JP5495637B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

従来の燃料電池システムとして、灯油や液化石油ガス等の原燃料を改質することにより、水素を含有する改質ガスを生成する改質器と、その改質ガス中の水素と空気中の酸素とを電気化学反応させることにより発電を行う燃料電池と、を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−１７０５９１号公報

上述したような燃料電池システムは、近年、一般家庭に普及しつつあり、そのため、更なる構造の単純化が望まれている。そこで、本発明は、小型化を図ることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る燃料電池システムは、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器と、改質ガスを加湿する第１加湿器と、エアポンプにより圧送された空気を加湿する第２加湿器と、第１加湿器により加湿された改質ガス及び第２加湿器により加湿された空気を用いて発電する燃料電池と、水ポンプ及びイオン交換器を含み、水ポンプによりイオン交換器に水を循環供給する水処理系と、第２加湿器及び水処理系に接続される流路と、流路に設けられ、第２加湿器の給排水用の１つの弁と、を備え、流路は、水ポンプの下流側であって、イオン交換器の上流側に接続され、水処理系は、水ポンプの上流側に水回収タンクを含み、第１加湿器内の水は、水処理系においてイオン交換器を介することなく水回収タンクに排出されること、を特徴として構成される。

この燃料電池システムでは、燃料電池が発電に用いる空気を加圧する第２加湿器と、イオン交換器に水を循環供給する水ポンプを有する水処理系とが、弁が設けられた１つの流路で接続されており、その流路が水ポンプの下流側であって、イオン交換器の上流側に接続されている。このように構成されることで、水処理系から第２加湿器内へ水を供給する場合には、イオン交換器の圧損が流路より大きいため、弁を開くことにより、加湿器へ水が供給される。他方、第２加湿器から水処理系へ水を排出する場合には、弁を開くとともに水ポンプを停止することにより、大気と第２加湿器内との圧力差により第２加湿器から水が排出される。このように、第２加湿器への供給用及び第２加湿器からの排出用の弁をそれぞれ備えることなく、１つの弁で給排水を行うことができる。これにより、部品点数を減少することが可能となる。従って、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

ここで、水処理系は、第２加湿器の鉛直下方に配置されていることが好適である。このように構成されることで、第２加湿器から水処理系へ水を排出する場合には、弁を開くとともに水ポンプを停止することにより、大気と第２加湿器内との圧力差に加えて重力により第２加湿器から水を排出することが可能となる。

本発明によれば、燃料電池システムの小型化を図ることができる。

本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の正面図である。 図１の燃料電池システムの平面図である。 図１の燃料電池システムの概略流路図の一部である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本発明に係る燃料電池システムの一実施形態の正面図であり、図２は、図１の燃料電池システムの平面図である。図１，２に示されるように、燃料電池システム１は、原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器２と、改質ガスを用いて発電を行う固体高分子形の燃料電池３と、を備えている。燃料電池システム１は、家庭用の電力供給源として利用され、原燃料としては、液化石油ガス（ＬＰＧ）が用いられる。

改質器２の前側には、脱硫器４が配置されている。脱硫器４は、外部から導入された原燃料に対し、脱硫触媒によって脱硫を施す。脱硫器４によって硫黄分が除去された原燃料は、改質器２に導入される。改質器２は、改質触媒によって原燃料を水蒸気改質させて、水素を含有する改質ガスを生成する。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であるため、改質器２には、改質触媒を加熱するためのバーナが設けられている。

改質器２によって生成された改質ガスは、改質器２の前側に配置されたＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６に順次に導入される。ＣＯ変成器５は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を水素シフト反応させて、水素及び二酸化炭素に転換する。ＣＯ除去器６は、改質ガス中の一酸化炭素濃度を更に低下させるために、改質ガスに含まれる一酸化炭素を選択的に酸化して、二酸化炭素に転換する。

ＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６よって処理された改質ガスは、燃料電池３の前側に配置された加湿器７に導入される。加湿器７に導入された改質ガスは、加湿器７内に貯留された水を気泡として通過することにより加湿され、燃料電池３のアノードに供給される。

