JP2008147022A

JP2008147022A - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP2008147022A
Application number: JP2006333008A
Authority: JP
Inventors: Susumu Hatano; 進波多野; Susumu Kobayashi; 晋小林
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-12-11
Filing date: 2006-12-11
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2026-12-11
Also published as: JP5266635B2

Abstract

【課題】燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することによりシステム全体のエネルギー効率を向上させ、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化が図れた燃料電池システムを提供する。
【解決手段】冷却水経路７を流れる冷却水は、燃料ガス加湿器２０で供給燃料ガスを加湿した後、酸化剤ガス加湿器２１，２２で供給酸化剤ガスを加湿するとともに、さらにその後冷却水経路が燃料ガス加湿器２０と接触して加湿器外に流出し、かつ、燃料ガスから排出された排出燃料ガスは酸化剤ガス加湿器２１，２２の近傍を通り、その後燃料ガス加湿器２０で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を設けて構成した燃料電池システム。
【選択図】図２

Description

本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行う燃料電池システムに関するものである。

燃料電池システムは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させることで知られている。

前記燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。前記燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段としては、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行うバブラーがある（例えば、特許文献１参照）。

一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気（オフガス）に含まれる水分（水蒸気）を、水蒸気透過膜を介して前記燃料電池の空気極側に供給する空気に移動させ、それにより供給空気の加湿を行う加湿装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行うことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。
特開平７−２８８１３４号公報特開平６−１３２０３８号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の加湿手段は、前記バブラーにおいて、水を加熱するためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招くものである。

また、上記特許文献２に記載の加湿装置は、被加湿ガス（ここでは加湿される供給空気）を、加湿ガス（ここでは水分の供給元となる排出空気）以上の露点温度に加湿することができず、また、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなるものである。

したがって、かかる加湿装置は、燃料電池システムのコンパクト化が困難となるものであった。

本発明は、上記従来の燃料電池システムが有する課題を解決するもので、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することにより、システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化及び製造時の品質向上が図れた燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器と、前記燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路とを有し、前記冷却水経路を流れる冷却水は、前記燃料ガス加湿器で前記供給燃料ガスを加湿した後、前記酸化剤ガス加湿器で前記供給酸化剤ガスを加湿するとともに、前記燃料ガスから排出された排出燃料ガスは前記酸化剤ガス加湿器の近傍を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を設けて構成した燃料電池システムとしたものである。

したがって、前記排出燃料ガス経路は、前記燃料ガス加湿器で加湿する前に、前記酸化剤ガス加湿器の近傍を通るように設けた結果、排出燃料ガスの加湿前の温度を前記燃料電池出口での温度より低く、かつ前記酸化剤ガス加湿器の温度に抑制することができ、一定量の水量を回収するため、効率の高いシステムを提供することができる。

本発明の燃料電池システムは、エネルギー効率を向上させるとともに、耐久性に優れ、安定した燃料電池システムの運転を実現することが可能となる。また、燃料電池システムのコンパクト化及び簡素化が図れ、また、低コスト化及び製造時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。

第１の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器と、前記燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路とを有し、前記冷却水経路を流れる冷却水は、前記燃料ガス加湿器で前記供給燃料ガスを加湿した後、前記酸化剤ガス加湿器で前記供給酸化剤ガスを加湿するとともに、前記燃料ガスから排出された排出燃料ガスは前記酸化剤ガス加湿器の近傍を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を設けて構成した燃料電池システムとする。

かかる構成とすることにより、前記排出燃料ガス経路は、前記燃料ガス加湿器で加湿する前に、前記第１の酸化剤ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器の少なくとも一方の近傍を通るように設けた結果、排出燃料ガスの加湿前の温度を前記燃料電池出口での温度より低く、かつ前記酸化剤ガス加湿器の温度に抑制することができ、一定量の水量を回収するため、効率の高いシステムを提供することができる。

第２の発明は、酸化剤ガス加湿器は、第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備え、前記排出燃料ガス経路において、前記排出燃料ガスは、前記第１の酸化剤ガス加湿器のケーシングの貫通穴と前記第２の酸化剤ガス加湿器の酸化剤ガス端板と第１の流路プレートの外周に設けた排出燃料ガス貫通穴を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムとする。

