JP2011210685A - 燃料電池コジェネレーション装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水自立運転を実現可能にすべく、効率よくヒートポンプを運転しても、熱回収効率を高くすることができる燃料電池コジェネレーション装置を提供すること。
【解決手段】冷媒を圧縮する圧縮器２１、冷媒から放熱させる第一熱交換器２２、冷媒を膨張させる膨張弁２３、冷媒に吸熱させる第二熱交換器２５の順に夫々を循環する冷媒回路２６を備えた圧縮式ヒートポンプ２０と、燃料電池１０の排ガスから熱を回収する第三熱交換器１６を設けるとともに、第三熱交換器１６、第二熱交換器２５を経由して排ガスを排出する排気路１５を設け、第一熱交換器２２および第三熱交換器１６を経由し、内部を貯湯用水が流動する水循環回路３０とを設け、前記圧縮式ヒートポンプ２０の前記膨張弁２３と前記第二熱交換器２５との間に、前記冷媒に大気から吸熱させる大気熱交換器２４を設けた。
【選択図】図１

Description

本発明は、冷媒を圧縮する圧縮器、前記冷媒から放熱させる第一熱交換器、前記冷媒を膨張させる膨張弁、前記冷媒に吸熱させる第二熱交換器の順に冷媒が循環する冷媒回路を備えた圧縮式ヒートポンプと、
燃料電池の排ガスから熱を回収する第三熱交換器を設けるとともに、
前記第三熱交換器、前記第二熱交換器を経由して前記排ガスを排出する排気路を設け、
前記第一熱交換器および前記第三熱交換器を経由し、内部を貯湯用水が流動する水循環回路を設けた燃料電池コジェネレーション装置に関する。

燃料電池は、水素及び酸素を燃料として電気エネルギーを得る装置であり、環境面において優れかつ高いエネルギー効率を実現できることから、今後のエネルギー供給システムとして広く開発が進められてきている。一般に、燃料電池は、約３５％という発電効率を有し、電力として変換されない残りのエネルギーは熱として排出される。そこで、従来から、この排熱を利用して水を加熱する給湯装置が知られている。この給湯装置では、燃料電池から発生する排熱気体中に熱交換器を設け、この熱交換器を介して貯湯、給湯用水を加熱するように構成されている。

しかしながら、燃料電池の排熱を貯湯用水に回収する熱交換器の熱交換効率にも限界があり、せいぜい排熱エネルギーの８０％程度しか有効利用できない。従って、残り２０％の熱エネルギーが排気とともに無駄に放出されるものであった。しかも、いくら熱交換効率の優れた熱交換器を使用しても、加熱された貯湯用水の温度以下にまで燃料電池の排気温度を下げることができない。例えば、貯湯用水の湯温が８０℃であれば、燃料電池から排出される高温排気を８０℃以下になるまで熱交換することは不可能である。従って、燃料電池から発生する排熱エネルギーを十分回収することができない。そこで、燃料電池のエネルギー利用効率を更に向上させることを目的として、燃料電池の排気ガスの排熱を回収して水を加熱する排熱回収手段を、前記第三熱交換器として設け、この排熱回収手段によって回収しきれなかった排気ガスの保有する排熱を第二熱交換器としての蒸発器で回収するとともに、第一熱交換器としての凝縮器を用いて貯湯タンクの水を加熱するヒートポンプとを備える給湯装置が開示されている（特許文献１参照）。

さらに、このような燃料電池コジェネレーション装置においてヒートポンプの運転負荷を適切に制御するために、前記ヒートポンプにおける圧縮機の駆動状態を制御することが考えられている。（特許文献２参照）

特開２００３−３２９３３２号公報 特開２００９−１６８３４８号公報

ところで、近年、燃料電池の排ガス及び燃料改質装置の排ガスをそれぞれ凝縮器で冷却して凝縮水として回収水タンクに一旦溜め、その水を水処理装置で処理して再利用することにより、外部からの水を補給しない運転、いわゆる水自立運転型の燃料電池システムが望まれている。水自立運転が可能になると、外部から水補給の必要なくなり、回収水タンク内の水の水質が悪くなり（例えばイオン負荷が高くなる等）、水処理装置の負荷が高くなるため、このような不都合を解消するための水質浄化装置が別途付加的に必要になったり、さらに水質浄化装置のメンテナンスコストが高くなったりするという問題が解消されるものと期待されている。

このような水自立運転型の燃料電池システムを構築しようとする場合、燃料電池（燃料改質装置も含む）の排ガスを十分に冷却し、前記排ガス中の水蒸気を凝縮させ、十分量の水を回収する必要がある。

