JP3961198B2 - Waste heat fuel cell - Google Patents

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    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱利用燃料電池に関し、より詳しくは燃料電池自体から放散される熱や燃料極排気、空気極排気等に含まれている諸エネルギーを温水として効率的に利用するようにしてなる排熱利用燃料電池に関する。
【0002】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料と酸化剤の電気化学的反応により燃料のもつ化学的エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する装置であり、燃料から直流電力への理論的な変換率は80%以上にも及ぶ。ところが、実際にはさまざまな抵抗すなわち分極等の影響でその変換効率は50%程度以下で使用されるのが一般である。電力に変換されないエネルギーは排熱として放出されるが、これを有効に利用することがエネルギーの有効利用、ひいては炭酸ガス排出量の削減にも有効である。
【0003】
特に、排熱を有効に利用するためには、なるべく排熱源すなわち燃料電池の温度に近い温度レベルで排熱を回収する必要がある。また、比較的小規模の燃料電池においては、通常その周囲からの放熱量が多いので、これをなるべく抑え、排熱回収用の熱媒体(水や空気等)に無駄なく熱を伝える必要がある。燃料電池の排熱は、通常、冷却水や冷却空気等の熱媒体に伝えられ、その熱媒体を燃料電池の外部に導き、直接的又は間接的に熱媒体に含まれる熱を利用する。例えば、熱媒体が水の場合、燃料電池から出てくる電池冷却水を直接温水として利用するか、または温水発生用の熱交換器やそれを含む貯湯槽に導くことにより温水を発生させ、それを利用する。
【0004】
燃料電池の外表面からの放熱が、特に小容量の燃料電池の場合に、排熱量に比較して大きくなり、実質的に利用できる熱量が小さくなる。また、間接的に利用する場合には、熱交換器等が配置された利用場所への配管経路での放熱による熱ロスはもちろんのこと、それに加えて利用可能な温度レベルを下げるという問題もある。さらに、燃料電池本体と貯湯槽を併設することにより、広い設置スペースが要求される。
【0005】
燃料電池には各種あるが、図9は一例として水冷式の固体高分子型燃料電池(PEFC)の一態様例を説明する概略図である。図9中、1は高分子電解質膜、2はカソード電極(正極=空気極又は酸素極)、3はアノード電極(負極=燃料極又は水素極)であり、高分子電解質膜1は相対するこの正負両電極2、3間に当接して配置されている。また4はカソード電極側集電体、5はアノード電極側集電体であり、それぞれ正負の電極2及び3に当接されている。
【0006】
カソード電極側集電体4の電極2側には酸素又は空気供給用の溝が設けられ、アノード電極側集電体5の電極3側には燃料供給用の溝が設けられ、正極側集電体4の溝は酸素又は空気供給管6に、負極側集電体5の溝は燃料供給管7に連通している。8は正極側集電体4に当接して設けられたカソード端子板、9は負極側集電体5に当接して設けられたアノード端子板であり、電池の作動中にこれら端子板を通して電力が取り出される。
【0007】
10は左部枠体、11は右部枠体であり、これら両枠体10、11により高分子電解質膜1からカソード端子板8及びアノード端子板9までを被って固定されている。これら両枠体10、11間には、高分子電解質膜1からカソード端子板8及びアノード端子板9までの周縁部を囲ってパッキン12が設けられている。以上は電池が単一の場合であるが、これを二つ以上積み重ねても構成されるが、基本的には以上の単一の電池の場合と同様である。
【0008】
PEFCは、作動時に温度80〜100℃程度に維持する必要があるため、電池冷却水により冷却される。冷却水は左部枠体10及び右部枠体11の内面に設けられた溝(閉じた通路)に連通し、カソード端子板8及びアノード端子板9の背面から間接的に冷却し、自らは温められて排出される。排出された冷却水は熱交換器により適温に冷却されて燃料電池に循環供給される。図9中、Pはその循環用ポンプである。一般に、燃料電池は、その種類に応じて最適な運転温度範囲が存在し、その発電に伴い生じる熱を除去しなければならない。このため、冷却水や冷却空気等により冷却する必要があり、その冷却水や冷却空気等を介した熱の有効利用を図ることが考えられる。
【0009】
図10は、電池冷却水の熱を熱交換器により温湯用に利用する態様例を示している。この場合、温湯用の熱が不足する場合には、ボイラーからの熱も利用され、貯湯槽から給湯される。このように熱交換器、ボイラー、ポンプ等の排熱利用機器が燃料電池本体と独立して配置される場合、各機器及び諸配管は周囲環境に曝されることになり、断熱上の配慮をしてもなお、それらの表面温度、表面積に応じた放熱によるエネルギーロスがある。また、構成機器数の増加に伴い、設置面積の増加や設備自体のコストの増加に伴うイニシャルコスト面での不利が、排熱の有効利用によるコスト低減をある程度相殺するという問題もある。
【0010】
ところで、燃料電池においては、燃料となるガスを100%利用するのは困難である。例えば燃料が高純度水素の場合であっても、微量不純物が発電を継続するうちに燃料極ガス中に蓄積し、微量のパージが必要となる。ただ、この場合は放散される余剰燃料はごく微量である。しかし、水素以外のガスをある程度含むガス、例えば都市ガスやLPG、メタノールといった炭素を含む燃料を改質して得た水素を含むガス(改質ガス)を使用する場合は、燃料極において水素分圧が必要以上に低下することを防ぐために、恒常的に燃料極から余剰燃料を排出する必要がある。この余剰燃料を利用せずに放散すると、明らかに多大なエネルギーロスになる。図10の態様においても、燃料利用率を低くせざるを得ない場合には、燃料排出に伴うエネルギーロスが生じる。
【0011】
図11はこの燃料排出に伴うエネルギーロスを減じるために燃料極排気をリサイクルポンプにより燃料極入口側にリサイクルする例である。この対策により余剰燃料の排出量を削減することができるが、リサイクルするためのエネルギーロスを伴い、且つ、水素以外のガスが燃料系内に蓄積するので、ある程度の余剰燃料排出も必要である。さらに、余剰燃料をリサイクルするための配管、ポンプ等の設備も必要となり、特に燃料電池(FC)が小容量機の場合にはコスト的に不利となる。
【0012】
余剰水素を有効に利用する例としては図12に示す態様がある。すなわち余剰燃料を改質器(都市ガス等を水素を含む改質ガスに改質する)にリサイクルして燃焼させ、改質反応で必要な熱を供給することによって有効利用し、エネルギーロスを防いでいる。しかし、この態様では、改質器を燃料電池本体に付設する場合にしか適用できないし、また、付設されていても改質器が水蒸気改質器のような外熱式ではなく、部分燃焼改質器などのように外部からの加熱が不要な場合には適用できない。また、図11、図12のいずれの態様においても、図10の態様と同様の問題、すなわち排熱利用のための各機器、配管からの放熱によるエネルギーロス、設備コスト増等の問題がある。
【0013】
燃料電池の排熱は、燃料極排気以外に、空気極排気も燃料電池の運転温度レベルの熱を有しているので、この排熱も回収される場合が多い。具体的には、燃料電池と別置きの熱交換器が使用される。ただし、この場合にも電池冷却水や冷却空気等から排熱回収をする場合と同様の放熱ロスや設備コスト増の問題がある。さらに、特にPEFCなどのように低温で運転される燃料電池の場合には、低温ガスを対象とした熱交換器となるので、熱回収温度の低下や熱交換器の大型化に伴う設置スペース面の問題や設備コスト面での問題も存在する。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池における燃料極排気や空気極排気、燃料極排気中の余剰水素、あるいは電池冷却水等の熱を利用しようとする場合において考えられる以上のような諸欠点をなくし、燃料電池の排熱の温度レベルを実質上下げることなく温水(温湯)として取り出すようにし、それらのもつエネルギーの利用効率を可及的に高めてなる排熱利用燃料電池を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】
本発明は、(一)燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、燃料電池の電池冷却水を温水貯留容器又は温水流通容器内の水中に配置された熱交換器に通して温水を発生させるようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。
【0017】
本発明は、(二)燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、(1)燃料電池の燃料極の排気を燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、(2)燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および(3)空気極からの排気のうちの少なくとも1つを、温水貯留容器又は温水流通容器中の水に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。
【0019】
本発明は、(三)燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、温水貯留容器又は温水流通容器内に、燃料極へ供給する燃料および空気極へ供給する空気のうちの少なくとも1つを、それら容器内の温水で加湿する機構を設けてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。
