JP2002231285A

JP2002231285A - 固体高分子型燃料電池システム

Info

Publication number: JP2002231285A
Application number: JP2001020725A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Oma; 敦史大間; Yasuhiro Arai; 康弘新井
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2001-01-29
Filing date: 2001-01-29
Publication date: 2002-08-16
Anticipated expiration: 2021-01-29
Also published as: JP4625585B2

Abstract

(57)【要約】【課題】一つの容器内に気液分離部、凝縮部、凝縮水貯
水部を収容してコンパクト化を図った固体高分子型燃料
電池システムを提供する。【解決手段】本発明に係る固体高分子型燃料電池システ
ムは、外側に外部ケーシング１０を、内側に内部ケーシ
ング１１を備えて二重容器にするとともに、外部ケーシ
ング１０と内部ケーシング１１との間に形成した気液分
離部１２と、内部ケーシング１１の内側のうち、頭部側
に形成した凝縮部１３と、底部側に形成した凝縮水貯水
部１４とを備えるとともに、気液分離部１２と凝縮水貯
水部１４とを互いに接続させた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、燃料電池排ガスと
燃料電池冷却水の一部から、イオン交換水と熱の回収を
効果的に行う固体高分子型燃料電池システムに関する。

【０００２】

【従来の技術】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を用いた
固体高分子型燃料電池がコンパクトな構造で、高出力密
度が得られ、かつ簡易なシステムで運転が可能なことか
ら、定置用分散電源だけでなく宇宙用や車両用、さらに
は家庭用などの電力供給源として注目されている。

【０００３】また、燃料電池システムは、電気化学反応
の際、生成される熱を巧みに活用する、いわゆるコジェ
ネレーションシステムとしての期待も大きい。

【０００４】このように、期待の大きい燃料電池システ
ム、特に固体高分子型燃料電池システムは、主として燃
料電池本体、燃料改質システム、電力制御システム、熱
および水等のエネルギ源回収システム等で構成されてい
る。

【０００５】燃料電池本体は、プロトン導電性の固体高
分子膜を触媒層付きのガス拡散電極で挟む膜電球複合体
を備えるとともに、その両外側に集電体としてのガス供
給溝を備えたガス透過性の低い材料からなるセパレータ
とを交互に積層状に配置して構成されている。

【０００６】また、ガス拡散電極には、片面が燃料極、
残りの片面が酸化剤極を備えており、水素を主成分とす
る燃料ガスと空気とがセパレータのガス供給溝を介して
それぞれを区分けして供給されている。供給されている
ガスは、一般的に理論流量よりも多く流れている。そし
て、固体高分子型燃料電池本体は、直流電源として電気
化学的に電力を発生させている。

【０００７】また、燃料改質システムは、都市ガス等の
炭化水素系燃料から水素を主成分とする燃料ガスを生成
するシステムであり、都市ガス等に含まれている硫黄分
を水添脱硫等の手段で除去した後、触媒を用いて化学反
応により、例えば水蒸気を加えて炭化水素系燃料を水素
主成分の燃料ガスに改質させている。その際、反応ガス
には、一酸化炭素（ＣＯ）が多く含まれているので固体
高分子型燃料電池本体の触媒を被毒させることがある。

【０００８】このため、燃料改質システムは、ＣＯシフ
ト反応器やＣＯ選択酸化器を備え、ＣＯ濃度を数十ｐｐ
ｍに低減して固体高分子型燃料電池本体に供給してい
る。

【０００９】また、電力制御システムは、固体高分子型
燃料電池本体で電気化学的に生成された直流電圧をチョ
ッパ回路等により昇圧し、さらにインバータにより交流
電圧に変換し、電力として供給する際、負荷調整を行っ
ている。

【００１０】また、熱およびイオン交換水等のエネルギ
源回収システムは、固体高分子型燃料電池本体や燃料改
質システムから供給された排ガスに含まれている水蒸気
を分離させ、その際に熱とイオン交換水とを回収してい
る。

【００１１】なお、固体高分子型燃料電池システムの別
の例として燃料に純水素を使用する場合もある。この場
合、純水素を使用する関係上、燃料改質システムは不要
となり、エネルギ源回収システムは、固体高分子型燃料
電池本体からだけ供給される熱やイオン交換水を回収し
ている。

