JP2004296266A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とする。
【解決手段】供給される原燃料ガスを改質処理する改質部１３と、その改質部１３から供給される改質ガスを変成処理する変成部１４と、その変成部１４から供給される変成ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去部１５とが設けられている燃料電池システムにおいて、貯湯タンク２から取り出した湯水を湯水循環路３０を通して循環させたのち、貯湯タンク２に戻す湯水循環手段３１と、燃料電池５の冷却水と湯水循環路３０を通流する湯水とを熱交換させる排熱回収熱交換器２１と、その排熱回収熱交換器２１を通過した冷却水とＣＯ除去部１５に供給される前の変成ガスとを熱交換させる変成ガス用熱交換器２３とが設けられている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、供給される原燃料ガスを改質処理する改質部と、その改質部から供給される改質ガスを変成処理する変成部と、その変成部から供給される変成ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去部とが設けられている燃料電池システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記のような燃料電池システムは、改質部にて改質処理した改質ガスを変成部に供給し、変成部にて変成処理した変成ガスをＣＯ除去部に供給し、ＣＯ除去部にて一酸化炭素が除去された燃料ガスを燃料電池に供給するものである。
【０００３】
上記のような燃料電池システムにおいて、従来では、供給される改質水にて水蒸気を生成し、その生成された水蒸気を改質部に供給する水蒸気生成部と、ＣＯ除去部に供給される前の変成ガスと改質水とを熱交換させる改質水予熱用熱交換器とが設けられ、改質水予熱用熱交換器において、改質水にてＣＯ除去部に供給される変成ガスを冷却するように構成されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−８３６２０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような燃料電池システムにおいては、ＣＯ除去部におけるＣＯ除去の反応を安定させるためや、燃料電池に供給する燃料ガスの露点温度を設定範囲内にするために、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることが求められる。
そして、上記従来の燃料電池システムでは、変成ガスと改質水とを熱交換させる改質水予熱用熱交換器を設けて、その改質水予熱用熱交換器において、改質水にてＣＯ除去部に供給される変成ガスを冷却することにより、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を下げるようにしている。
【０００６】
しかしながら、上記従来の燃料電池システムにおいては、改質水が、例えば、水道水など、温度が安定していない水であるので、改質水予熱用熱交換器において、改質水と変成ガスとを熱交換しても、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることができない虞があった。
例えば、改質水が水道水であると、夏季には改質水の温度が低温ではないので、改質水予熱用熱交換器において、改質水と変成ガスとを熱交換しても、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることができないことになる。
【０００７】
本発明は、かかる点に着目してなされたものであり、その目的は、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることができる燃料電池システムを提供する点にある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、請求項１に記載の発明によれば、供給される原燃料ガスを改質処理する改質部と、その改質部から供給される改質ガスを変成処理する変成部と、その変成部から供給される変成ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去部とが設けられている燃料電池システムにおいて、
貯湯タンクから取り出した湯水を湯水循環路を通して循環させたのち、前記貯湯タンクに戻す湯水循環手段と、燃料電池の冷却水と前記湯水循環路を通流する湯水とを熱交換させる排熱回収熱交換器と、その排熱回収熱交換器を通過した冷却水と前記ＣＯ除去部に供給される前の変成ガスとを熱交換させる変成ガス用熱交換器とが設けられている。
