(57)【要約】【課題】燃料電池発電部の排ガスから回収した熱を外部に放出させる頻度や時間をできる限り少なくし、エネルギ効率を高めることが可能な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池発電部１０の排ガスから熱回収を行なうための排熱回収用の熱交換部１１と、前記熱回収に伴って発生する凝縮水を貯留する貯留部１５と、を備えている、燃料電池システムＳ１であって、前記排ガスの流通経路のうち、排熱回収用の熱交換部１１よりも排ガス流れ方向下流側には、貯留部１５の水を利用して前記排ガスを冷却するための補助熱交換部Ｈ１が設けられている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池発電部の排ガスから熱回収を行なうための排熱回収用の熱交換部と、
前記熱回収に伴って発生する凝縮水を貯留する貯留部と、
を備えている、燃料電池システムであって、
前記排ガスの流通経路のうち、前記排熱回収用の熱交換部よりも排ガス流れ方向下流側には、前記貯留部の水を利用して前記排ガスを冷却するための第１の補助熱交換部が設けられていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項２】
燃料電池発電部の排ガスから熱回収を行なうための排熱回収用の熱交換部と、
前記熱回収に伴って発生する凝縮水を貯留する貯留部と、
を備えている、燃料電池システムであって、
この燃料電池システムの外装ケース内の換気用ファンによって外部から前記外装ケース内に流入する空気を内部に流通させる空気流通ガイドを備えており、
前記排ガスの流通経路のうち、前記排熱回収用の熱交換部よりも排ガス流れ方向下流側には、前記空気流通ガイド内を流通する空気を利用して前記排ガスを冷却するための第２の補助熱交換部が設けられていることを特徴とする、燃料電池システム。
【請求項３】
請求項１に記載の燃料電池システムであって、
この燃料電池システムの外装ケース内の換気用ファンによって外部から前記外装ケース内に流入する空気を内部に流通させる空気流通ガイドを備えており、
前記排ガスの流通経路のうち、前記排熱回収用の熱交換部よりも排ガス流れ方向下流側には、前記空気流通ガイド内を流通する空気を利用して前記排ガスを冷却するための第２の補助熱交換部が設けられている、燃料電池システム。
【請求項４】
燃料電池システムと、
この燃料システムの燃料電池発電部の排ガスから熱回収を行なうことによって加熱された湯水を貯留するための貯湯タンクを有する貯湯タンクシステムと、
を備えている、コージェネレーションシステムであって、
前記燃料電池システムとして、請求項１ないし３のいずれかに記載の燃料電池システムが用いられていることを特徴とする、コージェネレーションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳＯＦＣ（固体酸化物形燃料電池）などを用いた燃料電池システム、およびこれを備えたコージェネレーションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池方式のコージェネレーションシステムとして、いわゆる水自立型のものがある（たとえば、特許文献１を参照）。
このシステムでは、燃料電池発電部から排出される高温の排ガスから熱を回収する排熱回収用の熱交換部を有している。貯湯タンクへの蓄熱動作時においては、貯湯タンクの湯水が前記熱交換部に供給され、この湯水と排ガスとの間で熱交換が行なわれる。このことにより、燃料電池発電部から排出される排ガス中の水蒸気を凝縮させており、この凝縮水は、純水として処理されてから蒸発器などに供給され、燃料改質に利用される。
一方、排ガスにより加熱された湯水は、貯湯タンクに戻されて貯留され、蓄熱が図られる。このようなシステムでは、貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になると、貯湯タンク内の湯水を前記熱交換部に供給しても、燃料電池発電部からの排ガスを冷却することはできず、凝縮水は得られなくなる。
