JP2702030B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、燃料電池システムに関
し、特に冷却系に補給される排ガスからの回収水中に溶
存する二酸化炭素を簡単な手段により脱気することによ
りシステム全体の長寿命化及び高効率化を図ることので
きる燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に燃料改質器を用いた燃料電池にお
いて、反応に必要な水素は天然ガス（主にメタン）と水
蒸気を用いて、以下の水蒸気改質反応、 ＣＨ₄ ＋２Ｈ₂ Ｏ → ＣＯ₂ ＋４Ｈ₂ により生成される。ここでこの反応に用いる水蒸気は燃
料電池の冷却系に設けられた水蒸気分離器で作られるの
が通常であり、従ってシステム内で水蒸気（水）が常時
消費されているため、これに必要な水を冷却系に常時補
給することか必要となる。

【０００３】従来、システム全体の熱効率を向上させる
観点から、加圧型燃料電池においては燃料改質器からの
水素混合気をそれが燃料電池本体に導入される以前に気
水分離器を通過させ、そこで分離された回収水を燃料電
池本体の冷却系に補給するようにしている（特開昭６１
−２１６２６３号公報等参照）。しかしながら、常圧型
燃料電池においてはそのようなその位置に気水分離器を
位置させることは効率的でないことから、燃料電池本体
からあるいは燃料改質器からの排ガス中に存在する水分
を回収し、その回収水を冷却系に供給することにより総
合的熱効率の向上を図ることが検討され始めている。

【０００４】常圧型燃料電池を用いた発電システムの一
例を図３を参照しつつ説明すると、このシステムは、燃
料電池本体１のアノードＡに水素を供給するための燃料
改質器２、ＣＯ変成器３等からなる燃料改質系、カソー
ドＫに空気を供給するための空気供給系、燃料電池本体
１から発生した熱を本体外に取り出すための、水蒸気分
離器４、冷却水ポンプ５等からなる冷却系、燃料電池本
体１から発生した直流電力を交流電力に変換するための
直交変換器６からなる直交変換系等からシステムは構成
されている。

【０００５】用いられる水素は、燃料改質系において天
然ガス（主にメタン）と水蒸気とから製造される。ここ
でこの反応に用いる水蒸気は電池冷却系の水蒸気分離器
４で作られ、配管１２を介して燃料改質系配管の上流部
に供給される。従って、このようなシステム内では水蒸
気（水）が常時消費されているため、この消費分の水を
補給するために、改質器２の燃焼部及び燃料電池本体１
の空気極から発生する排ガスを、排熱／水回収熱交換器
７で冷却することにより排ガス中の水蒸気を凝縮させた
回収水、及び必要に応じて外部からの補給水が用いられ
る。この際、回収水は配管１３及び後記する脱気器１１
を介してまた補給水は直接、水タンク１０に導入され、
そこから吸水ポンプ８により冷却系の配管中に送出され
る。

【０００６】ところで、この種のシステムにおいて、排
ガスからの回収水はそのまま使用すると電池冷却系の機
器に腐食等の悪影響を及ぼすため、通常、配管系にイオ
ン交換膜を持つ純水装置９が設けられるのが普通であ
り、該純粋装置９により溶存酸素量、電気伝導度、濁
度、ｐＨを所定の水準に調整している。しかしながら、
よく知られているように、回収水は排ガス中の水蒸気を
凝縮した水であるため二酸化炭素を飽和状態で含んでお
り、二酸化炭素は水に溶けると簡単にイオン化すること
から、排ガスからの回収水をそのままで純粋装置９中に
導入した場合には、純水装置のイオン交換樹脂の寿命が
大きく損なわれる問題があった。

【０００７】そのような問題点に対処するために、従来
排ガスからの回収水が純粋装置９にいたる経路中に二酸
化炭素を脱気するための手段１１を介在させることが行
われている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
燃料電池システムにおける脱気手段は一般に用いられて
いる脱気技術をそのまま適用したものであり、電力、水
蒸気等の特別のユーティリティを使用するため、システ
ム全体としての効率が悪いといった不都合があった。そ
のいくつかのを図４から図６に示す（富士時報Vol.1.61
N0.2 (1988)，P126参照）。

