JPWO2012091132A1 - 燃料電池システム - Google Patents
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Abstract
燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックから排出される熱を利用して熱媒体を加熱する熱交換器と、内部に水を貯留すると共に、熱交換器で加熱された熱媒体を流通させ、熱媒体から水に熱を移動させて水を加熱する貯湯槽と、を備え、熱交換器には、熱媒体を所定の温度に加熱するための高温熱回収流路と、熱媒体を所定の温度よりも低い温度に加熱するための低温熱回収流路と、が形成されており、貯湯槽には、高温熱回収流路を通って加熱された熱媒体を流通させる高温熱媒体流路と、低温熱回収流路を通って加熱された熱媒体を流通させる低温熱媒体流路と、が設けられていることを特徴とする。
Description
本発明は、燃料電池システムに関し、特に、貯湯槽を備えた燃料電池システムに関する。
従来、温水を貯留するシステムとして、下記特許文献１に記載されるように、上下方向に長い形状の蓄熱槽（貯湯槽）を備え、蓄熱槽の上側に高温用循環配管を接続すると共に、蓄熱槽の下側に中温用循環配管を接続したシステムが知られている。このシステムでは、高温用循環配管に高温熱源を接続し、中温用循環配管に中温熱源を接続している。このような構成により、蓄熱槽内において上下方向に温度成層を形成させ、各層の温水を適宜利用することで、用途（出湯需要）に応じた温度での温水の供給を可能にしている。
しかしながら、上記特許文献１に記載されたシステムでは、高温熱源と中温熱源といった複数の熱源を必要とするため、システムの構成が複雑になってしまう。
そこで本発明は、出湯需要に応じて貯湯槽からの出湯を効率的に行うことができ、しかも、構成が簡易な燃料電池システムを提供することを目的とする。
本発明の一側面の燃料電池システムは、水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、セルスタックから排出される熱を利用して熱媒体を加熱する熱交換器と、内部に水を貯留すると共に、熱交換器で加熱された熱媒体を流通させ、熱媒体から水に熱を移動させて水を加熱する貯湯槽と、を備え、熱交換器には、熱媒体を所定の温度に加熱するための高温熱回収流路と、熱媒体を所定の温度よりも低い温度に加熱するための低温熱回収流路と、が形成されており、貯湯槽には、高温熱回収流路を通って加熱された熱媒体を流通させる高温熱媒体流路と、低温熱回収流路を通って加熱された熱媒体を流通させる低温熱媒体流路と、が設けられていることを特徴とする。
この燃料電池システムでは、熱交換器には、高温熱回収流路と低温熱回収流路とが形成されており、貯湯槽には、高温熱回収流路を通って加熱された熱媒体を流通させる高温熱媒体流路と、低温熱回収流路を通って加熱された熱媒体を流通させる低温熱媒体流路と、が設けられている。よって、高温熱媒体流路の周辺には高温の水が貯留され、低温熱媒体流路の周辺には、高温熱媒体流路の周辺に貯留される水よりも低温の水が貯留される。そして、出湯需要に応じて、高温の水と低温の水とを適宜出湯させることにより、貯湯槽からの出湯を効率的に行うことができる。しかも、熱交換器は、高温の熱回収と低温の熱回収とを兼ねた機能を有するため、複数の熱交換器を設ける必要がなく、システムの構成を簡易にできる。
また、熱交換器が、セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する態様であってもよい。
また、熱交換器が、セルスタックより循環される熱回収媒体から熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する態様であってもよい。
ここで、高温熱回収流路内の熱媒体を加熱する燃焼ガスの流量は、低温熱回収流路内の熱媒体を加熱する燃焼ガスの流量よりも大きい態様であってもよい。この場合、高温熱回収流路内の熱媒体における熱回収量は、低温熱回収流路内の熱媒体における熱回収量よりも大きくなるため、高温の熱回収と低温の熱回収とをそれぞれ効果的に行うことができる。
