(57)【要約】【課題】小型化が可能な燃料電池装置を提供する【解決手段】燃料電池セルと原燃料を水蒸気改質する改質器とを有する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒体とで熱交換して凝縮水を生成する第１熱交換器と、熱交換器で生成された凝縮水を回収する凝縮水回収流路と、凝縮水回収流路を流れた凝縮水を貯水する凝縮水回収器と、凝縮水回収器に貯水された前記凝縮水を改質器に供給する改質水供給流路と、第１熱交換器に供給する前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、凝縮水回収器内に設けられ、熱媒体と凝縮水回収器に貯水された凝縮水との間で熱交換を行う第２熱交換器と、蓄熱タンク、第２熱交換器および第１熱交換器を環状に接続して熱媒体がこの順に循環する循環流路と、を備える。【選択図】      図１
2018073675.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料電池セルと原燃料を水蒸気改質する改質器とを有する燃料電池モジュールと、
前記燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒体とで熱交換して凝縮水を生成する第１熱交換器と、
前記熱交換器で生成された前記凝縮水を回収する凝縮水回収流路と、
前記凝縮水回収流路を流れた前記凝縮水を貯水する凝縮水回収器と、
前記凝縮水回収器に貯水された前記凝縮水を前記改質器に供給する改質水供給流路と、
前記第１熱交換器に供給する前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、
前記凝縮水回収器内に設けられ、前記熱媒体と前記凝縮水回収器に貯水された前記凝縮水との間で熱交換を行う第２熱交換器と、
前記蓄熱タンク、前記第２熱交換器および前記第１熱交換器を環状に接続して熱媒体がこの順に循環する循環流路と、を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
少なくとも１つの換気ファンを備えており、前記循環流路の前記第２熱交換器と前記第１熱交換器との間に前記換気ファンが配設されていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記第２熱交換器と前記第１熱交換器との間に、前記循環流路を流れる前記熱媒体の流量を調整する循環ポンプが設けられていることを特徴とする請求項１に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記換気ファンと前記第１熱交換器との間に、前記循環流路を流れる前記熱媒体の流量を調整する循環ポンプが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の燃料電池装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、次世代エネルギーとして、燃料ガス（水素含有ガス）と空気（酸素含有ガス）とを用いて電力を得ることができる燃料電池セルを複数積層したセルスタックを収納容器内に収納してなる燃料電池モジュールや燃料電池モジュールを外装ケース内に収納してなる燃料電池装置が種々提案されている。
【０００３】
また、燃料電池モジュールから排出される排ガスの熱を水などの媒体と熱交換して、排ガスを冷却して排ガスに含まれる水を回収して再利用するとともに、媒体で回収した熱を、給湯に利用するための蓄熱タンクを備えた燃料電池装置も提案されている。このような蓄熱タンクを備えた燃料電池装置においては、媒体は熱交換器と蓄熱タンクを循環しながら、蓄熱タンクに熱を蓄えていくが、蓄熱タンクでの蓄熱量が上限に達した状態となると、媒体はこれ以上熱交換器で排ガスの熱を回収することができないため、排ガスの温度を十分下げることができなくなる。
【０００４】
そこで、蓄熱タンクと熱交換器との間に放熱器（ラジエータ）を配置し、放熱器によって媒体の温度を低下させてから熱交換器に媒体を供給する技術が開示されている（特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−７２０９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
