JP7109218B2 - 燃料電池システム - Google Patents

Description

本発明は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収部と、前記熱回収部で前記燃焼排ガスを冷却することで当該燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える水タンクと、運転を制御する運転制御部とを備え、前記水タンクに貯えられている水が、前記改質部での原燃料の水蒸気改質に用いられる燃料電池システムに関する。

特許文献１（特開２０１５－０８２４７９号公報）には、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部（燃料改質器５ｃ）と、改質部で生成された燃料ガスが供給される燃料電池部（燃料電池セルスタック５ａ）と、燃料電池部での発電反応で用いられた後に排出されるガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部（オフガス燃焼室５ｄ）と、燃焼部から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収部（排熱回収用熱交換器１１）と、熱回収部で燃焼排ガスを冷却することで当該燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える水タンク（水処理手段１２）とを備え、水タンクに貯えられている水が、改質部での原燃料の水蒸気改質に用いられる燃料電池システムが記載されている。
また、特許文献１に記載の燃料電池システムは、燃料を燃焼して得られる燃焼熱により、熱負荷装置に供給する流体を加熱する流体加熱用燃焼器を有する熱源機（補助熱源機２２）も備えている。

特開２０１５－０８２４７９号公報

排熱回収用熱交換器で燃焼排ガスを充分に冷却できない場合、燃焼排ガス中から回収できる回収水の量が減少するという問題が発生する。そのような場合、水道水を新たに導入して、改質部に供給することもできる。
但し、水道水には様々なイオンなどの不純物が含まれているという問題がある。また、水道水をイオン交換樹脂等を充填した水精製器を用いて処理することで、不純物を除去することもできるが、イオン交換樹脂は吸着できるイオン量には限界があるため、水精製器の能力が低下した場合には、イオン交換樹脂を取り替えなければならない。特に、水精製器で多量の水道水を処理すると、水精製器の能力が大きく低下してしまうという問題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、改質部での原燃料の水蒸気改質に用いられる改質用水を充分に確保しつつ、水精製器の能力を大きく低下させることのない燃料電池システムを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係る燃料電池システムの特徴構成は、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収部と、前記熱回収部で前記燃焼排ガスを冷却することで当該燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える水タンクと、運転を制御する運転制御部とを備え、前記水タンクに貯えられている水が、前記改質部での前記原燃料の水蒸気改質に用いられる燃料電池システムであって、
前記水タンクの上流側又は下流側に設けられて、前記回収水を精製する水精製器と、
燃料を燃焼して得られる燃焼熱により、熱負荷装置に供給する流体を加熱する流体加熱用燃焼器と、前記流体加熱用燃焼器の排気から顕熱を回収する顕熱回収式熱交換器及び潜熱を回収する潜熱回収式熱交換器と、前記潜熱回収式熱交換器において前記流体加熱用燃焼器の排気に含まれていた水蒸気が凝縮して生じたドレンを回収するドレン回収部とを有する熱源機とを備え、
前記熱源機からドレンとして排出された水を前記水精製器で精製した後で前記改質部での前記原燃料の水蒸気改質に供給できるように構成され、
前記運転制御部は、前記水タンクの水位が所定の下限水位以下になると、前記熱源機で燃料を燃焼させ、前記熱源機からドレンとして排出された水を前記水精製器に供給する水補充処理を行う点にある。

上記特徴構成によれば、熱源機からドレンとして排出された水を水精製器で精製した後で改質部での原燃料の水蒸気改質に供給できる。つまり、イオンなどの不純物が多く含まれている水道水ではなく、含まれている不純物が相対的に少ない、熱源機からドレンとして排出された水を、水精製器で精製して、水蒸気改質に用いることができる。
また、水タンクの水位が所定の下限水位以下になったとしても、熱源機で燃料を燃焼させて、その燃焼排ガス中の水分を凝縮させることで、熱源機からドレン水を排出することができる。そして、熱源機からドレンとして排出された水を水精製器に供給する水補充処理を行うことで、水タンクの水位を上昇させることができると共に、その後、清浄な水を用いて水蒸気改質を行うことができる。
従って、改質部での原燃料の水蒸気改質に用いられる改質用水を充分に確保しつつ、水精製器の能力を大きく低下させることのない燃料電池システムを提供できる。