また、熱交換器には、燃焼ガスが通る燃焼ガス流路と、燃焼ガス流路にそれぞれ隣接する高温熱回収流路及び低温熱回収流路とが形成されており、高温熱回収流路は、燃焼ガス流路における燃焼ガスの入口部と出口部とを結んだ線に対して、低温熱回収流路よりも近接するように形成されている態様であってもよい。通常、燃焼ガス流路では、燃焼ガスの入口部と出口部とを結んだ線に近いほど燃焼ガスの流量が大きく、その線から離れるほど燃焼ガスの流量が小さくなる。上記構成によれば、高温熱回収流路は、低温熱回収流路よりもその線に近接しているため、高温の熱回収と低温の熱回収とをそれぞれ効果的に行うことができる。
また、高温熱回収流路内の熱媒体を加熱する熱回収媒体の流量は、低温熱回収流路内の熱媒体を加熱する熱回収媒体の流量よりも大きい態様であってもよい。この場合、高温熱回収流路内の熱媒体における熱回収量は、低温熱回収流路内の熱媒体における熱回収量よりも大きくなるため、高温の熱回収と低温の熱回収とをそれぞれ効果的に行うことができる。
また、熱交換器には、熱回収媒体が通る熱回収媒体流路と、熱回収媒体流路にそれぞれ隣接する高温熱回収流路及び低温熱回収流路とが形成されており、高温熱回収流路は、熱回収媒体流路における熱回収媒体の入口部と出口部とを結んだ線に対して、低温熱回収流路よりも近接するように形成されている態様であってもよい。通常、熱回収媒体流路では、熱回収媒体の入口部と出口部とを結んだ線に近いほど熱回収媒体の流量が大きく、その線から離れるほど熱回収媒体の流量が小さくなる。上記構成によれば、高温熱回収流路は、低温熱回収流路よりもその線に近接しているため、高温の熱回収と低温の熱回収とをそれぞれ効果的に行うことができる。
また、高温熱媒体流路および低温熱媒体流路は、熱媒体を下方に向けて流通させるものであり、低温熱媒体流路は、高温熱媒体流路よりも低い位置に設けられており、貯湯槽には、高温熱媒体流路と低温熱媒体流路とのそれぞれの最上部に対応する高さに高温水出湯部と低温水出湯部とが設けられている態様であってもよい。この場合、例えば、貯湯槽下部から水で押し上げる等の方法で加圧することにより、高温熱媒体流路の最上部、すなわち最上流部の周辺に貯留された高温の水と、低温熱媒体流路の最上部、すなわち最上流部の周辺に貯留された低温の水とをそれぞれ確実に出湯することができる。
本発明によれば、出湯需要に応じて貯湯槽からの出湯を効率的に行うことができ、しかも、システムの構成を簡易にできる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
図１に示されるように、燃料電池システム１は、脱硫部２と、水気化部３と、水素発生部４と、セルスタック５と、オフガス燃焼部６と、水素含有燃料供給部７と、水供給部８と、酸化剤供給部９と、パワーコンディショナー１０と、制御部１１と、を備えている。燃料電池システム１は、水素含有燃料及び酸化剤を用いて、セルスタック５にて発電を行う。燃料電池システム１におけるセルスタック５の種類は特に限定されず、例えば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ：Polymer Electrolyte Fuel Cell）、固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ：Solid Oxide Fuel Cell）、リン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ：Phosphoric Acid Fuel Cell）、溶融炭酸塩形燃料電池（ＭＣＦＣ：Molten Carbonate Fuel Cell）、及び、その他の種類を採用することができる。なお、セルスタック５の種類、水素含有燃料の種類、及び改質方式等に応じて、図１に示す構成要素を適宜省略してもよい。
