JP4992178B2 - 燃料電池発電システム - Google Patents
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Description
供給通路とオフガスリターン通路との合流域よりも下流側の供給通路に設けられた回転式の酸化剤オフガス搬送駆動源と、高分子型の燃料電池の水入口から水出口にかけて燃料電池の外部を循環するように設けられ燃料電池を冷却させる冷却水を循環させる循環路と、循環路に設けられ循環路の冷却水を循環路において循環させる冷却水搬送源と、循環路を流れる冷却水を冷却させる冷却器とを具備しており、
供給通路において合流域よりも上流側に、酸化剤ガスを加熱する加熱部が設けられており、
加熱部は、循環路および供給通路に設けられ供給通路のうち合流域よりも上流の酸化剤ガスを循環路の冷却水との熱交換により加熱させる熱交換器を備えていることを特徴とするものである。この場合、酸化剤ガス搬送駆動源が回転駆動すると、酸化剤ガスは酸化剤ガス搬送駆動源で搬送されて供給通路を経て燃料電池の酸化剤極に供給される。燃料電池の燃料極には燃料も供給されているので、酸化還元反応により電気エネルギが生成される。酸化還元反応により電気エネルギが生成されるとき、燃料電池の酸化剤極では水が生成するため、燃料電池の酸化剤極から吐出される反応後の酸化剤オフガスは、湿ったものとなる。
本発明の参考形態1について図1を参照して説明する。本参考形態によれば、燃料電池1が設けられている。燃料電池1はセルを多数個積層したスタックされている。燃料電池1は、高分子型の電解質膜10と、電解質膜10を挟持する酸化剤極11及び燃料極12とをもつ。更に、燃料電池1の酸化剤極11に発電用の酸化剤ガス(一般的には空気)を供給する酸化剤ガス用の供給通路2が設けられている。燃料電池1の燃料極12に発電用の燃料ガスを供給する燃料ガス用の供給通路6が設けられている。
本発明の参考形態2について図2を参照して説明する。本参考形態は参考形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、参考形態1と異なる部分を中心として説明する。本参考形態によれば、吐出通路3の流路径D1とオフガスリターン通路4の流路径D2とは異なるように設定されている。この場合、吐出通路3の流路径D1とオフガスリターン通路4の流路径D2とにより、吐出通路3の出口3aから吐出される酸化剤オフガスと、オフガスリターン通路4を流れる酸化剤オフガスとの流量比率を調整することができる。このため反応後の湿った酸化剤オフガスの一部によって、燃料電池1の酸化剤極11に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿量を調整することができる。
本発明の参考形態3について図3を参照して説明する。本参考形態は参考形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、参考形態1と異なる部分を中心として説明する。本参考形態によれば、吐出通路3とオフガスリターン通路4との分岐域40に、流量調整弁としての三方弁70が設けられている。三方弁70の働きにより、吐出通路3の出口3aから吐出される酸化剤オフガスと、オフガスリターン通路4を流れる酸化剤オフガスとの流量比率を調整することができる。このため反応後の湿った酸化剤オフガスの一部によって、燃料電池1に供給される反応前の酸化剤ガスを加湿する加湿量を調整することができる。
本発明の参考形態4について図4を参照して説明する。本参考形態は参考形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、参考形態1と異なる部分を中心として説明する。本参考形態によれば、オフガスリターン通路4には、オフガスリターン通路4を流れる流量を可変に制御する流量制御弁72が設けられている。この場合、流量制御弁72により、オフガスリターン通路4を流れる酸化剤オフガスの流量を制御できる。ひいては、吐出通路3の出口3aから吐出される酸化剤オフガスと、オフガスリターン通路4を流れる酸化剤オフガスとの流量比率を調整することができる。このため反応後の湿った酸化剤オフガスの一部によって、燃料電池1の酸化剤極11に供給される酸化剤ガスを加湿する加湿量を調整することができる。
