JP2018006019A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のオフガス廃熱を用いて加熱された温水を、比較的高温のままボイラへ供給可能で、またボイラの給水需要の変化にも柔軟に対応可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】ボイラ２への給水を貯留する給水タンク３と、この給水タンク３と連通するクッションタンク５と、給水タンク３からクッションタンク５への水が通され、この通水と燃料電池６のオフガスとを熱交換して、通水の加熱を図ると共にオフガスの冷却を図るオフガス熱交換器７とを備える。ボイラ２への給水路８は、クッションタンク５に接続されており、給水タンク３に、給水源からの補給水路１３が接続されている。クッションタンク５は、給水タンク３内に仕切板１５を設けて形成してもよく、その場合、仕切板１５には、クッションタンク５内と給水タンク３内とを連通させる切欠きが設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池のオフガス廃熱を用いて、ボイラへの給水を予熱する燃料電池システムに関するものである。

従来、下記特許文献１に開示されるように、貯湯タンク（１０）内の貯留水を、燃料電池（３１）の廃熱を用いて加熱できるシステムが知られている。このシステムでは、貯湯タンク（１０）内の貯留水は、燃料電池（３１）の廃熱回収用の熱交換器（３３）との間で循環されて加熱される。そして、貯湯タンク（１０）内の貯留水は、給湯混合弁（１７）にて、給水源からの常温水と混合されて、設定温度で出湯される。

特開２００７−１３２５３９号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載の発明では、貯湯タンク（１０）内の貯留水は、燃料電池（３１）の廃熱回収用の熱交換器（３３）との間で循環させて加熱される。そのため、熱交換器（３３）で昇温された温水は、貯湯タンク（１０）に戻されることになり、比較的高温のまま利用可能ではない。

一方、燃料電池の廃熱をボイラの給水予熱に利用する場合において、仮に、ボイラへの給水路に単に前記熱交換器を設置しただけでは、不十分である。すなわち、燃料電池のオフガスの冷却を優先しようとすれば、ボイラの給水需要の変化に柔軟に対応できないおそれがあるし、逆に、ボイラへの給水を優先しようとすれば、燃料電池のオフガスを所望に冷却できないおそれがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、燃料電池のオフガス廃熱を用いて加熱された温水を、比較的高温のままボイラへ供給可能な燃料電池システムを提供することにある。また、ボイラの給水需要の変化に柔軟に対応可能であると共に、燃料電池のオフガスを所望に冷却可能な燃料電池システムを提供することを課題とする。

本発明は、前記課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、ボイラへの給水を貯留する給水タンクと、この給水タンクと連通するクッションタンクと、前記連通する箇所とは別の給水加熱路に設けられ、前記給水タンクから前記クッションタンクへの水が通され、この通水と燃料電池のオフガスとを熱交換して、通水の加熱を図ると共にオフガスの冷却を図るオフガス熱交換器とを備え、前記ボイラへの給水路は、前記クッションタンクに接続されており、前記給水タンクに、給水源からの補給水路が接続されていることを特徴とする燃料電池システムである。

請求項１に記載の発明によれば、給水タンクの他にクッションタンクを備え、クッションタンクは、給水タンクと連通されると共に、給水タンクからオフガス熱交換器を介して給水可能とされる。そして、オフガス熱交換器では、クッションタンクへの給水と燃料電池のオフガスとを熱交換して、クッションタンクへの給水を加熱すると共に、燃料電池のオフガスを冷却する。このようにして、クッションタンクには、オフガス熱交換器で加熱された温水が貯留され、その温水をボイラへ供給可能である。そして、ボイラへの給水分を補う補給水は、クッションタンクではなく給水タンクに供給される。従って、クッションタンク内の貯留水を比較的高温に維持して、ボイラへ供給することができる。また、給水タンクと連通したクッションタンクを備えることで、給水加熱路の通水流量やボイラへの給水流量を変えることもでき、ボイラの給水需要の変化に柔軟に対応可能であると共に、燃料電池のオフガスを所望に冷却可能である。

