特開 2023-128502 燃料電池システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023128502

(43)【公開日】2023-09-14

(54)【発明の名称】燃料電池システム

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/04 20160101AFI20230907BHJP

   H01M 8/0606 20160101ALI20230907BHJP

   H01M 8/0662 20160101ALI20230907BHJP

【ＦＩ】

H01M8/04 N

H01M8/0606

H01M8/0662

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022032878

(22)【出願日】2022-03-03

(71)【出願人】

【識別番号】000220262

【氏名又は名称】東京瓦斯株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】濱崎 守孝

(72)【発明者】

【氏名】香田 淳也

(72)【発明者】

【氏名】高須 俊樹

【テーマコード（参考）】

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H127AA04

5H127AA06

5H127AA07

5H127AB02

5H127AC02

5H127BA02

5H127BA05

5H127BA12

5H127BA34

5H127BA57

5H127BB02

5H127BB07

5H127BB12

5H127BB18

5H127BB37

(57)【要約】

【課題】燃料電池の空気極に供給される空気を簡易に浄化すると共に、空気の逆流を抑制する。
【解決手段】燃料電池システム１０Ａは、燃料電池セルスタック１２から排出されたオフガス中の水を凝縮させる凝縮器１８と、凝縮器１８で凝縮された水が流入する凝縮水流入口３１、流入した水を貯留する凝縮水貯留室３２及びバブリング水貯留室３４、バブリング水貯留室３４へ空気を流入させるエア流入部３５、バブリング水貯留室３４の上部でエア流入部３５から流入された空気を貯留するバブリング後エア貯留部３４Ａ、凝縮水流入口３１とバブリング後エア貯留部３４Ａとを隔離する気室仕切壁３８、を有する改質水タンク３０と、バブリング後エア貯留部３４Ａに貯留された空気を空気極１２Ｂへ供給するバブリング後エア供給路Ｐ６と、凝縮水貯留室３２から改質器１４へ改質水を供給する改質水供給路Ｐ１０と、を備えている。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料ガスを改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質部と、
燃料極へ供給される前記燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電する燃料電池と、
前記燃料電池から排出されたオフガス中の水を凝縮させる凝縮部と、
前記凝縮部で凝縮された水が流入する流入口と、前記流入口から流入した水を貯留する水貯留室と、前記水貯留室の下部に設けられ前記水貯留室へ空気を流入させるエア流入部と、前記水貯留室の上部で前記エア流入部から流入された空気を貯留するバブリング後エア貯留部と、前記流入口と前記バブリング後エア貯留部とを隔離する隔離部と、を有する改質水タンクと、
前記バブリング後エア貯留部に貯留された空気を前記空気極へ供給するバブリング後エア供給路と、
前記水貯留室から前記改質部へ改質水を供給する改質水供給路と、
を備えた燃料電池システム。

【請求項2】

前記隔離部は、前記改質水タンクの天面から前記水貯留室の水位よりも低い位置まで延出され前記バブリング後エア貯留部を区画する隔壁で構成されている、
請求項１に記載の燃料電池システム。

【請求項3】

所定の水位で前記水貯留室から水をオーバーフロー排出させる排出路、を有する、請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【請求項4】

前記水貯留室は、前記流入口から水が流入する凝縮水貯留室と、前記凝縮水貯留室と隔離され前記エア流入部が接続されたバブリング水貯留室と、を有し、
前記凝縮水貯留室に前記改質水供給路が接続され、前記バブリング水貯留室に前記バブリング後エア貯留部が形成されている、
請求項１または請求項２に記載の燃料電池システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、燃料電池システムに関する。

【背景技術】

【0002】

燃料電池システムは、空気に不純物を多く含む環境に設置されることがある。発電用に燃料電池セルスタックのカソードへ不純物を含んだ空気を供給し続けると、燃料電池セルスタックの触媒被毒や構成部品の腐食等の劣化が加速し、システムの故障や寿命の低下を招くことが考えられる。

【0003】

そこで、特許文献１では、不純物を除去するために、空気を改質水中にバブリングさせて空気中の不純物を凝縮水に溶解させ、浄化された空気を空気極へ供給する技術が開示されている。特許文献１の技術によれば、改質水を用いて、水溶性の不純物を空気から簡易に取り除くことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００－３３１７０３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１のように、改質水タンクを密閉してバブリングした場合、凝縮器やその他の配管へ空気が逆流することも考えられる。

【0006】

本発明は、上記事実を考慮して成されたものであり、燃料電池の空気極に供給される空気を簡易に浄化すると共に、空気の逆流を抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

