JP2018014233A - 燃料電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】燃料電池のオフガスを確実に冷却して水自立を図り、好ましくは、オフガスから熱回収して被加熱対象を加熱することができる燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池２のオフガスと冷却水とを熱交換するオフガス熱交換器４と、オフガス熱交換器４に前記冷却水を循環させる循環回路６とを備える。循環回路６には、循環冷却水を冷却するラジエータ１６と、循環冷却水の流量調整弁２１とが設けられている。典型的には、オフガス熱交換器４で加熱された冷却水で被加熱対象を加熱する加熱用熱交換器５をさらに備え、循環回路６は、オフガス熱交換器４と加熱用熱交換器５との間で冷却水を循環させる。ラジエータ１６は、オフガス熱交換器４への冷却水送り路６ａに設けられている。オフガス熱交換器４への供給水温に基づきラジエータ１６の通風量を制御し、加熱用熱交換器５への供給水温に基づき流量調整弁２１の開度を調整するのがよい。【選択図】図１

Description

本発明は、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の図５に示されるように、排ガス冷却器（１０）において、燃料電池のオフガス（排ガス）を冷却し、オフガス中の水分を凝縮させてその凝縮水を燃料電池へ戻すことで、外部からの補給水なしで運転できる水自立可能な燃料電池システムが知られている。このシステムでは、オフガスの冷却のために、排ガス冷却器（１０）において、下部の貯留水が、循環ポンプ（１２）により、上部から散水されて戻される。その際、循環ポンプ（１２）による循環水は、回収水冷却器（１１）において空冷可能とされる。

特許第５５９３９４８号公報（図５）

従来技術では、排ガス冷却器（１０）において、オフガスと循環冷却水（オフガスからの凝縮回収水）とが熱交換され、オフガスが冷却される一方、循環冷却水は加熱される。そして、回収水温度検出器（１３）に基づき、回収水冷却器（１１）のファンが制御される。つまり、従来技術では、回収水冷却器（１１）のファンの制御のみで、循環冷却水の水温を調整している。従って、たとえば、排ガス冷却器（１０）の入口側の循環冷却水の水温は、所望に調整できるが、排ガス冷却器（１０）の出口側の循環冷却水の水温は、所望に調整できず、回収水冷却器（１１）への水温は成り行きになる。

また、従来技術では、循環冷却水の熱は、回収水冷却器（１１）において大気へ放出され、利用されていない。仮に、回収水冷却器（１１）を被加熱対象（たとえば貯湯タンク内の貯留水）との熱交換器に変更して、オフガスからの回収熱を被加熱対象の加熱に用いるとしても、その場合、オフガスの冷却を如何に安定して図るか、あるいは、被加熱対象の加熱を如何に安定して図るかについて、課題がある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、オフガス熱交換器に対する循環冷却水の水温を所望に調整可能で、燃料電池のオフガスを確実に冷却して水自立を図ることができる燃料電池システムを提供することにある。また、好ましくは、オフガスから熱回収して被加熱対象を加熱することができる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、燃料電池のオフガスとその冷却水とを熱交換するオフガス熱交換器と、このオフガス熱交換器に前記冷却水を循環させる循環回路とを備え、前記循環回路には、循環冷却水の冷却手段と、循環冷却水の循環流量調整手段とが設けら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、冷却手段により、循環冷却水の水温を調整することができる。また、循環流量調整手段により、循環流量を調整して循環冷却水の水温を調整することもできる。

