JP2018037300A - 燃料電池装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 長期信頼性の向上した燃料電池装置を提供する。【解決手段】 本発明の燃料電池装置は、燃料電池セルが収納容器に収納されてなる燃料電池モジュール３６と、該燃料電池モジュール３６から排出される排気ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器３７と、熱媒体を蓄える蓄熱タンク２と、熱交換器３７と蓄熱タンク２の間で熱媒体が循環する循環流路１３と、蓄熱タンク２に流路管５６を介して接続され、熱媒体の一部を貯留する補助タンク５７と、を備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池装置に関する。

近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを備えるセルスタック装置を収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや、該燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が、種々提案されている。

このような燃料電池装置においては、燃料電池モジュールから排出される排ガスと水とで熱交換を行ない、熱交換器により生じたお湯を貯水する貯湯槽（蓄熱タンク）を備えることが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

また、お湯を供給するために用いられる給湯装置として、加熱手段にて加熱された蓄熱用流体を貯留タンクに貯留し、この貯留タンク内に給湯用配管を配置して、蓄熱用流体と給湯用配管を流れる給湯用水との間で熱交換して、お湯を生成する給湯装置も知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２０１６−１４３６３３号公報 特開２００４−２５１５９３号公報

ところで、上記特許文献１に記載の貯湯槽や、上記特許文献２に記載の貯留タンク等の蓄熱タンクにおいては、その内部に貯留する熱媒体が、温度の上昇に伴って体積膨張する。それに伴って、蓄熱タンクにかかる圧力が大きくなることで、蓄熱タンクが破損するおそれがあり、長期信頼性が低下するおそれがあった。

本発明の目的は、長期信頼性の向上した燃料電池装置を提供することである。

本発明の燃料電池装置は、燃料電池セルが収納容器に収納されてなる燃料電池モジュールと、
該燃料電池モジュールから排出される排気ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、
前記熱媒体を蓄える蓄熱タンクと、
前記熱交換器と前記蓄熱タンクの間で熱媒体が循環する循環流路と、
前記蓄熱タンクに流路管を介して接続され、前記熱媒体の一部を貯留する補助タンクと、を備える。

本発明の燃料電池装置によれば、長期信頼性を向上することができる。

本実施形態の燃料電池装置の構成の一例を示す構成図である。 図１に示す給湯装置の一部を抜粋して示す構成図である。 他の一例の燃料電池装置の一部を抜粋して示す構成図である。 本実施形態の燃料電池装置の構成の他の一例を示す構成図である。

図１は、本実施形態の燃料電池装置の一例を示す構成図であり、図２は図１に示す給湯装置の一部を抜粋して示す構成図であり、図３は他の一例の燃焼電池装置の一部を抜粋して示す構成図であり、図４は本実施形態の燃料電池装置の他の一例を示す構成図である。以下の説明において、同一の構成については同一の符号を用いて説明する。

燃料電池本体３１は、都市ガス等の原燃料を供給する原燃料供給装置３２、燃料電池セルに酸素含有ガスを供給するための酸素含有ガス供給装置３３、セルスタック３４および改質器３５を有する燃料電池モジュール３６（以下、モジュールと略す場合がある。）を備えている。なお、図１に示す燃料電池本体３１では、モジュール３６を二点鎖線により囲って示している。また、図１には示していないが、セルスタック３４と改質器３５との間には、セルスタック３４の発電に使用されなかった余剰の燃料ガスを燃焼させるための着火装置を設けるほか、燃焼後の排ガスやセルスタック３４から排出される発電に使用されなかった排ガスを浄化するための浄化装置を設けることができる。なお、セルスタック３４としては、固体酸化物形の燃料電池セルを組み合わせてなるセルスタック３４とするのが好ましい。

また、図１に示す燃料電池本体３１においては、セルスタック３４を構成する燃料電池セルの発電により生じた排ガス（排熱）と熱媒体との間で熱交換を行なう熱交換器３７を備えている。さらに、熱交換器３７で生成された凝縮水を純水に処理するための水処理装置３８、水処理装置３８にて処理された水（純水）を貯水するための水タンク３９が設けられており、水タンク３９と熱交換器３７との間が凝縮水供給管４０により接続されている。なお、水処理装置３８としてはイオン交換樹脂を備えるイオン交換樹脂装置を用いることが好ましい。