【００１２】ところで、従来の固体高分子型燃料電池シ
ステムは、図２０に示すように、燃料改質システム１、
燃料電池本体２、気液分離器３、凝縮熱交換器４、ブロ
ア５を備え、燃料改質システム１で、例えばＣＨ_４やＣ
_３Ｈ_８等の炭化水素系燃料を水素に改質して燃料電池本
体２の燃料極２ａに供給している。

【００１３】また、固体高分子型燃料電池システムは、
ブロア５からの空気の一部を燃料電池本体２の空気極２
ｂに供給するとともに、残りを燃料改質システム１の燃
焼部１ａに供給している。

【００１４】燃料電池本体２は、燃料極２ａに供給され
た水素と、空気極２ｂに供給された空気とを反応させ、
電気化学的に直流電力を発生させている。

【００１５】直流電力の発生後、燃料極２ａから出た排
ガスには、飽和水蒸気を多く含むものの、炭酸ガスや未
反応の水素も含まれている。このため、固体高分子型燃
料電池システムは、排ガスを気液分離器３に供給する
際、排ガスの中から水素とイオン交換水および炭酸ガス
とを分離させ、分離させた水素をブロア５からの空気と
ともに燃料改質システム１の燃焼部１ａに供給し、ここ
で燃焼ガスを生成して炭化水素系燃料を水素に改質させ
る一方、燃焼ガス生成後の排ガスに含まれる水蒸気や炭
酸ガスを、空気極２ｂからの水蒸気とともに凝縮熱交換
器４に供給して熱源とし、例えば水道水Ｗ等の被加熱源
と熱交換させ、その水道水Ｗに熱を与えて温水にし、そ
の温水を、例えば給湯に利用している。

【００１６】また、気液分離器３で分離させた炭酸ガス
を含む凝縮水は、凝縮熱交換器４に設けたバブリング室
８に供給され、ここでブロア５から供給される空気の気
泡の浄化能力により炭酸ガスが分離・吸収される。

【００１７】また、固体高分子型燃料電池システムの別
の例では、例えば、図２１に示すように、直接接触式凝
縮熱交換器６と間接接触式凝縮熱交換器７とを備え、気
液分離器８で水素と炭酸ガスを含む水蒸気とに分離させ
た燃料極２ａからの排ガスのうち、分離させた炭酸ガス
を含む水蒸気を直接接触式凝縮熱交換器６に設けたバブ
リング室８に供給し、ここでブロア５から供給される空
気の気泡の浄化能力により炭酸ガスを分離・吸収させて
いる。炭酸ガスを分離した凝縮水は、ポンプ９を介して
間接接触式凝縮熱交換器７に供給され、ここで、例えば
水道水Ｗと熱交換し、水道水Ｗに熱を与えて温水にした
後、直接接触式熱交換器６に戻され、燃料改質システム
１の燃焼部１ａからの炭酸ガスを含む水蒸気と空気極２
ｂからの水蒸気との合流水と直接接触による熱交換を行
い、合流水の熱を回収している。

【００１８】このように、従来の固体高分子型燃料電池
システムは、電気化学的に直流電力を発生させる際に生
成される水蒸気等の熱を巧みに回収してエネルギの有効
利用を行っている。

【００１９】

【発明が解決しようとする課題】図２０および図２１で
示した従来の固体高分子型燃料電池システムでは、燃料
極２ａから出る排ガスの中に、未反応の水素のほかに炭
酸ガスや水蒸気もしくは水が含まれているため、その水
等が燃料改質システムの燃焼部に入り、火炎が消える危
険性があった。このため、凝縮熱交換器４で熱やイオン
交換水等のエネルギ源を回収する際、炭酸ガスを除去す
るバブリング装置や未反応の水素や水蒸気水とを分離さ
せる気液分離器３を別々に設けていた。

【００２０】しかし、バブリング装置や気液分離器３を
別々に設けた場合、固体高分子型燃料電池システムは、
多くの設置面積を確保しなければならない。このため固
体高分子型燃料電池システムには、バブリング装置や気
液分離器３を凝縮熱交換器４に組み込んで一体的にした
コンパクト化への実現が求められていた。

