JPWO2002023661A1 - 固体高分子型燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、熱回収系19の凝縮熱交換器38,40で電気生成系23からの排流体を熱源とし、給水系66からの給水を被熱源として熱交換して温水にし、その温水を熱利用部に供給する温水供給手段41と、上記凝縮熱交換器38,40で熱交換中に生成したドレン水を燃料改質系22に供給する燃料に予混合する気水分離器30と、上記電気生成系の電池本体32に水を循環させて熱交換し、その温水を熱利用部に供給する循環路45とを備えたことを特徴とする。上記構成によれば、燃焼排ガスに含まれるドレン水を効果的かつ十分に回収し、回収したドレン水の有効利用を図る固体高分子型燃料電池システムを提供することができる。
Description
技術分野
本発明は、排ガスから凝縮水を効果的に回収するとともに、排ガスから凝縮水を回収する際に用いた熱エネルギの有効活用を図った固体高分子型燃料電池システムに関する。
背景技術
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伝導性を有する高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池システムが、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なので、定置用分散電源だけでなく、宇宙用や車両用の電源として注目されており、その構成として第9図および第10図に示すものがある。
この固体高分子型燃料電池システムは、大別して電気生成系の電池本体、燃料改質系および熱回収系の三つの要素を備えているが、その中で電気生成系の電池本体として、以下に示す構成を備えている。
固体高分子型の電池本体は、高分子膜1と、ガス拡散電極としてシート状の燃料極2および酸化剤極3とを備えた膜電球複合体4とで構成されている。
膜電極複合体4は、高分子膜1を白金などの触媒を有する拡散電極としての燃料極2と酸化剤極3とで挟んでいる。
また、膜電極複合体4は、シート状の高分子膜1、燃料極2および酸化剤極3を通常、正方形または長方形に形成している。
一方、高分子膜1は、燃料極2と酸化剤極3とのそれぞれに供給する反応ガスの混合、干渉を防ぐため、その面積を各電極2,3よりも大きくするとともに、第11図に示すように、反応ガスとより多く接触させるパッキン5を備えている。さらに、高分子膜1は、反応ガスに直交流させるために、マニホールドとしての貫通孔6を設けている。
他方、膜電極複合体4から電気を取り出すには、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化剤ガスを各電極2,3にそれぞれ供給する必要があるが、この場合、燃料ガスとして水素を主成分とする改質ガス(炭化水素から生成される燃料)が、また、酸化剤ガスとして空気に含まれる酸素がそれぞれ用いられる。
燃料極2に供給される燃料ガスのうち、水素は、以下に示す化学反応が起き、プロトンと電子とになる。
【化1】
(1)式に示す反応において、プロトンは電解質として機能する高分子膜1の中を燃料極2から酸化剤極3に移動する。また、電子は高分子膜1を移動できないので、外部の電気回路を通って酸化剤極3に移動する。
酸化剤極3では、燃料極2からそれぞれ移動してきたプロトンと電子、それに酸化剤である酸素との間で、以下のような化学反応が起き、水が生成される。この水を一般に生成水と呼ぶ。生成水は酸化剤ガス中に蒸発し、水蒸気となって電池外に排出される。
【化2】
このとき、両電極2,3に起電力(フェミル順位差)が発生する。この起電力を利用し、かつ各電極2,3に供給する反応ガスが混合・干渉しないようにするために、セパレータ7が第11図に示すように設けられている。このセパレータ7は燃料極2側および酸化剤極3側と一体化し、単位電池8を形成している。
第11図は、単位電池8を示す概念図である。単位電池8は、膜電極複合体4、燃料極2、酸化剤極3、セパレータ7およびパッキン5から構成されている。セパレータ7には、反応ガスを各単位電池8に供給する反応ガス供給孔(供給マニホールド)9、各単位電池8から反応ガスを排出させる反応ガス排出孔(排出マニホールド)10、反応ガス供給孔9と反応ガス排出孔10とを結ぶ燃料ガス流路11および酸化剤ガス流路12とが形成されている。
ところで、一つの膜電極複合体4を含む単位電池8に生じる起電力は、1V以下であり小さい。このため、単位電池8は、第12図に示すように、積層に配置し、電気的に直列接続させてスタック13を構成し、起電力を高くしている。スタック13は、単位電池8を積層した後、スプリングやロッド等の締付機構を用いて固定している。また、スタック13には、単位電池8毎に冷却する冷却板(図示せず)が設けられている。なお、スタック13を冷却する際、冷却板を用いない手段として特開平1−140562号公報が開示されている。
次に、燃料改質系を説明する。
燃料極2に供給する燃料ガスは、水素が主成分である。しかし、純度の高い水素を供給することは難しい。このため、例えば、第13図に示すように、メタンCH4、プロパンC3H8、メタノールCH3OH等の炭化水素燃料に触媒を用いて改質ガスを生成し、電池本体15に供給する。この改質ガスを生成するシステムを燃料改質系14と称する。
この燃料改質系14は、炭化水素系燃料のうち、例えばメタンCH4に水蒸気H2Oを加えて下記の反応式により水素に改質している。
【化3】
しかし、この反応式は吸熱反応であり、熱を加えないとバランスがとれない。このため、燃料改質系14は、例えばメタンCH4から改質した水素H2を電池本体15に供給した後に余った水素H2を元に戻し、ここで空気を加えて燃焼させている。
なお、燃料改質系14には、例えば第14図に示すように、酸素添加方式として炭化水素系のうち、例えば、メタンCH4に酸素O2を加えて下記の式(3)により水素H2と一酸化炭素COとを生成し、電池本体15に供給するものがある。
【化4】
しかし、この方式では、一酸化炭素COが生成され、運転上、好ましくない。このため、改良形の燃料改質系14として、例えば、第15図に示すように、改質反応部16にCO変成器17および選択酸化器18を組み合わせ、炭化水素のうち、例えばメタンCH4に水蒸気H2Oを加え、生成した一酸化炭素COをCO変成器17で水蒸気H2Oを加えて下記の式(4)により水素H2と二酸化炭素CO2に空気中の酸素O2を加えて下記の式(5)により二酸化炭素CO2を生成している。
【化5】
次に、熱回収系を説明する。
この熱回収系には、電池本体15に冷却用として供給した冷媒からの熱を利用する手段と、燃料改質系14から発生した排熱を回収する手段とがある。前者の熱回収系19は、第16図に示すように、電池本体15に冷却用として供給した冷媒が熱を回収して熱媒として熱交換器20に供給され、ここで別の冷媒と熱交換して給湯や暖房等に熱利用する手段であり、例えば、特開平10−311564号公報に開示されている。
また、後者の熱回収系19は、第17図に示すように、燃料改質系14から燃焼排ガスを電池本体15、CO変成器17、CO選択酸化器18等を介して熱交換器20に供給し、ここで冷媒と熱交換して給湯や暖房等に熱利用する手段や、第18図に示すように、燃料改質系14からの燃焼排ガスを熱交換器20を介して電池本体15に供給する際、熱交換器20に供給した冷媒が熱媒となったときの給湯等に利用する手段であり、例えば、特開平8−287932号公報に開示されている。
また、熱回収系19には、電池本体15や燃料改質系14からの水回収も含まれる。特に、電池本体15は純水を多量に使用する関係上、その本体内の水を自立させることが必要とされる。
水の自立の具体的手段には、例えば、第19図に示すように、熱回収系19で、燃焼排ガスと冷媒とを熱交換させ、その際、燃焼排ガスに含まれる水をドレン水(凝縮水)として回収するか、また、例えば、第20図に示すように、熱回収系19で、燃焼排ガスと外気とを熱交換させ、その際、熱をファン21で外気に放出させ、燃焼排ガスからの水をドレン水(凝縮水)として回収し、また、例えば第21図に示すように、熱回収系19で、燃焼排ガスと循環する冷媒とで熱交換させ、その際に、燃焼排ガスからの水をドレン水(凝縮水)として回収する手段がある。
このように、従来の固体高分子型燃料電池システムでは、電池本体、燃料改質系および熱回収系を巧みに組み合わせ、高効率のエネルギ変換を行っていた。
第9図〜第21図で示した従来の固体高分子型燃料電池システムには、幾つかの問題があり、その中でも水自立の際のドレン水(凝縮水)の回収がある。
従来、固体高分子型燃料電池システムは、燃焼排ガスに含まれる水をドレン水として回収する際、上述したように、冷媒や空気等と燃焼排ガスを熱交換させていたが、外気の温度によりドレン水の量に増減ができたり、夏季のように、気温の高いとき、水自立ができなかったり、ガス/ガスの熱交換では伝熱面積が大きくなり過ぎたり、ファン等を使用する場合、温度効率の制限から燃焼排ガスの露点に限界があるなど、種々の不具合、不都合があった。
