JP2008210630A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】循環ポンプのハンチング現象を抑制できる燃料電池装置を提供する。
【解決手段】燃料電池１と、該燃料電池１からの排熱を回収する熱交換器６と、湯水を貯湯する貯湯タンク１４と、熱交換器６と貯湯タンク１４との間で湯水を循環させる循環配管５と、該循環配管５に設けられた循環ポンプ８と、熱交換器６内部に設けられ、熱交換器６内の水温を測定する水温センサ１５と、熱交換器６内の水温が設定温度となるように循環ポンプ８の運転を制御する制御装置１７とを具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池からの排熱を回収する熱交換器と、湯水を貯湯する貯湯タンクとの間で湯水を循環させ、水温が設定温度となるように循環ポンプを運転制御する燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料電池やその運転方法（システム）が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図４に、従来の燃料電池装置の構成の一例を示す。図４における燃料電池装置は、燃料電池２１、都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置２２、空気等の酸素含有ガスを燃料電池２１に供給するための酸素含有ガス供給装置２３、燃料ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器２４、給水管３２より供給された水を精製する水処理装置３０と、給水管３２より供給される水の供給量を調節するための給水電磁弁３３、水処理装置３０により精製された水を貯水するための水タンク３１、水タンク３１に貯水された水を改質器２４に供給するための水ポンプ２７、燃料電池２１にて発電された直流電力を、交流電力に切り替えるためのパワーコンディショナ２９、燃料電池２１の発電により生じた排熱と湯水とを熱交換する熱交換器２６、熱交換により生じた湯水を貯水するための貯湯タンク３４、貯湯タンク３４内の湯水を、熱交換器２６の内部を通って循環させるための循環配管２５、および循環配管２５内の湯水を循環させるための循環ポンプ２８により構成されている。

さらに、熱交換器２６により熱交換された湯水の温度を測定するため、熱交換器２６の出口近傍の循環配管２５には、出口水温センサ３５が設けられており、その出口水温センサ３５により測定される出口水温の情報が制御装置３６に伝送されるとともに、制御装置３６により循環ポンプ２８の動きが制御される。

上記構成により、燃料電池２１の発電に伴う排熱が、熱交換器２６により湯水と熱交換されるとともに、熱交換器２６近傍の水温が、出口水温センサ３５により測定され、この出口水温情報が制御装置３６に伝送され、制御装置３６が循環ポンプ２８を熱交換器２６の出口水温が設定温度となるように制御している。

なお、上記特許文献１においては、熱交換器の入口にも水温計を設け、熱交換器の出口水温が入口水温よりも所定温度以上となるように、循環ポンプの出力を制御する制御装置を具備した燃料電池システムが記載されている。そして、燃料電池の発電量が少ない場合には、循環ポンプをゆっくり回転させて一定時間あたりの循環量を少なくし、熱交換器での熱交換を充分に行なうことにより、貯湯タンク内に供給される湯水の温度を高くできる旨が記載されている。
特開２００６−２４４３０号公報

しかしながら、燃料電池からの排ガスの温度や流量が低下した場合や、燃料電池の発電量が低下した場合に、排熱回収効率が低下し、熱交換器の出口近傍の水温が設定温度を下回る場合がある。

この場合、制御装置により循環配管を流れる流量を調整するよう循環ポンプが制御されるが、そのような制御を行なっても出口水温が回復しない場合には、出口水温が設定温度に回復するまで循環ポンプが停止し、出口水温が設定温度に回復した後に循環ポンプが再起動されることとなる。

そして、このような循環ポンプの停止と起動の繰り返し（ハンチング）は、特に夜間のような電力消費量が少ない場合に生じ、この場合、燃料電池からの排ガスの排熱回収効率が低下するという問題があった。

即ち、固体高分子形燃料電池では、所定量の燃料ガスに対する発電量、いわゆる発電効率が理論的に低いため、所定の発電量を得るために、高い圧力で都市ガスを常時供給する場合が多く、このため、排ガス量が多く、これに伴い、排熱回収量も多くなるため、上記したようなハンチング現象は生じにくいが、固体酸化物形燃料電池は、所定量の燃料ガスに対する発電量が高分子形燃料電池よりも多く、発電効率が高いため、都市ガスを低い圧力で少量供給しても十分に使用電力を賄え、これに伴い、排ガス量も少なくなるため、排熱回収量が少なくならざるを得ず、このため、ハンチング現象が生じやすいという問題があった。

特に、家庭用の固体酸化物形燃料電池を負荷変動運転する場合には、例えば、夜中等は使用電力が少ないため、排ガス量が少なくなり、ハンチング現象が生じやすいという問題があった。

