JP2002324560A - 燃料電池用発電システム及び発電システムの廃熱再循環冷却システム - Google Patents
燃料電池用発電システム及び発電システムの廃熱再循環冷却システムInfo
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Abstract
る。 【解決手段】 燃料電池用発電システム、及び、前記発
電システムの廃熱再循環冷却システムにおいて、燃料電
池が発生する熱水を一時的に貯蔵するための水タンク、
陽極ガス供給源と熱伝導連通のある熱交換器、熱水を熱
交換器に送るためのポンプを含み、それにより熱水の熱
エネルギーを陽極ガス解放のため陽極ガス供給源を加熱
するのに利用し、熱エネルギーを解放した際の水が燃料
電池の温度を下げるため燃料電池に運び戻され、それに
より廃熱再循環を形成する。
Description
ステムに関し、特にプロトン交換膜燃料電池に使用され
る発電システム内の廃熱再循環システムに関する。本再
循環システムは、既存燃料電池から発生する廃熱を、燃
料電池が必要とする電気エネルギー節約のため効率的に
利用して、システム全体の発電効率を高めるものであ
る。
及び天然ガスなど既存エネルギー資源の消費量が急速に
増大する。これは地球環境におびただしい汚染をもたら
し、地球温暖化や酸性雨などの各種の環境問題を生じ
る。現在のエネルギー消費率がこのまま続くと、既存天
然エネルギー資源すべてが近い将来枯渇するであろう
と、今では認識されている。そこで、多くの先進国が、
新規代替エネルギー資源の研究開発に熱心に取り組んで
いる。燃料電池は、最も重要で価格の適正なエネルギー
資源の一つである。燃料電池は、既存内燃機関に比較し
て、エネルギー変換効率が高い、排気がクリーン、騒音
が低い、既存ガソリンの消費が無いなど、多くの利点を
有している。
気化学反応を動力源とする電力発生装置である。基本的
に、この反応は水の電気分解の電気化学反応であって、
化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。燃料電池
の基本構造は、例えば、複数の電池ユニットを含むプロ
トン交換膜燃料電池である。各電池ユニットは、中央に
プロトン交換膜(PEM)を含み、その両側に触媒層が
設けられている。そして、2個の触媒の外側それぞれに
は、更にガス拡散層(GDL)が設けられている。ま
た、GDLに隣接する最外側には更に陽極板と陰極板が
設けられている。上記要素すべてを一つにまとめて、電
池ユニットが形成される。燃料電池実用化のためには、
複数の上記電池ユニットを積み重ねて直列に接続し、十
分な電力を得る。したがって、隣接する2個の電池ユニ
ットは、2個の電池ユニットそれぞれの陽極及び陰極と
して働く共通の電極板を共有することができる。そこ
で、このような電極板を、通常は、双極板と呼ぶ。一般
的に、双極板の両側には、水素及び空気(酸素供給用)
などの反応用ガスを運ぶと同時に、水滴又は水蒸気など
の反応生成物を双極板の外に運び出すため多数の溝が設
けられている。
一つは、図1に示すように、(酸素供給源などの)陰極
ガス供給システムと、(水素循環システムなどの)陽極
循環システムを含む。大気は酸素供給システム30の供
給源として作用する。ここでは、フィルタ32を用いて
空気を濾過し、次いでブロワ34を通して燃料電池内に
送り込む。燃料電池50内部での反応に際し、余剰空気
は復水器36の中に放出される。水回復器36は、放出
空気に含まれる微量の水を回収し、その水は燃料電池反
応生成物の熱水とともに放出される。熱水の一部はラジ
エータを通って燃料電池50の中に再び入り、燃料電池
50が発生する熱を減少させるための冷却システムを構
成する。
42を通して水素流入量を調節する水素供給源40、燃
料電池内反応の際の余剰水素排出のため、及び燃料電池
50への水素供給源40吸入のため、燃料電池50の他
端に設けられた水素ポンプ44が含まれる。余剰水素は
加湿器46を通して放出され、次いで水素供給源の配管
に流れ戻り、新鮮水素と混合されて、同一の循環を繰り
返す。
用の公知の装置の一つは、加圧水素を満たした水素容器