請求項１に係る燃料電池システムは、原料ガスを改質して水素ガスを含む燃料ガスを生成する改質部と、燃料極へ供給される前記燃料ガスと空気極へ供給される空気により発電する燃料電池と、前記燃料電池から排出されたオフガス中の水を凝縮させる凝縮部と、前記凝縮部で凝縮された水が流入する流入口と、前記流入口から流入した水を貯留する水貯留室と、前記水貯留室の下部に設けられ前記水貯留室へ空気を流入させるエア流入部と、前記水貯留室の上部で前記エア流入部から流入された空気を貯留するバブリング後エア貯留部と、前記流入口と前記バブリング後エア貯留部とを隔離する隔離部と、を有する改質水タンクと、前記バブリング後エア貯留部に貯留された空気を前記空気極へ供給するバブリング後エア供給路と、前記水貯留室から前記改質部へ改質水を供給する改質水供給路と、を備えている。

【0008】

請求項１に係る燃料電池システムでは、改質水タンクが、水貯留室を有している。水貯留室には、流入口から凝縮部で凝縮されたオフガス中の水である凝縮水が流入し貯留される。水貯留室の下部に、水貯留室へ空気を流入させるエア流入部が設けられており、エア流入部から空気が流入すると、水貯留室内の水に空気中の水溶性不純物を溶解させて空気から取り除くことができる。バブリング水貯留室の上部のバブリング後エア貯留部に不純物が取り除かれた空気が貯留される。バブリング後エア貯留部に貯留された空気は、バブリング後エア供給路により空気極へ供給される。また、水貯留室に貯留された凝縮水は、改質水として改質水供給路により改質部へ供給される。

【0009】

請求項１に係る燃料電池システムによれば、隔離部により流入口とバブリング後エア貯留部とが隔離されているので、バブリング後エア貯留部から流入口へ空気が入り込んで逆流することを抑制できる。

【0010】

請求項２に係る燃料電池システムは、前記隔離部は、前記改質水タンクの天面から前記水貯留室の水位よりも低い位置まで延出され前記バブリング後エア貯留部を区画する隔壁で構成されている。

【0011】

請求項２に係る燃料電池システムによれば、天面から水貯留部の水位よりも低い位置まで隔壁を設けることにより、簡易な構成で流入口とバブリング後エア貯留部とを隔離することができる。

【0012】

請求項３に係る燃料電池システムは、所定の水位で前記水貯留室から水をオーバーフロー排出させる排出路、を有する。

【0013】

請求項３に係る燃料電池システムによれば、水貯留室における水位の維持を容易に行うことができる。

【0014】

請求項４に係る燃料電池システムは、前記水貯留室は、前記流入口から水が流入する凝縮水貯留室と、前記凝縮水貯留室と隔離され前記エア流入部が接続されたバブリング水貯留室と、を有し、前記凝縮水貯留室に前記改質水供給路が接続され、前記バブリング水貯留室に前記バブリング後エア貯留部が形成されている。

【0015】

請求項４に係る燃料電池システムによれば、水貯留室が凝縮水貯留室とバブリング水貯留室に区画されているので、空気中の水溶性不純物が溶解しているバブリング水貯留室の水は凝縮水貯留室へ移動しない。したがって、改質水として不純物の少ない水を改質部へ供給することができる。

【発明の効果】

【0016】

本発明に係る燃料電池システムによれば、燃料電池の空気極に供給される空気を簡易に浄化すると共に、空気の逆流を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】第１実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

【図2】第２実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

【図3】第３実施形態に係る燃料電池システムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態について、図面を参照して説明する。

【0019】

燃料電池システム１０Ａは、ユーザ宅や、集合住宅、工場等に設置されている、発電システムである。図１には、本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａの主要構成の概略が示されている。本発明の実施形態に係る燃料電池システム１０Ａは、主要な構成として、燃料電池セルスタック１２、改質器１４、燃焼器１６、凝縮器１８、改質水タンク３０、イオン交換樹脂２２、を備えている。

【0020】

改質器１４には、原料ガス供給管Ｐ１が接続されており、原料ガス供給ブロワＢ１により、原料ガス供給管Ｐ１から原料ガスが改質器１４へ供給される。原料ガスとしては、改質が可能なガスであれば特に限定されず、炭化水素燃料を用いることができる。炭化水素燃料としては、メタン、都市ガス、天然ガス、ＬＰガス（液化石油ガス）、石炭改質ガス、低級炭化水素ガスなどが例示される。また、バイオガスを用いてもよい。

