JP3578148B2

JP3578148B2 - 燃料電池システム

Info

Publication number: JP3578148B2
Application number: JP2002032395A
Authority: JP
Inventors: 博史宮窪
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2002-02-08
Filing date: 2002-02-08
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2022-02-08
Also published as: JP2003234118A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は燃料電池システムに関し、とくに低温時の起動特性を高めるものである。
【０００２】
【従来の技術】
水素を燃料ガスとして燃料極に、酸素を含む空気を空気極に供給し、水素と酸素とを電気化学的に反応させて発電を行う燃料電池が知られている。
【０００３】
燃料電池には、反応ガスを純水で加湿するための純水の供給系が、また燃料電池を冷却するための冷却系が必要となる。これらは燃料電池を氷点下で使用するときなどに凍結する可能性があり、このため燃料電池の起動時には凍結を解除する必要があり、これを効率よく行うことが起動特性を高める意味で重要になる。
【０００４】
特開平９−１４７８９２号公報や特開２０００−１６４２３３号によって燃料電池システムの起動時の凍結解除の提案がなされている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、いずれも効率のよい凍結解除が行えず、起動時間に要する時間が長くかかるという問題は、依然として解決されていない。
【０００６】
本発明はこのような問題を解決するために提案されたもので、起動時に燃焼ガスのもつ熱エネルギを有効に活用して、短時間のうちに暖機を完了させられる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
第１の発明は、水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムにおいて、燃料極と空気極とをもつ燃料電池本体と、燃料極と空気極とに供給する酸化剤ガスと燃料ガスとに加湿用の純水を供給する手段と、前記燃料電池本体を冷却水により冷却する冷却系と、システムの低温時に前記燃料ガスの一部と酸化剤ガスとを燃焼させた燃焼ガスにより前記冷却水を加熱する熱交換器と、前記加湿用の純水を貯留するタンクと、前記熱交換器から排出された燃焼ガスと前記貯留タンクに貯留された純水とを熱交換させる熱交換手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
第２の発明は、第１の発明において、前記熱交換器の上流には前記燃料電池本体から排出された燃料ガスの一部と酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器が設けられ、これら燃焼器と熱交換器に近接して熱の授受が可能なように前記純水の貯留タンクが配置される。
【０００９】
第３の発明は、第２の発明において、前記燃焼器にはシステムの低温時にパージ弁を介して前記燃料電池本体の燃料極からの燃料排ガスが導入される。
【００１０】
第４の発明は、第１から第３の発明において、前記熱交換手段は、前記燃焼ガスが前記貯留タンクの内部を通過し、純水に熱を付与するようにして構成される。
【００１１】
第５の発明は、第１から第３の発明において、前記熱交換手段は、前記貯留タンクの底面に隣接して熱交換部を設け、この熱交換部の内部に前記燃焼ガスを通過させるようにして構成される。
【００１２】
第６の発明は、第４または第５の発明において、前記貯留タンクには前記燃焼ガスから純水への熱の伝達を行う複数の伝熱板が配置される。
【００１３】
