【０００１】
【発明が属する技術分野】
この発明は、燃料電池の排熱・排水を利用したエネルギー回収・利用に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、二酸化炭素（ＣＯ２）による地球温暖化などの環境問題の顕在化に伴って、より環境負荷の少ないエネルギー変換装置が求められている。燃料電池は水素と酸素を反応させることによって電力を得るエネルギー変換装置であり、排出物は水のみとなることから将来有望視されている。とくに道路運輸部門における石油消費量は全体の約４０％にものぼり、自動車に内燃エンジンの代りに燃料電池を搭載した燃料電池自動車が開発されている。
【０００３】
しかしながら、燃料電池から排出される水は、８０℃〜１３０℃といった温度範囲で，燃焼した水素の約９倍の質量が水として排出される．もし、この排熱および排水をエネルギー回収・利用することができれば、システム全体の効率を向上させることができる。とくに燃料電池自動車においては、水素の持つ化学エネルギーの約７０％が排熱として棄てられるため，動力のほかエアコンなどの補機類の動力源として利用できる。さらに現状の燃料電池では，寒冷地での使用に際して，水によってスタックなどが凍結するという問題点がある．
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
解決しようとする問題点の第一は、従来技術では、燃料電池からの排熱を効率よく回収することが困難である点である。また第二は、燃料電池から排出される水を有効利用していない点である．また第三は，とくに寒冷地での燃料電池の使用に際して，水によってスタックなどが凍結する点である．第四は，燃料電池自動車において、エアコンなどの補機類の動力源が不足していることである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、請求項１の発明は、燃料電池からの排熱を熱源として駆動するランキンサイクルを形成し、膨張機（エキスパンダ）で動力を取り出し、発電、蓄電・蓄熱によるエネルギー回収・利用を行うという特徴を有する燃料電池／ランキンエンジンシステムである。
【０００６】
また、請求項２の発明は、燃料電池を搭載する自動車などの移動体において、燃料電池からの排熱を熱源として駆動するランキンサイクルを形成し、膨張機（エキスパンダ）で動力を取り出し、直接利用、もしくは発電，蓄電・蓄熱によるエネルギー回収・利用を行い、エアコンなどの補機類の動力源として用いるという特徴を有する燃料電池／ランキンエンジンシステムである。
【０００７】
また、請求項３の発明は、燃料電池からの排水そのものを蓄熱タンクに貯え，水蒸気および温水として利用するという特徴を有する請求項１および請求項２記載の燃料電池／ランキンエンジンシステムである。
【０００８】
また、請求項４の発明は、燃料電池からの排水そのものを蓄熱タンクに貯え，寒冷地での凍結防止用の熱媒に利用するという特徴を有する請求項１および請求項２記載の燃料電池／ランキンエンジンシステムである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、燃料電池／ランキンエンジンシステムによる燃料電池の排熱回収・利用の実施例を示す図である。
【００１０】
燃料電池１は、燃料である水素２を供給されることによって酸素と反応し、電力３を発生する。その際、燃料電池１からは８０℃〜１３０℃の排熱４が高温水または蒸気として排出される。この排熱を熱交換器である排熱ボイラ５に通し、そこで熱を熱媒体に受け渡す。熱媒体によって回収された熱をエネルギー貯蔵タンク６に貯蔵することによって、供給側の間欠性・希薄性を補うとともに、利用側の平準化を図るようにしてある。
【００１１】
対象とする温度条件に適した熱物性値を持つ熱媒体をエネルギー貯蔵タンク６内に通すことによって、タンク内から気化熱を奪い蒸発・過熱し高圧ガスとなり、動力取り出し部である膨張機（エキスパンダ）７に送り込まれる。この高圧ガスによりエキスパンダ７で動力を発生させ、直結された発電機８で発電を行わせ電力３を得る。エキスパンダ７から排出した熱媒体のガスは凝縮器（コンデンサ）１２で冷却水１３によって液化される。このとき回収された熱水の形のエネルギーは、工場内の暖・冷房や給湯１４に用いることが可能である。その後、ポンプ９で昇圧された液化された熱媒体は、再びエネルギー貯蔵タンク６内に送り込まれて、蒸発→膨張→凝縮→昇圧の密閉サイクルを繰り返す。
【００１２】
通常の蒸気動力ランキンサイクルにおいてエキスパンダ７としては衝動・反動型のタービンが用いられる。装置は大型であり、大型の燃料電池で、なおかつ排熱温度が非常に高い場合には有効であるが、一般的に８０℃〜１３０℃といわれる低中温度域では、動力を取り出すことは困難である。この場合、エキスパンダ７として、家庭用および自動車用エアコン等に普及している小型の容積型コンプレッサーをそのまま転用する。容積型エキスパンダの例としては、スクロール式、ロータリー式（ロータリーエンジン形式含む）、レシプロ式、スクリュー式などが考えられるが、現状では効率、信頼性、小型・軽量化の観点からスクロール式が適している。
【００１３】
【実施例】
他の実施例として、燃料電池／ランキンエンジンシステムを燃料電池自動車に導入した場合について述べる。図２は、燃料電池／ランキンエンジンシステムによる燃料電池自動車での排熱回収の実施例を示す図である。
【００１４】
燃料電池自動車の場合、図１におけるコンデンサ１２は空冷式のラジエータ１４に置き換えられ、外気１６によって熱媒体を冷却し、液化する。その他の構成要素は図１の場合と同様であるが、燃料電池自動車の場合、エキスパンダ７によって取り出される動力を軸動力として直接利用する場合と動力を発電機８で電力３に変換する場合が考えられる。
【００１５】
図３は、燃料電池／ランキンエンジンシステムから電力を得る場合の燃料電池自動車の構成を示す図である。
