JP2016207581A - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、循環回路にラジエータを設置した構造であっても、凍結防止ヒータを利用しなくてもラジエータの凍結を防止可能なもの、循環ポンプへの水張りを確実に実行可能なもの、等を提供することである。【解決手段】燃料電池コージェネレーションシステム１は、貯湯タンク６と、燃料電池発電部２から排熱を回収する排熱回収用熱交換器２ａと、貯湯タンク６と排熱回収用熱交換器２ａとを接続する循環回路４と、湯水を循環させる循環ポンプ１７と、湯水を冷却可能なラジエータ１８とを備え、循環ポンプ１７は、排熱回収用熱交換器２ａの上流側の湯水往き側通路部１５に設置され、ラジエータ１８は、循環ポンプ１７の下流側に設置され、湯水往き側通路部１５の排熱回収用熱交換器２ａとラジエータ１８との間から分岐して湯水往き側通路部１５の循環ポンプ１７の上流側に接続するリターン通路２１が設けられている。【選択図】図１

Description

本発明は燃料電池コージェネレーションシステムに関し、特に貯湯タンクと燃料電池発電部との間に湯水を循環させる循環回路にラジエータ（放熱器）を設置したものに関する。

従来から、内部熱源機や外部熱源機等の排熱を回収して再利用することで総合エネルギー効率を高めたコージェネレーションシステムが実用に供されている。このコージェネレーションシステムにおいては、燃料電池（固体酸化物形燃料電池、固体高分子形燃料電池）やガスエンジン等の種々のタイプのものが実用化されている。

例えば、燃料電池を備えたコージェネレーションシステムは、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る燃料電池発電部と、この燃料電池発電部による発電の際に副次的に発生する排気の排熱を湯水として回収して貯湯する貯湯タンクと、燃料電池発電部と貯湯タンクとの間に湯水を循環させる循環回路等から構成されている。

ところで、貯湯タンクから循環回路を介して燃料電池発電部の排熱回収用熱交換器へ流れる湯水の温度は、貯湯タンクの蓄熱状況により上昇し、やがて、貯湯タンクが満蓄状態（高温の湯水で満タンの状態）となると、排熱回収用熱交換器への湯水の温度が高くなり過ぎて排熱回収が困難になる。燃料電池発電部の発電継続に水蒸気改質用の純水が必要であるが、この純水は排気を冷却することで回収される凝縮水から生成されるため、排熱回収用の湯水が高温となると十分な量の純水を回収できなくなるという問題がある。

そこで、上記の問題を解決する為に、貯湯タンクの満蓄時に、排熱回収用熱交換器に流入する湯水の温度を予め低下させる技術が実用化されている。即ち、特許文献１の図１に記載のコージェネレーションシステムのように、循環回路の循環ポンプの上流側に湯水を冷却する為のラジエータを設置し、貯湯タンクの満蓄時には、このラジエータを作動することによって、排熱回収用熱交換器へ供給される湯水の温度を強制的に低下させて凝縮水を発生させる技術が知られている。

また、特許文献２の燃料電池コージェネレーションシステムにおいては、燃料電池の排熱回収回路に熱媒体を冷却する為のラジエータが設置されていると記載されている。尚、この特許文献２には、貯湯タンクと排熱回収回路の熱交換器とを接続する加熱循環回路に、循環ポンプの下流側から分岐されて循環ポンプの上流側に接続する循環バイパス流路が設けられ、循環ポンプの回転数を安定した流量が得られる最低値に固定しつつ、循環バイパス流路側と熱交換器側との分岐割合を調整することで、低流量の湯水を熱交換器へ供給可能な構造が開示されている。

特開２０１４−２３３１３２号公報 特開２００４−１９９９２０号公報

しかし、試運転時に貯湯タンクや器具内配管に水張りを実行する際に、特許文献１のコージェネレーションシステムのように、循環回路の上流側から下流側に向かって、ラジエータと循環ポンプを順に設置した構造では、ラジエータは湯水の流れに対する抵抗が強いので、ラジエータの下流側に設置されている循環ポンプへの通水ができず、循環ポンプへの水張りが困難であるという問題がある。

また、特許文献１のコージェネレーションシステムにおいて、排熱回収運転を実行中であっても、循環ポンプの駆動によって排熱回収用熱交換器へ送られる湯水の流量は一般的に少ない（例えば１０ｃｃ／ｍｉｎ程度）ので、寒冷地や冬場等では、ラジエータが凍結するという問題がある。このようなラジエータが凍結する問題は、特許文献２における燃料電池側に設置されたラジエータにおいても同様である。

