JP2003187832A - 燃料電池システム - Google Patents

燃料電池システム

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Katsuya Oda
勝也 小田
Ryuji Hatayama
龍次 畑山
Ryuji Yugawa
竜司 湯川
Katsuyuki Makihara
勝行 槇原
Yukinori Akiyama
幸徳 秋山
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 燃料電池システムにおいて、システム内で発
生する排熱を利用し、水タンクへの供給水を予熱するこ
とにより水タンク内の水温をほぼ一定に保持する。 【解決手段】 脱硫器1、改質器2、CO変成器3、C
O除去器からなる燃料改質装置Aで原燃料ガス(都市ガ
ス等)を水素主体の改質ガスに生成して燃料電池5のア
ノードに供給し、水タンク6内でバブリングした加湿反
応空気をカソードに供給して発電する。純水装置7から
のイオン交換水が、電池排空気用熱交換器8を通って水
タンク6に通じる第1予熱回路9を設ける。電池排空気
用熱交換器8に流入するカソードからの未反応空気と、
常温のイオン交換水との間で熱交換が行われてイオン交
換水が適温に予熱される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池システム
に関し、特に水タンクへの給水手段に特徴を有するもの
である。
【0002】
【従来の技術】燃料電池で発電を行う燃料電池システム
は、例えば図5に示すように炭化水素系燃料である原燃
料ガス(都市ガス等)を水素主体の燃料ガスに改質する
燃料改質装置A(脱硫器1、改質器2、CO変成器3、
CO除去器4)を備え、この燃料改質装置Aから燃料電
池5のアノード(燃料極)に燃料ガスが供給され、反応
空気供給装置Bからカソード(空気極)に反応空気が供
給され、電解質を介しての電気化学反応により発電する
システムである。又、燃料電池システムは、燃料電池5
を冷却する冷却水と反応空気加湿用水とを兼ねた水を収
納した水タンク6、及びこの水タンク6に水を供給する
ための給水装置Cを備えている。
【0003】前記燃料電池5での電気化学反応は発熱反
応であるため、運転中に燃料電池の温度が上昇する。燃
料電池5は適正な運転温度(例えば、固体高分子形燃料
電池は約80℃)が定められており、温度上昇を防止す
るために前記水タンク6から燃料電池5の冷却部に冷却
水を供給して燃料電池5を冷却している。
【0004】又、固体高分子形の燃料電池5は、固体高
分子電解質膜の湿潤を保持するためにカソードに供給す
る反応空気を加湿しなければならない。このため、前記
水タンク6内で反応空気をバブリングし、適度に加湿し
た後に燃料電池5に供給する。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記の燃料電池システ
ムにおいて、水タンク6から燃料電池5の冷却部に供給
された冷却水は水タンク6に回収されて循環使用される
が、前記のように反応空気の加湿用としても使用される
ため水タンク6内の水量が徐々に減少する。この減少を
補うために、前記給水装置Cからイオン交換水(純水)
を水タンク6に給水することが行われている。
【0006】しかしながら、従来水タンク6へは常温の
イオン交換水が給水されるため、図6に示すように給水
直後に水タンク6の水温が78℃〜80℃から74℃〜
76℃に低下する。従って、冷却水の温度及び反応空気
温度が2℃〜4℃低下する。これに伴って、電池温度が
不安定になると共に、平均セル電圧も低下する問題があ
った。
【0007】そこで、本発明は、燃料電池システム内で
発生する排熱を利用し、水タンクへの供給水を予熱する
ことにより、給水時での水タンク水温の低下を防止でき
るようにした燃料電池システムを提供することを目的と
する。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの手段として、本発明は、請求項1のように原燃料を
水素主成分の改質ガスに改質する改質器と、改質器で生
成された改質ガス中の一酸化炭素を二酸化炭素に転化す
るCO変成器と、一酸化炭素を所定濃度以下に選択酸化
するCO除去器と、改質ガス及び反応空気供給して発電
を行う燃料電池と、燃料電池の冷却水と反応空気加湿用
の水とを兼ねて収納した水タンクとを備えた燃料電池シ
ステムにおいて、運転時の水タンクの水温制御をシステ
ム内の排熱部で行うことを特徴とする燃料電池システム
を要旨とする。又、請求項2のように前記排熱部は、燃
料電池の排空気用熱交換器であること、請求項3のよう
に前記排熱部は、改質器排ガス用熱交換器の下流側に設
けた供給水予熱交換器であること、請求項4のように前
記排熱部は、燃料電池システムからの排熱回収用熱交換
器であること、請求項5のように前記水タンクの水温制
御には、水タンクに供給される水を用いること、請求項
6のように前記水タンクの水温制御には、システムから
の回収水を併用すること、請求項7のように前記水タン
クの水温制御には、供給水の流量調節器を備えたこと、
を特徴とするものである。