【0021】

改質器１４では、原料ガスを改質し、水素を含む燃料ガスを生成する。改質器１４は、燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａと接続されている。改質器１４で生成された燃料ガスは、燃料ガス管Ｐ２を介して燃料電池セルスタック１２の燃料極１２Ａに供給される。

【0022】

燃料電池セルスタック１２は、積層された複数の燃料電池セルを有するセルスタックである。燃料電池セルスタック１２は、本発明における燃料電池の一例であり、個々の燃料電池セルは、電解質層（不図示）と、当該電解質層の表裏面にそれぞれ積層された燃料極１２Ａ、及び空気極１２Ｂと、を有している。なお、燃料電池セルスタック１２として、固体酸化物型燃料電池（SOFC）、溶融炭酸塩型燃料電池（MCFC）、固体高分子型燃料電池（PEFC）等、種々の燃料電池を適用することができる。本実施形態では、PEFCを例に説明する。

【0023】

燃料電池セルスタック１２の空気極１２Ｂには、清浄空気供給路Ｐ６の一端が接続されており、清浄空気供給路Ｐ６には、清浄空気供給ブロワＢ３が接続されている。清浄空気供給路Ｐ６の上流端側は、後述する改質水タンク３０の清浄空気送出口３３と接続されている。空気極１２Ｂには、後述する、空気極用フィルタ２４、及び、バブリング部３４Ｂを通過した外部空気が清浄空気供給ブロワＢ３により供給される。空気極用フィルタ２４及びバブリング部３４Ｂの詳細については後述する。

【0024】

燃料電池セルスタック１２では、燃料極１２Ａ及び空気極１２Ｂにおける発電反応により、発電され、電力が不図示の回路に出力される。

【0025】

燃料極１２Ａからは燃料極オフガス路Ｐ３へ燃料極オフガスが排出され、空気極１２Ｂからは空気極オフガス路Ｐ７へ空気極オフガスが排出される。燃料極オフガスには、発電反応で未反応の燃料ガスが含まれており、この燃料極オフガスは燃料極オフガス路Ｐ３から燃焼器１６へ供給されて燃焼に供される。空気極オフガスには、発電反応で未反応の酸素、発電反応で生成された水等が含まれている。空気極オフガスは、空気極オフガス路Ｐ７から凝縮器１８へ送出される。

【0026】

燃焼器１６は、改質器１４と隣接して設けられ、燃焼熱により改質器１４を加熱する。燃焼器１６には、燃料極オフガス路Ｐ３から燃料極オフガスが供給され、不図示の空気供給管から供給された空気に含まれる酸素との反応により燃料極オフガス中の可燃成分が燃焼する。

【0027】

燃焼器１６の出口側には、燃焼排ガス路Ｐ４が接続されている。燃焼器１６から燃焼排ガス路Ｐ４を介して燃焼排ガスが外部へ排出される。なお、本実施形態では、燃焼排ガスを外部排出する例について説明するが、燃焼排ガス路Ｐ４を凝縮器１８と接続し、燃焼排ガス中の水も凝縮させて再利用してもよい。

【0028】

凝縮器１８には、空気極オフガス路Ｐ７の他端が接続され、空気極オフガス中の気相の水が凝縮され気液分離される。液相となった水は、流路Ｐ８を経て、改質水タンク３０へ送出される。流路Ｐ８には逆止弁Ｖ１が設けられている。水が除去された空気極オフガスは、排出路Ｐ９から排出される。

【0029】

改質水タンク３０は、凝縮水貯留室３２及びバブリング水貯留室３４を備えている。凝縮水貯留室３２及びバブリング水貯留室３４により本発明の水貯留室が構成される。凝縮水貯留室３２には、水が貯留される流入水貯留部３２Ｂと、流入水貯留部３２Ｂの水面よりも上側に気体が貯留される気体貯留部３２Ａが構成される。バブリング水貯留室３４には、水が貯留されるバブリング部３４Ｂと、バブリング部３４Ｂの水面よりも上側に気体が貯留されるバブリング後エア貯留部３４Ａが構成される。凝縮水貯留室３２とバブリング水貯留室３４の間には、気室仕切壁３８が設けられている。気室仕切壁３８は、気体貯留部３２Ａとバブリング後エア貯留部３４Ａの間を互いに気体の移動が行われないように区画し、改質水タンク３０の天井面からバブリング部３４Ｂの水面よりも下側まで垂下されている。気室仕切壁３８の下端は、床面から離れており、流入水貯留部３２Ｂとバブリング部３４Ｂが下部で連通するように下端位置が設定されている。また、気室仕切壁３８の下端位置は、後述するエア流入部３５から供給される空気が気室仕切壁３８を超えてバブリング部３４Ｂから凝縮水貯留室３２側へ流出しない位置に形成されている。

