JP2010033880A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】熱交換器内を流れる水に含まれる成分が析出することを抑制し、熱交換器が腐食することを抑制できる燃料電池を提供する。
【解決手段】燃料電池セル１と、燃料電池セル１の発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器１３と、熱交換器１３で熱交換された水を貯水するための貯湯タンク１８と、熱交換器１３と貯湯タンク１８との間で水を循環させるための循環配管１７と、循環配管１７に設けられた循環ポンプ１６と、循環ポンプ１６の動作を制御する制御装置１４とを具備するとともに、熱交換器１３内に、熱交換器１３内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサ２２を具備することから、熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分が析出することが抑制でき、熱交換器１３が腐食することを抑制できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池の発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう燃料電池に関する。

近年、次世代エネルギーとして、水素含有ガスと酸素含有ガス（通常、空気である）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルと、この燃料電池セルを稼動するための補機類とを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置と、給湯システムとを組み合わせてなる燃料電池およびその運転方法が種々提案されている。

このような燃料電池においては、燃料電池装置内に収納された熱交換器と、貯湯タンクとを循環配管にて接続することにより、燃料電池セルの発電等により生じた排ガスの熱と循環配管を流れる水とで熱交換することでお湯を生成することができ、発電効率のよい燃料電池とすることができる。

また、このような燃料電池においては、熱交換器入口や出口の近傍に位置する循環配管に設けられた温度センサが測定する循環配管を流れる水の温度に基づいて、循環ポンプの動作を制御することが知られている（たとえば、特許文献１参照。）。
特開２００６−２４４３０号公報

ところで、上述したような燃料電池においては、燃料電池セルの発電等により生じる排ガスの熱量が急激に増大した場合において、熱交換器内を流れる水の温度と、熱交換器の出口に接続された循環配管を流れる水の温度（出口水温）とが差を生じる場合や、熱交換器内を流れる水の温度が上昇してから温度センサがその温度上昇を検知するまでの間に大きなタイムラグが生じる場合がある。

この場合に、特に熱交換器内を流れる水の温度が上昇すると、熱交換器内にて熱交換器内を流れる水が蒸発して水に含まれる成分（カルシウム等）が析出し、その析出物（スケール）が熱交換器に付着することで、熱交換器が腐食するおそれがある。

それゆえ、本発明においては、熱交換器を流れる水の温度を適切に検知できるとともに、熱交換器内を流れる水に含まれる成分が析出し、熱交換器が腐食することを抑制するこを可能とする燃料電池を提供することを目的とする。

本発明の燃料電池は、燃料電池セルと、該燃料電池セルの発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器で熱交換された水を貯水するための貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、該循環ポンプの動作を制御する制御装置とを具備する燃料電池装置であって、前記熱交換器内に、該熱交換器内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサを具備することを特徴とする。

このような燃料電池においては、熱交換器内に、熱交換器内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサを配置することにより、熱交換器内を流れる水の温度を適切に検知することができる。そして水温測定センサが測定した水温に基づき、例えば、熱交換器内を流れる水の量を適宜調整することで、熱交換器内を流れる水の温度を下げることができ、それにより、熱交換器内を流れる水の蒸発を抑制し、水に含まれる成分の析出を抑制して、熱交換器の腐食を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池は、前記水温測定用センサが、前記熱交換器内を流れる水の出口近傍に設けられていることが好ましい。

このような燃料電池においては、水温測定用センサを、熱交換器内を流れる水の出口近傍に設けることにより、熱交換器内を流れる水が特に高温となる部位にて、熱交換器内を流れる水の温度を測定することができる。そして水温測定センサが測定した水温に基づき、例えば、熱交換器内を流れる水の量を適宜調整することで、熱交換器内を流れる水の温度を下げることができ、それにより、熱交換器内を流れる水の蒸発を抑制し、水に含まれる成分の析出を効率よく抑制して、熱交換器の腐食を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池は、前記水温測定用センサにより測定される前記熱交換器内を流れる水の温度が、前記貯湯タンクに貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲内で設定される第１の設定温度以上となった場合に、前記循環配管を流れる水の流量を増大させるように、前記循環ポンプの動作を制御することが好ましい。

このような燃料電池においては、水温測定用センサが測定する熱交換器内を流れる水の温度が貯湯タンクに貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲内で設定される第１の設定温度以上となった場合に、循環配管を流れる水の流量を増大させるように、循環ポンプの動作を制御することにより、熱交換器内を流れる水の温度を下げることができ、それにより、熱交換器内を流れる水の蒸発を抑制し、水に含まれる成分の析出を抑制して、熱交換器の腐食を抑制することができる。また、第１の設定温度が、貯湯タンクに貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲内で設定されることから、貯湯タンクに供給する水の温度を下げることなく、熱交換器の腐食を抑制することができる。

