JP5522911B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システム、特に、燃料電池で発電の際に発生する熱を有効に回収することができる燃料電池システムの構造に関する。

燃料電池システムは、外部から燃料電池に供給された燃料ガスと酸化剤ガスとの電気化学反応により発電を行い、反応により生じた熱を回収して湯水として貯え、この湯水を外部への熱供給に有効利用するシステムである。このような燃料電池システムを移動用電源又は分散用（オンサイト用）電源として使用する場合、搬送や据付作業等を容易にするために、燃料電池システム全体をパッケージ内に配置した燃料電池発電システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、燃料電池を含んで構成される燃料電池発電システムと、発電された直流電力を交流電力に変換するインバータを含んで構成される電力変換システムと、発電の際に発生する熱を回収し温水として蓄熱する貯湯タンクを含んで構成される給湯システムで構成され、燃料電池発電システムの全て若しくは一部と、電力変換システムの全て若しくは一部との少なくともいずれか一方と、貯湯槽とが固設された共通台板とを備える、燃料電池コージェネレーションシステムが知られている（例えば、特許文献２参照）。ここで、特許文献２に開示されている燃料電池コージェネレーションシステムについて、図６を参照しながら説明する。

図６は、特許文献２に開示されている燃料電池コージェネレーションシステムの構成を示す模式図である。

図６に示すように、特許文献２に開示されている燃料電池コージェネレーションシステム１０１は、改質器１１１、燃料電池１１２、及び補助装置ユニット１１４を有する燃料電池発電ユニットと、ＤＣ／ＡＣインバータ１２１を有する電力変換ユニットと、貯湯槽１３１及び追焚装置１３２を有する貯湯ユニットと、一連の運転を制御する制御装置１４１と、補助装置ユニット１１４と、共通台板としてのベース１０７と、を備え、これらの各機器が筐体１０６内に配置されている。補助装置ユニット１１４は、改質器１１１や燃料電池１１２等からの排熱を排熱回収水によって回収する排熱回収装置（図示せず）と、燃料電池１１２を冷却水により冷却し燃料電池１１２の温度を調整する燃料電池冷却装置（図示せず）と、を有する。

そして、特許文献２に開示されている燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、筐体１０６内部において、燃料電池１１２、水素生成器１１１、補助装置ユニット１１４を階層的に配置し、筐体１０６内の貯湯槽１３１が占める空間以外の空間を有効に活用している。
特開２００２−３２９５１５号公報 特開２００５−３２４６１号公報

ところで、特許文献２に開示されている燃料電池コージェネレーションシステム１０１では、燃料電池１１２が筐体１０６内の上方に、燃料電池冷却装置と排熱回収装置を備える補助装置ユニット１１４が筐体１０６内の下方に離れて配置されている。このため、冷却水が通流する冷却水経路を上方の燃料電池１１２と下方の燃料電池冷却装置を循環するように接続すると、冷却水経路で発生した気泡が経路上方の燃料電池１１２付近に滞留することにより、冷却水流量に変動が生じ、安定した燃料電池１１２の温度調整ができなくなる、という問題があった。

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、冷却水経路における気泡滞留の抑制することにより、安定した燃料電池の温度調整をすることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池システムは、水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水が通流する冷却水経路と、前記燃料電池よりも上方に位置するように前記冷却水経路の最上方に配設され、前記冷却水を貯える冷却水タンクと、前記冷却水経路に設けられたポンプと、熱媒体が通流する熱媒体経路と、前記冷却水経路と前記熱媒体経路とに跨って設けられ、前記冷却水経路を通流する前記冷却水と前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体との間で熱交換するための第１熱交換器と、を備え、前記燃料電池を通過した冷却水は、前記冷却水タンクを経由して前記第１熱交換器に供給される。

これにより、冷却水経路で発生した気泡は、冷却水の流れに沿って、あるいは、気泡自体の浮力によって、冷却水経路を鉛直方向上向きに流れて、冷却水タンクに捕集されるため、冷却水経路内における気泡の滞留を抑制し、第１熱交換器での安定した熱交換をすることができる。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
（実施の形態１）
［燃料電池システムの構成］
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。図２は、図１において矢印ＩＩ方向から見た燃料電池システムを示す模式図である。なお、図１においては、燃料電池システムにおける上下方向を図における上下方向として表し、また、図１及び図２においては、その一部を省略している。

図１及び図２に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システム１は、水素生成器２、バーナ（燃焼器）３、燃料電池４、冷却水タンク５、第１熱交換器６、第２熱交換器７、インバータ８、制御装置９、及びハウジングからなるパッケージ１０を備えている。パッケージ１０は、鉛直方向に長く延びるように形成されており、該パッケージ１０内部には、水素生成器３等の各機器が配設されている。