かかる構成とすることにより、前記排出燃料ガス経路を前記第１の酸化剤ガス加湿器のケーシング内と前記第２の酸化剤ガス加湿器の第１の流路プレート内の少なくとも一方に排出燃料ガス貫通穴を設けたため、排出燃料ガス温度を更に制度よく制御でき、システム全体のエネルギー効率の向上が図れ、また前記酸化剤・燃料ガス加湿装置をよりコンパクト化することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係わる燃料電池コージェネレーションシステム（以下、単に燃料電池システムと称す）の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施の形態１における燃料電池システムは、空気供給装置４０と、第１の酸化剤ガス加湿器２２および第２の酸化剤ガス加湿器２１を備えた酸化剤ガス加湿装置５０と、燃料電池１１と、燃料供給装置４１と、燃料処理装置４２と、燃料ガス加湿器２０と、冷却水放熱器１３と、冷却水タンク１４と、冷却水ポンプ１２と、第１の空気経路１と、第２の空気経路２と、第３の空気経路３と、第１の冷却水経路６ａと、第２の冷却水経路６ｂと、第３の冷却水経路６ｃと、第４の冷却水経路６ｄと、貯湯タンク４５と、貯湯水循環経路１５を主な要素として構成されている。

特に、燃料ガス加湿器２０と酸化剤ガス加湿装置５０は、一体化され加湿装置５１を構成しており、その詳細については後述する。

次に、システム全体の動作について説明する。

空気供給装置４０から第１の空気経路１を介して酸化剤ガス加湿装置５０に供給された空気は、第１の酸化剤ガス加湿器２２で加湿され、次に第２の空気経路２を通って、さらに第２の酸化剤ガス加湿器２１によって加湿される。第２の加湿器２１によって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、第３の空気経路３を介して燃料電池１１の空気極側に供給される。

一方、燃料供給装置４１から第１の燃料ガス経路８を介して、燃料処理装置４２に原料が供給される。前記原料としては、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物（例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等）を含むガス等あるいはアルコール等が好ましい。

ここでは、燃料処理装置４２は、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部（いずれも図示せず）を備えており、かかる構成は周知であるため、説明を省略する。

そして、燃料処理装置４２では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチなガスが生成される。該水素リッチなガスは、第２の燃料ガス経路９ａを介して燃料ガス加湿器２０に供給され、加湿される。

加湿された水素リッチなガスは、燃料電池１１の燃料ガスとして、第３の燃料ガス経路９ｂを通じて燃料電池１１の燃料極側に供給される。燃料電池１１では、空気極側に供給された空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス（以下、燃料ガスと称す）とが反応することにより発電が行われ、電気と熱とが発生する。この反応内容については周知であるため、説明を省略する。

第３の空気経路３から燃料電池１１に供給された空気のうち、反応に利用されなかった空気は、排出空気となり、第１の排出酸化剤ガス経路４を介して第１の酸化剤ガス加湿器２２に供給される。

前述の第１の空気経路１から第１の酸化剤ガス加湿器２２へ流入した空気（酸化剤ガス）の加湿は、ここで排出空気に含まれる水分を利用して行われるもので、厳密には前記排出空気の熱も利用されていることから、第１の酸化剤ガス加湿器２２内では湿熱交換作用が行われている。

そして、第１の酸化剤ガス加湿器２２を経た排出空気は、第２の排出酸化剤ガス経路５を通じて排出される。

また、燃料電池１１で反応に利用されなかった燃料ガスは排出燃料ガスとなり、第４の燃料ガス経路１０を介して燃料ガス加湿器２０に供給され、燃料ガス排出経路１０ａを通じて排出される。

前述の燃料処理装置４２で生成された水素リッチなガスの加湿は、第４の燃料ガス経路１０を介して第２の酸化剤ガス加湿器２１へ流入した排出ガスの水分を利用して行われるもので、厳密には前記排出燃料ガスの熱も利用されていることから、燃料ガス加湿器２０内では湿熱交換作用が行われている。

また、燃料電池１１で熱を回収した冷却水は、第１の冷却水経路６ａを介して燃料ガス加湿器２０に流入し、次に第２の冷却水経路６ｂより第２の酸化剤ガス加湿器２１に流入し、そして、第３の冷却水経路６ｃを介して冷却水放熱器１３に供給され、ここで熱回収される。

