(57)【要約】【課題】燃料電池システムのエネルギー効率を高める。【解決手段】熱交換器２４は、燃料電池１０によって発生する熱を回収する。温水焚吸収式冷温水器４０は、熱交換器２４によって回収された熱により駆動し、冷媒を冷却する。熱利用機器５０は、温水焚吸収式冷温水器４０によって冷却された冷媒を利用する。第１冷媒経路５２は、温水焚吸収式冷温水器４０から熱利用機器５０に冷媒を送る。第２冷媒経路５４は、熱利用機器５０から温水焚吸収式冷温水器４０に冷媒を戻す。第３冷媒経路６０は、第２冷媒経路５４から分岐しており、熱利用機器５０から排出された冷媒を反応空気供給経路７０のうち送風機７２より上流側に位置する部分に案内する。第４冷媒経路６２は、第３冷媒経路６０により反応空気供給経路７０に案内された冷媒を第２冷媒経路５４に戻す。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応空気及び燃料を反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応空気を供給する反応空気供給経路と、
前記反応空気供給経路に設けられた送風機と、
前記燃料電池で発生する熱を回収する熱交換器と、
前記熱交換器によって回収された熱により駆動し、冷媒を冷却する温水焚吸収式冷温水器と、
前記温水焚吸収式冷温水器によって冷却された前記冷媒を利用する熱利用機器と、
前記温水焚吸収式冷温水器から前記熱利用機器に前記冷媒を送る第１冷媒経路と、
前記熱利用機器から前記温水焚吸収式冷温水器に前記冷媒を戻す第２冷媒経路と、
前記第２冷媒経路から分岐しており、前記熱利用機器から排出された前記冷媒を前記反応空気供給経路のうち前記送風機より上流側に位置する部分に案内する第３冷媒経路と、
前記第３冷媒経路により前記反応空気供給経路に案内された前記冷媒を前記第２冷媒経路に戻す第４冷媒経路と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記第３冷媒経路に前記第２冷媒経路を流れる前記冷媒を流すか否かを決める第１流路切替部と、
前記第１冷媒経路から分岐しており、前記温水焚吸収式冷温水器から供給された前記冷媒を前記反応空気供給経路のうち前記送風機より上流側に位置する部分に導く第５冷媒経路と、
第５冷媒経路により前記反応空気供給経路に案内された前記冷媒を前記第１冷媒経路に戻す第６冷媒経路と、
前記第５冷媒経路に前記第１冷媒経路を流れる前記冷媒を流すか否かを決める第２流路切替部と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項３】
請求項２に記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記燃料電池を制御して前記燃料電池の出力電力を所望の値にする燃料電池制御部と、
前記燃料電池の出力電流を測定する出力電流測定部と、
前記燃料電池の出力電流が大きくなったときに前記送風機の回転数を上昇させる送風機制御部と、
前記第１流路切替部及び前記第２流路切替部を制御することにより、前記送風機の回転数が上限未満のときには前記第２冷媒経路を流れる前記冷媒を前記第３冷媒経路に流し、前記回転数が上限になったときには前記第１冷媒経路を流れる前記冷媒を前記第５冷媒経路に流す切替制御部と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一つに記載の燃料電池発電システムにおいて、
前記反応空気供給経路のうち前記冷媒が導かれる部分より上流側の部分で前記反応空気の温度を測定する温度測定部と、
前記温度測定部による測定値に基づいて、前記反応空気供給経路に導かれる前記冷媒の量を制御する冷媒量制御部と、
を備える燃料電池発電システム。
【請求項５】
反応空気供給経路に設けられた送風機を動作させることにより反応空気を燃料電池に供給し、
前記燃料電池で発生する熱を熱交換器で回収し、回収した熱を用いて温水焚吸収式冷温水器を駆動させ、
前記温水焚吸収式冷温水器により冷却された冷媒を用いて熱利用機器を動作させ、