具体的には、パッケージ１０の一方の側部（以下、第１の側部）には、制御装置９、水素生成装置２、バーナ３、燃料電池４、及びインバータ８が、パッケージ１０の下部から順に配設されている。すなわち、制御装置９が、パッケージ１０の最も下部に配置され、インバータ８が、パッケージ１０の最も上部に配置されている。また、制御装置９の上方に水素生成器２及びバーナ３が配置され、水素生成器２（正確には、バーナ３）の上方には、燃料電池４が配設されている。そして、図２に示すように、鉛直方向から見て、これらの機器は互いに重なり合うように配設されている。

また、図１に示すように、パッケージ１０の他方の側部（以下、第２の側部）には、第２熱交換器７、第１熱交換器６、及び冷却水タンク５が順に配設されている。すなわち、第２熱交換器７が、パッケージ１０の鉛直方向における略中央部分に配置され、その上方には、第１熱交換器６が配設されている。また、第１熱交換器６の上方には、冷却水タンク５が配設されている。そして、図２に示すように、鉛直方向から見て、これらの機器は互いに重なり合うように配設されている。

バーナ３には、後述する残余燃料ガス経路２２を介して燃料電池４が接続されており、燃料電池４で使用されなかった残余の燃料ガスが、残余燃料ガスとして供給されるように構成されている。そして、バーナ３では、燃料電池４から残余燃料ガス経路２２を介して供給された残余燃料ガス（または、図示されない原料ガス供給流路を通じて供給された原料ガス）と、燃焼用空気供給器（図示せず）から燃焼用空気供給流路（図示せず）を介して供給される燃焼用の空気と、を燃焼させて燃焼排ガスを生成する。生成された燃焼排ガスは、水素生成器２に設けられた燃焼排ガス流路（図示せず）を通流して、燃焼排ガス経路２３に排出される。

水素生成器２は、改質器、変成器、及び浄化器（いずれも図示せず）を有していて、水素を含有する燃料ガスを生成するように構成されている。具体的には、図示されない改質器が、バーナ３で生成された燃焼排ガスからの伝熱を利用して、燃料電池システム１の外部から供給されたメタン等の原料ガスと水を改質反応させて、水素を含む改質ガスを生成する。そして、変成器及び浄化器が、改質器で生成された改質ガスを、シフト反応及び選択酸化反応させることにより、一酸化炭素が１ｐｐｍ程度まで低減された水素リッチな燃料ガスが生成される。なお、ここでは、原料ガスとしてメタンを使用したが、これに限定されず、エタン、プロパンなどの炭化水素を含むガス、気体のアルコールを含むガス等に例示されるような少なくとも炭素及び水素から構成される有機化合物を含むガスを使用することができる。

また、水素生成器２の図示されない浄化器の出口には、燃料ガス供給経路２１の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池４のアノード流路４ａに接続されている。これにより、水素生成器２で生成された水素を含有する燃料ガスが、燃料電池４のアノード流路４ａに供給される。

燃料電池４には、カソード流路４ｂが設けられていて、カソード流路４ｂの上流端には、酸化剤ガス供給経路２４の下流端が接続されている。酸化剤ガス供給経路２４の上流端には、ブロワ等で構成された酸化剤ガス供給器（図示せず）が接続されている。また、カソード流路４ｂの下流端には、残余酸化剤ガス経路２５の上流端が接続されており、その下流端は、燃料電池システム１の外部に開口している。これにより、酸化剤ガス供給器から空気等の酸素を含む酸化剤ガスが、燃料電池４のカソード流路４ｂに供給される。

そして、燃料電池４では、アノード流路４ａに供給された燃料ガスとカソード流路４ｂに供給された酸化剤ガスが、それぞれ、各セル（図示せず）のアノードとカソードに供給されて、燃料ガスと酸化剤ガスが電気化学的に反応して、電気と熱が生成される。燃料電池４で使用されなかった残余の燃料ガスは、残余燃料ガス経路２４を通流して、バーナ３に供給され、また、燃料電池４で使用されなかった残余の酸化剤ガスは、残余酸化剤ガス経路２５を通流して、燃料電池システム１外に排出される。

また、燃料電池４には、燃料ガスと酸化剤ガスの反応により生成された熱を回収して、燃料電池４を冷却するための冷却水流路４ｃが設けられている。冷却水流路４ｃには、冷却水経路３１が接続されていて、冷却水流路４ｃは、冷却水経路３１の一部を成す。また、冷却水経路３１には、冷却水経路３１を通流する冷却水の流量を調整するためのポンプ（図示せず）と冷却水タンク５が設けられている。