本発明に係る燃料電池システムの別の特徴構成は、前記運転制御部は、前記水補充処理を行うことで前記水タンクの水位が前記下限水位より高い所定の上限水位以上になると、前記水補充処理を終了する点にある。

上記特徴構成によれば、水補充処理を行うことで水タンクの水位が下限水位より高い所定の上限水位以上になると、水補充処理を終了することで、水タンク内の水位を適正な状態で維持できる。

燃料電池システムの構成を示す図である。 水位管理処理を説明するフローチャートである。

以下に図面を参照して本発明の実施形態に係る燃料電池システムについて説明する。
図１は、燃料電池システムの構成を示す図である。図示するように、燃料電池システムは、原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部１と、改質部１で生成された燃料ガスが供給されるアノード２ａ、及び、酸素ガスが供給されるカソード２ｂを有する燃料電池部２と、燃料電池部２での発電反応で用いられた後にアノード２ａから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部３と、燃焼部３から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収部４と、熱回収部４で燃焼排ガスを冷却することで当該燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える水タンク６と、運転を制御する運転制御部１０とを備える。この燃料電池システムでは、水タンク６に貯えられている水が、改質部１での原燃料の水蒸気改質に用いられる。また、図１に示す例では、使用者に情報を出力するため及び使用者から情報の入力を受け付けるための情報入出力部１１も設けられている。

燃料電池部２のアノード２ａに供給する燃料ガスを生成する改質部１には、原燃料供給路Ｌ１を介して都市ガスなどの原燃料ガスが供給され、且つ、水タンク６に貯えられている改質用水が改質用水供給路Ｌ５を介して供給される。そして、改質部１で生成された燃料ガスは燃料ガス供給路Ｌ２を通って燃料電池部２のアノード２ａに供給される。原燃料ガスの単位時間当たりの供給量はポンプＰ３で調節され、改質用水の単位時間当たりの供給量はポンプＰ１で調節される。ポンプＰ１及びポンプＰ３の動作は運転制御部１０が制御する。

燃料電池部２は、アノード２ａとカソード２ｂとの間に電解質２ｃを挟んで構成されるセルを複数積層して形成される。燃料電池部２では、改質部１から供給される燃料ガスがアノード２ａに供給され、ブロア１６によって酸素供給路Ｌ６を介して供給される空気（酸素ガス）がカソード２ｂに供給されて、発電反応が行われる。燃料電池部２で発電された電力は電力変換部（図示せず）を介して電力負荷装置（図示せず）に供給される。ブロア１６の動作は運転制御部１０が制御する。

燃料電池部２のアノード２ａ及びカソード２ｂでは、全ての水素及び酸素が発電反応によって消費される訳ではなく、アノード２ａから排出されるアノード排ガス中には水素が含まれている。また、カソード２ｂから排出されるカソード排ガスには酸素が含まれている。それらアノード排ガス及びカソード排ガスは燃焼部３で燃焼され、燃焼熱を発生する。この燃焼熱は改質部１での改質反応に用いられる。また、後述するように、燃焼部３から排出される燃焼排ガスが保有する熱は、貯湯タンク８に貯えられている流体としての湯水を加熱するために用いられる。

貯湯タンク８には、熱が湯水の形態で蓄えられる。本実施形態では、貯湯タンク８には、温度成層を形成する状態で湯水が貯えられる。つまり、貯湯タンク８の内部では、相対的に低温の湯水がその下部に貯えられ、相対的に高温の湯水がその上部に貯えられるように構成されている。貯湯タンク８に貯えられている湯水は、湯水循環路Ｌ７を通って熱回収部４と貯湯タンク８との間で循環する。湯水循環路Ｌ７における湯水の流動は、ポンプＰ２によって行われる。ポンプＰ２の動作は運転制御部１０が制御する。そして、湯水循環路Ｌ７を流れる相対的に低温の湯水は、熱回収部４での熱交換により、燃焼部３から排出される燃焼排ガスが保有する熱を回収し（即ち、湯水は昇温され）、相対的に高温の湯水となって貯湯タンク８の上部へと流入する。