そこで、従来においては、貯湯タンクにおける蓄熱が満杯状態になった場合には、別途設けられている放熱器に湯水を供給する流路に切り替え、排熱回収用の熱交換部によって加熱された湯水を放熱器によって冷却させてから前記熱交換部に再供給させるようにしたものがある。
【０００３】
しかしながら、前記従来技術においては、排熱回収用の熱交換部を利用して排ガスから回収した熱を、放熱器を用いて外部に放出させている。したがって、エネルギ効率の観点からすると、そのような熱の放出は余り好ましいものではない。エネルギ効率を高める上では、放熱の頻度や時間をできる限り少なくすることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−３２５９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、前記したような事情のもとで考え出されたものであり、燃料電池発電部の排ガスから回収した熱を外部に放出させる頻度や時間をできる限り少なくし、エネルギ効率を高めることが可能な燃料電池システム、およびこれを備えたコージェネレーションシステムを提供することを、その課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するため、本発明では、次の技術的手段を講じている。
【０００７】
本発明の第１の側面により提供される燃料電池システムは、燃料電池発電部の排ガスから熱回収を行なうための排熱回収用の熱交換部と、前記熱回収に伴って発生する凝縮水を貯留する貯留部と、を備えている、燃料電池システムであって、前記排ガスの流通経路のうち、前記排熱回収用の熱交換部よりも排ガス流れ方向下流側には、前記貯留部の水を利用して前記排ガスを冷却するための第１の補助熱交換部が設けられていることを特徴としている。
【０００８】
このような構成によれば、第１の補助熱交換部を利用して、燃料電池発電部の排ガスを冷却することにより、凝縮水を得ることが可能となり、従来よりも多くの凝縮水を得ることができる。このため、凝縮水を得ることを目的として、排ガスから回収した熱を放熱器などを利用して外部に放出させる頻度や時間を、従来よりも少なくし、エネルギ効率を高めることができる。
第１の補助熱交換部で利用される冷却用の媒体は、熱回収に伴って発生する凝縮水であるため、これとは別の媒体を別途準備する必要はなく、経済的にも好ましいものとなる。第１の補助熱交換部は、排熱回収用の熱交換部の下流側に設けられているために、排熱回収用の熱交換部の熱回収量が従来よりも減少するといった不具合もない。
【０００９】
本発明の第２の側面により提供される燃料電池システムは、燃料電池発電部の排ガスから熱回収を行なうための排熱回収用の熱交換部と、前記熱回収に伴って発生する凝縮水を貯留する貯留部と、を備えている、燃料電池システムであって、この燃料電池システムの外装ケース内の換気用ファンによって外部から前記外装ケース内に流入する空気を内部に流通させる空気流通ガイドを備えており、前記排ガスの流通経路のうち、前記排熱回収用の熱交換部よりも排ガス流れ方向下流側には、前記空気流通ガイド内を流通する空気を利用して前記排ガスを冷却するための第２の補助熱交換部が設けられていることを特徴としている。
【００１０】
このような構成によれば、第２の補助熱交換部を利用して、燃料電池発電部の排ガスを冷却することにより、凝縮水量を多くすることが可能となる。このため、本発明の第１の側面により提供される燃料電池システムと同様に、凝縮水を得ることを目的として、排ガスから回収した熱を外部に放出させる頻度や時間を従来よりも少なくし、エネルギ効率を高めることができる。
第２の補助熱交換部は、換気用ファンによって外装ケース内に流入する外気を利用して冷却を図るものであるため、高価な機器などを別途追加して設ける必要はなく、やはりコスト的にも好ましい。第２の補助熱交換部は、排熱回収用の熱交換部の下流側に設けられているために、排熱回収用の熱交換部の熱回収量が従来よりも減少するといった不具合もない。
【００１１】
本発明においては、本発明の第１の側面により提供される燃料電池システムと、第２の側面により提供される燃料電池システムとの双方の特徴的な構成を組み合わせた構成とすることが可能である。
【００１２】
