JP2023161129A - 発電システム - Google Patents

Abstract

【課題】構造の複雑化及びコストの増加を避けつつ、発電出力及び発電効率を向上させることができる発電システムを提供する。【解決手段】発電システム１は、ＦＣスタック２と、ＦＣスタック２から排出された排水が流通する排水流路３と、排水流路３に設けられ、排水の少なくとも一部を気化させることにより水蒸気を発生させる気化部５と、排水流路３において気化部５の下流側に設けられたタービン６１を有し、水蒸気によってタービン６１を回転させて発電する発電部６と、排水流路３においてタービン６１の下流側に設けられ、タービン６１を通過した排水を外部に排出する排出部９と、を備える。【選択図】図１

Description

本開示は、発電システムに関する。

従来、水素を含む改質ガスを生成し、生成した改質ガスと空気とを反応させることによって発電を行う燃料電池モジュールが公知である（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１８－１２５０９９号公報

上述したような手法で発電を行う場合には、水素と空気とが反応する際に、反応生成物として水が発生する。当該水は、例えば、排水として燃料電池から排出されるが、このとき、排水が有する熱を有効に活用する手法が望まれている。その一方で、当該熱を活用することによる構造の複雑化及びコストの増加は望ましくない。

本開示は、構造の複雑化及びコストの増加を避けつつ、発電出力及び発電効率を向上させることができる発電システムを提供することを目的とする。

本開示の発電システムは、燃料電池スタックと、燃料電池スタックから排出された排水が流通する排水流路と、排水流路に設けられ、排水の少なくとも一部を気化させることにより水蒸気を発生させる気化部と、排水流路において気化部の下流側に設けられたタービンを有し、水蒸気によってタービンを回転させて発電する発電部と、排水流路においてタービンの下流側に設けられ、タービンを通過した排水を外部に排出する排出部と、を備える。

この発電システムでは、燃料電池スタックから排出される排水の少なくとも一部が気化されることにより発生した水蒸気によって、発電部においてタービンが回転させられて発電が行われ、タービンを通過した排水が外部に排出される。これにより、燃料電池スタックによる発電に加えて、燃料電池スタックから排出された排水が有する熱を利用して発電部によっても発電が行われるので、コストの増加を抑制しつつ、発電出力及び発電効率を向上させることができる。また、排水は発電システム内で循環することなく排出部において外部に排出されるので、排水を冷却するための大型のラジエータを設置したり、排水を再利用するための熱サイクルを構成したりする必要が無く、構造の複雑化が抑制される。よって、本開示の発電システムによれば、構造の複雑化及びコストの増加を避けつつ、発電出力及び発電効率を向上させることができる。

本開示の発電システムは、排水流路においてタービンの下流側且つ排出部の上流側に設けられ、タービンを通過した排水のイオンを吸着するイオン交換部を更に備えてもよい。これにより、排水に含まれるイオン等の不純物を取り除くことができるので、燃料電池スタックと、発電システムにおける他の電子部品との間において絶縁性能の低下を抑制することができる。

本開示の発電システムでは、気化部は、排水を加熱するためのヒータを含み、燃料電池スタックからの伝熱及びヒータによる加熱により、排水の少なくとも一部を気化させてもよい。この場合、燃料電池スタックからの伝熱を排水の気化に利用することにより、発電効率をより向上させることができる。

本開示によれば、構造の複雑化及びコストの増加を避けつつ、発電出力及び発電効率を向上させることができる発電システムを提供することができる。

本実施形態に係る発電システムを示す模式的な図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する部分を省略する。

図１は、本実施形態に係る発電システム１を示す模式的な図である。図１に示されるように、発電システム１は、ＦＣ（Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ）スタック（燃料電池スタック）２と、排水流路３と、ポンプ４と、気化部５と、発電部６と、凝縮器７と、イオン交換器（イオン交換部）８と、排出部９と、を備えている。本実施形態では、発電システム１は、車両（図示せず）に搭載されている。当該車両は、燃料電池車である。

