JP2006294573A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】
燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、排熱回収により貯湯タンクが満タンになったとき、ラジエターなどの専用ユニットで放熱させることなく簡単なシステム構成および制御によりシステムの発電運転を継続させること。
【解決手段】
水素と空気中の酸素により発電を行う燃料電池スタックと、発電に伴い発生する熱を回収するために排熱回収水を循環し熱交換を行う排熱回収手段と、排熱回収手段により回収された熱を湯水として蓄える積層貯湯型の貯湯タンクとを備え、貯湯槽が高温水で満タンになり排熱回収水が高温となったときに、循環ポンプで排熱回収水の循環を実施して燃料電池スタックでの発電運転を継続する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムに関するものである。

燃料電池コージェネレーションシステムは、都市ガス、ＬＰＧなどの原燃料を水素製造装置で改質し、水素リッチガスとして燃料電池スタックへ供給し、空気中の酸素と反応させ、発電を行うシステムである。また、同時に発生する熱を回収し湯水として蓄え、家庭の給湯需要、暖房需要に用いるものである。

一般に、家庭における電力需要と給湯需要を比べると、電力需要のほうが大きいため、湯水が余る状態になる。特に夏季は、湯水の使用量が減少するとともに、エアコンなどの電力需要が増加することにより、電力需要、給湯需要のアンバランスは顕著となる。

燃料電池コージェネレーションシステムでは、発電とともに発生する燃料電池スタックからの発熱を回収し、湯水として蓄えるとともに、燃料電池スタックの発電運転時の温度を制御する。固体高分子形燃料電池スタックは、使用している固体高分子膜の性質上、発電時の燃料電池スタック温度を70℃〜80℃の範囲で使用するのが好ましいとされている。したがって、発電とともに発生する熱をスタック冷却水などにより冷却する必要がある。

スタック冷却水による冷却では、燃料電池スタックが発熱し熱交換を行うと冷却水の温度が上昇するため、さらに排熱回収水による熱交換を行い、燃料電池スタック冷却水温の上昇を防止する。この熱交換により回収した熱を貯湯タンク内に湯水として蓄えることになる。

この蓄えられたタンク内の湯水は家庭内の給湯で使用することになるが、家庭での給湯需要がない場合や少ない場合には、システムの発電運転とともにタンク内の高温湯水量が増加し、タンク内水温が上昇する。積層型の貯湯を行うシステムの場合、タンク下部まで高温の湯水が蓄えられると、排熱回収するための排熱回収水温度も上昇することになる。

排熱回収水温度が上昇すると、水温が高いためにスタック冷却水との熱交換で十分に熱の回収が実施できず、スタック冷却水温度の上昇を引き起こし、ひいては燃料電池スタックの温度が上昇することになる。したがって、貯湯タンクが湯水で満タンになった場合は、燃料電池スタック温度を制御できなくなるためにシステムの発電運転を停止する必要が生じる。

この湯水満タンによるシステム停止の制限を無くす方法としては、放熱器などの冷却ユニットを用いて、高温となった湯水を低温化し、冷却に使用することである。

一般的な構成を図３に示す。燃料電池スタック４は、スタック冷却水が流れる冷却水管路５を流れることで、発電運転中冷却が行われる。冷却水管路５は、スタック冷却水熱交換器６の冷却水管路と燃料電池スタック４の冷却水管路との間にスタック冷却水が循環する管路であり、スタック冷却水熱交換器６で熱交換した冷却水を溜めるスタック冷却水タンク８と冷却水を循環させるスタック冷却水ポンプ７とが冷却水管路５に設けられている。

スタック冷却水は燃料電池スタック４で生じた熱を熱交換することにより温度が上昇する。そのため、スタック冷却水熱交換器６で排熱回収水10と熱交換を行い、スタック冷却水温度を一定温度に制御する。

排熱回収水10はスタック冷却水水熱交換器６で熱交換により高温の湯水となり、管路を通って貯湯タンク12に蓄えられる。システムの発電運転により、貯湯タンク12が高温湯水で満たされた場合は、排熱回収水10の水温も上昇し、スタック冷却水水熱交換器６で十分に熱交換を行うことができなくなる。このため、排熱回収水循環管路上に放熱器11aおよび放熱ファン11bを設けて排熱回収水の水温を低下させ、スタック冷却水熱交換器6でスタック冷却水の水温を低下させることにより、システムの運転を継続させる。

