JP2010257629A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】排熱回収効率を向上させることで、エネルギー効率が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を目的とする。
【解決手段】燃料電池スタック101と、燃料ガス内部流路31に接続されたアノードオフガス配管42と、酸化剤ガス内部流路32に接続されたカソードオフガス配管44と、冷却媒体内部流路33に接続されたオフ冷却媒体配管52と、アノードオフガス、又はカソードオフガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器103、105と、を備え、オフ冷却媒体配管52は、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の少なくとも一方と接触するように、又はアノードオフガス配管42及び/又はカソードオフガス配管44の内側に設けられている、燃料電池コージェネレーションシステム。
【選択図】図2
【解決手段】燃料電池スタック101と、燃料ガス内部流路31に接続されたアノードオフガス配管42と、酸化剤ガス内部流路32に接続されたカソードオフガス配管44と、冷却媒体内部流路33に接続されたオフ冷却媒体配管52と、アノードオフガス、又はカソードオフガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器103、105と、を備え、オフ冷却媒体配管52は、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の少なくとも一方と接触するように、又はアノードオフガス配管42及び/又はカソードオフガス配管44の内側に設けられている、燃料電池コージェネレーションシステム。
【選択図】図2
Description
本発明は、燃料電池を利用した発電と、この発電に伴って生じた熱の回収と、を行って、電力と熱とを供給する燃料電池コージェネレーションシステムの構成に関する。
従来、燃料電池を利用した発電装置と、この発電装置で発電が行われる際に生じる熱を利用して加熱した水(温水)を貯湯する貯湯槽と、を備えた、家庭用燃料電池コージェネレーションシステムが知られている。一般的な家庭用燃料電池コージェネレーションシステムでは、発電装置で発電して得た電力が家庭で使用する一部の電力負荷(例えば、照明や空調装置などの電化製品)に供給されるとともに、貯湯槽の温水が家庭内の熱負荷(例えば、給湯機器や床暖房などの熱利用機器)に供給される。
ここで、燃料電池として高分子電解質形燃料電池(以下、PEFCという)を用いた場合、該PEFCで用いられる電解質層は、充分な水素イオンの伝導性を保つために湿潤している必要があり、このため、加湿器で燃料ガスや酸化剤ガスを加湿して、PEFCに供給するのが一般的である。
このようなPEFCで用いられる加湿器として、加湿後のガスを加熱するための専用のヒーターが不要とする燃料電池の加湿装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示されている燃料電池の加湿装置では、ガスを加湿するための加湿タンクと、該加湿タンクと燃料電池を接続し、内管と外管を有する二重管から構成されたガス配管と、を備え、加湿タンクで加湿されたガスを内管内を通流させて燃料電池に供給し、内管と外管の間に温水を通流させて加湿されたガスを加熱するように構成されている。
ところで、燃料電池コージェネレーションシステムは、通常、熱負荷又は電力負荷に応じて発電を行い、より高い総合効率を達成するように制御されているが、最大効率を達成するのは熱負荷及び電力負荷ともにロスなく利用されるときである。
しかしながら、利用者が使用する実際の熱負荷や電力負荷に、電力や熱(温水)が供給されるまでには、様々なエネルギーロスがあり、理想の効率とは乖離したものとなりがちである。例えば、燃料電池コージェネレーションシステムの場合、システムで発生する排熱の回収は、燃料ガス生成装置におけるバーナの燃焼排ガス、燃料電池スタックからのカソードオフガス、アノードオフガス、排出冷却水等から行うが、バーナや燃料電池スタックから熱回収を行う熱交換器に至る各熱流体が通流する配管の放熱対策は、各配管に対する発泡樹脂などの断熱材によるものが主流で、断熱機能が充分ではなく排熱回収効率が低いという課題があった。また、断熱効率を向上するために真空断熱構造の適用、断熱材増量などを行った場合、システムのコスト面、コンパクト面が課題となる。
このように、従来の燃料電池コージェネレーションシステムでの排熱回収を行うための各熱流体が通流する配管における放熱対策は充分ではなく、熱回収を行うまでの放熱ロスにより排熱回収効率が低く、未だ改善の余地があった。
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、排熱回収効率を向上させることで、エネルギー効率が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を目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムは、アノード及びカソードと、アノードガスが前記アノードに接触して通流するように形成された燃料ガス内部流路と、カソードガスが前記カソードに接触して通流するように形成された酸化剤ガス内部流路と、冷却媒体が通流する冷却媒体内部流路と、を有する燃料電池スタックと、前記燃料ガス内部流路の上流端に接続され、該燃料ガス内部流路に前記アノードガスを供給するアノードガス配管と、前記燃料ガス内部流路の下流端に接続され、該燃料ガス内部流路からアノードオフガスが排出されるアノードオフガス配管と、前記酸化剤ガス内部流路の上流端に接続され、該酸化剤ガス内部流路に前記カソードガスを供給するカソードガス配管と、前記酸化剤ガス内部流路の下流端に接続され、該酸化剤ガス内部流路からカソードオフガスが排出されるカソードオフガス配管と、前記冷却媒体内部流路の上流端に接続され、該冷却媒体内部流路に前記冷却媒体を供給する冷却媒体配管と、前記冷却媒体内部流路の下流端に接続され、該冷却媒体内部流路からオフ冷却媒体が排出されるオフ冷却媒体配管と、前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、を備え、前記オフ冷却媒体配管は、前記アノードオフガス配管及び前記カソードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように、又は前記アノードオフガス配管及び/又は前記カソードオフガス配管の中に設けられている。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックから前記熱交換器までの間で、前記アノードオフガス配管と前記カソードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックの端から所定の長さに亘って前記アノードオフガス配管と前記カソードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記カソードオフガス配管は、前記燃料電池スタックの端から前記所定の長さに亘って前記オフ冷却媒体配管と接触し、かつ、該オフ冷却媒体配管に沿って延びるように形成された延伸部と、該延伸部と前記酸化剤ガス内部流路を接続するように形成された接続部と、を有するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記アノードオフガス配管は、前記燃料電池スタックの端から前記所定の長さに亘って前記オフ冷却媒体配管と接触し、かつ、該オフ冷却媒体配管に沿って延びるように形成された延伸部と、該延伸部と前記燃料ガス内部流路を接続するように形成された接続部と、を有するように構成されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管の前記アノードオフガス配管又は前記カソードオフガス配管と接触している部分以外の部分が断熱部材で覆われていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管は、燃料電池スタックから前記熱交換器までの間で、前記カソードオフガス配管及び/又は前記アノードオフガス配管の中に設けられていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックの端から所定の長さに亘って、前記カソードオフガス配管及び/又は前記アノードオフガス配管の中に設けられていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記カソードオフガス配管の中にオフ冷却媒体配管が配置され、前記アノードオフガス配管の中にカソードオフガス配管が配置されていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記カソードオフガス配管及び/又は前記アノードオフガス配管は断熱部材で覆われていてもよい。
また、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記燃料電池スタックは、その両端に一対の端板が設けられ、一方の前記端板における前記冷却媒体内部流路の下流端、前記燃料ガス内部流路の下流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の下流端と、前記オフ冷却媒体配管、前記アノードオフガス配管、及び前記カソードオフガス配管と、がそれぞれ接続されていてもよい。