【0030】

凝縮水貯留室３２の気体貯留部３２Ａの上部には、凝縮水流入口３１が設けられている。流路Ｐ８の下流端は、凝縮水流入口３１に接続されており、凝縮器１８で凝縮された水は、凝縮水流入口３１から凝縮水貯留室３２へ流入し、流入水貯留部３２Ｂに貯留される。凝縮水貯留室３２の流入水貯留部３２Ｂの下部には、改質水送出口３７が設けられている。

【0031】

バブリング水貯留室３４のバブリング後エア貯留部３４Ａの上部には、清浄空気送出口３３が設けられている。清浄空気供給路Ｐ６の上流端は、清浄空気送出口３３に接続されている。

【0032】

バブリング水貯留室３４には、気室仕切壁３８よりも下側の連通部分を通って凝縮水貯留室３２から凝縮水が流入する。

【0033】

バブリング水貯留室３４のバブリング部３４Ｂの側壁下部には、エア流入部３５が設けられている。エア流入部３５には、空気供給管Ｐ５の一端が接続されており、空気供給管Ｐ５には、空気供給ブロワＢ２が接続されている。空気供給管Ｐ５の空気供給ブロワＢ２よりも上流側には、空気極用フィルタ２４が設けられている。空気極用フィルタ２４を通過した外部空気が空気供給ブロワＢ２によりエア流入部３５からバブリング部３４Ｂへ供給される。外部空気は、空気極用フィルタ２４により物理的に異物が除去され、水溶性の不純物がバブリング部３４Ｂに貯留された水に溶解して除去され、バブリング後エア貯留部３４Ａに貯留される。

【0034】

凝縮水貯留室３２の側壁には、水排出路Ｐ１１が設けられている。水排出路Ｐ１１は、凝縮水貯留室３２の水位が所定の水位に達した場合に、オーバーフローにより排水が行われるように設置されている。

【0035】

凝縮水貯留室３２の下部に設けられた改質水送出口３７には、改質水供給路Ｐ１０の一端が接続されている。改質水供給路Ｐ１０には、ポンプ２１及びイオン交換樹脂２２が設けられている。改質水供給路Ｐ１０の他端は、改質器１４に接続されており、凝縮水貯留室３２に貯留された水は、ポンプ２１の駆動により、イオン交換樹脂２２を経て改質器１４へ改質水として供給される。イオン交換樹脂２２は、イオン交換により、通過する水の不純物を除去する。

【0036】

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ａの作用について説明する。

【0037】

燃料電池システム１０Ａにおいては、燃料電池セルスタック１２の空気極１２Ｂには、バブリング後エア貯留部３４Ａに貯留された空気が、清浄空気供給ブロワＢ３により清浄空気供給路Ｐ６を通して供給される。バブリング後エア貯留部３４Ａに貯留された空気は、エア流入部３５からバブリング部３４Ｂへ供給されてバブリングされているので、水溶性の不純物がバブリング部３４Ｂに貯留された水に溶解して除去されている。したがって、清浄化された空気を空気極１２Ｂへ供給することができる。

【0038】

また、空気極１２Ｂから排出された空気極オフガスは、空気極オフガス路Ｐ７から凝縮器１８へ送出され、空気極オフガスに含まれる水が凝縮されて、改質水タンク３０の凝縮水貯留室３２及びバブリング水貯留室３４に貯留される。これにより、別途バブリング用のタンクを用意する必要がなく、簡易な構成で空気極１２Ｂへ供給する空気から不純物を除去することができる。

【0039】

また、気体貯留部３２Ａは、気室仕切壁３８によりバブリング後エア貯留部３４Ａと隔離されているので、バブリング後エア貯留部３４Ａから凝縮水流入口３１への空気の流入を抑制することができる。

【0040】

また、凝縮水貯留室３２及びバブリング水貯留室３４に貯留された水は、オーバーフローにより水排出路Ｐ１１から排出されるので、改質水タンク３０内の水位を簡易に管理することができる。

【0041】

＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態では第１実施形態と同様の部分について同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0042】

本実施形態の燃料電池システム１０Ｂは、第１実施形態の燃料電池システム１０Ａの気室仕切壁３８に加えて、水仕切壁３６を有している。また、水排出路Ｐ１１に代えて、バブリング水排出口３９、バブリング水排出路Ｐ１２、電磁弁Ｖ２が設けられている。これらの以外の構成については、図１に示される、第１実施形態の燃料電池システム１０Ａと同一である。

