JP6331179B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を備える燃料電池システムに関する。

燃料電池は、燃料極に供給される水素と、空気極に供給される空気中の酸素とが化学反応することにより、発電を行う。水素は、一般的に、外部から改質器に供給される燃料ガスと水とが改質器で反応して生成される。また、改質器で利用される水をシステム内で生成する燃料電池システムも知られている。例えば、ファン、ラジエーター、インタークーラー等から成る冷却装置を備える燃料電池システムにおいては、冷却装置は、燃料電池から排気される水分を含むオフガスを冷却して、水を生成する。生成された水は、改質器で利用される（特許文献１）。

特開２００３−２３４１２１号公報

冷却装置を備える燃料電池システムは、燃料電池で発電した電気を、冷却装置を稼動するための電気として消費するため、発電効率が悪い。

本発明は、改質器で利用される水を効率良く生成することができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給ラインと、触媒上で燃料ガスと水とを反応させて水素を生成し、生成された水素を前記燃料電池に供給する改質器と、前記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、屋内の内気を排気する排気ラインと、外気を屋内に吸気する吸気ラインと、前記燃料電池から排気されるオフガスが流通し、前記排気ラインを流通する内気にオフガスを合流させるオフガスラインと、前記吸気ラインを流通する外気中の水分を吸着しながら、前記排気ラインを流通するオフガス合流後の内気により再生される除湿ロータと、前記除湿ロータを通過したオフガス合流後の内気を冷却する熱交換器と、前記熱交換器で生成した凝縮水を前記改質器に供給する水供給ラインと、を備える、燃料電池システムに関する。

また、前記吸気ラインを流通する外気と前記排気ラインを流通する内気との間で熱交換を行う熱交換ロータを更に備えることが好ましい。

また、前記オフガスラインの一方の端部は、オフガス噴出口となっており、
前記オフガス噴出口は、前記除湿ロータに対向するように配置されていることが好ましい。

本発明によれば、改質器で利用される水を効率良く生成することができる燃料電池シス
テムを提供することができる。

本発明の実施形態の燃料電池システム１を示す概略図である。 本発明の実施形態のオフガスラインＬ９と除湿ロータ１７の相対位置関係を示す概略図である。

以下、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１について図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。図２は、本発明の実施形態によるオフガスラインＬ９と除湿ロータ１７の相対位置関係を示す概略図である。以下の説明において、「ライン」とは、流路、経路、管路等の総称である。

図１に示すように、燃料電池システム１は、燃料電池１１と、改質器１３と、熱交換器１５と、水貯留部１６と、除湿ロータ１７と、熱交換ロータ１９と、ポンプ５０とを備える。

また、燃料電池システム１は、燃料ガス供給ラインＬ１と、水供給ラインＬ３と、水素供給ラインＬ５と、空気供給ラインＬ７と、オフガスラインＬ９と、排気ラインＬ１１と、吸気ラインＬ１３とを備える。

ここで、ラインの説明に必要な構成要件について、まず必要最小限の説明をし、詳しくは後述する。改質器１３は、燃料ガスＧ１と水Ｗとを反応させて水素Ｇ３を生成する。水貯留部１６は、水Ｗを貯留する。除湿ロータ１７は、屋外から吸気される外気Ａ３の水分を吸着しながら、高温のオフガスＧ５により水分を脱離する。熱交換器１５は、除湿ロータ１７を通過したオフガス合流後の内気Ａ２を冷却する。熱交換ロータ１９は、屋外から吸気される外気Ａ３と屋内２１から排気される内気Ａ２との間で熱交換を行う。ポンプ５０は、水貯留部１６からの水Ｗを加圧する。

燃料ガス供給ラインＬ１の一端部は、都市ガス等の燃料ガスＧ１を供給可能な燃料ガス
供給部（図示せず）に接続され、燃料ガス供給ラインＬ１の他端部は、改質器１３に接続されている。燃料ガスＧ１は、燃料ガス供給部から燃料ガス供給ラインＬ１を流通して、改質器１３に供給される。