そのため、前記ヒートポンプにて排ガスを冷却するが、前記ヒートポンプを高効率で運転する条件とすれば、前記第二熱交換器で前記排ガス温度を、例えば十分量の回収水が得られる目標温度４０℃程度にまで冷却したとしても、前記貯湯タンクへの熱回収量を十分確保できないという問題があった。逆に貯湯タンクへの熱回収を優先して前記ヒートポンプを運転すると、排ガス温度が下がりすぎるという問題が発生していた。

即ち、前記貯湯タンクに対する熱回収効率を高くかつ排ガスの冷却効率を最適化するのは困難であって、さらなる改良が望まれていた。

本発明の目的は、上記実情に鑑み、水自立運転を実現可能にすべく、熱回収効率を高くしつつ、前記第二熱交換器による排ガスの冷却を適正に行うことができる燃料電池コジェネレーション装置を提供することにある。

〔構成〕
そこで、本発明の燃料電池コジェネレーション装置の特徴構成は、冷媒を圧縮する圧縮器、前記冷媒から放熱させる第一熱交換器、前記冷媒を膨張させる膨張弁、前記冷媒に吸熱させる第二熱交換器の順に冷媒が循環する冷媒回路を備えた圧縮式ヒートポンプと、
燃料電池の排ガスから熱を回収する第三熱交換器を設けるとともに、
前記第三熱交換器、前記第二熱交換器を記載順に経由して前記排ガスを排出する排気路を設け、
前記第一熱交換器および前記第三熱交換器を経由し、内部を貯湯用水が流動する水循環回路を設けた燃料電池コジェネレーション装置であって、
前記圧縮式ヒートポンプの前記膨張弁と前記第二熱交換器との間に、前記冷媒に大気から吸熱させる大気熱交換器を設けた点にある。

〔作用効果〕
つまり、前記圧縮式ヒートポンプを設けるとともに内部を貯湯用水が流動する水循環回路とを設けた構成とすると、前記圧縮式ヒートポンプの第一熱交換器を凝縮器として前記貯湯用水を加熱し、前記第二熱交換器を蒸発器として前記排ガスから熱を回収することができるため、前記排ガスの熱を貯湯用水の加熱に用いて熱回収を図ることができる。

また、燃料電池の排ガスから熱を回収する第三熱交換器を設けてあるから、前記排ガスの熱をあらかじめ回収して、貯湯用水の加熱に用い、ある程度冷却した状態で、前記第二熱交換器に供給することができる。

一方、前記圧縮式ヒートポンプの前記膨張弁と前記第二熱交換器との間に、前記冷媒に大気から吸熱させる大気熱交換器を設けたから、前記圧縮式ヒートポンプにおける前記第一熱交換器を経由した冷媒は、膨張弁を経由してさらに冷却されたものとなるが、前記大気熱交換器により、大気より熱を受け回収することができる。

その結果、前記ヒートポンプでは、圧縮機を効率駆動し、かつ、前記貯湯タンクの貯湯用水の加熱を行って、十分熱回収したとしても、第二熱交換器は、前記排ガスに対して熱交換を行う冷媒を、前記大気熱交換器によって適正温度まで加熱することができるので、前記貯湯タンクによる熱回収効率を高く設定しつつ、排ガス冷却温度を適正化することができる。またこのとき、前記大気熱交換器で大気中から回収した熱が、前記貯湯タンクの貯湯用水に回収されるので、さらに前記貯湯タンクにおける熱回収効率を向上することができる。

従って、前記貯湯タンクによる熱回収効率を高くしつつ、排ガス冷却温度を適正化することができ、かつ、大気中からも熱を回収することができるので、エネルギー効率の高い燃料電池コジェネレーション装置を提供することができた。

具体的には、前記ヒートポンプの圧縮機出口圧力を４．０ＭＰａとして駆動すると、従来、膨張弁入口温度６０℃、出口温度３０℃、蒸発器出口温度３５℃、圧縮機出口温度９０℃でサイクルを動かすことができ、圧縮機動力５０Ｗ、蒸発器熱量２００Ｗの出力が得られ、熱発生量が２５０Ｗ程度となるところ、本発明によると、同様に、前記ヒートポンプの圧縮機出口圧力を４．０ＭＰａとして駆動すると、膨張弁入口温度６０℃、出口温度１０℃、蒸発器出口温度１５℃、圧縮機出口温度１００℃でサイクルを動かすことができ、圧縮機動力１５０Ｗ、大気熱交換器２００Ｗ、蒸発器熱量２００Ｗの出力が得られ、熱発生量が５５０Ｗ程度となる。つまり、投入電力１００Ｗ増加したに対して、熱発生量が３００Ｗ増加して効率的な運転が可能であることが、モリエル線図のサイクル計算からわかった。