【０００９】
すなわち、湯水循環手段を作動させることにより、排熱回収熱交換器において、燃料電池の冷却水と貯湯タンクから取り出した湯水とを熱交換させることになるので、排熱回収熱交換器においては、冷却水にて湯水を加熱させることができ、その加熱された湯水を貯湯タンクに戻して、貯湯タンクに湯水が貯湯させることができることになる。
したがって、燃料電池の排熱を活用して、貯湯タンクに湯水を貯湯させることができることになる。
【００１０】
また、変成ガス用熱交換器において、排熱回収熱交換器を通過した燃料電池の冷却水とＣＯ除去部に供給される前の変成ガスとを熱交換させることになるので、変成ガス用熱交換器においては、排熱回収熱交換器における熱交換により低温となっている冷却水と変成ガスとを熱交換させることができることになる。
したがって、変成ガス用熱交換器において、低温で安定した冷却水と変成ガスとを熱交換させることができることになるので、冷却水にて変成ガスを設定温度以下まで冷却させることができ、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることができることになる。
【００１１】
以上のことから、請求項１に記載の発明によれば、燃料電池の排熱を活用して貯湯タンク内に湯水を貯湯することができながら、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることができる燃料電池システムを提供できるに至った。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、前記排熱回収熱交換器を通過した冷却水を、その冷却水の熱を放熱させる放熱部を通過させたのち前記変成ガス用熱交換器に供給させる放熱用冷却水と前記放熱部を迂回させて前記変成ガス用熱交換器に供給させる非放熱用冷却水とに分流しかつその分流比を調整可能な分流手段と、前記変成ガス用熱交換器に供給される冷却水が冷却用設定温度になるように、前記分流手段を制御する制御手段とが設けられている。
【００１３】
すなわち、分流手段が、排熱回収熱交換器を通過した冷却水を、放熱部を通過させる放熱用冷却水と放熱部を通過させない非放熱用冷却水とに分流するので、排熱回収熱交換器を通過した冷却水のうち、放熱部を通過する冷却水の量を少なくすることができることになる。
したがって、放熱部にて冷却水の熱を放熱させない場合に、冷却水が放熱部を通過することにより生じる放熱ロスを極力抑制することができることになる。
【００１４】
そして、制御手段は、変成ガス用熱交換器に供給される冷却水が冷却用設定温度になるように、分流手段を制御するので、変成ガス用熱交換器に供給される冷却水の温度が不安定になる虞がある場合でも、変成ガス用熱交換器に供給される冷却水を冷却用設定温度にすることができることになる。
したがって、変成ガス用熱交換器においては、冷却用設定温度で安定した冷却水と変成ガスとを熱交換させることができることとなって、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることができることになる。
【００１５】
ちなみに、冷却用設定温度は、変成ガス用熱交換器における冷却水と変成ガスとの熱交換により、変成ガス用熱交換器を通過した変成ガスの温度を設定温度以下とすることができる温度に設定されている。
【００１６】
以上のことから、冷却水が放熱部を通過することにより生じる放熱ロスを極力抑制しながらも、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることができることになる。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、供給される改質水にて水蒸気を生成し、その生成した水蒸気を原燃料ガスに混合させる水蒸気生成部と、前記変成ガス用熱交換器に供給される前の変成ガスと前記水蒸気生成部に供給される前の改質水とを熱交換させる改質水予熱用熱交換器が設けられている。
【００１８】
すなわち、改質水予熱用熱交換器において、変成ガス用熱交換器に供給される前の変成ガスと水蒸気生成部に供給される前の改質水とを熱交換させることになるので、その熱交換により、変成ガスを冷却させかつ改質水を加熱させることができることになる。
