(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】  燃料電池モジュール１００より排出された排ガスと、熱交換器１０３内を流れる熱媒水とが、熱交換器１０３で熱交換され、排ガスに含まれる水分が冷却されて凝縮水が生じる。熱交換により生じた凝縮水は、導水路１０６によって蓄熱タンク１０４へと導かれ、蓄熱タンク１０４において、凝縮水と熱媒水とが混合される。蓄熱タンク１０４に蓄えられた熱媒水の一部は、水ポンプ１１３および改質水供給流路１０７を通じて改質器１０２に供給され、原燃料の水蒸気改質に利用される。【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、
該燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒水との間で熱交換する熱交換器と、
熱媒水を蓄える蓄熱タンクと、
前記熱交換器と前記蓄熱タンクとの間で熱媒水が循環する循環流路と、
前記熱交換器における熱交換によって前記排ガスに含まれる水が凝縮された凝縮水を、前記蓄熱タンクに導く導水路と、
前記蓄熱タンクに蓄えられた熱媒水の一部を前記改質器に供給する改質水供給流路と、を備えることを特徴とする燃料電池装置。
【請求項２】
前記熱交換器は、前記蓄熱タンクの上方に配設されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池装置。
【請求項３】
前記蓄熱タンクは、外部から熱媒水を供給する給水管が接続されていないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の燃料電池装置。
【請求項４】
前記熱媒水の一部を貯留する補助タンクをさらに備えることを特徴とする請求項１または２記載の燃料電池装置。
【請求項５】
前記蓄熱タンクの内部に配設され、前記蓄熱タンクに蓄えられた熱媒水と熱交換して給湯用水を加熱する給湯用熱交換器と、
前記給湯用熱交換器に接続され、前記給湯用熱交換器において加熱される給湯用水が流入する流入管と、
前記給湯用熱交換器に接続され、熱媒水と熱交換して加熱された給湯用水が流出する流出管と、をさらに備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つ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備えるセルスタック装置を収納装置内に収納してなる燃料電池モジュールと、この燃料電池モジュールを動作させるための各種補機と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】
このような燃料電池装置においては、発電に用いられなかった余剰の燃料ガスを燃焼させ、燃焼後の高温の排ガスを熱交換器で水と熱交換させ、冷却するとともに、この熱交換時に、前記排ガスに含まれる水蒸気が凝縮して生成される凝縮水を、回収・浄化処理して水タンク等に貯留し、貯留された処理水（純水）を、天然ガス等の原燃料を水蒸気改質する改質器に改質用水として供給する、いわゆる水自立運転が行われている（特許文献１参照）。
【０００４】
また、燃料電池装置は、高温の排ガスとの熱交換により生じた湯水を貯湯タンクに貯湯しておき、必要に応じて給湯に用いる給湯装置を含むように構成される（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１４−２１６１８８号公報
【特許文献２】特開２０１６−１４３６３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池装置は小型化が求められているが、凝縮水を回収するタンクと貯湯タンクのように用途の異なるタンクを複数備えているため、スペース効率が悪く、小型化が難しくなっていた。
【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、
該燃料電池モジュールから排出される排ガスと熱媒水との間で熱交換する熱交換器と、
熱媒水を蓄える蓄熱タンクと、
前記熱交換器と前記蓄熱タンクとの間で熱媒水が循環する循環流路と、
前記熱交換器における熱交換によって前記排ガスに含まれる水が凝縮された凝縮水を、前記蓄熱タンクに導く導水路と、