【００２１】また、特に直接接触式凝縮熱交換器６の場
合、回収エネルギを用いて温水利用する際、水蒸気等の
凝縮水がイオン交換水であるため、必然的に間接接触式
凝縮熱交換器は７が必要になり、コンパクト化の点から
何らかの対策が求められていた。

【００２２】本発明は、このような事情に基づいてなさ
れたもので、コンパクト化を図って少ない設置面積でも
容易に設置できるようにした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。

【００２３】

【課題を解決するための手段】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、
請求項１に記載したように、電解質膜に固体高分子を用
いた燃料電池本体に、気液分離器、凝縮熱交換器を組み
合せた固体高分子型燃料電池システムにおいて、前記凝
縮熱交換器は外側に外部ケーシングを、内側に内部ケー
シングを備えて二重容器にするとともに、前記外部ケー
シングと前記内部ケーシングとの間に形成した気液分離
部と、前記内部ケーシングの内側のうち、頭部側に形成
した凝縮部と、底部側に形成した凝縮水貯水部とを備え
るとともに、前記気液分離部と前記凝縮水貯水部とを互
いに接続させる構成にしたものである。

【００２４】また、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、請求項２に
記載したように、凝縮部と凝縮水貯水部との間には透孔
板を備えたものである。

【００２５】また、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、請求項３に
記載したように、凝縮部は、伝熱管を収容し、伝熱管の
管外に熱媒を、伝熱管の管内に冷却水を流して熱交換さ
せるものである。

【００２６】また、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、請求項４に
記載したように、伝熱管は、凝縮部の軸方向に向って蛇
行状に配置したものである。

【００２７】また、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、請求項５に
記載したように、伝熱管は、螺旋状に形成するととも
に、凝縮部の軸方向に向って蛇行状に配置したものであ
る。

【００２８】また、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、請求項６に
記載したように、螺旋状に形成した伝熱管は、中心軸に
支柱を備えたものである。

【００２９】また、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、請求項７に
記載したように、凝縮部は、軸方向に向って蛇行状に延
びる伝熱管を収容するとともに、前記伝熱管の中間部分
に軸方向に向って仕切手段を備えたものである。

【００３０】また、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、請求項８に
記載したように、仕切手段は、網目状で構成したもので
ある。

【００３１】また、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、請求項９に
記載したように、仕切手段は、孔あき板で構成したもの
である。

【００３２】また、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、請求項１０
に記載したように、孔あき板は、孔の密度分布を異なら
しめたことを特徴とするものである。

【００３３】また、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、請求項１１
に記載したように、気液分離部は、入口を外部ケーシン
グの底部側に備えるとともに、出口を前記外部ケーシン
グの頭部側に備えたものである。

【００３４】また、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、請求項１２
に記載したように、凝縮水貯水部は、気液分離部からの
凝縮水と凝縮部からの凝縮水とを合流させて一旦溜める
とともに、貯水室と前記合流凝縮水に含まれる炭酸ガス
を除去するバブリング室とを備えたものである。

【００３５】また、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、請求項１３
に記載したように、貯水室およびバブリング室は、互い
を仕切板で区画するとともに、各室を区画する仕切板の
開口を、凝縮水が蛇行状に流れるように、互い違いに配
置したものである。

【００３６】また、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、請求項１４
に記載したように、バブリング室を区画する仕切板は、
折曲げ部を境に内部ケーシングに向って傾斜状に延びる
天上板を備えたものである。

【００３７】また、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、請求項１５
に記載したように、天上板は長孔を備えたものである。

【００３８】また、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、請求項１６
に記載したように、バブリング室は、空気を気泡にして
凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去するバブリングストー
ンを収容したものである。

【００３９】

【発明の実施の形態】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。

【００４０】図１〜図３は、本発明に係る固体高分子型
燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第１実施形
態を示す概略図である。なお、図１〜図３中、図１は本
発明に係るは固体高分子型燃料電池システムに適用する
凝縮熱交換器の正面断面図、図２は図１のＡ−Ａ矢視方
向から見た平面図、図３は図２のＢ−Ｂ矢視方向から見
た側面図である。

