JP2013196766A - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電解質膜2を燃料極1及び酸素極3で挟んで構成されるセルCを複数積層して備える燃料電池FCと、熱媒を用いてセルCから熱を回収し及び回収した熱を熱利用装置12に供給する排熱回収装置Nとを備える燃料電池システムであって、排熱回収装置Nは、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされるときに、熱媒を相対的に高温且つ小流量の状態でセルCから回収して、セルCの温度を第1温度範囲内に維持する第1熱回収状態と、熱利用装置12で相対的に低温の熱が必要とされるときに、熱媒を相対的に低温且つ大流量の状態でセルCから回収して、セルCの温度を、第1温度範囲よりも低い第2温度範囲内に維持する第2熱回収状態とを切り替えて運転する。
【選択図】図1
Description
前記排熱回収装置は、
前記熱利用装置で相対的に高温の熱が必要とされるときに、前記熱媒を相対的に高温且つ小流量の状態で前記セルから回収して、前記セルの温度を第1温度範囲内に維持する第1熱回収状態と、
前記熱利用装置で相対的に低温の熱が必要とされるときに、前記熱媒を相対的に低温且つ大流量の状態で前記セルから回収して、前記セルの温度を、前記第1温度範囲よりも低い第2温度範囲内に維持する第2熱回収状態とを切り替えて運転する点にある。
加えて、熱利用装置で相対的に低温の熱が必要とされるとき、即ち、相対的に高温の熱が不要であるとき、排熱回収装置は、第2熱回収状態として、セルから相対的に低温の熱媒を回収する。セルから回収される熱媒の温度はセルの温度に対応するため、セルから相対的に低温の熱媒を回収するということは、セルの温度が相対的に低温(第2温度範囲)になるということである。その結果、セルの内部での水の気化が抑制され、セルの湿潤状態の低下が抑制されるため、固体高分子電解質膜の劣化を抑制することができ、セルの寿命を延ばすことができる。
従って、固体高分子形燃料電池のセルの温度を極力低下させつつ、熱利用装置で使い勝手の良い温度の熱を固体高分子形燃料電池から回収できる燃料電池システムを提供できる。また、排熱回収装置を、第1熱回収状態の後に第2熱回収状態で運転すると、セルCに対する乾燥の影響を最低限として、固体高分子電解質膜のイオン伝導性を高く維持することができる。
前記セル冷却水の流量は前記第1熱回収状態及び前記第2熱回収状態のそれぞれにおいて同じとし、前記二次側熱媒の流量は前記第1熱回収状態及び前記第2熱回収状態のそれぞれにおいて異ならせて、前記セルから熱を回収するように構成されている点にある。
固体高分子形燃料電池FC(以下、「燃料電池FC」と記載する)は、固体高分子電解質膜2(以下、「電解質膜2」と記載する)を燃料極1及び酸素極3で挟んで構成されるセルCを複数積層して備える。また、本実施形態で説明するセルCは、発電時に発生する熱を回収することで燃料電池FCを冷却する冷却部4を含む。尚、図1では図面の簡略化のため、単一のセルCのみを記載する。
改質器5には、炭化水素を含む原燃料(例えば、メタンを含む都市ガスなど)及び水蒸気が供給される。改質器5は、併設される燃焼器6から与えられる燃焼熱を利用して、原燃料の水蒸気改質を行う。そして、改質器5での水蒸気改質により得られた水素を主成分とする燃料ガスが燃料極1に供給される。
その結果、熱交換器7では、湯水循環路10を流れる湯水と、燃焼排ガス及び排空気との熱交換が行われる。つまり、熱交換器7において、湯水循環路10を流れる湯水は、燃焼排ガス及び排空気から熱を回収して昇温される。
その結果、熱交換器8では、湯水循環路10を流れる湯水と、冷却水循環路9を流れるセル冷却水(即ち、セルCから熱を回収した後のセル冷却水)との熱交換が行われる。つまり、熱交換器8において、湯水循環路10を流れる湯水は、セルCから熱を回収して昇温される。