したがって、変成用ガス熱交換器に供給される変成ガスの温度をより低温にすることができるとともに、水蒸気生成部にて水蒸気を生成するために必要となる熱量を小さくすることができることとなって、省エネルギー化を図りながらも、ＣＯ除去部に供給する変成ガスの温度を設定温度以下とすることができることになる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明にかかる燃料電池システムをコージェネレーションシステムに適応した例を図面に基づいて説明する。
このコージェネレーションシステムは、図１に示すように、水素と酸素の電気化学反応により発電する燃料電池システム１、その燃料電池システム１にて出力される排熱流体にて貯湯タンク２に貯湯して給湯する貯湯ユニット３、燃料電池システム１および貯湯ユニット３の運転を制御する制御手段としての運転制御部４などから構成されている。
【００２０】
前記燃料電池システム１には、燃料電池５、燃料電池５に供給する水素含有ガスとしての燃料ガスを生成するガス生成部６、燃料電池５に酸素含有ガスとしての空気を供給するブロア７、燃料電池５から出力される直流電力を交流電力に変換して電力消費機器に供給するインバータ８が設けられている。
【００２１】
前記燃料電池５は、例えば、高分子型の燃料電池を備え、ガス生成部６にて生成されて燃料ガス供給路９を通して供給される燃料ガス中の水素と、ブロア７から空気供給路１０を通して供給される空気中の酸素とを電気化学反応させて発電するように構成されている。
【００２２】
前記ガス生成部６は、供給される都市ガスなどの炭化水素系の原燃料ガスを脱硫処理する脱硫部１１、供給される改質水にて水蒸気を生成して、その生成した水蒸気を原燃料ガスに混合させる水蒸気生成部１２、水蒸気生成部１２にて生成された水蒸気にて脱硫原燃料ガスを改質反応させて改質処理する改質部１３、その改質部１３から排出される改質ガス中の一酸化炭素を水蒸気にて二酸化炭素に変成処理する変成部１４、その変成部１４から排出される変成ガス中に残留している一酸化炭素を除去するＣＯ除去部１５を備えて構成されている。
【００２３】
前記改質部１３における改質反応が吸熱反応であるので、改質用バーナ１６ａの燃焼熱により改質部１３を加熱する改質処理用加熱部１６が設けられている。
前記改質用バーナ１６ａは、燃料電池５からのオフガスを排燃料ガス路１７を通して供給するとともに、ブロア７からの空気を空気供給路１０から分岐された燃焼用空気供給路１８を通して供給することにより燃焼させるように構成されている。
また、改質用バーナ１６ａにおける燃焼排ガスは、水蒸気生成部１２において、水蒸気を生成するための熱源として使用するように構成されている。
【００２４】
前記脱硫部５に原燃料ガスを供給する燃料ガス供給路９の流路中には、燃料電池１への燃料ガス供給量を調整する燃料ガス供給量調整弁１９が設けられている。
そして、運転制御部４が、燃料ガス供給量調整弁１９の開度とブロア７の作動状態を制御することにより、燃料電池５に供給する燃料ガスの供給量および空気の供給量を調整して、燃料電池５からの発電出力を調整するように構成されている。
【００２５】
前記燃料電池５の冷却水を循環させる冷却水循環路２０には、冷却水の循環方向の上流側から、燃料電池５の冷却水と貯湯タンク２内の湯水とを熱交換させる排熱回収熱交換器２１、冷却水の熱を放熱させる放熱部としてのラジエター２２、排熱回収熱交換器２１を通過した冷却水とＣＯ除去部１５に供給される前の変成ガスとを熱交換させる変成ガス用熱交換器２３、冷却水循環ポンプ２４が設けられている。
また、変成ガス用熱交換器２３に供給される前の変成ガスと水蒸気生成部１２に供給される前の改質水とを熱交換させる改質水予熱用熱交換器２９が設けられている。
【００２６】
前記冷却水循環路２０には、燃料電池５からの冷却水を、排熱回収熱交換器２１、ラジエター２２、変成ガス用熱交換器２３を迂回させる非排熱回収用バイパス路２５と、排熱回収熱交換器２１を通過した冷却水を、ラジエター２２を迂回させる非放熱用バイパス路２６とが接続されている。
【００２７】
そして、冷却水循環路２０と非排熱回収用バイパス路２５の下流側端部との接続箇所には、燃料電池５からの冷却水を、冷却水循環路２０を通流させる排熱回収用冷却水と非排熱回収用バイパス路２５を通流させる非排熱回収用冷却水とに分流させかつその分流比を調整可能な排熱回収用三方弁２７が設けられている。
また、冷却水循環路２０と非放熱用バイパス路２６の下流側端部との接続箇所には、排熱回収熱交換器２１を通過した冷却水を、ラジエター２２を通過させたのち変成ガス用熱交換器２３に供給させる放熱用冷却水とラジエター２２を迂回させた変成ガス用熱交換器２３に供給させる非放熱用冷却水とに分流しかつその分流比を調整可能な分流手段としての放熱用三方弁２８が設けられている。
【００２８】
