JP4153910B2 - 燃料電池システム - Google Patents

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Description

この発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムに係り、詳しくは、システム内で発生する熱を処理するための熱処理回路を備えた燃料電池システムに関する。
従来、燃料電池システムでは、一般的には、冷媒循環経路に冷媒を循環させて熱回収を行うことで、貯湯槽に湯を貯えるようになっている。例えば、下記の特許文献1には、貯湯槽内の湯(水)を貯湯槽循環回路にて直接循環させることで、貯湯槽に湯を貯えて熱回収を行う熱処理回路が記載されている。図6に、この燃料電池システムの熱処理回路の構成を概略図により示す。この燃料電池システムは、燃料電池31で発生する熱を回収するための燃料電池循環回路32と、燃料電池循環回路32で回収される熱を利用するための貯湯槽循環回路33とを備える。冷却水ポンプ34の動作により燃料電池循環回路32を冷却水が流れることで、燃料電池31を通過した冷却水が冷却水熱交換器35で熱交換され、必要に応じてバイパス回路36の冷却器37を流れることで冷やされ、冷却水ポンプ34を介して再び燃料電池31に戻るようになっている。また、貯湯槽循環回路33の湯ポンプ38が動作することで、貯湯槽39の底部から流れ出た湯は、湯ポンプ38を経由して凝縮器として機能する各種熱交換器(アノードオフガス熱交換器、カソードオフガス熱交換器、燃焼排ガス熱交換器を含む。)40を流れることで熱交換され、更に冷却水熱交換器35を流れることで熱交換されて再び貯湯槽39の上部に戻るようになっている。このように燃料電池循環回路32及び貯湯槽循環回路33を冷却水や湯が流れることで、燃料電池31で発生する熱が回収されて貯湯槽39に湯として貯えられるようになっている。
特開2003−257457号公報(第4−7頁、図1)
ところが、特許文献1に記載の燃料電池システムでは、貯湯槽循環回路33において貯湯槽39内の圧力(一般には上水道の供給圧力)が同回路33に直接かかることから、各種熱交換器40の耐圧を比較的大きくする必要があり、熱処理回路としての構成が複雑化するおそれがあった。また、貯湯槽循環回路33は、各種熱交換器40等での溶出物を考慮する必要があり、溶出物を捕捉、除去するために、熱処理回路としての構成が複雑化するおそれがあった。更に、貯湯槽39全体の湯温度が高くなって貯湯槽39の底部の湯が高温になると、各種熱交換器40を通過する湯温度が高くなり、各種熱交換器40の冷却性能が低下するおそれがあった。一方、発電前における燃料電池暖機時には、各種熱交換器40を冷却するために、貯湯槽39の湯を循環させることになるが、暖機時には、冷却水熱交換器35での熱回収が少ないことから、湯があまり暖められず、貯湯槽39の上部へ戻る湯の温度が比較的低くなり、貯湯槽39内の湯温度のバランスが崩れるおそれがあった。
この発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、熱処理回路としての構成をあまり複雑化することなく効率的な熱交換と熱回収を可能とした燃料電池システムを提供することにある。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料ガスを生成する改質器と、燃料電池の熱により加熱される湯を貯湯する貯湯槽と、貯湯槽の湯を循環させる貯湯槽循環回路と、燃料電池の冷媒を循環させる燃料電池循環回路と、燃料電池循環回路に設けられ冷媒を冷却する冷却器と、燃料電池循環回路に設けられ、燃料電池から排出されるガス、改質器から排出されるガスの少なくとも一方の熱を回収する凝縮器と、貯湯槽循環回路と燃料電池循環回路との間で熱交換を行う熱交換器と、燃料電池を通過した冷媒を、冷却器、凝縮器及び熱交換器を経由せずに燃料電池循環回路を循環させるバイパス回路と、バイパス回路に流れる冷媒の流量を調整する調整手段とを備え、燃料電池循環回路は、凝縮器、燃料電池、調整手段、熱交換器及び冷却器の順に冷媒が流れることを趣旨とする。