【0020】
本発明は、(四)燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、温水貯留容器又は温水流通容器への給水を温水貯留容器又は温水流通容器内へ散布して、(1)燃料電池の燃料極の排気を燃焼させた燃焼ガス、(2)燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および(3)空気極からの排気のうちの少なくとも1つと直接接触させるようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。
【0023】
【発明の実施の形態】
燃料電池においては、燃料と酸化剤との発熱反応(H2+1/2O2=H2O)に伴い熱を発生する。本発明は、燃料電池本体を温水を貯留する容器又は温水を流通させるための容器内に収容することにより燃料電池で発生する熱の放散を可及的に防ぎ、その熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる排熱利用燃料電池である。燃料としては各種製造法で得られた水素や水素を含むガス(改質ガス等)が用いられる。酸化剤としては空気のほか、酸素富化空気なども用いられるが、本明細書ではこれらを含めて空気と指称している。
【0024】
また、本明細書においては、温水を貯留する容器を温水貯留容器と指称し、温水を流通させるための容器を温水流通容器と指称している。ここで温水貯留容器とは、例えば貯湯槽のように温湯を必要に応じて放出して利用する容器の意味であり、給水は導管を通して容器に供給され、そこで加熱され、導管を通して給湯される。温水流通容器とは、水道管等の導管の途中に配置され、そこで得られた温湯を常時利用する(一時停止される場合もあり得る)容器の意味である。以下、特に必要な場合を除き温水貯留容器について記載しているが、温水流通容器についても同様である。
【0025】
温水貯留容器は、内壁と外壁との2重壁構造で構成される。その底部についても同様である。内壁上端と外壁上端との間は蓋をし密封される。これら外壁、底部、蓋の外面には断熱材等を配置して断熱される。その内外両壁間に水道水等の水が供給される。内壁内には空間が設けられ、その空間に燃料電池本体が配置される。内壁内の上部は、燃料電池本体を配置した後、断熱材等を配置して断熱される。本発明においては、これにより燃料電池本体からの熱が内壁を通して両壁間に供給された水に伝えられ、給水を加熱して温水(温湯)とする。なお、燃料電池へ供給する燃料、空気用の各導管、燃料電池からの燃料極排気、空気極排気用の各導管、電力取出用導線等は、好ましくは内壁内の上部から延ばして配置されるが、その他適宜な仕方で配置してもよい。
【0026】
燃料電池には各種あるが、各燃料電池はそれぞれ所定温度範囲で作動される。例えばPEFCでは80〜100℃程度、リン酸型燃料電池では190〜200℃程度というような温度範囲に保持される。このため燃料電池は冷却水や冷却空気等によりその作動時に冷却し、そのような温度範囲に維持する必要がある。本発明においては、電池冷却水等を温水貯留容器の内壁と外壁間に設けた熱交換器に循環することにより、電池冷却水等の熱を温水貯留容器中の水の加熱に利用する。
【0027】
燃料電池の燃料極からは燃料極排気が排出される。燃料極排気はそれ自体熱を保有しているので、本発明においてはその熱を水の加熱に利用する。また、燃料極排気には余剰水素が含まれているので、本発明においては、その余剰水素を燃焼させ、発生燃焼ガスを温水貯留容器の内壁と外壁間の水中に直接吹き込むことにより、その熱を水の加熱に利用する。余剰水素の燃焼には空気が必要であるが、空気としては外部からの空気でもよいが、空気極の排気や、燃料電池の冷却に空気を用いる場合にはその空気を利用することができる。また、その燃焼には好ましくは触媒燃焼器を使用することができ、触媒としては例えば白金、パラジウム等の貴金属触媒が用いられる。
【0028】
燃料電池の空気極からの排気も同じく熱を保有している。本発明においては、その空気極からの排気を温水貯留容器内の水中に直接吹き込むことにより水の加熱に利用する。また、燃料電池は、その冷却のため、電池冷却水に代えて空気を用いる場合もある。この場合、電池冷却用の空気自体は加熱される。そこで、本発明においては、燃料電池から出た該空気を温水貯留容器内の水中に直接吹き込むことにより、水の加熱に利用する。この場合、該空気を空気極排気と一緒に温水貯留容器内の水中に吹き込むようにしてもよい。
【0029】
燃料電池へ供給する燃料は、予め加温しておくのが燃料電池として効率的である。本発明においては、該燃料を温水貯留容器内の温水で加温して燃料電池へ供給する。これにより燃料電池システム内の熱の有効利用を図ることができる。燃料の加熱は温水貯留容器内に配置された熱交換機構により行うことができ、熱交換機構としてはフィン付チューブその他適宜の形式の熱交換器を用いることができる。
【0030】
また、PEFCなどの場合においては、電解質膜の特性低下を防ぐために、供給燃料及び供給空気のうちの一方または両方が通常加湿される。本発明においては、その加湿を温水貯留容器内に配置された高分子膜や多孔質セラミックス等からなる水浸透性の加湿器中を通すことにより行うことができる。このように、供給燃料及び供給空気のうちの少なくとも1つ、すなわちそれらの一方または両方の加湿に温水貯留容器内の温水を利用できるので、この点でも有利である。その加湿は、変形態様として、燃料電池本体を温水貯留容器内に収容しない場合にも適用できる。
【0031】
さらに、本発明においては、給水を温水貯留容器内、すなわちのその内壁と外壁間に散布し、前記燃料極排気の燃焼ガス、空気極排気、あるいは電池冷却水に代えて空気を用いる場合の電池冷却空気と直接接触させるようにすることで、それらガスが保有している熱をさらに有効に利用することができる。この場合、温水貯留容器内にラシッヒリング等を配置することにより給水とそれらガスとの接触効率を上げることができる。
【0032】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。なお、図1〜8はそれぞれ実施例1〜8に対応し、また各図面において共通する部分には同じ符号を用いている。
【0033】
《実施例1》
図1は実施例1を示す図である。温水貯留容器は内壁Kと外壁Lとの2重壁構造で構成される。その底部についても同様である。内壁K内には空間Sが設けられ、空間S中に燃料電池本体が配置される。なお、図1中燃料電池本体は相対的に縮小して示している。内壁Kと外壁Lの間に水が供給され、燃料電池本体からの熱が内壁Kを通して水に伝えられ、水を加熱して温水とする。内壁Kからの熱を可及的に利用できるようにするため、2重壁構造内の水面は高い位置となるようにするのが望ましい。これらの点は、実施例2〜7についても同様である。なお、後述実施例8の場合には、空気極排気等との直接接触式熱交換機構を設けるので、水面はその分低い位置とされる。
【0034】
内壁Kは、その横断面が4角形状その他の多角形状、円形状、あるいはこれらの変形形状等、適宜の形状とすることができる。内壁Kを通して燃料電池本体からの熱をより有効に伝える必要があるため、その横断面形状は燃料電池本体の外周側の形状と同じ形状、あるいはその外周側形状に可及的に合わせた形状にするのが好ましい。外壁Lもこれに対応した形状に構成されるが、後述実施例6(図6参照)のように内壁Kと外壁Lの間に熱交換機構や加湿機構を配置する場合には、その配置箇所の部分に必要な幅をもたせるようにしてもよい。
【0035】
内壁Kの上端と外壁Lの上端との間は蓋をし必要に応じて密封される。これら外壁L、底部、蓋の外面には断熱材等を配置して断熱される。内壁K内の上部は、その空間S中に燃料電池本体を配置した後、断熱材等を配置して断熱される。なお、内壁Kの上端、外壁Lの上端、内壁K内の上端を含めて同一の蓋を配置してもよい。これらの点は以下の実施例でも同様である。
【0036】
上記のように燃料電池本体を内壁K内に収容するのに加えて、電池冷却水を内壁Kと外壁Lとの間の水中に配置された熱交換器に循環させるようにすることもできる。図1中Pはその循環用のポンプである。これにより、燃料電池本体から内壁Kを通して伝えられる熱に加えて、電池冷却水の熱を水の加熱に利用する。これらの構成により燃料電池からの熱を水の加熱に有効に利用するとともに、周囲環境への放熱をさらに有効に抑えることができる。
【0037】
《実施例2》
図2は内壁Kと外壁Lとの2重壁構造をジャケット状とした例を模式的に示す図である。本例ではジャケットが燃料電池本体を取り巻いた構造となる。これにより燃料電池の作動中に発生する熱は内壁Kを通してジャケット中を流れる水に与えられる。この形式の容器は温水流通容器として好適であるが、内壁Kと外壁Lとの間の間隔を大きくすることにより温水貯留容器としても適用できる。図2のとおり、燃料電池本体の外周側横断面は4角形であるが、これを収容したジャケットの内壁Kは、その横断面4角形状の4面に幾分丸みをもたせた形状に構成されている。
【0038】
その底部は1重壁で構成してもよいが、ジャケット状に構成してもよい。この場合、底部ジャケットの2重壁間に熱交換器を配置し、電池冷却水を循環させるようにすることもできる。ジャケットの上部には蓋をするが、蓋には燃料電池本体への燃料、空気用の各導管、燃料電池本体からの燃料極排気、空気極排気用の各導管、電力用導線等が配置される。なお、これら導管等は2重壁構造の上端部と蓋との間に配置するなど適宜な仕方で配置してもよい。
以上、実施例1〜2のように、容器を内壁Kと外壁Lとの2重壁構造とすること、2重壁構造をジャケット状とすることなどの諸点は以下で述べる実施例3〜7についても同様である。
【0039】
《実施例3》
