JP2007073394A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 燃料電池システム内の水の循環に用いられるタンクへの水の逆流を防ぐことができ、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。
【解決手段】 燃料電池システム１において、燃料電池スタック３のアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンク１０と、燃料電池スタック３のカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンク２０と、カソード側気水分離タンク２０内の水を燃料電池スタック３に供給するための供給管２１と、アノード側気水分離タンク１０内の水を供給管２１に供給するための連絡管１１とを備え、供給管２１にはポンプ２２ａ，２３ａが設けられており、連絡管１１はポンプ２２ａ，２３ａのサクション側で供給管２１に連通していることを特徴としている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムに関する。

水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池システムとしては、炭化水素燃料である灯油燃料を改質器に供給して水素を含有する燃料ガスを生成し、この燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、反応ガスとして空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタック内で水素と酸素を電気化学反応させて発電を行うように構成された燃料電池システムがある。

このような燃料電池システムでは、灯油燃料とともに改質器に供給する水蒸気、燃料電池スタック内の電解質膜を加湿するための加湿水、燃料電池スタックを冷却するための冷却水として、市水をイオン交換樹脂に通過させて処理したイオン交換水を用いている。
イオン交換樹脂は、使用回数や水質に伴って劣化するため、燃料電池システム内でイオン交換水を循環させ、イオン交換樹脂によるイオン交換水の生成回数を減らすことにより、イオン交換樹脂を使用可能な期間を延長している。

そして、燃料電池システム内でイオン交換水を循環させるため、図７に示す従来の燃料電池システム５０では、燃料電池スタック３のアノード極３ａから排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンク６０と、燃料電池スタック３のカソード極３ｂから排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンク７０とを設け、アノード側気水分離タンク６０から延設された連絡管６１を通じて、アノード側気水分離タンク６０内の水をカソード側気水分離タンク７０内に供給し、カソード側気水分離タンク７０内から改質器に水を供給するように構成されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−１３４１４５号公報（段落００２２〜００２３、図１）

しかしながら、前記した従来の燃料電池システム５０では、連絡管６１に設けられた電磁弁６２を開けたときに、カソード側気水分離タンク７０の内圧がアノード側気水分離タンク６０の内圧よりも高い場合には、カソード側気水分離タンク７０内の水がアノード側気水分離タンク６０内に逆流してしまう可能性がある。
アノード側気水分離タンク６０では、水と分離したアノードオフガスを改質器のバーナに供給しており、アノード側気水分離タンク６０内に水が逆流して水位が上昇した場合には、アノードオフガスの供給管内に水が流入して、バーナの燃焼が停止してしまうという問題がある。

さらに、アノード側気水分離タンク６０内の水位の上昇に伴って、アノード側気水分離タンク６０の内圧が上昇し、アノード側気水分離タンク６０内と連通している燃料電池スタック３のアノード極３ａの内圧が許容圧力を超えてしまうという問題がある。

そこで、従来の燃料電池システム５０では、カソード側気水分離タンク７０内の水がアノード側気水分離タンク６０内に逆流してしまうことを防ぐために、アノード側気水分離タンク６０をカソード側気水分離タンク７０よりも上方に配置している。そのため、燃料電池システム５０内の各タンク６０，７０のレイアウトが限定されてしまうため、燃料電池システム５０の小型化が妨げられている。

なお、連絡管６１にチェックバルブを設けることにより、アノード側気水分離タンク６０への水の逆流を防ぐことができるが、チェックバルブを設けた場合には、アノード側気水分離タンク６０の内圧をカソード側気水分離タンク７０の内圧よりも高くする必要があり、アノード側気水分離タンク６０からバーナに供給されるアノードオフガスの圧力や、燃料電池スタック３のアノード極３ａの内圧に影響が生じてしまうため、連絡管６１にチェックバルブを設けることができなくなっている。

本発明では、前記した問題を解決し、燃料電池システム内の水の循環に用いられるタンクへの水の逆流を防ぐことができ、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度を向上させることができる燃料電池システムを提供することを課題とする。

