JP6447257B2 - 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。

燃料電池システムは、燃料電池において、アノードに供給される水素を含む改質ガスと、カソードに供給される空気中の酸素とが化学反応することにより発電を行う。改質ガスは、一般的に、外部から改質器に供給される燃料と水とが改質器の触媒上で反応して生成される。一方、外部からの水の供給を必要としない燃料電池システムも考えられる。例えば、ラジエーターを備える燃料電池システムにおいては、ラジエーターは、燃料電池から排出される水蒸気を含むオフガスを冷却して水（ドレン水）を生成する。生成された水は、改質水として再び改質器で利用される（特許文献１参照）。

特開２００８−２４３５５５号公報

上述のように生成され、改質水として再び改質器で利用される水は、凝縮水タンクに貯留され、凝縮水タンクから改質器へ供給される。改質器及び燃料電池は、断熱材により取り囲まれた断熱空間に収容される。これに対して、凝縮水タンク、及び、凝縮水タンクから改質器へ改質水を供給する管部材の一部は、断熱空間の外部に配置される。このため、一日の気温の変化に従って、改質器へ供給される改質水（凝縮水）の温度は、変化する。

しかし、改質器へ供給される改質水（凝縮水）の温度変化は、凝縮水タンクへ回収される凝縮水の量の増減を生じさせる。これは、改質器へ供給される改質水の量の増減に繋がる。改質器へ供給できる改質水の量に余裕がなくなると、燃料電池の安定した連続運転を行うことが困難となる。

また、改質器へ供給される改質水（凝縮水）の温度変化は、燃料電池システムにおける断熱空間の温度の変化も招くことになる。この温度変化を長期間続けると、燃料電池のスタックの劣化に繋がる。

本発明は、改質器へ供給される改質水（凝縮水）の温度変化を抑えることができる燃料電池システムを提供することを目的とする。

本発明は、燃料電池と、触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、前記燃料電池から排出されたオフガスと熱交換水ラインを流通する水との間で熱交換する熱交換器と、オフガスが前記熱交換器において熱交換されて得られた凝縮水が前記改質器へ向けて流通する改質水供給ラインと、を備え、前記燃料電池及び前記改質器は、断熱材により取り囲まれた断熱空間に収容され、前記熱交換器は、前記断熱空間の外部に配置され、前記改質水供給ラインには、前記断熱空間の外部に配置され蓄熱器を有する水温調整部が接続されており、前記蓄熱器は、前記改質水供給ラインを流通する水の温度が第１の所定の温度よりも高い場合には、前記改質水供給ラインを流通する水から吸熱し、前記改質水供給ラインを流通する水の温度が前記第１の所定の温度よりも低い場合には、前記改質水供給ラインを流通する水へ放熱することにより、前記改質水供給ラインを流通する水の温度を第２の所定の温度範囲内に収めるように、前記改質水供給ラインを流通する水の温度を調整する、燃料電池システムに関する。

また、前記蓄熱器は、硫酸ナトリウム１０水和物、塩化カルシウム６水和物、パラフィンのうちの少なくとも１つの蓄熱剤を有することが好ましい。

本発明によれば、改質器へ供給される改質水（凝縮水）の温度変化を抑えることができる燃料電池システムを提供することができる。

本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。図１は、本発明の実施形態による燃料電池システム１を示す概略図である。
図１に示すように、実施形態の燃料電池システム１は、燃料電池２と、燃焼器２１と、熱交換器３と、貯湯タンク４と、改質水タンク５と、水温調整部６と、改質器７と、セパレータ５１と、不純物除去部５２と、蒸発器５７と、制御部８と、を備える。
また、燃料電池システム１は、オフガスラインＬ１と、熱交換水ラインＬ２と、温水使用ラインＬ３と、貯湯タンク給水ラインＬ４と、改質水循環ラインＬ５と、燃料供給ラインＬ６１と、空気供給ラインＬ６２と、改質ガス供給ラインＬ６３とを備える。本明細書における「ライン」とは、流路、経路、管路等の流体の流通が可能なラインの総称である。

