JP4625585B2 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池排ガスと燃料電池冷却水の一部から、イオン交換水と熱の回収を効果的に行う固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高効率のエネルギ変換装置として、燃料電池システムが脚光を浴びている。燃料電池システムは、幾つかのタイプのものが稼動または研究開発中であるが、その中でも電解質としてプロトンを用いた固体高分子型燃料電池がコンパクトな構造で、高出力密度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく宇宙用や車両用、さらには家庭用などの電力供給源として注目されている。
【０００３】
また、燃料電池システムは、電気化学反応の際、生成される熱を巧みに活用する、いわゆるコジェネレーションシステムとしての期待も大きい。
【０００４】
このように、期待の大きい燃料電池システム、特に固体高分子型燃料電池システムは、主として燃料電池本体、燃料改質システム、電力制御システム、熱および水等のエネルギ源回収システム等で構成されている。
【０００５】
燃料電池本体は、プロトン導電性の固体高分子膜を触媒層付きのガス拡散電極で挟む膜電球複合体を備えるとともに、その両外側に集電体としてのガス供給溝を備えたガス透過性の低い材料からなるセパレータとを交互に積層状に配置して構成されている。
【０００６】
また、ガス拡散電極には、片面が燃料極、残りの片面が酸化剤極を備えており、水素を主成分とする燃料ガスと空気とがセパレータのガス供給溝を介してそれぞれを区分けして供給されている。供給されているガスは、一般的に理論流量よりも多く流れている。そして、固体高分子型燃料電池本体は、直流電源として電気化学的に電力を発生させている。
【０００７】
また、燃料改質システムは、都市ガス等の炭化水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを生成するシステムであり、都市ガス等に含まれている硫黄分を水添脱硫等の手段で除去した後、触媒を用いて化学反応により、例えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料を水素主成分の燃料ガスに改質させている。その際、反応ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれているので固体高分子型燃料電池本体の触媒を被毒させることがある。
【０００８】
このため、燃料改質システムは、ＣＯシフト反応器やＣＯ選択酸化器を備え、ＣＯ濃度を数十ｐｐｍに低減して固体高分子型燃料電池本体に供給している。
【０００９】
また、電力制御システムは、固体高分子型燃料電池本体で電気化学的に生成された直流電圧をチョッパ回路等により昇圧し、さらにインバータにより交流電圧に変換し、電力として供給する際、負荷調整を行っている。
【００１０】
また、熱およびイオン交換水等のエネルギ源回収システムは、固体高分子型燃料電池本体や燃料改質システムから供給された排ガスに含まれている水蒸気を分離させ、その際に熱とイオン交換水とを回収している。
【００１１】
なお、固体高分子型燃料電池システムの別の例として燃料に純水素を使用する場合もある。この場合、純水素を使用する関係上、燃料改質システムは不要となり、エネルギ源回収システムは、固体高分子型燃料電池本体からだけ供給される熱やイオン交換水を回収している。
【００１２】
ところで、従来の固体高分子型燃料電池システムは、図２０に示すように、燃料改質システム１、燃料電池本体２、気液分離器３、凝縮熱交換器４、ブロア５を備え、燃料改質システム１で、例えばＣＨ４やＣ３Ｈ８等の炭化水素系燃料を水素に改質して燃料電池本体２の燃料極２ａに供給している。
【００１３】
また、固体高分子型燃料電池システムは、ブロア５からの空気の一部を燃料電池本体２の空気極２ｂに供給するとともに、残りを燃料改質システム１の燃焼部１ａに供給している。
【００１４】
燃料電池本体２は、燃料極２ａに供給された水素と、空気極２ｂに供給された空気とを反応させ、電気化学的に直流電力を発生させている。
【００１５】
直流電力の発生後、燃料極２ａから出た排ガスには、飽和水蒸気を多く含むものの、炭酸ガスや未反応の水素も含まれている。このため、固体高分子型燃料電池システムは、排ガスを気液分離器３に供給する際、排ガスの中から水素とイオン交換水および炭酸ガスとを分離させ、分離させた水素をブロア５からの空気とともに燃料改質システム１の燃焼部１ａに供給し、ここで燃焼ガスを生成して炭化水素系燃料を水素に改質させる一方、燃焼ガス生成後の排ガスに含まれる水蒸気や炭酸ガスを、空気極２ｂからの水蒸気とともに凝縮熱交換器４に供給して熱源とし、例えば水道水Ｗ等の被加熱源と熱交換させ、その水道水Ｗに熱を与えて温水にし、その温水を、例えば給湯に利用している。
【００１６】
また、気液分離器３で分離させた炭酸ガスを含む凝縮水は、凝縮熱交換器４に設けたバブリング室８に供給され、ここでブロア５から供給される空気の気泡の浄化能力により炭酸ガスが分離・吸収される。
【００１７】
また、固体高分子型燃料電池システムの別の例では、例えば、図２１に示すように、直接接触式凝縮熱交換器６と間接接触式凝縮熱交換器７とを備え、気液分離器８で水素と炭酸ガスを含む水蒸気とに分離させた燃料極２ａからの排ガスのうち、分離させた炭酸ガスを含む水蒸気を直接接触式凝縮熱交換器６に設けたバブリング室８に供給し、ここでブロア５から供給される空気の気泡の浄化能力により炭酸ガスを分離・吸収させている。炭酸ガスを分離した凝縮水は、ポンプ９を介して間接接触式凝縮熱交換器７に供給され、ここで、例えば水道水Ｗと熱交換し、水道水Ｗに熱を与えて温水にした後、直接接触式熱交換器６に戻され、燃料改質システム１の燃焼部１ａからの炭酸ガスを含む水蒸気と空気極２ｂからの水蒸気との合流水と直接接触による熱交換を行い、合流水の熱を回収している。
【００１８】
このように、従来の固体高分子型燃料電池システムは、電気化学的に直流電力を発生させる際に生成される水蒸気等の熱を巧みに回収してエネルギの有効利用を行っている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
図２０および図２１で示した従来の固体高分子型燃料電池システムでは、燃料極２ａから出る排ガスの中に、未反応の水素のほかに炭酸ガスや水蒸気もしくは水が含まれているため、その水等が燃料改質システムの燃焼部に入り、火炎が消える危険性があった。このため、凝縮熱交換器４で熱やイオン交換水等のエネルギ源を回収する際、炭酸ガスを除去するバブリング装置や未反応の水素や水蒸気水とを分離させる気液分離器３を別々に設けていた。
【００２０】
しかし、バブリング装置や気液分離器３を別々に設けた場合、固体高分子型燃料電池システムは、多くの設置面積を確保しなければならない。このため固体高分子型燃料電池システムには、バブリング装置や気液分離器３を凝縮熱交換器４に組み込んで一体的にしたコンパクト化への実現が求められていた。
【００２１】
また、特に直接接触式凝縮熱交換器６の場合、回収エネルギを用いて温水利用する際、水蒸気等の凝縮水がイオン交換水であるため、必然的に間接接触式凝縮熱交換器は７が必要になり、コンパクト化の点から何らかの対策が求められていた。
【００２２】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、コンパクト化を図って少ない設置面積でも容易に設置できるようにした固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、電解質膜に固体高分子を用いた燃料電池本体に、凝縮熱交換器を組み合せた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記凝縮熱交換器は外側に外部ケーシングを、内側に内部ケーシングを備えて二重容器にするとともに、前記外部ケーシングと前記内部ケーシングとの間に形成した気液分離部と、前記内部ケーシングの内側のうち、頭部側に形成した凝縮部と、底部側に形成した凝縮水貯水部とを備えるとともに、前記外部ケーシングは、前記燃料電池本体の燃料極から案内された未反応な水素、炭酸ガス、水蒸気を含む排ガスを案内する燃料極用入口と、前記気液分離部により水が分離された前記排ガスを外部に供給する排ガス用出口とを備え、前記内部ケーシングは、少なくとも前記燃料電池本体の空気極から供給された水蒸気を前記凝縮部に案内する酸化剤排ガス用入口と、前記凝縮部で熱交換された酸化剤排ガスを外部に供給する酸化剤排ガス用出口とを備え、前記気液分離部と前記凝縮水貯水部とを互いに接続させ、前記気液分離部で分離させた前記水を前記凝縮水貯水部に供給する構成にしたものである。
