(57)【要約】【課題】排熱回収系に直交変換器の排熱を回収する冷却器及び燃料電池のアノードオフガスの水分を凝縮させる凝縮器を含むとともに、凝縮器より排出されたアノードオフガスを燃焼する燃焼器を備える場合に、従来よりも燃焼器の燃焼安定性を向上させる。【解決手段】燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池１と、燃料電池１からの直流電力を交流電力に変換する直交変換器９と、燃料電池１の排熱及び直交変換器９の排熱を回収する貯湯水が流れる貯湯水経路１５と、貯湯水により直交変換器９を冷却する冷却器１０と、貯湯水との熱交換により燃料電池１のアノードから排出されたアノードオフガス中の水分を凝縮する第１凝縮器３と、第１凝縮器３より排出されたアノードオフガスを燃焼する燃焼器６とを備え、第１凝縮器３及び冷却器１０は、貯湯水経路１５上に、貯湯水の流れに対して第１凝縮器３、冷却器１０の順に配設されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する直交変換器と、前記燃料電池の排熱及び前記直交変換器の排熱を回収する熱媒体が流れる熱媒体経路と、前記熱媒体により前記直交変換器を冷却する冷却器と、前記熱媒体との熱交換により前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガス中の水分を凝縮する第１凝縮器と、前記第１凝縮器より排出された前記アノードオフガスを燃焼する燃焼器とを備え、前記第１凝縮器及び前記冷却器は、前記熱媒体経路上に、前記熱媒体の流れに対して前記第１凝縮器、前記冷却器の順に配設されていることを特徴とする燃料電池システム。
【請求項２】
前記燃料電池の発電に伴う排熱を前記熱媒体により回収するための第１熱交換器を備え、前記第１熱交換器は、前記冷却器の下流の前記熱媒体経路上に設けられていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【請求項３】
前記熱媒体との熱交換により前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス中の水分を凝縮する第２凝縮器を備え、前記第２凝縮器は、前記冷却器と前記１熱交換器との間の前記熱媒体経路上に、設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項４】
前記燃焼器の燃焼排ガス中の排熱を前記熱媒体により回収する第２熱交換器を備え、前記第２熱交換器は、前記冷却器と前記第１熱交換器との間に設けられていることを特徴とする請求項２記載の燃料電池システム。
【請求項５】
前記熱媒体との熱交換により前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス中の水分を凝縮する第２凝縮器と、
前記燃料電池の発電に伴う排熱を前記熱媒体により回収するための第１熱交換器と、
前記燃焼器の燃焼排ガス中の排熱を前記熱媒体により回収する第２熱交換器と、を備え、
前記第２凝縮器、第１熱交換器、及び第２熱交換器は、前記冷却器の下流の前記熱媒体経路上に、前記熱媒体の流れに対して前記第２凝縮器、第２熱交換器、第１熱交換器の順に配設されていることを特徴とする請求項１記載の燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、燃料電池の直流電力を交流電力に変換する直交変換器の冷却器を含む燃料電池システムの排熱回収系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の燃料電池システムは、通常、燃料電池本体の排熱や、燃料電池のアノードまたはカソードから排出されるガス（アノードオフガスまたはカソードオフガス）中の排熱を回収する排熱回収系を有するが、この燃料電池の排熱回収系に直流電力を交流電力に変換する直交変換器（インバータ）の冷却器を含む燃料電池システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３に示すように、水系統４０は、貯湯タンク５２の底部に接続された冷水管５４からの水をラジエータ４２、インバータ４８ａを冷却する冷却器４８ｂ、凝縮器３８、熱交換器３６、温水管５６を経由して貯湯タンク５２の頂部に戻す系統と、冷水管５４からの水を水タンク４４，精製器４６を経由して改質器３２に供給する系統とからなり、ラジエータ４２の上流側と水タンク４４の下流側の配管にはポンプ４１、４５が、水タンク４４の上流側には電磁弁４３が取り付けられている。冷却器４８ｂは、インバータ４８ａの熱を伝熱により貯湯タンク５２の底部からの水に伝達して放熱する一般的な冷却器として構成されている。ラジエータ４２には、冷却ファン４２ａが取り付けられており、この冷却ファン４２ａはラジエータ４２への流入水の温度が所定温度（例えば、３５℃）以上か否かによりオンオフするサーモスタット４２ｂによって駆動および駆動停止するように接続されている。
