JP2009026718A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性と耐久性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供する。
【解決手段】燃料電池１と、冷却水循環ポンプ２、冷却水熱交換器３、冷却水タンク４からなる冷却水循環回路５と、貯湯タンク６、貯湯水循環ポンプ７、前記した冷却水熱交換器３からなる貯湯水循環回路８を備え、燃料電池１の排熱を、冷却水を介して貯湯水に回収する冷却水熱交換器３の内部漏れを検出するための漏れ検出手段として、例えば、冷却水タンク４の水位変化を検出する水位センサ９を有するものであり、市水を用いる貯湯水の冷却水への混入に伴う燃料電池１の劣化を抑制し、燃料電池コージェネレーションシステムの信頼性と耐久性の向上を図ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の発電に伴って発生する熱を回収利用して温水を生成する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

燃料電池は、水素と酸素の直接反応により電気エネルギーを生成するものであり、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないクリーンな発電装置として期待されている。特に、発電時に発生する熱を給湯や暖房等に回収利用する燃料電池コージェネレーションシステムは、総合的なエネルギー効率が高く、省エネルギー機器としての普及が望まれている。

従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば、図３に示すような構成を有しており、燃料電池５１と、冷却水循環ポンプ５２と、冷却水熱交換器５３とからなる冷却水循環回路５５を備え、さらに、貯湯タンク５６と、貯湯水循環ポンプ５７と、冷却水熱交換器５３とからなる貯湯水循環回路５８を備えている。

発電時に発生する燃料電池１の排熱は、まず、冷却水循環ポンプ５２により循環される冷却水に回収される。さらに、冷却水熱交換器５３において、この冷却水と、貯湯水循環ポンプ５７により貯湯タンク５６から循環される貯湯水とが熱交換を行うことで、燃料電池５１の排熱は貯湯タンク５６内部に回収される。

燃料電池コージェネレーションシステムに用いられる冷却水熱交換器５３としては、いわゆるプレート式やシェルアンドチューブ式などの熱交換器が提案されており、これは平板やパイプからなる隔壁を介して熱交換を行うものである。

このような冷却水熱交換器５３に、腐食等の経年劣化により穴開きが起こった場合、水漏れが発生する可能性がある。このような水漏れに対して、例えば、燃料電池コージェネレーションシステムと同様に貯湯タンクに湯を貯える構成を有するヒートポンプ給湯機では、熱交換器の外部を覆う容器を設け、この容器に溜まった水を検知して水漏れを検知するものが提案されている。（例えば、特許文献１参照）
特開２００１−２４１７６３号公報（第４頁、第１図）

しかしながら、このような従来の構成では、冷却水と貯湯水との伝熱面である冷却水熱交換器５３内部の隔壁に、腐食等の経年劣化により穴開きが起こり、内部漏れが発生した場合、その漏れを検出することは不可能である。

冷却水熱交換器５３の内部漏れは、貯湯水側の圧力が冷却水側よりも一般に高いため、貯湯水が冷却水の流路内に流入するかたちで発生する。燃料電池の冷却水としては、一般に、市水をイオン交換樹脂により浄化したものやシステムの内部から回収したものを、冷却水タンクに貯留して用いることが多い。これは、冷却水として純水を用いることで、燃料電池の劣化を抑制するためである。

このような冷却水熱交換器の内部漏れが発生し、市水である貯湯水が燃料電池の冷却水回路に流入すると、市水の中に含まれる金属イオン等の導電性物質により、冷却水の導電率が高くなり、燃料電池の内部で冷却水を通じた漏電が発生する。その結果、例えば、カーボン等からなるセパレータの劣化を招き、燃料電池の信頼性低下の要因となるという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、信頼性と耐久性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供するものである。

前記従来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、少なくとも、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水を貯える冷却水タンク、冷却水循環ポンプ及び冷却水熱交換器からなる冷却水循環回路と、貯湯タンク、貯湯水循環ポンプ及び前記冷却水熱交換器からなる貯湯水循環回路とを備え、前記冷却水熱交換器の内部漏れを検出する漏れ検出手段を有するものである。

