JP2012204225A - 燃料電池コジェネレーションシステム及びその運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池の熱で水を加熱した後に太陽熱によりさらに温度を上げるものであるが、日射が少ない場合は加熱することができない場合もあり、太陽熱の利用率が低くなる。
【解決手段】燃料電池１と、燃料電池１を冷却する冷却媒体を流すための冷却媒体流路２と、冷却媒体流路２に冷却媒体を流す冷却媒体ポンプ４と、冷却媒体流路２に設けられた第１の熱交換器７と、第１の熱交換器７を通る第１の熱媒体流路５と、第１の熱媒体流路５に熱媒体を流す第１のポンプ６と、第１の熱媒体流路５の第１の熱交換器７より上流側に設けられた燃料電池１以外の熱源である太陽熱を集める太陽熱コレクタ２１を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、太陽熱など、外部の熱も利用する燃料電池コジェネレーションシステムに関するものである。

地球温暖化が世界的な問題となっており、さまざまな省エネ・創エネ技術の実用化、普及が進められている。燃料電池は高効率で化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換させることができるもので、一般に燃料ガスと酸化剤ガスとの反応を利用している。発電に伴う排熱を回収することにより給湯も行うコジェネレーションシステムとして、すでに実用化されている。

現在、実用化されている家庭用燃料電池コジェネレーションシステムは、電解質として固体高分子を用いるもので、燃料電池本体は、固体高分子電解質膜と陰極・陽極とから構成されたセルを複数直列に接続した構造になっており、電力を得るとともに、発生する熱も回収利用するものである。

発電に利用される燃料ガスは一般的には水素ガスであり、都市ガスやプロパンガス、灯油などの一次燃料から改質と呼ばれるプロセスにより生成される。改質は水蒸気と一次燃料を合わせて改質器内分の触媒の作用によって水素を生成する水蒸気改質という方式が多く用いられる。

また酸化剤ガスとしては、一般に外部から取り入れた空気中の酸素が用いられる。

燃料電池での発電では内部の化学反応により水が生成するので、この水を回収し、改質に再利用し、外部から水を極力導入せずに運転することにより、外部から燃料電池システムに不要あるいは有害な物質が侵入することを抑えることも行われる。

固体高分子型燃料電池では、電解質膜の特性上、発電効率は低温ほど高くなるが、実使用に適した温水を得る必要があるため、７０〜９０℃程度で運転し、６０〜７５℃程度の温水を得る。

燃料電池の運転開始の際には、動作を安定させるため、ヒータなどを用いて、まず燃料電池を運転温度まで上げてから発電を開始する。

実用化されているシステムでは温水は貯湯槽に蓄えられるが、貯湯槽が満杯になると、それ以上熱利用ができなくなるため運転を停止するようになっており、これにより高い総合効率を確保している。

また、まだ実用化はされていないが、高温で動作し高い発電効率を得ることが可能な固体酸化物型燃料電池の開発も進められている。

一方、温暖化ガスであるＣＯ２排出量の大幅な削減のためには再生可能エネルギーの利用が不可欠であり、太陽光や風力を利用した発電や、太陽熱利用の温水器などの普及施策が各国でとられており、急速に増加している。しかしこれらのエネルギーは変動が大きく、また天候によっては発電量・給湯量が少なくなるという問題があり、補完する機器が必要となる。そこで、太陽熱集熱器とガス給湯器、ヒートポンプ給湯器や、燃料電池コジェネレーションシステムとを組み合わせたシステムが提案されている（例えば、特許文献１
参照）。

特開２００２−２８９２１２号公報

しかしながら上記特許文献１では、燃料電池の排熱と太陽熱を独立に利用したり、燃料電池で加熱された後、太陽熱でさらに加熱する直列の組合わせによって温水量不足への対応や効率アップを実現しようとしているが、日射が十分強い場合でなければ太陽熱の利用が困難である。

また、高温で動作する固体酸化物型燃料電池を用いて構成されたコジェネレーションシステムでは、本体で十分高温の温水を生成することができるので、燃料電池で加熱後の温水を太陽熱でさらに加熱することは困難である。

特に熱需要の多い冬場には太陽熱の利用率が低くなるので、反射鏡を用いて集光するなどの方法により温度を高くすることが必要になる。また、そのような方法をとっても高温になるほど放熱が大きくなり、低温で熱回収する場合より熱回収量を多くすることは困難である。

また、日射は急に曇ったりすることにより急激な変化があり、常に一定温度の温水を生成することは困難であり、貯湯しておく場合、タンク内は不規則な温度分布が生じてしまう。

