JP5092959B2 - 燃料電池コージェネレーションシステム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池の発電に伴って発生する熱を回収利用して温水を生成する燃料電池コージェネレーションシステムに関する。

燃料電池は、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あり、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、発電時に発生する熱を給湯や暖房等に回収利用する燃料電池コージェネレーションシステムは、総合的なエネルギー効率が高く、省エネルギー機器としての普及が望まれている。

従来の燃料電池コージェネレーションシステムは、例えば、図４に示すような構成を有する（特許文献１参照）。

水素製造装置５２は、メタン等の原料ガスを水蒸気等で改質することにより水素を製造する。燃料電池５１は、水素製造装置５２で製造された水素をアノード６２に、空気ブロワ等により供給された空気中の酸素をカソード６３に流通させ、電気化学的に反応させることで発電を行う。

水素製造装置５２の排ガスから熱回収を行う排ガス熱交換器５５と、燃料電池５１のカソード６３の出口に設けたカソードオフガス熱交換器５６と、燃料電池５１の冷却水熱交換器５７とを、この順番に配管接続し、貯湯タンク５３の貯湯水を循環ポンプ５４で循環させながら、加熱するように貯湯水循環回路５９を構成している。

冷却水循環ポンプ６０は、冷却水タンク７３に貯蔵された冷却水を、燃料電池５１内部の冷却水流路６４と冷却水熱交換器５７とを接続した冷却水回路５８に循環させる。

カソードオフガス熱交換器５６において燃料電池５１のカソードオフガスを冷却することにより得られた凝縮水と、排ガス熱交換器５５において水素製造装置２の排ガスを冷却することにより得られた凝縮水とは、凝縮水タンク７５に回収され、冷却水供給ポンプ７４により冷却水タンク７３に補給されて、燃料電池５１の冷却水として利用される。凝縮水タンク７５に回収された凝縮水は、排ガスからの炭酸成分や若干の不純物を含むため、イオン交換樹脂等からなる水処理装置７６を介して純水化され、冷却水タンク７３に供給される。

凝縮水中の炭酸成分量は、水処理装置７６の処理能力を支配する大きな因子となっており、炭酸成分が多いと、水処理装置７６に過剰な純水処理能力が必要となり、イオン交換樹脂等の容積の増大や、コストの増大を招いてしまう。

そこで、排ガス熱交換器５５からの凝縮水と、カソードオフガス熱交換器５６からのカソードオフガスとを直接接触させる脱炭酸装置７０を設け、凝縮水から炭酸成分を取り除き、カソードオフガスと共に排出するようにしている（例えば、特許文献２参照）。

なお、排ガス熱交換器５５およびカソードオフガス熱交換器５６としては、例えば、シェルアンドチューブ式の熱交換器が提案されている。
特許第３４４８５６８号公報 特許第３１０６５５２号公報

しかしながら、従来の構成では、排ガス熱交換器５５の下部から流出される排ガス凝縮水を脱炭酸装置７０に導くとともに、カソードオフガス熱交換器５６の下部から流出されるカソードオフガスを脱炭酸装置７０に導き、そこで双方を直接接触させる。さらに、脱炭酸後の凝縮水を脱炭酸装置７０の下部から凝縮水タンク７５に導き、炭酸成分を含有したカソードオフガスを脱炭酸装置７０の上部から排出する構成を有しており、配管構成が極めて複雑となり、システムも大型化してしまう。

また、省エネ性向上のために、各凝縮水の搬送を、外部動力を用いることなく、鉛直下方向への自重により落下を利用するものとすると、各熱交換器（排ガス熱交換器５５およびカソードオフガス熱交換器５６）、脱炭酸装置７０を鉛直方向に順に配置する必要があり、装置高さが高くなってしまい、装置のレイアウト設計上の制約が生じるという課題があった。

本発明は、これら従来の課題を解決するもので、コンパクト性と省エネ性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供するものである。

従来の課題を解決するために、本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、燃料電池と、水素製造装置と、貯湯タンクと、前記水素製造装置の排ガスの排熱を回収して前記貯湯タンクに戻る冷却水を流す冷却水管路と、前記冷却水管路と熱交換が可能なように近接して配置されるガス管路と、前記ガス管路を上部と下部に仕切る仕切り板と、を備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記仕切り板によって仕切られた前記ガス管路の上部には、水素製造装置から排出された排ガスを流すものとし、前記仕切り板によって仕切られた前記前記ガス管路の下部には、燃料電池から排出されたカソードオフガスを流すものとし、前記仕切り板と前記管路とが接触する位置に流通口を設け、前記ガス管路の上部の前記冷却水管路上で発生した排ガス凝縮水が前記流通口を通過し、前記ガス管路の下部において前記カソードオフガスと接触することで前記排ガス凝縮水の脱炭酸を行う構成である。