水タンク３９に貯水された水は、水タンク３９と改質器３５とを接続する水供給管４１に備えられた水ポンプ４２により改質器３５に供給される。

さらに図１に示す燃料電池本体３１は、各種機器の動作を制御する制御装置４３が設けられているほか、モジュール３６にて発電された直流電力を交流電力に変換し、変換された電気の外部負荷への供給量を調整するための供給電力調整部（パワーコンディショナ）４４を備えている。

さらに、給湯装置１の循環流路である循環部１３には、熱交換器３７に流入する熱媒体を冷却する放熱器であるラジエータ４５と、ラジエータ４５と熱交換器３７との間に配設され、熱媒体を、蓄熱タンク２、ラジエータ４５および熱交換器３７をこの順に循環させる循環ポンプ４６と、が設けられている。さらに、循環部１３の熱交換器３７の入口側には、熱交換器３７に流入する熱媒体の温度を測定するための入口温度センサ４７が設けられており、熱交換器３７の出口側には、熱交換器３７より流出する熱媒体の温度を測定するための出口温度センサ４８が設けられている。

また、制御装置４３は、モジュール３６の発電に合わせて、原燃料供給装置３２、酸素含有ガス供給装置３３、水ポンプ４２の各装置の動作を制御するほか、入口温度センサ４７、出口温度センサ４８により測定された温度情報に基づいて、ラジエータ４５の動作、循環ポンプ４６の動作を制御する。なお、制御装置４３はマイクロコンピュータを有しており、入出力インターフェイス、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ‐Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）およびＲＯＭ（Ｒｅａｄ‐Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）を備えている。なお、ＣＰＵは、燃料電池装置５０の運転を実施するものであり、ＲＡＭはプログラムの実行に必要な変数を一時的に記憶するものであり、ＲＯＭはプログラムを記憶するものである。なお、制御については後述する。

ここで、図１に示した燃料電池装置５０の運転方法について説明する。セルスタック３４の発電に必要な燃料ガスを生成するにあたり、制御装置４３は原燃料供給装置３２、水ポンプ４２を作動させる。それにより、改質器３５に原燃料（天然ガス、灯油等）と水とが供給され、改質器３５で水蒸気改質を行なうことにより、水素を含む燃料ガスが生成されて燃料電池セルの燃料極層側に供給される。

一方、制御装置４３は酸素含有ガス供給装置３３を動作させることにより、燃料電池セルの酸素極層側に酸素含有ガス（空気）を供給する。

なお、制御装置４３はモジュール３６において着火装置を作動させることにより、セルスタック３４の発電に使用されなかった燃料ガスを燃焼させる。それにより、モジュール内の温度（セルスタック３４や改質器３５の温度）が上昇し、効率よい発電を行なうことができる。

セルスタック３４の発電に伴って生じた排ガスは、浄化装置にて浄化された後、熱交換器３７に供給され、循環部１３を流れる熱媒体とで熱交換される。熱交換器３７での熱交換によりモジュール３６より排出される排ガスに含まれる水が凝縮水となり、凝縮水供給管４０を介して、水処理装置３８に供給される。凝縮水は、水処理装置３８にて純水とされて、水タンク３９に貯水される。水タンク３９に貯水された水は、水ポンプ４２により水供給管４１を介して改質器３５に供給される。このように、凝縮水を有効利用することにより、水自立運転を行なうことができる。

なお、上述の例においては熱交換器３７にて生成される凝縮水のみを改質器３５に供給する構成の燃料電池装置５０を用いて説明したが、改質器３５に供給する水として水道水を利用することもできる。この場合、水道水に含まれる不純物を処理するための水処理装置として、例えば、活性炭フィルター、逆浸透膜装置、イオン交換樹脂装置等を、この順に接続することで、純水を効率よく精製することができる。なお、水道水を用いる場合においても、水処理装置３８にて生成した純水が、水タンク３９に貯水されるよう各装置を接続する。