冷却水経路３１は、冷却水往路３１ａと冷却水復路３１ｂを有している。冷却水往路３１ａの上流端は、冷却水タンク５の下端部に接続されていて、その下流端は、燃料電池４の冷却水流路４ｃの上流端に接続されている。一方、冷却水復路３１ｂの上流端は、冷却水流路４ｃの下流端に接続されていて、その下流端は、冷却水タンク５の下端部に接続されている。そして、冷却水タンク５は、冷却水経路３１において、最も上方に位置するように配置されている。

また、本実施の形態においては、冷却水往路３１ａは、冷却水タンク５の下端部から、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、鉛直方向上向きにある距離延びて、燃料電池４の冷却水流路４ｃの上流端に到るように流路が形成されている。また、冷却水復路３１ｂは、燃料電池４の冷却水流路４ｃの下流端から、鉛直方向上向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、鉛直方向上向きにある距離延びて、冷却水タンク５の下端部に到るように流路が形成されている。

このように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の冷却水経路３１では、冷却水経路３１を通流する冷却水の流れが、鉛直方向下向きから上向きの変更が一度だけであるため、冷却水経路３１の冷却水が鉛直方向下向きに流れる部分においては、冷却水経路３１内で発生した気泡は、気泡自身の浮力によって冷却水経路３１を逆流して冷却水タンク５に捕集される。また、冷却水経路３１の冷却水が鉛直方向上向きに流れる部分においては、冷却水経路３１内で発生した発生した気泡は、気泡自身の浮力及び冷却水の流れに沿って冷却水経路３１を通流して、冷却水タンク５に捕集される。このため、冷却水経路３１内における気泡の滞留を抑制することができる。なお、冷却水経路３１の水平方向に延びるように形成された流路においては、冷却水経路３１内で発生した発生した気泡は、冷却水の流れに沿って冷却水経路３１を通流するため、冷却水経路３１内に滞留することが抑制される。

また、冷却水経路３１の冷却水往路３１ａ（正確には、冷却水タンク５の下端部から鉛直方向下向き延びる流路）の途中には、第１熱交換器６が介挿されていて、冷却水往路３１ａと第１熱交換器６の一次流路６ａが接続されている。第１熱交換器６の二次流路６ｂには、熱媒体経路３２が接続されている。すなわち、第１熱交換器６は、冷却水経路３１と熱媒体経路３２とに跨って設けられている。これにより、冷却水経路３１の冷却水往路３１ａを通流する冷却水と熱媒体経路３２を通流する熱媒体（ここでは、湯水）は、それぞれ、第１熱交換器６の一次流路６ａ及び二次流路６ｂを通流する間に、熱交換することができる。

熱媒体経路３２は、本実施の形態においては、その上流端及び下流端が、燃料電池システム１（パッケージ１０）の外部に設けられた熱媒体タンク（図示せず）に接続されていて、その上流端から、第１の側部に向かってある距離延び、そこから、鉛直方向上向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かってある距離延びて、熱媒体タンクに到るように流路が形成されている。なお、ここでは、熱媒体タンクは、パッケージ１０の外部に配置する構成としたが、これに限定されず、パッケージ１０の内部に配置する構成としてもよい。

これにより、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の熱媒体経路３２では、熱媒体経路３２を通流する熱媒体が、鉛直方向上向きに流れる部分においては、熱媒体経路３２内で発生した発生した気泡は、気泡自身の浮力及び熱媒体の流れに沿って熱媒体経路３２を通流するため、熱媒体経路３２内に滞留することが抑制される。また、熱媒体経路３２の水平方向に延びるように形成された流路においては、熱媒体経路３２内で発生した発生した気泡は、熱媒体の流れに沿って熱媒体経路３２を通流するため、熱媒体経路３２内に滞留することが抑制される。

また、熱媒体経路３２の第１熱交換器６の上流側には、第２熱交換器７が介挿されていて、熱媒体経路３２と第２熱交換器７の一次流路７ａが接続されている。第２熱交換器７の二次流路には、燃焼排ガス経路２３が接続されている。すなわち、第２熱交換器７は、熱媒体経路３２と燃焼排ガス経路２３とに跨って設けられている。これにより、熱媒体経路３２を通流する熱媒体と燃焼排ガス経路２３を通流する燃焼排ガスは、それぞれ、第２熱交換器７の一次流路７ａ及び二次流路７ｂを通流する間に、熱交換することができる。

インバータ８は、燃料電池４と適宜な配線により、電気的に接続されていて、燃料電池４が発電した直流電流を交流電流に変換し、燃料電池システム１外の電力負荷に電力を供給するように構成されている。

