JP2007018859A - 燃料電池発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池の加湿器から排出される熱と水分を効率よく回収することができる燃料電池発電システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池１、上記燃料電池への燃料供給手段２、上記燃料電池への空気供給手段、上記燃料電池への供給空気と上記燃料電池からの排出空気とを水蒸気透過膜を介して温湿度交換させることにより上記供給空気を加湿する加湿器３、排熱回収水を流通させる排熱回収水流通部５１及び上記加湿器からの排気空気と、上記排熱回収水とを熱交換させる熱交換手段３２を備えた構成とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、燃料電池発電システム、特に、水蒸気透過膜による温湿度交換型の加湿器によって、固体高分子型燃料電池への供給空気と燃料電池からの排気空気とを温湿度交換させて供給空気を加湿する燃料電池発電システムに関するものである。

燃料電池は、周知のように、電解質を介して一対の電極を接触させ、この一方の電極に燃料を、他方の電極に酸化剤を供給し、燃料の酸化を電池内で電気化学的に反応させることにより化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換する装置である。燃料電池には電解質によりいくつかの型があるが、近年、高出力の得られる燃料電池として、電解質にプロトン伝導性の固体高分子電解質膜を用いた固体高分子形燃料電池が注目されている。

固体高分子電解質膜は湿潤状態でプロトン伝導性を示すので、燃料電池に供給するガスは適度に加湿されている必要がある。この加湿方法として、水蒸気透過膜による温湿度交換型の加湿器を用いて、燃料電池への供給ガスを燃料電池からの排気ガスで加湿する方法がよく行われている。（例えば特許文献１参照）。

図７は、特許文献１に示された構成のうち、この発明に関連する部分を示したものである。この図に示すように、燃料電池１は、大きく分けてアノード１２、カソード１３、冷却部１４から構成されている。燃料電池のアノード１２には、原燃料から改質器２によって改質された燃料ガスが供給され、カソード１３には、加湿器３によって加湿された空気が供給される。

カソード１３からの排出空気は、加湿器３へ送られて、システム外部から供給される空気と水蒸気透過膜を介して温度と湿度を交換する。従って、カソード１３から排出された直後の空気は、燃料電池１の運転温度に近く70〜80℃であるのに対して、加湿器３を通過した後は、40〜50℃に温度が下がっている。加湿器３から排出される空気は、放熱器２０１に送られる。

放熱器２０１には、加湿器３から排出される空気だけでなく、燃料電池１のアノード１２から排出される空気もガス流通部２１を介して送られる。また、燃料電池１の冷却部１４には冷却水流通部４１を経て冷却水タンク４の冷却水が循環されている。冷却水は、熱交換器４２によって排熱回収水流通部５１に流れる排熱回収水と熱交換されるようになっている一方で、排熱回収水の温度が高くて十分な熱交換ができないときには、冷却水流通部４１の冷却水をバルブ２０２を開いて放熱器２０１の方にも廻し、熱を外気に放出するようになっている。

特開２０００−３０７２６号公報（段落００２１−００２３、図１）

発電運転中に加湿器３から出る空気は40〜50℃と、依然として高温である。また、水蒸気透過膜による加湿の場合は、一定の出力で運転し続ける（即ち、発電電流値と空気供給量が一定）時には、被加湿側ガス（この場合、外気から供給する空気）によって加湿器３から持ち去られる水分と、燃料電池１の生成水と反応後の空気によって加湿器３に持ち込まれる水分とがバランスするので、見掛け上、加湿器３の中に常時一定量の水分があるように考えることができる。

従って、この方式では燃料電池１の生成水によって被加湿ガスを加湿するが、加湿器３からは燃料電池１で生成されるのと同量の水が外部へ排出されることになる。
このように、加湿器３からは多くの熱と水分が排出される。上述した従来の構成では、放熱器２０１にて凝縮した水分を利用するにしても、熱を全て外気へ放出するので、非効率であった。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたもので、燃料電池の加湿器から排出される熱と水分を効率よく回収することができる燃料電池発電システムを提供することを目的とする。

この発明に係る燃料電池発電システムは、燃料電池、上記燃料電池への燃料供給手段、上記燃料電池への空気供給手段、上記燃料電池への供給空気と上記燃料電池からの排出空気とを水蒸気透過膜を介して温湿度交換させることにより上記供給空気を加湿する加湿器、排熱回収水を流通させる排熱回収水流通部及び上記加湿器からの排気空気と、上記排熱回収水とを熱交換させる熱交換手段を備えたものである。

この発明に係る燃料電池発電システムは上記のように構成されているため、燃料電池の加湿器から排気される熱と水分を効率よく回収することが可能となる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図にもとづいて説明する。図１は、実施の形態１による燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。

この図に示すように、燃料電池１は、アノード１２、カソード１３、冷却部１４から構成されている。改質器２には、図示しない原燃料供給部から原燃料が供給され、水素を多く含む改質ガスに改質された後、アノード１２に供給される。