【００２４】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、凝縮部と凝縮水貯水部との間には透孔板を備え、前記凝縮部で熱交換されて生成された凝縮水は前記透孔板を介して前記凝縮水貯水部に集められるものである。
【００２５】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、凝縮部は、伝熱管を収容し、伝熱管の管外に前記酸化剤排ガス用入口から案内された前記水蒸気を、伝熱管の管内に冷却水を流して熱交換させるものである。
【００２６】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、伝熱管は、前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向に蛇行状に配置したものである。
【００２７】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、伝熱管は、螺旋状に形成するとともに、前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向に蛇行状に配置したものである。
【００２８】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、螺旋状に形成した伝熱管は、中心軸に支柱を備えたものである。
【００２９】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、凝縮部は、前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向に蛇行状に配置された伝熱管を収容するとともに、前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向において隣接する前記伝熱管の中間部分に前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向と直交する方向に向って仕切手段を備えたものである。
【００３０】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、仕切手段は、網目状で構成したものである。
【００３１】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、仕切手段は、孔あき板で構成したものである。
【００３２】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、孔あき板は、孔の密度分布を異ならしめたことを特徴とするものである。
【００３３】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、気液分離部は、入口を外部ケーシングの底部側に備えるとともに、出口を前記外部ケーシングの頭部側に備えたものである。
【００３４】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、凝縮水貯水部は、気液分離部からの凝縮水と凝縮部からの凝縮水とを合流させて一旦溜める貯水室と、前記合流凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去するバブリング室とを備えたものである。
【００３５】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、貯水室およびバブリング室は、互いを仕切板で区画するとともに、各室を区画する仕切板の開口を、凝縮水が蛇行状に流れるように、互い違いに配置したものである。
【００３６】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、バブリング室を区画する仕切板は、折曲げ部を境に内部ケーシングに向って傾斜状に延びる天上板を備えたものである。
【００３７】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、天上板は長孔を備えたものである。
【００３８】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１６に記載したように、バブリング室は、空気を気泡にして凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去するバブリングストーンを収容したものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００４０】
図１〜図３は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第１実施形態を示す概略図である。なお、図１〜図３中、図１は本発明に係るは固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視方向から見た平面図、図３は図２のＢ−Ｂ矢視方向から見た側面図である。
【００４１】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、外部ケーシング１０の内側に内部ケーシング１１を備え圧力容器として形成し、外部ケーシング１０と内部ケーシング１１との間に気液分離部１２を設けるとともに、内部ケーシング１１の内側のうち、頭部側に凝縮部１３を、また、底部側に凝縮水貯水部１４とバブリング部１５とをそれぞれ設けた構成になっている。
【００４２】
外部ケーシング１０は、その底部側に設けられ、例えば、燃料電池本体の燃料極（ともに図示せず）に接続させる燃料極用入口１６と、その頭部側に設けられ、例えば燃料改質システムの燃焼部（ともに図示せず）に接続させる燃焼部用出口１７とを備え、燃料極からの未反応な水素、炭酸ガス、水蒸気および水を含む排ガスを燃料極用入口１６を介して気液分離部１２に案内し、ここで密度差を利用して水素や水蒸気と水とに気液分離させ、分離させた水素等を燃焼部用出口１７を介して燃焼部に供給する一方、分離させた水を底部に一旦溜めた後、配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して凝縮水貯水部１４に供給するようになっている。
その際、水の供給は、外部ケーシング１０と内部ケーシング１１の圧力差を利用して行われる。
【００４３】
また、内部ケーシング１１は、頭部側に凝縮部１３を、底部側に凝縮水貯水部１４およびバブリング部１５をそれぞれ備え、凝縮部１３と凝縮水貯水部１４とを図４に示すように、例えば、Ｄ径、φ３−４Ｐ、厚さｔ８ｍｍの透孔板（パンチングメタル）２４で区分けしている。
【００４４】
また、内部ケーシング１１側は、例えば、燃料電池本体の空気極（ともに図示せず）および燃料改質システムの燃焼部のそれぞれから供給された炭酸ガスを含む水蒸気を凝縮部１３に案内する酸化剤排ガス用入口１９と、凝縮部１３で熱交換後の酸化剤排ガスを外部に供給する酸化剤排ガス用出口２０とのそれぞれを凝縮部１３に備えている。
【００４５】
また、凝縮部１３は、例えば、ＳＵＳ３１６製、口径１／８インチの伝熱管２１を複数本、例えば少なくとも２本以上を並列蛇行状に配置し、伝熱管入口２２から案内された、例えば、水道水を蛇行させる間に管外を流れる酸化剤排ガスからの熱が与えられて温水になり、その温水を伝熱管出口２３を介して外部に、例えば給湯として供給するようになっている。
【００４６】
一方、内部ケーシング１１側を、凝縮部１３と透孔板２４で区分けした凝縮水貯水部１４およびバブリング部１５は凝縮水（イオン交換水）を一旦溜めて蛇行状に流れるように、第１貯水室２５を区画する第１仕切板２６、第２貯水部２７とバブリング室２８とを区画する第２仕切板２９、バブリング室２８と第３貯水室３０とを区画する第３仕切板３１とを備えるとともに、各仕切板２６，２９，３１の開口端の位置を互い違いに異ならしめている。
【００４７】
また、第２仕切板２９は、折曲げ部３２を境に外部ケーシング１０の燃料極用入口１６に向って傾斜状に延びる天上板３３を備えている。この天上板３３は、例えば、図５に示すように、口径１．５ｍｍ、長さ１１ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの長孔３４を備えている。