本発明の参考形態5について図5を参照して説明する。本参考形態は参考形態1と基本的には同様の構成、作用効果を有する。以下、参考形態1と異なる部分を中心として説明する。本参考形態によれば、供給通路2において合流域42の上流側に、酸化剤ガスを加熱する加熱部74が設けられている。燃料電池1の発電反応は発熱を伴うので、燃料電池1の酸化剤極11の出口11pから吐出される反応後の酸化剤オフガスは暖かい。また、季節、地域等によって、供給通路2を流れる反応前の酸化剤ガスが低温であるときがある。このように供給通路2を流れる酸化剤ガスが低温であるとき、燃料電池1から吐出された暖かい酸化剤オフガスが供給通路2の低温の酸化剤ガスと合流域42において合流すると、暖かい酸化剤オフガス中の湿分が凝縮して液体状の凝縮水が生成するおそれがある。この場合、燃料電池1の酸化剤極11に供給する反応前の酸化剤ガスを均一に加湿させるという点では、好ましいものではない。この点について本参考形態によれば、供給通路2において合流域42の上流側に、酸化剤ガスを加熱する加熱部74が設けられている。このため、燃料電池1に供給される酸化剤ガスは合流前に加熱部74で加熱され、上記した凝縮水の生成を抑制することができる。この場合、反応前の酸化剤ガスを均一に加湿させるという点で有利となる。
本発明の実施形態1について図6を参照して説明する。本実施形態は参考形態1と基本的には同様の構成及び作用効果を有する。以下、参考形態1と異なる部分を中心として説明する。燃料電池1の発電反応は熱を伴うため、燃料電池1の発電運転を長時間にわたり継続させるためには、燃料電池1を積極的に冷却させる必要がある。本実施形態によれば、燃料電池1を冷却するために、冷却媒体としての冷却水を循環させる循環路8が設けられている。循環路8は、燃料電池1の水出口1cから吐出され燃料電池1の水入口1bに戻るように設けられており、ポンプ等の冷却水搬送源80と、循環路8を流れる冷却水を冷却する冷却器81(例えばラジエータ)とをもつ。従って、冷却器81で冷却された循環路8の冷却水は、燃料電池1の冷却路を通って燃料電池1を冷却し、燃料電池1の水出口1cから吐出され、冷却器81で冷却され、燃料電池1の冷却路に再び流入する。このように冷却水が循環路8を循環することにより、燃料電池1を冷却する。
上記した各参考および実施形態によれば、加湿器は廃止されているが、合流域42において合流させる酸化剤オフガスの流量が少ないときには、加湿器を小型化しつつ、設けても良い。上記した各参考および実施形態によれば、回転式の酸化剤ガス搬送駆動源5はポンプまたはブロアで形成されているが、これに限らず、酸化剤ガスを圧縮させる能力が大きいコンプレッサとすることもできる。コンプレッサを用いれば、酸化剤ガスが圧縮されて酸化剤ガスの温度は上昇するため、燃料電池1の酸化剤極11に供給する酸化剤ガスを加熱する加熱部を廃止または簡略化することもできる。
その他、本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更して実施できるものである。上記した記載から次の技術的思想も把握できる。
[付記項1]燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する供給通路と、燃料電池の酸化剤極から吐出された酸化剤オフガスを流す吐出通路と、供給通路に繋がり燃料電池の酸化剤極の出口から吐出される酸化剤オフガスが流れると共に燃料電池から吐出された湿った酸化剤オフガスの少なくとも一部を供給通路に戻すオフガスリターン通路とを具備する燃料電池発電システムにおいて、供給通路とオフガスリターン通路との合流域よりも下流側の供給通路に回転式の酸化剤オフガス搬送駆動源が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システム。
Claims (3)
- 高分子型の電解質膜を有する燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給する供給通路と、
前記燃料電池の酸化剤極から吐出された酸化剤オフガスを流す吐出通路と、
前記吐出通路と前記供給通路とを連通すると共に、前記燃料電池から吐出された湿った酸化剤オフガスの少なくとも一部を前記供給通路に戻すオフガスリターン通路とを具備する燃料電池発電システムにおいて、
前記供給通路と前記オフガスリターン通路との合流域よりも下流側の前記供給通路に設けられた回転式の酸化剤オフガス搬送駆動源と、高分子型の燃料電池の水入口から水出口にかけて燃料電池の外部を循環するように設けられ燃料電池を冷却させる冷却水を循環させる循環路と、前記循環路に設けられ前記循環路の冷却水を前記循環路において循環させる冷却水搬送源と、前記循環路を流れる冷却水を冷却させる冷却器とを具備しており、
前記供給通路において前記合流域よりも上流側に、酸化剤ガスを加熱する加熱部が設けられており、
前記加熱部は、前記循環路および前記供給通路に設けられ前記供給通路のうち前記合流域よりも上流の酸化剤ガスを前記循環路の冷却水との熱交換により加熱させる熱交換器を備えていることを特徴とする燃料電池発電システム。 - 請求項1において、前記吐出通路の流路径と前記オフガスリターン通路の流路径とは異なることを特徴とする燃料電池発電システム。
- 請求項1または請求項2において、前記オフガスリターン通路に流す酸化剤オフガス流量を調整する流量調整弁が設けられていることを特徴とする燃料電池発電システムの酸化剤ガス供給装置。
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