また、本発明の燃料電池は、前記制御装置は、前記水温測定用センサが測定する前記熱交換器内を流れる水の温度が前記第１の設定温度以上を所定時間継続した場合に、前記燃料電池の発電量を低下させるかもしくは停止するように制御することが好ましい。

このような燃料電池においては、水温測定用センサが測定する熱交換器内を流れる水の温度が第１の設定温度以上を所定時間継続した場合に、燃料電池の発電量を低下させるかもしくは停止することにより、熱交換器内を流れる水の温度を低下することができる。それゆえ、熱交換器内を流れる水の蒸発を抑制し、水に含まれる成分の析出を抑制して、熱交換器の腐食を抑制することができる。またあわせて、燃料電池の寿命を長くすることができる。

本発明の燃料電池は、燃料電池セルと、該燃料電池セルの発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器で熱交換された水を貯水するための貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、該循環ポンプの動作を制御する制御装置、とを具備する燃料電池であって、前記熱交換器内に、該熱交換器内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサを具備することから、熱交換器内を流れる水の温度を適切に測定することができ、その水温測定用センサにより測定される水温に基づいて、循環ポンプの動作を制御することで、熱交換器の腐食を抑制することができる。

図１は、本発明の燃料電池の構成の一例を示した構成図であり、図２は本発明の燃料電池を構成する熱交換器の一例を示す外観斜視図である。まず、図１および図２を用いて本発明の燃料電池の構成の一例について説明し、その後燃料電池の運転について説明する
図１においては、燃料電池セル１や燃料電池セル１の発電に必要な補機類を収納してなる発電ユニットと、貯湯タンク１８を具備する貯湯ユニットと、これらのユニット間を水が循環するための循環配管１７とあわせて、本発明の燃料電池が構成されている。

図１に示す発電ユニットは、燃料電池セル１、天然ガスや灯油等の被改質ガスを供給する被改質ガス供給手段２、酸素含有ガスを燃料電池セル１に供給するための酸素含有ガス供給手段３、被改質ガスと水蒸気により水蒸気改質する改質器４を具備している。なお、燃料電池セル１は、収納容器内に収納することで燃料電池モジュール１とすることができ、また改質器４を燃料電池セル１とあわせて収納容器内に収納することもできる。

また、図１に示す発電ユニットにおいては、燃料電池セル１の発電により生じた排ガス（排熱）と水とで熱交換を行なう熱交換器１３、熱交換により生成された凝縮水を処理する凝縮水処理装置１９、熱交換器１３で生成された凝縮水を凝縮水処理装置１９に供給するための凝縮水供給管２１が設けられており、凝縮水処理装置１９にて処理された凝縮水は、水タンク１０に貯水された後、水ポンプ１１により改質器４に供給される。なお、凝縮水を処理するための凝縮水処理手段（例えば、イオン交換樹脂等。図示せず。）は、凝縮水処理装置１９のほか、凝縮水供給管２１等にも設けることができる。

一方、凝縮水処理装置１９に供給される凝縮水の量が少ない場合や凝縮水処理手段で処理された後の凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を純水に処理して改質器４に供給することもでき、図１においては外部から供給される水を純水に処理する手段として各水処理装置を具備している。

ここで、外部より供給される水を改質器４に供給するための各水処理装置としては、水を浄化するための活性炭フィルタ装置７、逆浸透膜装置８および浄化された水を純水にするためのイオン交換樹脂装置９の各装置のうち、少なくともイオン交換樹脂装置９（好ましくは全ての装置）を具備する。そして、イオン交換樹脂装置９にて生成された純水は水タンク１０に貯水される。なお、図１においては、水処理装置として、上記各装置全てを備えるとともに、外部より供給される水の量を調整するための給水弁６が設けられている。また、凝縮水処理装置１９と水タンク１０とがタンク連結管２０にて連結されている。なお、凝縮水のみを改質器４に供給する場合には、凝縮水処理装置１９と改質器４とを水ポンプ１１を介して接続することも可能である。

また、改質器４に水を供給するための各水処理装置および凝縮水処理装置をあわせて、水供給装置Ｘとして表し、図１においては一点鎖線により囲って示している（なお、改質器４と水ポンプ１１を接続する給水管５、タンク連結管２０、凝縮水供給管２１も水供給装置Ｘに含まれるものとする。）。