【００１６】
図４は、燃料電池／ランキンエンジンシステムから動力を直接利用する場合の燃料電池自動車の構成を示すである。
【００１７】
燃料電池自動車では、燃料タンク１７に水素を直接貯蔵する場合と、ガソリンやメタノールなどの炭化水素系燃料を燃料タンク１７に貯蔵し、改質器によって水素に改質して燃料電池１に供給する場合がある。いずれの場合も燃料電池１において電力３を発生し、その排熱として高温水または蒸気を排出する。図３の場合、この高温水を熱源として図２記載のランキンエンジン１１において電力を発生し、コントローラを介して、２次電池１９への貯蔵・取り出し、モーターおよび補機類への供給を行う。図４の場合は、図２記載のランキンエンジン１１において得られる動力を直接に空調用エアコン圧縮機２２の動力として利用する。ただし、エアコン圧縮機を稼働しない場合は、図３に示すように電力に変換しコントローラへと供給される。
【００１８】
さらに他の実施例として、燃料電池から排出される高温水そのものをエネルギー貯蔵タンクに貯蔵する方法がある。
【００１９】
図５は燃料電池から排出される高温水をエネルギー貯蔵タンクに貯蔵する方式の燃料電池／ランキンエンジンシステムの実施例である。
【００２０】
燃料電池１から排出される高温水４を一時、エネルギー貯蔵タンク６に貯え、それを熱源として図１記載の実施形態と同様にランキンエンジン１１を稼働する。さらに残った高温水は、給湯・暖房、寒冷地における燃料電池スタック凍結防止１４などの蒸気および高温水として利用可能なあらゆるものに利用され、温度が低下した後、一部ランキンエンジン１１の冷却水にも利用され、最終的には、低温水４となって外部へ排出される。
【００２１】
図６は、さらに他の実施例として、燃料電池から排出される高温水をエネルギー貯蔵タンクに貯蔵する方式の燃料電池自動車における実施例である。
【００２２】
燃料電池１から排出される高温水４を一時、エネルギータンク６に貯え、それを熱源として図２記載の実施例と同様にランキンエンジン１１を稼働する。さらに残った高温水は、車内の空調設備や寒冷地における燃料電池スタック凍結防止１４などの蒸気および高温水として利用可能なあらゆるものに利用され、温度が低下した後、一部ランキンエンジン１１の冷却水にも利用され、最終的には、低温水４となって外部に排出される。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の燃料電池／ランキンエンジンシステムでは、燃料電池からの排熱をランキンエンジンによって効率よく回収・利用することによってシステム全体の高効率化を実現できる。また、燃料電池自動車への導入することによって軸出力およびエアコンなどの補機類の動力源を確保できる効果がある。さらに、燃料電池からの排水を一時エネルギー貯蔵タンクに貯えることによって、蒸気および高温水としての利用が可能となり、暖房などの空調や寒冷地における燃料電池スタックの凍結防止用の熱媒としても活用できる。
【００２４】
燃料電池は、ＣＯ２排出が少ない近未来の有望なエネルギー変換装置とみなされているが、改質過程や物質変換過程でポンプなどの補機類を多く必要とし、従来の、たとえばガソリンエンジンの２〜３倍の余分な動力が要る。燃料電池単体の効率は４０％を超え良好であるが、この補機類の動力を差し引くと従来のディーゼルエンジン並みとなる欠点がある。
【００２５】
本発明のランキンエンジンをボトミングとして組み合わせることにより、２０％以上の効率向上が期待でき、燃料電池の機能を大幅に改善できる。
【００２６】
もうひとつの重要な効果はヒートアイランド（都市温暖化）緩和効果である。現在の東京などのヒートアイランドの成因の約２５％は車からの排熱であるが、燃料電池自動車はＣＯ２排出はかなり抑制できるが、依然として排熱の方は、抑制できず、ヒートアイランドの形成要因となる可能性が高い。本発明では、まず軸出力としてエネルギーを回収し、残りのエネルギーをエネルギー貯蔵タンクに一旦貯え、直接、都市大気に排出しないという根本的対策がとれる。貯蔵したエネルギーは、後刻、給湯などに有効に使えるほか、さらにランキンエンジンを稼働して再び発電が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】燃料電池／ランキンエンジンシステムによる燃料電池の排熱回収・利用の実施例を示す図である。
【図２】燃料電池／ランキンエンジンシステムによる燃料電池自動車での排熱回収の実施例を示す図である。
【図３】燃料電池／ランキンエンジンシステムから電力を得る場合の燃料電池自動車の構成を示す図である。
【図４】燃料電池／ランキンエンジンシステムから動力を直接利用する場合の燃料電池自動車の構成を示す図である。
【図５】燃料電池から排出される高温水をエネルギー貯蔵タンクに貯蔵する方式の燃料電池／ランキンエンジンシステムの実施例を示す図である。
【図６】燃料電池から排出される高温水をエネルギー貯蔵タンクに貯蔵する方式の燃料電池自動車における実施例を示す図である。
【符号の説明】
１ 燃料電池
２ 水素
３ 電力
４ 排熱（高温水および低温水）
５ 排熱ボイラ
６ 潜熱エネルギー貯蔵タンク
７ エキスパンダ（膨張機）
８ 発電機
９ ポンプ
１０ 熱媒体の流れ
１１ ランキンエンジン
１２ コンデンサ（凝縮器）
１３ 冷却水
１４ 暖・冷房、給湯、凍結防止、蒸気・温水利用
１５ ラジエータ
１６ 外気
１７ 燃料タンク
１８ コントローラ
１９ ２次電池
２０ モーター
２１ 補機類
２２ エアコン圧縮機[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to energy recovery and utilization using waste heat and waste water of a fuel cell.
[0002]
