JP2008084646A - Fuel cell system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池を用いて発電と熱供給とを行う燃料電池システムに関するものである。 The present invention relates to a fuel cell system that generates power and supplies heat using a fuel cell.
燃料電池システムは、燃料電池において、燃料ガスとして供給される水素リッチなガスと、酸化剤ガスとして供給される空気等とを反応させることにより、電力及び熱を発生させることで知られている。 A fuel cell system is known to generate electric power and heat in a fuel cell by reacting a hydrogen-rich gas supplied as a fuel gas with air supplied as an oxidant gas.
前記燃料ガス及び酸化剤ガスは、それぞれ加湿手段によって加湿された後に、燃料電池に供給される。前記燃料ガス及び酸化剤ガスの加湿手段としては、例えば、ヒータにより加熱された温水中に燃料ガス及び酸化剤ガスを通して加湿を行うバブラーがある(例えば特許文献1参照)。 The fuel gas and the oxidant gas are supplied to the fuel cell after being humidified by the humidifying means. As a means for humidifying the fuel gas and the oxidant gas, for example, there is a bubbler that performs humidification through the fuel gas and the oxidant gas in warm water heated by a heater (see, for example, Patent Document 1).
一方、燃料電池の空気極側から排出される排出空気(オフガス)に含まれる水分(水蒸気)を、水蒸気透過膜を介して前記燃料電池の空気極側に供給する空気に移動させ、それにより供給空気の加湿を行う加湿装置が知られている(例えば特許文献2参照)。この加湿装置は、高温の排出空気を用いて加湿を行うことにより、加湿に要するエネルギーの低減化を図るものである。
しかしながら、上記特許文献1に記載の加湿手段は、前記バブラーにおいて、水を加熱するためにエネルギーを消費するため、燃料電池システムのエネルギー効率の低下を招くものである。 However, the humidifying means described in Patent Document 1 consumes energy to heat water in the bubbler, and thus causes a reduction in energy efficiency of the fuel cell system.
また、上記特許文献2に記載の加湿装置は、被加湿ガス(ここでは加湿される供給空気)を、加湿ガス(ここでは水分の供給元となる排出空気)以上の露点温度に加湿することができず、また、被加湿ガスを高露点温度まで加湿するには、大きな膜面積の水蒸気透過膜が必要となり、よって、加湿装置の規模が大きくなるものである。したがって、かかる加湿装置は、燃料電池システムのコンパクト化が困難となるものであった。 Further, the humidifier described in Patent Document 2 can humidify a humidified gas (here, supply air to be humidified) to a dew point temperature equal to or higher than the humidification gas (exhaust air from which moisture is supplied here). In addition, in order to humidify the humidified gas to a high dew point temperature, a water vapor permeable membrane having a large membrane area is required, and the scale of the humidifying device is increased. Therefore, it is difficult to make the fuel cell system compact with this humidifier.
本発明は、上記従来の燃料電池システムが有する課題を解決するもので、燃料電池に供給するガスの加湿に要するエネルギーを削減することにより、システム全体のエネルギー効率を向上させるとともに、システムのコンパクト化、システム動作の安定化、低コスト化及び製造時の品質向上が図れた燃料電池システムを提供することを目的とする。 The present invention solves the above-described problems of the conventional fuel cell system. By reducing the energy required for humidifying the gas supplied to the fuel cell, the energy efficiency of the entire system is improved and the system is made compact. An object of the present invention is to provide a fuel cell system that can stabilize system operation, reduce costs, and improve quality during manufacture.
上記課題を解決するために、本発明に係わる燃料電池システムは、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器とを備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜を介して前記供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給燃料ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記燃料冷却水を供給する燃料電池システムとする。 In order to solve the above-described problems, a fuel cell system according to the present invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas humidifier that humidifies a supply fuel gas supplied to the fuel cell. And the fuel gas humidifier warms the moisture contained in the exhaust fuel gas or the exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell with cooling water that has cooled the heat at the time of power generation of the fuel cell. The supply fuel gas is humidified through a moving membrane, and the fuel gas humidifier is formed in a cylindrical shape, and is partitioned into a hollow shape by a moisture moving membrane disposed inside the outer wall, Furthermore, it is partitioned into a hollow shape by a partition plate arranged inside the moisture transfer membrane, the supply fuel gas is supplied between the outer wall and the moisture transfer membrane, and the partition plate and the moisture transfer membrane are Exhaust fuel Gas supply, a fuel cell system for supplying the fuel cooling water to the inside of the partition plate.