これによって、脱炭酸のための装置及び配管構成が簡素化され、システムの小型化が可能となる。また、排ガスおよびカソードオフガス経路の短縮化が可能となり、配管の通路抵抗が低減され、空気ブロワ等の搬送手段の電気入力を抑制することができる。

したがって、コンパクト性と省エネ性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

本発明の燃料電池コージェネレーションシステムは、コンパクト性と省エネ性に優れたシステムを実現することができる。

本発明は、燃料電池と、水素製造装置と、貯湯タンクと、前記水素製造装置の排ガスの排熱を回収して前記貯湯タンクに戻る冷却水を流す冷却水管路と、前記冷却水管路と熱交換が可能なように近接して配置されるガス管路と、前記ガス管路を上部と下部に仕切る仕切り板と、を備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、前記仕切り板によって仕切られた前記ガス管路の上部には、水素製造装置から排出された排ガスを流すものとし、前記仕切り板によって仕切られた前記前記ガス管路の下部には、燃料電池から排出されたカソードオフガスを流すものとし、前記仕切り板と前記管路とが接触する位置に流通口を設け、前記ガス管路の上部の前記冷却水管路上で発生した排ガス凝縮水が前記流通口を通過し、前記ガス管路の下部において前記カソードオフガスと接触することで前記排
ガス凝縮水の脱炭酸を行うものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図である。

図１において、本実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムは、少なくとも燃料電池１と水素製造装置２と貯湯タンク３とを有し、貯湯タンク３からの貯湯水が、循環ポンプ４により燃料電池１のカソードオフガスの排熱を回収するカソードオフガス熱交換器５と、水素製造装置２の排ガスの排熱を回収する排ガス熱交換器６と、燃料電池１の冷却水の排熱を回収する冷却水熱交換器７とを介して貯湯タンク３に戻る貯湯水循環回路９を備える。

さらに、排ガス熱交換器６の排ガス流路２０の下流側に、カソードオフガス熱交換器５のカソードオフガスを導入し、排ガス凝縮水とカソードオフガスとが直接接触する脱炭酸部１０を設けたものである。カソードオフガス熱交換器５及び排ガス熱交換器６は、貯湯水循環回路９に並列配置された構成となっている。

燃料電池１は、水素製造装置２で製造された水素と、空気ブロワ等から送られた空気中の酸素とが、燃料極であるアノード３２および酸素極であるカソード３３において電気化学的に反応し、発電を行うものである。

また、水素製造装置２は、メタンやプロパン等の原料ガスから、触媒による改質反応（例えば水蒸気改質反応）により水素を製造し、燃料電池１のアノード３２に送出するものである。一方、燃料電池１の冷却部３４には、冷却水循環ポンプ１１により、冷却水タンク１３に貯蔵された冷却水が供給され、冷却水回路８によって冷却水熱交換器７との間を循環する。

貯湯タンク３下部の貯湯水は、循環ポンプ４により貯湯水循環回路９に送られ、２つに分岐される。一方の貯湯水は、カソードオフガス熱交換器５において、燃料電池１のカソード３３から排出されカソードオフガス流路２２を流れるカソードオフガスの熱を回収し昇温される。

もう一方の貯湯水は、排ガス熱交換器６において、水素製造装置２から排出され排ガス流路２０を流れる燃焼排ガスの熱を回収し昇温される。それぞれの熱交換器で昇温された貯湯水は再び合流し、冷却水熱交換器７において、冷却水回路８を循環する燃料電池１の冷却水の熱を回収し昇温される。最後に、貯湯タンク３の上部に送られ、貯湯タンク３内に温度成層を形成する。

なお、貯湯タンク３からの出湯は、貯湯タンク３下部から水道水を供給し、上部から高温の湯を押し出すことにより行われる。

カソードオフガス熱交換器５、排ガス熱交換器６としては、ガス側の圧力損失等を考慮して、例えばシェルアンドチューブ式などの熱交換器を用いればよい。特に、図１に示すように、排ガス流路２０とカソードオフガス流路２２とを仕切り部２５で２つに区画されたシェルとして一体的に構成し、その各々のシェルの中を貯湯水循環回路９と連通する複数の管路２６が貫通する構成とすればよい。