放熱器は、温度を下げるのに十分な空気と接する表面積を確保する必要があるとともに大気中に熱を発散させる必要があり、比較的大きな空間を占める機器である。そこで、燃料電池装置を小型化するにあたり、放熱器の占める空間を小さくする必要があり、放熱器の簡略化若しくは放熱器の廃止が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示の燃料電池装置は、燃料電池セルと原燃料を水蒸気改質する改質器とを有する燃料電池モジュールと、燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒体とで熱交換して凝縮水を生成する第１熱交換器と、熱交換器で生成された凝縮水を回収する凝縮水回収流路と、凝縮水回収流路を流れた凝縮水を貯水する凝縮水回収器と、凝縮水回収器に貯水された前記凝縮水を改質器に供給する改質水供給流路と、第１熱交換器に供給する前記熱媒体を貯留する蓄熱タンクと、凝縮水回収器内に設けられ、熱媒体と凝縮水回収器に貯水された凝縮水との間で熱交換を行う第２熱交換器と、蓄熱タンク、第２熱交換器および第１熱交換器を環状に接続して熱媒体がこの順に循環する循環流路と、を備えることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の燃料電池装置によれば、放熱器を簡略化または廃止することができるので、小型化された燃料電池装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。
【図２】本実施形態の燃料電池装置の他の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は、本実施形態の燃料電池装置の一例を示すブロック図である。なお、以降の図において同一の部材については同一の番号を付するものとする。燃料電池装置１は、改質器１０、セルスタック装置２０、第１熱交換器３０、蓄熱タンク４０、および凝縮水タンク５０を含み、後述する燃料電池モジュール８０を作動させるための補機等とともに外装ケース（図示せず）に納められている。外装ケース内には上述の装置全てが収められる必要はなく、例えば、蓄熱タンク４０や第１熱交換器３０を外装ケースの外部に設けてもよい。また、上述の装置の一部を省略した燃料電池装置も可能である。
【００１１】
改質器１０には、原燃料を供給する原燃料供給管１００と、改質水を供給する改質水供給流路１０１が接続されている。原燃料と改質水とは、加熱された改質器１０で水蒸気改質されて、水素を含む改質ガスが生成される。改質器１０で生成された改質ガスは、改質ガス供給管１０２を通ってセルスタック装置２０に供給される。
【００１２】
セルスタック装置２０は、マニホールド２１および燃料電池セル２２を含む。多数の燃料電池セル２２が、マニホールド２１上に立設されてセルスタック装置２０を構成している。セルスタック装置２０に供給された改質ガスはマニホールド２１から燃料電池セル２２内に供給される。セルスタック装置２０において、燃料電池セル２２の外側には酸素含有ガス供給管１０３から空気（酸素含有ガス）が導入されている。改質ガスは、燃料電池セル２２内を通過するときに、この空気と反応して発電を行う。発電に使用されなかった改質ガスは、燃料電池セル２２の上部で発電に使用されなかった空気と合流して燃焼する。改質器１０は、この燃焼による熱によって加熱される。この改質ガスの燃焼によって高温の排ガスが生成される。
【００１３】
改質器１０およびセルスタック装置２０は高温となるため、断熱材（図示せず）で包囲されて、燃料電池モジュール８０として、収納容器内に配置されている。
【００１４】
蓄熱タンク４０、凝縮水タンク５０、第１熱交換器３０は熱媒体が流れる管路で接続されている。蓄熱タンク４０と凝縮水タンク５０とは、配管１０５ａで接続され、凝縮水タンク５０と第１熱交換器３０とは、配管１０５ｂで接続され、第１熱交換器３０と蓄熱タンク４０とは、配管１０５ｃで接続されている。これらの配管１０５ａ、１０５ｂ、１０５ｃは、エチレングリコールなどを含む不凍液あるいは水などの熱媒体が流れる。熱媒体は、蓄熱タンク４０、凝縮水タンク５０および第１熱交換器３０を配管１０５ａ、１０５ｂおよび１０５ｃで接続した循環流路１０５を循環する。熱媒体は、配管１０５ｂに設けられた循環ポンプ７０を動作させることによって、循環流路１０５を循環する。
【００１５】
燃料電池モジュール８０内で生じた排ガスは、セルスタック装置２０から排出された後、排ガス流路１０４を通って第１熱交換器３０に供給される。第１熱交換器３０において、循環流路１０５を流れる熱媒体と排ガスとで熱交換を行う。熱交換によって、排ガスは、冷却され、熱媒体は、加熱される。加熱された熱媒体は、配管１０５ｃを通って蓄熱タンク４０に移動する。排ガスに含まれる水蒸気は、冷却されて水となり、凝縮水として分離される。排ガスを冷却することによって分離された凝縮水は、凝縮水回収路１０６を通って凝縮水タンク５０へ送られる。凝縮水が分離された後の排ガスは、排気流路１０７を通って外部に排出される。
