JP5966147B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は固体酸化物形燃料電池システムに関するものである。

近年、家庭用の燃料電池コージェネシステムとして固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）の開発が行われている。このＳＯＦＣは、空気極（陰極）で生成した酸化物イオンが電解質を透過し、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る。また、水素だけでなく一酸化炭素等も燃料として使用できる。そのため固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）のように一酸化炭素を数ＰＰＭまで低減した水素を必要とせず、変成反応器や一酸化炭素除去器などを伴う大掛かりな水素生成器が不要となる。また、発電の動作温度がＰＥＦＣは６０〜８０℃であるのに対し、ＳＯＦＣは７００〜９００℃と高く、高温の排熱から熱を回収して給湯に利用することができる。ＳＯＦＣは、高温の排熱を利用し、排熱から熱回収する循環水、及び、貯湯タンクに貯める湯温を高くすることができ、湯水を貯める貯湯タンクにの容量を小さくすることができる。そのため、ＳＯＦＣは、いわゆる小型化、低コストな新方式として注目されている。

従来の燃料電池システムとして、設置性とメンテナンス性の向上を目的として、貯湯槽収納容器の上に発電ユニットが配置される構成の固体酸化物形燃料電池システムが開示されている（例えば、特許文献１の図５ご参照）。

特開２００７−２９４２９６号公報

しかしながら、前記従来の構成では、ＳＯＦＣは高温で動作するため、ＳＯＦＣを含む燃料電池モジュールから排気される排気ガスが高温になる。そのため、この排気ガスを十分に冷却する必要があるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、排気ガスの冷却効果を高めるとともに、小型でコンパクトな燃料電池システムを提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の燃焼電池システムは、固体酸化物形燃料電池を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの上部又は下部に配置される円柱形状の貯湯タンクと、前記燃料電池モジュール及び前記貯湯タンクを内部に配置する四角柱形状の筐体と、少なくともその一部が、前記貯湯タンクと筐体との間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置され、かつ、鉛直方向に沿って配置され、前記燃料電池モジュールからの排気ガスを排出する排気経路と、前記排気経路上に配置され、かつ、前記貯湯タンクと筐体との間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置され、前記排気経路中の水分が凝縮した凝縮水を回収する凝縮水タンクと、前記排気経路上に配置され、かつ、前記凝縮水タンク及び前記燃料電池モジュールとの間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置される熱交換器を備えたのである。

これによって、排気経路の少なくとも一部及び凝縮水タンクは、燃料電池モジュールに比べてより低温の貯湯タンクに沿って配置される。また、四角柱形状の筐体と円柱形状の貯湯タンクとの間の筐体のコーナーの空間を有効に利用することができる。

本発明の燃焼電池システムによれば、高温の排気ガスの冷却効果を十分に高めることができる。そのため、排気ガスから水分を十分に回収することができ、燃料電池システム内で発生した水分をより有効に利用することができる。また、四角柱形状の筐体と円柱形状の貯湯タンクとの間の筐体のコーナーの空間を有効に利用することができ、システムの小型化が実現できる。

本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す正面図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す貯湯タンク部の平面図 本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す燃料電池モジュール部の平面図 本発明の実施の形態２における燃料電池システムの別構成を示す正面図

第１の発明は、固体酸化物形燃料電池を含む燃料電池モジュールと、前記燃料電池モジュールの上部又は下部に配置される円柱形状の貯湯タンクと、前記燃料電池モジュール及び前記貯湯タンクを内部に配置する四角柱形状の筐体と、少なくともその一部が、前記貯湯タンクと筐体との間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置され、かつ、鉛直方向に沿って配置され、前記燃料電池モジュールからの排気ガスを排出する排気経路と、前記排気経路上に配置され、かつ、前記貯湯タンクと筐体との間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置され、前記排気経路中の水分が凝縮した凝縮水を回収する凝縮水タンクと、前記排気経路上に配置され、かつ、前記凝縮水タンク及び前記燃料電池モジュールとの間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置される熱交換器とを備える燃料電池システムである。

この構成により、排気経路の少なくとも一部及び凝縮水タンクは、燃料電池モジュールに比べてより低温の貯湯タンクに沿って配置される。そのため、排気ガスをより冷却することができ、同時により多くの凝縮水を回収することもできる。回収した凝縮水は、改質部に供給され、燃料ガスの改質反応に必要な改質水をして有効に利用することができる。また、四角柱形状の筐体と円柱形状の貯湯タンクとの間の筐体のコーナーの空間を有効に利用することで、小型でコンパクトな燃料電池システムにもできる。

