JP2004087306A - 燃料電池装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】構造の簡単化、スペース効率の向上、各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱の低減に有利な燃料電池装置を提供する。
【解決手段】発電前の燃料含有物質に含まれている水分を除去する第１熱交換器５１と、燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を除去する第２熱交換器５２と、燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を除去する第３熱交換器５３と、電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器５４とを設けることができる。熱交換ユニット５は、第１熱交換器５１，第２熱交換器５２，第３熱交換器５３のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の第４熱交換器５４とが積層されて一体化された積層構造体５０をもつ。更に、積層構造体５０に設けられ貯湯装置の熱交換水を積層構造体５０に入水させる入水口５０ｉと、積層構造体５０に設けられ積層構造体５０を通過した貯湯装置の熱交換水を積層構造体５０から出水する出水口５０ｈとをもつ。
【選択図】図２
【解決手段】発電前の燃料含有物質に含まれている水分を除去する第１熱交換器５１と、燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を除去する第２熱交換器５２と、燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を除去する第３熱交換器５３と、電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器５４とを設けることができる。熱交換ユニット５は、第１熱交換器５１，第２熱交換器５２，第３熱交換器５３のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の第４熱交換器５４とが積層されて一体化された積層構造体５０をもつ。更に、積層構造体５０に設けられ貯湯装置の熱交換水を積層構造体５０に入水させる入水口５０ｉと、積層構造体５０に設けられ積層構造体５０を通過した貯湯装置の熱交換水を積層構造体５０から出水する出水口５０ｈとをもつ。
【選択図】図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の運転で発生した熱を回収する熱交換装置を備えた燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２０００−１０６２０７号公報
上記した特許文献１等に開示されている燃料電池装置は、電解質層と燃料含有ガスが供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有する燃料電池と、電池冷却水を燃料電池に流して燃料電池を冷却する燃料電池冷却系とを有する。
【０００３】
一般的に、燃料電池装置は、上記した燃料電池に供給される発電前の燃料含有ガスに含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器と、燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器とを有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した各種の熱交換器はそれぞれ独立して個別に配置されており、各種の熱交換器を繋ぐ配管が必要とされ、燃料電池装置の構造が複雑となり、スペース効率は充分ではなかった。更に各熱交換器を繋ぐ配管が長いため、配管からの放熱量も大きく、熱回収量が制約されていた。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、構造の簡単化、スペース効率の向上、各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱の低減に有利な燃料電池装置を提供することを課題とするにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池装置は、電解質層と電解質層の片側に配置され燃料含有物質が供給される燃料極と電解質層の他の片側に配置され空気が供給される空気極とを有する燃料電池と、燃料電池に電池冷却水を流して燃料電池を冷却する燃料電池冷却系と、燃料電池の運転時に発生する熱を熱交換により回収する熱交換水を供給する貯湯装置とを有する燃料電池装置において、
積層構造体と、積層構造体に設けられ貯湯装置の熱交換水を積層構造体に入水させる入水口と、積層構造体に設けられ積層構造体を通過した貯湯装置の熱交換水を積層構造体から出水する出水口とをもつ熱交換ユニットが設けられており、
熱交換ユニットの積層構造体は、
燃料電池に供給される発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器とのうちの少なくとも一つと、
燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されていることを特徴とするものである。
【０００７】
燃料電池冷却系により電池冷却水が燃料電池に流れ、燃料電池が冷却される。この電池冷却水は熱交換ユニットの積層構造体に流入する。また、貯湯装置の熱交換水は、熱交換ユニットの入水口から積層構造体に入水され、積層構造体の出水口から出水される。前記したように熱交換ユニットの積層構造体に流入した電池冷却水は、熱交換ユニットの積層構造体において貯湯装置からの熱交換水で熱交換されるため、電池冷却水の温度が低下し、電池冷却水の過熱が抑えられる。このように電池冷却水の過熱が抑えられるため、燃料電池の継続運転が良好となる。貯湯装置の熱交換水は、熱交換ユニットの積層構造体を通過する間に次第に昇温される。
【０００８】
本発明によれば、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されて構成されているため、各熱交換器を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化され、スペース効率が向上する。また各熱交換器を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化されるため、部品点数が減少し、部品コストが低減されると共に、組み付けコストが低減される。更に各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱量も抑えられ、熱交換ユニットからの熱回収量が増加される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
・構造の簡略化、スペース効率の向上のためには、熱交換ユニットの積層構造体は、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化して構成されている。第１熱交換器と電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化している形態を採用でき、この場合、第２熱交換器及び第３熱交換器は装備されていなくても良い。また、第２熱交換器と電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化している形態を採用でき、この場合、第１熱交換器及び第３熱交換器は装備されていなくても良い。また、第３熱交換器と電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化している形態を採用でき、この場合、第１熱交換器及び第２熱交換器は装備されていなくても良い。第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器の全部が設けられている場合には、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの全部と、電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化して構成されていることが好ましい。
【００１０】
・燃料含有ガスを生成する改質器と、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器とが設けられていることが好ましい。この場合、熱交換ユニットの積層構造体は燃焼排ガス用の熱交換器を積層して一体化して構成されている形態を採用することができる。この場合、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器も積層構造体に一体的に組み込まれているため、更に、各熱交換器を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化され、スペース効率が更に向上する。
【００１１】
・本発明によれば、貯湯装置の熱交換水は熱交換ユニットの入水口から積層構造体に入水され、積層構造体の出水口から出水される。熱交換ユニットの積層構造体を流れる熱交換水は、入水口から出水口に向かうにつれて熱交換により次第に昇温され、高温となる。従って、一般的には、積層構造体を流れる熱交換水の温度については、積層構造体の入水口の側が相対的に低温であり、積層構造体の出水口の側が相対的に高温である。
【００１２】
燃料電池は過剰に低温であると、燃料電池の発電性能が低下する。このため、燃料電池を冷却する電池冷却水は過剰に低温であると、燃料電池を過剰に冷却し、燃料電池における発電性能が低下するおそれがある。そこで、燃料電池に供給されて燃料電池を冷却する燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器は、第２熱交換器よりも積層構造体の出水口側（下流側）に配置されている形態、つまり、積層構造体のうち相対的に高温の熱交換水で熱交換される形態を採用することができる。このようにすれば、燃料電池を冷却する電池冷却水の過剰冷却が抑えられ、燃料電池を冷却した電池冷却水の熱を熱交換水に回収しつつ、燃料電池の過剰冷却が抑えられ、燃料電池の発電性能の確保に貢献できる。
【００１３】
・燃料電池の運転中においては、一般的には、燃料電池の電解質膜は発電性能を高めるため湿潤状態に維持される。更に発電反応に基づいて燃料電池の空気極に水が生成される。故に、空気極を通過した発電後の空気オフガスは燃料電池から吐出されるが、その空気オフガスの水蒸気量がかなり多く、湿度がかなり高い。このため発電後の空気オフガスを少し冷却するだけでも、発電後の空気オフガスから凝縮水を生成して水を回収することができる。このため貯湯装置の熱交換水が相対的に高温であるときであっても、発電後の空気オフガスから水分を熱交換により除去して回収できる。このため、発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器は、積層構造体のうち燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態、つまり、積層構造体のうち相対的に高温の熱交換水で熱交換される形態を採用することができる。また第３熱交換器は、第１熱交換器及び第２熱交換器のうちの少なくとも一方よりも下流側に配置することができる。
【００１４】
・燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスの温度は、燃料電池の作動温度相当かそれよりも低い温度である。このため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、積層構造体の熱交換水の温度は相対的に低温であることが好ましい。そこで、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器は、積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態、つまり、積層構造体のうちの相対的に低温の熱交換水で熱交換される形態を採用することができる。従って、第２熱交換器は、積層構造体のうち電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。また第２熱交換器は、積層構造体のうち第３熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。
【００１５】
・燃料電池に供給される前の発電前の燃料含有物質は、高温であることが多い。殊に、発電前の燃料含有物質が改質器において水蒸気で改質されている場合には、燃料電池の作動温度に比較してかなり高温であり、しかも水蒸気量が多い。このため発電前の燃料含有物質は、相対的に低温の熱交換水で熱交換されて冷却されることが好ましい。そこで、燃料電池に供給される前の発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態、つまり積層構造体のうち相対的に低温の熱交換水で熱交換される側に配置されている形態を採用することができる。このようにすれば、燃料電池に供給される前の発電前の燃料含有物質を相対的に低温の熱交換水で冷却できるため、発電前の燃料含有物質から効率よく水分回収、熱回収を行うことができ、更に燃料電池の作動温度の過剰高温化を抑えるのに有利である。殊に、発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器は、積層構造体のうち電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。