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、燃焼排ガスに含まれるドレン水を効果的かつ十分に回収し、回収したドレン水の有効利用を図る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。
発明の開示
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、化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を一旦貯めて熱利用部に供給する温水貯蔵部とを備えたものである,事を特徴とするものである。
また、上記観点における,分子型燃料電池システムは、その好適な実施例においては,上述の目的を達成するために、凝縮熱交換器は、第1凝縮熱交換器と第2凝縮熱交換器とに区画し、第1凝縮熱交換器を電池本体の燃料極側に接続し、第2凝縮熱交換器を電池本体の少なくとも酸化剤極側に接続したものである。
また、凝縮熱交換部は、気液分離部と第2凝縮熱交換器とに区画し、気液分離部を電池本体の燃料極側に接続し、第2凝縮熱交換器を電池本体の少なくとも酸化剤極側に接続したものである。
また、第1凝縮熱交換器と第2凝縮熱交換器とは、ともに底部に共通のドレン水溜めを形成したものである。
また、気液分離部と第2凝縮熱交換器とは、ともに底部に共通のドレン水溜めを形成したものである。
また、ドレン水溜めは、空気供給手段を備えたものである。
また、温水貯蔵部は、貯湯槽であることを特徴とするものである。
また、温水貯蔵部は、燃料改質系に供給する燃料の一部および電気生成系から出た未反応燃料のうち、少なくとも一方の燃料を用いて前記凝縮熱交換部から供給される温水を加熱する助燃装置を備えても良い。
また、温水貯蔵部は、凝縮熱交換部から供給される温水流量を制御する調節弁と、この調節弁に温水の温度信号に基づいて弁開度信号を演算して与える弁開度演算部とを備えてもよい。
また、温水貯蔵部は、浴槽であってもよい。
また、この浴槽は、壁部に収容した熱交換部を備え、この熱交換部に前記凝縮熱交換部から温水を供給する手段排出すると,前記熱交換部から温水を前記凝縮熱交換部への入口に戻す手段を設けたことを特徴とする。
さらにまた、本発明の目的は,化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を湯水として用いる浴槽と、上記凝縮熱交換部からの温水を加熱源として空気を温風にして熱利用部に供給する熱交換器と、この熱交換器を出た温水を上記凝縮熱交換部への水供給部に戻す手段とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムを提供することにより達成される。
さらにまた、本発明の目的は,化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を一旦貯めて熱利用部に供給する温水貯蔵部とを備える一方、上記電気生成系は、少なくともその電池本体の燃料極側もしくは酸化剤極側の一方に上記凝縮熱交換部で生成された凝縮水の一部を供給するラインを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムを提供することにより達成される。
さらにまた、本発明の目的は,化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合せた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を第1の熱利用部に供給する手段と、上記温水を第1の熱利用部に並行して設けた第2の熱利用部に供給する手段と、第2の熱利用部を通過した水を上記凝縮熱交換部の水供給部へ戻す手段と、第1または第2の熱利用部への供給熱量調節手段とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムを提供することにより達成される。
また、この第2の熱利用部の温水上流側には少なくとも温水貯蔵部を備え、上記温水貯蔵部の温水排出部と第2の熱利用部の温水供給部を接続する手段を備えても良い。
以上の説明のとおり、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、燃料改質系、電気生成系、熱回収系を備え、燃料改質系で生成する改質燃料を空気とともに電気生成系で化学反応に基づく電気を発生させ、その際に生成した燃焼排ガスに含まれるドレン水を効果的かつ十分に回収し、回収したドレン水の有効利用し、排ガスを熱回収系に供給し、ここで排ガスを熱源として水供給手段からの水を加熱して温水にし、その温水を熱利用部に供給する一方、排ガスから分離したドレン水を燃料改質系の改質燃料の生成および給湯等のうち、いずれか少なくとも一方で活用することができるので、水自立を図ることができ、熱の有効利用を図ることが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
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。
第1図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第1実施形態を示す概略系統図である。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、燃料改質系22に電気生成系23および熱回収系24を組み合わせた構成になっている。
燃料改質系22は、燃料改質部25、CO変成器26、CO選択酸化器27、バーナ部28を収容する改質器29と、燃料系(図示せず)から燃料として例えばメタンCH4を改質器29に供給する際、予め水蒸気H2Oと予混合させる気水分離器30と、CO選択酸化器27に空気を供給するブロア31とを備えている。
また、電気生成系23は、燃料極、高分子膜、酸化剤極(ともに図示せず)等で単位電池(図示せず)を構成し、単位電池を層状に積み重ねて構成したスタック(図示せず)を収容する電池本体32と、この電池本体32の燃料極側に設けられ、加熱部33aおよびポンプ33bを介装した循環路45に水を循環させ、燃料極側で電気を生成する際に発生する熱を利用して加熱部33aで水を加熱させ、その温水を例えば便座等の熱利用部に供給する温水ヒータ34とを備えている。
一方、熱回収系24は、水供給手段66、凝縮熱交換部38、温水貯蔵部41を備えている。
水供給手段66は、蛇口36およびバルブ37を備え、外部からの水、例えば水道水を凝縮熱交換部38に供給する構成になっている。
また、凝縮熱交換部38は第1凝縮熱交換器40aと第2凝縮熱交換器40bとに区画し、第1凝縮熱交換器40aを電池本体32の燃料極側に燃料排ガス管35を介して接続する一方、第2凝縮熱交換器40bを電池本体32の酸化剤極側に酸化剤排ガス管39を介して接続する構成になっている。
また、第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bは、ともに、その底部に共通のドレン水溜め53を形成するとともに、このドレン水溜め53に空気を供給するブロア42を備えている。
また、温水貯蔵部41は、第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bで生成した温水を一旦貯めて、例えば尻洗浄等の熱利用部に供給する構成になっている。
このような構成を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、燃料系から供給された例えばメタンCH4は、気水分離器30からの水蒸気H2Oが加えられた後、燃料改質系22の改質器29に供給される。
この改質器29は、水蒸気改質方式を採用しており、メタンCH4および水蒸気H2Oの混合媒体を燃料改質部25、CO変成器26、CO選択酸化器27を順次通過させる間にブロア31からCO選択酸化器27に空気を供給し、水素H2を主成分とする改質ガスを生成する。改質器29で生成された改質ガスは、COの濃度が焼く50ppmになっている。
改質器29で生成された改質ガスは、電池本体32の燃料極側に供給されるとともに、電池本体32の酸化剤極側にブロア42からの空気が供給される。なおブロア42は、改質器29のバーナ部28および熱回収系24における第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bのドレン水溜め53にも空気を供給している。特に、第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bのドレン水溜め53に供給される空気は、ドレン水にバブリングとして与え、ドレン水中のCO2を除去するようになっている。
電池本体32は、燃料極と酸化剤極とで水H2Oの生成反応を行わせた後、燃料極側の排ガスを燃料排ガス管35を介して第1凝縮熱交換器40aに供給し、ここで、水供給手段66からの、例えば水道水等の水を加熱して温水にし、その温水を温水貯蔵部41で貯めた後、例えば尻洗浄等の熱利用部に供給される。なお、第1凝縮熱交換器40aに供給される排ガスは、水供給手段からの水を加熱後、排ガス管46を介して改質器29のバーナ部28に燃料源として供給される。
