JP2012216358A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単な構成で冷却水浄化手段の劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供する。
【解決手段】 燃料電池システム１においては、燃料電池２を冷却するための冷却水が循環する循環流路３に対して、その循環流路３から一旦分岐した後に合流する分岐流路４が設けられている。そして、その分岐流路４にイオン交換器９が設けられると共に、イオン交換器９の上流側に熱交換器１０が設けられている。このため、循環流路３に比較的高温の冷却水を循環させつつ、熱交換器１０で冷却され比較的低温となった冷却水をイオン交換器９に供給することができる。したがって、イオン交換器９の劣化が抑制される。このように、この燃料電池システム１によれば、簡単な構成でイオン交換器９の劣化を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、水を用いて燃料電池を冷却する燃料電池システムに関する。

上記技術分野の従来の燃料電池システムとして、例えば、特許文献１に記載の固体高分子形燃料電池発電設備が知られている。この固体高分子形燃料電池発電設備は、改質器からの改質ガスを用いて発電を行う固体高分子形燃料電池と、固体高分子形燃料電池に接続され固体高分子形燃料電池を冷却するための冷却水を循環させるための循環配管と、循環配管に冷却水を流通させるためのポンプと、循環配管に設けられ循環配管を流通する冷却水から熱を回収する熱交換器と、循環配管において熱交換器の下流に配置され冷却水を浄化するための陽イオン交換樹脂とを備えている。

特開２００２−２９８８９４号公報

特許文献１に記載の固体高分子形燃料電池発電設備において、熱交換器での熱回収温度を高めるためには、循環配管を流通する冷却水の温度を高くする必要がある。そのような場合には、陽イオン交換樹脂が循環配管に設けられていることから、その陽イオン交換樹脂に高温の冷却水が供給されることとなり、陽イオン交換樹脂の劣化が進んでしまう。熱回収温度を高めつつ陽イオン交換樹脂の劣化を抑制するためには、高温の冷却水が循環する循環配管に対して、低温の冷却水を循環させるための別系統の配管を接続し、その別系統の配管にイオン交換樹脂を配置することが考えられる。しかしながら、そのような場合には、全体の構成が複雑となってしまう。

本発明は、そのような事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成で冷却水浄化手段の劣化を抑制可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の燃料電池システムは、水素含有ガス及び空気を用いて発電を行う燃料電池と、燃料電池を冷却するための冷却水を燃料電池に導入すると共に燃料電池から導出された冷却水を再び燃料電池に導入するための循環流路と、循環流路から分岐して循環流路に合流する分岐流路と、循環流路及び分岐流路に冷却水を流通させるための冷却水流通手段と、分岐流路に設けられた冷却水浄化手段と、分岐流路において冷却水浄化手段よりも上流側に設けられ分岐流路を流通する冷却水を冷却するための冷却手段と、を備えることを特徴とする。

この燃料電池システムにおいては、燃料電池を冷却するための冷却水が循環する循環流路に対して、その循環流路から一旦分岐して合流する分岐流路が設けられている。そして、その分岐流路に冷却水浄化手段が設けられると共に、冷却水浄化手段の上流側に冷却手段が設けられている。このため、循環流路に比較的高温の冷却水を循環させつつ、冷却手段で冷却され比較的低温となった冷却水を冷却水浄化手段に供給することができる。したがって、冷却水浄化手段の劣化が抑制される。このように、この燃料電池システムによれば、簡単な構成で冷却水浄化手段の劣化を抑制することができる。

本発明の燃料電池システムにおいては、冷却手段は、燃料電池に供給するための空気を用いて、分岐流路を流通する冷却水を冷却することが好ましい。この構成によれば、燃料電池に供給するための空気に加えて、冷却水を冷却するための空気を別途導入する必要がない。このため、より簡単な構成で冷却水浄化手段の劣化を抑制することが可能となる。