請求項２に記載の発明は、前記オフガス熱交換器で加熱された冷却水で被加熱対象を加熱する加熱用熱交換器をさらに備え、前記循環回路は、前記オフガス熱交換器と前記加熱用熱交換器との間で冷却水を循環させ、前記冷却手段は、前記加熱用熱交換器から前記オフガス熱交換器への冷却水送り路に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、オフガス熱交換器において、燃料電池のオフガスとその冷却水とを熱交換することで、オフガスの冷却と冷却水の加熱とを図ることができる。そして、オフガス熱交換器で加熱された冷却水で、加熱用熱交換器において、被加熱対象を加熱することができる。また、オフガス熱交換器と加熱用熱交換器との間で冷却水を循環させ、その循環回路に循環冷却水の冷却手段を設けたので、必要に応じて循環冷却水の冷却を図ることができる。その際、冷却手段は、加熱用熱交換器からオフガス熱交換器への冷却水送り路に設けられるので、オフガス熱交換器への冷却水の水温を下げることができる。それにより、オフガス熱交換器において、オフガスを確実に冷却して、水自立を図ることができる。さらに、循環回路には、循環冷却水の循環流量調整手段も設けられるので、循環流量を調整して循環冷却水の水温を調整することもできる。

請求項３に記載の発明は、前記オフガス熱交換器で加熱された冷却水を貯留する貯湯タンクをさらに備え、前記循環回路は、前記オフガス熱交換器と前記貯湯タンクとの間で冷却水を循環させ、前記冷却手段は、前記貯湯タンクから前記オフガス熱交換器への冷却水送り路に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３に記載の発明によれば、オフガス熱交換器において、燃料電池のオフガスとその冷却水とを熱交換することで、オフガスの冷却と冷却水の加熱とを図ることができる。そして、オフガス熱交換器と貯湯タンクとの間で冷却水を循環させることで、貯湯タンク内の水温を上げることができる。また、オフガス熱交換器と貯湯タンクとの間で冷却水を循環させ、その循環回路に循環冷却水の冷却手段を設けたので、必要に応じて循環冷却水の冷却を図ることができる。その際、冷却手段は、貯湯タンクからオフガス熱交換器への冷却水送り路に設けられるので、オフガス熱交換器への冷却水の水温を下げることができる。それにより、オフガス熱交換器において、オフガスを確実に冷却して、水自立を図ることができる。さらに、循環回路には、循環冷却水の循環流量調整手段も設けられるので、循環流量を調整して循環冷却水の水温を調整することもできる。

請求項４に記載の発明は、前記冷却手段は、空冷式のラジエータであり、前記オフガス熱交換器の入口側の冷却水の水温を第一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、オフガス熱交換器への冷却水の水温を第一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、簡易に実現することができる。

さらに、請求項５に記載の発明は、前記オフガス熱交換器の出口側の冷却水の水温を第二目標温度に維持するように、前記循環流量調整手段による循環流量を制御することを特徴とする請求項１〜４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５に記載の発明によれば、加熱用熱交換器への冷却水の水温を第二目標温度に維持して、被加熱対象の加熱温度を安定させることができる。

本発明の燃料電池システムによれば、オフガス熱交換器に対する循環冷却水の水温を所望に調整可能で、燃料電池のオフガスを確実に冷却して水自立を図ることができる。また、オフガスから熱回収して被加熱対象を加熱することができる。

本発明の一実施例の燃料電池システム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。なお、以下に説明する各種制御は、図示しない制御器を用いて自動でなされる。

図１は、本発明の一実施例の燃料電池システム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、燃料電池２のオフガスを循環冷却水で冷却すると共に、オフガスとの熱交換により加熱された循環冷却水で被加熱対象を加熱するシステムである。被加熱対象は、特に問わないが、本実施例では、貯湯タンク３内の貯留水とされる。

より具体的に説明すると、本実施例の燃料電池システム１は、燃料電池２（より具体的には後述する燃料電池本体７）のオフガスとその冷却水とを熱交換するオフガス熱交換器４と、このオフガス熱交換器４で加熱された冷却水で貯湯タンク３内の貯留水を加熱する加熱用熱交換器５と、オフガス熱交換器４と加熱用熱交換器５との間で冷却水を循環させる循環回路６とを、主要部として備える。

