for heat insulation. The upper portion inside the inner wall K is insulated by disposing a heat insulating material or the like after disposing the fuel cell main body in the space S. In addition, the same lid may be arranged including the upper end of the inner wall K, the upper end of the outer wall L, and the upper end of the inner wall K. These points are the same in the following embodiments.

【００３６】上記のように燃料電池本体を内壁Ｋ内に収
容するのに加えて、電池冷却水を内壁Ｋと外壁Ｌとの間
の水中に配置された熱交換器に循環させるようにするこ
ともできる。図１中Ｐはその循環用のポンプである。こ
れにより、燃料電池本体から内壁Ｋを通して伝えられる
熱に加えて、電池冷却水の熱を水の加熱に利用する。こ
れらの構成により燃料電池からの熱を水の加熱に有効に
利用するとともに、周囲環境への放熱をさらに有効に抑
えることができる。In addition to accommodating the fuel cell body in the inner wall K as described above, the cell cooling water is circulated to a heat exchanger disposed in the water between the inner wall K and the outer wall L. Can also. In FIG. 1, P is a circulation pump. Thus, in addition to the heat transmitted from the fuel cell main body through the inner wall K, the heat of the cell cooling water is used for heating the water. With these configurations, the heat from the fuel cell can be effectively used for heating water, and the heat radiation to the surrounding environment can be further effectively suppressed.

【００３７】《実施例２》図２は内壁Ｋと外壁Ｌとの２
重壁構造をジャケット状とした例を模式的に示す図であ
る。本例ではジャケットが燃料電池本体を取り巻いた構
造となる。これにより燃料電池の作動中に発生する熱は
内壁Ｋを通してジャケット中を流れる水に与えられる。
この形式の容器は温水流通容器として好適であるが、内
壁Ｋと外壁Ｌとの間の間隔を大きくすることにより温水
貯留容器としても適用できる。図２のとおり、燃料電池
本体の外周側横断面は４角形であるが、これを収容した
ジャケットの内壁Ｋは、その横断面４角形状の４面に幾
分丸みをもたせた形状に構成されている。<< Embodiment 2 >> FIG. 2 shows an inner wall K and an outer wall L.
It is a figure which shows typically the example which made the heavy wall structure into the jacket shape. In this example, the jacket has a structure surrounding the fuel cell body. Thereby, the heat generated during the operation of the fuel cell is given to the water flowing through the jacket through the inner wall K.
Although this type of container is suitable as a hot water circulation container, it can also be used as a hot water storage container by increasing the distance between the inner wall K and the outer wall L. As shown in FIG. 2, the outer peripheral cross section of the fuel cell main body is a quadrangle, but the inner wall K of the jacket containing the fuel cell main body is formed in a shape in which the four surfaces of the quadrangular cross section are somewhat rounded. ing.

【００３８】その底部は１重壁で構成してもよいが、ジ
ャケット状に構成してもよい。この場合、底部ジャケッ
トの２重壁間に熱交換器を配置し、電池冷却水を循環さ
せるようにすることもできる。ジャケットの上部には蓋
をするが、蓋には燃料電池本体への燃料、空気用の各導
管、燃料電池本体からの燃料極排気、空気極排気用の各
導管、電力用導線等が配置される。なお、これら導管等
は２重壁構造の上端部と蓋との間に配置するなど適宜な
仕方で配置してもよい。以上、実施例１〜２のように、
容器を内壁Ｋと外壁Ｌとの２重壁構造とすること、２重
壁構造をジャケット状とすることなどの諸点は以下で述
べる実施例３〜７についても同様である。The bottom portion may be constituted by a single wall, but may be constituted by a jacket. In this case, a heat exchanger may be arranged between the double walls of the bottom jacket to circulate the battery cooling water. The upper part of the jacket is covered with a lid, on which the fuel and air conduits for the fuel cell main body, the fuel electrode exhaust from the fuel cell main body, the air electrode exhaust conduits, the power conductor, etc. are arranged. You. Note that these conduits and the like may be arranged in an appropriate manner such as being arranged between the upper end of the double wall structure and the lid. As described above, as in Examples 1 and 2,
Various points such as the container having the double wall structure of the inner wall K and the outer wall L, and the double wall structure having a jacket shape are the same as in Examples 3 to 7 described below.

