JP2007299735A - 排水処理装置を有する燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】排水処理装置を有する燃料電池システムを提供する。
【解決手段】
燃料電池ユニット（２００）、受水装置（５）、冷却水システム（６）を含む。前記燃料電池ユニットは、水素ガスと酸素ガスが電気化学反応を行なった後に、未反応ガスおよび熱を排出する。前記受水装置内部の空間には、前記燃料電池ユニットが排出した未反応ガス中に含まれる反応生成水を吸着するための水分吸着材料（５１）を取り付ける。前記冷却水システムは熱交換器（６１）を有し、かつ前記熱交換器は前記受水装置に対応する個所に送風装置（６１１）を設ける。また前記水分吸着材料が吸着した反応生成水をブロー乾燥するため、前記熱交換器で生じた熱を伝導し、放出した熱気を前記受水装置中の水分吸着材料に向けて吹き付けるものである。
【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池システム、特に排水処理装置を有する燃料電池システムに関るものである。

燃料電池(Fuel Cell)は、１８３９年にWilliam Groveによって発明された。これは燃料(たとえば水素ガス、メタノール、一酸化炭素など)を酸化剤(たとえば酸素ガス)と結合させ、電気化学反応によって電流を作り出す、一種の発電装置である。燃料電池の種類は、一般に電解質の違いによって、プロトン交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell、またはPolymer
Electrolyte Membrane Fuel Cellとも呼ばれる、略称PEMFC、またはPEM)、アルカリ型燃料電池(Alkaline Fuel Cell，AFC)、リン酸型燃料電池(Phosphoric Acid Fuel Cell，PAFC)、溶融炭酸塩型燃料電池(Molten Carbonate Fuel Cell，MCFC)、固体酸化物燃料電池(Solid Oxide Fuel Cell，SOFC)の五種類に分かれる。

図１は、慣用されている燃料電池システムの構成図を示す。図１に示すように、当該燃料電池ユニット1が必要とする酸素ガスと水素ガスは、それぞれカソードガス供給源１１、およびアノードガス供給源12によって供給される。当該アノードガス供給源１１、およびアノードガス供給源１２が、当該燃料電池ユニット１に酸素ガスおよび水素ガスを送入する時、当該燃料電池ユニット１は、酸素と水素の電気化学反応を行なった後、未反応カソードガス、および未反応アノードガスを排出する。当該未反応アノードガス、および当該未反応カソードガスには、いずれも反応生成水が含まれる。かつ、当該未反応アノードガスは未反応アノードガス出口１３から排出し、また当該未反応カソードガスは未反応カソードガス出口１４から排出する。

一方、現在、世界で提唱されている環境保護エネルギーの各種開発計画に積極的に対応するため、一部メーカーが燃料電池ユニットの排水処理装置分野で受水装置を提供している。当該受水装置は、燃料電池ユニットが排出する未反応ガス中に含まれる反応生成水を効果的に当該受水装置に集め、反応性生成水の無条件排出を避けることができる。

現時点で、当業界は受水装置を提供することで、未反応ガス中に含まれる反応生成水を燃料電池ユニット外部へ無常件で直接排出するという問題を既に解決している。しかし、実際に使用する上では、依然として欠点や不便な点が多い。たとえば、受水装置内の水が飽和状態となり溢れ出るのを避けるため、使用者自身が定期的に受水装置中の水を捨てる処理を行なわなければならない。このため、この解決方法も、使用者が使用する上で、また別の問題を作り出している。

従って、本発明は、燃料電池システムに冷却水システムを有し、冷却水システムを利用して燃料電池ユニットで水素と酸素が反応することによって生じた熱を伝導し、熱気を放出する、受水装置を備えた水冷式燃料電池システムの提供を主な目的とする。

また、本発明は、燃料電池ユニットで水素と酸素が反応することによって生じた反応生成水を水分吸着材材料で吸着することができると同時に、迅速にその水分を揮発することができる優れた水分揮発効果を有する一種の燃料電池の提供を、もう一つの主な目的とする。

更に、本発明は、放出した熱気を送風装置で当該受水装置の水分吸着材料に吹きつけ、それによって水分吸着材料中の反応生成水をブロー乾燥する、受水装置を有する一種の空気冷却式燃料電池システムの提供を、もう一つの目的とする。