【０００９】図４は電気ヒータ１８により回収水あるい
は補給水（被処理水）を加熱し脱気するものであり、こ
の方法によると燃料電池システムで発電した電力を電気
ヒータ１８にて消費することになり、システムの発電効
率が低下する。図５は被処理水に窒素をバブリングノズ
ル１９によりバブリングすることにより脱気しようとす
るものであり、この方法ではシステム外から窒素を常時
供給する必要があり、ランニングコストが必要であると
ともに、窒素ガスの制御作業等も必要であり、システム
自体が複雑化する不都合があった。さらに、図６は真空
脱気による方法であり、真空容器２１に被処理水を溜
め、エゼクタ２２または真空ポンプ２０で真空に引くこ
とにより脱気する方法である。この方法によると、真空
引きのために特別な機器（エゼクタ、真空ポンプ等）が
必要なこと、またそれらの機器を運転するために水蒸
気、電力等のユーティリティが必要であり、システム全
体の効率が悪くなるという不都合があった。

【００１０】すなわち、上記従来技術は、そのいずれも
燃料電池システム内または外のユーティリティを多く使
用しており、それに伴い、 １）システム全体の効率が悪い ２）機器数が多い ３）寿命が短い といった問題をなお生起している。

【００１１】本発明の目的は上記欠点を解決し、少数の
簡単な機器により、システム全体の効率の高い燃料電池
システムを提供することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的は、燃料電池本
体と、前記燃料電池本体に供給する水素を準備する燃料
改質系と、前記燃料電池に空気を供給する空気供給系
と、前記燃料電池を冷却するための冷却系とを有し、冷
却系の循環水として燃料電池の排ガスからの回収水を補
給しうるように構成した燃料電池システムにおいて、該
排ガスからの回収水が冷却系中に導入される以前に、該
回収水と該冷却系の循環水の一部と混合し、それによ
り、回収水を高温化することにより達成することができ
る。

【００１３】混合される冷却系の循環水が冷却系中に設
けられた水蒸気分離気内の高温水であることは特に好ま
しい態様である。

【００１４】

【作用】燃料電池システムから発生する排ガス中から回
収した多量の二酸化炭素分が溶存している水（回収水）
に対し、冷却系を循環する循環水の一部を混入させるこ
とにより、回収水を沸騰状態まで温度を上げさらに空気
との接触面を多くする。それにより、ヘンリーの法則に
従って回収水中の大部分の二酸化炭素は除去され、電池
冷却系に水を供給する際に通過する純水装置のイオン交
換樹脂の寿命を延長させる。

【００１５】この回収水を沸騰状態にするための手段と
して電池冷却系内の水蒸気分離器内に存在する高温水を
利用した場合、それは通常、圧力が１０kg/cm²Ｇ程度、
温度が１６０〜１８０℃程度の加圧水の状態であるた
め、脱気器内の回収水を容易に沸騰状態にもっていくこ
とができる。また、脱気器内に邪魔板を装着し、さらに
脱気した二酸化炭素を器外に抜くためのガス抜き口を付
け、空気との接触面を設けることにより脱気効果は一層
向上する。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１により説明す
る。図１は、本発明を適用した燃料電池システムの一例
を示しており、図３に基づき先に説明した従来知られて
いる燃料電池の運転及び脱気システムとは、水蒸気分離
器４の一部と脱気器１１ａとが配管１４により連通され
ている点及び脱気器１１ａそのものの構成においてその
構成が異なっており、他の構成は実質的に同一である。
従って、同一の部材には同一の符号を付し、詳細な説明
は省略する。

【００１７】まず、脱気器１１ａの構成を説明する。図
２は本発明による脱気器の一実施例を示しており、脱気
器１１ａは、排ガスからの回収水を器内に導入するため
の導入ノズル１３ａ及び回収水から脱気ガスを排気する
ための排出ノズル１５ａをその上面に有し、下面には脱
気された回収水を器外（水タンク１０）に抽出するため
の抽出ノズル１６を有し、側面には、前記した冷却系の
循環水を器内に導入するための循環水導入ノズル１４ａ
を有している。さらに、その内部には、多数の小孔１７
ａを開設した邪魔板１７が複数枚、適宜の間隔を置いて
適宜の手段により保持されている。

