JP2003249255A

JP2003249255A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2003249255A
Application number: JP2002045475A
Authority: JP
Inventors: Masao Yamamoto; 雅夫山本; Terumaru Harada; 照丸原田; Shinji Miyauchi; 伸二宮内; Masataka Ozeki; 正高尾関; Akinari Nakamura; 彰成中村; Yoshikazu Tanaka; 良和田中; Tetsuya Ueda; 哲也上田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2002-02-21
Filing date: 2002-02-21
Publication date: 2003-09-05

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の燃料電池システムにおいて、水回収及
び浄化にかかわる部分の容積が大きく、燃料電池システ
ムの低容積化が困難であった。【解決手段】原料ガスを水蒸気改質して水素リッチガ
スを生成する燃料処理装置１２と、冷却配管１１３を有
し、前記水素リッチガスおよび酸化剤ガスを用いて発電
する燃料電池１１と、前記燃料電池１１から排出される
ガスから回収された凝縮水を蓄える凝縮水タンク１６
と、前記凝縮水タンク１６に接続され、前記凝縮水タン
ク１６から前記凝縮水を取り出し、濾過し、再び前記凝
縮水タンク１６に戻す凝縮水浄化システムとを備え、前
記凝縮水タンク１６が前記燃料処理装置１２に接続され
た燃料電池システム。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料ガスまたは酸
化剤ガス中の水分を蓄える凝縮水タンクを備える燃料電
池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平１０−２３５３９６号公報等に記
載の従来技術の燃料電池システムの構成を図３に示す。

【０００３】天然ガスなどの原料ガスが、燃料処理装置
３２において水蒸気を含む雰囲気下で加熱されて、触媒
反応により水素リッチガスが生成される。生成された水
素リッチガスおよび空気などの酸化剤ガスは燃料電池３
１に供給され、両者が反応することにより電力および熱
を発生させる。このように燃料電池システムにおいて
は、燃料処理装置他３２への水の供給が不可欠である
が、水に含まれる不純物の触媒への影響を避けるため
に、高純度の水が要求される。そこで、システム内部で
発生し回収した水を以下のような機構を用いて浄化した
後、再利用している。

【０００４】すなわち、燃料ガス側水回収器３３は燃料
電池３１より排出された燃料ガスを冷却して、燃料ガス
中の水分を凝縮させる。そして凝縮された水（凝縮水）
は凝縮水タンク３６に回収される。また、空気側水回収
器３５は燃料電池３１より排出された空気を冷却して、
空気中の水分を凝縮させる。そして凝縮された水は凝縮
水タンク３６に回収される。凝縮水タンク３６の中の水
は、浄化水ポンプ３７によってイオン交換装置３８に送
られ、そこで浄化された後、浄化水タンク３９に蓄えら
れる。浄化水タンク３９の中の水は浄化水供給ポンプ３
１２と冷却水供給ポンプ３１０によって、それぞれ燃料
処理装置３２と、燃料電池３１を冷却する水を蓄える冷
却水タンク３１１とへ送られる。

【０００５】燃料電池３１の内部には、発電時に発生す
る熱を取り除き、燃料電池３１の温度を一定に保つため
に、冷却水タンク３１１に蓄えられた水が冷却水循環ポ
ンプ３１３により冷却配管３１４を介して循環されてい
る。

【０００６】また、燃料電池システムを長期間運転する
と、蒸発等のため、システム内部で回収した水だけでは
必要な水量を確保できないことがあった。その場合は水
の不足分を補うため、水道水配管３１５により水道水が
凝縮水タンク３６に供給されていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記のように
従来の燃料電池システムにおいては、タンクの数が多
く、また水を循環させるための配管が複雑になるため水
回収及び浄化にかかわる経路が長くなり、このことが燃
料電池システムを大きくする原因となっていた。

【０００８】また、水道水にはかなりの不純物イオンが
含まれているため、水道水の供給によって凝縮水タンク
３６内にかなりの不純物イオンが混入し、混入された不
純物イオンは燃料処理装置３２における触媒や、燃料電
池３１を劣化させる、という問題を有していた。