前記課題を解決するため、本発明は、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムにおいて、燃料電池スタックのアノード極から排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンクと、燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンクと、カソード側気水分離タンク内の水を燃料電池スタックに供給するための供給管と、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管とを備え、供給管には、カソード側気水分離タンク内の水を送り出す供給ポンプが設けられており、連絡管は、供給ポンプのサクション側で供給管に連通していることを特徴としている。

このように、カソード側気水分離タンク内の水を燃料電池スタックに供給するための供給管と、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管とを、供給管に設けられた供給ポンプのサクション側で連通させることにより、供給ポンプの吸い込みによって連絡管内に負圧が生じて、アノード側気水分離タンク内の水が吸い出されるため、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐことができる。
これにより、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐために、アノード側気水分離タンクをカソード側気水分離タンクよりも高い位置に配置する必要がなくなり、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度が向上するため、燃料電池システムを小型化することができる。

前記した燃料電池システムにおいて、供給管は、燃料電池スタック内を加湿するための加湿水および燃料電池スタックを冷却するための冷却水を供給するように構成することができる。

このように、燃料電池スタックの加湿水および燃料電池スタックの冷却水を供給するように供給管を構成することにより、カソード側気水分離タンクは、加湿水の貯留タンクおよび冷却水の貯留タンクとしての役割を兼ねることになり、燃料電池システム内のタンクの個数を減らすことができるため、燃料電池システムを小型化および軽量化することができる。

前記した燃料電池システムにおいて、炭化水素燃料から燃料ガスを生成する改質器が設けられており、供給管は、カソード側気水分離タンク内の水を改質器に供給するように分岐して構成することができる。

このように、改質器に水を供給するように供給管を分岐して構成することにより、カソード側気水分離タンクは、燃料電池スタックに供給される水の貯留タンクと、改質器に供給される水の貯留タンクとしての役割を兼ねることになり、燃料電池システム内のタンクの個数を減らすことができるため、燃料電池システムを小型化および軽量化することができる。

前記課題を解決するため、本発明の他の構成としては、水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムにおいて、炭化水素燃料から燃料ガスを生成する改質器と、燃料電池スタックのアノード極から排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンクと、燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンクと、カソード側気水分離タンク内の水を改質器に供給するための供給管と、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管とを備え、供給管には、カソード側気水分離タンク内の水を送り出す供給ポンプが設けられており、連絡管は、供給ポンプのサクション側で供給管に連通していることを特徴としている。

このように、カソード側気水分離タンク内の水を改質器に供給するための供給管と、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管とを、供給管に設けられた供給ポンプのサクション側で連通させることにより、供給ポンプの吸い込みによって連絡管内に負圧が生じて、アノード側気水分離タンク内の水が吸い出されるため、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐことができる。
これにより、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐために、アノード側気水分離タンクをカソード側気水分離タンクよりも高い位置に配置する必要がなくなり、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度が向上するため、燃料電池システムを小型化することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、アノード側気水分離タンク内の水を供給管に供給するための連絡管を、供給管に設けられた供給ポンプのサクション側で連通させることにより、供給ポンプの吸い込みによって連絡管内に負圧が生じて、アノード側気水分離タンク内の水が吸い出されることになり、アノード側気水分離タンクへの水の逆流を防ぐことができるため、燃料電池システム内のタンクのレイアウトの自由度を向上させることができ、燃料電池システムを小型化することができる。

次に、本発明の実施形態について、適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本実施形態の燃料電池システム全体を示した概略構成図である。図２は、本実施形態の燃料電池システムにおける水の循環経路を示した概略構成図である。
本実施形態では、家庭用の電力を供給する小型の燃料電池システムを想定して説明する。

［燃料電池システムの構成］
燃料電池システム１は、図１に示すように、炭化水素燃料である灯油燃料から水素を含有する燃料ガスを生成する燃料改質装置２と、水素と酸素の電気化学反応によって発電を行う燃料電池スタック３と、燃料電池スタック３で発電された直流電流を交流電流に変換するインバータ４とを備えている。