さらに図１に示す発電ユニットは、燃料電池セル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１２、熱交換器１３の出口に設けられ熱交換器１３の出口を流れる水（循環水流）の温度を測定するための出口水温センサ１５のほか、制御装置１４が設けられており、循環ポンプ１６とあわせて発電ユニットが構成されている。なお、制御装置１４については後に詳述する。そして、これら発電ユニットを構成する各装置を、外装ケース内に収納することで、設置や持ち運び等が容易な燃料電池装置とすることができる。また図示していないが、被改質ガス供給手段２と改質器４との間に、被改質ガスを加湿するための被改質ガス加湿器を設けることも可能である。

また、貯湯ユニットは、熱交換後の湯水を貯湯するための貯湯タンク１８を具備して構成されている。なお、貯湯タンク１８の下部側に貯湯タンクに水を供給するための水供給管が接続されており、貯湯タンク１８に貯湯されたお湯は上部側より、給湯ラインに供給される。

なお、図中の矢印は、被改質ガス、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１４に伝送される主な信号経路、または制御装置１４より伝送される主な信号経路を示している。また、同一の構成については同一の番号を付するものとし、以下同様である。

続いて図２を用いて本発明の燃料電池における熱交換器１３の一例について説明する。なお熱交換器１３としては、一般に市販されている熱交換器を用いることができ、プレートフィン型のほか、配管の外壁に接して複数のフィンが接続されているチューブフィンタイプ等、適宜選択して使用することができる。以下の説明においてはプレートフィン型熱交換器について説明する。なお、図２において太い矢印は、燃料電池セル１の発電等により生じる排ガスの流れを示している。

図２で示す熱交換器１３は、いわゆるプレートフィン型熱交換器１３であり、プレート２３を複数積層して形成されている。そして、このプレート２３を複数積層することにより、熱交換器１３の内部に、水が流れる水流路２４と排ガスが流れるガス流路２５とが互いに隣接して、排ガスがガス流路２５を上から下に流通し、循環配管１７を流れる水が水流路２４を下から上に流通するように形成されている。それにより、排ガスと水との流れが対向流となり、効率よく熱交換することができる。

そして、図２においては、熱交換器１３内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサ２２が設けられており、熱交換器１３内を流れる水の温度を適切に検知することができる。

なお、熱交換器１３の上面および下面には、ガス流路２５に連結する空間２６が設けられ、それにより、排ガスの管路圧損が低減し、燃料電池セル１の発電により生じる排ガスをスムーズに熱交換器１３内に流通することが可能となる。

また熱交換器１３の下方には、燃料電池セル１の発電により生じる排ガスと循環配管１７を流れる水とで熱交換する際に生じる凝縮水とを分離するための分離部材２９が設けられており、分離された凝縮水は、分離部材２９の底面に接続された凝縮水供給管２１（図示せず）に流れ、分離された熱交換後の排ガスは、分離部材２９の側面に設けられた排気口３０より排気される。

なお熱交換器１３には、側面部に循環配管１７を流れる水を熱交換器１３内に供給するための水流入部（入口）と、熱交換後の水（湯水）を貯湯タンク１８側へ流すための水流出部（出口）が設けられており、図２を用いて説明する場合においては、それぞれに接続された循環配管１７を、入水管２７、出水管２８として説明する。ここで、出水管２８は各プレート２３間を流れる水を熱交換器１３より出水するために、各プレート２３を貫通するように接続されている。

以上のような構成により本発明の燃料電池が構成されるが、必要に応じて適宜その構成を変更することができる。

続いて、図１に示した燃料電池の運転方法について説明する。燃料電池セル１の発電に用いられる改質ガス（燃料ガス）を生成するために水蒸気改質を行なうにあたり、改質器４で使用される水（純水）は、熱交換器１３において燃料電池セル１の発電により生じた排ガスと循環配管１７を流れる水との熱交換により生成される凝縮水が用いられる。熱交換器１３にて生成された凝縮水は、凝縮水供給管２１を流れて凝縮水処理装置１９に供給される。凝縮水処理装置１９に備える凝縮水処理手段（イオン交換樹脂等）にて処理された凝縮水（純水）は、タンク連結管２０を介して水タンク１０に供給される。水タンク１０に貯水された水は、水ポンプ１１により改質器４に供給され、被改質ガス供給手段２より供給される被改質ガスとで水蒸気改質が行われ、生成された改質ガス（燃料ガス）が燃料電池セル１に供給される。燃料電池セル１においては、改質ガスと酸素含有ガス供給手段３より供給される酸素含有ガスとを用いて発電が行われる。以上の方法により、凝縮水を有効に利用することにより、水自立運転を行うことができる。