【０００９】本発明は、従来の燃料電池システムが有す
る上記の問題点を考慮し、低容積で触媒や燃料電池の性
能劣化が少ない燃料電池システムを提供することを目的
とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】第１の本発明（請求項１
に対応）は、原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生成
する燃料処理装置と、冷却水ラインを有し、前記燃料ガ
スおよび酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記
燃料電池から排出されるガスから回収された凝縮水を蓄
える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに接続され、前
記凝縮水タンクから前記凝縮水を取り出し、濾過し、再
び前記凝縮水タンクに戻す凝縮水浄化システムとを備
え、前記凝縮水タンクが前記燃料処理装置に接続された
燃料電池システムである。

【００１１】第２の本発明（請求項２に対応）は、前記
凝縮水浄化システムが濾過装置を有し、補給水が前記濾
過装置の上流に供給される、第１の本発明の燃料電池シ
ステムである。

【００１２】第３の本発明（請求項３に対応）は、前記
冷却水ラインと前記凝縮水タンクとを接続し、水を前記
冷却水ラインと前記凝縮水タンクとの間で循環させる冷
却水循環ラインをさらに備える、第１または第２の本発
明の燃料電池システムである。

【００１３】第４の本発明（請求項４に対応）は、前記
冷却水ラインに接続された冷却水タンクを有し、前記冷
却水タンクが前記凝縮水タンクに接続された、第１また
は第２の本発明の燃料電池システムである。

【００１４】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）本発明の実施の
形態１にかかる燃料電池システムの構成を図１に示す。

【００１５】本実施の形態の燃料電池システムは、天然
ガスなどの原料ガスを水蒸気改質して本発明の燃料ガス
の一例である水素リッチガスを生成する、本発明の燃料
処理装置の一例である燃料処理装置１２を有する。ま
た、本発明の燃料電池の一例である燃料電池１１は、ア
ノード１１５、カソード１１６、および燃料電池１１を
冷却するための本発明の冷却水ラインの一例である冷却
配管１１３を有している。そして、アノード１１５およ
びカソード１１６はそれぞれ入口（図示せず）および出
口（図示せず）を有し、冷却配管１１３は、それぞれ入
口（図示せず）および出口（図示せず）を有している。

【００１６】ここで、燃料処理装置１２は燃料電池１１
のアノード１１５の入口に接続され、アノード１１５の
出口は燃料ガス側水回収器１３の入口に接続されてい
る。ここで、燃料ガス側水回収器１３は、その出口とし
て液体側出口（図示せず）と気体側出口（図示せず）と
を有する。そして、燃料ガス側水回収器１３の液体側出
口には、本発明の凝縮水タンクの一例である凝縮水タン
ク１６が接続され、燃料ガス側水回収器１３の気体側出
口は、大気開放されている。

【００１７】一方、燃料電池１１のカソード１１６の入
口には、本発明の酸化剤ガス供給装置としての空気供給
装置１４が接続されている。そして、燃料電池１１のカ
ソード１１６の出口には、本発明の酸化剤側水回収器と
しての空気側水回収器１５が接続されている。ここで、
空気側水回収器１５は、その出口として液体側出口（図
示せず）と気体側出口（図示せず）とを有する。そして
空気側水回収器１５の液体側出口には、凝縮水タンク１
６が接続され、空気側水回収器１５の気体側出口（図示
せず）は、大気開放されている。

【００１８】他方、燃料電池１１の冷却配管１１３の入
口には、冷却水循環ポンプ１１２の出口が接続され、冷
却配管１１３の出口には、冷却水タンク１１０が接続さ
れている。そして、冷却水タンク１１０には、冷却水循
環ポンプ１１２の入口と、冷却水供給ポンプ１９の出口
が接続されている。また、冷却水供給ポンプ１９の入口
には、凝縮水タンク１６が接続されている。そして、凝
縮水タンク１６には、本発明の凝縮水浄化システムが接
続されている。すなわち、凝縮水タンク１６には浄化水
ポンプ１７の入口が接続され、浄化水ポンプ１７の出口
には、本発明の濾過装置の一例であるイオン交換装置１
８の入口が接続されている。イオン交換装置１８には、
イオン交換樹脂が充填されている。また、浄化水ポンプ
１７とイオン交換装置１８との間には、水道水配管１１
４が接続されている。そしてイオン交換装置１８の出口
は、再び凝縮水タンク１６が接続されている。このよう
に、浄化水ポンプ１７、およびイオン交換装置１８によ
り、本発明の凝縮水浄化システムが構成され、凝縮水タ
ンク１６に接続されている。

