JP5381238B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、燃料電池システムに関する。

燃料電池システムとしては、特許文献１に示されている燃料電池システムがある。この燃料電池システムは、特許文献１の図１に示されているように、壁面を具備する固体電解質形燃料電池１と、湯水を貯える貯湯タンク６と、第一の熱交換器５と、固体電解質形燃料電池１の壁面に取り付けられた第二の熱交換器１０と、貯湯タンク６の底部と第一の熱交換器５と第二の熱交換器１０と貯湯タンク６の上部とを順に接続する水循環配管７と、固体電解質形燃料電池１と第二の熱交換器１０とを接続する排ガス配管９とを含んでいる。この燃料電池システムにおいては、固体電解質形燃料電池１から流出する排ガスが前記第一の熱交換器５を通過して排出されるとともに、貯湯タンク６から流出する水が前記第一の熱交換器５を通過することにより、排ガスと水との間で熱交換が行われ、第一の熱交換器５を通過した水が第二の熱交換器１０を通過することにより、固体電解質形燃料電池１の壁面と水との間で熱交換が行われるようになっている。

特開２００６−１７９３８６号公報

しかし、特許文献１に記載の燃料電池システムにおいては、燃料電池からの熱を貯湯水に回収し燃料電池の壁面温度を低下させることは可能であるが、逆に熱容量の大きい貯湯水側の低温に引っ張られて燃料電池の温度が必要以上に低下するおそれがあり、発電効率の低下等が発生するおそれがある。

本発明は、上述した問題を解消するためになされたもので、燃料電池システムにおいて、燃料電池からの熱回収効率を向上させつつ、燃料電池の温度を必要以上に低下させるのを抑制し、発電効率を高く維持することを目的とする。

上記の課題を解決するため、請求項１に係る発明の構成上の特徴は、燃料電池と燃料電池を収納するケーシングとを具備する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールが収納された筐体と、燃料電池のアノードオフガスを燃焼した燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器であって、筐体内に配設された第１熱交換器と、筐体に形成され筐体の外部の空気を導入する空気導入口と、筐体に形成され筐体内の空気を外部に導出する空気導出口と、空気導入口から空気導出口まで空気を流通させるための送風手段と、燃料電池モジュールの周囲に燃料電池モジュールから離間させて筐体内に配設された第２熱交換器と、を備え、第２熱交換器は、空気導入口から空気導出口に流通する空気のうち燃料電池モジュールを空冷した後の空気が供給されるとともに、貯湯槽からの貯湯水のうち第１熱交換器において燃焼排ガスから熱を回収する前の貯湯水が供給され、前記空気と前記貯湯水が熱交換する熱交換器であることである。

また請求項２に係る発明の構成上の特徴は、請求項１において、筐体内に仕切部材で区画形成され、燃料電池モジュールが収納された収納室が設けられ、第２熱交換器が収納室内に設けられていることである。

また請求項３に係る発明の構成上の特徴は、請求項１または請求項２において、ケーシングの外壁面温度または外壁面温度を反映する部位の温度を検出する温度センサをさらに備え、送風手段は、温度センサの検出温度に基づいて制御されることである。

また請求項４に係る発明の構成上の特徴は、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、第２熱交換器で熱交換された後の空気が、第１熱交換器で熱交換された後の燃焼排ガスと合流されて外部に排気される合流構造を備えたことである。

また請求項５に係る発明の構成上の特徴は、請求項４において、合流構造は、第１熱交換器で熱交換後の燃焼排ガスが内部に供給されるケーシングと、該ケーシング内に配設され第２熱交換器で熱交換後の空気が一端から供給され他端からケーシング内に導出されるチューブと、を備えた熱交換器であって、第２熱交換器で熱交換された後の空気が第１熱交換器で熱交換された後の燃焼排ガスと合流される合流位置に設けられた第３熱交換器を備えたことである。

上記のように構成した請求項１に係る発明においては、燃料電池モジュールは、筐体内に収納されている。また、送風手段の駆動により、筐体内には、空気導入口から空気が導入される。導入された空気は、筐体の内壁面と燃料電池モジュールとの間を流通して空気導出口から導出される。この筐体内を流通する空気は燃料電池の発電によって高温となった燃料電池モジュールとの間で熱交換が行われるので、この空気は昇温（加熱）されるとともに燃料電池モジュールは降温される（空冷される）。このとき、燃料電池モジュールは空冷されるので、水冷に比較して必要以上に冷却されるのを抑制することができる。また、燃料電池モジュールの熱は筐体内を流通する空気に回収される。その後、その空気は燃料電池モジュールの周囲に配設された第２熱交換器を流通すると、第２熱交換器において空気に回収された燃料電池モジュールの熱は第１熱交換器において燃焼排ガスから熱を回収する前の貯湯水に回収される。また、第２熱交換器と燃料電池モジュールは離間されているため、熱容量の大きい貯湯水側の低温に引っ張られて燃料電池モジュールの温度が必要以上に低下するのを確実に防止することができる。したがって、燃料電池からの熱回収効率を向上させつつ、燃料電池モジュールの温度を必要以上に低下させるのを抑制し、発電効率を高く維持することができる。
さらに、一般的に、第１熱交換器に供給される燃焼排ガスが、第２熱交換器に供給される収納室を流通した空気より高温である。また、第２熱交換器に供給される貯湯水は、第１熱交換器において燃焼排ガスから熱を回収する前である。これによれば、温度の低い熱源から順番に熱が回収されるので、貯湯水に効率よく熱回収を行うことができる。

