JP2005142040A

JP2005142040A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2005142040A
Application number: JP2003377804A
Authority: JP
Inventors: Keisen So; 慶泉蘇; Takeshige Inoue; 毅成井上; Makoto Inagaki; 信稲垣
Original assignee: Ebara Ballard Corp
Current assignee: Ebara Ballard Corp
Priority date: 2003-11-07
Filing date: 2003-11-07
Publication date: 2005-06-02

Abstract

【課題】結露を生ずることなく、且つ、効率を高めたブロワを備えることにより、ブロワが損傷を受けにくく、システムとして効率のよい燃料電池システムを提供することを目的とする。
【解決手段】燃料電池３０に供給される酸化剤ガス６１ａを圧送するブロワ８４に熱交換部を設け、熱交換部１８４に混合ガス熱交換器８３で加熱された回収水４２ａを導入することにより、ブロワ８４は吸引される酸化剤ガス６１ａより僅かに高い温度に保たれる。そのため、ブロワ８４内で、酸化剤ガス６１ａのために結露を生ずることがなく、また、ブロワ８４における加圧による酸化剤ガス６１ａの温度上昇も抑えられ、ブロワ８４の効率が高く維持される。その結果、ブロワが損傷を受けにくく、システムとして効率のよい燃料電池システムが提供される。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池システムに関し、特に、酸化剤ガス供給のためのブロワの効率のよい燃料電池システムに関する。

都市ガス、ＬＰＧ、消化ガス、メタノール、ＧＴＬや灯油のような原料燃料を改質装置を介して水素に富む改質ガスを生成し燃料電池の燃料極に供給すると共に、空気等の酸素を含む酸化剤ガスを燃料電池の空気極に供給して電気化学的反応により発電する燃料電池システムにおいて、燃料電池として固体高分子形燃料電池を用いる場合には、プロトン交換膜の電気伝導度を高く維持するために酸化剤ガスを所定の露点まで加湿する必要がある。そのため、酸化剤ガスを加湿し、ブロワで加圧して、燃料電池に供給していた。

しかし、加湿された酸化剤ガスをブロワに導入すると、特に運転開始時においてブロワが低温である場合、ブロワ内で結露を生じ、ドレンアタックなどによりブロワが損傷する一因となる恐れがあった。しかしブロワを電気ヒータなどにより加温すると、消費電力が増えるという問題と、酸化剤ガスの温度上昇のため、ブロワの効率が下がるという問題が生じた。ブロワの損傷は、燃料電池システムの運転停止につながり、また、ブロワの効率が低下すると、所定の酸化剤ガスが燃料電池に送られなくなり、燃料電池システムとしての効率低下を招く。
そこで、本発明は、結露を生ずることなく、且つ、効率を高めたブロワを備えることにより、ブロワが損傷を受けにくく、且つ、効率のよい燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図１に示すように、燃料ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池３０と、発生した水を回収水４２Ｃとして回収し貯留する貯液部７１を有し、貯液部７１に貯留された回収水４２ａにより酸化剤ガス６１ａを加湿する酸化剤ガス加湿装置７０と、加湿された酸化剤ガス６１ａを酸化剤ガス加湿装置７０から燃料電池３０に圧送するブロワ８４と、酸化剤ガス加湿装置７０に導入した回収水４２ａを循環する循環経路と、循環経路に、循環する回収水４２ａと、燃料電池３０から排出されるガス６３ａとの熱交換を行う熱交換器８３を備え、ブロワ８４が、循環する回収水４２ａを導入する熱交換部１８４を有する。

このように構成すると、循環する回収水を熱交換部に導入することによりブロワの温度が適切な温度範囲に保たれるので、加湿された酸化剤ガス中の水蒸気がブロワ内で結露することはなく、また、酸化剤ガスの温度が高くなりすぎることもなく、ブロワの効率の低下を防ぐことができる。更に、ブロワでの加圧による酸化剤ガスの温度上昇も、循環する回収水と熱交換することにより抑えられ、ブロワの効率が高くなる。その際に、吸収した熱は、回収水で循環されることにより有効に活用され、システムとしての効率も高まる。

また請求項２に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図２に示すように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、熱交換部１８４は、ブロワ８４に設置されたジャケット１８５により構成される。

このように構成すると、熱交換部がジャケットにより構成されるので、ブロワ全体の温度が適切に保たれ、また、循環する回収水の圧力損失の増加も抑えられる。

また請求項３に記載の発明に係る燃料電池システムは、例えば図３に示すように、請求項１に記載の燃料電池システムにおいて、熱交換部１８４は、ブロワ８４の外周に巻き付けられた管１９５により構成される。

このように構成すると、熱交換部がブロワの外周に巻き付けられた管により構成されるので、熱交換部を有するブロワの製作が容易となり、熱交換部を有さない従来のブロワを基に容易に製作することもできる。

本発明によれば、酸化剤ガスを酸化剤ガス加湿装置から燃料電池に圧送するブロワが、循環する回収水と熱交換する熱交換部を備えることにより、ブロワが適切な温度に維持され、ブロワ内に結露を生ずることがなく、ドレンアタックなどによりブロワが損傷することがなくなる。また、ブロワが過度に加温されることがなく、且つ、加圧による酸化剤ガス温度の上昇も小さくなる。よって、ブロワの効率が高まり、ブロワが損傷を受けにくく、システムとして効率のよい燃料電池システムが提供される。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。なお、各図において、互いに同一または相当する装置等には同一符号を付し、重複した説明は省略する。また、図１中、「ａ」を添えた符号及び「４２Ａ」、「４２Ｂ」、「４２Ｃ」は物を表し、これらの符号で示されるときに線は物の流れを、これらの符号を添えていない符号で示されるときに線は配管を表す。