また、本発明の燃料電池システムは、分岐流路を流通する冷却水を貯留する貯留タンクと、燃料電池に供給するための空気を貯留タンクに貯留された冷却水に導入する空気導入手段とをさらに備えることが好ましい。この構成によれば、燃料電池に供給するための空気を用いて貯留タンクに貯留された冷却水をバブリングすることにより、貯留タンクに貯留された冷却水の蒸発潜熱を利用して、分岐流路を流通する冷却水を冷却することができる。このため、より効果的に分岐流路を流通する冷却水を冷却することができる。また、当該冷却水から二酸化炭素（炭酸イオン）を除去することができるため、より効果的に冷却水浄化手段の劣化を抑制することが可能となる。

さらに、本発明の燃料電池システムにおいては、冷却水流通手段は、循環流路において、循環流路と分岐流路との分岐位置の上流側であって循環流路と分岐流路との合流位置の下流側である位置に設けられた単一のポンプとすることができる。この構成によれば、単一のポンプによって、循環流路と分岐流路とに冷却水を好適に流通させることができる。

本発明によれば、簡単な構成で冷却水浄化手段の劣化を抑制可能な燃料電池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の第１実施形態の構成を模式的に示す図である。 図１に示された燃料電池システムの変形例の構成を模式的に示す図である。 本発明の燃料電池システムの第２実施形態の構成を模式的に示す図である。 本発明の燃料電池システムの第３実施形態の構成を模式的に示す図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
［第１実施形態］

図１は、本発明の燃料電池システムの第１実施形態の構成を模式的に示す図である。図１に示されるように、燃料電池システム１は、燃料電池２を備えている。燃料電池２は、改質器（不図示）で生成された水素を含有する改質ガス（水素含有ガス）及び空気を用いて発電を行う。燃料電池２は、例えば、ＰＥＦＣ（Polymer Electrolyte Fuel Cell）と称されるセルが複数積層されて構成された固体高分子形の燃料電池とすることができる。その場合、各セルは、高分子膜である電解質がアノードとカソードとの間に配置されて構成される。燃料電池２においては、改質器からの改質ガスがアノード側に導入されると共に空気がカソード側に導入されることにより発電反応が起こり、直流電力が発電される。

燃料電池システム１は、燃料電池２に冷却水（純水）を導入すると共に、燃料電池２から導出された冷却水を再び燃料電池２に導入するための循環流路３と、循環流路３から一旦分岐した後に再び循環流路３に合流する分岐流路４と、循環流路３及び分岐流路４に冷却水を流通させるための単一のポンプ（冷却水流通手段）５とを備えている。なお、本実施形態においては、循環流路３と分岐流路４との分岐位置Ｐ１は、循環流路３と分岐流路４との合流位置Ｐ２よりも下流側に配置されている。また、ポンプ５は、循環流路３において、循環流路３と分岐流路４との分岐位置Ｐ１の上流側であって循環流路３と分岐流路４との合流位置Ｐ２の下流側の位置に設けられている。すなわち、循環流路３と分岐流路４との分岐位置Ｐ１はポンプ５の吐出側、循環流路３と分岐流路４との合流位置Ｐ２はポンプ５の吸引側にそれぞれ配置されている。

燃料電池システム１は、循環流路３と分岐流路４との合流位置Ｐ２に設けられ、循環流路３及び分岐流路４を流通した冷却水を貯留する貯留タンク６をさらに備えている。つまり、循環流路３と分岐流路４とは、貯留タンク６において合流している。このため、貯留タンク６は、循環流路３においてポンプ５の吸引側に位置している。

また、燃料電池システム１は、循環流路３において燃料電池２の上流側であって分岐位置Ｐ１よりも下流側に設けられた改質ガス冷却用熱交換器７と、循環流路３において燃料電池２の下流側であって貯留タンク６よりも（すなわち合流位置Ｐ２よりも）上流側に設けられた熱回収用熱交換器８とをさらに備えている。