さらに、本発明に係る燃料電池コージェネレーションシステムでは、前記冷却媒体配管、前記アノードガス配管、及び前記カソードガス配管は、前記一方の端板の上部において、前記冷却媒体内部流の上流端、前記燃料ガス内部流路の上流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の上流端に、それぞれ接続され、前記オフ冷却媒体配管、前記アノードオフガス配管、及び前記カソードオフガス配管は、前記一方の端板の下部において、前記冷却媒体内部流路の下流端、前記燃料ガス内部流路の下流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の下流端に、それぞれ接続されていてもよい。
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムによれば、熱容量の小さいアノードオフガス配管及び/又はカソードオフガス配管が熱容量の大きいオフ冷却媒体配管の断熱体としても機能することができ、また、オフ冷却媒体配管の外気との接触面積を低減することができる。このため、各配管からの外気への総合放熱量を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステムの熱回収効率を向上させることができる。
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、全ての図面において、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
(実施の形態1)
本発明の実施の形態1は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方と接触する形態を例示するものである。
本発明の実施の形態1は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方と接触する形態を例示するものである。
図1は、本発明の実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成を示す模式図である。
図1に示すように、本実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100は、燃料電池スタック101と、アノードガス配管41、アノードオフガス配管42と、カソードガス配管43、カソードオフガス配管44と、冷却媒体配管51、オフ冷却媒体配管52と、熱利用を図る熱交換器として第1熱交換器103、第3熱交換器105と、を備えている。
すなわち、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム100は、アノードガス配管41とアノードオフガス配管42を備えていればよく、燃料ガス供給手段を必ずしも備える必要はない。例えば、水素ガスインフラストラクチャが整備されているような場合には、燃料ガス供給手段は不要である。以下では、燃料電池コージェネレーションシステム100が燃料ガス供給手段としての『燃料ガス供給装置』を備える例を示す。『燃料ガス供給装置』としては、例えば、水素生成装置、水素ボンベ等が挙げられる。以下では、『燃料ガス供給装置』が「水素生成装置」である例を示す。
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム100は、カソードガス配管43とカソードオフガス配管44を備えていればよく、カソードガス供給手段を必ずしも備える必要はない。例えば、燃料電池コージェネレーションシステム100が、外部からカソードガスを供給されるような場合には、カソードガス供給手段は不要である。以下では、燃料電池コージェネレーションシステム100がカソードガス供給手段としての『酸化剤ガス供給装置』を備える例を示す。『酸化剤ガス供給装置』としては、例えば、空気供給器、酸化剤ガスボンベ等が挙げられる。以下では、『酸化剤ガス供給装置』が「空気供給器」である例を示す。
また、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム100は、冷却媒体配管51、オフ冷却媒体配管52を備えていればよく、冷却媒体供給手段を必ずしも備える必要はない。例えば、燃料電池コージェネレーションシステム100が外部から冷却媒体を供給されるような場合には、冷却媒体供給手段は不要である。以下には、燃料電池コージェネレーションシステム100が冷却媒体供給手段としての『冷却媒体タンク』を備える例を示す。
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100は、熱利用を図る第1熱交換器103、第3熱交換器105を備えていればよく、熱利用機器を必ずしも備える必要はない。例えば、燃料電池コージェネレーションシステム100が熱利用を図るための熱媒体を外部に供給するような場合には、熱利用機器は不要である。以下では、燃料電池コージェネレーションシステム100が『熱利用機器』を備える例を示す。
次に、本実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100の構成について、図1を参照しながら詳細に説明する。
[燃料電池コージェネレーションシステムの構成]
図1に示すように、本実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100は、例えば、燃料電池スタック101、水素生成装置102、熱利用を図るための第1〜第4熱交換器103〜106、空気供給器107、熱利用機器109、及び制御器110を備えていて、燃料電池101で発生した電力と熱を利用者に供給するように構成されている。
図1に示すように、本実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100は、例えば、燃料電池スタック101、水素生成装置102、熱利用を図るための第1〜第4熱交換器103〜106、空気供給器107、熱利用機器109、及び制御器110を備えていて、燃料電池101で発生した電力と熱を利用者に供給するように構成されている。
「燃料電池スタック」101のタイプ(型式)は、燃料電池スタックを冷却するよう構成されているタイプであれば特に限定されない。例えば、燃料電池スタック101として、固体高分子電解質形燃料電池、固体酸化物形燃料電池、リン酸形燃料電池、溶融炭酸塩形燃料電池等を用いることができる。また、燃料電池スタック101として、内部マニホールド型と外部マニホールド型との双方を用いることができる。以下には、「燃料電池スタック」101が内部マニホールド型である例を示す。
具体的には、燃料電池スタック101は、「アノード」2A、「カソード」2B、「燃料ガス内部流路」31、「酸化剤ガス内部流路」32、及び「冷却媒体内部流路」33を有している。燃料ガス内部流路31は、アノード2Aにアノードガスを供給し、酸化剤ガス内部流路32は、カソード2Bにカソードガスを供給するように構成されている。また、冷却媒体内部流路33は、燃料電池スタック101内で発生した熱を冷却媒体で回収するように構成されている。なお、燃料電池スタック101の詳細な構成は、後述する。
「水素生成装置」102は、例えば、改質器、変成器、浄化器(いずれも図示せず)、及びバーナ102Aを有していて、原料ガス(例えば、メタン等の炭素と水素から構成される有機化合物を含むガス)と水から水素を含有するアノードガスを生成する。水素生成装置102には、「アノードガス配管」41を介して燃料電池スタック101の燃料ガス内部流路31の上流端と接続されている。燃料ガス内部流路31の下流端には、「アノードオフガス配管」42を介してバーナ102Aが接続されている。また、バーナ102Aには、燃焼排ガス配管45が接続されている。なお、アノードオフガス配管42の途中には、第1熱交換器103が設けられていて、燃焼排ガス配管45の途中には、第2熱交換器104が設けられている。
これにより、水素生成装置102で生成されたアノードガスが、アノードガス配管41を介して燃料ガス内部流路31に供給される。そして、アノード2Aで使用されなかったアノードガス(これをアノードオフガスという)は、アノードオフガス配管42を介してバーナ102Aに供給され、バーナ102Aで燃焼される。バーナ102Aで、アノードオフガスが燃焼することで生成された燃焼排ガスは、燃料電池コージェネレーションシステム100外(大気中)に排出構成される。
また、「空気供給器」107は、例えば、ブロワやシロッコファン等のファン類を使用することができ、「カソードガス配管」43を介して、燃料電池スタック101の酸化剤ガス内部流路32の上流端に接続されている。また、酸化剤ガス内部流路32の下流端には、「カソードオフガス配管」44が接続されている。なお、カソードオフガス配管44の途中には、第3熱交換器105が設けられている。
これにより、空気供給器107からカソードガスが、カソードガス配管43を介して酸化剤ガス内部流路32に供給される。そして、カソード2Bで使用されなかったカソードガス(これをカソードオフガスという)は、カソードオフガス配管44を介して、大気中に排出される。