【００４８】
また、バブリング室２８には、例えばφ１／４インチの空気管３５に接続された、例えば鑑賞魚用のバブリングストーン３６を収容し、バブリングストーン３６から吹き出す気泡により凝縮水に含まれる炭酸ガスを分離・吸収するようになっている。このバブリングストーン３６は、アルミナ焼結体で作製され、耐熱性、耐薬品性に優れ、コンタミ等にも充分対処できるようになっている。なお、第３貯水室３０は、凝縮水供給管３７を備え、バブリング室２８で炭酸ガスを除去したし凝縮水を燃料電池本体や燃料改質システム等に供給している。
【００４９】
このような構成を備えた凝縮熱交換器において、燃料電池本体の燃料極から供給された未反応の水素、水蒸気および水を含む排ガスは、燃料極用入口１６を介して気液分離部１２に供給され、ここで密度差を利用して水素等と水とに分離される。分離後の水素は燃料部用出口１７を介して燃料改質システムの燃焼部に供給される一方、水は配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して凝縮水貯水部１４に供給される。その際、気液分離部１２は、凝縮部１３および凝縮水貯水部１４の外側に位置させた断熱層の役割を果しているので、凝縮部１３から外部への放熱を防止させることができる。また、気液分離部１２は、配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して凝縮水貯水部１４に接続させているので、分離後の水を確実に凝縮水貯水部１４に供給することができる。
【００５０】
一方、燃料電池本体の空気極および燃料改質システムの燃焼部から酸化剤排ガス用入口１９を介して凝縮部１３に供給された炭酸ガス、水蒸気を含む温度約１１０℃（露点約７５℃）の酸化剤排ガスは、蛇行状に配置された少なくとも２本以上の伝熱管２１の管外を流れる間に、伝熱管入口２２から管内を流れる、例えば、水道水と熱交換し、その水道水を温度約４０℃の温水にする。温水は、伝熱管出口２３を介して外部に給湯として供給される。
【００５１】
また、水道水と熱交換後の酸化剤排ガスは、熱を失ってガスと凝縮水とを生成し、そのガスを酸化剤排ガス用出口２０を介して外部に排出するとともに、その凝縮水を透孔板２４および天上板３３を介して凝縮水貯水部１４に集められ、ここで気液分離部１２からの水と合流される。
【００５２】
合流凝縮水は、第１貯水室２５から第２貯水室２７を介してバブリング室２８に蛇行状に流れ、バブリング室２８で空気管３５からバブリングストーン３６を介して供給された空気の気泡により炭酸ガスを分離・吸収して電気伝導度を低くさせ、第３貯水室３０に供給される。第３貯水室３０に集められ、炭酸ガスの溶解度を低くさせた合流凝縮水は、凝縮水供給管３７を介して燃料改質システム等に供給される。
【００５３】
このように、本実施形態は、外側に気液分離部１２を備え、内側の頭部側に凝縮部１３を備えるとともに、その底部側に凝縮水貯水部１４を備え、ガスの気液分離、ガスと水との熱交換、凝縮水の処理を一つの容器内で多目的に処理させたので、凝縮熱交換器を大幅にコンパクト化して少ない設置面積でも充分に設置することができる。
【００５４】
図６〜図８は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第２実施形態を示す概略図である。なお、図６〜図８中、図６は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図７は図６のＣ−Ｃ矢視方向から見た平面図、図８は図７のＤ−Ｄ矢視方向から見た側面図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５５】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、凝縮部１３に収容し、その軸方向に向って蛇行状に配置した伝熱管２１の中間部分に管軸方向に沿ってエキスパンドメタル板３８を設けたものである。このエキスパンドメタル板３８は、図９に示すように、網目状（ＳＷ４．０ｍｍ，ＬＷ８．０ｍｍ，ｔ０．８ｍｍ）になっている。
【００５６】
従来、酸化剤排ガス用入口１９を介して凝縮部１３に案内される酸化剤排ガスは、温度約１１０℃であるから、凝縮水貯水部１４の凝縮水が蒸発する可能性がある。蒸発量が増えると、その分、凝縮部１３の負荷が大きくなる。
【００５７】
本実施形態は、このような点に着目したもので、伝熱管２１の管軸方向に沿ってエキスパンドメタル板３８を設け、伝熱管２１の熱交換中により多くの凝縮水を生成させ、その凝縮水を凝縮水貯水部１４に落下させ、凝縮水貯水部１４に滞留する凝縮水の蒸発を防止させたものである。
【００５８】
したがって、本実施形態によれば、エキスパンドメタル板３８により伝熱管２１の熱交換中、より多くの凝縮水を生成して凝縮水貯水部１４に落下させ、この間にエキスパンドメタル板３８をウェット状態にし、ガスの流速を高めるとともに、ガスに含まれる水蒸気をより早く拡散させるので、伝熱性能を向上させることができる。さらに、エキスパンドメタル板３８は、内部ケーシング１１に固設させたので、内部ケーシング１１の強度を増加させることができる。
【００５９】
図１０〜図１２は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第３実施形態を示す概略図である。なお、図１０〜図１２中、図１０は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１１は図１０のＥ−Ｅ矢視方向から見た平面図、図１２は図１１のＦ−Ｆ矢視方向から見た側面図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６０】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、第２実施形態と同様に、凝縮部１３に収容し、その軸方向に向って蛇行状に配置した伝熱管２１の中間部分に管軸方向に沿ってエキスパンドメタル板３８を設けるとともに、凝縮水貯水部１４に何も付属物を収容しないより一層広い貯水室３９に形成したものである。なお、エキスパンドメタル板３８は、第２実施形態と同様に、網目状（ＳＷ４．０ｍｍ，ＬＷ８．０ｍｍ，ｔ０．８ｍｍ）になっている。バブリング室を設けていないのは、本実施形態では燃料として純水素を用いる場合に適用されるからである。
【００６１】
このように、本実施形態は、凝縮部１３にエキスパンドメタル板３８を設け、伝熱管２１の熱交換中に生成される凝縮水をより多く凝縮水貯水部１４の貯水室３９に落下させるとともに、貯水室３９の容積をより大きくさせたので、より多くの凝縮水を処理することができる。より大きい容積の貯水室３９は、純水素の燃料を用いる場合、有効である。
【００６２】
図１３〜図１５は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第４実施形態を示す概略図である。なお、図１３〜図１５中、図１３は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１４は図１３のＧ−Ｇ矢視方向から見た平面図、図１５は図１４のＨ−Ｈ矢視方向から見た側面図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６３】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、外部ケーシング１０の中心軸線と内部ケーシング１０の中心軸線とを互いに偏位させたものである。
【００６４】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、内部ケーシング１１の凝縮部１３に収容した伝熱管２１，２１を螺旋状（スパイラル）に形成するとともに、螺旋状に形成した伝熱管２１，２１を凝縮部１３の軸方向に向って蛇行状に配置する一方、蛇行状に配置した伝熱管２１，２１の中間部分にパンチングメタル板４０を設置したものである。このパンチングメタル板４０は、図１６に示すように、孔４１（φ３−４Ｐ，ｔ０．８ｍｍ）の分布を「無」領域Ｒと「密」領域Ｓとに分けて交互に形成している。
【００６５】