第７の発明は、第４または第５の発明において、前記貯留タンクには前記燃焼器からの燃焼ガスが遮断弁を介して直接的に導入されるようになっている。
【００１４】
第８の発明は、第２から第７の発明において、前記貯留タンクの上方に位置して前記加湿用の純水を供給するタンクが設けられ、このタンクと貯留タンクとを接続する配管の途中には遮断弁が設けられ、前記燃焼ガスを外部に排出する前に絞る排気絞り弁が設けられ、システムの停止時には遮断弁を開いて上方のタンクから貯留タンクへと純水を回収し、システムの起動時には前記排気絞り弁を絞ると共に前記遮断弁を開いて排気圧力により純水を上方のタンクに押し上げて移送するようになっている。
【００１５】
第９の発明は、第８の発明において、前記純水の供給タンクは、前記燃焼器、熱交換器、冷却系の少なくとも一つに近接して配置され、熱の授受が行われるようになっている。
【００１６】
第１０の発明は、第２または第３の発明において、前記冷却系の冷却水を、燃料電池本体を通過後に、前記燃焼器、熱交換器を経由して循環ポンプに流入させるか、ラジエータを経由して循環ポンプに流入させるかを切り換える切換弁を備え、システムの低温時には前記燃焼器、熱交換器を経由して冷却水を循環させるようにしている。
【００１７】
第１１の発明は、第１０の発明において、前記循環ポンプから吐出された冷却水を、燃料電池本体に流入する前に前記純水の供給手段に流すようになっている。
【００１８】
第１２の発明は、第６の発明において、前記貯留タンクは燃焼ガスの消音装置として圧力脈動を減衰、緩和させる。
【００１９】
第１３の発明は、第５の発明において、前記熱交換部を流れる燃焼ガスの圧力が前記貯留タンクに配管を介して伝達されるように接続し、貯留タンクをヘルムホルツ型の消音器として機能させる。
【００２０】
【作用・効果】
第１の発明では、システムの低温時に熱交換器により燃料電池の冷却系の冷却水が加熱され、システム全体の温度を上昇させる一方で、熱交換器から排出された燃焼ガスと貯留タンクの純水との間で熱交換が行われるので、熱交換器を出た燃焼ガスの熱エネルギを利用して、純水が凍結したとしても、純水の加熱解凍が可能となり、燃焼ガスのもつ熱エネルギを有効に活用して、システムの起動、暖機を早期に完了させることができる。
【００２１】
第２、第３の発明によれば、純水の貯留タンクが、システムの低温時に燃料ガスを燃焼させる燃焼器、熱交換器に近接して配置され、間接的な熱の授受も行われるので、純水の解凍がより一層効率よく行える。
【００２２】
第４〜第６の発明では、燃焼ガスが純水の貯留タンク内を、あるいは貯留タンクの底部に隣接する熱交換部を通過させることにより、燃焼ガスのもつ熱エネルギが純水に効率よく伝達され、その解凍を促進することができ、とくに第６の発明では伝熱板により純水への熱伝達効率が高められる。
【００２３】
また、第７の発明では、燃焼器からの高温の燃焼ガスを直接的に貯留タンクに導入するので、より一層急速に純水を加熱することが可能となる。
【００２４】
第８の発明では、システムの停止時に供給タンクの純水を貯留タンクに重力で落下させ、システムの起動時には燃焼ガス圧力を利用して貯留タンクから供給タンクへと純水を押し上げることができ、システム停止時に純水を一つの貯留タンクにのみ集めるておくことにより、純水凍結による可動部品の損傷などを容易に回避することができ、また純水の移動のために特別な手段が不要で、システムの簡略化も図れる。
【００２５】
第９の発明では、供給タンクを燃焼器、熱交換器、冷却系の熱を利用して間接的に暖めることができ、システムの低温状態での運転時に純水の凍結などを回避できる。
【００２６】
第１０、第１１の発明によれば、システムの低温時には冷却水を、燃焼器、熱交換器のもつ熱より加熱して、システム全体の暖機を速やかに行うことができ、暖機後は冷却水をラジエータにより放熱し、燃料電池の温度が過度に上昇しないように抑制でき、また燃料ガスや酸化剤ガスを加湿するための純水を暖めることにより、加湿水の蒸発を促し、燃料電池の発電効率を向上させられる。