【００１６】
・改質器が設けられている場合には、改質器から燃焼排ガスが排出される。そこで、燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器が設けられ、熱交換ユニットの積層構造体は燃焼排ガス用の熱交換器を積層して一体化している形態を採用することができる。改質器から排出された燃焼排ガスの温度は、燃焼器での燃焼反応を経ているため、比較的高温である。そこで、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態、つまり積層構造体のうち相対的に低温の熱交換水で熱交換される側に配置されている形態を採用することができる。このようにすれば、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を効率よく回収するのに有利である。従って、改質器からの燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器は、積層構造体のうち電池冷却水用の熱交換器及び第３熱交換器のうちの少なくとも一方よりも、入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。
【００１７】
・燃料電池に供給される発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器との位置関係については、次のようにできる。即ち、燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器は、積層構造体のうち第１熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。この場合、入水口側（上流側）の熱交換水は積層構造体において相対的に低温であるため、改質器から排出された燃焼排ガスの熱や水分を効率よく回収するのに有利である。
【００１８】
また第１熱交換器は、積層構造体のうち燃焼排ガス用の熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することもできる。この場合、燃料電池に供給する発電前の燃料含有物質の熱または水分を第１熱交換器により効率よく回収することができる。
【００１９】
・燃料電池は熱交換ユニットの積層構造体よりも上側に配置されている形態を例示できる。このように燃料電池が熱交換ユニットの積層構造体よりも上側に位置すれば、燃料電池から吐出される空気オフガス、燃料オフガス、電池冷却水を熱交換ユニットの積層構造体において下向きに流すのに有利であり、従って熱交換ユニットの底側に回収水を貯留させ易い。また燃料電池が熱交換ユニットの積層構造体よりも上側に位置すれば、万一、災害や事故等によって浸水等が生じたとしても、高価な燃料電池に対する保護性が高められている。更に、熱交換水を熱交換ユニットに入水させる前に熱交換水を冷却するラジエータが設けられている形態を例示できる。熱交換ユニットの積層構造体はラジエータに隣設されていることが好ましい。このように熱交換ユニットの積層構造体がラジエータに隣設されていれば、熱交換水を熱交換ユニットに入水させる前に、熱交換水をラジエータで冷却でき、熱交換水の冷却能、熱交換機能が良好に確保される。
【００２０】
・熱交換ユニットの積層構造体の積層方向は、燃料電池のスタックの積層方向と同じ向きである形態を例示できる。但しこれに限定されるものではない。積層構造体とスタックとの積層方向が同じであれば、発電出力のアップのために燃料電池のスタックの積層枚数が増加したとき、熱交換ユニットの積層構造体の積層枚数を増加させれば、熱交換容量の増加に容易に対処できる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を具体化した一実施例について図１〜図１０を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池装置は定置用であり、図１に示すように、多数の燃料電池１を厚み方向に積層して形成したスタック２と、スタック２を保持するスタックフレーム３と、スタックフレーム３の上部に搭載され燃料電池１に空気を供給する送風手段としての空気ファン４と、スタック２の下側に配置された熱交換ユニット５と、スタックフレーム３の側部を結合するためにスタック２を挟んで互いに対向する第１マニホルドプレート６及び第２マニホルドプレート７と、熱交換ユニット５と隣設するようにスタック２の下側に配置された放熱冷却機能を有するラジエータ８と、燃料電池装置において発生した熱を熱交換して回収する熱交換水を流す貯湯装置９とを有する。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池１は、プロトン伝導膜で形成された高分子膜形の電解質層１ａと、電解質層１ａの厚み方向の片側に配置され燃料含有ガス（水素含有ガス）が供給される燃料極１ｂと、電解質層１ａの厚み方向の他の片側に配置され空気（酸素含有ガス）が供給される空気極１ｃと、燃料極１ｂに燃料含有ガスを供給する溝をもつ燃料極１ｂ側のセパレータ１ｅと、空気極１ｃに空気を供給する溝をもつ空気極１ｃ側のセパレータ１ｆとを有する。燃料極１ｂは、周知のように、白金等の触媒物質を有する触媒層と、多孔質のガス拡散層とで形成されている。空気極１ｃは、白金等の触媒物質を有する触媒層と、多孔質のガス拡散層とで形成されている。
【００２３】
図１に示すように、貯湯装置９は、燃料電池装置の熱を回収して温水として保持し、温水を他の用途の使用に提供するものである。貯湯装置９は、水を貯留する貯湯槽１０と、貯湯槽１０の出口１１と入口１２とを繋ぐ熱回収通路１３と、熱回収通路１３に設けられた第１ポンプ１４（熱交換水搬送手段）とを有する。第１ポンプ１４が駆動すると、貯湯槽１０の水は熱交換水として出口１１から吐出され、熱回収通路１３、ラジエータ８を経て熱交換ユニット５の入水口５０ｉに供給され、熱交換ユニット５で熱交換されて昇温される。更に昇温された熱交換水は、熱交換ユニット５の出水口５０ｈを経て、更に熱回収通路１３を経て貯湯槽１０の入口１２に帰還される。このように貯湯槽１０の水は、熱交換ユニット５の入水口５０ｉに供給される前に放熱用のラジエータ８に供給されてラジエータ８で冷却されるため、熱交換ユニット５における冷却機能、熱交換機能を確保するのに有利である。
【００２４】
図１に示すように、第１マニホルドプレート６のうち熱交換ユニット５の側部に対面する下部６ｄには、貯湯装置９の熱交換水を搬送する第１ポンプ１４、スタック２の内部の冷却路２ｙに電池冷却水を循環させてスタック２を冷却する第２ポンプ２０が電池冷却系として搭載されている。また図１に示すように、第１マニホルドプレート６の下部６ｄには第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２が搭載されていると共に、第１マニホルドプレート６のうちスタック２の側部と対面する上部６ｕには第３開閉バルブ２３、第４開閉バルブ２４が搭載されている。
【００２５】
図２は熱交換ユニット５付近を概略的に示す。図２に示すように、燃料電池１に供給される前の、つまり発電前の燃料含有ガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第１熱交換器５１が設けられている。また、スタック２の燃料出口から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第２熱交換器５２が設けられている。また、スタック２の空気出口から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第３熱交換器５３が設けられている。また、スタック２の電池冷却水入口に供給されて燃料電池１を冷却した後に電池冷却水出口から吐出された電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器５４が設けられている。また、改質器２５から排出された燃焼排ガスに含まれている水分及び熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器５５が設けられている。
【００２６】
図３は熱交換ユニット５の内部構造付近を更に示す。図３に示すように熱交換ユニット５は積層構造体５０を主体としている。積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の始端５０ａ側には、貯湯装置９の熱交換水を積層構造体５０に入水させる入水口５０ｉが設けられている。積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の終端５０ｂ側には、積層構造体５０を通過した熱交換水を積層構造体５０から貯湯装置９に出水する出水口５０ｈが設けられている。なお、入水口５０ｉは積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の始端５０ａ側の下部に形成されていると共に、出水口５０ｈは積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の終端５０ｂ側の上部に形成されている。熱交換水の熱対流を考慮したものである。
【００２７】
図３に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０は、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って、第２熱交換器５２、燃焼排ガス用の熱交換器５５、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、電池冷却水用の熱交換器５４が順に直列状態に積層されて一体化されて構成されている。熱交換ユニット５の積層構造体５０においては、貯湯装置９から熱回収のために送られた熱交換水は、基本的には、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って流れる。従って図２及び図３から理解できるように、第１ポンプ１４の駆動により、貯湯装置９から送られた熱交換水は、基本的には、入水口５０から、第２熱交換器５２、燃焼排ガス用の熱交換器５５、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、電池冷却水用の熱交換器５４の順に流れ、出水口５０ｈから吐出される。
【００２８】
なお、図２において、第２熱交換器５２の熱交換水を９ａとして示す。燃焼排ガス用の熱交換器５５の熱交換水を９ｂとして示す。第１熱交換器５１の熱交換水を９ｃとして示す。第３熱交換器５３の熱交換水を９ｄとして示す。電池冷却水用の熱交換器５４の熱交換水を９ｅとして示す。ここで図２に示す熱交換ユニット５の積層構造体５０において、熱交換水としては、９ａ→９ｂ→９ｃ→９ｄ→９ｅと順に流れるものである。
【００２９】
図２に示すように、改質器２５では、図略の燃料源から供給された燃料により燃焼が発生し、蒸発部が高温に維持される。高温の蒸発部では図略の給水源から原料水が供給され、水蒸気が生成される。燃料源から供給された燃料と水蒸気とが混合すると、改質反応が生じ、水素を含有する改質ガスである燃料含有ガスが改質器２５において生成される。
【００３０】
燃料電池装置が運転されるときには、周知のように、改質器２５で改質された燃料含有ガス（水素含有ガス）がスタック２の燃料極１ｂに供給される。更に、空気（酸素含有ガス）が空気ファン４の作動によりスタック２の空気極１ｃに供給される。燃料含有ガス及び空気は、スタック２の燃料電池１内で発電反応に使用される。
【００３１】
上記したように燃料電池装置が運転される際には、貯湯装置９の貯湯槽１０に貯留されている熱交換水は、第１ポンプ１４の駆動により、熱回収通路１３を経て熱交換ユニット５の積層構造体５０の入水口５０ｉから積層構造体５０の内部に入水される。熱交換水は、熱交換ユニット５内を９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅとして通過する際に次第に昇温される。昇温された熱交換水は、積層構造体５０の出水口５０ｈから出水され、熱回収通路１３を経て貯湯装置９の貯湯槽１０に温水として戻る。このように貯湯装置９の熱交換水は積層構造体５０を流れる間に次第に昇温される。即ち、熱交換水は、熱交換ユニット５の入水口５０ｉから出水口５０ｈに向かうにつれて次第に昇温される。このように燃料電池装置が運転される際に発生した熱は、貯湯装置９の熱交換水に温水として回収される。
【００３２】
従って本実施例によれば、貯湯装置９から搬送された熱交換水が熱交換ユニット５の積層構造体５０内を流れるとき、熱交換水の温度については、熱交換ユニット５の入水口５０ｉの側（上流側）は熱交換ユニット５において相対的に低温であり、熱交換ユニット５の出水口５０ｈの側（下流側）は熱交換ユニット５において相対的に高温である。
【００３３】
固体高分子形の燃料電池１は、一般的には８０〜１００℃程度の温度範囲で作動される。燃料電池装置の運転の際には、燃料電池１の作動温度が過剰に高温になると、発電性能が低下する。そこで燃料電池装置が運転される際には、第２ポンプ２０が駆動してスタック２の冷却路２ｙに電池冷却水が供給され、これによりスタック２が冷却され、スタック２の過熱が防止され、スタック２の連続運転が可能となる。スタック２を冷却した電池冷却水は、図２に示すように、電池冷却水用の熱交換器５４の上部の第４入口５４ｓから電池冷却水用の熱交換器５４の偏平形状の熱交換路５４ｒ内に下方に向けて流入し、貯湯装置９からの熱交換水９ｅと熱交換されて冷却され、電池冷却水用の熱交換器５４の下部の第４出口５４ｐから外方に吐出される。このように電池冷却水はスタック２の冷却路２ｙを循環するため、スタック２の過熱が抑えられ、燃料電池１の発電性能が確保される。