または、スタック冷却水系統に放熱器と放熱ファンを取付け、スタック冷却水温度を制御することにより、燃料電池スタックの温度上昇を制御する方法もある。さらに、特許文献1に記載のように、専用の放熱ファンを設置せず、従来備えている空気ファンを利用し、このファンにより排熱回収水の温度を低下させ、制御する方法もある。

特開2003-272647号公報

従来技術のように、専用の放熱器や放熱ファンを用いて、放熱することにより燃料電池スタックの温度上昇を抑え、システムの発電運転を継続する方法では、燃料電池スタックの発熱により発生した熱を放熱することにより、システムの発電運転が継続できるとともに、安定したスタック冷却水温、燃料電池スタック温度に制御ができるため、システムの安定発電運転を実施できる利点をもつ。しかし放熱のために専用のファンを動作させるなど電力を消費することに加え、放熱ユニットを追加することによる構成部材の増加、部品コストの上昇、組み立て工数の増加、収納筐体の大形化、制御系の複雑化が発生することになる。

また、特許文献1に記載の発明によれば、従来備えているプロセスガスバーナーへ供給するための空気ファンを使用することにより、放熱ファンの追加を軽減しているが、放熱のための空気ファンの運転による電力消費、循環ラインの追加など、部材の増加が依然として問題となる。

本発明の目的は、上記問題を解決するために、放熱器などの専用の冷却ユニットを設けることなく、または、ファンなどの運転を実施することなく、貯湯タンクが高温の湯水で満タンとなり、排熱回収水が高温化してもシステムを停止することなく発電運転を継続できる燃料電池コージェネレーションシステムを提供することにある。

この課題を解決するために、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、システムの発電運転により貯湯タンクが高温の湯水で満タンになり、冷却のための排熱回収水温度が上昇したときに、排熱回収水の循環流量を増やして高流量で循環させて、燃料電池スタックでの発電運転を継続させる。このとき、燃料電池スタックでの発電電力量と排熱回収水の循環流量に基づき排熱回収水の循環流量を変えるようにしてもよい。

また、システムの発電電力量と排熱回収水の循環流量に基づき、貯湯タンクが高温の湯水で満タンに近づいた場合、貯湯タンクの温度積層状態を変化させること、つまり温度差のない湯水のタンク内への流れ込みにより、貯湯タンクの温度の積層状態がなくなり、均一温度状態へと移行する。これにより、高温の温度層をなくして成層境界をなくすことにより、排熱回収水の温度を一定温度に制御することができる。

また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、カソード空気の加湿手段としてスタック冷却水を用いて加湿を行い、カソード空気量を制御することにより燃料電池スタック温度を制御して、貯湯タンクが満タンになり、排熱回収水が高温の湯水となったときに、排熱回収水の循環により、システムの運転を継続する。排熱回収水の循環を行っても燃料電池スタックの温度が上昇する場合には、カソード空気量を制御することにより、燃料電池スタックの温度を制御することができ、システムの発電運転を継続することができる。

さらに、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池スタックに供給する改質ガスの温度を制御するための熱交換器を備え、燃料電池スタックに供給する改質ガスの温度を制御する場合、貯湯タンクが満タンになり、排熱回収水が高温の湯水となったときに、排熱回収水の循環により、システムの運転を継続する。排熱回収水の循環を行っても燃料電池スタックの温度が上昇する場合には、燃料電池スタックに供給する改質ガスの温度を制御することにより、燃料電池スタックの温度を制御することができ、システムの発電運転を継続することができる。

本発明によれば、家庭内の電力需要と給湯需要がアンバランスで熱需要が少ない状態であっても、専用の放熱器などを具備することなく、システムの発電運転を継続することができる。

本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムの一実施形態を添付図面に基づいて説明する。なお、図3で用いた符号は、共用できる部品については同じ符号を用いる。

図１は、燃料電池コージェネレーションシステムの本発明に係る全体構成図の一例である。燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池システム1と貯湯槽2より構成される。