請求項２に記載の発明は、前記クッションタンクは、前記給水タンク内に仕切板を設けて形成されると共に、その仕切板には、前記クッションタンク内と前記給水タンク内との連通部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

請求項２に記載の発明によれば、給水タンク内に仕切板を設けてクッションタンクを形成することができ、コンパクトな構成とすることができる。

請求項３に記載の発明は、前記クッションタンクは、前記給水タンク外に設けられると共に、前記給水タンク、前記オフガス熱交換器および前記ボイラに接続されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システムである。

請求項３に記載の発明によれば、給水タンク外にクッションタンクを設けて、そのクッションタンクを給水タンク、オフガス熱交換器およびボイラに接続するだけで、容易に構成することができる。

さらに、請求項４に記載の発明は、前記給水タンクから前記オフガス熱交換器への送水路には、空冷式のラジエータが設けられており、前記オフガス熱交換器の入口側水温を目標温度に維持するように、前記ラジエータの通風量を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システムである。

請求項４に記載の発明によれば、オフガス熱交換器の入口側水温を目標温度に維持して、オフガス熱交換器においてオフガスを露点温度以下に確実に冷却して、安定した水自立を図ることができる。しかも、空冷式のラジエータの通風量の制御により、容易に実現することができる。

本発明の燃料電池システムによれば、燃料電池のオフガス廃熱を用いて加熱された温水を、比較的高温のままボイラへ供給可能である。また、ボイラの給水需要の変化に柔軟に対応可能であると共に、燃料電池のオフガスを所望に冷却可能である。

本発明の燃料電池システムの実施例１を示す概略図である。 図１の燃料電池システムのクッションタンクの一例を示す概略斜視図である。 本発明の燃料電池システムの実施例２を示す概略図である。

以下、本発明の具体的実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１は、本発明の燃料電池システム１の実施例１を示す概略図である。
本実施例の燃料電池システム１は、ボイラ２への給水を貯留する給水タンク３と、この給水タンク３と常時連通すると共に給水タンク３から給水加熱路４を介して給水可能なクッションタンク５と、給水加熱路４に設けられて燃料電池６のオフガス廃熱で給水加熱路４の通水を加熱するオフガス熱交換器７とを主要部として備える。

ボイラ２は、蒸気ボイラであり、給水タンク３からクッションタンク５を介して供給される水を加熱して蒸気にする。ボイラ２は、典型的には、蒸気の圧力を所望に維持するように、燃焼量を調整される。また、ボイラ２は、缶体内の水位を所望に維持するように、クッションタンク５からの給水が制御される。具体的には、クッションタンク５からボイラ２への給水路８に給水ポンプ９が設けられ、缶体内の水位に基づき給水ポンプ９が制御される。

なお、図示例の場合、給水路８には、給水ポンプ９よりも下流側に、逆止弁１０が設けられている。また、給水路８には、ボイラ２の缶体内で腐食が発生したり、スケールが付着したりするのを防止するために、ボイラ２への給水に複合清缶剤（腐食抑制成分とスケール防止成分を含む組成物）を注入する薬注装置１１が設けられている。この薬注装置１１は、図示例では、給水路８の内、給水ポンプ９よりも上流側に設けられているが、給水ポンプ９よりも下流側に設けられてもよい。いずれにしても、ボイラ２への給水に複合清缶剤を注入する場合、薬注装置１１は、給水タンク３やクッションタンク５よりも下流側に設けられるのが好ましい。これにより、複合清缶剤が混入された水が給水加熱路４に通されることが防止され、給水加熱路４に設けるラジエータ１２を銅製としても腐食抑制成分として配合されているアルカリ金属水酸化物による銅管等の腐食を防止することができる。

給水タンク３は、クッションタンク５ひいてはボイラ２への給水を貯留する。給水タンク３への給水として、本実施例では軟水が用いられる。すなわち、陽イオン交換樹脂を用いた硬水軟化装置（図示省略）にて水中の硬度成分を除去された軟水は、補給水路１３を介して給水タンク３に供給され貯留される。