燃料電池１のカソード３３からのオフガスは、水蒸気成分を含む空気であり、入口２３ａよりカソードオフガス流路２２に流入し、管路２６内部を流れる貯湯水により冷却され、管路２６表面に凝縮水を生成する。

ここで、仕切り部２５の下方には、カソードオフガス流路２２を排ガス流路２０側に連通させる切り欠き状の導入口２７が設けられており、カソードオフガス流路２２を下降するカソードオフガスが、排ガス流路２０内を上方に向かって流れ、出口２３ｂより排出される構成となっている。さらに、排ガス流路２０側は、仕切り板２８により上下に区画され、この仕切り板２８より上側が排ガス熱交換器６、下側が脱炭酸部１０となっている。

水素製造装置２からの排ガスは、水蒸気成分を含む燃焼排ガスであり、入口２１ａより排ガス流路２０に流入し、管路２６内部を流れる貯湯水により冷却され、管路２６表面に排ガス凝縮水を生成する。排ガスは排ガス流路２０を通って、下部の出口２１ｂより排ガス熱交換器６の外部に排気される。

一方、排ガス凝縮水は、管路２６の表面を伝いながら、仕切り板２８に設けた流通口２９を通じて、脱炭酸部１０に流出する。この脱炭酸部１０で、管路２６表面を流れる排ガス凝縮水は、カソードオフガスと直接接触し、下降しながら脱炭酸が行われる。

内部に貯湯水が流れる複数の管路２６は、その表面において、排ガスからの凝縮水の生成と、カソードオフガスとの接触による脱炭酸が連続して行われる。したがって、管路２６としては、例えば、コルゲート管等のように表面積に凹凸を設けたものや、サンドブラスト等で親水処理を施したものが望ましい。

排ガス熱交換器６において水素製造装置２の排ガスを冷却することにより得られた凝縮水は、この脱炭酸部１０で炭酸成分を脱気され、カソードオフガス熱交換器５において燃料電池１のカソードオフガスを冷却することにより得られた凝縮水と混ざりながら、凝縮水出口３０より流出する。

この凝縮水は凝縮水タンク１４に回収され、冷却水供給ポンプ１５により冷却水タンク１３に補給されて、燃料電池１の冷却水として利用される。燃料電池１の冷却水には、一般に、燃料電池１の長寿命化の観点から、不純物を含まない清浄性が要求される。凝縮水タンク１４に回収された凝縮水は、若干の不純物を含むため、イオン交換樹脂等からなる水処理装置１６を介して純水化され、冷却水タンク１３に供給される。

凝縮水中の炭酸成分量は、水処理装置１６の処理能力を支配する大きな因子となっており、炭酸成分が多いと、水処理装置１６に過剰な純水処理能力が必要となり、イオン交換樹脂等の容積の増大や、コストの増大を招いてしまう。

本実施例では、図１に示したように、排ガス熱交換器６の排ガス流路２０の下流側に、カソードオフガス熱交換器５のカソードオフガスを導入し、排ガス凝縮水とカソードオフガスとが直接接触する脱炭酸部１０を設けることで、凝縮水から炭酸成分を取り除く構成としている。

ここで、脱炭酸部１０の内部に、コイル形状や円筒形状を有する充填材を挿入し、容積あたりの表面積（比表面積）を増大させることで、排ガス凝縮水とカソードオフガスとの接触面積を増大させてやれば、脱炭酸性能を著しく向上させることができる。

なお、冷却水熱交換器７としても、同様に、シェルアンドチューブ式などの熱交換器を用いればよい。例えば、貯湯水は前記した複数の管路２６をそのまま流れるものとし、シ
ェル側に燃料電池１からの冷却水を流入させる。このとき、シェル内に棚段等を設けて流路を区画し、流速を上げてやれば、冷却水熱交換器７の伝熱促進を行うことができる。

このように、排ガス熱交換器６の排ガス流路２０の下流側に、カソードオフガス熱交換器５のカソードオフガスを導入し、排ガス凝縮水とカソードオフガスとが直接接触する脱炭酸部１０を一体的に設けることで、脱炭酸のための装置および配管構成が簡素化され、システムの小型化が可能となる。