上記発明の構成によれば、燃料電池循環回路に燃料電池から排出されるガスの熱を回収する凝縮器が設けられるので、この凝縮器を貯湯槽循環回路に設ける必要がない。このため、貯湯槽循環回路に凝縮器を設けない構成では、次のような作用が得られる。すなわち、貯湯槽内の圧力(一般には上水道の供給圧力)がこの凝縮器に直接かかることがなく、凝縮器の耐圧を必要以上に大きくする必要がない。また、貯湯槽循環回路において凝縮器からの溶出物を考慮する必要がない。更に、貯湯槽全体の湯温度が高くなっても高温の湯が凝縮器を流れることがないので、凝縮器としての冷却性能が低下することがない。加えて、燃料電池暖機時には、凝縮器を冷却するために貯湯槽循環回路に貯湯槽の湯を循環させる必要がなく、熱交換器であまり暖められない湯が貯湯槽へ戻ることがない。一方、燃料電池循環回路は、凝縮器、燃料電池、調整手段、熱交換器及び冷却器の順に冷媒が流れることから、燃料電池暖機時に、調整手段により、燃料電池を通過した冷媒の流れをバイパス回路を通過する流れが低減するように調整することにより、冷却器で冷却した冷媒が凝縮器を流れることから、燃料電池から排出されるガスが凝縮器で冷却され、凝縮器で得られた熱が燃料電池の暖機に使われることになる。また、燃料電池暖機後に、調整手段により、燃料電池を通過した冷媒の流れをバイパス回路と燃料電池循環回路を通過する流れに調整することにより、凝縮器には、熱交換器と冷却器で冷却された冷媒が適度に流れ、燃料電池には、その凝縮器から流れ出た冷媒と、必要であればバイパス回路を流れた冷媒とが混合して流れるので、冷媒の温度が必要以上に低下することがない。
上記目的を達成するために、請求項2に記載の発明は、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、燃料ガスを生成する改質器と、燃料電池の熱により加熱される湯を貯湯する貯湯槽と、貯湯槽の湯を循環させる貯湯槽循環回路と、燃料電池の冷媒を循環させる燃料電池循環回路と、燃料電池循環回路に設けられ冷媒を冷却する冷却器と、燃料電池循環回路に設けられ、燃料電池から排出されるガスの熱を回収する凝縮器と、貯湯槽循環回路と燃料電池循環回路との間で熱交換を行う熱交換器と、燃料電池を通過した冷媒を、冷却器、凝縮器及び熱交換器を経由せずに燃料電池循環回路を循環させるバイパス回路と、バイパス回路に流れる冷媒の流量を調整する調整手段とを備え、燃料電池循環回路は、凝縮器、燃料電池、調整手段、熱交換器及び冷却器の順に冷媒が流れることを趣旨とする。
上記発明の構成によれば、請求項1に記載の発明の構成と比べ、改質器から排出されるガスの熱を回収する凝縮器が特定されていないだけであり、請求項1に記載の発明とほぼ同様の作用が得られる。
請求項1又は2に記載の発明によれば、熱処理回路としての構成を簡略化しつつ効率的な熱交換と熱回収を行うことができるという効果を発揮する。
以下、本発明の燃料電池システムを具体化した一実施形態につき図面を参照して詳細に説明する。
図1に、この実施形態における燃料電池システムを概略構成図により示す。この燃料電池システムは、燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池1と、燃料ガスを生成する燃料ガス改質器(以下「改質器」と言う。)及びこのシステム内で発生する熱を処理するための熱処理回路とを備える。燃料電池1には、改質器及び酸化ガス供給装置(共に図示略)から、燃料ガスと酸化ガスが供給される。燃料電池1は、単セルを複数積層してなる固体高分子型の燃料電池として構成される。また、改質器は、天然ガス等の燃料を水素に改質し、燃料電池1へ燃料ガスを供給する装置である。
