JP4440676B2 - 燃料電池発電給湯システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池を主電源及び主熱源とする発電給湯システムに関し、特に家庭用燃料電池発電給湯システムの好適な排熱回収系に関する。

燃料電池は、家庭用のように一部時間帯により高い需要電力が必要であるが、平均的には需要電力は低い場合は、効率的な運転をするためには、電力需要に追随して部分負荷運転するのが経済的である。このような部分負荷追従運転状況の下では、排熱回収系の熱交換器での熱交換量が変化する。さらに、１００℃以下の温度で運転され、かつ、燃料電池に出入りするガスの水蒸気濃度が高いため、凝縮水が発生し、この凝縮水量も変動する。この凝縮水の発生が燃料電池内で多すぎると水詰まり（フラッディング）を起こし燃料電池性能の低下を招く。

一方、燃料電池内で凝縮が少ないと凝縮熱が燃料電池に与えられずに部分負荷時に放熱量と拮抗し運転温度が低下して燃料電池性能の低下を招く。現状では、燃料電池内での凝縮を抑えるため、カソード空気は低加湿にし、燃料処理装置からのアノ―ドガスの温度を制御して燃料電池内で必要以上に水分が凝縮しないようにしている。この温度制御は、熱回収水との熱交換器でのアノ―ドガス出口温度を熱回収水の流量を変化させながら燃料電池の運転温度を参照して行っている。

上記システム構成におけるこの制御は、アノードガス温度を下げると燃料電池の温度も下がるため、簡単に言うと燃料電池からの放熱量が安定と不安定を分ける境界線になる。次の関係が燃料電池温度６０℃以上で収束すれば自立運転ができる。即ち、部分付加運転時に燃料電池の温度が下がっても、電気ヒータ等の他の熱源の助けなしに運転することができる。

アノードガス温度低下⇒燃料電池温度低下⇒アノードガス温度低下
しかし、上記の関係が収束しないと、次の燃料電池に流入する熱量の関係となり自立運転ができなくなる。

燃料電池発生熱量＋アノードガス熱量＋カソードガス熱量
＜燃料電池放熱量＋燃料電池冷却水熱量
この改善策として、燃料電池冷却水熱量を減少させ、かつ、可能であれば、アノードガス熱量及びカソードガス熱量を増加させるように熱交換器を統合し配置すると共にアノードガス制御がより直接的に作用するようにした。なお、これらの熱交換器のガス管路には、図示あるいは説明をしないが、凝縮水を自動的に除去するドレントラップが付属している。

なお、従来技術として特許文献２に多流体が一つの流体と熱交換する熱交換器を含む燃料電池発電システムに関する公知技術が開示されている。この中では、運転温度６５０℃前後の溶融炭酸塩型燃料電池のアノード排ガスから排熱を回収する手段として、複数の流体がアノード排ガスという単数の加熱流体の２流体間で熱交換する２流体熱交換器が複数直列に接続されて一つの熱交換器複合体を形成している。アノード排ガス以外は、被加熱流体として熱交換器を通過する。この目的は、燃料等の予熱に用いて排熱回収を行いつつアノード排ガス温度を６５０℃から冷却して改質器の燃焼器に投入するのに適した１００℃程度下げるためである。

このため、上記発明では、１００℃以下の潜熱利用も考慮していないし、同時にカソード排ガスからの潜熱回収（もちろん、１００℃以下）も考慮していない。また、複数の加熱流体が複数の被加熱流体に熱を与える構成も考慮されていない。ちなみに、固体高分子型燃料電池の場合、排熱の主要部分はカソード排ガス中の蒸気に潜熱として含まれるので、アノード排ガスの潜熱回収も重要であるが、カソード排ガスの排熱回収も併せてさらに重要である。上記溶融炭酸塩型と違い、運転温度が７０〜８０℃と低いので電気化学反応で発生した水（蒸気）は、カソードガス中に加えられる、すなわち、潜熱として蓄積される。このため、燃料電池内で凝縮しないとそのまま排出される。通常大型プラントでは利用価値の小さい温度の熱である。６０〜７０℃の熱としては、顕熱は無視できる程度であるが、潜熱を回収できれば排熱回収効率３０％ＬＨＶは確保できるので家庭用のコジェネシステムとしては重要な熱原であり、回収する必要がある。ここでＬＨＶとは燃焼時の化学反応で発生した水蒸気の潜熱を含めない熱量で、低発熱量の意味である。一般に家庭用がＬＨＶに該当する。

