WO2015075890A1 - 燃料電池システム - Google Patents

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WO2015075890A1
WO2015075890A1 PCT/JP2014/005629 JP2014005629W WO2015075890A1 WO 2015075890 A1 WO2015075890 A1 WO 2015075890A1 JP 2014005629 W JP2014005629 W JP 2014005629W WO 2015075890 A1 WO2015075890 A1 WO 2015075890A1
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fuel cell
water
gas
condenser
fuel
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PCT/JP2014/005629
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佳央 田村
尾関　正高
中村　明子
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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Publication date
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    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H01M8/04119—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying
    • H01M8/04156—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal
    • H01M8/04164—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants with simultaneous supply or evacuation of electrolyte; Humidifying or dehumidifying with product water removal by condensers, gas-liquid separators or filters
    • H—ELECTRICITY
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    • H01M8/0612—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants from carbon-containing material
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • a steam reforming reaction is generally used.
  • this steam reforming reaction for example, city gas as a raw material and steam are reacted at a high temperature of about 600 ° C. to 700 ° C. using a Ni-based or Ru-based noble metal-based reforming catalyst.
  • the hydrogen containing gas which has hydrogen as a main component is produced
  • exhaust heat recovery water for recovering the heat generated in the fuel cell 101 as the refrigerant in the condenser 102.
  • This waste heat recovery water is stored in a hot water storage tank, low temperature water for exhaust heat recovery is supplied to the fuel cell system 100 from the lower part of the hot water storage tank, and high temperature water recovered from the fuel cell system 100 is supplied to the upper part of the hot water storage tank.
  • heat can be recovered from the fuel cell system 100 using low temperature water and stored in the hot water storage tank as high temperature water.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a peripheral configuration of the condenser 2 of the fuel system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of a fuel cell system in a first modification of the second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a peripheral configuration of the condenser 2 of the fuel system according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of
  • the fuel cell system 53 of the present embodiment includes a fuel cell 1, a condenser 2, a humidifier 3, and a combustor 5.
  • the fuel cell 1 generates power using a fuel gas containing hydrogen and an oxidant gas containing oxygen.
  • the fuel cell 1 may be of any type, and for example, one selected from a solid polymer fuel cell, a solid oxide fuel cell, a phosphoric acid fuel cell, and the like can be used.
  • the fuel gas that has not been used for power generation in the fuel cell 1 is discharged from the fuel cell 1 as off-fuel gas.
  • the oxidant gas that has not been used for power generation in the fuel cell 1 is discharged from the fuel cell 1 as off-oxidant gas.
  • the fuel gas used in the fuel cell 1 may be a hydrogen-containing gas generated by reforming a hydrocarbon such as city gas or LPG in a reformer, an infrastructure, a cylinder, Alternatively, a hydrogen-containing gas supplied from a tank or the like may be used.
  • the oxidant gas used in the fuel cell 1 may be any gas as long as it contains oxygen gas, but in the present embodiment, air is used.
  • the combustor 5 burns off-fuel gas discharged from the anode of the fuel cell 1.
  • the combustor 5 may be anything as long as it burns off-fuel gas.
  • a combustion burner for heating is used in a reformer that generates a fuel gas containing hydrogen that is supplied to the anode of the fuel cell 1.
  • a combustor 5 is used as the heat source.
  • the combustor 5 needs to be supplied with a gas containing oxygen necessary for the combustion reaction. In this embodiment mode, air is supplied using a fan.
  • the combustor 5 is not limited to a combustion burner for heating the reformer.
  • the off-fuel gas of the fuel cell 1 that generates electricity using pure hydrogen as a fuel gas is burned, and the combustion heat is used.
  • the exhaust heat recovery water may be heated and recovered as thermal energy.
  • the combustor 5 may be configured to combust off-oxidant gas discharged from the cathode in addition to off-fuel gas.
  • the condenser 2 condenses water in the exhaust gas in the fuel cell unit including the fuel cell 1 and the combustor 5.
  • the condenser 2 cools a gas containing water vapor, such as off-fuel gas and off-oxidant gas, to condense water.
  • the gas to be condensed may be any gas as long as it contains water vapor.
  • coolant for cooling in the condenser 2 there exist water or air, but what kind of thing may be used if it can cool gas. For example, exhaust heat recovery water for recovering heat generated from the fuel cell 1 can be used.
  • the humidifier 3 moves water from a gas exhausted from the combustor 5 to a gas used for power generation of the fuel cell 1 from a gas containing at least combustion exhaust gas.
  • the humidifier 3 is configured such that a plurality of gases circulate in the humidifier 3 and water vapor or water moves between the plurality of gases.
  • the water vapor or water moves from a gas containing a large amount of water vapor or water to a gas containing little water vapor or water.
  • the humidifier 3 may have any configuration as long as it can move water vapor or water.
  • a hollow fiber membrane is preferably used.
  • the humidifier 3 may be a humidifier that exchanges only water or a total heat exchanger that can exchange not only water but also heat.
  • the fuel cell system 53 of the present embodiment burns off-fuel gas discharged from the anode of the fuel cell 1 in the combustor 5, supplies the combustion exhaust gas discharged from the combustor 5 to the humidifier 3, and combusts exhaust gas. The water vapor inside is recovered.
  • Fuel gas containing hydrogen is supplied to the anode of the fuel cell 1.
  • the gas not used for the reaction in the fuel cell 1 is discharged from the anode of the fuel cell 1 as off-fuel gas. Since it is difficult to maintain the durability performance of the fuel cell 1 in a completely dry state, the fuel gas supplied to the anode generally contains water.
  • This water is discharged together with off-fuel gas after humidifying the anode of the fuel cell 1. Further, as the fuel cell 1 generates power, water generated at the cathode may move to the anode, and the water may be contained in the off-fuel gas. Thus, the off fuel gas contains water vapor. In the present embodiment, the off-fuel gas containing water vapor is supplied to the combustor 5, but the water of the off-fuel gas may be once condensed and recovered, and then combusted in the combustor 5.
  • the off-fuel gas is supplied to the combustor 5 and combustible gases such as hydrogen and hydrocarbons in the off-fuel gas are burned.
  • gases such as hydrogen and hydrocarbons in the off-fuel gas
  • water is generated.
  • the off-fuel gas discharged from the combustor 5 contains a large amount of water. In order to recover this water, off-fuel gas is supplied to the condenser 2.
  • the gas discharged from the fuel cell 1 includes an off-fuel gas and an off-oxidant gas, and when both gases are discharged from the fuel cell system 53 as exhaust gas, water vapor is discharged together.
  • the exhaust gas from which water is to be recovered can be at least one of off-fuel gas and off-oxidant gas. In this embodiment, off fuel gas will be described.
  • the oxidant gas supplied to the cathode of the fuel cell 1 may be any gas as long as it contains oxygen gas.
  • air is used as the oxidant gas.
  • a part of oxygen is used for power generation and heat generation in the fuel cell 1, but air components such as oxygen and nitrogen that are not used are used as off-oxidant gas.
  • oxygen and hydrogen react to generate power and generate heat, and as a result, water is generated. All or part of the water is discharged from the cathode as water vapor or liquid. Therefore, a large amount of water vapor is contained in the off-oxidant gas.
  • the off fuel gas is cooled and the water vapor is condensed in the condenser 2.
  • the refrigerant for cooling off-fuel gas in the condenser 2 any refrigerant may be used as long as the off-fuel gas can be cooled.
  • exhaust heat recovery water for recovering heat generated from the fuel cell 1 is used.
  • water in a hot water storage tank for storing heat generated in the fuel cell 1 is used.
  • FIG. 2 is a diagram showing a peripheral configuration of the condenser 2 of the fuel system 53 according to the first embodiment of the present invention.