前記蓄熱タンクに蓄えられた熱媒水の一部を前記改質器に供給する改質水供給路と、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本開示の燃料電池装置によれば、小型化が可能な燃料電池装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態の燃料電池装置の一例を示す概略構成図である。
【図２】第２実施形態の燃料電池装置の一例を示す概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を用いて本実施形態の燃料電池装置の一例について説明する。なお、同一の構成については同一の符号を用いて説明する。
【００１１】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の燃料電池装置の一例を示す概略構成図である。本実施形態の燃料電池装置１は、天然ガス、ＬＰ（液化プロパン）ガス等の原燃料と空気とを使用して発電を行なう燃料電池モジュール１００の稼動による電力供給と、熱交換器１０３と、蓄熱タンク１０４等からなる排熱回収機構を利用した給湯とを行うものである。
【００１２】
燃料電池モジュール１００は、複数の燃料電池セルが積層されたセルスタック１０１と、水蒸気を用いて原燃料の水蒸気改質を行う改質器１０２とを備え、セルスタック１０１と改質器１０２とが収納容器に収納されている。また、燃料電池装置１の外装ケース内には、燃料電池モジュール１００、酸素含有ガスである空気を燃料電池モジュール１００内に送給する送風機１１０、天然ガスまたはＬＰガス等の原燃料を改質器１０２に送給するガスポンプ１１１、排熱回収機構内の熱媒水を熱交換器１０３と蓄熱タンク１０４との間で循環させる循環流路１０５および循環ポンプ１１２等が、配設されている。循環ポンプ１１２は、例えば、循環流路１０５の、蓄熱タンク１０４から熱交換器１０３に熱媒水が向かう流路に設けてもよい。
【００１３】
熱交換器１０３では、燃料電池モジュール１００より排出された排ガスと、熱交換器１０３内を流れる熱媒水とで熱交換を行なうことで、排ガスに含まれる水分が冷却されて凝縮水として生じる。熱交換により生じた凝縮水は、導水路１０６によって蓄熱タンク１０４へと導かれる。蓄熱タンク１０４において、凝縮水と熱媒水とが混合される。熱交換器１０３において、凝縮水と排ガスの気体成分とが分離され、気体成分は熱交換器１０３から外部へと放出される。
【００１４】
蓄熱タンク１０４に蓄えられた熱媒水（凝縮水を含む）の一部は、水ポンプ１１３および改質水供給流路１０７を通じて改質水として改質器１０２に供給され、原燃料の水蒸気改質に利用される。なお、改質器１０２に供給される前、例えば、蓄熱タンク１０４と水ポンプ１１３との間に、改質水を浄化処理する処理部１０８を設けてもよい。改質水には、不純物が可溶化して、各種イオンとして溶存している場合があるので、処理部１０８は、イオン交換樹脂を収容しておいてもよい。
【００１５】
排熱回収機構を利用した給湯について説明する。蓄熱タンク１０４内には、蓄熱タンク１０４に蓄えられる熱媒水と、給湯用の水道水とが熱交換する給湯用熱交換器１０９が配設される。給湯用熱交換器１０９には、流入管１０９ａを介して、上水道から常温の水道水が流入し、蓄熱タンク１０４内の熱媒水と熱交換して、水道水の温度が上昇する。温度が上昇した水道水は、流出管１０９ｂを介して給湯用熱交換器１０９から流出し、給湯用の湯水として供給される。また、給湯用熱交換器１０９での熱交換量が不足するような場合には、出湯温度を上昇させるべく、バックアップ用のボイラーを配設してもよい。
【００１６】
本実施形態では、蓄熱タンク１０４には、外部から熱媒水を供給する給水管が接続されていない。給湯用の水道水は、上記のように給湯用熱交換器１０９によって間接的に加熱され、水道水が直接蓄熱タンク１０４内に流入しない。蓄熱タンク１０４に外部から給水されないので、蓄熱タンク１０４の内圧が大きく上昇することがない。
【００１７】
熱交換器１０３の流路部分、導水路１０６に掛かる圧力は、大気圧であるため、蓄熱タンク１０４の内圧が上昇すると、熱媒水が大気圧に逆らって導水路１０６を逆流するおそれがあるが、上のように蓄熱タンク１０４の内圧が上昇しないので、逆流することを抑制することができる。
【００１８】
さらに、蓄熱タンク１０４の内圧が上昇しないので、蓄熱タンク１０４として、例えば金属製タンクなどの耐圧性を有するタンクを用いる必要がなく、熱媒水の温度程度の耐熱性を有する樹脂で構成される樹脂製タンクを用いることも可能となる。樹脂製タンクは、金属製タンクよりも軽量であり、複雑な形状でも成形することが可能であるので、外装ケース内に配設しやすく、燃料電池装置１のさらなる小型化が可能となる。また、金属製タンクよりも樹脂製タンクのほうが製造コストも低減できる。なお、本実施形態では、蓄熱タンク１０４として、金属製タンクを用いることも可能である。