オフガスラインＬ１は、燃焼前オフガスラインＬ１１１と、燃焼後オフガスラインＬ１１２と、下流側オフガスラインＬ１２とを有する。
燃焼前オフガスラインＬ１１１の一端部は、燃料電池２に接続されており、燃焼前オフガスラインＬ１１１の他端部は、燃焼器２１に接続されている。燃料電池２から排出されるオフガスＧ１は、オフガスラインＬ１を通じて燃焼器２１に供給される。

燃焼後オフガスラインＬ１１２の一端部は、燃焼器２１に接続されており、燃焼後オフガスラインＬ１１２の他端部は、熱交換器３に接続されている。燃焼器２１においてオフガスＧ１が燃焼されて生成された高温の燃焼ガスＧ２は、燃焼後オフガスラインＬ１１２を通じて熱交換器３に供給される。

下流側オフガスラインＬ１２の一端部は、熱交換器３に接続されており、下流側オフガスラインＬ１２の他端部は、燃料電池システム１の外部へ解放されている。下流側オフガスラインＬ１２の途中には、セパレータ（気水分離器）５１が接続されている。燃焼ガスＧ２は、セパレータ（気水分離器）５１を介して排気ガスとして、下流側オフガスラインＬ１２を流通して燃料電池システム１の外部へ排出される。

熱交換水ラインＬ２は、高温側ラインＬ２１と、低温側ラインＬ２２と、を有する。高温側ラインＬ２１の一端部は熱交換器３に接続されており、高温側ラインＬ２１の他端部は、貯湯タンク４に接続されている。高温側ラインＬ２１は、熱交換器３により熱交換された高温の温水Ｗ１を貯湯タンク４に流通させる。熱交換水ラインＬ２としての高温側ラインＬ２１には、高温の温水Ｗ１が流通することに限られず、例えば、低温又は常温の水が流通してもよいし、水道水が流通してもよい。

低温側ラインＬ２２の一端部は、貯湯タンク４に接続されており、低温側ラインＬ２２の他端部は、熱交換器３に接続されている。低温側ラインＬ２２の途中には、ポンプ４３が接続されている。低温側ラインＬ２２は、ポンプ４３の駆動により、貯湯タンク４に貯留されている温水Ｗ１を熱交換器３に流通させる。低温側ラインＬ２２には、貯湯タンク４に貯留されている水Ｗ１（温水Ｗ１）が流通することに限られず、例えば、水道水が流通してもよい。

温水使用ラインＬ３の一端部は、貯湯タンク４に接続されており、温水使用ラインＬ３の他端部は、温水使用設備（図示せず）に接続されている。また、温水使用ラインＬ３の途中には、ポンプ４４が接続されている。ポンプ４４が駆動することにより、温水使用ラインＬ３は、貯湯タンク４に貯留されている温水Ｗ１を温水使用設備（図示せず）に流通させる。

貯湯タンク給水ラインＬ４の一端部は、供給水Ｗ２の供給源（図示せず）に接続されており、貯湯タンク給水ラインＬ４の他端部は、貯湯タンク４に接続されている。貯湯タンク給水ラインＬ４の途中には、ポンプ４５が接続されている。貯湯タンク給水ラインＬ４は、供給水Ｗ２の供給源（図示せず）からの供給水Ｗ２を貯湯タンク４に流通させる。供給水Ｗ２は、低温、常温又は高温の水でもよいし、水道水でもよい。

改質水循環ラインＬ５は、凝縮水供給ラインＬ５１と、改質水供給ラインＬ５２と、改質水タンク給水ラインＬ５５と、を有している。

凝縮水供給ラインＬ５１の一端部は、セパレータ５１に接続されており、凝縮水供給ラインＬ５１の他端部は、改質水タンク５に接続されている。凝縮水供給ラインＬ５１は、燃焼ガスＧ２中に混在している水（ドレン水）を、セパレータ５１により燃焼ガスＧ２から分離して凝縮水Ｗ３として改質水タンク５へ流通させる。即ち、凝縮水供給ラインＬ５１には、オフガスＧ１から生成された燃焼ガスＧ２が熱交換器３において熱交換されて得られた凝縮水Ｗ３（改質水Ｗ３）が、流通する。

改質水供給ラインＬ５２の一端部は、改質水タンク５に接続されており、改質水供給ラインＬ５２の他端部は、改質器７に接続されている。また、改質水供給ラインＬ５２の途中には、改質水供給ラインＬ５２の一端部側から他端部側に向かって不純物除去部５２、ポンプ５５、水温調整部６、蒸発器５７がこの順でそれぞれ接続されている。改質水供給ラインＬ５２は、改質水タンク５に貯留された水Ｗ３（改質水Ｗ３）を、改質器７に向けて流通させる。