ちなみに、図示はしないが、燃料電池５からの冷却水の温度または燃料電池５に戻る冷却水の温度を検出する温度センサが設けられ、運転制御部４は、その温度センサの検出情報に基づいて、排熱回収用三方弁２７を制御するように構成されている。
【００２９】
前記貯湯ユニット３は、温度成層を形成する状態で湯水を貯湯する貯湯タンク２、排熱回収熱交換器２１を通過する状態で湯水循環路３０を通して貯湯タンク２内の湯水を循環させる湯水循環手段としての湯水循環ポンプ３１、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスと湯水循環路３０を通流する湯水とを熱交換させて、燃焼排ガスの顕熱を回収する顕熱回収熱交換器３２、その顕熱回収熱交換器３２を通過した改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスと湯水循環路３０を通流する湯水とを熱交換させて、燃焼排ガスの潜熱を回収する潜熱回収熱交換器３３、バーナ３４の燃焼により貯湯タンク２から取り出した湯水を加熱させる補助加熱用熱交換器３５などを備えて構成されている。
【００３０】
そして、貯湯タンク２には、その下部から貯湯タンク２に水道水圧を用いて給水するように構成され、貯湯タンク２から取り出された量だけの水を貯湯タンク２に給水するように構成されている。
また、湯水循環路３０は、貯湯タンク２の下部と上部とに連通接続され、貯湯タンク２の下部から取り出した湯水を循環させて、貯湯タンク２の上部に戻すように構成されている。
【００３１】
前記補助加熱用熱交換器３５においては、バーナ３４の燃焼量を調整することにより、湯水の温度が給湯設定温度になるように加熱させるように構成されている。
そして、顕熱回収熱交換器３２は、湯水循環路３０において排熱回収熱交換器２１よりも湯水の通流方向の下流側に設けられ、排熱流体供給路３６を通して改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを通流させることにより、改質用バーナ１３ａの燃焼排ガスにて湯水循環路３０を通流する湯水を加熱させて、改質用バーナ１３ａの燃焼排ガスの顕熱を回収するように構成されている。
【００３２】
また、潜熱回収熱交換器３３は、湯水循環路３０において排熱回収熱交換器２１よりも湯水の通流方向の上流側に設けられ、顕熱回収熱交換器２４を通過した改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを通流させることにより、改質用バーナ１３ａの燃焼排ガスにて排熱回収熱交換器２３に供給される前の湯水を加熱させて、改質用バーナ１３ａの燃焼排ガスの潜熱を回収するように構成されている。
【００３３】
このような燃料電池システム１では、変成ガス用熱交換器２３に供給される燃料電池５の冷却水を冷却用設定温度（例えば、３７℃〜４５℃）の安定した温度とすることにより、変成ガス用熱交換器２３を通過した変成ガスの温度を設定温度（例えば、４０℃）以下になるように構成されているので、以下、その構成について説明を加える。
【００３４】
前記排熱回収熱交換器２１を通過した冷却水の温度を検出する放熱用温度センサ３７と、変成ガス用熱交換器２３に供給される冷却水の温度を検出する変成ガス用温度センサ３８とが設けられている。
そして、運転制御部４は、放熱用温度センサ３７と変成ガス用温度センサ３８の検出情報に基づいて、変成ガス用熱交換器２３に供給される冷却水が冷却用設定温度になるように、ラジエター２２および放熱用三方弁２８を制御するように構成されている。
【００３５】
まず、ラジエター２２の制御について説明を加えると、運転制御部４は、放熱用温度センサ３７による検出温度が放熱用上限値（例えば、４５℃）以上であると、ラジエター２２の出力を最大出力（１００％出力）に制御し、放熱用温度センサ３７による検出温度が放熱用下限値（例えば、３９℃）以下であると、ラジエター２２を非作動状態（０％出力）に制御するようにしている。
そして、運転制御部４は、放熱用温度センサ３７による検出温度が放熱用上限値（例えば、４５℃）と放熱用下限値（例えば、３９℃）の間であると、放熱用温度センサ３７による検出温度が高くなるほど、ラジエター２２の出力が大きくなるように、放熱用温度センサ３７による検出温度に応じて最大出力（１００％出力）と非作動状態（０％出力）との間でラジエター２２の出力を制御するようにしている。
【００３６】
次に、放熱用三方弁２８の制御について説明を加えると、運転制御部４は、変成ガス用温度センサ３８による検出温度が変成ガス用上限値（例えば、４５℃）以上であると、排熱回収熱交換器２１を通過した冷却水の全量を放熱用流体としてラジエター２２を通過させるように放熱用三方弁２８を制御し、放熱用温度センサ３７による検出温度が変成ガス用下限値（例えば、３７℃）以下であると、排熱回収熱交換器２１を通過した冷却水の全量を非放熱用流体として非放熱用バイパス路２６を通流させるように放熱用三方弁２８を制御するようにしている。