水供給ラインＬ３は、第１水供給ラインＬ３１及び第２水供給ラインＬ３２から構成されている。第１水供給ラインＬ３１の一端部は、水貯留部１６に接続され、第１水供給ラインＬ３１の他端部は、改質器１３に接続されている。また、第２水供給ラインＬ３２の一端部は、熱交換器１５に接続され、第２水供給ラインＬ３２の他端部は、水貯留部１６に接続されている。第１水供給ラインＬ３１の途中には、改質器１３に水Ｗを供給するために水貯留部１６からの水Ｗを加圧するポンプ５０が接続されている。ポンプ５０の駆動によって、水貯留部１６内の水Ｗは、水貯留部１６から第１水供給ラインＬ３１を流通して、改質器１３へ供給される。また、熱交換器１５において、オフガス合流後の内気Ａ２の冷却によって生成される水Ｗは、第２水供給ラインＬ３２を流通して、水貯留部１６に供給される。

水素供給ラインＬ５の一端部は、改質器１３に接続され、水素供給ラインＬ５の他端部は、燃料電池１１に接続されている。改質器１３において生成される水素Ｇ３は、水素供給ラインＬ５を流通して、燃料電池１１に供給され、発電に用いられる。

空気供給ラインＬ７の一端部は、酸素を含む空気Ａ１を燃料電池１１に供給するための空気供給部としてのファン（図示せず）及びフィルタ（図示せず）に接続され、空気供給ラインＬ７の他端部は、燃料電池１１に接続されている。また、空気供給ラインＬ７の途中には、熱交換器１５が接続されている。ファンから送気されフィルタを通過した空気Ａ１は、空気供給ラインＬ７を流通して、熱交換器１５を通過した後、燃料電池１１に供給される。

排気ラインＬ１１の一端部は、屋内２１に接続され、排気ラインＬ１１の他端部は、屋外（図示せず）に開放されている。つまり、排気ラインＬ１１は、屋内２１と屋外とを連通する。また、排気ラインＬ１１の上流側には、熱交換ロータ１９が配置され、排気ラインＬ１１の下流側には、熱交換器１５が接続され、熱交換ロータ１９と熱交換器１５との間には、除湿ロータ１７が配置されている。屋内２１から排気される内気Ａ２は、排気ラインＬ１１を通して、屋外へ向けて流通する。より詳しくは、屋内２１から排気される内気Ａ２は、排気ラインＬ１１を流通して、熱交換ロータ１９を通過する。熱交換ロータ１９を通過した内気Ａ２は、排気ラインＬ１１の途中で燃料電池１１から排気されるオフガスＧ５と合流した後、除湿ロータ１７を通過する。除湿ロータ１７を通過したオフガス合流後の内気Ａ２は、更に、熱交換器１５を通過して、屋外へ向けて流通する。

オフガスラインＬ９の一端部は、燃料電池１１に接続され、オフガスラインＬ９の他端部は、ライン接続部４０において排気ラインＬ１１に接続されている。燃料電池１１から排気されるオフガスＧ５は、オフガスラインＬ９を通して、排気ラインＬ１１に向けて流通する。図２に示すように、オフガスラインＬ９の他端部としてのオフガス噴出口Ｌ９１は、排気ラインＬ１１において、除湿ロータ１７の上流側に対向している。

吸気ラインＬ１３の一端部は、屋外（図示せず）に開放され、吸気ラインＬ１３の他端部は、屋内２１に接続されている。つまり、吸気ラインＬ１３は、屋外と屋内２１とを連通する。また、吸気ラインＬ１３の上流側には除湿ロータ１７が配置され、吸気ラインＬ１３の下流側には熱交換ロータ１９が配置されている。屋外から吸気される外気Ａ３は、吸気ラインＬ１３を流通して、屋内２１へ吸気される。より詳しくは、屋外から吸気される外気Ａ３は、吸気ラインＬ１３を流通して、除湿ロータ１７を通過し、その後、熱交換ロータ１９を通過して、屋内２１へ向けて流通する。