図3は実施例3を示す図である。燃料電池の燃料極からの排気はそれ自体熱を保有しているのに加え、燃料電池中で未利用の水素が含まれている。このため、本例では該燃料極排気を燃焼器(燃料極排気燃焼器)で燃焼させ、発生する燃焼ガスを温水貯留容器中の給水に直接吹き込んで給水の加熱に利用する。ガス吹き込みは容器内の水中に多孔管などを配置することで実施される。燃焼器としてはその中に貴金属触媒等の触媒を充填した燃焼器、すなわち触媒燃焼器などが用いられる。
【0040】
燃料極排気の燃焼には空気が必要であるが、図3中燃焼器への空気導管の記載は省略している。空気としては外部からの空気でもよいが、空気極の排気や、燃料電池の冷却に空気を用いる場合にはその空気(燃料電池を冷却し自らは加温されて排出される空気)を利用するのが好ましい。これにより、その排熱を燃焼ガスと合流させて利用できるので装置を簡略化でき、燃料極排気、空気極排気、電池冷却用空気のそれぞれから排熱回収をする必要がなくなり、燃料極排気からの排熱回収だけで済むという利点も得られる。燃焼器にはこれに続き逆流防止弁、遮断弁等の逆流防止機構を設けるのが好ましい。これにより、燃料電池の作動停止時等において、温水貯留容器中の温水が燃料電池本体内へ逆流するのを防ぐことができる。
【0041】
《実施例4》
図4は実施例4を示す図である。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体を内壁Kで形成された空間S中に配置する。本例では、燃料電池を空気により冷却し、そこから排出される温空気を温水貯留容器中の水に直接吹き込んで水の加熱に利用する。また、空気極からの排気を温水貯留容器中、すなわち内壁Kと外壁L間の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用する。この場合、電池冷却空気と空気極排気を合わせて温水貯留容器中の水に直接吹き込むようにしてもよい。図4はこの場合を示している。また、吹き込み用導管に逆流防止弁、遮断弁等の逆流防止機構を設けるのが好ましい。これにより、燃料電池の作動停止時等において、温水貯留容器中の温水が燃料電池本体内へ逆流するのを防ぐことができる。
【0042】
《実施例5》
図5は実施例3〜4を併用した形で実施する例である。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体は内壁Kで形成された空間S中に配置される。本例では、燃料極からの排気を燃焼器で燃焼させ、発生する燃焼ガスを温水貯留容器中、すなわち内壁Kと外壁L間の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用し、且つ、燃料電池を空気により冷却し、そこから排出される温空気を温水貯留容器中の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用する。また、空気極からの排気を温水貯留容器中の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用する。この場合、電池冷却用空気と空気極排気を合わせて温水貯留容器内の水中に直接吹き込むようにしてもよい。図5はこの場合を示している。
【0043】
《実施例6》
図6は実施例6を示す図である。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体は内壁Kで形成された空間S中に配置される。本例では、燃料電池へ供給する燃料を温水貯留容器内の温湯で加温又は冷却する熱交換機構を設ける。燃料が低温、例えば環境温度の場合は温湯で加熱され、燃料が高温の改質ガスなどの場合は温湯で冷却される。また、内壁Kと外壁Lとの間の温湯中に燃料電池へ供給する燃料を加湿する機構を設ける。これら両機構は、いずれか一方を単独で設置してもよく、両者を併置してもよい。図6は併置した場合を示している。燃料は熱交換機構で加温又は冷却され、次いで加湿機構により加湿された後、燃料電池に供給される。燃料電池に供給される燃料は、一定範囲の温度に維持されるのが望ましいが、本例においては燃料の温度調整用に温水貯留容器内の温湯が利用できるので、燃料電池系内のエネルギーをより有効に利用することができる。
【0044】
また、本例では、燃料電池へ供給する空気を温水貯留容器内の温湯で加温する熱交換機構を設ける。また、内壁Kと外壁Lとの間の温湯中に燃料電池へ供給する空気を加湿する機構を設ける。これら両機構は、いずれか一方を単独で設置してもよく、両者を併置してもよい。図6は併置した場合を示している。空気は熱交換機構で加温され、次いで加湿機構により加湿された後、燃料電池に供給される。燃料電池に供給される空気は、一定範囲の温度に維持されるのが望ましいが、本例においては空気の温度調整用に温水貯留容器内の温湯が利用できるので、燃料電池系内のエネルギーをより有効に利用することができる。
【0045】
従来、燃料電池へ供給する燃料や空気の加湿には、ヒーター等で所定温度に制御された水中にそれら供給ガスを吹き込む方式やセルスタック内部に膜等を介して加湿する機構を設ける方式が採用されている。前者については、加湿のためのエネルギーの必要量が多く、加湿容器のためのスペースが必要であり、コスト上の問題もある。後者に関しては、燃料電池の排熱を用いて加湿されるので、エネルギー的にはロスが少ないが、加湿機構(加湿に用いる冷却水と供給ガスを、加湿用の膜を介して接触させて加湿するようにしたもの等)を組み込む必要があるので、セルスタックの構造が複雑化し、コストアップにつながる。
本発明によれば、本例のように独立して加湿器を設置する必要がないので、そのためのスペースを節約でき、設備コストも低減できる。また燃料電池の排熱を利用して加熱するので、加湿に関わるエネルギーを少なくすることができる。
【0046】
《実施例7》
図7は実施例7を示す図である。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体は内壁Kで形成された空間S中に配置される。本例では、温水貯留容器すなわち内壁Kと外壁L間の水面上の空間に直接接触式熱交換機構を設け、給水を温水貯留容器内へ散布し、温水貯留容器内の水中に吹き込んだ後の燃焼ガス等と直接気液接触させるようにした例である。給水を内壁Kと外壁Lとの間に散布し、そして▲1▼燃料電池の燃料極排気を燃焼させた燃焼ガス、▲2▼燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および▲3▼燃料電池の空気極排気のうちの少なくとも1つ、すなわちこれらの1つまたは2つ以上と直接接触させる。
【0047】
すなわち、上記▲1▼の燃焼ガス、▲2▼の温空気、および▲3▼の空気極からの排気のうちの少なくとも1つを温水貯留容器内の水中に吹き込んだ後、散布給水と直接接触させる。これら▲1▼〜▲3▼のうちの一部又は全部を温水貯留容器内の水中に吹き込むことなく、散布給水と直接接触させるようにしてもよい。給水は内壁Kの壁面から伝えられる燃料電池本体からの熱によって加熱されるとともに、それらのガスとの接触による熱交換によっても加熱される。
【0048】
直接接触式熱交換機構としては、好ましくはラシヒリングその他気液接触を良好にする部材が配置され、給水はその上方から散布される。このため温水貯留容器内の水面は実施例1、実施例3〜6(図1、図3〜6)の水面より低く設定される。その水面を燃料極排気の燃焼器の位置より低く設定しておけば、燃焼器に続く逆流防止機構を省略できる利点も得られる。
【0049】
さらに、図7には温水貯留容器内の水中に電気ヒータを配置しているが、これは温水の需要量に応じて電気ヒータを作動させるためのものである。電気ヒータは温水の需要量が多い場合の補助的加熱装置であるが、他の実施例の場合においても設置することができる。従来では、図10〜12に示すように温水貯留容器の外部に別途追い焚き用のボイラ等を設置していたが、本発明では温水貯留容器内の水中に電気ヒータを配置するので、該電気ヒータの熱を無駄なく加熱に利用することができる。電気ヒータに代えてガスバーナ、触媒燃焼器等を配置してもよい。
【0050】
《実施例8》
図8は実施例8を示す図である。本例は、実施例6の変形例で、燃料電池本体を温水貯留容器内に収容せずに、温水貯留容器内に燃料電池へ供給する燃料、空気の加湿機構を設けた例である。燃料電池本体を温水貯留容器の外部に置き、温水貯留容器内に燃料電池へ供給する燃料、空気の加湿機構を設ける。図8には、燃料及び空気の両方に加湿機構を設けた場合を示しているが、それらの一方のみに設けてもよい。図8のとおり、電池冷却水を温水貯留容器内に配置した排熱回収用熱交換器に循環させて、給水の加熱に利用するようにしてもよい。また、前記実施例6(図6参照)のように温水貯留容器内に燃料および空気のうちの少なくとも1つを加熱する機構を併用してもよい。
【0051】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池本体を、排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容する点を基本とし、これにより燃料電池のもつ諸エネルギーを温水貯留容器又は温水流通容器内で利用できるので、燃料電池のもつ諸エネルギーの利用効率を格段に高めることができる。また、本発明によれば、温水貯留容器又は温水流通容器内の温湯を燃料電池へ供給する燃料や空気の加温や加湿に利用できるなど各種優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1を示す図。
【図2】本発明の実施例2を示す図(容器をジャケット状の構造に構成した例を模式的に示す図)。
【図3】本発明の実施例3を示す図。
【図4】本発明の実施例4を示す図。
【図5】本発明の実施例5を示す図。
【図6】本発明の実施例6を示す図。
