JP4101051B2 - 燃料電池システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素を用いて電力を発生させる燃料電池を備えた燃料電池システムに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタンなどの原料ガスから水素ガス(燃料ガス)を改質生成する改質器と、一酸化炭素を変成するCO変成器と、一酸化炭素を除去するCO除去器(以下、これら改質器と、CO変成器と、CO除去器とを合わせて改質装置と称す。)と、水素によって発電する燃料電池などを備えた燃料電池システムが提案されている。
【0003】
特に、家庭用の小型電源として固体高分子形燃料電池システムが用いられており、係る燃料電池システムは、改質装置と、燃料電池と、制御系と、水タンクと、各種ポンプ類と、発電時に生じる廃熱を回収して温水とする熱交換器と、燃料電池で発電した電力を商用交流に変換する電力変換装置とを備えたPEFC装置と、上記熱交換器にて燃料電池で発生した熱を廃熱回収用水経路を介して回収した温水を貯留する貯湯槽などを備えた熱回収装置とにより構成されている。
【0004】
しかしながら、貯湯槽内の湯水が使用されず、所定の温度、例えば+60℃以上まで昇温されてしまうと、熱交換器における熱交換を十分に行うことができず、燃料電池で発生した熱を回収できないこととなる。これにより、システム内における熱バランスが崩れ、燃料電池における発電を停止しなければならないという問題があった。
【0005】
そこで、従来では、廃熱回収用水経路にラジエータを取り込んで貯湯槽の水を冷却していた(特許文献1参照。)。
【0006】
【特許文献1】
特開2001−325982号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の燃料電池システムでは、ラジエータにより取り込まれた熱は、外部に放出されているため、燃料電池より所定量以上の熱が発生した場合、余剰分の熱は、廃棄されることとなる。効率的にエネルギーを使用することができないという問題がある。
【0008】
また、従来では、格別に廃熱回収用水経路にラジエータを設けているため、設置スペースが拡張され、システム自体のコンパクト化を図ることができないという問題がある。
【0009】
そこで、本発明は従来の技術的課題を解決するために成されたものであり、システムにおいて発生した熱を効率的に利用することができると共に、システムのコンパクト化を図ることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の燃料電池システムは、バーナを用いて原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えたものであって、貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水を冷却する熱交換器と、当該熱交換器を空冷する送風機とを備え、当該熱交換器を経た該送風機からの空気を、改質装置のバーナ、若しくは、該バーナ及び燃料電池のカソードに供給することを特徴とする。
【0011】
本発明によれば、バーナを用いて原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水を冷却する熱交換器と、当該熱交換器を空冷する送風機とを備え、当該熱交換器を経た該送風機からの空気を、改質装置のバーナ、若しくは、該バーナ及び燃料電池のカソードに供給するので、例えば貯湯槽の湯水が使用されず、貯湯槽内の温度が著しく上昇した場合であっても、送風機により熱交換器を強制空冷することにより、システムの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0012】
また、熱回収用熱交換器において強制冷却に用いられた空気は、貯湯槽の熱にて予熱された後、改質装置のバーナ、若しくは、該バーナ及び燃料電池のカソードに供給されるため、システムの効率向上を図ることができるようになる。
【0013】
請求項2の発明の燃料電池システムは、上記発明において、熱交換器を発電装置と一体に設けたことを特徴とする。
【0014】
請求項2の発明によれば、上記発明において、熱交換器を発電装置と一体に設けたので、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0015】
請求項3の発明の燃料電池システムは、上記各発明において、発電装置は、吸気口を備えた外装ケース内に配設され、当該吸気口に熱交換器を経た送風機からの空気を吐出することを特徴とする。
【0016】