【００２７】
第１２、第１３の発明では、貯留タンクを燃焼ガスを外部に排出するときの消音器として機能させるので、主として酸化剤ガス供給系の振動騒音などに起因する騒音を効果的に減衰、緩和し、システム運転時の静粛性を高められる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２９】
図１、図２は第１の実施形態を示すもので、まず、図１において、１は燃料電池本体であり、燃料極（アノード）２と空気極（カソード）３を備え、両極は固体高分子膜で隔てられている。燃料電池本体１の内部には発電時に発生する熱を排除するための冷却層４が配設されている。
【００３０】
燃料電池には貯蔵した水素ガスを直接供給するタイプと、炭化水素系燃料を改質して水素リッチなガスを供給するタイプとがあり、この実施形態では前者の水素ガスを保有しているタイプを例示してある。
【００３１】
５は水素貯蔵タンクで、水素ガスが圧縮されて高圧状態で保有されている。水素ガスは圧力調整弁６で減圧され、加湿装置７において純水で加湿された後に燃料電池１の燃料極２に供給される。
【００３２】
燃料極２の排出側には、発電反応に対して余剰の水素を含む排ガスを再度燃料極２に循環させるため、排出側ラインの分岐部１０から循環路８が分岐し、エゼクタ９を介して排ガスを再度、加湿装置７の上流側に戻している。
【００３３】
一方、燃料電池１の空気極３に空気を供給するために、大気を取り込んで圧縮して空気ラインに送り込む圧縮機１３が備えられる。この圧縮空気も加湿装置７において純水により加湿された後、燃料電池１に流入する。
【００３４】
燃料電池１では燃料極２の水素と、空気極３の酸素とを電気化学反応させ、発電を行う。燃料電池１で反応により酸素を消費した残りの空気極３からの排ガスは、燃焼器１２へと導入される。また、燃料極２からの余剰の水素を含む排ガスは、通常は循環路８へと再循環され、燃料の消費効率を高めているが、前記分岐部１０の下流に設けたパージ弁１１を開いたときには、燃焼器１２へと送り込まれ、このときには燃焼器１２において空気と共に燃焼する。
【００３５】
パージ弁１１は通常運転時は閉じられているが、システムの低温起動時など加熱のための熱エネルギが必要なときや、あるいは、燃料電池１の発電出力要求が急に小さくなり、水素循環系統の水素が過剰になった場合、水素循環系統に過剰な水蒸気が存在する場合、さらには空気極３から透過する窒素ガスなど発電反応を阻害するガス濃度が高まった場合などに、コントローラ５０からの信号により開かれ、燃焼器１２に余剰の水素ガスを含む排ガスを導入する。
【００３６】
燃焼器１２には触媒１４が配置され、パージ弁１１が開いて水素ガスが供給されると、空気極３からの排ガス中の酸素と反応し、発熱する。なお、触媒１４の上流側には電熱触媒が配置され、低温起動時にも通電することにより触媒が働くようになっている。
【００３７】
システムが氷点下よりも低温状態にある起動時など、燃料電池１で発電を開始する前に、燃焼器１２で水素ガスを燃焼させて発生した高温ガスを用いて、燃料電池１の冷却水（不凍液を含む）の温度を上昇させ、また、反応ガス中に加湿用として供給される純水が凍っているときにはそれを解凍する。
【００３８】
このため、まず、燃焼器１２の下流側には燃焼器１２からの高温ガスにより、燃料電池１の冷却水を加熱する熱交換器１５が配置される。熱交換器１５には燃料電池１の冷却層４を通過した冷却水の一部が、分岐部２７より通路２７ａを介して導かれ、ここで冷却水が加熱され、これによりシステム全体を暖めるようになっている。また、燃焼器１２及び熱交換器１５と隣接するようにして、前記加湿装置７などに供給される純水の貯留タンク１９が設けられ、この貯留タンク１９にも熱交換器１５を通過した後の燃焼ガスが導かれ、貯留タンク１９内の純水を加熱してから圧力調整弁２５を介して外部に排出されるようになっている。ただし、これらについては後で詳しく述べる。
【００３９】
