JP3961198B2

JP3961198B2 - 排熱利用燃料電池

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Publication number: JP3961198B2
Application number: JP2000193598A
Authority: JP
Inventors: 邦博西崎; 俊哉大村
Original assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Current assignee: Tokyo Gas Co Ltd
Priority date: 2000-06-27
Filing date: 2000-06-27
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2020-06-27
Also published as: JP2002008674A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、排熱利用燃料電池に関し、より詳しくは燃料電池自体から放散される熱や燃料極排気、空気極排気等に含まれている諸エネルギーを温水として効率的に利用するようにしてなる排熱利用燃料電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池は、燃料と酸化剤の電気化学的反応により燃料のもつ化学的エネルギーを電気的エネルギーに直接変換する装置であり、燃料から直流電力への理論的な変換率は８０％以上にも及ぶ。ところが、実際にはさまざまな抵抗すなわち分極等の影響でその変換効率は５０％程度以下で使用されるのが一般である。電力に変換されないエネルギーは排熱として放出されるが、これを有効に利用することがエネルギーの有効利用、ひいては炭酸ガス排出量の削減にも有効である。
【０００３】
特に、排熱を有効に利用するためには、なるべく排熱源すなわち燃料電池の温度に近い温度レベルで排熱を回収する必要がある。また、比較的小規模の燃料電池においては、通常その周囲からの放熱量が多いので、これをなるべく抑え、排熱回収用の熱媒体（水や空気等）に無駄なく熱を伝える必要がある。燃料電池の排熱は、通常、冷却水や冷却空気等の熱媒体に伝えられ、その熱媒体を燃料電池の外部に導き、直接的又は間接的に熱媒体に含まれる熱を利用する。例えば、熱媒体が水の場合、燃料電池から出てくる電池冷却水を直接温水として利用するか、または温水発生用の熱交換器やそれを含む貯湯槽に導くことにより温水を発生させ、それを利用する。
【０００４】
燃料電池の外表面からの放熱が、特に小容量の燃料電池の場合に、排熱量に比較して大きくなり、実質的に利用できる熱量が小さくなる。また、間接的に利用する場合には、熱交換器等が配置された利用場所への配管経路での放熱による熱ロスはもちろんのこと、それに加えて利用可能な温度レベルを下げるという問題もある。さらに、燃料電池本体と貯湯槽を併設することにより、広い設置スペースが要求される。
【０００５】
燃料電池には各種あるが、図９は一例として水冷式の固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）の一態様例を説明する概略図である。図９中、１は高分子電解質膜、２はカソード電極（正極＝空気極又は酸素極）、３はアノード電極（負極＝燃料極又は水素極）であり、高分子電解質膜１は相対するこの正負両電極２、３間に当接して配置されている。また４はカソード電極側集電体、５はアノード電極側集電体であり、それぞれ正負の電極２及び３に当接されている。
【０００６】
カソード電極側集電体４の電極２側には酸素又は空気供給用の溝が設けられ、アノード電極側集電体５の電極３側には燃料供給用の溝が設けられ、正極側集電体４の溝は酸素又は空気供給管６に、負極側集電体５の溝は燃料供給管７に連通している。８は正極側集電体４に当接して設けられたカソード端子板、９は負極側集電体５に当接して設けられたアノード端子板であり、電池の作動中にこれら端子板を通して電力が取り出される。
【０００７】