【００１９】また、凝縮水タンク１６には、凝縮水供給
ポンプ１１１の入口が接続されている。そして、凝縮水
供給ポンプ１１１の出口には、燃料処理装置１２が接続
されている。

【００２０】次に、上記の構成の燃料電池システムの動
作を説明する。

【００２１】まず、凝縮水タンク１６から凝縮水供給ポ
ンプ１１１を介して水が燃料処理装置１２に供給される
（凝縮水タンク内の水は充分浄化されているがこれにつ
いては後述する。）。燃料処理装置１２に供給された水
は、原料ガスの一部を燃料とする加熱手段（図示せず）
により加熱されて水蒸気が生成される。そして、本発明
の原料ガスの一例である天然ガスが外部から燃料処理装
置１２に供給され、生成された水蒸気とともに加熱手段
により加熱されて、改質反応により本発明の燃料ガスと
しての水素リッチガスが生成される。

【００２２】生成された水素リッチガスは燃料電池１１
のアノード１１５の入口に供給される。一方、空気供給
装置１４は本発明の酸化剤ガスとしての空気を取り込み
燃料電池１１のカソード１１６に供給する。このように
して燃料電池１１に供給された水素リッチガスと空気か
ら発電反応が生じ、燃料電池１１から電気と熱が生じ
る。そして、発電反応に寄与することなく残留した水素
リッチガスが燃料電池１１のアノード１１５の出口から
燃料ガス側水回収器１３へ排出され、発電反応に寄与す
ることなく残留した空気がカソード１１６の出口から空
気側水回収器１５へ排出される。

【００２３】次いで、燃料ガス側水回収器１３は燃料電
池１１のアノード１１５の出口から排出される水素リッ
チガス中の水分を凝縮させる。燃料ガス側水回収器１３
で凝縮された水（凝縮水）は燃料ガス側水回収器１３の
液体側出口を介して凝縮水タンク１６に回収される。ま
た、燃料ガス側水回収器１３において水分が凝縮された
後の乾燥ガスは、燃料ガス側水回収器１３の気体側出口
を介して大気に放出される。

【００２４】また、空気側水回収器１５は燃料電池１１
のカソード１１６の出口から排出される空気中の水分を
凝縮させる。空気側水回収器１５で凝縮された水（凝縮
水）は空気側水回収器１５の液体側出口を介して凝縮水
タンク１６に回収される。また、空気側水回収器１５に
おいて水分が凝縮された後の乾燥ガスは、空気側水回収
器１５の気体側出口を介して大気に放出される。

【００２５】凝縮水タンク１６の中の水は燃料電池シス
テムが起動中は、浄化水ポンプ１７によってイオン交換
装置１８に送られ、イオン交換装置１８の内部に充填さ
れているイオン交換樹脂により、イオン成分が除去され
た後、再び凝縮水タンク１６に戻される。このように凝
縮水タンク１６の中の水が、凝縮水タンク１６、浄化水
ポンプ１７、およびイオン交換装置１８で形成される循
環経路を繰り返し通され濾過されることによって、空気
側水回収器１５または燃料ガス側水回収器１３から凝縮
水が供給されても、凝縮水タンク１６の中の水の純度
は、時間と共に高まり、一定時間経過後は、高純度（す
なわち低導電率）の状態が保たれる。