貯湯タンク11に貯えられている湯水は熱利用装置12に供給される。熱利用装置12は、例えば、床暖房装置12a、浴室暖房乾燥装置12b、給湯装置12cなどである。熱利用装置12が、湯水が保有する熱のみを利用する装置(床暖房装置12a、浴室暖房乾燥装置12bなど)の場合、それら熱利用装置12で熱が利用された後の湯水は貯湯タンク11に帰還する。或いは、熱利用装置12が、湯水自体を利用する給湯装置12cなどの場合、貯湯タンク11には湯水は帰還しない。
そして、後述するように、排熱回収装置Nは、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされるときの第1熱回収状態と、熱利用装置12で相対的に低温の熱が必要とされるときの第2熱回収状態とを切り替えて運転する。
図3は、第1熱回収状態と第2熱回収状態での排熱回収装置Nの運転形態を説明する図である。具体的には、排熱回収装置Nが、当初の所定期間、第1熱回収状態で運転を行い、その後の所定期間、第2熱回収状態で運転を行ったときの、セルCへのセル冷却水の流入温度T1、セルCからのセル冷却水の流出温度T2、貯湯タンク11への二次側熱媒(湯水)の流入温度T3、冷却水循環路9でのセル冷却水の流量Q1、湯水循環路10での二次側熱媒(湯水)の流量Q2の時間的な変化を示す。尚、図3において、冷却水循環路9でのセル冷却水の流量Q1、湯水循環路10での二次側熱媒(湯水)の流量Q2は、第1熱回収状態での流量で規格化した値を示す。
具体的には、セル冷却水は、第1熱回収状態及び第2熱回収状態で同じ流量であり、二次側熱媒(湯水)は、第2熱回収状態での流量の方が、第1熱回収状態での流量よりも相対的に大きい。言い換えると、二次側熱媒(湯水)は、第1熱回収状態での流量の方が、第2熱回収状態での流量よりも相対的に小さい。つまり、熱媒としてのセル冷却水及び二次側熱媒(湯水)を併せて考慮した場合、第2熱回収状態では、第1熱回収状態と比べて大流量の熱媒での熱回収が行われるので、貯湯タンク11へと回収される熱媒としての二次側熱媒(湯水)の温度T3は相対的に低温となる。言い換えると、第1熱回収状態では、第2熱回収状態と比べて小流量の熱媒での熱回収が行われるので、貯湯タンク11へと回収される熱媒としての二次側熱媒(湯水)の温度T3は相対的に高温となる。
例えば、制御装置20は、熱利用装置12の過去所定期間内での運転状態を監視して内部メモリ(図示せず)などに記憶しておく。そして、制御装置20は、過去所定期間内に相対的に高温の熱を必要とする床暖房装置12a及び浴室暖房乾燥装置12bが運転されていた場合には、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされていると判定する。これに対して、過去所定期間内に相対的に高温の熱を必要とする床暖房装置12a及び浴室暖房乾燥装置12bが運転されていない場合には、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされていない(即ち、熱利用装置12で相対的に低温の熱が必要とされている)と判定する。
そして、制御装置20は、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされているか、或いは、熱利用装置12で相対的に低温の熱が必要とされているかの判定結果に基づいて、排熱回収装置Nを上述した第1熱回収状態及び第2熱回収状態の何れかで動作させる。
加えて、熱利用装置12で相対的に低温の熱が必要とされるとき、即ち、相対的に高温の熱が不要であるとき、排熱回収装置Nは、第2熱回収状態として、セルCから相対的に低温の熱媒を回収する。セルCから回収される熱媒の温度T2はセルCの温度に対応するとみなせるため、セルCから相対的に低温の熱媒を回収するということは、セルCの温度が相対的に低温(第2温度範囲)になるということである。その結果、セルCの内部での水の気化が抑制され、セルCの湿潤状態の低下が抑制されるため、電解質膜2によるイオン伝導性を高く維持することができる。
<1>
上記実施形態では、燃料電池システムの構成について具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。例えば、改質器5から燃料極1へ供給される燃料ガスを加湿するための加湿装置や、酸素極3に供給される空気を加湿するための加湿装置などを別途設けてもよい。また、貯湯タンク11から熱利用装置12に供給される湯水を昇温するための補助熱源装置などを別途設けてもよい。