を代用することである。このとき外部弁と水素ポンプ4
4が共同して水素を放出し、これが陽極ガス循環システ
ムに供給される。しかし、このような水素解放設計は、
通常、水素が定圧且つ定流量で供給されることを保証し
ないので、それにより無駄を生じ、発電効率を低下させ
る。
ずに、水素を定圧且つ定量で供給する能力のある安定的
な水素供給システムが求められている。
は、陽極ガス供給源に満たされた所謂る金属水素化物を
使用することである。金属水素化物は経験した温度に相
当する圧力で水素を放出することが出来る。水素放出過
程は吸熱反応である。金属水素化物内に貯蔵された水素
が完全に消費されたとき、純粋水素を金属水素化物に再
充填し直すことが出来る。水素充填過程は発熱反応であ
る。金属水素化物が経験する温度は水素圧力に正比例す
る。この正比例関係は、異なる製造者が供給する金属水
素化物の間で変動することがある。したがって、この型
の陽極ガス供給源を使う間、電気化学反応が必要とする
陽極ガスを放出させるため、陽極ガス供給源に熱エネル
ギーを与えなければならない。
必要とする熱源として、燃料電池が発生する廃熱を利用
する。つまり、陽極ガス供給源の陽極ガスを放出させる
ため、燃料電池の電気化学反応の副産物である熱水を利
用する。熱水が冷却された後、冷却媒体を燃料電池に戻
して燃料電池の温度を低下させ、それにより廃熱再循環
をおこなわせる。このような構成は、元の冷却システム
の基本構造を変えないで、陽極ガス供給に必要な熱源を
与える。
供給源の陽極ガス放出用熱源として、燃料電池電気化学
反応の副産物である熱を利用し、それにより自己充足熱
エネルギー供給システムを構築して、製造コストを低減
し、燃料電池が消費する電力使用をなくし、システム全
体の効率を増加することである。
ー供給システムを燃料電池の冷却システムと合同させ、
金属水素化物技術を効果的に実行して、熱エネルギーを
全く喪失せず追加装置を必要としない廃熱再循環冷却シ
ステムを構築することである。
適実施態様の説明を参照して、理解することが出来る。
却システム160は、陽極ガス(水素)供給源122と
して金属水素化物を使用する燃料電池発電システム(燃
料電池)150と共に主として使用するためのものであ
る。燃料電池発電システム150は、水素供給源122
に接続された陽極ガス入口152を有する燃料電池5
0、大気に接続された陰極ガス入口、電力出口156、
廃熱入口154、及び冷却媒体入口159を含む。廃熱
再循環冷却システム160は、燃料電池150が発生し
た廃熱を反応後利用して水タンク162の中の水を加熱
するため廃熱出口158に接続された水タンク162、
陽極ガス供給源(水素供給源)122を覆いそれと熱連
通する熱交換器164、及び熱水を熱交換器164に送
るため水タンク162と熱交換器164との間に設けら
れたポンプ163を含む。それにより熱水の熱エネルギ
ーを利用して陽極ガスを定圧で解放するため陽極ガス供
給源内の金属水素化物を加熱する。熱エネルギーを放出
し終えた水は燃料電池50に送り戻されて燃料電池50
の温度を低下させ、それにより燃料電池50を効果的な
反応のため低い運転温度に保つ。
中での反応時の余剰空気は、陰極ガス出口155を通っ
て水回復器36の中に放出される。水回復器36は、排
出空気中に含まれる微量の水を回収し、次いでその水を
水タンク162に導く。燃料電池50中での反応時の余
剰水素は、水素ポンプ44を用いて陽極ガス出口153
を通って加湿器46に送られ、余剰水素に加湿する。脱
湿余剰水素は、次いで水素供給配管中に戻されて、新鮮
水素と混合され、同一循環を繰り返す。
164と水タンク162を示す。この実施態様におい
て、熱交換器164は、水素供給源122を囲んで流れ
る複数の水路1642を含む。水路1642は、熱水が
水路1642を通って水素供給源122を囲んで流れる
よう水タンク162と流体連通している。
の下端にある水出口166から水タンク162を出て、
熱交換器164の下端に作られた複数の水入口167を
通って水路1642の中に送り込まれ、次いで板128
の下端にある複数の水出口168を通って水路164を
出る。水素供給源122を囲んで熱水を流すことによ