また、排ガスおよびカソードオフガスが流通する配管経路の短縮化が可能となり、配管の通路抵抗が低減され、空気ブロワ等の搬送手段の電気入力を抑制することができる。

さらに、カソードオフガス熱交換器５と排ガス熱交換器６とが、図１に示すように、一体化した構成であるものであり、カソードオフガスと排ガスとを区画する仕切り部２５で、これらのガス同士が熱交換することにより、各々のガスの温度が均一化され、効率よく排熱回収が行える。また、複数の熱交換器を一体化することで、デッドスペースを排除し、配管の引き回しも簡素化することできる。

また、貯湯水循環回路９にカソードオフガス熱交換器５と排ガス熱交換器６とが並列に配置され、貯湯水と排ガスおよびカソードオフガスとの温度差をおのおの大きく確保することができるため、排熱回収量が多くなり、排熱回収効率が高くすることができる。また、各熱交換器を並列に配置することで、熱交換器の鉛直方向の高さを抑え、装置高さを低く押さえることができる。

さらに、配管を上下方向に引き回すことなくレイアウトすることができるため、配管構成も簡素化することができる。

したがって、本実施例によれば、コンパクト性と省エネ性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。
（実施の形態２）
図２は、本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムに用いる熱交換器の構成図である。本実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、排ガス熱交換器６の排ガス出口とカソードオフガス出口とが同一である点である。

図２に示すように、カソードオフガス熱交換器５、排ガス熱交換器６としては、ガス側の圧力損失等を考慮して、例えばシェルアンドチューブ式などの熱交換器を用いればよい。特に、排ガス流路２０とカソードオフガス流路２２とを仕切り部２５で２つに区画されたシェルとして一体的に構成し、その各々のシェルの中を貯湯水循環回路９と連通する複数の管路２６が貫通する構成とすればよい。

燃料電池１のカソード３３からのオフガスは、水蒸気成分を含む空気であり、入口２３ａよりカソードオフガス流路２２に流入し、管路２６内部を流れる貯湯水により冷却され、管路２６表面に凝縮水を生成する。

ここで、仕切り部２５の下方には、カソードオフガス流路２２を排ガス流路２０側に連通させる切り欠き状の導入口２７が設けられており、カソードオフガス流路２２を下降するカソードオフガスが、排ガス流路２０内を上方に向かって流れ、出口２４より排出される構成となっている。機能面で言うと、この出口２４より上側が排ガス熱交換器６、下側が脱炭酸部１０となる。

水素製造装置２からの排ガスは、水蒸気成分を含む燃焼排ガスであり、入口２１ａより排ガス流路２０に流入し、管路２６内部を流れる貯湯水により冷却され、管路２６表面に排ガス凝縮水を生成する。

排ガスは排ガス流路２０を通って、下部の出口２４より排ガス熱交換器６の外部に排気される。一方、排ガス凝縮水は、管路２６の表面を伝いながら、出口２４より下方の脱炭酸部１０で、カソードオフガスと直接接触し、下降しながら脱炭酸が行われる。

排ガス熱交換器６において水素製造装置２の排ガスを冷却することにより得られた凝縮水は、この脱炭酸部１０で炭酸成分を脱気され、カソードオフガス熱交換器５において燃料電池１のカソードオフガスを冷却することにより得られた凝縮水と混ざりながら、凝縮水出口３０より流出する。

このような構成によれば、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、排ガス熱交換器６の排ガス出口とカソードオフガス熱交換器５のカソードオフガス出口とが同一とすることで、熱交換器の構成がより一層簡素化される。

したがって、本実施例によれば、低コスト化が可能で、コンパクト性と省エネ性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。
（実施の形態３）
図３は、本発明の実施の形態３の燃料電池コージェネレーションシステムに用いる熱交換器の構成図である。本実施の形態３の燃料電池コージェネレーションシステムの構成とその作用は、実施の形態１で説明したものと略同一であるので、ここでは詳細な説明を省略する。実施の形態１と異なるのは、脱炭酸部１０に複数の棚段３１を設け、排ガス凝縮水を迂回させる構成を有する点である。

図３に示すように、カソードオフガス熱交換器５、排ガス熱交換器６としては、ガス側の圧力損失等を考慮して、例えばシェルアンドチューブ式などの熱交換器を用いればよい。

特に、排ガス流路２０とカソードオフガス流路２２とを仕切り部２５で２つに区画されたシェルとして一体的に構成し、その各々のシェルの中を貯湯水循環回路９と連通する複数の管路２６が貫通する構成とすればよい。