水素含有燃料として、例えば、炭化水素系燃料が用いられる。炭化水素系燃料として、分子中に炭素と水素とを含む化合物（酸素等、他の元素を含んでいてもよい）若しくはそれらの混合物が用いられる。炭化水素系燃料として、例えば、炭化水素類、アルコール類、エーテル類、バイオ燃料が挙げられ、これらの炭化水素系燃料は従来の石油・石炭等の化石燃料由来のもの、合成ガス等の合成系燃料由来のもの、バイオマス由来のものを適宜用いることができる。具体的には、炭化水素類として、メタン、エタン、プロパン、ブタン、天然ガス、ＬＰＧ（液化石油ガス）、都市ガス、タウンガス、ガソリン、ナフサ、灯油、軽油が挙げられる。アルコール類として、メタノール、エタノールが挙げられる。エーテル類として、ジメチルエーテルが挙げられる。バイオ燃料として、バイオガス、バイオエタノール、バイオディーゼル、バイオジェットが挙げられる。
酸化剤として、例えば、空気、純酸素ガス（通常の除去手法で除去が困難な不純物を含んでもよい）、酸素富化空気が用いられる。
脱硫部２は、水素発生部４に供給される水素含有燃料の脱硫を行う。脱硫部２は、水素含有燃料に含有される硫黄化合物を除去するための脱硫触媒を有している。脱硫部２の脱硫方式として、例えば、硫黄化合物を吸着して除去する吸着脱硫方式や、硫黄化合物を水素と反応させて除去する水素化脱硫方式が採用される。脱硫部２は、脱硫した水素含有燃料を水素発生部４へ供給する。
水気化部３は、水を加熱し気化させることによって、水素発生部４に供給される水蒸気を生成する。水気化部３における水の加熱は、例えば、水素発生部４の熱、オフガス燃焼部６の熱、あるいは排ガスの熱を回収する等、燃料電池システム１内で発生した熱を用いてもよい。また、別途ヒータ、バーナ等の他熱源を用いて水を加熱してもよい。なお、図１では、一例としてオフガス燃焼部６から水素発生部４へ供給される熱のみ記載されているが、これに限定されない。水気化部３は、生成した水蒸気を水素発生部４へ供給する。
水素発生部４は、脱硫部２からの水素含有燃料を用いて水素リッチガス（水素含有ガス）を発生させる。水素発生部４は、水素含有燃料を改質触媒によって改質する改質器を有している。水素発生部４での改質方式は、特に限定されず、例えば、水蒸気改質、部分酸化改質、自己熱改質、その他の改質方式を採用できる。なお、水素発生部４は、セルスタック５に要求される水素リッチガスの性状によって、改質触媒により改質する改質器の他に性状を調整するための構成を有する場合もある。例えば、セルスタック５のタイプが固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）やリン酸形燃料電池（ＰＡＦＣ）であった場合、水素発生部４は、水素リッチガス中の一酸化炭素を除去するための構成（例えば、シフト反応部、選択酸化反応部）を有する。水素発生部４は、水素リッチガスをセルスタック５のアノード１２へ供給する。
セルスタック５は、水素発生部４からの水素リッチガス及び酸化剤供給部９からの酸化剤を用いて発電を行う。セルスタック５は、水素リッチガスが供給されるアノード１２と、酸化剤が供給されるカソード１３と、アノード１２とカソード１３との間に配置される電解質１４と、を備えている。セルスタック５は、パワーコンディショナー１０を介して、電力を外部へ供給する。セルスタック５は、発電に用いられなかった水素リッチガス及び酸化剤をオフガスとして、オフガス燃焼部６へ供給する。なお、水素発生部４が備えている燃焼部（例えば、改質器を加熱する燃焼器など）をオフガス燃焼部６と共用してもよい。
オフガス燃焼部６は、セルスタック５から供給されるオフガスを燃焼させる。オフガス燃焼部６によって発生する熱は、水素発生部４へ供給され、水素発生部４での水素リッチガスの発生に用いられる。
水素含有燃料供給部７は、脱硫部２へ水素含有燃料を供給する。水供給部８は、水気化部３へ水を供給する。酸化剤供給部９は、セルスタック５のカソード１３へ酸化剤を供給する。水素含有燃料供給部７、水供給部８、及び酸化剤供給部９は、例えばポンプによって構成されており、制御部１１からの制御信号に基づいて駆動する。
パワーコンディショナー１０は、セルスタック５からの電力を、外部での電力使用状態に合わせて調整する。パワーコンディショナー１０は、例えば、電圧を変換する処理や、直流電力を交流電力へ変換する処理を行う。