【００３９】《実施例３》図３は実施例３を示す図であ
る。燃料電池の燃料極からの排気はそれ自体熱を保有し
ているのに加え、燃料電池中で未利用の水素が含まれて
いる。このため、本例では該燃料極排気を燃焼器（燃料
極排気燃焼器）で燃焼させ、発生する燃焼ガスを温水貯
留容器中の給水に直接吹き込んで給水の加熱に利用す
る。ガス吹き込みは容器内の水中に多孔管などを配置す
ることで実施される。燃焼器としてはその中に貴金属触
媒等の触媒を充填した燃焼器、すなわち触媒燃焼器など
が用いられる。Third Embodiment FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment. The exhaust from the fuel cell anode contains heat in itself, and also contains unused hydrogen in the fuel cell. For this reason, in this example, the fuel electrode exhaust is burned in a combustor (fuel electrode exhaust combustor), and the generated combustion gas is directly blown into the feed water in the hot water storage container to be used for heating the feed water. Gas injection is performed by arranging a porous tube or the like in water in the container. As the combustor, a combustor in which a catalyst such as a noble metal catalyst is filled, that is, a catalytic combustor is used.

【００４０】燃料極排気の燃焼には空気が必要である
が、図３中燃焼器への空気導管の記載は省略している。
空気としては外部からの空気でもよいが、空気極の排気
や、燃料電池の冷却に空気を用いる場合にはその空気
（燃料電池を冷却し自らは加温されて排出される空気）
を利用するのが好ましい。これにより、その排熱を燃焼
ガスと合流させて利用できるので装置を簡略化でき、燃
料極排気、空気極排気、電池冷却用空気のそれぞれから
排熱回収をする必要がなくなり、燃料極排気からの排熱
回収だけで済むという利点も得られる。燃焼器にはこれ
に続き逆流防止弁、遮断弁等の逆流防止機構を設けるの
が好ましい。これにより、燃料電池の作動停止時等にお
いて、温水貯留容器中の温水が燃料電池本体内へ逆流す
るのを防ぐことができる。Although air is required for combustion of the anode exhaust, illustration of an air conduit to the combustor is omitted in FIG.
The air may be external air, but when air is used for exhausting the air electrode or cooling the fuel cell, the air (air that is cooled and heated by itself and discharged).
It is preferable to use As a result, the exhaust heat can be combined with the combustion gas and used, so that the device can be simplified, and there is no need to recover exhaust heat from each of the anode exhaust, the cathode exhaust, and the battery cooling air. Another advantage is that only waste heat recovery is required. The combustor is preferably provided with a backflow prevention mechanism such as a backflow prevention valve and a shutoff valve. This can prevent the hot water in the hot water storage container from flowing back into the fuel cell main body when the operation of the fuel cell is stopped or the like.

【００４１】《実施例４》図４は実施例４を示す図であ
る。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体を内壁
Ｋで形成された空間Ｓ中に配置する。本例では、燃料電
池を空気により冷却し、そこから排出される温空気を温
水貯留容器中の水に直接吹き込んで水の加熱に利用す
る。また、空気極からの排気を温水貯留容器中、すなわ
ち内壁Ｋと外壁Ｌ間の水中に直接吹き込んで水の加熱に
利用する。この場合、電池冷却空気と空気極排気を合わ
せて温水貯留容器中の水に直接吹き込むようにしてもよ
い。図４はこの場合を示している。また、吹き込み用導
管に逆流防止弁、遮断弁等の逆流防止機構を設けるのが
好ましい。これにより、燃料電池の作動停止時等におい
て、温水貯留容器中の温水が燃料電池本体内へ逆流する
のを防ぐことができる。Fourth Embodiment FIG. 4 is a diagram showing a fourth embodiment. As in the case of the above embodiment, the fuel cell main body is arranged in the space S formed by the inner wall K. In this example, the fuel cell is cooled by air, and the warm air discharged therefrom is directly blown into the water in the hot water storage container to be used for heating the water. In addition, the exhaust gas from the air electrode is directly blown into the warm water storage container, that is, the water between the inner wall K and the outer wall L to be used for heating the water. In this case, the battery cooling air and the air electrode exhaust may be directly blown into the water in the hot water storage container. FIG. 4 shows this case. Further, it is preferable to provide a check valve such as a check valve or a shut-off valve in the blowing conduit. This can prevent the hot water in the hot water storage container from flowing back into the fuel cell main body when the operation of the fuel cell is stopped or the like.