前記熱利用機器で利用された後の前記冷媒を用いて、前記反応空気供給経路内の前記反応空気を前記送風機より上流側で冷却する、燃料電池発電システムの動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エネルギー効率を向上させた燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの動作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池を用いた発電システム（以下、燃料電池発電システムと記載）は、燃料が持つ化学エネルギーを直接電力に変換することにより発電を行うシステムであり、エネルギー効率を高くできることが期待されている。燃料電池発電システムにおけるエネルギー効率を高くする方法の一つとして、燃料電池の冷却熱を利用する方法がある。例えば特許文献１には、燃料電池の冷却によって発生するスチームによって吸収式冷凍機を駆動させて冷媒を冷却し、この冷媒を用いて反応空気を冷却することが記載されている。冷却された反応空気は、圧縮機で燃料電池に送風される。
【０００３】
また特許文献２には、燃料電池とガスタービンとを併設しておき、燃料電池の冷却によって発生するスチームによって吸収式冷凍機を駆動させて冷媒を冷却し、この冷媒を用いてガスタービンの吸気を冷却することが記載されている。
【０００４】
なお特許文献３には、燃料電池を冷却することによって加熱された冷却水を熱源として吸収式冷凍機を駆動させて冷媒を冷却し、この冷媒を需要家空間に供給するシステムにおいて、需要家空間に供給される前の冷媒の一部を用いて燃料電池のインバータを冷却することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５８−１６５２７２号公報
【特許文献２】特開２０００−１２０４７号公報
【特許文献３】特開２００２−１５１０９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
燃料電池発電システムにおいて、さらにエネルギー効率を高めることが期待されている。本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、エネルギー効率を向上させた燃料電池発電システム及び燃料電池発電システムの動作方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明者は、温水焚吸収式冷温水器により冷却された冷媒が、熱利用機器に利用された後においても十分に冷たいことに着目し、本発明に至った。
【０００８】
本発明によれば、反応空気及び燃料を反応させて発電する燃料電池と、
前記燃料電池に前記反応空気を供給する反応空気供給経路と、
前記反応空気供給経路に設けられた送風機と、
前記燃料電池で発生する熱を回収する熱交換器と、
前記熱交換器によって回収された熱により駆動し、冷媒を冷却する温水焚吸収式冷温水器と、
前記温水焚吸収式冷温水器によって冷却された前記冷媒を利用する熱利用機器と、
前記温水焚吸収式冷温水器から前記熱利用機器に前記冷媒を送る第１冷媒経路と、
前記熱利用機器から前記温水焚吸収式冷温水器に前記冷媒を戻す第２冷媒経路と、
前記第２冷媒経路から分岐しており、前記熱利用機器から排出された前記冷媒を前記反応空気供給経路のうち前記送風機より上流側に位置する部分に案内する第３冷媒経路と、
前記第３冷媒経路により前記反応空気供給経路に案内された前記冷媒を前記第２冷媒経路に戻す第４冷媒経路と、
を備える燃料電池発電システムが提供される。
【０００９】
本発明によれば、反応空気供給経路に設けられた送風機を動作させることにより反応空気を燃料電池に供給し、
前記燃料電池で発生する熱を熱交換器で回収し、回収した熱を用いて温水焚吸収式冷温水器を駆動させ、
前記温水焚吸収式冷温水器により冷却された冷媒を用いて熱利用機器を動作させ、
前記熱利用機器で利用された後の前記冷媒を用いて、前記反応空気供給経路内の前記反応空気を前記送風機より上流側で冷却する、燃料電池発電システムの動作方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、熱利用機器に利用された後の冷媒を用いて反応空気を冷却してその密度を向上させているため、燃料電池発電システムのエネルギー効率をさらに高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図２】第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。
【図３】制御部が行う制御の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。また以下に説明する冷媒や冷却水の経路は、配管、継ぎ手、バルブなどを用いて構築される。
