JP2004103487A

JP2004103487A - 燃料電池発電システムとその運転方法

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Publication number: JP2004103487A
Application number: JP2002266419A
Authority: JP
Inventors: Masahito Senda; 千田　仁人
Original assignee: Fuji Electric Holdings Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-09-12
Filing date: 2002-09-12
Publication date: 2004-04-02
Anticipated expiration: 2022-09-12
Also published as: JP3956208B2

Abstract

【課題】燃料電池の排空気中の水を回収する装置と、燃料電池の排熱を貯える貯湯槽を有するシステムにおいて、なおかつ余剰となる熱を、前記排空気中の水分を放出することなく、有効に暖房の熱源に利用することが可能な燃料電池発電システムとその運転方法を提供する。
【解決手段】回収水系機器は排ガス冷却器と回収水冷却器１１とを備え、貯湯槽は過昇温防止用の温水冷却器１８を備え、さらに、少なくとも室外の熱を室内へ汲み上げるヒートポンプ運転が可能な室外用熱交換器５１と室内用熱交換器５０とを有する空調装置を備えた燃料電池発電システムにおいて、回収水冷却器１１および温水冷却器１８の少なくとも一方の作動を検知することにより、当該回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の排熱を前記空調装置の室外用熱交換器５１に導入して、ヒートポンプの熱源として利用する。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガス（空気）との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池と、前記熱エネルギーの一部を温水として貯える貯湯槽とを備える燃料電池発電システムとその運転方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置に組み込まれる燃料電池としては、電解質の種類、改質原料の種類等によって異なる種々のタイプがあるが、例えば、固体高分子膜を電解質として用い、その運転温度が約８０℃と比較的低いタイプの燃料電池として、固体高分子電解質型燃料電池がよく知られている。
【０００３】
この固体高分子電解質型燃料電池は、リン酸型燃料電池と同様に、例えばメタンガス（都市ガス）等の炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガス中の水素と空気中の酸素とを、燃料電池の燃料極および空気極にそれぞれ供給し、電気化学反応に基づいて発電を行うものである。
【０００４】
また、原燃料を燃料ガスへ改質するに際しては、原燃料に水蒸気を加え燃料改質器で触媒により改質を促進する方法が採られているが、改質を定常的に行なうには所要の水蒸気量を定常的に補給する必要があり、水蒸気の供給装置には、これに対応した水を常時補給する必要がある。なお、使用する水は高純度の水であることが必要であり、イオン交換式の水処理装置で不純物を除去したイオン交換水が用いられるのが通例である。
【０００５】
一方、燃料電池の電気化学反応では発電生成水が生じ、また燃料改質器では吸熱反応である水蒸気改質反応を定常的に行なうための触媒加熱用の燃焼に伴い燃焼生成水が生じるが、これらの生成水は通常の水道水に比べて不純物が少なく、これらの生成水を原水として用いれば、水処理装置の負荷を軽減することができるため、回収水タンクおよび排ガス冷却器を付加して、これらの生成水を回収して改質水蒸気発生用の供給水とする方法が、通常採用されている。
【０００６】
また、燃料電池の電気化学反応では反応に伴って熱が発生し、この排熱エネルギーの一部は、貯湯槽に温水として貯え、給湯もしくは暖房に供される。
【０００７】
図２は、従来の固体高分子電解質型燃料電池発電システムの一例を示す系統図である。この系統図について説明する前に、貯湯槽を備えた小容量の燃料電池発電システムの効率に関して先に述べ、この効率の問題との関わりを含めて後述する。
【０００８】