【００１６】
第１熱交換器３０で熱交換されて加熱された熱媒体は、配管１０５ｃを通じて蓄熱タンク４０に流入する。蓄熱タンク４０には熱媒体が蓄えられている。蓄熱タンク４０において、水管１０８を流れる水と蓄熱タンク４０に蓄えられた熱媒体との間で熱交換を行う。熱交換によって水管１０８を流れる水を加熱して給湯を行うことができる。熱媒体に水を用いた場合は、熱媒体である水を給湯するように、燃料電池装置１を構成することもできる。蓄熱タンク４０には配管１０５ａが接続されており、熱媒体は、配管１０５ａを介して蓄熱タンク４０から凝縮水タンク５０に移動する。
【００１７】
凝縮水回収器である凝縮水タンク５０には、第１熱交換器３０において排ガスから分離された凝縮水が蓄えられている。凝縮水は、第１熱交換器３０から凝縮水回収路１０６を通って凝縮水タンクに供給される。凝縮水回収路１０６の途中にイオン交換装置６０が配置されている。イオン交換装置６０にはイオン交換樹脂が配設されており、凝縮水をイオン交換樹脂を通過させることによって、凝縮水から不要な物質を取り除き凝縮水を純水化する。第１熱交換器３０から排出される凝縮水をそのまま改質器１０に供給しても問題が無い場合は、イオン交換装置６０は省略することができる。なおイオン交換装置は、凝縮水タンク５０と改質器１０との間に設けることもできる。
【００１８】
燃料電池モジュール８０で改質ガスが反応または燃焼すると、改質器１０に供給した水よりも多い水が発生する場合がある。そのため、凝縮水タンク５０の水位をフロートスイッチ５２で検出して、凝縮水が所定水位を超えた場合には、ドレイン１０９から排出する。
【００１９】
凝縮水タンク５０に移動した熱媒体は、凝縮水タンク５０内に配置された第２熱交換器５１で凝縮水と熱交換を行う。熱交換によって、凝縮水タンク内の凝縮水が加熱されるとともに、熱媒体は冷却される。
【００２０】
改質水を供給する改質水供給流路１０１が凝縮水タンク５０に接続されている。改質水供給流路１０１に設けられたポンプ７１を動作させて凝縮水タンク５０に蓄えられた凝縮水を改質水供給流路１０１を通じて燃料電池モジュール８０の改質器１０に供給する。改質器１０に供給される改質水は、第２熱交換器５１で熱交換されているので水温が高められている。そのため、改質器１０の温度を高温に保つことができるので、燃料電池モジュール８０を高温に保つことができ、発電効率を高めることができる。また、改質水の気化が促進されるので、改質効率を高めることもできる。
【００２１】
第２熱交換器５１を通過した熱媒体は、配管１０５ｂを通って第１熱交換器３０に送られる。第１熱交換器３０において、熱媒体は、排ガスと熱交換を行って加熱される。第１熱交換器３０で温度が上昇した熱媒体は、配管１０５ｃを通って蓄熱タンク４０に還流する。
【００２２】
以上のように、蓄熱タンク４０、凝縮水タンク５０内の第２熱交換器５１および第１熱交換器３０を環状に接続した循環流路１０５を熱媒体がこの順に循環する。循環流路１０５を循環する熱媒体の流量は循環ポンプ７０を制御することによって調整することができる。循環ポンプ７０は、第２熱交換器５１と第１熱交換器３０との間に設けられている。つまり、循環ポンプ７０には、第２熱交換器５１で冷却された熱媒体が流れるため、循環ポンプ７０への熱的影響を緩和することができる。
【００２３】
なお、配管１０５ａまたは配管１０５ｂの一部を第２熱交換器５１とすることもできる。この場合、配管１０５ａと配管１０５ｂとを一体化した１つの配管とすることができる。具体的には、蓄熱タンク４０と第１熱交換器３０とを１つの配管で接続し、その配管の一部を、凝縮水タンク５０に浸漬させ、この浸漬させた部分を第２熱交換器５１とすることができる。この場合、新たに第２熱交換器５１を設ける必要がなく、より簡単な構成とすることができる。
【００２４】
また、循環流路１０５において、第１熱交換器３０の入口にあたる配管１０５ｂにサーミスタ７２を設置し、第１熱交換器３０の出口にあたる配管１０５ｃにサーミスタ７３を設置して、各サーミスタ設置箇所の熱媒体の温度を測定する。燃料電池装置１の制御部〔図示せず）は、サーミスタ７２、７３の値に基づいて循環ポンプ７０を制御して、循環流路１０５を流れる熱媒体の流速を調整することができる。循環ポンプ７０が第１熱交換器３０の手前にあるので、第１熱交換器３０に流れる熱媒体の流速を素早く調整することができる。
【００２５】