まず、燃料電池２について説明すると、燃料電池２は、燃料電池本体７を備え、この燃料電池本体７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７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２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２における発電時、セルスタックや改質器からはオフガスが排出される。このオフガスは、比較的高温であるため、その冷却と熱回収のために、オフガス熱交換器４、加熱用熱交換器５および循環回路６が設けられる。以下、各構成について説明する。

オフガス熱交換器４は、燃料電池本体７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間接熱交換器である。そのために、オフガス熱交換器４には、燃料電池本体７からオフガス路８を介してオフガスが通されると共に、循環回路６の循環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４において、オフガスは循環冷却水により冷却され、オフガス中の水分の凝縮が図られる。一方、循環回路６の循環冷却水は、オフガス熱交換器４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４からのオフガスの出口側には、セパレータ９が設けられており、オフガス熱交換器４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７への給水として、供給ポンプ１０を介して燃料電池本体７へ再供給可能とされる。

加熱用熱交換器５は、貯湯タンク３内に配置され、貯湯タンク３内の貯留水とオフガス熱交換器４からの循環冷却水とを混ぜることなく熱交換する間接熱交換器（例えば、伝熱コイル）である。これにより、加熱用熱交換器５において、貯湯タンク３内の貯留水が加熱される一方、循環回路６の循環冷却水は冷却される。

貯湯タンク３には、給水路１１と温水路１２とが接続されている。給水路１１は、貯湯タンク３の下部に接続され、温水路１２は、貯湯タンク３の上部に接続されるのが好ましい。本実施例では、貯湯タンク３への給水路１１には給水ポンプ１３が設けられ、貯湯タンク３からの温水路１２には加熱装置１４が設けられる。給水ポンプ１３を作動させることで、貯湯タンク３へ給水することができ、加熱装置１４を作動させることで、貯湯タンク３からの温水を加熱することができる。

加熱装置１４は、その構成を特に問わないが、たとえば、バーナ、電気ヒータまたは蒸気ヒータから構成される。加熱装置１４は、その出口側水温を設定温度に維持するように制御される。従って、貯湯タンク３からの温水を設定温度に維持して、温水使用箇所へ供給することができる。

ところで、本実施例では、貯湯タンク３は、密閉型タンク（つまり大気開放されないタンク）とされる。この場合、貯湯タンク３内は水で満たされ、給水ポンプ１３の作動により、貯湯タンク３から温水路１２へ出湯しつつ、その出湯分の水を給水路１１から貯湯タンク３へ供給することができる。すなわち、温水路１２の先に設けたユースポイントにて外部へ出湯される際、その出湯分と対応した量の水が給水路１１から貯湯タンク３へ供給される。

但し、貯湯タンク３は、場合により開放型タンク（つまり大気開放されたタンク）とされてもよい。その場合、貯湯タンク３への給水は、貯湯タンク３内の水位に基づき給水ポンプ１３を制御すればよいし、貯湯タンク３から温水路１２への出湯は、温水路１２に設けた送水ポンプを制御すればよい。

循環回路６は、オフガス熱交換器４と加熱用熱交換器５との間で、水を循環させる。具体的には、加熱用熱交換器５からオフガス熱交換器４へは、冷却水送り路６ａを介して冷却水が供給され、オフガス熱交換器４から加熱用熱交換器５へは、冷却水戻し路６ｂを介して冷却水が戻される。そして、冷却水送り路６ａ（または冷却水戻し路６ｂ）に設けた循環ポンプ１５を作動させることで、加熱用熱交換器５とオフガス熱交換器４との間で冷却水を循環させることができる。なお、前述したとおり、オフガス熱交換器４は、燃料電池２のオフガスと循環回路６の循環冷却水との熱交換器であり、加熱用熱交換器５は、循環回路６の循環冷却水と貯湯タンク３内の貯留水との熱交換器である。