【００１３】
図１は、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。この燃料電池発電システムは、燃料電池１０、反応空気供給経路７０、送風機７２、熱交換器２４、温水焚吸収式冷温水器４０、熱利用機器５０、第１冷媒経路５２、第２冷媒経路５４、第３冷媒経路６０、及び第４冷媒経路６２を備えている。燃料電池１０は、反応空気及び燃料を反応させて発電する。反応空気供給経路７０は、燃料電池１０に反応空気を供給する。送風機７２は反応空気供給経路７０に設けられている。熱交換器２４は、燃料電池１０によって発生する熱を回収する。温水焚吸収式冷温水器４０は、熱交換器２４によって回収された熱により駆動し、冷媒を冷却する。熱利用機器５０は、温水焚吸収式冷温水器４０によって冷却された冷媒を利用する。第１冷媒経路５２は、温水焚吸収式冷温水器４０から熱利用機器５０に冷媒を送る。第２冷媒経路５４は、熱利用機器５０から温水焚吸収式冷温水器４０に冷媒を戻す。第３冷媒経路６０は、第２冷媒経路５４から分岐しており、熱利用機器５０から排出された冷媒を反応空気供給経路７０のうち送風機７２より上流側に位置する部分に案内する。第４冷媒経路６２は、第３冷媒経路６０により反応空気供給経路７０に案内された冷媒を第２冷媒経路５４に戻す。以下、詳細に説明する。
【００１４】
燃料電池１０は、燃料極１２及び空気極１４を有している。燃料極１２には改質された燃料ガスが供給される。空気極１４には、反応空気供給経路７０から反応空気が供給される。反応空気は、例えば外気を取り込むことにより空気極１４に供給される。なお燃料電池１０で使用された後の反応空気は、排気経路７６を介して排気される。
【００１５】
燃料電池１０には、ポンプ２０により一次冷却水が供給される。燃料電池１０を冷却した一次冷却水は、熱交換器２４を経由した後、気水分離器２２に導入される。気水分離器２２では、一次冷却水を水蒸気と水に分離する。気水分離器２２で分離された水は、ポンプ２０を介して再び燃料電池１０に一次冷却水として供給される。
【００１６】
熱交換器２４は、一次冷却水を二次冷却水で冷却する。二次冷却水は、ポンプ３２を動力源として循環経路３０を循環している。循環経路３０には、分岐バルブ３４、３５及び冷却塔３６が設けられている。分岐バルブ３４は、一次冷却水を冷却した後の二次冷却水を循環経路３０から分岐させ、温水焚吸収式冷温水器４０に供給する。温水焚吸収式冷温水器４０を経由した二次冷却水は、再び循環経路３０に戻る。また分岐バルブ３５は、分岐バルブ３４より下流側で、一次冷却水を冷却した後の二次冷却水を循環経路３０から分岐させ、冷却塔３６に供給する。冷却塔３６を経由した二次冷却水は、再び循環経路３０に戻る。
【００１７】
温水焚吸収式冷温水器４０は、冷媒を冷却する。冷媒は、例えば水である。温水焚吸収式冷温水器４０によって冷却された冷媒は、第１冷媒経路５２を介して熱利用機器５０に供給される。熱利用機器５０は、例えば屋内に設置された冷風機である。この場合、熱利用機器５０によって利用された冷媒は、屋内の気温以上の温度にはならない。熱利用機器５０によって利用された冷媒は、第２冷媒経路５４を介して温水焚吸収式冷温水器４０に戻される。第２冷媒経路５４には、冷媒を流動させるためにポンプ５８が取り付けられている。
【００１８】
また第２冷媒経路５４には、ポンプ５８より上流側に位置する部分に分岐バルブ５６（第１流路切替部）が取り付けられている。分岐バルブ５６は、熱利用機器５０で利用された後の冷媒を第２冷媒経路５４から第３冷媒経路６０に分岐させ、反応空気供給経路７０に設けられた熱交換器７４に供給する。すなわち分岐バルブ５６は、第３冷媒経路６０に第２冷媒経路５４を流れる冷媒を流すか否かを定める。熱交換器７４は反応空気供給経路７０のうち送風機７２より上流側に設けられており、送風機７２に入る前の反応空気を冷却する。熱交換器７４から排出された冷媒は、第４冷媒経路６２を経由して第２冷媒経路５４のうち分岐バルブ５６とポンプ５８の間の部分に戻される。分岐バルブ５６の開度、すなわち熱交換器７４に供給される冷媒の量は、制御部９０によって制御される。
【００１９】
なお、反応空気供給経路７０には温度測定部７１が取り付けられている。温度測定部７１は、熱交換器７４より上流側で反応空気の温度を測定し、測定値を制御部９０に出力する。制御部９０は、温度測定部７１による測定値に基づいて、分岐バルブ５６の開度、すなわち熱交換器７４に供給される冷媒の量を制御する。制御部９０は、例えば、温度測定部７１による測定値が高くなるにつれて、熱交換器７４に供給される冷媒の量を増やす。