【０００４】
電力変換回路４８は、上述したようにインバータ４８ａを中心として構成されており、インバータ４８ａの他に昇圧回路などの回路と電圧センサや電流センサなどのセンサを備えており、燃料電池スタック３４からの直流電力を交流電力に変換して商用電源に接続された負荷に供給できるよう接続されている。
【０００５】
そして、貯湯タンク５２の底部からの水によりインバータ４８ａを冷却し、燃料電池スタック３４の動作温度に拘わらず、インバータ４８ａを冷却するように接続されている。また、冷却器４８ｂに供給される水は冷却ファン４２ａ付きのラジエータ４２で冷却され、貯湯タンク５２の底部の水の温度が高いときでもインバータ４８ａを十分に冷却するように構成されている。
【特許文献１】特開２００４−１１１２０９号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来のコージェネレーション装置では、貯湯タンク５２の底部に接続された冷水管５４からの水をラジエータ４２、インバータ４８ａを冷却する冷却器４８ｂ、凝縮器３８、熱交換器３６、温水管５６を経由して貯湯タンク５２の頂部に戻すように排熱回収配管系統が構成されている。つまり、インバータ４８ａを冷却する冷却器４８ｂによって熱交換された温水を次の凝縮器３８に供給している。この冷却器４８ｂによって加温された水によって燃料電池スタック３４のアノードからの排ガス中の水分を凝縮させるよう構成されているため、凝縮器３８の凝縮能力は低くなり、排ガス中の水分を十分凝縮できないまま改質器３２内部へ供給されている。この場合、通常、排ガスはアノードオフガスであり、改質器３２を加熱するためのバーナで燃焼させるが、凝縮器３８ではアノードオフガス中の水分を十分除去できないためにバーナ不着火・失火等の不具合を招くといった課題があった。
【０００７】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、排熱回収系に直交変換器の排熱を回収する冷却器及び燃料電池のアノードオフガスの水分を凝縮させる凝縮器を含むとともに、凝縮器より排出されたアノードオフガスを燃焼する燃焼器を備える場合に、従来よりも燃焼器の燃焼安定性が向上する燃料電池システムを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記従来の課題を解決するための、第１の本発明に係る燃料電池システムは、
燃料ガスと酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池と、前記燃料電池からの直流電力を交流電力に変換する直交変換器と、前記燃料電池の排熱及び前記直交変換器の排熱を回収する熱媒体が流れる熱媒体経路と、前記熱媒体により前記直交変換器を冷却する冷却器と、前記熱媒体との熱交換により前記燃料電池のアノードから排出されたアノードオフガス中の水分を凝縮する第１凝縮器と、前記第１凝縮器より排出された前記アノードオフガスを燃焼する燃焼器とを備え、前記第１凝縮器及び前記冷却器は、前記熱媒体経路上に、前記熱媒体の流れに対して前記第１凝縮器、前記冷却器の順に配設されていることを特徴とする。
【０００９】
かかる構成によれば、熱媒体経路を流れる熱媒体は、冷却器において加温される前に、まず第１凝縮器と熱交換するよう構成されているため、従来の燃料電池システムよりも、アノードオフガスの水分除去量が向上し、第１凝縮器から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器での燃焼安定性が向上する。
【００１０】
また、第２の本発明の燃料電池システムは、前記燃料電池の発電に伴う排熱を前記熱媒体により回収するための第１熱交換器を備え、前記熱交換器は、前記冷却器の下流の前記熱媒体経路上に設けられていることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、上記第１の本発明の燃料電池システムで得られる効果に加え、次に冷却器による直交変換器の冷却を第１熱交換器で貯湯水が、さらに昇温される前に行うよう構成されているため、直交変換器を構成する電力パワー素子の冷却が良好に行われる。また、熱伝達係数が大きい液体同士の熱交換を実行する第１熱交換器を冷却器よりも下流側に配設することで、貯湯水による排熱回収の効率が向上にする。