図２は、図１に示す給湯装置の一部を抜粋して示す構成図である。給湯装置１は、熱交換器３７で加熱された熱媒体が流入する流入口１２と、熱媒体が流出する流出口１１とを有する蓄熱タンク２と、流入口１２に接続された流入管８と、流出口１１に接続された流出管７と、補助タンク５７と、を含み、熱媒体が循環する循環部１３とを備えている。蓄熱タンク２の内部には、熱媒体と給湯用水とが熱交換する給湯用熱交換部４が配設される。給湯用熱交換部４には、給湯用水が流通する給水管５と、熱媒体と熱交換した給湯用水が流通する給湯管６とが接続される。

蓄熱タンク２の外部には給湯用配管９が配設される。給水管５は、給湯用配管９の水道水を流通させる給水側に接続され、給湯管６は、給湯用配管９のお湯を流通させる給湯側に接続される。給水側と給湯側との間には混合弁１０が配設される。混合弁１０によって、給湯側に給水側の水道水を混合して、給湯温度を調節することができる。また、給湯管６の給湯側には、給湯用熱交換部４での熱交換量が不足する場合に、給湯管６からの出湯の温度を上昇させるべく、バックアップ用のボイラーを配設することもできる。なお、給湯装置１の動作は不図示の制御装置によって制御される。

流出管７は、上流端が蓄熱タンク２の下部に配設された流出口１１に接続され、流入管８は、下流端が蓄熱タンク２の上部に配設された流入口１２に接続される。

給湯用配管９の不図示の給湯用蛇口が開かれると、給湯用配管９の水道水が給水管５から給湯用熱交換部４の下部に流入する。給湯用熱交換部４に流入した水道水は、蓄熱タンク２に貯留された熱媒体と熱交換しながら給湯用熱交換部４を上方に移動し、給湯用熱交換部４の上部から給湯管６に流入する。

蓄熱タンク２には、流路管５６を介して、補助タンク５７が接続される。蓄熱タンク２には、熱交換器３７で加熱されて体積膨張した熱媒体が貯留される。ここで、熱交換器３７で加熱された熱媒体を貯留することで、熱媒体が体積膨張し、蓄熱タンク２にかかる圧力が大きくなり、蓄熱タンク２が破損するおそれがあり、ひいては長期信頼性が低下するおそれがある。

これに対し、本実施形態の蓄熱タンク２は、流路管５６を介して、補助タンク５７が接続されていることから、蓄熱タンク２に貯留された熱媒体の一部を、補助タンク５７に貯留することができる。それにより、蓄熱タンク２にかかる圧力が大きくなることを抑制でき、蓄熱タンク２の破損を抑制することができる。あわせて、蓄熱タンク２に貯留された熱媒体の一部を、燃料電池装置５０の外部に排出することなく、補助タンク５７に貯留することで、熱媒体を排出することなく、効率よく用いることができる。

ところで、上述したような給湯装置１においては、蓄熱タンク２に給湯用配管９が直接接続されていない。それゆえ、例えば、蓄熱タンク２に、給水管５として直接水道管が接続されている場合には、蓄熱タンク２は水道水圧に耐えることができる耐圧性が必要となるが、本実施形態の蓄熱タンク２には必ずしも耐圧性は要求されないこととなる。それゆえ、蓄熱タンク２は金属製とする以外にも、樹脂等で設けることもできる。例えば樹脂により蓄熱タンク２を設けた場合には、より安価な給湯装置１とすることができ、さらに複雑な形状であっても容易に成形することができる。

さらに、蓄熱タンク２に貯留された熱媒体が直接給湯されるわけではないことから、蓄熱タンク２内に貯留する熱媒体の設計の自由度も確保できる。それゆえ、熱媒体として、水のほか、不凍液等を用いることもできる。

熱媒体として不凍液を用いる場合、不凍液の体積膨張率が水の体積膨張率よりも大きい場合がある。本実施形態の燃料電池装置は、補助タンク５７を備えていることから、熱媒体として不凍液を用いた場合に、さらに有用な燃料電池装置とすることができる。