燃料電池１には、通常運転時に燃料電池１の反応により発生した熱を除去し、また低温時には前記した熱交換器１５により加熱されることでシステムを昇温させる、前記した冷却系が備えられる。
【００４０】
この冷却系には循環ポンプ１６が設けられ、通常運転時にはラジエータ１７からの冷却水を切替弁１８を経由して燃料電池１の冷却層４に送り込むようになっている。より具体的には、冷却層４で加熱された冷却水は分岐部２７より通路２７ｂに流れ、ラジエータ１７で放熱した後、加湿装置７にて水素ガス、空気ガスを昇温してから、再び燃料電池１に送り込まれることで、システムの温度を一定に保つと共に、加湿に要する熱エネルギの供給を行っている。
【００４１】
これに対して、低温状態からのシステムの起動時には、コントローラ５０からの信号で切替弁１８が切り換えられて循環系が変更され、循環ポンプ１６の吸込側に通路２７ａが接続され、燃料電池１から出た冷却水はラジエータ１７をバイパスしてすべて通路２７ａに流れ、その間に熱交換器１５を通過することで、燃焼器１２で発生した熱を冷却水に付与し、燃料電池１や、その他のシステムを加熱、昇温させるようになっている。なお、冷却水には不凍液を用いることで、氷点下からの起動を可能とすることができる。
【００４２】
切替弁１８は冷却水の温度を感知して自動的に切り替え動作するものであってもよく、通常運転時にも一部の冷却水を通路２７ａ側と導くことで、燃焼器１２の触媒１４の温度を活性状態に維持することもできる。この場合には、パージ弁１１が閉じている通常運転時に、燃焼器１２には、燃料電池１を冷却して暖められた冷却水が通過し、触媒１４を加熱することができ、燃料電池１の空気極３から排出される飽和水蒸気ガスが流入しても、触媒１４で凝縮水が発生することがなく、燃焼器１２の機能を損なうことはない。
【００４３】
次に前記加湿装置７に純水を供給するための純水供給系統として、純水の供給タンク２２が備えられ、ポンプ２３により供給通路２３ａを経由して加湿装置７に設けた噴射弁２４から、反応ガスである水素と酸素に対して純水を噴霧し、加湿するようになっている。なお、噴射弁２４は図示しないが、水素ガスと酸素ガスに対してそれぞれ別々に純水を供給できるように、独立して設けられている。
【００４４】
燃料電池１の発電時に空気極３で生成する純水は回収通路２８により供給タンク２２に回収される。これら純水の回収通路２８や供給通路２３ａは、冷間時の温度維持のため、前記冷却水の配管に沿って配置され、燃料電池１を通過して温度の上がった冷却水から熱を受ける。
【００４５】
前記燃焼器１２、熱交換器１５の下方に近接して、純水の貯留タンク１９が備えられ、供給タンク２２とは移送配管２０を介して接続する。
【００４６】
貯留タンク１９は供給タンク２２の下方に配置され、燃料電池１の運転停止時に、コントローラ５０は、前記供給ポンプ２３及び圧縮機１３を停止する前に、移送配管２０に設けた遮断弁２１を開くことにより、供給タンク２２内の純水を重力を利用して純水貯留タンク１９へと落下させ、かつ空気圧を利用して空気極３の排出側の回収通路２８に残留する純水も供給タンク２２を介して貯留タンク１９に回収できるようになっている。
【００４７】
なお、供給タンク２２の上方空間はエアブリーザ２２ａにより大気と連通し、ポンプ２３による純水の通常時の圧送や、停止時の重力による貯留タンク１９への落下を可能としている。
【００４８】
貯留タンク１９には、図２にも示すように、前記燃焼器１２から熱交換器１５を経由して燃焼排気ガスを流入させる配管３０が接続される。また、燃焼器１２と熱交換器１５の間で、配管３０の途中から分岐して貯留タンク１９に接続する遮断弁２６付きのバイパス配管３２も接続される。
【００４９】
さらに貯留タンク１９にはこの排気ガスを外部に排出するための排気配管３１が設けられ、この排気配管３１には圧力調整弁２５が設けられ、貯留タンク１９内の排気ガスの圧力を調整可能となっている。
【００５０】
貯留タンク１９の内部構造は、まず、基本的にはこの貯留タンク１９の内部にはポンプやバルブなどの可動部品が無く、内部の純水が凍結したとしても、可動部品が損傷を受けることのないようになっている。