貯湯槽２は、燃料電池システム1での発電運転に伴い発生する熱を熱交換し、湯水として貯湯槽2の貯湯タンク13に蓄える。

燃料電池システム1は、原燃料を水素に改質する改質器3を備え、原燃料（都市ガス、ＬＰＧ）を改質し、水素リッチな改質ガスを生成する。生成された改質ガスは、改質ガス管路19を通じて改質ガス熱交換器21を経て、燃料電池スタック4のアノード極（図示せず）に供給され、発電に使用される。

未反応の水素を含み、排出されるアノード排ガスは、アノード排ガス管路15を通じて排ガス熱交換器16に至り熱交換を実施後、再び改質器3に戻り、熱源として利用され、排気ガスとして排出される。燃料電池スタック4は、カソード極（図示せず）に供給するための酸化剤（空気）を加湿するための加湿部18を燃料電池スタック4と一体に備えている。燃料電池スタック４は、加湿部との一体形構造のものでなく、カソード空気をスタック冷却水タンク8でバブリングし、加湿を行う方式であってもよい。

カソードブロア9により供給されたカソード空気は、カソード空気管路２３を通じて加湿部18に供給され、スタック冷却水により加湿され、燃料電池スタック4のカソード極に供給される。発電に伴う反応により飽和な水蒸気および水分を含むカソード排ガスは、カソード排ガス管路14を通じて排ガス熱交換器16に供給され、排熱回収水と熱交換され排気される。

スタック冷却水は、スタック冷却水ポンプ7により燃料電池スタック4、加湿部18を循環し、スタック冷却水タンク8に蓄えられる。貯湯タンク13内の排熱回収水は、排ガス熱交換器16、スタック冷却水熱交換器6及び改質ガス熱交換器21を介して貯湯タンク１３に接続する排熱回収水管路10を排熱回収水ポンプ12で循環する。排熱回収水10は、排ガス熱交換器16、スタック冷却水熱交換器6、改質ガス熱交換器21で、各高温媒体と熱交換し、湯水として、貯湯タンク13に蓄えられる。さらに排熱回収水を熱交換する熱交換器として、排気ガスとの熱交換器を排熱回収水管路10上に備えてもよい。

燃料電池システム１で発電運転を行い、排熱回収水を循環させることにより、貯湯タンクには徐々に60℃〜75℃程度の高温の湯水が蓄えられていく。このとき、排熱回収水の循環流量が少ない場合は、湯水はタンク内で供給水温度の低温の層と熱を回収した湯水による高温の層の２層に分離した積層状態となり蓄えられていく。湯水を積層状態として貯湯することにより、タンク内に湯水が満タン状態になるまで、排熱回収水は外部からの供給水温度相当の低温度水として供給することができ、効率的に熱交換を行うことができる。

排熱回収水を循環させる排熱回収水ポンプ12は流量可変形のポンプであり、流量は、改質ガス入口温度センサ22により検出した熱交換後の改質ガスの温度を制御点として使用する。排熱回収水流量を調整できる調整弁を別途具備してもよい。例えば、燃料電池システムの発電電力は、段階的なレベルにより制御を実施する場合、各発電レベルに応じて改質ガス入口温度を決定し、この温度に制御するよう、排熱回収水流量を制御する。燃料電池スタック４はシステムの発電運転により発熱するが、空気により加湿を行う際に発電により発生する熱を吸収する。また、改質ガス入口温度を低く設定することにより、改質ガスにより燃料電池スタック４の発熱を吸収するため、燃料電池スタックの温度は過度な温度域に上昇することなく運転が実施できる。

貯湯タンク13は、湯水の貯湯状態を制御するため、温度センサ17a〜17cを具備しており、タンク内の湯水貯湯状態を監視している。ここで、温度センサは、3個以上備えてもよく、よりタンク湯水状態を詳細に監視できる。

図１に示した本実施形態の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電運転により貯湯タンク内の湯水が満タンになり、例えば、貯湯タンク温度センサ17cの温度が60℃となり、貯湯が十分に行われた状態であっても、排熱回収水ポンプ12を高流量で循環運転することにより発電運転を継続する。ここで高流量というのは1.2Ｌ／min〜2.0Ｌ／min程度の流量をさす。

ここで、排熱回収水温度が例えば60℃となった場合、排ガス熱交換器16では、60℃以上であるカソード排ガスとアノード排ガスとの熱交換により、カソード排ガス、アノード排ガスは約60℃程度まで冷却され大気に排気される。ここで、60℃程度で排気されることにより本来回収していた熱を専用放熱器などの冷却器を具備することなく放出することができる。

