JP3319315B2 - 燃料電池用直接接触式熱交換器システム - Google Patents
燃料電池用直接接触式熱交換器システムInfo
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- JP3319315B2 JP3319315B2 JP00641197A JP641197A JP3319315B2 JP 3319315 B2 JP3319315 B2 JP 3319315B2 JP 00641197 A JP00641197 A JP 00641197A JP 641197 A JP641197 A JP 641197A JP 3319315 B2 JP3319315 B2 JP 3319315B2
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池排ガスと
電池冷却水の一部から、水と熱の回収を行う燃料電池用
直接接触式熱交換器システムに関するものである。
電池冷却水の一部から、水と熱の回収を行う燃料電池用
直接接触式熱交換器システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】図２は従来の燃料電池からの熱回収例を
示す構成説明図である。まず、原燃料である都市ガスと
燃料電池システム１０１内の水蒸気分離器１２１から供
給される水蒸気を混合した混合ガスが、改質器１０２へ
と供給され、反応させて主燃料である水素が生成され
る。改質器１０２内では、都市ガス（メタンを主成分と
する炭化水素）と水蒸気を触媒上で反応させて水素を生
成する水蒸気改質反応が行われる。この反応は吸熱反応
であるので、改質器１０２を一定温度に維持するため
に、燃料極１２４から排出される余剰水素を改質器１０
２のバーナ１２２で燃焼させている。この結果、改質器
１０２からの燃焼排ガスは、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ、Ｎ2 、Ｏ
2 の混合ガスとして排出される。この改質器燃焼排ガス
は、改質器燃焼排ガス供給配管１０３を通って、従来型
の排ガス熱交換用ガス−水系隔壁式熱交換器１０５に導
かれる。
示す構成説明図である。まず、原燃料である都市ガスと
燃料電池システム１０１内の水蒸気分離器１２１から供
給される水蒸気を混合した混合ガスが、改質器１０２へ
と供給され、反応させて主燃料である水素が生成され
る。改質器１０２内では、都市ガス（メタンを主成分と
する炭化水素）と水蒸気を触媒上で反応させて水素を生
成する水蒸気改質反応が行われる。この反応は吸熱反応
であるので、改質器１０２を一定温度に維持するため
に、燃料極１２４から排出される余剰水素を改質器１０
２のバーナ１２２で燃焼させている。この結果、改質器
１０２からの燃焼排ガスは、ＣＯ2 、Ｈ2 Ｏ、Ｎ2 、Ｏ
2 の混合ガスとして排出される。この改質器燃焼排ガス
は、改質器燃焼排ガス供給配管１０３を通って、従来型
の排ガス熱交換用ガス−水系隔壁式熱交換器１０５に導
かれる。
【０００３】一方、空気中の酸素が発電反応に使われた
空気の排ガスおよび発電反応により生成した水蒸気は、
Ｈ2 Ｏ、Ｎ2 、Ｏ2 の混合ガスとして空気極２３から空
気極排ガス供給配管１０４により導かれて改質器燃焼排
ガス供給配管１０３と合流し、改質器燃焼排ガスと混合
された後、やはり排ガス熱交換用ガス−水系隔壁式熱交
換器１０５に導かれる。
空気の排ガスおよび発電反応により生成した水蒸気は、
Ｈ2 Ｏ、Ｎ2 、Ｏ2 の混合ガスとして空気極２３から空
気極排ガス供給配管１０４により導かれて改質器燃焼排
ガス供給配管１０３と合流し、改質器燃焼排ガスと混合
された後、やはり排ガス熱交換用ガス−水系隔壁式熱交
換器１０５に導かれる。
【０００４】従来から熱回収の中心となる熱交換器の一
つには、金属面を介した隔壁式熱交換器である排ガス熱
交換用ガス−水系隔壁式熱交換器１０５が用いられてい
る。図２に見られるように、２次冷却水循環ポンプ１０
６により循環力を与えられて循環して冷却塔１２７で放
熱される２次冷却水１０７は、排ガス熱交換用ガス−水
系隔壁式熱交換器１０５において改質器燃焼排ガスと空
気極排ガスの混合排ガスとの間で熱交換を行い、やはり
金属面を介した隔壁式熱交換器である電池冷却水熱交換
用の水−水系隔壁式熱交換器１０８へと導かれる。
つには、金属面を介した隔壁式熱交換器である排ガス熱
交換用ガス−水系隔壁式熱交換器１０５が用いられてい
る。図２に見られるように、２次冷却水循環ポンプ１０
６により循環力を与えられて循環して冷却塔１２７で放
熱される２次冷却水１０７は、排ガス熱交換用ガス−水
系隔壁式熱交換器１０５において改質器燃焼排ガスと空
気極排ガスの混合排ガスとの間で熱交換を行い、やはり
金属面を介した隔壁式熱交換器である電池冷却水熱交換
用の水−水系隔壁式熱交換器１０８へと導かれる。
【０００５】上述の熱交換により、排ガス熱交換用ガス
−水系隔壁式熱交換器１０５において改質器燃焼排ガス
と空気極排ガスの混合排ガスは冷却される。その結果、
排ガス中に含まれる水蒸気は凝縮し、凝縮水が発生す
る。この凝縮水は脱炭酸装置１１１を介して炭酸ガスを
除去した後、凝縮水配管１１２を通って水タンク１１３
に回収される。また、残りの排ガス成分は、排気管１１
０により外気へと放出される。水タンク１１３に蓄積さ
れた凝縮水は、凝縮水ポンプ１１４および水処理装置１
１５を介して燃料電池冷却水１１６の補給水として再利