１０は左部枠体、１１は右部枠体であり、これら両枠体１０、１１により高分子電解質膜１からカソード端子板８及びアノード端子板９までを被って固定されている。これら両枠体１０、１１間には、高分子電解質膜１からカソード端子板８及びアノード端子板９までの周縁部を囲ってパッキン１２が設けられている。以上は電池が単一の場合であるが、これを二つ以上積み重ねても構成されるが、基本的には以上の単一の電池の場合と同様である。
【０００８】
ＰＥＦＣは、作動時に温度８０〜１００℃程度に維持する必要があるため、電池冷却水により冷却される。冷却水は左部枠体１０及び右部枠体１１の内面に設けられた溝（閉じた通路）に連通し、カソード端子板８及びアノード端子板９の背面から間接的に冷却し、自らは温められて排出される。排出された冷却水は熱交換器により適温に冷却されて燃料電池に循環供給される。図９中、Ｐはその循環用ポンプである。一般に、燃料電池は、その種類に応じて最適な運転温度範囲が存在し、その発電に伴い生じる熱を除去しなければならない。このため、冷却水や冷却空気等により冷却する必要があり、その冷却水や冷却空気等を介した熱の有効利用を図ることが考えられる。
【０００９】
図１０は、電池冷却水の熱を熱交換器により温湯用に利用する態様例を示している。この場合、温湯用の熱が不足する場合には、ボイラーからの熱も利用され、貯湯槽から給湯される。このように熱交換器、ボイラー、ポンプ等の排熱利用機器が燃料電池本体と独立して配置される場合、各機器及び諸配管は周囲環境に曝されることになり、断熱上の配慮をしてもなお、それらの表面温度、表面積に応じた放熱によるエネルギーロスがある。また、構成機器数の増加に伴い、設置面積の増加や設備自体のコストの増加に伴うイニシャルコスト面での不利が、排熱の有効利用によるコスト低減をある程度相殺するという問題もある。
【００１０】
ところで、燃料電池においては、燃料となるガスを１００％利用するのは困難である。例えば燃料が高純度水素の場合であっても、微量不純物が発電を継続するうちに燃料極ガス中に蓄積し、微量のパージが必要となる。ただ、この場合は放散される余剰燃料はごく微量である。しかし、水素以外のガスをある程度含むガス、例えば都市ガスやＬＰＧ、メタノールといった炭素を含む燃料を改質して得た水素を含むガス（改質ガス）を使用する場合は、燃料極において水素分圧が必要以上に低下することを防ぐために、恒常的に燃料極から余剰燃料を排出する必要がある。この余剰燃料を利用せずに放散すると、明らかに多大なエネルギーロスになる。図１０の態様においても、燃料利用率を低くせざるを得ない場合には、燃料排出に伴うエネルギーロスが生じる。
【００１１】
図１１はこの燃料排出に伴うエネルギーロスを減じるために燃料極排気をリサイクルポンプにより燃料極入口側にリサイクルする例である。この対策により余剰燃料の排出量を削減することができるが、リサイクルするためのエネルギーロスを伴い、且つ、水素以外のガスが燃料系内に蓄積するので、ある程度の余剰燃料排出も必要である。さらに、余剰燃料をリサイクルするための配管、ポンプ等の設備も必要となり、特に燃料電池（ＦＣ）が小容量機の場合にはコスト的に不利となる。
【００１２】
余剰水素を有効に利用する例としては図１２に示す態様がある。すなわち余剰燃料を改質器（都市ガス等を水素を含む改質ガスに改質する）にリサイクルして燃焼させ、改質反応で必要な熱を供給することによって有効利用し、エネルギーロスを防いでいる。しかし、この態様では、改質器を燃料電池本体に付設する場合にしか適用できないし、また、付設されていても改質器が水蒸気改質器のような外熱式ではなく、部分燃焼改質器などのように外部からの加熱が不要な場合には適用できない。また、図１１、図１２のいずれの態様においても、図１０の態様と同様の問題、すなわち排熱利用のための各機器、配管からの放熱によるエネルギーロス、設備コスト増等の問題がある。
【００１３】