また、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記酸化剤冷却水を供給する燃料電池システムとする。 A fuel cell that generates power using the fuel gas and the oxidant gas; and an oxidant gas humidifier that humidifies the supply oxidant gas supplied to the fuel cell. Moisture contained in the exhaust fuel gas or exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell is heated with cooling water that has cooled the heat during power generation of the fuel cell, and the supplied oxidant gas is humidified through the moisture transfer membrane. The oxidant gas humidifier is formed in a cylindrical shape, and is partitioned into a hollow shape by a water movement film disposed inside the outer wall, and further disposed inside the water movement film. The partition plate is partitioned into a hollow shape, the supply oxidant gas is supplied between the outer wall and the moisture transfer membrane, the exhaust oxidant gas is supplied between the partition plate and the moisture transfer membrane, and the partition The oxidation inside the plate Cooling water to the fuel cell system supplies.
また、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器とを備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜を介して供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記燃料冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給燃料ガスを供給する燃料電池システムとする。 A fuel cell that generates power using fuel gas and oxidant gas; and a fuel gas humidifier that humidifies the supply fuel gas supplied to the fuel cell, wherein the fuel gas humidifier is connected to the fuel cell. The moisture contained in the discharged exhaust gas is heated with cooling water that has cooled the heat generated during the power generation of the fuel cell, and the supplied fuel gas is humidified through a moisture transfer film. The humidifier is formed in a cylindrical shape, is partitioned into a hollow shape by a partition plate disposed inside the outer wall, and is further partitioned into a hollow shape by a moisture transfer membrane disposed inside the partition plate, and the outer wall The fuel cooling water is supplied between the partition plate and the partition plate, the exhaust fuel gas is supplied between the partition plate and the moisture transfer membrane, and the supplied fuel gas is supplied inside the moisture transfer membrane. .
また、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記酸化剤冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給酸化剤ガスを供給する燃料電池システムとする。 A fuel cell that generates power using the fuel gas and the oxidant gas; and an oxidant gas humidifier that humidifies the supply oxidant gas supplied to the fuel cell. The moisture contained in the exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell is heated with cooling water that has cooled the heat generated during the power generation of the fuel cell, and the supplied oxidant gas is humidified through the moisture transfer membrane. The oxidant gas humidifier is formed in a cylindrical shape, and is partitioned into a hollow shape by a partition plate disposed inside the outer wall, and is further formed into a hollow shape by a moisture transfer film disposed inside the partition plate. The oxidant cooling water is supplied between the outer wall and the partition plate, the exhaust oxidant gas is supplied between the partition plate and the moisture transfer film, and the supply oxidant is provided inside the moisture transfer film. Fuel electricity to supply gas The system.
したがって、前記燃料ガス加湿器または酸化剤ガス加湿器は、供給燃料ガスまたは供給酸化剤ガス、排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガス、冷却水のそれぞれの流体が外表面が接触もしくは極近接した配置構成となり、その結果、それぞれの接触面あるいは極近接面から大気への放熱を無くす、もしくは抑制することができ、効率の高いシステムを提供することができる。 Accordingly, the fuel gas humidifier or the oxidant gas humidifier has an arrangement configuration in which the outer surfaces of the fuel gas or the supply oxidant gas, the exhaust fuel gas or the exhaust oxidant gas, and the cooling water are in contact with or in close proximity to each other. As a result, it is possible to eliminate or suppress the heat radiation from the respective contact surfaces or extremely close surfaces to the atmosphere, and to provide a highly efficient system.