【００４１】本実施形態に係る凝縮熱交換器は、外部ケ
ーシング１０の内側に内部ケーシング１１を備え圧力容
器として形成し、外部ケーシング１０と内部ケーシング
１１との間に気液分離部１２を設けるとともに、内部ケ
ーシング１１の内側のうち、頭部側に凝縮部１３を、ま
た、底部側に凝縮水貯水部１４とバブリング部１５とを
それぞれ設けた構成になっている。

【００４２】外部ケーシング１０は、その底部側に設け
られ、例えば、燃料電池本体の燃料極（ともに図示せ
ず）に接続させる燃料極用入口１６と、その頭部側に設
けられ、例えば燃料改質システムの燃焼部（ともに図示
せず）に接続させる燃焼部用出口１７とを備え、燃料極
からの未反応な水素、炭酸ガス、水蒸気および水を含む
排ガスを燃料極用入口１６を介して気液分離部１２に案
内し、ここで密度差を利用して水素や水蒸気と水とに気
液分離させ、分離させた水素等を燃焼部用出口１７を介
して燃焼部に供給する一方、分離させた水を底部に一旦
溜めた後、配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して凝縮水
貯水部１４に供給するようになっている。その際、水の
供給は、外部ケーシング１０と内部ケーシング１１の圧
力差を利用して行われる。

【００４３】また、内部ケーシング１１は、頭部側に凝
縮部１３を、底部側に凝縮水貯水部１４およびバブリン
グ部１５をそれぞれ備え、凝縮部１３と凝縮水貯水部１
４とを図４に示すように、例えば、Ｄ径、φ３−４Ｐ、
厚さｔ８ｍｍの透孔板（パンチングメタル）２４で区分
けしている。

【００４４】また、内部ケーシング１１側は、例えば、
燃料電池本体の空気極（ともに図示せず）および燃料改
質システムの燃焼部のそれぞれから供給された炭酸ガス
を含む水蒸気を凝縮部１３に案内する酸化剤排ガス用入
口１９と、凝縮部１３で熱交換後の酸化剤排ガスを外部
に供給する酸化剤排ガス用出口２０とのそれぞれを凝縮
部１３に備えている。

【００４５】また、凝縮部１３は、例えば、ＳＵＳ３１
６製、口径１／８インチの伝熱管２１を複数本、例えば
少なくとも２本以上を並列蛇行状に配置し、伝熱管入口
２２から案内された、例えば、水道水を蛇行させる間に
管外を流れる酸化剤排ガスからの熱が与えられて温水に
なり、その温水を伝熱管出口２３を介して外部に、例え
ば給湯として供給するようになっている。

【００４６】一方、内部ケーシング１１側を、凝縮部１
３と透孔板２４で区分けした凝縮水貯水部１４およびバ
ブリング部１５は凝縮水（イオン交換水）を一旦溜めて
蛇行状に流れるように、第１貯水室２５を区画する第１
仕切板２６、第２貯水部２７とバブリング室２８とを区
画する第２仕切板２９、バブリング室２８と第３貯水室
３０とを区画する第３仕切板３１とを備えるとともに、
各仕切板２６，２９，３１の開口端の位置を互い違いに
異ならしめている。

【００４７】また、第２仕切板２９は、折曲げ部３２を
境に外部ケーシング１０の燃料極用入口１６に向って傾
斜状に延びる天上板３３を備えている。この天上板３３
は、例えば、図５に示すように、口径１．５ｍｍ、長さ
１１ｍｍ、厚さ０．８ｍｍの長孔３４を備えている。

【００４８】また、バブリング室２８には、例えばφ１
／４インチの空気管３５に接続された、例えば鑑賞魚用
のバブリングストーン３６を収容し、バブリングストー
ン３６から吹き出す気泡により凝縮水に含まれる炭酸ガ
スを分離・吸収するようになっている。このバブリング
ストーン３６は、アルミナ焼結体で作製され、耐熱性、
耐薬品性に優れ、コンタミ等にも充分対処できるように
なっている。なお、第３貯水室３０は、凝縮水供給管３
７を備え、バブリング室２８で炭酸ガスを除去したし凝
縮水を燃料電池本体や燃料改質システム等に供給してい
る。