上記のように構成した請求項２に係る発明においては、請求項１において、筐体内に仕切部材で区画形成され、燃料電池モジュールが収納された収納室が設けられ、第２熱交換器が収納室内に設けられている。すなわち、筐体内を仕切部材で区画形成された収納室に、燃料電池モジュールおよび第２熱交換器が収納されている場合でも、上述した請求項１と同様な作用・効果を得ることができる。

上記のように構成した請求項３に係る発明においては、請求項１または請求項２において、燃料電池モジュールのケーシングの外壁面温度または外壁面温度を反映する部位の温度を検出する温度センサをさらに備え、送風手段は、温度センサの検出温度に基づいて制御される。これにより、燃料電池モジュールの外壁面温度が必要以上に高温となるのを抑制することができる。また、燃料電池の発電負荷が減少したときなど熱余り状態となり燃料電池モジュールからの放熱が増大しても、送風手段による送風量が増大され、放熱を空気および第２熱交換器を介して有効に回収することができる。逆に低温環境下等で外壁面温度が低い場合には、送風手段により送風量が減少されることで燃料電池モジュールと空気間の熱交換を抑制することが可能となる。それにより、放熱量を抑制でき環境温度等によらず、高発電効率の維持が可能であるとともに、その環境において最適な熱回収が可能となる。

上記のように構成した請求項４に係る発明においては、請求項１乃至請求項３の何れか一項において、第２熱交換器で熱交換された後の空気が、第１熱交換器で熱交換された後の燃焼排ガスと合流されて外部に排気される合流構造を備えている。これにより、第２熱交換器で熱交換された空気すなわち水蒸気含有の低い空気を燃焼排ガスに混合させることで、燃焼排ガスの白煙化をより抑制することができる。加えて、高温の燃焼排ガスに低温の前記空気を合流させることで、高温の燃焼排ガス中の水蒸気が低温の前記空気によって凝縮させることができる。これにより、その凝縮水も、燃料電池モジュールに供給される水として利用することができ、ひいては、燃料電池システムの運転で必要とされる水を自給することができる。

上記のように構成した請求項５に係る発明においては、請求項４において、合流構造は、第１熱交換器で熱交換後の燃焼排ガスが内部に供給されるケーシングと、ケーシング内に配設され第２熱交換器で熱交換後の空気が一端から供給され他端からケーシング内に導出されるチューブと、を備えた熱交換器であって、第２熱交換器で熱交換された後の空気が第１熱交換器で熱交換された後の燃焼排ガスと合流される合流位置に設けられた第３熱交換器を備えている。これにより、燃焼排ガスの白煙化および燃焼排ガスからのさらなる水回収を、簡単な構造で確実に行うことができる。

本発明による燃料電池システムの第１の実施の形態の概要を示す概要図である。 図１に示した第１および第２熱交換器における各流体の温度変化を示す図である。横軸に場所、縦軸に温度を示している。 図１に示した燃料電池システムにおいて、送風手段を吸出しタイプにしたものを示す概要図である。 本発明による燃料電池システムの第２の実施の形態の概要を示す概要図である。 図４に示した合流構造を具体的に示す断面図である。

１）第1の実施の形態
以下、本発明による燃料電池システムの第１の実施の形態について説明する。図１はこの燃料電池システムの概要を示す概要図である。この燃料電池システムは、箱状の筐体１１、燃料電池モジュール２０、排熱回収システム３０を備えている。

筐体１１は、筐体１１内を区画して収納室を形成する仕切部材１２を備えている。仕切部材１２は、筐体１１を上下に区画する（仕切る）板状部材である。筐体１１内には、仕切部材１２より上方および下方に第１室Ｒ１および第２室Ｒ２が形成される。第１室Ｒ１が収納室である。

燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１内に第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、燃料電池２４を少なくとも含んで構成されるものである。本実施の形態では、燃料電池モジュール２０は、ケーシング２１、蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４を備えている。