排熱回収水10は、排ガス熱交換器16、スタック冷却水熱交換器22、改質ガス熱交換器21により熱交換し、65℃程度の湯水として、タンク内に戻る。ここで、排熱回収水ポンプを高流量で運転することにより、貯湯タンクに戻る排熱回収水の温度はあまり上昇せず、また改質ガス熱交換器により、改質ガスの温度を低くしてもよい。改質ガスの温度を低くすることにより、改質ガスおよびカソード空気により燃料電池スタック4の発電運転温度は自己発熱による過度の温度上昇が発生することなく、運転温度域に制御される。

図１に示すシステムでは、システムの運転により貯湯タンク13が湯水で満タン状態になるまでは、排熱回収により得られた湯水は貯湯タンク13の上部より徐々に湯水が積層を形成しながら貯湯される。

湯水で満タンになった場合に、システムの発電レベルを低い発電運転レベルにするとともに、排熱回収ポンプ12を高流量で運転することにより、貯湯タンクの積層状態はくずれ、均一貯湯状態と変化する。貯湯タンク13の最下部に取付けられた温度センサ17cが55℃〜60℃程度の高温水となった場合、システムの発電レベルを定格発電の30%〜50%程度の低レベル運転とし、排熱回収水を高流量（1.2Ｌ／min〜2.0Ｌ／min）で循環させることにより、温度差の少ない湯水が貯湯タンク１３に多流量に流れ込み、貯湯タンク13のタンク内では対流が発生し、タンク内の水温は徐々に均一化していく。ここで貯湯タンク13の湯水供給口には供給湯水の勢いを拡散させるためのバッフルパンが取付けられていてもかまわない。

排熱回収水を高流量で循環させることにより、排熱回収水のタンク戻り温度は、5℃程度上昇するが、貯湯タンク13内の対流と、タンクの自然放熱によりタンク内温度は徐々に均一温度に近づく。最終的には、63℃〜64℃程度の均一な温度となり、熱回収を実施しても、温度は均一状態のまま維持される。ここで、上記説明に用いた温度は一例であり、システムの発電レベル、排熱回収水循環流量、燃料電池スタックの発熱量によって、その最適循環量、切替え温度、均一化温度は異なる状態となる場合もある。図１では貯湯槽としての貯湯タンクは１式としているが、筐体寸法などでタンクを分割した場合、例えば100リットルタンクや150リットルタンクを２体直列で形成した場合でも同様である。

このように、貯湯タンク内を一定均一温度にすることにより排熱回収水の温度を一定にすることができるため、発電運転時の状態を一定とすることができる。また、貯湯タンク内の湯水温度を上昇させない状態で、システムの発電運転を継続させることができる。

図２の燃料電池コージェネレーションシステムは、スタック冷却水と排熱回収水との熱交換器を不要としたものであり、スタック冷却水の冷却手段として熱交換器６を備えていない。

燃料電池スタック4は発電運転を行った場合発熱を伴い、そのためにスタック冷却水をスタック冷却水ポンプ7で循環する必要がある。しかし、スタック冷却水をカソード空気の加湿に使用するシステムとした場合、カソード空気23によりスタック冷却水は加湿部で熱交換され、スタック冷却水は冷却される。

ここではカソード空気23の流量を制御することにより、スタック冷却水の冷却水タンク戻り温度を低下させることができる。カソード空気23の流量の制御は、流量可変型のカソードブロアを用いても、流量調整弁などにより流量を調整してもよい。また、改質ガスは改質ガス熱交換器21を経て燃料電池スタック4に供給される。ここで供給される改質ガス温度を測定する改質ガス温度センサ22を備え、改質ガス温度を最適化するよう、排熱回収水ポンプ12の流量を制御する。燃料電池スタック４の発電運転時の温度が低い場合には、排熱回収水流量を減らし、改質ガス温度を上昇させることにより燃料電池スタック温度を上昇させることができる。

改質ガス温度が高い場合には、排熱回収水流量を増加させ、改質ガス温度を低くすることにより燃料電池スタックの温度を低下させることができる。このように、カソード空気、および燃料電池スタックに供給する改質ガス温度を制御することにより、スタック冷却水と排熱回収水との熱交換器を用いることなく、燃料電池スタックの温度を運転温度域に制御することができ、貯湯タンク内が満タンになり、排熱回収水が高温の湯水となった場合においても、システムの発電運転を簡単な構成で継続することができる。