【００１２】
また、第３の本発明の燃料電池システムは、前記熱媒体との熱交換により前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス中の水分を凝縮する第２凝縮器を備え、前記第２凝縮器は、前記冷却器と前記第１熱交換器との間の前記熱媒体経路上に、設けられていることを特徴とする。
【００１３】
かかる構成によれば、上記第１の本発明の燃料電池システムで得られる効果に加え、冷却器による直交変換器の冷却を第２凝縮器で貯湯水が、さらに昇温される前に行うよう構成されているため、直交変換器を構成する電力パワー素子の冷却が良好に行われる。また、熱伝達係数が大きい液体同士の熱交換を実行する第１熱交換器を、第２凝縮器の下流側に配設することで、カソードオフガス中の水分除去が良好に行われるとともに、貯湯水による排熱回収の効率が向上する。
【００１４】
また、第４の本発明の燃料電池システムは、前記燃焼器の燃焼排ガス中の排熱を前記熱媒体により回収する第２熱交換器を備え、前記第２熱交換器は、前記冷却器と前記第１熱交換器との間に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
かかる構成によれば、上記第１の本発明の燃料電池システムで得られる効果に加え、冷却器による直交変換器の冷却を第２熱交換器で貯湯水が、さらに昇温される前に行うよう構成されているため、直交変換器を構成する電力パワー素子の冷却が良好に行われる。また、熱伝達係数が大きい液体同士の熱交換を実行する第１熱交換器を、第２熱交換器の下流側に配設することで、燃焼排ガス中の水分除去が良好に行われるとともに、貯湯水による排熱回収の効率が向上する。
【００１６】
また、前記熱媒体との熱交換により前記燃料電池のカソードから排出されるカソードオフガス中の水分を凝縮する第２凝縮器と、前記燃料電池の発電に伴う排熱を前記熱媒体により回収するための第１熱交換器と、前記燃焼器の燃焼排ガス中の排熱を前記熱媒体により回収する第２熱交換器と、を備え、前記第２凝縮器、第１熱交換器、及び第２熱交換器は、前記冷却器の下流の前記熱媒体経路上に、前記熱媒体の流れに対して前記第２凝縮器、第２熱交換器、第１熱交換器の順に配設されていることを特徴とする。
【００１７】
かかる構成によれば、上記第１の本発明の燃料電池システムにより得られる効果に加え、冷却器による直交変換器の冷却を第２熱交換器で貯湯水が、さらに昇温される前に行うよう構成されているため、直交変換器を構成する電力パワー素子の冷却が良好に行われる。また、熱伝達係数が大きい液体同士の熱交換を実行する第１熱交換器を、第２凝縮器及び第２熱交換器の下流側に配設することで、カソードオフガス及び燃焼排ガス中の水分除去が良好に行われるとともに、貯湯水による排熱回収の効率が向上する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の燃料電池システムによれば、従来の燃料電池システムよりも、第１凝縮器でのアノードオフガスの水分除去量が向上し、第１凝縮器から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器での燃焼安定性が向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下に、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムにおける排熱回収構成を示すブロック図である。
【００２１】
図１に示すように、本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムは、水素を含む燃料ガスを生成する水素生成装置１には、メタン、プロパン、都市ガス等の炭化水素や、メタノール、エタノール等のアルコールに例示される含水素有機化合物を含む原料を供給する原料供給器２から原料が供給されるとともに、第１凝縮器３で凝縮された凝縮水を貯える凝縮水タンク４から水供給器５を介して水が供給されるように構成されている。水素生成装置１には、原料供給器２から供給された原料と水供給器５から供給された水を用いて改質反応により水素を含む燃料ガスを生成する改質器（図示せず）と、第１凝縮器３からのアノードオフガスを燃焼させて改質器を加熱する燃焼器６とを備えている。そして、水素生成装置１から供給される燃料ガスと酸化剤ガス供給器７からの酸化剤ガスとを用いて発電を行う燃料電池８と、燃料電池８で発電した直流電力を交流電力に変換する直交変換器（インバータ）９とを備える。ここで、酸化剤ガス供給器７は、例えば、酸化剤ガスとしての空気を供給するブロアファンが用いられる。