熱処理回路は、貯湯槽循環回路2と、燃料電池循環回路3とを備える。貯湯槽循環回路2は、燃料電池1の熱により加熱される湯を貯湯する貯湯槽4を備え、貯湯槽4の湯を直接循環させるものであり、配管5と、その配管5の途中にそれぞれ設けられた冷却水熱交換器6及び湯ポンプ7とを備える。冷却水熱交換器6は、貯湯槽循環回路2と燃料電池循環回路3との間で熱交換を行うためのものであり、本発明の熱交換器に相当する。湯ポンプ7は、貯湯槽循環回路2における湯に流れを付与するためのものである。湯ポンプ7は、電動式ポンプにより構成される。
燃料電池循環回路3は、燃料電池1等を冷却するための冷媒としての冷却水を直接循環させるものであり、燃料電池1の他に、配管11と、その配管11の途中にそれぞれ設けられた冷却水熱交換器6、冷却器12、第1冷却水ポンプ13、各種熱交換器14、バイパス回路15、三方弁16及び及び第2冷却水ポンプ17とを備える。冷却水熱交換器6は、燃料電池循環回路3を流れる冷却水と貯湯槽循環回路2を流れる湯との間で熱交換するものである。冷却器12は、燃料電池循環回路3を流れる冷却水を冷却するものである。第1冷却水ポンプ13は、燃料電池循環回路3の冷却水に流れを付与するものである。第1冷却水ポンプ13は、電動式ポンプにより構成される。各種熱交換器14は、燃料電池1及び改質器から排出されるガス等の熱を回収する凝縮器として機能するものであり、この実施形態では、アノードオフガス熱交換器、カソードオフガス熱交換器及び燃焼排ガス熱交換器等の複数の熱交換器を含む(便宜上、一つの四角枠で示される。)。バイパス回路15は、燃料電池1を通過した冷却水を、冷却水熱交換器6、冷却器12、第1冷却水ポンプ13及び各種熱交換器14を経由せずに燃料電池循環回路3を循環させるものである。三方弁16は、燃料電池1を通過した冷却水の流れをバイパス回路15を通過する流れに切り替えるためのものであり、切替手段に相当する。三方弁16は電動式弁により構成され、オンされることにより、燃料電池1を通過した冷却水の流れの一部をバイパス回路15へ流すように切り替えられ、オフされることにより、バイパス回路15への冷却水の流れを遮断するようになっている。第2冷却水ポンプ17は、バイパス回路15の冷却水に流れを付与するものである。第2冷却水ポンプ15は、逆流防止機能を備えている。第2冷却水ポンプ17は、電動式ポンプにより構成される。この実施形態において、上記した三方弁16、第1及び第2の冷却水ポンプ13,17は、燃料電池1を通過した冷却水の流れをバイパス回路15を通過する流れに調整するための本発明の調整手段に相当する。そして、この実施形態において、燃料電池循環回路3は、各種熱交換器14、燃料電池1、三方弁16、冷却水熱交換器6及び冷却器12の順に冷却水が流れるように各機器14,1,16,6,12が配管11に配置される。
上記した熱処理回路は、燃料電池1の運転に応じて制御される。そのために、この熱処理回路は、制御装置21を備える。燃料電池1には、燃料電池1の内部温度を測定する燃料電池温度センサ22が設けられる。また、改質器には、改質器内部の触媒温度を測定する触媒温度センサ(図示略)が設けられる。制御装置21には、燃料電池温度センサ22、触媒温度センサ、各ポンプ7、13,17及び三方弁16が電気的に接続される。制御装置21は、熱処理制御を実行するプログラムを格納し、そのプログラムに基づいて各ポンプ7,13,17及び三方弁16を制御するようになっている。
図2に、この熱処理制御の内容をフローチャートにより示す。制御装置21は、このルーチンを所定期間毎に周期的に実行する。
処理がこのルーチンへ移行すると、ステップ100で、制御装置21は、燃料電池温度センサ22及び改質器の触媒温度センサで検出される各温度を読み込む。
次に、ステップ110で、制御装置21は、読み込まれた各温度に基づき、燃料電池1及び改質器の暖機完了判定を行う。この実施形態では、燃料電池1の暖機完了判定は、燃料電池温度センサ22で検出される燃料電池1の内部温度が所定値以上になることで行う。また、改質器の暖機完了判定は、触媒温度センサで検出される触媒温度が所定値以上となることで行う。従って、このステップ110の判断結果が否定となり、燃料電池1及び改質器の暖機が完了していない場合、制御装置21は、一連のステップ120〜123の処理を実行する。