図１は、本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１の模式的ブロック図である。ここで、燃料電池コージェネレーションシステム１とは、排熱を回収し、熱源として有効利用する燃料電池システムをいい、貯湯タンク１２０等を備える。燃料電池コージェネレーションシステム１は、改質装置７と、燃料電池３０と、酸化剤ガス加湿装置としての気液接触塔７０と、ブロワ８４と、貯湯装置としての貯湯タンク１２０と、冷却水熱交換器１１０と、混合ガス熱交換器８３と、燃料ガス熱交換器１１４と、気液分離器４５、５５、８９と、ポンプ８２、８５、１０８、１２５と、純水装置８６と、水処理装置９３とを備える。

改質装置７は、天然ガス、ナフサ、メタノール、灯油のような原料燃料２ａを導入するノズル（不図示）と、純水装置８６から送出される改質装置供給水６５ａを導入するノズル（不図示）と、燃料電池３０から排出されるアノードオフガス２１ａを導入するノズル（不図示）と、空気４ａを導入するノズル（不図示）と、改質反応により生成される燃料ガスとしての改質ガス３ａを導出するノズル（不図示）と、燃焼排ガス６ａを排出するノズル（不図示）とを有し、更に、改質装置７は、起動時や改質反応に必要な改質熱が不足する時に燃焼させる補助燃料としての燃焼燃料５ａを導入するノズル（不図示）とを有する。改質装置７で生成された改質ガス３ａを導出するノズル（不図示）は、燃料ガス熱交換器１１４を経て、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２と接続されている。なお、改質装置７を備えず、改質ガス３ａの代わりに純水素又は水素に富むガスを燃料電池３０に供給する構成としてもよい。ここで、２つの機器等（ノズルを含む）が「接続される」とは、配管を介して接続される場合を含む。

燃料電池３０は、例えば積層型の固体高分子形燃料電池を使用することができ、冷却水流路３１と燃料極３２と空気極３３とを有する。空気極３３には、気液接触塔７０から燃料ガス熱交換器１１４を経て送出される酸化剤ガス６１ａを導入するノズル（不図示）と、カソードオフガス２２ａを排出するノズル（不図示）が配置される。冷却水流路３１には、ポンプ１０８から圧送されて燃料ガス熱交換器１１４を経て供給される冷却水としてのスタック冷却水２４ａを導入するノズル（不図示）と、スタック冷却水２４ａを流出するノズル（不図示）が配置される。燃料極３２には、改質装置７で生成され、燃料ガス熱交換器１１４を経て供給される改質ガス３ａを導入するノズル（不図示）と、アノードオフガス２１ａを排出するノズル（不図示）が配置される。

燃料電池３０は、改質ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により電力を出力し、水を発生する。この電気化学的反応は、発熱反応であり、冷却するためにスタック冷却水２４ａが導入されている。ここで発生した熱が主に排熱となり、スタック冷却水２４ａあるいは排出されるガス（アノードオフガス２１ａ、カソードオフガス２２ａ）により燃料電池３０から搬出される。また、固体高分子形燃料電池においては、プロトン交換膜（不図示）の電気伝導度を高く維持するために空気極３３に供給する酸化剤ガス６１ａを所定の露点まで加湿する必要がある。要求される酸化剤ガス６１ａの露点は使用する燃料電池の作動温度等運転条件によって変わるが、５０〜８０℃の範囲であるのが一般的である。

燃料電池３０の空気極３３から排出されたカソードオフガス２２ａを搬送する配管１４１と、改質装置７から排出された燃焼排ガス６ａを搬送する配管１４２とは分岐管にて合流し、排熱及び水分を保有するガスとしての混合ガス６３ａを搬送する配管１４３となる。配管１４３は、混合ガス熱交換器８３に連接し、更に、気液分離器８９を経て、系外への排気口（不図示）に至る。

燃料電池３０の冷却水流路３１には、スタック冷却水２４ａが流れ、燃料電池３０を冷却しつつ、改質ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発生した熱を吸収する。冷却水流路３１から排出されるスタック冷却水２４ａが流れる流路には、冷却水熱交換器１１０とポンプ１０８と燃料ガス熱交換器１１４とが、この順序で配置され、冷却水２４ａの流路は、これらの機器を経由して冷却水流路３１に戻る循環経路とされる。なお、ポンプ１０８は、スタック冷却水２４ａを圧送して循環させるもので、冷却水熱交換器１１０と燃料ガス熱交換器１１４との間でなくても、循環するスタック冷却水２４ａの経路上に配置されればよい。

冷却水熱交換器１１０は、貯湯タンク１２０に貯えられる排熱温水４３ａと、スタック冷却水２４ａとを熱交換する熱交換器であり、温度差の比較的小さな液体同士で熱交換を行うためにプレート型熱交換器が好適に用いられる。冷却水熱交換器１１０により、排熱温水４３ａは加熱され、冷却水２４ａは冷却される。すなわち、排熱温水４３ａによりスタック冷却水２４ａ中の排熱を回収する。冷却水熱交換器１１０の排熱温水４３ａの出口ノズル（不図示）は、貯湯タンク１２０に接続され、排熱温水４３ａが排熱を回収した後に貯湯タンクに貯留されることにより、排熱は貯湯タンク１２０に回収熱として貯えられる。