【００２０】
次に、図１に示した燃料電池発電システムの動作について説明する。まず、反応空気供給経路７０に設けられた送風機７２を動作させて反応空気を燃料電池１０の空気極１４に供給し、かつ燃料電池１０の燃料極１２に燃料ガスを供給する。これにより、燃料電池１０は発電する。そのとき、燃料電池１０では熱が発生するが、この熱は、一次冷却水、熱交換器２４、及び二次冷却水を介して、温水焚吸収式冷温水器４０に供給される。温水焚吸収式冷温水器４０は、供給された熱によって駆動し、冷媒を冷却する。
【００２１】
温水焚吸収式冷温水器４０によって冷却された冷媒は、熱利用機器５０に供給された後、再び温水焚吸収式冷温水器４０に戻る。熱利用機器５０で利用された後の冷媒の少なくとも一部は、温水焚吸収式冷温水器４０に戻る前に熱交換器７４に供給される。これにより、反応空気供給経路７０内の反応空気は、送風機７２より上流側で冷却され、密度が高くなる。従って、同一の回転数における送風機７２の送風量が多くなる。言い換えると、同一の送風量の場合、送風機７２の回転数を下げることができる。
【００２２】
以上、本実施形態によれば、熱利用機器５０で利用された後の冷媒の少なくとも一部を用いて、反応空気供給経路７０内の反応空気を、送風機７２より上流側で冷却する。このため、反応空気の密度を高めて送風機７２の回転数を下げることができる。従って、燃料電池発電システムのエネルギー効率が高くなる。
【００２３】
図２は、第２の実施形態に係る燃料電池発電システムの構成を示す図である。この燃料電池発電システムは、以下の点を除いて、第１の実施形態に係る燃料電池発電システムと同様の構成である。
【００２４】
まず、第１冷媒経路５２には、分岐バルブ８０（第２流路切替部）を介して第５冷媒経路８２の一端が取り付けられている。第５冷媒経路８２の他端は、第３冷媒経路６０につながっている。すなわち分岐バルブ８０は、第５冷媒経路８２に第１冷媒経路５２を流れる冷媒を流すか否かを決める。また第４冷媒経路６２には、分岐バルブ８６を介して第６冷媒経路８４の一端が取り付けられている。第６冷媒経路８４の他端は第１冷媒経路５２のうち、分岐バルブ８０と熱利用機器５０の間の部分につながっている。
【００２５】
すなわち本実施形態では、分岐バルブ５６，８０，８６を調節することにより、熱利用機器５０で利用される前の冷媒と、熱利用機器５０で利用された後の冷媒の何れかを選択して熱交換器７４に流すことができる。
【００２６】
例えば熱利用機器５０で利用される前の冷媒を熱交換器７４に流す場合、まず、分岐バルブ５６を調節して第２冷媒経路５４を流れる冷媒が第３冷媒経路６０に流れないようにする。次いで、分岐バルブ８０を調節して、第１冷媒経路５２を流れる冷媒の少なくとも一部が第５冷媒経路８２を経由して第３冷媒経路６０に流れるようにする。また分岐バルブ８６を調節して、第４冷媒経路６２を流れてきた冷媒が第２冷媒経路５４に流れずに第６冷媒経路８４を経由して第１冷媒経路５２に戻るようにする。
【００２７】
逆に熱利用機器５０で利用された後の冷媒を熱交換器７４に流す場合、まず、分岐バルブ８０を調節して第１冷媒経路５２を流れる冷媒が第５冷媒経路８２を介して第３冷媒経路６０に流れないようにする。次いで、分岐バルブ５６を調節して第２冷媒経路５４を流れる冷媒の少なくとも一部が第３冷媒経路６０に流れるようにする。また分岐バルブ８６を調節して第４冷媒経路６２を流れてきた冷媒が第６冷媒経路８４に流れずに第２冷媒経路５４に戻るようにする。
【００２８】
上記した分岐バルブ５６，８０，８６の調節は、制御部９０が行う。制御部９０は、燃料電池制御部、送風機制御部、及び切替制御部を兼ねている。具体的には、制御部９０は、燃料電池１０を制御して燃料電池１０の出力電力を所望の値にする。燃料電池１０には出力電流を測定する出力電流測定部１６と、出力電圧を測定する出力電圧測定部１８が設けられている。出力電流測定部１６及び出力電圧測定部１８の測定値は、制御部９０に出力される。また制御部９０は、燃料電池１０の出力電流が大きくなったときに送風機７２の回転数を上昇させる。そして制御部９０は、分岐バルブ５６，８０，８６を制御することにより、送風機７２の回転数が上限未満のときには熱利用機器５０で利用された後の冷媒が熱交換器７４に流れるようにして、回転数が上限になったときには熱利用機器５０で利用される前の冷媒が熱交換器７４に流れるようにする。