［燃料改質装置の構成］
燃料改質装置２は、燃料電池システム１の外部から供給された灯油燃料中の硫黄を除去する脱硫器２ａと、硫黄が除去された灯油燃料を分解して水素を含有する燃料ガスを生成する改質器２ｂと、燃料ガスを生成するときに改質器２ｂで発生したＣＯ（一酸化炭素）と水から水素を取り出すとともに、燃料ガス中のＣＯの濃度を低下させるＣＯ変成器２ｃと、ＣＯ変成器２ｃを通過した燃料ガス中のＣＯの濃度を更に低下させるＣＯ除去器２ｄとから構成されている。この燃料改質装置２は、既存の装置を用いているため、詳細な説明は省略する。
また、燃料改質装置２で生成された燃料ガスは、燃料電池スタック３のアノード極３ａに供給される。

なお、改質器２ｂが灯油燃料を改質するためには、改質器２ｂ内の触媒が約７００℃に加熱されている必要があるため、改質器２ｂを加熱するためのバーナ２ｅが設けられている。このバーナ２ｅは灯油燃料と空気の混合気を燃焼させる既存の燃焼装置である。

［燃料電池スタックの構成］
燃料電池スタック３は、燃料改質装置２から燃料ガスが供給されるアノード極３ａと、反応ガスとして空気が供給されるカソード極３ｂとが形成されており、燃料ガス中の水素と空気中の酸素との電気化学反応によって発電が行われ、発電した直流電流をインバータ４に出力するように構成されている。この燃料電池スタック３は、既存の装置を用いているため、詳細な説明は省略する。
また、燃料電池スタック３を冷却するための冷却器３ｃが設けられており、この冷却器３ｃから排出された冷却水は、熱交換器６で冷却された後に、再度、冷却部３ｃに供給され、燃料電池システム１内で循環するように構成されている。

燃料電池スタック３のアノード極３ａから排出されたアノードオフガスは、凝縮器７ａで冷却されて水分が凝縮された後に、アノード側気水分離タンク１０に供給され、このアノード側気水分離タンク１０内で水が分離される。アノードオフガスは水素を含有しているため、アノード側気水分離タンク１０から改質器２ｂを加熱するためのバーナ２ｅの燃焼部に供給されることにより、バーナ２ｅの燃料として燃焼されることになる。
一方、アノードオフガスから分離された水は、燃料電池スタック３内の電解質膜を加湿するための加湿水や改質器２ｂに供給される水として、燃料電池システム１内で循環することになる。

燃料電池スタック３のカソード極３ｂから排出されたカソードオフガスは、凝縮器７ｂで冷却されて水分が凝縮された後に、カソード側気水分離タンク２０に供給され、このカソード側気水分離タンク２０内で水が分離される。その後、カソードオフガスは燃料電池システム１の外部に排気されることになる。
一方、カソードオフガスから分離された水は、燃料電池スタック３内の電解質膜を加湿するための加湿水や改質器２ｂに供給される水として、燃料電池システム１内で循環することになる。

［燃料電池システムにおける水の循環経路の構成］
燃料電池システム１では、燃料電池スタック３の電解質膜を加湿する加湿水や改質器２ｂに供給する水などの燃料電池システム１内で循環する水として、市水をイオン交換樹脂５に通過させて不純物を取り除いたイオン交換水を用いている。
このイオン交換樹脂５は、使用回数や水質に伴って劣化するため、イオン交換樹脂５によるイオン交換水の生成回数を減らすことにより、イオン交換樹脂５を使用可能な期間を延長する必要がある。
そこで、前記したように、アノード側気水分離タンク１０やカソード側気水分離タンク２０を用いて燃料電池スタック３のオフガスから水を分離して、燃料電池システム１内で循環させている。

燃料電池システム１には、図２に示すように、カソード側気水分離タンク２０内の水を燃料電池スタック３および改質器２ｂに供給するための供給管２１と、アノード側気水分離タンク１０内の水を供給管２１に供給するための連絡管１１とが設けられている。