【図7】本発明の実施例7を示す図。
【図8】本発明の実施例8を示す図。
【図9】燃料電池の1例としてPEFCを概略的に示す図。
【図10】電池冷却水の熱を間接熱交換器により温湯用に利用する例を示す図(従来例)。
【図11】PEFCの余剰水素をPEFCへリサイクルさせて利用する例を示す図(従来例)。
【図12】燃料電池の燃料極排気を都市ガス等から水素を生成させる改質器にリサイクルして利用する例を示す図(従来例)。
【符号の説明】
1 高分子電解質膜
2 カソード電極(正極=空気極)
3 アノード電極(負極=燃料極)
4 カソード電極側集電体
5 アノード電極側集電体
6 酸素又は空気供給管
7 燃料(通常は水素)供給管
8 カソード端子板
9 アノード端子板
10 左部枠体
11 右部枠体
12 パッキン
K 内壁
L 外壁
S 空間
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a waste heat utilization fuel cell, and more specifically, efficiently utilizes heat dissipated from the fuel cell itself and various energy contained in the fuel electrode exhaust, air electrode exhaust, and the like as hot water. The present invention relates to a waste heat utilization fuel cell.
[0002]
[Prior art]
A fuel cell is a device that directly converts the chemical energy of a fuel into electrical energy through an electrochemical reaction between the fuel and an oxidant, and the theoretical conversion rate from fuel to DC power reaches over 80%. . However, in practice, the conversion efficiency is generally about 50% or less due to the influence of various resistances, that is, polarization. Energy that is not converted into electric power is released as exhaust heat. Effective use of this energy is also effective for effective use of energy and, in turn, reduction of carbon dioxide emissions.
[0003]
In particular, in order to effectively use the exhaust heat, it is necessary to recover the exhaust heat at a temperature level as close as possible to the temperature of the exhaust heat source, that is, the fuel cell. Further, since a relatively small amount of heat is usually emitted from a surrounding fuel cell, it is necessary to suppress this as much as possible and to transmit heat to a heat medium (water, air, etc.) for exhaust heat recovery without waste. . The exhaust heat of the fuel cell is usually transmitted to a heat medium such as cooling water or cooling air, and the heat medium is guided to the outside of the fuel cell and directly or indirectly utilizes heat contained in the heat medium. For example, when the heat medium is water, the battery cooling water coming out of the fuel cell is directly used as hot water, or the hot water is generated by directing it to a heat exchanger for generating hot water or a hot water storage tank containing it. Is used.
[0004]
The heat radiation from the outer surface of the fuel cell is larger than the amount of exhaust heat, particularly in the case of a small-capacity fuel cell, and the amount of heat that can be used is substantially reduced. In addition, when using indirectly, there is a problem of lowering the available temperature level in addition to heat loss due to heat radiation in the piping route to the use place where the heat exchanger is arranged. . Furthermore, a large installation space is required by providing a fuel cell body and a hot water tank.
[0005]
Although there are various types of fuel cells, FIG. 9 is a schematic diagram illustrating an example of a water-cooled polymer electrolyte fuel cell (PEFC) as an example. In FIG. 9, 1 is a polymer electrolyte membrane, 2 is a cathode electrode (positive electrode = air electrode or oxygen electrode), 3 is an anode electrode (negative electrode = fuel electrode or hydrogen electrode), and the polymer electrolyte membrane 1 is opposed to this. The positive and negative electrodes 2 and 3 are disposed in contact with each other. Reference numeral 4 denotes a cathode electrode side current collector, and 5 denotes an anode electrode side current collector, which are in contact with the positive and negative electrodes 2 and 3, respectively.
[0006]
A groove for supplying oxygen or air is provided on the electrode 2 side of the cathode electrode side current collector 4, and a fuel supply groove is provided on the electrode 3 side of the anode electrode side current collector 5. The groove of the body 4 communicates with the oxygen or air supply pipe 6, and the groove of the negative current collector 5 communicates with the fuel supply pipe 7. 8 is a cathode terminal plate provided in contact with the positive current collector 4, and 9 is an anode terminal plate provided in contact with the negative current collector 5. Power is passed through these terminal plates during operation of the battery. Is taken out.