ケーシング２１は、断熱性材料で箱状に形成されている。ケーシング２１は、第１室Ｒ１内に第１室Ｒ１の内壁面から空間をおいて図示しない支持構造により支持されている。ケーシング２１内には、蒸発部２２、改質部２３および燃料電池２４が配設されている。このとき、蒸発部２２、改質部２３が燃料電池２４の上方に位置するように配設されている。

蒸発部２２は、後述する燃焼ガスにより加熱されて、供給された改質水を蒸発させて水蒸気を生成するとともに、供給された改質用原料を予熱するものである。蒸発部２２は、このように生成された水蒸気と予熱された改質用原料を混合して改質部２３に供給するものである。改質用原料としては天然ガス、ＬＰＧなどの改質用気体燃料、灯油、ガソリン、メタノールなどの改質用液体燃料があり、本実施形態においては天然ガスにて説明する。

この蒸発部２２には、一端（下端）が水タンク１３内に配設された給水管４１の他端が接続されている。給水管４１には、改質水ポンプ４１ａが設けられている。改質水ポンプ４１ａは、蒸発部２２に改質水を供給するとともにその改質水供給量を調整するものである。

また、蒸発部２２には、燃料供給源（図示省略）からの改質用原料が改質用原料供給管４２を介して供給されている。改質用原料供給管４２には、上流から順番に一対の原料バルブ（図示省略）、脱硫器４２ａ、および原料ポンプ４２ｂが設けられている。原料バルブは改質用原料供給管４２を開閉する電磁開閉弁である。脱硫器４２ａは改質用原料中の硫黄分（例えば、硫黄化合物）を除去するものである。原料ポンプ４２ｂは、燃料供給源からの燃料供給量を調整するものである。

改質部２３は、後述する燃焼ガスにより加熱されて水蒸気改質反応に必要な熱が供給されることで、蒸発部２２から供給された混合ガス（改質用原料、水蒸気）から改質ガスを生成して導出するものである。改質部２３内には、触媒（例えば、ＲｕまたはＮｉ系の触媒）が充填されており、混合ガスが触媒によって反応し改質されて水素ガスと一酸化炭素ガスが生成されている（いわゆる水蒸気改質反応）。これと同時に、水蒸気改質反応にて生成された一酸化炭素と水蒸気が反応して水素ガスと二酸化炭素とに変成するいわゆる一酸化炭素シフト反応が生じている。これら生成されたガス（いわゆる改質ガス）は燃料電池２４の燃料極に導出されるようになっている。改質ガスは、水素、一酸化炭素、二酸化炭素、水蒸気、未改質の天然ガス（メタンガス）を含んでいる。なお、水蒸気改質反応は吸熱反応であり、一酸化炭素シフト反応は発熱反応である。

燃料電池２４は、燃料極（アノード）、空気極（カソード、酸化剤極）、および両極の間に介装された電解質からなり板状に形成された複数のセル２４ａが積層されて構成されている。本実施の形態の燃料電池は、固体酸化物形燃料電池であり、電解質として固体酸化物の一種である酸化ジルコニウムを使用している。燃料電池２４の燃料極には、燃料として水素、一酸化炭素、メタンガスが供給される。動作温度は７００〜１０００℃程度である。水素だけではなく天然ガスや石炭ガスなども直接燃料として用いることが可能である。この場合、改質部２３は省略することができる。

セル２４ａの燃料極側には、燃料である改質ガスが流通する燃料流路２４ｂが形成されている。セル２４ａの空気極側には、酸化剤ガスである空気（カソードエア）が流通する空気流路２４ｃが形成されている。

燃料電池２４は、マニホールド２５上に設けられている。マニホールド２５には、改質部２３からの改質ガスが改質ガス供給管４３を介して供給される。燃料流路２４ｂは、その下端（一端）がマニホールド２５の燃料導出口に接続されており、その燃料導出口から導出される改質ガスが下端から導入され上端から導出されるようになっている。カソードエアブロワ４４ａ（カソードエア送出（送風）手段）によって送出されたカソードエアはカソードエア供給管４４を介して供給され、空気流路２４ｃの下端から導入され上端から導出されるようになっている。

カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内に配設されている。カソードエアブロワ４４ａは、第２室Ｒ２内の空気を吸入し燃料電池２４の空気極に吐出するものであり、その吐出量は調整制御（例えば燃料電池２４の負荷電力量（消費電力量）に応じて制御）されるものである。

燃料電池２４においては、燃料極に供給された燃料と空気極に供給された酸化剤ガスによって発電が行われる。すなわち、燃料極では、下記化１および化２に示す反応が生じ、空気極では、下記化３に示す反応が生じている。すなわち、空気極で生成した酸化物イオン（Ｏ^２−）が電解質を透過し、燃料極で水素と反応することにより電気エネルギーを発生させている。したがって、燃料流路２４ｂおよび空気極２４ｃからは、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）が導出する。