また、燃料電池コージェネレーションシステム100は、冷却媒体を貯えるように構成された『冷却媒体タンク』108を備えていて、冷却媒体タンク108は、「冷却媒体配管」51を介して燃料電池スタック101の冷却媒体内部流路33の上流端と接続されている。また、冷却媒体内部流路33の下流端は、「オフ冷却媒体配管」52を介して冷却媒体タンク108と接続されている。ここで、冷却媒体は、水であってもよく、不凍液(例えば、エチレングリーコール含有液)等であってもよい。なお、オフ冷却媒体配管52の途中には第4熱交換器106が設けられている。
これにより、図示されない冷却媒体ポンプによって、冷却媒体タンク108から冷却媒体配管51を介して冷却媒体内部流路33に冷却媒体が供給される。冷却媒体内部流路33に供給された冷却媒体は、冷却媒体内部流路33を通流する間に、燃料電池スタック101で発生した熱を回収し、オフ冷却媒体配管52に排出される。オフ冷却媒体配管52に排出された冷却媒体(これをオフ冷却媒体という)は、オフ冷却媒体配管52を通流して冷却媒体タンク108に戻る。
なお、アノードガス配管41及びアノードオフガス配管42の材料は、例えば、SUS等の金属で形成されていてもよい。また、カソードガス配管43、カソードオフガス配管44、冷却媒体配管51、及びオフ冷却媒体配管52の材料は、特に限定されないが、例えば、テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー(PFA)、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリオキシメチレン(POM)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリスルホン(PSF)、ポリプロピレン(PP)等の樹脂で形成されていてもよい。
また、燃料電池コージェネレーションシステム100は、『熱利用機器』109と、熱利用機器109を含み、熱媒体(例えば、水や不凍液等)が通流するように構成された熱媒体循環路53と、図示されない熱媒体ポンプと、を備えている。ここで、熱利用機器109としては、例えば、給湯や床暖房が挙げられる。この場合、熱媒体循環路53は、例えば、蓄熱器(貯湯タンク)に接続されてもよく、また、床暖房の経路に接続されてもよい。
熱媒体循環路53の途中には、本実施の形態1においては、第1熱交換器103、第2熱交換器104、第3熱交換器105、及び第4熱交換器106が、この順で設けられている。第1熱交換器103は、熱媒体とアノードオフガスとの間で熱交換するように構成されていて、第2熱交換器104は、熱媒体と燃焼排ガスとの間で熱交換するように構成されている。また、第3熱交換器105は、熱媒体とカソードオフガスとの間で熱交換するように構成されていて、第4熱交換器106は、熱媒体と冷却媒体との間で熱交換するように構成されている。これにより、熱媒体は、熱媒体循環路53を通流する間に、アノードオフガス、燃焼排ガス、カソードオフガス、及び冷却媒体と熱交換して加熱され、熱利用機器109に供される。
なお、本実施の形態1においては、熱媒体循環路53の途中に第1熱交換器103、第2熱交換器104、第3熱交換器105、及び第4熱交換器106を、この順で設ける構成としたが、各熱交換器の設けられる順番は限定されない。但し、効率よく熱交換する観点から、上記順番で設けられていることが好ましい。
制御器110は、例えば、マイコン等のコンピュータによって構成されており、燃料電池コージェネレーションシステム100に関する各種の制御を行う。
次に、図2及び図3を参照しながら、燃料電池スタック101の構成及び各配管との接続構造について説明する。
[燃料電池スタックと各配管との接続構造]
図2は、図1に示す燃料電池コージェネレーションシステム100の燃料電池スタック101と各配管との接続構造を模式的に示す斜視図である。また、図3は、図2に示す矢印A方向から見た模式図である。なお、図2及び図3においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。また、図2においては、燃料電池スタック101における上下方向を図における上下方向として表し、図3においては、その一部を省略している。
図2は、図1に示す燃料電池コージェネレーションシステム100の燃料電池スタック101と各配管との接続構造を模式的に示す斜視図である。また、図3は、図2に示す矢印A方向から見た模式図である。なお、図2及び図3においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。また、図2においては、燃料電池スタック101における上下方向を図における上下方向として表し、図3においては、その一部を省略している。
図2及び図3に示すように、燃料電池スタック101は、板状のセル10が複数積層されたセル積層体70と、該セル積層体70の両端に配置された「端板」71A、71Bと、セル積層体70と端板71A、71Bをセルの積層方向において締結する締結具(図示せず)と、を有する。また、端板71Aとセル積層体70の間には、絶縁板72A及び集電板73Aが配置されている。同様に、端板71Bとセル積層体70との間には、絶縁板72B及び集電板73Bが配置されている。セル積層体70には、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、冷却媒体供給マニホールド(図示せず)、燃料ガス排出マニホールド121、酸化剤ガス排出マニホールド122、及び冷却媒体排出マニホールド123が設けられている。
セル10は、本実施の形態1においては、高分子電解質形燃料電池で構成されていて、図3に示すように、MEA(Membrane−Electrode−Assembly:膜−電極接合体)3と、一対のガスケット5、5と、アノードセパレータ4Aと、カソードセパレータ4Bと、を有する。また、MEA3は、高分子電解質膜1と、アノード2Aと、カソード2Bを有する。
アノードセパレータ4Aのアノード2Aと接触する主面(以下、内面という)には、アノードガスが通流する燃料ガス流路(図示せず)が、その上流端と下流端が、それぞれ、燃料ガス供給マニホールドと燃料ガス排出マニホールド121に接続されるように設けられていて、内面の反対側の主面(以下、外面という)には、冷却媒体が通流する冷却媒体流路(図示せず)が、その上流端と下流端が、それぞれ、冷却媒体供給マニホールドと冷却媒体排出マニホールド123に接続されるように設けられている。同様に、カソードセパレータ4Bのカソード2Bと接触する主面(以下、内面という)には、カソードガスが通流する酸化剤ガス流路(図示せず)が、その上流端と下流端が、それぞれ、酸化剤ガス供給マニホールドと酸化剤ガス排出マニホールド122に接続されるように設けられていて、内面の反対側の主面(以下、外面という)には、冷却媒体流路(図示せず)が、その上流端と下流端が、それぞれ、冷却媒体供給マニホールドと冷却媒体排出マニホールド123に接続されるように設けられている。
また、図2に示すように、端板71B、絶縁板72B、及び集電板73Bのそれぞれの上部には、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び冷却媒体供給マニホールドに対応する貫通孔が設けられている。また、端板71A、絶縁板72A、及び集電板73Aのそれぞれの下部には、燃料ガス排出マニホールド121、酸化剤ガス排出マニホールド122、及び冷却媒体排出マニホールド123に対応する貫通孔21、22、23が設けられている。
なお、燃料ガス供給マニホールド、端板71B、絶縁板72B、及び集電板73Bのそれぞれに設けられた燃料ガス供給マニホールドに対応する貫通孔、燃料ガス流路、燃料ガス排出マニホールド121、端板71A、絶縁板72A、及び集電板73Aに設けられた燃料ガス排出マニホールド121に対応する貫通孔21から燃料ガス内部流路31が構成される(図1参照)。また、端板71Bに設けられた燃料ガス供給マニホールドに対応する貫通孔が燃料ガス内部流路31の上流端を構成し、端板71Aに設けられた貫通孔21が燃料ガス内部流路31の下流端を構成する。
同様に、酸化剤ガス供給マニホールド、端板71B、絶縁板72B、及び集電板73Bのそれぞれに設けられた酸化剤ガス供給マニホールドに対応する貫通孔、酸化剤ガス流路、酸化剤ガス排出マニホールド122、及び端板71A、絶縁板72A、及び集電板73Aに設けられた酸化剤ガス排出マニホールド122に対応する貫通孔22から酸化剤ガス内部流路32が構成される(図1参照)。また、端板71Bに設けられた酸化剤ガス供給マニホールドに対応する貫通孔が酸化剤ガス内部流路32の上流端を構成し、端板71Aに設けられた貫通孔22が酸化剤ガス内部流路32の下流端を構成する。
また、冷却媒体供給マニホールド、端板71B、絶縁板72B、及び集電板73Bのそれぞれに設けられた冷却媒体供給マニホールドに対応する貫通孔、冷却媒体流路、冷却媒体排出マニホールド123、及び端板71A、絶縁板72A、及び集電板73Aに設けられた冷却媒体排出マニホールド123に対応する貫通孔23から冷却媒体内部流路33が構成される(図1参照)。また、端板71Bに設けられた冷却媒体供給マニホールドに対応する貫通孔が冷却媒体内部流路33の上流端を構成し、端板71Aに設けられた貫通孔23が冷却媒体内部流路33の下流端を構成する。