上記のラジエータの凍結防止としては、従来では、ラジエータに凍結防止用ヒータを直接貼り付け、凍結の虞がある際には凍結防止用ヒータによってラジエータを加熱しているが、この凍結防止用ヒータは、凍結防止を行う際にしか使用されない専用の部材であり、また、大きい消費電力を必要とするので、コスト高となる。このため、凍結防止用ヒータを極力使用せずに凍結防止を行うことが望ましい。

本発明の目的は、燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、排熱回収用の循環回路にラジエータを設置した構造であっても、凍結防止ヒータを利用しなくてもラジエータの凍結を防止可能なもの、循環ポンプへの水張りを確実に実行可能なもの、等を提供することである。

請求項１の燃料電池コージェネレーションシステムは、貯湯タンクと、燃料電池発電部の排気から排熱を回収する排熱回収用熱交換器と、前記貯湯タンクと前記排熱回収用熱交換器とを接続する循環回路と、この循環回路に前記貯湯タンクの湯水を循環させる循環ポンプと、前記循環回路を循環する湯水を冷却可能な放熱器とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記循環ポンプは、前記循環回路のうち前記排熱回収用熱交換器の上流側の湯水往き側通路部に設置され、前記放熱器は、前記湯水往き側通路部のうち前記循環ポンプの下流側に設置され、前記湯水往き側通路部の前記排熱回収用熱交換器と前記放熱器との間から分岐して前記湯水往き側通路部の前記循環ポンプの上流側に接続するリターン通路が設けられていることを特徴としている。

請求項２の燃料電池コージェネレーションシステムは、請求項１の発明において、前記リターン通路の湯水の流量を調整する流量調整弁が設けられていることを特徴としている。

請求項３の燃料電池コージェネレーションシステムは、請求項１又は２の発明において、前記湯水往き側通路部の前記リターン通路が分岐する分岐部は、前記排熱回収用熱交換器の流入口の近傍に位置することを特徴としている。

請求項１の発明によれば、循環ポンプは、循環回路のうち排熱回収用熱交換器の上流側の湯水往き側通路部に設置され、放熱器は、湯水往き側通路部のうち循環ポンプの下流側に設置され、湯水往き側通路部の排熱回収用熱交換器と放熱器との間から分岐して湯水往き側通路部の循環ポンプの上流側に接続するリターン通路が設けられているので、排熱回収用熱交換器へ流れる湯水の一部をリターン通路を介して戻す構造とすることで、循環ポンプの回転数を上げた際に、排熱回収用熱交換器への湯水の低流量を維持しつつ、放熱器を流れる湯水の流量を増加させることができる。

従って、リターン通路を利用することで、放熱器を流れる湯水の流量を増加可能であるので、放熱器に凍結防止用ヒータを貼り付けずとも、放熱器の凍結を防止することができ、また、放熱器を循環ポンプの下流側に設置することで、水張り時に放熱器の通水抵抗の影響を受けないので、循環ポンプの空運転状態を防止することができ、循環ポンプの下流側の放熱器を含む循環回路の水張りを確実に行うことができる。

請求項２の発明によれば、リターン通路の湯水の流量を調整する流量調整弁が設けられているので、この流量調整弁を調整することで、リターン通路側と排熱回収用熱交換器側への分岐割合を調整することができ、故に、循環ポンプの回転数を上げても、排熱回収用熱交換器へ低流量の湯水を供給可能である。

請求項３の発明によれば、湯水往き側通路部のリターン通路が分岐する分岐部は、排熱回収用熱交換器の流入口の近傍に位置するので、リターン通路の分岐部から排熱回収用熱交換器迄の通路部を極力短くすることで、低流量の湯水が流れる湯水往き側通路部の分岐部から下流側の凍結を確実に防止することができる。

本発明の実施例に係る燃料電池コージェネレーションシステムの概略構成図である。 部分変更形態に係る燃料電池コージェネレーションシステム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。

本発明の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、発電を行なう燃料電池発電部２と、この燃料電池発電部２にて熱交換した後の湯水を貯湯する貯湯タンク６を有する貯湯給湯部３と、貯湯タンク６と燃料電池発電部２との間に湯水を循環させて燃料電池発電部２の排気から排熱を回収する循環回路４等を備え、これらの各種器具の大部分が外装ケース５に収納されて構成されている。