ここで、補助タンク５７は、蓄熱タンク２の上方に配設され、蓄熱タンク２下部の接続部５９に接続された流路管５６を介して、大気開放された補助タンク５７の下部に接続されてもよい。

補助タンク５７が、蓄熱タンク２の上方に配置され、蓄熱タンク２の下部と接続されるので、補助タンク５７と蓄熱タンク２とを接続する流路管５６を長くすることができ、体積膨張した熱媒体を、流路管５６において貯留することもできる。これにより、補助タンク５７の容量を小さくすることができる。また補助タンク５７を大気開放されたものとすることで、熱媒体に含まれる空気等の気体を、流路管５６を通じて補助タンク５７に移動させ、補助タンク５７から外気へと排出することができる。

ところで、上述したような燃料電池本体３１と、給湯装置１とを組み合わせてなる燃料電池装置５０においては、蓄熱タンク２を小型化できることから、図示はしないが、１つの外装ケース内に燃料電池本体３１と給湯装置１とを収納することが可能となる。それにより、非常に小型で、容易に持ち運びが可能な燃料電池装置５０とすることができる。さらに、蓄熱タンク２を樹脂で設ける場合には、燃料電池本体３１のスペースを有効活用して、よりコンパクトな燃料電池装置５０とすることができる。

ここで、図１における本実施形態の給湯装置１の制御について説明する。熱交換器３７にて効率のよい熱交換を行うにあたり、制御装置４３は各種情報に基づいて各装置の動作を制御する。具体的には、まず、入口温度センサ４７より伝送された温度情報があらかじめ定められた設定温度範囲であるか否かを確認する。設定温度範囲であればその時点での制御を維持する。一方で、設定温度範囲を超える場合には、熱交換器３７に供給される熱媒体の温度が高く、効率のよい熱交換を行うことが難しくなることから、放熱器であるラジエータ４５の動作を開始する制御をおこなう。それにより、熱交換器３７に導入される熱媒体の温度を低下させることができ、効率のよい熱交換を行うことができる。

なお、制御装置４３は、ラジエータ４５の動作を開始した後、入口温度センサ４７にて測定された温度が、設定温度範囲を所定時間継続するようになったのち、ラジエータ４５の動作を停止することができる。特に、本実施形態の蓄熱タンク２は、給湯用熱交換部４が蓄熱タンク２の上部側に配設されており、内部に温度成層が形成されるので、蓄熱タンク２底部の熱媒体の温度は低く保たれることになる。そのため、ラジエータ４５の駆動時間を短くすることができる。

また、制御装置４３は循環ポンプ４６の動作を制御するにあたり、出口温度センサ４８にて測定される熱媒体の温度が、あらかじめ定められた設定温度範囲となるように循環ポンプ４６の動作を制御する。例えば、予め定められた設定温度が高温の場合には、熱交換器３７を流れる熱媒体の量が少量となるように、循環ポンプ４６の動作を制御する。一方予め定められた設定温度が低温の場合には、熱交換器３７を流れる熱媒体の量が高温時よりも多量となるように、循環ポンプ４６の動作を制御する。なお、この循環ポンプ４６の動作の制御は、モジュール３６より排出される排気ガスの量（熱量）とも関連性を持たせることが好ましい。

図３は、他の一例の燃料電池装置の一部を抜粋して示す構成図である。図３に示すように、補助タンク５７の下部に接続される流路管５６の一端は、循環部１３に接続することもできる。循環部１３において、流路管５６の一端は、例えば、放熱器であるラジエータ４５と循環ポンプ４６とをつなぐ循環流路の上部側に接続される。このような構成とすると、熱媒体に含まれる空気等は、循環ポンプ４６の上流側で、補助タンク５７が接続された流路管５６に流通するので、熱媒体に含まれる空気等が循環ポンプ４６に流れることを抑制することができ、循環ポンプ４６の送液不良、いわゆるエア噛みを抑制することができる。