また、図2及び図3に示すように、端板71Bの燃料ガス供給マニホールドに対応する貫通孔、酸化剤ガス供給マニホールドに対応する貫通孔、及び冷却媒体供給マニホールドに対応する貫通孔には、それぞれ、アノードガス配管41、カソードガス配管43、及び冷却媒体配管51が、適宜な手段により接続されている。同様に、端板71Aの燃料ガス排出マニホールドに対応する貫通孔21、酸化剤ガス排出マニホールドに対応する貫通孔22、及び冷却媒体排出マニホールドに対応する貫通孔23には、それぞれ、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52が、適宜な手段により接続されている。
そして、「オフ冷却媒体配管52は、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の少なくとも一方と接触する」ように設けられている。ここで、「オフ冷却媒体配管52は、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の少なくとも一方と接触する」とは、オフ冷却媒体配管52が、例えば、後述する断熱部材61等の他の部材を介して近接することを除くことを意味する。
これにより、熱容量の小さいアノードオフガス配管42及び/又はカソードオフガス配管44が熱容量の大きいオフ冷却媒体配管52の断熱体としても機能することができ、また、オフ冷却媒体配管52の外気との接触面積を低減することができる。さらに、オフ冷却媒体配管52からアノードオフガス配管42及び/又はカソードオフガス配管44に移動した熱は、第1熱交換器103及び/又は第3熱交換器105で回収される。このため、オフ冷却媒体配管52からの外気への放熱量を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム100の熱回収効率を向上させることができる。
より詳細には、オフ冷却媒体配管52は、「燃料電池スタック101から第1熱交換器103又は第3熱交換器105までの間で、アノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44の少なくとも一方と接触する」ように構成されている。ここで、「燃料電池スタック101から第1熱交換器103又は第3熱交換器105までの間で接触する」とは、燃料電池スタック101から第1熱交換器103又は第3熱交換器105までの間で、オフ冷却媒体配管52がアノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44の一方と接触する部分と、アノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44の両方と接触しない部分と、が混在していてもよいことを意味する。勿論、燃料電池スタック101から第1熱交換器103又は第3熱交換器105までの間で、オフ冷却媒体配管52がアノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44の両方と接触してもよい。なお、オフ冷却媒体配管52とアノードオフガス配管42の接触位置と、オフ冷却媒体配管52とカソードオフガス配管44の接触位置と、が一致してもよく、また、一致しなくてもよい。
具体的には、図2及び図3に示すように、アノードオフガス配管42とオフ冷却媒体配管52は、燃料電池スタック101の端(端板71A)と第1熱交換器103との間で接触するように構成されている。本実施の形態1においては、例えば、オフ冷却媒体配管52は、端板71Aから該端板71Aの厚み方向に直線状に延びている。アノードオフガス配管42は、端板71Aから該端板71Aの厚み方向にある程度延びてオフ冷却媒体配管52に向けて屈曲し、そこからオフ冷却媒体配管52に向けて延びてオフ冷却媒体配管52に接触し、そこで屈曲してオフ冷却媒体配管52と接触しながら第1の「所定の長さ」に亘ってオフ冷却媒体配管52に並んで延びるように形成されている。なお、アノードオフガス配管42の端板71Aからオフ冷却媒体配管52と接触するまでの部分の形状は任意である。
同様に、カソードオフガス配管44とオフ冷却媒体配管52は、燃料電池スタック101の端(端板71A)と第3熱交換器105との間で接触するように構成されている本実施の形態1においては、例えば、カソードオフガス配管44は、端板71Aから該端板71Aの厚み方向にある程度延びてオフ冷却媒体配管52に向けて屈曲し、そこからオフ冷却媒体配管52に向けて延びてオフ冷却媒体配管52に接触し、そこで屈曲してオフ冷却媒体配管52と接触しながら第1の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管52に並んで延びるように形成されている。なお、カソードオフガス配管44の端板71Aからオフ冷却媒体配管52と接触するまでの部分の形状は任意である。
ここで、第1の「所定の長さ」とは、燃料電池スタック101の端と、第1熱交換器103と、又は第3熱交換器105と、までの間の長さよりも短い長さをいい、燃料電池コージェネレーションシステム100の構成によって適宜変更される。なお、各配管からの外気への総合放熱量を低減する観点から、第1の所定の長さは、できるだけ長い方が好ましい。また、本実施の形態1においては、アノードオフガス配管42とオフ冷却媒体配管52と、カソードオフガス配管44とオフ冷却媒体配管52と、は、同じ第1の所定の長さに亘って接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管42とオフ冷却媒体配管52の接触する長さと、カソードオフガス配管44とオフ冷却媒体配管52の接触する長さは異なってもよい。
これにより、オフ冷却媒体配管52を通流する冷却媒体が有する熱は、冷却媒体配管52からアノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44に移動する。アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44に移動した熱は、それぞれの配管を通流するガスに移動し、第1熱交換器103及び第3熱交換器105で熱媒体に移動する。
また、アノードガス配管41、カソードガス配管43、及び冷却媒体配管51は、それぞれ、断熱部材61に覆われている。また、オフ冷却媒体配管52のアノードオフガス配管42又はカソードオフガス配管44と接触している部分以外の部分が断熱部材61で覆われていてもよく、本実施の形態1においては、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52は、それぞれの配管が接触する部分以外の部分を断熱部材61に覆われている。これにより、各配管から外気への放熱量をより低減することができる。
ここで、図4を参照しながら、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52の接触構造について説明する。図4は、図1に示す燃料電池コージェネレーションシステム100のアノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52の接触構造を模式的に示す断面図である。
図4(a)に示すように、各配管は、その断面形状が円状に形成されていて、それぞれの配管がその外周において接触するように配置されていてもよい。また、例えば、図4(b)に示すように、中央に円状の断面形状のオフ冷却媒体配管52が位置し、これをアノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44とが円環状に囲むように、オフ冷却媒体配管52、アノードオフガス配管42、及びカソードオフガス配管44を配置してもよい。この場合、アノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44とは、共に、両者で1つの円環を成す部分円環形状を有する。また、例えば、図4(c)に示すように、中央に矩形状の断面形状のオフ冷却媒体配管52が位置し、これをアノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44とが矩形の環状に囲むように、オフ冷却媒体配管52、アノードオフガス配管42、及びカソードオフガス配管44を配置してもよい。この場合、アノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44とは、共に、両者で1つの矩形環を成す部分矩形環形状を有する。このような異形の断面形状を有するアノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44は、例えば、素管を引き抜き加工、プレス加工等することによって、あるいはビレットを押し出し加工することによって製造することができる。
[燃料電池コージェネレーションシステムの動作]
次に、本実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100の動作について、図1乃至図3を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器110が燃料電池コージェネレーションシステム100を制御することにより遂行される。
次に、本実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100の動作について、図1乃至図3を参照しながら説明する。なお、以下の動作は、制御器110が燃料電池コージェネレーションシステム100を制御することにより遂行される。