燃料電池１１は、高温型の燃料電池であるＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）である。燃料電池１１においては、改質器１３から供給される水素Ｇ３と、空気供給ラインＬ７から供給される空気Ａ１中の酸素とが反応することにより、発電が行われる。燃料電池１１において発電を行うときの温度である運転温度は、７００℃〜１０００℃と高温である。

改質器１３は、触媒を有している。第１水供給ラインＬ３１を通して供給される水Ｗと、燃料ガス供給ラインＬ１を通して供給される燃料ガスＧ１とが、改質器１３の触媒上で反応する。この反応により、改質器１３において、水素Ｇ３が生成される。生成された水素Ｇ３は、水素供給ラインＬ５を通して燃料電池１１に供給される。

熱交換器１５は、除湿ロータ１７を通過したオフガス合流後の内気Ａ２の熱を媒体に伝達させる。熱交換器１５は、空気供給ラインＬ７の途中に接続され、且つ除湿ロータ１７の下流側の排気ラインＬ１１に接続されている。除湿ロータ１７を通過したオフガス合流後の内気Ａ２は、排気ラインＬ１１を通して、熱交換器１５に向けて流通する。熱交換器１５において、除湿ロータ１７を通過したオフガス合流後の内気Ａ２は、空気供給ラインＬ７を流通する空気Ａ１を加熱する。加熱されて高温になった空気Ａ１は、燃料電池１１に供給され、発電に使われる。また、除湿ロータ１７を通過したオフガス合流後の内気Ａ２は、水分を吸着した除湿ロータ１７の再生により、水分を多く含む。熱交換器１５は、オフガス合流後の内気Ａ２の含まれる水分を空気Ａ１で冷却して凝縮させ、水Ｗを生成する。

水貯留部１６は、改質水としての水Ｗを貯留する。水Ｗは、熱交換器１５で生成されて、第２水供給ラインＬ３２を流通して水貯留部１６へ供給される。水貯留部１６へ供給された水Ｗは、第１水供給ラインＬ３１の途中に接続されるポンプ５０の駆動により、第１水供給ラインＬ３１を流通して改質器１３へ供給される。

除湿ロータ１７は、屋外から吸気される外気Ａ３の水分を吸着しながら、高温のオフガスＧ５により水分を脱離する。除湿ロータ１７は、ライン接続部４０よりも下流側の排気ラインＬ１１と、吸気ラインＬ１３とを跨ぐように設けられている。除湿ロータ１７の内部には、水分を吸着するための吸着剤が充填されている。また、除湿ロータ１７は、第１の吸着部１７Ａと第２の吸着部１７Ｂ（図２参照）とを有し、排気ラインＬ１１及び吸気ラインＬ１３の流通方向に沿って設けられた軸心１７Ｃを中心として回転する。除湿ロータ１７が回転することにより、吸気ラインＬ１３側で外気Ａ３の水分を吸着した第１の吸着部１７Ａは、排気ラインＬ１１側に移動されると、第２の吸着部１７Ｂとして機能する。また、排気ラインＬ１１側でオフガス合流後の内気Ａ２により水分を脱離して再生された第２の吸着部１７Ｂは、吸気ラインＬ１３側に移動ると、第１の吸着部１７Ａとして機能する。

熱交換ロータ１９は、屋外から吸気される外気Ａ３と屋内２１から排気される内気Ａ２との間で熱交換を行う。また、熱交換ロータ１９は、除湿ロータ１７よりも上流側の排気ラインＬ１１と、除湿ロータ１７よりも下流側の吸気ラインＬ１３とを跨ぐように設けられている。熱交換ロータ１９は、第１の吸熱部１９Ａと第２の吸熱部１９Ｂ（図２参照）とを有し、排気ラインＬ１１及び吸気ラインＬ１３の流通方向に沿って設けられた軸心１９Ｃを中心として回転する。熱交換ロータ１９が回転することにより、吸気ラインＬ１３を通過する外気Ａ３は、第１の吸熱部１９Ａを介して、内気Ａ２と熱交換を行う。そして、第１の吸熱部１９Ａは、排気ラインＬ１１側に移動されると、第２の吸熱部１９Ｂとして機能する。また、排気ラインＬ１１を通過する内気Ａ２は、第２の吸熱部１９Ｂを介して、外気Ａ３と熱交換を行う。そして、第２の吸熱部１９Ｂは、吸気ラインＬ１３側に移動されると、第１の吸熱部１９Ａとして機能する。