ＦＣスタック２は、電池セルが複数積層されて構成されている。水素と空気中の酸素とを反応させて発電するＦＣスタック２で発電された電力は、例えば、車両が有するバッテリを充電するための電力として利用される。ＦＣスタック２には、車両が有する供給流路（図示せず）から、水素及び空気のそれぞれが供給される。ＦＣスタック２は、供給された水素と空気とを反応させることによって、発電を行う。ＦＣスタック２による発電については、公知の技術を用いて実行可能なので、詳細な説明を省略する。ここで、水素と空気とが反応する際には、反応生成物として水が発生する。発生した水は、排水ＷとしてＦＣスタック２から排水流路３に排出される。

ＦＣスタック２には、ＦＣスタック２から排出された排水Ｗが流通する排水流路３が接続されている。ここでいう排水とは、液体の水に加えて気体の水（水蒸気）を含む場合がある。排水流路３には、排水Ｗの流路の上流側から、ポンプ４、気化部５、発電部６、凝縮器７、イオン交換器８、及び排出部９が設けられている。すなわち、発電システム１では、排水流路３を介して、ＦＣスタック２から排出された排水Ｗが、ポンプ４、気化部５、発電部６、凝縮器７、イオン交換器８、及び排出部９をこの順に通るように構成されている。ポンプ４は、ＦＣスタック２から排出された排水Ｗを気化部５に向けて圧送する。

気化部５は、ポンプ４の下流側に設けられており、排水流路３を介してポンプ４と接続されている。気化部５は、ポンプから供給された排水Ｗの少なくとも一部を気化させることにより水蒸気を発生させる。気化部５は、伝熱部５１と、ヒータ５２と、を有している。

伝熱部５１は、ＦＣスタック２との間の熱交換によって、ＦＣスタック２からの伝熱Ｈにより排水Ｗを加熱する部分である。伝熱部５１は、気化部５においてヒータ５２の上流側に設けられている。ヒータ５２は、排水Ｗを加熱する加熱装置であって、例えば、ＰＴＣ（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）ヒータである。気化部５は、ＦＣスタック２からの伝熱Ｈ及びヒータ５２による加熱により、排水Ｗの少なくとも一部（例えば略全体）を気化させる。図１に示されるように、気化部５によって生じた水蒸気を含む排水Ｗは、排水流路３を介して発電部６に供給される。

発電部６は、タービン６１と、発電機６２と、を有している。タービン６１は、排水流路３において気化部５の下流側に設けられており、排水流路３を介して気化部５に接続されている。タービン６１は、排水Ｗに含まれる気化部５で発生した水蒸気の膨張エネルギーによって回転する。また、タービン６１は、発電機６２に接続されており、タービン６１の回転に応じて発電を行う。発電機６２により生じた電力は、バッテリー（図示せず）に蓄電される。以上のように、発電部６は、排水Ｗに含まれる水蒸気によってタービン６１を回転させて発電する。タービン６１を通過した排水Ｗは、凝縮器７に供給される。

ここで、発電システム１での発電効率（電費）の向上について説明する。高温側温度をＴ１（Ｋ）、タービン６１を通過直後の温度をＴ２（Ｋ）とすると、カルノーサイクルに起因するエネルギーの回収率ηは、η＝（Ｔ１－Ｔ２）／Ｔ１と表すことができる。

例えば、ＦＣスタック２から排出された排水の温度が１０５℃であって、車両の外部の気温が３０℃である条件下では、エネルギーの回収率ηは、η＝（１０５－３０）／（２７３＋１０５）＝０．１９８と表すことができる。このように、上記条件下では、熱エネルギーの約２０％が電力として回生可能な最大値となる。この値を理論上の最大回生電力とおくと、ＦＣスタック２での電費を５０％とした場合、当該電費の２０％の電力である１０％の電力（すなわち、０．５×０．２＝０．１）が発電部６において回収できるため、発電システム１のトータルの電費は５０＋１０＝６０％に向上することになる。以上のように、発電システム１によれば、発電出力及び発電効率を向上させることが可能となる。