まず、水素生成装置102からアノードガス配管41を介して燃料ガス内部流路31にアノードガスが供給される。また、空気供給器107からカソードガス配管43を介して酸化剤ガス内部流路32にカソードガスが供給される。燃料ガス内部流路31に供給されたアノードガスは、燃料ガス内部流路31を通流する間に、各セル10のアノード2Aに供給され、酸化剤ガス内部流路32に供給されたカソードガスは、酸化剤ガス内部流路32を通流する間に、各セル10のカソード2Bに供給される。
そして、アノード2Aに供給されたアノードガスとカソード2Bに供給されたカソードガスとが、電気化学的に反応して電力と熱が発生する。発生した電力は、適宜、電力負荷(図示せず)に供給される。一方、発生した熱は、冷却媒体タンク108から冷却媒体配管51を介して冷却媒体内部流路33に供給された冷却媒体が回収する。
熱を回収した冷却媒体は、オフ冷却媒体として、冷却媒体内部流路33からオフ冷却媒体配管52に排出される。オフ冷却媒体は、オフ冷却媒体配管52を通流する間に、第4熱交換器106で熱媒体と熱交換して(熱媒体を加熱して)、冷却媒体タンク108に供給される。
また、アノード2Aで使用されなかったアノードガスは、アノードオフガスとして、燃料ガス内部流路31からアノードオフガス配管42に排出される。アノードオフガスは、アノードオフガス配管42を通流する間に、第1熱交換器103で熱媒体と熱交換して(熱媒体を加熱して)、バーナ102Aに供給される。バーナ102Aでは、アノードオフガスが燃焼され、燃焼排ガスが生成される。生成された燃焼排ガスは、燃焼排ガス配管45を通流する間に、第2熱交換器104で熱媒体と熱交換して(熱媒体を加熱して)、燃料電池コージェネレーションシステム100外に排出される。
また、カソード2Bで使用されなかったカソードガスは、カソードオフガスとして、酸化剤ガス内部流路32からカソードオフガス配管44に排出される。カソードオフガスは、カソードオフガス配管44を通流する間に、第3熱交換器105で熱媒体と熱交換して(熱媒体を加熱して)、燃料電池コージェネレーションシステム100外に排出される。
さらに、オフ冷却媒体が有する熱の一部が、オフ冷却媒体配管52を通流する間に、図2乃至図4に示す接触構造によって、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44を介してアノードオフガス及びカソードオフガスに移動する。そして、アノードオフガス及びカソードオフガスに移動したオフ冷却媒体が有する熱は、第1熱交換器103及び第3熱交換器105で熱媒体に回収される(熱媒体を加熱する)。加熱された熱媒体は、熱利用機器109に供給される。
このように、本実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100では、熱容量の小さいアノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44が熱容量の大きいオフ冷却媒体配管52の断熱体としても機能することができ、また、オフ冷却媒体配管52の外気との接触面積を低減することができる。
また、従来は、オフ冷却媒体配管52を通流する間に大気中に放出されたオフ冷却媒体が有する熱の一部を、アノードオフガス及びカソードオフガスが回収して、第1熱交換器103及び第3熱交換器105で熱媒体がこの熱を回収して、熱利用機器109に供することができる。このため、本実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100では、オフ冷却媒体配管52からの外気への放熱量を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム100の熱回収効率を向上させることができる。
なお、本実施の形態1においては、オフ冷却媒体配管52は、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の両方と接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44のいずれか一方と接触する構成としてもよい。
また、本実施の形態1においては、燃料電池スタック101は、複数のセル10が積層されたセル積層体70を有する構成としたが、これに限定されず、1つのセル10を有する構成としてもよい。また、燃料電池スタック101として、高分子電解質形燃料電池を用いたが、これに限定されず、固体酸化物燃料電池等を用いてもよい。さらに、水素生成装置102は、変成器及び浄化器を有する構成としたが、例えば、燃料電池スタック101として、一酸化炭素に対して被毒しにくい、固体酸化物燃料電池を用いる場合には、これらの機器を設けない構成としてもよい。
さらに、本実施の形態1においては、燃料電池スタック101は、内部マニホールド型を用いたが、これに限定されず、外部マニホールド型を採用してもよい。この場合、オフ冷却媒体配管52、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44は、それぞれのマニホールドの下流端に接続される。
(実施の形態2)
本発明の実施の形態2は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方と燃料電池スタックの内部燃料ガス流路の出口において接触する形態を例示するものである。
本発明の実施の形態2は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方と燃料電池スタックの内部燃料ガス流路の出口において接触する形態を例示するものである。
[燃料電池コージェネレーションシステムの構成]
図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。なお、図5においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。
図5は、本発明の実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。なお、図5においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。
本発明の実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100は、実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100と基本的構成は同じであるが、オフ冷却媒体配管52は、燃料電池スタック101の端から第2の「所定の長さ」に亘って、アノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44の少なくとも一方と接触するように構成されている。ここで、第2の「所定の長さ」とは、燃料電池スタック101の端と第1熱交換器103又は第3熱交換器105までの間の長さよりも短い長さをいい、燃料電池コージェネレーションシステム100の構成によって異なるものである。なお、各配管からの外気への総合放熱量を低減する観点から、第2の所定の長さは、できるだけ長い方が好ましい。
これにより、オフ冷却媒体配管52の中で最も熱容量の大きい燃料電池スタック101との接続部分(燃料電池スタック101の端と最も近い部分)を、アノードオフガス配管42及び/又はカソードオフガス配管44が接触することで、各配管からの外気への総合放熱量をより低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム100の熱回収効率をより向上させることができる。
次に、図5を参照しながら、本実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100における燃料電池スタック101と各配管との接続構造について詳細に説明する。
[燃料電池スタックと各配管との接続構造]
図5に示すように、本実施の形態2においては、アノードオフガス配管42は、オフ冷却媒体配管52に沿って延びるように形成された「延伸部」42aと、該延伸部42aと燃料ガス内部流路31を接続するように形成された「接続部」42bと、から構成されている。延伸部42aの一方の端部は、オフ冷却媒体配管52の燃料電池スタック101側の端と接触するように、オフ冷却媒体配管52に沿って延びている。また、延伸部42aの一方の端は、閉鎖されていて、燃料電池スタック101の端(端板71A)と接触している。そして、延伸部42aは、燃料電池スタック101の端から第2の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管52と接触するように構成されている。また、接続部42bは、その上流端が燃料ガス内部流路31の下流端と接続され、その下流端が延伸部42aに接続されている。なお、延伸部42aにおける接続部42bとの接続点は、延伸部42aの一方の端と接続点との間に存在するガスを流動させやすくする観点から、延伸部42aの一方の端に近いことが好ましい。
