JP2014123523A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】放熱器の小型化を図りながら十分な量の凝縮水を確保可能な構造を備えた燃料電池システムを提供すること、夏場等の外気温度が高くても安定した出力を維持可能な燃料電池システムを提供すること。
【解決手段】燃料電池システム３は、燃料電池発電部２５より排出された排気ガスと貯湯槽５に蓄えられた貯湯水との間で熱交換する排熱回収用熱交換器３１と、この排熱回収用熱交換器３１により排気ガスを冷却することによって回収された凝縮水を貯留する貯留部２８と、排熱回収用熱交換器３１に導入される貯湯水の温度が所定の温度を超えた場合に貯湯水を冷却する放熱器１６を備え、燃料電池発電部２５から排気ガスを排出する為の排気ガス用排出通路３２における排熱回収用熱交換器３１の上流側に、放熱器１６によって熱交換された後の送風と排気ガスとの間で熱交換する排気ガス冷却用熱交換器３３が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池システムに関し、特に湯水冷却用のラジエータの送風を利用して燃料電池発電部からの排気ガスを予備的に冷却可能な構造を備えたものに関する。

従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）とを燃料電池セルスタックに供給することで電力を発生させ、この発電の際に副次的に発生する熱を湯水として回収する燃料電池コージェネレーションシステムが実用に供されている。従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、発電を行なう燃料電池システムと、熱交換後の湯水を貯湯する貯湯槽を有する貯湯給湯システムと、これら燃料電池システムと貯湯給湯システムとの間に湯水を循環させる循環加熱回路等を備えている。

この種の燃料電池コージェネレーションシステムの構造は、種々の文献に開示されている。例えば、特許文献１の燃料電池コージェネレーションシステムには、燃料電池システムと貯湯給湯システムとを共通の外装ケースに収納することで一体的にユニット化した構造のものが開示されている。

上記の燃料電池システムは、空気と改質燃料ガスとで発電を行なう燃料電池セルスタックとこの燃料電池セルスタックに供給する改質燃料ガスを純水（水蒸気）と天然ガス等の燃料ガスから生成する改質器とを有する燃料電池発電部と、この燃料電池発電部からの排気ガスを外部に排出する為の排気ガス排出通路と、燃料電池発電部からの排気ガスと貯湯槽に蓄えられた湯水との間で熱交換する排熱回収用熱交換器等を備えている。

また、上記の燃料電池システムは、排熱回収用熱交換器により排気ガスを冷却することによって回収された凝縮水を再使用する、所謂水自立運転が行われている。通常は、貯湯槽内の湯水を湯水循環回路に循環させ、燃料電池システムの排熱回収用熱交換器にて湯水と排気ガスとの間で熱交換を行い、排気ガスに含まれる水蒸気を冷却して凝縮水を回収し、この凝縮水を浄化した後に一時的に貯留してから再使用している。

しかし、貯湯槽から湯水循環回路を介して排熱回収用熱交換器へ流れる湯水の温度は、貯湯槽の蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯槽が満蓄状態（高温の湯水で満タンの状態）となり、湯水循環回路を循環する湯水が排熱回収用熱交換器における露点以上の温度に達する。すると、排熱回収用熱交換器で発生する凝縮水の生成量が低減して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の水の供給が不足する場合がある。

このような場合に水自立運転を継続するために、例えば、特許文献２の燃料電池コージェネレーションシステムのようには、湯水循環回路に設けられた放熱器（ラジエータ）を作動させることによって、排熱回収用熱交換器へ供給される湯水の温度を低下させて凝縮水を回収している。尚、特許文献２では、湯水と熱交換後の加熱された送風は、外部に直接排出せずに燃料電池発電部に酸素供給用の空気として供給することで、熱の再利用を行っている。