本発明は、上記課題を解決し、太陽熱の利用率を高くし、熱需要の多く日射量が少ない冬場でも多くの熱量を回収することができ、かつ一定温度の温水を生成できる、太陽熱利用燃料電池コ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。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池以外からの熱を集熱する集熱手段を、燃料電池で生成される熱を回収する熱交換手段より上流に設置するものである。

本発明の燃料電池コジェネレーションシステムは、燃料電池以外からの熱が低温であっても、効率よく利用でき、エネルギー効率の高い燃料電池コジェネレーションシステムを提供することができる。

本発明の実施の形態１における燃料電池コジェネレーションシステムの概略構成図 本発明の実施の形態２における燃料電池コジェネレーションシステムの概略構成図 本発明の実施の形態３における燃料電池コジェネレーションシステムの概略構成図 本発明の実施の形態４における燃料電池コジェネレーションシステムの概略構成図 本発明の実施の形態５における燃料電池コジェネレーションシステムの概略構成図 本発明の実施の形態５における燃料電池コジェネレーションシステムの概略構成図

第１の発明は、燃料電池と前記燃料電池を冷却する冷却媒体を流すための燃料電池冷却媒体流路と前記燃料電池冷却媒体流路に冷却媒体を流す冷却媒体ポンプと、前記燃料電池冷却媒体流路に設けられた第１の熱交換手段と、前記第１の熱交換手段を通る第１の熱媒体流路と、前記第１の熱媒体流路に熱媒体を流す第１のポンプと、前記第１の熱媒体流路の前記第１の熱交換手段より上流側に設けられた前記燃料電池以外の熱源から熱を集める集熱手段とを備えるものであり、この構成により、燃料電池以外の熱源が低温であっても、有効に利用することができる。

第２の発明は、燃料電池と前記燃料電池を冷却する冷却媒体を流すための燃料電池冷却媒体流路と前記燃料電池冷却媒体流路に冷却媒体を流す燃料電池冷却媒体ポンプと、前記燃料電池冷却媒体流路に設けられた第１の熱交換手段と、前記第１の熱交換手段を通る第１の熱媒体流路と、前記第１の熱媒体流路に熱媒体を流す第１のポンプと、前記燃料電池以外の熱源から熱を集める集熱手段と、前記集熱手段で集めた熱を輸送する第２の熱媒体流路と、第２の熱媒体流路に第２の熱媒体を流す第２のポンプと、前記第１の熱媒体流路の前記第１の熱交換手段より上流側で前記第２の熱媒体との間で熱交換する第２の熱交換手段を備えるものであり、この構成により、燃料電池以外の熱源が低温であっても、有効に利用することができ、かつ第２の熱媒体として集熱手段に応じた最適なものを選ぶことができる。

第３の発明は、一次燃料から水を利用して燃料電池の燃料ガスを生成する改質手段と、前記第１の熱媒体流路の集熱手段より上流側に燃料電池の酸化剤排ガスまたは燃料排ガスの少なくとも一方から水を凝縮回収する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した水を前記改質手段に送る水流路を備えるものであり、この構成により、第１の熱媒体が集熱手段からの熱が伝えられる前に前記凝縮器を通るので、水を効率よく凝縮させることができる。

第４の発明は、前記第１の熱媒体流路に前記集熱手段を経由しないバイパス流路を備えるものであるものであり、これにより、必要な熱量が燃料電池本体で発生する熱で十分な場合など、外部の熱が不要な場合や、外部熱源の温度が第１の熱媒体より低い温度である場合に放熱によるロスを防止することができる。

第５の発明は、前記集熱手段の温度を検出する温度検出手段を備えるものであり、これにより集熱手段の温度が低い場合には集熱手段で逆に放熱してしまう恐れがあるが、これを防止することができる。

第６の発明は、前記燃料電池が固体高分子型であって、前記燃料電池の内部の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、燃料電池の発電停止中に前記燃料電池温度検出手段で検出される温度が０℃近傍またはそれ以下の場合に前記冷却媒体ポンプと前記第２のポンプを運転するものである。固体高分子膜は発電で生じた水を含んだ状態になっているので、凍結すると破損する恐れがあるが、これにより、凍結による破損を防止することができる。

第７の発明は、蓄熱槽を備えた燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記蓄熱槽の熱が満杯付近では燃料電池の発電を停止し外部熱のみでのみで加熱するものであり、これにより、燃料電池の熱回収の効率が低下したり、燃料電池の動作を不安定にする恐れを低減することができる。