すなわち、前記冷却水は、第４の燃料ガス経路１０を介して燃料ガス加湿器２０に供給された排出ガスの凝縮水を加温し、その後、第２の加湿器２１へ流れ、ここで燃料電池１１へ供給される空気（酸化剤ガス）の加湿を行う。この第２の加湿器２１で行われる加湿についても、厳密には前記冷却水の水分に加えて冷却水の温度も利用されていることから、湿熱交換作用が行われている。

換言すると、空気供給装置４０から供給される空気の加湿（湿熱交換作用）は、第１の酸化剤ガス加湿器２２では第１の排出酸化剤ガス経路４から流入する排出ガスの水分と熱を利用して、第２の酸化剤ガス加湿器２１では冷却水の水分と熱を利用してそれぞれ行われるものである。

さらに、貯湯水タンク４５と、貯湯水タンク４５に貯めた水を給水するための貯湯水ポンプ４４と、貯湯タンク４５から給水した水を、冷却水放熱器（熱交換器）１３を経由して再び貯湯タンク４５に戻す貯湯水循環経路１５において、冷却水放熱器１３には、前述の如く第２の酸化剤加湿器２１で加湿に利用された後の冷却水の熱が与えられ、この熱が貯湯水循環経路１５を通って貯湯水タンク４５に供給、蓄熱される。

また、冷却水放熱器１３を通過した冷却水は、第４の冷却水経路６ｄを介して冷却水タンク１４へ流れる。そして、冷却水タンク１４の冷却水は、燃料電池１１で発生した熱を除去するために、冷却水ポンプ１２によって加圧され、冷却水経路７を介して再び燃料電池１１に供給される循環を繰り返す。

ここで、冷却水タンク１４の冷却水は、７０℃程度に維持されており、この温度は、燃料電池１１と十分熱交換できる温度である。

さらに、前記冷却水について詳述すると、燃料電池１１の熱を回収して温度が７５℃程度となった冷却水は、第１の冷却水経路６ａ、第２の冷却水経路６ｂ、第３の冷却水経路６ｃ、第４の冷却水経路６ｄを介して再び冷却水タンク１４に戻される。

ここで、第３の冷却水経路６ｃと第４の冷却水経路６ｄの間には、冷却水放熱器１３が設けられており、前記冷却水の熱は、冷却水放熱器１３によって放出される。このような放熱により、冷却水は、再び７０℃程度まで冷却される。

本実施の形態１における燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、該冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池１１を所定の温度に維持することが可能となる。

さらに、本実施の形態１においては、燃料ガス加湿器２０および酸化剤ガス加湿装置５０が一体化された加湿装置５１を構成しており、次に、本実施の形態１の特徴である、燃料ガス加湿器２０および酸化剤ガス・燃料ガス加湿装置５１について説明する。

図２、図３、図４は、図１に示す燃料電池システムにおける酸化剤・燃料ガス加湿装置の構成および湿熱交換作用を説明するための説明図である。

図２、図３、図４において、酸化剤ガス・燃料ガス加湿装置５１は第１の端板６１と第２の端板６２で挟まれており、第１の酸化剤ガス加湿器２２は第１の端板６１と当接され、第１の酸化剤ガス加湿器２２の反対面と第２の酸化剤ガス加湿器２１の間には、酸化剤ガス端板６３が当接され、第２の酸化剤ガス加湿器２１の反対面と燃料ガス加湿器２０の間には、中端板６４が介挿されて構成されている。なお、第１の酸化剤ガス加湿器は中空糸膜式構成とする。

また、第１の端板６１は、供給酸化剤ガス入口６５と、排出酸化剤ガス入口６６と、排出酸化剤ガス出口６７と、排出燃料ガス入口６８とを有し、第２の端板６２は、供給酸化剤ガス出口６９と、供給燃料ガス出口７０と、供給燃料ガス入口７１と、排出燃料ガス出口７２と、冷却水入口７３と、冷却水出口７４とを有し、第１の酸化剤ガス加湿器２２は、第１の加湿モジュール７５と第１の加湿モジュール７５に配管（図示せず）を導くケーシング７６と、ケーシング７６に排出燃料ガスを通過させる貫通穴１０２より構成されている。