【００１９】
本実施形態の燃料電池装置１では、凝縮水を生じる熱交換器１０３が、蓄熱タンク１０４の上方に配設されている。熱交換器１０３と蓄熱タンク１０４とは、導水路１０６によって接続されている。導水路１０６は、例えば管状部材で構成されており、一方の端部が熱交換器１０３に接続され、他方の端部が、蓄熱タンク１０４に接続されている。
【００２０】
熱交換器１０３において、生じた凝縮水は、自重によって熱交換器１０３内の下部側へと流れる。導水路１０６の一端部を、熱交換器１０３の底部または底部周辺に接続することで、凝縮水が自重によって導水路１０６に流れ込む。熱交換器１０３が蓄熱タンク１０４の上方、言い換えれば、熱交換器１０３の下方に蓄熱タンク１０４が配設されており、導水路１０６のもう他方の端部が、蓄熱タンク１０４に接続されているので、導水路１０６に流れ込んだ凝縮水は、自重によってさらに導水路１０６内を、一方端部から他方端部まで流過する。本実施形態では、導水路１０６の他方端部は、蓄熱タンク１０４の上面部または上面部周辺に接続されており、導水路１０６内を流過した凝縮水は、蓄熱タンク１０４の上面部または上面部周辺から蓄熱タンク１０４内に流れ込む。蓄熱タンク１０４では、流れ込んだ凝縮水が、蓄熱タンク１０４に蓄えられている熱媒水に滴下して混合される。なお、導水路１０６の他方端部は、必ずしも蓄熱タンク１０４の上面部または上面部周辺に接続しなくてもよい。例えば、蓄熱タンク１０４の下方側に接続してもよい。この場合、蓄熱タンク１０４の上方を高温に維持できるため、給湯用熱交換器１０９における熱交換効率の低下を抑制できる。
【００２１】
導水路１０６は、その流路が、凝縮水が自重で流過するように構成されていればよく、直線状流路であっても、曲線状流路であってもよい。また、凝縮水が導水路１０６を介して熱交換器１０３から蓄熱タンク１０４にまで移動すればよいので、熱交換器１０３が、蓄熱タンク１０４の上方にさえ配設されていれば、鉛直方向に沿って平面視したときに、熱交換器１０３と蓄熱タンク１０４とが重なっていてもよく、重なっていなくてもよい。
【００２２】
従来の水自立運転では、蓄熱タンクとは別に、凝縮水を貯留するタンクを設け、凝縮水を改質器に供給して、原燃料の水蒸気改質に利用する。これに対し、本実施形態では、蓄熱タンク１０４に貯留された熱媒水を直接改質器１０２に供給して、水蒸気改質を行う。それにより、小型化が可能となる。なお、蓄熱タンク１０４の上方は下方に比べて熱媒水の温度が高いため、改質水供給流路１０７は蓄熱タンク１０４の上方に接続することもできる。この場合、改質器１０２での気化が促進され、効率よく改質ガスを生成することができる。
【００２３】
なお、循環流路１０５の、蓄熱タンク１０４から熱交換器１０３に熱媒水が向かう流路において、熱媒水を冷却するための冷却器を設けてもよい。蓄熱タンク１０４内の熱媒水は、給湯用熱交換器１０９に流入する水道水と熱交換することで温度が低下する。温度の低下した熱媒水は蓄熱タンク１０４の下方に溜まり、蓄熱タンク１０４の下方の熱媒水が熱交換器１０３に供給されることで、熱交換器１０３において排ガスを冷却し、凝縮水を生じさせる。しかしながら、蓄熱タンク１０４内の熱媒水と水道水との熱交換量が少ないと、蓄熱タンク１０４は高温の熱媒水で満たされ、熱交換器１０３に高温の熱媒水が供給され、排ガスが冷却されず凝縮水が生じない可能性がある。上記のように、循環流路１０５に冷却器を設けることにより、蓄熱タンク１０４が高温の熱媒水で満たされた場合でも、冷却器によって冷却された低温の熱媒水を熱交換器１０３に供給することができる。
【００２４】
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態の燃料電池装置の一例を示す概略構成図である。本実施形態の燃料電池装置１Ａは、第１実施形態の燃料電池装置１にさらに補助タンク１１４を備える点で異なる構成であり、他の構成は同様の構成であるので、同じ構成には同じ参照符号を付して説明を省略する。補助タンク１１４は、補助流路１１５を介して蓄熱タンク１０４に接続されている。蓄熱タンク１０４に蓄えられる熱媒水の一部が、補助流路１１５を通って補助タンク１１４に移動する。
【００２５】