用される。
−水系隔壁式熱交換器１０５において改質器燃焼排ガス
と空気極排ガスの混合排ガスは冷却される。その結果、
排ガス中に含まれる水蒸気は凝縮し、凝縮水が発生す
る。この凝縮水は脱炭酸装置１１１を介して炭酸ガスを
除去した後、凝縮水配管１１２を通って水タンク１１３
に回収される。また、残りの排ガス成分は、排気管１１
０により外気へと放出される。水タンク１１３に蓄積さ
れた凝縮水は、凝縮水ポンプ１１４および水処理装置１
１５を介して燃料電池冷却水１１６の補給水として再利
用される。
【０００６】空気極１２３と燃料極１２４において発電
反応により発生した熱は、冷却部１２５において電池冷
却水１１６により熱回収される。熱回収した電池冷却水
１１６は、電池冷却水配管１１７を通り水蒸気分離器１
２１を介して、その一部が前記電池冷却水熱交換用水−
水系隔壁式熱交換器１０８に導かれ前記２次冷却水１０
７との間で熱交換する。水蒸気分離器１２１により分離
された水蒸気は蒸気負荷１２６に導かれる。
反応により発生した熱は、冷却部１２５において電池冷
却水１１６により熱回収される。熱回収した電池冷却水
１１６は、電池冷却水配管１１７を通り水蒸気分離器１
２１を介して、その一部が前記電池冷却水熱交換用水−
水系隔壁式熱交換器１０８に導かれ前記２次冷却水１０
７との間で熱交換する。水蒸気分離器１２１により分離
された水蒸気は蒸気負荷１２６に導かれる。
【０００７】電池冷却水熱交換用水−水系隔壁式熱交換
器１０８において、２次冷却水１０７と、電池冷却水１
１６とで熱交換された後、２次冷却水１０７は回収熱取
出し用水−水系隔壁式熱交換器１０９へ導かれる。この
回収熱取出し用水−水系隔壁式熱交換器１０９について
も、金属面を介した隔壁式熱交換器が用いられている。
回収熱取出し用水−水系隔壁式熱交換器１０９と冷熱を
発生する熱供給部１１８との間を熱供給部循環ポンプ１
２０を介して循環する熱回収水１１９と、２次冷却水１
０７とで熱交換され、その回収熱が熱供給部１１８へ供
給されている。
器１０８において、２次冷却水１０７と、電池冷却水１
１６とで熱交換された後、２次冷却水１０７は回収熱取
出し用水−水系隔壁式熱交換器１０９へ導かれる。この
回収熱取出し用水−水系隔壁式熱交換器１０９について
も、金属面を介した隔壁式熱交換器が用いられている。
回収熱取出し用水−水系隔壁式熱交換器１０９と冷熱を
発生する熱供給部１１８との間を熱供給部循環ポンプ１
２０を介して循環する熱回収水１１９と、２次冷却水１
０７とで熱交換され、その回収熱が熱供給部１１８へ供
給されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】従来の燃料電池からの
熱回収においては、熱交換器として金属面を介したガス
−水系および水−水系の隔壁式熱交換器を用いていた。
この隔壁式熱交換器は高価で、かつ体積および質量も大
きい。また、隔壁式熱交換器は複数の熱入力を１台で一
括して熱交換することができないため、２次冷却水系
と、排ガス系、電池冷却水系および熱供給部循環水系の
各相互間の熱交換毎に、それぞれ専用の熱交換器が必要
となっていた。さらに、排ガス系熱交換により生成した
凝縮水を回収するための水タンクや、配管などを傷める
要因である凝縮水中の炭酸ガスを除去するための脱炭酸
装置が必要となるため、燃料電池システム本体のコスト
および容積を増加させてしまう欠点を有していた。ま
た、凝縮水中に含まれるリン酸が排ガス系熱交換器内お
よび凝縮水配管内に付着するため、これを除去するため
の清掃が、熱交換器内部全般および凝縮水配管内部に渡
って必要となるという欠点を有していた。
熱回収においては、熱交換器として金属面を介したガス
−水系および水−水系の隔壁式熱交換器を用いていた。
この隔壁式熱交換器は高価で、かつ体積および質量も大
きい。また、隔壁式熱交換器は複数の熱入力を１台で一
括して熱交換することができないため、２次冷却水系
と、排ガス系、電池冷却水系および熱供給部循環水系の
各相互間の熱交換毎に、それぞれ専用の熱交換器が必要
となっていた。さらに、排ガス系熱交換により生成した
凝縮水を回収するための水タンクや、配管などを傷める
要因である凝縮水中の炭酸ガスを除去するための脱炭酸
装置が必要となるため、燃料電池システム本体のコスト
および容積を増加させてしまう欠点を有していた。ま
た、凝縮水中に含まれるリン酸が排ガス系熱交換器内お
よび凝縮水配管内に付着するため、これを除去するため
の清掃が、熱交換器内部全般および凝縮水配管内部に渡
って必要となるという欠点を有していた。
【０００９】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
で、極めて経済的でコンパクトであり、かつ保守の容易
な燃料電池用直接接触式熱交換器システムを提供するこ
とを目的とする。
で、極めて経済的でコンパクトであり、かつ保守の容易
な燃料電池用直接接触式熱交換器システムを提供するこ
とを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、改質器排ガスと空気極排ガスの混合ガスで
ある燃料電池排ガスを直接接触式熱交換器に導き、熱回
収水との直接接触により熱回収と凝縮水回収を行い、か
つ水蒸気分離器により分離した電池冷却水の一部を前記
直接接触式熱交換器最下部に設けられた熱回収水貯水部
に導き、蓄えられた熱回収水を熱供給部へ直接供給する