排熱を回収する冷却水熱交換器１１０や貯湯タンク１２０を備えず、すなわち燃料電池コージェネレーションシステムではなく燃料電池システムとしてもよい。その場合には、スタック冷却水２４ａは、ラジエータにより、あるいは、系外から供給される冷却水と熱交換することなどにより冷却される。

燃料ガス熱交換器１１４は、スタック冷却水２４ａと、気液接触装置７０から送出される酸化剤ガス６１ａとを熱交換し、更にスタック冷却水２４ａと、改質装置７から送出される改質ガス３ａとを熱交換する３流体の熱交換器であって、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、酸化剤ガス６１ａと改質ガス３ａとの流路には、気体との熱交換効率を向上するためフィンを設けた管を備える多管式熱交換器とする。あるいは、３重管型熱交換器も好適に用いられる。

燃料ガス熱交換器１１４の改質ガス３ａの出口ノズル（不図示）は、気液分離器４５を経て、燃料電池３０の燃料極３２に接続される。燃料ガス熱交換器１１４の酸化剤ガス６１ａの出口ノズル（不図示）は、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。燃料ガス熱交換器１１４のスタック冷却水２４ａの出口ノズル（不図示）は、燃料電池３０の冷却水流路３１に接続される。

気液分離器４５は、改質ガス３ａ中の水分を分離し、分離された回収水４２Ａを気液分離装置７０に導入する配管が気液分離器４５に接続される。気液分離器５５は、酸化剤ガス６１ａ中の水分を分離し、分離された回収水４２Ｂを気液分離装置７０に導入する配管が気液分離器５５に接続される。また、気液分離器８９は、混合ガス６３ａ中の水分を分離し、分離された回収水４２Ｃを気液分離装置７０に導入する配管が気液分離器８９に接続される。

気液接触塔７０は、その下部に、気液分離部４５、５５、８９から送出された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃが入る回収水入口７３と、導入された回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを回収水４２ａとして貯える貯液部７１と、ポンプ８２、８５によって回収水４２ａが外に向けて吸引される回収水吸引口７４と、所定の水位レベルを超える回収水４２ａが溢れ出て流れ込む溢流管７５と、回収水４２ａが溢流管７５に溢れて流れ込む溢流口７６と、酸化剤ガス６１ａが入り込む酸化剤ガス入口７２を溢流口７６の上方に有する。所定の水位レベルとは、溢流口７６が設定された水位レベルである。回収水４２ａは溢流管７５から気液接触塔７０の系外に流れ出る。なお、本実施の形態で例示する酸化剤ガス入口７２は、大気開放されており、大気中の空気を酸化剤ガス６１ａとして用いる。

気液接触塔７０は、その上部に、酸化剤ガス６１ａが燃料電池３０の空気極３３に向けて流れ出る酸化剤ガス出口７７と、混合ガス熱交換器８３から戻った回収水４２ａが注入される回収水注入口７８と、回収水注入口７８に注入された回収水４２ａを細かい水滴として気液接触塔７０内に撒き散らす水分散器７９とを有する。また、上部に配置する水分散器７９と酸化剤ガス出口７７との間に、デミスタ９１が設けられる。デミスタ９１により充填部８０から上昇する酸化剤ガス６１ａに随伴したミストが除去される。

気液接触塔７０は、その上部と下部の間に、注入された回収水４２ａと酸化剤ガス６１ａとの気液接触を促進するための充填物を充填した充填部８０と、充填部８０を支持する充填物支持板８１とを有する。

回収水吸引口７４の先は、ポンプ８２、水処理装置９３、混合ガス熱交換器８３およびブロワ８４に備えられた熱交換部１８４を経て、気液接触塔７０上部の回収水注入口７８に接続される。このように、貯液部７１から回収水吸引口７４、ポンプ８２、水処理装置９３、混合ガス熱交換器８３、熱交換部１８４、回収水注入口７８、水分散器７９、充填部８０を経て貯液部７１に回収水４２ａを循環する循環経路が構成される。

混合ガス熱交換器８３は、温度差の比較的少ない、混合ガス６３ａである気体と回収水４２ａである液体との熱交換をするので、プレート型熱交換器が好適に用いられる。あるいは、多管式熱交換器が好適に用いられる。更に好適には、混合ガス６３ａの流路にフィンを備えた多管式熱交換器が用いられる。なお、熱交換部１８４については、後述する。

回収水吸引口７４には、ポンプ８２への流路中で分岐された先にポンプ８５が接続され、気液接触塔７０内の回収水４２ａの一部を改質装置供給水６５ａとして純水装置８６に送る。純水装置８６はイオン交換樹脂充填カラム８７を備えており、改質装置供給水６５ａを純水に精製する。純水装置８６の出口ノズル（不図示）は、改質装置７に接続されており、純水に精製された改質装置供給水６５ａが改質装置７に液送される。また、イオン交換樹脂が改質装置供給水６５ａに混入することを防止するために、イオン交換樹脂充填カラム８７の下流側にフィルタ８８を設置してもよい。更に、酸化剤ガス６１ａに粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂充填カラム８７の上流側に固形物フィルタを追加することもできる。