特開２００３−１８７８４３号公報

特開平１１−８６８８８号公報

家庭用燃料電池システムにおいて、高効率化のため部分負荷追従運転が行われる。このため、部分負荷状態でも燃料電池からの放熱量は、燃料電池の運転温度でほぼ決定され一定なので、部分負荷率が低下するほど熱自立運転が難しくなる。さらに、これに追い討ちをかけるのは、燃料電池内で凝縮水を減らすため燃料電池運転温度よりもアノードガス温度を下げなければならない。この温度差は、燃料電池温度が下がるほど飽和蒸気濃度差が小さくなるから、温度差を大きくしないと凝縮水発生が抑えられなくなる。

すなわち、アノードガス温度を下げなければならないから、燃料電池に与えるアノ−ドガスの熱が減り熱自立運転しにくくなるという課題がある。

本発明は、部分負荷追従運転を行う家庭用燃料電池発電給湯システムにおいて部分負荷時にもコンパクトで熱自立するシステムを提供することを目的とする。

部分負荷時に燃料電池に熱を加える手段として、燃料電池を貫流する燃料電池冷却水に熱回収水でアノード排ガス及びカソード排ガスの回収熱と燃料処理装置からのアノードガスからの回収熱を加えるように構成する。この手段として３流体以上の熱交換器を使用し制御性を良くして熱自立しやすい燃料電池発電給湯システムが提供できる。

従って本発明は、燃料電池と、燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する配管と、酸化剤ガスを燃料電池のカソードに供給する配管と、上記燃料ガスを製造する燃料処理装置と、燃料電池に供給される前の燃料ガス、電池冷却水及び熱回収水を熱交換する第１の熱交換器と、熱回収水系統において第１の熱交換器よりも上流にあって、燃料電池のアノード排ガス、熱回収水及び燃料電池に供給される前及び供給された後の酸化剤ガスを熱交換する第２の熱交換器とを有し、上記第１の熱交換器は給湯設備に接続可能に構成されていることを特徴とする燃料電池給湯システムを提供するものである。

本発明の燃料電池発電給湯システムは、多流体熱交換器を利用することにより部分負荷時にも制御性がよくコンパクトな上、部分負荷時にも熱自立運転できるという利点がある。

本発明の具体的構成例を説明すれば以下のとおりである。

上記第１の熱交換器及び第２の熱交換器において、いずれも３流体以上が供給されることが望ましい。また、上記第１の熱交換器及び第２の熱交換器が一体となって６流体以上が供給される熱交換器を設けることが、熱回収率を向上するためには望ましい。

本発明はまた、燃料電池と、燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する配管と、酸化剤ガスを燃料電池のカソードに供給する配管と、上記燃料ガスを製造する燃料処理装置と、燃料電池に供給される前の燃料ガス、電池冷却水、熱回収水、アノード排ガス、及び燃料電池に供給される前及び供給された後の酸化剤ガスを熱交換する交換器とを有し、上記熱交換器は給湯設備に接続可能に構成されている燃料電池の給湯システムを提供する。

上記第１の熱交換器は燃料処理装置から排出される燃焼排ガスと、燃料処理装置で製造されたアノードガスと、熱回収水と、燃料電池から流出する燃料電池冷却水との４流体、又は、燃料処理装置から排出される燃焼排ガスを除外した３流体により熱交換を行うことが好ましい。熱回収水系統と燃料電池冷却水系統のどちらか一方または両方の系統に該熱交換器をバイパスする管路に切替弁或いは分流する弁とを設けた燃料電池発電給湯システムが好ましい。

本発明によれば、燃料電池に流入するカソード空気と、燃料電池から流出するカソード排ガスと、燃料電池から流出するアノ―ド排ガスと、熱回収水との４流体、または、燃料電池に流入するカソード空気を除外した３流体で熱交換する燃料電池発電給湯システムが提供される。熱回収水と、燃料処理装置からの燃焼排ガスと、燃料電池に流入するカソード空気と、燃料電池から流出するカソード排ガスと、燃料電池から流出する燃料電池冷却水と、燃料処理装置で製造されるアノードガスと、燃料電池から排出されるアノード排ガスとの７流体、または、燃料処理装置からの燃焼排ガスと燃料電池に流入するカソード空気との両方またはどちらか一方を除外した６流体或いは５流体で熱交換する燃料電池発電による給湯システムが提供される。