  • the fuel system 53 may include the heat utilization unit 12 and the heat medium circulation path 13.
  • the heat utilization unit 12 utilizes heat recovered from the fuel cell.
  • a hot water storage tank is included in the heat utilization unit 12.
  • the heat medium circulation path 13 circulates the heat medium via the heat utilization unit 12.
  • the heat medium circulation path 13 is configured to cool the exhaust gas supplied to the condenser 2 and recover the heat.
  • the heat use unit 12 may be a radiator that uses heat for heating or the like, or may be a heat storage unit that stores heat.
  • waste heat recovery water is stored, and high temperature water is stored in the upper part and low temperature water is stored in the lower part.
  • the exhaust heat recovery water taken out from the lower part of the hot water storage tank is supplied to the condenser 2 via the heat medium circulation path 13 and cools off fuel gas by recovering heat from the off fuel gas.
  • the exhaust heat recovery water that has passed through the condenser 2 passes through the heat medium circulation path 13 that recovers the heat generated from the fuel cell 1, exchanges heat, and recovers the heat of the fuel cell 1.
  • the temperature of the exhaust heat recovery water that has recovered the heat has risen, and is supplied to the upper part of the hot water storage tank that is the heat utilization unit 12 and stored as hot water.
  • the off fuel gas is cooled in the condenser 2, and the water vapor in the off fuel gas is recovered as condensed water.
  • the recovered water is used to humidify a gas necessary for power generation of the fuel cell 1 and generate a hydrogen-containing gas used for power generation of the fuel cell 1.
  • the amount of water that can be recovered from the off fuel gas in the condenser 2 depends on the temperature and flow rate of the refrigerant supplied to the condenser 2. For this reason, if the temperature of a refrigerant
  • the temperature of the exhaust heat recovery water supplied from the hot water storage tank is sufficient as a refrigerant for the condenser 2 for recovering the amount of water required for the operation of the fuel cell system 53 depending on the operation conditions and installation environment of the fuel cell system 53. May not drop to a reasonable temperature.
  • a refrigerant for the condenser 2 for recovering the amount of water required for the operation of the fuel cell system 53 depending on the operation conditions and installation environment of the fuel cell system 53. May not drop to a reasonable temperature.
  • the amount of water required for the fuel cell 1 cannot be recovered from the condenser 2.
  • at least off-fuel gas discharged from the condenser 2 is supplied to the humidifier 3 in the present embodiment in order to ensure the amount of water necessary for the fuel cell 1.
  • the gas used for the fuel cell 1 is supplied to the humidifier 3 separately from the off-fuel gas.
  • the gas used in the fuel cell 1 includes an oxidant gas supplied to the cathode of the fuel cell 1, a hydrogen-containing gas supplied to the anode of the fuel cell 1, and a hydrogen-containing gas supplied to the anode of the fuel cell 1.
  • At least one of city gas, which is a raw material for gas, and hydrocarbon gas such as LPG is included.
  • the water vapor moves from the high water vapor partial pressure side to the low water vapor side between the off fuel gas and the gas used in the fuel cell 1.
  • the water vapor partial pressure of the off fuel gas is higher than the water vapor partial pressure of the gas used in the fuel cell 1. Get higher. In such a case, the water vapor held by the off-fuel gas moves to the gas used for the fuel cell 1.
  • the humidifier 3 may be a total heat exchanger. In that case, in the humidifier 3, not only the movement of water vapor between the off-fuel gas and the gas used for the fuel cell 1, Heat transfer will also take place.
  • the exhaust gas condensed in the condenser 2 is not limited to off-fuel gas, but may be off-oxidant gas or a mixed gas of off-oxidant gas and off-fuel gas.
  • water can be recovered in the fuel cell system 53 before water vapor is discharged as combustion exhaust gas from the fuel cell system 53, and the amount of water recovered in the fuel cell system 53 can be increased. Become.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system 54 in the second embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 54 of the present embodiment includes a fuel cell 1, a humidifier 3, a combustor 5, a first condenser 6, and a second condenser 7.
  • the first condenser 6 is a condenser that condenses and collects water vapor in the off-oxidant gas discharged from the fuel cell 1. Since the condensation method and the refrigerant are the same as those of the condenser 2 of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the second condenser 7 is a condenser that condenses and collects water vapor in the combustion exhaust gas discharged from the combustor 5. Since the condensation method and the refrigerant are the same as those of the condenser 2 of the first embodiment, the description thereof is omitted.
  • the refrigerant supplied to the first condenser 6 and the second condenser 7 may be supplied by dividing the same refrigerant in parallel, or the first condenser 6 and the second condenser 7. May be connected in series and cooled by flowing the same refrigerant in order. In addition, when connecting in series, the order which connects the 1st condenser 6 and the 2nd condenser 7 may come first. Alternatively, another refrigerant may be supplied to each of the first condenser 6 and the second condenser 7. In the present embodiment, it is assumed that exhaust heat recovery water is branched and supplied to the first condenser 6 and the second condenser 7 in parallel.
  • the off-oxidant gas is discharged from the cathode of the fuel cell 1, and the off-fuel gas is discharged from the anode of the fuel cell 1.
  • the off-fuel gas is burned in the combustor 5 and becomes off-fuel gas further containing water vapor.
  • the off-oxidant gas is circulated through the first condenser 6 in order to condense the water vapor in the off-oxidant gas and recover the water.
  • the off-fuel gas is circulated through the second condenser 7 in order to condense the water vapor in the off-fuel gas and recover the water. In this way, water is recovered from the off-oxidant gas and off-fuel gas.
  • the cooling capacity of at least one of the first condenser 6 and the second condenser 7 is reduced, the amount of water recovered in the fuel cell system 54 is reduced, and the balance of water balance is lost. Water independence is not possible.
  • the off-oxidant gas that has passed through the first condenser 6 and the off-fuel gas that has passed through the second condenser 7 are supplied to the humidifier 3 to supply water vapor to the gas used in the fuel cell 1.
  • two humidifiers 3 may be prepared, and the water vapor may be moved from the off-oxidant gas and the off-fuel gas to the gas used for the fuel cell 1 separately.
  • the off-oxidant gas and the off-fuel gas are mixed and then supplied to the humidifier 3.
  • the amount of water recovered by the gas used in the fuel cell 1 is increased by moving the water vapor from both the off-oxidant gas and the off-fuel gas to the gas used in the fuel cell 1. Is possible.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system 55 in the first modification of the second embodiment of the present invention.
  • the off-oxidant gas discharged from the cathode of the fuel cell 1 and the off-fuel gas discharged from the combustor 5 are mixed, and the mixed gas is the condenser 2. Has been supplied to.
  • the fuel cell system 55 of the present modified example may be configured in the same manner as at least one of the fuel cell systems 53 and 54 in the first embodiment and the second embodiment except for the points described above. it can.
  • the water vapor in the off-oxidant gas and the off-fuel gas can be condensed by the single condenser 2, so that the system configuration can be simplified.
  • off-fuel gas is burned in the combustor 5 and then mixed with off-oxidant gas.
  • the off-oxidant gas and the off-fuel gas may be mixed, burned in the combustor 5, and then supplied to the condenser 2.
  • a solid oxide fuel cell is used as the fuel cell 1, it is better to burn off oxidant gas and off fuel gas.
  • the fuel cell systems 54 and 55 of the present embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell system 53 of the first embodiment except for the above features.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system 56 according to the third embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 56 of the present embodiment includes a fuel cell 1, a condenser 2, a humidifier 3, a combustor 5, and a reformer 8.
  • the fuel cell 1, the condenser 2, the combustor 5, and the humidifier 3 are the same as at least one of those described in the first embodiment and the second embodiment. Omitted.