本実施の形態では、ポンプ８５を用いて改質装置供給水６５ａを純水装置８６へ液送しているが、これに代えて、回収水吸引口７４に接続するポンプ８２の吐出口と純水装置８６の入口とを連結する分岐配管を設け、循環する回収水４２ａの一部を分岐して改質装置供給水６５ａとして純水装置８６へ流送することもできる。この場合には、改質装置供給水６５ａ用のポンプ８５を省き構成部材を削減することができる。しかし、ポンプ８２とポンプ８５の２台のポンプを備えることで、酸化剤ガス６１ａの加湿用の回収水４２ａの循環量と、改質装置供給水６５ａの供給量との調整がスムースに行われ、また、システムとしての信頼性も向上する。

気液接触塔７０の酸化剤ガス出口７７に、酸化剤ガス６１ａを燃料ガス熱交換器１１４を経て燃料電池３０に圧送するブロワ８４が接続される。ブロワ８４により気液接触塔７０内の酸化剤ガス６１ａが吸引される。酸化剤ガス入口７２から吸引され気液接触塔７０内を上昇する酸化剤ガス６１ａと、回収水注入口７８から注入され、水分散器７９から気液接触塔７０内に散布された回収水４２ａは、充填部８０にて向流接触する。

回収水４２ａは、混合ガス熱交換器８３で混合ガス６３ａと熱交換をすることにより温度上昇しているので、酸化剤ガス６１ａは、回収水４２ａとの向流接触により、加温される。そして、回収水４２ａと向流接触し、水蒸気飽和となった、すなわち露点の上がった酸化剤ガス６１ａが、ブロワ８４に吸引される。酸化剤ガス６１ａは水蒸気飽和となっているので、運転開始時などにおいて、ブロワ温度が酸化剤ガス６１ａの温度より低い場合には、ブロワ８４内で結露を生ずる。この結露により生じた水分がブロワに溜まると、回転翼等に接触し、いわゆるドレンアタックにより回転翼等に損傷を生ずる恐れが、あるいは、水分の存在によりケーシング等に腐食を生ずる恐れがあるので、ブロワ８４に回収水４２ａとの熱交換部１８４を設け、結露を防止する。

図２あるいは図３の一部断面図を参照して、熱交換部１８４について説明する。図２は、ブロワ８４にジャケット１８５を設けた形態を示す。ブロワ８４は、モーター部１７２と圧縮部１７１を有する。モーター部１７２で回転軸（不図示）を回転させ、回転軸の回転により圧縮部１７１のケーシング１７５内の回転翼（不図示）を回転することにより、内容物である流体、すなわち酸化剤ガス６１ａを圧送する。流体は、吸引ノズル１７３から吸引され加圧されて、吐出ノズル１７４から吐出される。ジャケット１８５は、圧縮部１７１のケーシング１７５の周囲に空間１８８を持って円筒形状に形成された回収水４２ａの流路である。形状は円筒形には限られず任意の形状でよい。しかし、円筒形とするのが一般的に加工が容易であり、特に圧縮部１７１のケーシング１７５が円筒形状の場合には、ケーシング１７５周囲の空間１８８の幅を一様とすることができ、空間１８８を流れる回収水４２ａによどみがなくなり、好適である。

ジャケット１８５には、回収水４２ａがジャケットに流れ込む入口ノズル１８７と流れ出す出口ノズル１８６とが設けられる。回収水４２ａは入口ノズル１８７からジャケット中の空間１８８に流れ込み、ケーシング１７５に沿って流れる間に熱交換し、ケーシング１７５を暖め、あるいは、後述するように加圧のために温度上昇した酸化剤ガス６１ａをケーシング１７５を通して冷やす。ケーシング１７５と熱交換した回収水４２ａは、出口ノズル１８６より流れ出て、気液接触塔７０の回収水注入口７８に送られる。ブロワ８４では、ケーシング１７５が暖められることにより、酸化剤ガス６１ａ中の水分がブロワ８４内で結露することが防止され、あるいは、ケーシング１７５が冷やされることにより酸化剤ガス６１ａの加圧のための温度上昇が抑えられる。その結果、ブロワ８４の損傷を招くドレンアタックや腐食が防止され、また、ブロワの効率がよくなる。熱交換部がジャケット１８５により構成されているので、回収水４２ａの循環経路における圧力損失の上昇を抑えることができ、また、ケーシング全体を回収水４２ａにより暖めあるいは冷やすことができる。

ブロワ８４に吸引される酸化剤ガス６１ａは、気液接触塔７０の充填部８０で回収水４２ａと気液接触し、昇温及び加湿されているので、充填部８０において回収水４２ａとほぼ同じ温度となっている。回収水４２ａは、気液接触塔７０で酸化剤ガス６１ａと気液接触し、貯液部７１に貯留された後、再循環され、熱交換部１８４に導入される前に混合ガス６３ａで加熱されており、ブロワ８４の熱交換部１８４に導入される回収水４２ａは酸化剤ガス６１ａより温度が５〜１０℃程度高い。温度が５〜１０℃程度高い回収水４２ａにより加温するので、暖めすぎることで酸化剤ガス６１ａの温度が過度に上昇して密度が低下することにより、ブロワ８４の効率が下がることの恐れがない。また逆に、冷やしすぎてブロワ８４内で結露を生ずる恐れもなく、回収水４２ａによりブロワ８４は適切な温度に保たれる。更に、電気ヒータなどの機器で暖めることがないので、機器数が増加することなく、外部からの電力の供給も不要である。通常運転中には酸化剤ガス６１ａの加圧による温度上昇を防止するために回収水４２ａにて熱を回収し、その熱が酸化剤ガス６１ａを加湿し、加温することに用いられるので、システムとしての効率が向上する。