【００４９】このような構成を備えた凝縮熱交換器にお
いて、燃料電池本体の燃料極から供給された未反応の水
素、水蒸気および水を含む排ガスは、燃料極用入口１６
を介して気液分離部１２に供給され、ここで密度差を利
用して水素等と水とに分離される。分離後の水素は燃料
部用出口１７を介して燃料改質システムの燃焼部に供給
される一方、水は配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して
凝縮水貯水部１４に供給される。その際、気液分離部１
２は、凝縮部１３および凝縮水貯水部１４の外側に位置
させた断熱層の役割を果しているので、凝縮部１３から
外部への放熱を防止させることができる。また、気液分
離部１２は、配管１８ａ，１８ｂ，１８ｃを介して凝縮
水貯水部１４に接続させているので、分離後の水を確実
に凝縮水貯水部１４に供給することができる。

【００５０】一方、燃料電池本体の空気極および燃料改
質システムの燃焼部から酸化剤排ガス用入口１９を介し
て凝縮部１３に供給された炭酸ガス、水蒸気を含む温度
約１１０℃（露点約７５℃）の酸化剤排ガスは、蛇行状
に配置された少なくとも２本以上の伝熱管２１の管外を
流れる間に、伝熱管入口２２から管内を流れる、例え
ば、水道水と熱交換し、その水道水を温度約４０℃の温
水にする。温水は、伝熱管出口２３を介して外部に給湯
として供給される。

【００５１】また、水道水と熱交換後の酸化剤排ガス
は、熱を失ってガスと凝縮水とを生成し、そのガスを酸
化剤排ガス用出口２０を介して外部に排出するととも
に、その凝縮水を透孔板２４および天上板３３を介して
凝縮水貯水部１４に集められ、ここで気液分離部１２か
らの水と合流される。

【００５２】合流凝縮水は、第１貯水室２５から第２貯
水室２７を介してバブリング室２８に蛇行状に流れ、バ
ブリング室２８で空気管３５からバブリングストーン３
６を介して供給された空気の気泡により炭酸ガスを分離
・吸収して電気伝導度を低くさせ、第３貯水室３０に供
給される。第３貯水室３０に集められ、炭酸ガスの溶解
度を低くさせた合流凝縮水は、凝縮水供給管３７を介し
て燃料改質システム等に供給される。

【００５３】このように、本実施形態は、外側に気液分
離部１２を備え、内側の頭部側に凝縮部１３を備えると
ともに、その底部側に凝縮水貯水部１４を備え、ガスの
気液分離、ガスと水との熱交換、凝縮水の処理を一つの
容器内で多目的に処理させたので、凝縮熱交換器を大幅
にコンパクト化して少ない設置面積でも充分に設置する
ことができる。

【００５４】図６〜図８は、本発明に係る固体高分子型
燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第２実施形
態を示す概略図である。なお、図６〜図８中、図６は本
発明に係る固体高分子型燃料電池システムに適用する凝
縮熱交換器の正面断面図、図７は図６のＣ−Ｃ矢視方向
から見た平面図、図８は図７のＤ−Ｄ矢視方向から見た
側面図である。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。

【００５５】本実施形態に係る凝縮熱交換器は、凝縮部
１３に収容し、その軸方向に向って蛇行状に配置した伝
熱管２１の中間部分に管軸方向に沿ってエキスパンドメ
タル板３８を設けたものである。このエキスパンドメタ
ル板３８は、図９に示すように、網目状（ＳＷ４．０ｍ
ｍ，ＬＷ８．０ｍｍ，ｔ０．８ｍｍ）になっている。

【００５６】従来、酸化剤排ガス用入口１９を介して凝
縮部１３に案内される酸化剤排ガスは、温度約１１０℃
であるから、凝縮水貯水部１４の凝縮水が蒸発する可能
性がある。蒸発量が増えると、その分、凝縮部１３の負
荷が大きくなる。

【００５７】本実施形態は、このような点に着目したも
ので、伝熱管２１の管軸方向に沿ってエキスパンドメタ
ル板３８を設け、伝熱管２１の熱交換中により多くの凝
縮水を生成させ、その凝縮水を凝縮水貯水部１４に落下
させ、凝縮水貯水部１４に滞留する凝縮水の蒸発を防止
させたものである。