燃料電池の排熱は、燃料極排気以外に、空気極排気も燃料電池の運転温度レベルの熱を有しているので、この排熱も回収される場合が多い。具体的には、燃料電池と別置きの熱交換器が使用される。ただし、この場合にも電池冷却水や冷却空気等から排熱回収をする場合と同様の放熱ロスや設備コスト増の問題がある。さらに、特にＰＥＦＣなどのように低温で運転される燃料電池の場合には、低温ガスを対象とした熱交換器となるので、熱回収温度の低下や熱交換器の大型化に伴う設置スペース面の問題や設備コスト面での問題も存在する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、燃料電池における燃料極排気や空気極排気、燃料極排気中の余剰水素、あるいは電池冷却水等の熱を利用しようとする場合において考えられる以上のような諸欠点をなくし、燃料電池の排熱の温度レベルを実質上下げることなく温水（温湯）として取り出すようにし、それらのもつエネルギーの利用効率を可及的に高めてなる排熱利用燃料電池を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、（一）燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、燃料電池の電池冷却水を温水貯留容器又は温水流通容器内の水中に配置された熱交換器に通して温水を発生させるようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。
【００１７】
本発明は、（二）燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、（１）燃料電池の燃料極の排気を燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、（２）燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および（３）空気極からの排気のうちの少なくとも１つを、温水貯留容器又は温水流通容器中の水に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。
【００１９】
本発明は、（三）燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、温水貯留容器又は温水流通容器内に、燃料極へ供給する燃料および空気極へ供給する空気のうちの少なくとも１つを、それら容器内の温水で加湿する機構を設けてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。
【００２０】
本発明は、（四）燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、温水貯留容器又は温水流通容器への給水を温水貯留容器又は温水流通容器内へ散布して、（１）燃料電池の燃料極の排気を燃焼させた燃焼ガス、（２）燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および（３）空気極からの排気のうちの少なくとも１つと直接接触させるようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池を提供する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
燃料電池においては、燃料と酸化剤との発熱反応（Ｈ₂＋１/２Ｏ₂＝Ｈ₂Ｏ）に伴い熱を発生する。本発明は、燃料電池本体を温水を貯留する容器又は温水を流通させるための容器内に収容することにより燃料電池で発生する熱の放散を可及的に防ぎ、その熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる排熱利用燃料電池である。燃料としては各種製造法で得られた水素や水素を含むガス（改質ガス等）が用いられる。酸化剤としては空気のほか、酸素富化空気なども用いられるが、本明細書ではこれらを含めて空気と指称している。
【００２４】
また、本明細書においては、温水を貯留する容器を温水貯留容器と指称し、温水を流通させるための容器を温水流通容器と指称している。ここで温水貯留容器とは、例えば貯湯槽のように温湯を必要に応じて放出して利用する容器の意味であり、給水は導管を通して容器に供給され、そこで加熱され、導管を通して給湯される。温水流通容器とは、水道管等の導管の途中に配置され、そこで得られた温湯を常時利用する（一時停止される場合もあり得る）容器の意味である。以下、特に必要な場合を除き温水貯留容器について記載しているが、温水流通容器についても同様である。