また、制御装置９は、マイコン等のコンピュータによって構成されており、ＣＰＵ等からなる演算処理部、メモリ等からなる記憶部、モニター等の表示部、及びカレンダー機能を有する時計部を有している（いずれも図示せず）。演算処理部は、記憶部に格納された所定の制御プログラムを読み出し、これを実行することにより、燃料電池システム１に関する各種の制御を行う。また、演算処理部は、記憶部に記憶されたデータや操作入力部から入力されたデータを処理する。

ここで、本明細書において、制御装置とは、単独の制御装置だけでなく、複数の制御装置が協働して燃料電池システム１の制御を実行する制御装置群をも意味する。このため、制御装置９は、単独の制御装置から構成される必要はなく、複数の制御装置が分散配置され、それらが協働して燃料電池システム１を制御するように構成されていてもよい。

[燃料電池システムの動作]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の動作について、図１及び図２を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御装置９が燃料電池システム１を制御することにより遂行される。

まず、原料ガス供給流路（図示せず）から原料ガスと燃焼用空気供給器（図示せず）から燃焼用空気供給流路（図示せず）を介して燃焼用空気が、バーナ３に供給される。バーナ３では、これらの供給された原料ガス及び燃焼用空気を燃焼させて燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、水素生成器２に設けられた燃焼排ガス流路（図示せず）を通流して、水素生成器２内を加熱する。そして、燃焼排ガスは、燃焼排ガス流路の出口から燃焼排ガス経路２３に排出され、燃焼排ガス経路２３を通流して燃料電池システム１外に排出される。

一方、バーナ３で生成された燃料排ガスによって加熱された水素生成器２の改質器（図示せず）に、原料ガスと水が供給される。改質器では、供給された原料ガスと水が改質反応し、水素を含む改質ガスが生成される。この生成された改質ガスを、変成器及び浄化器で、シフト反応及び選択酸化反応させることにより、一酸化炭素が１ｐｐｍ程度まで低減された水素リッチな燃料ガスが生成される。生成された燃料ガスは、浄化器の出口から燃料ガス供給経路２１に供給され、燃料ガス供給経路２１に供給された燃料ガスは、燃料ガス供給経路２１を通流して、燃料電池４のアノードガス流路４ａに供給される。

また、酸化剤ガス供給器（図示せず）から空気等の酸素を含む酸化剤ガスが、酸化剤ガス供給経路２４に供給され、酸化剤ガス供給経路２４に供給された酸化剤ガスは、酸化剤ガス供給経路２４を通流して、燃料電池４のカソードガス流路４ｂに供給される。

燃料電池４では、アノード流路４ａに供給された燃料ガスとカソード流路４ｂに供給された酸化剤ガスが、それぞれ、各セル（図示せず）のアノードとカソードに供給されて、燃料ガスと酸化剤ガスが電気化学的に反応して、電気と熱が生成される。燃料電池４で使用されなかった残余の燃料ガスは、残余燃料ガス経路２４を通流して、バーナ３に供給される。バーナ３に供給された残余燃料ガスは、燃焼用燃料として使用される。また、燃料電池４で使用されなかった残余の酸化剤ガスは、酸化剤ガス経路２５を通流して、燃料電池システム１外に排出される。

また、燃料電池４には、冷却水タンク５から冷却水往路３１ａを介して冷却水流路４ｃに冷却水が供給され、燃料電池４の内部を所定の温度に保たれる。具体的には、冷却水が、冷却水往路３１ａ、冷却水流路４ｃ、冷却水復路３１ｂの順で循環し、冷却水往路３１ａの途中に設けられた第１熱交換器６の一次流路６ａを通流する冷却水が、二次流路６ｂを通流する熱媒体と熱交換することにより、燃料電池４の内部が所定の温度に保たれる。

一方、熱媒体タンクから熱媒体経路３２に供給された熱媒体は、熱媒体経路３２を通流する間に、第２熱交換器７で燃焼排ガスと熱交換し、次いで、第１熱交換器６で冷却水と熱交換して、加熱され、熱媒体タンクに供給される。加熱された熱媒体は、利用者にお湯として利用される。

[燃料電池システムの作用効果]
次に、本実施の形態１に係る燃料電池システム１の作用効果について、図１および図２を参照しながら説明する。

上述したように、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、冷却水経路３１を通流する冷却水の流れが、下向きから上向きの変更が一度だけであるため、冷却水経路３１の冷却水が鉛直方向下向きに流れる部分においては、冷却水経路３１内で発生した気泡は、気泡自身の浮力によって冷却水経路３１を逆流して冷却水タンク５に捕集される。また、冷却水経路３１の冷却水が鉛直方向上向きに流れる部分においては、冷却水経路３１内で発生した発生した気泡は、気泡自身の浮力及び冷却水の流れに沿って冷却水経路３１を通流して、冷却水タンク５に捕集される。このため、冷却水経路３１内における気泡の滞留を抑制することができる。