また、電池本体32は、酸化剤極側の排ガスを、酸化剤排ガス管39を介して改質器29のバーナ部28からの排ガスとともに第2凝縮熱交換器40bに供給し、ここでも上述と同様に、水供給手段66からの水を加熱して温水にし、その温水を温水貯蔵部41に供給する一方、ドレン水の一部をポンプ43を介して気水分離器30に戻し、残りをブロー管44で系外にブローさせている。なお、第2凝縮熱交換器40bに供給された排ガスは、水供給手段66からの水を加熱後、排気として大気に放出される。
また、電池本体32は、燃料極と酸化剤極とで水H2Oの生成反応中、発生する熱を利用して循環路45を流れる水(冷却水)を加熱部33aで加熱させ、その温水をポンプ33bを介して、温水ヒータ34に供給し、ここで、例えば便座等の熱利用部の水を加熱させるようになっている。
このように、本実施形態は、改質器29のバーナ部28から生成した排ガス、電池本体32の燃料極から生成した排ガスおよびその酸化剤極から生成した排ガスのそれぞれに含まれる水蒸気を第1および第2凝縮熱交換器40a,40bの熱源として回収させたので、水自立を図ることができ、熱の有効利用を図ることができる。
第2図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第2実施形態を示す概略系統図である。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。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、熱回収系24のうち、凝縮熱交換部38を気液分離部47と第2凝縮熱交換器40bとに区画するとともに、気液分離部47を燃料排ガス管35を介して電池本体32の燃料極側に接続し、第2凝縮熱交換器40bを酸化剤排ガス管39を介して電池本体32の酸化剤極側に接続したものである。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、水供給手段66のバルブ36からの水、例えば水道水を第2凝縮熱交換器40bで熱交換させ、熱交換後の温水を一旦貯えて給湯として熱利用部へ供給する貯湯槽49に燃料系(図示せず)から燃料管50を介して例えばメタンCH4等の燃料を燃焼させる助燃装置51を設けたものである。なお、助燃装置51は、貯湯槽49に設けた温度センサ52の指令により作動するようになっている。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、気液分離部47と第2凝縮熱交換器40bとのそれぞれの底部に共通のドレン水溜め、53を備え、ドレン水溜め53からのドレン水をポンプ43を介して気水分離器30に供給するとともに、残りのドレン水をポンプ54、ドレン水供給管55を介して電池本体32の燃料極側に供給し、さらに燃料極側から酸化剤極側に移動する際、電池本体32内の電池生成に伴う高分子膜、燃料極側および酸化剤極側の熱を除去する、いわゆる潜熱冷却を行わせたものである。なお、他の構成は、第1実施形態の構成部分と同一なので、その重複説明を省略する。
このように、本実施形態は、改質器29のバーナ部28から生成された排ガス、電池本体32の燃料極から生成された排ガスおよびその酸化剤極から生成された排ガスのそれぞれに含まれる水蒸気を気液分離部47および凝縮熱交換器48のそれぞれに回収させ、回収したドレン水を貯湯槽49および電池本体32の燃料極側のそれぞれに供給するので、水自立を図ることができ、熱の有効利用を図ることができる。
第3図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第3実施形態を示す概略系統図である。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。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、凝縮熱交換部38の第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bのそれぞれで生成したドレン水を、ポンプ56を介して電池本体32の燃料極側に供給し、ここでドレン水により燃料極側および酸化剤極側を蒸発潜熱で冷却させる、いわゆる潜熱冷却方式を行わせる第1ドレン水供給管57と、そのドレン水をポンプ58および気液分離部59を介して水蒸気H2Oとして改質器29のCO変成器26に供給する第2ドレン水供給管60とを設けたものである。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、第1凝縮熱交換器40aで生成したガスを貯湯槽49の助燃装置51に供給するガス供給管61を設けるとともに、第2凝縮熱交換器40bから貯湯槽49に供給する温水の温度を温度センサ52で検出し、検出信号が予め定められた温度を超えたとき、温度調節弁62の弁開度を制御する弁開度演算部63を設けたものである。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、改質器29に熱交換部64を設けて改質器29を冷却させ、その際、加熱された媒体を熱利用部(図示せず)に供給する媒体給排管65を設けたものである。なお、他の構成は、第1実施形態の構成と同一なので、その説明を省略する。
このように、本実施形態は、第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bのドレン水溜め53で生成されたドレン水のうち、一部を電池本体32の燃料極側に回収させる第1ドレン水供給管57と、残りをポンプ58および気液分離部59を介して水蒸気H2Oとして改質器29のCO変成器26に回収させる第2ドレン水供給管60とを備えたので、水自立を図ることができる。
また、本実施形態は、第1凝縮熱交換器40aから生成されたガスを貯湯槽49の助燃装置51に供給するガス供給管61を備える一方、改質器29に熱交換部64を設け、熱交換部64で改質器29を冷却させる際、得られた加熱媒体を熱利用部に供給する媒体給排管65を備えたので、熱の有効利用を図ることができる。
第4図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第4実施形態を示す概略系統図である。なお、第1実施形態および第2実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、凝縮熱交換部38の第2凝縮熱交換器40bにおいて、電池本体32の酸化剤極側から酸化剤排ガス管39を介して供給される排ガスを熱源として用い、水供給手段66からの水を加熱して湯水にし、その湯水を貯えて湯水として利用する浴槽67と、この浴槽67の湯水を再加熱させるために、燃料系(図示せず)の燃料管50から供給される、例えばメタンCH4等の燃料を燃焼させる助燃装置51と、浴槽67の入口側に設けられ、浴槽67の湯温を検出する温度センサ68の指令で弁開度を調節する温度調節弁69とを備えたものである。なお、他の構成は、第1実施形態および第2実施形態の構成と同一なので、その説明を省略する。
このように、本実施形態は、凝縮熱交換部38の第2凝縮熱交換器40bで生成する温水を湯水として利用する浴槽67を備えるとともに、燃料系の燃料管50から供給される燃料を燃焼させて湯水を再加熱する助燃装置51を備える一方、温水の湯温を制御する温度調節弁69を備えているので、適正な温度制御の下、熱の有効利用を図ることができる。
第5図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第5実施形態を示す概略系統図である。なお、第1実施形態および第2実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、電池本体32の燃料極側から燃料排ガス管35を介して接続する第1凝縮熱交換器40aと、電池本体32の酸化剤極側から酸化剤排ガス管39を介して接続する第2凝縮熱交換器40bとのそれぞれに、水供給手段66の蛇口36、バルブ70,71を介して供給する例えば水道水等の水を加熱して温水にし、その温水の一部を湯水として貯える浴槽67と、その温水の残りを湯水の加熱用として用いるために、浴槽67の壁部72内に埋設する熱交換部73と、この熱交換部73から出た温水を水供給手段66の蛇口36の出口側にポンプ78を介装して戻す温水戻し管74とを備えたものである。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、凝縮熱交換部38の第1凝縮熱交換器38および第2凝縮熱交換器40で生成された温水を湯水として浴槽67に供給する湯水管79と、この湯水管79に設けた温度センサ68の指令で弁開度を調節する温度調節弁69を備えたものである。なお、他の構成は、第1実施形態および第2実施形態の構成と同一なので、その説明を省略する。