【００２５】
温水貯留容器は、内壁と外壁との２重壁構造で構成される。その底部についても同様である。内壁上端と外壁上端との間は蓋をし密封される。これら外壁、底部、蓋の外面には断熱材等を配置して断熱される。その内外両壁間に水道水等の水が供給される。内壁内には空間が設けられ、その空間に燃料電池本体が配置される。内壁内の上部は、燃料電池本体を配置した後、断熱材等を配置して断熱される。本発明においては、これにより燃料電池本体からの熱が内壁を通して両壁間に供給された水に伝えられ、給水を加熱して温水（温湯）とする。なお、燃料電池へ供給する燃料、空気用の各導管、燃料電池からの燃料極排気、空気極排気用の各導管、電力取出用導線等は、好ましくは内壁内の上部から延ばして配置されるが、その他適宜な仕方で配置してもよい。
【００２６】
燃料電池には各種あるが、各燃料電池はそれぞれ所定温度範囲で作動される。例えばＰＥＦＣでは８０〜１００℃程度、リン酸型燃料電池では１９０〜２００℃程度というような温度範囲に保持される。このため燃料電池は冷却水や冷却空気等によりその作動時に冷却し、そのような温度範囲に維持する必要がある。本発明においては、電池冷却水等を温水貯留容器の内壁と外壁間に設けた熱交換器に循環することにより、電池冷却水等の熱を温水貯留容器中の水の加熱に利用する。
【００２７】
燃料電池の燃料極からは燃料極排気が排出される。燃料極排気はそれ自体熱を保有しているので、本発明においてはその熱を水の加熱に利用する。また、燃料極排気には余剰水素が含まれているので、本発明においては、その余剰水素を燃焼させ、発生燃焼ガスを温水貯留容器の内壁と外壁間の水中に直接吹き込むことにより、その熱を水の加熱に利用する。余剰水素の燃焼には空気が必要であるが、空気としては外部からの空気でもよいが、空気極の排気や、燃料電池の冷却に空気を用いる場合にはその空気を利用することができる。また、その燃焼には好ましくは触媒燃焼器を使用することができ、触媒としては例えば白金、パラジウム等の貴金属触媒が用いられる。
【００２８】
燃料電池の空気極からの排気も同じく熱を保有している。本発明においては、その空気極からの排気を温水貯留容器内の水中に直接吹き込むことにより水の加熱に利用する。また、燃料電池は、その冷却のため、電池冷却水に代えて空気を用いる場合もある。この場合、電池冷却用の空気自体は加熱される。そこで、本発明においては、燃料電池から出た該空気を温水貯留容器内の水中に直接吹き込むことにより、水の加熱に利用する。この場合、該空気を空気極排気と一緒に温水貯留容器内の水中に吹き込むようにしてもよい。
【００２９】
燃料電池へ供給する燃料は、予め加温しておくのが燃料電池として効率的である。本発明においては、該燃料を温水貯留容器内の温水で加温して燃料電池へ供給する。これにより燃料電池システム内の熱の有効利用を図ることができる。燃料の加熱は温水貯留容器内に配置された熱交換機構により行うことができ、熱交換機構としてはフィン付チューブその他適宜の形式の熱交換器を用いることができる。
【００３０】
また、ＰＥＦＣなどの場合においては、電解質膜の特性低下を防ぐために、供給燃料及び供給空気のうちの一方または両方が通常加湿される。本発明においては、その加湿を温水貯留容器内に配置された高分子膜や多孔質セラミックス等からなる水浸透性の加湿器中を通すことにより行うことができる。このように、供給燃料及び供給空気のうちの少なくとも１つ、すなわちそれらの一方または両方の加湿に温水貯留容器内の温水を利用できるので、この点でも有利である。その加湿は、変形態様として、燃料電池本体を温水貯留容器内に収容しない場合にも適用できる。
【００３１】
さらに、本発明においては、給水を温水貯留容器内、すなわちのその内壁と外壁間に散布し、前記燃料極排気の燃焼ガス、空気極排気、あるいは電池冷却水に代えて空気を用いる場合の電池冷却空気と直接接触させるようにすることで、それらガスが保有している熱をさらに有効に利用することができる。この場合、温水貯留容器内にラシッヒリング等を配置することにより給水とそれらガスとの接触効率を上げることができる。