改質水タンク給水ラインＬ５５の一端部は、供給水Ｗ４の供給源（図示せず）に接続されており、改質水タンク給水ラインＬ５５の他端部は、改質水タンク５に接続されている。改質水タンク給水ラインＬ５５の途中には、ポンプ５６が接続されている。改質水タンク給水ラインＬ５５は、ポンプ５６の駆動により、供給水Ｗ４の供給源（図示せず）からの供給水Ｗ４を改質水タンク５に流通させる。供給水Ｗ４は、低温、常温又は高温の水でもよいし、水道水でもよい。

燃料供給ラインＬ６１の一端部は、都市ガス等の燃料Ｇ３を供給可能な燃料供給部（図示せず）に接続されており、燃料供給ラインＬ６１の他端部は、改質器７に接続されている。燃料供給ラインＬ６１は、燃料供給部（図示せず）からの燃料Ｇ３を改質器７へ流通させる。

空気供給ラインＬ６２の一端部は、空気Ａ１を燃料電池２に供給するためのブロワ（図示せず）及びフィルタ（図示せず）に接続されている。空気供給ラインＬ６２の他端部は、燃料電池２に接続されている。空気供給ラインＬ６２は、ブロワ及びフィルタを通過した空気Ａ１を、燃料電池２に流通させる。

改質ガス供給ラインＬ６３の一端部は、改質器７に接続されており、改質ガス供給ラインＬ６３の他端部は、燃料電池２に接続される。改質ガス供給ラインＬ６３は、改質器７において生成された水素を含む改質ガスＧ４を、燃料電池２に向けて流通させる。

燃料電池２は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）により構成される。燃料電池２においては、改質器７から供給される水素を含む改質ガスＧ４と、空気供給ラインＬ６２から供給される空気Ａ１中の酸素とが反応することにより、発電が行われる。燃料電池２において発電を行うときの温度である運転温度は、７００℃〜１０００℃と高温である。燃料電池２によって発電された電気は、パワーコンディショナ（図示せず）に送られ、ＡＣ電圧に変換される。

燃焼器２１は、バーナーや炉等により構成される。燃焼器２１では、燃焼前オフガスラインＬ１１１を通して供給されたオフガスＧ１が燃焼されて、即ち、アノードオフガス及びカソードオフガスが燃焼されて、高温の燃焼ガスＧ２が生成される。

熱交換器３は、燃料電池２から排出されたオフガスＧ１から生成された燃焼ガスＧ２と、熱交換水ラインＬ２を流通する温水Ｗ１等との間で熱交換する。即ち、熱交換器３は、燃焼器２１から供給される高温の燃焼ガスＧ２の熱を、低温側ラインＬ２２を流通した貯湯タンク４からの温水Ｗ１に伝達させる。これにより、燃焼ガスＧ２中には、水（ドレン水）が混在した状態となる。セパレータ５１は、熱交換器３における熱交換により生成され燃焼ガスＧ２中に混在している水を、燃焼ガスＧ２から分離し、改質水Ｗ３として改質水タンク５へ流通させる。

貯湯タンク４は、熱交換器３に熱交換水ラインＬ２を介して接続されている。貯湯タンク４は、熱交換水ラインＬ２を構成する高温側ラインＬ２１を流通する、熱交換器３により熱交換された温水Ｗ１を貯留する。貯湯タンク４に貯留された温水Ｗ１は、ポンプ４３により低温側ラインＬ２２を通して熱交換器３に向けて送り出される。

改質水タンク５は、凝縮水供給ラインＬ５１を介して流通した凝縮水Ｗ３を改質水Ｗ３として貯留する。改質水タンク５は、高水位検出部としての第１水位検出センサ５０１と、低水位検出部としての第２水位検出センサ５０２と、を備えている。