本発明の燃料電池コジェネレーション装置を示す図

以下に、本発明の燃料電池コジェネレーション装置を説明する。

図１に示すように、本発明の燃料電池コジェネレーション装置は、燃料電池１０、圧縮式ヒートポンプ２０、水循環回路３０を備える。

前記燃料電池１０は、燃料ガスの供給を受ける脱硫器１１、改質器１２、変成器１３、燃料電池本体１４を備える。前記燃料電池本体１４は、空気の供給を受けるカソード１４ａおよび燃料ガスの改質された改質ガスを受けるアノード１４ｂを備える。前記燃料電池本体１４からの排ガスは、排気路１５を介して排気される。本実施例においては、燃料電池として、固体酸化物型燃料電池を例に説明すると、燃料電池の運転温度は、数百度〜千度程度である。

前記圧縮式ヒートポンプ２０は、圧縮機２１、第一熱交換器（凝縮器）２２、膨張弁２３、大気熱交換器２４および第二熱交換器（蒸発器）２５が冷媒回路２６に順に接続された構造を有する。前記冷媒回路２６には、二酸化炭素、フロン等の冷媒が充填されている。

前記水循環回路３０は、貯湯タンク３１、水循環路３２、ポンプ３３等を備える。貯湯槽３１の下部には、給水口３１ａおよび水循環出口３１ｂが設けられている。また、貯湯槽３１の上部には、給湯口３１ｃおよび水循環入口３１ｄが設けられている。水循環出口３１ｂは、ポンプ３３を介して水循環路３２に接続されている。また水循環路３２は前記水循環入口３１ｄに循環接続される。

また、前記燃料電池１０には、第三熱交換器１６を備えるとともに、第二熱交換器２４から回収された凝縮水を一旦貯留する回収水タンク１７を備える。

前記燃料電池本体１４からの排ガスは、前記排気路１５を通じて、前記第三熱交換器１６、第二熱交換器２５の順に流通して冷却された後、燃料電池１０から排気される。

前記水循環回路３０の貯湯タンク３１では、給湯口３１ｃから８０℃の湯水を給湯可能に貯湯され、給水口３１ａから水を補給できる構成とし、貯湯タンク３１の下部では、湯水の温度は約１０℃〜６０℃となっている。水循環回路３０の水循環路３２は、前記水循環出口３１ｂから前記ポンプ３３を介して、第一熱交換器２２、第三熱交換器１６の順に循環し、前記水循環入口３１ｄに達する。このとき、湯水は第一熱交換器２２にて５０〜７５℃に加熱されるとともに、第三熱交換器１６で８０℃まで加熱昇温されるように制御される。

尚、このとき、前記冷媒回路２６の熱媒温度は、第一熱交換器２２入口で約１００℃、前記膨張弁２３入口で約１５℃、前記大気熱交換器２４入口で約１℃、第二熱交換器２５入口で約５℃となっている。

上述のように水循環回路３０および圧縮式ヒートポンプ２０の運転が制御されている場合、燃料電池本体１４を出た排ガスは約６００〜６５０℃であり、前記第三熱交換器１６で約６０℃、第二熱交換器２５で約４０℃にまで冷却され、前記第二熱交換器２５にて前記排ガスに含まれていた水蒸気を回収でき、水自立運転が可能となる。

上述の構成において、前記大気熱交換器２４が無い状態では、前記貯湯タンク３１下部の湯水温度が４５℃を超えると、燃料電池１０の排ガス中に含まれる水分の回収ができず、水自立運転ができなかったところ、上述の構成においては、４５℃以上においても良好に水自立運転が可能になった。

本発明の燃料電池コジェネレーション装置は、水自立運転を実現可能にしながら、組み込まれるヒートポンプの運転効率を高く設定しつつ、貯湯タンクにおける熱回収効率を高くすることができるという特徴を有し、種々の形態のエネルギー供給設備として組み込むことができる。

１０ 燃料電池
１５ 排気路
１６ 第三熱交換器
２０ 圧縮式ヒートポンプ
２１ 圧縮器
２２ 第一熱交換器
２３ 膨張弁
２４ 大気熱交換器
２５ 第二熱交換器
２６ 冷媒回路
３０ 水循環回路

Claims (1)

1. 冷媒を圧縮する圧縮器、前記冷媒から放熱させる第一熱交換器、前記冷媒を膨張させる膨張弁、前記冷媒に吸熱させる第二熱交換器の順に夫々を循環する冷媒回路を備えた圧縮式ヒートポンプと、
   燃料電池の排ガスから熱を回収する第三熱交換器を設けるとともに、
   前記第三熱交換器、前記第二熱交換器を経由して前記排ガスを排出する排気路を設け、
   前記第一熱交換器および前記第三熱交換器を経由し、内部を貯湯用水が流動する水循環回路を設けた燃料電池コジェネレーション装置であって、
   前記圧縮式ヒートポンプの前記膨張弁と前記第二熱交換器との間に、前記冷媒に大気から吸熱させる大気熱交換器を設けた燃料電池コジェネレーション装置。

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