【００４２】《実施例５》図５は実施例３〜４を併用し
た形で実施する例である。以上の実施例の場合と同じ
く、燃料電池本体は内壁Ｋで形成された空間Ｓ中に配置
される。本例では、燃料極からの排気を燃焼器で燃焼さ
せ、発生する燃焼ガスを温水貯留容器中、すなわち内壁
Ｋと外壁Ｌ間の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用
し、且つ、燃料電池を空気により冷却し、そこから排出
される温空気を温水貯留容器中の水中に直接吹き込んで
水の加熱に利用する。また、空気極からの排気を温水貯
留容器中の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用する。
この場合、電池冷却用空気と空気極排気を合わせて温水
貯留容器内の水中に直接吹き込むようにしてもよい。図
５はこの場合を示している。Embodiment 5 FIG. 5 shows an embodiment in which Embodiments 3 and 4 are used in combination. As in the case of the above embodiment, the fuel cell main body is arranged in the space S formed by the inner wall K. In this example, the exhaust gas from the fuel electrode is burned in a combustor, and the generated combustion gas is directly blown into the warm water storage vessel, that is, into the water between the inner wall K and the outer wall L to be used for heating the water. Is cooled by air, and the warm air discharged therefrom is directly blown into the water in the hot water storage container to be used for heating the water. In addition, the exhaust gas from the air electrode is directly blown into the water in the hot water storage container to be used for heating the water.
In this case, the battery cooling air and the air electrode exhaust may be directly blown into the water in the hot water storage container. FIG. 5 shows this case.

【００４３】《実施例６》図６は実施例６を示す図であ
る。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体は内壁
Ｋで形成された空間Ｓ中に配置される。本例では、燃料
電池へ供給する燃料を温水貯留容器内の温湯で加温又は
冷却する熱交換機構を設ける。燃料が低温、例えば環境
温度の場合は温湯で加熱され、燃料が高温の改質ガスな
どの場合は温湯で冷却される。また、内壁Ｋと外壁Ｌと
の間の温湯中に燃料電池へ供給する燃料を加湿する機構
を設ける。これら両機構は、いずれか一方を単独で設置
してもよく、両者を併置してもよい。図６は併置した場
合を示している。燃料は熱交換機構で加温又は冷却さ
れ、次いで加湿機構により加湿された後、燃料電池に供
給される。燃料電池に供給される燃料は、一定範囲の温
度に維持されるのが望ましいが、本例においては燃料の
温度調整用に温水貯留容器内の温湯が利用できるので、
燃料電池系内のエネルギーをより有効に利用することが
できる。Embodiment 6 FIG. 6 is a view showing Embodiment 6. As in the case of the above embodiment, the fuel cell main body is arranged in the space S formed by the inner wall K. In this example, a heat exchange mechanism for heating or cooling the fuel supplied to the fuel cell with hot water in the hot water storage container is provided. When the fuel is at a low temperature, for example, at an ambient temperature, it is heated with hot water, and when the fuel is a high-temperature reformed gas or the like, it is cooled with hot water. Further, a mechanism is provided for humidifying the fuel supplied to the fuel cell in the hot water between the inner wall K and the outer wall L. Either of these mechanisms may be installed alone, or both may be installed side by side. FIG. 6 shows a case in which they are juxtaposed. The fuel is heated or cooled by the heat exchange mechanism, then humidified by the humidification mechanism, and then supplied to the fuel cell. It is desirable that the fuel supplied to the fuel cell be maintained at a certain temperature range, but in this example, hot water in the hot water storage container can be used for adjusting the temperature of the fuel.
Energy in the fuel cell system can be used more effectively.