第１水位検出センサ５０１は、フロートスイッチにより構成されており、改質水タンク５内の上部に配置されている。第２水位検出センサ５０２は、フロートスイッチにより構成されており、改質水タンク５内の下部に配置されている。従って、第１水位検出センサ５０１は、改質水タンク５の内部の水位が第１の水位を上回っているか否かを検出する。また、第２水位検出センサ５０２は、改質水タンク５の内部の水位が、第１の水位よりも低い第２の水位を上回っているか否かを検出する。第１水位検出センサ５０１及び第２水位検出センサ５０２は、制御部８と電気的に接続されている。第１水位検出センサ５０１及び第２水位検出センサ５０２により検出された改質水タンク５内の改質水Ｗ３の水位は、制御部８へ検出信号として送信される。

不純物除去部５２は、混床イオン交換樹脂（ポリッシャ）を有している。不純物除去部５２は、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３から不純物を除去して、改質水Ｗ３を浄化（純水化）する。

水温調整部６は、断熱空間１０１の外部に配置されており、蓄熱器６０１を有している。蓄熱器６０１は、硫酸ナトリウム１０水和物、塩化カルシウム６水和物、パラフィンのうちの少なくとも１つの蓄熱剤を有している。蓄熱器６０１の蓄熱剤は、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３との間で熱交換可能であり、潜熱蓄熱を行う。

より具体的には、日中に気温が上昇して、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度が第１の所定の温度よりも高い場合には、蓄熱器６０１は、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３から吸熱する。第１の所定の温度とは、例えば、２０℃程度である。また、日没後に気温が下降して、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度が第１の所定の温度よりも低い場合には、蓄熱器６０１は、日中に蓄えた熱を、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３へ放熱する。これにより、蓄熱器６０１は、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度を、第２の所定の温度範囲内にほぼ収めるように、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度を調整する。第２の所定の温度範囲とは、具体的には、１０℃〜３０℃程度の温度範囲である。

蒸発器５７は、改質水供給ラインＬ５２から供給された改質水Ｗ３を蒸発（気化）させる。蒸発器５７により蒸発（気化）させられた改質水Ｗ３（蒸発水）は、改質水供給ラインＬ５２を介して改質器７に供給される。蒸発器５７の運転温度は１５０℃〜４００℃程度である。

断熱材により構成される断熱壁部材１０は、燃料電池２と、燃焼器２１と、改質器７と、蒸発器５７と、を取り囲んで収容するように配置されている。従って、断熱壁部材１０の外部に、熱交換器３及び水温調整部６等は配置されている。断熱壁部材１０は、断熱壁部材１０の内側の空間（断熱空間１０１）と外部の空間との間の断熱を行う。断熱空間１０１の温度は、８００℃程度である。

改質器７は、触媒を有している。改質水供給ラインＬ５２を通して供給される改質水Ｗ３と、燃料供給ラインＬ６１を通して供給される燃料Ｇ３とは、改質器７の触媒上で反応する。この反応により、改質器７において、改質ガスＧ４が生成される。生成された改質ガスＧ４は、改質ガス供給ラインＬ６３を通して燃料電池２に供給される。

制御部８は、ＣＰＵ（図示せず）と記憶媒体（図示せず）とを主として有している。記憶媒体には、前述のように、制御部８に電気的に接続された各部に対して、各種の制御を行うためにＣＰＵを動作させるためのプログラムがそれぞれ記憶されている。また、制御部８は、ポンプ４３、４４、４５、５５、５６に電気的に接続されており、ポンプ４３、４４、４５、５５、５６に対して駆動及び駆動停止の制御を行う。

本実施形態の燃料電池システムによれば、以下の効果を得ることができる。
燃料電池システム１は、燃料電池２と、触媒上で燃料Ｇ３と水（改質水Ｗ３）とを反応させて、燃料電池２に供給される改質ガスＧ４を生成する改質器７と、燃料電池２から排出されたオフガスＧ１（燃焼ガスＧ２）と熱交換水ラインＬ２を流通する水Ｗ１（温水Ｗ１）との間で熱交換する熱交換器３と、オフガスＧ１（燃焼ガスＧ２）が熱交換器３において熱交換されて得られた凝縮水Ｗ３（改質水Ｗ３）が改質器７へ向けて流通する改質水供給ラインＬ５２と、を備えている。
燃料電池２及び改質器７は、断熱材としての断熱壁部材１０により取り囲まれた断熱空間１０１に収容される。水温調整部６は、断熱空間１０１の外部に配置される。改質水供給ラインＬ５２には、断熱空間１０１の外部に配置され蓄熱器６０１を有する水温調整部６が接続されている。
蓄熱器６０１は、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度が第１の所定の温度よりも高い場合には、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３から吸熱する。また、蓄熱器６０１は、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度が第１の所定の温度よりも低い場合には、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３へ放熱する。これらにより、蓄熱器６０１は、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度を第２の所定の温度範囲内に収めるように、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度を調整する。