一方、循環ポンプが停止している間、熱交換器内に滞留した湯水は非常に高温となり、循環ポンプの再起動時に一時的にその非常に高温の湯水が循環することとなる。燃料電池装置において、そのような非常に高温の湯水（例えば１００℃以上の水等）が循環した場合には、燃料電池装置の安全性の観点から、燃料電池の発電自体を遮断するよう設計される場合がある。

そのように設計された燃料電池装置においては、循環ポンプの停止に合わせて燃料電池の発電が停止する場合があり、循環ポンプが度々停止した場合には、燃料電池の発電も頻繁に停止することとなり、安定かつ効率的に燃料電池装置の運転を行なうことができないという問題があった。

本発明は、循環ポンプのハンチング現象を抑制できる燃料電池装置を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池と、該燃料電池からの排熱と湯水との間で熱交換する熱交換器と、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で湯水を循環させる循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、前記熱交換器内部に設けられ、前記熱交換器内の水温を測定する水温センサと、前記熱交換器内の水温が設定温度となるように前記循環ポンプの運転を制御する制御装置とを具備することを特徴とする。

このような燃料電池装置では、水温センサにより熱交換器内の水温を直接測定し、熱交換器内の水温を基準に循環ポンプを制御するため、従来のように、水温を測定する位置と熱交換する位置が異なることに起因するハンチング現象を抑制することができる。これにより、夜間等のような電力消費量が少ない場合における排熱回収効率を向上できるとともに、水温センサにより熱交換器内の水温を直接測定するため、循環ポンプが停止している間に、熱交換器内部に滞留した湯水が非常に高温となることを防止でき、燃料電池装置の安全性を向上できる。

また、本発明の燃料電池装置は、前記水温センサは、前記熱交換器の湯水の出口側に設けられていることを特徴とする。このような燃料電池装置では、熱交換された直後の水温を測定できるため、より適切に循環ポンプを制御することができる。

さらに、本発明の燃料電池装置は、前記熱交換器はプレートフィン型熱交換器であることを特徴とする。このような燃料電池装置では、熱交換器としてプレートフィン型熱交換器を用いるため、熱交換器内に水温センサを容易に設置することができる。

さらにまた、本発明の燃料電池装置は、前記熱交換器は、熱交換器本体と、該熱交換器本体に湯水を供給するための導入水路と、前記熱交換器本体で熱交換された湯水を導出するための導出水路とを具備するとともに、前記導出水路に前記温度センサが設けられていることを特徴とする。このような燃料電池装置では、熱交換器本体で熱交換された直後の湯水の温度を温度センサで測定し、この温度を基準として循環ポンプを制御するため、より適切に循環ポンプを制御することができる。

負荷追従運転を行う、家庭用の固体酸化物形燃料電池は、高温の排ガスが生じ、電力消費量の高低が頻繁に生じやすいため、本発明を好適に用いることができる。

本発明の燃料電池装置は、水温センサにより熱交換器内の水温を直接測定し、熱交換器内の水温を基準に循環ポンプを制御するため、ハンチング現象を抑制することができ、これにより、夜間のような電力消費量が少ない場合における排熱回収効率を向上できるとともに、循環ポンプが停止している間に、熱交換器内部に滞留した湯水が非常に高温となることを防止でき、燃料電池装置の安全性を向上できる。

図１は、本発明の燃料電池装置の一例を示した構成図である。本発明の燃料電池装置は、固体酸化物形燃料電池１、都市ガス等の燃料ガスを供給する燃料供給装置２、空気等の酸素含有ガスを燃料電池１に供給するための酸素含有ガス供給装置３、燃料ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４、給水管１２より供給された水を精製する水処理装置１０、給水管１２より供給される水の供給量を調節するための給水電磁弁１３、水処理装置１０により精製された水を貯水するための水タンク１１、水タンク１１に貯水された水を改質器４に供給するための水ポンプ７、燃料電池１にて発電された直流電力を交流電力に切り替え外部負荷に供給するためのパワーコンディショナ９、燃料電池１の発電により生じた排熱と湯水との間で熱交換する熱交換器６、熱交換により生じた湯水を貯水するための貯湯タンク１４、貯湯タンク１４内と、熱交換器６との間で湯水を循環させるための循環配管５、および循環配管５内の湯水を循環させるための循環ポンプ８により構成されている。

さらに、熱交換器６により実質的に熱交換された直後の水温を測定するため、熱交換器６内部には、水温センサ１５が設けられており、さらにその水温センサ１５で測定される出口水温の情報（信号）が制御装置１７に伝送され、その情報に基づき循環ポンプ８の運転が制御される。

なお、図中の矢印は、燃料ガス、酸素含有ガス、水の流れ方向を示したものであり、また破線は制御装置１７に伝送される主な信号経路、または制御装置１７より伝送される主な信号経路を示している。