また、本発明は、前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿器は、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給燃料ガス室または前記供給酸化剤ガス室を設け、前記水分移動膜と前記仕切り板の間に前記排出燃料ガス室または前記排出酸化剤ガス室を設けて配管し、前記冷却水を前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿器の中心部に配置させて外表面から断熱し、冷却水での温度低下を抑制し、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの熱交換、湿度交換(以下、総合して湿熱交換と称す)がさらに効率よく行えるようにしたものである。 Further, according to the present invention, the fuel gas humidifier or the oxidant gas humidifier is provided with the supply fuel gas chamber or the supply oxidant gas chamber between the outer wall and the moisture transfer film, The exhaust fuel gas chamber or the exhaust oxidant gas chamber is provided between the partition plates and piped, and the cooling water is arranged at the center of the fuel gas humidifier or the oxidant gas humidifier to insulate from the outer surface. The temperature drop in the cooling water is suppressed, and heat exchange and humidity exchange (hereinafter collectively referred to as wet heat exchange) of the fuel gas or the oxidant gas can be performed more efficiently.
さらに、本発明は、前記加湿膜を複数の中空糸膜として膜面積を増加させ、温湿交換の効率をよくし、前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿装置の出口での露点が、高露点で維持できるようにするものである。 Furthermore, the present invention increases the membrane area by using the humidified membrane as a plurality of hollow fiber membranes, improving the efficiency of heat and humidity exchange, and the dew point at the outlet of the fuel gas humidifier or the oxidant gas humidifier is It should be maintained at a high dew point.
本発明の燃料電池システムによれば、エネルギー効率を向上させるとともに、耐久性に優れ、安定した燃料電池システムの運転を実現することが可能となる。また、燃料電池システムのコンパクト化及び簡素化が図れ、また、低コスト化及び製造時の工数低減と品質向上を図ることが可能となる。 According to the fuel cell system of the present invention, it is possible to improve the energy efficiency and to realize a stable operation of the fuel cell system with excellent durability. In addition, the fuel cell system can be made compact and simplified, and the cost can be reduced, the number of man-hours during manufacturing, and the quality can be improved.
第1の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器とを備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜を介して前記供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給燃料ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記燃料冷却水を供給する燃料電池システムとする。 A first invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas humidifier that humidifies a supply fuel gas supplied to the fuel cell, wherein the fuel gas humidifier includes: Moisture contained in the exhaust fuel gas or exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell is heated with cooling water that has cooled heat during power generation of the fuel cell, and the supplied fuel gas is humidified through a moisture transfer film. The fuel gas humidifier is formed in a cylindrical shape, is partitioned into a hollow shape by a moisture transfer membrane disposed inside the outer wall, and is further disposed inside the moisture transfer membrane. The partition plate is divided into a hollow shape, the supply fuel gas is supplied between the outer wall and the moisture transfer membrane, the exhaust fuel gas is supplied between the partition plate and the moisture transfer membrane, and the partition plate Inside the fuel cooling Water and fuel cell system supplies.
第2の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、さらに前記水分移動膜の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、前記外壁と前記水分移動膜の間に前記供給酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記仕切り板の内側に前記酸化剤冷却水を供給する燃料電池システムとする。 A second invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and an oxidant gas humidifier that humidifies a supply oxidant gas supplied to the fuel cell. The heater warms the moisture contained in the exhausted fuel gas or exhausted oxidant gas discharged from the fuel cell with cooling water that has cooled the heat generated during power generation of the fuel cell, and supplies the oxidant through the moisture transfer membrane. A humidifier for gas, wherein the oxidant gas humidifier is formed in a cylindrical shape, and is partitioned into a hollow shape by a moisture transfer film disposed on the inner side of the outer wall, and further inside the moisture transfer film Is partitioned into a hollow shape by a partition plate arranged on the surface, and the supply oxidant gas is supplied between the outer wall and the moisture transfer membrane, and the exhaust oxidant gas is supplied between the partition plate and the moisture transfer membrane. And inside the partition plate The serial oxidant coolant to the fuel cell system supplies.
第1の発明または第2の発明とすることにより、前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿器は、相互の外表面間で熱移動が行える程度に接触(密着)あるいは極近接しているため、加湿要素が占めるスペースが小さくでき、その結果、燃料電池システムのコンパクト化が図れ、また、接触面あるいは極近接面から大気への放熱を無くす、もしくは抑制することができ、効率の高いシステムを提供することができる。 According to the first invention or the second invention, the fuel gas humidifier or the oxidant gas humidifier is in contact (close contact) or in close proximity to the extent that heat transfer can be performed between the outer surfaces of each other. Therefore, the space occupied by the humidifying element can be reduced. As a result, the fuel cell system can be made compact, and heat dissipation from the contact surface or the close proximity surface to the atmosphere can be eliminated or suppressed. Can be provided.