また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、冷却水タンク５と燃料電池４及び冷却水タンク５と第１熱交換器６が、鉛直方向から見て、互いにその一部が重なるように配置されているため、冷却水経路３１を構成する配管を短くすることができ、燃料電池システム１のコスト低下を図ることができる。また、冷却水経路３１を短縮できることにより、冷却水経路３１内の気泡の発生自体を抑制することができ、また、気泡の冷却水経路３１内の滞留時間を短くすることができる。さらに、冷却水経路３１を短縮できることにより、冷却水経路３１からの放熱量を低減することができるとともに、パッケージ１０の底面を小さくすることができ、燃料電池システム１をコンパクト化することができる。

また、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、熱媒体経路３２を通流する熱媒体が、鉛直方向上向きに流れるため、熱媒体経路３２内で発生した発生した気泡は、気泡自身の浮力及び熱媒体の流れに沿って熱媒体経路３２を通流するため、熱媒体経路３２内に滞留することが抑制される。

さらに、本実施の形態１に係る燃料電池システム１では、冷却水タンク５、第１熱交換器６、及び第２熱交換器７が、鉛直方向から見て、互いにその一部が重なるように配置されているため、熱媒体経路３２を構成する配管を短くすることができ、燃料電池システム１のコスト低下を図ることができる。また、熱媒体経路３２を短縮できることにより、熱媒体経路３２内の気泡の発生自体を抑制することができ、また、気泡の熱媒体経路３２内の滞留時間を短くすることができる。さらに、熱媒体経路３２を短縮できることにより、熱媒体経路３２からの放熱量を低減することができるとともに、パッケージ１０の底面を小さくすることができ、燃料電池システム１をコンパクト化することができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図３においては、燃料電池システムにおける上下方向を図における上下方向として表し、また、その一部を省略している。

図３に示すように、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システム１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１と基本的構成は同じであるが、第１熱交換器７を冷却水経路３１の冷却水復路７ｂに介挿して、燃料電池４に設けられた冷却水流路４ｃを通流した冷却水を第１熱交換器７で熱媒体と熱交換するように構成されている点が異なる。また、これに伴い冷却水経路３１の構成が、以下のように異なる。

すなわち、本実施の形態においては、冷却水経路３１は、冷却水往路３１ａが冷却水タンク５の下端部から、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、鉛直方向下向きにある距離延びて、燃料電池４の冷却水流路４ｃの上流端に到るように流路が形成されている。また、冷却水復路３１ｂは、燃料電池４の冷却水流路４ｃの下流端から、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、鉛直方向下向きにある距離延びて、第１熱交換器６の一次流路６ａの入口に接続されている。そして、冷却水復路３１ｂは、第１熱交換器６の一次流路６ａの出口から、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第１の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、鉛直方向上向きにある距離延びて、冷却水タンク５の下端部に到るように流路が形成されている。

このように構成された本実施の形態２に係る燃料電池システム１においても、冷却水経路３１を通流する冷却水の流れが、鉛直方向下向きから上向きの変更が一度だけであるため、実施の形態１に係る燃料電池システム１と同様の作用効果を奏する。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図４においては、燃料電池システムにおける上下方向を図における上下方向として表し、また、その一部を省略している。

図４に示すように、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システム１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１と基本的構成は同じであるが、残余酸化剤ガス経路２５の下流端が、燃焼排ガス経路２３の上流端と第２熱交換器７との間に接続されている点が異なる。

このように構成された本実施の形態３に係る燃料電池システム１においても、実施の形態１に係る燃料電池システム１と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態３に係る燃料電池システム１では、第２熱交換器７の二次流路７ｂに燃焼排ガスに加えて、残余酸化剤ガスが通流するため、第２熱交換器７の一次流路７ａを通流する熱媒体をより加熱することができ、より効率よくエネルギを有効に利用することができ、省エネルギ性を確保することができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。なお、図５においては、燃料電池システムにおける上下方向を図における上下方向として表し、また、その一部を省略している。

図５に示すように、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システム１は、実施の形態１に係る燃料電池システム１と基本的構成は同じであるが、残余燃料ガス経路２１の途中に第１凝縮器１１、第１水抜き経路３３、及び第１凝縮水タンク１２が設けられ、残余酸化剤ガス経路２２の途中に第２凝縮器１３、第２水抜き経路３４、及び第２凝縮水タンク１４が設けられている点が異なり、これに伴い残余燃料ガス経路２１及び残余酸化剤ガス経路２２の構成が異なる。

