JP3563681B2

JP3563681B2 - 燃料電池コジェネシステム、および燃料電池コジェネシステムの運転方法

Info

Publication number: JP3563681B2
Application number: JP2000275441A
Authority: JP
Inventors: 達雄中山; 伸二宮内; 晃一西村
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-09-11
Filing date: 2000-09-11
Publication date: 2004-09-08
Anticipated expiration: 2020-09-11
Also published as: JP2002093446A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば燃料電池の発電にともなって発生する熱を利用して湯を沸かして供給する燃料電池コジェネシステム、および燃料電池コジェネシステムの起動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料電池発電装置は、水素と酸素の直接反応により電気エネルギーを生成するもので、発電効率が高く、大気汚染物質もほとんど排出しないクリーンな発電装置として期待されている。特にエネルギー効率の観点から、発電時に発生する熱も利用できるコジェネシステムの実用化が望まれている。
【０００３】
熱の利用形態としては、水を加熱して給湯するものがある。給湯システムとしては、夜間電力を用いて湯を沸かして貯湯し、必要なときに給湯できるシステムなどで、すでに市販されているものもある。また、湯を沸かす手段として電力の代わりに燃料電池の発熱を利用し、貯湯するようにすれば、実用的なコジェネシステムが構築できる。
【０００４】
湯の用途は、風呂の湯としてそのまま用いたり、熱交換して暖房に用いるなど様々であり、用途によって必要な温度も異なる。たとえば、燃料電池コジェネシステムで沸かされた湯の温度より低い温度で供給したい場合には、水道水と混合することにより温度を調節して給湯する。
【０００５】
ところが、発電量が少ないときには、発熱量が少なくなる。また、湯の消費量が多いときには、給湯流路を流れる水の量が多くなる。このような場合には、湯温は低くなるので、加熱してから給湯することが必要になる。そこで、温度不足を補う加熱目的のために追い炊きバ−ナーを設けたコジェネレションシステムが考案されている（特開平７−３２４８０９）。
【０００６】
一方、燃料電池で効率良く発電するために、一定の温度範囲に保つことが必要である。そこで、コジェネシステムの起動時において、燃料電池本体を加熱する、燃料電池内を循環する熱媒体をヒータで加熱する、外部の熱源の熱を熱交換器を通して熱媒体に取りこんで昇温する（特開平９−６３６０９）などの方法があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このようにして燃料電池を一定の温度にまで昇温してからコジェネシステムの運転を開始するために、別途起動専用の燃料電池加熱手段を設けなければならないという課題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来のこのような課題を考慮し、起動専用の燃料電池加熱手段を設けることなく、迅速に燃料電池を昇温、運転開始することが可能な燃料電池コジェネシステム、および燃料電池コジェネシステムの起動方法を提供することを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
第一の本発明（請求項１に対応）は、燃料電池と、前記燃料電池を昇温するまたは冷却するための熱媒体流路と、水流路と、前記熱媒体流路内の熱媒体と前記水流路内の水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記水を加熱するための加熱手段と、前記加熱手段の駆動を制御する制御手段とを備えた燃料電池コジェネシステムであって、
（１）前記燃料電池の発電時には、前記水が、前記熱交換器を通った後に必要に応じて前記加熱手段により加熱され、（２）前記燃料電池の起動時には、前記水の流れの向きが前記発電時とは変更され、前記水が、前記加熱手段により加熱された後に前記熱交換器を通り、前記熱交換器を通じて前記熱媒体を昇温することにより、前記燃料電池を昇温する燃料電池コジェネシステムである。
【００１０】
第二の本発明（請求項２に対応）は、前記水流路に、前記燃料電池の発電時に前記熱交換器を通って昇温された水を貯湯する貯湯槽をさらに備えた第一の本発明の燃料電池コジェネシステムである。