第８の発明は、燃料電池コジェネレーションシステムを起動する前に第１のポンプと第２のポンプを動作させ、所定の条件が整った後に燃料電池の発電を開始するものであり、これにより、燃料電池の発電開始前にヒータなど、エネルギーを使っての加熱が不要になり、エネルギー効率を多感セルことができる。

第９の発明は、蓄熱槽を備えた燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記蓄熱槽の熱が満杯でかつ燃料電池を運転することが必要な場合に、前記冷却媒体ポンプと前記第２のポンプを運転するものであり、これにより、停電などの緊急時にどうしても発電することが必要になったときに、蓄熱槽の熱を強制的に排熱し、発電を開始することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。なお、この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、本発明の第１の実施の形態における燃料電池コジェネレーションシステムの構成の概略を示すものである。１は燃料電池、２は冷却媒体流路、４は冷却媒体ポンプ、５は第１の熱媒体流路、６は第１のポンプ、７は第１の熱交換器、２０は貯湯槽、２１は太陽熱コレクタである。

燃料電池１で生成した熱は冷却媒体流路２の中を冷却媒体ポンプ４によって循環される冷却媒体によって第１の熱交換器７に運ばれる。

一方、貯湯槽２０に蓄えられた水は第１のポンプによって太陽熱コレクタを通って太陽熱で温められてから第１の熱交換器に流れ込み、冷却媒体の熱によりさらに加熱され、貯湯槽２０に温水が蓄えられる。

したがって、曇りの日や、朝夕などの日射量が少なく、太陽熱コレクタ２１で集めた熱では第１の熱媒体流路を流れる媒体の温度を少ししか上昇できない場合でも、その後、燃料電池１で発生する熱により追い炊きすることにより利用可能な温度にでき、太陽熱を有効に利用することができる。

なお、本実施の形態では集熱手段である集熱手段として太陽熱コレクタを用いているが、熱源としては、空気、水、地中や排熱などから集熱するものであっても同様の効果が得られる。

また、第１の熱媒体である水は貯湯タンクに一旦蓄えた水を第１の熱媒体流路に流し、生成した温水を貯湯槽に戻す構成としているが、直接水道などから導入しても、また、温水を貯湯槽に蓄えずそのまま利用しても同様の効果が得られる。

また、貯湯槽２０が満杯近くになると、貯湯槽２０内に低温水がなくなり、第１の熱交換器７に入る水の温度が高くなるため、第１の熱交換器での熱交換効率が低下し、燃料電池１からの熱回収率が低下したり、燃料電池の運転が不安定になる恐れがあるが、貯湯槽２０が満杯近くになった時に燃料電池１の発電を停止し、太陽熱コレクタで集められた太陽熱だけで温水を加熱すれば、システムのエネルギー効率を高くすることができ、燃料電池１の運転も不安定になること防止することもできる。

さらに、燃料電池の発電は、低温動作の固体高分子型であっても有効活用可能な温度の温水を得るために、一般的に６０℃以上で運転するが、システムを起動の際には、この運
転温度まで上げる必要があり、何らかの方法で燃料電池本体を余熱することが必要であるが、燃料電池１の発電開始前に、冷却媒体ポンプと第１の熱媒体ポンプを運転することにより、太陽熱コレクタ２１で集められた熱で燃料電池１を加熱することができ、別途ヒータなどを用いることのよる消費エネルギーを低減することができる。

さらに、貯湯槽２０が満杯の時に前記冷却媒体ポンプ４と前記第１のポンプ６を運転すれば、貯湯槽２０の中の温水は太陽熱コレクタ２１で得られる温度以上であるので、貯湯槽２０の温水の熱は太陽熱コレクタ２１で放熱される。これにより、停電などの緊急時にどうしても発電することが必要になったときに、蓄熱槽の熱を強制的に排熱し、発電を開始することができる。

（実施の形態２）
図２は、本発明の第２の実施の形態における燃料電池コジェネレーションシステムの概略を示すものである。２２は集光型太陽熱コレクタ、１２は第２の熱交換器、１３は第２の熱媒体流路、１４は第２のポンプである。

集光型太陽熱コレクタ２２は反射板などを用いて太陽光を狭い領域に集め高温を得るもので、１００℃以上の温度を得ることも可能で、水を直接利用すると沸騰することによる破損などの問題が生じる恐れがあるので、第２の熱媒体流路にはシリコンオイルなどを流す。シリコンオイルの送液には第２のポンプ１４を用いる。

第１の熱媒体流路には水が流れており、得られた太陽熱を第２の熱交換器１２で水に伝える。

この構成により第１の熱媒体流路と第２の熱媒体流路で異なる熱媒体を異なる流量で流すことができる。したがって、日射量が多い時にも、沸騰による破損の恐れをなくすることができる。また、第１の熱媒体流路と第２の熱媒体流路を異なる流量で流すことが可能になるので、第１の熱媒体流路の温度を制御しやすくなり、燃料電池の運転をより安定にすることができる。