上記実施形態では、第1熱回収状態及び第2熱回収状態について具体的な温度の数値を挙げて説明したが、その具体的な数値などは適宜変更可能である。
上記実施形態では、制御装置20が、過去所定期間内に相対的に高温の熱を必要とする床暖房装置12a及び浴室暖房乾燥装置12bが運転されていたか否かという判定基準に基づいて、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされているか否かを判定する例を説明したが、それとは別の判定基準に基づいて、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされているか否かを判定してもよい。具体的には、制御装置20が、気温に基づいて、又は、月日や季節などに基づいて、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされているか否かを判定してもよい。例えば、気温が設定気温よりも低ければ、制御装置20が、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされていると判定してもよく、或いは、10月〜4月の間は、制御装置20が、熱利用装置12で相対的に高温の熱が必要とされていると判定してもよい。
上記実施形態では、第1熱回収状態での、セルCからのセル冷却水の流出温度T2とセルCへのセル冷却水の流入温度T1との温度差Taが、第2熱回収状態での、セルCからのセル冷却水の流出温度T2とセルCへのセル冷却水の流入温度T1との温度差Tbと同等である場合を例示したが、温度差Taと温度差Tbとが相違していてもよい。
2 固体高分子電解質膜(セル C)
3 酸素極(セル C)
4 冷却部(セル C、排熱回収装置 N)
7 熱交換器(排熱回収装置 N)
8 熱交換器(排熱回収装置 N)
9 冷却水循環路(排熱回収装置 N)
10 湯水循環路(排熱回収装置 N)
11 貯湯タンク(排熱回収装置 N)
12 熱利用装置
C セル
FC 固体高分子形燃料電池
N 排熱回収装置
P1 ポンプ(排熱回収装置 N)
P2 ポンプ(排熱回収装置 N)
Claims (2)
- 固体高分子電解質膜を燃料極及び酸素極で挟んで構成されるセルを複数積層して備える固体高分子形燃料電池と、熱媒を用いて前記セルから熱を回収し及び回収した熱を熱利用装置に供給する排熱回収装置とを備える燃料電池システムであって、
前記排熱回収装置は、
前記熱利用装置で相対的に高温の熱が必要とされるときに、前記熱媒を相対的に高温且つ小流量の状態で前記セルから回収して、前記セルの温度を第1温度範囲内に維持する第1熱回収状態と、
前記熱利用装置で相対的に低温の熱が必要とされるときに、前記熱媒を相対的に低温且つ大流量の状態で前記セルから回収して、前記セルの温度を、前記第1温度範囲よりも低い第2温度範囲内に維持する第2熱回収状態とを切り替えて運転する燃料電池システム。 - 前記排熱回収装置は、前記熱媒として、前記セルと熱交換するセル冷却水及び前記セル冷却水と熱交換する二次側熱媒を用い、
前記セル冷却水の流量は前記第1熱回収状態及び前記第2熱回収状態のそれぞれにおいて同じとし、前記二次側熱媒の流量は前記第1熱回収状態及び前記第2熱回収状態のそれぞれにおいて異ならせて、前記セルから熱を回収するように構成されている請求項1に記載の燃料電池システム。
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JP2007123032A (ja) * | 2005-10-27 | 2007-05-17 | Toshiba Fuel Cell Power Systems Corp | 燃料電池発電システム及びその運転方法 |
JP2010062044A (ja) * | 2008-09-04 | 2010-03-18 | Ebara Corp | 燃料電池システム |
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