構造とすることにより、排ガス系、電池冷却水系および
熱供給部循環水系の熱交換を１台で一括して行えること
を特徴とする。
に本発明は、改質器排ガスと空気極排ガスの混合ガスで
ある燃料電池排ガスを直接接触式熱交換器に導き、熱回
収水との直接接触により熱回収と凝縮水回収を行い、か
つ水蒸気分離器により分離した電池冷却水の一部を前記
直接接触式熱交換器最下部に設けられた熱回収水貯水部
に導き、蓄えられた熱回収水を熱供給部へ直接供給する
構造とすることにより、排ガス系、電池冷却水系および
熱供給部循環水系の熱交換を１台で一括して行えること
を特徴とする。
【００１１】また本発明は、熱回収部貯水部に導かれる
電池冷却水の一部は、前記熱回収水貯水部の外壁から内
部に向かって側面に沿うように取り付けられかつ外気を
取り入れる空気取入れ口を持ったジェットポンプ付きノ
ズルから動力不要のジェットポンプ効果により前記空気
取入れ口から吸い込まれた空気と共に前記熱回収水貯水
部内に噴出する。これにより、熱回収水の温度均一化、
および排ガス凝縮水中に含まれる炭酸ガス成分をガス化
して除去し、空気排出口より排出することが可能となる
ことを特徴とする。
電池冷却水の一部は、前記熱回収水貯水部の外壁から内
部に向かって側面に沿うように取り付けられかつ外気を
取り入れる空気取入れ口を持ったジェットポンプ付きノ
ズルから動力不要のジェットポンプ効果により前記空気
取入れ口から吸い込まれた空気と共に前記熱回収水貯水
部内に噴出する。これにより、熱回収水の温度均一化、
および排ガス凝縮水中に含まれる炭酸ガス成分をガス化
して除去し、空気排出口より排出することが可能となる
ことを特徴とする。
【００１２】また本発明は、前記熱回収水貯水部に隣接
して、下部に通水孔を持ち、かつ水面より高い高さを持
つ第２の仕切板で前記熱回収水貯水部と仕切られた静水
部を設け、前記静水部を水面より高い高さの、目の細か
い金網でなる第３の仕切板で垂直に複数仕切った構造と
することでリン酸の除去を可能とし、また前記金網の交
換により清掃が容易となることを特徴とする。
して、下部に通水孔を持ち、かつ水面より高い高さを持
つ第２の仕切板で前記熱回収水貯水部と仕切られた静水
部を設け、前記静水部を水面より高い高さの、目の細か
い金網でなる第３の仕切板で垂直に複数仕切った構造と
することでリン酸の除去を可能とし、また前記金網の交
換により清掃が容易となることを特徴とする。
【００１３】従来の燃料電池用熱交換器システムとは、
隔壁式熱交換器に比べ安価で小型の直接接触式熱交換器
を適用し、排ガス系、電池冷却水系および熱供給循環水
系の熱交換を前記直接接触式熱交換器１台で一括して行
う点、脱炭酸装置が不要となる点、およびリン酸除去と
清掃が容易に行える点が大きく異なる。
隔壁式熱交換器に比べ安価で小型の直接接触式熱交換器
を適用し、排ガス系、電池冷却水系および熱供給循環水
系の熱交換を前記直接接触式熱交換器１台で一括して行
う点、脱炭酸装置が不要となる点、およびリン酸除去と
清掃が容易に行える点が大きく異なる。
【００１４】なお本発明の燃料電池用直接接触式熱交換
器システムでは、燃料電池排ガスを直接接触式熱交換器
下部に導き、上部から散水された熱回収水と直接接触さ
せて熱回収を行う。この際、排ガス中に含まれる水蒸気
が冷却され、潜熱を放出して凝縮する。この凝縮水は、
上部から散水させた熱回収水と共に直接接触式熱交換器
最下部に設けられた熱回収水貯水部に蓄えられる。
器システムでは、燃料電池排ガスを直接接触式熱交換器
下部に導き、上部から散水された熱回収水と直接接触さ
せて熱回収を行う。この際、排ガス中に含まれる水蒸気
が冷却され、潜熱を放出して凝縮する。この凝縮水は、
上部から散水させた熱回収水と共に直接接触式熱交換器
最下部に設けられた熱回収水貯水部に蓄えられる。
【００１５】一方、燃料電池空気極および燃料極冷却部
から水蒸気分離器を介して供給される高温の電池冷却水
の一部をジェットポンプ付きノズルから前記熱回収水貯
水部内に噴出させることで貯水部内の熱回収水温度を更
に上昇させる。このジェットポンプは直接接触式熱交換
器外に空気取入れ口を持っており、電池冷却水を噴出さ
せる際、ジェットポンプ効果により空気取入れ口から吸
い込まれた空気を共に噴出させる。
から水蒸気分離器を介して供給される高温の電池冷却水
の一部をジェットポンプ付きノズルから前記熱回収水貯
水部内に噴出させることで貯水部内の熱回収水温度を更
に上昇させる。このジェットポンプは直接接触式熱交換
器外に空気取入れ口を持っており、電池冷却水を噴出さ
せる際、ジェットポンプ効果により空気取入れ口から吸
い込まれた空気を共に噴出させる。
【００１６】また、このジェットポンプ付きノズルは、
縦円筒形をした熱回収水貯水部の底部側面に沿って取り
付けられているため、熱回収水貯水部内に回転水流が発
生し、上部から散水させた熱回収水、排ガスからの凝縮
水、噴出された電池冷却水および空気が十分に接触しな
がら撹拌される。これにより、熱回収水の温度均一化が
可能となる他、排ガス凝縮水中に含まれる炭酸ガスが、
炭酸ガス濃度の極めて低い空気と接触することにより、
脱気作用により除去される。
縦円筒形をした熱回収水貯水部の底部側面に沿って取り
付けられているため、熱回収水貯水部内に回転水流が発
生し、上部から散水させた熱回収水、排ガスからの凝縮
水、噴出された電池冷却水および空気が十分に接触しな
がら撹拌される。これにより、熱回収水の温度均一化が