【0009】本発明では、燃料電池システム内の排熱部
で常温の供給水と熱交換することで、水タンクへの給水
を適温に予熱することができる。
【0010】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係る燃料電池シス
テムの実施形態を、添付図面を参照しながら説明する。
ここで、従来例と同じ部材は前記と同じ符号を付ける。
図1は本発明の第1実施形態を示すもので、燃料電池シ
ステムの運転条件(定格)は次の通りである。 原燃料ガス量(都市ガス13Aの場合):4.5L/m
in 改質器のS/C(スチーム/カーボン比):4 システムの定格出力:1kW(AC)
【0011】燃料電池5のアノードへ供給される燃料ガ
ス(改質ガス)は、約38L/min、温度約80℃で
あり、カソードへ供給される反応空気量は約80L/m
inであり、供給前に水温約80℃の水タンク6内でバ
ブリングされて適正に加湿される。
【0012】水タンク6の容量は約4Lであり、冷却水
は2〜3L/minで循環している。水タンク6内の水
の一部は反応空気の加湿用として使用されるため、水タ
ンク6内の水位は徐々に低下する。水タンク6への給水
間隔は数分に1〜2回で数十cc/min程度とする。
但し、運転条件によって変更することがある。
【0013】この場合、純水装置7からのイオン交換水
が電池排空気熱交換器8を通って水タンク6に通じる第
1予熱回路9を設ける。電池排空気熱交換器8は、燃料
電池5のカソードの下流側に設置されており、燃料電池
5で未反応に終わった排空気が通過する。この排空気
は、燃料電池5の運転温度が約80℃であるためそれと
ほぼ同じ温度を有しており、この排空気と純水装置7か
らの常温のイオン交換水とが電池排空気熱交換器8で熱
交換する。これにより、イオン交換水は78℃〜80℃
に予熱された後に水タンク6内に流入する。
【0014】燃料電池5の冷却部から水タンク6に戻さ
れる冷却水は、冷却部での熱交換により温められて80
℃以上になっているが、冷却部の下流側に設置された補
助熱交換器Hにより約80℃に温度が下げられて水タン
ク6内に流入する。従って、水タンク6への給水時に
は、電池排空気熱交換器8で予熱されたイオン交換水
と、燃料電池5の冷却部からの戻り冷却水とが水タンク
6内へ流入することになる。非給水時には、燃料電池5
の冷却部からの戻り冷却水のみが水タンク6内に流入す
る。
【0015】これにより、水タンク6内の水温はほぼ均
一(78℃〜80℃)に保持され、電池冷却水及び加湿
反応空気の温度も安定し、電池性能(平均セル電圧)も
従来に比して顕著な低下がなくて安定する。図4は電池
温度と、平均セル電圧と、タンク水温とをそれぞれ測定
したグラフである。従来例における測定グラフ(図6)
に比べると、電池温度、平均セル電圧、タンク水温共に
著しく安定していることが分かる。尚、第1予熱回路9
に流量調節器10を設けて、イオン交換水の流量を制御
することが好ましい。
【0016】図2は本発明の第2実施形態を示すもの
で、燃料電池システムの運転条件(定格)は第1実施形
態と同じである。この場合、純水装置7からのイオン交
換水が、改質器排ガス用熱交換器11の下流側に設けた
給水予熱用熱交換器12を通って水タンク6に通じる第
2予熱回路13を設ける構成とする。
【0017】改質器排ガス用熱交換器11は改質器2の
上方に設置されており、改質器2の下部に配置されたバ
ーナ2aでの燃焼排ガスが通過する。この燃焼排ガスは
約400℃の高温を有している。改質器2では、脱硫器
1で脱硫した後の原燃料ガスを水蒸気改質して水素主体
の改質ガスに生成するが、その触媒が高温(650℃〜
700℃)で反応するため、バーナ2aに原燃料ガス又
は燃料電池5のアノードから排出される未反応の改質ガ
スを供給して燃焼する。
【0018】燃料電池5の起動時には、原燃料ガスの一
部を改質器2のバーナ2aに送り込んで燃焼し、運転中
は原燃料ガスの代わりに燃料電池5のアノードから排出
される未反応の改質ガスを送り込んで燃焼する。燃焼時
に必要な空気はファン2bにより供給する。又、水蒸気
改質に必要な水は水タンク6から供給する。
【0019】改質器排ガス用熱交換器11を通過する燃
焼排ガスの温度は、前記のように高温(約400℃)で
あるため、通常は燃料電池システムに併設する貯湯タン
ク(図略)からの水を通して熱交換し、これをお湯にし
て貯湯タンクに戻すようにしている。
【0020】これにより、燃焼排ガスの大部分は熱回収
され、80℃〜90℃に温度低下した燃焼排ガスが前記
給水予熱用熱交換器12を通過する。この給水予熱用熱
交換器12において純水装置7からの常温のイオン交換
水との間で熱交換が行われ、イオン交換水はほぼ80℃
に予熱されて水タンク6に流入する。
【0021】この第2実施形態も、第1実施形態と同様
に水タンク6内の水温はほぼ均一(78℃〜80℃)に
保持され、電池冷却水及び加湿反応空気の温度も安定す
ることから、電池性能(平均セル電圧)が安定する。
尚、給水予熱用熱交換器12の他に、前記CO変成器3
又はCO除去器4に関連して設けられている熱交換器を
利用してイオン交換水を予熱するように構成することも
可能である。