このように、本実施形態は、螺旋状に形成した伝熱管２１，２１を蛇行状に配置する一方、蛇行状に配置した伝熱管２１，２１の間に孔４１の密度分布を「無」領域Ｒと「密」領域Ｓとに分けて交互に異ならしめたパンチングメタル板４０を設置し、伝熱管２１，２１の螺旋状の形成と、蛇行状の配置による伝熱面積の増加と相俟ってパンチングメタル板４０の孔４１の密度分布を粗、密にしてガスの流れを良好にし、水蒸気を拡散させたので、より熱交換率を高めることができ、より多くの熱エネルギを回収することができる。
【００６６】
図１７〜図１９は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第２実施形態を示す概略図である。なお、図１７〜図１９中、図１７は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１８は図１７のＩ−Ｉ矢視方向から見た平面図、図１９は図１８のＪ−Ｊ矢視方向から見た側面図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６７】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、第４実施形態と同様に内部ケーシング１１の凝縮部１３に収容する伝熱管２１，２１を螺旋状（スパイラル）に形成するとともに、螺旋状に形成した伝熱管２１，２１を蛇行状に配置し、蛇行状に配置した伝熱管２１，２１の間にパンチングメタル板４０を設置する一方、螺旋状の伝熱管２１，２１の中心部の軸方向に沿って支柱４２を備えたものである。
【００６８】
このように、本実施形態は、螺旋状の伝熱管２１，２１の中央部の軸方向に沿って支柱４２を備え、ガスの通路面積を少なくしてガスの流速を増加させたので、ガスな含まれる水蒸気の拡散を促進させて伝熱性能を向上させることができる。また、内部ケーシング１１に支柱４２を固設させたので、内部ケーシング１１の強度を高めることができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明のとおり、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器は、ケーシングを二重筒に形成し、外部ケーシングと内部ケーシングとの間に気液分離部を備え、内部ケーシング側の頭部に凝縮部を備え、内部ケーシング側の底部側に凝縮水貯水部をそれぞれ備えたので、一つのケーシングの多機能化を図ってコンパクトにすることができ、設置面積を少なくすることができる。
【００７０】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮器は、凝縮部に収容する伝熱管の伝熱係数を向上させる手段を備えたので、燃料電池本体等から出る熱エネルギを充分に回収することができる。
【００７１】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮器は、気液分離部を凝縮水貯水部に接続させて凝縮水をより多く処理させるとともに、凝縮水貯水部に凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去する手段を備えたので、凝縮水を再び燃料改質システム等に充分に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第１実施形態を示す正面断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視方向から見た平面図。
【図３】図２のＢ−Ｂ矢視方向から見た側面図。
【図４】凝縮熱交換器の第１実施形態における凝縮部に適用する透孔板を示す概念図。
【図５】凝縮熱交換器の第１実施形態における凝縮水貯水部に適用する仕切板を示す概念図。
【図６】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第２実施形態を示す正面断面図。
【図７】図６のＣ−Ｃ矢視方向から見た平面図。
【図８】図７のＤ−Ｄ矢視方向から見た側面図。
【図９】凝縮熱交換器の第２実施形態における凝縮部に適用するエキスパンドメタル板を示す概念図。
【図１０】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第３実施形態を示す正面断面図。
【図１１】図１０のＥ−Ｅ矢視方向から見た平面図。
【図１２】図１１のＦ−Ｆ矢視方向から見た側面図。
【図１３】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第４実施形態を示す正面断面図。
【図１４】図１３のＧ−Ｇ矢視方向から見た平面図。
【図１５】図１４のＨ−Ｈ矢視方向から見た側面図。
【図１６】凝縮熱交換器の第４実施形態における凝縮部に適用するパンチングメタル板を示す概念図。
【図１７】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第５実施形態を示す正面断面図。
【図１８】図１７のＩ−Ｉ矢視方向から見た平面図。
【図１９】図１８のＪ−Ｊ矢視方向から見た側面図。
【図２０】従来の固体高分子型燃料電池システムを示す概略系統図。
【図２１】従来の他の固体高分子型燃料電池システムを示す概略系統図。
【符号の説明】
１ 燃料改質システム
１ａ 燃料部
２ 燃料電池本体
２ａ 燃料極
２ｂ 空気極
３ 気液分離器
４ 凝縮熱交換器
５ ブロア
６ 直接接触式凝縮熱交換器
７ 間接接触式凝縮熱交換器
８ バブリング室
９ ポンプ
１０ 外部ケーシング
１１ 内部ケーシング
１２ 気液分離部
１３ 凝縮部
１４ 凝縮水貯水部
１５ バブリング部
１６ 燃料極用入口
１７ 燃焼部用出口
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ 配管
１９ 酸化剤排ガス用入口
２０ 酸化剤排ガス用出口
２１ 伝熱管
２２ 伝熱管入口
２３ 伝熱管出口
２４ 透孔板
２５ 第１貯水室
２６ 第１仕切板
２７ 第２貯水室
２８ バブリング室
２９ 第２仕切板
３０ 第３貯水室
３１ 第３仕切板
３２ 折曲げ部
３３ 天上板
３４ 長孔
３５ 空気管
３６ バブリングストーン
３７ 凝縮水供給管
３８ エキスパンドメタル板
３９ 貯水室
４０ パンチングメタル板
４１ 孔
４２ 支柱
【発明の属する技術分野】
本発明は、燃料電池排ガスと燃料電池冷却水の一部から、イオン交換水と熱の回収を効果的に行う固体高分子型燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、高効率のエネルギ変換装置として、燃料電池システムが脚光を浴びている。燃料電池システムは、幾つかのタイプのものが稼動または研究開発中であるが、その中でも電解質としてプロトンを用いた固体高分子型燃料電池がコンパクトな構造で、高出力密度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことから、定置用分散電源だけでなく宇宙用や車両用、さらには家庭用などの電力供給源として注目されている。
【０００３】
また、燃料電池システムは、電気化学反応の際、生成される熱を巧みに活用する、いわゆるコジェネレーションシステムとしての期待も大きい。
【０００４】
このように、期待の大きい燃料電池システム、特に固体高分子型燃料電池システムは、主として燃料電池本体、燃料改質システム、電力制御システム、熱および水等のエネルギ源回収システム等で構成されている。
【０００５】
燃料電池本体は、プロトン導電性の固体高分子膜を触媒層付きのガス拡散電極で挟む膜電球複合体を備えるとともに、その両外側に集電体としてのガス供給溝を備えたガス透過性の低い材料からなるセパレータとを交互に積層状に配置して構成されている。
【０００６】
また、ガス拡散電極には、片面が燃料極、残りの片面が酸化剤極を備えており、水素を主成分とする燃料ガスと空気とがセパレータのガス供給溝を介してそれぞれを区分けして供給されている。供給されているガスは、一般的に理論流量よりも多く流れている。そして、固体高分子型燃料電池本体は、直流電源として電気化学的に電力を発生させている。
【０００７】
また、燃料改質システムは、都市ガス等の炭化水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを生成するシステムであり、都市ガス等に含まれている硫黄分を水添脱硫等の手段で除去した後、触媒を用いて化学反応により、例えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料を水素主成分の燃料ガスに改質させている。その際、反応ガスには、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれているので固体高分子型燃料電池本体の触媒を被毒させることがある。