すなわち、ステップ120で、制御装置21は、湯ポンプ7をオフする。これにより、貯湯槽循環回路2における湯の流れが遮断され、湯の流量が「0L/min」となる。
次に、ステップ121で、制御装置21は、第1冷却水ポンプ13をオンし、冷却水流量が「0.5L/min」となるように第1冷媒ポンプ13を制御する。
次に、制御装置21は、ステップ122で、第2冷却水ポンプ17をオフし、ステップ123で、三方弁16をオフする。これにより、バイパス回路15における冷却水の流れが遮断され、その流量が「0L/min」となる。その後、制御装置21は、最初の処理に戻る。
一方、ステップ110の判断結果が肯定となり、燃料電池1の暖機が完了した場合、制御装置21は一連のステップ130〜133の処理を実行する。
すなわち、ステップ130で、制御装置21は、湯ポンプ7をオンし、湯の流量が「0.5L/min」となるように湯ポンプ7を制御する。
次に、ステップ131で、制御装置21は、第1冷却水ポンプ13をオンし、三方弁16から各種熱交換器14までの間の燃料電池循環回路3において、冷却水流量が「0.5L/min」となるように第1冷媒ポンプ13を制御する。
次に、制御装置21は、ステップ132で、第2冷却水ポンプ17をオンし、バイパス回路15における冷却水流量が「2.0L/min」となるように第2冷媒ポンプ17を制御する。
次に、ステップ133で、制御装置21は、三方弁16をオンとする。これにより、燃料電池1に「2.5L/min」の冷却水を流すと共に、燃料電池1を通過した冷却水の一部を三方弁16から分岐させて、バイパス回路15に「2.0L/min」の冷却水を流し、冷却水熱交換器6、冷却器12及び各種熱交換器14には、「0.5L/min」の冷却水を流す。その後、制御装置21は、最初の処理に戻る。
すなわち、制御装置21は、燃料電池1の暖機時には、バイパス回路15への冷却水の流れを遮断するように三方弁16、第1及び第2の冷却水ポンプ13,17を制御すると共に、貯湯槽循環回路2における湯の循環を停止させるように湯ポンプ7を制御する。換言すると、三方弁16、第1及び第2の冷却水ポンプ13,17は、燃料電池1の暖機時には、バイパス回路15への冷却水の流れを低減させるように動作するようになっている。この制御を実行する制御装置21は、暖機時制御手段に相当する。また、制御装置21は、燃料電池1の暖機後には、バイパス回路15及び燃料電池循環回路3に冷却水が流れるように三方弁16、第1及び第2の冷却水ポンプ3,17を制御すると共に、貯湯槽循環回路2を湯が循環するように湯ポンプ7を制御する。この制御を実行する制御装置21は、暖機後制御手段に相当する。
以上説明したこの実施形態の燃料電池システムによれば、燃料電池1の暖機時には、制御装置21により、バイパス回路15への冷却水の流れを遮断するように三方弁16、第1及び第2の冷却水ポンプ13,17が制御され、貯湯槽循環回路2における湯の循環を停止させるために湯ポンプ7が制御される。これにより、燃料電池循環回路3のみを各種熱交換器14、燃料電池1、三方弁16、冷却水熱交換器6及び冷却器12の順に冷却水が流れることになる。すなわち、図3に示すように、燃料電池循環回路3のみを「0.5L/min」の冷却水が流れることになる。ここで、燃料電池1から流れ出た「50℃」の冷却水は、冷却水熱交換器6を「50℃」で通過した後、冷却器12で冷却されて「30℃」となり、各種熱交換器14を通過して「60℃」となって燃料電池1へ再び戻る。従って、燃料電池1から排出されるガスが各種熱交換器14で効率良く冷却され、各種熱交換器14で得られた熱が燃料電池1の暖機に効率良く使われることになる。この意味で、効率的な熱交換と熱回収を行うことができる。ここで、第2冷却水ポンプ17は、逆流防止機能を有することから、燃料電池循環回路3を流れる冷却水がバイパス回路15を逆流することはない。図3より明らかなように、貯湯槽4の湯を循環させずに、燃料電池循環回路3のみに冷却水を流すことで各種熱交換器14を冷却できることから、各種熱交換器14で得られる熱を燃料電池1の暖機に有効に使用できることが分かる。