図5に示すように、本実施の形態2においては、アノードオフガス配管42は、オフ冷却媒体配管52に沿って延びるように形成された「延伸部」42aと、該延伸部42aと燃料ガス内部流路31を接続するように形成された「接続部」42bと、から構成されている。延伸部42aの一方の端部は、オフ冷却媒体配管52の燃料電池スタック101側の端と接触するように、オフ冷却媒体配管52に沿って延びている。また、延伸部42aの一方の端は、閉鎖されていて、燃料電池スタック101の端(端板71A)と接触している。そして、延伸部42aは、燃料電池スタック101の端から第2の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管52と接触するように構成されている。また、接続部42bは、その上流端が燃料ガス内部流路31の下流端と接続され、その下流端が延伸部42aに接続されている。なお、延伸部42aにおける接続部42bとの接続点は、延伸部42aの一方の端と接続点との間に存在するガスを流動させやすくする観点から、延伸部42aの一方の端に近いことが好ましい。
同様に、カソードオフガス配管44は、オフ冷却媒体配管52に沿って延びるように形成された延伸部44aと、該延伸部44aと酸化剤ガス内部流路32を接続するように形成された接続部44bと、から構成されている。延伸部44aの一方の端部は、オフ冷却媒体配管52の燃料電池スタック101側の端と接触するように、オフ冷却媒体配管52に沿って延びている。また、延伸部44aの一方の端は、閉鎖されていて、燃料電池スタック101の端(端板71A)と接触している。そして、延伸部44aは、燃料電池スタック101の端から第2の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管52と接触するように構成されている。また、接続部44bはその上流端が酸化剤ガス内部流路32の下流端と接続され、その下流端が延伸部44aに接続されている。なお、延伸部44aにおける接続部44bとの接続点は、延伸部44aの一方の端と接続点との間に存在するガスを流動させやすくする観点から、延伸部44aの一方の端に近いことが好ましい。
このように構成された本実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100では、オフ冷却媒体配管52の中で最も熱容量の大きい燃料電池スタック101との接続部分(燃料電池スタック101の端と最も近い部分)が、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44と接触することで、各配管からの外気への総合放熱量をより低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム100の熱回収効率をより向上させることができる。
なお、本実施の形態2においては、オフ冷却媒体配管52は、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の両方と接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管42又はカソードオフガス配管44のいずれか一方と接触する構成としてもよい。また、本実施の形態2においては、アノードオフガス配管42とオフ冷却媒体配管52と、カソードオフガス配管44とオフ冷却媒体配管52と、は、同じ第2の所定の長さに亘って接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管42とオフ冷却媒体配管52の接触する長さと、カソードオフガス配管44とオフ冷却媒体配管52の接触する長さは異なってもよい。
[変形例1]
次に、本実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100の変形例1について、図6を参照しながら説明する。
次に、本実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100の変形例1について、図6を参照しながら説明する。
図6は、本変形例1の燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。なお、図6においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。
図6に示すように、本変形例1の燃料電池コージェネレーションシステム100における燃料電池スタック101では、アノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44の形状が、実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100と異なる。具体的には、アノードオフガス配管42は、燃料電池スタック101の端(端板71A)との接続端から、端板71Aの主面に沿って、オフ冷却媒体配管52に接触するまで延び、そこから、第2の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管52と接触しながら、該オフ冷却媒体配管52に沿って延びるように構成されている。同様に、カソードオフガス配管44は、燃料電池スタック101の端(端板71A)との接続端から、端板71Aの主面に沿って、オフ冷却媒体配管52に接触するまで延び、そこから、第2の所定の長さに亘ってオフ冷却媒体配管52と接触しながら、該オフ冷却媒体配管52に沿って延びるように構成されている。
このように構成された本変形例1の燃料電池コージェネレーションシステム100であっても、実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例1においては、オフ冷却媒体配管52は、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の両方と接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管42又はカソードオフガス配管44のいずれか一方と接触する構成としてもよい。
[変形例2]
次に、本実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100の変形例2について、図7を参照しながら説明する。
次に、本実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100の変形例2について、図7を参照しながら説明する。
図7は、本変形例2の燃料電池コージェネレーションシステムにおける燃料電池スタックと各配管との接続構造を示す模式図である。なお、図7においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。
図7に示すように、本変形例2の燃料電池コージェネレーションシステム100における燃料電池スタック101では、アノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44の一部が、端板71A内に配置されている点が、変形例1の燃料電池コージェネレーションシステム100における燃料電池スタック101と異なる。具体的には、オフ冷却媒体配管52の燃料電池スタック101側の端から所定の長さまでの部分が、端板71Aに埋め込まれている。また、アノードオフガス配管42の接続部42bと、延伸部42aの一部が、端板71Aに埋め込まれており、同様に、カソードオフガス配管44の接続部44bと、延伸部44aの一部が、端板71Aに埋め込まれている。
なお、端板71Aは、例えば、板状の2つの部材を用意し、一方の部材に、アノードオフガス配管42の接続部42b及びカソードオフガス配管44の接続部44bを埋め込み、また、オフ冷却配管52が嵌合する貫通孔を設け、他方の部材に、アノードオフガス配管42の延伸部42a、カソードオフガス配管44の延伸部44a、及びオフ冷却配管52のそれぞれが、嵌合する貫通孔を設けて、これらの部材を張り合わせることで、作成することができる。
このように構成された、本変形例2の燃料電池コージェネレーションシステム100であっても、実施の形態2に係る燃料電池コージェネレーションシステム100と同様の作用効果を奏する。なお、本変形例2においては、オフ冷却媒体配管52は、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の両方と接触する構成としたが、これに限定されず、アノードオフガス配管42又はカソードオフガス配管44のいずれか一方と接触する構成としてもよい。
(実施の形態3)
本発明の実施の形態3は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方の中に設けられている形態を例示するものである。
本発明の実施の形態3は、オフ冷却媒体配管が、アノードオフガス配管及びカソードオフガス配管の少なくとも一方の中に設けられている形態を例示するものである。
図8は、本発明の実施の形態3に係る燃料電池コージェネレーションシステムの燃料電池スタックと各配管との接続構造を模式的に示す斜視図である。また、図9は、図8に示す矢印B方向から見た模式図である。なお、図8及び図9においては、各配管の構造を理解しやすくするためにハッチングを付し、断熱部材を二点差線で示している。また、図8においては、燃料電池スタック101における上下方向を図における上下方向として表し、図9においては、その一部を省略している。