さらに、流路管５６の一端は、循環流路の上部側に接続することができる。熱媒体に含まれる空気等はその比重が熱媒体よりも軽いため、循環流路の上部側を流れることとなる。ここで、流路管５６の一端を、循環流路の上部側に接続することで、熱媒体に含まれる空気等をより補助タンク５７側に流れやすくすることができる。それにより、循環ポンプ４６の送液不良、いわゆるエア噛みを、より抑制することができる。

図４は本実施形態の燃料電池装置の他の一例を示す構成図である。図４に示す燃料電池装置５０’は、図１に示す燃料電池装置５０と比べて、蓄熱タンク２’が異なっている点で相違している。

図４に示す燃料電池装置５０’における蓄熱タンク２’は、水道水が供給される入水管５２と、蓄熱タンク２’に貯留されたお湯を出湯する出湯管５３が接続されている。すなわち、本実施形態においては、蓄熱タンク２’に貯水される熱媒体は水となる。それゆえ、蓄熱タンク２’は水道圧に対する耐圧性が要求される。

このような蓄熱タンク２’であっても、蓄熱タンク２’が満蓄となっている場合には、水の体積膨張により、蓄熱タンク２’に対して圧力がかかることとなる。これに対して、本実施形態の蓄熱タンク２’は流路管５６を介して、補助タンク５７が接続されていることから、蓄熱タンク２’に貯留された熱媒体の一部を、補助タンク５７に貯留することができる。それにより、蓄熱タンク２’にかかる圧力が大きくなることを抑制でき、蓄熱タンク２’の破損を抑制することができる。あわせて、蓄熱タンク２’に貯留された水の一部を、燃料電池装置５０’の外部に排出することなく、補助タンク５７に貯留することで、水を排出することなく、効率よく用いることができる。

なお、図４に示す燃料電池装置５０’においては、熱交換器３７にて熱交換された熱媒体（お湯）を蓄熱タンク２’を介して給湯することから、熱交換器３７が、図１に示す給湯用熱交換部４の機能も有していると言える。

以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。

例えば、上述の説明において、固体酸化物形の燃料電池セルにて構成されるセルスタック３４を用いて説明したが、その種類については、一般的に呼称される中空平板型、円筒型、平板型、横縞型等、種々のタイプを用いることができる。

さらに、燃料電池として固体酸化物形の燃料電池を用いて説明したが、例えば、固体高分子型等の各種の燃料電池も用いることができる。固体高分子型の場合においては、改質器での排気ガスを用いて熱交換すればよい。

２、２’ 蓄熱タンク
１３ 循環部
３６ 燃料電池モジュール
３７ 熱交換器
４５ ラジエータ
４６ 循環ポンプ
５０、５０’ 燃料電池装置
５６ 流路管
５７ 補助タンク

Claims (5)

1. 燃料電池セルが収納容器に収納されてなる燃料電池モジュールと、
   該燃料電池モジュールから排出される排気ガスと熱媒体との間で熱交換する熱交換器と、
   前記熱媒体を蓄える蓄熱タンクと、
   前記熱交換器と前記蓄熱タンクの間で熱媒体が循環する循環流路と、
   前記蓄熱タンクに流路管を介して接続され、前記熱媒体の一部を貯留する補助タンクと、を備えることを特徴とする燃料電池装置。
2. 前記補助タンクは、大気開放されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
3. 前記補助タンクは、前記蓄熱タンクの上方に配設され、
   前記流路管は、前記補助タンクの下部と前記蓄熱タンクの下部とを接続することを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池装置。
4. 前記循環流路は、一端が前記蓄熱タンクの下部と接続されており、
   前記循環流路に、
   前記蓄熱タンクから前記熱交換器に流れる前記熱媒体を冷却する放熱器と、
   前記放熱器と前記熱交換器との間に配設されて、前記熱媒体を、前記蓄熱タンク、前記放熱器および前記熱交換器をこの順に循環させる循環ポンプと、が設けられており、
   前記流路管の一端が、前記放熱器と前記循環ポンプとをつなぐ前記循環流路に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の燃料電池装置。
5. 前記流路管の一端が、前記循環流路の上部側に接続されていることを特徴とする請求項４記載の燃料電池装置。