【００３２】
【実施例】
以下、実施例に基づき本発明をさらに詳しく説明するが、本発明がこれら実施例に限定されないことはもちろんである。なお、図１〜８はそれぞれ実施例１〜８に対応し、また各図面において共通する部分には同じ符号を用いている。
【００３３】
《実施例１》
図１は実施例１を示す図である。温水貯留容器は内壁Ｋと外壁Ｌとの２重壁構造で構成される。その底部についても同様である。内壁Ｋ内には空間Ｓが設けられ、空間Ｓ中に燃料電池本体が配置される。なお、図１中燃料電池本体は相対的に縮小して示している。内壁Ｋと外壁Ｌの間に水が供給され、燃料電池本体からの熱が内壁Ｋを通して水に伝えられ、水を加熱して温水とする。内壁Ｋからの熱を可及的に利用できるようにするため、２重壁構造内の水面は高い位置となるようにするのが望ましい。これらの点は、実施例２〜７についても同様である。なお、後述実施例８の場合には、空気極排気等との直接接触式熱交換機構を設けるので、水面はその分低い位置とされる。
【００３４】
内壁Ｋは、その横断面が４角形状その他の多角形状、円形状、あるいはこれらの変形形状等、適宜の形状とすることができる。内壁Ｋを通して燃料電池本体からの熱をより有効に伝える必要があるため、その横断面形状は燃料電池本体の外周側の形状と同じ形状、あるいはその外周側形状に可及的に合わせた形状にするのが好ましい。外壁Ｌもこれに対応した形状に構成されるが、後述実施例６（図６参照）のように内壁Ｋと外壁Ｌの間に熱交換機構や加湿機構を配置する場合には、その配置箇所の部分に必要な幅をもたせるようにしてもよい。
【００３５】
内壁Ｋの上端と外壁Ｌの上端との間は蓋をし必要に応じて密封される。これら外壁Ｌ、底部、蓋の外面には断熱材等を配置して断熱される。内壁Ｋ内の上部は、その空間Ｓ中に燃料電池本体を配置した後、断熱材等を配置して断熱される。なお、内壁Ｋの上端、外壁Ｌの上端、内壁Ｋ内の上端を含めて同一の蓋を配置してもよい。これらの点は以下の実施例でも同様である。
【００３６】
上記のように燃料電池本体を内壁Ｋ内に収容するのに加えて、電池冷却水を内壁Ｋと外壁Ｌとの間の水中に配置された熱交換器に循環させるようにすることもできる。図１中Ｐはその循環用のポンプである。これにより、燃料電池本体から内壁Ｋを通して伝えられる熱に加えて、電池冷却水の熱を水の加熱に利用する。これらの構成により燃料電池からの熱を水の加熱に有効に利用するとともに、周囲環境への放熱をさらに有効に抑えることができる。
【００３７】
《実施例２》
図２は内壁Ｋと外壁Ｌとの２重壁構造をジャケット状とした例を模式的に示す図である。本例ではジャケットが燃料電池本体を取り巻いた構造となる。これにより燃料電池の作動中に発生する熱は内壁Ｋを通してジャケット中を流れる水に与えられる。この形式の容器は温水流通容器として好適であるが、内壁Ｋと外壁Ｌとの間の間隔を大きくすることにより温水貯留容器としても適用できる。図２のとおり、燃料電池本体の外周側横断面は４角形であるが、これを収容したジャケットの内壁Ｋは、その横断面４角形状の４面に幾分丸みをもたせた形状に構成されている。
【００３８】
その底部は１重壁で構成してもよいが、ジャケット状に構成してもよい。この場合、底部ジャケットの２重壁間に熱交換器を配置し、電池冷却水を循環させるようにすることもできる。ジャケットの上部には蓋をするが、蓋には燃料電池本体への燃料、空気用の各導管、燃料電池本体からの燃料極排気、空気極排気用の各導管、電力用導線等が配置される。なお、これら導管等は２重壁構造の上端部と蓋との間に配置するなど適宜な仕方で配置してもよい。
以上、実施例１〜２のように、容器を内壁Ｋと外壁Ｌとの２重壁構造とすること、２重壁構造をジャケット状とすることなどの諸点は以下で述べる実施例３〜７についても同様である。
【００３９】
《実施例３》
図３は実施例３を示す図である。燃料電池の燃料極からの排気はそれ自体熱を保有しているのに加え、燃料電池中で未利用の水素が含まれている。このため、本例では該燃料極排気を燃焼器（燃料極排気燃焼器）で燃焼させ、発生する燃焼ガスを温水貯留容器中の給水に直接吹き込んで給水の加熱に利用する。ガス吹き込みは容器内の水中に多孔管などを配置することで実施される。燃焼器としてはその中に貴金属触媒等の触媒を充填した燃焼器、すなわち触媒燃焼器などが用いられる。