給水タンク３が開放型タンク（つまり大気開放されたタンク）の場合、給水タンク３内の水位に基づき、給水タンク３への給水を制御すればよい。たとえば、給水タンク３への補給水路１３に補給水ポンプ１４を設け、給水タンク３内の水位を所望に維持するように、給水タンク３内の水位に基づき補給水ポンプ１４を制御すればよい。

給水タンク３が密閉型タンク（つまり大気開放されないタンク）の場合、給水タンク３内は水で満たされ、クッションタンク５からボイラ２への給水時、それと対応した量の水を給水タンク３ひいてはクッションタンク５へ供給する。たとえば、給水タンク３への補給水路１３に補給水ポンプ１４を設け、その補給水ポンプ１４を常時作動させておけばよい。その場合でも、クッションタンク５からボイラ２への給水がない限り、給水タンク３への実際の給水はなされない。但し、補給水ポンプ１４は、場合により、給水タンク３への給水必要時にのみ作動するよう制御されてもよい。たとえば、補給水ポンプ１４は、二次側（出口側つまり給水タンク３側）の圧力を所定圧力に維持するように、オンオフ制御またはインバータ制御されてもよい。この場合、クッションタンク５からボイラ２への給水がなされると、クッションタンク５と連通する給水タンク３内の水も減り、補給水ポンプ１４の二次側の圧力が下がるので、それを検知して補給水ポンプ１４を作動させる。そして、ボイラ２への給水がなくなると、補給水ポンプ１４の二次側の圧力が高まるので、それを検知して補給水ポンプ１４を停止させる。

図２は、本実施例のクッションタンク５の一例を示す概略斜視図である。
クッションタンク５は、給水タンク３と常時連通すると共に、これとは別に、給水加熱路４を介して給水タンク３から給水可能とされる。クッションタンク５は、本実施例では、給水タンク３内に設けられている。

具体的には、図２に示すように、クッションタンク５は、給水タンク３内に仕切板１５を設けて形成されると共に、その仕切板１５には、クッションタンク５内と給水タンク３内との連通部（切欠き１６）が設けられている。図示例の場合、直方体状の給水タンク３の下部の一側端部に、中空ボックス状のクッションタンク５を設けている。この例では、クッションタンク５の下板５Ａは、給水タンク３の下壁に重ね合わされるか給水タンク３の下壁自体で構成され、クッションタンク５の前後板５Ｂ，５Ｃは、給水タンク３の前後壁に重ね合わされるか給水タンク３の前後壁自体で構成され、クッションタンク５の一側板５Ｄは、給水タンク３の一側壁に重ね合わされるか給水タンク３の一側壁自体で構成され、クッションタンク５の上板５Ｅは、給水タンク３の上下方向中途部に水平に配置され、クッションタンク５の他側板５Ｆは、給水タンク３の左右方向中途部に垂直に配置されている。この場合、上板５Ｅと他側板５Ｆとが、給水タンク３とクッションタンク５との実質的な仕切板１５となり、この仕切板１５に一または複数の切欠き１６を設けて、給水タンク３内とクッションタンク５内との連通を確保している。

但し、給水タンク３内に設けるクッションタンク５の配置、大きさおよび形状などは、適宜に変更可能である。いずれにしても、給水タンク３内に適宜の仕切板１５を設けてクッションタンク５とすると共に、切欠き１６、穴または隙間などにより、給水タンク３内とクッションタンク５内との連通を一部で確保すればよい。

なお、クッションタンク５内に適宜の板材１７を設けて、クッションタンク５内をさらに仕切ってもよい。その場合でも、クッションタンク５内において、前記板材１７で仕切られた領域同士は、互いに連通するよう構成される。

