JP2016046221A - 燃料電池発電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池発電装置において、低コストで且つ簡単な構造でもって発電用空気を余熱可能なもの、発電に寄与しなかったオフガスに対する着火性能を改善可能なもの、等を提供することである。【解決手段】燃料電池発電装置１は、燃料電池発電部６と、貯湯タンク３と、燃料電池発電部６へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給装置７と記燃料電池発電部６へ発電用空気を供給する空気供給装置８と、これらを収納する外装ケース５とを備え、燃料電池発電部６は、オフガスを燃焼させる為のオフガス燃焼室６ｄを有し、貯湯タンクの周囲に断熱材２１が設けられ、空気供給装置８の空気吸入部８ａは、貯湯タンク３の上部外面近傍の空気を吸入するように配置されると共に、貯湯タンク３と断熱材２１との隙間の空気を吸入するように断熱材２１内に配置されている。【選択図】図２

Description

本発明は燃料電池発電装置に関し、特に発電に寄与しなかったオフガスに対する着火性能を改善したものに関する。

従来から、空気と改質燃料ガス（水素含有ガス）との酸化還元反応によって化学エネルギーを電気エネルギーに変換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排熱を湯水として回収する燃料電池発電装置（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。この燃料電池発電装置は、発電を行う燃料電池発電モジュールと、排熱回収による熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンクと、燃料電池発電モジュールと貯湯タンクとの間に湯水を循環させる排熱回収循環回路等を備えている。

上記の燃料電池発電モジュールは、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）と燃料ガスから生成する燃料改質器及び蒸発器とオフガスを燃焼処理するオフガス燃焼室等を有する燃料電池発電部、この燃料電池発電部に発電用空気、燃料ガス及び純水等を供給する各種の供給装置、燃料電池発電部にて発電された交流を直流に変換するパワーコンディショナユニット、各種の器具を制御する制御ユニット等を備えている。

ところで、上記の燃料改質器においては、改質燃料ガスを生成する為に燃料ガスと水蒸気とを混合して反応させる水蒸気改質が行われる。この改質反応は、高温環境を必要とするので、従来では、オフガス燃焼室の燃焼ガスによって燃料改質器を加熱している。しかし、燃料電池発電装置の起動時における燃料電池発電部は高温状態ではなく、また、このとき燃料電池発電部に供給される発電用空気の温度が低いので、オフガス燃焼室で着火不良が発生するという問題がある。

そこで、上記の問題を解決する為に、燃料電池発電部に供給される発電用空気を予め加熱する技術が実用に供されている。例えば、特許文献１の燃料電池発電システムにおいては、外部から吸入された空気を酸化剤予熱器で予め加熱してから燃料電池発電部に供給する技術が開示されている。また、この特許文献１の燃料電池発電システムでは、酸化剤予熱器で予熱が行われた空気と、燃料電池発電部から排出された空気（酸化剤）の少なくとも一部とを混合して燃料電池発電部に供給することで、外部から吸入する発電用空気の量を低減する技術も開示されている。

特開２０１０−１５７５５号公報

しかし、特許文献１の燃料電池発電システムでは、外部から吸入された空気を予熱する為に予熱専用の酸化剤予熱器を追加的に設ける必要があるので、システムを構成する為の部品点数が増加して、製作コストが増加する。また、発電運転中には、燃料電池発電部から排出された空気（酸化剤）の少なくとも一部を戻して外部から吸入された空気と混合する為に、燃料電池発電部と酸化剤予熱器を接続する専用の通路を追加的に設ける必要があるので、システムも複雑化し、製作コストが増加する。

本発明の目的は、燃料電池発電装置において、低コストで且つ簡単な構造でもって発電用空気を余熱可能なもの、発電に寄与しなかったオフガスに対する着火性能を改善可能なもの、等を提供することである。

請求項１の燃料電池発電装置は、燃料電池発電部と、貯湯タンクと、前記燃料電池発電部へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池発電部へ発電用空気を供給する空気供給手段と、これらを収納する外装ケースとを備えた燃料電池発電装置であって、前記燃料電池発電部は、オフガスを燃焼させる為のオフガス燃焼室を有する燃料電池発電装置において、前記空気供給手段の空気吸入部は、前記貯湯タンクの上部外面近傍の空気を吸入するように配置されていることを特徴としている。