小容量固体高分子型燃料電池発電装置は、家庭や小規模事業所への設置が想定されているが、本装置の目標効率は電気出力である送電端発電効率が約４０％（ＬＨＶ）、熱出力である温水の目標排熱効率が約４０％（ＬＨＶ）であり、総合熱効率の目標値は約８０％（ＬＨＶ）に達するが、約２０％（ＬＨＶ）の熱は装置からの排気および放熱として大気に捨てられている。ここで、前記ＬＨＶとは、Ｌｏｗｅｒ　Ｈｅａｔ　Ｖａｌｕｅの略記であり、前記効率は、凝縮潜熱を含めない低位発熱量ベースで算出した効率であることを示す。
【０００９】
さらに、温水として給湯等に用いられる約４０％（ＬＨＶ）の熱出力について着目すると、給湯の負荷（需要）が低い状態が継続する場合には、貯湯槽の温度が上限値である例えば約７０℃に達した場合、それ以降は熱出力である温水の熱エネルギーを、後述する温水冷却器によって大気に放熱する必要が生じるため、この場合の総合熱効率は、送電端発電効率である４０％（ＬＨＶ）まで低下してしまう。
【００１０】
これらの理由を、前記図２の系統図により説明する。図２において、３０で示した一点鎖線の範囲内は、固体高分子形燃料電池発電装置のパッケージ内部を示す。パッケージ３０の内部には図２の部番１〜１６以外にも多数の機器が存在するが、ここではこれらを省略している。
【００１１】
１は燃料電池本体である。１ａは燃料極、１ｂは空気極、１ｃは電池冷却水が通過する冷却板であり、これらが複数枚積層され燃料電池本体１を構成している。燃料電池発電時は、１ａに水素リッチガスが、１ｂに反応空気ブロワ７から空気が供給され、直流電力と共に熱を発生する。１ａに供給される水素リッチガスは、原燃料（メタンガス、プロパンガス、ブタンガス、およびこれらのガス組成からなる都市ガス等の炭化水素系気体、灯油、軽油等の炭化水素系液体等が適用可能）をパッケージ３０に導入し、脱硫器２により脱硫した後、改質用水ポンプ１５にて送出され水処理装置１４により純化された改質用水と合流し、改質器３にて吸熱反応である水蒸気改質反応を行うことにより得ることができる。
【００１２】
ここで得られる水素リッチガスには、燃料電池本体の触媒を被毒する一酸化炭素（ＣＯ）が含まれているため、さらに後段のＣＯ変成器４、ＣＯ除去器５により一酸化炭素の濃度レベルを１０ｐｐｍ以下に低減した後に燃料電池燃料極１ａに供給し、燃料電池本体１の発電に伴い水素の一部が消費される。１ａにて消費されなかった残余の水素は改質器３のバーナ部にて燃焼し改質反応の熱源となる。
【００１３】
改質器３の燃焼排ガスと燃料電池本体１の空気極１ｂを通過した空気は、排ガス冷却器１０により冷却されて水が回収される。この水回収量が不足すると、排ガス冷却器１０の水位レベルが維持できなくなり、補給水用電磁弁１６を開として市水の補給を行う必要が生じる。市水の補給が行なわれた場合、改質用水中にシリカＳｉＯの混入を防ぐために設けている水処理装置１４の寿命が極端に短くなってしまう。
【００１４】
これを防止するためには、排ガス冷却器１０で良好な水回収を行うべく、回収水温度検出器１３に基づき、回収水冷却器１１のファンと回収水循環ポンプ１２とを駆動し、回収水冷却器１１による適切な冷却を行なうことが必要となる。回収水冷却器１１による回収水の冷却は、通常、大気と熱交換することで行われるため、冷却用空気の熱は、利用できない熱として継続的に大気に放出される。
【００１５】
また、燃料電池本体１は、発電と同時に比較的高温の排熱を発生する。固体高分子型燃料電池の場合には、その発生熱効率は約４０％（ＬＨＶ）であり、温度レベルは約８０℃である。この排熱は、電池冷却水ポンプ８および電池冷却水冷却器９の電池冷却水系機器を介して、温水循環ポンプ２０により送出される温水により、貯湯槽２１に蓄熱される。
【００１６】
蓄熱が継続し、貯湯槽の温度レベルが一定値以上に達したことを温水温度検出器１９が検知すると、温水冷却器１８が作動する。これは、電池冷却水の温度を燃料電池冷却水冷却器９で調節し、燃料電池本体１の運転温度を一定にした安定運転を継続するためである。従って、ユーザー給湯設備２２の給湯需要よりも燃料電池本体１の排熱量が上回る状態が継続すると、約４０％（ＬＨＶ）の熱出力は、温水冷却器１８を介して大気に放熱せざるを得なくなる。
【００１７】
上記のように、従来の燃料電池を用いたコージェネレーションシステムにおいては、燃料電池発電装置からの放熱および排熱の蓄熱手段である貯湯槽の蓄熱量が上限に達した以降に出力される燃料電池本体からの比較的高温の排熱は、有効に利用されてはいなかった。
【００１８】
一方、固体高分子型燃料電池発電装置の導入先として考えられている家庭や小規模事業所には、エアコンが冷房・暖房機器として導入されているのが一般的である。エアコンは、夏季は室内の熱を室外機から放熱する冷凍サイクルに、冬季は外気の熱をくみ上げて室内に放熱するヒートポンプサイクルとして用いられる。
【００１９】
