JP2006127784A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質形燃料電池からの排ガスを有効に利用できる燃料電池システムを提供する。
【解決手段】本発明は、固体電解質形燃料電池と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記固体電解質形燃料電池に排ガス配管を介して接続されるとともに前記貯湯タンクの底部及び上部にそれぞれ水循環配管を介して接続された熱交換器とを具備する燃料電池システムであって、前記熱交換器は、筐体と、排ガスの流通する内部空間と、該内部空間に設けられ排ガス流れ方向を軸として蛇行もしくは螺旋状に水の流通する配管と、排ガス流れ方向に略平行となるように前記配管の外壁に設けられた複数のフィンとを有し、該フィンが排ガス流れ方向に対して複数に分割されていることを特徴とする燃料電池システムである。
【選択図】 図２

Description

本発明は、固体電解質形燃料電池から排出される排ガスと貯湯タンクに貯えられる水を熱交換器に通過させることにより、排ガスの熱を回収するようにしてなる燃料電池システムに関する。

従来の高分子電解質形燃料電池システムでは、図３に示すような排熱回収システムが採用されている。このものは、燃料電池３１より生じた熱を回収する冷却水の温度を検出するサーミスタ等の電池温度検出器３３が、冷却配管３５の燃料電池３１からの出口側に設置されている。そして制御装置３６は、電池温度検出器３３が検出する冷却水の温度が運転温度の上限値未満の時は、燃料電池３１の発電量に応じて排熱回収配管３７内の水の流量が所定流量になるように循環ポンプ３９の出力を制御し、貯湯タンク全体の湯温が所定の温度に達し、電池温度検出器３３が運転温度の上限値以上となると燃料電池３１の発電量に関係なく発電を停止させるようになっている（例えば、特許文献１参照）。

この燃料電池システムの運転時には、燃料処理装置４３は天然ガスなどの原料を水蒸気改質し、水素を主成分とするガスを生成して燃料電池３１に供給する。また、空気供給装置４５により、酸化剤ガスは酸化側加湿器４７で加湿され、燃料電池３１に供給される。一方、燃料電池３１の発電により生じた熱は、冷却配管３５内を流れる冷却水に回収される。冷却水はポンプ４１により循環し、冷却水に回収された熱は、熱交換器４９を介して排熱回収配管３７内を循環する水に移動する。
特開２００１−１９６０７５号公報

このように、高分子電解質形燃料電池システムでは、排熱回収システムが開発されているものの、１ｋｗ級の固体電解質形燃料電池システムでは、排熱回収システムについては提案されたものはなく、また、電解質が固体電解質タイプという異なるものであるため、高分子電解質形燃料電池システムの排熱回収システムを固体電解質形燃料電池システムにそのまま適用することはできなかった。

即ち、高分子電解質形燃料電池システムでは、高分子電解質を用いるため燃料電池を冷却する必要があり、そのために冷却水を用いており、この冷却水による冷却が行われなくなると、燃料電池自体が破損するため、冷却水の温度を制御する必要があり、図３に示すような構造になっているものである。

これに対し、固体電解質形燃料電池システムでは、燃料ガスと酸素含有ガスを用いて固体電解質で発電するもので、余剰の燃料ガスや酸素含有ガス等の排ガスや、余剰の燃料ガスを燃焼させて燃焼ガスを排出するが、この排ガスの熱エネルギーを有効に利用しようとするものであり、燃料電池を冷却する必要がないため、図３に示す高分子電解質形燃料電池システムとは異なる構造及び制御方法になるのである。この固体電解質形燃料電池システムにおいては、固体電解質形燃料電池から排出される排ガスと貯湯タンクの底部から取り出した水とを熱交換器に通過させることにより、排ガスの熱量を水に伝え、この水（お湯となる）を貯湯タンクの上側に貯めておき、要時に給湯できるようにしようというものである。

一方、固体電解質形燃料電池システムの排熱回収システムに用いる熱交換器としては、伝熱面積が大きく、形状がコンパクトにできるプレート式熱交換器や、コストを安価にできる排ガス流れ方向に連続した形状のフィンを備えたフィンチューブ式熱交換器が考えられる。
そこで、これらの熱交換器を用いて十分な熱量を排ガスから水に伝達するために、貯湯用水の循環流量を小さくし、この貯湯用水の熱交換器出口温度を高く設定しようとすると、熱交換器の高温側から低温側にプレート自体やフィンを通して熱が伝わり、熱交換器全体が熱伝導によりほぼ同じ温度になってしまい、排ガスから貯湯用水への伝熱効率が低下する。