  • the reformer 8 generates a hydrogen-containing gas using the raw material. Specifically, in the reforming section in the reformer 8, the raw material is subjected to a reforming reaction to generate a hydrogen-containing gas.
  • the reforming reaction may take any form, and for example, a steam reforming reaction, an autothermal reaction, a partial oxidation reaction, or the like can be used. Although not shown in FIG. 5, equipment necessary for each reforming reaction is provided as appropriate.
  • the reforming reaction is a steam reforming reaction
  • a combustor 5 that heats the reformer, an evaporator that generates steam, and a water supplier that supplies water to the evaporator are provided.
  • the reforming reaction is an autothermal reaction
  • an air supply device for supplying air to the reformer 8 is further provided.
  • the raw material is a gas containing an organic compound composed of at least carbon and hydrogen, such as city gas mainly composed of methane, natural gas, or LPG.
  • city gas mainly composed of methane, natural gas, or LPG.
  • the operation of the fuel cell system 56 of the present embodiment is basically the same as that of at least one of the fuel cell systems 53 to 55 in the first embodiment and the second embodiment. Therefore, the characteristic part will be described with reference to FIG.
  • a fuel gas that is a hydrogen-containing gas supplied to the anode of the fuel cell 1 is generated.
  • water is also required in addition to the raw material. A part of this water is recovered by passing the raw material through the humidifier 3. If the amount of humidification of the raw material is not sufficient for the amount of reforming reaction in the reformer 8, additional reforming water may be additionally supplied to the reformer 8. In this embodiment, the reforming water is added to the reformer 8.
  • FIG. 6 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of the fuel cell system 57 in the first modification of the third embodiment of the present invention.
  • a fuel gas that is a hydrogen-containing gas is generated from the raw material, and the fuel gas is circulated through the humidifier 3, so that the steam is supplied from the humidifier 3. Moves and is humidified.
  • the fuel gas humidified by the humidifier 3 is supplied to the fuel cell 1 and used for power generation in the fuel cell 1.
  • At least one of the fuel cell systems 53 to 56 of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment can be configured in the same manner.
  • the fuel gas humidified by the humidifier 3 can be supplied to the fuel cell 1, and further, the water vapor discharged from the fuel cell system 57 through the exhaust gas, particularly off-combustion gas, can be reduced. Therefore, it is possible to improve the water balance of the fuel cell system 57 and enhance the water self-supporting performance.
  • the fuel cell systems 56 and 57 of the present embodiment may be configured in the same manner as the fuel cell systems 53 to 55 of the first embodiment and the second embodiment except for the above features.
  • FIG. 7 is a conceptual diagram showing an example of a schematic configuration of a fuel cell system 58 according to the fourth embodiment of the present invention.
  • the fuel cell system 58 of the present embodiment includes a fuel cell 1, a condenser 2, a humidifier 3, a combustor 5, a water tank 9, and a water utilization device 10.
  • the fuel cell 1, the condenser 2, the combustor 5, and the humidifier 3 are the same as at least one of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment. The description is omitted.
  • the water tank 9 is a tank for collecting and storing the water condensed in the condenser 2.
  • the water tank 9 may have any configuration as long as it can store condensed water.
  • the water use device 10 is a device that uses the water stored in the water tank 9.
  • Examples of the water utilization device 10 include a reformer 8 that uses water for the reforming reaction, a steam generator that supplies water vapor to the reformer 8, and humidification of gas supplied to the anode or cathode of the fuel cell 1.
  • Examples include a humidifier to be used, a cooler for cooling the fuel cell 1, and a cooling water tank for storing the cooling water.
  • the water utilization device 10 may be any device that uses water in the fuel cell system 58.
  • the operation of the fuel cell system 58 of the present embodiment is the same as that of at least one of the fuel cell systems 53 to 57 of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment. Since it becomes operation
  • the water condensed in the condenser 2 is stored in the water tank 9.
  • the water stored in the water tank 9 is used in the water utilization device 10.
  • water once water is stored in the water tank 9, even if the water condensation performance in the condenser 2 fluctuates, it is possible to stably supply water to the water utilization device 10.
  • the water used in the water use device 10 is condensed again in the condenser 2 and stored in the water tank 9, whereby the water can be reused in the fuel cell system 58.
  • water can be circulated in the fuel cell system 58, and there is no need to separately supply water from the outside of the fuel cell system 58.
  • the humidifier 3 when the water condensing performance in the condenser 2 is reduced, the humidifier 3 returns water into the fuel cell system 58 using the gas used in the fuel cell 1. Thereby, water discharge to the outside of the fuel cell system 58 can be suppressed, and water self-supporting in the fuel cell system 58 can be established.
  • the fuel cell system 58 of the present embodiment has the same configuration as the fuel cell systems 53 to 57 of the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment except for the above features. May be.
  • each of the fuel cell systems 53 to 58 in the embodiment includes the fuel cell 1, the combustor 5 that burns off-fuel gas discharged from the anode of the fuel cell 1, the fuel cell 1, and the combustion And a condenser 2 for condensing water in the exhaust gas in the fuel cell unit including the condenser 5. Further, a humidifier 3 is provided that moves water from the combustion exhaust gas discharged from the combustor 5 to a gas used for power generation of the fuel cell 1.
  • water vapor that could not be condensed by the condenser 2 is used for power generation of the fuel cell 1 by the humidifier 3 as compared with the case where water is recovered by condensing the water vapor in the combustion exhaust gas only by the condenser 2.
  • the amount of water recovered can be increased and the water self-supporting performance can be improved by moving the gas to the generated gas.
  • water can be recovered in the fuel cell system before water vapor is discharged as combustion exhaust gas from the fuel cell system, and the amount of water recovered in the fuel cell system can be increased. .
  • the fuel cell systems 53 to 58 reform the water tank 9 for storing the water condensed in the condenser 2 and the raw material and the water in the water tank 9, and the generated hydrogen-containing gas is supplied to the anode of the fuel cell 1. You may further provide the reformer 8 to supply.
  • the water self-supporting performance can be further improved.
  • the configuration having the water tank 9 has been described as the fuel cell system 58, and the configuration having the reformer 8 has been described as the fuel cell systems 56, 57. These may each be provided with a water tank and a reformer 8.
  • the humidifier 3 may be a total heat exchanger that performs total heat exchange between the combustion exhaust gas and the gas used for power generation of the fuel cell 1.
  • the water vapor that has not been condensed by the condenser can be generated by the humidifier 3 in the power generation of the fuel cell 1.
  • the amount of water recovered can be increased and the water self-supporting performance can be improved.
  • the condenser 2 may be configured to condense water in the combustion exhaust gas discharged from the combustor 5.
  • water can be recovered in the fuel cell system before water vapor is discharged as combustion exhaust gas from the fuel cell system, and the amount of water recovered in the fuel cell system can be increased.
  • the condenser 2 may be configured to condense off-oxidant gas discharged from the cathode of the fuel cell 1 and water in the mixed gas of combustion exhaust gas discharged from the combustor 5.
  • water can be recovered in the fuel cell system from both off-fuel gas and off-oxidant gas discharged from the fuel cell, and the amount of water recovered in the fuel cell system can be increased. it can.
  • the condenser 2 condenses the water in the off-oxidant gas discharged from the cathode of the fuel cell 1 and the first condenser 6 that condenses the water in the combustion exhaust gas discharged from the combustor 5. 2 condensers 7 may be included.
  • the humidifier 3 includes a gas mixture used for the fuel cell 1 and a mixed gas of the off-oxidant gas that has passed through the first condenser 6 and the combustion exhaust gas that has passed through the second condenser 7. A configuration in which total heat exchange is performed may be used.
  • the water vapor is transferred from both the off-oxidant gas and the off-fuel gas to the gas used for the fuel cell 1 while reducing the load on the humidifier 3. It becomes possible to increase the amount of water recovered by the gas used.