燃料電池への流体出入口を燃料電池の一面に集めて熱交換器と燃料電池を熱的に一体化した燃料電池発電給湯システムが、コンパクト化、熱回収効率向上のために好ましい。

燃料電池冷却水と熱回収水との熱交換を燃料電池冷却水系統のタンクで行うことが好ましい。断熱材と熱交換器が一体化されていることが好ましい。

以下、本発明の実施例について図面を用いて説明するが、始めに本発明の概略を図５を用いて説明する。

図５において、燃料処理装置１００に対し、空気、水、燃料の混合物を管１０９、１１０より供給し、水素リッチガスを製造して第１の熱交換器１０１に送る．このガス温度は例えば１３９℃で、熱容量が大きい。熱交換して例えば６９℃になった水素リッチガスを管１１１を経て燃料電池１１２のアノード１０６に供給する。熱交換器１０１では水道水などの系統１０７から、第２の熱交換器１０２を経て第１の熱交換に送られる。ここで熱交換された水道水は例えば６５℃になって、管１０８を経て貯湯槽１１５に送られる。

また、燃料電池において発生する水や加湿のために加えられる水を回収水タンク１０３から燃料電池１１２の加湿部１０４を経て第１の熱交換器１０１に送り、ここで熱交換を行う。第１の熱交換器１０１では温度の高いアノードガスを利用した直接熱交換を行うので、十分に加温され、再び電池冷却水系統１１３により循環する。アノードガスは燃料電池１１２のアノード１０６から第２の熱交換器１０２を経て、再び管１１６から燃料処理装置に戻される。

一方、アノード１０５に供給されるアノードガスは空気供給管１１４から第２の熱交換器１０２を経て、燃料電池１１２のアノード１０５に供給される。ここで電気化学反応に使用された酸素を失ったカソードガスは再び第２の熱交換器１０２に戻され熱交換を行う。燃料電池のカソードから排出されるカソード排ガスは多量の熱を持っているので、第２の熱交換器で直接熱交換を行うため、有効に熱回収される。

（実施例１）
図１に、本発明の一実施例を示す。図１の構成について説明する。空気２と燃料３と戻りアノードガス７と水４とから水素を含有する改質ガス５（以後、アノードガスと称する）と燃焼排ガス６とを発生させる燃料処理装置１、空気２３とアノ―ドガス１０とから電気化学反応により電力と熱を発生させる燃料電池８（以後、ＦＣと称する）、ＦＣ８の温度を一定に保つためにタンク１５と３流体熱交換器１６−１とからなるＦＣ冷却系統２５、熱交換器１６−１と１６−２とバイパス１９と流量切替又は分流弁１４（以後、流量分流弁と称する）とからなる熱回収水系統２０、燃料処理装置１からのアノードガス５からとＦＣ冷却水１２からの熱を熱回収水１８に与える３流体熱交換器１６−１並びにＦＣ８からのアノ―ド排ガス１３とカソード排ガス１１から熱を取りカソード空気２１と熱回収水１７に熱を与える熱交換器１６−２から成る。

以上のように構成されたシステムでは、燃料処理装置１からのアノードガス５が熱交換器１６−１で熱回収水２７とＦＣ冷却水１２に熱を与える。このとき、ＦＣ冷却水１２の温度が熱回収水２７より高ければＦＣ冷却水１２の熱も熱回収水２７に与えられる。逆であれば、ＦＣ冷却水１２が熱回収水２７から熱を受け取り、ＦＣ８を加熱する方向に作用する。また、ＦＣ８を完全に加熱しなければならないときは、流量分流弁１４で熱回収水１８の流れをバイパス１９に分流して熱回収水２７による冷却を減少させて最終的には熱回収水を完全に熱交換器１６−１をバイパスさせてＦＣ８の加熱を図る。これにより、部分負荷時ＦＣ８の運転温度の低下を防止するとともに加熱できるようにした。

また、熱交換器１６−２では、ＦＣからのカソード排ガス１１とアノード排ガス１３の熱を取って空気２１及び熱回収水１７に与える。これらの排ガスは低温（７０℃近辺）ではあるが飽和濃度に近い水蒸気を含んでいるため熱量は多い。しかし、熱回収水１７だけでは、熱源であるＦＣ８の運転温度が７０℃前後なので温度の上限が物理的に抑えられるため熱を十分回収しきれない面があったがこの構成ではその熱を空気２１に与えることにより排熱回収向上を図った。