貯湯タンク８に貯えられている流体としての湯水は、熱負荷装置９へ供給できる。熱負荷装置９は、例えば湯水そのものを消費する給湯装置である。或いは、熱負荷装置９は、流体の保有する熱のみを消費する暖房装置などである。本実施形態の貯湯タンク８には給水路Ｌ８及び出湯路Ｌ９が接続される。貯湯タンク８には給水路Ｌ８を介して上水が供給され、貯湯タンク８からは出湯路Ｌ９を介して熱負荷装置９へ湯水を供給できる。また、出湯路Ｌ９の途中には熱源機３０が設けられる。

熱源機３０は、燃料を燃焼して得られる燃焼熱により、熱負荷装置９に供給する流体（湯水）を加熱する流体加熱用燃焼器３３を有する。具体的には、熱源機３０は、燃料を燃焼する流体加熱用燃焼器３３と、流体加熱用燃焼器３３の排気から顕熱を回収する顕熱回収式熱交換器３２及び潜熱を回収する潜熱回収式熱交換器３１と、潜熱回収式熱交換器３１で生じたドレンを回収するドレン回収部としてのドレンパン４６と、ドレンパン４６で回収されたドレンを外部へ排出するドレン水排出路Ｌ１１とを備える。ドレン水排出路Ｌ１１には運転制御部１０によって動作の制御が行われるポンプＰ４が設けられており、このポンプＰ４によってドレン水が下流側へと流れる。流体加熱用燃焼器３３には、ブロア３７によって空気が供給され、ガス供給路Ｌ１０及び弁Ｖ４を介して燃料が供給される。流体加熱用燃焼器３３で燃料の燃焼が行われると、発生する高温の排ガスは先ず顕熱回収式熱交換器３２に供給され、その後、潜熱回収式熱交換器３１へ供給される。潜熱回収式熱交換器３１で潜熱が回収された後の排ガスは排気口３５から燃焼室３４の外部に排出される。

出湯路Ｌ９には、熱源機３０が加熱した若しくは加熱対象とする水が流れる。貯湯タンク８から供給される湯水は、出湯路Ｌ９を通って潜熱回収式熱交換器３１を通過し、その後、顕熱回収式熱交換器３２を通過した後、高温の湯水として熱源機３０の外部に排出される。つまり、顕熱回収式熱交換器３２において燃焼排ガスの顕熱が出湯路Ｌ９を流れる湯水によって回収され、その後、潜熱回収式熱交換器３１において排ガスの潜熱が出湯路Ｌ９を流れる湯水によって回収される。

潜熱回収式熱交換器３１において流体加熱用燃焼器３３の排ガスから潜熱を回収するときに、その排ガス中の水蒸気が凝縮して凝縮水（即ち、ドレン）が生じる。このドレンは、燃焼室３４内の潜熱回収式熱交換器３１の下方に設けられるドレンパン４６によって集められる。ドレンパン４６によって集められたドレンは、ドレンパン４６に接続されるドレン水排出路Ｌ１１を通って、燃焼室３４の外部に取り出される。

ドレン水排出路Ｌ１１を流通するドレンは、熱源機３０が備える中和器３６に流入して中和される。中和器３６には例えば炭酸カルシウムのような中和剤が入れられている。中和器３６において中和されたドレンは、ドレン水排出路Ｌ１１を通って熱源機３０の外部に排出される。

上述した熱回収部４では、燃焼部３から排出される燃焼排ガスからの熱回収、即ち燃焼排ガスの冷却が行われるため、熱回収部４よりも下流側の燃焼排ガス路Ｌ３には、凝縮した水（回収水）が存在している。この回収水は、燃焼排ガス路Ｌ３から分岐する回収水路Ｌ４に導かれて、水精製器５に流入する。水精製器５は、回収水に含まれる電解質のイオン（例えば、イオン化して溶存している塩類やアンモニアなど）を例えばＨ^＋、ＯＨ^－と交換することで、回収水に含まれる電解質の濃度を相対的に低くさせる（即ち、電気伝導度を低くさせる）機能を果たす。

