JP2012009424A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【課題】燃料電池システムの電気変換効率の向上。
【解決手段】燃料電池システムは燃料と空気の電気化学反応により電気と熱を発生させる燃料電池１００と、上記燃料電池１００から放出される熱を電気エネルギーに変換する熱電素子２００及び上記熱電素子２００から放出される熱を保存する熱保存タンク４００を含む。燃料電池システムは燃料電池１００から放出される熱を電気に変換したり、熱を利用できる構成がシステム内部に含まれ、最終放出される熱を最小化することができる。これによって熱保存タンク４００を小型化することができ、燃料電池１００の電気変換効率を向上させることができる。
【選択図】図１
【解決手段】燃料電池システムは燃料と空気の電気化学反応により電気と熱を発生させる燃料電池１００と、上記燃料電池１００から放出される熱を電気エネルギーに変換する熱電素子２００及び上記熱電素子２００から放出される熱を保存する熱保存タンク４００を含む。燃料電池システムは燃料電池１００から放出される熱を電気に変換したり、熱を利用できる構成がシステム内部に含まれ、最終放出される熱を最小化することができる。これによって熱保存タンク４００を小型化することができ、燃料電池１００の電気変換効率を向上させることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は燃料電池システムに関し、より詳しくは、電気変換効率に優れた燃料電池システムに関する。
燃料電池とは、燃料(水素、ＬＮＧ、ＬＰＧ、など)と空気の電気化学反応により電気を発生させる装置で、基本的には水素と酸素を含む空気を電気化学反応を通して分解し、この過程で発生される電子を直接電気エネルギーに変換させる発電システムである。
燃料電池は発電の後に生成される物質が水（Ｈ２Ｏ）だけという点において無公害代替エネルギーとして注目されている。
既存の発電技術が燃料の燃焼、蒸気発生、タービン駆動、駆動という過程を経るのとは異なり、燃料電池は燃焼過程がなく燃料から電気を直接生産するため、騷音及び大気汚染物質放出が少なく、効率が高いだけでなく環境問題を誘発しない親環境エネルギー装置である。
燃料電池は基本的にアルコール、メタン、ブタン、ＬＮＧなど炭化水素燃料を改質し水素気体を発生させる改質機及び水素と酸素の化学反応で電気エネルギーを発生させる燃料電池スタックを具備する。
燃料電池はスタック（Ｓｔａｃｋ）の化学物質組成と水素供給源で使われる最初燃料などの種類によってＰＥＭＦＣ，ＤＭＦＣ，ＭＣＦＣ，ＳＯＦＣなど、多様なタイプの燃料電池がある。
燃料電池を用いた発電システムは改質機及び燃料電池スタックから熱エネルギーが発生するが、このような熱エネルギーの大部分が外部に放出される場合、燃料の転換効率（燃料が電気エネルギーに転換される効率）が低下できる。これを防止するために既存の燃料電池を利用した発電システムは廃熱を回収するための多数の熱交換装置を具備する。
燃料電池を用いた発電システムに多数の熱交換措置が具備される場合、システムが複雑になり、配管の長さが延びたり、管内損失（例えば、圧力降下）が発生するという問題点がある。また燃料電池を用いた発電システムから発生した廃熱を利用する為に既存のシステムは改質機及びスタックから発生する廃熱を夫々別の熱交換装置を使用するか、追加で熱源供給装置や熱保存装置を装着しなければならないという問題点がある。
最近は燃料電池を用いた発電システムから発生する廃熱を暖房や温水提供に再使用できるようにするシステムが提供されている。
本発明は電気変換効率に優れた燃料電池システムの提供をその目的とする。
上記課題を達成するため、本発明の一実施形態は燃料と空気の電気化学反応により電気と熱を発生させる燃料電池、上記燃料電池から放出される熱を電気エネルギーに変換させる熱電素子及び上記熱電素子から放出される熱を保存する熱保存タンクを含む燃料電池システムを提供する。
上記燃料システムは上記燃料電池から放出される未反応燃料及び空気を燃焼し、発生する熱を上記熱電素子に供給する燃焼部を追加で含むことができる。
また、上記燃料電池システムは上記燃料電池で放出される熱を上記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含むことができる。
上記燃料電池システムは上記燃料電池で放出される未反応燃料及び空気を燃焼させ、発生される熱を上記熱電素子に供給する燃焼部及び上記燃焼部で放出される熱を上記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含むことができる。