改質器２に対し燃料電池３と反対側には、エアポンプ８が配置されている。エアポンプ８によって圧送された空気は、燃料電池３の前側において加湿器７と並設された加湿器９に導入される。加湿器９に導入された空気は、加湿器９内に貯留された水を気泡として通過することにより加湿され、燃料電池３のカソードに供給される。このエアポンプ８により、加湿器９内は大気圧より高い圧力となる。

燃料電池３は、複数の電池セルが積層されたスタック構造として構成されている。各電池セルは、アノード、カソード、及びそれらの間に配置された高分子膜を有している。上述したように、燃料電池３に供給される改質ガス及び空気が加湿されるのは、燃料電池３の電解質である高分子膜が高い伝導性を維持するためには高分子膜が加湿される必要があるからである。燃料電池３の各電池セルにおいては、アノードに供給された改質ガス中の水素とカソードに供給された空気中の酸素とが電気化学反応を起こして、直流の電力が発生する。

燃料電池３で発生した電力は、エアポンプ８の下側に配置されたコンバータ１１及びインバータ１２を介して、家庭に供給される。コンバータ１１は、直流の電力の電圧を変圧する。インバータ１２は、変圧された電力を直流から交流に変換する。

ところで、改質ガス中に気化して燃料電池３のアノードに供給された水のうちの余剰分は、循環して、再び加湿器７内に貯留される。一方、空気中に気化して燃料電池３のカソードに供給された水のうちの余剰分は、水回収タンク１３内に貯留される。水回収タンク１３は、燃料電池３の下側に設けられた収容部１０内に配置されている。

各加湿器７，９内に貯留された水は、水ポンプ（不図示）、水回収タンク１３及びイオン交換器１４を含む水処理系に所定時間毎に導入される。イオン交換器１４は、水回収タンク１３と同様に、収容部１０内に配置されている。すなわち、水処理系は、各加湿器７，９の鉛直下方に配置されている。各加湿器７，９から水処理系に導入された水は、イオン交換器１４に循環供給されて処理された後、各加湿器７，９に戻される。

また、燃料電池３のアノードに供給された改質ガスのうちの余剰分（いわゆるオフガス）は、改質触媒を加熱するために改質器２に設けられたバーナの燃料として利用される。このバーナは、燃料電池システム１の起動時には、脱硫器４によって脱硫された原燃料を利用する。一方、燃料電池３のカソードに供給された空気のうちの余剰分は、外部に排気される。

更に、燃料電池システム１には、家庭用の水が貯留される貯湯ユニットＡが接続される。貯湯ユニットＡ内に貯留された水は、導入口１５から熱回収系に導入され、熱回収系を循環した後、導出口１６から貯湯ユニットＡに戻される。収容部１０内には、熱回収系の一部を構成する余剰電力ヒータ１７が配置されている。余剰電力ヒータ１７は、燃料電池３で発生した電力のうちの余剰分を利用して、熱回収系に導入された水（貯湯水）を加熱する。熱回収系は、これに加え、燃料電池３の排熱等も利用して、導入された貯湯水を加熱する。

以上の燃料電池システム１の構成機器類は、いわゆるアングル材からなるフレーム体１８によって支持され、直方体箱状の外装体１９内に収容されている。なお、収容部１０内には、水回収タンク１３、イオン交換器１４及び余剰電力ヒータ１７の他、各種ポンプや電磁弁等の電装機器類２０が配置されている。電装機器類２０は、改質器２や燃料電池３等の動作に用いられる。

上述した燃料電池システム１の燃料電池３、加湿器７，９、及び水処理系に関する流路について説明する。図３は、燃料電池システム１の概略流路図の一部である。図３に示されるように、加湿器７には、ＣＯ変成器５及びＣＯ除去器６よって処理された改質ガスが導入される配管Ｈ１が設けられている。そして、加湿器７と燃料電池３のアノードとの間には、加湿器７からアノードへ加湿した改質ガスを流通させる配管Ｈ２、及びアノードから加湿器７へ改質ガス中に気化した水のうちの余剰分を流通させる配管Ｈ３が設けられている。このため、配管Ｈ１により導入された改質ガスは、加湿器７で加湿され、配管Ｈ２を流通してアノードへ供給されて発電に利用されるとともに、気化した水のうちの余剰分が配管Ｈ３を流通して再び加湿器７に戻される。