また、貯湯用水の循環流量を増大し、この貯湯用水の熱交換器出口水温を低く設定した場合、貯湯タンク全体が低温から徐々に上昇していき、貯湯タンクの下側に貯められた水温が４０℃を越えてしまう。すなわち、熱交換器入口水温と熱交換器出口水温の差が大きいと貯湯タンク内で底部側の水と上部側のお湯の層が形成されるような状態になり、貯湯タンクの底部側の水温が上昇しにくいが、熱交換器入口水温と熱交換器出口水温の差が小さいと貯湯タンク内で底部側の水と上部側のお湯が混ざり合ってしまい、貯湯タンクの底部側の水温が徐々に上昇してしまう。このようになると、排ガスと水の熱交換効率が悪化し、十分な潜熱が回収できなくなり排ガスを有効に利用することができない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、固体電解質形燃料電池からの排ガスを有効に利用できる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、固体電解質形燃料電池と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記固体電解質形燃料電池に排ガス配管を介して接続されるとともに前記貯湯タンクの底部及び上部にそれぞれ水循環配管を介して接続された熱交換器とを具備する燃料電池システムであって、前記熱交換器は、筐体と、排ガスの流通する内部空間と、該内部空間に設けられ排ガス流れ方向を軸として蛇行もしくは螺旋状に水の流通する配管と、排ガス流れ方向に略平行となるように前記配管の外壁に設けられた複数のフィンとを有し、該フィンが排ガス流れ方向に対して複数に分割されていることを特徴とする燃料電池システムである。

このように、フィンが排ガス流れ方向に対して連続しておらず複数に分割されていることにより、排ガス流れ方向への熱伝導が悪くなり、熱交換器全体で均等に熱交換が行なわれるようになるため、排ガスを有効に利用できるようになる。

尚、ここでいう排ガス流れ方向に対して複数に分割されているとは、配管ごとに独立したフィンとなっていてもよく、２〜３本程度の配管と配管の間ではつながっていてもよいことを意味する。

また、本発明の燃料電池システムは、熱交換器に流入する排ガス温度が２５０℃以下であることを特徴とする。固体電解質形燃料電池の運転温度は一般に７００℃以上と高温であるために、酸化剤ガスが排ガスとの熱交換により高温ガスとなって供給される。その為、熱交換により２５０℃以下まで冷却されて排出された排ガスを、水との熱交換のための熱交換器に流入させることができる。ここで３５０℃以上の燃焼ガス（排ガスを含む）を熱源とするものが温水ボイラーと定義されるが、上述のように熱交換器に流入する排ガス温度が２５０℃以下であることにより、ボイラーではないので、貯湯圧力を高く設定したとしても、危険性の少ないシステムを提供できる。

さらに、本発明の燃料電池システムは、固体電解質形燃料電池の運転温度が８００℃以下であるとともに、熱交換器において熱交換により排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水が固体電解質形燃料電池に供給されることを特徴とする。固体電解質形燃料電池の運転温度が８００℃以下であることにより、電気化学反応によって発生する水にはNOxやSOx等が含まれていないため、純水に近い。一方、燃料ガスを改質して水素を取り出すために、従来イオン交換水を蒸気にして供給する必要があったが、この凝縮水を用いることにより、イオン交換水を精製する装置が不要となり、燃料電池を小型化でき、安価なシステムを供給できる。

また、熱交換器内の配管を流れる水の流量が０．２リットル／分以下であることを特徴とする。１KW級の固体電解質形燃料電池の排ガス熱量は、例えば熱交換器に流入する排ガス温度が２１２℃の場合、６６．１KJ/minと計算される。そこで、熱交換器内の水の流量を０．２リットル／分以下とすることにより熱交換器出口水温を８０℃〜９０℃とすることができ、排ガスと循環水が熱交換器中で十分な温度差を確保できるので排ガスから高温水を得ることができる。

１KW級固体電解質形燃料電池の場合、排ガス熱量が１１００Ｗ程度と小さいことと、この熱量の５３％が潜熱であるため、熱交換器より最終排出される排ガス（水を含む）温度は４０℃以下にならないと十分な熱量を水に伝達することが出来なくなるが、本発明によれば、排ガス温度４０℃以下を達成できることにより、排ガスの熱量を効率よく有効に回収し、高温の水を安定して供給することができる。

本発明の燃料電池システムの実施形態を図面に基づいて説明する。

図１に示す燃料電池システムは、固体電解質形燃料電池１と、湯水を貯える貯湯タンク６と、固体電解質形燃料電池に排ガス配管９を介して接続されるとともに貯湯タンク６の底部及び上部にそれぞれ水循環配管７を介して接続された熱交換器とを具備する燃料電池システムであって、固体電解質形燃料電池１から排出される排ガス及び貯湯タンク６に貯えられる水を熱交換器に通過させることにより、排ガスの熱を回収するようにしてなる燃料電池システムである。