【００４０】
燃料極排気の燃焼には空気が必要であるが、図３中燃焼器への空気導管の記載は省略している。空気としては外部からの空気でもよいが、空気極の排気や、燃料電池の冷却に空気を用いる場合にはその空気（燃料電池を冷却し自らは加温されて排出される空気）を利用するのが好ましい。これにより、その排熱を燃焼ガスと合流させて利用できるので装置を簡略化でき、燃料極排気、空気極排気、電池冷却用空気のそれぞれから排熱回収をする必要がなくなり、燃料極排気からの排熱回収だけで済むという利点も得られる。燃焼器にはこれに続き逆流防止弁、遮断弁等の逆流防止機構を設けるのが好ましい。これにより、燃料電池の作動停止時等において、温水貯留容器中の温水が燃料電池本体内へ逆流するのを防ぐことができる。
【００４１】
《実施例４》
図４は実施例４を示す図である。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体を内壁Ｋで形成された空間Ｓ中に配置する。本例では、燃料電池を空気により冷却し、そこから排出される温空気を温水貯留容器中の水に直接吹き込んで水の加熱に利用する。また、空気極からの排気を温水貯留容器中、すなわち内壁Ｋと外壁Ｌ間の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用する。この場合、電池冷却空気と空気極排気を合わせて温水貯留容器中の水に直接吹き込むようにしてもよい。図４はこの場合を示している。また、吹き込み用導管に逆流防止弁、遮断弁等の逆流防止機構を設けるのが好ましい。これにより、燃料電池の作動停止時等において、温水貯留容器中の温水が燃料電池本体内へ逆流するのを防ぐことができる。
【００４２】
《実施例５》
図５は実施例３〜４を併用した形で実施する例である。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体は内壁Ｋで形成された空間Ｓ中に配置される。本例では、燃料極からの排気を燃焼器で燃焼させ、発生する燃焼ガスを温水貯留容器中、すなわち内壁Ｋと外壁Ｌ間の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用し、且つ、燃料電池を空気により冷却し、そこから排出される温空気を温水貯留容器中の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用する。また、空気極からの排気を温水貯留容器中の水中に直接吹き込んで水の加熱に利用する。この場合、電池冷却用空気と空気極排気を合わせて温水貯留容器内の水中に直接吹き込むようにしてもよい。図５はこの場合を示している。
【００４３】
《実施例６》
図６は実施例６を示す図である。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体は内壁Ｋで形成された空間Ｓ中に配置される。本例では、燃料電池へ供給する燃料を温水貯留容器内の温湯で加温又は冷却する熱交換機構を設ける。燃料が低温、例えば環境温度の場合は温湯で加熱され、燃料が高温の改質ガスなどの場合は温湯で冷却される。また、内壁Ｋと外壁Ｌとの間の温湯中に燃料電池へ供給する燃料を加湿する機構を設ける。これら両機構は、いずれか一方を単独で設置してもよく、両者を併置してもよい。図６は併置した場合を示している。燃料は熱交換機構で加温又は冷却され、次いで加湿機構により加湿された後、燃料電池に供給される。燃料電池に供給される燃料は、一定範囲の温度に維持されるのが望ましいが、本例においては燃料の温度調整用に温水貯留容器内の温湯が利用できるので、燃料電池系内のエネルギーをより有効に利用することができる。
【００４４】
また、本例では、燃料電池へ供給する空気を温水貯留容器内の温湯で加温する熱交換機構を設ける。また、内壁Ｋと外壁Ｌとの間の温湯中に燃料電池へ供給する空気を加湿する機構を設ける。これら両機構は、いずれか一方を単独で設置してもよく、両者を併置してもよい。図６は併置した場合を示している。空気は熱交換機構で加温され、次いで加湿機構により加湿された後、燃料電池に供給される。燃料電池に供給される空気は、一定範囲の温度に維持されるのが望ましいが、本例においては空気の温度調整用に温水貯留容器内の温湯が利用できるので、燃料電池系内のエネルギーをより有効に利用することができる。