そして、運転制御部４は、変成ガス用温度センサ３８による検出温度が変成ガス用上限値（例えば、４５℃）と変成ガス用下限値（例えば、３７℃）の間であると、変成ガス用温度センサ３８による検出温度が高くなるほど、非放熱用流体に対して放熱用流体が多量となるように、放熱用三方弁２８を制御するようにしている。
【００３７】
〔別実施形態〕
（１）上記実施形態では、変成ガス用熱交換器２３を設ける構成に加えて、非放熱用バイパス路２６や放熱用三方弁２８を設けて、運転制御部４が、変成ガス用温度センサ３８の検出情報に基づいて、変成ガス用熱交換器２３に供給される冷却水が冷却用設定温度になるように、放熱用三方弁２８を制御する構成を採用しているが、単に、変成ガス用熱交換器２３を設ける構成のみを採用して実施することも可能である。
【００３８】
（２）上記実施形態では、変成ガス用熱交換器２３に供給される前の変成ガスと水蒸気生成部１２に供給される前の改質水とを熱交換させる改質水予熱用熱交換器２９が設けられているが、改質水予熱用熱交換器２９を設けなくてもよい。
【００３９】
（３）上記実施形態では、湯水循環路３０に顕熱回収熱交換器３２および潜熱回収熱交換器３３を設けて、改質用バーナ１６ａの燃焼ガスの顕熱および潜熱にて湯水循環路２１を通流する湯水を加熱するように構成しているが、顕熱回収熱交換器３２と潜熱回収熱交換器３３の一方のみを設けたり、顕熱回収熱交換器３２と潜熱回収熱交換器３３の両方とも設けずに実施することも可能である。
【００４０】
（４）上記実施形態では、排熱流体である改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを、水蒸気生成部１２において、水蒸気を生成するための熱源として使用されたのち、顕熱回収熱交換器２４に供給するようにしているが、例えば、水蒸気生成部１２に別の熱源を設けて、改質用バーナ１６ａの燃焼排ガスを、直接顕熱回収熱交換器２４に供給するように構成して実施することも可能である。
【００４１】
（５）上記実施形態では、燃料電池５が、高分子型である例を示したが、リン酸型のものなど各種の燃料電池を適応することが可能である。
【００４２】
（６）上記実施形態では、本発明にかかる給湯併行式処理装置をコージェネレーションシステムに適応した例を示したが、コージェネレーションシステムに限らず、その他各種のシステムにも適応することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】コージェネレーションシステムの概略構成図
【符号の説明】
４ 制御手段
５ 燃料電池
１３ 改質部
１４ 変成部
１５ ＣＯ除去部
２１ 排熱回収熱交換器
２２ 放熱部
２３ 変成ガス用熱交換器
２８ 分流手段
２９ 改質水予熱用熱交換器
３０ 湯水循環路
３１ 湯水循環手段

Claims (3)

1. 供給される原燃料ガスを改質処理する改質部と、その改質部から供給される改質ガスを変成処理する変成部と、その変成部から供給される変成ガス中の一酸化炭素を除去するＣＯ除去部とが設けられている燃料電池システムであって、
   貯湯タンクから取り出した湯水を湯水循環路を通して循環させたのち、前記貯湯タンクに戻す湯水循環手段と、燃料電池の冷却水と前記湯水循環路を通流する湯水とを熱交換させる排熱回収熱交換器と、その排熱回収熱交換器を通過した冷却水と前記ＣＯ除去部に供給される前の変成ガスとを熱交換させる変成ガス用熱交換器とが設けられている燃料電池システム。
2. 前記排熱回収熱交換器を通過した冷却水を、その冷却水の熱を放熱させる放熱部を通過させたのち前記変成ガス用熱交換器に供給させる放熱用冷却水と前記放熱部を迂回させて前記変成ガス用熱交換器に供給させる非放熱用冷却水とに分流しかつその分流比を調整可能な分流手段と、
   前記変成ガス用熱交換器に供給される冷却水が冷却用設定温度になるように、前記分流手段を制御する制御手段とが設けられている請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 供給される改質水にて水蒸気を生成し、その生成した水蒸気を前記原燃料ガスに混合させる水蒸気生成部と、前記変成ガス用熱交換器に供給される前の変成ガスと前記水蒸気生成部に供給される前の改質水とを熱交換させる改質水予熱用熱交換器が設けられている請求項１または２に記載の燃料電池システム。

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