制御部１１は、燃料電池システム１全体の制御処理を行う。制御部１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、及び入出力インターフェイスを含んで構成されたデバイスによって構成される。制御部１１は、水素含有燃料供給部７、水供給部８、酸化剤供給部９、パワーコンディショナー１０、その他、図示されないセンサや補機と電気的に接続されている。制御部１１は、燃料電池システム１内で発生する各種信号を取得すると共に、燃料電池システム１内の各機器へ制御信号を出力する。
さらに、上述した燃料電池システム１は、図２に示されるように、外部の空気に対して気密性を有する筐体２１と、筐体２１の外部に設置された貯湯槽３０とを備えている。この筐体２１内には、上述した各機器類が収容されると共に、熱交換器２３が収容されている。熱交換器２３は、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガス（すなわち、オフガス燃焼部６からの排ガス）、及び熱媒体としての不凍液を流通させることで、燃焼ガスから不凍液に熱を移動させて不凍液を加熱する。不凍液としては、沸点の高い難燃性熱媒体、例えばエチレングリコール等が用いられる。貯湯槽３０は、内部に水を貯留すると共に、熱交換器２３で加熱された不凍液を流通させることで、不凍液から内部に貯留した水に熱を移動させてその水を加熱する。貯湯槽３０に貯留された温水（すなわち、湯）は、貯湯槽３０から出湯されて、燃料電池システム１が設置された施設における風呂等の温水利用設備に供給される。温水利用設備とは、温水を利用して特定の機能（若しくは動作）を実施するものである。
図２及び図３（ａ）に示されるように、熱交換器２３は、略直方体形状をなす箱体である。この熱交換器２３には、不凍液を例えば７５℃程度に加熱するための高温熱回収流路２４ｂと、不凍液を例えば６５℃程度に加熱するための２つの低温熱回収流路２４ａ，２４ｃとが形成されている。すなわち、高温熱回収流路２４ｂは、不凍液を所定の温度に加熱するための高温熱回収流路であり、２つの低温熱回収流路２４ａ，２４ｃは、不凍液を所定の温度よりも低い温度に加熱するための低温熱回収流路である。また、熱交換器２３には、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガスが通る燃焼ガス流路２５が形成されている。熱交換器２３において、各熱回収流路２４ａ〜２４ｃにおける不凍液の流れ方向と、燃焼ガス流路２５における燃焼ガスの流れ方向とは、互いに逆向きになっている。
熱交換器２３の構造に関してより詳しくは、熱交換器２３には、その内部を二分するようにして、熱回収流路２４ａ〜２４ｃと燃焼ガス流路２５とを分ける仕切り板２６が固定されている。さらに、熱交換器２３には、低温熱回収流路２４ａと、高温熱回収流路２４ｂと、低温熱回収流路２４ｃとを分ける仕切り板２７，２７が固定されている。このような構成により、単一の熱交換器２３内に、複数の熱回収流路２４ａ〜２４ｃと、１つの燃焼ガス流路２５とが形成されている。各熱回収流路２４ａ〜２４ｃは、仕切り板２６を介して燃焼ガス流路２５に隣接している。仕切り板２６，２７の形状は、熱回収効率などを考慮して、熱回収に寄与する表面積を増大させるために凹凸を設ける等といった種々の形状を採ることができる。
図２に示されるように、貯湯槽３０は、上下方向に延びる略円筒形状の容器である。貯湯槽３０の最上部近傍から、貯湯槽３０の上下方向の中央部より多少高い位置にかけては、熱媒体を下方に向けて流通させる高温不凍液流路３１が設けられている。この高温不凍液流路３１は、貯湯槽３０内において上下方向に、例えばジグザグ状若しくは螺旋状に設けられている。高温不凍液流路３１は、高温熱回収ラインＬ１によって熱交換器２３の高温熱回収流路２４ｂに接続されている。高温熱回収ラインＬ１には、高温熱回収ラインＬ１内に不凍液を流して貯湯槽３０と高温熱回収流路２４ｂとの間を循環させるためのポンプ２８が設けられている。