特開２００３−２１４７１２号公報 特開２００５−６３６７６号公報

しかし、夏場等の外気温度が高い場合、特許文献２のように放熱器を作動させても、湯水循環回路を流れる湯水の温度を十分に低下させることができず、結果的に十分な量の凝縮水を回収できなくなり、燃料電池システムの出力を制限して運転しなければならなくなる。従って、放熱器の性能を確保する為に大型の放熱器を搭載する必要があるが、燃料電池システムが大型化、高コスト化するという問題が生じる。一般的に、放熱器は、複雑な構造の熱交換器で高価なものであるので、極力小型なものが望ましい。

本発明の目的は、放熱器の小型化を図りながら十分な量の凝縮水を確保可能な構造を備えた燃料電池システムを提供すること、夏場等の外気温度が高くても安定した出力を維持可能な燃料電池システムを提供すること、等である。

請求項１の燃料電池システムは、燃料電池発電部より排出された排気ガスと貯湯槽に蓄えられた貯湯水との間で熱交換する排熱回収用熱交換器と、この排熱回収用熱交換器により前記排気ガスを冷却することによって回収された凝縮水を貯留する貯留部と、前記排熱回収用熱交換器に導入される前記貯湯水の温度が所定の温度を超えた場合に前記貯湯水を冷却する放熱器を備えた燃料電池システムにおいて、前記燃料電池発電部から排気ガスを排出する為の排気ガス用排出通路における前記排熱回収用熱交換器の上流側に、前記放熱器によって熱交換された後の送風と前記排気ガスとの間で熱交換する熱交換部が設けられたことを特徴としている。

請求項２の燃料電池システムは、請求項１の発明において、前記放熱器と前記熱交換部は、前記燃料電池発電部と前記排熱回収用熱交換器と前記貯留部とを収容する外装ケースと共通の外装ケース内に装備されたことを特徴としている。

請求項１の発明によれば、燃料電池発電部から排気ガスを排出する為の排気ガス用排出通路における排熱回収用熱交換器の上流側に、放熱器によって熱交換された後の送風と排気ガスとの間で熱交換する熱交換部が設けられたので、貯湯槽の貯湯水が満蓄状態になった場合に、放熱器を作動させて排熱回収用熱交換器に導入される貯湯水の温度を低下させると共に、熱交換部により放熱器による熱交換後の送風と排気ガスとの間の熱交換を行うことで排気ガスの温度を低下させることができる。

従って、送風を排気ガスの冷却に利用して排熱回収用熱交換器に導かれる排気ガスを予備冷却することで、排熱回収用熱交換器での凝縮水をより多く発生させることができる。また、凝縮水の生成量を増加させることで凝縮水の回収率を向上させることができるので、夏場等の外気温度が高い場合でも、燃料電池システムの定格運転を継続して安定した出力を得ることができる。湯水循環回路に設ける放熱器を小型化しつつ、製作コストを低減することができる。

請求項２の発明によれば、放熱器と熱交換部は、燃料電池発電部と排熱回収用熱交換器と貯留部とを収容する外装ケースと共通の外装ケース内に装備されたので、貯湯槽を有するユニット（貯湯給湯システム）に放熱器を設置する場合と比較すると、燃料電池システムと貯湯槽側ユニットとの間に放熱器の送風を流す為の配管等の通路部を設ける必要がなくなるので、燃料電池システムを設置する為の作業時間を短縮することができる。

実施例に係る燃料電池システムと貯湯給湯システムの概略構成図である。 純水処理装置の概略構成図である。

以下、本発明を実施するための形態について実施例に基づいて説明する。

先ず、本発明の燃料電池システム３を備えた燃料電池コージェネレーションシステム１の全体構成について簡単に説明する。
図１に示すように、燃料電池コージェネレーションシステム１は、湯水を貯湯する貯湯槽５を有する貯湯給湯システム２と、発電を行なう燃料電池システム３と、貯湯給湯システム２と燃料電池システム３との間に湯水を循環させる為の湯水循環回路４等から構成されている。