燃料電池６は、燃料電池本体１８を備え、この燃料電池本体１８は、図示しないが改質器やセルスタックなどを備える。燃料電池本体１８には、原燃料（都市ガス）Ｇ、空気Ａ、および水（改質水）Ｗが供給される。そして、周知のとおり、原燃料（メタンガスを主成分とする都市ガス）と水（水蒸気）とを改質器において水蒸気改質反応させることにより水素を生成し、その水素と空気中の酸素とをセルスタックにおいて化学反応させて発電する。発電した電気は、インバータで交流電流に変換され、各種の電気機器へ供給される。なお、燃料電池６の種類は、特に問わない。本実施例では、固体酸化物形（ＳＯＦＣ）が用いられるが、たとえば固体高分子形（ＰＥＦＣ）などを用いてもよい。

燃料電池６のオフガス廃熱を用いて、給水タンク３からクッションタンク５への給水加熱路４の水を加熱する。つまり、燃料電池６における発電時、セルスタックや改質器からはオフガス（排ガス）が排出されるが、そのオフガス廃熱を用いて、給水加熱路４の通水を加熱する。そのために、給水加熱路４には、オフガス熱交換器７が設けられている。

オフガス熱交換器７は、燃料電池本体１８からのオフガスとその冷却水とを混ぜることなく熱交換する。そのために、オフガス熱交換器７には、燃料電池本体１８からオフガス路１９を介してオフガスが通されると共に、給水タンク３からクッションタンク５への給水がオフガスの冷却水として通される。これにより、オフガス熱交換器７において、オフガスは給水加熱路４の通水により冷却され、オフガス中の水分の凝縮が図られる。一方、給水加熱路４の通水は、オフガス熱交換器７において、オフガスと熱交換することで加熱される。

オフガス熱交換器７からのオフガスの出口側には、セパレータ２０が設けられており、オフガス熱交換器７に通されたオフガスの気液分離が図られる。そして、気体は、外部へ排出され、凝縮水は、燃料電池本体１８への給水として、供給ポンプ２１を介して燃料電池本体１８へ再供給可能とされる。

本実施例では、給水タンク３からクッションタンク５への給水加熱路４には、給水タンク３からクッションタンク５へ向けて順に、ラジエータ１２、送水ポンプ２２、オフガス熱交換器７および流量調整弁２３が設けられる。なお、送水ポンプ２２は、給水加熱路４のいずれの位置に設置されてもよく、たとえば、ラジエータ１２よりも上流側に設置されたり、オフガス熱交換器７よりも下流側に設置されたりしてもよい。

ラジエータ１２は、冷却ファン２４を備え、所望時に冷却ファン２４を作動させることで、オフガス熱交換器７へ供給する冷却水を空冷することができる。これは、燃料電池６において、いわゆる水自立を実現するためである。

つまり、オフガス熱交換器７においてオフガスを露点温度以下に冷却して、オフガス中の水分を凝縮させ、その凝縮水を前記改質器へ再供給（つまり水自立）するには、オフガス熱交換器７への供給水温が高まり過ぎるのを防止する必要がある。そこで、本実施例では、ラジエータ１２を設けて、オフガス熱交換器７へ供給する水温を第一目標温度以下に維持するのがよい。具体的には、給水加熱路４には、ラジエータ１２の出口側に第一温度センサ２５が設けられ、その検出温度を第一目標温度（たとえば４０℃）に維持するように、ラジエータ１２の通風量を調整する。ここでは、冷却ファン２４のモータの駆動周波数ひいては回転数をインバータで制御することで、ラジエータ１２の通風量を調整する。このようにして、オフガス熱交換器７への水温が所定以上の際には、ラジエータ１２の冷却ファン２４を作動させて水温を下げることで、燃料電池６の水自立を確実に図ることができる。