供給管２１は、燃料電池スタック３に加湿水を供給するための加湿水用供給管２２と、改質器２ｂに水を供給するための改質器用供給管２３とに分岐している。
また、加湿水用供給管２２には、カソード側気水分離タンク２０内の水を燃料電池スタック３側に送り出す加湿水用ポンプ２２ａ（特許請求の範囲における「供給ポンプ」）が設けられている。
さらに、改質器用供給管２３には、カソード側気水分離タンク２０内の水を改質器２ｂ側に送り出す改質器用ポンプ２３ａ（特許請求の範囲における「供給ポンプ」）が設けられている。

加湿水用ポンプ２２ａおよび改質器用ポンプ２３ａは、加湿水用供給管２２と改質器用供給管２３の分岐箇所２４の下流側近傍に設けられており、この分岐箇所２４には、アノード側気水分離タンク１０から延設された連絡管１１が取り付けられている。すなわち、連絡管１１は、加湿水用ポンプ２２ａおよび改質器用ポンプ２３ａのサクション側（上流側）近傍で供給管２１に連通していることになる。
また、連絡管１１には電磁弁１２が設けられており、この電磁弁１２を開けることにより、アノード側気水分離タンク１０の水が供給管２１に供給されることになる。

［燃料電池システムの作用効果］
以上のように構成された燃料電池システム１は次のような作用効果を奏する。
アノード側気水分離タンク１０内の水を供給管２１に供給するための連絡管１１を、加湿水用ポンプ２２ａおよび改質器用ポンプ２３ａのサクション側近傍で供給管２１に連通させることにより、加湿水用ポンプ２２ａおよび改質器用ポンプ２３ａの吸い込みによって連絡管１１内に負圧が生じて、アノード側気水分離タンク１０内の水が吸い出されるため、アノード側気水分離タンク１０への水の逆流を防ぐことができる。

これにより、アノード側気水分離タンク１０への水の逆流を防ぐために、アノード側気水分離タンク１０をカソード側気水分離タンク２０よりも高い位置に配置する必要がなくなり、燃料電池システム１内の各タンク１０，２０のレイアウトの自由度が向上するため、燃料電池システム１を小型化することができる。

また、燃料電池スタック３および改質器２ｂに水を供給するように供給管２１を分岐して構成することにより、カソード側気水分離タンク２０は、燃料電池スタック３の加湿水の貯留タンクと、改質器２ｂに供給される水の貯留タンクとしての役割を兼ねることになり、燃料電池システム１内のタンクの個数を減らすことができるため、燃料電池システム１を小型化および軽量化することができる。

［他の実施形態］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記実施形態には限定されない。図３は、本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管、冷却水用供給管および改質器用供給管を設けた構成の概略構成図である。図４は、本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管およびスタック用供給管を設けた構成の概略構成図である。図５は、本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管および冷却水用供給管を設けた構成の概略構成図である。図６は、本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、改質器用供給管を設けた構成の概略構成図である。

本実施形態では、図２に示すように、供給管２１は加湿水用供給管２２および改質器用供給管２３に分岐しており、その分岐箇所２４に連絡管１１が連通しているが、図３に示すように、加湿水用供給管２２および改質器用供給管２３とともに、燃料電池スタック３の冷却器３ｃ（図１参照）に冷却水を供給するための冷却水用供給管２５を、供給管２１の分岐箇所２４から分岐させることができる。

または、図４に示すように、冷却器３ｃに冷却水を供給するとともに、燃料電池スタック３内の電解質膜を加湿するためのスタック用供給管２６を供給管２１に形成することもできる。このスタック用供給管２６から冷却器３ｃに供給された水が、冷却器３ｃの下流側に設けられた加湿器８内でカソード極３ｂに供給される空気を加湿することにより、燃料電池スタック３内の電解質膜が加湿されるように構成されている。