【０００８】
このため、燃料改質システムは、ＣＯシフト反応器やＣＯ選択酸化器を備え、ＣＯ濃度を数十ｐｐｍに低減して固体高分子型燃料電池本体に供給している。
【０００９】
また、電力制御システムは、固体高分子型燃料電池本体で電気化学的に生成された直流電圧をチョッパ回路等により昇圧し、さらにインバータにより交流電圧に変換し、電力として供給する際、負荷調整を行っている。
【００１０】
また、熱およびイオン交換水等のエネルギ源回収システムは、固体高分子型燃料電池本体や燃料改質システムから供給された排ガスに含まれている水蒸気を分離させ、その際に熱とイオン交換水とを回収している。
【００１１】
なお、固体高分子型燃料電池システムの別の例として燃料に純水素を使用する場合もある。この場合、純水素を使用する関係上、燃料改質システムは不要となり、エネルギ源回収システムは、固体高分子型燃料電池本体からだけ供給される熱やイオン交換水を回収している。
【００１２】
ところで、従来の固体高分子型燃料電池システムは、図２０に示すように、燃料改質システム１、燃料電池本体２、気液分離器３、凝縮熱交換器４、ブロア５を備え、燃料改質システム１で、例えばＣＨ４やＣ３Ｈ８等の炭化水素系燃料を水素に改質して燃料電池本体２の燃料極２ａに供給している。
【００１３】
また、固体高分子型燃料電池システムは、ブロア５からの空気の一部を燃料電池本体２の空気極２ｂに供給するとともに、残りを燃料改質システム１の燃焼部１ａに供給している。
【００１４】
燃料電池本体２は、燃料極２ａに供給された水素と、空気極２ｂに供給された空気とを反応させ、電気化学的に直流電力を発生させている。
【００１５】
直流電力の発生後、燃料極２ａから出た排ガスには、飽和水蒸気を多く含むものの、炭酸ガスや未反応の水素も含まれている。このため、固体高分子型燃料電池システムは、排ガスを気液分離器３に供給する際、排ガスの中から水素とイオン交換水および炭酸ガスとを分離させ、分離させた水素をブロア５からの空気とともに燃料改質システム１の燃焼部１ａに供給し、ここで燃焼ガスを生成して炭化水素系燃料を水素に改質させる一方、燃焼ガス生成後の排ガスに含まれる水蒸気や炭酸ガスを、空気極２ｂからの水蒸気とともに凝縮熱交換器４に供給して熱源とし、例えば水道水Ｗ等の被加熱源と熱交換させ、その水道水Ｗに熱を与えて温水にし、その温水を、例えば給湯に利用している。
【００１６】
また、気液分離器３で分離させた炭酸ガスを含む凝縮水は、凝縮熱交換器４に設けたバブリング室８に供給され、ここでブロア５から供給される空気の気泡の浄化能力により炭酸ガスが分離・吸収される。
【００１７】
また、固体高分子型燃料電池システムの別の例では、例えば、図２１に示すように、直接接触式凝縮熱交換器６と間接接触式凝縮熱交換器７とを備え、気液分離器８で水素と炭酸ガスを含む水蒸気とに分離させた燃料極２ａからの排ガスのうち、分離させた炭酸ガスを含む水蒸気を直接接触式凝縮熱交換器６に設けたバブリング室８に供給し、ここでブロア５から供給される空気の気泡の浄化能力により炭酸ガスを分離・吸収させている。炭酸ガスを分離した凝縮水は、ポンプ９を介して間接接触式凝縮熱交換器７に供給され、ここで、例えば水道水Ｗと熱交換し、水道水Ｗに熱を与えて温水にした後、直接接触式熱交換器６に戻され、燃料改質システム１の燃焼部１ａからの炭酸ガスを含む水蒸気と空気極２ｂからの水蒸気との合流水と直接接触による熱交換を行い、合流水の熱を回収している。
【００１８】
このように、従来の固体高分子型燃料電池システムは、電気化学的に直流電力を発生させる際に生成される水蒸気等の熱を巧みに回収してエネルギの有効利用を行っている。
【００１９】
【発明が解決しようとする課題】
図２０および図２１で示した従来の固体高分子型燃料電池システムでは、燃料極２ａから出る排ガスの中に、未反応の水素のほかに炭酸ガスや水蒸気もしくは水が含まれているため、その水等が燃料改質システムの燃焼部に入り、火炎が消える危険性があった。このため、凝縮熱交換器４で熱やイオン交換水等のエネルギ源を回収する際、炭酸ガスを除去するバブリング装置や未反応の水素や水蒸気水とを分離させる気液分離器３を別々に設けていた。
【００２０】
しかし、バブリング装置や気液分離器３を別々に設けた場合、固体高分子型燃料電池システムは、多くの設置面積を確保しなければならない。このため固体高分子型燃料電池システムには、バブリング装置や気液分離器３を凝縮熱交換器４に組み込んで一体的にしたコンパクト化への実現が求められていた。
【００２１】
また、特に直接接触式凝縮熱交換器６の場合、回収エネルギを用いて温水利用する際、水蒸気等の凝縮水がイオン交換水であるため、必然的に間接接触式凝縮熱交換器は７が必要になり、コンパクト化の点から何らかの対策が求められていた。
【００２２】
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、コンパクト化を図って少ない設置面積でも容易に設置できるようにした固体高分子型燃料電池システムを提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１に記載したように、電解質膜に固体高分子を用いた燃料電池本体に、凝縮熱交換器を組み合せた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記凝縮熱交換器は外側に外部ケーシングを、内側に内部ケーシングを備えて二重容器にするとともに、前記外部ケーシングと前記内部ケーシングとの間に形成した気液分離部と、前記内部ケーシングの内側のうち、頭部側に形成した凝縮部と、底部側に形成した凝縮水貯水部とを備えるとともに、前記外部ケーシングは、前記燃料電池本体の燃料極から案内された未反応な水素、炭酸ガス、水蒸気を含む排ガスを案内する燃料極用入口と、前記気液分離部により水が分離された前記排ガスを外部に供給する排ガス用出口とを備え、前記内部ケーシングは、少なくとも前記燃料電池本体の空気極から供給された水蒸気を前記凝縮部に案内する酸化剤排ガス用入口と、前記凝縮部で熱交換された酸化剤排ガスを外部に供給する酸化剤排ガス用出口とを備え、前記気液分離部と前記凝縮水貯水部とを互いに接続させ、前記気液分離部で分離させた前記水を前記凝縮水貯水部に供給する構成にしたものである。
【００２４】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項２に記載したように、凝縮部と凝縮水貯水部との間には透孔板を備え、前記凝縮部で熱交換されて生成された凝縮水は前記透孔板を介して前記凝縮水貯水部に集められるものである。
【００２５】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項３に記載したように、凝縮部は、伝熱管を収容し、伝熱管の管外に前記酸化剤排ガス用入口から案内された前記水蒸気を、伝熱管の管内に冷却水を流して熱交換させるものである。
【００２６】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項４に記載したように、伝熱管は、前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向に蛇行状に配置したものである。
【００２７】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項５に記載したように、伝熱管は、螺旋状に形成するとともに、前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向に蛇行状に配置したものである。
【００２８】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項６に記載したように、螺旋状に形成した伝熱管は、中心軸に支柱を備えたものである。
【００２９】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項７に記載したように、凝縮部は、前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向に蛇行状に配置された伝熱管を収容するとともに、前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向において隣接する前記伝熱管の中間部分に前記凝縮部の頭部と底部とを結ぶ方向と直交する方向に向って仕切手段を備えたものである。