図8及び図9に示すように、本発明の実施の形態3に係る燃料電池コージェネレーションシステム100は、実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100と基本的構成は同じであるが、「オフ冷却媒体配管52は、燃料電池スタック101から第1熱交換器103又は第3熱交換器105までの間で、カソードオフガス配管44及び/又はアノードオフガス配管42の中(内部空間)に設けられている」。
これにより、熱容量の小さいアノードオフガス配管42及び/又はカソードオフガス配管44が熱容量の大きいオフ冷却媒体配管52の断熱体としても機能することができ、また、オフ冷却媒体配管52の外気との接触面積を低減することができる。さらに、オフ冷却媒体配管52からアノードオフガス配管42及び/又はカソードオフガス配管44に移動した熱は、第1熱交換器103及び/又は第3熱交換器105で回収される。このため、オフ冷却媒体配管52からの外気への放熱量を低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム100の熱回収効率を向上させることができる。
また、本実施の形態3に係る燃料電池コージェネレーションシステム100では、「カソードオフガス配管44の中(内部空間)にオフ冷却媒体配管52が配置され、アノードオフガス配管42の中(内部空間)にカソードオフガス配管44が配置されている」。
これにより、保持熱量の大きいカソードオフガス配管44をアノードオフガス配管42の中(内部空間)に配置することで、カソードオフガス配管44からの放熱量も低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム100の熱回収効率をより向上させることができる。
次に、図8及び図9を参照しながら、燃料電池スタック101の構成及び各配管との接続構造について説明する。
[燃料電池スタックと各配管との接続構造]
図8及び図9に示すように、本実施の形態3に係る燃料電池コージェネレーションシステム100における燃料電池スタック101の端板71A、絶縁板72A、及び集電板73Aの上部には、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び冷却媒体供給マニホールドのそれぞれに対応する貫通孔が設けられている。端板71Aの燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び冷却媒体供給マニホールドのそれぞれに対応する貫通孔には、それぞれ、アノードガス配管41、カソードガス配管43、及び冷却媒体配管51が、適宜な手段により接続されている。また、端板71A、絶縁板72A、及び集電板73Aの下部には、燃料ガス排出マニホールド121、酸化剤ガス排出マニホールド122、及び冷却媒体排出マニホールド123のそれぞれに対応する貫通孔21、22、23が設けられている。端板71Aの貫通孔21、22、23には、それぞれ、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52が、適宜な手段により接続されている。
図8及び図9に示すように、本実施の形態3に係る燃料電池コージェネレーションシステム100における燃料電池スタック101の端板71A、絶縁板72A、及び集電板73Aの上部には、燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び冷却媒体供給マニホールドのそれぞれに対応する貫通孔が設けられている。端板71Aの燃料ガス供給マニホールド、酸化剤ガス供給マニホールド、及び冷却媒体供給マニホールドのそれぞれに対応する貫通孔には、それぞれ、アノードガス配管41、カソードガス配管43、及び冷却媒体配管51が、適宜な手段により接続されている。また、端板71A、絶縁板72A、及び集電板73Aの下部には、燃料ガス排出マニホールド121、酸化剤ガス排出マニホールド122、及び冷却媒体排出マニホールド123のそれぞれに対応する貫通孔21、22、23が設けられている。端板71Aの貫通孔21、22、23には、それぞれ、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52が、適宜な手段により接続されている。
また、本実施の形態3では、アノードオフガス配管42は、オフ冷却媒体配管52に沿って延びるように形成された延伸部42aと、該延伸部42aと燃料ガス内部流路31を接続するように形成された接続部42bと、から構成されている。同様に、カソードオフガス配管44は、オフ冷却媒体配管52に沿って延びるように形成された延伸部44aと、該延伸部44aと酸化剤ガス内部流路32を接続するように形成された接続部44bと、から構成されている。
オフ冷却媒体配管52は、カソードオフガス配管44の延伸部44aの中(内部空間)に配置されていて、カソードオフガス配管44の延伸部44aは、アノードオフガス配管42の延伸部42aの中(内部空間)に配置されている。換言すると、オフ冷却媒体配管52、カソードオフガス配管44の延伸部44a、及びアノードオフガス配管42の延伸部42aは、3重管構造となっている。また、各配管42、44、52の3重管構造となっている部分には、それぞれの配管42、44、52を支持するための支持部材80が設けられている。この支持部材80により、各配管42、44、52の間隔が維持される。なお、支持部材80によって、各流体の通流が妨げられることはない。
ここで、図10を参照しながら、アノードオフガス配管42(の延伸部42a)、カソードオフガス配管44(の延伸部44a)、及びオフ冷却媒体配管52の構造について説明する。図10は、図8に示す燃料電池コージェネレーションシステム100のアノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52の構造を模式的に示す断面図である。図10(a)に示すように、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52は、その断面形状が円状に形成されていてもよく、また、図10(b)に示すように、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52は、その断面形状が略矩形に形成されてもよい。
このように構成された本実施の形態3に係る燃料電池コージェネレーションシステム100であっても、実施の形態1に係る燃料電池コージェネレーションシステム100と同様の作用効果を奏する。また、本実施の形態3に係る燃料電池コージェネレーションシステム100では、オフ冷却媒体配管52が、アノードオフガス配管42及びカソードオフガス配管44の中(内部空間)に配置されているため、オフ冷却媒体配管52からの放熱をアノードガス及びカソードガスが充分に回収することができ、燃料電池コージェネレーションシステム100の熱回収効率をより向上させることができる。
さらに、本実施の形態3に係る燃料電池コージェネレーションシステム100では、カソードオフガス配管44の中(内部空間)にオフ冷却媒体配管52を配置し、アノードオフガス配管42の中(内部空間)にカソードオフガス配管44を配置することで、カソードオフガス配管44からの放熱量も低減することができ、燃料電池コージェネレーションシステム100の熱回収効率をより向上させることができる。
なお、本実施の形態3においては、オフ冷却媒体配管52の燃料電池スタック101の端との接続端近傍部分がカソードオフガス配管44及び/又はアノードオフガス配管42の中(内部空間)に配置される構成としなかったが、これに限定されず、オフ冷却媒体配管52の接続端近傍部分が、カソードオフガス配管44及び/又はアノードオフガス配管42の中(内部空間)に配置される構成としてもよい。
また、本実施の形態3においては、オフ冷却媒体配管52がアノードオフガス配管42とカソードオフガス配管44の両方の中(内部空間)に配置されるように構成したが、これに限定されず、アノードオフガス配管42又はカソードオフガス配管44のいずれか一方の配管の中(内部空間)に配置されるように構成されてもよい。さらに、オフ冷却媒体配管52とアノードオフガス配管42がカソードオフガス配管44の中(内部空間)に配置されてもよく、オフ冷却媒体配管52とカソードオフガス配管44がアノードオフガス配管42の中(内部空間)に配置されてもよい。
さらに、本実施の形態3においては、アノードガス配管41、カソードガス配管43、及び冷却媒体配管51と、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52を一方の端板71Aに設ける構成としたが、これに限定されず、実施の形態1のように、アノードガス配管41、カソードガス配管43、及び冷却媒体配管51を他方の端板71Bに設け、アノードオフガス配管42、カソードオフガス配管44、及びオフ冷却媒体配管52を一方の端板71Aに設ける構成としてもよい。
本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、各配管からの外気への総合放熱量を低減し、燃料電池コージェネレーションシステムの熱回収効率を向上させることが可能なため、燃料電池の分野で有用である。
1 高分子電解質膜
2A アノード
2B カソード
3 電極接合体
4A アノードセパレータ
4B カソードセパレータ
5 ガスケット
10 セル
21 貫通孔
22 貫通孔
23 貫通孔
31 燃料ガス内部流路
32 酸化剤ガス内部流路
33 冷却媒体内部流路