もしくは、上記燃料電池システムは上記熱電素子から放出される熱を上記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含むことができる。
上記燃料電池システムは上記燃料電池の表面から放出される熱を電気エネルギーに返還させる熱電素子を追加で含むことができる。
上記燃料電池システムは上記燃料電池から放出される熱を上記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含むことができる。
上記燃料電池システムは上記燃料電池から放出される未反応燃料及び空気を燃焼させ、発生する熱を上記熱電素子に供給する燃焼部を追加で含むことができる。
また、上記燃料電池システムは上記燃料電池から放出される未反応燃料及び空気を燃焼させ、発生する熱を上記熱電素子に供給する燃焼部及び上記燃焼部から放出される熱を上記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含むことができる。
または上記燃料電池システムは上記燃料電池から放出される熱を電気エネルギーに変換させる熱電素子から放出される熱を上記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含むことができる。
本実施形態によると、燃料電池から放出された熱は熱電素子によって電気エネルギーに変換され燃料電池の電気変換効率を高めることができる。
また、燃料電池から放出された熱の一部は熱電素子を通じて電気エネルギーに変換させ、熱電素子を通して最終的に残った熱が保存されるため、熱保存タンクを小型化することができる。
また、燃料電池から放出される熱は再供給配管を通して燃料電池に再供給され、これにより燃料電池に供給される燃料及び空気を加熱することができる。燃料電池に供給される燃料と空気を事前に加熱することで燃料電気の効率を向上させられる。
以下、添付された図面を参照し、本発明の好ましい実施形態を説明する。但し、本発明の実施形態は様々な形態に変形することができ、本発明の範囲が以下で説明する実施形態に限られない。また、本発明の実施形態は当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明する為提供されるものである。従って図面の要素及び大きさなどはより明確な説明のため誇張されることができ、図面上同一符で表示される要素は同一である。
図１は本発明の一実施形態による燃料電池システムを概略的に表した模式図である。
本発明の一実施形態による燃料電池システムは燃料と空気の電気化学反応により電気と熱を発生させる燃料電池１００、上記燃料電池から放出される熱を電気エネルギーに変換させる熱電素子２００及び上記熱電素子から発生する熱を保存する熱保存タンク４００を含む。
燃料電池１００は燃料と空気を供給され、電気化学反応を通じて電気を発生させる。図面符号１０は燃料電池１００に燃料と空気を供給する配管として理解することができる。
燃料電池１００は一般的に、水素と酸素を含む空気を電気化学反応を通じて分解し、この過程で発生される電子を直接電気エネルギーに変換させる。
上記燃料はこれに限ったものではないが、一般的にアルコール、メタン、ブタン、ＬＮＧなどの炭化水素燃料を使用することができる。
上記燃料電池１００は燃料を改質して水素気体を発生させる改質機と水素と酸素の化学反応で電気エネルギーを発生させる燃料電池スタックを具備することができる。
上記燃料電池１００はスタックの化学物質組成と水素供給源で使われる最初燃料の種類によって高分子電解質燃料電池（ＰＥＭＰＣ、Ｐｏｌｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ），ＤＭＦＣ（Ｄｉｒｅｃｔ−ｍｅｔｈａｎｏｌ ｆｕｅｌ ｃｅｌｌ），溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ，Ｍｏｌｔｅｎ Ｃａｒｂｏｎａｔｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）、燐酸形燃料電池（ＰＡＦＣ、Ｐｈｏｓｐｈｏｒｉｃ Ａｃｉｄ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）または固体酸化物燃料電池（ＳＯＦＣ、Ｓｏｌｉｄ Ｏｘｉｄｅ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）などがあり、本実施形態では制限なく使用することができる。
上記燃料電池１００は改質機及び燃料電池スタックで電気を発生し、熱を放出させる。放出される熱の温度は燃料電池の種類によって異なる。低温形高分子電解質燃料電池は約８０°Ｃで作動が行われ、放出される熱の温度は約８０°Ｃ以下になり、高温形固体酸化物燃料電池は約６００から１０００°Ｃで作動が行われ、放出される熱の温度は約６００から１０００°Ｃ以下になる。