請求項１に係る発明は、燃料電池システムに燃料電池ユニットを配置し、前記燃料電池ユニットにカソードガス供給源、アノードガス供給源、未反応カソードガス出口、未反応アノードガス出口、熱交換器を有する冷却水システム、冷却水出口および冷却水入口を含み、前記冷却水システムの熱交換器を当該燃料電池ユニットの冷却水入口と冷却水出口の間に連結した、排水処理装置を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガス中に含まれる反応生成水を受水するための受水装置を含み、前記熱交換器で生じた熱を伝導し熱気を放出するか、又は熱気を前記受水装置に向けて吹き付けるため、前記熱交換機は前記受水装置に対応する個所に送風装置を取り付けることを特徴とする、排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項２に係る発明は、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応カソードガスであることを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項３に係る発明は、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応アノードガスであることを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項４に係る発明は、前記受水装置にはその内の反応生成水を吸着するための水分吸着材料をさらに取り付けることを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項５に係る発明は、前記受水装置の水分吸着材料を折り畳み構造としたことを特徴とする、請求項４記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項６に係る発明は、前記受水装置にはその側壁面に貫通する複数の空気孔を設けることを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項７に係る発明は、前記冷却水システムには、前記熱交換器と接続して、前記熱交換器が処理した後の冷却水を貯蔵するための冷却水貯水槽と、前記冷却水貯水槽中の冷却水を、前記燃料電池ユニットの冷却水入口から前記燃料電池ユニットに戻すための冷却水ポンプと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項８に係る発明は、前記燃料電池の冷却水出口を前記冷却水システムに接続する時、前記受水装置に巻きつけた後、再び前記熱交換機に接続することを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項９に係る発明は、燃料電池システムに燃料電池ユニットを配置し、前記燃料電池ユニットにカソードガス供給源、アノードガス供給源、未反応カソードガス出口、未反応アノードガス出口、熱交換器を有する冷却水システム、冷却水出口および冷却水入口を含み、前記冷却水システムの熱交換器を、前記燃料電池ユニットの冷却水入口と冷却水出口の間に連結した、排水処理装置を有する燃料電池システムであって、前記排水処理装置を有する燃料電池システムには、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスに含まれる反応生成水を受水するための受水装置を含む一方、前記受水装置には、その内の反応生成水を吸着するための水分吸着材料を取り付けることを特徴とする、排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１０に係る発明は、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応カソードガスであることを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１１に係る発明は、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応アノードガスであることを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１２に係る発明は、前記受水装置の水分吸着材料が折り畳み構造であることを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１３に係る発明は、前記受水装置には、その側壁面に貫通する複数の空気孔を設けることを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１４に係る発明は、前記冷却水システムには、前記熱交換器と接続して、前記熱交換器が処理した後の冷却水を貯蔵するための冷却水貯水槽と、前記冷却水貯水槽中の低温冷却水を前記燃料電池ユニットの冷却水入口から前記燃料電池ユニットに戻すための冷却水ポンプと、をさらに含むことを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１５に係る発明は、前記燃料電池の冷却水出口を前記冷却水システムに接続する時、前記受水装置に巻きつけた後、再び前記熱交換機に接続することを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１６に係る発明は、燃料電池システムに燃料電池ユニットを配置し、前記燃料電池ユニットにカソードガス供給源、アノードガス供給源、未反応カソードガス出口、未反応アノードガス出口、素電池及び、整列される複数の空気通路を有する冷却パネルを含む排水処理装置を有する燃料電池システムであって、前記排水処理装置を有する燃料電池システムには、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスに含まれる反応生成水を受水するための受水装置を含み、前記受水装置を前記燃料電池ユニットの空気通路の風出口側に配置し、送風装置を前記燃料電池ユニットの空気通路の風入口側に配置し、前記空気通路に気流を供給すると共に、前記燃料電池ユニットの空気通路の風出口側の熱気を前記受水装置に向けて吹き付けることを特徴とする、排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１７に係る発明は、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応カソードガスであることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１８に係る発明は、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応アノードガスであることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項１９に係る発明は、前記受水装置には、その内の反応性生成水を吸着するための水分吸着材料を取り付けることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項２０に係る発明は、前記受水装置の水分吸着材料が、折り畳み構造であることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