本実施例では、冷却水送り路６ａには、加熱用熱交換器５からオフガス熱交換器４へ向けて順に、循環冷却水の冷却手段（ラジエータ１６）、循環ポンプ１５、逆止弁１７およびフロースイッチ１８が設けられる。循環ポンプ１５の作動中、フロースイッチ１８の検出信号に基づき、循環回路６内の冷却水の循環の有無を監視することができる。これにより、循環回路６（特に各熱交換器４，５）の詰まりを検知することができる。すなわち、循環ポンプ１５を作動させているのに、フロースイッチ１８により実際の循環が検知されない場合、異常がある旨検知して各種処理（報知やシステム停止など）をすることができる。なお、循環ポンプ１５およびフロースイッチ１８は、本実施例では冷却水送り路６ａに設けられているが、場合により冷却水戻し路６ｂに設けられてもよい。

冷却手段は、加熱用熱交換器５からオフガス熱交換器４へ供給する冷却水を、所望により冷却可能な手段である。冷却手段は、その構成を特に問わないが、典型的には空冷式のラジエータ１６である。所望時にラジエータ１６の冷却ファン１９を作動させることで、オフガス熱交換器４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２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４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４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１６を設けて、オフガス熱交換器４へ供給する循環冷却水の温度を第一目標温度以下に維持するのがよい。具体的には、冷却水送り路６ａには、ラジエータ１６の出口側に第一温度センサ２０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、制御器によりラジエータ１６の通風量を調整する。ここでは、冷却ファン１９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１６の通風量を調整する。このようにして、循環回路６内の循環冷却水の熱余り時（オフガス熱交換器４への水温が所定以上の際）には、ラジエータ１６の冷却ファン１９を作動させて冷却水の水温を下げることで、燃料電池２の水自立を確実に図ることができる。

さらに、循環回路６には、循環冷却水の循環流量調整手段を設けるのが好ましい。本実施例では、循環流量調整手段として、流量調整弁２１が、オフガス熱交換器４から加熱用熱交換器５への冷却水戻し路６ｂに設けられる。循環ポンプ１５の作動中、流量調整弁２１の開度を調整することで、循環回路６内の循環流量を調整することができる。なお、流量調整弁２１は、本実施例では、オフガス熱交換器４から加熱用熱交換器５への冷却水戻し路６ｂに設けられるが、場合により、加熱用熱交換器５からオフガス熱交換器４への冷却水送り路６ａに設けられてもよい。また、循環流量調整手段は、循環ポンプ１５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、循環ポンプ１５をインバータ制御して、循環回路６内の循環流量を調整してもよい。

貯湯タンク３内の貯留水を加熱用熱交換器５で安定して加熱するために、加熱用熱交換器５へ供給する循環冷却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、冷却水戻し路６ｂには第二温度センサ２２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、制御器により流量調整弁２１の開度を調整して、循環回路６の循環流量を調整するのが好ましい。なお、循環流量調整手段を冷却水送り路６ａに設ける場合でも、第二温度センサ２２は冷却水戻し路６ｂに設けられて、加熱用熱交換器５への供給水温を所望に維持するよう制御される。

本発明の燃料電池システム１は、前記実施例の構成（制御を含む）に限らず、適宜変更可能である。特に、燃料電池２のオフガスとその冷却水とを熱交換するオフガス熱交換器４と、このオフガス熱交換器４に前記冷却水を循環させる循環回路６とを備え、循環回路６には、循環冷却水の冷却手段（たとえばラジエータ１６）と、循環冷却水の循環流量調整手段（たとえば流量調整弁２１）とが設けら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。

特に、加熱用熱交換器５による被加熱対象は、前記実施例に限定されない。つまり、前記実施例では、貯湯タンク３内の貯留水を加熱用熱交換器５で加熱して温水取出部へ出湯可能としたが、貯湯タンク３と温水熱利用部との間で水（またはその他の液体）を循環させてもよい。その場合、温水熱利用部は、たとえば暖房用室内機、または吸着式冷凍機（温水を吸着材再生用熱源として利用）とされる。