  • the gas used for power generation of the fuel cell 1 may be an oxidant gas supplied to the cathode of the fuel cell 1.
  • the water remaining in the off-oxidant gas after the condenser 2 is compared with the case where water in the off-oxidant gas is condensed only by the condenser 2 to collect water. Since it can collect
  • the gas used for power generation of the fuel cell 1 may be a hydrogen-containing gas supplied to the anode of the fuel cell 1.
  • the combustor 5 may be configured to combust at least one of the raw material, the hydrogen-containing gas, and the off-fuel gas and discharge the combustion exhaust gas.
  • combustor 5 a combustion burner for heating in the reformer 8 that generates hydrogen-containing fuel gas supplied to the anode of the fuel cell 1 can be used.
  • the fuel cell systems 53 to 58 include a heat utilization unit 12 that uses heat recovered from the fuel cell 1 and a heat medium circulation path 13 that circulates the heat medium via the heat utilization unit 12. Also good.
  • the heat medium circulation path 13 may be configured to cool the exhaust gas supplied to the condenser 2 and recover the heat.
  • the heat recovered from the fuel cell 1 can be used effectively, and the exhaust gas can be cooled effectively.
  • the present invention in the fuel cell system using water, it is possible to obtain a special effect that the water collecting ability can be improved as compared with the conventional case. Therefore, the present invention is useful as a fuel cell system that generates electric power and heat by reacting a hydrogen-containing gas with an oxidant gas such as air.

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Abstract

　水素含有ガスを空気等の酸化剤ガスと反応させて、電力および熱を生み出す燃料電池システム（５３）であって、燃料電池（１）と、燃料電池（１）のアノードから排出されるオフ燃料ガスを燃焼させる燃焼器（５）と、燃料電池（１）および燃焼器（５）を含む燃料電池ユニットにおける排ガス中の水を凝縮させる凝縮器（２）とを備えている。また、燃焼器（５）から排出された燃焼排ガスから、燃料電池（１）の発電に利用されるガスに水を移動させる加湿器（３）を備えている。

Description

燃料電池システム
　本発明は、水素含有ガスを空気等の酸化剤ガスと反応させて、電力および熱を生み出す燃料電池システムに関する。
　燃料電池システムは、通常、一般的な原料インフラである天然ガスまたはＬＰＧ（Ｌｉｑｕｉｆｉｅｄ　Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ　Ｇａｓ）から水素含有ガスを生成させる改質器を備えている。
　改質器においては、水蒸気改質反応が一般的に用いられている。この水蒸気改質反応は、例えば、原料となる都市ガスと水蒸気とを、Ｎｉ系またはＲｕ系の貴金属系の改質触媒を用いて、６００℃～７００℃程度の高温で反応させるものである。これにより、水素を主成分とした水素含有ガスが生成される。
　生成された水素含有ガスは燃料電池に供給され、別途供給される空気等の酸化剤ガスと反応して、電力および熱が生み出される。
　水蒸気改質反応に用いられる水としては、改質器内の触媒を劣化させないように、純度の高いものを使用する必要がある。この水を水道水等のインフラから供給し続けると、水を純水にするために、多量のイオン交換樹脂が必要となり、燃料電池システムのコストが高騰してしまう。
　そこで、燃料電池システム内で生成された水を回収し、その水を水蒸気改質反応の水として用いる燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
　図８は、従来の燃料電池システム１００の概略構成を示す概念図である。
　図８の構成において、水素生成装置によって生成された水素含有ガスが、燃料電池１０１に供給される。燃料電池１０１には別途酸化剤ガスも供給される。そして、燃料電池１０１において、水素含有ガスと酸化剤ガスとが反応し、電気および熱が生み出される。この反応に用いられなかった酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして、燃料電池１０１から排出される。また、反応に用いられなかった水素含有ガスも、オフ燃料ガスとして、燃料電池１０１から排出される。
　オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガス中には、燃料電池１０１において水素と酸素とが反応した時に生成された水が、蒸気として含まれている。このオフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスを、凝縮器１０２において冷却することにより、水蒸気が凝縮されて水が回収される。
　上述した燃料電池システム１００では、凝縮器１０２における冷媒として、燃料電池１０１において生成された熱を回収するための排熱回収水を用いることが一般的である。この排熱回収水は貯湯タンクに蓄えられ、貯湯タンク下部から燃料電池システム１００に排熱回収のための低温水が供給され、貯湯タンク上部に燃料電池システム１００から回収された高温水が供給される。これにより、低温水を用いて燃料電池システム１００から熱を回収し、高温水として貯湯タンクに蓄えることが可能となる。
　ここで、貯湯タンク下部から供給される排熱回収水の温度が高温になると、凝縮器１０２において水を十分に回収することが出来なくなる。燃料電池システム１００内では、燃料電池１０１に供給される水素含有ガスの加湿のための水、燃料電池１０１に供給される酸化剤ガスの加湿のための水、および、水素含有ガスを生成させるための改質反応に用いられる水等、多くの水が使用されている。燃料電池システム１００での水回収量が低下すると、燃料電池システム１００での水使用量に対する水回収量が不足してしまい、水収支が成立しなくなり、水自立出来ないという課題を有している。
　従来の燃料電池システムは、カソードから排出されるオフ酸化剤ガス、およびアノードから排出されるオフ燃料ガスを、熱交換器に通して、排熱回収水等と熱交換することにより冷却し、水を回収している。しかしながら、従来の燃料電池システムは、排熱回収水の温度が高くなっても、熱交換による冷却のみで水を回収する。このため、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスの冷却能力が低下し、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガス中の水蒸気を凝縮しきれず、燃料電池システムの運転に必要な水量を回収し難い。