[0007]
Reference numeral 10 denotes a left frame, and 11 a right frame, and these frames 10 and 11 cover and fix the polymer electrolyte membrane 1 to the cathode terminal plate 8 and the anode terminal plate 9. A packing 12 is provided between the frame bodies 10 and 11 so as to surround the peripheral edge from the polymer electrolyte membrane 1 to the cathode terminal plate 8 and the anode terminal plate 9. The above is a case where a single battery is used, but it can be configured by stacking two or more batteries, but is basically the same as the case of the single battery described above.
[0008]
Since PEFC needs to be maintained at a temperature of about 80 to 100 ° C. during operation, it is cooled by battery cooling water. The cooling water communicates with the grooves (closed passages) provided on the inner surfaces of the left frame body 10 and the right frame body 11 and indirectly cools from the back surfaces of the cathode terminal plate 8 and the anode terminal plate 9. Warmed and discharged. The discharged cooling water is cooled to an appropriate temperature by a heat exchanger and circulated and supplied to the fuel cell. In FIG. 9, P is the circulation pump. In general, the fuel cell has an optimum operating temperature range depending on the type of the fuel cell, and heat generated by the power generation must be removed. For this reason, it is necessary to cool with cooling water, cooling air, or the like, and it is conceivable to make effective use of heat via the cooling water, cooling air, or the like.
[0009]
FIG. 10 shows an example in which the heat of battery cooling water is used for hot water by a heat exchanger. In this case, when the heat for hot water is insufficient, the heat from the boiler is also used and hot water is supplied from the hot water storage tank. In this way, when exhaust heat utilization equipment such as heat exchangers, boilers, pumps, etc. are arranged independently of the fuel cell main body, each equipment and various pipes will be exposed to the surrounding environment. Even so, there is an energy loss due to heat dissipation according to the surface temperature and surface area. In addition, with the increase in the number of components, there is a problem that the disadvantage in terms of initial cost due to the increase in the installation area and the cost of the equipment itself offset the cost reduction due to the effective use of exhaust heat to some extent.
[0010]
By the way, in the fuel cell, it is difficult to use 100% of the gas serving as the fuel. For example, even when the fuel is high-purity hydrogen, trace impurities accumulate in the fuel electrode gas as power generation continues, and a trace purge is required. However, in this case, only a very small amount of surplus fuel is dissipated. However, when using a gas containing a gas other than hydrogen to some extent, for example, a gas containing hydrogen (reformed gas) obtained by reforming a fuel containing carbon such as city gas, LPG, or methanol, the hydrogen content in the fuel electrode In order to prevent the pressure from dropping more than necessary, it is necessary to constantly discharge excess fuel from the fuel electrode. If this surplus fuel is dissipated without using it, there will be a significant energy loss. Also in the embodiment of FIG. 10, when the fuel utilization rate has to be lowered, an energy loss accompanying fuel discharge occurs.
[0011]
FIG. 11 shows an example in which the fuel electrode exhaust is recycled to the fuel electrode inlet side by a recycle pump in order to reduce the energy loss caused by the fuel discharge. Although it is possible to reduce the amount of surplus fuel discharged by this measure, a certain amount of surplus fuel must be discharged because gas other than hydrogen accumulates in the fuel system with energy loss for recycling. Furthermore, facilities such as piping and pumps for recycling surplus fuel are also required, which is disadvantageous in terms of cost, particularly when the fuel cell (FC) is a small capacity machine.
[0012]
An example of effectively using surplus hydrogen is shown in FIG. In other words, surplus fuel is recycled to a reformer (reforming city gas or the like into reformed gas containing hydrogen), burned, and effectively used by supplying heat necessary for the reforming reaction, preventing energy loss. It is out. However, in this aspect, it can be applied only when the reformer is attached to the fuel cell body, and even if it is attached, the reformer is not an external heating type like a steam reformer, but a partial combustion modification. It cannot be applied when external heating is not required, such as in a pouch. 11 and 12, there are problems similar to those of the embodiment of FIG. 10, that is, problems such as energy loss due to heat radiation from each device and piping for use of exhaust heat, and equipment cost increase.
[0013]
As the exhaust heat of the fuel cell, in addition to the fuel electrode exhaust, the air electrode exhaust also has heat at the operating temperature level of the fuel cell, and this exhaust heat is often recovered. Specifically, a separate heat exchanger from the fuel cell is used. However, in this case as well, there are the same problems of heat dissipation loss and equipment cost increase as when exhaust heat recovery is performed from battery cooling water, cooling air, or the like. Furthermore, in the case of a fuel cell that is operated at a low temperature, such as PEFC, the heat exchanger is intended for low-temperature gas, so installation space associated with a decrease in the heat recovery temperature or an increase in the size of the heat exchanger There are also problems in terms of equipment costs.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention eliminates the above-mentioned various disadvantages considered in the case of using heat of fuel electrode exhaust, air electrode exhaust, surplus hydrogen in fuel electrode exhaust, or cell cooling water in a fuel cell, It is an object of the present invention to provide an exhaust heat utilization fuel cell that can be taken out as warm water (hot water) without substantially reducing the temperature level of the exhaust heat of the exhaust gas and that enhances the energy utilization efficiency of those.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
  The present invention,(one)A fuel cell that heats feed water by exhaust heat of a fuel cell and uses it as hot water for recovering exhaust heat from the fuel cell bodyWith a recessHot water storage container or hot water distribution containerRecess inThe exhaust heat utilization fuel cell is characterized in that the hot water is generated by passing the battery cooling water of the fuel cell through a heat exchanger disposed in the water in the hot water storage container or the hot water circulation container. I will provide a.
[0017]
  The present invention,(two)A fuel cell that heats feed water by exhaust heat of a fuel cell and uses it as hot water for recovering exhaust heat from the fuel cell bodyWith a recessHot water storage container or hot water distribution containerRecess inAnd housed in(1)Combustion gas obtained by combusting the exhaust of the fuel electrode of the fuel cell with a combustor,(2)The fuel cell is cooled by air, warm air discharged after the fuel cell is cooled, and(3)Provided is an exhaust heat utilization fuel cell characterized in that at least one of exhaust gases from an air electrode is directly blown into water in a hot water storage container or a hot water circulation container.
[0019]
  The present invention,(three)A fuel cell that heats feed water by exhaust heat of a fuel cell and uses it as hot water for recovering exhaust heat from the fuel cell bodyWith a recessHot water storage container or hot water distribution containerRecess inAnd a mechanism for humidifying at least one of the fuel supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode with the hot water in the container in the hot water storage container or the hot water circulation container. An exhaust heat utilizing fuel cell is provided.
[0020]
  The present invention, (Four)A fuel cell that heats feed water by exhaust heat of a fuel cell and uses it as hot water for recovering exhaust heat from the fuel cell bodyWith a recessHot water storage container or hot water distribution containerRecess inAnd spraying the water supply to the hot water storage container or hot water distribution container into the hot water storage container or hot water distribution container,(1)Combustion gas that burns the exhaust of the fuel electrode of the fuel cell,(2)The fuel cell is cooled by air, warm air discharged after the fuel cell is cooled, and(3)Provided is an exhaust heat utilization fuel cell characterized by being in direct contact with at least one of exhaust gases from an air electrode.
[0023]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In a fuel cell, an exothermic reaction (H2+ 1 / 2O2= H2O) generates heat. The present invention prevents the heat generated in the fuel cell from being dissipated as much as possible by housing the fuel cell main body in a container for storing warm water or a container for circulating warm water, and heats the water supply with the heat. This is a waste heat utilization fuel cell that is used as hot water. As the fuel, hydrogen obtained by various production methods or a gas containing hydrogen (reformed gas or the like) is used. In addition to air, oxygen-enriched air or the like is used as the oxidant, but in this specification, these are referred to as air.