請求項２１に係る発明は、前記受水装置には、その側壁面に貫通する複数の空気孔を設けることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システムである。

既存の技術と比べ、本発明は、受水装置の水分吸着材料を利用して、燃料電池ユニットが排出する未反応ガス中に含まれる反応生成水を吸着する。また、熱交換器で生じた熱を伝導し熱気を放出した後、送風装置によってこれを当該受水装置に向けて吹き付け、当該受水装置中の水分吸着材料が吸着した反応生成水をブロー乾燥する。この解決方法は、燃料電池ユニットが排出した反応生成水を受水することで、当該反応生成水を直接外部に排出するという欠点を回避することができるだけでなく、更に受水装置中の反応生成水を自動的に蒸発するようブロー乾燥することで、使用者が受水装置中の水分を定期的に捨てなければならないという手順を省くことができる。これは、本発明の極めて優れた商業的付加価値を示すものである。

まず、図２を参照されたい。本発明の燃料電池システム２００には、燃料電池ユニット２、カソードガス供給源３、アノードガス供給源４、受水装置５、及び冷却水システム６を含む。

前記燃料電池ユニット２には、未反応アノードガス出口２１、冷却水出口２２、未反応カソードガス出口２３、および冷却水入口２４がある。前記カソードガス供給源３は、前記燃料電池ユニット２に酸素ガスを供給することができる。前記アノードガス供給源４は、前記燃料電池ユニット２に水素ガスを供給することができる。前記燃料電池ユニット２は、カソードガス供給源３、およびアノードガス供給源４が供給する酸素ガス、および水素ガスの電気化学反応を行なった後、熱、未反応アノードガス、及び未反応カソードガスを生ずる。かつ、前記未反応アノードガス、及び前記未反応カソードガスはいずれも反応生成水を含む。前記燃料電池ユニット２で生ずる未反応アノードガスは、前記未反応アノードガス出口２１から排出される。前記未反応カソードガスは、前記未反応カソードガスは前記未反応カソードガス出口２３から排出される。

前記受水装置５は、前記燃料電池ユニット２の未反応アノードガス出口２１、及び前記未反応カソードガス出口２３に接続する。かつ、その内部空間には、前記未反応アノードガス出口２１、及び未反応カソードガス出口２３から排出した未反応ガスに含まれる反応生成水の吸着に用いる水分吸着材料５１を設ける。

また、前記受水装置５には、その側壁面に貫通する複数の空気孔５２がある。前記受水装置５中に設けた水分吸着材料５１は、一般的に用いられている海綿を用いても、他の適切な材料を採用してもよい。前記水分吸着材料の水分揮発面積を増やし、また吸着した反応生成水を迅速に揮発できるよう、（水分吸着材料５１は）折り畳み構造とする。水分吸着材料の折り畳み構造も、前記燃料電池ユニットを応用する領域に従って、たとえば、波状、湾曲状、鱗状などに若干変更してもよい。

前記冷却水システム６には、熱交換機６１、冷却水貯水槽６２、及び冷却水ポンプ６３を含む。前記熱交換器６１は、前記燃料電池ユニット２の冷却水出口２２に接続して前記燃料電池ユニット２が排出する冷却水の処理に用いる。また、燃料電池ユニット２で生ずる熱を伝導し、熱気を放出することもできる。同時に、前記水分吸着材料５１が吸着した反応生成水を迅速にブロー乾燥するため、前記受水装置５に対応する個所に設けた送風装置６１１によって、前記熱交換器６１が放出した熱気を前記受水装置５の空気孔５２を通して当該水分吸着材料５１に吹きつける。

前記冷却水貯水槽６２は、前記熱交換器で処理後の冷却水を貯水することができる。また、前記冷却水貯水槽６２中の冷却水は、前記冷却水ポンプ６３によって、前記燃料電池ユニット２の冷却水入口２４から前記燃料電池ユニット２の中に戻される。

図３を参照されたい。前記燃料電池システム２００ａが、本発明の比較的良好な実施例と異なる個所は、前記冷却水出口２２ａを冷却水システム６の熱交換器６１と接続する時、前記受水装置５を経由(たとえば、巻きつけて配置するか、又はすぐ隣に配置する)した後、再び前記熱交換器６１に接続して、前記受水装置５が前記冷却水出口２２ａから排出する冷却水の温度によって、前記受水装置５中の水分吸着材料５１１が吸着した反応生成水の揮発速度を速めることができるようにした点にある。