第２の発明は、特に、第１の発明の前記貯湯タンクは、前記燃料電池モジュールの下部に配置される燃料電池システムである。

この構成により、凝縮水タンクは、熱交換器より鉛直方向の下側に配置されるため、熱交換器で冷却された排気ガス中の水分が凝縮した凝縮水は、鉛直方向下側に配置される凝縮水タンクに重力で落ちる。凝縮水が重力によって凝縮水タンクに落ちるため、凝縮水が排気ガスの流通を妨げることなく、スムーズに排気ガスを排気することができる。

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。また、以下の説明では、同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１における燃焼電池システムの構成を示す正面図であり、図２は実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す貯湯タンク部の平面図であり、図３は本発明の実施の形態１における燃料電池システムの構成を示す燃料電池モジュール部の平面図である。

図１、図２、図３において、筐体６内にＳＯＦＣを内部に備えた燃料電池モジュール７
とＰＥＭ方式の約１／３の７０Ｌ程の小容量の貯湯タンク８があり、筐体６内下側に燃料電池モジュール７を配置し、この燃料電池モジュール７の上部に貯湯タンク８が配置されている。この構成において、燃料電池モジュール７での発電を行うべく主部品である純水器９、純水器９からの純水Ｗを貯める水タンク１０、燃料Ｎとなる都市ガス等の原料ガスＧから硫黄成分を除去する脱硫器１１、空気Ａを送り込む空気ポンプ１２、燃料電池モジュール７からの排気ガスＨＧを筐体６外に導く排気経路１３、排気経路１３中に燃料電池モジュール７で発生した熱と貯湯に要する市水とを熱交換する熱交換器１４、熱交換器１４からの凝縮水ｇｗ及び排気経路１３中の凝縮水ｇｗを貯める凝縮水タンク１５、運転制御及び発電電力を交流に変換する制御装置１６がある。これらの主部品は貯湯タンク８と筐体６の内側のコーナー空間部Ｘに配置され、その中でも排気経路１３は一部を除いて筐体６と貯湯タンク８に沿うように鉛直方向に配置されている。また、熱交換器１４は燃料電池モジュール７と凝縮水タンク１５の間に配置されている。排気経路１３からの排気ガスＨＧを筐体６外に出す排気口１７は貯湯タンク８の鉛直方向内にある。貯湯タンク８のお湯切れの対応として給湯機１８は従来と同様に備えている。ここで、貯湯タンク８は面圧がより均一となる円柱形状であることが好ましい。また、燃料電池モジュール７、及び筐体６は四角柱形状であることが好ましい。

なお、例えば、燃料電池モジュール７と貯湯タンク８との間に仕切りが設けられていてもよい。また、燃料電池モジュール７と貯湯タンク８と位置関係が上下に配置されるよう構成されていればよく、例えば、燃料電池モジュール７と貯湯タンク８とが、それぞれ別の筐体内に配置されていてもよい。

以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。

まず、使用者がスタートボタンを押すなどして燃料電池システムの駆動開始が指示されると脱硫器１１に都市ガス等の原料ガスＧが供給され、脱硫器１１により原料ガスＧに含まれる硫黄成分が除去され、燃料ＮとしてＳＯＦＣを含む燃料電池モジュール７に供給される。一方、凝縮水タンク１５から純水器９に水が送られる。純水器９に送られた水は純水器９により純水Ｗにされた後、燃料電池モジュール７に供給される。さらに空気ポンプ１２により燃料電池モジュール７へ空気Ａが供給される。そしてＳＯＦＣを含む燃料電池モジュール７内にある蒸発器（図示せず）等を経て、供給された燃料Ｎ及び空気Ａが電気化学的に反応する。これにより、発電が行われる。この発電により得られた電力は制御装置１６内のインバータ（図示せず）を介して系統電源に供給される。電気化学反応時に発生する水分を含む排気ガスＨＧは燃料電池モジュール７から排気経路１３を通り熱交換器１４に通じ、貯湯タンク８に必要な市水等と熱交換される。この時、ＳＯＦＣは動作温度が７００〜９００℃と非常に高く、排気ガスＨＧも２００〜３００℃と高温であり、市水との熱交換性が高い。そのため、貯湯タンク８内に貯める湯温を容易に７０〜７５℃と高くでき、貯湯タンク８の容量をＰＥＭの約１／３の７０Ｌ程にすることができ、さらに、ＰＥＭのように大掛かりな水素生成機が不要であるということとが相まって、燃料電池モジュール７の上部に貯湯タンク８を配置することが可能となった。一方、排気ガスＨＧは熱交換後も高温であるとともに燃料電池モジュール７自体も高温である。通常、燃料電池モジュール７周囲に配置される排気経路１３、熱交換器１４、凝縮水タンク１５をあえて燃料電池モジュール７より温度の低い貯湯タンク８側で筐体６のコーナー空間部Ｘに配置し、より冷却できるようにしている。さらに、少なくとも凝縮水タンク１５通過後の排気経路１３を鉛直方向にすることで、凝縮水タンク１５通過後に発生する排気経路１３中の凝縮水ｇｗが停滞しないように配慮し、より多く凝縮水ｇｗを回収できるようにもしている。回収した凝縮水は、改質部に供給され、燃料ガスの改質反応に必要な改質水をして有効に利用することができる。また、排気経路１３、熱交換器１４、凝縮水タンク１５以外の主部品である純水器９、水タンク１０、脱硫器１１、空気ポンプ１２、制御装置１６も貯湯タンク８と筐体６の内側のコーナー空間部Ｘに配置して筐体６の内側コーナー部の空
間を有効利用できるようにしている。