[0024]
Moreover, in this specification, the container which stores warm water is designated as a warm water storage container, and the container for circulating warm water is designated as a warm water circulation container. Here, the hot water storage container means a container that discharges hot water as needed, such as a hot water storage tank, and water is supplied to the container through a conduit, heated there, and hot water is supplied through the conduit. The hot water distribution container means a container that is arranged in the middle of a conduit such as a water pipe and always uses the hot water obtained there (may be temporarily stopped). Hereinafter, the hot water storage container is described except when particularly necessary, but the same applies to the hot water circulation container.
[0025]
A warm water storage container is comprised by the double wall structure of an inner wall and an outer wall. The same applies to the bottom. A lid is sealed between the upper end of the inner wall and the upper end of the outer wall. A heat insulating material or the like is disposed on the outer surface of the outer wall, the bottom, and the lid to be insulated. Water such as tap water is supplied between the inner and outer walls. A space is provided in the inner wall, and the fuel cell main body is disposed in the space. The upper part in the inner wall is insulated by arranging a heat insulating material after arranging the fuel cell main body. In the present invention, heat from the fuel cell main body is thereby transmitted to the water supplied between the two walls through the inner wall, and the water supply is heated to warm water (hot water). The fuel to be supplied to the fuel cell, the air conduits, the fuel cell exhaust from the fuel cell, the air electrode exhaust conduits, the power extraction lead, etc. are preferably extended from the upper part of the inner wall. However, it may be arranged in any other appropriate manner.
[0026]
Although there are various types of fuel cells, each fuel cell is operated within a predetermined temperature range. For example, it is maintained in a temperature range of about 80 to 100 ° C. for PEFC and about 190 to 200 ° C. for a phosphoric acid fuel cell. For this reason, it is necessary to cool the fuel cell during operation with cooling water, cooling air, or the like, and to maintain such a temperature range. In the present invention, the battery cooling water or the like is circulated to the heat exchanger provided between the inner wall and the outer wall of the hot water storage container, so that the heat of the battery cooling water or the like is used for heating the water in the hot water storage container.
[0027]
Fuel electrode exhaust is discharged from the fuel electrode of the fuel cell. Since the anode exhaust itself has heat, the heat is used for heating water in the present invention. Further, since surplus hydrogen is contained in the fuel electrode exhaust, in the present invention, the surplus hydrogen is combusted, and the generated combustion gas is blown directly into the water between the inner wall and the outer wall of the hot water storage container, thereby generating the heat. Is used for water heating. Although air is necessary for combustion of surplus hydrogen, air from the outside may be used as the air. However, when air is used for exhausting the air electrode or cooling the fuel cell, the air can be used. In addition, a catalytic combustor can be preferably used for the combustion. As the catalyst, for example, a noble metal catalyst such as platinum or palladium is used.
[0028]
The exhaust from the air electrode of the fuel cell also holds heat. In the present invention, the exhaust from the air electrode is directly blown into the water in the hot water storage container to be used for heating the water. In some cases, the fuel cell uses air instead of the battery cooling water for cooling. In this case, the battery cooling air itself is heated. Therefore, in the present invention, the air emitted from the fuel cell is directly blown into the water in the hot water storage container to be used for heating the water. In this case, the air may be blown into the water in the hot water storage container together with the air electrode exhaust.
[0029]
It is efficient for the fuel cell to preheat the fuel supplied to the fuel cell. In the present invention, the fuel is heated with hot water in a hot water storage container and supplied to the fuel cell. As a result, the heat in the fuel cell system can be effectively used. The fuel can be heated by a heat exchange mechanism disposed in the hot water storage container, and a finned tube or other appropriate type of heat exchanger can be used as the heat exchange mechanism.
[0030]
In the case of PEFC or the like, one or both of the supplied fuel and the supplied air are usually humidified in order to prevent deterioration of the characteristics of the electrolyte membrane. In the present invention, the humidification can be performed by passing through a water-permeable humidifier made of a polymer film, porous ceramics, or the like disposed in the hot water storage container. As described above, the hot water in the hot water storage container can be used for humidifying at least one of the supply fuel and the supply air, that is, one or both of them. The humidification can be applied as a modified embodiment even when the fuel cell main body is not accommodated in the hot water storage container.
[0031]
Furthermore, in the present invention, the battery in the case where the supply water is sprayed in the hot water storage container, that is, between the inner wall and the outer wall thereof, and air is used instead of the combustion gas of the fuel electrode exhaust, the air electrode exhaust, or the battery cooling water. By making it contact with cooling air directly, the heat which these gases hold | maintain can be utilized still more effectively. In this case, the contact efficiency between the water supply and these gases can be increased by arranging a Raschig ring or the like in the hot water storage container.
[0032]
【Example】
EXAMPLES Hereinafter, although this invention is demonstrated in more detail based on an Example, of course, this invention is not limited to these Examples. 1 to 8 correspond to Embodiments 1 to 8, respectively, and the same reference numerals are used for common portions in the drawings.
[0033]
Example 1
FIG. 1 is a diagram illustrating a first embodiment. The hot water storage container has a double wall structure of an inner wall K and an outer wall L. The same applies to the bottom. A space S is provided in the inner wall K, and the fuel cell main body is disposed in the space S. In FIG. 1, the fuel cell main body is shown in a relatively reduced size. Water is supplied between the inner wall K and the outer wall L, heat from the fuel cell body is transmitted to the water through the inner wall K, and the water is heated to warm water. In order to make the heat from the inner wall K available as much as possible, it is desirable that the water surface in the double wall structure be at a high position. These points are the same as in Examples 2 to 7. In the case of Example 8 which will be described later, since the direct contact type heat exchange mechanism with the air electrode exhaust or the like is provided, the water surface is lowered accordingly.
[0034]
The inner wall K can have an appropriate shape such as a quadrilateral or other polygonal shape, a circular shape, or a deformed shape thereof. Since it is necessary to transmit heat from the fuel cell main body more effectively through the inner wall K, the cross-sectional shape thereof is the same as the shape of the outer peripheral side of the fuel cell main body or a shape that matches the outer peripheral side shape as much as possible. It is preferable to do this. Although the outer wall L is also configured in a shape corresponding to this, in the case where a heat exchange mechanism or a humidifying mechanism is disposed between the inner wall K and the outer wall L as in Example 6 (see FIG. 6) described later, the location is The necessary width may be given to this part.
[0035]
A lid is provided between the upper end of the inner wall K and the upper end of the outer wall L and sealed as necessary. A heat insulating material or the like is arranged on the outer wall L, the bottom, and the outer surface of the lid for heat insulation. The upper part in the inner wall K is thermally insulated by disposing a heat insulating material or the like after the fuel cell main body is disposed in the space S. In addition, you may arrange | position the same lid | cover including the upper end of the inner wall K, the upper end of the outer wall L, and the upper end in the inner wall K. FIG. These points are the same in the following embodiments.
[0036]
In addition to housing the fuel cell main body in the inner wall K as described above, the battery cooling water may be circulated through a heat exchanger disposed in the water between the inner wall K and the outer wall L. In FIG. 1, P is a pump for the circulation. Thereby, in addition to the heat transmitted from the fuel cell main body through the inner wall K, the heat of the battery cooling water is used for heating the water. With these configurations, heat from the fuel cell can be effectively used for heating water, and heat radiation to the surrounding environment can be further effectively suppressed.