さらに、加湿要素としてユニット化された構成であるため、燃料電池システムの製造時における低コスト化および工数低減と品質の向上が可能となる。 Furthermore, since it is a unitized configuration as a humidifying element, it is possible to reduce costs, reduce man-hours, and improve quality when manufacturing a fuel cell system.
また、前記冷却水を前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿器の中心部に配置させて外表面から断熱し、冷却水での温度低下を抑制し、前記燃料ガスまたは前記酸化剤ガスの熱交換、湿度交換(以下、総合して湿熱交換と称す)がさらに効率の高いシステムを提供することができる。 In addition, the cooling water is disposed at the center of the fuel gas humidifier or the oxidant gas humidifier to insulate from the outer surface, suppress the temperature drop in the cooling water, and the fuel gas or the oxidant gas A system in which heat exchange and humidity exchange (hereinafter collectively referred to as wet heat exchange) are more efficient can be provided.
第3の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給燃料ガスを加湿する燃料ガス加湿器とを備え、前記燃料ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出燃料ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜を介して供給燃料ガスの加湿を行うものであって、前記燃料ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記燃料冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出燃料ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給燃料ガスを供給する燃料電池システムとする。 A third invention includes a fuel cell that generates power using a fuel gas and an oxidant gas, and a fuel gas humidifier that humidifies a supply fuel gas supplied to the fuel cell, wherein the fuel gas humidifier includes: The moisture contained in the discharged fuel gas discharged from the fuel cell is heated with cooling water that has cooled the heat generated during power generation of the fuel cell, and the supplied fuel gas is humidified through a moisture transfer film. The fuel gas humidifier is formed in a cylindrical shape, and is partitioned into a hollow shape by a partition plate disposed inside the outer wall, and further partitioned into a hollow shape by a moisture transfer membrane disposed inside the partition plate. The fuel cooling water is supplied between the outer wall and the partition plate, the exhaust fuel gas is supplied between the partition plate and the moisture transfer membrane, and the supplied fuel gas is supplied inside the moisture transfer membrane. Battery system To.
第4の発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池に供給される供給酸化剤ガスを加湿する酸化剤ガス加湿器とを備え、前記酸化剤ガス加湿器は、前記燃料電池から排出された排出酸化剤ガスに含まれる水分を前記燃料電池の発電時の熱を冷却した冷却水で加温して水分移動膜を介して供給酸化剤ガスの加湿を行うものであって、前記酸化剤ガス加湿器は筒状に形成されており、その外壁の内側に配置された仕切り板によって中空形状に区切られ、さらに前記仕切り板の内側に配置された水分移動膜によって中空形状に区切られ、前記外壁と仕切り板の間に前記酸化剤冷却水を供給し、前記仕切り板と前記水分移動膜の間に前記排出酸化剤ガスを供給し、前記水分移動膜の内側に前記供給酸化剤ガスを供給する燃料電池システムとする。 A fourth invention includes a fuel cell that generates power using fuel gas and an oxidant gas, and an oxidant gas humidifier that humidifies a supply oxidant gas supplied to the fuel cell. The heater warms the moisture contained in the exhaust oxidant gas discharged from the fuel cell with cooling water that has cooled the heat during power generation of the fuel cell, and humidifies the supplied oxidant gas through the moisture transfer membrane. The oxidant gas humidifier is formed in a cylindrical shape, and is partitioned into a hollow shape by a partition plate disposed inside the outer wall, and further, moisture transfer disposed inside the partition plate It is divided into a hollow shape by a membrane, the oxidant cooling water is supplied between the outer wall and the partition plate, the exhaust oxidant gas is supplied between the partition plate and the moisture transfer membrane, and inside the moisture transfer membrane Supply the supply oxidant gas A fuel cell system.