【００１１】
第三の本発明（請求項３に対応）は、燃料電池と、前記燃料電池を昇温するまたは冷却するための熱媒体流路と、水流路と、前記熱媒体流路内の熱媒体と前記水流路内の水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記水を加熱するための加熱手段と、前記加熱手段の駆動を制御する制御手段とを備えた燃料電池コジェネシステムの運転方法であって、
（１）前記燃料電池の発電時には、前記水を、前記熱交換器を通した後に必要に応じて前記加熱手段により加熱し、（２）前記燃料電池の起動時には、前記水の流れの向きを前記発電時とは変更し、前記水を、前記加熱手段により加熱した後に前記熱交換器を通し、前記熱交換器を通じて前記熱媒体を昇温することにより、前記燃料電池を昇温する燃料電池コジェネシステムの運転方法である。
【００１２】
第四の本発明（請求項４に対応）は、前記燃料電池コジェネシステムは、前記水流路に、前記燃料電池の発電時に前記熱交換器を通って昇温された水を貯湯する貯湯槽をさらに備えた第三の本発明の燃料電池コジェネシステムの運転方法である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明にかかる実施の形態について、図面を参照しつつ説明を行う。
【００１４】
（実施の形態１）
はじめに、本実施の形態１の燃料電池コジェネシステムの構成および動作について、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムの構成図である図１を参照しながら説明する。なお、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムの構成および動作を説明すると同時に、本発明の燃料電池コジェネシステムの起動方法の一実施の形態についても述べる。
【００１５】
図１において、１は燃料電池、３は熱媒体流路、５は第一の熱交換器、９は給湯のための水流路、１０はバーナー、１１はタンク、１２は熱媒体を流すポンプである。なお、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムは、燃料電池１の温度を検知するための温度検知手段２０、および少なくともバーナー１０を制御するための制御手段２１を備えており、制御手段２１は、温度検知手段２０の検知結果に基づいて、システム起動時に燃料電池１を昇温するための制御を行うことができる。
【００１６】
図中の矢印のうち、ａは発電時の熱媒体・水の流れの向きを、ｂは起動時の熱媒体・水の流れの向きを、それぞれ示している。なお、ａ、ｂは、発電・給湯時と起動時とで同じ向きに熱媒体・水が流れることを示している。
【００１７】
燃料電池１の発電時には、熱媒体がポンプ１２の稼働により熱媒体流路３を循環し、燃料電池１で発生する熱は外部に持ち出され、燃料電池１は温度を一定に保たれる。熱媒体の熱は、第一の熱交換器５によって水流路９を矢印ａ（および矢印ａ、ｂ）の向きに流れる水に熱交換され、加熱された水が供給される。
【００１８】
発電量が少ないときには発熱量も少なく、また湯の消費量が多いときには水流路９を流れる水の量が多い。このようなとき湯の温度は低くなるので、必要に応じてバーナー１０で加熱し湯の温度を上げる。
【００１９】
一方、起動時には、水は水流路９を矢印ｂ（および矢印ａ、ｂ）の向きに流れ、バーナー１０で加熱された水が第一の熱交換器５に入り、熱媒体を昇温する。そして、昇温された熱媒体が、ポンプ１２によって燃料電池１内を循環し、燃料電池１の温度を上げる。
【００２０】
なお、燃料電池コジェネシステムは、図７（ａ）に示されているように、燃料電池１の温度を検知するための温度検知手段２０を備えていなくてもよい。
【００２２】
（実施の形態２）
つぎに、本実施の形態２の燃料電池コジェネシステムの構成および動作について、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムの構成図である図２を参照しながら説明する。なお、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムの構成および動作を説明すると同時に、本発明の燃料電池コジェネシステムの起動方法の一実施の形態についても述べる。
【００２３】