次に、燃料電池発電部２について説明する。
図１に示すように、燃料電池発電部２は、湯水を加熱する為の貯湯給湯部３の外部熱源機であり、発電モジュール、この発電モジュールに空気、燃料ガス、純水等を供給する為の各種の供給装置、発電後の排気を排出する排気通路、この排気通路に設置された排熱回収用熱交換器２ａ、この排熱回収用熱交換器２ａで生成された凝縮水を回収して純水に浄化する水処理装置、発電モジュールの出力を調整するインバータ等を備え、これらの各種器具がケース部材２ｂに収納されて構成されている。

発電モジュールは、燃料電池セルスタック、蒸発器、燃料改質器、オフガス燃焼室等を備え、蒸発器で燃料ガスに混合する為の水蒸気を生成して燃料改質器に供給し、燃料改質器で改質された改質燃料ガスを燃料電池セルスタックに供給し、燃料電池セルスタックで改質燃料ガスと酸化剤ガスとしての空気を化学反応させることで発電を行うものである。

発電モジュールにて発電された直流電力は、インバータを介して交流電力に変換されて外部に出力される。排気通路の途中部には、燃料電池発電部２の排気から排熱を回収する排熱回収用熱交換器２ａが設置され、発電モジュールから排出される排気は、排気通路を通り、排熱回収用熱交換器２ａにて排熱回収循環回路４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。

次に、貯湯給湯部３について説明する。
図１に示すように、貯湯給湯部３は、貯湯、給湯等の機能を有するものであり、貯湯タンク６、給水系通路７、出湯系通路８、補助熱源機９、後述する循環回路４等を備え、補助熱源機９を除いた大部分は外装ケース５内に収納されて構成されているが、外装ケース５内に補助熱源機９を収納しても良く、特にこの構造を限定する必要はない。

貯湯タンク６は、燃料電池発電部２における排熱を回収して湯水として貯留するものであり、高温の湯水（例えば、６５〜９０℃）を貯留可能な密閉タンクで構成されている。貯湯タンク６は、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。貯湯タンク６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により検出される。

給水系通路７は、上水源から低温の上水を貯湯タンク６に供給するものであり、上流給水通路部７ａ、下流給水通路部７ｂを有し、上流給水通路部７ａの上流端が上水源に接続され、下流給水通路部７ｂの下流端が貯湯タンク６の下部に接続されている。下流給水通路部７ｂに逆止弁７ｃが設置されている。

出湯系通路８は、貯湯タンク６内に貯湯された湯水を給湯栓等の所望の給湯先に供給するものであり、高温の湯水が流れる上流出湯通路部８ａ、低温の上水と高温の湯水が混合調整された混合湯水が流れる下流出湯通路部８ｂを有し、上流出湯通路部８ａの上流端が貯湯タンク６の上部に接続され、下流出湯通路部８ｂの下流端が給湯栓に接続されている。

上流出湯通路部８ａと下流出湯通路部８ｂとの間に混合弁１１が設置され、この混合弁１１に上流給水通路部７ａと下流給水通路部７ｂとの間から分岐した混合通路１２が接続されている。混合通路１２に逆止弁１２ａが設置されている。混合弁１１は、出湯温度が指令温度になるように低温の上水と高温の湯水の混合比を制御するものである。混合通路１２から分岐した分岐通路１３が下流出湯通路部８ｂに接続され、分岐通路１３に高温出湯回避用の電磁弁１４が設置されている。

外装ケース５の外部において、下流出湯通路部８ｂの途中部に補助熱源機９が設置されている。補助熱源機９は、貯湯タンク６内の湯水温度が設定温度以下の場合等の特別な場合に限り、制御ユニットから指令が送信されて燃焼作動され、下流出湯通路部８ｂを流れる湯水を再加熱するものである。

補助熱源機９は、燃焼用空気を供給する為の送風ファン、燃料ガスを燃焼させるバーナーユニット、燃焼ガスの主として顕熱を回収する顕熱回収用熱交換器、顕熱回収後の燃焼排気ガスの主として潜熱を回収する潜熱回収用熱交換器等を備え、燃料ガスを燃焼して湯水の加熱を行う公知のガス給湯器で構成されている。