図３は、ヒートポンプ式エアコンにおけるヒートポンプモードの模式的系統図を示す。図３において、５０は室内用熱交換器、５１は室外用熱交換器、５２は圧縮機、５３は膨張弁である。ヒートポンプは外気の熱を熱源としているため、厳冬期および寒冷地では、利用しようとする温度（室内温度）に対する吸熱温度（外気温度）の差が大きくなりヒートポンプの運転に必要な動力が大きくなってしまう問題がある。
【００２０】
そこで、燃料電池の排熱を、室外用熱交換器に導入して、暖房時の効率を高める熱供給システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【００２１】
特許文献１に記載された熱供給システムは、同公報によれば、「少なくとも室外熱交換器及び室内熱交換器を有し、室外の熱を室内へ汲み上げるヒートポンプサイクルを行う空調装置と、燃料ガスを空気中の酸素と反応させて発生させた電気エネルギーを前記空調装置へ供給すると共に、反応熱により昇温された反応後の高温空気を排出する燃料電池装置と、前記高温空気との間で熱交換して昇温された水を蓄える給湯装置と、前記空調装置が暖房運転を行っている時には前記燃料電池装置から排出された高温空気を前記室外熱交換器へ導き、前記空調装置が暖房を行っていない時には前記燃料電池装置から排出された高温空気を前記給湯装置へ導く排気切換手段と、を有するもの」であり、
「上記構成の熱供給システムによれば、空調装置による暖房運転時には排気切換手段が燃料電池装置から排出された高温空気を空調装置の室外熱交換器へ導くことにより、燃料電池から排出された高温空気から空調装置の室外熱交換器により熱回収でき、この高温空気からの回収熱により熱交換の効率を高めることができるので、熱交換器の容量を増大することなく実質的な暖房能力を高めることができる。この結果、外気温の低下に伴って暖房能力が低下することを防止でき、かつ一定の暖房状態を維持するために必要となる電力コストを低減できる。また空調装置が暖房運転を行っていない時には排気切換手段が燃料電池装置から排出された高温空気を給湯装置へ導くことにより、燃料電池から排出された高温空気から給湯装置により熱回収でき、この高温空気からの回収熱により水を昇温して温水として外部へ供給できるので、水を昇温するために必要となるエネルギーコストを抑制又は不要にできる。」とされている。
【００２２】
【特許文献１】
特開平１１−２８１０７２号公報（第２−４頁、図１）
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前述のような従来の燃料電池発電システムにおいても、下記のような問題点があった。
【００２４】
上述の特許文献１に記載のシステムにおいては、反応熱により昇温された反応後の高温空気、即ち、燃料電池の空気極排ガスを、暖房時に、空調装置の室外熱交換器へ導くが、この場合、燃料電池の空気極排ガス中に含まれる水分が、大気中に放出されるため、燃料電池における反応生成水が有効に回収されず、燃料電池発電装置の水自立運転（外部からの補給水を受けいれることなく運転を継続する状態）が不可能となり、水処理を含むシステム運転上、全体として経済的ではない問題がある。また、特許文献１に記載のシステムの場合、上記のように水分を含んだ多湿の空気を、空調装置の室外熱交換器へ導入することとなるので、室外熱交換器が腐食し易い問題もある。
【００２５】
この発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、この発明の課題は、燃料電池の排空気中の水を回収する装置と、燃料電池の排熱を貯える貯湯槽を有するシステムにおいて、なおかつ余剰となる熱を、前記排空気中の水分を放出することなく、有効に暖房の熱源に利用することが可能な燃料電池発電システムとその運転方法を提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
前述の課題を解決するために、この発明においては、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器と、前記熱エネルギーの一部を温水として貯える貯湯槽とを有し、さらに、前記回収水系機器は排ガス冷却器と回収水冷却器とを備え、かつ前記貯湯槽は過昇温防止用の温水冷却器を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃料電池発電システムは、少なくとも室外の熱を室内へ汲み上げるヒートポンプ運転が可能な室外用熱交換器と室内用熱交換器とを有する空調装置を備え、前記回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の作動を検知することにより、当該回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の排熱を前記空調装置の室外用熱交換器に導入して、ヒートポンプの熱源として利用することとする（請求項１の発明）。