【００４４】また、本例では、燃料電池へ供給する空気
を温水貯留容器内の温湯で加温する熱交換機構を設け
る。また、内壁Ｋと外壁Ｌとの間の温湯中に燃料電池へ
供給する空気を加湿する機構を設ける。これら両機構
は、いずれか一方を単独で設置してもよく、両者を併置
してもよい。図６は併置した場合を示している。空気は
熱交換機構で加温され、次いで加湿機構により加湿され
た後、燃料電池に供給される。燃料電池に供給される空
気は、一定範囲の温度に維持されるのが望ましいが、本
例においては空気の温度調整用に温水貯留容器内の温湯
が利用できるので、燃料電池系内のエネルギーをより有
効に利用することができる。In this embodiment, a heat exchange mechanism for heating air supplied to the fuel cell with hot water in a hot water storage container is provided. Further, a mechanism for humidifying the air supplied to the fuel cell in the hot water between the inner wall K and the outer wall L is provided. Either of these mechanisms may be installed alone, or both may be installed side by side. FIG. 6 shows a case in which they are juxtaposed. The air is heated by the heat exchange mechanism, then humidified by the humidification mechanism, and then supplied to the fuel cell. The air supplied to the fuel cell is desirably maintained at a certain temperature range.In this example, the hot water in the hot water storage container can be used for adjusting the temperature of the air. It can be used more effectively.

【００４５】従来、燃料電池へ供給する燃料や空気の加
湿には、ヒーター等で所定温度に制御された水中にそれ
ら供給ガスを吹き込む方式やセルスタック内部に膜等を
介して加湿する機構を設ける方式が採用されている。前
者については、加湿のためのエネルギーの必要量が多
く、加湿容器のためのスペースが必要であり、コスト上
の問題もある。後者に関しては、燃料電池の排熱を用い
て加湿されるので、エネルギー的にはロスが少ないが、
加湿機構（加湿に用いる冷却水と供給ガスを、加湿用の
膜を介して接触させて加湿するようにしたもの等）を組
み込む必要があるので、セルスタックの構造が複雑化
し、コストアップにつながる。本発明によれば、本例の
ように独立して加湿器を設置する必要がないので、その
ためのスペースを節約でき、設備コストも低減できる。
また燃料電池の排熱を利用して加熱するので、加湿に関
わるエネルギーを少なくすることができる。Conventionally, for humidifying the fuel or air supplied to the fuel cell, a method of blowing the supplied gas into water controlled to a predetermined temperature by a heater or the like or a mechanism for humidifying the inside of the cell stack through a membrane or the like is provided. The method is adopted. The former requires a large amount of energy for humidification, requires a space for a humidification container, and has a problem in cost. The latter is humidified using the exhaust heat of the fuel cell, so there is little energy loss,
It is necessary to incorporate a humidifying mechanism (such as one in which cooling water used for humidification and a supply gas are brought into contact with each other through a humidifying film, etc.), so that the structure of the cell stack is complicated, leading to an increase in cost. . According to the present invention, it is not necessary to install a humidifier independently as in the present embodiment, so that the space for the humidifier can be saved and the equipment cost can be reduced.
In addition, since heating is performed using exhaust heat of the fuel cell, energy relating to humidification can be reduced.

【００４６】《実施例７》図７は実施例７を示す図であ
る。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体は内壁
Ｋで形成された空間Ｓ中に配置される。本例では、温水
貯留容器すなわち内壁Ｋと外壁Ｌ間の水面上の空間に直
接接触式熱交換機構を設け、給水を温水貯留容器内へ散
布し、温水貯留容器内の水中に吹き込んだ後の燃焼ガス
等と直接気液接触させるようにした例である。給水を内
壁Ｋと外壁Ｌとの間に散布し、そして燃料電池の燃料
極排気を燃焼させた燃焼ガス、燃料電池を空気により
冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および燃
料電池の空気極排気のうちの少なくとも１つ、すなわち
これらの１つまたは２つ以上と直接接触させる。<< Embodiment 7 >> FIG. 7 is a view showing Embodiment 7. As in the case of the above embodiment, the fuel cell main body is arranged in the space S formed by the inner wall K. In this example, a direct contact heat exchange mechanism is provided in the space above the water surface between the hot water storage container, ie, the inner wall K and the outer wall L, and the supply water is sprayed into the hot water storage container, and is then blown into the water in the hot water storage container. This is an example of direct gas-liquid contact with a combustion gas or the like. Water is sprayed between the inner wall K and the outer wall L, and the combustion gas obtained by burning the fuel electrode exhaust of the fuel cell, the fuel cell is cooled by air, the warm air discharged after cooling the fuel cell, and the fuel cell. Direct contact with at least one of the cathode exhausts, ie one or more of them.