さらに、図示していないが、燃料供給装置２と改質器４の間に、燃料ガスを加湿するための燃料加湿器を設けることも可能である。

熱交換器６内部への水温センサ１５の取付構造について説明する。先ず、熱交換器６について説明する。熱交換器６は、図２に示すようなプレートフィン型熱交換器とされている。尚、熱交換器内部に水温センサを取り付けることができれば、必ずしもプレートフィン型熱交換器である必要はない。図２においてはフィンは省略して示し、また白抜き矢印は排ガスの流れを、実線矢印は湯水の流れを示している。

本発明のプレートフィン型熱交換器６（以下、熱交換器６という場合もある）は、収納容器４２内にプレート４３を所定間隔で配置して複数積層して形成されるが、例えば、プレート４３を複数積層することにより収納容器４２の外形を作製してもよい。なお、図２については、プレート４３を複数積層することにより収納容器４２の外形を作製した例を示している。

そして、このプレート４３を複数積層することにより、熱交換器６の内部に、湯水が流れる水流路４４と排ガスが流れるガス流路４５とが互いに隣接して交互に、かつ水流路４４とガス流路４５が収納容器４２内にプレート間を流れるように形成され、かつ排ガスがガス流路４５を上から下に流通するように形成されている。それゆえ、湯水と排ガスとを効率よく熱交換することができる。

収納容器４２の上部および下部には、ガス流路４５に連通する空間４６が設けられている。それゆえ、排ガスの流入口および熱交換後の排ガスの排出口の面積を大きくすることができる。それにより、排ガスの管路圧損が低減し、燃料電池の発電により生じる排ガスをスムーズに熱交換器内に流通させることが可能となる。それにより、排ガスと湯水との熱交換を向上させることができ、燃料電池より排出される排ガスの排熱を効率よく回収することができる。

そして、燃料電池の発電により生じる排ガスは、収納容器４２（熱交換器６）の上部に設けられた空間４６より流入し、熱交換器６の内部（連通するガス流路４５）を流通して、収納容器４２（熱交換器６）の下部に設けられた空間（図３で符号４７として示す）より排気される。

また、燃料電池により排出される排ガスを熱交換した場合、熱交換に伴い凝縮水が生じる。ここで、ガス流路４５が収納容器４２内にプレート間を流れる方向に形成され、かつプレートが、排ガスがガス流路を上から下に流通するよう収納容器４２内に配置されていることから、熱交換に伴い生じる凝縮水は、収納容器４２（熱交換器６）の下方へと流れ、収納容器４２の下部に設けられた空間（図３で符号４７として示す）を凝縮水が流通することとなる。

この場合、排ガスの流れ方向と、凝縮水の流れ方向が同じ方向となり、排ガスと凝縮水とが衝突することを抑制できるため、排ガスの管路圧損が低減し、排ガスが熱交換器内をスムーズに流れるようになる。

ここで、水流路４４はプレートの内部に設けられるとともに、所定間隔で配置するプレートの間を排ガスが流れるガス流路４５とすることができることから、水流路４４とガス流路４５を隣接して設けることが容易となる。

さらに、本発明の熱交換器６には、側面部に排ガスと熱交換するための湯水を供給する循環配管５ａおよび熱交換後の湯水を排水する循環配管５ｂとが設けられている。

ここで、湯水は、熱交換器６の下側に設けられた循環配管５ａより流入され、水流路４４を下から上に流れ、循環配管５ｂより排水される。それにより、湯水の流れは排ガスの流れと対向する、いわゆる対向流となることから、燃料電池の発電により生じる排ガスの排熱を効率よく回収することができる。

熱交換器６は、概略的に示すと、図３に示すように、実質的に熱交換を行う熱交換器本体６ａと、この熱交換器本体６ａに湯水を供給するための導入水路６ｂと、熱交換器本体６ａで熱交換された湯水を導出するための導出水路６ｃとを具備して構成されており、導出水路６ｃに温度センサ１５が設けられている。導入水路６ｂと循環配管５ａは連通し、導出水路６ｃと循環配管５ｂとは連通し、温度センサ１５は循環配管５ｂから引き出され、信号が制御装置に伝送されるようになっている。温度センサ１５は、例えば、熱電対やサーミスタ等を用いることができる。尚、従来の温度センサの取り付け位置を図３に破線で示した。

ここで、図１に示した燃料電池装置を用いた運転方法について説明する。燃料電池１の発電に用いられる改質ガスを得るための改質器４で使用される水は、給水電磁弁１３が開放され、給水管１２を通して水処理装置１０に給水される。給水された水は水処理装置１０により精製度の高い水（好ましくは純水）に精製され、水タンク１１に貯水される。水タンク１１に貯水された精製度の高い水は、水ポンプ７により改質器４に供給される。