この燃料電池システムは、固体電解質形燃料電池１に都市ガス、天然ガスなどの燃料ガスを供給するための燃料ガス供給装置２、固体電解質形燃料電池１に供給する燃料ガスを加湿する燃料加湿器４、固体電解質形燃料電池１に酸化剤としての空気を供給するための空気供給装置３を有している。

固体電解質形燃料電池１は、燃料極と空気極が固体電解質層を介して対向するように設けられ、空気極側に空気を供給するとともに、燃料極側に燃料ガス（水素）を供給することにより、空気極で下記式（１）の電極反応を生じ、また燃料極で下記式（２）の電極反応を生じることによって発電するものである。
空気極： １／２Ｏ_２＋２ｅ⁻ → Ｏ^２− （固体電解質） …（１）
燃料極： Ｏ^２− （固体電解質）＋ Ｈ_２ → Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻ …（２）
燃料ガス供給装置２及び空気供給装置３は、燃料ガス及び空気の流量をコントロールしながら燃料ガス及び空気を固体電解質形燃料電池１に送るように設定されたものである。そして、燃料ガス供給装置２から送り出された燃料ガスは、改質に適した水素／水蒸気比となるように燃料加湿器４で加湿され、改質器（図示しない）を経て固体電解質形燃料電池１へ送られる。

そして、固体電解質形燃料電池１には、この燃料電池の発電により生じる排ガスの熱量を回収するための熱交換器５が排ガス配管９を介して接続されており、さらに熱交換器５には貯湯タンク６内の水を循環するための循環配管７（下流側循環配管７ａ、上流側循環配管７ｂ）が接続されている。図１中、上流側循環配管７ｂには循環配管７ａ、７ｂ内の水を熱交換器５に供給するためのうず巻きポンプからなる循環ポンプ８が設けられており、貯湯タンク底部から水を取り出し、熱交換器５を通して貯湯タンク６の上部に戻すようになっている。

熱交換器５には、図２に示すように、筐体５３の内部に、排ガスの流通する内部空間（シェル側）と、排ガス流れ方向を軸として蛇行形状の水の流通する配管５１と、排ガス流れ方向に略平行に配管５１の外壁に接して複数のフィン５２が設けられている。図２では、熱交換器５の上部から下部に向かって排ガスが流れ、逆に下部から上部に向かって水が流れるようになっており、いわゆる対向流となっている。

配管５１は、熱交換の効率を上げるために密に収納されているのが好ましく、このような効果を得るために蛇行状になっている。この形状としては、螺旋状であってもよいが、熱交換器５をなるべくコンパクトにするためには図2に示すような蛇行形状であるのが好ましい。尚、配管５１の材質としては、銅、アルミニウム、ステンレスなどが挙げられるが、特に限定はされない。

そして、配管５１の外側を流れる排ガスから配管５１の内側を流れる水への伝熱面積を増加させるために、配管５１の外壁に接して複数のフィン５２が設けられている。このフィン５２は、排ガスの圧力損失をなるべく少なくするように、配管２の屈曲部位には設けられずに、排ガス流れ方向に垂直な方向の直線部位に、排ガス流れ方向に略平行に配置されている。また、複数のフィン５２は、所定の間隔で配置されているが、この間隔が狭すぎると、後述の排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水がフィンの間隙に溜まり熱交換率が低下してしまうおそれがあり、間隔が広すぎると集熱が悪く熱交換率が低下してしまうおそれがあるので、フィン５２の間隔は１〜数ｍｍ程度であるのが好ましい。

また、フィン５２は、排ガス流れ方向に対して連続しておらず、複数に分割されている。

具体的には、上下に隣接する配管５１の間で分割されているか、２〜３本程度の配管と配管の間ではつながっている状態となっている。この分割形状は、排ガス流れ方向に連続するような従来よりあるフィン形状を単に分割したような形状でもよく、図３に示すように配管５１の周囲に付設可能な円盤状のフィンであってもよい。このように排ガス流れ方向に対して分割されていることにより、排ガス流れ方向（水の流れに垂直な方向）への熱伝導が悪くなり、熱交換器５内で温度勾配ができることにより、熱交換器全体で均等に熱交換が行なわれるようになる。このようなフィン５２の材質としては、銅、アルミニウムなどが好ましく採用されるが、特にこれらに限定されるものではない。

尚、この熱交換器５に流入する排ガス温度としては、２５０℃以下であるのが好ましく、この温度域では、ボイラーと定義されるものではないので、貯湯圧力を高く設定したとしても、危険性の少ないシステムとなる。