【００３４】
ここで、燃料電池１に供給される電池冷却水は過剰に低温であると、燃料電池１を過剰に冷却してしまい、燃料電池１における本来の発電性能が充分に得られないおそれがある。そこで本実施例によれば、燃料電池１を冷却する電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器５４は、図２及び図３に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０の積層方向の最も出水口５０ｈ側（下流側）に、つまり、積層構造体５０のうち最も高温側に配置されている。このようにすれば、スタック２を冷却する電池冷却水は、積層構造体５０のうち高温側の熱交換水９ｅと熱交換されるため、スタック２を冷却する電池冷却水の過剰低温化は抑えられる。ひいては、燃料電池１の過剰冷却が抑えられ、燃料電池１の発電性能の確保に貢献できる。
【００３５】
また、スタック２の燃料入口に供給される前の発電前の燃料含有ガスは、上記したように高温の改質器２５において水蒸気改質されており、高温で、しかも水蒸気量がかなり多い。これに対して固体高分子形の燃料電池１の作動温度は、一般的には８０〜１００℃程度である。このため発電前の燃料含有ガスは、相対的に低温の熱交換水で熱交換されて冷却された後に、スタック２に供給されることが好ましい。そこで本実施例によれば、発電前の燃料含有ガスは、スタック２に供給される前に、改質器２５から第１開閉バルブ２１を経て、積層構造体５０の第１熱交換器５１の下部の第１入口５１ｓから第１熱交換器５１の偏平形状の第１熱交換路５１ｒ内に上方に向けて流入し、第１熱交換器５１において熱交換水９ｃと熱交換されて冷却され、第１熱交換器５１の上部の第１出口５１ｐから吐出され、更に第２開閉バルブ２２，第４開閉バルブ２４を経て、スタック２の燃料入口に供給され、スタック２において発電反応に使用される。なお、第２開閉バルブ２２は、起動直後において燃料含有ガスが充分な状態でないときに、起動直後の燃料含有ガスを改質器２５に戻すためのものである。
【００３６】
このように水蒸気を含む発電前の燃料含有ガスは第１熱交換器５１内で熱交換水により冷却される。この結果、第１熱交換路５１ｒにおいて発電前の燃料含有ガスから凝縮水が生成されて、発電前の燃料含有ガスに含まれている水分が回収されると共に、発電前の燃料含有ガスから熱が熱交換水に回収される。このように発電前の燃料含有ガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第１熱交換器５１は、図２及び図３に示すように、積層構造体５０のうち電池冷却水用の熱交換器５４及び第３熱交換器５３及よりも入水口５０ｉ側（上流側）に配置されている。具体的には、第１熱交換器５１は、図２に示すように、積層構造体５０のうち入水口５０ｉ側（上流側）、つまり低温側に配置されている。このようにすれば、発電前の燃料含有ガスを、できるだけ低温の熱交換水で第１熱交換器５１において冷却できるため、水蒸気を含む発電前の燃料含有ガスから効率よく水分及び熱を回収することができる。
【００３７】
また、燃料電池装置が運転される際には、前記したように燃料は改質器２５の燃焼器で燃焼して燃焼排ガスが改質器２５から発生する。燃焼排ガスの温度は燃焼反応を経ているため、かなり高温である。そこで本実施例によれば、改質器２５から排出された高温の燃焼排ガスは、図２に示すように、積層構造体５０のうち燃焼排ガス用の熱交換器５５の上部の第５入口５５ｓから燃焼排ガス用の熱交換器５５の偏平形状の熱交換路５５ｒ内に下方に向けて流入し、燃焼排ガス用の熱交換器５５内で熱交換水９ｂと熱交換されて冷却され、燃焼排ガス用の熱交換器５５の下部の第５出口５５ｐから外気に排出される。
【００３８】
図２に示すように、積層構造体５０において、燃焼排ガス用の燃焼排ガス用の熱交換器５５は、積層構造体５０のうち電池冷却水用の熱交換器５４、第３熱交換器５３、第１熱交換器５１よりも入水口５０ｉ側（上流側）に配置されている。このようにすれば、改質器２５から排出された高温の燃焼排ガスは、燃焼排ガス用の熱交換器５５を流れる適度な温度の熱交換水により熱交換されて冷却され、熱を熱交換水に効率よく回収することができる。
【００３９】
また、発電後の空気オフガスはスタック２の空気出口から吐出される。発電後の空気オフガスはその水蒸気量が多く、湿度がかなり高い。燃料電池１の空気極１ｃにおいて発電反応に基づいて水が生成されるため等である。従って、発電後の空気オフガスは一般的には飽和蒸気状態またはほぼ飽和蒸気状態であり、湿度１００％または１００％に近い状態である。このため発電後の空気オフガスを少し冷却するだけでも、スタック２から吐出された発電後の空気オフガスから凝縮水を生成して回収できる。このため熱交換水は、空気オフガスの温度よりも低ければ、積層構造体５０のうちで相対的に高温であるときであっても、発電後の空気オフガスから水分を熱交換により除去して回収できる。このため本実施例によれば、水蒸気を多量に含んだ発電後の空気オフガスは、スタック２から吐出された後に、積層構造体５０のうち第３熱交換器５３の上部の第３入口５３ｓから第３熱交換器５３の偏平形状の第３熱交換路５３ｒ内に下方に向けて流入し、第３熱交換器５３内で熱交換水９ｄと熱交換されて冷却され、第３熱交換器５３の下部の第３出口５３ｐから外方に排出される。このように積層構造体５０の第３熱交換器５３において発電後の空気オフガスから凝縮水が生成される。凝縮水は第３熱交換器５３の底に貯留され、底から回収される。ここで、図２に示すように、第３熱交換器５３は、積層構造体５０のうち電池冷却水用の熱交換器５４よりも入水口５０ｉ側（上流側）に配置されている。
【００４０】
また、スタック２の燃料出口から吐出された発電後の燃料オフガスの温度は、一般的には、燃料電池１の作動温度相当か、あるいは、それよりもやや低い温度である。このため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、発電後の燃料オフガスと熱交換する熱交換水の温度は、相対的に低温であることが好ましい。そこで本実施例によれば、発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を回収するため、図２に示すように、発電後の燃料オフガスは、第３開閉バルブ２３を経て、積層構造体５０の第２熱交換器５２の上部の第２入口５２ｓから偏平形状の第２熱交換器５２内に流入され、第２熱交換器５２の第２熱交換路５２ｒ内において熱交換水９ａと熱交換されて冷却され、第２熱交換器５２の下部の第２出口５２ｐから吐出される。これにより発電後の燃料オフガスから第２熱交換器５２において凝縮水が生成されて回収されると共に、発電後の燃料オフガスから熱が熱交換水に回収される。ここで、発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を回収する第２熱交換器５２は、図２及び図３に示すように、積層構造体５０のうち最も入水口５０ｉ側（上流側）、つまり相対的に最も低温側に配置されている。その理由としては、スタック２の燃料出口から吐出される発電後の燃料オフガスの温度は低いため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、熱交換水の温度はできるだけ低温であることが好ましいからである。なお、発電後のオフガスは未燃焼成分を有するため、熱交換ユニット５で水分及び熱が回収された後に、改質器２５に送られ、改質器２５の燃焼器で燃焼されて再利用される。
【００４１】
図２及び図３に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０においては、基本的には、ガス等の流体は上部から下部に向けて流れるように設定されている。主たる理由としては、各熱交換器で回収した水分を各熱交換器の底部付近に貯留させるためであり、また、燃料オフガス、空気オフガス、電池冷却水を吐出させるスタック２が熱交換ユニット５よりも上側に配置されているためである。
【００４２】
即ち、図２及び図３に示すように、第２熱交換器５２においては燃料オフガスは上から下に向けて流れるように設定されている。また、図２及び図３に示すように、燃焼排ガス用の熱交換器５５においては燃焼排ガスは上から下に向けて流れるように設定されている。第３熱交換器５３においては空気オフガスは上から下に向けて流れるように設定されている。電池冷却水用の熱交換器５４においては電池冷却水は上から下に向けて流れるように設定されている。なお、熱交換ユニット５で熱交換した燃料含有ガスを、下側の熱交換ユニット５から上側のスタック２に送るため、燃料含有ガスは第１熱交換器５１においては下部から上部に流れるように設定されている。
【００４３】
図４は、第１マニホルドプレート６付近を模式的に示す。図４には、熱交換ユニット５を構成する共通プレート６０が示されている。共通プレート６０は、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２、第３熱交換器５３、電池冷却水用の熱交換器５４、燃焼排ガス用の熱交換器５５を構成する要素である。共通プレート６０は四角形状をなす薄いシート形状であり、熱伝導性及び耐食性に優れた金属で形成されている。図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の一方の表面及び他方の表面の中央域には、多数の膨出壁６０ａ及び多数の陥没壁６０ｂが交互に繰り返して形成されており、熱交換機能を高めるように熱交換面積が増加している。
【００４４】
図４に示すように、共通プレート６０の一方の表面及び他方の表面の周縁に沿って、凹状または凸状のシール係合部６１が形成されている。図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の上辺部６０ｕには、一端から他端にかけて、第４入口５４ｓ、第１出口５１ｐ、第２入口５２ｓ、第５入口５５ｓ、第３入口５３ｓが厚み方向に貫通して順に形成されており、且つ、出水口５０ｈに連通する連通路５０ｈｏが厚み方向に貫通して形成されている。
【００４５】
また図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の下辺部６０ｄには、一端から他端にかけて、入水口５０ｉに連通する連通路５０ｉｏ、第３出口５３ｐ、第５出口５５ｐ、第２出口５２ｐ、第１入口５１ｓ、第４出口５４ｐが厚み方向に貫通して順に形成されている。ここで、図４に示すように、連通路５０ｉｏ，５０ｈｏは、共通プレート６０において対角位置とされており、連通路５０ｉｏ，５０ｈｏの間の熱交換距離が確保されている。第４入口５４ｓ及び第４出口５４ｐは共通プレート６０において対角位置とされている。これにより第４入口５４ｓと第４出口５４ｐとの間の熱交換距離が確保されている。空気オフガスが通る第３入口５３ｓ，第３出口５３ｐの開口面積は他の入口及び出口の開口面積よりも大きく設定されている。単位時間当たりにおける空気オフガスの流量は大きいためである。
【００４６】
図４にハッチングを付して示すように、ゴムまたは樹脂等の軟質シール材料で形成された四角枠形状をなすシール枠６２が設けられている。シール枠６２はシール係合部６１に嵌めた状態で取り付けられ、共通プレート６０に保持されるものであり、図５に示すように積層方向（矢印Ｘ方向）において隣接する共通プレート６０間をシールする。
【００４７】
図４及び図６にハッチングを付して示すように、第１熱交換器５１に装備されるシール枠６２については、燃料含有ガスが流れる第１入口５１ｓ及び第１出口５１ｐに対面する部分に切欠部６５ａが形成されている。この結果、ガス等の流体が矢印Ｍ１方向（上向き）に通過できるように、第１入口５１ｓ及び第１出口５１ｐが第１熱交換路５１ｒに連通している。
【００４８】
図７に示すように、電池冷却水用の熱交換器５４に装備されるシール枠６２については、電池冷却水が流れる第４入口５４ｓ及び第４出口５４ｐに対面する部分には切欠部６５ｂが形成されている。この結果、電池冷却水等の流体が矢印Ｍ４方向（下向き）に通過できるように、第４入口５４ｓ及び第４出口５４ｐが熱交換路５４ｒに連通している。
【００４９】
図８に示すように、第２熱交換器５２に装備されるシール枠６２については、燃料オフガスが流れる第２入口５２ｓ及び第２出口５２ｐに対面する部分には切欠部６５ｃが形成されている。この結果、ガス等の流体が矢印Ｍ２方向（下向き）に通過できるように、第２入口５２ｓ及び第２出口５２ｐが第２熱交換路５２ｒに連通している。
【００５０】
図９に示すように、第３熱交換器５３に装備されるシール枠６２については、空気オフガスが流れる第３入口５３ｓ及び第３出口５３ｐに対面する部分には切欠部６５ｄが形成されている。この結果、ガス等の流体が矢印Ｍ３方向（下向き）に通過できるように、第３入口５３ｓ及び第３出口５３ｐを第３熱交換路５３ｒに連通させている。
【００５１】
図１０に示すように、燃焼排ガス用の熱交換器５５に装備されるシール枠６２については、燃焼排ガスが流れる第５入口５５ｓ及び第５出口５５ｐに対面する部分には切欠部６５ｅが形成されている。この結果、ガス等の流体が矢印Ｍ５方向（下向き）に通過できるように、第５入口５５ｓ及び第５出口５５ｐを熱交換路５５ｒに連通させている。
【００５２】