続いて、図３の一部断面図に示す形態では、ケーシング１７５の周囲に、回収水４２ａが流れる管１９５を巻き付けて、熱交換部１８４としている。回収水４２ａが、加温水入口１９７から流れ込み、巻き付けた管１９５を流れた後、加温水出口１９６から流出する。ブロワ８４の構成、熱交換することの効果は、図２に示すジャケットを用いた場合と同様であるので、ここでは説明を省略する。なお、巻き付け管１９５は、通常のステンレス製あるいは銅製の管の他に、蛇腹管で形成してもよい。蛇腹管で形成すると、曲げやすいので、巻き付けが容易になる。

巻き付けた管１９５で熱交換部１８４を構成することにより、熱交換部１８４の製作が容易となる。特に、従来の熱交換部を有しないブロワ８４を基にして、ケーシング周囲に管を巻き付けることにより熱交換部を形成することにより、熱交換部を有するブロワ８４とすることができる。

ブロワ８４からの酸化剤ガス６１ａの出口は、燃料ガス熱交換器１１４、気液分離器５５を経て、燃料電池３０の空気極３３に接続される。ブロワ８４にて昇圧された酸化剤ガス６１ａは、改質ガス３ａとの電気化学的反応用ガスとして燃料電池３０の空気極３３に供給される。

ブロワ８４による昇圧の結果、酸化剤ガス６１ａの露点が上昇する。例えば、ブロワ８４による酸化剤ガス６１ａの圧力上昇が１２ｋＰａとして、酸化剤ガス出口７７における酸化剤ガス６１ａの露点が５０℃の場合は、酸化剤ガス６１ａの露点が約２℃上昇し約５２℃になる。よって、酸化剤ガス６１ａの達成すべき露点が一定の場合、酸化剤ガス６１ａのブロワ８４を気液接触塔７０の下流側に配置することにより、気液接触塔７０の加湿負荷を軽減し、気液接触塔７０をコンパクト化することができる。また、ブロワ８４を酸化剤ガス入口７２側に配置した場合と違って、気液接触塔７０内はブロワ８４により加圧されることがない。

また、気液接触塔７０内の貯液部７１は、酸化剤ガス入口７２により大気開放状態を維持することにより大気圧の状態にあるので、気液分離器４５、５５、８９とのレベル差によって気液分離器４５、５５、８９から回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを貯液部７１へ導入することができる。したがって、回収水４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃを液送する送液ポンプ等を不要にすることができる。さらに、余剰の回収水４２ａは、追加の送液ポンプや液面センサ等の系外排出機器を用いることなく、貯液部７１内に配置する溢流管７５の底部排出口から燃料電池コージェネレーションシステム１の系外へ排出することができる利点もある。

水処理装置９３は、気液接触塔７０の回収水吸引口７４に接続する回収水４２ａの循環経路中のポンプ８２の下流側に配置され、イオン交換樹脂充填カラム９４を有している。この水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４に用いるイオン交換樹脂としては、陰イオン交換樹脂が望ましい。本実施の形態において、酸化剤ガス６１ａ中に含まれる酸性ガス汚染物質、例えば、硫黄酸化物ＳＯ_２は、ＳＯ_２＋ＯＨ⁻ → ＨＳＯ_３ ⁻ の反応式のように、充填部８０にて接触する回収水４２ａの中の水酸化イオンＯＨ⁻と反応してイオン化し、回収水４２ａに吸収されている。そして、吸収された回収水４２ａ中のＨＳＯ_３ ⁻は、ＨＳＯ_３ ⁻ ＋Ｒ−ＯＨ⁻ → Ｒ−ＨＳＯ_３ ⁻ ＋ＯＨ⁻ の反応式のように、イオン交換樹脂充填カラム９４にて陰イオン交換樹脂の水酸化イオンＯＨ⁻とイオン交換をしてイオン交換樹脂充填カラム９４内のイオン交換樹脂に吸着される。この時に、水酸化イオンＯＨ⁻が回収水４２ａに供給される。また、イオン交換樹脂充填カラム９４の下流側にフィルタ９５を設置することで、イオン交換樹脂が回収水４２ａに混入することを防止する。更に、酸化剤ガス６１ａに粉塵等の固形汚染物質が多量に含まれる場合には、イオン交換樹脂充填カラム９４の上流側に固形物フィルタを追加することもできる。

本実施の形態では、回収水４２ａが循環する循環経路に、陰イオン交換樹脂を用いた水処理装置９３を備えることによって、気液接触塔７０で酸化剤ガス６１ａと気液接触する回収水４２ａに水酸化イオンＯＨ⁻を常に供給する。すなわち、循環する回収水４２ａが常にアルカリ性に保たれ、酸化剤ガス６１ａに含有されるＮＯｘ、ＳＯｘ等の酸性ガスの汚染物質が効果的に除去される。但し、水処理装置９３は、備えられていなくてもよい。