図２において、１は燃料電池、２は蓄熱槽、３は第一の熱媒体流路、４ａは第二の熱媒体の熱回収側流路、４ｂは第二の熱媒体の熱供給側流路、４ｃは熱供給側から熱回収側へのバイパス流路、５は第一の熱交換器、６は第二の熱交換器、９は給湯のための水流路、１０はバーナー、１１はタンク、１２〜１４はポンプ、１５〜１８は流路切替弁である。なお、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムは、少なくともバーナー１０を制御するための制御手段（図示省略）、および燃料電池１の温度を検知するための温度検知手段（図示省略）を備えており、制御手段は、温度検知手段の検知結果に基づいて、システム起動時に燃料電池１を所定の温度まで昇温するための制御を行うことができる。
【００２４】
風呂の追い炊きや、床暖房に熱を利用する場合は、一般にこの構成のように第二の熱媒体からさらに熱交換する方式がとられる。
【００２５】
第二の熱媒体流路の熱供給側流路４ｂから熱回収側流路４ａへは、バイパス流路４ｃを設け、熱媒体・水の流れは、流路切替弁１５〜１８によって発電・給湯時と起動時とで切り替えられる。なお、熱媒体・水の流れの向きを示す矢印の意味は、実施の形態１と同様である。
【００２６】
発電時は、ポンプ１２で循環される第一の熱媒体によって、燃料電池１で発生した熱を運び出す。そして、第一の熱交換器５を利用して、ポンプ１３によって循環される第二の熱媒体に、この熱を伝える。この熱は、熱回収側の流路４ａをａの方向に流れ、蓄熱槽２に蓄えられる。
【００２７】
具体的には、図４に示されているように、流路切替弁１５、１６を矢印ａ（および矢印ａ、ｂ）の方向に熱媒体が流れるように調節し、流路切替弁１７、１８を閉鎖し、太線で示されたように第二の熱媒体を循環させることにより、蓄熱槽２に熱を蓄える。なお、図４は、蓄熱槽２に熱を蓄えるときの、第二の熱媒体の流れを説明するための説明図である。
【００２８】
蓄熱槽２に蓄えられた熱を利用する際には、ポンプ１４によって蓄熱槽２から送り出された第二の熱媒体の熱を、第二の熱交換器６で水と熱交換して湯として供給する。温度不足や使用量が多いなどの理由により加熱が必要な場合には、バーナー１０によって加熱した後に、第二の熱媒体を第二の熱交換器６に導入する。
【００２９】
具体的には、図５に示されているように、流路切替弁１５〜１８を矢印ａ（および矢印ａ、ｂ）の方向に熱媒体が流れるように調節し、太線で示されたように第二の熱媒体を循環させることにより、蓄熱槽２に蓄えられた熱を利用する。なお、図５は、蓄熱槽２に蓄えられた熱を利用するときの、第二の熱媒体の流れを説明するための説明図である。
【００３０】
燃料電池の起動時には、流路切替弁１５〜１８の切り替えによって熱供給側から熱回収側へのバイパス流路４ｃを設定し、バーナー１０で加熱した第二の熱媒体を矢印ｂ（および矢印ａ、ｂ）の向きに流す。そして、第一の熱媒体を、第一の熱交換器５を利用して昇温し、ポンプ１２の稼働によって燃料電池１内を循環させ、燃料電池１を所定の温度まで昇温する。
【００３１】
具体的には、図６に示されているように、流路切替弁１５〜１８を矢印ｂ（および矢印ａ、ｂ）の方向に熱媒体が流れるように調節し、太線で示されたように第二の熱媒体を循環させることにより、燃料電池１を昇温する。なお、図６は、燃料電池１を昇温するときの、第二の熱媒体の流れを説明するための説明図である。
【００３２】
このように、起動専用の燃料電池加熱手段を設けることなく、かつ蓄熱槽２に熱が残っているときにはその熱も利用することにより、効率良く迅速に燃料電池１を所定の温度まで昇温することが可能になる。
【００３３】
（実施の形態３）
つぎに、本実施の形態３の燃料電池コジェネシステムの構成および動作について、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムの構成図である図３を参照しながら説明する。なお、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムの構成および動作を説明すると同時に、本発明の燃料電池コジェネシステムの起動方法の一実施の形態についても述べる。
【００３４】
図３において、１は燃料電池、２ａは貯湯槽、３は第一の熱媒体流路、４ａは第二の熱媒体である水の熱回収側流路、４ｂは熱供給側流路、４ｃは熱供給側から熱回収側へのバイパス流路、５は第一の熱交換器、６は第二の熱交換器、９は給湯のための水流路、１０はバーナー、１１はタンク、１２〜１４はポンプ、１５〜１９は流路切替弁である。なお、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムは、少なくともバーナー１０を制御するための制御手段（図示省略）、および燃料電池１の温度を検知するための温度検知手段（図示省略）を備えており、制御手段は、温度検知手段の検知結果に基づいて、システム起動時に燃料電池１を所定の温度まで昇温するための制御を行うことができる。