請求項２の燃料電池発電装置は、請求項１の発明において、前記貯湯タンクの周囲に断熱材が設けられ、前記空気吸入部は、前記貯湯タンクと前記断熱材との隙間の空気を吸入するように前記断熱材内に配置されていることを特徴としている。

請求項３の燃料電池発電装置は、請求項１の発明において、前記外装ケースの下部に空気取入用開口が設けられ、前記貯湯タンクは、前記空気取入用開口と前記空気吸入部との間に配置されていることを特徴としている。

請求項４の燃料電池発明装置は、請求項１〜３の何れか１項の発明において、前記空気供給手段を構成する器具の大部分が、前記外装ケース内のうちの前記貯湯タンクの上部近傍に配置されていることを特徴としている。

請求項１の発明によれば、空気供給手段の空気吸入部は、貯湯タンクの上部外面近傍の空気を吸入するように配置されているので、高温の湯水が貯湯された既存の貯湯タンクの上部外面の放熱を利用して予熱された発電用空気を取り込むことができる。

即ち、空気吸入部の配置位置を貯湯タンクの上部外面近傍に変更するだけで、発電用空気の予熱の為の専用の部材を追加的に設ける必要がなくなるので、低コストで且つ簡単な構造でもって発電用空気の余熱が可能となる。また、この予熱された発電用空気を燃料電池発電部に供給することで、寒冷地や冬場等における低温の発電用空気によるオフガス燃焼室の着火不良を防止することができ、オフガスに対する着火性能を向上することができる。

請求項２の発明によれば、貯湯タンクの周囲に断熱材が設けられ、空気吸入部は、貯湯タンクと断熱材との隙間の空気を吸入するように断熱材内に配置されているので、貯湯タンクの放熱によって断熱材と貯湯タンク間の空気が加熱されることで、空気吸入部は、予熱された発電用空気を確実に吸入することができる。

請求項３の発明によれば、外装ケースの下部に空気取入用開口が設けられ、貯湯タンクは、空気取入用開口と空気吸入部との間に配置されているので、貯湯タンクの放熱によって空気取入用開口から空気吸入部に至るまでに空気が加熱されることで、空気吸入部は、予熱された発電用空気を確実に吸入することができる。

請求項４の発明によれば、空気供給手段を構成する器具の大部分が、外装ケース内のうちの貯湯タンクの上部近傍に配置されているので、貯湯タンクの上部空間を利用して、空気供給手段をコンパクトに配置することで、燃料電池発電装置を小型化することができる。また、貯湯タンクの放熱によって空気供給手段を構成する器具の大部分が加熱されることで、空気吸入部から取り込まれた予熱された発電用空気の温度低下を防止することができる。

本発明の実施例に係る燃料電池発電装置の概略構成図である。 貯湯タンクと断熱材と空気供給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、燃料電池発電装置１の全体構成について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電装置１は、発電を行う燃料電池発電モジュール２、この燃料電池発電モジュール２から排出される排気との熱交換後の湯水を貯湯する貯湯タンク３、この貯湯タンク３と燃料電池発電モジュール２とに亙って湯水を循環させる排熱回収循環回路（図示略）、これらを収納した外装ケース５等を備え、燃料電池発電モジュール２と貯湯タンク３の一体型の燃料電池コージェネレーションシステムを構成している。

燃料電池発電モジュール２は、燃料電池発電部６、燃料ガス供給装置７、空気供給装置８、純水供給装置９、排熱回収装置１１、パワーコンディショナユニット１２、制御ユニット１３等を備え、燃料電池発電モジュール２にて発電された直流電力がパワーコンディショナユニット１２を介して交流電力に変換されて外部に出力される。尚、燃料電池発電装置１は、上記の器具以外にも給水通路、給湯通路等の各種通路類や混合弁や開閉弁等の各種弁類を備えているが、図示は省略する。