図１に示すように、貯湯給湯システム２は、貯湯槽５、給水管６、給湯管７、バイパス管８、高温出湯回避管９、混合弁１０、減圧弁１１、高温出湯回避用電磁弁１２、各種温度センサ１３ａ〜１３ｉや流量センサ１４ａ，１４ｂ等を備え、これらは外装ケース１５内に一体的に収納されて構成されている。

貯湯槽５は、高温の湯水（例えば、８０〜９０℃）を貯留可能な断熱性の密閉タンクであり、貯留された湯水の放熱を防ぐ為にタンク周囲は断熱材で覆われている。貯湯槽５内の複数の貯留層の湯水の温度が複数のタンク湯水温度センサ１３ａ〜１３ｃにより検出される。

図１に示すように、湯水循環回路４は、外部熱源である燃料電池システム３の排熱回収用熱交換器３１と貯湯槽５との間に湯水を循環させる閉回路であり、往き側通路４ａ、戻り側通路４ｂを有し、往き側通路４ａの上流端が貯湯槽５の下部に接続され、戻り側通路４ｂの下流端が貯湯槽５の上部に接続されている。

往き側通路４ａの燃料電池システム３側には、湯水を急速に冷却可能な放熱器１６（ラジエータ）と、排熱回収循環ポンプ１７とが設置されている。往き側通路４ａと戻り側通路４ｂとの間に、燃料電池システム３の排熱回収用熱交換器３１の熱交換通路部３１ａが接続されている。尚、放熱器１６や排熱回収用熱交換器３１の詳細な構造については後述する。

湯水循環回路４を循環する湯水の温度は、放熱器入口側の循環湯水温度センサ１３ｄ、放熱器出口側の循環湯水温度センサ１３ｅ、熱交換器出口側の循環湯水温度センサ１３ｆにより検出される。

次に、燃料電池システム３について説明する。
図１に示すように、燃料電池システム３は、貯湯槽５の湯水を加熱する為の貯湯給湯システム２の外部熱源であり、インバータ装置２１、空気供給装置２２、燃料供給装置２３、純水処理装置２４、燃料電池発電部２５、制御装置２６、排熱回収用熱交換器３１、排気ガス用排出通路３２、排気ガス冷却用熱交換器３３、放熱器用送風通路３４、放熱器１６等から構成されている。

燃料電池システム３は、上記の各種装置が共通の外装ケース２０に一体的に収納されて構成され、燃料電池発電部２５にて発電された直流電力は、インバータ装置２１を介して交流電力に変換されて外部に出力される。

空気供給装置２２は、外部から発電用の空気と燃料改質用の空気とを対応する昇圧ブロワに夫々取り込み、これら取り込まれた空気を燃料電池発電部２５に夫々供給するものである。燃料供給装置２３は、ガス供給源から燃料ガスを昇圧ブロワに取り込み、この昇圧された燃料ガスを燃料改質用の空気と混合して燃料電池発電部２５に供給するものである。

図２に示すように、純水処理装置２４は、処理タンク２７と、貯留タンク２８（貯留部に相当する）と、純水ポンプ２９等を備え、排熱回収用熱交換器３１により排気ガスを冷却することによって凝縮水を回収し、不純物を取り除いた水を貯留して燃料電池発電部２５の蒸発器（図示略）に供給する、所謂、水自立運転が行われている。

処理タンク２７は、排気ガス用排出通路３２と回収通路２４ａを介して接続され、排熱回収用熱交換器３１から回収した凝縮水の不純物を取り除く為のものである。処理タンク２７には、凝縮水に含まれる不純物をイオン交換により除去するイオン交換樹脂が設けられている。