一方で、凝縮水の生成量が少ない場合や、凝縮水処理装置１９にて処理された凝縮水の純度が低い場合においては、外部より供給される水（水道水等）を用いることもできる。

この場合においては、まず給水弁６（例えば、電磁弁やエア駆動バルブ等）が開放され、水道水等の外部から供給される水が、給水管５を通して活性炭フィルタ７に供給される。活性炭フィルタ７にて処理された水は、続いて逆浸透膜装置８に供給される。逆浸透膜装置８にて処理された水は、引き続きイオン交換樹脂装置９に供給され、イオン交換樹脂装置９で処理されることにより生成された純水が、水タンク１０に貯水される。水タンク１０に貯水された純水は、上述した方法により、燃料電池セル１の発電に利用される。

そして、図１に示す燃料電池の構成においては、熱交換器１３と貯湯タンク１８とを接続する循環配管１７（出水管２８）の熱交換器１３の出口側に、出口水温センサ１５を配置し、出口水温センサ１５により測定された温度が、貯湯タンク１８に貯水する水の貯湯設定温度となるように、制御装置１４が循環ポンプ１６の動作を制御する。

具体的には、出口水温センサ１５が測定する温度が貯湯設定温度以下の場合には、制御装置１４は循環ポンプ１６の動作を、循環配管１７を流れる水の流量を減少させるもしくは停止するように制御する。それにより、熱交換器１３の出口を流れる水の温度を上昇させることができる。

一方、出口水温センサ１５が測定する温度が、貯湯設定温度より高い場合には、制御装置１４は、熱交換器１３の出口を流れる水の温度を低下させるべく、循環配管１７を流れる水の流量を増大させるように循環ポンプ１６の動作を制御する。それにより、熱交換器１３の出口を流れる水の温度を低下させることができる。

なお、貯湯設定温度とは、貯湯タンク１８の構造等に基づいて適宜設定することができ、例えば６５℃〜７５℃範囲で適宜設定することができる。

ところで、上述したような燃料電池において、燃料電池セル１の発電等により生じる排ガスの熱量が急激に増大した場合に、熱交換器１３内を流れる水の温度と、熱交換器１３の出口に接続された循環配管１７（出水管２８）を流れる水の温度（出口水温）との間に大きな温度差を生じる場合や、熱交換器１３内を流れる水の温度が上昇してから出口水温センサ１５がその温度上昇を検知までの間に大きなタイムラグが生じる場合がある。

この場合に、熱交換器１３内を流れる水の温度が水の蒸発温度まで上昇すると、熱交換器１３内を流れる水が蒸発することにより、熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分（カルシウム等）が析出する場合がある。そしてその析出物（スケール）が熱交換器１３内に付着することで、熱交換器１３が腐食するおそれがある。

そこで、本発明においては、熱交換器１３内に、熱交換器１３内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサ２２を設けている。なお、水温測定用センサ２２は、熱交換器１３内の温度のうち特に高温となる部位を測定することが好ましく、特には熱交換器１３の出口近傍に設けることが好ましい。それゆえ、図２においては、各プレートフィン２３を貫通して出水管２８に接続される部位（出口近傍）に設けた例を示している。またチューブフィン型の熱交換器の場合には、チューブフィン型熱交換器を構成する配管の出口部位に設けることができる。それにより、熱交換器１３内を流れる水の温度を適切に検知することができる。

そして、制御装置１４が、水温測定用センサ２２により測定された温度に基づいて、熱交換器１３内を流れる流量を増大させるように循環ポンプ１６の動作を制御することで、熱交換器１３内を流れる水の温度が低下する。それにより、熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分（カルシウム等）の析出を抑制でき、その析出物（スケール）により熱交換器１３が腐食することを抑制することができる。

具体的には、水温測定用センサ２２が測定する熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度以上となった場合に、制御装置１４は循環配管１７を流れる水の流量を増大させるように循環ポンプ１６を制御する。ここで、第１の設定温度は、貯湯タンク１８に貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲内で設定され、例えば８０℃〜９０℃の範囲で適宜設定することができる。それにより、熱交換器１３内を流れる水の温度を低下させることができ、それに伴い熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分（カルシウム等）の析出を抑制でき、その析出物（スケール）により熱交換器１３が腐食することを抑制できる。

また、水温測定用センサ２２を配置するにあたり、熱交換器１３内を流れる水が、水温測定用センサ２２が配置された場所から熱交換器１３の出口までの間を流れる間に、熱交換されることでさらに温度が上昇する場合がある。その際、燃料電池セル１より供給される排ガスの熱量により、熱交換器内を流れる水の温度上昇に幅が生じる場合があるため、熱交換器１３の出口水温を制御することが難しくなるおそれがある。