【００２９】
ここで、制御部９０が分岐バルブ５６，８０，８６に対して上記した制御を行う意味について説明する。上記したように制御部９０は、燃料電池１０を制御して燃料電池１０の出力電力を所望の値にしている。ここで反応空気の気温が上昇すると、反応空気の密度が低下するため、送風機７２の回転数が増えない限り、燃料電池１０に供給される反応空気の量が低下する。反応空気の量が低下すると、反応空気中の酸素利用効率が高くなるため、燃料電池１０の出力電圧が下がり、それに伴って燃料電池１０の出力電流量が増加する。そして制御部９０は、燃料電池１０の出力電流量が大きくなったときには送風機７２の回転数を上昇させ、反応空気の供給量を増加させる。
【００３０】
ただし、送風機７２の回転数には上限がある。このため、送風機７２の回転数が上限になると、反応空気をさらに冷却して密度を高くする必要がある。このため制御部９０は、第３冷媒経路６０に第１冷媒経路５２を流れる冷媒を流す。
【００３１】
図３は、制御部９０が行う制御の一例を示すフローチャートである。まず制御部９０は、初期状態においては分岐バルブ５６，８０，８６を制御して、熱利用機器５０に利用された後の冷媒すなわち第２冷媒経路５４を流れる冷媒を第３冷媒経路６０に流して反応空気を冷却する（ステップＳ１０）。この間、制御部９０は、燃料電池１０の出力電流量が大きくなったときには送風機７２の回転数を上昇させ、反応空気の供給量を増加させる。
【００３２】
そして送風機７２の回転数が上限値になる（ステップＳ２０：Ｙｅｓ）と、制御部９０は燃料電池１０の出力を制限して低下させる（ステップＳ３０）。そして制御部９０は、分岐バルブ５６，８０，８６を制御して、熱利用機器５０に利用される前の冷媒すなわち第１冷媒経路５２を流れる冷媒を第３冷媒経路６０に流して反応空気をさらに冷却する（ステップＳ４０）。
【００３３】
反応空気が第１冷媒経路５２を流れる冷媒によって冷却されると、反応空気の密度は増加する。このため、反応空気中の酸素利用効率が低くなるため、燃料電池１０の出力電圧が上がり、それに伴って燃料電池１０の出力電流量が徐々に低下する。これに伴い制御部９０は、送風機７２の回転数を徐々に低下させる。そして制御部９０は、送風機７２の回転数が基準値以下になる（ステップＳ５０：Ｙｅｓ）と、燃料電池１０の出力の制限を解除する（ステップＳ６０）。そしてステップＳ１０に戻り、制御部９０は、分岐バルブ５６，８０，８６を制御して、熱利用機器５０に利用された後の冷媒すなわち第２冷媒経路５４を流れる冷媒を第３冷媒経路６０に流して反応空気を冷却する。
【００３４】
以上、本実施形態によっても第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、必要なときに熱利用機器５０に利用される前の冷媒を用いて反応空気をさらに冷却することができる。例えば夏場に暑い日がある地域に燃料電池発電システムが設置されたときを考える。外気の温度が高い場合、熱利用機器５０で利用された後の冷媒の温度が高くなり、熱利用機器５０で利用された後の冷媒では十分に反応空気を冷却できなくなる。このような場合、本実施形態では熱利用機器５０で利用される前の冷媒を用いて反応空気を冷却する。一方、外気の温度が高くない場合、熱利用機器５０で利用された後の冷媒の温度は未だ低いため、熱利用機器５０で利用された後の冷媒でも十分に反応空気を冷却できる。
【００３５】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００３６】
１０ 燃料電池
１２ 燃料極
１４ 空気極
１６ 出力電流測定部
１８ 出力電圧測定部
２０ ポンプ
２２ 気水分離器
２４ 熱交換器
３０ 循環経路
３２ ポンプ
３４ 分岐バルブ
３５ 分岐バルブ
３６ 冷却塔
４０ 温水焚吸収式冷温水器
５０ 熱利用機器
５２ 第１冷媒経路
５４ 第２冷媒経路
５６ 分岐バルブ
５８ ポンプ
６０ 第３冷媒経路
６２ 第４冷媒経路
７０ 反応空気供給経路
７１ 温度測定部
７２ 送風機
７４ 熱交換器
７６ 排気経路
８０ 分岐バルブ
８２ 第５冷媒経路
８４ 第６冷媒経路
８６ 分岐バルブ
９０ 制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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