第3の発明または第4の発明とすることにより、前記燃料冷却水または前記酸化剤冷却水の温度を伝熱する仕切り板の面積を、水分移動膜の面積以上に確保し凝縮水室の温度を十分に昇温することができるので、排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガスから供給燃料ガスまたは供給酸化剤ガスへの湿熱交換が十分におこなえ、高露点の燃料ガスまたは酸化剤ガスを燃料電池に供給することがでるので、高性能で耐久性の高い燃料電池システムを提供することができる。 By making it the 3rd invention or the 4th invention, the area of the partition plate which transfers the temperature of the fuel cooling water or the oxidant cooling water is ensured to be equal to or larger than the area of the moisture transfer membrane, and the temperature of the condensed water chamber Can sufficiently raise the temperature of the exhaust gas, so that sufficient exchange of wet heat from the exhaust fuel gas or exhaust oxidant gas to the supply fuel gas or supply oxidant gas can be performed, and high dew point fuel gas or oxidant gas can be supplied to the fuel cell. Since it can be supplied, a high-performance and highly durable fuel cell system can be provided.
第5の発明は、第1から4のいずれか一項に記載の発明に加え、前記水分移動膜を複数の中空糸膜としたものである。 In addition to the invention as described in any one of 1st to 4th, the 5th invention makes the said water | moisture-transfer film | membrane a some hollow fiber membrane.
かかる構成とすることにより、前記燃料ガス加湿器または前記酸化ガス加湿器は水分移動膜面積を増加させ、温湿交換の効率をよくし、前記燃料ガス加湿器または前記酸化剤ガス加湿装置の出口での露点が、高露点で維持することができる。 With this configuration, the fuel gas humidifier or the oxidizing gas humidifier increases the moisture transfer membrane area, improves the efficiency of temperature / humidity exchange, and the outlet of the fuel gas humidifier or the oxidizing gas humidifier The dew point at can be maintained at a high dew point.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the following embodiments.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1に係わる燃料電池コージェネレーションシステム(以下、単に燃料電池システムと称す)の構成を示す模式図である。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of a fuel cell cogeneration system (hereinafter simply referred to as a fuel cell system) according to Embodiment 1 of the present invention.
図1に示すように、本実施の形態1における燃料電池システムは、空気供給装置20と、酸化剤ガス加湿器21と、燃料電池19と、燃料供給装置23と、燃料処理装置24と、燃料ガス加湿器25と、冷却水放熱器26と、冷却水タンク27と、冷却水ポンプ28と、第1の冷却水経路39と、第2の冷却水経路40と、第3の冷却水経路41と、第4の冷却水経路42と、貯湯タンク29と、貯湯水循環経路44を主な要素として構成されている。
As shown in FIG. 1, the fuel cell system according to Embodiment 1 includes an
特に、燃料ガス加湿器25または酸化剤ガス加湿器21は、その詳細については後述する。
In particular, details of the
次に、システム全体の動作について説明する。空気供給装置20から第1の空気経路30を介して酸化剤ガス加湿器21に供給された空気は、酸化剤ガス加湿器21で加湿される。酸化剤ガス加湿器21によって加湿された空気は、酸化剤ガスとして、第2の空気経路31を介して燃料電池19の空気極側に供給される。