次に、循環回路４について説明する。
図１に示すように、循環回路４は、排熱回収用熱交換器２ａと貯湯タンク６とを接続して、排熱回収用熱交換器２ａと貯湯タンク６との間に湯水を循環させ、この湯水を利用して燃料電池発電装置２の発電に伴う排熱を回収する閉回路である。

循環回路４は、貯湯タンク６から排熱回収用熱交換器２ａに至る湯水往き側通路部１５と、排熱回収用熱交換器２ａで加熱された湯水を貯湯タンク６に戻す湯水戻り側通路部１６とを有し、湯水往き側通路部１５の上流端が貯湯タンク６の下部に接続され、湯水戻り側通路部１６の下流端が貯湯タンク６の上部に接続されている。湯水往き側通路部１５と湯水戻り側通路部１６との間に排熱回収用熱交換器２ａが接続されている。

循環回路４には、貯湯タンク６の湯水を循環させる循環ポンプ１７と、循環回路４を循環する湯水を急速に冷却可能なラジエータ１８（放熱器に相当する）とが設けられている。循環ポンプ１７は、循環回路４のうち排熱回収用熱交換器２ａの上流側の湯水往き側通路部１５に設置されている。ラジエータ１８は、湯水往き側通路部１５のうち循環ポンプ１７の下流側に設置されている。

湯水往き側通路部１５の排熱回収用熱交換器２ａとラジエータ１８との間から分岐して湯水往き側通路部１５の循環ポンプ１７の上流側に接続するリターン通路２１が設けられている。このため、湯水往き側通路部１５は、リターン通路２１の下流端が合流する合流部２１ｂから上流側の上流通路部１５ａ、リターン通路２１の分岐部２１ａと合流部２１ｂとの間の中間通路部１５ｂ、リターン通路２１の上流端が分岐する分岐部２１ａから下流側の下流通路部１５ｃを有している。リターン通路２１と中間通路部１５ｂとから循環ポンプ１７とラジエータ１８とを含む凍結防止用の循環回路が構成される。

リターン通路２１の途中部には、リターン通路２１の湯水の流量を調整する流量調整機能付き開閉弁２２（流量調整弁に相当する）が設けられている。この開閉弁２２の開度を調整することで、リターン通路２１へ流れる湯水の流量と排熱回収用熱交換器２ａへ流れる湯水の流量との分岐割合を調整することができる。リターン通路２１の配管径は、湯水往き側通路部１５の下流通路部１５ｃの配管径と比較して大きく設定されている。湯水往き側通路部１５のリターン通路２１が分岐する分岐部２１ａは、排熱回収用熱交換器２ａの流入口の近傍に位置するように設けられている。

次に、本発明の燃料電池コージェネレーションシステム１の作用及び効果について説明する。
通常の排熱回収運転においては、循環ポンプ１７の駆動によって、貯湯タンク６の下部から湯水往き側通路部１５を経て排熱回収用熱交換器２ａに湯水が送られ、排熱回収用熱交換器２ａに流入した湯水は、排気との間で熱交換されて加熱され、湯水戻り側通路部１６を通って貯湯タンク６の上部に戻され、このように、この運転を繰り返すことで貯湯タンク６に高温の湯水が貯留される。

ここで、寒冷地や冬場等において外気温度が低く、且つ、ラジエータ１８の入口温度が低い場合、循環回路４の流量が低いと、ラジエータ１８が凍結する虞があるので、循環ポンプ１７の回転数を上げると共に、開閉弁２２を開放状態に切り換える。このとき、開閉弁２２の開度を、循環ポンプ１７の回転数、排熱回収用熱交換器２ａの入口温度、リターン通路２２及び下流通路部１５ｃの配管径や配管長等に応じて予め設定された分岐割合に調整する。

こうすることで、排熱回収用熱交換器２ａへ排熱回収に必要な低流量（例えば１０ｃｃ／ｍｉｎ程度）の湯水を送ると共に、リターン通路２１へ凍結防止に必要な大流量（例えば１Ｌ／ｍｉｎ程度）の湯水を送ることができ、通常の排熱回収を維持することで貯湯タンク６の温度成層を維持しつつ、ラジエータ１８に大流量の湯水を流して凍結防止を行うことができる。

また、循環回路４への水張り時には、開閉弁２２を開放状態に設定し、循環ポンプ１７を駆動する等、各種の弁類やポンプ類を水張りモードに設定すると、水が給水系通路７から貯湯タンク６の下部を通って循環回路４の湯水往き側通路部１５へ流れ込み、循環ポンプ１７に到達する。この循環ポンプ１７によって圧送された水は、ラジエータ１８を通って排熱回収用熱交換器２ａに送られ、その後、湯水戻り側通路部１６を通って貯湯タンク６の上部に流れ込むことで、循環回路４の水張りを行う。