このように構成される燃料電池システム１において、冷却水は、まず、ポンプ５によって圧送され循環流路３を流通して改質ガス冷却用熱交換器７に導入される。改質ガス冷却用熱交換器７に導入される際の冷却水の温度は、例えば７０℃程度である。そして、改質ガス冷却用熱交換器７に導入された冷却水は、改質ガス冷却用熱交換器７において改質ガスを冷却すべく改質ガスと熱交換した後に改質ガス冷却用熱交換器７から導出される。

改質ガス冷却用熱交換器７から導出された冷却水は、循環流路３を流通して燃料電池２に導入される。燃料電池２に導入された冷却水は、燃料電池２を冷却しつつ燃料電池２から導出される。燃料電池２から導出された冷却水の温度は、例えば７５℃程度である。

燃料電池２から導出された冷却水は、循環流路３を流通して熱回収用熱交換器８に導入される。熱回収用熱交換器８に導入された冷却水は、熱回収用熱交換器８において水道水と熱交換した後に熱回収用熱交換器８から導出される。熱回収用熱交換器８から導出された冷却水は、循環流路３を流通して貯留タンク６に貯留される。なお、熱回収用熱交換器８において水道水に移動した熱は、例えば貯湯槽（不図示）に貯えることができる。

ここで、燃料電池システム１は、分岐流路４に設けられたイオン交換器（冷却水浄化手段）９と、分岐流路４においてイオン交換器９の上流側に設けられ分岐流路４を流通する冷却水を冷却するための熱交換器（冷却手段）１０とをさらに備えている。また、燃料電池システム１は、燃料電池２のカソードに空気を供給するための空気流路１１と、空気流路１１に空気を流通させるためのポンプ１２とをさらに備えている。空気流路１１は、熱交換器１０に接続されている。したがって、熱交換器１０は、燃料電池２のカソードに供給される空気を用いて、分岐流路４を流通する冷却水を冷却する。

このように構成される燃料電池システム１において、ポンプ５によって圧送され循環流路３を流通する冷却水は、その一部が、循環流路３と分岐流路４との分岐位置Ｐ１から分岐流路４に流入する。分岐流路４に流入した冷却水は、分岐流路４を流通して熱交換器１０に導入される。熱交換器１０に導入された冷却水は、熱交換器１０において、燃料電池２のカソードに供給するための空気と熱交換を行うことで冷却された後に、熱交換器１０から導出される。

熱交換器１０から導出された冷却水は、分岐流路４を流通してイオン交換器９に導入される。イオン交換器９に導入される際の冷却水の温度は、例えば６０℃以下である。イオン交換器９に導入された冷却水は、イオン交換器９においてイオンを除去された後にイオン交換器９から導出される。イオン交換器９から導出された冷却水は、分岐流路４を流通して貯留タンク６に貯留される。

なお、空気流路１１に導入された空気は、空気フィルタ１３において清浄化されると共に、全熱交換器１４において燃料電池２のカソードから導出された空気と熱及び水分の交換を行うことにより加熱・加湿された後に、燃料電池２のカソードに供給される。

以上説明したように、燃料電池システム１においては、燃料電池２を冷却するための冷却水が循環する循環流路３に対して、その循環流路３から一旦分岐した後に合流する分岐流路４が設けられている。そして、その分岐流路４にイオン交換器９が設けられると共に、イオン交換器９の上流側に熱交換器１０が設けられている。

このため、循環流路３に比較的高温の冷却水を循環させつつ、熱交換器１０で冷却され比較的低温となった冷却水をイオン交換器９に供給することができる。したがって、イオン交換器９の劣化が抑制される。このように、この燃料電池システムによれば、簡単な構成でイオン交換器の劣化を抑制することができる。さらに、この燃料電池システム１によれば、イオン交換器９に比較的低温の冷却水が供給されるので、イオン交換器９のイオン交換樹脂を、耐熱性の低い安価なものとすることができる。