【００３０】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項８に記載したように、仕切手段は、網目状で構成したものである。
【００３１】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項９に記載したように、仕切手段は、孔あき板で構成したものである。
【００３２】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１０に記載したように、孔あき板は、孔の密度分布を異ならしめたことを特徴とするものである。
【００３３】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１１に記載したように、気液分離部は、入口を外部ケーシングの底部側に備えるとともに、出口を前記外部ケーシングの頭部側に備えたものである。
【００３４】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１２に記載したように、凝縮水貯水部は、気液分離部からの凝縮水と凝縮部からの凝縮水とを合流させて一旦溜める貯水室と、前記合流凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去するバブリング室とを備えたものである。
【００３５】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１３に記載したように、貯水室およびバブリング室は、互いを仕切板で区画するとともに、各室を区画する仕切板の開口を、凝縮水が蛇行状に流れるように、互い違いに配置したものである。
【００３６】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１４に記載したように、バブリング室を区画する仕切板は、折曲げ部を境に内部ケーシングに向って傾斜状に延びる天上板を備えたものである。
【００３７】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１５に記載したように、天上板は長孔を備えたものである。
【００３８】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、上述の目的を達成するために、請求項１６に記載したように、バブリング室は、空気を気泡にして凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去するバブリングストーンを収容したものである。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの実施形態を図面および図面に付した符号を引用して説明する。
【００４０】
図１〜図３は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第１実施形態を示す概略図である。なお、図１〜図３中、図１は本発明に係るは固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視方向から見た平面図、図３は図２のＢ−Ｂ矢視方向から見た側面図である。
【００４１】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、外部ケーシング１０の内側に内部ケーシング１１を備え圧力容器として形成し、外部ケーシング１０と内部ケーシング１１との間に気液分離部１２を設けるとともに、内部ケーシング１１の内側のうち、頭部側に凝縮部１３を、また、底部側に凝縮水貯水部１４とバブリング部１５とをそれぞれ設けた構成になっている。
【００４２】
外部ケーシング１０は、その底部側に設けられ、例えば、燃料電池本体の燃料極（ともに図示せず）に接続させる燃料極用入口１６と、その頭部側に設けられ、例えば燃料改質システムの燃焼部（ともに図示せず）に接続させる燃焼部用出口１７とを備え、燃料極からの未反応な水素、炭酸ガス、水蒸気および水を含む排ガスを燃料極用入口１６を介して気液分離部１２に案内し、ここで密度差を利用して水素や水蒸気と水とに気液分離させ、分離させた水素等を燃焼部用出口１７を介して燃焼部に供給する一方、分離させた水を底部に一旦溜めた後、配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して凝縮水貯水部１４に供給するようになっている。
その際、水の供給は、外部ケーシング１０と内部ケーシング１１の圧力差を利用して行われる。
【００４３】
また、内部ケーシング１１は、頭部側に凝縮部１３を、底部側に凝縮水貯水部１４およびバブリング部１５をそれぞれ備え、凝縮部１３と凝縮水貯水部１４とを図４に示すように、例えば、Ｄ径、φ３−４Ｐ、厚さｔ８ｍｍの透孔板（パンチングメタル）２４で区分けしている。
【００４４】
また、内部ケーシング１１側は、例えば、燃料電池本体の空気極（ともに図示せず）および燃料改質システムの燃焼部のそれぞれから供給された炭酸ガスを含む水蒸気を凝縮部１３に案内する酸化剤排ガス用入口１９と、凝縮部１３で熱交換後の酸化剤排ガスを外部に供給する酸化剤排ガス用出口２０とのそれぞれを凝縮部１３に備えている。
【００４５】
また、凝縮部１３は、例えば、ＳＵＳ３１６製、口径１／８インチの伝熱管２１を複数本、例えば少なくとも２本以上を並列蛇行状に配置し、伝熱管入口２２から案内された、例えば、水道水を蛇行させる間に管外を流れる酸化剤排ガスからの熱が与えられて温水になり、その温水を伝熱管出口２３を介して外部に、例えば給湯として供給するようになっている。
【００４６】
一方、内部ケーシング１１側を、凝縮部１３と透孔板２４で区分けした凝縮水貯水部１４およびバブリング部１５は凝縮水（イオン交換水）を一旦溜めて蛇行状に流れるように、第１貯水室２５を区画する第１仕切板２６、第２貯水部２７とバブリング室２８とを区画する第２仕切板２９、バブリング室２８と第３貯水室３０とを区画する第３仕切板３１とを備えるとともに、各仕切板２６，２９，３１の開口端の位置を互い違いに異ならしめている。
【００４７】
また、第２仕切板２９は、折曲げ部３２を境に外部ケーシング１０の燃料極用入口１６に向って傾斜状に延びる天上板３３を備えている。この天上板３３は、例えば、図５に示すように、口径１．５ｍｍ、長さ１１ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの長孔３４を備えている。
【００４８】
また、バブリング室２８には、例えばφ１／４インチの空気管３５に接続された、例えば鑑賞魚用のバブリングストーン３６を収容し、バブリングストーン３６から吹き出す気泡により凝縮水に含まれる炭酸ガスを分離・吸収するようになっている。このバブリングストーン３６は、アルミナ焼結体で作製され、耐熱性、耐薬品性に優れ、コンタミ等にも充分対処できるようになっている。なお、第３貯水室３０は、凝縮水供給管３７を備え、バブリング室２８で炭酸ガスを除去したし凝縮水を燃料電池本体や燃料改質システム等に供給している。
【００４９】
このような構成を備えた凝縮熱交換器において、燃料電池本体の燃料極から供給された未反応の水素、水蒸気および水を含む排ガスは、燃料極用入口１６を介して気液分離部１２に供給され、ここで密度差を利用して水素等と水とに分離される。分離後の水素は燃料部用出口１７を介して燃料改質システムの燃焼部に供給される一方、水は配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して凝縮水貯水部１４に供給される。その際、気液分離部１２は、凝縮部１３および凝縮水貯水部１４の外側に位置させた断熱層の役割を果しているので、凝縮部１３から外部への放熱を防止させることができる。また、気液分離部１２は、配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して凝縮水貯水部１４に接続させているので、分離後の水を確実に凝縮水貯水部１４に供給することができる。
【００５０】
一方、燃料電池本体の空気極および燃料改質システムの燃焼部から酸化剤排ガス用入口１９を介して凝縮部１３に供給された炭酸ガス、水蒸気を含む温度約１１０℃（露点約７５℃）の酸化剤排ガスは、蛇行状に配置された少なくとも２本以上の伝熱管２１の管外を流れる間に、伝熱管入口２２から管内を流れる、例えば、水道水と熱交換し、その水道水を温度約４０℃の温水にする。温水は、伝熱管出口２３を介して外部に給湯として供給される。
【００５１】