【００２６】そして、凝縮水タンク１６の中の水は、凝
縮水供給ポンプ１１１を介して燃料処理装置１２へ供給
され、上記のように燃料処理装置１２において加熱され
て水蒸気となり、原料ガスの改質反応に利用される。こ
こで、凝縮水タンク１６内の水量が水位センサー（図示
せず）により検知され、水位が一定以下になると、水道
水配管１１４から本発明の補給水としての水道水がイオ
ン交換装置１８に供給され、水道水に含まれるイオン成
分が除去された後、凝縮水タンク１６に供給される。

【００２７】また、凝縮水タンク１６の中の水は冷却水
供給ポンプ１９により冷却水タンク１１０に送られる。
冷却水タンク１１０内に蓄えられた水は、冷却水循環ポ
ンプ１１２により燃料電池１１内に設けられた冷却配管
１１３を介して循環し、発電反応により昇温した燃料電
池１１を冷却する。冷却配管１３を循環して昇温した水
の熱は、熱交換器（図示せず）を介して外部に取り出さ
れる。ここで、凝縮水タンク１６の中の水は、冷却水タ
ンク１１０内に蓄えられた水の量が、蒸発等によって減
ったとき等必要なときのみに冷却水供給ポンプ１９によ
り送られる。

【００２８】上記の構成、動作により、凝縮水タンク１
６内の水を一旦浄化して浄化水タンク３９に蓄える従来
の装置に比べ、浄化水タンク３９、および浄化水タンク
３９廻りの配管が不要となるため、全体として低容積の
燃料電池システムを提供することができる。また高純度
に浄化された水が燃料処理装置１２に供給されるため、
燃料処理装置１２内の触媒や、燃料電池１１への不純物
イオンによる悪影響を避けることができ、燃料電池シス
テムのメンテナンスコストを削減することができる。特
に燃料電池１１が高分子電解質型の場合には、電解質膜
に金属イオンが付着すると性能劣化が著しいため、上記
の効果は大きい。

【００２９】また、高純度に浄化された水が冷却水タン
ク１１０に供給されることにより、冷却配管１１３内に
発生するスケールを最小限に抑えることができ、燃料電
池システムのメンテナンスコストを抑制することでき
る。

【００３０】なお、上記の説明では、冷却配管１１３を
循環して昇温した水の熱は、熱交換器を介して外部に取
り出され、凝縮水タンク１６の中の水は、冷却水タンク
１１０内に蓄えられた水の量が蒸発等によって減ったと
き等必要なときのみに、冷却水供給ポンプ１９により送
られる、として説明したが、冷却水タンクに蓄えられた
温水自体が外部に取り出され、不足する水が凝縮水タン
ク１６から冷却水供給ポンプ１９を介して供給されても
よく、その場合も上記と同様の効果を有する。

【００３１】（実施の形態２）本発明の実施の形態２に
かかる燃料電池システムの構成を図２に示す。

【００３２】図２に示す構成においては、本発明の凝縮
水タンクの一例である凝縮水タンク２６は、本発明の冷
却水ラインの一例である冷却配管２１１と、本発明の冷
却水循環ラインを介して接続されている。すなわち、凝
縮水タンク２６は冷却配管２１１の入口および出口にそ
れぞれ別々の経路で接続され、その内の一方の経路に
は、冷却水循環ポンプ２９が挿入されている。

【００３３】また、イオン交換装置２８の内部に充填さ
れているイオン交換樹脂は、耐熱タイプのものが使用さ
れている。この構成においては、冷却水タンク１１０、
および冷却水循環ポンプ１１２は省略される。その他の
構成は、実施の形態１と同様であり、同様の構成要素に
は同様の参照符号を付し、その説明を省略する。

【００３４】この構成によれば、燃料電池２１を冷却し
た水は凝縮水タンク２６と燃料電池２１との間を直接冷
却水循環ラインを介して循環する。そして、凝縮水タン
ク２６の中の水は浄化水ポンプ２７によってイオン交換
装置１８に送られ、上記と同様の動作により凝縮水タン
ク２６の中の水の純度は、時間と共に高まり、一定時間
経過後は、高純度（すなわち低導電率）の状態が保たれ
る。本実施の形態によれば、実施の形態１に示す冷却水
タンク１１０、および冷却水供給ポンプ１９が省略され
るので、さらに低容積の燃料電池システムを提供するこ
とができる。