また、第２の酸化剤ガス加湿器２１は、第１の流路プレート７７と水分移動膜２３を積層して構成され、第１の流路プレート７７は片面に供給酸化剤ガス流路７８、他の面に第１の冷却水流路７９が構成され、供給酸化剤ガス入口マニホールド８０と、供給酸化剤ガス出口マニホールド８１と、第１の冷却水入口マニホールド８２と、第１の冷却水出口マニホールド８３と、排出燃料ガス貫通穴８４とを有して構成されている。

また、燃料ガス加湿器２０は、第２の流路プレート８５と第３の流路プレート８６と、第２の流路プレート８５は片面に排出燃料ガス流路８７、他の面に第２の冷却水流路８８が形成され、第３の流路プレート８６は片面に供給燃料ガス流路８９が形成され、第２の流路プレート８５の排出燃料ガス流路８７と第３の流路プレート８６の供給燃料ガス流路８９の間に水分移動膜２３を配設して形成され、第２の流路プレート８５には第２の冷却水入口マニホールド９０と、第２の冷却水出口マニホールド９１と、排出燃料ガス入口マニホールド９２と、排出燃料ガス出口マニホールド９３と、供給酸化剤ガス貫通穴９４と、供給燃料ガス貫通穴９５ａ、９５ｂと冷却水回収穴１０１とを有し、第３の流路プレート８６には供給燃料ガス入口マニホールド９６と、供給燃料ガス出口マニホールド９７と、第２の冷却水入口穴９８と、第２の冷却水出口穴９９と、排出燃料ガス貫通穴１００と、酸化剤ガス貫通穴９４と冷却水回収穴１０１より構成されている。燃料ガス加湿器２０と第２の酸化剤ガス加湿器２１は、内部が水分移動膜（水蒸気透過膜）２３で区切られており、水分移動膜２３によって高水分濃度側から低水分濃度側への水分（水蒸気）移動が可能で、加えて高温度側から低温度側への熱移動が可能な材料より構成されている。

ここで、水分移動膜２３には、例えば、ナフィオン系膜等で代表されるプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。

さらに、燃料ガス加湿器２０、第１の酸化剤ガス加湿器２２および第２の酸化剤ガス加湿器２１は、それぞれの外殻が接触して配置されている構成であり、同図に示す如くそれらの両端が一対の端版６１、６２に適宜手段にて固定され、単一の加湿装置５１となるようにユニット化されている。

上記構成とする加湿装置５１の各加湿器２０、２１、２２には、排出燃料ガスが次のように流れる。

前記燃料ガスは、燃料ガス加湿器２０の供給燃料ガス流路８９に流入し、第３の燃料ガス経路９ｂから燃料電池１１の燃料極側に流入して前記酸化剤ガスと反応する。この反応に伴って凝縮水も発生し、前記酸化剤ガスと反応せずに残った燃料ガスは前記凝縮水とともに第４の燃料ガス経路１０から再び酸化剤・燃料ガス加湿装置５１に流入し、第３の流路プレート８５の排出燃料ガス流路８７に前記燃料ガスの加湿に必要な水量を一旦回収・貯水する。そして、排出燃料ガス流路８７内の燃料ガスは、燃料ガス排出経路１０ａを通じて排出される。

排出燃料ガス流路８７内の凝縮水の水分（水蒸気）は、水分移動膜（水蒸気透過膜）２３の水分を透過させる作用により、燃料ガス室８９へ透過する。

また、排出燃料ガス流路８７には、熱伝導性の良好な材料からなる第２の流路プレート８５を介して第２の冷却水流路８８が配設されている。第２の冷却水流路８８を流れる冷却水は、燃料電池１１を出たとき、約７５℃程度に加温されているが排出燃料ガス流路８７で滞留し温度が５０℃程度にまで降下する。しかし第２の冷却水流路８８の冷却水温度は燃料電池１１を出たときの温度の約７５℃を常に維持しているため、排出燃料ガス流路８７の凝縮水を一定温度に加温している。

したがって、供給燃料ガス流路８９へ透過した凝縮水分（水蒸気）も所定の温度であり、前記凝縮水分は、供給燃料ガス流路８９を流れる燃料ガスと湿熱交換を行い、燃料ガスを加湿する。