可能となる他、排ガス凝縮水中に含まれる炭酸ガスが、
炭酸ガス濃度の極めて低い空気と接触することにより、
脱気作用により除去される。
【００１７】炭酸ガスを脱気した空気は、別に設けられ
た空気排出口より外部に排出される。このとき、直接接
触式熱交換器上部にある熱交換部とは、第１の仕切板に
より仕切られているため、炭酸ガスが再度排ガスに取り
込まれることがない。また排ガスと混合しないため、排
ガス中の水蒸気分圧低下を招く恐れがない。従って排ガ
ス中の水蒸気の凝縮温度を低下させて熱回収量および水
蒸気回収量を減少させる恐れがない。
た空気排出口より外部に排出される。このとき、直接接
触式熱交換器上部にある熱交換部とは、第１の仕切板に
より仕切られているため、炭酸ガスが再度排ガスに取り
込まれることがない。また排ガスと混合しないため、排
ガス中の水蒸気分圧低下を招く恐れがない。従って排ガ
ス中の水蒸気の凝縮温度を低下させて熱回収量および水
蒸気回収量を減少させる恐れがない。
【００１８】このようにして脱炭酸されて蓄えられた高
温の熱回収水は、次に第２の仕切板下部の通水孔を通っ
て、第３の仕切板である金網で仕切られた静水部に導か
れる。この静水部には、底部から水面上までの高さを持
つ、目の細かい金網でなる第３の仕切板が複数設置され
ており、熱回収水がこの金網を通過する際、排ガス凝縮
水中に含まれるリン酸をリン酸化合物として金網に付着
させることでリン酸の除去を行う。
温の熱回収水は、次に第２の仕切板下部の通水孔を通っ
て、第３の仕切板である金網で仕切られた静水部に導か
れる。この静水部には、底部から水面上までの高さを持
つ、目の細かい金網でなる第３の仕切板が複数設置され
ており、熱回収水がこの金網を通過する際、排ガス凝縮
水中に含まれるリン酸をリン酸化合物として金網に付着
させることでリン酸の除去を行う。
【００１９】また、清掃はこの金網の交換により、容易
に可能となる。このようにしてリン酸の除去を行った熱
回収水は、ポンプを介して熱供給部へ直接供給する。こ
れにより、排ガス系、電池冷却水系および熱供給部循環
水系の熱交換を１台で一括して行うことが可能となる。
なお、熱回収水は熱供給部で熱エネルギーを放出した
後、再び冷え、一部は直接接触式熱交換器上部に導かれ
て再び散水され、残りは冷却塔で余剰の熱エネルギーを
放出し、電池冷却水としてポンプおよび水処理装置を介
して再び空気極および燃料極冷却部に導かれ、再利用さ
れる。
に可能となる。このようにしてリン酸の除去を行った熱
回収水は、ポンプを介して熱供給部へ直接供給する。こ
れにより、排ガス系、電池冷却水系および熱供給部循環
水系の熱交換を１台で一括して行うことが可能となる。
なお、熱回収水は熱供給部で熱エネルギーを放出した
後、再び冷え、一部は直接接触式熱交換器上部に導かれ
て再び散水され、残りは冷却塔で余剰の熱エネルギーを
放出し、電池冷却水としてポンプおよび水処理装置を介
して再び空気極および燃料極冷却部に導かれ、再利用さ
れる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下図面を参照して本発明の実施
の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態
例を示す構成説明図であり、１は燃料電池システム、２
は改質器、３は改質器燃焼排ガス供給配管、４は空気極
排ガス供給配管、５は直接接触式熱交換器、６は半円状
の穴あき仕切板、７は直接接触式熱交換器排ガス入口、
８はジェットポンプ付きノズル、９は熱回収水貯水部、
１０は第１の仕切板、１１は通水孔を設けた第２の仕切
板、１２は目の細かい金網でなる第３の仕切板、１３は
熱回収水出口、１４は静水部、１５は直接接触式熱交換
器内部の熱交換部、１６は熱回収水入口、１７は排気
管、１８は熱回収水ポンプ、１９は熱供給部、２０は流
量調整弁、２１は熱回収水、２２は電池冷却水配管、２
３は電池冷却水ポンプ、２４は水処理装置、２５は電池
冷却水、２６は水蒸気分離器、２７はバーナ、２８は空
気極、２９は燃料極、３０は冷却部、３１は蒸気負荷、
３２は冷却塔、３３は空気取入れ口、３４は空気排出口
である。
の形態例を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態
例を示す構成説明図であり、１は燃料電池システム、２
は改質器、３は改質器燃焼排ガス供給配管、４は空気極
排ガス供給配管、５は直接接触式熱交換器、６は半円状
の穴あき仕切板、７は直接接触式熱交換器排ガス入口、
８はジェットポンプ付きノズル、９は熱回収水貯水部、
１０は第１の仕切板、１１は通水孔を設けた第２の仕切
板、１２は目の細かい金網でなる第３の仕切板、１３は
熱回収水出口、１４は静水部、１５は直接接触式熱交換
器内部の熱交換部、１６は熱回収水入口、１７は排気
管、１８は熱回収水ポンプ、１９は熱供給部、２０は流
量調整弁、２１は熱回収水、２２は電池冷却水配管、２
３は電池冷却水ポンプ、２４は水処理装置、２５は電池
冷却水、２６は水蒸気分離器、２７はバーナ、２８は空
気極、２９は燃料極、３０は冷却部、３１は蒸気負荷、
３２は冷却塔、３３は空気取入れ口、３４は空気排出口
である。
【００２１】燃料電池は改質器２、空気極２８、燃料極
２９、冷却部３０より構成され、都市ガス等を改質器２
により改質して得られる水素と空気中の酸素を反応させ
ることにより電気エネルギーと熱エネルギーを発生す
る。熱供給部１９は例えば吸収式冷凍機等よりなり、前