【００４７】すなわち、上記の燃焼ガス、の温空
気、およびの空気極からの排気のうちの少なくとも１
つを温水貯留容器内の水中に吹き込んだ後、散布給水と
直接接触させる。これら〜のうちの一部又は全部を
温水貯留容器内の水中に吹き込むことなく、散布給水と
直接接触させるようにしてもよい。給水は内壁Ｋの壁面
から伝えられる燃料電池本体からの熱によって加熱され
るとともに、それらのガスとの接触による熱交換によっ
ても加熱される。That is, at least one of the above-mentioned combustion gas, warm air, and exhaust air from the air electrode is used.
After blowing the water into the water in the hot water storage container, it is brought into direct contact with the spray water. Some or all of these may be brought into direct contact with spray water without being blown into the water in the hot water storage container. The water supply is heated by the heat from the fuel cell main body transmitted from the wall surface of the inner wall K, and is also heated by heat exchange by contact with those gases.

【００４８】直接接触式熱交換機構としては、好ましく
はラシヒリングその他気液接触を良好にする部材が配置
され、給水はその上方から散布される。このため温水貯
留容器内の水面は実施例１、実施例３〜６（図１、図３
〜６）の水面より低く設定される。その水面を燃料極排
気の燃焼器の位置より低く設定しておけば、燃焼器に続
く逆流防止機構を省略できる利点も得られる。As the direct contact heat exchange mechanism, a Raschig ring or other member for improving gas-liquid contact is preferably arranged, and the water supply is sprayed from above. For this reason, the water surface in the hot water storage container is the same as in the first embodiment and the third to sixth embodiments (FIGS. 1 and 3).
6) lower than the water surface. If the water surface is set lower than the position of the combustor of the anode exhaust, there is an advantage that the backflow prevention mechanism following the combustor can be omitted.

【００４９】さらに、図７には温水貯留容器内の水中に
電気ヒータを配置しているが、これは温水の需要量に応
じて電気ヒータを作動させるためのものである。電気ヒ
ータは温水の需要量が多い場合の補助的加熱装置である
が、他の実施例の場合においても設置することができ
る。従来では、図１０〜１２に示すように温水貯留容器
の外部に別途追い焚き用のボイラ等を設置していたが、
本発明では温水貯留容器内の水中に電気ヒータを配置す
るので、該電気ヒータの熱を無駄なく加熱に利用するこ
とができる。電気ヒータに代えてガスバーナ、触媒燃焼
器等を配置してもよい。Further, in FIG. 7, the electric heater is arranged in the water in the hot water storage container, and this is for operating the electric heater in accordance with the demand amount of the hot water. The electric heater is an auxiliary heating device when the demand for hot water is large, but it can be installed in other embodiments. Conventionally, as shown in FIGS. 10 to 12, a separate boiler for reheating was installed outside the hot water storage container.
In the present invention, since the electric heater is disposed in the water in the hot water storage container, the heat of the electric heater can be used for heating without waste. A gas burner, a catalytic combustor, or the like may be provided instead of the electric heater.