凝縮器７は、排水流路３においてタービン６１の下流側に設けられており、排水流路３を介してタービン６１に接続されている。凝縮器７は、タービン６１から供給された排水Ｗに含まれる水蒸気を液化し、イオン交換器８に供給する。

イオン交換器８は、排水流路３において凝縮器７の下流側に設けられており、排水流路３を介して凝縮器７に接続されている（すなわち、凝縮器７を介してタービンに６１に接続されている）。イオン交換器８は、凝縮器７から供給された排水Ｗのイオンを吸着する。これにより、高温にされされた部材から溶出した不純物が排水Ｗから取り除かれる。イオン交換器８によって不純物が取り除かれた排水Ｗは、排出部９に供給される。なお、本実施形態では、イオン交換器８は、排水流路３に加えて、車両における発電システム１とは異なる他のシステム（図示せず）の流路Ｓにも接続されている。流路Ｓには、当該他のシステムで用いられる冷媒（例えば水）が流通している。イオン交換器８は、当該冷媒に含まれるイオンを吸着する。すなわち、イオン交換器８は、発電システム１と他のシステムとの間で共用される。

排出部９は、排水流路３においてイオン交換器８の下流側に設けられ、排水流路３を介してイオン交換器８に接続されている（すなわち、凝縮器７及びイオン交換器８を介してタービン６１に接続されている）。排出部９は、イオン交換器８から供給された排水Ｗを発電システム１の外部に排出する。ここでは、排出部９は、排水Ｗを車両の外部に排出する。

以上説明したように、発電システム１では、ＦＣスタック２から排出される排水Ｗの少なくとも一部が気化されることにより発生した水蒸気によって、発電部６においてタービン６１が回転させられて発電が行われ、タービン６１を通過した排水Ｗが外部に排出される。

これにより、ＦＣスタック２による発電に加えて、ＦＣスタック２から排出された排水が有する熱を利用して発電部６によっても発電が行われるので、コストの増加を抑制しつつ、発電出力及び発電効率を向上させることができる。また、排水は発電システム１内で循環することなく排出部９において外部に排出されるので、排水を冷却するための大型のラジエータを設置したり、排水を再利用するための熱サイクルを構成したりする必要が無く、構造の複雑化が抑制される。よって、発電システム１によれば、構造の複雑化及びコストの増加を避けつつ、発電出力及び発電効率を向上させることができる。

発電システム１の効果について更に述べる。従来、ランキンサイクルによる発電システムが知られている。具体的には、当該発電システムは、排水流路を通る液状の冷媒を、気化部においてＦＣスタックからの電熱によって気化させることにより高温の高圧ガスを発生させ、発電部において、当該高圧ガスによってタービンを回転させて発電を行うものである。タービンを通過した高圧ガスは、排水流路において発電機の下流側に設けられた復水器等によって再び液化され、ポンプ等によって再び気化部に供給される。しかしながら、このようなランキンサイクルを構成する発電システムでは、発電システム内で冷媒を循環させる構成をとるため、冷媒を再利用する系統が複雑となってしまう。これに対し、発電システム１では、ＦＣスタック２において反応生成物として生成される排水を利用すると共に、発電に供された排水を外部に排出するため、ランキンサイクル等、排水を再利用するための熱サイクルを構成する必要がないので、構成の複雑化が抑制される。