なお、本発明の実施の形態では第２の熱媒体流路にシリコンオイルを流すものとしているが、１００℃以上の温度で気化せずに流動性があるものなら何を用いても同様の効果が得られる。

（実施の形態３）
図３は、本発明の第３の実施の形態における燃料電池コジェネレーションシステムの構成図である。１１は冷却水タンク、３１は水素流路、３２は空気流路、３３はブロワー、３４は水素側凝縮器、３５は空気側凝縮器、３６は改質水流路、３７は改質水ポンプ、３８は改質水タンク、３９は排気ガス流路、４０は空気取入流路、４１はガス取入流路、４２は空気側排気流路、４３は水素側排気流路である。

ガス取入流路４１から取り入れられた一次燃料は、改質器９に入る。一次燃料は、改質水タンク３８から改質水ポンプ３７により改質水流路３６を通って改質器９に送られた水との反応で水素が生成される。

生成された水素と、ブロワー３３によって空気取入流路４０から取り入れられた空気は、ともに燃料電池１に導入され、電力を発生する。このときに発生する熱は、冷却水タンク１１から冷却媒体ポンプ４によって冷却媒体流路２を通って燃料電池１に入り、燃料電池１から発生した熱を奪って第１の熱交換器７に入り、ここで第１の熱媒体流路を流れる水に熱媒体流路を伝え、冷却水タンク１１に戻る。

発電に使用された水素と空気の排ガスはそれぞれ、水素側凝縮器３４、空気側凝縮器３５に導入される。ここでそれぞれの排ガスは第１の熱媒体流路を流れる水と熱交換し、冷却された排ガス中の水蒸気は凝結し、生成した液体の水が改質水タンク３８に貯まる。

一旦、改質水タンク３８内に放出された水素側排ガス、空気側排ガスはそれぞれ、水素側排気流路４３、空気側排気流路４２から外部へ放出される。

水素側凝縮器３４、空気側凝縮器３５を通った第１の熱媒体流路５内の水は太陽熱コレクタ２１により温度が上昇し、さらに第１の熱交換器７で燃料電池１の熱により加熱され貯湯槽２０に入る。

水蒸気から水を効率よく水を得るためには、排ガスの熱を受取る水の温度が低いことが必要であるが、この構成によれば、水素側凝縮器３４、空気側凝縮器３５に通る水は太陽熱コレクタを通る前であるので、温度が低く、効率良く水蒸気を凝縮させることができ、改質に必要な水をまかなうことができる。

（実施の形態４）
図４は、本発明の第４の実施の形態における燃料電池コジェネレーションシステムの構成図である。

実施の形態３と同様に、太陽熱で加熱される前の水が水素側凝縮器３４、空気側凝縮器３５に導入されるので、効率良く水蒸気を凝縮させることができ、改質に必要な水をまかなうことができる。

（実施の形態５）
図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、本発明の第５の実施の形態における燃料電池コジェネレーションシステムの構成図である。１０ａ、１０ｂは流路切替弁、６１はバイパス流路である。

図５（Ａ）において、状況に応じて流路切替弁１０ａ、１０ｂを切替えることにより、太陽熱コレクタ２１を通すか通ないかの切換えができる。

たとえば、熱需要が多くない夏季などは、太陽熱を利用しなくても燃料電池１で発生する熱だけで十分需要をまかなえるので、太陽熱コレクタ２１を通さないことにより、無駄に熱を回収せず、さらに第１の熱媒体の流路を短くすることで、第１のポンプ６の動力を低減することができ、システム全体のエネルギー効率を高くすることができる。

同様に図５（Ｂ）において、同様に太陽熱を必要としない場合には、流路切替弁１０ａ、１０ｂを切替えることにより水をバイパス流路６１に流すことにより、第２の熱交換器内を通すことによる流路抵抗を低減できるので、第１のポンプ６の動力を低減することができ、システム全体のエネルギー効率を高くすることができる。

（実施の形態６）
図６は、本発明の第６の実施の形態における燃料電池コジェネレーションシステムの構成図である。５０は制御部、５１は温度検出器である。

温度検出器５１で検出された温度が０℃近傍か０℃以下である場合、制御部５０によって第１のポンプ、第２のポンプを運転する。こうすることにより、太陽熱コレクタ２１によって集められた熱が第１の熱媒体流路を通り、第１の熱交換器によって冷却媒体流路２
の中の熱媒体に伝えられ、燃料電池１を加熱することができ、燃料電池１の内部の水が凍結して燃料電池１が破損すること避けることができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池コジェネレーションシステムは、太陽熱など、外部の熱を効率よく利用することを可能にするものであり、低温や熱量としては少ない熱源からの熱も利用するコジェネレーションシステムであれば利用できる。