一方、貯湯槽３０の上下方向の中央部より多少低い位置から、貯湯槽３０の最下部近傍にかけては、熱媒体を下方に向けて流通させる低温不凍液流路３３が設けられている。この低温不凍液流路３３は、貯湯槽３０内において上下方向に、例えばジグザグ状若しくは螺旋状に設けられている。低温不凍液流路３３は、低温熱回収ラインＬ２によって熱交換器２３の低温熱回収流路２４ａ，２４ｃに接続されている。低温熱回収ラインＬ２には、低温熱回収ラインＬ２内に不凍液を流して貯湯槽３０と低温熱回収流路２４ａ，２４ｃとの間を循環させるためのポンプ２９が設けられている。さらに、貯湯槽３０の最下部には、外部から貯湯槽３０内に水を供給するための水供給ラインＬ５が接続されている。
図３（ｂ）に示されるように、燃焼ガス流路２５には、燃料ガスの流れ方向の両端部において、ガス入口部２５ａとガス出口部２５ｂとが設けられている。ガス入口部２５ａとガス出口部２５ｂとは、いずれも、熱回収流路２４ａ〜２４ｃが並設された方向における中央の位置に形成されている。このような構成により、燃焼ガス流路２５内を流れる燃焼ガスは、例えばその約６割がガス入口部２５ａとガス出口部２５ｂとを結ぶ中央の線Ａ沿いに流れ、残りの４割のうち２割ずつが燃焼ガス流路２５の両側の側部を流れる。
本実施形態の燃焼ガス流路２５にあっては、高温熱回収流路２４ｂは、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃよりも線Ａに対して近接している。すなわち、高温熱回収流路２４ｂ内の不凍液を加熱する燃焼ガスの流量は、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃ内の不凍液を加熱する燃焼ガスの流量よりも大きくなっている。
図４は、熱交換器２３における不凍液の温度分布を示す図である。図４では、「左」は低温熱回収流路２４ａを、「中」は高温熱回収流路２４ｂを、「右」は低温熱回収流路２４ｃをそれぞれ意味する。また、「上流」、「中流」、及び「下流」は、各熱回収流路２４ａ〜２４ｃにおける不凍液の流れ方向を基準とした位置を意味する。すなわち、「上流」は図示下側であり、「下流」は図示上側である。図４に示されるように、高温熱回収流路２４ｂでは、上流、中流、下流と熱交換が進むにつれて、２０℃、５０℃、７５℃に不凍液が加熱される。また、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃでは、上流、中流、下流と熱交換が進むにつれて、２０℃、４５℃、６５℃に不凍液が加熱される。
このようにして、高温熱回収ラインＬ１及び高温熱回収流路２４ｂを通った不凍液は、７５℃程度の高温の状態で高温不凍液流路３１を流通し、下方に流れる間に熱交換によって貯湯槽３０内の水を加熱しながら、２０℃程度の低温の状態に戻る。また、低温熱回収ラインＬ２及び低温熱回収流路２４ａ，２４ｃを通った不凍液は、６５℃程度の比較的低温の状態で低温不凍液流路３３を流通し、下方に流れる間に熱交換によって貯湯槽３０内の水を加熱しながら、２０℃程度の低温の状態に戻る。その結果、貯湯槽３０内には、上下方向の中央部を境界として、上側に高温水貯留領域３０ａが形成され、下側に低温水貯留領域３０ｂが形成される。
燃料電池システム１では、高温熱回収流路２４ｂ、高温熱回収ラインＬ１、及び高温不凍液流路３１によって、閉じた高温熱回収系統が構成され、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃ、低温熱回収ラインＬ２、及び低温不凍液流路３３によって、閉じた低温熱回収系統が構成されている。
貯湯槽３０の最上部には、高温水出湯部３６が設けられている。この高温水出湯部３６は、高温出湯ラインＬ３によって風呂等の温水利用設備に接続されている。また、貯湯槽３０の上下方向の中央部より多少低い位置には、低温水出湯部３７が設けられている。この低温水出湯部３７は、低温出湯ラインＬ４によって風呂等の温水利用設備に接続されている。高温水出湯部３６及び低温水出湯部３７は、高温不凍液流路３１及び低温不凍液流路３３のそれぞれの最上部（すなわち最上流部）と略等しい高さに設けられている。高温出湯ラインＬ３及び低温出湯ラインＬ４には、ラインＬ３，Ｌ４内の温水の流量を調整するための電動弁３８，３９が設けられている。なお、高温出湯ラインＬ３及び低温出湯ラインＬ４には、出湯される温水の温度を適宜調整するため、図示しない水の供給ラインが接続される。