貯留タンク２８は、処理タンク２７と連結通路２４ｂを介して接続され、処理タンク２７により処理された水を一時的に貯留する為のものである。貯留タンク２８には、純水通路２４ｃが接続され、この純水通路２４ｃの途中部に純水ポンプ２９が設置されている。純水ポンプ２９は、貯留タンク２８内の浄化された水を純水通路２４ｃを介して燃料電池発電部２５の蒸発器へ供給する為のものである。

燃料電池発電部２５は、燃料電池セルスタック、蒸発器、燃料改質器、オフガス燃焼室２５ａ等を備え、燃料改質器によって改質された改質燃料ガス及び酸化剤としての空気を燃料電池セルスタックで化学反応させることで発電を行うものである。

蒸発器は、燃料ガスに混合する為の水蒸気を純水から生成して燃料改質器に供給するものである。蒸発器には、燃料供給装置２３によって取り込まれて昇圧された燃料ガス（都市ガスやＬＰＧ等）と、空気供給装置２２によって取り込まれた燃料改質用の空気とが供給され、純水処理装置２４から純水通路２４ｃを介して純水が供給される。

燃料改質器は、その内部に白金等の改質触媒を備え、蒸発器から供給される燃料ガスと空気と水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて、水素リッチな改質燃料ガスを生成し、この改質燃料ガスを燃料電池セルスタックの燃料極側に供給する。

燃料電池セルスタックは、複数の燃料電池セルを並べて構成されている。各燃料電池セルは、ジルコニア等の固体電解質と燃料極と酸素極から夫々形成されている。燃料電池セルスタックの燃料極側には、燃料改質器から改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタックの酸素極側には、空気供給装置２２から空気が供給され、これらを高温の環境下で電気化学反応させて直流電力を生成する。

オフガス燃焼室２５ａは、燃料電池セルスタックの発電に伴い生じる残余燃料ガスを燃焼処理する為のものであり、燃料電池セルスタックの燃料極側及び酸素極側の各排出側と接続されている。このオフガス燃焼室２５ａでは、燃料極側から排出された未反応燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とを燃焼させることによって高温の排気ガスを生成し、この排気ガスで燃料改質器等を加熱してから、排気ガス用排出通路３２を介して外部に排出する。

次に、排熱回収用熱交換器３１について説明する。
図１に示すように、排熱回収用熱交換器３１は、排気ガス用排出通路３２の途中部に設けられている。排熱回収用熱交換器３１は、湯水循環回路４の一部を構成し且つ複数のフィンを有する熱交換通路部３１ａを備えている。この排熱回収用熱交換器３１において、燃料電池発電部２５から排出される高温の排気ガスは、貯湯槽５に蓄えられた貯湯水との間で熱交換されて、排気ガス中に含まれる水蒸気は冷却され凝縮されて凝縮水となる。

次に、本発明に係る排気ガスの予備冷却構造について説明する。
図１に示すように、排気ガスの予備冷却構造は、放熱器１６と、排気ガス冷却用熱交換器３３（熱交換部に相当する）と、放熱器用送風通路３４とを備え、燃料電池発電部２５から排気ガス用排出通路３２を流れて排熱回収用熱交換器３１に導入される排気ガスを放熱器１６の送風を利用して予め冷却するように構成されている。

放熱器１６は、燃料電池システム３の外装ケース２０に装備された放熱器用送風通路３４の途中部に設けられている。放熱器１６は、送風ファン１６ａと、湯水循環回路４の一部を構成し且つ複数のフィンを有する熱交換通路部１６ｂとを備えている。この放熱器１６は、排熱回収用熱交換器３１に導入される貯湯水の温度が所定の温度を超えた場合に貯湯水を冷却する。

排気ガス冷却用熱交換器３３は、放熱器用送風通路３４の途中部であって放熱器１６の下流側に設けられている。排気ガス冷却用熱交換器３３は、排気ガス用排出通路３２の一部を構成し且つ複数のフィンを有する予備熱交換通路部３３ａを備えている。即ち、この予備熱交換通路部３３ａは、燃料電池発電部２５から排熱回収用熱交換器３１へ排気ガスを導く排気ガス用排出通路３２における排熱回収用熱交換器３１の上流側に設けられ、放熱器１６によって熱交換された後の送風と排気ガスとの間で熱交換する。