水精製器５で処理された回収水は水タンク６に供給されて一時的に貯えられる。また、水タンク６には水タンク６に貯えられている回収水の量を測定するための水位検出器７が設けられている。例えば、水位検出器７は静電容量式の液位センサやフロート式の液位センサである。水位検出器７の検出結果は運転制御部１０に伝達される。

〔水補充処理〕
運転制御部１０は、水タンク６の水位が所定の下限水位以下になると、水を水タンク６に供給する水補充処理を行う。特に、本実施形態では、運転制御部１０は、水補充処理において、熱源機３０からドレンとして排出された水を水精製器５を経由して水タンク６に供給することができる。具体的に説明すると、水精製器５よりも上流側の回収水路Ｌ４には、上水が供給される上水路Ｌ１３とドレン水排出路Ｌ１１の途中の分岐部１２から分岐する分岐路Ｌ１２とが接続されている。但し、上水路Ｌ１３の途中には通常は閉弁している弁Ｖ１が設けられ、分岐路Ｌ１２の途中には通常は閉弁している弁Ｖ２が設けられている。また、分岐部１２よりも下流側のドレン水排出路Ｌ１１には通常は開弁している弁Ｖ３が設けられている。これら弁Ｖ１及び弁Ｖ２及び弁Ｖ３の動作は運転制御部１０が制御する。例えば、運転制御部１０は、燃料電池システムの稼働開始時には、上水路Ｌ１３に設けられている弁Ｖ１を開いて、水精製器５を介して水タンク６へ上水を供給することができる。

図２は、運転制御部１０が行う水位管理処理を説明するフローチャートである。
工程＃１０において運転制御部１０は、水位検出器７の検出結果に基づいて、水タンク６の水位が所定の下限水位以下になったか否かを判定する。運転制御部１０は、水タンク６の水位が所定の下限水位以下になった場合には工程＃１１に移行し、下限水位以下になっていない場合にはこのフローチャートのエンドに移行する。

工程＃１１において運転制御部１０は、熱源機３０が動作しているか否かを判定する。尚、熱源機３０が動作しているか否かに関わらず、この時点では、弁Ｖ１及び弁Ｖ２は閉弁され、弁Ｖ３は開弁されており、ポンプＰ４によってドレン水排出路Ｌ１１を流れるドレン水は、水精製器５に流入することなく全て排出される。また、上水路Ｌ１３から上水が水精製器５に流入することもない。

運転制御部１０は、工程＃１１において「熱源機３０は動作中ではない」と判定した場合、工程＃１２に移行して熱源機３０を動作させる。つまり、熱源機３０を動作させることでドレン水を発生させ、ドレン水排出路Ｌ１１をドレン水が流れる状況が作り出される。それと共に、運転制御部１０は、熱源機３０からドレンとして排出された水を水タンク６に供給する水補充処理を行う。つまり、運転制御部１０は、弁Ｖ２を開弁させ、弁Ｖ３を閉弁させることで、ドレン水排出路Ｌ１１を流れるドレン水を分岐路Ｌ１２から水精製器５へと流入させる。

その後、運転制御部１０は、水タンク６の水位が、上記下限水位よりも高い所定の上限水位以上になったこと（工程＃１４において「Ｙｅｓ」になったこと）を条件として、弁Ｖ２を閉弁させ且つ弁Ｖ３を開弁させることで水補充処理を終了し（工程＃１５）、熱源機３０の運転を停止する（工程＃１６）。

また、運転制御部１０は、工程＃１１において「熱源機３０は動作中である」と判定した場合、工程＃１７に移行して水補充処理を実行する。つまり、既に熱源機３０が動作してることで、ドレン水排出路Ｌ１１をドレン水が流れる状況が作り出されているため、運転制御部１０は、弁Ｖ２を開弁させ、弁Ｖ３を閉弁させることで、ドレン水排出路Ｌ１１を流れるドレン水を分岐路Ｌ１２から水精製器５へと流入させる。

その後、運転制御部１０は、水タンク６の水位が、上記下限水位よりも高い所定の上限水位以上になったこと（工程＃１８において「Ｙｅｓ」になったこと）を条件として、弁Ｖ２を閉弁させ且つ弁Ｖ３を開弁させることで水補充処理を終了させる（工程＃１９）。