以上説明した燃料電池システム１では、制御部１１によってポンプ２８，２９が制御されて、貯湯槽３０内に高温水貯留領域３０ａ及び低温水貯留領域３０ｂが形成されるように、熱交換および温水の貯留が行われる。また、温水利用設備における出湯需要に応じて、制御部１１によって電動弁３８，３９が制御されて、高温出湯ラインＬ３及び／又は低温出湯ラインＬ４を通じて温水利用設備への出湯が行われる。
ここで、制御部１１は、ポンプ２８およびポンプ２９を同時に作動させるよう制御してもよいし、ポンプ２８およびポンプ２９に異なる動作をさせるよう制御してもよい。制御部１１は、熱交換器２３内の温度を検知してポンプ２８およびポンプ２９の吐出流量をそれぞれ調節してもよい。例えば、制御部１１は、熱熱交換器２３内の温度が低いときは低温熱回収ラインＬ２及び低温熱回収流路２４ａ，２４ｃを主体に熱回収させ、熱交換器２３内の温度が高いときは高温熱回収ラインＬ１及び高温熱回収流路２４ｂを主体に熱回収させることもできる。
燃料電池システム１によれば、熱交換器２３には、高温熱回収流路２４ｂと低温熱回収流路２４ａ，２４ｃとが形成されており、貯湯槽３０には、高温熱回収流路２４ｂを通って加熱された不凍液を流通させる高温不凍液流路３１と、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃを通って加熱された不凍液を流通させる低温不凍液流路３３と、が設けられている。よって、高温不凍液流路３１の周辺には高温の水が貯留され、低温不凍液流路３３の周辺には比較的低温の水が貯留される。そして、出湯需要に応じて、高温の水と低温の水とを適宜出湯させることにより、貯湯槽３０からの出湯を効率的に行うことができる。しかも、熱交換器２３は、高温の熱回収と低温の熱回収とを兼ねた機能を有するため、複数の熱交換器を設ける必要がなく、システムの構成を簡易にできると共に、コンパクト化が図られている。
また、熱交換器２３が、セルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガスから不凍液に熱を移動させて不凍液を加熱する構成であるため、例えば固体酸化物形燃料電池（ＳＯＦＣ）等において効率的な熱回収が可能となる。
また、高温熱回収流路２４ｂ内の不凍液を加熱する燃焼ガスの流量は、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃ内の不凍液を加熱する燃焼ガスの流量よりも大きいため、高温熱回収流路２４ｂ内の不凍液における熱回収量は、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃ内の不凍液における熱回収量よりも大きくなっている。よって、高温の熱回収と低温の熱回収とをそれぞれ効果的に行うことができる。
また、高温熱回収流路２４ｂは、燃焼ガス流路２５における燃焼ガスのガス入口部２５ａとガス出口部２５ｂとを結んだ線Ａに対して、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃよりも近接するように形成されているため、高温熱回収流路２４ｂ内の不凍液は、流量の大きい燃焼ガスにより加熱される。一方、低温熱回収流路２４ａ，２４ｃ内の不凍液は、流量の比較的小さい燃焼ガスにより加熱される。よって、高温の熱回収と低温の熱回収とをそれぞれ効果的に行うことができる。
また、高温不凍液流路３１および低温不凍液流路３３は、不凍液を下方に向けて流通させるものであり、低温不凍液流路３３は、高温不凍液流路３１よりも低い位置に設けられており、貯湯槽３０には、高温不凍液流路３１と低温不凍液流路３３とのそれぞれの最上部に対応する高さに高温水出湯部３６と低温水出湯部３７とが設けられているため、高温不凍液流路３１の最上部、すなわち最上流部の周辺に貯留された高温の水と、低温不凍液流路３３の最上部、すなわち最上流部の周辺に貯留された低温の水とをそれぞれ確実に出湯することができる。