請求項3の発明によれば、上記各発明において、発電装置は、吸気口を備えた外装ケース内に配設され、当該吸気口に熱交換器を経た送風機からの空気を吐出するので、より効率的に、熱交換器にて予熱された空気を燃料電池のカソードに供給される空気やバーナに用いられる空気として利用することができる。
【0017】
そのため、発電装置内においてシステムを稼働するのに用いられるエネルギー量を減少させることができ、より一層、燃料電池システム全体の熱効率を向上させることが可能となる。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施形態を詳述する。本実施例における燃料電池システムSは、固体高分子形燃料電池6を備えた発電装置(ポリマ・エレクトロライト・フューエル・セル:PEFC装置)Tを備えている。また、この燃料電池システムSは、上記発電装置Tの他に燃料電池システムSの発電において生じる熱を有効的に利用するコージェネレーションシステムの形態を採用するため、熱回収装置として後述する廃熱回収用水経路2及び貯湯タンク1(貯湯槽)を有している。
【0019】
ここで、図1を参照して本実施例の燃料電池システムSについて説明する。この燃料電池システムSでは、天然ガス、都市ガス、メタノール、LPG、ブタン等の燃料の供給源である原料供給源3と、燃料ガスから硫黄成分を除去する図示しない脱硫器と、改質装置4と、固体高分子形の燃料電池6とを備える。改質装置4は、原料ガスから水素、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する改質器と、この改質器からの改質ガスに含まれる一酸化炭素を二酸化炭素に変成するCO変成器と、このCO変成器からの未変成の一酸化炭素を除去するCO除去器とを備えている。燃料電池6は、改質装置4のCO除去器からの一酸化炭素が除去された後の水素と空気中に含まれる酸素とを反応させて電力を発生させるものであり、この燃料電池6は、アノード(燃料極)と、カソード(空気極)と、固体高分子電解質膜と、冷却部とを備えている。
【0020】
前記原料供給源3からはガス管7が延出され、このガス管7には図示しない電磁開閉弁及び昇圧ポンプを介して、前記脱硫器が接続されると共に、図示しない電磁開閉弁が設けられたガス管8が分岐し、このガス管8は、改質装置4(改質器)のバーナ9に接続されている。脱硫器はガス管を介して改質装置4の改質器に接続される。そして、この改質器は、図示しないガス管により、CO変成器、CO除去器と順次接続されている。ガス管7には、図示しない昇圧ポンプが設けられた配管11を介して例えばイオン交換樹脂により構成される水処理装置12が接続される。尚、この配管11は、ガス管7ではなく、改質装置4に接続されていてもよいものとする。
【0021】
ここで、水処理装置12は、水道管13及び配管14を通じて供給される市水を純水に処理する装置であり、配管14、11及び7を介してプロセス水が改質装置4に供給される。また、この配管14には、詳細は後述する熱回収用熱交換器16が設けられている。
【0022】
尚、該配管14には、図示しない昇圧ポンプが設けられているものとする。また、この水処理装置12には、図示しない配管が接続されており、これら配管により、燃料電池6内のアノード及びカソードに供給されるそれぞれの燃料ガス及び空気(酸化剤ガス)を加湿するための水タンクが接続されているものとする。更に、水道管13は、貯湯タンク1にも接続されており、該貯湯タンク1に市水が供給される。
【0023】
そして、改質装置4のCO除去器は、前記水タンクが設けられるガス管17を介して燃料電池6のアノードに接続される。このアノードは、配管18を介して改質装置4を加熱するバーナ9に接続されている。尚、図示は省略するが、前記水タンクは、図示しない配管を介して燃料電池6の冷却部に接続され、該冷却部は、熱回収用熱交換器19が介設された配管21を介して再び水タンクに接続されているものとする。
【0024】
他方、空気供給源22は、空気ポンプ23が設けられる配管24により、アノードに接続される水タンクとは別の図示しない水タンクに接続され、当該水タンクは、図示しない配管を介して燃料電池6のカソードに接続される。このカソードは、配管26を介して前記熱回収用熱交換器19に接続される。この熱回収用熱交換器19には、排気ダクト27及び図示しないドレン水配管が接続される。
【0025】
また、上記貯湯タンク1は、廃熱回収用水経路2を介して例えばフィンチューブやプレートフィンなどから構成される熱回収用熱交換器16と、前記熱回収用熱交換器19と順次接続されている。尚、熱回収用熱交換器16は、貯湯タンク1から廃熱回収用水経路2を介して流入される湯水と、配管14を介して流入される市水とは、流れる方向が逆となるように、即ち対向流となるように配設されているものとする。また、この貯湯タンク1には、給湯用の温水配管28が接続されている。