燃料電池１００から発生される電気は電力機３００に供給され電力として使用することができる。図面符号２０は燃料電池から発生した電気を電力機３００に供給する配管として理解することができる。
また、上記燃料電池で放出される熱は熱電素子２００に供給される。図面符号３０は燃料電池から放出された熱を熱電素子２００に伝達する配管として理解することができる。
熱電素子２００は燃料電池から供給された熱を電気エネルギーに変換し、変換された電気は電力３００として使用することができる。図面符号５０は熱電素子２００から発生された電気を電力機３００に供給する配管として理解することができる。
燃料電池の作動中に発生する熱は発電の為のエネルギーに使用し難く外部に放出されるのが一般的で、これによって燃料電気の電気変換効率が低いという問題点があった。
しかし、本実施形態によると燃料電池から放出される熱は熱電素子により電気エネルギーに変換され、燃料電池の電気変換効率を高めることができる。このような電気変換効率は燃料電池の作動温度が高いほど高くなる。
熱電素子２００は供給された熱エネルギーを電気に変換する過程で熱を放出させるが、本実施形態によると熱電素子２００から放出される熱は熱保存タンク４００に移動し熱エネルギーとして保存することができる。図面符号６０は熱電素子２００から放出される熱を熱保存タンクに伝達する配管として理解することができる。
燃料電池１００から放出された熱の一部は熱電素子２００を通して電気エネルギーに変換させ、熱電素子を通して最終的に残った熱が保存される為、熱保存タンク４００を小型化することができる。
本実施形態で、燃料電池１００と熱電素子２００の間には燃焼部５００が配置できる。
燃料電池１００は燃料と空気を反応させるが、未反応燃料と空気が存在するようになる。未反応燃料と空気は作動温度に加熱された状態で放出される。
本実施形態では燃料電池１００から放出された未反応燃料及び空気を燃焼部５００に供給し、燃焼部で燃焼反応によって発生された熱は熱電素子２００に供給し４２電気エネルギーの変換に利用することができる。
図面符号４１は燃料電池から放出される未反応燃料及び空気を燃焼部５００に供給する配管として理解し、図面４２は燃焼部５００から発生する熱を熱電素子２００に供給する配管として理解することができる。
燃料電池から放出される未反応燃料と空気は作動温度に過熱された状態で放出され、自体の燃焼反応による化学エネルギーを内包しており、電気エネルギーとしての変換効率に優れている。
図２は本発明の別の実施形態による燃料電池システムを概略的に表した模式図である。上記で記述した実施形態と同じ符号は同一な構成を表すことで他の要素を中心に説明する。
本実施形態による燃料電池システムは燃料と空気の電気化学反応により電気と熱を発生させる燃料電１００、上記燃料電池から放出される熱を電気エネルギーに変換させる熱電素子２００、及び上記熱電素子から発生する熱を保存する熱保存タンク４００を含む。
また、図１の実施形態のように燃料電池１００と熱電素子２００の間に配置された燃焼部５００を含むことができる。
本実施形態では燃料電池１００から放出される熱を燃料電池として再供給する再供給配管７０を含む。
燃料電池１００から放出される熱は再供給配管７０を通じて燃料として再供給され、これにより燃料電池に供給される燃料及び空気を加熱させることができる。燃料電池に供給される燃料と空気を事前に加熱させることにより燃料電気の効率を向上させることができる。
上記、再供給配管７０は図２に図示されたように、燃焼部５００及び熱電素子２００の間に配置され、燃焼部５００から発生する熱を燃料電池１００に再供給することができる。
また、図示されていないが、再供給配管は燃料電池から放出される熱のうち、熱電素子に供給される前の熱の一部を燃料電池に再供給することができる。
また、再供給配管は熱電素子で放出される熱のうち、熱保存タンクに供給される前の熱の一部を燃料電池に再供給することができる。
図３は本発明の別の実施形態による燃料電池システムを概略的に表した模式図である。上述した実施形態と同一な符号は同じ構成を表すもので、別の構成要素を中心に説明する。
本実施形態による燃料電池システムは燃料と空気の電気化学反応により電気と熱を発生させる燃料電池１００、上記燃料電池から放出される熱を電気エネルギーに変換する熱電素子２００及び上記熱電素子から発生する熱を保存する熱保存タンク４００を含む。また、図１の実施形態と同様、燃料電池１００と熱電素子２００の間に配置された燃焼部５００を含むことができる。
本実施形態では燃料電池１００の表面で発生する熱を電気エネルギーに変換する熱電素子２１０を含む。