図３および図４に示す構成では、カソード側気水分離タンク２０は、燃料電池スタック３の加湿水の貯留タンクと、燃料電池スタック３の冷却水の貯留タンクと、改質器２ｂに供給される水の貯留タンクとしての役割を兼ねることになり、燃料電池システム１内のタンクの個数を減らすことができるため、燃料電池システム１を小型化および軽量化することができる。
また、冷却水用供給管２５およびスタック用供給管２６には、カソード側気水分離タンク２０内の水を燃料電池スタック３側に送り出すポンプ２５ａ，２６ａ（特許請求の範囲における「供給ポンプ」）が設けられており、このポンプ２５ａ，２６ａの吸い込みによって、連絡管１１内の負圧が高まるため、アノード側気水分離タンク１０内への水の逆流を確実に防ぐことができる。
特に、冷却水は、改質器２ｂに供給される水や加湿水と比較して供給量が多く、ポンプ２５ａ，２６ａの吸い込み力が大きくなっているため、連絡管１１内の負圧を十分に高めることができる。これにより、アノード側気水分離タンク１０内の水が確実に吸い出されるため、燃料電池システム１内におけるアノード側気水分離タンク１０のレイアウトの自由度が向上することになる。

また、図５に示すように、供給管２１に加湿水用供給管２２（図２参照）を形成することなく、別のタンクから燃料電池スタック３に加湿水を供給してもよい。さらに、供給管２１に加湿水用供給管２２および冷却水用供給管２５の両方を形成することなく、一方を形成してもよい。

また、図６に示すように、供給管２１に改質器用供給管２３のみを形成し、別のタンクから燃料電池スタック３に加湿水や冷却水を供給するように構成することができる。

本実施形態の燃料電池システム全体を示した概略構成図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける水の循環経路を示した概略構成図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管、冷却水用供給管および改質器用供給管を設けた構成の概略構成図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管およびスタック用供給管を設けた構成の概略構成図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、加湿水用供給管および冷却水用供給管を設けた構成の概略構成図である。 本実施形態の燃料電池システムにおける他の構成を示した図で、改質器用供給管を設けた構成の概略構成図である。 従来の燃料電池システムにおける水の循環経路を示した概略構成図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 燃料改質装置
２ｂ 改質器
２ｅ バーナ
３ 燃料電池スタック
３ａ アノード極
３ｂ カソード極
１０ アノード側気水分離タンク
１１ 連絡管
２０ カソード側気水分離タンク
２１ 供給管
２２ 加湿水用供給管
２３ 改質器用供給管
２４ 分岐箇所
２５ 冷却水用供給管

Claims (4)

1. 水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を前記燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、前記燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池スタックのアノード極から排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンクと、
   前記燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンクと、
   前記カソード側気水分離タンク内の水を前記燃料電池スタックに供給するための供給管と、
   前記アノード側気水分離タンク内の水を前記供給管に供給するための連絡管と、を備え、
   前記供給管には、前記カソード側気水分離タンク内の水を送り出す供給ポンプが設けられており、
   前記連絡管は、前記供給ポンプのサクション側で前記供給管に連通していることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記供給管は、前記燃料電池スタック内を加湿するための加湿水、および前記燃料電池スタックを冷却するための冷却水を供給するように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池システムには、炭化水素燃料から前記燃料ガスを生成する改質器が設けられており、
   前記供給管は、前記カソード側気水分離タンク内の水を前記改質器に供給するように分岐して構成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。
4. 水素を含有する燃料ガスを燃料電池スタックのアノード極に供給するとともに、空気を前記燃料電池スタックのカソード極に供給することにより、前記燃料電池スタックで発電を行う燃料電池システムにおいて、
   炭化水素燃料から前記燃料ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池スタックのアノード極から排出されたアノードオフガスから水を分離するアノード側気水分離タンクと、
   前記燃料電池スタックのカソード極から排出されたカソードオフガスから水を分離するカソード側気水分離タンクと、
   前記カソード側気水分離タンク内の水を前記改質器に供給するための供給管と、
   前記アノード側気水分離タンク内の水を前記供給管に供給するための連絡管と、を備え、
   前記供給管には、前記カソード側気水分離タンク内の水を送り出す供給ポンプが設けられており、
   前記連絡管は、前記供給ポンプのサクション側で前記供給管に連通していることを特徴とする燃料電池システム。

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