【００３５】以下、上記の実施の形態に基づき実施した
実施例を示す。

【００３６】（実施例１）図１に示す構成の燃料電池シ
ステムにおいて、凝縮水タンク１６の容積を１０００ｍ
ｌとし、燃料ガス側水回収器１３で回収される水の流量
を８ｍｌ／ｍｉｎ．、空気側水回収器２５で回収される
水の流量を１２ｍｌ／ｍｉｎ．、イオン交換装置１８を
介して循環し、浄化される水の流量を２５ｍｌ／ｍｉ
ｎ．とした条件で、燃料電池システムを１０００時間運
転した後、凝縮水タンク１６内及び冷却水タンク１１０
内の水の純度を導電率計にて測定したところ、２５℃で
凝縮水タンク１６内の水は０．６μＳ／ｃｍ、冷却水タ
ンク１１０内の水は０．６μＳ／ｃｍで、共に極めて高
い純度を示した。また、タンクや配管等の水回収及び浄
化に関わる部分の総容積は４０Ｌであり、比較例（後
述）に記載した従来のもの（総容積６０Ｌ）に比べると
約６７％の容積であり、低容積化が実現できた。

【００３７】（実施例２）図２に示す構成の燃料電池シ
ステムにおいて、凝縮水タンク２６の容積を１０００ｍ
ｌとし、燃料ガス側水回収器２３で回収される水の流量
を８ｍｌ／ｍｉｎ．、空気側水回収器２５で回収される
水の流量を１２ｍｌ／ｍｉｎ．、凝縮水タンク２６の中
の水を燃料電池２１を通して循環する水の流量を３０ｍ
ｌ／ｍｉｎ．、イオン交換装置２８を介して循環し、浄
化される水の流量を６０ｍｌ／ｍｉｎ．とした条件で、
燃料電池システムを１０００時間運転した後、凝縮水タ
ンク２６の中の水の純度を導電率計にて測定したとこ
ろ、２５℃で、０．６μＳ／ｃｍで、極めて高い純度を
示した。また、タンクや配管等の水回収及び浄化にかか
わる部分の総容積は３０Ｌであり、比較例に記載した従
来のもの（総容積６０Ｌ）に比べると５０％の容積であ
り、低容積化が実現できた。

【００３８】（比較例）図３に示す従来技術による構成
の燃料電池システムにおいて、凝縮水タンク３６の容
積、燃料ガス側水回収器３３で回収される水の流量、空
気側水回収器３５で回収される水の流量を実施例１に記
載したものと同一の条件とし、この燃料電池システムを
１０００時間運転した後、凝縮水タンク３６内、浄化水
タンク３９内、及び冷却水タンク３１１内の水の純度を
導電率計にて測定したところ、２５℃で、凝縮水タンク
３６内の水は２１．０μＳ／ｃｍ、浄化水タンク３９内
の水は０．６μＳ／ｃｍ、冷却水タンク３１１内の水は
０．６μＳ／ｃｍで、浄化水タンク３９と冷却水タンク
３１１内の水は高い純度を示したが、凝縮水タンク３６
内の水は純度の極めて低いものであった。また、タンク
や配管等の水回収及び浄化にかかわる部分の総容積は６
０Ｌであり、実施例１記載のものに比べ１．５倍、実施
例２のものに比べ２倍の容積で、容積の極めて大きいも
のであった。

【００３９】なお、以上までの説明では、本発明の濾過
装置はイオン交換装置１８、２８であるとして説明して
きたが、これに限定されることなく他のタイプの濾過装
置が使用されても上記と同様の効果を得ることができ
る。また濾過装置が使用されなくても、濾過機能があれ
ばよい。

【００４０】また、以上までの本発明の説明では、水道
水がイオン交換装置１８、２８の上流に接続されるとし
たが、水道水がイオン交換装置１８、２８の下流に接続
されてもよく、その場合は、水道水が供給された直後の
凝縮水タンク１６、２６内の水の純度は低下するが、一
定時間経過後は、水の純度は高く維持される。

