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

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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。
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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