特開２００８－２３４８６９号公報
　本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、燃料電池システムにおいて、水自立性能を従来よりも向上させるものである。
　本発明の燃料電池システムは、燃料電池と、燃料電池のアノードから排出されるオフ燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、燃料電池および燃焼器を含む燃料電池ユニットにおける排ガス中の水を凝縮させる凝縮器とを備えている。また、燃焼器から排出された燃焼排ガスから、燃料電池の発電に利用されるガスに水を移動させる加湿器を備えている。
　このような構成により、水を使用する燃料電池システムにおいて、水の回収能力を従来よりも向上させることができる。
図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図２は、本発明の第１の実施の形態における燃料システムの凝縮器２の周辺構成を示す図である。 図３は、本発明の第２の実施の形態における、燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図４は、本発明の第２の実施の形態の第１変形例における、燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図５は、本発明の第３の実施の形態における、燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図６は、本発明の第３の実施の形態の第１変形例における、燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図７は、本発明の第４の実施の形態における燃料電池システムの概略構成の一例を示す概念図である。 図８は、従来の燃料電池システムの概略構成を示す概念図である。
　以下、本発明の実施の形態について説明するが、本発明はこれらの各実施の形態によって限定されるものではない。
　（第１の実施の形態）
　まず、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システム５３について説明する。
　［装置構成］
　図１は、本発明の第１の実施の形態における燃料電池システム５３の概略構成の一例を示す概念図である。
　図１の例では、本実施の形態の燃料電池システム５３は、燃料電池１、凝縮器２、加湿器３、および燃焼器５を備えている。
　燃料電池１は、水素を含有した燃料ガスと、酸素を含有した酸化剤ガスとを用いて発電する。燃料電池１は、いずれの種類であってもよく、例えば、固体高分子形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、および燐酸形燃料電池等から選択されるものを用いることができる。
　なお、燃料電池１での発電に使用されなかった燃料ガスは、オフ燃料ガスとして燃料電池１から排出される。また、燃料電池１での発電に使用されなかった酸化剤ガスは、オフ酸化剤ガスとして燃料電池１から排出される。なお、燃料電池１において使用される燃料ガスは、都市ガスまたはＬＰＧ等の炭化水素を、改質器にて改質することによって生成される水素含有ガスを用いてもよいし、インフラ、ボンベ、またはタンク等から供給される水素含有ガスを用いてもよい。
　また、燃料電池１において使用される酸化剤ガスは、酸素ガスを含有していればいかなるものでもよいが、本実施の形態では、空気を用いている。
　燃焼器５は、燃料電池１のアノードから排出されるオフ燃料ガスを燃焼させるものである。燃焼器５は、オフ燃料ガスを燃焼させるものであれば、如何なるものであってもよい。本実施の形態では、燃料電池１のアノードに供給される、水素を含有した燃料ガスを生成する改質器における、加熱のための燃焼バーナーを用いている。
　改質器において、例えば水蒸気改質反応により燃料ガスを生成させる場合、その反応は吸熱反応であるため、燃焼バーナーから必要な熱量を与える必要がある。この熱の供給源として、燃焼器５を用いる。燃焼器５には、別途燃焼反応に必要な酸素を含んだガスを供給する必要がある。本実施の形態では、ファンを用いて空気を供給する。
　なお、燃焼器５は、改質器を加熱するための燃焼バーナーに限定されるものではなく、例えば、純水素を燃料ガスとして発電する燃料電池１のオフ燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱で排熱回収水を加熱し、熱エネルギーとして回収するものであってもよい。なお、燃焼器５は、オフ燃料ガスに加えて、カソードから排出されるオフ酸化剤ガスも燃焼させる構成であってもよい。
　凝縮器２は、燃料電池１および燃焼器５を含む燃料電池ユニットにおける排ガス中の水を凝縮させるものである。凝縮器２は、オフ燃料ガスおよびオフ酸化剤ガス等の、水蒸気を含有したガスを冷却して、水を凝縮させる。凝縮させるガスは、水蒸気を含有していれば如何なるガスであってもよい。また、凝縮器２において冷却するための冷媒としては、水または空気等があるが、ガスを冷却することが出来れば如何なるものを用いてもよい。例えば、燃料電池１から発生する熱を回収するための排熱回収水を用いることができる。
　加湿器３は、燃焼器５から排出された、少なくとも燃焼排ガスを含むガスから燃料電池１の発電に利用されるガスに水を移動させるものである。加湿器３は、加湿器３内を複数のガスが流通し、複数のガス間で、水蒸気または水が移動するように構成されている。加湿器３において、水蒸気または水を多く含んだガスから、水蒸気または水が少ないガスへと、水蒸気または水が移動する。加湿器３としては、水蒸気または水を移動させることが出来れば、如何なる構成であってもよく、例えば、中空糸膜を用いることが好ましい。なお、加湿器３は、水のみを交換する加湿器であってもよいし、水だけでなく熱も交換可能な全熱交換器であってもよい。
　［動作］
　以下、燃料電池システム５３の動作について説明する。
　本実施の形態の燃料電池システム５３は、燃料電池１のアノードから排出されるオフ燃料ガスを燃焼器５で燃やし、燃焼器５から排出される燃焼排ガスを加湿器３に供給して、燃焼排ガス中の水蒸気を回収するものである。
　燃料電池１のアノードには水素を含有した燃料ガスが供給される。その燃料ガスのうち、燃料電池１での反応に使用されなかったガスは、オフ燃料ガスとして、燃料電池１のアノードから排出される。燃料電池１は、完全にドライな状態では耐久性能を維持することが難しいので、アノードに供給される燃料ガスは、水を含有しているのが一般的である。
　この水は、燃料電池１のアノードを加湿した後に、オフ燃料ガスとともに排出される。また、燃料電池１の発電に伴って、カソードで発生した水がアノードに移動し、その水がオフ燃料ガスに含有される場合もある。このように、オフ燃料ガスには水蒸気が含まれている。本実施の形態では、水蒸気を含有したオフ燃料ガスを燃焼器５に供給しているが、オフ燃料ガスの水を一度凝縮させて回収した後、燃焼器５で燃焼させてもよい。
　オフ燃料ガスは、燃焼器５に供給されて、オフ燃料ガス中の水素および炭化水素等の可燃性ガスが燃やされる。水素または炭化水素を燃焼させると、水が発生する。このため、燃焼器５から排出されるオフ燃料ガスには、水が多く含まれている。この水を回収するために、オフ燃料ガスが凝縮器２に供給される。
　なお、燃料電池１から排出されるガスとしては、オフ燃料ガスおよびオフ酸化剤ガスがあり、どちらのガスも、排ガスとして燃料電池システム５３から排出される際に、水蒸気が一緒に排出される。このため、燃料電池システム５３として、水が回収されるべき排ガスは、オフ燃料ガスおよびオフ酸化剤ガスのうち、少なくともいずれかで有り得る。本実施の形態では、この中で、オフ燃料ガスについて説明する。
　なお、燃料電池１のカソードに供給する酸化剤ガスは酸素ガスを含有していれば如何なるものでも構わないが、本実施の形態では、酸化剤ガスとして空気を用いる。燃料電池１のカソードに供給される空気のうち、酸素の一部は燃料電池１での発電および発熱に使用されるが、使用されなかった酸素および窒素などの空気成分は、オフ酸化剤ガスとしてカソードから排出される。燃料電池１では、酸素と水素とが反応して発電および発熱をし、その結果として水が生成する。その水の全てまたは一部は、水蒸気または液としてカソードから排出される。そのため、オフ酸化剤ガス中にも多量の水蒸気が含有されている。