【００２７】
上記運転方法によれば、ヒートポンプの熱源として、空気極排ガスならびに改質器の燃焼排ガスからの水回収時に発生する熱（回収水冷却器からの熱）と、貯湯槽の貯液熱容量がいっぱいになった場合に生じる温水の余剰熱（温水冷却器からの熱）を用いるため、水の回収性能に影響を与えることなく室外用熱交換器を予熱することができ、また室外用熱交換器の腐食の問題も解消できる。
【００２８】
前記請求項１の発明の方法を実施するためのシステムとしては、下記請求項２ないし３の発明が好ましい。即ち、前記請求項１記載の運転方法を実施するための燃料電池発電システムであって、前記排熱を室外用熱交換器に導入する排熱回収用水循環回路と、この循環回路上に設けた暖房熱源水循環ポンプと、前記回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の作動を検知することにより前記暖房熱源水循環ポンプを駆動する排熱利用暖房運転制御装置とを備え、前記排熱回収用水循環回路は、前記回収水冷却器および温水冷却器にそれぞれ設けた排熱回収用水循環熱交換器と、前記室外用熱交換器に設けた受熱用水循環熱交換器と、前記排熱回収用および受熱用水循環熱交換器とを接続して閉ループを形成する配管とからなるものとする（請求項２の発明）。
【００２９】
前記請求項２の発明において、前記回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の作動が停止し、他方が作動している場合には、前記排熱回収用水循環回路は、作動している側の排熱回収用水循環熱交換器内の水のみを、受熱用水循環熱交換器に通流するように、電磁弁による切替バイパス回路を構成することができる。
【００３０】
前記切替回路を設けず、構成をシンプルとするためには、多少の熱ロスは伴うものの、下記請求項３の発明が好適である。即ち、請求項２記載の燃料電池発電システムにおいて、前記回収水冷却器および温水冷却器に設けた排熱回収用水循環熱交換器は、それぞれ直列に接続して前記排熱回収用水循環回路を形成し、かつ回収水冷却器用の排熱回収用水循環熱交換器を上流側に配設する。
【００３１】
上記構成によれば、前記回収水冷却器および温水冷却器の両方が作動する場合、温水冷却器に設けた排熱回収用水循環熱交換器の方が、回収水冷却器用のそれより作動温度レベルが高いので、熱ロスが抑制できる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図面に基づき、本発明の実施例について以下にのべる。
【００３３】
図１は、この発明に関わる実施例を示す系統図であり、図２および図３と同じ機能を有する部材には同一の番号を付して詳細説明を省略する。また、図１においては、図２における発電装置パッケージ３０内の大部分の機器、ならびに温水冷却器１８前後の蓄熱槽２１関連機器等については、省略して示す。
【００３４】
図１において、図２と異なる点は、ヒートポンプ運転が可能な室外用熱交換器５１と室内用熱交換器５０とを有する空調装置を備え、回収水冷却器１１および温水冷却器１８の少なくとも一方の作動を検知することにより、当該回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の排熱を前記空調装置の室外用熱交換器５１に導入して、ヒートポンプの熱源として利用するように構成した点である。
【００３５】
また、図１においては、前記排熱を室外用熱交換器５１に導入する排熱回収用水循環回路４２と、この循環回路上に設けた暖房熱源水循環ポンプ４５と、回収水冷却器１１および温水冷却器１８の少なくとも一方の作動を検知することにより前記暖房熱源水循環ポンプ４５を駆動する排熱利用暖房運転制御装置４０とを備える。さらに、前記排熱回収用水循環回路４２は、回収水冷却器１１および温水冷却器１８にそれぞれ設けた排熱回収用水循環熱交換器（１１ａおよび１８ａ）と、前記室外用熱交換器５１に設けた受熱用水循環熱交換器５１ａと、前記排熱回収用および受熱用水循環熱交換器とを接続して閉ループを形成する配管４２ａとからなる。なお、前記排熱利用暖房運転制御装置４０は、空調装置のヒートポンプモードのアンサーバック信号に基づき、前記暖房熱源水循環ポンプ４５を駆動する。
【００３６】
さらにまた、図１の構成は、前記請求項３に記載のように、回収水冷却器１１および温水冷却器１８に設けた排熱回収用水循環熱交換器（１１ａおよび１８ａ）をそれぞれ直列に接続し、かつ回収水冷却器用の排熱回収用水循環熱交換器１１ａを、１８ａの上流側に配設する構成を示している。
【００３７】