燃料電池１のカソード３３からのオフガスは、水蒸気成分を含む空気であり、入口２３ａよりカソードオフガス流路２２に流入し、管路２６内部を流れる貯湯水により冷却され、管路２６表面に凝縮水を生成する。

ここで、仕切り部２５の下方には、カソードオフガス流路２２を排ガス流路２０側に連通させる切り欠き状の導入口２７が設けられており、カソードオフガス流路２２を下降するカソードオフガスが、排ガス流路２０内を上方に向かって流れ、出口２４より排出される構成となっている。機能面で言うと、この出口２４より上側が排ガス熱交換器６、下側が脱炭酸部１０となる。

水素製造装置２からの排ガスは、水蒸気成分を含む燃焼排ガスであり、入口２１ａより排ガス流路２０に流入し、管路２６内部を流れる貯湯水により冷却され、管路２６表面に排ガス凝縮水を生成する。

排ガスは排ガス流路２０を通って、下部の出口２４より排ガス熱交換器６の外部に排気
される。一方、排ガス凝縮水は、管路２６の表面を伝いながら、出口２４より下方の脱炭酸部１０で、カソードオフガスと直接接触し、下降しながら脱炭酸が行われる。

ここで、脱炭酸部１０には、カソードオフガスの流通を区画する複数の棚段３１が設けられ、上昇するカソードオフガスと下降する排ガス凝縮水とが、鉛直方向に対して水平方向に迂回しながら接触することとなる。

排ガス熱交換器６において水素製造装置２の排ガスを冷却することにより得られた凝縮水は、この脱炭酸部１０で炭酸成分を脱気され、カソードオフガス熱交換器５において燃料電池１のカソードオフガスを冷却することにより得られた凝縮水と混ざりながら、凝縮水出口３０より流出する。

このような構成によれば、実施の形態１と同様の効果が得られるとともに、より簡単な構成で、排ガス凝縮器とカソードオフガスとの接触面積を増大させ、脱炭酸性能の向上を図ることができ、水処理装置の負荷をより一層低減することができる。

したがって、本実施例によれば、さらにコンパクト性と省エネ性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

以上のように、本発明にかかる燃料電池コージェネレーションシステムは、排ガス熱交換器の排ガス流路の下流側に、カソードオフガス熱交換器のカソードオフガスを導入し、排ガス凝縮水とカソードオフガスとが直接接触させて脱炭酸を行うため、コンパクト性と省エネ性に優れた燃料電池コージェネレーションシステムを提供することができる。

本発明の実施の形態１の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図 本発明の実施の形態２の燃料電池コージェネレーションシステムに用いる熱交換器の構成図 本発明の実施の形態３の燃料電池コージェネレーションシステムに用いる熱交換器の構成図 従来の燃料電池コージェネレーションシステムの構成図

１ 燃料電池
２ 水素製造装置
３ 貯湯タンク
４ 循環ポンプ
５ カソードオフガス熱交換器
６ 排ガス熱交換器
９ 貯湯水循環回路
１０ 脱炭酸部
２０ 排ガス流路
２１ａ 入口
２１ｂ 出口
２３ａ 入口
２３ｂ 出口
２４ 出口
２６ 管路
３１ 棚段
３２ アノード
３３ カソード

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   水素製造装置と、
   貯湯タンクと、
   前記水素製造装置の排ガスの排熱を回収して前記貯湯タンクに戻る冷却水を流す冷却水管路と、
   前記冷却水管路と熱交換が可能なように近接して配置されるガス管路と、
   前記ガス管路を上部と下部に仕切る仕切り板と、
   を備えた燃料電池コージェネレーションシステムにおいて、
   前記仕切り板によって仕切られた前記ガス管路の上部には、水素製造装置から排出された排ガスを流すものとし、
   前記仕切り板によって仕切られた前記前記ガス管路の下部には、燃料電池から排出されたカソードオフガスを流すものとし、
   前記仕切り板と前記管路とが接触する位置に流通口を設け、前記ガス管路の上部の前記冷却水管路上で発生した排ガス凝縮水が前記流通口を通過し、前記ガス管路の下部において前記カソードオフガスと接触することで前記排ガス凝縮水の脱炭酸を行う、
   燃料電池コージェネレーションシステム。
2. 前記排ガスの廃熱を前記冷却水へと回収する排ガス熱交換器と、前記カソードオフガスの廃熱を前記冷却水へと回収するカソードオフガス熱交換器と、が前記貯湯水循環回路に並列に配置され、かつ一体化した構成である請求項１に記載の燃料電池コージェネレーションシステム。

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