以上のように、本発明の形態においては、貯湯タンク８の上部に燃料電池モジュール７を配置し、燃料電池モジュール７より温度の低い貯湯タンク８と筐体６の間に排気経路１３を配置し、排気経路１３の一部を鉛直方向に配置し、主要部品も貯湯タンク８と筐体６の間に配置することで、排気ガスＨＧの冷却効果を十分に高めることができ、特に平面上の面積を小さくでき、小型でコンパクトな燃料電池システムとすることができる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２における燃料電池システムの別構成を示す正面図である。

実施の形態１と異なる点は、図４に示すように、貯湯タンク８を筐体６内下側に配置し、この貯湯タンク８の上部に燃料電池モジュール７を配置、すなわち、貯湯タンク８は燃料電池モジュール７の下部に配置して、他の基本構成は実施の形態１と同様である。

以上のように構成された燃料電池システムについて、以下その動作、作用を説明する。

基本的な動作、作用は実施の形態１と同様であるが、凝縮水タンク１５は、熱交換器１４より鉛直方向の下側に配置されるため、熱交換器１４で冷却された排気ガスＨＧ中の水分が凝縮した凝縮水ｇｗは、鉛直方向下側に配置される凝縮水タンク１５に重力で落ちる。

以上のように、凝縮水ｇｗが重力によって凝縮水タンク１５に落ちるため。凝縮水ｇｗが排気ガスＨＧの流通を妨げることがなく、スムーズに排気ガスＨＧを排気することができる。

また、貯湯タンク８の方が燃料電池モジュール７より重量が重いため、重心が実施の形態１より下方向にでき、運搬、設置後の安定性も高めることができる。

本発明にかかる燃料電池システムは、排気ガスの冷却効果を高めるとともに、特に平面上の面積を小さくでき、小型コンパクト化を図れるので、集合住宅、狭小地への施工性を向上させる燃料電池システムの基本構成にも適用できる。

６ 筐体
７ 燃料電池モジュール
８ 貯湯タンク
９ 純水器
１０ 水タンク
１１ 脱硫器
１２ 空気ポンプ
１３ 排気経路
１４ 熱交換器
１５ 凝縮水タンク
１６ 制御装置
１７ 排気口
ＨＧ 排気ガス
ｇｗ 凝縮水
Ｘ コーナー空間部

Claims (2)

1. 固体酸化物形燃料電池を含む燃料電池モジュールと、
   前記燃料電池モジュールの上部又は下部に配置される円柱形状の貯湯タンクと、
   前記燃料電池モジュール及び前記貯湯タンクを内部に配置する四角柱形状の筐体と、
   少なくともその一部が、前記貯湯タンクと筐体との間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置され、かつ、鉛直方向に沿って配置され、前記燃料電池モジュールからの排気ガスを排出する排気経路と、
   前記排気経路上に配置され、かつ、前記貯湯タンクと筐体との間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置され、前記排気経路中の水分が凝縮した凝縮水を回収する凝縮水タンクと、
   前記排気経路上に配置され、かつ、前記凝縮水タンク及び前記燃料電池モジュールとの間で前記筐体の内側のコーナー空間部に配置される熱交換器と、
   を備える、燃料電池システム。
2. 前記貯湯タンクは、前記燃料電池モジュールの下部に配置される、請求項１に記載の燃料電池システム。