また、この構成により熱回収水１７の流量によりＦＣ冷却水９の流量を予め設定しておけば、アノ−ドガス１０の温度の制御が比較的容易に行うことができる。この理由は、アノードガス１０に比べて、ＦＣ冷却水９と熱回収水１７が十分熱容量が大きいため、この二つでアノード１０温度が支配されるためである。このような構成により、コンパクト化、部分負荷時の自立運転性、排熱回収効率及び制御性の高いシステムを提供できるという効果がある。

（実施例２）
図２に示すものは、実施例１のシステムの熱交換器１６−１と１６−２とを統合して一つの熱交換器１６−３にした点と燃焼排ガス６の熱も回収するようにした点が実施例１と異なる。但し、熱交換器１６−３内の配列は、温度の高いものから低いものと、温度制御精度が高いものを熱回収水２７に接触させて制御性と排熱回収効率を向上させるようにした。この場合、高い制御性を要するものは、ＦＣ８内でのセル電圧低下を防止するために重要なアノードガス１０の温度であり、このため、配列は、（１）燃焼排ガス６、（２）ＦＣ８からのアノード排ガス１３、（３）カソード排ガス１１、（４）ＦＣ冷却水１２、（５）アノードガス５、（６）熱回収水２７及び（７）カソード空気２１の順となる。

前述のように、熱交換器１６−３を内部配列すれば、ほぼ自然な温度分布が形成されて無理なく伝熱可能であり、また、制御手段である熱回収水２７で重要なアノードガス１０温度を、ＦＣ冷却水１２が介在することにより高温ガスからの時間変動を緩和してきちんと直接的に制御できる。また、実施例１よりも排熱回収効率が向上できるとともにコンパクト化ができる。このような構成によりコンパクトで排熱回収効率の高く制御性の優れたシステムを提供できるという効果がある。

（実施例３）
図３に示す燃料電池発電給湯システムは、実施例１のシステムの熱交換器１６−１と１６−２とを統合して一つの熱交換器１６−４にし、熱的にＦＣ８と一体にした点が実施例１と異なる。但し、熱交換器１６−４内の配列は、水当量（比熱×質量流量）の大きいものを中心にして外側に水当量の小さいものを、かつ、同じ程度の水当量であれば、温度の高いものを中心側に配列し、ＦＣ８の温度を一様にするとともに、熱回収水２７で温度制御しやすくした。このため、配列は、中心にＦＣ冷却水系統２０と熱回収水２０、その外側にアノードガス５、カソード排ガス２２、最も外側にアノード排ガス７とカソード用空気２１が来る。

前述のように、熱交換器１６−４を内部配列すれば、ＦＣ８を含めてほぼ一様な温度分布が形成され、また、制御手段である熱回収水２７で重要なアノードガス１０の温度を、ＦＣ８の熱容量により高温ガスからの時間変動を緩和してきちんと直接的に制御できる。逆に言えば、ＦＣ８には、熱回収水２７に吸収される前に熱が与えられるので、熱回収水２７流量を制御することにより部分負荷運転時にＦＣ８の運転温度を、熱交換器と燃料電池とを一体にしない場合よりも高く設定できる。このような構成によりコンパクトで排熱回収効率の高く制御性の優れたシステムを提供できるという効果がある。

（実施例４）
実施例４は、実施例３のシステムのうち、熱交換器１６−４から熱回収系２０を取り去り、その熱交換器１６−５として、その熱回収水系統２０でＦＣ冷却水系統２０のタンク１５に取り付けた熱交換器３０を通して制御するようにしたものである。

このようにすることにより、ＦＣ周りの熱容量を必要以上に大きくしないで熱回収水１７の流量で制御できるので実施例３に比べて部分負荷追従性を向上させることができるという効果がある。燃料電池システム以外にも排熱を効率よく回収除去しなければならないシステムにも利用できる。

従来は燃料電池に入るアノードガス温度を制御するのに、熱交換器を通った熱回収水によりアノードガスを冷却するため、間接的制御になっていた。そのため、要求される燃料電池運転温度と同等又はそれ以下の温度にすることが困難であった。しかし本発明の実施例によれば、燃料電池冷却水とアノードガスを１つの熱交換器で熱交換するので、直接的に制御することが出来、制御効率が向上するという効果がある。

又、現在、燃料電池本体よりも熱回収水の方に熱が移動し、その結果、燃料電池を３０％の部分負荷運転をすると、運転温度が下がり、運転が出来なくなるという問題があったが、本発明の実施例によれば、アノードガス、カソードガスの熱量を始め、熱容量の大きい流体から直接冷却水や貯湯水への熱伝達ができるので、システム全体の熱効率が向上する。