次に、本発明の燃料電池システム３の作用及び効果について説明する。
燃料電池発電部２５において、燃料極側から排出された未反応燃料ガスと、酸素極側から排出された酸素を含む空気とをオフガス燃焼室２５ａで燃焼させることによって高温の多量の水蒸気を含む排気ガスを生成し、この排気ガスは排気ガス用排出通路３２を流れて排熱回収用熱交換器３１に導入される。

排熱回収用熱交換器３１では、排気ガスと湯水循環回路４の湯水との間で熱交換が行われて湯水が加熱され、加熱された湯水が貯湯槽５に貯留され、この運転を繰り返すことで貯湯槽５に高温の湯水が貯留される。このとき、排熱回収用熱交換器３１の入口側から導入される排気ガスの温度は、例えば、２５０〜３００度程度であり、排熱回収用熱交換器３１の入口側から外部に排出される排気ガスの温度は、例えば、３０〜７０度程度である。

一方、排熱回収用熱交換器３１で排気ガスに含まれる水蒸気が冷却されて凝縮水を発生し、この凝縮水は、回収通路２４ａを介して処理タンク２７に送られ、処理タンク２７内で凝縮水の不純物を除去し、この浄化された水を貯留タンク２８に送り一時的に貯留する。その後、この貯留タンク２８に貯留された水は、純水ポンプ２９によって燃料電池発電部２５に送られ、改質用の水として再利用される。

しかし、貯湯槽５から排熱回収用熱交換器３１へ流れる湯水の温度は、貯湯槽５の蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯槽５が満蓄状態となり、湯水循環回路４を循環する湯水が排熱回収用熱交換器３１における露点近傍の温度に達する。すると、排気ガスの温度低下が小さくなり、排熱回収用熱交換器３１で発生する凝縮水の量が低減して十分な量の凝縮水を回収できなくなり、改質用の水の供給が不足する。

この場合、貯湯槽５の複数のタンク湯水温度センサ１３ａ〜１３ｃが満蓄状態を検知し、又は、往き側通路４ａの湯水の温度が循環湯水温度センサ１３ｄにより所定の温度（例えば８０℃度以上）を超えたことを検知し、貯留タンク２８の水位スイッチ２８ａが低下した水の液面を検知した場合に、これら検知信号に基づいて運転モードを、以下に説明する冷却運転に切り換える。尚、満畜状態とは、貯湯槽５内が、例えば８０℃度の高温の湯水で満たされた状態である。

冷却運転においては、放熱器１６の送風ファン１６ａの駆動により、放熱器用送風通路３４の入口側から外気が取り込まれ、放熱器１６の熱交換通路部１６ｂにて、送風と往き側通路４ａを流れる湯水との間で熱交換が行われて湯水が冷却される。

冷却された湯水は、排熱回収用熱交換器３１の熱交換通路部３１ａに流入し、燃料電池発電部２５から排出された排気ガスと熱交換を行うことで加熱され、この加熱された湯水は、戻り側通路４ｂを通って貯湯槽５に戻され、往き側通路４ａを流れて再び放熱器１６で冷却される。この運転を繰り返すことで、湯水を強制的に冷却しながら、排気ガス中の水蒸気から凝縮水を回収する。

このとき、放熱器１６により湯水を冷却した後の送風は、例えば、５０〜６０度程度となる。排気ガス冷却用熱交換器３３では、熱交換した後の送風と排熱回収用熱交換器３１より上流側を流れる排気ガスとの間で熱交換が行われ、排気ガスは、例えば、２５０〜３００度程度から２００度程度に予備的に冷却される。加熱された送風は、放熱器用送風通路３４の出口側から外部に排気される。