図１１に示すように、熱交換水を通過させる通路を形成するシール枠６２Ｂが共通プレート６０の裏面側に装備されている。シール枠６２Ｂにおいて、入水口５０ｉに繋がる連通路５０ｉｏ，出水口５０ｈに繋がる連通路５０ｈｏに対面する部分には切欠部６５ｆが形成されている。この結果、熱交換水等の流体が矢印Ｍ６方向に沿って通過できるように、連通路５０ｉｏ，５０ｈｏが連通している。なお、図１１は熱交換水が下から上向きに流れる形態を示すが、図３に示すように熱交換水が上から下向きに流れる形態もある。
【００５３】
以上の説明から理解できるように本実施例によれば、熱交換ユニット５を構成する積層構造体５０は、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って、第２熱交換器５２、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、電池冷却水用の熱交換器５４が順に積層されて集中的に一体化されて構成されている。更に燃焼排ガス用の熱交換器５５も、積層されて集中的に一体化されて構成されている。
【００５４】
このため本実施例によれば、各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化されると共に、配管スペースが小さくなり、スペース効率が向上し、燃料電池装置の小型化に有利である。また各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の長さが短縮化されるため、各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管からの放熱が少なくて済み、熱交換ユニット５からの熱回収量を増加させるのに有利となる。また各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の構造が簡略化されるため、部品点数が減少し、部品コストが低減されると共に、組み付けコストが低減される。
【００５５】
共通プレート６０を水平方向に沿って配置することも考えられる。しかし本実施例によれば、各熱交換器５１〜５５を構成する共通プレート６０は上下方向に沿って配置されている。このため各熱交換器５１〜５５において空気オフガス、燃料オフガスなどを下向きに流すことができ、重力を利用でき、各熱交換器５１〜５５における空気オフガス及び燃料オフガスなどの流体の流動速度を速めることができ、発電性能の確保に有利である。なお空気オフガス及び燃料オフガスなどの流動速度を速めると、各熱交換器５１〜５５における満足する熱交換量が得られないおそれがある。この点本実施例によれば、各熱交換器５１〜５５を形成する共通プレート６０の枚数を増加させて熱交換量を高めることにより、対処している。
【００５６】
本実施例によれば、図１に示すように燃料電池１は熱交換ユニット５の積層構造体５０よりも上側に配置されているため、燃料電池１から吐出される空気オフガス、燃料オフガス、電池冷却水を積層構造体５０において下向き（垂直方向に沿って）に流すのに有利である。従って熱交換ユニット５の積層構造体５０の底側に回収水を貯留させ易い利点が得られる。なお、回収水が積層構造体５０の底側に存在すれば、回収水の取り出しが容易である。しかも図１２に示すように、回収水Ｗを貯留したマノメータ方式のシール管１００を積層構造体５０の底側に取り付けておけば、積層構造体５０の内部空間のシール性をシール管１００の回収水Ｗにより良好に確保でき、積層構造体５０の内部空間からのガス漏れ等を防止するのに有利となる。シール管１００は、Ｕ字形状部１００ａと逆Ｕ字形状部１００ｃをもつ。
【００５７】
また燃料電池１が熱交換ユニット５の積層構造体５０よりも上側に位置すれば、災害や事故等により浸水等があったとしても、白金などの触媒物質を有しており高価な燃料電池１に対する保護性が高められる。更に、熱交換水を熱交換ユニット５に入水させる前に熱交換水を冷却するラジエータ８が設けられており、図１に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０はラジエータ８に隣設されている。このように熱交換ユニット５の積層構造体５０がラジエータ８に隣設されていれば、熱交換ユニット５に入水させる前の熱交換水をラジエータ８で冷却できる。従って熱交換ユニット５の熱交換機能が良好に確保される。
【００５８】
更にスタック２の発電性能を増加させるため、スタック２における燃料電池１の積層数を増加させ、スタック２の積層方向のサイズを大型化させることがある。このような場合には、熱交換ユニット５の熱交換性能も大型化を図る必要がある。この点本実施例によれば、図１に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０の積層方向（横方向）は、スタック２における燃料電池１の積層方向（横方向）と対応しており、同じ向きとされている。このため、スタック２における燃料電池１の積層数が増加するときには、熱交換ユニット５の積層構造体５０の積層枚数を増加させれば、熱交換ユニット５の熱交換性能の大型化に容易に対処することができる。
【００５９】
（第２実施例）
図１３は第２実施例を模式的に示す。第２実施例は第１実施例と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を奏する。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施例によれば、図１３に示すように、発電前の燃料含有ガスを熱交換で冷却する第１熱交換器５１は、積層構造体５０のうち燃焼排ガス用の熱交換器５５よりも入水口５０ｉ側（上流側）に、つまり相対的に積層構造体５０のうち低温側に配置されている。この場合、相対的に低温で冷却能が相対的に高い第１熱交換器５１の熱交換水により、発電前の燃料含有ガスに含まれている水分や熱を効率よく回収するのに有利である。
【００６０】
（その他）
上記した実施例によれば、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２、第３熱交換器５３がそれぞれ設けられているが、場合によっては、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２、第３熱交換器５３のうち一つ、あるいは、二つが設けられていなくても良い。要するに、本発明は、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されているものである。上記した実施例は定置タイプの燃料電池装置に適用したものであるが、これに限らず、車両用の燃料電池装置に適用することもできる。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【００６１】
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）積層構造体と、前記積層構造体に設けられ前記貯湯装置の熱交換水を前記積層構造体に入水させる入水口と、前記積層構造体に設けられ前記積層構造体を通過した前記貯湯装置の熱交換水を前記積層構造体から出水する出水口とをもつ熱交換ユニットで形成されており、
熱交換ユニットの積層構造体は、
燃料電池に供給される発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器とのうちの少なくとも一つと、
燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されていることを特徴とする燃料電池装置に使用される熱交換ユニット。各熱交換器を繋ぐ配管の構造が簡略化され、スペース効率が向上する。また各熱交換器を繋ぐ配管の構造が簡略化されるため、各熱交換器を繋ぐ配管の長さが短縮化され、各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱が少なくて済み、熱回収量を増加させ得る。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されているため、各熱交換器を繋ぐ配管の構造が簡略化され、スペース効率が向上する。また各熱交換器を繋ぐ配管の構造が簡略化されるため、各熱交換器を繋ぐ配管の長さが短縮化され、各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱が少なくて済み、熱回収量を増加させ得る。更に各熱交換器を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化されるため、部品点数が減少し、部品コストが低減されると共に、組み付けコストが低減される。更に各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱も抑えられ、熱交換ユニットからの熱回収量を増加させるのに貢献できる。
【００６３】
更に次の形態の場合には、特有の効果も期待できる。
【００６４】
・燃料電池に供給されて燃料電池を冷却する電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器が、第２熱交換器よりも積層構造体の出水口側（下流側）に配置されている形態を例示できる。積層構造体の出水口側（下流側）には相対的に高温の熱交換水が流れる。このため電池冷却水用の熱交換器が積層構造体の出水口側（下流側）に配置されている場合には、電池冷却水は、相対的に高温の熱交換水で熱交換されるため、電池冷却水の過剰冷却が効果的に抑えられる。ひいては燃料電池の過剰冷却が抑えられ、燃料電池の発電性能の確保に貢献できる。
【００６５】
・発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器が熱交換ユニットの積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態を例示できる。燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスの温度は、一般的には、燃料電池の作動温度相当である。このため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を効率よく行うためには、熱交換水の温度はかなり低温であることが好ましい。一方、熱交換ユニットの積層構造体の入水口側（上流側）には、相対的に低温の熱交換水が流れる。そこで、発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器が熱交換ユニットの積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態を採用すれば、熱交換ユニットの積層構造体の入水口側（上流側）には、相対的に低温の熱交換水が流れ、この結果、相対的に低温の熱交換水によって、発電後の燃料オフガスを熱交換させて冷却し、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を効果的に行うことができる。
【００６６】
・発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側に配置されている形態を例示できる。燃料電池の空気極において発電反応に基づいて水が生成されるため、発電後の空気オフガスはその水蒸気量が多く湿度がかなり高く、少し冷却するだけでも、発電後の空気オフガスから凝縮水を生成して回収することができる。このため熱交換水は、空気オフガスの温度よりも低ければ、積層構造体のうちで相対的に高温であるときであっても、発電後の空気オフガスから水分を熱交換により除去して回収できる。このため前記したように、発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側に配置されている形態を例示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池装置の側面図である。
【図２】熱交換ユニットの積層構造体付近の概略構成図である。
【図３】熱交換ユニットの積層構造体付近の概略構成図である。
【図４】マニホルドプレート付近を模式的に示す概略構成図である。
【図５】熱交換ユニットの積層構造体の要部の断面図である。
【図６】熱交換ユニットの積層構造体における第１熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図７】熱交換ユニットの積層構造体における電池冷却水用の熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図８】熱交換ユニットの積層構造体における第２熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図９】熱交換ユニットの積層構造体における第３熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図１０】熱交換ユニットの積層構造体における燃焼排ガス用の熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図１１】熱交換ユニットの積層構造体における熱交換器の熱交換水が流れる通路部分を示す正面図である。
【図１２】マノメータ方式のシール管を積層構造体の底側に取り付けた構造を示す概略構成図である。
【図１３】他の実施例に係り、熱交換ユニットの積層構造体付近の概略構成図である。
【符号の説明】