【００１８】この実施例において、排熱／水回収熱交換
器７で凝縮された水は回収水として配管１３を通り、回
収水導入ノズル１３ａから脱気器１１ａに導入される。
脱気器１１ａ内に導入された回収水は、邪魔板１７によ
り拡散され、導入ノズル１４ａから導入される冷却系の
循環水の一部と混合される。混合された水は沸騰状態に
なるとともに排出ノズル１５ａから拡散ではいってきた
空気と接触することにより溶存している二酸化炭素の大
部分が放出され、処理水は抽出ノズル１６ａより水タン
ク１０に供給される。放出された二酸化炭素は放出ノズ
ル１５ａより大気へ放出される。二酸化炭素の大部分が
放出された処理水は、水タンク１０から必要に応じて純
粋装置９及び吸水ポンプ８を介して、冷却系に補給され
る。

【００１９】本発明において加熱源として用いた冷却系
の一部の循環水は、従来電池冷却系にゴミ等が堆積する
のを防止するために常時系外に流しているものである
が、その熱エネルギは従来無駄に廃棄していたものであ
る。従って本実施例によれば、廃棄していたエネルギを
有効に活用したことにより、燃料電池システム全体の効
率を高めるとともに純水装置の寿命を延長することがで
き、しいては燃料電池システムの信頼性を高める効果が
ある。

【００２０】上記の説明はあくまでも本発明の一実施例
の説明にすぎず、他に多くの変形例が存在する。例え
ば、回収水に混合される冷却系の循環水は水蒸気分離器
から導入せず冷却系を構成する配管から適宜の分岐管を
介して導入するようにしてもよく、また、配管中に適宜
の制圧弁、流量制御弁等を介在させることによりさらに
効果的運転を行うことが可能となる。また、脱気器に設
けた邪魔板はこの形態に限るものではなく収入する液体
が相互に拡散、混合しうる形状のものであればよいもの
であり、場合によっては、邪魔板自体存在しなくてもよ
きものである。さらに、個々の構成要素、すなわち、燃
料電池本体、燃料改質器、水蒸気分離器、排熱／水回収
熱交換器、純粋装置、等は、いずれもそれぞれの機能を
持つものとして記載したにすぎず、従来知られているこ
れらの機器はすべて任意に選択して使用しうるものであ
る。

【００２１】

【発明の効果】本発明によれば、燃料電池システムにお
いて従来廃棄していた熱を脱気器の加熱源として有効利
用することにより、脱気効果を得ると同時に、燃料電池
システム全体の効率をあげ、純水装置の寿命を延ばし、
燃料電池システムの信頼性を高める効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明を適用した燃料電池システムを示す系
統図。

【図２】 本発明に用いる脱気器のの一実施例を示すの
鳥瞰断面図。

【図３】 従来例による燃料電池システムを示す系統
図。

【図４】 電気ヒータによる従来技術の脱気器を示す模
式図。

【図５】 窒素バブリングによる従来技術を示す模式
図。

【図６】 エゼクタまたは真空ポンプによる真空脱気を
示す模式図。

【符号の説明】

１…燃料電池本体、２…改質器、３…ＣＯ変成器、４…
水蒸気分離器、５…冷却水ポンプ、６…直交変換器、７
…排熱／水回収熱交換器、８…給水ポンプ、９…純水装
置、１０…水タンク、１１ａ・・・脱気器、１２…水蒸
気供給用配管、１３ａ…回収水導入ノズル、１４ａ…循
環水供給用ノズル、１５ａ…排気ガスノズル、１６ａ…
処理水供給用ノズル、１７…邪魔板、１８…電気ヒー
タ、１９…バブリングノズル、２０…真空ポンプ、２１
…真空容器、２２…エゼクタ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き 審査官 三宅 正之 (56)参考文献 特開 平４−259760（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−3040（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 燃料電池本体と、前記燃料電池本体に供
   給する水素を準備する燃料改質系と、前記燃料電池に空
   気を供給する空気供給系と、前記燃料電池を冷却するた
   めの冷却系とを有し、冷却系の循環水として燃料電池の
   排ガスからの回収水を補給しうるように構成した燃料電
   池システムにおいて、該排ガスからの回収水が冷却系中
   に導入される以前に、該回収水と該冷却系の循環水の一
   部と混合することにより、該回収水中に溶存する二酸化
   炭素を脱気することを特徴とする、燃料電池システム。
2. 【請求項２】 混合される冷却系の循環水が冷却系中に
   設けられた水蒸気分離器内の高温水であることを特徴と
   する、請求項１記載の燃料電池システム。