（化１）
Ｈ_２＋Ｏ^２−→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻

（化２）
ＣＯ＋Ｏ^２−→ＣＯ_２＋２ｅ⁻

（化３）
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−

そして、燃料流路２４ｂおよび空気極２４ｃから導出した、発電に使用されなかった改質ガスおよび酸化剤ガス（空気）は、燃料電池２４と蒸発部２２（改質部２３）の間の燃焼空間Ｒ３にて燃焼され、その燃焼ガスによって蒸発部２２および改質部２３が加熱される。さらには、燃料電池モジュール２０内を動作温度に加熱している。その後、燃焼ガスは排気口２１ａから燃料電池モジュール２０の外に排気される。

排熱回収システム３０は、貯湯水を貯湯する貯湯槽３１と、貯湯水が循環する貯湯水循環ライン３２と、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスと貯湯水との間で熱交換が行われる第１熱交換器３３と、第１室Ｒ１を流通した空気と貯湯水との間で熱交換が行われる第２熱交換器３４と、が備えられている。

貯湯槽３１は、１つの柱状容器を備えており、その内部に温水が層状に、すなわち上部の温度が最も高温であり下部にいくにしたがって低温となり下部の温度が最も低温であるように貯留されるようになっている。貯湯槽３１の柱状容器の下部には水道水などの水（低温の水）が補給され、貯湯槽３１に貯留された高温の温水が貯湯槽３１の柱状容器の上部から導出されるようになっている。

貯湯水循環ライン３２の一端は貯湯槽３１の下部に、他端は貯湯槽３１の上部に接続されている。貯湯水循環ライン３２上には、一端から他端に向かって順番に貯湯水循環手段である貯湯水循環ポンプ３２ａ、第２熱交換器３４、第１熱交換器３３、および温度センサ３２ｂが配設されている。貯湯水循環ポンプ３２ａは、貯湯槽３１の下部の貯湯水を吸い込んで貯湯水循環ライン３２を図示矢印方向へ通水させて貯湯槽３１の上部に吐出するものであり、その流量（送出量）が制御されるようになっている。温度センサ３２ｂは、貯湯水の貯湯槽３１の入口温度を反映する温度を検出するものであり、その検出結果を制御装置（図示省略）に送信するようになっている。

第１熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０から排気される燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽３１からの貯湯水が供給され燃焼排ガスと貯湯水が熱交換する熱交換器である。この第１熱交換器３３は、筐体１１内に配設されている。本実施の形態では、第１熱交換器３３は、燃料電池モジュール２０の下部に設けられており、少なくとも第１熱交換器３３の下部は仕切部材１２を貫通して第２室Ｒ２に突出されて配設されている。

第１熱交換器３３は、ケーシング３３ａを備えている。ケーシング３３ａには、燃焼排ガスが導入される導入口３３ｂ、燃焼排ガスが導出される導出口３３ｃ、および凝縮された凝縮水が導出される導出口３３ｄが設けられている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続されている熱交換部（凝縮部）３３ｅが配設されている。導入口３３ｂは、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の下部に設けられ燃焼排ガスが導出される導出口２１ａに連通するようになっている。燃焼排ガスの導出口３３ｃは、排気管４５を介して第１排気口１１ａに接続されている。凝縮水の導出口３３ｄは、ケーシング３３ａの底部に形成されている。燃焼排ガスの導出口３３ｃは、凝縮水が燃焼排ガスの導出口３３ｃから導出するのを防止するため、凝縮水の導出口３３ｄより上方に形成されている。

このように構成された第１熱交換器３３においては、燃料電池モジュール２０からの燃焼排ガスは、導入口３３ｂからケーシング３３ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部３３ｅを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。凝縮後の燃焼排ガスは導出口３３ｃおよび排気管４５を通って第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水の導出口３３ｄおよび凝縮水供給管４６を通って純水器１４に供給される（自重で落水する）。一方、熱交換部３３ｅに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。なお、燃焼排ガスが凝縮水供給管４６に流れないように、水封構造になっている。例えば、純水器１４へ行く凝縮水供給管４６もしくは熱交換器３３内で一度上部に水を上げる構造とすると、その位置まで常に水が溜まった状態となり、ガスが純水器１４へ行く凝縮水供給管４６には流れないようになる。

第２熱交換器３４は、空気導入口１２ａから第２排気口（空気導出口）１１ｂに流通する空気（換気用空気）が供給されるとともに貯湯槽３１からの貯湯水が供給され、換気用空気と貯湯水が熱交換する熱交換器である。第２熱交換器３４は、燃料電池モジュール２０の周囲に燃料電池モジュール２０から離間させて筐体１１内に配設されている。本実施の形態では、第２熱交換器３４は、第１室Ｒ１内であって、第２排気口１１ｂに隣り合うように設けられている。