図中、１は燃料電池、２はスタック、５は熱交換ユニット、５０は積層構造体、５０ｉは入水口、５０ｈは出水口、５０ａは始端、５０ｂは終端、９は貯湯装置、１０は貯湯槽、１４は第１ポンプ、２０は第２ポンプ（燃料電池冷却系）、５１は第１熱交換器、５２は第２熱交換器、５３は第３熱交換器、５４は電池冷却水用の熱交換器、５５は燃焼排ガス用の熱交換器、６０は共通プレート、２５は改質器を示す。
【発明の属する技術分野】
本発明は燃料電池の運転で発生した熱を回収する熱交換装置を備えた燃料電池装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２０００−１０６２０７号公報
上記した特許文献１等に開示されている燃料電池装置は、電解質層と燃料含有ガスが供給される燃料極と空気が供給される空気極とを有する燃料電池と、電池冷却水を燃料電池に流して燃料電池を冷却する燃料電池冷却系とを有する。
【０００３】
一般的に、燃料電池装置は、上記した燃料電池に供給される発電前の燃料含有ガスに含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器と、燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器とを有する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら上記した各種の熱交換器はそれぞれ独立して個別に配置されており、各種の熱交換器を繋ぐ配管が必要とされ、燃料電池装置の構造が複雑となり、スペース効率は充分ではなかった。更に各熱交換器を繋ぐ配管が長いため、配管からの放熱量も大きく、熱回収量が制約されていた。
【０００５】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、構造の簡単化、スペース効率の向上、各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱の低減に有利な燃料電池装置を提供することを課題とするにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る燃料電池装置は、電解質層と電解質層の片側に配置され燃料含有物質が供給される燃料極と電解質層の他の片側に配置され空気が供給される空気極とを有する燃料電池と、燃料電池に電池冷却水を流して燃料電池を冷却する燃料電池冷却系と、燃料電池の運転時に発生する熱を熱交換により回収する熱交換水を供給する貯湯装置とを有する燃料電池装置において、
積層構造体と、積層構造体に設けられ貯湯装置の熱交換水を積層構造体に入水させる入水口と、積層構造体に設けられ積層構造体を通過した貯湯装置の熱交換水を積層構造体から出水する出水口とをもつ熱交換ユニットが設けられており、
熱交換ユニットの積層構造体は、
燃料電池に供給される発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器とのうちの少なくとも一つと、
燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されていることを特徴とするものである。
【０００７】
燃料電池冷却系により電池冷却水が燃料電池に流れ、燃料電池が冷却される。この電池冷却水は熱交換ユニットの積層構造体に流入する。また、貯湯装置の熱交換水は、熱交換ユニットの入水口から積層構造体に入水され、積層構造体の出水口から出水される。前記したように熱交換ユニットの積層構造体に流入した電池冷却水は、熱交換ユニットの積層構造体において貯湯装置からの熱交換水で熱交換されるため、電池冷却水の温度が低下し、電池冷却水の過熱が抑えられる。このように電池冷却水の過熱が抑えられるため、燃料電池の継続運転が良好となる。貯湯装置の熱交換水は、熱交換ユニットの積層構造体を通過する間に次第に昇温される。
【０００８】
本発明によれば、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されて構成されているため、各熱交換器を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化され、スペース効率が向上する。また各熱交換器を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化されるため、部品点数が減少し、部品コストが低減されると共に、組み付けコストが低減される。更に各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱量も抑えられ、熱交換ユニットからの熱回収量が増加される。
【０００９】
【発明の実施の形態】
・構造の簡略化、スペース効率の向上のためには、熱交換ユニットの積層構造体は、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化して構成されている。第１熱交換器と電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化している形態を採用でき、この場合、第２熱交換器及び第３熱交換器は装備されていなくても良い。また、第２熱交換器と電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化している形態を採用でき、この場合、第１熱交換器及び第３熱交換器は装備されていなくても良い。また、第３熱交換器と電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化している形態を採用でき、この場合、第１熱交換器及び第２熱交換器は装備されていなくても良い。第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器の全部が設けられている場合には、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの全部と、電池冷却水用の熱交換器とを積層して一体化して構成されていることが好ましい。
【００１０】
・燃料含有ガスを生成する改質器と、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器とが設けられていることが好ましい。この場合、熱交換ユニットの積層構造体は燃焼排ガス用の熱交換器を積層して一体化して構成されている形態を採用することができる。この場合、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器も積層構造体に一体的に組み込まれているため、更に、各熱交換器を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化され、スペース効率が更に向上する。
【００１１】
・本発明によれば、貯湯装置の熱交換水は熱交換ユニットの入水口から積層構造体に入水され、積層構造体の出水口から出水される。熱交換ユニットの積層構造体を流れる熱交換水は、入水口から出水口に向かうにつれて熱交換により次第に昇温され、高温となる。従って、一般的には、積層構造体を流れる熱交換水の温度については、積層構造体の入水口の側が相対的に低温であり、積層構造体の出水口の側が相対的に高温である。
【００１２】
燃料電池は過剰に低温であると、燃料電池の発電性能が低下する。このため、燃料電池を冷却する電池冷却水は過剰に低温であると、燃料電池を過剰に冷却し、燃料電池における発電性能が低下するおそれがある。そこで、燃料電池に供給されて燃料電池を冷却する燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器は、第２熱交換器よりも積層構造体の出水口側（下流側）に配置されている形態、つまり、積層構造体のうち相対的に高温の熱交換水で熱交換される形態を採用することができる。このようにすれば、燃料電池を冷却する電池冷却水の過剰冷却が抑えられ、燃料電池を冷却した電池冷却水の熱を熱交換水に回収しつつ、燃料電池の過剰冷却が抑えられ、燃料電池の発電性能の確保に貢献できる。
【００１３】
・燃料電池の運転中においては、一般的には、燃料電池の電解質膜は発電性能を高めるため湿潤状態に維持される。更に発電反応に基づいて燃料電池の空気極に水が生成される。故に、空気極を通過した発電後の空気オフガスは燃料電池から吐出されるが、その空気オフガスの水蒸気量がかなり多く、湿度がかなり高い。このため発電後の空気オフガスを少し冷却するだけでも、発電後の空気オフガスから凝縮水を生成して水を回収することができる。このため貯湯装置の熱交換水が相対的に高温であるときであっても、発電後の空気オフガスから水分を熱交換により除去して回収できる。このため、発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器は、積層構造体のうち燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態、つまり、積層構造体のうち相対的に高温の熱交換水で熱交換される形態を採用することができる。また第３熱交換器は、第１熱交換器及び第２熱交換器のうちの少なくとも一方よりも下流側に配置することができる。
【００１４】
・燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスの温度は、燃料電池の作動温度相当かそれよりも低い温度である。このため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、積層構造体の熱交換水の温度は相対的に低温であることが好ましい。そこで、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器は、積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態、つまり、積層構造体のうちの相対的に低温の熱交換水で熱交換される形態を採用することができる。従って、第２熱交換器は、積層構造体のうち電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。また第２熱交換器は、積層構造体のうち第３熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。
【００１５】
・燃料電池に供給される前の発電前の燃料含有物質は、高温であることが多い。殊に、発電前の燃料含有物質が改質器において水蒸気で改質されている場合には、燃料電池の作動温度に比較してかなり高温であり、しかも水蒸気量が多い。このため発電前の燃料含有物質は、相対的に低温の熱交換水で熱交換されて冷却されることが好ましい。そこで、燃料電池に供給される前の発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態、つまり積層構造体のうち相対的に低温の熱交換水で熱交換される側に配置されている形態を採用することができる。このようにすれば、燃料電池に供給される前の発電前の燃料含有物質を相対的に低温の熱交換水で冷却できるため、発電前の燃料含有物質から効率よく水分回収、熱回収を行うことができ、更に燃料電池の作動温度の過剰高温化を抑えるのに有利である。殊に、発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器は、積層構造体のうち電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。
【００１６】
・改質器が設けられている場合には、改質器から燃焼排ガスが排出される。そこで、燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器が設けられ、熱交換ユニットの積層構造体は燃焼排ガス用の熱交換器を積層して一体化している形態を採用することができる。改質器から排出された燃焼排ガスの温度は、燃焼器での燃焼反応を経ているため、比較的高温である。そこで、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態、つまり積層構造体のうち相対的に低温の熱交換水で熱交換される側に配置されている形態を採用することができる。このようにすれば、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を効率よく回収するのに有利である。従って、改質器からの燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器は、積層構造体のうち電池冷却水用の熱交換器及び第３熱交換器のうちの少なくとも一方よりも、入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。
【００１７】
・燃料電池に供給される発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器との位置関係については、次のようにできる。即ち、燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器は、積層構造体のうち第１熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することができる。この場合、入水口側（上流側）の熱交換水は積層構造体において相対的に低温であるため、改質器から排出された燃焼排ガスの熱や水分を効率よく回収するのに有利である。
【００１８】
また第１熱交換器は、積層構造体のうち燃焼排ガス用の熱交換器よりも入水口側（上流側）に配置されている形態を採用することもできる。この場合、燃料電池に供給する発電前の燃料含有物質の熱または水分を第１熱交換器により効率よく回収することができる。
【００１９】