【００３５】
このように、本実施の形態の燃料電池コジェネシステムの構成は、前述された本実施の形態の燃料電池コジェネシステムの構成と類似しているが、第二の熱媒体として貯湯槽２ａに貯えられる湯を利用するようになっている。
【００３６】
第二の熱媒体の流路である水流路は、流路切替弁１５〜１８によって発電・起動時で切り替えられる。なお、熱媒体・水の流れの向きを示す矢印の意味は、実施の形態２と同様である。
【００３７】
発電時には、燃料電池１で発生した熱は、ポンプ１２で循環される第一の熱媒体によって燃料電池１から運び出され、第一の熱交換器５によってポンプ１３で循環される水に伝えられる。このようにして加熱された水は、矢印ａ（および矢印ａ、ｂ）の向きにしたがって流路をたどり、貯湯槽２ａに貯えられる。
【００３８】
給湯時には、貯湯槽２ａに貯えられた湯を、ポンプ１４を利用してそのまま供給することができる。ただし、加熱が必要な場合には、流路切替弁１９の切り替えにより、バーナー１０で加熱される流路を通じて、貯湯槽２ａに貯えられた湯を供給する。なお、暖房や風呂の追い炊きは、貯えられた湯から第二の熱交換器６を通じた熱交換を行うことによって行われる。
【００３９】
燃料電池の起動時には、流路切替弁１５〜１８の切り替えによって熱供給側から熱回収側へのバイパス流路４ｃを設定し、バーナー１０で加熱した第二の熱媒体である水を矢印ｂ（および矢印ａ、ｂ）の向きに流す。そして、第一の熱媒体を、第一の熱交換器５を利用して昇温し、ポンプ１２の稼働によって燃料電池１内を循環させ、燃料電池１を所定の温度まで昇温する。
【００４０】
このように、起動専用の燃料電池加熱手段を設けることなく、かつ蓄熱槽２に熱が残っているときにはその熱も利用することにより、効率良く迅速に燃料電池１を所定の温度まで昇温することが可能になる。
【００４１】
なお、上述された実施の形態においては、加熱手段としてバーナーを用いたが、ヒータや触媒燃焼器などを用いても同様の効果が得られる。
【００４２】
燃料電池の研究開発は、給湯システムの研究開発とは全く独立に進められることが普通であった。そのため、燃料電池には、起動専用の燃料電池加熱のための手段を設けることが常識化しており、それ以外の方法を着想することは、当業者にとっても至難であった。しかし、本発明によれば、このように、起動専用の加熱手段を設けることなく、所定の温度まで燃料電池１を加熱することが可能になる。
【００４３】
なお、上述された本実施の形態２、３の燃料電池コジェネシステムは、バーナー１０を制御するための制御手段（図示省略）、および燃料電池１の温度を検知するための温度検知手段（図示省略）を備えており、制御手段は、温度検知手段の検知結果に基づいて、システム起動時に燃料電池１を所定の温度まで昇温するための制御を行うことができた。しかし、これに限らず、本発明の燃料電池コジェネシステムは、温度検知手段を備えていなくてもよい。
【００４４】
たとえば、未だ実用化にはいたっていないが、一般家庭用の燃料電池コジェネシステムで利用される燃料電池には、７０〜９０℃程度の温度範囲において最適な稼働を行う、ＯＮ／ＯＦＦ頻度の高いシステムに適した固体高分子型が向いていると考えられる。このような場合には、センサなどの温度検知手段を利用せずとも、タイマーなどを利用してバーナーを所定の時間だけ燃焼させることにより、前述の温度範囲まで燃料電池を昇温させることが十分に可能である。もちろん、正確な温度管理を行うためには、燃料電池コジェネシステムが温度検知手段を備えていることが望ましいが、前述のようにして、廉価な燃料電池コジェネシステムを提供することができる。なお、工場などの大規模施設で使用されるりん酸型燃料電池を利用する燃料電池コジェネシステムについても、同様のことがいえることはいうまでもない。なお、このようなりん酸型燃料電池の利用は、現在のところテストプラントなどで行われているにすぎず、店舗などの中規模施設で使用するための燃料電池コジェネシステムも、前述の固体高分子型燃料電池を利用して実用化される可能性がある。
【００４５】
以上述べたところから明らかなように、本発明は、たとえば、燃料電池と、前記燃料電池冷却のための熱媒体流路と、水流路と、前記熱媒体流路内の熱媒体と前記水流路内の水との熱交換を行う熱交換器と、前記水流路内に設置された加熱手段を有する燃料電池コジェネシステムにおいて、燃料電池起動時には前記水流路内の水を前記加熱手段により加熱した後に前記熱交換器を通るように流れを変え、前記熱交換器を通じて前記熱媒体を昇温することにより燃料電池を所定の温度まで昇温するものである。
【００４６】