記燃料電池の改質器２より排出される改質器燃焼排ガス
と燃料電池の空気極２８より排出される空気極排ガスと
燃料電池を冷却するための冷却部３０を通って循環する
電池冷却水との三者から得られる熱エネルギーの供給を
受けて冷熱を発生する。直接接触式熱交換器５は前記改
質器燃焼排ガスと前記空気極排ガスからなる排ガスと前
記冷却部３０から水蒸気分離器２６を介して供給される
前記電池冷却水の一部との供給を受け、前記排ガスと前
記電池冷却水の熱の回収と前記排ガス中の水分の回収を
行う。ポンプ１８は前記直接接触式熱交換器５の熱回収
水貯水部９と前記熱供給部１９を接続する。流量調整弁
２０は前記熱供給部１９に対して熱回収水貯水部９でな
い側に設けられ、熱回収水の一方を前記直接接触式熱交
換器５に他方を冷却塔３２の２方路に分岐させる。ポン
プ２３は前記冷却塔３２の流量調整弁２０でない側に設
けられる。水処理装置２４はポンプ２３と前記冷却部３
０との間に接続される。前記直接接触式熱交換器５は最
下部に縦円筒形の熱回収水貯水部９を備え、かつ外部の
空気を取り入れる空気取入れ口３３を有する電池冷却水
噴出用のジェットポンプ付きノズル８を前記熱回収水貯
水部９の下部側面に側面に沿う方向に向けて備えてい
る。前記熱回収水貯水部９は、第１の仕切板１０により
上部の熱交換部１５と仕切られている。前記直接接触式
熱交換器５は熱回収水貯水部９に隣接する静水部１４を
有し、前記静水部１４が前記熱回収水貯水部９の底部か
ら水面上までの高さを持ちかつ下部に通水孔が設けられ
た第２の仕切板１１で前記熱回収水貯水部９と垂直に仕
切られ、前記熱回収水貯水部９の底部から水面上までの
高さを持つ目の細かい金網でなる複数の第３の仕切板１
２で仕切られている。
２９、冷却部３０より構成され、都市ガス等を改質器２
により改質して得られる水素と空気中の酸素を反応させ
ることにより電気エネルギーと熱エネルギーを発生す
る。熱供給部１９は例えば吸収式冷凍機等よりなり、前
記燃料電池の改質器２より排出される改質器燃焼排ガス
と燃料電池の空気極２８より排出される空気極排ガスと
燃料電池を冷却するための冷却部３０を通って循環する
電池冷却水との三者から得られる熱エネルギーの供給を
受けて冷熱を発生する。直接接触式熱交換器５は前記改
質器燃焼排ガスと前記空気極排ガスからなる排ガスと前
記冷却部３０から水蒸気分離器２６を介して供給される
前記電池冷却水の一部との供給を受け、前記排ガスと前
記電池冷却水の熱の回収と前記排ガス中の水分の回収を
行う。ポンプ１８は前記直接接触式熱交換器５の熱回収
水貯水部９と前記熱供給部１９を接続する。流量調整弁
２０は前記熱供給部１９に対して熱回収水貯水部９でな
い側に設けられ、熱回収水の一方を前記直接接触式熱交
換器５に他方を冷却塔３２の２方路に分岐させる。ポン
プ２３は前記冷却塔３２の流量調整弁２０でない側に設
けられる。水処理装置２４はポンプ２３と前記冷却部３
０との間に接続される。前記直接接触式熱交換器５は最
下部に縦円筒形の熱回収水貯水部９を備え、かつ外部の
空気を取り入れる空気取入れ口３３を有する電池冷却水
噴出用のジェットポンプ付きノズル８を前記熱回収水貯
水部９の下部側面に側面に沿う方向に向けて備えてい
る。前記熱回収水貯水部９は、第１の仕切板１０により
上部の熱交換部１５と仕切られている。前記直接接触式
熱交換器５は熱回収水貯水部９に隣接する静水部１４を
有し、前記静水部１４が前記熱回収水貯水部９の底部か
ら水面上までの高さを持ちかつ下部に通水孔が設けられ
た第２の仕切板１１で前記熱回収水貯水部９と垂直に仕
切られ、前記熱回収水貯水部９の底部から水面上までの
高さを持つ目の細かい金網でなる複数の第３の仕切板１
２で仕切られている。
【００２２】すなわち、原燃料である都市ガスと燃料電
池システム１内の水蒸気分離器２６から供給される水蒸
気を混合した混合ガスが、改質器２へと供給され、反応
させて主燃料である水素が生成される。改質器２内で
は、都市ガス（メタンを主成分とする炭化水素）と水蒸
気を触媒上で反応させて水素を生成する水蒸気改質反応
が行われる。この反応は吸熱反応であるので、改質器２
を一定温度に維持するために、燃料極２９から排出され
る余剰水素を改質器２のバーナ２７で燃焼させている。
この結果、改質器２からの燃焼排ガスは、ＣＯ2 、Ｈ2
Ｏ、Ｎ2 、Ｏ2 の混合ガスとして排出される。
池システム１内の水蒸気分離器２６から供給される水蒸
気を混合した混合ガスが、改質器２へと供給され、反応
させて主燃料である水素が生成される。改質器２内で
は、都市ガス（メタンを主成分とする炭化水素）と水蒸
気を触媒上で反応させて水素を生成する水蒸気改質反応
が行われる。この反応は吸熱反応であるので、改質器２
を一定温度に維持するために、燃料極２９から排出され
る余剰水素を改質器２のバーナ２７で燃焼させている。
この結果、改質器２からの燃焼排ガスは、ＣＯ2 、Ｈ2
Ｏ、Ｎ2 、Ｏ2 の混合ガスとして排出される。
【００２３】一方、空気中の酸素が発電反応に使われた
空気の排ガスおよび発電反応により生成した水蒸気は、
Ｈ2 Ｏ、Ｎ2 、Ｏ2 の混合ガスとして空気極２８から排
出される。
空気の排ガスおよび発電反応により生成した水蒸気は、
Ｈ2 Ｏ、Ｎ2 、Ｏ2 の混合ガスとして空気極２８から排
出される。
【００２４】改質器２から排出される改質器燃焼排ガス
は改質器燃焼排ガス供給配管３により、また空気極２８
より排出される空気極排ガスは空気極排ガス供給配管４