Next, the operation of the entire system will be described. The air supplied from the
一方、燃料供給装置23から第1の燃料ガス経路33を介して、燃料処理装置24に原料が供給される。前記原料としては、少なくとも炭素及び水素から構成される化合物(例えば、都市ガス、プロパン、メタン、天然ガス等)を含むガス等あるいはアルコール等が好ましい。
On the other hand, the raw material is supplied from the
ここでは、燃料処理装置24は、具体的には、改質反応により水素を含む改質ガスを生成する改質部、及び、改質ガス中の一酸化炭素を変成反応により低減する変成部、該変成部を経た改質ガス中の一酸化炭素をさらに選択酸化反応により低減する浄化部(いずれも図示せず)を備えている。
Here, the
そして、燃料処理装置24では、供給された原料を、水蒸気を含む雰囲気下で加熱することにより、水素リッチなガスが生成される。該水素リッチなガスは、第2の燃料ガス経路34を介して燃料ガス加湿器25に供給され、加湿される。
And in the
加湿された水素リッチなガスは、燃料電池19の燃料ガスとして、第3の燃料ガス経路35を介して燃料電池19の燃料極側に供給される。燃料電池19では、空気極側に供給された空気と、燃料極側に供給された水素リッチなガス(以下、燃料ガスと称す)とが反応することにより発電が行われ、電気と熱とが発生する。
The humidified hydrogen-rich gas is supplied to the fuel electrode side of the
燃料電池19で反応に利用されなかった燃料ガスは排出燃料ガスとなり、第4の燃料ガス経路38aを介して燃料ガス加湿器25に供給され、第5の燃料ガス排出経路38bを通じて燃料処理装置24に供給される。
The fuel gas that has not been used for the reaction in the
前述の燃料処理装置24で生成された水素リッチなガスの加湿は、第4の燃料ガス経路38aを介して燃料ガス加湿器25へ流入した排出燃料ガスの水分を利用して行われるもので、厳密には前記排出燃料ガスの熱も利用されており、また、第1の冷却水経路39から吸熱し、前記燃料ガスを加熱していることから燃料ガス加湿器25内では湿熱交換作用が行われている。
The humidification of the hydrogen-rich gas generated by the
また、燃料電池19で熱を回収した冷却水は、第1の冷却水経路39を介して燃料ガス加湿器25に流入し、そして第2の冷却水経路40、その後前記酸化剤ガス加湿器21を介して冷却水放熱器26に供給され、ここで回収される。
Further, the cooling water whose heat has been recovered by the
また、冷却水放熱器26を通過した冷却水は、第3の冷却水経路41を介して冷却水タンク27へ流れる。そして、冷却水タンク27の冷却水は、燃料電池19で発生した熱を除去するために、冷却水ポンプ28によって加圧され、第4の冷却水経路42を介して再び燃料電池19に供給される循環を繰り返す。
Further, the cooling water that has passed through the cooling water radiator 26 flows to the cooling
ここで、冷却水タンク27の冷却水は、70℃程度に維持されており、この温度は、燃料電池19と十分熱交換できる温度である。
Here, the cooling water in the cooling
さらに、前記冷却水について詳述すると、燃料電池19の熱を回収して温度が75℃程度となった冷却水は、第1の冷却水流路39、第2の冷却水流路40、第3の冷却水流路41を介して再び冷却水タンク27に戻される。
Further, the cooling water will be described in detail. The cooling water whose temperature is about 75 ° C. by recovering the heat of the
ここで、第2の冷却水流路40と第3の冷却水流路41の間には、冷却水放熱器26が設けられており、前記冷却水の熱は、冷却水放熱器26によって貯湯水循環経路44の水に放出される。貯湯水循環経路44内の水は、貯湯ポンプ43により給水経路(図示せず)から給水・貯水された貯湯タンク29と冷却水放熱器26を循環している。このような放熱により、冷却水は、再び70℃程度まで冷却される。
Here, a cooling water radiator 26 is provided between the second
本実施の形態1における燃料電池システムでは、このように冷却水が循環する構成となっており、また、該冷却水の温度が安定して所定の温度に維持されていることから、燃料電池19を所定の温度に維持することが可能となる。 In the fuel cell system according to the first embodiment, the cooling water is circulated as described above, and the temperature of the cooling water is stably maintained at a predetermined temperature. Can be maintained at a predetermined temperature.