また、燃料電池システム１においては、熱交換器１０が、燃料電池２のカソードに供給するための空気を用いて分岐流路４を流通する冷却水を冷却する。このため、燃料電池２のカソードに供給するための空気に加え、冷却水を冷却するための空気を別途導入する必要がない。このため、より簡単な構成でイオン交換器９の劣化を抑制することができる。

さらに、燃料電池システム１においては、循環流路３と分岐流路４との分岐位置Ｐ１の上流側であって循環流路３と分岐流路４との合流位置Ｐ２の下流側に単一のポンプが設けられている。このため、単一のポンプ５によって、循環流路３と分岐流路４とに冷却水を好適に流通させることができる。また、単一のポンプ５によって、燃料電池２を高温とし、イオン交換器９を低温とすることができる。

なお、上述した燃料電池システム１においては、貯留タンク６には、改質器などのバーナの排ガス中の水分、あるいは燃料電池２から排出されたカソード空気中の水分を回収したドレンを導入するためのドレン流路１５が接続されている。このため、燃料電池２の冷却水が途絶えること防止することができる。また、バーナ排ガスドレンを回収するため、貯留タンク６に貯留された冷却水は、二酸化炭素（炭酸イオン）を含むことがある。そこで、燃料電池システム１においては、図２に示されるように、貯留タンク６に貯留された冷却水に空気を導入する空気導入路１６（空気導入手段）をさらに設け、貯留タンク６に貯留された冷却水をバブリングすることが好適である。その場合には、貯留タンク６に貯留された冷却水から二酸化炭素（炭酸イオン）を除去することができ、ひいては、イオン交換器９の劣化のさらなる抑制を図ることができる。
［第２実施形態］

図３は、本発明の燃料電池システムの第２実施形態の構成を模式的に示す図である。図３に示されるように、燃料電池システム１Ａは、分岐流路４の構成が異なる点、貯留タンク６の配置が異なる点、及び空気流路１１の構成が異なる点で燃料電池システム１と相違している。

燃料電池システム１Ａにおいて、分岐流路４は、貯留タンク６とイオン交換器９とを順に通るように構成されている。つまり、貯留タンク６とイオン交換器９とは、分岐流路４の上流から下流に向けて順に分岐流路４に配置されている。したがって、分岐流路４を流通する冷却水は、まず貯留タンク６に導入され一旦貯留された後に、貯留タンク６から導出されてイオン交換器９に導入される。

空気流路（空気導入手段）１１は、空気流路１１を流通する空気が、貯留タンク６に貯留された冷却水を通った後に燃料電池２のカソードに供給されるように、貯留タンク６に接続されている。つまり、空気流路１１は、貯留タンク６に貯留された冷却水に燃料電池２のカソードに供給するための空気を導入しバブリングを行う。このため、分岐流路４を流通する冷却水は、貯留タンク６で空気と熱交換すると共にその一部が蒸発することで冷却される。換言すれば、貯留タンク６と空気流路１１とは、燃料電池に供給するための空気を用いて、分岐流路を流通する冷却水を冷却する。分岐流路を流通する冷却水は、貯留タンク６において冷却された後にイオン交換器９に導入される。イオン交換器９に導入される際の冷却水の温度は、例えば６０℃以下である。

このように構成される燃料電池システム１Ａによっても、燃料電池システム１と同様に、簡単な構成でイオン交換器９の劣化を抑制することができる。特に、燃料電池システム１Ａにおいては、蒸発潜熱を利用して分岐流路４を流通する冷却水を冷却することができる。これにより、より効果的に分岐流路４を流通する冷却水を冷却することができる。その結果、一層効果的にイオン交換器９の劣化を抑制することが可能となると共に、改質ガス冷却用熱交換器７に導入される際の冷却水の温度を、例えば８０℃程度まで高め燃料電池２の運転温度を高くすることができる。

また、燃料電池システム１Ａによれば、燃料電池２のカソードに供給するための空気を用いて貯留タンク６に貯留された冷却水をバブリングすることにより、当該冷却水から二酸化炭素（炭酸イオン）を除去することができる。したがって、冷却水に空気を導入するための手段を別途設ける必要がない。