【0026】
以上の構成により、燃料電池システムSの運転が開始されると、原料供給源3から原料ガスが、電磁開閉弁及び昇圧ポンプを介して前記脱硫器に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器に、例えば活性炭等の吸着反応を利用した触媒を使用した場合、常温で、硫黄成分を除去することができる。この脱硫器を経た原料ガスは、改質装置4の改質器に供給される。
【0027】
改質装置4の改質器ではバーナ9によって前記脱硫器からの原料ガスと前記昇圧ポンプから配管11を介して供給される水を内部の熱交換器で水蒸気化した水蒸気とを混合して予熱し、触媒で活性化することによって水素(燃料ガス)、二酸化炭素及び一酸化炭素を含む改質ガスを生成する。この改質器を経たガスは、CO変成器に供給され、ここでは改質ガスに含まれる一酸化炭素が二酸化炭素に変成される。
【0028】
このCO変成器を経たガスは、CO除去器に供給される。この場合、CO除去器にはCO変成器を経た改質ガスと図示しない空気ポンプによって供給される空気が混合されて供給される。そして、この混合された改質ガスは内部の熱交換器で冷却された後、触媒によって改質ガス中の未変成の一酸化炭素が選択酸化反応により二酸化炭素に転換され、改質ガス中の一酸化炭素濃度は10ppm程度に低減され、実質的にガス中の未変成の一酸化炭素が除去される。
【0029】
改質装置4のCO除去器を経て一酸化炭素が除去された後の水素がガス管17を経て前記水タンクに入り、そこで加湿された後、燃料電池6のアノードに燃料ガスとして供給される。他方、空気ポンプ23から前記水タンクに空気が供給され、そこで加湿された空気が燃料電池6のカソードに供給される。これにより、アノードに供給された水素と、カソードに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生すると共に、固体高分子電解質膜を湿潤状態とする。
【0030】
尚、上記改質装置4の改質器のバーナ9にはガス管18を介して、燃料電池6のアノードを経た未反応水素がオフガスとして供給される。このとき、化学反応により生じ、アノードに一部残存、若しくは、移動した水及び改質装置4において生じたドレン水は、図示しないドレンパイプにより外部に排出される。
【0031】
また、燃料電池6のカソードから配管26に導出された空気は、燃料電池6の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク1の水が廃熱回収用水経路2を介して循環する熱回収用熱交換器19で熱回収された後、排気ダクト27を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器19での熱交換によって、貯湯タンク1の水が温度上昇する。他方、燃料電池6の化学反応において生じた水は、温度上昇した排気空気中に水蒸気として存在しているため、熱回収用熱交換器19にて貯湯タンク1の水と熱交換した際に凝縮され、ドレン水として図示しないドレンパイプより外部に排出される。
【0032】
ここで、本実施例では、廃熱回収用水経路2に熱回収用熱交換器16が設けられているため、上記貯湯タンク1から熱回収用水経路2内に流出する湯水は、熱回収用熱交換器16において、配管14を流れる改質装置4に供給するプロセス水と熱交換する。そのため、貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の水温が例えば均一に+60℃とされた場合であっても、熱回収用熱交換器16において、熱回収用水経路2内の湯水は、例えば、+20乃至30℃にまで冷却された状態で、燃料電池6の発熱により加熱される熱回収用熱交換器19に流入することができるようになる。
【0033】
そのため、上述した如く貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の温度が著しく上昇した場合であっても、熱回収用熱交換器16において、当該貯湯タンク1の熱を改質装置4に供給するプロセス水と熱交換することにより、燃料電池システムSの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0034】
また、改質装置4に供給されるプロセス水は、熱回収用熱交換器16において、貯湯タンク1から流出する熱にて例えば+50℃程度にまで予熱した後、配管14を介して改質装置4に供給することができるようになる。これによっても、燃料電池システムSの効率を向上させることができるようになる。