【0043】

図２に示されるように、燃料電池システム１０Ｂは、改質水タンク３０に水仕切壁３６が設けられている。水仕切壁３６は、気室仕切壁３８よりも凝縮水貯留室３２側に気室仕切壁３８と離隔して設けられている。水仕切壁３６は、気室仕切壁３８よりも低い位置に上端が設定されており、水仕切壁３６を超えてオーバーフローにより、凝縮水貯留室３２側の水がバブリング水貯留室３４側へ流入するようになっている。

【0044】

水仕切壁３６と気室仕切壁３８の間には、封水部４０が形成されている。封水部４０の水位は、バブリング部３４Ｂと同一高さとなり、凝縮水貯留室３２からバブリング水貯留室３４への水のオーバーフローは許容するが、気体貯留部３２Ａとバブリング後エア貯留部３４Ａの間を気体が移動しないように水で封止されている。

【0045】

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｂの動作について説明する。

【0046】

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、簡易な構成で空気極１２Ｂへ供給する空気から不純物を除去することができると共に、バブリング後エア貯留部３４Ａから凝縮水流入口３１への空気の流入を抑制することができる。

【0047】

さらに、本実施形態では、水仕切壁３６により、流入水貯留部３２Ｂがバブリング部３４Ｂと区画されており、バブリング部３４Ｂからの水の移動が阻止されているので、不純物が溶解していない凝縮水を改質水として改質器１４へ供給することができる。

【0048】

また、本実施形態では、バブリング部３４Ｂに貯留された水を用いた封水により、簡易な構造で凝縮水流入口３１をバブリング後エア貯留部３４Ａから隔離することができる。

【0049】

＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態では第１、第２実施形態と同様の部分について同一の符号を付し、その詳細な説明は省略する。

【0050】

本実施形態の燃料電池システム１０Ｃは、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂのバブリング水排出口３９、バブリング水排出路Ｐ１２、電磁弁Ｖ２が設けられておらず、第１実施形態の燃料電池システム１０Ａの水排出路Ｐ１１が設けられている。これらの以外の構成については、図２に示される、第２実施形態の燃料電池システム１０Ｂと同一である。

【0051】

図３に示されるように、燃料電池システム１０Ｃでは、水排出路Ｐ１１の位置は、水仕切壁３６の上端よりも鉛直方向で高い位置に設定されている。凝縮水貯留室３２の水位が、水仕切壁３６の上端を超えると、凝縮水貯留室３２からバブリング水貯留室３４への水がオーバーフローにより流出し、さらに、水排出路Ｐ１１の流出口を超えると、水排出路Ｐ１１からオーバーフローにより排水が行われるように設置されている。気体貯留部３２Ａは、大気開放されている。

【0052】

次に、本実施形態の燃料電池システム１０Ｃの動作について説明する。

【0053】

本実施形態でも、第１実施形態と同様に、簡易な構成で空気極１２Ｂへ供給する空気から不純物を除去することができると共に、バブリング後エア貯留部３４Ａから凝縮水流入口３１への空気の流入を抑制することができる。

【0054】

また、第２実施形態と同様に、水仕切壁３６により、流入水貯留部３２Ｂがバブリング部３４Ｂと区画されており、バブリング部３４Ｂからの水の移動が阻止されているので、不純物が溶解していない凝縮水を改質水として改質器１４へ供給することができる。

【0055】

さらに、凝縮水貯留室３２及びバブリング水貯留室３４に貯留された水は、オーバーフローにより水排出路Ｐ１１から排出されるので、改質水タンク３０内の水位を簡易に管理することができる。

【0056】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。

【符号の説明】

【0057】

１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ 燃料電池システム
１２ 燃料電池セルスタック（燃料電池）
１２Ａ 燃料極
１２Ｂ 空気極
１４ 改質器（改質部）
１８ 凝縮器（凝縮部）
３０ 改質水タンク
３１ 凝縮水流入口（流入口）
３２ 凝縮水貯留室（水貯留室）
３４ バブリング水貯留室
３４Ａ バブリング後エア貯留部（水貯留室）
３５ エア流入部
３６ 水仕切壁（逆止機構）
３８ 気室仕切壁（隔離部）
４０ 封水部（封水構造）
Ｐ６ 清浄空気供給路（バブリング後エア供給路）
Ｐ１０ 改質水供給路
Ｐ１１ 水排出路（排出路）

【図1】

【図2】

【図3】