発電システム１では、イオン交換器８が、排水流路３においてタービン６１の下流側且つ排出部９の上流側に設けられ、タービン６１を通過した排水のイオンを吸着する。例えば、上記ランキンサイクルを用いた発電システムにおいては、高温下となる車両内において、発電システムを循環する冷媒内にイオンが溶出しやすいため、導電率が高くなる場合がある。そうすると、ＦＣスタックと他の電子部品との間において絶縁性能の低下が起こり、その結果、漏電のリスクが生じる。発電システム１によれば、排水に含まれるイオン等の不純物を取り除くことができるので、ＦＣスタック２と、発電システム１における他の電子部品との間において絶縁性能の低下を抑制することができる。つまり、発電システム１では、ＦＣスタック２からの排水を利用して発電を行う際に生じる上記絶縁性能の低下のリスクをイオン交換器８によって回避できるので、安全性と発電効率の向上との両立を図ることができる。

また、発電システム１では、発電システム１とは異なる他のシステムに用いられているイオン交換器８を発電システム１にも利用することで、新たなイオン交換器を導入する必要がなく、構造の複雑化を低減することができる。

発電システム１では、気化部５が、排水を加熱するためのヒータ５２を含み、ＦＣスタック２からの伝熱及びヒータ５２による加熱により、排水の少なくとも一部を気化させる。この場合、ＦＣスタック２からの伝熱を排水の気化に利用することにより、発電効率をより向上させることができる。

発電システム１では、気化部５が、伝熱部５１と、ヒータ５２と、を有している。例えば、車両が寒冷地で運用される場合等、外気温が低い場合には、ＦＣスタック２からの伝熱Ｈのみでは十分に排水Ｗを気化させられない場合がある。上記構成によれば、伝熱部５１のみならず、ヒータ５２によっても排水Ｗを気化させるため、排水Ｗを十分に気化させ、タービン６１を十分に回転させる水蒸気を確保することができる。

以上の実施形態は、本開示の一側面を説明したものである。したがって、本開示は、上述した発電システム１に限定されることなく、任意に変形され得る。

例えば、気化部５は、上記実施形態の構成に限定されない。気化部５は、例えば、伝熱部５１のみを備えていてもよく、また例えば、ヒータ５２のみを備えていてもよい。また、気化部５は、伝熱部５１及びヒータ５２に加えて或いは代えて、例えば、ＦＣスタック２において発生した余剰電力を利用して排水を加熱するヒータ等を備えていてもよい。或いは、ヒータ５２で当該余剰電力が利用されてもよい。

また、発電システム１は、他のシステムとの共用のイオン交換器８ではなく、発電システム１専用のイオン交換器を備えていてもよい。また、発電システム１は、イオン交換器を備えていなくてもよい。その場合、発電システム１は、凝縮器７を備えていなくてもよく、排出部９は、タービン６１を通過した排水Ｗをそのまま外部に排出してもよい。また、発電システム１は、車両に搭載されていなくてもよい。

１…発電システム、２…ＦＣスタック（燃料電池スタック）、３…排水流路、５…気化部、６…発電部、８…イオン交換器（イオン交換部）、９…排出部、５２…ヒータ、６１…タービン、Ｗ…排水。

Claims (3)

1. 燃料電池スタックと、
   前記燃料電池スタックから排出された排水が流通する排水流路と、
   前記排水流路に設けられ、前記排水の少なくとも一部を気化させることにより水蒸気を発生させる気化部と、
   前記排水流路において前記気化部の下流側に設けられたタービンを有し、前記水蒸気によって前記タービンを回転させて発電する発電部と、
   前記排水流路において前記タービンの下流側に設けられ、前記タービンを通過した前記排水を外部に排出する排出部と、
   を備える、
   発電システム。
2. 前記排水流路において前記タービンの下流側且つ前記排出部の上流側に設けられ、前記タービンを通過した前記排水のイオンを吸着するイオン交換部を更に備える、
   請求項１に記載の発電システム。
3. 前記気化部は、前記排水を加熱するためのヒータを含み、前記燃料電池スタックからの伝熱及び前記ヒータによる加熱により、前記排水の少なくとも一部を気化させる、
   請求項２に記載の発電システム。
   
   

Images