[0037]
Example 2
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example in which the double wall structure of the inner wall K and the outer wall L is a jacket. In this example, the jacket surrounds the fuel cell body. As a result, heat generated during operation of the fuel cell is given to the water flowing in the jacket through the inner wall K. Although this type of container is suitable as a hot water distribution container, it can also be applied as a hot water storage container by increasing the distance between the inner wall K and the outer wall L. As shown in FIG. 2, the fuel cell body has a rectangular cross section on the outer peripheral side, and the inner wall K of the jacket housing the fuel cell main body is configured to have a slightly rounded shape on the four sides of the quadrangular cross section. ing.
[0038]
Although the bottom part may be constituted by a single wall, it may be constituted in a jacket shape. In this case, a heat exchanger may be disposed between the double walls of the bottom jacket so that the battery cooling water is circulated. The upper part of the jacket is covered, and the cover is provided with fuel to the fuel cell body, air conduits, fuel electrode exhaust from the fuel cell body, air electrode exhaust conduits, power leads, etc. The In addition, you may arrange | position these conduits etc. in an appropriate manner, such as arrange | positioning between the upper end part of a double wall structure, and a lid | cover.
As described above, as in Examples 1 and 2, the points such as the container having a double wall structure of the inner wall K and the outer wall L, and the double wall structure having a jacket shape are described in Examples 3 to 7 described below. The same applies to.
[0039]
Example 3
FIG. 3 is a diagram showing a third embodiment. Exhaust gas from the anode of the fuel cell contains heat in addition to unused hydrogen in the fuel cell. For this reason, in this example, the fuel electrode exhaust is combusted by a combustor (fuel electrode exhaust combustor), and the generated combustion gas is directly blown into the feed water in the hot water storage container and used for heating the feed water. The gas blowing is performed by arranging a porous tube or the like in the water in the container. As the combustor, a combustor in which a catalyst such as a noble metal catalyst is filled, that is, a catalytic combustor is used.
[0040]
Although air is required for combustion of the anode exhaust, the illustration of the air conduit to the combustor is omitted in FIG. The air may be air from the outside, but when air is used for exhausting the air electrode or for cooling the fuel cell, the air (air that is cooled and discharged by heating the fuel cell) is used. Is preferred. As a result, the exhaust heat can be used by combining with the combustion gas, so that the apparatus can be simplified, and it is not necessary to recover exhaust heat from each of the fuel electrode exhaust, air electrode exhaust, and battery cooling air. There is also an advantage that only exhaust heat recovery is required. The combustor is preferably provided with a backflow prevention mechanism such as a backflow prevention valve and a shutoff valve. Thereby, it is possible to prevent the warm water in the warm water storage container from flowing back into the fuel cell main body when the operation of the fuel cell is stopped.
[0041]
Example 4
FIG. 4 is a diagram showing a fourth embodiment. As in the case of the above embodiment, the fuel cell main body is arranged in the space S formed by the inner wall K. In this example, the fuel cell is cooled by air, and the hot air discharged from the fuel cell is directly blown into the water in the hot water storage container and used for heating the water. Further, the exhaust from the air electrode is directly blown into the hot water storage container, that is, the water between the inner wall K and the outer wall L, and used for heating the water. In this case, the battery cooling air and the air electrode exhaust may be combined and directly blown into the water in the hot water storage container. FIG. 4 shows this case. In addition, it is preferable to provide a backflow prevention mechanism such as a backflow prevention valve and a shutoff valve in the blowing conduit. Thereby, it is possible to prevent the warm water in the warm water storage container from flowing back into the fuel cell main body when the operation of the fuel cell is stopped.
[0042]
Example 5
FIG. 5 shows an example in which Embodiments 3 and 4 are used in combination. As in the case of the above embodiment, the fuel cell main body is disposed in the space S formed by the inner wall K. In this example, the exhaust gas from the fuel electrode is combusted by a combustor, and the generated combustion gas is directly blown into the hot water storage container, that is, the water between the inner wall K and the outer wall L to be used for heating the water. The air is cooled by air, and the warm air discharged from it is blown directly into the water in the hot water storage container to be used for heating the water. Further, the exhaust from the air electrode is directly blown into the water in the hot water storage container and used for heating the water. In this case, the battery cooling air and the air electrode exhaust may be combined and directly blown into the water in the hot water storage container. FIG. 5 shows this case.
[0043]
Example 6
FIG. 6 is a diagram showing a sixth embodiment. As in the case of the above embodiment, the fuel cell main body is disposed in the space S formed by the inner wall K. In this example, a heat exchange mechanism is provided for heating or cooling the fuel supplied to the fuel cell with the hot water in the hot water storage container. When the fuel is at a low temperature, for example, ambient temperature, it is heated with hot water, and when the fuel is a high-temperature reformed gas, it is cooled with hot water. In addition, a mechanism for humidifying the fuel supplied to the fuel cell is provided in the hot water between the inner wall K and the outer wall L. One of these mechanisms may be installed alone, or both may be juxtaposed. FIG. 6 shows a case where they are juxtaposed. The fuel is heated or cooled by a heat exchange mechanism, and then humidified by a humidification mechanism, and then supplied to the fuel cell. The fuel supplied to the fuel cell is preferably maintained at a temperature within a certain range, but in this example, the hot water in the hot water storage container can be used to adjust the temperature of the fuel. It can be used more effectively.
[0044]
In this example, a heat exchange mechanism is provided for heating the air supplied to the fuel cell with hot water in the hot water storage container. A mechanism for humidifying the air supplied to the fuel cell is provided in the hot water between the inner wall K and the outer wall L. One of these mechanisms may be installed alone, or both may be juxtaposed. FIG. 6 shows a case where they are juxtaposed. The air is heated by a heat exchange mechanism, then humidified by a humidification mechanism, and then supplied to the fuel cell. The air supplied to the fuel cell is preferably maintained at a temperature within a certain range, but in this example, the hot water in the hot water storage container can be used to adjust the temperature of the air. It can be used more effectively.
[0045]
Conventionally, humidification of fuel and air supplied to a fuel cell has been accomplished by a system in which the supply gas is blown into water controlled at a predetermined temperature by a heater or the like, and a mechanism in which a humidification mechanism is provided inside the cell stack via a membrane or the like. Has been. The former requires a large amount of energy for humidification, requires a space for the humidification container, and has a cost problem. Regarding the latter, since it is humidified using the exhaust heat of the fuel cell, there is little energy loss, but the humidification mechanism (cooling water used for humidification and the supply gas are brought into contact with each other through the humidification membrane for humidification. Etc.), the structure of the cell stack becomes complicated and the cost increases.
According to the present invention, it is not necessary to install a humidifier independently as in this example, so that the space for the humidification can be saved and the equipment cost can be reduced. Moreover, since it heats using the exhaust heat of a fuel cell, the energy regarding humidification can be decreased.
[0046]
Example 7
FIG. 7 is a diagram showing a seventh embodiment. As in the case of the above embodiment, the fuel cell main body is disposed in the space S formed by the inner wall K. In this example, a hot water storage container, that is, a space on the water surface between the inner wall K and the outer wall L is provided with a direct contact heat exchange mechanism, and water is sprayed into the hot water storage container and blown into the water in the hot water storage container. This is an example of direct gas-liquid contact with combustion gas or the like. Water sprayed between the inner wall K and the outer wall L, and (1) combustion gas obtained by burning the fuel electrode exhaust of the fuel cell, (2) the fuel cell is cooled by air, and the temperature discharged after cooling the fuel cell Direct contact is made with at least one of air and (3) fuel cell cathode exhaust, ie, one or more of these.
[0047]
That is, at least one of the combustion gas (1), the warm air (2), and the exhaust gas from the air electrode (3) is blown into the water in the hot water storage container, and then directly in contact with the sprayed water supply. Let A part or all of (1) to (3) may be brought into direct contact with the sprayed water supply without blowing into the water in the hot water storage container. The water supply is heated by heat from the fuel cell main body transmitted from the wall surface of the inner wall K, and is also heated by heat exchange by contact with those gases.