このように、本実施形態は、水供給手段66からの水を第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bで温水にし、その温水を湯水として浴槽67に供給する際、その一部を温度調節弁69で制御し、残りを湯水加熱用として壁部72内に設けた熱交換部73に供給し、再加熱後の温水を水供給手段66に戻す温水戻し管75を設けているので、適正な温度制御の下、熱の有効利用を図ることができる。
なお、本実施形態は、水供給手段66からの水を第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bで温水に生成し、その温水を湯水として、浴槽67に供給する際、その一部を湯水の再加熱用として用いたが、この例に限らず、例えば、第6図に示すように、凝縮熱交換部38の第2凝縮熱交換器40bからの温水を浴槽67に供給する際、その一部を温度センサ75の制御の下、槽外に設けた熱交換器76に供給し、ファン77から吸い込んだ空気を昇温させ、その昇温させた温風を例えば乾燥室あるいは浴室等の熱利用部に供給してもよい。なお、ファン77からの空気を昇温させた温水は、温水戻し管74を介して給水系66に戻される。
さらにまた,第7図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第7実施形態を示す概略系統図である。なお、第1及び第6実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、凝縮熱交換部38の第2凝縮熱交換器40bにおいて、電池本体32の酸化剤極側から酸化剤排ガス管39を介して供給される排ガスを熱源として用い、水供給手段66からの水を加熱して温水とし、配管79、84、85を通じて温水貯蔵部41に供給した後、配管89を介し必要に応じて給湯やシャワー等の第1の熱利用部に供給する。
一方、温水貯蔵部41と並行して第2の熱利用部として、配管86を通じて第2の熱利用部である床暖房用の熱交換器76を設け、床に熱を供給後、配管88並びにポンプ78を介して凝縮熱交換部38の水供給部に戻す構造を採用している。この熱交換器76の用途は床暖房に限るものではなく、壁に内蔵された暖房、温風供給手段等にも適用できる。
更には、凝縮熱交換部38を通過した温水の温度(熱量)調節手段として、バルブ83、ポンプ78並びに配管87を通じて空冷用の熱交換器81が備えてあり、上記温水はポンプ78の動力により空冷用の熱交換器81に導かれ、そこでファン82により供給された空気で冷却された後に配管88より凝縮熱交換部38の水供給部に戻される。
熱交換器81及びファン82は、第1並びに第2の熱利用部で熱利用しない場合、もしくは利用熱量を低減したい場合に利用する。その制御手段として、温水貯蔵部41並びに床暖房用の熱交換器76に供給する温水の温度を温度センサ75で感知し、バルブ80並びに83の開度、及びポンプ78の回転数にフィードバックさせて制御する。またその際、水供給手段のバルブ36の開度を制御してもよい。
このように、本実施形態は、水供給手段66からの水を第2凝縮熱交換器40bで温水にし、その温水を温水貯蔵部41を介して第1の熱利用部に供給する、もしくは並行する第2の熱利用部に供給する際、その温水の温度または流量を、空冷用の熱交換器81や温度センサ75等の温度調節手段を設けているので、適正な温度制御の下、熱の有効利用を図ることができる。
また、第8図に示すように、温水貯蔵部41から床暖房用の熱交換器76の温水上流側である配管86に接続する手段として、配管92及びバルブ93を設けることにより、固体高分子型燃料電池システムを起動していない場合もしくは起動してから発電に至るまでの間において、ポンプ78の動力により温水貯蔵部41に貯めた温水を床暖房用の熱交換器76に供給することができるようになる。更に、温水貯蔵部41内の水も循環されるために腐食等を防止できる。またこのとき、配管92は温水貯蔵部41に直接接続するのではなく、配管89に接続してもよい。
産業上の利用可能性
以上の説明のとおり、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、燃料改質系、電気生成系、熱回収系を備え、燃料改質系で生成する改質燃料を空気とともに電気生成系で化学反応に基づく電気を発生させ、その際に生成した排ガスを熱回収系に供給し、ここで排ガスを熱源として水供給手段からの水を加熱して温水にし、その温水を熱利用部に供給する一方、排ガスから分離したドレン水を燃料改質系の改質燃料の生成および給湯等のうち、いずれか少なくとも一方で活用するので、水自立を図ることができ、熱の有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第1実施形態を示す概略系統図。
第2図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第1実施形態を示す概略系統図。
第3図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第3実施形態を示す概略系統図。
第4図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第4実施形態を示す概略系統図。
第5図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第5実施形態を示す概略系統図。
第6図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第6実施形態を示す概略系統図。
第7図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第7実施形態を示す概略系統図。
第8図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第8実施形態を示す概略系統図。
第9図は、従来の固体高分子型燃料電池の膜電極複合体を示す概念図。
第10図は、第8図のA矢視方向から見た平面図。
第11図は、従来の固体高分子型燃料電池の単位電池を示す概念図。
第12図は、従来の固体高分子型燃料電池のスタックを示す概念図。
第13図は、従来の固体高分子型燃料電池における水蒸気添加方式の燃料改質系を示す概念図。
第14図は、従来の固体高分子型燃料電池における酸素添加方式の燃料改質系を示す概念図。
第15図は、従来の固体高分子型燃料電池における他の燃料改質系を示す概念図。
第16図は、従来の固体高分子型燃料電池における熱回収系を示す概念図。
第17図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における熱回収系を示す概念図。
第18図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における熱回収系を示す概念図。
第19図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における他の熱回収系を示す概念図。
第20図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における他の熱回収系を示す概念図。
第21図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における他の熱回収系を示す概念図。
本発明は、排ガスから凝縮水を効果的に回収するとともに、排ガスから凝縮水を回収する際に用いた熱エネルギの有効活用を図った固体高分子型燃料電池システムに関する。
背景技術
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伝導性を有する高分子膜を用いた固体高分子型燃料電池システムが、コンパクトな構造で高出力密度が得られ、かつ簡略なシステムで運転が可能なので、定置用分散電源だけでなく、宇宙用や車両用の電源として注目されており、その構成として第9図および第10図に示すものがある。
この固体高分子型燃料電池システムは、大別して電気生成系の電池本体、燃料改質系および熱回収系の三つの要素を備えているが、その中で電気生成系の電池本体として、以下に示す構成を備えている。
固体高分子型の電池本体は、高分子膜1と、ガス拡散電極としてシート状の燃料極2および酸化剤極3とを備えた膜電球複合体4とで構成されている。
膜電極複合体4は、高分子膜1を白金などの触媒を有する拡散電極としての燃料極2と酸化剤極3とで挟んでいる。
また、膜電極複合体4は、シート状の高分子膜1、燃料極2および酸化剤極3を通常、正方形または長方形に形成している。
一方、高分子膜1は、燃料極2と酸化剤極3とのそれぞれに供給する反応ガスの混合、干渉を防ぐため、その面積を各電極2,3よりも大きくするとともに、第11図に示すように、反応ガスとより多く接触させるパッキン5を備えている。さらに、高分子膜1は、反応ガスに直交流させるために、マニホールドとしての貫通孔6を設けている。
他方、膜電極複合体4から電気を取り出すには、反応ガスとしての燃料ガスおよび酸化剤ガスを各電極2,3にそれぞれ供給する必要があるが、この場合、燃料ガスとして水素を主成分とする改質ガス(炭化水素から生成される燃料)が、また、酸化剤ガスとして空気に含まれる酸素がそれぞれ用いられる。