さらに、給水加熱路４には、通水流量調整手段が設けられる。本実施例では、通水流量調整手段として、流量調整弁２３が、オフガス熱交換器７より下流側に設けられている。送水ポンプ２２の作動中、流量調整弁２３の開度を調整することで、給水加熱路４の通水流量を調整することができる。なお、流量調整弁２３は、本実施例では、給水加熱路４の内、オフガス熱交換器７よりも下流側に設けられているが、場合により、オフガス熱交換器７よりも上流側に設けられてもよい。また、通水流量調整手段は、送水ポンプ２２の駆動周波数ひいては回転数を変更するためのインバータから構成されてもよい。つまり、送水ポンプ２２をインバータ制御して、給水加熱路４の通水流量を調整してもよい。

クッションタンク５内の水温（ひいてはボイラ２への給水温）を安定させるために、給水加熱路４を介してクッションタンク５へ供給する水の温度を第二目標温度に維持するのがよい。具体的には、給水加熱路４には、オフガス熱交換器７よりも下流に第二温度センサ２６が設けられ、その検出温度を第二目標温度（たとえ６０〜７５℃）に維持するように、流量調整弁２３の開度を調整して、給水加熱路４の通水流量を調整するのが好ましい。

ところで、前述したように、本実施例では、給水タンク３内にクッションタンク５が設けられる。この場合、クッションタンク５外の給水タンク３には、補給水路１３が接続されると共に、給水加熱路４の基端部が接続される。一方、給水タンク３内のクッションタンク５には、給水加熱路４の先端部が接続されると共に、ボイラ２への給水路８が接続される。従って、給水タンク３にはクッションタンク５よりも低温の水を貯留でき、クッションタンク５には給水タンク３よりも高温の水を貯留できる。そして、給水タンク３内の比較的低温の水をオフガス熱交換器７に供給できる一方、クッションタンク５内の比較的高温の水をボイラ２へ供給できる。

なお、給水加熱路４と給水路８とは、クッションタンク５に対する各接続箇所が、図１に示すように互いに異なってもよいし、図２に示すように同じであってもよい。図２の場合、給水加熱路４と給水路８の各端部が共通管路とされて、クッションタンク５に接続されている。

次に、本実施例の燃料電池システム１の運転について説明する。以下に説明する一連の制御は、図示しない制御器を用いて自動でなされる。

ボイラ２および燃料電池６の運転に伴い、燃料電池システム１を稼働させる。ボイラ２では、缶体内の水位を所望に維持するように、給水ポンプ９による給水が制御される。燃料電池６では、送水ポンプ２２を作動させて、給水加熱路４を介してオフガス熱交換器７に通水する。オフガス熱交換器７では、給水加熱路４の通水と燃料電池６のオフガスとを熱交換して、クッションタンク５への給水を加熱すると共にオフガスの冷却が図られる。

この際、燃料電池６において水自立を実現するために、第一温度センサ２５の検出温度を第一目標温度に維持するように、ラジエータ１２の冷却ファン２４のモータがインバータ制御される。また、クッションタンク５への給水温度を所望に維持するために、第二温度センサ２６の検出温度を第二目標温度に維持するように、流量調整弁２３の開度が制御される。

このような運転に伴い、クッションタンク５内の貯留水は、給水タンク３内の貯留水よりも高温に維持される。従って、その比較的高温の水を、ボイラ２へ供給することができ、その分だけボイラ２での燃費を抑えることができる。一方、給水タンク３には、比較的低温の水が貯留でき、その水をオフガス熱交換器７に通して、オフガスの冷却に用いることで、燃料電池６の水自立を実現しやすい。

ところで、送水ポンプ２２の作動中、クッションタンク５には、オフガス熱交換器７を通過後の比較的高温の水が供給される。給水加熱路４によるクッションタンク５への流入量が、給水路８を介したボイラ２への流出量よりも多い場合、余剰の温水は仕切板１５の切欠き１６から給水タンク３へ戻される。逆に、もし、給水加熱路４によるクッションタンク５への流入量が、給水路８を介したボイラ２への流出量よりも少ない場合、仕切板１５の切欠き１６からもクッションタンク５へ給水され、ボイラ２への給水に供される。このようにして、ボイラ２の給水需要の変化にも柔軟に対応することができる。