また、排出燃料ガスは、第４の燃料ガス経路１０から第１の酸化剤ガス加湿器２２のケーシングに設けられた貫通穴１０２を通過し、第２の酸化剤ガス加湿器２１に流入する。第２の酸化剤ガス加湿器では、酸化剤ガス端板６３と水分移動膜２３と第１の流路プレート７７に設けた排出燃料ガス貫通穴８４を排出燃料ガスが通過するが、このとき、第１の酸化剤ガス加湿器２２と第２の酸化剤ガス加湿器２１は、前記供給酸化剤ガスの温度と露点を前記排出燃料ガス温度よりも低い所定の値に保持しており、酸化剤ガス加湿器５０の本体も前記排出燃料ガス温度よりも低い一定温度を維持している。よって、酸化剤ガス加湿器５０を通過した前記排出燃料ガスは、前記燃料電池を出た直後の温度よりも一定の温度が低下してから前記燃料ガス加湿器に流入するため、前記燃料ガス加湿器で加湿する水量を一定量確保することができる。

このように本実施の形態１においては、前記排出燃料ガス経路は、前記燃料ガス加湿器で加湿する前に、前記第１の酸化剤ガス加湿器と前記第２の酸化剤ガス加湿器の少なくとも一方の近傍を通るように設けた結果、排出燃料ガスの加湿前の温度を前記燃料電池出口での温度より低く、かつ前記酸化剤ガス加湿器の温度に抑制することができ、一定量の水量を回収するため、効率の高いシステムを提供することができる。

また、前記排出燃料ガス経路を前記第１の酸化剤ガス加湿器のケーシング内と前記第２の酸化剤ガス加湿器の第１の流路プレート内の少なくとも一方に排出燃料ガス貫通穴を設けたため、排出燃料ガス温度を更に制度よく制御でき、システム全体のエネルギー効率の向上が図れ、また前記酸化剤・燃料ガス加湿装置をよりコンパクト化することができる。

なお、本実施の形態１においては、第１の酸化剤ガス加湿器２２を中空糸膜式加湿器構成としたが、燃料ガス加湿器２０の平膜を用いた加湿器構成としてもよい。

以上のように本発明にかかる燃料電池システムは、システム全体のエネルギー効率を向上するとともに、小型化、安定した動作が可能となり、電気自動車等へも適用できるものである。

本発明の実施の形態１に係わる燃料電池システムの構成を示す模式図同実施の形態１における加湿装置の構成および湿熱交換作用の説明図同実施の形態１における加湿装置の構成および湿熱交換作用の説明斜視図同実施の形態１における加湿装置の構成および湿熱交換作用の説明斜視図

符号の説明

１第１の空気経路
２第２の空気経路
３第３の空気経路
４第１の排出酸化剤ガス経路
５第２の排出酸化剤ガス経路
６ａ第１の冷却水経路
６ｂ第２の冷却水経路
６ｃ第３の冷却水経路
７冷却水経路
１１燃料電池
１２冷却水ポンプ
１３冷却水放熱器
１４冷却水タンク
１５貯湯水経路
２０燃料ガス加湿器
２１第２の酸化剤ガス加湿器
２２第１の酸化剤ガス加湿器
２３水分移動膜
５０酸化剤ガス加湿装置
５１酸化剤・燃料ガス加湿装置
６３酸化剤ガス端板
７６ケーシング
７７第１の流路プレート
８４排出燃料ガス貫通穴
１０２貫通穴

Claims

燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器と、前記燃料電池の発電時に発生する熱を冷却するための冷却水が流れる冷却水経路とを有し、前記冷却水経路を流れる冷却水は、前記燃料ガス加湿器で前記供給燃料ガスを加湿した後、前記酸化剤ガス加湿器で前記供給酸化剤ガスを加湿するとともに、前記燃料ガスから排出された排出燃料ガスは前記酸化剤ガス加湿器の近傍を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を設けて構成した燃料電池システム。
酸化剤ガス加湿器は、第１の酸化剤ガス加湿器と第２の酸化剤ガス加湿器を備え、前記排出燃料ガス経路において、前記排出燃料ガスは、前記第１の酸化剤ガス加湿器のケーシングの貫通穴と前記第２の酸化剤ガス加湿器の酸化剤ガス端板と第１の流路プレートの外周に設けた排出燃料ガス貫通穴を通り、その後前記燃料ガス加湿器で加湿し、加湿器外に流出するように排出燃料ガス経路を構成したことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。