【0022】図3は本発明の第3実施形態を示すもの
で、燃料電池システムの運転条件(定格)は第1実施形
態と同じである。この場合、純水装置7からのイオン交
換水が燃料電池システムからの排熱回収用熱交換器14
を通って水タンク6に通じる第3予熱回路15を設ける
構成とする。
【0023】排熱回収用熱交換器14は、燃料電池5の
カソードから排出される未反応空気と、改質器2のバー
ナ2aから排出される燃焼排ガスとが流入する。未反応
空気の温度は約80℃であり、燃焼排ガス温度は前記の
ように途中で貯湯タンクのために熱回収された後である
からほぼ80℃〜90℃であり、これらの流入ガスと純
水装置7からのイオン交換水との間で熱交換が行われ
る。
【0024】排熱回収用熱交換器14での熱交換によ
り、イオン交換水は78℃〜80℃に予熱されて水タン
ク6内に流入し、流入ガスは50℃以下に温度が下がっ
てシステム系外に排気される。
【0025】この第3実施形態も、第1、第2実施形態
と同様に水タンク6内の水温はほぼ均一(78℃〜80
℃)に保持され、電池冷却水及び加湿反応空気の温度も
安定することから、電池性能(平均セル電圧)が安定す
る。尚、第1〜第3予熱回路をいずれか組み合わせて実
施することも可能である。
【0026】
【発明の効果】以上説明したように、本発明は、燃料電
池システムにおける水タンクに給水するに当たり、シス
テム内で生じる排熱を有効利用して水を適温に予熱した
後、水タンクに流入させる構成にしたので、水タンクの
水温をほぼ一定に保持することができる。これにより、
水タンク内の水温の変動幅が小さくなり、電池冷却水及
び加湿反応空気の温度がほぼ一定となり、電池性能が安
定すると共にシステムの長寿命化が図れる等の効果が得
られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る燃料電池システムの第1実施形態
を示すシステムフロー図
【図2】本発明に係る燃料電池システムの第2実施形態
を示すシステムフロー図
【図3】本発明に係る燃料電池システムの第3実施形態
を示すシステムフロー図
【図4】第1実施形態における電池温度、平均セル電
圧、水タンク水温の測定値をそれぞれ示すグラフ図
【図5】従来の燃料電池システムを示すシステムフロー
【図6】従来例における電池温度、平均セル電圧、水タ
ンク水温の測定値をそれぞれ示すグラフ図
【符号の説明】
1…脱硫器 2…改質器 2a…バーナ 3…CO変成器 4…CO除去器 5…燃料電池 6…水タンク 7…純水装置 8…電池排空気熱交換器 9…第1予熱回路 10…流量調節器 11…改質器排ガス用熱交換器 12…給水予熱用熱交換器 13…第2予熱回路 14…排熱回収用熱交換器 15…第3予熱回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 湯川 竜司 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 槇原 勝行 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 (72)発明者 秋山 幸徳 大阪府守口市京阪本通2丁目5番5号 三 洋電機株式会社内 Fターム(参考) 4G040 EA03 EA06 EB01 EB03 EB31 EB32 EB43 EB44 5H027 AA06 BA01 BA16 BA17 CC06 KK28 MM16

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】原燃料を水素主成分の改質ガスに改質する
    改質器と、改質器で生成された改質ガス中の一酸化炭素
    を二酸化炭素に転化するCO変成器と、一酸化炭素を所
    定濃度以下に選択酸化するCO除去器と、改質ガス及び
    反応空気供給して発電を行う燃料電池と、燃料電池の冷
    却水と反応空気加湿用の水とを兼ねて収納した水タンク
    とを備えた燃料電池システムにおいて、運転時の水タン
    クの水温制御をシステム内の排熱部で行うことを特徴と
    する燃料電池システム。
  2. 【請求項2】前記排熱部は、燃料電池の排空気用熱交換
    器である請求項1記載の燃料電池システム。
  3. 【請求項3】前記排熱部は、改質器排ガス用熱交換器の
    下流側に設けた給水予熱用熱交換器である請求項1記載
    の燃料電池システム。
  4. 【請求項4】前記排熱部は、燃料電池システムからの排
    熱回収用熱交換器である請求項1記載の燃料電池システ
    ム。
  5. 【請求項5】前記水タンクの水温制御には、水タンクに
    供給される水を用いる請求項1〜請求項4いずれか1項
    記載の燃料電池システム。
  6. 【請求項6】前記水タンクの水温制御には、システムか
    らの回収水を併用する請求項1〜請求項5いずれか1項
    記載の燃料電池システム。
  7. 【請求項7】前記水タンクの水温制御には、供給水の流
    量調節器を備えた請求項1〜請求項6いずれか1項記載
    の燃料電池システム。
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