燃料極2に供給される燃料ガスのうち、水素は、以下に示す化学反応が起き、プロトンと電子とになる。
【化1】
(1)式に示す反応において、プロトンは電解質として機能する高分子膜1の中を燃料極2から酸化剤極3に移動する。また、電子は高分子膜1を移動できないので、外部の電気回路を通って酸化剤極3に移動する。
酸化剤極3では、燃料極2からそれぞれ移動してきたプロトンと電子、それに酸化剤である酸素との間で、以下のような化学反応が起き、水が生成される。この水を一般に生成水と呼ぶ。生成水は酸化剤ガス中に蒸発し、水蒸気となって電池外に排出される。
【化2】
このとき、両電極2,3に起電力(フェミル順位差)が発生する。この起電力を利用し、かつ各電極2,3に供給する反応ガスが混合・干渉しないようにするために、セパレータ7が第11図に示すように設けられている。このセパレータ7は燃料極2側および酸化剤極3側と一体化し、単位電池8を形成している。
第11図は、単位電池8を示す概念図である。単位電池8は、膜電極複合体4、燃料極2、酸化剤極3、セパレータ7およびパッキン5から構成されている。セパレータ7には、反応ガスを各単位電池8に供給する反応ガス供給孔(供給マニホールド)9、各単位電池8から反応ガスを排出させる反応ガス排出孔(排出マニホールド)10、反応ガス供給孔9と反応ガス排出孔10とを結ぶ燃料ガス流路11および酸化剤ガス流路12とが形成されている。
ところで、一つの膜電極複合体4を含む単位電池8に生じる起電力は、1V以下であり小さい。このため、単位電池8は、第12図に示すように、積層に配置し、電気的に直列接続させてスタック13を構成し、起電力を高くしている。スタック13は、単位電池8を積層した後、スプリングやロッド等の締付機構を用いて固定している。また、スタック13には、単位電池8毎に冷却する冷却板(図示せず)が設けられている。なお、スタック13を冷却する際、冷却板を用いない手段として特開平1−140562号公報が開示されている。
次に、燃料改質系を説明する。
燃料極2に供給する燃料ガスは、水素が主成分である。しかし、純度の高い水素を供給することは難しい。このため、例えば、第13図に示すように、メタンCH4、プロパンC3H8、メタノールCH3OH等の炭化水素燃料に触媒を用いて改質ガスを生成し、電池本体15に供給する。この改質ガスを生成するシステムを燃料改質系14と称する。
この燃料改質系14は、炭化水素系燃料のうち、例えばメタンCH4に水蒸気H2Oを加えて下記の反応式により水素に改質している。
【化3】
しかし、この反応式は吸熱反応であり、熱を加えないとバランスがとれない。このため、燃料改質系14は、例えばメタンCH4から改質した水素H2を電池本体15に供給した後に余った水素H2を元に戻し、ここで空気を加えて燃焼させている。
なお、燃料改質系14には、例えば第14図に示すように、酸素添加方式として炭化水素系のうち、例えば、メタンCH4に酸素O2を加えて下記の式(3)により水素H2と一酸化炭素COとを生成し、電池本体15に供給するものがある。
【化4】
しかし、この方式では、一酸化炭素COが生成され、運転上、好ましくない。このため、改良形の燃料改質系14として、例えば、第15図に示すように、改質反応部16にCO変成器17および選択酸化器18を組み合わせ、炭化水素のうち、例えばメタンCH4に水蒸気H2Oを加え、生成した一酸化炭素COをCO変成器17で水蒸気H2Oを加えて下記の式(4)により水素H2と二酸化炭素CO2に空気中の酸素O2を加えて下記の式(5)により二酸化炭素CO2を生成している。
【化5】
次に、熱回収系を説明する。
この熱回収系には、電池本体15に冷却用として供給した冷媒からの熱を利用する手段と、燃料改質系14から発生した排熱を回収する手段とがある。前者の熱回収系19は、第16図に示すように、電池本体15に冷却用として供給した冷媒が熱を回収して熱媒として熱交換器20に供給され、ここで別の冷媒と熱交換して給湯や暖房等に熱利用する手段であり、例えば、特開平10−311564号公報に開示されている。
また、後者の熱回収系19は、第17図に示すように、燃料改質系14から燃焼排ガスを電池本体15、CO変成器17、CO選択酸化器18等を介して熱交換器20に供給し、ここで冷媒と熱交換して給湯や暖房等に熱利用する手段や、第18図に示すように、燃料改質系14からの燃焼排ガスを熱交換器20を介して電池本体15に供給する際、熱交換器20に供給した冷媒が熱媒となったときの給湯等に利用する手段であり、例えば、特開平8−287932号公報に開示されている。
また、熱回収系19には、電池本体15や燃料改質系14からの水回収も含まれる。特に、電池本体15は純水を多量に使用する関係上、その本体内の水を自立させることが必要とされる。
水の自立の具体的手段には、例えば、第19図に示すように、熱回収系19で、燃焼排ガスと冷媒とを熱交換させ、その際、燃焼排ガスに含まれる水をドレン水(凝縮水)として回収するか、また、例えば、第20図に示すように、熱回収系19で、燃焼排ガスと外気とを熱交換させ、その際、熱をファン21で外気に放出させ、燃焼排ガスからの水をドレン水(凝縮水)として回収し、また、例えば第21図に示すように、熱回収系19で、燃焼排ガスと循環する冷媒とで熱交換させ、その際に、燃焼排ガスからの水をドレン水(凝縮水)として回収する手段がある。
このように、従来の固体高分子型燃料電池システムでは、電池本体、燃料改質系および熱回収系を巧みに組み合わせ、高効率のエネルギ変換を行っていた。
第9図〜第21図で示した従来の固体高分子型燃料電池システムには、幾つかの問題があり、その中でも水自立の際のドレン水(凝縮水)の回収がある。
従来、固体高分子型燃料電池システムは、燃焼排ガスに含まれる水をドレン水として回収する際、上述したように、冷媒や空気等と燃焼排ガスを熱交換させていたが、外気の温度によりドレン水の量に増減ができたり、夏季のように、気温の高いとき、水自立ができなかったり、ガス/ガスの熱交換では伝熱面積が大きくなり過ぎたり、ファン等を使用する場合、温度効率の制限から燃焼排ガスの露点に限界があるなど、種々の不具合、不都合があった。
本発明は、このような事情に基づいてなされたもので、燃焼排ガスに含まれるドレン水を効果的かつ十分に回収し、回収したドレン水の有効利用を図る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。
発明の開示
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、化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を一旦貯めて熱利用部に供給する温水貯蔵部とを備えたものである,事を特徴とするものである。
また、上記観点における,分子型燃料電池システムは、その好適な実施例においては,上述の目的を達成するために、凝縮熱交換器は、第1凝縮熱交換器と第2凝縮熱交換器とに区画し、第1凝縮熱交換器を電池本体の燃料極側に接続し、第2凝縮熱交換器を電池本体の少なくとも酸化剤極側に接続したものである。
また、凝縮熱交換部は、気液分離部と第2凝縮熱交換器とに区画し、気液分離部を電池本体の燃料極側に接続し、第2凝縮熱交換器を電池本体の少なくとも酸化剤極側に接続したものである。
また、第1凝縮熱交換器と第2凝縮熱交換器とは、ともに底部に共通のドレン水溜めを形成したものである。
また、気液分離部と第2凝縮熱交換器とは、ともに底部に共通のドレン水溜めを形成したものである。
また、ドレン水溜めは、空気供給手段を備えたものである。
また、温水貯蔵部は、貯湯槽であることを特徴とするものである。
また、温水貯蔵部は、燃料改質系に供給する燃料の一部および電気生成系から出た未反応燃料のうち、少なくとも一方の燃料を用いて前記凝縮熱交換部から供給される温水を加熱する助燃装置を備えても良い。
また、温水貯蔵部は、凝縮熱交換部から供給される温水流量を制御する調節弁と、この調節弁に温水の温度信号に基づいて弁開度信号を演算して与える弁開度演算部とを備えてもよい。
また、温水貯蔵部は、浴槽であってもよい。
また、この浴槽は、壁部に収容した熱交換部を備え、この熱交換部に前記凝縮熱交換部から温水を供給する手段排出すると,前記熱交換部から温水を前記凝縮熱交換部への入口に戻す手段を設けたことを特徴とする。
さらにまた、本発明の目的は,化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を湯水として用いる浴槽と、上記凝縮熱交換部からの温水を加熱源として空気を温風にして熱利用部に供給する熱交換器と、この熱交換器を出た温水を上記凝縮熱交換部への水供給部に戻す手段とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムを提供することにより達成される。
さらにまた、本発明の目的は,化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を一旦貯めて熱利用部に供給する温水貯蔵部とを備える一方、上記電気生成系は、少なくともその電池本体の燃料極側もしくは酸化剤極側の一方に上記凝縮熱交換部で生成された凝縮水の一部を供給するラインを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムを提供することにより達成される。