屋内２１は、病院、公民館、図書館、文化ホール、学校、幼稚園、体育館、老人ホーム、集合住宅、オフィスビル、ホテル、レストラン、百貨店、スーパーマーケット、コンビニエンスストア、パチンコ遊戯場、各種工場、各種商用施設の屋内である。また、屋内２１は、上記の建物の屋内に限定されない。

以上の構成による燃料電池システムは、以下のように動作する。
先ず、外気Ａ３は、吸気ラインＬ１３を通して、屋外から除湿ロータ１７の第１の吸着部１７Ａに供給される。外気Ａ３が第１の吸着部１７Ａを通過することにより、外気Ａ３の水分は、第１の吸着部１７Ａに吸着される。除湿ロータ１７は、排気ラインＬ１１及び吸気ラインＬ１３の流通方向に沿って設けられた軸心１７Ｃを中心に回転する。これにより、外気Ａ３の水分を吸着した第１の吸着部１７Ａは、排気ラインＬ１１側に移動されて第２の吸着部１７Ｂとして機能し、オフガス合流後の内気Ａ２により水分を脱離して再生される。また、後述のとおり、再生された第２の吸着部１７Ｂは、吸気ラインＬ１３側に移動されて第１の吸着部１７Ａとして機能し、再び外気Ａ３の水分を吸着する。第１の吸着部１７Ａで除湿された外気Ａ３は、吸気ラインＬ１３を通して、熱交換ロータ１９の第１の吸熱部１９Ａに供給される。

外気Ａ３は、第１の吸熱部１９Ａを通過することにより、内気Ａ２と熱交換を行う。熱交換を行った外気Ａ３は、吸気ラインＬ１３を通して、屋内２１に吸気される。

一方、屋内２１より内気Ａ２が排気される。内気Ａ２は、排気ラインＬ１１を通して、熱交換ロータ１９の第２の吸熱部１９Ｂに供給される。内気Ａ２は、第２の吸熱部１９Ｂを通過することにより、外気Ａ３と熱交換を行う。熱交換を行った内気Ａ２は、排気ラインＬ１１におけるライン接続部４０にて、燃料電池１１から排気される高温のオフガスＧ５と合流する。オフガス合流後の内気Ａ２は、除湿ロータ１７の第２の吸着部１７Ｂに供給される。

また、熱交換ロータ１９は、排気ラインＬ１１及び吸気ラインＬ１３の流通方向に沿って設けられた熱交換ロータ１９の軸心１９Ｃを中心として回転する。これにより、吸気ラインＬ１３を通過する外気Ａ３は、第１の吸熱部１９Ａを介して、内気Ａ２と熱交換を行う。そして、第１の吸熱部１９Ａは、排気ラインＬ１１側に移動されると、第２の吸熱部１９Ｂとして機能する。同時に、排気ラインＬ１１を流通する内気Ａ２は、第２の吸熱部１９Ｂを介して、外気Ａ３と熱交換を行う。そして、第２の吸熱部１９Ｂは、吸気ラインＬ１３側に移動されると、第１の吸熱部１９Ａとして機能する。

一方、除湿ロータ１７の第２の吸着部１７Ｂは、ライン接続部４０にてオフガスＧ５が合流された内気Ａ２の通過により、水分を脱離して、再生される。除湿ロータ１７は、排気ラインＬ１１及び吸気ラインＬ１３の流通方向に沿って設けられた除湿ロータ１７の軸心１７Ｃを中心に回転する。これにより、再生された第２の吸着部１７Ｂは、吸気ラインＬ１３側に移動されて第１の吸着部１７Ａとして機能し、再び外気Ａ３の水分を吸着する。