上述のように、燃料電池装置１は、燃料電池セル２２と原燃料を水蒸気改質する改質器１０とを有する燃料電池モジュール８０と、燃料電池モジュール８０から排出される排ガスと熱媒体とで熱交換して凝縮水を生成する第１熱交換器３０と、第１熱交換器３０で生成された凝縮水を回収する凝縮水回収路１０６と、凝縮水回収路１０６を流れた凝縮水を貯水する凝縮水回収器である凝縮水タンク５０と、凝縮水タンク５０に貯水された前記凝縮水を前記改質器に供給する改質水供給流路１０１と、第１熱交換器３０に供給する熱媒体を貯留する蓄熱タンク４０と、凝縮水タンク５０内に設けられ、熱媒体と凝縮水タンク５０に貯水された凝縮水との間で熱交換を行う第２熱交換器５１と、蓄熱タンク４０、前記第２熱交換器５１および第１熱交換器３０を環状に接続して熱媒体がこの順に循環する循環流路１０５と、を備えている。
【００２６】
上述の構成によって、蓄熱タンク４０から供給された熱媒体を第２熱交換器５１で熱交換して温度を下げて、第１熱交換器３０に供給することができるので、大型の放熱器を設けて熱媒体の温度を下げる必要が無く、燃料電池装置の小型化に寄与することができる。また、改質器１０に供給する改質水の温度を上げることができるので、燃料電池モジュール９０を高温に保つことができるので、発電効率を向上させることができる。
【００２７】
図２は本実施形態の燃料電池装置の他の一例を示すブロック図である。図１と比べて、第２熱交換器５１と第１熱交換器３０との間に換気ファンを設けたことが異なる。
【００２８】
換気ファン７４は、燃料電池装置１内の温度を低減するための換気ファンのほか、燃料電池装置１内に配置されるパワーコンディショナの温度を下げるための換気ファンであってもよく、燃料電池装置１内の空気を換気可能なファンであれば良い。
【００２９】
このような換気ファン７４に近接して、たとえば、第２熱交換器５１を含む凝縮水タンク５０と、第１熱交換器３０との間の配管１０５ｂを配置することで、換気ファン７４を動作させることで、凝縮水タンク５０と第１熱交換器３０とを接続する配管１０５ｂに空気が吹き付けられ、配管１０５ｂの周りに空気が流通して、配管１０５ｂ内の熱媒体を冷却することができる。
【００３０】
それにより、ラジエータのような複雑な配管の冷却器を使わなくとも、第２熱交換器５１で熱媒体の温度を下げることができ、さらに換気ファン７４の空気流で第１熱交換器３０に供給する熱媒体の温度を下げることができる。また、大型のラジエータによって熱媒体を冷却する場合、寒冷期には、ラジエータのファンを停止させてもラジエータのフィンなどからの放熱量が多く熱媒体が冷えすぎて、燃料電池装置の効率が悪くなるおそれがあったが、本実施形態においては、換気ファン７４の空気流で熱媒体を冷却するので熱媒体が過剰に冷却することを抑制することができる。
【００３１】
また、循環ポンプ７０は、換気ファン７４と、第１熱交換器３０との間に設けられている。つまり、循環ポンプ７０には、第２熱交換器５１で熱交換し、さらに換気ファン７４からの送風で冷却された熱媒体が流れるため、循環ポンプ７０への熱的影響をより一層緩和することができる。循環ポンプ７０は、配管１０５ｂの途中に設けられており、循環流路１０５を流れる熱媒体の流量を調整する。第１熱交換器３０の入口にあたる配管１０５ｂにサーミスタ７２を設置し、第１熱交換器３０の出口にあたる配管１０５ｃにサーミスタ７３を設置する。サーミスタ７２、７３の値に基づいて循環ポンプ７０を制御して、循環流路１０５を流れる熱媒体の速度を調整する。また、換気ファン７４の回転数に応じて、循環ポンプ７０を制御することもできる。この場合、循環流路１０５を流れる熱媒体の速度を調整し、第１熱交換器３０に流入する熱媒体の温度を適温にすることができる。また、循環ポンプ７０が第１熱交換器３０の直前にあるので第１熱交換器３０を流れる熱媒体の流量の制御が容易に行うことができる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更、改良等が可能である。
【符号の説明】
【００３３】
１      燃料電池装置
１０    改質器
２０    セルスタック装置
２２    燃料電池セル
３０    第１熱交換器
４０    蓄熱タンク
５０    凝縮水タンク
５１    第２熱交換器
６０    凝縮水タンク
７０    循環ポンプ
７４    換気ファン
８０    燃料電池モジュール
１０５  循環流路
【図１】
2018073675.tif 000003
【図２】
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