　少なくともオフ燃料ガス中の水蒸気を回収するために、凝縮器２において、オフ燃料ガスが冷却され、水蒸気が凝縮される。凝縮器２における、オフ燃料ガスを冷却するための冷媒としては、オフ燃料ガスを冷却することが出来れば如何なるものを用いてもよい。本実施の形態では、燃料電池１から発生する熱を回収するための排熱回収水を用いる。この排熱回収水としては、燃料電池１にて発生した熱を蓄えるための貯湯タンクの水が使用される。
　図２は、本発明の第１の実施の形態における燃料システム５３の凝縮器２の周辺構成を示す図である。
　図２に示したように、燃料システム５３は、熱利用部１２および熱媒体循環経路１３を備えていてもよい。熱利用部１２は、燃料電池から回収した熱を利用する。本実施の形態においては、貯湯タンクが熱利用部１２に含まれる。また、熱媒体循環経路１３は、熱利用部１２を経由して熱媒体を循環させる。熱媒体循環経路１３は、凝縮器２に供給される排ガスを冷却して、熱を回収するように構成されている。なお、熱利用部１２は、貯湯タンク以外にも、例えば暖房等に熱を利用する放熱器であってもよいし、熱を貯める蓄熱部であってもよい。
　貯湯タンク内には、排熱回収用の水が蓄えられており、高温水が上部に、低温水が下部に、それぞれ溜まるように構成されている。貯湯タンク下部から取り出された排熱回収水は、熱媒体循環経路１３を介して凝縮器２に供給され、オフ燃料ガスから熱を回収することにより、オフ燃料ガスを冷却する。凝縮器２を通過した排熱回収水は、燃料電池１から発生する熱を回収する熱媒体循環経路１３を通過し、熱交換して、燃料電池１の熱を回収する。熱を回収した排熱回収水は、温度が上昇しており、熱利用部１２である貯湯タンク上部に供給されて、お湯として蓄えられる。このように、凝縮器２においてオフ燃料ガスが冷却され、オフ燃料ガス中の水蒸気は、凝縮水として回収される。回収された水は、燃料電池１の発電に必要なガスの加湿や、燃料電池１の発電に用いられる水素含有ガスを生成するために使用される。
　ここで、凝縮器２においてオフ燃料ガスから回収可能な水量は、凝縮器２に供給される冷媒の温度および流量に依存する。このため、冷媒の温度が上昇したり、冷媒の流量が低下したりしてしまうと、オフ燃料ガスから、燃料電池１の運転を継続するために必要な水量を回収出来なくなってしまう。
　貯湯タンクから供給される排熱回収水の温度は、燃料電池システム５３の運転条件および設置環境等により、燃料電池システム５３の運転に必要な水量を回収するための凝縮器２の冷媒として、十分な温度にまで低下しない場合がある。例えば、本実施の形態では、４０℃以上の水が貯湯タンクから供給された場合には、燃料電池１に必要な水量を凝縮器２から回収することが出来ない。このような場合においても、燃料電池１に必要な水量を確保するため、本実施の形態では、凝縮器２から排出された、少なくともオフ燃料ガスが加湿器３に供給される。
　加湿器３には、オフ燃料ガスとは別に、燃料電池１に利用されるガスが供給されている。燃料電池１に利用されるガスとしては、燃料電池１のカソードに供給される酸化剤ガス、燃料電池１のアノードに供給される水素含有ガス、ならびに、燃料電池１のアノードに供給される水素含有ガスの原料となる都市ガスおよびＬＰＧ等の炭化水素ガス等のうち、少なくともいずれかが含まれる。
　加湿器３が一般的な加湿器である場合においては、オフ燃料ガスと、燃料電池１に利用されるガスとの間で、水蒸気分圧の高い側から低い側へ水蒸気が移動する。凝縮器２での水凝縮能力が低下し、オフ燃料ガスに水蒸気が多く含まれている場合には、燃料電池１に利用されるガスの水蒸気分圧よりも、オフ燃料ガスの水蒸気分圧が高くなる。このような場合には、オフ燃料ガスが保有する水蒸気が燃料電池１に利用されるガスに移る。
　これにより、オフ燃料ガスとして燃料電池システム５３外に排出される水量が減り、燃料電池システム５３内で利用される水量が増えるので、燃料電池システム５３として水収支が改善する。なお、加湿器３は全熱交換器であってもよく、その場合には、加湿器３において、オフ燃料ガスと燃料電池１に利用されるガスとの間で、水蒸気の移動だけでなく、熱の移動も行われることとなる。
　両方のガスの露点、およびガス温度に応じて、水蒸気および熱が移動する。なお、凝縮器２に供給される冷媒の温度が低く、凝縮器２を通過したオフ燃料ガスの水蒸気分圧が低い場合には、加湿器３において、燃料電池１に利用されるガスからオフ燃料ガスに水蒸気が移動し、移動した水が燃料電池システム５３外に排出されることがある。この場合には、燃料電池１に利用されるガスが元々有していた水蒸気の一部が失われることになる。しかしながら、凝縮器２においてオフ燃料ガスに含まれていた水が十分に回収されているため、燃料電池システム５３全体の水収支としては、回収する側が、消費する側よりも多くなり、水自立が成立する。なお、凝縮器２にて凝縮される排ガスは、オフ燃料ガスに限定されるものではなく、オフ酸化剤ガス、または、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスの混合ガスであってもよい。
　このような構成により、燃料電池システム５３から燃焼排ガスとして水蒸気が排出される前に、燃料電池システム５３内に水を回収することが出来、燃料電池システム５３の水回収量を増やすことが可能となる。
　（第２の実施の形態）
　次に、本発明の第２の実施の形態の燃料電池システム５４について説明する。
　［装置構成］
　図３は、本発明の第２の実施の形態における、燃料電池システム５４の概略構成の一例を示す概念図である。
　図３の例では、本実施の形態の燃料電池システム５４は、燃料電池１、加湿器３、燃焼器５、第１の凝縮器６、および第２の凝縮器７を備えている。
　燃料電池１、加湿器３、および燃焼器５の構成については、第１の実施の形態と同様であるので、その説明を省略する。
　第１の凝縮器６は、燃料電池１から排出されるオフ酸化剤ガス中の水蒸気を凝縮して回収する凝縮器である。凝縮方法や冷媒は、第１の実施の形態の凝縮器２と同様であるので、その説明を省略する。
　第２の凝縮器７は、燃焼器５から排出される燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮し、回収する凝縮器である。凝縮方法や冷媒は、第１の実施の形態の凝縮器２と同様であるので、その説明を省略する。
　なお、第１の凝縮器６および第２の凝縮器７に供給される冷媒は、同じ冷媒が並列に分けて供給されていてもよいし、第１の凝縮器６と第２の凝縮器７とを直列に繋いで、同じ冷媒を順番に流して冷却してもよい。なお、直列に繋ぐ場合、第１の凝縮器６と第２の凝縮器７とを繋ぐ順番は、どちらが先になってもよい。また、別の冷媒が第１の凝縮器６および第２の凝縮器７それぞれに供給される構成であってもよい。本実施の形態では、第１の凝縮器６と第２の凝縮器７とに、排熱回収水を並列に分岐して供給しているものとする。
　［動作］
　以下、燃料電池システム５４の動作について説明する。
　本実施の形態の燃料電池システム５４の動作は、基本的には第１の実施の形態の燃料電池システム５３と同様の動作となるため、その特徴部分について、図２を用いて説明する。
　燃料電池１のカソードからオフ酸化剤ガスが排出され、燃料電池１のアノードからオフ燃料ガスが排出される。オフ燃料ガスは、燃焼器５において燃焼され、さらに水蒸気を含有したオフ燃料ガスになる。
　オフ酸化剤ガス中の水蒸気を凝縮させて、水を回収するために、第１の凝縮器６にオフ酸化剤ガスを流通させる。また、オフ燃料ガス中の水蒸気を凝縮させて、水を回収するために、第２の凝縮器７にオフ燃料ガスを流通させる。このようにして、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスから水を回収する。しかしながら、第１の凝縮器６および第２の凝縮器７のうち、少なくともいずれかの冷却能力が低下すると、燃料電池システム５４内での水回収量が低下し、水収支のバランスが崩れてしまい、水自立が出来なくなる。そこで、第１の凝縮器６を通過したオフ酸化剤ガス、および、第２の凝縮器７を通過したオフ燃料ガスを加湿器３に流して、燃料電池１に利用されるガスに水蒸気を供給する。ここで、加湿器３を二つ用意して、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスから、それぞれ別々に燃料電池１に利用されるガスに水蒸気を移動させてもよい。本実施の形態では、燃料電池システム５４の構成を簡略化するために、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスを混合した上で、加湿器３に供給している。
　このように、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスの両方から、燃料電池１に利用されるガスに水蒸気を移動させることで、燃料電池１に利用されるガスにより回収される水の量を増やすことが可能となる。