図１に示すように、燃料電池発電装置１は、燃料電池発電モジュール２、貯湯タンク３、各種器具及び各種通路等が外装ケース５に収納されて構成されている。即ち、外装ケース５の内部は、燃料電池発電部６が収納された上側発電室１５Ａと、各種の供給装置７〜９や排熱回収装置１１等の補機類の一部、パワーコンディショナユニット１２、制御ユニット１３等が収納された下側補機室１５Ｂと、貯湯タンク３や補機類の一部が収納されたタンク室１５Ｃとに仕切られている。

図１に示すように、燃料電池発電部６は、燃料電池セルスタック６ａ、燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成する蒸発器６ｂ、燃料ガスと水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて改質燃料ガスを生成する燃料改質器６ｃ、燃料電池セルスタック６ａによる発電に伴い生じるオフガスを燃焼処理するオフガス燃焼室６ｄ等を備え、燃料改質器６ｃ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６ａで高温の環境下で化学反応させることで発電を行う。

燃料電池セルスタック６ａは、複数の燃料電池セルから構成されている。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６ａの燃料極（アノード）側には、改質燃料ガスが供給され、燃料電池セルスタック６ａの酸素極（カソード）側には、発電用空気が供給される。

蒸発器６ｂは、純水供給装置９から供給される純水から燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器６ｃに供給する。燃料改質器６ｃは、ニッケルや白金等の改質触媒を有し、脱硫された燃料ガスと水蒸気とを混合して反応（所謂、水蒸気改質）させて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６ａの燃料極側に供給する。

オフガス燃焼室６ｄは、燃料電池セルスタック６ａ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６ａ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６ｄでは、燃料極側から排出された残余燃料ガスを含む反応燃料ガスと、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燃焼ガスを生成し、この燃焼ガスで燃料改質器６ｃ等を加熱してから排気通路に排出する。

燃料電池発電部６から排出される排気ガスは、排気通路に設けられた排熱回収装置１１の熱交換器にて排熱回収循環回路を循環する湯水との間で熱交換され温度が低下した後に外部に排出される。排気ガス中に含まれる水蒸気は、熱交換によって冷却され凝縮されて凝縮水となる。

空気供給装置８は、燃料電池発電部６へ発電用空気を供給するものであり、空気吸入部８ａ、空気ブロワ８ｂ、発電空気通路８ｃ等を備えている（図２参照）。空気吸入部８ａから発電用空気を空気ブロワ８ｂに取り込み、この取り込まれた発電用空気を、発電空気通路８ｃを介して燃料電池セルスタック６ａの酸素極側に供給する。尚、本発明に関連する空気吸入部８ａの設置構造については後述する。

燃料ガス供給装置７は、燃料電池発電部６へ燃料ガスを供給するものであり、燃料昇圧ブロワ、脱硫器、燃料ガス供給通路等を備えている。図示外のガス供給源からの燃料ガスを、燃料昇圧ブロワに取り込み、この昇圧された燃料ガスを、脱硫器を通して脱硫し、燃料ガス供給通路を介して燃料電池発電部６の蒸発器６ｂ及び燃料改質器６ｃに供給する。

排熱回収装置１１は、貯湯タンク３の湯水と燃料電池発電部６からの排気とを熱交換する熱交換器を備えている。即ち、この熱交換器は、排気通路の途中部に設けられ、貯湯タンク３から排熱回収循環回路を流れる湯水を利用して、排気通路を流れる排気を冷却して凝縮水を生成することで排熱を回収する。

純水供給装置９は、凝縮水回収通路（回収通路及び接続通路）、純水供給通路、処理タンク、貯留タンク、純水ポンプ等を備えている。排熱回収装置１１の熱交換器にて凝縮された凝縮水を、回収通路を介して回収し、処理タンクで凝縮水から不純物を取り除き、凝縮水から生成された純水を、接続通路を介して貯留タンクに送り、貯留タンクで貯留した後に、純水供給通路を介して燃料電池発電部６の蒸発器６ｂ及び燃料改質器６ｃに供給する。