【００４５】
従来、燃料電池へ供給する燃料や空気の加湿には、ヒーター等で所定温度に制御された水中にそれら供給ガスを吹き込む方式やセルスタック内部に膜等を介して加湿する機構を設ける方式が採用されている。前者については、加湿のためのエネルギーの必要量が多く、加湿容器のためのスペースが必要であり、コスト上の問題もある。後者に関しては、燃料電池の排熱を用いて加湿されるので、エネルギー的にはロスが少ないが、加湿機構（加湿に用いる冷却水と供給ガスを、加湿用の膜を介して接触させて加湿するようにしたもの等）を組み込む必要があるので、セルスタックの構造が複雑化し、コストアップにつながる。
本発明によれば、本例のように独立して加湿器を設置する必要がないので、そのためのスペースを節約でき、設備コストも低減できる。また燃料電池の排熱を利用して加熱するので、加湿に関わるエネルギーを少なくすることができる。
【００４６】
《実施例７》
図７は実施例７を示す図である。以上の実施例の場合と同じく、燃料電池本体は内壁Ｋで形成された空間Ｓ中に配置される。本例では、温水貯留容器すなわち内壁Ｋと外壁Ｌ間の水面上の空間に直接接触式熱交換機構を設け、給水を温水貯留容器内へ散布し、温水貯留容器内の水中に吹き込んだ後の燃焼ガス等と直接気液接触させるようにした例である。給水を内壁Ｋと外壁Ｌとの間に散布し、そして▲１▼燃料電池の燃料極排気を燃焼させた燃焼ガス、▲２▼燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および▲３▼燃料電池の空気極排気のうちの少なくとも１つ、すなわちこれらの１つまたは２つ以上と直接接触させる。
【００４７】
すなわち、上記▲１▼の燃焼ガス、▲２▼の温空気、および▲３▼の空気極からの排気のうちの少なくとも１つを温水貯留容器内の水中に吹き込んだ後、散布給水と直接接触させる。これら▲１▼〜▲３▼のうちの一部又は全部を温水貯留容器内の水中に吹き込むことなく、散布給水と直接接触させるようにしてもよい。給水は内壁Ｋの壁面から伝えられる燃料電池本体からの熱によって加熱されるとともに、それらのガスとの接触による熱交換によっても加熱される。
【００４８】
直接接触式熱交換機構としては、好ましくはラシヒリングその他気液接触を良好にする部材が配置され、給水はその上方から散布される。このため温水貯留容器内の水面は実施例１、実施例３〜６（図１、図３〜６）の水面より低く設定される。その水面を燃料極排気の燃焼器の位置より低く設定しておけば、燃焼器に続く逆流防止機構を省略できる利点も得られる。
【００４９】
さらに、図７には温水貯留容器内の水中に電気ヒータを配置しているが、これは温水の需要量に応じて電気ヒータを作動させるためのものである。電気ヒータは温水の需要量が多い場合の補助的加熱装置であるが、他の実施例の場合においても設置することができる。従来では、図１０〜１２に示すように温水貯留容器の外部に別途追い焚き用のボイラ等を設置していたが、本発明では温水貯留容器内の水中に電気ヒータを配置するので、該電気ヒータの熱を無駄なく加熱に利用することができる。電気ヒータに代えてガスバーナ、触媒燃焼器等を配置してもよい。
【００５０】
《実施例８》
図８は実施例８を示す図である。本例は、実施例６の変形例で、燃料電池本体を温水貯留容器内に収容せずに、温水貯留容器内に燃料電池へ供給する燃料、空気の加湿機構を設けた例である。燃料電池本体を温水貯留容器の外部に置き、温水貯留容器内に燃料電池へ供給する燃料、空気の加湿機構を設ける。図８には、燃料及び空気の両方に加湿機構を設けた場合を示しているが、それらの一方のみに設けてもよい。図８のとおり、電池冷却水を温水貯留容器内に配置した排熱回収用熱交換器に循環させて、給水の加熱に利用するようにしてもよい。また、前記実施例６（図６参照）のように温水貯留容器内に燃料および空気のうちの少なくとも１つを加熱する機構を併用してもよい。