これによれば、給湯のための加熱手段を利用して燃料電池本体を昇温するので、起動専用の加熱手段を設けることなく、燃料電池を速やかに起動することができる。
【００４７】
また、本発明は、たとえば、燃料電池と、前記燃料電池を冷却するための第一の熱媒体流路と、第二の熱媒体流路と、前記第一の熱媒体流路を流れる第一の熱媒体と前記第二の熱媒体流路を流れる第二の熱媒体との熱交換を行う第一の熱交換器と、蓄熱槽と、水流路と、前記第二の熱媒体と前記水流路を流れる水の熱交換をする第二の熱交換器と、前記水流路の水を加熱する加熱手段とを有する燃料電池コジェネシステムにおいて、燃料電池起動時に前記加熱手段により前記水流路内の水を加熱し、前記第二の熱交換器によって前記第二の熱媒体を昇温し、前記第一の熱交換器によって第一の熱媒体を昇温することにより燃料電池を所定の温度に昇温するものである。
【００４８】
これにより、燃料電池本体を加熱するための加熱手段を別途設けることなく、また蓄熱槽に熱が残っているときにはその熱も利用して燃料電池を効率良く、速やかに所定の温度まで昇温し起動することができる。
【００４９】
以上のように、本発明によれば、燃料電池起動のための加熱手段を設けることなく、かつ蓄熱槽に熱が残っているときにはその熱も利用しながら効率良く迅速に燃料電池を所定の温度まで昇温することが可能になる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明は、起動専用の燃料電池加熱手段を設けることなく、迅速に燃料電池を昇温、運転開始することが可能な燃料電池コジェネシステム、および燃料電池コジェネシステムの起動方法を提供することができるという長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１の燃料電池コジェネシステムの構成図
【図２】本発明の実施の形態２の燃料電池コジェネシステムの構成図
【図３】本発明の実施の形態３の燃料電池コジェネシステムの構成図
【図４】蓄熱槽２に熱を蓄えるときの、第二の熱媒体の流れを説明するための説明図
【図５】蓄熱槽２に蓄えられた熱を利用するときの、第二の熱媒体の流れを説明するための説明図
【図６】燃料電池１を昇温するときの、第二の熱媒体の流れを説明するための説明図
【図７】本発明の、温度検知手段を有しない燃料電池コジェネシステムの構成図（図７（ａ））、および熱交換器を有しない燃料電池コジェネシステムの構成図（図７（ｂ））
【符号の説明】
１燃料電池
２蓄熱槽
２ａ貯湯槽
３第一の熱媒体流路
４第二の熱媒体流路
４ａ第二の熱媒体の熱回収側流路
４ｂ第二の熱媒体の熱供給側流路
４ｃ熱供給側から熱回収側へ貯湯槽を経由しない流路
５第一の熱交換器
６第二の熱交換器
９水流路
１０バーナー
１１タンク
１２〜１４ポンプ
１５〜１９流路切替弁
２０温度検知手段
２１制御手段

Claims

燃料電池と、前記燃料電池を昇温するまたは冷却するための熱媒体流路と、水流路と、前記熱媒体流路内の熱媒体と前記水流路内の水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記水を加熱するための加熱手段と、前記加熱手段の駆動を制御する制御手段とを備えた燃料電池コジェネシステムであって、
（１）前記燃料電池の発電時には、前記水が、前記熱交換器を通った後に必要に応じて前記加熱手段により加熱され、（２）前記燃料電池の起動時には、前記水の流れの向きが前記発電時とは変更され、前記水が、前記加熱手段により加熱された後に前記熱交換器を通り、前記熱交換器を通じて前記熱媒体を昇温することにより、前記燃料電池を昇温する燃料電池コジェネシステム。
前記水流路に、前記燃料電池の発電時に前記熱交換器を通って昇温された水を貯湯する貯湯槽をさらに備えた請求項１記載の燃料電池コジェネシステム。
燃料電池と、前記燃料電池を昇温するまたは冷却するための熱媒体流路と、水流路と、前記熱媒体流路内の熱媒体と前記水流路内の水との間で熱交換を行う熱交換器と、前記水を加熱するための加熱手段と、前記加熱手段の駆動を制御する制御手段とを備えた燃料電池コジェネシステムの運転方法であって、
（１）前記燃料電池の発電時には、前記水を、前記熱交換器を通した後に必要に応じて前記加熱手段により加熱し、（２）前記燃料電池の起動時には、前記水の流れの向きを前記発電時とは変更し、前記水を、前記加熱手段により加熱した後に前記熱交換器を通し、前記熱交換器を通じて前記熱媒体を昇温することにより、前記燃料電池を昇温する燃料電池コジェネシステムの運転方法。
前記燃料電池コジェネシステムは、前記水流路に、前記燃料電池の発電時に前記熱交換器を通って昇温された水を貯湯する貯湯槽をさらに備えた請求項３記載の燃料電池コジェネシステムの運転方法。