本発明の第３の側面により提供されるコージェネレーションシステムは、燃料電池システムと、この燃料システムの燃料電池発電部の排ガスから熱回収を行なうことによって加熱された湯水を貯留するための貯湯タンクを有する貯湯タンクシステムと、を備えている、コージェネレーションシステムであって、前記燃料電池システムとして、本発明の第１または第２の側面により提供される燃料電池システムが用いられていることを特徴としている。
このような構成によれば、本発明の第１または第２の側面により提供された燃料電池システムについて述べたのと同様な効果が得られる。
【００１３】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行なう発明の実施の形態の説明から、より明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係る燃料電池システムを備えたコージェネレーションシステムの一例を示す概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１６】
図１に示すコージェネレーションシステムＣは、燃料電池システムＳ１と、貯湯タンク２を有する貯湯タンクシステムＳ２とを組み合わせて構成されている。
【００１７】
燃料電池システムＳ１は、たとえばＳＯＦＣを用いた燃料電池発電部１０、排熱回収用の熱交換部１１、第１および第２の補助熱交換部Ｈ１，Ｈ２、ならびにこの燃料電池システムＳ１の構成機器全体を囲み込む外装ケース１２を備えている。図示説明は省略するが、燃料電池発電部１０は、セルスタック、蒸発器、燃料改質器、およびオフガス燃焼室などを有しており、発電動作に伴い高温の排ガスを排出する。排熱回収用の熱交換部１１は、チャンバ１３Ａ内において、前記の排ガスから熱を回収するための部分であり、貯湯タンク２から配管部３０を介して供給されてくる湯水を加熱する。加熱された湯水は、配管部３１，３２を介して貯湯タンク２内にその上部から戻されて貯留される。
【００１８】
排熱回収用の熱交換部１１による熱回収がなされると、排ガス中の水蒸気が凝縮し、凝縮水が得られる。この凝縮水は、チャンバ１３Ａに連通して設けられた補助チャンバ１３Ｂの凝縮水排出口１３０から流出した後に、水処理装置１４に流れ込む。水処理装置１４は、凝縮水のｐＨ調整処理やイオン交換処理など行ない、凝縮水を純水として精製する。この純水は、貯留部１５に送られて貯留される。貯留部１５に貯留された純水は、ポンプＰ１によって蒸発器（図示略）に供給され、燃料改質に利用される。
【００１９】
第１の補助熱交換部Ｈ１は、排熱回収用の熱交換部１１を通過して補助チャンバ１３Ｂに進行してきた排ガスを、貯留部１５の水を利用して冷却させるための部分である。具体的には、貯留部１５に接続された配管部１６の一部が、補助チャンバ１３Ｂ内に進入しており、この進入部分が、複数のフィンを有する第１の補助熱交換部Ｈ１となっている。配管部１６には、貯留部１５内の湯水を循環供給可能とするポンプＰ２が設けられている。
【００２０】
第２の補助熱交換部Ｈ２は、補助チャンバ１３Ｂ内に進行してきた排ガスを、外装ケース１２内の換気エアによって冷却するための部分である。具体的には、外装ケース１２内には、換気用のファン４０が設けられており、このファン４０の駆動により、吸気口１２ａから外装ケース１２内に外気が流入するようになっている。外装ケース１２内には、ダクト状の空気流通ガイド１７が設けられており、吸気口１２ａを通過した空気は空気流通ガイド１７によって補助チャンバ１３Ｂの設置箇所に導かれるようになっている。この空気流通ガイド１７と補助チャンバ１３Ｂとの交差部分が、気体−気体熱交換が可能な第２の補助熱交換部Ｈ２である。この第２の補助熱交換部Ｈ２は、気体−気体熱交換専用の熱交換器を用いて構成してもよいが、たとえば空気流通ガイド１７を補助チャンバ１３Ｂに貫通させ、空気流通ガイド１７の外面に排ガスを接触させるといった簡易な構成にすることも可能である。補助チャンバ１３Ｂ内の排ガスとの熱交換を終えた空気は、空気流通ガイド１７の端部の開口部１７ａから流出する。一方、排ガスは、排気口１３ｃから外部に排出される。
【００２１】