【００４１】また、以上までの説明では、燃料電池シス
テム内の水が不足するときに水道水が補給されるとした
が、水道水に限定されず、工水でもよく、また別置する
補給タンクからの給水であってもよい。その場合も上記
と同様の効果を得ることができる。

【００４２】また、以上までの本発明の説明では、凝縮
水タンク１６、２６の中の水をイオン交換装置１８、２
８を介して浄化させるために作動させる浄化水ポンプ１
７、２７は燃料電池システムが起動しているときに動作
しているとして説明したが、これらのポンプは燃料電池
システムが起動しているときのみならず、燃料電池シス
テムが停止している時に作動させてもよい。その場合も
上記と同様の効果を得ることができる。

【００４３】また、上記の説明では、燃料処理装置１
２、２２において、水および原料ガスが原料ガスの一部
を燃料とする加熱手段により加熱されるとして説明した
が、加熱手段は原料ガスとは別の燃料で加熱されてもよ
く、または電気で加熱されてもよい。

【００４４】また、上記の説明では、本発明の酸化剤ガ
スとして空気を使用する例を示したが、酸化剤ガスとし
ては、純酸素であってもよいし、酸素富加空気であって
もよい。

【００４５】また、上記の説明では、原料ガスとして天
然ガスを使用する例を示したが、メタンを含有するガス
であれば、どのようなガスでも上記と同様の効果を得る
ことができる。

【００４６】

【発明の効果】本発明によれば、低容積で、触媒や燃料
電池の性能劣化が少ない燃料電池システムを提供するこ
とができる。

【００４７】また、凝縮水浄化システムが濾過装置を有
し、補給水が濾過装置の上流に供給される場合は、さら
に触媒や燃料電池の性能劣化が少ない燃料電池システム
を提供することができる。

【００４８】また、冷却水ラインと凝縮水タンクとの間
に冷却水循環ラインを備える場合は、さらに低容積の燃
料電池システムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、本発明の実施の形態１に記載の燃料電
池システムの構成を示す模式図である。

【図２】図２は、本発明の実施の形態２に記載の燃料電
池システムの構成を示す模式図である。

【図３】図３は、従来の燃料電池システムの構成を示す
模式図である。

【符号の説明】

１１、２１燃料電池１２、２２燃料処理装置１３、２３燃料ガス側水回収器１４、２４空気供給装置１５、２５空気側水回収器１６、２６凝縮水タンク１７、２７浄化水ポンプ１８、２８イオン交換装置１９、２９冷却水供給ポンプ１１０冷却水タンク１１１、２１０凝縮水供給ポンプ１１２冷却水循環ポンプ１１３、２１１冷却配管１１４、２１２水道水配管

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者宮内伸二大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者尾関正高大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者中村彰成大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者田中良和大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者上田哲也大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 5H027 AA02 BA01 DD00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原料ガスを水蒸気改質して燃料ガスを生
成する燃料処理装置と、冷却水ラインを有し、前記燃料ガスおよび酸化剤ガスを
用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されるガスから回収された凝縮水
を蓄える凝縮水タンクと、前記凝縮水タンクに接続され、前記凝縮水タンクから前
記凝縮水を取り出し、濾過し、再び前記凝縮水タンクに
戻す凝縮水浄化システムとを備え、前記凝縮水タンクが前記燃料処理装置に接続された燃料
電池システム。
【請求項２】前記凝縮水浄化システムが濾過装置を有
し、補給水が前記濾過装置の上流に供給される、請求項
１に記載の燃料電池システム。
【請求項３】前記冷却水ラインと前記凝縮水タンクと
を接続し、水を前記冷却水ラインと前記凝縮水タンクと
の間で循環させる冷却水循環ラインをさらに備える、請
求項１または２に記載の燃料電池システム。
【請求項４】前記冷却水ラインに接続された冷却水タ
ンクを有し、前記冷却水タンクが前記凝縮水タンクに接
続された、請求項１または２に記載の燃料電池システ
ム。