上記のように、蓄熱タンク１０４に蓄えられる熱媒水は、熱交換器１０３において排ガスとの熱交換により加熱される。加熱された熱媒水は、温度の上昇に伴って体積膨張が生じる。体積膨張が生じることによって、例えば、蓄熱タンク１０４の内圧が上昇したり、蓄熱タンク１０４に接続された各流路のうち、逆止弁などの逆流防止機構が設けられていない流路では、熱媒水の逆流が生じたりするおそれがある。このような増加分の熱媒水は、従来では、蓄熱タンク１０４に排水管を取り付け、この排水管を介して、増加分を外部に排水している。排水すると加熱された熱媒水、すなわち高エネルギを有する水を外部に排出することになり、エネルギ効率が低下する。
【００２６】
本実施形態では、補助タンク１１４を設けることにより、体積膨張によって増加した分の少なくとも一部が、補助流路１１５を介して補助タンク１１４へと流れ、補助タンク１１４に貯留される。これにより、蓄熱タンク１０４の内圧上昇を抑え、熱媒水の逆流も抑えることができる。また、熱媒水が改質器１０２に供給されて体積が減少したり、給湯用熱交換器１０９における常温の水道水との熱交換によって水温が低下すると体積収縮が生じる。熱媒水の体積が減少すると、補助タンク１１４に貯留されていた熱媒水が、補助流路１１５を介して蓄熱タンク１０４へと戻る。このように、補助タンク１１４は、熱媒水の温度変化による体積変化に対応するための、いわゆるリザーバタンクとして機能する。
【００２７】
補助タンク１１４は、熱交換器１０３と同様に、蓄熱タンク１０４の上方に設けられる。さらに、補助流路１１５の一方端部は、補助タンク１１４の下部に接続され、他方端部は、蓄熱タンク１０４の下部に接続される。補助タンク１１４を蓄熱タンク１０４の上方に設けることで、冷却による熱媒水の体積減少時に補助タンク１１４内の熱媒水が、自重で補助流路１１５を蓄熱タンク１０４へと流れるので、ポンプなど熱媒水を送給するための動力が不要となる。
【００２８】
さらに補助タンク１１４において、大気開放されていてもよい。熱媒水に含まれる酸素または空気などの気体は、気泡となって循環系中に存在する。補助タンク１１４が開放されていると、気泡は熱媒水とともに補助流路１１５を通って補助タンク１１４まで達し、補助タンク１１４において外部へと排気される。
【００２９】
上記では、補助タンク１１４が補助流路１１５を介して蓄熱タンク１０４に接続する構成について説明したが、これに限らず、補助流路１１５を介して循環流路１０５に接続する構成であってもよい。特に補助タンク１１４が、開放されているような構成では、補助タンク１１４が熱媒水に含まれる気体を排気することができる。循環流路１０５の、蓄熱タンク１０４から熱交換器１０３に熱媒水が向かう流路において、循環ポンプ１１２よりも上流で補助流路１１５を介して補助タンク１１４を接続してもよい。補助タンク１１４によって熱媒水に含まれる気体が除去されるので、循環ポンプ１１２におけるエア噛みなどによる送給不良を低減することができる。
【００３０】
以上、本発明について詳細に説明したが、本発明は上述の実施の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。
【００３１】
例えば、上記実施形態では、蓄熱タンク１０４には、外部から熱媒水を供給する給水管が接続されていない例を用いて説明したが、蓄熱タンク１０４の内圧が大きく上昇しない程度であれば、蓄熱タンク１０４に外部から熱媒水を供給する給水管を接続することもできる。この場合、例えば給水管として水道水の給水管を蓄熱タンク１０４に接続する場合には、常時水道水を供給する形態ではなく、メンテナンス時や蓄熱タンク１０４内の熱媒水が蒸発等で減少した場合に、自動的に弁を開くなどして熱媒水を補充する程度であれば、外部から熱媒水を供給する給水管を蓄熱タンク１０４に接続することもできる。
【符号の説明】
【００３２】
１，１Ａ      燃料電池装置
２１    収納容器
２１ａ  箱体
２１ｂ  開口
２１ｃ  蓋体
１００  燃料電池モジュール
１０１  セルスタック
１０２  改質器
１０３  熱交換器
１０４  蓄熱タンク
１０５  循環流路
１０６  導水路
１０７  改質水供給流路
１０８  処理部
１０９  給湯用熱交換器
１０９ａ  流入管
１０９ｂ  流出管
１１０  送風機
１１１  ガスポンプ
１１２  循環ポンプ
１１３  水ポンプ
１１４  補助タンク
１１５  補助流路
【図１】
2018073672.tif 000003
【図２】
2018073672.tif 000004