図２は、本発明の燃料電池システム１の実施例２を示す概略図である。
本実施例２の燃料電池システム１は、基本的には前記実施例１と同様である。そこで、以下においては、両者の異なる点を中心に説明し、対応する箇所には同一の符号を付して説明する。

前記実施例１では、給水タンク３内にクッションタンク５を設けたが、本実施例２では、給水タンク３外にクッションタンク５が設けられる。そして、そのクッションタンク５に、給水タンク３、オフガス熱交換器７およびボイラ２が接続される。具体的には、以下のとおりである。

すなわち、まず、給水タンク３とは別に、給水タンク３外に、クッションタンク５が設けられる。このクッションタンク５の容量は、給水タンク３の容量よりも小さい。また、給水タンク３とクッションタンク５とは、連通路２７で接続されている。この連通路２７には、弁は設けられず、それ故、給水タンク３とクッションタンク５とは、連通路２７を介して常時連通する。そして、そのクッションタンク５には、前記実施例１と同様に、ボイラ２への給水路８が接続される。また、給水タンク３からの給水加熱路４も、クッションタンク５に接続される。給水加熱路４には、前記実施例１と同様に、ラジエータ１２やオフガス熱交換器７などが設けられている。

本実施例２では、給水タンク３外にクッションタンク５を設けて、そのクッションタンク５を給水タンク３、オフガス熱交換器７およびボイラ２に接続するだけで、容易に燃料電池システム１を構成することができる。その他の構成および制御は、前記実施例１と同様のため、説明を省略する。

本発明の燃料電池システム１は、前記各実施例の構成（制御を含む）に限らず、適宜変更可能である。特に、ボイラ２への給水を貯留する給水タンク３と、この給水タンク３と連通するクッションタンク５と、前記連通する箇所とは別の給水加熱路４に設けられ、給水タンク３からクッションタンク５への水が通され、この通水と燃料電池６のオフガスとを熱交換して、通水の加熱を図ると共にオフガスの冷却を図るオフガス熱交換器７とを備え、ボイラ２への給水路８は、クッションタンク５に接続されており、給水タンク３に、給水源からの補給水路１３が接続されているのであれば、その他の構成は適宜に変更可能である。

１ 燃料電池システム
２ ボイラ
３ 給水タンク
４ 給水加熱路
５ クッションタンク
６ 燃料電池
７ オフガス熱交換器
８ 給水路
９ 給水ポンプ
１０ 逆止弁
１１ 薬注装置
１２ ラジエータ
１３ 補給水路
１４ 補給水ポンプ
１５ 仕切板
１６ 切欠き
１７ 板材
１８ 燃料電池本体
１９ オフガス路
２０ セパレータ
２１ 供給ポンプ
２２ 送水ポンプ
２３ 流量調整弁
２４ 冷却ファン
２５ 第一温度センサ
２６ 第二温度センサ
２７ 連通路

Claims (4)

1. ボイラへの給水を貯留する給水タンクと、
   この給水タンクと連通するクッションタンクと、
   前記連通する箇所とは別の給水加熱路に設けられ、前記給水タンクから前記クッションタンクへの水が通され、この通水と燃料電池のオフガスとを熱交換して、通水の加熱を図ると共にオフガスの冷却を図るオフガス熱交換器とを備え、
   前記ボイラへの給水路は、前記クッションタンクに接続されており、
   前記給水タンクに、給水源からの補給水路が接続されている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記クッションタンクは、前記給水タンク内に仕切板を設けて形成されると共に、その仕切板には、前記クッションタンク内と前記給水タンク内との連通部が設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
3. 前記クッションタンクは、前記給水タンク外に設けられると共に、前記給水タンク、前記オフガス熱交換器および前記ボイラに接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記給水タンクから前記オフガス熱交換器への送水路には、空冷式のラジエータが設けられており、
   前記オフガス熱交換器の入口側水温を目標温度に維持するように、前記ラジエータの通風量を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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