【００２２】
また、少なくとも燃料電池８のアノードオフガス中の排熱と直交変換器９の排熱とを回収した熱媒体を貯える本発明の蓄熱器の一例である、貯湯タンク１４を備える。貯湯タンク１４から熱媒体として取り出された水は、本発明の熱媒体経路としての貯湯水経路１５を流れ、上記燃料電池８のアノードオフガス中の排熱と、直交変換器９の排熱を回収する各機器を通過し、加熱された後、貯湯タンク１４に戻るよう構成されている。
【００２３】
ここで、燃料電池のアノードオフガス中の排熱を回収する機器は、第１凝縮器３であり、第１凝縮器３は、燃料電池８のアノードオフガスが流れるアノードオフガス経路１０１内のアノードオフガスと貯湯水経路１５内の貯湯水との間で熱交換し、アノードオフガス中の水分が凝縮するよう構成されている。
【００２４】
また、直交変換器９の排熱を回収する機器は、冷却器１０であり、これは、直交変換器９を構成する電力変換素子であるパワー半導体（ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等）部品等などが取り付けられた基板上に設けられた放熱ブロック（図示せず）により構成されている。この放熱ブロックは、基板上に設けられた貫通路部とこの貫通路部内を通過するよう構成された貯湯水経路１５とにより構成される。なお、上記第１凝縮器３及び冷却器１０は、貯湯水経路１５内の貯湯水の流れに対して第１凝縮器３及び冷却器１０の順になるよう配設されている。
【００２５】
また、本実施の形態における燃料電池システムにおいて、貯湯水経路１５を、第１凝縮器３、冷却器１０だけでなく、その他にも排熱を回収する機器と接続され、システム内の各機器の排熱を回収している。具体的には、冷却器１０の下流の貯湯水経路１５には、燃料電池８の発電に伴う排熱を回収する第１熱交換器１３が設けられ、貯湯水経路１５内の貯湯水と燃料電池８を冷却する冷却水が流れる冷却水経路１１内の冷却水との間で熱交換可能なように構成されている。そして、第１熱交換器１３で加熱された貯湯水は高温の温水として貯湯タンク１４上部に戻るよう貯湯水経路１５と貯湯水タンク１４の上部が接続されている。また、制御器１７は、原料供給器２、水供給器５、酸化剤ガス供給器７、冷却水送出器１２及び貯湯ポンプ１６のそれぞれについて、燃料電池システムの運転において、安定した運転が可能になるよう適宜操作量を制御するように構成されている。
【００２６】
以上のように構成された燃料電池システムの排熱構成について、以下その動作、作用を説明する。
【００２７】
燃料電池システムの運転時において、制御器１７により、水素生成装置１に原料を原料供給器２を介して供給する。この原料は、水素生成装置１の改質器（図示せず）に供給され、最終的に水素を含む燃料ガスとして、燃料電池８に供給される。燃料電池８で発電に用いられなかったアノードオフガスは、第１凝縮器３においてガス中の水分が凝縮され、生成した凝縮水が凝縮水タンク４に貯えられる。そして、第１凝縮器３を通過したアノードオフガスは燃焼器６に供給され、燃焼することとなる。ここで、制御器１７は、貯湯ポンプ１６をの操作量を制御して、貯湯タンク１４下部から貯湯水を取り出し、第１凝縮器３に送り熱交換させるが、例えば、貯湯水の流量が約１．０Ｌ／分程度の場合、第１凝縮器３を通過した貯湯水の温度は約１５〜２０Ｋ程度上昇する。
【００２８】
次に、第１凝縮器３で昇温した貯湯水は、冷却器１０（具体的には、上述の直交変換器（インバータ）９を構成する電力変換素子が取り付けられた基板上に設けられた放熱ブロック内の貫通路部内）を流通する。これにより、動作中のインバータの排熱回収が行われる。ここで、例えば、貯湯水の流量が約１．０Ｌ／分程度の場合、冷却器１０を通過した貯湯水の温度は、約１〜５Ｋ程度上昇する。
【００２９】
次に、冷却器１０で昇温した貯湯水は、第１熱交換器１３に供給され、燃料電池８の冷却水と熱交換し、燃料電池８の発電に伴う排熱が貯湯水により回収される。ここで、貯湯水の流量が約１．０Ｌ／分程度の場合、第１熱交換器１３を通過した貯湯水の温度は、燃料電池８の発電時の冷却水温度（約６０〜８０℃）程度の温度まで温度上昇することとなる。そして、第１熱交換器１３で昇温した貯湯水は、貯湯タンク１４の上層部から貯湯される。
【００３０】