第２熱交換器３４は、ケーシング３４ａを備えている。ケーシング３４ａには、換気用空気が導入される導入口３４ｂ、および換気用空気が導出される導出口３４ｃが設けられている。ケーシング３３ａ内には、貯湯水循環ライン３２に接続されている熱交換部（凝縮部）３４ｅが配設されている。導入口３４ｂは、第１室Ｒ１内に向けて開口し、導出口３４ｃは第２排気口１１ｂに連通するようになっている。

これにより、換気用空気は、導入口３４ｂからケーシング３４ａ内に導入され、貯湯水が流通する熱交換部３４ｅを通る際に貯湯水との間で熱交換が行われ冷却される。冷却後の換気用空気は導出口３４ｃおよび第２排気口１１ｂを通って外部に排出される。一方、熱交換部３４ｅに流入した貯湯水は、加熱されて流出される。

このように構成された排熱回収システム３０においては、貯湯水循環ポンプ３２ａの駆動によって貯湯水循環ライン３２を循環する貯湯水は、換気用空気、燃焼排ガスの順番に熱交換するようになっている。また、貯湯水循環ポンプ３２ａは、温度センサ３２ｂの検出温度（貯湯水の貯湯槽３１への戻り温度）が所定の温度または温度範囲となるように、送出量が制御されるようになっている。

また、燃料電池システムは、水タンク１３および純水器１４を備えている。水タンク１３および純水器１４は第２室Ｒ２内に配設されている。水タンク１３は、純水器１４から導出された純水を貯めておくものである。純水タンク１３には、純水タンク１３内の純水量を検出する図示しない水量センサ（水位センサ）が設けられている。水量センサは例えばフロート式、静電容量式などの水位計である。水量センサは制御装置に検出信号を送信するようになっている。

純水器１４は、活性炭とイオン交換樹脂を内蔵しており、例えばフレーク状の活性炭と粒状のイオン交換樹脂を充填している。また被処理水の状態によっては、中空糸フィルタを設置しても良い。純水器１４は、第１熱交換器３３からの凝縮水を活性炭とイオン交換樹脂によって純水化するものである。純水器１４は、配管４７を介して純水タンク１３に連通しており、純水器１４内の純水は配管４７を通って純水タンク１３に導出される。

また、第１室Ｒ１は、第１室Ｒ１内に外部からの空気を導入する空気導入口１２ａと、第１室Ｒ１内の空気を外部に導出する空気導出口（第２排気口）１１ｂと、空気導入口１２ａから空気導出口１１ｂまでの空気が流通する流通路上に設けられ空気（換気用空気）を送出するための換気用空気ブロワ（送風手段）１５と、を備えている。

空気導入口１２ａは、仕切部材１２に形成されている。なお、空気導入口１２ａは、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成するようにしてもよい。第２排気口１１ｂは、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成されている。換気用空気ブロワ１５は、空気導入口１２ａに設けられている。換気用空気ブロワ１５は、第２室Ｒ２内の空気を吸い込んで、空気導入口１２ａを通して第１室Ｒ１内に送出している。なお、空気導入口１２ａから空気導出口１１ｂまでの空気が流通する流通路には、空気導入口１２ａおよび空気導出口１１ｂも含まれる。また、第２室Ｒ２は、第２室Ｒ２内に外部からの空気を導入する空気導入口１１ｃを備えている。

これにより、換気用空気ブロワ１５の駆動によって、外部の空気が空気導入口１１ｃから第２室Ｒ２内に流入する。第２室Ｒ２で天然ガスポンプなどの補機，パワコン等を冷却し、空気導入口１２ａを通して第１室Ｒ１内に送出される。第１室Ｒ１内に導入された換気用空気は、第１室Ｒ１の内壁面とケーシング２１との間を燃料電池モジュール２０との間で熱交換を行いながら（すなわち燃料電池モジュール２０の排熱を回収しながら）第２排気口１１ｂに向かって流通する。換気用空気は、補機，パワコンからの排熱、および燃料電池モジュール２０からの排熱により加熱される（例えば、６０〜８０℃）。そして、高温となった換気用空気は、第２排気口１１ｂの手前に配設されている第２熱交換器３４において、その熱が貯湯水に回収された後、第２排気口１１ｂから外部に排出される。

さらに、燃料電池システムは、温度センサ２１ｂを備えている。温度センサ２１ｂは、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の外壁面温度または外壁面温度を反映する部位の温度を検出するセンサである。温度センサ２１ｂの検出結果は制御装置に送信されている。