排気ガス冷却用熱交換器３３により予備的に冷却された排気ガスは、排熱回収用熱交換器３１へ送られて、この排気ガスと放熱器１６により冷却された湯水との間で熱交換が行われる。このように、排気ガス冷却用熱交換器３３と排熱回収用熱交換器３１との組み合わせで、排気ガス用排出通路３２を流れる排気ガスを効率良く冷却し、凝縮水の発生を促進することができる。

以上説明したように、燃料電池発電部２５から排気ガスを排出する為の排気ガス用排出通路３２における排熱回収用熱交換器３１の上流側に、放熱器１６によって熱交換された後の送風と排気ガスとの間で熱交換する排気ガス冷却用熱交換器３３（熱交換部）が設けられたので、貯湯槽５の貯湯水が満蓄状態になった場合に、放熱器１６を作動させて排熱回収用熱交換器３１に導入される貯湯水の温度を低下させると共に、排気ガス冷却用熱交換器３３により放熱器１６による熱交換後の送風と排気ガスとの間の熱交換を行うことで排気ガスの温度を低下させることができる。

従って、送風を排気ガスの冷却に利用して排熱回収用熱交換器３１に導かれる排気ガスを予備冷却することで、排熱回収用熱交換器３１での凝縮水をより多く発生させることができる。凝縮水の生成量を増加させることで凝縮水の回収率を向上させることができるので、夏場等の外気温度が高い場合でも、燃料電池システム３の定格運転を継続して安定した出力を得ることができる。湯水循環回路４に設ける放熱器１６を小型化しつつ、製作コストを低減することができる。

さらに、放熱器１６と排気ガス冷却用熱交換器３３は、燃料電池発電部２５と排熱回収用熱交換器３１と貯留タンク２８（貯留部）とを収容する外装ケース２０と共通の外装ケース２０内に装備されたので、貯湯給湯システム２に放熱器１６を設置する場合と比較すると、貯湯給湯システム２と燃料電池システム３との間に放熱器１６の送風を流す為の配管等の通路部を設ける必要がなくなり、故に、燃料電池システム３を設置する為の作業時間を短縮することができる。

次に、前記実施例を部分的に変更した形態について説明する。
［１］前記実施例の貯湯給湯システム２と燃料電池システム３においては、各々がユニット化されて夫々構成されているが、特にこの構造に限定する必要はなく、貯湯給湯システム２と燃料電池システム３とを共通の外装ケースに収納して一体的にユニット化して構成しても良い。

［２］その他、当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなく、前記実施例に種々の変更を付加した形態で実施可能であり、本発明はそのような変更形態を包含するものである。

３ 燃料電池システム
５ 貯湯槽
１６ 放熱器
２０ 外装ケース
２５ 燃料電池発電部
２８ 貯留タンク
３１ 排熱回収用熱交換器
３２ 排気ガス用排出通路
３３ 排気ガス冷却用熱交換器
３４ 放熱器用送風通路

Claims (2)

1. 燃料電池発電部より排出された排気ガスと貯湯槽に蓄えられた貯湯水との間で熱交換する排熱回収用熱交換器と、この排熱回収用熱交換器により前記排気ガスを冷却することによって回収された凝縮水を貯留する貯留部と、前記排熱回収用熱交換器に導入される前記貯湯水の温度が所定の温度を超えた場合に前記貯湯水を冷却する放熱器を備えた燃料電池システムにおいて、
   前記燃料電池発電部から排気ガスを排出する為の排気ガス用排出通路における前記排熱回収用熱交換器の上流側に、前記放熱器によって熱交換された後の送風と前記排気ガスとの間で熱交換する熱交換部が設けられたことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記放熱器と前記熱交換部は、前記燃料電池発電部と前記排熱回収用熱交換器と前記貯留部とを収容する外装ケースと共通の外装ケース内に装備されたことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。