また、燃料電池システム１Ａによれば、貯留タンク６に貯留された冷却水を用いて、燃料電池２のカソードに供給するための空気を加湿することができる。つまり、燃料電池システム１Ａによれば、貯留タンク６を、分岐流路４を流通する冷却水の冷却に用いると共に、燃料電池２のカソードに供給するための空気の加湿に用いることができる。このため、全熱交換器１４がなくとも空気を加湿でき全体の構成をより簡単にすることができる。また、燃料電池システム１Ａで発生する熱を無駄なく利用することが可能となる。
［第３実施形態］

図４は、本発明の燃料電池システムの第３実施形態の構成を模式的に示す図である。図４に示されるように、燃料電池システム１Ｂは、分岐流路４の構成が異なる点、貯留タンク６の配置が異なる点、及び空気流路１１の構成が異なる点で燃料電池システム１と相違している。

燃料電池システム１Ｂにおいて、分岐流路４は、その一部が貯留タンク６内を通るように構成されている。そして、分岐流路４の貯留タンク６内に位置する部分には熱交換部（冷却手段）４ａが設けられている。熱交換部４ａは、貯留タンク６に貯留された冷却水を用いて分岐流路４を流通する冷却水を冷却する。つまり、分岐流路４を流通する冷却水は、熱交換部４ａを通る際に、貯留タンク６に貯留された冷却水と熱交換することにより冷却される。分岐流路４を流通する冷却水は、熱交換部４ａを通った後にイオン交換器９に導入される。イオン交換器９に導入される際の冷却水の温度は、例えば６０℃以下である。イオン交換器９に導入された冷却水は、イオン交換器９から導出された後に貯留タンク６に導入され一旦貯留された後に、貯留タンク６から導出されて循環流路３に合流する。

空気流路（空気導入手段）１１は、空気流路１１を流通する空気が、貯留タンク６に貯留された冷却水を通った後に燃料電池２のカソードに供給されるように、貯留タンク６に接続されている。つまり、空気流路１１は、貯留タンク６に貯留された冷却水に燃料電池２のカソードに供給するための空気を導入し、貯留タンク６に貯留された冷却水のバブリングを行う。これにより、貯留タンク６に貯留された冷却水は、空気との熱交換及び蒸発により冷却される。その結果、貯留タンク６に貯留された冷却水が比較的低温に保たれるため、分岐流路４を流通する冷却水を熱交換部４ａによって冷却することが可能となる。つまり、分岐流路４を流通する冷却水は、貯留タンク６に貯留された冷却水と、その冷却水に導入される空気とを用いて冷却される。

このように構成される燃料電池システム１Ｂによっても、燃料電池システム１と同様に、簡単な構成でイオン交換器９の劣化を抑制することができる。特に、燃料電池システム１Ｂにおいては、熱交換部４ａが、貯留タンク６に貯留され空気との熱交換及び蒸発により比較的低温に保たれた冷却水を用いて、分岐流路４を流通する冷却水を冷却するので、分岐流路４を流通する冷却水を効果的に冷却することができる。その結果、燃料電池システム１Ｂによれば、イオン交換器９の劣化を効果的に抑制することが可能となる。

また、燃料電池システム１Ｂによれば、燃料電池２のカソードに供給するための空気を用いて貯留タンク６に貯留された冷却水をバブリングすることにより、当該冷却水から二酸化炭素（炭酸イオン）を除去することができる。したがって、冷却水に空気を導入するための手段を別途設ける必要がない。

また、燃料電池システム１Ｂによれば、貯留タンク６に貯留された冷却水を用いて、燃料電池２のカソードに供給するための空気を加湿することができる。つまり、燃料電池システム１Ｂによれば、貯留タンク６を、燃料電池２のカソードに供給するための空気の加湿に用いることができる。このため、全熱交換器１４がなくとも空気を加湿でき全体の構成をより簡単にすることができる。また、燃料電池システム１Ｂで発生する熱を無駄なく利用することが可能となる。