図４を参照されたい。前記燃料電池システム２００ｂには、受水装置５、燃料電池ユニット７、及び送風装置８を含む。

前記燃料電池ユニット７は、複数の素電池７１、複数の冷却パネル７２、一つの未反応アノードガス出口７３、及び一つの未反応カソードガス出口７４を有する。前記燃料電池ユニット７は前記素電池７１が水素と酸素の反応を行なった後、熱、未反応アノードガス、および未反応カソードガスを放出する。また、前記未反応アノードガス、及び未反応カソードガスには、いずれも反応生成水を含む。前記燃料電池ユニット７で生じた未反応アノードガスは、未反応アノードガス出口７３から排出し、前記未反応陰極ガスは、前記未反応陰極ガス出口７４から排出する。また、前記冷却パネル７２には、平行に整列される複数の空気通路がある。

前記受水装置５は、前記燃料電池ユニット７の空気通路出風側７２１に配置する。また、前記燃料電池ユニット７の未反応アノードガス出口７３、及び前記未反応カソードガス出口７４に接続する。かつ、前記受水装置５の内部空間５０には、前記燃料電池ユニット７が排出する未反応アノードガス、及び未反応カソードガスに含まれる反応生成水を吸着するために用いる水分吸着材料５１を設ける。前記受水装置５の側壁面の個所には、これを貫通する複数の空気孔５２がある。

前記水分吸着材料５１は、折り畳み構造とすることができる。その折り畳み構造も、前記燃料電池ユニット７を応用する領域に従って、たとえば、波状、湾曲状、鱗状などに若干変更することができる。かつ、前記水分吸着材料５１は、一般的に用いられている海綿を用いても、その他の適切な材料を採用してもよい。

前記送風装置８は、前記燃料電池ユニット７空気通路の風入口側７２２に配置して、前記空気通路に気流を供給するとともに、前記水分吸着材料５１が吸着した反応生成水をブロー乾燥するため、前記電池ユニット７空気通路の風出口側７２１で放出した熱気を前記受水装置５に向けて吹き付ける。

上記の実施例でわかるように、本発明は、受水装置の水分吸着材料を利用して、燃料電池ユニットが排出する反応生成水を予め集め、また送風装置によって当該燃料電池ユニットで生じた熱を伝導するとともに熱気を放出した後、当該受水装置の水分吸着材料に吹きつけ、当該水分吸着材料が吸着した反応生成水をブロー乾燥するものである。この解決方法は、受水装置水分吸着材料の水分を自動的にブロー乾燥できるだけでなく、使用者が定期的に受水装置内の水分を捨てなければならないという処理手順を省くことができる。

慣用されている燃料電池ユニットのシステム構成図である。 本発明による排水処理装置を有する燃料電池システムの比較的良好な実施例システム構成図である。 本発明による排水処理装置を有する燃料電池システムの第二の実施例システム構成図である。 本発明による排水処理装置を有する燃料電池システムの第三の実施例システム立体図である。

符号の説明

１ 燃料電池ユニット
１１ カソードガス供給源
１２ アノードガス供給源
１３ 未反応アノードガス出口
１４ 未反応カソードガス出口
２００ 燃料電池システム
２００ａ 燃料電池システム
２００ｂ 燃料電池システム
２ 燃料電池ユニット
２１ 未反応アノードガス出口
２２ 冷却水出口
２２ａ 冷却水出口
２３ 未反応カソードガス出口
２４ 冷却水入口
３ カソードガス供給源
４ アノードガス供給源
５ 受水装置
５０ 内部空間
５１ 水分吸着材料
５２ 空気孔
６ 冷却水システム
６１ 熱交換器
６１１ 送風装置
６２ 冷却水貯水槽
６３ 冷却水ポンプ
７ 燃料電池ユニット
７１ 素電池
７２ 冷却パネル
７２１ 空気通路の風出口側
７２２ 空気通路の風入口側
７３ 未反応アノードガス出口
７４ 未反応カソードガス出口
８ 送風装置

Claims (21)