１ 燃料電池
２ 冷却媒体流路
４ 冷却媒体ポンプ
５ 第１の熱媒体流路
６ 第１のポンプ
７ 第１の熱交換器
９ 改質器
１０ａ〜ｃ 流路切替弁
１１ 冷却水タンク
１２ 第２の熱交換器
２０ 貯湯槽
２１ 太陽熱コレクタ
２２ 集光型太陽熱コレクタ
３３ ブロワー
３４ 水素側凝縮器
３５ 空気側凝縮器
３６ 改質水流路
３７ 改質水ポンプ
３８ 改質水タンク
４０ 空気取入流路
４１ ガス取入流路
４２ 空気側排気流路
４３ 水素側排気流路
６１ バイパス流路

Claims (9)

1. 燃料電池と前記燃料電池を冷却する冷却媒体を流すための燃料電池冷却媒体流路と前記燃料電池冷却媒体流路に冷却媒体を流す冷却媒体ポンプと、前記燃料電池冷却媒体流路に設けられた第１の熱交換手段と、前記第１の熱交換手段を通る第１の熱媒体流路と、前記第１の熱媒体流路に熱媒体を流す第１のポンプと、前記第１の熱媒体流路の前記第１の熱交換手段より上流側に設けられた前記燃料電池以外の熱源から熱を集める集熱手段とを備えたことを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム。
2. 燃料電池と前記燃料電池を冷却する冷却媒体を流すための燃料電池冷却媒体流路と前記燃料電池冷却媒体流路に冷却媒体を流す燃料電池冷却媒体ポンプと、前記燃料電池冷却媒体流路に設けられた第１の熱交換手段と、前記第１の熱交換手段を通る第１の熱媒体流路と、前記第１の熱媒体流路に熱媒体を流す第１のポンプと、前記燃料電池以外の熱源から熱を集める集熱手段と、前記集熱手段で集めた熱を輸送する第２の熱媒体流路と、第２の熱媒体流路に第２の熱媒体を流す第２のポンプと前記第１の熱媒体流路の前記第１の熱交換手段より上流側で前記第２の熱媒体との間で熱交換する第２の熱交換手段を備えたことを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステム。
3. 一次燃料から水を利用して燃料電池の燃料ガスを生成する改質手段と、前記第１の熱媒体流路の集熱手段より上流側に燃料電池の酸化剤排ガスまたは燃料排ガスの少なくとも一方から水を凝縮回収する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した水を前記改質手段に送る改質水流路を備えた請求項１に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
4. 一次燃料から水を利用して燃料電池の燃料ガスを生成する改質手段と、前記第１の熱媒体流路の第２の熱交換手段より上流側に燃料電池の酸化剤排ガスまたは燃料排ガスの少なくとも一方から水を凝縮回収する凝縮器と、前記凝縮器で凝縮した水を前記改質手段に送る改質水流路を備えた請求項２に記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
5. 前記第１の熱媒体流路に前記集熱手段を経由させないバイパス流路を備えた請求項１から４のいずれかに記載の燃料電池コジェネレーションシステム。
6. 請求項５に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記燃料電池が固体高分子型であって、前記燃料電池の内部の温度を検出する燃料電池温度検出手段を備え、燃料電池の発電停止中に前記燃料電池温度検出手段で検出される温度が０℃近傍またはそれ以下の場合に前記冷却媒体ポンプと前記第２のポンプを運転することを特徴とする燃料電池コジェネシステムの運転方法。
7. 蓄熱槽を備えた請求項５に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記蓄熱槽の熱が満杯付近では燃料電池の発電を停止し外部熱のみでのみで加熱することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステムの運転方法。
8. 前記燃料電池コジェネレーションシステムを起動する前に第１のポンプと第２のポンプを動作させ、所定の条件が整った後に燃料電池コジェネレーションシステムを起動することを特徴とする、燃料電池コジェネレーションシステムの運転方法。
9. 蓄熱槽を備えた請求項５に記載の燃料電池コジェネレーションシステムにおいて、前記蓄熱槽の熱が満杯でかつ燃料電池を運転することが必要な場合に、前記冷却媒体ポンプと前記第１のポンプを運転することを特徴とする燃料電池コジェネレーションシステムの運転方法。

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