【００５０】《実施例８》図８は実施例８を示す図であ
る。本例は、実施例６の変形例で、燃料電池本体を温水
貯留容器内に収容せずに、温水貯留容器内に燃料電池へ
供給する燃料、空気の加湿機構を設けた例である。燃料
電池本体を温水貯留容器の外部に置き、温水貯留容器内
に燃料電池へ供給する燃料、空気の加湿機構を設ける。
図８には、燃料及び空気の両方に加湿機構を設けた場合
を示しているが、それらの一方のみに設けてもよい。図
８のとおり、電池冷却水を温水貯留容器内に配置した排
熱回収用熱交換器に循環させて、給水の加熱に利用する
ようにしてもよい。また、前記実施例６（図６参照）の
ように温水貯留容器内に燃料および空気のうちの少なく
とも１つを加熱する機構を併用してもよい。<Eighth Embodiment> FIG. 8 is a view showing an eighth embodiment. This embodiment is a modification of the sixth embodiment, in which a fuel and air humidifying mechanism for supplying fuel and air to the fuel cell is provided in the hot water storage container without housing the fuel cell main body in the hot water storage container. The fuel cell body is placed outside the hot water storage container, and a humidifying mechanism for fuel and air to be supplied to the fuel cell is provided in the hot water storage container.
FIG. 8 shows a case where the humidifying mechanism is provided for both the fuel and the air, but it may be provided for only one of them. As shown in FIG. 8, battery cooling water may be circulated through a heat exchanger for exhaust heat recovery disposed in a hot water storage container to be used for heating supply water. Further, as in the sixth embodiment (see FIG. 6), a mechanism for heating at least one of fuel and air may be used in the hot water storage container.

【００５１】[0051]

【発明の効果】本発明によれば、燃料電池本体を、排熱
を回収するための温水貯留容器又は温水流通容器内に収
容する点を基本とし、これにより燃料電池のもつ諸エネ
ルギーを温水貯留容器又は温水流通容器内で利用できる
ので、燃料電池のもつ諸エネルギーの利用効率を格段に
高めることができる。また、本発明によれば、温水貯留
容器又は温水流通容器内の温湯を燃料電池へ供給する燃
料や空気の加温や加湿に利用できるなど各種優れた効果
が得られる。According to the present invention, the fuel cell body is basically housed in a hot water storage container or a hot water circulation container for recovering exhaust heat, whereby various energies of the fuel cell are stored in the hot water storage container. Since the fuel cell can be used in the container or the hot water circulation container, the utilization efficiency of various energies of the fuel cell can be significantly improved. Further, according to the present invention, various excellent effects can be obtained such that the hot water in the hot water storage container or the hot water circulation container can be used for heating or humidifying the fuel or air supplied to the fuel cell.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図１】本発明の実施例１を示す図。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図２】本発明の実施例２を示す図（容器をジャケット
状の構造に構成した例を模式的に示す図）。FIG. 2 is a view showing a second embodiment of the present invention (a view schematically showing an example in which a container is formed in a jacket-like structure).

【図３】本発明の実施例３を示す図。FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.

【図４】本発明の実施例４を示す図。FIG. 4 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.

【図５】本発明の実施例５を示す図。FIG. 5 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention.

【図６】本発明の実施例６を示す図。FIG. 6 is a diagram showing a sixth embodiment of the present invention.

【図７】本発明の実施例７を示す図。FIG. 7 is a diagram showing a seventh embodiment of the present invention.

【図８】本発明の実施例８を示す図。FIG. 8 is a diagram showing an eighth embodiment of the present invention.

【図９】燃料電池の１例としてＰＥＦＣを概略的に示す
図。FIG. 9 is a diagram schematically showing a PEFC as an example of a fuel cell.

【図１０】電池冷却水の熱を間接熱交換器により温湯用
に利用する例を示す図（従来例）。FIG. 10 is a diagram illustrating an example in which the heat of battery cooling water is used for hot water by an indirect heat exchanger (conventional example).

【図１１】ＰＥＦＣの余剰水素をＰＥＦＣへリサイクル
させて利用する例を示す図（従来例）。FIG. 11 is a diagram showing an example in which surplus hydrogen in PEFC is recycled and used in PEFC (conventional example).

【図１２】燃料電池の燃料極排気を都市ガス等から水素
を生成させる改質器にリサイクルして利用する例を示す
図（従来例）。FIG. 12 is a diagram illustrating an example in which fuel electrode exhaust of a fuel cell is recycled and used in a reformer that generates hydrogen from city gas or the like (conventional example).