【００５１】
貯留タンク１９の内部は、複数の並列的に配置した伝熱板３３が設けられ、この伝熱板３３により内部が並列的に蛇行する流路３３ａを形成するように仕切られている。前記入口側となる配管３０は、蛇行流路３３ａの最も上流側において貯留タンク１９に接続し、これに対して出口側となる排気配管３１は最も下流側に接続される。
【００５２】
したがって、燃料電池システムの運転停止時には、コントローラ５０は供給ポンプ２３、圧縮機１３を停止する前に遮断弁２１を開いて供給タンク内の純水を貯留タンク１９へと重力利用して落下させ、次いで回収通路２８に残留する純水も空気圧力を利用して供給タンク２２から貯留タンク１９へと戻す。
【００５３】
このようにして運転を停止した後、氷点下よりも温度が低下し、貯留タンク１９内の純水が凍結した場合には、コントローラ５０はシステムの起動を行うと共に、熱交換器１５からの高温の排気を貯留タンク１９に導入する。高温の排気は貯留タンク１９の内部の流路３３ａを流速を高めつつ蛇行して流れ、このとき凍結した純水に熱を与えて、次第に解凍する。また、高温の排気中は水蒸気を含んでいるため、これが冷却作用を受けて凝縮、液化することにより、純水の液量が増加される。
【００５４】
排気配管３１に設けられる圧力調整弁２５により、貯留タンク１９の内部圧力は大気圧よりも高い圧力に維持され、このため凍結した純水が溶融するのに伴い、タンク下方にたまった純水は、貯留タンク１９の下方に接続した移送配管２０を逆流して上方の供給タンク２２へと押し上げられる。
【００５５】
なお、移送配管２０は貯留タンク１９の下方に接続されているので、液化した純水を速やかに、かつ必要ならば全量を供給タンク２２へと移送することができる。また、移送配管２０は貯留タンク１９の外壁に沿って配管することにより、移送配管２０の一部に凍結した純水があっても、貯留タンク１９からの排気熱を受けて融解させやすい。
【００５６】
この場合、熱交換器１５の上流の遮断弁２６を開くと、燃焼器１２で反応したより高温の燃焼ガスを直接的に貯留タンク１９に導けるので、凍結した純水の解凍を促進させることができる。
【００５７】
供給タンク２２に設けた図示しない水位センサにより水位が所定値に達したことを検出したら、コントローラ５０によって移送配管２０の遮断弁２１を閉じることにより、供給タンク２２からは通常運転時と同じように純水の供給が行えるようになる。
【００５８】
燃料電池システムの起動させるために必要な熱エネルギのうち純水の解凍のための融解潜熱の占める割合は比較的大きく、起動時間を短縮するには燃焼器１２で発生した熱エネルギを、冷却水を介してのシステム加熱と、凍結した純水の解凍に適切に分配する必要があり、このために供給タンク２２の水位とシステムの冷却系の温度をみながら、遮断弁２１の開閉を制御している。
【００５９】
供給タンク２２の水位が規定値に達したならば、遮断弁２１を閉じることで貯留タンク１９から供給タンク２２への純水の導入は停止されるが、解凍により解けた純水は貯留タンク１９にそのまま貯められる。システムの通常運転への移行により、加湿装置７から加湿用の純水が供給されていくに従い供給タンク２２の液面が規定値よりも低下すると、再び遮断弁２１を開き、貯留タンク１９内の内部圧力を利用して供給タンク２２へ純水を押し上げ、補給することもできる。
【００６０】
貯留タンク１９ではシステムの暖機時に高温排気が蛇行流路３３ａを流速を高めつつ蛇行して流れるので、純水表面との熱交換率が高まり、また伝熱板３３及びタンク壁面を通して下方の純水との熱の交換も促進されるので、効率的に解凍を行うことができる。
【００６１】
一方、通常運転時には貯留タンク１９の内部空間の大部分は、排気ガスの通路となり、伝熱板３３は排気ガスの邪魔板としての機能をもち、排気圧力を低下させ、また過給機１３で発生した圧力脈動を低減する働きもあり、排気消音器としても機能することができる。
【００６２】
次に第２の実施形態について図３、図４によって説明する。
【００６３】