具体的には、バーナ３よりも下方に位置する残余燃料ガス経路２１の途中には、第１凝縮器１１が介挿されており、残余燃料ガス経路２１と第１凝縮器１１の一次流路１１ａが接続されている。また、第１凝縮器１１の二次流路１１ｂには、熱媒体経路３２が接続されている。すなわち、第１凝縮器１１は、残余燃料ガス経路２１と熱媒体経路３２とに跨って設けられている。また、第１凝縮器１１は、燃料電池システム１（パッケージ１０）の最も下方に位置するように、かつ、熱媒体経路３２の最も上流側に位置するように配設されている。

また、本実施の形態においては、残余燃料ガス経路２１は、燃料電池４のアノード流路４ａの下流端から、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、その到達点から、鉛直方向下向きにある距離延びて、第１凝縮器１１の一次流路１１ａの入口に到るように流路が形成されている。また、残余燃料ガス経路２１は、第１凝縮器１１の一次流路１１ａの出口から、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、鉛直方向上向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延びて、バーナ３に到るように流路が形成されている。

さらに、残余燃料ガス経路２１の第１凝縮器１１の一次流路１１ａの出口から、鉛直方向下向きにある距離延びて、そこから、第２の側部に向かって水平方向に延びる流路２１ａの途中には、鉛直方向下向きに延びるように形成された第１水抜き経路３３の上流端が接続されている。第１水抜き経路３３の下流端は、第１凝縮水タンク１２が接続されている。

これにより、燃料電池４のアノード流路４ａから排出された残余燃料ガス（燃料電池４で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成された水分を含む）は、残余燃料ガス経路２１を通流して、第１凝縮器１１の一次流路１１ａに供給される。第１凝縮器１１の一次流路１１ａに供給された残余燃料ガスは、第１凝縮器１１の二次流路１１ｂを通流する熱媒体との熱交換により冷却され、残余燃料ガスに含有する水分が凝縮する。凝縮した水及び冷却された残余燃料ガスは、第１凝縮器１１の一次流路１１ａの出口から残余燃料ガス経路２１に排出される。そして、凝縮した水及び冷却された残余燃料ガスは、流路２１ａを通流する間に気液分離されて、凝縮した水は第１水抜き経路３３を通流して、第１凝縮タンク１２に蓄積される。一方、残余燃料ガスは、残余燃料ガス経路２１を通流して、バーナ３に供給され、燃焼用燃料として使用される。

このように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１では、第１凝縮器１２で、第１及び第２熱交換器６、７及び第２凝縮器１３と熱交換する前の低温の熱媒体と残余燃料ガスとを熱交換することにより、残余燃料ガスに含有する水分をより効率よく凝縮させることができる。

また、本実施の形態４に係る燃料電池システム１では、燃料電池４のアノード流路４ａの下流端（残余燃料ガス経路２１の上流端）から第１凝縮水タンク１２までの残余燃料ガス経路２１は、鉛直方向下向きに流路が形成されているため、第１凝縮器１１で生成された凝縮水は、残余燃料ガス経路２１に滞留することなく第１凝縮水タンク１２に捕集される。また、第１凝縮水タンク１２からバーナ３までの残余燃料ガス経路２１は、鉛直方向上向きに流路が形成されているため、第１凝縮水タンク１２からバーナ３までの残余燃料ガス経路２１を通流する間に残余燃料ガスが外気によって冷却されて、残余燃料ガス中に含まれる水分が凝縮しても、凝縮水は、残余燃料ガス経路２１を逆流して第１凝縮水タンク１２に捕集されるため、残余燃料ガス経路２１に滞留することがない。このため、バーナ３の水分飛散による燃焼不良をより抑制することができる。

さらに、本実施の形態４に係る燃料電池システム１では、燃料電池４及びバーナ３で生成された排熱を第１及び第２熱交換器６、７で回収するだけでなく、第１凝縮器１１で熱媒体を残余燃料ガスと熱交換することにより、排熱回収量を増加させ、より高効率な排熱回収をすることができる。

一方、残余酸化剤ガス経路２５の途中には、第２凝縮器１３が介挿されており、残余酸化剤ガス経路２５と第２凝縮器１３の一次流路１３ａが接続されている。また、第２凝縮器１３の二次流路１３ｂには、熱媒体経路３２が接続されている。すなわち、第２凝縮器１３は、残余酸化剤ガス経路２５と熱媒体経路３２とに跨って設けられている。また、第２凝縮器１３は、第２熱交換器７よりも下方に位置するように、かつ、熱媒体経路３２の第２熱交換器７よりも上流側に位置するように配設されている。