【符号の説明】[Explanation of symbols]

１ 高分子電解質膜 ２ カソード電極（正極＝空気極） ３ アノード電極（負極＝燃料極） 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 Ｋ 内壁 Ｌ 外壁 Ｓ 空間 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Polymer electrolyte membrane 2 Cathode electrode (positive electrode = air electrode) 3 Anode electrode (negative electrode = fuel electrode) 4 Cathode electrode side current collector 5 Anode electrode side current collector 6 Oxygen or air supply pipe 7 Fuel (usually hydrogen) Supply pipe 8 Cathode terminal plate 9 Anode terminal plate 10 Left frame 11 Right frame 12 Packing K Inner wall L Outer wall S Space

Claims (11)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項１】燃料電池の排熱により給水を加熱して温水
として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料
電池本体を排熱を回収するための温水貯留容器又は温水
流通容器内に収容してなることを特徴とする排熱利用燃
料電池。1. A fuel cell in which feed water is heated by exhaust heat of a fuel cell and used as hot water, wherein a fuel cell body is placed in a hot water storage container or a hot water circulation container for recovering exhaust heat. An exhaust heat utilization fuel cell characterized by being housed. 【請求項２】燃料電池の排熱により給水を加熱して温水
として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料
電池本体を排熱を回収するための温水貯留容器又は温水
流通容器内に収容するとともに、燃料電池の電池冷却水
を温水貯留容器又は温水流通容器内の水中に配置された
熱交換器に通して温水を発生させるようにしてなること
を特徴とする排熱利用燃料電池。2. A fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein the fuel cell body is placed in a hot water storage container or a hot water circulation container for recovering the exhaust heat. A waste heat-utilizing fuel cell, wherein the fuel water is stored and passed through a heat exchanger disposed in water in a hot water storage container or a hot water circulation container to generate hot water. 【請求項３】燃料電池の排熱により給水を加熱して温水
として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料
電池本体を排熱を回収するための温水貯留容器又は温水
流通容器内に収容するとともに、燃料電池の燃料極の
排気を燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、燃料電池を空気
により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、およ
び空気極からの排気のうちの少なくとも１つを、温水
貯留容器又は温水流通容器中の水に直接吹き込むように
してなることを特徴とする排熱利用燃料電池。3. A fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein the fuel cell body is placed in a hot water storage container or a hot water circulation container for recovering the exhaust heat. At least one of: a combustion gas containing the exhaust of the fuel electrode of the fuel cell in the combustor, a warm air discharged after cooling the fuel cell by cooling the fuel cell, and an exhaust from the air electrode. One for directly blowing water into a hot water storage container or hot water distribution container. 【請求項４】燃料電池の排熱により給水を加熱して温水
として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料
電池本体を排熱を回収するための温水貯留容器又は温水
流通容器内に収容するとともに、温水貯留容器又は温水
流通容器内に、燃料極へ供給する燃料および空気極へ供
給する空気のうちの少なくとも１つを、それら容器内の
温水と熱交換する機構を設けてなることを特徴とする排
熱利用燃料電池。4. A fuel cell in which feed water is heated by exhaust heat of a fuel cell and used as hot water, wherein a fuel cell main body is provided in a hot water storage container or a hot water circulation container for recovering exhaust heat. A mechanism for accommodating and, in the hot water storage container or the hot water distribution container, providing a mechanism for heat-exchanging at least one of the fuel supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode with the hot water in the container. A fuel cell utilizing exhaust heat. 【請求項５】燃料電池の排熱により給水を加熱して温水
として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料
電池本体を排熱を回収するための温水貯留容器又は温水
流通容器内に収容するとともに、温水貯留容器又は温水
流通容器内に、燃料極へ供給する燃料および空気極へ供
給する空気のうちの少なくとも１つを、それら容器内の
温水で加湿する機構を設けてなることを特徴とする排熱