さらに、本実施の形態1においては、燃料ガス加湿器25は、冷却水と排出燃料ガスと供給燃料ガスを一体化して構成している。また、酸化剤ガス加湿器21は冷却水と排出酸化剤ガスと供給酸化剤ガスを一体化して構成している。
Further, in the first embodiment, the
次に、本実施の形態1の特徴である、燃料ガス加湿装置25について説明する。図2、図4、図6は、図1に示す燃料電池システムにおける加湿装置25の構成および熱交換・湿度交換(以下、総合して湿熱交換と称す)作用を説明するための説明図である。図2、図4、図6において、燃料ガス加湿器25および酸化剤ガス加湿器21はそれぞれ同様の構成を採用しており、ここでは燃料ガス加湿器25について説明する。
Next, the
すなわち、燃料ガス加湿器25は、外観筒状の構成をしており内部が中心部に燃料冷却水室45を設け、燃料冷却水室45の外周に仕切り板25bを設け、仕切り板25bの外周に設けた水分移動膜25cとの間に凝縮水室46を形成し、さらに外壁25aと水分移動膜25cとの間に供給燃料ガス室47を形成した構成をしている。また、水分移動膜25cによって高水分濃度側から低水分濃度側への水分(水蒸気)移動が可能で、加えて高温度側から低温度側への熱移動が可能な材料より構成されている。ここで、水分移動膜25cには、例えば、ナフィオン系膜等で代表されるプロトン導電性の高分子電解質膜が用いられる。
That is, the
さらに詳述すると、燃料ガス加湿器25は、水分移動膜25cによって供給燃料ガス室47と凝縮水室46にその縦断面形状を中空形状(たとえばドーナツ形状)に区切られ、さらに燃料ガス加湿器25は、熱伝達良好な材料からなる仕切板25bによって凝縮水室46と燃料ガス冷却水室45にその縦断面形状を中空形状に区切られており、燃料ガス室47、凝縮水室46、燃料ガス冷却水室45を中空状に保つため、固定部材25e、25d(ポッティングなど)により外壁25aと水分移動膜25cと仕切板25bとが固定、密着されている。
More specifically, the
また、前記加湿器の縦断面形状はドーナツ状の中空形状としたが、さらに燃料ガス加湿器25のコンパクト化を図るためには四角形および多角形としても構わない。
The vertical cross-sectional shape of the humidifier is a donut-shaped hollow shape. However, in order to further reduce the size of the
上記構成とする燃料ガス加湿器25の各燃料ガス室47、凝縮水室46、燃料冷却水室45には、供給燃料ガス、排出燃料ガスおよび冷却水が次のように流れる。
Supply fuel gas, exhaust fuel gas, and cooling water flow through the
供給燃料ガスは、固定部材25dに設けた供給燃料ガス入口47aから燃料ガス加湿器25の供給燃料ガス室47に流入し、供給燃料ガス出口47bから流出する。排出燃料ガスは、固定部材25eに設けた排出燃料ガス入口46aから燃料ガス加湿器25の凝縮水室46に流入し、排出燃料ガス出口46bから流出する。冷却水は、固定部材25dに設けた燃料冷却水入口45aから燃料ガス加湿器25の燃料冷却水室45に流入し、燃料ガス冷却水出口45bから流出する。
The supply fuel gas flows into the supply
さらに詳述すると、燃料電池19で前記酸化剤と反応せずに残った燃料ガスは、第4の燃料ガス経路38aから再び燃料ガス加湿器25の凝縮水室46へ排出燃料ガス入口46aから前記凝縮水とともに流入し、一旦滞留する。そして、凝縮水室46内の燃料ガスは、排出燃料ガス出口46bから燃料ガス排出経路38bを通じて燃料処理装置24に供給される。凝縮水室46内の凝縮水の水分(水蒸気)は、水分移動膜(水蒸気透過膜)25cの水分を透過させる作用により、供給燃料ガス室47へ透過する。
More specifically, the fuel gas remaining without reacting with the oxidant in the
また、凝縮水室46には、熱伝導性の良好な材料からなる仕切板25bを介して燃料ガス冷却水室45が配設されている。排出燃料ガス室46に流入する凝縮水は、燃料電池19を出たとき、約75℃程度に加温されているが凝縮水室46で滞留し温度が50℃程度にまで降下する。しかし燃料ガス冷却水室45の冷却水温度は燃料電池19を出たときの温度の約75℃を常に維持しているため、凝縮水室46の凝縮水を一定温度に加温している。
The
したがって、供給燃料ガス室47へ透過した凝縮水分(水蒸気)も所定の温度であり、前記凝縮水分は、供給燃料ガス室47を流れる供給燃料ガスと湿熱交換を行い、供給燃料ガスを加湿する。
Therefore, the condensed moisture (water vapor) that has passed through the supply
ここで、燃料ガス加湿器25において、前記冷却水と前記排出燃料ガスが仕切り板25bを介して対向して流れるようにすれば、前記燃料冷却水から前記凝縮水への熱の移動は一層効率よく行われ、また前記凝縮水と前記供給燃料ガスが水分移動膜(水蒸気透過膜)25cを介して対向して流れるようにすれば、前記凝縮水から前記供給燃料ガスへの水分の移動は一層効率よく行われる。