以上のように、本実施の形態の燃料電池システムにおいて、燃料電池システム内の各機器の排熱を回収する熱媒体は、冷却器１０よりも前に第１凝縮器３において熱交換を行うことで、温度差の大きい段階で、液体と気体の熱交換を行われるため、従来の燃料電池に比べ、アノードオフガスの水分除去量が向上し、第１凝縮器３から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器６での燃焼安定性が向上する。
【００３１】
また、冷却器による直交変換器の冷却を、第１熱交換器で貯湯水が、さらに昇温される前に行うよう構成されているため、直交変換器を構成する電力パワー素子の動作時の半導体接合部などの発熱部の冷却が良好に行われる。また、熱伝達係数が大きい液体同士の熱交換である第１熱交換器を冷却器よりも下流側に配設することで、貯湯水による排熱回収の効率が向上する。
【００３２】
なお、本実施の形態の燃料電池システムにおいて、本発明の燃焼器の一例として水素生成装置に内蔵された改質器を加熱する燃焼器６を挙げたが、本発明の燃焼器は、本例に限定されるものでなく、第１凝縮器を通過したアノードオフガスを燃焼する燃焼器（例えば、貯湯タンクから熱負荷に供給される貯湯水を加熱する補助燃焼器）であれば、上述の燃焼安定性の向上の効果が得られることは明らかであり、その構成は限定されるものではない。
【００３３】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムは、基本的構成は、実施の形態１に係る燃料電池システムと同じであるが、以下の点で異なる。
【００３４】
図２は、実施の形態２に係る燃料電池システムにおける排熱回収構成を模式的に示すブロック図である。
【００３５】
図２に示すように、本実施の形態に係る燃料電池システムでは、冷却器１０と第１熱交換器１３との間の貯湯水経路１５に、燃料電池８で発電に用いられなかったカソードオフガス中の水分を貯湯水との熱交換により凝縮するための第２凝縮器１８と、その下流に、燃焼器６から排出された燃焼排ガス中の熱を貯湯水との熱交換により回収するための第２熱交換器１９とを備えることをその特徴としている。
【００３６】
以上のように構成された燃料電池システムの排熱回収構成について、以下その動作、作用を説明する。上記実施の形態１と同様の構成及び動作により、第１凝縮器３及び冷却器１０で排熱回収した貯湯水は第２凝縮器１８に導入され、ここで、燃料電池８のカソードオフガスと熱交換しカソードオフガスの排熱を回収する。この熱交換により、カソードオフガス中の水分が凝縮し、生成した凝縮水は、凝縮水タンク４に貯えられ、燃料電池システムの運転時に図２に示すように水素生成装置での改質反応時に用いられる改質水として再利用される。
【００３７】
次に、第２凝縮器１８を通過した貯湯水は、燃焼器６から排出される燃焼排ガスと熱交換する第２熱交換器１９に導入され、燃焼排ガスの排熱を回収するよう構成されており、燃料電池システムの排熱回収効率がさらに向上する。
【００３８】
そして、実施の形態１の燃料電池システムと同様に、貯湯水は、最後に、燃料電池８に設けられた冷却水経路１１の冷却水と熱交換する第１熱交換器１３に導入され、燃料電池８の発電に伴う排熱を回収する。これにより、貯湯水により排熱回収系において、熱伝達係数が大きい液体同士の熱交換である第１熱交換器を、複数の熱交換器の中で最下流に配設することで、上記排熱回収系における排熱回収効率が向上する。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明にかかる燃料電池システムは、従来の燃料電池システムよりも、第１凝縮器でのアノードオフガスの水分除去量が向上し、第１凝縮器から排出されたアノードオフガスを燃焼させる燃焼器での燃焼安定性を向上することが可能になるので、家庭用燃料電池システム等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る燃料電池システムの排熱回収構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態２に係る燃料電池システムの排熱回収構成を示すブロック図
【図３】従来の燃料電池システムの排熱回収構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００４１】
１    水素生成装置
３    第１凝縮器
６    燃焼器
８    燃料電池
９    直交変換器
１０    冷却器
１３    第１熱交換器
１４    貯湯タンク
１５    貯湯水経路
１７    制御器
１８    第２凝縮器
１９    第２熱交換器
【図１】
2011181186.tif 000003
【図２】
2011181186.tif 000004
【図３】
2011181186.tif 000005