貯湯タンク１２０は、排熱温水４３ａを貯留するタンクである。貯湯タンク１２０には、排熱温水４３ａを供給又は循環させることにより系外の熱需要に熱を供給する装置（不図示）が接続されている。例えば、貯湯タンク１２０に貯留される排熱温水４３ａが系外に循環し、排熱を供給した後に、貯湯タンク１２０に戻される。すなわち、排熱温水４３ａに回収された排熱が、熱源として有効利用される。

貯湯タンク１２０には、上記の系外への循環経路の他に、燃料電池コージェネレーションシステム１内に、排熱を回収するための排熱温水４３ａの循環経路が接続されている。この循環経路上に、スタック冷却水２４ａと熱交換する冷却水熱交換器１１０とポンプ１２５とが設置される。排熱温水４３ａは、冷却水熱交換器１１０でスタック冷却水２４ａと熱交換をして、排熱を回収し、貯湯タンク１２０に戻り、排熱を貯湯タンク１２０に蓄える。

次に、本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステム１の作用を説明する。
改質装置７では、改質装置供給水６５ａを用いた原料燃料２ａの改質反応により、水素を主成分とする水素含有ガスとしての改質ガス３ａを生成する。通常、改質装置供給水６５ａが必要量以上に供給されるので、改質ガス３ａは水分を多く含む。改質装置７は、更に空気４ａ(燃焼用空気)と、燃料極３２から排出される後述のアノードオフガス２１ａを、燃焼部(不図示)に導入して燃焼し、原料燃料２ａの改質反応のための改質熱を発生させ、燃焼排ガス６ａを排出する。改質装置７で製造された改質ガス３ａは、燃料ガス熱交換器１１４に送出され、燃料ガス熱交換器１１４でスタック冷却水２４ａにより冷却され、温度および露点が適宜調整される。燃料ガス熱交換器１１４に入る前の改質ガス３ａの温度は、６５〜１００℃、燃料ガス熱交換器１１４を出る改質ガス３ａの温度は、５０〜７０℃である。冷却された改質ガス３ａは、気液分離器４５において回収水４２Ａが分離される。気液分離器４５で回収水４２Ａが分離された改質ガス３ａは、燃料電池３０の燃料極３２に供給される。

気液接触塔７０に吸引された酸化剤ガス６１ａは、充填部８０へ導かれ、充填部８０を通過中に回収水４２ａと気液接触し、回収水４２ａによって洗浄されると共に、昇温及び加湿される。洗浄、昇温、加湿が終了した酸化剤ガス６１ａは、デミスタ９１にてミストが除去された後に気液接触塔７０から流出する。なお、気液接触塔７０に入る酸化剤ガス６１ａの温度は、５〜４０℃であり、気液接触塔７０を流出する酸化剤ガス６１ａの温度は、５０〜６５℃である。

気液接触塔７０を流出した酸化剤ガス６１ａは、ブロワ８４によって昇圧される。前述のように圧力上昇が１２ｋＰａとすると、吸引側の圧力は大気圧（約１００ｋＰａ）であるので、断熱変化と考えると、２０〜３０℃の温度上昇をすることになる。温度が上昇すると、酸化剤ガス６１ａの密度が低下し、そのため、同じ回転数ではブロワ８４によって送られる酸化剤ガス６１ａの量が減り、ブロワ８４の効率が低下する。そのために、回転数を上げる必要が生じ、動力消費量が増大する。ここで、ブロワ８４は、回収水４２ａと熱交換しており、酸化剤ガス６１ａの温度上昇は抑えられる。その結果、ブロワ８４の効率の低下は防止され、動力消費量の増大も抑えられる。また、酸化剤ガス６１ａの熱を回収水４２ａが吸収し、回収水４２ａに回収された熱は、気液接触塔７０内で酸化剤ガス６１ａを暖めるのに利用される。よって、システムとしての効率が向上する。

ブロワ８４によって昇圧された酸化剤ガス６１ａは、燃料ガス熱交換器１１４に圧送され、燃料ガス熱交換器１１４でスタック冷却水２４ａにより冷却される。燃料ガス熱交換器１１４で冷却された酸化剤ガス６１ａは、余剰な水分が凝縮し、気液分離器５５で凝縮した回収水４２Ｂが分離され、回収水４２Ｂが分離された酸化剤ガス６１ａは、燃料電池３０の空気極３３に供給される。燃料ガス熱交換器１１４に入る前の酸化剤ガス６１ａの温度は、５５〜８５℃、燃料ガス熱交換器１１４を出る酸化剤ガス６１ａの温度は、５０〜７０℃である。燃料ガス熱交換器１１４に入る前のスタック冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃であり、燃料ガス熱交換器１１４を出るスタック冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃である。ここで、燃料ガス熱交換器１１４においては、スタック冷却水２４ａと、酸化剤ガス６１ａ並びに改質ガス３ａとの比熱が大きく異なるので、酸化剤ガス６１ａ並びに改質ガス３ａが冷却されても、スタック冷却水２４ａの温度はほとんど変わらない。スタック冷却水２４ａ、酸化剤ガス６１ａ及び改質ガス３ａは、燃料ガス熱交換器１１４で並流することによりそれぞれの出口温度は同じとなり、燃料電池３０に送られる。