また、湯水で満タンになった場合に、改質ガス温度を低くしてシステムの発電レベルを低い発電運転レベルにするとともに、排熱回収ポンプ12を高流量で運転するようにしてもよい。

以上述べたように、本発明の実施例によれば、システムの構成部材の増加、コストの増加、筐体の容量増加をすることなく、また、冷却のためにファンを運転するなどの電力を消費することなく、発電運転を継続することができ、発電寄与率、経済性、環境性を向上させることができる。

本発明の一実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの系統図。 本発明の一実施形態に係る燃料電池コージェネレーションシステムの系統図。 一般的な燃料電池コージェネレーションシステムの一例における系統図。

符号の説明

１…燃料電池システム、２…貯湯槽、３…改質器、４…燃料電池スタック、５…スタック冷却水管路、６…スタック冷却水熱交換器、７…スタック冷却水ポンプ、８…スタック冷却水タンク、９…カソードブロア、１０…排熱回収水管路、１１ａ…放熱器、１１ｂ…放熱ファン、１２…排熱回収水ポンプ、１３…貯湯タンク、１４…カソード排ガス管路、１５…アノード排ガス管路、１6…排ガス熱交換器、１７ａ…貯湯タンク温度センサ、１７ｂ…貯湯タンク温度センサ、１７ｃ…貯湯タンク温度センサ、１8…加湿部、１9…改質ガス管路、２０…排気ガス管路、２１…改質ガス熱交換器、２２…改質ガス温度センサ、２３…カソード空気。

Claims (4)

1. 原燃料を改質し水素を製造する水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素と空気中の酸素により発電を行う燃料電池スタックと、発電に伴い発生する熱を回収する排熱回収水を循環ポンプで循環する排熱回収水管路と、前記排熱回収水管路上に設けられ排熱回収水を蓄える貯湯槽とを備え、前記貯湯槽が高温水で満タンになり排熱回収水が高温となったときに、前記循環ポンプで排熱回収水の循環流量を増やして前記燃料電池スタックでの発電運転を継続する燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 原燃料を改質し水素を製造する水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素と空気中の酸素により発電を行う燃料電池スタックと、発電に伴い発生する熱を回収する排熱回収水を循環ポンプで循環させる排熱回収水管路と、前記排熱回収水管路上に設けられ排熱回収水を蓄える貯湯槽とを備え、前記貯湯槽が高温水で満タンになり排熱回収水が高温となったときに、前記貯湯槽に溜まった湯水を高温と低温の積層境界のない均一温度で溜まるように前記循環ポンプで排熱回収水の循環を実施して前記燃料電池スタックでの発電運転を継続する燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 原燃料を改質し水素を製造する水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素と空気中の酸素により発電を行う燃料電池スタックと、発電に伴い発生する熱を回収する排熱回収水を循環ポンプで循環させる排熱回収水管路と、前記排熱回収水管路上に設けられ排熱回収水を蓄える貯湯槽と、前記燃料電池スタックを冷却する燃料電池スタック冷却水を循環するスタック冷却水管路と、前記燃料電池スタックに供給するカソード空気を用いてスタック冷却水の温度上昇を抑える冷却手段とを備え、前記貯湯槽が高温水で満タンになり排熱回収水が高温となったときに、前記冷却手段でスタック冷却水の温度を変えながら前記循環ポンプで排熱回収水の循環を実施して前記燃料電池スタックでの発電運転を継続する燃料電池コージェネレーションシステム。
4. 原燃料を改質し水素を製造する水素製造装置と、前記水素製造装置で製造された水素と空気中の酸素により発電を行う燃料電池スタックと、発電に伴い発生する熱を回収する排熱回収水を循環ポンプで循環させる排熱回収水管路と、前記排熱回収水管路上に設けられ排熱回収水を蓄える貯湯槽と、前記燃料電池スタックに供給する改質ガスの温度を制御する制御手段とを備え、前記貯湯槽が高温水で満タンになり排熱回収水が高温となったときに、前記改質ガスの温度を変えながら前記循環ポンプで排熱回収水の強制循環を実施して前記燃料電池スタックでの発電運転を継続する燃料電池コージェネレーションシステム。
   

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