1. 燃料電池システムに燃料電池ユニットを配置し、前記燃料電池ユニットにカソードガス供給源、アノードガス供給源、未反応カソードガス出口、未反応アノードガス出口、熱交換器を有する冷却水システム、冷却水出口および冷却水入口を含み、前記冷却水システムの熱交換器を当該燃料電池ユニットの冷却水入口と冷却水出口の間に連結した、排水処理装置を有する燃料電池システムであって、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガス中に含まれる反応生成水を受水するための受水装置を含み、前記熱交換器で生じた熱を伝導し熱気を放出するか、又は熱気を前記受水装置に向けて吹き付けるため、前記熱交換機は前記受水装置に対応する個所に送風装置を取り付けることを特徴とする、排水処理装置を有する燃料電池システム。
2. 前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応カソードガスであることを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
3. 前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応アノードガスであることを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
4. 前記受水装置にはその内の反応生成水を吸着するための水分吸着材料をさらに取り付けることを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
5. 前記受水装置の水分吸着材料を折り畳み構造としたことを特徴とする、請求項４記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
6. 前記受水装置にはその側壁面に貫通する複数の空気孔を設けることを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
7. 前記冷却水システムには、前記熱交換器と接続して、前記熱交換器が処理した後の冷却水を貯蔵するための冷却水貯水槽と、前記冷却水貯水槽中の冷却水を、前記燃料電池ユニットの冷却水入口から前記燃料電池ユニットに戻すための冷却水ポンプと、をさらに含むことを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
8. 前記燃料電池の冷却水出口を前記冷却水システムに接続する時、前記受水装置に巻きつけた後、再び前記熱交換機に接続することを特徴とする、請求項１記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
9. 燃料電池システムに燃料電池ユニットを配置し、前記燃料電池ユニットにカソードガス供給源、アノードガス供給源、未反応カソードガス出口、未反応アノードガス出口、熱交換器を有する冷却水システム、冷却水出口および冷却水入口を含み、前記冷却水システムの熱交換器を、前記燃料電池ユニットの冷却水入口と冷却水出口の間に連結した、排水処理装置を有する燃料電池システムであって、前記排水処理装置を有する燃料電池システムには、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスに含まれる反応生成水を受水するための受水装置を含む一方、前記受水装置には、その内の反応生成水を吸着するための水分吸着材料を取り付けることを特徴とする、排水処理装置を有する燃料電池システム。
10. 前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応カソードガスであることを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
11. 前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応アノードガスであることを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
12. 前記受水装置の水分吸着材料が折り畳み構造であることを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
13. 前記受水装置には、その側壁面に貫通する複数の空気孔を設けることを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
14. 前記冷却水システムには、前記熱交換器と接続して、前記熱交換器が処理した後の冷却水を貯蔵するための冷却水貯水槽と、前記冷却水貯水槽中の低温冷却水を前記燃料電池ユニットの冷却水入口から前記燃料電池ユニットに戻すための冷却水ポンプと、をさらに含むことを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
15. 前記燃料電池の冷却水出口を前記冷却水システムに接続する時、前記受水装置に巻きつけた後、再び前記熱交換機に接続することを特徴とする、請求項９記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
16. 燃料電池システムに燃料電池ユニットを配置し、前記燃料電池ユニットにカソードガス供給源、アノードガス供給源、未反応カソードガス出口、未反応アノードガス出口、素電池及び、整列される複数の空気通路を有する冷却パネルを含む排水処理装置を有する燃料電池システムであって、前記排水処理装置を有する燃料電池システムには、前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスに含まれる反応生成水を受水するための受水装置を含み、前記受水装置を前記燃料電池ユニットの空気通路の風出口側に配置し、送風装置を前記燃料電池ユニットの空気通路の風入口側に配置し、前記空気通路に気流を供給すると共に、前記燃料電池ユニットの空気通路の風出口側の熱気を前記受水装置に向けて吹き付けることを特徴とする、排水処理装置を有する燃料電池システム。
17. 前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応カソードガスであることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
18. 前記燃料電池ユニットが排出する未反応ガスが、未反応アノードガスであることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
19. 前記受水装置には、その内の反応性生成水を吸着するための水分吸着材料を取り付けることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
20. 前記受水装置の水分吸着材料が、折り畳み構造であることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。
21. 前記受水装置には、その側壁面に貫通する複数の空気孔を設けることを特徴とする、請求項１６記載の排水処理装置を有する燃料電池システム。