また、本実施の形態においては、残余酸化剤ガス経路２５は、燃料電池４のカソード流路４ｂの下流端から、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延び、そこから、鉛直方向下向きにある距離延びて、第２凝縮器１３の一次流路１３ａの入口に到るように流路が形成されている。また、残余酸化剤ガス経路２５は、第２凝縮器１３の一次流路１３ａの出口から、鉛直方向下向きにある距離延び、そこから、第２の側部に向かって水平方向にある距離延びて、燃料電池システム１（パッケージ１０）外に到るように流路が形成されている。

さらに、残余酸化剤ガス経路２５の第２凝縮器１３の一次流路１３ａの出口から、鉛直方向下向きにある距離延びて、そこから、第２の側部に向かって水平方向に延びる流路２５ａの途中には、鉛直方向下向きに延びるように形成された第２水抜き経路３４の上流端が接続されている。第２水抜き経路３４の下流端は、第２凝縮水タンク１４が接続されている。

これにより、燃料電池４のカソード流路４ｂから排出された残余酸化剤ガス（燃料電池４で燃料ガスと酸化剤ガスとの反応により生成された水分を含む）は、残余酸化剤ガス経路２５を通流して、第２凝縮器１３の一次流路１３ａに供給される。第２凝縮器１３の一次流路１３ａに供給された残余酸化剤ガスは、第２凝縮器１３の二次流路１３ｂを通流する熱媒体との熱交換により冷却され、残余酸化剤ガスに含有する水分が凝縮する。凝縮した水及び冷却された残余酸化剤ガスは、第２凝縮器１３の一次流路１３ａの出口から残余酸化剤ガス経路２５に排出される。そして、凝縮した水及び冷却された残余酸化剤ガスは、流路２５ａを通流する間に気液分離されて、凝縮した水は第２水抜き経路３４を通流して、第２凝縮タンク１４に蓄積される。一方、残余燃料ガスは、残余酸化剤ガス経路２５を通流して、燃料電池システム１外に排出される。

このように、本実施の形態４に係る燃料電池システム１では、燃料電池４及びバーナ３で生成された排熱を第１及び第２熱交換器６、７で回収するだけでなく、第２凝縮器１３で熱媒体を残余酸化剤ガスと熱交換することにより、排熱回収量を増加させ、より高効率な排熱回収をすることができる。

本発明に係る燃料電池システムは、冷却水経路における気泡滞留の抑制することにより、安定した燃料電池の温度調整をすることができるため、燃料電池システムの技術分野で有用ある。

図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの概略構成を示した模式図である。 図２は、図１において矢印ＩＩ方向から見た燃料電池システムを示す模式図である。 図３は、本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図４は、本発明の実施の形態３に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図５は、本発明の実施の形態４に係る燃料電池システムの概略構成を示す模式図である。 図６は、特許文献２に開示されている燃料電池コージェネレーションシステムを示す模式図である。

符号の説明

１ 燃料電池システム
２ 水素生成器
３ バーナ（燃焼器）
４ 燃料電池
４ａ アノードガス流路
４ｂ カソードガス流路
４ｃ 冷却水流路
５ 冷却水タンク
６ 第１熱交換器
６ａ 一次流路
６ｂ 二次流路
７ 第２熱交換器
７ａ 一次流路
７ｂ 二次流路
８ インバータ
９ 制御装置
１０ パッケージ
１１ 第１凝縮器
１１ａ 一次流路
１１ｂ 二次流路
１２ 第１凝縮水タンク
１３ 第２凝縮器
１３ａ 一次流路
１３ｂ 二次流路
１４ 第２凝縮水タンク
２１ 燃料ガス供給経路
２１ａ 流路
２２ 残余燃料ガス経路
２３ 燃焼排ガス経路
２４ 酸化剤ガス供給経路
２５ 残余酸化剤ガス経路
２５ａ 流路
３１ 冷却水経路
３１ａ 冷却水往路
３１ｂ 冷却水復路
３２ 熱媒体経路
３３ 第１水抜き経路
３４ 第２水抜き経路
１０１ 燃料電池コージェネレーションシステム
１０６ 筐体
１０７ ベース
１１１ 改質器
１１２ 燃料電池
１１４ 補助装置ユニット
１２１ ＤＣ／ＡＣインバータ
１３１ 貯湯槽
１３２ 追焚装置

Claims (10)