さらにまた、本発明の目的は,化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合せた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を第1の熱利用部に供給する手段と、上記温水を第1の熱利用部に並行して設けた第2の熱利用部に供給する手段と、第2の熱利用部を通過した水を上記凝縮熱交換部の水供給部へ戻す手段と、第1または第2の熱利用部への供給熱量調節手段とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システムを提供することにより達成される。
また、この第2の熱利用部の温水上流側には少なくとも温水貯蔵部を備え、上記温水貯蔵部の温水排出部と第2の熱利用部の温水供給部を接続する手段を備えても良い。
以上の説明のとおり、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、燃料改質系、電気生成系、熱回収系を備え、燃料改質系で生成する改質燃料を空気とともに電気生成系で化学反応に基づく電気を発生させ、その際に生成した燃焼排ガスに含まれるドレン水を効果的かつ十分に回収し、回収したドレン水の有効利用し、排ガスを熱回収系に供給し、ここで排ガスを熱源として水供給手段からの水を加熱して温水にし、その温水を熱利用部に供給する一方、排ガスから分離したドレン水を燃料改質系の改質燃料の生成および給湯等のうち、いずれか少なくとも一方で活用することができるので、水自立を図ることができ、熱の有効利用を図ることが可能となる。
発明を実施するための最良の形態
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。
第1図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第1実施形態を示す概略系統図である。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、燃料改質系22に電気生成系23および熱回収系24を組み合わせた構成になっている。
燃料改質系22は、燃料改質部25、CO変成器26、CO選択酸化器27、バーナ部28を収容する改質器29と、燃料系(図示せず)から燃料として例えばメタンCH4を改質器29に供給する際、予め水蒸気H2Oと予混合させる気水分離器30と、CO選択酸化器27に空気を供給するブロア31とを備えている。
また、電気生成系23は、燃料極、高分子膜、酸化剤極(ともに図示せず)等で単位電池(図示せず)を構成し、単位電池を層状に積み重ねて構成したスタック(図示せず)を収容する電池本体32と、この電池本体32の燃料極側に設けられ、加熱部33aおよびポンプ33bを介装した循環路45に水を循環させ、燃料極側で電気を生成する際に発生する熱を利用して加熱部33aで水を加熱させ、その温水を例えば便座等の熱利用部に供給する温水ヒータ34とを備えている。
一方、熱回収系24は、水供給手段66、凝縮熱交換部38、温水貯蔵部41を備えている。
水供給手段66は、蛇口36およびバルブ37を備え、外部からの水、例えば水道水を凝縮熱交換部38に供給する構成になっている。
また、凝縮熱交換部38は第1凝縮熱交換器40aと第2凝縮熱交換器40bとに区画し、第1凝縮熱交換器40aを電池本体32の燃料極側に燃料排ガス管35を介して接続する一方、第2凝縮熱交換器40bを電池本体32の酸化剤極側に酸化剤排ガス管39を介して接続する構成になっている。
また、第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bは、ともに、その底部に共通のドレン水溜め53を形成するとともに、このドレン水溜め53に空気を供給するブロア42を備えている。
また、温水貯蔵部41は、第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bで生成した温水を一旦貯めて、例えば尻洗浄等の熱利用部に供給する構成になっている。
このような構成を備えた固体高分子型燃料電池システムにおいて、燃料系から供給された例えばメタンCH4は、気水分離器30からの水蒸気H2Oが加えられた後、燃料改質系22の改質器29に供給される。
この改質器29は、水蒸気改質方式を採用しており、メタンCH4および水蒸気H2Oの混合媒体を燃料改質部25、CO変成器26、CO選択酸化器27を順次通過させる間にブロア31からCO選択酸化器27に空気を供給し、水素H2を主成分とする改質ガスを生成する。改質器29で生成された改質ガスは、COの濃度が焼く50ppmになっている。
改質器29で生成された改質ガスは、電池本体32の燃料極側に供給されるとともに、電池本体32の酸化剤極側にブロア42からの空気が供給される。なおブロア42は、改質器29のバーナ部28および熱回収系24における第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bのドレン水溜め53にも空気を供給している。特に、第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bのドレン水溜め53に供給される空気は、ドレン水にバブリングとして与え、ドレン水中のCO2を除去するようになっている。
電池本体32は、燃料極と酸化剤極とで水H2Oの生成反応を行わせた後、燃料極側の排ガスを燃料排ガス管35を介して第1凝縮熱交換器40aに供給し、ここで、水供給手段66からの、例えば水道水等の水を加熱して温水にし、その温水を温水貯蔵部41で貯めた後、例えば尻洗浄等の熱利用部に供給される。なお、第1凝縮熱交換器40aに供給される排ガスは、水供給手段からの水を加熱後、排ガス管46を介して改質器29のバーナ部28に燃料源として供給される。
また、電池本体32は、酸化剤極側の排ガスを、酸化剤排ガス管39を介して改質器29のバーナ部28からの排ガスとともに第2凝縮熱交換器40bに供給し、ここでも上述と同様に、水供給手段66からの水を加熱して温水にし、その温水を温水貯蔵部41に供給する一方、ドレン水の一部をポンプ43を介して気水分離器30に戻し、残りをブロー管44で系外にブローさせている。なお、第2凝縮熱交換器40bに供給された排ガスは、水供給手段66からの水を加熱後、排気として大気に放出される。
また、電池本体32は、燃料極と酸化剤極とで水H2Oの生成反応中、発生する熱を利用して循環路45を流れる水(冷却水)を加熱部33aで加熱させ、その温水をポンプ33bを介して、温水ヒータ34に供給し、ここで、例えば便座等の熱利用部の水を加熱させるようになっている。
このように、本実施形態は、改質器29のバーナ部28から生成した排ガス、電池本体32の燃料極から生成した排ガスおよびその酸化剤極から生成した排ガスのそれぞれに含まれる水蒸気を第1および第2凝縮熱交換器40a,40bの熱源として回収させたので、水自立を図ることができ、熱の有効利用を図ることができる。
第2図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第2実施形態を示す概略系統図である。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。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、熱回収系24のうち、凝縮熱交換部38を気液分離部47と第2凝縮熱交換器40bとに区画するとともに、気液分離部47を燃料排ガス管35を介して電池本体32の燃料極側に接続し、第2凝縮熱交換器40bを酸化剤排ガス管39を介して電池本体32の酸化剤極側に接続したものである。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、水供給手段66のバルブ36からの水、例えば水道水を第2凝縮熱交換器40bで熱交換させ、熱交換後の温水を一旦貯えて給湯として熱利用部へ供給する貯湯槽49に燃料系(図示せず)から燃料管50を介して例えばメタンCH4等の燃料を燃焼させる助燃装置51を設けたものである。なお、助燃装置51は、貯湯槽49に設けた温度センサ52の指令により作動するようになっている。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、気液分離部47と第2凝縮熱交換器40bとのそれぞれの底部に共通のドレン水溜め、53を備え、ドレン水溜め53からのドレン水をポンプ43を介して気水分離器30に供給するとともに、残りのドレン水をポンプ54、ドレン水供給管55を介して電池本体32の燃料極側に供給し、さらに燃料極側から酸化剤極側に移動する際、電池本体32内の電池生成に伴う高分子膜、燃料極側および酸化剤極側の熱を除去する、いわゆる潜熱冷却を行わせたものである。なお、他の構成は、第1実施形態の構成部分と同一なので、その重複説明を省略する。