第２の実施形態では、第１の実施形態に対して、主として純水の貯留タンクの構造が相違している。
【００６４】
すなわち、貯留タンク４０はその下面に熱交換部４４が層状に構成され、排気はこの熱交換部４４に流れ込み、排気配管４５から外部に排出される。この排気配管４５には圧力調整弁２５が設けられ、前記と同じように貯留タンク４０及び熱交換部４４の内部圧力を調整する。
【００６５】
熱交換器１５からの排気は配管４１を介して熱交換部４４に流入するが、一部は配管４１から分岐した分岐配管４３を介して貯留タンク４０内に流入する。ただし、貯留タンク４０に排気の出口部はなく、貯留タンク４０には配管４１の圧力が伝達されるだけである。
【００６６】
貯留タンク４０は移送配管２０を介して上方の供給タンク２２と接続し、システムの停止時には供給タンク２２からの純水が落下し、またシステムの起動時には解凍した純水を内部圧力により供給タンク２２へ押し上げる。
【００６７】
貯留タンク４０の底面からは複数の伝熱板４６が並列的にかつ蛇行流路を形成するように立設され、これにより下方の熱交換部４４からの熱を貯留タンク４０内に伝達しやすくしている。また貯留タンク４０の上方には、熱交換器１５の上流側の遮断弁２６を開いたときに高温の燃焼ガスを直接的に導入する配管３２が接続されている。
【００６８】
このように構成したので、システムの起動時には熱交換器１５から高温の排気ガスが配管４１を経由して熱交換部４４に流入し、これにより貯留タンク４０を底面側から加熱する。貯留タンク４０の底面に立設した伝熱板４６は純水と接触し、排気熱を直接的に伝達する。これにより貯留タンク４０内の凍結した純水は熱を受けて速やかに解凍していき、また必要によっては、遮断弁２６を開いて燃焼器１２からの高温の燃焼ガスを貯留タンク４０内に直接的に導入することで、貯留タンク内では上面と下面から同時に熱を受け、内部で凍った純水を急速に解凍することも可能となる。
【００６９】
貯留タンク４０の内部圧力は、圧力調整弁２５により熱交換部４４の内部圧力と同じように大気圧以上に維持され、このため貯留タンク４０に底から溶けた純水が移送配管２０により上方の供給タンク２２へと押し上げられいてく。
【００７０】
このように貯留タンク４０の底から溶けた純水を順次押し出していくので、熱の授受の効率がよく、また供給タンク２２からの加湿装置７への純水の供給開始を早めることも可能となる。
【００７１】
システムの起動後、通常運転に移行するときには、貯留タンク４０に残る純水は無くなるか、もしくは非常に少なくなる。このときに排気ガスのすべては配管４１から熱交換部４４を経由して外部に排出されるが、貯留タンク４０内の閉じられた内部空間には分岐配管４３により配管４１を通る排気ガスの圧力波が伝達される。
【００７２】
いま、ここで貯留タンク４０の内部空間の容積をＶ、分岐配管４３の長さをＬ、その内径をＤとすると、この貯留タンク４０は排気ガスが流れる配管４１に対してヘルツホルム型の消音器として機能することができる。
【００７３】
したがって、空気供給系における過給機１３の回転速度や配管系で決定される騒音の振動周波数をＦとすると、
Ｆ＝Ｋ・｛Ｄ／（Ｌ・Ｖ）｝^１／２
ただし、Ｋは排気ガス中の音速の影響を受ける係数
を満足する値となるように、各々Ｄ、Ｌ、Ｖを設定することで、周波数Ｆの騒音に対する消音効果を発揮させることが可能となる。
【００７４】
以上のように本実施形態によれば、システムの停止時に純水の凍結があっても稼働部品が凍結による破損を受けることがなく、システム起動時には燃焼器で発生した熱エネルギを、システムの昇温と凍結した純水の解凍に有効に利用することができ、システムの起動が完了するまでの時間短縮、消費エネルギの低減が可能となる。また、通常運転時の空気供給系の騒音低減にも寄与できる。
【００７５】
本発明は上記の実施の形態に限定されずに、その技術的な思想の範囲内において種々の変更がなしうることは明白である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の構成を示す模式図である。