【0035】
更に、本実施例では、熱回収用熱交換器16内に流入するプロセス水と、貯湯タンク1から流入する湯水とは対向流とされているため、より一層効率的に熱交換させることができるようになる。
【0036】
尚、本実施例では、配管14に接続されるイオン交換樹脂により構成される水処理装置12は、熱回収用熱交換器16の下流側に接続されているが、図2に示す如く熱回収用熱交換器16の上流側に接続されていても同様の効果を奏するものとする。
【0037】
また、本実施例では、図1及び図2において貯湯タンク1と、熱回収用熱交換器16とは、別々に記載しているが、熱回収用熱交換器16を貯湯タンク1の下部に一体に設けてもよい。この場合には、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムSのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0038】
尚、上述した改質装置4及び燃料電池6では、所定の反応温度を有する化学反応が行われる。前記改質器における化学反応は吸熱反応であるので、改質装置4に設けられた前記バーナ9によって常時加熱しながら化学反応を行う。
【0039】
また、前記CO変成器、CO除去器で行われる化学反応は発熱反応であるので、システム起動時のみ図示しないバーナを燃焼させて、燃焼ガスを発生させ、このとき発生した燃焼ガスの熱でCO除去器の温度を反応温度まで昇温し、この反応温度まで昇温した後には、発熱反応の熱により反応温度以上に昇温しないように冷却が行われる。
【0040】
燃料電池6では、電気化学反応が行われ、この電気化学反応時の活性化過電圧、濃度過電圧、抵抗過電圧により熱が発生する。このとき、燃料電池6の前記冷却部には、図示しないポンプにより、前記水タンクの水が供給され、当該冷却部を経た水は、配管21を介して熱回収用熱交換器19を通過し、再び水タンクに帰還する。
【0041】
上記改質装置4の排気系には、前述した熱交換器が接続され、配管11のプロセス水が前述の如く供給されると、当該熱交換器で水蒸気化し、この水蒸気が、原料ガスと混合して改質器に供給される。
【0042】
そして、この燃料電池6にて水素と空気中の酸素とを化学反応させて発電された電力は、図示しない昇圧コンバータを経て、インバータに必要な電圧にまで昇圧され、例えば系統連系インバータに送られ、ここから、単相3線の100V/200Vの電源として家庭に供給される。
【0043】
以上の構成により、燃料電池システムSが、効率的なコージェネレーションシステムの形態をとるので、エネルギーの有効活用が図られる。したがって、高い総合熱効率が得られるので、原料の消費量が減少し、二酸化炭素の排出量が低減される。
【0044】
次に、図3を参照して本発明の燃料電池システムSの他の実施例について説明する。尚、図1と同一又は同様の符号が付されたものは、同一若しくは同様の効果を奏するものであるものとする。
【0045】
図3における燃料電池システムSは、図1に示す燃料電池システムSと同様に、原料供給源3と、脱硫器と、改質装置4と、固体高分子形の燃料電池6とを備える。原料供給源3からはガス管7が延出され、このガス管7には前記脱硫器が接続されると共に、このガス管7からは上記実施例と同様にガス管8が分岐し、このガス管8は、改質装置4(改質器)のバーナ9に接続されている。脱硫器はガス管を介して改質装置4の改質器に接続される。ガス管7には、図示しない昇圧ポンプが設けられた配管11を介して例えばイオン交換樹脂により構成される水処理装置12が接続される。尚、この配管11は、ガス管7ではなく、改質装置4に接続されていてもよいものとする。
【0046】
ここで、水処理装置12は、水道管13及び配管31を通じて供給される市水を純水に処理する装置であり、配管31、11及び7を介してプロセス水が改質装置4に供給される。また、この水処理装置12には、図示しない配管が接続されており、これら配管により、燃料電池6内のアノード及びカソードに供給されるそれぞれの燃料ガス及び空気(酸化剤ガス)を加湿するための水タンクが接続されているものとする。更に、水道管13は、貯湯タンク1にも接続されており、該貯湯タンク1に市水が供給される。
【0047】
そして、改質装置4のCO除去器は、前記水タンクが設けられるガス管17を介して燃料電池6のアノードに接続される。このアノードは、配管18を介して改質装置4を加熱するバーナ9に接続されている。尚、前記水タンクは、熱回収用熱交換器19が介設された配管21を介して前記燃料電池6の冷却部に接続され、上記実施例と同様に、燃料電池6を冷却するものとする。