利用燃料電池。5. A fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein the fuel cell body is placed in a hot water storage container or a hot water circulation container for recovering the exhaust heat. And a mechanism for humidifying at least one of the fuel to be supplied to the fuel electrode and the air to be supplied to the air electrode in the hot water storage container or the hot water circulation container with the hot water in the container. A fuel cell utilizing exhaust heat. 【請求項６】燃料電池の排熱により給水を加熱して温水
として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料
電池本体を排熱を回収するための温水貯留容器又は温水
流通容器内に収容するとともに、温水貯留容器又は温水
流通容器への給水を温水貯留容器又は温水流通容器内へ
散布して、燃料電池の燃料極の排気を燃焼させた燃焼
ガス、燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後
排出される温空気、および空気極からの排気のうちの
少なくとも１つと直接接触させるようにしてなることを
特徴とする排熱利用燃料電池。6. A fuel cell in which feed water is heated by the exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein the fuel cell body is placed in a hot water storage container or a hot water circulation container for recovering the exhaust heat. While accommodating, the water supply to the hot water storage container or the hot water distribution container is sprayed into the hot water storage container or the hot water distribution container, and the combustion gas that burns the exhaust of the fuel electrode of the fuel cell, the fuel cell is cooled by air, A fuel cell utilizing exhaust heat, which is brought into direct contact with at least one of warm air discharged after cooling of the fuel cell and exhaust air from an air electrode. 【請求項７】燃料電池の排熱により給水を加熱して温水
として利用するようにしてなる燃料電池であって、温水
貯留容器又は温水流通容器内に、燃料極へ供給する燃料
および空気極へ供給する空気のうちの少なくとも１つ
を、それら容器内の温水と熱交換する機構を設けてなる
ことを特徴とする排熱利用燃料電池。7. A fuel cell in which feed water is heated by exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein fuel and air to be supplied to the fuel electrode and the air electrode are placed in a hot water storage container or a hot water circulation container. A fuel cell utilizing exhaust heat, comprising a mechanism for exchanging heat with at least one of the supplied air and hot water in the containers. 【請求項８】燃料電池の排熱により給水を加熱して温水
として利用するようにしてなる燃料電池であって、温水
貯留容器又は温水流通容器内に、燃料極へ供給する燃料
および空気極へ供給する空気のうちの少なくとも１つ
を、それら容器内の温水を用いて加湿する機構を設けて
なることを特徴とする排熱利用燃料電池。8. A fuel cell in which feed water is heated by exhaust heat of the fuel cell and used as hot water, wherein fuel and air to be supplied to the fuel electrode and the air electrode are placed in a hot water storage container or a hot water circulation container. A fuel cell utilizing exhaust heat, comprising a mechanism for humidifying at least one of the supplied air using hot water in the containers. 【請求項９】上記排熱利用燃料電池の燃料極へ供給する
燃料が水素又は水素を含むガスである請求項１〜８のい
ずれかに記載の排熱利用燃料電池。9. The exhaust heat utilizing fuel cell according to claim 1, wherein the fuel supplied to the fuel electrode of the exhaust heat utilizing fuel cell is hydrogen or a gas containing hydrogen. 【請求項１０】上記排熱利用燃料電池において、電気ヒ
ータ、ガスバーナ、触媒燃焼器等の補助的加熱装置を配
置してなることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに
記載の排熱利用燃料電池。10. The exhaust heat system according to claim 1, wherein an auxiliary heater such as an electric heater, a gas burner, or a catalytic combustor is disposed in the exhaust heat utilizing fuel cell. Use fuel cell. 【請求項１１】上記排熱利用燃料電池の燃料電池が固体
高分子型燃料電池である請求項１〜１０のいずれかに記
載の排熱利用燃料電池。11. The exhaust heat utilization fuel cell according to claim 1, wherein the fuel cell of the exhaust heat utilization fuel cell is a polymer electrolyte fuel cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2014063206A (en) * 2012-07-27 2014-04-10 Nintendo Co Ltd Content sales system, content server device, server program and content sales method
JP2016142501A (en) * 2015-02-04 2016-08-08 東京瓦斯株式会社 Indoor radiation type cooling heating system

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