また、水道水と熱交換後の酸化剤排ガスは、熱を失ってガスと凝縮水とを生成し、そのガスを酸化剤排ガス用出口２０を介して外部に排出するとともに、その凝縮水を透孔板２４および天上板３３を介して凝縮水貯水部１４に集められ、ここで気液分離部１２からの水と合流される。
【００５２】
合流凝縮水は、第１貯水室２５から第２貯水室２７を介してバブリング室２８に蛇行状に流れ、バブリング室２８で空気管３５からバブリングストーン３６を介して供給された空気の気泡により炭酸ガスを分離・吸収して電気伝導度を低くさせ、第３貯水室３０に供給される。第３貯水室３０に集められ、炭酸ガスの溶解度を低くさせた合流凝縮水は、凝縮水供給管３７を介して燃料改質システム等に供給される。
【００５３】
このように、本実施形態は、外側に気液分離部１２を備え、内側の頭部側に凝縮部１３を備えるとともに、その底部側に凝縮水貯水部１４を備え、ガスの気液分離、ガスと水との熱交換、凝縮水の処理を一つの容器内で多目的に処理させたので、凝縮熱交換器を大幅にコンパクト化して少ない設置面積でも充分に設置することができる。
【００５４】
図６〜図８は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第２実施形態を示す概略図である。なお、図６〜図８中、図６は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図７は図６のＣ−Ｃ矢視方向から見た平面図、図８は図７のＤ−Ｄ矢視方向から見た側面図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００５５】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、凝縮部１３に収容し、その軸方向に向って蛇行状に配置した伝熱管２１の中間部分に管軸方向に沿ってエキスパンドメタル板３８を設けたものである。このエキスパンドメタル板３８は、図９に示すように、網目状（ＳＷ４．０ｍｍ，ＬＷ８．０ｍｍ，ｔ０．８ｍｍ）になっている。
【００５６】
従来、酸化剤排ガス用入口１９を介して凝縮部１３に案内される酸化剤排ガスは、温度約１１０℃であるから、凝縮水貯水部１４の凝縮水が蒸発する可能性がある。蒸発量が増えると、その分、凝縮部１３の負荷が大きくなる。
【００５７】
本実施形態は、このような点に着目したもので、伝熱管２１の管軸方向に沿ってエキスパンドメタル板３８を設け、伝熱管２１の熱交換中により多くの凝縮水を生成させ、その凝縮水を凝縮水貯水部１４に落下させ、凝縮水貯水部１４に滞留する凝縮水の蒸発を防止させたものである。
【００５８】
したがって、本実施形態によれば、エキスパンドメタル板３８により伝熱管２１の熱交換中、より多くの凝縮水を生成して凝縮水貯水部１４に落下させ、この間にエキスパンドメタル板３８をウェット状態にし、ガスの流速を高めるとともに、ガスに含まれる水蒸気をより早く拡散させるので、伝熱性能を向上させることができる。さらに、エキスパンドメタル板３８は、内部ケーシング１１に固設させたので、内部ケーシング１１の強度を増加させることができる。
【００５９】
図１０〜図１２は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第３実施形態を示す概略図である。なお、図１０〜図１２中、図１０は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１１は図１０のＥ−Ｅ矢視方向から見た平面図、図１２は図１１のＦ−Ｆ矢視方向から見た側面図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６０】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、第２実施形態と同様に、凝縮部１３に収容し、その軸方向に向って蛇行状に配置した伝熱管２１の中間部分に管軸方向に沿ってエキスパンドメタル板３８を設けるとともに、凝縮水貯水部１４に何も付属物を収容しないより一層広い貯水室３９に形成したものである。なお、エキスパンドメタル板３８は、第２実施形態と同様に、網目状（ＳＷ４．０ｍｍ，ＬＷ８．０ｍｍ，ｔ０．８ｍｍ）になっている。バブリング室を設けていないのは、本実施形態では燃料として純水素を用いる場合に適用されるからである。
【００６１】
このように、本実施形態は、凝縮部１３にエキスパンドメタル板３８を設け、伝熱管２１の熱交換中に生成される凝縮水をより多く凝縮水貯水部１４の貯水室３９に落下させるとともに、貯水室３９の容積をより大きくさせたので、より多くの凝縮水を処理することができる。より大きい容積の貯水室３９は、純水素の燃料を用いる場合、有効である。
【００６２】
図１３〜図１５は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第４実施形態を示す概略図である。なお、図１３〜図１５中、図１３は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１４は図１３のＧ−Ｇ矢視方向から見た平面図、図１５は図１４のＨ−Ｈ矢視方向から見た側面図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６３】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、外部ケーシング１０の中心軸線と内部ケーシング１０の中心軸線とを互いに偏位させたものである。
【００６４】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、内部ケーシング１１の凝縮部１３に収容した伝熱管２１，２１を螺旋状（スパイラル）に形成するとともに、螺旋状に形成した伝熱管２１，２１を凝縮部１３の軸方向に向って蛇行状に配置する一方、蛇行状に配置した伝熱管２１，２１の中間部分にパンチングメタル板４０を設置したものである。このパンチングメタル板４０は、図１６に示すように、孔４１（φ３−４Ｐ，ｔ０．８ｍｍ）の分布を「無」領域Ｒと「密」領域Ｓとに分けて交互に形成している。
【００６５】
このように、本実施形態は、螺旋状に形成した伝熱管２１，２１を蛇行状に配置する一方、蛇行状に配置した伝熱管２１，２１の間に孔４１の密度分布を「無」領域Ｒと「密」領域Ｓとに分けて交互に異ならしめたパンチングメタル板４０を設置し、伝熱管２１，２１の螺旋状の形成と、蛇行状の配置による伝熱面積の増加と相俟ってパンチングメタル板４０の孔４１の密度分布を粗、密にしてガスの流れを良好にし、水蒸気を拡散させたので、より熱交換率を高めることができ、より多くの熱エネルギを回収することができる。
【００６６】
図１７〜図１９は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第２実施形態を示す概略図である。なお、図１７〜図１９中、図１７は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１８は図１７のＩ−Ｉ矢視方向から見た平面図、図１９は図１８のＪ−Ｊ矢視方向から見た側面図である。なお、第１実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
【００６７】
本実施形態に係る凝縮熱交換器は、第４実施形態と同様に内部ケーシング１１の凝縮部１３に収容する伝熱管２１，２１を螺旋状（スパイラル）に形成するとともに、螺旋状に形成した伝熱管２１，２１を蛇行状に配置し、蛇行状に配置した伝熱管２１，２１の間にパンチングメタル板４０を設置する一方、螺旋状の伝熱管２１，２１の中心部の軸方向に沿って支柱４２を備えたものである。
【００６８】
このように、本実施形態は、螺旋状の伝熱管２１，２１の中央部の軸方向に沿って支柱４２を備え、ガスの通路面積を少なくしてガスの流速を増加させたので、ガスな含まれる水蒸気の拡散を促進させて伝熱性能を向上させることができる。また、内部ケーシング１１に支柱４２を固設させたので、内部ケーシング１１の強度を高めることができる。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明のとおり、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器は、ケーシングを二重筒に形成し、外部ケーシングと内部ケーシングとの間に気液分離部を備え、内部ケーシング側の頭部に凝縮部を備え、内部ケーシング側の底部側に凝縮水貯水部をそれぞれ備えたので、一つのケーシングの多機能化を図ってコンパクトにすることができ、設置面積を少なくすることができる。