冷却水熱交換器の内部漏れを検出する手段を備えることにより、信頼性と耐久性に優れた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ができる。

本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、簡単な構成で、信頼性と耐久性に優れたシステムを実現することができる。

第１の本発明は、少なくとも、燃料電池と、燃料電池を冷却する冷却水を貯留する冷却水タンク、冷却水循環ポンプ及び冷却水熱交換器からなる冷却水循環回路と、貯湯タンク、貯湯水循環ポンプ及び冷却水熱交換器からなる貯湯水循環回路とを備え、冷却水熱交換器の内部漏れを検出する漏れ検出手段を有するものであり、冷却水熱交換器の内部漏れを検出する手段を備えることにより、信頼性と耐久性に優れた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ができる。

第２の本発明は、特に、第１の発明の構成において、冷却水タンクが冷却水熱交換器の下流側で、かつ燃料電池の上流側に位置するものであり、冷却水熱交換器の内部漏れが、冷却水タンクの水位あるいは冷却水タンクに流れ込む水量に基づいて検知し易くなるとともに、冷却水熱交換器の内部漏れによって市水が冷却水循環回路に流入した場合も、市水が冷却水タンクに一旦貯留するため、燃料電池への悪影響が極力少ない状態で冷却水熱交換器の内部漏れに対処できる。

第３の本発明は、特に、第１または第２の発明の構成において、漏れ検出手段が、冷却水タンクの水位変化を検出するものであり、例えば、フロートスイッチや電極等の水位変化を検知するものを、冷却水タンクに設置するだけの構成で、冷却水熱交換器の内部漏れ異常をいち早く検知することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの信頼性向上を図ることができる。

第４の本発明は、特に、第１または第２の発明の構成において、漏れ検出手段が、冷却水循環回路における冷却水の流量変化または貯湯水循環回路における貯湯水の流量変化を検出するものであり、例えば、流量センサやフロースイッチ等の流量変化を検知するものを、冷却水循環回路または貯湯水循環回路に挿入するだけの構成で、冷却水熱交換器の内部漏れ異常を直接的に検知することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの信頼性向上を図ることができる。

第５の本発明は、特に、第１または第２の発明の構成において、漏れ検出手段による漏れ検出時に異常状態を外部に報知する異常報知手段を有するものであり、燃料電池コージェネレーションシステムの冷却水熱交換器の内部漏れ異常を報知することで、機器の点検や修理等への対応を喚起することが可能になる。

第６の本発明は、特に、第５の発明の構成において、異常報知手段がリモコンに異常表示を行うものであり、燃料電池コージェネレーションシステムの冷却水熱交換器の内部漏れ異常をユーザーに直接報知することで、点検や修理等への対応をいち早く喚起することが可能になる。

第７の本発明は、特に、第５の発明の構成において、異常報知手段が外部に通信回線を介して異常報知を行うものであり、燃料電池コージェネレーションシステムの冷却水熱交換器の内部漏れ異常をメーカーやメンテナンス業者に直接報知・連絡することが可能となり、機器の点検や修理等への対応を具体的に行うことが可能になる。

第８の本発明は、特に、第１または第２の発明の構成において、漏れ検出時に貯湯水の流通する貯湯水循環回路を遮断し、冷却水熱交換器における貯湯水の内部漏れを防止する漏れ防止手段を有するものであり、燃料電池コージェネレーションシステムの冷却水熱交換器の内部漏れ異常を検知すると同時に、貯湯水の流通する貯湯水循環回路を遮断し、冷却水循環回路への貯湯水の流入が未然に防止され、市水中の不純物による燃料電池の劣化を防止することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの信頼性を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。