また、熱媒体として沸点の高い難燃性油を用いているため、熱交換器２３や配管（高温熱回収ラインＬ１、低温熱回収ラインＬ２、高温不凍液流路３１、及び低温不凍液流路３３）の腐食やスケールの体積を防止し、熱交換能力の低下を防止することができる。また、上記で例示した温度域よりもさらに高温の熱回収を実現することもできる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、熱交換器の形状は種々の変形態様を採ることができる。すなわち、図５に示されるように、熱回収流路４１ａ，４１ｂ，４１ｃが並設された層と燃焼ガス流路４２の層とが、交互に積層された複数プレート式の熱交換器４０としてもよい。
また、図６に示されるように、円柱状の高温熱回収流路５１ｂの周囲に円筒状の低温熱回収流路５１ａが形成され、燃焼ガス流路５２が、高温熱回収流路５１ｂから低温熱回収流路５１ａに向けて螺旋状に延びたスパイラルチューブ式の熱交換器５０としてもよい。この構成によれば、燃焼ガス流路５２を流れる燃焼ガスはまず高温熱回収流路５１ｂ内の不凍液を加熱した後に低温熱回収流路５１ａ内の不凍液を加熱するため、上記実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、図７に示されるように、略円柱状の高温熱回収流路６１ｂの周囲に略円筒状の低温熱回収流路６１ａが形成され、燃焼ガス流路６２が、高温熱回収流路６１ｂ及び低温熱回収流路６１ａ内に多数形成された多管式の熱交換器６０としてもよい。
また、図８に示されるように、細い円環状の高温熱回収流路７１ｂの周囲に太い円筒状の低温熱回収流路７１ａが形成され、燃焼ガス流路７２が、高温熱回収流路７１ｂの中心を延びる二重管式の熱交換器７０としてもよい。この構成によれば、高温熱回収流路７１ｂ内の不凍液は燃焼ガス流路７２を流れる燃焼ガスによって加熱され、さらに、低温熱回収流路７１ａ内の不凍液は高温熱回収流路７１ｂ内の不凍液によって加熱される。この場合、燃焼ガス流路７２内にスパイラル伝熱板等を配置することにより、伝熱性を向上させることもできる。
また、貯湯槽３０において、高温水貯留領域３０ａと低温水貯留領域３０ｂとを仕切る仕切り板を設けてもよいし、高温用の貯湯槽と低温用の貯湯槽とを設けてもよい。また、貯湯槽３０は、２段階の温度領域で温水を貯留するのみならず、例えば熱交換器２３に高温、中温、低温の３段階の熱回収流路を設けることにより、３段階の温度領域で温水を貯留してもよい。
高温熱回収系統には不凍液を流通させ、低温熱回収系統には熱媒体としての水を流通させる構成であってもよい。さらには、高温熱回収系統および低温熱回収系統に、熱媒体としての水を流通させる構成であってもよい。また、熱媒体として、油、空気、二酸化炭素や窒素等のガス、または蒸気等を用いてもよい。
また、上記実施形態では、高温熱回収系統用のポンプ２８および低温熱回収系統用のポンプ２９を設ける場合について説明したが、これらの２系統に対して共通のポンプを設けてもよい。
例えば、図９に示されるように、低温不凍液流路３３と熱交換器２３とを接続するラインＬ１０を設け、このラインＬ１０に、高温熱回収系統および低温熱回収系統を兼ねる熱回収用ポンプ８０を設けた燃料電池システム１Ａであってもよい。この場合、貯湯槽３０の外部において、高温熱回収ラインＬ１の高温不凍液流路３１の出口側を低温熱回収ラインＬ２の低温不凍液流路３３の入口側に接続する構成とすることができる。このような燃料電池システム１Ａにおいても、高温水貯留領域３０ａの下部の温度を低温水貯留領域３０ｂの上部の温度よりも高くすることができる。
また、図１０に示されるように、ラインＬ１０および熱回収用ポンプ８０を設け、高温熱回収ラインＬ１の高温不凍液流路３１の出口側をラインＬ１０の熱回収用ポンプ８０の吸込側に接続した燃料電池システム１Ｂであってもよい。
また、上記実施形態では、水素含有燃料として、改質が必要な炭化水素系燃料を用いる場合について説明したが、純水素や水素富化ガス等の改質が不要なガスを用いることもできる。この場合、水素発生部の改質器は不要となる。
さらに、上記実施形態では、熱交換器２３がセルスタック５から排出されるオフガスの燃焼ガスを利用する場合について説明したが、セルスタック５より循環される熱回収媒体から熱媒体に熱を移動させて熱媒体を加熱する熱交換器であってもよい。具体的には、上記実施形態の熱交換器２３の燃焼ガス流路２５を熱回収媒体流路とすることができる。熱回収媒体としては、純水、不凍液など電気伝導性が十分に低い液体を用いることができる。この構成によれば、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）において効率的な熱回収が可能となる。