　［第１変形例］
　図４は、本発明の第２の実施の形態の第１変形例における、燃料電池システム５５の概略構成の一例を示す概念図である。
　図４に示されるように、本変形例では、燃料電池１のカソードから排出されるオフ酸化剤ガスと、燃焼器５から排出されるオフ燃料ガスとが混合され、その混合ガスが凝縮器２に供給されている。
　本変形例の燃料電池システム５５において、上述の点以外は、第１の実施の形態、および第２の実施の形態のうち、少なくともいずれかの燃料電池システム５３，５４と同様に構成することができる。
　このような構成によれば、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガス中の水蒸気を、一つの凝縮器２で凝縮することが出来るので、システム構成を簡素化することが可能となる。なお、本実施の形態では、オフ燃料ガスを燃焼器５にて燃焼させた後、オフ酸化剤ガスと混合している。しかしながら、オフ酸化剤ガスとオフ燃料ガスとを混合させた後、燃焼器５にて燃焼させ、その後、凝縮器２に供給してもよい。例えば、燃料電池１として固体酸化物形燃料電池を使用する場合には、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスを燃焼させる方がよい。
　なお、本実施の形態の燃料電池システム５４，５５は、上記特徴以外は、第１の実施の形態の燃料電池システム５３と同様に構成してもよい。
　（第３の実施の形態）
　次に、本発明の第３の実施の形態における燃料電池システム５６について説明する。
　［装置構成］
　図５は、本発明の第３の実施の形態における、燃料電池システム５６の概略構成の一例を示す概念図である。
　図５の例では、本実施の形態の燃料電池システム５６は、燃料電池１、凝縮器２、加湿器３、燃焼器５、および改質器８を備えている。
　燃料電池１、凝縮器２、燃焼器５、および加湿器３については、第１の実施の形態、および第２の実施の形態で説明したもののうち、少なくともいずれかと同様であるので、その説明を省略する。
　改質器８は、原料を用いて水素含有ガスを生成する。具体的には、改質器８内の改質部において、原料を改質反応させて、水素含有ガスを生成する。改質反応は、いずれの形態であってもよく、例えば、水蒸気改質反応、オートサーマル反応または部分酸化反応等を用いることができる。図５には示されていないが、各改質反応において必要となる機器は適宜設けられる。
　例えば、改質反応が水蒸気改質反応であれば、改質器を加熱する燃焼器５、水蒸気を生成する蒸発器、および、蒸発器に水を供給する水供給器が設けられる。改質反応がオートサーマル反応であれば、さらに、改質器８に空気を供給する空気供給器が設けられる。なお、原料は、メタンを主成分とする都市ガス、天然ガス、またはＬＰＧ等の、少なくとも炭素および水素から構成される有機化合物を含むガスである。本実施の形態においては、燃焼器５を有する構成について説明する。
　［動作］
　以下、燃料電池システム５６の動作について説明する。
　本実施の形態の燃料電池システム５６の動作は、基本的には、第１の実施の形態、および第２の実施の形態のうち、少なくともいずれかの燃料電池システム５３～５５と同様の動作となるので、その特徴部分について、図５を用いて説明する。
　改質器８において、燃料電池１のアノードに供給される、水素含有ガスである燃料ガスが生成される。燃料ガスを生成するためには、原料以外に、水も必要となる。この水の一部を、加湿器３に原料を通すことにより回収する。原料の加湿量が、改質器８において改質反応させる量に対して十分でない構成であれば、別途改質水を改質器８に追加供給すればよい。本実施の形態では、改質水を改質器８に追加する構成とする。
　［第１変形例］
　図６は、本発明の第３の実施の形態の第１変形例における、燃料電池システム５７の概略構成の一例を示す概念図である。
　図６に示されるように、本変形例では、改質器８において、原料から水素含有ガスである燃料ガスが生成され、その燃料ガスを加湿器３に流通させることで、加湿器３から水蒸気が移動して加湿される。加湿器３により加湿された燃料ガスは、燃料電池１に供給されて、燃料電池１にて発電に使用される。
　本変形例の燃料電池システム５７において、上述の点以外は、第１の実施の形態、第２の実施の形態、および第３の実施の形態のうち、少なくともいずれかの燃料電池システム５３～５６と同様に構成することができる。
　このような構成により、燃料電池１に、加湿器３によって加湿された燃料ガスを供給することができ、さらに、燃料電池システム５７から、排ガス、特にオフ燃焼ガスを通して排出される水蒸気を低減することができるので、燃料電池システム５７の水収支を改善し、水自立性能を高めることが可能となる。
　このような構成により、水素含有ガスを生成する改質器８にて使用される原料により、加湿器３を介して水蒸気を回収することが可能となる。
　なお、本実施の形態の燃料電池システム５６，５７は、上記特徴以外は、第１の実施の形態、および第２の実施の形態の燃料電池システム５３～５５と同様に構成してもよい。
　（第４の実施の形態）
　次に、本発明の第４の実施の形態における燃料電池システム５８について説明する。
　［装置構成］
　図７は、本発明の第４の実施の形態における燃料電池システム５８の概略構成の一例を示す概念図である。
　図７の例では、本実施の形態の燃料電池システム５８は、燃料電池１、凝縮器２、加湿器３、燃焼器５、水タンク９、および水利用機器１０を備えている。
　燃料電池１、凝縮器２、燃焼器５、および加湿器３については、第１の実施の形態、第２の実施の形態、および第３の実施の形態のうち、少なくともいずれかと同様であるので、その説明を省略する。
　水タンク９は、凝縮器２において凝縮された水を回収して貯めるためのタンクである。水タンク９は、凝縮された水を貯めることが出来れば、いかなる構成であってもよい。
　水利用機器１０は、水タンク９に貯められた水を利用する機器である。水利用機器１０としては、例えば、改質反応に水を使用する改質器８、改質器８に水蒸気を供給する蒸気発生器、燃料電池１のアノードまたはカソードに供給されるガスの加湿に用いる加湿装置、燃料電池１を冷却するための冷却器、および、その冷却水を蓄える冷却水タンク等が挙げられる。水利用機器１０は、燃料電池システム５８内で水を使用する機器であれば、如何なるものであってもよい。
　［動作］
　以下、燃料電池システム５８の動作について説明する。
　本実施の形態の燃料電池システム５８の動作は、第１の実施の形態、第２の実施の形態、および第３の実施の形態のうち、少なくともいずれかの燃料電池システム５３～５７と同様の動作となるため、その特徴部分について、図７を用いて説明する。
　凝縮器２にて凝縮された水は、水タンク９に貯められる。水タンク９に貯められた水は、水利用機器１０にて使用される。このように、一旦、水タンク９に水を貯めることにより、凝縮器２での水凝縮性能が変動しても、安定して水利用機器１０に水を供給することが可能となる。
　水利用機器１０において使用された水を、再び凝縮器２において凝縮し、水タンク９に貯めることにより、燃料電池システム５８内において水を再利用することができる。これにより、燃料電池システム５８内で水を循環させることが可能となり、燃料電池システム５８外部から別途水を供給する必要が無くなる。
　もし、燃料電池システム５８の外部から水を供給してしまうと、その水としては水道水を使用することになり、その水を純水にして燃料電池システム５８内で使用するには、多量のイオン交換樹脂等の純水装置が必要となってしまう。そうなると、コストが増大するとともに、燃料電池システム５８の大きさが大きくなるので、燃料電池システム５８内で水を回収するものである。
　本実施の形態においては、凝縮器２での水凝縮性能が低下した場合には、加湿器３において、燃料電池１に利用されるガスを用いて燃料電池システム５８内に水が戻される。これにより、燃料電池システム５８外部への水排出を抑制し、燃料電池システム５８内での水自立を成立させることができる。
　なお、本実施の形態の燃料電池システム５８は、上記特徴以外は、第１の実施の形態、第２の実施の形態、および第３の実施の形態の燃料電池システム５３～５７と同様に構成してもよい。
　以上述べたように、実施の形態における燃料電池システム５３～５８の各々は、燃料電池１と、燃料電池１のアノードから排出されるオフ燃料ガスを燃焼させる燃焼器５と、燃料電池１および燃焼器５を含む燃料電池ユニットにおける排ガス中の水を凝縮させる凝縮器２とを備えている。また、燃焼器５から排出された燃焼排ガスから、燃料電池１の発電に利用されるガスに水を移動させる加湿器３を備えている。