図１において、本実施の形態における燃料電池コージェネレーションシステムは、少なくとも、燃料電池１と、この燃料電池１を冷却する冷却水を貯留する冷却水タンク４、冷却水を循環させる冷却水循環ポンプ２、冷却水の熱を放熱するための冷却水熱交換器３からなる冷却水循環回路５を備える。

また、燃料電池１の排熱を、冷却水熱交換器３を介して貯湯水に回収するための貯湯タンク６、貯湯水循環ポンプ７、冷却水熱交換器３からなる貯湯水循環回路８を備える。さらに、貯湯タンク６から外部に給湯を行うための給湯回路２０に、減圧弁２１、混合弁２２、ガス給湯機等の補助熱源２３を備えている。

冷却水循環回路５の冷却水タンク４には、貯留する冷却水の水位を検出する水位センサ９が設けられており、例えば、運転中もしくは停止中に水位の異常な変化を検出することで、冷却水熱交換器３の内部漏れを検出するものである。

漏れ判定手段１０は、この水位センサ９からの信号に応じて、冷却水熱交換器３の内部漏れの有無を判定するものであり、内部漏れを検出した場合は、貯湯水循環回路８に設けた貯湯水遮断弁１１を閉塞状態にし、貯湯水循環回路８への貯湯水の侵入を防止するとともに、冷却水熱交換器３における貯湯水の内部漏れを防止し、市水である貯湯水が燃料電池の冷却水回路に流入することを防止する。

本実施の形態では、冷却水循環回路５において、冷却水タンク４を冷却水熱交換器３の下流側で、かつ燃料電池１の上流側に設けている。この構成により冷却水熱交換器３の内部漏れが、冷却水タンク４の水位に基づいて検知し易くなるとともに、冷却水熱交換器３の内部漏れによって市水が冷却水循環回路５に流入した場合も、市水が冷却水タンク４に一旦貯留するため、燃料電池１への悪影響が極力少ない状態で冷却水熱交換器３の内部漏れに対処できる。

加えて、この燃料電池コージェネレーションシステムは、漏れ判定手段１０による冷却水熱交換器３の内部漏れ検知に基づき、内部漏れ異常を報知する異常報知手段１２を備えている。なお、異常報知手段１２は、例えば、ユーザーが燃料電池コージェネレーションシステムを遠隔制御するためのリモコン１３に異常表示を行ったり、外部への有線または無線の外部通信回線１４を介してメーカーやメンテナンス業者等の外部業者に接続したりすることにより、機器の異常報知を行うものである。

一般に、燃料電池１は、図示しない水素製造装置等で製造された水素と空気ブロワ等から送られた空気中の酸素とが、電気化学的に反応し、発電を行うものである。水素製造装置は、一般に、都市ガスやＬＰガス等の原料ガスから、触媒による改質反応（例えば水蒸気改質反応）により水素を製造し、燃料電池に送出するものである。なお、燃料電池１が発電時に発生する排熱を給湯や暖房等に回収利用することで、電気と熱を併給するコージェネレーションシステムが実現される。

貯湯タンク６下部の貯湯水は、貯湯水循環ポンプ７により貯湯水循環回路８に送られ、冷却水熱交換器３において、冷却水循環回路５を循環する燃料電池１の冷却水の熱を回収し昇温される。

なお、必要に応じて、水素製造装置から排出される燃焼排ガスの熱や燃料電池１から排出される排空気の熱を回収するものとしても構わない。このように昇温された冷却水は、最終的に、貯湯タンク６の上部に送られ、貯湯タンク６内に温度成層を形成する。

貯湯タンク６への給水は、一般の上水管等から減圧弁２１を通じて行われる。貯湯タンク６の湯を用いて給湯する場合は、上水管等から供給された水と、貯湯タンク６上部から出湯された湯とが、混合弁２２で適温となるように混合され、外部に供される。