本発明によれば、出湯需要に応じて貯湯槽からの出湯を効率的に行うことができ、しかも、システムの構成を簡易にできる。
１，１Ａ，１Ｂ…燃料電池システム、５…セルスタック、２３…熱交換器、２４ａ，２４ｃ…低温熱回収流路、２４ｂ…高温熱回収流路、２５…燃焼ガス流路、２５ａ…ガス入口部、２５ｂ…ガス出口部、３０…貯湯槽、３１…高温不凍液流路（高温熱媒体流路）、３３…低温不凍液流路（低温熱媒体流路）、３６…高温水出湯部、３７…低温水出湯部、４０，５０，６０，７０…熱交換器、４１ａ，４１ｃ，５１ａ，６１ａ，７１ａ…低温熱回収流路、４１ｂ，５１ｂ，６１ｂ，７１ｂ…高温熱回収流路、４２，５２，６２，７２…燃焼ガス流路。
Claims (8)
- 水素含有ガスを用いて発電を行うセルスタックと、
前記セルスタックから排出される熱を利用して熱媒体を加熱する熱交換器と、
内部に水を貯留すると共に、前記熱交換器で加熱された前記熱媒体を流通させ、前記熱媒体から前記水に熱を移動させて前記水を加熱する貯湯槽と、を備え、
前記熱交換器には、前記熱媒体を所定の温度に加熱するための高温熱回収流路と、前記熱媒体を前記所定の温度よりも低い温度に加熱するための低温熱回収流路と、が形成されており、
前記貯湯槽には、前記高温熱回収流路を通って加熱された前記熱媒体を流通させる高温熱媒体流路と、前記低温熱回収流路を通って加熱された前記熱媒体を流通させる低温熱媒体流路と、が設けられていることを特徴とする燃料電池システム。 - 前記熱交換器が、前記セルスタックから排出されるオフガスの燃焼ガスから前記熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記熱交換器が、前記セルスタックより循環される熱回収媒体から前記熱媒体に熱を移動させて前記熱媒体を加熱することを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
- 前記高温熱回収流路内の前記熱媒体を加熱する前記燃焼ガスの流量は、前記低温熱回収流路内の前記熱媒体を加熱する前記燃焼ガスの流量よりも大きいことを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
- 前記熱交換器には、前記燃焼ガスが通る燃焼ガス流路と、前記燃焼ガス流路にそれぞれ隣接する前記高温熱回収流路及び前記低温熱回収流路とが形成されており、前記高温熱回収流路は、前記燃焼ガス流路における前記燃焼ガスの入口部と出口部とを結んだ線に対して、前記低温熱回収流路よりも近接するように形成されていることを特徴とする請求項２又は４記載の燃料電池システム。
- 前記高温熱回収流路内の前記熱媒体を加熱する前記熱回収媒体の流量は、前記低温熱回収流路内の前記熱媒体を加熱する前記熱回収媒体の流量よりも大きいことを特徴とする請求項３記載の燃料電池システム。
- 前記熱交換器には、前記熱回収媒体が通る熱回収媒体流路と、前記熱回収媒体流路にそれぞれ隣接する前記高温熱回収流路及び前記低温熱回収流路とが形成されており、前記高温熱回収流路は、前記熱回収媒体流路における前記熱回収媒体の入口部と出口部とを結んだ線に対して、前記低温熱回収流路よりも近接するように形成されていることを特徴とする請求項３又は６記載の燃料電池システム。
- 前記高温熱媒体流路および前記低温熱媒体流路は、前記熱媒体を下方に向けて流通させるものであり、
前記低温熱媒体流路は、前記高温熱媒体流路よりも低い位置に設けられており、
前記貯湯槽には、前記高温熱媒体流路と前記低温熱媒体流路とのそれぞれの最上部に対応する高さに高温水出湯部と低温水出湯部とが設けられていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の燃料電池システム。
Applications Claiming Priority (3)
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