このように、本実施形態は、改質器29のバーナ部28から生成された排ガス、電池本体32の燃料極から生成された排ガスおよびその酸化剤極から生成された排ガスのそれぞれに含まれる水蒸気を気液分離部47および凝縮熱交換器48のそれぞれに回収させ、回収したドレン水を貯湯槽49および電池本体32の燃料極側のそれぞれに供給するので、水自立を図ることができ、熱の有効利用を図ることができる。
第3図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第3実施形態を示す概略系統図である。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。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、凝縮熱交換部38の第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bのそれぞれで生成したドレン水を、ポンプ56を介して電池本体32の燃料極側に供給し、ここでドレン水により燃料極側および酸化剤極側を蒸発潜熱で冷却させる、いわゆる潜熱冷却方式を行わせる第1ドレン水供給管57と、そのドレン水をポンプ58および気液分離部59を介して水蒸気H2Oとして改質器29のCO変成器26に供給する第2ドレン水供給管60とを設けたものである。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、第1凝縮熱交換器40aで生成したガスを貯湯槽49の助燃装置51に供給するガス供給管61を設けるとともに、第2凝縮熱交換器40bから貯湯槽49に供給する温水の温度を温度センサ52で検出し、検出信号が予め定められた温度を超えたとき、温度調節弁62の弁開度を制御する弁開度演算部63を設けたものである。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、改質器29に熱交換部64を設けて改質器29を冷却させ、その際、加熱された媒体を熱利用部(図示せず)に供給する媒体給排管65を設けたものである。なお、他の構成は、第1実施形態の構成と同一なので、その説明を省略する。
このように、本実施形態は、第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bのドレン水溜め53で生成されたドレン水のうち、一部を電池本体32の燃料極側に回収させる第1ドレン水供給管57と、残りをポンプ58および気液分離部59を介して水蒸気H2Oとして改質器29のCO変成器26に回収させる第2ドレン水供給管60とを備えたので、水自立を図ることができる。
また、本実施形態は、第1凝縮熱交換器40aから生成されたガスを貯湯槽49の助燃装置51に供給するガス供給管61を備える一方、改質器29に熱交換部64を設け、熱交換部64で改質器29を冷却させる際、得られた加熱媒体を熱利用部に供給する媒体給排管65を備えたので、熱の有効利用を図ることができる。
第4図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第4実施形態を示す概略系統図である。なお、第1実施形態および第2実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、凝縮熱交換部38の第2凝縮熱交換器40bにおいて、電池本体32の酸化剤極側から酸化剤排ガス管39を介して供給される排ガスを熱源として用い、水供給手段66からの水を加熱して湯水にし、その湯水を貯えて湯水として利用する浴槽67と、この浴槽67の湯水を再加熱させるために、燃料系(図示せず)の燃料管50から供給される、例えばメタンCH4等の燃料を燃焼させる助燃装置51と、浴槽67の入口側に設けられ、浴槽67の湯温を検出する温度センサ68の指令で弁開度を調節する温度調節弁69とを備えたものである。なお、他の構成は、第1実施形態および第2実施形態の構成と同一なので、その説明を省略する。
このように、本実施形態は、凝縮熱交換部38の第2凝縮熱交換器40bで生成する温水を湯水として利用する浴槽67を備えるとともに、燃料系の燃料管50から供給される燃料を燃焼させて湯水を再加熱する助燃装置51を備える一方、温水の湯温を制御する温度調節弁69を備えているので、適正な温度制御の下、熱の有効利用を図ることができる。
第5図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第5実施形態を示す概略系統図である。なお、第1実施形態および第2実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、電池本体32の燃料極側から燃料排ガス管35を介して接続する第1凝縮熱交換器40aと、電池本体32の酸化剤極側から酸化剤排ガス管39を介して接続する第2凝縮熱交換器40bとのそれぞれに、水供給手段66の蛇口36、バルブ70,71を介して供給する例えば水道水等の水を加熱して温水にし、その温水の一部を湯水として貯える浴槽67と、その温水の残りを湯水の加熱用として用いるために、浴槽67の壁部72内に埋設する熱交換部73と、この熱交換部73から出た温水を水供給手段66の蛇口36の出口側にポンプ78を介装して戻す温水戻し管74とを備えたものである。
また、本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、凝縮熱交換部38の第1凝縮熱交換器38および第2凝縮熱交換器40で生成された温水を湯水として浴槽67に供給する湯水管79と、この湯水管79に設けた温度センサ68の指令で弁開度を調節する温度調節弁69を備えたものである。なお、他の構成は、第1実施形態および第2実施形態の構成と同一なので、その説明を省略する。
このように、本実施形態は、水供給手段66からの水を第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bで温水にし、その温水を湯水として浴槽67に供給する際、その一部を温度調節弁69で制御し、残りを湯水加熱用として壁部72内に設けた熱交換部73に供給し、再加熱後の温水を水供給手段66に戻す温水戻し管75を設けているので、適正な温度制御の下、熱の有効利用を図ることができる。
なお、本実施形態は、水供給手段66からの水を第1凝縮熱交換器40aおよび第2凝縮熱交換器40bで温水に生成し、その温水を湯水として、浴槽67に供給する際、その一部を湯水の再加熱用として用いたが、この例に限らず、例えば、第6図に示すように、凝縮熱交換部38の第2凝縮熱交換器40bからの温水を浴槽67に供給する際、その一部を温度センサ75の制御の下、槽外に設けた熱交換器76に供給し、ファン77から吸い込んだ空気を昇温させ、その昇温させた温風を例えば乾燥室あるいは浴室等の熱利用部に供給してもよい。なお、ファン77からの空気を昇温させた温水は、温水戻し管74を介して給水系66に戻される。
さらにまた,第7図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第7実施形態を示す概略系統図である。なお、第1及び第6実施形態の構成部分と同一部分には同一符号を付す。
本実施形態に係る固体高分子型燃料電池システムは、凝縮熱交換部38の第2凝縮熱交換器40bにおいて、電池本体32の酸化剤極側から酸化剤排ガス管39を介して供給される排ガスを熱源として用い、水供給手段66からの水を加熱して温水とし、配管79、84、85を通じて温水貯蔵部41に供給した後、配管89を介し必要に応じて給湯やシャワー等の第1の熱利用部に供給する。
一方、温水貯蔵部41と並行して第2の熱利用部として、配管86を通じて第2の熱利用部である床暖房用の熱交換器76を設け、床に熱を供給後、配管88並びにポンプ78を介して凝縮熱交換部38の水供給部に戻す構造を採用している。この熱交換器76の用途は床暖房に限るものではなく、壁に内蔵された暖房、温風供給手段等にも適用できる。
更には、凝縮熱交換部38を通過した温水の温度(熱量)調節手段として、バルブ83、ポンプ78並びに配管87を通じて空冷用の熱交換器81が備えてあり、上記温水はポンプ78の動力により空冷用の熱交換器81に導かれ、そこでファン82により供給された空気で冷却された後に配管88より凝縮熱交換部38の水供給部に戻される。
熱交換器81及びファン82は、第1並びに第2の熱利用部で熱利用しない場合、もしくは利用熱量を低減したい場合に利用する。その制御手段として、温水貯蔵部41並びに床暖房用の熱交換器76に供給する温水の温度を温度センサ75で感知し、バルブ80並びに83の開度、及びポンプ78の回転数にフィードバックさせて制御する。またその際、水供給手段のバルブ36の開度を制御してもよい。
このように、本実施形態は、水供給手段66からの水を第2凝縮熱交換器40bで温水にし、その温水を温水貯蔵部41を介して第1の熱利用部に供給する、もしくは並行する第2の熱利用部に供給する際、その温水の温度または流量を、空冷用の熱交換器81や温度センサ75等の温度調節手段を設けているので、適正な温度制御の下、熱の有効利用を図ることができる。