【図２】同じく貯留タンクの一部を示す斜視的説明図である。
【図３】第２の実施形態の構成を示す模式図である。
【図４】同じく貯留タンクの一部を示す斜視的説明図である。
【符号の説明】
１燃料電池本体
２燃料極
３空気極
５水素貯蔵タンク
７加湿装置
８循環管路
１１パージ弁
１２燃焼器
１５熱交換器
１６循環ポンプ
１９貯留タンク
２０移送配管
２１遮断弁
２２供給タンク
２３ポンプ
２５排気絞り弁
２６遮断弁
３０配管
３１排気配管
３３伝熱板

Claims

水素を含む燃料ガスと酸素を含む酸化剤ガスとを電気化学反応させて発電する燃料電池システムにおいて、
燃料極と空気極とをもつ燃料電池本体と、
燃料極と空気極とに供給する酸化剤ガスと燃料ガスとに加湿用の純水を供給する手段と、
前記燃料電池本体を冷却水により冷却する冷却系と、
システムの低温時に前記燃料ガスの一部と酸化剤ガスとを燃焼させた燃焼ガスにより前記冷却水を加熱する熱交換器と、
前記加湿用の純水を貯留するタンクと、
前記熱交換器から排出された燃焼ガスと前記貯留タンクに貯留された純水とを熱交換させる熱交換手段と、
を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
前記熱交換器の上流には前記燃料電池本体から排出された燃料ガスの一部と酸化剤ガスとを燃焼させる燃焼器が設けられ、これら燃焼器と熱交換器に近接して熱の授受が可能なように前記純水の貯留タンクが配置される請求項１に記載の燃料電池システム。
前記燃焼器にはシステムの低温時にパージ弁を介して前記燃料電池本体の燃料極からの燃料排ガスが導入される請求項２に記載の燃料電池システム。
前記熱交換手段は、前記燃焼ガスが前記貯留タンクの内部を通過し、純水に熱を付与するようにして構成される請求項１から３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記熱交換手段は、前記貯留タンクの底面に隣接して熱交換部を設け、この熱交換部の内部に前記燃焼ガスを通過させるようにして構成される請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記貯留タンクには前記燃焼ガスから純水への熱の伝達を行う複数の伝熱板が配置される請求項４または５に記載の燃料電池システム。
前記貯留タンクには前記燃焼器からの燃焼ガスが遮断弁を介して直接的に導入されるようになっている請求項４または５に記載の燃料電池システム。
前記貯留タンクの上方に位置して前記加湿用の純水を供給するタンクが設けられ、このタンクと貯留タンクとを接続する配管の途中には遮断弁が設けられ、前記燃焼ガスを外部に排出する前に絞る排気絞り弁が設けられ、システムの停止時には遮断弁を開いて上方のタンクから貯留タンクへと純水を回収し、システムの起動時には前記排気絞り弁を絞ると共に前記遮断弁を開いて排気圧力により純水を上方のタンクに押し上げて移送するようにした請求項２〜７のいずれか一つに記載の燃料電池システム。
前記純水の供給タンクは、前記燃焼器、熱交換器、冷却系の少なくとも一つに近接して配置され、熱の授受が行われるようになっている請求項８に記載の燃焼電池システム。
前記冷却系の冷却水を、燃料電池本体を通過後に、前記燃焼器、熱交換器を経由して循環ポンプに流入させるか、ラジエータを経由して循環ポンプに流入させるかを切り換える切換弁を備え、システムの低温時には前記燃焼器、熱交換器を経由して冷却水を循環させるようにした請求項２または３に記載の燃料電池システム。
前記循環ポンプから吐出された冷却水を、燃料電池本体に流入する前に前記
純水の供給手段に流すようになっている請求項１０に記載の燃料電池システム。
前記貯留タンクは燃焼ガスの消音装置として圧力脈動を減衰、緩和させる請求項６に記載の燃料電池システム。
前記熱交換部を流れる燃焼ガスの圧力が前記貯留タンクに配管を介して伝達されるように接続し、貯留タンクをヘルムホルツ型の消音器として機能させる請求項５に記載の燃料電池システム。