り、熱水の熱エネルギーが水素供給源122に伝導され
る。
の水素解放過程は、吸熱反応である。したがって、熱水
の熱エネルギーは、吸熱反応に必要な目的に正しく役立
つので、水素供給源内の金属水素化物は選ばれた温度と
それに相当する圧力で水素を放出する。電子的制御回
路、温度センサ又はその他の既存手段を用いて、所定の
温度を保つよう加熱装置を制御することができる。
げ、熱水を冷却媒体に変換して燃料電池159用の冷却
手段として作用させるため、熱交換器164と燃料電池
150の冷却媒体入口159との間にラジエータ170
を追加して設けることができる。
は、熱水の一部を、熱交換器164に入る前に、余剰水
素を加湿するため加湿器46に導く一方、熱水の一部は
脱イオン濾過装置(示さず)に導いて純水の副循環を作
り、それにより燃料電池50を汚染することなく冷却循
環全体を最適化している。
テム160をプロトン交換膜燃料電池に実施する間、燃
料電池50から発生した廃熱が水素供給源内に貯蔵され
た水素の放出に利用される一方、燃料電池の電気化学反
応の副産物である熱水を、燃料電池に必要な冷却媒体に
変換して、燃料電池発電システム150が必要とする電
気エネルギーを低減し、システム全体の発電効率が増加
する。
作に関わる。しかし、上記説明は本発明に従う好適実施
態様の記述を目的とする。当業者は、本発明の技術概念
を逸脱することなく、各種変更と実現方法を行うことが
出来る。本発明は、好適実施態様との関連で記述した特
定詳細事項に限定されるものではないので、本発明の全
体的基本機能を変更することなく好適実施態様の特徴に
加えられた変更は、特許請求の範囲の請求項の範囲内で
あると考える。
る。
態様を含む燃料電池を示す構成図である。
を示す。
Claims (8)
- 【請求項1】 陽極ガス入口と、陽極ガス出口と、陰極
ガス入口と、陰極ガス出口と、電力出口と、廃熱出口
と、冷却媒体入口と、を有する燃料電池と、 前記陽極ガス入口と前記陽極ガス出口との間を繋ぎ、前
記陽極ガス入口に接続された陽極ガス供給源を有する陽
極ガス循環システムと、 前記陰極ガス入口に接続された陰極ガス供給システム
と、 前記廃熱出口と前記冷却媒体入口との間を接続する廃熱
再循環及び冷却システムであって、熱水を出す前記廃熱
出口に接続された水タンクと、前記陽極ガス供給源と熱
伝導連通のある熱交換器と、前記水タンクと前記熱交換
器との間に配置されたポンプと、を有する廃熱再循環及
び冷却システムと、を含む燃料電池用発電システム。 - 【請求項2】 前記熱交換器が、前記陽極ガス供給源を
囲む複数の水経路を含み、熱水がその水経路を通り前記
陽極ガス供給源を囲んで流れることが出来るよう、その
水経路が前記水タンクと流体連通している、請求項1に
記載の燃料電池用発電システム。 - 【請求項3】 前記陽極ガス供給源が、金属水素化物で
充填された、請求項1又は2に記載の燃料電池用発電シ
ステム。 - 【請求項4】 前記熱交換器を出る水の温度低下を促進
するため、前記熱交換器と前記燃料電池の前記冷却媒体
入口との間に設けられたラジエータを更に含む、請求項
1、2又は3に記載の燃料電池用発電システム。 - 【請求項5】 熱水を出す前記廃熱出口に接続された水
タンクと、 前記陽極ガス供給源と熱伝導連通する熱交換器と、 前記水タンクと前記熱交換器との間に配置されたポンプ
と、を含む請求項1に記載の燃料電池用発電システムに
用いるための廃熱再循環冷却システム。 - 【請求項6】 前記熱交換器が、前記陽極ガス供給源を
囲む複数の水経路を含み、熱水がその水経路を通り前記
陽極ガス供給源を囲んで流れることが出来るよう、その
水経路が前記水タンクと流体連通している、請求項5に
記載の廃熱再循環冷却システム。 - 【請求項7】 前記陽極ガス供給源が、金属水素化物で
充填された、請求項5又は6に記載の廃熱再循環冷却シ
ステム。 - 【請求項8】 前記熱交換器を出る水の温度低下を促進
するため、前記熱交換器と前記燃料電池の前記冷却媒体
入口との間に設けられたラジエータをさらに含む、請求
項5、6又は7に記載の廃熱再循環冷却システム。
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