一方、加湿器９には、エアポンプ８により空気が導入される配管Ｈ４が設けられている。そして、加湿器９と燃料電池３のカソードとの間には、加湿した空気を加湿器９からカソードへ流通させる配管Ｈ５が設けられている。なお、カソードには、発電により生成された水を水回収タンク１３へ流通させる配管Ｈ６が設けられている。このため、配管Ｈ４により導入された空気は、加湿器９で加湿され、配管Ｈ５を流通してカソードへ供給されて発電に利用されるとともに、発電により生成された水が配管Ｈ６を流通して水回収タンク１３へ流通される。

また、加湿器９内に貯留された水を冷却水として燃料電池３へ導入する配管Ｈ７、燃料電池３から加湿器９内へ冷却水を流通させる配管Ｈ８が設けられている。配管Ｈ７には、冷却水を循環させるポンプ４０が配置されている。冷却水は、ポンプ４０により配管Ｈ７を流通して燃料電池３へ流通され、燃料電池３が発生する熱によって加熱され、配管Ｈ７を流通して熱回収系を循環した後、加湿器９に戻される。熱回収系として、配管Ｈ７には冷却水と貯湯水との間で熱交換を行う熱交換器２７を備えている。このため、冷却水により回収された燃料電池３の熱は、貯湯ユニットＡに戻される貯湯水へ授受される。

また、加湿器７には、水処理系３０から水を導入するための配管Ｈ９、及び、水処理系３０へ水を排出するための配管Ｈ１０が設けられている。配管Ｈ９には水処理系３０からの給水を制御する電磁弁４４が設けられ、配管Ｈ１０には水処理系３０への排水を制御する電磁弁４５が設けられている。一方、加湿器９と水処理系３０との間には、１つの配管Ｈ１１が設けられている。そして、配管Ｈ１１には加湿器９の給排水を制御する電磁弁４６が設けられている。上述した電磁弁４４〜４６は、電装機器類２０によりその開閉が制御される。

水処理系３０は、上記加湿器７，９よりも鉛直下方に配置されている。水処理系３０は、水回収タンク１３、水ポンプ４１及びイオン交換器１４を有しており、これらに水を流通させる循環系として構成されている。水回収タンク１３に回収された水は、水ポンプ４１によりイオン交換器１４へ導入され、イオン交換器１４のイオン交換樹脂によりイオン除去されて再び水回収タンク１３へ戻される。水ポンプ４１は、電装機器類２０によりその動作が制御される。上述した配管Ｈ９，Ｈ１１は、水ポンプ４１の下流側であって、イオン交換器１４の上流側に接続されている。

加湿器７，９では、発電に用いられる水を循環させているため、加湿器７，９内の水が濃縮したり汚れ等により劣化したりする場合がある。このため、加湿器７，９内の水の電気伝導度が高くなった場合や、所定時間が経過した場合には、加湿器７，９内の水が水処理系３０へ排出されるとともに、水処理系３０から処理された水が導入される。

加湿器７，９の給排水の動作を説明する。なお、特に明示しない限り、電磁弁４４〜４６は閉められており、水処理系３０の水ポンプ４１は動作しているものとする。まず、加湿器７に水を供給する場合を説明する。この場合、電磁弁４４を開とすることにより、水処理系３０のイオン交換器１４の圧損が配管Ｈ９の圧損より大きいため、配管Ｈ９を流通した水が加湿器７へ導入される。次に、加湿器７から水を排出する場合を説明する。この場合、加湿器７の内圧と大気圧との差及び重力により、電磁弁４５を開とすることによって、加湿器７内の水が配管Ｈ１０を流通して水回収タンク１３へ導入される。このように、加湿器７では、必要な場合には、水処理系３０から水が供給され、水処理系３０へ水が排出される。なお、加湿器７では、Ｈ_２、ＣＯ_２等のいわゆるプロセスガスを含む改質ガスを加湿しているので水にＣＯ_２が溶解している。このため、加湿器７からの排水を水回収タンク１３へ排出して脱気し、その後イオン交換器１４に導入する構成としている。このように構成することにより、改質ガスから常時供給されるＣＯ_２を直接イオン交換することを回避できるので、イオン交換器１４のイオン交換樹脂の劣化を防止することができる。