・燃料電池は熱交換ユニットの積層構造体よりも上側に配置されている形態を例示できる。このように燃料電池が熱交換ユニットの積層構造体よりも上側に位置すれば、燃料電池から吐出される空気オフガス、燃料オフガス、電池冷却水を熱交換ユニットの積層構造体において下向きに流すのに有利であり、従って熱交換ユニットの底側に回収水を貯留させ易い。また燃料電池が熱交換ユニットの積層構造体よりも上側に位置すれば、万一、災害や事故等によって浸水等が生じたとしても、高価な燃料電池に対する保護性が高められている。更に、熱交換水を熱交換ユニットに入水させる前に熱交換水を冷却するラジエータが設けられている形態を例示できる。熱交換ユニットの積層構造体はラジエータに隣設されていることが好ましい。このように熱交換ユニットの積層構造体がラジエータに隣設されていれば、熱交換水を熱交換ユニットに入水させる前に、熱交換水をラジエータで冷却でき、熱交換水の冷却能、熱交換機能が良好に確保される。
【００２０】
・熱交換ユニットの積層構造体の積層方向は、燃料電池のスタックの積層方向と同じ向きである形態を例示できる。但しこれに限定されるものではない。積層構造体とスタックとの積層方向が同じであれば、発電出力のアップのために燃料電池のスタックの積層枚数が増加したとき、熱交換ユニットの積層構造体の積層枚数を増加させれば、熱交換容量の増加に容易に対処できる。
【００２１】
【実施例】
以下、本発明を具体化した一実施例について図１〜図１０を参照して説明する。本実施例に係る燃料電池装置は定置用であり、図１に示すように、多数の燃料電池１を厚み方向に積層して形成したスタック２と、スタック２を保持するスタックフレーム３と、スタックフレーム３の上部に搭載され燃料電池１に空気を供給する送風手段としての空気ファン４と、スタック２の下側に配置された熱交換ユニット５と、スタックフレーム３の側部を結合するためにスタック２を挟んで互いに対向する第１マニホルドプレート６及び第２マニホルドプレート７と、熱交換ユニット５と隣設するようにスタック２の下側に配置された放熱冷却機能を有するラジエータ８と、燃料電池装置において発生した熱を熱交換して回収する熱交換水を流す貯湯装置９とを有する。
【００２２】
図１に示すように、燃料電池１は、プロトン伝導膜で形成された高分子膜形の電解質層１ａと、電解質層１ａの厚み方向の片側に配置され燃料含有ガス（水素含有ガス）が供給される燃料極１ｂと、電解質層１ａの厚み方向の他の片側に配置され空気（酸素含有ガス）が供給される空気極１ｃと、燃料極１ｂに燃料含有ガスを供給する溝をもつ燃料極１ｂ側のセパレータ１ｅと、空気極１ｃに空気を供給する溝をもつ空気極１ｃ側のセパレータ１ｆとを有する。燃料極１ｂは、周知のように、白金等の触媒物質を有する触媒層と、多孔質のガス拡散層とで形成されている。空気極１ｃは、白金等の触媒物質を有する触媒層と、多孔質のガス拡散層とで形成されている。
【００２３】
図１に示すように、貯湯装置９は、燃料電池装置の熱を回収して温水として保持し、温水を他の用途の使用に提供するものである。貯湯装置９は、水を貯留する貯湯槽１０と、貯湯槽１０の出口１１と入口１２とを繋ぐ熱回収通路１３と、熱回収通路１３に設けられた第１ポンプ１４（熱交換水搬送手段）とを有する。第１ポンプ１４が駆動すると、貯湯槽１０の水は熱交換水として出口１１から吐出され、熱回収通路１３、ラジエータ８を経て熱交換ユニット５の入水口５０ｉに供給され、熱交換ユニット５で熱交換されて昇温される。更に昇温された熱交換水は、熱交換ユニット５の出水口５０ｈを経て、更に熱回収通路１３を経て貯湯槽１０の入口１２に帰還される。このように貯湯槽１０の水は、熱交換ユニット５の入水口５０ｉに供給される前に放熱用のラジエータ８に供給されてラジエータ８で冷却されるため、熱交換ユニット５における冷却機能、熱交換機能を確保するのに有利である。
【００２４】
図１に示すように、第１マニホルドプレート６のうち熱交換ユニット５の側部に対面する下部６ｄには、貯湯装置９の熱交換水を搬送する第１ポンプ１４、スタック２の内部の冷却路２ｙに電池冷却水を循環させてスタック２を冷却する第２ポンプ２０が電池冷却系として搭載されている。また図１に示すように、第１マニホルドプレート６の下部６ｄには第１開閉バルブ２１、第２開閉バルブ２２が搭載されていると共に、第１マニホルドプレート６のうちスタック２の側部と対面する上部６ｕには第３開閉バルブ２３、第４開閉バルブ２４が搭載されている。
【００２５】
図２は熱交換ユニット５付近を概略的に示す。図２に示すように、燃料電池１に供給される前の、つまり発電前の燃料含有ガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第１熱交換器５１が設けられている。また、スタック２の燃料出口から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第２熱交換器５２が設けられている。また、スタック２の空気出口から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第３熱交換器５３が設けられている。また、スタック２の電池冷却水入口に供給されて燃料電池１を冷却した後に電池冷却水出口から吐出された電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器５４が設けられている。また、改質器２５から排出された燃焼排ガスに含まれている水分及び熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器５５が設けられている。
【００２６】
図３は熱交換ユニット５の内部構造付近を更に示す。図３に示すように熱交換ユニット５は積層構造体５０を主体としている。積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の始端５０ａ側には、貯湯装置９の熱交換水を積層構造体５０に入水させる入水口５０ｉが設けられている。積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の終端５０ｂ側には、積層構造体５０を通過した熱交換水を積層構造体５０から貯湯装置９に出水する出水口５０ｈが設けられている。なお、入水口５０ｉは積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の始端５０ａ側の下部に形成されていると共に、出水口５０ｈは積層構造体５０の積層方向（矢印Ｘ方向）の終端５０ｂ側の上部に形成されている。熱交換水の熱対流を考慮したものである。
【００２７】
図３に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０は、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って、第２熱交換器５２、燃焼排ガス用の熱交換器５５、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、電池冷却水用の熱交換器５４が順に直列状態に積層されて一体化されて構成されている。熱交換ユニット５の積層構造体５０においては、貯湯装置９から熱回収のために送られた熱交換水は、基本的には、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って流れる。従って図２及び図３から理解できるように、第１ポンプ１４の駆動により、貯湯装置９から送られた熱交換水は、基本的には、入水口５０から、第２熱交換器５２、燃焼排ガス用の熱交換器５５、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、電池冷却水用の熱交換器５４の順に流れ、出水口５０ｈから吐出される。
【００２８】
なお、図２において、第２熱交換器５２の熱交換水を９ａとして示す。燃焼排ガス用の熱交換器５５の熱交換水を９ｂとして示す。第１熱交換器５１の熱交換水を９ｃとして示す。第３熱交換器５３の熱交換水を９ｄとして示す。電池冷却水用の熱交換器５４の熱交換水を９ｅとして示す。ここで図２に示す熱交換ユニット５の積層構造体５０において、熱交換水としては、９ａ→９ｂ→９ｃ→９ｄ→９ｅと順に流れるものである。
【００２９】
図２に示すように、改質器２５では、図略の燃料源から供給された燃料により燃焼が発生し、蒸発部が高温に維持される。高温の蒸発部では図略の給水源から原料水が供給され、水蒸気が生成される。燃料源から供給された燃料と水蒸気とが混合すると、改質反応が生じ、水素を含有する改質ガスである燃料含有ガスが改質器２５において生成される。
【００３０】
燃料電池装置が運転されるときには、周知のように、改質器２５で改質された燃料含有ガス（水素含有ガス）がスタック２の燃料極１ｂに供給される。更に、空気（酸素含有ガス）が空気ファン４の作動によりスタック２の空気極１ｃに供給される。燃料含有ガス及び空気は、スタック２の燃料電池１内で発電反応に使用される。
【００３１】
上記したように燃料電池装置が運転される際には、貯湯装置９の貯湯槽１０に貯留されている熱交換水は、第１ポンプ１４の駆動により、熱回収通路１３を経て熱交換ユニット５の積層構造体５０の入水口５０ｉから積層構造体５０の内部に入水される。熱交換水は、熱交換ユニット５内を９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅとして通過する際に次第に昇温される。昇温された熱交換水は、積層構造体５０の出水口５０ｈから出水され、熱回収通路１３を経て貯湯装置９の貯湯槽１０に温水として戻る。このように貯湯装置９の熱交換水は積層構造体５０を流れる間に次第に昇温される。即ち、熱交換水は、熱交換ユニット５の入水口５０ｉから出水口５０ｈに向かうにつれて次第に昇温される。このように燃料電池装置が運転される際に発生した熱は、貯湯装置９の熱交換水に温水として回収される。
【００３２】
従って本実施例によれば、貯湯装置９から搬送された熱交換水が熱交換ユニット５の積層構造体５０内を流れるとき、熱交換水の温度については、熱交換ユニット５の入水口５０ｉの側（上流側）は熱交換ユニット５において相対的に低温であり、熱交換ユニット５の出水口５０ｈの側（下流側）は熱交換ユニット５において相対的に高温である。
【００３３】
固体高分子形の燃料電池１は、一般的には８０〜１００℃程度の温度範囲で作動される。燃料電池装置の運転の際には、燃料電池１の作動温度が過剰に高温になると、発電性能が低下する。そこで燃料電池装置が運転される際には、第２ポンプ２０が駆動してスタック２の冷却路２ｙに電池冷却水が供給され、これによりスタック２が冷却され、スタック２の過熱が防止され、スタック２の連続運転が可能となる。スタック２を冷却した電池冷却水は、図２に示すように、電池冷却水用の熱交換器５４の上部の第４入口５４ｓから電池冷却水用の熱交換器５４の偏平形状の熱交換路５４ｒ内に下方に向けて流入し、貯湯装置９からの熱交換水９ｅと熱交換されて冷却され、電池冷却水用の熱交換器５４の下部の第４出口５４ｐから外方に吐出される。このように電池冷却水はスタック２の冷却路２ｙを循環するため、スタック２の過熱が抑えられ、燃料電池１の発電性能が確保される。
【００３４】
ここで、燃料電池１に供給される電池冷却水は過剰に低温であると、燃料電池１を過剰に冷却してしまい、燃料電池１における本来の発電性能が充分に得られないおそれがある。そこで本実施例によれば、燃料電池１を冷却する電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器５４は、図２及び図３に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０の積層方向の最も出水口５０ｈ側（下流側）に、つまり、積層構造体５０のうち最も高温側に配置されている。このようにすれば、スタック２を冷却する電池冷却水は、積層構造体５０のうち高温側の熱交換水９ｅと熱交換されるため、スタック２を冷却する電池冷却水の過剰低温化は抑えられる。ひいては、燃料電池１の過剰冷却が抑えられ、燃料電池１の発電性能の確保に貢献できる。
【００３５】
また、スタック２の燃料入口に供給される前の発電前の燃料含有ガスは、上記したように高温の改質器２５において水蒸気改質されており、高温で、しかも水蒸気量がかなり多い。これに対して固体高分子形の燃料電池１の作動温度は、一般的には８０〜１００℃程度である。このため発電前の燃料含有ガスは、相対的に低温の熱交換水で熱交換されて冷却された後に、スタック２に供給されることが好ましい。そこで本実施例によれば、発電前の燃料含有ガスは、スタック２に供給される前に、改質器２５から第１開閉バルブ２１を経て、積層構造体５０の第１熱交換器５１の下部の第１入口５１ｓから第１熱交換器５１の偏平形状の第１熱交換路５１ｒ内に上方に向けて流入し、第１熱交換器５１において熱交換水９ｃと熱交換されて冷却され、第１熱交換器５１の上部の第１出口５１ｐから吐出され、更に第２開閉バルブ２２，第４開閉バルブ２４を経て、スタック２の燃料入口に供給され、スタック２において発電反応に使用される。なお、第２開閉バルブ２２は、起動直後において燃料含有ガスが充分な状態でないときに、起動直後の燃料含有ガスを改質器２５に戻すためのものである。
【００３６】
このように水蒸気を含む発電前の燃料含有ガスは第１熱交換器５１内で熱交換水により冷却される。この結果、第１熱交換路５１ｒにおいて発電前の燃料含有ガスから凝縮水が生成されて、発電前の燃料含有ガスに含まれている水分が回収されると共に、発電前の燃料含有ガスから熱が熱交換水に回収される。このように発電前の燃料含有ガスに含まれている水分及び熱を除去して回収する第１熱交換器５１は、図２及び図３に示すように、積層構造体５０のうち電池冷却水用の熱交換器５４及び第３熱交換器５３及よりも入水口５０ｉ側（上流側）に配置されている。具体的には、第１熱交換器５１は、図２に示すように、積層構造体５０のうち入水口５０ｉ側（上流側）、つまり低温側に配置されている。このようにすれば、発電前の燃料含有ガスを、できるだけ低温の熱交換水で第１熱交換器５１において冷却できるため、水蒸気を含む発電前の燃料含有ガスから効率よく水分及び熱を回収することができる。