Here, in the
このように本実施の形態1においては、燃料電池19に供給される燃料ガスを、水分移動膜23を介して燃料電池19で反応した排出燃料ガス、燃料冷却水のそれぞれがもつ熱、水分と湿熱交換を行い、加湿した状態で燃料電池19に供給するため、電解質膜の劣化を抑制して燃料システムの耐久性を向上し、効率の高いシステムを提供することができ、さらに、加湿要素としてユニット化された構成であるため、燃料電池システムの製造時における低コスト化および工数低減と品質の向上が可能となる。
As described above, in the first embodiment, the fuel gas supplied to the
また、燃料ガス加湿器25は、前記燃料冷却水を中心部に配置させて外表面から断熱して構成しているため、燃料冷却水の温度低下を抑制し、前記燃料ガスの湿熱交換がさらに効率の高いシステムを提供することができる。
Further, since the
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2の特徴である、燃料ガス加湿装置25について説明する。図3、図5、図7は、図1に示す燃料電池システムにおける加湿装置25の構成および湿熱交換作用を説明するための説明図である。図3、図5、図7において、燃料ガス加湿器25および酸化剤ガス加湿器21はそれぞれ同様の構成を採用しており、ここでは燃料ガス加湿器25について説明する。
(Embodiment 2)
The
すなわち、燃料ガス加湿器25は、内部が中心部に供給燃料ガス室47を設け、供給燃料ガス室47の外周に水分移動膜25cを設け、水分移動膜25cの外周に設けた仕切り板25bとの間に凝縮水室46を形成し、さらに外壁25aと仕切り板25bとの間に燃料冷却水室45を形成した構成をしている。
That is, the
このように本実施の形態2においては、前記燃料冷却水または前記酸化剤冷却水の温度を伝熱する仕切り板の面積を、水分移動膜の面積以上に確保し凝縮水室の温度を十分に昇温することができるので、排出燃料ガスまたは排出酸化剤ガスから供給燃料ガスまたは供給酸化剤ガスへの湿熱交換が十分におこなえ、高露点の燃料ガスまたは酸化剤ガスを燃料電池に供給することがでるので、高性能で耐久性の高い燃料電池システムを提供することができる。 As described above, in the second embodiment, the area of the partition plate that transfers the temperature of the fuel cooling water or the oxidant cooling water is ensured to be equal to or larger than the area of the moisture transfer film, and the temperature of the condensed water chamber is sufficiently high. Since the temperature can be raised, the wet heat exchange from the exhaust fuel gas or exhaust oxidant gas to the supply fuel gas or supply oxidant gas can be sufficiently performed, and the fuel gas or oxidant gas having a high dew point is supplied to the fuel cell. Therefore, a high-performance and highly durable fuel cell system can be provided.
以上のように本発明にかかる燃料電池システムは、システム全体のエネルギー効率を向上するとともに、小型化、安定した動作が可能となり、電気自動車等へも適用できるものである。 As described above, the fuel cell system according to the present invention improves the energy efficiency of the entire system, and can be downsized and stably operated, and can be applied to electric vehicles and the like.
19 燃料電池
20 空気供給装置
21 酸化剤ガス加湿器
23 燃料供給装置
24 燃料処理装置
25 燃料ガス加湿器
25a 外壁
25b 仕切り板
25c 水分移動膜
25d,25e 固定部材
26 冷却水放熱器
27 冷却水タンク
28 冷却水ポンプ
29 貯湯タンク
39 第1の冷却水経路
40 第2の冷却水経路
41 第3の冷却水経路
42 第4の冷却水経路
43 貯湯水ポンプ
44 貯湯水循環経路
45 燃料ガス冷却水室
45a 燃料ガス冷却水入口
45b 燃料ガス冷却水出口
46 凝縮水室
46a 排出燃料ガス入口
46b 排出燃料ガス出口
47 供給燃料ガス室
47a 供給燃料ガス入口
47b 供給燃料ガス出口
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