燃料電池３０は、空気極３３に供給された酸化剤ガス６１ａと、燃料極３２に供給された改質ガス３ａとの、電気化学的反応により電力を出力し、燃料極３２からアノードオフガス２１ａを、空気極３３からカソードオフガス２２ａを排出する。なお、改質ガス３ａは水素を主成分としており、酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応で、水分を多く生じ、オフガスとして排出する。燃料極３２から排出されたアノードオフガス２１ａは改質装置７に送出され、改質反応の改質熱を発生させるために燃焼される。改質装置７は、アノードオフガス２１ａの燃焼により発生する燃焼排ガス６ａを排出する。燃焼排ガス６ａとカソードオフガス２２ａとは混合し、水分を含む混合ガス６３ａとなる。

混合ガス６３ａは、混合ガス熱交換器８３へ供給される。混合ガス熱交換器８３では、混合ガス６３ａ中の顕熱および潜熱の一部が、熱交換により、気液接触塔７０から供給された回収水４２ａに回収される。混合ガス熱交換器８３に入る前の混合ガス６３ａの温度は、６０〜８０℃であり、混合ガス熱交換器８３を出る混合ガス６３ａの温度は、３５〜５５℃である。また、この場合の混合ガス熱交換器８３に入る前の回収水４２ａの温度は、３０〜５０℃であり、混合ガス熱交換器８３を出る回収水４２ａの温度は、５５〜７０℃である。混合ガス熱交換器８３で回収水４２ａとの間で熱交換が行われ、回収水４２ａが混合ガス６３ａによって加熱されることにより混合ガス６３ａ中の排熱が回収水４２ａに回収される。その後混合ガス６３ａは、気液分離器８９に送出され、気液分離器８９で混合ガス６３ａ中に凝縮している回収水４２Ｃが分離され、系外１０２に排ガス６４ａとして放出される。

ここで、混合ガス熱交換器８３で冷却された混合ガス６３ａを更に冷却することも好適である。すなわち、冷却器１００を設け、混合ガス６３ａ中の排熱を更に回収する。回収する媒体は、温度の低い排熱温水４３ａであってもよいし、他の冷却水であってもよい。冷却器１００で更に混合ガス６３ａから排熱を回収することにより、システムとしての効率が上がることに加えて、混合ガス６３ａの温度が下がるのでガス中の水分がより多く凝縮し、気液分離器８９によりより多くの回収水４２Ｃを回収することができる。

スタック冷却水２４ａは、燃料ガス熱交換器１１４で改質ガス３ａおよび酸化剤ガス６１ａを冷却した後に、燃料電池３０の冷却水流路３１に送られ、燃料電池３０において、改質ガス３ａと酸化剤ガス６１ａとの電気化学的反応により発生した熱を吸収する。冷却水流路３１を出たスタック冷却水２４ａは、冷却水熱交換器１１０に導入される。冷却水熱交換器１１０で、スタック冷却水２４ａと貯湯タンク１２０から導入された排熱温水４３ａとの間で熱交換が行われ、スタック冷却水２４ａは排熱温水４３ａを加熱し、排熱温水４３ａはスタック冷却水２４ａを冷却する。このようにして、スタック冷却水２４ａ中に吸収された燃料電池３０からの排熱は、排熱温水４３ａに回収される。なお、冷却水熱交換器１１０に入る前のスタック冷却水２４ａの温度は、６０〜８０℃であり、冷却水熱交換器１１０を出るスタック冷却水２４ａの温度は、５０〜７０℃である。また、冷却水熱交換器１１０に入る前の排熱温水４３ａの温度は、５〜４５℃であり、冷却水熱交換器１１０を出る排熱温水の温度は、６０〜８０℃である。

冷却水熱交換器１１０によって排熱温水４３ａに排熱を回収させ、温度が低下したスタック冷却水２４ａは、ポンプ１０８へ導かれ、ポンプ１０８により昇圧され、再び燃料ガス熱交換器１１４へ送出される。

燃料ガス熱交換器１１４で冷却された改質ガス３ａ中に凝縮し、気液分離器４５によって分離された回収水４２Ａは、気液接触塔７０に導入される。燃料ガス熱交換器１１４により冷却された酸化剤ガス６１ａ中に凝縮し、気液分離器５５によって分離された回収水４２Ｂは気液接触塔７０に導入される。混合ガス熱交換器８３で冷却された混合ガス６３ａ中に凝縮し、気液分離器８９によって分離された回収水４２Ｃは、気液接触塔７０に導入される。これらの導入された回収水４２Ａ〜Ｃは、一緒になって回収水４２ａとして気液接触塔７０の貯液部７１に貯留される。

気液接触塔７０内の回収水４２ａは、回収水吸引口７４からポンプ８２により吸引され、水処理装置９３に圧送される。水処理装置９３のイオン交換樹脂充填カラム９４により回収水４２ａ中の酸性ガス汚染物質が除去される。水処理装置９３を出た回収水４２ａは、混合ガス熱交換器８３で混合ガス６３ａにより加熱され、混合ガス６３ａ中の排熱を回収する。排熱を回収した回収水４２ａは、ブロワ８４の熱交換部１８４に送られ、ブロワ８４を加温し、あるいは、酸化剤ガス６１ａの昇圧に伴う温度上昇を抑える。回収水４２ａは、熱交換部１８４から気液接触塔７０の回収水注入口７８に注入され、水分散器７９によって充填部８０に分散して撒かれ、そこで酸化剤ガス６１ａと気液接触し、酸化剤ガス６１ａを加湿、昇温、洗浄する。一方、回収水４２ａは、酸化剤ガス６１ａによって脱炭酸され、冷却される。脱炭酸され、冷却された回収水４２ａは、再び貯液部７１に戻り、貯留される。したがって、貯液部７１に貯留される回収水４２ａは、脱炭酸されたものとなる。なお、回収水４２ａの脱炭酸処理工程により少量の炭酸ガスが酸化剤ガス６１ａに混入するが、炭酸ガスが燃料電池３０内の空気極触媒(不図示)に対する触媒被毒作用をほとんど有しないので、燃料電池３０の劣化や寿命に影響することはない。