【００５８】したがって、本実施形態によれば、エキス
パンドメタル板３８により伝熱管２１の熱交換中、より
多くの凝縮水を生成して凝縮水貯水部１４に落下させ、
この間にエキスパンドメタル板３８をウェット状態に
し、ガスの流速を高めるとともに、ガスに含まれる水蒸
気をより早く拡散させるので、伝熱性能を向上させるこ
とができる。さらに、エキスパンドメタル板３８は、内
部ケーシング１１に固設させたので、内部ケーシング１
１の強度を増加させることができる。

【００５９】図１０〜図１２は、本発明に係る固体高分
子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第３実
施形態を示す概略図である。なお、図１０〜図１２中、
図１０は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに
適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１１は図１０の
Ｅ−Ｅ矢視方向から見た平面図、図１２は図１１のＦ−
Ｆ矢視方向から見た側面図である。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。

【００６０】本実施形態に係る凝縮熱交換器は、第２実
施形態と同様に、凝縮部１３に収容し、その軸方向に向
って蛇行状に配置した伝熱管２１の中間部分に管軸方向
に沿ってエキスパンドメタル板３８を設けるとともに、
凝縮水貯水部１４に何も付属物を収容しないより一層広
い貯水室３９に形成したものである。なお、エキスパン
ドメタル板３８は、第２実施形態と同様に、網目状（Ｓ
Ｗ４．０ｍｍ，ＬＷ８．０ｍｍ，ｔ０．８ｍｍ）になっ
ている。バブリング室を設けていないのは、本実施形態
では燃料として純水素を用いる場合に適用されるからで
ある。

【００６１】このように、本実施形態は、凝縮部１３に
エキスパンドメタル板３８を設け、伝熱管２１の熱交換
中に生成される凝縮水をより多く凝縮水貯水部１４の貯
水室３９に落下させるとともに、貯水室３９の容積をよ
り大きくさせたので、より多くの凝縮水を処理すること
ができる。より大きい容積の貯水室３９は、純水素の燃
料を用いる場合、有効である。

【００６２】図１３〜図１５は、本発明に係る固体高分
子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第４実
施形態を示す概略図である。なお、図１３〜図１５中、
図１３は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに
適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１４は図１３の
Ｇ−Ｇ矢視方向から見た平面図、図１５は図１４のＨ−
Ｈ矢視方向から見た側面図である。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。

【００６３】本実施形態に係る凝縮熱交換器は、外部ケ
ーシング１０の中心軸線と内部ケーシング１０の中心軸
線とを互いに偏位させたものである。

【００６４】本実施形態に係る凝縮熱交換器は、内部ケ
ーシング１１の凝縮部１３に収容した伝熱管２１，２１
を螺旋状（スパイラル）に形成するとともに、螺旋状に
形成した伝熱管２１，２１を凝縮部１３の軸方向に向っ
て蛇行状に配置する一方、蛇行状に配置した伝熱管２
１，２１の中間部分にパンチングメタル板４０を設置し
たものである。このパンチングメタル板４０は、図１６
に示すように、孔４１（φ３−４Ｐ，ｔ０．８ｍｍ）の
分布を「無」領域Ｒと「密」領域Ｓとに分けて交互に形
成している。

【００６５】このように、本実施形態は、螺旋状に形成
した伝熱管２１，２１を蛇行状に配置する一方、蛇行状
に配置した伝熱管２１，２１の間に孔４１の密度分布を
「無」領域Ｒと「密」領域Ｓとに分けて交互に異ならし
めたパンチングメタル板４０を設置し、伝熱管２１，２
１の螺旋状の形成と、蛇行状の配置による伝熱面積の増
加と相俟ってパンチングメタル板４０の孔４１の密度分
布を粗、密にしてガスの流れを良好にし、水蒸気を拡散
させたので、より熱交換率を高めることができ、より多
くの熱エネルギを回収することができる。

【００６６】図１７〜図１９は、本発明に係る固体高分
子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器の第２実
施形態を示す概略図である。なお、図１７〜図１９中、
図１７は本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに
適用する凝縮熱交換器の正面断面図、図１８は図１７の
Ｉ−Ｉ矢視方向から見た平面図、図１９は図１８のＪ−
Ｊ矢視方向から見た側面図である。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。