により導かれて改質器燃焼排ガス供給配管３と合流し、
双方の排ガスが混合された後、直接接触式熱交換器排ガ
ス入口７から直接接触式熱交換器５の下部に送られる。
は改質器燃焼排ガス供給配管３により、また空気極２８
より排出される空気極排ガスは空気極排ガス供給配管４
により導かれて改質器燃焼排ガス供給配管３と合流し、
双方の排ガスが混合された後、直接接触式熱交換器排ガ
ス入口７から直接接触式熱交換器５の下部に送られる。
【００２５】直接接触式熱交換器５の内部の熱交換部１
５において、排ガスは複数の半円状の穴あき仕切板６で
仕切られた内部を蛇行しながら上昇し、上部の熱回収水
入口１６より散水された熱回収水２１と対向流で直接接
触することにより熱交換を行い、排ガス中の水蒸気を凝
縮する。熱回収水２１により十分に冷却された排ガス
は、排気管１７から排出される。なお、熱交換部１５の
構造は、熱交換用充填物の充填による熱交換構造によっ
ても可能である。排ガスにより温められた熱回収水２１
と凝縮水は、第１の仕切板１０で仕切られた直接接触式
熱交換器の熱回収水貯水部９に落下し、蓄えられる。
５において、排ガスは複数の半円状の穴あき仕切板６で
仕切られた内部を蛇行しながら上昇し、上部の熱回収水
入口１６より散水された熱回収水２１と対向流で直接接
触することにより熱交換を行い、排ガス中の水蒸気を凝
縮する。熱回収水２１により十分に冷却された排ガス
は、排気管１７から排出される。なお、熱交換部１５の
構造は、熱交換用充填物の充填による熱交換構造によっ
ても可能である。排ガスにより温められた熱回収水２１
と凝縮水は、第１の仕切板１０で仕切られた直接接触式
熱交換器の熱回収水貯水部９に落下し、蓄えられる。
【００２６】一方、空気極および燃料極冷却部３０から
の電池冷却水２５は、水蒸気分離器２６を介してその一
部は電池冷却水配管２２を通って直接接触式熱交換器の
熱回収水貯水部９の底部側面に導かれ、外部に空気取入
れ口３３を持つジェットポンプ付きノズル８から、ジェ
ットポンプ効果により空気取入れ口３３から吸い込まれ
た空気と共に熱回収水貯水部９の内部に噴出し、熱回収
水貯水部９の内部に回転水流を発生させる。熱回収水貯
水部９の内部に噴出された空気は、排ガス凝縮水中に含
まれる炭酸ガスを脱気作用により除去して熱回収水貯水
部９の上部に設けられた空気排出口３４より外部に排出
される。
の電池冷却水２５は、水蒸気分離器２６を介してその一
部は電池冷却水配管２２を通って直接接触式熱交換器の
熱回収水貯水部９の底部側面に導かれ、外部に空気取入
れ口３３を持つジェットポンプ付きノズル８から、ジェ
ットポンプ効果により空気取入れ口３３から吸い込まれ
た空気と共に熱回収水貯水部９の内部に噴出し、熱回収
水貯水部９の内部に回転水流を発生させる。熱回収水貯
水部９の内部に噴出された空気は、排ガス凝縮水中に含
まれる炭酸ガスを脱気作用により除去して熱回収水貯水
部９の上部に設けられた空気排出口３４より外部に排出
される。
【００２７】熱回収水貯水部９で空気によりバブリング
された熱回収水は、通水孔を設けた第２の仕切板１１の
通水孔を通った後、次に静水部１４において、設置され
ている複数の、第３の仕切板である目の細かい金網でな
る第３の仕切板１２を通過し、熱回収水出口１３を経て
熱回収水ポンプ１８により熱供給部１９に送られ、熱供
給を行う。熱供給部１９で冷却された後、流量調整弁２
０を介して、一方は再び直接接触式熱交換器５の上部の
熱回収水入口１６より散水され、他方は電池冷却水配管
２２により冷却塔３２へ導かれて余剰の熱エネルギーを
放出後、電池冷却水２５として電池冷却水ポンプ２３お
よび水処理装置２４を介して再度空気極および燃料極冷
却部３０へ送られる。
された熱回収水は、通水孔を設けた第２の仕切板１１の
通水孔を通った後、次に静水部１４において、設置され
ている複数の、第３の仕切板である目の細かい金網でな
る第３の仕切板１２を通過し、熱回収水出口１３を経て
熱回収水ポンプ１８により熱供給部１９に送られ、熱供
給を行う。熱供給部１９で冷却された後、流量調整弁２
０を介して、一方は再び直接接触式熱交換器５の上部の
熱回収水入口１６より散水され、他方は電池冷却水配管
２２により冷却塔３２へ導かれて余剰の熱エネルギーを
放出後、電池冷却水２５として電池冷却水ポンプ２３お
よび水処理装置２４を介して再度空気極および燃料極冷
却部３０へ送られる。
【００２８】空気極２８と燃料極２９において発電反応
により発生した熱は、冷却部３０において電池冷却水２
５により熱回収される。熱回収した電池冷却水２５は水
蒸気分離器２６を介して、その一部が冷却部３０に導か
れる。水蒸気分離器２６により分離された水蒸気の一部
は蒸気負荷３１に導かれる。
により発生した熱は、冷却部３０において電池冷却水２
５により熱回収される。熱回収した電池冷却水２５は水
蒸気分離器２６を介して、その一部が冷却部３０に導か
れる。水蒸気分離器２６により分離された水蒸気の一部
は蒸気負荷３１に導かれる。
【００２９】以上のように本発明では、改質器排ガスと
空気極排ガスの混合ガスである燃料電池排ガスを直接接
触式熱交換器に導き、熱回収水との直接接触により熱回
収と凝縮水回収を行い、かつ水蒸気分離器により分離し
た電池冷却水の一部を前記直接接触式熱交換器最下部に
設けられた熱回収水貯水部に導き、蓄えられた熱回収水
を熱供給部へ直接供給する構造とすることにより、排ガ
ス系、電池冷却水系および熱供給部循環水系の熱交換を
１台で一括して行うことができる。