【００３７】
また、燃料電池装置が運転される際には、前記したように燃料は改質器２５の燃焼器で燃焼して燃焼排ガスが改質器２５から発生する。燃焼排ガスの温度は燃焼反応を経ているため、かなり高温である。そこで本実施例によれば、改質器２５から排出された高温の燃焼排ガスは、図２に示すように、積層構造体５０のうち燃焼排ガス用の熱交換器５５の上部の第５入口５５ｓから燃焼排ガス用の熱交換器５５の偏平形状の熱交換路５５ｒ内に下方に向けて流入し、燃焼排ガス用の熱交換器５５内で熱交換水９ｂと熱交換されて冷却され、燃焼排ガス用の熱交換器５５の下部の第５出口５５ｐから外気に排出される。
【００３８】
図２に示すように、積層構造体５０において、燃焼排ガス用の燃焼排ガス用の熱交換器５５は、積層構造体５０のうち電池冷却水用の熱交換器５４、第３熱交換器５３、第１熱交換器５１よりも入水口５０ｉ側（上流側）に配置されている。このようにすれば、改質器２５から排出された高温の燃焼排ガスは、燃焼排ガス用の熱交換器５５を流れる適度な温度の熱交換水により熱交換されて冷却され、熱を熱交換水に効率よく回収することができる。
【００３９】
また、発電後の空気オフガスはスタック２の空気出口から吐出される。発電後の空気オフガスはその水蒸気量が多く、湿度がかなり高い。燃料電池１の空気極１ｃにおいて発電反応に基づいて水が生成されるため等である。従って、発電後の空気オフガスは一般的には飽和蒸気状態またはほぼ飽和蒸気状態であり、湿度１００％または１００％に近い状態である。このため発電後の空気オフガスを少し冷却するだけでも、スタック２から吐出された発電後の空気オフガスから凝縮水を生成して回収できる。このため熱交換水は、空気オフガスの温度よりも低ければ、積層構造体５０のうちで相対的に高温であるときであっても、発電後の空気オフガスから水分を熱交換により除去して回収できる。このため本実施例によれば、水蒸気を多量に含んだ発電後の空気オフガスは、スタック２から吐出された後に、積層構造体５０のうち第３熱交換器５３の上部の第３入口５３ｓから第３熱交換器５３の偏平形状の第３熱交換路５３ｒ内に下方に向けて流入し、第３熱交換器５３内で熱交換水９ｄと熱交換されて冷却され、第３熱交換器５３の下部の第３出口５３ｐから外方に排出される。このように積層構造体５０の第３熱交換器５３において発電後の空気オフガスから凝縮水が生成される。凝縮水は第３熱交換器５３の底に貯留され、底から回収される。ここで、図２に示すように、第３熱交換器５３は、積層構造体５０のうち電池冷却水用の熱交換器５４よりも入水口５０ｉ側（上流側）に配置されている。
【００４０】
また、スタック２の燃料出口から吐出された発電後の燃料オフガスの温度は、一般的には、燃料電池１の作動温度相当か、あるいは、それよりもやや低い温度である。このため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、発電後の燃料オフガスと熱交換する熱交換水の温度は、相対的に低温であることが好ましい。そこで本実施例によれば、発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を回収するため、図２に示すように、発電後の燃料オフガスは、第３開閉バルブ２３を経て、積層構造体５０の第２熱交換器５２の上部の第２入口５２ｓから偏平形状の第２熱交換器５２内に流入され、第２熱交換器５２の第２熱交換路５２ｒ内において熱交換水９ａと熱交換されて冷却され、第２熱交換器５２の下部の第２出口５２ｐから吐出される。これにより発電後の燃料オフガスから第２熱交換器５２において凝縮水が生成されて回収されると共に、発電後の燃料オフガスから熱が熱交換水に回収される。ここで、発電後の燃料オフガスに含まれている水分及び熱を回収する第２熱交換器５２は、図２及び図３に示すように、積層構造体５０のうち最も入水口５０ｉ側（上流側）、つまり相対的に最も低温側に配置されている。その理由としては、スタック２の燃料出口から吐出される発電後の燃料オフガスの温度は低いため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を行うためには、熱交換水の温度はできるだけ低温であることが好ましいからである。なお、発電後のオフガスは未燃焼成分を有するため、熱交換ユニット５で水分及び熱が回収された後に、改質器２５に送られ、改質器２５の燃焼器で燃焼されて再利用される。
【００４１】
図２及び図３に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０においては、基本的には、ガス等の流体は上部から下部に向けて流れるように設定されている。主たる理由としては、各熱交換器で回収した水分を各熱交換器の底部付近に貯留させるためであり、また、燃料オフガス、空気オフガス、電池冷却水を吐出させるスタック２が熱交換ユニット５よりも上側に配置されているためである。
【００４２】
即ち、図２及び図３に示すように、第２熱交換器５２においては燃料オフガスは上から下に向けて流れるように設定されている。また、図２及び図３に示すように、燃焼排ガス用の熱交換器５５においては燃焼排ガスは上から下に向けて流れるように設定されている。第３熱交換器５３においては空気オフガスは上から下に向けて流れるように設定されている。電池冷却水用の熱交換器５４においては電池冷却水は上から下に向けて流れるように設定されている。なお、熱交換ユニット５で熱交換した燃料含有ガスを、下側の熱交換ユニット５から上側のスタック２に送るため、燃料含有ガスは第１熱交換器５１においては下部から上部に流れるように設定されている。
【００４３】
図４は、第１マニホルドプレート６付近を模式的に示す。図４には、熱交換ユニット５を構成する共通プレート６０が示されている。共通プレート６０は、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２、第３熱交換器５３、電池冷却水用の熱交換器５４、燃焼排ガス用の熱交換器５５を構成する要素である。共通プレート６０は四角形状をなす薄いシート形状であり、熱伝導性及び耐食性に優れた金属で形成されている。図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の一方の表面及び他方の表面の中央域には、多数の膨出壁６０ａ及び多数の陥没壁６０ｂが交互に繰り返して形成されており、熱交換機能を高めるように熱交換面積が増加している。
【００４４】
図４に示すように、共通プレート６０の一方の表面及び他方の表面の周縁に沿って、凹状または凸状のシール係合部６１が形成されている。図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の上辺部６０ｕには、一端から他端にかけて、第４入口５４ｓ、第１出口５１ｐ、第２入口５２ｓ、第５入口５５ｓ、第３入口５３ｓが厚み方向に貫通して順に形成されており、且つ、出水口５０ｈに連通する連通路５０ｈｏが厚み方向に貫通して形成されている。
【００４５】
また図４に示すように、熱交換用の共通プレート６０の下辺部６０ｄには、一端から他端にかけて、入水口５０ｉに連通する連通路５０ｉｏ、第３出口５３ｐ、第５出口５５ｐ、第２出口５２ｐ、第１入口５１ｓ、第４出口５４ｐが厚み方向に貫通して順に形成されている。ここで、図４に示すように、連通路５０ｉｏ，５０ｈｏは、共通プレート６０において対角位置とされており、連通路５０ｉｏ，５０ｈｏの間の熱交換距離が確保されている。第４入口５４ｓ及び第４出口５４ｐは共通プレート６０において対角位置とされている。これにより第４入口５４ｓと第４出口５４ｐとの間の熱交換距離が確保されている。空気オフガスが通る第３入口５３ｓ，第３出口５３ｐの開口面積は他の入口及び出口の開口面積よりも大きく設定されている。単位時間当たりにおける空気オフガスの流量は大きいためである。
【００４６】
図４にハッチングを付して示すように、ゴムまたは樹脂等の軟質シール材料で形成された四角枠形状をなすシール枠６２が設けられている。シール枠６２はシール係合部６１に嵌めた状態で取り付けられ、共通プレート６０に保持されるものであり、図５に示すように積層方向（矢印Ｘ方向）において隣接する共通プレート６０間をシールする。
【００４７】
図４及び図６にハッチングを付して示すように、第１熱交換器５１に装備されるシール枠６２については、燃料含有ガスが流れる第１入口５１ｓ及び第１出口５１ｐに対面する部分に切欠部６５ａが形成されている。この結果、ガス等の流体が矢印Ｍ１方向（上向き）に通過できるように、第１入口５１ｓ及び第１出口５１ｐが第１熱交換路５１ｒに連通している。
【００４８】
図７に示すように、電池冷却水用の熱交換器５４に装備されるシール枠６２については、電池冷却水が流れる第４入口５４ｓ及び第４出口５４ｐに対面する部分には切欠部６５ｂが形成されている。この結果、電池冷却水等の流体が矢印Ｍ４方向（下向き）に通過できるように、第４入口５４ｓ及び第４出口５４ｐが熱交換路５４ｒに連通している。
【００４９】
図８に示すように、第２熱交換器５２に装備されるシール枠６２については、燃料オフガスが流れる第２入口５２ｓ及び第２出口５２ｐに対面する部分には切欠部６５ｃが形成されている。この結果、ガス等の流体が矢印Ｍ２方向（下向き）に通過できるように、第２入口５２ｓ及び第２出口５２ｐが第２熱交換路５２ｒに連通している。
【００５０】
図９に示すように、第３熱交換器５３に装備されるシール枠６２については、空気オフガスが流れる第３入口５３ｓ及び第３出口５３ｐに対面する部分には切欠部６５ｄが形成されている。この結果、ガス等の流体が矢印Ｍ３方向（下向き）に通過できるように、第３入口５３ｓ及び第３出口５３ｐを第３熱交換路５３ｒに連通させている。
【００５１】
図１０に示すように、燃焼排ガス用の熱交換器５５に装備されるシール枠６２については、燃焼排ガスが流れる第５入口５５ｓ及び第５出口５５ｐに対面する部分には切欠部６５ｅが形成されている。この結果、ガス等の流体が矢印Ｍ５方向（下向き）に通過できるように、第５入口５５ｓ及び第５出口５５ｐを熱交換路５５ｒに連通させている。
【００５２】
図１１に示すように、熱交換水を通過させる通路を形成するシール枠６２Ｂが共通プレート６０の裏面側に装備されている。シール枠６２Ｂにおいて、入水口５０ｉに繋がる連通路５０ｉｏ，出水口５０ｈに繋がる連通路５０ｈｏに対面する部分には切欠部６５ｆが形成されている。この結果、熱交換水等の流体が矢印Ｍ６方向に沿って通過できるように、連通路５０ｉｏ，５０ｈｏが連通している。なお、図１１は熱交換水が下から上向きに流れる形態を示すが、図３に示すように熱交換水が上から下向きに流れる形態もある。
【００５３】
以上の説明から理解できるように本実施例によれば、熱交換ユニット５を構成する積層構造体５０は、これの始端５０ａ側から終端５０ｂ側にかけて、つまり矢印Ｘ１方向に沿って、第２熱交換器５２、第１熱交換器５１、第３熱交換器５３、電池冷却水用の熱交換器５４が順に積層されて集中的に一体化されて構成されている。更に燃焼排ガス用の熱交換器５５も、積層されて集中的に一体化されて構成されている。
【００５４】
このため本実施例によれば、各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化されると共に、配管スペースが小さくなり、スペース効率が向上し、燃料電池装置の小型化に有利である。また各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の長さが短縮化されるため、各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管からの放熱が少なくて済み、熱交換ユニット５からの熱回収量を増加させるのに有利となる。また各熱交換器５１〜５５を繋ぐ配管の構造が簡略化されるため、部品点数が減少し、部品コストが低減されると共に、組み付けコストが低減される。
【００５５】
共通プレート６０を水平方向に沿って配置することも考えられる。しかし本実施例によれば、各熱交換器５１〜５５を構成する共通プレート６０は上下方向に沿って配置されている。このため各熱交換器５１〜５５において空気オフガス、燃料オフガスなどを下向きに流すことができ、重力を利用でき、各熱交換器５１〜５５における空気オフガス及び燃料オフガスなどの流体の流動速度を速めることができ、発電性能の確保に有利である。なお空気オフガス及び燃料オフガスなどの流動速度を速めると、各熱交換器５１〜５５における満足する熱交換量が得られないおそれがある。この点本実施例によれば、各熱交換器５１〜５５を形成する共通プレート６０の枚数を増加させて熱交換量を高めることにより、対処している。
【００５６】
本実施例によれば、図１に示すように燃料電池１は熱交換ユニット５の積層構造体５０よりも上側に配置されているため、燃料電池１から吐出される空気オフガス、燃料オフガス、電池冷却水を積層構造体５０において下向き（垂直方向に沿って）に流すのに有利である。従って熱交換ユニット５の積層構造体５０の底側に回収水を貯留させ易い利点が得られる。なお、回収水が積層構造体５０の底側に存在すれば、回収水の取り出しが容易である。しかも図１２に示すように、回収水Ｗを貯留したマノメータ方式のシール管１００を積層構造体５０の底側に取り付けておけば、積層構造体５０の内部空間のシール性をシール管１００の回収水Ｗにより良好に確保でき、積層構造体５０の内部空間からのガス漏れ等を防止するのに有利となる。シール管１００は、Ｕ字形状部１００ａと逆Ｕ字形状部１００ｃをもつ。