【００６７】本実施形態に係る凝縮熱交換器は、第４実
施形態と同様に内部ケーシング１１の凝縮部１３に収容
する伝熱管２１，２１を螺旋状（スパイラル）に形成す
るとともに、螺旋状に形成した伝熱管２１，２１を蛇行
状に配置し、蛇行状に配置した伝熱管２１，２１の間に
パンチングメタル板４０を設置する一方、螺旋状の伝熱
管２１，２１の中心部の軸方向に沿って支柱４２を備え
たものである。

【００６８】このように、本実施形態は、螺旋状の伝熱
管２１，２１の中央部の軸方向に沿って支柱４２を備
え、ガスの通路面積を少なくしてガスの流速を増加させ
たので、ガスな含まれる水蒸気の拡散を促進させて伝熱
性能を向上させることができる。また、内部ケーシング
１１に支柱４２を固設させたので、内部ケーシング１１
の強度を高めることができる。

【００６９】

【発明の効果】以上説明のとおり、本発明に係る固体高
分子型燃料電池システムに適用する凝縮熱交換器は、ケ
ーシングを二重筒に形成し、外部ケーシングと内部ケー
シングとの間に気液分離部を備え、内部ケーシング側の
頭部に凝縮部を備え、内部ケーシング側の底部側に凝縮
水貯水部をそれぞれ備えたので、一つのケーシングの多
機能化を図ってコンパクトにすることができ、設置面積
を少なくすることができる。

【００７０】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
システムに適用する凝縮器は、凝縮部に収容する伝熱管
の伝熱係数を向上させる手段を備えたので、燃料電池本
体等から出る熱エネルギを充分に回収することができ
る。

【００７１】また、本発明に係る固体高分子型燃料電池
システムに適用する凝縮器は、気液分離部を凝縮水貯水
部に接続させて凝縮水をより多く処理させるとともに、
凝縮水貯水部に凝縮水に含まれる炭酸ガスを除去する手
段を備えたので、凝縮水を再び燃料改質システム等に充
分に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに
適用する凝縮熱交換器の第１実施形態を示す正面断面
図。

【図２】図１のＡ−Ａ矢視方向から見た平面図。

【図３】図２のＢ−Ｂ矢視方向から見た側面図。

【図４】凝縮熱交換器の第１実施形態における凝縮部に
適用する透孔板を示す概念図。

【図５】凝縮熱交換器の第１実施形態における凝縮水貯
水部に適用する仕切板を示す概念図。

【図６】本発明に係る固体高分子型燃料電池システムに
適用する凝縮熱交換器の第２実施形態を示す正面断面
図。

【図７】図６のＣ−Ｃ矢視方向から見た平面図。

【図８】図７のＤ−Ｄ矢視方向から見た側面図。

【図９】凝縮熱交換器の第２実施形態における凝縮部に
適用するエキスパンドメタル板を示す概念図。

【図１０】本発明に係る固体高分子型燃料電池システム
に適用する凝縮熱交換器の第３実施形態を示す正面断面
図。

【図１１】図１０のＥ−Ｅ矢視方向から見た平面図。

【図１２】図１１のＦ−Ｆ矢視方向から見た側面図。

【図１３】本発明に係る固体高分子型燃料電池システム
に適用する凝縮熱交換器の第４実施形態を示す正面断面
図。

【図１４】図１３のＧ−Ｇ矢視方向から見た平面図。

【図１５】図１４のＨ−Ｈ矢視方向から見た側面図。

【図１６】凝縮熱交換器の第４実施形態における凝縮部
に適用するパンチングメタル板を示す概念図。

【図１７】本発明に係る固体高分子型燃料電池システム
に適用する凝縮熱交換器の第５実施形態を示す正面断面
図。

【図１８】図１７のＩ−Ｉ矢視方向から見た平面図。

【図１９】図１８のＪ−Ｊ矢視方向から見た側面図。

【図２０】従来の固体高分子型燃料電池システムを示す
概略系統図。

【図２１】従来の他の固体高分子型燃料電池システムを
示す概略系統図。

【符号の説明】

１燃料改質システム１ａ燃料部２燃料電池本体２ａ燃料極２ｂ空気極３気液分離器４凝縮熱交換器５ブロア６直接接触式凝縮熱交換器７間接接触式凝縮熱交換器８バブリング室９ポンプ１０外部ケーシング１１内部ケーシング１２気液分離部１３凝縮部１４凝縮水貯水部１５バブリング部１６燃料極用入口１７燃焼部用出口１８ａ，１８ｂ，１８ｃ配管１９酸化剤排ガス用入口２０酸化剤排ガス用出口２１伝熱管２２伝熱管入口２３伝熱管出口２４透孔板２５第１貯水室２６第１仕切板２７第２貯水室２８バブリング室２９第２仕切板３０第３貯水室３１第３仕切板３２折曲げ部３３天上板３４長孔３５空気管３６バブリングストーン３７凝縮水供給管３８エキスパンドメタル板３９貯水室４０パンチングメタル板４１孔４２支柱