本発明の実施例１によるシステムの構成を示した概略線図。 本発明の実施例２によるシステムの構成を示した概略線図。 本発明の実施例３によるシステムの構成を示した概略線図。 本発明の実施例４によるシステムの構成を示した概略線図。 本発明の概要を説明するための概略線図。

符号の説明

１…燃料処理装置、２…空気、３…燃料、４…水、５…アノードガス、６…燃焼排ガス、
７…戻りアノードガス、８…ＦＣ、９…ＦＣ冷却水、１０…アノードガス、１１…カソード排ガス、１２…ＦＣ冷却水、１３…アノード排ガス、１４…流量切替えまたは分流弁、１５…タンク、１６…熱交換器、１７…熱回収水、１８…熱回収水、１９…熱回収水バイパス、２０…熱回収水系統、２１…空気、２２…カソード排ガス、２３…空気、２４…燃焼排ガス、２５…ＦＣ冷却水系統、２６…カソード排ガス、２７…熱回収水、３０…熱交換器。

Claims (11)

1. 燃料電池と、燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する配管と、酸化剤ガスを燃料電池のカソードに供給する配管と、上記燃料ガスを製造する燃料処理装置と、熱回収水を熱交換器を通して貯湯槽に送る熱回収水系統とを備え、
   前記熱交換器は、燃料電池に供給される前の燃料ガス、電池冷却水及び熱回収水を熱交換する第１の熱交換器と、熱回収水系統の熱回収水の流れ方向に対して第１の熱交換器よりも上流にあって、燃料電池のアノード排ガス、熱回収水及び燃料電池に供給される前及び供給された後の酸化剤ガスを熱交換する第２の熱交換器とを有することを特徴とする燃料電池給湯システム。
2. 上記第１の熱交換器及び第２の熱交換器はいずれも３流体以上が供給されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池給湯システム。
3. 上記第１の熱交換器及び第２の熱交換器が一体となって６流体以上が循環される熱交換器を備えることを特徴とする請求項１記載の燃料電池給湯システム。
4. 燃料電池と、燃料ガスを燃料電池のアノードに供給する配管と、酸化剤ガスを燃料電池のカソードに供給する配管と、上記燃料ガスを製造する燃料処理装置と、熱回収水を熱交換器を通して貯湯槽に送る熱回収水系統とを備え、
   前記熱交換器は、燃料電池に供給される前の燃料ガス、電池冷却水、熱回収水、アノード排ガス、及び燃料電池に供給される前及び供給された後の酸化剤ガスを熱交換することを特徴とする燃料電池給湯システム。
5. 上記第１の熱交換器は燃料処理装置から排出される燃焼排ガスと、燃料処理装置で製造されたアノードガスと、熱回収水と、燃料電池から流出する燃料電池冷却水との４流体、又は、燃料処理装置から排出される燃焼排ガスを除外した３流体により熱交換を行うことを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電給湯システム。
6. 熱回収水系統と燃料電池冷却水系統のどちらか一方または両方の系統に該熱交換器をバイパスする管路に切替弁或いは分流する弁とを設けることを特徴とする請求項１又は４記載の燃料電池発電給湯システム。
7. 燃料電池に流入するカソード空気と、燃料電池から流出するカソード排ガスと、燃料電池から流出するアノ―ド排ガスと、熱回収水との４流体、または、燃料電池に流入するカソード空気を除外した３流体で熱交換することを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電給湯システム。
8. 熱回収水と、燃料処理装置からの燃焼排ガスと、燃料電池に流入するカソード空気と、燃料電池から流出するカソード排ガスと、燃料電池から流出する燃料電池冷却水と、燃料処理装置で製造されるアノードガスと、燃料電池から排出されるアノード排ガスとの７流体、または、燃料処理装置からの燃焼排ガスと燃料電池に流入するカソード空気との両方またはどちらか一方を除外した６流体或いは５流体で熱交換することを特徴とする請求項５記載の燃料電池発電給湯システム。
9. 燃料電池への流体出入口を燃料電池の一面に集めて熱交換器と燃料電池を熱的に一体化したことを特徴とする請求項８記載の燃料電池発電給湯システム。
10. 燃料電池冷却水と熱回収水との熱交換を燃料電池冷却水系統のタンクで行うことを特徴とする請求項９記載の燃料電池発電給湯システム。
11. 断熱材と熱交換器が一体化されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池発電給湯システム。

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