　このような構成により、燃焼排ガス中の水蒸気を凝縮器２だけで凝縮させて水を回収する場合に比べて、凝縮器２で凝縮出来なかった水蒸気を加湿器３によって燃料電池１の発電に利用されるガスに移動させることで、水回収量を増し、水自立性能を向上させることができる。また、このような構成により、燃料電池システムから燃焼排ガスとして水蒸気が排出される前に、燃料電池システム内に水を回収することが出来、燃料電池システムの水回収量を増やすことが可能となる。
　また、燃料電池システム５３～５８は、凝縮器２で凝縮された水を貯える水タンク９と、原料および水タンク９の水を改質し、生成された水素含有ガスを燃料電池１のアノードに供給する改質器８とをさらに備えていてもよい。
　このような構成によれば、一旦水タンク９に水を貯めることにより、凝縮器２での水凝縮性能が変動しても、安定して水利用機器に水を供給することができる。
　また、改質器８によって水タンク９の水を改質して生成された水素含有ガスを燃料電池１のアノードに供給することにより、さらに水自立性能を向上させることができる。なお、水タンク９を有する構成は燃料電池システム５８、改質器８を有する構成は燃料電池システム５６，５７として説明したが、これらの構成に限定されることなく、燃料電池システム５３～５８が、それぞれ水タンクおよび改質器８を備える構成であってもよい。
　また、加湿器３は、燃焼排ガスと、燃料電池１の発電に利用されるガスとの間で全熱交換する全熱交換器である構成であってもよい。
　このような構成によれば、排ガス中の水蒸気を凝縮器２だけで凝縮させて水を回収する場合に比べて、凝縮器で凝縮できなかった水蒸気を、加湿器３により燃料電池１の発電に利用されるガスに移動させることにより、水回収量を増加させ、水自立性能を向上させることができる。
　また、凝縮器２は、燃焼器５から排出された燃焼排ガス中の水を凝縮させる構成であってもよい。
　このような構成により、燃料電池システムから燃焼排ガスとして水蒸気が排出される前に、燃料電池システム内に水を回収することが出来、燃料電池システムの水回収量を増やすことが可能となる。
　また、凝縮器２は、燃料電池１のカソードから排出されるオフ酸化剤ガス、および、燃焼器５から排出された燃焼排ガスの混合ガス中の水を凝縮させる構成であってもよい。
　このような構成によれば、燃料電池から排出されるオフ燃料ガスとオフ酸化剤ガスの両方から、燃料電池システム内に水を回収することが出来、燃料電池システムの水回収量を増やすことができる。
　また、凝縮器２は、燃料電池１のカソードから排出されるオフ酸化剤ガス中の水を凝縮させる第１の凝縮器６と、燃焼器５から排出される燃焼排ガス中の水を凝縮させる第２の凝縮器７とを有していてもよい。そして、加湿器３は、第１の凝縮器６を通過したオフ酸化剤ガス、および、第２の凝縮器７を通過した燃焼排ガスとの混合ガスと、燃料電池１に利用されるガスとの間で全熱交換する構成であってもよい。
　このような構成によれば、加湿器３への負荷を低減しながら、オフ酸化剤ガスおよびオフ燃料ガスの両方から燃料電池１に利用されるガスに水蒸気を移動させることにより、燃料電池１に利用されるガスにより回収される水の量を増やすことが可能となる。
　また、燃料電池１の発電に利用されるガスは、燃料電池１のカソードに供給される酸化剤ガスであってもよい。
　このような構成により、オフ酸化剤ガス中の水蒸気を、凝縮器２だけで凝縮させて水を回収する場合と比較して、凝縮器２後のオフ酸化剤ガス中に残存している水を回収できるため、水回収量を増やすことが可能となる。
　また、燃料電池１の発電に利用されるガスは、燃料電池１のアノードに供給される水素含有ガスであってもよい。
　また、燃焼器５は、原料、水素含有ガス、および、オフ燃料ガスのうち少なくとも一つを燃焼させ、燃焼排ガスを排出するよう構成されていてもよい。
　これにより、燃焼器５として、燃料電池１のアノードに供給される、水素を含有した燃料ガスを生成する改質器８における、加熱のための燃焼バーナーを用いることができる。
　また、燃料電池システム５３～５８は、燃料電池１から回収した熱を利用する熱利用部１２と、熱利用部１２を経由して熱媒体を循環する熱媒体循環経路１３と、を備えていてもよい。そして、熱媒体循環経路１３は、凝縮器２に供給される排ガスを冷却し、熱を回収するよう構成されていてもよい。
　このような構成により、燃料電池１から回収した熱を有効に利用することができるとともに、排ガスを有効に冷却することができる。
　上述した説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造および機能の少なくともいずれかの詳細を実質的に変更することができる。例えば、各実施の形態を組み合わせたものも、本発明の範囲内にあることはいうまでもない。
　以上述べたように、本発明によれば、水を使用する燃料電池システムにおいて、水の回収能力を従来よりも向上させることができるという格別な効果を奏することができる。よって、本発明は、水素含有ガスを空気等の酸化剤ガスと反応させて、電力および熱を生み出す燃料電池システム等として有用である。
　１　　燃料電池
　２　　凝縮器
　３　　加湿器
　５　　燃焼器
　６　　第１の凝縮器
　７　　第２の凝縮器
　８　　改質器
　９　　水タンク
　１０　　水利用機器
　１２　　熱利用部
　１３　　熱媒体循環経路
　５３～５８　　燃料電池システム

Claims (10)

  1. 燃料電池と、
    前記燃料電池のアノードから排出されるオフ燃料ガスを燃焼させる燃焼器と、
    前記燃料電池および前記燃焼器を含む燃料電池ユニットにおける排ガス中の水を凝縮させる凝縮器と、
    前記燃焼器から排出された燃焼排ガスから、前記燃料電池の発電に利用されるガスに水を移動させる加湿器とを備える
    燃料電池システム。
  2. 前記凝縮器で凝縮された水を貯える水タンクと、
    原料および前記水タンクの水を改質し、生成された水素含有ガスを前記燃料電池の前記アノードに供給する改質器とをさらに備える
    請求項１に記載の燃料電池システム。
  3. 前記加湿器は、前記燃焼排ガスと、前記燃料電池の発電に利用される前記ガスとの間で全熱交換する全熱交換器である、請求項１に記載の燃料電池システム。
  4. 前記凝縮器は、前記燃焼器から排出された前記燃焼排ガス中の水を凝縮させる、
    請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  5. 前記凝縮器は、前記燃料電池のカソードから排出されるオフ酸化剤ガス、および、前記燃焼器から排出された前記燃焼排ガスの混合ガス中の水を凝縮させる、
    請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  6. 前記凝縮器は、前記燃料電池のカソードから排出されるオフ酸化剤ガス中の水を凝縮させる第１の凝縮器と、前記燃焼器から排出される前記燃焼排ガス中の水を凝縮させる第２の凝縮器とを有し、
    前記加湿器は、前記第１の凝縮器を通過したオフ酸化剤ガス、および、前記第２の凝縮器を通過した前記燃焼排ガスとの混合ガスと、前記燃料電池に利用される前記ガスとの間で全熱交換する
    請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
  7. 前記燃料電池の発電に利用される前記ガスは、前記燃料電池のカソードに供給される酸化剤ガスである
    請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  8. 前記燃料電池の発電に利用される前記ガスは、前記燃料電池の前記アノードに供給される水素含有ガスである
    請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  9. 前記燃焼器は、前記原料、前記水素含有ガス、および、前記オフ燃料ガスのうち少なくとも一つを燃焼させ、前記燃焼排ガスを排出するよう構成された、
    請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
  10. 前記燃料電池から回収した熱を利用する熱利用部と、
    前記熱利用部を経由して熱媒体を循環する熱媒体循環経路と、
    を備え、
    前記熱媒体循環経路は、前記凝縮器に供給される前記排ガスを冷却し、熱を回収するよう構成された
    請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の燃料電池システム。
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