41 アノードガス配管
42 アノードオフガス配管
42a 延伸部
42b 接続部
43 カソードガス配管
44 カソードオフガス配管
44a 延伸部
44b 接続部
45 燃焼排ガス配管
51 冷却媒体配管
52 オフ冷却媒体配管
53 熱媒体循環路
61 断熱部材
70 セル積層体
71A 端板
71B 端板
72A 絶縁板
72B 絶縁板
73A 集電板
73B 集電板
100 燃料電池コージェネレーションシステム
101 燃料電池スタック
102 水素生成装置
102A バーナ
103 第1熱交換器
104 第2熱交換器
105 第3熱交換器
106 第4熱交換器
107 空気供給器
108 冷却媒体タンク
109 熱利用機器
110 制御器
121 燃料ガス排出マニホールド
122 酸化剤ガス排出マニホールド
123 冷却媒体排出マニホールド
2A アノード
2B カソード
3 電極接合体
4A アノードセパレータ
4B カソードセパレータ
5 ガスケット
10 セル
21 貫通孔
22 貫通孔
23 貫通孔
31 燃料ガス内部流路
32 酸化剤ガス内部流路
33 冷却媒体内部流路
41 アノードガス配管
42 アノードオフガス配管
42a 延伸部
42b 接続部
43 カソードガス配管
44 カソードオフガス配管
44a 延伸部
44b 接続部
45 燃焼排ガス配管
51 冷却媒体配管
52 オフ冷却媒体配管
53 熱媒体循環路
61 断熱部材
70 セル積層体
71A 端板
71B 端板
72A 絶縁板
72B 絶縁板
73A 集電板
73B 集電板
100 燃料電池コージェネレーションシステム
101 燃料電池スタック
102 水素生成装置
102A バーナ
103 第1熱交換器
104 第2熱交換器
105 第3熱交換器
106 第4熱交換器
107 空気供給器
108 冷却媒体タンク
109 熱利用機器
110 制御器
121 燃料ガス排出マニホールド
122 酸化剤ガス排出マニホールド
123 冷却媒体排出マニホールド
Claims (12)
- アノード及びカソードと、アノードガスが前記アノードに接触して通流するように形成された燃料ガス内部流路と、カソードガスが前記カソードに接触して通流するように形成された酸化剤ガス内部流路と、冷却媒体が通流する冷却媒体内部流路と、を有する燃料電池スタックと、
前記燃料ガス内部流路の上流端に接続され、該燃料ガス内部流路に前記アノードガスを供給するアノードガス配管と、
前記燃料ガス内部流路の下流端に接続され、該燃料ガス内部流路からアノードオフガスが排出されるアノードオフガス配管と、
前記酸化剤ガス内部流路の上流端に接続され、該酸化剤ガス内部流路に前記カソードガスを供給するカソードガス配管と、
前記酸化剤ガス内部流路の下流端に接続され、該酸化剤ガス内部流路からカソードオフガスが排出されるカソードオフガス配管と、
前記冷却媒体内部流路の上流端に接続され、該冷却媒体内部流路に前記冷却媒体を供給する冷却媒体配管と、
前記冷却媒体内部流路の下流端に接続され、該冷却媒体内部流路からオフ冷却媒体が排出されるオフ冷却媒体配管と、
前記アノードオフガス又は前記カソードオフガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、を備え、
前記オフ冷却媒体配管は、前記アノードオフガス配管及び前記カソードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように、又は前記アノードオフガス配管及び/又は前記カソードオフガス配管の中に設けられている、燃料電池コージェネレーションシステム。 - 前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックから前記熱交換器までの間で、前記カソードオフガス配管と前記アノードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように構成されている、請求項1に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックの端から所定の長さに亘って前記カソードオフガス配管と前記アノードオフガス配管の少なくとも一方と接触するように構成されている、請求項2に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記カソードオフガス配管は、前記燃料電池スタックの端から前記所定の長さに亘って前記オフ冷却媒体配管と接触し、かつ、該オフ冷却媒体配管に沿って延びるように形成された延伸部と、該延伸部と前記酸化剤ガス内部流路を接続するように形成された接続部と、を有するように構成されている、請求項3に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記アノードオフガス配管は、前記燃料電池スタックの端から前記所定の長さに亘って前記オフ冷却媒体配管と接触し、かつ、該オフ冷却媒体配管に沿って延びるように形成された延伸部と、該延伸部と前記燃料ガス内部流路を接続するように形成された接続部と、を有するように構成されている、請求項3又は4に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記オフ冷却媒体配管の前記アノードオフガス配管又は前記カソードオフガス配管と接触している部分以外の部分が断熱部材で覆われている、請求項2に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックから前記熱交換器までの間で、前記カソードオフガス配管及び/又は前記アノードオフガス配管の中に設けられている、請求項1に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記オフ冷却媒体配管は、前記燃料電池スタックの端から所定の長さに亘って、前記カソードオフガス配管及び/又は前記アノードオフガス配管の中に設けられている、請求項7に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記カソードオフガス配管の中に前記オフ冷却媒体配管が配置され、
前記アノードオフガス配管の中に前記カソードオフガス配管が配置されている、請求項7に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。 - 前記カソードオフガス配管及び/又は前記アノードオフガス配管は断熱部材で覆われている、請求項7に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
- 前記燃料電池スタックは、その両端に一対の端板が設けられ、
一方の前記端板における前記冷却媒体内部流路の下流端、前記燃料ガス内部流路の下流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の下流端と、前記オフ冷却媒体配管、前記アノードオフガス配管、及び前記カソードオフガス配管と、がそれぞれ接続されている、請求項1〜10に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。 - 前記冷却媒体配管、前記アノードガス配管、及び前記カソードガス配管は、前記一方の端板の上部において、前記冷却媒体内部流の上流端、前記燃料ガス内部流路の上流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の上流端に、それぞれ接続され、
前記オフ冷却媒体配管、前記アノードオフガス配管、及び前記カソードオフガス配管は、前記一方の端板の下部において、前記冷却媒体内部流路の下流端、前記燃料ガス内部流路の下流端、及び前記酸化剤ガス内部流路の下流端に、それぞれ接続されている、請求項11に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009103886A JP2010257629A (ja) | 2009-04-22 | 2009-04-22 | 燃料電池コージェネレーションシステム |
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009103886A JP2010257629A (ja) | 2009-04-22 | 2009-04-22 | 燃料電池コージェネレーションシステム |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP (1) | JP2010257629A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017059454A (ja) * | 2015-09-17 | 2017-03-23 | ブラザー工業株式会社 | 燃料電池、作動方法及びプログラム |
-
2009
- 2009-04-22 JP JP2009103886A patent/JP2010257629A/ja active Pending
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JP2017059454A (ja) * | 2015-09-17 | 2017-03-23 | ブラザー工業株式会社 | 燃料電池、作動方法及びプログラム |
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