【0048】
他方、空気供給源22は、空気ポンプ23が設けられる配管32により、例えばフィンチューブやプレートフィンなどから構成される熱回収用熱交換器33に接続され、当該熱回収用熱交換器33は、アノードに接続される水タンクとは別の図示しない水タンクが設けられる配管34を介して燃料電池6のカソードに接続される。このカソードは、配管26を介して前記熱回収用熱交換器19に接続される。この熱回収用熱交換器19には、排気ダクト27及び図示しないドレン水配管が接続される。
【0049】
また、上記貯湯タンク1は、廃熱回収用水経路35を介して前記熱回収用熱交換器33と、前記熱回収用熱交換器19と順次接続されている。また、この貯湯タンク1には、給湯用の温水配管28が接続されている。
【0050】
以上の構成により、燃料電池システムSの運転が開始されると、原料供給源1から原料ガスが、前記脱硫器に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器を経た原料ガスは、改質装置4に供給され、上記実施例と同様に改質され、水素リッチガスとされる。
【0051】
改質装置4を経た後の水素がガス管17を経て前記水タンクに入り、そこで加湿された後、燃料電池6のアノードに燃料ガスとして供給される。他方、空気ポンプ23から熱回収用熱交換器33を介して前記水タンクに供給された空気は、そこで加湿され、燃料電池6のカソードに供給される。これにより、アノードに供給された水素と、カソードに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生すると共に、固体高分子電解質膜を湿潤状態とする。
【0052】
また、燃料電池6のカソードから配管26に導出された空気は、燃料電池6の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク1の水が廃熱回収用水経路35を介して循環する熱回収用熱交換器19で熱回収された後、排気ダクト27を通じて外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器19での熱交換によって、貯湯タンク1の水が温度上昇する。
【0053】
ここで、かかる実施例では、廃熱回収用水経路35に熱回収用熱交換器33が設けられているため、上記貯湯タンク1から熱回収用水経路35内に流出する湯水は、熱回収用熱交換器33に配管32を介して導入される空気と熱交換する。そのため、貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の水温が例えば均一に+60℃とされた場合であっても、熱回収用熱交換器33において、熱回収用水経路35内の湯水は、例えば、+20乃至+30℃にまで冷却された状態で、燃料電池6の発熱により加熱される熱回収用熱交換器19に流入することができるようになる。
【0054】
そのため、上述した如く貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の温度が著しく上昇した場合であっても、熱回収用熱交換器33において、当該貯湯タンク1の熱を空気と熱交換することにより、燃料電池システムSの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0055】
また、熱回収用熱交換器33において、熱交換される空気は、貯湯タンク1から流出する熱にて例えば+30℃程度にまで予熱した後、配管34を介して燃料電池6のカソードに供給することができる。そのため、空気を予熱した状態で配管34に設けられる前記水タンクに供給した後、燃料電池6に送出することができるため、水タンクにおいて、加熱するエネルギー量を減少させることができ、、燃料電池システムSの効率を向上させることができるようになる。
【0056】
尚、図3において貯湯タンク1と、熱回収用熱交換器33とは、別々に記載しているが、熱回収用熱交換器33を貯湯タンク1の下部に一体に設けてもよい。この場合には、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムSのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0057】
次に、図4を参照して本発明の燃料電池システムSのもう一つの他の実施例について説明する。尚、図1と同一又は同様の符号が付されたものは、同一若しくは同様の効果を奏するものであるものとする。
【0058】