パワーコンディショナユニット１２は、燃料電池発電部６にて発電された電力を変換する為のものであり、例えば、燃料電池発電部６にて発電された直流電力を、通常の住宅で利用可能な１００Ｖの交流電力に変換して、配線を介して分電盤に出力する。制御ユニット１３は、マイコン等から構成され、各種器具の動作制御を実行するものである。

次に、貯湯タンク３について説明する。
図１，図２に示すように、貯湯タンク３は、高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留するものであり、耐腐食性に優れたステンレス板製の胴部材とその上下両端を塞ぐ１対の鏡板とで構成されている。即ち、貯湯タンク３は、縦長筒状の外周面を有する胴部３ａと、上端部の曲面状の天部３ｂと、下端部の曲面状の底部３ｃとから一体的に構成されている。

貯湯タンク３には、給水通路、給湯通路、排熱回収循環回路等が夫々接続され、給水通路を介して上水源からの上水を貯湯タンク３内に補充可能となっており、排熱回収循環回路を介して湯水が加熱され、給湯通路を介して貯湯タンク３内に貯留された高温の湯水を所望の給湯先に供給することができる。

断熱材２１は、例えば、発泡ポリプロピレン、発泡ポリスチレン等からなる合成樹脂発泡体製の成形材であって、円筒形状の貯湯タンク３の周囲を覆って貯湯タンク３に貯留された湯水の放熱を防ぐ断熱機能を有するものである。断熱材２１は、貯湯タンク３の上端側部分を覆う天部材２１ａと、貯湯タンク３の胴部３ａの外周面の半分を夫々覆う１対の縦分割部材２１ｂ，２１ｃからなる複数の分割部材から構成されている。

次に、本発明に関連する空気吸入部８ａの設置構造について説明をする。
図２に示すように、空気供給装置８の空気吸入部８ａは、フィルタを備え、貯湯タンク３の上部外面近傍の空気を吸入するように断熱材２１内に配置されている。断熱材２１の上部の内側には、凹欠き部２２が貯湯タンク３に臨むように形成され、この凹欠き部２２に空気吸入部８ａが配置されている。即ち、空気吸入部８ａは、貯湯タンク３側を除く周囲を断熱材２１で覆われ、貯湯タンク３と断熱材２１との隙間の空気を吸入するように配置されている。

外装ケース５の下部には、空気取入用開口２３が設けられている。空気取入用開口２３は、外装ケース５の側板に形成された複数のスリット状の開口であり、その開口の上端部には、切り起し片が夫々形成されている。各切り起し片の自由端側は、外装ケース５の外方であって下方に向けて突出している。貯湯タンク３は、空気取入用開口２３と空気吸入部８ａとの間に配置されている。

貯湯タンク３と断熱材２１との間には隙間が形成されている。即ち、貯湯タンク３の胴部３ａと断熱材２１の１対の縦分割部材２１ｂ，２１ｃとの間に円筒状の隙間２４が形成され、この円筒状の隙間２４によって、空気取入用開口２３から空気吸入部８ａに至る発電用空気の給気通路が形成されている。

次に、本発明の燃料電池発電装置１の作用及び効果について説明する。
図２に示すように、燃料電池発電装置１の起動に伴い、空気ブロワ８ｂが駆動すると、外装ケース５の下部の空気取入用開口２３から外装ケース５内に発電用空気が流入する。この流入した発電用空気は、貯湯タンク３の断熱材２１で覆われていない底部３ｃから貯湯タンク３と断熱材２１との間の円筒状の隙間２４を通り、凹欠き部２２に流れ、空気吸入部８ａから取り込まれる。

貯湯タンク３内に貯留された湯水の温度成層は、上部が最も高温となることから、凹欠き部２２には、貯湯タンク３内の高温の湯水から放熱された熱が封じ込まれた状態になり、この凹欠き部２２の空気を発電用空気として取り込むことで、発電用空気を効率良く加熱することができる。