【００５７】
また燃料電池１が熱交換ユニット５の積層構造体５０よりも上側に位置すれば、災害や事故等により浸水等があったとしても、白金などの触媒物質を有しており高価な燃料電池１に対する保護性が高められる。更に、熱交換水を熱交換ユニット５に入水させる前に熱交換水を冷却するラジエータ８が設けられており、図１に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０はラジエータ８に隣設されている。このように熱交換ユニット５の積層構造体５０がラジエータ８に隣設されていれば、熱交換ユニット５に入水させる前の熱交換水をラジエータ８で冷却できる。従って熱交換ユニット５の熱交換機能が良好に確保される。
【００５８】
更にスタック２の発電性能を増加させるため、スタック２における燃料電池１の積層数を増加させ、スタック２の積層方向のサイズを大型化させることがある。このような場合には、熱交換ユニット５の熱交換性能も大型化を図る必要がある。この点本実施例によれば、図１に示すように、熱交換ユニット５の積層構造体５０の積層方向（横方向）は、スタック２における燃料電池１の積層方向（横方向）と対応しており、同じ向きとされている。このため、スタック２における燃料電池１の積層数が増加するときには、熱交換ユニット５の積層構造体５０の積層枚数を増加させれば、熱交換ユニット５の熱交換性能の大型化に容易に対処することができる。
【００５９】
（第２実施例）
図１３は第２実施例を模式的に示す。第２実施例は第１実施例と基本的には同様の構成であり、同様の作用効果を奏する。以下、異なる部分を中心として説明する。本実施例によれば、図１３に示すように、発電前の燃料含有ガスを熱交換で冷却する第１熱交換器５１は、積層構造体５０のうち燃焼排ガス用の熱交換器５５よりも入水口５０ｉ側（上流側）に、つまり相対的に積層構造体５０のうち低温側に配置されている。この場合、相対的に低温で冷却能が相対的に高い第１熱交換器５１の熱交換水により、発電前の燃料含有ガスに含まれている水分や熱を効率よく回収するのに有利である。
【００６０】
（その他）
上記した実施例によれば、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２、第３熱交換器５３がそれぞれ設けられているが、場合によっては、第１熱交換器５１、第２熱交換器５２、第３熱交換器５３のうち一つ、あるいは、二つが設けられていなくても良い。要するに、本発明は、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されているものである。上記した実施例は定置タイプの燃料電池装置に適用したものであるが、これに限らず、車両用の燃料電池装置に適用することもできる。その他、本発明は上記した実施例のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できるものである。
【００６１】
上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
（付記項１）積層構造体と、前記積層構造体に設けられ前記貯湯装置の熱交換水を前記積層構造体に入水させる入水口と、前記積層構造体に設けられ前記積層構造体を通過した前記貯湯装置の熱交換水を前記積層構造体から出水する出水口とをもつ熱交換ユニットで形成されており、
熱交換ユニットの積層構造体は、
燃料電池に供給される発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器と、燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器とのうちの少なくとも一つと、
燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されていることを特徴とする燃料電池装置に使用される熱交換ユニット。各熱交換器を繋ぐ配管の構造が簡略化され、スペース効率が向上する。また各熱交換器を繋ぐ配管の構造が簡略化されるため、各熱交換器を繋ぐ配管の長さが短縮化され、各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱が少なくて済み、熱回収量を増加させ得る。
【００６２】
【発明の効果】
本発明によれば、第１熱交換器、第２熱交換器、第３熱交換器のうちの少なくとも一つと、電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されているため、各熱交換器を繋ぐ配管の構造が簡略化され、スペース効率が向上する。また各熱交換器を繋ぐ配管の構造が簡略化されるため、各熱交換器を繋ぐ配管の長さが短縮化され、各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱が少なくて済み、熱回収量を増加させ得る。更に各熱交換器を繋ぐ配管の構造、長さが簡略化されるため、部品点数が減少し、部品コストが低減されると共に、組み付けコストが低減される。更に各熱交換器を繋ぐ配管からの放熱も抑えられ、熱交換ユニットからの熱回収量を増加させるのに貢献できる。
【００６３】
更に次の形態の場合には、特有の効果も期待できる。
【００６４】
・燃料電池に供給されて燃料電池を冷却する電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器が、第２熱交換器よりも積層構造体の出水口側（下流側）に配置されている形態を例示できる。積層構造体の出水口側（下流側）には相対的に高温の熱交換水が流れる。このため電池冷却水用の熱交換器が積層構造体の出水口側（下流側）に配置されている場合には、電池冷却水は、相対的に高温の熱交換水で熱交換されるため、電池冷却水の過剰冷却が効果的に抑えられる。ひいては燃料電池の過剰冷却が抑えられ、燃料電池の発電性能の確保に貢献できる。
【００６５】
・発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器が熱交換ユニットの積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態を例示できる。燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスの温度は、一般的には、燃料電池の作動温度相当である。このため、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を効率よく行うためには、熱交換水の温度はかなり低温であることが好ましい。一方、熱交換ユニットの積層構造体の入水口側（上流側）には、相対的に低温の熱交換水が流れる。そこで、発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器が熱交換ユニットの積層構造体の入水口側（上流側）に配置されている形態を採用すれば、熱交換ユニットの積層構造体の入水口側（上流側）には、相対的に低温の熱交換水が流れ、この結果、相対的に低温の熱交換水によって、発電後の燃料オフガスを熱交換させて冷却し、発電後の燃料オフガスからの水分回収、熱回収を効果的に行うことができる。
【００６６】
・発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側に配置されている形態を例示できる。燃料電池の空気極において発電反応に基づいて水が生成されるため、発電後の空気オフガスはその水蒸気量が多く湿度がかなり高く、少し冷却するだけでも、発電後の空気オフガスから凝縮水を生成して回収することができる。このため熱交換水は、空気オフガスの温度よりも低ければ、積層構造体のうちで相対的に高温であるときであっても、発電後の空気オフガスから水分を熱交換により除去して回収できる。このため前記したように、発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側に配置されている形態を例示できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池装置の側面図である。
【図２】熱交換ユニットの積層構造体付近の概略構成図である。
【図３】熱交換ユニットの積層構造体付近の概略構成図である。
【図４】マニホルドプレート付近を模式的に示す概略構成図である。
【図５】熱交換ユニットの積層構造体の要部の断面図である。
【図６】熱交換ユニットの積層構造体における第１熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図７】熱交換ユニットの積層構造体における電池冷却水用の熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図８】熱交換ユニットの積層構造体における第２熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図９】熱交換ユニットの積層構造体における第３熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図１０】熱交換ユニットの積層構造体における燃焼排ガス用の熱交換器の主要部を示す正面図である。
【図１１】熱交換ユニットの積層構造体における熱交換器の熱交換水が流れる通路部分を示す正面図である。
【図１２】マノメータ方式のシール管を積層構造体の底側に取り付けた構造を示す概略構成図である。
【図１３】他の実施例に係り、熱交換ユニットの積層構造体付近の概略構成図である。
【符号の説明】
図中、１は燃料電池、２はスタック、５は熱交換ユニット、５０は積層構造体、５０ｉは入水口、５０ｈは出水口、５０ａは始端、５０ｂは終端、９は貯湯装置、１０は貯湯槽、１４は第１ポンプ、２０は第２ポンプ（燃料電池冷却系）、５１は第１熱交換器、５２は第２熱交換器、５３は第３熱交換器、５４は電池冷却水用の熱交換器、５５は燃焼排ガス用の熱交換器、６０は共通プレート、２５は改質器を示す。
Claims (7)
- 電解質層と前記電解質層の片側に配置され燃料含有物質が供給される燃料極と前記電解質層の他の片側に配置され空気が供給される空気極とを有する燃料電池と、前記燃料電池に電池冷却水を流して燃料電池を冷却する燃料電池冷却系と、前記燃料電池の運転時に発生する熱を熱交換により回収する熱交換水を供給する貯湯装置とを有する燃料電池装置において、
積層構造体と、前記積層構造体に設けられ前記貯湯装置の熱交換水を前記積層構造体に入水させる入水口と、前記積層構造体に設けられ前記積層構造体を通過した前記貯湯装置の熱交換水を前記積層構造体から出水する出水口とをもつ熱交換ユニットが設けられており、
前記熱交換ユニットの積層構造体は、
前記燃料電池に供給される発電前の燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する第１熱交換器と、前記燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第２熱交換器と、前記燃料電池から吐出された発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する第３熱交換器とのうちの少なくとも一つと、
前記燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器とが積層されて一体化されていることを特徴とする燃料電池装置。 - 請求項１において、前記燃料電池冷却系の電池冷却水の熱を回収する電池冷却水用の熱交換器は、前記第２熱交換器よりも前記積層構造体の前記出水口側に配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
- 請求項１または請求項２において、前記燃料電池から吐出された発電後の燃料オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する前記第２熱交換器は、電池冷却水用の熱交換器よりも前記積層構造体の前記入水口側に配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
- 請求項１〜請求項３のいずれか一項において、前記燃料電池に供給される燃料含有物質に含まれている水分を熱交換により除去する前記第１熱交換器は、前記電池冷却水用の熱交換器よりも前記積層構造体の前記入水口側に配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
- 請求項１〜請求項４のうちのいずれか一項において、燃料含有ガスを生成する改質器が設けられ、前記改質器から排出された燃焼排ガスの熱を回収する燃焼排ガス用の熱交換器が設けられ、前記熱交換ユニットの積層構造体は前記燃焼排ガス用の熱交換器を積層して一体化して構成されていることを特徴とする燃料電池装置。
- 請求項１〜請求項５のうちのいずれか一項において、発電後の空気オフガスに含まれている水分を熱交換により除去する前記第３熱交換器は、前記電池冷却水用の熱交換器よりも入水口側に配置されていることを特徴とする燃料電池装置。
- 請求項１〜請求項６のうちのいずれか一項において、前記燃料電池は前記熱交換ユニットの前記積層構造体よりも上側に配置されており、
熱交換水を前記熱交換ユニットに入水させる前に熱交換水を冷却するラジエータが設けられており、前記熱交換ユニットの前記積層構造体は前記ラジエータに隣設されていることを特徴とする燃料電池装置。
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