前記構成により、従来は大気に放熱せざるを得なかった回収水冷却器１１からの熱エネルギーおよび貯湯槽２１の熱容量が飽和している場合に温水冷却器１８から大気に放熱されていた熱エネルギーを、既設エアコンの暖房熱源に有効に用いるとともに、暖房時の電力使用量を削減することで、小容量固体高分子型燃料電池発電装置を導入したユーザーの省エネルギーメリットを拡大することが可能となる。
【００３８】
【発明の効果】
上記のとおり、この発明によれば、炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器と、前記熱エネルギーの一部を温水として貯える貯湯槽とを有し、さらに、前記回収水系機器は排ガス冷却器と回収水冷却器とを備え、かつ前記貯湯槽は過昇温防止用の温水冷却器を備えた燃料電池発電システムおよびその運転方法において、前記燃料電池発電システムは、少なくとも室外の熱を室内へ汲み上げるヒートポンプ運転が可能な室外用熱交換器と室内用熱交換器とを有する空調装置を備え、前記回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の作動を検知することにより、当該回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の排熱を前記空調装置の室外用熱交換器に導入して、ヒートポンプの熱源として利用するようにしたので、
燃料電池の排空気中の水を回収する装置と、燃料電池の排熱を貯える貯湯槽を有するシステムにおいて、なおかつ余剰となる熱を、有効に暖房の熱源に利用することを可能とし、また、前記排空気中の水分を放出することなく、前記空調装置の室外用熱交換器の腐食を抑制可能な燃料電池発電システムとその運転方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の燃料電池発電システムの実施例を示す系統図
【図２】従来の燃料電池発電システムの一例を示す系統図
【図３】ヒートポンプ式エアコンにおけるヒートポンプモードの模式的系統図
【符号の説明】
１：燃料電池本体、３：改質器、１０：排ガス冷却器、１１：回収水冷却器、１１ａ，１８ａ：排熱回収用水循環熱交換器、１４：水処理装置、１８：温水冷却器、２１：貯湯槽、４０：排熱利用暖房運転制御装置、４２：排熱回収用水循環回路、４２ａ：閉ループを形成する配管、４５：暖房熱源水循環ポンプ、５０：室内用熱交換器、５１：室外用熱交換器、５１ａ：受熱用水循環熱交換器。

Claims

炭化水素系原燃料を水蒸気改質して得られた燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気との電気化学反応に基づいて電気および熱エネルギーを発生する燃料電池本体と、燃料改質系機器と、燃料電池の冷却水系機器と、燃料電池の排空気および燃料改質器の燃焼排ガス中の水を回収する回収水系機器と、前記熱エネルギーの一部を温水として貯える貯湯槽とを有し、さらに、前記回収水系機器は排ガス冷却器と回収水冷却器とを備え、かつ前記貯湯槽は過昇温防止用の温水冷却器を備えた燃料電池発電システムの運転方法において、
前記燃料電池発電システムは、少なくとも室外の熱を室内へ汲み上げるヒートポンプ運転が可能な室外用熱交換器と室内用熱交換器とを有する空調装置を備え、前記回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の作動を検知することにより、当該回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の排熱を前記空調装置の室外用熱交換器に導入して、ヒートポンプの熱源として利用することを特徴とする燃料電池発電システムの運転方法。
請求項１記載の運転方法を実施するための燃料電池発電システムであって、前記排熱を室外用熱交換器に導入する排熱回収用水循環回路と、この循環回路上に設けた暖房熱源水循環ポンプと、前記回収水冷却器および温水冷却器の少なくとも一方の作動を検知することにより前記暖房熱源水循環ポンプを駆動する排熱利用暖房運転制御装置とを備え、前記排熱回収用水循環回路は、前記回収水冷却器および温水冷却器にそれぞれ設けた排熱回収用水循環熱交換器と、前記室外用熱交換器に設けた受熱用水循環熱交換器と、前記排熱回収用および受熱用水循環熱交換器とを接続して閉ループを形成する配管とからなることを特徴とする燃料電池発電システム。
請求項２記載の燃料電池発電システムにおいて、前記回収水冷却器および温水冷却器に設けた排熱回収用水循環熱交換器は、それぞれ直列に接続して前記排熱回収用水循環回路を形成し、かつ回収水冷却器用の排熱回収用水循環熱交換器を上流側に配設したことを特徴とする燃料電池発電システム。