また、第8図に示すように、温水貯蔵部41から床暖房用の熱交換器76の温水上流側である配管86に接続する手段として、配管92及びバルブ93を設けることにより、固体高分子型燃料電池システムを起動していない場合もしくは起動してから発電に至るまでの間において、ポンプ78の動力により温水貯蔵部41に貯めた温水を床暖房用の熱交換器76に供給することができるようになる。更に、温水貯蔵部41内の水も循環されるために腐食等を防止できる。またこのとき、配管92は温水貯蔵部41に直接接続するのではなく、配管89に接続してもよい。
産業上の利用可能性
以上の説明のとおり、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムは、燃料改質系、電気生成系、熱回収系を備え、燃料改質系で生成する改質燃料を空気とともに電気生成系で化学反応に基づく電気を発生させ、その際に生成した排ガスを熱回収系に供給し、ここで排ガスを熱源として水供給手段からの水を加熱して温水にし、その温水を熱利用部に供給する一方、排ガスから分離したドレン水を燃料改質系の改質燃料の生成および給湯等のうち、いずれか少なくとも一方で活用するので、水自立を図ることができ、熱の有効利用を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第1実施形態を示す概略系統図。
第2図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第1実施形態を示す概略系統図。
第3図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第3実施形態を示す概略系統図。
第4図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第4実施形態を示す概略系統図。
第5図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第5実施形態を示す概略系統図。
第6図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第6実施形態を示す概略系統図。
第7図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第7実施形態を示す概略系統図。
第8図は、本発明に係る固体高分子型燃料電池システムの第8実施形態を示す概略系統図。
第9図は、従来の固体高分子型燃料電池の膜電極複合体を示す概念図。
第10図は、第8図のA矢視方向から見た平面図。
第11図は、従来の固体高分子型燃料電池の単位電池を示す概念図。
第12図は、従来の固体高分子型燃料電池のスタックを示す概念図。
第13図は、従来の固体高分子型燃料電池における水蒸気添加方式の燃料改質系を示す概念図。
第14図は、従来の固体高分子型燃料電池における酸素添加方式の燃料改質系を示す概念図。
第15図は、従来の固体高分子型燃料電池における他の燃料改質系を示す概念図。
第16図は、従来の固体高分子型燃料電池における熱回収系を示す概念図。
第17図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における熱回収系を示す概念図。
第18図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における熱回収系を示す概念図。
第19図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における他の熱回収系を示す概念図。
第20図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における他の熱回収系を示す概念図。
第21図は、従来の水蒸気添加方式の燃料改質系における他の熱回収系を示す概念図。
Claims (16)
- 化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を一旦貯めて熱利用部に供給する温水貯蔵部とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
- 前記凝縮熱交換部は、第1凝縮熱交換器と第2凝縮熱交換器とに区画され、第1凝縮熱交換器を電池本体の燃料極側に接続し、第2凝縮熱交換器を電池本体の少なくとも酸化剤極側に接続したことを特徴とする請求の範囲1記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記凝縮熱交換部は、気液分離部と第2凝縮熱交換器とに区画され、気液分離部を電池本体の燃料極側に接続し、第2凝縮熱交換器を電池本体の少なくとも酸化剤極側に接続したことを特徴とする請求の範囲1記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記第1凝縮熱交換器と前記第2凝縮熱交換器とは、ともに底部に共通のドレン水溜めを形成したことを特徴とする請求の範囲2記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記気液分離部と前記第2凝縮熱交換器とは、ともに底部に共通のドレン水溜めを形成したことを特徴とする請求の範囲3記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記ドレン水溜めは、空気供給手段を備えたことを特徴とする請求の範囲4記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記ドレン水溜めは、空気供給手段を備えたことを特徴とする請求の範囲5記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記温水貯蔵部は、貯湯槽であることを特徴とする請求の範囲1記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記温水貯蔵部は、燃料改質系に供給する燃料の一部および電気生成系から出た未反応燃料のうち、少なくとも一方の燃料を用いて前記凝縮熱交換部から供給される温水を加熱する助燃装置を備えたことを特徴とする請求の範囲1記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記温水貯蔵部は、凝縮熱交換部から供給される温水流量を制御する調節弁と、この調節弁に温水の温度信号に基づいて弁開度信号を演算して与える弁開度演算部とを備えたことを特徴とする請求の範囲1記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記温水貯蔵部は、浴槽であることを特徴とする請求の範囲1記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 前記浴槽は、壁部に収容した熱交換部を備え、この熱交換部に前記凝縮熱交換部から温水を供給する手段排出すると、前記熱交換部から温水を前記凝縮熱交換部への入口に戻す手段を設けたことを特徴とする請求の範囲11記載の固体高分子型燃料電池システム。
- 化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を湯水として用いる浴槽と、上記凝縮熱交換部からの温水を加熱源として空気を温風にして熱利用部に供給する熱交換器と、この熱交換器を出た温水を上記凝縮熱交換部への水供給部に戻す手段とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
- 化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合わせた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を一旦貯めて熱利用部に供給する温水貯蔵部とを備える一方、上記電気生成系は、少なくともその電池本体の燃料極側もしくは酸化剤極側の一方に上記凝縮熱交換部で生成された凝縮水の一部を供給するラインを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
- 化学的に電気を生成する電気生成系に燃料改質系と熱回収系を組み合せた固体高分子型燃料電池システムにおいて、上記熱回収系は、水供給手段と、この水供給手段から供給される水を温水にする凝縮熱交換部と、この凝縮熱交換部からの温水を第1の熱利用部に供給する手段と、上記温水を第1の熱利用部に並行して設けた第2の熱利用部に供給する手段と、第2の熱利用部を通過した水を上記凝縮熱交換部の水供給部へ戻す手段と、第1または第2の熱利用部への供給熱量調節手段とを備えたことを特徴とする固体高分子型燃料電池システム。
- 第1の熱利用部の温水上流側には少なくとも温水貯蔵部を備え、上記温水貯蔵部の温水排出部と第2の熱利用部の温水供給部を接続する手段を備えたことを特徴とする請求項15記載の固体高分子型燃料電池システム。
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