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば、燃料電池本体を、排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容する点を基本とし、これにより燃料電池のもつ諸エネルギーを温水貯留容器又は温水流通容器内で利用できるので、燃料電池のもつ諸エネルギーの利用効率を格段に高めることができる。また、本発明によれば、温水貯留容器又は温水流通容器内の温湯を燃料電池へ供給する燃料や空気の加温や加湿に利用できるなど各種優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１を示す図。
【図２】本発明の実施例２を示す図（容器をジャケット状の構造に構成した例を模式的に示す図）。
【図３】本発明の実施例３を示す図。
【図４】本発明の実施例４を示す図。
【図５】本発明の実施例５を示す図。
【図６】本発明の実施例６を示す図。
【図７】本発明の実施例７を示す図。
【図８】本発明の実施例８を示す図。
【図９】燃料電池の１例としてＰＥＦＣを概略的に示す図。
【図１０】電池冷却水の熱を間接熱交換器により温湯用に利用する例を示す図（従来例）。
【図１１】ＰＥＦＣの余剰水素をＰＥＦＣへリサイクルさせて利用する例を示す図（従来例）。
【図１２】燃料電池の燃料極排気を都市ガス等から水素を生成させる改質器にリサイクルして利用する例を示す図（従来例）。
【符号の説明】
１高分子電解質膜
２カソード電極（正極＝空気極）
３アノード電極（負極＝燃料極）
４カソード電極側集電体
５アノード電極側集電体
６酸素又は空気供給管
７燃料（通常は水素）供給管
８カソード端子板
９アノード端子板
１０左部枠体
１１右部枠体
１２パッキン
Ｋ内壁
Ｌ外壁
Ｓ空間

Claims

燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、燃料電池の電池冷却水を温水貯留容器又は温水流通容器内の水中に配置された熱交換器に通して温水を発生させるようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池。
燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、（１）燃料電池の燃料極の排気を燃焼器で燃焼させた燃焼ガス、（２）燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および（３）空気極からの排気のうちの少なくとも１つを、温水貯留容器又は温水流通容器中の水に直接吹き込むようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池。
燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、温水貯留容器又は温水流通容器内に、燃料極へ供給する燃料および空気極へ供給する空気のうちの少なくとも１つを、それら容器内の温水で加湿する機構を設けてなることを特徴とする排熱利用燃料電池。
燃料電池の排熱により給水を加熱して温水として利用するようにしてなる燃料電池であって、燃料電池本体を排熱を回収するための凹部を有する温水貯留容器又は温水流通容器の凹部に収容するとともに、温水貯留容器又は温水流通容器への給水を温水貯留容器又は温水流通容器内へ散布して、（１）燃料電池の燃料極の排気を燃焼させた燃焼ガス、（２）燃料電池を空気により冷却し、燃料電池冷却後排出される温空気、および（３）空気極からの排気のうちの少なくとも１つと直接接触させるようにしてなることを特徴とする排熱利用燃料電池。
上記排熱利用燃料電池の燃料極へ供給する燃料が水素又は水素を含むガスである請求項１〜４のいずれかに記載の排熱利用燃料電池。
上記排熱利用燃料電池において、温水貯留容器又は温水流通容器内の水中に、温水の需要量に応じて温水貯留容器又は温水流通容器内の温水を加熱する補助的加熱装置として電気ヒータを配置してなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の排熱利用燃料電池。
上記排熱利用燃料電池の燃料電池が固体高分子型燃料電池である請求項１〜６のいずれかに記載の排熱利用燃料電池。