なお、冷却水熱交換器３としては、一般に、ステンレスや銅等の金属からなるプレート式やシェルアンドチューブ式などの熱交換器が用いられる。冷却水熱交換器３の内部には、隔壁を介して対向する位置に冷却水と貯湯水の流路が設けられ、この隔壁を介して両流体間の熱交換が行われるものであるが、このような熱交換器において、経年劣化により腐食や割れ等の異常が発生すると、冷却水と貯湯水との伝熱面である隔壁に穴開きが起こり、内部漏れが発生する場合がある。

貯湯水循環回路８の内部圧力は、通常、減圧弁２１を介して接続される市水の供給圧力に相当し、市水の供給圧力が高い場合は減圧弁２１の設定圧力に相当する。一方、冷却水循環回路５の内部圧力は、冷却水タンク４が大気開放状態であることから、通常、大気圧に相当する。したがって、貯湯水側の圧力が冷却水側よりも一般に高くなるため、冷却水熱交換器３の内部漏れは、貯湯水が冷却水の流路内に流入するかたちで発生する。

燃料電池１の冷却水としては、一般に、市水をイオン交換樹脂により浄化したイオン交換水やシステムの内部から回収した回収水を、冷却水タンク４に貯留して用いることが多い。これは、冷却水として純水を用いることで、冷却水中の不純物による燃料電池１の劣化を抑制するためである。

冷却水熱交換器３に内部漏れが発生し、市水である貯湯水が燃料電池１の冷却水循環回路５に流入すると、市水の中に含まれる金属イオン等の導電性物質により、冷却水の導電率が高くなり、燃料電池１の内部で冷却水を通じた漏電が発生し、例えば、カーボン等からなるセパレータや電極等の劣化を招き、燃料電池１の信頼性低下の要因となる。

本実施の形態１によれば、冷却水熱交換器３の内部漏れを検出する手段を備えるため、信頼性と耐久性に優れた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ができる。

特に、漏れ検出手段が、冷却水を貯留する冷却水タンク４の水位変化を検出する水位センサ９とするものであり、例えば、フロートスイッチや電極等の水位変化を検知するものを、冷却水タンク４に設置するだけの構成で、冷却水熱交換器３の内部漏れ異常をいち早く検知することができる。

また、漏れ検出時に異常状態を外部に報知する異常報知手段１２を有することにより、燃料電池コージェネレーションシステムの冷却水熱交換器３の内部漏れ異常を報知することで、機器の点検や修理等への対応を喚起することが可能になる。

特に、異常報知手段１２をリモコン１３に異常表示を行うものとすれば、冷却水熱交換器３の内部漏れ異常を、ユーザーに直接報知することで、点検や修理等への対応をいち早く喚起することが可能になる。

また、異常報知手段１２を、外部通信回線１４を介して異常報知を行うものとすれば、冷却水熱交換器３の内部漏れ異常をメーカーやメンテナンス業者に直接報知・連絡することが可能となり、機器の点検や修理等への対応を具体的に行うことが可能になる。

さらに、漏れ検出時に貯湯水の流通する貯湯水循環回路８を遮断し、冷却水熱交換器３における貯湯水の内部漏れを防止する貯湯水遮断弁１１を有するものとすれば、冷却水熱交換器３の内部漏れ異常を検知すると同時に、貯湯水の流通する貯湯水循環回路８を遮断し、冷却水循環回路５への貯湯水の流入が未然に防止され、市水中の不純物による燃料電池１の劣化を防止することができるとともに、貯湯水の浪費を抑制することができる。

したがって、本実施の形態１によれば、信頼性と耐久性に優れた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ができる。

なお、本発明の実施の形態１では、漏れ判定手段１０が冷却水熱交換器３の内部漏れを検出した場合に、貯湯水循環回路８に設けた貯湯水遮断弁１１を閉塞状態にするものとしたが、貯湯水循環回路８を通じた冷却水熱交換器３における貯湯水の流出を防止するものであれば、市水から貯湯タンク６への給水経路に電磁弁を設置して水供給を停止したり、貯湯水循環回路８を三方弁等により切り換えて、貯湯水循環回路８から貯湯タンク６を切り離したりするような構成としても良い
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。