また、回収水４２ａの一部は、改質装置供給水６５ａとして使用される。改質装置供給水６５ａは、回収水吸引口７４からポンプ８５により吸引され、純水装置８６に圧送される。純水装置８６において純水に精製された改質装置供給水６５ａは、改質装置７に供給され、燃料改質反応に用いられる。ここで、回収水４２ａが予め脱炭酸され、すなわち改質装置供給水６５ａが脱炭酸されているので、イオン交換樹脂８７の寿命を伸ばすことができ、純水装置８６のメンテナンス期間を延ばすことができる。

冷却水熱交換器１１０でスタック冷却水２４ａから排熱を回収した排熱温水４３ａは、貯湯タンク１２０に貯留され、貯湯タンク１２０から熱需要に供給される（不図示）。すなわち、系外の熱需要にて熱を有効利用され、温度が下がった排熱温水４３ａが貯湯タンク１２０に戻され、あるいは、新たな常温の排熱温水が供給され、再度、スタック冷却水２４ａを冷却することにより加熱されて貯湯タンク１２０中に貯留される。

本発明の実施の形態である燃料電池コージェネレーションシステムでは、ブロワ８４に熱交換部１８４が設けられ、熱交換部１８４に混合ガス熱交換器８３で加熱された回収水４２ａが導入されるので、ブロワ８４は、吸引される酸化剤ガス６１ａより僅かに高い温度に保たれる。そのため、ブロワ８４内で、酸化剤ガス６１ａにより結露することがなく、また、ブロワ８４における加圧による酸化剤ガス６１ａの温度上昇も抑えられ、ブロワ８４の効率が高く維持される。その結果、ブロワが損傷を受けにくく、システムとして効率のよい燃料電池システムが提供される。

燃料電池コージェネレーションシステムを説明する模式的ブロック図である。ブロワの熱交換部としてのジャケットを説明する部分断面図である。ブロワに熱交換部としての外周に巻き付けた管を説明する部分断面図である。

符号の説明

１燃料電池コージェネレーションシステム
２ａ原料燃料
３ａ改質ガス（燃料ガス)
４ａ空気
５ａ燃焼燃料
６ａ燃焼排ガス
７改質装置
２１ａアノードオフガス
２２ａカソードオフガス
２４ａスタック冷却水
３０燃料電池
３１冷却水流路
３２燃料極
３３空気極
４２ａ、４２Ａ、４２Ｂ、４２Ｃ回収水
４３ａ排熱温水
４５、５５、８９気液分離器
６１ａ酸化剤ガス
６３ａ混合ガス
６４ａ排ガス
６５ａ改質装置供給水
７０気液接触塔(酸化剤ガス加湿装置)
７１貯液部
７２酸化剤ガス入口
７３回収水入口
７４回収水吸引口
７５溢流管
７６溢流口
７７酸化剤ガス出口
７８回収水注入口
７９水分散器
８０充填部
８１充填物支持板
８２、８５、１０８、１２５ポンプ
８３混合ガス熱交換器
８４ブロワ
８６純水装置
８７イオン交換樹脂充填カラム
８８、９５フィルタ
９１デミスタ
９３水処理装置
９４イオン交換樹脂充填カラム
１１０冷却水熱交換器
１１４燃料ガス熱交換器
１２０貯湯タンク(貯湯装置)
１４１カソードオフガス配管
１４２燃焼排ガス配管
１４３混合ガス配管
１７１（ブロワの）圧縮部
１７２（ブロワの）モーター部
１７３（ブロワの）吸引ノズル
１７４（ブロワの）吐出ノズル
１７５（ブロワの）ケーシング
１８４（ブロワの）熱交換部
１８５（ブロワの）ジャケット
１８６（ブロワの）回収液入口ノズル
１８７（ブロワの）回収液出口ノズル
１８８（ブロワの）空間
１９５（ブロワの）巻き付け管
１９６（ブロワの）巻き付け管の加温水入口
１９７（ブロワの）巻き付け管の加温水出口

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学的反応により発電し、水を発生する燃料電池と；
前記発生した水を回収水として回収し貯留する貯液部を有し、前記貯液部に貯留された回収水により前記酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿装置と；
前記加湿された酸化剤ガスを前記酸化剤ガス加湿装置から前記燃料電池に圧送するブロワと；
前記酸化剤ガス加湿装置に導入した前記回収水を循環する循環経路と；
前記循環経路に、前記循環する回収水と、前記燃料電池から排出されるガスとの熱交換を行う熱交換器とを備え；
前記ブロワが、前記循環する回収水を導入する熱交換部を有する；
燃料電池システム。
前記熱交換部は、前記ブロワに設置されたジャケットにより構成される；
請求項１に記載の燃料電池システム。
前記熱交換部は、前記ブロワの外周に巻き付けられた管により構成される；
請求項１に記載の燃料電池システム。