一方、燃料電池1の暖機後には、制御装置21により、バイパス回路15及び燃料電池循環回路3に冷却水が流れるように三方弁16、第1及び第2の冷却水ポンプ13,17が制御され、貯湯槽循環回路3を湯が循環するように湯ポンプ7が制御される。すなわち、図4に示すように、燃料電池循環回路3とバイパス回路15には合わせて「2.5L/min」の冷却水が流れ、貯湯槽循環回路3には、「0.5L/min」の湯が流れることになる。ここで、燃料電池1から流れ出た「75℃」の冷却水は、そのうちの「2.0L/min」がバイパス回路15を「75℃」で流れ、残りの「0.5L/min」が冷却水熱交換器6へ向かって燃料電池循環回路3を流れる。燃料電池循環回路3を流れる冷却水は、冷却水熱交換器6で熱交換されて「25℃」となり、冷却器12を「25℃」で通過し、各種熱交換器14を通過して「50℃」となり、バイパス回路15を流れる冷却水と合流して「70℃」となって燃料電池1へ再び戻る。これにより、各種熱交換器14には、冷却水熱交換器6と冷却器12で冷却された冷却水が適度に流れ、燃料電池1から排出されるガスが効率良く冷やされる。また、燃料電池1には、各種熱交換器14から流れ出た冷却水とバイパス回路15を流れた冷却水とが混合して流れるので、冷却水の温度が必要以上に低下することがない。加えて、燃料電池1から流れ出た冷却水が冷却水熱交換器6を流れるので、貯湯槽循環回路2を流れる湯が冷却水熱交換器6にて効率良く暖められる。このため、効率的な熱交換と熱回収を行うことができる。ここで、図4より明らかなように、バイパス回路15に冷却水の一部を流すことで、冷却水熱交換器6及び各種熱交換器14には、最適な流量と温度の冷却水を流すことができることが分かる。
また、この実施形態の燃料電池システムによれば、各種熱交換器14が燃料電池循環回路3に設けられ、貯湯槽循環回路2には設けられていないので、次のような作用効果が得られる。すなわち、貯湯槽4内の圧力(一般には上水道の供給圧力)が各種熱交換器14に直接かかることがなく、各種熱交換器14の耐圧を必要以上に大きくする必要がない。このため、熱処理回路に係る構成の簡略化を図ることができる。また、貯湯槽循環回路2において各種熱交換器14からの溶出物を考慮する必要がない。すなわち、溶出物を捕捉、除去するための構成を省略することができる。この意味でも、熱処理回路に係る構成の簡略化を図ることができる。更に、貯湯槽4の全体の湯温度が比較的高くなっても、その高温の湯が各種熱交換器14を流れることがないので、各種熱交換器14としての冷却性能が低下することがない。この意味で、効率的な熱交換を行うことができる。加えて、燃料電池1の暖機時には、各種熱交換器14を冷却するために燃料電池循環回路3にて冷却水を循環させて各種熱交換器14に冷却水を流し、貯湯槽循環回路2にて貯湯槽4の湯を循環させないので、冷却水熱交換器6であまり暖められない湯が貯湯槽4に戻ることがない。このため、あまり暖められない湯が貯湯槽4の上部へ戻ることがなく、貯湯槽4内の湯温度のバランスが崩れることがない。この意味で、効率的な熱回収を行うことができる。
尚、この発明は前記実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱することのない範囲で以下のように実施することができる。
(1)前記実施形態では、燃料電池1の暖機時に、バイパス回路15を流れる冷却水がゼロとなるように設定したが、暖機時にも、暖機後よりも少ない冷却水がバイパス回路15を流れるように構成してもよい。