したがって、循環配管１７の熱交換器１３の出口近傍に出口水温センサ１５を設け、出口水温センサ１５により測定される温度が貯湯設定温度となるように、循環ポンプ１６の動作を制御することが好ましい。それにより、安定して所定の温度の水を貯湯タンク１８に供給することができる。

なお、水温測定用センサ２２により測定された熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度以上となった場合においては、制御装置１４は、出口水温センサ１５により測定された温度に基づく循環ポンプ１６の制御よりも優先して、水温測定用センサ２２により測定された温度に基づいて循環ポンプ１６を制御することが好ましい。

また、水温測定用センサ２２により測定された熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度未満となった場合には、制御装置１４は、水温測定用センサ２２により測定された温度に基づく循環ポンプ１６の制御を、出口水温センサ１５により測定された温度に基づく循環ポンプ１６の制御に切り替えることが好ましい。それにより、安定して所定の温度の水を貯湯タンク１８に供給することができる。

なお、水温測定用センサ２２により測定される熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度以上となった場合に、制御装置１４は、循環配管１７を流れる水の流量を増大させるように循環ポンプ１６の動作を制御するが、水温測定用センサ２２が測定する熱交換器１３内を流れる水の温度が第１の設定温度以上を所定時間継続する場合には、燃料電池（セル）の発電量を低下させるか停止するように制御することが好ましい。

水温測定用センサ２２が測定する熱交換器１３内を流れる水の温度が、第１の設定温度以上を所定時間継続する場合に、燃料電池の発電量を低下させるかもしくは停止させることにより、熱交換器１３内を流れる水の温度を低下させることができ、それに伴い熱交換器１３内を流れる水に含まれる成分（カルシウム等）の析出を抑制でき、その析出物（スケール）により熱交換器１３が腐食することを抑制できる。また、それに伴い燃料電池の寿命を長くすることができる。なお、所定時間とは熱交換器１３内を流れる水の流量や、熱交換器１３の大きさ等により適宜設定することができ、例えば３〜１０分の間で適宜設定することができる。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、水温測定用センサ２２を設けるにあたり、水温測定用センサ２２を熱交換器１３内の出口に設けることができる場合においては、出口水温センサ１５を設けることなく、制御装置１４は水温測定用センサ２２が測定する温度に基づいて、循環ポンプ１６の動作を制御することもできる。

この場合において、制御装置１４は、通常時においては水温測定用センサ２２が測定する水温が貯湯設定温度となるように循環ポンプ１６の動作を制御する。そして、水温測定用センサ２２が測定する水温が、第１の設定温度以上となった場合には、循環ポンプ１６により循環配管１７を流れる水の流量が増大するように、循環ポンプ１６の動作を制御する。そして、水温測定用センサ２２が測定する水温が、第１の設定温度未満となった場合には、水温測定用センサ２２が測定する水温が貯湯設定温度となるように循環ポンプ１６の動作を制御する。

本発明の燃料電池の構成を示す構成図である。 本発明の燃料電池を構成する熱交換器を示す外観斜視図である。

符号の説明

１：燃料電池（セル）
１３：熱交換器
１４：制御装置
１５：出口水温センサ
１６：循環ポンプ
１７：循環配管
１８：貯湯タンク
２２：水温測定用センサ

Claims (4)

1. 燃料電池セルと、該燃料電池セルの発電により生じる排ガスと水とで熱交換を行なう熱交換器と、該熱交換器で熱交換された水を貯水するための貯湯タンクと、前記熱交換器と前記貯湯タンクとの間で水を循環させるための循環配管と、該循環配管に設けられた循環ポンプと、該循環ポンプの動作を制御する制御装置とを具備する燃料電池であって、前記熱交換器内に、該熱交換器内を流れる水の温度を測定するための水温測定用センサを具備することを特徴とする燃料電池。
2. 前記水温測定用センサが、前記熱交換器内を流れる水の出口近傍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。
3. 前記制御装置は、前記水温測定用センサにより測定される前記熱交換器内を流れる水の温度が、前記貯湯タンクに貯水する水の貯湯設定温度から水に含まれる成分が析出する温度の範囲内で設定される第１の設定温度以上となった場合に、前記循環配管を流れる水の流量を増大させるように、前記循環ポンプの動作を制御することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池。
4. 前記制御装置は、前記水温測定用センサが測定する前記熱交換器内を流れる水の温度が前記第１の設定温度以上を所定時間継続した場合に、前記燃料電池の発電量を低下させるかもしくは停止するように制御することを特徴とする請求項３に記載の燃料電池。
   
   
   
   
   

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