そして、換気用空気ブロワ１５は、温度センサ２１ｂの検出温度に基づいて制御されるようになっている。すなわち、換気用空気ブロワ１５は、温度センサ２１ｂの検出温度が所定温度以下（例えば６０℃）以下となるように制御されるようになっている。また、換気用空気ブロワ１５は、温度センサ２１ｂの検出温度と所定温度との温度差に基づいて制御されるようにしてもよい。この場合、換気用空気ブロワ１５は、温度差が大きいほど換気用空気ブロワ１５の送出（送風）量が大きくなるように制御されればよい。

上述した説明から明らかなように、本実施の形態においては、燃料電池モジュール２０は、第１室Ｒ１（収納室）に収納室Ｒ１の内壁面から空間をおいて収納されている。また、換気用空気ブロワ１５の駆動により、第１室Ｒ１内には、空気導入口１２ａから空気（換気用空気）が導入される。導入された空気（換気用空気）は、第１室Ｒ１の内壁面と燃料電池モジュール２０との間を流通して第２排気口（空気導出口）１１ｂから導出される。この第１室Ｒ１内を流通する空気は燃料電池２４の発電によって高温となった燃料電池モジュール２０との間で熱交換が行われるので、この空気は昇温（加熱）されるとともに燃料電池モジュール２０は降温される（空冷される）。このとき、燃料電池モジュール２０は空冷されるので、水冷に比較して必要以上に冷却されるのを抑制することができる。また、燃料電池モジュール２０の熱は第１室Ｒ１内を流通する空気に回収される。その後、その空気は第２熱交換器３４を流通するので、第２熱交換器３４において空気に回収された燃料電池モジュール２０の熱は貯湯水に回収される。また、第２熱交換器３４と燃料電池モジュール２０は離間されているため、熱容量の大きい貯湯水側の低温に引っ張られて燃料電池モジュール２０の温度が必要以上に低下するのを確実に防止することができる。したがって、燃料電池２４からの熱回収効率を向上させつつ、燃料電池モジュール２０の温度を必要以上に低下させるのを抑制し、発電効率を高く維持することができる。

また、本発明は、筐体１１を仕切部材１２で仕切っていない場合にも適用することができる。この場合、燃料電池モジュール２０、第２熱交換器３４は筐体１１内に収納されている。この場合にも前述と同様な作用・効果を得ることができる。

また、燃料電池モジュール２０のケーシング２１の外壁面温度（または外壁面温度を反映する部位の温度）を検出する温度センサ２１ｂをさらに備え、換気用空気ブロワ１５は、温度センサ２１ｂの検出温度に基づいて制御される。これにより、燃料電池モジュール２０の外壁面温度が必要以上に高温となるのを抑制することができる。また、燃料電池２４の発電負荷が減少したときなど熱余り状態となり燃料電池モジュール２０からの放熱（発熱）が増大しても、換気用空気ブロワ１５による送風量が増大され、放熱を空気（換気用空気）および第２熱交換器３４を介して有効に回収することができる。逆に低温環境下等で外壁面温度が低い場合には、換気用空気ブロワ１５による送風量を減少することで燃料電池モジュールと空気間の熱交換を抑制することが可能となる。それにより、放熱量を抑制でき環境温度等によらず高発電効率の維持が可能であるとともに、その環境において最適な熱回収が可能となる。

ところで、一般的に、第１熱交換器３３に供給される燃焼排ガスが、第２熱交換器３４に供給される第１室Ｒ１を流通した空気より高温である。上述した実施の形態では、貯湯槽３１の下部および上部に一端および他端が接続され、貯湯水が流通する貯湯水循環ライン３２を備え、貯湯水循環ライン３２上には、第２熱交換器３４が貯湯水の流れ方向において第１熱交換器３３より上流に位置するように第１および第２熱交換器３３，３４が配置されている。これによれば、図２に示すように、貯湯槽３１の下部から流出された低温の貯湯水は、第２熱交換器３４において２０℃から４０℃に昇温され、第１熱交換器３３において４０℃から７５℃に昇温され、その後貯湯槽３１の上部に戻される。また、第２熱交換器３４において、換気用空気は６０℃から２５℃まで降温され、第１熱交換器３３において、燃焼用排ガスは３００℃から４５℃まで降温されて、それぞれ外部に排出される。このように、温度の低い熱源から順番に熱が回収されるので、貯湯水に効率よく熱回収を行うことができる。

なお、上記第１の実施の形態においては、高温となる部材（燃料電池モジュール２０）を低温の部材より上に配置することで熱的に効率のよい配置とするために、上部仕切部材１２は上下方向に筐体１１を区画しているが、水平方向に区画するようにしてもよい。また、本実施例では、仕切り板を設置しているが、補機・パワコン，燃料電池モジュールを規定量冷却できれば仕切り板は不要である。あるいは仕切り板に第１室Ｒ１と第２室Ｒ２の間を空気が流通できる孔があいていてもよい。