空気極排ガスの混合ガスである燃料電池排ガスを直接接
触式熱交換器に導き、熱回収水との直接接触により熱回
収と凝縮水回収を行い、かつ水蒸気分離器により分離し
た電池冷却水の一部を前記直接接触式熱交換器最下部に
設けられた熱回収水貯水部に導き、蓄えられた熱回収水
を熱供給部へ直接供給する構造とすることにより、排ガ
ス系、電池冷却水系および熱供給部循環水系の熱交換を
１台で一括して行うことができる。
【００３０】また熱回収部貯水部に導かれる電池冷却水
の一部は、前記熱回収水貯水部の外壁から内部に向かっ
て側面に沿うように取り付けられかつ外気を取り入れる
空気取入れ口を持ったジェットポンプ付きノズルから動
力不要のジェットポンプ効果により前記空気取入れ口か
ら吸い込まれた空気と共に前記熱回収水貯水部内に噴出
することにより、熱回収水の温度均一化、および排ガス
凝縮水中に含まれる炭酸ガス成分をガス化して除去し、
空気排出口より排出することができる。
の一部は、前記熱回収水貯水部の外壁から内部に向かっ
て側面に沿うように取り付けられかつ外気を取り入れる
空気取入れ口を持ったジェットポンプ付きノズルから動
力不要のジェットポンプ効果により前記空気取入れ口か
ら吸い込まれた空気と共に前記熱回収水貯水部内に噴出
することにより、熱回収水の温度均一化、および排ガス
凝縮水中に含まれる炭酸ガス成分をガス化して除去し、
空気排出口より排出することができる。
【００３１】また前記熱回収水貯水部に隣接して、下部
に通水孔を持ち、かつ水面より高い高さを持つ第２の仕
切板で前記熱回収水貯水部と仕切られた静水部を設け、
前記静水部を水面より高い高さの、目の細かい金網でな
る第３の仕切板で垂直に複数仕切った構造とすることに
より、リン酸の除去を可能とし、また前記金網の交換に
より清掃が容易となる。
に通水孔を持ち、かつ水面より高い高さを持つ第２の仕
切板で前記熱回収水貯水部と仕切られた静水部を設け、
前記静水部を水面より高い高さの、目の細かい金網でな
る第３の仕切板で垂直に複数仕切った構造とすることに
より、リン酸の除去を可能とし、また前記金網の交換に
より清掃が容易となる。
【００３２】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、直接
接触式熱交換器の熱交換部と第１の仕切板で仕切られか
つ下部にジェットポンプ付きノズルを有する熱回収水貯
水部、第２の仕切り板と複数の金網からなる第３の仕切
板を有する静水部、排ガス入口、熱交換部、熱回収水出
口からなる極めて単純な構造の直接接触式熱交換器によ
り、改質器燃焼排ガスと空気極排ガスからの熱と水の回
収、および電池冷却水からの熱回収と、炭酸ガスとリン
酸の除去が可能となる。
接触式熱交換器の熱交換部と第１の仕切板で仕切られか
つ下部にジェットポンプ付きノズルを有する熱回収水貯
水部、第２の仕切り板と複数の金網からなる第３の仕切
板を有する静水部、排ガス入口、熱交換部、熱回収水出
口からなる極めて単純な構造の直接接触式熱交換器によ
り、改質器燃焼排ガスと空気極排ガスからの熱と水の回
収、および電池冷却水からの熱回収と、炭酸ガスとリン
酸の除去が可能となる。
【００３３】また、リン酸除去のための清掃は、第３の
仕切板の交換という形で極めて容易に行うことが可能と
なる。この結果、従来の高価でかつ大容積、重量物であ
る複数の隔壁式熱交換器や水タンク、脱炭酸装置が不要
となるため、本発明は極めて経済的でコンパクトであ
り、かつ保守の容易な燃料電池用直接接触式熱交換器シ
ステムを提供することができる。
仕切板の交換という形で極めて容易に行うことが可能と
なる。この結果、従来の高価でかつ大容積、重量物であ
る複数の隔壁式熱交換器や水タンク、脱炭酸装置が不要
となるため、本発明は極めて経済的でコンパクトであ
り、かつ保守の容易な燃料電池用直接接触式熱交換器シ
ステムを提供することができる。
【図１】本発明の燃料電池用直接接触式熱交換器システ
ムの一実施形態例を示すシステム構成図である。
ムの一実施形態例を示すシステム構成図である。
【図２】従来の燃料電池用直接接触式熱交換器システム
の一例を示すシステム構成図である。
の一例を示すシステム構成図である。
１ 燃料電池システム ２ 改質器 ３ 改質器燃焼排ガス供給配管 ４ 空気極排ガス供給配管 ５ 直接接触式熱交換器 ６ 半円状の穴あき仕切板 ７ 直接接触式熱交換器排ガス入口 ８ ジェットポンプ付きノズル ９ 熱回収水貯水部 １０ 第１の仕切板 １１ 通水孔を設けた第２の仕切板 １２ 目の細かい金網でなる第３の仕切板 １３ 熱回収水出口 １４ 静水部 １５ 直接接触式熱交換器内部の熱交換部 １６ 熱回収水入口 １７ 排気管 １８ 熱回収水ポンプ １９ 熱供給部 ２０ 流量調整弁 ２１ 熱回収水 ２２ 電池冷却水配管 ２３ 電池冷却水ポンプ ２４ 水処理装置 ２５ 電池冷却水 １０１ 燃料電池システム １０２ 改質器 １０３ 改質器燃焼排ガス供給配管 １０４ 空気極排ガス供給配管 １０５ 排ガス熱交換用ガス−水系隔壁式熱交換器 １０６ ２次冷却水循環ポンプ １０７ ２次冷却水 １０８ 電池冷却水熱交換用水−水系隔壁式熱交換器 １０９ 回収熱取出し用水−水系隔壁式熱交換器 １１０ 排気管 １１１ 脱炭酸装置 １１２ 凝縮水配管 １１３ 水タンク １１４ 凝縮水ポンブ １１５ 水処理装置 １１６ 電池冷却水 １１７ 電池冷却水配管 １１８ 熱供給部 １１９ 熱回収水 １２０ 熱回収水ポンブ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−82147（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−332478（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−140069（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01M 8/04 H01M 8/06