[Prior art]
In recent years, with the emergence of environmental problems such as global warming due to carbon dioxide (CO2), energy conversion devices with less environmental load have been demanded. A fuel cell is an energy conversion device that obtains electric power by reacting hydrogen and oxygen, and is promising in the future because only water is emitted. In particular, the consumption of oil in the road transportation sector is about 40% of the total, and fuel cell vehicles equipped with fuel cells instead of internal combustion engines in vehicles have been developed.
[0003]
However, in the water discharged from the fuel cell, in a temperature range of 80 ° C. to 130 ° C., about 9 times the mass of the combusted hydrogen is discharged as water. If the waste heat and waste water can be recovered and used for energy, the efficiency of the entire system can be improved. Particularly in a fuel cell vehicle, about 70% of the chemical energy of hydrogen is discarded as exhaust heat, so that it can be used as a power source for auxiliaries such as air conditioners in addition to power. Furthermore, the current fuel cell has a problem that the water freezes the stack when used in cold regions.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The first problem to be solved is that it is difficult for the related art to efficiently recover the exhaust heat from the fuel cell. The second is that the water discharged from the fuel cell is not used effectively. The third point is that water freezes the stack, especially when using fuel cells in cold regions. Fourth, in fuel cell vehicles, power sources for auxiliary equipment such as air conditioners are insufficient.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problems, the invention of claim 1 forms a Rankine cycle driven by using exhaust heat from a fuel cell as a heat source, extracts power from an expander (expander), generates power, and stores and stores heat. This is a fuel cell / rankin engine system having the feature of performing energy recovery and utilization by a fuel cell.
[0006]
In a second aspect of the present invention, in a mobile body such as an automobile equipped with a fuel cell, a Rankine cycle driven by using exhaust heat from the fuel cell as a heat source is formed, and power is taken out by an expander (expander). This fuel cell / rankin engine system is characterized in that it uses, or generates and uses energy by power generation, power storage and heat storage, and is used as a power source for auxiliary equipment such as an air conditioner.