また、上記第１の実施の形態においては、空気導入口１２ａは、仕切部材１２に形成されているが、第１室Ｒ１を形成する筐体１１に形成するようにしてもよい。

また、上記第１の実施の形態においては、送風手段を図３に示すように空気導出口１１ｂに設けるようにしてもよい。送風手段としては吸出しタイプの送風機１５ａを使用すればよい。また、空気導入口１２ａから空気導出口１１ｂまでの空気が流通する流通路上に設けるようにしてもよい。流通路は、第１室Ｒ１の内壁面とケーシング２１との間に形成された空間である。

また、上記第１の実施の形態においては、第１熱交換器３３は第２室Ｒ２に突出させることなく第１室Ｒ１内に完全に収納されるように配設してもよい。第２熱交換器３４は第１室Ｒ１内でなく第２室Ｒ２内に配設してもよい。

２）第２の実施の形態
次に、本発明による燃料電池システムの第２の実施の形態について図４、図５を参照して説明する。本第２の実施の形態は、図４に示すように、第２熱交換器３４で熱交換された後の換気用空気が、第１熱交換器３３で熱交換された後の燃焼排ガスと合流されて外部に排気される合流構造５０を備えた点で、上記第１の実施の形態と異なっている。他の構成は上記第１の実施の形態と同一構成であるので同一符号を付してその説明を省略する。

合流構造５０は、図５に示すように、第１熱交換器３３で熱交換後の燃焼排ガスが内部に供給されるケーシング５１と、ケーシング５１内に配設され第２熱交換器で熱交換後の換気用空気が一端から供給され他端からケーシング５１内に導出されるチューブ５２ａと、を備えた熱交換器であって、合流位置に設けられた第３熱交換器５３を備えている。

ケーシング５１には、燃焼排ガスが導入される導入口５１ａ、燃焼排ガスおよび換気用空気が導出される導出口５１ｂ、および凝縮された凝縮水が導出される導出口５１ｃが設けられている。ケーシング５１内には、第２熱交換器３４で熱交換後の換気用空気が流通する熱交換部（凝縮部）５２が配設されている。導入口５１ａは、排気管４５を介して第１熱交換器３３の燃焼排ガスの導出口３３ｃに接続され、導出口５１ｂは、排気管４５を介して第１排気口１１ａに接続されている。凝縮水の導出口５１ｃは、ケーシング５１の底部に形成されている。この凝縮水の導出口５１ｃは、接続管５５を介して凝縮水供給管４６に接続されている（また純水器１４に直接接続するようにしてもよい。）。

熱交換部５２は、チューブ５２ａとチューブ５２ａが貫設した複数の板状フィン５２ｂから構成されている。チューブ５２ａの一端は、換気用空気導出管５４を介して第２熱交換器３４の換気用空気導出口３４ｃに接続されている。第２熱交換器で熱交換後の換気用空気がチューブ５２ａの一端から供給され、他端からケーシング５１内に導出されるようになっている。なお、燃焼排ガスおよび換気用空気の導出口５１ｂは、凝縮水が導出口５１ｂから導出するのを防止するため、凝縮水の導出口５１ｃより上方に形成されている。

このように構成された第３熱交換器５３においては、第１熱交換器３３で熱交換された燃焼排ガスは、導入口５１ａからケーシング５１内に導入され、第２熱交換器３４で熱交換された換気用空気が流通する熱交換部５２を通る際に換気用空気との間で熱交換が行われ凝縮されるとともに冷却される。一方、チューブ５２ａを流通する換気用空気は、熱交換部５２で昇温された後、他端からケーシング５１内に導出される。したがって、冷却後の燃焼排ガスおよび昇温された換気用空気がケーシング５１内で合流され、その後第１排気口１１ａから外部に排出される。また、凝縮された凝縮水は、凝縮水の導出口５１ｃ、接続管５５および凝縮水供給管４６を通って純水器１４に供給される。

上述した説明から明らかなように、本第２の実施の形態においては、第２熱交換器３４で熱交換された後の空気が、第１熱交換器３３で熱交換された後の燃焼排ガスと合流されて外部に排気される合流構造を備えている。これにより、第２熱交換器３４で熱交換された空気すなわち水蒸気含有の低い空気を燃焼排ガスに混合させることで、燃焼排ガスの白煙化をより抑制することができる。加えて、高温の燃焼排ガスに低温の換気用空気を合流させることで、高温の燃焼排ガス中の水蒸気が低温の前記空気によって凝縮させることができる。これにより、その凝縮水も、燃料電池モジュール２０に供給される水として利用することができ、ひいては、燃料電池システムの運転で必要とされる水を自給することができる。