また、固体電解質形燃料電池の運転温度が８００℃以下であるとともに、熱交換器において熱交換により排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水が固体電解質形燃料電池に供給されるのが好ましい。熱交換により潜熱の熱量が回収されるが、このとき排ガス中の水蒸気は液化されて水（凝縮水）となる。運転温度が１０００℃になった状態で排出される排ガス中の水蒸気が熱交換により水になると、その水はNOxやSOx等が含まれて酸性となっており、中和剤を入れてから廃棄しなければならない。これに対し、運転温度８００℃以下であることにより、固体電解質形燃料電池における電気化学反応によって発生する水にはNOxやSOx等が含まれていないため、純水に近く、廃棄の問題もない。さらに、燃料ガスを改質して水素を取り出すために、従来、イオン交換水を蒸気にして供給する必要があったが、イオン交換水にかえて、上述のように発生した水が水蒸気となって含まれる排ガスが熱交換器を通過することにより得られる凝縮水を用いることができるようになり、イオン交換水を精製する装置が不要となり、燃料電池を小型化できる。

また、熱交換器内の配管を流れる水の流量が０．２リットル／分以下であるのが好ましい。１KW級の固体電解質形燃料電池の排ガス熱量は、例えば熱交換器に流入する排ガス温度が２１２℃の場合、６６．１KJ/minと計算される。そこで、熱交換器内の水の流量を０．２リットル／分以下とすることにより熱交換器出口水温を８０℃〜９０℃とすることができ、排ガスと循環水が熱交換器の中で対向流で十分な温度差が確保できるので排ガスから高温水を得ることができる。なお、貯湯タンク６の容量が１００リットルだとすると、０．２リットル／分の流量で８〜１０時間程度で貯湯タンク内の水がお湯になってしまい、熱交換器入口水温が高くなってしまうのではないかという懸念に対し、家庭において本発明の燃料電池システムが使用される場合には、８〜１０時間のうちにお風呂等定期的にお湯が使用されるので、上記懸念は解消される。

以上のような燃料電池システムの運転は、燃料供給装置２で燃料となる都市ガス、天然ガスなどを燃料電池１に供給する。また、空気供給装置３により酸化剤ガスが燃料電池１に供給される。最初に燃料電池１内部で燃料ガスを燃焼させ、その燃焼熱で燃料電池１自体を発電可能な温度まで加熱する。所定の温度になると発電が始まり、発電により発生する熱により燃料電池１の温度を維持する。さらに、発電により発生する熱が余り、外部に排熱として放出されるようになる。この排熱を熱交換器５へ導き、熱交換器５を介して水循環配管７内を循環する水に熱を移動せしめる。燃料電池１より排出される排ガスが熱交換器５のシェル側を下方に向かって流れ、水側は配管５１を下から上方に向かって対向流で流れ、配管５１に付設されたフィン５２で熱を吸収して集熱管５１へ伝達する。この時、フィンが排ガスの流れ方向に対して分割されているため、循環流量が０．２リットル/分以下でもフィンを通して熱交換器低温側への熱伝導がなくなり、熱交換全体で均等に熱交換が行われるようになり、排ガスを有効に利用できるようになる。

本発明の燃料電池システムを示す構成図である。 本発明の熱交換器の内部構造の説明図である。 図２に示す配管５１の周囲に円盤状のフィン５２を取り付けた状態を示す説明図である。 従来の高分子電解質形燃料電池システムを示す構成図である。

符号の説明

１ ：燃料電池
２ ：燃料ガス供給装置
３ ：空気供給装置
４ ：燃料加湿器
５ ：熱交換器
６ ：貯湯タンク
７ ：循環配管
７ａ：下流側循環配管
７ｂ：上流側循環配管
８ ：循環ポンプ
１０：切り替えダンパ
１１：熱交換器入口水温検出器
１２：熱交換器出口水温検出器
１３：制御装置
１４：タンク温度検出器

Claims (4)

1. 固体電解質形燃料電池と、湯水を貯える貯湯タンクと、前記固体電解質形燃料電池に排ガス配管を介して接続されるとともに前記貯湯タンクの底部及び上部にそれぞれ水循環配管を介して接続された熱交換器とを具備する燃料電池システムであって、
   前記熱交換器は、筐体と、排ガスの流通する内部空間と、該内部空間に設けられ排ガス流れ方向を軸として蛇行もしくは螺旋状に水の流通する配管と、排ガス流れ方向に略平行となるように前記配管の外壁に設けられた複数のフィンとを有し、該フィンが排ガス流れ方向に対して複数に分割されていることを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記熱交換器に流入する排ガス温度が２５０℃以下であることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記固体電解質形燃料電池の運転温度が８００℃以下であるとともに、前記熱交換器において熱交換により排ガス中の水蒸気が液化してなる凝縮水が前記固体電解質形燃料電池に供給されることを特徴とする請求項1または２に記載の燃料電池システム。
4. 前記熱交換器内の配管を流れる水の流量が０．２リットル／分以下であることを特徴とする請求項1乃至３のうちいずれかに記載の燃料電池システム。

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