本実施の形態の燃料電池コージェネレーションシステムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、冷却水循環回路５における冷却水の流量変化を検出する、例えば流量センサ１５を、冷却水熱交換器３の漏れ検出手段とした点である。

これによれば、流量センサ１５を冷却水循環回路５に挿入するだけの簡単な構成で、冷却水熱交換器３の内部漏れ異常を、例えば、運転停止中の流れ発生の検出等により、直接検知することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの信頼性向上を図ることができる。

本実施の形態では、冷却水循環回路５において、冷却水タンク４を冷却水熱交換器３の下流側で、かつ燃料電池１の上流側に設けている。この構成により冷却水熱交換器３の内部漏れが、冷却水タンクに流れ込む水量に基づいて検知し易くなるとともに、冷却水熱交換器３の内部漏れによって市水が冷却水循環回路５に流入した場合も、市水が冷却水タンク４に一旦貯留するため、燃料電池１への悪影響が極力少ない状態で冷却水熱交換器３の内部漏れに対処できる。

なお、本発明の実施の形態２では、冷却水循環回路５に冷却水の流量変化を検出する流量センサ１５を設置するものとしたが、貯湯水循環回路８側に貯湯水の流量変化を検出する流量センサを設置することで、冷却水熱交換器３の内部漏れ異常を検知するものとしてもよい。

また、流量の変化を検出できる手段であれば、流量センサ１５に限らず、メカニカルなフロースイッチ等を用いても良く、さらに、冷却水熱交換器３の入口側と出口側とに複数の流量センサを設置し、その流量差を比較することによれば、ポンプ運転中であっても容易に漏れを検出することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池コージェネレーションシステムは、冷却水熱交換器の内部漏れを検出する手段を備えることにより、信頼性と耐久性に優れた構成とすることができるものであり、省エネルギー機器としての用途に広く適用することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図 本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図 従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図

符号の説明

１ 燃料電池
２ 冷却水循環ポンプ
３ 冷却水熱交換器
４ 冷却水タンク
５ 冷却水循環回路
６ 貯湯タンク
７ 貯湯水循環ポンプ
８ 貯湯水循環回路
９ 水位センサ
１０ 漏れ判定手段
１１ 貯湯水遮断弁
１２ 異常報知手段
１３ リモコン
１４ 外部通信回線
１５ 流量センサ

Claims (8)

1. 少なくとも、燃料電池と、前記燃料電池を冷却する冷却水を貯留する冷却水タンク、冷却水循環ポンプ及び冷却水熱交換器からなる冷却水循環回路と、貯湯タンク、貯湯水循環ポンプ及び前記冷却水熱交換器からなる貯湯水循環回路とを備え、前記冷却水熱交換器の内部漏れを検出する漏れ検出手段を有する燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 前記冷却水タンクは、前記冷却水循環回路において前記冷却水熱交換器の下流側で、かつ前記燃料電池の上流側に位置する請求項１記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 前記漏れ検出手段は、前記冷却水タンクの水位変化を検出する請求項１または２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
4. 前記漏れ検出手段は、前記冷却水循環回路における冷却水の流量変化または前記貯湯水循環回路における貯湯水の流量変化を検出するものである請求項１または２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
5. 前記漏れ検出手段による漏れ検出時に異常状態を外部に報知する異常報知手段を有する請求項１または２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
6. 前記異常報知手段がリモコンに異常表示を行う請求項５記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
7. 前記異常報知手段が外部に通信回線を介して異常報知を行う請求項５記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
8. 前記漏れ検出手段による漏れ検出時に貯湯水の流通する前記貯湯水循環回路を遮断し、前記冷却水熱交換器における貯湯水の内部漏れを防止する漏れ防止手段を有する請求項１または２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。

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