(2)前記実施形態では、三方弁16を使用してバイパス回路15への冷却水の流れを調整するように構成したが、三方弁16を省略して第1及び第2の冷却水ポンプ13,17の制御のみによってバイパス回路15への冷却水の流れを調整するようにしてもよい。
(3)前記実施形態では、図1に示すように、燃料電池循環回路3において燃料電池1の出口直後に三方弁16を設け、冷却器12と各種熱交換器14との間に第1冷却水ポンプ13を設けると共にバイパス回路15上に第2冷却水ポンプ17を設けたが、図5に示すように、燃料電池循環回路3において上記した三方弁16を三方比例弁18に置き換え、上記した第1冷却水ポンプ13及び第2冷却水ポンプ17を省略し、燃料電池1と三方比例弁18との間に一つの冷却水ポンプ19を設けてもよい。この場合、三方比例弁18及び冷却水ポンプ19は、本発明における調整手段に相当する。このように構成することにより、前記実施形態の構成に対して冷却水ポンプの数を減らすことができる。
燃料電池システムを示す概略構成図。 熱処理制御のプログラムを示すフローチャート。 燃料電池システムの作用を説明する説明図。 燃料電池システムの作用を説明する説明図。 燃料電池システムを示す概略構成図。 従来の燃料電池システムを示す概略構成図。
符号の説明
1 燃料電池
2 貯湯槽循環回路
3 燃料電池循環回路
4 貯湯槽
6 冷却水熱交換器
12 冷却器
13 第1冷却水ポンプ(調整手段)
14 各種熱交換器(凝縮器)
15 バイパス回路
16 三方弁(調整手段)
17 第2冷却水ポンプ(調整手段)
18 三方比例弁(調整手段)
19 冷却水ポンプ(調整手段))

Claims (2)

  1. 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料ガスを生成する改質器と、
    前記燃料電池の熱により加熱される湯を貯湯する貯湯槽と、
    前記貯湯槽の湯を循環させる貯湯槽循環回路と、
    前記燃料電池の冷媒を循環させる燃料電池循環回路と、
    前記燃料電池循環回路に設けられ前記冷媒を冷却する冷却器と、
    前記燃料電池循環回路に設けられ、前記燃料電池から排出されるガス、前記改質器から排出されるガスの少なくとも一方の熱を回収する凝縮器と、
    前記貯湯槽循環回路と前記燃料電池循環回路との間で熱交換を行う熱交換器と、
    前記燃料電池を通過した前記冷媒を、前記冷却器、前記凝縮器及び前記熱交換器を経由せずに前記燃料電池循環回路を循環させるバイパス回路と、
    前記バイパス回路に流れる冷媒の流量を調整する調整手段と
    を備え、前記燃料電池循環回路は、前記凝縮器、前記燃料電池、前記調整手段、前記熱交換器及び前記冷却器の順に前記冷媒が流れることを特徴とする燃料電池システム。
  2. 燃料ガスと酸化ガスの供給を受けて発電する燃料電池を備えた燃料電池システムであって、
    前記燃料ガスを生成する改質器と、
    前記燃料電池の熱により加熱される湯を貯湯する貯湯槽と、
    前記貯湯槽の湯を循環させる貯湯槽循環回路と、
    前記燃料電池の冷媒を循環させる燃料電池循環回路と、
    前記燃料電池循環回路に設けられ前記冷媒を冷却する冷却器と、
    前記燃料電池循環回路に設けられ、前記燃料電池から排出されるガスの熱を回収する凝縮器と、
    前記貯湯槽循環回路と前記燃料電池循環回路との間で熱交換を行う熱交換器と、
    前記燃料電池を通過した前記冷媒を、前記冷却器、前記凝縮器及び前記熱交換器を経由せずに前記燃料電池循環回路を循環させるバイパス回路と、
    前記バイパス回路に流れる冷媒の流量を調整する調整手段と
    を備え、前記燃料電池循環回路は、前記凝縮器、前記燃料電池、前記調整手段、前記熱交換器及び前記冷却器の順に前記冷媒が流れることを特徴とする燃料電池システム。
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