図4における燃料電池システムSは、図1に示す燃料電池システムSと同様に、原料供給源3と、脱硫器と、改質装置4と、固体高分子形の燃料電池6を備えた発電装置Tを備え、係る発電装置Tは、熱回収装置とは別に、図示しない外装ケース内に配設される。そして、原料供給源3からはガス管7が延出され、このガス管7には前記脱硫器が接続されると共に、このガス管7からは上記実施例と同様にガス管8が分岐し、このガス管8は、改質装置4(改質器)のバーナ9に接続されている。脱硫器はガス管を介して改質装置4の改質器に接続される。ガス管7には、図示しない昇圧ポンプが設けられた配管11を介して例えばイオン交換樹脂により構成される水処理装置12が接続される。尚、この配管11は、ガス管7ではなく、改質装置4に接続されていてもよいものとする。
【0059】
ここで、水処理装置12は、水道管13及び配管36を通じて供給される市水を純水に処理する装置であり、配管36、11及び7を介してプロセス水が改質装置4に供給される。また、この水処理装置12には、図示しない配管が接続されており、これら配管により、燃料電池6内のアノード及びカソードに供給されるそれぞれの燃料ガス及び空気(酸化剤ガス)を加湿するための水タンクが接続されているものとする。更に、水道管13は、貯湯タンク1にも接続されており、該貯湯タンク1に市水が供給される。
【0060】
そして、改質装置4のCO除去器は、前記水タンクが設けられるガス管17を介して燃料電池6のアノードに接続される。このアノードは、配管18を介して改質装置4を加熱するバーナ9に接続されている。尚、前記水タンクは、熱回収用熱交換器19が介設された配管21を介して前記燃料電池6の冷却部に接続され、上記実施例と同様に、燃料電池6を冷却するものとする。
【0061】
他方、空気供給源22は、空気ポンプ23が設けられる配管24により、アノードに接続される水タンクとは別の図示しない水タンクに接続され、当該水タンクは、図示しない配管を介して燃料電池6のカソードに接続される。このカソードは、配管26を介して前記熱回収用熱交換器19に接続される。この熱回収用熱交換器19には、排気ダクト27及び図示しないドレン水配管が接続され、該排気ダクト27は、これら改質装置4、燃料電池6、空気ポンプ23及び熱回収用熱交換器19などを備えた発電装置Tの前記外装ケースに予め形成された排気口37に接続される。
【0062】
また、上記貯湯タンク1は、廃熱回収用水経路38を介して例えばフィンチューブやプレートフィンなどから構成される熱回収用熱交換器39と、前記熱回収用熱交換器19と順次接続されている。熱回収用熱交換器39の近傍には、該熱回収用熱交換器39を冷却するための冷却用送風機41が設けられ、この冷却用送風機41により吐出される空気は、前記外装ケースの吸気口42に送風される。また、この貯湯タンク1には、給湯用の温水配管28が接続されている。
【0063】
以上の構成により、燃料電池システムSの運転が開始されると、原料供給源3から原料ガスが、前記脱硫器に供給される。ここで原料ガスから硫黄成分が除去される。この脱硫器を経た原料ガスは、改質装置4に供給され、上記実施例と同様に改質され、水素ガスとされる。
【0064】
改質装置4を経た後の水素がガス管17を経て前記水タンクに入り、そこで加湿された後、燃料電池6のアノードに燃料ガスとして供給される。他方、空気ポンプ23から配管24を介して前記水タンクに供給された空気は、そこで加湿され、燃料電池6のカソードに供給される。これにより、アノードに供給された水素と、カソードに供給された空気中に含まれる酸素とが反応し、電力が発生すると共に、固体高分子電解質膜を湿潤状態とする。
【0065】
また、燃料電池6のカソードから配管26に導出された空気は、燃料電池6の発熱反応によって温度上昇しており、この温度上昇した排気空気は、上記貯湯タンク1の水が廃熱回収用水経路38を介して循環する熱回収用熱交換器19で熱回収された後、排気ダクト27を通じて外装ケースの排気口37より外部に放出される。このとき、熱回収用熱交換器19での熱交換によって、貯湯タンク1の水が温度上昇する。
【0066】
ここで、かかる実施例では、廃熱回収用水経路38に熱回収用熱交換器39が設けられているため、上記貯湯タンク1から熱回収用水経路38内に流出する湯水は、熱回収用熱交換器39の冷却用送風機41により強制空冷される。そのため、貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の水温が例えば均一に+60℃とされた場合であっても、熱回収用熱交換器39において、熱回収用水経路38内の湯水は、例えば、+20乃至+30℃にまで冷却された状態で、燃料電池6の発熱により加熱される熱回収用熱交換器19に流入することができるようになる。