以上の第１〜３実施形態は、本発明の燃料電池システムの一実施形態を説明したものであり、本発明の燃料電池システムは、上記の燃料電池システム１及び燃料電池システム１Ａに限定されるものではない。本発明の燃料電池システムは、各請求項の要旨を変更しない範囲において、燃料電池システム１、燃料電池システム１Ａ、及び燃料電池システム１Ｂを変形したものとすることができる。

例えば、燃料電池システム１、燃料電池システム１Ａ、及び燃料電池システム１Ｂにおいては、循環流路３と分岐流路４との分岐位置Ｐ１に所定の流量調整手段を設け、循環流路３を流通する冷却水の流量と分岐流路４を流通する冷却水の流量との割合を調整することができる。所定の流量調整手段は、例えば電動弁とすることができる。

また、燃料電池システム１、燃料電池システム１Ａ、及び燃料電池システム１Ｂにおいては、全熱交換器１４から導出された空気から熱を回収するための熱交換器をさらに設けることができる。その場合、回収された熱を貯湯槽に貯えることができる。この構成によれば、燃料電池システム１、燃料電池システム１Ａ、及び燃料電池システム１Ｂで発生する熱を無駄なく利用することが可能となる。

また、燃料電池システム１、燃料電池システム１Ａ、及び燃料電池システム１Ｂにおいては、分岐位置Ｐ１をポンプ５の吐出側、合流位置Ｐ２をポンプ５の吸引側にそれぞれ配置されものとしたが、これに限らず、分岐位置Ｐ１をポンプ５の吸引側、合流位置Ｐ２をポンプ５の吐出側にそれぞれ配置してもよい。この場合、合流位置Ｐ２にベンチュリ効果を利用したアスピレーター等を配置すればよい。

また、燃料電池システム１、燃料電池システム１Ａ、及び燃料電池システム１Ｂは、改質ガス冷却用熱交換器７を設けない構成とすることができる。その場合には、冷却水を燃料電池２に直接導入してもよい。

さらに、燃料電池システム１、燃料電池システム１Ａ、及び燃料電池システム１Ｂにおいて、燃料電池２は、固体高分子形に限らず、水を用いて冷却される任意の燃料電池とすることができる。

１，１Ａ，１Ｂ…燃料電池システム、２…燃料電池、３…循環流路、４…分岐流路、４ａ…熱交換部（冷却手段）、５…ポンプ（冷却水流通手段）、６…貯留タンク（冷却手段）、９…イオン交換器（冷却水浄化手段）、１０…熱交換器（冷却手段）、１１…空気流路（空気導入手段、冷却手段）、１２…ポンプ。

Claims (4)

1. 水素含有ガス及び空気を用いて発電を行う燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却するための冷却水を前記燃料電池に導入すると共に前記燃料電池から導出された冷却水を再び前記燃料電池に導入するための循環流路と、
   前記循環流路から分岐して前記循環流路に合流する分岐流路と、
   前記循環流路及び前記分岐流路に冷却水を流通させるための冷却水流通手段と、
   前記分岐流路に設けられた冷却水浄化手段と、
   前記分岐流路において前記冷却水浄化手段よりも上流側に設けられ前記分岐流路を流通する冷却水を冷却するための冷却手段と、
   を備えることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記冷却手段は、前記燃料電池に供給するための前記空気を用いて、前記分岐流路を流通する冷却水を冷却することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記分岐流路を流通する冷却水を貯留する貯留タンクと、
   前記燃料電池に供給するための前記空気を前記貯留タンクに貯留された冷却水に導入する空気導入手段とをさらに備えることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却水流通手段は、前記循環流路において、前記循環流路と前記分岐流路との分岐位置の上流側であって前記循環流路と前記分岐流路との合流位置の下流側である位置に設けられた単一のポンプである、ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項記載の燃料電池システム。

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