[0007]
The invention according to claim 3 is the fuel cell / rankin engine system according to claims 1 and 2, characterized in that the wastewater itself from the fuel cell is stored in a heat storage tank and used as steam and hot water.
[0008]
The invention according to claim 4 is characterized in that the drainage itself from the fuel cell is stored in a heat storage tank and used as a heat medium for preventing freezing in a cold region. Rankin engine system.
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of recovery and utilization of exhaust heat of a fuel cell by a fuel cell / rankin engine system.
[0010]
The fuel cell 1 reacts with oxygen when supplied with hydrogen 2 as a fuel to generate electric power 3. At this time, exhaust heat 4 at 80 ° C. to 130 ° C. is discharged from the fuel cell 1 as high-temperature water or steam. This waste heat is passed through a waste heat boiler 5 which is a heat exchanger, where the heat is transferred to a heat medium. By storing the heat recovered by the heat medium in the energy storage tank 6, the intermittentness and the leanness of the supply side are supplemented, and the use side is leveled.
[0011]
By passing a heat medium having a thermophysical property value suitable for a target temperature condition into the energy storage tank 6, heat of vaporization is taken out of the tank to evaporate and overheat to become a high-pressure gas. Panda) 7. Power is generated by the expander 7 using the high-pressure gas, and power is generated by the directly connected generator 8 to obtain the electric power 3. The heat medium gas discharged from the expander 7 is liquefied by cooling water 13 in a condenser (condenser) 12. The energy in the form of hot water recovered at this time can be used for heating / cooling and hot water supply 14 in the factory. Thereafter, the liquefied heat medium pressurized by the pump 9 is sent again into the energy storage tank 6, and a closed cycle of evaporation → expansion → condensation → pressure is repeated.
[0012]
In an ordinary steam-powered Rankine cycle, an impulse / reaction type turbine is used as the expander 7. The device is large and effective when the exhaust heat temperature is very high with a large fuel cell, but it is difficult to extract power in the low and medium temperature range generally called 80 ° C to 130 ° C. It is. In this case, as the expander 7, a small displacement compressor widely used in home and automobile air conditioners and the like is diverted as it is. Examples of positive displacement expanders include scroll type, rotary type (including rotary engine type), reciprocating type, screw type, etc. At present, scroll type is suitable from the viewpoints of efficiency, reliability, miniaturization and weight reduction. ing.
[0013]
【Example】
As another embodiment, a case where a fuel cell / rankin engine system is introduced into a fuel cell vehicle will be described. FIG. 2 is a diagram showing an embodiment of exhaust heat recovery in a fuel cell vehicle using a fuel cell / rankin engine system.
[0014]
In the case of a fuel cell vehicle, the condenser 12 in FIG. 1 is replaced with an air-cooled radiator 14, and the heat medium is cooled and liquefied by the outside air 16. Other components are the same as those in FIG. 1, but in the case of a fuel cell vehicle, there are a case where the power taken out by the expander 7 is directly used as the shaft power and a case where the power is converted into the electric power 3 by the generator 8. Conceivable.
[0015]
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a fuel cell vehicle when electric power is obtained from a fuel cell / rankin engine system.
[0016]
FIG. 4 shows a configuration of a fuel cell vehicle in the case where power is directly used from a fuel cell / rankin engine system.
[0017]
In a fuel cell vehicle, the case where hydrogen is directly stored in the fuel tank 17 and the case where a hydrocarbon-based fuel such as gasoline or methanol is stored in the fuel tank 17, reformed into hydrogen by a reformer, and supplied to the fuel cell 1. There are cases. In any case, electric power 3 is generated in the fuel cell 1 and high-temperature water or steam is discharged as waste heat. In the case of FIG. 3, electric power is generated in the Rankine engine 11 shown in FIG. 2 by using the high-temperature water as a heat source, and stored and taken out of the secondary battery 19 via the controller, and supplied to the motor and the auxiliary devices. In the case of FIG. 4, the power obtained in the Rankine engine 11 shown in FIG. 2 is directly used as the power of the air conditioning compressor 22. However, when the air conditioner compressor is not operated, it is converted into electric power and supplied to the controller as shown in FIG.
[0018]
As still another embodiment, there is a method of storing high-temperature water itself discharged from a fuel cell in an energy storage tank.