1. 水素を含有する燃料ガスと酸素を含有する酸化剤ガスを用いて発電する燃料電池と、
   前記燃料電池を冷却する冷却水が通流する冷却水経路と、
   前記燃料電池よりも上方に位置するように前記冷却水経路の最上方に配設され、前記冷却水を貯える冷却水タンクと、
   前記冷却水経路に設けられたポンプと、
   熱媒体が通流する熱媒体経路と、
   前記冷却水経路と前記熱媒体経路とに跨って設けられ、前記冷却水経路を通流する前記冷却水と前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体との間で熱交換するための第１熱交換器と、を備え、
   前記燃料電池を通過した冷却水は、前記冷却水タンクを経由して前記第１熱交換器に供給される、燃料電池システム。
2. 原料から前記燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器で生成された燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、
   前記熱媒体経路と前記燃焼排ガス経路とに跨って設けられ、前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体と前記燃焼排ガス経路を通流する前記燃焼排ガスとの間で熱交換するための第２熱交換器と、を備え、
   前記第１熱交換器は、前記第２熱交換器よりも上方に、かつ、前記熱媒体経路の該第２熱交換器よりも下流側に配設され、
   前記燃料電池が前記水素生成器よりも上方に配設されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記燃料電池及び前記冷却水タンクの少なくとも一部が鉛直方向から見て互いに重なるように配設されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記燃料電池及び前記水素生成器の少なくとも一部が鉛直方向から見て互いに重なるように配設されている、請求項１または３に記載の燃料電池システム。
5. 前記冷却水経路は、その鉛直方向の流れが下方向から上方向へ一度だけ変更するように形成されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
6. 原料から前記燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器で生成された燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、
   前記熱媒体経路と前記燃焼排ガス経路とに跨って設けられ、前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体と前記燃焼排ガス経路を通流する前記燃焼排ガスとの間で熱交換するための第２熱交換器と、
   前記燃料電池から排出される残余燃料ガスを前記燃焼器に供給する残余燃料ガス経路と、
   前記残余燃料ガス経路と前記熱媒体経路とに跨って設けられ、前記残余燃料ガス経路を通流する前記残余燃料ガスと前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体との熱交換により前記残余燃料ガスに含まれる水分を凝縮させる第１凝縮器と、を備え、
   前記第１凝縮器は、前記熱媒体経路に設けられた第１熱交換器、第２熱交換器及び第１凝縮器のうち、前記熱媒体経路の最も上流側、かつ、最も下方に配設されている、請求項１記載の燃料電池システム。
7. 前記燃焼器は、前記第１凝縮器よりも上方に配設されており、
   前記残余燃料ガス経路の前記第１凝縮器と前記燃焼器との間には、該残余燃料ガス経路から分岐した水抜き経路が設けられ、
   前記水抜き経路には、前記第１凝縮器で凝縮された水分を貯える凝縮水タンクが設けられている、請求項６に記載の燃料電池システム。
8. 前記水抜き経路は、前記第１凝縮器から延びる前記残余燃料ガス経路が上り勾配になるまでの間に設けられている、請求項７に記載の燃料電池システム。
9. 原料から前記燃料ガスを生成する水素生成器と、
   前記水素生成器を加熱する燃焼器と、
   前記燃焼器で生成された燃焼排ガスが通流する燃焼排ガス経路と、
   前記熱媒体経路と前記燃焼排ガス経路とに跨って設けられ、前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体と前記燃焼排ガス経路を通流する前記燃焼排ガスとの間で熱交換するための第２熱交換器と、
   前記燃料電池から排出される残余酸化剤ガスが通流する残余酸化剤ガス経路と、
   前記残余酸化剤ガス経路と前記熱媒体経路とに跨って設けられ、前記残余酸化剤ガス経路を通流する前記残余酸化剤ガスと前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体との熱交換により前記残余酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮させる第２凝縮器と、を備え、
   前記第２凝縮器は、前記第２熱交換器よりも下方に、かつ、前記熱媒体経路の該第２熱交換器よりも上流側に配設されている、請求項１に記載の燃料電池システム。
10. 前記燃料電池から排出される残余酸化剤ガスが通流する残余酸化剤ガス経路と、
    前記残余酸化剤ガス経路と前記熱媒体経路とに跨って設けられ、前記残余酸化剤ガス経路を通流する前記残余酸化剤ガスと前記熱媒体経路を通流する前記熱媒体との熱交換により前記残余酸化剤ガスに含まれる水分を凝縮させる第２凝縮器と、を備え、
    前記第２凝縮器は、前記第２熱交換器よりも下方に、かつ、前記熱媒体経路の該第２熱交換器よりも上流側に配設されている、請求項６に記載の燃料電池システム。

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