以上説明したように、循環ポンプ１７は、循環回路４のうち排熱回収用熱交換器２ａの上流側の湯水往き側通路部１５に設置され、ラジエータ１８は、湯水往き側通路部１５のうち循環ポンプ１７の下流側に設置され、湯水往き側通路部１５の排熱回収用熱交換器２ａとラジエータ１８との間から分岐して湯水往き側通路部１５の循環ポンプ１７の上流側に接続するリターン通路２１が設けられているので、排熱回収用熱交換器２ａへ流れる湯水の一部をリターン通路２１を介して戻す構造とすることで、循環ポンプ１７の回転数を上げた際に、排熱回収用熱交換器２ａへの湯水の低流量を維持しつつ、ラジエータ１８を流れる湯水の流量を増加させることができる。

従って、リターン通路２１を利用することで、ラジエータ１８を流れる湯水の流量を増加可能であるので、ラジエータ１８に凍結防止用ヒータを貼り付けずとも、ラジエータ１８の凍結を防止することができ、また、ラジエータ１８を循環ポンプ１７の下流側に設置することで、水張り時にラジエータ１８の通水抵抗の影響を受けないので、循環ポンプ１７の空運転状態を防止することができ、循環ポンプ１７の下流側のラジエータ１８を含む循環回路４の水張りを確実に行うことができる。

また、リターン通路２１の湯水の流量を調整する開閉弁２２が設けられているので、この開閉弁２２を調整することで、リターン通路２１側と排熱回収用熱交換器２ａ側への分岐割合を調整することができ、故に、循環ポンプ１７の回転数を上げても、排熱回収用熱交換器２ａへ低流量の湯水を供給可能である。

さらに、湯水往き側通路部１５のリターン通路２１が分岐する分岐部２１ａは、排熱回収用熱交換器２ａの流入口の近傍に位置するので、リターン通路２１の分岐部２１ａから排熱回収用熱交換器２ａ迄の通路部（下流通路部１５ｃ）を極力短くすることで、低流量の湯水が流れる湯水往き側通路部１５の分岐部２１ａから下流側の凍結を確実に防止することができる。

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、前記開閉弁２２に代えて、図２に示すように、湯水往き側通路部１５の分岐部２１ａに、リターン通路２１の湯水の流量を調整する三方弁２３（流量調整弁に相当する）を設けた構造であっても良い。

尚、リターン通路２１の湯水の流量（リターン通路２１への湯水の流量と下流通路部１５ｃへの湯水の流量の分岐割合）を調整可能であれば、上述した開閉弁２２や三方弁２３に限定する必要はなく、例えば、リターン通路２１の合流部２１ｂに三方弁を設置した構造であっても良く、種々の構造を採用可能である。

［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。

１ 燃料電池コージェネレーションシステム
２ 燃料電池発電部
２ａ 排熱回収用熱交換器
４ 循環回路
６ 貯湯タンク
１５ 湯水往き側通路部
１７ 循環ポンプ
１８ ラジエータ（放熱器）
２１ リターン通路
２２ 開閉弁（流量調整弁）

Claims (3)

1. 貯湯タンクと、燃料電池発電部の排気から排熱を回収する排熱回収用熱交換器と、前記貯湯タンクと前記排熱回収用熱交換器とを接続する循環回路と、この循環回路に前記貯湯タンクの湯水を循環させる循環ポンプと、前記循環回路を循環する湯水を冷却可能な放熱器とを備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
   前記循環ポンプは、前記循環回路のうち前記排熱回収用熱交換器の上流側の湯水往き側通路部に設置され、
   前記放熱器は、前記湯水往き側通路部のうち前記循環ポンプの下流側に設置され、
   前記湯水往き側通路部の前記排熱回収用熱交換器と前記放熱器との間から分岐して前記湯水往き側通路部の前記循環ポンプの上流側に接続するリターン通路が設けられていることを特徴とする燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 前記リターン通路の湯水の流量を調整する流量調整弁が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。
3. 前記湯水往き側通路部の前記リターン通路が分岐する分岐部は、前記排熱回収用熱交換器の流入口の近傍に位置することを特徴とする請求項１又は２に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。