貯湯タンクシステムＳ２は、前記したように、排熱回収用の熱交換部１１によって加熱された湯水を貯留するための貯湯タンク２を備えたものである。貯湯タンク２の上下部には、出湯管２０および入水管２１が接続されており、出湯管２０の出湯口２０ａに配管接続されている先栓（図示略）が開かれた際には、貯湯タンク２内の湯水を入水口２１ａへの入水圧により出湯口２０ａから出湯させることが可能である。
【００２２】
配管部３０には、放熱器５が接続されている。この放熱器５は、貯湯タンク２内の蓄熱量が満杯状態となり、排熱回収用の熱交換部１１に比較的低温の湯水を供給することがで
きなくなった場合に利用されるものである。この放熱器５の動作時においては、放熱器５を通過する湯水が一定経路で循環流通するように設定される。具体的には、ポンプＰ３から送り出された湯水は、バルブＶ１の切り替えにより、放熱器５に向けて送られて冷却された後に、排熱回収用の熱交換部１１に送られる。排熱回収用の熱交換部１１を通過して加熱された湯水は、バルブＶ２を通過した後にポンプＰ３に戻され、循環する。
【００２３】
次に、前記したコージェネレーションシステムＣの作用について説明する。
【００２４】
まず、燃料電池発電部１０の排ガスから熱回収を行なって凝縮水を得る手段としては、排熱回収用の熱交換部１１に加え、第１および第２の補助熱交換部Ｈ１，Ｈ２が設けられている。これら第１および第２の補助熱交換部Ｈ１，Ｈ２は、排熱回収用の熱交換部１１を通過した後の排ガスを冷却し、凝縮水を生成させる。したがって、排熱回収用の熱交換部１１のみが設けられている構成と比較すると、凝縮水の生成量を多くすることができる。したがって、貯湯タンク２が満杯状態の際に、凝縮水を得ることを目的として放熱器５を動作させる頻度や時間を少なくすることができる。放熱器５は、排熱回収用の熱交換部１１において回収した熱を大気中に放出するものであるため、放熱器５の動作頻度や時間を少なくすることにより、エネルギ効率を高めることができる。
【００２５】
第１の補助熱交換部Ｈ１は、貯留部１５の水を熱交換媒体として有効に利用したものであるため、その構成は合理的であり、特別な媒体を別途準備するような必要はない。したがって、コスト的な負担は少ない。また、第１の補助熱交換部Ｈ１が設けられていることにより、結果的には、貯留部１５の水の温度が上昇するが、この水は、蒸発器に送られて燃料改質に利用されるものである。したがって、貯留部１５の水の温度が上昇することによる不具合はとくになく、却って蒸発器での使用に適するものとなる。なお、第１の補助熱交換部Ｈ１に貯留部１５の水を送るためのポンプＰ２は、常時運転させる必要はない。ポンプＰ２を駆動させない場合であっても、第１の補助熱交換部Ｈ１においては熱交換を行なわせることが可能である。たとえば、排熱回収用の熱交換部１１による凝縮水生成量が減少した場合、あるいは減少気味になった場合にのみ、ポンプＰ２を運転させるようにしてもよい。
【００２６】
第２の補助熱交換部Ｈ２は、換気用ファン４０によって外装ケース１２内に吸気される外気を利用しているために、専用のファンを別途設ける必要はなく、やはりその構成は合理的である。外気温が低い場合には、比較的多くの凝縮水を生成することが可能である。第１および第２の補助熱交換部Ｈ１，Ｈ２は、ともに排熱回収用の熱交換部１１の下流側に設けられているために、排熱回収用の熱交換部１１による熱回収量が減少するといった不具合もない。
【００２７】
本発明は、上述した実施形態の内容に限定されない。本発明に係る燃料電池システム、およびコージェネレーションシステムの各部の具体的な構成は、本発明の意図する範囲内において種々に設計変更自在である。
【００２８】
上述した実施形態では、第１および第２の補助熱交換部Ｈ１，Ｈ２を設けているが、いずれか一方のみが設けられた構成とすることもできる。
【符号の説明】
【００２９】
Ｃ  コージェネレーションシステム
Ｓ１  燃料電池システム
Ｓ２  貯湯タンクシステム
Ｈ１，Ｈ２  第１および第２の補助熱交換部
２  貯湯タンク
１０  燃料電池発電部
１１  排熱回収用の熱交換部
１２  外装ケース
１２  吸気口（外装ケースの）
１５  貯留部
１７  空気流通ガイド
４０  換気用のファン
【図１】
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