加湿器３には、図示しない空気供給手段によってシステム外部からの空気が供給される。供給空気の温度は外気温度と同じなので、ここでは例えば２５℃と考える。この空気が加湿器３によって燃料電池運転温度（７０〜８０℃前後）に近い露点まで加湿される。カソード１３には、加湿器３によって加湿された空気が供給される。

この空気がカソード１３で発電の反応に供され、反応で生成された水分を含んで排出される。カソード１３からの排出空気は、加湿器３へ送られて、システム外部から供給される空気と水蒸気透過膜を介して温度と湿度を交換する。加湿器３から排出される空気の温度は40〜50℃前後となっている。

加湿器３から排出される空気は、空気流通部３１を介して熱交換器３２に送られる。
熱交換器３２では、排熱回収水流通部５１を流れる排熱回収水（温度は、例えば２０℃）と、加湿器３から排出される空気とが熱交換される。空気の温度は、熱交換器３２を通過して、４０〜５０℃前後から、ほぼ外気温度に近い３０℃前後まで下がる。排熱回収水の温度は、流量にもよるが、３０〜４０℃前後に上昇する。

また、燃料電池１の冷却部１４には冷却水流通部４１によって冷却水タンク４の冷却水が循環されるようになっている。熱交換器４２によって、冷却水と排熱回収水とが熱交換し、燃料電池１の発電により発生する熱を排熱回収水を介して熱利用手段に伝達している。熱交換器４２を通過して、排熱回収水の温度は、３０〜４０℃前後から、燃料電池運転温度に近い７０〜８０℃前後まで上昇する。

排熱回収水が、空気と熱交換する熱交換器３２、冷却水と熱交換する熱交換器４２の順番で熱交換するのは、熱交換器４２の方を先に通過させると排熱回収水の温度が高くなり、熱交換器３２で十分な熱交換ができなくなるためである。

このような構成とすることによって、加湿器３から排出される空気の温度が外気温とほぼ近くなるまで熱交換し、排熱回収水を経由して熱利用手段に伝達することができるため、効率よく熱利用することが可能となる。

実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２を図にもとづいて説明する。
上述した実施の形態１においては、熱交換器３２を出た後の空気はそのまま外気に排出しているが、実施の形態２ではこの排出空気中に含まれる水分を更に利用しようとするものである。即ち、図２に示すように、熱交換器３２の空気排出口の下側に設置した気液分離器３３によって、空気と凝縮水を分離し、凝縮水を水タンク３４に貯溜し、溜まった水を例えば改質器２での改質原料水などとして利用するものである。

このような構成とすることによって、熱交換器３２で外気温度付近まで温度が下がった空気に含まれていた水分を有効に利用することができ、効率のよい水回収をすることができる。

実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３を図にもとづいて説明する。上述した実施の形態１または２では、加湿器３の空気を外気から直接取り込むような構成としているが、実施の形態３では、図３に示すように、空気流通部３１の、加湿器３へ外気が流入する箇所に、空気フィルタ３５を設置するものである。

このような構成とすることによって、空気中の異物が回収水中に混入して、発電や改質反応に影響を与えるのを防ぐことができる。

実施の形態４．
次に、この発明の実施の形態４を図にもとづいて説明する。上述した実施の形態１では、排熱回収水は、熱交換器４２の前段では、熱交換器３２によって加湿器３から排出された空気と熱交換するのみであったが、実施の形態４では、図４に示すように、熱交換器３２の代わりに、２流体熱交換器１０１を設け、アノード１２から排出されるガスをガス流通部２１を介して供給し、このガスとも熱交換するような構成としたものである。

このような構成とすることによって、より効率よくシステムで発生する熱を利用することが可能となる。

実施の形態５．
次に、この発明の実施の形態５を図にもとづいて説明する。上述した実施の形態４においては、２流体熱交換器１０１によって熱を利用するのみとしていたが、実施の形態５は、図５に示すように、２流体熱交換器１０１の空気排出口の下方に気液分離器３３を設置すると共に、ガス排出口の下方に気液分離器３６を設置して、加湿器３から排出される空気に含まれる水分を気液分離器３３によって回収し、アノード１２から排出されるガスに含まれる水分を気液分離器３６で回収するような構成としたものである。

それぞれの気液分離器から回収された水分は水タンク３４に貯溜され、実施の形態２と同様に、例えば改質器２での改質原料水などとして利用するものである。

このような構成とすることによって、より効率よく水回収することが可能となる。

実施の形態６．
次に、この発明の実施の形態６を図にもとづいて説明する。上述した実施の形態１乃至５においては、燃料電池１及び加湿器３からの排気ガスと排熱回収水とを熱交換させるようにしていたが、実施の形態６は、改質器２に供給する燃料ガスとして都市ガスやプロパンガス等の気体を使う場合において、図６に示すように、燃料ガス流通部６１を経て供給されるガスと改質器２の燃焼排ガスとを水蒸気透過膜によって温度と湿度を交換させる加湿器６を設置し、この加湿器６を出て燃焼排気ガス流通部６２を経て供給される燃焼排気ガスと、排熱回収水とを熱交換器６３において熱交換させるようにしたものである。