以上のように、熱源機３０からドレンとして排出された水を水精製器５で精製した後で改質部１での原燃料の水蒸気改質に供給できる。つまり、イオンなどの不純物が多く含まれている水道水ではなく、含まれている不純物が相対的に少ない、熱源機３０からドレンとして排出された水を、水精製器５で精製して、水蒸気改質に用いることができる。従って、改質部１での原燃料の水蒸気改質に用いられる改質用水を充分に確保しつつ、水精製器５の能力を大きく低下させることのない燃料電池システムを提供できる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態では、本発明の燃料電池システムについて具体例を挙げて説明したが、その構成は適宜変更可能である。

＜２＞
上記実施形態では、水補充処理を行う場合に熱源機３０を動作させる例を説明したが、熱源機３０を動作させない形態で水補充処理を行うこともできる。例えば、熱源機３０で発生したドレン水を例えばドレン水排出路Ｌ１１の途中に別途設けたタンクで貯えておき、運転制御部１０は、水タンク６の水位が所定の下限水位以下になると、その貯えたドレン水を用いて水補充処理を行ってもよい。その場合、熱源機３０を運転させなくても良い。

＜３＞
運転制御部１０は、上述した工程＃１２のように熱源機３０を新たに運転する場合、使用者に対して熱源機３０を運転する旨の情報を情報入出力部１１から使用者に出力してもよい。例えば、情報入出力部１１から、「現在、熱源機を運転しています」といった音声や文字のメッセージを情報入出力部１１で出力させてもよい。或いは、「熱源機を運転しています。風呂などでお湯を使用してください」といった湯の使用を促すための音声や文字のメッセージを情報入出力部１１で出力させてもよい。そうすると、熱源機３０で発生させた熱が、風呂の湯張りなどに使用されて無駄にならない可能性が高まる。

＜４＞
上記実施形態（別実施形態を含む）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

本発明は、改質部での原燃料の水蒸気改質に用いられる改質用水を充分に確保しつつ、水精製器の能力を大きく低下させることのない燃料電池システムに利用できる。

１ 改質部
２ 燃料電池部
２ａ アノード
２ｂ カソード
３ 燃焼部
４ 熱回収部
５ 水精製器
６ 水タンク
９ 熱負荷装置
１０ 運転制御部
３０ 熱源機
３３ 流体加熱用燃焼器

Claims (2)

1. 原燃料を水蒸気改質して燃料ガスを生成する改質部と、前記改質部で生成された前記燃料ガスが供給されるアノード、及び、酸素ガスが供給されるカソードを有する燃料電池部と、前記燃料電池部での発電反応で用いられた後に前記アノードから排出される排出燃料ガス中の燃料成分を燃焼させる燃焼部と、前記燃焼部から排出される燃焼排ガスの熱を回収する熱回収部と、前記熱回収部で前記燃焼排ガスを冷却することで当該燃焼排ガス中から回収した回収水を貯える水タンクと、運転を制御する運転制御部とを備え、前記水タンクに貯えられている水が、前記改質部での前記原燃料の水蒸気改質に用いられる燃料電池システムであって、
   前記水タンクの上流側又は下流側に設けられて、前記回収水を精製する水精製器と、
   燃料を燃焼して得られる燃焼熱により、熱負荷装置に供給する流体を加熱する流体加熱用燃焼器と、前記流体加熱用燃焼器の排気から顕熱を回収する顕熱回収式熱交換器及び潜熱を回収する潜熱回収式熱交換器と、前記潜熱回収式熱交換器において前記流体加熱用燃焼器の排気に含まれていた水蒸気が凝縮して生じたドレンを回収するドレン回収部とを有する熱源機とを備え、
   前記熱源機からドレンとして排出された水を前記水精製器で精製した後で前記改質部での前記原燃料の水蒸気改質に供給できるように構成され、
   前記運転制御部は、前記水タンクの水位が所定の下限水位以下になると、前記熱源機で燃料を燃焼させ、前記熱源機からドレンとして排出された水を前記水精製器に供給する水補充処理を行う燃料電池システム。
2. 前記運転制御部は、前記水補充処理を行うことで前記水タンクの水位が前記下限水位より高い所定の上限水位以上になると、前記水補充処理を終了する請求項１に記載の燃料電池システム。

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