[0019]
FIG. 5 shows an embodiment of a fuel cell / rankin engine system of a type in which high-temperature water discharged from a fuel cell is stored in an energy storage tank.
[0020]
The high-temperature water 4 discharged from the fuel cell 1 is temporarily stored in an energy storage tank 6 and the Rankine engine 11 is operated using the high-temperature water 4 as a heat source as in the embodiment shown in FIG. Further, the remaining high-temperature water is used for steam and other high-temperature water that can be used for hot water supply / heating, fuel cell stack freezing prevention 14 in cold regions, etc., and after the temperature has dropped, the cooling water for the Rankine engine 11 is partly cooled. And is finally discharged as low-temperature water 4 to the outside.
[0021]
FIG. 6 shows another embodiment of a fuel cell vehicle in which high-temperature water discharged from a fuel cell is stored in an energy storage tank.
[0022]
The high-temperature water 4 discharged from the fuel cell 1 is temporarily stored in an energy tank 6, and the Rankine engine 11 is operated using the high-temperature water 4 as a heat source in the same manner as in the embodiment shown in FIG. The remaining high-temperature water is used for air-conditioning equipment in the vehicle or for all kinds of water that can be used as high-temperature water, such as anti-freezing fuel cell stack 14 in cold regions. It is also used for water, and finally becomes low-temperature water 4 and is discharged to the outside.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, in the fuel cell / rankin engine system of the present invention, high efficiency of the entire system can be realized by efficiently collecting and utilizing exhaust heat from the fuel cell by the rankin engine. In addition, there is an effect that by introducing the fuel cell vehicle, a shaft power and a power source for auxiliary equipment such as an air conditioner can be secured. Furthermore, by temporarily storing wastewater from the fuel cell in the energy storage tank, it can be used as steam and high-temperature water, and can also be used as a heat medium for air conditioning such as heating and for preventing the fuel cell stack from freezing in cold regions. .
[0024]
Fuel cells are regarded as promising energy converters in the near future that emit less CO2, but require many auxiliary equipment such as pumps in the reforming process and the material conversion process, and are difficult to use in conventional gasoline engines. Requires ~ 3 times more power. Although the efficiency of the fuel cell alone exceeds 40% and is good, there is a drawback that when the power of the auxiliary equipment is subtracted, it becomes comparable to a conventional diesel engine.
[0025]
By combining the Rankine engine of the present invention as bottoming, an efficiency improvement of 20% or more can be expected, and the function of the fuel cell can be greatly improved.
[0026]
Another important effect is the heat island (urban warming) mitigation effect. About 25% of the current causes of heat islands in Tokyo and other places are exhaust heat from cars, but fuel cell vehicles can significantly reduce CO2 emissions, but they still cannot control exhaust heat, Likely to be. In the present invention, fundamental measures can be taken such that energy is first recovered as shaft output, and the remaining energy is temporarily stored in an energy storage tank, and is not directly discharged to the urban atmosphere. The stored energy can be used effectively for hot water supply at a later date, and the Rankine engine can be used to generate power again.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of recovery and utilization of exhaust heat of a fuel cell by a fuel cell / rankin engine system.
FIG. 2 is a diagram showing an example of exhaust heat recovery in a fuel cell vehicle by a fuel cell / rankin engine system.
FIG. 3 is a diagram showing a configuration of a fuel cell vehicle when electric power is obtained from a fuel cell / rankin engine system.
FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a fuel cell vehicle when power is directly used from a fuel cell / rankin engine system.
FIG. 5 is a diagram showing an embodiment of a fuel cell / rankin engine system of a type in which high-temperature water discharged from a fuel cell is stored in an energy storage tank.
FIG. 6 is a diagram showing an embodiment in a fuel cell vehicle of a type in which high-temperature water discharged from a fuel cell is stored in an energy storage tank.
[Explanation of symbols]
1 fuel cell 2 hydrogen 3 electric power 4 waste heat (high-temperature water and low-temperature water)
5 Waste heat boiler 6 Latent heat energy storage tank 7 Expander (expander)
8 Generator 9 Pump 10 Heat medium flow 11 Rankine engine 12 Condenser (condenser)
13 Cooling Water 14 Warm / Cooling, Hot Water Supply, Prevention of Freezing, Use of Steam / Hot Water 15 Radiator 16 Outside Air 17 Fuel Tank 18 Controller 19 Secondary Battery 20 Motor 21 Auxiliary Equipment 22 Air Conditioner Compressor