また、前記実施例において、加熱装置１４の二次側と給水路１１とをバイパス路で接続して、貯湯タンク３から温水を出湯する際、ミキシングバルブを介して所定温度で出湯するようにしてもよい。すなわち、貯湯タンク３への給水路１１からバイパス路を分岐させ、そのバイパス路を加熱装置１４の出口側に合流させるが、その合流部にミキシングバルブを設ける。ミキシングバルブでは、貯湯タンク３から加熱装置１４を介して加熱された温水と、貯湯タンク３および加熱装置１４を介さずにバイパス路を介した常温水とを混合して吐出する。この際、吐出温度を設定温度に維持するように、混合割合が自動制御される。

また、前記実施例では、貯湯タンク３内に加熱用熱交換器５を設置して、循環回路６の循環水と貯湯タンク３内の貯留水とを間接熱交換したが、場合により、加熱用熱交換器５の設置を省略して、貯湯タンク３内の貯留水自体をオフガス熱交換器４との間で循環させてもよい。つまり、貯湯タンク３内の貯留水を、冷却水送り路６ａを介してオフガス熱交換器４に供給して、オフガス熱交換器４においてオフガス廃熱を用いて加熱し、冷却水戻し路６ｂを介して貯湯タンク３へ戻す循環を繰り返してもよい。

さらに、給水路１１による給水（貯湯タンク３内の貯留水）、または、循環回路６の循環冷却水は、前記実施例では水道水（市水）を用いたが、たとえば軟水を用いてもよい。循環冷却水に軟水を用いることにより、熱交換器の構造や流体の流し方に関わらず、伝熱面へのスケール付着を防止することができる。また、循環回路６の冷却水は、文字通りの水の他、場合により、その他の液体（たとえば、エチレングリコール等の不凍液）を用いてもよい。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 貯湯タンク（被加熱対象）
４ オフガス熱交換器
５ 加熱用熱交換器
６ 循環回路（６ａ：冷却水送り路、６ｂ：冷却水戻し路）
７ 燃料電池本体
８ オフガス路
９ セパレータ
１０ 供給ポンプ
１１ 給水路
１２ 温水路
１３ 給水ポンプ
１４ 加熱装置
１５ 循環ポンプ
１６ ラジエータ
１７ 逆止弁
１８ フロースイッチ
１９ 冷却ファン
２０ 第一温度センサ
２１ 流量調整弁
２２ 第二温度センサ
Ａ 空気
Ｇ 原燃料
Ｗ 水

Claims (5)

1. 燃料電池のオフガスとその冷却水とを熱交換するオフガス熱交換器と、
   このオフガス熱交換器に前記冷却水を循環させる循環回路とを備え、
   前記循環回路には、循環冷却水の冷却手段と、循環冷却水の循環流量調整手段とが設けられている
   ことを特徴とする燃料電池システム。
2. 前記オフガス熱交換器で加熱された冷却水で被加熱対象を加熱する加熱用熱交換器をさらに備え、
   前記循環回路は、前記オフガス熱交換器と前記加熱用熱交換器との間で冷却水を循環させ、
   前記冷却手段は、前記加熱用熱交換器から前記オフガス熱交換器への冷却水送り路に設けられている
   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. 前記オフガス熱交換器で加熱された冷却水を貯留する貯湯タンクをさらに備え、
   前記循環回路は、前記オフガス熱交換器と前記貯湯タンクとの間で冷却水を循環させ、
   前記冷却手段は、前記貯湯タンクから前記オフガス熱交換器への冷却水送り路に設けられている
   ことを特徴とする請求項１に記載の燃料電池システム。
4. 前記冷却手段は、空冷式のラジエータであり、
   前記オフガス熱交換器の入口側の冷却水の水温を第一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。
5. 前記オフガス熱交換器の出口側の冷却水の水温を第二目標温度に維持するように、前記循環流量調整手段による循環流量を制御する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の燃料電池システム。

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