除湿ロータ１７の第２の吸着部１７Ｂを再生した後のオフガス合流後の内気Ａ２は、燃料電池１１から排気されるオフガスＧ５の水分と高温の熱を含むと共に、除湿ロータ１７の第２の吸着部１７Ｂの吸着剤に吸着されていた水分を含む。このフガス合流後の内気Ａ２は、排気ラインＬ１１を通して、熱交換器１５に供給される。空気供給部としてのファンから送気されフィルタを通過した空気Ａ１は、空気供給ラインＬ７を通して、熱交換器１５に供給される。そして、熱交換器１５において、除湿ロータ１７の第２の吸着部１７Ｂを再生した後のオフガス合流後の内気Ａ２と、ファンから送気されフィルタを通過した空気Ａ１との間で、熱交換が行われる。より詳しくは、除湿ロータ１７の第２の吸着部１７Ｂを再生した後のオフガス合流後の内気Ａ２は、ファンから送気されフィルタを通過した空気Ａ１を加熱すると共に、この空気Ａ１によって冷却される。これによって、加熱されて高温となった空気Ａ１は、空気供給ラインＬ７を流通して、燃料電池１１に供給され、発電に使われる。一方、オフガス合流後の内気Ａ２に含まれる水分は、空気Ａ１によって冷却されることにより凝縮され、水Ｗを生成する。生成された水Ｗは、第２水供給ラインＬ３２を流通して、水貯留部１６に供給される。

水貯留部１６において、第２水供給ラインＬ３２を通して供給された水Ｗは、第１水供給ラインＬ３１の途中に接続されるポンプ５０の駆動により、第１水供給ラインＬ３１を流通して改質器１３へ供給される。

改質器１３において、第１水供給ラインＬ３１を通して供給される水Ｗと、燃料ガス供給ラインＬ１を通して供給される燃料ガスＧ１とが、改質器１３の触媒上で反応する。この反応により、水素Ｇ３が生成する。生成された水素Ｇ３は、水素供給ラインＬ５を流通して燃料電池１１に供給される。

燃料電池１１において、改質器１３から供給される水素Ｇ３と、空気供給ラインＬ７から供給される空気Ａ１中の酸素とが反応して、発電が行われる。

本実施形態の燃料電池システム１によれば、以下の効果を得ることができる。
燃料電池システム１は、燃料電池１１と、燃料電池１１に空気Ａ１を供給する空気供給ラインＬ７と、触媒上で燃料ガスＧ１と水Ｗとを反応させて水素Ｇ３を生成し、生成された水素Ｇ３を燃料電池１１に供給する改質器１３と、改質器１３に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインＬ１と、屋内２１の内気Ａ２を排気する排気ラインＬ１１と、外気Ａ３を屋内２１に吸気する吸気ラインＬ１３と、燃料電池１１から排気されるオフガスＧ５が流通し、排気ラインＬ１１を流通する内気Ａ２にオフガスＧ５を合流させるオフガスラインＬ９と、吸気ラインＬ１３を流通する外気Ａ３中の水分を吸着しながら、排気ラインＬ１１を流通するオフガス合流後の内気Ａ２により再生される除湿ロータ１７と、除湿ロータ１７を通過したオフガス合流後の内気Ａ２を冷却する熱交換器１５と、オフガス合流後の内気Ａ２の冷却により熱交換器１５で生成した凝縮水Ｗ１を改質器１３に供給する水供給ラインＬ３と、を備える。

このため、燃料電池システム１は、高温で水分を含んだ燃料電池１１のオフガスＧ５を屋内２１から排気される内気Ａ２に合流させることによって、除湿ロータ１７（詳しくは、除湿ロータ１７の第２の吸着部１７Ｂ）を再生することができる。また、除湿ロータ１７を再生した後の内気Ａ２は、オフガスＧ５の高温の熱を含む。このため、除湿ロータ１７を再生した後の内気Ａ２は、熱交換器１５において、燃料電池１１に供給される空気Ａ１を、発電に有効になるように、加熱することができる。更に、除湿ロータ１７を再生した後の内気Ａ２は、除湿ロータ１７に吸着されていた水分とオフガスＧ５の水分とを含む。このため、除湿ロータ１７を再生した後の内気Ａ２は、熱交換器１５において、空気Ａ１で冷却することで、水分を凝縮させて多量の水Ｗを生成することができる。生成された多量の水Ｗは、改質器１３において、燃料電池１１の発電に必要な水素Ｇ３の生成に利用される。従って、燃料電池システム１は、装置構成が簡単で、電気を使用せずに、改質器１３で利用される水を効率良く生成することができる。