また、合流構造は、第１熱交換器３３で熱交換後の燃焼排ガスが内部に供給されるケーシング５１と、ケーシング５１内に配設され第２熱交換器３４で熱交換後の空気が一端から供給され他端からケーシング内５１に導出されるチューブ５２ａと、を備えた熱交換器であって、合流位置に設けられた第３熱交換器５３を備えている。これにより、燃焼排ガスの白煙化および燃焼排ガスからのさらなる水回収を、簡単な構造で確実に行うことができる。

なお、上記第１の実施の形態では２つの排気口（第１および第２排気口１１ａ，１１ｂ）が別々に設けられていたが、第２排気口１１ｂを省略して第１排気口１１ａに集約することができる。

また、他の合流構造としては、換気用空気導出管５４を排気管４５の途中に単に接続するものでもよい。

また、換気用空気ブロワ１５（送風手段）を、外気からの空気を導入する空気導入口１１ｃに設けて、パッケージ内に換気用空気を押し込む構造としてもよい。換気用空気は、外気から吸込み⇒補機の冷却⇒燃料電池モジュールの冷却で昇温される。外気から吸込み⇒補機の冷却⇒燃料電池モジュールの冷却ができれば、換気用空気ブロワ１５（送風手段）の取付位置は問わない。

１１…筐体、１１ａ…第１排気口、１１ｂ…第２排気口、１１ｃ…空気導入口、１２…仕切部材、１２ａ…空気導入口、１３…水タンク、１４…純水器、１５…換気用空気ブロワ（送風手段）、２０…燃料電池モジュール、２１…ケーシング、２１ａ…導出口、２１ｂ…温度センサ、２２…蒸発部、２３…改質部、２４…燃料電池、２４ａ…セル、２４ｂ…燃料流路、２４ｃ…空気流路、２５…マニホールド、３０…排熱回収システム、３１…貯湯槽、３２…貯湯水循環ライン、３２…貯湯水循環ポンプ、３２ｂ…温度センサ、３３…第１熱交換器、３４…第２熱交換器、５０…合流構造、５１…ケーシング、５２…熱交換部、５２ａ…チューブ、５３…第３熱交換器、Ｒ１…第１室、Ｒ２…第２室。

Claims (5)

1. 燃料電池と前記燃料電池を収納するケーシングとを具備する燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールが収納された筐体と、
   前記燃料電池のアノードオフガスを燃焼した燃焼排ガスが供給されるとともに貯湯槽からの貯湯水が供給され前記燃焼排ガスと前記貯湯水が熱交換する熱交換器であって、前記筐体内に配設された第１熱交換器と、
   前記筐体に形成され前記筐体の外部の空気を導入する空気導入口と、
   前記筐体に形成され前記筐体内の前記空気を外部に導出する空気導出口と、
   前記空気導入口から前記空気導出口まで前記空気を流通させるための送風手段と、
   前記燃料電池モジュールの周囲に前記燃料電池モジュールから離間させて前記筐体内に配設された第２熱交換器と、を備え、
   前記第２熱交換器は、前記空気導入口から前記空気導出口に流通する前記空気のうち前記燃料電池モジュールを空冷した後の空気が供給されるとともに、前記貯湯槽からの前記貯湯水のうち前記第１熱交換器において前記燃焼排ガスから熱を回収する前の貯湯水が供給され、前記空気と前記貯湯水が熱交換する熱交換器であることを特徴とする燃料電池システム。
2. 請求項１において、前記筐体内に仕切部材で区画形成され、前記燃料電池モジュールが収納された収納室が設けられ、
   前記第２熱交換器が前記収納室内に設けられていることを特徴とする燃料電池システム。
3. 請求項１または請求項２において、前記ケーシングの外壁面温度または該外壁面温度を反映する部位の温度を検出する温度センサをさらに備え、
   前記送風手段は、前記温度センサの検出温度に基づいて制御されることを特徴とする燃料電池システム。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、前記第２熱交換器で熱交換された後の前記空気が、前記第１熱交換器で熱交換された後の燃焼排ガスと合流されて外部に排気される合流構造を備えたことを特徴とする燃料電池システム。
5. 請求項４において、前記合流構造は、前記第１熱交換器で熱交換後の燃焼排ガスが内部に供給されるケーシングと、該ケーシング内に配設され前記第２熱交換器で熱交換後の前記空気が一端から供給され他端から前記ケーシング内に導出されるチューブと、を備えた熱交換器であって、前記第２熱交換器で熱交換された後の前記空気が前記第１熱交換器で熱交換された後の燃焼排ガスと合流される合流位置に設けられた第３熱交換器を備えたことを特徴とする燃料電池システム。

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