【００７０】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮器は、凝縮部に収容する伝熱管の伝熱係数を向上させる手段を備えたので、燃料電池本体等から出る熱エネルギを充分に回収することができる。
【００７１】
また、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮器は、気液分離部を凝縮水貯水部に接続させて凝縮水をより多く処理させるとともに、凝縮水貯水部に凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去する手段を備えたので、凝縮水を再び燃料改質システム等に充分に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第１実施形態を示す正面断面図。
【図２】図１のＡ−Ａ矢視方向から見た平面図。
【図３】図２のＢ−Ｂ矢視方向から見た側面図。
【図４】凝縮熱交換器の第１実施形態における凝縮部に適用する透孔板を示す概念図。
【図５】凝縮熱交換器の第１実施形態における凝縮水貯水部に適用する仕切板を示す概念図。
【図６】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第２実施形態を示す正面断面図。
【図７】図６のＣ−Ｃ矢視方向から見た平面図。
【図８】図７のＤ−Ｄ矢視方向から見た側面図。
【図９】凝縮熱交換器の第２実施形態における凝縮部に適用するエキスパンドメタル板を示す概念図。
【図１０】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第３実施形態を示す正面断面図。
【図１１】図１０のＥ−Ｅ矢視方向から見た平面図。
【図１２】図１１のＦ−Ｆ矢視方向から見た側面図。
【図１３】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第４実施形態を示す正面断面図。
【図１４】図１３のＧ−Ｇ矢視方向から見た平面図。
【図１５】図１４のＨ−Ｈ矢視方向から見た側面図。
【図１６】凝縮熱交換器の第４実施形態における凝縮部に適用するパンチングメタル板を示す概念図。
【図１７】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第５実施形態を示す正面断面図。
【図１８】図１７のＩ−Ｉ矢視方向から見た平面図。
【図１９】図１８のＪ−Ｊ矢視方向から見た側面図。
【図２０】従来の固体高分子型燃料電池システムを示す概略系統図。
【図２１】従来の他の固体高分子型燃料電池システムを示す概略系統図。
【符号の説明】
１ 燃料改質システム
１ａ 燃料部
２ 燃料電池本体
２ａ 燃料極
２ｂ 空気極
３ 気液分離器
４ 凝縮熱交換器
５ ブロア
６ 直接接触式凝縮熱交換器
７ 間接接触式凝縮熱交換器
８ バブリング室
９ ポンプ
１０ 外部ケーシング
１１ 内部ケーシング
１２ 気液分離部
１３ 凝縮部
１４ 凝縮水貯水部
１５ バブリング部
１６ 燃料極用入口
１７ 燃焼部用出口
１８ａ，１８ｂ，１８ｃ 配管
１９ 酸化剤排ガス用入口
２０ 酸化剤排ガス用出口
２１ 伝熱管
２２ 伝熱管入口
２３ 伝熱管出口
２４ 透孔板
２５ 第１貯水室
２６ 第１仕切板
２７ 第２貯水室
２８ バブリング室
２９ 第２仕切板
３０ 第３貯水室
３１ 第３仕切板
３２ 折曲げ部
３３ 天上板
３４ 長孔
３５ 空気管
３６ バブリングストーン
３７ 凝縮水供給管
３８ エキスパンドメタル板
３９ 貯水室
４０ パンチングメタル板
４１ 孔
４２ 支柱
Claims (16)
- 電解質膜に固体高分子を用いた燃料電池本体に、凝縮熱交換器を組み合せた固体高分子型燃料電池システムにおいて、
前記凝縮熱交換器は外側に外部ケーシングを、内側に内部ケーシングを備えて二重容器にするとともに、前記外部ケーシングと前記内部ケーシングとの間に形成した気液分離部と、前記内部ケーシングの内側のうち、頭部側に形成した凝縮部と、底部側に形成した凝縮水貯水部とを備えるとともに、
前記外部ケーシングは、前記燃料電池本体の燃料極から案内された未反応な水素、炭酸ガス、水蒸気および水を含む排ガスを案内する燃料極用入口と、前記気液分離部により分離された前記排ガスを外部に供給する排ガス用出口とを備え、
前記内部ケーシングは、前記燃料電池本体の空気極から供給された炭酸ガスを含む水蒸気である酸化剤排ガスを前記凝縮部に案内する酸化剤排ガス用入口と、前記凝縮部で熱交換後の前記酸化剤排ガスを外部に供給する酸化剤排ガス用出口とを備え、
前記気液分離部と前記凝縮水貯水部とを互いに接続させる構成にしたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。 - 前記凝縮部と前記凝縮水貯水部との間には透孔板を備えたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記凝縮部は、伝熱管を収容し、前記伝熱管の管外に前記酸化剤排ガスを、前記伝熱管の管内に冷却水を流して熱交換させることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記伝熱管は、蛇行状に配置したことを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記伝熱管は、螺旋状に形成するとともに、蛇行状に配置したことを特徴とする請求項３記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記螺旋状に形成した伝熱管は、中心軸に支柱を備えたことを特徴とする請求項５記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記凝縮部は、前記凝縮部の頭部側から底部側に向かって蛇行状に配置された伝熱管を収容するとともに、隣接する前記伝熱管の中間部分に前記伝熱管の軸方向に向って仕切手段を備えたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記仕切手段は、網目状で構成したことを特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記仕切手段は、孔あき板で構成したことを特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記孔あき板は、孔の密度分布を異ならしめたことを特徴とする請求項９記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記気液分離部は、入口を前記外部ケーシングの底部側に備えるとともに、出口を前記外部ケーシングの頭部側に備えたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記凝縮水貯水部は、前記気液分離部からの凝縮水と前記凝縮部からの凝縮水とを合流させて一旦溜める貯水室と、前記合流凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去するバブリング室とを備えたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記貯水室および前記バブリング室は、互いを仕切板で区画するとともに、各室を区画する仕切板の開口を、凝縮水が蛇行状に流れるように、互い違いに配置したことを特徴とする請求項１２記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記バブリング室を区画する前記仕切板は、折曲げ部を境に前記内部ケーシングに向って傾斜状に延びる天上板を備えたことを特徴とする請求項１３記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記天上板は長孔を備えたことを特徴とする請求項１４記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記バブリング室は、空気を気泡にして前記凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去するバブリングストーンを収容したことを特徴とする請求項１２記載の固体高分子型燃料電池システム。
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