また、燃料電池システム１は、熱交換ロータ１９を備えるため、吸気ラインＬ１３を流通する外気Ａ３と排気ラインＬ１１を流通する内気Ａ２との間で熱交換を行うことができる。このため、燃料電池システム１は、屋内２１から排気される内気Ａ２の熱を屋内２１へ吸気される外気Ａ３に伝熱することができ、内気Ａ２の熱エネルギーを有効に利用することができる。

また、オフガスラインＬ９の一方の端部は、オフガス噴出口Ｌ９１となっており、オフガス噴出口Ｌ９１は、除湿ロータ１７に対向するように配置されている。このため、高温の燃料電池１１からのオフガスＧ５は、効率良く除湿ロータ１７を通過することができる。従って、燃料電池システム１は、除湿ロータ１７を再生するためにオフガスＧ５の高温の熱を最大限に利用することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、実施形態では、オフガスラインＬ９の他端部としてのオフガス噴出口Ｌ９１は、除湿ロータ１７の上流側に対向するように構成されたが、これに限定されない。オフガス噴出口Ｌ９１は、オフガスラインＬ９の軸心方向を向いていてもよい。

また、各部を接続するラインの構成は、本実施形態のラインの構成に限定されない。また、燃料電池１１は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）であったが、ＳＯＦＣに限定されない。

１ 燃料電池システム
１１ 燃料電池
１３ 改質器
１５ 熱交換器
１６ 水貯留部
１７ 除湿ロータ
１７Ａ 第１の吸着部
１７Ｂ 第２の吸着部
１７Ｃ 軸心
１９ 熱交換ロータ
２１ 屋内
４０ ライン接続部
Ｌ１ 燃料ガス供給ライン
Ｌ３ 水供給ライン
Ｌ５ 水素供給ライン
Ｌ７ 空気供給ライン
Ｌ９ オフガスライン
Ｌ１１ 排気ライン
Ｌ１３ 吸気ライン
Ｌ３１ 第１水供給ライン
Ｌ３２ 第２水供給ライン
Ｌ９１ オフガス噴出口
Ｇ１ 燃料ガス
Ｇ３ 水素
Ｇ５ オフガス
Ａ１ 空気
Ａ２ 内気
Ａ３ 外気
Ｗ 水

Claims (3)

1. 燃料電池と、
   前記燃料電池に空気を供給する空気供給ラインと、
   触媒上で燃料ガスと水とを反応させて水素を生成し、生成された水素を前記燃料電池に供給する改質器と、
   前記改質器に燃料ガスを供給する燃料ガス供給ラインと、
   屋内の内気を排気する排気ラインと、
   外気を屋内に吸気する吸気ラインと、
   前記燃料電池から排気されるオフガスが流通し、前記排気ラインを流通する内気にオフガスを合流させるオフガスラインと、
   前記吸気ラインを流通する外気中の水分を吸着しながら、前記排気ラインを流通するオフガス合流後の内気により再生される除湿ロータと、
   前記除湿ロータを通過したオフガス合流後の内気を冷却する熱交換器と、
   前記熱交換器で生成した凝縮水を前記改質器に供給する水供給ラインと、を備える、燃料電池システム。
2. 前記吸気ラインを流通する外気と前記排気ラインを流通する内気との間で熱交換を行う熱交換ロータを更に備える、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記オフガスラインの一方の端部は、オフガス噴出口となっており、
   前記オフガス噴出口は、前記除湿ロータに対向するように配置されている、請求項１又は２に記載の燃料電池システム。