改質器４においては、水ポンプ７により供給された精製された水と、燃料供給装置２より供給される燃料ガス（被改質ガス）とにより、水蒸気改質を行なう。改質器４にて生成された改質ガスは、燃料電池１に送られ、酸素含有ガス供給装置３より供給される酸素含有ガスと反応して、燃料電池１の発電が行なわれる。

そして、燃料電池１の発電で生じた電力は、パワーコンディショナ９を通じて、外部負荷に供給される。

一方、燃料電池１の発電により生じた排ガス（排熱）は、主に燃料電池１の温度を高めるもしくは維持するために使用されるが、余った排熱が燃料電池１より熱交換器６に供給される。

熱交換器６に供給された排ガスは、熱交換器６内に供給される湯水とで熱交換する。そして熱交換された湯水は、循環配管５を循環して貯湯タンク１４に貯湯される。

ここで、熱交換器６内部の水温は水温センサ１５により測定され、その水温の情報が制御装置１７に伝送される。そして伝送された水温の情報に基づき、水温が設定温度Ｔ_０となるように、循環ポンプ８が制御装置１７により制御される。

このような燃料電池装置の運転において、例えば燃料電池１からの排ガスの温度や流量が低下した場合や、燃料電池１の発電量が低下した場合、制御装置１７により循環ポンプ８を制御したとしても、熱交換器６の水温が設定温度Ｔ_０を下回り、循環ポンプ８が停止する場合がある。

従来、図３に破線で示したように、熱交換器６と離れた循環配管５ｂに水温センサが設けられており、循環ポンプ８が停止すると、循環配管５中を湯水が流れなくなる（湯水が熱交換器内に滞留する）ことから、循環ポンプ８の停止後しばらくすれば（場合によれば直ちに）、熱交換器６内に滞留する湯水の温度が上昇し、出口水温が設定温度まで回復し、循環ポンプ８が再起動する。またしばらくすれば、水温がＴ_０を下回り、循環ポンプ８が停止する。そしてさらにしばらくすれば、水温が回復し、循環ポンプ８が再起動し、これを繰り返すこととなる。

このように、循環ポンプ８が何度も繰り返して停止と起動を繰り返す（ハンチング）と、燃料電池１からの排ガスの排熱回収効率が低下する。また、循環ポンプ８が停止している間に、熱交換器６内に滞留する湯水が高温となり、循環ポンプ８が再起動した場合に、一時的に非常に高温の湯水が循環する場合がある。この非常に高温の湯水が循環した場合に、燃料電池１の発電自体を遮断する設計とされる燃料電池装置において、燃料電池１の発電が停止する場合がある。

本発明においては、水温センサ１５により測定される熱交換器６内部の水温が、制御装置１７に伝送され、熱交換器６内部の水温が設定温度Ｔ_０となるように循環ポンプ８を制御するため、従来のように、熱交換器６と離れた位置に水温センサを設けるのではなく、熱交換器６内部に水温センサ１５を設け、熱交換器６内の熱交換された直後の水温を直接測定し、この温度を基準として循環ポンプ８を制御するため、循環ポンプ８の起動停止を必要最小限に抑制でき、ハンチング現象を防止できる。

尚、上記形態では、水温センサ１５を熱交換器６の導出水路６ｃに設けたが、本発明では、熱交換器本体６ａの水流路４４に設けても良い。また、固体酸化物形燃料電池を用いた燃料電池装置について説明したが、高分子形燃料電池を用いた燃料電池装置についても本発明を用いることができる。

本発明の燃料電池装置の構成を示す構成図である。 プレートフィン型熱交換器を示す斜視図である。 図２の熱交換器の概略断面図である。 従来の燃料電池装置の構成を示す構成図である。

符号の説明

１：燃料電池
５、５ａ、５ｂ：循環配管
６：熱交換器
６ａ：熱交換器本体
６ｂ：導入水路
６ｃ：導出水路
８：循環ポンプ
１４：貯湯タンク
１５：水温センサ
１７：制御装置

Claims (4)

1. 燃料電池と、該燃料電池からの排熱と湯水との間で熱交換する熱交換器と、湯水を貯湯する貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で湯水を循環させる循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、前記熱交換器内部に設けられ、前記熱交換器内の水温を測定する水温センサと、前記熱交換器内の水温が設定温度となるように前記循環ポンプの運転を制御する制御装置とを具備することを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記水温センサは、前記熱交換器の湯水の出口側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記熱交換器はプレートフィン型熱交換器であることを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池装置。
4. 前記熱交換器は、熱交換器本体と、該熱交換器本体に湯水を供給するための導入水路と、前記熱交換器本体で熱交換された湯水を導出するための導出水路とを具備するとともに、前記導出水路に前記温度センサが設けられてい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装置。

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