Claims (3)
- 【請求項１】 都市ガス等を改質器により改質して得ら
れる水素と空気中の酸素を反応させることにより電気エ
ネルギーと熱エネルギーを発生する燃料電池と、 前記燃料電池の改質器より排出される改質器燃焼排ガス
と燃料電池の空気極より排出される空気極排ガスと燃料
電池を冷却するための冷却部を通って循環する電池冷却
水との三者から得られる熱エネルギーの供給を受けて冷
熱を発生する吸収式冷凍機等の熱供給部と、 からなる燃料電池システムにおいて、 前記改質器燃焼排ガスと前記空気極排ガスからなる排ガ
スと前記冷却部から水蒸気分離器を介して供給される前
記電池冷却水の一部との供給を受け、前記排ガスと前記
電池冷却水の熱の回収と前記排ガス中の水分の回収を行
う直接接触式熱交換器を備え、 前記直接接触式熱交換器の熱回収水貯水部と前記熱供給
部を接続するポンプを備え、 前記熱供給部に対して熱回収水貯水部でない側に熱回収
水の一方を前記直接接触式熱交換器に他方を冷却塔の２
方路に分岐させる流量調整弁を備え、 前記冷却塔の流量調整弁でない側にポンプと前記冷却部
に接続される水処理装置を備え、前記直接接触式熱交換器が熱回収水貯水部に隣接する静
水部を有し、前記静水部が前記熱回収水貯水部の底部か
ら水面上までの高さを持ちかつ下部に通水孔が設けられ
た第２の仕切板で前記熱回収水貯水部と仕切られ、前記
熱回収水貯水部の底部から水面上までの高さを持つ金網
でなる複数の第３の仕切板で仕切られており、 前記熱回収水貯水部に蓄えられた熱回収水を、前記熱供
給部を介して前記直接接触式熱交換器および前記冷却部
との間で循環させることにより前記熱回収水から熱回収
することを特徴とする燃料電池用直接接触式熱交換器シ
ステム。 - 【請求項２】 直接接触式熱交換器の下部に熱回収水貯
水部を備え、かつ外部の空気を取り入れる空気取入れ口
を有する電池冷却水噴出用のジェットポンプ付きノズル
を前記熱回収水貯水部の下部側面に側面に沿う方向に向
けて備えていることを特徴とする請求項１記載の燃料電
池用直接接触式熱交換器システム。 - 【請求項３】 熱回収水貯水部が、第１の仕切板により
上部の熱交換部と仕切られていることを特徴とする請求
項１または２記載の燃料電池用直接接触式熱交換器シス
テム。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00641197A JP3319315B2 (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 燃料電池用直接接触式熱交換器システム |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP00641197A JP3319315B2 (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 燃料電池用直接接触式熱交換器システム |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10199558A JPH10199558A (ja) | 1998-07-31 |
| JP3319315B2 true JP3319315B2 (ja) | 2002-08-26 |
Family
ID=11637634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP00641197A Expired - Fee Related JP3319315B2 (ja) | 1997-01-17 | 1997-01-17 | 燃料電池用直接接触式熱交換器システム |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3319315B2 (ja) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4625585B2 (ja) * | 2001-01-29 | 2011-02-02 | 株式会社東芝 | 固体高分子型燃料電池システム |
| KR100448690B1 (ko) * | 2002-03-12 | 2004-09-16 | 주식회사 엘지이아이 | 연료전지의 냉각 시스템 |
| KR100460885B1 (ko) * | 2002-07-08 | 2004-12-09 | 현대자동차주식회사 | 연료 전지 전기 자동차의 스택 냉각 시스템 |
-
1997
- 1997-01-17 JP JP00641197A patent/JP3319315B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10199558A (ja) | 1998-07-31 |
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