このような構成とすることによって、より効率のよい熱回収をすることが可能となる。

この発明の実施の形態１に係る燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。 この発明の実施の形態２に係る燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。 この発明の実施の形態３に係る燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。 この発明の実施の形態４に係る燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。 この発明の実施の形態５に係る燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。 この発明の実施の形態６に係る燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。 従来の燃料電池発電システムの構成を系統的に示すブロック図である。

符号の説明

１ 燃料電池、 ２ 改質器、 ３、６ 加湿器、 ４ 冷却水タンク、
１２ アノード、 １３ カソード、 １４ 冷却部、 ２１ ガス流通部、
３１ 空気流通部、 ３２ 熱交換器、 ３３、３６ 気液分離器、
３４ 水タンク、 ３５ 空気フィルタ、 ４１ 冷却水流通部、 ４２ 熱交換器、 ５１ 排熱回収水流通部、 ６１ 燃料ガス流通部、 ６２ 燃焼排気ガス流通部、 ６３ 熱交換器、 １０１ ２流体熱交換器、 ２０１ 放熱器、 ２０２ バルブ。

Claims (8)

1. 燃料電池、上記燃料電池への燃料供給手段、上記燃料電池への空気供給手段、上記燃料電池への供給空気と上記燃料電池からの排出空気とを水蒸気透過膜を介して温湿度交換させることにより上記供給空気を加湿する加湿器、排熱回収水を流通させる排熱回収水流通部及び上記加湿器からの排気空気と、上記排熱回収水とを熱交換させる熱交換手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
2. 燃料電池、上記燃料電池への燃料供給手段、上記燃料電池への空気供給手段、上記燃料電池への供給空気と上記燃料電池からの排出空気とを水蒸気透過膜を介して温湿度交換させることにより上記供給空気を加湿する加湿器、上記燃料電池を冷却する冷却部、上記冷却部に冷却水を流通させる冷却水流通部、排熱回収水を流通させる排熱回収水流通部、上記加湿器からの排気空気と、上記排熱回収水とを熱交換させる第１の熱交換手段及び上記第1の熱交換手段を出た排熱回収水と、上記冷却水とを熱交換させる第２の熱交換手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
3. 上記熱交換手段または第１の熱交換手段の空気排出口の下方に設置された気液分離器及び上記気液分離器によって分離された凝縮水を貯溜する水タンクを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の燃料電池発電システム。
4. 上記加湿器への外気流入部に空気フィルタを設けたことを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項記載の燃料電池発電システム。
5. 燃料電池、上記燃料電池への燃料供給手段、上記燃料電池への空気供給手段、上記燃料電池への供給空気と上記燃料電池からの排出空気とを水蒸気透過膜を介して温湿度交換させることにより上記供給空気を加湿する加湿器、排熱回収水を流通させる排熱回収水流通部及び上記排熱回収水と上記燃料電池から排出されるガスとを熱交換させる熱交換部並びに上記排熱回収水と上記加湿器からの排気空気とを熱交換させる熱交換部を有する２流体熱交換手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
6. 燃料電池、上記燃料電池への燃料供給手段、上記燃料電池への空気供給手段、上記燃料電池への供給空気と上記燃料電池からの排出空気とを水蒸気透過膜を介して温湿度交換させることにより上記供給空気を加湿する加湿器、上記燃料電池を冷却する冷却部、上記冷却部に冷却水を流通させる冷却水流通部、排熱回収水を流通させる排熱回収水流通部、上記排熱回収水と上記燃料電池から排出されるガスとを熱交換させる熱交換部及び上記排熱回収水と上記加湿器からの排気空気とを熱交換させる熱交換部を有する２流体熱交換手段並びに上記２流体熱交換手段を出た排熱回収水と上記冷却水とを熱交換させる熱交換手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。
7. 上記２流体熱交換手段の空気排出口及びガス排出口の下方にそれぞれ設置された気液分離器並びに各気液分離器によって分離された凝縮水を貯溜する水タンクを設けたことを特徴とする請求項５または請求項６記載の燃料電池発電システム。
8. 燃料電池、燃料ガスを改質して上記燃料電池に供給する改質器、上記燃料電池への空気供給手段、上記改質器へ供給する燃料ガスと上記改質器からの燃焼排気ガスとを水蒸気透過膜を介して温湿度交換させることにより上記燃料ガスを加湿する加湿器、排熱回収水を流通させる排熱回収水流通部及び上記加湿器からの排出ガスと、上記排熱回収水とを熱交換させる熱交換手段を備えたことを特徴とする燃料電池発電システム。

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