以上説明したように、空気供給装置８の空気吸入部８ａは、貯湯タンク３の上部外面近傍の空気を吸入するように配置されているので、高温の湯水が貯湯された貯湯タンク３の上部外面の放熱を利用して予熱された発電用空気を取り込むことができる。

即ち、空気吸入部８ａの配置位置を貯湯タンク３の上部外面近傍に変更するだけで、発電用空気の予熱の為の専用の部材を追加的に設ける必要がなくなるので、低コストで且つ簡単な構造でもって発電用空気の余熱が可能となる。また、この予熱された発電用空気を燃料電池発電部６に供給することで、寒冷地や冬場等における低温の発電用空気によるオフガス燃焼室６ｄの着火不良を防止することができ、オフガスに対する着火性能を向上することができる。

また、貯湯タンク３の周囲に断熱材２１が設けられ、空気吸入部８ａは、貯湯タンク３と断熱材２１との隙間の空気を吸入するように断熱材２１内に配置されているので、貯湯タンク３の放熱によって断熱材２１と貯湯タンク３間の空気が加熱されることで、空気吸入部８ａは、予熱された発電用空気を確実に吸入することができる。

さらに、外装ケース５の下部に空気取入用開口２３が設けられ、貯湯タンク３は、空気取入用開口２３と空気吸入部８ａとの間に配置されているので、貯湯タンク３の放熱によって空気取入用開口２３から空気吸入部８ａに至るまでに空気が加熱されることで、空気吸入部８ａは、予熱された発電用空気を確実に吸入することができる。

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］前記実施例において、空気供給装置８の空気吸入部８ａのみを貯湯タンク３の上部外面近傍に配置しているが、空気供給装置８を構成する器具の大部分を、断熱材２１内の貯湯タンク３の上部近傍に配置しても良い。この構造によれば、貯湯タンク３の上部空間を利用して、空気供給装置８をコンパクトに配置することで、燃料電池発電装置１を小型化することができる。また、貯湯タンク３の放熱によって空気供給装置８を構成する器具の大部分が加熱されることで、空気吸入部８ａから取り込まれた予熱された発電用空気の温度低下を防止することができる。

螺旋状の隙間
［２］前記実施例において、貯湯タンク３と断熱材２１との間には円筒状の隙間２４が形成されているが、特にこの形状に限定する必要はなく、円筒状の隙間２４に代えて、螺旋状の隙間を形成しても良い。即ち、断熱材２１の内側に螺旋溝を形成することで、貯湯タンク３の周囲に給気通路を構成する。この構造の場合、螺旋状の隙間による給気通路は、円筒状の隙間２４による給気通路よりも長くなるので、発電用空気をより効率良く加熱することができる。尚、上記の隙間２４の形状は適宜変更可能である。

［３］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。

１ 燃料電池発電装置
２ 燃料電池発電モジュール
３ 貯湯タンク
５ 外装ケース
６ 燃料電池発電部
６ｄ オフガス燃焼室
７ 燃料ガス供給装置
８ 空気供給装置
８ａ 空気吸入部
２１ 断熱材
２３ 空気取入用開口

Claims (4)

1. 燃料電池発電部と、貯湯タンクと、前記燃料電池発電部へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給手段と、前記燃料電池発電部へ発電用空気を供給する空気供給手段と、これらを収納する外装ケースとを備えた燃料電池発電装置であって、前記燃料電池発電部は、未反応のオフガスを燃焼させる為のオフガス燃焼室を有する燃料電池発電装置において、
   前記空気供給手段の空気吸入部は、前記貯湯タンクの上部外面近傍の空気を吸入するように配置されていることを特徴とする燃料電池発電装置。
2. 前記貯湯タンクの周囲に断熱材が設けられ、
   前記空気吸入部は、前記貯湯タンクと前記断熱材との隙間の空気を吸入するように前記断熱材内に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
3. 前記外装ケースの下部に空気取入用開口が設けられ、
   前記貯湯タンクは、前記空気取入用開口と前記空気吸入部との間に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池発電装置。
4. 前記空気供給手段を構成する器具の大部分が、前記外装ケース内のうちの前記貯湯タンクの上部近傍に配置されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の燃料電池発電装置。