【0067】
そのため、上述した如く貯湯タンク1の湯水が使用されず、貯湯タンク1内の温度が著しく上昇した場合であっても、熱回収用熱交換器39において、強制空冷されるため、燃料電池システムSの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0068】
また、熱回収用熱交換器39において、強制空冷に用いられた空気は、貯湯タンク1から流出する熱にて例えば+30℃程度にまで予熱した後、外装ケースの吸気口42に吐出されることから、当該予熱された空気は、燃料電池6のカソードに供給される空気やバーナ9に用いられる空気として利用することができる。そのため、発電装置T内においてシステムSを稼働するのに用いられるエネルギー量を減少させることができ、燃料電池システムS全体の熱効率を向上させることができるようになる。
【0069】
尚、図4において発電装置Tと、熱回収用熱交換器39とは、別々に記載しているが、熱回収用熱交換器39を発電装置Tと一体に設けてもよい。この場合には、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムSのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0070】
【発明の効果】
以上詳述した如く本発明によれば、バーナを用いて原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、貯湯槽を出た廃熱回収用水経路内を流れる温水を冷却する熱交換器と、当該熱交換器を空冷する送風機とを備え、当該熱交換器を経た該送風機からの空気を、改質装置のバーナ、若しくは、該バーナ及び燃料電池のカソードに供給するので、例えば貯湯槽の湯水が使用されず、貯湯槽内の温度が著しく上昇した場合であっても、送風機により熱交換器を強制空冷することにより、システムの熱バランスを崩すことなく、安定した運転を行うことができるようになる。
【0071】
また、熱回収用熱交換器において強制冷却に用いられた空気は、貯湯槽の熱にて予熱された後、発電装置に供給されるため、システムの効率向上を図ることができるようになる。
【0072】
請求項2の発明によれば、上記発明において、熱交換器を発電装置と一体に設けたので、設置スペースの縮小を図ることができるようになり、システムのコンパクト化を実現することができるようになる。
【0073】
請求項3の発明によれば、上記各発明において、発電装置は、吸気口を備えた外装ケース内に配設され、当該吸気口に熱交換器を経た送風機からの空気を吐出するので、より効率的に、熱交換器にて予熱された空気を燃料電池のカソードに供給される空気やバーナに用いられる空気として利用することができる。
【0074】
そのため、発電装置内においてシステムを稼働するのに用いられるエネルギー量を減少させることができ、より一層、燃料電池システム全体の熱効率を向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の燃料電池システムの概略構成図である。
【図2】 図1と一部異なる燃料電池システムの概略構成図である。
【図3】 他の実施例の燃料電池システムの概略構成図である。
【図4】 もう一つの他の実施例の燃料電池システムの概略構成図である。
【符号の説明】
S 燃料電池システム
T 発電装置
1 貯湯タンク(貯湯槽)
2、35、38 廃熱回収用水経路
4 改質装置
6 燃料電池
12 水処理装置
16、19、33、39 熱回収用熱交換器
37 排気口
41 冷却用送風機
42 吸気口
Claims (3)
- バーナを用いて原料ガスを改質する改質装置と該改質装置によって改質された水素と空気中の酸素とを反応させて発電する燃料電池とを備えた発電装置と、該発電装置内の廃熱を回収する廃熱回収用水経路と、該廃熱回収用水経路を流れる温水を貯留する貯湯槽とを備えた燃料電池システムにおいて、
前記貯湯槽を出た前記廃熱回収用水経路内を流れる温水を冷却する熱交換器と、当該熱交換器を空冷する送風機とを備え、当該熱交換器を経た該送風機からの空気を、前記改質装置の前記バーナ、若しくは、該バーナ及び前記燃料電池のカソードに供給することを特徴とする燃料電池システム。 - 前記熱交換器を前記発電装置と一体に設けたことを特徴とする請求項1の燃料電池システム。
- 前記発電装置は吸気口を備えた外装ケース内に配設され、当該吸気口に前記熱交換器を経た前記送風機からの空気を吐出することを特徴とする請求項1及び請求項2の燃料電池システム。
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