[0048]
As the direct contact type heat exchange mechanism, a Raschig ring or other member for improving gas-liquid contact is preferably arranged, and water is sprayed from above. For this reason, the water surface in a warm water storage container is set lower than the water surface of Example 1, Examples 3-6 (FIG. 1, FIG. 3-6). If the water surface is set lower than the position of the combustor of the fuel electrode exhaust, an advantage that the backflow prevention mechanism following the combustor can be omitted can be obtained.
[0049]
Furthermore, although the electric heater is arrange | positioned in the water in a warm water storage container in FIG. 7, this is for operating an electric heater according to the demand amount of warm water. The electric heater is an auxiliary heating device when the demand for hot water is large, but it can also be installed in other embodiments. Conventionally, a reheating boiler or the like has been installed outside the hot water storage container as shown in FIGS. 10 to 12. However, in the present invention, an electric heater is disposed in the water in the hot water storage container. Heat from the heater can be used for heating without waste. A gas burner, a catalytic combustor, or the like may be arranged instead of the electric heater.
[0050]
Example 8
FIG. 8 shows the eighth embodiment. This example is a modification of the sixth embodiment and is an example in which a fuel cell main body is not housed in the hot water storage container, and a fuel and air humidification mechanism is provided in the hot water storage container. The fuel cell main body is placed outside the hot water storage container, and a humidification mechanism for fuel and air supplied to the fuel cell is provided in the hot water storage container. Although FIG. 8 shows a case where a humidification mechanism is provided for both fuel and air, it may be provided for only one of them. As shown in FIG. 8, the battery cooling water may be circulated through a heat exchanger for exhaust heat recovery disposed in the hot water storage container and used for heating the feed water. Further, a mechanism for heating at least one of fuel and air may be used in the hot water storage container as in the sixth embodiment (see FIG. 6).
[0051]
【The invention's effect】
  According to the present invention, a fuel cell main body is provided for recovering exhaust heat.With a recessHot water storage container or hot water distribution containerRecess inSince the various energy of the fuel cell can be used in the hot water storage container or the hot water circulation container, the utilization efficiency of the various energy of the fuel cell can be remarkably improved. In addition, according to the present invention, various excellent effects can be obtained, for example, the hot water in the hot water storage container or the hot water circulation container can be used for heating or humidifying the fuel or air supplied to the fuel cell.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a second embodiment of the present invention (a diagram schematically showing an example in which a container is configured in a jacket-like structure).
FIG. 3 shows a third embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing Example 6 of the present invention.
7 shows a seventh embodiment of the present invention. FIG.
FIG. 8 is a diagram showing an eighth embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram schematically showing a PEFC as an example of a fuel cell.
FIG. 10 is a diagram showing an example in which the heat of battery cooling water is used for hot water by an indirect heat exchanger (conventional example).
FIG. 11 is a diagram showing an example in which surplus hydrogen of PEFC is recycled to PEFC and used (conventional example).
FIG. 12 is a diagram showing an example in which the fuel cell exhaust electrode is recycled to a reformer that generates hydrogen from city gas or the like (conventional example).
[Explanation of symbols]
1 Polymer electrolyte membrane
2 Cathode electrode (positive electrode = air electrode)
3 Anode electrode (negative electrode = fuel electrode)
4 Current collector on the cathode electrode side
5 Current collector on the anode electrode side
6 Oxygen or air supply pipe
7 Fuel (usually hydrogen) supply pipe
8 Cathode terminal board
9 Anode terminal plate
10 Left frame
11 Right frame
12 Packing
K inner wall
L outer wall
S space

Claims (7)

燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、燃料電池の電池冷却水を温水貯留容器又は温水流通容器内の水中に配置された熱交換器に通して温水を発生させるようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池。A fuel cell comprising as utilized as hot water to heat the feed water by exhaust heat of the fuel cell, received in the recess of the hot water reservoir or hot-water flow container having a recess for collecting the waste heat of the fuel cell body In addition, the exhaust-heat-use fuel cell is characterized in that hot water is generated by passing the battery cooling water of the fuel cell through a heat exchanger disposed in the water in the hot water storage container or the hot water circulation container. 燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、(1)燃料電池の燃料極の排気を燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、(2)燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および(3)空気極からの排気のうちの少なくとも1つを、温水貯留容器又は温水流通容器中の水に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池。A fuel cell comprising as utilized as hot water to heat the feed water by exhaust heat of the fuel cell, received in the recess of the hot water reservoir or hot-water flow container having a recess for collecting the waste heat of the fuel cell body (1) Combustion gas obtained by burning exhaust gas from the fuel electrode of the fuel cell with a combustor, (2) Warm air discharged after the fuel cell is cooled by air and cooled, and (3) Air electrode An exhaust heat utilization fuel cell characterized in that at least one of the exhaust gas from is directly blown into water in a hot water storage container or a hot water circulation container. 燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、温水貯留容器又は温水流通容器内に、燃料極へ供給する燃料および空気極へ供給する空気のうちの少なくとも1つを、それら容器内の温水で加湿する機構を設けてなることを特徴とする排熱利用燃料電池。A fuel cell comprising as utilized as hot water to heat the feed water by exhaust heat of the fuel cell, received in the recess of the hot water reservoir or hot-water flow container having a recess for collecting the waste heat of the fuel cell body And a mechanism for humidifying at least one of the fuel supplied to the fuel electrode and the air supplied to the air electrode with the hot water in the container in the hot water storage container or the hot water circulation container. Waste heat utilization fuel cell. 燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、温水貯留容器又は温水流通容器への給水を温水貯留容器又は温水流通容器内へ散布して、(1)燃料電池の燃料極の排気を燃焼させた燃焼ガス、(2)燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および(3)空気極からの排気のうちの少なくとも1つと直接接触させるようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池。A fuel cell comprising as utilized as hot water to heat the feed water by exhaust heat of the fuel cell, received in the recess of the hot water reservoir or hot-water flow container having a recess for collecting the waste heat of the fuel cell body And (1) a combustion gas in which the water supply to the hot water storage container or the hot water distribution container is sprayed into the hot water storage container or the hot water distribution container, and (2) the fuel cell A waste heat utilization fuel cell, wherein the fuel cell is directly contacted with at least one of hot air cooled by air and discharged after cooling the fuel cell, and (3) exhaust from the air electrode. 上記排熱利用燃料電池の燃料極へ供給する燃料が水素又は水素を含むガスである請求項1〜のいずれかに記載の排熱利用燃料電池。The exhaust heat-use fuel cell according to any one of claims 1 to 4 , wherein the fuel supplied to the fuel electrode of the exhaust heat-use fuel cell is hydrogen or a gas containing hydrogen. 上記排熱利用燃料電池において、温水貯留容器又は温水流通容器内の水中に、温水の需要量に応じて温水貯留容器又は温水流通容器内の温水を加熱する補助的加熱装置として電気ヒータを配置してなることを特徴とする請求項1〜のいずれかに記載の排熱利用燃料電池。In the exhaust heat utilization fuel cells, in water of the hot water reservoir or hot-water flow in the container, place the electric heater motor as an auxiliary heating device for heating the hot water of the hot water reservoir or hot-water flow in the vessel in accordance with the demand of hot water The exhaust-heat-utilizing fuel cell according to any one of claims 1 to 5 , wherein the fuel cell uses exhaust heat. 上記排熱利用燃料電池の燃料電池が固体高分子型燃料電池である請求項1〜のいずれかに記載の排熱利用燃料電池。The exhaust heat-use fuel cell according to any one of claims 1 to 6 , wherein the fuel cell of the exhaust heat-use fuel cell is a solid polymer fuel cell.
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