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 3L103 AA05 BB50 CC02 CC26 DD06 DD38 5H026 AA06 5H027 AA06 BA01 BA05 BA16 DD06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電解質膜に固体高分子を用いた燃料電池
本体に、気液分離器、凝縮熱交換器を組み合せた固体高
分子型燃料電池システムにおいて、前記凝縮熱交換器は
外側に外部ケーシングを、内側に内部ケーシングを備え
て二重容器にするとともに、前記外部ケーシングと前記
内部ケーシングとの間に形成した気液分離部と、前記内
部ケーシングの内側のうち、頭部側に形成した凝縮部
と、底部側に形成した凝縮水貯水部とを備えるととも
に、前記気液分離部と前記凝縮水貯水部とを互いに接続
させる構成にしたことを特徴とする固体高分子型燃料電
池システム。
【請求項２】凝縮部と凝縮水貯水部との間には透孔板
を備えたことを特徴とする請求項１記載の固体高分子型
燃料電池システム。
【請求項３】凝縮部は、伝熱管を収容し、伝熱管の管
外に熱媒を、伝熱管の管内に冷却水を流して熱交換させ
ることを特徴とする請求項１記載の固体高分子型燃料電
池システム。
【請求項４】伝熱管は、凝縮部の軸方向に向って蛇行
状に配置したことを特徴とする請求項３記載の固体高分
子型燃料電池システム。
【請求項５】伝熱管は、螺旋状に形成するとともに、
凝縮部の軸方向に向って蛇行状に配置したことを特徴と
する請求項３記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項６】螺旋状に形成した伝熱管は、中心軸に支
柱を備えたことを特徴とする請求項５記載の固体高分子
型燃料電池システム。
【請求項７】凝縮部は、軸方向に向って蛇行状に延び
る伝熱管を収容するとともに、前記伝熱管の中間部分に
軸方向に向って仕切手段を備えたことを特徴とする請求
項１〜６記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項８】仕切手段は、網目状で構成したことを特
徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池システ
ム。
【請求項９】仕切手段は、孔あき板で構成したことを
特徴とする請求項７記載の固体高分子型燃料電池システ
ム。
【請求項１０】孔あき板は、孔の密度分布を異ならし
めたことを特徴とする請求項９記載の固体高分子型燃料
電池システム。
【請求項１１】気液分離部は、入口を外部ケーシング
の底部側に備えるとともに、出口を前記外部ケーシング
の頭部側に備えたことを特徴とする請求項１記載の固体
高分子型燃料電池システム。
【請求項１２】凝縮水貯水部は、気液分離部からの凝
縮水と凝縮部からの凝縮水とを合流させて一旦溜めると
ともに、貯水室と前記合流凝縮水に含まれる炭酸ガスを
除去するバブリング室とを備えたことを特徴とする請求
項１記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項１３】貯水室およびバブリング室は、互いを
仕切板で区画するとともに、各室を区画する仕切板の開
口を、凝縮水が蛇行状に流れるように、互い違いに配置
したことを特徴とする請求項１１記載の固体高分子型燃
料電池システム。
【請求項１４】バブリング室を区画する仕切板は、折
曲げ部を境に内部ケーシングに向って傾斜状に延びる天
上板を備えたことを特徴とする請求項１２記載の固体高
分子型燃料電池システム。
【請求項１５】天上板は長孔を備えたことを特徴とす
る請求項１３記載の固体高分子型燃料電池システム。
【請求項１６】バブリング室は、空気を気泡にして凝
縮水に含まれる炭酸ガスを除去するバブリングストーン
を収容したことを特徴とする請求項１１記載の固体高分
子型燃料電池システム。