次に、加湿器９に水を供給する場合を説明する。この場合、電磁弁４６を開とすることにより、水処理系３０のイオン交換器１４の圧損が配管Ｈ１１の圧損より大きいため、配管Ｈ１１を流通した水が加湿器９へ導入される。次に、加湿器９から水を排出する場合を説明する。この場合、電磁弁４６を開とするとともに、水ポンプ４１を停止することにより、エアポンプ８により加圧された加湿器９の内圧と大気圧との差及び重力によって、加湿器９内の水が配管Ｈ１１を流通して、水ポンプ４１の下流側かつイオン交換器１４の上流側に供給される。このように、加湿器９では、１つの電磁弁４６を用いて、水処理系３０から水を供給することができるとともに、水処理系３０へ水を排出することが可能となる。なお、加湿器９では、エアポンプ８により導入された空気を加湿しているので、加湿器９に貯留されている水は、加湿器７に貯留されている水ほどＣＯ_２を含有していない。このため、加湿器９の水を直接イオン交換することができるので、給排水の電磁弁の共用化を実現することができる。

以上、実施形態に係る燃料電池システム１では、燃料電池３が発電に用いる空気を加圧する加湿器９と、イオン交換器１４に水を循環供給する水ポンプ４１を有する水処理系３０とが、電磁弁４６が設けられた１つの配管Ｈ１１で接続されており、その配管Ｈ１１が水ポンプ４１の下流側であって、イオン交換器１４の上流側に接続されている。このように構成されることで、水処理系３０から加湿器９内へ水を供給する場合には、電磁弁４６を開くことにより、イオン交換器１４の圧損により加湿器９へ水が供給される。他方、加湿器９から水処理系３０へ水を排出する場合には、電磁弁４６を開くとともに水ポンプ４１を停止することにより、大気と加湿器９内との圧力差及び重力によって、加湿器９から水が排出される。このように、加湿器９への供給用及び加湿器９からの排出用の電磁弁４６をそれぞれ備えることなく、１つの電磁弁で給排水を行うことができる。これにより、部品点数を減少することが可能となる。このため、電磁弁の削減及び附随する配管等がなくなりコストダウン及びスペースの有効利用ができる。従って、燃料電池システム１の小型化を図ることができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではない。

改質器２は、水蒸気改質するものに限定されず、部分酸化改質やオートサーマル改質するものであっても良く、原燃料として、灯油、天然ガス、都市ガス、メタノール或いはブタン等を用いるものであっても良い。

また、燃料電池３は、固体高分子形に限定されず、アルカリ電解質形、リン酸形、溶融炭酸塩形或いは固体酸化物形等であっても良い。

また、上述した実施形態では、電磁弁４６を用いる例を説明したが、モータ駆動の電動弁等であってもよい。

１…燃料電池システム、２…改質器、３…燃料電池、８…エアポンプ、１４…イオン交換器、３０…水処理系、４１…水ポンプ、４６…電磁弁（弁）、Ｈ１１…配管（流路）。

Claims (3)

1. 原燃料を改質することにより改質ガスを生成する改質器と、
   前記改質ガスを加湿する第１加湿器と、
   エアポンプにより圧送された空気を加湿する第２加湿器と、
   前記第１加湿器により加湿された前記改質ガス及び前記第２加湿器により加湿された前記空気を用いて発電する燃料電池と、
   水ポンプ及びイオン交換器を含み、前記水ポンプにより前記イオン交換器に水を循環供給する水処理系と、
   前記第２加湿器及び前記水処理系に接続される流路と、
   前記流路に設けられ、前記第２加湿器の給排水用の１つの弁と、
   を備え、
   前記流路は、前記水ポンプの下流側であって、前記イオン交換器の上流側に接続され、
   前記水処理系は、前記水ポンプの上流側に水回収タンクを含み、
   前記第１加湿器内の水は、前記水処理系において前記イオン交換器を介することなく前記水回収タンクに排出されること、
   を特徴とする燃料電池システム。
2. 前記水処理系は、前記第２加湿器の鉛直下方に配置されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
3. 前記流路は、１つであることを特徴とする請求項１又は２記載の燃料電池システム。

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