燃料電池１００は作動中に高温の温度を維持するようになる。本実施形態では燃料電池１００の表面に熱電素子２１０を配置することができ、燃料電池の表面から放出される熱を電気エネルギーに転換することができる。燃料電池１００の表面に配置した熱電素子２１０から発生する電気は電力機３００に供給され電力として使用することができる。図面符号８０は燃料電池１００の表面に配置した熱電素子２１０から発生する電気を電力機３００に供給する配管として理解することができる。
本実施形態によると、燃料電池の電気変換効率をより向上させることができる。
また、図示されてはいないが、本実施形態による燃料電池システムは燃料電池から放出される熱を燃料電池に再供給する再供給配管を含むことができる。再供給配管は燃料電池から放出される熱のうち、熱電素子に供給される前の熱の一部を燃料電池に再供給したり、熱電素子から放出される熱のうち、熱保存タンクに供給される前の熱の一部を燃料電池に再供給できる。
本発明による燃料電池システムは燃料電池から放出される熱を電気に変換したり、熱を利用できる構成がシステム内部に含まれ、最終放出される熱を最小化できる。これによって熱保存タンクを小型化することができ、燃料電池の電気変換効率を向上させることができる。
本発明に燃料電池システムは携帯電話、ノートパソコン、ＭＰ３などの小型モバイル用燃料電池、家庭用若しくは自動車用などの中型燃料電池及び建物用、商業用または分散発電用などの大型燃料電池に使用することができる。
本発明は上述した実施形態及び添付した図面により限定されるものではなく、添付した請求範囲によって限定する。従って、請求範囲に記載された本発明の技術的思想から外れない範囲内で当技術分野の通常の知識を有する者により多様な形態の置換、変形及び変更が可能であり、これがまた本発明の範囲に属すると言える。
１００ 燃料電池
２００、２１０ 熱電素子
３００ 電力機
４００ 熱保存タンク
５００ 燃焼部
２００、２１０ 熱電素子
３００ 電力機
４００ 熱保存タンク
５００ 燃焼部
Claims (10)
- 燃料と空気の電気化学反応により電気と熱を発生させる燃料電池において、
前記燃料電池から放出される熱を電気エネルギーに変換する熱電素子と、
前記熱電素子から放出される熱を保存する熱保存タンクと
を含む燃料電池システム。 - 前記燃料電池から放出される未反応燃料及び空気を燃焼させ、発生する熱を前記熱電素子に供給する燃焼部を追加で含む請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池から放出される熱を前記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含む請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池から放出される未反応燃料及び空気を燃焼させ、発生する熱を前記熱電素子に供給する燃焼部と、
前記燃焼部から放出される熱を前記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含む請求項１に記載の燃料電池システム。 - 前記熱電素子から放出される熱を前記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含む請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池の表面から放出される熱を電気エネルギーに変換する熱電素子を追加で含む請求項１に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池から放出される熱を前記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含む請求項６に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池から放出される未反応燃料及び空気を燃焼させ、発生する熱を前記熱電素子に供給する燃焼部を追加で含む請求項６に記載の燃料電池システム。
- 前記燃料電池から放出される未反応燃料及び空気を燃焼させ、発生する熱を前記熱電素子に供給する燃焼部と、
前記燃焼部から放出される熱を前記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含む請求項６に記載の燃料電池システム。 - 前記燃料電池から放出される熱を電気エネルギーに変換する熱電素子から放出される熱を前記燃料電池に再供給する再供給配管を追加で含む請求項６に記載の燃料電池システム。
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