このため、一日の気温の変化に伴い、改質水タンク５から改質器７へ供給される改質水Ｗ３（凝縮水Ｗ３）の温度が変化した場合であっても、改質水供給ラインＬ５２を流通する改質水Ｗ３の温度を第２の所定の温度範囲内にほぼ収めることができる。このため、改質器７へ供給される改質水Ｗ３の温度変化に起因する、改質水タンク５へ回収される凝縮水Ｗ３（改質水Ｗ３）の量の増減を、抑えることができる。また、燃料電池システム１における断熱空間１０１の温度の変化を抑えることができる。

また、蓄熱器６０１は、硫酸ナトリウム１０水和物、塩化カルシウム６水和物、パラフィンのうちの少なくとも１つの蓄熱剤を有する。このため、蓄熱器６０１の構成を複雑にせずに、第１の所定の温度を２０℃程度とすることができ、容易に潜熱蓄熱を行うことができる。

本発明は、上述した実施形態に限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された技術的範囲において変形が可能である。例えば、燃料電池システムの構成は、本実施形態における燃料電池システム１の構成に限定されない。
例えば、燃料電池システム１では、蓄熱器６０１は、硫酸ナトリウム１０水和物、塩化カルシウム６水和物、パラフィンのうちの少なくとも１つの蓄熱剤を有していたが、この構成に限定されない。他の蓄熱剤を用いてもよい。

また、ポンプ５５は、不純物除去部５２と水温調整部６との間の改質水供給ラインＬ５２の部分に接続されていたが、この構成に限定されない。例えば、断熱空間１０１の外部の改質水供給ラインＬ５２の部分に接続されていてもよい。また、改質水Ｗ３の流れにおけるポンプ５５の下流側に水温調整部６が位置していたが、この構成に限定されない。改質水Ｗ３の流れにおけるポンプ５５の上流側に水温調整部６が位置していてもよい。また、不純物除去部５２を有していなくてもよい。

１ 燃料電池システム
２ 燃料電池
３ 熱交換器
６ 水温調整部
７ 改質器
１０ 断熱壁部材（断熱材）
１０１ 断熱空間
６０１ 蓄熱器
Ｌ２ 熱交換水ライン
Ｌ５２ 改質水供給ライン
Ｇ１ オフガス
Ｇ２ 燃焼ガス
Ｇ３ 燃料
Ｇ４ 改質ガス
Ｗ１ 温水（水）
Ｗ３ 改質水（凝縮水）（水）

Claims (2)

1. 燃料電池と、
   触媒上で燃料と水とを反応させて、前記燃料電池に供給される改質ガスを生成する改質器と、
   前記燃料電池から排出されたオフガスと熱交換水ラインを流通する水との間で熱交換する熱交換器と、
   オフガスが前記熱交換器において熱交換されて得られた凝縮水が前記改質器へ向けて流通する改質水供給ラインと、を備え、
   前記燃料電池及び前記改質器は、断熱材により取り囲まれた断熱空間に収容され、
   前記熱交換器は、前記断熱空間の外部に配置され、
   前記改質水供給ラインには、前記断熱空間の外部に配置され蓄熱器を有する水温調整部が接続されており、
   前記蓄熱器は、前記改質水供給ラインを流通する水の温度が第１の所定の温度よりも高い場合には、前記改質水供給ラインを流通する水から吸熱し、前記改質水供給ラインを流通する水の温度が前記第１の所定の温度よりも低い場合には、前記改質水供給ラインを流通する水へ放熱することにより、前記改質水供給ラインを流通する水の温度を第２の所定の温度範囲内に収めるように、前記改質水供給ラインを流通する水の温度を調整する、燃料電池システム。
2. 前記蓄熱器は、硫酸ナトリウム１０水和物、塩化カルシウム６水和物、パラフィンのうちの少なくとも１つの蓄熱剤を有する請求項１に記載の燃料電池システム。

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